具有变化的基体长度的切割元件

申请号 CN201580075182.1 申请日 2015-12-04 公开(公告)号 CN107208458A 公开(公告)日 2017-09-26
申请人 史密斯国际有限公司; 发明人 M.G.阿扎尔;
摘要 一种井下切割刀具,包括刀具主体,从刀具主体到最外表面延伸一高度的多个刀片以及在多个刀片的至少一个上的多个切割元件,每个切割元件具有从所述刀片的最外表面基本上径向向外取向的纵向轴线,并且所述多个切割元件中的至少两个相邻的切割元件具有不同的轴向长度。
权利要求

1.一种井下切割刀具,包括:
刀具主体;
多个刀片,该多个刀片从所述刀具主体到最外表面延伸一高度;以及
多个切割元件,该多个切割元件沿着所述多个刀片中的至少一个设置,每个切割元件具有从所述刀片的最外表面基本上径向向外取向的纵向轴线,
所述多个切割元件中的至少两个相邻的切割元件具有不同的轴向长度。
2.根据权利要求1所述的井下切割刀具,其中,将所述多个切割元件旋转成单个平面的旋转视图形成包括一个或更多个凸形区域的切割轮廓,所述多个切割元件中的至少两个相邻的切割元件位于所述凸形区域中的至少一个中。
3.根据权利要求1所述的井下切割刀具,其中所述多个切割元件具有非平面切割端。
4.根据权利要求1所述的井下切割刀具,其中所述多个切割元件中的所述至少两个相邻的切割元件中的最短切割元件与所述多个切割元件中的至少两个相邻的切割元件中的最长切割元件具有为所述最长切割元件的轴向长度的至少5%的轴向长度差。
5.根据权利要求4所述的井下切割刀具,其中所述轴向长度差在所述最长切割元件的轴向长度的8%至15%的范围内。
6.根据权利要求1所述的井下切割刀具,其中所述多个切割元件中的每个具有从所述刀片的最外表面延伸一暴露高度的暴露部分,并且其中所述至少两个相邻的切割元件的暴露高度是相同的。
7.根据权利要求1所述的井下切割刀具,其中所述多个切割元件中的每个具有从所述刀片的最外表面延伸一暴露高度的暴露部分,并且其中所述至少两个相邻的切割元件的暴露高度是不同的。
8.根据权利要求1所述的井下切割刀具,其中所述多个切割元件在所述多个刀片上形成一排或更多排的切割元件。
9.根据权利要求1所述的井下切割刀具,其中所述多个刀片中的至少一个具有前排的主切割元件以及包括沿着所述刀片的最外表面定位的多个切割元件中的至少三个切割元件的后排。
10.根据权利要求9所述的井下切割刀具,其中所述前排的主切割元件被定位成沿着所述刀片的切割刃,并且所述主切割元件中的至少一个包括平面切割面。
11.根据权利要求1所述的井下切割刀具,其中所述井下切割刀具是固定的切割齿钻头
12.一种井下切割刀具,包括:
刀具主体;
多个刀片,该多个刀片从所述刀具主体到最外表面延伸一高度;
多个切割元件,该多个切割元件被设置在所述多个刀片上,每个切割元件具有从所述刀片的最外表面基本上径向向外取向的纵向轴线,将所述多个切割元件旋转成单个平面的旋转视图形成一切割轮廓,该切割轮廓包括锥形区域、鼻部区域、肩部区域和计量区域;以及
至少一排切割元件,每排切割元件包括在至少一个刀片的最外表面上的多个切割元件中的至少三个切割元件,所述至少一排切割元件由与在所述排中的每个切割元件的纵向轴线相交的直线限定,
所述至少一排切割元件中的每个具有等于在至少一个区域中形成所述排的切割元件的累积直径除以沿着所述至少一个区域的最外表面测量的至少一个刀片的长度的切割排密度
所述切割排密度大于65%。
13.根据权利要求12所述的井下切割刀具,其中所述多个切割元件具有非平面切割端。
14.根据权利要求12所述的井下切割刀具,其中所述多个切割元件中的每个以-30至30度的后倾取向。
15.根据权利要求12所述的井下切割刀具,其中所述至少一排中的至少两个相邻的切割元件具有不同的轴向长度。
16.根据权利要求12所述的井下切割刀具,其中所述刀片中的至少一个还包括沿着所述刀片的切割刃定位的前排的主切割元件。
17.根据权利要求12所述的井下切割刀具,其中所述井下切割刀具是固定的切割齿钻头。
18.一种制造井下切割刀具的方法,包括:
将至少三个切割元件附接到从刀具主体到最外表面延伸一高度的至少一个刀片,所述至少三个切割元件从所述至少一个刀片的最外表面基本上径向向外延伸并取向成一排,至少两个相邻的切割元件具有不同的轴向长度。
19.根据权利要求18所述的方法,还包括:
计算沿着相邻的比较切割元件之间的刀片的最外表面的比较距离,每个比较切割元件具有等于所述至少两个相邻的切割元件中的最长轴向长度的轴向长度,以及选择轴向长度差以将沿着所述最外表面的至少两个相邻的切割元件之间的距离从所述比较距离减小5%至20%。
20.根据权利要求18所述的方法,其中,附接包括将所述至少三个切割元件中的每个插入形成在所述至少一个刀片中的凹槽中,并将所述至少三个切割元件中的每个钎焊到所述凹槽。

说明书全文

具有变化的基体长度的切割元件

[0001] 交叉参考有关申请
[0002] 本申请要求2015年12月2日提交的美国申请14/956,796的优先权,该美国申请要求2014年12月12日提交的美国临时申请62/090,962的权益和优先权,二者的全部内容以参考方式被并入本文中。

背景技术

[0003] 在地中钻井眼中,例如用于回收或用于其它应用时,通常的做法是将钻头连接在端对端连接以便形成“钻柱”的钻杆段的组件的下端上。通过在地面旋转钻柱或通过致动井下电动机涡轮机,或通过该两种方法二者来使钻头旋转。随着重量施加到钻柱,旋转钻头接合土地层,导致钻头通过研磨、压裂或剪切动作,或通过所有切割方法的组合,切割所述地层物质,从而沿着朝向目标区域的预定路径。
[0004] 许多不同类型的钻头已经被开发并且被发现在钻这样的井眼中是有用的。两种主要类型的钻头是牙轮(roller cone)钻头和固定切割齿(cutter)(或刮刀)钻头。大多数固定切割齿钻头设计包括围绕钻头面成度地间隔开的多个刀片。刀片从钻头体径向向外突出并在其间形成流动通道。此外,切割元件通常被分组并安装在成径向延伸的行的多个刀片上。刀片上的切割元件的构造或布局可以根据许多因素(例如待井眼的地层)而变化很大。
[0005] 设置在固定切割齿钻头的刀片上的切割元件通常由极硬的材料形成。在典型的固定切割刃钻头中,每个切割元件包括细长且大致圆柱形的化钨基体,其被接收并固定在形成在其中一个刀片的表面中的凹穴中。所述切割元件典型地包括多晶金刚石(PCD)的硬切割层或其他超硬磨材料,例如热稳定的金刚石或多晶立方氮化。PCD层通常固定到基体(例如,圆柱形碳化钨基体)以形成多晶金刚石致密体(PDC)。为了方便起见,可以使用“PDC钻头”“PDC切割齿”来表示使用多晶金刚石或其它超硬磨材料的硬切割层的固定切割齿钻头或切割元件。发明内容
[0006] 本发明内容被提供以介绍下面在详细描述中进一步描述的构思的选择。该发明内容并非旨在确定所要求保护的主题的关键或实质性特征,也不旨在用作限制所要求保护的主题的范围的帮助。
[0007] 在一个方面,本文公开的实施例涉及一种井下切割刀具,其包括刀具主体,从刀具主体到最外表面延伸一高度的多个刀片,以及在所述多个刀片的至少一个上的多个切割元件,每个切割元件具有取向为从刀片的最外表面基本上径向向外的纵向轴线,多个切割元件的至少两个相邻的切割元件具有不同的轴向长度。
[0008] 在另一方面,本文公开的实施例涉及一种井下切割刀具,其包括刀具主体,从刀具主体到最外表面延伸一高度的多个刀片,在多个刀片上的多个切割元件,每个切割元件具有从刀片的最外表面基本上径向向外取向的纵向轴线。将多个切割元件旋转成单个平面形成包括锥形区域、鼻部区域、肩部区域和计量区域的切割轮廓。所述井下切割刀具还可以包括至少一排切割元件,每排具有在所述刀片中的一个的最外表面上的所述多个切割元件中的至少三个并且由与一排中的每个切割元件的纵向轴线相交的直线限定,以及每排切割元件具有等于在至少一个区域中形成所述排的切割元件的累积直径除以沿着所述刀片的至少一个区域的最外表面测量的至少一个刀片的长度的切割排密度,所述切割排密度可大于65%。
[0009] 在另一方面,本文公开的实施例涉及一种制造井下切割刀具的方法,该方法包括将至少三个切割元件附接到至少一个刀片,该至少一个刀片从刀具主体到最外表面延伸一高度,至少三个切割元件从所述至少一个刀片的最外表面基本上径向向外延伸并且被取向成一排,至少两个相邻的切割元件具有不同的轴向长度。
[0010] 所要求保护的主题的其他方面和优点将从以下描述和所附权利要求变得显而易见。附图说明
[0011] 图1示出了根据本公开的实施例的井下切割刀具;
[0012] 图2示出了根据本公开的实施例的刀片的局部视图;
[0013] 图3示出了根据本公开的实施例的刀片的顶视图;
[0014] 图4-7是根据本公开的实施例的非平面切割元件的横截面图;
[0015] 图8示出了在刀片上的切割元件取向和定位的重叠轮廓;
[0016] 图9示出了当每个刀片和每个切割元件旋转成单个旋转轮廓时将出现的切割刀具的轮廓;
[0017] 图10示出了根据本公开的实施例的在井下切割刀具上的切割元件取向和定位的顶视图;
[0018] 图11示出了根据本公开的实施例的在井下切割刀具上的切割元件取向和定位的顶视图;
[0019] 图12示出了根据本公开的实施例的在井下切割刀具上的切割元件取向和放置的顶视图;
[0020] 图13示出了如每个切割元件旋转成单个旋转轮廓时会出现的图12所示的切割刀具的切割轮廓;
[0021] 图14是根据本公开的实施例的设置在刀片上的非平面切割元件的横截面图;
[0022] 图15示出了根据本公开的实施例的用于切割齿的后倾角;
[0023] 图16和17示出了根据本公开的实施例的非平面切割元件的后倾角;
[0024] 图18示出了根据本公开的实施例的切割齿的侧倾角;
[0025] 图19和20示出了根据本公开的实施例的非平面切割元件的侧倾角。
[0026] 图21示出了在刀片上的切割元件。

具体实施方式

[0027] 在一个方面,本文公开的实施例涉及固定切割齿钻头或包含两个或更多个具有不同长度的基体的切割元件的其它井下切割刀具。本文公开的其它实施例涉及包含这种切割元件的固定切割齿钻头,包括这些切割元件在钻头上的安置以及可用于改进或优化井眼的切割元件上的变化。
[0028] 图1示出了根据本公开的实施例的井下切割刀具的示例。在所示的实施例中,井下切割刀具是固定切割齿钻头。然而,其它实施例可以包括其他井下切割切割齿类型,例如,具有从刀具主体延伸的一个或更多个刀片或切割结构的混合钻头,铰刀,铣刀和其它井下开口装置。井下切割刀具100具有刀具主体110以及从刀具主体110到最外表面125延伸一高度122的多个刀片120,其中每个刀片120沿刀片长度的高度122限定一高度尺寸平面。每个刀片120还可以具有在刀片120的前面126(即,刀片的面向切割刀具的旋转方向105的面)和后面128(即,与所述前面126相反的刀片的面)之间测量的宽度。多个切割元件130沿着刀片120中的至少一个设置并基本上沿着刀片120的高度尺寸平面取向,使得每个切割元件的纵向轴线被取向成从刀片120的最外表面125基本上径向向外延伸。虽然在图1中未示出,但是在一些实施例中,支撑部(例如,由与刀片相同的材料形成或由不同于刀片的支撑基体材料形成)可以至少部分地围绕从刀片的最外表面基本上径向向外取向的切割元件的圆周或外周边。沿刀片120设置成一排切割元件130的至少两个相邻的切割元件130可以具有不同的轴向长度。
[0029] 此外,多个主切割元件140也可以设置在刀片120上。在所示的实施例中,每个刀片120具有前排的主切割元件140和后排的至少三个切割元件130。如本文所使用的,前排和后排可以指在单个刀片120上相对彼此并且相对于刀片120的前面126或后面128定位的成排的切割元件。其中前排的切割元件比后排的更靠近刀片的前面126,并且后排的切割元件比前排的更靠近刀片的后面128。同样,“主切割元件”可以指相对于后切割元件定位成更接近刀片的前面的切割元件。在图1所示的实施例中,前排的主切割元件140沿刀片的切割刃定位,其中刀片的切割刃限定在刀片的前面126与刀片120的最外表面125的交叉或过渡处。进一步地,每个主切割元件140被示出为具有平面切割面。然而,其他实施例可以包括具有非平面切割面的主切割元件或具有非平面切割面的主切割元件和具有平面切割面的主切割元件的组合。另外,在一些实施例中,所有切割元件可以具有非平面切割面。
[0030] 其他实施例可以包括在小于切割刀具的每个刀片上的前排和后排,并且一些实施例可以在每个刀片上包括单排的切割元件。此外,在根据本公开的实施例的切割刀具上的一排或更多排切割元件(例如,前排、后排或单排)可具有取向成使它们的纵向轴线基本沿着它们所在的刀片的高度尺寸延伸的切割元件。也就是说,一个或更多个切割元件可以以一定角度从刀片的高度尺寸延伸,使得切割元件从刀片的最外表面基本上径向向外延伸的轴向对准,而一个或更多个或没有切割元件可以基本上沿着它们所在的刀片的宽度尺寸取向。例如,在图1所示的实施例中,每个前排包括主切割元件140,其取向成与刀片120的宽度尺寸基本对准,它们的长度部分地沿刀片120的最外表面125延伸,并且每个后排包括基本上沿着刀片120的高度尺寸取向的切割元件130。
[0031] 图2和图3分别示出了取向成使其纵向轴线从刀片最外表面基本上径向向外延伸的切割元件的另一示例的透视图和顶视图,其中切割元件从高度尺寸平面倾斜。如所示的,刀片220具有从切割刀具主体(刀片可以从其附接或与之一体形成的)到最外表面225测量的高度222,以及沿着最外表面225测量的长度224以及在刀片220的前面221和后面223之间测量的宽度226。刀片220沿着刀片的长度224的高度222限定高度尺寸平面227。换句话说,高度尺寸平面227被限定为在沿着刀片宽度的给定点处在高度和长度尺寸上延伸的平面。切割元件230设置在刀片220的最外表面225(例如,顶表面)上,并且可以沿着刀片的高度尺寸平面取向或相对于高度尺寸平面成一定角度取向,使得切割元件的纵向轴线235与高度尺寸平面形成范围为约-30度至约30度的角度237(例如,具有大约-30度至大约30度的后倾角)。在一些实施例中,角度237可以是0度,其中切割元件的纵向轴线235与刀片高度尺寸平行。进一步地,切割元件可以在朝向刀片的前面的方向上或在朝向刀片的后面的方向上倾斜。例如,如图3所示的,切割元件230被取向成使得其纵向轴线235从刀片最外表面225基本上径向向外延伸并且以与刀片的高度尺寸平面237成角度237朝向刀片220的前面221倾斜,给予它是一正角度(例如,正的后倾角)。另外,如将更详细地讨论的,切割齿的轴线可以在高度-尺寸平面(例如,侧倾角)内成角度。
[0032] 如本文所使用的,其纵向轴线从刀片最外表面(例如,顶表面)“基本上”向外延伸的切割元件可以包括切割元件,该切割元件被取向为使其纵向轴线沿着刀片的高度尺寸平面延伸,法向于刀片轮廓,或者可以包括取向成从法向于刀片轮廓的直线倾斜或偏离例如以后倾角和/或侧倾角取向的切割元件。下面详细讨论后倾角和侧倾角取向。例如,图8示出了切割元件810,820,其被取向为使它们的纵向轴线从刀片最外表面830基本上向外延伸。换句话说,如果在每个切割元件的纵向轴线处切向于所述刀片轮廓(由刀片最外表面830形成)绘制一平面,那么从刀片最外表面830基本上向外取向的切割元件810,820可以具有法向于刀片轮廓切线平面延伸的纵向轴线,或者可以具有从法向于所述切线平面的直线倾斜或偏离的纵向轴线,例如,通过选择的后倾角和/或侧倾角(下面讨论)。
[0033] 此外,在图2和图3中所示的实施例中,切割元件230具有基本上尖的形状的非平面切割表面,其中纵向轴线235沿其轴向长度并穿过非平面切割表面的尖端中心地延伸穿过切割元件230。然而,其它切割元件可以具有平面的或其它非平面的切割面几何形状,使纵向轴线沿其轴向长度中心地穿过切割元件延伸。在一些实施例中,中心的纵向轴线可不通过非平面切割表面的尖端,并且在其他实施例中,非平面切割表面可以不具有单个的尖端。
[0034] 为了便于区分多种类型的切割元件,术语“切割元件”通常是指任何类型的切割元件,而“切割齿”将指具有平面切割面的切割元件,以及“非平面切割元件“将指具有切割端的那些切割元件,切割端具有在夹持部或基部区域上方延伸的非平面切割面,其中切割端几何形状可以包括但不限于圆顶形切割端,大体上尖的切割端、鞍形切割端或凿形切割端。如本文所使用的,非平面切割元件的非平面切割端由非平面工作面或切割面限定,而夹持部区域是指非平面切割元件的轴向邻近非平面切割端的剩余区域。金刚石或其他超硬材料体可以形成非平面切割端和非平面切割元件的夹持部区域的一部分,或者夹持部区域可以完全由基体形成,并且非平面切割端完全由金刚石或其他超硬材料体形成。在其它实施例中,夹持部区域可以由材料的组合形成,例如一种或多种基体材料,例如过渡金属碳化物,包括不同比例的碳化物和金刚石混合物的一个或更多个过渡层,或基体材料的组合,一个或更多个过渡层和材料的一部分也形成非平面切割端。此外,非平面切割元件可以包括基本上圆柱形的夹持部区域,或者非平面切割元件可以包括具有非圆柱形形状的夹持部区域。
[0035] 具有大体上尖的切割端的非平面切割元件具有终止于顶点的切割端,并且可以包括具有锥形切割端(例如如图4所示)或子弹状切割元件(例如,具有如图5和图6所示的凸形的侧表面)。如本文中所使用的,术语“锥形切割元件”是指具有大致圆锥形切割端(包括直锥体或倾斜锥体)的切割元件。锥形切割元件可以包括终止于锋利的尖顶点处的几何锥体,终止于平坦顶部的几何圆锥体,或具有在侧表面和顶点之间的曲率的顶点的元件。例如,如图4所示的,锥形切割元件400具有基体410和在非平面界面430处设置在基体410上的超硬材料体420。在其他实施例中,超硬材料体,例如多晶金刚石(PCD)体或已经至少部分浸出以形成热稳定多晶金刚石(TSP)部分的PCD体,可以在平面界面处设置在基体上。超硬材料体420形成具有从切割元件周向外表面411延伸并终止于圆形顶点442的锥形侧表面441的非平面切割端440。
[0036] 在一个或更多个实施例中,可以使用子弹状切割元件。术语“子弹状切割元件”是指切割元件具有,代替大致圆锥形的侧表面,终止于圆形顶点的大致凸形的侧表面。例如,图5和图6示出了具有基体510,610和在界面530,630处设置在基体上的超硬材料体520,620的的子弹状切割元件500,600。超硬材料体520,620形成非平面切割端540,640,其具有从切割元件周向外表面511,611延伸并终止于圆形顶点542,642的大致凸形的侧表面541,641。在一个或更多个实施例中,顶点542,642具有比凸形侧面541,641基本上小的曲率半径。然而,本公开的非平面切割元件也可以包括其他形状,包括例如终止于圆形顶点的凹形侧表面。图7示出了在非平面界面730处具有设置在基体710上的超硬材料体720的非平面切割元件的示例。切割元件的非平面切割端740具有从切割元件周向外表面711延伸并且终止于圆形顶点742的凹形侧表面741。在一些实施例中,非平面切割元件可以在所述侧表面和圆形顶点之间具有平滑过渡(即,侧表面或侧壁切向地连接所述曲率的顶点),并且在其它实施例中,可以存在非平滑过渡(即,侧表面的切线以非180度角(例如从约120度到小于180度的范围)与所述顶点的切线相交)。进一步地,在一个或更多个实施例中,非平面切割元件可以包括具有在夹持部或基部区域上方延伸的切割端的任何形状,其中切割端延伸至少为切割元件直径的0.25倍的高度(例如,小于夹持部的直径的部分的高度,即包括最外尖端的切割元件的锥形部分,可以在所述夹持部上方,即包括基体的切割元件的部分的上方,在包括基体的切割元件的部分的最大直径处延伸所述切割元件的直径的至少0.25倍),或者在一个或更多个其它实施例中为直径的至少0.3,0.4,0.5或0.6倍。
[0037] 如上所述的,非平面切割元件的顶点可以具有包括曲率半径的曲率。在一个或更多个实施例中,曲率半径可以在约0.050至0.16的范围内。一个或更多个其它实施例可以使用具有0.050,0.060,0.075,0.085或0.100中的任一个的下限和0.075,0.085,0.095,0.100,0.110,0.125或0.160的任一个的上限的曲率半径。在一些实施例中,曲率可以包括可变的曲率半径、抛物线的一部分、双曲线的一部分、悬链线的一部分或参数样条。进一步地,在一个或更多个实施例中,不同的顶点曲率可以沿着切割轮廓用于(相同几何形状或不同几何形状的)切割元件中。这可以包括,例如,上述各种实施例,以及沿着切割轮廓的包括所有锥形切割元件或所有子弹状切割元件等的实施例。具体地说,“钝”切割元件可以包括与同一钻头上的另一“锋利”非平面切割元件相比具有更大曲率半径的任何类型的非平面切割元件。因此,术语“钝”和“锋利”是相对于彼此的,并且每个的曲率半径可以选自沿着上述半径范围的任何点。
[0038] 非平面切割元件可以以类似于形成金刚石增强镶片(用于牙轮钻头)中使用的或通过将部件钎焊在一起的方式形成。金刚石层(或其他超硬材料体)和基体(例如,烧结合金碳化物基体,如碳化钨)之间的界面可以是非平面的或不均匀的,例如有助于减少在操作时金刚石层从基体发生分层,并提高元件的强度和抗冲击性。本领域技术人员将理解到,界面可以包括一个或更多个凸形或凹形部分,如在非平面界面领域中已知的。另外,本领域技术人员将认识到,使用一些非平面界面可以允许在该层的尖端区域中的金刚石层中更大的厚度。此外,会希望产生界面几何形状,使得金刚石层在包围切割元件和地层之间的主接触区域的区域是最厚的。可用于本公开的切割元件的附加形状和界面包括在美国专利公布号2008/0035380中描述的那些,其全部内容通过引用并入本文。在一个或更多个实施例中,超硬材料层可以具有从基体的顶点到中心区域的0.100至0.500英寸的厚度,并且在一个或更多个具体实施例中,该厚度可以在0.125至0.275英寸的范围内。超硬材料层和附着的烧结合金碳化物基体可以具有从烧结合金碳化物基体的顶点到基体的为0.200至0.700英寸的总厚度。然而,也可以使用其它尺寸和厚度。
[0039] 进一步地,超硬材料体可以由任何多晶超硬磨材料形成,包括例如多晶金刚石,多晶立方氮化硼,热稳定多晶金刚石(通过处理由诸如钴的金属形成的多晶金刚石或与具有比钴低的热膨胀系数的金属形成的多晶金刚石而形成)。
[0040] PCD可以通过在合适的溶剂金属催化剂材料的存在下使金刚石颗粒经受高压/高温(HPHT)的处理条件而形成,其中溶剂金属催化剂促进所述颗粒之间的期望的晶间金刚石-金刚石结合,从而形成PCD结构。特别地,常规形成的PCD材料的微观结构包括彼此结合以形成晶间金刚石基体第一相的多个金刚石晶粒。用于促进在烧结过程中产生的金刚石-金刚石结合的催化剂/粘合剂材料,例如钴,被分散在形成于金刚石基体第一相之间的间隙区域中。用于促进金刚石-金刚石结合的催化剂/粘合剂材料可以以在烧结之前与金刚石颗粒或砂砾预混合的原料粉末的形式提供。在一些实施方案中,催化剂/粘合剂可以通过从最终的PCD材料所要结合的下层基体材料渗透到金刚石材料(在HPHT处理期间)中而提供。在催化剂/粘合剂材料已经促进金刚石与金刚石结合之后,催化剂/粘合剂材料可以分布在形成在结合金刚石晶粒之间的间隙区域内的整个金刚石基体中。术语“颗粒”是指在烧结超硬磨材料之前使用的粉末,而术语“晶粒”是指烧结后的可辨别的超硬磨区域,如本领域已知和确定的。所得的PCD结构产生耐磨性和硬度的增强的性能,使得这种PCD材料在需要高平的耐磨性和硬度的侵入性磨损和切割应用中非常有用。
[0041] 用于促进金刚石颗粒的再结晶和多晶金刚石的晶格结构的形成的金属催化剂(例如钴)可以被浸出以形成热稳定的多晶金刚石。“浸出”方法的示例可以在例如美国专利号4,288,248和4,104,344中找到。简而言之,强酸(例如氢氟酸或几种强酸的组合)可用于处理金刚石台,从PDC复合材料中除去至少一部分催化剂。合适的酸包括例如硝酸,氢氟酸,盐酸硫酸磷酸,高氯酸或这些酸的组合。此外,硬质合金工业已经使用苛性,如氢化钠和氢氧化从碳化物复合材料中消化金属元素。此外,可以根据需要使用其它酸性和碱性浸出剂。本领域普通技术人员将理解,浸出剂的摩尔浓度可以根据浸出期望的时间、对危险的关注等而进行调整。
[0042] 在一些实施例中,只有金刚石复合材料的选择部分被浸出,例如以获得热稳定性而不损失显着的耐冲击性。如本文所用的,术语TSP包括上述(即,部分和完全浸出的)PCD层中的两者。在浸出后残留的间隙体积可以通过进一步固结或通过用二次材料填充体积来减少,例如通过本领域已知的方法并在美国专利号5,127,923中描述的方法。
[0043] 在一些实施方案中,TSP可以通过使用除了钴之外的粘合剂(例如)之类的粘合剂在压机中形成金刚石层而形成,所述硅具有与钴所具有的相比更相似于金刚石的热膨胀系数。在制造过程中,当使用硅非催化剂粘合剂时,非催化剂粘合剂的大部分(为体积的80至100%)可与金刚石晶格反应以形成碳化物,例如碳化硅,其也可具有类似于金刚石的热膨胀。本领域普通技术人员将认识到,热稳定金刚石层也可以通过本领域已知的其它方法形成,包括例如通过改变金刚石层的形成中的处理条件,例如通过增加压到超过50千巴,温度高于1350摄氏度。
[0044] 金刚石级(即,包括晶粒尺寸和/或金属含量的金刚石粉末组合物)可以是基本均匀的,或者可以在金刚石层内变化以形成切割元件的切割端。例如,在一个或更多个实施例中,与在非平面切割元件的顶点处的金刚石层的区域相比,与基体相邻的金刚石层的区域的材料性质(和金刚石级)可能不同。这种变化可以由一个或更多个逐层形成或通过逐渐过渡形成。
[0045] 根据本公开的实施例,切割元件可以以一排或更多排设置在井下切割刀具的刀片上,从刀片最外表面基本上径向向外延伸,其中一排的至少两个相邻的切割元件具有不同的轴向长度。具有不同轴向长度的至少两个相邻切割元件的成排的切割元件可以包括当与具有相同轴向长度的切割元件的一排相比时增加的切割元件的量。例如,图8示出了具有带不同的轴向长度812,814的至少两个相邻切割元件的高密度排切割元件810的轮廓,该高密度排切割元件叠加在具有相同轴向长度822的低密度排切割元件820(由虚线轮廓表示)的轮廓上,其中切割元件810和820从刀片最外表面830径向向外延伸,并且设置在刀片的两个选择区域840,842中。为了比较的目的,切割元件810和820具有相同的直径,相等的暴露高度816,826(即,从最外表面830到切割元件的径向最远端点的距离)以及相同的轴向长度812和822,而切割元件810具有的轴向长度814比轴向长度812和822短。如所示的,具有相同轴向长度822并形成所述低密度排的切割元件820与形成所述高密度排的具有不同轴向长度的切割元件810相比间隔得更远,其中形成切割元件810,820所在的刀片的材料围绕每个切割元件810,820的整个基部端(与暴露的切割端的轴向相反)。切割元件810,820在刀片的第一选择区域840中的数量在高密度排和低密度排中保持相同,而在第二选择区域842中的一排高密度切割元件810的数量比第二选择区域842中的一排低密度切割元件820的数量大大约一半的切割元件。如本文所使用的,“高密度排”可以指从一个刀片的最外表面基本上径向向外延伸的一排切割元件,其中至少两个相邻的切割元件具有不同的轴向长度,其中术语“高密度排”是相对于从刀片的最外表面基本上径向向外延伸并且具有相等轴向长度的切割元件的比较“低密度排”。
[0046] 根据本公开的实施例,在高密度排中的至少两个相邻切割元件的最短切割元件(例如,具有轴向长度814的切割元件810)与至少两个相邻切割元件的最长切割元件(例如具有轴向长度812的切割元件810)的轴向长度差可大于最长切割元件的轴向长度的5%。在一些实施例中,高密度排中的最短切割元件和最长切割元件之间的轴向长度差的范围可在最长切割元件的轴向长度的5%至35%之间,最长切割元件的轴向长度的8%至25%之间,或最长切割元件的轴向长度的10%至15%之间。在一些实施例中,在高密度排中的最短切割元件和最长切割元件之间的轴向长度差的范围可以是从下限为0.04英寸(1mm),0.05英寸(1.3mm),0.08英寸(2mm)或0.12英寸(3毫米)到上限为0.08英寸(2mm),0.12英寸(3毫米),0.15英寸(3.8毫米),0.18英寸(4.6毫米)或0.2英寸(5毫米),其中任何下限可以与任何上限组合使用,这取决于例如切割元件的直径和最长切割元件的轴向长度。在一个或更多个实施例中,切割元件的直径的范围通常可以为9mm至22mm,例如9mm,11mm,13mm,16mm,19mm或22mm。
[0047] 进一步地,在所示的实施例中,切割元件810和820具有从刀片的最外表面830延伸暴露高度816,826的暴露部分850,其中所述暴露高度816和826是基本相同的。根据本公开的实施例,一排高密度切割元件可以包括具有不同轴向长度的至少两个相邻的切割元件,其中至少两个相邻的切割元件具有相同的暴露高度。根据一些实施例,一排高密度的切割元件可以包括具有不同轴向长度的至少两个相邻的切割元件,其中至少两个相邻切割元件的暴露高度具有不同的暴露高度。在这样的实施例中,具有不同暴露高度和不同轴向长度的相邻切割元件可以被定位在刀片上,使得切割元件的基部端设置在刀片的最外表面下方不同的距离处。
[0048] 根据本公开的实施例的制造井下切割刀具的方法可以包括将至少三个切割元件附接到从刀具主体到最外表面延伸一高度的至少一个刀片,其中至少三个切割元件被取向为从至少一个刀片的最外表面(例如,顶表面)基本上向外(例如,基本上径向向外)延伸并且被取向成一排,并且其中至少两个相邻的切割元件具有轴向长度差。切割元件可以通过将每个切割元件插入形成在至少一个刀片中的凹槽中并将每个切割元件钎焊到凹槽来附接到刀片。可以基于所计算的至少两个相邻切割元件之间的距离的减小来设计轴向长度差。例如,可以计算在相邻的比较切割元件之间(沿着刀片的最外表面的相邻的比较切割元件的最近点之间)沿刀片的最外表面的比较距离,其中每个比较切割元件具有相等的轴向长度。比较切割元件的轴向长度可以等于将在被设计的高密度排中使用的最长切割元件的轴向长度。然后,可以选择形成高密度排的至少两个相邻的切割元件的轴向长度差,以将沿着最外表面的至少两个相邻的切割元件之间的距离减小比较距离的约5%至20%。例如,再次参考图8,切割元件820可以用作比较切割元件,以计算在具有相等轴向长度(也等于切割元件810的最长轴向长度)的相邻切割元件820之间沿着刀片最外表面830的比较距离860。可以选择相邻的最短切割元件810(具有轴向长度814)和相邻的最长切割元件810(具有轴向长度812)之间的轴向长度差,以将比较距离减小5%至20%。换句话说,可以选择相邻切割元件810之间的轴向长度差,使得在相邻的切割元件810之间沿刀片的最外表面830的距离870比比较距离860小5%至20%。
[0049] 具有形成至少一部分的高密度排切割元件的不同轴向长度的相邻切割元件可以设置在刀片的选择区域上。例如,图9示出了具有多个切割元件910的钻头的切割轮廓900,所述多个切割元件设置在旋转到单个平面中的多个刀片上。切割轮廓900包括锥形区域902,鼻部区域904,肩部区域906和计量区域908。锥形区域902是钻头的径向最内部区域(例如,锥形区域902是钻头的最中心区域)以及轮廓900,其通常从钻头轴线920延伸到鼻部区域904。在一些实施例中,锥形区域902可以是刀片的大致凹形部分。与锥形区域902相邻的是鼻部区域904,其可以大体指的是其中刀片的斜面从凹形变为凸形的点。换句话说,当指的是钻头切割轮廓的区域时,术语“鼻部区域”可以指在旋转轮廓视图中的钻头的复合刀片轮廓的凸形区域的点,在此处,复合刀片轮廓为的切线的斜率为零。与鼻部区域904相邻的是肩部区域906,其具有凸形或向上弯曲的形状。在大多数固定切割钻头中,肩部区域906通常是刀片的凸形区域。径向向外运动,与肩部区域906相邻的是计量区域908,其在切割轮廓
900的径向外周925处平行于钻头轴线延伸。由此,计量区域908可称为在钻头的全计量直径处的切割轮廓900的部分。锥形区域902由沿着x-轴线从中心轴线920测量的径向距离限定,其中x-轴线垂直于中心轴线920并且从中心轴线920径向向外延伸。锥形区域902可以由钻头的外半径925的百分比限定。从中心轴线920测量的锥形区域902的实际半径可以根据各种因素从钻头到钻头会变化,包括但不限于钻头几何形状、钻头类型、一个或更多个次级刀片的位置、后切割元件的位置或其组合。对于大多数固定切割钻头,切割轮廓包括刀片上的单个凸肩区域(例如,凸肩区域906)和单个刀片轮廓鼻部(例如鼻部区域904)。此外,在大多数固定切割齿钻头中,当与切割轮廓的其他区域相比时,切割轮廓的鼻部区域和肩部区域可具有最尖锐的曲率半径。
[0050] 本公开的其它井下切割刀具可以具有不同的切割轮廓形状和曲率。例如,井下切割刀具可以具有由多个切割元件形成的切割轮廓,所述多个切割元件以一个或更多个高密度排设置在多个刀片上并且旋转到单个平面中。切割轮廓可以包括一个或更多个凸形区域,其具有比切割轮廓的其余区域更尖锐的曲率半径,其中切割轮廓的区域可以沿着大到足以包括至少一个整体切割元件的切割轮廓的距离被限定。在一些实施例中,切割轮廓可以包括沿着刀片的最高部分的一个或更多个区域(即,通过刀片高度,从刀具主体到刀片最外表面测量的)。在一个或更多个实施例中,刀片的最高区域也可以是凸形区域。
[0051] 根据本公开的一些实施例,在高密度排中具有不同轴向长度的至少两个相邻的切割元件可以设置在刀片切割轮廓的一个或更多个凸形区域中。在本公开的一些实施例中,在高密度排中具有不同轴向长度的至少两个相邻切割元件可设置在刀片切割轮廓的一个或更多个最高的区域中。在一些实施例中,在高密度排中具有不同轴向长度的至少两个相邻切割元件可设置在刀片切割轮廓的鼻部区域或肩部区域中的至少一个中。例如,返回来参考图8,在高密度排中具有不同轴向长度812,814的至少两个相邻的切割元件810可以设置在具有凸形形状的刀片的第二区域842中,其中区域842可以是刀片在钻头切割刀具的肩部区域。
[0052] 一排径向向外延伸的切割元件中的增加的数量的切割元件可以通过改变所述排的至少两个相邻切割元件的轴向长度来装配在刀片的一个或更多个区域中。例如,一排径向向外指向的切割元件中的增加的数量的切割元件可以通过改变所述排的至少两个相邻切割元件的轴向长度来装配在刀片的鼻部区域和肩部区域中。
[0053] 根据本公开的实施例,井下切割刀具可以具有刀具主体,从刀具主体到最外表面(例如,顶部表面)延伸一高度的多个刀片,以及所述至少一个刀片的一个或更多个区域中的一排径向向外延伸的切割元件中的增加数量的切割元件。每个刀片沿着刀片的长度的高度限定高度尺寸平面,并且刀片的前面和后面之间的尺寸限定其宽度,其中所述前面面向切割刀具的旋转方向,以及所述后面与所述前面相反。多个切割元件可以设置在多个刀片上并且从刀片的最外表面基本上径向向外取向,其中多个切割元件到单个平面的旋转视图形成切割轮廓,该切割轮廓包括锥形区域、鼻部区域、肩部区域和计量区域。包括径向向外面向的切割元件中的至少三个的至少一排切割元件可以设置在其中一个刀片的最外表面(例如,顶表面)上,其中一排切割元件由与所述排中的每个切割元件的纵向轴线相交的直线限定。该排切割元件可以在沿着刀片的长度的单个方向上延伸,所述刀片的长度是沿着与所述排中的每个切割元件的纵向轴线相交的直线限定的。
[0054] 图21示出了具有带不同轴向长度的至少两个相邻切割元件的高密度排的切割元件2110的轮廓,其中切割元件810从刀片顶表面径向向外延伸并且位于刀片的肩部区域2142中。每排切割元件可以具有一切割排密度,该切割排密度等于该排中的切割元件的累积直径除以一排所在的刀片的长度,是沿着所述刀片的一个或更多个选择区域(例如,鼻部和肩部区域)中的最外表面测量的。例如,如图21所示的,肩部区域2142的切割排密度是肩部区域2142中的切割元件2110(Dcutters)的直径2180的总和(例如,累积直径)除以所述肩部区域2141中的刀片2182(Lblade)的长度2141或Dcutters/Lblade。
[0055] 根据一些实施例,在所选择的区域中的刀片长度中形成所述排的切割元件的累积直径(Dcutters)相对于在所选择的区域(Lblade)中的刀片长度(或切割排密度)可以大于50%,大于65%或大于75%。在一些实施例中,切割排密度可以在80%和95%之间。
[0056] 图10和11示出了切割元件在具有从刀具主体(未示出)到最外表面延伸一高度的多个刀片的钻头切割刀具上的放置和取向。切割元件包括从刀片(未示出)的最外表面基本上径向向外取向的非平面切割元件310,以及取向成使得每个切割齿的平面切割面正面向钻头旋转方向302的切割齿320。至少三个非平面切割元件310以排315设置在至少一个刀片的最外表面上,其中排315由与该排中的每个切割元件310的纵向轴线相交的直线330限定。如图10所示的,一些刀片可以具有非平面切割元件310的非线性布置317,而其它刀片可以具有形成排315的非平面切割元件310的线性布置。一排切割齿320可以设置在每个刀片的切割刃处(最外表面或顶表面和所述前面的交点)。根据本公开的实施例,钻头可以具有其上带单排切割元件的一个或更多个刀片,或者其上带两排或更多排切割元件的一个或更多个刀片。例如,如图10和图11所示的,一些刀片可以具有单排切割齿320,而其他刀片可以具有一排315的非平面切割元件和在每个刀片上的一排切割齿320。在一些实施例中,相同类型的切割元件(例如,非平面切割元件310)的两排或更多排可以设置在单个刀片上。
[0057] 通过将切割元件布置成一排或更多排,当与具有一个或更多个切割元件的非线性布置的刀片相比,其上设置有所述排的刀片可以具有减小的宽度。例如,保持图10所示的切割元件310的非线性布置317的刀片具有比保持图11所示的切割元件310的排315的刀片更大的宽度。具有减小宽度的刀片的钻头或其他切割刀具可以具有围绕刀具主体间隔开的更多刀片,或者可以在刀片之间具有增加的空间,从而在刀片之间提供更好的钻井流体和/或切屑的流动。
[0058] 再次参考图11,非平面切割元件310的排315可各自具有等于形成所述排的非平面切割元件310的累积直径312除以所述排315所在刀片的长度340的切割排密度,其是沿刀片的一个或更多个选择区域(例如,鼻部区域,肩部区域或鼻部和肩部区域)中的最外表面测量的。在刀片的选择区域中形成所述排的切割元件的切割排密度的范围可以是从下限为50,65,75,80或85%至上限为80,85,90或95%,其中任何下限可以与任何上限组合选择。这种增加的切割元件密度可以这样存在于刀片的一个或更多个选择区域中:通过使在高密度排中的至少两个相邻的切割元件例如具有不同的轴向长度或不同的夹持部区域几何形状,例如锥形基体,在基部具有最小直径和沿着轴向方向的逐渐增加的直径的阶梯几何形状(具有沿着所述轴向方向的平滑或不连续增加),或者具有带至少一个平面侧表面(以及例如相邻的切割元件的平面侧表面可面向彼此)的横截面形状的基体,或者不同的轴向长度和不同的夹持部区域几何形状。
[0059] 在特定实施例中,沿着刀片取向使它们的纵向轴线从刀片最外表面基本上径向向外指向的一排切割元件可具有增加的切割元件密度(例如,具有从65%到95%的范围内的切割元件密度),通过在具有凸形形状的刀片的区域中(例如刀片的鼻部和/或肩部区域,或具有更锐利的曲率半径的刀片的其他区域)包括具有不同轴向长度和/或不同夹持部区域几何形状,当与刀片的其余区域相比。
[0060] 根据一些实施例,在至少一个刀片的鼻部区域和/或肩部区域中形成高密度排的切割元件的数量的范围可以为从下限为4,4.5,5或5.5个切割元件到上限为5,5.5,6,6.5,7,7.5或8个切割元件,其中任何下限可以与任何上限组合使用。如本文所使用的,切割元件的分数可以指其直径的分数,例如5.5个切割元件表示5个切割元件直径以及设置在所选择的刀片区域内的切割元件的半径。刀片上的高密度排切割元件中的切割元件的数量可以取决于例如切割元件的直径和刀片区域的长度。进一步地,形成高密度排切割元件的切割元件可以设计并放置在刀片上,以根据本公开的实施例具有形成所述排的增加数量的切割元件,使得形成切割元件所在的刀片的材料元件围绕每个切割元件的整个基部端或基体区域。换句话说,根据本公开的实施例,除了不使切割元件彼此接触之外,高密度排切割元件可以具有形成所述排的增加数量的切割元件。
[0061] 图12和13示出了根据本公开的实施例的井下切割刀具的另一示例。图12示出了钻头上的切割元件放置和取向的顶视图,所述钻头具有从钻头体延伸一高度的多个刀片,其中成排的切割元件设置在每个刀片上。特别地,切割齿1020的主排1025沿着每个刀片的切割刃设置,并且非平面切割元件1010的后排1015设置在每个刀片上的每个主排1025的后位置。图13示出了图12中所示的切割刀具的切割轮廓1000,如在每个切割元件1010,1020旋转成单个旋转轮廓时将出现的。非平面切割元件1010被取向为在每个刀片上从每个刀片的最外表面基本上径向向外。每个后排1015中的非平面切割元件1010中的至少两个具有不同的轴向长度并且被放置在每个刀片的鼻部和肩部区域中,使得增加数量的非平面切割元件1010可以装配在所述刀片的鼻部和肩部区域内。
[0062] 根据本公开的实施例的井下切割刀具可以通过将至少三个切割元件附接到至少一个刀片来制造,该至少一个刀片从刀具主体到最外表面延伸一高度,使得切割元件从所述至少一个刀片的最外表面基本上径向向外延伸并取向为一排。至少两个切割元件可以具有不同的轴向长度。所述至少三个切割元件中的每一个可以通过将每个切割元件插入形成在所述刀片中的凹槽中并将每个切割元件钎焊到所述凹槽中而将其附接到刀片成一排。在其他实施例中,凹槽可以延伸到刀片中相同的深度。在一些实施例中,可以使用其它附接装置,例如干涉配合或机械保持。此外,在一些实施例中,至少两个凹槽可以延伸到刀片中不同的深度,其中当将具有不同轴向长度的切割元件插入具有不同深度的凹槽中时,具有不同轴向长度的切割元件在刀片最外表面(例如,顶表面)之上延伸大致相等的暴露高度。
[0063] 通过将基体形成具有不同的轴向长度、将超硬材料体形成具有不同的轴向长度或者通过将基体和超硬材料体形成具有与相邻切割元件的轴向长度不同的轴向长度,可以将切割元件形成具有不同的轴向长度。例如,第一和第二非平面切割元件可各自具有不同轴向长度的基体和具有不同轴向长度的金刚石体,其中第一和第二非平面切割元件具有不同的总轴向长度,并且可以设置为在刀片上在一排中彼此相邻,取向成从刀片的最外表面径向向外指向。具有不同总轴向长度的切割元件也可以具有不同的部件轴向长度,当一个部件轴向长度被设计成适应另一部件的轴向长度变化的特性时,例如,可以增加基体轴向长度以为具有增加的轴向长度的金刚石主体提供更好的支撑。
[0064] 从刀片的最外表面基本上径向向外延伸的切割元件可以具有至少部分地围绕其外周边设置的支撑部,以改善切割元件对刀片的稳定性和保持力。支撑部可以附接到刀片的最外表面,或者可以与刀片一体地形成为至少部分地围绕一个或更多个凹槽延伸的突起。例如,图14中示出了相对于周围的刀片最外表面以一定角度设置在刀片1450上的非平面切割元件1400的横截面图。非平面切割元件1400具有夹持部区域1410,具有带一曲率半径的顶点的非平面切割端1420以及从所述夹持部区域的基部轴向地延伸穿过所述非平面切割元件并穿过所述顶点的纵向轴向1430。非平面切割元件1400设置在形成在刀片1450中的凹槽1452内并且被取向成使得纵向轴线1430相对于线1470处于角度1435,所述线1470法向于刀片最外表面1450并且至少部分地延伸穿过所述非平面切割元件1400。在第一侧上的凹槽1452外侧的夹持部区域的区域1412大于在相反侧上的凹槽1452外侧的夹持部区域的区域1414。同样地,凹槽1452内和第一侧上的夹持部区域的区域1416小于在相反侧上的凹槽1452内的夹持部区域的区域1418。在其中角度1435为零(所述轴向轴线平行于法向于所述刀片最外表面的线)的实施例中,所述凹槽外侧的夹持部区域的区域1412,1414可以是相等的。
[0065] 支撑部1460围绕所述凹槽1452外侧的夹持部区域的一部分周向延伸。如所示的,支撑部1460可以围绕所述夹持部区域施加,所述夹持部区域具有沿着夹持部区域1410的变化的轴向长度,该轴向长度是从刀片1450的外表面(在所述凹槽的开口处)到夹持部区域1410的暴露部分测量的。因此,虽然在相反侧上的凹槽1452外侧的区域1412,1414具有不同的轴向长度,但支撑部的覆盖范围的变化的轴向长度1460可以提供具有围绕所述夹持部区域的基本上均匀的暴露长度的夹持部区域的暴露部分。然而,根据本公开的其他实施例,支撑部的轴向长度和暴露部分的暴露长度二者都可以围绕所述夹持部区域的周边的至少一部分变化。在再一些其他实施例中,支撑部可以具有基本上均匀的轴向长度,并且暴露部分可以围绕所述夹持部区域的周边的至少一部分具有变化的暴露长度。
[0066] 本公开的切割元件可以在后倾角和/或侧倾角处取向。通常,当将切割元件定位在钻头或铰刀的刀片上时,切割元件可以插入切割齿凹槽(或孔)中以改变切割元件撞击地层的角度。具体地说,可以调节切割元件的后倾角(即竖直取向)和侧倾角(即横向取向)。通常,切割齿的后倾角被限定为在切割齿的切割面和与法向于正被切割的地层物质的线之间形成的角度。如图15所示的,通过常规的切割齿142具有零的后倾角,切割面44基本上垂直于或法向于地层物质。具有负的后倾角143的切割齿142具有切割面44,该切割面44以如从地层物质测量的小于90度的角度接合地层物质。类似地,具有正的后倾角143的切割齿142具有切割面44,该切割面以当从地层物质测量时大于90度的角度接合地层物质。
[0067] 然而,非平面切割元件不具有平面切割面,因此非平面切割元件的取向被不同地限定。当考虑非平面切割元件的取向时,除了切割元件体的竖直或横向取向之外,切割端的尖的几何形状还影响非平面切割元件如何撞击地层以及非平面切割元件撞击地层的角度。具体来说,除了影响非平面切割元件地层相互作用的侵入性的后倾角之外,切割端几何形状(例如,顶角和曲率半径)影响非平面切割元件攻击地层的侵入性。因此,在非平面切割元件后倾角取向的上下文中,后倾角可以被限定为在非平面切割元件的纵向轴线和法向于其中设置非平面切割元件的刀片的刀片轮廓的线之间形成的角度。在一些实施例中,如图16所示的,非平面切割元件的后倾角可以被限定为形成在非平面切割元件144的轴线(具体地,非平面切割端部的轴线)和法向于正在切割的地层物质的线之间的角度143。如图16所示的,通过非平面切割元件144具有零的后倾角,非平面切割元件144的轴线基本垂直于或法向于地层物质。具有负的后倾角的非平面切割元件144具有一轴线,该轴线以从地层物质测量的小于90度的角度接合地层物质。类似地,具有正的后倾角的非平面切割元件144具有一轴线,该轴线以当从地层物质测量时大于90度的角度接合地层物质。在特定实施例中,非平面切割元件的后倾角可以是零,或者在另一个实施例中可以是负的。在特定实施例中,非平面切割元件的后倾角的范围可以在-30到30度,从-20到20度,从-10到10度,从零到10度,以及在一些实施例中从-5到5度。
[0068] 除了相对于地层的轴线的取向之外,非平面切割元件的侵入性还可以取决于前夹角或具体地取决于地层和非平面切割元件的前端部分之间的角度。非平面切割元件的切割端形状不具有前刃;然而,非平面切割表面的前导线可以被确定为当钻头旋转时沿着非平面切割端表面的每个轴向点处的非平面切割元件的最前点(first most points)。换句话说,可以沿着钻头旋转方向的平面截取非平面切割元件的横截面,如图17所示的。这样的平面中的非平面切割元件144的前导线145可以相对于地层进行考虑。非平面切割元件144的撞击角被限定为形成在非平面切割元件144的前导线145与正被切割的地层之间的角度146。
[0069] 用于切割齿的侧倾角被限定为钻头的切割面和径向平面(x-z平面)之间的角度,如图18所示的。当沿着z轴观察时,负的侧倾角180由切割齿的逆时针旋转引起,以及正的侧倾角180由顺时针旋转引起。在特定实施例中,在其它实施例中,切割齿的侧倾角的范围可以为从-30至30度以及在其他实施例中为从0至30度。
[0070] 在非平面切割元件的上下文中,如图19和图20所示的,侧倾角被限定为在非平面切割元件144的轴线(具体地,圆锥形切割端的轴线)和平行于钻头中心线(即z轴)的线之间形成的角度190。如图19和20所示的,通过非平面切割元件144具有零的侧倾角,非平面切割元件144的轴线基本上平行于钻头中心线。具有负的侧倾角190的非平面切割元件144具有指向远离钻头中心线方向的轴线。相反地,具有正的侧倾角190的非平面切割元件144具有指向钻头中心线方向的轴线。非平面切割元件的侧倾角在各种实施例中的范围可以为从约-30至30°,在其他实施例中可以为从-10至10°。此外,尽管在上述段落中不必具体提及,但是在本文公开的实施例中的非平面切割元件的侧倾角可以从这些范围中选择。
[0071] 冠词“a”,“an”和“the”旨在表示在前述描述中存在一个或更多个元件。术语“包括(comprising)”,“包含(including)”和“具有(having)”旨在是包括性的,并且意味着除了所列出的元件之外可以存在附加元件。另外,应当理解到,参照本公开的“一个实施例”或“一实施例”不旨在被解释为排除还引入所述特征的附加实施例的存在。例如,关于本文实施例描述的任何元件可以与本文所述的任何其它实施例的任何元件是可组合的。本文所述的数字、百分比、比率或其他值旨在包括该值以及“约”或“大约”所述值的其他值,如本领域普通技术人员将认识到由本公开的实施例所包含的。因此,所述值应被广泛地解释为足以包含至少足够接近所述值以执行所需功能或达到期望结果的值。所述值至少包括在合适的制造或生产过程中预期的变化,并且可包括在所述值的5%,1%,0.1%或0.01%之内的值。
[0072] 鉴于本公开内容,本领域普通技术人员应该认识到等同的结构不脱离本公开的精神和范围,并且可以对所公开的实施例进行各种改变、替换和改变,在不脱离本公开的精神和范围的情况下。等同结构,包括功能性的“装置+功能”的语句旨在覆盖本文描述为执行所述功能的结构,包括以相同方式操作的结构等同物,以及提供相同功能的等同结构。除了其中措辞“用于...的装置”与有关的功能一起出现的那些之外,申请人的明确意图不是援引装置+功能或权利要求书主张的其他功能性声明。对落入权利要求的含义和范围内的实施例的每个增加、删除和修改将被权利要求所包含。
[0073] 如本文所使用的术语“大约”、“约”和“基本上”表示仍然执行所需功能或达到期望结果的接近所述量的量。例如,术语“大约”、“约”和“基本上”可以指的是在所述量的小于5%内、小于1%内、小于0.1%内以及小于0.01%内的量。进一步地,应当理解到,在前述描述中的任何方向或参考系仅仅是相对方向或运动。例如,任何对“上”和“下”或“上”或“下”的参照仅仅是相关元件的相对位置或运动的描述。
[0074] 在不脱离本发明的精神或特征的情况下,本公开可以以其它具体形式实施。所描述的实施例被认为是说明性的而不是限制性的。在权利要求的等同物的含义和范围内的变化将被包括在其范围内。
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