CN104662252A - 具有闭合保持环的滚动切割器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种切割元件，其包括套筒、可旋转切割元件和至少一个保持环。套筒具有第一内径和第二内径，其中，第二内径大于第一内径并且位于比第一内径更低的轴向位置处。可旋转切割元件具有贯穿延伸的旋转轴线、切割面、从切割面轴向向下延伸的本体，其中，本体具有设置在套筒内的轴以及绕着轴的外表面形成的圆周槽。所述至少一个保持环设置在圆周槽中并且至少绕着轴的整个圆周延伸，其中，所述至少一个保持环从圆周槽突出，从而将可旋转切割元件保持在套筒内。

Description

具有闭合保持环的滚动切割器
技术领域
本文公开的实施例总体上涉及用于钻头或其他装有钻头的切割工具的切割元件。更特别地，本文公开的实施例总体上涉及可旋转切割元件。
背景技术
总体上，在两个广义分类的钻头结构中的一个内制造用于钻通过地球地层的井眼的钻头。根据应用/将被钻的地层，可以基于针对钻头的切割动作类型和针对其适用的特定地层来选择恰当类型的钻头。第一类别中的钻头一般被称为“牙轮”钻头，其包括具有可旋转地安装到钻头本体的一个或多个牙轮的钻头本体。钻头本体通常由钢或别的高强度材料形成。牙轮通常也由钢或其他高强度材料形成，并且包括多个布置在绕着牙轮的所选位置处的切割元件。切割元件可以由与牙轮的基材相同的基材形成。这些钻头通常被称为“铣齿”钻头。其他牙轮钻头包括“嵌齿”切割元件，它们被压(过盈)配合到形成在和/或被机械加工到牙轮内的洞中。嵌齿可以由例如碳化钨、天然的或合成的金刚石、氮化硼、或硬的或超硬的材料中的任一个或组合形成。
第二类别的钻头通常称为“固定切割器”钻头或“刮刀型”钻头。刮刀型钻头包括具有连接到钻头本体的切割元件的钻头，该钻头本体可以是钢的钻头本体或由诸如被结合剂材料所包围的碳化钨的基质材料形成的基质钻头本体。刮刀型钻头一般可以被定义为不具有运动部件的钻头。然而，存在形成现有技术中已知的刮刀型钻头的不同的类型与方法。例如，具有诸如被孕镶到形成钻头本体的材料的表面内的金刚石的研磨材料的刮刀型钻头一般被称为“孕镶”钻头。具有由沉积在基体上或以别的方式结合至基体的(通常由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”制成的切割元件的刮刀型钻头在现有技术中被称为多晶金刚石复合片(“PDC”)钻头。
PDC切割器已经在包括岩石钻探和金属机加工的工业应用中被使用多年。在PDC钻头中，PDC切割器被纳入到切割器的接收口内，该接收口形成在自钻头本体延伸的刀片内，并且PDC切割器通常通过铜焊至切割器的接收口的内表面而被结合至刀片。沿钻头本体刀片的先导边缘设置PDC切割器，使得当钻头本体旋转时，PDC切割器接合并且钻地球地层。在使用中，尤其是在从前至后的方向上，可对PDC切割器施加大的力。此外，钻头和PDC切割器可能受到相当大程度的研磨力。在一些例子中，由于一个或多个切割器的缺失或由于刀片的破裂，冲击、振动以及冲蚀力会导致钻头故障。
在通常的PDC切割器中，多晶金刚石复合片(“PDC”)(或其他诸如多晶立方氮化硼的超硬材料)被结合至基体材料，其通常为烧结金属碳化物，以形成切割结构。PDC包括被结合在一起以形成整体的、坚固的、高强度块或晶格的金刚砂或金刚石晶体的多晶块。形成的PDC结构造成了增强的耐磨性和硬度特性，使得PDC材料在需要高水平的耐磨性和硬度的剧烈磨损与切割应用中非常有用。
在图1和2中示出了具有包括超硬工作面的多个切割器的现有技术的PDC钻头的一个实例。钻头100包括具有带螺纹的上销端111和切割端115的钻头本体110。切割端115通常包括绕着钻头的旋转轴线L(也被称为纵轴线或中心轴线)布置并且自钻头本体110径向地向外延伸的多个肋或刀片120。切割元件或切割器150相对于工作面以预定的角方位和径向位置以及相对于将被钻的地层以所需的后倾角和侧倾角嵌入到刀片120中。
多个孔116设置在钻头本体110上的刀片120之间的区域中，该区域可以被称为“空隙”或“流体流道”。孔116通常适于容纳喷嘴。孔116允许钻井流体沿所选方向以所选流速在刀片120之间排放通过钻头，用于润滑并冷却钻头100、刀片120和切割器150。当钻头100旋转并穿透地质地层时，钻井流体还清洗且去除岩屑。在没有恰当的流动特性的情况下，对切割器150的不充分冷却可能导致在钻井作业期间切割器故障。设置流体流道以便为钻井流体提供另外的流道，并且为地层岩屑提供通道以行进通过钻头100向井眼的地面传送(未示出)。
参考图2，示出了现有技术的PDC钻头的顶视图。所示钻头的切割面118包括多个刀片120，其中，每个刀片具有面向钻头旋转方向的先导侧122、(与先导侧相反的)跟随侧124和顶侧126。每个刀片包括通常自切割面118的中心径向地设置并通常成行的多个切割元件或切割器。某些切割器，尽管在不同的轴向位置处，但可以占用与其他刀片上的其他切割器相似的径向位置的径向位置。
决定PDC切割器的寿命的一个重要因素是切割器对热的暴露。对热的暴露能够导致金刚石台的热损害，并且最终(由于热膨胀系数的不同)导致裂缝的形成，该裂缝可能导致多晶金刚石层的脱落、多晶金刚石与基体之间的层离、以及金刚石转换回石墨(这会引起快速磨损)。传统的PDC切割器的热作业范围通常为700-750℃或更低。
如所提及的，传统的多晶金刚石在空气中在高达700-750℃的温度下是稳定的，所观察到的温度增加到该温度以上可能导致对多晶金刚石的永久性损害以及结构损伤。多晶金刚石的这种劣化是由于与金刚石相比，结合剂材料、钴的热膨胀系数的显著不同。一旦多晶金刚石受热，钴和金刚石晶格将以不同速率膨胀，这可能导致在金刚石晶格结构中形成裂缝并且导致多晶金刚石的劣化。损坏还可能是由于在极高的温度下，在金刚石-金刚石颈处石墨的形成，这导致微观结构完整性的丧失与强度的丧失。
在传统的刮刀型钻头中，将PDC切割器固定到钻头的表面上，使得相同的切割面在钻井期间接触地层。随着时间的过去和/或当钻某些坚硬的但不必然是高磨蚀的岩石地层时，不断接触地层的切割元件上的工作面的边缘开始磨损，形成局部的磨损平面，或对切割元件的剩余部分的不相称的损害区域。局部磨损平面可能由于钻头有效地穿透工作材料的能力的降低以及由切割元件的边缘的变钝引起的穿透率的损失而导致更长的钻井时间。换言之，磨损的PDC切割器充当生热的摩擦承受承面，这会加速PDC切割器的磨损并减缓钻井的穿透速率。这种平面有效地阻止了或严重地降低了地层切割速率，因为传统的PDC切割器不能充分地接合并从接触区域高效去除地层物质。此外，切割器通常处于恒定的热量和机械载荷下。因此，会沿切割面积聚热量，并且热量导致切割元件裂开。当一个切割元件断裂时，如果断裂的切割元件接触第二切割元件，钻井作业可能承受穿透速率的损失以及对其他切割元件的额外的损害。
此外，在切割器接触点处，尤其是在由PDC与工作材料之间的摩擦所引起的PDC层的裸露部分处的热量的产生，导致对PDC的裂缝形式的热损害，该裂缝导致多晶金刚石层的剥落、多晶金刚石与基体之间的层离以及金刚石转换回石墨(这会引起快速磨损)。传统的PDC切割器的热工作范围通常为750℃或更低。
因此，存在对提高切割元件的寿命方面的开发的持续需求。
发明内容
提供该发明内容，以引入对在下面的详细描述中将进一步描述的概念的选择。该发明内容既不旨在确定所要求主题的关键或必要特征，也不旨在被用作帮助限定所要求主题的范围。
一个方面，本文所公开的实施例涉及一种切割元件组件，包括：具有第一内径和第二内径的套筒，其中，所述第二内径大于所述第一内径，并且位于比所述第一内径更低的轴向位置处。所述切割元件还包括具有贯通延伸的旋转轴线的可旋转切割元件、切割面和从所述切割面轴向向下延伸的本体，其中，所述本体具有轴，所述轴设置在所述套筒内，并且绕着所述轴的外表面形成有圆周槽。至少一个保持环设置在所述圆周槽中，其中，所述至少一个保持环至少绕着所述轴的整个圆周延伸，并且其中，所述至少一个保持环从所述圆周槽突出，从而将可旋转切割元件保持在所述套筒内。
另一方面，本文所公开的实施例涉及一种切割元件组件，包括：套筒和具有贯通延伸的旋转轴线的可旋转切割元件。所述可旋转切割元件具有切割面和从所述切割面轴向向下延伸的本体，其中，所述本体的至少一部分设置在所述套筒内。绕着所述本体的外表面形成有圆周槽，其中，所述圆周槽相对于所述套筒轴向靠下设置。至少一个保持环设置在所述圆周槽中，其中，所述至少一个保持环至少绕着所述本体的整个圆周延伸，并且其中，所述至少一个保持环从所述圆周槽突出，从而将所述可旋转切割元件保持在所述套筒内。
根据下面的描述和所附权利要求，本公开的其他方面与优点将变得显而易见。
附图说明
根据下面的附图描述本公开的实施例。在附图中，相同的数字被用于标记相同的特征与部件。
图1示出传统的刮刀型钻头的侧视图。
图2示出传统的刮刀型钻头的顶视图。
图3示出根据本公开的实施例的可旋转切割元件的透视图。
图4示出根据本公开的实施例的切割元件组件的分解图。
图5A-B示出根据本公开的实施例的切割元件组件的横截面视图。
图6A-B示出根据本公开的实施例的保持环的透视图。
图7示出根据本公开的实施例的保持环的透视图。
图8示出根据本公开的实施例的切割元件的横截面视图。
图9示出根据本公开的实施例的弹簧的透视图。
图10示出根据本公开的实施例的切割元件的横截面视图。
图11示出根据本公开的实施例的切割元件的横截面视图。
图12示出根据本公开的实施例的切割元件的横截面视图。
图13示出根据本公开的实施例的切割元件的分解图。
图14示出根据本公开的实施例的切割元件的透视图。
图15示出根据本公开的实施例的切割元件的横截面视图。
图16示出根据本公开的实施例的钻头的顶视图。
图17示出根据本公开的实施例的钻头的侧视图。
图18示出根据本公开的实施例的用于实验室测试的切割元件的图片。
图19示出根据本公开的实施例的切割元件组件的横截面视图。
图20示出根据本公开的实施例的切割元件组件的分解图。
图21示出根据本公开的实施例的切割元件组件的横截面视图。
图22示出根据本公开的实施例的切割元件组件的透视图。
图23示出根据本公开的实施例的切割元件组件的横截面视图。
图24A-B示出根据本公开的实施例的切割元件组件的横截面视图。
图25示出根据本公开的实施例的切割元件组件的横截面视图。
图26示出根据本公开的实施例的切割元件组件的横截面视图。
图27示出根据本公开的实施例的切割元件组件的横截面视图。
图28示出根据本公开的实施例的切割元件组件的横截面视图。
图29示出根据本公开的实施例的切割元件组件的横截面视图。
图30示出根据本公开的实施例的切割元件组件的分解图。
图31示出根据本公开的实施例的切割元件组件的分解图。
图32示出根据本公开的实施例的切割元件组件的分解图。
图33示出根据本公开的实施例的切割元件组件的横截面视图。
具体实施方式
本文所公开的实施例总体上涉及可旋转切割元件和将这种可旋转切割元件保持在钻头或其他切割工具上的方法。可以使用一个或多个保持环和具有多种内径的套筒将本公开的可旋转切割元件(本文中还被称为滚动切割器)保持到固定切割器钻头上。有利地，本文所描述的保持环和套筒允许滚动切割器在其接触将被钻的地层时旋转，同时将滚动切割器保持在钻头上。
图3示出了根据本公开的实施例的滚动切割器200。滚动切割器200具有切割面202和沿旋转轴线A自切割面202轴向地向下延伸的本体204。本体204具有外表面206和轴208。如图所示，轴208具有比切割面202的直径更小的直径。进一步地，在轴208的外表面206中形成圆周槽210。圆周槽210可以具有沿轴208轴向地延伸的高度H和径向地延伸到轴208内的深度D。圆周槽的高度H，例如可以在从轴的轴向高度的大约2％至大约50％的范围内。进一步地，圆周槽的深度D，例如可以在从以小于轴的半径的1％、2％、5％或10％中的任一个为下限至轴的半径的2％、5％、10％、20％或比30％更大的中的任一个为上限的范围内。根据本公开实施例，圆周槽的深度可以变化或可以恒定。例如，圆周槽可以具有凹面，其中，圆周槽的深度向圆周槽的轴向中心增加。可选地，如图3中所示的，圆周槽210可以由与底面相交的两个侧面形成，使得深度D在圆周槽210的底面的高度H上是一个常数。
切割面202可以由金刚石或其他超硬材料形成。例如，金刚石材料可以在整个切割面上自切割面延伸大约0.6英寸至大约0.15英寸的厚度进入到滚动切割器内，以形成金刚石切割台(未示出)。在其他实施例中，滚动切割器可以具有从大约0.04至0.15英寸范围内的厚度的金刚石或其他超硬材料台。进一步地，切割面可以具有在外圆周周围形成的斜面，其中，当测量切割台的厚度或直径时不考虑该斜面。
图3中所示出的滚动切割器200具有沿旋转轴线A变化的直径。如所示的，切割面202具有第一直径X1，并且轴208具有比第一直径X1更小的第二直径X2。进一步地，滚动切割器本体204可以具有第一直径X1与第二直径X2之间诸如逐渐减小的直径的过渡部207。可选地，根据一些实施例，直径的改变可以是陡峭的。例如，如下面所描述的图5中所示的，滚动切割器300基本上可以仅包括两个直径尺寸X1、X2，其中，切割面和本体的一部分具有第一直径X1，并且形成轴的本体的剩余部分具有比第一直径更小的第二直径X2，其中，在直径测量过程中不考虑圆周槽处发生的直径的改变。进一步地，如本文所使用的，直径的测量不包括倒角边缘。根据本公开的实施例，滚动切割器300可以具有第一直径X1，所述第一直径沿滚动切割器的长度方向自切割面延伸，在一些实施例中延伸高达0.2英寸的距离，在一些实施例中延伸高达0.23英寸的距离，或在其他实施例中延伸大于0.25英寸的距离。
现在参考图4和5，示出了根据本公开的实施例的可旋转切割元件组件。尤其是，在图4中示出了包括滚动切割器300、保持环320和套筒330的切割元件的分解图。滚动切割器300具有通过其纵向地延伸的旋转轴线A、切割面302和自切割面302轴向地向下延伸的本体304。本体304具有外表面306和在其中形成的圆周槽310。尤其是，圆周槽310形成在本体304的轴308部分上，并且沿轴308轴向地延伸一高度且绕着轴308的圆周延伸。进一步地，在滚动切割器300的切割面302与外表面306的相交处形成切割边缘303。如所示的，切割面302和切割边缘303可以由金刚石或其他超硬材料台305形成。
图5中示出了组装的切割元件的横截面视图，其中，滚动切割器300部分地设置在套筒330内，保持环320在滚动切割器300与套筒330之间设置在圆周槽310内。尤其是，滚动切割器300的轴308部分设置在套筒330内。如所示的，套筒330外面的滚动切割器300的部分具有第一直径X1，且轴308具有第二直径X2，其中，第一直径X1大于第二直径X2。套筒330具有第一内径Y1和第二内径Y2，其中，第二内径Y2大于第一内径Y1，并且位于比第一内径Y1更低的轴向位置处。轴308的第二直径X2可以基本等于套筒的第一内径Y1，使得轴可以配合到套筒330内。如本文所使用的，基本相等的直径包括允许滚动切割器300在套筒330内旋转的足够的间隙。例如，由轴的第二直径X2与套筒的第一内径Y1之间的差所形成的间隙可以在从大约0.001至0.030英寸的范围内。进一步地，套筒330可以具有外径Y3。如所示的，剩余在套筒330外面的滚动切割器300的部分可以具有第一直径X1，其基本上等于套筒的外径Y3，使得组装后的切割元件具有圆柱形。然而，根据其他实施例，滚动切割器的第一直径X1大于或小于套筒的外径Y3。
除第一内径Y1和第二内径Y2之外，套筒330还可以具有变化的内径尺寸。例如，如图5中所示的，套筒330的顶端331可以具有从第一内径Y1逐渐增大的内径。根据一些实施例，套筒还可以具有比第二内径更小的自组装的切割元件的第二内径和圆周槽轴向靠下定位位的内径。在这种实施例中，保持环可以从圆周槽突出到由第二内径所提供的空间内。
绕着滚动切割器的本体的外表面形成的圆周槽310可以沿轴308在轴向上定位，使得圆周槽310和套筒的第一内径Y1与第二内径Y2之间的过渡部332相邻。换句话说，圆周槽310和套筒的第二内径Y2都从沿组装的切割元件的相同的轴向位置在相同的轴向方向上延伸一距离。例如，如图5中所示的，圆周槽具有第一侧壁311、第二侧壁312和底面313。圆周槽310沿轴308轴向延伸从第一侧壁311到第二侧壁312的高度。第一侧壁311沿组装的切割元件在轴向上与到第二内径Y2的过渡部332处于相同位置处，由此，将圆周槽310与到第二内径Y2的过渡部332对齐，以产生与保持环320相邻的接合面314。保持环320可以绕接合面314旋转，并且滚动切割器300可以在套筒330内旋转，使得过渡部面332和第一侧壁311保持和保持环320的接合面314。
当组装时，切割元件具有设置在圆周槽310中的保持环320，其中，保持环320至少绕着轴308的整个圆周延伸。例如，在图4和5所示的实施例中，保持环320可以绕轴308的圆周延伸大于1.5倍。如图5所示，保持环320自圆周槽310突出以接触套筒330的第二内径Y2，由此将滚动切割器300保持在套筒330内。然而，根据其他实施例，保持环也可以自圆周槽突出而不接触第二内径，以将滚动切割器保持在套筒内。
可以选择过渡部332的位置以及槽310的位置，以限制切割器300相对于套筒330的轴向运动以及(通过限制切割器轴向运动)最小化或降低切割器300被猛地拉出套筒的趋势。因此，参考图5B，切割器300上的槽310的位置c可以至少等于至套筒330上的过渡部332的长度L，但在一个实施例中比长度L大0.100英寸以下，或者在其他实施例中比长度L大0.075、0.050或0.025英寸以下，以将切割器锁定在槽内以及限制切割器相对于槽的轴向运动。进一步地，槽310的宽度s可以至少等于环320的厚度t，但在一个实施例中比厚度t大0.100英寸以下，或在其他实施例中比厚度t大0.075、0.050或0.025英寸以下，以同样限制切割器相对于套筒的轴向运动。进一步地，在一个或多个实施例中，c与L的差加上s与t的差可以不大于0.100英寸，以进一步限制轴向运动，或在其他实施例中不大于0.075、0.050或0.025英寸，用于甚至更小的轴向运动。
进一步地，为了确保能够将保持环恰当地安装在套筒与切割器之间而不削弱保持环，可以基于最大的槽深度处的切割器直径X3以及套筒的第一内径Y1，根据下列关系：X3＝Y1-2h选择环的径向壁宽度h，以确保在槽310中存在足够的空间使环320在其通过套筒ID运动时挤进槽。进一步地，为了确保当环320经过套筒ID运动时，其不产生塑性变形，还可以根据下列公式：E·h(f-Y1)/((f-h)(Y1-h))≤Sy考虑环的自由(未压缩的OD，在图6B中示作f)、环的材料的弹性模量E以及材料的屈服强度Sy。
当保持环320被安装时，其可以以非压缩状态或轻微的压缩状态接触套筒330的第二内径Y2，即，环的自由(未压缩的)OD至少等于套筒的第二内径Y2，该第二内径Y2大于第一内径Y1。进一步地，可以基于环的径向壁厚h选择过渡部332的台阶的高度H，使得H是环的径向壁厚h的至少十分之一并且不大于环的径向壁厚h的十分之九，即，1/10h≤H≤9/10h。在一个或多个实施例中，H可以是作为下限的环的径向壁厚h的至少十分之二、十分之三、十分之四、或十分之五，并且不大于作为上限的环的径向壁厚h的十分之五、十分之六、十分之七或十分之八，其中，任意下限可以与任意上限一起使用。进一步地，还注意到，在一个或多个实施例中，切割器300在槽310之后位置的距离p至少为0.030英寸，或者在其他实施例中至少为0.045或0.060英寸。可以部分地基于槽310之后位置的切割器300的直径X4选择距离p。例如，在一些实施例中，槽310之后位置的切割器300的直径X4可以小于轴308的直径X2，在这种情况下，可以选择较大的p。可以选择P和X4，以最小化或避免套筒330在沿其第二内径Y2的任意点处与槽之后的切割器之间的接触。如图24A-B中所示，当套筒中包括用于环的开口槽而不是成阶梯状的过渡部时，这种考虑可能是尤其相关的。具本体地讲，如图24A-B中所示，可以通过配合到槽2423内的环2420将可旋转切割元件2400保持在套筒2430内，使得套筒的槽的直径Y3大于第一内径Y1和第二内径Y2(槽之后的位置)。进一步地，第二内径Y2可以至少与第一内径Y1相同，并且类似地，切割器的轴径X2可以至少与切割器2400中的槽2410之后的轴径X4相同。如所示的，切割器2400中的槽2410和套筒中的槽2423在其拐角中具有圆角过渡部r、R。在一个或多个实施例中，套筒的半径r和切割器的半径R每个都可以至少为0.003英寸，以最小化应力升高。可选地，过渡部可以包括(图25中所示的)多个小平面的表面或(图16中所示的)弯曲底部，以最小化应力升高。
本公开的实施例中所使用的保持环可以包括闭合环。例如，参考图6A-B和7，示出了根据本公开的实施例的保持环。如图6A中所示，保持环600可以具有压缩螺旋的形状，其中，保持环材料大于保持环的圆周延伸，以形成闭合环，并且其中，压缩螺旋的每个圈彼此相邻。图6A中所示的保持环600具有形成闭合环的近似两圈。然而，根据本文所公开的实施例，保持环可以延伸闭合环的整个圆周、大于闭合环的圆周、大于闭合环的圆周的1.5倍、或大于闭合环的圆周的2倍。进一步地，保持环600可以具有未连接的端部605，使得闭合环可以径向地收紧，即，可以例如通过将未连接的端部605绕着保持环的圆周延伸得更远来减小保持环600的直径，或者可以径向地扩大环，即，可以增大保持环600的直径，例如以致使保持环变大超过滚动切割器的较大直径，并且使保持环越过滚动切割器的较大直径到达在滚动切割器中形成的(具有相对较小的直径)圆周槽。例如，当组装本公开的切割元件时，处于膨胀形式的保持环可以设置在绕滚动切割器形成的圆周槽内。当将滚动切割器和保持环插入到套筒中时，保持环可以(例如通过将未连接的端部绕着保持环的圆周延伸更大的距离)被收紧或被压缩，使得保持环配合至套筒的较小内径内。一旦将保持环插入到套筒的较大内径中，然后保持环可以被扩大回到其原始尺寸，由此防止轴向运动回来通过套筒的较小内径，并且将滚动切割器锁定到套筒内。在一个或多个实施例中，环600可以具有至少0.010英寸的厚度t(图6B中所示的)，或在其他实施例中至少为0.015或0.020英寸的厚度t。
进一步地，保持环可以是平面的或非平面的。例如，图7示出了根据本公开的实施例的非平面的保持环700。如所示的，保持环的材料延伸得大于保持环700的圆周，以形成闭合环。例如图7中所示的，在保持环的材料延伸得大于保持环的圆周的实施例中，保持环的材料端部705可以重叠。如上面所描述的，可以不连接端部705，以提供径向尺寸的改变，例如，收紧和扩大保持环700的直径尺寸，以装配并锁定到套筒内。
可以将本公开的保持环保持在形成于滚动切割器与套筒之间的圆周槽内。圆周槽可以具有这样的尺寸，以确保滚动切割器被锁定到套筒内。图27-29示出了具有确保增强的保持的尺寸的本公开的切割元件组件的实施例。
现在参考图27，使用保持环274被保持在套筒272内的滚动切割器270的横截面视图示出了保持环的厚度t、滚动切割器的圆周槽的宽度s、套筒的圆周槽的宽度S、滚动切割器的圆周槽的后面的位置m以及套筒的圆周槽的后面的位置M。尤其是，可以通过测量从滚动切割器270与套筒272之间的轴向支承部271至滚动切割器的圆周槽276和套筒的圆周槽278的后面(即，从轴向支承部271的轴向最远距离表面)的距离来描述滚动切割器的圆周槽276的位置与套筒的圆周槽278的位置。根据本公开的实施例，(从轴向支承部271至滚动切割器的圆周槽276的后面的)的距离m可以大于或等于(从轴向支承部271至套筒的圆周槽278的后面的)的距离M。距离m可以大于或等于距离M，以确保滚动切割器可以经过保持环274。进一步地，套筒的圆周槽的宽度S可大于或等于保持环的厚度t，但小于或等于0.1英寸加上保持环的厚度t，由关系t≤S≤t+0.1表示，以确保套筒的圆周槽278对于环的厚度t来说足够宽并且限制切割器的轴向运动。根据本公开的一些实施例的切割元件组件可以具有关系(m-s)≤(M-t)，其中，滚动切割器的圆周槽276的距离m减去滚动切割器的圆周槽的宽度s(即，所测量的从轴向支承部271至滚动切割器的圆周槽最靠近轴向支承部的一侧的距离)小于或等于套筒的圆周槽278的距离M减去保持环的厚度t。根据本公开的实施例的切割元件组件可以具有关系(m-s)≤(M-t)，以在滚动切割器处于轴向载荷下时防止保持环上施加有载荷。
现在参考图28，使用保持环284被保持在套筒282内的滚动切割器280的横截面视图示出了保持环的径向壁高度h、套筒的第一内径Y2、套筒的圆周槽的直径Y3、套筒的第二内径Y4以及滚动切割器的第二直径x4(即，邻近与滚动切割器的切割面相反的滚动切割器的圆周槽的滚动切割器的直径)。根据本公开的实施例，可以设计滚动切割器的直径、套筒的内径与保持环的高度之间的关系，以确保保持环可以装配到圆周槽内，并且确保滚动切割器和保持环可以装配到套筒内。例如，保持环284可以具有与套筒的第一内径Y2相关的(处于非压缩形式的)的外径f和保持环的径向壁高度h，使得(f-4/5h)≤Y2≤(f-1/5h)，以确保套筒282具有足够小以防止保持环284被拉出的第一内径Y2。进一步地，切割元件组件可以具有关系Y3≥(x4+2h)，即，套筒的圆周槽的直径Y3大于或等于滚动切割器的第二直径x4与两倍的保持环的径向壁高度h之和，以确保在套筒的圆周槽内有足够的空间用于当滚动切割器通过保持环284时使保持环扩大。在一些实施例中，切割元件组件可以具有关系(f-4/5h)≤Y4≤(f-1/5h)，以确保套筒的第二内径Y4足够小且足够强以在将滚动切割器插入到套筒282中时将保持环284保持并支撑在套筒的圆周槽内。
现在参考图29，使用保持环294被保持在套筒292内的滚动切割器290的横截面视图示出了保持环的径向壁高度h、滚动切割器的圆周槽的深度H、套筒的第一内径Y2、滚动切割器的第一直径X2(即，滚动切割器切割面附近的滚动切割器的轴的直径)、在圆周槽的最大深度处的滚动切割器的直径X3、滚动切割器的第二直径X4(即，邻近与滚动切割器的切割面相反的滚动切割器的圆周槽的滚动切割器的直径)以及在滚动切割器290的后面处的滚动切割器的直径X5。滚动切割器290的第一直径X2可以小于或等于处于非压缩形式下的保持环294的外径f与保持环的径向壁高度h的1/5的差，即，X2≤(f-1/5h)。套筒的第一内径Y2可以大于或等于滚动切割器的第二直径X4，并且滚动切割器的第二直径X4可以大于或等于处于非压缩形式下的保持环294的外径f与保持环的径向壁高度h的4/5的差，即，Y2≥X4≥(f-4/5h)。滚动切割器的圆周槽的深度H可以在保持环的径向壁高度h的1/10与9/10之间的范围内，即，(1/10h)≤H≤(9/10h)，以使滚动切割器的圆周槽的深度H足够大来保持保持环294，并且由此保持滚动切割器290。圆周槽的最大深度处的滚动切割器的直径X3可以大于或等于处于非压缩形式下的保持环294的外径f与两倍的保持环的径向壁高度h的差，即，X3≥(f-2h)。滚动切割器290的后面处的滚动切割器的直径X5可以小于或等于处于未压缩形式下的保持环294的外径f与两倍的保持环的径向壁高度h的差，即，X5≤(f-2h)，以确保能够将滚动切割器插入到保持环294中。进一步地，滚动切割器的第二直径X4与滚动切割器290的后面处的滚动切割器的直径X5之间的过渡部可以是渐进的，使得保持环294可以从滚动切割器的后面通过和/或滑动到滚动切割器的圆周槽中。
可以在将滚动切割器安装到套筒内之前通过将保持环套装在滚动切割器上或在将滚动切割器安装到套筒内之前通过将保持环安装到套筒内来组装本公开的切割元件组件。例如，如图30中所示，可以将保持环300套装到滚动切割器310上的绕着滚动切割器310的轴部分形成的圆周槽内。当将保持环300和滚动切割器310插入到套筒320中时，保持环300可以在圆周槽内弹性地变形(例如，被挤压)。一旦保持环300到达圆周槽或形成在套筒320中的台阶325，保持环300可以扩大或弹回以将滚动切割器310轴向锁定到套筒320内。现在参考图31，可以将保持环300安装到绕着套筒320的内表面形成的圆周槽325内。然后，可以将滚动切割器310插入到套筒320中并通过安装好的保持环300。当插入滚动切割器310时，保持环300可以绕着滚动切割器310弹性地变形(例如，扩大)。一旦保持环300到达绕着滚动切割器310的轴部分形成的圆周槽315，则保持环300可以扩大或弹回以将滚动切割器310轴向锁定到套筒320内。
进一步地，根据本公开的实施例，可以使用多于一个的保持环以将滚动切割器保持在套筒内。例如，图32和33分别示出了根据本公开的实施例的使用两个保持环将滚动切割器保持在套筒内的切割元件组件的透视图和横截面视图。如所示的，滚动切割器300可以具有绕着滚动切割器300的轴部分形成的两个圆周槽302、304，套筒310可以具有绕着套筒310的内表面形成的两个相应的圆周槽312、314。可以将保持环320、322设置在每个相应配对的圆周槽302、312和304、314之间。根据本公开的实施例，可以通过将(轴向上离金刚石台较近的)第一保持环320安装到绕滚动切割器300的第一圆周槽302中(例如，如图30中所示的)以及将(轴向上离滚动切割器的底面较近的)第二保持环322安装到形成在套筒310中的第二圆周槽314中(例如，如图31中所示的)来组装使用两个保持环的切割元件组件。可以将具有被安装在其上的第一保持环320的滚动切割器300插入到安装有第二保持环322的套筒310中。
根据本公开的实施例，保持环可以由例如金属陶瓷、金属或复合材料制成。例如，保持环的材料可以包括碳化物、氮化物、硼化物和/或包括诸如金刚石或立方氮化硼的超硬材料的材料。在其他实例中，保持环的材料可以包括合金，例如，包括碳钢、不锈钢、铝、钛、奥氏体的基于镍铬的超合金、或铍铜合金。还可以想象，环可以是非金属的(例如，聚合物的或基于碳纤维的)。一个或多个实施例可以包括涂层或表面处理(例如，热处理或渗碳作用)以降低或防止侵蚀和/或增加耐磨性和表面硬度。可以部分地基于所期望的特性以及所期望的环和切割器组件部件的尺寸来选择材料。具体地讲，在一个或多个实施例中，可期望环具有基于至少500镑的环剪切力的推力负荷能力，在其他实施例中为至少1000、1500、2000或2500镑。进一步地，可允许的环的推力负荷将是基于下列关系Pr≥D·t·Ss·π中的环位置处的套筒直径(例如，图5A中所示的Y1)、环的厚度t、剪切强度Ss的。
保持环的材料可以为金属丝的形式，其可缠绕多于一圈，以形成闭合环，其中，保持环的材料具有未连接的端部。可选地，保持环的材料可以被铸成或用机器加工成闭合环，或可以具有连接的端部。下面参看组装的切割元件描述根据本公开的实施例的各种形式的保持环。
现在参考图8，示出了根据本公开的实施例的组装的切割元件的侧视图。切割元件具有设置在套筒830内的滚动切割器800和设置在滚动切割器800与套筒830之间的圆周槽810内的保持环820。滚动切割器800具有切割面802和自切割面802轴向延伸的本体804。本体804具有轴808，其中，轴808设置在套筒830内且本体804的其余部分在套筒830之外。圆周槽810形成在轴808的外表面806中。进一步地，套筒830具有第一内径Y1和第二内径Y2，其中，第二内径Y2大于第一内径Y1。
从第一内径Y1至第二内径Y2的过渡部832和圆周槽810被在轴向上设置在组装的切割元件中，以对齐使得保持环820可以从圆周槽810突出以接触过渡部832。尤其是，一旦将滚动切割器800和保持环820插入到套筒中，保持环820就可以从滚动切割器800突出一距离以可旋转地接触套筒830的第二内径Y2，并且防止滚动切割器800从套筒830滑出。虽然保持环可以突出以接触套筒中的较大内径，但是，(处于未压缩形式的)保持环可能太大以至于不能装配通过套筒中的较小内径，由此可将滚动切割器保持在套筒内。还可以想象到，本公开的任一保持环不必大到接触较大的内径，只要其比套筒中较小的内径大即可。
如所示的，非平面的保持环820设置在圆周槽810内。非平面的保持环820可以具有诸如图7中所示的波浪形的形状，其在诸如钻井作业期间向滚动切割器800施加轴向力时可以充当弹簧。进一步地，根据本公开的一些实施例，可将两个或更多个保持环连接或堆叠在一起以形成弹簧。例如，参考图9，弹簧900可以由三个连接在一起的保持环901、902、903制成，其中，至少一个保持环是非平面的，至少一个保持环是平面的。如所示的，保持环902是非平面的并且设置在两个平面的保持环901、903之间。可以在由非平面的保持环902的波浪形的形状所形成的顶峰904处将保持环901、902、903焊接在一起，所述非平面的保持环902可以在向滚动切割器施加轴向力时充当弹簧。尽管在图9中示出了形成弹簧900的两个平面的保持环和一个非平面的保持环的组合，但是也可以使用其他的组合，例如，连接两个或更多个非平面的保持环、连接两个或更多个非平面的保持环与一个平面的保持环、或连接两个或更多个非平面的保持环与两个或更多个平面的保持环。例如，在仅使用非平面的保持环的组合中，可以将非平面的保持环在非同步的波浪形处连接起来，以形成弹簧。
现在参考图10，示出了根据本公开的实施例的具有弹簧的切割元件。如所示的，切割元件具有部分地设置在套筒1030内的滚动切割器1000，其中，保持环1020和弹簧1040设置在滚动切割器1000与套筒1030之间的绕着滚动切割器1000的外表面形成的圆周槽1010内。如上所讨论的，弹簧1040可以由一个或多个非平面的保持环形成。例如，图10中所示的弹簧1040包括三个连接在一起的非平面的环。然而，在其他实施例中，不同类型的弹簧也可以与保持环组合使用。
滚动切割器1000具有切割面1002和从其轴向地延伸的本体1004，其中，本体1004包括具有比切割面1002的直径X1更小的直径X2的轴1008。套筒1030具有第一内径Y1和较大的第二内径Y2。尽管套筒1030被示作具有从第一内径Y1至套筒的底部1035轴向地延伸的第二内径Y2，但是，其他实施例也可以具有包括向套筒的底部向下延伸部分轴向距离的第二内径的套筒。例如，套筒可具有从第一内径至第三内径延伸的第二内径(大于第一内径)，第三内径小于第二内径，由此在套筒的内表面中形成沟槽，其可以容纳突出的保持环。例如，如图19中所示的，根据本公开的实施例的滚动切割器1900可以部分地设置在套筒1930内，其中，套筒具有第一内径Y1、第二内径Y2和第三内径Y3。如所示的，第二内径Y2既大于第一内径Y1又大于第三内径Y3。第二内径Y2可以沿套筒1930在轴向上设置，以与在滚动切割器1900中形成的圆周槽1910一起形成匹配的沟槽1935。保持环1920可以设置在沟槽1935和圆周槽1910内，以将滚动切割器1900保持在套筒1930内。槽1910可以具有能够保持保持环的任意轮廓，例如，半圆形或不规则的几何形状。进一步地，第三内径Y3被示作具有与第一内径Y1相同的尺寸。然而，根据一些实施例，第二内径可以既大于第一内径又大于第三内径，并且第三内径可以大于或小于第一内径。可选地，套筒可具有从第一内径延伸至第三内径的第二内径(大于第一内径)，其中，第三内径大于第二内径。
再次参考图10，圆周槽1010绕着滚动切割器1000的轴1008部分形成、并且在轴向上与套筒1030的较大的第二内径Y2对齐、而且邻近套筒1030的第一内径Y1。如所示的，弹簧1040邻近保持环1020设置在圆周槽1010内，其中，弹簧1040相对于保持环1020轴向靠上设置(即，更靠近切割面1002)。然而，根据其他实施例，例如下面所描述的，弹簧也可以例如图11和12中所示地相对于保持环轴向靠下设置。进一步地，保持环1020可以包括具有未连接的端部的平面的闭合环，使得保持环1020可以被径向地压缩或收紧。
如所示的，弹簧1040可以从圆周槽1010突出得比保持环1020更远。可选地，弹簧可以从圆周槽突出的距离等于或小于保持环从圆周槽突出的距离。图10中的切割元件具有弹簧1040，其从圆周槽1010突出得比(处于未压缩形式下的)保持环1020更远，其中，弹簧1040接触套筒1030的第二内径Y2，而保持环1020没有完全延伸至第二内径Y2。在这种实施例中，可以通过经过具有较大的第二内径Y2的底部1035的套筒开口将弹簧1040插入到套筒1030中来组装切割元件。然后，可以经过第一内径Y1将滚动切割器1000和(设置在圆周槽1010中的)保持环1020插入到套筒1030中。尤其是，保持环1020被径向地压缩以经过第一内径Y1和弹簧1040装配。一旦保持环1020经过第一内径Y1和弹簧1040，保持环1020就可以扩大到其原始尺寸，其中，保持环1020从圆周槽1010突出的距离比弹簧1040的内径更远，由此将弹簧1040和滚动切割器1000保持在套筒1030内。
图11示出了根据本公开的实施例的具有相对于保持环轴向靠下地设置在圆周槽内的弹簧的切割元件。尤其是，切割元件具有部分地设置在套筒1130内的滚动切割器1100，其中，保持环1120和弹簧1140设置在滚动切割器1100和套筒1130之间。弹簧1140相对于保持环1120轴向靠下设置在绕滚动切割器1100的轴1108部分的外表面形成的圆周槽1110内。如所示的，弹簧1140可以包括两个连接在一起的非平面的环，而保持环1120可以是如上面所描述的平面的闭合环。然而，在其他实施例中，也可以使用本文所描述的弹簧和闭合保持环的不同组合，以将滚动切割器保持在套筒内。
进一步地，如所示的，保持环1120和弹簧1140可以从圆周槽1110内延伸不同的距离。例如，弹簧1140可以径向地延伸圆周槽1110的深度至轴1108的外表面1106，使得弹簧1140可以经过套筒1130的较小的第一内径Y1装配，而(处于扩大形式的)保持环1120可以从圆周槽1110突出得比弹簧1140更远的距离以接触套筒1130的较大的第二内径Y2。然而，根据一些实施例，(处于扩大形式的)保持环可以从圆周槽突出得比弹簧更远的距离，而不接触套筒的较大的第二内径。
根据本公开的实施例，可以通过将保持环1120和弹簧1140设置在形成于滚动切割器1100的轴1108部分中的圆周槽1110内来组装诸如图11中所示的切割元件的切割元件，其中，保持环可以相对于弹簧1140轴向靠上地设置(即，较靠近滚动切割器的切割面)。保持环1120可以被径向地压缩，使得轴1108、弹簧1140和径向地被压缩的保持环1120可以经过套筒1130的第一内径Y1装配。一旦保持环1120到达较大的第二内径Y2，则其可以扩大回其原始的尺寸，由此将滚动切割器1100保持在套筒1130内。
现在参考图12，示出了根据本公开的另一实施例的具有相对于保持环轴向靠下设置的弹簧的切割元件。如图所示的，滚动切割器1200设置在套筒1230内，并且保持环1220设置在滚动切割器1200与套筒1230之间的绕着滚动切割器1200的轴1208部分形成的圆周槽1210内。套筒1230具有第一内径Y1和第二内径Y2，其中，第二内径Y2大于第一内径Y1并相对于第一内径Y1轴向靠下设置。滚动切割器1200具有切割面1202和自其轴向地延伸的本体1204，其中，本体1204包括具有第一直径X1的部分和具有比第一直径X1更小的第二直径X2的轴1208部分。保持环1220具有比轴的第二直径X2更大的外径，使得保持环1220从圆周槽1210突出以接触套筒1230的第二内径Y2，由此将滚动切割器1200保持到套筒1230内。然而，在其他实施例中，保持环1220也可以比轴的第二直径X2径向延伸得更远而不接触套筒的第二内径。
图12中所示的弹簧1240可以相对于保持环1220轴向靠下设置且相对于滚动切割器1200轴向靠下设置。尤其是，弹簧1240可以邻近滚动切割器1200的底面1209且在套筒1230内。进一步地，如上面所讨论的，弹簧1240可以由两个或更多个非平面的闭合环形成，或者可以是现有技术中已知的其他类型的弹簧。
有利地，通过与部分地设置在套筒中的滚动切割器一起使用的一个或多个弹簧，可以维持沿滚动切割器与套筒的顶部开口之间的轴向支承部的恰当接触，以防止碎片进入到滚动切割器与套筒之间。尤其是，本公开的切割元件内的轴向支承部可以指套筒外的滚动切割器的部分与套筒开口的顶面的接合面。例如，如图10和11中所示的，套筒1030、1130外的滚动切割器的本体1004、1104的部分与套筒1030、1130的顶面1031、1131之间的接合面可以形成轴向支承部。弹簧1040、1140可以从圆周槽内对滚动切割器施加向下的轴向力，以维持套筒1030、1130外的滚动切割器的本体1004、1104的部分与套筒1030、1130的顶面1031、1131之间的接触。维持滚动切割器与套筒开口的顶面之间的接触可以防止或降低碎片进入到滚动切割器与套筒之间，由此降低接合面的磨损，并且由此降低切割元件的故障。
此外，弹簧可以改善滚动切割器在套筒内的可旋转性。例如，如图12中所示的，弹簧可以相对于滚动切割器轴向靠下设置并位于套筒内。在钻井作业期间，由正被钻的地层与切割元件之间的切割动作所引起的力可以抑制套筒内滚动切割器的旋转。有利地，相对于滚动切割器轴向靠下设置弹簧可以帮助抵消防止旋转的力。例如，可能进入到套筒与滚动切割器之间的缝隙内的垃圾或其他碎片可以起将套筒与滚动切割器结合在一起并且抑制旋转运动的作用。通过使弹簧总是向前推动滚动切割器，钻井动作将产生轴向运动，其可以松开滚动切割器和套筒，并且由此提高滚动切割器在套筒内的可旋转性。
在本公开中所使用的弹簧可以具有变化的可压缩性的值。例如，弹簧可以具有从10lb/in、30lb/in和50lb/in中任一个的下限至50lb/in、70lb/in、100lb/in或大于100lb/in中的任一个的上限的范围内的弹簧常数，其中，任一个下限能够与任一个上限组合使用。进一步地，弹簧可以由与保持环相同的材料或与保持环不同的材料制成。例如，弹簧可以由金属、合金、复合材料、不锈钢或其他能够耐磨和耐侵蚀的材料制成。
此外，以横截面、剖面视图的形式示出了图8和10-12中所示的套筒，而以侧视图形式示出了滚动切割器。然而，应当注意，套筒可以连续绕着滚动切割器的轴部分延伸，从而仅具有形成在套筒内的顶部开口与底部开口。例如，图4和13示出了套筒330、1330的透视图，其中，套筒的外表面是连续的。
现在参考图13，示出了根据本公开的实施例的切割元件的分解图。切割元件包括滚动切割器1300、保持环1320和套筒1330。滚动切割器1300具有切割面1302和自其延伸的本体1304。尤其是，切割面1302可以由金刚石或其他超硬材料台1305形成。圆周槽1310绕着本体1304的外表面形成，其中，圆周槽1310沿本体1304延伸一轴向高度H。保持环1320是闭合环，且具有绕着保持环1320间隔开的缝1325，它们轴向地延伸经过保持环1320的部分高度h。例如，缝1325可以绕着保持环1320均匀或非均匀地间隔开。进一步地，保持环1320具有沿其高度改变的直径D。例如，直径D可以沿缝1325的部分高度h从底端1321至顶端1322逐渐地增大。
图14示出了图13所示的被部分组装的切割元件的透视图，其中，保持环1320设置在圆周槽1310内。如所示的，缝1325从滚动切割器1300的外表面径向向外且轴向向着切割面1302延伸。图15示出当被组装时图13和14中所示的切割元件的横截面视图。如所示的，滚动切割器1300设置在套筒1330内，且保持环1320设置在滚动切割器1300与套筒1330之间的圆周槽1310内。套筒1330具有第一内径Y1和第二内径Y2，其中，第二内径Y2大于第一内径Y1。保持环1320具有逐渐增大的直径D，使得保持环1320的顶端1322从圆周槽1310突出一距离以接触套筒1330的较大的第二内径Y2，由此将滚动切割器1300保持在套筒1330内。
形成在保持环1320中的缝1325可以向保持环1320提供弹簧作用。尤其是，通过提供轴向地沿保持环1320的部分高度h的缝1325，保持环1320可以充当弹簧，其可以被径向压缩并且沿缝1325的部分高度h径向地向外弹。有利地，通过径向地向外延伸以接触套筒1330的较大内径Y2，保持环1320可以轴向地使滚动切割器1300紧靠套筒1330，这可以降低或防止碎片进入到滚动切割器1300与套筒1330之间，同时还径向地将滚动切割器1300维持在套筒1330的中心内。
现在参考图20-22，示出了根据本公开的其他实施例的切割元件组件。尤其是，图20示出了具有滚动切割器2000、套筒2030和保持环2020的切割元件组件的分解图。套筒2030基本呈圆柱形，其具有从套筒2030的切割面端2032向着套筒2030的相反端2033轴向地向下延伸的切口2034部分。可以根据处于组装形式的滚动切割器2000的尺寸和位置确定切口2034的大小，以暴露滚动切割器的切割边缘。例如，如图22中所示的，套筒2030可以延伸到与滚动切割器2000基本相同的高度，使得套筒2030的切割端面2032处于与滚动切割器的切割面2002基本相同的高度。切口2034可以绕着高达套筒2030的圆周的大约一半延伸且可轴向地向下延伸高达套筒2030的大约3/4长度，由此当被组装时暴露滚动切割器2000的切割边缘2003。然而，在其他实施例中，切口可以绕着大于或小于套筒的圆周的一半以及在大于或小于套筒的3/4长度上延伸。图21中示出了组装的切割元件的横截面，其中，滚动切割器2000部分地设置在套筒2030内，并且保持环2020设置在滚动切割器2000与套筒2030之间。尤其是，滚动切割器2000具有切割面2002和自切割面2002轴向地向下延伸的本体2004。本体2004具有绕着本体2004的外表面形成的圆周槽2010。保持环2020设置在滚动切割器2000与套筒2030之间的圆周槽2010内，以将滚动切割器2000保持在套筒2030内。
本文所描述的每个实施例可以具有被包括在其中的至少一种超硬材料。这种超硬材料可以包括传统的多晶金刚石台(在其间具有间隙的互相连接的金刚石颗粒的台，在该间隙中可能存在金属成分(例如，金属催化剂))、例如通过从互相连接的金刚石颗粒之间的间隙或从金刚石/碳化硅复合物基本去除全部金属所形成的热稳定金刚石层(即，具有比传统的多晶金刚石的热稳定性750℃更高的热稳定性)或诸如立方氮化硼或包括不同碳化物的任意其他超硬材料的其他超硬材料。例如，根据一些实施例，诸如多晶金刚石的超硬材料台可以用于形成滚动切割器的切割面和切割边缘。进一步地，在特定实施例中，可以使用诸如变化的颗粒尺寸或金刚石密度的各种等级的金刚石。
如现有技术中已知的，可以以各种方式形成热稳定金刚石。典型的多晶金刚石层包括互相连接的单个金刚石“晶体”。因此，各个金刚石晶体形成晶格结构。诸如钴的金属催化剂可以用于提升金刚石颗粒的再结晶以及晶格结构的形成。因此，通常会在金刚石晶格结构中的间隙内发现钴颗粒。钴与金刚石相比具有显著不同的热膨胀系数。因此，一旦对金刚石台进行加热，则钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，导致在晶格结构中形成裂缝并且导致金刚石台的恶化。为了消除该问题，可以使用强酸从(很薄的体积或整个小片)多晶金刚石晶格结构中“浸滤”掉钴，以至少降低在加热时以不同速率对金刚石-钴复合物进行加热所造成的损害。例如，能够在美国专利第4,288,248和4,104,344号中找到“浸滤”工艺的实例。
通过浸滤出钴，可以形成热稳定多晶(TSP)金刚石。在某些实施例中，仅浸滤金刚石复合物的选择部分，以获得热稳定性而不损失耐冲击性。如本文所使用的，术语TSP包括两种上面的(部分地和全部地被浸滤的)复合物。可以通过促进合并或通过用第二材料填充空隙，例如通过现有技术中已知的和美国专利第5,127,923号(通过引用将其全部内容结合于本文)中所描述的工艺来降低浸滤之后残留的空隙体积。
可选地，可以通过在压机中使用诸如硅的一种结合剂而不是钴形成金刚石层来形成TSP，与钴相比，硅具有更类似于金刚石的热膨胀系数。在制造工艺期间，硅的大部分，80至100体积百分比的硅与金刚石晶格反应以形成也具有类似于金刚石的热膨胀的碳化硅。一旦加热，任意剩余的硅、碳化硅和金刚石晶格将以与钴和金刚石的膨胀速率相比更相似的速率膨胀，从而产生更热稳定的层。具有TSP切割层的PDC切割器具有相对低的磨损速率，甚至当切割器温度达到1200℃时。然而，本领域普通技术人员将认识到，也可以通过包括例如通过在金刚石层的形成过程中改变工艺条件的现有技术中已知的其他方法来形成热稳定的金刚石层。
其上设置了切割面的基体或滚动切割器的本体可以由多种硬的和/或超硬的颗粒形成。在一个实施例中，本体可以由诸如碳化钨、碳化钽或碳化钛等合适的材料形成。此外，诸如钴、镍、铁、金属合金或它们的混合物的各种结合金属可以被包括在本体中。在本体中，金属碳化物颗粒被支撑在诸如钴的金属结合剂内。此外，本体可以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，还可以使用各种金属碳化物复合物和结合剂。因此，提到碳化钨和钴的使用仅是示例性目的，而不旨在对所使用的基体或结合剂的类型进行限定。在另一实施例中，本体还可以包括诸如多晶金刚石和热稳定金刚石的金刚石超硬材料。本领域技术人员将意识到，切割面和本体是整体的、相同的组分也在本公开范围内。例如，在图8、11和12中示出了具有由相同组分所形成的整体的切割面和本体的滚动切割器。例如，图4、5、10和13-15中示出了具有例如诸如金刚石的超硬材料的多种成分的滚动切割器形成切割面，以及诸如碳化钨的不同的硬材料形成本体。
进一步地，套筒可以由多种材料形成。在一个实施例中，套筒可以由诸如碳化钨、碳化钽或碳化钛的合适的材料形成。此外，各种结合金属可以被包括在套筒中，结合金属例如为钴、镍、铁、金属合金或它们的混合物，使得金属碳化物颗粒被支撑在金属结合剂内。在特殊实施例中，套筒是具有从百分之6至百分之13范围内的钴含量的硬质碳化钨。套筒还可以包括多种润滑材料以降低摩擦系数也在本公开的范围内。套筒可以整个由这种材料形成或其一部分(例如，内表面)包括这种润滑材料。例如，套筒可包括金刚石、类似金刚石的涂层或其他固体膜润滑剂。在其他实施例中，套筒可由合金钢、镍基合金、钴基合金和/或高速切割工具钢形成。
可以通过将切割元件的套筒连接到诸如通过铜焊的现有技术中已知的方法形成在工具中的切割器接收口来将本公开的切割元件连接到钻头或其他井下切割工具。例如，钻头可以具有钻头本体、自钻头本体延伸的多个刀片，其中，每个刀片具有先导面、跟随面和顶侧以及设置在多个刀片中的多个切割器接收口。根据一些实施例，刀片可以由硼化物、氮化物或碳化物基质材料形成，例如，由碳化钨和诸如来自周期表的VIII族的金属的结合剂制成的基质材料。在一些实施例中，刀片还可孕镶诸如金刚石的超硬材料。切割器接收口可以形成在先导面处以及刀片的顶侧中，使得当被设置在切割器接收口中时切割元件可以接触并切割工作面。可以将根据本文所公开的实施例的切割元件的套筒连接至切割器接收口中的一个，其中具有或不具有可旋转切割元件。可以使用现有技术中已知的铜焊工艺将套筒连接到钻头本体。可选地，在本公开的其他实施例中，在渗透工艺或烧结工艺期间，可以将套筒直渗透或铸造到钻头本体中。套筒可以具有第一内径和第二内径，其中，第二内径大于第一内径。
如上面所讨论的，(在被连接至切割器接收口之前或之后被插入到套筒内的)具有经过其延伸的旋转轴线的可旋转切割元件可以具有切割面、自切割面向下延伸的本体、外表面和形成在切割面与外表面的相交处的切割边缘。圆周槽可以形成在可旋转切割元件的本体的外表面中，并且至少一个保持环可以设置在圆周槽中。所述至少一个保持环可以自圆周槽突出以接触套筒的第二内径，由此将可旋转切割元件保持在套筒内。而且，一旦被连接到刀片，可旋转切割元件的切割面可与刀片的先导面齐平。
例如，参考图16和17，分别示出了根据本公开的实施例的钻头1600的顶视图和局部侧视图。钻头1600具有自钻头本体1620延伸的多个刀片1610，其中，每个刀片1610具有面向钻头旋转的方向的先导面1612。多个切割器接收口1630形成在先导面1612处的刀片1610中。根据本公开的实施例的切割元件1640可设置在切割器接收口1630内，使得切割元件1640的切割面1645与刀片1610的先导面1612齐平。可以通过使用例如铜焊的现有技术中已知的连接方法将切割元件的套筒连接到切割器接收口，将切割元件1640固定到切割器接收口1630内。
图23示出了被连接到切割工具的刀片内的切割元件组件的另一实施例。切割元件组件包括套筒2330和具有切割面2302和自切割面2302轴向地向下延伸的本体2304的可旋转切割元件2300，其中，本体2304的至少一部分设置在套筒2330内。圆周槽2310绕着本体2304的外表面形成，其中，圆周槽2310相对于套筒2330轴向靠下设置。至少一个保持环2320设置在圆周槽2310中，其中，保持环2320至少绕着本体2304的整个圆周延伸，并且自圆周槽2310突出，由此将可旋转切割元件保持在套筒内。切割元件组件设置在形成在诸如钻头的切割工具的刀片2350中的相应的接收口2340中。例如，可以通过现有技术中已知的铜焊方法将套筒2330铜焊至接收口2340，然后可以将可旋转切割元件2300插入到套筒2330中。接收口2340具有第一内径Z1和第二内径Z2，其中，第二内径Z2小于第一内径Z1。切割元件组件的套筒2330设置在第一内径Z1内，并且保持环2320设置在第二内径Z2内。如所示的，套筒2330可以邻近保持环2320和刀片接收口2340的第一内径与第二内径之间的过渡部设置，由此将可旋转切割元件2300保持在接收口2340内。进一步地，可旋转切割元件2300的底面2306可以与切割器接收口2340相隔距离g。在一个或多个实施例中，g可以至少为0.003英寸，或在各个其他实施例中可以至少为0.005、0.008或0.012英寸。有利地，这个距离可以允许在切割元件旋转期间最小化摩擦力(并且由此考虑到可旋转性)以及降低或最小化切割元件的肩部上的弯曲荷载。这个距离可以存在于本文所公开的任一个实施例中，而不管相对于切割器高度的套筒高度。
本公开的切割元件可以被结合到各种类型的切割工具中，例如，包括作为固定切割器钻头中或铰孔器中或其它钻地工具中的切割器。具有本公开的切割元件的钻头可以包括：单个可旋转切割元件，其余的切割元件为传统切割元件；所有切割元件是可旋转的；或是可旋转切割元件与传统切割元件间的任意组合。
在一些实施例中，可以选择切割元件在固定切割器钻头或牙轮钻头的牙轮上的布置，使得可旋转切割元件被放置在经历最大磨损的区域中。例如，在特殊实施例中，可以将可旋转切割元件放置在固定切割器钻头的肩或鼻区域上。此外，本领域技术人员将意识到，不存在对本公开的切割元件的尺寸的限制。例如，在各个实施例中，可以按包括但不限于9mm、13mm、16mm和19mm的尺寸形成切割元件。
进一步地，本领域普通技术人员还将意识到，可以以各种组合使用各种侧倾角和后倾角。例如，在一个实施例中，切割器的侧倾角可以在从大约-30至+35度的范围内，并且切割器的后倾角可以在从大约5至60度的范围内。可以以所选择的后倾角将切割器设置在刀片上以协助去除钻屑并增大穿透速率。在钻头旋转时，以侧倾角设置在钻头上的切割器可以被沿径向和切线方向向前推动。在一些实施例中，因为径向方向可以协助滚动切割器相对套筒的运动，因此这种旋转可以允许更多钻屑的去除并且提供改善的穿透速率。本领域普通技术人员将认识到，可以与本公开的切割元件一起使用任意后倾角和侧倾角的组合，以增强可旋转性和/或改善钻井效率。
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非连续的。例如，当以确定的侧倾角和/或后倾角安装切割元件时，切割力总体上可以被指向一个方向。提供方向性的切割力可以允许切割元件具有连续的旋转运动，进一步增强钻井效率。
此外，通过使用本公开的闭合保持环将滚动切割器保持在套筒内，切割元件的寿命可以被提高。尤其是，本公开的闭合保持环可以在滚动切割器与套筒之间(例如，在套筒的较小内径与较大内径之间的过渡部或具有保持环的接合面处)提供一致的载荷。此外，如本文所描述的，使用闭合保持环可以改善套筒内滚动切割器的可旋转性，因为闭合环具有连续的表面用以旋转。
现在参考图18，可以在实验室中进行测试，以测试根据本公开的实施例的切割元件1800的保持力和性能。在实验室测试中，将本公开的切割元件连接到支撑元件1850，且经受类似于在钻井期间所经受的力，例如，推出力、剪切力和冲击力。当与不具有闭合保持环的可旋转切割元件进行比较时，本公开的切割元件展现出改善的切割元件的保持力和性能。
此外，本公开的切割元件可以被改变以例如通过将滚动切割器铜焊到套筒来被固定，或可以被改变以可转位。例如，可以将滚动切割器的轴和相应的套筒的内部形状改变为非圆柱形的和轴线对称的，使得可以手动地从套筒去除滚动切割器，并且绕着该轴线旋转一增量。具有非圆柱形的和轴线对称的滚动切割器和相应套筒的实施例可以是可转位的，例如转位20℃、45℃、90℃、120℃或其他小于360℃的增量。
虽然已经根据有限数目的实施例描述了本发明，但是，受益于本公开的本领域技术人员将意识到，可以设计不背离如本文所公开的本发明的范围的其他实施例。因此，本发明的范围应当仅由所附的权利要求限定。

Claims (26)

1.一种切割元件组件，包括：
套筒，包括：
第一内径，以及
第二内径，其中，所述第二内径大于所述第一内径并且位于比所述第一内径更低的轴向位置处；
可旋转切割元件，其具有贯穿延伸的旋转轴线，其中，所述可旋转切割元件包括：
切割面和从所述切割面轴向向下延伸的本体，其中，所述本体的至少一部分设置在所述套筒内；以及
圆周槽，其绕着所述本体的所述部分的外表面形成；以及
至少一个保持环，其设置在所述圆周槽中；
其中，所述至少一个保持环至少绕着所述本体的所述部分的整个圆周延伸；以及
其中，所述至少一个保持环从所述圆周槽突出，从而将所述可旋转切割元件保持在所述套筒内。
2.根据权利要求1所述的切割元件组件，其中，所述本体的所述部分包括轴，所述轴设置在所述套筒内。
3.根据权利要求1所述的切割元件组件，其中，所述保持环绕着所述圆周延伸了大于所述本体的所述部分的所述圆周的1.5倍。
4.根据权利要求1所述的切割元件组件，进一步包括弹簧。
5.根据权利要求4所述的切割元件组件，其中，所述弹簧相对于所述保持环轴向靠下设置在所述圆周槽内。
6.根据权利要求4所述的切割元件组件，其中，所述弹簧相对于所述保持环轴向靠上设置在所述圆周槽内。
7.根据权利要求4所述的切割元件组件，其中，所述弹簧相对于所述本体轴向靠下设置在所述套筒内。
8.根据权利要求4所述的切割元件组件，其中，所述弹簧包括至少一个非平面的保持环。
9.根据权利要求1所述的切割元件组件，其中，所述保持环是非平面的。
10.根据权利要求1所述的切割元件组件，其中，所述保持环是可压缩的。
11.根据权利要求1所述的切割元件组件，其中，所述保持环包括轴向延伸经过所述保持环的部分高度的多个缝。
12.根据权利要求11所述的切割元件组件，其中，所述多个缝在所述保持环的圆周上均匀地间隔开。
13.根据权利要求1所述的切割元件组件，其中，所述切割面包括多晶金刚石。
14.根据权利要求1所述的切割元件组件，进一步包括绕着所述本体的所述外表面形成的第二圆周槽和设置在所述第二圆周槽内的第二保持环。
15.一种钻头，包括：
钻头本体；
从所述钻头本体延伸的多个刀片；
至少一个权利要求1所述的切割元件组件，其设置在所述多个刀片中的至少一个上。
16.根据权利要求15所述的切割元件组件，其中，所述切割元件的切割面与刀片的先导面齐平。
17.根据权利要求1所述的切割元件组件，其中，所述保持环包括未连接且重叠的端部。
18.根据权利要求1所述的切割元件组件，其中，所述保持环包括沿所述本体的轴向高度逐渐增大的直径。
19.根据权利要求1所述的切割元件组件，其中，所述套筒包括从所述第一内径延伸至所述套筒的顶部开口的逐渐增大的内径。
20.根据权利要求1所述的切割元件组件，其中，所述套筒进一步包括小于所述第二内径且比所述第二内径处于更低的轴向位置处的第三内径。
21.一种切割元件组件，包括：
套筒；
可旋转切割元件，其具有贯穿延伸的旋转轴线，其中，所述可旋转切割元件包括：
切割面和从所述切割面轴向向下延伸的本体，其中，所述本体的至少一部分设置在所述套筒内；以及
圆周槽，其绕着所述本体的外表面形成，其中，所述圆周槽相对于所述套筒轴向靠下设置；以及
至少一个保持环，其设置在所述圆周槽中；
其中，所述至少一个保持环至少绕着所述本体的整个圆周延伸；以及
其中，所述至少一个保持环从所述圆周槽突出，从而将所述可旋转切割元件保持在所述套筒内。
22.一种钻头，包括：
钻头本体；
从所述钻头本体延伸的多个刀片；
至少一个权利要求21所述的切割元件组件，其设置在形成在刀片中的相应的接收口中；
其中，所述相应的接收口包括：
第一内径；
第二内径，其中，所述第二内径小于所述第一内径；以及
其中，所述切割元件组件的套筒设置在所述第一内径内，所述保持环设置在所述第二内径内。
23.根据权利要求21所述的切割元件组件，其中，所述保持环绕着所述圆周延伸了大于所述本体的所述部分的所述圆周的1.5倍。
24.根据权利要求21所述的切割元件组件，进一步包括弹簧。
25.根据权利要求21所述的切割元件组件，其中，所述保持环是非平面的。
26.根据权利要求21所述的切割元件组件，其中，所述保持环是可压缩的。
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