CN106687659A - 用于井下钻井工具上的钻井元件的固定机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下钻井工具。所述井下钻井工具可以包括钻头，所述钻头具有：钻头主体；刀片，所述刀片被安置在所述钻头主体的外部部分上，所述刀片包括凹穴和邻接所述凹穴的凹穴沟槽。所述钻头还可具有位于所述凹穴中的钻井元件，所述钻井元件包括钻井元件沟槽，所述钻井元件沟槽至少部分地与所述凹穴沟槽对准。另外，所述钻头可以具有锁定元件，所述锁定元件延伸穿过所述凹穴沟槽和所述钻井元件沟槽内的组合空间。
Description
技术领域
本公开大体上涉及井下钻井工具，并且更具体地涉及一种用于井下钻井工具上的钻井元件的固定机构。
发明背景
使用各种类型工具来在地下地层中形成井筒，用于采收在地表下方的诸如油和气的烃类。这类工具实例包括旋转钻头、开孔器、扩孔器和取芯钻头。两个主要旋转钻头类别包括：固定刀具钻头，一些固定刀具钻头在本领域中可以称为多晶金刚石复合片(PDC)钻头、刮刀钻头或基体钻头；以及牙轮钻头，一些牙轮钻头在本领域中可以称为岩石钻头。固定刀具钻头通常包括多个刀片，每个刀片具有多个刀具，诸如PDC钻头上的PDC刀具。
在典型钻井应用中，旋转钻头可以用于钻穿各种水平或类型的地质构造。典型地层一般可以在地层上部部分(例如，较小钻井深度)中具有相对低的抗压强度，并且在地层下部部分(例如，较大钻井深度)中具有相对高的抗压强度。因此，它典型地变得越来越难在越来越大深度处钻井。另外，在钻井操作过程中，钻头中的刀具可能经历磨损。可将受过度磨损的刀具从钻头中移除，并且可用新或翻新刀具替换以进一步钻井。
附图简述
为了更完整地理解本公开及其特征和优点，现在参考以下结合附图来进行的描述，其中：
图1示出了钻井系统的示例实施方案的正视图；
图2示出了以常用于为固定刀具钻头建模或设计的方式向上取向的旋转钻头的等距视图；
图3A示出了其中部分被剖切开的截面图和正视图，其示出了图2的钻头钻出穿过第一井下地层并进入相邻第二井下地层的井筒；
图3B示出了刀片轮廓，其表示了钻头的刀片的横截面图；
图4示出了向上取向的示例性的切削元件和刀片的等距视图；
图5A示出了示例性的切削元件的等距视图；
图5B示出了示例性的刀片的一部分的指向上的等距视图，这个部分包括凹穴，凹穴被构造为接收图5A的切削元件；
图5C示出了图5A的切削元件的等距视图，切削元件放置在图5B的凹穴中；
图5D示出了示例性的锁定元件的等距视图，锁定元件被构造为将图5A的切削元件锁定在图5B的凹穴中；
图6A示出了示例性的切削元件的等距视图；
图6B示出了示例性的刀片的一部分的指向上的等距视图，这个部分包括凹穴，凹穴被构造为接收图6A的切削元件；
图7示出了切削元件和刀片的仰视图；
图8A示出了示例性的切削元件的等距视图；
图8B示出了示例性的刀片的一部分的指向上的等距视图，这个部分包括凹穴，凹穴被构造为接收图8A的切削元件；
图9示出了向上取向的一个示例性的刀片和多个示例性的切削元件的等距视图；
图10A-E示出了在刀片与切削元件的相交处的示例性的锁定元件的横截面图；
图11示出了在刀片与切削元件的相交处的示例性的锁定元件的横截面图；
图12A示出了示例性的滚动元件的等距视图；以及
图12B示出了示例性的滚动元件的等距视图，滚动元件放置在指向上的刀片的一部分中。
具体实施方式
公开一种井下钻井工具，以及用于将钻井元件固定在井下钻井工具上的相关的系统和方法。井下钻井工具(诸如钻头、扩孔器和稳定器)可以包括各种钻井元件。钻井元件可以是这样的特征：其耦接到井下钻井工具并在钻井操作期间接合地层。
钻井元件的一个实例是切削元件，其位于钻头上，并在钻井操作期间与地层相互作用并切入地层。切削元件可以包括具有安置在衬底一端上的硬切削材料层的衬底。切削元件硬层可以提供切削表面，切削表面可在钻井操作期间接合井下地层的相邻部分以形成井筒。
钻井元件的另一实例是切削深度控制器(DOCC)。DOCC可以位于钻头上，并且可以控制一个或多个切削元件的切削深度的方式在钻井操作期间与地层相互作用。DOCC可以包括冲击制动装置、备用切削元件或经修改的金刚石增强件(MDR)。
钻井元件的另一实例是滚动元件。滚动元件可固定到井下钻井工具，并且可以包括旋转地安装的滚筒。滚筒可以包括硬化材料外层，硬化材料外层在钻井操作期间与地层接合。如以下参考图12A和图12B更详细地描述，滚动元件可以根据它们在井下钻井工具上的取向而用于不同功能。例如，可将滚动元件取向在钻头上以在钻井操作期间切入地层。还可将滚动元件取向在钻头上以用作控制其它切削元件的切削深度的DOCC。作为另一实例，可将滚动元件取向在扩孔器或稳定器上，以便减少在钻井操作期间在扩孔器或稳定器与井筒侧壁之间的摩擦量。
可以通过锁定元件将钻井元件固定到井下钻井工具。作为一个实例，可以通过锁定元件将切削元件固定在钻头的刀片上的凹穴内。在钻井操作期间，切削元件可能经历因切削元件与随着钻头旋转而切削的地层的相互作用而造成的拖曳力，以及大体上对应于将钻头推向井下的钻压(WOB)的轴向力。在一些钻头中，可将切削元件安置在凹穴中，使得凹穴为切削元件提供支撑以抵抗拖曳力和轴向力。然而，由于被施加到切削元件的力(例如，拖曳力和轴向力)，切削元件还会经历反作用力矩力，反作用力矩力趋于使切削元件围绕在切削元件背面上的点旋转出凹穴。锁定元件可以支撑切削元件抵抗这样的力矩力，并且因此可在钻井期间将切削元件固定在凹穴中。也可通过锁定元件以类似的方式将其它类型钻井元件(例如，DOCC或滚动元件)固定到井下钻井工具。
还可将钻井元件设计为使得可在钻井操作期间受到磨损之后替换钻井元件。如上所述，切削元件可设计为装配在形成于钻头的刀片上的凹穴内。锁定元件可以在钻井操作期间将切削元件固定在凹穴中。另外，可以直接地从设有凹穴的刀片的表面接近锁定元件。由此，可容易地移除锁定元件以允许在钻井操作之间容易地移除和替换切削元件。此类锁定元件还可用于允许容易地移除和替换其它类型钻井元件(例如，DOCC或滚动元件)。
存在可实现锁定元件以将钻井元件固定在井下钻井工具上的多种方式。此外，可以实现锁定元件以将任何合适钻井元件(例如，切削元件、DOCC或滚动元件)固定在任何合适井下钻井工具(例如，钻头、扩孔器或稳定器)上，这种井下钻井工具可为井底组件(BHA)(诸如以下参考图1更详细地描述的BHA 120)的一部分。因此，通过参考图1至图12B可最佳地理解本公开的实施方案及其优点，其中相同数字用于指示相同和对应的部分。
图1示出了钻井系统100的示例实施方案的正视图。钻井系统100可以包括井表面或井场106。各种类型钻井设备(诸如旋转台、钻井流体泵和钻井流体罐(未明确地示出))可以位于井表面或井场106。例如，井场106可以包括钻机102，钻机可以具有与陆地钻机相关联的各种特性和特征。然而，结合有本公开的教示的井下钻井工具可令人满意地用于位于海上平台、钻井船、半潜式平台和钻井驳船(未明确地示出)上的钻井设备。
钻井系统100还可包括与钻头101相关联的钻柱103，钻柱可以用于形成各种各样的井筒或钻孔，诸如大体上竖直的井筒114a或大体上水平的井筒114b或其任何组合。各种定向钻井技术以及钻柱103的井底组件(BHA)120的相关联的部件可以用于形成水平井筒114b。例如，可在起动位置113附近将侧向力施加到BHA 120以形成从大体上竖直的井筒114a延伸的大体上水平的井筒114b。
BHA 120可以包括可在钻出井筒114的过程中被用到的各种部件。例如，BHA 120的部件122a、122b和122c可以包括但不限于钻头(例如，钻头101)、取心钻头、钻铤、旋转转向工具、定向钻井工具、井下钻井马达、扩孔器、孔扩大器或稳定器。包括在BHA 120中的部件122的数量和类型可取决于预期井下钻井条件，以及将由钻柱103和旋转钻头101形成的井筒的类型。BHA 120还可包括各种类型测井工具(未明确地示出)，以及与定向钻出井筒相关联的其它井下工具。测井工具和/或定向钻井工具实例可以包括但不限于声学、中子、伽玛射线、密度、光电、核磁共振、旋转导向工具和/或任何其它商业上可用的钻井工具。另外，BHA 120还可包括旋转驱动器(未明确地示出)，其连接到部件122a、122b和122c，并且其与部件122a、122b和122c一起使钻柱103的至少部分旋转。
井筒114可以部分地由套管柱110限定，套管柱可以从井表面106延伸到所选择的井下位置。如图1所示，井筒114不包括套管柱110的部分可以被描述为开孔。各种类型钻井流体可以从井表面106泵送通过钻柱103到所附接的钻头101。钻井流体可以被引导为从钻柱103向相应喷嘴(在图2中被描绘为喷嘴156)流动，从而通过旋转钻头101。钻井流体可以通过部分地由钻柱103的外径112和井筒114a的内径118限定的环带108而循环回井表面106。内径118可以称为井筒114a的侧壁。环带108还可由钻柱103的外径112和套管柱110的内径111限定。开孔环带116可以被限定为侧壁118和外径112。
钻井系统100还可包括旋转钻头(“钻头”)101。在图2中更详细地论述的钻头101可以包括一个或多个刀片126，一个或多个刀片可从钻头101的旋转钻头主体124的外部部分向外安置。刀片126可为从旋转钻头主体124向外延伸的任何合适类型突起。钻头101可沿由方向箭头105限定的方向来相对于钻头旋转轴线104旋转。刀片126可以包括一个或多个切削元件128，一个或多个切削元件会从每个刀片126的外部部分向外安置。刀片126还可包括一个或多个切削深度控制器(未明确地示出)，一个或多个切削深度控制器被构造为控制切削元件128的切削深度。刀片126还可包括一个或多个保径垫(未明确地示出)，一个或多个保径垫安置在刀片126上。钻头101可以根据本公开的教示来设计和形成，并且可以根据钻头101的具体应用具有许多不同设计、构型和/或尺寸。
钻头101和/或其它井下钻井工具上的切削元件128的构型也可以有助于该钻头的钻井效率。切削元件128可以根据两个一般原理布置：单个组和轨道组。在单个组配置中，钻头101上的每个切削元件128可相对于钻头旋转轴线104具有唯一径向位置。在轨道组配置中，钻头101上的至少两个切削元件128可相对于钻头旋转轴线104具有相同径向位置。轨道组切削元件可以位于钻头的不同刀片上。具有布置成单个组配置的切削元件的钻头可比具有轨道组配置的钻头更有效地足劲，而具有布置成轨道组配置的切削元件的钻头可比具有单个组配置的钻头更稳定。
图2示出了以常用于为固定刀具钻头建模或设计的方式向上取向的旋转钻头101的等距视图。钻头101可为各种类型旋转钻头中的任何一种，包括固定刀具钻头、多晶金刚石复合片(PDC)钻头、刮刀钻头、基体钻头和/或钢体钻头，它们可操作以形成井筒(例如，如图1所示的井筒114)，井筒延伸穿过一个或多个井下地层。钻头101可以根据本公开的教示来设计和形成，并且可以根据钻头101的具体应用具有许多不同设计、构型和/或尺寸。
钻头101可以包括一个或多个刀片126(例如，刀片126a-126g)，一个或多个刀片可从钻头101的旋转钻头主体124的外部部分向外安置。刀片126可为从旋转钻头主体124向外延伸的任何合适类型突起。例如，刀片126的一部分可以直接地或间接地耦接到钻头主体124的外部部分，而刀片126的另一部分可以突出远离钻头主体124的外部部分。根据本公开的教示而形成的刀片126可以具有各种各样构型，包括但不限于基本上弓形的、大体上螺旋的、螺旋形的、锥形的、会聚的、发散的、对称的和/或不对称的。一个或多个刀片126可以具有从钻头101的近侧旋转轴线104延伸的基本上弓形的构型。弓形构造可以部分地由从近侧钻头旋转轴线104延伸的大体上凹陷的凹形部分限定。弓形构造还可部分地由大体上突出的向外弯曲部分限定，大体上突出的向外弯曲部分安置在每个刀片的凹陷凹形部分与外部部分之间，大体上对应于旋转钻头的外径。
刀片126中的每者可以包括接近或朝向钻头旋转轴线104安置的第一端部和接近或朝向钻头101的外部部分安置的第二端部(例如，大体上远离钻头旋转轴线104并朝向钻头101的井上部分安置)。术语“井上”和“井下”可以用于描述钻井系统100的各种部件相对于图1所示井筒114的底部或端部的位置。例如，被描述为相较第二部件在井上的第一部件可以比第二部件更远离井筒114的端部。类似地，被描述为相较第二部件在井下的第一部件可以比第二部件更靠近井筒114的端部。
刀片126a-126g可以包括围绕钻头旋转轴线而安置的初级刀片。例如，刀片126a、126c和126e可为初级刀片或主要刀片，因为刀片126a、126c和126e中的每者的相应第一端部141可以紧邻钻头101的钻头旋转轴线104安置。刀片126a-126g还可包括安置在初级刀片之间的至少一个次级刀片。例如，如图2所示，钻头101上的刀片126b、126d、126f和126g可为次级刀片或次要刀片，因为相应第一端部141可以安置在钻头101的井上端部151上距相关联的钻头旋转轴线104某个距离处。初级刀片和次级刀片的数量和位置可以变化，使得钻头101包括更多或更少的初级刀片和次级刀片。刀片126可相对于彼此并相对于钻头旋转轴线104对称地或不对称地安置，其中刀片126的位置可以基于钻井环境中的井下钻井条件。刀片126和钻头101可沿由方向箭头105限定的方向关于旋转轴线104旋转。
刀片126中的每者可以在钻头101的旋转方向上具有相应前导或前表面130，并且背向钻头101的旋转方向的与前导表面130相反定位的拖尾或后表面132。刀片126可以沿着钻头主体124定位，使得它们具有相对于钻头旋转轴线104的螺旋构型。刀片126还可沿着钻头主体124以相对于彼此并相对于钻头旋转轴线104大体上平行的构型定位。
刀片126可以包括一个或多个切削元件128，一个或多个切削元件会从每个刀片126的外部部分向外安置。例如，切削元件128的一部分可以直接地或间接地耦接到刀片126的外部部分，而切削元件128的另一部分可以突出远离刀片126的外部部分。
切削元件128可为被构造为切入地层中的任何合适装置，包括但不限于初级切削元件、备用切削元件、次级切削元件或其任何组合。切削元件128可以包括相应衬底164，其中硬切削材料层(例如，切削台162)安置在每个相应衬底164一端上。切削元件128硬层可以提供切削表面，切削表面可以如图1所示接合井下地层的相邻部分以形成井筒114。举例来说，但非限制，切削元件128可为各种类型刀具、复合片、按钮、插入件和保径刀具，它们可令人满意地与各种各样钻头101一起使用。虽然图2示出了刀片126上的两排切削元件128，但是根据本公开的教示设计和制造的钻头可以具有一排切削元件或多于两排的切削元件。
切削元件128的每个衬底164可以具有各种构型，并且可由碳化钨或与形成用于旋转钻头的切削元件相关联的其它合适材料形成。碳化钨可以包括但不限于碳化一钨(WC)、碳化二钨(W2C)、粗晶碳化钨，以及胶合或烧结的碳化钨。衬底还可使用其它硬质材料形成，这种硬质材料可以包括各种金属合金和胶合剂，诸如金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物和金属氮化物。对于一些应用，硬切削层可由与衬底基本上相同的材料形成。在其它应用中，硬切削层可由与衬底不同的材料形成。用于形成硬切削层的材料的实例可以包括多晶金刚石材料，包括合成多晶金刚石。
在钻井操作期间，切削元件128可能经历因切削元件128与地层的相互作用而造成的拖曳力，地层随着钻头围绕钻头旋转轴线104在方向105上旋转而被切削。切削元件128还会经历大体上对应于将钻头推向井下的钻压(WOB)的轴向力。切削元件128可由凹穴166来支撑以抵抗拖曳力和轴向力，切削元件放置在相应刀片126上的凹穴中。例如，刀片126e可以包括凹穴166e，凹穴可为刀片126e上的凹陷切口，这个凹陷切口被构造为接收切削元件128e。然而，由于被施加到切削元件的力(例如，拖曳力和轴向力)，切削元件还会经历反作用力矩力，反作用力矩力趋于使切削元件围绕在切削元件背面上的点旋转出凹穴。如以下参考图4-12B更详细地描述，锁定元件可以支撑切削元件128抵抗这样的力矩力，并且因此可在钻井期间将切削元件固定在凹穴中。
刀片126还可包括一个或多个切削深度控制器(DOCC)(未明确地示出)，一个或多个切削深度控制器被构造为控制切削元件128的切削深度。DOCC可以包括冲击制动装置、备用或第二层切削元件或经修改的金刚石增强件(MDR)。刀片126、切削元件128和DOCC(未明确地示出)的外部部分可以形成钻头面的部分。
刀片126还可包括一个或多个保径垫(未明确地示出)，一个或多个保径垫安置在刀片126上。保径垫可为安置在刀片126的外部部分上的保径件、保径段或保径部分。保径垫可以接触例如由钻头101形成的井筒(例如，如图1所示的井筒114)。刀片126的外部部分和/或相关联保径垫可相对于大体上竖直的井筒114a的相邻部分以各种角度(例如，正、负和/或平行)来安置。保径垫可以包括一个或多个硬表面材料层。
钻头101的井上端部150可以包括具有形成在其上的钻管螺纹155的柄部152。螺纹155可以用于将钻头101与BHA 120可释放地接合，从而钻头101可相对于钻头旋转轴线104旋转。钻头101的井下端部151可以包括多个刀片126a-126g，相应排屑槽或流体流动路径140被安置在多个刀片之间。另外，钻井流体可以被传送到一个或多个喷嘴156。
钻头操作可以作为钻井深度的函数的每转切削深度表示。每转切削深度、或是“切削深度”可由穿透速率(ROP)和每分钟转数(RPM)确定。ROP可以表示在钻头101旋转时所移除的地层的量，并且可以ft/hr为单位。另外，RPM可以表示钻头101的旋转速度。例如，用于钻挖地层的钻头101可以约120RPM的速率旋转。实际切削深度(Δ)可以表示在钻头101的旋转期间切削元件切入地层的深度的量度。因此，实际切削深度可以使用以下等式来表达为实际ROP和RPM的函数：
Δ＝ROP/(5*RPM)。
实际切削深度可以具有单位in/rev。
钻头101的穿透速率(ROP)通常是钻压(WOB)和每分钟转数(RPM)两者的函数。钻柱103可以在钻头101上施加重量，并且还可围绕旋转轴线104旋转钻头101，以便形成井筒114(例如，井筒114a或井筒114b)。对于一些应用，可将井下马达(未明确地示出)提供作为BHA120的部分，从而也使钻头101旋转。
图3A示出了其中部分被剖切开的截面图和正视图，其示出了图2的钻头101钻出穿过第一井下地层并进入相邻第二井下地层的井筒。刀片外部部分(在图3A中未明确地示出)和切削元件128可旋转地投影到径向平面上，以便形成钻头面轮廓200。与井下地层204相比时，地层202可以被描述为较软或不太硬的。如图3A所示，钻头101的接触井下地层的相邻部分的外部部分可以被描述为钻头面。钻头101的钻头面轮廓200可以包括各种的区或段。由于钻头面轮廓200的旋转投影，钻头面轮廓200可为关于钻头旋转轴线104基本上对称的，使得在旋转轴线104一侧上的区或段可以基本上类似于在旋转轴线104的相对侧上的区或段。
例如，钻头面轮廓200可以包括与保径区206b相对定位的保径区206a、与肩部区208b相对定位的肩部区208a、与鼻状区210b相对定位的鼻状区210a，以及与锥部区212b相对定位的锥状区212a。包括在每个区中的切削元件128可以称为这个区的切削元件。例如，包括在保径区206中的切削元件128g可以称为保径切削元件，包括在肩状区208中的切削元件128s可以称为肩状切削元件，包括在鼻状区210中的切削元件128n可以称为鼻状切削元件，并且包括在锥状区212中的切削元件128c可以称为锥状切削元件。
锥状区212可为大体上凹陷的，并且可以形成在钻头101的每个刀片(例如，如图1所示的刀片126)的外部部分上，邻近钻头旋转轴线104并从钻头旋转轴线延伸出来。鼻状区210可为大体上凸出的，并且可以形成在钻头101的每个刀片的外部部分上，邻近每个锥状区212并从每个锥状区延伸出来。肩状区208可以形成在每个刀片126的从相应的鼻状区210延伸的外部部分上鼻状，并且可以在接近相应的保径区206的位置终止。如图3A所示，钻头面轮廓200的面积可取决于与钻头面轮廓200的区或段相关联的横截面积而非切削元件总数、刀片总数或每切削元件的切削面积。
图3B示出了刀片轮廓300，其表示了钻头101的刀片126的横截面图。刀片轮廓300包括如以上参考图2所述的锥状区212、鼻状区210、肩状区208和保径区206。锥状区212、鼻状区210、肩状区208和保径区206可以基于它们相对于旋转轴线104和水平参考线301的沿刀片126的位置，这指示了在垂直于旋转轴线104的平面中距旋转轴线104的距离。图3A和图3B的比较示出了图3B的刀片轮廓300相对于图3A的钻头面轮廓200而颠倒。
刀片轮廓300可以包括内区302和外区304。内区302可以从旋转轴线104向外延伸到鼻点311。外区304可以从鼻点311延伸到刀片126的端部。鼻点311可为刀片轮廓300上的位于鼻状区210内的位置，这个位置具有如从参考线301(水平轴线)以钻头旋转轴线104(垂直轴线)测量的最大高度。图3B中的曲线图上对应于旋转轴线104的坐标可以称为轴向坐标或位置。图3B中的曲线图上对应于参考线301的坐标可以称为径向坐标或径向位置，它可指示在穿过旋转轴线104的径向平面中从旋转轴线104正交地延伸的距离。例如，在图3B中，旋转轴线104可以沿着z轴放置，并且参考线301可以指示从旋转轴线104正交地延伸到可限定为ZR平面的径向平面上的点的距离(R)。
图3A和3B仅仅用于说明目的，并且在不脱离本公开的范围的情况下，可对图3A和3B进行修改、添加或省略。例如，各区相对于钻头面轮廓的实际位置可以变化，并且可不完全如图所绘。
图4示出了切削元件428和刀片126的等距视图。切削元件428和刀片126向上取向，这类似于如图2所示的位于刀片126a-e上的切削元件128的向上取向。
如图4所示，切削元件428可以位于刀片126的凹穴410中。与图4一致地，切削元件(或者其它类型钻井元件，诸如DOCC或滚动元件)至少部分地由凹穴(例，凹穴410)包围，这种切削元件在本文中可以称为位于该凹穴中。
在钻井操作期间，刀片126和切削元件428所位于的钻头可以围绕钻头旋转轴线旋转，这类似于图2中的钻头101的元件可围绕钻头旋转轴线104旋转的方式。因此，在切削元件428所位于的钻头旋转时，切削元件428可以经历因切削面420与被钻井的地层之间的相互作用而产生的拖曳力405。切削元件428还会经历大体上对应于将切削元件428所位于的钻头推向井下的钻压(WOB)的轴向力406。如图4所示，凹穴410可以支撑切削元件428抵抗拖曳力405和轴向力406，，并且因此可有助于将切削元件428固定在凹穴410内。
由于被施加到切削元件428的力(例如，拖曳力405和轴向力406)，切削元件428还会经历反作用力矩力407，反作用力矩力趋于使切削元件围绕在切削元件背面上的力矩点(MP)旋转出凹穴。然而，锁定元件454可以支撑切削元件428抵抗力矩力407，并且因此可有助于将切削元件428固定在凹穴410内。
锁定元件454可从一组对应刀片和切削元件开口向内延伸，并且环绕到另一组的对应刀片和切削元件开口。例如，锁定元件454a可以形成圈环，圈环从第一端部上的刀片开口450a和切削元件开口452a、并且从另一端部上的刀片开口450b和切削元件开口452b向内延伸。另外，单个锁定元件或多个锁定元件454可将单个切削元件固定在刀片126上。例如，锁定元件454a可以在切削元件428一侧上形成圈环，圈环从第一端部上的刀片开口450a和切削元件开口452a、并且从另一端部上的刀片开口450b和切削元件开口452b向内延伸。同样，锁定元件454b可以在切削元件428的另一侧上形成圈环，圈环从第一端部上的刀片开口450c和切削元件开口452c向内延伸、并且从另一端部上的刀片开口450d和切削元件开口452d向内延伸。如以下参考图5A-5D更详细地解释，锁定元件(诸如锁定元件454)可从刀片和切削元件中的开口向内延伸穿过空腔，所述空腔由凹穴中和切削元件中的对准沟槽之间的组合区域形成。
图5A示出了切削元件528的等距视图。图5B示出了刀片126的一部分的指向上的等距视图，这个部分包括凹穴510，凹穴可以被构造为接收切削元件528(图5A中所示的)。图5C示出了切削元件528的等距视图，切削元件放置在凹穴510中。并且，图5D示出了锁定元件554，锁定元件可将切削元件528(图5A中所示的)固定在凹穴510(图5B中所示的)中。
如图5A所示，切削元件528可以包括切削元件沟槽530a，所述切削元件沟槽可从切削元件开口552a到切削元件开口552b以“U”形形状延伸。切削元件528还可包括切削元件沟槽530b，所述切削元件沟槽可从切削元件开口552c到切削元件开口552d以“U”形形状延伸。虽然切削元件528上包括的沟槽在本文中称为切削元件沟槽，但是在切削元件或其它类型钻井元件(例如，DOCC或滚动元件)上的此类沟槽通常还会称为钻井元件沟槽。
如图5B所示，刀片126可以包括凹穴沟槽540a，所述凹穴沟槽可以邻接凹穴510，并且可从凹穴开口550a到凹穴开口550b以“U”形形状延伸。刀片126还可包括凹穴沟槽540b，所述凹穴沟槽可以邻接凹穴510，并且可从凹穴开口550c到凹穴开口550d以“U”形形状延伸。
如图5C所示，切削元件528可以放置在凹穴510中。另外，切削元件528的一个或多个沟槽可与刀片126的一个或多个沟槽对准。例如，切削元件沟槽530a(图5A中所示的)和凹穴沟槽540a(图5B中所示的)可以在切削元件528放置在凹穴510中时对准，并且可以在切削元件沟槽530a和凹穴沟槽540a内的组合空间中形成空腔570a(图5C中所示的)。同样，切削元件沟槽530b(图5A中所示的)和凹穴沟槽540b(图5B中所示的)可以在切削元件528放置在凹穴510中时对准，并且可以在切削元件沟槽530b和凹穴沟槽540b内的组合空间中形成空腔570b(图5C中所示的)。虽然凹穴沟槽540a-b和切削元件沟槽530a-b在图5A-B中被示出为具有“U”形形状，但是相应沟槽可以具有任何合适形状，诸如具有九十度角的“U”形形状、“V”形形状、弧形或半圆形形状、或者多边形形状。
在切削元件528放置在凹穴510中的情况下，可通过锁定元件554(图5D中所示的)将切削元件528固定或锁定到适当位置。例如，锁定元件554的一个实例可以装配在相应空腔中，空腔是由每对对准的切削元件和凹穴沟槽形成。例如，锁定元件554的第一实例可以放置在空腔570a中，所述空腔由切削元件沟槽530a和凹穴沟槽540a形成，并且锁定元件554的第二实例可以放置在空腔570b中，所述空腔由切削元件沟槽530b和凹穴沟槽540b形成。虽然切削元件528和刀片126可以在图5A-B中被示出为具有两个凹穴沟槽和切削元件沟槽组，但是切削元件528和刀片126可仅包括单组对应沟槽，并且切削元件528可以固定在具有锁定元件554的单个实例的凹穴510中。
如图5A所示，切削元件528可以具有大体上圆形的形状，但是具有平边560。该切削元件的平边560可以减小切削元件528的总宽度和凹穴510的总宽度，切削元件528可以放置在所述凹穴中。切削元件528的减小的宽度可以为凹穴沟槽540a和540b在刀片126上提供额外空间，同时仍然符合对在刀片126上多次具现切削元件528的间距要求。切削元件(诸如切削元件528)还可具有任何其它合适形状，例如大体上正方形的形状或大体上椭圆形的形状。
锁定元件554可以具有任何合适形状，并且可以包括任何合适材料，以便允许锁定元件554放置在切削元件沟槽(例如，切削元件沟槽530a)与凹穴沟槽(例如，凹穴沟槽540a)之间。例如，锁定元件554可以包括锁环。锁环可以具有例如弧形形状或半圆形形状。锁环可以被构造为旋转通过由切削元件沟槽530a和凹穴沟槽540a形成的对应弧形形状或半圆形形状。锁环可由刚性材料形成，使得在锁环插入到由切削元件沟槽530的实例和凹穴沟槽540的实例的组合形成的空腔570中时，锁环会维持其形状(例如，弧形形状或半圆形形状)。虽然这种锁定元件可以称为锁环，但是这种锁定元件可不形成完整的环，而是可以形成环的部分。
作为另一实例，锁定元件554可以包括锁线。这种锁线可以插入空腔570中，所述空腔由切削元件沟槽530的实例和凹穴沟槽540的对应实例形成。锁线可由可延展性材料形成，使得在锁线插入到空腔中时，锁线采取由切削元件沟槽和凹穴沟槽形成的空腔的形状。
锁定元件554可包括能够采取由切削元件沟槽530的实例和凹穴沟槽540的对应实例形成的空腔570的形状的任何合适材料。例如，锁定元件554可以包括低温金属、形状记忆金属和/或弹簧钢。锁定元件554还可包括滚珠轴承阵列或可以放置在空腔570中的任何其它合适球形和/或分段元件的阵列。另外，锁定元件554可以包括液体环氧树脂、弹性体、陶瓷材料或塑料材料，可将它们注入到空腔570中。可单独地使用液体环氧树脂，或与任何其它材料(诸如金属锁环或金属锁线)结合使用。锁定元件554还可包括粘合剂，粘合剂可以填充空腔570中的尚未被例如锁环、锁线或滚珠轴承阵列填充的任何空隙。
锁定元件554还可包括在锁定元件554的一个或多个端部的锁帽555的实例。锁帽555可以插入锁定元件554所放置的空腔570，并且可在钻井期间将锁定元件554保持在空腔570中的适当位置。锁帽555可以包括按压帽、螺纹塞、铜焊头、环氧树脂或任何其它合适装置，以便保护锁定元件554免受不利要素影响或者防止受损。虽然帽555在上文中被描述为锁定元件554的一部分，但是锁帽(诸如锁帽555)可以是被封住的锁定元件的一部分或与所述锁定元件分离的元件。
切削元件沟槽530、凹穴沟槽540和锁定元件554可以提供用于容易地移除和替换切削元件528。如图5A-D所示，锁定元件554可以形成圈环，圈环可从刀片126和/或切削元件528的表面的两个分离点处。由切削元件沟槽530a和凹穴沟槽540a形成的双接近点可以允许锁定元件554被容易地移除。例如，返回参考图4，可以移除在锁定元件454a的两个相应端部中的每者处的锁帽。可将力施加到锁定元件454a一侧(例如，在开口450a处)，以便推动锁定元件454a通过由凹穴沟槽和切削元件沟槽形成的空腔。然后，可以从另一侧(例如，在开口450b处)移除锁定元件454a。锁定元件454b可以如针对锁定元件454a所述的类似方式移除。一旦移除锁定元件454a和454b，就可移除切削元件428和/或可用新或翻新切削元件替换。
容易地将锁定元件554移除可允许容易地对钻头的切削元件(例如，切削元件528)替换，例如在那些切削元件因进行大量钻井而磨损后如此。此外，锁定元件554可以提供用于将切削元件固定到它们相应凹穴中的方式，而不利用冲击切削元件528的切削面520的铜焊工艺。消除用于将切削元件固定到钻头的刀片的铜焊工艺可以允许利用更高质量切削元件，这种切削元件会在钻井操作期间提供更有效的切削。例如，典型铜焊工艺中的高温可能限制可用在PDC切削元件的硬切削表面上的多晶金刚石材料的质量。在不利用铜焊工艺的情况下，可以在切削元件的硬切削表面上使用更高质量多晶金刚石材料，并且因此可在钻井操作期间提供更有效的切削，而且延长该切削元件的使用寿命。
虽然锁定元件554以及对应的切削元件沟槽和凹穴沟槽在上文中被描述为形成“U”形形状，但是锁定元件以及它们对应的切削元件沟槽和凹穴沟槽可形成为任何合适形状。例如，锁定元件和其对应的切削元件沟槽和凹穴沟槽可以围绕切削元件形成螺旋形状。作为另一实例，并且如以下参考图6A-B更详细地描述，锁定元件可以从锁定元件的第一端部到锁定元件的相对端部形成“L”形形状，其中第一端部和相对端部可在刀片和/或切削元件的分离表面上接近。
图6A示出了切削元件628的等距视图。图6B示出了刀片126的一部分的指向上的等距视图，这个部分包括凹穴610，凹穴可以被构造为接收切削元件628(图6A中所示的)。
如图6A所示，切削元件628可以包括切削元件沟槽630a，所述切削元件沟槽可从切削元件开口652a到切削元件开口652b以“L”形形状延伸。切削元件628还可包括切削元件沟槽630b，所述切削元件沟槽可从切削元件开口652c到切削元件开口652d以“L”形形状延伸。
如图6B所示，刀片126可以包括凹穴沟槽640a，所述凹穴沟槽可以邻接凹穴610，并且可从凹穴开口650a到凹穴开口650b以“L”形形状延伸。刀片126还可包括凹穴沟槽640b，所述凹穴沟槽可以邻接凹穴610，并且可从凹穴开口650c到凹穴开口650d以“L”形形状延伸。切削元件628可以放置在凹穴610中。另外，切削元件628的一个或多个沟槽可与刀片126的一个或多个凹穴沟槽对准。例如，切削元件沟槽630a可与凹穴沟槽640a对准，并且切削元件沟槽630b可与凹穴沟槽640b对准。在切削元件628放置在凹穴610中的情况下，切削元件628可由一个或多个锁定元件以如以上参考图5A-C的相应刀片、切削元件和锁定元件所述的类似方式固定或锁定到适当位置。
图7示出了切削元件728和刀片126的仰视图。如图7所示，一个或多个锁定元件754可以将切削元件728固定到刀片126的凹穴710中。此外，开口中的一个或多个可完全包围在刀片126的表面内，可以通过开口接近锁定元件754。例如，刀片126可以包括凹穴沟槽740a，所述凹穴沟槽可从开口750a到相对开口750b以“U”形形状向内延伸。同样，刀片126可以包括凹穴沟槽740b，所述凹穴沟槽可从开口750c和750d以“U”形形状向内延伸。
切削元件728可以放置在刀片126的凹穴710中。切削元件728可以包括切削元件沟槽730a和切削元件沟槽730b。凹穴沟槽740a可与切削元件沟槽730a对准，并且凹穴沟槽740b可与切削元件沟槽730b对准。切削元件沟槽730a和730b可以位于切削元件728的暴露表面下方，并且可以分别与凹穴沟槽740a和740b的位于刀片126的暴露表面下方的部分对准。可以将锁定元件754a插入以填充由凹穴沟槽740a和切削元件沟槽730a的组合形成的空腔。同样，可以将锁定元件754b插入以填充由凹穴沟槽740b和切削元件沟槽730b的组合形成的空腔。在切削元件728放置在凹穴710中的情况下，切削元件728可由锁定元件754a-b以如以上参考图5A-C的相应刀片、切削元件和锁定元件所述的类似方式固定或锁定到适当位置。
图8A示出了切削元件828的等距视图。图8B示出了刀片126的一部分的指向上的等距视图，这个部分包括凹穴810，凹穴可以被构造为接收切削元件828(图8A中所示的)。
如图8A所示，切削元件828可以包括切削元件沟槽830a，所述切削元件沟槽可从切削元件开口852a向内延伸。切削元件828还可包括切削元件沟槽830b，所述切削元件沟槽可从切削元件开口852b向内延伸。
如图8B所示，刀片126可以包括凹穴沟槽840a，所述凹穴沟槽可以邻接凹穴810，并且可从凹穴开口850a向内延伸。刀片126还可包括凹穴沟槽840b，所述凹穴沟槽可以邻接凹穴810，并且可从凹穴开口850b向内延伸。切削元件828可以放置在凹穴810中。另外，切削元件828的一个或多个沟槽可与刀片126的一个或多个凹穴沟槽对准。例如，切削元件沟槽830a可与凹穴沟槽840a对准，并且切削元件沟槽830b可与凹穴沟槽840b对准。在切削元件828放置在凹穴810中的情况下，可通过一个或多个锁定元件将切削元件828固定或锁定到适当位置。
虽然与切削元件828和凹穴810一起使用的锁定元件可仅包括单进入点，但是可以如以上参考图4、图5A-C和图6A-B所述的类似方式另外使用锁定元件来将切削元件828固定或锁定到适当位置。当在钻井操作中并未使用切削元件828和刀片126所位于的钻头时，该锁定元件的单进入点可以用于抽出锁定元件。因此，可将切削元件828移除和/或替换。
此外，虽然单端凹穴沟槽840a-b被示出为在表面处与切削元件沟槽830a-b对准，但是单端凹穴沟槽可从被完全包围在刀片126内的开口延伸，并且可以如以上参考图7所述的类似方式在切削元件828和刀片126的相应表面下方的位置处与切削元件828的子表面沟槽对准。此外，虽然图8中示出的凹穴沟槽和切削元件沟槽被示出为以垂直于刀片126的表面的角度向内延伸，凹穴沟槽和切削元件沟槽可从刀片126的任何表面并以可适于抵消以上参考图4所述的力矩力的任何角度向内延伸。
图9示出了向上取向的刀片126和多个切削元件928的等距视图。切削元件928a-b和刀片126向上取向，这类似于如图2所示的位于刀片126a-e上的切削元件128的向上取向。
可利用单个锁定元件将多个切削元件固定或锁定到刀片上的适当位置。例如，如图9所示，锁定元件954可以从切削元件开口952a和凹穴开口950a向内延伸，经过切削元件928a下方，经过切削元件928b下方，并且一直延伸到切削元件开口952b和凹穴开口950b。切削元件沟槽930a和930b可以分别与凹穴沟槽940a和940b对准，以便形成空腔970，锁定元件954可以穿过所述空腔放置。出于本公开的目的，空腔970可以被认为是通过不同的切削元件沟槽和凹穴沟槽组合而形成在分离部分中的单个空腔，或者被视为是通过不同的切削元件沟槽和凹穴沟槽组合而形成的多个空腔。
在切削元件928a-b放置在它们在刀片126上的相应凹穴中的情况下，切削元件928a-b可由锁定元件928以如以上参考图5A-C的相应刀片、切削元件和锁定元件所述的类似方式固定或锁定到适当位置。虽然图9示出了用于将两个切削元件928a-b固定在它们相应凹穴中的锁定元件954，但是单个锁定元件954同样可将任何合适数量切削元件(例如，四个、八个或所有的切削元件)固定在刀片上。在此类示例构型中，单个锁定元件可以从侧面、从底部或从切削元件的任何合适部分固定相应切削元件。另外，如不同于与凹穴沟槽对准的切削元件沟槽，还可通过一个或多个切削元件中的每者中的孔洞放置锁定元件。
图10A-E示出了在刀片126与切削元件1028的相交处的示例性的锁定元件1054的横截面图。如以上参考图2和图4所述，锁定元件(诸如锁定元件1054)可以将切削元件固定以抵抗可在钻井操作期间作用来使切削元件旋转出其凹穴的力矩力。锁定元件、以及切削元件和刀片两者中的对应沟槽可以具有用于将切削元件固定以抵抗这样的力矩力的任何合适横截面形状。
例如，如图10A所示，凹穴沟槽1050a和切削元件沟槽1052a可组合以形成椭圆形的空腔，椭圆形的锁定元件1054a可以穿过所述椭圆形的空腔放置。作为另一实例，如图10B所示，凹穴沟槽1050b和切削元件沟槽1052b可组合以形成矩形空腔，矩形锁定元件1054b可以穿过所述矩形空腔放置。作为又一实例，如图10C所示，凹穴沟槽1050c和切削元件沟槽1052c可组合以形成三角形的空腔，三角形的锁定元件1054c可以穿过所述三角形的空腔放置。
锁定元件1054、以及由切削元件沟槽1052和凹穴沟槽1054形成的空腔也可具有圆形形状、正方形形状、六边形形状，或者用于将切削元件1028固定以抵抗力矩力的任何其它合适形状。锁定元件1054还可具有不同于由切削元件沟槽和凹穴沟槽形成的空腔的横截面形状的横截面形状。例如，如图10D所示，凹穴沟槽1050a和切削元件沟槽1052a可组合以形成椭圆形的空腔，矩形锁定元件1054b可以穿过所述椭圆形的空腔放置。作为另一实例，如图10E所示，凹穴沟槽1050b和切削元件沟槽1052b可组合以形成矩形空腔，椭圆形的锁定元件1054a可以穿过所述矩形空腔放置。
图11示出了在刀片126与切削元件1128的相交处的示例性的锁定元件1154的横截面图。虽然切削元件沟槽在上文中参考图5A-C被描述为并且在图10A-E中被示出为与对应凹穴沟槽对准，但是切削元件沟槽和凹穴沟槽也可彼此以一定偏移来对准。例如，切削元件沟槽和凹穴沟槽可以彼此偏移，但至少部分地对准，使得在切削元件沟槽和凹穴沟槽内的组合空间(在切削元件放置在凹穴中时)形成连续空腔。如图11所示，切削元件沟槽1152可相对于凹穴沟槽1150以偏移1110来定位。这种偏移可以提供用于进一步将切削元件1128固定在其凹穴中的预载力。例如，所包括的圆形锁定元件1154可以插入到由凹穴沟槽1150和偏移切削元件沟槽1152形成的空腔中。在锁定元件1154采取由偏移沟槽形成的空腔形状时，被推入偏移沟槽的材料可以提供与施加到锁定元件1154的变形量成比例的预载力。作为另一实例，包括形状记忆金属的圆形锁定元件1154可以插入到由凹穴沟槽1150和偏移切削元件沟槽1152形成的空腔中。圆形锁定元件1154可以采取具有偏移侧的空腔形式，并且由于锁定元件1154的形状记忆金属在触发事件(诸如电荷或温度的施加)后尝试返回其原始圆形形状的趋势，可产生预载力。
图12A示出了滚动元件1228的等距视图。图12B示出了滚动元件1228的指向上的等距视图，滚动元件放置在刀片126的一部分中。可以利用滚动元件1228来例如在钻井操作期间接合井下地层的相邻部分以形成井筒。滚动元件1228还可用作切削深度控制器(DOCC)。在此类实现方案中，滚动元件1228可以放置在刀片126的一部分中，位于在刀片的切削面上的第一排切削元件后方的第二排元件中。
也可将滚动元件1228与其它井下钻井工具一起使用。根据井下钻井工具上的滚动元件1228相对于井下钻井工具旋转方向的取向，滚动元件1228可以执行非切削的功能，或者可以执行切削功能。例如，滚动元件1228可以放置在扩孔器上或稳定器上，使得在滚筒1210的外部尖端处，滚筒1210的旋转方向在钻井操作期间与井筒中的扩孔器或稳定器的旋转方向对准。在此类实现方案中，滚动元件1228可减少在钻井操作期间在井下钻井工具(例如，扩孔器或稳定器)与例如井筒侧壁之间的发生的摩擦量。作为另一实例，滚动元件1228可以放置在钻头上，使得在滚筒1210的尖端处，滚筒1210的旋转方向大致上垂直于钻头的旋转方向。在此类实现方案中，滚动元件1228可在钻井操作期间与地层相互作用并切入地层。
滚动元件1228可以包括顶部元件1214、底部元件1212和滚筒1210。顶部元件1214可以包括内部腔室(未明确地示出)，内部腔室可以容纳滚筒1210的一部分。此外，底部元件1212可以包括圆形内部沟槽，其对应于滚筒1210的圆形形状。如图12A所示，滚筒1210可从顶部元件1214中的开口突出。在顶部元件1214的顶部处的开口可以小于滚筒1210的直径。因此，顶部元件1214可以将滚筒1210保持在适当位置，使得滚筒1210保持容纳在内部腔室或顶部元件1214内。顶部元件1214还可包括沟槽，沟槽可与锁定元件结合使用以将滚动元件1228固定和/或锁定在钻头的刀片上的适当位置。
如图12B所示，滚动元件1228可以放置在刀片126的凹穴1211中。在滚动元件1228的第一侧上，开口1250a和1250b可与刀片126的开口1252a和1252b对准，并且切削元件沟槽1230(图12A中所示的)可与对应凹穴沟槽对准，以便形成“U”形空腔1231。同样，在滚动元件1228的另一侧上，开口1250c和1250d可与刀片126的开口1252c和1252d对准，并且第二切削元件沟槽可与第二对应凹穴沟槽对准，以便在滚动元件1228的另一侧上形成“U”形空腔(未明确地示出)。在滚动元件1228放置在凹穴1211中的情况下，切削元件1228可由一个或多个锁定元件以如以上参考图5A-C的相应刀片、切削元件和锁定元件所述的类似方式固定或锁定到适当位置。
虽然本公开描述了将钻井元件(诸如切削元件、DOCC或滚动元件)固定到钻头，但是可以利用本文参考图4-12B所述锁定元件将任何合适钻井元件固定到任何合适井下钻井工具。例如，可以利用本文所述锁定元件固定切削元件、DOCC、滚动元件，以及在钻井期间使地层接合到钻头的其它类型钻井元件(例如，保径垫、滚动保径垫、冲击制动装置或MDR)。此外，可以利用本文所述锁定元件将合适钻井元件固定到钻头或其它类型井下钻井工具(诸如稳定器或扩孔器)。另外，上文在图4-12B中描述的锁定元件的示例特征可彼此以任何合适组合实现。例如，可以利用一个或两个或更多锁定元件将本文所述切削元件中的任何切削元件固定在刀片的凹穴内。限定锁定元件的路径的凹穴沟槽和切削元件沟槽可为“U”形形状、“L”形形状、水平形状、竖直形状、对角形状或任何其它合适形状。另外，例如利用具有多个锁定元件的多个凹穴沟槽和切削元件沟槽组的实现方案，每个凹穴沟槽和切削元件沟槽组可以具有相同或不同的形状。作为一个实例，切削元件可由放置在具有“U”形形状的第一凹穴沟槽和切削元件沟槽组中的第一锁定元件和放置在具有“L”形形状的第二凹穴沟槽和切削元件沟槽组中的第二锁定元件固定。
此外，每组的凹穴沟槽和钻井元件沟槽可以具有至少一个开口，所述至少一个开口可在钻头并未用于钻井操作时接近。因此，可将锁定元件从由凹穴沟槽和钻井元件沟槽形成的空腔中移除，并且可以在钻头并未用于钻井操作时移除和/或替换由锁定元件固定的一个或多个钻井元件。
本文中的实施方案可以包括：
A.一种钻头，所述钻头包括：钻头主体；以及刀片，所述刀片被安置在所述钻头主体的外部部分上，所述刀片包括凹穴和包括在所述凹穴中的凹穴沟槽。所述钻头还包括：钻井元件，所述钻井元件位于所述凹穴中，所述钻井元件包括钻井元件沟槽，所述钻井元件沟槽至少部分地与所述凹穴沟槽对准；以及锁定元件，所述锁定元件延伸穿过所述凹穴沟槽和所述钻井元件沟槽内的组合空间。
B.一种井下钻井工具，所述井下钻井工具包括：凹穴；凹穴沟槽，所述凹穴沟槽包括在所述凹穴中；钻井元件，所述钻井元件位于所述凹穴中，所述钻井元件包括钻井元件沟槽，所述钻井元件沟槽至少部分地与所述凹穴沟槽对准；以及锁定元件，所述锁定元件延伸穿过所述凹穴沟槽和所述钻井元件沟槽内的组合空间。
实施方案A和B中的每者可以具有呈任何组合的以下额外要素中的一个或多个：
要素1：其中所述钻井元件包括切削元件。要素2：其中所述钻井元件包括滚动元件。要素3：其中所述钻井元件包括切削深度控制器(DOCC)。要素4：其中所述锁定元件包括锁环。要素5：其中所述锁定元件包括锁线。要素6：其中所述锁定元件包括形状记忆金属、弹簧钢和环氧树脂中的一者。要素7：其中所述钻井元件沟槽以一定偏移与所述凹穴沟槽对准。要素8：其中由所述凹穴沟槽和所述钻井元件沟槽形成的空腔包括端部，所述端部可从所述刀片和所述钻井元件中的至少一者的外表面接近。要素9：其中所述空腔从所述空腔的第一端部到所述空腔的相对端部形成U形形状和L形形状中的一种。要素10：其中由所述凹穴沟槽和所述钻井元件沟槽形成的所述空腔具有圆形横截面形状、正方形横截面形状、三角形横截面形状中的一种或其组合。要素11：所述钻头还包括锁帽，所述锁帽位于由所述凹穴沟槽和所述钻井元件沟槽形成的所述空腔的开口处，所述锁帽包括按压帽、螺纹塞、铜焊头和环氧树脂中的一者。要素12：其中所述钻井元件具有带平边的圆形横截面。要素13：所述井下钻井工具包括钻头，并且所述凹穴和所述凹穴沟槽位于所述钻头的刀片上。要素14：所述井下钻井工具包括扩孔器，并且所述凹穴和所述凹穴沟槽位于所述扩孔器上。要素15：所述井下钻井工具包括稳定器，并且所述凹穴和所述凹穴沟槽位于所述稳定器上。
虽然已经利用若干实施方案描述了本公开，但对于本领域技术人员可提出各种改变和修改。本公开旨在涵盖如落在随附权利要求书范围内的此类改变和修改。
Claims (20)
1.一种钻头，所述钻头包括：
钻头主体；
刀片，所述刀片被安置在所述钻头主体的外部部分上，所述刀片包括：
凹穴；以及
凹穴沟槽，所述凹穴沟槽邻接所述凹穴；
钻井元件，所述钻井元件位于所述凹穴中，所述钻井元件包括钻井元件沟槽，所述钻井元件沟槽至少部分地与所述凹穴沟槽对准；以及
锁定元件，所述锁定元件延伸穿过所述凹穴沟槽和所述钻井元件沟槽内的组合空间。
2.如权利要求1所述的钻头，其中所述钻井元件包括切削元件。
3.如权利要求1所述的钻头，其中所述钻井元件包括滚动元件。
4.如权利要求1所述的钻头，其中所述钻井元件包括切削深度控制器(DOCC)。
5.如权利要求1所述的钻头，其中所述锁定元件包括锁环。
6.如权利要求1所述的钻头，其中所述锁定元件包括锁线。
7.如权利要求1所述的钻头，其中所述锁定元件包括形状记忆金属、弹簧钢和环氧树脂中的一者。
8.如权利要求1所述的钻头，其中所述钻井元件沟槽以一定偏移与所述凹穴沟槽对准。
9.如权利要求1所述的钻头，其中由所述凹穴沟槽和所述钻井元件沟槽形成的所述空腔包括端部，所述端部可从所述刀片和所述钻井元件中的至少一者的外表面接近。
10.如权利要求1所述的钻头，其中所述空腔从所述空腔的第一端部到所述空腔的相对端部具有U形形状和L形形状中的一种。
11.如权利要求1所述的钻头，其中由所述凹穴沟槽和所述钻井元件沟槽形成的所述空腔具有圆形横截面形状、正方形横截面形状、三角形横截面形状中的一种或其组合。
12.如权利要求1所述的钻头，其还包括锁帽，所述锁帽位于由所述凹穴沟槽和所述钻井元件沟槽形成的所述空腔的开口处，所述锁帽包括按压帽、螺纹塞、铜焊头和环氧树脂中的一者。
13.如权利要求1所述的钻头，其中所述钻井元件具有带平边的圆形横截面。
14.一种井下钻井工具，所述井下钻井工具包括：
凹穴；
凹穴沟槽，所述凹穴沟槽邻接所述凹穴；
钻井元件，所述钻井元件位于所述凹穴中，所述钻井元件包括钻井元件沟槽，所述钻井元件沟槽至少部分地与所述凹穴沟槽对准；以及
锁定元件，所述锁定元件延伸穿过所述凹穴沟槽和所述钻井元件沟槽内的组合空间。
15.如权利要求14所述的井下钻井工具，其中所述钻井元件包括切削元件。
16.如权利要求14所述的井下钻井工具，其中所述钻井元件包括滚动元件。
17.如权利要求14所述的井下钻井工具，其中所述钻井元件包括切削深度控制器(DOCC)。
18.如权利要求14所述的井下钻井工具，其中：
所述井下钻井工具包括钻头；以及
所述凹穴和所述凹穴沟槽位于所述钻头的刀片上。
19.如权利要求14所述的井下钻井工具，其中：
所述井下钻井工具包括扩孔器；并且
所述凹穴和所述凹穴沟槽位于所述扩孔器上。
20.如权利要求14所述的井下钻井工具，其中：
所述井下钻井工具包括稳定器；并且
所述凹穴和所述凹穴沟槽位于所述稳定器上。
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