[发明专利]牙轮钻头上的高密度排

说明书

优选权声明

本申请要求2006年4月3日提交的美国临时申请60/788,766的优先权。

技术领域

本申请总体涉及一种钻地钻头牙轮(bit cone)，更特别地涉及一种滚动牙轮钻地钻头，其具有比钻头的其他牙轮上的相邻排密度更高的一排齿。

背景技术

图1说明了一种通常的现有技术的钻地钻头11。钻头11具有钻头本体13，该钻头本体在其上端部具有螺纹，用于连接到钻柱上。钻头本体13具有许多压力补偿润滑剂储槽15。钻头本体13还设有至少一个喷嘴17，该至少一个喷嘴从钻柱向下排放钻井液以便冷却钻头11并且冲洗在钻出井眼过程中所产生的钻屑。

多个牙轮19、21被安装用于在悬臂牙轮轴上旋转。在本现有技术实例中，有三个牙轮，但是仅显示出两个牙轮。显示的牙轮19、21带有多个齿23，每一个齿具有与牙轮19、21中的每一个的旋转轴平行延伸的齿顶(crest)25。在钻进操作过程中，牙轮19、21在被钻井眼的底部滚动，与此同时，齿23钻透地层并且使地层碎裂。

与图1所说明的钻头类似的现有技术钻头具有的缺点在钻呈现塑性的地层(比如页岩)的过程中变得特别明显。在钻这些地层的过程中，常规布置的齿23趋于落入由钻头11前一次回转中的同一个或另一个齿23所形成的刻痕中。这种情况通常称为钻头循迹(tracking)，其可能严重削弱钻头11的进尺速度、寿命和性能。

图1所说明的现有技术钻头的另一个缺点是地层物质可能包裹在齿23之间，阻止齿23更深地钻透地层，从而减少了钻头11的进尺速度。这种情况通常称为钻头泥包(balling)。与钻头循迹一样，钻头泥包也阻止了齿23钻透到更深深度，从而导致钻进不充分而且费用高。钻头泥包还阻止作用在齿23的齿顶25上的力达到足以破碎岩石的水平。

钻头循迹和钻头泥包的特性已被充分意识到，但是一般将其作为相互独立的问题来处理。在许多情况下，减少钻头循迹的特征会促使发生钻头泥包，反之亦然。例如，泥包更可能发生在间隔紧密的齿之间。间隔大和宽的齿更趋向于发生钻头循迹。

发明内容

本发明的钻头具有多个牙轮，每一个牙轮具有至少一个中间排。在至少一个牙轮上的至少一个中间排为高密度排。高密度排比在其它牙轮中的至少一个上的中间排中的较近排更远离钻头轴线。高密度排具有比中间排中的较近排的节距更小的节距。

在一个优选实施例中，高密度排的每个齿具有与中间排中的较近排的齿高基本上相同的高度。高密度排和中间排中的较近排中的每个齿具有前侧缘(leading flank)和尾侧缘及其间的夹角。高密度排的齿的夹角优选基本上与中间排中的较近排的齿的夹角相同。高密度排的每个齿具有前侧缘和尾侧缘。在所示的实例中，高密度排中的一个齿的前侧缘与相邻齿的尾侧缘无任何圆周间隙地相交。

在所示的实例中，在除了包含高密度排的牙轮之外的牙轮中的一个上的至少一个中间排位于比高密度排更远离钻头轴线处并且具有比高密度排的节距更大的节距。高密度排具有比中间排中的较近排和中间排中的较远排更多的齿。内凹槽和外凹槽邻接高密度排的内侧和外侧。优选地，每个凹槽具有的宽度至少等于在高密度排的齿的基部处所测的高密度排的宽度。

附图说明

图1是现有技术的钻地钻头的侧视图。

图2是根据本发明构造的钻地钻头的仰视图。

图3是图2的钻地钻头的布置图。

具体实施方式

参照图2和3，牙轮27、29和31适用于安装到如图1所示的钻地钻头上来代替图1所说明的牙轮。牙轮27、29和31具有多排切削元件，所述多排切削元件在本实施例中包括齿32，该齿比如通过铣制和/或磨制而整体形成在每个牙轮的支撑金属(supporting metal)中。在本实例中，牙轮27具有以常规方式布置在排中的齿32。这些排包括保径排(heel row)33，所述保径排位于邻近牙轮27的保径表面(gauge surface)35处。一个或多个中间排37(仅显示一个)向内与保径排33间隔开。牙轮顶尖39形成了齿32的最内侧排，该牙轮顶尖39形成在牙轮27的顶点或突出部处。

类似地，牙轮29在本实例中具有以常规方式布置的齿32。牙轮29上的排包括牙轮保径排41、至少一个中间排43(仅显示一个)和内排45。如图3的布置图所示，中间排43(也称为较远中间排)位于比中间排37(在此称为较近中间排)更远离钻头轴线30处。内排45也位于比牙轮27的牙轮顶尖39更远离钻头轴线30处。