用于钻孔设备的钻头的制作方法

用于钻孔设备的钻头的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开大体涉及一种旋转钻头。具体地，本公开的钻头可在例如用于在土地中钻孔的钻孔设备中使用。
【背景技术】
[0002]通常，当在土地中钻孔时，井下钻孔马达从钻柱的下端悬置。钻孔流体可以通过钻柱进行输送，并通过钻孔马达进行循环以引发钻头旋转，旋转的钻头与地下岩层接合从而在其中产生钻孔。在一些情况下，可能期望进行定向钻孔，即，可能期望产生从竖直定向路径偏离的钻孔。
[0003]出于该目的而采用的一些装置包括弯曲子组件，其集成在井下钻孔马达中，通常位于马达的动力部与轴承之间。弯曲子组件通常包括弯曲结构部件或能够弯曲的结构部件以及钻头，其中，弯曲结构部件或能够弯曲的结构部件支承轴承组件，钻头位于弯曲子组件的下端，与在弯曲子组件以上的钻柱的方向成微小角度。该弯曲子组件可限定固定角度，或者该角度能够调整。当期望以大体直的路径钻孔时，整个钻柱可以从表面持续旋转，并且可以启动或可不启动马达。当期望钻孔的路径在给定的方向上偏离时，停止钻柱连续的旋转，并将钻柱、弯曲子组件、马达以及钻头在期望的偏离方向上进行定向。在该位置保持钻柱的上部，并且启动井下马达。这就使钻孔在期望的方向上偏离。这些结构的最小转向半径可部分由大致被描述为从弯曲子组件的支点到钻头的引导面的距离的“钻头到弯曲部(bit-to-bend) ”长度进行限制。
[0004]可用于定向钻孔的另一种钻孔设备为旋转导向系统(RSS)。一般，旋转导向系统提供用于在期望方向上导向钻头的一些机构，通常不需要停止钻柱从表面的持续旋转。很多旋转导向系统包括用于向钻柱的下端提供径向力或侧向力以在从直路径偏离的路径上导向钻头的机构。
[0005]用于竖直钻孔和/或定向钻孔的钻头可由于很多原因需要进行更换，这些原因包括与接触地下岩层的表面的磨损或破坏。通常，钻头在其柄部设置有螺纹接口或另一可重复的联接件，从而允许从马达的下部接触损坏或磨损的钻头的联接，并更换新钻头或翻新的钻头。
[0006]在钻头的设计和使用的改进已经可把钻头的预期寿命延长到超过具体应用或项目中对钻头的预期需求。因而，现在使用者可在工程中使用租借钻头，并且返还钻头以便由其它使用者之后在其它工程中使用。钻头使用寿命的延长已经影响了用于井下钻孔马达的钻头的制造过程中的设计考虑因素。

【发明内容】

[0007]在本公开的一个实施方式中，井下钻孔设备包括轴承壳体，该轴承壳体限定纵轴线和上部以及下部。轴承壳体的上部配置成用于连接至钻柱，而且在轴承壳体内设置有至少一个环形轴承套件。钻头联接至轴承壳体并能够相对于纵轴线旋转。钻头包括引导体、柄部和心轴部，其中，引导体在其上支承用于接合地下岩层的多个切割装置，柄部从引导体突出，心轴部与柄部接合并且限定与柄部的不能分离的连接。心轴部纵向延伸至轴承壳体并通过至少一个环形轴承套件。
[0008]根据本公开的另一实施方式，旋转导向系统包括具有上端和下端的壳体，其中，壳体的上端配置成用于连接至钻柱。该旋转导向系统还包括导向机构和钻头，其中，导向机构能够操作以提供相对于壳体的下端的侧向力，钻头至少部分地设置在壳体内。钻头包括引导体和心轴部，其中，引导体在其上支承配置成接合地下岩层的多个切割装置，心轴部能够分离地与引导体联接。心轴部纵向延伸至壳体中。
[0009]根据本公开的另一实施方式，用于在钻孔设备中使用的钻头包括引导体和心轴部，其中，引导体在其上支承多个切割装置，心轴部能够分离地与引导体联接。心轴部适于延伸至钻孔设备的壳体中，并在钻孔设备的壳体中旋转。心轴部在其上包括用于接合至少一个环形轴承件的至少一个接合表面。
【附图说明】
[0010]通过参照附图阅读以下详细描述可更好地理解本公开。根据本行业的标准实践，各特征可以不按比例绘制。
[0011]图1A是从竖直方向偏离且包含根据本公开的包括旋转导向系统的钻孔设备的钻孔的剖视图。
[0012]图1B是示出大致竖直定向且包含根据本公开的包括弯曲子组件的钻孔设备的替代实施方式的钻孔的剖视图。
[0013]图2是包括井下钻孔马达以及可通过图1A中所示的旋转导向系统或图1B中所示的钻孔设备采用的钻头的底孔组件的侧面剖视图。
[0014]图3是示出钻头的心轴部与柄部之间的不能分离的连接的图2中的钻头的放大侧面剖视图。
[0015]图4A、图4B和图4C是包括心轴部与柄部之间的不能分离的连接的钻头的替代实施方式的示意图。
[0016]图5是示出用于与图2中的底孔组件一起使用的随钻测量/随钻记录(measurement-whi le-dr i 11 ing/logging-whi le-dr i 11 ing)设备的框图。
【具体实施方式】
[0017]应理解的是，以下公开提供了很多不同的实施方式或用于实施各种实施方式的不同特征的示例。以下描述了部件和设置的具体示例以简化本公开。当然，这些仅为示例，并不旨在具有限定性。
[0018]图1示出了可用于在土地中钻钻孔12A的钻孔设备1A的一个实施方式。根据本公开，钻孔设备1A包括位于其前端的钻头100。钻头100是底孔组件14A的组成部分，底孔组件14A包括联接至钻柱16的下端的旋转导向系统。钻柱16可由位于钻孔平台20上的旋转台18从表面进行旋转驱动，并且旋转台18可由马达22进行驱动。绞车24设置成提升或降低钻柱16，并且设置成施加重量至钻头100以及从钻头100释放重量。
[0019]底孔组件14A包括轴承部28，其允许钻头100相对于钻柱16的旋转运动。底孔组件14A还包括导向部30，其可用于随着底孔组件14A更深地穿入土地时保持或改变钻头100的大致前进方向。例如，导向部30可用于在钻孔12A中产生弯曲部34，以使得钻孔12A从竖直方向偏离。为了实现诸如弯曲部34的弯曲部，导向部30包括能够径向扩展的侧向力施加元件38，其选择性地接合钻孔12A的侧壁。侧向力施加元件38在美国专利7，287，605中进行了更详细的描述，该美国专利的全部内容通过参考并入本文。应意识到的是，在本公开的范围内可采用各种其它导向机构。
[0020]由钻孔设备1A生成的弯曲部34的能够实现的锐度部分为底孔组件14A的几何特征和结构特征的功能。底孔组件14A限定与弯曲部34的能够实现的锐度大致间接相对应的总长度“L”，即，较短的总长度“L”可以产生较尖的弯曲部34，并且较长的总长度“L”可以产生相对平缓的弯曲部34。
[0021]钻头100可在各种替代类型的钻孔系统中使用。例如，以下参照图1B，图中示出钻孔设备1B的替代实施方式包括钻头100和弯接头40。钻孔设备1B包括与上述设备1A (图1A)相似的表面装置，其包括旋转台18、钻孔平台20、马达22以及绞车24。钻孔设备1B还包括悬挂于弯接头40之下的底孔组件14B。底孔组件14B可以通过例如旋转台18从表面与弯接头40 —起旋转，以生成示出大致竖直定向的钻孔12B。当期望钻孔12B从大致竖直定向偏离时，底孔组件14B包括动力部46 (图2)，可启动动力部46以旋转钻头而不旋转弯接头40。弯接头40的定向限定偏离的方向。
[0022]钻孔设备1B限定钻头到弯曲部的长度“B”，长度“B”有助于钻孔12B的偏离的能够实现的锐度。钻头到弯曲部的长度“B”大致被描述为从弯曲子组件40的支点到钻头100的最末端的距离。用于定向钻孔的其它设备可以不采用弯曲子组件或旋转导向系统，但都需要限定有助于钻孔中弯曲部的能够实现的锐度的长度。还有其他钻孔设备可配置成大致竖直钻孔。这些钻孔设备中的任意设备，无论配置为定向钻孔或者竖直钻孔，都可以采用在本公开的范围内的钻头100。
[0023]以下参照图2，底孔组件14B包括轴承部28、传动部44和动力部46。轴承部28包括轴承壳体48，其限定纵轴线X-X并具有上端48a和下端48b。如本文中所使用，术语“上(upper) ”是指朝向钻孔的表面定向的方向或部件的侧部，而术语“下(lower) ”是指朝向钻孔离表面的最远的部分的方向或部件的侧部。上径向轴承50、下径向轴承52和止推轴承套件54设置在轴承壳体48内以支承钻头100的旋转运动。径向轴承50和52承受由钻头100经受的径向负载，并且可包括限定圆周支承表面的至少一个环状构件。径向轴承50和52可由例如烧结碳化钨、或合适的陶瓷、金属、或其它轴承材料构成。止推轴承套件54设置为主要用于承载竖直负载或纵向负载，并且可包括在环形滚道内能够移动的滚珠轴承、聚晶金刚石复合片(TOC)轴承或在本领域公知的其它合适装置。钻头100纵向延伸通过轴承50、52、54中的每个，并从轴承壳体48的下端48b突出。轴承部28还可由底孔组件14A使用。
[0024]传动部44在其中包括用于把例如为旋转运动的机械运动从动力部46传动至钻头100的传动装置58。传动装置58可包括例如可操作地联接至钻头100的固定驱动轴或柔性驱动轴。动力部46包括转子62、定子64、可选的转子捕捉件(rotor catch) 66以及上部接头68。上部接头68提供用于底孔组件14与钻柱16的连接的接口。对井下钻孔马达普通的是，动力部46配置成使得通过动力部的钻孔流体的传输引起转子62相对于定子64的旋转运动。所引起的转子62的旋转运动可以是相对于定子64的偏心旋转运动或同心旋转运动。
[0025]以下参照图3，钻头100大致包括引导体102、柄部104和心轴部106。纵向通路108限定为通过钻头100，从而允许钻孔流体流经过钻头100。
[0026]引导体102包括从中央芯部112突出的多个叶片110。中央芯部112可由硬化钢合金或不锈钢构成，并且叶片110可以随后通过紧固件、焊接、模制等固定至芯部112上。多个切割装置114固定至叶片110。切割装置114可包括由碳化钨、P⑶或适合于接合地下岩层的另一种金属形成的表面。应意识到的是，还设想到了引导体102的其它配置，诸如在牙轮钻头等中发现的那些配置。柄部104从引导体突出并提供用于接合心轴部106的配合表面。柄部104可以与引导体102的芯部112—体形成或单体形成，例如，由相同件材料通过锻造、辊轧、挤压等形成，或通过焊接或类似过程接合至芯部112。
[0027]心轴部106邻接柄部104，并限定与柄部104的不能分离的连接118 。如在整个本说明中所使用，术语“不能分离的(inseparable) ”旨在表示连接118不可轻易地拆散而不损坏或破坏所连接的部件。不能分离的连接118被示出为分别在心轴部106的接合面120与柄部104的接合面122之间建立的对接焊接连接。对接焊接连接118的特征在于焊接部124，在焊接部中，柄部104和心轴部106的基础材料已被加热至其各自熔点以上，从而在大致在接合面120、122 二者的外周内的区域中融合在一起。接合面120、122可以以大致相同的尺寸和形状来构造，从而柄部104和心轴部106在焊接部124的区域中形成连续环形形状。
[0028]在其它实施方式中，诸如图4A所示的实施方式，钻头10a包括具有不同的尺寸和形状的柄部104a和心轴部106a。心轴部106a和柄部104a在整个接合面120a、122a上彼此接合，并且由于心轴部106a呈现的横截面比柄部104a小，所以面122a超过接合面120a径向延伸。该布置允许沿面122a的径向突出超过心轴部106a的一部分形成圆周角焊接部124a0
[0029]在其它实施方式中，可通过除焊接以外的机构来建立不能分离的连接，在该机构中，基础材料未被熔化。例如，可建立钎焊连接，在将钎焊连接中，填充材料或焊料(通常为锡、铅或银合金)被熔化并使其流入心轴部106与柄部104之间，而不熔化心轴部106和柄部104的基础材料。可替代地，可建立铜焊连接。铜焊通常涉及以比钎焊中所使用的温度高的温度(具体为高于450°C )熔化填充材料(通常为黄铜)，并且使填充材料流入心轴部106与柄部104之间的接合处。
[0030]其它结构可包括收缩配合，在收缩配合中，将心轴部106和柄部104中的一个冷却或冰冻，从而允许与另一个接合，并且，在收缩配合中，通过冷却或冰冻的部件恢复到常温而再次膨胀而建立过盈配合。而且，如图4B所示，钻头100可设置成其中心轴部106b、柄部104b和/或中央芯部112b —体或单体形成为单个部件。心轴部106b、柄部104b和中央芯部112b可以由单件材料块机加工为单个零件。然后，叶片IlOb和切割装置114b可以被焊接、铜焊或钎焊到中央芯部112b。叶片IlOb和切割装置114b还可以通过粘结剂进行附着。叶片110b、中央芯部112b或钻头10b的其它部分可以充满超硬磨粒(除了切割装置114b之外或作为切割装置114b的替代物)，以使得钻头10b可被称为具有孕镶钻头或^impreg bit，，。
[0031]如图5C所示，其它实施方式的特征可在于牙轮钻头100c。牙轮钻头10c包括多个牙轮110c，牙轮10c包括设置在其上的多个切割装置114c。牙轮IlOc联接至心轴部106c和柄部104c，其中，牙轮IlOc由单件材料单体形成或以其它方式以不能分离的连接进行联接。其它实施方式可包括作为异质材料的基质一起成型的心轴部、柄部和中央芯部。
[0032]返回参照图2和图3，随钻测量/记录套件130包括于近钻头子组件内。该随钻测量/记录套件130可在轴承壳体48 (图2)、轴心部106 (图3)或另一合适位置上进行支承。如图5所示，该套件130包括动力供应部132、数据处理电路134、数据存储装置136以及数据传输装置138，其中，动力供应部132可包括电池、由钻孔流体驱动的涡轮等，数据传输装置138可包括电线、泥浆脉冲遥测装置等。随钻测量/记录套件130连接至设置在底孔组件14中的一个或多个传感器142。该一个或多个传感器142适于进行与钻孔操作相关的测量(诸如扭矩和钻压(weight-on-bit))和/或与地下岩层相关的测量(诸如地层阻力和密度)。随钻测量/记录套件130与接收器144通信，接收器144可设置在钻孔12A、12B的表面处，以使得可将信息从井孔向上传输至接收器144。
[0033]在一些实施方式中，随钻测量/记录套件130包括磁力计，其配置成测量磁场的强度和方向。磁力计还可以独立于随钻测量/记录套件130进行设置。在这种实施方式中的钻头100、100a、100b以及其它壳体和驱动部件可由非磁性材料或有色金属材料构成，诸如铝、钛或类似的合金。非磁性金属合金或有色金属合金有利于磁力计的测量。
[0034]应理解的是，底孔组件14B的钻头到弯曲部的长度“B”和/或底孔组件14A的总长度“L”相对较短。例如，通过使用位于心轴部与柄部104之间的不能分离的连接118而不是可重复的连接，可以将钻头到弯曲部的长度“B”或总长度“L”缩短约4英寸到约5英寸。因而，底孔组件14A和14B可以在定向钻孔过程中经受相对尖锐的方向变化。另外，在诸如在强调标准化的情况下可同时钻多个钻孔的“工厂模式”钻孔操作的特定应用中，与不能分离的联接118相关联的费用可较低。
[0035]以上概述了几个实施方式的特征，以使得本领域技术人员可以更好地理解本公开的各方面。这些特征可由多个等效替代物中的任何一个替代，在本文中仅公开了多个等效替代物中的一些。本领域技术人员应理解的是，他们可以容易地以本公开为基础设计或修改用于执行与本文中所介绍的实施方式相同的目的和/或实现与本文中所介绍的相同的优点。本领域技术人员还应认识到的是，这种等效构建并未脱离本公开的精神和范围，并且他们可以在这里进行各种变化、替换和改变而不脱离本公开的精神和范围。
[0036]在本公开的末尾处提供的摘要是为了符合37C.F.R.§ 1.72 (b)，从而允许阅读者快速确认本公开的性质。应理解的是，所提交的摘要不会用于解释或限制权利要求的范围和含义。
[0037]另外，除了权利要求中清楚地与相关功能一起使用词语“装置(means) ”之外，申请人明确表示不为本文中的任何权利要求的任何限制启用35U.S.C.§ 112第6段。
【主权项】
1.一种井下钻孔设备，其包括: 轴承壳体，限定纵轴线、上部和下部，所述轴承壳体的所述上部配置成连接至钻柱； 至少一个环形轴承套件，设置在所述轴承壳体内；以及 钻头，联接至所述轴承壳体，并且能够相对于所述纵轴线旋转；所述钻头包括: 引导体，在其之上支承多个切割装置，所述切割装置配置成接合地下岩层； 柄部，从所述引导体突出；以及 心轴部，接合所述柄部，并限定与所述柄部的不能分离的连接；所述心轴部纵向延伸至所述轴承壳体中并且延伸通过所述至少一个环形轴承套件。2.如权利要求1所述的井下钻孔设备，其中，所述不能分离的连接为在所述柄部的结合面与所述心轴部的结合面之间建立的焊接连接。3.如权利要求2所述的井下钻孔设备，其中，所述结合面的尺寸不相等，其中，所述焊接连接限定环形角焊接部。4.如权利要求1所述的井下钻孔设备，其中，所述不能分离的连接选自于由铜焊连接、钎焊连接、基质材料的模制连接以及整体形成的心轴、柄部以所述引导体的芯部组成的组。5.如权利要求1所述的井下钻孔设备，还包括马达，所述马达包括转子，其中，所述转子适于由钻孔流体驱动，其中，所述转子能够操作地联接至所述钻头以为所述钻头提供旋转运动。6.如权利要求1所述的井下钻孔设备，还包括导向机构，所述导向机构能够操作以提供相对于所述轴承壳体的所述下端的侧向力，从而能够调整所述钻头的大致前进方向。7.如权利要求1所述的井下钻孔设备，还包括随钻测量/随钻记录套件，其设置在所述轴承壳体和所述钻头中的至少一个上，所述随钻测量/随钻记录套件与适于进行与钻孔操作相关的测量的至少一个传感器通信。8.如权利要求7所述的井下钻孔设备，其中，所述随钻测量/随钻记录套件包括传动装置，所述传动装置适于把与由所述至少一个传感器进行的测量相关的信息传递至位于钻孔的表面处的接收器。9.如权利要求7所述的井下钻孔设备，其中，所述至少一个传感器包括磁力计，其中，所述心轴部和所述柄部由非磁性材料构成。10.如权利要求1所述的井下钻孔设备，其中，所述至少一个环形轴承套件包括彼此纵向间隔开的上径向轴承和下径向轴承以及纵向设置在所述上径向轴承与所述下径向轴承之间的止推轴承套件。11.如权利要求10所述的井下钻孔设备，其中，所述止推轴承套件包括能够通过至少一个滚道内运动的至少一个滚珠轴承。12.如权利要求1所述的井下钻孔设备，其中，所述多个切割装置设置在多个牙轮上。13.一种旋转导向系统，其包括: 壳体，包括上端和下端，所述壳体的所述上端适于连接至钻柱； 导向机构，能够操作以提供相对于所述壳体的所述下端的侧向力；以及 钻头，至少部分地设置在所述壳体内，所述钻头包括: 引导体，在其之上支承多个切割装置，所述切割装置配置成接合地下岩层；以及 心轴部，与所述引导体不能分离地接合，所述心轴部纵向延伸至所述壳体中。14.如权利要求13所述的旋转导向系统，还包括设置在所述壳体内的至少一个环状轴承套件，所述环状轴承套件包括在轴承界面彼此接合的轴承定子和轴承转子，其中，所述轴承定子由所述壳体支承，以保持相对于所述壳体的相对固定，其中，所述轴承转子接合所述钻头的所述心轴部，以与所述钻头一起相对于所述壳体旋转。15.如权利要求13所述的旋转导向系统，还包括设置在所述壳体上的随钻测量/随钻记录套件，所述随钻测量/随钻记录套件与适于进行与钻孔操作相关的测量的至少一个传感器通信。16.一种在钻孔设备中使用的钻头，所述钻头包括: 引导体，在其之上支承多个切割装置，所述切割装置配置成接合地下岩层；以及 心轴部，与所述引导体不能分离地接合，所述心轴部适于延伸至所述钻孔设备系统的壳体中并在其中旋转，所述心轴部在其上包括用于接合至少一个环形轴承的至少一个接合表面。
【专利摘要】井下钻孔设备包括限定纵轴线、上部以及下部的轴承壳体。轴承壳体的上部配置成连接至钻柱，并且至少一个环形轴承套件设置在轴承壳体内。钻头联接至与轴承壳体并能够相对于纵轴线旋转。钻头包括引导体、柄部和心轴部，其中，引导体在其之上支承用于接合地下岩层的多个切割装置，柄部从引导体突出，心轴部接合柄部并且限定与柄部的不能分离的连接。心轴部纵向延伸至轴承壳体中并延伸通过至少一个环形轴承套件。
【IPC分类】E21B7/04
【公开号】CN104884729
【申请号】CN201380068557
【发明人】杰拉尔德·海西希
【申请人】科学钻探国际有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年10月24日
【公告号】CA2890907A1, US20140138157, WO2014081527A1