CN107109904B - 一种旋转爪钻头 - Google Patents

Abstract

一种模块化旋转爪钻头，具有可安装在本体处的头部，该头部安装有多个前切削截齿和保径切削截齿。每个前截齿的切削尖端位于头部处的不同径向位置处，从而在使用期间优化所切割下来的材料的冲洗以及最小化截齿的磨损。

Description

一种旋转爪钻头

技术领域

本发明涉及一种具有多个切削齿的剪切爪钻头，并且特别地，但不是排它性地，涉及模块化构件钻头，其中齿被分布在钻头处，从而优化穿透速率并最小化磨损。

背景技术

旋转钻头用于各种不同的领域，包括开采行业内的钻探石油、天然气和水井。此外，挖土钻孔钻头通常被用于产生爆破孔，该爆破孔随后用爆炸物填充。为了该目的，已经开发了各种类型的钻头，包括刮刀钻头、爪钻头和锥形牙轮钻头。一些钻头包括安装在特定截齿保持器内的切削齿，而其它钻头由金属碳化物合金制成，该金属碳化物合金镶嵌有耐磨料磨损的多晶金刚石(PCD)刀片。

为了促进向前钻进和减少钻头磨损，通过施加顺着钻柱向下至钻头的流体(通常为空气)，引导流体向后穿过钻柱管的外侧与钻孔的内表面之间的空间，使来自钻孔的碎屑被向后运输。钻孔内松散材料的去除效率的降低可能导致钻头的卡住以及切削齿的加速磨损。当钻进硬岩或者当钻头在钻进期间横向偏离时，齿也可能过早地磨损。示例的旋转钻头在FR 2643414；GB 2,238,736；DE 3,941,609；US 5,666,864；GB 2,345,930；WO 2008/069863；US 2009/0057030；US 2010/0270086中被描述。

然而，由于许多原因，传统的钻头设计是有缺点的。对于单件式钻头，当切削齿变得不可接受地磨损时，整个钻头需要更换，这是材料的低效使用。此外，切削齿在钻头头部的分布没有被优化用以最小化齿磨损。因此，需要一种解决上述问题的旋转钻头。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种旋转钻头，该旋转钻头被优化，从而轴向向后冲洗所切割下来的岩石碎片和细粉，以促进钻头在钻进期间轴向向前穿透。进一步的具体目的在于最小化切削截齿的磨损，并且尽可能最小化头部处的截齿磨损的不均匀或差别化速率，从而最大化钻头和/或截齿的维修、修理或更换之间的时间段。还有进一步的目的在于维持或改善钻头的引导或转向特性，同时优化穿透速率并最小化钻头磨损。

进一步的具体目的是提供一种能量有效的钻头以及特别是提供一种可重构的模块化钻头，其中在模块化组件的其它构件的修理或更换之后，钻头的零部件可以被循环用于后续的使用。

这些目的通过提供一种具有可附接到钻头本体的钻头头部的模块化钻头来实现。有利地，在头部变得磨损时，不同的头部可以在本体处更换，使得本体被认为是钻头的可循环构件。因此，并且优选地，头部和本体包括促进对齐和附接在一起的相应配合构件。本发明的头部和本体进一步构造成通常通过焊接促进牢固附接。在一个方面，头部和本体包括大致平面的配合附接表面，在该配合附接表面之间可以沉积合适的焊接材料，以将头部刚性附接在本体处。

为了优化所切削下来的材料的轴向向后冲洗并且同时最小化截齿磨损以及特别是差别化的截齿磨损，大多数截齿位于头部处的不同的径向位置和可选的轴向位置处。因此，每个截齿的轴向最前的切削尖端被构造成在截齿绕其中心纵向轴线旋转期间接触岩石表面，从而最大化钻头的岩石破裂和破碎特性。由于截齿的空间位置，所有的截齿都以相似的速率有效地工作，从而提供基本均匀的磨损。本发明的旋转钻头可以被认为包括一个或多个径向内侧的前截齿以及多个径向最外和轴向最后的保径截齿(gauge pick)。优选地，径向内侧的前截齿每个都(相对于彼此)定位在不同的径向和轴向位置处，而保径截齿可位于与轴线大致相同的径向分隔处以及位于相似的轴向位置处(例如相对于头部的轴向向后面对的附接表面)。

可选地，为了帮助钻头的切削和磨损特性的优化，截齿可根据它们的角度排列而被布置成截齿组，每个截齿组包括径向最内的(保径)截齿和径向最外的(保径)截齿。特别地，每个截齿组可以包括具有相同或相似的角度排列的截齿，该角度排列与另一截齿组的截齿的角度排列不同。为了进一步优化岩石破坏和轴向向后冲洗特性，同时最小化截齿磨损，每个截齿组内的每个截齿的角度排列可以稍微不同，其中同一截齿组内的截齿的角度排列之间的差别小于不同截齿组的截齿之间的角度排列上的差别。

根据本发明的第一方面，提供了一种旋转爪钻头，包括：本体，本体具有用于将钻头附接到钻柱的后方区域，孔轴向延伸穿过本体；头部，头部被设置在本体的前端并具有用于与本体的孔对齐的轴向延伸孔；多个截齿，多个截齿被安装在头部处，每个截齿具有切削尖端；所述截齿包括径向内侧的前截齿和径向最外的保径截齿；其特征在于：头部和本体是非一体形成的；并且每个前截齿的尖端与轴线的径向分隔距离是不同的。

在本说明书中，涉及的切削截齿的“角度排列”是指每个截齿的纵向轴线相对于钻头的纵向轴线、头部处的其它截齿的纵向轴线的角度排列，和/或相对于每个截齿的周向延伸的旋转路径(旋转方向)的角度排列。每个截齿的角度排列通常轴向向前面对，使得每个截齿的底部被定位成相对于每个截齿的切削尖端最靠近钻头的纵向轴线。此外，每个截齿也在头部的旋转方向上倾斜，使得切削尖端在旋转期间代表截齿的导向部分。因此，每个截齿在头部处以相对于钻头轴线轴向倾斜并且在周向旋转方向上向前偏斜的复合角度排列。由于每个截齿在头部的差别定位，每个截齿的圆形轨道路径的径向和轴向位置是不同的，以优化岩石破坏和冲洗并提供均匀的截齿磨损。

优选地，头部的孔作为定位在钻头的轴线处的单个开口离开头部。这种构造有利于优化夹带所切削下来的材料的冲洗流体(通常是空气)的径向向外且轴向向后的流动。单个开口使湍流和流动中断最小化，否则这会阻止切屑和细粉的轴向向后运输。单个开口还为截齿在头部处的差别化定位提供了空间。然而，根据进一步的具体实施方式，钻头可以包括在不同区域离开头部的附加或辅助的流体流动出口通道。

可选地，每个截齿的切削尖端的径向和轴向位置是唯一的。因此，当沿钻头的轴向中心观察钻头时，前截齿被不对称地设置在头部处。因此，本发明的钻头不包括可被认为是围绕轴线分布的对称的切削排或翼。

有利地，本发明的钻头包括多个截齿保持器，该多个截齿保持器与头部一体地或非一体地形成，并且截齿通过截齿保持器以可拆卸方式安装在头部处。这种构造对于材料效率是有益的，因为磨损的截齿可被更换，而不需要更换整个头部或钻头。此外，不同形状和尺寸的截齿可以在头部处互换，以优化切削特性，从而适应特定的应用和岩石类型。根据优选实施例，截齿包括具有大体尖锐锥形切削尖端的大体锥形构造。优选地，截齿包括安装在截齿轴上的截齿头部，该截齿轴则被接纳在头部的区域内，从而通过包括内部固位器或外部固位器的常规的截齿安装布置结构而可释放地安装每个截齿。然而，根据进一步的具体实施方式，该钻头可包括熔合、封装和/或粘合到钻头、钻头头部或钻头本体的基本固定的或不可更换的截齿。

可选地，在根据头部处的每个截齿相对于钻头的中心轴线的截齿的角度排列而将这些截齿认为被布置成截齿组的情况下，每个截齿组的前截齿的切削尖端被定位在不同的轴向位置处。可选地，前截齿和保径截齿的切削尖端的轴向位置对于头部处的所有截齿可以是不同的，使得没有两个截齿包括定位在相同轴向和径向位置的切削尖端。

优选地，头部包括多个肩部，该多个肩部从头部的前端径向向外且轴向向后延伸，每个肩部安装截齿组中的一个截齿组。优选地，肩部包括层叠式区段，每个区段以特定的复合角度以及径向与轴向位置安装相应的截齿。因此，根据优选实施例的每个区段的安装表面的取向是不同的，以决定每个截齿组内的每个截齿的角度排列。层叠式区段有利于为每个截齿提供牢固的安装，以抵抗在旋转并且轴向向前前进到岩石中期间的负载力。层叠式区段也进行了优化，从而装配头部处的所有截齿并且使它们分布在单个通道开口周围。

可选地，在截齿被视为布置成截齿组的情况下，至少一些截齿组内的截齿的尖端沿着在径向方向上弯曲或折弯的轴向向后且径向向外延伸路径定位。可选地，相应的截齿组的路径包括大体螺旋状轮廓，该大体螺旋形轮廓围绕钻头轴线轴向向后延伸一个较短的距离。大体螺旋形路径构造能够使得实现头部处的截齿的相对紧密的定位，其中每个截齿以不同的复合角度以及径向和轴向位置被定位和定向。该螺旋形分布也促进所切削下来的材料的径向向外且轴向向后运输。

优选地，每个截齿的尺寸和形状是相同的。可选地，每个截齿组内的切削截齿可包括不同的尺寸、锥形形状或材料。特别地，每个截齿组的保径截齿通常可大于径向内侧的前截齿，以便更加耐磨损。

可选地，前截齿和保径截齿中的每一个截齿的至少尖端位于头部处的不同的径向和/或轴向位置处。这样的构造对于旋转前进期间的岩石切削对钻头进行了优化。

优选地，头部包括设置在后端的安装凸缘，并且本体包括在前端的安装凸缘，以与头部的凸缘配合。更优选地，头部的凸缘是阳型突起，并且本体的凸缘是用于接纳该突起的凹部。这种布置有利于促进将更换头部再次附接到本体。特别地，在头部和本体处的相应的阳型和阴型安装件允许头部与本体分离，例如，通过在阳型突起之上轴向地切削本体，使得阳型突起被保持在腔体内。然后，该腔体可以方便地进行铣削，以与更换头部配合。本体的材料也因此被保存。优选地，本体和头部通过焊接材料固定在一起。优选地，头部和本体包括基本平面的附接面，焊接材料可以施加在附接面之间。另外，头部和本体可以包括径向向内的渐缩区域，使得当头部和本体配合在一起时限定环形沟槽或凹槽，在该环形沟槽或凹槽中可以施加焊接材料，以提供头部和本体的牢固附接。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于如本文所述的旋转爪钻头的部件组成的套件，其中本体、头部和截齿是可附接在一起的分离的部件。

根据本发明的第三方面，提供了一种旋转爪钻头，包括：本体，本体具有用于将钻头附接到钻柱的后方区域，孔轴向延伸穿过本体；头部，头部被设置在本体的前端并具有用于与本体的孔对齐的轴向延伸孔；多个截齿，该多个截齿被安装在头部处，每个截齿具有切削尖端；其中头部和本体是非一体形成的，并且其中每个截齿的尖端位于头部外的不同径向和/或轴向位置处，以便被不对称地分布在头部处。

附图说明

现在将仅以实例的方式并且参考附图描述本发明的具体实施方式，在附图中：

图1是根据本发明的具体实施方式的旋转爪钻头的透视图，该旋转爪钻头包括本体和头部，头部安装有多个截齿，该多个截齿被布置成截齿组；

图2是图1的钻头的侧视图；

图3是图2的钻头头部的上透视图；

图4是图2的钻头的局部分解透视图；

图5是图2的钻头的平面视图；

图6是图3的钻头头部的放大侧视图；

图7是图2的钻头的纵向横截面透视图；

图8是图3的钻头头部的进一步透视图，其中所选择的切削截齿被从头部移除；

图9是根据本发明的进一步具体实施方式的旋转爪钻头的透视图；

图10是图9的钻头的切割头部的平面视图。

具体实施方式

参考图1至图3，钻头100包括大体由附图标记101指示的头部，头部101被刚性附接到大体由附图标记102指示的本体。头部101包括多个切削截齿103，切削截齿103具有在头部101处大体轴向向前突出的切削尖端204，以表示钻头100的切削端部。本体102包括轴向后方部分，该轴向后方部分包括将钻头100安装到钻柱(未示出)的螺纹104。头部101包括三个大体由附图标记200指示的径向和轴向延伸的肩部，在每个相应的肩部200处安装三个截齿103。每个肩部200包括大体由附图标记203指示的安装表面，切削截齿103中的每一个截齿被安装到安装表面203中。安装表面203沿着每个肩部200被划分成形成阶梯式区段的三个层叠式区域，每个区段的安装表面203通过台阶表面205分隔，台阶表面205与每个区段的安装表面203横向并且特别地垂直地对齐。每个肩部区段处的安装表面203以不同的复合角度排列，从而相对于钻头100的纵向轴线106倾斜并且相对于钻头100的旋转方向R向后偏倾或倾斜。

根据具体实施方式，截齿103包括大体锥形形状的构造，该构造具有相应的中心轴线209，中心轴线209在每个阶梯区段处被定向为垂直于安装表面203。此外，每个截齿轴线209以与钻头中心轴线106横向并且偏斜到钻头旋转方向R的复合角度排列，使得每个钻头的尖端204代表导向部分。至少一些截齿被定向为朝向轴线106倾斜(使得尖端205比截齿的底部在径向上更靠近轴线106)，而一些截齿被倾斜，使得它们的尖端204倾斜得远离轴线106。每个肩部200包括定位在安装表面203后面的对应的后表面206。

参考图2和图8，每个截齿103包括安装切削尖端部件801的截头锥形截齿本体800。本体800被设置在伸长的截齿轴杆(未示出)的一端，该伸长的截齿轴杆延伸穿过肩部200以及特别是穿过从肩部安装表面203延伸到肩部后表面206的截齿孔803。可选地，截齿垫圈802在安装表面203处定位地支撑截齿本体800，其中每个截齿轴延伸穿过每个孔803并且通过大体由附图标记207指示的固位器固定在适当位置。如图8所示，三个肩部200中的每一个都包括一系列层叠式区段，该区段包括第一肩部区段804a、第二肩部区段804b和第三肩部区段804c。每个区段804a、804b、804c被定位成从轴线106径向向外延伸并且在钻头头部101朝向钻头本体102的大体方向上大体轴向向后延伸。

参考图2和图4，头部101包括轴向向后的环形附接面201，环形附接面201被构造用来以与钻头本体102的轴向向前的环形附接面202触碰接触的方式配合。环形连接颈部或凸缘402从头部附接面201轴向向后突出。对应的环形颈圈400从本体附接面202轴向向前突出并且构造用来在由颈圈400限定的腔体区域401内接纳颈部402。通过颈部402在颈圈400内的适当配合，钻头头部101可以适当地对齐并且安装至本体102。焊接材料被施加在附接面201、202之间和附接面201、202的接合处，从而将头部101固定至本体102。参见图3和图7，孔306延伸穿过头部101的中央并与本体102内延伸的对应的孔403对齐，使得两个孔306、403限定单个孔，该单个孔从本体102处的最后的环形边缘704轴向延伸至头部101处的单个孔开口307。

如图3和图5所示，三个肩部200围绕孔开口307径向向外突出，从而形成三个径向延伸的翼，这些翼在它们相应的层叠式区段上安装每个截齿103。特别地，第一肩部303提供用于第一组截齿300a、300b、300c的安装；第二肩部304提供用于第二组截齿301a、301b、301c的安装；并且第三肩部305提供用于第三组截齿302a、302b、302c的安装。如参考图8所示，三个肩部303、304、305中的每一个都包括对应的安装表面203，该安装表面203被划分成阶梯区段804a、804b、804c，使得每个截齿组的每个截齿被定位在每个相应的肩部303、304、305的相应的阶梯804a，804b，804c处。每个肩部303、304、305的安装表面203被定位成位于大体螺旋状的路径上，该路径从以轴线106为中心的孔开口307区域围绕轴线106径向向外并轴向向后延伸。如图3所示，在每组截齿中，每个截齿包括大体相似并且与其余截齿组的截齿的角度排列不同的角度排列。在所有截齿组内的截齿被定位在具有绕轴线106延伸的大体螺旋形轮廓的路径上时，每个截齿组内的每个截齿300a、300b、300c的排列不相同但大体相似，从而限定如下截齿的集合，该截齿被构造成以协调的方式切削岩石并且在岩石中产生同心的凹槽，从而用于稳定轴向向前的钻进和钻头转向。特别地，第一组截齿300a、300b、300c的轴线300d横向于第二组截齿301a、301b、301c的轴线301d，轴线301d则横向于第三组截齿302a、302b、302c的轴线302d对齐。

参考图5和图6，顶点的切削尖端600a、600b、600c(参见第一组截齿300a、300b、300c所示)在螺旋路径500上排列，螺旋路径500相对于轴线106径向向外且轴向向后突出。第二截齿组301和第三截齿组302的截齿的切削尖端类似地在头部101处径向向外且轴向向后延伸的相应的螺旋形路径501、502上排列。在每个肩部303、304、305处的每个相应的安装区段804a、804b、804c的轴向和径向的位置以及排列是不同的，以便提供每个截齿组的每个相应截齿103的不同的轴向和径向位置以及排列，使得每个切削尖端(例如600a至600c以及601a至601c)的径向和轴向位置对于头部101处的所有截齿103是不同的。

参考图3和图5，一个截齿300a、301a、302a被径向最内地定位；每个截齿组的对应的第二截齿300c、301c、302c被相对于轴线106径向最外地定位，并且每个相应截齿组的第三截齿300b、301b和302b径向定位在相应的第一和第二截齿的中间位置，以形成三个切削翼，三个切削翼在从轴线106径向向外的方向上折弯。因此，第一截齿300a、301a、302a和第三截齿300b、301b和302b可以被称为前截齿，第二截齿300c、301c、302c可以称为保径截齿。每个径向最内的前截齿300a、301a、302a被定位在所有的中间前截齿300b、301b、302b的径向内侧和轴向前方。此外，中间前截齿300b、301b、302b被定位在所有的保径截齿300c、301c、302c的径向内侧和轴向前方。保径截齿300c、301c、302c的切削尖端204表示钻头100的径向最外部分并决定钻进期间钻孔的直径。

根据具体实施方式，在这两个前截齿的集合内，径向最内的前截齿300a、301a、302a的集合中的每个截齿的尖端204的径向分隔距离是不同的，并且中间前截齿300b、301b、302b的从轴线106的对应径向分隔距离也是不一样的。另外，如从图6可以看出的，前截齿300a、300b、301a、301b、302a、302b的每个尖端204相对于例如轴向向后附接表面201的轴向位置是不同的。内侧的前截齿的每个尖端204的这种单独的径向和轴向定位有利于接触岩石表面的不同径向和轴向位置，从而优化钻头100的旋转期间的岩石破裂。这种结构还促进在不同截齿上的均匀磨损，从而最大化截齿在磨损时需要更换的时间间隔。

根据具体实施方式，每个保径截齿300c、301c、302c的尖端204的径向分隔距离和相对于向后附接表面201的轴向位置大致相等。这种构造有利于稳定向前钻孔并且促进在使用中钻头的转向/引导。然而，根据进一步的具体实施方式，保径截齿300c、301c、302c的相应的尖端204的径向和轴向位置在截齿的该集合内可以是不同的，以便增强钻头的岩石破坏特性并因此提高钻进速率。

图9和10示出了本发明的进一步实施例，其中截齿头部700包括三个对应的肩部701、702、703。第一肩部701和第二肩部702处设置三个截齿103，而第三肩部703处设置两个截齿103。与图1至图8的实施例一样，肩部701、702、703中的每一个大体沿着相对于轴线106径向向外和轴向向后的延伸路径延伸，并且包括对应的层叠式区段以及安装表面804a、804b、804c。

Claims (13)

1.一种旋转爪钻头(100)，包括：

本体(102)，所述本体(102)具有后方区域和孔(403)，所述后方区域用于将所述钻头(100)附接至钻柱，所述孔(403)轴向延伸穿过所述本体(102)；

头部(101)，所述头部(101)设置于所述本体(102)的前端并具有轴向延伸孔(306)，所述轴向延伸孔(306)与所述本体(102)的所述孔(403)对齐；以及

多个截齿(103)，所述多个截齿(103)安装在所述头部(101)处，每一个所述多个截齿(103)具有切削尖端(204)，所述多个截齿(103)包括径向内侧的多个前截齿和径向最外的保径截齿；

其特征在于：

所述头部(101)和所述本体(102)是非一体形成的；

每一个所述多个前截齿的所述尖端(204)与所述钻头(100)的中心轴线(106)的径向分隔距离是不同的，且每一个所述多个前截齿的所述尖端(204)的轴向位置不同于所述多个前截齿中的其他截齿的轴向位置；以及

所述头部(101)的所述轴向延伸孔(306)作为定位在所述钻头(100)的所述中心轴线(106)处的单个开口(307)离开所述头部(101)。

2.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述多个前截齿被不对称地定位在所述头部(101)处。

3.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述头部(101)进一步包括多个截齿保持器，所述多个截齿保持器与所述头部(101)一体或非一体地形成，并且所述多个截齿(103)通过所述多个截齿保持器以可拆卸方式安装在所述头部(101)处。

4.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述头部(101)包括多个肩部(200)，所述多个肩部(200)从所述头部(101)的前端径向向外且轴向向后延伸，每一个所述多个肩部(200)上安装有由所述多个截齿(103)构成的多个截齿组中的一个截齿组。

5.根据权利要求1所述的钻头，其中，根据所述头部(101)处的每个所述多个截齿(103)相对于所述钻头(100)的所述中心轴线(106)的角度排列，所述多个截齿(103)被布置为多个截齿组，其中在同一组截齿组内的截齿相对于另一组截齿组的截齿具有彼此相同或相似的排列。

6.根据权利要求5所述的钻头，其中，在所述多个截齿组中的至少一些截齿组内的所述多个截齿(103)的所述尖端(204)沿着在径向方向上被弯曲或折弯的轴向向后且径向向外延伸路径(500、501、502)定位。

7.根据权利要求6所述的钻头，其中，相应的所述多个截齿组的所述路径(500、501、502)包括螺旋形轮廓，所述螺旋形轮廓径向向外弯曲或折弯并且轴向向后延伸。

8.根据权利要求1所述的钻头，其中，每一个所述多个截齿(103)的尺寸和形状是相同的。

9.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述多个前截齿和所述保径截齿中的每一个截齿的至少所述尖端(204)位于所述头部(101)处的不同的径向和/或轴向位置处。

10.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述头部(101)包括设置在后端的头部安装凸缘(402)，并且所述本体(102)包括在所述前端的本体安装凸缘(400)，以与所述头部(101)的所述头部安装凸缘(402)相配合。

11.根据权利要求10所述的钻头，其中，所述头部(101)的所述头部安装凸缘(402)是阳型突起，并且所述本体(102)的所述本体安装凸缘(400)是凹部，以接纳所述突起。

12.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述本体(102)和所述头部(101)通过焊接材料固定在一起。

13.一种旋转爪钻头套件，所述套件的部件用于根据任一前述权利要求所述的旋转爪钻头(100)，其特征在于，所述本体(102)、所述头部(101)以及所述多个截齿(103)是能附接在一起的分离的部件。

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