CN106460462A - 滚切刀具组合件 - Google Patents
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Abstract
一种示例性滚切刀具组合件包括滚切刀具，所述滚切刀具可安置于在钻头中界定的刀具凹穴内，所述刀具凹穴包括接纳端、底部端和在所述接纳端与所述底部端之间延伸的侧壁。所述滚切刀具提供基底，所述基底具有：第一端，其上面安置有金刚石台；以及第二端，其可在所述底部端处或附近布置在所述刀具凹穴内。轴承元件可在所述底部端处安置在所述刀具凹穴内，并且可以在所述滚切刀具围绕中心轴旋转时与所述滚切刀具的所述第二端接合。
Description
技术领域
本公开涉及钻地钻头，并且更特定来说，涉及可用于钻头中的滚切刀具(rollingcutter)。
背景技术
一般通过旋转钻井的过程来钻出用于油气产业的井筒。在常规的井筒钻井中，将钻头安装在钻柱的末端上，所述钻柱可能有数英里长。在井筒的表面处，旋转传动装置转动包括布置在孔的底部处的钻头的钻柱，从而逐渐透入地下地层，同时通过钻柱泵送钻井液。在其它钻井配置中，可使用泥浆马达来旋转钻头，所述泥浆马达在井下环境中与钻头邻近地轴向地布置，并且使用循环钻井液供给动力。
用于钻井筒的一种常见类型的钻头被称为“固定刀具”或“刮刀”钻头。这种类型的钻头具有由例如碳化钨或钢等高强度材料形成的钻头主体，或者复合/基体钻头主体，其具有围绕钻头主体附接在选定位置处的多个刀具(还被称作刀具元件、切削元件或嵌件)。所述刀具可包括由碳化物(例如，碳化钨)制成的基底或者支撑螺柱，以及超硬切削表面层或“片”，其由沉积或以其它方式结合到基底上的聚晶金刚石材料或聚晶氮化硼材料制成。所述刀具通常被称作聚晶金刚石复合片(“PDC”)刀具。
在固定刀具钻头中，PDC刀具通常定位在从钻头主体延伸的刀片内界定的对应刀具凹穴内，并且可以通过钎焊到刀具凹穴的内表面而结合到刀片上。PDC刀具沿着钻头主体的刀片的前沿边缘定位，使得旋转钻头主体会导致PDC刀具啮合岩石，从而透入下伏地层。在使用中，尤其在前后方向上将较高的力施加到PDC刀具上。PDC刀具通常固定到钻头主体，使得普通的切削表面在钻井期间接触地层。然而，PDC刀具的一直接触地层的工作表面的边缘可能会随时间磨损或变迟钝，这可由于钻头有效地透入地层的能力减小而导致更长的钻井时间。
附图说明
本文包括以下各图来说明本公开的某些方面，并且这些图不应被视为穷举实施例。在不脱离本公开的范围的情况下，所公开的主题能够在形式和功能方面有大量变体、变型、组合和等效形式。
图1A是可采用本公开的原理的示例性固定刀具钻头的示意图。
图1B是可以与图1A的钻头一起使用的示例性刀具的示意图。
图2是示例性滚切刀具组合件的横截面俯视图。
图3是另一示例性滚切刀具组合件的横截面俯视图。
图4是另一示例性滚切刀具组合件的横截面俯视图。
具体实施方式
本公开涉及钻地钻头，并且更特定来说，涉及可用于钻头中的滚切刀具。
本文所描述的滚切刀具组合件包括可旋转地紧固在对应刀具凹穴内的滚切刀具。滚切刀具能够在钻头接触地层时在刀具凹穴内旋转。滚切刀具的旋转允许其切削表面使用切削表面的整个外部边缘(即，整个周向边缘)而不是该外部边缘的同一区段来切削地层。因此，可产生更均匀的边缘磨损，并且刀具可以不那么快速地磨损。使用保持机构的各种配置和设计将滚切刀具保持在刀具凹穴内，所述配置和设计允许滚切刀具在旋转的同时防止从刀具凹穴去除滚切刀具。
目前描述的滚切刀具可包括安置在刀具凹穴的底部处的轴承元件。所述轴承元件可显示出有利于为滚切刀具提供在旋转的同时进行接合(啮合，engage)的低摩擦表面。所述轴承元件可在制造被配置成使用滚切刀具的钻头时钎焊到刀具凹穴中，或者铸造到刀具凹穴中。所述轴承元件可有助于减轻刀具凹穴的背表面的磨伤，所述磨伤可潜在地卡住滚切刀具的自由旋转。在一些应用中，后轴承表面可定位在滚切刀具上，以便在旋转期间接合轴承元件。后轴承表面的加入可向两个组件之间的近乎无摩擦界面提供金刚石对金刚石接合。
参看图1A，说明可采用本公开的原理的示例性固定刀具钻头100。钻头100具有钻头主体102，所述钻头主体包括：径向和纵向延伸的刀片104，其具有前表面106；以及带螺纹销连接108，其用于将钻头主体102连接到钻柱(未示出)。钻头主体102可由钢或更硬材料(例如碳化钨)的基体制成。
钻头主体102被配置用于围绕纵轴110旋转，以便经由施加钻压而钻入地下地层中。在周向邻近的刀片104之间界定对应的排屑槽112，并且可以在排屑槽112内布置多个喷嘴或端口114以便喷射钻井液，所述钻井液会冷却钻头100并且另外冲洗掉在钻井期间产生的钻屑和碎片。
钻头主体102进一步包括多个刀具116，其安置在大小和形状被设计成接纳刀具116的对应多个刀具凹穴118内。刀具116以预定的角度定向和径向位置被固持在刀片104和刀具凹穴118中，以便使刀具116相对于透入的地层成所要的背斜角。当旋转钻柱时，通过在钻头100处经历的钻压和扭矩的组合力驱使刀具116穿过岩石。
现在参看图1B，并继续参看图1A，说明可以与图1A的钻头100一起使用的刀具116。如所说明，刀具116可包括由例如碳化钨(WC)等极硬材料制成的大体上圆柱形基底120。金刚石台(可选地被称作圆盘)124在界面表面122处耦合到基底120。金刚石台124可包括超硬材料的一个或多个层，所述超硬材料例如为聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼或孕镶金刚石(其它超硬磨料材料)。金刚石台124将通常包括在极高的温度和压力下由颗粒材料在压力下形成的聚晶金刚石。举例来说，金刚石台124可在一个或多个高温、高压(HTHP)压力循环中形成并且结合到基底120。在另一实例中，金刚石台124可在第一HTHP压力循环中形成，并且随后在第二HTHP压力循环中结合到基底120。在形成金刚石台124以及将金刚石台124结合到基底120期间，可将例如钴等催化剂材料嵌入基底120中和/或与颗粒材料包含在一起，以便提升金刚石颗粒之间的结合。金刚石台124一般界定工作表面，所述工作表面的至少一部分在钻井进行切削/毁坏地层期间啮合地层。所述工作表面可包括金刚石台124的顶部125、切削边缘126和侧部127。在一些实施例中，切削边缘126可斜切。
更具体来说，可将金刚石台124描述为具有“底部”表面128，金刚石台124在所述表面处结合到基底120的“上部”表面122。底部表面128和上部表面122在本文统称为界面130，且金刚石台124的暴露表面与底部表面128相对。金刚石台124通常具有平坦或平面工作表面，但还可能具有弯曲暴露表面，所述弯曲暴露表面在切削边缘126处与侧表面汇合。
虽然可将圆柱形碳化钨“坯体”用作基底120来形成刀具116，所述基底充分长来充当金刚石台124的安装螺柱，但在另一实例中，基底120可为在另一界面处结合到另一金属安装螺柱的中间层。为了形成金刚石台124，可邻近于超硬材料颗粒(例如，金刚石或立方氮化硼颗粒)的层而放置基底120，且所述组合在超硬材料颗粒热力稳定的压力下经受高温。这导致聚晶超硬材料层(例如，聚晶金刚石或聚晶立方氮化硼层)直接重结晶和形成于基底120的上表面122上。当将聚晶金刚石用作超硬材料时，可将刀具116称作聚晶金刚石复合片刀具或“PDC”刀具，且使用此类PDC刀具116制成的钻头一般被称为PDC钻头。
根据本公开，图1A的钻头100中的刀具116中的一者或多者可为滚切刀具。当刀具116接触下伏地层时，对地层的剪切可能会促使刀具116围绕其中心轴旋转。旋转刀具116可允许金刚石台124使用切削边缘126的整个圆周而不是切削边缘126的同一区段来啮合下伏地层。如将了解，这可在刀具116上产生更均匀的边缘磨损，并且进而防止在金刚石台124上形成局部磨损平坦区域。因此，刀具116可能不会在一个区中那么快地磨损，并且进而展现更长的井下寿命以及钻井操作的增加的效率。
可使用保持机构的各种配置将根据本公开的滚切刀具保持在对应的刀具凹穴118内，并且可将轴承元件安置在刀具凹穴118的底部处。轴承元件可显示出有利于为刀具116提供旋转的低摩擦表面，在没有轴承元件的情况下，刀具116可能会磨伤刀具凹穴118的背表面，并且潜在地卡住刀具116的自由旋转。
现在参看图2，并继续参看图1A，说明根据一个或多个实施例的示例性滚切刀具组合件200的横截面俯视图。滚切刀具组合件200(下文称为“组合件200”)可用于图1A的钻头100中，并且因此可以参看图1A最佳地理解，其中相同的数字表示不会再次详细描述的相同的组件或元件。然而，应注意，虽然本文描述为与钻头100联合使用，但本领域技术人员将容易了解，在不脱离本公开的范围的情况下，组合件200可同样用于多种其它类型的钻头或切削工具中。举例来说，可受益于本文所描述的实施例的其它切削工具包括(但不限于)孕镶钻头、芯头、取芯工具、铰刀(例如，孔洞扩大工具)和其它已知的井下钻井工具。
如所说明，组合件200可耦合到钻头100的刀片104并且另外与其关联。然而，在其它实施例中，在不脱离本公开的范围的情况下，组合件200可耦合到钻头100的任何其它静态组件。举例来说，在至少一个实施例中，组合件200可耦合到钻头100的刀片104的顶部，或处于支撑行中。刀片104的前表面106面向刀片104的大体上旋转方向。刀具凹穴118可在刀片104的前表面处形成于刀片104中。刀具凹穴118可包括或另外提供接纳端204a、底部端204b和在接纳端204a与底部端204b之间延伸的侧壁206。
组合件200可进一步包括被配置成安置在刀具凹穴118内的大体上圆柱形滚切刀具208。接纳端204a可界定大体上圆柱形开口，其被配置成将滚切刀具208接纳到刀具凹穴118中。滚切刀具208可包括提供第一端212a和第二端212b的基底210。如所说明,第一端212a可延伸出刀具凹穴118较短距离，且第二端212b可被配置成在底部端204b处或附近布置在刀具凹穴118内。
基底210可由多种硬或超硬材料形成，包括(但不限于)钢、钢合金、碳化钨、胶结碳化物，及其任何衍生物和组合。合适的胶结碳化物可含有不同比例的碳化钨(TiC)、碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)。另外，各种粘结金属可包含在基底210中，例如钴、镍、铁、金属合金，或其混合物。在基底210中，在金属粘结剂(例如，钴)内支持金属碳化物颗粒。在其它情况下，基底210可由烧结碳化钨复合结构或金刚石超硬材料(例如，聚晶金刚石或热稳定聚晶金刚石)形成。
金刚石台214可在第一端212a处安置在基底210上。金刚石台214可类似于图1B的金刚石台124，且因此可被配置成在钻井操作期间啮合并且切削穿过下伏地下地层。金刚石台214可由多种超硬材料制成，包括(但不限于)聚晶金刚石(PCD)、热稳定聚晶金刚石(TSP)、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石和超纳米晶金刚石。虽然所说明的实施例将金刚石台214和衬底210示出为滚切刀具208的两个不同组件，但本领域技术人员将容易了解，在不脱离本公开的范围的情况下，金刚石台214和衬底210可替代地一体地形成并且另外由相同材料制成。
组合件200可进一步包括在底部端204b处布置在刀具凹穴118内的轴承元件220。在收容滚切刀具208的钻头(例如，图1A的钻头100)的操作期间，滚切刀具208的第二端212b(例如，基底210)可被配置成在滚切刀具208旋转时接合轴承元件220。在一些实施例中，可将轴承元件220钎焊到刀具凹穴118的底部端204b中。然而，在其它实施例中，可将轴承元件220直接铸造到刀具凹穴118的底部端204b中。在至少一个实施例中，可通过使用燕尾榫状保持机构将轴承元件220紧固到刀具凹穴118的底部端204b中。
更具体来说，可通过铸造过程来制造钻头100(图1A)，所述铸造过程使用模具(未示出)，所述模具包含并且另外含有生产钻头100所需的所有必需的材料和组件部分，包括(但不限于)强化材料、粘结剂材料、移位材料、钻头坯体等。可使用模具和各种沙粒移位来界定或另外形成刀片104和刀具凹穴118。在采用铸造过程来形成钻头100之前，可将轴承元件220紧固到模具，使得其位于刀具凹穴118的底部端204b处。
对于一些应用，可使两种或更多种不同类型的基体强化材料或粉末安置在模具内以便铸造钻头100。所述基体强化材料的实例可包括(但不限于)碳化钨、单钨碳化物(WC)、双钨碳化物(W2C)、粗晶钨碳化物、其它金属碳化物、金属硼化物，金属氧化物、金属氮化物、天然和合成的金刚石，以及聚晶金刚石(PCD)。其它金属碳化物的实例可包括(但不限于)碳化钛和碳化钽，并且还可使用这些材料的各种混合物。可使用的各种粘结剂(渗透物)材料包括(但不限于)铜(Cu)、镍(Ni)、锰(Mn)、铅(Pb)、锡(Sn)、钴(Co)、银(Ag)及其任何衍生物和组合的金属合金。有时还可以添加少量的磷(P)来减小安置在模具中的渗透材料的熔化温度范围。还可以将这些金属合金的各种混合物用作粘结剂材料。
随后可以将模具放置在熔炉内来提高模具及其内含物的温度，并且进而使粘结剂材料液化，使得其能够渗入基体材料并且产生熔化金属基体。当熔化金属基体流动到含有刀片104和刀具凹穴118的模具的区域中时，熔化金属可部分围绕轴承元件220流动，并且进而在底部端204b处将轴承元件220紧固在刀具凹穴118内。熔化金属可流动以便粘结粉末金属，因此形成保持轴承元件220的实心结构主体。在一些实施例中，熔化金属与轴承元件220的材料形成粘结。因此，在至少一个实施例中，轴承元件220可与钻头100一体地形成，并且更特定来说，在底部端204b处形成在刀具凹穴118内。
轴承元件220可由超硬材料制成，例如能够在用于制造钻头100的模制或铸造过程中存留下来的材料。用于轴承元件220的合适材料包括(但不限于)TSP、PCD、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石、超纳米晶金刚石、氮化硅(Si3N4)、铬钢、不锈钢、碳合金钢、陶瓷，和包括硅、氧化铝、氧化锆的混合陶瓷，及其任何衍生物和组合。在至少一个实施例中，轴承元件220可由TSP制成，所述TSP具有比常规PCD的热稳定性(即，约750℃)更大的热稳定性并且可以通过多种方式形成。举例来说，典型的PCD层包括经过互连并且进而形成粘结结构的个别金刚石“晶体”。例如钴等金属催化剂可用于促进金刚石颗粒的再结晶以及粘结结构的形成。因此，通常在金刚石粘结结构中的孔隙空间内找到钴颗粒。与金刚石相比，钴具有显著不同的热膨胀系数，并且在对金刚石台进行加热之后以不同于金刚石粘结的速率膨胀。这可导致在粘结结构中形成裂缝，并且导致金刚石台的劣化。
为了避免在粘结结构中产生这些裂缝，通常使用强酸从PCD粘结结构(薄体积或整个片)过滤钴，以便至少减少由于以不同速率加热金刚石-钴复合物而经受的损坏。简单来说，可使用强酸来处理金刚石台，并且进而从PCD粘结结构移除钴催化剂的至少一部分。合适的酸包括硝酸、氢氟酸、盐酸、硫酸、磷酸、高氯酸，或其任何组合。另外，例如氢氧化钠和氢氧化钾等腐蚀剂已用于从碳化物复合物吸收金属元素。通过过滤出钴，或另外通过在其中降低催化剂的热膨胀系数的后处理，可形成TSP。
可选地，可通过使用除了钴之外的具有类似于金刚石的热膨胀系数的热膨胀系数的例如硅等粘结剂在压力下产生金刚石层来形成TSP。在此过程期间，硅与金刚石粘结物反应以便形成碳化硅，碳化硅也展现出类似于金刚石的热膨胀的热膨胀。在加热之后，任何剩余的硅或碳化硅以及金刚石粘结物将以与钴和金刚石的膨胀速率相当的速率膨胀，并且进而产生更具热稳定性的层。
组合件200可进一步包括保持机构222，其被配置成将滚切刀具208紧固在刀具凹穴118中。保持机构222可为被配置成允许在滚切刀具208围绕其中心轴224在刀具凹穴118内旋转的同时防止从刀具凹穴118移除滚切刀具的任何装置或机构。在一些实施例中，如所说明，保持机构222可为滚珠轴承系统，其包括内部轴承座圈226a、外部轴承座圈226b，以及安置在内部轴承座圈226a与外部轴承座圈226b内的一个或多个滚珠轴承228(示出两个)。可在滚切刀具208的外表面(即，基底210的外表面)上界定内部轴承座圈226a，且可在刀具凹穴118的侧壁206的内部径向表面上界定外部轴承座圈226b。在一些实施例中，可例如通过沙粒移位的策略性放置而在上文所描述的铸造过程期间在侧壁206中形成外部轴承座圈226b。然而，在其它实施例中，可在铸造过程之后，例如通过将外部轴承座圈226b铣削或研磨到侧壁206的内部径向表面中，而在侧壁206的内部径向表面上形成外部轴承座圈226b。实际上，可通过本领域技术人员已知的任何材料移位或移除过程来形成外部轴承座圈226b。
当将滚切刀具208适当地安装在刀具凹穴118中时，可基本上对准内部轴承座圈226a和外部轴承座圈226b，并且滚珠轴承228可大体上占据内部轴承座圈226a和外部轴承座圈226b之间界定的空间。滚珠轴承228可由能够承受在滚切刀具208啮合下伏地下地层时作用于其上的挤压力的任何材料制成。在一些实施例中，例如，滚珠轴承228可由钢、钢合金、碳化物(例如，碳化钨、碳化硅等)或其任何组合制成。滚珠轴承228可展现出能够横越内部轴承座圈226a和外部轴承座圈226b且另外在其之间滚动的任何大小。
虽然在本文描述为滚珠轴承系统，但本领域技术人员将容易了解，保持机构222可替代地包括允许在滚切刀具208旋转的同时防止从刀具凹穴118移除滚切刀具的任何其它装置或机构。举例来说，在其它实施例中，保持机构222可另外包括或另外包含一个或多个销或机械互锁装置，其将滚切刀具208可旋转地紧固在刀具凹穴118内。另外，将进一步了解，在不脱离本公开的范围的情况下，还可使用多个保持机构222。
在示例性钻井操作中，滚切刀具208可被配置成啮合下伏地下地层。在滚切刀具208接触下伏地层时，底层开始剪切，并且产生在方向A上作用于金刚石台214上的相反力。另外，对地层的剪切可促使滚切刀具208围绕中心轴224旋转。方向A上的相反力可传输到滚切刀具208(例如，基底210)的第二端212b，其接合轴承元件220。由于轴承元件220是由例如TSP等超硬材料制成，所以第二端212b可滑动地接合轴承元件220，在没有超硬材料的情况下，第二端212b可能会潜在地磨伤刀具凹穴118的底部端204b。然而，通过轴承元件220，可动态地减小刀具凹穴118与滚切刀具208的第二端212b之间的摩擦，进而还减小在钻井期间产生的热量。因此，将需要较少的力来促使滚切刀具208旋转，并且钻井操作者可以能够在方向A上与滚切刀具208相抵地施加更多的力，并且进而增加了钻井操作的效率。
如将了解，用于旋转滚切刀具208的任何量的力或能量是不用于穿透下伏地层的力。因此，效率略有损失，并且因此需要减少旋转滚切刀具208所需的力的量。钻井效率上的任何微小损失会被目前描述的组合件200和滚切刀具208的益处全部抵消，原因在于在整个运行过程中可使用滚切刀具208的整个周向边缘，从而产生更长时间保持锋利的刀具。
另外，在一些实施例中，组合件200可进一步包括安置在基底210的第二端212b上的后轴承表面230。类似于金刚石台214，后轴承表面230可由多种超硬材料制成，包括(但不限于)PCD、TSP、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石和超纳米晶金刚石。后轴承表面230可置于基底210与轴承元件220之间，并且进而向所述两个组件之间的近乎无摩擦界面提供金刚石对金刚石接合。
现在参看图3，并继续参看图2，说明根据一个或多个实施例的另一示例性滚切刀具组合件300的横截面俯视图。滚切刀具组合件300(下文称为“组合件300”)可类似于图2的组合件200，并且因此可以参看图2最佳地理解，其中相同的数字表示不会再次详细描述的相同的组件或元件。类似于组合件200，组合件300还可用于图1A的钻头100中，但在不脱离本公开的范围的情况下可同样用于其它类型的钻头中。
如所说明，组合件300可被配置成耦合到在钻头(例如，图1A的钻头100)的刀片104内界定的刀具凹穴118并且另外与其关联。另外，组合件300可进一步包括滚切刀具208，其被配置成可旋转地安置在刀具凹穴118内，并且更特定来说，被接纳在刀具凹穴118的接纳端204a内并且在其中延伸，使得滚切刀具208的第二端212b布置在底部端204b处或附近。组合件300还可包括在底部端204b处布置在刀具凹穴118内的轴承元件220。与组合件200一样，可将轴承元件220钎焊到刀具凹穴118的底部端204b中，或者可以替代地在钻头100的制造期间直接铸造到刀具凹穴118的底部端204b中，如上文所描述。因此，在至少一个实施例中，组合件300中的轴承元件220可与刀具凹穴118一体地形成并且另外在所述刀具凹穴内。
然而，与组合件200不同的是，组合件300可进一步包括套管302，其安置在刀具凹穴118内并且介于刀具凹穴118的侧壁206与滚切刀具208之间。套管302可固定不动地紧固到侧壁206来用于长期操作。在一个实施例中，例如，可将套管302钎焊到侧壁206。然而，在其它实施例中，可将套管302铸造到刀具凹穴118中，类似于上文所描述的将轴承元件220铸造到刀具凹穴118中的过程。
在一些实施例中，套管302可为单块圆柱形结构。在其它实施例中，套管302可包括两个或更多弓形区段，其围绕侧壁206的周边围绕刀具凹穴118的圆周延伸。套管302可由多种材料制成，包括(但不限于)钢、钢合金、碳化物(例如，碳化钨)、胶结碳化物，及其任何组合。合适的胶结碳化物可含有不同比例的碳化钨(TiC)、碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)。
组合件300可进一步包括保持机构304，其被配置成将滚切刀具208紧固在刀具凹穴118中。保持机构304可类似于图2的保持机构222，且因此可包括被配置成允许在滚切刀具208围绕其中心轴224在刀具凹穴118内旋转的同时防止从刀具凹穴118移除滚切刀具的任何装置或机构。类似于保持机构222，保持机构304可为滚珠轴承系统。然而，在其它实施例中，保持机构304可包括一个或多个销或机械互锁装置，其将滚切刀具208可旋转地紧固在刀具凹穴118内。
在所说明的实施例中，保持机构304包括内部轴承座圈306a、外部轴承座圈306b，和一个或多个滚珠轴承308(示出两个)。可在滚切刀具208的外表面(即，基底210的外表面)上界定内部轴承座圈306a，且可在套管302的内部径向表面上界定外部轴承座圈306b。当将滚切刀具208适当地安装在刀具凹穴118中时，可基本上对准内部轴承座圈306a和外部轴承座圈306b，并且滚珠轴承308可大体上占据在内部轴承座圈306a与外部轴承座圈306b之间界定的空间。滚珠轴承308可类似于图2的滚珠轴承228，并且因此将不再描述。
在使用组合件300的示例性钻井操作中，滚切刀具208可被配置成啮合下伏地下地层，进而在金刚石台214剪切地层时在方向A上产生作用于金刚石台214上的相反力。方向A上的相反力可传输到滚切刀具208(例如，基底210)的第二端212b，其接合轴承元件220。由于轴承元件220是由例如TSP等超硬材料制成，所以第二端212b可滑动地接合轴承元件220，这会动态地减少刀具凹穴118与滚切刀具208之间的摩擦。因此，将需要较少的力来促使滚切刀具208旋转，并且钻井操作者可以能够在方向A上与滚切刀具208相抵地施加更多的力，并且进而增加了钻井操作的效率。另外，类似于组合件200，在一些实施例中，组合件300还可以包括在滚切刀具208的第二端212b上提供的后轴承表面230，并且进而在所述两个组件之间提供近乎无摩擦界面。
现在参看图4，并继续参看图3，说明根据一个或多个实施例的另一示例性滚切刀具组合件400的横截面俯视图。滚切刀具组合件400(下文称为“组合件400”)可类似于图3的组合件300，并且因此可以参看图3最佳地理解，其中相同的数字表示不会再次详细描述的相同的组件或元件。类似于组合件300，组合件400可用于图1A的钻头100中，但在不脱离本公开的范围的情况下可同样用于多种其它类型的钻头中。
如所说明，组合件400可被配置成耦合到在钻头(例如，图1A的钻头100)的刀片104内界定的刀具凹穴118并且另外与其关联。另外，组合件400可进一步包括滚切刀具208，其被配置成可旋转地安置在刀具凹穴118内，并且更特定来说，被接纳在刀具凹穴118的接纳端204a内并且在其中延伸，使得滚切刀具208的第二端212b布置在底部端204b处或附近。组合件400可进一步包括套管302和保持机构304，如上文参考图3的组合件300所描述。
类似于组合件300，组合件400还可包括在底部端204b处布置在刀具凹穴118内的轴承元件220。同样，可将轴承元件220钎焊到刀具凹穴118的底部端204b中，或者可以替代地在钻头100(图1A)的制造期间直接铸造到底部端204b中，如上文所描述。因此，在至少一个实施例中，组合件400中的轴承元件220可与刀具凹穴118一体地形成并且另外在所述刀具凹穴内。
然而，与组合件300不同的是，组合件400中的轴承元件220可从底部端204b向刀具凹穴118内突出较短距离402，使得其可至少部分延伸到套管302的内部中。因此，轴承元件220可形成底座状结构，其与套管302的内部的对应于距离402的一部分轴向地重叠。在一些实施例中，可将套管302插入到刀具凹穴118中，围绕突出的轴承元件220延伸，并且随后钎焊在刀具凹穴118内的适当位置。
如本领域技术人员将了解，可证明有利的是，让轴承元件220从刀具凹穴118的底部端204b突出以使得其延伸到套管302的内部中。举例来说，当延伸到轴承元件220的套管302的内部中时可为套管302提供机械保持机构。更特定来说，钻井可导致产生在方向B上作用于滚切刀具208上的横向切削力，且所述横向切削力可能会传输到套管302。除非适当地减轻，否则所述横向切削力可能会倾向于促使或撬动套管302离开刀具凹穴118。然而，在轴承元件220向套管302中延伸至少距离402的情况下，轴承元件220的外部径向表面可能会与套管302的对应内部部分轴向地重叠，并且进而产生机械锁定，其会防止套管302被撬开而离开刀具凹穴118。
在一些实施例中，如所说明，组合件400可进一步包括在滚切刀具208的第二端212b上提供的后轴承表面230，并且进而在滚切刀具208与刀具凹穴118之间提供近乎无摩擦界面。使用组合件400的示例性钻井操作基本上类似于组合件300，并且因此将不进行重复。
本文公开的实施例包括：
A.一种包括滚切刀具和轴承元件的滚切刀具组合件，所述滚切刀具可安置于在钻头中界定的刀具凹穴内，所述刀具凹穴包括接纳端、底部端和在所述接纳端与所述底部端之间延伸的侧壁，且所述滚切刀具提供基底，所述基底具有：第一端，其上面安置有金刚石台；以及第二端，其可在所述底部端处或附近布置在所述刀具凹穴内，且所述轴承元件可在所述底部端处安置在所述刀具凹穴内，并且可以在所述滚切刀具围绕中心轴旋转时与所述滚切刀具的所述第二端接合。
B.一种钻头，其包括：钻头主体；至少一个刀片，其从所述钻头主体径向地延伸；至少一个刀具凹穴，其界定在所述至少一个刀片中并且包括接纳端、底部端和在所述接纳端与所述底部端之间延伸的侧壁；轴承元件，其在所述底部端处安置在所述至少一个刀具凹穴内；以及至少一个滚切刀具，其布置在所述至少一个刀具凹穴内且提供基底，所述基底具有：第一端，其上面安置有金刚石台；以及第二端，其可在所述底部端处或附近布置在所述刀具凹穴内，使得所述第二端可以在所述至少一个滚切刀具围绕中心轴旋转时与所述轴承元件接合。
C.一种制造钻头的方法，其包括：形成钻头主体，所述钻头主体包括至少一个刀片和在所述至少一个刀片中界定的至少一个刀具凹穴，所述至少一个刀具凹穴包括接纳端、底部端和在所述接纳端与所述底部端之间延伸的侧壁；在所述底部端处将轴承元件紧固在所述至少一个刀具凹穴内；将滚切刀具布置在所述至少一个刀具凹穴中，所述滚切刀具提供基底，所述基底具有第一端和第二端，所述第一端上面安置有金刚石台；以及邻近于所述轴承元件将所述第二端布置在所述至少一个刀具凹穴内，使得所述第二端可以在所述滚切刀具围绕中心轴旋转时与所述轴承元件接合。
实施例A、B和C中的每一者可以任何组合具有以下额外要素中的一者或多者：要素1：其中所述金刚石台包括选自由以下各者组成的群组的材料：聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石，和超纳米晶金刚石。要素2：其中将所述轴承元件钎焊到所述刀具凹穴的所述底部端中。要素3：其中将所述轴承元件铸造到所述刀具凹穴的所述底部端中。要素4：其中所述轴承元件包括选自由以下各者组成的群组的材料：聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石、超纳米晶金刚石、氮化硅、铬钢、不锈钢、碳合金钢、陶瓷，和包括硅、氧化铝和氧化锆的混合陶瓷。要素5：进一步包括保持机构，所述保持机构将滚切刀具可旋转地紧固在刀具凹穴内，所述保持机构包括在基底的外表面上界定的内部轴承座圈、在刀具凹穴的侧壁上界定的外部轴承座圈，和一个或多个滚珠轴承，一旦在轴向上对准所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈之后，所述一个或多个滚珠轴承可安置在所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈内。要素6：其中将所述外部轴承座圈铸造到所述刀具凹穴的所述侧壁中。要素7：进一步包括后轴承表面，其安置在所述滚切刀具的所述第二端上，并且可以在所述滚切刀具围绕中心轴旋转时与所述轴承元件接合，所述后轴承表面包括选自由以下各者组成的群组的材料：聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石，和超纳米晶金刚石。要素8：进一步包括套管，其可紧固到所述刀具凹穴的所述侧壁，所述套管为以下状态中的至少一者：钎焊到所述侧壁；以及铸造到所述刀具凹穴中。要素9：进一步包括保持机构，所述保持机构将滚切刀具可旋转地紧固在所述刀具凹穴内，所述保持机构包括在基底的外表面上界定的内部轴承座圈、在套管中界定的外部轴承座圈，和一个或多个滚珠轴承，一旦在轴向上对准所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈之后，所述一个或多个滚珠轴承可安置在所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈内。要素10：其中所述轴承元件从所述刀具凹穴的所述底部端突出并且延伸到所述套管的内部中。
要素11：其中将所述轴承元件钎焊到所述刀具凹穴的所述底部端中的至少一者。要素12：其中将所述轴承元件铸造到所述刀具凹穴的所述底部端中。要素13：进一步包括后轴承表面，其安置在所述滚切刀具的所述第二端上，并且可以在所述滚切刀具围绕中心轴旋转时与所述轴承元件接合，所述后轴承表面包括选自由以下各者组成的群组的材料：聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石，和超纳米晶金刚石。要素14：进一步包括套管，其布置在所述至少一个刀具凹穴内，其中所述套管为以下状态中的至少一者：钎焊到所述侧壁；以及铸造到所述刀具凹穴中。要素15：其中所述轴承元件从所述刀具凹穴的所述底部端突出并且向所述套管的内部中延伸一段距离。
要素16：其中在所述底部端处将所述轴承元件紧固在所述至少一个刀具凹穴内包括：将所述轴承元件铸造到所述至少一个刀具凹穴的所述底部端中；要素17：进一步包括使用保持机构将所述滚切刀具可旋转地紧固在所述至少一个刀具凹穴内，所述保持机构包括在所述基底的外表面上界定的内部轴承座圈、铸造到所述至少一个刀具凹穴的所述侧壁中的外部轴承座圈，和一个或多个滚珠轴承，一旦在轴向上对准所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈之后，所述一个或多个滚珠轴承可安置在所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈内。要素18：其中邻近于所述轴承元件将所述第二端布置在所述至少一个刀具凹穴内进一步包括：邻近于所述轴承元件而布置安置在所述滚切刀具的所述第二端上的后轴承表面，使得在所述滚切刀具围绕所述中心轴旋转时，所述后轴承表面接合所述轴承元件。要素19：进一步包括将套管紧固到所述至少一个刀具凹穴的所述侧壁。要素20：进一步包括使用保持机构将所述滚切刀具可旋转地紧固在所述至少一个刀具凹穴内，所述保持机构包括在所述基底的外表面上界定的内部轴承座圈、铸造到所述至少一个刀具凹穴的所述侧壁中的外部轴承座圈，和一个或多个滚珠轴承，一旦在轴向上对准所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈之后，所述一个或多个滚珠轴承可安置在所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈内。要素21：其中将所述轴承元件紧固在所述至少一个刀具凹穴内包括：将所述轴承元件布置在所述至少一个刀具凹穴中，使得所述轴承元件从所述底部端突出并且延伸到所述套管的内部中。
因此，所公开的系统和方法非常适于得到所提到的目标和优点以及其中固有的目标和优点。上文公开的特定实施例仅是说明性的，因为本公开的教导可以按受益于本文教导的益处的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式加以修改和实践。此外，除了所附权利要求书中所描述的内容之外，不希望对本文示出的构造或设计的细节进行限制。因此显然的是，可更改、组合或修改上文所公开的特定说明性实施例，且所有此类变化都被视为在本公开的范围内。可在不存在本文具体公开的任何要素和/或本文公开的任何任选要素的情况下合适地实践本文说明性公开的系统和方法。虽然依据“包括”、“含有”或“包含”各种组分或步骤来描述组合物和方法，但所述组合物和方法还可由各种组分和步骤“实质上组成”或“组成”。上文公开的所有数字和范围可改变某一量。每当公开具有下限和上限的数字范围时，具体地公开属于所述范围内的任何数字和任何所包括的范围。具体来说，本文公开的值的每个范围(形式为“从大约a到大约b”，或等效地“从约a到b”，或等效地“从约a-b”)将被理解为陈述在值的更广范围内包含的每个数字和范围。而且，权利要求书中的术语具有它们普通平常的含义，除非专利权所有人另外明确且清楚地界定。另外，在本文中界定权利要求书中使用的不定冠词“一”是指多于所引入的要素中的一者的一者或多者。如果在本说明书以及以引用的方式并入本文的一个或多个专利或其它文献中在词或术语的使用方面存在任何冲突，那么应采用与此说明书一致的定义。
如本文所使用，在一连串术语之前的短语“中的至少一者”(其中术语“和”或“或”用于分开术语中的任一者)会整体地修改列表，而不是列表的每个成员(即，每个项目)。短语“中的至少一者”允许以下含义：包括项目中的任一者中的至少一者，和/或项目的任何组合中的至少一者，和/或项目中的每一者中的至少一者。举例来说，短语“A、B和C中的至少一者”或“A、B或C中的至少一者”各自指代仅有A、仅有B或仅有C；A、B和C的任何组合；和/或A、B和C中的每一者中的至少一者。
Claims (25)
1.一种滚切刀具组合件，其包括：
滚切刀具，所述滚切刀具可安置在钻头的刀具凹穴内，所述刀具凹穴包括接纳端、底部端和在所述接纳端与所述底部端之间延伸的侧壁，且所述滚切刀具提供一基底，所述基底具有：第一端，其上面安置有；以及第二端，其在所述底部端处或附近定位在所述刀具凹穴内；
保持机构，所述保持机构将所述滚切刀具可旋转地紧固在所述刀具凹穴内；以及
轴承元件，所述轴承元件在所述底部端处安置在所述刀具凹穴内，并且可以在所述滚切刀具围绕中心轴旋转时与所述滚切刀具的所述第二端接合。
2.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其中所述轴承元件被钎焊到所述刀具凹穴的所述底部端中。
3.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其中所述轴承元件被铸造到所述刀具凹穴的所述底部端中。
4.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其中所述轴承元件包括选自由以下各者组成的群组的材料：聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石、超纳米晶金刚石、氮化硅、铬钢、不锈钢、碳合金钢、陶瓷，和包括硅、氧化铝和氧化锆的混合陶瓷，及其任何衍生物和组合。
5.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其中所述保持机构包括：
内部轴承座圈，其在所述基底的外表面上界定；
外部轴承座圈，其在所述刀具凹穴的所述侧壁上界定；以及
一个或多个滚珠轴承，一旦在轴向上对准所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈之后，所述一个或多个滚珠轴承可安置在所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈内。
6.如权利要求5所述的滚切刀具组合件，其中所述外部轴承座圈被铸造到所述刀具凹穴的所述侧壁中。
7.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其进一步包括后轴承表面，所述后轴承表面安置在所述滚切刀具的所述第二端上，并且可以在所述滚切刀具围绕所述中心轴旋转时与所述轴承元件接合，所述后轴承表面包括选自由以下各者组成的群组的材料：聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石、超纳米晶金刚石，及其任何衍生物和组合。
8.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其进一步包括套管，所述套管可紧固到所述刀具凹穴的所述侧壁，所述套管为以下状态中的至少一者：钎焊到所述侧壁；以及铸造到所述刀具凹穴中。
9.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其中所述保持机构包括：
内部轴承座圈，其在所述基底的外表面上界定；
外部轴承座圈，其在所述套管中界定；以及
一个或多个滚珠轴承，一旦在轴向上对准所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈之后，所述一个或多个滚珠轴承可安置在所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈内。
10.如权利要求10所述的滚切刀具组合件，其中所述轴承元件从所述刀具凹穴的所述底部端突出并且延伸到所述套管的内部中。
11.一种钻头，其包括：
钻头主体；
至少一个刀片，其从所述钻头主体径向地延伸；
至少一个刀具凹穴，其界定在所述至少一个刀片中并且包括接纳端、底部端和在所述接纳端与所述底部端之间延伸的侧壁；
轴承元件，其在所述底部端处安置在所述至少一个刀具凹穴内；
至少一个滚切刀具，其布置在所述至少一个刀具凹穴内且提供一基底，所述基底具有：第一端，其上面安置有金刚石台；以及第二端，其可在所述底部端处或附近布置在所述刀具凹穴内，使得所述第二端可以与所述轴承元件接合；以及
保持机构，其在所述至少一个滚切刀具围绕中心轴旋转时将所述至少一个滚切刀具可旋转地紧固在所述至少一个刀具凹穴内。
12.如权利要求11所述的钻头，其中所述轴承元件为钎焊到所述刀具凹穴的所述底部端中的至少一者。
13.如权利要求11所述的钻头，其中所述轴承元件被铸造到所述刀具凹穴的所述底部端中。
14.如权利要求11所述的钻头，其中所述轴承元件包括选自由以下各者组成的群组的材料：聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石、超纳米晶金刚石、氮化硅、铬钢、不锈钢、碳合金钢、陶瓷，和包括硅、氧化铝和氧化锆的混合陶瓷，及其任何衍生物和组合。
15.如权利要求11所述的钻头，其中所述保持机构包括：
内部轴承座圈，其在所述基底的外表面上界定；
外部轴承座圈，其被铸造到所述至少一个刀具凹穴的所述侧壁中；以及
一个或多个滚珠轴承，一旦在轴向上对准所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈之后，所述一个或多个滚珠轴承可安置在所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈内。
16.如权利要求11所述的钻头，其进一步包括后轴承表面，所述后轴承表面安置在所述滚切刀具的所述第二端上，并且可以在所述滚切刀具围绕所述中心轴旋转时与所述轴承元件接合，所述后轴承表面包括选自由以下各者组成的群组的材料：聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石、超纳米晶金刚石，及其任何衍生物和组合。
17.如权利要求11所述的钻头，其进一步包括套管，所述套管布置在所述至少一个刀具凹穴内，其中所述套管为以下状态中的至少一者：钎焊到所述侧壁；以及铸造到所述刀具凹穴中。
18.如权利要求17所述的钻头，其中所述轴承元件从所述至少一个刀具凹穴的所述底部端突出并且向所述套管的内部中延伸一段距离。
19.一种制造钻头的方法，其包括：
形成钻头主体，所述钻头主体包括至少一个刀片和在所述至少一个刀片中界定的至少一个刀具凹穴，所述至少一个刀具凹穴包括接纳端、底部端和在所述接纳端与所述底部端之间延伸的侧壁；
在所述底部端处将轴承元件紧固在所述至少一个刀具凹穴内；
将滚切刀具布置在所述至少一个刀具凹穴中，所述滚切刀具提供基底，所述基底具有第一端和第二端，所述第一端上面安置有金刚石台；以及
邻近于所述轴承元件将所述第二端布置在所述至少一个刀具凹穴内，使得所述第二端可以在所述滚切刀具围绕中心轴旋转时与所述轴承元件接合。
20.如权利要求19所述的方法，其中在所述底部端处将所述轴承元件紧固在所述至少一个刀具凹穴内包括：将所述轴承元件铸造到所述至少一个刀具凹穴的所述底部端中。
21.如权利要求19所述的方法，其进一步包括使用保持机构将所述滚切刀具可旋转地紧固在所述至少一个刀具凹穴内，所述保持机构包括：在所述基底的外表面上界定的内部轴承座圈；铸造到所述至少一个刀具凹穴的所述侧壁中的外部轴承座圈；和一个或多个滚珠轴承，一旦在轴向上对准所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈之后，所述一个或多个滚珠轴承可安置在所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈内。
22.如权利要求19所述的方法，其中邻近于所述轴承元件将所述第二端布置在所述至少一个刀具凹穴内进一步包括：邻近于所述轴承元件而布置安置在所述滚切刀具的所述第二端上的后轴承表面，使得在所述滚切刀具围绕所述中心轴旋转时，所述后轴承表面接合所述轴承元件。
23.如权利要求19所述的方法，其进一步包括将套管紧固到所述至少一个刀具凹穴的所述侧壁。
24.如权利要求23所述的方法，其进一步包括使用保持机构将所述滚切刀具可旋转地紧固在所述至少一个刀具凹穴内，所述保持机构包括：在所述基底的外表面上界定的内部轴承座圈；铸造到所述至少一个刀具凹穴的所述侧壁中的外部轴承座圈；和一个或多个滚珠轴承，一旦在轴向上对准所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈之后，所述一个或多个滚珠轴承可安置在所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈内。
25.如权利要求23所述的方法，其中将所述轴承元件紧固在所述至少一个刀具凹穴内包括：将所述轴承元件布置在所述至少一个刀具凹穴中，使得所述轴承元件从所述底部端突出并且延伸到所述套管的内部中。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170222 |