無排水溝或單個排水溝鉆頭以及使用這些鉆頭的系統和方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于在地層中形成孔的鉆頭。所述鉆頭具有柄和環形齒冠，所述柄和所述環形齒冠配合以限定接納水或其他鉆液的內部空間。所述環形齒冠限定圍繞所述齒冠的內表面周向間隔開的內部通道和圍繞所述齒冠的外表面周向間隔開的外部通道。所述環形齒冠可完全周向地包圍所述鉆頭的所述內部空間，或者所述環形齒冠可設置有單個排水溝，所述排水溝在所述齒冠的所述內表面和所述外表面之間延伸。
【專利說明】無排水溝或單個排水溝鉆頭以及使用這些鉆頭的系統和方法
[0001]相關專利申請的交叉引用
[0002]本專利申請要求提交于2013年12月30日的美國臨時專利申請N0.61/921，847的優先權，該申請的全部內容以引用方式并入本文。
技術領域
[0003]本發明涉及用于在地層中形成孔的鉆頭，并且更具體地講涉及用于在地層中形成孔的環形鉆頭。
【背景技術】
[0004]現有鉆頭通常具有中心排水溝和一系列提供在鉆頭側面與中心排水溝之間流體連通的通道或狹槽。這些通道和/或狹槽會降低鉆頭端面處的冷卻和沖刷效率。通道和/或狹槽也限制鉆頭齒冠的高度-如果具有通道和/或狹槽的齒冠過高，齒冠將會在鉆孔期間發生故障。因此，通道和/或狹槽的存在有效地縮短現有鉆頭的壽命，從而增加鉆頭生產的成本。
[0005]許多鉆孔地區，諸如南美和澳大利亞，具有有限水源。在這些區域，使用常規鉆頭進行鉆孔操作可能存在困難，因為這需要大量水。即使在具有更大水源的地區，也需要運水卡車將水運送至鉆孔站點，從而增加鉆孔操作的成本。
[0006]因此，在相關領域中存在對于比現有鉆頭強度更高、沖刷和冷卻效果更好的鉆頭的需要。在相關領域中還存在對于比常規鉆頭所需水(或其他鉆液)更少的鉆頭的需要，從而降低鉆孔操作的成本。

【發明內容】

[0007]本文描述了用于在地層中形成孔的鉆頭。鉆頭具有縱向軸線、柄和環形齒冠。環形齒冠具有切削面、內表面以及外表面。環形齒冠和柄配合以限定圍繞縱向軸線的內部空間。內部空間可被配置成在鉆頭使用過程中接納水或其他鉆液。
[0008]在一個方面，環形齒冠可限定多個圍繞環形齒冠的內表面周向間隔開并遠離縱向軸線徑向向外延伸的內部通道。環形齒冠還可限定多個圍繞環形齒冠的外表面周向間隔開并朝向縱向軸線徑向向內延伸的外部通道。環形齒冠可完全周向地包圍內部空間。在示例性方面，環形齒冠不具有在環形齒冠的外表面與內部空間之間徑向延伸的排水溝。還描述了使用鉆頭在地層中形成孔的系統。
[0009]本發明的其他優點將在下面部分地闡明，而且將部分地從該描述中顯而易見，或可以通過本發明的實踐而獲知。通過在所附權利要求中特別指出的要素和組合，可實現和獲得本發明的優點。應當理解，上述一般描述和以下詳細描述僅是示例性和說明性的，而不是對如受權利要求所保護的本發明進行限制。
【附圖說明】
[0010]本發明的優選實施例的這些和其他特征在參照附圖的詳細描述中將變得更加顯而易見，其中:
[0011 ]圖1A是如本文所公開的不具有排水溝或凹口的示例性鉆頭的透視圖。圖1B是圖1A的鉆頭的頂視圖。
[0012]圖2A是如本文所公開的具有單個排水溝的示例性鉆頭的透視圖。圖2B是圖2A的鉆頭的頂視圖。
[0013]圖3是如本文所公開的具有單個排水溝的示例性鉆頭的透視圖。
[0014]圖4是如本文所公開的具有單個排水溝的示例性鉆頭的透視圖，圖中示出了具有相應的內部部分和外部部分的鉆頭齒冠的凸起中心部分，該內部部分和外部部分分別鄰接相對于凸起中心部分降低的內表面和外表面。
[0015]圖5是如本文所公開的具有單個排水溝的示例性鉆頭的透視圖，圖中示出了具有相應的內部部分和外部部分的鉆頭齒冠的降低中心部分，該內部部分和外部部分分別鄰接相對于降低中心部分凸起的內表面和外表面。
[0016]圖6示出了如本文所公開的不具有排水溝或凹口的示例性鉆頭用于鉆孔操作之前和之后的圖像。
[0017]圖7是如本文所公開的具有單個外部通道、單個內部通道和單個排水溝的任意示例性鉆頭的透視圖。
[0018]圖8是圖7的鉆頭的透視圖。
[0019]圖9示出了包括如本文所公開的鉆頭的示例性鉆孔系統。
【具體實施方式】
[0020]通過參照以下詳細說明、實例、附圖和權利要求及其以上和以下的說明可更加容易地理解本發明。然而，在公開并描述本發明裝置、系統和/或方法之前，應當理解，除非另有指明，本發明并不局限于所公開的具體裝置、系統和/或方法，因為此類具體裝置、系統和/或方法理所當然可能會發生變化。也應當了解本文所用的術語僅是為了描述特定方面，而不旨在進行限制。
[0021]本發明的以下描述被提供為以當前熟知的最佳實施例實現本發明的教導。為此，相關領域的技術人員將認識和理解，可在本文描述的本發明的各個方面作出許多更改，同時仍能獲得本發明的有益效果。還顯而易見的是，可以通過選擇本發明的一些特征而不利用其他特征來獲得本發明的一些所需的有益效果。因此，本領域的技術人員將認識到，對本發明做出的許多修改和調整是可能的，并且在某些情況下甚至是期望的，并構成本發明的一部分。因此，以下描述被提供為本發明的原理的示例性說明而并非限制本發明。
[0022]如全文所用，除非上下文清楚地另外指明，單數形式的“一個”、“一種”以及“所述”包括復數涵義。因此，例如，提及“通道”可包括兩個或更多個此類的通道，除非上下文另有指示。
[0023]范圍在本文中可被表達為始于“約”某一特定值和/或止于“約”另一特定值。當表達此類范圍時，另一方面包括從一個特定值和/或至另一特定值。類似地，當采用先行詞“約”將數值表達為近似值時，應當理解，該具體值也構成了另一個方面。還應理解，每個范圍的端值相對于另一個端值，還是不取決于另一個端值來說，都是有意義的。
[0024]如本文所用，術語“任選的”或“任選地”是指隨后描述的事件或情況可能發生或可能不發生，并且所述描述包括其中發生所述事件或情況的實例和其中不發生所述事件或情況的實例。
[0025]如本文所用的單詞“或”意指特定列表中的任意一個成員，并且還包括該列表成員的任意組合。
[0026]參考圖1A-3，本文所描述的是用于在地層中形成孔的鉆頭10。鉆頭10具有縱向軸線LA。在示例性的方面，鉆頭10可包括柄20和環形齒冠30。可以設想的是，本文所公開的鉆頭與常規鉆頭相比可增加鉆頭的強度。另外可以設想的是，鉆頭的增加的強度可允許制造比常規方式制造的鉆頭更高的鉆頭，從而延長鉆頭的壽命。這可繼而大幅降低與鉆頭生產相關的成本(和常規鉆頭生產相比)。還可以設想的是，本文所公開的鉆頭包括在鉆頭的外表面與鉆頭的中心排水溝(內部空間)之間延伸的狹槽或窗，相對于常規鉆頭可提供改善的沖刷和冷卻。因此，可以設想的是，本文所公開的鉆頭可比常規鉆頭更為有效地工作。
[0027]更具體地講，可以設想的是，在本文所公開的鉆頭工作期間，基本上所有水(或其他鉆液)均可接觸鉆頭的表面。另外可以設想的是，常規鉆頭中金剛石的磨損是源于地層巖石導致的高摩擦和熱量。另外可以設想的是，巖肩被從鉆頭的端面到鉆頭的外徑沖刷得越快，則遇到的地層再研磨和/或再切削就越少，從而延長鉆頭的生產和切削壽命。還可以設想的是，沖刷和冷卻中的此種改善可減少基體的研磨，這可通過增大在鉆頭端面上支撐金剛石的基體尾部來擴大金剛石暴露。還可以設想的是，通過暴露的金剛石以及被鉆孔的地層形成更多的次級碎裂而造成地層更大的位移，從而使得鉆孔性能提升。
[0028]另外可以設想的是，本文所公開的鉆頭可比常規鉆頭更易于制造。可以設想的是，制造本文所公開的鉆頭的方法可采用減少的冷壓循環量、端面排水溝和/或窗的布置和/或端面排水溝和/或窗的手動設置。
[0029]還可以設想的是，本文所公開的鉆頭提供的沖刷和冷卻的效率可減少鉆孔操作所需的水量。在示例性方面，可以設想的是，本文所公開的鉆頭可理想地適用于水源有限的地區，諸如南美和澳大利亞。
[0030]在一個方面，環形齒冠30可具有鄰接外周向表面34和內周向表面35的切削面32。可以設想的是，環形齒冠30和柄20可配合以限定圍繞縱向軸線LA的內部空間25。另外可以設想的是，內部空間25可被配置成在使用鉆頭10的過程中接納水或其他鉆液。在一個方面，水或其他鉆液可在所需的壓力下被供給內部空間25。
[0031]在又一方面，環形齒冠30可完全周向地包圍內部空間25。任選地，在示例性方面，如圖1和3所示，環形齒冠30不包括在環形齒冠的外表面34和內表面35 (以及內部空間25)之間徑向延伸的排水溝。
[0032]然而，在其他任選的方面(如下文進一步討論)，可以設想的是，環形齒冠30可包括從環形齒冠的內表面到環形齒冠的外表面延伸的單個排水溝，從而在鉆頭的外部和內部空間25之間提供連通。在這些方面，可以設想的是，單個排水溝可任選地是從環形齒冠的切削面沿著環形齒冠的軸向長度的至少一部分朝向柄延伸的凹口。任選地，可以設想的是，該凹口可沿著環形齒冠的整個軸向長度延伸，直至抵達柄。當環形齒冠30包括單個排水溝時，可以設想的是，單個排水溝可緩沖在切削面處遇到的壓力尖峰，并減少在切削面處所需的最大壓力。另外可以設想的是，可根據特定鉆孔應用所需的壓力和/或速度選擇性地調整單個排水溝的尺寸。在使用中，可以設想的是，具有如本文所公開的單個排水溝(例如，單個凹口)的鉆頭在操作中比具有多個排水溝的常規鉆頭更易于控制。另外可以設想的是，使用單個排水溝(例如，單個凹口)可確保鉆頭比具有多個排水溝的常規鉆頭強度更高。具體而言，可以設想的是，通過僅使用單個排水溝，通常在排水溝位置處發生的杠桿作用的可能性被大幅降低。而常規鉆頭使用相對于鉆頭的中心點平衡的多個排水溝，另外可以設想的是，使用單個排水溝得到如本文所公開的意外有益結果。還可以設想的是，如本文所公開的單個排水溝可用作壓力釋放機構并且對于鉆頭的冷卻或鄰近鉆頭的流體流影響很小或沒有影響。這和使用多個排水溝來將鉆頭冷卻的常規鉆頭不同，并且促使鄰近鉆頭的更有效的流體流。
[0033]在額外的方面，環形齒冠30的內表面可限定至少一個從縱向軸線LA向外徑向延伸的內部通道36。在示例性的方面，可以設想的是，該至少一個內部通道36可包括多個圍繞環形齒冠的內表面周向間隔開并遠離縱向軸線LA徑向向外延伸的內部通道36。任選地，在一些示例性的方面，多個內部通道36可圍繞環形齒冠30的內表面周向大致等距地間隔。在一個方面，可以設想的是，多個內部通道36可任選地為大致相等的尺寸。在其他方面，可以設想的是，內部通道中的至少一者可具有與至少一個其他內部通道不同的尺寸。如本文使用，內部通道36的“尺寸”通常是指通道如在一個平面中所測量的二維區域，該平面大致垂直于鉆頭10的縱向軸線。
[0034]在另一方面，可以設想的是，在縱向軸線LA的橫截面中，多個內部通道36的表面區域對于內部周向表面35的區域的百分比可在約10%至約80%的范圍之間。任選地，多個內部通道36的表面區域對于內部周向表面35的區域的百分比可在約25%至約65%之間、約45%至約60%之間或約55%的范圍內。
[0035]在又一方面，環形齒冠30的外表面可限定至少一個朝向縱向軸線LA徑向向內延伸的外部通道38。在示例性的方面，可以設想的是，該至少一個外部通道38可包括多個圍繞環形齒冠的外表面周向間隔開并朝向縱向軸線LA徑向向內延伸的外部通道38。在其他示例性的方面，可以設想的是，環形齒冠30可具有大于柄20的外徑的外徑，使得環形齒冠相對于柄徑向地向外突出。任選地，在一些示例性的方面，多個外部通道38可圍繞環形齒冠30的外表面34周向大致等距地間隔。在一個方面，可以設想的是，多個外部通道38可任選地為大致相等的尺寸。在其他方面，可以設想的是，外部通道中的至少一者可具有與至少一個其他外部通道不同的尺寸。如本文使用，外部通道38的“尺寸”通常是指通道如在一個平面中所測量的二維區域，該平面大致垂直于鉆頭10的縱向軸線。
[0036]在一個方面，環形齒冠可具有介于內表面和外表面之間的徑向厚度，該徑向厚度對應于環形齒冠外徑和內徑之間的差數。在該方面，可以設想的是，多個內部通道中的每個內部通道可具有小于環形齒冠的徑向厚度的徑向尺寸(大致對應于相對于內表面的徑向深度)。另外可以設想的是，多個外部通道中的每個外部通道可具有小于環形齒冠的徑向厚度的徑向尺寸(大致對應于相對于外表面的徑向深度)。在示例性的方面，可以設想的是，環形齒冠的徑向厚度與多個內部通道的徑向尺寸之間的比率可在約1.25:1至約15:1的范圍內，更優選地，可在約1.5:1至約3.5:1的范圍內。在示例性的方面，可以設想的是，環形齒冠的徑向厚度與多個外部通道的徑向尺寸之間的比率可在約1.25:1至約15:1的范圍內，更優選地，可在約1.5:1至約3.5:1的范圍內。在額外的示例性方面，可以設想的是，多個內部通道的徑向尺寸可大于多個外部通道的徑向尺寸。在各種示例性非限制的方面，可以設想的是，內部通道和外部通道的徑向尺寸可在約0.050英寸至約0.30英寸的范圍內，更優選地，可在約0.090英寸至約0.250英寸的范圍內。
[0037]在一個方面，內部通道的數目可和外部通道的數目相同。在另一方面，可以設想的是，內部通道的數目可大于外部通道的數目。在又一方面，可以設想的是，內部通道的數目可小于外部通道的數目。
[0038]在示例性的方面，可以設想的是，環形齒冠的內徑可在約0.9英寸至約8英寸的范圍內，該內徑大致對應于從齒冠的內表面上的第一點延伸到齒冠的內表面上的相對第二點的連線的距離，該連線通過與縱向軸線LA重疊的齒冠的中心點。對于具有大致圓形橫截面的齒冠，該內徑可對應于約2.8英寸至約25.1英寸范圍內的內周長。在這些方面，可以設想的是，可沿著內周長每隔I至2.5英寸提供內部通道。然而，可以設想的是，可使用具有更大或更小的內徑和內周長的環形齒冠。在一些示例性方面，可以設想的是，內部通道的數目可在3至16個內部通道的范圍內。然而，可以設想的是，一些示例性環形齒冠可具有最多約40個內部通道。在一些示例性的方面，可以設想的是，環形齒冠的內徑可圍繞內表面變化。在額外的示例性方面，可以設想的是，環形齒冠可具有非圓形輪廓，諸如但不限于橢圓形輪廓。在這些方面，可以設想的是，環形齒冠的內周長在其完全圍繞齒冠的縱向軸線LA延伸時可對應于環形齒冠的內表面所限定的總精確尺寸。
[0039]任選地，如圖1A-3所示，可以設想的是，多個外部通道中的每個外部通道可被周向定位于多個內部通道的連續內部通道之間。另外可以設想的是，環形齒冠可任選地具有大致為蛇形的徑向輪廓。在示例性任選方面，可以設想的是，每個外部通道可沿著一條線與相應內部通道大致對齊，該線通過跨環形齒冠的直徑的縱向軸線LA(垂直于縱向軸線LA)延伸。在這些方面，另外可以設想的是，每個內部通道可沿著一條線與相應外部通道大致對齊，該線通過跨環形齒冠的直徑的縱向軸線LA(垂直于縱向軸線LA)延伸。
[0040]在一個任選的示例性方面，如圖4所示，可以設想的是，至少一個外部通道可大致與至少一個內部通道重疊，使得從縱向軸線LA徑向延伸的線穿過內部通道和外部通道兩者。在該方面，可以設想的是，齒冠的至少一個外部通道可任選地包括單個外部通道。另外可以設想的是，齒冠的至少一個內部通道可任選地包括單個內部通道。
[0041]在另外的方面，多個內部通道和多個外部通道中的每個通道36、38可具有寬度。任選地，在這些方面，可以設想的是，多個內部通道和多個外部通道中的每個通道36、38可具有可變寬度。例如，每個外部通道38的寬度可任選地從全斷面齒冠的外表面朝向縱向軸線徑向地向內移動時縮小。因此，可以設想的是，多個通道中的每個通道38朝向縱向軸線LA移動時可向內漸縮。在另外的示例性方面，可以設想的是，內部通道和外部通道可基本上為U型通道。
[0042]在示例性的方面，可以設想的是，環形齒冠30可具有多個周向間隔的外部部分40，該外部部分限定環形齒冠的外表面(和外徑)。在這些方面，可以設想的是，相應的外部通道38可被定位在多個外部部分的相鄰外部部分40之間。在其他示例性的方面，可以設想的是，環形齒冠30可具有多個周向間隔的內部部分42，該內部部分限定環形齒冠的內表面(和內徑)ο在這些方面，可以設想的是，相應的內部通道36可被定位在多個內部部分的相鄰內部部分42之間。
[0043]任選地，在一些示例性方面，可以設想的是，柄20的外表面可限定至少一個大致平行于鉆頭1的縱向軸線L A延伸的槽(或凹槽)。在這些方面，柄的外表面的該至少一個槽中的每個槽可任選地對應于從柄20的外表面朝向柄的內表面徑向地延伸的圓形凹槽。如圖3所示，可以設想的是，柄20的外表面的該至少一個槽中的每個槽可任選地被定位成與環形齒冠30的相應外部通道38流體連通。
[0044]任選地，在另外的示例性方面，可以設想的是，柄20的內表面可限定至少一個大致平行于鉆頭10的縱向軸線LA延伸的槽(或凹槽)。在這些方面，柄的內表面的該至少一個槽中的每個槽可任選地對應于從柄20的內表面朝向柄的外表面徑向地延伸的圓形凹槽。可以設想的是，柄20的內表面的該至少一個槽中的每個槽可任選地被定位成與環形齒冠30的相應內部通道36流體連通。
[0045]如以上進一步所述，在一些任選的方面，并且如圖2A-2B和4所示，可以設想的是，環形齒冠30可包括單個排水溝，該排水溝從環形齒冠的內表面延伸到環形齒冠的外表面。在這些方面，可以設想的是，單個排水溝可被配置成增大鉆液在排水溝入口處的速度，并因此提供改善的鉆肩沖刷。
[0046]在示例性的方面，可以設想的是，單個排水溝可為軸向漸縮排水溝(相對于鉆頭的縱向軸線漸縮)O在這些方面，可以設想的是，軸向漸縮的排水溝可確保排水溝在鉆頭的內表面中的開口可小于排水溝在鉆頭的外表面中的開口。因此，通過增大鉆液在鉆頭的內表面中排水溝入口處的速度，排水溝可起類似于噴嘴的作用。軸向漸縮的排水溝用以增大鉆液在排水溝入口處速度的能力可提供增加的鉆肩沖刷，并有助于防止排水溝的阻塞。此外，可以設想的是，軸向漸縮的排水溝可提供改善的鉆液流而不會在內徑處明顯影響鉆頭主體體積，或減少鉆頭端面的切削表面。因此，可以設想的是，軸向漸縮的排水溝可提高鉆孔性能并延長鉆孔壽命。
[0047]在一些方面，可以設想的是，單個排水溝可為軸向和徑向漸縮的排水溝，或者換句話講為雙重漸縮排水溝。可以設想的是，此類雙重漸縮排水溝可有助于確保在排水溝從鉆頭的內表面延伸至鉆頭的外表面時，其尺寸在每個軸線上都增大。可以設想的是，增大雙重漸縮排水溝的尺寸可減少碎肩駐留在排水溝內的可能性，并因此提升鉆頭的鉆孔性能。另外可以設想的是，雙重漸縮排水溝可允許在內徑處更小的排水溝開口，同時仍然允許在鉆頭的外徑處的大排水溝開口。可以設想的是，該構造可允許在內徑處的基體材料量的增加，因此有助于延長鉆頭的壽命，同時也提供有效的沖刷。另外可以設想的是，該類鉆頭的延長的壽命可通過減少將鉆柱從鉆孔拉出以更換過早磨損的鉆頭的需求，從而降低鉆孔成本。
[0048]如圖2A-2B所示，單個排水溝可為由至少三個表面112a、112b、112c限定的凹口112。具體而言，凹口 112可由第一側表面112a、相對側表面112b以及頂部表面112c限定。任選地，可以設想的是，側表面112a、112b中的每一者可沿大致垂直于齒冠的內表面的方向從齒冠的內表面延伸至齒冠的外表面。因此，可以設想的是，凹口 112在齒冠的外表面處的寬度可大致等于凹口 112在齒冠的內表面處的寬度。換句話講，凹口 112在外表面處的第一側表面112a與第二側表面112b之間的周向距離可大致等于凹口 112在內表面處的第一側表面112a與第二側表面112b之間的周向距離。作為另外一種選擇，在其他任選的方面，如下面所進一步詳述，可以設想的是，側表面112a、112b中的一個或更多個可具有徑向和/或周向錐度。
[0049]可以設想的是，凹口112可具有允許其如預期工作的任何形狀。具體而言，可以設想的是，凹口 112的形狀和構造可根據鉆頭所需的特性和/或要鉆孔的地層的特性而改動。例如，可以設想的是，在從切削面觀察時，凹口可任選地具有矩形形狀。作為另外一種選擇，在其他任選的方面，可以設想的是，凹口可具有正方形、三角形、圓形、梯形、多邊形或橢圓形或它們的任意組合。
[0050]可以設想的是，凹口112可具有允許其如預期工作的任何寬度或長度。在示例性的方面，可以設想的是，凹口 112具有的長度(即從內表面到外表面的距離)可大于其寬度(SP相對側表面112a和112b之間的距離)。然而，在本發明的可選的實施中，凹口 112可具有大于其長度的寬度，或者可具有大致等于其長度的寬度。
[0051 ]如之前所述，排水溝(即凹口 112)可為軸向漸縮的。在示例性的方面，凹口 112的頂部表面112c可沿大致從切削面朝向柄的方向從內表面到外表面漸縮。換句話講，可以設想的是，凹口 112的高度或縱向尺寸可隨著凹口 112從齒冠的內表面到外表面延伸而增大。因此，在一些示例性方面，凹口 112在外表面處的縱向尺寸可大于凹口 112在內表面處的縱向尺寸。換句話講，凹口 112可在內表面處延伸第一距離至切削面并在外表面處延伸第二距離至切削面，其中第二距離大于第一距離。
[0052]可以設想的是，凹口112的軸向錐度可有助于確保凹口 112在齒冠的內表面處的開口小于凹口 112在齒冠的外表面處的開口。另外可以設想的是，開口尺寸上的該差數可增大鉆液流動到齒冠的外表面上時在內表面處的速度。因此，如上所述，凹口 112的軸向錐度可提供更為有效的鉆肩沖刷和切削面冷卻。此外，可以設想的是，凹口增大的尺寸也可有助于確保在鉆液迫使碎肩從內表面移往外表面時，這些碎肩不會卡塞或阻塞在凹口 112中。
[0053]此外，可以設想的是，凹口112的軸向錐度可為凹口 112提供增大的尺寸，而不會減小切削面的尺寸。另外可以設想的是，切削面增大的表面區域可提供更為有效的鉆孔。此夕卜，可以設想的是，凹口的軸向錐度可提供增強的沖刷和冷卻，同時還不會縮小內表面處的齒冠材料的體積。還可以設想的是，內表面處齒冠材料的增加體積可有助于延長鉆頭的鉆孔壽命。
[0054]任選地，在示例性的方面，可以設想的是，齒冠可限定至少一個內部槽，該內部槽和凹口 112流體連通。在這些方面，可以設想的是，該至少一個內部槽可從柄開始沿著齒冠的內表面軸向延伸至凹口 112。另外可以設想的是，該至少一個內部槽可有助于將鉆液引導至凹口 112。在另一個任選的方面，可以設想的是，該至少一個內部槽可從柄延伸至切削面，或甚至沿著柄延伸。
[0055]任選地，在其他示例性方面，可以設想的是，鉆頭可包括至少一個外部槽。在這些方面，可以設想的是，該至少一個外部槽可從齒冠的外表面朝向齒冠的內表面徑向延伸。可以設想的是，該至少一個外部槽可有助于將鉆液從凹口沿著鉆頭的外表面引導朝向柄。任選地，可以設想的是，該至少一個外部槽可從凹口 112沿著外表面軸向延伸至柄。在另一個任選的方面，可以設想的是，該至少一個外部槽可從切削面延伸至柄，或甚至沿著柄延伸。
[0056]如之前所述，在示例性的方面，單個排水溝112可為雙重漸縮排水溝。在這些方面，凹口 112除了軸向錐度外還可具有徑向錐度。在一些方面，凹口 112的第二側表面112b可以大致順時針的方向圍繞切削面的周長從內表面到外表面漸縮。如本文所用，術語“順時針”和“逆時針”是指觀察鉆頭的切削面時相對于鉆頭的縱向軸線的方向。因此，凹口 112的寬度可隨著凹口 112從齒冠的內表面延伸到外表面而增大。因此，在一些方面，凹口 112在外表面處的寬度可大于凹口 112在內表面處的寬度。換句話講，凹口 112在外表面處的第一側表面112a與第二側表面112b之間的周向距離可大于凹口 112在內表面處的第一側表面112a與第二側表面112b之間的周向距離。
[0057]在操作中，可以設想的是，凹口112的徑向錐度可確保凹口 112在齒冠的內表面處的開口小于凹口 112在齒冠的外表面處的開口。另外可以設想的是，開口尺寸上的該差數可增大鉆液流動到齒冠的外表面上時在內表面處的速度。因此，如上所述，可以設想的是，凹口 112的徑向錐度可提供更為有效的鉆肩沖刷和切削面冷卻。此外，可以設想的是，凹口 112的增加的寬度也可有助于確保在鉆液迫使碎肩從內表面移往外表面時，這些碎肩不會卡塞或阻塞在凹口 112中。
[0058]任選地，在一些方面，凹口112的徑向錐度可由漸縮的第二側表面112b形成。作為另外一種選擇，在其他方面，可以設想的是，第一側表面112a可為漸縮的。例如，可以設想的是，第一側表面112a可沿著以大致逆時針的方向圍繞切削面的周長從內表面到外表面漸縮。任選地，在一些方面，第一側表面112a和第二側表面112b都可包括錐度，該錐度以大致順時針的方向圍繞切削面的周長從內表面延伸至外表面。在這些方面，可以設想的是，第二側表面112b的徑向錐度可具有比第一側表面112a更大的錐度，具體方式為凹口 112的寬度隨著凹口 112從內表面延伸到外表面而增大。
[0059]任選地，在示例性的方面，凹口112的頂部表面112c可沿大致從切削面朝向柄的方向從內表面到外表面漸縮。換句話講，可以設想的是，凹口 112的縱向尺寸可隨著凹口 112從齒冠的內表面到外表面延伸而增大。因此，在一些方面，可以設想的是，凹口 112在外表面處的縱向尺寸可大于凹口 112在內表面處的縱向尺寸。換句話講，可以設想的是，凹口 112可在內表面處延伸第一距離至切削面并在外表面處延伸第二距離至切削面，其中第二距離大于第一距離。
[0060]在使用中，可以設想的是，凹口112的軸向錐度可有助于確保凹口 112在齒冠的內表面處的開口小于凹口 112在齒冠的外表面處的開口。可以設想的是，開口尺寸上的該差數可增大鉆液流動到齒冠的外表面上時在內表面處的速度。因此，如上所述，可以設想的是，凹口 112的軸向錐度可提供更為有效的鉆肩沖刷和切削面冷卻。此外，可以設想的是，凹口112的增加的尺寸也可有助于確保在鉆液迫使碎肩從內表面移往外表面時，這些碎肩不會卡塞或阻塞在凹口 112中。
[0061 ]在示例性的方面，可以設想的是，雙重漸縮的凹口 112可確保凹口 112在從鉆頭內表面延伸至外表面時，其尺寸在每個軸線(即徑向和軸向)上都增大。增大雙重漸縮的凹口112的尺寸可減少碎肩駐留在凹口 112內的可能性，并因此提升鉆頭的鉆孔性能。此外，如之前所述，可以設想的是，增大雙重漸縮的凹口 112的尺寸可有助于最大化內表面處基體材料的體積，并從而可通過減少在內表面處鉆頭過早磨損而延長鉆頭的壽命。
[0062]在示例性的方面，本文所公開的鉆頭10可以是鑲金剛石鉆頭，其中金剛石鑲嵌在基體中。在這些方面，可以設想的是，每個鉆頭10可包括多種所選擇的材料，其中每種材料以鉆頭的選定重量百分比被提供。可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的碳(不包括金剛石)，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約7.00% (以金剛石的重量計)范圍內的量。在示例性的方面，鉆頭10的碳可以碳粉和碳纖維中的至少一種被提供。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的鉻，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約1.00% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的鈷，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約1.00% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。任選地，另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的銅，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約30.00% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的鐵，諸如，例如但不限于，從約50.00 %至約90.00 % (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的錳，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約8.00% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的鉬，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約0.20% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的鎳，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約6.00% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的硅，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約0.50% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的碳化硅，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約2.00% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的銀，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約12.00% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的錫，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約6.00% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的鎢，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約41.00% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的碳化鎢，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約35.00% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，每個鉆頭10可包括任何所需量的鋅，諸如，例如但不限于，從約0.00%至約24.00% (以鉆頭的重量計)范圍內的量。另外可以設想的是，本文所公開的全斷面鉆頭的基體可被配置成在鉆頭內金剛石后面形成支撐結構，從而防止在操作過程中拋光鑲嵌的金剛石。
[0063]另外可以設想的是，徑向改變基體的組成以為鉆頭的齒冠的整個操作性鉆面提供更為一致的磨損。在一個方面，可以設想的是，齒冠可劃分為至少三個整體鄰接的區段，這些區段從齒冠的內表面沿著大致垂直于齒冠的內表面的方向延伸至齒冠的外表面。第一區段在形狀上大致成圓柱形，并且從齒冠形成的內表面向外延伸至從內表面以所需距離徑向間隔的第一表面。第三外部區段在形狀上大致成圓柱形，并且從齒冠形成的外表面向內延伸至從外表面以所需距離徑向間隔的第三表面。最后，在該例子中，提供至少一個第二區段，該區段大致成圓柱形并在第一區段和第二區段之間徑向延伸，且與該兩部分形成整體。在一個方面，該至少一個第二區段可包括單個第二區段或多個徑向分層的第二區段。在該例子中，多個徑向分層的第二區段中的至少一個將具有磨損速率不同于另一個徑向分層的區段的磨損速率的基體組成。在示例性的方面，由于常規鉆頭對鑲嵌在相應內徑和外徑附近基體中的金剛石或其他切削元件的支撐減少，在操作中靠近齒冠的內表面和外表面磨損更多，可以設想的是，相應的第一區段和第三區段可由具有比至少一個第二區段磨損率更高的基體組合物形成。用磨損減少的基體材料形成第二區段是有利的，因為鉆頭所需能源更少，并在操作中整個齒冠形成的磨損圖案更為均勻。
[0064]在示例性的方面，并且參照圖5，本文所公開的鉆頭可作為鉆孔系統500的一部分被提供。在這些方面，可以設想的是，鉆孔系統500可以包括鉆頭510、桅桿520、鉆機530和鉆柱550，該鉆柱被配置成被固定到鉆機，并且通過鉆機旋轉，如在本技術領域中為常規已知的。另外可以設想的是，鉆頭560可以可操作地聯接到鉆柱550的一端。例如，可以設想的是，如本文所公開的鉆頭10可聯接到鉆柱550。在操作中，隨著鉆機530旋轉并推壓鉆柱550，可以設想的是，鉆頭560(對應于如本文所公開的鉆頭10)可在地層570中磨去材料。
[0065]在使用中，可以設想的是，所公開的鉆頭中缺少(或最大程度減少)排水溝狹槽或窗可增大鉆頭的強度(與具有該類狹槽或窗的常規鉆頭相比)。另外可以設想的是，本文所公開的鉆頭可通過增大鄰近鉆頭端面處的冷卻液的速度并引導冷卻液越過鉆頭端面導而不將冷卻液排入排水溝狹槽、通道或窗，而允許改善的沖刷效率和改善鉆頭冷卻。
[0066]由于本文所公開的環形鉆頭的增加的強度和改善的沖刷效率，可以設想的是，與已知鉆頭相比，所公開的環形鉆頭可表現出較少的磨損并且具有延長的功能產品壽命。另外可以設想的是，所公開的全斷面鉆頭的增加的強度和沖刷可允許制造更高的環形齒冠，從而進一步延長鉆頭功能廣品的壽命。
[0067]實驗實例
[0068]在一個實驗實例中，在正常工作期間，如本文所公開的環形鉆頭表現出所需水量比常規鉆頭少約25 %。
[0069]在另一個實驗實例中，在正常工作期間，示出了如本文所公開的環形鉆頭在其端面處經歷的流體速度是常規鉆頭設計的端面處該速度的三倍以上。
[0070]在另一個實驗實例中，示出了如本文所公開的不具有排水溝的鉆頭，在任何浸漬深度處具有大致恒定的速度。
[0071]示例性方面
[0072]在示例性的方面，提供了用于在地層中形成孔的鉆頭，該鉆頭具有縱向軸線并包括:柄;環形齒冠，該環形齒冠其具有切削面、內表面和外表面，全斷面齒冠和柄配合以限定圍繞縱向軸線的內部空間，其中環形齒冠限定多個圍繞環形齒冠的內表面周向間隔開的內部通道，其中環形齒冠限定多個圍繞環形齒冠的外表面周向間隔開的外部通道，并且其中環形齒冠完全周向地包圍內部空間。
[0073]在另一個示例性方面，環形齒冠不包括從環形齒冠的內表面徑向延伸到環形齒冠的外表面的排水溝。在可供選擇的示例性方面，環形齒冠包括從環形齒冠的內表面徑向延伸到環形齒冠的外表面的單個排水溝。
[0074]在另一個示例性方面，環形齒冠可在內表面和外表面之間具有徑向厚度，其中多個內部通道中的每個內部通道具有小于環形齒冠的徑向厚度的徑向尺寸，并且其中多個外部通道中的每個外部通道具有小于環形齒冠的徑向厚度的徑向尺寸。
[0075]在另一個示例性方面，環形齒冠的徑向厚度與多個內部通道的徑向尺寸之間的比率可在約1.5:1至約3.5:1的范圍內。
[0076]在另一個示例性方面，環形齒冠的徑向厚度與多個外部通道的徑向尺寸之間的比率可在約1.5:1至約3.5:1的范圍內。
[0077]在另一個示例性方面，多個內部通道的徑向尺寸可大于多個外部通道的徑向尺寸。
[0078]在另一個示例性方面，內部通道的數目可以和外部通道的數目相同。
[0079]在另一個示例性方面，內部通道的數目可大于外部通道的數目。
[0080]在另一個示例性方面，內部通道的數目可小于外部通道的數目。
[0081 ]在另一個示例性方面，多個外部通道中的每個外部通道可被周向定位于多個內部通道的連續內部通道之間。
[0082]在另外的示例性的方面，可提供鉆孔系統，該鉆孔系統包括:鉆機;被配置成固定到所述鉆機并且通過所述鉆機旋轉的鉆柱；以及用于在地層中形成孔的鉆頭，該鉆頭具有縱向軸線并包括:柄;環形齒冠，該環形齒冠其具有切削面、內表面和外表面，全斷面齒冠和柄配合以限定圍繞縱向軸線的內部空間，其中環形齒冠限定多個圍繞環形齒冠的內表面周向間隔開的內部通道，其中環形齒冠限定多個圍繞環形齒冠的外表面周向間隔開的外部通道，并且其中環形齒冠完全周向地包圍內部空間。
[0083]在另一個示例性方面，鉆頭的環形齒冠不包括從環形齒冠的內表面徑向延伸到環形齒冠的外表面的排水溝。在可供選擇的示例性方面，環形齒冠包括從環形齒冠的內表面徑向延伸到環形齒冠的外表面的單個排水溝。
[0084]在另一個示例性方面，鉆頭的環形齒冠可在內表面和外表面之間具有徑向厚度，其中多個內部通道中的每個內部通道具有小于環形齒冠的徑向厚度的徑向尺寸，并且其中多個外部通道中的每個外部通道具有小于環形齒冠的徑向厚度的徑向尺寸。
[0085]在另一個示例性方面，鉆頭的環形齒冠的徑向厚度與環形齒冠的多個內部通道的徑向尺寸之間的比率可在約1.5:1至約3.5:1的范圍內。
[0086]在另一個示例性方面，鉆頭的環形齒冠的徑向厚度與鉆頭的多個外部通道的徑向尺寸之間的比率可在約1.5:1至約3.5:1的范圍內。
[0087]在另一個示例性方面，鉆頭的多個內部通道的徑向尺寸可大于鉆頭的多個外部通道的徑向尺寸。
[0088]在另一個示例性方面，鉆頭的內部通道的數目可以和鉆頭的外部通道的數目相同。
[0089]在另一個示例性方面，鉆頭的內部通道的數目可大于鉆頭的外部通道的數目。
[0090]在另一個示例性方面，鉆頭的內部通道的數目可小于鉆頭的外部通道的數目。
[0091]在另一個示例性方面，鉆頭的多個外部通道中的每個外部通道可被周向定位于鉆頭的多個內部通道的連續內部通道之間。
[0092]雖然本發明的數個實施例已在前文的說明書中所公開，但本領域的技術人員應當理解，本發明所屬的許多修改和其他實施例將被想到，其具有在前述描述和相關附圖中呈現的教導的有益效果。因此，應當理解，本發明不限于上文所公開的具體實施例，并且許多修改形式和其他實施例旨在被涵蓋于所附權利要求書的范圍內。此外，雖然本文采用了特定的術語，以及以下的權利要求也采用了特定的術語，它們僅僅用于一般性和描述性的意義，而不是為了限制所述發明的目的，也不是為了限制以下的權利要求的目的。
【主權項】
1.一種用于在地層中形成孔的鉆頭，所述鉆頭具有縱向軸線并包括: 柄； 環形齒冠，所述環形齒冠具有切削面、內表面和外表面，所述全斷面齒冠和所述柄配合以限定圍繞所述縱向軸線的內部空間， 其中所述環形齒冠限定多個圍繞所述環形齒冠的所述內表面周向間隔開的內部通道，其中所述環形齒冠限定多個圍繞所述環形齒冠的所述外表面周向間隔開的外部通道，并且 其中所述環形齒冠完全周向地包圍所述內部空間。2.根據權利要求1所述的鉆頭，其中所述環形齒冠不包括從所述環形齒冠的所述內表面徑向延伸到所述環形齒冠的所述外表面的排水溝。3.根據權利要求1所述的鉆頭，其中所述環形齒冠在所述內表面和所述外表面之間具有徑向厚度，其中所述多個內部通道中的每個內部通道具有小于所述環形齒冠的所述徑向厚度的徑向尺寸，并且其中所述多個外部通道中的每個外部通道具有小于所述環形齒冠的所述徑向厚度的徑向尺寸。4.根據權利要求3所述的鉆頭，其中所述環形齒冠的所述徑向厚度與所述多個內部通道的所述徑向尺寸之間的比率在約1.5:1至約3.5:1的范圍內。5.根據權利要求4所述的鉆頭，其中所述環形齒冠的所述徑向厚度與所述多個外部通道的所述徑向尺寸之間的比率在約1.5:1至約3.5:1的范圍內。6.根據權利要求3所述的鉆頭，其中所述多個內部通道的所述徑向尺寸大于所述多個外部通道的所述徑向尺寸。7.根據權利要求1所述的鉆頭，其中所述內部通道的數目和所述外部通道的數目相同。8.根據權利要求1所述的鉆頭，其中所述內部通道的數目大于所述外部通道的數目。9.根據權利要求1所述的鉆頭，其中所述內部通道的數目小于所述外部通道的數目。10.根據權利要求1所述的鉆頭，其中所述多個外部通道中的每個外部通道被周向定位于所述多個內部通道的連續內部通道之間。11.根據權利要求1所述的鉆頭，其中所述環形齒冠包括從所述環形齒冠的所述內表面徑向延伸到所述環形齒冠的所述外表面的單個排水溝。12.一種鉆孔系統，所述鉆孔系統包括: 鉆機； 被配置成固定到所述鉆機并且通過所述鉆機旋轉的鉆柱；以及 用于在地層中形成孔的鉆頭，所述鉆頭具有縱向軸線并包括: 柄； 環形齒冠，所述環形齒冠具有切削面、內表面和外表面，所述全斷面齒冠和所述柄配合以限定圍繞所述縱向軸線的內部空間， 其中所述環形齒冠限定多個圍繞所述環形齒冠的所述內表面周向間隔開的內部通道，其中所述環形齒冠限定多個圍繞所述環形齒冠的所述外表面周向間隔開的外部通道，并且 其中所述環形齒冠完全周向地包圍所述內部空間。13.根據權利要求12所述的鉆孔系統，其中所述鉆頭的所述環形齒冠不包括從所述環形齒冠的所述內表面徑向延伸到所述環形齒冠的所述外表面的排水溝。14.根據權利要求12所述的鉆孔系統，其中所述鉆頭的所述環形齒冠在所述內表面和所述外表面之間具有徑向厚度，其中所述多個內部通道中的每個內部通道具有小于所述環形齒冠的所述徑向厚度的徑向尺寸，并且其中所述多個外部通道中的每個外部通道具有小于所述環形齒冠的所述徑向厚度的徑向尺寸。15.根據權利要求14所述的鉆孔系統，其中所述鉆頭的所述環形齒冠的所述徑向厚度與所述環形齒冠的所述多個內部通道的所述徑向尺寸之間的比率在約1.5:1至約3.5:1的范圍內。16.根據權利要求15所述的鉆孔系統，其中所述鉆頭的所述環形齒冠的所述徑向厚度與所述鉆頭的所述多個外部通道的所述徑向尺寸之間的比率在約1.5:1至約3.5:1的范圍內。17.根據權利要求14所述的鉆孔系統，其中所述鉆頭的所述多個內部通道的所述徑向尺寸大于所述鉆頭的所述多個外部通道的所述徑向尺寸。18.根據權利要求12所述的鉆孔系統，其中所述鉆頭的所述內部通道的數目和所述鉆頭的所述外部通道的數目相同。19.根據權利要求12所述的鉆孔系統，其中所述鉆頭的所述內部通道的數目大于所述鉆頭的所述外部通道的數目。20.根據權利要求12所述的鉆孔系統，其中所述鉆頭的所述內部通道的數目小于所述鉆頭的所述外部通道的數目。21.根據權利要求12所述的鉆孔系統，其中所述鉆頭的所述多個外部通道中的每個外部通道被周向定位于所述鉆頭的所述多個內部通道的連續內部通道之間。22.根據權利要求12所述的鉆孔系統，其中所述環形齒冠包括從所述環形齒冠的所述內表面徑向延伸到所述環形齒冠的所述外表面的單個排水溝。
【文檔編號】E21B10/60GK105874144SQ201480071762
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年12月30日
【發明人】科迪·A·皮爾斯, 邁克爾·D·魯普
【申請人】長年Tm公司