用于在地面上形成井眼的一种类型钻头是滚轮锥形钻头。典型的 滚轮锥形钻头包括带有上端部的主体，该上端部用于与钻杆柱相连接。 从主体下端部部分向下悬垂着若干条臂，通常有三条，每条臂带有转 轴，它相对主体突出的旋转轴线呈径向向内并向下伸出。刀具锥体安 装在每条臂上，并可转动地支承在轴承上，而轴承作用于转轴与刀具 中转轴所安放的空穴的内侧之间。一只或多只喷嘴位于主体的下侧和 臂的径向之内。安置这些喷嘴是为了将来自钻杆柱的钻井液向下引导 通至已形成的井眼底部。钻井液将从井眼底部切削下的材料冲走，并 清洗刀具，携带着切屑径向向外，然后在确定于钻头主体和井眼壁之 间的环状空间内向上。
对使滚轮锥形刀具得以转动的轴承加以防护能延长钻头的有效使 用寿命。一旦钻井岩屑得以渗漏到锥体和转轴的支承表面之间，钻头 将很快失效。已经采取各种机构防止岩屑进入支承表面之间。一种典 型的方法是横越旋转刀具和其在钻头支承之间的空隙中采用弹性密封 垫。然而，一旦密封垫失效，钻井岩屑通过旋转刀具和转轴之间的间 隙污染支承表面的时间也就为期不远了。这样，重要的是要对密封垫 进行充分防护，以防止井眼中岩屑引起的磨损。
在现有技术中至少已采取了两种措施以防止密封垫与井眼中岩屑 接触。一种措施是在转轴支承臂和刀具间间隙的相对侧上相应地设置 表面硬化和耐磨小块，在那里，间隙向钻头的外侧开口，并暴露于携 带岩屑的井液之中。这些小块减慢邻近间隙的金属的腐蚀，从而推迟 密封垫暴露于井眼岩屑之下的时间。另一种措施是制造刀具和转轴支 承臂的内配合件，以便在间隙中产生一条岩屑难于通向密封垫的曲折 路径。后一种装置的例子已在美国专利No.4037673中公布。
第一种措施的例子是应用于通常的三锥体钻头中，其中每一锥形 刀具的底座在转轴和支承臂的连接处至少有部分由称为锥形背面的基 本为锥台的表面所确定。该锥形背面在与刀具的壳体或接头的锥形表 面的相反方向倾斜，并包括若干硬质合金小块或表面压块。后者的设 计是用以减少锥体背面的锥台部分在间隙一侧的磨损。在间隙的另一 侧，臂的顶端用表面硬化材料加以保护。为了定义的目的，臂的这一 位于钻头外侧上，而在喷嘴之下的部分称作衬衫尾状表面或简单地称 作衬衫尾。更具体地说，在涉及现有技术钻头时，转轴与臂连接处径 向向外，并向着钻头外侧的，衬衫尾的下指向部分称为衬衫尾部顶端、 或称为衬衫尾顶端。
在使用具有前述特征的旋转钻头进行钻井时，岩屑常常集合在锥 形刀具的背面和井眼壁之间，通常位于间隙向着井眼环状空间开口的 区域之内。结果，钻井时，在钻头转动方向进行引导的衬衫尾顶端边 缘的下侧，也即引导边缘就要被冲蚀。当该冲蚀逐步加剧，衬衫尾顶 端的表面硬化覆盖层要最终被磨削掉。这一磨削使表面硬化覆盖层底 下的软金属暴露于冲蚀之下，从而缩短了岩屑可取道间隙通向密封垫 的路径。这一路径缩短最终将密封垫暴露于井眼岩屑之中，从而引起 密封垫的失效。

本发明意欲通过锥形刀具及每一锥形刀具的相应支承臂之间相互 配合关系的新型结构，得到改良型的旋转锥形钻头，以更好地防护在 每一锥形刀具及其相应支承臂之间裕度间隙处的冲蚀，从而更好地防 护阻挡井中岩屑，避免损坏保护相关联的轴承的密封垫。
根据发明的一个意图，具有主体的旋转凿岩钻头的支承臂和刀具 组件提供优异的抗冲蚀性。该组件包括与主体整体成形的臂，它具有 内表面、衬衫尾状表面和底部边缘。内表面和衬衫尾状表面在底部边 缘处连接。转轴安装在内表面上，并相对臂向下倾斜。转轴的一个部 分确定内密封表面。该组件还包括刀具，该刀具确定一个具有孔的空 穴，用于安放转轴。空穴的一部分确定与内密封表面同轴的外密封表 面。该组件进一步包括密封垫，用于在内、外密封表面之间形成流体 障碍。间隙具有一个成形于空穴和转轴之间的部分，并具有一个与底 部边缘连接的开口。
按发明的有关意图，冲蚀的防护是通过将衬衫尾顶端从相应的支 承臂移去，和将相关联锥体的背面在相对转轴的径向和轴向两个方向 上的展宽而获得的，锥体就安装在转轴上。结果，间隙开口的位置改 变，通过密封垫和间隙开口之间的间隙的流动路径加长，并面向朝上 的方向，而锥形的背面帮着将井液从间隙开口偏离转向井的环形空间。
按发明的另一有关意图，冲蚀的防护是通过缩短衬衫尾顶端而获 得的。结果，间隙开口的位置改变，锥体的背面着将井液从间隙开口 偏转开，间隙流动路径的第一部分是向上倾斜，而第二部分包含开口， 并向下倾斜。
按发明的另一个意图，在与旋转锥形钻头一起使用的组合式锥形 刀具上设置有具有诸如表面硬化的硬质金属覆盖层的锥体背面。另外， 包括背面的组合式锥体的一个部分本身也可由硬质金属制成，这样， 邻近间隙的组合式锥体的底座部分对冲蚀和磨损都是高度坚固的。为 完成这一要求，发明的一个重要和最佳方面是为旋转锥形钻头形成一 种由不同材料构成的组合式锥体，这些材料在旋转锥形钻头生产要求 的通常工艺步骤下通常是相互不相容的。特别，锥体背面是由硬质金 属材料制成，它比常规的表面硬化材料对冲蚀和磨损更坚固，而且也 是与锥体的主要部分或壳体要承受的常规热处理工艺不相容的。
本发明的前述和其它优点将由下述实现本发明的最佳实施例说 明，并结合附图而变得更为清晰。
附图概述
为了更全面地了解本发明及其优越性，请参考结合附图进行的下 述说明，其中：
图1是体现本发明新型特点的旋转锥形钻头的等轴视图；
图2是部分被截去的放大剖视图，它展示安装在图1中钻头臂上 的一具旋转锥形刀具，处于与井眼底部钻孔啮合之中；
图2A是图2中旋转锥形刀具一部分的放大图，以便更清晰地展 示；
图3是基本沿图2中3-3线的臂和相关联的旋转锥形刀具的正 视图，其中部分被截去；
图4是基本沿图2中4-4线的剖面图；和
图5是类似图2的视图，展示本发明的另一实施例。
发明详细说明
参考图1-5将对本发明的最佳实施例得到最好的了解，相同的 数字用于指示不同图中的相同或相应的零件。
由用作展示的各图所示，本发明的实施例是一只用于在地面上钻 井眼类型的旋转锥形钻头10。有时，旋转锥形钻头10也可称作“凿 岩钻头”。使用旋转锥形钻头10时，当安装在钻头10上的钻杆柱(未 表示)的旋转引起锥形刀具11绕井眼的底部转动时，就发生切削作 用。刀具11有时可称为“旋转锥形刀具”或“滚轮锥形刀具”。
如图1所示，每把刀具11包括由凹槽12形成的刃口和凸出的 刀片13，它们在通过钻杆柱施加的重量作用下对着井眼侧面和底部 刮削和凿挖。由此产生形成的材料岩屑被由钻头10下侧15上的喷 嘴14(图1)中射出的钻井液从井眼的底部带走。通常，岩屑携带 液从钻头10的下侧15或外部和井眼底部之间径向流出，然后通过 确定于钻头10和井眼侧壁17之间的环状空间16(图2)向上流 至井口(未表示)。对某些应用，转轴23也可在钻头10的旋转方向 倾斜一个零至3或4度的角度。
由更仔细的研究结构看到，钻头10(图1)包括一个扩大的主 体19，它带有一个圆锥形，外部车有螺纹的上部分20，该上部分 20用于固定至钻杆柱的下端。从主体19向下悬垂着三根支承臂2 1(在图1中能看到两根)，每根臂带有转轴23(图2)，它由其内 表面24(图2)和衬衫尾状外表面25伸出，并与之连接。内表面 24和衬衫尾状外表面25在臂的底部边缘连接。转轴23相对钻头 主体19的中心轴线26最好向下、向内倾斜，这样，当钻头10转 动时，刀具11的外部啮合井眼的底部。对某些应用，转轴23也可 在钻头10的旋转方向倾斜一个零至3或4度的角度。
在本发明的范围内，三把刀具11中的每一把的设计和在其相应 转轴23上的安装都以基本相同的方式进行(除刀片13的行列形式 外)。因此，只对一件臂21/刀具11组件详细说明，应理解到这样 的说明对其它两件臂-刀具组件也适用。
如图2所示，刀片13安装在成形于刀具11的圆锥形壳体或接 头29上的窝孔27内。刀具11的底座部分30包括锥台形状的外 部分33，在其上成形有凹槽12。外部分33最好在与接头29的 角度相反的方向倾斜。底座部分30也可称作“背面环”或“基体环”。 底座30的外部分33部分地确定刀具11的背面。底座30还包括 一个端部部分34，它相对转轴23的中心轴线35径向地延伸。底 座部分30和接头29配合形成组合式旋转锥形刀具11。
一个用于放置转轴23的，通常为圆柱形的空穴36是由端部部 分34向内开的。适当的轴承37最好安装在转轴23上，并啮合于 空穴36的支承壁39和转轴23上的环形支承表面38之间。常规 的球固定系统40将刀具11固定至转轴23上。
在转轴23的外壁42(图2A)和空穴36的内壁45(图2 A)之间有一个间隙，弹性密封垫43横越间隙41而进行密封。密 封垫43位于转轴23与支承臂21连接处的邻近，防止岩屑从井眼 的环状空间16通过间隙41漏入到转轴23和刀具11的相对转动 支承表面38和39之间的空间中。这样的漏入最终将造成轴承37 的损坏和钻头10的失效。
间隙41包含一个开口，它位于外表面或衬衫尾状面25的邻近， 并与臂21的底部边缘毗连，从而间隙41就朝着井眼环状空间16 开口。重要的是使间隙41的宽度保持相对小，而间隙41在其通向 环状空间16的开口和密封垫43之间的长度尽可能保持相对长，从 而减小岩屑的漏入，这些岩屑在钻头10转动时可能磨损密封垫43。
根据本发明的一个意图，刀具11和支承臂21是专门设计的， 从而刀具11的底座部分30与转轴23相互配合，这使间隙41得 以在与转轴轴线35基本平行的方向贯穿其长度而延伸。特别是，间 隙41包含一个外圆筒形片段44(其方向在图3中用弧形表示)，它 与衬衫尾状表面25相交，且从转轴23和刀具11之间向上并向外 开口进入井眼环状空间16。结果，装置在间隙41邻近处的硬质金 属可以更好地保护壁42和45免遭冲蚀。密封垫43的使用寿命加 长，从而轴承的使用寿命也加长，特别在那些现有技术的装置上，因 为它们具有带下侧边的衬衫尾状端部，这样的端部在所有时间内，会 由于冲蚀而暴露至井眼岩屑中。
为有助于由于臂21的冲蚀对间隙41的冲蚀加宽，衬衫尾25 邻近间隙41的底部可用通常的表面硬化材料层加以覆盖。最佳的表 面硬化材料包括弥散在钴、镍、或铁基合金基体中的碳化钨颗粒，并 可采用熟知的熔融焊接工艺或其它合适的技术来镀敷。
通过将刀具11的外部分33和背面31与表面硬化层46(图 2A)在径向向外间隙距离X可获得对冲蚀的附加防护。距离X使背 面31得以在环状空间16中偏转钻井液的流动，这足以阻止钻井液 直接流入至间隙41的开口中。距离X是井眼直径和钻头类型(没有 密封垫，有密封垫，或双重密封垫)的函数，其值在1.6毫米至4.8 毫米(1/16”至3/16”)的范围之间。对本发明的一个实施例， X大约为3.2毫米(1/8英寸)。
凭借这一结构，衬衫尾25的引导边缘部分47就可免受由向上 流动的钻井液所携带的岩屑的撞击。这由图3可最好地看到，其中钻 头10的旋转方向用箭头Y表示，而径向向外的间隔X有效地阻挡臂 21的下端部部分47，使之避免直接处于钻井液流动携带的岩屑的 路径上。
为了强化背面31在间隙41的锥体侧的耐磨性，背面31或设 置成具有硬质金属覆盖层或由硬质金属制成，将设置在背面31的硬 质材料覆盖层表示成由表面硬化材料形成的层49(图2A)。层49 最好比构成层46的表面硬化材料硬，且不使用填充剂而安装在底座 30的外部分33上。特别是，层49包括成分包含由铜、镍、铁或 钴基合金基体包围的碳化钨颗粒的材料，这种材料被直接应用于基本 为全部的外部分33上。其它可采用的表面硬化材料包括钨、铌、钒、 钼、硅、钛、钽、铪、锆、铬或硼的碳化物，氮化物，硼化物，碳氮 化物，硅化物，金刚石，金刚石复合物，氮化碳和它们的混合物。对 某些应用，具有表1中所给的尺寸范围的碳化钨颗粒可用于形成层4 9。
背面环最好包括浸渗合金，它包含25％重量的锰，15％重量 的镍，9％重量的锌和51％重量的铜。该合金具有良好的熔融和流 动特性，并对碳化钨和钢都有很好的浸润性。典型的表面硬化层49 可包含按体积为20％至40％范围之间的浸渗合金。
表面硬化层49的镀敷技术在目前是众所周知的。一种技术是使 用在Ni，Co，Cu或Feo基基体中包含陶瓷颗粒的焊条(tub e material)的原子氢或含氧燃料的熔接工艺。第二种技 术是使用在Ni，Co，Cu或Fe基基体中包含陶瓷颗粒的粉末的 热喷镀或等离子转移弧工艺。这技术在美国专利4938991中进 行了讨论。第一和第二种技术都可或由手工或由机器人焊工进行。第 三种技术公布在美国专利3800891中(见7，8和9栏)。
另外，表面硬化层49可通过熔浆浇铸工艺来施加，其中，诸如 最佳实施例中描述的其它表面硬化材料的硬质颗粒与铁合金的熔池相 混合。(此外，熔池也可以是镍、钴或铜基合金的熔池)。该混合物倒 入模具，凝固形成固态壳体。假如模具是直接在刀具锥体11上形成 的，则当壳体凝固形成层49时，壳体与刀具锥体11进行金相结合。 凹槽12可在镀敷表面硬化层49时压制，或在层49已被施加后， 切削进入层49而成。
本发明一个可能更为宽广和更重要的意图提出，如图2的最佳实 施例所示，刀具11为组合式的主体，该主体具有与接头29分别成 形的底座30，它包含可非热处理的硬质金属元件，其硬度高于在现 有旋转锥形刀具中可找到的。相反，锥形接头29可由普通的热处理 钢制成。当具有这种结构时，背面31能较好地同时经受冲蚀和研磨 磨损，这样，不仅能提供密封垫43强化防护，还能更好地用于保持 井眼壁17的规范直径，特别在钻控斜井眼或水平井眼时，更是如此。
在本例子中，壳体或接头29可由任何可淬钢或其它高强度工程 合金制成，只要它具有合适的强度、韧性和抗磨损性，以便经受特定 的下井使用的严酷性。在一个典型的实施例中，接头29由9315 钢制成，它在热处理条件下，芯体硬度近似为HRC30至45，而 最终的拉伸强度为950至1480MPa(或138至215Ks i)。刀具11的其它部分，如精密的支承面39，也可由这种931 5钢制成。在生产接头29时，合金以普通熟知的方法进行热处理和 淬火，以便给预接头29要求的硬度。
在所示的实施例中，底座30包括低合金钢的芯体32(图2A)， 在该芯体32上附加有硬质金属的连续层或镀层49。芯体32也可 称作“基体环”(低合金钢通常具有的合金合量大约在2％至10％重 量范围之间)。芯体32最好是与接头29有相同材料成份的环形件， 但是是不可淬火硬化的，诸如低碳钢的较便宜的钢合金。在添加层4 9时，钢芯体32的外部被机加工至接受镀层的尺寸，并被放入至预 制的模具(未表示)中，其空穴成形为为层49提供要求的镀层厚度。
所准备的模具(未表示)是由石墨铣成或车成的。每一个将与钢 芯体32接触的内表面都涂有诸如Wall Colmoney的格 林  防护涂层(Green Stop Off撹R撹)涂料的硬纤 料防护涂层。不镀表面硬化层49的钢芯体32的表面也要涂上涂料。 模具最好设计成，钢芯体32的热膨胀不会使易碎的石墨模具零件受 力。
钢芯体32在涂上涂料的模具内组装。形成表面硬化层49的硬 质颗粒于是在模具空穴内分布。表1表示了用于最佳实施例的硬质颗 粒的尺寸和分布。
             表1   美国网目     重量(％)        +80   -80       +120   -120      +170   -170      +230   -230      +325       -325     0～3     10～18     15～22     16～25     10～18     28～36
接着，对模具施加振动以压实模具空穴内的松散的颗粒层。然后 将渗漏合金放置在位于空穴中硬质颗粒层之上的材料分布槽中。如果 渗漏工艺是在自然通风炉中进行的，则要加入粉末熔剂以防护合金。 如果该工艺是在真空或保护气氛中进行的，则不要求熔剂。
在使用模具时，碳化钨粉末或其它合适的材料弥散在空穴内部以 填满它，而渗漏合金相对模具而放置。然后将渗漏合金和模具在炉内 加热至合金熔化，并完全渗漏至模具空穴的温度，引起碳化物颗粒结 合在一起，并与钢芯体32结合。
另外，底座30可制作成复合材料铸件，复合材料由在诸如高强 度低合金钢的韧性铁基体，或扩散硬化不锈钢中的诸如碳化硼(B1C)， 氮化硅(Si3N4)或碳化硅(SiC)的硬质颗粒构成。这些形状为纤 维或粉末的颗粒能加强这样的基体。该基体或者可以通过将颗粒与熔 融合金混合，将合成的浆浇铸形成，或者可制作这些颗粒的预成型坯， 并使熔融合金渗漏到该预成型坯中而形成。可通过惯性焊接或相类似 的技术和方法，将底座30安装到接头29上以形成组合式的旋转锥 形刀具11。
一旦底座30(以不同于上述复合材料浇铸工艺的方法制成)和 接头29都制成，这两件分开的零件以基本不破坏其中每件零件要求 特征的方式连接在一起。最好采用惯性焊接工艺将它们沿焊缝线50 (见图2A)连接在一起，其中一件零件在转动上保持静止，而另一 件以预定的速度旋转，这产生足够的局部摩擦热，从而使这些零件熔 融，并瞬间焊接在一起而不需使用填充剂。该工艺应用常规的惯性焊 机，该焊机成形成得以在该机质量旋转容量极限内改变旋转质量，并 将该质量以可控制和可重复的速率进行旋转。一旦转动的零件处于预 定旋转速度，以预定的锻造力将这些零件进行接触。该旋转速度是以 相同的尺寸，合金和预连接条件的试验零件实验确定的。完全的变形 使被连接零件上的两个相对表面进行接触。
在一个例子中，底座30具有的体积为77.4立方厘米(4.72 2立方英寸)，而重量为0.6千克(1.336磅)，它被采用19976 千克(44000磅)的轴向负载，2200转/分的旋转速度，而 成功地连接至具有273.69立方厘米(16.69立方英寸)体积和2.1 千克(4.723磅)重量的接头29上。
在示于图5的本发明另一实施例中(其中相应的零件用相同数字， 但加“’”表示)，旋转锥形钻头10’是由普通合金钢材料制成的， 而底座30’是与接头29’做成整体的。图5实施例中的，用于层 49’的其它表面硬化材料和复合材料，包含用于上述图2，图2A 和图3的表面硬化层46的材料，还包含诸如氧化铝，氧化铝的固态 氧化陶瓷。
虽然对本发明及其优点进行了详细的说明，但应认识到，只要不 偏离所附权利要求确定的本发明的精神和范围，其中的多种更改、替 换和变动都是可行的。