保持在套管内的切割元件

申请号 CN201380021302.0 申请日 2013-03-08 公开(公告)号 CN104302863A 公开(公告)日 2015-01-21
申请人 史密斯国际有限公司; 发明人 Y·张; J·史; Y·布尔汗; C·陈;
摘要 一种 切割器 组件可以包括: 套管 ;以及至少一个切割元件,所述切割元件具有保持在所述套管中的下部 主轴 部分,且所述切割元件的一部分与所述套管的轴向支承表面接合;其中,所述切割元件的外部直径D与所述套管的轴向支承表面的大致平坦部分的径向长度T之间具有如下关系:(1/25)D≤T≤(1/4)D。
权利要求

1.一种切割器组件,包括:
套管;以及
至少一个切割元件,所述切割元件具有保持在所述套管中的下部主轴部分,且所述切割元件的一部分与所述套管的轴向支承表面接合;
其中,所述切割元件的外部直径D与所述套管的轴向支承表面的大致平坦部分的径向长度T之间具有如下关系:(1/25)D≤T≤(1/4)D。
2.根据权利要求1所述的切割器组件,其中,所述切割元件的外部直径D、所述套管的轴向支承表面的最外的大致平坦部分的径向长度T以及所述套管的厚度d之间具有如下关系:T≤d≤(1/3)D。
3.根据上述任一项权利要求所述的切割器组件,其中,所述切割元件包括化物基体和位于所述碳化物基体之上的超硬层,所述碳化物基体的下部部分包括下部主轴部分,所述碳化物基体的上部部分与轴向支承表面接合,且碳化物基体的从轴向支承表面到超硬层的轴向延伸尺度U与超硬层的厚度S之间具有如下关系:U/S≥0.5。
4.根据上述任一项权利要求所述的切割器组件,其中,所述切割元件包括碳化物基体和位于所述碳化物基体之上的超硬层,所述碳化物基体的下部部分包括下部主轴部分,所述碳化物基体的上部部分与轴向支承表面接合,且碳化物基体的从轴向支承表面到超硬层的轴向延伸尺度U、超硬层的厚度S以及切割器组件的高度L之间具有如下关系:
U+S≤0.75L。
5.根据上述任一项权利要求所述的切割器组件,其中,所述下部主轴部分中包括保持腔;所述切割器组件进一步包括与所述保持腔接合的保持元件,以将所述切割元件保持在所述套管中,其中,所述下部主轴部分轴向上在所述保持腔之上的直径J与所述下部主轴部分轴向上在所述保持腔之下的直径j之间具有如下关系:J-0.07≤j≤J。
6.一种切割器组件,包括:
套管;以及
至少一个切割元件,所述切割元件具有保持在所述套管中的下部主轴部分,且所述切割元件的一部分与所述套管的轴向支承表面接合;
其中,所述切割元件的外部直径D、所述套管的轴向支承表面的最外的大致平坦部分的径向长度T以及所述套管的厚度d之间具有如下关系:T≤d≤(1/3)D。
7.根据权利要求6所述的切割器组件,其中,所述切割元件包括碳化物基体和位于所述碳化物基体之上的超硬层,所述碳化物基体的下部部分包括下部主轴部分,所述碳化物基体的上部部分与轴向支承表面接合,且碳化物基体的从轴向支承表面到超硬层的轴向延伸尺度U与超硬层的厚度S之间具有如下关系:U/S≥0.5。
8.根据权利要求6-7中任一项所述的切割器组件,其中,所述切割元件包括碳化物基体和位于所述碳化物基体之上的超硬层,所述碳化物基体的下部部分包括下部主轴部分,所述碳化物基体的上部部分与轴向支承表面接合,且碳化物基体的从轴向支承表面到超硬层的轴向延伸尺度U、超硬层的厚度S以及切割器组件的高度L之间具有如下关系:
U+S≤0.75L。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的切割器组件,其中,所述下部主轴部分中包括保持腔;所述切割器组件进一步包括与所述保持腔接合的保持元件,以将所述切割元件保持在所述套管中,其中,所述下部主轴部分轴向上在所述保持腔之上的直径J与所述下部主轴部分轴向上在所述保持腔之下的直径j之间具有如下关系:J-0.07≤j≤J。
10.一种切割器组件,包括:
套管;以及
至少一个切割元件,所述切割元件包括:碳化物基体和位于所述碳化物基体之上的超硬层,其中,所述碳化物基体的一部分包括保持在所述套管中的下部主轴部分以及与所述套管的轴向支承表面接合的上部部分;
其中,碳化物基体的从轴向支承表面到超硬层的轴向延伸尺度U与超硬层的厚度S之间具有如下关系:U/S≥0.5。
11.根据权利要求10所述的切割器组件,其中,碳化物基体的从轴向支承表面到超硬层的轴向延伸尺度U、超硬层的厚度S以及切割器组件的高度L之间具有如下关系:
U+S≤0.75L。
12.根据权利要求10-11中任一项所述的切割器组件,其中,所述下部主轴部分中包括保持腔;所述切割器组件进一步包括与所述保持腔接合的保持元件,以将所述切割元件保持在所述套管中,其中,所述下部主轴部分轴向上在所述保持腔之上的直径J与所述下部主轴部分轴向上在所述保持腔之下的直径j之间具有如下关系:J-0.07≤j≤J。
13.一种切割器组件,包括:
套管;以及
至少一个切割元件,所述切割元件包括:碳化物基体和位于所述碳化物基体之上的超硬层,其中,所述碳化物基体的一部分包括保持在所述套管中的下部主轴部分以及与所述套管的轴向支承表面接合的上部部分;
其中,碳化物基体的从轴向支承表面到超硬层的轴向延伸尺度U、超硬层的厚度S以及切割器组件的高度L之间具有如下关系:U+S≤0.75L。
14.根据权利要求13所述的切割器组件,其中,所述下部主轴部分中包括保持腔;所述切割器组件进一步包括与所述保持腔接合的保持元件,以将所述切割元件保持在所述套管中,其中,所述下部主轴部分轴向上在所述保持腔之上的直径J与所述下部主轴部分轴向上在所述保持腔之下的直径j之间具有如下关系:J-0.07≤j≤J。
15.一种切割器组件,包括:
套管;
至少一个切割元件,所述切割元件具有保持在所述套管中的下部主轴部分以及与所述套管的轴向支承表面接合的上部部分,其中,所述下部主轴部分中包括保持腔;以及与所述保持腔接合的保持元件,以将切割元件保持在套管中;
其中,所述下部主轴部分轴向上在所述保持腔之上的直径J与所述下部主轴部分轴向上在所述保持腔之下的直径j之间具有如下关系:J-0.07≤j≤J。
16.根据权利要求15所述的切割器组件,其中,所述切割元件被保持成能使所述切割元件绕着其纵向轴线旋转。
17.根据权利要求15-16中任一项所述的切割器组件,其中,所述至少一个切割元件的后端面与至少一个套管的后端面之间的间距小于0.040英寸。
18.一种切割器组件,包括:
套管;以及
切割元件,所述切割元件具有保持在所述套管中的下部主轴部分,且所述切割元件的一部分与所述套管的轴向支承表面接合;
其中,所述至少一个切割元件的后端面与至少一个套管的后端面之间的间距小于或等于0.040英寸。
19.根据权利要求18所述的切割器组件,其中,所述切割元件包括超硬材料。
20.一种井下切割工具,包括:
切割元件支撑结构,其中形成有至少一个切割器凹座;以及
布置在所述切割器凹座中的如权利要求1-19中任一项所述的切割器组件。

说明书全文

保持在套管内的切割元件

技术领域

[0001] 本文公开的实施例大体上涉及多晶金刚石复合片切割器以及包含该切割器的钻头或者其它切割工具。更特别地,本文公开的实施例涉及保持在套管内的切割元件以及包含该切割元件的钻头或者其它切割工具。

背景技术

[0002] 不同类型和形状的地质钻井钻头用于地质钻井工业中的不同的应用中。例如,地质钻井钻头具有钻头主体,其包括不同的特征例如核、刀片以及延伸进入钻头主体中的切割器凹座或者安装在钻头主体上的牙轮。根据待钻的应用/地层,合适类型的钻头可以基于钻头的切割动作类型以及用在特定地层中的合适性进行选择。
[0003] 刮刀钻头,通常称为“固定切割器钻头”,包括具有附连到钻头主体的切割元件的钻头,所述钻头主体可以是制钻头主体或由结合剂材料包围的基体材料(如化钨)形成的基体钻头主体。刮刀钻头可以通常定义为是不具有移动部件的钻头。但是,本领域中已知存在形成刮刀钻头的不同的类型和方法。例如,具有被孕镶到形成钻头主体的材料的表面中的研磨材料(例如,金刚石)的刮刀钻头通常称为“孕镶”式钻头。具有由沉积到基体上或者以其它方式结合到基体的超硬切割表面层或“片”(其可以由多晶金刚石材料或多晶氮化材料制成)制成的切割元件的刮刀钻头在本领域中称为多晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻头。
[0004] PDC钻头容易钻入软质地层,但是它们频繁地用于钻入中度硬质或研磨地层。它们用剪切动作使用小切割器来切割岩石地层,该小切割器没有深入地穿透进入地层中。因为穿透的深度浅,通过相对高的钻头旋转速度来实现高速率的穿透。
[0005] PDC切割器在包括凿岩以及金属机械加工的工业应用中已经使用很多年了。在PDC钻头中,PDC切割器容纳在切割器凹座内且通常通过焊到切割器凹座的内表面而结合至该刀片,该切割器凹座形成在从钻头主体延伸的刀片内。PDC切割器沿着钻头主体刀片的前导边缘布置,因而随着钻头主体旋转,PDC切割器接合且对地质地层钻井。使用中,高的可以施加在PDC切割器上,尤其在从前到后的方向上。此外,钻头和PDC切割器可以承受大的研磨力。在一些情况中,冲击、振动以及侵蚀力引起钻头故障,这是由于一个或多个切割器的损失或由于刀片的破损。
[0006] 在一些应用中,多晶金刚石(PCD)(或其它超硬材料)的复合片结合到基体材料用以形成切割结构,该基体材料可以是烧结的金属碳化物。PCD包含金刚石(通常是合成的)的多晶体,该金刚石结合在一起用以形成整体的、坚韧的、高强度的块体或晶格。所得的PCD结构产生增强的耐磨性和硬度特性,从而使得PCD材料对于需要高平的耐磨性和硬度的侵蚀性磨损和切割应用是非常有用的。
[0007] PDC切割器可以通过将烧结的碳化物基体放置到压机的容器中而形成。将金刚石颗粒或金刚石颗粒与催化结合剂的混合物放置在基体上,且在高压、高温条件下处理。如此操作后,金属结合剂(通常是钴)从基体迁移,且通过金刚石颗粒,以促进金刚石颗粒之间的交互生长。这样,金刚石颗粒变得彼此结合用以形成金刚石层,且该金刚石层进而一体地结合到基体。基体可以由金属碳化物复合材料(例如碳化钨-钴)来制成。沉积的金刚石层通常称为“金刚石台”或“研磨层”。
[0008] 包括具有超硬工作表面的多个切割器的PDC钻头的实例在图1A和1B中示出。钻头200包括钻头主体210,其具有螺纹上销端部211和切割端部215。切割端部215包括多个肋或刀片220,它们绕着钻头的旋转轴线L(也称为纵向轴线或中心轴线)排列且从该钻头主体210向外径向地延伸。切割元件或切割器250相对于工作表面以预定度方位和径向位置嵌入刀片220中并且相对于待钻地层具有所需的后倾角和侧倾角。
[0009] 多个孔口216布置在钻头主体210上的刀片220之间的区域中,该区域可以称为“间隙”或“流体路径”。孔口216通常适于接收喷嘴。孔口216允许钻井流体以选择的方向和选择的流动速率在刀片220之间通过钻头释放,用于润滑和冷却钻头200、刀片220以及切割器250。钻井流体也随着钻头200旋转和穿透地质地层而清洁和去除钻屑。如果没有合适的流动特性,切割器250的不充足的冷却可能在钻井操作期间导致切割器故障。布置流体路径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使其通过钻头200朝向井筒(未示出)的地面行进。
[0010] 参考图1B,示出了现有技术PDC钻头的一个顶视图。示出的钻头的切割面218包括六个刀片220-225。每一个刀片包括从切割面218的中心通常径向布置的多个切割元件或切割器,以大体上形成行。特定的切割器(尽管在不同的轴向位置处)可以占据与其它刀片上的其它切割器的径向位置近似的径向位置。
[0011] 切割器可以通过铜焊工艺附连到钻头或其它井下工具。在铜焊工艺中,铜焊材料布置在切割器与切割器凹座之间。将材料融化且随后在切割器凹座中固化、结合(附连)该切割器。铜焊材料的选择取决于它们各自的融化温度,用以避免在钻头还没有用于钻井操作时就对金刚石层的过多的热暴露(和热损坏)。具体地,适于铜焊上面具有金刚石层的切割元件的合金已经被限制为这样的一些合金:其能提供足够低的铜焊温度用以避免金刚石层的损坏并能提供足够高的铜焊强度用以在钻头上保持切割元件。
[0012] 决定PDC切割器的寿命的一个重要因素是切割器在热量下的暴露。在空气中在高达700-750℃的温度下,多晶金刚石可以是稳定的,在观测温度增长之后,可能导致多晶金刚石的永久损坏和结构失效。多晶金刚石的这个劣化是由于与金刚石相比,结合材料(钴)的热膨胀系数明显不同所引起的。加热多晶金刚石时,钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀,这可能引起在金刚石晶格结构中形成破裂,且导致多晶金刚石的劣化。在极高温度下,损坏还可能由于在金刚石-金刚石颈部处石墨的形成,这导致微结构完整性的损失和强度的损失。
[0013] 暴露到热量(由于铜焊或者由于切割器与地层的接触产生的摩擦热量)可对金刚石台引起热损坏并且最终导致破裂的形成(由于热膨胀系数的不同),该破裂可能导致多晶金刚石层的剥落、多晶金刚石与基体之间的脱层以及金刚石向石墨的反向转换(这会引起快速的研磨磨损)。随着切割元件接触地层,产生磨平且引起摩擦热量。随着切割元件继续使用,磨平将增加尺寸且进一步引起摩擦热量。热量可积累,这可能引起由于上文讨论的金刚石与催化剂之间的热不匹配所导致的切割元件故障。这对于如本领域中常规的、固定地附连到钻头的切割器来说尤其如此。
[0014] 因此,存在持续的需求用以开发方法来延长切割元件的寿命。发明内容
[0015] 提供本发明内容用于介绍概念的一个选择,该概念在下文详细的说明书中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征,也不旨在作为一种帮助用于限制所要求保护的主题的范围。
[0016] 在一个方面,本文公开的实施例涉及一种切割器组件,其包括:套管;以及至少一个切割元件,所述切割元件具有保持在所述套管中的下部主轴部分,且所述切割元件的一部分与所述套管的轴向支承表面接合;其中,所述切割元件的外部直径D与所述套管的轴向支承表面的大致平坦部分的径向长度T之间具有如下关系:(1/25)D≤T≤(1/4)D。
[0017] 在一个方面,本文公开的实施例涉及一种切割器组件,其包括:套管;以及至少一个切割元件,所述切割元件具有保持在所述套管中的下部主轴部分,且所述切割元件的一部分与所述套管的轴向支承表面接合;其中,所述切割元件的外部直径D、所述套管的轴向支承表面的最外的大致平坦部分的径向长度T以及所述套管的厚度d之间具有如下关系:T≤d≤(1/3)D。
[0018] 在另一个方面,本文公开的实施例涉及一种切割器组件,其包括:套管;以及至少一个切割元件,所述切割元件包括:碳化物基体和位于所述碳化物基体之上的超硬层,其中,所述碳化物基体的一部分包括保持在所述套管中的下部主轴部分以及与所述套管的轴向支承表面接合的上部部分;其中,碳化物基体的从轴向支承表面到超硬层的轴向延伸尺度U与超硬层的厚度S之间具有如下关系:U/S≥0.5。
[0019] 在又一个方面,本文公开的实施例涉及一种切割器组件,其包括:套管;以及至少一个切割元件,所述切割元件包括:碳化物基体和位于所述碳化物基体之上的超硬层,其中,所述碳化物基体的一部分包括保持在所述套管中的下部主轴部分以及与所述套管的轴向支承表面接合的上部部分;其中,碳化物基体的从轴向支承表面到超硬层的轴向延伸尺度U、超硬层的厚度S以及切割器组件的高度L之间具有如下关系:U+S≤0.75L。
[0020] 在另一个方面,本文公开的实施例涉及一种切割器组件,其包括:套管;至少一个切割元件,所述切割元件具有保持在所述套管中的下部主轴部分以及与所述套管的轴向支承表面接合的上部部分,其中,所述下部主轴部分中包括保持腔;以及与所述保持腔接合的保持元件,以将切割元件保持在套管中;其中,所述下部主轴部分轴向上在所述保持腔之上的直径J与所述下部主轴部分轴向上在所述保持腔之下的直径j之间具有如下关系:J-0.07≤j≤J。
[0021] 在又一个方面,本文公开的实施例涉及一种井下切割工具,其包括:切割元件支撑结构,其中形成有至少一个切割器凹座;以及布置在所述切割器凹座中的上述任一种类型的切割器组件。
[0022] 通过下文的说明书和所附权利要求书,所要求保护的技术主题的其它方面和优点将是显而易见的。附图说明
[0023] 图1A和1B示出了常规刮刀钻头的侧视图和顶视图。
[0024] 图2示出了根据一个实施例的切割组件。
[0025] 图3示出了根据本公开的实施例的切割元件组件的截面图。
[0026] 图4示出了根据本公开的实施例的切割元件组件的部分视图。
[0027] 图5-7示出了切割元件组件的模拟结果的部分视图。
[0028] 图8示出了本公开的切割元件组件的模拟结果的图。
[0029] 图9示出了为模拟根据本公开的实施例的切割元件组件的模型配置。
[0030] 图10-13示出了根据本公开的实施例的切割元件组件的模拟结果的透视图。
[0031] 图14示出了本公开的切割元件组件的模拟结果的图。
[0032] 图15示出了本公开的切割元件组件的模拟结果的图。
[0033] 图16示出了为测试根据本公开的实施例的套管的压碎强度的测试配置。
[0034] 图17示出了根据本公开的实施例的套管。
[0035] 图18示出了根据本公开的实施例的套管测试结果的图。
[0036] 图19-22示出了根据本公开的实施例的切割元件组件的模拟结果的透视图。
[0037] 图23示出了本公开的切割元件组件的模拟结果的图。
[0038] 图24示出了切割元件组件测试的结果的图。
[0039] 图25示出了为模拟根据本公开的实施例的切割元件组件的模型配置。
[0040] 图26和27示出了根据本公开的实施例的切割元件组件的模拟结果。
[0041] 图28示出了切割元件组件测试的结果的图。
[0042] 图29示出了切割元件组件测试的结果的图。
[0043] 图30示出了为模拟根据本公开的实施例的切割元件组件的模型配置。
[0044] 图31-33示出了套管的模拟结果的部分视图。
[0045] 图34示出了本公开的切割元件组件的模拟结果的图。
[0046] 图35示出了本公开的切割元件组件的模拟结果的图。
[0047] 图36示出了为模拟根据本公开的实施例的切割元件组件的模型配置。
[0048] 图37-39示出了根据本公开的实施例的切割元件组件的模拟结果的透视图。
[0049] 图40示出了本公开的切割元件组件的模拟结果的图。
[0050] 图41示出了本公开的切割元件组件的模拟结果的图。
[0051] 图42示出了为模拟根据本公开的实施例的切割元件组件的模型配置。
[0052] 图43-45示出了本公开的切割元件的模拟结果的部分透视图。
[0053] 图46和47示出了根据本公开的实施例的切割元件的模拟结果的图。
[0054] 图48示出了根据本公开的实施例的切割元件的测试结果的图。
[0055] 图49示出了根据本公开的实施例的切割元件组件的截面图。
[0056] 图50示出了为模拟根据本公开的实施例的切割元件组件的模型配置。
[0057] 图51和52示出了根据本公开的实施例的切割元件的模拟结果。
[0058] 图53和54示出了根据本公开的实施例的切割元件的模拟结果的图。
[0059] 图55示出了根据本公开的实施例的切割元件组件的分解的部分截面图。

具体实施方式

[0060] 在一个方面,本公开的实施例涉及一种保持在套管结构内的切割元件,使得切割器绕着其纵向轴线自由旋转。在另一个方面,本公开的实施例涉及一种保持在套管结构内的切割元件,使得切割器机械地(且不可旋转地)保持在套管结构内。切割元件和套管的切割器组件可以在钻头或者其它切割工具中使用。
[0061] 在下文的讨论和权利要求书中,术语“包括”和“包含”用于开放的形式,因此其应被理解成意味“包括,但不限于”的含义。进一步地,术语“轴向”和“轴线向地”通常意味着沿着或者大体上平行于中心轴线或者纵向轴线,而术语“径向”和“径向地”通常意味着垂直于中心纵向轴线。
[0062] 图2说明了根据本公开的一个实施例的切割器组件。切割器组件20包括套管22和保持在该套管内的切割元件24。在一些实施例中,切割元件24可以由两个部分形成:碳化物基体26和布置在碳化物基体26的上表面上的超硬材料层28。碳化物基体26的下部部分26a形成主轴,套管22围绕该主轴布置。切割元件24可以通过多种保持机构(未示出)、例如通过保持球、弹簧、销等保持在套管内。对本公开的范围不存在限制;但是保持机构的上述类型的不同实例(以及适用于本公开中的切割组件上的其它变型)包括在美国专利申请号:61/561,016、61/581,542、61/556,454、61/479,151;美国专利公开号:
2010/0314176;以及美国专利号:7,703,559中公开的那些;上述所有均转让给本受让人,且在此以参考的形式引用它们的全部内容。在一些实施例中,套管22和切割元件24可以具有彼此大体上相同的外部直径,但是也在本公开的范围内的是,套管22可以具有比切割元件更大的外部直径,例如,在上文提及的美国专利号:7,703,559的附图11A-B中所示出的。
在一些实施例中,保持机构可以限制切割元件24相对于套管22的轴向移动或移位。在上述实施例中,切割元件可以在套管内旋转,即,可绕着切割元件20的纵向轴线旋转。在其它的特殊实施例中,保持机构可以限制切割元件24相对于套管22的轴向移动或移位以及旋转移动。
[0063] 如上文所提及的,切割元件24(以及在说明的实施例中的切割元件24的基体26)可包括其下部部分处的主轴26a。轴向在套管22之上的切割元件24可在其上部部分26b处延伸到更大的外部直径D。因此,上部部分26b可以与套管22在轴向支承表面30处接合。根据本公开的一些实施例,轴向支承表面可以从外部的大致平坦表面过渡到套管的内部直径。过渡可以是倒圆角的或者是倒直角的。在特殊的实施例中,可能在外部的大致平坦表面到内部直径之间存在倒圆角式的过渡。根据一些实施例的合适半径的实例包括从0.005到0.125英寸范围的半径,以及在其它特殊的实施例中从0.020到0.060英寸。但是,在一个或者多个实施例中,可能值得基于切割元件24的外部直径D来选择半径。例如,半径的上限可以是切割元件24的直径D的四分之一。当半径过小时,切割器可能在弯曲载荷下变弱,且尖锐的拐角部可能导致应以集中。与此相反,如果半径过大,其可能限制套管的径向长度T且还可能引起在正面负载下干涉套管。在一个或者更多特殊实施例中,半径的下限可以是0.04D、0.05D、0.06D或者0.07D,且上限可以是0.16D、0.15D、0.13D或者0.12D中的任何一个,其中,任何的下限可以与任何的上限组合使用。也在本公开的范围内的是,过渡可以包括多阶梯缩减部或者具有光滑的或者滚圆的边缘的过渡部。
[0064] 各种切割元件24尺寸之间的关系在下文描述。图2中示出了根据多个实施例的切割元件24尺寸,且尽管尺寸关系可能没有按照比例示出,仍可以在尺寸关系的描述中作为参考。
[0065] 进一步地,切割元件性能的模拟使用有限元分析(“FEA”)来执行,用以模拟各种尺寸关系的性能。执行上述FEA的合适软件例如包括但不限于ABAQUS(可由ABAQUS公司提供)、MARC(可由MSC软件公司提供)以及ANSYS(可由ANSYS公司提供)。使用如下的假设来执行模拟:切割元件包括碳化钨基体,其具有440ksi的横向断裂强度、220ksi的极限抗拉强度、以及880ksi的极限抗压强度;2000磅力(lbf)的切割载荷施加到切割元件;以及3000磅力的垂直载荷施加到切割元件。
[0066] 如图3所示,切割载荷310是指指向切割元件300的切割面330的力,而垂直载荷320是指在垂直于切割载荷310的方向上指向切割元件的力。在包括钻井的应用中,垂直载荷320可以表示从井眼底部施加的力,而切割载荷310可以表示从切割方向施加的力。但是,在多向钻井应用中,垂直载荷320可以表示从垂直以外方向施加的力。进一步地,切割元件可以相对于被钻地层以各种角度(例如,以各种后倾和侧倾位置)定位,使得切割载荷
310与切割面330之间的角度变化。例如,切割载荷310可以以小于或者等于90度的角度
340指向切割面330。
[0067] 外部直径(D)与套管径向长度(T)
[0068] 根据本公开的一些实施例,切割元件24可以具有外部直径D,且轴向支承表面30可包括大致平坦表面,该大致平坦表面延伸到具有径向长度T的套管的外部直径。在特殊的实施例中,D和T可具有如下的关系:(1/25)D≤T≤(1/4)D。在其它实施例中,T可具有(1/20)D、(1/15)D、(1/12)D、(1/10)D或者(1/8)D中的任何一个的下限,以及(1/5)D、(1/6)D、(1/8)D、(1/10)D或者(1/12)D中的任何一个的上限,其中,任何的上限可以与任何的下限组合使用。在一个或者多个特殊实施例中,T可以具有(1/12)D的下限和(1/9)D或者(1/10)D的上限。例如,对于具有13mm(0.529英寸)直径的切割器,在特殊的实施例中,T可以具有从0.025到0.050英寸的范围,且对于具有16mm(0.625英寸)直径的切割器,在特殊的实施例中T可以具有从0.030到0.070英寸的范围。但是根据提及的关系,更小或者更大的T值也可以是合适的。
[0069] 使用FEA执行模拟,用以模拟切割元件组件的套管部分和切割元件部分的性能,其中,切割元件外部直径D与套管径向长度T之间具有不同的关系。用于模拟切割元件组件的套管部分的性能的FEA模型基于下述的假设:切割元件的底部端部固定(例如,固定到形成在钻头中的切割器凹座),相当于2000磅力的均匀载荷施加到切割元件的切割面,穿透速率(“ROP”)是40ft/hr,每分钟转数是100,且接触深度是0.080英寸。图4示出了用于模拟与切割元件外部直径D有关的不同套管径向长度的性能的FEA模型配置,其中2000磅力的均匀载荷施加到切割元件组件400的切割面430,且切割元件组件400的底部端部405被固定。
[0070] 图5-8说明了使用图4所示的模型配置对于切割元件外部直径D与切割元件组件的套管部分上的套管径向长度T之间的各种关系(称为T/D比率)的模拟结果。在图5所示的模型中测试的T/D比率是0.0378,其导致在切割元件组件的套管部分上的332.0ksi的压应力。在图6所示的模型中测试的T/D比率是0.0945,其导致131.4ksi的压应力。在图7所示的模型中测试的T/D比率是0.1323,其导致98.7ksi的压应力。图8示出了比较压应力与切割元件的T/D比率的图。
[0071] 现参考图9,设计FEA模型以测试具有各种T/D比率的切割元件组件的切割元件部分在1100磅力的剪切负载下的性能。FEA模型基于下述的假设:切割元件组件900的底部端部905被固定(例如,固定到形成在钻头中的切割器凹座),且1100磅力的剪切载荷902施加到切割元件组件900的切割端部910。图10-14说明了使用图9所示的模型配置对于切割元件外部直径D与切割元件组件的切割元件部分上的套管径向长度T之间的各种关系(称为T/D比率)的模拟结果。在图10所示的模型中测试的T/D比率是0.104,其导致在切割元件上的57.94ksi的最大主应力。在图11所示的模型中测试的T/D比率是0.123,其导致在切割元件上的66.59ksi的最大主应力。在图12所示的模型中测试的T/D比率是0.142,其导致在切割元件上的93.26ksi的最大主应力。在图13所示的模型中测试的T/D比率是0.161,其导致在切割元件上的191.2ksi的最大主应力。图14示出了比较最大主应力与切割元件的T/D比率的图。
[0072] 可以使用来自施加大约3000磅力的正面载荷和大约667磅力的剪切载荷(通过2000磅力*sin(20°)来计算,其中20°是切割元件的后倾角)的FEA分析的模拟结果来计算切割元件组件的强度。例如,施加到切割元件的切割端部的正面载荷的模拟示出了:
当压缩载荷极限抗压强度是大约880ksi时,切割元件组件中的套管可能失效。正面载荷模拟中的预测的强度(Ff)可以使用下述方程进行计算:Ff=F*SUC/S,其中,SUC是极限抗压强度,F是在FEA模拟中施加的载荷,S是在FEA模拟中计算的应力。施加到切割元件的切割端部的剪切载荷的模拟示出了:当拉伸应力极限抗拉强度是大约220ksi时,切割元件组件中的切割元件可能失效。正面载荷模拟中的预测的强度(Ff)可以使用下述方程计算:Ff=F*SUC/S,其中,SUC是极限抗压强度,F是在FEA模拟中施加的载荷,S是在FEA模拟中计算的应力。考虑到三倍安全系数,可以将10000磅力的正面载荷和2000磅力的剪切载荷设置为极限。
[0073] 图15示出了比较如上文所描述的、经受正面载荷和剪切载荷的具有不同T/D比率的切割元件组件的强度的FEA结果的图。根据本公开的实施例,切割元件组件可以具有从大约0.075到大约0.11范围的T/D比率。根据一些实施例,切割元件组件可以具有从大约0.08到大约0.10范围的T/D比率。例如,包括具有13mm外部直径的切割元件的切割元件组件可以具有0.090与0.095之间的T/D比率,包括具有16mm外部直径的切割元件的切割元件组件可以具有0.085与0.090之间的T/D比率。
[0074] 外部直径(D)与套管厚度(d)和径向长度(T)
[0075] 根据一些实施例,套管22的厚度d可以基于轴向支承表面30的大致平坦表面的径向长度T和切割元件24的外部直径D来选择。在特殊的实施例中,d、D和T可以具有如下的关系:T≤d≤(1/3)D。在其它的实施例中,d可以具有T、1.25T、1.5T、2T、2.5T、3T、(1/25)D、(1/20)D、(1/15)D、(1/12)D、(1/10)D、(1/8)D、(1/7)D或者(1/6)D中的任何一个的下限,以及2T、2.5T、3T、4T、5T、6T、(1/10)D、(1/8)D、(1/5)D、(1/4)D或者(1/3)D中的任何一个的上限,其中,任何的上限可以与任何的下限组合使用。在一个或者多个特殊实施例中,d可以具有0.15D、0.17D或者0.19D中的任何一个的下限,以及0.2D、0.21D、0.22D或者0.23D中的任何一个的上限。例如,对于具有13mm(0.529英寸)的直径和从0.025到0.050英寸范围的T的切割器,在特殊的实施例中,d可以具有从0.050到0.120英寸的范围,对于具有16mm(0.625英寸)的直径和从0.030到0.070英寸范围的套管尺寸T的切割器,d可以从0.060到0.150英寸的范围。但是根据提及的关系,更小或者更大的d值也可以是合适的。
[0076] 在具有小的套管壁厚度(d)的一些实施例中,在压碎负载条件和剪切负载条件下,套管可能更弱。在具有大的套管壁厚度(d)的一些实施例中,切割元件柄部的直径可能相对较小,从而导致在剪切负载条件下的较低的切割元件强度。图16示出了压碎测试配置的实例,其可以用于测试各种套管壁厚度(d)的强度。如所示出的,套管1600可以沿着其轴线放置在砧1610之间。砧1610施加压碎负载1620以压碎套管1600。图17示出了经受图16所示的压碎测试配置的套管1600的损坏的实例,图18示出了结果的图。如图18所示,随着套管壁厚度(d)与外部直径(D)的比率的增加,套管的强度增加。
[0077] 实施FEA分析,以测试在1100磅力的剪切负载下具有各种d/D比率的切割元件组件的切割元件部分的性能。使用上文描述的(且在图9中示出的)FEA模型配置,其中,切割元件组件的底部端部固定(例如,固定到形成在钻头中的切割器凹座),且1100磅力的剪切负载施加到切割元件组件的切割端部。图19-22说明了对于切割元件组件的切割元件部分上的切割元件外部直径D与套管壁厚度d之间的各种关系(称为d/D比率)的FEA分析的模拟结果。在图19所示的模型中测试的d/D比率是0.189,其导致在切割元件上的57.94ksi的最大主应力。在图20所示的模型中测试的d/D比率是0.227,其导致在切割元件上的66.59ksi的最大主应力。在图21所示的模型中测试的d/D比率是0.265,其导致在切割元件上的93.26ksi的最大主应力。在图22所示的模型中测试的d/D比率是0.302,其导致在切割元件上的191.2ksi的最大主应力。图23示出了比较最大主应力与切割元件的d/D比率的图。
[0078] 图24示出了比较如上文所描述的、经受压碎载荷(图16-18)和剪切载荷(图19-23)的具有不同d/D比率的切割元件组件的强度测试结果的图。根据本公开的实施例,切割元件组件可以具有从大约0.19到大约0.22范围的d/D比率。根据一些实施例,切割元件组件可以具有从大约0.20到大约0.21范围的d/D比率。例如,包括具有13mm外部直径的切割元件的切割元件组件可以具有0.205与0.210之间的d/D比率,包括具有16mm外部直径的切割元件的切割元件组件可以具有0.195与0.205之间的d/D比率。
[0079] 轴向延伸尺度(U)与超硬材料层厚度(S)
[0080] 根据一些实施例,基体26可以具有上部部分26b,该上部部分26b在主轴26a/套管22之上从轴向支承表面30轴向地延伸以与超硬材料层28接合。从轴向支承表面30到超硬材料层28的碳化物基体26的轴向延伸的高度可以称为轴向延伸尺度U。进一步地,在说明的实施例中,超硬材料层28可具有厚度S。在特殊的实施例中,U和S可以具有如下的关系:U/S≥0.5。也就是说,U是超硬材料层的厚度S的至少二分之一。在一个或多个实施例中,U/S可以至少是0.75、0.9或者0.95,且高至1.1、1.2、1.25或者1.3,其中,任何的下限可以与任何的上限组合使用。
[0081] 根据本公开的一些实施例,当基体厚度值U较低时,切割元件制造时的热残留应力可能更高。进一步地,尤其在正面冲击下的过渡区域处,具有较低基体厚度值U的切割元件组件可能更易损坏。
[0082] 现参考图36,示出了正面冲击模拟的配置。在该配置中,块体360撞击到切割元件组件364的切割面362上。特别地,在0.20英寸的压缩深度和30焦能量的参数下,模拟块体360以速度366撞击切割面362。图37-39示出了来自图36中所示的模型配置的模拟结果。如图37所示,由具有0.94的U/S比率的切割元件370上的正面冲击模拟导致3004ksi的应力。如图38所示,由具有1.22的U/S比率的切割元件380上的正面冲击模拟导致2512ksi的应力。如图39所示,由具有1.50的U/S比率的切割元件390上的正面冲击模拟导致2379ksi的应力。图40示出了比较具有各种U/S比率的切割元件上的正面冲击模拟的FEA结果的图。
[0083] 还在具有1.22的U/S比率的切割元件组件上实施实验室测试,其在大约13000磅力处示出了故障。从模拟和实验室测试,切割元件组件的预测强度可以基于方程FS=F*S1.22/S来计算,其中,S1.22是在FEA模拟中在U/S=1.22时模拟的应力,F是来自测试的载荷,S是模拟的应力。图41示出了比较具有各种U/S比率的切割元件组件的预测强度的图。根据本公开的实施例,切割元件组件可以具有从大约0.9到大约1.3范围的U/S比率。例如,具有13mm直径的切割元件组件可以具有从大约0.94到大约0.95范围的U/S比率,具有16mm直径的切割元件组件可以具有从大约1.22到大约1.23范围的U/S比率。
[0084] 轴向延伸尺度(U)、超硬材料层厚度(S)与切割器组件长度(L)
[0085] 还希望在S与切割器组件的总长度(如图2中示出的L)两者的条件下考虑U。因此,在一些实施例中,U、S以及L可以具有如下的关系:U+S≤(3/4)L,或者在更特殊的实施例中,U+S≤(1/2)L或者U+S≤(2/5)L或者U+S≤(3/10)L。进一步地,也在本公开的范围内的是,切割元件24可以是单块材料,例如,金刚石或者其它超硬材料,例如多晶立方氮化硼。在上述情况下,在轴向支承表面30之上的元件的总延伸尺度(相当于U+S)可以被认为是与L有关,且在各种实施例中可以不大于1.0L、0.75L、0.5L、0.3L、0.2L以及0.1L。
[0086] 在具有高的切割元件台厚度(U+S)的实施例中,通过施加到切割元件台的剪切负载,套管可能变弱。进一步地,在具有高的切割元件台厚度和小的主轴长度的实施例中,在动态运动下切割元件组件可能相对不稳定且可能因此导致较短的疲劳寿命。
[0087] 图30示出了被设计用于在来自底部径向位置的4000磅力的剪切负载下测试切割元件250的性能的FEA模型,以分析厚度U+S与切割元件主轴的长度之间的关系。图31-33示出了使用图30中示出的模型配置的切割元件组件的套管中的应力的模拟结果。如图31所示,当经受4000磅力的剪切负载时,具有等于0.25L(切割元件组件的长度的1/4)的U+S厚度的切割元件组件产生1407ksi的最小主应力。如图32所示,当经受4000磅力的剪切负载时,具有等于0.32L的U+S厚度的切割元件组件产生1440ksi的最小主应力。如图33所示,当经受4000磅力的剪切负载时,具有等于0.39L的U+S厚度的切割元件组件产生
2330ksi的最小主应力。图34示出了比较最小主应力与切割元件的(U+S)/L比率的图。
[0088] 来自施加剪切载荷的FEA分析的模拟结果可以用于计算切割元件组件的强度。例如,施加到切割元件的切割端部的剪切载荷的模拟示出了:当压缩载荷极限抗压强度是大约880ksi时,切割元件组件中的套管可能失效。剪切载荷模拟中的预测的强度(Fs)可以使用下述方程计算:FS=F*Str/S,其中,Str是极限抗拉强度,F是在FEA模拟中施加的载荷,S是在FEA模拟中计算的应力。例如,在具有666.7磅力的剪切载荷的模拟中,考虑三倍安全系数,可以设置2000磅力的预测强度极限。此外,较大的U+S厚度可能导致套管的较短导向,这可能减少系统的稳定性且危害切割元件组件的疲劳寿命。图35示出了比较切割元件组件的(U+S)/L比率与切割元件组件的预测强度的图。根据本公开的实施例,切割元件组件的(U+S)/L可以是从大约0.26到大约0.30的范围。例如,具有13mm直径的切割元件组件可以具有从大约0.27到大约0.28范围的(U+S)/L比率,具有16mm直径的切割元件组件可以具有从大约0.28到大约0.29范围的(U+S)/L比率。
[0089] 上部外部直径(J)与下部外部直径(j)
[0090] 此外,如图2所示,在一些实施例中,主轴26a可能具有两个外部直径:上部外部直径J和下部外部直径j,其中,上部外部直径J轴向上位于主轴26a的侧表面上的保持腔32之上(在切割面方向上),且下部外部直径j轴向上位于保持腔之下。在一些实施例中,下部外部直径j可以等于或者小于上部外部直径J。在一些实施例中,差别可高至0.07英寸或者在其它实施例中高至0.05、0.04、0.03或者0.02英寸。进一步地,在一个或者多个实施例中,可以选择j与J之间的足够距离,以避免轴向上在保持腔32之下的主轴26a与套管22之间的接触。但是,还可以想象的是,j与J可能相等,且通过改变保持腔之后的切割元件的轴向尺寸,仍可以避免接触。例如,在一个或者多个实施例中,保持腔32之后的切割元件24的轴向尺度p可以是至少0.1英寸或者0.12英寸,且在其它实施例中,小于0.2或者0.25英寸。
[0091] 在具有小的下部外部直径j的实施例中,当下部主轴可能不具有足够的长度以保持保持装置时,保持机构可能变弱。但是,在具有大的下部外部直径j的实施例中,下部主轴部分可以在剪切负载下接触套管,这可能导致应力集中在具有最小直径的凹槽上,从而将进一步减小切割元件的强度。为了避免在剪切负载下下部主轴与套管之间的接触,套管的内部直径可以部分地增加。
[0092] 现参考图25,设计FEA模型以测试在来自顶部径向位置处的22000磅力的剪切负载下,具有各种主轴直径的切割元件250的性能。图26和27示出了使用图25中示出的模型配置的模拟结果,其示出了在最接近剪切载荷的切割元件主轴252侧处的较高的应力集中以及在与剪切载荷相反的轴向支承表面254侧处的较高的应力集中。图28示出了比较在应用剪切载荷期间下部主轴接触套管的实施例与在应用剪切载荷期间下部主轴没有接触套管的实施例的切割元件的最大主应力的图。如所示出的,在22000磅力负载下,接触模型中的主轴与套管上的最大主应力是未接触模型中的主轴与套管上的最大主应力的大约4倍。
[0093] 图29示出了比较在应用剪切载荷期间下部主轴接触套管的实施例与在应用剪切载荷期间下部主轴没有接触套管的实施例的切割元件的预测强度的图。预测强度(Fs)使用下述方程进行计算:FS=F*SUT/S,其中,SUT是极限抗拉强度且等于220ksi,F是在FEA模拟中施加的载荷,S是在FEA模拟中计算的应力。考虑到三倍安全系数,可以将9000磅力的剪切载荷设置为极限。
[0094] 在另一个方面,如图2所示,在一些实施例中,可以限制切割元件24的后端面与套管22的后端面之间的距离或者间距g。在一些实施例中,间距g可以小于或者等于0.040英寸、小于0.030英寸、小于0.020英寸、小于0.010英寸或者小于0.005英寸或者甚至没有间距,即切割元件24的后端面相对于套管22处于大体上相同的轴向位置处。但是,还可以希望包括至少0.003英寸的至少一些间距。例如,根据本公开的一些实施例,主轴的下部外部直径等于主轴的上部外部直径的13mm的切割元件可以具有在0.01与0.02英寸之间的间距。根据本公开的一些实施例,主轴的下部外部直径等于主轴的上部外部直径的16mm的切割元件可以具有在0.01与0.02英寸之间的间距。本申请的发明人已经有利地发现,控制后端面处切割元件与套管之间的间距可以限制可能在套管的轴向支承表面30上发生的磨损量。如果任何磨损确实发生在套管上,磨损量可以被限制成存在的间距量。一旦切割元件将套管磨损到等于间距量,套管上来自切割的载荷就可以被传递到保持切割器组件的切割器凹座的后壁,因而限制切割元件的移动和套管的进一步磨损。进一步地,为了避免剪切负载下下部主轴与套管之间的接触,可以在切割元件组件的切割元件的后端面与套管的后端面之间提供大于或者等于0.003英寸的间距。
[0095] 半径(R)与直径(D)
[0096] 再次参考图2,切割元件24可以具有从切割元件的下部部分26a的外表面到切割元件24的上部部分26b处的轴向支承表面30的过渡半径R。根据一些实施例,半径可以具有从小于或者等于0.005英寸到大于或者等于切割元件24的直径D的1/4的范围。
[0097] 图42示出了用于在施加在切割元件的肩部426、或者施加在上部部分的1000磅力的载荷424下测试切割元件422的过渡半径R的性能的FEA模型配置。图43-45示出了来自图42中所示的FEA模型配置的结果。特别地,图43示出了具有0.052英寸过渡半径的切割元件的部分视图,图44示出了具有0.03英寸过渡半径的切割元件的部分视图,图45示出了具有0.015英寸过渡半径的切割元件的部分视图。图46示出了由图43-45中示出的模拟产生的最大主应力的图。如所示出的,较高的最大主应力对应于以0.015英寸过渡半径模拟的切割元件,相对较低的最大主应力对应于以更小过渡半径模拟的切割元件。图47示出了与切割元件的直径有关的图46中的结果。特别地,图47示出了切割元件中的最大主应力、和切割元件过渡半径与切割元件直径的比率之间的比较。
[0098] 现参考图48,该图示出了在正面载荷下与在弯曲载荷下相对于切割元件过渡半径与切割元件直径之间的比率(R/D)的切割元件的强度。根据本公开的实施例,切割元件可以具有从0.075到0.125范围的过渡半径与直径的比率(R/D比率)。例如,具有13mm直径的切割元件可以具有从0.075到0.115范围的R/D比率,具有16mm直径的切割元件可以具有从0.08到0.12范围的R/D比率。
[0099] 用于保持的下部主轴距离(p)
[0100] 参考图49,切割元件组件490包括套管491和保持在该套管491内的切割元件492。切割元件492的下部部分493形成主轴,套管491围绕该主轴布置。可以通过保持环494将切割元件492保持在套管内,以限制切割元件492相对于套管491的轴向移动或移位。如所示出的,套管491具有第一内部直径Y2和大于第一内部直径Y2的第二内部直径Y3。切割元件主轴493具有直径X2和形成在其中的具有直径d和宽度s的凹槽495。保持环494布置在凹槽中且延伸经过套管491的第一内部直径Y2朝向第二内部直径Y3延伸以轴向保持该切割元件492。保持环494具有厚度t和高度h。进一步地,凹槽495布置在距离切割元件492的后端面496的距离p处。
[0101] 根据本公开的实施例,可以使用布置在切割元件与套管之间的保持机构将切割元件保持在套管内。保持机构可以包括保持环(例如,图49中所示)、保持球、保持销、或者本领域中已知的布置在形成在切割元件的主轴中的凹槽中的其它保持机构。在一个或者多个实施例中,上述保持机构可以包括在美国专利申请号:61/712,794中描述的那些(该专利申请转让给本受让人且在此以参考的形式引用其全部内容),例如,围绕切割元件的圆周延伸多于1.5倍的闭环保持环。但是,还可以使用其它的保持机构。具有从切割元件的后端面到凹槽的小距离p的切割元件组件可以在切割元件区域p中产生增加的应力量。根据本公开的实施例,从切割元件后端面到保持凹槽的距离p可以大于或者等于0.03英寸。进一步地,用于将切割元件保持在套管内的不同类型的保持机构可能在切割元件区域p中产生不同的应力量。例如,通过保持环保持在套管内的切割元件可能在切割元件区域p中产生与通过保持球保持在套管内的切割元件产生的应力量不同的应力量,其中,两种切割元件组件具有相同的距离p。
[0102] 图50-52示出了当切割元件在切割元件的后端面520上经历2000磅力的载荷510(可以称为“外推载荷”)时,使用保持球540保持在套管530内的具有各种p值(凹槽与切割元件的后端面之间的距离)的切割元件500的性能的FEA分析。特别地,图50示出了FEA配置,图51示出了具有等于0.120英寸的距离p的模拟切割元件500,图52示出了具有等于0.170英寸的距离p的模拟切割元件500。
[0103] 图53和54示出了图50中示出的FEA配置的模拟结果的图。图53示出了具有各种p值的切割元件的FEA分析中计算的应力量。例如,具有等于0.17英寸的p值的切割元件可以在2000磅力的外推载荷的模拟时产生大约60ksi的应力,具有等于0.12英寸的p值的切割元件可以在2000磅力的外推载荷的模拟时产生大约180ksi的应力。图54示出了具有各种p值的切割元件的预测强度。切割元件的预测强度可以使用下述方程进行计算:FS=F*SUT/S,其中,FS是预测强度,F是在FEA模拟中施加的载荷,SUT是切割元件的极限抗拉应力(220ksi),S是在FEA模拟中计算的应力。基于实验室测试,本公开的发明人已经发现2500磅力可能是施加到切割元件的后端面的载荷的下限。
[0104] 切割元件组件与切割器凹座之间的间隙
[0105] 根据本公开的实施例,切割元件的上部部分可以与套管的外表面径向对准或者不对准。例如,现参考图55,套管2010和切割元件2030布置在形成在钻井工具中的切割器凹座2065中。套管2010延伸比切割元件2030的上部部分更远的径向距离(即,套管的外表面之间的直径大于切割元件的上部部分的直径),使得在切割元件的上部部分的侧表面2024与切割器凹座侧壁2067之间形成间隙。如所示出的,套管2010的外表面可以临近切割器凹座侧壁2067,而切割元件2030的上部部分的侧表面2024与切割器凹座侧壁2067之间存在距离2070。
[0106] 根据一些实施例,套管和切割元件的上部部分可以径向对准(即,具有大约相同的直径),使得套管的外表面与切割元件的上部部分的侧表面大体上对准。在一些实施例中,套管的外表面和切割元件的上部部分的侧表面可以大体上对准,且临近切割器凹座侧壁(在切割元件的上部部分的侧表面与切割器凹座侧壁之间没有间隙)。在一些实施例中,套管的外表面和切割元件的上部部分的侧表面可以大体上对准,且可以布置成与切割器凹座侧壁具有一定距离(在切割器凹座侧壁与大体上对准的套管的外表面和切割元件的上部部分的侧表面之间具有间隙)。在一些实施例中,套管的外表面和切割元件的上部部分的侧表面可以大体上对准,且可以布置成与切割器凹座侧壁存在一定距离,其中,铜焊材料布置在套管与切割器凹座之间。在上述实施例中,间隙可保留在切割器凹座侧壁与切割元件的上部部分的侧表面之间,其中,该间隙大体上等于布置在切割器凹座侧壁与套管的外表面之间的铜焊材料的厚度。
[0107] 在一些实施例中,套管可以比切割元件的上部部分延伸更短的径向距离(即,套管的外表面之间的直径小于切割元件的上部部分的直径),使得在套管的外表面与切割器凹座侧壁之间形成有间隙。例如,套管的外表面可以与切割器凹座侧壁存在一定距离,而切割元件的上部部分的侧表面可以临近切割器凹座侧壁。套管与切割器凹座侧壁之间分开的距离可以提供空间,用于将铜焊材料布置在切割器凹座侧壁与保持切割元件的套管之间。与切割器凹座侧壁之间形成有间隙的切割元件组件的实施例还在2012年12月26日提交的临时申请号:61/746,064中描述,该临时申请在此以参考的形式引用。
[0108] 根据本公开的实施例,切割元件的上部部分的侧表面与切割器凹座侧壁之间、和/或套管的外表面与切割器凹座侧壁之间的间隙可以具有从大约0.003英寸到大约0.005英寸的范围。在一些实施例中,切割元件的上部部分的侧表面与切割器凹座侧壁之间、和/或套管的外表面与切割器凹座侧壁之间的间隙距离可以小于0.003英寸。
[0109] 进一步地,特别意旨的是,上述关系的一个或多个(包括但不必须需要全部)可以存在于落在本公开的范围之内的切割元件中。
[0110] 在使用套管的实施例中,可以通过本领域中已知的任何方法将上述套管固定到钻头主体(或者其它切割工具),所述方法包括:通过在烧结钻头主体(或者其它切割工具)期间铸造到位或者通过在切割器凹座(未示出)中将该元件铜焊到位。铜焊可在将内部切割元件保持在套管内之前或之后发生;但是,在特殊的实施例中,在将套管铜焊到位之前将内部可旋转切割元件保持在套管中。
[0111] 本文描述的每一个实施例具有包括在其中的至少一种超硬材料。上述的超硬材料可以包括常规的多晶金刚石层(一层其间具有间隙空间的互相连接的金刚石微粒,金属组分(例如,金属催化剂)可以存在于所述间隙空间中))、例如通过从互相连接的金刚石微粒之间的间隙空间去除大体上所有金属而形成的或由金刚石/碳化复合材料形成的热稳定金刚石层(即,具有比常规多晶金刚石更大的热稳定性,750℃)、或其它超硬材料(例如,立方氮化硼)。进一步地,在特殊的实施例中,内部可旋转切割元件可以整个由超硬材料形成,但是该元件可以包括多个金刚石等级,例如,用于形成梯度结构(在等级间具有平稳的或非平稳的过渡)。在特殊的实施例中,具有较小粒度和/或较高金刚石密度的第一金刚石等级可以用于形成内部可旋转切割元件的上部部分(当安装在钻头或其它工具上时其形成切割边缘),而具有较大粒度和/或较高金属含量的第二金刚石等级可以用于形成切割元件的下部的非切割部分。进一步地,也在本公开的范围内的是,可以使用两个以上的金刚石等级。
[0112] 如本领域中已知的,热稳定金刚石可以以不同的方式形成。典型的多晶金刚石层包括互相连接的单独的金刚石“晶体”。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内发现。与金刚石相比钴具有显著不同的热膨胀系数。因此,加热金刚石层时,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层的劣化。
[0113] 为了排除此问题,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压片)“浸滤”钴,用以至少减少加热时以不同速率加热金刚石-钴复合材料所经历的损坏。“浸滤”工艺的实例可以在例如美国专利号:4,288,248和4,104,344中找到。简短地说,强酸(例如,氢氟酸)或者几种强酸的组合可以用于处理金刚石层,从PDC复合材料中去除至少一部分的钴催化剂。合适的酸包括: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,氢化钠和氢氧化)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,其它的酸和性浸滤剂可以根据需要而使用。本领域的普通技术人员将理解,浸滤剂的摩尔浓度可以根据期望浸滤的时间、危险问题等进行调节。
[0114] 通过浸滤掉钴,可形成热稳定多晶(thermally stable polysrystalline,TSP)金刚石。在特定的实施例中,仅仅浸滤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。在浸滤之后仍然存在的间隙体积可通过促进合并或通过用辅助材料填充该体积来减少,例如通过现有技术中已知的、且在美国专利号: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。
[0115] 在一个或者多个其他实施例中,TSP可在压机中使用除了钴之外的(一个例子是硅)结合剂通过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,以形成碳化硅,其也具有近似于金刚石的热膨胀。加热时,与钴与金刚石的膨胀速率相比,任何剩余的硅、碳化硅以及金刚石晶格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,本领域的普通技术人员将认识到,热稳定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。
[0116] 切割面可选地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形成,例如,碳化钨、碳化钽或碳化。此外,不同的结合金属可以包括在基体中,结合金属例如为钴、镍、、金属合金或它们的混合物。在基体中,金属碳化钨颗粒支撑在金属结合剂(例如,钴)内。此外,基体可由烧结的碳化钨复合结构形成。众所周知,除了碳化钨和钴之外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,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范围内。在上述实施例中,可能希望具有形成切割面和基体或不同的层的单种金刚石复合材料。特别地,在切割元件是可旋转切割元件的实施例中,整个切割元件可以由超硬材料形成,该超硬材料包括热稳定金刚石(例如,通过从间隙区域去除金属或通过形成金刚石/碳化硅复合材料形成)。
[0117] 套管可以由不同的材料形成。在一个实施例中,套管可以由合适的材料形成,例如,碳化钨、碳化钽或碳化钛。此外,不同的结合金属可以包括在外部支持物中(所述结合金属例如为钴、镍、铁、金属合金或它们的混合物),使得金属碳化钨颗粒支撑在金属结合剂内。在特别的实施例中,外部支持物是钴含量从6到13百分比范围的硬质碳化钨。也在本公开的范围内的是,套管和/或基体还可以包括一种更润滑的材料(例如,金刚石)用以减小其间的摩擦系数。构件可以由上述材料整体形成或者构件的多个部分包括沉积在构件上的上述润滑材料,例如,通过化学敷、包括空心阴极等离子体增强CVD的化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积真空沉积、电弧工艺或高速喷雾。在特别的实施例中,金刚石状的涂层可以通过CVD或空心阴极等离子体增强CVD形成,例如在US2010/0108403中公开的涂层的类型,其转让给本受让人,且在此以参考的形式引用其全部内容。
[0118] 在其它实施例中,套管可以由合金钢、镍基合金和钴基合金形成。本领域普通技术人员还将认识到,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实施,例如,爆燃枪(detonation gun,d-枪)和喷雾-熔丝技术。
[0119] 本公开的切割元件可以包含在不同类型的切割工具中,包括例如在固定切割器钻头中作为切割器、或者在扩孔工具(例如,铰刀)中作为切割器。具有本公开的切割元件的钻头可包括: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何组合。进一步地,本公开的切割元件可以布置在切割工具刀片(例如,刮刀钻头刀片或者铰刀刀片)上,该切割工具刀片中具有其他磨损元件。例如,本公开的切割元件可以布置在金刚石孕镶刀片上。
[0120] 在一些实施例中,可以选择固定切割器钻头的刀片上的切割元件的放置方式,使得可旋转切割元件放置在经历最大磨损的区域中。例如,在特殊的实施例中,可以将可旋转切割元件放置在固定切割器钻头的肩部或鼻部区域。此外,本领域技术人员将理解的是,对本公开的切割元件的尺寸不存在限制。例如,在不同的实施例中,切割元件可以按以下尺寸形成包括但不限于这些尺寸:9mm、13mm、16mm以及19mm。
[0121] 进一步地,本领域技术人员也将理解的是,如上文描述的任何设计变型,包括例如侧倾、后倾、几何形状的变化、表面改变/蚀刻、密封件轴承、材料组合、金刚石或者类似低摩擦支承表面等可以以不同组合包括在本公开的切割元件中,而不限于上文所描述的那些组合方式。在一个实施例中,切割器可以具有从0到±45度的侧倾范围。在另一个实施例中,切割器可以具有从大约5至35度的后倾范围。
[0122] 切割器可以以选择的后倾布置在刀片上以协助去除钻井钻屑且增加穿透速率。侧倾地布置在钻头上的切割器可以当钻头旋转时在径向和切线方向上被驱使向前。在一些实施例中,因为径向方向可以协助内部可旋转切割元件相对于外部支撑元件的移动,上述的旋转可以允许更多的钻井钻屑的去除,且提供改进的穿透速率。本领域普通技术人员将意识到,本公开的切割元件可以使用任何的后倾和侧倾组合用以增强旋转性和/或改进钻井效率。
[0123] 当切割元件接触地层时,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和/或后倾安装时,切割力可以大致指向一个方向。提供定向的切割力可允许切割元件具有连续的旋转运动,进一步增强钻井效率。
[0124] 虽然上文中只详细描述了少数的实例性实施例,但对于本领域技术人员来说将很容易理解的是,在实例性实施例中很多修改是可能的而没有实质上背离本发明。因此,所有这样的修改旨在被包括在下文的权利要求书所限定的本公开的范围内。在权利要求书中,装置-加-功能的分句旨在覆盖本文中描述的结构为执行所述功能,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、而螺钉采用螺旋的表面;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……的装置(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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