有多种类型的旋转钻头或凿岩钻头可用来在地下钻孔。这种凿岩钻头的例 子包括用于钻油井和天然气井的牙轮钻头或旋转式锥形牙轮钻头。一种典型的 牙轮钻头包括一钻头本体，它具有一用来连接一钻柱的上端。从钻头本体的下 端悬伸出多个、一般为三个的支承臂，每一支承臂都具有一从所述钻头本体向 下并相对于钻头本体的投射转轴径向向内突出的心轴。
在一些应用情况下，已经采用组件结构设计技术来制造钻头本体和组件式 支承臂构成的钻头。这种组件式支承臂往往含有沿无偏移轨迹或照准线轨迹延 伸到钻头外部的一定位平面，并要求焊道的长度方向与从钻头中心引出的径线 垂直。与钻头中心引出的径向线垂直的那段焊接接缝或焊道已知是焊道的直线 段。到达钻头本体中形成的空穴附近的焊缝区域的支承臂轮廓一般都是直线形 的。这种结构会产生一定的应力，而使焊缝断裂。另外，这种结构也使焊接不 方便，而可能发生事故。
发明概述
根据本发明，可基本上减少或避免现有旋转式锥形牙轮钻头的缺点和所存 在的问题，具体地本发明的目的在于提供一种旋转式锥形牙轮钻头的组件式支 承臂，其结构可改善作用在支撑臂上应力分布从而防止钻头断裂；此外本发明 还提供了一种用于制造这种组件式支撑臂的方法和具有此支撑臂的旋转式锥 形牙轮钻头。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于具有钻头本体的钻头的支承臂和 钻头牙轮组件，包括：所述支承臂具有一顶面、一内表面、一具有形成其一部 分的牙爪尖表面的外表面以及底边，所述内表面和所述牙爪尖表面在所述底边 汇合，以及安装到靠近底边的所述内表面上的心轴并且相对所述支承臂向下和 向内成斜角；其特点是，所述支承臂的内表面包括：第一和第二斜角表面，所 述斜角表面的下部形成从所述内表面突出的楔形部，所述楔形部分具有一下边 和上边；包括在所述第一和第二斜角表面之间延伸的中间部分；以及从所述中 间部分垂直伸到所述楔形部所述上边的三角形上表面；连接到所述楔形部所述 下边的喉状后角区域；所述顶面和所述内表面的尺寸可选定为允许将一部分所 述支承臂固定在形成于所述钻头本体中的空穴中，并且所述楔形部的尺寸可选 定为允许将所述楔形部藉由形成于所述空穴中的楔形槽固定固定在所述钻头 本体；安装到靠近底边的所述内表面上的心轴并且相对所述支承臂向下和向内 成斜角；以及设置在所述支承臂的所述内表面上的装置，用于在所述钻头的制 造过程中将所述支承臂对齐并定位在所述空穴中。
根据本发明的第二个方面，提供了一种制造用于具有一钻头本体的钻头的 组件式支承臂的方法，即形成一具有一顶面的支承臂，在所述支承臂上形成一 内表面；其特点是包括以下步骤：形成一中间部分，包括一平表面以及在所述 平表面两侧的第一和第二斜角表面；在连接在所述第一和第二斜角表面之间的 所述内表面上形成一楔形突起，这样所述楔形突起的尺寸制得可允许将所述楔 形突起固定在所述钻头本体中所形成的一空穴的楔形槽中。
根据本发明的第三个方面，提供了一种用于形成钻孔的旋转锥形牙轮钻 头，包括：具有在其外表面上形成的多个空穴的钻头本体；从所述钻头本体上 向下伸出多个支承臂并且安装于其上，所述支承臂的数量与所述钻头本体上形 成的空穴数相同，所述各支承臂具有一顶面、一内表面以及连接到所述内表面 上的轴，各轴基本上相对其有关的支承臂向下和向内突出；多个与所述支承臂 数量相同的钻头牙轮组件，并分别安装在一个所述轴上；其特点是，各支承臂 的各内表面包括：第一和第二斜角表面，所述第一和第二斜角表面的下部形成 具有一上、下边的向内突出楔形部；在所述第一和第二斜角表面之间的中间部 分；从所述中间部分垂直伸出到所述楔形部所述上边的上表面；以及从所述楔 形部的所述下边伸出的弯曲的喉状后角区域；所述各空穴包括一后壁、一在所 述圆边处连接到所述后壁上的下表面，由所述倾斜的侧部和所述下表面结合所 形成的楔形槽；所述各支承的的所述顶面和所述内表面的尺寸可选定为允许所 述支承臂一部分固定在所述各空穴中，并且所述各楔形部的尺寸可允许将所述 楔形部固定在一个相应的空穴的所述槽中；以及设置在所述各支承臂的所述内 表面上及其所述空穴的各所述后壁上，以用于在制造所述钻头过程中将所述支 承臂对齐和定位在所述空穴中的装置。
本发明的一个优点是当焊接在一起时，楔形三角突起和其配合的楔形槽可 产生三角形焊接接头，这可减少横贯焊接接头的拉伸负荷。横贯焊接接头的拉 伸负荷的减少基本上可减少焊接接头发生破裂的可能性。楔形部分伸入钻头的 机加工的空穴同样可延长应力分布于其上的焊道，从而进一步减少横贯焊接接 头的拉伸负荷。
应力都是从支承臂经由突起的上表面与空穴下表面的接触而从支承臂传 递到本体上的。这具有增加传递应力的面积的作用，并且可使应力从支承臂顺 利地过渡到本体上，而不会使应力集中在支承臂或本体的任何损伤区域中。因 此，支承臂的轮廓可逐渐融合到楔形突起中，这样应力可经过支承臂传递而不 会集中在支承臂的任何损伤区域中。
通过将焊接热量作用区从支承臂的大负荷部分转移到低应力的内部可实 现其它优点。因而，突起起到分布由制造钻头所产生的应力的作用，这样应力 不致破坏焊接支承臂的结构整体。而没有这种突起，将支承臂焊接到本体上的 焊缝上的制造和操作应力就可引起破裂。
因此，采用基本上三角形的楔形部分可减少焊缝数量以及为在支承的后背 周围焊接独立的中心段所必要的焊接人员的数量。因此，焊接人员能够焊接成 具有最小的焊瘤和咬边的较为完善焊缝。本发明示教的结构能减轻可使焊接人 员工作疲劳。
附图的简述
为了更全面地理解本发明及其优点，以下结合附图进行描述，其中：
图1是具有本发明特点的、安装于设置在钻孔中的钻柱一端的部分旋转式 锥形牙轮钻头的直立截面示意图；
图2是一立体图，示出了本发明旋转式锥形牙轮钻头一个实施例的局部剖 视图；
图3是截面剖视图，示出了结合有本发明一个实施例的一体式钻头本体、 支承臂和钻头牙轮组件；
图4是本发明的支承臂的立体图；
图5是图4所示支承臂的纵向图；
图6是沿图5中的线6-6的图；以及
图7是一整体钻头本体的部分剖除的截面图，本发明一个实施例的支承臂 固定于其上。
实施例的详细描述
通过附图1-7可很好地理解本发明的较佳实施例及其优点，同样的标号用 于各图中相同和相应的部件。
为便于图示，图中示出了采用本发明的用于地层中钻孔的旋转式锥形牙轮 钻头20。旋转式锥形牙轮钻头20通常可称为“旋转钻头”或“凿岩钻头”。 旋转式锥形牙轮钻头20较佳地包括用于将钻头20和钻柱22连接起来的带螺 纹的连接部或销44。螺纹连接部44和钻柱22所带的相应螺纹连接部(未示) 设计成可使钻头20相应于在井面上的钻柱22的转动而转动。
在图1中，所示钻头20安装到钻柱22上并且处于钻孔24中。在钻柱22 的外部和钻孔24内部或壁28之间形成环形空间26。除了转动钻头20之外， 钻柱22经常用于提供一种用于将钻井液和其它流体从井面流到钻孔24底部的 钻头20的通道。这种钻井液可被引导从钻柱22流到设置在钻头20中的多个 喷嘴60中。由钻头20形成的钻屑和钻孔底24底部的其它任何碎屑将可与喷 嘴60中排出的钻井液混合并且经过环形空间26返回井面。
由于钻柱22转动，钻头牙轮组件100绕钻孔24底部滚动，而产生旋转式 锥形牙轮钻头20的切削动作或钻孔动作。由壁28所形成的钻孔24的内径近 似地与钻头牙轮组件100的组合外径或测量直径对应。钻头牙轮组件100相应 于钻头20的转动而协作以切削成由壁28所形成的钻孔24的直径。钻头牙轮 组件100通常可称为“旋转锥形牙轮钻头”或“滚动式锥形牙轮钻头”。
如图1、2和3所示的各钻头牙轮组件100包括多个突出钎头104，它们 响应由钻柱22施加于钻头20上的重力和转动而刮削和凿挖钻孔24的侧面和 底面。各个钻头牙轮组件100的钎头104的位置可以改变以提供所需的直孔钻 削动作。其它类型的钻头牙轮组件也可令人满意地与本发明一起使用，包括(并 不仅限于)具有以铣齿代替钎头104的钻头牙轮组件。
钻头20较佳地包括一单件式或整体式钻头本体40，该本体的上部42为 用于将钻头20固定到钻柱22下端的螺纹连接部或销44。三个支承臂70较佳 地安装到钻头本体40上并从钻头本体40纵向地伸向与销44相反方向上。各 支承臂70较佳地包括一连接到、且从对应内表面76上伸出的心轴82。
钻头本体40包括一下部46，其上具有一大致拱形的外表面48。选择拱 形表面48的尺寸和钻头牙轮组件100的位置以使钻头本体40的下部46和钻 头牙轮组件100之间的流体流动得到最优。钻头牙轮组件100相对下部46的 位置可以通过调节有关的支承臂70的长度和各支承臂70在钻头本体40外表 面的间隔而改变。
钻头本体40具有形成在其外表面上并且径向相互隔开的许多空穴54。可 相应于要安装于其上的支承臂70的数量来选定空穴54的数量。相应于所需的 支承臂70和有关钻头牙轮组件100的间隔可选定空穴54相互在钻头本体40 外表面上的间隔。
如图2所示的，各空穴包括后壁64和两个从后壁64向外成斜角的倾斜侧 壁66和68。后壁64在空穴54的上表面65处开始并且经空穴54的一部分纵 向延伸。后壁64和侧壁66及68的尺寸可选定为与有关支承壁70的相邻侧表 面76、侧部132、134以及顶面74相协调。第一和第二个支脚53、55位于 后壁64上并且尺寸制得可容纳一有关支承臂70的第一和第二开口75和77。
靠近空穴54的下部，由空穴54下表面67和侧壁66和68形成一楔形槽 121。空穴54的下表面67呈大致的三角形。三角形下表面67的一侧和后壁64 的连接部分较佳地形成一圆角形或环形边69。同样地，如图7所示，下表面 67和侧壁66和68的连接部形成一尖角或圆角73。一起形成楔形槽121的下 表面67和侧壁66及68的结合部制得可容纳如图4所示的支承臂70的楔形突 起125。楔形部125表示为一向内突的楔形部，因为它相对钻头本体40的纵 轴线50向内突出。本发明也可采用其它的向内突出楔形体和配合槽。
焊接坡口126形成在钻头本体40的拱形表面48上，并且沿各空穴54的 最底边71延伸。当支承臂70置于其有关的空穴54中时，如图7所示的焊缝 128的长度适应焊接坡口126，以牢固地将各支承臂70固定到钻头本体40上。
图3是一分解图，示出了钻头本体40、一个支承臂70和其有关的钻头牙 轮组件100之间的关系。钻头本体40包括设置在上部42和下部46之间的中 间部分52。纵轴线或中心轴线50延伸过钻头本体40并且基本上对应于钻头 20转动轴线。中间部分52较佳地呈大致圆柱形并且空穴54形成于其外表面且 相互径向隔开。空穴54的数量可相应于将要安装于其上的支承臂70的数量。 空穴54在中间部分52外表面上的相互间隔可相应支承臂70和其有关钻头牙 轮组件100相对纵轴线50和钻头20转动轴线的所需间隔而选定。
各支承臂70具有一从中延伸的纵轴线72。支承臂70较佳地安装于其各 自的空穴54中，并且其各自的纵轴线72基本设置成相互平行并且与有关钻头 本体40的纵轴线50平行。
各支承臂70较佳地由一系列焊缝焊接在其有关的空穴中，图中未全部示 出。焊接坡口126形成在拱形表面48上，并且沿空穴54的最底边71延伸。 焊缝128置于焊接坡口126中有助于将各支承臂70固定到钻头本体40上。焊 接坡口126和焊缝128都是三角形的，近似地对应于楔形部分125的周边。由 于焊接坡口126的三角形结构，焊缝128不包括与钻头20纵轴线50伸出的径 线垂直的段落。没有这段焊缝可减少将支承臂70安装于钻头本体40所在其有 关焊接坡口126中产生的拉伸应力。
各钻头牙轮组件100较佳地以基本相同的方式构成并且安装于其有关的 心轴82。各支承臂70较佳地基本相同的方式构成并且安装于其有关的空穴 54。由于相同的描述适用于其它两个支承臂70和其有关的钻头牙轮组件100， 所以仅详细描述一个支承臂70和钻头牙轮组件100。
支承臂70具有与纵轴线72相关的大致矩形结构。支承臂70可具有与纵 轴线72垂直的多个横截面，这取决于可结合到本发明的支承臂70中的有关空 穴54的结构和其它特点。支承臂70包括顶面74、内表面76、底边78和外 表面80。支承臂70还包括较佳地相互平行且平行纵轴线72的侧部84、86。 各支承臂70的尺寸和结构可选定为与有关空穴54一致。如图2和3所示，各 支承臂70的一部分、包括顶面74和内表面76的相邻部分制得可配合在有关 空穴54中。
内表面76包括中部142，斜角表面144、146与其相邻。内表面76的结 构基本上可在顶面74和底边78之间改变。内表面76和外表面80可在支承臂 70的底边78连接。与底边78相邻的外表面80部分经常称为牙爪尖表面88。
心轴82较佳地相对支承臂70的纵轴线72和钻头20的转动轴线向下和向 内。心轴82的方向使钻头牙轮组件100的外表面在钻孔操作中与钻孔24的侧 面和底部配合。一些应用情况下，较佳的是将带有钻头牙轮组件100的各支承 臂70和其有关的轴82设置得偏离钻头20的转动轴线。所需的偏离可通过在 钻头本体40外表面上形成相关空穴54并且该空穴偏离钻头本体40纵轴线50 一相应值而获得。偏离量可从零变化到5或6度，或者在钻头20转动方向上 从零变化到1．27厘米。
如图3所示，各钻头牙轮组件100较佳地包括一底部108，其上伸出一 锥形壳或鼻106。一些情况下，底部108为截头锥形外表面，它角度较佳地与 壳106角度相反。基部108还包括可邻近有关支承臂70的内表面76部分设置 的背面112。
底部108较佳地包括开口120，其上伸出腔室114。腔室114较佳地延伸 过基部分108并进入鼻部106。腔室114中的开口尺寸120可选定为允许各钻 头牙轮组件100安装在其有关的心轴82上。一个或多个支承组件122较佳地 安装在心轴82上，并且设置在腔室114中的支承壁(未示)和轴82上的环形支 承表面81之间。
钻头牙轮组件100通过将多个滚珠轴承124塞入由支承臂70的外表面80 经过心轴82伸出的滚珠通道96而保持在其有关心轴82上。一配合滚珠座圈(未 示)一般将设置在钻头牙轮组件100的内部。一旦插入，与钻头牙轮组件100 上的滚珠座圈98和配合滚珠座圈(未示)协作的滚珠轴承124将阻止钻头牙轮 组件100从心轴82脱离。滚珠通道96可采用焊接或其它众所周知的技术随后 填入。一些应用情况下，也可在通道96中放入一球塞(未示)。
如图3所示，为了在其中安装一润滑油槽(未示)而提供一腔90，已经将一 部分顶面74、外表面80和相邻侧壁84、86去除。
在图4和5所示的本发明的一个实施例中，在各支承臂70的内表面76上 形成第一开口75和第二开口77。第一支脚53和第二支脚55较佳地位于各空 穴54的后壁64中。支脚53和55从各后壁64径向伸出以分别容纳第一开口 75和第二开口77，以将各支承臂70容纳在其相关空穴54中。本发明一个实 施例中，第一开口75较佳地包括一从顶面74伸出的纵向槽并且制成其中可容 纳第一支脚53。第二开口77较佳地大致呈圆形以容纳第二支脚55。第一开 口75较佳地形成为一纵向槽以补偿支承臂70的尺寸和其有关空穴54、包括 第一开口75、第二开口77和各自的第一支脚53和第二支脚55之间的变化。
如图4所示，支承臂70内表面76包括中部142，并且斜角表面144、146 从顶面74纵向伸出，并且相互平行以到达在内表面76的下部形成的喉状后角 区域87。
向内突出的楔形部125具有从内表面76的斜角表面144和146伸出的第 一和第二倾斜侧部132和134。倾斜侧部132和134的汇合形成楔形部125的 圆顶角151。一上表面136从中部142伸到侧部132和134，形成楔形部125 的上边138。上表面136基本上与中部142垂直。如图5所示，上边138可以 倒角。另外，上边136可以是圆的或圆角形的。
当支承臂70放于空穴54中时，由于中部142和上表面136都分别靠在后 壁64和下表面67上，上表面136和中部142都加工成可为支承臂70方便地 安装于空穴54中而提供定位表面。楔形部125制成可配合在空穴54的楔形槽 121中。
支承臂70的喉状后角区域87逐渐地从心轴82和脊缘150向上弯曲到其 与楔形部125的下边152的连接部。喉状后角区域87和楔形部125在下边152 处汇合。下边152向上弯曲成三角形，并且包括最外点130。支承臂70位于 空穴54中，这样最外点130靠近空穴54的最底边71。一旦支承臂70位于一 相应空穴54中，焊缝128就处于焊接坡口126中以牢固地将支承臂70锚固到 钻头本体40上。
图6示出了沿图5中的线6-6所见的支承臂70的下部。心轴82包括从支 承臂70内表面76伸出的轴线83。一基本上圆形的平加工面85较佳地形成在 支承臂70内表面76和心轴82之间的连接处。机加工表面85通常可称为支承 臂70的“最后机加工表面或LMS”。机加工面85较佳地具有一由图6中半 径R1所形成的圆形结构，该半径从心轴82的轴线83处伸出，而使机加工面 85均匀地绕心轴82轴线83延伸360度。机加工面85和其有关的半径R1与外 表面80协同以局部地形成支承臂70的牙爪尖表面88和底边78。图6中的点 划线112与背面112的外径对应。
从轴82和脊缘150延伸到图6的下边152的是喉状后角区域87。第一和 第二斜角表面144和146分别从楔形部125的第一和第二侧部132和134伸出。 第一和第二侧部132和134位于楔形部125的上边138和下边152之间。第二 开口77形成在中部142上。
图7示出了钻头本体40空穴54中的支承臂70的放置情况。楔形部125 位于楔形槽121中。焊接坡口126中的焊缝128将支承臂70固定以到钻头本 体40的空穴54上。
如图1所示，一旦支承臂70位于空穴54中，最外点130就靠近空穴54 的最底边71，一段焊缝128处于焊接坡口126中以牢固地将支承臂70固定到 钻头本体40上。焊缝128是三角形的并且没有与钻头本体40纵轴线50伸出 的直线垂直的焊缝段落。没有这段焊缝128可防止单纯的拉伸应力作用在焊缝 128区域中。喉状后角区域87的逐渐弯曲可提供一种装置，通过它支承臂70 的应力可均匀地传递到支承臂70或钻头本体40。来自支承臂70的应力都藉 由楔形部125与空穴54下表面67的纵向接触而传递到钻头本体40。传递过 楔形部125的应力还可减少作用在焊缝128上的应力，这具有减少焊缝128上 破裂可能性的作用。
虽然已经很详细地对本发明进行了描述，但应当理解只要不脱离由所附权 利要求书所确定的本发明的精神和范围，还可对其作出多种变化、替换和变 型。