切削混合钻头和其它井下切削工具 |
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| 申请号 | CN201280008571.9 | 申请日 | 2012-02-10 | 公开(公告)号 | CN103842607A | 公开(公告)日 | 2014-06-04 |
| 申请人 | 史密斯运输股份有限公司; | 发明人 | 迈克尔·G·阿扎; 芭拉·杜赖拉杰恩; 马达普斯·K·克沙凡恩; | ||||
| 摘要 | 地球 地层 中钻井眼的 钻头 可以包括：具有钻头轴线和钻头端面的钻头体；沿着所述钻头端面径向延伸的多个刀片；和设置在所述多个刀片上的多个切削元件，所述多个切削元件包括：包括衬底和金刚石 台面 的至少一个 牙轮 ，所述金刚石台面具有大致平坦切削面；和包括衬底和金刚石层的至少两个圆锥形切削元件，所述金刚石层具有圆锥形切削刃，其中在所述多个切削元件旋转到单个平面中的视图中，所述至少一个牙轮位于远离所述钻头轴线的径向 位置 ，所述径向位置在所述至少两个圆锥形切削元件的径向位置之间。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于在地球地层中钻井眼的钻头，包括： |
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| 说明书全文 | 切削混合钻头和其它井下切削工具[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本发明主张2011年2月10提出申请的美国申请No.61/441,319,和2011年6月22日提出申请的美国申请No.61/499,851的优先权，其中所述两个申请通过引用在此全文并入。 技术领域[0003] 这里公开的实施例总体涉及包括混合切削结构的固定齿切削工具，所述混合切削结构包括两种或更多种类型的切削元件，每一种类型都具有针对地层的不同切削作用模式。这里公开的其它实施例涉及包括圆锥形切削元件的固定齿切削工具，包括这种切削元件在钻头上的放置和可以用于优化钻井的这种切削元件的变化。 背景技术[0004] 在地球中钻井眼时，例如用于油气的开采或其它应用，通常的做法是将钻头连接在首尾相接以形成“钻柱”的钻杆段组件的下端上。钻头通过在地面上旋转钻柱或通过致动井下马达或涡轮或通过所述两种方法而旋转。通过将重量施加到钻柱，旋转的钻头接合地层，从而使钻头通过磨蚀、破碎或剪切作用或通过所有切削方法的组合切削通过地层物质，从而沿着预定路径朝向目标区形成井眼。 [0005] 已经研发并获得用于钻这种井眼的多种不同类型的钻头。两种主要类型的钻头是牙轮钻头和固定齿(或旋转刮刀)钻头。大多数固定齿钻头设计包括绕钻头表面以一定角度间隔开的多个刀片。刀片从钻头体径向向外突出并在刀片之间形成流动通道。另外，切削元件典型地被分组并安装在径向延伸的列中的多个刀片上。切削元件在刀片上的结构或布局基于诸如要被钻进的地层的许多因素而广泛变化。 [0006] 设置在固定齿钻头的刀片上的切削元件典型地由极硬材料形成。在典型的固定齿钻头中，每一个切削元件都包括容纳并固定在形成在刀片中的一个的表面中的槽窝中的细长大致圆柱形碳化钨衬底（substrate）。切削元件典型地包括由多晶金刚石(PCD)或其它超级研磨材料(例如，热稳定金刚石或多晶立方氮化硼)形成的硬切削层。为了方便起见，如这里所使用的，对“PDC钻头”、“PDC切削刃”的描述是指采用多晶金刚石或其它超级研磨材料形成的硬切削层的切削元件或固定齿钻头。 [0007] 参照图1和图2，显示了适于钻通岩石地层以形成井眼的常规固定齿钻头或刮刀钻头10。钻头10通常包括钻头体12、钻头接头（shank）13、和用于将钻头10连接到钻柱(未示出)的螺纹连接装置或公接头14，其中所述钻柱被用于使钻头旋转以对井眼进行钻进。钻头端面20支撑切削结构15并形成在钻头10的与阳螺纹端16相对的端部上。钻头10还包括中心轴线11，钻头10绕中心轴线11在由箭头18表示的切削方向上旋转。 [0008] 切削结构15设置在钻头10的端面上。切削结构15包括以角度间隔开的多个主刀片31,32,33和副刀片34,35,36，所述刀片中的每一个都从钻头端面20延伸。主刀片31,32,33和副刀片34,35,36沿着钻头端面20大致径向延伸并然后沿着钻头10的周边的一部分轴向延伸。然而，副刀片34,35,36沿着钻头端面20从为远端钻头轴线11的位置朝向钻头10的周边径向延伸。因此，如这里所使用的，“副刀片”可以用于表示以一定距离从钻头轴线开始并沿着钻头端面朝向钻头的周边大致径向延伸的刀片。主刀片31,32,33和副刀片34,35,36被钻井液流动路线19分隔开。 [0009] 仍然参照图1和图2，每一个主刀片31,32,33包括用于安装多个切削元件的刀片顶部42，并且每一个副刀片34,35,36包括用于安装多个切削元件的刀片顶部52。具体地，每一个都具有切削面44的切削元件40分别安装在形成在每一个主刀片31,32,33和每一个副刀片34,35,36的刀片顶部42,52中的槽窝（pocket）中。切削元件40邻近每一个主刀片31,32,33和每一个副刀片34,35,36的前缘沿径向延伸列彼此相邻布置。每一个切削面44具有最远离安装有切削元件40的刀片顶部42,52的最远切削末端44a。 [0010] 以下参照图3，显示了钻头10的轮廓，且显而易见的是刀片(例如，主刀片31,32,33和副刀片34,35,36)和所有切削元件40的切削面44被旋转成单个旋转轮廓。在旋转剖面图中，钻头10的所有刀片31-36的刀片顶部42,52形成并限定从钻头轴线11径向延伸到钻头10的外半径23的组合或复合片轮廓39。因此，如这里使用的，措词“复合片轮廓”表示从钻头轴线延伸到钻头的外半径并由钻头的旋转成单个旋转轮廓(即，在旋转剖面图)的所有刀片的刀片顶部形成的轮廓。 [0011] 传统的复合片轮廓39(在图3中的钻头10的右半侧中最清楚地所示)可以通常被分成三个区域，所述三个区域传统地被标记为锥形区域24、台肩区域25和保径区域26。锥形区域24包括钻头10和复合片轮廓39的大致从钻头轴线11延伸到台肩区域25的径向最内侧区域。如图3所示，在大多数常规的固定齿钻头中，锥形区域是24通常是凹入的。 与锥形区域24相邻的是台肩(或翻转曲线)区域25。在大多数常规的固定齿钻头中，台肩区域25通常是凸起的。向外径向移动与台肩区域2525相邻的是保径区域26，所述保径区域在复合片轮廓39的外径向周边平行于钻头轴线11延伸。因此，常规钻头10的复合片轮廓39包括一个凹入区域(锥形区域24)和一个凸起区域(台肩区域)。 [0012] 凸起台肩区域25和复合片轮廓39的轴向最低点限定刀片轮廓顶冠27。在刀片轮廓顶冠27处，凸起台肩区域25和复合片轮廓39的切线27a的斜率为零。因此，如这里所使用的，术语“刀片轮廓顶冠”表示在旋转剖面图中沿着钻头的复合片轮廓的凸起区域的点，其中复合片轮廓的切线的斜率在所述点处为零。对于大多数常规固定齿钻头(例如，钻头10)来说，复合片轮廓仅包括一个凸起台肩区域(例如，凸起台肩区域25)和仅一个刀片轮廓顶冠(例如，顶冠27)。如图1-3所示，切削元件40沿着刀片31-36成行布置并沿着钻头端面20定位在先前被描述为复合片轮廓39的锥形区域24、台肩区域25和保径区域26的多个区域中。具体地，切削元件40相对于钻头10的中心轴线11在刀片31-36上安装在预定径向间隔开的位置。 [0013] 在不考虑钻头的类型的情况下，钻井眼的成本与将所述井眼钻进到期望深度和位置所耗费的持续时间成比例。钻井时间又在很大程度上受到为了达到目标地层必须更换钻头的次数的影响。这是因为每次更换钻头时，可以为几英里长的整个钻柱必须逐段从井眼中取出。一旦已经取出钻柱并安装新的钻头，钻头在钻柱上必须被下入到井眼的底部，其中所述钻柱必须再次被逐段构造而成。被公知为“起下钻”的这种过程需要大量时间、工作和费用。因此，总是期望采用钻得更快更长并且可在宽范围的不同地层硬度上使用的钻头。 [0014] 在必须更换钻头之前钻头可以被使用的持续时间取决于钻头的钻进速度(“ROP”)以及钻头保持较高或可接受ROP的耐用性或能力。另外，钻头的理想特征在于钻头是“稳定的”并且抗振动，其中钻头的大多数剧烈类型或模式是“旋转”，其中旋转是用于描述其中钻头在井眼的底部处关于偏离钻头的几何中心的旋转轴线旋转的现象。这种旋转使钻头上的切削元件增加载荷，从而使切削元件过早被磨损或破坏并且导致钻进速度的丧失。因此，防止钻头振动并保持PDC钻头的稳定性长期以来是一种期望但始终没有实现的目标。钻头振动典型地可以发生在任何类型的地层中，但是最不利地发生在较硬地层中。 [0015] 近年来，PDC钻头已经成为用于切削软硬度和中等硬度的地层的行业标准。然而，当在研制PDC钻头以用于在硬地层中使用时，钻头稳定性成为一个增加的挑战。如先前所述，钻井期间钻头过度振动往往会使钻头变钝和/或可能将钻头损坏到需要过早对钻柱进行起下钻的程度。 [0016] 已经对PDC切削结构提出了大量可选设计，其旨在提供一种能够以有效的ROP和可接受的钻头寿命或耐用性钻通各种地层硬度的PDC钻头。不幸地，旨在最小化振动的大多数钻头设计要求与早期设计的钻头相比较以增加的钻压(WOB)执行钻井。例如，一些钻头已经被设计有多个牙轮，所述牙轮以较小侵蚀性后倾角安装使得所述牙轮需要增加的WOB来穿过地层物质到达期望区域。通过增加WOB或以重的WOB钻井具有严重后果并且如果可能通常避免此。增加WOB伴随有将额外的重钻铤增加到钻柱。这种额外的重量增加钻柱部件上的应力和应变，使扶正器磨损得更多并且不能有效地工作，并且增加了钻柱的水力降，从而需要使用较高容量(并且典型较高成本)的泵以用于循环钻井液。所述问题仍然进一步复杂，增加的WOB使钻头磨损并且与以其它方式变钝相比较使钻头更加快速地变钝。为了延缓钻柱的起下钻，通常的做法是进一步增加WOB并用部分磨损并变钝的钻头继续钻井。钻头磨损与WIB之间的关系不是线性的，而是成指数关系，使得对于给定钻头来说在超过特定WOB时，WOB非常小的增加将导致钻头磨损的巨大增加。因此，增加更多WOB以用部分磨损的钻头钻井会进一步逐步增加钻头和其它钻柱部件的磨损。 [0017] 因此，仍然持续需要能够以经济的ROP有效钻井并理想地钻入具有大于可以采用常规PDC钻头的硬度的地层的固定齿钻头。更具体地，持续需要一种PDC钻头，所述PDC钻头可以钻入软硬度、中等硬度、中间硬度并且甚至钻入一些硬地层，同时保持侵蚀性切削元件轮廓以保持可接受ROP持续可接受持续时间并从而降低当前行业的钻井成本。 发明内容[0018] 在一方面中，这里公开的实施例涉及一种用于在地球地层中钻井眼的钻头，所述钻头包括：具有钻头轴线和钻头端面的钻头体；沿着钻头端面径向延伸的多个刀片；和设置在多个刀片上的多个切削元件，所述多个切削元件包括：包括衬底和金刚石台面的至少一个牙轮，所述金刚石台面具有大致平坦切削面；和包括衬底和金刚石层的至少两个圆锥形切削元件，所述金刚石层具有圆锥形切削刃，其中在多个切削元件旋转到单个平面中的视图中，所述至少一个牙轮位于远离钻头轴线的径向位置，所述径向位置在至少两个圆锥形切削元件的径向位置之间。 [0019] 在另一方面，这里公开的实施例涉及一种井下切削工具，所述井下切削工具包括：工具主体；从工具主体方位角地延伸的多个刀片；设置在多个刀片上的多个切削元件，所述多个切削元件包括：包括衬底和金刚石层的至少一个圆锥形切削元件，所述金刚石层具有圆锥形切削刃，其中所述至少一个圆锥形切削元件包括不与衬底的轴线同轴的圆锥形切削刃的轴线。 [0020] 在又一个方面中，这里公开的实施例涉及一种井下切削工具，所述井下切削工具包括：工具主体；从工具主体方位角地延伸的多个刀片；设置在多个刀片上的多个切削元件，所述多个切削元件包括：包括衬底和金刚石层的至少一个圆锥形切削元件，所述金刚石层具有圆锥形切削刃，其中所述至少一个圆锥形切削元件包括与圆锥形切削刃的顶点相邻的倾斜表面。 [0021] 在又一个方面中，这里公开的实施例涉及一种井下切削工具，所述井下切削工具包括：工具主体；从工具主体方位角地延伸的多个刀片；设置在多个刀片上的多个切削元件，所述多个切削元件包括：包括衬底和金刚石层的至少一个圆锥形切削元件，所述金刚石层具有圆锥形切削刃，其中至少一个圆锥形切削元件包括非对称性金刚石层。 [0022] 在又一个方面中，这里公开的实施例涉及一种井下切削工具，所述井下切削工具包括：工具主体；从工具主体方位角地延伸的多个刀片；设置在多个刀片上的多个切削元件，所述多个切削元件包括：包括衬底和金刚石层的至少一个圆锥形切削元件，所述金刚石层具有圆锥形切削刃；和至少一个孕镶金刚石硬合金齿，所述至少一个孕镶金刚石硬合金齿被镶嵌到至少一个刀片的孔中。 [0023] 在又一个方面中，这里公开的实施例涉及一种井下切削工具，所述井下切削工具包括：工具主体；从工具主体方位角地延伸的多个刀片；和设置在所述多个刀片上的多个切削元件，所述多个切削元件包括：至少两个牙轮，所述至少两个牙轮包括衬底和金刚石台面，金刚石台面具有大致平坦切削面；和至少一个圆锥形切削元件，所述至少一个圆锥形切削元件包括衬底和金刚石层，金刚石层具有圆锥形切削刃，其中在多个切削元件旋转到单个平面的视图中，所述至少一个圆锥形切削元件位于远离钻头轴线的径向位置，所述径向位置在至少两个牙轮的径向位置之间。 [0024] 在又一个方面中，这里公开的实施例涉及一种井下切削工具，所述井下切削工具包括：工具主体；从工具主体方位角地延伸的多个刀片；和设置在多个刀片上的多个切削元件，所述多个切削元件包括：至少两个牙轮，所述至少两个牙轮包括衬底和金刚石台面，金刚石台面具有大致平坦切削面；和至少一个圆锥形切削元件，所述至少一个圆锥形切削元件包括衬底和金刚石层，金刚石层具有圆锥形切削刃，其中在单个刀片上，圆锥形切削元件设置在两个牙轮之间的径向中间位置，其中圆锥形切削元件尾随两个牙轮。 [0026] 图1显示现有技术钻头； [0027] 图2显示现有技术钻头的顶视图； [0028] 图3显示现有技术钻头的横截面视图； [0029] 图4显示根据本公开的一个实施例的切削元件； [0030] 图5显示根据本公开的一个实施例的切削元件； [0031] 图6显示根据本公开的一个实施例的切削元件； [0032] 图7显示根据本公开的一个实施例的切削元件； [0033] 图8显示根据本公开的一个实施例的切削元件的旋转； [0034] 图9显示根据本公开的一个实施例的切削元件布局； [0035] 图9A显示图9的切削元件布局的放大视图； [0036] 图10显示根据本公开的一个实施例的切削元件分布图； [0037] 图11A显示根据本公开的一个实施例的切削元件布局； [0038] 图11B显示具有图11A的切削元件布局的钻头的顶视图； [0039] 图11C显示具有图11A的切削元件布局的钻头的顶视图； [0040] 图12显示用于传统切削元件的后倾角（backrake angle）； [0041] 图13显示根据本公开的用于圆锥形切削元件的后倾角； [0042] 图14显示了根据本公开的用于圆锥形切削元件的撞击角； [0043] 图15A-C显示了根据本公开的各种圆锥形切削元件； [0044] 图16A-C显示了根据本公开的各种圆锥形切削元件； [0045] 图17显示了根据本公开的圆锥形切削元件的一个实施例； [0046] 图18显示了根据本公开的圆锥形切削元件的一个实施例； [0047] 图19显示了根据本公开的圆锥形切削元件的一个实施例； [0048] 图20显示了根据本公开的一个实施例的切削元件布局； [0049] 图21显示了根据本公开的一个实施例的钻头； [0050] 图22显示了根据本公开的一个实施例的切削轮廓； [0051] 图23显示了根据本公开的一个实施例的切削轮廓； [0052] 图24显示了根据本公开的一个实施例的切削轮廓；以及 [0053] 图25显示了可以使用本公开的切削元件的工具。 具体实施方式[0054] 在一方面中，这里公开的实施例涉及包括混合切削结构的固定齿钻头。具体地，这里公开的实施例涉及包括两种或更多种类型的切削元件的钻头，且每一种类型都具有针对地层的不同模式的切削动作。这里公开的其它实施例涉及包括圆锥形切削元件的固定齿钻头，包括这种切削元件在钻头上的布置和可以用于优化钻井的切削元件的变形例。 [0055] 参照图4和图5，显示了根据本公开的一个实施例的用于钻头(或扩眼器)的在上面形成有切削元件的典型的刀片。如图4所示，刀片140包括传统地被称为牙轮或PDC牙轮的多个牙轮142以及多个圆锥形切削元件144。如这里所使用的，术语“圆锥形切削元件”表示具有终止于圆形顶点的大致圆锥形切削刃(包括直锥或斜锥)的切削元件。不同于终止于尖锐点顶点的几何圆锥，本公开的圆锥形切削元件包括具有在侧表面与顶点之间的曲率的顶点。圆锥形切削元件144被定位成与具有平坦切削面的牙轮142相反。为了便于在两种类型的切削元件之间进行区分，术语“切削元件”一般表示任何类型的切削元件，而“牙轮”表示具有平坦切削面的这些切削元件。如参照图1和图2所述，“圆锥形切削元件”将表示具有大致圆锥形切削刃的这些切削元件。 [0056] 参照图6-8，本发明人已经发现使用常规平坦牙轮142结合圆锥形切削元件144可以允许单个钻头具有两种类型的切削作用(由虚线表示)：除了由牙轮142剪切地层进行切削之外，由圆锥形切削元件144通过压裂或刮削地层进行切削，如图8和图9中示意性所示。当钻头旋转时，牙轮142穿过被圆锥形切削元件预先破碎的地层以修整由圆锥形切削元件144产生的切口。具体地，如图8中详细所示，在远离钻头中心线的径向位置R1处的第一圆锥形切削元件144.1是当钻头旋转时旋转通过参考平面P的第一切削元件。在远离钻头中心线的径向位置R3处的圆锥形切削元件144.3是旋转通过参考平面P的第二切削元件。在远离钻头中心线的径向位置R2处的切削元件142.2是旋转通过参考平面P的第三切削元件，其中R2是远离钻头中心线在R1和R3的径向距离之间的径向距离。 [0057] 图4所示的实施例包括在单个刀片上的牙轮142和圆锥形切削元件144，而图5所示的实施例包括在一个刀片上的牙轮和在第二刀片上的圆锥形切削元件144。具体地，牙轮142位于尾随上面定位有圆锥形切削元件144的刀片的刀片141上。 [0058] 参照图9和图9A，显示了用于钻头的具体实施例的切削结构布局。图8中详细示出的切削结构布局140显示了当被设置在刀片上的牙轮142和圆锥形切削元件144，并且为了简化起见没有示出刀片和其它钻头体。然而，本领域的普通技术人员将从图9所示的布局认识到上面设置有牙轮142和圆锥形切削元件144的钻头包括七个刀片。具体地，牙轮142和圆锥形切削元件144沿着七个刀片以行146设置，三个主行146a1,146a2,和146a3(在主刀片上)和四个副行146b1,146b2,146b3和146b4(在副刀片上)，如在图1和图2中所使用的术语。在图9所示的实施例中，每一个主行146a1,146a2,和146a3以及每一个副行146b1,146b2,146b3和146b4包括至少一个牙轮142和至少一个圆锥形切削元件144。然而，本发明不受限于此。相反地，基于期望的切削轮廓，可以使用不同排列的牙轮142和圆锥形切削元件144。 [0059] 相对于PDC牙轮的两个常规设置或牙轮分布结构是：“单组”方法和“多组”方法。在“单组”方法中，横过钻头的端面定位的每一个PDC牙轮被提供有从钻头的中心轴线向外朝向保径部测量的独特的径向位置。相对于多组方案(还被公知为“冗余牙轮”或“尾随牙轮”方案)，PDC牙轮部署在包括两个或更多个牙轮的组中，其中给定组的牙轮定位在远离钻头轴线的相同的径向距离处。 [0060] 参照图10，显示了根据本公开的一个实施例的牙轮分布图，其中示出了在旋转到单个平面中的钻头的所有切削元件。如图10所示，切削元件包括具有平坦切削面的两个常规牙轮142以及圆锥形切削元件144。图10所示的牙轮142和圆锥形切削元件144还由所述牙轮142和圆锥形切削元件144与钻头轴线的径向位置以“142”或“144”标记之后的数字形式被识别。根据本公开的一些实施例，牙轮142可以在两个径向相邻的圆锥形切削元件144之间进行切削。具体地，如图10所示，牙轮142.8位于圆锥形切削元件144.7与144.9.之间的径向中间位置。类似地，牙轮142.12位于圆锥形切削元件144.11与144.13之间的径向中间位置。进一步地，本发明不局限于其中在每个切削元件之间存在这种交替方案的钻头。 [0061] 在图10中，显而易见的是不是每一个牙轮都具有在径向相邻位置处的圆锥形切削元件。相反地，如图10所示，圆锥形切削元件设置在切削轮廓的顶冠区域153、台肩区域155和保径区域157中。然而，在其它实施例中，圆锥形切削元件144还可以位于锥形区域 151和/或可以不位于保径区域157中。进一步地，不同的切削轮廓区域可以具有在不同区域之间具有不同露出高度(与牙轮142相比较)的圆锥形切削元件144也在本公开的保护范围内。这种差异可以是一种渐进或逐渐过渡。 [0062] 再参照图9和图9A，径向相邻(当在旋转平面中看时)元件144.7,142.8和144.9位于多个刀片上。具体地，圆锥形切削元件144.7和144.9在牙轮142.8之后的地层中产生凿槽。因此，与圆锥形切削元件144.7和144.9中的每一个相比较，牙轮142.8在尾随刀片146a2上。尾随刀片是当绕轴线旋转时在导引刀片之后旋转通过参考平面的刀片。在图9和图9A所示的实施例中，圆锥形切削元件144.7和144.9在两个单独的刀片(即，刀片 146a1和146b1)上；然而，在其它实施例中，位于与牙轮142径向相邻的位置上的两个圆锥形切削元件144可以在同一刀片上。 [0063] 参照图11A-C，在图11A中示出了用于钻头(图11B-C所示)的具体实施例的切削结构布局。例如，如图11A-C所示，切削元件的径向位置使得切削元件的两个刀片146完全由圆锥形切削元件144构成，四行刀片146完全由牙轮142构成，而两行刀片146包括牙轮142和圆锥形切削元件144的混合。不同于图9所示的实施例，图11A-C中的实施例对于每一个位置来说包括圆锥形切削元件144与牙轮142之间的交替。因此，在这种情况下，圆锥形切削元件144将位于每一个以奇数编号的径向位置处，而牙轮142位于每一个以偶数编号的径向位置处。进一步地，基于切削元件的具体径向位置，为牙轮142留下可以穿过的切口的一对圆锥形切削元件142可以在同一刀片上或者可以在不同的刀片上。 [0064] 通常，当将切削元件(具体地，牙轮)定位在钻头或扩眼器的刀片上时，牙轮可以插入牙轮槽窝(或在圆锥形切削元件的插入孔中)中以改变牙轮撞击地层的角度。具体地，可以调节牙轮后倾角(即，纵向方向)和侧倾角(即，侧向方向)。通常，后倾角被定义为形成在牙轮142的切削面与正交于正在被切削的地层物质的线之间的角度α。如图12所示，在具有零后倾角的常规牙轮142的情况下，切削面44大致垂直或正交于地层物质。具有负后倾角α的牙轮142具有以当从地层物质测量时小于90°的角度接合地层物质的切削面44。类似地，具有正后倾角α的牙轮142具有以当从地层物质测量时大于90°的角度接合地层物质的切削面44。侧倾角被定义为切削面与钻头的径向平面(x-z平面)之间的角度。当沿着z轴线看时，负侧倾角由牙轮的逆时针方向旋转产生，而正侧倾角由牙轮的顺时针方向旋转产生。在具体的实施例中，常规牙轮的后倾角可以在从-5°至-45°的范围内，而侧倾角在从0°至30°的范围内。 [0065] 然而，圆锥形切削元件没有切削面，并因此圆锥形切削元件的方向必须被不同地定义。当考虑圆锥形切削元件的方向时，除了切削元件主体的垂直方向或侧向方向之外，切削刃的圆锥形几何结构也影响圆锥形切削元件如何撞击地层以及圆锥形切削元件撞击地层的角度。具体地，除了影响圆锥形切削元件-地层相互作用的侵蚀性的后倾角之外，切削刃几何结构(具体地，顶角和曲率半径)在很大程度上影响圆锥形切削元件冲击地层的侵蚀性。在圆锥形切削元件的背景下，如图12所示，后倾角被定义为形成在圆锥形切削元件144的轴线(具体地，圆锥形切削刃的轴线)与正交于正在被切削的地层物质的线之间的角度α。如图13所示，在圆锥形切削元件144具有零度后倾角的情况下，圆锥形切削元件 144的轴线大致垂直或正交于地层物质。具有负后倾角α的圆锥形切削元件144具有以当从地层物质测量时小于90°的角度接合地层物质的轴线。类似地，具有正后倾角α的圆锥形切削元件144具有以当从地层物质测量时大于90°的角度接合地层物质的轴线。在具体的实施例中，圆锥形切削元件的后倾角可以为零，或这另一个实施例中，圆锥形切削元件的后倾角可以为负。在具体的实施例中，圆锥形切削元件的后倾角可以在从-10°至10°的范围内，在具体的实施例中，圆锥形切削元件的后倾角可以在从0°至10°的范围内，以及在可选的实施例中，圆锥形切削元件的后倾角可以在从-5°至5°的范围内。在各种实施例中，另外，圆锥形切削元件的侧倾角可以在从大约-10°至10°的范围内。 [0066] 除了轴线相对于地层的方向之外，圆锥形切削元件的侵蚀性还可以依赖于顶角或具体地依赖于地层与圆锥形切削元件的引导部（leading portion）之间的角度。由于圆锥形切削元件的圆锥形形状，因此不存在引导刃；然而，可以确定圆锥形切削表面的引导线为当钻头旋转时在沿着圆锥形切削刃面上的每一个轴向点处圆锥形切削元件的最先点（the firstmost points）。在另一种方式中，可以沿着在钻头的旋转的方向上的平面中获取圆锥形切削元件的横截面，如图14所示。可以相对于地层考虑圆锥形切削元件144在这种平面中的引导线145。圆锥形切削元件144的撞击角被定义为形成在圆锥形切削元件144的引导线145与正在被切削的地层之间的角度α。撞击角将基于后倾角和锥角变化，因此圆锥形切削元件的撞击角可以被计算为后倾角减去锥角的一半(即，α=BR-(0.5x锥角))。 [0067] 再参照图7，可以以不同的露出高度设置牙轮142和圆锥形切削元件144也在本公开的保护范围内。具体地，在具体的实施例中，至少一个牙轮142可以被设置有大于至少一个圆锥形切削元件的露出高度，其中所述至少一个圆锥形切削元件144在更具体的实施例中可以是径向相邻的牙轮142。可选地，可以以相同的露出高度设置切削元件，或者至少一个圆锥形切削元件144可以设置有大于至少一个牙轮142的露出高度，所述至少一个牙轮在更具体的实施例中可以是径向相邻的牙轮142。可以基于例如要被钻进地层的类型选择露出高度差。例如，当地层较硬时，具有较大露出高度的圆锥形切削元件144可以是优选的，而当地层较软时，具有较大露出高度的牙轮142可以是优选的。进一步地，露出差可以允许在地层类型之间的过渡时更好的钻进。如果牙轮具有较大的露出高度(用于钻通较软地层)，则当冲击不同地层类型时所述牙轮变钝，并且牙轮变钝可以允许圆锥形切削元件的接合。 [0068] 进一步地，与传统地适合于钻井(斜面达到足以最小化破碎的可能)相比较，圆锥形切削元件144和牙轮142的使用可以允许牙轮142具有较小的斜面切削刃。例如，牙轮142可以被磨成(～0.001英寸斜面长度)或可以具有最多大约0.005英寸的斜面长度。 然而，可以使用较大斜面(大于0.005英寸)也在本公开的范围内。 [0069] 虽然图9-11所示的实施例显示了基本上在钻头的中心线附近延伸的切削元件(和/或与中心线相交的刀片)，然而钻头的中心区域可以保持没有切削结构(和刀片)也在本公开的保护范围内。图20中显示了这种钻头的示例性切削元件布局。参照图20，牙轮142和圆锥形切削元件144位于不与钻头的中心线相交的刀片146上，而是在刀片之间在钻头的没有切削元件的该中心部分148中形成一空腔。可选地，本公开的各种实施例可以包括芯型切削元件，例如，授予本受让人并通过引用在此全文并入供参考的美国专利No.5,655,614中所述的类型。这种切削元件可以具有类似于牙轮142的圆柱形形状或类似于圆锥形切削元件144的圆锥形切削刃。 [0070] 本公开的一些实施例可以涉及牙轮和圆锥形切削元件的混合使用，其中牙轮彼此远离间隔开，并且圆锥形切削元件设置在两个径向相邻的牙轮之间的中间位置。在实施例(包括上述实施例)中的牙轮142之间的间距可以被认为是在同一刀片上的两个相邻牙轮142之间或当所有切削元件旋转到单个平面图时两个径向相邻的牙轮142之间的间距。 [0071] 例如，参照图21，钻头100可以包括上面具有多个牙轮142和多个圆锥形切削元件144的多个刀片140。如图所示，牙轮142和圆锥形切削元件144以交替方案设置在每一个刀片140上。相对于同一刀片上的彼此相邻的两个牙轮142(且圆锥形切削元件144在尾随位置处在所述两个牙轮142之间)，两个相邻牙轮可以彼此远离间隔开距离D，如图21中所示。在一个实施例中，D可以等于或大于牙轮直径值C的四分之一，即，1/4C≤D。在其它实施例中，D的下限可以是0.1C,0.2C,0.25C,0.33C,0.5C,0.67C,0.75C,C,或1.5C中的任一个，而D的上限可以是0.5C,0.67C,0.75C,C,1.25C,1.5C,1.75,或2C中的任一个，其中任何下限可以与任何上限组合。圆锥形切削元件144可以在刀片140上设置在两个牙轮(在同一刀片或在两个或更多个不同刀片上在相对于牙轮的引导或尾随位置)之间的径向中间位置处以保护刀片表面和/或有助于地层的刮削。 [0072] 相邻牙轮142之间的具体间距的选择可以基于刀片的数量，例如和/或当所有牙轮旋转到旋转剖面图中时径向相邻的牙轮之间的期望的重叠范围。例如，在一些实施例中，理想的是在钻头100上的所有牙轮142之间具有全井底覆盖程度(在由牙轮142形成的切削轮廓中没有间隙)，而在其它实施例中，理想的是在至少一些牙轮142之间具有至少部分地由圆锥形切削元件144填充的一间隙148，如图22中所示。在一些实施例中，径向相邻的牙轮142(当旋转到单个平面中时)之间的宽度可以在从0.1英寸达到牙轮的直径(即，C)的范围。在其它实施例中，牙轮142(当旋转到单个平面中时)之间的宽度的下限可以是0.1C,0.2C,0.4C,0.5C,0.6C,或0.8C中的任一个，而牙轮142(当旋转到单个平面中时)之间的宽度的上限可以是0.4C,0.5C,0.6C,0.8C或C中的任一个，其中任何下限可以与任何上限结合。 [0073] 在其它实施例中，径向相邻的(在旋转视图中)的牙轮142的切削刃143可以至少彼此相切，如图23所示，其中图23显示了当旋转到单个平面中时从钻头(未显示)的纵向轴线L向外延伸的牙轮142的切削轮廓146的另一个实施例。虽然未示出，但是圆锥形切削元件可以包括在任意两个径向相邻的牙轮142(在旋转视图中)之间，如上所述。如图24所示，其显示了当旋转到单个平面中时从钻头(未显示)的纵向轴线L向外延伸的牙轮142的切削轮廓146的另一个实施例，径向相邻(在旋转视图中)的牙轮142的切削刃143可以重叠范围V。虽然未示出，但是圆锥形切削元件可以包括在任意两个径向相邻的牙轮142(在旋转视图中)之间，如上所述。重叠V可以被定义为沿大致平行于切削轮廓146的相应部分的重叠的牙轮142的切削面的距离。在一个实施例中，两个径向相邻(在旋转视图中)的牙轮142之间的重叠V的上限可以等于牙轮的半径(或牙轮直径C的一半)，即，V≤C/2。在其它实施例中，重叠V的上限可以基于半径(C/2)和存在于钻头上的刀片的数量，具体地半径除以刀片的数量，即，C/2B，其中B是刀片的数量。因此，对于双刀片式钻头来说，重叠V的上限可以为C/4，而对于四刀片式钻头来说，重叠V的上限可以是C/8。因此，V可以通常在从0 [0074] 在一个示例性实施例中，牙轮的切削面可以具有大于圆锥形切削元件的末端的延伸高度(即，与备用切削元件相比较，“轮廓上”主切削元件接合更大的地层深度，而备用切削元件是“脱离轮廓”的)。在其它实施例中，圆锥形切削元件可以具有大于常规牙轮的高度。如这里所使用的，术语“脱离轮廓”可以用于表示从牙轮支撑表面(例如，切削元件，切削深度限制器等)延伸的结构，所述结构具有小于限定给定刀片的最外侧切削轮廓的一个或更多个其它切削元件的延伸高度的延伸高度。如这里所使用的，术语“延伸高度”用于描述切削面从与所述切削面连接的刀片的牙轮支撑表面延伸的距离。在一些实施例中，备用切削元件可以与主切削元件在相同的露出高度处，但是在其它实施例中，主牙轮可以具有在备用牙轮以上的更大的露出或延伸高度。这种延伸高度可以在例如从0.005英寸达到C/2(牙轮的半径)的范围内。在其它实施例中，延伸高度的下限可以是0.1C,0.2C,0.3C,或0.4C中的任一个，而延伸高度的上限可以是0.2C,0.3C,0.4C,或0.5C中的任一个，其中任何下限可以与任何上限一起使用。另外的延伸高度可以用在涉及使用圆锥形切削元件和牙轮的以上实施例中的任一个中。 [0075] 以上实施例中的任一个可以使用非圆锥形但也非平坦的刮削切削元件代替圆锥形切削元件，即，切削元件具有可以刮削地层的顶部，例如凿状、穹顶状、截头圆锥状、或小平面切削元件等，也在本发明的保护范围内。 [0076] 进一步地，本公开的各种实施例还可以包括孕镶金刚石切削装置（diamond impregnated cutting means）。这种金刚石孕镶以是孕镶在刀片内的形式或由孕镶金刚石材料形成的切削元件的形式。具体地，在具体的实施例中，诸如美国专利No.6,394,202和美国专利公开出版物No.2006/0081402中所述的经常在现有技术中作为砂砾热压(GHI)的孕镶金刚石硬合金齿可以安装在凹穴中，所述凹穴大致垂直于刀片的表面形成在刀片中并通过钎焊、粘结剂诸如过盈配合的机械法等固定，这类似于GHI在孕镶金刚石钻头中的使用，如在美国专利No.6,394,202中所述，或者硬合金齿（inserts）可以并排位于刀片内。进一步地，本领域的技术人员将认识到上述任何组合的切削元件的可以固定到本公开的任一个刀片。在具体的实施例中，至少一个预先形成的孕镶金刚石硬合金齿或GHI可以放置在至少一个圆锥形切削元件的备用位置(即，后面)。在另一个具体的实施例中，预先形成的孕镶金刚石硬合金齿可以在大致相同的径向位置处设置在每一个圆锥形切削元件的备用或尾随位置。在具体的实施例中，预先形成的孕镶金刚石硬合金齿以低于圆锥形切削元件的露出高度设置在圆锥形切削元件的备用或尾随位置。在具体的实施例中，孕镶金刚石硬合金齿设置成在圆锥形切削元件的顶部以下大约0.030英寸到0.100英寸。进一步地，孕镶金刚石硬合金齿可以具有各种形状。例如，在各种实施例中，孕镶金刚石元件的上表面可以是平坦的、穹顶形、或圆锥形以接合地层。在具体的实施例中，具有穹顶形上表面或圆锥形上表面。 [0077] 包括孕镶金刚石硬合金齿或刀片的这种实施例中，这种孕镶材料可以包括分散在诸如以下详细描述的材料的连续基质内的少量磨蚀颗粒。进一步地，这种预先形成的硬合金齿或刀片可以由如美国专利公开出版物No.2006/0081402和美国申请No.11/779,083,No.11/779,104和No.11/937,969中所述的包封颗粒。少量磨蚀颗粒可以选自人造金刚石、天然金刚石、回收的天然或人造金刚石、砂砾、立方氮化硼(CBN)、热稳定聚晶金刚石(TSP)、碳化硅、氧化铝、工具钢、碳化硼或其组合。在各种实施例中，刀片的特定部分可以浸渍有所选择的颗粒以与后部相比产生具有更大磨蚀性的前部(或反之亦然)。 [0078] 浸渍颗粒可以分散在由基质粉末和粘结剂材料(粘结剂粉末和/或渗透粘结剂合金)形成的连续基质中。基质粉末材料可以包括使用本领域的技术人员公知的任何技术的碳化物组分和/或金属合金的混合物。例如，基质粉末材料可以包括宏晶碳化钨颗粒、渗碳碳化钨颗粒、铸造碳化钨颗粒和烧结碳化钨颗粒中的至少一种。在其它实施例中，可以使用由钒、铬、钛、钽、铌形成的非碳化钨以及过渡金属族形成的其它碳化物。在又一个实施例中，可以使用IVA族、VA族或VIA族金属的碳化物、氧化物和氮化物。通常，粘结相可以由粉末成分和/或渗透成分形成。在本发明的一些实施例中，硬颗粒可以与诸如钴、镍、铁、铬、铜、钼、及其合金及其组合的粉末粘结剂组合使用。在各种其它实施例中，渗透粘结剂可以包括Cu-Mn-Ni合金、Ni-Cr-Si-B-Al-C合金、Ni-Al合金、和/或Cu-P合金。在其它实施例中，除了按重量计算数量在从30%至100%的范围内的至少一种粘结剂之外，渗透基质可以包括按重量计算数量在从0%至70%的范围内的碳化物，以促进基质和浸渍材料的粘结。进一步地，即使在没有提供孕镶金刚石(孕镶金刚石以预先形成的硬合金齿的形式提供)的实施例中，这些基质也可以用于形成刀片结构，其中本公开的切削元件被用于所述刀片结构上。 [0079] 以下参照图15A-C，图15A-C显示了可以是这里公开的实施例中的任一个中的圆锥形切削元件的变形例。设置在钻头或扩眼器上的圆锥形切削元件128(图15A-15C示出了所述圆锥形切削元件128的变形例)具有在衬底134(例如，烧结碳化钨衬底)上的金刚石层132，其中金刚石层132形成圆锥形金刚石工作表面。具体地，圆锥形几何形状可以包括正切地连接顶点的曲率的侧壁。圆锥形切削元件128可以以类似于在形成金刚石增强硬合金齿(在牙轮钻头中使用)中使用的方法类似的方法形成或可以将部件钎焊在一起。金刚石层132与衬底134之间的界面(未单独示出)可以是非平坦或非均一的，例如用于有助于在操作中减小金刚石层132与衬底134的分层的产生并提高元件的强度和耐冲击性。本领域的技术人员将认识到所述界面可以包括一个或多个凸起或凹入部，如本领域所公知的非平坦界面。此外，本领域的技术人员将认识到使用一些非平坦界面可以允许金刚石层在层的末端区域具有更大的厚度。进一步地，理想的是产生界面几何形状使得金刚石层在包围金刚石增强元件与地层之间的主要接触区域的临界区域处最厚。可以用于本公开的金刚石增强元件的另外的形状和界面包括美国专利公开出版物No.2008/0035380中所述的形状和界面，其中所述专利公开出版物通过引用在此全文并入。进一步地，金刚石层132可以由包括例如多晶金刚石、多晶立方氮化硼、热稳定聚晶金刚石(通过对由诸如钴的金属形成的多晶金刚石或由具有低于钴的热膨胀系数的金属形成的多晶金刚石进行处理形成)的任何多晶超级研磨材料形成。 [0080] 如上所述，圆锥形切削元件的顶点可以具有包括曲率半径的曲率。在本实施例中，曲率半径可以在从大约0.050至0.125的范围内。在一些实施例中，曲率可以包括可变曲率半径、抛物线的一部分、双曲线的一部分、垂链线的一部分、或参量样条（parametric spline）。进一步地，参照图15A-B，锥形端的锥角β可以改变，并且基于要被钻进的具体地层选择所述锥角β。在具体的实施例中，锥角β可以在从大约75度至90度的范围内。 [0081] 以下参照图15C，图15C显示了非对称或倾斜圆锥形切削元件。如图15C所示，圆锥形切削元件128的切削圆锥形切削刃部135具有不与衬底134的轴线同轴的轴线。在具体的实施例中，至少一个非对称圆锥形切削元件可以用在所述的钻头或扩眼器中的任一个上。可以选择非对称圆锥形切削元件以更好地将来自地层的作用在切削元件上的法向或反作用力与切削末端轴线对齐，或者以改变圆锥形切削元件相对于地层的侵蚀性。在具体的实施例中，形成在切削刃或锥体轴线与衬底的轴线之间的角度γ可以在从37.5度至45度的范围内，且尾随侧的角度比引导角大5-20度。参照图17，非对称(即，倾斜)圆锥形切削元件的后倾角165基于圆锥形切削刃的轴线，所述圆锥形切削刃的轴线没有穿过圆锥形切削刃的基部的中心。撞击角167如上所述基于圆锥形切削元件的侧壁的引导部与地层之间的角度。如图17所示，通过顶点的切削刃轴线远离钻头的旋转方向指向。 [0082] 参照图16A-C，圆锥形切削元件144与切削刃135的顶点139相邻的一部分可以使切削元件呈斜面或磨掉以在切削元件上形成倾斜表面138。例如，可以从倾斜表面与正交于圆锥形切削元件的顶点的平面之间的角度测量斜面的倾斜切削角。基于期望的侵蚀性，倾斜切削角可以在从15度至30度的范围内。如图16B和16C所示，显示了17度和25度的倾斜切削角。进一步地，斜面的长度可以例如基于倾斜切削角以及顶角。 [0083] 除了切削元件144中金刚石层132与碳化物衬底134之间的非平坦界面之外或作为所述界面的可替换方案，圆锥形切削元件的一个具体实施例可以包括不正交于如图19所示的衬底主体轴线以产生非对称性金刚石层的界面。具体地，在这种实施例中，在圆锥形切削元件的一半上的金刚石的体积大于在圆锥形切削元件的另一半上的金刚石的体积。相对于基部的界面的角度的选择可以基于例如具体的后倾角、撞击角、顶角、圆锥形切削刃的轴线，以最小化在金刚石-碳化物界面上的剪切力的大小，并相反使界面具有大于切应力的压缩应力。 [0084] 如本公开全文所述，切削元件和切削结构组合可以用在固定切齿刃钻头或扩眼器上。图25显示了包括本公开的一个或多个切削元件的扩眼器830的通常结构。扩眼器830包括工具主体832和绕该工具主体832的圆周设置在选择的方位角位置处的多个刀片838。扩眼器830整体上包括连接装置834,836(例如，螺纹连接装置)，使得扩眼器830可以联接到例如包括钻柱和/或井底钻具组合(BHA)(未示出)的相邻钻具。工具主体832大致包括通过所述工具主体832的孔，使得当从地面将钻井液泵送(例如，从地面泥浆泵(未示出))到井眼(未示出)的底部时，所述钻井液可以流动通过扩眼器830。工具主体832可以由钢或由本领域所公知的其它材料形成。例如，工具主体832还可以由渗透有粘结剂合金的基质形成。 [0085] 图25中所示的刀片是螺旋刀片并且整体上以大致相等角间隔绕工具主体的圆周定位，使得扩眼器830。该布置不是对本发明的保护范围的限制，而是相反仅用于说明性目的。本领域的普通技术人员将认识到可以使用任何现有技术的井下切削工具。虽然图25没有详细示出圆锥形切削元件的位置，但是可以基于上述变形例在工具上放置所述圆锥形切削元件。 [0086] 此外，除了诸如扩孔器、扩眼器、扶正器等的井下工具应用之外，与现有技术钻头相比较，使用根据本发明的各种实施例的诸如这里公开的切削元件的钻头可以在高转速方面具有改进的钻井特性。当钻头通过涡轮、液压马达转动或用在高转速应用中时，这种高转速是典型的。 [0087] 此外，本领域的普通技术人员将认识到对本公开的切削元件的尺寸没有限制。例如，在各种实施例中，切削元件的尺寸可以形成为包括但不限于9mm、13mm、16mm、和19mm。切削元件尺寸的选择可以基于例如要被钻进的地层的类型。例如，在软地层中，理想的是可以使用大切削元件，而在硬地层中，理想的是可以使用小切削元件。 [0088] 进一步地，上述实施例中的任一个中的牙轮142可以是诸如美国专利No.7,703,559、美国专利公开出版物No.2010/0219001和美国专利申请No.61/351,035中所公开的可旋转切削元件的可旋转切削元件也在本公开的保护范围内，其中所述申请被转让给本受让人并通过引用在全文此并入。 [0089] 进一步地，虽然上述多个实施例描述了牙轮和圆锥形切削元件位于彼此不同的径向位置，但是期望是圆锥形切削元件可以在径向相邻牙轮之间等间距间隔开(或反之亦然，相对于圆锥形切削元件之间的牙轮间距)，然而还可设想的是还可以使用非等间距间隔。进一步地，圆锥形切削元件和牙轮可以位于相同的径向位置，例如在同一刀片上，使得一个尾随另一个的方案也在本公开的保护范围内。 [0090] 本公开的实施例可以包括一个或多个以下优点。本公开的实施例可以提供能够以经济ROP实际地钻入具有大于可以采用常规PDC钻头的硬度的地层中的固定切齿刃钻头或其它固定切齿刃切削工具。更具体地，本实施例可以钻入软、中间、中等硬度地层中，并且甚至钻入一些硬地层中，同时保持侵蚀性切削元件轮廓以保持可接受ROP持续可接受的持续时间并因此降低当前行业中的钻井成本。具有圆锥形切削元件的剪切牙轮的组合可以通过产生沟槽(通过圆锥形切削元件)以削弱岩石然后通过剪切牙轮随后的作用挖掘所述岩石来进行钻进。此外，其它实施例还可以通过切削机理到研磨的转变(通过包括孕镶金刚石)提供增强的耐用性。进一步地，圆锥形切削元件的各种几何结构和位置可以用于在使用期间优化圆锥形切削元件的使用，尤其地减小或最小化在钻进期间切削元件上的有害载荷和应力。 [0091] 虽然已经相对于有限的实施例描述了本发明，但是得益于本公开的本领域的技术人员将认识到可以设计不背离如这里公开的本发明的保护范围的本发明的其它实施例。因此，本发明的保护范围应该仅由所附权利要求限制。 |
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