[发明专利]旋转钻头杆、如此配备的旋转钻头及制造方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及用于钻进地下岩层的旋转钻头的钻头杆，以及如此配备的旋转钻头。

背景技术

典型的旋转钻头包括固定到硬化钢杆上的钻头体和包括表面区域的冠部，所述硬化钢杆具有用于将钻头连接到钻柱上的螺纹销连接，所述表面区域支承用于切入地层的切削结构。通常，如果钻头是固定切削刃或所谓的“刮刀”钻头或钻头，切削结构包括多个切削元件，其至少部分地由超耐磨材料，例如聚晶金刚石形成。使用聚晶金刚石复合(PDC)片的旋转刮刀钻头已经使用了几十年。典型地，钻头体可以由钢，或者渗透有粘合料(通常为铜合金)的硬质颗粒材料(例如碳化钨(WC))的基体形成。

在钢体钻头的情况下，钻头体典型地由圆钢机加工到希望的形状。径向和纵向延伸的刀翼、用于将钻孔液传送至钻头面的内部水路以及界定在钻头面上的精确位置处的外貌特征可以利用计算机控制的多轴机床在钻头体中机加工而成。用于在钻孔期间耐磨的表面硬化通常施加到钻头面上并且施加到钻头外部的其它关节区域上，并且切削元件通常通过将其近端插入在内部机加工而成的切削元件凹窝(pockets)中而固定到位于钻头面上的刀翼上。在机加工和表面硬化之后，钻头体可以固定到具有螺纹销连接的硬化钢杆上，所述螺纹销连接用于将钢体旋转钻头固定到向下钻进电机的驱动轴上，或者直接固定到位于钻柱远端的钻环上，其中所述钻柱通过回转工作台或顶部驱动装置在地面上旋转。

另一方面，基体型钻头包括钻头体，所述钻头体由包含在石墨模型内和并渗透有粘合料(通常为铜合金)的硬质颗粒材料(例如，碳化钨)的基体形成。可以使用铸造树脂复模砂、石墨位移或(在一些情况下)柔性聚合粘合料中的碳化钨颗粒以界定内部水路和通道，用于将钻孔液输送到钻头面、切削元件插口或凹窝、脊部、台肩(land)、喷嘴孔、排屑槽及基体型旋转刮刀钻头的其它外部外貌特征。但是，因为基体材料包括碳化钨或基本上不能进行机加工的其它相对硬质颗粒，可机加工的钢坯典型地在基体材料渗透之前放置到钻头模型中，所述钢坯在渗透剂硬化时形成基体型旋转刮刀钻头体的一部分，所述渗透剂固定位于内部的坯件。以类似于制造钢体钻头的方式，基体型钻头体通过可机加工坯件可固定到具有螺纹销连接的硬化钢杆上，所述螺纹销连接用于将钻头固定到向下钻进电机的驱动轴上或者直接固定到位于钻柱远端的钻环上，所述钻柱通过回转工作台或顶部驱动装置在地面上旋转。

因此，在钢体或基体型旋转钻头中，钻头体和硬化杆之间的定位是关键的，因为包括螺纹销连接的杆可以确定钻头的旋转轴线。旋转轴线相对于切削元件的定位设计在旋转刮刀钻头工作过程中显然是极为重要的，因为旋转钻头设计的方面至少部分地建立在切削元件位置以及作用于其上的预计作用力的基础上。例如，所谓的“防转”设计利用指向缓冲垫(pad)的优选横向力，所述缓冲垫设计成能支撑在地层上以便稳定旋转刮刀钻头。通常，在基体型钻头体和硬化杆之间使用螺纹连接，如下文详细描述的那样。

图1A和1B显示了通常根据上述说明形成的传统基体型钻头10。传统的基体型钻头10包括中心纵轴线3和贯穿孔12，所述贯穿孔用于在钻孔操作期间将钻孔液输送至钻头面。切削元件5和7(典型地金刚石，最通常的为合成聚晶金刚石复合片或PDC)可以在钻头体渗入期间(如果使用热稳定PDC，通常称作TSP)结合到钻头面上，或者通过铜焊、粘合或机械固定结合到其上。

包括相对韧性钢的传统的预先形成的所谓坯件14也可以提供钻头体基体19的内部加固。坯件14典型地由相对韧性钢组成，因为胚件在渗入期间经受的高温通常使大多数钢材料退火。坯件14可以包括圆柱形或管状形状，或者可以在结构上相当复杂并且包括与钻头面上的刀翼、翼片或其它特征相对应的突起部。突起部或指状物通常可以焊接到形成于坯件14的管状部分内部的纵向槽中。如上所述的坯件14或其它预先形成件可以位于石墨模型内部的适当位置处，所述石墨模型用于铸造钻头体。在碳化钨与粘合料一起在熔炉中发生渗透之后，坯件14可以在钻头体冷却时固定到钻头体基体19上，并且另一预先形成件在基体冷却时取出。坯件14可以通过螺纹连接15和焊缝20机加工或固定到杆16上。通常，连续焊缝可以形成在杆16和坯件14之间。杆16典型地由AISI 4140钢，具有高于大约0.35％的碳当量的材料制成，这要求杆16和坯件14在焊接之前预先加热。杆16包括加工在其上部的锥形螺纹17，以便将传统的基体型钻头10连接到一系列钻管(未显示)上。机加工螺纹17在杆16连接到坯件14上之前形成；因此杆16与坯件14的正确定位是关键的。