CN1664300A - 具有增强的钻井稳定性和相关轴承和密封件的寿命延长的牙轮钻头 - Google Patents

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CN1664300A CN2005100528954A CN200510052895A CN1664300A CN 1664300 A CN1664300 A CN 1664300A CN 2005100528954 A CN2005100528954 A CN 2005100528954A CN 200510052895 A CN200510052895 A CN 200510052895A CN 1664300 A CN1664300 A CN 1664300A
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Abstract

牙轮钻头形成有切削元件和切削结构，选择该切削元件和切削结构的切削元件齿形角以减小牙轮摇晃并延长相关轴承和密封件的寿命。切削元件的法向力轴可相交于一力心。切削元件的顶点可设在一个或多个自相关力心起延伸的环形上。

Description

具有增强的钻井稳定性和相关轴承 和密封件的寿命延长的牙轮钻头
技术领域
本发明涉及用于在地下岩层内形成井孔的牙轮钻头，更具体的，涉及切削元件和切削结构的布置和设计以增强钻井稳定性、延长相关轴承和密封件的寿命并改进定向钻井过程中的控制。
背景技术
各种牙轮钻头过去已用于在井下岩层内形成井孔。这种钻头也称为“旋转式”牙轮钻头。该牙轮钻头常常包括这样一种钻体，该钻体具有自其起延伸的三个支臂。一种相应牙轮组件一般可转动地安装在与钻体相对的每个支臂上。这种钻头也称为“凿岩钻头”。
适于形成井孔的牙轮钻头的例子包括仅具有一个支臂和一个牙轮的牙轮钻头、具有两个支臂和可转动安装在每个臂上的相应牙轮组件的牙轮钻头、以及具有可转动安装在相应钻体上的四个或更多牙轮的牙轮钻头。各种切削元件和切削结构例如硬质合金齿、嵌件、铣成齿和焊接合金齿(welded compacts)也已用于牙轮钻头。
与牙轮钻头相关的切削元件和切削结构通常利用对相邻岩层部分进行剪切和压碎的组合来形成井孔。剪切运动也可描述为每个切削元件在相应牙轮的旋转过程中刮削岩层部分。压碎运动也可描述为每个切削元件在相应牙轮的旋转过程中穿透或挖凿岩层部分。
具有由铣成齿形成的切削结构的牙轮钻头常常用于钻软质岩层。具有由多个硬金属嵌件或硬质合金齿形成的切削元件和切削结构的牙轮钻头常常用于钻中质和硬质岩层。与压碎或穿透相同岩层相比，利用剪切或刮削，牙轮钻头一般能更有效地移除给定量的岩层。在牙轮钻头行业中一般公知的是，通过改变设置在相关牙轮组件上的切削元件和切削结构的定向可改进钻井性能。
发明内容
依照本公开内容的教义，给牙轮转头提供这样一种切削元件和切削结构，该元件和结构设计用以大幅度地减少或消除往往导致牙轮摇晃并缩短相关轴承和密封件的钻井寿命的力和力矩。依据本发明教义，调整切削元件的各自齿形角并将每个切削元件的轴定向为经过一种选定的力心，这可大幅度地减少牙轮摇晃，该牙轮摇晃同通过与岩层接触而施加给每个切削元件的法向力相关。在每个牙轮组件的转轴附近选择力心的位置往往将使牙轮组件的摇晃减至最小并延长相关牙轮钻头的寿命、特别是相关密封件和轴承的寿命。
本发明的技术效果包括布置切削元件和切削结构的牙轮轮廓和齿形角以增强相关牙轮钻头的钻井稳定性。钻井稳定性增强特别有利于钻一种具有硬桁条的软质和中质岩层(有时称为“交互层”)。本发明可改进牙轮钻头在钻倾斜和水平井孔过程中的定向控制和操纵能力。
附图的简要说明
通过结合附图参考以下说明书，可更充分且彻底地理解本实施例及其优点，在附图中，相同参考数字表示相同特征，且其中：
图1是一幅示意图，表示一种采用本发明教义的牙轮钻头的等距示图；
图2是一幅示意图，表示一种切削元件的例子以及在与岩层撞击过程中施加给该切削元件的力；
图3是一幅部分拆除的剖视正视图，表示一个可转动地安装在支臂上的牙轮组件的例子；
图4A是一幅示意图，表示一种与传统牙轮钻头相关的牙轮组件的牙轮轮廓；
图4B是一幅示意图，表示一种用于传统牙轮钻头的合成牙轮轮廓，该传统牙轮钻头具有三个牙轮组件以及设置在每个牙轮组件上的多个切削元件；
图5A是一幅示意图，表示一种用于牙轮钻头的三个牙轮组件的合成牙轮轮廓，该牙轮组件具有采用本发明教义的切削元件和切削结构；
图5B是一幅示意图，表示与图5A所示合成牙轮轮廓相关的一种用于第一牙轮组件的牙轮轮廓；
图5C是一幅示意图，表示与图5A所示合成牙轮轮廓相关的一种用于第二牙轮组件的牙轮轮廓；
图5D是一幅示意图，表示与图5A所示合成牙轮轮廓相关的一种用于第三牙轮组件的牙轮轮廓；
图6A是一幅示意图，表示与一种牙轮钻头相关的合成牙轮轮廓，该牙轮钻头具有三个牙轮组件以及采用本发明教义的切削元件和切削结构；
图6B是一幅示意图，表示与图6A所示合成牙轮轮廓相关的一种用于第一牙轮组件的牙轮轮廓；
图6C是一幅示意图，表示与图6A所示合成牙轮轮廓相关的一种用于第二牙轮组件的牙轮轮廓；
图6D是一幅示意图，表示与图6A所示合成牙轮轮廓相关的一种用于第三牙轮组件的牙轮轮廓；
图7是一幅示意图，表示一种用于牙轮钻头的合成牙轮轮廓，该牙轮组件具有三个牙轮组件和采用本发明教义的切削元件和切削结构；
图8是一幅框图，表示一个可用于设计一种牙轮钻头的步骤例子，该牙轮钻头具有依据本发明教义的切削元件和切削结构；
图9用图表示发生在法向力心与牙轮组件的转轴之间的偏移，该牙轮组件具有采用本发明教义的切削元件和切削结构；以及
图10是一幅示意图，表示一种铣成齿钻头的等距示图，该铣成齿钻头具有依据本发明教义形成的切削元件和切削结构。
具体实施方式
通过参考图1-10可最好地理解优选实施例及其优点，图中相同数字指示相同和相似部件。
本申请中使用的术语“切削元件”包括适用于牙轮钻头的各种硬质合金齿、嵌件、铣成齿和焊接合金齿。本申请中使用的术语“切削结构”包括形成或连接在牙轮钻头的一个或多个牙轮组件上的切削元件的各种组合和布置。
本申请中使用的术语“牙顶”和“纵向牙顶”描述在钻井孔过程中最初与岩层接触的切削元件或切削结构的部分。切削元件的牙顶通常在牙轮钻头及相关牙轮组件的旋转过程中与井孔底部啮合和啮离。牙顶的几何构造和尺寸基本依据相关切削元件或切削结构的特定设计和尺寸而变化。
切削元件一般包括一种由每个切削元件的“切削区”的中心所限定的“顶点(crest point)”。切削区的位置在某种程度上取决于各个切削元件在相关牙轮上的位置。每个切削元件的尺寸和构造也决定相关切削区的位置。通常，切削区设在切削元件的牙顶附近。对于一些应用，切削元件和切削结构可依据本发明教义由较小牙顶或拱顶形牙顶形成。这种切削元件和切削结构的顶点通常将位于该牙顶或拱顶的中心附近。依据本发明教义形成的切削元件和切削结构可具有各种设计和构造。
术语“牙轮轮廓”可限定为牙轮组件以及与该牙轮组件相关的全部切削元件的外表面投射到一种经过相关牙轮转轴的平面上的轮廓。在图5A-7中，相对于一种经过相关牙轮转轴的垂直面表示本发明的各种特征。与牙轮钻头相关的牙轮组件通常具有一般弯曲的锥形外表面。每个牙轮轮廓的实际尺寸和形状取决于各种因素，例如相关钻头的尺寸、牙轮转角、每个牙轮组件的偏移以及相关切削元件的尺寸、构造和数量。
牙轮钻头通常具有在某种程度上由每个相关牙轮轮廓和全部切削元件的牙顶投射到一种平面上所限定的“合成牙轮轮廓”，该平面经过全部相关牙轮组件的合成转轴。牙轮钻头的合成牙轮轮廓和每个牙轮轮廓一般包括每个相关切削元件的顶点。
各种切削元件和切削结构可形成在牙轮组件上。每个切削元件通常将具有一种自牙轮组件起延伸的法向力轴。术语“切削元件齿形角”限定为一种由切削元件的法向力轴与相关牙轮转轴形成的角。对于一些牙轮钻头，位于相应保径齿圈内的切削元件的切削元件齿形角近似为九十度(90°)。例如参见图4A，B，C和D。
图1和10表示具有一个或多个牙轮组件以及采用本发明教义的切削元件和切削结构的牙轮钻头20和320的例子。牙轮钻头20和320可用于在地下岩层(未特别表示)内形成井孔(未特别表示)。牙轮钻头20和320一般通过利用切削元件60和360压碎或穿透岩层并刮削或剪切井孔底部的岩层物质来形成井孔。本发明可用于具有嵌件的牙轮钻头和具有铣成齿的牙轮钻头。本发明还可用于这样一种牙轮钻头，该牙轮钻头具有焊接到相关牙轮组件上的切削元件(未特意表示)。
一种钻柱(未特意表示)与钻头20或钻头320的螺纹部连接，以在该钻头20或钻头320绕井孔底部滚动时转动相关牙轮组件30和330同时给相关牙轮组件30和330施加重量或力。对于一些应用，也可利用各种井底马达(未特意表示)来转动采用本发明教义的牙轮钻头。本发明不限于与传统钻柱连接的牙轮钻头。
为描述本发明的各种特征，牙轮组件30可标识为30a，30b和30c。牙轮组件330可标识为330a，330b和330c。牙轮组件30和330有时可称为“旋转式牙轮切刀”、“滚动式牙轮切刀”或者“切刀牙轮组件”。与牙轮钻头相关的牙轮组件通常相互朝内。切削元件和切削结构的齿圈自每个牙轮组件的外部起延伸或突出。
图1中所示的牙轮钻头20优选包括具有锥形外螺纹部22的钻体24，该锥形外螺纹部22适于固定到钻柱的一端上。钻体24优选包括一种流道(未特别表示)，该流道用于经由钻柱连通来自井面的钻井泥浆或其它流体与所连接钻头20。钻井泥浆或其它流体可自喷嘴26排出。岩屑和其它碎屑可利用自喷嘴26喷出的钻井流体运离井孔底部。钻井流体一般在牙轮钻头20的底侧与相关井孔的底部之间径向向外流动。然后，钻井流体一般经由一种在某种程度上由钻头20和相关钻柱的外部以及井孔的内径所限定的环面(未特别表示)向上流至井面。
对于由钻头20代表的本发明实施例，钻体24可具有三(3)个自其起延伸的支臂32。与钻体24相对的每个支臂32的下部优选包括各自的轴杆或主轴34。参见图3，主轴34也可称为“轴颈”或“轴承销”。每个牙轮组件30a，30b和30c优选包括各自从底面146起延伸的凹腔48。优选对每个凹腔48的尺寸和构造进行选择以容纳相应主轴34。
牙轮组件30a，30b和30c可转动地与自支臂32起延伸的各自主轴34连接。每个牙轮组件30a，30b和30c包括各自的转轴36(有时称为“牙轮转轴”)。牙轮组件的转轴通常对应于相关主轴的纵向中心线。与钻头20相关的切削或钻井操作发生在切刀牙轮组件30a，30b和30c绕井孔底部滚动时。所得到井孔的直径近似等于同切刀牙轮组件30a，30b和30c的保径面42相关的组合外径或基准直径。
多个硬质合金齿40可设置在每个牙轮组件30a，30b和30c的保径面42内。硬质合金齿40用于“修整”井孔的内径，并防止保径面42和/或底面146的其它部分与附近岩层接触。依据本发明教义，多个切削元件60还可设置在每个牙轮组件30a，30b和30c的外部上。
硬质合金齿40和切削元件60可由各种硬质材料例如碳化钨形成。术语“碳化钨”包括碳化一钨(WC)、碳化二钨(W2C)、粗晶碳化钨和烧结碳化钨。适用于形成硬质合金齿40和切削元件60的硬质材料的例子包括各种金属合金和金属陶瓷，例如金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物和金属氮化物。
牙轮组件30a，30b和30c的转轴36优选相互不重合且不与同牙轮钻头20相关的转轴38重合。轴38有时称为“钻头转轴”。相关钻柱的重量(有时称为“钻压”)一般沿着钻头转轴38作用于钻头20。对于一些应用，沿着钻头转轴38作用的钻压可描述为“向下力(downforce)”。但是，许多井往往是以一种除垂直以外的角度钻的。常常钻具有水平部分(有时称为“水平井孔)的井。利用钻柱和/或井下钻井马达施加给钻头20的力一般将沿着钻头转轴38作用于钻头20，而不考虑相关井孔的垂直或水平定向。作用于钻头20和每个切削元件60的力还取决于所钻井下岩层的类型。当钻头20穿透与井孔相关的不同岩层时，作用于每个切削元件60的力会发生相当大的变化。
与牙轮组件30a，30b和30c相关的牙轮轴移和通常弧形牙轮轮廓导致切削元件60以一种压碎或穿透运动以及一种刮削或剪切运动撞击岩层。图2示意性表示在撞击岩层以及切削岩层物质的过程中作用于切削元件60的三个力。这些力包括法向力Fn，径向力Fa和切向力Ft。
法向力Fn通常直接来自于相关钻柱施加给牙轮转头的重量和/或井下钻井马达施加的力。相关的钻压和/或钻井马达力主要负责每个切削元件60穿透或压碎岩层。径向力Fa和切向力Ft取决于同每个切削元件60相关的刮削或剪切运动的幅度。剪切或刮削量取决于各种因素，例如，每个切削元件的定向、相关牙轮组件的轴移以及相关牙轮组件的轮廓。每个切削元件的设计、构造和尺寸也决定了径向力Fa和切向力Ft的值。对于许多井下钻孔应用，法向力Fn的值大于径向力Fa或切向力Ft。
各种计算机模拟都适用于确定在利用钻头20钻井过程中每个切削元件60撞击附近岩层时的力。施加给每个牙轮组件30a，30b和30c的合成力或荷载可概述为作用于各个牙轮组件的硬质合金齿40和切削元件60的所有力的最终结果。每个牙轮组件30a，30b和30c可被认为是一种刚性体，这就可以如图1所示把牙轮力简化为三个正交线性力和三个正交力矩。
可利用一种牙轮坐标系统分析正交线性力(Fx，Fy，Fz)和正交力矩(Mx，My，Mz)，该牙轮坐标系统部分地由沿相关牙轮转轴延伸的Z轴限定。对于钻头20，X轴和Y轴优选在牙轮转轴36与相关支臂32外表面的交点附近相互及与Z轴相交。Z轴对应于牙轮转轴36。参见图1。
相对于牙轮转轴36测量的力矩Mz一般对应于相关牙轮组件30上的转矩。力矩Mz通常利用相关牙轮组件30的转动来平衡。力矩Mx和My往往导致每个牙轮组件30相对于相关主轴34摇晃。与每个牙轮组件30相关的轴承系统必须均衡或吸收力矩Mx和My。对于大多数旋转式牙轮钻头而言，法向力Fn往往是力矩Mx和My的最重要贡献者。
图2所示切削元件60可包括一般圆柱形的主体62以及自该主体62起延伸的延伸部64。圆柱形主体62的底部66设计用以与牙轮组件30a，30b和30c内的对应插孔或孔口58配合。对于某些应用，圆柱形主体62和延伸部64形成为整体部件。延伸部64可具有包括牙顶和顶点在内的各种结构。各种压力配合技术都适用于使每个切削元件60与各自插孔或孔口58牢固啮接。对于一些应用，切削元件60一般描述为嵌件。
如图2所示，在自井孔底部移除岩层物质的过程中，通常有三个力--法向力Fn，径向力Fa和切向力Ft作用于切削元件。可假定力Ft，Fn和Fa在顶点70处作用于切削元件60。顶点70一般对应于相关切削元件60的切削区的中心。所得到的力经由圆柱形主体62传递给邻接的牙轮组件30部分。
法向力Fn一般来自于沿钻头转轴38作用于钻头20的合力。法向力Fn的值取决于多个因素，例如，相关牙轮转轴36的角度，相关牙轮组件相对于钻头转轴38的轴移以及相关牙轮的轮廓。如前所述，法向力Fn通常远大于作用于切削元件60上的其它力。
法向力Fn一般沿着一种法向力矢量起作用，该法向力矢量从相关切削区的中心起延伸。对于一些应用，法向力矢量近似对应于相关切削元件的纵轴或几何轴。对于其它应用，取决于每个切削元件相对于相关牙轮转轴的构造和定向，法向力轴68偏离几何轴。对于用切削元件60表示的实施例，法向力Fn沿着法向力轴68起作用。
图3表示支臂32的一部分且牙轮组件30a可转动地安装在主轴34上。牙轮组件30a可绕一种相对于钻头转轴38以某角度向下且向内倾斜的牙轮转轴36转动。密封件46可设置在主轴34的外部与圆柱形凹腔48的内部之间。密封件46形成一种位于主轴34的外部与凹腔48的内部之间的流体阻挡件，以保持凹腔48及轴承50和52内的润滑剂。密封件46还防止岩屑渗入凹腔48。密封件46保护相关轴承50和52使之不损失润滑剂并使之不接触碎屑，从而延长钻头20的井下寿命。
轴承50承受与牙轮组件30a相对于主轴34的转动相关的径向荷载。轴承54承受与牙轮组件30a相对于主轴34的有限纵向移动相关的推力荷载。轴承50有时称为径向轴承，轴承54有时称为止推轴承。轴承52可用于使牙轮组件30a与主轴34可转动地啮接。
相对于用于传统牙轮钻头的切削元件60，60a和60b和用于依据本发明教义形成的牙轮钻头的相同切削元件60，60a和60b，描述本发明的各个特征。图4A-7所示牙轮组件具有基本相同的凹腔48、保径面42和底面146。未表示位于保径面42的插孔44内的硬质合金齿40。所示每个牙轮组件包括具有切削元件60a的保径齿圈74。与牙轮组件相关的其它齿圈切削元件包括切削元件60和60b。切削元件60a和60b的尺寸小于切削元件60。
对于一些应用，连接在采用本发明教义的牙轮组件和牙轮钻头内的所有切削元件都具有基本相同的尺寸和构造。选择性的，一些牙轮组件和相关牙轮钻头具有在相关切削元件和切削结构的构造和尺寸上有相当大变化的切削元件和切削结构。本发明不限于具有切削元件60，60a和60b的牙轮钻头。同时，本发明不限于具有凹腔4和保径面42的牙轮组件和牙轮钻头。
图4A是一幅部分拆除的剖视图，表示一个与传统牙轮组件相关的牙轮轮廓的例子。图4B是一幅示意图，表示一种用于传统牙轮钻头的合成牙轮轮廓，该传统牙轮钻头具有三个牙轮组件以及设置在每个牙轮组件上的多个切削元件。图4A所示牙轮组件130通常代表了与图4B所示合成牙轮轮廓180相关的三个牙轮组件的特征。位于每个传统牙轮组件上的切削元件的数量、切削元件的齿圈数以及切削元件的位置一般将从一个牙轮组件至下一牙轮组件而发生变化。
对于图4A所示传统牙轮组件130，切削元件60a设在保径齿圈74内。对于此例，切削元件60a还可在尺寸上小于切削元件60。与保径齿圈74内的切削元件60a相关的法向力轴68a以一种基本垂直于相关牙轮转轴36的角度延伸。与牙轮组件130相关的牙轮轮廓180一般为弧形，但不是环形。切削元件60的顶点70不位于圆周上。各个切削元件60的法向力轴68相互且相对于牙轮转轴36在多个位置相交。
图4B是一幅示意图，表示一种用于传统牙轮钻头的合成牙轮轮廓，该传统牙轮钻头具有三(3)个组件以及设置在每个牙轮组件的齿圈上的多个切削元件。所示全部切削元件的牙顶都投影到一种垂直面上，该垂直面经过相关牙轮组件的合成转轴36。法向力轴68不在单点相交或者不经过单点。
图5A是一幅示意图，表示依据本发明教义的合成牙轮轮廓80，该合成牙轮轮廓用于其上设置有切削元件60，60a和60b的牙轮组件30a，30b和30c。顶点70未限定环形。一些顶点70伸至圆环82外，其它顶点70位于圆环82内。与切削元件60和60b相关的所有法向力轴68优选在位于牙轮转轴36上的力心90处相交。与保径齿圈74的切削元件60a相关的法向力轴68a偏离与法向力轴68相关的力心90且不与该力心90相交。如在此实施例中表示的，法向力轴68a一般垂直于牙轮转轴36。对于此实施例，力心90可较小，其范围相当于小球体。法向力轴68在牙轮转轴36上的较小力心或单点处相交将大幅度减小或消除力矩Mx和My，这会明显减小相关牙轮组件30a，30b和30c相对于各自主轴34的摇晃。减小牙轮摇晃可延长相关轴承和密封件的寿命。
在一些实施例中，法向力轴68与这样一种力心90相交，该力心90位于相关轴承系统(包括如图3中所示的轴承50和52)的中心附近。在仅具有单个轴承的变化实施例中，法向力轴68优选与这样一种力心90相交，该力心90一般对应于相关轴承的支承心(support center)。对于相关轴承系统内具有附加轴承部件的实施例，法向力轴68在这样一力心处相交，该力心一般对应于轴承系统的所有部件的合成支承心。
图5B，5C和5D表示与牙轮组件30a，30b和30c相关的各个牙轮轮廓80a，80b和80c。切削元件60和60b优选这样设在各个牙轮组件30a，30b和30c上，使法向力轴68相交于各自牙轮转轴36上的各自力心90a，90b和90c。
图6A是一幅示意图，表示依据本发明教义的合成牙轮轮廓280，该合成牙轮轮廓用于其上设置有切削元件60，60a和60b的牙轮组件230a，230b和230c。对于此实施例，与保径齿圈74的切削元件60a相关的法向力轴68a和与切削元件60和60b相关的法向力轴68优选在力心290处相交。对于此实施例，力心290可偏离合成牙轮转轴36。利用dx和dy度量的偏离量优选被限制为尽可能的最小量。参见图9。将dx和dy的值限制为一较小值可大幅度减小施加给相关牙轮组件230a，230b和230c的力矩Mx和My。对于一些应用，力心290具有一种相当小的球状范围。力心290的直径可等于或小于力心290的中心与牙轮转轴36之间的距离，以进一步使与牙轮摇晃相关的力和力矩减至最小。
与切削元件60和60b相关的顶点70优选设在圆环282上。圆环282的半径等于法向力轴68在相关顶点70与力心290之间的长度。法向力轴68a的长度可小于法向力轴68，结果产生圆环282a。将切削元件60和60b的顶点70设在同一圆环282上可大幅度地增强相关牙轮钻头的钻井稳定性和定向控制。
图6B，6C和6D表示与牙轮组件230a，230b和230c相关的各个牙轮轮廓280a，280b和280c，使法向力轴68和68a在偏离或偏移各自牙轮转轴36的各自力心290a，290b和290c处相交。切削元件60和60b的顶点70优选设在圆环282上。与保径齿圈74相关的切削元件60a的顶点70优选设在圆环282a上。
图7是一幅示意图，表示依据本发明教义与三个牙轮组件(未特别表示)相关的合成牙轮轮廓380，该牙轮组件上设有切削元件60，60a和60b。对于此实施例，与保径齿圈74的切削元件60a相关的法向力轴68a和与切削元件60和60b相关的法向力轴68优选在法向力心390处相交。对于此实施例，力心390可偏离或偏移合成牙轮转轴36。对于一些应用，优选使力心390相对于牙轮转轴36的偏移最小化，以减小会导致牙轮摇晃的力和力矩。
切削元件60和60b的顶点70可设在各自圆环382和382b上。与保径齿圈74的切削元件60a相关的顶点70可设在圆环382a上。圆环382，382a和382b优选相对于力心390相互同心设置。
图8是一幅示意图，表示与一种方法相关的各项步骤，该方法用于设计一种具有采用本发明教义的切削元件和切削结构的牙轮钻头。在步骤100，该方法开始；在步骤102，首先输入钻头尺寸、钻头类型(例如用国际钻井承包商协会(IADC)的代码标识)、牙轮轴倾角、牙轮轴移、底面直径和牙轮加大角(cone oversize angle)。在步骤104，在钻头坐标系统内确定牙轮轴和牙轮底面的位置。
在步骤106，在牙轮和钻头坐标系统内确定相关力心的位置。在一些实施例中，力心的位置可对应于牙轮的转轴以及与每个牙轮相关的轴承或轴承组件的中心。
在步骤108，绘制从力心起的各条线。在步骤110，在牙轮坐标系统内确定位于每个牙轮的保径齿圈上的切削元件的位置，以及使保径齿圈切削元件的法向力矢量对向一种特定方向。
在步骤112，确定每个牙轮的内齿圈切削元件的数量。在步骤114，在牙轮坐标系统内确定每个牙轮的每个内齿圈切削元件的位置，优选还包括齿形角。
在步骤116，检查钻头设计以确保所有切削元件轴都经过每个牙轮的力心。然后，分配用于每个牙轮的切削元件齿圈，以提供相邻牙轮内切削元件的预期交叠。
接着在步骤120，检查用于所有牙轮上的所有齿圈的切削元件轮廓以避免冲突。在步骤122，若存在冲突，可调整一个或多个齿圈的位置以消除任何冲突。在步骤124，确定将包括在每个齿圈内的切削元件的数量，并确定每个切削元件的斜交角。
在步骤126，比较最终钻头设计与选定的设计标准以确定是否已满足全部设计标准。若已满足全部设计标准，则该方法结束。若还未满足全部设计标准，则该方法返回至步骤106，并在步骤106处，在牙轮和钻头坐标系统内确定一种修正力心。重复其它的步骤直至在步骤126满足钻头的全部设计标准。
用于牙轮钻头的设计标准部分地基于预期井下岩层、由该钻头形成的井孔的理想直径及深度、理想穿进速率、钻压以及通常与牙轮钻头设计相关的其它标准。本发明允许以增大的可能性设计出在制造时将满足选定或预期设计标准的钻头。本发明可大幅度减少或消除对样本钻头的大量现场测试，这些现场测试用以确认新钻头设计的性能特征。
图9用图表示力心290相对于牙轮转轴36的偏离或偏移角。如所示，力心290相对于牙轮转轴36偏移距离dx和dy。通过将力心290缩小为一较小球体或一点，可将距离dx和dy的作用减至最小。也可修改相关牙轮轮廓的设计以减小dx和dy的值。例如，可重新设计相关牙轮的轮廓，使dx和dy的值小于力心290的半径。本发明允许减小作用于相关牙轮组件的力和运动，从而减小牙轮摇晃。对于一些实施例，可分析沿Z轴(dz)的偏移。Z轴一般对应于牙轮转轴36。
图10是一幅示意图，表示具有钻体324的牙轮钻头320，该钻体324具有锥形外螺纹部32。钻体324优选包括一种流道(未特别表示)，该流道用于经由一种钻柱连通来自井面的钻井泥浆或其它流体与所连接钻头320。钻体324具有自其起延伸且基本相同的支臂332。每个支臂优选包括各自的轴杆或主轴(未特别表示)。牙轮组件330a，330b和330c可以与各自的主轴连接。
具有各自牙顶368和顶点370的切削元件360利用磨铣技术形成在每个牙轮组件330a，330b和330c上。切削元件360有时称为“铣成齿”。如前相对于牙轮钻头20所述，切削元件360具有与相关力心相交的法向力轴。
尽管已对本发明及其优点进行了详细描述，但应认识的是可做出各种变化、替换和变更而不脱离由以下权利要求书所限定的本发明实质和范围。

Claims (35)

1.一种牙轮钻头，包括：
钻体，具有至少一个自其起延伸的支臂；
相应牙轮组件，可转动地安装在每个所述支臂上，用于与地下岩层啮接以形成井孔；
每个所述牙轮组件具有各自的从所述相关支臂起延伸的转轴；
每个所述牙轮组件具有至少一齿圈的切削元件；
每个所述切削元件具有自所述相关牙轮组件起延伸的用于与所述岩层啮接的牙顶；
每个所述牙顶具有各自的顶点，所述顶点由这样一种点限定，所述点距所述相关牙轮组件的所述转轴的距离大于所述牙顶上的任何其它点与所述相关牙轮组件的所述转轴之间的距离；
每个所述切削元件具有一自所述相关牙轮组件起延伸且经过所述各自的顶点的法向力轴；
每个所述牙轮组件具有各自的牙轮组件轮廓，所述牙轮组件轮廓部分地限定为全部所述切削元件的所述牙顶在一垂直面上的合成投影，所述垂直面经过所述各自牙轮组件的所述转轴；以及
所述切削元件的所述法向力轴在一力心附近彼此相交，选择所述力心以使法向力对所述牙轮组件的摇晃作用减至最小，所述法向力是在所述牙轮组件转动时由所述切削元件撞击所述岩层产生的。
2.权利要求1所述的钻头，还包括：所述力心位于所述牙轮的所述转轴附近。
3.权利要求1所述的钻头，还包括：所述力心设在所述牙轮的所述转轴上。
4.权利要求1所述的钻头，还包括：所述力心具有一般为球状的构造。
5.权利要求4所述的钻头，还包括：所述力心的半径小于所述力心与所述牙轮转轴之间的距离。
6.权利要求1所述的钻头，还包括：
每个所述切削元件具有各自的切削区，该切削区具有位于所述各自切削区的中心附近的各自顶点；以及
每个所述牙轮组件上的至少两个齿圈的切削元件具有各自顶点，所述各自顶点位于离所述力心近似相同的径向距离处。
7.权利要求6所述的钻头，还包括：每个所述牙轮上的至少三个齿圈的切削元件具有各自顶点，所述各自顶点位于离所述力心近似相同的径向距离处。
8.权利要求6所述的钻头，还包括：每个所述牙轮组件上的至少三个齿圈的切削元件具有各自顶点，所述各自顶点位于离所述力心近似相同的径向距离处。
9.权利要求1所述的钻头，还包括：
自所述钻体起延伸的三个支臂；
可转动地安装在每个所述支臂上的用于与岩层啮接的各自牙轮组件；
每个所述牙轮组件具有各自的转轴；
每个所述牙顶具有各自的顶点，所述顶点由位于每个所述切削元件上的这样一种点限定，所述点距所述牙轮组件的所述转轴的距离大于所述相应牙顶上的其它点与所述牙轮的所述转轴之间的距离；
每个所述牙轮组件具有各自的牙轮轮廓，所述牙轮轮廓部分地限定为全部切削嵌件的投影到一垂直面上的顶点，所述垂直面经过所述牙轮组件的所述转轴；以及
用于每个牙轮组件的所述顶点的所述合成轮廓相互协作以限定一弧段，所述弧段具有从所述牙轮的相关转轴起延伸的半径。
10.权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述切削元件包括与各个牙轮组件附连的嵌件。
11.权利要求1所述的钻头，其特征在于，每个所述切削元件包括铣成齿。
12.一种牙轮钻头，包括：
钻体，具有至少一个自其起延伸的支臂；
相应牙轮组件，可转动地安装在每个所述支臂上，用于与地下岩层啮接以形成井孔；
每个所述牙轮组件具有保径齿圈的切削元件；
每个所述牙轮组件具有与所述保径齿圈隔开的至少第一齿圈和第二齿圈的切削元件；
所述第一齿圈切削元件和所述第二齿圈切削元件相互隔开；
每个所述切削元件具有自相关牙轮组件起延伸的用于与附近的岩层部分啮接的牙顶；
每个所述牙轮组件具有从所述各自支臂起延伸的转轴；
每个所述切削元件具有一自所述各自牙顶起延伸的法向力轴；
每个所述切削元件具有各自的切削元件齿形角，所述切削元件齿形角部分地由所述相应法向力轴与所述相关牙轮组件的所述转轴相交所限定；以及
选择与所述第一齿圈切削元件和所述第二齿圈切削元件相关的所述切削元件齿形角，以使所述法向力轴经过一力心。
13.权利要求12所述的钻头，其特征在于，所述力心包括一位于所述牙轮组件的所述转轴上的位置。
14.权利要求12所述的钻头，其特征在于，所述力心包括接近单点的非常小的范围。
15.权利要求12所述的钻头，还包括：
自所述钻体起延伸的三个支臂；
可转动地安装在每个所述支臂上的用于与岩层啮接的各自牙轮组件。
16.权利要求12所述的钻头，还包括：选择所述力心的相对于所述相关牙轮组件的所述转轴的所述位置，以使当相关切削元件撞击岩层时牙轮的摇晃减至最小。
17.权利要求12所述的钻头，其特征在于，所述切削元件包括嵌件和硬质合金齿。
18.权利要求12所述的钻头，其特征在于，每个所述切削元件包括铣成齿。
19.权利要求12所述的钻头，还包括：所述第一齿圈切削元件和所述第二齿圈切削元件的各自顶点位于离所述力心近似相同的径向距离处。
20.权利要求12所述的钻头，还包括：选择用于所述保径齿圈内的每个切削元件的所述切削元件齿形角，以使各自的法向力轴一般垂直于所述相关牙轮组件的所述转轴延伸。
21.权利要求12所述的钻头，还包括：选择所述保径齿圈内的每个切削元件的所述切削元件齿形角，以使所述法向力轴经过所述力心。
22.一种用于形成具有增强的钻井性能的牙轮钻头的方法，所述方法包括：
形成一钻体，所述钻体具有至少一个自其起延伸的支臂；
把各自牙轮组件可转动地安装在每个所述支臂上；
在每个所述支臂上形成至少一个齿圈的切削元件，每个所述切削元件具有自相关牙轮组件起延伸的用于与岩层啮接的牙顶；
为每个所述元件选择位置和定向，使所述每个元件的各自法向力轴与一力心相交；以及
选择所述力心的位置，以减小每个牙轮组件的摇晃并增强所述钻头的钻井稳定性。
23.权利要求22所述的方法，还包括：减小所述力心的尺寸以近似对应于与所述法向力轴相交的单点。
24.权利要求22所述的方法，还包括：
形成具有三个自其起延伸的支臂的钻体；以及
把各自牙轮组件可转动地安装在所述支臂上。
25.权利要求22所述的方法，还包括：选择所述力心的位置以使法向力的摇晃作用减至最小，所述法向力与当所述钻头转动时所述切削元件撞击岩层有关。
26.一种用于设计具有增强的钻井稳定性的牙轮钻头的方法，所述牙轮钻头用于钻具有硬桁条的软质和中质岩层，包括：
选择钻头的特性，包括钻头尺寸、钻头类型、牙轮组件轴移以及牙轮底面的尺寸；
确定每个相关牙轮转轴的位置和每个所述牙轮组件的底面的位置；
确定用于每个所述牙轮组件的附加齿圈切削元件的数量；
确定每个所述牙轮组件上的每个齿圈切削元件的位置，包括相关切削元件的齿形角；
确认每个所述切削元件的法向力矢量将经过力心；
检查全部所述牙轮组件上的每个齿圈切削元件的切削元件轮廓之间的冲突；
若存在与任何相关牙轮组件的冲突，调整所述切削元件齿圈的位置；
确定每个齿圈所需要的切削元件数量；
若需要，确定每个所述切削元件的斜交角；以及
重复以上步骤以实现用于所述钻头的预期设计标准。
27.一种可操作用于在地下岩层内形成井孔的牙轮钻头，包括：
钻体，具有至少一个自其起延伸的支臂；
相应牙轮组件，可转动地安装在每个所述支臂上；
每个所述牙轮组件具有各自的从所述相关支臂起延伸的转轴；
每个所述牙轮组件具有至少一齿圈的切削元件；
每个所述切削元件具有自所述相关牙轮组件起延伸的用于与岩层啮接的牙顶；
每个所述牙顶具有各自的顶点，所述顶点由这样一种点限定，所述点距所述相关牙轮组件的所述转轴的距离大于所述牙顶上的任何其它点与所述相关牙轮组件的所述转轴之间的距离；
每个所述切削元件具有一自所述相关牙轮组件起延伸且经过所述各自顶点的法向力轴；
每个所述牙轮组件具有各自的牙轮组件轮廓，所述牙轮组件轮廓部分地限定为全部所述切削元件的所述牙顶在一平面上的合成投影，所述平面经过所述各自牙轮组件的所述转轴；以及
所述切削元件的所述法向力轴在一力心附近彼此相交。
28.权利要求27所述的钻头，还包括：所述力心位于所述牙轮组件的所述转轴附近以使法向力对所述牙轮组件的作用减至最小，所述法向力是在所述牙轮组件转动时由所述切削元件撞击岩层产生的。
29.权利要求27所述的钻头，还包括：所述力心设在所述牙轮组件的所述转轴上。
30.权利要求27所述的钻头，还包括：所述力心具有一般为球状的构造。
31.权利要求30所述的钻头，还包括：所述力心的半径小于所述力心与所述牙轮转轴之间的距离。
32.一种可操作用于在地下岩层内形成井孔的牙轮钻头，包括：
钻体，具有至少一个自其起延伸的支臂；
相应牙轮组件，可转动地安装在每个所述支臂上；
每个所述牙轮组件具有各自的从所述相关支臂起延伸的转轴；
每个所述牙轮组件具有至少一齿圈的切削元件；
每个所述切削元件具有自所述相关牙轮组件起延伸的用于与岩层啮接的牙顶；
每个所述牙顶具有各自的顶点，所述顶点由这样一种点限定，所述点距所述相关牙轮组件的所述转轴的距离大于所述牙顶上的任何其它点与所述相关牙轮组件的所述转轴之间的距离；
每个所述切削元件具有一自所述相关牙轮组件起延伸且经过所述各自顶点的法向力轴；
每个所述牙轮组件具有各自的牙轮组件轮廓，所述牙轮组件轮廓部分地限定为全部所述切削元件的所述牙顶在一平面上的合成投影，所述平面经过所述各自牙轮组件的所述转轴；
所述切削元件的所述法向力轴在一力心附近彼此相交；
每个所述切削元件具有各自的切削区，该切削区具有位于所述各自切削区的中心附近的各自顶点；以及
每个所述牙轮组件上的至少一个齿圈的所述切削元件具有各自顶点，所述各自顶点位于离所述力心近似相同的径向距离处。
33.权利要求32所述的钻头，还包括：每个所述牙轮组件上的至少二个齿圈的所述切削元件具有各自顶点，所述各自顶点位于离所述力心近似相同的径向距离处。
34.权利要求32所述的钻头，还包括：每个所述牙轮组件上的至少三个齿圈的所述切削元件具有各自顶点，所述各自顶点位于离所述力心近似相同的径向距离处。
35.权利要求32所述的钻头，还包括：
自所述钻体起延伸的三个支臂；
可转动地安装在每个所述支臂上的用于与岩层啮接的各自牙轮组件；
每个所述牙轮组件具有各自的转轴；
每个所述牙顶具有各自的顶点，所述顶点由位于每个所述切削元件上的这样一种点限定，所述点距所述牙轮组件的所述转轴的距离大于所述相应牙顶上的其它点与所述牙轮的所述转轴之间的距离；
每个所述牙轮组件具有各自的牙轮轮廓，所述牙轮轮廓部分地限定为全部切削嵌件的投影到一垂直面上的顶点，所述垂直面经过所述牙轮组件的所述转轴；以及
用于每个所述牙轮组件的所述顶点的所述合成轮廓相互协作以限定一弧段，所述弧段具有从所述牙轮的相关转轴起延伸的半径。
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