CN107532457A - 具有成形切削元件的钻头切削器 - Google Patents

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CN107532457A CN201580079071.8A CN201580079071A CN107532457A CN 107532457 A CN107532457 A CN 107532457A CN 201580079071 A CN201580079071 A CN 201580079071A CN 107532457 A CN107532457 A CN 107532457A
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Abstract

本文公开了一种具有成形切削元件的钻头切削器。所述切削器包括具有固定部分的基底，和可旋转地附接至所述固定部分的旋转部分。所述切削器还包括固定至所述基底的所述旋转部分的切削元件，所述切削元件在垂直于所述旋转切削元件的切削器轴线的平面中具有非圆形截面，所述截面具有径向对称形状。

Description

具有成形切削元件的钻头切削器
技术领域
本公开一般涉及用于钻头和其它井下切削工具的切削器。
背景技术
各种类型的工具用于在地下地层中形成井筒，以回收烃类物(诸如位于地面下方的油和气)。这种工具的实施例包括旋转钻头、开孔器、钻孔器和取芯钻头。旋转钻头包括固定切削器钻头，诸如多晶金刚石(PCD)钻头。钻头可用来钻取穿过各种级别或类型的地质地层。然而，在地层随着深度或位置而变化(例如，从一个深度/位置处的较低抗压强度变至另一深度/位置处的较高抗压强度)时，切削器的性能可能变化。
附图说明
可通过参考结合附图的以下描述来获得对本公开及其特征和优点的更完整理解，其中相同附图标记表示相同特征，并且其中：
图1示出示例钻井系统的正视图；
图2示出示例固定切削器钻头的等距视图；
图3示出表示钻取井筒通过第一井下地层并进入相邻的第二井下地层的钻头的截取部分的截面图和正视图；
图4A示出具有成形切削元件的示例旋转切削器的截面侧视图；
图4B示出具有成形切削元件的示例非旋转切削器的截面侧视图；
图5A示出示例切削器的等距视图；
图5B示出示例切削器的等距视图；
图5C示出示例切削器的等距视图；
图6A示出示例切削器的截面侧视图，包括相关联的钻井力；
图6B示出钻取井下地层的切削元件的截面前视图；
图6C示出钻取井下地层的成形切削元件的截面前视图；
图7A示出表示钻头的刀片的向上指向的截面视图的刀片轮廓；和
图7B示出与地层相互作用的切削器的截面视图。
具体实施方式
本公开提供用于钻头的切削器的实施方案，所述切削器具有用于提高切削器性能的各种机械属性，诸如这里一般称为成形切削元件的特定形状(非圆形)切削元件。具有这些成形切削元件的切削器可安装至钻头主体，并且可选地绕切削器的切削器轴线旋转。根据本公开的多个切削器可处于钻头主体上的关键选择位置。每个切削器可包括基底和由(诸如通过钎焊或高温压制)固定至基底的一端上的硬切削材料(例如，多晶金刚石)制成的成形切削元件。切削元件可由超硬材料(诸如多晶金刚石(PCD)或立方氮化硼)形成。切削元件具有至少一个切削表面，该切削表面是用于在钻井期间接触地层的切削元件的部分或包括所述部分。切削器固定至钻头主体以定位切削元件，使得切削表面在钻井期间接合井下地层。
在本公开的一方面，切削元件本身可具有除了常规固定切削器钻头上的大致圆形或圆柱形切削元件之外的特定几何形状。切削元件的特定形状可以是不同于切削元件附接至其上的基底的形状，且与该形状无关。例如，切削器可包括具有固定至具有圆柱形状的基底的多边形形状的切削元件。还公开了多种不同切削元件形状，以及切削元件和基底形状组合的不同组合。
此外，切削器的至少一部分可旋转地固定至钻头主体，使得切削元件可绕穿过切削元件的切削器轴线旋转。在一些实施方案中，切削器包括要附接至钻头的基座部分(其可选地是基底型材料)，和可旋转地固定至固定基座部分的可旋转基底部分。旋转基底部分和固定至旋转基底部分的切削元件相对于固定基座部分绕切削器轴线一起旋转。或者，在其它实施方案中，成形切削元件和基底不可旋转地固定至固定切削器钻头的钻头主体。
在其中切削器具有成形切削元件(和基底)并且可旋转地固定至钻头主体的实施方案中，切削元件的旋转可允许切削元件和相关联的切削器具有增加的使用寿命，从而降低切削器更换的频率。具体而言，切削元件相对于固定基座部分旋转的能力可通过在一段时间内将更长的切削表面周长(与传统固定切削器上的切削刃相比)暴露在地层来减少切削器磨损。
即使在其中成形切削元件不相对于钻头主体旋转的实施方案中，与传统圆形切削元件相比，成形非旋转切削元件也可具有改进性质。例如，在相同切削深度下，与标准圆形切削元件相比，成形非圆形非旋转切削元件可具有与地层更长接触弧长。因此，具有靠近钻头轴线定位的成形非旋转切削元件的切削器可施加更大钻压(WOB)，这可引起较小钻头扭矩(TOB)。包括具有成形非旋转切削元件的切削器的井下钻井工具可因此在定向钻井期间允许改进工具面控制。可通过参考图1至图7进一步理解本公开的特征及其优点。
本公开的切削器也可用在钻井系统(诸如图1中的钻井系统100)中。图1示出示例钻井系统的正视图。钻井系统100可被构造为提供钻孔以进入一个或多个地质地层中。钻井系统100可包括井表面，有时称为井场106。井场106可包括可具有与陆地钻机相关联的各种特性和特征的钻机102。然而，结合本公开的教示的井下钻井工具可与位于海上平台、钻井船、半潜式钻井平台和钻井驳船(图1中未明确示出)的钻井设备一起令人满意地使用。
钻进系统100可包括与钻头101相关联的钻柱103，该钻头可用于形成各种井筒或钻孔，并且可包括本公开的切削器。井底钻具组件(BHA)120可由被构造为形成井筒114的各种部件形成。例如，BHA 120的部件122a、122b和122c可包括但不限于钻头(例如，钻头101)、钻铤、旋转转向工具、定向钻井工具、井下钻井马达、用于钻柱和其它振动和旋转相关传感器的重量、扭矩、弯曲和弯曲方向测量的钻井参数传感器、孔扩大器(诸如扩孔器、管下扩孔器或开孔器)、扶正器、随钻测量(MWD)部件(包含井筒测量设备)、用于测量地层参数的随钻测井(LWD)传感器、用于通信的短程遥距遥测系统和/或任何其它合适的井下设备。包括在BHA 120中的部件(诸如钻铤和不同类型的部件122)的数量可取决于预期井下钻井条件和将由钻柱103和旋转钻头101形成的井筒的类型。钻头101可根据本公开的教示而设计并形成，并且可根据钻头101的特定应用具有许多不同设计、构造和/或尺寸。
本公开的切削器可用于井下工具(诸如固定切削钻头)。图2示出固定切削器钻头的等距视图。钻头101可以是各种类型的固定切削器钻头中的任何一种，包括PCD钻头、刮刀钻头、矩阵钻头和/或钢体钻头(其可操作以形成延伸通过一个或多个井下地层的井筒)。可从本文所述的公开中受益的其它切削工具包括但不限于孕镶钻头、取芯钻头、取芯工具、扩孔器和其它已知井下钻井工具。
钻头101可包括一个或多个刀片202(例如，刀片202a-202g)，这些刀片可从钻头101的旋转钻头主体204的外部分向外设置。旋转钻头主体204可以是大致圆柱形，并且刀片202可以是从旋转钻头主体204向外延伸的任何合适类型的突起。例如，刀片202的一部分可直接或间接地耦接至钻头主体204的外部分，而刀片202的另一部分可突出远离钻头主体204的外部分。根据本公开的教示形成的刀片202可具有各种构造，包括但不限于基本上拱形、螺旋形、盘旋形、锥形、收敛形、发散形、对称形和/或不对称形。
刀片202和钻头101可在由方向箭头214限定的方向上绕钻头轴线208旋转。刀片202可包括从每个刀片202的外部分向外设置的一个或多个切削器206。例如，切削器206的基座部分可直接或间接地耦接至刀片202的外部分，同时切削器206的切削元件可突出远离刀片202的外部分。切削器206可以是被构造为切削进地层的任何合适装置，包括但不限于主切削器、备用切削器、辅助切削器，或这些切削器的任意组合。作为示例而非限制的方式，切削器206可以是各种类型的切削器、压块、控件、插入件和保径切削器，其与各种钻头101一起令人满意地使用。
切削器206可保持在位于钻头101的刀片202上的凹槽或切削器插口240中。钎焊材料、焊接材料、焊烙材料、粘合剂或其它粘附材料可放置在切削器主体230(特别是固定基座部分)和切削器插口240之间。切削器206也可通过重新加热钎焊材料而从切削器插口240中移除，然后在物理上脱位切削器206。然后可将新切削器206插入切削器插口240中并经由钎焊接头耦接。切削器206还可通过使用另一固定机构耦接至刀片(诸如钻头101的刀片202)。然而，切削器206也可耦接至钻头101的任何其它部件(诸如刀片202的顶部)或者作为备用切削器。
任何合适的切削器可包括成形切削元件。如下面参考图3所述，钻头的钻头面可分为一个或多个区域。任何合适区域中的切削器可包括成形切削元件。例如，至少一个或所有锥形切削器可包括成形切削元件。此外，至少一个或所有保径切削器可包括成形切削元件。此外，至少一个或所有轴肩切削器可包括成形切削元件。此外，至少一个或所有鼻圆切削器可包括成形切削元件。
钻头101的井口端220可包括柄222，该柄上形成有钻杆螺纹224。螺纹224可用于将钻头101与井底钻具组件可释放地接合，由此钻头101可相对于钻头轴线208旋转。
切削器206可包括设置在切削器主体230的一端上的切削元件232。切削元件232包括切削面，当该切削面用在钻头上时与井下地层的相邻部分接合以形成井筒，或者在其它井下工具上执行类似功能。切削元件232可包括切削面234和切削刃236。切削面234和可选地还有切削刃236与地层的接触可形成与每个切削器206相关联的切削区域。切削元件232可具有平坦或平面切削面234，但是也可具有弯曲切削面234。切削元件232的不同部分可具有其具有各种不同性质的不同表面和/或切削刃。例如，切削元件232的不同部分可具有不同硬度和/或抗冲击性。切削元件232的这些性质可基于所使用的材料(例如，金刚石晶粒尺寸)和/或处理(例如，浸出)。
如下面参考图4A和图4B更详细地示出，切削器主体230可包含切削元件232可设置在其上的旋转部分，和可附接至井下工具的固定基座部分。切削器主体230的基底部分可由碳化钨或与形成旋转钻头的切削器相关联的其它合适材料形成。碳化钨可包括但不限于单碳化钨(WC)、二碳化钨(W2C)、微晶碳化钨和胶结或烧结碳化钨。切削器主体230的基底部分也可使用其它硬质材料(其可包括各种金属合金和水泥，诸如金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物和金属氮化物)形成。此外，各种结合金属(诸如钴、镍、铁、金属合金或其混合物)可包括在切削器主体230的基底部分中。类似于基底部分，也可使用这些材料中的任何一种来形成切削器主体230的固定基座部分。切削器主体230的固定基座部分也可由其它钻头主体材料(诸如钢、钢合金、碳化物(例如，碳化钨、碳化硅等))形成。
对于一些应用，切削元件232可由与基底基本相同的材料形成。在其它应用中，切削元件232可由与基底不同的材料形成。用于形成切削元件232的材料的实施例可包括PCD(包括合成多晶金刚石、热稳定多晶金刚石(TSP)和其它合适材料)。
为了形成切削元件232，旋转基底部分可放置在靠近超硬材料颗粒(例如金刚石颗粒)层处，并且经受高温和高压，以导致重结晶并形成多晶材料层(例如PCD层)。切削元件232和旋转基底部分可形成为切削器206的两个不同部件。切削元件232和旋转基底部分可选地一体形成。切削元件232可包括不同切削刃和/或切削面。可基于由钻头切削的地层的特性来设计切削元件232的切削刃和切削面的性质。此外，切削元件232可具有其具有各种不同切削面性质(例如，硬度和/或抗冲击性)的部分(例如，切削刃和/或切削面)。这些切削面性质可基于所使用的材料(例如，金刚石晶粒尺寸)或处理(例如，浸出)。虽然在下面的图5A-7B中示出特定数量的不同切削刃或切削面性质，但是切削元件232可具有任何数量的切削刃或切削面性质。下面参考图5A-7B讨论可包括在切削器232上的切削刃或切削面的实施例。
图3示出表示钻取井筒通过第一井下地层并进入相邻的第二井下地层的钻头的截取部分的截面图和正视图(如上面在图1和图2中所示)。刀片的外部分(图3中未明确示出)和切削器328可旋转地突出至径向平面以形成钻头面轮廓300。如图所示，地层302可被描述为“较软”或“较不硬”(当与井下地层304比较时)。如图3所示，接触井下地层的相邻部分的钻头101的外部分可被描述为“钻头面”。钻头101的钻头面轮廓300可包括各种区域或区段。由于钻头面轮廓300的旋转突起，钻头面轮廓300可绕钻头轴线208基本上对称，使得钻头轴线208的一侧上的区域或区段可基本上类似于钻头轴线208的相对侧上的区域或区段。
例如，钻头面轮廓300可包括位于相对保径区域306b的保径区域306a、位于相对轴肩区域308b的轴肩区域308a、位于相对鼻圆区域310b的鼻圆区域310a，和位于相对锥形区域312b的锥形区域312a。包括在每个区域中的切削器206可被称为该区域的切削器。例如，包括在保径区域306中的切削器328g可被称为保径切削器，包括在轴肩区域308中的切削器328s可被称为轴肩切削器，包括在鼻圆区域310中的切削器328n可被称为鼻圆切削器，和包括在锥形区域312中的切削器328c可被称为锥形切削器。
锥形区域312可形成于与钻头轴线208相邻并且从其中延伸出的钻头101的每个刀片(例如，图2所示的刀片202)的外部分上。锥形区域312可包括凸形部分和/或凹形部分。鼻圆区域310可以是大体上凸形并且可形成于钻头101的每个刀片的外部分上(与每个锥形区域312相邻并且从其中延伸)。轴肩区域308可形成于从相应鼻圆区域延伸的每个刀片202的外部分310并且可靠近相应保径区域306终止。如图3所示，钻头面轮廓300的面积可取决于与钻头面轮廓300的区域或区段相关联的截面积，而不是切削器的总数量、刀片的总数量或每个切削器的切削区域。图3仅用于说明的目的，并且在不脱离本公开的范围的情况下，可对图3进行修改、添加或省略。例如，各个区域相对于钻头面轮廓的实际位置可与图3中的描绘不同。
图4A示出具有成形切削元件的示例旋转切削器的截面侧视图。基底的旋转部分可旋转地固定至固定基座部分的方式有很多。例如，如图4A所描绘，旋转切削器400包括固定基座部分404b和耦接至旋转基底部分404a的相关联的成形切削元件402。固定基座部分404b可包括大致圆柱形内部凹槽410。凹槽410可被构造为容纳旋转基底部分404a。可选择旋转基底部分404a以配合在限定在固定基座部分404b内的凹槽内。旋转基底部分404a可被构造为支撑成形切削元件402并且相对于凹槽410内的固定基座部分404b旋转。
保持器416可将旋转基底部分404a保持在相关联凹槽410中，同时允许旋转基底部分404a相对于固定基座部分404b旋转。保持器416可包括被构造为允许旋转基底部分404a相对于固定基座部分404b绕其切削器轴线418旋转的任何保持机构或装置。例如，轴承或保持球可用在旋转基底部分404a和凹槽410之间，以将旋转基底部分404a固定在凹槽410内。保持器416可包括设置在环形阵列中的保持球或其它球轴承机构。环形阵列可由例如旋转基底部分404a中的内球座圈420和固定基座部分404b的凹槽410的相邻内部分中的外球座圈422形成。当切削组件406安装在固定基座部分404b中时，内球座圈420和外球座圈422可基本上对准，并且内座圈420和外座圈422之间限定的空间通常可被球轴承占据。
除了上面直接描述的球轴承之外或代替其，保持器416可包括将旋转基底部分404a可旋转地固定在凹槽410内的任何其它合适机械互锁装置。例如，保持器416可包括将旋转基底部分404a可旋转地固定在凹槽410内的一个或多个销(在图4A中未明确示出)。此外，可使用多个保持机构或保持器416。保持器416可由能够承受切削组件406接合地层时作用的压缩力的任何材料制成。例如，保持器416可由钢、钢合金、碳化物(例如，碳化钨、碳化硅等)或任何其它合适材料制成。当插入时，保持器416可防止旋转基底部分404a与固定基座部分404b分离。此外，保持器416可允许旋转基底部分404a绕切削器轴线418旋转。虽然图4A中描绘了固定基座部分404b和旋转基底部分404a的特定构造，但是可使用任何合适保持器来将每个旋转基底部分404a可旋转地固定在相关联凹槽410中。
旋转基底部分可以任何合适构造固定至固定基底部分。例如，凹槽可限定在旋转基底部分内，并且这样的凹槽可被构造为容纳固定基座部分。在该实施方式中，可使用类似于保持器416的保持器将固定基座部分固定在稳定基底部分的凹槽内。内球座圈可限定在固定基座部分上，而不是限定在旋转基底部分上。类似地，外球座圈可限定在旋转基底部分上，而不是限定在固定基座部分上。或者，可使用任何其它合适的保持器或保持机构。
对于一些应用，轴承表面(图4A中未明确示出)可便于旋转切削器的旋转。例如，轴承表面可设置在可旋转基底的外部分和形成于固定基座部分内的凹槽的内部分上。与将可旋转基底安装在固定基座部分内相关联的轴承表面可形成为可旋转基底和/或固定基座部分的一体部件。虽然描述了轴承表面的特定构造，但是可使用轴承表面的任何合适构造来便于一个或多个旋转基底部分404a在相关联凹槽410中的旋转。
成形切削元件402可设置在旋转基底部分404a的一端上。成形切削元件402可类似于参考图2讨论的切削元件232，并且因此可被构造为在钻井操作期间切穿地层。成形切削元件402可在垂直于切削器轴线418的平面中具有非圆形截面。此外，成形切削元件402可包括切削刃430的不同刃构造和/或切削面432的切削面性质。例如切削刃430可构造有倒角或斜面。此外，成形切削元件402的不同部分可具有不同切削面性质。例如，切削元件的不同部分可由不同材料形成或者施加不同处理。因此，成形切削元件402的不同部分可具有不同硬度和/或抗冲击性值。这些性质可至少部分地基于用于形成成形切削元件402的材料(例如，金刚石晶粒尺寸)或施加至成形切削元件402的处理(例如，浸出)。
成形切削元件也可固定至非旋转切削器。图4B示出具有成形切削元件的示例非旋转切削器的截面侧视图。切削器450包括基底部分454和耦接至基底部分454的相关联成形切削元件452。成形切削元件452可类似于参考图2讨论的切削元件232，并且因此可被构造为在钻井操作期间切穿地层。成形切削元件452可在垂直于切削器轴线462的平面中具有非圆形截面。此外，成形切削元件452可包括切削刃458的不同刃构造和/或切削面460的切削面性质。例如切削刃458可构造有倒角或斜面。此外，成形切削元件452的不同部分可具有不同切削面性质。例如，切削元件的不同部分可由不同材料形成或者施加不同处理。因此，成形切削元件452的不同部分可具有不同硬度和/或抗冲击性值。这些性质可至少部分地基于用于形成成形切削元件452的材料(例如，金刚石晶粒尺寸)或施加至成形切削元件452的处理(例如，浸出)。
图5A示出示例切削器的等距视图。切削器500可包括基底504和成形切削元件502。成形切削元件502可具有非圆形截面。如下面参考图6A-7B进一步详细描述，地层和成形切削元件502之间的相互作用可促进切削器500绕切削器轴线518的旋转。
在垂直于切削器的切削器轴线的平面中成形切削元件的截面可具有各种形状。例如，成形切削元件可具有正多边形截面。为了本公开的目的，正多边形可指多边形，其中所有侧面都具有大约相同长度，并且其中所有内角都大约相等。如在示例切削器500上所描绘，成形切削元件502具有七边形截面。成形切削元件可具有对应于高阶正多边形的截面，包括具有6边和36边之间的正多边形。成形切削元件可具有凸形截面或凹形截面。为了本公开的目的，如果截面的一个或多个内角大于大约180度，则截面可以是凹形。类似地，为了本公开的目的，包括凹形部分和凸形部分两者的截面可被称为凹形。成形切削元件502可绕切削器轴线518径向对称。成形切削元件502还可具有包括任何合适数量的齿的截面，如参考图5C所描述。成形切削元件502可由基底504的截面限定。因此，因为成形切削元件502可具有非圆形截面，所以成形切削元件502可重叠在基底504下方。
成形切削元件可包括一种或多种类型的切削刃。例如，成形切削元件502包括倒角切削刃530。虽然成形切削元件502被示出为具有倒角刃(其具有相对于切削表面506的特定角度和特定倒角宽度508)，但是成形切削元件通常可具有倒角刃(其具有相对于切削表面的任何合适角度和任何合适倒角宽度)。此外，除了倒角刃之外或代替倒角刃，成形切削元件可具有任何数量的倾斜刃、非平面刃和平面刃。类似于倒角刃，其它刃(诸如倾斜刃、非平面刃和平面刃)可具有任何合适尺寸。
此外，成形切削元件，或成形切削元件的部分可由不同材料形成。因此，成形切削元件的不同切削面可具有不同切削面性质。例如，不同切削面可具有不同硬度和/或抗冲击性。这些性质可至少部分地基于用于形成成形切削元件502的材料(例如，金刚石晶粒尺寸)，或施加至成形切削元件502的处理(例如，浸出)。可至少部分地基于抗冲击性和钻井效率来选择成形切削元件的刃构造。例如，大倒角尺寸可增加抗冲击性，并因此增加钻头寿命。类似地，大倒角尺寸可降低钻井效率。虽然在图5A中描绘了成形切削元件的特定性质，但是成形切削元件可具有任何合适形状、刃构造或其它切削元件性质。
成形切削元件可具有许多不同形状、刃构造和/或切削面性质。此外，如下面参考图5C进一步详细描述，成形切削元件可包括非多边形形状(代替图5A所示的多边形形状)。
图5B示出示例切削器的等距视图。切削器540可具有类似于切削器500的特征，如上面参考图5A所述。例如，切削器540可包括基底544和成形切削元件542。成形切削元件542可具有正多边形截面。成形切削元件542具有平面切削刃而不是倒角切削刃。因此，如上面参考图5A所述，切削器540可具有比切削器500大的抗冲击性。相应地，切削器540可具有比切削器500低的钻井效率。
图5C示出示例切削器的等距视图。成形切削元件562具有非多边形凹形截面。具体而言，成形切削元件562包括围绕成形切削元件562的圆周间隔开的齿564。成形切削元件上的齿可以是圆形，诸如圆形或椭圆形的区段或扇区。圆形区段是圆形弦和由对弦弧之间的区域。圆形扇区是由两个圆形半径和这两个半径之间的圆弧包围的区域。然而，可使用任何合适的齿形状，诸如正多边形或其它多边形。齿564可布置在成形切削元件的刃周围，使得可保持切削器的切削器轴线周围的对称性。虽然成形切削元件562被示出为具有平面刃，但是成形切削元件562可包括任何数量的倒角刃、倾斜刃、非平面刃和平面刃。此外，成形切削元件562可包括用于任何倒角刃、倾斜刃、非平面刃和平面刃的任何合适尺寸。此外，不同切削面可具有不同切削面性质。例如，不同切削面可具有不同硬度和/或抗冲击性。这些性质至少部分地基于用于形成切削元件562的材料(例如，金刚石晶粒尺寸)或施加至切削元件562的处理(例如，浸出)。
在切削器移动通过地层时，成形切削元件接触地层。结果，成形切削元件可产生钻井力。对于附接至旋转基底的成形切削元件，由成形切削元件引起的钻井力可促进切削器的旋转。位于靠近钻头轴线的成形非旋转切削器因此可施加更大钻压(WOB)，这可引起钻头扭矩(TOB)较小，从而允许改进工具面控制。
图6A示出示例切削器的截面侧视图，包括相关联的钻井力。切削器600包括成形切削元件606。成形切削元件606包括切削面624。在切削器600在钻井方向上移动通过地层时，成形切削元件606可产生钻井力(诸如穿透力620和拖曳力622)。穿透力620可朝向钻头的钻头轴线作用。拖曳力622可垂直于穿透力620并且在与切削器600的钻井方向相反的方向上作用。穿透力620可投射至切削面624的平面中，从而导致径向力628。类似地，拖曳力622可投射至垂直于切削面624的平面中，从而导致法向力626。
拖曳力622和穿透力620可取决于切削器几何系数(Kd)和(Kp)，其可以是切削器600的后倾角、侧倾角和齿廓角的函数。此外，拖曳力622和穿透力620可另外取决于岩石抗压强度(σ)、切削区域的面积(A)和切削区域的接触长度(L)。拖曳力622和穿透力620可由以下等式表示：
Fd＝Kd*σ*f(A,L)
Fp＝Kp*σ*f(A,L)
如果例如切削器的切削区域、切削器几何系数或切削器的位置处的岩石抗压强度在切削器之间变化，则钻井力可变化。例如，切削力可取决于钻头的刀片上的切削器位置、倾角、地层抗压强度、穿透速率(ROP)、钻压(WOB)和/或每分钟转数(RPM)。拖曳力和穿透力可由一个或多个单独切削器产生。基于切削器在井筒中的相对位置和取向，切削器上的每个拖曳力和穿透力可分解为水平分量和垂直分量。这些力的垂直分量的总和可用于估计WOB。此外，拖曳力可乘以它们各自的力矩臂以计算钻头扭矩(TOB)。
图6B示出钻取井下地层的切削元件的截面前视图。在钻井期间，切削器640可移动通过地层642。具有圆形截面的切削元件的切削器在与地层接合时在切削器轴线(例如，切削器640的切削器轴线644)周围产生零或非常小的扭矩。如上面参考图6A所描述，在切削器移动通过地层时，切削器可产生包括一个或多个径向力的各种钻井力。具有圆形截面的切削器(诸如切削器640)可产生单个径向力。例如，切削器640可产生径向力646。径向力646可基本上朝向切削器轴线644作用。因此，径向力646通常在切削器轴线644周围产生零或非常小的扭矩。
图6C示出钻进井下地层的成形切削元件的截面前视图。与具有其具有圆形截面的切削元件的切削器相比，在切削器上包括成形切削元件可改变由切削器产生的力。具有成形切削元件的切削器可由于不对称径向力而经历非零扭矩。具体而言，由于与地层的多次接触，成形切削元件可产生多个径向力。例如，对于具有多边形截面的成形切削元件，接触地层的成形切削元件的每个侧面都可产生径向力。类似地，对于具有齿的成形切削元件，接触地层的每个齿可产生径向力。这些多次接触可促可旋转切削器绕可旋转切削器的切削器轴线旋转。因为这些径向力可具有相对于切削器的切削器轴线的变化的力和入射角，所以这些力的总和可在切削器的切削器轴线周围产生扭矩。旋转切削器的切削器轴线周围的扭矩可引起切削器在扭矩的方向上旋转。
如图6C中所描绘，成形切削元件606具有非圆形截面并且包括齿614和齿616。在钻井操作期间，地层608可具有非平面表面。因此，成形切削元件606的各个部分可经历不同径向力。齿614可产生径向力602，而齿616可产生径向力604。径向力602和604可基于成形切削元件606和地层608之间的接触而变化。因为力602和力604可具有不同幅度和方向，所以这些力的总和可导致在切削器轴线610周围的扭矩612。扭矩612可引起可旋转基底部分相对于固定基座部分旋转。因此，切削元件606可由于地层和成形切削元件606之间的相互作用而旋转。成形切削元件606的旋转可允许成形切削元件606的不同部分在钻井操作期间的不同时间接触地层。因此，成形切削元件606的不同部分在钻井操作期间可比非旋转切削元件更均匀地磨损。成形切削元件606和切削器600因此可具有更长有效寿命并且提高钻井操作的效率。
在钻井操作期间，在切削器与井筒的不同部分相互作用时，分别由齿614和齿616引起的径向力602和604的幅度和方向可变化。因此，在成形切削元件606与井筒的不同部分相互作用时，扭矩612的幅度和方向可在钻井操作期间变化。扭矩612可具有正值或负值。因此，扭矩612可引起可旋转切削器绕切削器轴线顺时针或逆时针旋转。此外，径向力602和604可随着成形切削元件606旋转和/或随着成形切削元件606经历磨损而变化。
图7A示出表示钻头的刀片的向上指向的截面视图的刀片轮廓。除了具有可旋转地固定至钻头的成形切削元件的切削器之外，或代替其，具有成形切削元件的切削器(例如，切削器722a、722b和722c)可不可旋转地固定至钻头。在钻井期间，具有成形切削元件的不可旋转地固定的切削器可与井筒的不同部分相互作用，并且因此可具有与地层接触的不同面积和弧长。不可旋转地固定的切削器的不同接触面积和弧长可影响由单个切削器和由钻头产生的力的施加或影响。包括成形切削元件的切削器可耦接至钻头的不同区域，以利用由成形切削元件引起的钻孔力的性质。
例如，如图7A所示，刀片轮廓700包括锥形区域712、鼻圆区域710、轴肩区域708和保径区域706(如上面参考图3进一步详细描述)。锥形区域712、鼻圆区域710、轴肩区域708和保径区域706可基于它们相对于钻头轴线732和水平参考线730沿刀片202的位置来标识，所述水平参考线指示在包括钻头轴线732的平面中与钻头轴线732的距离。刀片轮廓700可包括内区域702和外区域704。内区域702可从钻头轴线732向外延伸至鼻圆点711。外区域704可从鼻圆点711延伸至刀片126的端部。鼻圆点711可以是鼻圆区域710内的刀片轮廓700上的位置，其具有由钻头轴线732(垂直轴线)测量的与参考线730(水平轴线)的最大高度。对应于钻头轴线732的图7A中的曲线图上的坐标可被称为轴向坐标或位置。对应于参考线730的图7A中的曲线图上的坐标可被称为径向坐标或径向位置，其指示在穿过钻头轴线732的径向平面中从钻头轴线732正交延伸的距离。例如，在图7A中，钻头轴线732可沿z轴放置，并且参考线730指示从钻头轴线732正交延伸至可被定义为ZR平面的径向平面上的点的距离(R)。
钻头可包括一个或多个不可旋转切削器，其具有固定至钻头的成形切削元件。例如，如图7A中所描绘，切削器722a、722b和722c可包括成形切削元件。切削器722a、722b和722c不可旋转地附接至钻头的刀片。具有不可旋转成形切削元件的一个或多个切削器可固定在钻头的锥形区域中。具有不可旋转成形切削元件的切削器也可固定至钻头上的任何合适位置，诸如在轴肩区域、鼻圆区域或保径区域中具有不可旋转成形切削元件的一个或多个切削器。
如上面参考图6A和图6B所描述，在成形切削元件在钻井操作期间接触地层时，切削器可经受多次力。例如，穿透力可在切削器的钻井方向上作用。此外，拖曳力可垂直于穿透力作用。拖曳力和穿透力可取决于岩石抗压强度(σ)和切削器的切削面上的切削区域的面积。拖曳力也可取决于切削器的切削面上的切削区域的形状。例如，在一组给定钻井参数(例如，岩石抗压强度、RPM、ROP)下，较小切削区域可比较大切削区域经历较小拖曳力和较小穿透力。可使用成形切削力等式来估计切削区域的形状对钻井力的影响。例如，可利用钻头设计的计算机生成的三维模型来确定每个切削器在钻头设计上的位置。基于每个切削器相对于钻头设计上的其它特征的位置，可为每个对应切削器的切削区域确定切削区域、弧长(S)和等效切削高度(H)。例如，可基于以形状为基础的切削力等式来计算具有其它形状的切削区域的切削器的切削力：
Fc＝μ*σ*ξ*Sα*Hγ
其中μ是与后倾角和侧倾角相关的系数，σ是岩石抗压强度，ξ是与切削形状相关的系数，S是切削区域的弧长，且H是切削区域的等效切削高度。可基于弧长S和切削区域A计算等效切削高度H，如下所示：
H＝A/S
图7B示出与地层相互作用的切削器的截面视图。具有成形切削元件的切削器可具有较长弧长，且因此可产生更大切削力。例如，切削器764包括成形切削元件752，而切削器766的切削元件754具有圆形截面。地层750可包括表面756。在图7B所示的实施例中，成形切削元件752和切削元件754具有进入地层750的相同最大穿透深度758。表面756和最大穿透深度758之间的最短距离可被称为切削深度。如图7B所示，成形切削元件752具有与地层702较长弧形接触长度762(和与切削元件754相关联的弧形接触长度760相比)。因此，切削器764可产生比切削器766更大的切削力。
钻头或钻头设计可具有一个或多个切削器(具有其具有圆形截面的切削元件)，和一个或多个切削器(具有其具有非圆形截面的切削元件)。利用在钻头的锥形区域中具有成形切削元件的切削器可需要更多WOB来利用非成形切削元件实现对钻头的等效穿透力。类似地，对于相同WOB，包括在锥形区域中具有成形切削元件的切削器的钻头可产生较少TOB，从而允许更好工具面控制。
本文公开的实施方案包括：
A.一种用于钻头的切削器，其包括用于可旋转地耦接至钻头的主体的基底，和固定至基底的成形切削元件，成形切削元件在垂直于基底的旋转轴线的平面中具有径向对称非圆形截面。
B.一种钻头，其包括钻头主体，钻头主体的外部分上的刀片，和刀片上的旋转切削器。旋转切削器包括用于可旋转地耦接至钻头的主体的基底，和固定至基底的成形切削元件，成形切削元件在垂直于基底的旋转轴线的平面中具有径向对称非圆形截面。
C.一种钻头，其包括钻头主体，钻头主体的外部分上的刀片，耦接至刀片的第一切削器。第一切削器包括耦接至刀片的第一基底，和基底上的第一切削元件，第一切削元件在垂直于第一切削器的切削器轴线的平面中具有径向对称非圆形截面。
实施方案A、B和C中的每个可具有任何组合的以下附加要素中的一个或多个：要素1：切削器还包括用于固定至钻头的主体的基座部分，其中基底可旋转地固定至基座部分。要素2：其中基座部分包括用于粘结至钻头的主体的基底材料。要素3：其中包括基底材料的基座部分和可旋转地固定至基座部分的基底大致对准并且在垂直于基底的旋转轴线的平面中具有相同截面形状。要素4：其中基座部分还包括凹槽，基底定位在基座部分的凹槽内。要素5：其中切削器还包括保持器，该保持器将基底的旋转部分可旋转地固定在基底的部分的凹槽中。要素6：成形切削元件的截面具有正多边形形状。要素7：成形切削元件的截面具有包括多个齿的凹形状。要素8：多个齿中的每个具有圆形形状。要素9：第一切削器位于刀片的锥形区域上。要素10：刀片上的第二切削器，第二切削器包括固定至刀片的第二基底，和第二基底上的第二切削元件，第二切削元件在第二切削器的切削器轴线周围具有圆形截面。
虽然已经详细描述了本公开及其优点，但是应理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本公开的精神和范围的情况下，可在本文中进行各种改变、更换和替换。本公开旨在涵盖落入所附权利要求书范围内的这些改变和修改。

Claims (20)

1.一种用于钻头的切削器，其包括：
用于可旋转地耦接至所述钻头的主体的基底；和
固定至所述基底的成形切削元件，所述成形切削元件在垂直于所述基底的旋转轴线的平面中具有径向对称非圆形截面。
2.根据权利要求1所述的切削器，其还包括用于固定至所述钻头的所述主体的基座部分，其中所述基底可旋转地固定至所述基座部分。
3.根据权利要求2所述的切削器，其中所述基座部分包括用于粘结至所述钻头的所述主体的基底材料。
4.根据权利要求3所述的切削器，其中包括所述基底材料的所述基座部分和可旋转地固定至所述基座部分的所述基底大致对准并且在垂直于所述基底的所述旋转轴线的平面中具有相同截面形状。
5.根据权利要求4所述的切削器，其中：
所述基座部分还包括凹槽，所述基底定位在所述基座部分的所述凹槽内；并且其中所述切削器还包括保持器，所述保持器将所述基底的所述旋转部分可旋转地固定在所述基底的所述部分的所述凹槽中。
6.根据权利要求1所述的切削器，所述成形切削元件的所述截面具有正多边形形状。
7.根据权利要求1所述的切削器，所述成形切削元件的所述截面具有包括多个齿的凹形状，所述多个齿中的每个具有圆形形状。
8.一种钻头，其包括：
钻头主体；
所述钻头主体的外部分上的刀片；
所述刀片上的旋转切削器，其包括：
用于可旋转地耦接至所述钻头的主体的基底；和
固定至所述基底的成形切削元件，所述成形切削元件在垂直于所述基底的旋转轴线的平面中具有径向对称非圆形截面。
9.根据权利要求8所述的钻头，所述旋转切削器还包括用于固定至所述钻头的所述主体的基座部分，其中所述基底可旋转地固定至所述基座部分。
10.根据权利要求9所述的钻头，其中所述基座部分包括用于粘结至所述钻头的所述主体的基底材料。
11.根据权利要求10所述的钻头，其中包括所述基底材料的所述基座部分和可旋转地固定至所述基座部分的所述基底大致对准并且在垂直于所述基底的所述旋转轴线的平面中具有相同截面形状。
12.根据权利要求11所述的钻头，其中所述基座部分还包括凹槽，所述基底定位在所述基座部分的所述凹槽内；并且其中所述切削器还包括保持器，所述保持器将所述基底的所述旋转部分可旋转地固定在所述基底的所述部分的所述凹槽中。
13.根据权利要求8所述的钻头，所述成形切削元件的所述截面具有正多边形形状。
14.根据权利要求8所述的钻头，所述成形切削元件的所述截面具有包括多个齿的凹形状，所述多个齿中的每个具有圆形形状。
15.一种钻头，其包括：
钻头主体；
所述钻头主体的外部分上的刀片；
耦接至所述刀片的第一切削器，其包括：
耦接至所述刀片的第一基底；和
所述基底上的第一切削元件，所述第一切削元件在垂直于所述第一切削器的切削器轴线的平面中具有径向对称非圆形截面。
16.根据权利要求15所述的钻头，所述第一切削器位于所述刀片的锥形区域上。
17.根据权利要求15所述的钻头，其还包括所述刀片上的第二切削器，所述第二切削器包括：
固定至所述刀片的第二基底；和
所述第二基底上的第二切削元件，所述第二切削元件在所述第二切削器的切削器轴线周围具有圆形截面。
18.根据权利要求15所述的钻头，所述截面具有正多边形形状。
19.根据权利要求15所述的钻头，所述截面具有包括多个齿的凹形状。
20.根据权利要求19所述的钻头，所述多个齿具有圆形形状。
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