CN105683484A - 在第一径向位置用于切割岩芯的切割元件的定向 - 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；从钻头本体径向延伸并由多个其间的流道隔开的多个刀片，所述多个刀片中的每一个均与钻头中心线间隔开一径向距离以限定一个岩芯成型区域；设置在所述多个刀片的上的多个切割元件，所述多个切割元件包括设置在所述多个刀片中的至少一个上的至少一个取芯切割元件，所述至少一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，所述取芯切割元件的取芯角小于其内锥角。

Description

在第一径向位置用于切割岩芯的切割元件的定向

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61/876587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头杆段的组件的下端以形成“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同时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以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。

设在固定切割器钻头的刀片上的切割元件典型地由极硬材料形成。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在刀片中的一个的表面中的槽窝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”的描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钻孔。钻头面20支撑切割结构15并形成在PDC钻头10上的与销端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在由箭头18表示的切割方向上旋转。

切割结构15设置在PDC钻头10的面20上。切割结构15包括以角度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沿着钻头面20大致径向延伸并然后沿着PDC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PDC钻头10的周边径向延伸。因此，如本文所使用的，“副刀片”可以用于表示距离钻头轴线一定距离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被钻井液流道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分别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中的槽窝中。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的前缘处以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的最远切割末端44a。

现在参照图3，显示了PDC钻头10的轮廓，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，如这里所使用的，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(或上弯曲线)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顶冠27。在刀片轮廓顶冠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“刀片轮廓顶冠”表示在旋转轮廓图中沿着钻头的复合刀片轮廓的凸起区域的点，复合刀片轮廓的切线的斜率在所述点处为零。对于大多数常规的固定切割器钻头(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)和单个刀片轮廓顶冠(例如，顶冠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PDC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。表示所述刀片轮廓的另一种方式可以把锥形区域24称作由直线限定的内部径向位置，保径区域26称作竖直部分。如果在锥形区域24的外径端部划一条水平线，则所述刀片在其轴向末端的区域(在图3中所示的线下方)是所述顶冠区域27，并且在所述水平线朝向所述钻头的销端的一侧的区域(在图3中所示的线上方)是所述台肩区域25。

为了钻较硬的地层，其钻井机制从剪切变为磨蚀。对于磨蚀钻井，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、磨蚀性地层、例如砂岩不那么有效。对于这些硬地层，含有孕镶在支撑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分开以使钻井液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”，处于为钻井液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参引方式纳入本文。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带有螺纹的销86以连接到钻柱上。冠部84具有切割面88和外侧表面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。在制造过程中可以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者槽85以接收相应的多个金刚石孕镶插入件83。一旦冠部84形成，插入件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，使得插入件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剖视图的一个例子。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)，顶冠区域94(轮廓的前沿切割边缘)，台肩区域96(钻头外径的起点)，过渡区域98(台肩和竖直保径部之间的过渡)，和保径区域99(限定钻头外径的竖直区域)。筋74的主要切割部分包括锥形区域92、顶冠区域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，可以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，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穿透速度(“ROP”)以及钻头保持较高或可接受ROP的耐用性或能力。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的影响的钻孔成本。

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。

不考虑用于钻地层的钻头的种类，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，包括：具有钻头中心线的钻头本体；从钻头本体径向延伸的多个刀片，所述多个刀片由它们之间的多个流道隔开，所述多个刀片中的每个均与钻头中心线间隔开一径向距离，以限定岩芯成型区域；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至少一个上的至少一个取芯切割元件，所述至少一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，所述至少一个取芯切割元件的内锥角被定义为：所述钻头中心线与一切线之间的夹角，所述切线在所述至少一个取芯切割元件与切割井眼底部的径向相邻的切割元件之间延伸，以及其中，所述至少一个取芯切割元件的取芯角被定义为：当所述至少一个取芯切割元件绕着所述钻头中心线旋转直到所述至少一个取芯切割元件的顶端接触所述切线时，垂直于所述钻头中心线的直线与投射到所述垂直于钻头中心线的直线上的所述至少一个取芯切割元件的轴线之间的夹角，并且其中，所述取芯角小于所述内锥角。

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点将会明显。

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钻头的剖视图。

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剖视图。

图7-8显示了固定切割器钻头的一个实施例。

图9显示了本发明的取芯切割元件的一个实施例。

图10-12显示了本发明的取芯切割元件的定向的实施例。

图13-14显示了本发明的切割元件的倾角。

图15-17显示了固定切割器钻头的实施例。

图18显示了一个圆锥形切割元件的侧视图。

图19显示了具有凸形侧表面的尖头切割元件的侧视图。

图20显示了具有凹形侧表面的尖头切割元件的剖视图。

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地层获取岩芯样本断块的固定切割器钻头。特别地，本文公开的实施例涉及在切割并形成所述岩芯样本断块的固定切割器钻头上的切割元件的定向，具体地，涉及在固定切割器钻头上的第一径向位置处的切割元件的定向。

现在参考图7，显示了一个钻头的透视图。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。PDC钻头700还包括钻头中心线709，PDC钻头700绕其在由箭头711所表示的切割方向上旋转。根据本发明的一个或多个实施例，钻头本体701贯穿钻头中心线709并平稳过渡到流道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地层，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地层，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715形成于PDC钻头700上与销707相反的一端处。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，这使得钻井液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，在下面对此进一步详细地描述。

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沿靠近所述多个刀片715中的每一个的前缘的径向延伸的行彼此相邻地设置。多个切割元件713可以具有基本为平面的切割面，以在钻探地层的同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将其整体纳入本文。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申请号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将其整体纳入本文。

根据本发明的一个或多个实施例，径向最内部的切割元件713中的至少一个是设置在取芯刀片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”是指特定的切割元件和刀片，其以形成岩芯样品断块的方式切割地层。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一个取芯切割元件，并且在特殊的实施例中，可以包括至少两个取芯切割元件，如在发明名称为“FixedCutterDrillBitwithMultipleCuttingElementsatFirstRadialPositiontoCutCore”(具有在第一径向位置的用于切割岩芯的多个切割元件的固定切割器钻头)的美国专利申请号61/876630中所讨论的，通过参引方式将其整体纳入本文。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740。此外，根据本发明的实施例，使用也切割井眼底部(前进形成井眼)的至少一个取芯切割元件725切割出这样的岩芯740。在一些实施例中，备用取芯切割元件725不需要同时切割岩芯和井眼底部，而在一个或多个实施例中可以切割岩芯侧壁(而不切割井眼底部)。

如本文所使用的，“岩芯”是在切割元件的切割轮廓的轴向上方并与钻头中心相邻的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的形状是通过取芯切割元件725的切割边缘727的一部分限定的。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(并且不受两个相交表面限制)。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眼底部750的点。因此，如本文所定义的，取芯切割元件同时切割所述岩芯740和井眼底部750。

如上所述，根据本发明所形成的钻头可以包括单个取芯切割元件，或者可以形成有两个或更多个取芯切割元件。当存在多个取芯切割元件时，这些取芯切割元件可以位于相同或不同的刀片上。在一个或多个实施例中，至少一取芯削元件在一个刀片上被定向和布置为能够切割所述井眼底部的一部分。参照图9，为了便于说明，井眼底部被定义为在切割边缘727上的一点(由箭头729表示)的径向外侧，在该点处切割边缘727的切线垂直于所述钻头中心线。因此，取芯切割元件通过在相关的切点的径向内侧的切割边缘部分切割岩芯740，而井眼底部切割部分732是在相关的切点的径向外侧的切割边缘727的弧。

现在参考图10，显示了取芯切割元件的一个方位的视图。如图10中所示，内锥角可以被定义为在钻头轴线709与切线742之间的夹角，所述切线742在第一径向切割器725和径向相邻的不切割岩芯的切割器713之间延伸。如上所定义的，径向相邻的切割器是指当每个切割元件被旋转到单个平面上时(如图3所示的被称为旋转轮廓视图)，靠近第一径向切割元件或取芯切割元件725(如上所定义的)的切割元件713，其接合井眼底部而非岩芯。因此，径向相邻的切割元件可以，但不必须是，与取芯切割元在相同的刀片上，并且在一个或多个实施例中，在不同的刀片上。表示这样的径向相邻切割元件的另一种方式可以是，当切割元件与地层接合时，相对于形成在井眼底部的凹槽。与取芯切割元件725和径向相邻的切割元件713同时相切的线742延伸与钻头中心线709相交，并且所述内锥角被定义为在钻头中心线709和与切割元件及径向相邻的切割元件同时相切的线742之间的夹角。如上所述，内锥角是基于与取芯切割元件725和径向相邻的切割器713同时相切的线来定义的。返回参照图9，所述径向相邻的切割元件在本文中被定义为具有与位于所述取芯切割元件725的切割边缘727的一点(由箭头所示)的径向外侧地层相接合的切割边缘，在该点处切割边缘727的切线729垂直于钻头中心线709。如果一个钻头在第一径向位置具有多个切割元件(如在发明名称为“FixedCutterDrillBitwithMultipleCuttingElementsatFirstRadialPositiontoCutCore”(具有在第一径向位置的用于切割岩芯的多个切割元件的固定切割器钻头)的美国专利申请号61/876630中所定义的)，这样的切割元件被定义为具有一个有效或接合的切割边缘，该切割边缘落入切线729垂直于钻头中心线的一点的径向内侧。因此，这样的切割元件不会被用来定义内锥角。同样在本发明的范围之内的是，取芯切割元件可以用在不包含其它剪切切割元件的孕镶金刚石钻头上(如下面图15所示)。在这样的钻头上，内锥角可以基于与取芯切割元件和径向相邻的孕镶金刚石插入件(而不是一个剪切切割器)同时相切的一条线来定义。在一个或多个实施例中，内锥角的范围可以从55度到90度，或在另一个或更多个其他实施例中从至少57.5、60或70度和/或到75、80、85或88度，其中，任意下限可以与任意上限组合使用。

现在参照图11，显示了取芯切割元件的一个方位的视图。如图11所示，可以定义取芯角以表示同时切割岩芯和井眼底部的取芯切割元件的方位。具体地，本发明的发明人已确定，使取芯切割元件的切割边缘727的充足暴露拥有同时切割岩芯侧壁和井眼底部以破碎岩石，该取芯切割元件可以被定向为一个特定的取芯角。取芯角可以被定义为垂直于钻头轴线709的线743和取芯切割元件725的轴线744之间的夹角(当取芯切割元件725绕钻头轴线旋转直到取芯切割元件的顶端接触以上在图10中所述的切线时)。在一个或多个实施例中，所期望的取芯角(其影响期望的岩芯侧壁和井眼底部切割动作)可以小于所述内锥角。一个或多个实施例的取芯角可以为内锥角的至少50％、至少60％、至少65％、70％、75％或80％。此外，任意的这些下限可以与小于100％、不超过95％、不超过90％、不超过85％、不超过80％或不超过75％的一个或多个上限值组合使用。该范围的选择可以例如基于岩芯的尺寸(岩芯直径)。当岩芯直径(从而岩芯强度)增加，所选择的范围可以变化，随之可增加取芯切割元件朝向岩芯的偏移量以切割岩心。具体地，使用小于所述锥角的取芯角可以确保所述岩芯被取芯切芯元件的切割边缘切割，而不是金刚石台的侧面和/或基体的侧面。通过所述取芯角定向所述取芯切割元件可以允许取芯切割元件相对于井眼底部和岩芯侧壁具有所期望的倾角，以便可以同时剪切两个地层区域。

如图10和11所示，内锥角和取芯角是相等的，然而，图12示出了取芯切割元件的这样一个方位：取芯角小于所述内锥角。具体地，通过改变取芯切割元件的定向，相对于所述钻头中心线709(或垂直于钻头中心线的线743)投影的取芯切割元件轴线744(当取芯切割元件被旋转，使得其顶端位于限定内锥角的切线上时)同样的变化。取芯切割元件的这种变化(从而取芯角的变化)可以通过取芯切割元件的后倾角和/或侧倾角来实现。如上所述，在一个或多个实施例中，取芯切割元件的取芯角度可以是所述内锥角的至少50％，并且小于100％，从而使取芯切割元件可以以允许同时剪切所述岩芯侧壁和井眼底部的方式定向。

取芯角的变化可以源自取芯切割元件的后倾角(即，垂直方向)和/或侧斜角(即，侧向方向)的变化。参照图13，后倾角被定义为形成于切割器142的切割面和正交于正被切割的地层材料的线之间的角α。如图13所示，常规的剪切切割器142具有零后倾角，切割面44基本上垂直于或正交于地层材料。因为所述取芯切割元件同时在井眼底部和岩芯侧壁切割地层材料，因此后倾角可以相对于平行于钻头中心线或钻头纵向轴线的线被测量，并且是切割面与平行于钻头中心线的线之间的夹角。具有负的后倾角α的切割器142的切割面44当从井眼底部地层材料测量时以小于90°的角度接合井眼底部。类似地，具有正的后倾角α的切割器142的切割面44当从井眼底部测量时以大于90°的角度接合井眼底部。根据本发明的各个实施例，取芯切割元件的后倾角可以是至少-5、-8、-10或-12度中的任意一个下限，以及高达-15、-18、-20、-25或-30度中的任意一个上限，其中，任意下限可与任意上限组合使用。

对于剪切切割器，侧倾角被定义为切割面和钻头的径向平面(x-z平面)之间的角度，如图14所示。当沿z轴线看时，负的侧倾角β源自切割器的逆时针旋转，而正的侧倾角β源自顺时针旋转。在一个具体的实施例中，切割器的侧倾角的范围可以从-30到0度，并且在一个或多个具体的实施例中大于-2、-5或-7度。此外，第一径向切割元件(取芯切割元件)上的负的侧倾角的值被与径向外侧的切割元件上的侧倾角的值(其可以具有例如从0至5度的正的侧倾角范围)相当。

现在参照图15，显示了固定切割器钻头的一个实施例。如图15所示，固定切割器钻头800是孕镶金刚石钻头。如图15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的面延伸一个高度。然而，如本领域普通技术人员所理解的，位于孕镶钻头上的这些“刀片”在本领域中通常被称为“筋”。因此，对固定切割器钻头和/或刀片的任何引述可以是指PDC钻头或孕镶金刚石钻头。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(未示出)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，其具有在其上的取芯切割元件，类似于上述的实施例。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插入件或孕镶金刚石筋。

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液流过多个凸起的筋807之间，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，这在下面进一步详细地描述。如图15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，或多个孕镶插入件805被布置于其中的多个孔，多个凸起的筋807中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中的孔中的插入件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为适于接收对应的多个孕镶插入件805。如图所示，多个孕镶插入件805可以沿着多个凸起的筋807被彼此相邻和/或间隔地布置。根据本发明的一个或多个实施例，多个孕镶插入件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)(这取决于多个孕镶插入件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。多个孕镶插入件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。

在不同的实施例中，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。在每一个这些实施例中，其变化可以在0.100英寸之内。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离钻头中心线709一定距离，以允许形成岩芯样本断块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，这取决于岩芯样本断块740的期望尺寸。此外，这些距离(限定了岩芯半径)还可以以数值表示，而非作为相对于钻头尺寸的相对值。在一个或多个实施例中，岩芯直径的范围可为0.8至1.2英寸(2.03至3.05厘米)，在一个或多个其他实施例中可以为1.2至1.8英寸(3.05至4.57厘米)，或者在其它实施例中大于1.8英寸(4.57厘米)。在具有0.8至1.2英寸(2.03至3.05厘米)的岩芯直径的实施例中，取芯角的范围可以为内锥角的65％到85％。在具有1.2至1.8英寸(3.05至4.57厘米)的岩芯直径的实施例中，取芯角的范围可以为内锥角的50％到75％。此外，对于更大的岩芯直径，取芯角甚至可以小于内锥角的50％。

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，该特征可以帮助形成和/或疏散岩芯断块。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插入件，和/或取芯刀片上的浮凸表面。

返回参照图7以及图16-17，取芯刀片717可以包括基本上竖直的表面1301、凹陷部1303和倾斜表面1305。倾斜表面1305布置于刀片顶部的轴向上方和钻头面703的轴向下方，其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插入件，其可以是在钻头中心线709上或其附近。如图所示，凹陷部1303可以被布置于基本上竖直的表面1301和倾斜表面1305之间。凹陷部1303用以减轻和保护基本上竖直的表面1301防止过早磨损。根据本发明的一个或多个实施例，基本上竖直的表面1301、凹陷部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陷部1303。根据这些其他实施例，基本上竖直的表面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，基本上竖直的表面1301和倾斜表面1305在取芯刀片717的第一切割器725轴向上方的一点相交。

根据本发明的一个或多个实施例，基本上竖直的表面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，基本上竖直的表面1301可以被定向为使得基本上竖直的表面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17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断块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)，得到的岩芯样本断块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的角度越大)，得到的岩芯样本断块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断块740的长度。例如，取芯刀片717越高，所得到的岩芯样本断块740的长度越长。同样地，取芯刀片717越低，所得到的岩芯样本断块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断块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在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可以具有任意角度，其允许倾斜表面1305向岩芯样本断块740的侧面施加一个横向载荷，该横向载荷足以使得当岩芯样本断块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，凹陷部1303可以被布置于基本上竖直的表面1301和倾斜表面1305之间。凹陷部1303用以减轻和保护基本上竖直的表面1301防止过早磨损。根据本发明的一个或多个实施例，凹陷部1303在基本上竖直的表面1301和倾斜表面1305之间的位置基于所得到的岩芯样本断块740的期望长宽比。根据本发明的一个或多个实施例，岩芯样本断块740的长度与岩芯样本断块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陷部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一个低摩擦耐磨材料，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入件。

此外，中心插入件727(如图所示的圆锥形插入件，但是也可以使用其他形状的切割元件)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，圆锥形插入件727嵌入到钻头本体701中，使得圆锥形插入件727的顶端位于取芯刀片717的凹陷部1303轴向上方。在一个或多个实施例中，中心插入件可以具有其他几何形状(除了圆锥形)并大体上具有尖头(具有圆形顶端)。如图所示，圆锥形插入件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的斜度小于5度，在其他实施例中小于3或2度，或者甚至可以相对于钻头中心线709的斜度为零。

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，在不脱离本发明的范围的情况下，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下方这样一个量，其足以确保岩芯样本断块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下方这样一个量，其不损害PDC钻头700的坯件强度。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下方这样一个量，其允许岩芯样本断块740平稳离开而不堵塞钻头，并且其不会对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具有总体向下的斜度。

在一个或多个上述实施例中，取芯切割元件(径向最内部的切割元件)在钻头上的位置可以通过其切割边缘来描述，因为所述至少一个取芯切割元件的切割边缘的最低轴向点(远离所述销)位于距所述钻头的顶冠区域(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顶冠区域内的所述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)位于距所述钻头的顶冠区域中的切割元件一个长度之内，该长度是该钻头在该顶冠区域内的所述切割元件的切割面直径的一倍。是位于2倍或1倍(或更少)的顶冠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。

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，该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)、或具有基本上尖头的切割面的非平面切割元件(如圆锥形切割元件、子弹头形切割元件或其它的切割表面形状)。

例如，这种非平面的切割表面可以包括具有大致尖头切割端的那些切割元件，即，终止于一个顶端的切割元件，例如，其可以包括具有圆锥形切割端的切割元件(示于图18)或子弹头形的切割元件(示于图19)。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的圆锥形侧壁264，如图18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的一个顶端，其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“子弹头形切割元件”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，如图19所示。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。然而，本发明的非平面切割元件280也可以包括其它形状，例如包括，终止于圆形顶端286凹侧表面287，示于图20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的弯曲部切线地连接)，但在一些实施例中，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)。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底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的直径的至少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。

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，功能性表述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 (15)

1.一种固定切割器钻头，包括：

具有钻头中心线的钻头本体；

从钻头本体径向延伸的多个刀片，所述多个刀片由它们之间的多个流道隔开，所述多个刀片中的每个均与钻头中心线间隔开一径向距离，以限定岩芯成型区域；

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至少一个上的至少一个取芯切割元件，所述至少一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，所述至少一个取芯切割元件的内锥角被定义为：所述钻头中心线与一切线之间的夹角，所述切线在所述至少一个取芯切割元件与切割井眼底部的径向相邻的切割元件之间延伸，

其中，所述至少一个取芯切割元件的取芯角被定义为：当所述至少一个取芯切割元件绕着所述钻头中心线旋转直到所述至少一个取芯切割元件的顶端接触所述切线时，垂直于所述钻头中心线的直线与投射到所述垂直于钻头中心线的直线上的所述至少一个取芯切割元件的轴线之间的夹角，并且

其中，所述取芯角小于所述内锥角。

2.如权利要求1所述的固定切割器钻头，其中，所述取芯角是所述内锥角的至少50％。

3.如权利要求1所述的固定切割器钻头，其中，所述取芯角是所述内锥角的至少60％。

4.如权利要求2所述的固定切割器钻头，其中，所述取芯角为所述内锥角的65％至80％。

5.如上述权利要求中任一项所述的固定切割器钻头，其中，所述至少一个取芯切割元件的后倾角的范围为-8至-25度。

6.如权利要求5所述的固定切割器钻头，其中，所述至少一个取芯切割元件的后倾角的范围为-10至-20度。

7.如上述权利要求中任一项所述的固定切割器钻头，其中，所述至少一个取芯切割元件的侧倾角是负的。

8.如权利要求7所述的固定切割器钻头，其中，所述至少一个取芯切割元件的侧倾角的范围为-30至0度。

9.如上述权利要求中任一项所述的固定切割器钻头，其中，所述内锥角的范围为从55度至小于90度。

10.如上述权利要求中任一项所述的固定切割器钻头，其中，两个取芯切割元件中的一个相对于另一个具有减少的轴向暴露量。

11.如上述权利要求中任一项所述的固定切割器钻头，其中，所述多个切割元件包括至少两个取芯切割元件。

12.如上述权利要求中任一项所述的固定切割器钻头，其中，所述至少一个取芯切割元件具有非平面的切割面。

13.如上述权利要求中任一项所述的固定切割器钻头，其中，所述多个切割元件中的至少一个包括孕镶金刚石插入件。

14.如权利要求13所述的固定切割器钻头，其中，所述孕镶金刚石插入件是所述径向相邻的切割元件。

15.如权利要求1-13任一项所述的固定切割器钻头，其中，所述径向相邻的切割元件包括剪切切割器。