钻头

本发明涉及一种包括一个钻头的钻孔装置，该钻头装有一个转动主体和至少一个圆盘刀，一个给井孔供应钻孔流体或空气用的导管通过上述转动主体，而上述至少一个圆盘就安置在转动主体的外表面上。

包括一个装有三个明显锥形或截锥形切削元件的钻头的现有钻孔装置从本世纪30年代起就已知道和应用了。这些装置需要大的压力来破碎岩石并随后切削和冲走岩石。由于破碎岩石需要大的压力，此种装置影响的表面大于钻孔的表面，从而造成不规则的钻孔外形和不稳定的井。

本发明的目的是提供一种低功率操作并减小压力的钻孔装置，它使用至少一个安装在钻头外表面上的切削元件，按照一个优选实施例，它的转动轴线沿相对于主体转动方向的向后方向从钻头主体中心线朝侧向偏移，使得本装置能够比其他已知方法更快地切入岩石和挖掘岩石。

本发明的目的还包括提供一种使用轻的推力操作的钻孔装置，它最好使用三个很容易安装在钻头上的切削元件或圆盘刀，使 它能挖掘大块的碎石。

按照本发明所述的钻头包括：一个钻头主体，它被设计成围绕大体上垂直设置的转动轴转动，并包含一根纵向导管，用于将加压的钻孔流体或空气供应到井孔中，或者将与碎石和被挖掘的岩石相结合的钻孔流体或空气从井孔中除去，钻头主体预定装配到钻杆上;至少一个通常为圆形的可以转动的圆盘刀，它安装在上述钻头主体下部的外面，使上述钻头能成形具有大体上为圆筒形的井壁和通常为凹形的底部的井孔，上述圆盘刀具有通常安置成环形的切削元件，其转动轴线与主体的转动轴线成锐角，上述圆盘刀的最低切削点沿径向远离钻头主体的转动轴线;圆盘刀的轴线沿相对于主体转动方向的向后方向从钻头主体中心线朝侧边偏移，而所有各轴线之间的角度并不变化，使钻头位于非平衡位置，通过当合成的向下力超过相反力时切削元件切入井壁并剪切岩石的方法，主体的转动使钻头能寻求平衡（使钻头自动加载），向下的力主要集中在最低的切削元件上，造成井壁动摇，使钻头的切削作用更为容易。

钻头最好包括三个圆盘刀。

切削元件是装有高效切削表面（刀齿）的圆盘刀。

因为圆盘刀作用在底部和井壁的待切削的凹部上并具有通常为环形的装有切削装置的表面，所以圆盘刀的作用主要是剪切岩石而不是压实岩石，以便使岩石碎裂。

因为圆盘刀的转动轴线相对于钻头主体的转动方向向后侧向偏 移，所以每个圆盘刀的切削作用是由后下象限中的刀齿来完成的。因为净向下力（推力）主要集中在每个圆盘刀的相当于表盘上6点钟位置的附近，所以岩石的切入是很容易达到的，这是在洞孔下部动摇岩石的重要因素。

地壳数百万年的运动已经几乎使所有岩石都遭受极大的应力和应变。这些力已经由于在岩石中生成细小的裂缝和错位而被释放。大多数已知的钻孔装置压实岩石，它们将要切削消除这些裂缝和断层，而后利用转动作用磨削岩石。

圆盘刀转动轴线沿侧向偏离钻头主体的纵向轴线，使整个钻头处于非平衡位置。钻头主体的转动使圆盘刀通过切入和剪切岩石来寻求平衡。

由于钻头主体的转动，圆盘刀绕其轴线旋转，通过圆盘刀转动轴线沿向后方向的偏移，当切削元件切入并剪切岩石时，圆盘刀向着平衡方向运动。当圆盘刀接近平衡时，由于下一个刀齿刚巧在相当于6点钟的位置之前进入岩石，所以圆盘刀再一次达不到平衡，于是切削周期重复开始。

如何达到这一点可以用图1和图2来解释。FL（向下负载）由钻头、钻管和钻机负载的基本重量产生。向下负载主要作用在处于6点钟位置的最低点上，它使得尽可能切入和动摇岩石。

在图1中，钻头主体的顺时针转动（从主体上方看）使圆盘刀沿反时针方向转动（从圆盘刀的外表面看），使得一旦切削元件切入岩 石，它们通过岩石向上运动，导致向下推力大于反抗力（FL+FS＞FO，此处FS＝∑Fsi，为切削象限中刀齿的合成向下力），从而造成系统的自动加载。因此圆盘刀易于使自身旋入已经动摇的岩石，以螺线形上升的方式剪切岩石，使自身解脱并使FL成为可以忽略不计。这主要由切削元件或刀齿的中心环（图10的601）来完成。

可以相信在运转期间发生了下列过程。在切削动作从压缩性动作到向上切削的剪切性动作的快速转变期间，实现了切入并动摇岩石的过程。当刀齿接近6点钟的位置时，从刀齿进入岩石的点开始，圆盘刀上的最低刀齿向岩石中作用一个合成的向下推力和转动能量（或扭力），它们来源于向下的引力和钻头主体的转动。该能量迅速增大，直到它达到最大值，此时刀齿到达6点钟位置，此后刀齿运动进入向上切削的剪切动作。最好是，这一阶段由每一刀齿在另一刀齿进入岩石之前完成，但是在另一种方案中，在第一刀齿到达完全切入的位置之前，一或多个其他刀齿可以进入岩石。

一旦刀齿完全切入岩石并通过6点钟位置，如果发生向上切削的剪切或挖掘动作，刀齿必须克服岩石的阻力。当刀齿在岩石中向上运动通过圆盘刀的后下象限时，它们作用在岩石上的向下能量从6点钟位置的高峰值逐渐减小，当刀齿到达3点钟位置时，该向下能量变成可以忽略不计。圆盘刀转动轴线相对于钻头转动轴线的侧向向后偏移意味着，当圆盘刀刀齿从6点钟位置向上运动时，它们进一步离开钻头的中心线，直到它们到达离中心线的最大距离，或者有时 候如果圆盘刀已经向下倾斜时是在刀齿通过3点钟位置之后。

这种向外运动的结果是，刀齿沿平行于圆盘刀转动轴线的方向对岩石施加一个力。当刀齿运动离开6点钟位置时，这个侧向力逐渐增大，当刀齿到达离井孔中心线的最大垂直距离时，这个侧向力达到最大值。其后当刀齿离开岩石时，该力迅速减小，在刀齿与岩石胶离接触的位置，该力完全消失。因此，可以相信，侧向力与圆盘刀对钻头主体中心线的锐角和圆盘刀外表面的凸形互相结合在一起，使外切削环上的刀齿起作用，让刀齿进入岩石并利用向上切削的剪切作用挖掘岩石。

由刀齿施加在圆盘刀外表面上的向外侧向力的一部分受到由刀齿施加在内切削环（图10中603）上的向内侧向力的反向平衡。该向内的力使刀齿切入、剪切和挖掘井孔底部中心柱中的岩石（图10中611），这个中心柱所以留在那里，是因为圆盘刀周边上的刀齿在其最低点处沿径向远离主体的中心线。

内切削环上的刀齿挖掘中心柱，有时候在外环上的刀齿停止接触井壁之前内环上的刀齿就停止接触岩石表面了。这意味着，当向外侧向压力正在增大时，向内侧向压力突然降低。其结果是在后下象限内在圆盘刀上产生一个向内的扭力。

当刀齿首先切入岩石时，克服岩石对这些相互作用的向下和侧向力的联合效果的阻力所需要的扭力能量迅速增大，在6点钟位置达到峰值，而后当增大的（但是是第二位的）侧向力抵消减小的（第 一位的）向下力时，该扭力能量缓慢减小，只有当向下力变成可以忽略不计和刀齿开始离开岩石时，该扭力能量才迅速减小。

因为圆盘刀在围绕它的轴线转动的同时也围绕主体的中心线转动，所以与钻头主体的转动速度相比，切削刀齿围绕中心线转动的速度是起伏的。这种起伏的大小受圆盘刀周边上的最高点沿直径距离最低点的程度即圆盘刀上的垂直倾斜量的影响。

当一个刀齿位于圆盘刀上9点钟的位置时，它的转动速度与钻头主体相同。当它相对于钻头主体的转动方向向后运动时，它本身的转动速度下降，在6点钟位置达到它的最低速度-在该点上它的向下运动变成为向上运动-而后当它运动通过后下象限时它的速度加快，直到在3点钟位置，它的运动速度又一次与钻头主体相同。当刀齿运动通过3点钟位置时，它继续增大相对于主体的转动速度，在12点钟位置上达到其最高速度，之后减慢速度，直到在9点钟位置时两个速度再次相等。

因此可以相信，当刀齿离开岩石时，增大的刀齿速度和减小的向外侧向压力的结合使刀齿在后上象限中停止剪切和挖掘岩石，并开始磨光孔壁。但另一方面，在这个象限内仍然存在一个向外的侧向力，其效果可以相信是压缩性的，它压实任何松散的岩石并磨光孔壁。

如果上述圆盘刀而后沿上述钻头主体的转动方向倾斜，那么挖掘岩石的外刀齿进一步压入岩石，增大了该挖掘外刀齿的工作量，并 减小了由切入动摇岩石的刀齿所完成的工作量，这延长了后一刀齿的寿命。挖掘岩石的外刀齿的寿命可以通过使用金刚石型碳化物刀具之类高度耐磨的刀具来延长，从而延长了钻头的寿命，当待切削的井孔特别深时这一点特别有价值，因为这减少了当钻头磨损时将它提升到地面进行更换的停机时间。

因为钻头上的净向下力主要集中在一点上，也即集中在圆盘刀上处于6点钟位置的刀齿上，因此很容易切入几乎任何已知的岩石。因此钻头钻孔时只利用较小的向下推力，如果刀齿加长的话，为了完全切入岩石只需要增加很小的推力。克服岩石阻力所需要的力大部分是转动力，任何阻力的增大大部分可以通过增大钻头主体上的扭力来克服，这种扭力可以被传递到圆盘刀上。

在任何使用不止一个圆盘刀的钻头中，在每个圆盘刀上需要数目不同的刀齿，以保证最低刀齿的切削路径是并排的。如果每个圆盘刀上的刀齿数目相同，那么切削路径以有规律的重复图形重叠，这产生重复的轨迹，并阻碍最低刀齿动摇岩石的作用，因而也阻碍钻孔过程。切削路径的特征部分地决定于圆盘刀及其刀齿的构型。

如果转动轴线的侧向位移是相对于钻头主体转动方向的向前方向，那么切削作用将由圆盘刀的前下象限完成。岩石的切入将刚巧在9点钟位置之前开始，并以下降的螺线形运动，增大切入岩石的程度，直到在6点钟位置上刀齿完全埋置入岩石（见图2）。

这种向前位移的效果将是产生一个与达到平衡所需的力相反的 力，对岩石的作用是压实大于动摇，使岩石更难切削，给切削刀齿和轴承增加不适当的应力。碎石也向下指向井孔底部，这在某些岩石状态下将使钻头卡在井孔内。

本发明的原理适用于包含一或多个切削圆盘刀的钻头。按照本发明的另一个实施例，上述钻头主体的上部具有许多个磨光或切削元件，它们以有规律的间隔安置在钻头主体的周边上，其位置不低于井孔的凹形底部与圆筒形壁部的结合点。

本发明有利于使用较小的向下压力和功率来较快地成直线地切入岩石而保持恒定的井孔直径，从而显著地降低每英尺钻孔的成本。

在软性岩石中，碎屑或碎石的体积比较大，因此在小孔径情况下，具有一或两个转动圆盘刀的装置更为有效，这种装置在井孔底部留下更多的空间以清除碎石。通常钻头包括三个圆盘刀。

本发明的另一个优点是钻孔的方向恒定，因为与钻头主体的转动相结合的切削力的矢量产生一个动摇岩石作用的锥芯，其顶点位于井孔底部下方，在主体的中心线上。这种方向的稳定性受到钻头主体上部中的磨光或切削元件的作用的增强，主体把钻头保持在井孔的中心。

磨光元件的另一个优点是保证钻头在井孔中的退出运动沿直线进行，从而避免钻头主体偏移。如果钻头主体在向上或后退运动中偏离直线，那么一或多个圆盘刀可能嵌入孔壁中，由此造成圆盘刀的失 效或破裂，或者圆盘刀上面的轴承将下掉到井孔中或留在孔壁中，或者造成整个钻头卡在孔壁中，从而不能成功地退出。

通过使每个圆盘刀的转动轴线在相对于钻头主体转动方向的向后方向侧向偏离主体中心线的措施，将本装置设计成提供一种不怕阻力的圆盘刀。偏移量将随钻头的直径和圆盘刀的构型和设计而变化。例如，偏移量可约为1/32英寸至1/4英寸，或约为1/4英寸至1英寸或更多。

从主体中流出水、钻探泥浆或空气用的导管被设计成提供充足的流量，以便冲出破碎的岩石并在钻孔期间冷却圆盘刀。位于钻头主体上部的磨光或切削元件被安置成多边形，最好是六边形。我们可以将这种构造称为环规。这种环规在围绕其直径的规定点上最好装有高度耐磨的刀具，刀具在离井孔中心的规定距离处接触井壁。因此，即使在长期钻孔之后圆盘刀上的切削元件被磨损了，也能通过利用环规将圆盘刀的磨损切削表面达不到的残余岩石除去的办法，保证井孔具有恒定直径。环规的刀具最终也会遭受磨损，但是在实际上，本系统保证在大多数钻孔应用中孔径的稳定性超过其他常规系统的失效点。

虽然环规上的刀具将除去磨损的圆盘刀留下的任何残余岩石，但它们的清除速度没有圆盘刀快，钻孔速率的明显而持续的降低将表明圆盘刀上的过度磨损。

钻头主体的底部中央可以安装切削元件，以除去圆盘刀切削表 面不能直接达到的残余岩石柱。

圆盘刀装有辅助切削元件，它们围绕圆盘刀安置成环状并位于主要切削元件后面，形成一个使它们指向井孔中心的角度，安置的方式要使得当主要的切削元件工作时这些辅助切削元件不会碰撞井壁。这些辅助切削元件的目的是使当圆盘刀转动时在井孔中心形成的任何中心岩石柱受到振动并破裂。

如现在应当清楚的，本发明提供一种自动准直的钻头，使用较轻和较便宜的设备，适合于方向稳定地钻削直径恒定的井孔。切入岩石的速率比用常规方法获得的速率快20-400%。本钻孔装置已经被设计成能够容易地经受商业性钻孔作业中正常遇到的一切震动、压力和磨损。

因此很显然，按照本发明所述的用于钻削井孔的一种钻头包括一个主体，它被设计成围绕大体上垂直设置的转动轴转动，并包含一根纵向的导管，用以在压力下向井孔供应钻孔流体或空气。

在另一个实施例中，钻头包含一根中央导管，它或者穿过钻头的中心，或者分裂成许多个定向导管。与井孔中来的碎石和挖掘下的岩石相结合的钻孔流体或空气将通过该导管或这些导管，以清除上述碎石和挖掘出的岩石。

三个可以转动的圆盘刀最好以相等的间隔安装在钻头主体的外表面上，这些圆盘刀具有多个切削元件。但是，钻头也可以装备较少或较多的圆盘刀。每个圆盘刀有一个转动轴，与钻头主体围绕其转动 的垂直轴成锐角，从而使切削元件以这样的方式安置，即可以沿钻头主体的转动方向获得高效的不怕阻力的切削，并保证第一个切削元件是接近每个圆盘刀的最低切削元件的那个切削元件。

圆盘刀转动轴相对于钻头主体转动轴安置的角度通常为40至80度。

本发明的主要优点是提供一种价廉而其构造高度有效的钻头，这种钻头的另一个特征是自动准直，从而具有以方向稳定的方式钻孔的能力。

图1是一种装有向后偏移圆盘刀的钻头的侧视示意图;

图2是一种装有向前偏移圆盘刀的钻头的侧视示意图;

图3是一种装有三个圆盘刀的钻头的透视图;

图4是一种如图3的装有环规的钻头的透视图;

图5是钻头在钻孔中的底视图，圆盘刀的转动轴线沿相对于主体转动方向的向后方向偏移;

图6是与图5的钻头相似的钻头底视图，圆盘刀的转动轴线沿向前方向偏移;

图7是一种装有向后偏移和向前倾斜的圆盘刀的钻头的透视图;

图8是图7所示钻头的底视图;

图9是一种钻头如图7的透视图，这种钻头被设计成使钻杆固定在钻头的底部上，用于向上钻挖;

图10是一种装有单个圆盘刀的钻头的侧视图;

图11是一种用于钻探大直径钻孔的多层圆盘刀组件的侧视示意图。

虽然本发明限于装备了三个圆盘刀的钻头，但装备一个、两个或更多个圆盘刀的钻头也符合本发明。

参考图3，图中可以见到一种如本发明所述的转动钻孔装置10，它包括一个安装在外连接器14的最上部分的主体件或座罩12，使它能够连接到转动驱动系统上，在这种情况下，一个被称为钻杆的转动驱动轴在其最下端安装了相应的内连接器。通过外内连接器的啮合，主体件或座罩12能够非常紧密地固定在未图示的驱动轴的最下端上，而当有时需要更换时，也很容易从那里把它卸下。

施加动力的轴有一个中心设置的纵向孔，允许在其中流动冷却剂，轴可以围绕中心线或转动轴线20转动。中心线也可被看作延伸通过主体件12。

主体件12有一个中心设置的冷却剂导管，与轴的中心孔对准，导管开了许多个小孔，用于使钻孔流体或空气在压力下循环到安装在主体件12上的转动的圆盘刀或轮刀34、36、38的区域上。

每个圆盘刀34、36、38装有环状的切削元件，其长度、形状和配置图形取决于所要切削的岩石的状态。

图4表示一种类似于图3的钻头，唯一的差别是环规40，它最好是多边形。按照本发明，在环规各边的相交处安装了磨光的刀具或 刀齿42，它们可以被看作是形成了钻头的最大直径。

可以注意到，环规的每个侧面是凹面的，从安装了磨光刀具或刀齿的环规外径相交点向着钻头转动中心往内延伸。这种构造尽可能扩大了供石块和其他切削碎屑通过的井壁和环规40凹面之间的空间，并便于通过钻头运转期间所用的流体从圆盘刀区域除去这些碎屑。这些细节在图5中非常清楚。环规40可以被看作是变形的多边形形状。

在持续的钻孔过程中，环规40将保证在岩石中产生的钻孔的恒定直径，尽管圆盘刀的切削表面可能受到磨损从而减小轮刀或圆盘刀34、36、38的有效切削直径。按照本发明，这种切削直径的减小受到钻头上部最大直径处所用的环规40的刀具42的补偿。这些刀具当然是高度抗磨损的刀具，如前所述，它们各自位于与在岩石中产生的钻孔11接触的位置上。从理论上说，环规40的刀具或刀齿42最终也将受到磨损，但是在实际上，这个新的系统将在大多数钻孔应用中在超过其他常规系统已经失效的期间，通过除去轮刀或圆盘刀的磨损刀齿达不到的残余岩石来保证钻孔直径的稳定性。

变形多边形的形状具有当钻头在钻孔中上升时防止圆盘刀嵌入孔壁中的附加优点。

图5是类似于图4钻头的钻头底视图。唯一的差别是圆盘刀的形状和刀齿配置图形。

从图3以后，除了利用不同的数字标号来表示圆盘刀中的差别 以外，同一数字表示钻头的同一元件。

图5中所示的钻头的圆盘刀134、136、138为截锥状，而切削刀齿135a、135b、137a、137b、139a、139b是依照两条圆环线交错配置的。圆盘刀的转动轴线a在相对于由箭头R1指示的钻头转动方向的后方沿侧向偏移。这个向后偏移的大小为△b，它可以随钻头直径而变化。圆盘刀的转动方向用箭头R2表示。圆盘刀的侧向向后偏移的好处已经参考图1和图2说明过。

图5中也表示了环规40，其刀齿42是这样设置的，使得能保证钻孔11的恒定直径。

圆盘刀的向后偏移位移使得在每个圆盘刀的前上象限中能够存在一个松散/空隙介质区Al，而在圆盘刀136的后上象限中存在一个重新稳定区Ar，图5中仅相对于圆盘刀136示出这些区域，但它们在三个圆盘刀中都同样存在。

环规40的刀齿42组成保证钻井恒定直径的依一定尺寸制造的磨光工具。因此后下象限的刀齿动摇并切削井壁，而后上象限的刀齿在切削之后压实井壁中的岩石。

图6表示一种具有三个圆盘刀234、236、238的钻头，其转动轴相对于钻头转动方向沿侧向向前偏移。侧向偏移的大小为△f。

这种装置的缺点已经结合图2论述过。对每个圆盘刀来说，转动轴线是向前偏移的，一个松散/空隙介质区Al位于圆盘刀的后上部，而在圆盘刀的前部产生一个切削区Ad。因此切削是通过每个圆盘刀 的前下象限来进行的，该象限的刀齿当圆盘刀反时针转动时通过压缩来切削孔壁，这与图5中的钻头相反，在图5中后下象限的刀齿动摇并切削井壁。

图7和图8表示一种钻头，每个圆盘刀的转动轴线首先沿侧向向后偏移，偏移的大小为△r，然后圆盘刀相对于钻头的转动方向按角度向前倾斜。圆盘刀434、436、438的这种位移使每个圆盘刀的后下象限更靠近井壁。

图9表示另一个实施例的透视图。钻杆连接在装有外连接器500的钻头主体的底部上，以便可以向上钻孔。这样一种钻头可以从一个通道或其他空间向上钻孔，这种空间位于岩石下面，并从表面已经钻了一个小口径钻孔通到该空间中，使得当钻头向上钻孔时，它扩大钻孔的直径。实际上图9所示的钻头与图7所示的钻头相似。它装有三个圆盘刀534、536、538和一个带磨光元件42的环规40。主要的差别是外连接器位于钻头的下部，其形状和尺寸不同。图9中的钻头并不装备供应钻头流体用的导管。

图10是一种装有单个圆盘刀600的钻机的侧视示意图。圆盘刀的切削元件位于三个环状构造中。刀齿601的位置靠近圆盘刀的外周缘，显然后下象限的刀齿沿径向切入并动摇岩石610，而后利用位于圆盘刀外表面上的刀齿602挖掘岩石。位于圆盘刀内表面上的刀齿603破碎被圆盘刀留在钻孔底部的柱状岩石构造611。钻头主体下部处的附加切削或磨光元件604能对柱状岩石611进行切削或磨 光。相对于钻头主体转动方向位于后上象限的刀齿602压实井壁。因此，位于圆盘刀上相当于表盘上6点到9点钟之间位置的切削元件必然动摇、挖掘、破碎和切削岩石，而位于圆盘刀前部9点到12点钟之间位置的刀齿具有压实作用。

图11是一种用于钻削大直径井孔的多层圆盘刀组件的侧视示意图。尺寸不同的圆盘刀被安装在成阶梯状的同心环内，使得当离上述钻头主体中心线的半径距离C1、C2、C3增大时，在钻头主体最低点以上的任何给定圆盘刀的垂直距离也增大，而上述圆盘刀的直径d1、d2、d3减小。通过改变上述圆盘刀的尺寸和数目以及相对于钻头主体中心线的第三位置，在井孔底部上的阶梯状切削外形以及钻孔速率可以变化，以适应不同的岩石类型和结构，就象井孔的直径可以变化一样。

这样，上述几个目的和优点被最有效地实现了。虽然此处详细地公开和说明了几种优选实施例，但是应当理解，本发明决不因此而受到限制，本发明的范围决定于附属的权利要求书的范围。