CN104781496A - 具有滚动切割器并使用组合倒角的pdc钻头 - Google Patents

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Abstract

切割工具可以包括工具本体，所述工具本体具有从其径向延伸的多个刀片、安装于所述多个刀片中的至少一个上的具有第一倒角的多个可旋转切割元件以及安装于所述多个刀片中的至少一个上的具有不同的第二倒角的多个不可旋转切割元件。

Description

具有滚动切割器并使用组合倒角的PDC钻头
背景技术
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，其包括钻头本体，该钻头本体具有可旋转地安装至钻头本体的一个或多个牙轮。钻头本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，且包括围绕牙轮的选定位置处布置的多个切割元件。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)配合至形成和/或机械加工到牙轮中的孔中。镶齿可以由例如碳化钨、天然或合成金刚石、氮化硼或硬或超硬材料中的一个或组合来形成。
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本体和在选定位置处附连到钻头本体的切割器(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接合处以其他方式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面层或“台”。
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包括钻头本体12和形成在钻头本体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之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。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。
喷嘴23典型地形成在钻头本体12中且位于缝隙16中，使得可在切割刀片14之间泵送流体以在选定的方向上且以选定的流动速率排放钻井流体用于润滑和冷却钻头10、刀片14及切割器18。随着钻头旋转和穿透地质地层，钻井流体还清洁和去除钻屑。定位缝隙16(其也可称作“液体通道”)，用以为钻井流体提供附加的流动通道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。
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。选择用于形成钻头本体的特别材料以提供足够的韧性，同时提供良好的耐磨性和耐腐蚀性。例如，在使用超硬切割器的情形下，钻头本体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，它们的尺寸和形状适于接收相应的多个切割器18。
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，通过硬焊、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的转动方向上具有需要的倾角，以便增强切割。应该理解，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本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。
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本体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。
一般说来，用于制作切割器18的工艺使用碳化钨本体作为基体38。碳化物本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。
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制造的钻头通常称为PDC钻头。尽管切割器或切割镶齿18通常使用圆柱形的碳化钨“坯体”或基体38形成，该坯体或基体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。
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”)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被硬焊或以其它方式结合在钻头本体12的冠部上的选定位置(图1A)。如上文参考附图1A所讨论的，PDC切割器18典型地被保持且硬焊到形成在钻头本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。
使用传统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切割层的结构失效。PDC切割层包括各个金刚石“晶体”，它们是互相连接的。各个金刚石晶体因此形成晶格结构。金属催化剂(例如钴)可用于促进金刚石晶粒的再结晶和晶格结构的形成。因此，钴颗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，这会使晶格结构中形成裂缝且导致金刚石台劣化。
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。
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。
在一些刮刀钻头中，PDC切割器18固定到钻头10的表面上，使得共同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，或形成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断裂。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附加损坏。
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PDC与工作材料之间的摩擦产生。该热量对PDC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。
在美国专利第4553615号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颗粒聚集薄层，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轴破裂。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本体上的可旋转切割元件的位置优化。
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
提供本发明内容，旨在介绍一系列概念，这些概念将在以下发明详述中进一步描述。本发明内容并不意图认定要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用作帮助限制要求保护的主题的范围。
在一个方面，本文公开的实施例涉及一种切割工具，其包括：工具本体，所述工具本体具有从其径向延伸的多个刀片；安装于所述多个刀片中的至少一个上的具有第一倒角的多个可旋转切割元件；以及安装于所述多个刀片中的至少一个上的具有不同的第二倒角的多个不可旋转切割元件。
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：工具本体，所述工具本体具有从其径向延伸的多个刀片；多个可旋转切割元件，其中，所述多个可旋转切割元件基于它们沿所述多个刀片的定位而具有至少两个不同的倒角尺寸。
从下面的描述及所附权利要求，本发明的其他方面及优势将会明显。
附图说明
图1A示出了传统的固定切割器钻头的立体图。
图1B示出了传统的PDC切割器的立体图。
图2示出了传统的切割元件中的磨损平面的发展。
图3A-B示出了根据本文公开的实施例的钻头的型廓图。
图4示出了根据本文公开的实施例的钻头的旋转型廓图。
图5A-5B示出了在本文公开的实施例中使用的示例性小倒角。
图6-8示出了在本文公开的实施例中使用的示例性大倒角。
图9示出了作用于两个斜角尺寸上的切割力。
图10示出了作用于两个斜角尺寸上的侧向力。
图11示出了根据本文公开的一个实施例的钻头型廓。
图12示出了根据本发明的实施例的切割元件组件的分解视图。
图13示出了根据本发明的实施例的切割元件组件的截面图。
具体实施方式
在一个或多个方面，本文公开的实施例涉及使用可旋转切割结构的井下工具(包括固定切割器钻头)。在一个或多个方面，本文公开的实施例涉及与传统的固定切割器结合使用可旋转切割结构的井下工具(包括固定切割器钻头)。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定的布置方式定位于所述钻头上来延长钻头(或其他井下工具)的使用寿命。
通常，当切割元件与地层接触时，本文描述的可旋转切割元件(也被称为滚动切割器)允许所述切割元件的至少一个表面或一部分旋转。当所述切割元件与地层接触时，切割动作可以允许所述切割元件的一部分绕贯穿所述切割元件的切割元件轴线旋转。所述切割结构的一部分的旋转可以允许切割表面使用所述切割表面的整个外边缘来切割地层，而不是如在传统的切割元件中所观察到的那样使用外边缘的同一部位。下面的讨论描述了可旋转切割元件的多个实施例；然而，本发明并不限于此。所属领域技术人员应该理解，可以与本发明的钻头或其他切割工具一起使用能够旋转的任意切割元件。
可以通过侧切割力及支承表面之间的摩擦力来控制内部可旋转切割元件的旋转。如果所述侧切割力产生的力矩能够克服所述摩擦力的力矩，则可旋转部产生旋转运动。所述侧切割力可以受包括本文公开的工作面型式在内的切割器侧倾角、后倾角及几何特性的影响。另外，所述侧切割力可以受所述切割元件构件的表面的表面完工特性、地层的摩擦属性以及钻井参数例如切割深度的影响。位于支承表面处的摩擦力可以受例如表面完工特性、泥浆侵入等的影响。本文公开的可旋转切割器的设计可以被选择为保证所述侧切割力克服所述摩擦力以允许可旋转部旋转。下文描述了本发明的各种设计考量，以及滚动切割器的示例性实施例。
滚动切割器的布置
根据本发明的实施例，钻头设计的一个考量可以包括滚动切割器在钻头上的布置。滚动切割器在钻头上的布置设计可以首先包含预测传统的切割器(固定切割器)磨损最经常发生或最快发生于钻头上哪个位置。例如，可以使用工程及设计软件例如I-DEAS“综合设计及工程分析软件”或CAD软件来预测固定切割器磨损。该工程及设计软件还可以用于利用多个滚动切割器布置来优化钻头稳定动力学特性。还可以通过观测和/或测量钝钻头上的磨损平面尺寸来预测固定切割器磨损。特别地，当具有传统的固定切割器的钻头接触并切割地层时，所述固定切割器的切割表面及切割边缘可能磨损并形成磨损平面。图2中示出了固定切割器2300中的磨损平面2305发展的例子。
一旦预测了固定切割器磨损，可以根据所述固定切割器磨损发生的位置来设定滚动切割器的布置标准。例如，根据本发明的实施例，滚动切割器布置设计可以包括将具有最大程度磨损的固定切割器替换成滚动切割器。在一个实施例中，滚动切割器布置设计可以包括将经受最大程度磨损的半数固定切割器替换成滚动切割器。进一步地，在其他实施例中，滚动切割器布置设计可以包括仅将钻头的某些刀片上的固定切割器替换成滚动切割器。
根据本发明的实施例，滚动切割器布置设计标准可以被设置为使钻头上的滚动切割器及固定切割器具有多配置方式。具有多配置方式的钻头具有相对于所述钻头轴线位于至少一个径向位置处的多个切割元件。换句话说，至少一个切割元件包括被配置于相对于所述钻头轴线处于约相同径向位置的“备用”切割元件。例如，参考图3A及3B，示出了具有多个切割刀片2410的钻头2400的正侧视图，其中，所述钻头沿方向R旋转。主刀片2410a从明显靠近钻头的纵轴线A向所述钻头的外周径向延伸。副刀片2410b不是从明显靠近钻头轴线A的位置延伸，而是从距离所述钻头轴线A一定距离的位置径向延伸。切割元件2420、2430位于所述刀片2410的前导边缘侧，其中，所述刀片2410的前导边缘侧面向钻头旋转方向R，并且刀片的尾后边缘侧面向相反方向。进一步地，如图所示，切割元件2420以多配置方式尾随于切割元件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上“备用”于切割元件2430。切割元件2420或切割元件2430之一或全部可以是滚动切割器。在一个特定实施例中，具有多配置切割器结构的钻头可以具有至少一个是可旋转(或滚动切割器)的尾后或备用切割元件，以及至少一个是固定切割器的前导或主切割元件。在另一个实施例中，具有多配置方式的钻头可具有至少一个固定切割器尾随切割元件和至少一个滚动切割器前导切割元件。有利地，通过使用具有至少一个滚动切割器的多配置方式，所述切割结构可以更耐用。
进一步地，钻头可以具有单配置形式的切割元件，其中，单配置形式中的每个切割元件位于钻头的唯一径向位置。在具有单配置形式的实施例中，可以在相对于钻头轴线的各个唯一径向位置布置多个滚动切割器。例如，多个滚动切割器可以具有正向盘旋或反向盘旋单配置形式，其中，所述滚动切割器被布置于经受磨损的区域。如本文所使用的，正向盘旋布局是指以顺时针方向分布的切割器具有相对于钻头中心线递增的径向距离的切割器布置，而反向盘旋布局是指以逆时针方向分布的切割器具有相对于钻头中心线递增的径向距离的切割器布置。在一些实施例中，所述切割器可以以正向盘旋布置，其中，可旋转切割器至少被布置于鼻部和/或肩部区域中，在特别的实施例中，可旋转切割器被布置于鼻部、肩部及保径区域中，在更特别的实施例中，可旋转切割器被布置于锥部、鼻部、肩部及保径区域中。在一些实施例中，所述切割器可以以反向盘旋布置，其中，可旋转切割器至少被布置于鼻部和/或肩部区域中，在特别的实施例中，可旋转切割器被布置于鼻部、肩部及保径区域中，在更特别的实施例中，可旋转切割器被布置于锥部、鼻部、肩部及保径区域中。
另外，前导和尾后切割元件可以被布置于单个刀片上。然而，如本文所使用的，术语“备用切割元件”用于描述当钻头以切割方向旋转时尾随于同个刀片上的任意其他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”用于描述位于所述刀片的前导边缘上的切割元件。也就是说，当钻头绕其中心纵轴线沿切割方向旋转时，“主切割元件”并不尾随于同一刀片上的任意其他切割元件。适当地，每个主切割元件及可选备用切割元件可以具有任意合适的尺寸及几何特性。主切割元件及备用切割元件可以具有任意合适的位置与定向，并且可以是滚动切割器或固定切割器。在一个示例性实施例中，备用切割元件可以位于与其所尾随的主切割元件相同的径向位置，或者备用切割元件可以相对于其所尾随的主切割元件偏移，或者可以使用上述的组合方式。
特别地，位于钻头面上的每个刀片(例如主刀片与副刀片)提供了安装切割元件的切割器支撑表面。主切割元件可以被布置于所述刀片的切割器支撑表面上，并且一个或多个所述主刀片还可以具有布置于所述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，备用切割元件可以在锥部区域中被提供于一个或多个钻头主刀片的切割器支撑表面上。在一个不同的示例性实施例中，备用切割元件可以在肩部和/或保径区域中被提供于任意一个或多个副刀片的切割器支撑表面上。在另一个示例性实施例中，备用切割元件可以在保径区域被提供于任意一个或多个主刀片的切割器支撑表面上。在再一个示例性实施例中，所述主和/或副刀片可以具有布置于所述切割器支撑表面上的至少两排备用切割元件。
主切割元件可以被相互靠近地布置成沿钻头的每个主刀片及沿钻头的每个副刀片径向延伸的大致第一排。进一步地，备用切割元件可以在所述肩部区域中被相互靠近地布置成沿每个主刀片径向延伸的大致第二排。适当地，所述备用切割元件在所述肩部区域、锥部区域和/或保径区域中形成可以沿每个主刀片延伸的第二排。备用切割元件可以被布置于同一主刀片上的所述主切割元件之后，其中，备用切割元件尾随于同一主刀片上的所述主切割元件。
通常，主切割元件以及备用切割元件不需要按排定位，而可以以其他适合的排列安装，只要保证每个切割元件要么位于前导位置(例如主切割元件)要么位于尾后位置(例如备用切割元件)。适合的布置的例子可以包括但不限于排、阵列或有序图案、随机、正弦图形或它们的组合。进一步地，在其他实施例中，可以在主刀片、副刀片或它们的组合上提供附加排切割元件。
在本发明的一些实施例中，滚动切割器布置设计标准可以被设置为使滚动切割器定位于钻头上经受最大磨损的区域中。例如，滚动切割器可以被布置于钻头的肩部区域中。参考图4，示出了钻头10的型廓39，其能显示旋转到单个旋转型廓的所有刀片及所有切割元件(包括主切割元件及备用切割元件)。可以将刀片型廓39(最清楚地示于图4中的钻头10的右半部分)一般地分成三个区域，通常被标记为锥部区域24、肩部区域25和保径区域26。锥部区域24包括所述钻头10的径向最内部区域(例如，锥部区域24是钻头10的最中部区域)，并且复合刀片型廓39一般地从钻头轴线11延伸到肩部区域25。如图4中所示，在多数固定切割器钻头中，锥部区域24一般是凹面的。邻近锥部区域24的是肩部(或上翻曲线)区域25。因此，钻头10的复合刀片型廓39包括一个凹面区域——锥部区域24以及一个凸面区域——肩部区域25。在多数固定切割器钻头中，肩部区域25一般是凸面的。径向向外，邻近肩部区域25的是保径区域26，其在所述复合刀片型廓39的外径向周边23平行于钻头轴线11延伸。外径23延伸至并从而限定了钻头10的完整保径直径。锥部区域24由从中心轴线11沿x轴线测量的径向距离限定。应该理解，所述x轴线垂直于中心轴线11，并且从中心轴线11径向向外延伸。锥部区域24可以由钻头10的外径23的百分比限定。从中心轴线11测量的锥部区域24的实际半径可以随着钻头的不同而改变，这取决于多个因素，包括但不限于钻头几何特性、钻头类型、一个或多个副刀片的位置、备用切割元件50的位置或它们的组合。凸面肩部区域25及复合刀片型廓39的轴向最低点限定了刀片型廓鼻部27。在刀片型廓鼻部27，凸面肩部区域25及复合刀片型廓39的切线27a斜率为0。因此，如本文所使用的，术语“刀片型廓鼻部”是指在旋转型廓视图中沿钻头的复合刀片型廓的凸面区域的这样的部位，在此部位，所述复合刀片型廓的切线斜率为0。对于多数固定切割器钻头(例如钻头10)，所述复合刀片型廓仅包括一个凸面肩部区域(例如凸面肩部区域25)，并且仅包括一个刀片型廓鼻部(例如鼻部27)。有利地，通过将滚动切割器布置于钻头中经受最大磨损的区域中，例如钻头的肩部区域26中，可以改善钻头磨损率。
进一步地，在一个特定实施例中，钻头可以具有以单配置形式布置的切割元件，其中，滚动切割器被布置于钻头中经受最大磨损的区域中。在另一个实施例中，钻头可以具有以多配置方式布置的切割元件，其中，至少一个滚动切割器被布置于钻头中经受最大磨损的区域中。
除改变滚动切割器的布置外，还可利用其他策略来增加钻头寿命。具体地，在一个或多个实施例中，根据切割元件的径向位置和/或类型(固定或可旋转)，可以利用不同的倒角尺寸。例如，一个设计策略是使用具有第一倒角的一组滚动切割器以及具有第二倒角的第二组非滚动切割器。在一个实施例中，所述滚动切割器具有“小倒角”，而所述非滚动切割器具有“大倒角”，但其变型也在本发明的范围之内。在另一个实施例中，所述滚动切割器具有“大倒角”，而所述非滚动切割器具有“小”倒角。在另一个实施例中，在切割型廓的径向内部区域的切割器(滚动切割器或固定切割器)可以具有“大”倒角，而外部径向位置可以是具有“小”倒角的滚动切割器。如本文所使用的，术语“小”及“大”是被用作相对性术语，即“小”倒角仅仅较“大倒角”小。
图5A及5B描绘了由支撑于碳化物基体1014上的超硬磨料、金刚石台1012组成的示例性“小倒角”切割元件1000。根据对于本领域同样是公知的许多不同设计，PDC金刚石台1012与基体1014之间的界面1016可以是平面或非平面。切割元件1000基本上是圆柱体，并且沿纵轴线1018对称，尽管并不需要这样的对称并且非对称切割器在本领域是公知的。
要在钻头上定向为大体面向钻头旋转方向的切割元件1000的切割面1020相对于该方向以及轴线1018基本横向地延伸。切割面1020的中心部分的表面1022是如图所示的平面，尽管可以利用凹面、凸面、山脊或其他大体上但不准确是平面的表面。倒角1024从表面1022的边缘延伸至位于金刚石台1012的侧壁1028处的切割边缘1026。倒角1024及切割边缘1026可以沿台1012的全部边缘延伸，或者仅沿要位于将要被切割的地层附近的一部分边缘延伸。
倒角1024可以包括0.012英寸的为45°角的传统倒角，或者可以是一些其他角度，如参考下文描述的切割器1110的倒角1124所引用的那样。对于传统的PDC切割器，传统的倒角尺寸(径向宽度)及角度会是0.012英寸(面向并垂直于所述金刚石台的切割面观看)，相对于纵向切割器轴线定向成45°角，从而当在倒角表面自身上测量时提供较大的径向宽度。尽管0.012英寸倒角尺寸被引用为示例(在常规公差范围内)，但本发明涉及多个倒角尺寸的使用。
图6至8描绘了由支撑于碳化物基体1114上的超硬磨料、金刚石台1112组成的示例性“大倒角”切割元件1110。根据对于本领域同样是公知的许多不同设计(特别参见图7及8)，所述金刚石台1112与基体1114之间的界面1116可以是平面或非平面。切割元件1110基本上是圆柱体，并且沿纵轴线1118对称，尽管并不需要这样的对称并且非对称切割器在本领域是公知的。
要在钻头上定向为大体面向钻头旋转方向的切割元件1110的切割面1120相对于该方向以及轴线1118基本横向地延伸。切割面1120的中心部分的表面1122是如图所示的平面，尽管可以利用凹面、凸面、山脊或其他大体上但不准确是平面的表面。倒角1124从表面1122的边缘延伸至位于金刚石台1112的侧壁1128处的切割边缘1126。倒角1124及切割边缘1126可以沿台1112的全部边缘延伸，或者仅沿要位于将要被切割的地层附近的一部分边缘部分延伸。倒角1124可以包括相对于轴线1118成45°定向的表面，该表面的宽度当从面向并垂直于所述切割面1120测量时，是0.018英寸。
然而，如上所提及，“小倒角”与“大倒角”可以是彼此相对性的，并且当然可以使用不同于0.012及0.018英寸的倒角尺寸。在一个或多个实施例中，第一倒角尺寸可以落入0.001至约0.010英寸区间内(如前所述的方式测量)，而0.006至0.008英寸作为一个示例性子区间。在一个或多个实施例中，第二倒角尺寸可落入0.008至0.020英寸区间内，而0.010至约0.014英寸及0.014至0.020作为示例性子区间。在一个或多个实施例中，第三倒角尺寸可落入0.020至0.035英寸区间内，并且第四倒角尺寸可以落入0.035英寸至0.060(或更大)区间内。因此，所述“小倒角”及“大倒角”可以选自上述区间(或子区间)，而所述“小倒角”可以但不必需选自例如所述第一尺寸区间或第二尺寸区间。同样在本发明范围之内的是，可以在相同尺寸区间(例如上文的图5-8中的)内选择不同的倒角尺寸，只要所选择的尺寸它们自己不同。进一步地，在一个实施例中，所述较小的倒角的上限可以任意是0.018、0.016、0.014、0.012或0.010英寸，并且所述较大的倒角的下限可以任意是0.012、0.014、0.016、0.018、0.020或0.024。进一步地，同样在本发明的范围之内的是，还可以使用第三或中间倒角尺寸(或更多)。
对于任一所述切割元件类型，相对于轴线1118成约10°至约80°的倒角是有用的，而在特定的实施例中使用约30°至约60°区间的角度。可通过改变切割器的后倾角来改变倒角相对于地层的有效倾角。而且，同样在本发明的范围之内的是，一个或多个切割元件可以包含可变斜角，如受让于本受让人的美国专利第7726420号(其以参引方式将其全部内容包含于此)中所描述的那样。
具体地，本文公开的实施例包括布置于所述钻头的鼻部和/或肩部中且具有小斜角(或倒角)尺寸的滚动切割器或非滚动切割器。在一个或多个其他实施例中，布置于所述钻头的鼻部和/或肩部中的滚动切割器或非滚动切割器可以具有大斜角(或倒角)。然而，在位于肩部区域中的滚动切割器上使用小斜角可以提供多个优点。首先，通过利用小斜角，只需要较小的力来旋转所述滚动切割器，而这允许更均匀的磨损，从而可以延长所述滚动切割器的寿命。此外，在定向钻井应用及其他应用中，许多切割动作发生于所述肩部，并且仅仅由于更长的钻井路径，所述肩部中的切割元件比在径向内部位置(例如锥部)中的切割元件易于经受更大的磨损。通过在所述肩部中使用较小的斜角，所述滚动切割器具有更高的金刚石体积，这允许所述切割器更有效地切割。另外，所述滚动切割器以与传统固定切割器不同的方式磨损。具体地，所观察到的磨损图案通过绕整个圆周产生均匀的磨损而有效地增大了倒角尺寸。
相反地，通过在中心附近(例如在钻头的锥部和/或鼻部中)提供大斜角切割元件(滚动或非滚动的)，可以向这些切割元件提供更好的抗冲击性及耐久性，这对于钻头中心附近是重要的，特别地当这些切割元件易于经受最高深度的切割时。而且，人们相信这样的设置可以有助于避免钻头滑移和与该钻头滑移相关的扭矩尖峰。
进一步地，同样在本发明的范围之内的是，位于鼻部中的切割元件与位于锥部及肩部中的相比可以具有明显不同的倒角尺寸。例如，在一个或多个实施例中，所述鼻部可以具有中等倒角尺寸。进一步地，同样在本发明的范围之内的是，可以在单个区域内(即锥部、鼻部、肩部)使用多个倒角尺寸。
另外，如上所提及，所述切割型廓还有一个区域被称为保径区域。在一个或多个实施例中，所述保径区域可以包含具有“小”倒角的滚动切割器、具有“大倒角”的滚动切割器、具有“小”倒角的非滚动切割器或者具有“大倒角”的非滚动切割器中的任意一个(相对于径向内部切割元件)。在特定的实施例中，所述保径切割元件可以具有大倒角，或者甚至可以是所属领域技术人员所理解的术语“前端平面(pre-flat)”。
在一个特定的实施例中，分析了对于给定的地层及钻压组合改变滚动切割器上的斜角尺寸的效果。在此实施例中，使用卡赛奇大理岩做为示例性岩层，其具有3000psi的抗压强度。钻压被设定为20000lbs。然后便用分析软件确定由具有不同斜角的两个滚动切割器承受的切割力及侧向力，所述软件是如美国专利第7844426号(通过参引方式将其全部内容明确地引入)中所述的。
在此实施例中，分析了一个45°的0.012英寸的“标准”斜角，以及45°的0.016英寸的“中等”斜角。来自软件的结果示于图9及10中。如图9所示，该标准斜角(标记为1802)比中等斜角(示为1804)具有较高的切割力。类似地，在图10中，该标准斜角(1902)比中等斜角(1904)具有较高的侧向力。因此，该标准斜角预计能够比中等斜角向地层中穿透得更深(基于该更高的切割力)。因此，我们相信在此实施例中，所述滚动切割器具有较小斜角尺寸比所述非滚动切割器具有较小斜角尺寸更有优势。
在选定的实施例中，因为在锥部/鼻部区域中的切割器比在肩部/侧部区域中的切割器承受更高的总体力，因此在所述锥部/鼻部区域优选有更大的斜角，以在此区域提供增强的切割器耐久性。对于锥部/鼻部与肩部/侧部区域的典型斜角尺寸组合应该是0.012”-0.030”与0.010”-0.025”。下面的表格提供了斜角尺寸组合的典型组(其中，滚动切割器被布置于所述肩部/侧部中，并且非滚动切割器或滚动切割器被布置于锥部/鼻部中)。该表中的所有斜角都是45度的。
示例 锥部/鼻部斜角尺寸 肩部/侧部斜角尺寸
示例1 0.010” 0.006-0.010”
示例2 0.012” 0.008-0.012”
示例3 0.016” 0.010-0.016”
示例4 0.020” 0.012-0.020”
示例5 0.025” 0.016-0.025”
上面的表格仅是示例性的，并且其他实施例也在本发明的范围内。然而在该表格中，当选择一个锥部/鼻部斜角尺寸时，肩部/侧部斜角尺寸应该设置得比所述锥部/鼻部的小。
本发明的具有多个滚动切割器的钻头可包括至少两个滚动切割器，例如至少三个、至少4个、至少6个、至少9个或至少12个滚动切割器，而剩余的切割元件是传统的固定切割元件。在一个或多个实施例中，两个或更多个主刀片可以包含一个或多个滚动切割器，例如每个主刀片可以包含一个或多个滚动切割器。在一个或多个附加实施例中，一个或多个副刀片同样可以包含一个或多个滚动切割器，例如，每个副刀片可以包括一个或多个滚动切割器。在一个或多个实施例中，所有切割元件可以是可旋转的。
其他设计方案
根据一些实施例，切割元件切割面(即所述切割元件的切割台的上表面)的延伸高度可以不同。在一个示例性实施例中，主切割元件的切割面的延伸高度可以比备用切割元件的切割面的更高(即，“型廓上”主切割元件比备用切割元件与地层接合得更深；而备用切割元件在“型廓外”)。如本文所使用的，术语“型廓外”可以用于指从切割器支撑表面延伸的结构(例如，切割元件、切割深度限制器等)，其延伸高度低于一个或多个其他切割元件的延伸高度，所述其他切割元件限定了给定刀片的最外切割型廓。如本文所使用的，术语“延伸高度”用于描述切割面从与其连接的刀片的切割器支撑表面延伸的距离。在一些示例性实施例中，一个或多个备用切割面可以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。这些变量可能影响底部钻具组合、特别是钻头的属性，而这可以影响不同类型的切割元件的布置或定位。例如，“型廓上”切割元件可能承受比“型廓外”切割元件更大的磨损量及载荷。同样，主切割元件可能承受比备用切割元件更大的磨损量及载荷。
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的直线之间所夹的角度。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。
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滚动切割器可具有从10到30度或-10到-30度的侧倾角。在其它实施例中，布置在钻头的鼻部和/或肩部区域中的每一个滚动切割器可具有从20到30度或-20到-30度范围的侧倾角。在一些实施例中，肩部的径向外侧(即，在保径区域中)的滚动切割器可以具有从5到35度或-5到-35度的侧倾角。在更特别的实施例中，在保径区域中的滚动切割器的侧倾角可>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部区域中，其可具有小于20度的侧倾角，或在更特别的实施例中具有从10度到15度的侧倾角。在各种实施例中，锥部区域中的切割器可固定附连或可以是滚动的，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。而且，在一个或多个实施例中，固定切割器可被定向成比可旋转切割元件的侧倾角具有更小的侧倾角，例如为小于10度的侧倾角。
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，滚动切割器的后倾角度可>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部、鼻部、肩部或保径区域中的滚动切割器，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。切割器可以以选定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，本发明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。
在一个或多个实施例中，切割元件可布置在切割工具中，该切割元件不包含后倾和/或侧倾。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，在某些实施例中，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。在该实施例中，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。进一步地，在一个或多个实施例中，斜角或倒角的尺寸、角度或设计可以被选择为适应0度后倾角或侧倾角。
滚动切割器的示例性实施例
本发明的滚动切割器可以包括多种类型及尺寸的滚动切割器。例如，滚动切割器的尺寸可以形成为包括但不限于9mm、13mm、16mm及19mm。进一步地，滚动切割器的类型不受本发明的限制。相反，其可以是任意类型和/或包括例如在美国专利第7703559号、美国专利申请第13/152626号、61/479183号、61/479151号或61/556454号中所描述的任意特征，这些专利或专利申请全都转让给本受让人，并且将它们的全部内容以参引方式包含到本文中。下文还描述了滚动切割器的示例性实施例；然而，可以与本发明共同使用的可旋转切割元件的类型并不必须限制到下文描述的类型。
现在参考图12及13，示出了根据本发明的实施例的可旋转切割元件组件。特别地，图12中示出了该切割元件的分解视图，其包括滚动切割器300、保持环320及套筒330。该滚动切割器300具有纵向延伸穿过其的旋转轴线A、切割面302以及从所述切割面302轴向向下延伸的本体304。所述本体304具有外表面306及形成于其中的周向槽310。特别地，所述周向槽310形成于本体304的轴杆308部分上，并且沿所述轴杆308轴向延伸一个高度同时围绕所述轴杆308的外周延伸。进一步地，切割边缘303形成于所述切割面302及滚动切割器300的外表面306的交汇处。如图所示，切割面302及切割边缘303可以由金刚石或其他超硬材料台305形成。
图13中示出了组装的切割元件的截面图，其中，所述滚动切割器300部分布置于所述套筒330内，并且保持环320在滚动切割器300与套筒330之间布置在所述周向槽310中。特别地，滚动切割器300的轴杆308部分布置于套筒330内部。如图所示，滚动切割器300位于套筒330外的部分具有第一直径X1，轴杆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及第二内径Y2，其中，所述第二内径Y2比第一内径Y1大，并且位于比第一内径Y1轴向更低的位置。轴杆308的第二直径X2可以与套筒的第一内径Y1大体上相等，以便所述轴杆可以配合到套筒330内。如本文所使用的，大体上相等的直径包括足够的间隙以允许滚动切割器300在套筒330内旋转。例如，由轴杆第二直径X2与套筒第一内径Y1之间的差形成的间隙可以在约0.001至0.030英寸之间。进一步地，套筒330可以具有外直径Y3。如图所示，滚动切割器300在套筒330外的部分可以具有大体上等于套筒外径Y3的第一直径X1，以便组装的切割元件具有圆柱形状。然而，根据其他实施例，滚动切割器第一直径X1比套筒外径Y3大或小。
除了第一内径Y1和第二内径Y2外，套筒330还可以具有不同的内径尺寸。例如，如图13中所示，套筒330的上端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，套筒还可以具有位于所述组装的切割元件的第二内径及周向槽轴向下方的比第二内径小的内径。在这些实施例中，保持环可以从所述周向槽凸出到由该第二内径提供的空间中。
围绕滚动切割器本体的外表面形成的周向槽310可以沿轴杆308轴向定位成使该周向槽310紧靠套筒第一内径Y1与第二内径Y2之间的过渡部332。换句话说，周向槽310及套筒第二内径Y2从沿所述组装的切割元件的相同的轴向位置以相同的轴向方向均延伸一定距离。例如，如图13中所示，周向槽具有第一侧壁311、第二侧壁312及底面313。周向槽310沿轴杆308从第一侧壁311向第二侧壁312轴向延伸一定高度。第一侧壁311沿所述组装的切割元件与到第二内径Y2的过渡部332位于相同的轴向位置，从而使周向槽310与到第二内径Y2的过渡部332对齐，以形成邻近保持环320的接合表面314。保持环320可以绕接合表面314旋转，并且滚动切割器300可以在套筒330内旋转，从而使过渡面332及第一侧壁311维持与保持环320的接合表面314。
当组装时，切割元件的保持环320布置于周向槽310中，其中，保持环320至少围绕轴杆308的整个圆周延伸。例如，在图12及13中示出的实施例中，保持环320可以围绕轴杆308的圆周延伸大于1.5倍。如图13中所示，保持环320从周向槽310凸出以接触套筒330的第二内径Y2，从而将滚动切割器300保持在套筒330内部。然而，根据其他实施例，保持环可以从周向槽凸出，而不接触第二内径，以将滚动切割器保持在套筒内部。
然而，本发明并不限于图12及13中示出的滚动切割器类型，相反，如上所提及的，本发明的钻头及工具上可以使用任意类型的滚动切割器。
在不同的实施例中，内部可旋转切割元件的切割面可以包括可由多晶金刚石台、热稳定金刚石层(即，在750℃时比传统的多晶金刚石有更高的热稳定性)或例如立方氮化硼层的其他超硬层构成的超硬层。
如本领域公知的，可以通过不同的方式形成热稳定金刚石。典型的多晶金刚石层包括相互连接的各个金刚石“晶体”。该各个金刚石晶体从而形成晶格结构。可以使用金属催化剂(例如钴)来促进金刚石颗粒的再结晶以及晶格结构的形成。因此，钴颗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，加热金刚石台时，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，这会使晶格结构中形成裂缝且导致金刚石台劣化。
为避免此问题，可以使用强酸来从多晶金刚石晶格结构(薄体积或整个台层)中“浸出”钴，以至少减少在加热时以不同速率加热金刚石-钴复合材料所经历的损坏。“浸出”工艺的例子可以在例如美国专利第4288248号及3104344号中找到。简要地，可以使用强酸，通常是氢氟酸或多种强酸的组合来处理金刚石台，从PDC复合物移除至少一部分Co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。另外，腐蚀剂(例如氢氧化钠及氢氧化钾)已经被用于碳化物行业以从碳化物复合材料中溶解出金属元素。另外，可以根据需要使用其他酸性或碱浸浸出剂。所属领域技术人员应该理解，考虑到危险等，浸出剂的摩尔浓度可根据需要浸滤的时间来调整。
通过浸出钴，可形成热稳定多晶(TSP)金刚石。在某些实施例中，仅浸出选定部分的金刚石复合材料，以获得热稳定性而不失去抗冲击性。如本文所使用的，术语TSP包括所有上述(即部分或全部浸出)化合物。可以通过进一步固结或使用第二种材料填充间隙体积，来减少浸出后剩余的间隙体积，这样的工艺在本领域中是公知的，并描述于美国专利第5127923号(以参引方式将其全部内容包含于此)中。
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。
上面设有切割面的基体可由多种硬的或超硬的颗粒形成。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个金刚石复合材料。
本发明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。具有本发明的切割元件的切割工具可包括单个可旋转切割元件而剩余的切割元件是传统的切割元件；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。
本发明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传统的附连或硬焊技术，以及通过机械装置。也在本发明的范围之内的是，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，使得钻头本体作为外部支撑元件，即，通过将内部可旋转切割元件插入到孔洞中，可随后阻挡该孔洞以将内部可旋转切割元件保持在其中。
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由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发生改变。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载荷，切割元件寿命可增加，从而允许更高效的钻井。
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。
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。
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。
因此，有利地，本文公开的实施例可以为定向及非定向应用提供改进的钻井特性，和/或增加切割器寿命。同样有利地，通过在锥部区域提供较大尺寸的斜角，当钻头用于定向钻井(在滑移情况下)时，可以减少切割器断裂。这是因为从钻柱传递至钻头的压力可是间歇的并且难以控制，因此，由于切割深度突然增加，可能意外地损坏具有较小斜角尺寸的锥部/鼻部切割器。
同样，通过在锥部/鼻部区域使用较大的斜角，可利用锥部/鼻部区域中该较大的斜角来限制DOC(切割深度)，以防止意外深切入岩石中，这会在过渡钻井中产生高扭矩及震动。当钻头用于定向钻井时这特别重要，其中，工具面控制比穿透速率更为重要。
同样，有利地，通过在肩部/侧部区域提供较小的斜角，与较大的斜角相比，如果ROP相同，则可以有较少的接触面积，从而进一步减少扭矩峰值。同样有利地，在肩部/侧部区域安装滚动切割器的情况下，较小斜角(与在锥部/鼻部区域中的切割器相比)与较大斜角相比还可具有较小侧/切割力，因为在滚动切割器组件中具有较小的摩擦力，从而能够更好旋转，这产生改善的耐久性。
尽管上文描述了滚动切割器具有第一倒角及非滚动切割器具有第二倒角的情形，但还可考虑，在相同类型的切割器上使用组合的倒角。换句话说，明确在本发明的范围之内的是，滚动切割器可以是组合的较小及较大倒角。不同于大斜角的另一种选择是在非滚动切割器上提供深度限制器。
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”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。

Claims (19)

1.一种切割工具，包括：
工具本体，其具有从其径向延伸的多个刀片；
多个可旋转切割元件，其具有第一倒角且安装于所述多个刀片中的至少一个上；以及
多个不可旋转切割元件，其具有不同的第二倒角且安装于所述多个刀片中的至少一个上。
2.如权利要求1所述的切割工具，其中，所述第一倒角比第二倒角小。
3.如权利要求2所述的切割工具，其中，所述第一倒角不大于0.014英寸。
4.如权利要求3所述的切割工具，其中，所述第一倒角不大于0.012英寸。
5.如权利要求1所述的切割工具，其中，所述第一倒角比第二倒角大。
6.如权利要求1所述的切割工具，其中，所述多个可旋转切割元件位于刀片的肩部区域中。
7.如权利要求1所述的切割工具，其中，至少一个可旋转切割元件布置于刀片的鼻部区域中。
8.如权利要求7所述的切割工具，其中，位于所述鼻部区域中的所述至少一个可旋转切割元件具有第三倒角。
9.如权利要求1所述的切割工具，其中，所述多个不可旋转切割元件位于刀片的锥部区域中。
10.如权利要求1所述的切割工具，其中，至少一个不可旋转切割元件布置于刀片的鼻部区域中。
11.如权利要求10所述的切割工具，其中，位于所述鼻部区域中的所述至少一个不可旋转切割元件具有第三倒角。
12.如权利要求1所述的切割工具，其中，所述第二倒角至少是0.014英寸。
13.如权利要求12所述的切割工具，其中，所述第二倒角至少是0.016英寸。
14.一种切割工具，包括：
工具本体，其具有从其径向延伸的多个刀片；
多个可旋转切割元件，其中，所述多个可旋转切割元件基于它们沿所述多个刀片的定位而具有至少两个不同的倒角尺寸。
15.如权利要求14所述的切割工具，进一步包括多个不可旋转切割元件。
16.如权利要求15所述的切割工具，其中，所述多个不可旋转切割元件与至少一个可旋转切割元件具有不同的倒角。
17.如权利要求14所述的切割工具，其中，位于锥部中的至少一个可旋转切割元件比位于肩部中的至少一个可旋转切割元件具有更大的倒角。
18.如权利要求14所述的切割工具，其中，位于锥部中的至少一个可旋转切割元件比位于肩部中的至少一个可旋转切割元件具有更小的倒角。
19.如权利要求17所述的切割工具，其中，位于鼻部区域中的至少一个可旋转切割元件的倒角处于位于锥部中的所述至少一个可旋转切割元件的倒角尺寸与位于鼻部中的所述至少一个可旋转切割元件的倒角尺寸之间。
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