專(zhuān)利名稱(chēng)：用于土鉆鉆頭減少追跡的切削結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及土鉆鉆頭，尤其涉及具有設(shè)置用于減少追跡的 切削元件的旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭。
背景技術(shù)：
滾子式牙輪土鉆鉆頭具有多個(gè)牙輪，典型地為三個(gè)，每個(gè)可旋轉(zhuǎn) 地安裝到軸承銷(xiāo)中。當(dāng)鉆頭本體繞著鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)牙輪繞著 其軸線旋轉(zhuǎn)。所述牙輪具有多排切削元件，所述切削元件可以是集成 形成在牙輪金屬上的齒，或壓入牙輪金屬配合孔中的碳化鎢鑲嵌件。
每個(gè)牙輪將具有在牙輪計(jì)量表面附近的最外或后排和一個(gè)或多個(gè) 內(nèi)排。 一個(gè)或多個(gè)牙輪將具有位于牙輪鼻部附近或牙輪鼻部上的切削 元件。在一些情形中，在最靠近后排的鄰近排中的鑲嵌件將與后排中 的鑲嵌件交錯(cuò)著或交替著。
每個(gè)牙輪的內(nèi)排設(shè)置在與鉆頭軸線成不同距離處，用于切削井孔 底部的不同部位。通常，至少兩個(gè)牙輪將具有后排，所述后排位于與
鉆頭軸線成基本相同的距離處。 一些鄰近排可以與鉆頭軸線成大致相 同的距離。當(dāng)所有三個(gè)牙輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)入單個(gè)剖面時(shí)，這些后排和一些鄰 近排鑲嵌件將至少部分地互相疊加或重疊。所述內(nèi)排通常從鉆頭軸線 間隔開(kāi)不同的距離，以覆蓋井孔底部的剩余部分。
當(dāng)不同牙輪的鑲嵌件排互相重疊時(shí)，可能導(dǎo)致追跡。也即，所述兩個(gè)或更多個(gè)牙輪的鑲嵌件在那些排中傾向于進(jìn)入井孔底部的相同孔
中，在底部上建立突脊(ridge )。這些突脊是有害的，因?yàn)樗鼈兡軌?接觸牙輪的支撐金屬，減小作用于鑲嵌件上的載荷，并引起磨損。
在現(xiàn)有技術(shù)中采取了步驟以減小追跡。通常，鉆頭設(shè)計(jì)者試著提 供至少一個(gè)具有最大數(shù)量的鑲嵌件的后排，因?yàn)檫@些排比任何其他排 嵌合更多的井孔底部。該最大數(shù)量受到在牙輪本體中需要充足的支撐 金屬的限制。進(jìn)一步減小追跡的典型方法是提高另外一個(gè)牙輪的重疊 的后排中的間距。鑲嵌件中心線之間更寬的間距或距離傾向于破壞形 成在壓痕之間的突脊，所述壓痕由更近地間隔開(kāi)的后排鑲嵌件產(chǎn)生。 此外，鄰近排鑲嵌件以更寬間距的后排交錯(cuò)著。在可使用時(shí)，更大的 間距意味著鄰近排中更少的鑲嵌件。這降低了鄰近排的耐久性，并可 能導(dǎo)致建立在鄰近排鑲嵌件之間甚至更高的突脊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的土鉆鉆頭具有可旋轉(zhuǎn)地安裝到鉆頭本體上的第一、第二 和第三牙輪。每個(gè)牙輪具有多排切削元件，包括后排和鄰近排。第一 牙輪的后排具有與其他牙輪后排至少相等數(shù)量的切削元件。第二牙輪 的鄰近排具有第一牙輪后排至少90%的切削元件。第三牙輪的后排具 有比第一牙輪的后排大20-50%范圍的間距，以減少追跡。
在優(yōu)選實(shí)施例中，第一和第二牙輪后排的間距基本上相同。在一 個(gè)實(shí)施例中，第三牙輪的后排和鄰近排相互交錯(cuò)著，使得第三牙輪鄰 近排的切削元件的最外部和后排的切削元件的最內(nèi)部與鉆頭軸線的距 離基本相同。第二牙輪的后排和鄰近排也相互交錯(cuò)著。優(yōu)選地，第二 牙輪的鄰近排的切削元件從第二牙輪的支撐金屬中突出的量與所述第 一牙輪的后排基本相同。
在所示的實(shí)施例中，切削元件包括碳化鎢鑲嵌件，每個(gè)鑲嵌件具 有壓入到牙輪金屬的孔中的筒體。第一牙輪鄰近排的每個(gè)切削元件具 有的筒體直徑至少等于第一牙輪后排的切削元件的筒體直徑。優(yōu)選地，體直徑。


圖l是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的土鉆鉆頭的頂視配置圖。
圖2是圖1的土鉆鉆頭的局部配置圖，其中每個(gè)牙輪旋進(jìn)相同的面。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例中的土鉆鉆頭具有三個(gè)牙輪ll、 13和15。如 同這類(lèi)圖的慣例，在該圖中所示的第三牙輪15分割為兩個(gè)部分，而事 實(shí)上如同第一和第二牙輪一樣包括單一牙輪。用于牙輪11、 13和15 的名稱(chēng)"第一"、"第二"和"第三"是任意的而不以限制方式使用。例如， 為此，這里的牙輪15可以先認(rèn)為是第一牙輪。每個(gè)牙輪ll、 13和15 可旋轉(zhuǎn)地安裝到懸置于鉆頭本體的軸承銷(xiāo)(未示出)上。當(dāng)該鉆頭繞 著鉆頭軸線12旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)牙輪ll、 13和15繞著其牙輪軸線14旋 轉(zhuǎn)。
牙輪ll、 13和15具有多排切削元件，所述切削元件在本例中包 括壓入到鉆在牙輪本體金屬的孔中的碳化鵠鑲嵌件?？蛇x地，所述切 削元件可以包括車(chē)削在牙輪本體外部上的齒。在圖l的例子中，第一 牙輪11具有位于計(jì)量表面上的兩排計(jì)量鑲嵌件17，以嚙接被鉆進(jìn)的 孔的側(cè)壁。如圖2所示，這兩排計(jì)量鑲嵌件17相互交錯(cuò)著，從而在旋 轉(zhuǎn)進(jìn)入到相同剖面時(shí)表現(xiàn)為部分疊加的形式，盡管這可以改變。計(jì)量 鑲嵌件17具有平坦的外端，以使每個(gè)牙輪ll、 13和15的計(jì)量表面抗 磨損。
第一牙輪11也具有多個(gè)后排鑲嵌件19，它們位于與計(jì)量表面鄰 接的后部區(qū)域。牙輪ll、 13和15中的一個(gè)將提供有最大數(shù)量的后排 鑲嵌件，在本例中包括第一牙輪ll的后排19。在每個(gè)鑲嵌件19之間， 后排鑲嵌件19必須具有足夠的牙輪本體的支撐金屬。該支撐金屬和每 個(gè)鑲嵌件19的筒體直徑?jīng)Q定了可以安裝到第一牙輪11上的后排鑲嵌件19的數(shù)量。在本例中具有十七個(gè)后排鑲嵌件19，但是該數(shù)量可以 改變。
第一牙輪11具有鄰近排鑲嵌件21，該鄰近排鑲嵌件21是最靠近 后排鑲嵌件19的排。在本例中，每個(gè)鄰近排鑲嵌件21的每個(gè)部分比 后排鑲嵌件19的任何部分更靠近鉆頭軸線12。也即，如圖2所示， 當(dāng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入單個(gè)剖面時(shí)，它們不互相疊加或重疊。鄰近排鑲嵌件21 的數(shù)量也盡可能地選擇為最大水平，但是由于在該點(diǎn)上具有比在后排 19處更小的牙輪11本體周長(zhǎng)，因此只有十三個(gè)鄰近排鑲嵌件21。如 果需要，鄰近排鑲嵌件21可以與后排鑲嵌件19具有相同的直徑和相 同的切削端突起；然而，在本例中，鄰近排鑲嵌件21具有比后排鑲嵌 件19稍微更大的突起和直徑。第一牙輪11也具有內(nèi)排鑲嵌件23,與 鄰近排鑲嵌件21相比，所述內(nèi)排鑲嵌件23相當(dāng)大地更靠近鉆頭軸線 12。此外，第一牙輪11具有一個(gè)或多個(gè)鼻部鑲嵌件25，所述鼻部鑲 嵌件25位于第一牙輪11本體鈍的頂點(diǎn)處。
如同第一牙輪，第二牙輪13具有兩排交錯(cuò)的計(jì)量鑲嵌件27，但 是該布置可以改變。第二牙輪13具有多個(gè)后排鑲嵌件29和多個(gè)鄰近 排鑲嵌件31。在本發(fā)明中，由于第一牙輪11選擇為具有最大數(shù)量的 后排鑲嵌件，或者第二牙輪13或者第三牙輪15將選擇為具有如第一 牙輪后排鑲嵌件19相同數(shù)量的90%或更多的鄰近排鑲嵌件。在本例 中，第二牙輪13具有那排的鄰近排鑲嵌件31。還有，第二牙輪鄰近 排鑲嵌件31可以具有與第一牙輪后排鑲嵌件19 一樣的直徑和切削端 突起。
比起第一牙輪11的鄰近排21與其后排19的間隔，第二牙輪13 的鄰近排31更加靠近其后排29。第二牙輪后排鑲嵌件29和鄰近排鑲 嵌件31最好相互交錯(cuò)著，使得每個(gè)鄰近排鑲嵌件31在圓周上處于兩 個(gè)后排鑲嵌件29之間且比兩個(gè)后排鑲嵌件29更向內(nèi)。如圖2所示， 當(dāng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入單個(gè)面時(shí)，后排鑲嵌件29的內(nèi)下角和鄰近排鑲嵌件31的 外下部與鉆頭軸線12間隔大約相同的距離。第二牙輪13的鄰近排鑲 嵌件31的數(shù)量是十六，是十七的94.1%，在第一牙輪ll后排鑲嵌件19的數(shù)量的90%或更多的范圍之內(nèi)。鄰近排鑲嵌件31最好具有與第 一牙輪ll的后排鑲嵌件19大致相同的直徑和切削端突起。
為了給大量的鄰近排鑲嵌件31提供充足的支撐金屬，除了交錯(cuò) 外，后排鑲嵌件29的大小顯著地小于鄰近排鑲嵌件31的大小。后排 鑲嵌件29的直徑和切削端小于鄰近排鑲嵌件31的直徑和切削端突起。 由于第二牙輪后排鑲嵌件29和鄰近排鑲嵌件31交錯(cuò)著，它們通常具 有相同的數(shù)量。第二牙輪13也具有內(nèi)排鑲嵌件33和一個(gè)或多個(gè)鼻部 鑲嵌件35。內(nèi)排鑲嵌件33位于第一牙輪11的鄰近排鑲嵌件21和內(nèi) 排鑲嵌件23之間。
第三牙輪15具有計(jì)量表面鑲嵌件37，在本例中，該計(jì)量表面鑲 嵌件37位于單排中。此外，第三牙輪15構(gòu)造用于減少發(fā)生在第一牙 輪后排鑲嵌件19、第二牙輪后排鑲嵌件29和第三牙輪后排鑲嵌件39 之間的追跡。在本實(shí)施例中，所述后排19、 29和39都處于與鉆頭軸 線12具有相同距離處。第一牙輪后排鑲嵌件19和第二牙輪后排鑲嵌 件29的數(shù)量或者相同，或者如同所述的在90%內(nèi)，這樣可能發(fā)生追 跡。為減少追跡，第三牙輪后排39鑲嵌件的軸之間的間距或距離與第 一牙輪后排鑲嵌件19和第二牙輪后排鑲嵌件29的間距基本上不同。 后排19和29的間距沒(méi)有顯著的差異，并且在給定的后排鑲嵌件19 的直徑和大小下，第一牙輪后排19的間距盡可能地小。因此，第三牙 輪后排39的間距顯著地要大，最好大出20-50%。在本例中，與十七 個(gè)后排鑲嵌件19和十六個(gè)后排鑲嵌件29相比，只有十四個(gè)后排鑲嵌 件39。換一種說(shuō)法，與第三牙輪后排39相比，第一牙輪后排19的鑲 嵌件要多出至少20-50%。在本例中，該差別為三除以十四，為21.5% 多。
在本例中，第三牙輪15具有鄰近排鑲嵌件41，該鄰近排鑲嵌件 41與后排鑲嵌件39交錯(cuò)，以提高耐久性。每個(gè)后排鑲嵌件39的最內(nèi) 部比每個(gè)鄰近排鑲嵌件41的最外部更靠近鉆頭軸線12，如圖2所示 形成重疊部。鄰近排鑲嵌件41的數(shù)量與后排鑲嵌件39的相同，因?yàn)?它們是交錯(cuò)著的。為提供充足的支撐金屬，在本例中，后排鑲嵌件39
9的突起和筒體直徑都小于鄰近排鑲嵌件41的突起和筒體直徑。在優(yōu)選 實(shí)施例中，第三牙輪后排鑲嵌件39甚至小于第二牙輪后排鑲嵌件29， 盡管這可以改變。例如，可以提高后排39鑲嵌件的直徑并相應(yīng)地減小 鄰近排鑲嵌件41的大小。
鄰近排鑲嵌件41可以與第二牙輪鄰近排鑲嵌件31和第一牙輪鄰 近排鑲嵌件21具有相同的直徑和切削端突起，并且因此，它們也將比 第二牙輪13的鄰近排鑲嵌件31之間的間距大20-50%。如圖2所示， 鄰近排鑲嵌件41和31基本上互相重疊，但是與第一牙輪鄰近排21 的重疊度不大。第三牙輪鄰近排鑲嵌件41與鉆頭軸線12的間距比第 二牙輪鄰近排鑲嵌件31和第一牙輪鄰近排鑲嵌件21的要更大。第三 牙輪15也具有內(nèi)排鑲嵌件43和一個(gè)或多個(gè)鼻部區(qū)域鑲嵌件45。內(nèi)排 鑲嵌件43間隔在第二牙輪13的鄰近排31和內(nèi)排33之間。
單根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)切削結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)者首先選擇牙輪11、 13和 15中的一個(gè)，使其具有最大數(shù)量的后排鑲嵌件，所述后排鑲嵌件給定 有想要的突起和筒體直徑。在本實(shí)施例中，如同所述的，第一牙輪ll 在其后排19中具有最大數(shù)量的后排鑲嵌件。然后，設(shè)計(jì)者選擇另外一 個(gè)牙輪，該牙輪具有鄰近排鑲嵌件，該鄰近排鑲嵌件與后排19的鑲嵌 件具有相同的大小，并具有后排19鑲嵌件最大量的至少90%。在本 例中，第二牙輪13提供的鄰近排鑲嵌件比第一牙輪的后排鑲嵌件19 只少一個(gè)。之后，設(shè)計(jì)者將后排29交錯(cuò)在具有鄰近排鑲嵌件31的第 二牙輪13上。為提供支撐金屬，后排鑲嵌件29可以具有比鄰近排鑲 嵌件31更小的直徑和更小的切削端突起。
設(shè)計(jì)者然后設(shè)計(jì)第三牙輪，以破壞在其他牙輪的后排中的追跡。 為此，設(shè)計(jì)者使用第三牙輪后排39，該后排39具有的間距比第一牙 輪后排19的間距大20-50%。在本例中，后排39的鑲嵌件比第一牙輪 后排19的鑲嵌件少21.4%。鄰近排41與后排鑲嵌件39交錯(cuò)著，因此 也比鄰近排31具有更大的間距，從而破壞鄰近排31、 41中的追跡。
本發(fā)明具有顯著的進(jìn)步。增加一個(gè)后排中的間距阻止了后排中的 追跡，并且增加一個(gè)鄰近排中的間距阻止了鄰近排中的追跡。提供后排最大量的至少卯％的鄰近排切削元件為鄰近排提供了耐久性，并阻 止了突脊的形成。
盡管本發(fā)明只是在其中一種形式中表示，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯 而易見(jiàn)的是，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，本發(fā)明容許不同的變形。 例如，盡管只表示了作為切削元件的具有碳化鵠鑲嵌件的牙輪，所述 牙輪可以具有包括車(chē)削在牙輪本體上的齒的切削元件。
權(quán)利要求
1、土鉆鉆頭，包括鉆頭本體，該鉆頭本體具有鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線；第一、第二和第三牙輪，它們可旋轉(zhuǎn)地安裝到該鉆頭本體上，每個(gè)牙輪具有多排切削元件，包括后排和鄰近排；該第一牙輪的后排具有與其他牙輪后排至少相等數(shù)量的切削元件；該第二牙輪的鄰近排具有第一牙輪后排至少90％的切削元件；和該第三牙輪的后排具有在比第一牙輪的后排大20-50％范圍內(nèi)的間距。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述第一和第二牙輪后排的 間距基本相同。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述第二牙輪的后排和鄰近 排相互交錯(cuò)著，使得所述第二牙輪鄰近排的每個(gè)切削元件的最外部和 所述后排的每個(gè)切削元件的最內(nèi)部與所述鉆頭軸線的距離基本相同。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述第三牙輪的后排和鄰近 排互相交錯(cuò)著，使得所述第三牙輪鄰近排的每個(gè)切削元件的最外部和 所述第三元件后排的每個(gè)切削元件的最內(nèi)部與所述鉆頭軸線的距離基 本相同。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述第二牙輪的鄰近排的切 削元件從第二牙輪的支撐金屬中突出的量與所述第一牙輪的后排基本 相同。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述第一牙輪的鄰近排的切 削元件從第一牙輪的支撐金屬中突出的量比所述第一牙輪的后排突出 的更大。
7、 土鉆鉆頭，包括鉆頭本體，該鉆頭本體具有鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線；第一、第二和第三牙輪，它們可旋轉(zhuǎn)地安裝到該鉆頭本體上，每個(gè)牙輪具有多排切削元件，每個(gè)切削元件是具有壓入到牙輪支撐金屬 的配合孔中的筒體的鑲嵌件，每個(gè)牙輪具有切削元件的后排和鄰近排，所述牙輪的后排位于與鉆頭軸線距離基本相同處；該第一牙輪的后排具有與其他牙輪后排至少相等數(shù)量的切削元件；該第二牙輪的鄰近排具有第一牙輪后排至少90%的切削元件，該 第二牙輪的鄰近排的每個(gè)切削元件具有與該第一牙輪后排的每個(gè)切削 元件基本相同的筒體直徑；該第三牙輪的后排具有在比第一牙輪的后排大20-50%范圍內(nèi)的 間距；和該第三牙輪的鄰近排與第三牙輪的后排交錯(cuò)著，使得該第三牙輪 鄰近排的每個(gè)切削元件的筒體的最外部到所述鉆頭軸線的距離與所述 第三牙輪后排的每個(gè)切削元件的筒體的最內(nèi)部到所述鉆頭軸線的距離 至少相同。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鉆頭，其中所述第一牙輪鄰近排的每個(gè) 切削元件具有的筒體直徑至少等于所述第一牙輪后排的切削元件的筒 體直徑。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鉆頭，其中所述第一牙輪鄰近排的每個(gè) 切削元件具有的筒體直徑大于所述第一牙輪后排的切削元件的筒體直 徑。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鉆頭，其中所述第一牙輪后排的每個(gè) 切削元件的筒體直徑至少等于所述第二牙輪后排的每個(gè)切削元件的筒 體直徑。
11、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鉆頭，其中所述第一牙輪后排的每個(gè) 切削元件的筒體直徑至少等于所述第三牙輪后排的每個(gè)切削元件的筒 體直徑。
12、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鉆頭，其中每個(gè)牙輪鄰近排的每個(gè)切 削元件的筒體直徑至少等于同一牙輪后排的每個(gè)切削元件的筒體直 徑。
13、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鉆頭，其中每個(gè)牙輪鄰近排的每個(gè)切 削元件從所述支撐金屬中突出的量至少與同 一牙輪后排的每個(gè)切削元 件的一樣多。
14、 土鉆鉆頭，包括鉆頭本體，該鉆頭本體具有鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線；第一、第二和第三牙輪，它們可旋轉(zhuǎn)地安裝到該鉆頭本體上，每 個(gè)牙輪具有切削元件的后排和鄰近排，每個(gè)切削元件是具有壓入到牙 輪支撐金屬的配合孔中的筒體的鑲嵌件；該第一牙輪的后排具有與第二和第三牙輪后排至少相等數(shù)量的切 削元件；該第二牙輪的鄰近排具有第一牙輪后排至少90%的切削元件； 該第三牙輪的后排具有在比第一牙輪的后排大20-50%范圍內(nèi)的 間距；該第三牙輪鄰近排的切削元件與第三牙輪后排的切削元件交錯(cuò) 著5和輪后排的每個(gè)切削元件的筒體直徑。、'5 々
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的鉆頭，其中所述第二牙輪后排具有與 第 一 牙輪后排基本相同數(shù)量的切削元件。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的鉆頭，其中每個(gè)牙輪鄰近排的每個(gè)切 削元件從所述牙輪的支撐金屬中突出的量至少與每個(gè)牙輪后排的每個(gè) 切削元件的一樣多。
17、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的鉆頭，其中所述第一牙輪后排和鄰近 排之間的距離大于所述第二牙輪后排和鄰近排之間及所述第三牙輪后 排和鄰近排之間的距離。
18、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的鉆頭，其中所述第二牙輪鄰近排和后 排交錯(cuò)著。
19、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的鉆頭，其中所述第三牙輪鄰近排的間 距大于所述第二牙輪鄰近排的間距。
全文摘要
一種具有設(shè)置用于避免追跡的切削元件的土鉆鉆頭。該鉆頭具有鉆頭本體，該鉆頭本體具有鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線。第一、第二和第三牙輪可旋轉(zhuǎn)地安裝到該鉆頭本體上，每個(gè)牙輪具有多排切削元件，包括后排和鄰近排。該第一牙輪的后排具有與其他牙輪后排至少相等數(shù)量的切削元件。該第二牙輪的鄰近排具有第一牙輪后排至少90％的切削元件。該第三牙輪的后排具有比第一牙輪的后排大20-50％范圍的間距。
文檔編號(hào)E21B10/16GK101454533SQ200780019336
公開(kāi)日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者F·費(fèi)爾德霍夫, M·R·伊斯貝爾, R·C·佩斯塞爾 申請(qǐng)人:貝克休斯公司