提高鉆進效率的混合式鉆頭的制作方法

提高鉆進效率的混合式鉆頭的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種鉆地鉆頭，所述鉆頭具有：鉆頭本體，所述鉆頭本體具有限定鉆頭本體的軸向中心的中心縱向軸線，并構造成在其上部范圍用于連接到鉆柱中；至少一個一級固定刀片，其從鉆頭本體向下延伸，并朝著鉆頭的中心軸線向內延伸但不緊鄰該中心軸線；至少一個二級固定刀片，其從鉆頭的中心軸線附近徑向向外延伸；多個固定的切削元件，其固定于一級固定刀片和二級固定刀片；至少一個鉆頭支腿，其固定于鉆頭本體；以及滾動切削刀具，其安裝用于在鉆頭支腿上旋轉；其中，在至少一個固定刀片上的固定切削元件從鉆頭的中心向外朝著鉆頭的保徑延伸，但不包括保徑切削區域，并且其中至少一個牙輪切削刀具部分大體上從鉆頭的保徑區域向內朝著鉆頭的中心延伸，牙輪切削刀具的頂尖緊鄰所述至少一個二級固定刀片的終端，但不延伸到鉆頭的中心。
【專利說明】提高鉆進效率的混合式鉆頭
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年11月15日提交的、申請號為61/560，083的美國臨時專利申請的優先權，將其全部內容在此引入作為參考。
[0003]有關聯邦政府資助研究或開發的聲明
[0004]不適用。
[0005]參考附錄
[0006]不適用。
【技術領域】
[0007]在此公開和教導的本發明主要涉及鉆地鉆頭，并且更具體地涉及改進的鉆地鉆頭，其中包括具有與之相關聯的切削元件的固定切削刀具(fixed cutter)和滾動切削刀具(rolling cutter)的組合,所有這些的配置表現出提高的鉆進效率,還涉及這種鉆頭的操作。
【背景技術】
[0008]本發明涉及用于挖掘地層的系統和方法，例如用于形成井眼以便開采石油和天然氣，構建隧道，或者形成切削、銑削、研磨、刮削、剪切、切割和/或壓裂(在下文被統稱為“切削”)地層的其它坑道，以及用于這樣的作業的設備。切削工藝是相互依賴性非常高的工藝，通常要綜合并考慮很多變量來確保構建有效的鉆孔。正如本領域眾所周知的那樣，很多變量具有增加切削成本的相互作用和累積效應。這些變量可以包括地層硬度、研磨性、孔隙壓力和地層本身的彈性。在井眼鉆進中，地層硬度和相應的鉆進困難程度可能隨著井眼深度的增加而指數增加。鉆井成本中有很大的比例來源于對時間敏感的相互依賴的作業，也就是說，穿透正鉆進的地層所花費的時間越長，其成本越高。影響鉆井成本的最重要的因素之一是鉆頭能夠鉆入地層的速率，所述速率通常隨著地層材料硬度和剛性增大以及井眼在地層中的深入而減小。
[0009]經過上百年的開發以及在研究、測試和反復開發上的大量投入，主要發展出兩類現代鉆頭。這兩類鉆頭通常被稱為固定切削刀具鉆頭和牙輪(roller cone)鉆頭。在這兩個主要類型中，存在各式各樣的變型，其中每一種變型都設計用于鉆進具有常規范圍的地層性質的地層。這兩類鉆頭基本上構成了在全世界用于鉆進油井和天然氣井的大部分鉆頭。
[0010]每一種鉆頭通常在其鉆進經濟性優于其它鉆頭的場合使用。牙輪鉆頭可以鉆進巖層的整個堅硬范圍。因而，牙輪鉆頭通常在遇到較硬的巖石的時候運行，其中長的鉆頭壽命和合理的鉆速是鉆進經濟性的重要因素。固定切削刀具鉆頭，包括浸孕鉆頭，通常用來鉆進范圍從松散和薄弱的巖石到中硬巖石的各種地層。
[0011]作為一種用于鉆進硬且耐磨的地層的更耐用的工具，牙輪鉆頭在二十世紀早期取代了魚尾鉆頭(Hughes，1915)，但是牙輪鉆頭在鉆進頁巖和其它塑性表現的巖石方面的局限性是眾所周知的。內在原因是受到壓制的碎屑和/或底部泥團的組合在更深的深度隨著鉆孔壓力和泥漿比重的增加而逐漸變得更糟【Murray等，1955】。泥團將牙輪鉆頭的鉆進效率降低到大氣條件下觀測到的鉆進效率的幾分之一【Pessier，R.C.和Fear，M.J.，“利用機械比能量和鉆頭特定滑動摩擦系數來量化常見的鉆進問題”(Quantifying CommonDrilling Problems with Mechanical Specific Energy and a Bit-Specific Coefficient ofSliding Friction), SPE Conference Paper N0.24584-MS, 1992】。諸如循跡和偏心運行的其它現象進一步加重了該問題。雖然牙輪鉆頭結構和水力學上的很多創新已經在解決這些問題，但是這些創新只是有限地改善了性能【Wells和Pessier，1993 ；Moffit等，1992】。魚尾狀或固定刀片式鉆頭更少地受到這些問題的影響，原因在于它們是用作不斷地刮削鉆孔底部的機械刮削裝置。混合式鉆頭的第一個原型【Scott，1930】簡單地組合了魚尾狀鉆頭和牙輪鉆頭，其在商業上未曾成功，原因在于鉆頭的魚尾狀部分或固定刀片部分會過早磨損，且大的磨平使鉆速降低到甚至比單獨用牙輪鉆頭可實現的鉆速更小。隨著更加耐磨的固定切削刀具roc(聚晶金剛石復合片)鉆頭的引入，混合式鉆頭的構想在二十世紀八十年代復蘇，人們提出了各式各樣的設計方案并進行了專利保護【Schumacher等，1984 ；Holster等，1992 ；Tandberg, 1992 ；Baker, 1982】。一部分經過了現場測試,但是同樣地帶有混合結果【Tandberg和Rodland, 1990],主要是由于在設計上存在結構缺陷，而且缺乏第一代F1DC切削刀具的耐用性。同時，PDC切削刀具技術已經有了明顯進步，并且固定刀片PDC鉆頭已經大量取代了牙輪鉆頭，一些某些特別適合牙輪鉆頭的應用除外。這些應用包括硬的、耐磨的互層地層，復合定向鉆進應用，以及一般的傳統PDC鉆頭的扭矩需求超出了給定鉆進系統的能力的應用。正是在這些應用中，混合式鉆頭與傳統的PDC鉆頭相比能夠顯著提高牙輪鉆頭的性能且有害的動力學程度較低。
[0012]在混合式鉆頭中，牙輪鉆頭的間斷破碎與固定刀片鉆頭的連續剪切和刮削相結合。通過可控的模擬井下條件的實驗室測試，混合式鉆頭的鉆進力學特性通過與牙輪鉆頭和固定刀片鉆頭直接比較可以更好地體現【Ledgerwood, L.W.和Kelly, J.L., “全尺寸鉆頭測試中的高壓設施重 新創造井下條件條件(High Pressure Facility Re-Creates DownholeConditions in Testing of Full Size Drill Bits) ”, SPE paper N0.91-PET-1,發表在 ASMEEnergy-sources Technology Conference and Exhibition, New Orleans, 1991 年 I 月 20-24日】。不同鉆頭類型的鉆進力學及其性能很大程度上取決于地層或巖石類型、結構和強度。
[0013]混合式鉆頭的早期構想追溯到二十世紀三十年代，但是可靠的鉆進工具的開發只有隨著近年來在聚晶金剛石復合片(roc)切削刀具技術上的進步才開始成為可能。混合式鉆頭侵入性更高，并且更有效，因此鉆進頁巖和其它塑性行為地層時比牙輪鉆頭快兩到四倍。混合式鉆頭的鉆速與每分鐘轉數(RPM)成線性響應關系，這與表現為指數小于I的指數響應關系的牙輪鉆頭不同。換句話說，在馬達應用中，混合式鉆頭與可比較的牙輪鉆頭相比明顯快得多。另一個好處是滾動切削刀具在鉆頭動力學上的表現。與傳統PDC鉆頭相比，扭轉振動差不多低50%，并且低RPM時的粘/滑(stick/slip)減少，高PRM時的偏心轉動(whirl)減少。這使得混合式鉆頭的工作范圍更寬，且大大改善了定向鉆進的工具面(tool face)控制。混合式鉆頭是高度專用鉆頭(highly application-specific drillbit)，針對:(1)鉆速(ROP)受限的傳統牙輪應用，(2)扭矩或鉆壓(WOB)受限的大直徑I3DC鉆頭和牙輪鉆頭應用，(3)高扭矩波動可能導致早期故障和限制平均工作扭矩的高度互層地層，以及(4)要求較高的ROP以及更好的構建速率和工具面控制的馬達和/或定向應用。【Pessier, R.和Damschen, Μ., “混合式鉆頭在選定牙輪和PDC鉆頭應用中提供了不同的優點(Hybrid Bits Offer Distinct Advantages in Selected Roller-Cone and PDC-BitApplications) ”, SPE Drilling & Completion,第 26 (I)卷，第 96-103 頁(2011 年 3 月)】。
[0014]在鉆頭開發的初期階段，一些鉆地鉆頭使用了一個或多個滾動切削刀具和一個或多個固定刀片的組合。這些組合式鉆頭中的一部分被稱為混合式鉆頭。例如在授予Baker, III的美國專利US4343371中介紹的混合式鉆頭的現有設計設置有滾動切削刀具來進行大部分的地層切削工作，尤其是在井孔或鉆頭的中心。其它類型的組合鉆頭被稱為“取芯鉆頭”，例如授予Garner的美國專利US4006788所述。取芯鉆頭通常具有截頂滾動切削刀具，這些截頂滾動切削刀具不延伸到鉆頭的中心，并設計成通過向下深鉆且繞鉆來移除地層的巖心樣品，實心的圓柱狀地層被基本完好地從鉆孔移除以用于地層分析。
[0015]授予Shamburger, Jr.的美國專利US5695019介紹了另一種混合式鉆頭,其中滾動切削刀具幾乎整個地延伸到中心。提供了具有兩級切削作用的回轉式錐形鉆頭。鉆頭包括可旋轉地耦合于支撐臂的至少兩個截頂錐形切削刀具組件，其中每個切削刀具組件可圍繞方向向下和向內的相應軸線旋轉。截頂錐形切削刀具組件的形狀為截頭錐形或截頭錐體，其背面通過錐形側面連接到平截頂面。截頂面可以平行于切削刀具組件的背面，也可以不平行于切削刀具組件的背面。多個一級切削元件或插入件以預定模式布置在截頂錐形切削刀具組件的平截頂面上。切削刀具組件的齒彼此不嚙合或接合，且每個切削刀具組件的多個切削元件與其它切削刀具組件的切削元件間隔開。一級切削元件在鉆孔中心繞切錐形巖心地層，這起到穩定切削刀具組件的作用，并且向外推送這些切削刀具組件以切削全保徑鉆孔。多個二級切削元件或插入件安裝在鉆頭本體的圓頂區域的下表面上。據報道，當鉆頭前進時，二級切削元件切削自 立式巖心地層。
[0016]近年來，已經給出了具有改善的切削輪廓和鉆頭力學的牙輪和固定刀片的混合式鉆頭以及用于利用這種鉆頭鉆進的方法。例如，授予Zahradnik等的美國專利US7845435描述了一種混合型鉆頭，其中固定刀片上的切削元件從鉆頭本體的周邊到軸向中心形成連續切削輪廓。牙輪切削元件與固定切削元件在軸向中心與周邊之間的切削輪廓的鼻部分和肩部分上重疊。牙輪切削元件在承壓和高應力的鼻部分和肩部分壓碎和預壓裂或部分壓裂地層。
[0017]雖然最近已經顯示了混合式鉆頭在本領域的成功，但是，選擇特別是設計混合式鉆頭的構造仍然受到固定刀片上的PDC切削刀具和牙輪上的切削元件缺少有效清潔的困擾，導致諸多問題例如鉆進效率的降低，某些較軟地層中的泥團問題。選定的混合式鉆頭中的這種有效清潔的缺少可能是因為排屑槽容積過滿，這相應地導致用于噴嘴布置和定向的可利用空間受限，同樣的噴嘴在有些情況下可以用于清潔固定刀片切削刀具和牙輪切削元件，并且導致用于鉆頭作業期間切屑排空的空間不足。
[0018]在此公開和教導的本發明涉及具有鉆頭本體的鉆頭，其中鉆頭本體包括從鉆頭向下延伸的一級和二級固定切削刀具刀片，鉆頭支腿從鉆頭本體向下延伸且終止于牙輪切削刀具，其中固定切削刀具刀片中的至少一個與滾動切削刀具對準。

【發明內容】
[0019]本發明的上述目的及其它優點和特征結合到在此闡述的應用中，并且描述了相關的附錄和附圖，涉及具有懸掛于鉆頭支腿的一級和二級固定切削刀具刀片和牙輪的改進的混合式和先導擴孔型鉆地鉆頭，所述鉆頭包括內部固定切削刀片，所述內部固定切削刀片向外徑向延伸，并大體上與安裝于鉆頭支腿的牙輪中的至少一個傾斜地或線性地對準。
[0020]依照本發明的一個方面，公開了一種鉆地鉆頭，所述鉆頭具有:鉆頭本體，所述鉆頭本體具有限定鉆頭本體的軸向中心的中心縱向軸線，并構造成在其上部范圍用于連接到鉆柱內；從鉆頭本體向下延伸的至少一個固定刀片；多個固定切削元件，其固定于固定刀片；至少一個鉆頭支腿，其固定于鉆頭本體；以及滾動切削刀具，其安裝成用于在鉆頭支腿上旋轉；其中，在至少一個固定刀片上的固定切削元件從鉆頭的中心向外朝著鉆頭的保徑延伸，但不包括保徑切削區域，并且其中至少一個牙輪切削刀具部分大體上從鉆頭的保徑區域向內朝著鉆頭的中心延伸，但不延伸到鉆頭的中心。
[0021]依照本發明的又一個方面，公開了一種鉆地鉆頭，所述鉆頭包括:鉆頭本體，所述鉆頭本體具有限定鉆頭本體的軸向中心的中心縱向軸線，并構造成在其上部范圍用于連接到鉆柱內；從鉆頭本體向下延伸的至少一個外部固定刀片；多個固定切削元件，其固定于外部固定刀片，并從鉆頭的外部保徑向軸向中心延伸，但不延伸到鉆頭的軸向中心；從鉆頭本體向下延伸的至少一個內部固定刀片；多個固定切削元件，其固定于內部固定刀片，并基本上從鉆頭的中心向外朝著鉆頭的保徑延伸，但不包括鉆頭的外部保徑；至少一個鉆頭支腿，其固定于鉆頭本體；和滾動切削刀具，其安裝成用于在鉆頭支腿上旋轉，并具有在鉆頭的保徑區域附近的根部和在切削刀具的相鄰端部上的相對滾子軸(roller shaft);其中內部固定刀片大體上延伸到切削刀具的相鄰端部。這種配置形成鞍部型配置(saddle-typearrangement),如圖10和11所示,其中牙輪可以具有僅貫穿牙輪的中心軸承,或者可選地具有以可移除的方式貫穿牙輪并延伸到內部二級固定刀片切削刀具的外邊緣的凹進部分中的中心軸承。
[0022]依照本發明的進一步的實施例，公開了一種用于在地層中鉆進鉆孔的鉆地鉆頭，所述鉆頭包括:鉆頭本體，所述鉆頭本體構造成在其上部范圍用于連接至鉆柱，鉆頭本體具有中心軸線和鉆頭面，所述鉆頭面包括錐形區域、鼻部區域、肩部區域和徑向最外面的保徑區域；在軸向方向上從鉆頭本體向下延伸的至少一個固定刀片，所述至少一個固定刀片具有前刃和后刃；多個固定刀片切削元件，其布置在所述至少一個固定刀片上；至少一個滾動切削刀具，其安裝成用于在鉆頭本體上旋轉；以及布置在所述至少一個滾動切削刀具上的多個滾動切削刀具切削元件；其中至少一個固定刀片與至少一個滾動切削刀具角對準。進一步依照該實施例的各個方面，所述至少一個滾動切削刀具可以包括基本上線性的軸承或具有貫穿滾動刀具的頂面并在其上延伸的遠端的牙輪芯軸，所述牙輪芯軸的尺寸和形狀設計成能可移除地插入在凹部中，所述凹部形成在與滾動切削刀具角對準的固定刀片的端面中，或者形成在與角對準的固定刀片一體形成或非一體形成的鞍部組件中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]下列附圖形成本說明書的一部分，并被包括在說明書中以進一步說明本發明的某些方面。通過參照這些附圖中的一個或多個并結合在此所給出的具體實施例的詳細說明，可以更好地理解本發明。[0024]圖1示出了依照本發明實施例的示范性鉆頭的示意性等距視圖。
[0025]圖2示出了圖1中示范性鉆頭的頂部等距視圖。
[0026]圖3示出了圖1中鉆頭的俯視圖；
[0027]圖4示出了圖1中鉆頭的局部橫截面視圖，所示鉆頭的切削刀具元件旋轉成單一切削刀具輪廓。
[0028]圖5示出了圖1中鉆頭的示意性俯視圖。
[0029]圖6示出了依照本發明其它方面的鉆頭的俯視圖。
[0030]圖7示出了依照本發明附加方面的鉆頭的俯視圖。
[0031]圖8示出了依照本發明其它方面的鉆頭的俯視圖。
[0032]圖9A示出了依照本發明其它方面的示范性鉆頭的等距透視圖。
[0033]圖9B示出了圖9A中鉆頭的俯視圖。
[0034]圖10示出了圖1中鉆頭的局部橫截面視圖，顯示了本發明的可選實施例。
[0035]圖11示出了依照本發明實施例的又一示范性鉆頭的等距透視圖。
[0036]圖12示出了圖11中鉆頭的俯視圖。
[0037]圖13示出了圖11中鉆頭的局部橫截面視圖，顯示了結合有牙輪的支承組件和鞍部安裝組件(saddle mount assembly)。
[0038]圖14示出了圖13的橫截面視圖的局部剖視圖。
[0039]圖15示出了依照本發明各個方面的示范性延伸芯軸的透視圖。
[0040]圖16示出了依照本發明的示范性鞍部安裝組件的詳細透視圖。
[0041]圖17示出了本發明進一步的實施例的自頂向下的視圖，顯示了示范性混合式擴孔型鉆頭。
[0042]圖18示出了圖17中混合式擴孔鉆頭的側透視圖。
[0043]圖19示出了圖17中混合式鉆頭上的牙輪插入件和固定切削元件的局部復合旋轉側視圖。
[0044]雖然在此公開的發明易于得到各種變形和替代形式，但是在附圖中通過舉例的方式僅給出了一些具體實施例，并且這些實施例在下文進行了詳細描述。這些具體實施例的視圖和詳細說明不用于對本發明構思或所附權利要求的外延或范圍以任何方式進行限制。而是，附圖和詳細記載的說明設置用于向本領域普通技術人員示出本發明的構思，使本領域普通技術人員能夠完成和使用本發明的構思。
【具體實施方式】
[0045]定義
[0046]提供下列定義，以幫助本領域技術人員理解本發明的詳細說明。
[0047]在此所使用的術語“錐形組件”包括可旋轉地安裝到支撐臂上的各種類型和形狀的牙輪組件和切削刀具錐形組件。錐形組件也可以等同地被稱為“牙輪”、“牙輪切削刀具”、“牙輪切削刀具組件”、或“切削刀具錐體”。錐形組件可以具有基本上錐形的漸縮(截頂)外部形狀，或者可以具有更圓形的外部形狀。與牙輪鉆頭相聯的錐形組件通常彼此朝向地向內指向，或者至少指向鉆頭的軸向中心的方向。對于某些應用，例如僅具有一個錐形組件的牙輪鉆頭，錐形組件可以具有接近大體上球形構造的外部形狀。[0048]在此所使用的術語“切削元件”包括適用于牙輪鉆頭的各種類型的復合片(compacts)、插入件、銑齒和焊接復合片。術語“切削結構”和”多個切削結構”在該應用中可以等同地使用，包括形成在或附接至牙輪鉆頭的一個或多個錐形組件上的各種組合和配置。
[0049]在此所使用的術語“支承結構”包括適于將錐形組件可旋轉地安裝在支撐臂上的任何適合的軸承、支承系統和/或支撐結構。例如，“支承結構”可以包括用以形成頸軸承、滾子軸承(包括但不限于滾子-滾珠-滾子-滾子軸承、滾子-滾珠-滾子軸承、滾子-滾珠-摩擦軸承)或各式各樣的實體軸承(solid bearing)的內圈、外圈和襯套元件。另外，支承結構還可以包括對接元件，例如用來利用支撐臂可旋轉地安裝錐形組件的硬化材料制成的襯套、滾子、滾珠和區域。
[0050]本申請所使用的術語“芯軸”包括適于將錐形組件可旋轉地安裝在支撐臂上的任何適合的軸頸、軸、支承銷、結構或結構組合。依照本發明，一個或多個支承結構可以設置在錐形組件和芯軸的相鄰部分之間，以允許錐形組件相對于芯軸及其相聯的支撐臂旋轉。
[0051]本申請所使用的術語“流體密封”可以包括適于在錐形組件和相聯的芯軸的相鄰部分之間形成流體隔離物的任何類型的密封、密封環、支承環、彈力密封、密封組件或任何其它部件。通常與混合式鉆頭相關聯的并適用于在此所述的發明方面的流體密封的例子包括但不限于O形環、填料圈和金屬-金屬密封。
[0052]本申請所使用的術語“牙輪鉆頭”可以用于描述具有至少一個支撐臂的任何類型的鉆頭，所述支撐臂上可旋轉地安裝有錐形組件。牙輪鉆頭有時也被描述成“回轉式錐形鉆頭”、“切削刀具錐形鉆頭”或“回轉式巖石鉆頭”。牙輪鉆頭通常包括帶有從其延伸的三個支撐臂的鉆頭本體和可旋轉地安裝在各個支撐臂上的相應錐形組件。這種鉆頭也可以被描述成“三牙輪鉆頭”。但是，本發明的教導也可以使用包括但不限于具有一個支撐臂、兩個支撐臂或任何其它數量的支撐臂(多個支撐臂)及其相聯的錐形組件的混合式鉆頭的鉆頭。
[0053]在此所使用的術語“領先(leads) ”、“前(leading) ”、“落后(trails) ”、“后(trailing)”用來描述同一刀片上的兩個結構(例如兩個切削刀具元件)相對于鉆頭旋轉方向的相對位置。尤其是，相對于鉆頭旋轉方向設置在同一刀片上的第二結構前面的第一結構“領先”第二結構(即，第一結構處于“前”位置)，而相對于鉆頭旋轉方向設置在同一刀片上的第一結構后面的第二結構“落后”第一結構(即，第二結構在“后”位置)。
[0054]在此所使用的術語“軸向的”和“軸向地”意思是沿著或平行于鉆頭軸線(例如鉆頭軸線15)，術語“徑向的”和“徑向地”意思是垂直于鉆頭軸線。例如，軸向距離是指沿著或平行于鉆頭軸線測量的距離，徑向距離是指垂直于鉆頭軸線測量的距離。
[0055]詳細說明
[0056]上述附圖以及下面對特定結構和功能的書面描述并不用于限制 申請人:已發明的范圍或所附權利要求書的范圍。相反，提供附圖和書面描述用于教導本領域技術人員制造和使用所要求專利保護的發明。本領域技術人員應當理解，為了清楚和理解起見，并非本發明的工業實施例的所有特征都進行描述或顯示。本領域技術人員還應當領會，實際的工業實施例結合了本發明的很多方面，要形成實際的工業實施例需要考慮很多實施特定決策來達到開發者為實現工業實施例的最終目標。這些實施特定決策可以包括遵從與系統相關、與商業相關、與政府相關的約束條件及其它約束條件，但并不局限于此，這些決策可隨著【具體實施方式】、位置和時間而變化。盡管在絕對意義上說開發者的努力是復雜和耗時的，但是，對于本領域普通技術人員來說，在本發明的教導下，這只不過是常規任務。必須理解，在此公開和教導的發明易于大量各種改進和替代形式。最后，使用的單數形式，例如但不限于“一”并不意在限制零件的數量。另外，在書面描述中使用的關系術語，例如但限于“頂”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、“側”等是用于在參照附圖時清楚起見，并不意在限制本發明或所附帶的權利要求書的范圍。
[0057] 申請人:已經創造了一種混合式鉆地鉆頭，其具有一級固定刀片切削刀具、二級固定刀片切削刀具和與二級固定刀片切削工具中的一個大體上線性對準或角對準的至少一個滾動切削刀具，所述鉆頭表現了提高的鉆進效率和改善的隨鉆清潔特點。更尤其是，當鉆頭具有與牙輪切削刀具和/或牙輪切削刀具元件的中心線基本上對準(線性對準或角對準)的至少一個二級固定葉片切削刀具或其一部分(例如二級固定刀片切削刀具的PDC切削結構的一部分或全部)時，可看到鉆頭效率、操作和性能上的大量優點。這些改進包括但不限于:通過噴嘴配置和定向(傾斜)以及這種配置所允許的噴嘴數量，更有效地清潔切削結構(例如，牙輪切削刀具的前部和后部或固定刀片切削元件的切削面)；良好的排屑槽空間和布置，用于在鉆進作業期間有效地從鉆面移除切屑；用于包括具有PDC或其它適合的切削元件的附加的和變化的固定刀片切削刀具的更大的可利用空間；鉆頭具有改善的操持大體積切削刀具(固定刀片和牙輪)的能力；以及其具有更大的用于附加的鉆進流體噴嘴及其布置的場所。
[0058]在下面的論述以及在權利要求書中，所使用的術語“包括”和“包含”為開放式的，因而應當解釋成表示“包括但不限于”。并且，術語“耦合”意在表示間接或直接的連接。因而，如果第一裝置耦合于第二裝置，那么該連接可以是通過直接連接或者通過經由其它裝置和連接件的間接連接。
[0059]現在轉到附圖，圖1示出了依照本發明各個方面的示范性混合式鉆頭的等距透視圖。圖2示出了圖1中混合式鉆頭的頂部等距視圖。圖3示出了圖1中混合式鉆頭的俯視圖。這些圖將相互結合進行論述。
[0060]如這些附圖所示,混合式鉆頭11包括鉆頭本體13,所述鉆頭本體13在其上部范圍18用螺紋或其它方式構造用于連接到鉆柱內。鉆頭本體13可以由鋼構造或由帶有鋼插入件的硬金屬(例如碳化鎢)母體材料構造。鉆頭本體13具有在大多數情況下與混合式鉆頭11的旋轉軸線重合的軸向中心或中心線15。
[0061]介于上端18和縱向間隔開的、相對的工作下端16之間的是鉆頭本體13。鉆頭本體還包括在軸向方向上朝著鉆頭的工作下端16延伸的一個或多個(顯示了三個)鉆頭支腿17、19、21。截頂滾動切削刀具錐體29、31、33(分別)根據在此詳細介紹的本發明的方法可旋轉地安裝到每個鉆頭支腿17、19、21上。鉆頭本體13還包括朝著鉆頭11的工作端16向下軸向延伸的多個(例如兩個或更多個)一級固定切削刀片23、25、27。依照本發明的多個方面，鉆頭本體13還包括多個二級固定切削刀片61、63、65，所述多個二級固定切削刀片61、63、65從鉆頭11的中心線15附近或鄰近向外朝著滾動切削刀具錐體的頂尖30延伸，在此將更詳細地論述。
[0062]還是如圖1所示，鉆頭11的工作端安裝在鉆頭釬尾24上，鉆頭釬尾24在其上端18設置有螺紋連接22，用于以鉆進工業中本領域技術人員眾所周知的方式連接于鉆柱、鉆進馬達或其它底孔組件。鉆頭釬尾24還在鉆頭內設置縱向通道(未顯示)，用以允許鉆進流體通過射流通道以及通過標準噴嘴(未顯示)流體連通，以在鉆頭作業期間對著井眼或孔面通過鄰近鉆頭切削刀具本體13的噴嘴端口 38排出或射出。在使用時，鉆進流體通過這些端口循環，以根據噴嘴端口的方向，清洗和冷卻鉆頭和裝置(例如固定刀片和切削刀具錐體)的工作端16。潤滑油箱(未顯示)供給源潤滑劑至每個錐體的支承空間。鉆頭釬尾24還設置有鉆頭裝卸器槽26，鉆頭釬尾24的相對側向側面上形成有凹槽，以便以工業中眾所周知的方式提供用于鉆頭裝卸器槽的配合表面，從而容許鉆頭與鉆柱組件的接合和脫離。根據例如American Petroleum Institute (API)頒布的標準，釬尾24設計成利用螺紋22耦合于由管狀材料制成的鉆柱(未顯示)。
[0063]繼續參照圖1和圖2中混合式鉆頭11的等距視圖，縱向中心線15限定混合式鉆頭11的軸向中心，正如前面所指出的。正如上面所引用的，鉆頭11還包括:至少一個一級固定切削刀片23，優選多個(兩個或更多個)一級固定切削刀片，其從釬尾24相對于鉆頭在鉆孔內部的大體方向向下延伸；和至少一個二級固定切削刀片61，優選多個(兩個或更多個)二級切削刀片，其從鉆頭的軸向中心朝著相應的切削刀具錐體29向外輻射。如圖所示，固定刀片也可以選擇地包括穩定或保徑墊片42，所述穩定或保徑墊片42則可選擇地包括多個切削元件44，通常被稱為保徑切削刀具。多個一級固定刀片切削元件41、43、45布置并固定到每個一級固定切削刀片23、25、27的表面上，例如相對于旋轉方向(100)的刀片的前刃“E”上的。同樣，多個二級固定刀片切削元件71、73、75布置并固定到每個二級固定切削刀片的表面上，例如二級固定切削刀片61、63、65的前刃“E”上的(對比一級或二級固定切削刀片的終緣“T”上的)。通常，固定刀片切削元件41、43、45 (和61、63、65)包括在支撐基板的面上的聚晶金剛石復合片(roc)層或臺面，諸如碳化鎢或類似物，金剛石層或臺面提供一切削面，所述切削面具有位于其周邊的切削刃，用于接合地層。PDC和基板的組合形成PDC型切削元件，PDC型切削元件則附著或粘結到切削刀具上，例如錐形或雙頭螺栓型切削刀具，然后附接至鉆頭的外表面。一級和二級固定刀片切削元件41、43、45和61、63、65都硬釬焊或其它方式通過適合的附著裝置固定到每個固定葉片23、25、27和61、63、65(分別)的凹部或“凹坑”中，使得其切削面上的周邊刃或切削刃出現在地層面前。術語PDC在此廣義使用，意味著包括其它材料，例如安裝在碳化鎢或類似基板上的熱穩定聚晶金剛石(TSP)薄片或臺面，以及其它類似的超磨或超硬材料，包括但不限于立方體氮化硼和類金剛石碳。
[0064]由碳化鎢或類似硬金屬形成的多個平頂耐磨插入件可以設置在每個一級固定刀片切削刀具23、25、27的徑向最外面的表面或保徑表面上，其帶有與之附著的聚晶金剛石切削刀具。這些’保徑切削刀具’起到保護鉆頭的該部分免受鉆頭作業期間遇到鉆孔側壁的研磨磨損。而且，一排或多排(視情況而定)多個備用切削刀具47、49、51可以設置在各個固定葉片切削刀具23、25、27的前刃和后刃之間，并布置成大體上平行于固定刀片切削刀具的前刃“E”的排。備用切削刀具47、49、51可以與相應一級固定刀片切削刀具23、25、27上的主切削元件或一級切削元件41、43、45對準，以便它們插入與固定刀片切削刀具上的主切削元件或一級切削元件相同的刈痕或切口或凹槽中。備用切削刀具47、49、51在構造上類似于一級切削元件41、43、45，在形狀上類似，或者在直徑上較小，并且還可以在固定刀片切削刀具上更凹進，以在刀片表面上方提供比一級固定刀片切削元件41、43、45在刀片前刃上的暴露減少的暴露。作為選擇，它們也可以與主固定刀片切削元件徑向間隔開，以便它們插入由相應固定刀片切削刀具上的主切削工具削元件或一級切削元件相同的刈痕或切口或凹槽中或之間。另外，備用切削工具47、49、51在鉆頭11與正在鉆進的地層之間提供附加的接觸點或嚙合點，從而提高混合式鉆頭I的穩定性。在一些情況下，根據正在鉆進的地層的類型，二級固定葉片切削刀具也可以包括一排或多排備用切削元件。作為選擇，適用于此的備用切削刀具可以包括Baker Hughes, Incorporated提供的BRUTE?切削元件，其使用和特征描述在美國專利US6408958中。作為又一個可選實施例，備用切削刀具47、49、51不是作為類似于這里所述的固定刀片切削刀具的主動切削元件，而是可以為被動元件，例如沒有切削刃的圓形或卵形碳化鎢或超研磨元件。在本發明的實施例中作為備用切削刀具的這種被動元件可用于保護各個固定切削刀片的下表面不被過早磨損。
[0065]在二級固定刀片61、63、65中的至少一個上，一切削元件77位于或鉆頭本體13的中心軸線或中心線15處或附近(“處或附近”意思是固定切削刀具的某一部分處于中心線5上火大約0.040英寸之內)。在所示的實施例中，固定葉片切削刀具61上的排中的徑向最里面的切削元件77的圓周與鉆頭本體13和混合式鉆頭11的軸向中心或中心線15相切。
[0066]正如上面所引用的，混合式鉆頭11優選還包括至少一個，并且優選至少兩個(不過等同地，視情況而定，也可以使用更多個)滾動切削刀具支腿17、19、21和在滾動切削刀具支腿的遠端(朝著鉆頭的工作端16的那一端)耦合于所述支腿的滾動切削刀具29、31、33。滾動切削刀具支腿17、19、21從釬尾24相對于鉆頭在鉆孔內部的大體方向向下延伸。正如現有技術中眾所周知的，每個滾動切削刀具支腿包括其中的芯軸或類似組件，所述芯軸或類似組件具有一旋轉軸線，在運行期間，滾動切削刀具繞所述旋轉軸線旋轉。該旋轉軸線大體上設置為與垂直于鉆頭11的中心線15的水平面成范圍從大約33度到大約39度的牙輪軸傾角。在本發明的至少一個實施例中，一個(或多個，包括全部)滾動切削刀具的旋轉軸線與鉆頭的縱向中心線15相交。在其它實施例中，一個或多個滾動切削刀具繞芯軸或類似組件旋轉的旋轉軸線可以傾斜于縱向中心線的側面，以在固定切削刀具繞該旋轉軸線旋轉時，在切削元件上形成滑動效果。但是，也可以使用其它角度和方向，包括遠離縱向軸向中心線15指向的牙輪軸傾角(pin angle)。
[0067]繼續參照圖1、2和3，牙輪切削刀具29、31、33安裝成分別在每個鉆頭支腿17、19、21上旋轉(通常在一頸軸承上旋轉，但同樣可以使用滾動元件或其它軸承)。每個滾動切削刀具29、31、33具有布置在滾動切削刀具錐體本體的外面上的多個切削元件35、37、39。在這些圖所示出的非限制性的實施例中，切削元件35、37、39繞滾動切削刀具布置成大體上圓周形的排，切削元件35、37、39為碳化鎢插入件(或等同物)，每個插入件與形成在每個牙輪切削刀具29、31、33中的孔或口干涉配合，例如通過硬釬焊或類似方法。做為選擇，并且同樣可接受的，一個或多個滾動切削刀具上的那些排切削元件35、37、39布置成繞牙輪切削刀具29、31、33的外面的非圓周排或螺旋切割配置，而不是如圖所示的間隔開的線性排。作為選擇，切削元件35、37、39可以與切削刀具一體形成并表面硬化，就像鋼或銑削齒切削刀具的情況一樣。除了碳化鎢之外，其它材料也可以用于牙輪切削刀具29、31、33上的牙輪切削刀具切削元件35、37、39，例如聚晶金剛石或其它超硬或超研磨材料。
[0068]除了附接至或接合在牙輪切削刀具本體的外表面上的多個切削元件35、37、39之夕卜，牙輪切削刀具29、30、31還可選擇性地包括其中形成的用以在運行期間促進牙輪效率的一個或多個凹槽36。依照本發明的多個方面，雖然牙輪切削元件35、37、39可以隨機放置，但是，特定的或者兩個可在切削刀具29、30、31的外表面32上間隔開(例如，在排間和/或牙輪切削刀具之間變化)。依照本發明的至少一個方面，至少一些切削元件35、37、39基本上在一牙輪切削刀具的外表面32上布置成繞其的一圓周排，而其余的可隨機放置，例如切削元件34在牙輪切削刀具的根部區域上。切削元件之間的微小距離將隨著具體鉆進應用、地層類型、切削元件尺寸和鉆頭尺寸的不同而不同，并隨著牙輪切削刀具的不同而不同，和/或隨著切削元件的不同而不同。切削元件35、37、39可以包括但不限于:碳化鎢插入件，其通過干涉配合固定到滾動切削刀具表面上的孔中；銑削齒或鋼齒切削元件，其與滾動切削刀具的外表面32 —體形成，并從該外表面32向外突出，表面可以硬化處理或者不硬化處理；以及其它類型的切削元件。切削元件35、37、39也可以由超研磨材料或超硬材料形成或涂覆有超研磨材料或超硬材料，例如聚晶金剛石、立方體氮化硼等等。根據特定鉆進應用，切削元件可以是大體上如圖所示的鑿子形狀、錐形、圓形/半球形、卵形、或其它形狀或形狀組合。在鉆進作業期間，牙輪切削刀具29、30、31的切削元件35、37、39在高應力前部分中，壓碎并預壓裂或局部壓裂地層中的地下材料。從而卸下一級和二級固定切削刀片的切削元件上的擔子。
[0069]在本發明如圖1、2和3所示的實施例中，所示牙輪切削刀具29、31、33彼此角度間隔開大約120度(測量旋轉軸線之間)，這是非限制性的配置。雖然各個滾動切削刀具29、31、33的旋轉軸線與混合式鉆頭11的鉆頭本體13的軸向中心15相交，但是每個或所有牙輪切削刀具29、31、33可以有角度地傾斜任何所要求的量和(或)側向偏移，使之各自軸線不與鉆頭本體13或混合式鉆頭11的軸向中心相交。僅作為說明，第一牙輪切削刀具29與第一一級固定刀片23間隔開大約58度(測量的是圖3中沿順時針方向上滾動切削刀具29的旋轉軸線與固定刀片23的中心線之間)，形成一對切削刀具。第二牙輪切削刀具31可以與第二一級固定刀片25間隔開大約63度(同樣測量)，形成一對切削刀具；以及第三牙輪切削刀具33可以與第三一級固定刀片27間隔開大約53度(同樣方式再次測量)，形成一對切削刀具。
[0070]牙輪切削刀具29、30、31通常耦合于牙輪切削刀具本體內的大體上中心的芯軸或類似支承組件，并與相應的二級固定切削刀片線性對準，正如下文將要更詳細地描述的那樣。也就是說，每個相應的二級固定切削刀片大體上從鉆頭的軸向中心線15附近朝著周邊向外徑向延伸，終止于相應牙輪切削刀具的頂尖或頂端30附近(但不接觸，二級固定切削刀片的終端與牙輪切削刀具的頂尖之間存在一空間或空隙90)，使得從中心線15垂直畫出的線大體上穿過每個二級固定切削刀片的中心以及穿過與相應二級固定切削刀片對準的每個牙輪切削刀具的中心。這些圖中所示的截頂或截頭錐形牙輪切削刀具29、30、31通常具有一大體上朝著軸向中心線15延伸的頂端30，這可以從圖3中更清楚地看到，在有些實施例中所述頂端30可以在通常牙輪鉆頭上進行的截頂。當混合式鉆頭11正由穿過釬尾24的鉆柱帶動旋轉時，無論其形狀如何，滾動切削刀具都適合于繞內芯軸或支承組件旋轉。另夕卜，有關諸如圖12和14-16中所述和所示的鞍銷結構的使用，當使用中心支承銷貨芯軸670來將二級固定切削刀片連接到牙輪切削刀具上時，緊鄰對準的相應牙輪切削刀具的頂尖或頂端30的二級固定切削刀片的終端可以任選地加寬至具有基本上與截頂牙輪切削刀具的頂端30的直徑相同的直徑(測量前刃“L”與終緣“T”之間)。這種配置允許在牙輪切削刀具上任選地添加其它排切削元件，所加寬的連接點起到減少鉆頭運行期間切屑的提撈。[0071]在圖4的橫截面視圖中可清楚地看到，鉆頭本體13通常包括容許鉆進流體從鉆柱流入鉆頭11的中心縱向孔80。本體13還設置有向下延伸的流動通道81，所述流動通道81具有設置在其最下端的端口或噴嘴38。流動通道81優選與中心孔80流體連通。通道81和噴嘴38共同用以經由排屑槽在切削結構周圍分配鉆進流體，例如朝著牙輪之一或者固定刀片和/或相聯的切削刀具的前刃，從而起到沖掉鉆進期間的地層巖屑和移除鉆頭11的熱量的作用。
[0072]再次參照圖1、2和3，示范性鉆頭11的工作端16包括多個從鉆頭11的面向外延伸的固定切削刀片。在圖1、2和3的實施例中，鉆頭11包括繞鉆頭軸線15周向間隔開的三個一級固定切削刀片23、25、27和繞鉆頭軸線15周向間隔開并從鉆頭軸線15朝著相應的牙輪切削刀具29、31、33輻射的三個二級固定切削刀片61、63、65，至少一個固定切削刀片與至少一個牙輪切削刀具角對準。在該示出的實施例中，多個固定切削刀片(例如，一級固定切削刀片23、25、27和二級固定切削刀片61、63、65)繞中心縱向鉆頭軸線15在鉆頭的鉆頭面上大體上均勻角度地間隔開。尤其是，每個一級固定切削刀片23、25、27基本上間隔開大約50度到大約180度的量，即與其相鄰一級固定切削刀片的夾角。例如，在圖11-12所示的實施例中，一級切削刀片623、625大體上彼此相對地間隔(例如，間隔大約180度)。在其它實施例(未具體地示出)中，固定刀片也可在鉆頭面周圍非均勻地間隔。此外，雖然示范性混合式鉆頭11顯示有具有三個一級固定切削刀片23、25、27和三個二級固定刀片61、63、65，但是，一般而言，鉆頭11可以包括任何合適數量的一級和二級固定刀片。
[0073]作為一個非限制性的例子，如圖6概括所示的，鉆頭211可以包括從鉆頭211的軸向中心線215朝著基本上彼此相對間隔開(例如，間隔開大約180度)的兩個牙輪切削刀具的頂尖230延伸的兩個一級固定刀片225、227和兩個二級固定刀片261、263。正如該圖進一步所示的，鉆頭211還包括兩個三級刀片291、293，所述三級刀片291、293可以形成為二級固定刀片261、263的一部分，也可以不形成為其一部分，所述三級刀片291、293大體上從鉆頭211的軸向中心線215附近朝著鉆頭的周邊徑向向外延伸。
[0074]圖7概括示出了依照本發明的切削元件在鉆頭上的配置的另一個非限制性例子。如其中所示的，鉆頭311包括位于鉆頭的外周并朝著鉆頭311的軸向中心線315向內指向的三個牙輪切削刀具331、333、335。鉆頭311還包括從鉆頭的軸向中心線315朝著三個牙輪切削刀具331、333、335的頂尖230延伸的三個二級固定刀片361、363、365。還顯示了四個一級固定刀片切削刀具321、323、325、327，其從鉆頭311的周邊朝著鉆頭的牙輪區域或中心軸線315附近延伸，但不延伸到鉆頭的牙輪區域或中心軸線315附近中。如圖7的變形配置所進一步所示的，三個牙輪切削刀具定向成，使得牙輪切削刀具331和333以及牙輪切削刀具333和335彼此間隔開近似相等的距離，例如，大約85-110度(夾角)。牙輪切削刀具335和331間隔開大約100-175度，允許另一一級固定切削刀片325包含在牙輪切削刀具335和331之間的空間中并鄰近一級固定切削刀片323。在進一步非限制性的例子中，如圖8所示，依照本發明的鉆頭411包括四個牙輪切削刀具431、433、435、437、四個一級固定切削刀片421、423、425、427和四個二級固定切削刀片461、463、465、467。如同本發明的其它實施例一樣，二級固定切削刀片461、463、465、467從基本上鉆頭411的軸向中心線415附近徑向向外延伸，并與各個相應的牙輪切削刀片431、433、435、437基本上線性對準。
[0075]繼續參照圖1、2和3，一級固定切削刀片23、25、27和二級固定切削刀片61、63、65一體形成為鉆頭本體13和鉆頭面10的一部分，并從鉆頭本體13和鉆頭面10延伸。與二級固定切削刀片61、63、65不同，一級固定切削刀片23、25、27從鉆頭面上的區域向外朝著鉆頭外周延伸，徑向橫跨鉆頭面10，并(任選地)沿著鉆頭11的周邊的一部分縱向延伸。正如在此要更詳細地論述的，一級固定切削刀片23、25、27可以從鉆頭面10上的各個部位朝著鉆頭11的周邊徑向延伸，范圍基本上從中心軸線15附近到鼻部區域向外，到臺肩區域向夕卜，到保徑區域向外，以及它們的組合。但是，二級固定切削刀片61、63、65雖然基本上從中心軸線15附近延伸，但不延伸到鉆頭11的周邊。而是，如圖3的俯視圖清楚地顯示的，圖3顯示了滾動切削刀具與一級和二級固定切削刀片和牙輪切削刀具(以及安裝在其上的相應切削元件)的示范性的非限制空間關系，一級固定切削刀片23、25、27從離開中心軸線15距離“D”的一部位朝著鉆頭11的周邊徑向延伸。距離“D”在相應一級固定切削刀片之間可以大體上相同，或者可以不相同，使得第一一級固定切削刀片之間的距離“D”比第二(和/或第三)一級固定切削刀片之間的距離“D”長或短。因而，在此所使用的術語“一級固定刀片”是指從鉆頭軸線一段距離處開始，沿著鉆頭面大體上徑向延伸至鉆頭的周邊的刀片。與一級固定刀片相比，二級固定切削刀片61、63、65比一級固定切削刀片23、25、27更靠近中心軸線15延伸，并以基本上與相應牙輪切削刀具29、31、33的頂端30角對準的方式向外延伸。因而，在此所使用的術語“二級固定刀片”是指在鉆頭中心軸線附近行貨在鉆頭中心面內部開始，沿著鉆頭面朝著鉆頭11的周邊與相應近側的牙輪切削刀具大體上角對準地大體上徑向向外延伸的刀片。換言之，二級固定刀片61、63、65布置成從其近端(鉆頭的軸向中心線附近)朝著相應滾動切削刀具(roller cutter)的端面或頂面30大體上軸向或角對準地向外延伸,這樣,二級固定刀片61、63、65的遠端(二級固定刀片的最外端，朝著鉆頭本體的外表面或保徑表面延伸)緊鄰其靠近的相應滾子切削刀具的端面30，在有些情況下，與所述端面30相接。如圖3進一步所示的，一級固定刀片23、25、27和二級固定刀片61、63,65以及牙輪切削刀具29、31、33由一個或多個鉆進流體流動路線20分開。二級固定刀片與牙輪之間的角對準線“A”基本上與牙輪的軸向旋轉中心線對準，或者作為選擇并且同樣可接受的，如圖3所示那樣定向，其中牙輪和二級固定刀片切削刀具略微與牙輪的軸向中心線錯開(例如在大約10以內)。
[0076]如上所述，如圖1、2和3所示的鉆頭11的實施例僅包括三個較長的(比二級固定刀片的長度)的一級固定刀片(例如，一級刀片23、25、27)。與采用三個、四個或更多個較長一級固定切削刀具刀片的一些傳統固定切削刀片鉆頭相比，鉆頭11具有較少的一級刀片。但是，通過改變(例如，減少或增加)較長一級固定切削刀片的數量，本發明的某些實施例可以通過減少一級固定切削刀具刀片的接觸表面面積及其相關的摩擦而提高鉆頭11的鉆速(ROP)。
[0077]再次參照圖4，顯示了鉆頭11的示范性橫截面輪廓，就好像沿著線4-4剖開一樣，以顯示單旋轉輪廓。為清楚起見，圖4的橫截面視圖沒有顯示所有的備用固定切削刀片及其相關的切削元件。
[0078]在該橫斷面輪廓中，鉆頭11的多個刀片(例如一級固定刀片23、25、27和二級固定刀片61、63、65)包括葉型91。葉型91和鉆頭面10可被分成三個不同的區域:標記的錐形區域94、肩部區域95和保徑區域96。錐形區域94在該實施例中為凹入的，并包括鉆頭11的最內區域(例如，錐形區域94為鉆頭11的最中心區域)。緊鄰錐形區域94的是肩部(或上翻曲線)區域95。在該實施例中，肩部區域95大體上為凸出的。錐形區域94和肩部區域95之間的過渡，通常被稱為鼻部或鼻部區域97，出現在復合葉型91的軸向最外部分，在這里，葉型91切線的斜率為零。徑向向外移動，緊鄰肩部區域95的是保徑區域96，所述保徑區域96在復合葉型91的徑向外周基本上平行于鉆頭軸線15延伸。如復合葉型91所示，保徑墊片42限定了鉆頭11的外半徑93。在該實施例中，外半徑93延伸到鉆頭11的全保徑直徑，并因此限定了該全保徑直徑。在此所使用的術語“全保徑直徑”是指由鉆頭的切削刀具元件和表面的徑向最外伸出范圍限定的鉆頭外徑。
[0079]仍然參照圖4，錐形區域94由沿著“X軸”⑴從中心軸線11測量的徑向距離限定。應當理解，X軸垂直于中心軸線15，并從中心軸線15徑向向外延伸。錐形區域94可以由鉆頭11的外半徑93的一百分比限定。在有些實施例中，錐形區域94從中心軸線15延伸至外半徑93的不到50%。在選定實施例中，錐形區域94從中心軸線15延伸至外半徑93的不到30%。同樣，錐形區域24可以由一個或多個一級固定切削刀片(例如一級固定切削刀片23、25、27)的部位限定。例如，錐形區域94從中心軸線15延伸到一級固定切削刀片開始的距離處(例如，圖3所示的距離“D”)。換句話說，錐形區域94的外邊界可以與一個或多個一級固定切削刀片開始的距離“D”重疊。從中心軸線15測量的錐形區域94的實際半徑可以隨著鉆頭的不同而不同，這取決于各種因素，包括、但不限于:鉆頭幾何形狀，鉆頭類型，一個或多個二級刀片(例如二級刀片61、63、65)的部位，備用切削刀具元件51的部位，或其組合。例如，在有些情況下，鉆頭11可以具有較平的拋物線剖面，由此形成較大的錐形區域94(例如外半徑93的50% )。但是，在其它情況下，鉆頭11可以具有較長的拋物線剖面，由此形成較小的錐形區域94 (例如外半徑93的30% )。
[0080]現在參照圖5，示出了鉆頭11的示意性俯視圖。為清楚起見，該視圖中沒有顯示鉆頭面10上的噴嘴38及其它特征。從鉆頭軸線15徑向向外移動，鉆頭面10包括錐形區域94、肩部區域95和保徑區域96，如前述一樣。鼻部區域97大體上表示了錐形區域94和肩部區域95之間的過渡。具體地說，錐形區域94從鉆頭軸線15徑向延伸到錐形半徑Re，肩部區域95從錐形半徑Re徑向延伸到肩部半徑Rs，保徑區域96從肩部半徑Rs徑向延伸到鉆頭外徑93。
[0081]二級固定切削刀片61、63、65沿著鉆頭面10從鉆頭軸線15附近的錐形區域94之內朝著保徑區域96和外半徑93徑向延伸，大致延伸到鼻部區域97，緊鄰牙輪切削刀具29、31、33的頂面30。一級固定切削刀片23、25、27沿著鉆頭面10從鼻部區域97附近或從不在鉆頭軸線15附近的另一部位(例如從錐形區域94之內)朝著保徑區域96和外半徑93徑向延伸。在該實施例中，兩個一級固定切削刀片23和25從基本上與錐形區域94的外半徑重疊的距離“D”開始(例如錐形區域94和肩部區域95的相交處)。剩下的一級固定切削刀片27，雖然可接受地與刀片23和25大體上相同地布置，但不必這樣，如圖所示。尤其是，一級固定切削刀片27從錐形區域94內的一部位朝著保徑區域96和外半徑延伸，但是離開鉆頭的軸向中心線15 —段距離。因而，一級固定切削刀片可以朝著鉆頭中心15向內延伸直到錐形區域94或其內。在其它實施例中，一級固定切削刀片(例如一級刀片23、25、27)可以延伸到錐形區域(例如錐形區域94)或略微延伸到錐形區域內。在所示的實施例中，每個一級固定切削刀片23、25和27以及每個牙輪切削刀具29、31、33基本上延伸到保徑區域96和外半徑93。但是，在其它實施例中，一個或多個一級固定切削刀片以及一個或多個牙輪切削刀具可以不完全延伸到鉆頭的保徑區域或外半徑。
[0082]繼續參照圖5，每個一級固定切削刀具刀片23、25、27和每個二級固定切削刀具刀片61、63、65在俯視圖中隨著其朝著中心軸線15徑向向內延伸而大體上逐漸縮減(例如，變細)。因此，一級和二級固定切削刀具刀片兩者都在軸線15附近較薄，在這里空間周向受到限制，并且隨著其從軸向中心15朝著保徑區域96向外延伸而變寬。雖然一級固定切削刀具刀片23、25、27和二級固定切削刀具刀片61、63、65在俯視圖中徑向線性延伸，但是在其它實施例中，一級固定刀片中的一個或多個、二級固定刀片中的一個或多個、或者它們的組合在俯視圖中可以沿著它們的長度呈弓形(凹入或凸出)或曲線。
[0083]繼續參照圖5，一級固定刀片切削刀具元件41、43、45設置在每個一級固定刀片23、25、27上的區域94、95、96中，二級固定切削刀具元件40設置在每個二級固定切削刀具刀片的區域94、95和97中。但是，在該實施例中，備用切削刀具元件47、49只設置在一級固定切削刀具刀片23、25、27上(B卩，沒有備用切削刀具元件設置在二級固定切削刀具刀片61、63、65上)。因而，二級固定切削刀具刀片61、63、68、以及鉆頭11的一級固定切削刀具刀片23、23、27的區域94和97基本上沒有備用切削刀具元件。
[0084]圖9A和9B示出了依照本發明的固定切削刀具刀片與滾子切削刀具之間的另一可選配置。這里，所示的鉆頭511包括位于其工作端并且從鉆頭面510沿著鉆頭的中心軸線515的方向向上延伸的:四個二級固定切削刀具刀片521、523、525、527，其具有至少附接至其前刃(相對于鉆頭運行期間的旋轉方向)的多個固定刀片切削刀具切削元件540;和四個牙輪切削刀具531、533、535、537，其具有附接至其的多個牙輪切削元件540。四個二級固定切削刀具刀片(521，523，525，527)中的每一個布置成彼此間隔約90度；類似地，四個牙輪切削刀具(531，533，535，537)中的每一個布置成彼此間隔約90度，并與每個相應二級切削刀具刀片的中心軸線對準。每個二級固定切削刀具刀片521、523、525、527從鉆頭軸線515附近朝著鉆頭面510的鼻 部區域97徑向向外延伸，基本上延伸錐形區域94的范圍。以類似的方式，四個牙輪切削工具531、533、535、537中的每個大致從鼻部區域97穿過肩部區域95和保徑區域96朝著鉆頭511的外半徑93徑向向外延伸。如前述實施例一樣，每個牙輪切削刀具的頂面或頂尖面530緊鄰、但不直接接觸(存在間隙或空隙90)末端，即其大體上角對準或線性對準的二級固定刀片切削刀具的最遠延伸端。
[0085]依照前述附圖的鉆頭已經示出，牙輪切削刀具沒有直接接觸其對準的任意二級固定切削刀具刀片的遠端，存在一空間、間隙或空隙90，以允許牙輪切削刀具在鉆頭運行期間自由轉動。該間隙90在每個截頂牙輪切削刀具的頂面與遠端(徑向最遠離鉆頭的中心軸線的相對那端)之間延伸，其尺寸優選足夠大，以致間隙的直徑允許牙輪切削刀具轉動，但同時也足夠小，以防止來自鉆進作業的碎屑(例如，來自固定切削刀片切削元件和/或牙輪切削元件的切屑)存在其中以及防止牙輪切削刀具自由旋轉。做為選擇，并且同樣可接受的，一個或多個牙輪切削刀具可以安裝在芯軸或線性支承組件上，芯軸或線性支承組件貫穿截頂牙輪切削刀具的中心延伸，并附著到與二級固定刀片切削刀具分開或相聯的鞍部或類似安裝組件中。滾子切削刀具與二級固定刀片之間的這種可選配置的更多細節顯示在下列圖的實施例中。
[0086]現在轉到圖10，顯示了如圖1、2和3所示的牙輪切削刀具29與二級固定刀片切削刀具63之間的可選配置的橫截面視圖。在橫截面視圖中，滾動切削刀具29的頂尖端面30緊鄰并基本上平行于二級固定刀片切削刀具63的外遠緣面67。依照該實施例的一個方面，牙輪切削刀具29和二級固定刀片63彼此緊鄰，但不直接抵接，其間存在一空間或間隙90，允許牙輪切削刀具29在運行期間持續繞其中心縱向軸線140轉動。正如該實施例的橫截面視圖中進一步示出的，還以局部剖視圖顯示了位于二級固定刀片切削刀具63與牙輪切削刀具29之間的鞍部型組件。如其中所示的，牙輪切削刀具29包括具有近端95和縱向相對的遠端97的線性支承軸桿93，所述線性支承軸桿93沿著牙輪切削刀具的中心軸向軸線140，從鉆頭支腿17的外緣向內穿過滾子切削刀具29的中心區域，延伸到二級固定切削刀具刀片63的遠面67內形成的凹部69中。也就是說，支承軸桿93貫穿牙輪切削刀具延伸，突出到并保持在二級固定刀片切削刀具的遠面67內(借助于適當的保持裝置，例如凹部69內的螺紋接收組件，其形狀設計成能與支承軸桿93的陽螺紋遠端97螺紋配合)。支承軸桿93也可以經由適當的保持裝置91可移除地保持在適當位置中。因此，在運行期間，滾動切削刀具繞支承軸桿93轉動。當例如由于滾動切削刀具比固定刀片上的磨損率更快而需要在鉆頭運行期間更換滾動切削刀具29時，該實施例尤其有效。在這種情形下，用戶可以移除支承軸桿93，從而釋放滾動切削刀具29，然后將新的滾動切削刀具插入到適當地方，從而節省在鉆頭面上移除并更換磨損滾動切削刀具通常所需的時間。雖然示出的支承軸桿93基本上為圓柱形、在整個長度上具有均勻的直徑，但是，在本發明的有些方面，支承軸桿93也可以逐漸縮減。另一個實施例允許牙輪切削刀具的芯軸53貫穿牙輪的內端延伸，芯軸的延長部直接或間接固定于二級固定切削刀片或其內、固定于獨立的鞍部支承安裝組件、或固定于鉆頭本體13或其內。這顯示在圖11-16中。
[0087]圖11示出了依照本發明實施例的又一示范性鉆頭611的等距透視圖。圖12示出了圖11中鉆頭的俯視圖。圖13示出了依照圖11和12的牙輪切削刀具組件、二級固定刀片和鞍部支承組件的局部橫截面視圖。圖14示出了圖13中組件的局部剖視圖。圖14顯示了示范性貫穿延伸的芯軸軸承670。圖15示出了鞍部支承組件的局部俯視透視圖。這些圖將相互結合進行論述。
[0088]圖11是鉆頭611的等距視圖。圖12是該混合式鉆頭的俯視圖。如圖中所示，鉆頭611包括鉆頭本體613。鉆頭本體613基本上類似于在此之前所述的鉆頭本體，不同之處在于，鉆頭的工作端(下端)僅包括鉆頭本體610上安裝的附接至鉆頭支腿617、619的兩個牙輪切削刀具629、631和兩個固定刀片切削刀具623、625，不過該圖不意味著對本發明的限制，也可以想到三個和四個固定切削刀具刀片與牙輪切削刀具的組合。牙輪切削刀具629、631和固定刀片切削刀具兩者關于中心鉆頭軸線615基本上彼此相對地布置(間隔約180度)，每個均包括多個滾子切削刀具切削元件635和固定刀片切削元件641、643。鉆頭還包括緊鄰鉆頭的中心軸線615的成形鞍部安裝組件660，并提供一裝置，芯軸616貫穿牙輪切削刀具延伸，并通過所述裝置保持在其遠端。雖然鞍部安裝組件660顯示為大體上矩形或朝著鉆頭面610向下逐漸縮減(圖12)或者圓柱形狀(圖16)，但是，鞍部安裝組件660可以為根據鉆頭的總體設計所規定的任何適當形狀，包括鉆頭將用于的地層類型，所采用的滾子切削刀具的數量以及一級和二級固定刀片切削刀具的數量都包括在鉆頭總體設計中。
[0089]圖13是拆分成斷開的幾個部分的示意圖，顯示了帶有支撐臂617、619和具有結合本發明的各種教導的貫穿支承系統的牙輪切削刀具組件629、631的混合式鉆頭611。相關支承系統的各個部件將在后面更詳細地論述，其允許各個牙輪切削刀具組件629、631可旋轉地安裝在相應的軸頸或芯軸670上，軸頸或芯軸670穿過牙輪切削刀具629、631的內部區域，延伸到成形保持凹部669內。
[0090]鉆頭611的切削刀具錐形組件629、631可以安裝在軸頸或芯軸670上，所述軸頸或芯軸670從相應支撐臂617、619，穿過牙輪切削刀具的內部，突出到鞍部安裝組件660內的凹部以及其遠端671內，其使用的手段與牙輪切削刀具在從相應支撐臂19上突出的標準芯軸或軸頸53的安裝相同，正如前面參照圖4所述的。而且，結合本發明的教導的鞍部安裝組件系統可以令人滿足地用來將牙輪切削刀具組件629、631可旋轉地安裝到相應的支撐臂617、619上，方式與本領域普通技術人員所理解的用于在相應支撐臂上課旋轉地安裝牙輪組件的方式基本相同。
[0091]繼續參照圖13，每個牙輪切削刀具組件629優選包括大體上圓柱形的空腔614，所述空腔614的尺寸設計成在其中接收芯軸或軸頸670。每個牙輪切削刀具組件629及其相應芯軸670具有一共同縱向軸線650，所述縱向軸線650還表示牙輪切削刀具組件629相對于其相關的芯軸670的旋轉軸線。相應支承系統的各個部件包括與空腔614的內部和芯軸670的外部相關聯的機加工表面。這些機加工表面總體關于軸線650描述。
[0092]對于圖13、14、15和16所示的實施例，每個牙輪切削刀具組件通過多個滾珠軸承632保持在其相應軸頸上。但是，各式各樣的切削刀具錐形組件保持機構在本領域是眾所周知的，也可以與結合本發明的教導的鞍部安裝芯軸保持系統一起使用。對于圖3所示的例子，滾珠軸承632穿過一開口插入到鉆頭本體或鉆頭支腿的外表面中，并經由相關聯的鉆頭支腿617、619的滾珠保持架通路。滾珠座圈634和636分別形成在相關聯的牙輪切削刀具錐形組件629的空腔614內部和芯軸670外部中。
[0093]每個芯軸或軸頸670形成在每個鉆頭支腿617、619的內部表面605上。每個芯軸670具有沿著軸線650從鉆頭支腿延伸的大體上圓柱形構造(圖15)。芯軸670進一步還包括一近端673，當芯軸670插入到鉆頭611中并貫穿牙輪切削刀具629時，所述近端673鄰近適當鉆頭支腿的內部。與近端673相對的是遠端671，遠端671可以逐漸縮減或其它形狀或螺紋連接以便能夠配合并保持在鞍部安裝組件660內的凹部內。軸線650還與相關聯的牙輪切削刀具629、631的旋轉軸線相對應。對于如圖13所示的本發明的實施例，芯軸670包括第一外徑部分638、第二外徑部分640和第三外徑部分642。
[0094]第一外徑部分638從芯軸670和鉆頭支腿617的內表面605之間的連接處延伸到滾珠座圈636。第二外徑部分640從滾珠座圈636延伸到肩部644，所述肩部644通過從第二直徑部分640和第三直徑部分642的直徑變化而形成。相對于軸線650測量,第一外徑部分638和第二外徑部分640具有大致相同的直徑。與第一外徑部分638和第二外徑部分640相比，第三外徑部分642具有大體上減少的外徑。牙輪切削刀具組件629的空腔614優選包括大體上與芯軸670的第一外徑部分638、第二外徑部分640、第三外徑部分642、肩部644和遠端部分673相對應的機加工表面。
[0095]繼續參照圖13、14和15,第一外徑部分638、第二外徑部分640、第三外徑部分642和相應的空腔614中形成的機加工表面提供一個或多個徑向軸承部件，用于在芯軸670上可旋轉地支撐牙輪切削刀具組件629。芯軸670的肩部644和端673 (在牙輪切削刀具629的頂面630上方延伸到支承鞍部660中形成的凹部661中)以及相應的空腔614中形成的機加工表面提供一個或多個推力支承部件，用于在芯軸670上可旋轉地支撐牙輪切削刀具組件629。本領域技術人員應當理解，各種型式的襯套、滾子軸承、止推墊圈、和/或止推塊都可以設置在芯軸670的外部與相應的與空腔614相關聯的表面之間。視情況而定，徑向支承部件也可以被稱為頸支承部件。
[0096]參照圖13和14，可以看到貫穿鞍部組件660的芯軸670的整個組件。尤其是，凹部661優選形成到鞍部組件660的本體內，所述凹部與牙輪切削刀具629的縱向旋轉軸線650軸向對準。凹部661的形狀設計成接收芯軸670的遠端673。芯軸670可以通過適合的保持裝置(螺紋，壓力保持，等等)保持在凹部661內，視情況而定，以防止芯軸670在鉆頭運行期間隨著牙輪切削刀具629的旋轉而旋轉。但是，在一可選配置中，芯軸670的遠端673的形狀設計成容易地配合到鞍部組件660的凹部661的機加工壁內，其進一步可任選地包括一個或多個徑向軸承，以致允許芯軸670在鉆頭運行期間繞其縱向軸線自由旋轉，視情況而定。
[0097]混合式鉆頭的其它特征，例如備用切削刀具、耐磨表面、用于引導鉆進流體的噴嘴、提供用于切屑和鉆進流體的余隙的排屑槽，以及鉆頭的其它公認特征，被認為是本領域普通技術人員的常識，因而不需要進一步描述，這些可任選地、進一步地包含在本發明的鉆頭中。
[0098]現在轉到圖17-19，示出了本發明的其它可選實施例。如其中所示的，鉆頭可以是混合式擴孔鉆頭，其結合多個上述特征，例如一級和二級固定刀片切削刀具，其中一個固定切削刀具基本上從鉆頭中心朝著保徑表面延伸，以及其中，另一個固定切削刀具從保徑表面向內朝著鉆頭中心延伸，但不延伸到鉆頭中心，以及其中至少一個第一固定切削刀具抵接或靠近至少一個牙輪的頂尖。圖17示出了依照本發明的實施例的混合式擴孔鉆頭的工作面的仰視圖。圖18示出了依照本發明的混合式擴孔鉆頭的側剖視圖。圖19示出了圖17中鉆頭的局部等距視圖。這些圖將相互結合進行論述。
[0099]如這些附圖所示，混合式擴孔鉆頭711包括多個截錐形或其它形狀的牙輪切削刀具729、730、731、732，這些牙輪切削刀具在鉆頭的工作面710周圍間隔開。這些牙輪切削刀具中的每一個包括布置在切削刀具的外表面上的多個切削元件735，如上所述。鉆頭711還包括一系列一級固定刀片切削刀具721、723、725，其大體上從鉆頭711的外保徑表面徑向向內延伸，但不延伸到鉆頭的軸向中心715。這些一級固定刀片切削刀具中的每一個可裝配有多個切削元件741，并可任選地裝配有備用切削刀具743，如在此所述的實施例所述的。鉆頭711還可以包括一個或多個(顯示了兩個)二級固定刀片切削刀具761、763，所述二級固定刀片切削刀具761、763從鉆頭711的軸向中心徑向向外朝著牙輪切削刀具730、732延伸，使得二級固定刀片切削刀具761、763的外遠端(與緊鄰鉆頭的軸向中心的那端相對)抵接或緊鄰牙輪切削刀具的頂尖面或頂面730。二級固定刀片切削刀具761、763優選定位成延續其在遠端大致抵接的牙輪切削刀具的切削輪廓，使切削輪廓朝著鉆頭的中心區域延伸。多個可任選的穩定器751顯示在鉆頭711的外周上或保徑區域中；但是，應當理解，對于鉆頭711所用于的特定應用，穩定器中的一個或多個可替換為另外的牙輪切削刀具或一級固定刀片切削刀具，視情況而定。此外，依照本發明的多個方面，牙輪切削刀具定位成在運行期間切削鉆孔的外徑，但不延伸到鉆頭的軸向中心或錐形區域。這樣，牙輪切削工具起到形成底孔輪廓的外部分的作用。帶有二級固定切削刀具的滾動切削刀具的配置還可以或任選地位于一鞍部型附著組件中，其類似于上述結合圖10和11所述的。
[0100]圖19示出了固定切削刀具刀片761的固定切削元件801與滾動切削刀具732的切削元件803的重疊或疊加的示意圖，以及它們如何組合以限定底孔切削輪廓800，底孔切削輪廓包括固定切削刀具的底孔切削輪廓807和滾動切削刀具的底孔輪廓805。底孔切削輪廓大體上從軸向中心715延伸到相對于中心縱向軸線的徑向最外周。圓形區域809是其中來自牙輪切削元件803的底孔切削覆蓋范圍停止、而底孔切削輪廓繼續的部位。在一個實施例中，二級固定切削刀具刀片的切削元件801在軸向中心715形成切削輪廓807，直到鼻部區域或肩部區域，而牙輪切削元件803從鉆頭711的外保徑區域向內朝著肩部區域延伸，不重疊固定切削刀片的切削元件，并限定第二切削輪廓805以完成整個底孔切削輪廓800，所述整個底孔切削輪廓800從軸向中心715向外穿過“錐形區域”、“鼻部區域”和“肩部區域”(參見圖5)延伸到相對于軸線715的徑向最外周邊或保徑表面。依照該實施例的其它方面，牙輪切削元件和固定刀片切削刀具切削元件的至少一部分在鉆頭輪廓的鼻部區域或肩部區域重疊。
[0101]在不脫離本 申請人:的發明的精神的情況下，可以使用本發明的上述一個或多個方面來設計其它及另外的實施例。例如，可以構造支承組件配置的組合以及延伸到鉆頭面的不同區域的一級和二級固定刀片切削刀具的組合，來有利于和改善鉆進特性和性能。進一步地，各種方法、制造和組裝系統的方法的實施例以及定位描述可以包括相互的組合，以形成所公開的方法和實施例的變形。對單個元件的描述包括多個元件，反之亦然。
[0102]步驟次序可以按照各種順序進行，除非另有具體限定。在此所述的各個步驟可以與其它步驟組合，可將所述步驟插入其中、和/或分成多個步驟。同樣，已經功能性描述了一些元件，這些元件可以包括各個獨立的元件，或者可以組合到具有多功能的元件中。
[0103]雖然已經根據優選實施例和其它實施例描述了本發明，但并沒有描述本發明的所有實施例。本領域普通技術人員可以對所述實施例進行顯而易見的變型和改變。公開的和未公開的實施例并未限制或限定 申請人:所構思的本發明的范圍或適用范圍，相反地，在遵守專利法的前提下， 申請人:努力充分保護落入所附權利要求書的范圍或等同范圍內的所有這些變型和改進。
【權利要求】
1.一種用于在地層中鉆進鉆孔的鉆地鉆頭，所述鉆頭包括: 鉆頭本體，所述鉆頭本體構造成在其上部范圍用于連接至鉆柱，所述鉆頭本體具有中心軸線和鉆頭面，所述鉆頭面包括錐形區域、鼻部區域、肩部區域和徑向最外面的保徑區域； 在軸向方向上從所述鉆頭本體向下延伸的至少一個固定刀片，所述至少一個固定刀片具有前刃和后刃； 多個固定刀片切削元件，所述多個固定刀片切削元件布置在所述至少一個固定刀片上； 至少一個滾動切削刀具，所述至少一個滾動切削刀具安裝成用于在所述鉆頭本體上旋轉；以及 布置在所述至少一個滾動切削刀具上的多個滾動切削刀具切削元件； 其中至少一個固定刀片與至少一個滾動切削刀具角對準。
2.根據權利要求1所述的鉆頭，其中，至少一個固定刀片具有凸出的切削面或前刃。
3.根據權利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少一個固定刀片沿著所述鉆頭面從所述保徑區域徑向延伸到所述鼻部區域。
4.根據權利要求1 所述的鉆頭，其中，所述至少一個固定刀片沿著所述鉆頭面從所述保徑區域徑向延伸到所述肩部區域。
5.根據權利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少一個固定刀片沿著所述鉆頭面從所述保徑區域徑向延伸到所述錐形區域。
6.根據權利要求1所述的鉆頭，其中，所述固定刀片中的至少一個沿著所述鉆頭面從中心軸線附近朝著在所述錐形區域與所述肩部區域之間過渡的所述鼻部區域徑向向外延伸。
7.根據權利要求6所述的鉆頭，其中，所述固定刀片沿著所述鉆頭面徑向延伸，并且所述固定刀片的終端設置在所述鼻部區域中。
8.根據權利要求1所述的鉆頭，其中，所述固定刀片中的至少一個沿著所述鉆頭面從中心軸線附近朝著所述保徑區域徑向向外延伸，并且所述固定刀片的終端設置在所述肩部區域中。
9.根據權利要求1所述的鉆頭，其中，所述固定刀片中的至少一個沿著所述鉆頭面從所述鉆頭的中心軸線附近徑向向外延伸到所述鼻部區域，并且其中所述滾動切削刀具中的至少一個以對準的方式朝著所述固定刀片向內延伸。
10.根據權利要求1所述的混合式鉆頭，其中，鉆頭是混合式先導擴孔型鉆頭。
11.一種在地下地層中鉆進井眼的方法，所述方法包括: 使用根據權利要求1所述的鉆地鉆頭，向地下地層中鉆進井眼。
12.一種用于在地層中鉆進鉆孔的鉆頭，所述鉆頭包括: 鉆頭本體，所述鉆頭本體構造成在其上部范圍用于連接至鉆柱，所述鉆頭本體具有中心軸線和鉆頭面，所述鉆頭面包括錐形區域、鼻部區域、肩部區域和徑向最外面的保徑區域； 在軸向方向上從所述鉆頭本體向下延伸的至少一個一級固定刀片切削刀具，所述至少一個一級固定刀片切削刀具具有前刃和后刃，并且沿著所述鉆頭面從所述肩部區域徑向延伸到所述保徑區域； 多個固定刀片切削元件，所述多個固定刀片切削元件布置在所述至少一個一級固定刀片的前刃上； 在軸向方向上從所述鉆頭本體向下延伸的、并且具有前刃和后刃的至少一個二級固定刀片切削刀具，所述二級固定刀片切削刀具沿著所述鉆頭面從鉆頭軸線附近穿過所述錐形區域徑向向外延伸； 至少一個滾動切削刀具，所述至少一個滾動切削刀具安裝在鉆頭支腿上以用于在所述鉆頭本體上旋轉；以及 布置在所述至少一個滾動切削刀具的外部上的多個滾動切削刀具切削元件； 其中所述至少一個二級固定刀片切削刀具與所述至少一個滾動切削刀具角對準。
13.根據權利要求12所述的鉆頭，進一步包括所述滾動切削刀具中的支承軸桿，所述支承軸桿從所述鉆頭支腿延伸穿過所述滾動切削刀具，其中所述支承軸桿延伸穿過所述滾動切削刀具的頂面。
14.根據權利要求13所述的鉆頭，其中，所述支承軸桿的至少一端附接至所述鉆頭本體。
15.根據權利要求13所述的鉆頭，其中，所述支承軸桿的至少一端附接至所述固定切削刀具的刀片。
16.根據權利要求13所述的鉆頭，其中，所述支承軸桿的至少一端附接至牙輪支腿。
17.根據權利要求13所述的鉆頭，其中，所述支承軸桿的至少一端延伸到鞍部安裝組件中形成的凹部內。
18.根據權利要求17所述的鉆頭，其中，所述鞍部安裝組件與所述至少一個二級固定刀片切削刀具的終端區域一體化。
19.根據權利要求13所述的鉆頭，其中，所述支承軸桿的遠端延伸穿過所述滾動切削刀具并被可移除地固定，并且所述支承軸桿的近端被可移除地固定至所述鉆頭支腿。
20.根據權利要求13所述的鉆頭，其中，所述支承軸桿是用于所述滾動切削刀具的芯軸。
21.根據權利要求13所述的鉆頭，其中，所述支承軸桿是漸縮的。
22.根據權利要求12所述的鉆頭，其中，所述一級固定刀片切削刀具中的至少一個具有弓形的前切削刃。
【文檔編號】E21B10/34GK104024557SQ201280065328
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年11月15日 優先權日:2011年11月15日
【發明者】A·F·扎拉德尼克, R·C·佩西爾, M·A·羅特, D·Q·阮, K·賽佩達, M·S·達姆申恩, R·J·巴斯克, J·霍華德, C·K·維姆帕蒂 申請人:貝克休斯公司