CN104024557A - 提高钻进效率的混合式钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻地钻头，所述钻头具有：钻头本体，所述钻头本体具有限定钻头本体的轴向中心的中心纵向轴线，并构造成在其上部范围用于连接到钻柱中；至少一个一级固定刀片，其从钻头本体向下延伸，并朝着钻头的中心轴线向内延伸但不紧邻该中心轴线；至少一个二级固定刀片，其从钻头的中心轴线附近径向向外延伸；多个固定的切削元件，其固定于一级固定刀片和二级固定刀片；至少一个钻头支腿，其固定于钻头本体；以及滚动切削刀具，其安装用于在钻头支腿上旋转；其中，在至少一个固定刀片上的固定切削元件从钻头的中心向外朝着钻头的保径延伸，但不包括保径切削区域，并且其中至少一个牙轮切削刀具部分大体上从钻头的保径区域向内朝着钻头的中心延伸，牙轮切削刀具的顶尖紧邻所述至少一个二级固定刀片的终端，但不延伸到钻头的中心。

Description

提高钻进效率的混合式钻头

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年11月15日提交的、申请号为61/560,083的美国临时专利申请的优先权，将其全部内容在此引入作为参考。

有关联邦政府资助研究或开发的声明

不适用。

参考附录

不适用。

技术领域

在此公开和教导的本发明主要涉及钻地钻头，并且更具体地涉及改进的钻地钻头，其中包括具有与之相关联的切削元件的固定切削刀具(fixed cutter)和滚动切削刀具(rolling cutter)的组合，所有这些的配置表现出提高的钻进效率，还涉及这种钻头的操作。

背景技术

本发明涉及用于挖掘地层的系统和方法，例如用于形成井眼以便开采石油和天然气，构建隧道，或者形成切削、铣削、研磨、刮削、剪切、切割和/或压裂(在下文被统称为“切削”)地层的其它坑道，以及用于这样的作业的设备。切削工艺是相互依赖性非常高的工艺，通常要综合并考虑很多变量来确保构建有效的钻孔。正如本领域众所周知的那样，很多变量具有增加切削成本的相互作用和累积效应。这些变量可以包括地层硬度、研磨性、孔隙压力和地层本身的弹性。在井眼钻进中，地层硬度和相应的钻进困难程度可能随着井眼深度的增加而指数增加。钻井成本中有很大的比例来源于对时间敏感的相互依赖的作业，也就是说，穿透正钻进的地层所花费的时间越长，其成本越高。影响钻井成本的最重要的因素之一是钻头能够钻入地层的速率，所述速率通常随着地层材料硬度和刚性增大以及井眼在地层中的深入而减小。

经过上百年的开发以及在研究、测试和反复开发上的大量投入，主要发展出两类现代钻头。这两类钻头通常被称为固定切削刀具钻头和牙轮(roller cone)钻头。在这两个主要类型中，存在各式各样的变型，其中每一种变型都设计用于钻进具有常规范围的地层性质的地层。这两类钻头基本上构成了在全世界用于钻进油井和天然气井的大部分钻头。

每一种钻头通常在其钻进经济性优于其它钻头的场合使用。牙轮钻头可以钻进岩层的整个坚硬范围。因而，牙轮钻头通常在遇到较硬的岩石的时候运行，其中长的钻头寿命和合理的钻速是钻进经济性的重要因素。固定切削刀具钻头，包括浸孕钻头，通常用来钻进范围从松散和薄弱的岩石到中硬岩石的各种地层。

作为一种用于钻进硬且耐磨的地层的更耐用的工具，牙轮钻头在二十世纪早期取代了鱼尾钻头(Hughes，1915)，但是牙轮钻头在钻进页岩和其它塑性表现的岩石方面的局限性是众所周知的。内在原因是受到压制的碎屑和/或底部泥团的组合在更深的深度随着钻孔压力和泥浆比重的增加而逐渐变得更糟【Murray等，1955】。泥团将牙轮钻头的钻进效率降低到大气条件下观测到的钻进效率的几分之一【Pessier,R.C.和Fear,M.J.,“利用机械比能量和钻头特定滑动摩擦系数来量化常见的钻进问题”(Quantifying Common Drilling Problemswith Mechanical Specific Energy and a Bit-Specific Coefficient ofSliding Friction)，SPE Conference Paper No.24584-MS，1992】。诸如循迹和偏心运行的其它现象进一步加重了该问题。虽然牙轮钻头结构和水力学上的很多创新已经在解决这些问题，但是这些创新只是有限地改善了性能【Wells和Pessier，1993；Moffit等，1992】。鱼尾状或固定刀片式钻头更少地受到这些问题的影响，原因在于它们是用作不断地刮削钻孔底部的机械刮削装置。混合式钻头的第一个原型【Scott，1930】简单地组合了鱼尾状钻头和牙轮钻头，其在商业上未曾成功，原因在于钻头的鱼尾状部分或固定刀片部分会过早磨损，且大的磨平使钻速降低到甚至比单独用牙轮钻头可实现的钻速更小。随着更加耐磨的固定切削刀具PDC(聚晶金刚石复合片)钻头的引入，混合式钻头的构想在二十世纪八十年代复苏，人们提出了各式各样的设计方案并进行了专利保护【Schumacher等,1984；Holster等，1992；Tandberg，1992；Baker，1982】。一部分经过了现场测试，但是同样地带有混合结果【Tandberg和Rodland，1990】，主要是由于在设计上存在结构缺陷，而且缺乏第一代PDC切削刀具的耐用性。同时，PDC切削刀具技术已经有了明显进步，并且固定刀片PDC钻头已经大量取代了牙轮钻头，一些某些特别适合牙轮钻头的应用除外。这些应用包括硬的、耐磨的互层地层，复合定向钻进应用，以及一般的传统PDC钻头的扭矩需求超出了给定钻进系统的能力的应用。正是在这些应用中，混合式钻头与传统的PDC钻头相比能够显著提高牙轮钻头的性能且有害的动力学程度较低。

在混合式钻头中，牙轮钻头的间断破碎与固定刀片钻头的连续剪切和刮削相结合。通过可控的模拟井下条件的实验室测试，混合式钻头的钻进力学特性通过与牙轮钻头和固定刀片钻头直接比较可以更好地体现【Ledgerwood,L.W.和Kelly,J.L.，“全尺寸钻头测试中的高压设施重新创造井下条件条件(High Pressure Facility Re-CreatesDownhole Conditions in Testing of Full Size Drill Bits)”，SPE paperNo.91-PET-1，发表在ASME Energy-sources Technology Conferenceand Exhibition，New Orleans，1991年1月20-24日】。不同钻头类型的钻进力学及其性能很大程度上取决于地层或岩石类型、结构和强度。

混合式钻头的早期构想追溯到二十世纪三十年代，但是可靠的钻进工具的开发只有随着近年来在聚晶金刚石复合片(PDC)切削刀具技术上的进步才开始成为可能。混合式钻头侵入性更高，并且更有效，因此钻进页岩和其它塑性行为地层时比牙轮钻头快两到四倍。混合式钻头的钻速与每分钟转数(RPM)成线性响应关系，这与表现为指数小于1的指数响应关系的牙轮钻头不同。换句话说，在马达应用中，混合式钻头与可比较的牙轮钻头相比明显快得多。另一个好处是滚动切削刀具在钻头动力学上的表现。与传统PDC钻头相比，扭转振动差不多低50％，并且低RPM时的粘/滑(stick/slip)减少，高PRM时的偏心转动(whirl)减少。这使得混合式钻头的工作范围更宽，且大大改善了定向钻进的工具面(tool face)控制。混合式钻头是高度专用钻头(highly application-specific drill bit)，针对：(1)钻速(ROP)受限的传统牙轮应用，(2)扭矩或钻压(WOB)受限的大直径PDC钻头和牙轮钻头应用，(3)高扭矩波动可能导致早期故障和限制平均工作扭矩的高度互层地层，以及(4)要求较高的ROP以及更好的构建速率和工具面控制的马达和/或定向应用。【Pessier,R.和Damschen,M.，“混合式钻头在选定牙轮和PDC钻头应用中提供了不同的优点(Hybrid Bits Offer Distinct Advantages in Selected Roller-Cone andPDC-Bit Applications)”，SPE Drilling & Completion，第26(1)卷，第96-103页(2011年3月)】。

在钻头开发的初期阶段，一些钻地钻头使用了一个或多个滚动切削刀具和一个或多个固定刀片的组合。这些组合式钻头中的一部分被称为混合式钻头。例如在授予Baker,III的美国专利US4343371中介绍的混合式钻头的现有设计设置有滚动切削刀具来进行大部分的地层切削工作，尤其是在井孔或钻头的中心。其它类型的组合钻头被称为“取芯钻头”，例如授予Garner的美国专利US4006788所述。取芯钻头通常具有截顶滚动切削刀具，这些截顶滚动切削刀具不延伸到钻头的中心，并设计成通过向下深钻且绕钻来移除地层的岩心样品，实心的圆柱状地层被基本完好地从钻孔移除以用于地层分析。

授予Shamburger,Jr.的美国专利US5695019介绍了另一种混合式钻头，其中滚动切削刀具几乎整个地延伸到中心。提供了具有两级切削作用的回转式锥形钻头。钻头包括可旋转地耦合于支撑臂的至少两个截顶锥形切削刀具组件，其中每个切削刀具组件可围绕方向向下和向内的相应轴线旋转。截顶锥形切削刀具组件的形状为截头锥形或截头锥体，其背面通过锥形侧面连接到平截顶面。截顶面可以平行于切削刀具组件的背面，也可以不平行于切削刀具组件的背面。多个一级切削元件或插入件以预定模式布置在截顶锥形切削刀具组件的平截顶面上。切削刀具组件的齿彼此不啮合或接合，且每个切削刀具组件的多个切削元件与其它切削刀具组件的切削元件间隔开。一级切削元件在钻孔中心绕切锥形岩心地层，这起到稳定切削刀具组件的作用，并且向外推送这些切削刀具组件以切削全保径钻孔。多个二级切削元件或插入件安装在钻头本体的圆顶区域的下表面上。据报道，当钻头前进时，二级切削元件切削自立式岩心地层。

近年来，已经给出了具有改善的切削轮廓和钻头力学的牙轮和固定刀片的混合式钻头以及用于利用这种钻头钻进的方法。例如，授予Zahradnik等的美国专利US7845435描述了一种混合型钻头，其中固定刀片上的切削元件从钻头本体的周边到轴向中心形成连续切削轮廓。牙轮切削元件与固定切削元件在轴向中心与周边之间的切削轮廓的鼻部分和肩部分上重叠。牙轮切削元件在承压和高应力的鼻部分和肩部分压碎和预压裂或部分压裂地层。

虽然最近已经显示了混合式钻头在本领域的成功，但是，选择特别是设计混合式钻头的构造仍然受到固定刀片上的PDC切削刀具和牙轮上的切削元件缺少有效清洁的困扰，导致诸多问题例如钻进效率的降低，某些较软地层中的泥团问题。选定的混合式钻头中的这种有效清洁的缺少可能是因为排屑槽容积过满，这相应地导致用于喷嘴布置和定向的可利用空间受限，同样的喷嘴在有些情况下可以用于清洁固定刀片切削刀具和牙轮切削元件，并且导致用于钻头作业期间切屑排空的空间不足。

在此公开和教导的本发明涉及具有钻头本体的钻头，其中钻头本体包括从钻头向下延伸的一级和二级固定切削刀具刀片，钻头支腿从钻头本体向下延伸且终止于牙轮切削刀具，其中固定切削刀具刀片中的至少一个与滚动切削刀具对准。

发明内容

本发明的上述目的及其它优点和特征结合到在此阐述的应用中，并且描述了相关的附录和附图，涉及具有悬挂于钻头支腿的一级和二级固定切削刀具刀片和牙轮的改进的混合式和先导扩孔型钻地钻头，所述钻头包括内部固定切削刀片，所述内部固定切削刀片向外径向延伸，并大体上与安装于钻头支腿的牙轮中的至少一个倾斜地或线性地对准。

依照本发明的一个方面，公开了一种钻地钻头，所述钻头具有：钻头本体，所述钻头本体具有限定钻头本体的轴向中心的中心纵向轴线，并构造成在其上部范围用于连接到钻柱内；从钻头本体向下延伸的至少一个固定刀片；多个固定切削元件，其固定于固定刀片；至少一个钻头支腿，其固定于钻头本体；以及滚动切削刀具，其安装成用于在钻头支腿上旋转；其中，在至少一个固定刀片上的固定切削元件从钻头的中心向外朝着钻头的保径延伸，但不包括保径切削区域，并且其中至少一个牙轮切削刀具部分大体上从钻头的保径区域向内朝着钻头的中心延伸，但不延伸到钻头的中心。

依照本发明的又一个方面，公开了一种钻地钻头，所述钻头包括：钻头本体，所述钻头本体具有限定钻头本体的轴向中心的中心纵向轴线，并构造成在其上部范围用于连接到钻柱内；从钻头本体向下延伸的至少一个外部固定刀片；多个固定切削元件，其固定于外部固定刀片，并从钻头的外部保径向轴向中心延伸，但不延伸到钻头的轴向中心；从钻头本体向下延伸的至少一个内部固定刀片；多个固定切削元件，其固定于内部固定刀片，并基本上从钻头的中心向外朝着钻头的保径延伸，但不包括钻头的外部保径；至少一个钻头支腿，其固定于钻头本体；和滚动切削刀具，其安装成用于在钻头支腿上旋转，并具有在钻头的保径区域附近的根部和在切削刀具的相邻端部上的相对滚子轴(roller shaft)；其中内部固定刀片大体上延伸到切削刀具的相邻端部。这种配置形成鞍部型配置(saddle-type arrangement)，如图10和11所示，其中牙轮可以具有仅贯穿牙轮的中心轴承，或者可选地具有以可移除的方式贯穿牙轮并延伸到内部二级固定刀片切削刀具的外边缘的凹进部分中的中心轴承。

依照本发明的进一步的实施例，公开了一种用于在地层中钻进钻孔的钻地钻头，所述钻头包括：钻头本体，所述钻头本体构造成在其上部范围用于连接至钻柱，钻头本体具有中心轴线和钻头面，所述钻头面包括锥形区域、鼻部区域、肩部区域和径向最外面的保径区域；在轴向方向上从钻头本体向下延伸的至少一个固定刀片，所述至少一个固定刀片具有前刃和后刃；多个固定刀片切削元件，其布置在所述至少一个固定刀片上；至少一个滚动切削刀具，其安装成用于在钻头本体上旋转；以及布置在所述至少一个滚动切削刀具上的多个滚动切削刀具切削元件；其中至少一个固定刀片与至少一个滚动切削刀具角对准。进一步依照该实施例的各个方面，所述至少一个滚动切削刀具可以包括基本上线性的轴承或具有贯穿滚动刀具的顶面并在其上延伸的远端的牙轮芯轴，所述牙轮芯轴的尺寸和形状设计成能可移除地插入在凹部中，所述凹部形成在与滚动切削刀具角对准的固定刀片的端面中，或者形成在与角对准的固定刀片一体形成或非一体形成的鞍部组件中。

附图说明

下列附图形成本说明书的一部分，并被包括在说明书中以进一步说明本发明的某些方面。通过参照这些附图中的一个或多个并结合在此所给出的具体实施例的详细说明，可以更好地理解本发明。

图1示出了依照本发明实施例的示范性钻头的示意性等距视图。

图2示出了图1中示范性钻头的顶部等距视图。

图3示出了图1中钻头的俯视图；

图4示出了图1中钻头的局部横截面视图，所示钻头的切削刀具元件旋转成单一切削刀具轮廓。

图5示出了图1中钻头的示意性俯视图。

图6示出了依照本发明其它方面的钻头的俯视图。

图7示出了依照本发明附加方面的钻头的俯视图。

图8示出了依照本发明其它方面的钻头的俯视图。

图9A示出了依照本发明其它方面的示范性钻头的等距透视图。

图9B示出了图9A中钻头的俯视图。

图10示出了图1中钻头的局部横截面视图，显示了本发明的可选实施例。

图11示出了依照本发明实施例的又一示范性钻头的等距透视图。

图12示出了图11中钻头的俯视图。

图13示出了图11中钻头的局部横截面视图，显示了结合有牙轮的支承组件和鞍部安装组件(saddle mount assembly)。

图14示出了图13的横截面视图的局部剖视图。

图15示出了依照本发明各个方面的示范性延伸芯轴的透视图。

图16示出了依照本发明的示范性鞍部安装组件的详细透视图。

图17示出了本发明进一步的实施例的自顶向下的视图，显示了示范性混合式扩孔型钻头。

图18示出了图17中混合式扩孔钻头的侧透视图。

图19示出了图17中混合式钻头上的牙轮插入件和固定切削元件的局部复合旋转侧视图。

虽然在此公开的发明易于得到各种变形和替代形式，但是在附图中通过举例的方式仅给出了一些具体实施例，并且这些实施例在下文进行了详细描述。这些具体实施例的视图和详细说明不用于对本发明构思或所附权利要求的外延或范围以任何方式进行限制。而是，附图和详细记载的说明设置用于向本领域普通技术人员示出本发明的构思，使本领域普通技术人员能够完成和使用本发明的构思。

具体实施方式

定义

提供下列定义，以帮助本领域技术人员理解本发明的详细说明。

在此所使用的术语“锥形组件”包括可旋转地安装到支撑臂上的各种类型和形状的牙轮组件和切削刀具锥形组件。锥形组件也可以等同地被称为“牙轮”、“牙轮切削刀具”、“牙轮切削刀具组件”、或“切削刀具锥体”。锥形组件可以具有基本上锥形的渐缩(截顶)外部形状，或者可以具有更圆形的外部形状。与牙轮钻头相联的锥形组件通常彼此朝向地向内指向，或者至少指向钻头的轴向中心的方向。对于某些应用，例如仅具有一个锥形组件的牙轮钻头，锥形组件可以具有接近大体上球形构造的外部形状。

在此所使用的术语“切削元件”包括适用于牙轮钻头的各种类型的复合片(compacts)、插入件、铣齿和焊接复合片。术语“切削结构”和”多个切削结构”在该应用中可以等同地使用，包括形成在或附接至牙轮钻头的一个或多个锥形组件上的各种组合和配置。

在此所使用的术语“支承结构”包括适于将锥形组件可旋转地安装在支撑臂上的任何适合的轴承、支承系统和/或支撑结构。例如，“支承结构”可以包括用以形成颈轴承、滚子轴承(包括但不限于滚子-滚珠-滚子-滚子轴承、滚子-滚珠-滚子轴承、滚子-滚珠-摩擦轴承)或各式各样的实体轴承(solid bearing)的内圈、外圈和衬套元件。另外，支承结构还可以包括对接元件，例如用来利用支撑臂可旋转地安装锥形组件的硬化材料制成的衬套、滚子、滚珠和区域。

本申请所使用的术语“芯轴”包括适于将锥形组件可旋转地安装在支撑臂上的任何适合的轴颈、轴、支承销、结构或结构组合。依照本发明，一个或多个支承结构可以设置在锥形组件和芯轴的相邻部分之间，以允许锥形组件相对于芯轴及其相联的支撑臂旋转。

本申请所使用的术语“流体密封”可以包括适于在锥形组件和相联的芯轴的相邻部分之间形成流体隔离物的任何类型的密封、密封环、支承环、弹力密封、密封组件或任何其它部件。通常与混合式钻头相关联的并适用于在此所述的发明方面的流体密封的例子包括但不限于O形环、填料圈和金属-金属密封。

本申请所使用的术语“牙轮钻头”可以用于描述具有至少一个支撑臂的任何类型的钻头，所述支撑臂上可旋转地安装有锥形组件。牙轮钻头有时也被描述成“回转式锥形钻头”、“切削刀具锥形钻头”或“回转式岩石钻头”。牙轮钻头通常包括带有从其延伸的三个支撑臂的钻头本体和可旋转地安装在各个支撑臂上的相应锥形组件。这种钻头也可以被描述成“三牙轮钻头”。但是，本发明的教导也可以使用包括但不限于具有一个支撑臂、两个支撑臂或任何其它数量的支撑臂(多个支撑臂)及其相联的锥形组件的混合式钻头的钻头。

在此所使用的术语“领先(leads)”、“前(leading)”、“落后(trails)”、“后(trailing)”用来描述同一刀片上的两个结构(例如两个切削刀具元件)相对于钻头旋转方向的相对位置。尤其是，相对于钻头旋转方向设置在同一刀片上的第二结构前面的第一结构“领先”第二结构(即，第一结构处于“前”位置)，而相对于钻头旋转方向设置在同一刀片上的第一结构后面的第二结构“落后”第一结构(即，第二结构在“后”位置)。

在此所使用的术语“轴向的”和“轴向地”意思是沿着或平行于钻头轴线(例如钻头轴线15)，术语“径向的”和“径向地”意思是垂直于钻头轴线。例如，轴向距离是指沿着或平行于钻头轴线测量的距离，径向距离是指垂直于钻头轴线测量的距离。

详细说明

上述附图以及下面对特定结构和功能的书面描述并不用于限制申请人已发明的范围或所附权利要求书的范围。相反，提供附图和书面描述用于教导本领域技术人员制造和使用所要求专利保护的发明。本领域技术人员应当理解，为了清楚和理解起见，并非本发明的工业实施例的所有特征都进行描述或显示。本领域技术人员还应当领会，实际的工业实施例结合了本发明的很多方面，要形成实际的工业实施例需要考虑很多实施特定决策来达到开发者为实现工业实施例的最终目标。这些实施特定决策可以包括遵从与系统相关、与商业相关、与政府相关的约束条件及其它约束条件，但并不局限于此，这些决策可随着具体实施方式、位置和时间而变化。尽管在绝对意义上说开发者的努力是复杂和耗时的，但是，对于本领域普通技术人员来说，在本发明的教导下，这只不过是常规任务。必须理解，在此公开和教导的发明易于大量各种改进和替代形式。最后，使用的单数形式，例如但不限于“一”并不意在限制零件的数量。另外，在书面描述中使用的关系术语，例如但限于“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、“侧”等是用于在参照附图时清楚起见，并不意在限制本发明或所附带的权利要求书的范围。

申请人已经创造了一种混合式钻地钻头，其具有一级固定刀片切削刀具、二级固定刀片切削刀具和与二级固定刀片切削工具中的一个大体上线性对准或角对准的至少一个滚动切削刀具，所述钻头表现了提高的钻进效率和改善的随钻清洁特点。更尤其是，当钻头具有与牙轮切削刀具和/或牙轮切削刀具元件的中心线基本上对准(线性对准或角对准)的至少一个二级固定叶片切削刀具或其一部分(例如二级固定刀片切削刀具的PDC切削结构的一部分或全部)时，可看到钻头效率、操作和性能上的大量优点。这些改进包括但不限于：通过喷嘴配置和定向(倾斜)以及这种配置所允许的喷嘴数量，更有效地清洁切削结构(例如，牙轮切削刀具的前部和后部或固定刀片切削元件的切削面)；良好的排屑槽空间和布置，用于在钻进作业期间有效地从钻面移除切屑；用于包括具有PDC或其它适合的切削元件的附加的和变化的固定刀片切削刀具的更大的可利用空间；钻头具有改善的操持大体积切削刀具(固定刀片和牙轮)的能力；以及其具有更大的用于附加的钻进流体喷嘴及其布置的场所。

在下面的论述以及在权利要求书中，所使用的术语“包括”和“包含”为开放式的，因而应当解释成表示“包括但不限于”。并且，术语“耦合”意在表示间接或直接的连接。因而，如果第一装置耦合于第二装置，那么该连接可以是通过直接连接或者通过经由其它装置和连接件的间接连接。

现在转到附图，图1示出了依照本发明各个方面的示范性混合式钻头的等距透视图。图2示出了图1中混合式钻头的顶部等距视图。图3示出了图1中混合式钻头的俯视图。这些图将相互结合进行论述。

如这些附图所示，混合式钻头11包括钻头本体13，所述钻头本体13在其上部范围18用螺纹或其它方式构造用于连接到钻柱内。钻头本体13可以由钢构造或由带有钢插入件的硬金属(例如碳化钨)母体材料构造。钻头本体13具有在大多数情况下与混合式钻头11的旋转轴线重合的轴向中心或中心线15。

介于上端18和纵向间隔开的、相对的工作下端16之间的是钻头本体13。钻头本体还包括在轴向方向上朝着钻头的工作下端16延伸的一个或多个(显示了三个)钻头支腿17、19、21。截顶滚动切削刀具锥体29、31、33(分别)根据在此详细介绍的本发明的方法可旋转地安装到每个钻头支腿17、19、21上。钻头本体13还包括朝着钻头11的工作端16向下轴向延伸的多个(例如两个或更多个)一级固定切削刀片23、25、27。依照本发明的多个方面，钻头本体13还包括多个二级固定切削刀片61、63、65，所述多个二级固定切削刀片61、63、65从钻头11的中心线15附近或邻近向外朝着滚动切削刀具锥体的顶尖30延伸，在此将更详细地论述。

还是如图1所示，钻头11的工作端安装在钻头钎尾24上，钻头钎尾24在其上端18设置有螺纹连接22，用于以钻进工业中本领域技术人员众所周知的方式连接于钻柱、钻进马达或其它底孔组件。钻头钎尾24还在钻头内设置纵向通道(未显示)，用以允许钻进流体通过射流通道以及通过标准喷嘴(未显示)流体连通，以在钻头作业期间对着井眼或孔面通过邻近钻头切削刀具本体13的喷嘴端口38排出或射出。在使用时，钻进流体通过这些端口循环，以根据喷嘴端口的方向，清洗和冷却钻头和装置(例如固定刀片和切削刀具锥体)的工作端16。润滑油箱(未显示)供给源润滑剂至每个锥体的支承空间。钻头钎尾24还设置有钻头装卸器槽26，钻头钎尾24的相对侧向侧面上形成有凹槽，以便以工业中众所周知的方式提供用于钻头装卸器槽的配合表面，从而容许钻头与钻柱组件的接合和脱离。根据例如American Petroleum Institute(API)颁布的标准，钎尾24设计成利用螺纹22耦合于由管状材料制成的钻柱(未显示)。

继续参照图1和图2中混合式钻头11的等距视图，纵向中心线15限定混合式钻头11的轴向中心，正如前面所指出的。正如上面所引用的，钻头11还包括：至少一个一级固定切削刀片23，优选多个(两个或更多个)一级固定切削刀片，其从钎尾24相对于钻头在钻孔内部的大体方向向下延伸；和至少一个二级固定切削刀片61，优选多个(两个或更多个)二级切削刀片，其从钻头的轴向中心朝着相应的切削刀具锥体29向外辐射。如图所示，固定刀片也可以选择地包括稳定或保径垫片42，所述稳定或保径垫片42则可选择地包括多个切削元件44，通常被称为保径切削刀具。多个一级固定刀片切削元件41、43、45布置并固定到每个一级固定切削刀片23、25、27的表面上，例如相对于旋转方向(100)的刀片的前刃“E”上的。同样，多个二级固定刀片切削元件71、73、75布置并固定到每个二级固定切削刀片的表面上，例如二级固定切削刀片61、63、65的前刃“E”上的(对比一级或二级固定切削刀片的终缘“T”上的)。通常，固定刀片切削元件41、43、45(和61、63、65)包括在支撑基板的面上的聚晶金刚石复合片(PDC)层或台面，诸如碳化钨或类似物，金刚石层或台面提供一切削面，所述切削面具有位于其周边的切削刃，用于接合地层。PDC和基板的组合形成PDC型切削元件，PDC型切削元件则附着或粘结到切削刀具上，例如锥形或双头螺栓型切削刀具，然后附接至钻头的外表面。一级和二级固定刀片切削元件41、43、45和61、63、65都硬钎焊或其它方式通过适合的附着装置固定到每个固定叶片23、25、27和61、63、65(分别)的凹部或“凹坑”中，使得其切削面上的周边刃或切削刃出现在地层面前。术语PDC在此广义使用，意味着包括其它材料，例如安装在碳化钨或类似基板上的热稳定聚晶金刚石(TSP)薄片或台面，以及其它类似的超磨或超硬材料，包括但不限于立方体氮化硼和类金刚石碳。

由碳化钨或类似硬金属形成的多个平顶耐磨插入件可以设置在每个一级固定刀片切削刀具23、25、27的径向最外面的表面或保径表面上，其带有与之附着的聚晶金刚石切削刀具。这些'保径切削刀具'起到保护钻头的该部分免受钻头作业期间遇到钻孔侧壁的研磨磨损。而且，一排或多排(视情况而定)多个备用切削刀具47、49、51可以设置在各个固定叶片切削刀具23、25、27的前刃和后刃之间，并布置成大体上平行于固定刀片切削刀具的前刃“E”的排。备用切削刀具47、49、51可以与相应一级固定刀片切削刀具23、25、27上的主切削元件或一级切削元件41、43、45对准，以便它们插入与固定刀片切削刀具上的主切削元件或一级切削元件相同的刈痕或切口或凹槽中。备用切削刀具47、49、51在构造上类似于一级切削元件41、43、45，在形状上类似，或者在直径上较小，并且还可以在固定刀片切削刀具上更凹进，以在刀片表面上方提供比一级固定刀片切削元件41、43、45在刀片前刃上的暴露减少的暴露。作为选择，它们也可以与主固定刀片切削元件径向间隔开，以便它们插入由相应固定刀片切削刀具上的主切削工具削元件或一级切削元件相同的刈痕或切口或凹槽中或之间。另外，备用切削工具47、49、51在钻头11与正在钻进的地层之间提供附加的接触点或啮合点，从而提高混合式钻头1的稳定性。在一些情况下，根据正在钻进的地层的类型，二级固定叶片切削刀具也可以包括一排或多排备用切削元件。作为选择，适用于此的备用切削刀具可以包括Baker Hughes,Incorporated提供的BRUTE^TM切削元件，其使用和特征描述在美国专利US6408958中。作为又一个可选实施例，备用切削刀具47、49、51不是作为类似于这里所述的固定刀片切削刀具的主动切削元件，而是可以为被动元件，例如没有切削刃的圆形或卵形碳化钨或超研磨元件。在本发明的实施例中作为备用切削刀具的这种被动元件可用于保护各个固定切削刀片的下表面不被过早磨损。

在二级固定刀片61、63、65中的至少一个上，一切削元件77位于或钻头本体13的中心轴线或中心线15处或附近(“处或附近”意思是固定切削刀具的某一部分处于中心线5上火大约0.040英寸之内)。在所示的实施例中，固定叶片切削刀具61上的排中的径向最里面的切削元件77的圆周与钻头本体13和混合式钻头11的轴向中心或中心线15相切。

正如上面所引用的，混合式钻头11优选还包括至少一个，并且优选至少两个(不过等同地，视情况而定，也可以使用更多个)滚动切削刀具支腿17、19、21和在滚动切削刀具支腿的远端(朝着钻头的工作端16的那一端)耦合于所述支腿的滚动切削刀具29、31、33。滚动切削刀具支腿17、19、21从钎尾24相对于钻头在钻孔内部的大体方向向下延伸。正如现有技术中众所周知的，每个滚动切削刀具支腿包括其中的芯轴或类似组件，所述芯轴或类似组件具有一旋转轴线，在运行期间，滚动切削刀具绕所述旋转轴线旋转。该旋转轴线大体上设置为与垂直于钻头11的中心线15的水平面成范围从大约33度到大约39度的牙轮轴倾角。在本发明的至少一个实施例中，一个(或多个，包括全部)滚动切削刀具的旋转轴线与钻头的纵向中心线15相交。在其它实施例中，一个或多个滚动切削刀具绕芯轴或类似组件旋转的旋转轴线可以倾斜于纵向中心线的侧面，以在固定切削刀具绕该旋转轴线旋转时，在切削元件上形成滑动效果。但是，也可以使用其它角度和方向，包括远离纵向轴向中心线15指向的牙轮轴倾角(pin angle)。

继续参照图1、2和3，牙轮切削刀具29、31、33安装成分别在每个钻头支腿17、19、21上旋转(通常在一颈轴承上旋转，但同样可以使用滚动元件或其它轴承)。每个滚动切削刀具29、31、33具有布置在滚动切削刀具锥体本体的外面上的多个切削元件35、37、39。在这些图所示出的非限制性的实施例中，切削元件35、37、39绕滚动切削刀具布置成大体上圆周形的排，切削元件35、37、39为碳化钨插入件(或等同物)，每个插入件与形成在每个牙轮切削刀具29、31、33中的孔或口干涉配合，例如通过硬钎焊或类似方法。做为选择，并且同样可接受的，一个或多个滚动切削刀具上的那些排切削元件35、37、39布置成绕牙轮切削刀具29、31、33的外面的非圆周排或螺旋切割配置，而不是如图所示的间隔开的线性排。作为选择，切削元件35、37、39可以与切削刀具一体形成并表面硬化，就像钢或铣削齿切削刀具的情况一样。除了碳化钨之外，其它材料也可以用于牙轮切削刀具29、31、33上的牙轮切削刀具切削元件35、37、39，例如聚晶金刚石或其它超硬或超研磨材料。

除了附接至或接合在牙轮切削刀具本体的外表面上的多个切削元件35、37、39之外，牙轮切削刀具29、30、31还可选择性地包括其中形成的用以在运行期间促进牙轮效率的一个或多个凹槽36。依照本发明的多个方面，虽然牙轮切削元件35、37、39可以随机放置，但是，特定的或者两个可在切削刀具29、30、31的外表面32上间隔开(例如，在排间和/或牙轮切削刀具之间变化)。依照本发明的至少一个方面，至少一些切削元件35、37、39基本上在一牙轮切削刀具的外表面32上布置成绕其的一圆周排，而其余的可随机放置，例如切削元件34在牙轮切削刀具的根部区域上。切削元件之间的微小距离将随着具体钻进应用、地层类型、切削元件尺寸和钻头尺寸的不同而不同，并随着牙轮切削刀具的不同而不同，和/或随着切削元件的不同而不同。切削元件35、37、39可以包括但不限于：碳化钨插入件，其通过干涉配合固定到滚动切削刀具表面上的孔中；铣削齿或钢齿切削元件，其与滚动切削刀具的外表面32一体形成，并从该外表面32向外突出，表面可以硬化处理或者不硬化处理；以及其它类型的切削元件。切削元件35、37、39也可以由超研磨材料或超硬材料形成或涂覆有超研磨材料或超硬材料，例如聚晶金刚石、立方体氮化硼等等。根据特定钻进应用，切削元件可以是大体上如图所示的凿子形状、锥形、圆形/半球形、卵形、或其它形状或形状组合。在钻进作业期间，牙轮切削刀具29、30、31的切削元件35、37、39在高应力前部分中，压碎并预压裂或局部压裂地层中的地下材料。从而卸下一级和二级固定切削刀片的切削元件上的担子。

在本发明如图1、2和3所示的实施例中，所示牙轮切削刀具29、31、33彼此角度间隔开大约120度(测量旋转轴线之间)，这是非限制性的配置。虽然各个滚动切削刀具29、31、33的旋转轴线与混合式钻头11的钻头本体13的轴向中心15相交，但是每个或所有牙轮切削刀具29、31、33可以有角度地倾斜任何所要求的量和(或)侧向偏移，使之各自轴线不与钻头本体13或混合式钻头11的轴向中心相交。仅作为说明，第一牙轮切削刀具29与第一一级固定刀片23间隔开大约58度(测量的是图3中沿顺时针方向上滚动切削刀具29的旋转轴线与固定刀片23的中心线之间)，形成一对切削刀具。第二牙轮切削刀具31可以与第二一级固定刀片25间隔开大约63度(同样测量)，形成一对切削刀具；以及第三牙轮切削刀具33可以与第三一级固定刀片27间隔开大约53度(同样方式再次测量)，形成一对切削刀具。

牙轮切削刀具29、30、31通常耦合于牙轮切削刀具本体内的大体上中心的芯轴或类似支承组件，并与相应的二级固定切削刀片线性对准，正如下文将要更详细地描述的那样。也就是说，每个相应的二级固定切削刀片大体上从钻头的轴向中心线15附近朝着周边向外径向延伸，终止于相应牙轮切削刀具的顶尖或顶端30附近(但不接触，二级固定切削刀片的终端与牙轮切削刀具的顶尖之间存在一空间或空隙90)，使得从中心线15垂直画出的线大体上穿过每个二级固定切削刀片的中心以及穿过与相应二级固定切削刀片对准的每个牙轮切削刀具的中心。这些图中所示的截顶或截头锥形牙轮切削刀具29、30、31通常具有一大体上朝着轴向中心线15延伸的顶端30，这可以从图3中更清楚地看到，在有些实施例中所述顶端30可以在通常牙轮钻头上进行的截顶。当混合式钻头11正由穿过钎尾24的钻柱带动旋转时，无论其形状如何，滚动切削刀具都适合于绕内芯轴或支承组件旋转。另外，有关诸如图12和14-16中所述和所示的鞍销结构的使用，当使用中心支承销货芯轴670来将二级固定切削刀片连接到牙轮切削刀具上时，紧邻对准的相应牙轮切削刀具的顶尖或顶端30的二级固定切削刀片的终端可以任选地加宽至具有基本上与截顶牙轮切削刀具的顶端30的直径相同的直径(测量前刃“L”与终缘“T”之间)。这种配置允许在牙轮切削刀具上任选地添加其它排切削元件，所加宽的连接点起到减少钻头运行期间切屑的提捞。

在图4的横截面视图中可清楚地看到，钻头本体13通常包括容许钻进流体从钻柱流入钻头11的中心纵向孔80。本体13还设置有向下延伸的流动通道81，所述流动通道81具有设置在其最下端的端口或喷嘴38。流动通道81优选与中心孔80流体连通。通道81和喷嘴38共同用以经由排屑槽在切削结构周围分配钻进流体，例如朝着牙轮之一或者固定刀片和/或相联的切削刀具的前刃，从而起到冲掉钻进期间的地层岩屑和移除钻头11的热量的作用。

再次参照图1、2和3，示范性钻头11的工作端16包括多个从钻头11的面向外延伸的固定切削刀片。在图1、2和3的实施例中，钻头11包括绕钻头轴线15周向间隔开的三个一级固定切削刀片23、25、27和绕钻头轴线15周向间隔开并从钻头轴线15朝着相应的牙轮切削刀具29、31、33辐射的三个二级固定切削刀片61、63、65，至少一个固定切削刀片与至少一个牙轮切削刀具角对准。在该示出的实施例中，多个固定切削刀片(例如，一级固定切削刀片23、25、27和二级固定切削刀片61、63、65)绕中心纵向钻头轴线15在钻头的钻头面上大体上均匀角度地间隔开。尤其是，每个一级固定切削刀片23、25、27基本上间隔开大约50度到大约180度的量，即与其相邻一级固定切削刀片的夹角。例如，在图11-12所示的实施例中，一级切削刀片623、625大体上彼此相对地间隔(例如，间隔大约180度)。在其它实施例(未具体地示出)中，固定刀片也可在钻头面周围非均匀地间隔。此外，虽然示范性混合式钻头11显示有具有三个一级固定切削刀片23、25、27和三个二级固定刀片61、63、65，但是，一般而言，钻头11可以包括任何合适数量的一级和二级固定刀片。

作为一个非限制性的例子，如图6概括所示的，钻头211可以包括从钻头211的轴向中心线215朝着基本上彼此相对间隔开(例如，间隔开大约180度)的两个牙轮切削刀具的顶尖230延伸的两个一级固定刀片225、227和两个二级固定刀片261、263。正如该图进一步所示的，钻头211还包括两个三级刀片291、293，所述三级刀片291、293可以形成为二级固定刀片261、263的一部分，也可以不形成为其一部分，所述三级刀片291、293大体上从钻头211的轴向中心线215附近朝着钻头的周边径向向外延伸。

图7概括示出了依照本发明的切削元件在钻头上的配置的另一个非限制性例子。如其中所示的，钻头311包括位于钻头的外周并朝着钻头311的轴向中心线315向内指向的三个牙轮切削刀具331、333、335。钻头311还包括从钻头的轴向中心线315朝着三个牙轮切削刀具331、333、335的顶尖230延伸的三个二级固定刀片361、363、365。还显示了四个一级固定刀片切削刀具321、323、325、327，其从钻头311的周边朝着钻头的牙轮区域或中心轴线315附近延伸，但不延伸到钻头的牙轮区域或中心轴线315附近中。如图7的变形配置所进一步所示的，三个牙轮切削刀具定向成，使得牙轮切削刀具331和333以及牙轮切削刀具333和335彼此间隔开近似相等的距离，例如，大约85-110度(夹角)。牙轮切削刀具335和331间隔开大约100-175度，允许另一一级固定切削刀片325包含在牙轮切削刀具335和331之间的空间中并邻近一级固定切削刀片323。在进一步非限制性的例子中，如图8所示，依照本发明的钻头411包括四个牙轮切削刀具431、433、435、437、四个一级固定切削刀片421、423、425、427和四个二级固定切削刀片461、463、465、467。如同本发明的其它实施例一样，二级固定切削刀片461、463、465、467从基本上钻头411的轴向中心线415附近径向向外延伸，并与各个相应的牙轮切削刀片431、433、435、437基本上线性对准。

继续参照图1、2和3，一级固定切削刀片23、25、27和二级固定切削刀片61、63、65一体形成为钻头本体13和钻头面10的一部分，并从钻头本体13和钻头面10延伸。与二级固定切削刀片61、63、65不同，一级固定切削刀片23、25、27从钻头面上的区域向外朝着钻头外周延伸，径向横跨钻头面10，并(任选地)沿着钻头11的周边的一部分纵向延伸。正如在此要更详细地论述的，一级固定切削刀片23、25、27可以从钻头面10上的各个部位朝着钻头11的周边径向延伸，范围基本上从中心轴线15附近到鼻部区域向外，到台肩区域向外，到保径区域向外，以及它们的组合。但是，二级固定切削刀片61、63、65虽然基本上从中心轴线15附近延伸，但不延伸到钻头11的周边。而是，如图3的俯视图清楚地显示的，图3显示了滚动切削刀具与一级和二级固定切削刀片和牙轮切削刀具(以及安装在其上的相应切削元件)的示范性的非限制空间关系，一级固定切削刀片23、25、27从离开中心轴线15距离“D”的一部位朝着钻头11的周边径向延伸。距离“D”在相应一级固定切削刀片之间可以大体上相同，或者可以不相同，使得第一一级固定切削刀片之间的距离“D”比第二(和/或第三)一级固定切削刀片之间的距离“D”长或短。因而，在此所使用的术语“一级固定刀片”是指从钻头轴线一段距离处开始，沿着钻头面大体上径向延伸至钻头的周边的刀片。与一级固定刀片相比，二级固定切削刀片61、63、65比一级固定切削刀片23、25、27更靠近中心轴线15延伸，并以基本上与相应牙轮切削刀具29、31、33的顶端30角对准的方式向外延伸。因而，在此所使用的术语“二级固定刀片”是指在钻头中心轴线附近行货在钻头中心面内部开始，沿着钻头面朝着钻头11的周边与相应近侧的牙轮切削刀具大体上角对准地大体上径向向外延伸的刀片。换言之，二级固定刀片61、63、65布置成从其近端(钻头的轴向中心线附近)朝着相应滚动切削刀具(rollercutter)的端面或顶面30大体上轴向或角对准地向外延伸，这样，二级固定刀片61、63、65的远端(二级固定刀片的最外端，朝着钻头本体的外表面或保径表面延伸)紧邻其靠近的相应滚子切削刀具的端面30，在有些情况下，与所述端面30相接。如图3进一步所示的，一级固定刀片23、25、27和二级固定刀片61、63、65以及牙轮切削刀具29、31、33由一个或多个钻进流体流动路线20分开。二级固定刀片与牙轮之间的角对准线“A”基本上与牙轮的轴向旋转中心线对准，或者作为选择并且同样可接受的，如图3所示那样定向，其中牙轮和二级固定刀片切削刀具略微与牙轮的轴向中心线错开(例如在大约10以内)。

如上所述，如图1、2和3所示的钻头11的实施例仅包括三个较长的(比二级固定刀片的长度)的一级固定刀片(例如，一级刀片23、25、27)。与采用三个、四个或更多个较长一级固定切削刀具刀片的一些传统固定切削刀片钻头相比，钻头11具有较少的一级刀片。但是，通过改变(例如，减少或增加)较长一级固定切削刀片的数量，本发明的某些实施例可以通过减少一级固定切削刀具刀片的接触表面面积及其相关的摩擦而提高钻头11的钻速(ROP)。

再次参照图4，显示了钻头11的示范性横截面轮廓，就好像沿着线4-4剖开一样，以显示单旋转轮廓。为清楚起见，图4的横截面视图没有显示所有的备用固定切削刀片及其相关的切削元件。

在该横断面轮廓中，钻头11的多个刀片(例如一级固定刀片23、25、27和二级固定刀片61、63、65)包括叶型91。叶型91和钻头面10可被分成三个不同的区域：标记的锥形区域94、肩部区域95和保径区域96。锥形区域94在该实施例中为凹入的，并包括钻头11的最内区域(例如，锥形区域94为钻头11的最中心区域)。紧邻锥形区域94的是肩部(或上翻曲线)区域95。在该实施例中，肩部区域95大体上为凸出的。锥形区域94和肩部区域95之间的过渡，通常被称为鼻部或鼻部区域97，出现在复合叶型91的轴向最外部分，在这里，叶型91切线的斜率为零。径向向外移动，紧邻肩部区域95的是保径区域96，所述保径区域96在复合叶型91的径向外周基本上平行于钻头轴线15延伸。如复合叶型91所示，保径垫片42限定了钻头11的外半径93。在该实施例中，外半径93延伸到钻头11的全保径直径，并因此限定了该全保径直径。在此所使用的术语“全保径直径”是指由钻头的切削刀具元件和表面的径向最外伸出范围限定的钻头外径。

仍然参照图4，锥形区域94由沿着“x轴”(X)从中心轴线11测量的径向距离限定。应当理解，x轴垂直于中心轴线15，并从中心轴线15径向向外延伸。锥形区域94可以由钻头11的外半径93的一百分比限定。在有些实施例中，锥形区域94从中心轴线15延伸至外半径93的不到50％。在选定实施例中，锥形区域94从中心轴线15延伸至外半径93的不到30％。同样，锥形区域24可以由一个或多个一级固定切削刀片(例如一级固定切削刀片23、25、27)的部位限定。例如，锥形区域94从中心轴线15延伸到一级固定切削刀片开始的距离处(例如，图3所示的距离“D”)。换句话说，锥形区域94的外边界可以与一个或多个一级固定切削刀片开始的距离“D”重叠。从中心轴线15测量的锥形区域94的实际半径可以随着钻头的不同而不同，这取决于各种因素，包括、但不限于：钻头几何形状，钻头类型，一个或多个二级刀片(例如二级刀片61、63、65)的部位，备用切削刀具元件51的部位，或其组合。例如，在有些情况下，钻头11可以具有较平的抛物线剖面，由此形成较大的锥形区域94(例如外半径93的50％)。但是，在其它情况下，钻头11可以具有较长的抛物线剖面，由此形成较小的锥形区域94(例如外半径93的30％)。

现在参照图5，示出了钻头11的示意性俯视图。为清楚起见，该视图中没有显示钻头面10上的喷嘴38及其它特征。从钻头轴线15径向向外移动，钻头面10包括锥形区域94、肩部区域95和保径区域96，如前述一样。鼻部区域97大体上表示了锥形区域94和肩部区域95之间的过渡。具体地说，锥形区域94从钻头轴线15径向延伸到锥形半径Rc，肩部区域95从锥形半径Rc径向延伸到肩部半径Rs，保径区域96从肩部半径Rs径向延伸到钻头外径93。

二级固定切削刀片61、63、65沿着钻头面10从钻头轴线15附近的锥形区域94之内朝着保径区域96和外半径93径向延伸，大致延伸到鼻部区域97，紧邻牙轮切削刀具29、31、33的顶面30。一级固定切削刀片23、25、27沿着钻头面10从鼻部区域97附近或从不在钻头轴线15附近的另一部位(例如从锥形区域94之内)朝着保径区域96和外半径93径向延伸。在该实施例中，两个一级固定切削刀片23和25从基本上与锥形区域94的外半径重叠的距离“D”开始(例如锥形区域94和肩部区域95的相交处)。剩下的一级固定切削刀片27，虽然可接受地与刀片23和25大体上相同地布置，但不必这样，如图所示。尤其是，一级固定切削刀片27从锥形区域94内的一部位朝着保径区域96和外半径延伸，但是离开钻头的轴向中心线15一段距离。因而，一级固定切削刀片可以朝着钻头中心15向内延伸直到锥形区域94或其内。在其它实施例中，一级固定切削刀片(例如一级刀片23、25、27)可以延伸到锥形区域(例如锥形区域94)或略微延伸到锥形区域内。在所示的实施例中，每个一级固定切削刀片23、25和27以及每个牙轮切削刀具29、31、33基本上延伸到保径区域96和外半径93。但是，在其它实施例中，一个或多个一级固定切削刀片以及一个或多个牙轮切削刀具可以不完全延伸到钻头的保径区域或外半径。

继续参照图5，每个一级固定切削刀具刀片23、25、27和每个二级固定切削刀具刀片61、63、65在俯视图中随着其朝着中心轴线15径向向内延伸而大体上逐渐缩减(例如，变细)。因此，一级和二级固定切削刀具刀片两者都在轴线15附近较薄，在这里空间周向受到限制，并且随着其从轴向中心15朝着保径区域96向外延伸而变宽。虽然一级固定切削刀具刀片23、25、27和二级固定切削刀具刀片61、63、65在俯视图中径向线性延伸，但是在其它实施例中，一级固定刀片中的一个或多个、二级固定刀片中的一个或多个、或者它们的组合在俯视图中可以沿着它们的长度呈弓形(凹入或凸出)或曲线。

继续参照图5，一级固定刀片切削刀具元件41、43、45设置在每个一级固定刀片23、25、27上的区域94、95、96中，二级固定切削刀具元件40设置在每个二级固定切削刀具刀片的区域94、95和97中。但是，在该实施例中，备用切削刀具元件47、49只设置在一级固定切削刀具刀片23、25、27上(即，没有备用切削刀具元件设置在二级固定切削刀具刀片61、63、65上)。因而，二级固定切削刀具刀片61、63、68、以及钻头11的一级固定切削刀具刀片23、23、27的区域94和97基本上没有备用切削刀具元件。

图9A和9B示出了依照本发明的固定切削刀具刀片与滚子切削刀具之间的另一可选配置。这里，所示的钻头511包括位于其工作端并且从钻头面510沿着钻头的中心轴线515的方向向上延伸的：四个二级固定切削刀具刀片521、523、525、527，其具有至少附接至其前刃(相对于钻头运行期间的旋转方向)的多个固定刀片切削刀具切削元件540；和四个牙轮切削刀具531、533、535、537，其具有附接至其的多个牙轮切削元件540。四个二级固定切削刀具刀片(521，523，525，527)中的每一个布置成彼此间隔约90度；类似地，四个牙轮切削刀具(531，533，535，537)中的每一个布置成彼此间隔约90度，并与每个相应二级切削刀具刀片的中心轴线对准。每个二级固定切削刀具刀片521、523、525、527从钻头轴线515附近朝着钻头面510的鼻部区域97径向向外延伸，基本上延伸锥形区域94的范围。以类似的方式，四个牙轮切削工具531、533、535、537中的每个大致从鼻部区域97穿过肩部区域95和保径区域96朝着钻头511的外半径93径向向外延伸。如前述实施例一样，每个牙轮切削刀具的顶面或顶尖面530紧邻、但不直接接触(存在间隙或空隙90)末端，即其大体上角对准或线性对准的二级固定刀片切削刀具的最远延伸端。

依照前述附图的钻头已经示出，牙轮切削刀具没有直接接触其对准的任意二级固定切削刀具刀片的远端，存在一空间、间隙或空隙90，以允许牙轮切削刀具在钻头运行期间自由转动。该间隙90在每个截顶牙轮切削刀具的顶面与远端(径向最远离钻头的中心轴线的相对那端)之间延伸，其尺寸优选足够大，以致间隙的直径允许牙轮切削刀具转动，但同时也足够小，以防止来自钻进作业的碎屑(例如，来自固定切削刀片切削元件和/或牙轮切削元件的切屑)存在其中以及防止牙轮切削刀具自由旋转。做为选择，并且同样可接受的，一个或多个牙轮切削刀具可以安装在芯轴或线性支承组件上，芯轴或线性支承组件贯穿截顶牙轮切削刀具的中心延伸，并附着到与二级固定刀片切削刀具分开或相联的鞍部或类似安装组件中。滚子切削刀具与二级固定刀片之间的这种可选配置的更多细节显示在下列图的实施例中。

现在转到图10，显示了如图1、2和3所示的牙轮切削刀具29与二级固定刀片切削刀具63之间的可选配置的横截面视图。在横截面视图中，滚动切削刀具29的顶尖端面30紧邻并基本上平行于二级固定刀片切削刀具63的外远缘面67。依照该实施例的一个方面，牙轮切削刀具29和二级固定刀片63彼此紧邻，但不直接抵接，其间存在一空间或间隙90，允许牙轮切削刀具29在运行期间持续绕其中心纵向轴线140转动。正如该实施例的横截面视图中进一步示出的，还以局部剖视图显示了位于二级固定刀片切削刀具63与牙轮切削刀具29之间的鞍部型组件。如其中所示的，牙轮切削刀具29包括具有近端95和纵向相对的远端97的线性支承轴杆93，所述线性支承轴杆93沿着牙轮切削刀具的中心轴向轴线140，从钻头支腿17的外缘向内穿过滚子切削刀具29的中心区域，延伸到二级固定切削刀具刀片63的远面67内形成的凹部69中。也就是说，支承轴杆93贯穿牙轮切削刀具延伸，突出到并保持在二级固定刀片切削刀具的远面67内(借助于适当的保持装置，例如凹部69内的螺纹接收组件，其形状设计成能与支承轴杆93的阳螺纹远端97螺纹配合)。支承轴杆93也可以经由适当的保持装置91可移除地保持在适当位置中。因此，在运行期间，滚动切削刀具绕支承轴杆93转动。当例如由于滚动切削刀具比固定刀片上的磨损率更快而需要在钻头运行期间更换滚动切削刀具29时，该实施例尤其有效。在这种情形下，用户可以移除支承轴杆93，从而释放滚动切削刀具29，然后将新的滚动切削刀具插入到适当地方，从而节省在钻头面上移除并更换磨损滚动切削刀具通常所需的时间。虽然示出的支承轴杆93基本上为圆柱形、在整个长度上具有均匀的直径，但是，在本发明的有些方面，支承轴杆93也可以逐渐缩减。另一个实施例允许牙轮切削刀具的芯轴53贯穿牙轮的内端延伸，芯轴的延长部直接或间接固定于二级固定切削刀片或其内、固定于独立的鞍部支承安装组件、或固定于钻头本体13或其内。这显示在图11-16中。

图11示出了依照本发明实施例的又一示范性钻头611的等距透视图。图12示出了图11中钻头的俯视图。图13示出了依照图11和12的牙轮切削刀具组件、二级固定刀片和鞍部支承组件的局部横截面视图。图14示出了图13中组件的局部剖视图。图14显示了示范性贯穿延伸的芯轴轴承670。图15示出了鞍部支承组件的局部俯视透视图。这些图将相互结合进行论述。

图11是钻头611的等距视图。图12是该混合式钻头的俯视图。如图中所示，钻头611包括钻头本体613。钻头本体613基本上类似于在此之前所述的钻头本体，不同之处在于，钻头的工作端(下端)仅包括钻头本体610上安装的附接至钻头支腿617、619的两个牙轮切削刀具629、631和两个固定刀片切削刀具623、625，不过该图不意味着对本发明的限制，也可以想到三个和四个固定切削刀具刀片与牙轮切削刀具的组合。牙轮切削刀具629、631和固定刀片切削刀具两者关于中心钻头轴线615基本上彼此相对地布置(间隔约180度)，每个均包括多个滚子切削刀具切削元件635和固定刀片切削元件641、643。钻头还包括紧邻钻头的中心轴线615的成形鞍部安装组件660，并提供一装置，芯轴616贯穿牙轮切削刀具延伸，并通过所述装置保持在其远端。虽然鞍部安装组件660显示为大体上矩形或朝着钻头面610向下逐渐缩减(图12)或者圆柱形状(图16)，但是，鞍部安装组件660可以为根据钻头的总体设计所规定的任何适当形状，包括钻头将用于的地层类型，所采用的滚子切削刀具的数量以及一级和二级固定刀片切削刀具的数量都包括在钻头总体设计中。

图13是拆分成断开的几个部分的示意图，显示了带有支撑臂617、619和具有结合本发明的各种教导的贯穿支承系统的牙轮切削刀具组件629、631的混合式钻头611。相关支承系统的各个部件将在后面更详细地论述，其允许各个牙轮切削刀具组件629、631可旋转地安装在相应的轴颈或芯轴670上，轴颈或芯轴670穿过牙轮切削刀具629、631的内部区域，延伸到成形保持凹部669内。

钻头611的切削刀具锥形组件629、631可以安装在轴颈或芯轴670上，所述轴颈或芯轴670从相应支撑臂617、619，穿过牙轮切削刀具的内部，突出到鞍部安装组件660内的凹部以及其远端671内，其使用的手段与牙轮切削刀具在从相应支撑臂19上突出的标准芯轴或轴颈53的安装相同，正如前面参照图4所述的。而且，结合本发明的教导的鞍部安装组件系统可以令人满足地用来将牙轮切削刀具组件629、631可旋转地安装到相应的支撑臂617、619上，方式与本领域普通技术人员所理解的用于在相应支撑臂上课旋转地安装牙轮组件的方式基本相同。

继续参照图13，每个牙轮切削刀具组件629优选包括大体上圆柱形的空腔614，所述空腔614的尺寸设计成在其中接收芯轴或轴颈670。每个牙轮切削刀具组件629及其相应芯轴670具有一共同纵向轴线650，所述纵向轴线650还表示牙轮切削刀具组件629相对于其相关的芯轴670的旋转轴线。相应支承系统的各个部件包括与空腔614的内部和芯轴670的外部相关联的机加工表面。这些机加工表面总体关于轴线650描述。

对于图13、14、15和16所示的实施例，每个牙轮切削刀具组件通过多个滚珠轴承632保持在其相应轴颈上。但是，各式各样的切削刀具锥形组件保持机构在本领域是众所周知的，也可以与结合本发明的教导的鞍部安装芯轴保持系统一起使用。对于图3所示的例子，滚珠轴承632穿过一开口插入到钻头本体或钻头支腿的外表面中，并经由相关联的钻头支腿617、619的滚珠保持架通路。滚珠座圈634和636分别形成在相关联的牙轮切削刀具锥形组件629的空腔614内部和芯轴670外部中。

每个芯轴或轴颈670形成在每个钻头支腿617、619的内部表面605上。每个芯轴670具有沿着轴线650从钻头支腿延伸的大体上圆柱形构造(图15)。芯轴670进一步还包括一近端673，当芯轴670插入到钻头611中并贯穿牙轮切削刀具629时，所述近端673邻近适当钻头支腿的内部。与近端673相对的是远端671，远端671可以逐渐缩减或其它形状或螺纹连接以便能够配合并保持在鞍部安装组件660内的凹部内。轴线650还与相关联的牙轮切削刀具629、631的旋转轴线相对应。对于如图13所示的本发明的实施例，芯轴670包括第一外径部分638、第二外径部分640和第三外径部分642。

第一外径部分638从芯轴670和钻头支腿617的内表面605之间的连接处延伸到滚珠座圈636。第二外径部分640从滚珠座圈636延伸到肩部644，所述肩部644通过从第二直径部分640和第三直径部分642的直径变化而形成。相对于轴线650测量，第一外径部分638和第二外径部分640具有大致相同的直径。与第一外径部分638和第二外径部分640相比，第三外径部分642具有大体上减少的外径。牙轮切削刀具组件629的空腔614优选包括大体上与芯轴670的第一外径部分638、第二外径部分640、第三外径部分642、肩部644和远端部分673相对应的机加工表面。

继续参照图13、14和15，第一外径部分638、第二外径部分640、第三外径部分642和相应的空腔614中形成的机加工表面提供一个或多个径向轴承部件，用于在芯轴670上可旋转地支撑牙轮切削刀具组件629。芯轴670的肩部644和端673(在牙轮切削刀具629的顶面630上方延伸到支承鞍部660中形成的凹部661中)以及相应的空腔614中形成的机加工表面提供一个或多个推力支承部件，用于在芯轴670上可旋转地支撑牙轮切削刀具组件629。本领域技术人员应当理解，各种型式的衬套、滚子轴承、止推垫圈、和/或止推块都可以设置在芯轴670的外部与相应的与空腔614相关联的表面之间。视情况而定，径向支承部件也可以被称为颈支承部件。

参照图13和14，可以看到贯穿鞍部组件660的芯轴670的整个组件。尤其是，凹部661优选形成到鞍部组件660的本体内，所述凹部与牙轮切削刀具629的纵向旋转轴线650轴向对准。凹部661的形状设计成接收芯轴670的远端673。芯轴670可以通过适合的保持装置(螺纹，压力保持，等等)保持在凹部661内，视情况而定，以防止芯轴670在钻头运行期间随着牙轮切削刀具629的旋转而旋转。但是，在一可选配置中，芯轴670的远端673的形状设计成容易地配合到鞍部组件660的凹部661的机加工壁内，其进一步可任选地包括一个或多个径向轴承，以致允许芯轴670在钻头运行期间绕其纵向轴线自由旋转，视情况而定。

混合式钻头的其它特征，例如备用切削刀具、耐磨表面、用于引导钻进流体的喷嘴、提供用于切屑和钻进流体的余隙的排屑槽，以及钻头的其它公认特征，被认为是本领域普通技术人员的常识，因而不需要进一步描述，这些可任选地、进一步地包含在本发明的钻头中。

现在转到图17-19，示出了本发明的其它可选实施例。如其中所示的，钻头可以是混合式扩孔钻头，其结合多个上述特征，例如一级和二级固定刀片切削刀具，其中一个固定切削刀具基本上从钻头中心朝着保径表面延伸，以及其中，另一个固定切削刀具从保径表面向内朝着钻头中心延伸，但不延伸到钻头中心，以及其中至少一个第一固定切削刀具抵接或靠近至少一个牙轮的顶尖。图17示出了依照本发明的实施例的混合式扩孔钻头的工作面的仰视图。图18示出了依照本发明的混合式扩孔钻头的侧剖视图。图19示出了图17中钻头的局部等距视图。这些图将相互结合进行论述。

如这些附图所示，混合式扩孔钻头711包括多个截锥形或其它形状的牙轮切削刀具729、730、731、732，这些牙轮切削刀具在钻头的工作面710周围间隔开。这些牙轮切削刀具中的每一个包括布置在切削刀具的外表面上的多个切削元件735，如上所述。钻头711还包括一系列一级固定刀片切削刀具721、723、725，其大体上从钻头711的外保径表面径向向内延伸，但不延伸到钻头的轴向中心715。这些一级固定刀片切削刀具中的每一个可装配有多个切削元件741，并可任选地装配有备用切削刀具743，如在此所述的实施例所述的。钻头711还可以包括一个或多个(显示了两个)二级固定刀片切削刀具761、763，所述二级固定刀片切削刀具761、763从钻头711的轴向中心径向向外朝着牙轮切削刀具730、732延伸，使得二级固定刀片切削刀具761、763的外远端(与紧邻钻头的轴向中心的那端相对)抵接或紧邻牙轮切削刀具的顶尖面或顶面730。二级固定刀片切削刀具761、763优选定位成延续其在远端大致抵接的牙轮切削刀具的切削轮廓，使切削轮廓朝着钻头的中心区域延伸。多个可任选的稳定器751显示在钻头711的外周上或保径区域中；但是，应当理解，对于钻头711所用于的特定应用，稳定器中的一个或多个可替换为另外的牙轮切削刀具或一级固定刀片切削刀具，视情况而定。此外，依照本发明的多个方面，牙轮切削刀具定位成在运行期间切削钻孔的外径，但不延伸到钻头的轴向中心或锥形区域。这样，牙轮切削工具起到形成底孔轮廓的外部分的作用。带有二级固定切削刀具的滚动切削刀具的配置还可以或任选地位于一鞍部型附着组件中，其类似于上述结合图10和11所述的。

图19示出了固定切削刀具刀片761的固定切削元件801与滚动切削刀具732的切削元件803的重叠或叠加的示意图，以及它们如何组合以限定底孔切削轮廓800，底孔切削轮廓包括固定切削刀具的底孔切削轮廓807和滚动切削刀具的底孔轮廓805。底孔切削轮廓大体上从轴向中心715延伸到相对于中心纵向轴线的径向最外周。圆形区域809是其中来自牙轮切削元件803的底孔切削覆盖范围停止、而底孔切削轮廓继续的部位。在一个实施例中，二级固定切削刀具刀片的切削元件801在轴向中心715形成切削轮廓807，直到鼻部区域或肩部区域，而牙轮切削元件803从钻头711的外保径区域向内朝着肩部区域延伸，不重叠固定切削刀片的切削元件，并限定第二切削轮廓805以完成整个底孔切削轮廓800，所述整个底孔切削轮廓800从轴向中心715向外穿过“锥形区域”、“鼻部区域”和“肩部区域”(参见图5)延伸到相对于轴线715的径向最外周边或保径表面。依照该实施例的其它方面，牙轮切削元件和固定刀片切削刀具切削元件的至少一部分在钻头轮廓的鼻部区域或肩部区域重叠。

在不脱离本申请人的发明的精神的情况下，可以使用本发明的上述一个或多个方面来设计其它及另外的实施例。例如，可以构造支承组件配置的组合以及延伸到钻头面的不同区域的一级和二级固定刀片切削刀具的组合，来有利于和改善钻进特性和性能。进一步地，各种方法、制造和组装系统的方法的实施例以及定位描述可以包括相互的组合，以形成所公开的方法和实施例的变形。对单个元件的描述包括多个元件，反之亦然。

步骤次序可以按照各种顺序进行，除非另有具体限定。在此所述的各个步骤可以与其它步骤组合，可将所述步骤插入其中、和/或分成多个步骤。同样，已经功能性描述了一些元件，这些元件可以包括各个独立的元件，或者可以组合到具有多功能的元件中。

虽然已经根据优选实施例和其它实施例描述了本发明，但并没有描述本发明的所有实施例。本领域普通技术人员可以对所述实施例进行显而易见的变型和改变。公开的和未公开的实施例并未限制或限定申请人所构思的本发明的范围或适用范围，相反地，在遵守专利法的前提下，申请人努力充分保护落入所附权利要求书的范围或等同范围内的所有这些变型和改进。

Claims (22)

1.一种用于在地层中钻进钻孔的钻地钻头，所述钻头包括：

钻头本体，所述钻头本体构造成在其上部范围用于连接至钻柱，所述钻头本体具有中心轴线和钻头面，所述钻头面包括锥形区域、鼻部区域、肩部区域和径向最外面的保径区域；

在轴向方向上从所述钻头本体向下延伸的至少一个固定刀片，所述至少一个固定刀片具有前刃和后刃；

多个固定刀片切削元件，所述多个固定刀片切削元件布置在所述至少一个固定刀片上；

至少一个滚动切削刀具，所述至少一个滚动切削刀具安装成用于在所述钻头本体上旋转；以及

布置在所述至少一个滚动切削刀具上的多个滚动切削刀具切削元件；

其中至少一个固定刀片与至少一个滚动切削刀具角对准。

2.根据权利要求1所述的钻头，其中，至少一个固定刀片具有凸出的切削面或前刃。

3.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个固定刀片沿着所述钻头面从所述保径区域径向延伸到所述鼻部区域。

4.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个固定刀片沿着所述钻头面从所述保径区域径向延伸到所述肩部区域。

5.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个固定刀片沿着所述钻头面从所述保径区域径向延伸到所述锥形区域。

6.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述固定刀片中的至少一个沿着所述钻头面从中心轴线附近朝着在所述锥形区域与所述肩部区域之间过渡的所述鼻部区域径向向外延伸。

7.根据权利要求6所述的钻头，其中，所述固定刀片沿着所述钻头面径向延伸，并且所述固定刀片的终端设置在所述鼻部区域中。

8.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述固定刀片中的至少一个沿着所述钻头面从中心轴线附近朝着所述保径区域径向向外延伸，并且所述固定刀片的终端设置在所述肩部区域中。

9.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述固定刀片中的至少一个沿着所述钻头面从所述钻头的中心轴线附近径向向外延伸到所述鼻部区域，并且其中所述滚动切削刀具中的至少一个以对准的方式朝着所述固定刀片向内延伸。

10.根据权利要求1所述的混合式钻头，其中，钻头是混合式先导扩孔型钻头。

11.一种在地下地层中钻进井眼的方法，所述方法包括：

使用根据权利要求1所述的钻地钻头，向地下地层中钻进井眼。

12.一种用于在地层中钻进钻孔的钻头，所述钻头包括：

钻头本体，所述钻头本体构造成在其上部范围用于连接至钻柱，所述钻头本体具有中心轴线和钻头面，所述钻头面包括锥形区域、鼻部区域、肩部区域和径向最外面的保径区域；

在轴向方向上从所述钻头本体向下延伸的至少一个一级固定刀片切削刀具，所述至少一个一级固定刀片切削刀具具有前刃和后刃，并且沿着所述钻头面从所述肩部区域径向延伸到所述保径区域；

多个固定刀片切削元件，所述多个固定刀片切削元件布置在所述至少一个一级固定刀片的前刃上；

在轴向方向上从所述钻头本体向下延伸的、并且具有前刃和后刃的至少一个二级固定刀片切削刀具，所述二级固定刀片切削刀具沿着所述钻头面从钻头轴线附近穿过所述锥形区域径向向外延伸；

至少一个滚动切削刀具，所述至少一个滚动切削刀具安装在钻头支腿上以用于在所述钻头本体上旋转；以及

布置在所述至少一个滚动切削刀具的外部上的多个滚动切削刀具切削元件；

其中所述至少一个二级固定刀片切削刀具与所述至少一个滚动切削刀具角对准。

13.根据权利要求12所述的钻头，进一步包括所述滚动切削刀具中的支承轴杆，所述支承轴杆从所述钻头支腿延伸穿过所述滚动切削刀具，其中所述支承轴杆延伸穿过所述滚动切削刀具的顶面。

14.根据权利要求13所述的钻头，其中，所述支承轴杆的至少一端附接至所述钻头本体。

15.根据权利要求13所述的钻头，其中，所述支承轴杆的至少一端附接至所述固定切削刀具的刀片。

16.根据权利要求13所述的钻头，其中，所述支承轴杆的至少一端附接至牙轮支腿。

17.根据权利要求13所述的钻头，其中，所述支承轴杆的至少一端延伸到鞍部安装组件中形成的凹部内。

18.根据权利要求17所述的钻头，其中，所述鞍部安装组件与所述至少一个二级固定刀片切削刀具的终端区域一体化。

19.根据权利要求13所述的钻头，其中，所述支承轴杆的远端延伸穿过所述滚动切削刀具并被可移除地固定，并且所述支承轴杆的近端被可移除地固定至所述钻头支腿。

20.根据权利要求13所述的钻头，其中，所述支承轴杆是用于所述滚动切削刀具的芯轴。

21.根据权利要求13所述的钻头，其中，所述支承轴杆是渐缩的。

22.根据权利要求12所述的钻头，其中，所述一级固定刀片切削刀具中的至少一个具有弓形的前切削刃。