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CN207739942U - 具有固定的刮刀以及能够旋转的切削结构的钻土工具 - Google Patents

具有固定的刮刀以及能够旋转的切削结构的钻土工具 Download PDF

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CN207739942U
CN207739942U CN201721638237.8U CN201721638237U CN207739942U CN 207739942 U CN207739942 U CN 207739942U CN 201721638237 U CN201721638237 U CN 201721638237U CN 207739942 U CN207739942 U CN 207739942U
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CN
China
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earth
boring tool
scraper
rotated
cutting structure
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W·舍恩
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Ge (ge) Beck Hughes Ltd
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Ge (ge) Beck Hughes Ltd
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    • E21B10/08—Roller bits
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Abstract

一种钻土工具，其包括：主体；至少一个能够旋转的切削结构组件，其联接至主体并包括：从所述钻土工具的量规区域延伸的钻头巴掌；能够旋转地联接至所述钻头巴掌的能够旋转的切削结构；至少五个刮刀，所述至少五个刮刀附接至所述主体并且至少从所述钻土工具的鼻部区域延伸通过所述钻土工具的整个量规区域，所述至少五个刮刀包括经由至少一个连接件部分连接在一起的至少一对刮刀；至少三个刮刀，其附接至所述主体并且从所述主体的中心纵向轴线延伸至至少所述钻土工具的鼻部区域。其中，本实用新型的能够旋转的切削结构可改进钻土工具的完整性和耐用性。与传统的钻土工具相比，该钻土工具可提供用于钻挖的更有效且耐用的选择并可节约成本。

Description

具有固定的刮刀以及能够旋转的切削结构的钻土工具
优先权声明
本申请要求于2017年8月30日提交的题目为“Earth Boring Tools Having FixedBlades and Rotatable Cutting Structures and Related Methods(具有固定的刮刀以及能够旋转的切削结构的钻土工具以及相关的方法)”的美国专利申请第15/691,219号的提交日期的优先权。
技术领域
本实用新型总体涉及具有能够旋转的切削结构的钻土工具。本实用新型还涉及具有刮刀以及能够旋转的切削结构的钻土工具，所述刮刀有固定的切削元件。本实用新型进一步涉及具有能够旋转的切削结构组件的钻土工具，所述能够旋转的切削结构组件具有能够调节的旋转阻力。
背景技术
通常用钻柱钻挖油井(井筒)。钻柱包括具有钻挖组件的管状构件，所述钻挖组件在它的底部端部处包括单个的钻头。钻挖组件还可包括提供信息的装置以及传感器，所述信息涉及与钻挖作业有关的各种参数(“钻挖参数”)、与钻挖组件的行为有关的各种参数(“钻挖组件参数”)以及与井筒所穿透的地层有关的参数(“地层参数”)。通过使始自钻机的钻柱旋转和/或通过井底钻具组件(“BHA”)中的钻挖马达(还被称作“泥浆马达”)使附接至钻挖组件的底部端部的钻头和/或钻孔器旋转，以将地层材料移除以钻挖井筒。
实用新型内容
本实用新型的某些实施例包括钻土工具。所述钻土工具可包括：主体；联接至所述主体的至少一个能够旋转的切削结构组件；至少五个刮刀，其附接至所述主体并且至少从所述钻土工具的鼻部区域延伸通过所述钻土工具的整个量规(gage)区域；以及至少三个刮刀，其附接至所述主体并且从所述主体的中心纵向轴线延伸至至少所述钻土工具的鼻部区域。在某些示例中，所述至少一个能够旋转的切削结构组件可包括从所述钻土工具的量规区域延伸的钻头巴掌，以及能够旋转地联接至所述钻头巴掌的能够旋转的切削结构。
在另外的实施例中，所述钻土工具可包括：主体；联接至所述主体的两个能够旋转的切削结构组件；以及联接至所述主体的多个刮刀。每一个能够旋转的切削结构组件可包括从所述主体的量规区域延伸的钻头巴掌以及能够旋转地联接至所述钻头巴掌的能够旋转的切削结构。所述多个刮刀可包括：附接至所述主体的第一组五个刮刀，其中所述第一组五个刮刀中的三个刮刀在所述钻土工具的主体的第一横向侧上成角度地设置于所述两个能够旋转的切削结构组件之间，并且所述第一组五个刮刀中的两个刮刀在所述钻土工具的主体的相对的、第二横向侧上成角度地设置于所述两个能够旋转的切削结构组件之间；以及第二组三个刮刀，其附接至所述主体并且从所述主体的中心纵向轴线延伸至至少所述主体的鼻部区域。
本实用新型的某些实施例包括一种形成钻土工具的方法。所述方法可包括：在所述钻土工具的主体上形成第一组至少五个刮刀，以及形成所述第一组至少五个刮刀中的每一个刮刀，以从所述钻土工具的鼻部区域延伸至至少所述钻土工具的量规区域；在所述主体上形成第二组至少三个刮刀，以及形成所述第二组至少三个刮刀中的每一个刮刀，以从所述钻土工具的中心纵向轴线延伸至至少所述钻土工具的鼻部区域；以及将至少一个能够旋转的切削结构组件联接至所述主体。
附图说明
为了对本实用新型的具体的理解，应当结合附图参考以下具体描述，在附图中已经大致用相同的符号标明相同的元件，并且其中：
图1为包括有钻柱的井筒系统的示意图，其中所述钻柱包括根据本实用新型的一个或多个实施例的钻土工具；
图2为根据本实用新型的一个或多个实施例的钻土工具的底视立体图；
图3为根据本实用新型的一个或多个实施例的钻土工具的底视图；
图4为根据本实用新型的一个或多个实施例的钻土工具的能够旋转的切削结构的侧视图；
图5为根据本实用新型的一个实施例的能够旋转的切削结构的切削轮廓的局部剖视示意图；
图6为根据本实用新型的一个或多个实施例的钻土工具的底视立体图；
图7为根据本实用新型的一个或多个实施例的钻土工具的流体流道以及排屑槽的局部剖视示意图；
图8为示出跨过根据本实用新型的一个或多个实施例的钻土工具的切削元件的流体流动速度的曲线图；
图9为根据本实用新型的一个实施例的钻土工具的刮刀的切削轮廓的局部剖视示意图；
图10为示出根据本实用新型的一个或多个实施例的钻土工具的切削元件的工作率的曲线图；
图11为示出根据本实用新型的一个或多个实施例的钻土工具的不平衡百分数的曲线图；以及
图12为示出根据本实用新型的一个或多个实施例的钻土工具的切削元件的后倾以及侧倾的曲线图。
具体实施方式
本文中所呈现的图解并非任何钻头、滚子割刀、或者其任何构件的实际视图，而仅仅为用来描述本实用新型的理想化的表示。
当在本文中使用时，术语“钻头”以及“钻土工具”均意味着并且包括用于形成、扩大、或者形成以及扩大钻孔的钻土工具。钻头的非限制性示例包括固定切削刃(刮刀)钻头、固定切削刃取芯钻头、固定切削刃偏心钻头、固定切削刃双中心钻头、固定切削刃钻孔器、具有支承固定切削刃的刮刀的能够张开的钻孔器、以及既包括固定切削刃又包括能够旋转的切削结构(牙轮)的混合式钻头。
当在本文中使用时，术语“切削结构”意味着并且包括被构造成用于在钻土工具上使用的以及用于在钻土工具的运行期间将地层材料从井筒内的地层移除的任何元件。作为非限制性示例，切削结构包括能够旋转的切削结构，在技术领域中通常被称作“牙轮”或者“滚锥体”。
当在本文中使用时，术语“切削元件”意味着并且包括例如被用作固定的切削元件的超磨蚀性(例如，聚晶金刚石复合片或者“PDC”)切削元件，以及被用作安装至能够旋转的切削结构(比如牙轮)的切削元件的碳化钨嵌入件以及超磨蚀性嵌入件。
当在本文中使用时，为了清楚以及方便起见，在理解本实用新型以及附图时使用任一关系术语(比如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、等等)并且所述任一关系术语并不意味着或者取决于任何具体的优先权或者顺序，除了上下文另外清楚地表明之外。例如，这些术语可能指的是在以传统的方式设置于钻孔内时的钻土工具的元件的取向。此外，这些术语可能指的是在如图中所示时的钻土工具的元件的取向。
当在本文中使用时，关于给定的参数、特性、或者条件的术语“大致”在本实用新型所属领域的技术人员将理解的程度上意味着并且包括：给定的参数、特性、或者条件符合较小的变化度(比如在可接受的制造公差内)。例如，大致符合的参数可为符合的至少大致90％、符合的至少大致95％、或者符合的甚至至少大致99％。
本实用新型的某些实施例包括既具有刮刀又具有能够旋转的切削结构的混合式钻土工具。特别地，钻土工具可包括第一组至少五个刮刀以及第二组至少三个刮刀。在某些实施例中，钻土工具可包括延伸至钻土工具的量规区域的至少五个刮刀。而且，钻土工具可包括延伸至钻土工具的中心(亦即，中心纵向轴线)的至少三个刮刀。在某些示例中，所述第一组至少五个刮刀可包括两对连接的刮刀以及单个的不同的刮刀。例如，所述第一组至少五个刮刀可包括经由第一连接件部分(例如，一对刮刀之间的熔塌)连接在一起的第一对刮刀。第一组至少五个刮刀可进一步包括经由第二连接件部分连接在一起的第二对刮刀。另外地，在一个或多个实施例中，至少一个切削元件结构组件可成角度地设置于第一对和第二对刮刀之间。换句话说，所述至少一个切削元件结构组件可沿钻土工具的旋转方向设置于第一对和第二对刮刀之间。
图1为钻挖系统100的一个示例的示意图，所述钻挖系统100可利用在本文中所公开的用于钻挖钻孔的装置和方法。图1示出钻孔102，其包括具有安装于其中的套管106的上部段104，以及用钻柱110所钻挖的下部段108。钻柱110可包括管状构件112，该管状构件在它的底部端部处承载钻挖组件114。可通过连接钻管段构成管状构件112或者它可为卷绕油管柱。钻头116可附接至钻挖组件114的底部端部，用于在地层118中钻挖具有所选择的直径的钻孔102。
钻柱110能够延伸至表面122处的钻机120。为了便于解释说明，所示钻机120为陆上钻机120。然而，当海上钻机120用于在水中钻挖钻孔时，所公开的装置和方法同样地适用。转盘124或者顶部驱动装置能够联接至钻柱110并且可用来使钻柱110旋转以及用来使钻挖组件114以及因此使钻头116旋转，以钻挖钻孔102。钻挖马达126可设置于钻挖组件114中以使钻头116旋转。钻挖马达126可用来单独地使钻头116旋转或者用来通过钻柱110配合钻头116的旋转。钻机120还可包括传统的设备，比如在钻挖钻孔102时将另外的段添加至管状构件112的机构。表面控制单元128(其可为基于计算机的单元)可放置于表面122处，用于接收和处理由钻头116中的传感器140以及钻挖组件114中的传感器140所传送的井下数据，以及用于控制钻挖组件114中的各个装置和传感器140的所选择的操作。传感器140可包括确定加速度、钻压、扭矩、压力、切削元件的位置、钻速、倾斜度、方位地层/岩石学参数等等的一个或多个传感器140。在某些实施例中，表面控制单元128可包括处理器130以及用于储存数据、算法的数据储存装置132(或者计算机可读媒介)，以及计算机程序134。数据储存装置132可为任何合适的装置，包括但不限于，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪速存储器、磁带、硬盘、以及光盘。在钻挖期间，可在压力下将钻挖流体从其源136泵送通过管状构件112，其在钻头116的底部处排出并且经由钻柱110与钻孔102的内部侧壁138之间的环形空间(还被称作“环空”)返回至表面122。
钻挖组件114可进一步包括一个或多个井下传感器140(全体由数字140标明)。传感器140可包括任何数量和类型的传感器140，包括但不限于，通常被称为随钻测量(MWD)传感器或者随钻测井(LWD)传感器的传感器，以及提供与钻挖组件114的行为(比如钻头旋转(每分钟转数或者“RPM”)、工具面、压力、振动、转动、弯曲、以及粘着滑动)有关的信息的传感器140。钻挖组件114可进一步包括控制单元142，其控制钻挖组件114中的一个或多个装置以及传感器140的运行。例如，控制单元142可设置于钻头116内(例如，钻头116的钻头主体的柄部208和/或冠部210内)。除此之外，控制单元142可包括：电路，其用以处理来自传感器140的信号；处理器144(比如微处理器)；其用以处理数字化信号；数据储存装置146(比如固态存储器)，以及计算机程序148。处理器144可处理数字化信号，以及控制井下装置和传感器140，以及经由双向遥测单元150与表面控制单元128交流数据信息。
图2为根据本实用新型的一个或多个实施例的、可与图1的钻挖组件114一同使用的钻土工具200的底视立体图。钻土工具200可包括钻头，其具有呈牙轮的形式的一个或多个能够旋转的切削结构以及一个或多个刮刀。例如，钻土工具200可为如图2中所示的混合式钻头(例如，既具有牙轮又具有刮刀的钻头)。此外，钻土工具200可包括其它任何合适的钻头，或者钻土工具200具有用于在地层118(图1)中钻挖和/或扩大钻孔102的一个或多个能够旋转的切削结构以及一个或多个刮刀。
钻土工具200可包括主体202，该主体202包括颈部206、柄部208、以及冠部210。在某些实施例中，主体202的大部分可由钢、或者由金属陶瓷复合材料(包括粘结于金属基质材料内的硬材料颗粒(例如，碳化钨))构成。钻土工具200的主体202可具有轴向中心204，其限定可大致与钻土工具200的旋转轴线重合的中心纵向轴线205。主体202的中心纵向轴线205可沿此后被称作“轴向方向”的方向延伸。
主体202可为能连接至钻柱110(图1)的。例如，主体202的颈部206可具有锥形上端部，该锥形上端部具有用于将钻土工具200连接至钻挖组件114(图1)的内螺纹端的螺纹。柄部208可包括下部的笔直的段，其在接头处固定地连接至冠部210。在某些实施例中，冠部210可包括多个能够旋转的切削结构组件212以及多个刮刀214。
钻土工具200的多个刮刀214中的每一个刮刀214可包括固定至其上的多个切削元件230。每一个刮刀214的多个切削元件230可接近刮刀214的旋转的前导面232沿刮刀214的轮廓成行定位。在某些实施例中，多个能够旋转的切削结构218(例如，滚子割刀)的多个切削元件220以及多个刮刀214的多个切削元件230可包括PDC切削元件230。而且，多个能够旋转的切削结构218的多个切削元件220以及多个刮刀214的多个切削元件230可包括用于钻挖和/或扩大钻孔的任何合适的切削元件构造以及材料。
多个能够旋转的切削结构组件212可包括多个钻头巴掌216以及均分别安装至钻头巴掌216的多个能够旋转的切削结构218。多个钻头巴掌216可从主体202的、与颈部206相反的一个端部延伸并且可沿轴向方向延伸。多个刮刀214也可从主体202的、与颈部206相反的端部延伸并且既可沿轴向方向又可沿径向方向延伸。每一个刮刀214可具有如技术领域中已知的多个轮廓区域(牙轮、鼻部、肩部、量规)。在某些实施例中，多个刮刀214中的两个或多个刮刀214可位于多个钻头巴掌216中的相邻的钻头巴掌216之间。在某些实施例中，多个能够旋转的切削结构组件212可不包括多个钻头巴掌216而是可直接地安装至钻土工具200的主体202上的冠部210。
流体流道234可形成于多个刮刀214中的相邻的刮刀214之间并且可通过从内部流体室引出的通道的端部处的端口提供有钻挖流体，所述内部流体室从钻土工具200的上部端部处的管状柄部208延伸通过主体202。喷嘴238可固定于所述端口内，用于提高流体流动方向以及控制钻挖流体的流速。流体流道234延伸至排屑槽240，该排屑槽在多个刮刀214中的刮刀214之间沿钻土工具200的纵向侧轴向地延伸。
图3为图2的钻土工具200的顶视图。如在技术领域中已知的，钻土工具200(例如，钻土工具200的刮刀214)可包括牙轮区域306、鼻部区域308、肩部区域310、以及量规区域312。在某些实施例中，多个刮刀214可包括第一组至少五个刮刀302以及第二组至少三个刮刀304。在某些实施例中，第一组至少五个刮刀302中的每一个刮刀可从至少钻土工具200的鼻部区域308延伸至至少钻土工具200的量规区域312。此外，第一组至少五个刮刀302中的每一个刮刀214的切削轮廓314(例如，多个切削元件230)可从至少钻土工具200的鼻部区域308延伸至至少钻土工具200的量规区域312。换句话说，第一组至少五个刮刀302中的每一个刮刀可包括设置于钻土工具200的整个鼻部区域308、肩部区域310、以及量规区域312的切削元件230。鉴于上述内容，钻土工具200可包括延伸至钻土工具200的量规区域312的至少五个刮刀。
在一个或多个实施例中，第二组至少三个刮刀304中的每一个刮刀可从钻土工具200的中心纵向轴线205、通过钻土工具200的牙轮区域306、延伸至钻土工具200的鼻部区域308中。此外，第二组至少三个刮刀304中的每一个刮刀的切削轮廓314可从钻土工具200的牙轮区域306延伸至至少钻土工具200的鼻部区域308中。鉴于上述内容，钻土工具200可包括延伸至钻土工具200的中心(亦即，中心纵向轴线205)的至少三个刮刀。此外，在某些实施例中，第二组至少三个刮刀304的刮刀中的一个可为第一组至少五个刮刀302的刮刀中的一个的部分(例如，一部分)。例如，第二组至少三个刮刀304的刮刀中的一个以及第一组至少五个刮刀302的刮刀中的一个可形成从钻土工具200的中心纵向轴线205延伸至钻土工具200的量规区域312的连续的刮刀。
由于钻土工具200包括延伸至钻土工具200的中心的至少三个刮刀，并且由于钻土工具200包括延伸至钻土工具200的量规区域312的至少五个刮刀，本实用新型的钻土工具200与传统的钻土工具或者混合式钻头相比可提供更高的切削元件密度。以下参考图9更具体地描述钻土工具200的切削元件密度。
在某些示例中，第一组至少五个刮刀302可包括两对连接的刮刀316、318以及单个的不同的刮刀324。例如，第一组至少五个刮刀302可包括第一对刮刀316，其经由第一连接件部分320(例如，所述一对刮刀之间的熔塌)连接在一起。在某些实施例中，第一连接件部分320可连接第一对刮刀316的、接近钻土工具200的牙轮区域306的端部。特别地，第一连接件部分320可在第一对刮刀316的刮刀之间延伸，以使得第一对刮刀316形成大致V形。第一组至少五个刮刀302可进一步包括经由第二连接件部分322连接在一起的第二对刮刀318。在某些实施例中，第二连接件部分322也可连接第二对刮刀318的、接近钻土工具200的牙轮区域306的端部。特别地，第二连接件部分322可在第二对刮刀318的刮刀之间延伸，以使得第二对刮刀318也形成大致V形。在某些实施例中，第一和第二对刮刀316、318可横向地跨过钻土工具200指向彼此。例如，由第一和第二对刮刀316、318所形成的V形的点可大致指向彼此。
在某些实施例中，第一对刮刀316可包括第二组三个刮刀304中的至少一个刮刀。例如，第一对刮刀316中的一个刮刀可从中心纵向轴线205延伸至钻土工具200的量规区域312。此外，在某些实施例中，第一和第二对刮刀316、318可设置于钻土工具200的相对的横向侧上。在某些示例中，第二对刮刀318可从钻土工具200的量规区域312延伸通过钻土工具200的鼻部区域308。例如，第二对刮刀318可能大致未延伸至钻土工具200的牙轮区域306中。而且，第二对刮刀318的切削轮廓可从钻土工具200的量规区域312延伸通过钻土工具200的鼻部区域308并且可能大致未延伸至钻土工具200的牙轮区域306中。
如上所述，在某些实施例中，第一组至少五个刮刀302可包括单个的不同的刮刀324。单个的不同的刮刀324可邻近于第一对刮刀316成角度地设置。例如，单个的不同的刮刀324可沿钻土工具200的旋转方向在第一对刮刀316前面。此外，所述单个的不同的刮刀324可从钻土工具200的量规区域延伸通过钻土工具200的鼻部区域308。例如，单个的不同的刮刀324可能大致未延伸至钻土工具200的牙轮区域306中。而且，单个的不同的刮刀324的切削轮廓可从钻土工具200的量规区域312延伸通过钻土工具200的鼻部区域308并且可能大致未延伸至钻土工具200的牙轮区域306中。
另外地，在一个或多个实施例中，至少一个能够旋转的切削结构组件212可成角度地设置于第一和第二对刮刀316、318之间。换句话说，所述至少一个能够旋转的切削结构组件212可沿钻土工具200的旋转方向设置于第一和第二对刮刀316、318之间。每一个能够旋转的切削结构218能够旋转地安装至主体202的相应的钻头巴掌216。例如，每一个能够旋转的切削结构218可用轴径轴承以及滚动轴承中的一个或多个安装至相应的钻头巴掌216。很多这样的轴承系统在技术领域中为已知的并且可在本实用新型的实施例中使用。
每一个能够旋转的切削结构218可在其上具有多个切削元件220。在某些实施例中，每一个能够旋转的切削结构218的多个切削元件220可成大致周向行布置于能够旋转的切削结构218的外表面222上。在其它实施例中，切削元件220可以以至少大致随机的构造布置于能够旋转的切削结构218的外表面222上。在某些实施例中，切削元件220可包括预先形成的嵌入件，其通过过盈配合安装至形成于每一个能够旋转的切削结构218中的开孔中。在其它实施例中，能够旋转的切削结构218的切削元件220可呈与每一个能够旋转的切削结构218的材料一体地形成的齿的形式。切削元件220(若呈嵌入件的形式)可由碳化钨形成，并且可选择地具有由多晶金刚石、立方氮化硼、或者其它任何耐磨材料和/或磨蚀性材料或超磨蚀性材料所构成的远侧表面。
在某些实施例中，多个能够旋转的切削结构218中的每一个能够旋转的切削结构218可具有大致圆锥形形状，其中圆锥形形状的底部端部224(例如，宽的端部且为径向地最外面的端部224)安装至相应的钻头巴掌216并且锥形端部226(例如，径向地最里面的端部226)接近(例如，至少大致指向)钻土工具200的主体202的轴向中心204。在其它实施例中，多个能够旋转的切削结构218中的每一个能够旋转的切削结构218可不具有大致圆锥形形状而是可具有适合于能够旋转的切削结构218的任何形状。
多个能够旋转的切削结构218中的每一个能够旋转的切削结构218可具有旋转轴线228a、228b，每一个能够旋转的切削结构218在钻土工具200在钻挖操作中使用期间可围绕旋转轴线228a、228b旋转。在某些实施例中，多个能够旋转的切削结构218中的每一个能够旋转的切削结构218的旋转轴线228a、228b可与钻土工具200的轴向中心204相交。在其它实施例中，多个能够旋转的切削结构218中的一个或多个能够旋转的切削结构218的旋转轴线228a、228b可相对于钻土工具200的轴向中心204偏离。例如，多个能够旋转的切削结构218中的一个或多个能够旋转的切削结构218的旋转轴线228a、228b可横向地偏移(例如，成角度地歪斜)，以使得多个能够旋转的切削结构218中的一个或多个能够旋转的切削结构218的旋转轴线228a、228b并不与钻土工具200的轴向中心204相交。在某些实施例中，多个能够旋转的切削结构218中的每一个能够旋转的切削结构218的径向地最里面的端部226可与钻土工具200的轴向中心204径向地相间隔。
在某些实施例中，多个能够旋转的切削结构218可围绕钻土工具200的中心纵向轴线205成角度地与彼此相间隔。例如，多个能够旋转的切削结构218中的第一能够旋转的切削结构218的第一旋转轴线228a可与第二能够旋转的切削结构218的第二旋转轴线228b周向地成角度地相间隔大致75°至大致180°。在某些实施例中，能够旋转的切削结构218可成角度地与彼此相间隔锐角。例如，在某些实施例中，能够旋转的切削结构218可成角度地与彼此相间隔大致120°。在其它实施例中，能够旋转的切削结构218可成角度地与彼此相间隔大致150°。在其它实施例中，能够旋转的切削结构218可成角度地与彼此相间隔大致180°。虽然在本文中公开旋转轴线的具体的分离度(亦即，度数)，但是本实用新型所属领域的技术人员将理解的是，能够旋转的切削结构218可成角度地与彼此相间隔任何合适的量。
仍然参考图3，第一组至少五个刮刀302可包括接近钻土工具200的量规区域312设置的嵌入件326(例如，碳化钨嵌入件)。嵌入件326可沿钻土工具200的旋转方向在相应的刮刀214的切削元件230之后。在某些实施例中，第一组至少五个刮刀302中的每一个刮刀的嵌入件326可被构造成同时地接合于在大致0.150英寸至大致0.175英寸的范围内的切削深度(“DOC”)处。例如，第一组至少五个刮刀302中的每一个刮刀的嵌入件326可被构造成同时地接合于大致0.166英寸的切削深度处。此外，嵌入件326可从钻土工具200的量规区域312偏移大致0.60英寸。在某些示例中，嵌入件326可改进第一组至少五个刮刀302中的刮刀214的肩部区域310的耐用性。
图4为根据本实用新型的一个或多个实施例的钻土工具200的第一能够旋转的切削结构218a以及钻土工具200的第二能够旋转的切削结构218b的侧视图。如上所述，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b都可具有设置于其上的多个切削元件220。此外，每一个能够旋转的切削结构218a、218b的多个切削元件220可成大致周向行布置于相应的能够旋转的切削结构218a、218b的外表面222上。而且，如上所述，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b两者可具有大致截头圆锥形形状，其具有底部端部224(当安装至钻土工具200时，径向地最外面的端部224)以及相对的锥形端部226(例如，当安装至钻土工具200时，径向地最里面的端部226)。
在某些实施例中，第一能够旋转的切削结构218a的一行或多行切削元件220可相对于其它行切削元件220退缩。例如，相应的一行切削元件220中的每一个切削元件220可设置于凹槽402中。在某些示例中，最接近第一能够旋转的切削结构218的底部端部224的一行切削元件220可相对于其它行切削元件220退缩。相反地，第二能够旋转的切削结构218b可不包括退缩的一行或多行切削元件220。此外，在某些示例中，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b两者的多个切削元件220中的每一个切削元件220可具有大致圆锥形形状。例如，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b两者的多个切削元件220可不具有楔形形状。
在一个或多个实施例中，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b两者的底部端部224可包括截头圆锥形表面404。此外，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b两者可包括设置于截头圆锥形表面404上的(例如，插入至能够旋转的切削结构218的、限定截头圆锥形表面404的一部分中的)多个冲击式嵌入件406。
此外，在某些实施例中，第二能够旋转的切削结构218b沿第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b的旋转轴线228a、228b可具有比第一能够旋转的切削结构218a大的高度。例如，在某些实施例中，第一能够旋转的切削结构218a可具有在大致2.8英寸至大致3.2英寸的范围内的高度H1，并且第二能够旋转的切削结构218b可具有在大致3.1英寸至大致3.5英寸的范围内的高度H2。例如，第一能够旋转的切削结构218a可具有大致3.0英寸的高度H1，并且第二能够旋转的切削结构218b可具有大致3.3英寸的高度H2。此外，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b两者可具有在大致5.5英寸至大致6.5英寸的范围内的宽度W。例如，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b两者可具有大致6.0英寸的宽度W。而且，相应的能够旋转的切削结构的截头圆锥形表面404可与正交于相应的能够旋转的切削结构的旋转轴线的平面限定角度β。在某些实施例中，角度β可在大致30°至大致40°的范围内。例如，角度β可为大致36°。另外地，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b两者的底部端部224可具有在大致3.5英寸至大致4.0英寸的范围内的直径D。例如，底部端部224可具有大致3.7英寸的直径。在某些实施例中，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b都可经由2.625英寸的轴承(例如，轴径轴承和/或滚动轴承)联接至钻土工具200的钻头巴掌216(图2)。
鉴于上述内容，本实用新型的能够旋转的切削结构(例如，能够旋转的切削结构218a、218b)与传统的能够旋转的切削结构相比可提供优点。例如，当在钻土工具(例如，钻土工具200)中使用时，本实用新型的能够旋转的切削结构可具有在1.85至1.90的范围内的滚动比。当在本文中使用时，术语“滚动比(roll ratio)”可指的是能够旋转的切削结构相对于其上使用有所述能够旋转的切削结构的钻土工具的完整的旋转所旋转的许多次数。减小滚动比可减小对能够旋转的切削结构的切削元件220的磨损并且可增加切削元件220以及因此能够旋转的切削结构的寿命。
图5示出由根据本实用新型的一个或多个实施例所述的钻土工具(例如，钻土工具200)的第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b(图4)所限定的刀具轮廓500的示意图。在某些示例中，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b的切削元件220(图4)可限定一般的曲率半径(例如，延伸通过每一个切削元件220的中心的曲率线)。此外，在某些实施例中，在钻土工具的鼻部区域308内，曲率半径R1可在大致3.0英寸至大致4.0英寸的范围内。例如，曲率半径R1可为大致3.5英寸。而且，在刮刀214的肩部区域310内，曲率半径R2可在大致2.75英寸至大致3.0英寸的范围内。例如，曲率半径R2可为大致2.875英寸。
由于切削元件220限定沿上述曲率线设置的刀具轮廓500，本实用新型的能够旋转的切削结构(例如，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b(图4))与传统的能够旋转的切削结构相比可为有利的。例如，本实用新型的能够旋转的切削结构可减小对能够旋转的切削结构的切削元件220的磨损并且可沿钻土工具200的肩部区域310以及量规区域312保护切削元件220。因此，本实用新型的能够旋转的切削结构(例如，第一和第二能够旋转的切削结构218a、218b(图4))可改进钻土工具的完整性和耐用性。
图6为根据本实用新型的一个或多个实施例所述的钻土工具200的钻头主体以及刮刀的底视图。钻土工具200的刮刀的切削元件230以及能够旋转的切削结构218a、218b被移除以更好地示出钻土工具200的主体202以及刮刀214的结构。为了本实用新型的目的，将对图6中所示的钻土工具200的刮刀进行编号并且参考那些编号对图6中所示的钻土工具200的刮刀进行描述，以便便于对钻土工具200的某些方面的描述。例如，钻土工具200可包括七个编号的刮刀。
参考图6，刮刀1号可包括第二组至少三个刮刀304中的一个刮刀并且如图6中所示可定向于大致3:00钟位置中。围绕钻土工具200顺时针移动，刮刀2号可包括旋转地邻近于刮刀1号的下一个刮刀(例如，单个的不同的刮刀324)。另外地，刮刀3号可包括沿顺时针方向的下一个旋转地邻近的刮刀(例如，第一对刮刀316中的第一刮刀)。此外，刮刀3号可包括第二组至少三个刮刀304中的另一个刮刀。而且，刮刀4号可包括沿顺时针方向的下一个旋转地邻近的刮刀(例如，第一对刮刀316中的第二刮刀)。同样地，刮刀5号可包括沿顺时针方向的下一个旋转地邻近的刮刀，其为第二组至少三个刮刀304中的另一个刮刀。刮刀6号可包括沿顺时针方向的下一个旋转地邻近的刮刀，其为第二对刮刀318中的第一刮刀。此外，刮刀7号可包括沿顺时针方向的下一个旋转地邻近的刮刀，其为第二对刮刀318中的第二刮刀。
在某些实施例中，所述七个刮刀中的每一个刮刀可围绕钻土工具200的纵向轴线成角度地与彼此相间隔一定的角度。例如，从中心纵向轴线205径向地向外延伸的并且与刮刀1号的前导面相交的平面602(此后被称作“前导平面”)可与刮刀2号的前导平面604周向地成角度地相间隔大致40°至大致60°。例如，在某些实施例中，刮刀1号与刮刀2号可成角度地彼此相间隔大致54°。另外地，刮刀2号的前导平面604可与刮刀3号的前导平面606周向地成角度地相间隔大致40°至大致60°。特别地，在某些实施例中，刮刀2号与刮刀3号可成角度地彼此相间隔大致56°。而且，刮刀3号的前导平面606可与刮刀4号的前导平面608周向地成角度地相间隔大致40°至大致60°。例如，在某些实施例中，刮刀3号与刮刀4号可成角度地彼此相间隔大致55°。此外，刮刀4号的前导平面608可与刮刀5号的前导平面610周向地成角度地相间隔大致40°至大致60°。例如，在某些实施例中，刮刀4号与刮刀5号可成角度地彼此相间隔大致50°。同样地，刮刀5号的前导平面610可与刮刀6号的前导平面612周向地成角度地相间隔大致40°至大致60°。例如，在某些实施例中，刮刀5号与刮刀6号可成角度地彼此相间隔大致58°。此外，刮刀6号的前导平面612可与刮刀7号的前导平面614周向地成角度地相间隔大致35°至大致50°。例如，在某些实施例中，刮刀6号与刮刀7号可成角度地彼此相间隔大致42°。虽然在本文中公开前导平面的具体的分离度(即，读数)，但是本实用新型所属领域的技术人员应当理解的是，刮刀1-7号可与彼此成角度地相间隔任何合适的量。
如以上关于图2所提到的，流体流道234可形成于相邻的刮刀(例如，刮刀2号与3号)之间，并且流体流道234可延伸至在钻土工具200的刮刀之间沿钻土工具200的纵向侧轴向地延伸的排屑槽240。如上所述，流体流道234可形成于钻土工具200的相邻的刮刀之间并且可通过位于从内部流体室引导的通道的端部处的端口而提供有钻挖流体，所述内部流体室从钻土工具200的上部端部处的管状柄部208(图2)延伸通过主体202。在某些实施例中，本实用新型的钻土工具200的流体流道234可提供在大致3.4in2至大致4.2in2的范围内的平均横截面面积(例如，钻挖流体以及砾石可行进通过的面积)。例如，在某些示例中，本实用新型的钻土工具200的流体流道234可提供大致3.8in2的平均横截面面积。在某些实施例中，在以100ft/her的机械钻速(“ROP”)以及120的RPM运行时，钻土工具200可具有3.1in3的平均的每一刮刀所移除的岩石的体积(“VORR”)。因此，钻土工具200提供在大致120％至大致125％的范围内的平均横截面面积与平均VORR的平均比。例如，所述平均比可为大致123％。在某些实施例中，流体流道234以及排屑槽240可容许至少960加仑/分的流体流量。
图7为根据本实用新型的一个或多个实施例所述的钻土工具200以及由所述钻土工具200在旋转时所限定的流体流道以及排屑槽的侧视示意图。例如，钻土工具700可包括子组件排屑槽704以及次级排屑槽706。在某些实施例中，与传统的钻土工具相比，钻土工具700的次级排屑槽706可包括减小的相隔距离702(亦即，次级排屑槽706的内表面与相应的刮刀的外表面之间的距离)。例如，相隔距离702可在大致1.4英寸至大致1.8英寸的范围内。例如，相隔距离702可为大致1.6英寸。该减小的相隔距离702可减小由扭矩在运行期间所施加于相应的刮刀上的力臂，以及因此可减小相应的刮刀上的应力。此外，为了补偿减小的相隔距离702，可增加钻土工具700的子组件排屑槽704的大小。在某些实施例中，子组件排屑槽704可包括在大致1.8英寸至大致2.4英寸的范围内的另一个相隔距离710。例如，所述另一个相隔距离可为大致2.1英寸。
在某些实施例中，次级排屑槽706可包括曲形部分712，其具有在大致1.3英寸至大致1.7英寸的范围内的曲率半径R3。例如，次级排屑槽706的曲形部分712可具有大致1.5英寸的曲率半径R3。另外地，次级排屑槽706以及子组件排屑槽704可具有接近钻土工具200的鼻部区域308以及牙轮区域306的平坦的部分714。在某些实施例中，平坦的部分714的表面可相对于钻土工具200的中心纵向轴线205(图2)形成在大致75°至大致80°的范围内的角度α。例如，角度α可为大致78°。
图8为示出跨过根据本实用新型的一个或多个实施例的钻土工具(例如，钻土工具200)的切削元件的流体速度的曲线图800。在图8中所示的曲线图800中，切削元件的编号越高，则所述切削元件可能距离钻土工具的中心纵向轴线(例如，中心纵向轴线205)越远。与传统的钻土工具相比，跨过较高的编号的切削元件(例如，切削元件二十至三十五)的流体速度可能为较高的。例如，在某些示例中，跨过较高的编号的切削元件的流体速度可能高大致40％至60％。鉴于上述内容，通过在较高的编号的切削元件处维持较高的流体速度，本实用新型的钻土工具(例如，钻土工具200)与传统的钻土工具相比可提供用于钻挖的更有效的以及耐用的选择。
图9为钻土工具200(图2)的刮刀214(图2)的切削元件230在运行时可限定的切削轮廓314的示意图。与传统的钻土工具相比，可使钻土工具200(图2)的肩部以及量规区域310、312中的刀具密度增加。在某些实施例中，在距离钻土工具200(图2)的中心纵向轴线205(图2)大致1英寸的半径内，切削轮廓314可包括三个切削元件230。在距离中心纵向轴线205(图2)大致1英寸至大致2英寸的半径内，切削轮廓314可包括四个切削元件230。在距离中心纵向轴线205(图2)大致2英寸至大致3英寸的半径内，切削轮廓314可包括六个切削元件230。在距离中心纵向轴线205(图2)大致3英寸至大致4英寸的半径内，切削轮廓314可包括七个切削元件230。在距离中心纵向轴线205(图2)大致4英寸至大致5英寸的半径内，切削轮廓314可包括六个切削元件230。在距离中心纵向轴线205(图2)大致5英寸至大致6英寸的半径内，切削轮廓314可包括七个切削元件230。
图10为示出本实用新型的钻土工具(例如，钻土工具200)的切削元件的、与传统的钻土工具的切削元件的工作率相比较的工作率(W)(例如，(WOB*RPM/(钻头直径))的曲线图1000。如在曲线图1000中所示出的，更靠近钻土工具的中心纵向轴线(亦即，位于刮刀的相应的牙轮以及鼻部区域中)的切削元件可能经受比刮刀的其它区域中更小的工作率。相反地，距离钻土工具的纵向轴线更远(亦即，位于刮刀的肩部或者量规区域中)的切削元件可能经受比刮刀的其它区域中的切削元件更高的工作率。
此外，如在曲线图1000中所示出的，本实用新型的钻土工具(例如，钻土工具200(图2))可不具有任何峰值或者与切削元件的工作率的总的上升趋势显著的偏差。相反地，传统的钻土工具通常具有经受比周围的切削元件显著地更高的工作率(例如，工作率的峰值)的切削元件。通过避免工作率方面的这样的峰值和/或显著的偏差，本实用新型的钻土工具可减小对切削元件的磨损，并且这样可增加切削元件的寿命。因此，本实用新型的钻土工具可节约成本以及使钻土工具更耐用。
图11为示出本实用新型的钻土工具(例如，钻土工具200(图2))的、与传统的钻土工具的不平衡百分数相比较的不平衡百分数的曲线图1100。例如，不平衡百分数可能指的是钻土工具在运行时所经历的由钻挖力的不对称的分布所引起的不平衡的力。如图11中所示，在运行时，本实用新型的钻土工具可经历在大致3.8％至大致6.0％的范围内的不平衡百分数而传统的钻土工具则经历在大致9.0％至大致15％的范围内的不平衡百分数。
通过减小不平衡百分数，本实用新型的钻土工具可提供更可靠的钻挖。此外，减小不平衡百分数可增加钻土工具的寿命。而且，减小不平衡百分数可减小对钻土工具以及切削元件的不平衡的磨损。
图12为示出根据本实用新型的一个或多个实施例所述的钻土工具的刮刀的切削元件的有效的后倾角以及侧倾角的曲线图1200。例如，如在曲线图1200中所示出的，在某些实施例中，钻土工具的切削元件的后倾角可为至少大致均匀的。此外，切削元件的侧倾角可在到达钻土工具的肩部以及量规区域时逐渐地减小。在某些实施例中，可使切削元件的侧倾角以及后倾角最优化，以增加钻土工具的完整性以及耐用性。
以上所描述的以及在附图中所示出的本实用新型的实施例并不限制本实用新型的范围，其由所附权利要求以及它们的法律等同形式的范围所包含。任何等同的实施例在本实用新型的范围内。实际上，除了在本文中所示出和描述的那些之外，通过描述，本实用新型的各种修改(比如，所描述的元件的替代的有用的组合)对于本实用新型所属领域的技术人员而言将是显而易见的。这样的修改以及实施例也落入所附权利要求以及等同形式的范围内。

Claims (18)

1.一种钻土工具，其特征在于，该钻土工具包括：
主体；
至少一个能够旋转的切削结构组件，其联接至所述主体并且包括：
从所述钻土工具的量规区域延伸的钻头巴掌；以及
能够旋转地联接至所述钻头巴掌的能够旋转的切削结构；
至少五个刮刀，所述至少五个刮刀附接至所述主体并且至少从所述钻土工具的鼻部区域延伸通过所述钻土工具的整个量规区域，其中，所述至少五个刮刀包括经由至少一个连接件部分连接在一起的至少一对刮刀；以及
至少三个刮刀，所述至少三个刮刀附接至所述主体并且从所述主体的中心纵向轴线延伸至至少所述钻土工具的鼻部区域。
2.根据权利要求1所述的钻土工具，其特征在于，该钻土工具进一步包括至少两个能够旋转的切削结构组件。
3.根据权利要求2所述的钻土工具，其特征在于，所述至少五个刮刀中的三个刮刀在所述钻土工具的主体的第一横向侧上设置于所述至少两个能够旋转的切削结构组件之间，并且所述至少五个刮刀中的两个刮刀在所述钻土工具的主体的相对的、第二横向侧上设置于所述至少两个能够旋转的切削结构组件之间。
4.根据权利要求1所述的钻土工具，其特征在于，第一能够旋转的切削结构组件的第一能够旋转的切削结构的第一旋转轴线与第二能够旋转的切削结构组件的第二能够旋转的切削结构的第二旋转轴线限定锐角。
5.根据权利要求1所述的钻土工具，其特征在于，所述至少五个刮刀中的所述至少一对刮刀包括：
经由接近所述钻土工具的鼻部区域的第一连接件部分连接在一起的第一对刮刀；
经由接近所述钻土工具的鼻部区域的第二连接件部分连接在一起的第二对刮刀；以及
从所述主体的量规区域延伸至所述钻土工具的鼻部区域的单个的不同的刮刀。
6.根据权利要求1所述的钻土工具，其特征在于，所述至少五个刮刀中的至少一个刮刀从所述钻土工具的量规区域延伸至所述主体的中心纵向轴线。
7.根据权利要求1所述的钻土工具，其特征在于，所述至少三个刮刀在所述主体的中心纵向轴线处连接至彼此，并且所述至少三个刮刀中的一个刮刀包括所述至少五个刮刀中的一个刮刀的一部分。
8.根据权利要求1所述的钻土工具，其特征在于，该钻土工具进一步包括固定于所述钻土工具的每一个刮刀内的多个切削元件。
9.一种钻土工具，其特征在于，该钻土工具包括：
主体；
联接至所述主体的两个能够旋转的切削结构组件，每一个能够旋转的切削结构组件包括：
从所述主体的量规区域延伸的钻头巴掌；以及
能够旋转地联接至所述钻头巴掌的能够旋转的切削结构；以及多个刮刀，所述多个刮刀联接至所述主体并且包括：
附接至所述主体的第一组五个刮刀，其中所述第一组五个刮刀中的三个刮刀在所述钻土工具的主体的第一横向侧上成角度地设置于所述两个能够旋转的切削结构组件之间，并且所述第一组五个刮刀中的两个刮刀在所述钻土工具的主体的相对的、第二横向侧上成角度地设置于所述两个能够旋转的切削结构组件之间；
第二组三个刮刀，该第二组三个刮刀附接至所述主体并且从所述主体的中心纵向轴线延伸至至少所述主体的鼻部区域。
10.根据权利要求9所述的钻土工具，其特征在于，所述第一组五个刮刀中的每一个刮刀以及所述第二组三个刮刀中的每一个刮刀包括固定至所述刮刀的并且接近所述刮刀的前导面成行定向的多个切削元件。
11.根据权利要求10所述的钻土工具，其特征在于，所述两个能够旋转的切削结构组件的每一个能够旋转的切削结构限定具有在2.8英寸至3.6英寸的范围内的曲率半径的切削轮廓。
12.根据权利要求10所述的钻土工具，其特征在于，第一能够旋转的切削结构组件的第一能够旋转的切削结构的第一旋转轴线与第二能够旋转的切削结构组件的第二能够旋转的切削结构的第二旋转轴线限定锐角。
13.根据权利要求10所述的钻土工具，其特征在于，当所述钻土工具以大致每分钟120转旋转时，接近所述第一组五个刮刀中的相应的刮刀的量规区域的切削元件经历跨过接近所述相应的刮刀的量规区域的切削元件的、在25ft/s至65ft/s的范围内的流体速度。
14.根据权利要求9所述的钻土工具，其特征在于，该钻土工具进一步包括嵌入件，所述嵌入件固定至所述钻土工具的第一组五个刮刀中的每一个刮刀的量规区域并且沿所述钻土工具的旋转方向在所述刮刀的多个切削元件之后。
15.根据权利要求9所述的钻土工具，其特征在于，该钻土工具进一步包括限定于所述第一组五个刮刀中的相邻的刮刀之间的一个或多个排屑槽。
16.根据权利要求15所述的钻土工具，其特征在于，所述一个或多个排屑槽提供在120％至125％的范围内的横截面面积与每一刮刀所移除的岩石的体积的比。
17.根据权利要求9所述的钻土工具，其特征在于，所述第一组五个刮刀包括：
经由接近所述钻土工具的鼻部区域的第一连接件部分连接在一起的第一对刮刀；
经由接近所述钻土工具的鼻部区域的第二连接件部分连接在一起的第二对刮刀；以及
从所述钻土工具的量规区域延伸至所述钻土工具的鼻部区域的单个的不同的刮刀。
18.根据权利要求9所述的钻土工具，其特征在于，所述两个能够旋转的切削结构组件中的每一个切削结构组件的每一个能够旋转的切削结构相对于所述钻土工具的每一次旋转具有大致1.87的旋转比。
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