CN105283623A - 切割结构及用于保持该切割结构的结构 - Google Patents

Abstract

井下切割工具可以包括在其上形成有至少一个切割元件支撑结构的工具本体，其中，所述至少一个切割元件支撑结构包括形成于其中的至少一个切割器槽；被保持于所述至少一个切割器槽中的至少一个切割器，所述切割器具有至少大体上不受遮挡的切割面，所述切割器槽阻止所述至少一个切割器大体上的横向移动；以及至少一个保持元件，所述保持元件与所述至少一个切割器的圆周表面的一部分接合。

Description

切割结构及用于保持该切割结构的结构

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年6月12日提交的第61/834264号美国临时专利申请的权益，其全文通过参引方式纳入本文。

背景技术

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本体，其包括不同的特征例如核、刀片、以及延伸进入钻头本体中的切割器槽或者安装在钻头本体上的牙轮。根据即将钻井的应用/地层，合适类型的钻头可以基于用于钻头的切割动作类型以及用在特定地层中的它的合适性而选择。

刮刀型钻头，通常称为“固定切割器钻头”，包括具有附连至钻头本体的切割元件的钻头，该钻头本体可以是钢制钻头本体或由基质材料例如碳化钨形成的由结合剂材料包围的基质钻头本体。刮刀型钻头可以通常定义为不具有移动部件的钻头。但是，本领域中已知存在形成刮刀型钻头的不同的类型和方法。例如，具有研磨材料、例如孕镶在形成钻头本体的材料的表面中的金刚石的刮刀型钻头通常称为“孕镶”式钻头。在本领域中已知的具有由沉积至基体上或者以其他方式结合至基体的超硬切割表面层或“台”(其可由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成)制成的切割元件的刮刀型钻头称为多晶金刚石复合台(“PDC”)钻头。

PDC钻头容易钻软地层，但是它们频繁地用于钻中度硬度或磨耗地层。它们用剪切动作使用小切割器来切割岩石地层，该小切割器不深穿透进入地层中。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。

PDC切割器在包括岩层钻孔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切割器容纳于切割器槽之内，该切割器槽在从钻头本体延伸的刀片之内形成，且PDC切割器通常通过铜焊至切割器槽的内部表面而结合至该刀片。PDC切割器沿着钻头本体刀片的前边缘安置，以便随着钻头本体旋转，PDC切割器啮合并钻地质地层。使用中，高的力可以施加在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。在一些例子中，由于一个或多个切割器的损失或由于刀片的破损，冲击、振动、以及侵蚀力引起钻头故障。

在一些应用中，多晶金刚石(PCD)(或其他的超硬材料)的复合片结合至基体材料用以形成切割结构体，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)的多晶块体，其结合在一起用以形成一个整体的、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的特性，从而使得PCD材料对于其中需要高水平的耐磨性和硬度的侵蚀性磨损和切割应用中是非常有用的。

PCD切割器可以通过放置一个烧结的碳化物基体到压制机的容器中而形成。将金刚石晶粒或金刚石晶粒与催化剂结合剂的混合物放置在基体之上，并在高压、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，并通过金刚石晶粒，用以促进金刚石晶粒之间的交互生长。结果，金刚石晶粒变得彼此结合，用以形成金刚石层，且该金刚石层转而一体地结合至基体。基体可以由包括金属-碳化物复合材料制成，例如碳化钨-钴。沉积的金刚石层通常称为“金刚石台”或“研磨层”。

包括具有超硬工作表面的多个切割器的PDC钻头的一个实例在图1和2中示出。钻头100包括钻头本体110，其具有带有螺纹的上销端部111和切割端部115。切割端部115包括多个肋或刀片120，所述多个肋或刀片绕着钻头的旋转轴线L(也称为纵轴线或中心轴线)布置并从该钻头本体110向外径向地延伸。切割元件或切割器150以预定的角度方位和相对于工作表面的径向位置嵌入刀片120中并且相对于即将钻井的地层具有需要的后倾角和侧倾角。

多个孔口116安置在钻头本体110上刀片120之间的区域中，该区域可以称为“缝隙”或“流体通道”。孔口116通常适于接收喷嘴。孔口116允许钻井流体以选定的方向且以选定的流动速率在刀片120之间排出钻头，以用于润滑和冷却钻头100、刀片120以及切割器150。钻井流体也在钻头100旋转和穿透地质地层时清洁和去除钻屑。在没有合适的流动特性的情况下，切割器150的不充足冷却可能在钻井操作期间导致切割器的故障。流体通道被安置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用以经过钻头100朝向井眼的地面(未示出)行进。

参考图2，示出了现有技术PDC钻头的俯视图。示出的钻头的切割面118包括六个刀片120-125。每一个刀片包括从切割面118的中心通常径向布置的多个切割元件或切割器，以便通常形成行。特定的切割器，尽管在不同的轴向位置处，可以占据径向位置，该位置在与其他刀片上的其他切割器类似的径向位置中。

切割器可以通过铜焊工艺附连至钻头或其他井下工具。在铜焊工艺中，铜焊材料安置在切割器与切割器槽之间。材料融化，随后固化时，将切割器结合(附连)到切割器槽中。铜焊材料的选择取决于它们各自的融化温度，用以在钻头(和切割器)正在钻井操作中使用之前避免对金刚石有过多的热暴露(和热损坏)。具体地，适于铜焊其上具有金刚石层的切割元件的合金已经被限于仅仅一些合金：其提供足够低的铜焊温度用以避免金刚石层的损坏，和足够高的铜焊强度用以在钻头上保持切割元件。

在确定PDC切割器的寿命中的一个重要因素是切割器对热量的暴露。多晶金刚石在空气中在高达700-750℃的温度下可以是稳定的，在观测的温度增长之后，可能导致多晶金刚石永久的损坏和结构的失效。在多晶金刚石中的这个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所引起的。当加热多晶金刚石时，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，其可能引起在金刚石晶格结构体中形成裂缝并导致多晶金刚石的劣化。损坏还可能由于在极高温度下在金刚石-金刚石颈部处石墨的形成，从而导致微结构完整性的损失和强度的损失。

暴露至热量(通过铜焊或通过由切割器与地层的接触产生的摩擦热量)可能对金刚石台引起热损坏并且最终导致裂缝的形成(由于热膨胀系数的不同)，该裂缝可能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向转换(其引起快速的研磨磨损)。当切割元件接触地层时，产生磨平面且引起摩擦热量。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。热量可能积累，其可能引起由上文讨论的金刚石与催化剂之间的热不匹配导致的切割元件的失效。这对于如本领域中常规的固定地附连至钻头的切割器来说尤其如此。

发明内容

提供本发明内容部分旨在介绍一系列概念，其在下面的详细描述中将会进一步描述。本发明内容部分不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用作辅助限制所要求保护的主题的范围。

一方面，本文公开的实施例涉及一种井下切割工具，其包括：工具本体，所述工具本体上形成有至少一个切割元件支撑结构，其中，所述至少一个切割元件支撑结构中形成有至少一个切割器槽；至少一个切割器，具有至少大体上不受遮挡的切割面，所述切割器被保持于所述至少一个切割器槽中，所述切割器槽阻止所述至少一个切割器大体上的横向移动；以及至少一个保持元件，所述保持元件与所述至少一个切割器的圆周表面的一部分接合。

另一方面，本文公开的实施例涉及一种井下切割工具，其包括：工具本体，其中形成有至少一个切割器槽和至少一个保持槽，所述至少一个保持槽径向邻接于并与所述至少一个切割器槽的一部分相交；至少一个滚动切割器，其被保持于所述至少一个切割器槽中，所述至少一个滚动切割器具有形成于所述至少一个滚动切割器的圆周表面中的圆周凹槽；以及至少一个保持元件，其被保持于所述至少一个保持槽中，所述至少一个保持元件具有与所述至少一个滚动切割器的圆周凹槽的一部分大体相配的几何形状。

从下面的描述和所附的权利要求，所要求保护的主题的其他方面和优点将会明显。

附图说明

图1示出了常规的刮刀型钻头的侧视图。

图2示出了常规的刮刀型钻头的俯视图。

图3示出了其上包括有滚动切割器的井下切割工具的局部截面图。

图4示出了其上包括有滚动切割器的井下切割工具的局部前视图。

图5示出了其上包括有滚动切割器的井下切割工具的局部截面图。

图6示出了其上包括有滚动切割器的井下切割工具的局部截面图。

图7示出了其上包括有滚动切割器的井下切割工具的局部前视图。

图8示出了其上包括有被机械地保持的切割器的井下切割工具的局部截面图。

图9示出了切割器的透视图。

图10示出了包括多个滚动切割器和多个固定切割器的钻头的侧视图。

图11示出了钻头的旋转轮廓图。

图12示出了可以使用本发明的切割元件的工具。

具体实施方式

一方面，本文公开的实施例涉及使用可旋转切割结构(滚动切割器)的钻头和其他井下切割工具。特别地，本文公开的实施例涉及这些滚动切割器在钻头或其他井下切割工具上的保持。另一方面，本文公开的实施例涉及使用不可旋转切割元件的钻头和其他井下切割工具，所述不可旋转切割元件被机械地保持在钻头或其他井下切割工具上。

通常，本文描述的可旋转切割元件(也称为滚动切割器)允许当所述切割元件接触地层时使得所述切割元件的至少一个表面或部分旋转。当切割元件接触地层时，切割动作可以允许切割元件的一部分绕延伸穿过所述切割元件的切割元件轴线旋转。切割结构的一部分的旋转可以允许切割面使用切割面的整个外边缘来切割地层，而不是如在常规的切割元件中所观察到的那样使用所述外边缘的同一段。下面的讨论描述了用于保持这些滚动切割器及固定、不可旋转的切割元件的不同实施例。

本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可以使用能够旋转的切割元件的许多变化。例如，滚动切割器的旋转可以由侧切力和支承面之间的摩擦力进行控制。如果侧切力生成可以克服来自摩擦力的扭矩的扭矩，则所述可旋转部分将具有旋转运动。侧切力可受到切割器的侧倾角、后倾角和几何特性的影响，包括本文所公开的工作表面图案。此外，侧切力可受切割元件构件的表面的表面光洁度、地层的摩擦特性以及诸如切割深度的钻井参数的影响。在支承面处的摩擦力可能受到例如表面光洁度、泥浆侵入等的影响。本文所公开的可旋转切割器的设计可以被选择为确保侧切力克服摩擦力以允许可旋转部分旋转。

现在参考示出了井下切割工具(如钻头)的刀片的图3(局部截面图)和图4(局部前视图)。特别地，在钻头或其他井下切割工具上的每个刀片310(包括例如主刀片和副刀片)提供了切割器支撑结构，切割元件360被安装于该切割器支撑结构上。如图所示，切割元件360是滚动切割器，即，切割元件360被保持为这样的方式，其允许该元件自由地旋转；然而，在一个或多个其他实施例中，切割元件360也可以是不可旋转的。具体地讲，如图所示，滚动切割器360被布置/保持在切割器槽312中，该槽可以限制滚动切割器360的横向移动。滚动切割器360向槽312外的轴向移动由保持元件362限制，该保持元件布置于径向邻近并相交于切割器槽312的一部分的保持槽314中。在一个或多个实施例中，保持槽沿切割器槽312的部分圆周(例如小于180度的弧长范围，或在其他实施例中从60至120度或75至105度)和部分轴向长度延伸。在一个或多个实施例中，保持槽314和切割器槽312均与刀片310的前导面316(即，面向钻头或其他工具的旋转方向)接合。然而，可以想到的是，保持槽314也可形成在刀片310的尾后面，并延伸进入刀片310以与切割器槽312和滚动切割器360接合。

如上所述，滚动切割器360向槽312外的轴向移动由保持元件362限制。基于当施加钻压时在钻井期间承受到的合力，滚动切割器360可以被允许轴向向后移动到切割器槽312的背面，但保持元件362保持滚动切割器360不掉出槽312。具体地讲，这种限制可能来自形成于滚动切割器360中的凹槽366和形成于保持元件362中的突起或凸缘368的配合的几何外形(或者反之亦然)，在它们之间具有一些间隙，以允许滚动切割器360能够绕其轴线旋转。这种间隙例如可取决于滚动切割器360的尺寸，但在一个或多个实施例中，可以在从约0.001至约0.005英寸(25.4至127微米)范围内。然而，在使用由所述保持元件保持的固定切割器的实施例中，这样的凹槽366可以不沿切割器360的整个圆周延伸，使得切割器360不是自由旋转。

在一个或多个实施例中，保持元件362可以通过螺钉364或其他紧固件被保持在保持槽314内，或者在其他实施例中可被铜焊到位。在所示实施例中，螺钉364插入保持元件362中的通孔，并接合刀片310(例如通过螺纹接合)或插入刀片310中的螺栓。因而，在一个或多个实施例中，滚动切割器360和保持元件的组件可以首先接合在一起，即，突起或凸缘368可装配到滚动切割器360的凹槽366中，该组件可随后被放置到切割器槽312中，最后，保持元件362可以固定至钻头或其他井下工具。

通过限制沿着侧面的轴向运动，滚动切割器的切割面370可基本上保持暴露和不受遮挡。此外，在所示的实施例中，切割面和保持元件362的暴露面可以彼此基本齐平；然而，在其他实施例中，保持元件362的暴露面可以稍微凹入或凸出。

现在参考图5，示出了保持在刀片510上的滚动切割器560的另一实施例。如图5所示，相比于在图3-4中示出的实施例，凹槽566在滚动切割器560上以及配合突起568在保持元件562上的轴向位置发生了改变。因此，尽管凹槽366/突起368的位置是滚动切割器360的前三分之一部分内，但是凹槽566/突起568的位置是在滚动切割器560的尾或后三分之一部分中。因此，保持元件562在沿滚动切割器560的明显大部分轴向长度上与滚动切割器接合。这种差别也会导致凹槽366沿滚动切割器360的圆周的一部分暴露，而凹槽566完全被包含于切割器槽512中。凹槽/突起的位置可以在沿滚动切割器的轴向长度上位于不同的位置，以提供所需的耐用性和接近/易于组装和整体使用。

现在参考示出了井下切割工具的刀片的(如钻头)的图6(示出了局部截面图)和图7(示出了局部前视图)。如图6和7所示，保持元件可以包括多个构件。例如，保持元件662可以包括滚动切割器接合构件662-1(其接合并咬合滚动切割器660，以防止其轴向移动)和紧固件接合构件662-2(与紧固件664咬合，以确保将保持元件662固定在位)。在一个或多个实施例中，基于构件的功能，这样的两个(或更多个)件式结构可能对使用不同材料的构件是有利的。例如，在一个或多个实施例中，相比于紧固件接合部件662-2，滚动切割器接合构件662-1可以选择更硬、更耐磨的材料，或反之亦然。如图所示，滚动切割器接合构件662-1是一个完全内部的构件，且它的轴向前表面与紧固件接合构件662-2的背面相接合。因此，紧固件接合构件662-2的前表面沿刀片的前导面616暴露。此外，如图所示，紧固件接合构件662-2的前或暴露面与滚动切割器660的切割面670基本齐平；然而，在其他实施例中，保持元件662的暴露面可以稍微凹入或凸出。在本实施例中，滚动切割器660的切割面670保持暴露和大体上不受遮挡。此外，尽管保持元件662(或其一部分)可以向刀片的前导面616暴露并敞开，但在一个或多个实施例中，应该注意的是，保持元件662和保持槽614不对刀片顶(当钻头或其他工具在井中时将与地层接合的刀片上表面，其大体上垂直于刀片的前导面616)敞开。也就是说，当钻头或其他井下切割工具在井眼中时，在保持槽614(在其中安置保持元件662)和地层之间有刀片材料610。

现在参考示出了井下切割工具(如钻头)和切割器(透视图)的刀片(局部截面图)的图8。特别地，在钻头或其他井下切割工具上的每个刀片810(包括例如主刀片和副刀片)提供了切割器支撑结构，切割元件860被安装于该切割器支撑结构上。如图所示，切割元件860是固定切割器，即，切割元件860被保持为这样的方式，其阻止切割器的旋转。具体地，如图所示，固定切割器860被布置/保持在切割器槽812中，其可以限制固定切割器860的横向移动。固定切割器860向槽812外的轴向移动由保持元件862限制，该保持元件布置于径向邻近并相交于切割器槽812的一部分的保持槽814中。在一个或多个实施例中，保持槽沿切割器槽812的部分圆周(例如小于180度的弧长范围，或在其他实施例中从60至120度或75至105度)和部分轴向长度延伸。在一个或多个实施例中，保持槽814和切割器槽812均与刀片810的前导面816(即，面向钻头或其他工具的旋转方向)接合。然而，也可以想到的是，保持槽814也可形成在刀片810的尾后面上，并延伸进入刀片810以接合切割器槽812和固定切割器860。

如上所述，固定切割器860向槽812外的轴向移动由保持元件862限制。基于当施加钻压时在钻井期间承受到的合力，固定切割器860可以被允许轴向向后移动到切割器槽812的背面，但保持元件862保持固定切割器860不掉出槽812。具体地，这种限制可能来自形成于固定切割器860中的凹槽866和形成于保持元件862中的突起或凸缘868的配合的几何外形(或者反之亦然)。除了限制轴向移动，如图所示，因为凹槽866不沿切割器860的整个圆周延伸，因此切割器860的转动被阻止。在一个或多个实施例中，凹槽866可以是沿圆周的(即，沿切割器的部分圆周具有大体上恒定的深度，并因此在其沿所述圆周向所述切割器中的最远延伸处形成一个弧形)，或者可以是“直”凹槽或沟槽(即，沿部分圆周具有可变深度，使得沿所述圆周的最远延伸形成直线)。另外，其他的变型也在本发明的范围之内，使得所述保持元件还防止切割器860的旋转。突起或凸缘868(以及凹槽866)可以延伸保持元件862的整个弧长，或者它可以延伸少于整个弧长。保持元件862的弧长包括上面针对于所述滚动切割器的实施例所描述的那些变型。

在一个或多个实施例中，保持元件862可以通过螺钉864或其他紧固件被保持在保持槽814内，或者在其他实施例中可被铜焊到位。在所示实施例中，螺钉864插入保持元件862中的通孔，并接合刀片810(例如通过螺纹接合)或插入刀片810中的螺栓。因而，在一个或多个实施例中，固定切割器860和保持元件862的组件可以首先接合在一起，即，突起或凸缘868可装配到固定切割器860的凹槽866中，该组件可随后被放置到切割器槽812中，最后，保持元件862可以固定至钻头或其他井下工具。

通过限制沿着侧面的轴向运动，固定切割器860的切割面870可大体上保持暴露和不受遮挡。此外，在所示的实施例中，切割面870和保持元件862的暴露面可以彼此基本齐平；然而，在其他实施例中，保持元件862的暴露面可以稍微凹入或凸出。对于上面图3-7中描述的切割器组件的其他变型也可以应用到被机械地保持的“固定”切割器。

本文描述的一个或多个实施例可具有设置在基体上的超硬材料。这样的超硬材料可包括传统的多晶金刚石台(互连的金刚石颗粒构成的台，颗粒之间具有间隙空间，金属成分(例如金属催化剂)可驻留在该间隙空间中)、通过例如从互连的金刚石颗粒之间的间隙空间或从金刚石/碳化硅复合物中基本移除金属而形成的热稳定金刚石层(即，比传统的金晶金刚石具有更高的热稳定性，750℃)或者其他诸如立方碳化硼的超硬材料。此外，在特定的实施例中，滚动切割器可以完全由超硬材料形成，但是该元件可包括多个金刚石等级，用于例如形成梯度结构(在各等级之间有平滑的或不平滑的过渡)。在特定的实施例中，具有较小粒径和/或较高金刚石密度的第一金刚石等级可以用来形成内部可旋转切割元件的上部(当安装于钻头或其他工具上时，其形成切割边缘)，而具有较大粒径/或较高金属含量的第二金刚石等级可以用来形成切割元件的下部的非切割部。此外，也在本发明的范围之内的是，使用多于两个的金刚石等级。

正如本领域已知的，热稳定金刚石可以以各种方式形成。一种典型的多晶金刚石层包括互连的各个金刚石“晶体”。各个金刚石晶体从而形成晶格结构。诸如钴的金属催化剂可以用于促进金刚石颗粒的再结晶和晶格结构的形成。因此，在金刚石晶格结构的间隙空间内通常发现有钴颗粒。相比于金刚石，钴的热膨胀系数显著不同。因此，当加热金刚石台时，钴和金刚石晶格会以不同的速率膨胀，从而引起在金刚石晶格结构体中形成裂缝并导致金刚石台的劣化。

为了避免此问题，可以使用强酸来从多晶金刚石晶格结构(无论是薄层体积或整个台)中“浸滤”钴，以至少减少因加热有不同速率的金刚石-钴复合物所引起的损坏。“浸滤”工艺的例子可以例如在美国专利号4288248和4104344中找到。简要地说，强酸，诸如氢氟酸或几种强酸的组合可以被用于处理金刚石台，以从PDC复合物中移除至少一部分钴催化剂。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。另外，腐蚀剂，如氢氧化钠和氢氧化钾，已被用于碳化物行业中以从碳化物复合材料中溶解金属元素。此外，可以根据需要使用其他酸性和碱性浸滤剂。本领域的普通技术人员将理解，根据浸滤所需的时间、危险的担忧等，可以调节浸滤剂的摩尔浓度。

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，浸滤金刚石复合物的一个选定部分(少于整个本体)，以便在不失去耐冲击性的情况下获得热稳定性。如本文所用，术语TSP包括所有以上(即，部分地和完全地浸滤)的化合物。浸滤后的剩余间隙体积可以由进一步的固结或通过使用辅料填充该体积而减小，例如通过本领域已知的并描述在美国专利号5127923中的工艺，该专利的全部内容通过参引方式纳入本文。

在一个或多个其他实施例中，TSP可以通过使用钴以外的结合剂在压制机中形成金刚石层来形成，结合剂之一例如是硅，所述结合剂比钴具有更类似于金刚石的热膨胀系数。在制造过程中，相当大一部分的硅，80至100体积百分比，与金刚石晶格反应形成碳化硅，碳化硅也具有与金刚石相似的热膨胀。在加热时，任何剩余的硅、碳化硅和金刚石晶格会以比钴及金刚石的膨胀速率更相似的速率膨胀，从而产生了更加热稳定层。具有TSP切割层的PDC切割器具有相对较低的磨损率，即使当切割器温度达到1200℃时。然而，本领域的普通技术人员将认识到，热稳定的金刚石层可以通过本领域中已知的其它方法形成，包括例如通过改变形成金刚石层的工艺条件。

切割面可选地布置于其上的基体可以由各种硬或超硬颗粒形成。在一个实施例中，基体可以由合适的材料制成，例如碳化钨、碳化钽、或碳化钛。此外，基体中可以包括各种结合金属，例如钴、镍、铁、金属合金或它们的混合物。在基体中，金属碳化物晶粒被支撑于金属结合剂内，例如钴内。此外，基体可以由烧结碳化钨复合结构形成。众所周知，除了碳化钨和钴外，也可以使用各种金属碳化物成分和结合剂。因此，提到使用碳化钨和钴仅是用于说明的目的，而不旨在限制所使用的基体或结合剂的类型。在另外的实施例中，基体还可以由金刚石超硬材料形成，例如多晶金刚石和热稳定金刚石。尽管所示实施例示出切割面及基体为两个不同的件，但本领域技术人员应当理解，切割面和基体是整体的、相同的成分也在本发明的范围之内。在这样的实施例中，可以期望使用单一的金刚石复合物形成切割面和基体或者不同的层。具体地讲，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，包括热稳定金刚石(例如，通过从间隙区域中移除金属或通过形成金刚石/碳化硅复合物来形成)。

保持元件可以由多种材料形成。在一个实施例中，保持元件可以由合适的材料如碳化钨、碳化钽、或碳化钛形成。此外，各种结合金属可以包括在外部支撑元件中，如钴、镍、铁、金属合金或它们的混合物，使得金属碳化物晶粒被支撑于金属结合剂内。同样在本发明的范围之内的是，保持元件和/或基体还可包括一种或多种润滑材料，例如金刚石，以减少之间的摩擦系数。该构件可以全部由这样的材料形成，或者该构件的多个部分包括沉积在该构件上的这样的润滑材料，例如通过化学镀、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、或高速喷涂。在一个特定的实施例中，类金刚石涂层可以通过CVD或空心阴极等离子体增强CVD来沉积，例如在美国2010/0108403中公开的涂层类型。

在其他实施例中，保持件可由工具钢或其它合金钢、镍基合金、和钴基合金形成。本领域普通技术人员也将认识到，一个或多个构件可以涂覆有耐磨堆焊材料，以增加侵蚀防护。这种涂层可以通过本领域中已知的各种技术涂覆，例如，爆炸喷涂(d-gun)和喷熔技术。

本发明的切割元件可包含于各种类型的切割工具中，包括例如，作为固定切割器钻头或诸如扩孔器的扩径工具中的切割器。具有本发明的切割元件的钻头可包括单个滚动切割器而剩余的切割元件是传统的固定切割元件、钻头上的每个切割元件是可旋转的、或滚动切割器和传统(铜焊)固定切割器以及机械地保持的固定切割器(包括本发明的那些)之间的任意组合。此外，本发明的切割元件可以布置在具有结合在其中的其他耐磨元件的切割工具刀片上(如刮刀型钻头刀片或扩孔器刀片)。例如，本发明的切割元件可布置在孕镶有金刚石的刀片上。此外，本领域普通技术人员将认识到，本发明的切割元件的尺寸并不存在任何限制。例如，在不同的实施例中，切割元件可以形成为包括但不限于9毫米、11毫米、13毫米、16毫米、和19毫米。

此外，本领域普通技术人员也将理解，包括例如侧斜角、后倾角、几何特性变化、表面变更/蚀刻、密封件、轴承、材料成分、金刚石或类似的低摩擦支承表面等的如上所述的任何设计变化，在那些本发明的切割元件中可包含且不限于上面描述的各种组合。在一个实施例中，切割器可以具有0至±45度范围内的侧倾角。在另一个实施例中，切割器可以具有从约5至35度范围内的后倾角。

图10示出了具有多个滚动切割器和固定切割器的PDC钻头的一个例子。钻头200包括钻头本体210，其具有带有螺纹的上销端部211和切割端部215。切割端部215包括多个肋或刀片220，所述多个肋或刀片绕着钻头的旋转轴线L(也称为纵轴线或中心轴线)布置并从该钻头本体210向外径向地延伸。传统的固定切割元件或切割器250以预定的角度方位和相对于工作表面的径向位置嵌入刀片220中并且相对于即将钻的地层具有需要的后倾角和侧倾角。除了固定切割器250外，如本文所述，钻头200还包括由保持元件262保持的多个滚动切割器260。

多个孔口216安置在钻头本体210上刀片220之间的区域中，该区域可以称为“缝隙”或“流体通道”。孔口216通常适于接收喷嘴。孔口216允许钻井流体以选定的方向且以选定的流动速率在刀片220之间排出钻头，以用于润滑和冷却钻头200、刀片220、固定切割器250和滚动切割器260。钻井流体也在钻头200旋转和穿透地质地层时清洁和去除钻屑。流体通道被安置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用以经过钻头200朝向井眼的地面(未示出)行进。

在一个或多个实施例中，滚动切割器可以设置在钻头或其他工具的承受最大磨损的位置，例如钻头的鼻部或肩部。现在参考图11，钻头10的轮廓被示为将所有刀片和切割元件40(包括诸如图10中标记为250的那些固定切割器，和诸如图10中标记为260的那些滚动切割器)的切割面44旋转成单个旋转轮廓中。在旋转轮廓图中，钻头的所有刀片的刀片顶形成并限定组合或复合刀片轮廓39，其从钻头轴线60径向延伸到钻头10的外半径23。因此，如本文所使用的，短语“复合刀片轮廓”是指从钻头轴线延伸到钻头的外半径、由钻头的所有刀片的刀片顶旋转成单个旋转轮廓(即，旋转轮廓图)形成的轮廓。在一个或多个实施例中，标记为260的切割器可根据本发明被机械地保持，但不能够旋转。

复合刀片轮廓39(在图11的右半部钻头10中最清楚地示出)一般可分为三个区域，按惯例标记为锥部区域24、肩部区域25、和保径区域26。锥部区域24包括钻头10的径向最内侧区域和大体从钻头轴线60延伸至肩部区域25的复合刀片轮廓39。如图11所示，在大多数传统的固定切割器钻头中，锥部区域24一般是凹形的。邻近锥部区域24的是肩部(或上翻曲线)区域25。在大多数传统的固定切割器钻头中，肩部区域25一般是凸的。径向向外移动，邻近肩部区域25的是保径区域26，其在复合刀片轮廓39的外径周边处平行于钻头轴线60延伸。因此，钻头10的复合刀片轮廓39包括一个凹部区域——锥部区域24，和一个凸部区域——肩部区域25。

凸肩部区域25和复合刀片轮廓39的轴向最低点限定了刀片轮廓鼻部27。在刀片轮廓鼻部27处，凸肩部区域25和复合刀片轮廓39的切线27a的斜率为零。因此，如本文所使用的，术语“刀片轮廓鼻部”是指在旋转轮廓图中沿着钻头的复合刀片轮廓的凸部区域、复合刀片轮廓的切线斜率为零的点。对于大多数传统的固定切割器钻头(例如，钻头10)，该复合刀片轮廓包括单个凸肩部区域(例如，凸肩部区域25)，和单个刀片轮廓鼻部(例如，鼻部27)。在一个或多个实施例中，本发明的滚动切割器可以位于切割轮廓的鼻部和/或肩部区域中，固定切割器可以位于切割轮廓的锥部和/或保径部中。在其他实施例中，滚动切割器也可以设置在切割轮廓的锥部和/或保径部中。例如，返回参考图9，滚动切割器260位于刀片220的至少一些鼻部和肩部区域中，而固定切割器250位于刀片220的锥部和保径区域中。同样在本发明的范围之内的是，鼻部和肩部还可包括固定切割器作为主要或备用切割元件。

如贯穿本发明所描述的，切割元件可用于任意的井下切割工具，包括例如固定切割器钻头或扩眼器上。图12示出扩眼器830的总体结构，其包括在本发明的一个或多个切割元件。所述扩眼器830包括工具本体832和设置在沿本体的圆周选定的方向角位置处的多个刀片838。所述扩眼器830通常包括连接部834、836(例如，螺纹连接部)，使得扩眼器830可耦接到相邻的钻井工具，该钻井工具包括例如钻柱和/或底部钻具组合(BHA)(未示出)。工具本体832一般包括穿过其中的孔，使得当钻井流体被从地面泵送(例如，从地面泥浆泵(未示出))至井眼底部(未示出)时可流穿所述扩眼器830。工具本体832可以由钢或本领域中已知的其他材料形成。例如，工具本体832也可以由渗透有结合剂合金的基质材料形成。图12中示出的刀片838是螺旋形叶片，并且通常定位成绕着工具本体的圆周基本上等角度间隔。这种布置不是对本发明范围的限制，而是仅仅用于说明的目的。本领域普通技术人员将认识到，可以使用任意现有技术中的井下切割工具。尽管图12并未详述滚动切割器或被机械地保持的切割器的位置，但是它们在工具上的位置可以根据以上描述的所有变型。

虽然上文仅详细地描述了一些示例性实施例，但本领域技术人员易于理解，在实质上不脱离本发明的情况下，所述示例性实施例可能有许多变型。相应地，所有这样的变型应当被包含于随后的权利要求所限定的本发明的范围内。在权利要求中，功能模块的条款被预期覆盖在此描述的执行所述功能的结构，不仅限于在结构上的等价，还包括等价的结构。因此，尽管钉子和螺钉可能在结构上不等价，因为钉子具有圆柱形表面，以便紧固木质零件，而螺钉具有螺旋形表面，然而在紧固木质零件的环境下，钉子和螺钉可以是等价的结构。申请人的明确意图是不为本文的任何权利要求的任何限制援引35U.S.C.§112第6段，除了权利要求明确使用词语“用于…的装置”和相关联的功能。

Claims (21)

1.一种井下切割工具，包括：

工具本体，其上形成有至少一个切割元件支撑结构，其中，所述至少一个切割元件支撑结构中形成有至少一个切割器槽；

至少一个切割器，其具有至少大体上不受遮挡的切割面，所述切割器被保持于所述至少一个切割器槽内，所述切割器槽阻止所述至少一个切割器的大致横向移动；以及

至少一个保持元件，其与所述至少一个切割器的少于180度的部分周向表面接合。

2.如权利要求1所述的井下切割工具，其中，所述至少一个切割器是滚动切割器。

3.如权利要求1所述的井下切割工具，其中，所述至少一个保持元件的暴露面与所述至少一个切割器的切割面大体上齐平。

4.如权利要求1所述的井下切割工具，其中，所述保持元件中包括通孔，并且被延伸穿过所述通孔的紧固件保持。

5.如权利要求1所述的井下切割工具，其中，所述保持元件位于径向邻接于所述至少一个切割器槽的保持槽中，所述保持槽与所述至少一个切割元件支撑结构的前导面相交。

6.如权利要求1所述的井下切割工具，其中，所述保持元件限制所述切割器在至少一个轴向方向上的轴向移动。

7.如权利要求1所述的井下切割工具，其中，所述至少一个保持元件被铜焊到位。

8.如权利要求1所述的井下切割工具，其中，所述至少一个保持元件包括与所述至少一个切割器的侧表面接合的至少两个件。

9.如权利要求2所述的井下切割工具，进一步包括至少一个固定切割元件，其中，每个固定切割元件位于相应的一个切割器槽中。

10.如权利要求2所述的井下切割工具，其中，所述井下切割工具是固定切割器钻头，所述固定切割器钻头包括钻头本体和从所述钻头本体延伸的多个刀片，其中，所述至少一个切割器槽形成于所述多个刀片的一个中。

11.一种井下切割工具，包括：

工具本体，其中形成有至少一个切割器槽和至少一个保持槽，所述至少一个保持槽径向邻接于并与所述至少一个切割器槽的一部分相交；

至少一个滚动切割器，其被保持于所述至少一个切割器槽中，所述至少一个滚动切割器具有形成于所述至少一个滚动切割器的圆周表面中的圆周凹槽；以及

至少一个保持元件，其被保持于所述至少一个保持槽中，所述至少一个保持元件具有与所述至少一个滚动切割器的圆周凹槽的一部分大体相配的几何形状。

12.如权利要求11所述的井下切割工具，其中，所述至少一个保持元件与所述至少一个滚动切割器的少于180度的部分圆周接合。

13.如权利要求11所述的井下切割工具，其中，所述至少一个保持元件的暴露面与所述至少一个滚动切割器的切割面大体上齐平。

14.如权利要求11所述的井下切割工具，其中，所述至少一个滚动切割器的切割面大体上不受遮挡。

15.如权利要求11所述的井下切割工具，其中，所述保持元件中包括通孔，并且被延伸穿过所述通孔的紧固件保持。

16.如权利要求11所述的井下切割工具，其中，所述保持槽与所述至少一个切割元件支撑结构的前导面相交。

17.如权利要求11所述的井下切割工具，其中，所述保持元件限制所述滚动切割器在至少一个轴向方向上的轴向移动。

18.如权利要求11所述的井下切割工具，其中，所述至少一个保持元件被铜焊到位。

19.如权利要求11所述的井下切割工具，其中，所述至少一个保持元件包括与所述至少一个滚动切割器的侧表面接合的至少两个件。

20.如权利要求11所述的井下切割工具，进一步包括至少一个固定切割元件，其中，每个固定切割元件位于相应的一个切割器槽中。

21.如权利要求11所述的井下切割工具，其中，所述井下切割工具是固定切割器钻头，所述固定切割器钻头包括钻头本体和从所述钻头本体延伸的多个刀片，其中，所述至少一个切割器槽形成于所述多个刀片的一个中。