CN1098400C - 旋转钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在地层中钻孔的旋转钻头。该钻头包括多个切削元件(7、9)，这些切削元件用来在井孔的底部切削出多个径向间隔、环状的切口(22、24、26)，切削元件都至少包括一个切削或剪切元件(7)，每个切削或剪切元件的设置方式是这样的：使其可在所说切削元件(9)中的另一个切削或剪切元件之后以一定的钻头旋转角度间隔切入井孔的底部，由此在由该切削或剪切元件和所说的另一个切削部件形成的切槽轨迹内圈定一块岩石料体(28)，切削或剪切元件设有一个用于在另一个所说的切削元件形成的切口方向铲出掉所说岩石料体的装置。

Description

旋转钻头

技术领域

本发明涉及一种用于在地层中钻孔的旋转钻头。

背景技术

在现有技术中已应用了多种类型的掘进钻头，例如牙轮钻头和喷射切割钻头。这些钻头上一般都设有锋利的切削元件，这些切削元件由具有高抗磨性的材料制成，例如广泛使用的金刚石、碳化钨硬质合金等材料。这些切削元件的切割作用主要是由切削件沿钻孔底部的刮擦获得的。钻头在钻孔中的进程(即钻进速度)取决于许多因素，例如切削元件的磨耗量、岩层的硬度和钻头上的承重等。由于井孔的钻进费用占井孔总投资的绝大部分，所以一直存在降低钻井费用，也就是增加钻井速度的需求。

发明内容

因而本发明的目的是提供一种钻头，它可在地层中增加井孔的钻进速度。

根据本发明，提供了一种用于在地层中钻孔的旋转钻头，该钻头包括多个切削元件，这些切削元件用来在井孔的底部切削出多个径向间隔、环状的切口，切削元件都至少包括一个切削或剪切元件，每个切削或剪切元件的设置方式是这样的：使其可在所说切削元件中的另一个切削或剪切元件之后以一定的钻头旋转角度间隔切入井孔的底部，由此在由该切削或剪切元件和所说的另一个切削或剪切元件形成的切槽轨迹之间圈定一块岩石料体，切削或剪切元件设有一个用于在另一个所说的切削元件形成的切口方向铲出掉所说岩石料体的侧表面，此外还包括一个钻头体和多个与该钻头体转动连接以便于沿钻孔的底部转动的牙轮，牙轮的转动轴线在不同的径向方向延伸，在每个牙轮上都设置了至少一个所说的切削或剪切元件，其特征在于：每个牙轮上设置了多个切削插刀，用于切割钻孔的外侧径向部分。

岩石料体可被切削或剪切元件铲出的原因在于：1)其它的切削元件形成了最初的切口，这一切口形成了将岩石料体铲去的边界，以及2)由于最初切口提供了一个空间，在该空间内的岩石料体由切削或剪切元件的作用下移走。因而，根据本发明的钻头具有切割和铲刮功能，从而本发明的钻头与通常的钻头相比可从钻孔的底部掘去更大的岩石料体。所以其钻进速度显著高于普通的钻头。

相应地，该旋转钻头还应包括一个钻头体、和多个与该钻头体转动连接以便于基本沿钻孔的底部进行转动的牙轮，牙轮的转动轴线在不同的径向定位方向延伸，在每个牙轮上都设置了至少一个所说的切削或剪切元件。

如果每个切削或剪切元件都形成一个绕安装了所说切削元件的牙轮旋转轴线方向延伸的盘式切削器，就可有效地切割和铲出岩石料体。

最好在每个牙轮上都设置一套所说的盘式切削器，这些盘式切削器沿牙轮的轴线间隔设置，不同牙轮上的多组盘式切削器在钻头的径向方向具有一定的相互位错。

附图说明

下文将通过参照附图的实施例对本发明进行描述，图中：

图1示意表示了本发明第一种实施方式的钻头侧视图；

图2表示了图1中所示的第一实施方式的右半部结构；

图3示意表示了本发明钻头的第二种实施例的侧视图；以及

图4示意表示了本发明钻头的第三种实施例的侧视图。

在附图中相同的数字标号对应相同的部件。

具体实施方式

图1和图2中第一种实施方式的钻头1包括一个钻头体3、一个用来将钻头1连接到钻杆上的螺纹连接件5、以及旋转连接到钻头体3上位置相对的两个牙轮7、9，由此使牙轮7、9的转动轴线10、11向下倾斜，并与钻头1的回转轴线12相交于交点14处。作为其它的方案，牙轮可被偏移一定程度，以使得牙轮的轴线不会和钻头1的回转轴线相交。在牙轮7上设置了一组形式为盘式切削器7a、7b、7d、7e的切削或剪切元件，在牙轮9上设置了一组形式为盘式切削器9a、9b、9d、9e的切削或剪切元件。每个属于牙轮7、9的盘式切削器具有一个沿垂直于牙轮7、9转动轴线方向延伸的切割缘。盘式切削器7a-d和9a-d的安装方式使得各盘式切削器与钻孔底部接触点的包络线具有外凸的形状。

盘式切削器组7b-e和9b-e被设置的方式使得它们在钻孔底部的径向方向相互交错。这样，如从径向方向看，盘式切削器组7b-e和9b-e交错地接触钻孔的底部。为了表示盘式切削器间的交错安装方式，盘式切削器7b-e的下端部分以阴影形式表示在盘式切削器9b-e的各个下端部分之间。这样，当钻头1从图1所示的定位状态转过180°时，盘式切削器7b-e就处于以阴影表示的区域。

径向最外侧的盘式切削器7a、9a被设置在钻头上基本对等的径向部位，在盘式切削器7a、9a对着钻孔壁的侧边上还设置了(外)插刀切削元件16，以便切割钻孔的径向外周部分。类似地，在每个牙轮的内端部上还安装了(内)插刀切削元件16，以便于掘出位于钻头1旋转轴线12附近的岩石料体。

如仅在图1中所示，每个盘式切削器具有两个侧面18、20，这两个侧面确定了一个楔形的切割缘17，其它的盘式切削器具有类似的侧表面和切割边缘。每个侧表面18沿垂直于盘式切削器所属牙轮7、9的转动轴线10、11方向延伸。这样，在钻进过程中，侧面18在交点14的方向上推挤岩石。侧面20在与钻孔底部的接触点处，沿钻头1的转动轴线方向平行延伸。

在图3中，表示了根据本发明的第二种实施例的钻头31，其大部分都类似于第一实施例，区别在于钻头31具有三个牙轮35、37、39。在图中只表示出了牙轮39。这三个牙轮以120度的角度间隔定位，且类似于参照图1和图2描述的第一实施例中的那些牙轮。为了便于理解，设定所有这三个牙轮都只有三个盘式切削器组，而没有稳定切刀。但可以理解的是：在实际应用中，在每个牙轮上都可设置适当数目的盘式切削器和稳定切刀。在图3的实施例中，牙轮35具有盘式切削器组35a、35b、35c，牙轮37具有盘式切削器组37a、37b、37c，牙轮39具有盘式切削器组39a、39b、39c，这三套盘式切削器在钻孔的径向方向交错排列。因而，如从径向方向看，盘式切削器组35a-c、37a-c和39a-c交错地与钻孔的底部接触。为了表示各盘式切削器间的交错布置方式，盘式切削器35a-c和37a-c的下端部分在盘式切削器39a-c之间用阴影表示。当钻头1从图1所示的定位状态转过120°时，盘式切削器37a-c就处于以阴影表示的区域；当钻头1从图1所示的定位状态转过240°时，盘式切削器39a-c就处于以阴影表示的区域。

在图4中，表示了根据本发明的第三种实施例的钻头41，其大部分都类似于第二实施例，主要的区别在于其盘式切削器的设置方式使其和钻孔底部接触点的包络线的形状是内凹的，相反于第一和第二实施例中的外凸形状。此外每个盘式切削器的侧面18都被定位于将岩石料体从径向方向向外推挤的姿态。每个盘式切削器的侧面20(由点划线表示)沿平行于钻头41转动轴线412的方向延伸。虽然设置了三个牙轮45、47、49，图中只表示出了牙轮49。假设这三个牙轮都只有四个盘式切削器组，而没有稳定切刀。同样可以理解的是：在实际应用中，在每个牙轮上都可设置适当数目的盘式切削器和稳定切刀。牙轮45具有盘式切削器组45a-d，牙轮47具有盘式切削器组47a-d，牙轮49具有盘式切削器组49a-d，类似于第二种实施例，这三套盘式切削器在钻孔的径向方向交错排列。

为了说明第一实施例的通常的工作过程，可参照表示了图1右半部分的图2。为了说明钻头1通常的工作过程，且由于其它盘式切削器的工作方式类似，只需要考虑三个盘式切削器9c、7c、9d。在钻头在钻孔内转动的过程中，由盘式切削器9c、7c、9d在钻孔的底部形成了相邻的切口22、24、26。图2中这些切口由直线表示，而在实际应用中，切口的形状则多少对应于切削器上戳入钻孔底部部分的形状。直线f-j表示了盘式切削器深度水平的包络线，其中盘式切削器的深度是钻头转角的函数。这样，如钻头从0°开始转动时其所处的钻孔深度为f，则直线g表示了在180°转角时的深度，直线h表示了在360°转角时的深度，直线i表示了在540°转角时的深度，直线j表示了在720°转角时的深度。

当钻头转过180°时，盘式切削器9c、9d形成的切口22、26达到深度线g(180度转角)。随着切削器9c在钻孔的底部形成切口22，切削器9c的侧面18在钻头轴线12方向推挤岩石料体，这就将岩石料体28限定在切口22和切口26间。但是，由于切削器9d位于切口26中，将该岩石料体铲出遇到了障碍。随着钻头转到360度，盘式切削器7c形成的切口24位于切口22和26间。由于这时盘式切削器的切割深度在h线上，因而切口24也延伸到h线。在切口24的切割过程中，盘式切削器7c的侧面18对一块岩石料体28a进行推挤，该块岩石料***于切口24和26之间。此时，切口26的出现允许岩石料体28a部分沿线s1铲出，其中的线s1延伸在深度h的切口24和深度g的切口26之间。

当钻头旋转到540度时，切口22、26被盘式切削器9c、9d加深到深度线I，由于岩层部分28a已在先前被除去而不存在，从而盘式切削器9c的侧面18可将岩石料体28的28b部分铲出。对岩层部分28b的铲出是沿着线s2进行的，其中的线s2延伸在深度i的切口22和深度h的切口24间。很显然，在钻进的时间过程中，不论在任何点处，钻孔底部的横断面都是岩石沿线s1、s2等线的铲出而形成的阶梯状。因此，图2中的线f-g只是相似于盘式切削器的包络形状，而不是钻孔底部的实时形状。

随着钻进的继续，岩层部分28c、28d以类似于有关岩石部分28a、28b的方式分别沿线s3和s4被铲出。钻头的其它盘式切削器对岩石料体的切割和铲出以类似的方式进行。因而，在钻孔底部的岩石料体是通过切割和铲出的联合作用被掘出的，相比于只用切割作用，该钻进方式可允许更大体积的岩石块从钻孔底部被掘出。

钻孔的径向外侧部分是通过盘式切削器7a、9a径向外侧部位上的外插刀切削元件16掘出的，钻孔的中央部分是通过每个牙轮内侧部分上的内插刀切削元件16掘出的。外插刀切削元件16受岩石的切割力作用，合力在垂直于钻头纵轴线方向的平面内的分力作用在每个插刀元件16上使其由钻孔壁指向内侧，而且随着插刀元件16在径向穿入钻孔壁深度的增加，合力值也增加。在所说平面内总的合力是作用于所有外插刀元件的切割合力的矢量和。当钻头在垂直于钻孔中心线方向上受到一个位移时，该合力矢量和在数值上发生变化，并有一个阻碍该位移的分力。这样，如果钻头在某一径向方向比其它的径向方向更多地穿入钻孔壁中，在所说平面内的切割力分力的向量和的失衡将阻碍这一斜穿过程，从而在钻进过程中在径向稳定了钻头。类似地，内插刀元件16在钻孔的底部中央部位受到由岩层指向外侧的切割力，从而在钻进过程中也增加了钻头的径向稳定性。

第二实施例的一般工作过程类似于第一实施例的一般工作过程，虽然岩石料体是以钻头120度的角度间隔被铲出去的，而不是第一实施例中的180度间隔。

第三实施例的一般工作过程类似于第二实施例的一般工作过程，虽然此时岩石料体是在钻孔径向向外的方向被铲出的，这是盘式切削器和钻孔底部接触点的包络线形状是内凹的结果。

Claims (11)

1.一种用于在地层中钻孔的旋转钻头，该钻头包括多个切削元件，这些切削元件用来在井孔的底部切削出多个径向间隔、环状的切口(22、24、26)，切削元件都至少包括一个切削或剪切元件，每个切削或剪切元件的设置方式是这样的：使其可在所说切削元件中的另一个切削或剪切元件之后以一定的钻头旋转角度间隔切入井孔的底部，由此在由该切削或剪切元件和所说的另一个切削或剪切元件形成的切槽轨迹之间圈定一块岩石料体(28)，切削或剪切元件设有一个用于在另一个所说的切削元件形成的切口方向铲出掉所说岩石料体的侧表面，此外还包括一个钻头体(3)和多个与该钻头体转动连接以便于沿钻孔的底部转动的牙轮(7、9)，牙轮的转动轴线(10、11)在不同的径向方向延伸，在每个牙轮上都设置了至少一个所说的切削或剪切元件(7a、9a)，其特征在于：每个牙轮上设置了多个切削插刀，用于切割钻孔的外侧径向部分。

2.根据权利要求1所述的旋转钻头，其特征在于：每个切削或剪切元件都形成一个绕安装了所说切削元件的牙轮旋转轴线(10、11)方向延伸的盘式切削器(7a、9a)。

3.根据权利要求2所述的旋转钻头，其特征在于：每个盘式切削器具有楔形的横断面，该横断面限定了切削器的两个侧表面，所说侧表面中至少一个被设置成挤压所说的岩石料体(28)，从而将所说的岩石料体铲出去，该表面就形成了用于铲出岩石料体的装置。

4.根据权利要求3所述的旋转钻头，其特征在于：所说侧表面的其它部分沿钻头的纵轴线方向平行延伸。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的旋转钻头，其特征在于：在每个牙轮上设置了一组所说的盘式切削器，这些盘式切削器沿牙轮的纵轴线方向相间设置，其中属于不同牙轮的不同盘式切削器组沿牙轮的纵轴线方向相互交错设置。

6.根据权利要求5所述的旋转钻头，其特征在于：所说的钻头包括具有第一组盘式切削器(35a、35b、35c)的第一牙轮(35)和具有第二组盘式切削器(37a、37b、37c)的第二牙轮(37)。

7.根据权利要求6所述的旋转钻头，其特征在于：所说的钻头还包括具有第三组盘式切削器(39a、39b、39c)的第三牙轮(39)。

8.根据权利要求1所述的旋转钻头，其特征在于：在其中每个牙轮上设置了一个外盘式切削器，牙轮的外盘式切削器被安装在钻头上径向基本相等的位置处，每个外盘式切削器具有一个对着钻孔壁的外表面，其上安装了所说的多个切削插刀(16)。

9.根据权利要求1所述的旋转钻头，其特征在于：其中每个牙轮上在牙轮的内侧部分安装了多个内切削插刀(16)，以用来切割钻孔的中央部分。

10.根据权利要求1所述的旋转钻头，其特征在于：其中切削或剪切元件在钻孔底部的包络线具有外凸的形状，其中装有用于沿径向向内的方向将所说的岩石料体铲出去的岩石料体铲出装置。

11.根据权利要求1所述的旋转钻头，其特征在于：其中切削或剪切元件在钻孔底部的包络线具有内凹的形状，其中装有用于沿径向向外的方向将所说的岩石料体铲出去的岩石料体铲出装置。

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