專利名稱：銑成齒切割刀具的規(guī)準面和制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及鉆井技術(shù)、特別涉及對銑成齒錐形轉(zhuǎn)動鉆頭的切割刀具作出改進。
在石油和天然氣勘探和生產(chǎn)中用來鉆井的轉(zhuǎn)動鉆頭通常為錐形轉(zhuǎn)動鉆頭。這種鉆頭包括可轉(zhuǎn)動地裝在從該鉆頭各臂伸出的支承軸上的多個錐形滾動刀具或稱為錐形轉(zhuǎn)動刀具。這些刀具裝在相對于鉆頭軸線向下、向里伸展的支承軸上，從而刀具的錐面在井底上滾動并接觸巖層。銑成齒在鉆井時其接觸井底和井壁的部位會磨損。
把碳化鎢粒子滲入銑成齒的某些易磨損部位可提高刀具的壽命。這一工藝稱為“表面硬化”。1981年4月21發(fā)表的美國專利No.4,262,761公開了把表面硬化材料加到銑成齒上，其全部內(nèi)容作為參考資料包括在本發(fā)明中。可使用表面硬化法形成耐磨或耐腐蝕結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生自銳利齒形。
由于鉆頭的使用條件極為惡劣，因此較之其它各類機器、鉆頭的各部件反復受到比制成這些部件的材料所能承受的應力高得多的應力，此外，鉆頭必須不管在何種巖層中都能正常工作，而鉆頭的幾何形狀必須形成一均衡的切割刀具。有限空間的有效使用也是極重要的。各刀具之間的關(guān)系使得任何一個刀具的形狀或大小都會影響到其它刀具，錐體形狀或外形的確定也至關(guān)重要。
按照本發(fā)明，可大為減少或消除現(xiàn)有銑成齒錐形滾動切割刀具的缺點和問題。按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種銑成齒切割刀具，它能更好地承受該刀具在惡劣環(huán)境中反復使用而受到的應力。按照本發(fā)明第二個方面，提供了一種規(guī)準引導肋，它有助于把合適數(shù)量的表面硬化材料加到銑成齒切割刀具的一定部位上。
本發(fā)明銑成齒包括一頂面、一根部、兩個伸展在頂面和根部之間的相對側(cè)面、兩側(cè)面之間的前面和與前面相對的背面。該背面包括上部和下部，背面的該上部相對于該下部下凹。一規(guī)準引導肋沿著背面的該下部的一邊伸展。
按照本發(fā)明，可把一層表面硬化材料加到該銑成齒上而使該層表面硬化材料在該背面上與該規(guī)準引導肋大致齊平。由于背面的上部相對于下部下凹，因此該層表面硬化材料在背面上部部位最厚。
對于每一個銑成齒來說，由于在銑成齒前刃處用一下凹部形成較厚的一層表面硬化材料，因此提高了銑成齒、從而該鉆頭的有效壽命。由頂面和背面上部構(gòu)成的刃即為銑成齒的前刃。正是銑成齒的這一前刃在鉆井時接觸井底和井壁，因此加上一表面硬化層可防止這一部位過早磨損或腐蝕。加上該層表面硬化材料提高了銑成齒的壽命并防止銑成齒以及鉆頭或鉆桿組的其它部件的過早磨損。
此外，規(guī)準引導肋可用來確定加到銑成齒上的表面硬化材料的合適數(shù)量，從而使加到每個銑成齒上的表面硬化材料的厚度相同。由于加到每個銑成齒上的表面硬化材料的厚度都相同，因此可預知鉆井直徑且鉆井時應力均勻分布到各銑成齒上。由于有了規(guī)準引導肋后不會把過量的表面硬化材料加到各銑成齒上，因此本發(fā)明還使制造成本下降。
從結(jié)合附圖的下述說明可更清楚了解本發(fā)明及其優(yōu)點，附圖中

圖1為按本發(fā)明構(gòu)作的錐形轉(zhuǎn)動鉆頭的立體圖；圖2為圖1鉆頭的仰視圖；圖3為表示一支撐臂與其上有按本發(fā)明構(gòu)作的銑成齒的本發(fā)明錐形切割組件之間的連接的局部剖視的放大圖；圖4為本發(fā)明錐形切割組件的局部剖視的側(cè)視圖；圖5為按本發(fā)明構(gòu)作的一銑成齒在未加表面硬化材料時的立體圖；圖6為把一層表面硬化材料加到圖5銑成齒上的立體圖；圖7為圖6銑成齒的側(cè)視圖。
從圖1-7中可最清楚地看出本發(fā)明優(yōu)選實施例及其優(yōu)點，各附圖中的相同和對應部件用同一標號表示。
圖1中示出總的用標號10表示的一銑成齒錐形轉(zhuǎn)動鉆頭。鉆頭10包括一鉆頭體12，該鉆頭體以其軸部或螺紋部14與一轉(zhuǎn)動鉆桿組(未示出)底端連接。螺紋部14和鉆桿組的相應螺紋連接部設(shè)計成鉆頭10可隨井面(未畫出)處的鉆桿組的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。鉆頭體12中有一通道(未畫出)供在鉆桿組中向下流動的鉆井泥漿向下流動。鉆井泥漿從噴嘴16噴出后被引導到井底后在井壁與鉆桿組之間的環(huán)隙中向上流動，隨后帶走切割下和鉆下的碎屑。
在鉆頭體12上下懸有三個大致相同的臂18，每一臂18的底端部裝有一支承軸或心軸34。每一臂18可轉(zhuǎn)動地支撐一一般為錐形的切割組件20，每一錐形切割組件20有一轉(zhuǎn)動軸線，該錐形切割組件圍繞該軸線轉(zhuǎn)動。
圖2為鉆頭10的仰視圖。在每一錐形切割組件20上沿著每一錐體的錐面形成一排24的銑成齒23。每一錐形切割組件20上最靠近支撐臂18的一排稱為后排或規(guī)準排30。規(guī)準排30上的銑成齒稱為規(guī)準排銑成齒22。規(guī)準排30的所有規(guī)準排銑成齒22的大小或規(guī)格一般都相同。此外，錐形切割組件20還包括一鼻部26。一錐形切割組件20上的銑成齒23與其它相對的錐形切割組件20上的銑成齒23相配。一錐形切割組件20的在排24中的銑成齒離開鼻部26的距離較之其它錐形切割組件20稍有不同，從而使該錐形切割組件20的銑成齒23位于相鄰錐形組件20的銑成齒23之間的長槽或凹槽28中。
錐形切割組件20有時可稱為“錐形轉(zhuǎn)動切刀”或“錐形滾動切刀”。當錐形切割組件20隨著鉆桿組的轉(zhuǎn)動而在井底上流動時，鉆頭10就進行切割或鉆孔。鉆出的井的內(nèi)徑大致等于各錐形切割組件20的組合外徑或規(guī)準直徑。
圖3為一錐形切割組件20與其支撐臂18的連接剖面圖。每一臂18都裝在該臂18與鉆頭體12相反一端上的一心軸34。錐形切割組件20即裝在心軸34上。圖3還示出錐形切割組件20的規(guī)準排30的規(guī)準排銑成齒22。當鉆頭10轉(zhuǎn)動時，每一錐形切割組件20中的規(guī)準排30中連續(xù)的各規(guī)準排銑成齒22切割出鉆孔的內(nèi)徑。規(guī)準排30的規(guī)準銑成齒22的主要切割動作由規(guī)準排銑成齒22的前刃32實現(xiàn)。按照本發(fā)明，規(guī)準排30的每個規(guī)準排銑成齒22上都加上一層表面硬化材料33。
圖4為支撐臂18與錐形切割組件20的連接剖面圖。每一個規(guī)準排銑成齒22包括一頂面36、一背面或規(guī)準面38、一前面40和一根部42。由于背面或規(guī)準面38是該切割齒最靠近錐形切割組件20后部或背部的表面，因此其上如圖所示做出標記。
如圖所示，規(guī)準排30的規(guī)準排銑成齒22的背面38上有一層表面硬化材料33。錐形切割組件20由一由許多排列在滾珠座圈46上的滾珠軸承44構(gòu)成的常見滾珠支承裝置支承在心軸34上。
圖5示出按本發(fā)明構(gòu)作的規(guī)準排銑成齒22的齒形。圖5所示規(guī)準排銑成齒22只是位于每一錐形切割組件20的規(guī)準排30上的若干銑成齒中的一個。每一規(guī)準排銑成齒22有一頂面36和一前面40。頂面36可以是平面。每一規(guī)準排銑成齒22有兩個相對的側(cè)面而構(gòu)成轉(zhuǎn)動方向上的先導工作面或先導側(cè)面48以及與轉(zhuǎn)動方向相反的后面或后側(cè)面50，每一規(guī)準排銑成齒22有一根部42。一通道70把每一規(guī)準排銑成齒22與相鄰的規(guī)準排銑成齒22分開。
背面或規(guī)準面38包括一上部背面58、一下部背面60，此兩表面之間形成一刃62。背面38包括一鄰接下部背面60的規(guī)準引導肋64。上部背面58相對下部背面60下凹。在本發(fā)明一實施例中，上部背面58位于一與下部背面60大致平行、但相對下部背面60下凹0.020-0.100英寸的平面中。規(guī)準引導肋64包括一后面66以及一把后面66連至背面38的下部背面60的引導面68。引導面68可與后面66垂直。
如圖6和7所示，表面硬化材料33焊接到每一規(guī)準排銑成齒22的頂面36、前面40、先導側(cè)面48、后側(cè)面50、上部背面58的下部背面60上。表面硬化材料33通常為碳化鎢粒子和鋼的混合物，用手工焊接到每一規(guī)準排銑成齒22上。表面硬化材料不焊接到規(guī)準引導肋64的后面66上。加到下部背面60上的表面硬化材料的厚度等于規(guī)準引導肋64的引導面68的高度，從而加到背面38上的表面硬化材料層72的表面與規(guī)準引導肋64的后面66大致齊平。表面硬化層72的厚度最好約為0.100英寸，但這一厚度的變化范圍可為0.015-0.150英寸。
此外，如圖6和7所示，由于加到下部背面60上的表面硬化材料層72的表面與規(guī)準引導肋64的后面66大致齊平，因此加到上部背面58上的表面硬化材料層74比加到下部背面60上的表面硬化材料層72厚，這樣就提高了規(guī)準排銑成齒22的前刃32的耐磨性。加到上部背面58上的表面硬化層74最好比加到下部背面60上的表面硬化層72厚0.020-0.100英寸。因此表面硬化層74的最佳厚度為0.035-0.250英寸。
加到規(guī)準排銑成齒22其它表面，例如頂面36、先導側(cè)面48和后側(cè)面50上的表面硬化材料33的厚度與下部背面60的厚度大致相同。
加到相對下部背面60下凹的上部背面58上的超厚表面硬化材料可保護前刃32在鉆井從而錐形轉(zhuǎn)動組件20的轉(zhuǎn)動過程中免受極大的應力。此外，加到上部背面58上的超厚表面硬化材料33可防止發(fā)生規(guī)準圓化或規(guī)準不足的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象出現(xiàn)在規(guī)準排銑成齒22的前刃32發(fā)生磨損而使鉆頭鉆出的井的直徑變小并轉(zhuǎn)而造成規(guī)準排30以及整個鉆頭受到更大應力之時。
規(guī)準引導肋64為焊工提供了基準，從而可把所需數(shù)量的表面硬化材料33焊到每一個規(guī)準排銑成齒22上。若無規(guī)準引導肋64，焊工在把表面硬化材料33焊到規(guī)準排銑成齒22上時就無法確定表面硬化材料33的準確用量，結(jié)果不是太厚就是太薄。由于不會把過量的表面硬化材料33加到規(guī)準排銑成齒22上，因此可降低表面硬化材料的成本并從而降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明規(guī)準排銑成齒22的優(yōu)良設(shè)計使得可在該規(guī)準排銑成齒22所受應力最大部位加厚表面硬化材料層。此外，由于有規(guī)準引導肋64的存在，因此可在所有規(guī)準排銑成齒22上均勻地焊上一層厚度最佳的表面硬化材料，從而可預先確定鉆開的規(guī)準直徑，表面硬化材料的均勻焊接還使得各規(guī)準排銑成齒22的磨損更為均勻，從而加長了鉆頭10的向下鉆進時間。
盡管上面詳述了本發(fā)明及其優(yōu)點，但應指出，在后附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)可作出種種改動、替代和變動。
權(quán)利要求
1.一種具有至少一排銑成齒的錐形轉(zhuǎn)動鉆頭，每一個銑成齒包括一頂面；一根部；從所述頂面伸展到所述根部的兩相對側(cè)面；在所述兩側(cè)面之間從所述頂面伸展到所述根部的一前面；在所述兩側(cè)面之間而與所述前面相對的一背面，該背面包括一從所述頂面開始伸展的上部背面；一在所述上部背面與所述根部之間的下部背面，所述上部背面相對所述下部背面下凹；以及沿著所述下部背面的一邊垂直伸展的一規(guī)準引導肋以及加到所述頂面、兩側(cè)面、前面、上部背面和下部背面上的一層表面硬化材料，使得所述下部硬化表面與所述規(guī)準引導肋齊平，而所述表面硬化材料層在所述上部背面的所述部位最厚。
2.按權(quán)利要求1所述的錐形轉(zhuǎn)動鉆頭的銑成齒，其中，所述規(guī)準引導肋包括一大致與所述下部背面平行的后面；以及一連接所述后面與所述下部背面的引導面。
3.按權(quán)利要求1所述的錐形轉(zhuǎn)動鉆頭的銑成齒，其中，加到所述下部背面上的所述表面硬化材料層的厚度為0.015-0.150英寸。
4.按權(quán)利要求1所述的錐形轉(zhuǎn)動鉆頭的銑成齒，其中，加到所述上部背面上的所述表面硬化材料層比加到所述下部背面上的所述表面硬化材料層厚0.020-0.100英寸。
5.按權(quán)利要求1所述的錐形轉(zhuǎn)動鉆頭的銑成齒，其中，所述規(guī)準引導肋的所述引導面的深度約為0.100英寸。
6.按權(quán)利要求1所述的錐形轉(zhuǎn)動鉆頭的銑成齒，其中，所述上部背面與所述下部背面大致平行。
7.按權(quán)利要求1所述的錐形轉(zhuǎn)動鉆頭的銑成齒，其中，所述頂面分別與所述前面、所述兩側(cè)面和上部背面的相連處構(gòu)成尖刃。
8.按權(quán)利要求1所述的錐形轉(zhuǎn)動鉆頭的銑成齒，其中，所述頂面大致為平面。
9.按權(quán)利要求1所述的錐形轉(zhuǎn)動鉆頭的銑成齒，其中，所述前面包括一與所述兩側(cè)面之一連接的先導側(cè)面；以及一與另一所述側(cè)面連接的后側(cè)面。
10.錐形轉(zhuǎn)動鉆頭上的一銑成齒，包括一根部；一頂面；一從所述頂面伸展到所述根部的先導側(cè)面；一與所述先導側(cè)面相對并從所述頂面伸展到所述根部的后側(cè)面；一位于所述先導側(cè)面與所述后側(cè)面之間并從所述頂面伸展到所述根部的前面；一位于所述先導側(cè)面與所述后側(cè)面之間并從所述頂面開始伸展的上部背面；一位于所述先導側(cè)面與所述后側(cè)面之間并從所述上部背面伸展到所述根部的下部背面，所述上部背面相對所述下部背面下凹；一具有一位于所述先導側(cè)面與所述下部背面之間的后面并沿著所述下部背面的一邊伸展的規(guī)準引導肋；以及加到該銑成齒上的一層表面硬化材料，該層表面硬化材料在下部背面上與規(guī)準引導肋的后面齊平，而在上部背面處最厚。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的銑成齒，其中，所述規(guī)準引導肋的所述后面與所述下部背面大致平行；所述規(guī)準引導肋還包括一連接所述后面與所述下部背面的引導面。
12.按權(quán)利要求10所述的銑成齒，其中，所述規(guī)準引導肋的所述引導面的深度為0.015-0.150英寸。
13.按權(quán)利要求10所述的銑成齒，其中，加到所述上部背面上的所述表面硬化材料層的厚度為0.035-0.250英寸。
14.按權(quán)利要求10所述的銑成齒，其中，所述上部背面與所述下部背面大致平行；所述頂面分別與先導側(cè)面、后側(cè)面、前面和上部背面的互連處構(gòu)成尖刃。
15.按權(quán)利要求10所述的銑成齒，其中，所述前面包括一與所述兩側(cè)面之一連接的先導側(cè)面；以及一與另一所述側(cè)面連接的后側(cè)面。
16.一種制作錐形轉(zhuǎn)動鉆頭的銑成齒的方法，包括下列步驟形成一根部；形成一頂面；形成從所述頂面伸展到所述根部的兩相對側(cè)面；形成一連接在所述兩側(cè)面之間并從所述頂面伸展到所述根部的前面；形成一從所述根部向著所述頂面方向伸展的下部背面；形成一從所述下部背面伸展到所述頂面的上部背面，所述上部背面相對所述下部背面下凹；形成一沿著所述下部背面的一邊伸展且位于所述下部背面與所述兩相對側(cè)面之一之間的規(guī)準引導肋，所述規(guī)準引導肋包括一與所述兩相對側(cè)面之一連接的后面；以及把一層表面硬化材料加到該銑成齒上，使得加到下部背面上的表面硬化材料的表面與規(guī)準引導肋的后面大致齊平，而加到該銑成齒上的該層表面硬化材料在上部背面部位最厚。
17.按權(quán)利要求16所述的銑成齒制作方法，其中，施加一層表面硬化材料的步驟包括以0.015-0.150英寸的厚度把所述表面硬化材料層加到所述下部背面上。
18.按權(quán)利要求16所述的銑成齒制作方法，其中，施加一層表面硬化材料的步驟包括以0.035-0.250英寸的厚度把所述表面硬化材料層加到所述上部背面上。
19.按權(quán)利要求16所述的銑成齒制作方法，其中，形成前面的步驟包括形成一與所述兩側(cè)面之一連接的先導側(cè)面；以及形成一與另一所述兩側(cè)面連接的后側(cè)面。
20.按權(quán)利要求16所述的銑成齒制作方法，其中，所述上部背面構(gòu)作成大致與所述下部背面平行。
21.按權(quán)利要求16所述的銑成齒制作方法，其中，在所述頂面與所述兩側(cè)面、前面和上部背面互連處形成各尖刃，所述頂面大致做成平面。
全文摘要
一種銑成齒(22)，其包括由一上部背面(58)和一下部背面(60)組成的背面(38)，上部背面(58)下方有一頂面(36)。上部背面(58)相對下部背面(60)下凹。規(guī)準引導肋(64)伸展在下部背面(60)的一邊上。把一層表面硬化材料(33)加到該銑成齒(22)上，使得加到下部背面(60)上的該層表面硬化材料(72)的表面與規(guī)準引導肋(64)齊平，而在上部背面(58)部位的表面硬化材料層(74)的厚度最厚。
文檔編號B23P15/28GK1139175SQ9610537
公開日1997年1月1日 申請日期1996年6月3日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月5日
發(fā)明者杰伊·S·伯德 申請人:德雷瑟工業(yè)公司