专利名称：具有改良型刀具的旋转钻头的制作方法
技术领域：
该发明一般涉及在地面上钻井眼用的旋转锥形钻头，特别涉及具有强化下井性能的组合式锥形刀具。
背景技术：
用于在地面上形成井眼的一种类型钻头是滚轮锥形钻头。典型的滚轮锥形钻头包括带有上端部的主体，该上端部用于与钻杆柱相连接。从主体下端部部分向下垂挂着若干条臂，通常为三条，每条臂带有转轴，它相对主体的突出的旋转轴线径向向内和向下地伸出。锥形刀具安装在每条转轴上，并可转动地支承在轴承上，而轴承作用于转轴与刀具中转轴所安放的空穴的内侧之间。一只或多只喷嘴位于主体的下侧和臂的径向向内。安置这些喷嘴是为了将来自钻杆柱的钻井液引导向下通至已形成的井眼底部。钻进液将从井眼底部切削下的材料冲走，并清洗刀具，携带着切屑径向向外，然后在确定于钻头主体和井眼壁之间的环状空间内向上。
对使相应滚轮锥形刀具得以转动的轴承加以防护能延长钻头的有效使用寿命。一旦钻井岩屑得以渗漏到锥体和转轴的支承表面之间，轴承和钻头将很快失效。已经采取各种机构防止岩屑进入支承表面之间。一种典型的方法是横越旋转锥形刀具和其在钻头支承之间的空隙采用弹性密封垫。然而，一旦密封垫失效，钻井岩屑通过旋转刀具和转轴之间的间隙污染支承表面的时间也就为期不远了。这样，重要的是要对密封垫进行充分防护，以防止井眼中岩屑引起的磨损。
在现有技术中至少已采取了两种措施以防止密封垫与井中岩屑接触。一种措施是在转轴支承臂和刀具间间隙的相对侧上相应地设置表面硬化和耐磨小块，在那里，间隙向钻头的外侧开口，并暴露于携带岩屑的井液之中。这些小块减慢邻近间隙的金属的冲蚀，从而推迟密封垫暴露于井眼岩屑之下的时间。另一种措施是制作刀具和转轴支承臂的内配合件，以便在间隙中产生一条岩屑难于通向密封垫的曲折路径。后一种装置的例子已在美国专利NO.4037673中公布。
第一种措施的例子是应用于通常的三锥体钻头中，其中每一锥形刀具的底座在相应转轴和支承臂的连接处至少有部分由称为锥形背面的基本为锥台的表面所确定。该锥形背面在与刀具的壳体或接头的锥形表面的相反方向倾斜，并包括若干硬质合金小块或表面压块。后者设计成用以减少背面的锥台部分在间隙锥体侧的磨损。在间隙的另一侧臂的顶端用表面硬化材料加以保护。为了定义的目的，臂的这一位于钻头外侧上，而在喷嘴之下的部分称作衬衫尾状表面或简单地称作衬衫尾。更具体地讲，在涉及现有技术钻头时，转轴与臂连接处径向向外，并向着钻头外侧的，衬衫尾的下指向部分称为衬衫尾部顶端或衬衫尾顶端。
在使用具有前述特征的旋转钻头进行钻时时，岩屑常常集合在锥形刀具的背面和井眼壁之间，通常位于与每一锥形刀具相关联的相应间隙向着井眼环状空间开口的区域之内。结果，钻井期间，在钻头转动方向进行引导的衬衫尾顶端边缘的下侧，也即引导边缘就要被冲蚀。当该冲蚀逐步加剧，衬衫尾顶端的表面硬化覆盖层要最终被削掉。这一削掉使底下的软金属暴露于冲蚀之下，从而缩短了岩屑可取道间隙通向密封垫的路径。这一路径缩短最终将密封垫暴露于井眼岩屑之中，从而引起密封垫的失效。
发明内容
本发明意欲通过相关联锥形刀具及它们相应支承臂之间相互配合关系的新型结构，得到改良型的旋转锥形钻头，以更好的防护在每一锥形刀具及其相应臂之间裕度间隙处的冲蚀，从而更好地防护放置在与每一锥形刀具相关联的间隙中的密封垫。本发明还包括具有改良的抗磨损表面和强化使用寿命的组合式锥形刀具。
根据发明的一个意图，具有主体的旋转凿岩钻头的支承臂和锥形刀具组件提供优异的抗冲蚀性。该组件包括与主体整体成形的臂，它具有内表面、衬衫尾状表面和底部边缘。内表面和衬衫尾状表面在底部边缘处连接。转轴与内表面连接，并相对臂向下倾斜。转轴的一个部分确定内密封表面。该组件还包括刀具，该刀具确定一个具有孔的空穴，有于安放转轴。空穴的一部分确定与内密封表面同轴的外密封表面。该组件进一步包括密封垫，用于在内、外密封表面之间形成流体障碍。与每一支承臂和锥形刀具组件相关联的间隙包括一个成形于相应空穴和转轴之间的部分，并具有一个与相应的支承臂的底部边缘连接的开口。
按发明的另一个意图，在组合式锥形刀具上设置有具有诸如表面硬化的硬质金属覆盖层的锥体背面。另外，包括背面的组合式锥体的一个部分本身也可由硬质金属制成，这样，邻近间隙的组合式锥体的底座对冲蚀和磨损都是高度坚固的。为完成这一事，发明的一个重要和最佳方面是为旋转锥形钻头成形一种由不同材料构成的组合式锥形刀具，这些材料在旋转锥形钻头生产要求的通常工艺步骤下通常是相互不相容的。特别，锥形背面可由硬质金属材料制成，它比常规的表面硬化材料对冲蚀和磨损更坚固，而且也是与锥形主体的主要部分或壳体要承受的常规热处理工艺不相容的。
发明还归结为锥形刀具主体的新型结构，它具有分别形成的底座部分和锥形接头或壳体，而底座部分由可非热处理的材料构成，锥形接头或壳体则由普通的热处理钢构成。此后，该底座和接头以一种对接头的热处理特性和底座的高硬度特性都不破坏的方法牢固地连接在一起。本发明最终生产出一种组合式锥形刀具，它具有优化下井性能的冶金特性，同时又得以使组合式锥形刀具的生产可靠和有效。
本发明的一个重要技术优点包括有能力将背面环与锥形刀具主体的壳体或接头分隔开加以制作或生产。这样，在相应的模压或浇铸工艺期间，各类抗磨损小块，插入物和/或压块可作为背面环的整体部分加以制作。还有，背面环作为单独另件加以制作使得模压一层金刚石和/或金刚石颗粒作为背面环的整体部分成为可能。本发明使背面环的结构和生产得以优化相关联的锥形刀具的下井性能，而不损害锥形刀具主体的壳体或接头的性能。
本发明的前述和其它优点将由下述实现本发明的最佳实施例说明，并结合附图而变得更为清晰。
附图概述为了更全面地了解本发明及其优越性，请参考结合附图进行的下述说明，其中
图1是体现本发明新型特点的旋转锥形钻头的等轴视图；图2是安装于图1钻头支承臂上的旋转锥形刀具中之一的放大图，它局部为剖面，局部为正视图，有些部分被截去；图2A是图2中旋转锥形刀具的放大图；图3是体现本发明另一实施例的旋转锥形刀具，刀具与井眼底部处于钻眼啮合中，它局部为剖面，局部为正视图，有些部分被截去；
图4A是体现本发明一个实施例的背面环的放大等轴视图，它适合与图1和2中的旋转锥形刀具一起使用；图4B是体现本发明另一实施例的背面环的放大等轴视图，它适合与图1和图2中的旋转锥形刀具一起使用；图4C是体现本发明又一实施例的背面环的放大等轴视图，它适合与图1和2中的旋转锥形刀具一起使用；图4D是体现本发明再一实施例的背面环的放大等轴视图，它适合与图1和2的旋转锥形刀具一起使用。
发明详尽说明参考图1-4D将对本发明的最佳实施例得到最好的了解，相同的数字用于指示不同图中的相同或相应另件。
由用作展示的各图所示，本发明的实施例是一只用于在地面上钻井眼类型的旋转锥形钻头10。有时，旋转锥形钻头10也可称作“凿岩钻头”。使用旋转锥形钻头10时，当安装在钻头10上的钻杆柱(未表示)的旋转引起锥形刀具11绕井眼的底部转动时，就发生切削作用。刀具11有时可称为“旋转锥形刀具”或“滚轮锥形刀具”。
如图1所示，每把刀具11包括由凹槽12形成的刀口和凸出的刀片13，它们在通过钻杆柱施加的重量作用下对着井眼侧面和底部刮削和凿挖。由此产生形成的材料岩屑被由钻头10下侧15上的喷嘴14中射出的钻井液从井眼的底部带走。通常，岩屑携带液从钻头10的下侧15或外部和井眼底部之间径向流出，然后通过确定于钻头10和井眼侧壁17之间的环状空间16(图3)向上流至井口(未表示)。
如图1所示，旋转锥形钻头10包括一个扩大的主体19，它带有一个圆锥形，外部车有螺纹的上部分20，该上部分20用于固定至钻杆柱的下端。从主体向下垂挂着三根支承臂21(在图1中能看到两根)，每根臂带有转轴23(图2和3)，它由其内表面24和衬衫尾状外表面25伸出，并与之连接。转轴23相对钻头主体19最好向下和向内倾斜，这样，当钻头10转动时，刀具11的外部啮合井眼的底部。对某些应用，转轴23也可在钻头10的旋转方向倾斜一个零至3或4度的角度。
在本发明的范围内，三把刀具11中的每一把的设计和在其相应转轴2 3上的安装都以基本相同的方式进行(除刀片13的行列形式外)。因此，只对一件臂21/刀具11组件详细说明，应理解到这样的说明对其它两件臂-刀具组件也适用。
图2和3表示了由滚轮锥形刀具11和11”所代表的本发明的另一些实施例，它们可以满意地与诸如图1所示的旋转钻头一起使用。图1和2的钻头10在结构和功能上基本与图3的钻头10”相同，除去对衬衫尾状表面25”和锥形刀具11”有修改。底座部分或背面环30”的尺寸也有所修正以便容纳示于图3中的较短的衬衫尾状表面25”。这些修改在下文将更为详细地说明。
如图2所示，刀片13安装在成形于刀具11的圆锥形壳体或接头29上的窝孔27内。根据制成钻头的意图应用各种类型的刀片和压块可与接头29一起使用。例如，椭圆形的压块(未表示)可用于提供更长的使用寿命，且磨损较少。还有，接头29可成形成具有一行或多行的齿(未表示)。
刀具11的底座中分30包括凹槽12，且是截头锥体的形状，但角度形成的方向与接头29在其外表面的角度相反。底座30还包括锥台形的外部分33，它具有成形在其外表面上的背面31，和相对转轴23的中心轴线35径向延伸的端部部分34。底座30和接头29配合形成组合式锥形刀具11。底座部分30也可称作“背面环”。
一个用于放置转轴23的，通常为圆柱形的空穴36。是由端部部分34向内开的。适当的轴承37安装在转轴23上，并啮合于空穴36的支承壁39和转轴23上的环形支承表面38之间。常规的球固定系统40将刀具11固定至转轴23上。
图2是支承臂21及其附属转轴23的放大剖面及正视图，在转轴23上安装有组合式锥形刀具11。在圆柱形空穴36的内侧与相邻的支承臂21的内表面24和/或转轴23的外部部分之间形成有间隙41。衬衫尾状表面25的顶部与底座部分30的端部部分34配合局部地确定了间隙41的第一分段52。间隙41的第二分段54由空穴36的内侧和转轴23的外侧确定。间隙41的第一分段52位于通常与转轴轴线35相垂直的平面上。间隙41的第二分段54大致与转轴轴线35平行而延伸。这样，间隙41包含了基本与第二分段54相垂直的第一分段52。
弹性密封垫43放置在间隙41中，位于转轴23和空穴36的内侧之间以阻断井液和岩屑通过间隙41而漏入。密封垫43位于转轴23与支承臂21连接处的邻近。密封垫43既能保持轴承37内的润滑剂，又能避免岩屑通过间隙41漏入到转轴23和刀具11的相对转动支承表面38和39之间的空间。密封垫43保护相关联的轴承37免受润滑剂的损失和诸如岩屑的进入，从而延长了钻头10的寿命。
间隙41包含一个开口，它位于外表面或衬衫尾状面25的邻近，并与臂21的底部边缘毗连，这样就有了与井眼环状空间16进行流体交换的余地。重要的是使间隙41的宽度保持相对小，而间隙41在其通向环状空间16的开口和密封垫43之间的长度尽可能保持相对长，从而减少岩屑和漏入，这些岩屑在钻头10转动时可能磨损密封垫43。
间隙41的双分段结构也阻止岩屑进入支承表面38和39之间。在图2A中，间隙41的结构表示得更为详细。通常，进入第一分段52的岩屑将具有足够的动量以流入第二分段54。这样的岩屑将简单地从分段52跌落返回至环状空间16中，而不是对密封垫43进行磨损。这样，间隙41的开口的位置(邻近表面25，并与臂21的底部边缘毗连)及其双分段结构都为密封垫43提供了抗岩屑磨损的保护。背面31最好在衬衫尾状表面25边缘之外延伸足够的距离X，以便将钻井液从间隙41的开口偏移开，这进一步阻止流体携带的岩屑与密封垫43的接触，以及通过间隙41进入至支承表面38和39之间。
根据本发明的另一个意图，而这由图3能最好地看到，刀具11”和钻头支承臂21是专门设计的，从而刀具11的底座部分30”与转轴23相互配合，这使间隙41”得以在与转轴轴线35基本平行的方向贯穿其长度而延伸。特别是，间隙41包含一个外圆筒形片段，它与衬衫尾状表面25”相交，且从转轴23和刀具11”之间向上、向外开口进入井眼环状空间16。结果，可装置硬质金属表面以更好地保护间隙41免遭冲蚀，延长密封垫43的使用寿命，特别在那些现有技术的装置上，因为它们具有带下侧边的衬衫尾状端部，这样的端部在所有时间内，会由于冲蚀而暴露至井眼岩屑中。
如在第2和3两幅图所示，分别与间隙41和41”邻近的衬衫尾状面25和25”可用通常的表面硬化材料层46加以覆盖，用以防止由于臂21的冲蚀造成间隙41的冲蚀加宽。最佳的表面硬化材料包括弥散在钴、镍、或铁基合金基体中的碳化钨颗粒，且可采用熟知的熔融焊接工艺。
如图2所示，通过将刀具11的外部分33和背面31从表面硬化层46在径向向外间隔距离X可获得对冲蚀的附加防护。距离X使背面31得以偏转钻井液的流动，这足以阻止钻井液直接流入至间隙41的开口中。距离X是井眼直径和钻头类型(没有密封垫，有密封垫，或双重密封垫)的函数，其值可由1/16″至3/16”。对本发明的一个实施例X大约为1/8″。
为了强化背面31在间隙41的锥体侧的耐磨性，背面31或设置成具有硬质金属覆盖层或由硬质金属制成。如在下文将更为详细地解释，本发明允许背面31由名目繁多的硬质材料制成。背面31最好比构成层46的表面硬化材料硬，且不使用填充剂而安装在底座30的外部分33上。特别是，背面31可包括成分包含由铜、镍、铁或钴基合金基体包围的碳化钨颗粒的材料，这种材料被直接应用于基本为全部的外部分33上。其它可采用的表面硬化材料包括钨、铌、钒、钼、硅、钛、钽、铪、锆、铬或硼的碳化物，氮化物，硼化物，碳氮化物，硅化物，金钢石，金刚石复合物，氮化碳和它们的混合物。对某些应用，具有表1中所给的尺寸范围的碳化钨颗粒可用于成形背面31。
如第二和三两幅图的实施例所示，本发明的一个重要方面提出，刀具11和11”中的每一把都具有组合式锥形主体，该主体具有与接头29分别成形的相应的底座30和30”。底座30和30”可包含可非热处理的硬质金属元件，其硬度高于在现有旋转锥形刀具中可找到的。相反，锥形接头29可由普通的热处理钢制成。当具有这种结构时，锥形背面31能较好地同时经受冲蚀和研磨磨损，这样，不仅能提供密封垫43强化防护，还能更好地用于保持井眼壁17的规范直径，特别在钻挖斜井眼或水平井眼时，更是如此。
本发明的一个重要特征是，接头29可由任何可淬钢或其它高强度工程合金制成，只要它具有要求的强度、韧性和抗磨损性以便经受特定的下井使用严酷性。在一个举例的实施例中，接头29由9315钢制成，它在热处理条件下，芯体硬度近似为HRC30至45，而最终的拉伸强度为950至1480MPa(138至215Ksi)。刀具11的其它部分，如精密的支承表面39，也可由该9315钢制成。在生产接头29时，合金以普通熟知的方法进行热处理和淬火，以便给予接头29要求的硬度。
本发明的一个同等重要的特征是，底座部分30和30”可由这样的材料设计和制成，它们强化相应的滚轮锥形刀具11和11”的使用寿命，而不会限制相关联接头29的性能。在图2和3所示的实施例中，底座30和30”包括低合金钢的芯体32，在该芯体32上附加有硬质金属的连续层或镀层49。低合金钢通常具有的合金含大约在2和10的重量百分比之间。芯体32也可称作“基体环”。芯体32最好是与接头29有相同材料成份的环形件，但是是不可淬火硬化的，诸如低碳钢的较便宜的钢合金。在添加层49时，钢芯体32的外部被机加工至接受要求的镀层的尺寸，并被放至预制的模具(未表示)中，其空穴成形为层49提供要求的镀层厚度，为外部分33提供锥台形状。
对某些应用，基体环或芯体32是渗漏合金的，它包含25重量百分比的锰，15重量百分比的镍，9重量百分比的锌和51重量百分比的铜。该合金具有良好的熔融和流动特性，并对碳化钨和钢都有很好的浸润性。典型地的表面硬化层49可包含按体积为20％至40％之间的渗漏合金。
表面硬化层49的镀敷技术在目前是众所周知的。一种技术是使用在Ni，Co，Cu或Fe基基体中包含陶瓷颗粒的焊条的原子氢或含氧燃料的熔接工艺。第二种技术是使用在Ni，Co，Cu或Fe基基体中包含陶瓷颗粒的粉末的热喷镀或等离子转移弧工艺。这技术在美国专利4938991中进行了讨论。第一和第二种技术都可或由手工或由机器人焊工进行。第三种技术公布在美国专利3800891中(见行7，8和9)。
另外，表面便化层49可通过熔浆浇铸工艺来施加，其中，诸如最佳实施例中描述的其它表面硬化材料的硬质颗粒与铁合金的熔池相混合。此外，也可以是镍、钴或铜基合金的熔池。该混合物倒入模具，凝固形成底座部分30。凹槽12可在镀敷表面硬化层49时压制，或在层49已被施加至基体环32后，切削进入进入层49而成。
对于一个实施例，准备的模具是由石墨铣成或车成的。每一个将与钢芯体32接触的内表面都涂有诸如wall Colmoney的绿色防护涂层(Green Stop Off)涂料的硬钎料防护涂层。不镀表面硬化层49的钢芯体32的表面也要涂上涂料。模具最好设计成，钢芯体32的热膨胀不会使易碎的石墨模具另件受力。
钢芯体32在涂上涂料的模具内组装。形成表面硬化层49的硬质颗粒于在模具空穴内分布。表1表示了用于最佳实施例的硬质颗粒的尺寸和分布。
表I美国网目 重量％+80 0-3-80+120 10-18-120+170 15-22-170+230 16-25-230+325 10-18-325 28-36接着，对模具施加振动以压实模具空穴内松散的颗粒层。然后将渗漏合金放置在位于空穴中硬质颗粒层之上的材料分布槽中。如果渗漏工艺是在自然通风炉中进行的，则要加入粉末熔剂以防护合金。如果该工艺是在真空或保护气氛中进行的，则不要求熔剂。
在使用模具时，碳化金属粉末或其它合适的材料弥散在空穴内部，将它填满，而渗漏合金相对模具而放置。然后将渗漏合金和模具在炉内加热至合金熔化，并完全渗漏至模具空穴的温度，引起碳化物颗粒结合在一起，并与钢芯体32结合。
另外，底座30可制作成复合材料铸件，复合材料由在诸如高强度低合金钢的韧性铁基体，或扩散硬化不锈钢中的诸如碳化硼(B4C)，氮化硅(Si3N4)或碳化硅(SiC)的硬质颗粒构成。这些形状为纤维或粉末的颗粒能加强这样的基体。该基体或者可以通过将颗粒与熔融合金混合，将合成的浆浇铸形成，或者可制作这些颗粒的预成型坯，并使熔融合金渗漏到该预成型坯中而形成。可通过惯性焊接或相类似的技术，将底座30安装到接头29上以形成组合式的旋转锥形刀具11。
一旦底座30(以不同于上述复合材料浇铸工艺的方法制成)和接头29都制成，这两件分开的另件以基本不破坏其中每件另件要求特征的方式连接在一起。最好采用惯性焊接工艺将它们沿焊缝线50(图2)连接在一起，其中一件另件在转动上保持静止，而另一件预定的速度旋转，这产生足够的局部摩擦热，从而使这些另件熔融，并瞬间焊接在一起而不需使用填充剂。该工艺应用常规的惯性焊机，该焊机成形成得以在该机质量旋转容量极限内改变旋转质量，并将该质量以可控制和可重复和速率进行旋转。一旦转动的另件处于预定旋转速度，以预定的锻造力将这些另件进行接触，而该力足以使预先加工的宽0.191英寸，高0.075英寸的周边脊完全变形。该旋转速度是以相同的尺寸，合金和预连接条件的试验另件实验确定的。完全的变形使被连接另件上的两个平面相对表面进行接触。
在一个例子中，底座30具有的体积为4.722立方英寸，而重量为1.336磅，它被采用44000磅轴向负载，2200转/分的旋转速度而成功地连接至具有16.69立方英寸体积和4.723磅重量的接头29上。
图2可最好地表明，旋转锥形刀具11可采用将底座30与接头29进行惯性焊接而形成。可在底座30的内侧设置周边法兰或脊112，以便与成形于接头29紧贴部分上的凹口114啮合。周边法兰112和凹口114相配合得以在惯性焊接过程期间建立底座30与接头29要求的对准。在旋转锥形刀具1 1组装的较后的步骤期间，可将弹性密封垫43放置在凹口114之内。
图4A-D各自展示了底座部分30，130，230和330，如前所述，它们可与接头29连接，提供体现本发明各种不同实施例的组合式锥形刀具。本发明的重要优点就是有能力采用带有不同底座部分或背面环的相同接头2 9。图4A是一幅放大图，它展示前述相对组合式锥形刀具11的底座部分或背面环30。背面环30包括孔44，其尺寸做成与空穴36匹配，并得以将转轴23安装在相关联的锥形刀具11的空穴36之内。所要求的表面硬化材料层49最好放置在外部分33的外侧以形成背面31。
图4B展示了体现本发明另一实施例的背面环130。背面环130的外部分33包括若干通常为圆柱形的刀片132。在一种应用中，刀片132具有的厚度或高度大致为0.08″。刀片132的厚度部分受限于相关联的基体环或钢芯体32的厚度。刀片132可由各自繁多的材料制成，诸如烧结的碳化物，热稳定的金刚石，金刚石颗粒，或任何其它用于形成层49的材料。
在图4C中展示了体现本发明又另一实施例的背面环230。若干刀片232设置在背面环230的外部分33。与刀片132的圆形截面相比，刀片232通常具有三角形截面。另外，刀片232可用前述用于刀片132的相同材料制成。
在图4D中展示了体现本发明再另一实施例的背面环330。若干刀片332设置在背面环330的外部分33。刀片332可以是天然金刚石和/或人造金刚石，它们被铸造成背面环330的整体部分。刀片342是背面环330整体部分的较小的金刚石或金刚石片铸件。本发明允许根据最终的旋转钻头的意图应用，改变用于形成外部分33的金刚石或金刚石片的尺寸，位置和数目。
虽然，对本发明及其优点进行了详细的说明，但应认识到只要不偏离所附权利要求确定的本发明的精神和范围，其中的各种更改、替换和变动都是可行的。
权利要求
1.一种用于成形井眼的旋转锥形钻头，所述钻头包括主体，它具有下侧和用于与旋转所述主体的钻杆柱相连接的上端部部分；若干角向分隔的臂，它们与所述主体整体地形成，并由其下垂，每条所述臂具有带着与此连接的转轴的内表面，和可转动地安装在每一所述转轴上的锥形刀具；和每一所述刀具，它包括内侧，通常为圆筒形的确定安放所述转轴的空穴的壁和通常为锥形的组合式刀具主体，该组合式刀具主体具有带背面的底座和接头，背面包括由硬质材料制成的暴露表面部分，而接头由普通钢材料制成，其中所述底座包括与所述接头分开制成的环。
2.由权利要求1所述的钻头，其中每一所述刀具包括通常为锥形的刀具主体，它具有确定空穴孔的所述底座和背向所述空穴孔的所述接头，所述底座的外部分具有通常为锥台的形状，背向所述接头和围绕所述空穴孔，且所述外部分具有在其上的硬质金属材料层以形成所述背面。
3.由权利要求1所述的钻头，其中每一所述刀具包括通常为圆筒柱的，确定于所述转轴和空穴壁之间的间隙，所述间隙具有与所述臂相交，并由所述臂由上、向外开口的外分段，在所述空穴壁，与内密封表面同轴的外密封表面，和在所述内和外密封表面之间密封的密封另件。
4.由权利要求1所述的钻头，其中所述底座相对所述转轴径向、轴向伸展，以致在靠近衬衫尾状表面，所述背面在所述衬衫尾状表面之外，向着所述井眼的侧壁延伸一个距离。
5.由权利要求1所述的钻头，其中所述硬质材料是与用于成形所述接头的，普通热处理工艺不相容的。
6.由权利要求1所述的钻头，其中每一所述刀具还包括经热处理的所述接头和通过惯性焊接，不破坏所述接头的热处理而固定于所述接头的所述底座。
7.由权利要求1所述的钻头，其中所述底座包括由普通钢材料制成的中心芯体，而所述硬质材料镀敷在所述中心芯体上。
8.一种旋转锥形刀具，用于与井眼的侧壁和底部进行钻孔啮合，包括通常为锥形的组合式主体，它具有中心轴线，有若干由其突出的刀片的接头，和与所述接头连接以形成所述组合式主体的底座；空穴，它沿所述轴线成形于所述主体中，并由所述底座开口进入所述接头；环形背面，它形成在所述底座的外部分；和所述背面具有镀敷的硬质材料以便与所述井眼的所述壁啮合，而所述底座包括与所述接头分别形成的环。
9.由权利要求8所述的旋转锥形刀具，它包含若干形成于所述硬质材料中的刀口。
10.由权利要求8所述的旋转锥形刀具，其中所述刀口是由横越所述背面通常在径向延伸的凹槽在所述硬质材料中形成的。
11.由权利要求8所述的旋转锥形刀具，其中所述背面还包括低合金钢芯体，而所述底座的所述外部分布置在所述芯体上，所述外部分包含一层所述硬质材料层。
12.由权利要求8所述的旋转锥形刀具，还包括所述硬质材料，它选自由碳化钨、钨、铌、benadium、malipthium、硅、钛、钽、锿、锆、铬、硼的氮化物，硼化物，氮碳化物、硅化物，金刚石、金刚石颗粒，氮化碳，或其混合物所构成的群组。
13.由权利要求8所述的旋转锥形刀具，其中所述硬质材料包括放置在所述底座的所述外部分中的若干金刚石。
14.由权利要求8所述的旋转锥形刀具，其中所述硬质材料包括布置在所述外部分的外侧，由选自铜、镍、铁或钴基合金构成的群组的基体所包围的碳化钨颗粒。
15.在用于形成井眼的旋转凿岩钻头中，改进包括通常为锥形的组合式刀具主体，它具有底座和接头，底座带有由与普通热处理工艺不相容的硬质材料形成的外表面，而接头由热处理合金钢形成，所述底座采用与所述硬质材料和所述合金钢均相容的方法被固定至所述接头上，其中所述底座包括与所述接头分开形成的环。
16.由权利要求15所述的旋转凿岩钻头，其中所述接头沿焊缝线固定至所述底座上。
17.由权利要求16所述的旋转凿岩钻头，其中所述焊缝线是由惯性焊接工艺造成的。
18.由权利要求15所述的旋转凿岩钻头，其中所述背面还包括低合金钢芯体，芯体带有布置在所述芯体上的所述底座的所述外部分，而所述外部分包括所述硬质材料层。
19.由权利要求15所述的旋转凿岩钻头，还包括所述硬质材料，它选自由碳化钨、钨、铌、benadium、malipthium、硅、钛、钽、锿、锆、铬、硼的氮化物，硼化物、氮碳化物、硅化物、金刚石、金刚石颗粒，氮化碳、或其混合物所构成的群组。
20.由权利要求15所述的旋转凿岩钻头，其中所述硬质材料包括放置在所述底座的所述外部分中的若干金刚石。
21.由权利要求15所述的旋转凿岩钻头，其中所述硬质材料包括布置在所述底座的外侧，由选自铜、镍、铁或钴基合金构成的群组的基体所包围的碳化金属颗粒。
22.一种生产旋转锥形钻头的方法，旋转锥形钻头带有若干通常为锥形形状的，具有组合式锥形主体的滚轮锥形刀具，组合式锥形主体具有带硬质材料形成的背面的底座和接头，该方法包括的步骤为制造所述底座；制造所述接头；和采用惯性焊接将前述已制成的接头和底座连接在一起。
23.由权利要求22所述的旋转凿岩钻头，其中所述底座的制造包括的步骤还有将粉末金属按要求的镀层厚度放置在低合金钢芯体上；和将所述钢芯体和所述粉末金属一起加热以便使粉末金属与所述钢芯体结合。
24.由权利要求23所述的方法还包括钢中心芯体为接受硬质金属材料层所需的部分成型步骤，和将所述硬质金属材料层在所述成型部分之内成型在所述中心芯体上的步骤。
25.如权利要求24所述的方法还包括在所述硬质金属材料层中成形若干径向凹槽的步骤。
26.一种旋转锥形钻头的具有主体的支承臂-刀具组件，该组件包括；支承臂，它与所述主体整体地成形在一起，且具有内表面；转轴，它被安装至所述内表面，并相对所述支承臂向下倾斜；所述转轴的一个部分，它确定内密封表面；刀具，它具有主体，主体带空穴和孔，用于安放所述转轴；所述刀具主体，它由底座部分及与此连接的接头形成，其中所述底座包括与所述接头分开形成的环；所述空穴的一个部分，它确定与所述内密封表面同轴的外密封表面；密封垫，用于在所述内、外密封表面之间形成流体障碍；和间隙，形成于所述空穴和所述转轴之间。所述间隙的第一部分在于与所述转轴的轴线垂直，所述间隙的第二部分基本与所述转轴的所述轴线平行，而所述间隙具有与所述支承臂的底部边缘毗连的开口。
27.如权利要求26所述的组件，其中所述间隙由所述开口延伸至所述密封垫。
28.如权利要求26所述的组件，其中所述刀具包括在所述底座部分上的背面，所述底座部分径向、轴向地延伸，以致在贴近衬衫尾状表面处，所述背面在衬衫尾状表面之外向井眼的侧壁延伸一段距离。
29.如权利要求26所述的组件，其中所述空穴的第二部分包括外支承表面，而所述转轴的第二部分包括与所述外支承表面同轴的内支承表面，所述密封垫放置在所述开口与所述支承表面之间。
30.如权利要求26所述的组件，其中所述转轴、所述空穴和所述间隙的所述第二部分是圆柱形形状的。
31.如权利要求26所述的组件，其中所述间隙的所述第一部分是平面的，而所述间隙的所述第二部分是圆筒形的。
32.一种用于成形井眼的旋转锥形钻头，包括主体，它具有用于与旋转所述主体的钻杆柱相连接的上端部部分；若干角向分隔的臂，它们与所述主体整体地形成，并由所述主体下垂，每条所述的臂包括内表面；转轴，它具有通常为圆柱形的，与其相应臂的所述内表面连接的端部部分；所述转轴通常相对所述的相应臂向下、下内地伸出；所述端部部分，它具有在其上的内密封表面；和若干锥形刀具，其数目与所述臂的数目相同，各自安装在所述转轴之一上，每一所述刀具包括通常为圆筒形的内壁，它确定用于安放所述相应转轴的空穴，所述空穴具有端部孔；外密封表面，它在所述空穴壁上，与所述内密封表面同轴；和刀具端部部分，它围绕所述端部孔；密封垫另件，用以在所述内、外密封表面之间形成流体障碍；和间隙，它具有第一和第二分段，所述第一分段在所述臂的内部分和所述刀具端部部分之间，所述第二分段在所述转轴和所述空穴壁之间，所述第一分段通常与所述第二分段及所述转轴的轴线垂直，且所述第一分段具有与所述臂相交的开口；所述刀具还包括通常为锥形的刀具主体，该刀具主体具有接头，它背向所述空穴孔；底座，它与所述接头连接，用于局部地确定所述空穴孔，其中所述底座包括与所述接头分开形成的环；所述底座具有围绕所述空穴孔的背面；所述背面具有通常为锥台的形状，且背向所述接头；和表面硬化材料层，它放置在所述底座的外部分上，以形成所述背面。
33.由权利要求32所述的旋转锥形钻头，其中每一所述刀具还包括通常为锥形的组合式刀具主体，它包括所述接头，该接头由普通钢合金形成；所述底座，该底座与所述接头相连接，并具有由硬质金属材料形成的所述背面。
34.由权利要求32所述的旋转锥形钻头，其中所述底座通常是环形形状的，并与所述接头分开形成。
35.由权利要求33所述的旋转锥形钻头，其中所述硬质金属材料是与和所述接头相关联的普通热处理工艺不相容的。
36.如权利要求35规定的旋转锥形钻头，其中所述接头是热处理的，而所述底座采用惯性焊接，对所述接头的所述热处理不破坏地固定至所述接头。
37.由权利要求32所述的旋转锥形钻头，其中所述底座包括中心芯体，它由普通钢材料形成；和所述硬质金属材料，它在所述芯体上形成一层。
全文摘要
一种旋转锥形钻头(10)，它具有若干角向分隔的，与主体(10)整体形成的臂(21)，每条臂(21)具有转轴(23)和外衬衫尾状表面(25)。每根转轴(23)具有通常为圆柱形的上端部部分和内密封表面。数目与臂(21)的数目相等的旋转锥形刀具(11)被安装在各自的转轴(23)上。每一刀具包含内圆筒形壁，确定于转轴(23)和空穴壁之间，具有通常为圆筒形部分的间隙(41)，外密封表面和密封垫零件(43)，该密封垫零件横越间隙(41)，并密封于内、外密封表面之间。刀具(11)最好是由不同类型材料形成的组合件。
文档编号E21B10/08GK1147286SQ9519290
公开日1997年4月9日 申请日期1995年3月31日 优先权日1994年3月31日
发明者马克·菲力普·布莱克曼, 杰伊·斯图尔特·伯德, 迈克尔·史蒂夫·比顿 申请人:德雷瑟工业公司