CN105378212B - 用于钻头的改进切割器 - Google Patents

Abstract

本文公开一种用于固定切割器旋转钻头的改进切割器。一个切割器包括衬底，其定义其中的槽，且被构造成耦接到所述钻头的刀片的中间部分；和切割元件，其被固定在所述槽内，且具有从所述槽延伸出的所述切割元件的至少一部分，所述切割元件进一步具有第一面和第二面，其中所述第一和第二面的部分由所述槽内的所述衬底支撑。

Description

用于钻头的改进切割器

背景技术

本公开涉及钻地钻头，且更具体而言，涉及用于钻探油气井的固定切割器旋转钻头。

油气行业的井筒通常通过旋转钻探的过程进行钻探。在常规的垂直钻探中，将钻头安装在钻柱(即，钻管加钻环)的端部上，该钻柱可为若干英里长。在井的表面处，旋转驱动器转动所述钻柱(其包括被布置在底孔处的钻头)，而钻液(或“泥浆”)泵送通过该钻柱。在其它钻探操作中，可使用轴向布置成与井下环境中的钻头相邻的泥浆马达来旋转钻头，并使用从表面循环的泥浆来驱动所述钻头。

当钻头在钻探期间磨损或折断时，必须将其从孔中掘出。这需要将钻柱“抽离”井筒，这样做通常涉及重载升降机一次将整个钻柱拉出孔的例如约钻管的九十英尺的井段。因为钻柱可延伸数万英尺到地面，所以一次抽离作业可能是相当耗时且昂贵的。为了恢复钻探，将新的或翻新的钻头附接到钻管的端部且随后下降到井筒中，以及随后反转前述过程直到钻头到达井的底部，并且钻探可重新开始。如可理解，为了在钻探期间最小化钻头更换的往返次数，钻头的耐久性和稳健性是非常重要的特征。

附图说明

以下附图被包括以图示本文描述的示例性实施方案的某些方面，且不应被视为独有的实施方案。所公开的主题可在形式和功能上具有相当大的修改、变更、组合以及等同物，如受益于本公开的本领域技术人员将理解的。

图1图示的是示例性现有技术固定切割器钻头。

图2A图示朝正常切割方向旋转的示例性切割器。

图2B图示在反向钻头旋转期间的图2A的切割器。

图3图示根据本公开的一个或多个实施方案的示例性切割器的截面视图。

图4A-4P图示根据本公开的可被实现的图3的切割器的若干不同的实施方案。

图5A图示根据一个或多个实施方案的被构造来容纳并固定图4A-4P的切割器的示例性钻头的示意图。

图5B图示根据一个或多个实施方案的图5A的钻头的刀片中的一个的截面视图。

图6图示根据本公开的一个或多个实施方案的另一示例性切割器的截面视图。

图7A-7L图示根据本公开的可被实现的图6的切割器的若干不同的实施方案。

图8图示根据一个或多个实施方案的被构造来容纳并固定图7A-7L的切割器的示例性钻头的示意图。

图9图示根据本公开的一个或多个实施方案的另一示例性切割器的截面视图。

图10A-10L图示根据本公开的可被实现的图9的切割器的若干不同的实施方案。

图11图示根据一个或多个实施方案的被构造来容纳并固定图10A-10L的切割器的示例性钻头的示意图。

具体实施方式

本公开涉及钻地钻头，且更具体而言，涉及用于钻探油气井的固定切割器旋转钻头。

本公开提供用于固定切割器钻头的切割器的各种实施方案。切割器可包括衬底，其定义或以其它方式提供槽，所述槽被构造来在其中容纳或以其它方式固定用于在钻探操作期间切穿岩层等的切割元件。每个切割元件可定义相反的正面和背面。将切割元件至少部分地插入或以其它方式嵌入衬底的槽内允许正面和背面的部分与衬底直接接触并由衬底以其它方式支撑。因为正面和背面二者直接与衬底介接，所以在切割元件正常转动或进行反向钻头旋转时，强加于其上的任何产生的应力将由压靠在衬底的切割器承担。其结果，切割器可能能够经受朝旋转方向的切割力，而不具有对切割元件造成严重损坏的风险。

参考图1，图示了示例性固定切割器钻头100。钻头100具有钻头体102，其包括具有前面106的径向并纵向延伸的刀片104，和用于将钻头体102连接到钻柱(未示出)的螺纹销连接件108。钻头体102可由钢或硬材料基质(诸如碳化钨)制成。钻头体102定义用于通过围绕纵轴110旋转并施加钻压而钻进地层的前端结构。将对应的排屑槽112定义在圆周相邻的刀片104之间，以及将多个喷嘴或端口114布置排屑槽112内，排屑槽112用于喷射冷却钻头100并以其它方式冲走在钻探期间产生的切屑和碎片的钻液。

钻头体102进一步包括多个固定齿状物或切割器116，其通常包括由非常硬的材料(例如，碳化钨)制成并面向一层或多层超硬材料(例如，聚晶金刚石、孕镶金刚石等)的衬底。当使用聚晶金刚石作为超硬材料时，此类切割器通常被称为聚晶金刚石复合片切割器或“PDC切割器”。当钻柱旋转时，通过钻头100处可见的钻压和力矩的组合力使切割器116推送通过岩石。在对抗冲击性和耐磨度的最近改进的情况下，当今制造的PDC切割器可逐渐钻探通过更硬的地层，以前需要牙轮钻头或孕镶金刚石钻头。

然而，由于可能对其切割元件造成冲击损坏，所以对于PDC切割器而言，穿刺非常硬的地层仍然是非常困难的。大多数的PDC切割器冲击损坏是由于在穿刺硬地层时的钻头振动造成的。切割器损坏大多数通常以包括破裂、丢失或切削的切割元件的冲击损坏的形式发生。实验已证实，钻头扭转振动、向后涡动以及甚至粘滑可造成钻头的“反向钻头旋转”或向后旋转。一旦钻头进行反向旋转，则在短时间后可切削或以其它方式损坏每个切割器上的切割元件。

参考图2A和图2B(继续参考图1)，图示的是PDC切割器116。如图示，PDC切割器116可包括衬底202，其中切割元件204附接到其端部，并被构造来切穿地层206的底层部分。衬底202可由硬材料(诸如碳化钨)制成，并且切割元件204由任何超硬材料(诸如聚晶金刚石)制成。每个PDC切割器116通常形成圆柱形结构，并且将碳化物衬底202钎焊到钻头100(图1)的对应刀片104(图1)上。在钻探地层206时，PDC切割器116将通常具有范围为偏离垂直约10°至约30°的后倾角208。

图2A示出在正常钻探操作期间进行操作的PDC切割器116，其中PDC切割器116被旋转以朝第一方向210切割地层206。当PDC切割器116朝第一方向210移动时，所产生的压缩切割力212被施加到由碳化物衬底202和刀片104支撑的切割元件204的切割面。因为切割元件204与碳化物衬底202之间的界面的压缩强度相当高，所以切削元件204将从衬底202切削或以其它方式受压损坏的可能性低。

在另一方面，图2B描绘PDC切割器116在切割地层206时朝第二方向214旋转。第二方向214与第一方向210相反，并表示由传播通过钻柱的扭转振动、向后涡动和粘滑振动中的至少一个造成的反向钻头旋转。当PDC切割器116朝第二方向214旋转时，所产生的抗张切割力216被施加到切割元件204。因为切割元件204与衬底202之间的界面处的抗张强度相当低，所以切割元件204在进行反向钻头旋转时可在短时期内被切削或以其它方式丢失。可被证明有利的是，具有能够经受反向钻头旋转，而不对应用于衬底的切割元件造成明显损坏的PDC切割器。

参考图3，其图示了根据本公开的一个或多个实施方案的可用于固定切割器或刮刀类型的钻头的示例性切割器300的截面视图。切割器300可与图2A和图2B的切割器116在至少一些方面类似，且因此参考其可得到最好的理解。若干切割器300可与图1的钻头100(或类似的固定切割器钻头)结合使用，并以其它方式替换其中描绘的切割器116中的一个或多个。如图示，切割器300可包括衬底302和被固定或以其它方式附接到衬底302的切割元件304。

在一些实施方案中，衬底302可由硬材料(诸如但不限于，碳化钨或硬质合金)制成。硬质合金可包含不同比例的碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)。切割元件304可由一层或多层超硬材料(诸如但不限于，聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、孕镶金刚石、纳米金刚石和超纳米金刚石)制成。

衬底302的形状可通常是圆柱形，且具有沿纵轴307分别相互间隔的相反的第一端306a和第二端306b。圆柱形衬底302的第一端306a可定义轴向延伸的槽308，其被构造成在其中容纳并固定切割元件304。在一些实施方案中，可将切割元件304压配合到槽308，从而在两个组件之间形成过盈配合。然而，在其它实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，可使用黏合剂或钎焊技术将切割元件304固定在槽308内。在其它实施方案中，可使用诸如共同拥有的美国专利申请号8,336,648中描述的那些装置的机械装置将切割元件304固定在槽308内，该美国专利公开了将热稳定金刚石机械附接到衬底的各种装置。

圆柱形衬底302的第二端306b可被构造成插入在钻头体102(图1)上提供的刀片104(图1)中定义的对应孔中。在一些实施方案中，可将切割器300固定到刀片104，使得产生用于切割器300的后倾角310。后倾角310可被构造成有助于更容易穿刺地层206的底层部分。后倾角310的范围可从偏离垂直约10°到约30°，这至少部分取决于被钻探的地层206的硬度。

切割元件304可定义正面314a和背面314b。因为将切割元件304至少部分地插入或以其它方式嵌入衬底302内，所以正面314a和背面314b二者的部分与衬底302直接接触或由衬底302以其它方式支撑。因此，由于正面314a和背面314b与衬底302之间的界面产生以任一方向施加到切割元件304的压缩力，所以可朝钻头的两个旋转切割方向支撑并保护切割元件304。

例如，在正常钻探操作期间，切割器300可被构造来在切割地层206时朝第一方向316进行旋转。当切割器300朝第一方向316推进时，将所产生的压缩切割力318施加到切割元件304的正面314a。因为切割元件304的背面314b由衬底302受压支撑，所以切割元件304将在朝第一方向316旋转时被损坏的可能性低。

然而，在钻探时，切割器300可经受反向钻头旋转，其中切割器300朝与第一方向316相反的第二方向320进行旋转。如上所述，这种反向钻头旋转可由传播通过钻柱(未示出)的扭转振动、向后涡动和粘滑振动中的至少一个造成。在切割器300朝第二方向320旋转的情况下，切割元件304的背面314b在朝第二方向320推进通过地层206时经受第二产生的压缩切割力322。第二压缩切割力322可相对于第一压缩切割力318作用于切割元件304上。然而，因为切割元件304的正面314a由衬底302受压支撑，所以在切割器300朝第二方向320旋转的情况下，切割元件304将被损坏的可能性减小。

相应地，因为切割元件304的正面314a和背面314b二者与衬底302直接介接，所以当切割元件304正常转动(即第一方向316)或进行反向钻头旋转(即第二方向320)时，强加于其上的任何产生的应力将由压靠衬底302的切割器300承担。因此，切割器300也许能够经受切割力318、322二者，而不具有对切割元件304造成严重损坏的风险。

现在参考图4A-4P(继续参考图3)，其图示根据本公开的可被实现的切割器300的若干不同的实施方案。在图4A和图4B中，分别图示切割器300的一个实施方案的截面侧视图和端视图。如图示，切割器元件304可通常是圆形或圆盘形，且被固定在衬底302中定义的槽308内。切割元件304的至少一部分可延伸超出并以其它方式伸出衬底302的第一端306a。如此，切割元件304的暴露部分可被构造来在钻探期间接触并切割地层206(图3)。

在图4C和图4D中，分别图示了切割器300的另一实施方案的截面侧视图和端视图。如图示，切割元件304的形状可通常是卵形或椭圆形。再者，当被固定在槽308内时，切割元件304的至少一部分延伸超出并以其它方式伸出衬底302的第一端306a，以便在钻探期间接触并切割地层206(图3)。如将明白，椭圆形或卵形切割元件304优于圆形切割元件304(例如，图4A和图4B)，因为使用椭圆形或卵形切割元件304使切割元件304的更大表面积可与衬底302介接。因此，可延长切割器300的使用寿命。

在图4E和图4F中，分别图示了切割器300的另一实施方案的截面侧视图和端视图。与图4A和图4B的切割元件304类似，图4E和图4F中的切割元件304可以是圆形或圆盘形。然而，与图4A和图4B不同，图4E和图4F中的切割元件304仅伸出衬底302的第一端306a一段短距离，以便在钻探期间接触并切割地层206(图3)。换言之，可将切割元件304进一步插入衬底302中，或衬底302可包围切割元件304的更大表面积(与图4A和图4B中示出的实施方案相比)。因为存在保护或以其它方式支撑切割元件304的更多衬底302，所以这种实施方案被证明有利于切穿由硬岩石构成的地层206(图3)。此外，此类实施方案的切口312(图3)的深度可非常小，诸如钻头每次旋转大约0.05英寸或更小。

在图4G和图4H中，分别图示了切割器300的另一实施方案的截面侧视图和端视图。如图示，切割器304可通常成形为“外圆角(bullnose)”或弓形或弓状多边形。外圆角或弓状多边形的半圆形或弓形部分延伸超出并以其它方式伸出衬底302的第一端306a，以便在钻探期间接触并切割地层206(图3)。与图4C和图4D的切割元件304类似，图4G和图4H的切割元件304可被证明有利于提供切割元件304与衬底302介接的更大表面积，且因此导致更稳健的切割器300并延长其使用寿命。

在图4I和图4J中，分别图示了切割器300的另一实施方案的截面侧视图和端视图。如图示，切割器304可通常是圆形或圆盘形，但是可在槽308与嵌入槽308内的切割元件304的部分之间进一步提供非线性界面。更具体而言，切割元件304可定义可围绕嵌入槽308内的切割元件304的部分的外周间隔的一个或多个凹槽或凹口324。切割元件304的剩余部分延伸超出并以其它方式伸出衬底的第一端306a，以便在钻探期间接触并切割地层206(图3)。凹口324可被证明有利于增加切割元件304与衬底302之间的键合强度，从而导致更稳健的切割器300。

在图4K和图4L中，分别图示了切割器300的另一实施方案的截面侧视图和端视图。与图4G和4H的切割器300类似，图4K和4L中的切割元件304可通常成形为弓形或弓状多边形(即，外圆角)，其中弓状多边形的半圆形或弓形部分延伸超出并以其它方式伸出衬底302的第一端306a。此外，与图4I和图4J的切割器300类似，图4K和图4L的切割器300可定义槽308与切割元件304之间的非线性界面，其呈围绕嵌入槽308内的切割元件304的部分的外周定义的一个或多个凹槽或凹口324的形式。

可在切割元件304的正面314a和背面314b中的一个或二者中进一步提供或以其它方式定义一个或多个额外凹槽或凹口326，如图4L中所描绘。在至少一个实施方案中，凹口326可以是跨切割元件304的长度的至少一部分延伸的纵向延伸的槽道。然而，在其它实施方案中，凹口326可以是跨切割元件304的宽度的至少一部分延伸的横向延伸的槽道。再者，凹口324和326可被证明有利于增加切割元件304与衬底302之间的键合强度。

在图4M-4P中，分别图示了切割器300的其它可能的实施方案的截面侧视图。更具体而言，图4M-4P中示出的切割器300可展现出衬底302的一个或多个变化。例如，在图4M和图4N中，衬底302可提供从第一端306a纵向延伸的延伸件328，使得切割元件304的背面314b的所有部分或很大一部分与衬底302直接接触。因此，当切割器300朝第一方向316(图3)旋转时，切割元件304可更好地能够抵抗抵靠正面314a的压缩切割力318(图3)。然而，此外，当切割器300朝第二方向320(图3)进行反向钻头旋转时，切割元件304的正面314a的部分保持与衬底302直接接触，以便提供对第二压缩切割力322(图3)的抵抗力。

在一些实施方案中，延伸件328可朝向背面314b成角度，如图4M中示出。然而，在其它实施方案中，延伸件328在朝向背面314b延伸时可以是弓状的，如图4N中提供。对在切割器300的设计中具有成角度或弓状延伸件328的偏爱可至少部分地取决于制造能力和成本约束。有利的是，在钻头反向旋转的情况下，成角度或弓状的延伸件328可提供与地层的更小接触表面积。

与图4M和图4N中的切割器300类似，图4O和图4P中的切割器300可包括延伸件328，如通常上文所述。然而，在其它实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，可从这种实施方案省略延伸件328。如图示，图4O和图4P的切割元件304可被插入槽308中或以其它方式相对于衬底302的纵轴307成角度330固定在其中。在一些实施方案中，角度330可基本上与图3的后倾角310类似。在其它实施方案中，角度330可与后倾角310互补，从而以较陡的入射角将切割元件304提供在地层206(图3)上。

本领域技术人员将容易明白，以被构造来提供期望后倾角310(图3)的角度将切割器(诸如图4A-4N的切割器300)耦接到刀片104(图1)。为做到这点，在每个刀片104的主体中定义成角度的孔，使得可成所述角度将切割器300引入孔中，从而导致切割元件304中的每一个以期望的后倾角310定位。然而，在角度330基本上与图3的后倾角310类似的实施方案中，刀片104的主体中定义的用于容纳切割器300的孔可基本上垂直于刀片表面。相反，切割器300的后倾角可通过使切割元件304成角度330固定在槽308内而实现。

如将明白，这种实施方案可被证明在钻头的制造期间是有利的，因为仅需要垂直于在钻头径向平面中的刀片104的表面而非以偏离垂直旨在提供后倾角310(图3)的角度钻探刀片104中用于容纳如图4O和图4P中示出的切割器300的孔。然而，将进一步明白，在不脱离本公开的范围的情况下，图4A-4N中描绘的切割器300中的任一个可同样地成角度330固定在衬底302的槽308内。

现在参考图5A(继续参考图3和图4A-4P)，图示了根据一个或多个实施方案的被构造来容纳并固定切割器300的示例性钻头500的示意图。钻头500可与图1的钻头100在一些方面类似，且因此参考其可得到最好的理解，其中相似的数字表示不再描述的相似元件。钻头500的设计在图5A中仅被描绘用于说明的目的，且用于示出上述切割器300在钻头500上的普通放置的意图。

如图示，钻头500可包括多个刀片104，以及可在策略上将切割器300耦接到刀片104。图5A中示出的切割器300可以为上文关于图4A-4P描述的切割器300中的任一个。在一些实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，可采用图4A-4P的不同类型的切割器300的组合。可通过钎焊或其它已知的附接装置将每个切割器300附接到对应的刀片104。因为每个切割器300均能够充分地承担朝任一方向316、320(图3)的压缩力318、322(图3)，所以可设计每个刀片104的正面或其背面(或二者)以控制钻头500的切口312(图3)的深度。

通常可将每个切割器300布置在其对应刀片104的中间(即，通常集中于每个刀片104的正面与背面之间)，以及通常可使每个切割器300的切割元件304与刀片104的几何结构对准。换言之，每个切割元件304可包括横向轴502，横向轴502可在与刀片104的几何结构耦接的点处与其对准。在一些实施方案中，可更改轴502相对于对应刀片104的几何结构的角度，这取决于将被钻探的岩石的类型或地层206(图3)的硬度。因为通常将切割器500布置在其对应刀片104的中间，所以可设计每个刀片104的正面或其背面(或二者)以控制钻头500的切口312(图5)的深度。

参考图5B，图示了根据一个或多个实施方案的图5A的刀片104中的一个的截面视图。虽然图5B中描绘的切割器300与图4A和图4B的切割器300类似，但是将明白，在不脱离本公开的范围的情况下，切割器300可以是上文关于图4A-4P描述的切割器300中的任何一个，或其任何组合。如上讨论，切割器300中的任何一个可通过插入并钎焊到刀片104中定义的对应孔504而附接到刀片104。由于增加的钎焊表面积，衬底302与刀片104之间的键合强度可增强。

现在参考图6，其图示了根据本公开的一个或多个实施方案的另一示例性切割器600的截面视图。切割器600可与图3的切割器300在至少一些方面中类似，且因此参考其可得到最好的理解。与图3的切割器300类似，切割器600可包括衬底302和被固定或以其它方式附接到衬底302的切割元件304。然而，与图3的切割器300不同，切割器600的衬底302的形状可通常是球形。如在本文使用，如应用于衬底302的术语“球形”旨在涵盖任何弓状或圆形体积或形状，其包括但不限于诸如图7E和图7F所描绘的椭圆形或卵形体积。

可在衬底302中定义用于容纳并固定其中的切割元件304的槽308，通常如上文所述。切割元件304的至少一部分可伸出槽308，以便接触并切割地层206。在与切割器元件304的突出位置稍微径向相对的点处，衬底302可被构造成插入钻头体上提供的刀片中定义的对应孔中，如将在下文进行更详细描述。在一些实施方案中，可成上述后倾角310将切割器600固定到刀片104。

再者，切割元件304可定义正面314a和背面314b。因为将切割元件304至少部分地插入或以其它方式嵌入衬底302内，所以正面314a和背面314b的部分与衬底302直接接触，并由衬底302以其它方式支撑。因此，当切割元件304耦接到钻头时，可朝旋转切割方向316、320支撑并保护切割元件304。更具体而言，因为正面314a和背面314b与衬底302直接介接，所以当切割元件304正常转动(即第一方向316)或进行反向钻头旋转(即第二方向320)时，强加于其上的任何产生的应力将由压靠衬底302的切割器600承担。因此，切割器600也许能够经受切割力318、322二者，而不具有对切割元件304造成严重损坏的风险。

现在参考图7A-7L(继续参考图6)，图示了根据本公开的可被实现的切割器600的若干不同的实施方案。例如，在图7A和图7B中，分别图示了切割器600的一个实施方案的第一和第二截面侧视图。如图示，切割元件304可通常是圆形或圆盘形，并固定在衬底302中定义的槽308内。切割元件304的至少一部分可延伸超出并以其它方式伸出衬底302的槽308。同样地，切割元件304的暴露部分可被构造来在钻探期间接触并切割地层206(图6)。

在图7C和图7D中，分别图示了切割器600的另一实施方案的第一和第二截面侧视图。如图示，切割元件304的形状可通常是卵形或椭圆形。再者，当固定在槽308内时，切割元件304的至少一部分延伸超出并以其它方式伸出衬底302的槽308，以便在钻探期间接触并切割地层206(图6)。

在图7E和图7F中，分别图示了切割器600的另一实施方案的第一和第二截面侧视图。图7E和图7F中的切割器600可与图7C和图7D的切割器600类似，因为切割器304的形状可通常是卵形或椭圆形。然而，图7E和图7F中的切割器600的衬底302的形状也可以是椭圆形或卵形。在一些实施方案中，可沿沿椭圆形衬底302的长方形长度延伸的纵轴702定义槽308，如图7F中示出。在其它实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，可将槽308定义成与纵轴702正交。

在图7G和图7H中，分别图示了切割器600的另一实施方案的第一和第二截面侧视图。如图示，切割元件304可通常成形为弓形或弓状多边形(即，外圆角)。弓状多边形的半圆形或弓形部分延伸超出并以其它方式伸出衬底302的槽308，以便在钻探期间接触并切割地层206(图6)。

在图7I和图7J中，分别图示了切割器600的另一实施方案的第一和第二截面侧视图。如图示，切割器304可通常是圆形或圆盘形，但是可在槽308与嵌入槽308内的切割元件304的部分之间进一步提供非线性界面。更具体而言，切割元件304可定义可围绕嵌入槽308内的切割元件304的部分的外周间隔的一个或多个凹槽或凹口324。切割元件304的剩余部分延伸超出并以其它方式伸出衬底302的槽308，以便在钻探期间接触并切割地层206(图3)。

可在切割元件304的正面314a和背面314b中的一个或二者中进一步提供或以其它方式定义一个或多个额外凹槽或凹口326，如图7J中所描绘。如图示，凹口326可以是跨切割元件304的直径的至少一部分延伸的横向延伸的槽道。然而，在其它实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，凹口326可以是跨切割元件304的直径的至少一部分延伸的纵向延伸的槽道(未示出)。

在图7K和图7L中，分别图示了切割器600的另一实施方案的第一和第二截面侧视图。与图7G和图7H的切割器600类似，图7K和图7L中的切割元件304可通常成形为弓形或弓状多边形，其中弓状多边形的半圆形或弓形部分延伸超出并以其它方式伸出衬底302的槽308。此外，与图7I和图7J的切割器600类似，图7K和图7L的切割器600可在槽308与切割元件304之间定义呈一个或多个凹槽或凹口324和/或326形式的非线性界面。凹口324(图7K)可围绕嵌入槽308内的切割元件304的部分的外周定义，以及凹口326可以是跨切割元件304的宽度的至少一部分延伸的横向延伸的槽道。然而，在其它实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，凹口326(图7L)可以是跨切割元件304的长度的至少一部分延伸的纵向延伸的槽道(未示出)。

现在参考图8(继续参考图6和图7A-7L)，图示了根据一个或多个实施方案的被构造来容纳并固定多个切割器600的示例性钻头800的示意图。钻头800可与分别在图1和图5的钻头100和钻头500在一些方面中类似，且因此参考其可得到最好的理解，其中相似的数据表示不再描述的相似元件。钻头800的基本设计在图8中仅被描绘用于说明的目的，且用于示出上述切割器600在钻头800上的一般放置的意图。

如图示，钻头800可包括多个刀片104，以及可在策略上将切割器600耦接到刀片104。图8中示出的切割器600可以为上文关于图7A-7L描述的切割器600中的任一个。在一些实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，可采用图7A-7L的不同类型的切割器600的组合。可通过钎焊或其它已知的附接装置将每个切割器600附接到对应的刀片104。

通常可将每隔切割器600布置在其对应刀片104的中间(即，通常集中于每个刀片104的正面和背面之间)，以及每个切割器600的切割元件304可通常与刀片104的几何结构对准。换言之，每个切割元件304可包括横向轴802，横向轴802可在与刀片104的几何结构耦接的点处与其对准。在一些实施方案中，可更改轴802相对于对应刀片104的几何结构的角度，这取决于将被钻探的岩石的类型或地层206(图6)的硬度。因为通常将切割器600布置在其对应刀片104的中间，所以可设计每个刀片104的正面或其背面(或二者)以控制钻头800的切口312(图6)的深度。

现在参考图9，图示了根据本公开的一个或多个实施方案的另一示例性切割器900的截面视图。切割器900与分别在图3和图6的切割器300和600在一些方面中类似，且因此参考其可得到最好的理解，其中相似的数字再一次表示不再描述的相似元件。与切割器300和切割器600相似，切割器900可包括衬底302和被固定或以其它方式附接到其的切割元件304。此外，与图3的切割器300类似，衬底302的形状可通常是圆柱形。然而，与切割器300不同，槽308可纵向地定义在衬底302的圆柱形的对端之间的中间点处，如将在图10A-10L更好地看到。相应地，切割元件304可容纳并以其它方式固定在槽308内的沿衬底302的轴长度的中间点处。

再者，切割元件304的至少一部分可伸出槽308，以便接触并切割地层206。将碳化物衬底302钎焊到对应的刀片104，如下文将进行更详细描述。在一些实施方案中，可以上述后倾角310将切割器900固定到刀片104。

切割元件304可再一次定义正面314a和背面314b。因为将切割元件304至少部分地插入或以其它方式嵌入衬底302内，所以正面314a和背面314b的部分与衬底302直接接触或由衬底302以其它方式支撑。因此，可朝旋转切割方向316、320支撑并保护切割元件304。更具体而言，因为切割元件304的正面314a和背面314b二者与衬底302直接介接，所以当切割元件304正常转动(即第一方向316)或进行反向钻头旋转(即第二方向320)时，强加于其上的任何产生的应力将由压靠在衬底302中的切割器900承担。因此，切割器900也许能够经受切割力318、322，而不具有对切割元件304造成严重损坏的风险。

现在参考图10A-10L(继续参考图9)，图示了根据本公开的可被实现的切割器900的若干不同的实施方案。例如，在图10A和图10B中，分别图示了切割器900的一个实施方案的截面侧视图和端视图。如图示，切割元件304可通常为圆形或圆盘形，且被固定在衬底302中定义的槽308中。更具体而言，衬底302可分别具有相反的第一端1002a和第二端1002b，以及可将槽308定义在衬底302的主体中的每个端1002a、1002b之间的中间位置处。切割元件304的至少一部分延伸超出并以其它方式伸出衬底302中的槽308。如此，切割元件304的暴露部分可被构造来在钻探期间接触并切割地层206(图9)

在图10C和图10D中，分别图示了切割器900的另一实施方案的截面侧视图和端视图。图10C和图10D中的切割器900可与图10A和图10B的切割器900类似，因为切割器304可通常是圆形或圆盘形。然而，当在如图10D中的截面端视图中看到，图10C和图10D的切割器900的衬底302可以是椭圆形或卵形。如本文使用，如应用于衬底302的术语“圆柱形”旨在涵盖任何弓状或圆形体积或形状，其包括但不限于如图10D中所描绘的椭圆形或卵形体积。在一些实施方案中，可沿沿椭圆形衬底302的长方形长度延伸的纵轴1004定义槽308，如在图10D中示出。在其它实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，可将槽308定义成与纵轴1004正交。

在图10E和图10F中，分别图示了切割器900的另一实施方案的截面侧视图和端视图。如图示，切割元件304的形状可通常为卵形或椭圆形。再者，当固定在于衬底302的第一端1002a与第二端1002b之间的中间位置处定义的槽308内时，切割元件304的至少一部分延伸超出并以其它方式伸出衬底302的槽308，以便在钻探期间接触并切割地层206(图9)。

在图10G和图10H中，分别图示了切割器900的另一实施方案的截面侧视图和端视图。如图示，切割元件304可通常成形为弓形或弓状多边形。弓状多边形的半圆形或弓形部分延伸超出并以其它方式伸出在第衬底302的第一端1002a和第二端1002b之间的中间位置处定义的槽308，以便在钻探期间接触并切割地层206(图9)。

在图10I和图10J中，分别图示了切割器900的另一实施方案的截面侧视图和端视图。如图示，切割元件304可通常为圆形或圆盘形，但是可在槽308与嵌入槽308内的切割元件304的部分之间进一步提供非线性界面。更具体而言，切割元件304可定义可围绕嵌入槽308内的切割元件304的部分的外周间隔的一个或多个凹槽或凹口324。切割元件304的剩余部分延伸超出并以其它方式伸出衬底302的槽308，以便在钻探期间接触并切割地层206(图9)。

可在切割元件304的正面314a和背面314b中的一个或二者中进一步提供或以其它方式定义一个或多个额外凹槽或凹口326，如图10J中所描绘。如图示，凹口326可以是跨切割元件304的直径的至少一部分延伸的横向延伸的槽道。然而，在其它实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，凹口326可以是跨切割元件304的直径的至少一部分延伸的纵向延伸的槽道。

在图10K和图10L中，分别图示了切割器900的另一实施方案的截面侧视图和端视图。与图10G和图10H的切割器900类似，图10K和图10L中的切割元件304可通常成形为弓形或弓状多边形，其中弓状多边形的半圆形或弓形部分延伸超出并以其它方式伸出衬底302的槽308。此外，与图10I和图10J的切割器900类似，图10K和图10L的切割器900可在槽308与切割元件304之间定义呈一个或多个凹槽或凹口324和/或326的形式的非线性界面。凹口324可围绕嵌入槽308内的切割元件304的部分的外周定义，以及凹口326可以是跨切割元件304的宽度的至少一部分延伸的横向延伸的槽道。然而，在其它实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，凹口326可以是跨切割元件304的长度的至少一部分延伸的纵向延伸的槽道。

现在参考图11(继续参考图9和图10A-10L)，图示了根据一个或多个实施方案的被构造来在其中容纳并固定多个切割器900的示例性钻头1100的示意图。钻头1100可与分别在图1、图5和图8的钻头100、钻头500和钻头800在一些方面中类似，且因此参考其可得到最好的理解，其中相似的数据表示不再描述的相似元件。钻头1100的基本设计在图11中仅被描绘用于说明目的，且用于示出上述切割器900在钻头1100上的普通放置的意图。

如图示，钻头1100可包括多个刀片104(示出三个)，以及可在策略上将切割器900耦接到刀片104。还示出了三个端口902，其可提供用于将被喷出钻头1100的流体的导管，如上文简单描述。图11中示出的切割器900可以为上文关于图10A-10L描述的切割器900中的任一个。在一些实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，可采用图10A-10L的不同类型的切割器900的组合。可通过钎焊或其它已知的附接装置将每个切割器900附接到对应的刀片104。

通常可将每隔切割器900布置在其对应刀片104的中间(即，通常集中于每个刀片104的正面和背面之间)，以及每个切割器900的切割元件304可通常与刀片104的几何结构对准。换言之，每个切割元件304可包括横向轴1104，横向轴1104可在与刀片104的几何结构耦接的点处与其对准。在一些实施方案中，可更改轴1104相对于对应刀片104的几何结构的角度，这取决于将被钻探的岩石的类型或地层206(图9)的硬度。因为通常将切割器900布置在其对应刀片104的中间，所以可设计每个刀片104的正面或其背面(或二者)以控制钻头1100的切口312(图9)的深度。

本文公开的实施方案包括：

A.一种用于钻头的切割器，其包括：衬底，其定义其中的槽，且被构造成耦接到所述钻头的刀片的中间部分；和切割元件，其被固定在所述槽内，且具有从所述槽延伸出的所述切割元件的至少一部分，所述切割元件进一步具有第一面和第二面，其中所述第一面和第二面的部分由所述槽内的所述衬底支撑。

B.一种方法，其包括：旋转钻头以切穿地层，所述钻头包括耦接到钻头刀片的至少一个切割器，以及所述至少一个切割器具有衬底和被固定在所述衬底中定义的槽内的切割元件，其中所述切割元件的至少一部分从所述槽延伸出以接触所述地层。所述方法还可包括：使用所述切割元件抵抗所述地层产生的切割力，所述切割元件具有在被固定在所述槽内时至少部分地由所述衬底支撑的第一面和第二面。

实施方案A和实施方案B中的每一个可具有以下任何组合中的额外元素中的一个或多个：元素1：其中衬底由碳化钨制成。元素2：其中所述切割元件由一层或多层聚晶金刚石制成。元素3：其中所述衬底是圆柱形或球形。元素4：其中所述切割元件是圆盘形、椭圆形、卵形或弓状多边形。元素5：其中所述切割元件定义在所述槽与嵌入所述槽内的切割元件的部分之间产生非线性接口界面的一个或多个凹口。元素6：其中所述凹口被定义在所述切割元件的外周以及所述切割元件的所述正面和背面中的一个或二者中的至少一个中。元素7：其中所述衬底是圆柱形，且具有相反的第一端和第二端，所述槽被定义在所述第一端中，且所述第二端被耦接到所述钻头的所述刀片。元素8：其中所述衬底提供延伸件，所述延伸件从所述第一端纵向延伸，使得所述第一面或第二面的全部或部分与所述衬底直接接触。元素9：其中使所述切割元件相对于所述切割器的纵轴而以一定角度固定在所述槽内。元素10：其中所述衬底是圆柱形，且具有相反的第一端和第二端，所述槽被定义在所述衬底的所述第一端与第二端之间的中间位置处。元素11：其中所述衬底纵长地耦接到所述刀片。

元素12：朝第一方向旋转所述钻头使得将第一切割力施加到所述切割器，抵抗压在如由所述衬底支撑的所述切割元件的所述背面上的所述第一切割力，以及在所述钻头朝与所述第一方向相反的第二方向旋转的情况下，抵抗压在如由所述衬底支撑的所述切割元件的所述正面的第二切割力。元素13：其进一步包括将所述至少一个切割器耦接到所述钻头刀片的中间部分。元素14：其中所述衬底是圆柱形或球形，以及所述切割元件是圆盘形、椭圆形、卵形或弓状多边形，所述方法进一步包括：将所述切割元件固定在所述槽内，其中在所述槽与嵌入所述槽内的切割元件的部分之间存在非线性界面。元素15：其中所述衬底是圆柱形，并且提供相反的第一端和第二端，所述槽被定义在所述第一端中，以及所述方法进一步包括：通过将所述衬底的所述第二端插入所述钻头刀片中定义的孔中而将所述切割器耦接到所述钻头刀片。元素16：其进一步包括：以后倾角将所述切割器耦接到所述钻头刀片。元素17：其进一步包括使所述切割元件相对于所述切割器的纵轴而以一定角度固定在所述槽内。元素18：其中所述衬底是圆柱形，且具有相反的第一端和第二端，所述槽被定义在所述第一端与第二端之间的中间位置处，所述方法进一步包括将所述衬底纵长地耦接到所述至少一个刀片。

因此，本发明非常适于获得所提及的目的和优点，以及其中所固有的那些目的和优点。上文公开的特定实施方案仅仅是说明性的，因为对于受益于本发明教示的本领域技术人员而言，显然本发明可以以不同但等效的方式被修改并实践。此外，除了所附权利要求书中所描述的以外，对本文所示的构造或设计的细节没有任何限制。因此，显而易见的是，上文公开的特定说明性实施方案可被更改、组合或修改，并且所有这样的变化都被认为在本发明的范围和精神内。本文说明性公开的发明在没有文本未具体公开和/或本文公开的任一可选元件的情况下也可适当地实践。虽然组合物和方法就“包含”、“含有”或“包括”各种组分或步骤而被描述，但是组合物和方法也可以“基本上由”或“由”各种组分和步骤组成。上文公开的所有数字和范围可以相差某个量。每当公开具有下限和上限的数值范围时，落入该范围内的任何数字和任何所包含的范围被具体公开。特别是，本文中所公开的每一个值的范围(其形式为“约a至约b”或等价地，“约a至b”或等价地，“约a-b”)应被理解为阐述包括在更宽的值范围内的每一个数字和范围。另外，除非专利权人另外明确地且清楚地定义，否则权利要求中的术语具有其平常普通的含义。此外，权利要求中使用的不定冠词“一”或“一个”在本文被定义为意指引入的一个或多于一个元件。如果在本说明书和通过引用的方式并入本文的一个或多个专利或其它文档中的词语或术语的用法中存在任何冲突，则应采用与本说明书一致的定义。

Claims (20)

1.一种用于钻头的切割器，其包括：

衬底，其定义其中的槽，且被构造成耦接到所述钻头的刀片的中间部分；和

弓状多边形的切割元件，其具有被固定在所述槽内的多边形部分和从所述槽延伸出的所述切割元件的弓形部分，所述切割元件进一步具有第一面和第二面，其中所述第一和第二面的部分由所述槽内的所述衬底支撑，

其中，所述切割元件整体由一层或多层超硬材料制成，所述超硬材料选自于由以下金刚石组成的组：聚晶金刚石，孕镶金刚石，纳米金刚石。

2.根据权利要求1所述的切割器，其中所述衬底由碳化钨制成。

3.根据权利要求1所述的切割器，其中所述衬底是圆柱形或球形。

4.根据权利要求1所述的切割器，其中所述第一面是平坦的，所述第二面是平坦的，其中，所述第一面与所述第二面相对，而且所述第一面和所述第二面中的每一个均越过所述多边形部分和所述弓形部分延伸。

5.根据权利要求1所述的切割器，其中所述切割元件定义在所述槽与嵌入所述槽内的切割元件的部分之间产生非线性界面的一个或多个凹口。

6.根据权利要求5所述的切割器，其中将所述一个或多个凹口定义在所述切割元件的外周以及所述切割元件的所述第一面和所述第二面中的至少一个中。

7.根据权利要求3所述的切割器，其中所述衬底是圆柱形且具有相反的第一端和第二端，所述槽被定义在所述第一端中，且所述第二端被耦接到所述钻头的所述刀片。

8.根据权利要求7所述的切割器，其中所述衬底提供从所述第一端纵向延伸的延伸件，使得所述第一面或所述第二面的全部或部分与所述衬底直接接触。

9.根据权利要求8所述的切割器，其中使所述切割元件相对于所述切割器的纵轴以一定角度固定在所述槽内。

10.根据权利要求3所述的切割器，其中所述衬底是圆柱形且具有相反的第一端和第二端，所述槽被定义在所述衬底中的所述第一端与所述第二端之间的中间位置处。

11.根据权利要求10所述的切割器，其中所述衬底纵长地耦接到所述刀片。

12.一种方法，其包括：

旋转钻头以切穿地层，所述钻头包括耦接到钻头刀片的至少一个切割器，以及所述至少一个切割器具有衬底和弓状多边形的切割元件，所述切割元件具有被固定在所述衬底中定义的槽内的多边形部分，其中所述切割元件的弓形部分延伸出所述槽以接触所述地层；以及

使用所述切割元件抵抗所述地层产生的切割力，所述切割元件具有在被固定在所述槽内时至少部分地由所述衬底支撑的第一面和第二面，其中，所述切割元件整体由一层或多层超硬材料制成，所述超硬材料选自于由以下金刚石组成的组：聚晶金刚石，孕镶金刚石，纳米金刚石。

13.根据权利要求12所述的方法，其中旋转所述钻头包括：

朝第一方向旋转所述钻头，使得将第一切割力施加到所述切割器；

抵抗压在如由所述衬底支撑的所述切割元件的所述第一面的所述第一切割力；以及

在所述钻头朝与所述第一方向相反的第二方向旋转的情况下，抵抗压在如由所述衬底支撑的所述切割元件的所述第二面的第二切割力。

14.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括将所述至少一个切割器耦接到所述钻头刀片的中间部分。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述衬底是圆柱形或球形，所述方法进一步包括：将所述切割元件固定在所述槽内，其中在所述槽与嵌入所述槽内的切割元件的部分之间存在非线性界面。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述衬底是圆柱形且提供相反的第一端和第二端，所述槽被定义在所述第一端中，以及所述方法进一步包括：通过将所述衬底的所述第二端插入所述钻头刀片中定义的孔中而将所述切割器耦接到所述钻头刀片。

17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括以后倾角将所述切割器耦接到所述钻头刀片。

18.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括使所述切割元件相对于所述切割器的纵轴以一定角度固定在所述槽内。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述衬底是圆柱形且具有相反的第一端和第二端，所述槽被定义在所述第一端与所述第二端之间的中间位置处，所述方法进一步包括将所述衬底纵长地耦接到所述至少一个刀片。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述切割元件进一步具有平坦的第一面和平坦的第二面，其中所述第一面和所述第二面中的每一个均越过所述多边形部分和所述弓形部分延伸。