有多种类型的旋转式钻头或凿岩钻头可被用来在地下钻孔。这种凿岩钻头 的例子包括用于钻油井和天然气井的滚动式锥形钻头或旋转式锥形钻头。一种 典型的滚动式锥形钻头包括一钻头本体，它具有一用来连接一钻井套管的上 端。从钻头本体的下端悬伸出多个，一般为三个的支撑臂，每一支撑臂都具有 一相对钻头本体的设定的转动轴线沿径向向内和向下凸伸的轴。
传统的滚动式锥形钻头一般由三个分段构成。各个分段之间可以靠一焊接 槽沿纵向定位在一起。然后，可以采用传统技术将这三个分段焊接在一起，以 形成钻头本体。每一分段上还包括一从钻头本体上伸出的相关支撑臂。在钻头 本体内通常形成有一个加大的腔室或通道以容纳来自钻井套管的钻孔流体。美 国专利第4,054,772号、名为“用于凿岩钻头焊接的定位系统”中揭示了一种 用三个单独的部分构成一三段式锥形旋转式凿岩钻头的方法和装置。本申请中 援引美国专利第4054,772号以作参考。
刀具锥体组件通常安装在各个轴上，并且可转动地支承在处于轴和刀具锥 体中的轴容纳腔室的内部之间的轴承上。在邻近支撑臂的钻头本体的下边可形 成一个或多个喷嘴。诸喷嘴一般的位置设置要引导来自钻井套管的钻孔流体穿 过钻头本体，而被引向正在形成的钻孔的底部。钻孔用流体通常由钻井套管提 供，它起到包括下述的几个作用：将在钻孔底部钻出的材料冲走、清洗刀具锥 体组件、以及在钻头本体外部和钻孔内壁之间的环形空间内使钻屑先是径向向 外然后再向上地带走。第4,056,153号、名为“带有用于非常硬的地层的多排 分布的旋转式凿岩钻头”的美国专利和第4,280,571号、名为“凿岩钻头”的 美国专利都是传统的滚动式锥形钻头的例子，它们具有安装在一从一支撑臂上 凸伸的轴上的刀具锥体组件。这两个美国专利都已被援引在本申请中以作为针 对本发明申请目的的参考。
当采用这样的旋转式钻头或凿岩钻头钻孔时，在刀具锥体附近的流体流动 可形成很强的紊流，从而阻止钻屑和其他的岩屑从孔底部向上平稳地流经环状 空间排到井的外表面上。另外，这样的岩屑会被受限制的流体流聚集在孔底位 置。这样的受限制的流体流带来的这样一些位置的实例包括邻接于相应的一些 支撑臂的钻头本体的下部分以及位于钻头本体的外部与钻孔的相邻壁之间的 一些环状空间。其他受限制的流体流区域可包括相应的诸各刀具锥体的背面和 孔壁。由于聚集了这些岩屑，即使进一步提高经过流体流的区域的流体速度和 相邻金属组件的腐蚀，这样的区域还是被减小了。由于这种腐蚀过程的影响， 一些重要另件，如轴承和密封件将会暴露于钻孔流体和井岩屑，使该凿岩钻头 过早发生故障。
发明概要
按照本发明，会基本上减少或避免发生在以前的滚动钻头和旋转式锥形钻 头的缺点和问题。在一实施例中，本发明包括一支撑臂和刀具锥体组件，使增 大钻孔操作中在一有关的旋转式钻头的外表面四周的流体流动量，用以将钻屑 和其他岩屑从钻孔的底部排到井的表面。在每个支撑臂的外表面上设置有一坡 道。该坡道是成一斜角设置的，使它从支撑臂的前导边到收尾边向上倾斜。该 坡道促使流体、钻屑和其他岩屑流向钻孔壁与一有关的钻孔套管的外表之间的 环状间隙中。
本发明的技术优点包括：坡道将围绕旋转的动刀具锥体的流体紊流与刀具 锥体上方在环状间隙中的流体流分开，以使进入环状间隙的钻屑和其他岩屑不 会被朝向刀具锥体方向而拉回。该坡道的外径基本上等于钻孔直径。因此，在 钻头本体的其他部分的协同工作下，该坡道将钻头处的流体分到两个基本上独 立的区域。由于流体从喷嘴喷出以及刀具锥体的涡旋搅拌作用，在坡道下方的 流体流是紊流而且是多方向的。坡道上方的流体流是较少紊流的，并且单方向 向上通过环形间隙，这是因为坡道的收尾边可取地位于喷嘴和刀具锥体的出口 端的上方。这样，在该区域的流体流不会受到刀具锥体的涡旋搅拌作用或来自 喷嘴的向下的流体的干扰。
本发明的另一技术优点包括：坡道提供了一种用以将钻屑和其他岩屑向上 抬到环形间隙，并离开刀具锥体的手段。当钻头转动时，流体和岩屑沿着该坡 道向上移向环状间隙。这样就减小了钻屑对流体流动的区域的干扰作用。
本发明的另一技术优点包括：使用了支撑臂上的一坡道后，在支撑臂的位 于坡道上方处与钻孔壁之间可形成一间隙，从而提高了流体和岩屑的向上流动 的能力。此外，在该坡道的下方还形成一第二间隙，它也增强了流体的流动。 该第二间隙使钻孔流体和由一设置在一相邻的支撑臂上的坡道向上抬起的钻 屑充分地混合。
为了彻底了解本发明及其优点，现结合附图对本发明作下述的说明。在附 图中，同样的标号指的是同样的特征物。
这些附图为：
图1是按本发明的技术设计的旋转式锥形钻头的示意图；
图2以正视图和部分被剖开的方式表示了一设置在一井孔里的、含有本发 明特点的旋转式锥形钻头的支撑臂；
图3是具有一按本发明技术设计的坡道的旋转式锥形钻头的支撑臂的另一 实施例的示意图；以及
图4是具有一按本发明技术设计的坡道的旋转式锥形钻头的支撑臂的又一 实施例的示意图。
发明的具体内容
通过参阅附图中的图1至4后，将会更好地理解本发明及其优点。诸图中 的相应另、部件均用相同的标号。
图1表示了一按照本发明构思的技术设计的滚动式锥形凿岩钻头，它的总 标号为“10”。如图2所示，该滚动式锥形凿岩钻头10是用来当与它相连的 一钻孔套管(未图示)转动时，它绕着孔16的底部14滚动而依靠诸刀具锥体12 的钻割作用钻出一孔。
该滚动式锥形凿岩钻头10包括：一钻头本体18，该本体具有一锥形的带 外螺纹的上部20，该上部适于固定于钻孔套管(为图示)的下端。从钻头本体 18(未图示)悬伸出三个总的用“22”表示的刀具组件(图1中只能看见两个)。 诸刀具锥形组件22和钻头本体18组成一整体单元。或者，这些刀具锥形组件 22可做成可卸地连接于钻头本体18上的模制单元。每个刀具单元22最好包括 一支撑臂24和一刀具锥体12。
每个刀具锥体12可包括，例如，数个设置在每个刀具锥体12的规准面 (gauge face)28上的表面压块26。每个刀具锥体12还可包括很多齿30。诸表 面压块26和齿30可包括一些用所需的各种硬材料做成的压块或嵌件。或者， 齿30可利用刀具锥体12本身铣削而成。
在钻孔期间，钻孔岩屑是从钻孔16的底部14排出的。从刀具锥体凿岩钻 头10的下边34延伸出若干喷嘴32，这些喷嘴提供钻孔流体以帮助排出岩屑。 该钻孔流体沿径向在钻孔16的下边34与底部14之间朝外流出。位于支撑臂 24上的若干坡道36也促进岩屑的排出。
坡道36是设置在支撑臂24的外表面38上的。坡道36也可在每个支撑臂 24上用机加工方法朝外形成。或者，坡道36也可先在支撑臂24的外表面38 上焊着焊接材料，然后将此焊接材料按坡道36的形状进行机加工。最后，通 过在锻打支撑臂24的过程中可在支撑臂24上形成坡道36。在支撑臂24受锻 打后，可将坡道36进一步机加工以确定其所需的结构。
坡道36包括前导边40、收尾边42和顶表面44。坡道36的顶表面44是 沿这支撑臂24的表面38从前导边40向收尾边总的朝上倾斜的。在收尾边42 处，顶表面44最好位于或高于喷嘴32的出口处。在组合式滚动式锥形凿岩钻 头中，如果喷嘴32的出口靠近钻头本体18的中心，则顶表面44可设置得低 于喷嘴32。所希望的是，在前导边40处的顶表面44在支撑臂24上设置的尽 量的低，使促进排出钻屑和其他的岩屑。对于有些用途，在坡道36的前导边 40处的顶表面44设置在大致与圆形堵孔(ball plug hole)46相同的高度处。
坡道36还有一由顶表面44限定的厚度。选择坡道36的该厚度应使当滚 动式锥形凿岩钻头10位于钻孔16中时，坡道36的外表面48离孔16的壁50 有一预定的距离。使用了坡道36就使在支撑臂24的表面38与钻孔16的壁50 之间形成第一间隙52。该第一间隙52促使有更多的流体向上流入钻孔16的 壁50与一相连的钻孔套管的外表之间的环形间隙54。在支撑臂24的表面38 与钻孔16的壁50之间并在坡道36之下形成第二间隙53。该第二间隙53促 使钻屑和其他岩屑与钻孔流体的混合物从钻孔16排出。
坡道36的结构可用几种不同的手段加以保护。首先，坡道36可包括多个 嵌件56。此外，支撑臂24的下摆部(shirttail)60上可加上硬质焊敷层58。如 图3所示，坡道36的前导边140上也可加以硬质焊敷层62。该硬质焊敷层62 可包括碳化钨或其他合适的材料的屑或颗粒，用以防止坡道36上的磨损。如 图4所示，对坡道36的前导边240可作倒棱处理使坡道36的厚度从前导边 240向收尾边242增大。该倒棱后的前导边240减少了旋转式锥形钻头10在钻 孔16中转动时受到额外转矩的可能性。
如图2所示，在由钻孔套管施加的井底力作用下，滚动式锥形凿岩钻头10 靠其上的诸表面压块26和诸齿30刮檫和限定钻孔16的侧面及底部14。滚动 式锥形凿岩钻头10在钻孔16中转向右侧。诸刀具锥体12在钻孔16的底部14 产生钻屑和其他的岩屑。诸喷嘴32朝诸刀具锥体12喷出钻孔流体。当滚动式 锥形凿岩钻头10转动时，坡道36的前导边40拾起钻屑和流体，并将它们沿 表面44朝上移向坡道36的收尾边42，接着向上朝着钻孔的表面向上移入环 形间隙54中。
本发明的技术优点是将围绕转动刀具锥体12的流体紊流和在环状间隙54 中的较少紊流的的向上的流体流分开，以使进入环状间隙54的钻屑和其他岩 屑不会被拉回移向刀具锥体12。此外，坡道36的顶表面44将钻屑和其他岩 屑向上拉向环状间隙54并离开刀具锥体12。这样，就减小了钻屑对刀具锥体 12四周的流体流可使用范围的干扰作用。
尽管详细描述了本发明及其优点，只要不离开如所附的权利要求确定的本 发明的精神和范围，可对本发明作任何变化、替换和修改，这是可以理解的。