无排水沟或单个排水沟钻头以及使用这些钻头的系统和方法 |
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| 申请号 | CN201480071762.9 | 申请日 | 2014-12-30 | 公开(公告)号 | CN105874144A | 公开(公告)日 | 2016-08-17 |
| 申请人 | 长年TM公司; | 发明人 | 科迪·A·皮尔斯; 迈克尔·D·鲁普; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于在 地层 中形成孔的 钻头 。所述钻头具有柄和环形齿冠，所述柄和所述环形齿冠配合以限定接纳 水 或其他钻液的内部空间。所述环形齿冠限定围绕所述齿冠的内表面周向间隔开的内部通道和围绕所述齿冠的外表面周向间隔开的外部通道。所述环形齿冠可完全周向地包围所述钻头的所述内部空间，或者所述环形齿冠可设置有单个排水沟，所述排水沟在所述齿冠的所述内表面和所述外表面之间延伸。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于在地层中形成孔的钻头，所述钻头具有纵向轴线并包括： |
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| 说明书全文 | 无排水沟或单个排水沟钻头以及使用这些钻头的系统和方法[0002] 本专利申请要求提交于2013年12月30日的美国临时专利申请No.61/921,847的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文。 技术领域背景技术[0004] 现有钻头通常具有中心排水沟和一系列提供在钻头侧面与中心排水沟之间流体连通的通道或狭槽。这些通道和/或狭槽会降低钻头端面处的冷却和冲刷效率。通道和/或狭槽也限制钻头齿冠的高度-如果具有通道和/或狭槽的齿冠过高，齿冠将会在钻孔期间发生故障。因此，通道和/或狭槽的存在有效地缩短现有钻头的寿命，从而增加钻头生产的成本。 [0005] 许多钻孔地区，诸如南美和澳大利亚，具有有限水源。在这些区域，使用常规钻头进行钻孔操作可能存在困难，因为这需要大量水。即使在具有更大水源的地区，也需要运水卡车将水运送至钻孔站点，从而增加钻孔操作的成本。 [0006] 因此，在相关领域中存在对于比现有钻头强度更高、冲刷和冷却效果更好的钻头的需要。在相关领域中还存在对于比常规钻头所需水(或其他钻液)更少的钻头的需要，从而降低钻孔操作的成本。 发明内容[0007] 本文描述了用于在地层中形成孔的钻头。钻头具有纵向轴线、柄和环形齿冠。环形齿冠具有切削面、内表面以及外表面。环形齿冠和柄配合以限定围绕纵向轴线的内部空间。内部空间可被配置成在钻头使用过程中接纳水或其他钻液。 [0008] 在一个方面，环形齿冠可限定多个围绕环形齿冠的内表面周向间隔开并远离纵向轴线径向向外延伸的内部通道。环形齿冠还可限定多个围绕环形齿冠的外表面周向间隔开并朝向纵向轴线径向向内延伸的外部通道。环形齿冠可完全周向地包围内部空间。在示例性方面，环形齿冠不具有在环形齿冠的外表面与内部空间之间径向延伸的排水沟。还描述了使用钻头在地层中形成孔的系统。 [0009] 本发明的其他优点将在下面部分地阐明，而且将部分地从该描述中显而易见，或可以通过本发明的实践而获知。通过在所附权利要求中特别指出的要素和组合，可实现和获得本发明的优点。应当理解，上述一般描述和以下详细描述仅是示例性和说明性的，而不是对如受权利要求所保护的本发明进行限制。附图说明 [0010] 本发明的优选实施例的这些和其他特征在参照附图的详细描述中将变得更加显而易见，其中： [0011] 图1A是如本文所公开的不具有排水沟或凹口的示例性钻头的透视图。图1B是图1A的钻头的顶视图。 [0012] 图2A是如本文所公开的具有单个排水沟的示例性钻头的透视图。图2B是图2A的钻头的顶视图。 [0013] 图3是如本文所公开的具有单个排水沟的示例性钻头的透视图。 [0014] 图4是如本文所公开的具有单个排水沟的示例性钻头的透视图，图中示出了具有相应的内部部分和外部部分的钻头齿冠的凸起中心部分，该内部部分和外部部分分别邻接相对于凸起中心部分降低的内表面和外表面。 [0015] 图5是如本文所公开的具有单个排水沟的示例性钻头的透视图，图中示出了具有相应的内部部分和外部部分的钻头齿冠的降低中心部分，该内部部分和外部部分分别邻接相对于降低中心部分凸起的内表面和外表面。 [0016] 图6示出了如本文所公开的不具有排水沟或凹口的示例性钻头用于钻孔操作之前和之后的图像。 [0017] 图7是如本文所公开的具有单个外部通道、单个内部通道和单个排水沟的任意示例性钻头的透视图。 [0018] 图8是图7的钻头的透视图。 [0019] 图9示出了包括如本文所公开的钻头的示例性钻孔系统。 具体实施方式[0020] 通过参照以下详细说明、实例、附图和权利要求及其以上和以下的说明可更加容易地理解本发明。然而，在公开并描述本发明装置、系统和/或方法之前，应当理解，除非另有指明，本发明并不局限于所公开的具体装置、系统和/或方法，因为此类具体装置、系统和/或方法理所当然可能会发生变化。也应当了解本文所用的术语仅是为了描述特定方面，而不旨在进行限制。 [0021] 本发明的以下描述被提供为以当前熟知的最佳实施例实现本发明的教导。为此，相关领域的技术人员将认识和理解，可在本文描述的本发明的各个方面作出许多更改，同时仍能获得本发明的有益效果。还显而易见的是，可以通过选择本发明的一些特征而不利用其他特征来获得本发明的一些所需的有益效果。因此，本领域的技术人员将认识到，对本发明做出的许多修改和调整是可能的，并且在某些情况下甚至是期望的，并构成本发明的一部分。因此，以下描述被提供为本发明的原理的示例性说明而并非限制本发明。 [0022] 如全文所用，除非上下文清楚地另外指明，单数形式的“一个”、“一种”以及“所述”包括复数涵义。因此，例如，提及“通道”可包括两个或更多个此类的通道，除非上下文另有指示。 [0023] 范围在本文中可被表达为始于“约”某一特定值和/或止于“约”另一特定值。当表达此类范围时，另一方面包括从一个特定值和/或至另一特定值。类似地，当采用先行词“约”将数值表达为近似值时，应当理解，该具体值也构成了另一个方面。还应理解，每个范围的端值相对于另一个端值，还是不取决于另一个端值来说，都是有意义的。 [0024] 如本文所用，术语“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且所述描述包括其中发生所述事件或情况的实例和其中不发生所述事件或情况的实例。 [0025] 如本文所用的单词“或”意指特定列表中的任意一个成员，并且还包括该列表成员的任意组合。 [0026] 参考图1A-3，本文所描述的是用于在地层中形成孔的钻头10。钻头10具有纵向轴线LA。在示例性的方面，钻头10可包括柄20和环形齿冠30。可以设想的是，本文所公开的钻头与常规钻头相比可增加钻头的强度。另外可以设想的是，钻头的增加的强度可允许制造比常规方式制造的钻头更高的钻头，从而延长钻头的寿命。这可继而大幅降低与钻头生产相关的成本(和常规钻头生产相比)。还可以设想的是，本文所公开的钻头包括在钻头的外表面与钻头的中心排水沟(内部空间)之间延伸的狭槽或窗，相对于常规钻头可提供改善的冲刷和冷却。因此，可以设想的是，本文所公开的钻头可比常规钻头更为有效地工作。 [0027] 更具体地讲，可以设想的是，在本文所公开的钻头工作期间，基本上所有水(或其他钻液)均可接触钻头的表面。另外可以设想的是，常规钻头中金刚石的磨损是源于地层岩石导致的高摩擦和热量。另外可以设想的是，岩屑被从钻头的端面到钻头的外径冲刷得越快，则遇到的地层再研磨和/或再切削就越少，从而延长钻头的生产和切削寿命。还可以设想的是，冲刷和冷却中的此种改善可减少基体的研磨，这可通过增大在钻头端面上支撑金刚石的基体尾部来扩大金刚石暴露。还可以设想的是，通过暴露的金刚石以及被钻孔的地层形成更多的次级碎裂而造成地层更大的位移，从而使得钻孔性能提升。 [0028] 另外可以设想的是，本文所公开的钻头可比常规钻头更易于制造。可以设想的是，制造本文所公开的钻头的方法可采用减少的冷压循环量、端面排水沟和/或窗的布置和/或端面排水沟和/或窗的手动设置。 [0029] 还可以设想的是，本文所公开的钻头提供的冲刷和冷却的效率可减少钻孔操作所需的水量。在示例性方面，可以设想的是，本文所公开的钻头可理想地适用于水源有限的地区，诸如南美和澳大利亚。 [0030] 在一个方面，环形齿冠30可具有邻接外周向表面34和内周向表面35的切削面32。可以设想的是，环形齿冠30和柄20可配合以限定围绕纵向轴线LA的内部空间25。另外可以设想的是，内部空间25可被配置成在使用钻头10的过程中接纳水或其他钻液。在一个方面，水或其他钻液可在所需的压力下被供给内部空间25。 [0031] 在又一方面，环形齿冠30可完全周向地包围内部空间25。任选地，在示例性方面，如图1和3所示，环形齿冠30不包括在环形齿冠的外表面34和内表面35(以及内部空间25)之间径向延伸的排水沟。 [0032] 然而，在其他任选的方面(如下文进一步讨论)，可以设想的是，环形齿冠30可包括从环形齿冠的内表面到环形齿冠的外表面延伸的单个排水沟，从而在钻头的外部和内部空间25之间提供连通。在这些方面，可以设想的是，单个排水沟可任选地是从环形齿冠的切削面沿着环形齿冠的轴向长度的至少一部分朝向柄延伸的凹口。任选地，可以设想的是，该凹口可沿着环形齿冠的整个轴向长度延伸，直至抵达柄。当环形齿冠30包括单个排水沟时，可以设想的是，单个排水沟可缓冲在切削面处遇到的压力尖峰，并减少在切削面处所需的最大压力。另外可以设想的是，可根据特定钻孔应用所需的压力和/或速度选择性地调整单个排水沟的尺寸。在使用中，可以设想的是，具有如本文所公开的单个排水沟(例如，单个凹口)的钻头在操作中比具有多个排水沟的常规钻头更易于控制。另外可以设想的是，使用单个排水沟(例如，单个凹口)可确保钻头比具有多个排水沟的常规钻头强度更高。具体而言，可以设想的是，通过仅使用单个排水沟，通常在排水沟位置处发生的杠杆作用的可能性被大幅降低。而常规钻头使用相对于钻头的中心点平衡的多个排水沟，另外可以设想的是，使用单个排水沟得到如本文所公开的意外有益结果。还可以设想的是，如本文所公开的单个排水沟可用作压力释放机构并且对于钻头的冷却或邻近钻头的流体流影响很小或没有影响。这和使用多个排水沟来将钻头冷却的常规钻头不同，并且促使邻近钻头的更有效的流体流。 [0033] 在额外的方面，环形齿冠30的内表面可限定至少一个从纵向轴线LA向外径向延伸的内部通道36。在示例性的方面，可以设想的是，该至少一个内部通道36可包括多个围绕环形齿冠的内表面周向间隔开并远离纵向轴线LA径向向外延伸的内部通道36。任选地，在一些示例性的方面，多个内部通道36可围绕环形齿冠30的内表面周向大致等距地间隔。在一个方面，可以设想的是，多个内部通道36可任选地为大致相等的尺寸。在其他方面，可以设想的是，内部通道中的至少一者可具有与至少一个其他内部通道不同的尺寸。如本文使用，内部通道36的“尺寸”通常是指通道如在一个平面中所测量的二维区域，该平面大致垂直于钻头10的纵向轴线。 [0034] 在另一方面，可以设想的是，在纵向轴线LA的横截面中，多个内部通道36的表面区域对于内部周向表面35的区域的百分比可在约10％至约80％的范围之间。任选地，多个内部通道36的表面区域对于内部周向表面35的区域的百分比可在约25％至约65％之间、约45％至约60％之间或约55％的范围内。 [0035] 在又一方面，环形齿冠30的外表面可限定至少一个朝向纵向轴线LA径向向内延伸的外部通道38。在示例性的方面，可以设想的是，该至少一个外部通道38可包括多个围绕环形齿冠的外表面周向间隔开并朝向纵向轴线LA径向向内延伸的外部通道38。在其他示例性的方面，可以设想的是，环形齿冠30可具有大于柄20的外径的外径，使得环形齿冠相对于柄径向地向外突出。任选地，在一些示例性的方面，多个外部通道38可围绕环形齿冠30的外表面34周向大致等距地间隔。在一个方面，可以设想的是，多个外部通道38可任选地为大致相等的尺寸。在其他方面，可以设想的是，外部通道中的至少一者可具有与至少一个其他外部通道不同的尺寸。如本文使用，外部通道38的“尺寸”通常是指通道如在一个平面中所测量的二维区域，该平面大致垂直于钻头10的纵向轴线。 [0036] 在一个方面，环形齿冠可具有介于内表面和外表面之间的径向厚度，该径向厚度对应于环形齿冠外径和内径之间的差数。在该方面，可以设想的是，多个内部通道中的每个内部通道可具有小于环形齿冠的径向厚度的径向尺寸(大致对应于相对于内表面的径向深度)。另外可以设想的是，多个外部通道中的每个外部通道可具有小于环形齿冠的径向厚度的径向尺寸(大致对应于相对于外表面的径向深度)。在示例性的方面，可以设想的是，环形齿冠的径向厚度与多个内部通道的径向尺寸之间的比率可在约1.25:1至约15:1的范围内，更优选地，可在约1.5:1至约3.5:1的范围内。在示例性的方面，可以设想的是，环形齿冠的径向厚度与多个外部通道的径向尺寸之间的比率可在约1.25:1至约15:1的范围内，更优选地，可在约1.5:1至约3.5:1的范围内。在额外的示例性方面，可以设想的是，多个内部通道的径向尺寸可大于多个外部通道的径向尺寸。在各种示例性非限制的方面，可以设想的是，内部通道和外部通道的径向尺寸可在约0.050英寸至约0.30英寸的范围内，更优选地，可在约0.090英寸至约0.250英寸的范围内。 [0037] 在一个方面，内部通道的数目可和外部通道的数目相同。在另一方面，可以设想的是，内部通道的数目可大于外部通道的数目。在又一方面，可以设想的是，内部通道的数目可小于外部通道的数目。 [0038] 在示例性的方面，可以设想的是，环形齿冠的内径可在约0.9英寸至约8英寸的范围内，该内径大致对应于从齿冠的内表面上的第一点延伸到齿冠的内表面上的相对第二点的连线的距离，该连线通过与纵向轴线LA重叠的齿冠的中心点。对于具有大致圆形横截面的齿冠，该内径可对应于约2.8英寸至约25.1英寸范围内的内周长。在这些方面，可以设想的是，可沿着内周长每隔1至2.5英寸提供内部通道。然而，可以设想的是，可使用具有更大或更小的内径和内周长的环形齿冠。在一些示例性方面，可以设想的是，内部通道的数目可在3至16个内部通道的范围内。然而，可以设想的是，一些示例性环形齿冠可具有最多约40个内部通道。在一些示例性的方面，可以设想的是，环形齿冠的内径可围绕内表面变化。在额外的示例性方面，可以设想的是，环形齿冠可具有非圆形轮廓，诸如但不限于椭圆形轮廓。在这些方面，可以设想的是，环形齿冠的内周长在其完全围绕齿冠的纵向轴线LA延伸时可对应于环形齿冠的内表面所限定的总精确尺寸。 [0039] 任选地，如图1A-3所示，可以设想的是，多个外部通道中的每个外部通道可被周向定位于多个内部通道的连续内部通道之间。另外可以设想的是，环形齿冠可任选地具有大致为蛇形的径向轮廓。在示例性任选方面，可以设想的是，每个外部通道可沿着一条线与相应内部通道大致对齐，该线通过跨环形齿冠的直径的纵向轴线LA(垂直于纵向轴线LA)延伸。在这些方面，另外可以设想的是，每个内部通道可沿着一条线与相应外部通道大致对齐，该线通过跨环形齿冠的直径的纵向轴线LA(垂直于纵向轴线LA)延伸。 [0040] 在一个任选的示例性方面，如图4所示，可以设想的是，至少一个外部通道可大致与至少一个内部通道重叠，使得从纵向轴线LA径向延伸的线穿过内部通道和外部通道两者。在该方面，可以设想的是，齿冠的至少一个外部通道可任选地包括单个外部通道。另外可以设想的是，齿冠的至少一个内部通道可任选地包括单个内部通道。 [0041] 在另外的方面，多个内部通道和多个外部通道中的每个通道36、38可具有宽度。任选地，在这些方面，可以设想的是，多个内部通道和多个外部通道中的每个通道36、38可具有可变宽度。例如，每个外部通道38的宽度可任选地从全断面齿冠的外表面朝向纵向轴线径向地向内移动时缩小。因此，可以设想的是，多个通道中的每个通道38朝向纵向轴线LA移动时可向内渐缩。在另外的示例性方面，可以设想的是，内部通道和外部通道可基本上为U型通道。 [0042] 在示例性的方面，可以设想的是，环形齿冠30可具有多个周向间隔的外部部分40，该外部部分限定环形齿冠的外表面(和外径)。在这些方面，可以设想的是，相应的外部通道38可被定位在多个外部部分的相邻外部部分40之间。在其他示例性的方面，可以设想的是，环形齿冠30可具有多个周向间隔的内部部分42，该内部部分限定环形齿冠的内表面(和内径)。在这些方面，可以设想的是，相应的内部通道36可被定位在多个内部部分的相邻内部部分42之间。 [0043] 任选地，在一些示例性方面，可以设想的是，柄20的外表面可限定至少一个大致平行于钻头10的纵向轴线LA延伸的槽(或凹槽)。在这些方面，柄的外表面的该至少一个槽中的每个槽可任选地对应于从柄20的外表面朝向柄的内表面径向地延伸的圆形凹槽。如图3所示，可以设想的是，柄20的外表面的该至少一个槽中的每个槽可任选地被定位成与环形齿冠30的相应外部通道38流体连通。 [0044] 任选地，在另外的示例性方面，可以设想的是，柄20的内表面可限定至少一个大致平行于钻头10的纵向轴线LA延伸的槽(或凹槽)。在这些方面，柄的内表面的该至少一个槽中的每个槽可任选地对应于从柄20的内表面朝向柄的外表面径向地延伸的圆形凹槽。可以设想的是，柄20的内表面的该至少一个槽中的每个槽可任选地被定位成与环形齿冠30的相应内部通道36流体连通。 [0045] 如以上进一步所述，在一些任选的方面，并且如图2A-2B和4所示，可以设想的是，环形齿冠30可包括单个排水沟，该排水沟从环形齿冠的内表面延伸到环形齿冠的外表面。在这些方面，可以设想的是，单个排水沟可被配置成增大钻液在排水沟入口处的速度，并因此提供改善的钻屑冲刷。 [0046] 在示例性的方面，可以设想的是，单个排水沟可为轴向渐缩排水沟(相对于钻头的纵向轴线渐缩)。在这些方面，可以设想的是，轴向渐缩的排水沟可确保排水沟在钻头的内表面中的开口可小于排水沟在钻头的外表面中的开口。因此，通过增大钻液在钻头的内表面中排水沟入口处的速度，排水沟可起类似于喷嘴的作用。轴向渐缩的排水沟用以增大钻液在排水沟入口处速度的能力可提供增加的钻屑冲刷，并有助于防止排水沟的阻塞。此外，可以设想的是，轴向渐缩的排水沟可提供改善的钻液流而不会在内径处明显影响钻头主体体积，或减少钻头端面的切削表面。因此，可以设想的是，轴向渐缩的排水沟可提高钻孔性能并延长钻孔寿命。 [0047] 在一些方面，可以设想的是，单个排水沟可为轴向和径向渐缩的排水沟，或者换句话讲为双重渐缩排水沟。可以设想的是，此类双重渐缩排水沟可有助于确保在排水沟从钻头的内表面延伸至钻头的外表面时，其尺寸在每个轴线上都增大。可以设想的是，增大双重渐缩排水沟的尺寸可减少碎屑驻留在排水沟内的可能性，并因此提升钻头的钻孔性能。另外可以设想的是，双重渐缩排水沟可允许在内径处更小的排水沟开口，同时仍然允许在钻头的外径处的大排水沟开口。可以设想的是，该构造可允许在内径处的基体材料量的增加，因此有助于延长钻头的寿命，同时也提供有效的冲刷。另外可以设想的是，该类钻头的延长的寿命可通过减少将钻柱从钻孔拉出以更换过早磨损的钻头的需求，从而降低钻孔成本。 [0048] 如图2A-2B所示，单个排水沟可为由至少三个表面112a、112b、112c限定的凹口112。具体而言，凹口112可由第一侧表面112a、相对侧表面112b以及顶部表面112c限定。任选地，可以设想的是，侧表面112a、112b中的每一者可沿大致垂直于齿冠的内表面的方向从齿冠的内表面延伸至齿冠的外表面。因此，可以设想的是，凹口112在齿冠的外表面处的宽度可大致等于凹口112在齿冠的内表面处的宽度。换句话讲，凹口112在外表面处的第一侧表面112a与第二侧表面112b之间的周向距离可大致等于凹口112在内表面处的第一侧表面 112a与第二侧表面112b之间的周向距离。作为另外一种选择，在其他任选的方面，如下面所进一步详述，可以设想的是，侧表面112a、112b中的一个或更多个可具有径向和/或周向锥度。 [0049] 可以设想的是，凹口112可具有允许其如预期工作的任何形状。具体而言，可以设想的是，凹口112的形状和构造可根据钻头所需的特性和/或要钻孔的地层的特性而改动。例如，可以设想的是，在从切削面观察时，凹口可任选地具有矩形形状。作为另外一种选择，在其他任选的方面，可以设想的是，凹口可具有正方形、三角形、圆形、梯形、多边形或椭圆形或它们的任意组合。 [0050] 可以设想的是，凹口112可具有允许其如预期工作的任何宽度或长度。在示例性的方面，可以设想的是，凹口112具有的长度(即从内表面到外表面的距离)可大于其宽度(即相对侧表面112a和112b之间的距离)。然而，在本发明的可选的实施中，凹口112可具有大于其长度的宽度，或者可具有大致等于其长度的宽度。 [0051] 如之前所述，排水沟(即凹口112)可为轴向渐缩的。在示例性的方面，凹口112的顶部表面112c可沿大致从切削面朝向柄的方向从内表面到外表面渐缩。换句话讲，可以设想的是，凹口112的高度或纵向尺寸可随着凹口112从齿冠的内表面到外表面延伸而增大。因此，在一些示例性方面，凹口112在外表面处的纵向尺寸可大于凹口112在内表面处的纵向尺寸。换句话讲，凹口112可在内表面处延伸第一距离至切削面并在外表面处延伸第二距离至切削面，其中第二距离大于第一距离。 [0052] 可以设想的是，凹口112的轴向锥度可有助于确保凹口112在齿冠的内表面处的开口小于凹口112在齿冠的外表面处的开口。另外可以设想的是，开口尺寸上的该差数可增大钻液流动到齿冠的外表面上时在内表面处的速度。因此，如上所述，凹口112的轴向锥度可提供更为有效的钻屑冲刷和切削面冷却。此外，可以设想的是，凹口增大的尺寸也可有助于确保在钻液迫使碎屑从内表面移往外表面时，这些碎屑不会卡塞或阻塞在凹口112中。 [0053] 此外，可以设想的是，凹口112的轴向锥度可为凹口112提供增大的尺寸，而不会减小切削面的尺寸。另外可以设想的是，切削面增大的表面区域可提供更为有效的钻孔。此外，可以设想的是，凹口的轴向锥度可提供增强的冲刷和冷却，同时还不会缩小内表面处的齿冠材料的体积。还可以设想的是，内表面处齿冠材料的增加体积可有助于延长钻头的钻孔寿命。 [0054] 任选地，在示例性的方面，可以设想的是，齿冠可限定至少一个内部槽，该内部槽和凹口112流体连通。在这些方面，可以设想的是，该至少一个内部槽可从柄开始沿着齿冠的内表面轴向延伸至凹口112。另外可以设想的是，该至少一个内部槽可有助于将钻液引导至凹口112。在另一个任选的方面，可以设想的是，该至少一个内部槽可从柄延伸至切削面，或甚至沿着柄延伸。 [0055] 任选地，在其他示例性方面，可以设想的是，钻头可包括至少一个外部槽。在这些方面，可以设想的是，该至少一个外部槽可从齿冠的外表面朝向齿冠的内表面径向延伸。可以设想的是，该至少一个外部槽可有助于将钻液从凹口沿着钻头的外表面引导朝向柄。任选地，可以设想的是，该至少一个外部槽可从凹口112沿着外表面轴向延伸至柄。在另一个任选的方面，可以设想的是，该至少一个外部槽可从切削面延伸至柄，或甚至沿着柄延伸。 [0056] 如之前所述，在示例性的方面，单个排水沟112可为双重渐缩排水沟。在这些方面，凹口112除了轴向锥度外还可具有径向锥度。在一些方面，凹口112的第二侧表面112b可以大致顺时针的方向围绕切削面的周长从内表面到外表面渐缩。如本文所用，术语“顺时针”和“逆时针”是指观察钻头的切削面时相对于钻头的纵向轴线的方向。因此，凹口112的宽度可随着凹口112从齿冠的内表面延伸到外表面而增大。因此，在一些方面，凹口112在外表面处的宽度可大于凹口112在内表面处的宽度。换句话讲，凹口112在外表面处的第一侧表面112a与第二侧表面112b之间的周向距离可大于凹口112在内表面处的第一侧表面112a与第二侧表面112b之间的周向距离。 [0057] 在操作中，可以设想的是，凹口112的径向锥度可确保凹口112在齿冠的内表面处的开口小于凹口112在齿冠的外表面处的开口。另外可以设想的是，开口尺寸上的该差数可增大钻液流动到齿冠的外表面上时在内表面处的速度。因此，如上所述，可以设想的是，凹口112的径向锥度可提供更为有效的钻屑冲刷和切削面冷却。此外，可以设想的是，凹口112的增加的宽度也可有助于确保在钻液迫使碎屑从内表面移往外表面时，这些碎屑不会卡塞或阻塞在凹口112中。 [0058] 任选地，在一些方面，凹口112的径向锥度可由渐缩的第二侧表面112b形成。作为另外一种选择，在其他方面，可以设想的是，第一侧表面112a可为渐缩的。例如，可以设想的是，第一侧表面112a可沿着以大致逆时针的方向围绕切削面的周长从内表面到外表面渐缩。任选地，在一些方面，第一侧表面112a和第二侧表面112b都可包括锥度，该锥度以大致顺时针的方向围绕切削面的周长从内表面延伸至外表面。在这些方面，可以设想的是，第二侧表面112b的径向锥度可具有比第一侧表面112a更大的锥度，具体方式为凹口112的宽度随着凹口112从内表面延伸到外表面而增大。 [0059] 任选地，在示例性的方面，凹口112的顶部表面112c可沿大致从切削面朝向柄的方向从内表面到外表面渐缩。换句话讲，可以设想的是，凹口112的纵向尺寸可随着凹口112从齿冠的内表面到外表面延伸而增大。因此，在一些方面，可以设想的是，凹口112在外表面处的纵向尺寸可大于凹口112在内表面处的纵向尺寸。换句话讲，可以设想的是，凹口112可在内表面处延伸第一距离至切削面并在外表面处延伸第二距离至切削面，其中第二距离大于第一距离。 [0060] 在使用中，可以设想的是，凹口112的轴向锥度可有助于确保凹口112在齿冠的内表面处的开口小于凹口112在齿冠的外表面处的开口。可以设想的是，开口尺寸上的该差数可增大钻液流动到齿冠的外表面上时在内表面处的速度。因此，如上所述，可以设想的是，凹口112的轴向锥度可提供更为有效的钻屑冲刷和切削面冷却。此外，可以设想的是，凹口112的增加的尺寸也可有助于确保在钻液迫使碎屑从内表面移往外表面时，这些碎屑不会卡塞或阻塞在凹口112中。 [0061] 在示例性的方面，可以设想的是，双重渐缩的凹口112可确保凹口112在从钻头内表面延伸至外表面时，其尺寸在每个轴线(即径向和轴向)上都增大。增大双重渐缩的凹口112的尺寸可减少碎屑驻留在凹口112内的可能性，并因此提升钻头的钻孔性能。此外，如之前所述，可以设想的是，增大双重渐缩的凹口112的尺寸可有助于最大化内表面处基体材料的体积，并从而可通过减少在内表面处钻头过早磨损而延长钻头的寿命。 [0062] 在示例性的方面，本文所公开的钻头10可以是镶金刚石钻头，其中金刚石镶嵌在基体中。在这些方面，可以设想的是，每个钻头10可包括多种所选择的材料，其中每种材料以钻头的选定重量百分比被提供。可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的碳(不包括金刚石)，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约7.00％(以金刚石的重量计)范围内的量。在示例性的方面，钻头10的碳可以碳粉和碳纤维中的至少一种被提供。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的铬，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约1.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的钴，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约1.00％(以钻头的重量计)范围内的量。任选地，另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的铜，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约30.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的铁，诸如，例如但不限于，从约50.00％至约90.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的锰，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约8.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的钼，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约0.20％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的镍，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约6.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的硅，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约0.50％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的碳化硅，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约2.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的银，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约12.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的锡，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约6.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的钨，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约41.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的碳化钨，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约35.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10可包括任何所需量的锌，诸如，例如但不限于，从约0.00％至约24.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，本文所公开的全断面钻头的基体可被配置成在钻头内金刚石后面形成支撑结构，从而防止在操作过程中抛光镶嵌的金刚石。 [0063] 另外可以设想的是，径向改变基体的组成以为钻头的齿冠的整个操作性钻面提供更为一致的磨损。在一个方面，可以设想的是，齿冠可划分为至少三个整体邻接的区段，这些区段从齿冠的内表面沿着大致垂直于齿冠的内表面的方向延伸至齿冠的外表面。第一区段在形状上大致成圆柱形，并且从齿冠形成的内表面向外延伸至从内表面以所需距离径向间隔的第一表面。第三外部区段在形状上大致成圆柱形，并且从齿冠形成的外表面向内延伸至从外表面以所需距离径向间隔的第三表面。最后，在该例子中，提供至少一个第二区段，该区段大致成圆柱形并在第一区段和第二区段之间径向延伸，且与该两部分形成整体。在一个方面，该至少一个第二区段可包括单个第二区段或多个径向分层的第二区段。在该例子中，多个径向分层的第二区段中的至少一个将具有磨损速率不同于另一个径向分层的区段的磨损速率的基体组成。在示例性的方面，由于常规钻头对镶嵌在相应内径和外径附近基体中的金刚石或其他切削元件的支撑减少，在操作中靠近齿冠的内表面和外表面磨损更多，可以设想的是，相应的第一区段和第三区段可由具有比至少一个第二区段磨损率更高的基体组合物形成。用磨损减少的基体材料形成第二区段是有利的，因为钻头所需能源更少，并在操作中整个齿冠形成的磨损图案更为均匀。 [0064] 在示例性的方面，并且参照图5，本文所公开的钻头可作为钻孔系统500的一部分被提供。在这些方面，可以设想的是，钻孔系统500可以包括钻头510、桅杆520、钻机530和钻柱550，该钻柱被配置成被固定到钻机，并且通过钻机旋转，如在本技术领域中为常规已知的。另外可以设想的是，钻头560可以可操作地联接到钻柱550的一端。例如，可以设想的是，如本文所公开的钻头10可联接到钻柱550。在操作中，随着钻机530旋转并推压钻柱550，可以设想的是，钻头560(对应于如本文所公开的钻头10)可在地层570中磨去材料。 [0065] 在使用中，可以设想的是，所公开的钻头中缺少(或最大程度减少)排水沟狭槽或窗可增大钻头的强度(与具有该类狭槽或窗的常规钻头相比)。另外可以设想的是，本文所公开的钻头可通过增大邻近钻头端面处的冷却液的速度并引导冷却液越过钻头端面导而不将冷却液排入排水沟狭槽、通道或窗，而允许改善的冲刷效率和改善钻头冷却。 [0066] 由于本文所公开的环形钻头的增加的强度和改善的冲刷效率，可以设想的是，与已知钻头相比，所公开的环形钻头可表现出较少的磨损并且具有延长的功能产品寿命。另外可以设想的是，所公开的全断面钻头的增加的强度和冲刷可允许制造更高的环形齿冠，从而进一步延长钻头功能产品的寿命。 [0067] 实验实例 [0068] 在一个实验实例中，在正常工作期间，如本文所公开的环形钻头表现出所需水量比常规钻头少约25％。 [0069] 在另一个实验实例中，在正常工作期间，示出了如本文所公开的环形钻头在其端面处经历的流体速度是常规钻头设计的端面处该速度的三倍以上。 [0070] 在另一个实验实例中，示出了如本文所公开的不具有排水沟的钻头，在任何浸渍深度处具有大致恒定的速度。 [0071] 示例性方面 [0072] 在示例性的方面，提供了用于在地层中形成孔的钻头，该钻头具有纵向轴线并包括：柄；环形齿冠，该环形齿冠其具有切削面、内表面和外表面，全断面齿冠和柄配合以限定围绕纵向轴线的内部空间，其中环形齿冠限定多个围绕环形齿冠的内表面周向间隔开的内部通道，其中环形齿冠限定多个围绕环形齿冠的外表面周向间隔开的外部通道，并且其中环形齿冠完全周向地包围内部空间。 [0073] 在另一个示例性方面，环形齿冠不包括从环形齿冠的内表面径向延伸到环形齿冠的外表面的排水沟。在可供选择的示例性方面，环形齿冠包括从环形齿冠的内表面径向延伸到环形齿冠的外表面的单个排水沟。 [0074] 在另一个示例性方面，环形齿冠可在内表面和外表面之间具有径向厚度，其中多个内部通道中的每个内部通道具有小于环形齿冠的径向厚度的径向尺寸，并且其中多个外部通道中的每个外部通道具有小于环形齿冠的径向厚度的径向尺寸。 [0075] 在另一个示例性方面，环形齿冠的径向厚度与多个内部通道的径向尺寸之间的比率可在约1.5:1至约3.5:1的范围内。 [0076] 在另一个示例性方面，环形齿冠的径向厚度与多个外部通道的径向尺寸之间的比率可在约1.5:1至约3.5:1的范围内。 [0077] 在另一个示例性方面，多个内部通道的径向尺寸可大于多个外部通道的径向尺寸。 [0078] 在另一个示例性方面，内部通道的数目可以和外部通道的数目相同。 [0079] 在另一个示例性方面，内部通道的数目可大于外部通道的数目。 [0080] 在另一个示例性方面，内部通道的数目可小于外部通道的数目。 [0081] 在另一个示例性方面，多个外部通道中的每个外部通道可被周向定位于多个内部通道的连续内部通道之间。 [0082] 在另外的示例性的方面，可提供钻孔系统，该钻孔系统包括：钻机；被配置成固定到所述钻机并且通过所述钻机旋转的钻柱；以及用于在地层中形成孔的钻头，该钻头具有纵向轴线并包括：柄；环形齿冠，该环形齿冠其具有切削面、内表面和外表面，全断面齿冠和柄配合以限定围绕纵向轴线的内部空间，其中环形齿冠限定多个围绕环形齿冠的内表面周向间隔开的内部通道，其中环形齿冠限定多个围绕环形齿冠的外表面周向间隔开的外部通道，并且其中环形齿冠完全周向地包围内部空间。 [0083] 在另一个示例性方面，钻头的环形齿冠不包括从环形齿冠的内表面径向延伸到环形齿冠的外表面的排水沟。在可供选择的示例性方面，环形齿冠包括从环形齿冠的内表面径向延伸到环形齿冠的外表面的单个排水沟。 [0084] 在另一个示例性方面，钻头的环形齿冠可在内表面和外表面之间具有径向厚度，其中多个内部通道中的每个内部通道具有小于环形齿冠的径向厚度的径向尺寸，并且其中多个外部通道中的每个外部通道具有小于环形齿冠的径向厚度的径向尺寸。 [0085] 在另一个示例性方面，钻头的环形齿冠的径向厚度与环形齿冠的多个内部通道的径向尺寸之间的比率可在约1.5:1至约3.5:1的范围内。 [0086] 在另一个示例性方面，钻头的环形齿冠的径向厚度与钻头的多个外部通道的径向尺寸之间的比率可在约1.5:1至约3.5:1的范围内。 [0087] 在另一个示例性方面，钻头的多个内部通道的径向尺寸可大于钻头的多个外部通道的径向尺寸。 [0088] 在另一个示例性方面，钻头的内部通道的数目可以和钻头的外部通道的数目相同。 [0089] 在另一个示例性方面，钻头的内部通道的数目可大于钻头的外部通道的数目。 [0090] 在另一个示例性方面，钻头的内部通道的数目可小于钻头的外部通道的数目。 [0091] 在另一个示例性方面，钻头的多个外部通道中的每个外部通道可被周向定位于钻头的多个内部通道的连续内部通道之间。 [0092] 虽然本发明的数个实施例已在前文的说明书中所公开，但本领域的技术人员应当理解，本发明所属的许多修改和其他实施例将被想到，其具有在前述描述和相关附图中呈现的教导的有益效果。因此，应当理解，本发明不限于上文所公开的具体实施例，并且许多修改形式和其他实施例旨在被涵盖于所附权利要求书的范围内。此外，虽然本文采用了特定的术语，以及以下的权利要求也采用了特定的术语，它们仅仅用于一般性和描述性的意义，而不是为了限制所述发明的目的，也不是为了限制以下的权利要求的目的。 |
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