CN105658900A - 具有在第一径向位置的用于切割出岩芯的多个切割元件的固定切割器钻头 - Google Patents

Abstract

一种固定切割器钻头可以包括具有钻头中心线的钻头本体；从所述钻头本体径向延伸的多个刀片，所述多个刀片之间由多个流道分隔开，所述多个刀片中的每一个与钻头中心线均间隔开一径向距离，以限定岩芯形成区域；设置在所述多个刀片上的多个切割元件，所述多个切割元件包括设置在所述多个刀片上的至少两个取芯切割元件，所述至少两个取芯切割元件是所述多个刀片上的径向最内部的切割元件。

Description

具有在第一径向位置的用于切割出岩芯的多个切割元件的固定切割器钻头

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年9月11日提交的美国专利申请号61/876630的优先权，在此通过参引方式将其整体纳入本文。

背景技术

在地球中钻孔时，例如用于油气开采或者其他用途时，通常做法是将钻头连接在首尾相接的钻杆段组件的下端以形成“钻柱”。钻头通过在地面上旋转钻柱或通过致动井下马达或涡轮或通过所述两种方法而旋转。通过将压力施加到钻柱，旋转的钻头接合地层，从而使钻头通过磨蚀、破碎或剪切作用或通过各切割方法的组合切割通过地层材料，从而沿着预定路径朝向目标区形成钻孔。

已经研发并获得用于钻这种钻孔的多种不同类型的钻头。两种主要类型的钻头是牙轮钻头和固定切割器(或旋转刮刀)钻头。大多数固定切割器钻头设计包括绕钻头面以一定角度间隔开的多个刀片。刀片从钻头本体径向向外突出并在刀片之间形成流动通道。另外，切割元件典型地被分组并成径向延伸的列安装在多个刀片上。切割元件在刀片上的结构或布局基于诸如要被钻进的地层的许多因素而显著变化。

设置在固定切割器钻头的刀片上的切割元件通常由极硬材料形成。在典型的固定切割器钻头中，每一个切割元件都包括容纳并固定在形成于刀片中的一个的表面中的槽中的细长大致圆柱形碳化物基体。切割元件典型地包括由多晶金刚石(PCD)或其他超级研磨材料(例如，热稳定金刚石或多晶立方氮化硼)形成的硬切割层。这些切割元件被设计为剪切从软到中硬度范围的地层。为了方便起见，如本文所使用的，对“PDC钻头”、“PDC切割器”的引述是指采用多晶金刚石或其他超级研磨材料形成的硬切割层的固定切割器钻头或切割元件。

参照图1和图2，显示了适用于钻通岩石地层以形成钻孔的常规PDC钻头10。PDC钻头10通常包括钻头本体12、柄部13、和用于将PDC钻头10连接到钻柱(未示出)的螺纹连接装置或销14，其中，所述钻柱被用于使钻头旋转以对钻孔进行钻进。钻头面20支撑着切割结构15并形成在PDC钻头10的与销端16相反的端部上。PDC钻头10还包括中心轴线11，PDC钻头10绕中心轴线11沿由箭头18表示的切割方向旋转。

切割结构15设置在PDC钻头10的面20上。切割结构15包括角度上间隔开的多个主刀片31、32、33和副刀片34、35、36，所述刀片中的每一个都从钻头面20延伸。主刀片31、32、33和副刀片34、35、36沿钻头面20大致径向延伸并然后沿着钻头10的周边的一部分轴向延伸。然而，副刀片34、35、36沿着钻头面20从远离钻头轴线11的位置朝向钻头10的周边径向延伸。因此，如本文所使用的，“副刀片”可用于表示从距离钻头轴线一定距离处开始并沿着钻头面朝向钻头的周边大致径向延伸的刀片。主刀片31、32、33和副刀片34、35、36被钻井流体流道19分隔开。

仍然参照图1和图2，每一个主刀片31、32、33包括用于安装多个切割元件的刀片顶部42，并且每一个副刀片34、35、36包括用于安装多个切割元件的刀片顶部52。特别地，每一个都具有切割面44的切割元件40安装在形成于每一个主刀片31、32、33和每一个副刀片34、35、36的刀片顶部42、52中的槽中。切割元件40在靠近每一个主刀片31、32、33和每一个副刀片34、35、36的前缘处成径向延伸的行彼此相邻地设置。每一个切割面44具有最远离安装有切割元件40的刀片顶部42、52的最外切割末端44a。

现在参照图3，显示了钻头10的轮廓图，其以每个刀片(例如，主刀片31、32、33和副刀片34、35、36)和每个所述切割元件40的切割面44被旋转成单个旋转轮廓图的方式显示。在旋转轮廓图中，PDC钻头10的每个刀片31-36的刀片顶部42、52形成并限定从钻头轴线11径向延伸到PDC钻头10的外半径23的组合或复合刀片轮廓39。因此，如此所使用的，措词“复合刀片轮廓”表示从钻头轴线延伸到钻头的外半径并由钻头的旋转成单个旋转轮廓(即，在旋转轮廓图中)的每个刀片的刀片顶部形成的轮廓。

常规的复合刀片轮廓39(在图3中的PDC钻头10的右半侧中最清楚显示)通常可以被分成三个区域，所述三个区域被常规地标记为锥形区域24、台肩区域25和保径区域26。锥形区域24包括PDC钻头10和复合刀片轮廓39的大致从钻头轴线11延伸到台肩区域25的径向最内侧区域。如图3中所示，在大多数常规的固定切割器钻头中，锥形区域24通常是凹入的。与锥形区域24相邻的是台肩(或向上弯转曲线)区域25。在大多数常规的固定切割器钻头中，台肩区域25通常是凸起的。向外径向移动，与台肩区域25相邻的是保径区域26，所述保径区域在复合刀片轮廓39的外径向周边平行于钻头轴线11延伸。因此，常规PDC钻头10的复合刀片轮廓39包括一个凹入区域——锥形区域24和一个凸起区域——台肩区域25。

凸起台肩区域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，凸起台肩区域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”表示在旋转剖面图中沿着钻头的复合刀片轮廓的凸起区域的这样的一个点，在该点复合刀片轮廓的切线的斜率为零。对于大多数常规固定切割器钻头(例如，PDC钻头10)来说，复合刀片轮廓包括单个凸起台肩区域(例如，凸起台肩区域25)和单个刀片轮廓鼻部(例如，鼻部27)。如图1-3所示，切割元件40沿着刀片31-36成行布置并沿着钻头面20定位在先前被描述为复合刀片轮廓39的锥形区域24、台肩区域25和保径区域26的多个区域中。特别地，切割元件40相对于钻头10的中心轴线11在刀片31-36上安装在预定径向间隔开的位置。

对于钻较硬的地层，其钻孔机制从剪切变为磨蚀。对于磨蚀钻孔，通常使用具有固定、磨蚀元件的钻头。尽管PDC钻头被公认为对于某些地层的钻孔有效，但是已经发现对于硬的、磨蚀性非常大的地层例如砂岩不那么有效。对于这些硬地层，含有孕镶在支持基质中的微粒金刚石或者金刚石磨粒的切割结构是有效的。在下面讨论中，这种类型的成分被叫做“孕镶金刚石”。

孕镶金刚石钻头通常用于非常硬的或者磨蚀性岩石地层中钻孔。这种钻头的切割面包含分布在支撑材料(例如，金属-基质复合物)中的天然或者合成金刚石以形成磨蚀层。在钻头工作时，磨蚀层中金刚石随着支撑材料的磨损逐渐露出。通过磨损在切割面上的支撑材料使新的金刚石不断露出是孕镶钻头的基本功能原理。

图4显示了现有技术孕镶金刚石钻头的一个例子。孕镶钻头70包括钻头本体72和形成于所述钻头本体内的多个筋74。筋74可以从钻头本体的中心径向向外延伸到钻头本体72的外径，接着轴向向下，以限定孕镶钻头70的直径(或保径)。筋74被通道76分开以使钻井流体在其间流动并同时清洗和冷却筋74。筋74典型地排列成组79，其中，典型地通过去掉或者省略掉至少一部分筋74以形成组79之间的间隙78。所述间隙78，也被称作“液体流道”，处于为钻井流体提供额外流道并且为岩屑通过钻头70运输到井眼地面(未示出)提供通道的位置。

如图5所示，显示了根据美国专利号6394202的现有技术孕镶钻头80的例子，该专利已经转让于本发明的受让人并在此通过引方参式纳入本文。在图5中，孕镶钻头80包括柄部82和冠部84。柄部82典型地由钢形成并包括螺纹销86以连接到钻柱上。冠部84具有切割面88和外侧面89。根据一个或多个实施例，冠部84通过浸入大量嵌有合成或天然金刚石的碳化钨粉末形成。

冠部84可以包括多种表面特征，例如凸起的筋74。优选地，在制造过程中包含成型器使得浸透的、孕镶金刚石的冠部包括多个一定大小和形状的孔或槽85以接收相应的多个金刚石孕镶嵌齿83。一旦冠部84形成，嵌齿83安装到槽85中，并通过任意合适的方法，比如铜焊、粘合、如过盈配合的机械方法等方式固定。如图5所示，槽85可以基本上垂直于冠部84的表面。如图5所示，槽85可以每个基本上垂直于冠部84的表面。在本实施例中，槽85是倾斜的，使得嵌齿83基本上在钻头的旋转方向上定向，以提高切割能力。

现在参照图6，显示了现有技术孕镶钻头的一条筋的截面图的一个例子。筋74具有限定了它的大致形状/几何结构的轮廓90，该轮廓可以分成几个部分：锥形区域92(凹进的中心区域)，鼻部区域94(轮廓的前切割边缘)，台肩区域96(钻头外径的起点)，过渡区域98(台肩和垂直保径之间的过渡)，和保径区域99(限定钻头外径的垂直区域)。筋74的主要切割部分包括锥形区域92、鼻部区域94、和台肩区域96，其中保径区域90主要负责保持孔的尺寸。

在不考虑钻头的类型的情况下，钻孔的成本与将所述钻孔钻进到期望深度和位置所耗费的时长成比例。钻井时间又在很大程度上受到为了达到目标地层所更换钻头的次数的影响。这是因为每次更换钻头时，可能为几英里长的整个钻柱被逐段从钻孔中取出。一旦已经取出钻柱并安装新的钻头后，钻头在钻柱上被下入到钻孔的底部，这也是逐段施工的。被公知为“起下钻”钻柱的这种过程需要大量时间、精力和费用。因此，可以期望采用钻得更快更长并且可在更宽范围的不同地层硬度和应用中使用的钻头。

在钻头被更换之前其可以被使用的时长取决于钻头的钻进速度(“ROP”)以及钻头保持较高或可接受ROP的持久性或能力。具体地，ROP是钻头钻进给定地层的速度。ROP典型地计量单位是英尺每小时。目前人们在不断尝试优化钻头设计以使其更快地钻入特定地层以减少受到ROP影响的钻孔成本。

一旦钻孔中达到理想的地层，可以提取地层岩芯样本进行分析。通常，采用中空取芯钻头从地层提取岩芯样本。一旦岩芯样本从钻孔运输到地面，该样本可用于分析和测试例如地层的渗透率、孔隙率、成分或者其他地质特性。

不考虑用于钻探地层的钻头的类型，常规取岩芯的方法包括从钻孔取回钻柱，将该钻头替换成取芯钻头，将该取芯钻头在钻柱上下入到钻孔中以取回岩芯样本，该样本再沿钻孔的路径被带到地面进行分析。也就是说，常规的取岩芯方法包括起下钻柱，因此需要很长时间、精力和花费。

发明内容

提供本发明内容部分是为了介绍一系列概念，这些概念在下面的详细说明中进一步被描述。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，也不旨在用于帮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固定切割器钻头，其包括：具有钻头中心线的钻头本体；从所述钻头本体径向延伸的多个刀片，所述多个刀片之间由多个流道分隔开，所述多个刀片中的每一个与钻头中心线均间隔开一径向距离，以限定岩芯形成区域；设置在所述多个刀片上的多个切割元件，所述多个切割元件包括设置在所述多个刀片上的至少两个取芯切割元件，所述至少两个取芯切割元件是所述多个刀片上的径向最内部的切割元件。

另一方面，本文公开的实施例涉及一种固定切割器钻头，其包括：具有钻头中心线的钻头本体；从所述钻头本体径向延伸的多个刀片，所述多个刀片之间由多个流道分隔开，所述多个刀片中的每一个与钻头中心线均间隔开一径向距离，以限定岩芯形成区域；设置在所述多个刀片上的多个切割元件，所述多个切割元件包括设置在所述多个刀片上的至少两个取芯切割元件，所述至少两个取芯切割元件是所述多个刀片上的径向最内部的切割元件；其中，所述至少两个取芯切割元件对齐而具有从所述钻头中心线延伸大致相同的径向距离或延伸大致相同的轴向高度的切割区。

又一方面，本文公开的实施例涉及一种固定切割器钻头，其包括：具有钻头中心线的钻头本体；从所述钻头本体径向延伸的多个刀片，所述多个刀片之间由多个流道分隔开，所述多个刀片中的每一个与钻头中心线均间隔开一径向距离，以限定岩芯形成区域；设置在所述多个刀片上的多个切割元件，所述多个切割元件包括设置在所述多个刀片上的至少两个取芯切割元件，所述至少两个取芯切割元件是所述多个刀片上的径向最内部的切割元件；其中，所述至少两个取芯切割元件中的每一个的轴向中心线距离所述钻头中心线大致相同的径向距离。

又一方面，本文公开的实施例涉及一种固定切割器钻头，其包括：具有钻头中心线的钻头本体；从所述钻头本体径向延伸的多个刀片，所述多个刀片之间由多个流道分隔开，所述多个刀片中的每一个与钻头中心线均间隔开一径向距离，以限定岩芯形成区域；设置在所述多个刀片上的多个切割元件。所述多个切割元件包括：设置在所述多个刀片中的一个上的第一取芯切割元件，所述第一取芯切割元件是所述多个切割元件中的径向最内部的一个，其中，所述第一取芯切割元件包括切芯象限，所述切芯象限被定义为第一取芯切割元件的切割边缘的平行于钻头中心线的第一切线、第一取芯切割元件的切割边缘的垂直于钻头中心线的第二切线、以及所述第一取芯切割元件的切割边缘在第一和第二切线间的弧段之间的区域；和设置在所述多个刀片中的一个上的第二取芯切割元件，所述第二取芯切割元件具有切割区，所述切割区至少部分地位于所述切芯象限内或与限定所述切芯象限的弧段重叠。

从下面的详细说明及所附权利要求，所要求保护的主题的其他方面和优势将会明显。

附图说明

图1显示了常规的PDC钻头的透视图。

图2显示了常规的PDC钻头的俯视图。

图3显示了常规的PDC钻头的截面图。

图4显示了常规的孕镶钻头的俯视图。

图5显示了常规的孕镶钻头的透视图。

图6显示了常规的孕镶钻头的筋的截面图。

图7-8显示了固定切割器钻头的一个实施例。

图9-22显示了本发明的取芯切割元件的实施例。

图23显示了使用本发明的取芯切割元件的孕镶钻头的一个实施例。

图24-25显示了固定切割器钻头的一个实施例。

图26显示了一个锥形切割元件的侧视图。

图27显示了具有凸侧表面的一个尖头切割元件的侧视图。

图28显示了具有凹侧表面的一个尖头切割元件的截面图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的实施例。一方面，本文公开的实施例涉及用于从地下岩层获取岩芯样本碎片的固定切割器钻头。具体地，本文公开的实施例涉及在切割并形成所述岩芯样本碎片的固定切割器钻头上使用多个切割元件。

现在参考图7，显示了钻头的透视图。如图所示，钻头是PDC钻头700，其包括钻头本体701，柄部705，以及销707。销707用于固定PDC钻头700到钻柱(未示出)的下端上。PDC钻头700还包括钻头中心线709，PDC钻头700绕该钻头中心线沿由箭头711所表示的切割方向旋转。根据本发明的一个或多个实施例，钻头本体701延伸经过钻头中心线709并平滑过渡为流道719及它们之间，这在下面进一步详细地描述。

当PDC钻头700被固定到钻柱时，旋转所述钻柱导致PDC钻头700旋转，并且利用多个切割元件713穿透并切割通过地下岩层，这在下面进一步详细地描述。随着PDC钻头700穿透并切割通过地下岩层，形成了井眼。

如图7所示，PDC钻头700的钻头本体701支撑多个刀片715。多个刀片形成于PDC钻头700的与销707相反的一端上。如图所示，多个刀片715沿钻头本体701径向延伸，然后沿PDC钻头700的周边的一部分轴向延伸。根据本发明的一个或多个实施例，多个刀片中的一个是取芯刀片717，这将在下面进一步详细地描述。多个刀片715被多个流道719隔开，这使得钻井流体在钻井过程中流过刀片之间，并同时清洗与冷却所述多个刀片715。在本发明的一个或多个实施例中，所述多个流道719中的一个可以任选是疏散槽721，这在下面进一步详细地描述。

如图7进一步所示，所述多个刀片715中的每一个均包括设置于其上的多个切割元件713。如图所示，多个切割元件713成靠近所述多个刀片715中的相应的一个的前缘的径向延伸的行地彼此相邻地设置。多个切割元件713可以具有基本平坦的切割面，以在钻地层时实现剪切切割动作。在其他实施例中，所述多个切割元件713中的任何一个可以是可旋转切割元件，例如在美国专利号7703559、美国专利公开号2010/0219001、2011/0297454、2012/0273281、2012/0273280和2014/0054094中公开的那些，所有这些都转让给本受让人并在此通过参引方式整体纳入本文。在其他实施例中，所述多个切割元件713中的任何一个可以是“非平面切割元件”，例如那些在美国专利公开号2013/0277120、2012/0205163、2012/0234610和2013/0020134中所描述的，所有这些都转让给本受让人并在此通过参引方式整体纳入本文。

根据本发明的一个或多个实施例，至少两个径向最内部的切割元件713是设置在取芯刀片717上的取芯切割元件725。如本文所使用的，术语“取芯切割元件”和“取芯刀片”是指一种特殊的切割元件和刀片，其以形成岩芯样品碎片这样的方式切割地层。在一个或多个实施例中，可以包括其他可选的特征，以助于打碎所述岩芯来通过环形空间疏散。此外，如以上所提及，本发明的钻头可以包括至少两个取芯切割元件。例如，现在参照图8，显示了具有两个取芯切割元件的固定切割器钻头的局部视图。钻头700包括多个刀片715，其中两个是取芯刀片717。在取芯刀片717上，包括取芯切割元件725。如图所示，取芯切割元件725切割出圆柱形岩芯744。此外，根据本发明的实施例，使用也切割井底(前进而形成井眼)的至少一个取芯切割元件725切割出这样的岩芯744。在一些实施例中，备用取芯切割元件725不需要同时切割出岩芯和井底，而在一个或多个实施例中可以只切割出岩芯侧壁。

如本文所使用的，“岩芯”是在切割元件的切割轮廓轴向上方并与钻头中心相邻处允许保持未切割的地层的大致圆柱状部分。如图9所示，岩芯740的形状通过取芯切割元件725的切割边缘727的一部分限定。切割边缘通常可以被描述为取芯切割元件的有效切割区。也就是说，它是当钻头与地层接合时所述切割元件切割地层的那部分。切割边缘可以指形成于两个相交表面之间的边缘，而切割区可以更一般地描述在可以使用其他形状的切割元件的情况下的区域(并且不限于两个相交表面)。如上所述，取芯切割元件725是在刀片(未示出)上的径向最内部的切割元件713。切割边缘727的形成所述岩芯的部分从取芯切割元件的径向最内处向切割边缘的切线大致垂直于钻头中心线的点延伸大约90度的弧长(由箭头表示)。岩芯直径取决于从钻头中心线709到取芯切割元件725的径向最内处的径向距离。切割边缘的切线垂直于钻头中心线的点，也是取芯切割元件同时切割井底的点。

如上所述，根据本发明所形成的钻头不是包括单个取芯切割元件，相反，所述钻头形成有两个或更多个取芯切割元件。这样的取芯切割元件可以位于不同的刀片上。在一个或多个实施例中，两个(或更多个)切割元件可以是“复数(多个)”，如该术语在本领域中已知的。通常，复数组钻头在相对于钻头轴线或中心线的至少约一径向位置处包括多于一个切割元件。换句话说，至少一个切割元件因此包括设置在相对于钻头轴线或中心线基本上相同径向位置的“备用”切割元件。在常规的复数组中，每一个切割元件的径向位置被选择为使得切割元件在总体上提供基本全覆盖，类似于单组钻头(其中每一个切割元件具有独特的径向位置)。然而，根据本发明的一个或多个实施例，不是所有切割元件位置(即，径向位置)是复数。例如，在特殊的实施例中，径向最内部的切割元件(取芯切割元件)是复数，并且没有其他切割元件是复数。这样的实施例可以包括当旋转到相同的平面时具有大致相同的切割轮廓的切割元件。

根据一个或多个实施例，第二取芯切割元件具有与沿着图9所示的圆弧的切割边缘重叠的切割边缘。如上所述，这样的重叠可以包括多个取芯切割元件，其中，两个取芯切割元件的基本上整个切割边缘重叠(并沿整个切割边缘共用切线)。然而，本发明也考虑其中少于整个切割边缘重叠但其共用一个切线(在至少一个切点)的实施例。例如，少于整个的重叠，可以源自使用不同尺寸的取芯切割元件。现在参照图10，显示了这种实施例的一个实例。在图示的实施例中，岩芯740的形状由重叠的取芯切割元件725限定。如图所示，有两个取芯切割元件725.1和725.2，它们是两个径向最内部的切割元件713。取芯切割元件725.1比取芯切割元件725.2的直径大，并且切割边缘727沿岩芯740的侧壁重叠。具体地，取芯切割元件725的切割边缘727从钻头中心线709延伸基本相同的径向距离，从而限定岩芯740的半径/直径。在本实施例中，取芯切割元件725.1同时切割岩芯740和井底750，而取芯切割元件725.2仅切割岩芯740。此外，这两个取芯切割元件725具有从钻头中心线延伸至基本相同的径向距离的切割边缘。

图11显示了表示切割边缘重叠的另一个实施例。在所示出的实施例中，岩芯740的形状是由重叠的取芯切割元件725限定的。如图所示，有两个取芯切割元件725.1和725.2，它们是两个径向最内部的切割元件713。取芯切割元件725.1比取芯切割元件725.2的直径较大，且在岩芯740的基部的外部尺度处(在此所述岩芯从基本上圆柱形侧壁过渡到井底)所述切割边缘727重叠。在本实施例中，取芯切割元件725.1的切割边缘727延伸最远，以形成距离钻头中心线(切割元件713的)最近的径向距离，从而限定岩芯740的半径/直径；然而取芯切割元件725.2具有更大的径向距离，但仍沿取芯切割元件725.1的岩芯切割弧长的一部分重叠。在本实施例中，所述两个取芯切割元件725具有延伸到大致相同的轴向高度的切割边缘727。

图12显示了示出切割边缘重叠的又一个实施例。在示出的实施例中，岩芯740的形状是由重叠的取芯切割元件725限定的。如图所示，有两个取芯切割元件725.1和725.2，它们是两个径向最内部的切割元件713。取芯切割元件725.1比取芯切割元件725.2的直径较大，并且所述切割边缘727沿岩芯740从侧壁到井底的过渡重叠。在本实施例中，取芯切割元件725.1的切割边缘727延伸最远，以形成距离钻头中心线(切割元件713的)最近的径向距离，从而限定岩芯740的半径/直径；然而取芯切割元件725.2具有更大的径向距离，但仍沿取芯切割元件725.1的岩芯切割弧长的一部分重叠。

如图10-12所示，所述两个径向最内部的切割元件的切割边缘沿限定岩芯的弧具有至少一些重叠(从而在该重叠处共用一个切线)；然而，同样在本发明的范围之内的是，第二取芯切割元件可以具有不与所述第一取芯切割元件重叠(或者共用一个切线)的切割边缘。例如，现在参照图13-14，第二取芯元件725.2可具有落入切芯象限745内的切割边缘727。所述切芯象限可被定义为第一取芯切割元件的切割边缘727的平行于钻头中心线的第一切线728、第一取芯切割元件的切割边缘727的垂直于钻头中心线的第二切线729、以及所述第一取芯切割元件的切割边缘727在第一和第二切线728、729间的弧长(在箭头之间示出)之间的区域。在所示实施例中，所述两个取芯切割元件725具有从钻头中心线延伸至基本相同的径向距离以及延伸到基本相同的轴向高度的切割边缘。然而，本发明并不限于此，如图15所示，其也显示了第二取芯切割元件725.2具有落入由第一取芯切割元件725.1所限定的切芯区域745内的切割边缘727，但该切割边缘727不处在相同的轴向高度或距钻头中心线709相同的径向距离处。

现在参照图16，显示了又一实施例。在该所示实施例中，第一取芯切割元件725.1和第二取芯切割元件725.2各有距钻头中心线709具有基本上相同的径向距离的轴向中心线726，也就是说，当旋转成单个平面时，轴向中心线重叠，如图所示。这种轴向中心线重叠例如也存在于图11所示的实施例中。然而，不同于图11，图16中所示的第二取芯切割元件725.2不具有与第一取芯切割元件725.1重叠(或共用一个切线)的切割边缘，因为第二取芯切割元件725.2轴向延伸得比第一取芯切割元件725.1更低。类似于已示出的其他实施例，所述第一切割元件725.1和第二切割元件725.2具有不同的直径；然而，也可以使用相同的直径。此外，尽管较小的切割元件(第二取芯切割元件725.2)被示为轴向延伸得比较大的切割元件(第一取芯切割元件725.1)更低，但是也可以相反。

在每个所示实施例中，两个取芯切割元件中的一个还被示为被定向和设置在刀片上以便能够切割所述井底的一部分。参照图13-14，为了便于说明，井底被限定为在切割边缘727上的点(由箭头指示)的径向外侧，在该点处切割边缘727的切线729垂直于钻头中心线。因此，切芯象限745在图14中被识别，并且在相关切点的径向内侧，然而井底切割部732是位于所述切芯象限745的径向外部的切割边缘727弧。

如上所述，所述取芯切割元件中的一个或多个可以具有非平面的切割面。例如，图17-22显示出了图10-16中示出的实施例，其中，所述取芯切割器中的一个已经被替换为具有非平面切割面的取芯切割元件。在所示的实施例中，取芯切割元件中的一个是常规的切割器(具有基本上平面的切割面)，并且取芯切割元件中的一个具有非平面的切割面。例如，这种非平面的切割面可包括具有大致尖切割端的切割元件，即，终止于一个顶端的切割元件，例如，其可以包括具有一个圆锥形切割端的切割元件(示于图26)或弹头形的切割元件(示于图27)。如本文所使用的，术语“圆锥形切割元件”是指具有大致圆锥形切割端262(包括直锥体或斜锥体)的切割元件，即，终止于圆形顶端266的锥形侧壁264，如图26所示。不同于终止于尖点顶端的几何锥形，本发明的圆锥形切割元件拥有这样一个顶端，具有在侧表面和所述顶端之间的弯曲部。此外，在一个或多个实施例中，可以使用子弹头形切割元件270。术语“弹头形切割元件”指的是不同于大致圆锥形的侧表面，而是具有终止于圆形顶端276的大致凸起的侧表面278的切割元件。在一个或多个实施例中，顶端276的曲率半径明显小于凸侧表面278的曲率半径。然而，本发明的非平面切割元件280也可包括其它形状，例如包括，终止于圆形顶端286凹形侧表面287，示于图28中。在每一个这样的实施例中，非平面切割元件可以具有在侧表面和圆形顶端之间的光滑过渡(即，侧表面或侧壁与顶端弯曲部切线地连接)，但在一些实施例中，也可以存在非光滑过渡(即，侧表面的切线与顶端的切线相交为非180度的角度，例如从大约120至小于180度的范围的角度)。此外，在一个或多个实施例中，非平面切割元件可以包括具有延伸到保持部或基部区域上方的切割端的任何形状，其中，所述切割端延伸的高度是所述切割元件直径的至少0.25倍，或者在一个或多个其它实施例中是至少0.3、0.4、0.5或0.6倍。

返回参照图17，在所示的实施例中，岩芯1740的形状由重叠的取芯切割元件1725限定。如图所示，有两个取芯切割元件1725.1和1725.2，它们是两个径向最内部的切割元件713。取芯切割元件1725.1是一个具有基本上平面的切割面的剪切切割器，取芯切割元件2725.2是圆锥形切割元件(尽管也可使用其他非平面的切割面)。有效切割区1727(在剪切切割器的情况下是一个边缘，在非平面切割元件的情况下是顶端)沿岩芯740的侧壁重叠。具体地讲，取芯切割元件1725的有效切割区1727从所述钻头中心线1709延伸到基本相同的径向距离，从而限定岩芯1740的半径/直径。在本实施例中，取芯切割元件1725.1同时切割岩芯1740和井底1750，而取芯切割元件1725.2仅切割岩芯1740。此外，这两个取芯切割元件1725具有从钻头中心线延伸至基本相同的径向距离的有效切割区1727。

图18显示了表示切割边缘重叠的另一个实施例。在示出的实施例中，岩芯1740的形状由重叠的取芯切割元件1725限定。如图所示，有两个取芯切割元件1725.1和1725.2，它们是两个径向最内部的切割元件1713。取芯切割元件1725.1是一个具有基本上平面的切割面的剪切切割器，取芯切割元件1725.2是圆锥形切割元件(尽管也可使用其他非平面的切割面)。有效切割区1727(在剪切切割器的情况下是一个边缘，在非平面切割元件的情况下是顶端)在岩芯1740的基部的外部尺度(在此所述岩芯从基本上圆柱形侧壁过渡到井底)相重叠。在本实施例中，取芯切割元件1725.1的有效切割区1727延伸最远，以形成距离钻头中心线(切割元件1713的)最近的径向距离，从而限定岩芯1740的半径/直径；然而取芯切割元件1725.2具有更大的径向距离，但仍沿取芯切割元件1725.1的岩芯切割弧长的一部分重叠。在本实施例中，所述两个取芯切割元件1725具有延伸到大致相同的轴向高度的有效切割区1727。

图19显示了表示切割边缘重叠的又一个实施例。在示出的实施例中，岩芯1740的形状由重叠的取芯切割元件1725限定。如图所示，有两个取芯切割元件1725.1和1725.2，它们是两个径向最内部的切割元件1713。取芯切割元件1725.1是一个具有基本上平面的切割面的剪切切割器，取芯切割元件1725.2是圆锥形切割元件(尽管也可使用其他非平面的切割面)。有效切割区1727沿岩芯1740从侧壁到基部的过渡重叠。在本实施例中，取芯切割元件1725.1的有效切割区1727延伸最远，以形成距离钻头中心线(切割元件1713的)最接近的径向距离，从而限定岩芯1740的半径/直径；然而取芯切割元件1725.2具有更大的径向距离，但仍沿取芯切割元件1725.1的岩芯切割弧长的一部分重叠。

如图17-19所示，所述两个径向最内部的切割元件的有效切割区沿限定岩芯的弧具有至少一些重叠(从而在该重叠处共用一个切线)；然而，同样在本发明的范围之内的是，非平面取芯切割元件可以具有不与所述第一取芯切割器重叠(或共用一个切线)的顶端。例如，现在参照图20，第二取芯元件1725.2可以具有落入切芯象限1745(该术语已经在上面参照图14进行了定义)内的切割区1727。在该所示的实施例中，所述两个取芯切割元件1725具有从钻头中心线延伸至基本相同的径向距离、以及延伸基本相同的轴向高度的切割边缘。然而，本发明并不限于此，如图21所示，其也显示了第二取芯切割元件1725.2具有落入由第一取芯切割元件1725.1所限定的切芯区域1745内的切割区1727，但其不处在相同的轴向高度或距钻头中心线1709相同的径向距离处。

现在参照图22，显示了又一实施例。在该所示实施例中，第一取芯切割元件1725.1和第二取芯切割元件1725.2各有距钻头中心线1709基本上相同径向距离的轴向中心线1726，也就是说，当旋转成单个平面时，轴向中心线重叠，如图所示。这种轴向中心线重叠例如也存在于图18所示的实施例中。然而，不同于图18，图22中所示的第二取芯切割元件1725.2不具有与第一取芯切割元件1725.1重叠(或共用一个切线)的切割区，因为第二取芯切割元件1725.2轴向延伸得比第一取芯切割元件1725.1更低。类似于已示出的其他实施例，所述第一切割元件1725.1是剪切切割器而第二切割元件1725.2具有非平面的切割面。此外，尽管非平面的切割元件(第二取芯切割元件1725.2)被示为轴向延伸得比取芯切割器1725.1更低，但是也可以相反。

在一个或多个上述实施例中，可以通过取芯切割元件(两个径向最内部的切割元件)中的一个的切割边缘来描述钻头上的这种位置，此处那些取芯切割元件的切割边缘的最低轴向点(远离所述销)位于距所述钻头的鼻部区域(如该术语在上面图3中定义的)中的切割元件一个长度之内，该长度是该钻头在该鼻部区域内的切割元件的切割面直径的两倍。在更特殊的实施例中，那些取芯切割元件的切割边缘的最低轴向点(远离所述销)位于距所述钻头的鼻部区域中的切割元件一个长度之内，该长度是该钻头在该鼻部区域内的切割元件的单个切割面直径。是位于2倍或1倍(或更少)的鼻部切割元件之内可以取决于，例如，刀片的形状。考虑取芯切割元件的位置的另一种方法是相对于钻头的保径区域。在一个或多个其他实施例中，那些取芯切割元件的切割边缘的最低轴向点(远离所述销)位于在所述保径区域(如该术语在上面图3中定义的)内的切割元件的轴向下方。以这种方式，所述刀片和取芯切割元件的形状与常规的取芯钻头相区分。

现在参照图23，显示了固定切割器钻头的一个实施例。如图23所示，固定切割器钻头800是孕镶金刚石钻头。如图23所示，钻头本体801支撑多个凸起的筋807。类似于PDC钻头700的多个刀片715(示于图7)，根据本发明的一个或多个实施例，多个凸起的筋807包括凸起的一定体积的材料，其从钻头本体801的面延伸一高度。然而，如本领域技术人员所理解的，位于孕镶钻头上的这些“刀片”在本领域中通常被称为“筋”。多个凸起的筋807形成于孕镶钻头800的与销(未示出)相反的一端上。如图所示，多个凸起的筋807从钻头中心线803径向向外延伸，然后轴向向下延伸以限定孕镶钻头800的直径。

根据本发明的一个或多个实施例，所述多个凸起的筋807中的一个是取芯筋809，具有在其上的取芯切割元件，类似于上述的实施例。图9-22中描述的取芯切割元件的每个变型可以包含于孕镶金刚石钻头上。在这种情况下，本领域普通技术人员将理解，取芯切割元件725(示于图9-22中)可以是唯一的“切割器”，如该术语通常在PDC钻头领域所理解的。其他的“切割结构”可以包括下面讨论的孕镶金刚石嵌齿或孕镶金刚石筋。

多个凸起的筋807被多个通道811隔开，这在钻井过程中能使钻井流体流过其间，并同时清洗和冷却多个凸起的筋807。任选地，多个通道811中的一个是疏散槽813，其在下面进一步详细地描述。如图17中进一步所示，通过孕镶入所述筋807中的金刚石(或其它超硬磨料)颗粒，或多个孕镶嵌齿805被布置于其中的多个孔，多个凸起的筋807的每一个都包括孕镶的切割结构。同样在本发明的范围之内的是，多个凸起的筋807可以同时包括孕镶于筋807本身中的金刚石，以及孕镶于装配到形成于凸起的筋807中的孔中的嵌齿805中的金刚石。根据本发明的一个或多个实施例，多个孔的尺寸和形状适于接收对应的多个孕镶嵌齿805。如图所示，多个孕镶嵌齿805可以沿着多个凸起的筋807彼此相邻和/或间隔开地布置。根据本发明的一个或多个实施例，多个孕镶嵌齿805可以被定向为基本平行于钻头中心线(未示出)，或可以被定向为基本垂直于钻头中心线(未示出)(这取决于多个孕镶嵌齿805沿着多个凸起的筋807的位置)，或者可以在与所述筋807相同的轴向方向或平面内定向。多个孕镶嵌齿805和/或筋807可以由天然或合成金刚石，以及其它非超硬磨料形成，以实现在钻探地层时的研磨切割动作。

在各种实施例中，切割元件已经被描述为具有距钻头中心线“基本相同的”距离或“基本相同的”轴向高度。在这些实施例中的每一个中，这种变化可以在0.100英寸(2.54mm)之内。人们还注意到，在每一个这样的实施例中，同样在本发明的范围之内的是，距离或高度中的每一个也可以相同(在制造公差之内)。

返回参照图7，根据本发明的一个或多个实施例，第一取芯切割元件位于远离钻头中心线709一定距离处，以允许形成岩芯样本碎片740。作为一个非限制性示例，根据本发明的一个或多个实施例，取芯切割元件725的切割边缘的径向最内部分离钻头中心线709的距离是PDC钻头700的直径的0.25倍。根据本发明的一个或多个实施例，取芯切割元件725的切割边缘的径向最内部分离钻头中心线709的距离可以在PDC钻头700的直径的0.05倍至0.25倍范围内。根据本发明的其他实施例，取芯切割元件725的切割边缘的径向最内部分离钻头中心线709的距离可以在具有PDC钻头700的直径的0.05、0.075、0.1、0.125或0.15倍中的任意一个下限至PDC钻头700的直径的0.075、0.1、0.125、0.15、0.175、0.2、0.225或0.25倍中的任意一个上限范围内，其中任意下限可以与任意上限结合使用。如本领域普通技术人员理解的，在不脱离本发明的范围的情况下，取芯切割元件725的切割边缘的径向最内部分可以位于离钻头中心线709的其它距离处，这取决于岩芯样本碎片740的期望尺寸。

此外，同样在本发明的范围之内的是，本发明的固定切割器钻头上可以包括其他特征，包括在已经转让给本受让人并通过参引方式将其整体纳入本文的美国专利公开号2013/0020134中讨论的那些特征，其可以帮助形成和/或疏散岩芯碎片。这样的特征可以包括疏散通道，靠近钻头中心线布置的中心嵌齿，和/或取芯刀片上的浮凸表面。

返回参照图7以及图24和25，取芯刀片717可以包括基本上垂直的表面1301、凹槽1303和倾斜表面1305。倾斜表面1305布置于刀片顶端的轴向上方和钻头面703的轴向下方，钻头面703延伸通过钻头中心线709。在一些实施例中，钻头面703可以具有插入其中的孔的嵌齿，其可以是在钻头中心线709上或其附近。如图所示，凹槽1303可以被布置于基本上垂直的表面1301和倾斜表面1305之间。凹槽1303用以减轻和保护基本上垂直的表面1301防止过早磨损。根据本发明的一个或多个实施例，基本上垂直的表面1301、凹槽1303和倾斜表面1305整体地连接以形成一个连续的整段，且被定向成面对PDC钻头700的钻头中心线709。

根据本发明的其他实施例，取芯刀片717可以被构造为没有凹槽1303。根据这些其他实施例，基本上垂直的表面1301和倾斜表面1305是整体地连接以形成一个连续的整段，并被定向成面对PDC钻头700的钻头中心线709。此外，根据这些其他实施例，基本上垂直的表面1301和倾斜表面1305在取芯刀片717的第一切割器725轴向上方的一点处相交。

根据本发明的一个或多个实施例，基本上垂直的表面1301可以基本上平行于PDC钻头700的钻头中心线709。也就是说，根据本发明的一个或多个实施例，基本上垂直的表面1301可以被定向为使得基本上垂直的表面1301在任一方向上相对于平行于PDC钻头700的钻头中心线709的线成从0到5度范围内的角度。如图25更好地所示，倾斜表面1305的斜率有助于确定得到的岩芯样本碎片740的长度。例如，倾斜表面1305的斜率越浅(即，相对于钻头中心线709的角度越大)，得到的岩芯样本碎片740的长度越长。同样地，倾斜表面1305的斜率越陡(即，相对于钻头中心线709的角度越小)，得到的岩芯样本碎片740的长度越短。如本领域普通技术人员所理解的，除了倾斜表面1305的斜率，取芯刀片717的高度也有助于确定所得到的岩芯样本碎片740的长度。例如，取芯刀片717越高，所得到的岩芯样本碎片740的长度越长。同样地，取芯刀片717越低，所得到的岩芯样本碎片740的长度越短。因此，如本领域普通技术人员所理解的，在不脱离本发明的范围的情况下，倾斜表面1305相对于钻头中心线709可以具有不同的角度，并且取芯刀片717可以具有不同的高度，以便生成具有不同的长度的岩芯样本碎片725。在一个特殊的实施例中，倾斜表面1305可以被布置为使得倾斜表面1305上的与第一取芯切割元件725的径向位置的径向值相等的轴向点可以具有钻头直径的0.1、0.2、0.3、0.4或0.5倍中的至少任意一个的下限，和钻头直径的0.2、0.3、0.4、0.5、0.6或0.75倍中的任意一个的上限，其中任意下限可以与任意上限结合使用。

根据本发明的一个或多个实施例，倾斜表面1305与钻头中心线709的角度在15度至20度的范围内。然而，鉴于以上情况，该角度范围不旨在是限制性的，倾斜表面1305与钻头中心线709也可以具有不同的角度。例如，在一个或多个实施例中，倾斜表面1305可以具有约5、10、15、20或25度中的任意一个下限，和15、20、25、30、35或45度中的任意一个上限。根据本发明的一个或多个实施例，倾斜表面1305与钻头中心线709可以具有这样的任意角度：其允许倾斜表面1305向岩芯样本碎片740的侧面施加一个侧向载荷，该侧向载荷足以使得当岩芯样本碎片740达到所需的长度后从地层脱离。

根据本发明的一个或多个实施例，凹槽1303可以被布置于基本上垂直的表面1301和倾斜表面1305之间。凹槽1303用以减轻和保护基本上垂直的表面1301防止过早磨损。根据本发明的一个或多个实施例，凹槽1303在基本上垂直的表面1301和倾斜表面1305之间的位置基于所得到的岩芯样本碎片740期望长宽比。根据本发明的一个或多个实施例，岩芯样本碎片740的长度与岩芯样本碎片740的宽度的比率可大于或等于1。这样，基于所述取芯刀片717的高度、倾斜表面1305的斜率、以及取芯切割元件相对于钻头中心线709的径向内部分的位置确定凹槽1303的位置，如先前上面所述的。同样在本发明的范围之内的是，取芯刀片717上的任意表面可以被修改为包括低摩擦耐磨材料，如热稳定多晶金刚石(TSP)、天然金刚石或任意其他类型的热稳定耐磨材料，其可以包括在这些表面上的这些材料的嵌埋件。

此外，中心嵌齿727(如图所示的锥形嵌齿，但是也可以使用其他形状的切割元件)被设置在钻头中心线709上或其附近。如本文所使用的，相对于钻头中心线709的“附近”是指在钻头中心线709上或在钻头中心线709与取芯切割元件725之间。根据本发明的一个或多个实施例，圆锥形嵌齿727插入到钻头本体701中，使得圆锥形嵌齿727的顶端位于取芯刀片717的凹槽1303轴向上方。在一个或多个实施例中，中心嵌齿可以具有其他几何形状(除了圆锥形以外)并大体上具有尖顶(具有圆滑顶端)。如图所示，圆锥形嵌齿727在钻头本体701的支撑表面770处被设置在钻头中心线709上或其附近。根据本发明的一个或多个实施例，支撑表面770被设置在PDC钻头700的取芯刀片717和疏散槽721之间。根据本发明的一个或多个实施例，支撑表面770以连续的整段将取芯刀片717整体地连接到疏散槽721。此外，根据本发明的一个或多个实施例，支撑表面770的斜率小于5度，在其他实施例中小于3或2度，或者斜率甚至可以相对于钻头中心线709为零。

例如，可以包括疏散槽721以帮助从钻头疏散岩芯样本。疏散槽721被示出为相对于取芯刀片717直接横跨钻头中心线709。根据本发明的一个或多个实施例，疏散槽721的轮廓凹进PDC钻头700的钻头本体701的下方。如本领域普通技术人员所理解的，在不脱离本发明范围的情况下，可以改变疏散槽721凹进钻头本体701下方的量。例如，如本领域普通技术人员所理解的，疏散槽721可以凹进钻头本体701下方的一个量足以确保岩芯样本碎片740从疏散槽721平稳离开，以避免钻头堵塞。此外，如本领域普通技术人员所理解的，疏散槽721可以凹进钻头本体701下方的一个量不损害PDC钻头700的坯体强度。因此，根据本发明的一个或多个实施例，疏散槽721凹进PDC钻头700的钻头本体701下方的一个量允许岩芯样本碎片740平稳离开而不堵塞钻头，并且不会对PDC钻头700的使用寿命有不利影响。根据本发明的一个或多个实施例，疏散槽721相对于支撑表面770和钻头本体701具有大致向下的斜坡。

如上所述，同样在本发明的范围之内的是，任意所述取芯切割元件可以选自剪切切割器(设置于碳化物基体上的金刚石台，基体被铜焊到切割器槽中)、滚动切割器(其中具有围绕其自身轴线自由旋转的切割元件)、或具有基本上尖顶切割面的非平面切割元件(如圆锥形切割元件、弹头形切割元件或其它的切割面形状)。

虽然上文仅详细描述了几个示例性的实施例，但所属领域技术人员应该容易理解，在实质上不脱离本发明的情况下，对示例性的实施例进行多种变型是可能的。相应地，所有这样的变型应当被包含于本发明的范围内。在权利要求中，功能性限定的条款被预期覆盖在此描述的执行所引用的功能的结构，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)

1.一种固定切割器钻头，包括：

具有钻头中心线的钻头本体；

从所述钻头本体径向延伸的多个刀片，所述多个刀片之间由多个流道分隔开，所述多个刀片中的每一个与钻头中心线均间隔开一径向距离，以限定岩芯形成区域；

设置在所述多个刀片上的多个切割元件，所述多个切割元件包括设置在所述多个刀片上的至少两个取芯切割元件，所述至少两个取芯切割元件是所述多个刀片上的径向最内部的切割元件。

2.如权利要求1所述的固定切割器钻头，其中，所述至少两个取芯切割元件的切割区的至少一部分重叠并共用一个切线。

3.如权利要求2所述的固定切割器钻头，其中，所述至少两个取芯切割元件的整个切割区均重叠。

4.如权利要求1所述的固定切割器钻头，其中，所述两个取芯切割元件中的一个的半径小于另一个的半径。

5.如权利要求1所述的固定切割器钻头，其中，所述两个取芯切割元件中的一个相对于另一个具有减小的轴向曝露。

6.如权利要求1所述的固定切割器钻头，其中，从钻头中心线到所述至少两个取芯切割元件中的一个的切割面的径向距离比所述至少两个取芯切割元件中的另一个的更大。

7.如以上权利要求中任一项所述的固定切割器钻头，其中，所述至少两个取芯切割元件中的一个具有非平面的切割面。

8.一种固定切割器钻头，包括：

具有钻头中心线的钻头本体；

从所述钻头本体径向延伸的多个刀片，所述多个刀片之间由多个流道分隔开，所述多个刀片中的每一个与钻头中心线均间隔开一径向距离，以限定岩芯形成区域；

设置在所述多个刀片上的多个切割元件，所述多个切割元件包括设置在所述多个刀片上的至少两个取芯切割元件，所述至少两个取芯切割元件是所述多个刀片上的径向最内部的切割元件；

其中，所述至少两个取芯切割元件对齐而具有从所述钻头中心线延伸大致相同的径向距离或延伸大致相同的轴向高度的切割区。

9.如权利要求8所述的固定切割器钻头，其中，所述至少两个取芯切割元件的整个切割区均重叠。

10.如权利要求8所述的固定切割器钻头，其中，所述两个取芯切割元件中的一个的直径小于另一个的直径。

11.如权利要求8所述的固定切割器钻头，其中，所述两个取芯切割元件中的一个相对于另一个具有减小的轴向曝露。

12.如权利要求8所述的固定切割器钻头，其中，所述至少两个取芯切割元件的切割区延伸大致相同的轴向高度以及从钻头中心线延伸大致相同的径向距离。

13.如权利要求8-12中任一项所述的固定切割器钻头，其中，所述至少两个取芯切割元件中的一个具有非平面的切割面。

14.一种固定切割器钻头，包括：

具有钻头中心线的钻头本体；

从所述钻头本体径向延伸的多个刀片，所述多个刀片之间由多个流道分隔开，所述多个刀片中的每一个与钻头中心线均间隔开一径向距离，以限定岩芯形成区域；

设置在所述多个刀片上的多个切割元件，所述多个切割元件包括设置在所述多个刀片上的至少两个取芯切割元件，所述至少两个取芯切割元件是所述多个刀片上的径向最内部的切割元件；

其中，所述至少两个取芯切割元件中的每一个的轴向中心线距离所述钻头中心线大致相同的径向距离。

15.如权利要求14所述的固定切割器钻头，其中，所述至少两个取芯切割元件的整个切割区重叠。

16.如权利要求14所述的固定切割器钻头，其中，所述两个取芯切割元件中的一个的直径小于另一个的直径。

17.如权利要求14所述的固定切割器钻头，其中，所述两个取芯切割元件中的一个相对于另一个具有减小的轴向曝露。

18.如权利要求14所述的固定切割器钻头，其中，从钻头中心线到所述至少两个取芯切割元件中的一个的切割面的径向距离比所述至少两个取芯切割元件中的另一个的更大。

19.如权利要求14-18中任一项所述的固定切割器钻头，其中，所述至少两个取芯切割元件中的一个具有非平面的切割面。

20.一种固定切割器钻头，包括：

具有钻头中心线的钻头本体；

从所述钻头本体径向延伸的多个刀片，所述多个刀片之间由多个流道分隔开，所述多个刀片中的每一个与钻头中心线均间隔开一径向距离，以限定岩芯形成区域；

设置在所述多个刀片上的多个切割元件，所述多个切割元件包括：

设置在所述多个刀片中的一个上的第一取芯切割元件，所述第一取芯切割元件是所述多个切割元件中的径向最内部的一个，其中，所述第一取芯切割元件包括切芯象限，所述切芯象限被定义为第一取芯切割元件的切割边缘的平行于钻头中心线的第一切线、第一取芯切割元件的切割边缘的垂直于钻头中心线的第二切线、以及所述第一取芯切割元件的切割边缘在第一和第二切线间的弧段之间的区域；和

设置在所述多个刀片中的一个上的第二取芯切割元件，所述第二取芯切割元件具有切割区，所述切割区至少部分地位于所述切芯象限内或与限定所述切芯象限的弧段重叠。

21.如权利要求20所述的固定切割器钻头，其中，所述第二取芯切割元件具有非平面的切割面。