專利名稱：具有增強巖屑導流槽的牙輪鉆頭的制作方法
技術領域：
本申請公開內(nèi)容涉及一種用于在地層中形成井筒的牙輪鉆頭，尤其涉及一種具有巖屑導流槽的牙輪鉆頭。
背景技術：
不同的滾子牙輪鉆頭和旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭已經(jīng)被用于在地層中形成井眼或井筒。牙輪鉆頭通常包括至少一個牙爪，常常為三個牙爪。相應牙輪組件被可旋轉(zhuǎn)地安裝于從每個牙爪內(nèi)表面向內(nèi)延伸的牙輪軸或軸頸上。在每個牙爪鄰近部分和相應牙輪組件之間通常具有小的間隙從而允許牙輪組件在鉆井時相對于相應牙爪和牙輪軸旋轉(zhuǎn)。
允許牙輪組件相對于相應牙爪和牙輪軸旋轉(zhuǎn)的軸承和支承結(jié)構(gòu)的保護可以延長相應牙輪鉆頭的使用壽命。一旦允許井下巖屑滲入牙輪組件的支承結(jié)構(gòu)和相應牙輪軸之間，那么相應鉆頭通常很快出現(xiàn)故障。已經(jīng)使用了不同的機構(gòu)和技術來阻止巖屑接觸這些支承面。
典型的方法是在每個牙輪組件鄰近部分和相應牙輪軸之間形成的間隙內(nèi)安裝液封。這種液封保持軸承和相應支承結(jié)構(gòu)內(nèi)的潤滑，并阻止頁巖，地層切屑和其它類型的井下巖屑的侵入。一旦液封損壞，井下巖屑能夠通過間隙很快侵入支承結(jié)構(gòu)。因此，保護液封也免受井下巖屑的損害非常重要。
先前已經(jīng)采用了很多方法保護牙輪鉆頭的液封免受井下巖屑的損害。一種方法是在每個牙輪組件和牙輪鉆頭外部附近的相應牙爪之間形成的間隙的相對側(cè)設置硬覆層和/或耐磨塊。在相應液封暴露于井下巖屑之前，硬覆層和耐磨塊通常減緩了該間隙附近的金屬腐蝕從而延長了井下鉆井時間。另一種方法是在每個間隙附近形成通向相應液封的曲折的流體流動路徑。曲折的流體流動路徑允許牙輪組件相對于相應牙輪軸的旋轉(zhuǎn)，但井下巖屑跟隨卻很困難。
不同類型的巖屑導流塞(diverter plug)被安裝于相應牙輪組件鄰近部分的牙爪內(nèi)表面，導流塞有時候被稱為“頁巖消耗壓塊”或“頁巖消耗塞”。該導流塞可阻擋或?qū)虬聨r屑的流體遠離相關的液封。同樣，巖屑導流槽被設置在鄰近相應牙輪組件的牙爪內(nèi)表面，巖屑導流槽有時被稱為“頁巖導流槽”。巖屑導流槽可導向包含井下巖屑的流體遠離相關的液封。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導，現(xiàn)有技術中牙輪鉆頭的各種缺點和問題被基本減少或消除了。本發(fā)明的一個方面包括延長液封的井下使用壽命，該液封防止頁巖，地層切屑和其它類型的井下巖屑的小顆粒損害軸承和相關支承結(jié)構(gòu)。為了某些應用，牙輪鉆頭可包括至少一個具有設置在牙爪內(nèi)表面的巖屑導流槽的牙爪。巖屑導流槽可具有變化的尺寸和/或結(jié)構(gòu)從而加強包含頁巖、地層切屑和其它類型巖屑的流體遠離相應液封的流動。
本發(fā)明的技術優(yōu)點可包括提供具有導流槽的牙輪鉆頭，該導流槽具有變化的尺寸和/或結(jié)構(gòu)從而減少或消除頁巖、地層切屑和其它巖屑粘附或粘結(jié)于這些導流槽內(nèi)的趨勢。這種導流槽在將包含巖屑的流體導流至遠離相應液封的總效果增強了。對于某些應用，導流槽在相應牙輪組件相對于牙爪鄰近部分的旋轉(zhuǎn)方向上可具有增加的截面面積或流體流通面積，從而基本減少或防止巖屑限制流體流經(jīng)導流槽。對于這樣的應用，導流槽可被描述為從相應牙爪后緣到前緣具有增加的截面面積或增加的流體流通面積，從而基本減少或防止巖屑限制流體流經(jīng)導流槽。
本發(fā)明的不同教導可用于增加導流槽的截面面積或流體流通面積，包括，但并不限制于增加導流槽的寬度和/或深度。同樣，通過改變不同的幾何特性增加截面面積或流體流通面積，例如導流槽的一個或多個部分相對于相應牙輪軸的徑向距離。結(jié)合本發(fā)明教導的導流槽可包括相對于相應牙輪軸的不對稱的結(jié)構(gòu)或形狀。對于某些應用，一個或多個導流塞可設置在這些導流槽附近。


通過參考下面結(jié)合附圖的描述，將會更完全和更徹底地理解本發(fā)明的實施例和它的優(yōu)點，其中相同的附圖標記指示相同的特征，其中圖1A為由根據(jù)本發(fā)明的牙輪鉆頭形成的井筒的縱向剖面示意圖；圖1B為說明鉆柱以及安裝有圖1A的牙輪鉆頭的放大的示意圖；圖2為說明根據(jù)本發(fā)明的牙輪鉆頭的縱向示意圖；圖3為說明根據(jù)本發(fā)明的牙輪組件和牙爪的部分縱向剖面示意圖；圖4A為根據(jù)本發(fā)明的牙爪的立體示意圖；圖4B，4C和4D為在圖4A中牙爪內(nèi)形成的巖屑導流槽的流體流通面積變化的截面示意圖；圖5A為根據(jù)本發(fā)明的牙爪的立體示意圖；圖5B，5C和5D為在圖5A中牙爪內(nèi)形成的巖屑導流槽的流通面積變化的截面示意圖；圖6A為根據(jù)本發(fā)明牙爪的立體示意圖；圖6B，6C和6D為在圖6A中牙爪內(nèi)形成的巖屑導流槽的流通面積變化的截面示意圖；圖7A為根據(jù)本發(fā)明牙爪的立體示意圖；圖7B，7C和7D為在圖7A中牙爪內(nèi)形成的巖屑導流槽的流通面積變化的截面示意圖；具體實施方式
通過參考圖1A-7D，將會更好地理解本發(fā)明公開的優(yōu)選實施例和它的優(yōu)點，其中相同的附圖標記表示相同或相似的部分。
術語“巖屑”在本申請中可指任何類型的材料，例如，但并不限制于地層鉆屑、頁巖、磨粒、或與使用牙輪鉆頭在地層中鉆井有關的其它井下巖屑。
術語“導流塞(diverter plug)”在本申請中通常包括可安裝在牙輪鉆頭牙爪內(nèi)的任何頁巖消耗塞(shale burn plug)、頁巖導流塞、巖屑導流塞和巖屑導流插入物。這樣的導流塞可用于阻擋或改變遠離相關牙輪組件內(nèi)液封的包含井下巖屑的流體流動方向。
術語“牙輪組件”在本申請中通常包括可旋轉(zhuǎn)地安裝于牙爪上的不同類型和形狀的輥子牙輪組件和切削牙輪組件。牙輪組件也可被稱為“輥子錐形”或“切削錐形”。牙輪組件通常具有圓錐形外部形狀或可具有更加滾圓的外部形狀。與牙輪鉆頭結(jié)合的牙輪組件通常向內(nèi)指向彼此。對于某些應用，例如僅具有一個牙輪的牙輪鉆頭，所述牙輪組件可具有接近基本球形的外部形狀。
術語“切削部件”和“多個切削部件”在本申請中通常包括適用于牙輪鉆頭的不同類型的鑲嵌物，插入物，碾磨齒和焊接鑲嵌物。術語“切削結(jié)構(gòu)”和“多個切削結(jié)構(gòu)”在本申請中通常包括形成于或連接于牙輪鉆頭的一個或多個牙輪組件上的切削部件的不同組合和排列。
術語“支承結(jié)構(gòu)”在本申請中通常包括任何適于將牙輪組件可旋轉(zhuǎn)地安裝于牙爪上的適合的軸承，軸承系統(tǒng)和/或支撐結(jié)構(gòu)。例如，“支承結(jié)構(gòu)”可包括形成滑動軸承，滾柱軸承(包括，但并不限于滾柱-滾珠-滾柱-滾柱軸承，滾柱-滾珠-滾柱軸承和滾柱-滾珠-摩擦軸承)或各種整體軸承的內(nèi)座圈和外座圈以及襯套部件。另外，支承結(jié)構(gòu)可包括用于可旋轉(zhuǎn)地將牙輪組件與牙爪安裝的界面元件，例如襯套、滾柱、滾珠、和硬化材料區(qū)。
術語“牙輪軸”在本申請中可包括適于將牙輪組件可旋轉(zhuǎn)地安裝于牙爪上的任何適合的軸頸，軸，牙輪軸或支承結(jié)構(gòu)。支承結(jié)構(gòu)典型地設置在牙輪組件的鄰近部件和心軸之間從而允許牙輪組件相對于牙輪軸和相應牙爪的旋轉(zhuǎn)。
術語“液封”在本申請中可包括適于在牙輪組件鄰近部分和相應心軸之間形成液體邊界的任何類型的密封件、密封環(huán)、墊圈、彈力密封、密封組件或任何其它部件。與牙輪鉆頭相關的液封的例子包括O-形環(huán)，墊圈，以及金屬-金屬密封，但并不限制于此。液封也被設置在密封槽或密封套內(nèi)。
術語“牙輪鉆頭”在本申請中可用于描述具有至少一個在其上可旋轉(zhuǎn)地安裝有牙輪組件的牙爪的任何類型的鉆頭。牙輪鉆頭有時候可被描述為“旋轉(zhuǎn)錐形牙輪鉆頭”，“切削牙輪鉆頭”或“旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭”。牙輪鉆頭通常包括具有從那里延伸的三個牙爪的鉆頭體，和可旋轉(zhuǎn)地安裝在每個牙爪上的相應牙輪組件。這樣的鉆頭也可被描述為“三牙輪鉆頭”。然而，本發(fā)明公開的教導可用于具有一個牙爪、兩個牙爪或任何數(shù)目牙爪以及相應牙輪組件的鉆頭。
圖1A為說明通過根據(jù)本發(fā)明教導牙輪鉆頭形成的井筒或井眼實施例的縱向剖面示意圖。本發(fā)明公開的不同方面可相對于設置在井場22的鉆機20進行描述。不同類型的鉆井設備，例如轉(zhuǎn)盤，泥漿泵和泥漿罐(未清楚示出)可設置在井場22。鉆機20可具有與“陸地鉆機”相關的不同特性和特點。然而，包含本發(fā)明教導的牙輪鉆頭可很好地與海上平臺，鉆井船，半潛式平臺和鉆井駁船(未特別示出)上的設備一起使用。
圖1A，1B和2中所示的牙輪鉆頭40連接于從井場(well surface)22延伸的鉆柱24的端部。牙輪鉆頭，例如鉆頭40，通過破碎或鉆入地層并且利用切削部件從井底切削或剪切地層物質(zhì)形成井筒，所述剪切部件通常產(chǎn)生高濃度的細小磨粒。
鉆柱24可施加鉆壓并且旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭40以便形成井筒30。牙輪鉆頭40的旋轉(zhuǎn)軸46有時可稱為“鉆頭旋轉(zhuǎn)軸”。參見圖2。相關鉆柱25的重量(有時稱為“鉆壓”)通常沿著鉆頭旋轉(zhuǎn)軸46施加于牙輪鉆頭40。
在一些應用中，可用不同類型的井下馬達(未特別示出)來旋轉(zhuǎn)根據(jù)本發(fā)明教導的牙輪鉆頭。當前公開的內(nèi)容并不限制于與常規(guī)鉆柱連接的牙輪鉆頭。
鉆柱24可由通常中空的管狀鉆桿(未特別示出)部分和接頭構(gòu)成。鉆柱24也可包括由很多部件構(gòu)成的底部鉆具組合26。例如，部件26a，26b和26c可選自包含，但并不限制于包括鉆挺，旋轉(zhuǎn)導向工具，定向鉆具和/或井下鉆井馬達的組中。例如，鉆挺和底部鉆具組合中不同類型部件的數(shù)量將依賴于預期的井下鉆井工況和將通過鉆柱24和牙輪鉆頭40形成的井眼的類型。
牙輪鉆頭40可在鉆柱與井場22相對的端部與底部鉆具組合26連接。底部鉆具組合26通常具有與鉆柱24其它部分一致的外徑。鉆柱24和牙輪鉆頭40可用于形成不同類型的井眼和/或井筒。例如，可使用鉆柱24和牙輪鉆頭40形成圖1A中虛線所示的水平井筒30a。通常在“白堊”地層和其它類型的頁巖地層中形成水平井筒。牙輪鉆頭40和白堊或頁巖型地層之間的相互作用可形成大量細小的高研磨顆粒和其它類型的井下巖屑。
井筒30可通過從井場22到預定井下位置延伸的套管柱32部分限定。如圖1A和圖1B中所示，井筒30的剩余部分可被稱為“裸眼井”(沒有套管)。通過鉆柱24可將鉆井液從井場22泵送到連接的牙輪鉆頭40。鉆井液可通過部分由鉆柱24的外徑25和井筒30的內(nèi)徑31限定的環(huán)空34返回到井場22。內(nèi)徑31也被稱為井筒30的“井壁”。為了某些應用，環(huán)空34也可由鉆柱24的外徑25和套管32的內(nèi)徑33限定。
形成井筒30的鉆井液類型可基于與牙輪鉆頭40相關的設計參數(shù)，每個待鉆地層的預期特性，和由鄰近井筒30的一個或多個地層產(chǎn)生的任何碳氫化合物流體或其它流體進行選擇。鉆井液可用于將地層切屑和其它井底巖屑(未特別示出)從井筒30移動到井場22。巖屑可通過牙輪鉆頭40與井筒30端部36接觸形成。端部36有時被稱為“井底”36。巖屑也可通過牙輪鉆頭40與水平井筒30a的端部36a接觸形成。鉆井液可通過沖擊，磨蝕和/或沖蝕井下巖層38的鄰近部分參與井筒30的形成。因此，在井筒30端部36處的圍繞牙輪鉆頭40的鉆井液中具有高濃度的細小磨粒和其它類型的巖屑。
鉆井液通常通過在井筒內(nèi)保持所需要的流體壓力平衡而用于井控。通常選擇鉆井液的重量或密度以便阻止從鄰近地層進入相關井筒的非期望的流體流動，和阻止從井筒進入鄰近地層的鉆井液的非期望的流動?？梢允褂貌煌奶砑觿﹣碚{(diào)節(jié)鉆井液的密度或重量。這些添加劑和/或形成的鉆井液有時也稱為“鉆井泥漿”。用于形成鉆井泥漿的添加劑可包括能夠損害液封和相關牙輪鉆頭支承結(jié)構(gòu)的小的磨粒。有時候，鉆井液中的添加劑(泥漿)可聚集在或粘附于牙輪鉆頭的一個或多個表面上。
鉆井液也可為井筒附近的地層物質(zhì)提供化學穩(wěn)定性，可阻止或減少鉆柱，底部鉆具組合和/或連接的旋轉(zhuǎn)鉆頭的腐蝕。鉆井液也可用于清洗，冷卻和潤滑切削部件，切削結(jié)構(gòu)以及與牙輪鉆頭40相關的其它部件。
牙輪鉆頭40可包括鉆頭體42，所述鉆頭主體具有適于將牙輪鉆頭40與鉆柱24連接的錐形的，外部有螺紋的上端44。各種螺紋連接可很好地用于將牙輪鉆頭40與鉆柱24連接并且允許牙輪鉆頭40隨在井場22處的鉆柱24的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。
靠近上部分42可形成一個擴大的空腔(未特別示出)以接收來自鉆柱24的鉆井液。這些鉆井液可直接從鉆柱24流向設置在牙輪鉆頭40中的相應噴嘴150。可在鉆頭體42內(nèi)形成多個鉆井液通道(未清楚說明)。每個鉆井液通道可從相連的擴大空腔到鉆頭體42內(nèi)形成的相應接收器延伸。接收器48的位置可基于噴嘴150相對于相關的牙輪組件90的預期位置選擇。
由牙輪鉆頭40形成的地層切屑和井筒30端部36處的任何其它井下巖屑將與來自噴嘴150的鉆井液混合。鉆井液，地層切屑和其它巖屑的混合物通常從牙輪鉆頭40底部徑向向外流動，然后通過環(huán)空34向上流至井場22。
當鉆柱24旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭40時，牙輪鉆頭40、鉆頭體42、牙爪50和相應的牙輪組件90基本被鉆井液、地層切屑和其它井下巖屑的混合物覆蓋或浸沒在其中。鉆井液、地層切屑和/或地層流體的混合物可包括高研磨材料。
鉆頭體42可由三部分構(gòu)成，所述部分包括從那里延伸的相應牙爪50。所述部分可使用常規(guī)技術彼此焊接在一起從而形成鉆頭體42。圖1A，1B和圖2中只顯示了兩個牙爪50。
每個牙爪50通常被描述為具有部分由內(nèi)表面52和外表面54限定的延長結(jié)構(gòu)。每個牙爪50可包括從相應的內(nèi)表面52向內(nèi)延伸的相應的牙輪軸70。每個牙爪50也可包括與鉆頭體42間隔開的在相應端部60處終止的相應的前緣56和后緣58。
與相應牙輪軸70相對的部分外表面54有時也稱為每個牙爪50的“牙爪尖”或“牙爪尖表面”。所述牙爪尖有時也被稱為相應噴嘴下部的牙爪外部?？拷鄳瞬?0的每個牙爪50的外部有時也稱為“牙爪尖頂端”。每個牙爪50的內(nèi)表面52和外表面54沿著相應的前緣56、后緣58和相應端部60彼此連續(xù)。
牙輪軸70可以相對于相應內(nèi)表面52向下并且向內(nèi)成一定角度。因此，當牙輪鉆頭40由鉆柱24旋轉(zhuǎn)時，每個牙輪組件90的外部可與井筒30底部或端部36接觸。在某些應用中，牙輪軸70在牙輪鉆頭40的旋轉(zhuǎn)方向上傾斜零度到三度或四度的角度。
牙輪組件90可旋轉(zhuǎn)地安裝于從每個牙爪50延伸的相應牙輪軸70上。每個牙輪組件90可包括以與相應牙輪軸70和牙爪50之間角度關系一致的角度延伸的相應旋轉(zhuǎn)軸100。每個牙輪組件90的旋轉(zhuǎn)軸100通常與相應牙輪軸70的縱軸或縱向中心線一致。每個牙輪組件90的旋轉(zhuǎn)軸可相對于牙輪鉆頭40的縱軸或旋轉(zhuǎn)軸46偏移。參見圖2。
不同類型的夾持裝置和鎖緊裝置可很好地用于每個牙輪組件90與相應牙輪軸70的固定連接。對于某些應用，通過牙輪軸70可形成從外表面54延伸的滾珠通道(未特別示出)。每個牙輪組件90可借助于通過相應滾珠通道插入多個滾珠軸承78保持在相應牙輪軸70上。滾珠軸承78可設置在形成于牙輪軸70鄰近部分的相應滾珠座圈76和106以及相應牙輪組件90的空腔102內(nèi)。滾珠保持塞(ball retainerplug)(未特別示出)也可插入滾珠通道內(nèi)。一旦被插入，滾珠軸承78與滾珠座圈76和106彼此配合從而防止牙輪組件90從相應牙輪軸70上脫離。
為了某些應用，多個鑲嵌物92可設置在靠近每個牙輪組件90的承載面94的牙輪背圈保徑面93上。鑲嵌物92可用于防止磨損靠近相應牙輪組件90的背面94的牙輪背圈保徑面93。對于相關的牙輪組件90，牙輪背面94有時可稱為“基面”。
每個牙輪組件90也可包括設置在形成于相應牙輪背面94和牙輪頂端98之間的每個牙輪組件90外表面上相應排中的多個切削部件96。切削部件96的保徑齒圈可鄰近每個牙輪組件90的背面94設置。所述保徑齒圈有時也稱為嵌入物的“第一排”。
鑲嵌物92和切削部件96可由多種材料形成，例如碳化鎢。術語“碳化鎢”包括碳化一鎢(WC)、碳化二鎢(W2C)、粗晶碳化鎢、膠結(jié)的或燒結(jié)的碳化鎢?？珊芎玫匦纬设偳段?2和切削部件96的硬質(zhì)材料的例子可包括多種金屬合金和金屬陶瓷，例如金屬硼化物，金屬碳化物，金屬氧化物和金屬氮化物。為了某些應用，鑲嵌物92和/嵌入物96可由多晶金剛石材料或其它適合硬度的耐磨材料制成。
切削部件96可隨著鉆壓和通過鉆柱24施加給牙輪鉆頭40的旋轉(zhuǎn)刮削和切削井筒30的底部和井壁。井筒30的內(nèi)徑或井壁31基本與牙輪組件90與牙輪鉆頭40連接后的組合外徑一致。
每個牙輪組件90上的切割部件96的位置可以改變以提供所需要的井下鉆探活動。其它類型的牙輪組件也可很好地與本發(fā)明的公開內(nèi)容(包括但并不限制于具有碾磨齒(未特別示出)而不是切削部件96的牙輪組件)一起使用。
不同類型的支承結(jié)構(gòu)可用于將每個牙輪組件90可旋轉(zhuǎn)地安裝于相應牙輪軸70上。例如，每個牙輪軸70通常包括圓柱形外表面，例如支承面74。每個牙輪組件90可包括從相應承載面94向內(nèi)延伸的相應的空腔102。每個空腔102可包括通常圓柱形內(nèi)表面，例如支承面104。每個空腔102的圓柱形部分可具有相應的內(nèi)徑，該內(nèi)徑通常大于牙輪軸70鄰近圓柱形部分的外徑。
選擇每個空腔102的內(nèi)徑和相應牙輪軸70外徑之間的變化以便調(diào)節(jié)相應支承結(jié)構(gòu)并且允許每個牙輪組件90相對于相應牙輪軸74和牙爪50的鄰近部分旋轉(zhuǎn)。支承面74的外徑與支承面104的內(nèi)徑之間的真實差值可相對較小以便相對于相應牙輪軸70為每個牙輪組件90提供需要的支承座和旋轉(zhuǎn)支撐。
支承面74和104支撐由每個牙輪組件90相對于相應牙輪軸70旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的徑向載荷。止推軸承凸緣82可形成于滾珠座圈76和導向支承面84之間的牙輪軸70上。止推軸承凸緣82通常支撐由牙輪鉆頭40上的鉆壓和每個牙輪組件90相對于相應牙輪軸70的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向載荷。在某些應用中，止推軸頸或止推軸承80也可設置在與相應牙爪50相對的牙輪軸70一端的每個牙輪組件90的空腔102內(nèi)。
一個通常圓柱形間隙形成于牙輪軸70外部與相應牙輪組件90的空腔102內(nèi)部之間。所述通常圓柱形間隙可由相鄰的支承面74和104限定。所述通常圓柱形間隙也可包括牙輪軸70的部分和鄰近液封108的空腔102。
在靠近并且從相關心軸延伸的牙爪內(nèi)表面通常加工有一個或多個加工面。對于如圖3，4A，5A，6A和7A中所示的實施例，每個牙爪50可通常描述為具有從相應牙輪軸70徑向延伸的相應加工面64。加工面64可使相應的牙爪50的最近的前緣56、后緣58和牙爪尖頂60終止。
如圖3中所示，在牙輪背面94與在相應牙爪50的內(nèi)表面52上形成的加工面64的鄰近部分之間形成有間隙62。間隙62有時通常稱為“隙距”。間隙62允許每個牙輪組件90相對于相應牙爪50的加工面64旋轉(zhuǎn)。間隙62也從通常圓柱形間隙延伸并且與之連通，所述通常圓柱形間隙在牙輪軸外部與相應牙輪組件90的空腔102內(nèi)部之間形成。
每個牙爪50可包括具有潤滑劑儲器的潤滑系統(tǒng)(未特別示出)，潤滑劑壓力補償器和一個或多個潤滑劑通道從而提供了牙輪組件90與相應牙輪軸70的不同部件的潤滑。一個或多個通道(未特別示出)可設置在牙輪軸70內(nèi)以便為支承面74和104，滾珠座圈76和106和/或止推軸承凸緣82提供潤滑。
可提供一個或多個液封以便阻擋通過在牙輪軸70外部和相應牙輪組件90空腔102內(nèi)部之間形成的基本圓柱形間隙的液體流通。如圖3中所示，液封108可與牙輪軸70外部和空腔102內(nèi)部配合，所述空腔102位于在相應牙爪50內(nèi)表面52上形成的加工面64和支承面74與104之間。為了某些應用，液封108可包括密封環(huán)或設置在密封套內(nèi)(未特別示出)的填料密封。
液封108可用于防止鉆井液和包含巖屑的任何其它流體與支承面74和104以及滾珠座圈76和106接觸。液封108也可形成液體阻擋以便防止空腔102和牙輪軸70之間包含的潤滑劑泄漏。液封108保護相應支承結(jié)構(gòu)不會漏失潤滑劑和免受巖屑污染，因此延長了牙輪鉆頭40的井下鉆頭壽命。
包含地層鉆屑以及其它巖屑的鉆井液可進入在每個牙輪組件90的背面94和內(nèi)表面52之間形成的間隙62。每個牙輪組件90的旋轉(zhuǎn)通常迫使(泵送)鉆井液和相應巖屑進入間隙62和在每個牙輪軸70與相應牙輪組件90之間形成的通常圓柱形間隙。這種鉆井液的運動通常導致巖屑填塞擠壓相應液封108從而使巖屑形成結(jié)實的固體層。巖屑層可迫使液封108在相應密封套內(nèi)軸向移動，直到液封108到達密封套的端部，在這里，連續(xù)的壓力(巖屑的擠壓)可增加超過相應密封材料的設計范圍的作用于液封108的壓力。
對于某些應用，在從每個牙爪50的后緣58到前緣56延伸的內(nèi)表面52上可形成導流槽120。導流槽120可提供具有比在牙輪背面94的鄰近部分與加工面64之間形成的小間隙62更大的流通面積的液體流動路徑。因此，導流槽120通常使鉆井液和包含巖屑的其它流體轉(zhuǎn)向離開相應液封108或引導其離開。導向槽120有時可被稱為頁巖導向槽或巖屑導向槽。
本發(fā)明的一個目的包括形成具有不同流體流通面積的導向槽從而減少或消除鉆井液中包含添加劑的巖屑粘附或涂覆導向槽表面的趨勢。有時，巖屑可在具有通常均勻或恒定流體流通面積的常規(guī)導向槽內(nèi)聚集并且限制或阻擋流體流過。如果巖屑在導向槽內(nèi)聚集并阻擋或限制流體流過，那么填充擠壓相應液封的巖屑將大大增加。包含本發(fā)明教導的導向槽實施例很大程度上減少或消除了巖屑在圖4A-7D中所示的這種導向槽內(nèi)的堆積。
根據(jù)本發(fā)明的教導改變流體流通面積加強了導流槽將鉆井液和包含鉆屑的其它流體導向或引導離開相應液封的能力。也可在加工面64或內(nèi)表面52的最佳位置設置設置一個或多個導流塞(未清楚示出)以便增加包含井下巖屑的流體進入相應導流槽120中的流動。
除相關的導流槽120外，圖4A，5A，6A和7A中所示的牙爪可具有基本相同的形狀和尺寸。為了描述本發(fā)明的不同特點，圖4A，5A，6A和7A中所示的相應牙爪被指定為牙爪50a，50b，50c和50d。相同的方式，圖4A，5A，6A和7A中所示的相應導向槽120被指定為導向槽120a，120b，120c和120d。
每個導向槽120a，120b，120c和120d通常被描述為具有相應的第一邊緣121和第二邊緣122。每個第一邊緣121可在從前緣56到相應牙爪50a，50b，50c和50d的后緣58以弓形延伸的相應加工面64中形成。為了某些應用(但不是所有)，第一邊緣121可部分由從相應牙輪軸70的縱向中心線延伸的均勻半徑限定。
每個第二邊緣122可在相應加工面64和/或沒有被機加工的相應內(nèi)表面52的部分內(nèi)形成。每個第二邊緣122相對于相應牙輪軸70在前緣56和后緣58之間以基本弓形形狀延伸。與本發(fā)明的教導一致，每個第二邊緣122的位置和形狀可相對于第一邊緣121和/或牙輪軸70改變。
當牙輪組件90可旋轉(zhuǎn)地安裝于相應牙輪軸70上時，牙輪背面94可覆蓋所有或部分相應導向槽120a，120b，120c和120d。圖4A，5A，6A和7A中所示的箭頭91指示牙輪組件90相對于牙輪軸70，加工面64和相應導向槽120a，120b，120c和120d的總的旋轉(zhuǎn)方向。每個導向槽120a，120b，120c和120d的第一邊緣121通常將被設置在下部并且被相應牙輪背面94覆蓋。為了某些應用，相應牙爪50前緣56附近的部分第二邊緣122沒有被相應牙輪組件90的牙輪背面94完全覆蓋。
本發(fā)明的優(yōu)點之一包括改變第一邊緣121和/或第二邊緣122相對于牙輪軸70和/或相應牙輪組件90的背面94的位置。導向槽120a，120b，120c和120d的可部分由在第一邊緣121和第二邊緣122之間延伸的相應寬度124和相應深度126限定。根據(jù)本發(fā)明的教導，每個導向槽120a-120d的深度和寬度可以變化。
對于某些應用，導向槽120a，120b和120c可被描述為具有基本矩形截面。導向槽120a，120b和120c可以被描述為具有基本U型或C型截面。導向槽120d可被描述為具有部分由圓形部分限定的基本弧形截面。然而，導向槽可具有不同于圖4A-7D中所示截面的各種截面。
對于圖4A-4D中所示的實施例，在牙爪50a的前緣56和后緣58之間的導向槽120a的寬度124可以增加。在牙爪50a的前緣56和后緣58之間的導向槽120a的高度126可相對不變。由于寬度124增加，從牙爪50a前緣56到后緣58的導流槽120a中的截面面積或有效的流體流通面積大大增加了。
圖4B可以為鄰近牙爪50a后緣58的導流槽120a的截面的典型。圖4C中所示的導流槽120a的截面可以為在牙爪50a的后緣58和前緣56之間接近中途的導流槽120a的截面典型。圖4D中所示的截面可以為接近牙爪50a前緣的導流槽120a的截面典型。
對于圖5A-5D中所示的實施例，導流槽120b可被描述為具有從牙爪50b后緣58到前緣56延伸的均勻?qū)挾?24。然而，導流槽120b的深度126可從牙爪50b的后緣58到前緣56增加。深度126也可相對于相應牙輪組件90的背面94增加。由于深度126增加，導流槽120b中的截面面積或有效流體流通面積通常從牙爪50b的后緣58到前緣56增力。
圖5B可以為接近牙爪50b后緣58的導流槽120b的截面典型。圖5C中所示的導流槽120c的截面可以為牙爪50b的后緣58和前緣56之間接近中途的導流槽120b的截面典型。圖5D中所示的截面可以為接近牙爪50b前緣56的導流槽120b的截面典型。
對于圖6A-6D中所示的實施例，導流槽120c可被描述為從牙爪50c后緣58到前緣56延伸的寬度124和深度126都增加的截面典型。深度126也可相對于相應牙輪組件90的背面94增加。由于寬度124和深度126都增加，導流槽120c中的截面面積或有效流體流通面積通常從牙爪50c的后緣58到前緣56增加。
圖6B可以為鄰近牙爪50c后緣58的導流槽120c的截面典型。圖6C中所示的導流槽120c的截面可以為牙爪50c的后緣58和前緣56之間中途附近的導流槽120c的截面典型。圖6D中所示的截面可以為牙爪50c前緣56附近的導流槽120c的截面典型。
對于圖7A-7D中所示的實施例，導流槽120d通常被描述為具有部分由圓形部分限定的截面。導流槽120d通常被描述為具有從牙爪50d的后緣58到前緣56延伸的增加的寬度和深度。深度126也可相對于相應牙輪組件90的背面94增加。由于深度126和寬度124增加，導流槽120d中的截面面積或有效流體流通面積通常從牙爪50d的后緣58到前緣56增加。對于某些應用，每個與導流槽120d相關的截面可為具有基本相同半徑59的圓形部分。對于其它應用，導流槽(未特別示出)可形成與相應圓的部分一致的截面，其中每個圓具有增加的半徑(未特別示出)。
圖7B可以為接近牙爪50d后緣58的導流槽120d的截面典型。圖7C中所示的導流槽120d的截面可以為接近牙爪50d的前緣56和后緣58之間中途的導流槽120d的截面典型。圖7D中所示的截面可以為接近相應牙爪50d前緣56的導流槽120d的截面典型。
在牙輪組件90旋轉(zhuǎn)方向上，相對于各導流槽120a，120b，120c和120d的前緣56和后緣58之間的加工面64增加流體流通面積，可基本減少或消除包含相應鉆井液中添加劑的巖屑涂覆，粘附或附著于導流槽120a，120b，120c和120d的相應表面從而阻擋或限制流體流過的可能性。因此，相應液封108和由液封108保護的支承結(jié)構(gòu)的井下使用壽命增加了。液封和支承結(jié)構(gòu)的井下使用壽命增加通常將增加相應牙輪鉆頭的井下鉆頭壽命。
盡管已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明公開的內(nèi)容和它的優(yōu)點，但是應該理解，這里所作的不同的改變，替代和變化都沒有背離由下面所附權(quán)利要求限定的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種牙輪鉆頭，包括鉆頭體，具有至少一個從其上延伸的牙爪；每個牙爪具有前緣和后緣；每個牙爪具有第一內(nèi)表面，該第一內(nèi)表面具有自其上延伸的牙輪軸；相關牙輪組件，具有形成在其內(nèi)的空腔；所述空腔由內(nèi)表面部分地限定，其尺寸形成為容納形成于所述牙輪軸上的相應外表面；設置在每個牙輪軸的外表面和每個牙輪組件的內(nèi)表面之間的相應支承結(jié)構(gòu)；液封，設置在形成于每個牙輪組件的內(nèi)部部分和相關牙輪軸的外部部分之間的第一基本圓柱形間隙中；導流槽，形成在每個牙爪的內(nèi)表面上，與相關牙輪軸間隔開；每個導流槽從相關牙爪的前緣延伸到后緣；每個導流槽可操作以便引導包含巖屑的流體遠離相關的液封；和每個導流槽具有從所述前緣延伸到所述后緣的逐漸增大的截面面積，從而使相應導流槽中的可能的巖屑堆積最小化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征在于，每個導流槽進一步包括設置在相關牙爪的前緣最近處的入口和設置在相關牙爪的后緣最近處的出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的牙輪鉆頭，其特征在于，每個導流槽進一步包括由寬度和高度部分地限定的基本U形截面；在前緣處的導流槽的截面高度小于在后緣處的導流槽的截面高度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的牙輪鉆頭，進一步包括由寬度和高度部分地限定的截面；和在前緣處的導流槽的相對于相關牙輪組件的背面的截面高度小于在后緣處的導流槽的截面高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的牙輪鉆頭，進一步包括每個導流槽具有由寬度和高度部分地限定的基本U形截面；在前緣處的導流槽的截面寬度小于在后緣處的導流槽的截面寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，進一步包括導流槽還包括設置在相關牙爪的前緣最近處的入口和設置在相關牙爪的后緣最近處的出口；所述導流槽具有由寬度和高度部分地限定的基本U形截面；在前緣處的導流槽的截面高度小于在后緣處的導流槽的截面高度；和在前緣處的導流槽的截面寬度小于在后緣處的導流槽的截面寬度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，進一步包括導流槽還包括設置在相關牙爪的前緣最近處的入口和設置在相關牙爪的后緣最近處的出口；所述導流槽具有由半徑部分地限定的基本U形截面；和在前緣處的導流槽的截面半徑小于在后緣處的導流槽的截面半徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征在于，每個導流槽還包括選自由基本U形截面、部分圓形和基本矩形截面組成的組中的截面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，還包括每個牙爪具有與第一內(nèi)表面和牙輪軸相對的第二外表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，還包括每個導流槽具有鄰近相關牙爪的內(nèi)表面形成的第一邊緣和第二邊緣。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，還包括設置在相關牙爪的內(nèi)表面上的至少一個導流塞，以便有助于將包含巖屑的流體導入到相應的導流槽中。
12.一種牙輪鉆頭，包括鉆頭體，具有從其上延伸的三個牙爪；每個牙爪具有前緣和后緣；每個牙爪具有第一內(nèi)表面，該第一內(nèi)表面具有自其上延伸的牙輪軸；相關牙輪組件，具有形成在其內(nèi)的空腔；所述空腔由內(nèi)表面部分地限定，其尺寸形成為容納形成于所述牙輪軸上的相應外表面；設置在每個牙輪軸的外表面和每個牙輪組件的內(nèi)表面之間的相應支承結(jié)構(gòu)；液封，設置在形成于每個牙輪組件的內(nèi)部部分和相關牙輪軸的外部部分之間的第一基本圓柱形間隙中；巖屑導流槽，形成在每個牙爪的內(nèi)表面上，與相關牙輪軸間隔開；每個巖屑導流槽從相關牙爪的前緣延伸到后緣；每個巖屑導流槽可操作以便引導包含巖屑的流體遠離相關的液封；和每個巖屑導流槽具有不同的尺寸和/或構(gòu)形，以便通過使頁巖、地層切屑和其它類型的井下巖屑偏離這些液封和支承系統(tǒng)來增強對相關液封和支承系統(tǒng)的保護。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的牙輪鉆頭，其特征在于，每個巖屑導流槽進一步包括設置在相關牙爪的前緣最近處的入口和設置在相關牙爪的后緣最近處的出口。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的牙輪鉆頭，其特征在于，每個巖屑導流槽進一步包括由寬度和高度部分地限定的基本U形截面；在前緣處的巖屑導流槽的截面高度小于在后緣處的巖屑導流槽的截面高度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，進一步包括由寬度和高度部分地限定的基本U形截面；在前緣處的導流槽的相對于相關牙輪組件的背面的截面高度小于在后緣處的導流槽的截面高度。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的牙輪鉆頭，進一步包括每個巖屑導流槽具有由寬度和高度部分地限定的基本U形截面；在前緣處的巖屑導流槽的截面寬度小于在后緣處的巖屑導流槽的截面寬度。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的牙輪鉆頭，進一步包括巖屑導流槽還包括設置在相關牙爪的前緣最近處的入口和設置在相關牙爪的后緣最近處的出口；巖屑導流槽具有由寬度和高度部分地限定的基本U形截面；在前緣處的巖屑導流槽的截面高度小于在后緣處的巖屑導流槽的截面高度。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的牙輪鉆頭，進一步包括巖屑導流槽還包括設置在相關牙爪的前緣最近處的入口和設置在相關牙爪的后緣最近處的出口；巖屑導流槽具有由寬度和高度部分地限定的基本U形截面；在前緣處的巖屑導流槽的截面高度小于在后緣處的巖屑導流槽的截面高度。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的牙輪鉆頭，其特征在于，每個巖屑導向槽進一步包括選自由基本U形截面、基本C形截面和基本矩形截面組成的組中的截面。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的牙輪鉆頭，進一步包括每個牙爪具有與第一內(nèi)表面和牙輪軸相對的第二內(nèi)表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的牙輪鉆頭，進一步包括每個巖屑導流槽具有鄰近相關牙爪的內(nèi)表面形成的第一和第二邊緣。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的牙輪鉆頭，進一步包括設置在相關牙爪的內(nèi)表面上的至少一個導流塞，以便有助于將包含巖屑的流體導入到相應的巖屑導流槽中。
23.一種形成具有對相應液封的增強保護的牙輪鉆頭的方法，包括形成鉆頭體，該鉆頭體具有可操作以與鉆柱可釋放地結(jié)合的第一端和從鉆頭體的第二端延伸的至少一個牙爪；使每個牙爪形成為具有第一內(nèi)表面和從相關的牙爪向內(nèi)延伸的相應牙輪軸；形成具有內(nèi)部空腔的牙輪組件，該內(nèi)部空腔具有內(nèi)表面，其尺寸形成為能夠容納與相應牙輪軸相關的支承結(jié)構(gòu)；在形成于每個牙輪組件的內(nèi)部部分和相應牙輪軸的外部部分之間的基本圓柱形間隙內(nèi)安裝液封；和在每個牙爪的內(nèi)表面上形成導流槽，與相應的牙輪軸間隔開。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進一步包括形成每個導流槽，其具有不同的尺寸和/或構(gòu)形，以便通過使頁巖、地層切屑和其它類型的井下巖屑偏離這些液封和支承系統(tǒng)來增強對相關液封和支承系統(tǒng)的保護。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進一步包括形成每個導流槽，其具有相對于相關牙輪組件的背面增加的深度。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進一步包括在導流槽最近處的相關牙爪的內(nèi)表面中安裝至少一個導流塞，以便有助于將包含巖屑的流體導入到相關的導流槽中。
全文摘要
一種包括鉆頭體的牙輪鉆頭，該鉆頭體具有至少一個從鉆頭體延伸的牙爪。每個牙爪可以具有內(nèi)表面和外表面，該外表面具有從內(nèi)表面延伸的相關牙輪軸。相應牙輪組件可旋轉(zhuǎn)地設置于每個牙輪軸上。在每個牙輪組件的內(nèi)部部分和相關牙輪軸的外部部分之間形成的間隙具有設置在該間隙內(nèi)的液封以阻止流體流過。每個牙輪組件包括設置在相關牙爪的內(nèi)表面附近的基本圓柱形背面。導流槽形成在每個牙爪的內(nèi)表面中，與相關的牙輪軸間隔開。每個導流槽具有變化的幾何形狀以增強包含井下巖屑的流體遠離相關的密封部件的流動，每個導流槽具有可變化的幾何形狀。
文檔編號E21B10/18GK101025076SQ20071007893
公開日2007年8月29日 申請日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月21日
發(fā)明者M·E·威廉姆斯, M·B·克勞福德, W·C·薩克斯曼, M·P·布萊克曼, G·L·普魯伊特 申請人:霍利貝頓能源服務公司