專利名稱：改進切削刀具尺寸圖型的鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及到如當鉆油或類似物時切入巖層的固定切削鉆頭，尤其是本發(fā)明涉及到裝在鉆頭面上的切削件的排列。
一般地，固定切削鉆頭包括由鉆頭體的表面伸出的切削件和切削件的切削刃，該切刃排列成一個一般從鉆頭中心徑向朝外延伸的切削輪廓。相對于鉆中心軸，切削件放置在選定的徑向位置上，從而在鉆頭旋轉(zhuǎn)時，每個切削件在巖層上切出一個槽或切口。在通常切削刃排列中，切削件的輪廓是這樣的，即相鄰切削件的切削刃在從鉆中心軸徑向地朝外進展時彼此是重疊的。在鉆孔期間個別切削件的切削刃被磨損時，人們企圖設(shè)想一種從一切削件至下一切削件提供相對于平的和單一連續(xù)切削刃的輪廓。當然，這種磨損影響了鉆頭有效鉆孔的穿透率。
在美國專利5033560中示出了現(xiàn)有鉆頭的實例。它公開了一具有徑向翼，在每個翼上的切削件尺寸不同的固定切削鉆，然而在任一徑向位置中，所有切削件尺寸是相同的。在專利4602691(RE33757)中，公開了一使用不同尺寸和形狀的切削件的固定切削鉆頭，特別是，在間隔的徑向位置處的銳利切削件在巖層中切出小凸起的切口，其后，圓的或鈍的切削件跟隨在相鄰的徑向位置處并在切口之間移去巖層。
美國專利4913244公開了在不同徑向位置處的不同尺寸的切削刀具，大直徑切削刀具位于鉆的中心軸和軌距之間，小直徑軌距切削刀具位于鉆體的圓周處。
本發(fā)明的主要目的是提供一種不同相關(guān)尺寸的切削刀具的新排列，從而即使鉆磨損時，在鉆的旋轉(zhuǎn)輪廓中的切削刀件在每一徑向位置處有效地保持或改善帶有攻擊性切削末端的切削刃。更特別地，本發(fā)明旨在完成上述在每一徑向位置的不同尺寸組中排列切削件，使得從一徑向組至下一個的切削件的邊緣以在每一徑向位置處保持或生產(chǎn)攻擊性切削末端的速率磨損，即使在切削件磨損時仍能鉆透巖層。
更詳細地說，在每一徑向輪廓位置處本發(fā)明提供大的和小的切削件，其中，較小直徑切削件輪廓被包含在整個大直徑切削件的輪廓內(nèi)，并且，在多個相鄰組之間僅僅大直徑切削件的輪廓彼此重疊。
本發(fā)明的一個附加優(yōu)點是在鉆的切削末端磨損的情況下，具有克服鉆晃動的較大的穩(wěn)定性。
從下面的結(jié)合附圖所描述的本發(fā)明的最佳型式中，本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點將變得更加清楚。


圖1是體現(xiàn)本發(fā)明新特點的固定切削鉆頭端部的平面圖。
圖2是示出了本發(fā)明鉆頭的切削件集中在鉆頭中心軸一側(cè)上的旋轉(zhuǎn)輪廓的正視圖;
圖3是表明相對于鉆頭中心軸，每一翼的切削件輪廓徑向位置的正面分開情況示意圖，圖4是圖2部分表明切削件徑向相鄰組重疊情況的放大圖;
圖5，6和7是類似于圖4的本發(fā)明替換實施例圖。
為了說明起見如圖所示，本發(fā)明的一個固定切削鉆頭10具有帶鼻部13的主體11，鼻部13包括多個裝在其上，用于鉆透巖層材的切削刀件14，15和16，特別地是，這些刀件按徑向延伸列分別裝在三個通常徑向延伸翼18、19和20上，這些翼與主體的表面形成一整體，從靠近鉆的旋轉(zhuǎn)軸24的鼻中心區(qū)向外延伸。在這些翼之間，是與一個內(nèi)通道23(見圖2)相連接的管嘴21，該內(nèi)通道23穿過鉆頭體并與鉆桿柱相連接，通過鉆桿柱和通道供給的鉆液排出管嘴并直接進入到這些翼之間的空間，跨過這些翼沖掉鉆頭旋轉(zhuǎn)時從切削件14、15和16的前邊切下的巖層。
為了插進巖層，切削件14、15和16按相對于鉆10的中心軸24所選定的徑向位置安裝在翼18、19和20上，如圖2所示，在同一徑向位置上的切削件被標以同一字母。具體地，每一個切削件用一根其延伸垂直于鉆面的軸25定位，使在每一個徑向位置上的切削件的切削刃26末端22在旋轉(zhuǎn)輪廓上彼此成一列。在這里，切削件的末端就是通常是切削刃的最低點或區(qū)域或者切削刃沿施加到正被切削件切削的巖石上的最大法向力上的點或區(qū)域。在圖1-4圖解的本發(fā)明的典型形式中，由于鉆頭旋轉(zhuǎn)，翼圍繞著由切削件切出的鉆孔的底部掃過，切削件處在每一個用來在巖層中切開一個槽或切口的徑向位置上。
按照本發(fā)明的主要目的，在整個鉆頭10磨損使用壽命期間，在每個選定徑向位置上的切削刀具14、15和16保持住攻擊性切削刃26。這可以通過在每個徑向位置上使用具有小到大直徑切削面的并彼此間隔開相鄰位置的一組不同尺寸的切削件來實現(xiàn)，使得僅僅大直徑切削件的面區(qū)29在輪廓上重疊(見圖4)。在這種方式中，在重疊區(qū)29之外的大直徑切削件的邊區(qū)27比切削件的末端磨損的更快，優(yōu)點是這樣能保持住每組的切削件末端十分銳利的切入到巖層中并在整個鉆頭使用壽命期間能保持高穿透率。應(yīng)理解到，這種方式實質(zhì)上優(yōu)于同一尺寸的多余切削件的排列的原因在于，隨著這些切削件磨成一個圓滑的外形趨向于形成切削輪廓。在切削件的相鄰徑向位置之間的鉆孔底部沒有隆起的巖層，每個切削件的切削刃的全部長度被迫沖擊高壓的巖層料。
在本發(fā)明實例中，翼18(見圖1和圖3)包括依次位于徑向位置B至I上的交錯的大小切削件14L和14S。在翼19上，中等尺寸的切削件15M被定位在每個徑向尺寸A至I上，而在翼20上，切削件再次大小交錯排列，但在位置A上用一大直徑切削件。這樣，設(shè)想在圖3所示的典型輪廓位置C上，當鉆旋轉(zhuǎn)時，切削件14開始動作，首先，用一個小直徑切削件14S在巖層中切出一個槽或切口，然后用中等尺寸的切削刀具15M，最后用大直徑的切削件16L。
這里，小、中和大直徑切削件具有1/2″，3/4″和1″直徑的切削面。在每組切削件的工作末端，根據(jù)切削面的直徑，切削刃具有不同的工作長度或刈幅(swath)，這樣，小、中和大切削面的切削刃具有跨越各自的小、中和大刈幅的切削刃。
尤其是，每組切削件的旋轉(zhuǎn)輪廓的切削面沿同一軸25對中，以使得當與軸25相交時每個面的切削刃26末端22的最低區(qū)域與鉆面隔開同樣的距離。并且，相鄰裝置的切削面的軸25彼此徑向地間隔開，使僅僅大直徑切削件在輪廓上重疊。如圖4所示，相鄰切削件軸25之間的徑向間隔是這樣的，即每個大直徑切削件的切削刃一般正切于相鄰的中等直徑切削件的切削刃。在圖4中，該切點用序號30表示，結(jié)果相鄰的大直徑切削件存在用序號29表示的橢圓形重疊磨損區(qū)，靠近這個雙磨損區(qū)是兩個用序號27表示的單磨損翼形區(qū)。
有利的是，在每一徑向位置上，具有上述三種不同尺寸的切削件14、15和16排列組的情況下，切削件的切削刃26被作為鉆孔期間的攻擊性切削刃。這是因為切削件的磨損直接取決于在鉆孔期間可能被磨掉的切削刃材量。在軸25的離散的徑向位置上的小、中和大直徑的每個切削件帶有集聚的切削刃材，在這些徑向位置上的磨損比起兩軸25間的切削件沒有重疊處的磨損要小，而且較少材料就耐磨。這樣，在單磨損區(qū)27中，較大的切削件的邊部磨損了，而切削刃的末端22仍保持相當好的形狀，以便攻擊性地切入到巖層材料中。
本發(fā)明的替換形式一般按圖4所知的同樣方式示意性地在圖5-7中示出，即這些要描述的切削件組表示任何一個或數(shù)量的切削組可位于相對于鉆軸的在徑向位置上的鉆面上，尤其參考圖5，在相對于鉆軸49的徑向間隔位置上示意性地示出了兩個不同的切削件組A和B的輪廓。在徑向的最外組B中，較小的切削件50和51被安排在相對于鉆軸的徑向間隔位置上，切削件50輪廓的一半大致與切削件51的輪廓相重疊，而切削件50和51的兩個輪廓都定位在大切削件53的輪廓內(nèi)，相應(yīng)地，大切削件53的切削刃56末端54在較小切削件50和51的末端56和57之間徑向?qū)χ?。結(jié)果，在較大件的末端處存在一單磨損區(qū)59，在較小的切削件50和51輪廓彼此不重疊的像月牙狀的區(qū)內(nèi)存在雙磨損區(qū)60和61，在較小切削件輪廓彼此重疊的區(qū)內(nèi)存在一個三磨損的橢圓區(qū)63，這種排列的優(yōu)點是，當放下鉆頭并開始使鉆頭工作時，組B被認為以這樣一種方式動作，即單磨損區(qū)59與雙磨損區(qū)60和61及在巖層中形成一個脊的相對側(cè)上以穩(wěn)定方式動作的較小切削件50和51的末端56和57均很快被磨損。由于雙磨損區(qū)60和61被磨損，在三重疊輪廓區(qū)63下端處形成一個新攻擊性的三磨損末端64并在整個鉆頭使用壽命期間均保持住。
為了在專門區(qū)域增加需磨性，而在較大的切削件的輪廓內(nèi)定位不同尺寸的切削件，圖5中的切削刀具組A被徑向向內(nèi)地與切削刀具組B間隔開，并在較大的切削刀具66輪廓內(nèi)的一徑向位置上具有至少一個較小直徑的切削刀具65和一個中等直徑輪廓的切削件67。實際上，大和中等尺寸的切削件66和67的重疊的切削刃70和71確定了一個雙磨損切削刃69，它位于這兩個切削件的末端73和74之間的中心，一個三磨損區(qū)75由所有3個切削件65，66和67輪廓的重疊區(qū)所確定。
另一種輪廓磨損排列在具有小、中和大直徑切削件80，81和83輪廓的圖6中示出，它們依次地彼此重疊而各自的切削刃末端84，85和86的任何一個沒有原始重疊，用這種排列，在大直徑切削件的切削刃89和中等尺寸的切削件81的切削刃90之間的輪廓區(qū)87中有一個單磨損區(qū)。類似地，在較小和中等切削件80和81的切削刃93和90之間的輪廓區(qū)91相應(yīng)地有一個雙磨損區(qū)。在這種排列中，切削刃93，90和89的末端84，85和86沿其共同軸94成一直線，并且隨著切削件的尺寸變小，彼此逐漸地靠近鉆體表面地間隔開。這樣，在圖6示出的這組切削件的初始磨損是快速地，以及當軸向地朝向鉆頭表面時磨損減弱。同時，輪廓中的磨損區(qū)變小了，并且沿著軸94更集中了，從而當切削件朝鉆面方向磨損時，確定一個越來越更攻擊性的切削末端。
還有一個切削件輪廓圖型排列被示出在圖7中，它分別具有兩個表示徑向間隔開的由大和較小的切削件95和96組成的組C和D，在每個這樣排列的組中，兩個較小切削件96的輪廓被包圍在一個較大切削件95的輪廓內(nèi)，尤其是在每個組中，兩個較小的切削件具有同樣尺寸，每一個距離較大的切削件的軸97的距離是相等的，相對于大切削件的軸，其中一個較小的切削件朝鉆軸98的方向被隔開，而另一個則遠離鉆軸的被隔開。并且，兩切削刃100的末端99的朝鉆面的方向離開大切削件的切削刃101，在大切削件的每側(cè)上，每個較小的切削件的切削刃區(qū)102與該側(cè)的大切削件的切削刃101重合。這樣，當在這種排列的每組中的切削件開始鉆入到巖石中時，大切削件95的末端103很快地被磨損，其后，在大的和較小的切削件的生命部分形成攻擊性切削刃末端102。
根據(jù)上述觀點應(yīng)理解本發(fā)明引起技術(shù)上一種在鉆表面上排列不同尺寸切削件的新穎概念，使得當鉆頭磨損時，切削件的末端以一種方式磨損，以便在一組不同尺寸的切削件的每個徑向位置處產(chǎn)生或改進攻擊性的切削刃末端，雖然本發(fā)明的替換實施例正如上述的一樣，通常涉及到一種專門尺寸的小、中或大的單個切削件，但應(yīng)認為，對于專門尺寸的切削件來說，圖中所包括的典型輪廓不會是每種尺寸的定位在任何一徑向位置上的切削件的多余數(shù)目。所以，任一徑向位置上的磨損區(qū)，例如這里歸類的單、雙和三磨損區(qū)僅僅意味著識別專門尺寸的切削件的重疊輪廓數(shù)目，而不涉及在任一徑向位置上的切削件的數(shù)目。
權(quán)利要求
1.一種固定切削鉆頭，它的主體上有許多從主體上伸出的相對大和較小尺寸的切削件，用于在鉆頭圍繞它的軸旋轉(zhuǎn)時切入巖石，所述切削件相對于主體的軸彼此以第一和第二組的徑向間隔開地裝在所述鉆體上，每組切削件包括大、小尺寸的相互成角度間隔開的切削件，其中相對于所述鉆軸有徑向定位輪廓的較小切削件實際上在被大切削件的部分輪廓所圈定的環(huán)狀區(qū)內(nèi)，其內(nèi)，徑向相鄰組的任何切削件的輪廓沒有重疊。
2.按照權(quán)利要求1的鉆頭，其特征在于所述的徑向相鄰某一組內(nèi)的大切削件具有彼此局部重疊的輪廓。
3.按照權(quán)利要求1或2的鉆頭，其特征在于所述的主體有一鼻區(qū)，其上裝有從其表面上伸出的多個切削件，用于當所述鉆圍繞它的軸旋轉(zhuǎn)時切入巖石，較小尺寸的切削件具有切入巖石材料的相對小刈幅切刃的切削面，大切削具件切入巖石材料的相對大刈幅切刃的切削面，在那里的每個組中，實際上小刈幅切削件的切削面的旋轉(zhuǎn)輪廓全部被在那兒的大刈幅切削件的切削面覆蓋，在第一和第二組中大刈幅切削件的切削面包括其旋轉(zhuǎn)輪廓彼此重疊的區(qū)域，在第一和第二組之一的大刈幅切削件與第一和第二組另一個中的小刈幅切削件之間實際沒重疊。
4.按照權(quán)利要求3的鉆頭，其特征在于至少一組切削件還具有一中等尺寸的面的中等刈幅的切削件，相對于所述的小和大刈幅，該切削件具有旋轉(zhuǎn)輪廓為中等尺寸刈幅的切削刃，在所述的至少一組中的小刈幅切削件的切削面，實際上被那兒的中等尺寸的切削面全部覆蓋了旋轉(zhuǎn)輪廓。
5.按照權(quán)利要求3的鉆頭，其特征在于至少一個組的切削件包括一個與上述說過的第一小刈幅切削件徑向隔開的第二小刈幅切削件，在至少一組切削件內(nèi)，兩個第一和第二小刈幅切削件的切削面，實際上被在那兒的大刈幅切削件的切削面全部覆蓋住旋轉(zhuǎn)輪廓。
6.按照權(quán)利要求5的鉆頭，其特征在于第一和第二小刈幅切削件切削面包括旋轉(zhuǎn)輪廓彼此重疊的區(qū)域。
7.按照權(quán)利要求5的鉆頭，其特征在于第一和第二小刈幅切削件的切削面，在大刈幅切削件的旋轉(zhuǎn)輪廓內(nèi)彼此徑向地隔開。
8.按照權(quán)利要求3的鉆頭，其特征在于在每組中的大和小刈幅切削件的每個切削刃包括一切削刃末端，在至少一組中小刈幅切削刃末端輪廓與大刈幅切削刃的一部分是重合的。
9.按照權(quán)利要求8的鉆頭，其特征在于在一組切削件中的大和小刈幅切削刃末端輪廓實際上在彼此的里面是重疊的。
10.按照權(quán)利要求8的鉆頭，其特征在于其中的一組切削件包括一組至少帶有兩個小刈幅切削刃末端的小刈幅切削件，其切削刃末端的輪廓彼此徑向隔開，大刈幅切削刃末端被徑向地位于兩個小刈幅切削刃末端之間。
11.按照權(quán)利要求3的鉆頭，其特征在于每組中的大小刈幅切削件的每個切削刃包括一切削刃末端，在至少一組中，大和小刈幅切削刃末端離開所述鉆體的表面不同的距離。
12.按照權(quán)利要求11的鉆頭，其特征在于大刈幅切削刃末端比所述小刈幅切削刃隔開所述主體的表面距離大些。
13.按照權(quán)利要求1或2的鉆頭，其特征在于，主體有一鼻區(qū)，包括許多通常傾斜間隔的徑向翼，一個翼包括裝在所述鼻區(qū)上的形成第一行切削件的一組切削件，它從鼻區(qū)的中心徑向朝外地向鉆體的圓周伸展，第一行切削件相對于鼻中心沿第一翼在間隔開的徑向位置上具有交替的大小面積切削面，第二翼上具有實質(zhì)上與第一翼上一樣的較大和較小面積切削面的第二個類似的切削件行，但與第一翼上的切削件的較大和較小直徑切削面的相應(yīng)徑向布置相反。
14.按照權(quán)利要求13的鉆頭，包括相對于第一和第二徑向翼的位于鉆體的鼻上的第三徑向翼，第三翼上裝有第三行切削件，第三行切削件相對于第一和第二切削件的尺寸具有中等面積的切削面，并相對于第一和第二切削件位于共同徑向位置中。
全文摘要
一種固定切削鉆頭，它的主體上有許多從主體上伸出的相對大和較小尺寸的切削件，用于在鉆頭圍繞它的軸旋轉(zhuǎn)時切入巖石，所述切削件相對于主體的軸彼此以第一和第二組的徑向間隔開地裝在所述鉆體上，每組切削件包括大、小尺寸的相互成角度間隔開的切削件，其中相對于所述鉆軸有徑向定位輪廓的較小切削件實際上在被大切削件的部分輪廓所圈定的環(huán)狀區(qū)內(nèi)，其內(nèi)，徑向相鄰組的任何切削件的輪廓沒有重疊。
文檔編號E21B10/42GK1102685SQ93109439
公開日1995年5月17日 申請日期1993年6月19日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月19日
發(fā)明者卡爾·維恩·凱斯, 羅伯特·伊弗森·克萊頓 申請人:裝飾工業(yè)公司