專(zhuān)利名稱(chēng)：旋轉(zhuǎn)鉆頭桿、如此配備的旋轉(zhuǎn)鉆頭及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于鉆進(jìn)地下巖層的旋轉(zhuǎn)鉆頭的鉆頭桿，以及如 此配備的旋轉(zhuǎn)鉆頭。
背景技術(shù)：
典型的旋轉(zhuǎn)鉆頭包括固定到硬化鋼桿上的鉆頭體和包括表面區(qū)域 的冠部，所述硬化鋼桿具有用于將鉆頭連接到鉆柱上的螺紋銷(xiāo)連接， 所述表面區(qū)域支承用于切入地層的切削結(jié)構(gòu)。通常，如果鉆頭是固定 切削刃或所謂的"刮刀"鉆頭或鉆頭，切削結(jié)構(gòu)包括多個(gè)切削元件，其 至少部分地由超耐磨材料，例如聚晶金剛石形成。使用聚晶金剛石復(fù)合(PDC)片的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭已經(jīng)使用了幾十年。典型地，鉆頭體可 以由鋼，或者滲透有粘合料(通常為銅合金)的硬質(zhì)顆粒材料(例如 碳化鵠(WC))的基體形成。在鋼體鉆頭的情況下，鉆頭體典型地由圓鋼機(jī)加工到希望的形狀。 徑向和縱向延伸的刀翼、用于將鉆孔液傳送至鉆頭面的內(nèi)部水路以及 界定在鉆頭面上的精確位置處的外貌特征可以利用計(jì)算機(jī)控制的多軸 機(jī)床在鉆頭體中機(jī)加工而成。用于在鉆孔期間耐磨的表面硬化通常施 加到鉆頭面上并且施加到鉆頭外部的其它關(guān)節(jié)區(qū)域上，并且切削元件 通常通過(guò)將其近端插入在內(nèi)部機(jī)加工而成的切削元件凹窩(pockets ) 中而固定到位于鉆頭面上的刀翼上。在機(jī)加工和表面硬化之后，鉆頭 體可以固定到具有螺紋銷(xiāo)連接的硬化鋼桿上，所述螺紋銷(xiāo)連接用于將 鋼體旋轉(zhuǎn)鉆頭固定到向下鉆進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸上，或者直接固定到位于 鉆柱遠(yuǎn)端的鉆環(huán)上，其中所述鉆柱通過(guò)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或頂部驅(qū)動(dòng)裝置在 地面上旋轉(zhuǎn)。另一方面，基體型鉆頭包括鉆頭體，所述鉆頭體由包含在石墨模型內(nèi)和并滲透有粘合料(通常為銅合金)的硬質(zhì)顆粒材料(例如，碳 化鵠)的基體形成?？梢允褂描T造樹(shù)脂復(fù)模砂、石墨位移或(在一些 情況下)柔性聚合粘合料中的碳化鴒顆粒以界定內(nèi)部水路和通道，用于將鉆孔液輸送到鉆頭面、切削元件插口或凹窩、脊部、臺(tái)肩(land)、 噴嘴孔、排屑槽及基體型旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的其它外部外貌特征。但是， 因?yàn)榛w材料包括碳化鴒或基本上不能進(jìn)行機(jī)加工的其它相對(duì)硬質(zhì)顆 粒，可機(jī)加工的鋼坯典型地在基體材料滲透之前放置到鉆頭模型中， 所述鋼坯在滲透劑硬化時(shí)形成基體型旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭體的一部分，所述 滲透劑固定位于內(nèi)部的坯件。以類(lèi)似于制造鋼體鉆頭的方式，基體型 鉆頭體通過(guò)可機(jī)加工坯件可固定到具有螺紋銷(xiāo)連接的硬化鋼桿上，所 述螺紋銷(xiāo)連接用于將鉆頭固定到向下鉆進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸上或者直接固 定到位于鉆柱遠(yuǎn)端的鉆環(huán)上，所述鉆柱通過(guò)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或頂部驅(qū)動(dòng)裝 置在地面上旋轉(zhuǎn)。因此，在鋼體或基體型旋轉(zhuǎn)鉆頭中，鉆頭體和硬化桿之間的定位 是關(guān)鍵的，因?yàn)榘菁y銷(xiāo)連接的桿可以確定鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)。旋轉(zhuǎn)為重要的，因?yàn)樾D(zhuǎn)鉆頭設(shè)計(jì)的方面至少部分地建立在切削元件位置 以及作用于其上的預(yù)計(jì)作用力的基礎(chǔ)上。例如，所謂的"防轉(zhuǎn)"設(shè)計(jì)利 用指向緩沖墊(pad)的優(yōu)選橫向力，所述緩沖墊設(shè)計(jì)成能支撐在地層 上以便穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭。通常，在基體型鉆頭體和硬化桿之間使用 螺紋連接，如下文詳細(xì)描述的那樣。圖1A和1B顯示了通常根據(jù)上迷說(shuō)明形成的傳統(tǒng)基體型鉆頭10。 傳統(tǒng)的基體型鉆頭10包括中心縱軸線(xiàn)3和貫穿孔12，所述貫穿孔用 于在鉆孔操作期間將鉆孔液輸送至鉆頭面。切削元件5和7 (典型地 金剛石，最通常的為合成聚晶金剛石復(fù)合片或PDC)可以在鉆頭體滲 入期間(如果使用熱穩(wěn)定PDC，通常稱(chēng)作TSP)結(jié)合到鉆頭面上，或 者通過(guò)銅焊、粘合或機(jī)械固定結(jié)合到其上。包括相對(duì)韌性鋼的傳統(tǒng)的預(yù)先形成的所謂坯件14也可以提供鉆 頭體基體19的內(nèi)部加固。坯件14典型地由相對(duì)韌性鋼組成，因?yàn)榕呒跐B入期間經(jīng)受的高溫通常使大多數(shù)鋼材料退火。坯件14可以包括 圓柱形或管狀形狀，或者可以在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)復(fù)雜并且包括與鉆頭面上 的刀翼、翼片或其它特征相對(duì)應(yīng)的突起部。突起部或指狀物通?？梢?焊接到形成于坯件14的管狀部分內(nèi)部的縱向槽中。如上所述的坯件 14或其它預(yù)先形成件可以位于石墨模型內(nèi)部的適當(dāng)位置處，所述石墨 模型用于鑄造鉆頭體。在碳化鎢與粘合料一起在熔爐中發(fā)生滲透之后， 坯件14可以在鉆頭體冷卻時(shí)固定到鉆頭體基體19上，并且另一預(yù)先 形成件在基體冷卻時(shí)取出。坯件14可以通過(guò)螺紋連接15和焊縫20機(jī) 加工或固定到桿16上。通常，連續(xù)焊縫可以形成在桿16和坯件14之 間。桿16典型地由AISI4140鋼，具有高于大約0.35%的碳當(dāng)量的材 料制成，這要求桿16和坯件14在焊接之前預(yù)先加熱。桿16包括加工 在其上部的錐形螺紋17，以便將傳統(tǒng)的基體型鉆頭IO連接到一系列 鉆管(未顯示)上。機(jī)加工螺紋17在桿16連接到坯件14上之前形成； 因此桿16與坯件14的正確定位是關(guān)鍵的。圖1C顯示了具有傳統(tǒng)桿16的傳統(tǒng)的基體型鉆頭11，并且圖解說(shuō) 明了桿16和鉆頭體23之間的接觸面。傳統(tǒng)的基體型鉆頭11包括內(nèi)孔 12，該內(nèi)孔通常以其中心縱軸3為中心。桿16包括用于連接到鉆柱(未 顯示)上的錐形螺紋17和用于旋松和擰緊基體鉆頭ll和鉆柱(未顯 示)之間的錐形螺紋連接的"鉆頭裝卸器"表面21。桿16可以通過(guò)螺 紋連接15和焊縫20固定到鉆頭體23上。當(dāng)然，鉆頭體23包括坯件 (未顯示)，其提供鉆頭體23和桿16之間的接合表面。圖1D顯示了傳統(tǒng)的鋼體鉆頭30，其包括鉆頭體44和通常以中心 軸線(xiàn)33為中心的內(nèi)孔32。如圖1D所示，傳統(tǒng)的鋼體旋轉(zhuǎn)鉆頭30包 括具有用于連接到鉆柱上的螺紋連接37的桿36，其中桿36通過(guò)焊縫 40固定到鉆頭體44上。鉆頭體44還可以支承具有切削元件38的刀 翼42，用于在地下鉆進(jìn)期間去除地層。如圖1C和1D所示，在制造基體型或鋼體旋轉(zhuǎn)鉆頭的過(guò)程中，桿 固定到鉆頭體上。另外，在桿傳統(tǒng)地焊接到旋轉(zhuǎn)鉆頭的鉆頭體上時(shí)， 桿可以包括具有高于大約0.35%的碳當(dāng)量的材料，例如，AISI 4140鋼。因此，桿和鉆頭體優(yōu)選地在焊接開(kāi)始之前加熱到大約371攝氏度 (700華氏度)。另外，傳統(tǒng)的焊接工藝可以表示，當(dāng)桿焊接到鉆頭體 上時(shí)，如果桿溫度達(dá)到482攝氏度(900華氏度)，焊接工藝可以中 斷，直至溫度降低。當(dāng)傳統(tǒng)的焊接工藝在由于桿過(guò)熱或不充分加熱引 起的延遲之后重新開(kāi)始時(shí)，焊接可以在延遲開(kāi)始時(shí)從大體上相同的周 向位置繼續(xù)。在討論現(xiàn)有技術(shù)的鋼體鉆頭時(shí)，美國(guó)專(zhuān)利No.6，116，360公開(kāi)了焊 接到從內(nèi)部伸出的鋼制鉆頭體上的桿。但是，桿和鋼鉆頭體之間的配 合表面不成錐形。另外，授權(quán)給Hill的美國(guó)專(zhuān)利No.5,150，636公開(kāi)了切削頭和桿之 間的收縮配合。另外，Hill公開(kāi)了桿尖端可以具有略微倒置的錐部以 更好地保持切削頭。在這里，發(fā)明人觀察到，桿和坯件之間的傳統(tǒng)螺紋連接可能在螺 紋接頭和緊鄰的焊接接頭內(nèi)產(chǎn)生不希望的應(yīng)力。另外，傳統(tǒng)的螺紋連 接可能使桿和鉆頭體之間產(chǎn)生錯(cuò)位。另外，已經(jīng)觀察到，坯件和桿之 間的傳統(tǒng)單道焊可以允許乃至促進(jìn)其間的變形和錯(cuò)位。因此，有利地 是取消在將桿焊接到鉆頭體之前預(yù)先加熱桿的必要，并且存在對(duì)使用于制造旋轉(zhuǎn)鉆頭中的改進(jìn)的桿結(jié)構(gòu)的需要。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了尤其適用于旋轉(zhuǎn)鉆頭的合乎邏輯的、實(shí)踐中可實(shí)現(xiàn) 的桿結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)特定的鉆頭尺寸和布置。在本發(fā)明的桿 結(jié)構(gòu)中，桿可以包括具有小于大約0.35%的碳當(dāng)量的材料，例如，AISI 4130鋼或AISI4130MOD鋼。這種結(jié)構(gòu)能夠取消焊接之前的預(yù)熱，所 述預(yù)熱典型地為傳統(tǒng)桿材料所需，所述材料例如為AISI 4140鋼，并 且本發(fā)明考慮并包括在無(wú)需預(yù)先加熱桿結(jié)構(gòu)的情況下，將桿結(jié)構(gòu)焊接 到鉆頭體的一部分上的方法。同樣根據(jù)本發(fā)明，桿相對(duì)于鉆頭體的定位可以通過(guò)其錐形表面的 接合實(shí)現(xiàn)。例如，桿的錐形表面或特征可以構(gòu)造和大小設(shè)置成與例如在基體型鉆頭情況下位于坯件的一部分上、或者在鋼體鉆頭的情況下從而以鉆頭體為中心或相對(duì)其定位。本發(fā)明不局限于任何特定的錐形 表面，因?yàn)樵S多布置可以提供這種定位，并且可以使用一個(gè)以上的錐 形表面。錐形表面或特征構(gòu)造可以提高坯件相對(duì)于桿的定位，并且還 可以取消其間傳統(tǒng)的螺紋加工。用于執(zhí)行本發(fā)明的易于形成的示例性 漸縮、互補(bǔ)表面包括但不限于回轉(zhuǎn)面，例如截頭圓錐形表面，其中這 種回轉(zhuǎn)面可以機(jī)加工形成。另外，可以使用多道焊接工藝，其中多個(gè)單獨(dú)的周向焊縫起始于 不同的周向位置。這種焊接工藝和構(gòu)造可以通過(guò)補(bǔ)償由傳統(tǒng)焊接工藝 造成的變形或使其減至最小而使桿與鉆頭體的焊接組件定位或保持對(duì) 準(zhǔn)。釆用另一方式，可以形成多道焊縫，其中，后續(xù)的焊縫起始周向 位置與前一焊縫起始周向位置偏移。例如，第一焊縫起始于第一位置，并且圍繞焊縫凹槽的周邊延伸 到第二位置。隨后形成第二焊縫，其起始于與第一焊縫的周向起始點(diǎn) 大體上不同的周向位置。類(lèi)似地，形成后續(xù)焊縫，使得每個(gè)后續(xù)焊縫 起始于與其前一個(gè)焊縫起始位置不同的周向位置。在一個(gè)實(shí)施例中，用于后續(xù)焊縫的起始位置可以與其前一焊縫的周向起始位置相差大約90°到大約180。。特別考慮的是，根據(jù)本發(fā)明的坯件和桿構(gòu)造可以應(yīng)用于核心鉆頭、 雙心鉆頭、偏心鉆頭、擴(kuò)孔工具及其它鉆孔結(jié)構(gòu)，以及應(yīng)用于全孔鉆 頭。當(dāng)在此使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)"鉆頭"包括所有前述鉆孔結(jié)構(gòu)，不管鋼制還 是基體型。此外，本發(fā)明不局限于鋼制或基體型旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的任何 特定結(jié)構(gòu)，并且可以應(yīng)用于由各種方法制造的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭。進(jìn)一步 考慮的是，根據(jù)本發(fā)明的坯件和桿構(gòu)造可以應(yīng)用于滾錐鉆頭的制造， 并且在此使用的術(shù)語(yǔ)"鉆頭"包括這種組件。


圖1A是傳統(tǒng)的基體型旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的透視圖;圖1B是圖1所示傳統(tǒng)的基體型旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的局部示意性側(cè)部 剖視圖；圖1C是傳統(tǒng)的基體型旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的桿和鉆頭體的局部側(cè)向剖 視圖；圖1D是傳統(tǒng)的鋼體旋轉(zhuǎn)鉆頭的側(cè)向剖視圖； 圖2A是本發(fā)明的桿和旋轉(zhuǎn)鉆頭體的局部側(cè)向剖視圖； 圖2B是本發(fā)明的桿和鉆頭體的局部側(cè)向剖^f見(jiàn)圖和局部側(cè)視圖； 圖2C-2D是本發(fā)明的多道焊縫和焊接工藝的示意性頂視圖； 圖3A-3G是本發(fā)明的鉆頭體和桿之間的接觸面構(gòu)造的不同實(shí)施例 的局部示意性側(cè)向剖視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)鉆頭的側(cè)視圖；圖5A是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)鉆頭的透視圖；和圖5B是圖5A所示桿和鉆頭體的局部頂部剖視圖。
具體實(shí)施方式
圖2A顯示了根據(jù)本發(fā)明的基體型旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭110的局部剖視 圖。旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭110包括中心縱軸103，孔112通常圍繞所述中心 縱軸布置。桿116可以由具有小于大約0.35。/。碳當(dāng)量的材料制成，所 述材料例如但不限于AISI 4130鋼或AISI 4130MOD鋼，并且可以包 括本領(lǐng)域已知的用于連接到鉆柱(未顯示)上的螺紋銷(xiāo)連接部117和 用于分別裝配到所述鉆柱上或由其上拆下的鉆頭裝卸器表面121。希 望的是，桿材料的碳當(dāng)量甚至小于大約00.35%，例如小于大約0.30%。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，為桿116選擇的材料例如呈現(xiàn)出 適合于利用旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭110鉆孔期間所遇情況的至少最小屈服極 限、最小極限抗拉強(qiáng)度和最小沖擊強(qiáng)度。上述AISI 4130和AISI 4130MOD鋼具有這種希望的機(jī)械性能。通常，碳當(dāng)量是以重量百分比為單位的經(jīng)驗(yàn)值，其使制造例如鋼 的金屬合金中所用不同合金元素的綜合影響與碳當(dāng)量數(shù)相關(guān)，作為焊 接性能或?qū)缚p破裂敏感性的指標(biāo)。碳當(dāng)量可用于可硬化的碳和合金鋼，不存在限制。另外，從下列公式可以看出，材料包括碳以具有非 零碳當(dāng)量是不必要的。如本領(lǐng)域已知，已經(jīng)研究了用于計(jì)算材料碳當(dāng) 量的不同公式。本發(fā)明考慮使用用于計(jì)算碳當(dāng)量的不同的經(jīng)驗(yàn)公式。例如，由美國(guó)金屬學(xué)會(huì)出版、1995年第8次印刷、金屬手冊(cè)⑧，Desk Edition給出了一個(gè)用于給定材料碳當(dāng)量的公式，如下。<formula>formula see original document page 13</formula>其中CE是以重量百分比為單位的碳當(dāng)量； %C是材料中碳的重量百分比； %Cr是材料中鉻的重量百分比； %Mo是材料中鉬的重量百分比； %V是材料中釩的重量百分比； %Si是材料中硅的重量百分比； 。/。Ni是材料中鎳的重量百分比；和 %Cu是材料中銅的重量百分比。因此，應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于在實(shí)施本發(fā)明中的適合性來(lái)說(shuō)，在桿116 中使用的具有希望機(jī)械性能的材料可以根據(jù)碳當(dāng)量容易地鑒定。另外，桿116還可以包括配置為與鉆頭體123的互補(bǔ)錐形表面161 相配合的錐形表面160，從而使桿116相對(duì)于鉆頭體123定位，并與 鉆頭體123的錐形表面141共同形成焊槽139。只是作為實(shí)例，并且 適合于本發(fā)明的這個(gè)或其它圖示實(shí)施例，所參考的錐形表面不一定必 須實(shí)現(xiàn)為截頭圓錐形表面。桿116的豎直面150可以在鉆頭體123內(nèi) 部沿鉆頭體123的豎直面151延伸，但是可以與錐形表面160 —起配 置為使桿116相對(duì)于鉆頭體123定位。圖2A還顯示出，錐形表面160 的徑向向內(nèi)的水平面140可以與鉆頭體123的7JC平面152以間隙111 隔開(kāi)，從而防止其間的接觸，因?yàn)檫@種接觸可能影響桿116相對(duì)于鉆 頭體123的定位，但錐形表面160和錐形表面161的相互接觸除外。 如上所述，錐形表面160和錐形表面161的徑向最外側(cè)部分共同界定 了環(huán)焊縫道139,其中可以形成例如根據(jù)本發(fā)明的多道焊縫的焊縫圖2B顯示了在根據(jù)本發(fā)明的焊接之前，旋轉(zhuǎn)鉆頭310的局部側(cè) 向剖視圖(圖左側(cè))，和旋轉(zhuǎn)鉆頭310圍繞其縱軸333的局部側(cè)浮見(jiàn)圖 (圖右側(cè))。旋轉(zhuǎn)鉆頭310通常可以包括鉆頭體323，其包括多個(gè)其間 界定有排屑槽316的縱向延伸的刀翼314。每個(gè)刀翼314可以界定引 導(dǎo)或切削面318，其沿著圍繞旋轉(zhuǎn)鉆頭310的遠(yuǎn)端315的鉆頭面徑向 延伸，并且可以包括多個(gè)切削元件凹窩319，其形成在鉆頭體323內(nèi) 并且使固定在其中的切削元件320定向?yàn)樵谛D(zhuǎn)鉆頭310旋轉(zhuǎn)時(shí)切削 地下巖層。切削元件320只是出于圖解說(shuō)明之用，因?yàn)樗鼈兛梢栽跅U 334焊接到鉆頭體323上之后固定到切削元件凹窩319上。根據(jù)本發(fā) 明的桿334可以包括具有小于大約0.35%的碳當(dāng)量的材料，例如AISI 4130鋼或AISI 4130MOD鋼。每個(gè)刀翼314可以包括與每個(gè)刀翼314 的保徑312相對(duì)應(yīng)的縱向延伸的保徑部分322，其尺寸根據(jù)旋轉(zhuǎn)鉆頭 310的大致最大直徑部分設(shè)計(jì)，從而典型地只略微小于要通過(guò)旋轉(zhuǎn)鉆 頭310進(jìn)行鉆進(jìn)的孔的直徑。旋轉(zhuǎn)鉆頭310的縱向上端317包括螺紋 部分或銷(xiāo)325以將旋轉(zhuǎn)鉆頭310螺紋附接到鉆環(huán)或向下鉆進(jìn)電機(jī)上， 如本領(lǐng)域已知的那樣。另外，腔室(plenum) 329或孔在^走轉(zhuǎn)鉆頭310 內(nèi)部縱向延伸，從而將其中的鉆孔液通過(guò)從腔室329延伸到噴嘴336 的通道(未顯示)輸送到布置在旋轉(zhuǎn)鉆頭310表面上的噴嘴336。螺 紋部分325可以像鉆頭裝卸器表面321那樣在桿334的縱向上端317 上直接機(jī)加工而成，用于在安裝到鉆柱中時(shí)且桿334與旋轉(zhuǎn)鉆頭310 的鉆頭體323在其遠(yuǎn)端接合時(shí)松開(kāi)和檸緊旋轉(zhuǎn)鉆頭310的錐形螺紋部 分325，如剖視圖所示。還是如圖2B所示，桿334的錐形表面350可以與鉆頭體323的 錐形表面351配合，以便使桿334相對(duì)于鉆頭體323定位。當(dāng)然，桿 334的豎直面360可以與豎直面361結(jié)合(如圖2B所示，豎直面360 和361不一定具有螺紋)，并且桿334的水平面360與水平面371根 據(jù)其間的實(shí)際間隙可以結(jié)合或者可以不結(jié)合，迄今為止，間隙的需要 程度參照?qǐng)D2A進(jìn)行描述。焊槽339可以由桿334的錐形表面350和鉆頭體323的，形表面352形成。如下文所述，本發(fā)明的多道焊縫通?？梢孕纬珊筒贾迷诤覆?39 內(nèi)。如上所述，桿334可以包括具有小于大約0.35%的碳當(dāng)量的材料， 例如AISI4130鋼，AISI 4130MOD鋼，或等效材料。因此，在開(kāi)始 焊接工藝之前預(yù)熱桿334不是必需的。作為進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，可以完成 相對(duì)于鉆頭體323定位桿334，隨后將組件點(diǎn)焊在一起。圖2C顯示了 與圖2B所示焊槽339的內(nèi)頂或尖端340相關(guān)的本發(fā)明多道焊縫401 的頂部橫截面視圖。更特別地，圖2C是由尖端340界定的焊槽339 的內(nèi)邊界，以及焊縫410、 420、 430和440的頂視圖。焊縫410、 420、 430和440描述為直徑逐漸增大的同心環(huán)或圓，并且顯示為彼此隔開(kāi)。 但是，圖2C僅是示意性的，焊縫410、 420、 430和440僅出于清楚 目的進(jìn)行描述。根據(jù)上述焊道的尺寸和焊槽339的尺寸，焊縫410、 420、 430和440通常可以布置在焊槽339內(nèi)的任何位置。當(dāng)然，本發(fā) 明中所有焊縫的縱向位置可以改變以相對(duì)均勻地充滿(mǎn)焊槽。如圖2C所示，第一焊縫410或"才艮"焊縫可以沉積在焊槽339內(nèi) 部，或者更特別地，沿著由桿334和鉆頭體323的面向表面350和352 之間的接觸面形成的焊槽339的尖端340的周邊定位。第一焊縫410 可以圍繞焊槽339的尖端340的周邊延伸。如圖2C所示，第一焊縫 410可以起始于周向位置409，并且也可以終止于此?？蛇x地，第一焊 縫410可以起始于第一周向位置，并且可以終止于第二周向位置。如 圖2C所示，第二焊縫420可以起始于周向位置419，并且可以終止于 此?？蛇x地，第二焊縫420可以起始于與第一焊縫410的周向起始位 置相隔至少大約90。的第一周向位置，并且可以終止于第二周向位置。因此，周向位置409可以與周向位置419相隔至少大約卯°，該 角度是相對(duì)于鉆頭310的縱軸333沿順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较驕y(cè)得。如圖 2C所示，夾角6顯示了周向位置409和周向位置419之間的測(cè)量結(jié)果。 另外，第二焊縫420可以起始于與前一個(gè)焊縫的初始周向位置相隔至 少大約90。的第一周向位置，并且可以終止于第二周向位置。另外， 第二焊縫420可以圍繞縱軸333沿圓周方向(順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较?形成，所述圓周方向與形成首個(gè)焊縫410的方向相反或相同。如圖2C所示，第三焊縫430起始于周向位置429并終止于此。 一般地說(shuō)，第三焊縫430可以起始于與前一個(gè)焊縫的初始周向位置相 隔至少大約90。的第一周向位置，并且可以終止于第二周向位置。如 圖2C所示，第四焊縫440起始于周向位置439并也終止于此。類(lèi)似 地，第四焊縫440可以起始于與前一個(gè)第三焊縫430的初始周向位置 相隔至少大約90。的第一周向位置，并且可以終止于第二周向位置。 還是如圖2C所示，周向起始位置409、 419、 429和439可以大體上 對(duì)稱(chēng)地圍繞焊槽339的尖端340的周邊分布。當(dāng)然，前一焊縫的起始位置和后一焊縫的起始位置之間的分開(kāi)程 度可以相對(duì)于其間的周向距離進(jìn)行測(cè)量。例如，周向位置409和周向 位置419之間的周向間距可以至少為表示焊槽尖端340的圓周長(zhǎng)的大 約四分之一。因此，本發(fā)明的多道焊縫可以包括起始于第一周向位置并終止于 第二周向位置的首個(gè)焊縫，和起始于與第一焊縫的第一位置相隔至少 大約90?；蛘吆覆?39的尖端340的周長(zhǎng)的至少大約四分之一的周向 位置的第二焊縫。隨后的焊縫可以起始于各自的周向位置，其與它們 的前一焊縫的周向起始位置相隔至少大約90?；蛘呦喔艉覆?39的尖 端340的周長(zhǎng)的至少大約四分之一。周向位置至多只能相隔1800,因 為這種定位將位于從周邊的一個(gè)邊緣通過(guò)中心到周邊的另一邊的直線(xiàn) 的相對(duì)側(cè)上。因此，隨后的焊縫可以起始于從^^據(jù)本發(fā)明的前一焊縫 的起始位置開(kāi)始的各自的周向位置，其與前一焊縫的起始位置相隔大 約90°到180。。這種焊縫構(gòu)造可以減少、平衡組裝的桿334和鉆頭桿 323之間的變形或錯(cuò)位或使其減至最小。作為本發(fā)明的多道焊縫的進(jìn)一步實(shí)例，并且沒(méi)有任何限制，圖2D 顯示了與圖2B所示焊槽339的尖端340相關(guān)的多道焊縫402的頂部 4黃截面視圖。焊縫452、 454、 456、 458、 460和462可以圍繞焊槽339 的尖端340的周邊形成并延伸。第 一焊縫452可以起始于周向位置453， 并且也可以終止于此。第二焊縫454可以起始于周向位置455,并且也可以終止于此。第三焊縫456可以起始于周向位置457，并且也可 以終止于此。第四焊縫458可以起始于周向位置459，并且也可以終 止于此。第五焊縫460可以起始于周向位置461，并且也可以終止于 此。第六焊縫462可以起始于周向位置463,并且也可以終止于此?？蛇x地，并且更一般地，每個(gè)焊縫452、 454、 456、 458、 460和 462可以起始于與其前一個(gè)焊縫的周向起始位置偏移或隔開(kāi)的第一周 向位置。因此，隨后的焊縫454、 456、 458、 460和462 (即在前一個(gè) 焊縫之后產(chǎn)生的焊縫)可以起始于與前一個(gè)焊縫的起始周向位置相隔 至少大約90。或者焊縫尖端340的周長(zhǎng)的至少大約四分之一的周向位 置。例如，如圖2D所示的夾角9顯示了周向位置459和周向位置463 之間大約120。的測(cè)量結(jié)果。采用另一方式，如圖2D所示的周向位置 459和周向位置463之間的間距大約為表示焊槽尖端340的圓周長(zhǎng)的 三分之一。另外，焊縫452、 454、 456、 458、 460和462可以圍繞縱 軸333沿任何圓周方向(順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较?形成。因此，本發(fā)明的多道焊縫不局限于任何特定數(shù)量的不連續(xù)焊縫， 而是包括一個(gè)以上的焊縫，其中前一個(gè)焊縫和隨后的焊縫的起始位置 相隔至少大約90?；蛘吆覆奂舛酥荛L(zhǎng)的至少大約四分之一。另外，焊 縫可以周向延伸或可以不周向延伸，或者完全不周向延伸。例如，焊 縫通過(guò)以下方式形成，即，施加熱源并將介質(zhì)焊接到特定位置上形成 焊縫，隨后定位熱源并將介質(zhì)焊接到第二位置上并形成另一焊縫。因 此，焊縫可以形成在處于不連續(xù)位置的焊槽內(nèi)。另外，前一焊縫和后 一焊縫之間的起始周向位置之間的間隔可以改變。例如，對(duì)于第二焊 縫、第三焊縫和第四焊縫來(lái)說(shuō)，夾角e可以分別為大約90。，隨后大 約135。，隨后大約180。，但不限于此。另外，焊縫的起始位置可以形 成大體上對(duì)稱(chēng)的圖案，或者可以形成不對(duì)稱(chēng)的圖案。圖3A顯示了與以旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭(其余部分未顯示)的中心軸203 為中心的孔212相關(guān)的桿216和鉆頭體223之間的接觸面200的局部 剖視圖。桿216可以包括具有小于大約0.35%的碳當(dāng)量的材料，并且 可以包括錐形表面260、錐形表面250和水平面253。桿216的錐形表面250可以構(gòu)造為與鉆頭體223的錐形表面251相配合以^吏桿216相 對(duì)于鉆頭體223定位。另外，間隙211可以使桿216的水平面253與 鉆頭體223的水平面252隔開(kāi)，從而防止其間接合，這種接合可能影 響桿216的錐形表面250和鉆頭體223的錐形表面251之間的正確配 合。焊槽239可以通過(guò)使桿216的錐形表面260與鉆頭體223的錐形 表面241相交形成。如圖3A中進(jìn)一步顯示的，鉆頭體223的錐形表 面251和水平面252可以形成使桿216的縱向下端裝于其中的腔室。 這種構(gòu)造對(duì)分配在旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭工作期間通過(guò)桿216傳遞的應(yīng)力來(lái)說(shuō) 是有利的?？蛇x地，間隙211可以通過(guò)施加4吏鉆頭體223和桿216彼此壓靠 在一起的縱向力而減小或消除。換句話(huà)說(shuō)，希望構(gòu)造桿216的錐形表 面250和鉆頭體223的錐形表面251,使得足夠大的壓緊力造成其間 的滑動(dòng)，減小間隙211或造成桿216的水平面253與鉆頭體223的水 平面252接合。這種壓緊力可以在桿216焊接到鉆頭體223上之前或 期間施加，或者兩個(gè)階段都施加，并且希望在多道焊縫(圖2C和2D) 內(nèi)部產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，其由鉆進(jìn)期間經(jīng)受的壓緊力平衡。這種構(gòu)造可 以減小鉆進(jìn)期間在焊縫中產(chǎn)生的應(yīng)力。作為進(jìn)一步的可選方案，通過(guò) 設(shè)置桿和鉆頭體的尺寸可以消除間隙211。圖3B顯示了與以旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭(其余部分未顯示)的中心軸203 為中心的孔212相關(guān)的桿216和鉆頭體223之間的接觸面201的另一 實(shí)施例的局部剖視圖。桿216可以包括具有小于大約0.35%的碳當(dāng)量 的材料，例如AISI4130鋼或AISI4130MOD鋼，并且可以包括錐形 表面260、錐形表面250和水平面253。桿216的錐形表面250和260 可以構(gòu)造為與鉆頭體223的錐形表面251和261分別配合以使桿216 相對(duì)于鉆頭體223定位。這種雙錐形構(gòu)造對(duì)于使桿216相對(duì)于鉆頭桿 223定位來(lái)說(shuō)是有利的。另外，間隙211可以使桿216的水平面253與鉆頭體223的水平 面252隔開(kāi)，從而防止其間接合，這種接合可能影響桿216的錐形表 面250和260分別與鉆頭體223的錐形表面251和261之間的正確配合。焊槽239可以通過(guò)使桿216的錐形表面260與鉆頭體223的錐形 表面241接合形成。如圖3B中進(jìn)一步顯示的，鉆頭體223的錐形表 面251和水平面252可以形成使桿216的縱向下端裝于其中的腔室。 這種構(gòu)造對(duì)分配在旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭(未顯示)工作期間通過(guò)桿216傳遞 的應(yīng)力來(lái)說(shuō)是有利的。圖3C是本發(fā)明另一實(shí)施例的局部剖視圖，顯示了與以旋轉(zhuǎn)刮刀 鉆頭(未顯示)的中心軸203為中心的孔212相關(guān)的桿216和鉆頭體 223之間的接觸面202。如圖3C所示，桿216的錐形表面270可能沿 徑向向內(nèi)路徑縱向向下地傾斜，并且可以與鉆頭體223的錐形表面271 配合地接合，所述錐形表面271可以沿徑向向外路徑縱向向上地傾斜。 桿216的錐形表面270和鉆頭體223的錐形表面271之間的配合接合 可以使桿216相對(duì)于鉆頭體223定位。焊縫間隙239可以大體上通過(guò) 使鉆頭體223的錐形表面241與桿216的錐形表面270相交而形成。 當(dāng)然，相鄰表面之間邊界處的倒角和半徑可以按照工程設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)置， 從而促進(jìn)桿216的錐形表面270和鉆頭體223的錐形表面271之間的 正確接合。還是如圖3C所示，鉆頭體223的錐形表面271可以形成 使桿216的縱向下端裝入其中的腔室。這種構(gòu)造對(duì)分配在旋轉(zhuǎn)刮刀鉆 頭(未顯示)工作期間的應(yīng)力來(lái)說(shuō)是有利的。另外，桿216可以包括 具有小于大約0.35。/。的碳當(dāng)量的材料，以便取消在將桿216焊接到鉆 頭體223上之前進(jìn)行預(yù)加熱的需要。圖3D是本發(fā)明又一實(shí)施例的局部剖視圖，顯示了與以旋轉(zhuǎn)刮刀 鉆頭(其余部分未顯示)的中心軸203為中心的孔212相關(guān)的桿216 和鉆頭體223之間的接觸面204。如圖3D所示，桿216的錐形表面 280可能沿徑向向內(nèi)路徑縱向向上地傾斜，并且可以與鉆頭體223的 錐形表面281配合地接合，所述錐形表面281可以沿徑向向外路徑縱 向向下地傾斜。因此，桿216的錐形表面280和鉆頭體223的錐形表 面281之間的配合地接合可以使桿216相對(duì)于鉆頭體223定位。焊縫間隙239可以大體上通過(guò)使鉆頭體223的錐形表面282與桿 216的錐形表面280相交而形成。桿216可以包括具有小于大約0.35%的碳當(dāng)量的材料，例如AISI4130鋼，AISI 4130MOD鋼，或等效材 料，從而取消在將桿216和鉆頭體223彼此焊接在一起之前進(jìn)行預(yù)加 熱的需要。這種構(gòu)造可以允許桿216和鉆頭體223搭焊在一起以^更在 形成如上所述的多道焊縫之前保持相對(duì)定位，并取消在焊接期間傳統(tǒng) 的預(yù)力口熱。圖3E顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施例，描繪了桿216和鉆頭體223 之間的接觸面205的剖視圖。如上所述，桿216可以包括具有小于大 約0.35%的碳當(dāng)量的材料。桿216和鉆頭體223相對(duì)于孔203進(jìn)行顯 示，所述孔以旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭(剩余部分未顯示)的中心軸212為中心。 桿216的錐形表面292可以與鉆頭體223的錐形表面293配合地接合 以使桿216相對(duì)于鉆頭體223定位。同樣，桿216的水平面300可以 與鉆頭體223的水平面295配合地接合，從而使桿216相對(duì)于鉆頭體 223豎直定位。在桿216的錐形表面290和鉆頭體223的錐形表面297 之間具有間隙299。間隙299可以提供將桿216和鉆頭體223裝在一 起的間隙。焊槽239可以大體上通過(guò)桿216的錐形表面290和鉆頭體 223的錐形表面291形成。接觸面206的剖視圖。更具體地，可變形元件302可以位于桿216和 鉆頭體223之間。如圖3F和3G所示，可變形元件302可以位于桿216 的水平面304和鉆頭體223的水平面305之間。最初在桿216的錐形 表面306和鉆頭體223的錐形表面307之間存在間隙311。另外，鉆 頭體223的錐形表面303可以與桿216的錐形表面308接合，或者， 可選地，在其間存在小間隙。但是，如圖3G所示，桿216可以移動(dòng)， 從而使可變形元件302變形并使桿216的錐形表面306定位以與鉆頭 體223的錐形表面307配合地接合，因此大體上消除間隙311。這種 構(gòu)造可優(yōu)選地通過(guò)壓緊力使桿216相對(duì)于鉆頭體223定位。這種壓緊 力可以在桿216焊接到鉆頭體223上之前和/或期間施加，并且希望在 多道焊縫(圖2C和2D)內(nèi)部產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力以減小鉆孔期間在焊縫 中產(chǎn)生的應(yīng)力。同樣，如圖3F和3G所示，焊槽339可以大體上由桿216的錐形表面306和鉆頭體223的錐形表面301形成。示例性可變 形元件302包括高溫彈性環(huán)、環(huán)形片簧和貝氏彈簧，以及非彈性的可 變性材料，其可以在間隙311消除時(shí)壓碎?？勺冃卧?02的變形、 彈性或非彈性可以在其接合鉆頭體223時(shí)提供桿216受控的向下運(yùn)動(dòng)。圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的示例性旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭500，其中如上所 述的接觸面和多道焊縫將鋼體或基體型鉆頭體323完全固定到桿334 上。桿334可以包括鉆頭裝卸器表面或平面321，用于在安裝到鉆柱 中時(shí)使旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭500的錐形螺紋部分325松開(kāi)和擰緊。旋轉(zhuǎn)刮刀 鉆頭500可以包括徑向和縱向延伸的刀翼314,其中每個(gè)刀翼314可 以界定引導(dǎo)或切削面318，并且可以包括多個(gè)切削元件320，所述切削 元件固定到所述刀翼上并且在內(nèi)部定位成在旋轉(zhuǎn)鉆頭500旋轉(zhuǎn)時(shí)切削 地下巖層。噴嘴336的尺寸和位置設(shè)置成將來(lái)自旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭500的 內(nèi)部的鉆孔液輸送倒切削元件320和刀翼314以清洗由此產(chǎn)生的切屑。 當(dāng)多道焊縫(未顯示)完成時(shí)，外部的徑向向外的表面可以加工成與 鉆頭體323的外表面齊平。另外，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不局限于通過(guò)任 何特征方法制造的旋轉(zhuǎn)鉆頭，相反，本發(fā)明可以利用由任何方法制造 的旋轉(zhuǎn)鉆頭進(jìn)行實(shí)施。通常，本發(fā)明的錐形表面的布置和構(gòu)造可以提供有效的機(jī)構(gòu)以使 桿相對(duì)于鉆頭體定位，從而為其間的焊接做準(zhǔn)備。另外，縱向、通常 軸向力可以施加到如上所述的桿或鉆頭體上，從而在有或沒(méi)有位于其 間的可變性元件的情況下促進(jìn)桿相對(duì)于鉆頭體的定位或定中心。同樣， 可以施加縱向力以在與焊接桿到鉆頭體上相關(guān)的組件中產(chǎn)生希望的應(yīng) 力狀態(tài)。縱向力可以通過(guò)柱塞或其它力產(chǎn)生裝置由外部施加。另一方 面，只相對(duì)于定位而言，桿和鉆頭體的錐形表面可以如此構(gòu)造和設(shè)置 尺寸，使得桿的重量(在其縱向布置在鉆頭體上面時(shí))促進(jìn)其相對(duì)于 鉆頭體(在其下降時(shí))的定位和定中心。在這種構(gòu)造中，桿可以是"自動(dòng)定心的"。另外，盡管上述說(shuō)明描述了剖視圖形式的"錐形表面"，這意味著 連續(xù)的環(huán)形表面，例如截頭圓錐形表面，本發(fā)明考慮錐形表面可以包括更一般地逐漸減小的特征，其可以是或可以不是連續(xù)的，并且在橫 截面中可以為或可以不為直線(xiàn)性的。同樣地，盡管上述說(shuō)明和描述意 味著環(huán)形焊槽，但是本發(fā)明可以考慮許多可選方案。例如，本發(fā)明的 多道焊縫可以通常與構(gòu)造為在桿和鉆頭體之間形成焊接連接的區(qū)域相 關(guān)地形成，而沒(méi)有什么限制。更具體地，本發(fā)明考慮互補(bǔ)的縱向凹槽可以在桿和鉆頭體兩者的 配合端部上形成以彼此焊接在一起。換句話(huà)說(shuō)，桿和鉆頭體兩者的縱 向配合端部可以包括花鍵，其可以定位以形成縱向焊槽。在這種構(gòu)造 中，各自的焊縫可以形成在每個(gè)對(duì)準(zhǔn)的縱向焊槽中。但是，在這種構(gòu) 造中，本發(fā)明的多道焊縫可以形成在縱向烊槽內(nèi)。更具體地，在這種 構(gòu)造中，第一焊縫可以起始于第一周向位置，第二焊縫可以起始于與 第一周向位置隔開(kāi)的周向位置。隨后的每個(gè)焊縫可以起始于各自的周向位置，其與前一焊縫的起始位置相隔至少大約90。。圖5A顯示了在進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的焊接之前的旋轉(zhuǎn)鉆頭610的透 視圖。旋轉(zhuǎn)鉆頭610通?？梢园ㄣ@頭體623,其包括多個(gè)縱向延伸 的刀翼614,所述刀翼614界定位于其間的排屑槽616并具有沿旋轉(zhuǎn) 鉆頭610的鉆頭面徑向延伸的引導(dǎo)或切削面618。鉆頭體623可以包 括多個(gè)固定到其上的切削元件620，以在旋轉(zhuǎn)鉆頭610旋轉(zhuǎn)時(shí)切削地 下巖層。切削元件620只作為圖解說(shuō)明之用，因?yàn)樗鼈兛梢园凑諅鹘y(tǒng) 的方式在桿634焊接到鉆頭體623上之后固定到鉆頭體623上。根據(jù) 本發(fā)明，桿634可以包括具有小于大約0.35%的碳當(dāng)量的材料。例如， 可以使用AISI 4130鋼、AISI 4130MOD鋼或具有小于大約0.35%的 碳當(dāng)量的任何材料，但不限于此。每個(gè)刀翼614可以界定與每個(gè)刀翼 614的保徑612相對(duì)應(yīng)的縱向延伸的保徑部分622,根據(jù)旋轉(zhuǎn)鉆頭610 的大致最大直徑部分設(shè)置所述保徑部分的尺寸。旋轉(zhuǎn)鉆頭610的縱向 上端617包括螺紋部分或銷(xiāo)625以將旋轉(zhuǎn)鉆頭610螺紋附接到鉆柱上， 如本領(lǐng)域已知的那樣。另外，鉆孔液可以通過(guò)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭610 表面上的噴嘴636輸送。桿634包括與鉆頭體623的縱向凹槽660相對(duì)應(yīng)的縱向凹槽650。另外，桿634可以包括錐形特征670,其可以根據(jù)圖2A、 2B和3A-3G 中描述的任何一個(gè)實(shí)施例構(gòu)造，并且只是出于方便目的，所述錐形特 征稱(chēng)作突起部。當(dāng)然，鉆頭體623可以包括互補(bǔ)的錐形特征(未顯示)， 只是出于方便目的，所述互補(bǔ)的錐形特征可以稱(chēng)作凹槽。當(dāng)桿634和 鉆頭體623裝配時(shí)，桿634的縱向凹槽650和鉆頭體623的縱向凹槽 660可以周向定位。圖5B顯示了桿634的縱向凹槽650和鉆頭體623 的縱向凹槽660的局部頂部剖視圖，其中縱向凹槽650和660豎向重 疊和周向定位。這種定位可以形成焊槽655，如圖5B所示。另外，根據(jù)本發(fā)明，多道焊縫可以形成在焊槽655內(nèi)。第一焊縫 680在圖5B中顯示為處于周向起始位置682，并且可以在對(duì)準(zhǔn)的縱向 凹槽650和660內(nèi)縱向延伸。第二焊縫681可以形成在周向起始位置 683,其與第一焊縫680的周向起始位置683隔開(kāi)至少90°，如相對(duì)于 縱軸661的夾角e所示。隨后的焊縫(未顯示)可以如此定位，使得 每個(gè)隨后的周向起始位置與前一個(gè)焊縫的周向起始位置隔開(kāi)。本發(fā)明考慮和包括許多可選的實(shí)施方案。例如，通過(guò)使桿和/或鉆 頭體中的螺旋形花鍵或凹槽對(duì)準(zhǔn)而形成焊縫區(qū)域。另外，盡管本發(fā)明 的多道焊縫可以根據(jù)前一和后一焊縫進(jìn)行描述，如上文所述，但是可 以考慮，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)焊縫可以大體上通過(guò)施加多個(gè)熱源和將 焊接材料放置在焊縫區(qū)域內(nèi)的一個(gè)以上的位置處而同時(shí)形成。在這種 構(gòu)造中，同時(shí)形成的焊縫可以相對(duì)于與其同時(shí)形成的任何其它焊縫作 為后一或前一焊縫，而沒(méi)有什么限制。例如，無(wú)限制地，本發(fā)明考慮 兩個(gè)焊縫可以大體上同時(shí)形成，以至少大約90。的夾角隔開(kāi)。另外， 例如，無(wú)限制地，本發(fā)明考慮三個(gè)焊縫可以大體上同時(shí)形成，其中三 個(gè)焊縫中的至少兩個(gè)焊縫以至少大約90°隔開(kāi)。這種構(gòu)造可以提高焊 接設(shè)備的成本，但是還可以提高焊接工藝的速度或性能，并且進(jìn)一步 減少可能由焊接引起的桿和鉆頭體錯(cuò)位的任何趨勢(shì)。盡管本發(fā)明已經(jīng)相對(duì)于特定的優(yōu)選實(shí)施例在此進(jìn)行了描述，但是 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)考慮和認(rèn)識(shí)到本發(fā)明不限于此。相反，在 不脫離如下文要求保護(hù)的本發(fā)明范圍的情況下，可以對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行多種增加、刪除和改變。另外， 一個(gè)實(shí)施例的特征可以與另一個(gè)實(shí) 施例的特征結(jié)合，但仍然處于由本發(fā)明人考慮的發(fā)明范圍內(nèi)。另外， 本發(fā)明在具有不同和各種鉆頭外形及切削刃類(lèi)型的鉆頭和核心鉆頭中 具有實(shí)用性。
權(quán)利要求
1.一種用于鉆進(jìn)地下巖層的旋轉(zhuǎn)鉆頭，包括鉆頭體，其具有中心線(xiàn)并包括用于在鉆進(jìn)期間接觸地層的前端；桿結(jié)構(gòu)，包括至少一個(gè)錐形特征，其與鉆頭體的至少一個(gè)互補(bǔ)特征配合地接合并且至少部分地使所述桿結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述鉆頭體定位；和后端，其具有與其相關(guān)、用于將旋轉(zhuǎn)鉆頭連接到鉆柱上的結(jié)構(gòu)；焊縫區(qū)域，其大體上由所述桿結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)表面和所述鉆頭體的至少一個(gè)表面形成；多道焊縫，其將所述桿結(jié)構(gòu)固定到大體布置在所述焊縫區(qū)域內(nèi)的鉆頭體上，包括第一多個(gè)焊縫，包括起始于第一周向位置的第一焊縫；和起始于第二周向位置的第二焊縫；其中，所述第二周向位置和第一周向位置相對(duì)于所述鉆頭體的中心線(xiàn)隔開(kāi)至少大約90°；和固定到所述鉆頭體上的至少一個(gè)切削元件。
2. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述桿結(jié)構(gòu)包括具有小 于大約0.35%的碳當(dāng)量的材料。
3. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述多道焊縫呈現(xiàn)一應(yīng) 力狀態(tài)，其至少部分地響應(yīng)于在多道焊縫形成期間施加在所述桿結(jié)構(gòu) 的至少一個(gè)錐形特征和所述鉆頭體的至少一個(gè)互補(bǔ)特征之間的作用 力。
4. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述焊縫區(qū)域包括大體 上環(huán)形槽。
5. 如權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述第一焊縫和第二焊 縫周向延伸。
6. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述焊縫區(qū)域包括多個(gè) 焊槽，其通過(guò)桿結(jié)構(gòu)的縱向凹槽和鉆頭體的縱向凹槽的周向?qū)?zhǔn)而形 成。
7. 如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述第一焊縫和第二焊 縫在所述桿結(jié)構(gòu)和鉆頭體的相應(yīng)的、周向定位的縱向凹槽內(nèi)縱向延伸。
8. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述桿結(jié)構(gòu)的一部分布 置在形成于所述鉆頭體內(nèi)的腔室中。
9. 如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述鉆頭體的至少一個(gè) 互補(bǔ)特征形成所述腔室的至少一部分。
10. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，還包括至少一個(gè)其它焊縫， 其中，所述至少一個(gè)其它焊縫的周向起始位置與所述第二焊縫的第二 周向位置隔開(kāi)至少大約90°。
11，如權(quán)利要求10所迷的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述至少一個(gè)其它焊 縫包括第二多個(gè)焊縫；其中，第二多個(gè)焊縫中的每一個(gè)分別包括周向起始位置；并且 其中，第二多個(gè)焊縫中的每一個(gè)的周向起始位置與其前一個(gè)焊縫 的周向起始位置隔開(kāi)至少90°。
12. 如權(quán)利要求ll所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述第一多個(gè)焊縫中 的焊縫的周向起始位置和第二多個(gè)焊縫的焊縫的周向起始位置相對(duì)于 焊縫區(qū)域的周邊大體上對(duì)稱(chēng)地定位。
13. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，還包括布置在桿結(jié)構(gòu)和鉆頭 體之間的可變形元件。
14. 如權(quán)利要求13所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述可變形元件具有 產(chǎn)生于所述桿結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)表面和所述鉆頭體的一個(gè)或多個(gè)表面 之間的壓緊力。
15. 如權(quán)利要求13所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述多道焊縫具有一 應(yīng)力狀態(tài)，其至少部分地響應(yīng)于產(chǎn)生在所述桿結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)表面 和所述鉆頭體的一個(gè)或多個(gè)表面之間的應(yīng)力。
16. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述鉆頭體的至少一 個(gè)互補(bǔ)特征形成位于內(nèi)部的腔室。
17. 如權(quán)利要求16所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其中，所述桿結(jié)構(gòu)的一部分 布置在形成于所述鉆頭體內(nèi)的腔室中。
18. —種制造旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，包括提供桿結(jié)構(gòu)，用于將旋轉(zhuǎn)鉆頭附接到鉆柱上，所述鉆柱構(gòu)造有用于定位所述桿結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)錐形特征；提供具有端部的鉆頭體，所述端部構(gòu)造為鉆進(jìn)地下巖層，所述鉆頭體包括用于使所述桿結(jié)構(gòu)相對(duì)于鉆頭體定位的至少一個(gè)互補(bǔ)特征； 通過(guò)使所述桿結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)錐形特征與所述鉆頭體的至少一個(gè)互補(bǔ)特征配合地接合，以及界定位于所述桿結(jié)構(gòu)和所述鉆頭體之間的焊縫區(qū)域以使所述桿結(jié)構(gòu)定位；形成第一焊縫，其起始于所述焊縫區(qū)域內(nèi)的第一周向位置； 形成至少第二焊縫，其起始于所述焊縫區(qū)域內(nèi)的第二周向位置； 其中，所述第二周向位置和第一周向位置相對(duì)于所述鉆頭體中心線(xiàn)隔開(kāi)至少大約90°。
19. 如權(quán)利要求18所述的制造旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，其中，提供桿結(jié) 構(gòu)包括提供由具有小于大約0.35%的碳當(dāng)量的材料制成的桿結(jié)構(gòu)。
20. 如權(quán)利要求18所述的制造旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，其中，形成第一 焊縫和形成至少第二焊縫包括大體上同時(shí)形成第一焊縫和至少第二焊 縫。
21. 如權(quán)利要求18所述的制造旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，還包括在形成第 一焊縫時(shí)，在所述桿結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)錐形特征和所迷鉆頭體的至少一 個(gè)互補(bǔ)特征之間施加壓緊力。
22. 如權(quán)利要求18所迷的制造旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，其中，所述鉆頭 體的至少一個(gè)互補(bǔ)錐形特征形成位于內(nèi)部的腔室。
23. 如權(quán)利要求22所述的制造旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，還包括將所述桿 結(jié)構(gòu)的一部分布置在形成于所述鉆頭體內(nèi)的腔室中。
24. 如權(quán)利要求18所述的制造旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，還包括將焊縫區(qū)域構(gòu)造為大體上環(huán)形槽。
25. 如權(quán)利要求18所述的制造旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，其中，形成至少 第二焊縫包括形成一個(gè)以上的焊縫，其中， 一個(gè)以上的焊縫中的每一 個(gè)分別包括周向起始位置；和使一個(gè)以上的焊縫中每一個(gè)的起始位置選擇為與其前一焊縫的周 向起始位置隔開(kāi)至少大約90°。
26. 如權(quán)利要求25所述的制造旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，其中，形成第一 焊縫和一個(gè)以上焊縫中的每一個(gè)包括形成周向延伸的焊縫。
27. 如權(quán)利要求18所述的制造旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，其中，通過(guò)使所 述桿結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)錐形特征與所述鉆頭體的至少一個(gè)互補(bǔ)特征配合 地接合而使所述桿結(jié)構(gòu)定位包括使位于桿結(jié)構(gòu)和鉆頭體之間的可變形 元件變形。
28. 如權(quán)利要求18所述的制造旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，還包括在無(wú)需使 至少桿結(jié)構(gòu)預(yù)先加熱的情況下形成第一焊縫和至少第二焊縫。
29. —種制造旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法，包括 提供用于將旋轉(zhuǎn)鉆頭附接到鉆柱上的桿結(jié)構(gòu)； 提供鉆頭體，其具有構(gòu)造為鉆進(jìn)地下巖層的端部；之間的焊縫區(qū)域；和在不對(duì)至少桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)先加熱的情況下，在所述焊縫區(qū)域內(nèi)形 成至少一個(gè)焊縫。
30. —種用于鉆進(jìn)地下巖層的旋轉(zhuǎn)鉆頭，包括鉆頭體，其具有中心線(xiàn)并包括用于在鉆進(jìn)期間接觸地層的前端；桿結(jié)構(gòu)，包括與鉆頭體的互補(bǔ)的截頭圓錐形特征配合地接合的至 少一個(gè)截頭圓錐形特征；焊槽，其大體上由所述桿結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)表面和所述鉆頭體的至 少一個(gè)表面形成；至少一個(gè)焊縫，其將所述桿結(jié)構(gòu)固定到大體布置在所述焊槽內(nèi)的 鉆頭體上；和固定到所述鉆頭體上的至少 一個(gè)切削元件。
31. —種用于旋轉(zhuǎn)鉆頭的桿結(jié)構(gòu)，包括用于接合鉆頭體的互補(bǔ)特征的至少一個(gè)特征；后端，其具有與其相關(guān)、用于將旋轉(zhuǎn)鉆頭連接到鉆柱上的結(jié)構(gòu);并且其中，所述桿結(jié)構(gòu)包括具有小于大約0.35%的碳當(dāng)量的材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于旋轉(zhuǎn)鉆頭的桿構(gòu)造，其用于使桿相對(duì)于鉆頭體定位。桿的錐形表面或特征可以構(gòu)造和大小設(shè)置為與鉆頭體的互補(bǔ)形狀的表面或特征配合地接合，從而以所述鉆頭體為中心或相對(duì)于其定位。可變形元件可以設(shè)置在桿和鉆頭體之間。同樣，桿可以包括具有小于大約0.35％的碳當(dāng)量的材料?？梢允褂枚嗟篮缚p工藝以使桿和鉆頭體彼此固定，其中焊縫可以形成，使得一個(gè)焊縫起始于周向位置，所述周向位置與其前一焊縫的周向起始位置隔開(kāi)至少大約90°。另外，在多道焊縫中產(chǎn)生應(yīng)力狀態(tài)。本發(fā)明還公開(kāi)了一種制造方法。
文檔編號(hào)E21B10/54GK101218413SQ200680014842
公開(kāi)日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月25日
發(fā)明者A·F·扎蘭德尼克, A·J·馬西, D·E·魯夫, D·V·羅伯茨, E·C·沙利文, R·S·史密斯 申請(qǐng)人:貝克休斯公司