專利名稱：連接地鉆鉆具的柄和鉆頭體的方法及由該方法形成的鉆具的制作方法
技術領域：
概括地，本發明涉及地鉆鉆頭及其它可以用于鉆進地下地層的鉆 具以及制造這種鉆頭及鉆具的方法。更具體地，本發明涉及將諸如地
連接的柄^鉆頭以及其它鉆具。 、 、'' ""背景技術：
旋轉鉆頭通常用于在地層中鉆井眼或鉆井。 一種類型的旋轉鉆頭 為固定切削元件式鉆頭(常稱為"刮刀"鉆頭)，其典型地包括多個固定 于鉆頭體端面區域的切削元件。旋轉鉆頭的鉆頭體可由鋼制成。可替 代地，鉆頭體可由顆粒胎體復合材料制成。圖l示出常規的鉆地旋轉 鉆頭10，鉆旋轉鉆頭10包括鉆頭體12，鉆頭體12包括顆粒胎體復合 材料15。鉆頭體12固定于鋼柄20，鋼柄20具有用于將鉆頭IO連接 于鉆柱(未示出)的螺紋連接部28 (例如，美國石油學會(API)螺 紋連接部)。鉆頭體12包括冠部14和鋼坯體16。鋼坯體16部分埋置 在冠部14中。冠部14包括顆粒胎體復合材料15，諸如埋置在銅合金 胎體材料中的碳化鴒顆粒。通過螺紋連接部22以及沿著鉆頭12和鋼 柄20之間的界面在鉆頭10外表面上圍繞鉆頭10延伸的焊接部24， 鉆頭體12固定于鋼柄20。
鉆頭體12還包括由排屑槽32分隔開的刀翼或刮刀片30。內部流 體通道(未示出)在鉆頭體12的端面18和縱向孔40之間延伸，縱向孔40延伸穿過鋼柄20且穿過部分鉆頭體12。在鉆頭體12的端面18 處，還可以將噴嘴嵌入件(未示出)設置于所述內部流體通道內。
多個切削元件34連接于鉆頭體12的端面18。 一般而言，固定切 削元件式鉆頭的切削元件34具有盤片形狀或者具有大體柱形形狀。包 括硬質超研磨性材料(諸如相互粘接的聚晶金剛石顆粒)的切削表面 35可設置在各切削元件34的大體圓形的端面上。這種切削元件34常 稱為"聚晶金剛石復合片(PDC)"切削元件34。 PDC切削元件34可 沿刮刀片30設置在于鉆頭12的端面18中形成的凹窩36內、且可從 后面由支持物38來支撐，支持物38可與鉆頭體12的冠部14一體成 型。典型地，切削元件34可與鉆頭體12分開地制造并固定在于鉆頭 體12的外表面中形成的凹窩36中。粘接材料(諸如粘接劑或者更典 型地硬釬焊合金)可用于將切削元件34固定于鉆頭體12。
在鉆井操作中，鉆頭10固定于鉆柱的端部，鉆柱包括端對端地連 接于鉆頭10和地面處的其它鉆具之間的管狀桿以及設備段節。鉆頭 IO定位在井眼底部，從而切削元件34鄰接于待鉆進的地層。諸如轉 盤或頂部驅動裝置之類的設備可用于使鉆柱和鉆頭10在井眼內旋轉。 可替代地，鉆頭10的柄20可直接連接于井下電動機的驅動軸，井下 電動機隨后可用于旋轉鉆頭10。隨著鉆頭10被旋轉，鉆井液經由縱 向孔40以及所述內部流體通道(未示出)泵送到鉆頭體12的端面18。 鉆頭10的旋轉使得切削元件34刮過并剪切掉下面地層的表面。地層 巖屑與鉆井液混合并懸浮在鉆井液中、流經排屑槽32以及井眼和鉆柱 之間的環空、直到地層表面。
常規地，已采用所謂的"浸漬"工藝在石墨模具中制成包括顆粒胎 體復合材料15的鉆頭體(諸如前述的鉆頭體12 )。常規采用多軸機床 來加工石墨模具的腔。隨后利用手持工具將精細特征加入到石墨模具 的腔中。為了獲得鉆頭體的某些特征所需的結構，可能要進行附加的 陶制工序。如果必要，預成型元件或置換物(其可包括陶乾成分、石 墨成分、或樹脂覆蓋砂密實成分)可定位在模具中，并用于限定鉆頭 體12的內通道、切削元件凹窩36、排屑槽32、以及其它外部形貌特征。石墨模具的所述腔填充有硬質顆粒碳化物材料(諸如碳化鎢、碳
化鈦、碳化鉭等)。隨后，預成型的鋼坯體16可以以合適的位置和取 向定位在模具中。在模具內，鋼坯體16典型地至少部分地浸入到所述 顆粒碳化物材料中。
隨后，可振動模具，否則顆粒會堆擠而使得顆粒碳化物材料的相 鄰顆粒之間的空間量減小。在模腔內，可熔化常稱為"粘接"材料的胎 體材料(諸如銅基合金)，并使得或允許所述胎體材料浸滲到所述顆粒 碳化物材料中。所述模具和鉆頭體12允許被冷卻，以使所述胎體材料 凝固。隨著鉆頭體12的冷卻和所述胎體材料的凝固，鋼坯體16粘接 到形成冠部14的所述顆粒胎體復合材料15上。 一旦冷卻了鉆頭體12， 則從模具中將鉆頭體12取出，并去除鉆頭體12上的置換物。典型地 需要破壞石墨模具來將鉆頭體12取出。
在鉆頭體12已鑄造完之后，例如通過硬釬焊、機械固定方式或粘 接固定方式可將PDC切削元件34結合至鉆頭體12的端面18。可替 代地，如果熱穩定合成金剛石或天然金剛石應用于切削元件34中，則 可在爐子中對鉆頭體處理的過程中，將切削元件34結合至鉆頭體12 的端面18。
在已形成鉆頭體12之后，鉆頭體12可固定于鋼柄20。由于典型 地用于形成冠部14的顆粒胎體復合材料15相對硬且不易機加工，所 以使用鋼坯體16來將鉆頭體12固定于柄20。在鋼坯體16和柄20的 暴露表面上均可加工出互補的螺紋，以提供二者之間的螺紋連接部 22。鋼柄20可螺接到鉆頭體12上，且隨后焊接部24可沿鉆頭體12 和鋼柄20之間的界面來設置。
發明內容
在一個實施方式中，本發明包括一種地鉆旋轉鉆頭，所述地鉆旋 轉鉆頭包括與柄連接的鉆頭體。所述鉆頭體和所述柄均具有與一軸線 同心的抵接表面，所述軸線相對于所述鉆頭的縱向軸線偏離或移動。
在另一個實施方式中，本發明包括一種將柄和地鉆旋轉鉆頭的鉆頭體連接的方法。所述柄的至少一個表面抵接到所述鉆頭體的至少一
個表面上；以及使所述抵接表面與一軸線同心，所述軸線相對于所述 鉆頭的縱向軸線偏離或移動。
在又一實施方式中，本發明包括地鉆旋轉鉆頭，所述地鉆旋轉鉆 頭包括鉆頭體，所述鉆頭體具有與金屬柄連接的連接部。所述鉆頭體 的所述連接部可主要由顆粒胎體材料制成。所迷鉆頭體的所述連接部 和所述柄均可包括抵接表面，所述抵接表面的至少一部分均可具有大 體截錐形狀。
本發明進一步的實施方式包括但不局限于取芯鉆頭、雙心鉆頭、 偏心鉆頭、所謂的"擴眼鉆頭"、以及采用依據本發明的具有固定于其 上的柄的鉆頭體的鉆具和其它井下鉆具。由此，本文所用術語"鉆頭" 涵蓋所有這些結構。
盡管本說明書以專門指明并明確主張那些被視為本發明內容的權 利要求作為結束，但是從下面結合附圖閱讀了對本發明的描述之后可 更容易地確認本發明的優點，在附圖中
圖l是常規鉆地旋轉鉆頭的局部剖側視圖，該地旋轉鉆頭具有鉆 頭體，鉆頭體包括顆粒胎體復合材料；
圖2是體現本發明教導的地鉆旋轉鉆頭的一個實例的側剖視圖， 且地鉆旋轉鉆頭包括直接連接到鉆頭鉆頭體的包括顆粒胎體復合材料 的部分上的柄；
圖3是圖2所示鉆頭沿圖2示出的A-A剖面線的一個實施方式的 剖視圖4是圖2所示鉆頭沿圖2示出的A-A剖面線的另一個實施方式 的剖視圖5是圖2所示鉆頭沿圖2示出的A-A剖面線的又一個實施方式 的剖視圖6是圖2所示鉆頭沿圖2示出的A-A剖面線的再一個實施方式的剖視圖7是體現本發明教導的另 一 實例的鉆地旋轉鉆頭的側剖視圖； 圖8是體現本發明教導的又一實例的鉆地旋轉鉆頭的局部剖側視 圖；以及
圖9是體現本發明教導的再一實例的鉆地旋轉鉆頭的局部剖側視 圖，且鉆地旋轉鉆頭包括直接連接到鉆頭鉆頭體的包括顆粒胎體復合 材料部分上的柄。
具體實施例方式
在此給出的圖例不意味著任何特定材料、裝置、系統或方法的實 際視圖，其僅是用于描述本發明的理想化表示。另外，各圖之間相同 的部件可具有相同的附圖標記。
如前所述，將諸如前述柄20 (圖1)之類的金屬柄固定于由諸如 顆粒胎體復合材料之類的相對硬質且研磨性材料制成的鉆頭體可能是 困難的。由于常規顆粒胎體復合材料鉆頭體一般包括具有相對低熔點 的胎體材料(例如銅基合金)并通過前述的浸漬工藝制成，所以諸如 前述金屬坯體16 (圖1)的金屬坯體在形成鉆頭體時可設置在鉆頭體 中，并用來便于將鉆頭體連接到柄上，以用于連接于鉆柱。例如，如 前述所討論的，在金屬坯體和柄上可加工出互補螺紋，且柄可螺接到 金屬坯體上。
隨著淺深度含油氣地層的數量持續減少，正在鉆進的井眼深度不 斷增加。這些不斷增加的井眼深度正在迫使常規鉆頭達到它們的性能 和壽命的極限。鉆單個井眼經常需要若干鉆頭，而更換鉆柱上的鉆頭 代價高。
為了提高地鉆旋轉鉆頭的性能和壽命，目前正努力開發新的顆粒 胎體復合材料。例如，這些新的顆粒胎體復合材料的實例披露在于 2005年11月10日遞交的待決美國專利申請US 11/272,439、于2006 年9月29日遞交的待決美國專利申請US 11/540,912、以及于2006年 11月6日遞交的待決美國專利申請US 11/593,437。這些新的顆粒胎體復合材料可包括熔點比浸漬工藝所釆用的常規 胎體材料的熔點相對高的胎體材料。在新的顆粒胎體復合材料中，例
如但不限制于，鎳基合金、鈷基合金、鈷鎳基合金、鋁基合金、以及 鈦基合金正在被考慮用作胎體材料。這些新的胎體材料具有的熔點可 接近于或高于常規用于制造金屬坯體的金屬合金(例如鋼合金)的熔 點，并且/或者這種新的胎體材料可能與那些常規用于制造金屬坯體
(諸如前述的金屬坯體16)的金屬合金在化學特性上不相容。
此外，包括這種新的顆粒胎體復合材料的鉆頭體可通過前述浸漬 工藝之外的方法來形成。例如但不限制于，包括這些顆粒胎體復合材 料的鉆頭體可通過粉末壓實及燒結技術來形成。這些技術的實例披露 在前述的于2005年11月10日遞交的待決美國專利申請US 11/272,439，以及同樣是于2005年11月10日遞交的待決美國專利申 請US 11/271,153中。這樣的技術可能會要求在接近或高于常規用于制 造金屬坯體(諸如前述的金屬坯體16)的金屬合金(例如鋼合金)的 熔點的溫度下進行燒結。
鑒于上述這些方面，將金屬坯體設置到由這些新的顆粒胎體復合 材料制成的鉆頭體或者包括這些新的顆粒胎體復合材料的鉆頭體中可 能是困難的或者是不可能的。結果，將鉆頭(包括由這些新的顆粒胎 體材料形成的鉆頭體)連接于柄或鉆柱的其它構件上可能比較困難。 下面將參照圖2至圖9來說明用于將地鉆旋轉鉆頭的鉆頭體和柄連接 的方法，而且所述方法可用于包括這種新的顆粒胎體材料的鉆頭體。
圖2示出了體現本發明教導的地鉆旋轉鉆頭42。鉆頭42包括鉆 頭體44，鉆頭體44包括顆粒胎體復合材料46。例如但不限制于，顆 粒胎體復合材料46可包括遍布于胎體材料中的多個硬質顆粒；所述硬 質顆粒包括如下材料所述材料選自金剛石金剛石、碳化硼、氮化硼、 氮化鋁、以及由W、 Ti、 Mo、 Nb、 V、 Hf、 Zr、 Si、 Ta以及Cr構 成的組中的碳化物或硼化物；所述胎體材料選自由鐵基合金、鎳基合 金、鈷基合金、鈦基合金、鋁基合金、鐵鎳基合金、鐵鈷基合金、以 及鎳鈷基合金構成的組。本文所用術語"某某金屬基合金"(在此"某某金屬"為任意金屬)指的是除了金屬合金之外的商用純[某某金屬， 其中所述合金中的[某某金屬重量百分比大于所述合金的任何其它成 分的重量百分比。
如下面將要說明的，鉆頭體44連接于柄48。在某些實施方式中， 鉆頭體44可包括多個刮刀片30，所述多個刮刀片30通過排屑槽32 (類似于圖1中的那些部件)而分隔開。多個切削元件34(例如，其 可包括PDC切削元件)可沿著各刮刀片30安裝于鉆頭體50的端面 50上。
圖2所示的鉆頭42可以不包括金屬坯體(諸如圖1的鉆頭10的 金屬坯體16)。相反，如圖2所示，柄48可直接固定于鉆頭體44的 顆粒胎體復合材料46上。鉆頭體44的一個或多個表面52可構造成抵 接在柄48的一個或多個互補表面54上。在一些實施方式中，硬釬焊 合金60或其它粘接材料可設置在鉆頭體44和柄48的抵接表面52、 54之間，以至少部分地固定鉆頭體54和柄48，如圖2所示。在另外 的實施方式中，在抵接表面52、 54之間可以沒有硬釬焊合金60或其 它粘接材料。
出于圖示的目的，硬釬焊合金60的厚度夸張地示出在圖2至圖9 中。實際上，正如在此說明的，硬釬焊合金60相對側上的表面52、 54可以大體在表面52、 54之間的整個區域上彼此抵接，而且設置在 表面52、 54之間的任何硬釬焊合金60可以大體設置在所述相對表面 之間的相對小的間隙或空間中，所述間隙或空間是由于所述相對表面 中或所述相對表面上的表面粗糙或表面缺陷而產生的。也可考慮的是， 可將諸如臺階之類的表面特征設置在相對抵接表面的一個或兩個上， 以在所述相對抵接表面之間限定小于約500微米(約0.02英寸)的預 定厚度的間隙或間隔。本文所用術語"抵接表面，，包括在兩者之間的大 范圍內彼此抵接的相對表面，還包括至少主要在如下的表面特征處彼 此抵接的相對表面所述表面特征提供所述表面之間的選定間隔或間 隙，以使硬釬焊合金60或其它粘接材料容置于所述表面之間。
還如圖2所示，在某些實施方式中，柄48可包括凸形連接部，諸如銷元件56;而鉆頭體44可包括凹形連接部，諸如尺寸和形狀與銷 元件56互補的插孔或凹部58。柄48的一個或多個抵接表面54可包 括或限定柄48的銷元件56的外表面，而鉆頭體44的一個或多個抵接 表面52可包括或限定鉆頭體44的互補凹部58。在一些實施方式中， 鉆頭體44的至少一個表面52的至少一部分以及柄48的至少一個表面 54的對應部分可具有大體柱形或卵形形狀。
為了將鉆頭體44和柄48固定在一起，柄48的銷元件56可插入 到鉆頭體44的凹部58中，直到鉆頭體44的表面52抵接在柄48的表 面54上。如上所述，在鉆頭體44和柄48的抵接表面52、 54之間可 選擇性地設置硬釬焊合金60或其它粘接材料，以至少部分地固定鉆頭 體44和柄48。在另外的實施方式中，沿鉆頭體44和柄48之間的界 面可設置焊接部62，以至少部分地將柄48固定于鉆頭體44。在又一 實施方式中，例如，利用機械緊固裝置，諸如至少部分地延伸穿過鉆 頭體44和柄48的銷元件(未示出)(諸如在于2005年11月10日遞 交的待決美國專利申請US 11/272,439中所說明的元件)，鉆頭體44 和柄48可至少部分地固定在一起。
圖3是圖2所示的鉆頭42沿圖2所示的剖面線A-A的剖視圖。 如圖3所示，在某些實施方式中，鉆頭體44和柄48的抵接表面52、 54均可以與連接界面的軸線A,同心(即，二者以連接界面的軸線A, 為圓心)，連接界面的軸線A,不與旋轉鉆頭42的縱向軸線L42—致。 例如，連接界面的軸線A,可以自或相對于旋轉鉆頭42的縱向軸線L42 偏離或移動(即橫向偏離或移動)。例如但不限制于，連接界面的軸線 A,可以自或相對于旋轉鉆頭42的縱向軸線L42橫向偏離或移動一距離 X，所述距離X處于柄48的銷元件56的外徑D的大約百分之一(1% ) 或大約百分之五十(50%)之間的范圍內。此外，與連接界面的軸線 Aj同心的鉆頭體44和柄48的抵接表面52、 54都可具有大體圓形形 狀，如圖3所示。在另外的實施方式中，與連接界面的軸線A,同心的 鉆頭體44和柄48的抵接表面52、 54可為卵形或橢圓形，或者為任何 其它以連接界面的軸線Az為中心的簡單或復雜形狀。如圖2至圖3所示，通過形成與連接界面的軸線A,同心(連接界 面的軸線^自或相對于旋轉鉆頭42的縱向軸線L42橫向偏離或移動) 的抵接表面52、 54或者以其他方式使抵接表面52、 54與連接界面的 軸線&同心(連接界面的軸線A,自或相對于旋轉鉆頭42的縱向軸線 L42橫向偏離或移動)，鉆頭44和柄48之間的機械連接可以防止或阻 止柄48和鉆頭體44之間的相對旋轉運動。換句話說，當在鉆井操作 過程中鉆柱或井底電動機的驅動軸(未示出)將扭矩施加到柄48上時， 鉆頭44和柄48之間的機械連接可防止鉆頭體44和柄48之間的連接 失效(例如硬釬焊合金60和/或焊接部62失效)，并防止在鉆頭體44 和柄48的抵接表面52、 54之間的界面處發生旋轉滑移。
然而，在一些應用或場合中，可能沒必要或不希望形成與連接界 面的軸線A,同心(連接界面的軸線A!自或相對于旋轉鉆頭42的縱向 軸線L42橫向偏離或移動)的抵接表面52、 54或者以其他方式使抵接 表面52、 54與連接界面的軸線^同心(連接界面的軸線A,自或相對 于旋轉鉆頭42的縱向軸線L"橫向偏離或移動)。在另外的實施方式 中，4氐接表面52、 54可以與旋轉鉆頭42的縱向軸線L42同心，如圖4 所示。
圖5是與圖3和圖4類似的視圖，示出了本發明的又一實施方式。 如圖5所示，在一些實施方式中，柄48的銷元件56的表面54的形狀 可以構造成限定或包括至少一個凸部64，而鉆頭體44的表面52的形 狀可以構造成限定或包才舌至少一個凹部66，所述至少一個凹部66構 造成將凸部64容置于其內。
圖6是與圖3至圖5類似的視圖，示出了了本發明的再一實施方 式。如圖6所示，在一些實施方式中，柄48的銷元件56的表面54 的形狀可以構造成限定或包括多個凸部64，而鉆頭體44的表面52的 形狀可以構造成限定或包括多個凹部66，各凹部66構造成其內容置 一個凸部64。
相對于旋轉鉆頭42的縱向軸線L42 (圖2)，圖5和圖6的剖面所 示的凸部64可以從柄48的銷元件56沿大體徑向向外方向凸出，而且可以沿柄48的銷元件56的表面在大體縱向方向上延伸。此外，盡管 凸部64和互補凹部66在圖5和圖6中示出為包括相對尖銳的拐角和 邊沿，但是在另外的實施方式中，所述相對尖銳的拐角和邊沿可以由 呈圓弧狀的或光滑曲線拐角和邊沿來替代，以使在鉆井過程中于這種 尖銳拐角和邊沿處可能產生的任何應力集中最小。圖5和圖6所示的 凸部64和凹部66可分別包括鍵(例如，所謂的"半月鍵(Woodruff Key )，，)以及鍵槽(例如，所謂的"半月鍵槽(Woodruff Keyslot)")。
在另外的實施方式中，圖5和圖6所示的凸部64可以由鉆頭體 44的表面52來限定，而圖5和圖6所示的凹部66可以由柄48的銷 元件56的表面54來限定。此外，盡管凸部64和凹部66在圖5和圖 6中示出為設置與縱向軸線L42同心的抵接表面52、 54上(如圖4所 示)，但是在另外的實施方式中，凸部64和凹部66可以設置在大體與 連接界面的軸線A，同心的抵接表面52、 54上，其中連接界面的軸線 A,自或相對于旋轉鉆頭42的縱向軸線L42橫向偏離或移動，諸如圖2 至圖3所示的那樣。
圖5和圖6所示的凸部64和互補凹部66可以提供另外的或可替 代的提供鉆頭體44和柄48之間機械連接的方法，從而在鉆井操作過 程中當扭矩施加到柄48上時，防止或阻止鉆頭44和柄48之間的相對 旋轉運動。
圖7為體現本發明教導的另 一地鉆旋轉鉆頭70的側剖視圖。該地 鉆旋轉鉆頭70類似于前述結合圖2至圖6描述的鉆頭42，且包括直 接與柄74連接的鉆頭體72。鉆頭體72的一個或多個表面78可以構 造成與柄74的一個或多個互補表面80相抵接。諸如PDC切削元件之 類的切削元件34可固定于鉆頭體72的端面76上。然而，在地鉆旋轉 鉆頭85中，鉆頭體72包括凸形連接部，諸如銷元件82;而柄74包 括凹形連接部，諸如尺寸和形狀與銷元件82互補的插孔或凹部84。 鉆頭體72的一個或多個抵接表面78可包括鉆頭體72的銷元件82 外表面，而柄74的一個或多個4氐接表面80可限定柄74中的互補凹部 84。鉆頭70的鉆頭體72和柄74可以成型為或以其它方式設置成體現 本發明教導的任意不同構型。例如，鉆頭70的鉆頭體72和柄74可以 成型為或以其它方式設置成鉆頭70的沿圖7所示的剖面線B-B的 剖視圖看起來大體類似于圖3至圖6中的任一個剖面。換句話說，釆 用與圖3所示方式相類似的方式，鉆頭體72和柄74的抵接表面78、 80可以構造成均與連接界面的軸線A,同心，其中連接界面的軸線A， 自或相對于旋轉鉆頭70的縱向軸線L7。橫向偏離或移動。在另外的實 施方式中，釆用與圖4所示方式相類似的方式，鉆頭體72和柄74的 抵接表面78、 80可構造成均與旋轉鉆頭70的縱向軸線L7。同心。此 外，凸部和互補凹部(諸如前述結合圖5和圖6描述的凸部64和互補 凹部66)可由鉆頭體72和柄74的抵接表面78、 80來限定。
圖8為體現本發明教導的又一地鉆旋轉鉆頭90的局部剖側視圖。 地鉆旋轉鉆頭卯也包括直接與柄94連接的鉆頭體92。鉆頭體92的 一個或多個表面98可以構造成與柄94的一個或多個互補表面100相 抵接。在一些實施方式中，鉆頭體92可包括多個由排屑槽32間隔開 的刮刀片30，如圖8所示。多個PDC切削元件34可沿各刮刀片30 安裝鉆頭體92的端面96上。
像前述鉆頭42和前述鉆頭70 —樣，圖8所示的鉆頭90不包括諸 如鉆頭10的金屬坯體16 (圖1)的金屬坯體，而是直接固定于鉆頭體 92的顆粒胎體復合材料46上。還如圖8所示，在一些實施方式中， 鉆頭體92可包括諸如銷元件102的凸形連接部；而柄94可以包括凹 形連接部，諸如尺寸和形狀與銷元件102互補、并構造成將銷元件102 容置其內的插孔或凹部104。鉆頭體92的一個或多個抵接表面98可 包括鉆頭體92的銷元件102的外表面，而柄94的一個或多個抵接表 面100可限定柄94中的互補凹部104。此外，在一些實施方式中，鉆 頭體92的至少一個表面98的至少一部分以及柄94的至少一個表面 100的相應互補部分均可具有大體截錐形形狀，如圖8所示。在一些 實施方式中，截錐形表面98、 IOO可大體光滑且無螺紋。
鉆頭卯的鉆頭體92和柄94也可以成型為或以其它方式設置成鉆頭90沿圖8所示的剖面線C-C的剖視圖看起來大體類似于圖3至 圖6中的任一個剖面。換句話說，采用與圖3所示方式相類似的方式， 鉆頭體92和柄94的抵接表面98、 100可以構造成均與連接界面的軸 線A同心，其中連接界面的軸線&自或相對于旋轉鉆頭90的縱向軸 線L卯橫向偏離或移動。在另外的實施方式中，釆用與圖4所示方式 相類似的方式，鉆頭體92和柄94的4氏接表面98、 100可構造成均與 旋轉鉆頭卯的縱向軸線L卯同心。此外，凸部和互補凹部(諸如前述 結合圖5和圖6描述的凸部64和互補凹部66)可由鉆頭體92的抵接 表面98和柄94的抵接表面100來限定。
圖9為體現本發明教導的再一地鉆旋轉鉆頭110的局部剖側視圖。 地鉆旋轉鉆頭110大體類似于前述與圖8相關的鉆頭90，且包括直接 與柄114連接的鉆頭體112。鉆頭體112的一個或多個表面118可以構 造成與柄114的一個或多個互補表面120相抵接。切削元件34可固定 于鉆頭體112的端面116上。然而，在該地鉆旋轉鉆頭110中，柄114 包括凸形連接部，諸如銷元件122;而鉆頭體112包括凹形連接部， 諸如尺寸和形狀與銷元件122的尺寸和形狀互補、以用于將銷元件122 容置于其內的插孔或凹部124。柄114的一個或多個抵接表面120可 包括柄114的銷元件122的外表面，而鉆頭體112的一個或多個抵接 表面118可限定鉆頭體112的互補凹部124。
鉆頭110的鉆頭體112和柄114可以成型為或以其它方式設置成 鉆頭110沿圖9所示的剖面線D-D的剖視圖看起來大體類似于圖3至 圖6中的任一個剖面。換句話說，采用與圖3所示的方式相類似的方 式，鉆頭體112和柄114的抵接表面118、 120可以構造成均與連接界 面的軸線At同心，其中連接界面的軸線&自或相對于旋轉鉆頭110 的縱向軸線Luo橫向偏離或移動。在另外的實施方式中，釆用與圖4 所示方式相類似的方式，鉆頭體112和柄114的4氐接表面118、 120可 構造成均與旋轉鉆頭110的縱向軸線L剛同心。此外，凸部和互補凹 部(諸如前述結合圖5和圖6描述的凸部64和互補凹部66)可由鉆 頭體112的抵接表面118和柄114的抵接表面120來限定。
1盡管在此已針對某些優選實施方式來說明了本發明，但是本領域 的普通技術人員將認識并意識到本發明不受此限制。而是，在不脫離 隨后主張的本發明的范圍內，可對所述優選實施方式進行諸多添加、 刪除、和修改。另外， 一個實施方式的特征可與另一個實施方式的特 征相組合，但是所述組合依然包含在本發明人所構思出的本發明的范 圍內。
權利要求
1.一種地鉆旋轉鉆頭，包括鉆頭體，其連接于柄，所述鉆頭體和所述柄均具有與連接界面的軸線同心的抵接表面，所述連接界面的軸線偏離所述鉆頭的縱向軸線。
2. 如權利要求1所述的旋轉鉆頭，其中，各所述抵接表面的至少 一部分均具有大體圓柱形狀。
3. 如權利要求l所述的旋轉鉆頭，其中，各所述抵接表面的至少 一部分均具有大體截錐形狀。
4. 如權利要求l-3中任一項所述的旋轉鉆頭，其中，所述鉆頭體 包括連接于所述柄的連接部，所述鉆頭體的所述連接部主要包括顆粒 胎體復合材料，所述顆粒胎體復合材料包括遍布于胎體材料中的多個 硬質顆粒，所述硬質顆粒包括如下材料，所述材料選自金剛石、碳化 硼、氮化硼、氮化鋁、以及由W、 Ti、 Mo、 Nb、 V、 Hf、 Zr、 Si、 Ta以及Cr構成的組的碳化物或硼化物；所述胎體材料選自由鐵基合 金、鎳基合金、鈷基合金、鈦基合金、鋁基合金、鐵鎳基合金、鐵鈷 基合金以及鎳鈷基合金構成的組。
5. 如權利要求l-4中任一項所述的旋轉鉆頭，其中，所述抵接表 面中的一個抵接表面的形狀限定了至少一個凸部，而所述抵接表面中 的另一個抵接表面的形狀限定了至少一個凹部，所述至少一個凸部至 少部分地置于所述至少一個凹部之內。
6. 如權利要求5所述的旋轉鉆頭，其中，相對于所述鉆頭的縱向 軸線，所述至少一個凸部沿大體橫向方向突伸到所述至少一個凹部中。
7. 如權利要求l-6中任一項所述的旋轉鉆頭，其中，所述柄包括 凸形連接部，而所述鉆頭體包括凹形連接部，所述凹形連接部構造成 將所述柄的所述凸形連接部至少部分地容置于其內，所述凸形連接部 的外表面和所述凹形連接部的內表面限定了所述抵接表面。
8. 如權利要求1-6中任一項所述的旋轉鉆頭，其中，所述鉆頭體 包括凸形連接部，而所述柄包括凹形連接部，所述凹形連接部構造成將所述鉆頭體的所述凸形連接部至少部分地容置于其內，所述凸形連 接部的外表面和所述凹形連接部的內表面限定了所述抵接表面。
9. 如權利要求1-8中任一項所述的旋轉鉆頭，其中，所述抵接表 面均無螺紋。
10. 如權利要求1-9中任一項所述的旋轉鉆頭，其中，所述抵接 表面為大體光滑。
11. 如權利要求1-10中任一項所述的旋轉鉆頭，還包括位于所述 鉆頭體和所述柄之間的界面處的焊接部以及硬釬焊材料中的至少一 個。
12. 如權利要求1-11中任一項所述的旋轉鉆頭，還包括至少一個 切削元件，其固定于所述鉆頭的端面。
13. —種將地鉆旋轉鉆頭的柄和鉆頭體連接的方法，所述方法包括使地鉆旋轉鉆頭的柄的至少一個表面抵接到鉆頭體的至少一個表 面上；以及使所述抵接表面與連接界面的軸線同心，其中所述連接界面的軸 線偏離所述鉆頭的縱向軸線。
14. 如斥又利要求13所述方法，還包括 在所述抵接表面的一個抵接表面上形成至少一個凸部； 在所述抵接表面的另一個抵接表面上形成至少一個凹部；以及 將所述至少一個凸部至少部分地插入到所述至少一個凹部中。
15. 如權利要求14所述的方法，其中，在所述抵接表面的一個抵 接表面上形成至少一個凸部包括在所述抵接表面的所述一個抵接表 面中形成相對于所述鉆頭的縱向軸線沿大體橫向方向突出的至少一個凸部。
16. 如權利要求13-15中任一項所述的方法，還包括 在所述鉆頭體上形成凸形連接部； 在所述柄上形成凹形連接部；將所述鉆頭體的所述凸形連接部插入到所述柄的所述凹形連接部中；使所述凸形連接部的外表面抵接到所述凹形連接部的內表面上；以及使相抵接的所述凸形連接部的所述外表面和所述凹形連接部的所 述內表面均與所述連接界面的軸線同心。
17. 如權利要求16所述的方法，還包括使所述凸形連接部的外表面和所述凹形連接部的內表面中的每個 表面的至少一部分均形成為具有大體截錐形形狀。
18. 如權利要求16所述的方法，還包括使所述凸形連接部的外表面和所述凹形連接部的內表面中的每個 表面的至少一部分均形成為具有大體圓柱形形狀。
19. 如權利要求13-18中任一項所述的方法，還包括 在所述鉆頭體和所述柄之間的界面處設置至少一個焊接部和硬釬焊材料。
20. 如權利要求13-19中任一項所述的方法，還包括 將至少一個切削元件固定于所述旋轉鉆頭的端面。
全文摘要
一種地鉆旋轉鉆頭，包括連接于柄(48)的鉆頭體(44)。在一些實施方式中，所述鉆頭體和所述柄可具有與連接界面的軸線(A<sub>I</sub>)同心的抵接表面(54、56)，所述連接界面的軸線(A<sub>I</sub>)相對于所述鉆頭的縱向軸線(L<sub>42</sub>)偏離。在另外的實施方式中，所述鉆頭體和所述柄均可具有大體截錐形抵接表面(98、100)。將地鉆旋轉鉆頭的柄和鉆頭體連接的方法包括使柄的表面抵接到鉆頭體的表面上；以及使所述抵接表面與一相對所述鉆頭的縱向軸線偏離或移動的軸線同心。
文檔編號E21B10/42GK101583773SQ200780050189
公開日2009年11月18日 申請日期2007年12月7日 優先權日2006年12月12日
發明者J·H·史蒂文斯, R·H·史密斯 申請人:貝克休斯公司