专利名称：旋转式锥形钻头和增强流体及钻屑上提能力的方法
技术领域：
本发明总的涉及一种用于在地下钻孔的旋转式钻头，具体地说是涉及一种旋转式锥形钻头和一种增强将流体及钻屑上提的能力的方法。
背景技术：
有多种类型的旋转式钻头或凿岩钻头可被用来在地下钻孔。这种凿岩钻头的例子包括用于钻油井和天然气井的滚动式锥形钻头或旋转式锥形钻头。一种典型的滚动式锥形钻头包括一钻头本体，它具有一用来连接一钻井套管的上端。从钻头本体的下端悬伸出多个，一般为三个的支撑臂，每一支撑臂都具有一相对钻头本体的设定的转动轴线沿径向向内和向下凸伸的轴。
传统的滚动式锥形钻头一般由三个分段构成。各个分段之间可以靠一焊接槽沿纵向定位在一起。然后，可以采用传统技术将这三个分段焊接在一起，以形成钻头本体。每一分段上还包括一从钻头本体上伸出的相关支撑臂。在钻头本体内通常形成有一个加大的腔室或通道以容纳来自钻井套管的钻孔流体。美国专利第4,054,772号、名为“用于凿岩钻头焊接的定位系统”中揭示了一种用三个单独的部分构成一三段式锥形旋转式凿岩钻头的方法和装置。本申请中援引美国专利第4054,772号以作参考。
刀具锥体组件通常安装在各个轴上，并且可转动地支承在处于轴和刀具锥体中的轴容纳腔室的内部之间的轴承上。在邻近支撑臂的钻头本体的下边可形成一个或多个喷嘴。诸喷嘴一般的位置设置要引导来自钻井套管的钻孔流体穿过钻头本体，而被引向正在形成的钻孔的底部。钻孔用流体通常由钻井套管提供，它起到包括下述的几个作用将在钻孔底部钻出的材料冲走、清洗刀具锥体组件、以及在钻头本体外部和钻孔内壁之间的环形空间内使钻屑先是径向向外然后再向上地带走。第4,056,153号、名为“带有用于非常硬的地层的多排分布的旋转式凿岩钻头”的美国专利和第4,280,571号、名为“凿岩钻头”的美国专利都是传统的滚动式锥形钻头的例子，它们具有安装在一从一支撑臂上凸伸的轴上的刀具锥体组件。这两个美国专利都已被援引在本申请中以作为针对本发明申请目的的参考。
当采用这样的旋转式钻头或凿岩钻头钻孔时，在刀具锥体附近的流体流动可形成很强的紊流，从而阻止钻屑和其他的岩屑从孔底部向上平稳地流经环状空间排到井的外表面上。另外，这样的岩屑会被受限制的流体流聚集在孔底位置。这样的受限制的流体流带来的这样一些位置的实例包括邻接于相应的一些支撑臂的钻头本体的下部分以及位于钻头本体的外部与钻孔的相邻壁之间的一些环状空间。其他受限制的流体流区域可包括相应的诸各刀具锥体的背面和孔壁。由于聚集了这些岩屑，即使进一步提高经过流体流的区域的流体速度和相邻金属组件的腐蚀，这样的区域还是被减小了。由于这种腐蚀过程的影响，一些重要另件，如轴承和密封件将会暴露于钻孔流体和井岩屑，使该凿岩钻头过早发生故障。
发明概要按照本发明，会基本上减少或避免发生在以前的滚动钻头和旋转式锥形钻头的缺点和问题。在一实施例中，本发明包括一支撑臂和刀具锥体组件，使增大钻孔操作中在一有关的旋转式钻头的外表面四周的流体流动量，用以将钻屑和其他岩屑从钻孔的底部排到井的表面。在每个支撑臂的外表面上设置有一坡道。该坡道是成一斜角设置的，使它从支撑臂的前导边到收尾边向上倾斜。该坡道促使流体、钻屑和其他岩屑流向钻孔壁与一有关的钻孔套管的外表之间的环状间隙中。
本发明的技术优点包括坡道将围绕旋转的动刀具锥体的流体紊流与刀具锥体上方在环状间隙中的流体流分开，以使进入环状间隙的钻屑和其他岩屑不会被朝向刀具锥体方向而拉回。该坡道的外径基本上等于钻孔直径。因此，在钻头本体的其他部分的协同工作下，该坡道将钻头处的流体分到两个基本上独立的区域。由于流体从喷嘴喷出以及刀具锥体的涡旋搅拌作用，在坡道下方的流体流是紊流而且是多方向的。坡道上方的流体流是较少紊流的，并且单方向向上通过环形间隙，这是因为坡道的收尾边可取地位于喷嘴和刀具锥体的出口端的上方。这样，在该区域的流体流不会受到刀具锥体的涡旋搅拌作用或来自喷嘴的向下的流体的干扰。
本发明的另一技术优点包括坡道提供了一种用以将钻屑和其他岩屑向上抬到环形间隙，并离开刀具锥体的手段。当钻头转动时，流体和岩屑沿着该坡道向上移向环状间隙。这样就减小了钻屑对流体流动的区域的干扰作用。
本发明的另一技术优点包括使用了支撑臂上的一坡道后，在支撑臂的位于坡道上方处与钻孔壁之间可形成一间隙，从而提高了流体和岩屑的向上流动的能力。此外，在该坡道的下方还形成一第二间隙，它也增强了流体的流动。该第二间隙使钻孔流体和由一设置在一相邻的支撑臂上的坡道向上抬起的钻屑充分地混合。
为了彻底了解本发明及其优点，现结合附图对本发明作下述的说明。在附图中，同样的标号指的是同样的特征物。
这些附图为
图1是按本发明的技术设计的旋转式锥形钻头的示意图；图2以正视图和部分被剖开的方式表示了一设置在一井孔里的、含有本发明特点的旋转式锥形钻头的支撑臂；图3是具有一按本发明技术设计的坡道的旋转式锥形钻头的支撑臂的另一实施例的示意图；以及图4是具有一按本发明技术设计的坡道的旋转式锥形钻头的支撑臂的又一实施例的示意图。
发明的具体内容通过参阅附图中的图1至4后，将会更好地理解本发明及其优点。诸图中的相应另、部件均用相同的标号。
图1表示了一按照本发明构思的技术设计的滚动式锥形凿岩钻头，它的总标号为“10”。如图2所示，该滚动式锥形凿岩钻头10是用来当与它相连的一钻孔套管(未图示)转动时，它绕着孔16的底部14滚动而依靠诸刀具锥体12的钻割作用钻出一孔。
该滚动式锥形凿岩钻头10包括一钻头本体18，该本体具有一锥形的带外螺纹的上部20，该上部适于固定于钻孔套管(为图示)的下端。从钻头本体18(未图示)悬伸出三个总的用“22”表示的刀具组件(图1中只能看见两个)。诸刀具锥形组件22和钻头本体18组成一整体单元。或者，这些刀具锥形组件22可做成可卸地连接于钻头本体18上的模制单元。每个刀具单元22最好包括一支撑臂24和一刀具锥体12。
每个刀具锥体12可包括，例如，数个设置在每个刀具锥体12的规准面(gauge face)28上的表面压块26。每个刀具锥体12还可包括很多齿30。诸表面压块26和齿30可包括一些用所需的各种硬材料做成的压块或嵌件。或者，齿30可利用刀具锥体12本身铣削而成。
在钻孔期间，钻孔岩屑是从钻孔16的底部14排出的。从刀具锥体凿岩钻头10的下边34延伸出若干喷嘴32，这些喷嘴提供钻孔流体以帮助排出岩屑。该钻孔流体沿径向在钻孔16的下边34与底部14之间朝外流出。位于支撑臂24上的若干坡道36也促进岩屑的排出。
坡道36是设置在支撑臂24的外表面38上的。坡道36也可在每个支撑臂24上用机加工方法朝外形成。或者，坡道36也可先在支撑臂24的外表面38上焊着焊接材料，然后将此焊接材料按坡道36的形状进行机加工。最后，通过在锻打支撑臂24的过程中可在支撑臂24上形成坡道36。在支撑臂24受锻打后，可将坡道36进一步机加工以确定其所需的结构。
坡道36包括前导边40、收尾边42和顶表面44。坡道36的顶表面44是沿这支撑臂24的表面38从前导边40向收尾边总的朝上倾斜的。在收尾边42处，顶表面44最好位于或高于喷嘴32的出口处。在组合式滚动式锥形凿岩钻头中，如果喷嘴32的出口靠近钻头本体18的中心，则顶表面44可设置得低于喷嘴32。所希望的是，在前导边40处的顶表面44在支撑臂24上设置的尽量的低，使促进排出钻屑和其他的岩屑。对于有些用途，在坡道36的前导边40处的顶表面44设置在大致与圆形堵孔(ball plug hole)46相同的高度处。
坡道36还有一由顶表面44限定的厚度。选择坡道36的该厚度应使当滚动式锥形凿岩钻头10位于钻孔16中时，坡道36的外表面48离孔16的壁50有一预定的距离。使用了坡道36就使在支撑臂24的表面38与钻孔16的壁50之间形成第一间隙52。该第一间隙52促使有更多的流体向上流入钻孔16的壁50与一相连的钻孔套管的外表之间的环形间隙54。在支撑臂24的表面38与钻孔16的壁50之间并在坡道36之下形成第二间隙53。该第二间隙53促使钻屑和其他岩屑与钻孔流体的混合物从钻孔16排出。
坡道36的结构可用几种不同的手段加以保护。首先，坡道36可包括多个嵌件56。此外，支撑臂24的下摆部(shirttail)60上可加上硬质焊敷层58。如图3所示，坡道36的前导边140上也可加以硬质焊敷层62。该硬质焊敷层62可包括碳化钨或其他合适的材料的屑或颗粒，用以防止坡道36上的磨损。如图4所示，对坡道36的前导边240可作倒棱处理使坡道36的厚度从前导边240向收尾边242增大。该倒棱后的前导边240减少了旋转式锥形钻头10在钻孔16中转动时受到额外转矩的可能性。
如图2所示，在由钻孔套管施加的井底力作用下，滚动式锥形凿岩钻头10靠其上的诸表面压块26和诸齿30刮檫和限定钻孔16的侧面及底部14。滚动式锥形凿岩钻头10在钻孔16中转向右侧。诸刀具锥体12在钻孔16的底部14产生钻屑和其他的岩屑。诸喷嘴32朝诸刀具锥体12喷出钻孔流体。当滚动式锥形凿岩钻头10转动时，坡道36的前导边40拾起钻屑和流体，并将它们沿表面44朝上移向坡道36的收尾边42，接着向上朝着钻孔的表面向上移入环形间隙54中。
本发明的技术优点是将围绕转动刀具锥体12的流体紊流和在环状间隙54中的较少紊流的的向上的流体流分开，以使进入环状间隙54的钻屑和其他岩屑不会被拉回移向刀具锥体12。此外，坡道36的顶表面44将钻屑和其他岩屑向上拉向环状间隙54并离开刀具锥体12。这样，就减小了钻屑对刀具锥体12四周的流体流可使用范围的干扰作用。
尽管详细描述了本发明及其优点，只要不离开如所附的权利要求确定的本发明的精神和范围，可对本发明作任何变化、替换和修改，这是可以理解的。
权利要求
1.一种用于钻孔的旋转式锥形钻头，它包括一钻头本体，它具有一上端部，该端部可用来与一转动所述钻头本体用的钻孔套管相连接；多个支撑臂，他们从所述钻头本体悬伸出，每个所述支撑臂具有一前导边和一收尾边；多个刀具锥体组件，它们的数量与所述支撑臂的相等，它们分别可转动第安装在所述支撑臂之一上，并且总的相对于其相应的支撑臂向下而向里伸出；以及一表面，它形成在每个支撑臂的外表上，每个所述表面以一角度从所述前导边到所述收尾边而倾斜，这样，诸所述表面的共同工作将在钻孔里的钻屑和流体向上带走。
2.如权利要求1所述的钻头，它还包括所述表面，它具有一邻接于所述收尾边的端部和另一邻接于所述前导边的端部；一喷嘴，它有一邻接于所述支撑臂的至少之一而设置的出口，其中，位于所述收尾边的所述表面的所述端部，位于从所述喷嘴在所述出口的上方。
3.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述表面形成在一坡道上而成为所述支撑臂的一整体部分。
4.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述表面包括一焊接材料，它被焊着在所述支撑臂的所述外表上以形成一从所述前导边到所述收尾边而延伸的坡道。
5.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述表面是在用于形成所述支撑臂的的锻打过程中形成在所述支撑臂的外表上的。
6.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述支撑臂还包括沿所述相应表面的一前导边形成的硬质焊敷层。
7.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，它还包括多个设置在所述支撑臂的所述外表并邻接于所述表面的嵌件。
8.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述表面的外径大致等于钻孔的最大外径，使当钻头在钻孔中转动时，所述表面将钻孔流体和钻屑从钻孔的底部向上抬起并使其离开钻孔。
9.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述表面的一前导边被倒棱，使该表面的厚度从所述表面的所述前导边向所述支撑臂的收尾边增大。
10.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述刀具锥体组件的每个包括一具有多个在所述刀具锥体外表铣削出的齿的刀具锥体。
11.用于一具有一钻头本体的旋转式钻头的支撑臂和刀具组件，它包括所述支撑臂，它从所述钻头本体延伸，并具有一外表面；所述刀具锥体组件，它安装在所述支撑臂上并总的相对于所述支撑臂向下而向里伸出；以及一坡道，它形成在所述支撑臂的所述外表面上，所述坡道以一角度从所述支撑臂的所述一前导边到所述支撑臂的所述一收尾边而倾斜，使所述坡道可将钻孔中的钻屑向上带走。
12.如权利要求11所述的支撑臂，它还包括一邻接于每个支撑臂设置的喷嘴，其中，所述坡道的顶表面在所述收尾边处位于所述喷嘴的一出口之上。
13.如权利要求11所述的支撑臂，其特征在于，所述坡道是和所述支撑臂呈整体方式地形成的。
14.如权利要求11所述的支撑臂，其特征在于，所述坡道包括一焊接材料，它焊着在所述支撑臂的所述外表面上以形成所述坡道。
15.如权利要求11所述的支撑臂，其特征在于，所述坡道是在形成所述支撑臂的锻打过程中形成在所述支撑臂的一外表面上的。
16.如权利要求11所述的支撑臂，其特征在于，所述坡道还包括沿所述坡道的一前导边形成的硬质焊敷层。
17.如权利要求11所述的支撑臂，其特征在于，所述坡道还包括多个设置在所述坡道的一外表面上的嵌件。
18.如权利要求11所述的支撑臂，其特征在于，所述坡道的外径大致等于钻孔的最大外径，使当钻头在钻孔中转动时，所述坡道驱使钻屑流体从钻孔的底部沿所述坡道移上并使其离开钻孔。
19.如权利要求11所述的支撑臂，其特征在于，所述坡道的一前导边被倒棱，使该坡道的厚度从所述坡道的所述前导边向所述支撑臂的所述收尾边增大。
20.如权利要求11所述的支撑臂，其特征在于，所述刀具锥体组件的每个包括一具有多个在所述刀具锥体外表铣削出的齿的刀具锥体。
21.用于一具有一钻头本体的旋转式钻头的支撑臂和刀具组件，它包括所述支撑臂，它从所述钻头本体延伸，并具有一外表面；所述刀具锥体组件，它安装在所述支撑臂上并总的相对于所述支撑臂向下而向里伸出；一坡道，它形成在所述支撑臂的所述外表上，所述坡道有一以一角度从所述支撑臂的一前导边到所述支撑臂的一收尾边而倾斜的表面，使所述坡道将钻孔里的钻屑向上带；多个设置在所述坡道上的嵌件；以及一设置在所述坡道的一前导边上和所述支撑臂的一下摆部上的硬质焊敷层。
22.如权利要求21所述的支撑臂，其特征在于，所述坡道与所述支撑臂是呈整体的。
23.一种增强将流体及钻屑从一钻孔上提的能力的方法，它包括如下步骤提供一旋转式锥形钻头，它具有多个从一钻头本体延伸的支撑臂以及一相对于每个支撑臂总体上向下并向里伸出的刀具锥体；形成一在每个支撑臂的外表上的表面，每个所述表面以一角度从其相应的支撑臂的一前导边到一收尾边而倾斜；将该旋转式锥形凿岩钻头插入一钻孔中；将钻孔流体从该旋转式锥形凿岩钻头送向该钻孔的底部；以及在该钻孔中转动该旋转式锥形凿岩钻头，使诸刀具锥体在诸支撑臂上转动以形成钻屑，在诸支撑臂上的诸倾斜表面合作工作而将钻孔中的钻屑和流体向上带。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述送入钻孔流体的步骤包括从多个邻接于每个支撑臂而设置的喷嘴喷出钻孔流体的步骤。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述提供一旋转示锥形凿岩钻头的步骤包括提供一旋转示锥形凿岩钻头的步骤，其中，该倾斜表面形成在一坡道上以作为相应支撑臂的一整体部分。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括在每个支撑臂的外表上焊着一焊接材料以形成一从该支撑臂的前导边到收尾边而延伸、并在其上设置有倾斜表面的坡道的步骤。
27.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述提供一旋转式锥形凿岩钻头的步骤包括在相关的支撑臂的锻打过程中在该支撑臂的一外表上形成坡道的步骤。
28.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述提供一旋转式锥形凿岩钻头的步骤包括提供一沿诸倾斜表面的一前导边形成的硬质焊敷层的步骤。
29.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述在每个支撑臂的一外表上形成一表面的步骤包括将每个倾斜表面的一前导边倒棱，使每个倾斜表面的厚度从所述倾斜表面的该前导边向相应支撑臂的该收尾边增大的步骤。
全文摘要
一种钻孔用的旋转式锥形钻头具有一钻头本体(18)，该本体带有一可与一钻孔套管连接的上部分(20)。从该钻头本体(18)延伸出多个支撑臂(24)。每个支撑臂(24)有一外表面(38)。数量与支撑臂(24)的相等的多个锥体组件(12)分别安装在诸支撑臂(24)上，并相对于相关的支撑臂(24)总体上向下而向里伸出。在支撑臂(24)的外表面上形成有一坡道(36)，该坡道(36)以一角度从该支撑臂(24)的一前导边向该支撑臂(24)的一收尾边倾斜，使该坡道(36)可将钻孔中的钻屑向上带。
文档编号E21B10/08GK1168709SQ95196587
公开日1997年12月24日 申请日期1995年12月6日 优先权日1994年12月7日
发明者小莫拉莱斯·哈里·坎波斯 申请人:德雷瑟工业公司