用于钻土和其他硬质材料的钻头的制作方法

用于钻土和其他硬质材料的钻头
1.优先权要求
2.本技术要求于2019年11月26日提交的专利合作条约(pct)申请号为pct/au2019/051292的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
3.本发明涉及用于钻穿土、混凝土和其他硬质材料的钻头。


背景技术：

4.对现有技术的方法、装置或文件的任何参考文件均不应被视为构成它们形成或构成公知常识的一部分的任何证据或认可。
5.专用钻头用于在各种目的中钻探井眼、井孔和土中的其他孔，包括水井、油气井、注入井、地热井、监测井、采矿中使用的孔等。这些钻头有两种常见类型：圆锥滚子钻头和固定切割器钻头。
6.通常通过将钻头附接或连接至旋转钻头的装置来钻探地球上的井眼和其他孔。钻头可直接附接到由电动机、发动机、驱动器或其他提供扭矩以旋转钻头的装置旋转的轴上。例如，在石油和天然气钻探中，钻头通常连接到钻柱的下端，而钻柱的下端又在上端处连接到地面上的电动机或驱动器，电动机或驱动器一起旋转钻柱和钻头。钻柱通常包括若干元件，这些元件可以包括特殊的井下马达，该马达配置成提供附加的或者如果没有提供地面马达或驱动器，则是转动钻头的唯一手段。
7.pdc钻头是一种用于钻探石油和天然气井时穿过地下岩层的旋转刮刀钻头。当pdc钻头旋转(通常是通过旋转与其连接的钻柱)时，固定至钻头的面的离散的切割结构会拖过井底，刮削或剪切地层。pdc钻头使用称为“切割器”的切割结构，每个切割器都具有由多晶金刚石复合片(pdc)组成的切割表面或磨损表面，因此称为“pdc钻头”。旋转刮刀钻头的每个切割器定位和定向在刮刀钻头的面上，使得它的部分，将被称为其磨损表面，在钻头旋转时与地层接合。切割器在外切割表面或钻头主体的面上以固定的预定图案间隔开。切割器通常沿若干刀片中的每个排列，这些刀片是通常以扫掠方式(与直线相反)大体从钻头的中心轴线向面的周边径向延伸的凸起脊。沿每个刀片的切割器对地层呈现预定的切割轮廓，在钻头旋转时剪切地层。钻井液可沿钻柱向下泵送，进入形成在钻头中心的中心通道，然后通过形成在钻头的面中的端口排出，既冷却切割器，又有助于从刀片之间移除和携带切屑。
8.切割器对旋转刮刀钻头的剪切作用与牙轮钻头的剪切作用有很大不同，牙轮钻头是另一种经常用于钻探油气井的钻头。牙轮钻头由两个或三个锥形切割器组成，这些切割器在一个轴上旋转一个锐角，例如与钻头的旋转轴成35度角。当钻头旋转时，锥体在孔底滚动，当岩石在锥体和地层之间通过时，齿部会压碎岩石。
9.与这种牙轮钻头和固定钻头相关的问题之一是选择更换一些钻头以修复钻头以长期使用的问题。因此，希望提供一种允许以方便的方式选择性地更换多个牙轮钻头以延长这些钻头的工作寿命的钻头。


技术实现要素：

10.在一个方面，本发明提供了一种可操作用于在地下地层中打孔的钻头，钻头包括：钻头主体，其限定中心轴线，所述钻头主体在钻孔时围绕该中心轴线旋转；多个刀片，从钻头主体的前面(leading face)远离中心轴线延伸；多个切割器插入组件，安装在一个或多个刀片上，其中每个切割器插入组件包括：插入主体，沿着插入主体的纵向轴线在第一端和第二端之间延伸，连接装置设置在插入主体的第一端处用于将插入主体连接到刀片；切割器，包括前尖端部分和后接收部分，前尖端部分用于切入地下地层，后接收部分用于将插入主体的第二端接收在由接收部分限定的内腔中以允许切割器可移除地连接到插入主体的第二端；保持销，其构造成接收在插入主体的内部通道内，用于可拆卸地将切割器和插入主体互锁，保持销连接到包括止动组件的保持装置，使得销沿着插入主体的内部通道的第一移动实现止动组件与切割器的内壁接合以将切割器与插入主体互锁，并且其中，保持销的第二移动实现切割器从插入主体释放。
11.在另一方面，提供了一种用于安装在钻头的钻头主体的刀片上的切割器插入组件，钻头可操作用于在地下地层中打孔，切割器插入组件包括：插入主体，沿着插入主体的纵向轴线在第一端和第二端之间延伸，连接装置设置在插入主体的第一端处用于将插入主体连接到刀片；切割器，包括前尖端部分和后部分，前尖端部分用于切入地下地层，后部分用于将插入主体的第二端连接在由后部分限定的内腔中以允许切割器可移除地连接到插入主体的第二端；保持销，其构造成接收在插入主体的内部通道内，用于可拆卸地将切割器和插入主体互锁，保持销连接到包括止动组件的保持装置，使得销沿着插入主体的内部通道的第一移动实现止动组件与切割器的内壁接合以将切割器与插入主体互锁，并且其中，保持销的第二移动实现切割器从插入主体释放。
12.在一个实施例中，止动组件包括：止动槽，其沿着限定切割器的内腔的内壁设置；一个或多个止动器设置在或邻近插入主体的第二端；其中，第一移动包括保持销在插入主体的通道内的第一轴向移动，以推动一个或多个止动器在径向向外的方向上与切割器的止动槽接合，从而将切割器与插入主体互锁，并且其中，第二移动包括保持销的第二轴向移动，以实现止动器径向向内移动出切割器的止动槽并进入设置在销上的凹口内，从而实现切割器从插入主体释放。
13.在一个实施例中，止动器包括布置成沿径向向内的方向朝向保持销的纵向轴线被推动的止动器。
14.在一个实施例中，插入主体包括径向设置的止动孔，用于在至少一种可操作构造中允许止动器的部分穿过并接合切割器的止动槽。
15.在一个实施例中，止动孔的直径小于止动器的直径以将止动器的至少部分保持在止动孔内。
16.在一个实施例中，保持销的外主体包括接合结构以与插入主体的通道的内壁接合以实现保持销沿通道的轴向移动。
17.在一个实施例中，接合结构包括螺旋槽以与沿着插入主体的内部通道的内壁的互补槽接合，使得销沿顺时针或逆时针方向的旋转移动导致保持销沿插入主体的通道轴向平移。
18.在一个实施例中，保持销包括具有用于与驱动工具相连接的驱动器接收接口的头
部。
19.在一个实施例中，切割器插入件还包括可移除盖，可移除盖设置在插入主体的内部通道的开口内，以在销保持在插入主体的通道内时防止灰尘和/或碎屑进入内部通道。
20.在一个实施例中，切割器插入组件还包括圆周密封构件，该圆周密封构件设置在沿插入主体的外表面设置的槽中，用于弹性地接合切割器的内壁部分以防止灰尘和/或碎屑进入切割器的内部空间。
21.在一个实施例中，插入主体包括沿插入主体的外壁设置的扩口止动构件，以限制切割器的后部分朝向插入主体的第一端的轴向移动。
22.在一个实施例中，插入主体的连接装置包括一个或多个螺旋螺纹，该螺旋螺纹沿插入主体的第一端处的或邻近插入主体的第一端的外壁部分设置，以将插入主体连接到钻头的刀片。
23.在一个实施例中，切割器的前部分包括会聚尖端部分。
24.在一个实施例中，尖端部分包括多晶金刚石复合片(pdc)材料。
25.在又一方面，本发明提供了一种通过使用与安装在钻头上的切割器插入组件连接的切割头进行钻孔的方法，钻头可操作用于在地下地层中打孔，钻头包括钻头主体和多个刀片，钻头主体限定中心轴线，钻头主体在钻孔时围绕该中心轴线旋转，多个刀片从钻头主体的前面远离中心轴线延伸，其中，多个切割器插入组件安装在一个或多个刀片上，方法包括以下步骤：提供具有插入主体的切割器插入组件，插入主体沿着插入主体的纵向轴线在第一端和第二端之间延伸，连接装置设置在插入主体的第一端处用于将插入主体连接到刀片；设置切割头使得切割头的前尖端部分设置为切入地下地层，以及后接收部分设置为用于将插入主体的第二端接收在由接收部分限定的内腔中以允许切割器可移除地连接到插入主体的第二端；将保持销定位在插入主体的内部通道内，用于可拆卸地将切割器和插入主体互锁，保持销连接到包括止动组件的保持装置，并且至少实现销沿着插入主体的内部通道的第一移动以使止动组件与切割器的内壁接合以将切割器与插入主体互锁。
26.在一个实施例中，该方法还包括至少实现保持销的第二移动以从插入主体释放切割器的步骤。
附图说明
27.本发明的优选特征、实施方式和变型可以从以下详细说明中看出，该详细说明为本领域技术人员提供了足够的信息来实施本发明。该详细描述不应被视为以任何方式限制前述发明内容的范围。详细说明将参考以下多个附图。
28.图1是根据本发明的实施例的钻头10的侧视图。
29.图2是钻头10的端视图。
30.图3是根据本发明实施例的切割器插入组件100的分解透视图。
31.图4是切割器插入组件100的分解侧视图。
32.图5是切割器插入组件100的部分分解侧视图，其中，保持销150示出为在插入主体110内的插入构造，而切割头120示出为相对于插入主体110处于分开或分离的构造。
33.图6是切割器插入组件1000的侧视图，其中，插入主体110示出为相对于切割头120处于连接或互锁构造。
34.图7是处于连接或互锁构造的切割器插入组件100的顶部透视图。
35.图8是处于分开或分离构造的切割器插入组件100的顶部透视图。
36.图9是处于连接或互锁构造的切割器插入组件100的侧视图。
37.图10是处于连接或互锁构造的切割器插入组件100的截面侧视图。
38.图10a也是具有插图b的切割器插入组件100的放大截面图。
39.图10b是图10a所示的插图b的放大图。
40.图10c示出了用于处于互锁或连接构造的组件100的插图b的放大图。
41.图10d示出了处于中间构造的插图b的放大图，详细说明了在保持切割头120向下移动之后止动球134的移动。
42.图10e示出了插图b的放大图，其中，切割头120已经从插入主体110分开或分离。
43.图10f示出了处于另一个中间构造的插图入b的放大图，详细说明了保持销150的逐渐向上移动。
44.图10g示出了在后续构造中的插图b的另一个放大视图，详细说明了保持销的进一步向上移动，这导致止动球被推入止动槽125中。
45.图11a至1id示出了没有切割尖端122的切割头120的单独视图。
46.图12a到12c示出了切割尖端122的单独视图。
47.图13a到13c示出了盖构件170的单独视图。
48.图14a至14d示出了插入主体110的单独视图。图14e示出了具有保持销150接收在其中的插入主体110的截面图。
49.图15示出了保持销150的单独视图。
具体实施方式
50.图1示出了本发明的包括切割器插入组件100的切割钻头10。钻头10具有旋转中心轴线13和钻头主体14，钻头主体14具有前面16、端面18、保径区20和用于连接到钻柱(未示出)的柄部22。多个刀片26从钻头主体的前面16远离钻头10的旋转中心轴线13延伸。每个刀片26终止于保径垫28，保径垫28具有面向钻孔壁(未示出)的保径表面29的保径垫28。
51.在钻头10的位于端面18的锥形区域36和肩部区域38中的端面18处，多个可拆卸的切割器插入组件100安装在刀片26上。每个切割器组件100从其各自的刀片26部分地突出并且切割器组件100以预定方式沿刀片区域26间隔开以产生特定类型的切割图案。这些切割器插入组件100的安装位置绝不是限制性的，并且图1和2中所示的钻头10是可以安装切割器组件100的许多可能方式之一。切割器组件100的结构和功能将在前述部分中更详细地解释。
52.切割器插入组件100也可以应用在扩孔器中，扩孔器可以形成此处未示出的扩孔组件的一部分。这种扩孔器可以遵循传统设计的牙轮钻头和扩孔器部分。牙轮钻头可以通过螺纹连接而连接到扩孔器部分，并且可以提供另一个螺纹连接以将扩孔器部分连接到钻柱。扩孔器部分通常包括多个刀片并且每个刀片可以包括根据实施例构造的如现在将描述的多个切割器插入组件100。
53.图3至图10示出了根据本发明的实施例的钻头组件100，并且包括插入主体110(详细视图在图4至6和图14a至14e中示出)，插入主体110沿插入主体110的纵向轴线111在第一
端112和第二端114之间延伸。在第一端112处，设置螺旋螺纹115用于允许插入主体110螺纹接合到设置在刀片26表面上的开口内并且被安装到用于钻头主体10的刀片26表面(在前面的部分中进行了解释)。
54.插入主体110的第二端114可拆卸地连接到切割头(或切割器)120(详细视图在图11a至1id和12a至12c中示出)，该切割头包括具有前切割尖端122的截头圆锥体主体121，前切割尖端122由多晶金刚石材料构成，该多晶金刚石材料以pdc插入物122的形式提供，该插入物122设置在前腔123中以帮助切割入土或其他硬质材料。虽然在整个说明书中详述的示例性钻头组件100中的切割尖端122是pdc插入物，但应当清楚地理解，其他类型的切割元件，诸如立方氮化硼，或其他超硬材料，或硬质材料，诸如如金属碳化物，也可以用在根据本发明的其他实施例制造的切割头120中。切割头120包括朝向pdc尖端122会聚的大致截头圆锥体主体121以在切割头120中形成尖端122的顶点部分。切割尖端122可以包括插塞部分129，该插塞部分129可以插入切割头120的主体121并与切割头120的主体121紧固以形成切割头120的尖端部分123。切割头120还包括后接收部分124，用于将插入主体110的第二端114接收到由接收部分124限定的内腔126中，以允许切割头120可拆卸地连接到插入主体110的第二端114。切割尖端122的详细视图已在图12a至12c中示出。
55.提供了一种新颖的保持装置以将插入主体110的第二端114保持在切割头120的接收部分124内。保持装置包括保持销150，该保持销150容纳在插入主体110的内部通道或腔118内，并提供机械装置以允许切割头120通过使用止动组件130从插入主体110释放。因此，切割头120通过止动组件130可拆卸地连接或互锁到插入主体110的第二端114。
56.参考图8和10以及10a至10g，止动组件130包括：设置在内壁127周围的止动槽125，该内壁127限定切割头120的接收部分124的内腔。止动球134(如图8和10所示)形成沿插入主体110设置的止动组件130的部分。邻近第二端114的插入主体110的结构包括径向设置的孔117(在图10a至10g和14a至14e中最佳示出)，其允许止动球134穿过每个孔117。定位球134被布置成在至少一种可操作配置中朝向插入主体110的中心纵向轴线111径向向内推动。
57.在使用过程中，保持销150通过沿顺时针或逆时针方向旋转销150插入到插入主体110的内部通道118内(在图10和图14e的截面图中最佳地示出)。销150的外壁包括螺旋螺纹152，其构造成接合沿内部通道118的内壁设置的互补螺纹119。销150包括具有驱动器接口的头部153，诸如但不限于可以与内六角扳手连接的六角头。保持销150在内部通道118内的旋转导致销150沿插入主体110的内部通道118轴向平移。销150包括凹口155，该凹口155的尺寸被设计成以至少一种可操作的构造接收止动球134的部分，以实现切割头120的释放。止动球134(在插入构造中朝向保持销150)和止动槽125沿切割头120的内壁127的布置允许止动球134的部分在凹口155与止动孔117(见图10)对齐时被推入凹口155内，这进而导致止动球134从切割头120的止动槽125中移出。
58.参考图10a和10b，截面图示出了当保持销150轴向移位以将凹口155定位成与止动球孔117对齐时的初始位置。一旦凹口155与止动孔对齐，切割头120可沿向下方向移动，如图10c和10d所示。止动槽125包括由向内倾斜的引导表面界定的凹入表面，该引导表面通常引导止动球与凹入表面接合。切割头120的向下移动导致止动槽125的肩部区域或边缘推压止动球134(图10d中最佳示出)，进而将止动球134推入凹口155并有效地将止动槽125(和切
割头120)从插入主体110分离或分开，如图10e所示。
59.参考图10f和10g，为了将止动槽125与止动球134连接或互锁，插入主体110需要被接收在切割头120的后部分124内以将止动槽125与止动球134和止动孔117对齐，如图10f所示。下一步骤包括实现保持销150的轴向移动(通过顺时针或逆时针方向转动保持销)以使凹口155相对于止动孔不对齐。凹口155还包括凹入的接收表面，接收表面由将止动球134引导到凹口155内的两个倾斜表面限定。如图10g所示，保持销150的向上移动导致凹口155的肩部或边缘部分与止动球134接合，这有效地将止动球134推回到止动槽125内。保持销150的主体的直径基本上等于插入主体110的内部通道118的直径，这有效地防止了止动球134从止动槽125中移出，除非凹口155被轴向移动到回到与止动孔和止动槽125对齐的位置。
60.当前描述的实施例的切割器插入组件100解决的非限制性问题之一涉及容易地更换切割头120，同时还减少维护时间，这可以通过保持销150在插入主体110的内部通道118内的轴向移动以将保持销150的凹口155与止动球孔117对齐用于实现切割头120从插入主体110的释放而容易地实现。如图15中最清楚地所示，凹口155的壁包括倾斜表面159，当保持销150移动到与止动球孔117对齐时，该倾斜表面159有助于引导止动球134进出凹口155。
61.在第二可操作构造中，保持销150可轴向移动到新位置(例如在向上的方向上)以使销150的凹口155相对于止动球孔117不对齐。保持销150的这种向上移动导致销150的主体(其尺寸与内部通道118的内壁基本齐平)推压止动球134，这又导致止动球134被推入切割头120的止动槽125中。由于止动球134向外径向移动到止动槽125内，切割头120通过保持销150与插入主体110互锁。在互锁构造中，切割头120可以相对于插入主体110旋转，同时仍保持在互锁位置，直到保持销150轴向移动到凹口155与止动球孔117对齐，以将切割头120从插入主体110释放，以便如前所述进行维修或更换。
62.在优选实施例中，插入主体110中的内部通道118的高度大于保持销150的高度，以容纳盖构件170，如图3和图13a至图13c所示。盖构件170包括密封头172，可以将密封头172推压内部通道118的开口，以防止任何碎屑或其他颗粒进入插入主体110的内部通道118，这可能无意中损坏保持销150和/或插入主体110。盖构件170包括从密封头172向下悬垂的圆柱形主体174。盖构件170的圆柱形主体174包括凸耳176，当盖构件170被推入内部通道118的开口内时，凸耳176可以与通道118的内壁对齐(register with)，使得密封头172与限定内部通道118的开口的壁部分齐平。
63.插入主体110还包括异形(profiled)止动构件113，其沿着插入主体110的外壁设置以限制切割头120的接收部分124朝向插入主体110的第一端112的轴向移动。参考图1id中所示的插图a，后部分124的开口包括会聚构造，具有用于接合异形止动构件113并限制插入主体110在切割头120的内腔126内的移动的座128。o形环160也可用于在插入主体110的外壁和切割头120的内壁127之间形成密封，以防止任何碎屑进入切割头120的内部中空空间内。
64.再次，止动组件130的设置不仅允许通过保证保持销150的轴向移动而使切割头120从插入主体110分离而容易地更换；而且还允许切割头120相对于插入主体自由旋转，因为止动球134提供了轴承装置，以使插入主体110和切割头120之间能够进行相对旋转移动。
65.根据法规，本发明已用或多或少特定于结构或方法特征的语言进行了描述。术语“包括”及其变体，诸如“包含”和“由...组成”，通篇以包容性的含义使用，不排除任何附加
特征。
66.应当理解，本发明不限于所示出或描述的特定特征，因为这里描述的装置包括实施本发明的优选形式。
67.因此，在本领域技术人员适当解释的所附权利要求的适当范围内，本发明以其任何形式或修改被要求保护。