PDC钻头上的牙轮的放置 |
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| 申请号 | CN201280067795.7 | 申请日 | 2012-11-20 | 公开(公告)号 | CN104066919B | 公开(公告)日 | 2016-12-07 |
| 申请人 | 史密斯国际有限公司; | 发明人 | Y·张; M·G·阿萨尔; | ||||
| 摘要 | 一种切割工具可包括工具主体和多个可旋转切割元件；该工具主体具有径向延伸的多个刀片，该多个可旋转切割元件安装在该多个刀片中的至少一个上，其中，该多个可旋转切割元件以大约10度到大约30度或-10度到大约-30度的侧倾 角 度在切割工具的鼻部和/或肩部区域中安装在所述至少一个刀片上。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种切割工具，包括： |
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| 说明书全文 | PDC钻头上的牙轮的放置技术领域背景技术[0002] 用于穿过地质地层钻出井眼的钻头通常在钻头结构的两大类之一内形成。第一种类型的钻头通常称为“牙轮”钻头，其包括钻头主体，该钻头主体具有可旋转地安装至钻头主体的一个或多个牙轮。钻头主体通常由钢或其它高强度材料形成。牙轮也通常由钢或其它高强度材料形成，且包括布置在牙轮附近所选位置处的多个切割元件。切割元件可以由与牙轮相同的基材形成。这些钻头通常称为“铣齿”钻头。其它的牙轮钻头包括“镶齿”切割元件，其压力(干涉)配合至形成的孔中和/或机械加工至牙轮中。镶齿可以由例如碳化钨、天然或合成的金刚石、氮化硼或硬材料或超硬材料中的一个或组合来形成。 [0003] 第二种类型的钻头通常称为“固定切割器”或“刮刀”钻头。这种钻头没有移动的元件，而具有由钢或另一种高强度材料形成的钻头主体和在所选位置处附连到钻头主体的切割器(有时被称为切割器元件、切割元件或镶齿)。例如，切割器可形成有由碳化物(例如，碳化钨)制成的基体或支撑柱以及由沉积在基体上的或在界面处结合到基体的多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成的超硬切割表面层或“台面”。 [0004] 图1a中示出了具有包括超硬工作表面的多个切割器的现有技术刮刀钻头的一个实例。钻头10包括钻头主体12和形成在钻头主体12上的多个刀片14。刀片14由通道或缝隙16分开，以使得钻井流体能在它们间流动并清洁和冷却刀片14和切割器18。切割器18以预定的角度方位和径向位置保持在刀片14中，以使工作表面20相对于待钻的地层具有需要的后倾角度。典型地，工作表面20通常垂直于圆柱切割器18的轴线19和侧表面21。因此，工作表面20和侧表面21汇合或相交以形成圆周布置的切割边缘22。 [0005] 喷嘴23典型地形成在钻头主体12中且位于缝隙16中，使得可在切割刀片14之间泵送流体以在所选的方向上且以所选的流动速率排放钻井流体用于润滑和冷却钻头10、刀片14以及切割器18。钻井流体也随着钻头旋转和穿透地质地层而清洁和去除钻屑。定位缝隙(其也可称作“液体通道”)，用以为钻井流体提供额外的流动通道并且用以为地层钻屑提供通道，以经过钻头10朝向井眼的地面(未示出)行进。 [0006] 钻头10包括柄部24和冠部26。柄部24典型地由钢或基质材料形成，且包括螺纹销部28用于附连到钻柱。冠部26具有切割面30和外部侧表面32。选择用于形成钻头主体的特别材料以提供足够的韧性，同时提供良好的耐研磨和耐腐蚀磨损性。例如，在使用超硬切割器的情形下，钻头主体12可由在合适的模具形式之内渗入结合剂合金的粉末状碳化钨(WC)制成。在一种制造工艺中，冠部26包括多个孔洞或凹坑34，其尺寸和形状适于接收相应的多个切割器18。 [0007] 切割器18的组合的多个表面20有效地形成了钻头10的切割面。一旦形成冠部26，则将切割器18布置在凹坑34中，且通过任何合适的方法固定，例如，通过铜焊、结合剂、机械措施(例如，干涉配合方式)等。描述的设计提供了相对于冠部26的表面倾斜的凹坑34。凹坑34被倾斜，使得切割器18被定向成使工作面20在钻头10的转动方向上以需要的倾角定向，以便增强切割。应理解的是，在一种可选的结构中(未示出)，每一个切割器可大体上垂直于冠部的表面，而超硬表面在切割器主体或柱上以一定的角度固定至基体，使得在工作表面处达到需要的倾角。 [0008] 图1b中示出了一种典型的切割器18。该典型的切割器18具有圆柱形的硬质碳化物基体主体38，其具有端面或上表面54，在本文中称为“界面表面”54。超硬材料层(切割层)44(例如，多晶金刚石或多晶立方氮化硼层)形成工作表面20和切割边缘22。超硬材料层44的底表面52结合到基体38的上表面54上。底表面52和上表面54在本文中总称为界面46。切割层44的顶部暴露表面或工作表面20与底表面52相反。切割层44典型地具有平坦的或平面的工作表面20，但是也可具有弯曲的暴露表面，其在切割边缘22处与侧表面21汇合。 [0009] 一般说来，用于制作切割器18的工艺使用碳化钨主体作为基体38。碳化物主体放置成邻近于超硬材料颗粒层(例如，金刚石或立方氮化硼颗粒)且该组合在使超硬材料颗粒热力学稳定的压力下经受高温。这导致再结晶和多晶超硬材料层(例如，多晶金刚石或多晶立方氮化硼层)直接形成在硬质碳化钨基体38的上表面54上。 [0010] 用于固定的切割器钻头的超硬工作表面20的一种类型如上文所描述地形成有位于碳化钨基体上的多晶金刚石，通常称为多晶金刚石复合片(PDC)、PDC切割器、PDC切割元件、或PDC镶齿。使用上述PDC切割器18的钻头通常称为PDC钻头。尽管切割器或切割器镶齿18通常使用圆柱形的碳化钨“坯”或基体38形成，该坯或基体38足够长以作为安装柱40，但基体38也可以是在另一个界面处结合到另一个金属安装柱40的中间层。 [0011] 超硬工作表面20由多晶金刚石材料形成，成在界面46处结合到基体38的切割层44(有时称为“台面”)的形式。超硬层44的顶部提供工作表面20，且超硬层切割层44的底部在界面46处固定至碳化钨基体38。基体38或柱40被铜焊或以其它方式结合在钻头主体12的冠部上的所选位置(图1a)。如上文参考附图1a所讨论的，PDC切割器18典型地保持且铜焊到形成在钻头主体中的预定位置处的凹坑34中，为了接收切割器18的目的且使它们与地质地层成一定的倾角。 [0012] 使用常规PDC切割器18的钻头10有时在磨损性和硬岩石中钻井时通常遭遇的切割器温度下不能维持足够低的磨损速率。这些温度可影响钻头10的寿命，尤其当温度达到700-750℃时，这导致超硬层44或PDC切割层的结构故障。PDC切割层包括单独的金刚石“晶体”，其是互相连接的。单独的金刚石晶体因此形成晶格结构。金属催化剂(例如钴)可用于促进金刚石微粒的再结晶和晶格结构的形成。因此，钴微粒通常在金刚石晶格结构中的间隙空间之内发现。钴与金刚石相比具有显著不同的热膨胀系数。因此，加热金刚石台面时，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，这会引起裂缝形成在晶格结构中且导致金刚石台面劣化。 [0013] 申请人已发现，在钻井期间，很多切割器18在切割层经受最高负载的区域处出现超硬材料切割层44的开裂、剥落、崩刃以及部分破裂。这个区域在本文中称为“关键区域”56。关键区域56包括超硬材料层44的在钻井期间接触地质地层的部分。关键区域56在钻井期间经受来自动态正常负载的高幅度应力和施加在超硬材料层44上的剪切负载。因为切割器典型地以一定倾角嵌入刮刀钻头中，因此关键区域包括接近该层的圆周边缘22的一部分且包括该层的圆周边缘22的一部分的超硬材料层的一部分，其在钻井期间与地质地层接触。 [0014] 关键区域56处的高幅度应力单独或与其它因素(例如，残留热应力)一起可以导致穿过切割器18的超硬层44的裂缝58开始生长。足够长度的裂缝可引起足够大块的超硬材料的分离，使得切割器18无效或导致切割器18故障。当发生这种情况时，可能必须终止钻井操作以允许刮刀钻头的回收和无效或失效切割器的更换。高应力、特别的剪切应力还可导致超硬层44在界面46处脱层。 [0015] 在一些刮刀钻头中，PDC切割器18固定到钻头10的表面上，使得普通的切割表面在钻井期间接触地层。超时和/或当对某些硬的但不必定高度磨损性岩石地层钻井时，始终接触地层的工作表面20的边缘22开始磨损，形成局部磨损平面，或与切割元件的剩余部分不成比例磨损的区域。由于钻头有效穿透工作材料能力的降低和由切割元件的边缘的磨钝引起的穿透速率的缺失，局部磨损平面可导致较长的钻井时间。也就是说，磨损的PDC切割器作为产生热量的摩擦承受表面，其加速了PDC切割器的磨损且减慢了钻井的穿透速率。由于常规的PDC切割器不能够充足地接合且高效地从接触区域去除地层材料，这样的平面表面有效地阻止或严重地降低了地层切割的速率。此外，切割器典型地处于恒定的热负载和机械负载之下。最终，热量沿着切割表面累积且导致切割元件破裂。当切割元件断裂时，钻井操作可能经受穿透速率的损失，且断裂的切割元件接触第二切割元件时对其它切割元件也会造成额外损坏。 [0016] 此外，决定PDC切割器的寿命的另一个因素是在切割器接触点处的热量的产生，特别是在PDC层的暴露部分处，该热量由在PCD与工作材料之间的摩擦产生。该热量对PCD引起裂缝形式的热损坏，这导致多晶金刚石层的剥落、在多晶金刚石与基体之间的脱层以及金刚石向石墨的反转换而引起快速的研磨磨损。常规PDC切割器的热操作范围典型地是750℃或更小。 [0017] 在美国专利No.4553615中公开了一种用于刮刀钻头的可旋转切割元件，其以增加切割元件的寿命且允许增加的磨损和去除钻屑为目标。在｀615专利中公开的可旋转切割元件包括具有碳化物轴的碳化物支撑层上的金刚石微粒聚集薄层，其可枢转地安装在钻头中的孔中，可选地通过环形衬套。由于显著增加了负载和穿透速率，｀615专利的切割元件很可能以几种故障模式中的一种发生损坏。首先，金刚石的薄层易于崩刃且快速磨损。第二，切割元件的几何形状将可能不能抵抗重负载，这会导致元件沿着碳化物破裂。第三，可旋转部的保持能力很弱且可引起可旋转部在钻井期间脱落。第四，现有技术没有公开钻头主体上的可旋转切割元件的位置优化。 [0018] 因此，对于可保持冷却且避免产生局部磨损平面的切割元件、以及那些切割元件在钻头上或其它切割工具上的结合而言存在着不断地需求。发明内容 [0020] 在一个方面，本文公开的实施例涉及一种切割工具，其包括工具主体和多个可旋转切割元件；该工具主体具有径向延伸的多个刀片，该多个可旋转切割元件安装在该多个刀片中的至少一个上，其中，该多个可旋转切割元件以正向盘旋配置方式安装在该至少一个刀片上，且该多个可旋转切割元件中的每一个具有负的侧倾角度。 [0021] 在另一个方面，本文公开的实施例涉及一种切割工具，其包括工具主体和多个可旋转切割元件；该工具主体具有径向延伸的多个刀片，该多个可旋转切割元件安装在该多个刀片中的至少一个上，其中，该多个可旋转切割元件以反向盘旋配置方式安装在该至少一个刀片上，且该多个可旋转切割元件中的每一个具有正的侧倾角度。 [0022] 在又一个方面，本文公开的实施例涉及一种切割工具，其包括工具主体和多个可旋转切割元件；该工具主体具有径向延伸的多个刀片，该多个可旋转切割元件安装在该多个刀片中的至少一个上，其中，该多个可旋转切割元件以大约10度到大约30度或-10度到大约-30度的侧倾角度在切割工具的鼻部和/或肩部区域中安装在所述至少一个刀片上。 附图说明[0024] 图1A示出了常规的固定切割器钻头的透视图。 [0025] 图1B示出了常规的PDC切割器的透视图。 [0026] 图2A-2B示出了根据本文公开的一个实施例的切割元件的示意图。 [0027] 图3A-3B示出了根据本文公开的一个实施例的切割元件的示意图。 [0028] 图4示出了根据本文公开的一个实施例的切割元件的示意图。 [0029] 图5示出了根据本文公开的一个实施例的在刀片上的切割元件的示意图。 [0030] 图6示出了根据本文公开的一个实施例的钻头型廓。 [0031] 图7A-7C示出了根据本文公开的实施例的切割元件组件的放大视图和剖视图。 [0032] 图8示出了常规的切割元件中的磨损平面的产生过程。 [0033] 图9A-9B示出了根据本文公开的实施例的钻头的剖面图。 [0034] 图10示出了根据本文公开的实施例的钻头的旋转剖面图。 [0035] 图11示出了根据本文公开的一个实施例的钻头型廓。 [0036] 图12A-12D示出了钻头型廓和在该钻头上的切割元件的侧倾角度的相应曲线图。 [0037] 图13示出了刮刀钻头的局部剖视图，仅说明了旋转到单个剖面中的可旋转切割元件。 具体实施方式[0038] 在一个方面，本文公开的实施例涉及使用可旋转切割结构的钻头设计。具体地讲，本文公开的实施例涉及通过将可旋转切割元件以特别的布置方式放置在钻头上而改进钻头的寿命。 [0039] 通常，本文描述的可旋转切割元件(也称为牙轮)允许该切割元件的至少一个表面或部分随着该切割元件接触地层而旋转。当切割元件接触地层时，切割动作可允许切割元件的一部分绕着延伸通过该切割元件的切割元件轴线而旋转。切割结构的一部分的旋转可允许切割表面使用切割表面的整个外边缘来切割地层，而不是如常规的切割元件中所观察到的外边缘的相同区段。下文的讨论描述了可旋转切割元件的各种实施例；但是本公开不限于此。本领域技术人员将理解，任何能够旋转的切割元件均可与钻头或本公开的其它切割工具一起使用。 [0040] 内部可旋转切割元件的旋转可通过侧部切割力和支承表面之间的摩擦力来控制。如果侧部切割力产生能克服来自摩擦力的扭矩的扭矩，可旋转部分将具有旋转运动。侧部切割力可受到切割器侧倾角、后倾角和几何形状(包括本文公开的工作表面图案)的影响。 此外，侧部切割力可受到切割元件构件的表面的表面精加工、地层的摩擦特性以及钻井参数(例如切割的深度)的影响。支承表面处的摩擦力可受到例如表面精加工、泥浆侵入等等的影响。可选择本文公开的可旋转切割器的设计以确保侧部切割力克服摩擦力以允许可旋转部分旋转。本公开的各种设计考虑因素以及牙轮的示例性切割器在下文描述。 [0041] 牙轮的放置 [0042] 根据本公开的实施例，钻头设计考虑因素可包括牙轮在钻头上的放置方式。钻头上的牙轮的放置设计可包括：首先，预测钻头上的常规切割器(固定切割器)磨损最频繁或快速发生的位置。例如，固定切割器磨损可使用工程和设计软件(例如I-DEAS，“Integrated Design and Engineering Analysis Software”或CAD软件)来预测。这种工程和设计软件还可用于使用牙轮的各种放置方式来优化钻头稳定动力学特性。固定切割器磨损还可通过观察和/或测量模拟钻头上的磨损平面尺寸来预测。尤其，当具有常规的固定切割器的钻头接触和切割土质地层时，固定切割器的切割表面和切割边缘可磨损和形成磨损平面。图8中示出了固定切割器2300中的磨损平面2305产生的实例。 [0043] 一旦预测了固定切割器磨损，可根据固定切割器磨损发生的位置来设定牙轮的放置标准。例如，根据本公开的实施例，牙轮放置设计可包括用牙轮替换具有最大量磨损的固定切割器。在一个实施例中，牙轮放置设计可包括用牙轮替换经历最大量磨损的固定切割器的总数量的一半。进一步地，在其它实施例中，牙轮放置设计可包括仅在钻头的特定刀片上用牙轮替换固定切割器。 [0044] 根据本公开的实施例，可设定牙轮放置设计标准，使得钻头上的牙轮和固定切割器具有多设定配置方式。具有多设定配置方式的钻头具有相对于钻头轴线处于至少一个径向位置处的多于一个的切割元件。换句话说，至少一个切割元件包括相对于钻头轴线布置在大约相同的径向位置处的“备用(back up)”切割元件。例如，参考图9A和9B，示出了具有多个切割刀片2410的钻头2400的正侧视图，其中，钻头沿方向R旋转。主刀片2410a从大体上邻近钻头的纵向轴线A朝钻头的周边径向延伸。从刀片2410b没有从大体上邻近钻头轴线A延伸，而是从远离钻头轴线A一定距离的位置处径向延伸。切割元件2420、2430位于刀片2410的前导侧，其中，刀片2410的前导侧面向钻头旋转方向R，刀片的后尾侧面向相反的方向。进一步地，如示出的，在多设定配置方式中切割元件2420追随切割元件2430，即，切割元件2420相对于钻头轴线A在大约相同的径向位置处为切割元件2430提供备用。切割元件 2420或切割元件2430，或者切割元件2420和切割元件2430可以是牙轮。在特别的实施例中，具有多设定切割器配置方式的钻头可具有：至少一个后尾或备用切割元件，其是可旋转的(牙轮)；以及至少一个前导或主切割元件，其为固定切割器。在另一个实施例中，具有多设定配置方式的钻头可具有：至少一个固定切割器式的后尾切割元件和至少一个牙轮式的前导切割元件。有利地，通过使用具有至少一个牙轮的多设定配置方式，切割结构可更为可靠耐用。 [0045] 进一步地，钻头可具有切割元件的单设定配置方式，其中，单设定配置方式中的每一个切割元件均位于钻头的独特径向位置处。在具有单设定配置方式的实施例中，多个牙轮可放置在相对于钻头轴线的各种独特径向位置处。例如，多个牙轮可具有正向盘旋或反向盘旋单设定配置方式，其中，牙轮放置在经历磨损的区域中。如本文所使用的，正向盘旋布局是指这样一种切割器放置方式：距离钻头中心线具有递增的径向距离的切割器以顺时针方向分布放置，而反向盘旋布局是指这样一种切割器放置方式：距离钻头中心线具有递增的径向距离的切割器以逆时针方向分布放置。在一些实施例中，切割器可以正向盘旋放置，其中，可旋转切割器至少放置在鼻部和/或肩部区域中是可旋转的；或者在特别的实施例中放置在鼻部、肩部及径规区域中；以及在更加特别的实施例中放置在锥体(cone)、鼻部、肩部及径规区域中。在一些实施例中，切割器可以反向盘旋放置，其中，可旋转切割器至少放置在鼻部和/或肩部区域中是可旋转的；或者在特别的实施例中放置在鼻部、肩部及径规区域中；以及在更加特别的实施例中放置在锥体、鼻部、肩部及径规区域中。 [0046] 此外，前导和后尾切割元件可放置在单个刀片上。但是，如在此所使用的，术语“备用切割元件”用于描述当钻头沿切割方向旋转时跟随同一刀片上的任何其它切割元件的切割元件。进一步地，如本文所使用的，术语“主切割元件”用于描述设置在刀片的前导边缘上的切割元件。换句话说，当钻头沿切割方向绕着其中心纵向轴线旋转时，“主切割元件”不追随在相同刀片上的任何其它切割元件。合适地，每一个主切割元件和可选的备用切割元件可具有任何合适的尺寸和几何形状。主切割元件和备用切割元件可以具有任何合适的位置和方位且可以是牙轮或固定切割器。在一个示例性的实施例中，备用切割元件可位于与它追随的主切割元件相同的径向位置处，或者备用切割元件可偏离它追随的主切割元件，或可使用这两者的组合。 [0047] 尤其，钻头面上的每个刀片(例如，主刀片和从刀片)提供切割器支撑表面，切割元件安装到该切割器支撑表面。主切割元件可布置在刀片的切割器支撑表面上，主刀片中的一个或多个还可具有布置在钻头的切割器支撑表面上的备用切割元件。在一个示例性实施例中，备用切割元件可设置在锥体区域中的钻头主刀片中的一个或多个的切割器支撑表面上。在不同的示例性实施例中，备用切割元件可设置在肩部和/或径规区域中的任何一个或多个从刀片的切割器支撑表面上。在另一个示例性实施例中，备用切割元件可设置在径规区域中的任何一个或多个主刀片的切割器支撑表面上。在又一个示例性实施例中，主和/或从刀片可具有布置在切割器支撑表面上的至少两排备用切割元件。 [0048] 主切割元件通常可彼此临近地以第一排放置，所述第一排径向沿着钻头的每一个主刀片且沿着钻头的每一个从刀片延伸。进一步地，备用切割元件通常可彼此临近地以第二排放置，所述第二排径向沿着肩部区域中的每一个主刀片延伸。合适地，备用切割元件形成第二排，该第二排可沿着肩部区域、锥体区域和/或径规区域中的每一个主刀片延伸。备用切割元件可放置在相同主刀片上的主切割元件之后，其中，备用切割元件追随相同主刀片上的主切割元件。 [0049] 通常，主切割元件以及备用切割元件不必成排放置，但是可以其它合适的布置方式安装，只要每一个切割元件处于前导位置(例如，主切割元件)或后尾位置(例如，备用切割元件)中。合适布置方式的实例可包括但不限于：成排、阵列方式或规则的图案、随机性、正弦曲线图案或它们的组合。进一步，在其它实施例中，附加排的切割元件可提供在主刀片、从刀片或它们的组合上。 [0050] 在本公开的一些实施例中，可设定牙轮放置设计规则，使得牙轮布置在钻头经历最大磨损的区域中。例如，牙轮可以放置在钻头的肩部区域中。参考图10，示出了钻头10的型廓39，图中显示所有刀片和所有切割元件(包括主切割元件和备用切割元件)均被旋转到单个旋转剖面中。刀片型廓39(最清晰地在图10中的钻头10的右半部中示出)可通常分成三个区域：常规标注的锥体区域24、肩部区域25以及径规区域26。锥体区域24包括钻头10的径向最内区域(例如，锥体区域24是钻头10的最中心区域)和大致从钻头轴线11延伸到肩部区域25的复合刀片型廓39。如图10所示，在大多数固定切割器钻头中，锥体区域24通常是凹状。临近锥体区域24的是肩部(或朝上弯曲的曲线)区域25。因此，钻头10的复合刀片型廓39包括一个凹状区域(锥体区域24)和一个凸状区域(肩部区域25)。在大多数固定切割器钻头中，肩部区域25通常是凸状。径向向外移动而临近肩部区域25的是径规区域26，所述径规区域26在复合刀片型廓39的外部径向周边23处平行于钻头轴线11延伸。外部半径23延伸到且因此限定钻头10的总径规直径。锥体区域24通过沿着x-轴线从中心轴线11测量的径向距离来限定。应理解，x-轴线垂直于中心轴线11且从中心轴线11径向向外延伸。锥体区域24可通过钻头10的外部半径23的百分比来限定。各钻头间，根据多种因素从中心轴线11测量的锥体区域24的实际半径可不同，所述多种因素包括但不限于钻头几何形状、钻头类型、一个或多个从刀片的位置、备用切割元件50的位置或它们的组合。凸状肩部区域25和复合刀片型廓39的轴向最低点限定刀片型廓鼻部27。在刀片型廓鼻部27处，正切线27a到凸状肩部区域25和复合刀片型廓39的斜率是0。因此，如本文所使用的，术语“刀片型廓鼻部”是指在旋转剖面视图中沿着钻头的复合刀片型廓的凸状区域的点，在该点处到复合刀片型廓的正切线的斜率是0。对于大多数固定切割器钻头(例如，钻头10)，复合刀片型廓包括仅一个凸状肩部区域(例如，凸状肩部区域25)，和仅一个刀片型廓鼻部(例如，鼻部27)。有利地，通过将牙轮放置在钻头经历最大磨损的区域中(例如在钻头的肩部区域26处)，钻头的磨损速率可得到改善。 [0051] 进一步地，在一个特别的实施例中，钻头可具有以单设定配置方式放置的切割元件，其中牙轮放置在钻头经历最大磨损的区域中。在另一个实施例中，钻头可具有以多设定配置方式放置的切割元件，其中，至少一个牙轮放置在钻头经历最大磨损的区域中。 [0052] 牙轮的位置 [0053] 本公开的钻头设计考虑因素可进一步包括钻头上牙轮的定位。钻头上的牙轮的定位设计可包括例如调整切割元件的后倾角(即，垂直方位)和侧倾角(即，横向方位)，或调整切割元件的延伸高度。 [0054] 参考图11，示出了根据一个实施例的钻头的切割结构型廓。如在此实施例中示出的，放置在刀片2602上的切割器2600可具有侧倾角或后倾角。侧倾角定义为切割面2605与钻头的径向平面(x-z平面)之间的角度。当沿着z-轴线观察时，负的侧倾角源自切割器2600的逆时针旋转，正的侧倾角源自顺时针旋转。后倾角定义为切割器2600的切割面2605与平行于钻头的纵向轴线2607的直线之间所包的角度。在一个实施例中，切割器可具有从0到±45度的侧倾角，例如5到±35度、10到±35度或15到±30度。在一个特别的实施例中，侧倾角的方向(正或负)可基于切割器分布而选择，即，切割器是以正向盘旋配置方式还是以反向盘旋配置方式布置。例如，在实施例中，如果切割器以反向盘旋布置，则可特别希望正的侧倾角度。相反地，如果切割器以正向盘旋布置，可特别希望负的侧倾角度。 [0055] 在一些实施例中，布置在钻头的鼻部和/或肩部区域中的每一个牙轮可具有从10到30度或-10到-30度的侧倾角。在其它的实施例中，布置在钻头的鼻部和/或肩部区域中的每一个牙轮可具有从20到30度或-20到--30度范围的侧倾角。在一些实施例中，在肩部的径向外侧(即，在径规区域中)的牙轮可以从5到35度或-5到-35度。在更特别的实施例中，在径规区域中的牙轮可>5度、>10度、>15度、>20度、>25度、>30度、和/或<10度、<15度、<20度、<25度、<30度、<35度，其中，上述任何角度可以是正的或负的，且任何上限可与任何下限一起使用。进一步地，在一些实施例中，切割器可放置在钻头的锥体区域中，其可具有小于20度的侧倾角，或在更特别的实施例中从10到15度。在各种实施例中，锥体区域中的切割器可固定附连或可滚动，但是如果固定或滚动，可具有上述侧倾角范围。特别理解的是，任何区域的任何侧倾角度可单独使用或与其它区域的任何其它范围组合使用。 [0056] 在另一个实施例中，切割器可以具有从大约5至35度的后倾角。在一个特别的实施例中，牙轮的后倾角度可>5度、>10度、>15度、>20度、>25度、>30度、和/或<10度、<15度、<20度、<25度、<30度、<35度，其中，任何上限可与任何下限一起使用。上述后倾角度可用于钻头的任何锥体、鼻部、肩部或径规区域中的牙轮，但是在特别的实施例中，10度与35度之间(或在更特别的实施例中，15度到35度或20到30度)的后倾角可特别合适于钻头的鼻部和/或肩部区域中的切割器。切割器可以所选的后倾角安置在刀片上，以协助去除钻屑和增加穿透速率。具有侧倾角的布置在钻头上的切割器可在钻头旋转时被沿径向和切线方向驱使向前。在一些实施例中，因为径向方向可协助可旋转切割元件的移动，因此上述的旋转可允许去除更多的钻屑，且提供改进的穿透速率。本领域普通技术人员可意识到，本公开的切割元件可使用任何的后倾角和侧倾角组合，以增强旋转性和/或改进钻井效率。 [0057] 当牙轮接触地层时，切割元件的旋转运动可以是连续的或不连续的。例如，当切割元件以确定的侧倾角和后倾角安装时，切割力可大致指向一个方向。提供定向的切割力可允许切割元件具有连续的旋转运动，这进一步提高了钻井效率。 [0058] 根据本公开，多个可旋转切割元件利用两个或多个侧倾角度布置在钻头主体上，例如三个或更多侧倾角度。在一个或多个实施例中，两个或更多个侧倾角度可变化至少1度，例如至少2度(即，最大侧倾角与最小侧倾角之间的差别)或至少5度。在一个或多个实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可从1到45度变化，例如从1度到15度、从1度到10度、或从1度到5度。在一个或多个实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可变化至少2度，例如至少3度。在一个或多个实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可从2度到10度或从2到5度变化。 [0059] 图12A-12D示出了位于钻头刀片2702上牙轮1、2、3、4和5的实例以及每一个牙轮的侧倾角度的相应曲线图。如图12B中所示，每一个牙轮1、2、3、4、5的侧倾角度随着牙轮距离钻头轴线2707更远而单调增加。有利地，通过相对于距离钻头轴线的径向距离而单调地增加牙轮的侧倾角度，距离轴线更远的牙轮可具有更快的旋转速度，因此从旋转运动中受益更多。在一个或多个实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可在从1到45度之内单调增加，例如从度1到15度、从1度到10度、或从1度到5度。在其它实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可在其它角度变量之内单调增加，例如大于45度。在一个或多个实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可单调增加至少2度，例如至少3度。在一个或多个实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可在从2度到10度或从2度到5度的范围内单调增加。 [0060] 在另一个实施例中，如图12C中示出的，牙轮1、2、3、4、5的侧倾角度可随着切割器距离钻头轴线更远而单调减小。有利地，通过相对于距离钻头轴线的径向距离而单调减小牙轮的侧倾角度，这可实现牙轮上相对相等的旋转速度，且对切割器周围的元件维持近似的磨损。在一个或多个实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可在从45度到1度的范围内单调减小，例如从15度到1度、从10度到1度或从1度到5度。在其它实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可在其它角度范围内、例如大于45度单调地减小。在一个或多个实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可单调减小至少2度，例如至少3度。在一个或多个实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可在从2度到10度或从2度到5度的范围内单调减小。 [0061] 在另一个实施例中，如图12D中示出的，牙轮的侧倾角度可符合刀片切割型廓上的磨损图案。例如，随着放置在钻头刀片的某些区域中的切割元件的切割速率增加，切割元件的侧倾角度可增加。同样，随着钻头刀片的某些区域中的切割元件经历的磨损量减小，那些切割元件的侧倾角度可减小。在一个或多个实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可在从45度到1度的范围内变化，例如从15度到1度、从10度到1度或从1度到5度。在其它实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可在其它角度变量范围内变化，例如大于45度。在一个或多个实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可变化至少2度，例如至少3度。在一个或多个实施例中，径向临近的可旋转切割元件的侧倾角度可从2度到10度或从2度到5度的范围内变化。 [0062] 具有多个本公开的牙轮的钻头可包括至少2个牙轮，例如至少3个、至少4个、至少9个或至少12个牙轮，其中，任何剩余的切割元件是常规的固定切割元件。在一个或多个实施例中，两个或多个主刀片可包括一个或多个牙轮，例如每一个主刀片可包括一个或多个牙轮。在一个或多个附加实施例中，一个或多个从刀片也可包括一个或多个牙轮，例如每一个从刀片可包括一个或多个牙轮。在一个或多个实施例中，所有的切割元件均可以是可旋转的。 [0063] 图13说明了刮刀钻头的示例性部分旋转剖面，显示出所有刀片和仅牙轮旋转到单个旋转剖面中(固定切割元件被排除)。如图13所示，牙轮85a-85f每一个均位于鼻部27和肩部区域25内的独特的径向位置处。牙轮85a具有20度的侧倾角度和24度的后倾角度。牙轮85b具有25度的侧倾角度和24度的后倾角度。牙轮85c具有25度的侧倾角度和24度的后倾角度。牙轮85d具有22度的侧倾角度和24度的后倾角度。牙轮85e具有25度的侧倾角度和25度的后倾角度。牙轮85f具有22度的侧倾角度和25度的后倾角度。 [0064] 在其它示例性实施例中，不同类型的牙轮可用于提供增加的设计自由。例如，不具有外壳的牙轮可在井下切割工具上占据更少的空间，因此没有外壳的更多的牙轮可放置在切割工具上，其可提供增加的金刚石切割密度。进一步地，使用没有外壳的牙轮可以在切割工具上提供更多空间用于更高的侧倾角度。例如，没有外壳的牙轮可以放置在切割工具上，其中，牙轮每一个具有0度与40度之间范围的侧倾角度。 [0065] 在一个或多个实施例中，一个或多个第一牙轮可以第一侧倾角度安装在一个或多个主刀片上，一个或多个第二牙轮可以第二侧倾角度安装在一个或多个从刀片上，其中，第二侧倾角度与第一侧倾角度相差至少2度。在一个或多个实施例中，第三牙轮可安装在另一个主刀片上，其具有与一个或多个第一牙轮不同的侧倾角度。在一个或多个实施例中，第四牙轮可安装在另一个从刀片上，其具有与一个或多个第二牙轮不同的侧倾角度。在一个或多个实施例中，第一、第二、第三和第四牙轮是相同的牙轮，它们具有不同的侧倾角度且任选地具有不同的后倾角度。可选地，一个或多个第一、第二、第三以及第四牙轮可使用两种或多种不同的牙轮装置。 [0066] 在可选的实施例中，切割元件可布置在切割工具中，该切割工具不包含后倾角和/或侧倾角。当切割元件以大体上0度的侧倾角和/或后倾角布置在钻头上时，切割力可是随机的而不是指向一个通常的方向。该随机力可引起切割元件具有不连续的旋转运动。通常，上述不连续的运动不可提供最高效的钻井条件，但是，在特定实施例中，可能有益于允许镶齿的大体上整个切割表面以相对均匀的方式接触地层。在上述实施例中，可选的内部可旋转切割元件和/或切割表面设计可用于进一步开发可旋转切割元件的益处。 [0067] 根据一些实施例，切割元件切割面(即，切割元件的切割台的上表面)的延伸高度可变化。在一个示例性实施例中，主切割元件的切割面可比备用切割元件的切割面具有更大的延伸高度(即，“型廓上”的主切割元件比备用切割元件接合更大深度的地层；备用切割元件位于“型廓外”)。如本文所使用的，术语“型廓外”可用于指从切割器支撑表面(例如，切割元件、切割深度限制器等)延伸的结构，其具有小于限定给定刀片的最外切割型廓的一个或多个其它切割元件的延伸高度的延伸高度。如本文所使用的，术语“延伸高度”用于描述切割面从刀片的切割器支撑表面延伸的距离，所述切割面附连到所述切割器支撑表面。在一些示例性实施例中，一个或多个备用切割面可具有与一个或多个主切割面相同的或比一个或多个主切割面更大的延伸高度。上述变量可影响BHA、特别是钻头的性质，该性质可影响不同类型的切割元件的布置或定位。例如，“型廓上”的切割元件可经历比“型廓外”切割元件更大量的磨损和负载。此外，主切割元件可经历比备用切割元件更大量的磨损和负载。 [0068] 牙轮的示例性实施例 [0069] 本公开的牙轮可包括各种类型和尺寸的牙轮。例如，牙轮可按尺寸形成，包括但不限于9mm、13mm、16mm以及19mm。进一步地，牙轮可包括外部支撑元件之内保持的那些牙轮、由保持机构或阻挡器保持的那些牙轮或上述两者的组合。可用在本公开中的牙轮的实例可至少在美国公开No.2007/0278017和美国临时申请No.61/351,035中找到，它们在此以参考的形式引用。牙轮的示例性实施例也在下文中描述；但是，可与本公开一起使用的可旋转切割元件的类型不比受限于下文描述的那些。 [0070] 参考图2A-2B，示出了根据本公开的一个实施例的切割元件。如本实施例中示出的，切割元件200包括内部可旋转(动态)切割元件210，其部分布置在外部支撑(静态)元件220中且因此由外部支撑(静态)元件220部分围绕。外部支撑元件220包括底部222和侧部 224。部分布置在由底部222与侧部224限定的空腔之内的内部可旋转切割元件210包括布置在基体214的上表面上的切割面212部分。此外，尽管图2中示出的外部支撑元件220的底部 222和侧部224是整体的，但本领域普通技术人员将理解，根据切割元件构件的几何形状，底部和侧部可选地也可以是两个分离件结合在一起。在另一个实施例中，外部支撑元件220可由两个分离件在竖直平面上(例如，相对于切割元件轴线)结合在一起而形成，以围绕内部可旋转切割元件210的至少一部分。 [0071] 在各种实施例中，内部可旋转切割元件的切割面可包括超硬层，该超硬层可包括：多晶金刚石台面、热稳定金刚石层(即具有高于常规多晶金刚石的热稳定性，750℃)或其它超硬层例如立方氮化硼层。 [0072] 如本领域中已知的，热稳定性金刚石可以各种方式形成。典型的多晶金刚石层包括单独的金刚石“晶体”，它们是互相连接的。单独的金刚石晶体因此形成晶格结构。金属催化剂(例如钴)可用于促进金刚石微粒的再结晶和晶格结构的形成。因此，钴微粒典型地在金刚石晶格结构中在间隙空间内发现。钴具有与金刚石相比显著不同的热膨胀系数。因此，加热金刚石台面时，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，从而在晶格结构中引起裂缝的形成且导致金刚石台面的劣化。 [0073] 为了排除这个问题，可以使用强酸来从多晶金刚石晶格结构(或者一个薄体积或整个片状物)“浸滤出”钴，用以至少减少加热时不同速率下来自加热金刚石-钴复合材料所经历的损坏。“浸滤出”工艺的实例可在例如美国专利No.4,288,248和4,104,344中找到。简短地，强酸，典型的氢氟酸或几种强酸的组合可以用于处理金刚石台面，以从PDC复合材料中去除至少一部分的钴-催化剂。合适的酸可以包括：硝酸、氢氟酸、盐酸、硫酸、磷酸或高氯酸或这些酸的组合。此外，腐蚀剂(例如氢氧化钠和氢氧化钾)已经用于碳化物工业以从碳化物复合材料中吸收金属元素。此外，其它的酸和碱性浸滤剂可以根据需要使用。本领域的普通技术人员将理解，考虑到危险等，浸滤剂的摩尔浓度可根据需要浸滤的时间来调整。 [0074] 通过浸滤出钴，可形成热稳定的多晶(thermally stable polycrystalline，TSP)金刚石。在特定的实施例中，仅仅浸滤出选择的部分金刚石复合材料，以获得热稳定性而不会缺失耐冲击性。如文本所使用的，术语TSP包括上述(即，部分和全部浸滤)化合物的两者。在浸滤之后保留的间隙体积空间可通过促进合并或通过用从材料填充体积空间来减少，例如通过现有技术中已知的、且在美国专利No.5,127,923中描述的工艺，该专利在本文中以参考的形式引用其全部内容。 [0075] 可选地，TSP可通过在压机中使用钴之外的结合剂(一个例子是硅)形成金刚石层而形成，该结合剂具有比钴更近似于金刚石的热膨胀系数。在制造工艺期间，大部分、80至100体积百分比的硅与金刚石晶格反应用以形成碳化硅，其也具有近似于金刚石的热膨胀。 加热时，任何剩余的硅、碳化硅以及金刚石晶格与钴和金刚石的膨胀速率相比将以更近似的速率膨胀，从而产生更热稳定的层。具有TSP切割层的PDC切割器具有相对较低的磨损速率，即使当切割器温度达到1200℃时。但是，本领域普通技术人员将理解，热稳定性金刚石层可以由本领域中已知的其它方法形成，包括例如通过在金刚石层的形成中改变工艺条件。 [0076] 切割面布置在其上的基体可由多种硬的或超硬的微粒形成。在一个实施例中，基体可以由合适的材料(例如碳化钨、碳化钽或碳化钛)形成。此外，不同的结合金属(例如钴、镍、铁、金属合金或它们的混合物)可包括在基体中。在基体中，金属碳化钨颗粒在金属结合剂(例如钴)内支撑。此外，基体可以由烧结的碳化钨复合材料结构形成。众所周知的是，除了碳化钨和钴之外，还可使用不同的金属碳化钨复合材料和结合剂。因此，对使用碳化钨和钴的引述仅仅是为了说明的目的，而不旨在限制使用的基体和结合剂的类型。在另一个实施例中，基体还可由金刚石超硬材料(例如多晶金刚石和热稳定金刚石)形成。尽管说明的实施例示出了切割面和基体作为两个不同部分，但本领域技术人员应理解，切割面和基体是整体的、相同的组分也在本公开的公开范围之内。在上述实施例中，可以优选的是，形成切割面和基体或不同层的是单晶复合材料。 [0077] 外部支撑元件可由不同的材料形成。在一个实施例中，外部支撑元件可以由合适的材料(例如碳化钨、碳化钽或碳化钛)形成。此外，不同的结合金属(例如钴、镍、铁、金属合金或它们的混合物)可以包括在外部支撑元件中，使得金属碳化钨颗粒在金属结合剂内支撑。在一个特别的实施例中，外部支撑元件是具有钴含量从6到13百分比范围的硬质碳化钨。 [0078] 在其它实施例中，外部支撑元件可以由合金钢、镍基合金和钴基合金形成。本领域普通技术人员还将理解，切割元件构件可以用耐磨堆焊材料涂覆用以增加腐蚀保护。上述涂层可通过本领域中已知的各种技术来施加，例如，爆燃枪(d-枪)和喷熔技术。 [0079] 再次参考图2A，当内部可旋转切割元件210仅部分布置在外部支撑元件220中和/或由外部支撑元件220围绕时，内部可旋转切割元件210的至少一部分可称为内部可旋转切割元件210的“暴露部分”216。根据暴露部分216的厚度，暴露部分216可至少包括切割面212的一部分或切割面212和基体214的一部分。如图2所示，暴露部分216包括切割面212和基体214的一部分。但是，本领域普通技术人员将理解，尽管示出的暴露部分216是连续地穿过内部可旋转切割元件210的整个直径或宽度，但在图2示出的实施例中，根据切割元件构件的几何形状，内部可旋转切割元件210的暴露部分216可变化，如下文描述的一些附图示范的。 [0080] 在一个特别的实施例中，内部可旋转切割元件的切割面具有至少0.050英寸的厚度。但是，本领域普通技术人员将理解，根据切割结构的几何形状和尺寸，其它厚度也可能是合适。 [0081] 在另一个实施例中，内部可旋转切割元件在基体与切割面之间可具有非平坦的界面。基体与切割面之间的非平坦的界面增加了基体的表面面积，因此可改善切割面与基体的结合。此外，非平坦的界面可增加对剪切应力的抵抗，剪切应力通常导致例如金刚石台面的脱层。 [0082] 碳化物基体与金刚石层之间的非平坦的界面的一个实例在例如美国专利No.5,662,720中描述，其中“蛋-盒”形状通过合适的切割、蚀刻或模制工艺形成到基体中。也可使用其它非平坦的界面，包括例如美国专利No.5,494,477中描述的界面。根据本公开的一个实施例，切割面沉积到具有非平坦表面的基体上。 [0084] 再次参考图2A-2B，示出了具有滚珠轴承保持系统的切割元件。如在这些实施例中所示出的，内部可旋转切割元件210和外部支撑元件220分别在基体214的侧表面和侧部224的内表面中包括大体上对准/匹配的凹槽213和223。保持滚珠(即，滚珠轴承)230占据由凹槽213和223限定的空间，以协助将内部可旋转切割元件210保持在外部支撑元件220中。滚珠可通过侧部224中的销孔227嵌入。在上述实施例中，在切割元件200装配之后，销孔227可用销或插塞232或任何其它能够填充销孔227的材料密封，而不会损伤保持滚珠/轴承230的功能。在可选实施例中，切割元件200可由上文描述的多个件来形成，使得不需要销孔227和插塞232。 [0085] 滚珠230可由任何能够在切割元件220接合地层时承受施加在其上的压力的材料(例如，钢或碳化物)制成。在一个特别的实施例中，滚珠可由碳化钨或碳化硅形成。如果使用碳化钨滚珠，可优选使用不同于外部支撑元件和/或基体的硬质碳化钨组合物。滚珠230可以是任何尺寸且其是可变的以改变内部可旋转切割元件210的旋转速度。在特定实施例中，动态部分210的可旋转速度可在1圈与5圈/每分钟之间，使得切割面212的表面可保持尖锐，而无需损害切割元件200的整体性。 [0086] 参考图3A-3B，示出了具有机械互锁保持系统的切割元件。如本实施例中示出的，切割元件500包括内部可旋转(动态)切割元件510，其部分布置在外部支撑(静态)元件520中且因此由外部支撑(静态)元件520部分围绕。外部支撑元件520包括底部522、侧部524和顶部526。内部可旋转切割元件510包括布置在基体514的上表面上的切割面512部分。内部可旋转切割元件布置在由底部522、侧部524以及顶部526限定的空腔之内。由于此实施例的结构特性，内部可旋转切割元件机械地通过底部522、侧部524以及顶部526保持在外部支撑元件520空腔之内。如图3所示出的，顶部526在切割面512的上表面上方部分延伸，以便保持内部可旋转切割元件510且还允许内部可旋转切割元件510以及特别地由切割面512来切割地层。 [0087] 在包括例如上文在图2A-2B中示出那些的各种实施例中，本文公开的切割元件可包括位于内部可旋转切割元件与外部支撑元件之间的密封件。如图2A-2B中所示的，密封件或密封元件240布置在内部可旋转切割元件210与外部支撑元件220之间，特别地布置在内部可旋转切割元件210的圆锥表面上。可在一个实施例中提供密封元件240以减少内部可旋转切割元件210与外部支撑元件220之间的接触，且密封元件240可由本领域普通技术人员已知的任何数量的材料(例如，橡胶、弹性体以及聚合物)制成。因此，当内部可旋转切割元件210在外部支撑元件220之内旋转时，密封元件240可减少由摩擦产生的热量。进一步地，密封元件240还可用以减少轴承230或销由于钻屑的泥浆灌入或压缩的卡死或卡住。在任选实施例中，润滑油或任何其它摩擦减少材料可添加在内部可旋转切割元件210与外部支撑元件220之间的密封凹槽中。上述材料可防止构件之间的热量积累，从而延长切割元件200的寿命。 [0088] 在一个实施例中，可增强本文公开的切割元件的支承表面以促进外部支撑元件中的内部可旋转切割元件的旋转。支承表面增强可包含在内部可旋转切割元件支承表面与外部支撑元件支承表面中的任一个或两个的一部分上。在一个特别的实施例中，支承表面中的一个的至少一部分可包括金刚石支承表面。根据本公开，金刚石支承表面在一些实施例中可包括分离的金刚石区段，在其它实施例中可包括连续区段。可用在本文公开的切割元件中的支承表面可包括金刚石支承表面，例如在美国专利No.4,756,631和4,738,322中描述的那些，它们转让给本受让人且其在本文中以参考的形式引用其全部内容。 [0089] 在一些实施例中，可提供金刚石-金刚石支承表面。这可以通过在内部可旋转切割元件与外部支撑元件两者上使用金刚石增强的支承表面来实现，或可选地，基体可以由金刚石形成，且金刚石增强的支承表面可提供在外部支撑元件上。在其它实施例中，可以使用碳化物-金刚石的支承表面，其中，金刚石支承表面可包括在基体或外部支撑元件中的一个上，其中，碳化物位于另一个构件上。 [0090] 为了进一步增强内部可旋转切割元件的旋转，内部可旋转切割元件与外部支撑元件的底部匹配表面可变化。例如，滚珠轴承可提供在两个构件之间，或可选地，表面中的一个可包含金刚石和/或由金刚石形成。 [0091] 在另一个实施例中，至少一个支承表面的至少一部分可被表面处理以用于优化内部可旋转切割元件在外部支撑元件中的旋转。适于本公开的切割元件的表面处理包括例如添加润滑剂、施加涂层以及表面精加工。在一个特别的实施例中，支承表面可经历表面精加工，使得表面具有小于大约125微英寸(μ-inch)Ra的平均粗糙度，在另一个实施例中小于大约32微英寸Ra。在另一个特别实施例中，支承表面可用润滑材料涂覆以促进内部可旋转切割元件的旋转和/或以减少内部可旋转切割元件与外部支撑元件之间的摩擦和卡死。在一个特别的实施例中，支承表面可用各种金属的碳化物、氮化物、和/或氧化物涂覆，这可通过PVD、CVD或任何其它本领域中已知的促进与基体或基部材料结合的沉积技术来施加。在另一个实施例中，支承表面之间可包括浮动轴承以促进旋转。包含摩擦减少材料(例如，润滑油或润滑剂)可允许内部可旋转切割元件与外部支撑元件的表面旋转且彼此接触，但仅导致由此产生最小的热量。 [0092] 在另一个实施例中，在内部可旋转切割元件的切割面、基体和/或内部孔的工作表面上可包括表面改变。表面改变可包括在本公开的切割元件中，以通过与地层的液压相互作用或物理相互作用增强旋转。在各种实施例中，表面改变可被蚀刻或机械加工在各种构件中，或可选地在构件烧结或形成期间被形成，且在一些特别的实施例中可具有从0.001到0.050英寸范围的深度。本领域普通技术人员将理解，表面改变可在内部可旋转切割元件的任何部分上采取任何几何的或非几何的形状，且可以对称的或不对称的形式形成。进一步地，根据切割元件的尺寸，优选改变表面改变的深度。 [0093] 虽然上述实施例描述了表面改变的形成，例如通过蚀刻或机械加工，但也在本公开范围之内的是，切割元件包括非平坦的切割面，其可通过源自面的凸起而实现。非平坦的切割面还可通过在内部可旋转切割元件中使用成型的切割面来实现。例如，适于使用在本公开切割元件中的成型的切割面可包括圆顶的或圆形的顶部和马鞍形状。 [0094] 进一步地，在特别的切割元件中的内部可旋转切割元件与外部支撑元件之间的支承表面的类型可变化。可存在于本公开的切割元件中的支承表面的类型可包括圆锥形支承表面、径向支承表面、以及轴向支承表面。 [0095] 在一个实施例中，在具有大体上匹配形状的外部支撑元件内的内部可旋转切割元件可以是通常截头-圆锥形，使得内部可旋转切割元件与外部支撑元件在它们间具有圆锥形的支承表面。参考图2A-2B，示出了具有圆锥形支承表面的实施例。如在此实施例中所示出的，内部可旋转切割元件210与外部支撑元件220之间的圆锥形支承表面292可用于在操作期间当它与地层相互作用时从内部可旋转切割元件210的旋转中获取大部分的推力。进一步地，在需要更多推力的切割元件的应用中，圆锥形支承表面可提供更大区域用于施加负载。图2A-2B中示出的实施例还示出了径向支承表面294和轴向支承表面296。 [0096] 参考图4，示出了根据另一个实施例的切割元件。如本实施例中示出的，切割元件1900包括内部可旋转(动态)切割元件1910，其部分布置在外部支撑(静态)元件1920中且因此由外部支撑(静态)元件1920部分围绕。外部支撑元件1920包括底部1922和侧部1924。内部可旋转切割元件1910包括布置在基体1914的上表面上的切割面1912部分。如本实施例中所示出的，外部支撑元件1920与钻头主体(未示出)是整体的。在可选实施例中，外部支撑元件1920可以是独立的元件。也如本实施例中所示出的，外部支撑元件1920还包括内部轴部 1928，其通过螺纹方式附连到底部1922且从底部1922延伸到内部可旋转切割元件1910的基体1914中，使得当内部可旋转切割元件1910旋转时，它在侧部1924之内且绕着外部支撑元件1920的内部轴部1928旋转。在可选实施例中，内部轴部1928可与底部1922是整体的。内部轴部1928的上端部分延伸超过内部可旋转切割元件1910的切割面1912以协助将内部可旋转切割元件1910保持在外部支撑元件1920之内。 [0097] 如在上文中说明的各种中，内部可旋转切割元件和外部支撑元件可采取各种形状/几何特性的形式。根据构件的形状，不同支承表面或它们的组合可在内部可旋转切割元件和外部支撑元件之间存在。但是，本领域普通技术人员将理解，可存在形状的改变且任何特别几何形状形式不应被认为是对本文公开的切割元件的范围的限制。 [0098] 而且，本领域技术人员也将理解，如上文描述的任何设计变形，包括例如侧倾角、后倾角、几何形状的变化、表面改变/蚀刻、密封件、轴承、材料复合物等，可以各种组合包括，而不限于上文所描述的那些本公开的切割元件中的那些。 [0099] 本公开的切割元件可包含在各种类型的井下切割工具中，包括例如作为固定切割器钻头中的切割器，或作为牙轮钻头中的镶齿、铰刀、井孔弯曲机、或可用于对土质地层钻井的任何其它工具中。具有本公开的切割元件的切割工具包括单个可旋转切割元件而剩余的切割元件是常规的切割元件；所有切割元件均是可旋转的；或是可旋转的与传统的切割元件之间的任意组合。 [0100] 现参考图5，示出了根据本公开的一个实施例的布置在刀片2002上的切割元件2000。在此实施例中，切割元件2000包括部分布置在外部支撑元件2020中的内部可旋转切割元件2010。为了改变切割动作和潜在地改变切割效率和旋转，本领域普通技术人员应理解的是，可如上文描述地调整切割元件2000的后倾角(即，垂直方位)和侧倾角(即，横向方位)。 [0101] 本公开的切割元件可通过多种机构附连到或安装在钻头上，包括但不限于切割器凹坑中的常规的附连或铜焊技术。可适于本公开的切割元件的一种可选安装技术在图6中示出。如此实施例中所示出的，切割元件2100安装在组件2101中，该组件2101可通过措施(例如机械、铜焊或它们的组合)安装在钻头主体(未示出)上。也在本公开的范围之内的是，在一些实施例中，内部可旋转切割元件可直接安装在钻头上，使得钻头主体作为外部支撑元件，即，通过将内部可旋转元件插入到孔洞中，可随后阻挡该孔洞以将内部可选切割元件保持在其中。 [0102] 参考图7A-7B，示出了包括牙轮2230和阻挡器2240的牙轮2239。牙轮2230可具有圆柱形主体作为基体2231，其可由硬质的碳化物(例如，碳化钨)形成。切割面2232可形成在牙轮2230的一个端部上，其中，切割面2232是牙轮2230的面对相应的阻挡器2240且在井眼中接触地层的一端。切割面2232可由任何数量的硬的和/或耐磨损材料制成，包括例如碳化钨、多晶金刚石以及热稳定多晶金刚石。进一步地，切割面2232可由与基体不同或与基体2231相同的材料制成。例如，牙轮可具有由不同于基体材料的材料制成的切割面，例如布置在碳化物基体的上表面上的金刚石台面，使得金刚石台面形成牙轮的切割面。可选地，一些实施例可具有由相同材料制成的基体和切割面。例如，牙轮可整个由金刚石制成，使得基体和切割面有金刚石制成。在该实施例中，金刚石可被全部或部分浸滤出。在具有由相同材料制成的基体和切割面的牙轮的另一个示例性实施例中，牙轮基体可由碳化物材料制成，其中，碳化物基体的上表面形成切割面。 [0103] 牙轮2230还可具有侧表面2235，其绕着牙轮2230的圆周形成且延伸牙轮2230的整个长度。因此，在具有由不同于基体的材料制成的切割面的实施例中，侧表面可包括基体材料和切割面材料两者。进一步地，如图7A和7B中所示出的，切割边缘2233在切割面2232与侧表面2235的交汇处形成。切割边缘可由与基体材料相同或与基体材料不同的材料形成。例如，切割边缘可由碳化钨、多晶金刚石、TSP、或其它本领域中已知的硬的和/或耐磨损的材料形成。 [0104] 进一步地，可更改牙轮以在切割面和/或切割边缘处具有金刚石材料(例如，多晶金刚石)。如图7C中所示出的，具有多晶金刚石2234的切割边缘2233的牙轮2230可具有暴露在一部分切割面2232上的碳化物材料(例如，碳化钨)，以确保牙轮2230的简单的和精确的机械加工来与阻挡器的相应形状的保持端部匹配。例如，图7C示出了具有凹状部2237的切割面的暴露的碳化物部分。在其它实施例中，牙轮的切割面可大体上是平面的。 [0105] 参考图7A-7B，可更改牙轮2230以具有在切割面2232、切割边缘2233和/或侧表面2235内形成的至少一个凹槽2236。凹槽2236可包括在本公开的牙轮中，以通过与地层的液压相互作用或物理相互作用增强旋转。在各种实施例中，凹槽2236可被蚀刻或机械加工在各种构件中，或可选地在构件烧结或形成期间被形成，且在一些特别的实施例中可具有从 0.001到0.050英寸范围的深度。本领域普通技术人员将理解，凹槽可采用任何几何的或非几何的形状且根据切割元件的尺寸，可优选改变凹槽的深度。旨在增加拖拽力以旋转切割器的其它特征(例如孔洞、凹痕、或在切割面上凸起的体积块、侧表面的倒角)均在本发明的范围内。进一步地，凹槽可以对称的或不对称的形式绕着牙轮的纵向轴线形成。例如，图7A示出了具有接近于切割边缘2233轴对称地形成在切割面2232中的凹槽2236的牙轮。 [0106] 除了凹槽之外，牙轮2230的切割面2232可以具有凹状部或凸状部。术语“凹状部”和“凸状部”是指切割面具有凹状形状或凸状形状且配置为与临近的阻挡器相符的部分。尽管凹状部可具有类似于凹槽2236或与凹槽2236相同的形状，但凹状部/凸状部在功能上且示例性地在尺寸上和位置上与凹槽不同。尤其，凹状部/凸状部可被形成以配合相应阻挡器的保持端且可通常位于切割面的径向中心。凹槽可绕着或接近切割面的边缘形成以增强牙轮的旋转且通常小于凹状部/凸状部。 [0107] 具有凹槽和凹状部的牙轮的一个实例在图7A-7B中示出用以进一步澄清凹槽和凹状部之间的差别。在图7A-7B中示出的实施例中，牙轮2230具有形成在切割面2232的径向中心处或接近切割面2232的径向中心的凹状部2237，以及接近切割边缘2233绕着切割面2232形成的较小尺寸的凹槽2236。位于刀片2220的前导面2221上、临近于牙轮2230的阻挡器2240可包括保持端2241和附连端2245，其中，保持端2241临近于牙轮2230的切割面2232的凹状部2237以将牙轮保持在切割器凹坑2225中，且附连端2245附连到刀片2220的一部分。 附连端2245可包括上表面2248，其延伸进入刀片的一部分中且位于牙轮2230之下。如图7A- 7B中所示出的，阻挡器2240的保持端2241可具有凸状部2247，其中，该凸状部2247与牙轮 2230的凹状部2237匹配。可选地，在其它实施例中，切割面可具有凸状部，而阻挡器的保持端可具有凹状部，使得切割面的凸状部与保持端的凹状部匹配。 [0108] 如本文所涉及的，阻挡器是与钻头分离的构件，其附连到钻头且临近于牙轮的切割面。阻挡器包括附连端和保持端，该附连端作为阻挡器与钻头之间的附连结构，该保持端临近于牙轮的切割面。阻挡器可由各种材料形成且具有各种形状和尺寸以防止牙轮从形成在钻头中的切割器凹坑中出来。 [0109] 有利地，本文公开的实施例可提供下述优点中的至少一个。包括可旋转切割部的切割元件可避免典型的固定切割器产生的高温。由于现有技术的切割元件的切割表面不断接触地层，热量可积累，这可引起切割元件由于破裂而产生的故障。根据本发明的实施例可避免上述的热量积累，因为接触地层的边缘改变。在切割元件的边缘处的较低温度可降低潜在的破裂，从而延长切割元件的功能寿命。通过降低由切割元件的切割表面经历的热的和机械的负载，切割元件寿命可增加，从而允许更高效的钻井。 [0110] 进一步地，切割元件的可旋转部的旋转可允许切割表面使用切割表面的全部外边缘(而不是如现有技术中提供的那样仅使用外边缘的相同部分)来切割地层。切割元件的全部边缘可接触地层，产生更一致的切割元件边缘磨损，从而防止局部的磨损平面区域的形成。因为边缘磨损更一致，切割元件可不迅速地磨损，从而具有较长的井下寿命，因此增加了钻井操作的整体效率。 [0111] 此外，因为随着切割元件的可旋转切割部旋转，接触地层的切割元件的边缘改变，切割边缘可保持尖锐。尖锐的切割边缘可在钻地层时增加穿透速率，从而增加钻井操作的效率。进一步地，随着切割元件的可旋转部旋转，可施加液压力到切割表面以冷却和清洁切割元件的表面。 [0112] 一些实施例可保护切割元件的切割表面免于侧冲击力，从而防止切割元件过早破裂以及随后的故障。其它实施例可使用金刚石台面切割表面作为支承表面以减少摩擦且提供延长的磨损寿命。随着切割元件实施例的磨损寿命增加，切割元件故障的可能性减少。因此，更长的有效切割元件寿命可提供更高的穿透速率，且最终产生更加高效的钻井操作。 [0113] 虽然上文中只详细描述了少数的示例性实施例，但对于本领域技术人员来说将很容易理解，在示例性实施例中很多修改是可能的而不实质上背离本发明。因此，所有这样的修改旨在被包括在下文的权利要求书所定义的本公开的范围内。在权利要求书中，装置加功能的表述旨在覆盖本文中描述的结构为执排所述功能，且不仅是结构上的等同物，也是等同的结构。因此，虽然钉子和螺钉可能不是结构上的等同物，因为钉子采用圆柱的表面将木制部件固定在一起、而螺钉采用盘旋的表面；但是在紧固木制部件的环境中，钉子和螺钉可以是等同的结构。除了在权利要求中与相关功能一起使用了词语“用于(means for)”表述的情况外，申请人的表述旨在不援引35U.S.C§112，段落6来对任何权利要求进行任何限制。 |
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