CN109196181A - 一半被锁定的滚动元件 - Google Patents

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CN109196181A CN201680085799.6A CN201680085799A CN109196181A CN 109196181 A CN109196181 A CN 109196181A CN 201680085799 A CN201680085799 A CN 201680085799A CN 109196181 A CN109196181 A CN 109196181A
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Abstract

一种钻头，包括：钻头体，所述钻头体具有从其延伸的一个或多个刀片；多个切削齿，所述多个切削齿固定到所述一个或多个刀片；以及滚动元件组件，所述滚动元件组件定位在所述钻头体上限定的腔体内。所述滚动元件组件包括能够在所述腔体内围绕旋转轴线旋转的滚动元件，和能够在所述腔体中限定的保持器狭槽内延伸以将所述滚动元件固定在所述腔体内的保持器。所述保持器和所述腔体协作地围住所述滚动元件的圆周超过180°但小于360°，同时让所述滚动元件的完整轴向宽度暴露。

Description

一半被锁定的滚动元件
背景技术
在石油和天然气产业的常规钻井作业中，钻头安装在钻柱的末端，随着逐渐将井钻到期望的深度，钻柱可以通过增接多个钻杆节段来延长。在井场的地面，可以提供旋转驱动器(称为“顶部驱动器”)来旋转整根钻柱(包括位于末端的钻头)以钻透地层。作为替代，不必使钻柱旋转，而是可以使用井下泥浆马达来旋转钻头。在钻井时，钻井液被泵送通过钻柱，然后从钻头排出，用于移除钻屑和碎屑。如果钻柱中存在泥浆马达，则可以使用循环钻井液来对其选择性地提供动力。
用来钻出井孔的一种常见类型的钻头是“固定切削齿”钻头，其中多个切削齿在固定位置固定到钻头体。这种类型的钻头有时被称为“刮刀钻头”，因为在一个方面，多个切削齿在钻井期间与地层以刮削方式而不是滚动方式接触。钻头体可以由高强度材料(诸如碳化钨、钢或复合材料/胎体材料)形成。多个切削齿(也称为切削齿元件、切削元件或镶齿)附接在钻头体周围的选定位置处。这些切削齿可以包括由碳化物(例如，碳化钨)制成的基体或支撑支柱，以及由沉积到基体上或以其他方式结合到基体的聚晶金刚石材料或聚晶氮化硼材料制成的超硬切削表面层或“台面”。此类切削齿常常被称为聚晶金刚石复合片(“PDC”)切削齿。
在固定切削齿钻头中，PDC切削齿刚性地固定到钻头体，诸如通过在从钻头体延伸的刀片上限定的对应切削齿凹坑内进行硬钎焊而刚性固定。一些PDC切削齿沿刀片的前缘策略性地定位，以便在钻井期间与地层接合。PDC切削齿在使用时，施加在其上(特别是在前后方向上)的力很大。随时间推移，每个切削齿的连续接触地层的工作表面或切削边缘最终被磨损并且/或者变得失效。
附图说明
包含以下附图是为了展示本公开的某些方面，并且不应将这些附图视作排他性实施方案。在不脱离本公开范围的前提下，所公开的发明主题能够在形式和功能上作出相当多的修改、变更、组合与等效变化。
图1A展示了可以采用本公开的多项原理的旋转钻头的等距视图。
图1B展示了旋转钻头的被图1A中标示的框围住的一部分的等距视图。
图1C以剖视立面图展示了图1的钻头，图中该钻头的多个部分已脱离。
图1D展示了刀片轮廓，该刀片轮廓表示图1的钻头的刀片的横截面视图。
图2是滚动元件组件的一个实例的等距视图。
图3是图2的滚动元件组件的侧视图。
图4A和图4B分别是图2和图3的保持器的示例实施方案的等距视图和端视图。
图5A和图5B分别是图2和图3的保持器的另一个示例实施方案的等距前视图和等距后视图。
图6A是图2和图3的滚动元件组件的分解侧视图。
图6B至图6D是图2和图3的滚动元件组件的侧视图，示出了保持器的逐步安装过程。
图7是在图1A至图1B的钻头的刀片中限定的示例腔体的等距视图。
图8A至图8F是如图1A至图1B的钻头的刀片中限定的示例腔体设计的顶视图。
图9A是另一个示例滚动元件组件的等距视图。
图9B是图9A的滚动元件组件的保持器的等距视图。
图10A是另一个示例滚动元件组件的等距视图。
图10B是图10A的滚动元件组件的端视图。
具体实施方式
本公开涉及钻地钻头，更具体地涉及可以在钻头中使用的滚动式切削深度控制元件。
本公开的多个实施方案描述了可以固定在设置于钻头上的对应腔体内的滚动元件组件。每个滚动元件组件都包括圆柱形滚动元件，该滚动元件策略性地定位并固定到钻头，使得该滚动元件能够在钻井期间与地层接合。响应于钻头旋转，并且取决于滚动元件相对于钻头体的所选择定位(取向)，该滚动元件可以抵靠下面的地层滚动、抵靠下面的地层切削，或者既可以抵靠地层滚动又可以切削地层。本发明所公开的滚动元件组件的滚动元件保持在钻头体上的对应腔体内，该特征使用了被接纳在该腔体中所限定的保持器狭槽内的弓形保持器。
选择每个滚动元件相对于钻头体的取向，是为了产生多种不同的功能和/或效果。所选择的取向包括例如所选择的侧倾角和/或所选择的后倾角。在钻井时的一些情况下，滚动元件可以被配置为滚动切削元件，该滚动切削元件既沿着地层滚动(例如，借助于所选择的侧倾角范围)、又切削地层(例如，借助于所选择的后倾角和/或侧倾角)。更具体地讲，滚动切削元件可以定位成使用该滚动元件的被定位成与地层接合的一部分(例如，聚晶金刚石台面)从地层切削、挖掘、刮掉或以其他方式移除材料。
在一些示例实施方案中，本文所述的滚动元件组件可以被配置为滚动切削元件。这些滚动切削元件可以被配置为围绕旋转轴线自由地旋转，因此，这些滚动切削元件的整个外边缘都可以用作切削边缘。所以，不像常规的固定切削齿那样，在钻井期间只有有限的一部分切削边缘暴露于地层，随着滚动切削元件在钻井期间围绕其旋转轴线旋转，该滚动切削元件的整个外边缘都会相继地暴露于地层。这让切削边缘的磨损更为均匀，从而可使滚动切削元件的运作寿命相比常规的切削齿延长。
在其他示例实施方案中，本文所述的滚动元件组件可以被配置为滚动切削深度控制(DOCC)元件，这类DOCC元件随着钻头旋转而沿地层滚动。在滚动DOCC元件配置中，可以选择滚动元件的取向，使得该滚动元件的完整轴向跨度抵靠在地层上。与滚动切削元件一样，滚动DOCC元件可以表现出增强的耐磨性，并且在不会对钻头扭矩造成负面影响的前提下，允许施加额外的钻压。这使钻井操作员能够最大程度减轻对钻头的损坏，从而缩短非生产时间和钻杆进出钻孔所经过的行程，并且在不牺牲钻头效率的前提下减小钻头的攻击性。本文所述的滚动DOCC元件还可以减小钻头与地层之间界面处的摩擦，由此允许实现稳定的切削深度，从而能够更好地控制工具面。
在还有一些其他的示例实施方案中，本文所述滚动元件组件可以作为滚动切削元件与滚动DOCC元件的混合体操作。这可以通过使该滚动元件的旋转轴线在下述平面上定向来实现：该平面既不穿过钻头的纵向轴线，也不是垂直于确实穿过了钻头的纵向轴线的平面定向的平面。本领域的技术人员将容易理解，本发明所公开的多个实施方案可以改进通过牺牲金刚石体积而使用大的牙轮元件作为切削深度限制装置的混合岩石钻头。相比之下，本发明所公开的滚动元件组件比较小，因而实施起来不会造成固定切削齿刮刀钻头上的金刚石体积明显损失。
图1A是可以采用本公开的多项原理的示例性钻头100的等距视图。钻头100被描绘为固定切削齿钻头，并且本发明的教导内容可以应用于任何类别的固定切削齿钻头，包括聚晶金刚石复合片(PDC)钻头、刮刀钻头、胎体钻头和/或钢体钻头。虽然图1A将钻头100描绘为固定切削齿钻头，但是本公开的各项原理同样适用于能够操作以形成井孔的其他类型钻头，包括但不限于牙轮钻头。
钻头100具有钻头体102，该钻头体包括具有前导面106的在径向和纵向上延伸的刀片104。钻头体102可以由钢或包含较硬材料(例如碳化钨)的胎体制成。钻头体102围绕钻头的纵向轴线107旋转，从而在施加的钻压下钻入下面的地层中。对应的岩屑槽112限定在周向相邻的刀片104之间，并且多个喷嘴或孔口114可以布置在岩屑槽112内，用于喷射钻井液，该钻井液将钻头100冷却，此外还冲走钻井时产生的钻屑和碎屑。
钻头体102还包括固定在对应的多个切削齿凹坑内的多个切削齿116，这些切削齿凹坑的大小和形状被确定成接纳切削齿116。在该实例中，每个切削齿116都包括经由硬钎焊、螺纹连接、缩套配合、紧压配合、卡环或它们的任意组合而固定在对应的切削齿凹坑内的固定切削齿。固定切削齿116以预定的角取向和径向位置保持在刀片104和相应的切削齿凹坑中，以使固定切削齿116呈现期望的后倾角来抵靠正被穿透的地层。钻柱旋转时，固定切削齿116在钻头100所经受的钻压和扭矩这两者的合力作用下被驱动穿过岩石。在钻井期间，固定切削齿116由于在钻头100旋转时与下面正被钻孔的地层相互作用，而可能经受多种力，诸如刮削力、轴向力、反作用力矩力等。
每个固定切削齿116都可以包括由极硬材料(诸如碳化钨)制成的大致圆柱形的基体，以及固定到基体的切削面。切削面可以包括一层或多层超硬材料，诸如聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、孕镶金刚石等，该一层或多层超硬材料通常形成每个固定切削齿116的切削边缘和工作表面。该工作表面典型地是平坦或平面状的，但是也可以呈现在切削边缘处与侧表面相遇的弯曲暴露表面。
一般来讲，每个固定切削齿116都可以使用碳化钨作为基体来制造。尽管圆柱形碳化钨“坯料”可以用作基体，该基体足够长以用作切削面的安装支柱，但是该基体同样可以包括在另一个界面处结合到另一个金属安装支柱的中间层。为了形成切削面，可以将基体放置在一层超硬材料颗粒(诸如金刚石颗粒或立方氮化硼颗粒)附近，然后，在这些超硬材料颗粒具备热力学稳定特性的情况下，使该组合经受高温高压。这引起超硬材料重结晶，并且在基体的上表面上直接形成聚晶超硬材料层(诸如聚晶金刚石层或聚晶立方氮化硼层)。在使用聚晶金刚石作为超硬材料时，固定切削齿116可以被称为聚晶金刚石复合片切削齿或“PDC切削齿”，并且使用此类PDC固定切削齿116制造的钻头通常被称为PDC钻头。
如图所展示，钻头100还可以包括多个滚动元件组件118，被显示为滚动元件组件118a和118b。每个滚动元件组件118a、118b的旋转轴线相对于刀片104的外表面的切线的取向可以决定特定的滚动元件组件118a、118b是作为滚动DOCC元件、滚动切削元件操作，还是作为这两者的混合体操作。如上所述，滚动DOCC元件可以证实为在不会让固定切削齿116过度接合的前提下，有利于允许施加额外的钻压(WOB)来强化定向钻井应用。有效的DOCC还限制了扭矩的波动，并且最大程度减小了可能造成固定切削齿116损坏的粘滑运动。
图1B是钻头100的由图1A中所示虚线框指示的那部分的放大视图。如图1B所示，每个滚动元件组件118a、118b都位于刀片104中，并且包括滚动元件122。滚动元件122的暴露部分以实线型展示，而滚动元件122的安置在滚动元件组件118a、118b的对应壳体或凹坑内的那些部分则以虚线型展示。每个滚动元件122都具有旋转轴线A、与刀片轮廓138垂直的Z轴线(图1D)，以及与旋转轴线和Z轴线这两者正交的Y轴线。
例如，如果滚动元件122的旋转轴线A基本上平行于刀片轮廓的外表面119的切线，则滚动元件组件118a、118b通常可以作为滚动DOCC元件操作。换句话说，如果滚动元件122的旋转轴线A穿过下述平面或位于下述平面上：该平面穿过钻头100(图1A)的纵向轴线107(图1A)，则滚动元件组件118a、118b可以基本上作为滚动DOCC元件操作。然而，如果滚动元件122的旋转轴线A基本上垂直于刀片104的前导面106，则滚动元件组件118a、118b可以基本上作为滚动切削元件操作。换句话说，如果滚动元件122的旋转轴线A垂直于下述平面或位于下述平面上：该平面垂直于穿过钻头100(图1A)的纵向轴线107(图1A)的平面，则滚动元件组件118a、118b可以基本上作为滚动切削元件操作。
因此，如图1B所描绘，第一滚动元件组件118a可以定位成作为滚动切削元件操作，并且第二滚动元件组件118b可以定位成作为滚动DOCC元件操作。在滚动元件122的旋转轴线A位于下述平面上的多个实施方案中：该平面既不穿过钻头100(图1A)的纵向轴线107(图1A)，也不是垂直于纵向轴线107的平面，滚动元件组件118a、118b于是可以作为滚动DOCC元件与滚动切削元件的混合体操作。
用于DOCC的传统承载型切削元件由于仅仅是以沿地层刮削、滑动等方式来操作，所以对钻头扭矩(TOB)造成了不利影响；而滚动DOCC元件(诸如本发明所述的滚动元件组件118b)可以减小在地层中钻孔所需的扭矩量，这是因为它滚动时减小了承载DOCC元件的典型摩擦损失。滚动DOCC元件与传统的支承元件相比，磨损也会减小。然而，如应当理解的，滚动元件组件118b中的一个或多个也可以用作滚动切削元件，这可以提高切削齿效率，原因在于这能够使热量在整个切削边缘上更均匀地分布、并且最大程度减少局部磨损平面在滚动切削元件上形成。
图1C是钻头100的剖视立面图，图中该钻头的多个部分已脱离，示出该钻头正在穿过第一井下地层124、然后即将进入下面的第二井下地层126，以此钻出井孔。与第二井下地层126相比，第一井下地层124可以被描述为较软或硬度较小。钻头100的与第一井下地层124和/或第二井下地层126的相邻部分接触的外部部分可以被描述为钻头刃面，并且以旋转方式突出到径向平面上以提供钻头刃面轮廓128。钻头100的钻头刃面轮廓128可以包括各种区域或区段，并且由于钻头刃面轮廓128以旋转方式突出，所以可以关于钻头100的纵向轴线107基本上对称，使得该轮廓位于纵向轴线107一侧的那些区域或区段可以基本上类似于该轮廓位于纵向轴线107相反一侧的那些区域或区段。
例如，钻头刃面轮廓128可以包括相对定位的第一保径区域130a和第二保径区域130b、相对定位的第一肩部区域132a和第二肩部区域132b、相对定位的第一鼻部区域134a和第二鼻部区域134b，以及相对定位的第一锥形区域136a和第二锥形区域136b。包含在每个区域中的固定切削齿116可以称为该区域的切削元件。例如，包含在保径区域130a、130b中的固定切削齿116a可以称为保径切削元件，包含在肩部区域132a、132b中的固定切削齿116b可以称为肩部切削元件，包含在鼻部区域134a、134b中的固定切削齿116c可以称为鼻部切削元件，而包含在锥形区域136a、136b中的固定切削齿116d可以称为锥形切削元件。
锥形区域136a、136b可以是大致凹状的，而且可以形成在钻头100的每个刀片104(图1A)的外部部分上，与纵向轴线107相邻并从该纵向轴线延伸出来。鼻部区域134a、134b可以是大致凸状的，而且可以形成在每个刀片104的外部部分上，与每个锥形区域136相邻并从每个锥形区域延伸。肩部区域132a、132b可以形成在每个刀片104的从相应的鼻部区域134a、134b延伸的外部部分上，并且可以贴近相应的保径区域130a、130b终止。钻头刃面轮廓128的面积可以取决于与钻头刃面轮廓128的区域或区段相关联的横截面面积，而非取决于固定切削齿116的总数、刀片104的总数以及每个固定切削齿116的切削面积。
图1D展示了刀片轮廓138，该刀片轮廓表示钻头100(图1A)的刀片104之一的横截面视图。刀片轮廓138包括锥形区域136、鼻部区域134、肩部区域132和保径区域130，如上文关于图1C所述。每个区域130、132、134、135都可以基于其沿刀片104相对于纵向轴线107和水平基准线140的相应位置，该水平基准线指示在垂直于纵向轴线107的平面中与纵向轴线107的距离。比较图1C和图1D，可以看出图1D的刀片轮廓138相对于图1C的钻头刃面轮廓128是倒置的。
刀片轮廓138包括内部区域142和外部区域144。内部区域142从纵向轴线107向外延伸到鼻部顶点146，外部区域144则从鼻部顶点146延伸到刀片104的末端。鼻部顶点146可以是鼻部区域134内的刀片轮廓138上的位置，它具有从基准线140(水平轴线)向上沿钻头纵向轴线107(竖直轴线)测得的最大高度。图1D中图形上的与纵向轴线107对应的坐标可以称为轴向坐标或轴向位置。与基准线140对应的坐标可以称为径向坐标或径向位置，它指示在穿过纵向轴线107的径向平面中从纵向轴线107正交延伸的距离。例如，在图1D中，纵向轴线107可以沿Z轴线放置，并且基准线140可以指示从纵向轴线107正交延伸到可以被定义为Z-R平面的径向平面上的某个点的距离(R)。
取决于每个滚动元件组件118a、118b(图1B)的旋转轴线A(图1B)相对于纵向轴线107是怎样定向的，更具体地讲，相对于穿过纵向轴线107的Z-R平面是怎样定向的，滚动组件118a、118b可以作为滚动DOCC元件、滚动切削元件或这两者的混合体操作。如果滚动元件122的旋转轴线A位于Z-R平面上，则滚动元件组件118a、118b通常将作为滚动DOCC元件操作，但如果滚动元件122的旋转轴线A位于与Z-R平面垂直的平面上，则该滚动元件组件通常将作为滚动切削元件操作。在滚动元件122的旋转轴线A位于从Z-R平面偏离、但不与该Z-R平面垂直的平面上的多个实施方案中，滚动元件组件118a、118b可以作为滚动DOCC元件与滚动切削元件的混合体操作。
取决于这些滚动元件组件相对于纵向轴线107是怎样定向的，每个滚动元件组件118a、118b(图1B)在操作期间都可以呈现侧倾角或后倾角。侧倾角可以被定义为滚动元件122的旋转轴线A(图1B)与延伸穿过纵向轴线107的Z-R平面之间的角度。当旋转轴线A平行于Z-R平面时，侧倾角基本上为0°，诸如就图1B的第二滚动元件组件118b而言。然而，当旋转轴线A垂直于Z-R平面时，侧倾角基本上为90°，诸如就图1B的第一滚动元件组件118a而言。当从正Z方向沿Z轴线观察(朝着负Z方向观察)时，负侧倾角由滚动元件122作逆时针旋转而产生，正侧倾角则由滚动元件122作顺时针旋转而产生。换句话说，当从刀片轮廓128的顶部观察时，负侧倾角由滚动元件122作逆时针旋转而产生，正侧倾角则由滚动元件122围绕Z轴线作顺时针旋转而产生。
后倾角可以被定义为给定滚动元件122的Z轴线与Z-R平面之间所对的角度。更具体地讲，当给定滚动元件122的Z轴线向后或向前旋转偏离Z-R平面时，旋转偏离的量等于测得的后倾角。然而，如果给定滚动元件122的Z轴线位于Z-R平面上，则该滚动元件122的后倾角将为0°。
在一些实施方案中，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以呈现介于0°与45°(或者0°与-45°)之间的侧倾角，或作为替代，介于45°与90°(或者-45°与-90°)之间的侧倾角。在其他实施方案中，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以呈现介于0°与45°(或者0°与-45°)之间的后倾角。所选择的侧倾角会影响包含在滚动元件组件118a、118b内的滚动元件122将发生的滚动量与滑动量的相对大小，而所选择的后倾角会影响滚动元件122的切削边缘与地层(例如，图1C的第一地层124和第二地层126)接合的方式，由此决定是切削、刮掉、凿下还是以其他方式移除材料。
再次参见图1A，第二滚动元件组件118b可以放置在钻头100的锥形区域中，此外还被定位成使得滚动元件组件118b沿循相邻的固定切削齿116的路径；例如，它们成一排辅助刀片104上的主要一排固定切削齿116放置在其后面。然而，由于第二滚动元件组件118b能够滚动，所以可以放置在锥形区域以外的位置而不影响TOB。
在不脱离本公开范围的前提下，策略性地放置第一滚动元件组件118a和第二滚动元件组件118b可以进一步允许它们用作主要滚动切削元件和/或辅助滚动切削元件、以及滚动DOCC元件。例如，在一些实施方案中，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以位于切口形成区域120中，该切口形成区域位于相邻的固定切削齿116之间。在操作期间，切口形成区域120在下面正被钻孔的地层上形成多个切口。滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以位于钻头体102上，使得它们在钻井操作期间将接合一个或多个所形成的切口，此外还延伸穿过该一个或多个所形成的切口。在这样的一个实施方案中，滚动元件组件118a、118b还可以用作相邻的固定切削齿116之间的预破裂元件，这些预破裂元件在下面的地层上所形成的一个或多个切口的顶部滚动或以其他方式挤压该一个或多个切口。在其他情况下，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以定位在钻头体102上，使得它们在钻井操作期间将在相邻的所形成切口之间行进。在还有一些其他的实施方案中，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以位于钻头100的顶点处或附近(即，在纵向轴线107处或附近)。在此类实施方案中，钻头100可以更有效地使下面的地层破裂。
在一些实施方案中，如图所展示，滚动元件组件118a、118b可以各自定位在相应的刀片104上，使得滚动元件组件118a、118b从相应刀片104的外表面119(图1B)正交延伸。然而，在其他实施方案中，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以按从相应刀片104的外表面119的轮廓的法线偏离的预定角取向(三个自由度)定位。因此，滚动元件组件118a、118b可以呈现改变的或期望的后倾角、侧倾角，或者这两者的组合。如应当理解的，期望的后倾角和侧倾角可以相对于刀片104的其上设置滚动元件组件118a、118b的主要固定切削齿116和/或表面119(图1B)调节、此外还加以优化。
图2是根据一个或多个实施方案的滚动元件组件200的一个实例的等距视图。滚动元件组件200可以例如与图1A至图1B的钻头100一起使用，在这种情况下，滚动组件200可以替代下列两者中的任一者：滚动元件组件118a、118b，或者滚动元件组件118a、118b的具体示例实施方案。如图所展示，滚动元件组件200可以定位在钻头100的刀片104中所限定的腔体202内。虽然腔体202被显示为限定于刀片104中，但是应当理解，在不脱离本公开范围的前提下，本公开的各项原理同样适用于在钻头100的其他位置所限定的腔体202。
刀片104在图2中以虚线描绘，以便能够观察到滚动元件组件200的多个组成零件。另外，图2仅呈现了刀片104的一部分，这部分是以大致立方体的形状描绘的。在钻头100由胎体材料制成的多个实施方案中，腔体202可以通过选择性地将置换材料(即，固结的砂或石墨)放置在将要形成腔体202的位置处而形成。在钻头100包括钢体钻头的多个实施方案中，可以采用常规的机加工技术，在期望的位置把腔体202机加工为期望的尺寸。
滚动元件组件200包括滚动元件204，该滚动元件包括大致圆柱形或圆盘形的主体，该主体具有第一轴向端208a以及与第一轴向端208a相对的第二轴向端208b。第一轴向端208a和第二轴向端208b之间的距离在本文中称为滚动元件204的轴向宽度210。
滚动元件204包括基体212和相对的金刚石台面214a和214b，这两个金刚石台面分别布置在第一轴向端208a和第二轴向端208b处、此外还与基体212的相对的轴向端联接。基体212可以由多种硬质材料或超硬质材料形成，这些材料包括但不限于钢、钢合金、碳化钨、烧结碳化物、它们的任意衍生物，以及它们的任意组合。合适的烧结碳化物可以含有不同比例的碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)。此外，各种粘结金属(诸如钻、镍、铁、金属合金或它们的混合物)可以包含在基体212中。在基体212中，金属碳化物晶粒被支撑在金属粘结剂(诸如钻)内。在其他情况下，基体212可以由烧结碳化钨复合结构或金刚石超硬材料(诸如聚晶金刚石(PCD)或热稳定聚晶金刚石(TSP))形成。
金刚石台面214a、214b可以由多种超硬材料制成，这些超硬材料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、超纳米晶金刚石和氧化锆。此类材料极其耐磨，因而适合用作支承表面，如本文所述。
滚动元件204可以具有、此外还包括一个或多个圆柱形支承部分。更具体地讲，在该实例中，整个滚动元件204是圆柱形的并且由硬质的耐磨材料制成，因此滚动元件204的任何部分都可以被认为是圆柱形支承部分，所达到的程度致使该任何部分在滚动时与腔体202的支承表面或滚动元件组件200的另一个部件滑动接合(诸如在钻井操作期间预期会发生的那样)。在一些实施方案中，例如，金刚石台面214a、214b中的一个或两个可以被认为是用于滚动元件204的圆柱形支承部分。在其他实施方案中，可以从滚动元件204上省去金刚石台面214a、214b中的一个或两个，因而作为替代，基体212可以被认为是圆柱形支承部分。在还有一些其他的实施方案中，在不脱离本公开范围的前提下，整个圆柱形或圆盘形的滚动元件204可以被认为是圆柱形支承部分，并且可以由本文提到的硬质材料或超硬质材料中的任一种制成。
应当指出，滚动元件204的多个特征仅仅是为了进行示意性说明而示出的，因而可以按比例绘制、也可以不按比例绘制。因此，如所描绘的滚动元件204不应被视为限制本公开的范围。例如，金刚石台面214a、214b这两者的厚度(即轴向的广度)可以相同，也可以不同。在至少一个实施方案中，金刚石台面214a、214b中的一个可以比另一个厚。另外，在一些实施方案中，可以从滚动元件204上完全省去金刚石台面214a、214b中的一个。在还有一些其他的实施方案中，可以省去基体212，因而作为替代，滚动元件204可以完全由金刚石台面214a、214b的材料制成。
滚动元件组件200还包括保持器206，在使用期间用于帮助将滚动元件204固定或保持在腔体202中。更特别地，腔体202提供、此外还限定开口216，该开口大到足以接纳滚动元件204。滚动元件204安置在腔体202内时，其弓形部分延伸出腔体202，从而暴露滚动元件204的完整轴向宽度210。随后可以将保持器206插入到腔体202中，于是腔体202和保持器206协作地将滚动元件204保持在腔体202内。这是由于腔体202和保持器206这两者的多个部分联合起来围住滚动元件204的圆周超过180°但小于360°来实现的，使得滚动元件204的完整轴向宽度210保持暴露在外，以便在操作期间与地层接触。
在钻井操作期间，滚动元件204能够在腔体202内围绕滚动元件204的旋转轴线A旋转。随着滚动元件204围绕旋转轴线A旋转，滚动元件204的弓形部分延伸出腔体202、此外还通过开口216暴露，从而接合下面的地层(即，切削下面的地层、抵靠下面的地层滚动，或这两者)。这使得随着滚动元件204在使用期间旋转，滚动元件204的完整轴向宽度210能够在整个外圆周表面上逐步得到使用。
图3是安装在刀片104中所限定的腔体202内的滚动元件组件200的侧视图。同样，刀片104在图3中以虚线描绘，以便能够观察到滚动元件组件200的多个组成零件，并且图2仅呈现了刀片104的一部分，这部分是以大致立方体的形状描绘的。
如图所展示，腔体202可以提供或以其他方式限定保持器狭槽302，该保持器狭槽被配置为接纳并安置保持器206。更具体地讲，腔体202可以提供从开口216的一侧延伸的第一弓形部分304a和从开口216的相对侧延伸的第二弓形部分304b。第一弓形部分304a呈现第一半径R1，第二弓形部分304b则呈现比第一半径R1大的第二半径R2，并且端壁306在第一弓形部分304a与第二弓形部分304b之间提供过渡。由于具有较大的第二半径R2，第二弓形部分304b的大小被确定成将保持器206容纳在腔体202内。因此，保持器狭槽302至少部分地由第二弓形部分304b和端壁306限定。
保持器206提供内部弓形表面308a和与内部弓形表面308a相对的外部弓形表面308b。在保持器206被接纳在保持器狭槽302内的情况下，外部弓形表面308b将抵靠或以其他方式邻近第二弓形部分304b设置，并且内部弓形表面308a将抵靠或以其他方式邻近滚动元件204的外圆周表面设置。另外，保持器206的大小被确定成使得第一弓形部分304a的曲率将平滑地过渡到内部弓形表面308a的曲率，以使滚动元件204在操作期间能够在腔体202内的所有角位置处抵靠连续(均匀)弯曲表面。
保持器206可以由上文针对基体212和金刚石台面214a、214b提到的硬质材料或超硬质材料中的任一种制成。更具体地讲，保持器206可以由诸如但不限于钢、钢合金、碳化钨、烧结碳化钨复合结构、烧结碳化物、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、超纳米晶金刚石、氧化锆、它们的任意衍生物以及它们的任意组合的材料制成。作为替代或除此之外，保持器206可以由工程金属、带涂层的材料(即，使用诸如化学气相沉积、等离子体气相沉积等工艺)、或者其他硬质或耐磨材料制成。
保持器206可以使用多种附接装置或技术固定在腔体202(例如，保持器狭槽302)内，这些附接装置或技术诸如但不限于硬钎焊、熔焊、工业粘合剂、紧压配合、缩套配合、一个或多个机械紧固件(例如，螺钉、螺栓、卡环、销、滚珠轴承保持机构、锁定线等)，或它们的任意组合。在至少一个实施方案中，如图所展示，固定螺钉312(以虚线示出)或类似物可以用于将保持器206固定在保持器狭槽302内。在所展示的实施方案中，固定螺钉312可以延伸穿过限定于刀片104(诸如刀片104的尾随面)中的孔314a，然后拧入限定于保持器206中的相应对准的孔314b中。然而应当理解，在不脱离本公开范围的前提下，固定螺钉312可以用于经由设置在其他位置的交替限定的那些孔将保持器206固定在保持器狭槽302内。
在一些实施方案中，保持器206可以限定或以其他方式提供取出特征316，该取出特征用于帮助使用者在需要时从腔体202中取出保持器206。取出特征316可以在保持器206几何形状的基础上具有任何负向或正向的变化，用于提供这样的位置：在该位置可以抓握或以其他方式接合保持器206，以便撬动(旋转)保持器206使之离开保持器狭槽302。例如，负向的变化包括从保持器206的几何形状移除材料，而正向的变化包括向该几何形状添加材料。在一些实施方案中，如图所展示，取出特征316可以包括限定于保持器206的外部弓形表面308b上的凹槽、凹陷或通道(即，负向的变化)。然而，在其他实施方案中，在不脱离本公开范围的前提下，取出特征316可以作为替代设置在保持器206的一个或两个侧壁上。
当期望从腔体202移除保持器206时，使用者可以用刚性机械装置(例如，镐、螺丝刀、刚性杆等)进入并接合取出特征316，然后撬动(旋转)保持器206使之离开保持器狭槽302。在至少一个实施方案中，如图所展示，可以在刀片104的上表面中限定进入凹槽318，以便提供这样的位置：在该位置，使用者可以进入取出特征316，然后在保持器206上获得杠杆作用，以将其撬出腔体202。在所展示的实施方案中，在取出特征316设置于保持器206的外部弓形表面308b上的情况下，进入凹槽318将在刀片104的上表面中限定于与保持器206的外部弓形表面308b相邻的位置。在取出特征316作为替代设置在保持器206的一个或两个侧壁上的多个实施方案中，如上所述，进入凹槽318将在刀片104的上表面中限定于与保持器206的一个或两个侧壁相邻的位置。在保持器206被硬钎焊到腔体202中的多个实施方案中，可以先将钎料熔化，再取出保持器206。
滚动元件组件200可以布置在刀片104上，使得滚动元件204将在操作期间围绕旋转轴线A沿第一方向320旋转。当滚动元件204接合下面的地层并围绕旋转轴线A旋转时，钻压(WOB)力F1和摩擦力F2会作用在滚动元件204上。WOB力F1是在钻头100(图1A至1B)的推进方向上施加于滚动元件204的重量力。摩擦力F2是由滚动元件204承担、并且在与钻头100的旋转方向相反的方向上施加的拖曳力。基于WOB力F1和摩擦力F2各自的大小，滚动元件204将承担合力FR。合力FR的大小可以按以下方式确定：
FR 2＝F1 2+F2 2 公式(1)
而且，合力FR矢量所指的方向将从WOB力F1偏离角度θ。角度θ可以按以下方式确定：
如果合力FR矢量的方向与定位在保持器狭槽302内的保持器206相交，则保持器206不仅可以用于帮助滚动元件204保持在腔体202中，而且还可以证明可用作支承元件，该支承元件在钻井操作期间承担滚动元件204所受合力FR的至少一部分。然而，如果合力FR矢量的方向不与保持器206相交，则保持器206将主要充当有助于滚动元件204保持在腔体202中的结构。
在所展示的实施方案中，保持器206的弧长L足够长，使得合力FR矢量将与保持器206相交，这允许保持器206作为保持结构和支承元件操作。然而，在其他实施方案中，取决于已知的或预测的钻井参数，保持器206的弧长L可以增大或减小，以允许保持器206作为保持结构和支承元件操作、或仅作为保持元件操作。如应当理解的，第一弓形表面304a和第二弓形表面304b的相应弧长、以及端壁306的位置能够对应地改变，以适应弧长L的变化。另外，由于保持器206具有弓形形状，所以最大弧长L将仅限于开口216的大小。
因此，保持器206不仅有助于滚动元件204固定在腔体202中，而且还可以充当支撑并引导滚动元件204的支承表面，并且可以承担施加在滚动元件204上的大部分(如果不是全部)负载。相比之下，第一弓形表面304a在正常操作条件下可以仅感受到最小负载。考虑到滚动元件组件200的设计，操作期间施加在保持器206上的力可以主要是压缩性的。由硬质材料或超硬质材料制成的保持器206在滚动元件204支承着内部弓形表面308a并且抵靠该内部弓形表面滑动时，可以有助于减小滚动元件204与保持器206之间的摩擦量和磨损量。因此，支承保持器206的硬质材料或超硬质材料可以减少或消除保持器206与滚动元件204之间的润滑需求。然而，在至少一个实施方案中，可以将内部弓形表面308a抛光，以便减小这两个相对的表面之间的摩擦。可以将内部弓形表面308a抛光为具有例如约40微英寸或更佳的表面光洁度。
另外，当滚动元件204沿第一方向320旋转时，它自然地迫使保持器206保持固定在腔体202中。更具体地讲，在滚动元件204的外圆周与保持器206的内部弓形表面304a之间产生的摩擦会连续地提供迫使保持器206抵靠端壁306、此外还更深地进入腔体202中的力。因此，可能需要最小限度的保持手段(即，硬钎焊、熔焊、工业粘合剂、紧压配合、缩套配合、机械紧固件等)来将保持器206维持在腔体202内。
应当指出，尽管滚动元件组件200已被描述为用于保持一个滚动元件204，但是本公开的多个实施方案并不限于此，并且在不脱离本公开范围的前提下，滚动元件组件200(或本文所述滚动元件组件中的任一个)可以包括、此外还使用两个或更多个滚动元件204。在此类实施方案中，多个滚动元件204可以使用保持器206保持在腔体202内，或者每个滚动元件204可以由单个保持器206支撑。
图4A和图4B分别是保持器206的示例实施方案的等距视图和端视图。如图4A所展示，保持器206可以包括大致弓形的主体402，该主体具有第一端404a、第二端404b、内部弓形表面308a、外部弓形表面308b、第一侧壁406a和第二侧壁406b。内部弓形表面308a和外部弓形表面308b在第一端404a与第二端404b之间延伸。第二端404b可以被配置为当保持器206插入保持器狭槽302(图3)中时，与端壁306(图3)接合或紧密接触。第一侧壁406a和第二侧壁406b在保持器206的每个轴向端上，在内部弓形表面308a与外部弓形表面308b之间径向延伸。
在一些实施方案中，如图4B所示，保持器206的主体402的一部分或全部可以呈现多边形对称的横截面形状。如本文所用，术语“多边形对称”是指在形状的两个轴向侧上都为多边形且对称的横截面形状。在所展示的实施方案中，保持器206呈现大致燕尾形的横截面形状。更具体地讲，内部弓形表面308a可以呈现第一宽度W1，外部弓形表面308b可以呈现比第一宽度W1大的第二宽度W2。因此，侧壁406a、406b可以在从外部弓形表面308b径向延伸到内部弓形表面308a的过程中向内逐渐变窄。在保持器206被硬钎焊到保持器狭槽302(图3)中的多个实施方案中，锥形侧壁406a、406b可以证明有利于帮助防止保持器206在硬钎焊过程中从保持器狭槽302移出。然而应当理解，在不脱离本公开范围的前提下，也可以采用其他的多边形对称横截面形状，诸如T形主体402。另外，保持器206的主体402的一部分或全部可以作为替代呈现倒圆特征或多边形不对称横截面形状，如下文更详细讨论的。
在一些实施方案中，保持器206的第二端404b与第一侧壁406a和第二侧壁406b之间的过渡拐角408可以是倒角或圆角的。倒角或圆角的过渡拐角408可以有助于使用者将保持器轻松地安装到保持器狭槽302(图3)中。然而，在其他实施方案中，在不脱离本公开范围的前提下，过渡拐角408可以成角度，诸如包括在保持器206的第二端404b与第一侧壁406a和第二侧壁406b之间的90°(或基本上90°)过渡。
图5A和图5B分别是保持器206的另一个示例实施方案的等距前视图和等距后视图。如图5A所描绘，在一些实施方案中，一个或多个凹陷502(示出了四个)可以限定于保持器206的内部弓形表面308a中。凹陷502中的一个或多个可以用于保持、此外还接纳耐磨堆焊材料504。如应当理解的，将耐磨堆焊材料504施加于凹陷502可以证明有利于增强保持器206的内部弓形表面308a的耐磨损性、耐侵蚀性和/或耐腐蚀性。
耐磨堆焊材料504可以经由多种耐磨堆焊技术施加于凹陷502，这些技术包括但不限于：氧乙炔焊(OXY)、原子氢焊(ATW)、钨极隋性气体(TIG)焊、钨极气体保护电弧焊(GTAW)、自动保护金属极电弧焊(SMAW)、气体保护金属极电弧焊(GMAW-包括气体保护焊和明弧焊)、氧燃料焊(OFW)、埋弧焊(SAW)、电渣焊(ESW)、等离子喷焊(PTAW-也称为粉末等离子焊)、增材/减材制造、热喷涂、冷聚合物化合物、激光熔覆、硬涂，以及它们的任意组合。
一种合适的耐磨堆焊材料504包括钢合金胎体中的烧结碳化钨颗粒。这些碳化钨颗粒可以包括碳化一钨、碳化二钨和/或粗晶碳化钨的晶粒。球形铸造碳化钨典型地可以不用粘结材料形成。用于形成碳化钨颗粒的粘结材料的实例可以包括但不限于钻、镍、硼、钼、铌、铬、铁以及这些元素的合金。其他硬质组成材料包括由铬、钼、铌、钽、钛、钒以及它们的合金和混合物组成的铸造碳化物或烧结碳化物。
在一些实施方案中，凹陷502中的一个或多个可以作为替代用于保持、此外还接纳支承元件506。支承元件506可以包括例如TSP或另一种超硬材料，该TSP或另一种超硬材料固定在对应的凹陷502内、铸造到保持器206的内部弓形表面308a中，或以其他方式固定到该支承元件。尽管支承元件506被展示为具有大致圆形的横截面，但是应当理解，在不脱离本公开范围的前提下，支承元件506可以作为替代呈现任何合适的形状，诸如卵形、多边形等。在至少一个实施方案中，在不脱离本公开范围的前提下，保持器206的整个内部弓形表面308a可以包括支承元件506，或者可以另外涂覆有充当支承元件或支承表面的超硬材料。
在图5B中，取出特征316以限定于保持器206的外部弓形表面308b上的凹槽或通道的形式描绘。在一些实施方案中，如图所展示，取出特征316延伸相对的侧壁406a与406b之间的完整距离。然而，在其他实施方案中，取出特征316可以仅在侧壁406a与406b之间设置在外部弓形表面308b上的局部或中心位置处。在还有一些其他的实施方案中，取出特征316可以包括两个或更多个结构，诸如两个侧向偏离的凹槽、凹陷等。
在一些实施方案中，可以在保持器206的外部弓形表面308b上限定或以其他方式提供一个或多个材料腔体508(示出了两个)。材料腔体508可以用于保持锁定材料(例如，硬钎焊膏、软焊料等)，该锁定材料用来将保持器206固定在腔体202(图2和图3)内。如应当理解的，材料腔体508可以证明有利于帮助锁定材料保持在将保持器恰当地固定在腔体202内所需要的位置。更具体地讲，在将保持器206插入(旋转)到保持器狭槽302(图3)中时，可以刮掉施加于外部弓形表面308b以将保持器206固定到腔体202的锁定材料的一部分。但材料腔体508嵌入到外部弓形表面308b中，因而能够保留一定量的锁定材料。这种保留的锁定材料然后可以在后续的硬钎焊或软钎焊过程中用来将保持器206恰当地固定在腔体202内。
现在将根据一个或多个实施方案讨论滚动元件组件200在钻头100的刀片104(图1A至图1B)中的示例性组装方式。图6A是滚动元件组件200的分解侧视图。在刀片104中限定的腔体202的开口216呈现尺寸602(即，长度或宽度)，该尺寸大于滚动元件204的周长C。因此，滚动元件204可以能够穿过开口216而被接纳在腔体202内。一旦滚动元件204被安置在腔体202内，就可以将保持器206插入到腔体202中，更具体地讲，插入到保持器狭槽302中。
图6B、图6C和图6D是滚动元件组件200的侧视图，相继地示出了保持器206被接纳到保持器狭槽302内的过程。在图6B中，保持器206的第二端404b被描绘为已经经由开口216进入保持器狭槽302。
在图6C中，保持器206被描绘为已经进一步推进到保持器狭槽302中。这可以采用下述操作来实现：围绕旋转轴线A旋转保持器206，允许保持器206滑动地接合腔体202的第二弓形部分304b。
在图6D中，保持器206被描绘为已经推进到保持器狭槽302中，直到第二端404b已与端壁306接合或紧密接触，此时，腔体202和保持器206协作地围住滚动元件204的圆周超过180°但小于360°，从而将滚动元件204保持在腔体202内。在一些实施方案中，如图所展示，在保持器206被接纳在保持器狭槽302内的情况下，第一端404a可以与刀片104的外表面齐平。然而，在其他实施方案中，第一端404a可以安置在略低于刀片104的外表面的位置。一旦保持器206已经延伸到保持器狭槽302中，如图6D所示，就可以借助本文所讨论的附接装置或附接技术中的任一种将保持器206固定在保持器狭槽302内。
图7是在图1A至图1B的钻头100的刀片104中限定的示例腔体202的等距视图。如图所展示，腔体702包括第一弓形部分304a、第二弓形部分304b和端壁306，这两个弓形部分各自帮助支撑滚动元件204(图2和图3)与保持器206(图2和图3)。腔体702的内部还在腔体202内提供、此外还限定第一侧表面702a和与第一侧表面702a相对的第二侧表面702b。侧表面702a、702b可以在操作期间能够与滚动元件204的相对的金刚石台面214a、214b(图2)接合。因此，在至少一个实施方案中，当滚动元件204安装在腔体202中时，侧表面702a、702b可以与相对的金刚石台面214a、214b基本上平行。在操作期间，两个侧表面702a、702b可以始终与相对的金刚石台面214a、214b接合或接触，也可以并非都始终与这两个相对的金刚石台面接合或接触。
在一些实施方案中，第一侧表面702a和第二侧表面702b可以形成刀片104不可分割的部分，因此，可以由与钻头体102(图1A)相同的材料(例如胎体复合材料)制成。然而，在其他实施方案中，侧表面702a、702b中的一者或两者的一部分或全部可以由碳化钨、钢、工程金属、带涂层的材料(即，使用诸如化学气相沉积、等离子体气相沉积等工艺)、或者另一种硬质或合适的耐磨材料制成。
在还有一些其他的实施方案中，或者除此之外，侧表面702a、702b中的一者或两者可以具有定位在其上的支承元件704，以便能够与滚动元件204的相邻金刚石台面214a、214b接合。支承元件704可以包括例如TSP或另一种超硬材料，该TSP或另一种超硬材料铸造到特定的侧表面702a、702b中，或以其他方式固定到该支承元件。虽然支承元件704被展示为具有大致圆形的横截面，但是应当理解，在不脱离本公开范围的前提下，支承元件704可以作为替代呈现任何合适的形状，诸如卵形、多边形等，该形状可以能够与相对的金刚石台面214a、214b接合。在至少一个实施方案中，在不脱离本公开范围的前提下，整个侧表面702a、702b可以包括支承元件704，或者可以另外涂覆有充当支承元件或支承表面的超硬材料。
图8A至图8F是根据各种实施方案，在图1A至图1B的钻头100的刀片104中限定的示例腔体202的顶视图。在图8A至图8F的每一者中，腔体202的形状可以在保持器狭槽302处变化，以适应特定的保持器206(图2和图3)。可以使用限制保持器206从限定的径向位置移位的任何形状。这在组装期间可以证明是有利的，因为可以避免在滚动元件204上施加意料之外的压力，并且可以使腔体202受到进一步限定以便滚动元件204驻留其中。
图8A至图8C描绘了保持器狭槽302的多种大致对称的形状。在图8A中，保持器狭槽302呈现大致燕尾形的形状。因此，图8A的腔体202可以被配置为接纳图4A和图4B中所示的保持器206，该保持器呈现燕尾形的横截面形状。在图8B中，保持器狭槽302具有方形的端部。在图8C中，保持器狭槽302具有倒圆的端部。应当指出，图8A的燕尾形形状以及图8B和图8C的T形可以是最大限度减小腔体202中的应力梯级的首选形状。
图8D至图8F描绘了保持器狭槽302的多种大致不对称的形状。在图8D中，例如，保持器狭槽302只有一个端部具有成角度的特征。在图8E中，保持器狭槽302只有一个端部是方形的。在图8F中，保持器狭槽302只有一个端部是倒圆的。
本领域技术人员将容易理解，可以采用腔体202和保持器狭槽302的其他设计和配置。例如，在不脱离本公开范围的前提下，可以将倒圆特征和多边形特征组合起来限定保持器狭槽302。
图9A是根据一个或多个实施方案的另一个示例滚动元件组件900的等距视图。类似于图2、图3以及图6A至图6D的滚动元件组件200，滚动元件组件900可以与图1A至图1B的钻头100一起使用，在这种情况下，滚动组件900可以替代下列两者中的任一者：滚动元件组件118a、118b，或者滚动元件组件118a、118b的具体示例实施方案。另外，滚动元件组件900还可以固定在钻头100的刀片104(图1A至图1B)中限定的腔体内。
如图所展示，滚动元件组件900包括滚动元件902和保持器904，该保持器用于帮助滚动元件902保持在腔体内。滚动元件902包括大致圆柱形的主体，该主体具有第一轴向端906a以及与第一轴向端906a相对的第二轴向端906b。虽然未明确示出，但是在一些实施方案中，金刚石台面(即，图2和图3的金刚石台面214a和214b)可以定位在相对的第一轴向端906a和第二轴向端906b处。在其他实施方案中，滚动元件902的整个圆柱形主体可以由完整的一块硬质或超硬质材料制成。
与图2和图3的滚动元件204不同，滚动元件902可以在第一轴向端906a与第二轴向端906b之间沿轴向宽度908呈现可变的直径。更具体地讲，滚动元件902的圆周在相对的第一轴向端906a与第二轴向端906b之间沿滚动元件902的轴向宽度908延伸时，可以是弯曲的、圆形的或者弓形的。因此，滚动元件902的直径可以在相对的第一轴向端906a与第二轴向端906b之间的中心点处最大，或作为替代，在相对的第一轴向端906a与第二轴向端906b之间的另一个点处最大。
图9B是图9A的滚动元件组件900的保持器904的等距视图。保持器904在某些方面可以类似于图2和图3的保持器206，诸如由类似的材料制成、具有内部弓形表面308a和外部弓形表面308b等。然而，与保持器206不同，内部弓形表面308a是弯曲的、圆形的，此外还呈现凹状的形状，该凹状的形状被配置为接纳滚动元件组件900的滚动元件902(图9A)。在钻井操作期间，滚动元件902能够围绕滚动元件902的旋转轴线A(图9A)旋转，并且滑动地接合保持器904的内部弓形表面308a。
尽管滚动元件902和保持器904在图9A和图9B中被描绘为具有大致弯曲的表面，但是本领域技术人员将容易理解，在不脱离本公开范围的前提下，滚动元件902和保持器904可以作为替代呈现其他的配合形状。
图10A是根据一个或多个实施方案的另一个示例滚动元件组件1000的等距视图。类似于图2、图3以及图6A至图6D的滚动元件组件200，滚动元件组件1000可以与图1A至图1B的钻头100一起使用，在这种情况下，滚动组件1000可以替代下列两者中的任一者：滚动元件组件118a、118b，或者滚动元件组件118a、118b的具体示例实施方案。另外，滚动元件组件1000还可以固定在钻头100的刀片104(图1A至图1B)中限定的腔体内。
如图所展示，滚动元件组件1000包括滚动元件1002和保持器1004，该保持器用于帮助滚动元件1002保持在腔体内。滚动元件1002包括大致圆柱形的主体，该主体具有第一轴向端1006a以及与第一轴向端1006a相对的第二轴向端1006b。虽然未明确示出，但是在一些实施方案中，金刚石台面(即，图2和图3的金刚石台面214a和214b)可以定位在相对的第一轴向端1006a和第二轴向端1006b处。在其他实施方案中，滚动元件1002的整个圆柱形主体可以由完整的一块硬质或超硬质材料制成。
类似于图9A的滚动元件902，滚动元件1002可以在第一轴向端1006a与第二轴向端1006b之间沿滚动元件1002的轴向宽度1008呈现可变的直径。更具体地讲，滚动元件900的直径可以沿滚动元件1002的轴向宽度1008逐渐增大或减小(线性地或非线性地)。如图所描绘，第一轴向端1006a呈现第一直径1010a，第二轴向端1006b呈现第二直径1010b，其中第二直径1010b大于第一直径1010a。因此，在至少一个实施方案中，滚动元件1002可以表征为大致截头圆锥形的元件。
图10B是滚动元件组件900的端视图。保持器1004在某些方面可以类似于图2和图3的保持器206，诸如由类似的材料制成、具有内部弓形表面308a和外部弓形表面308b、具有第一端404a和第二端404b，并且具有在保持器1004的每个轴向端上、在内部弓形表面308a与外部弓形表面308b之间径向延伸的第一侧壁406a和第二侧壁406b。然而，与图2和图3的保持器206不同，保持器1004的主体的形状被确定成接纳截头圆锥形的滚动元件1002，因而呈现多边形不对称横截面形状。更具体地讲，保持器1004的主体在第一侧壁406a处呈现第一厚度或深度1008a，并且在第二侧壁406b处呈现第二厚度或深度1008b，其中第一深度1008a和第二深度1008b是不同的。在所展示的实施方案中，第一深度1008a大于第二深度1008b，但是在不脱离本公开范围的前提下，第二深度1008b可以作为替代大于第一深度1008a。
本文所公开的多个实施方案包括：
A.一种钻头，该钻头包括：钻头体，该钻头体具有从其延伸的一个或多个刀片；多个切削齿，这些切削齿固定到一个或多个刀片；以及滚动元件组件，该滚动元件组件定位在钻头体上限定的腔体内，该滚动元件组件包括能够在该腔体内围绕旋转轴线旋转的滚动元件、和能够在该腔体中限定的保持器狭槽内延伸以将该滚动元件固定在该腔体内的保持器；其中该保持器和该腔体协作地围住该滚动元件的圆周超过180°但小于360°，同时让该滚动元件的完整轴向宽度暴露。
B.一种滚动元件组件，该滚动元件组件包括当定位在钻头的钻头体上限定的腔体内时能够围绕旋转轴线旋转的滚动元件、和能够在该腔体中限定的保持器狭槽内延伸以将该滚动元件固定在该腔体内的保持器，其中该保持器和该腔体协作地围住该滚动元件的圆周超过180°但小于360°，同时让该滚动元件的完整轴向宽度暴露。
实施方案A和实施方案B中的每一者可以具有下列各附加要素中任意组合的一者或多者：要素1：其中该腔体限定在一个或多个刀片上。要素2：其中该腔体包括：开口，该开口用于接纳滚动元件；第一弓形部分，该第一弓形部分从开口的一侧延伸并且呈现第一半径；第二弓形部分，该第二弓形部分从开口的相对侧延伸并且呈现比第一半径大的第二半径；以及端壁，该端壁在第一弓形部分与第二弓形部分之间提供过渡，其中保持器狭槽部分地由第二弓形部分和端壁限定。要素3：其中该腔体提供第一侧表面和与该第一侧表面相对的第二侧表面，并且其中支承元件定位在第一侧表面和第二侧表面中的一者或两者上。要素4：其中该保持器包含选自由以下项构成的组的材料：钢、钢合金、碳化钨、烧结碳化钨复合材料、烧结碳化物、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、氧化锆、它们的任意衍生物，以及它们的任意组合。要素5：其中该保持器使用硬钎焊、熔焊、工业粘合剂、紧压配合、缩套配合与机械紧固件中的至少一者固定在保持器狭槽内。要素6：还包括在保持器上限定的取出特征。要素7：还包括在钻头体中限定的进入凹槽，该进入凹槽用于进入取出特征。要素8：其中该保持器包括弓形主体，该弓形主体具有多边形对称或多边形不对称的横截面形状。要素9：还包括在该保持器的内部弓形表面中限定的一个或多个凹陷，以及在该一个或多个凹陷中的至少一个凹陷内接纳的耐磨堆焊材料。要素10：还包括在该保持器的外部弓形表面中限定的一个或多个材料腔体，该一个或多个材料腔体用于保持锁定材料，该锁定材料用来将该保持器固定在前述腔体内。要素11：其中该滚动元件组件在钻头体上定向，以呈现介于0°与45°之间的侧倾角。要素12：其中该滚动元件组件在钻头体上定向，以呈现介于45°与90°之间的侧倾角，从而作为切削深度控制器操作。要素13：其中该滚动元件组件在钻头体上定向，以呈现介于0°与45°之间的后倾角，从而允许该滚动元件作为切削齿操作。要素14：其中该滚动元件的旋转轴线位于穿过钻头体的纵向轴线的平面上。要素15：其中该滚动元件的旋转轴线位于与钻头体的纵向轴线垂直的平面上。要素16：其中该滚动元件在第一轴向端与第二轴向端之间呈现可变的直径。要素17：其中该保持器提供内部弓形表面，该内部弓形表面是凹状的，用于接纳具有可变直径的滚动元件。
要素18：其中该保持器包括弓形主体，该弓形主体具有：第一端和与该第一端相对的第二端；在第一端与第二端之间延伸的内部弓形表面；与内部弓形表面相对、并且在第一端与第二端之间延伸的外部弓形表面；在内部弓形表面与外部弓形表面之间径向延伸的第一侧壁；以及与第一侧壁相对、并且在内部弓形表面与外部弓形表面之间径向延伸的第二侧壁。要素19：还包括在外部弓形表面中限定的取出特征。要素20：还包括在内部弓形表面中限定的一个或多个凹陷，以及在该一个或多个凹陷中的至少一个凹陷内接纳的耐磨堆焊材料。要素21：还包括在外部弓形表面中限定的一个或多个材料腔体，该一个或多个材料腔体用于保持锁定材料，该锁定材料用来将该保持器固定在前述腔体内。
作为非限制性实例，适用于A和B的示例性组合包括：要素6与要素7；要素16与要素17；要素18与要素19。
因此，所公开的系统和方法非常适合于获得所提及的种种目的和优点，以及其中固有的那些目的和优点。上文公开的多个具体实施方案仅仅是说明性的，这是因为本公开的教导内容可以按照对受益于本文教导内容的本领域技术人员显而易见的不同却等效的多种方式加以修改和实践。此外，除了在下面的各项权利要求中描述的内容之外，不旨在对本文示出的构造或设计的种种细节作出限制。因而很明显，上文公开的多个具体的说明性实施方案可以被改变、组合或修改，并且所有这样的变化都被认为属于本公开的范围。本文说明性公开的系统和方法可以在缺少本文未具体公开的任何要素和/或本文所公开的任何可选要素的情况下适当地实践。虽然诸多方法与组合方式以“包括”、“包含”或“含有”各种部件或步骤的方式进行描述，但是这些方法与组合方式也可以“基本上由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”。上文公开的所有数字和范围可能会有所变化。每当公开具有下限和上限的数值范围时，便具体公开了落入该范围内的任何数字和任何包括在内的范围。特别而言，本文公开的每个数值范围(形式为“从约a至约b”，或等同形式“从大约a至b”，或等同形式“从大约a-b”)应当被理解为列出涵盖于更广数值范围内的每个数字和每个范围。而且，权利要求中的各术语具有其平常的普通含义，除非专利权人明确清楚地下其他的定义。另外，权利要求中使用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中被定义为意指该不定冠词所引出的要素有一个(种)或多于一个(种)。如果本说明书中的词语或术语的用法与可以通过引用并入本文的一份或多份专利或者其他文档有任何冲突，则应当采用与本说明书一致的定义。
如本文所用，在一系列项目之前的短语“……中的至少一者”(其中术语“和”或者“或”用来分隔这些项目中的任一者)是将该清单作为一个整体来修饰的，而非修饰该清单的每个成员(即每个项目)。短语“……中的至少一者”包括下述含义：各项目中的任一项，和/或各项目的任意组合，和/或各项目中的每一项。举例来说，短语“A、B和C中的至少一者”或者“A、B或C中的至少一者”各自指仅有A、仅有B或仅有C；A、B和C的任意组合；以及/或者A、B和C中的每一者。

Claims (23)

1.一种钻头，包括：
钻头体，所述钻头体包括从其延伸的一个或多个刀片；
多个切削齿，所述多个切削齿固定到所述一个或多个刀片；以及
滚动元件组件，所述滚动元件组件定位在所述钻头体上限定的腔体内，所述滚动元件组件包括能够在所述腔体内围绕旋转轴线旋转的滚动元件，和能够在所述腔体中限定的保持器狭槽内延伸以将所述滚动元件固定在所述腔体内的保持器，
其中所述保持器和所述腔体协作地围住所述滚动元件的圆周超过180°但小于360°，同时让所述滚动元件的完整轴向宽度暴露。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中所述腔体限定在所述一个或多个刀片上。
3.根据权利要求1所述的钻头，其中所述腔体包括：
开口，所述开口用于接纳所述滚动元件；
第一弓形部分，所述第一弓形部分从所述开口的一侧延伸并且呈现第一半径；
第二弓形部分，所述第二弓形部分从所述开口的相对侧延伸并且呈现比所述第一半径大的第二半径；以及
端壁，所述端壁在所述第一弓形部分与所述第二弓形部分之间提供过渡，其中所述保持器狭槽部分地由所述第二弓形部分和所述端壁限定。
4.根据权利要求1所述的钻头，其中所述腔体提供第一侧表面和与所述第一侧表面相对的第二侧表面，并且其中支承元件定位在所述第一侧表面和所述第二侧表面中的一者或两者上。
5.根据权利要求1所述的钻头，其中所述保持器包含选自由以下项构成的组的材料：钢、钢合金、碳化钨、烧结碳化钨复合材料、烧结碳化物、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、氧化锆、它们的任意衍生物，以及它们的任意组合。
6.根据权利要求1所述的钻头，其中所述保持器使用硬钎焊、熔焊、工业粘合剂、紧压配合、缩套配合与机械紧固件中的至少一者固定在所述保持器狭槽内。
7.根据权利要求1所述的钻头，还包括在所述保持器上限定的取出特征。
8.根据权利要求7所述的钻头，还包括在所述钻头体中限定的进入凹槽，所述进入凹槽用于进入所述取出特征。
9.根据权利要求1所述的钻头，其中所述保持器包括弓形主体，所述弓形主体具有多边形对称或多边形不对称的横截面形状。
10.根据权利要求1所述的钻头，还包括：
在所述保持器的内部弓形表面中限定的一个或多个凹陷；以及
在所述一个或多个凹陷中的至少一个凹陷内接纳的耐磨堆焊材料。
11.根据权利要求1所述的钻头，还包括在所述保持器的外部弓形表面中限定的一个或多个材料腔体，所述一个或多个材料腔体用于保持锁定材料，所述锁定材料用来将所述保持器固定在所述腔体内。
12.根据权利要求1所述的钻头，其中所述滚动元件组件在所述钻头体上定向，以呈现介于0°与45°之间的侧倾角。
13.根据权利要求1所述的钻头，其中所述滚动元件组件在所述钻头体上定向，以呈现介于45°与90°之间的侧倾角，从而作为切削深度控制器操作。
14.根据权利要求1所述的钻头，其中所述滚动元件组件在所述钻头体上定向，以呈现介于0°与45°之间的后倾角，从而允许所述滚动元件作为切削齿操作。
15.根据权利要求1所述的钻头，其中所述滚动元件的所述旋转轴线位于穿过所述钻头体的纵向轴线的平面上。
16.根据权利要求1所述的钻头，其中所述滚动元件的所述旋转轴线位于与所述钻头体的纵向轴线垂直的平面上。
17.根据权利要求1所述的钻头，其中所述滚动元件在第一轴向端与第二轴向端之间呈现可变的直径。
18.根据权利要求17所述的钻头，其中所述保持器提供内部弓形表面，所述内部弓形表面是凹状的，用于接纳具有可变直径的所述滚动元件。
19.一种滚动元件组件，包括：
滚动元件，所述滚动元件当定位在钻头的钻头体上限定的腔体内时能够围绕旋转轴线旋转；以及
保持器，所述保持器能够在所述腔体中限定的保持器狭槽内延伸以将所述滚动元件固定在所述腔体内，
其中所述保持器和所述腔体协作地围住所述滚动元件的圆周超过180°但小于360°，同时让所述滚动元件的完整轴向宽度暴露。
20.根据权利要求19所述的滚动元件组件，其中所述保持器包括弓形主体，所述弓形主体具有：
第一端和与所述第一端相对的第二端；
在所述第一端与所述第二端之间延伸的内部弓形表面；
与所述内部弓形表面相对、并且在所述第一端与所述第二端之间延伸的外部弓形表面；
在所述内部弓形表面与所述外部弓形表面之间径向延伸的第一侧壁；以及
与所述第一侧壁相对、并且在所述内部弓形表面与所述外部弓形表面之间径向延伸的第二侧壁。
21.根据权利要求20所述的滚动元件组件，还包括在所述外部弓形表面中限定的取出特征。
22.根据权利要求19所述的滚动元件组件，还包括：
在所述内部弓形表面中限定的一个或多个凹陷；以及
在所述一个或多个凹陷中的至少一个凹陷内接纳的耐磨堆焊材料。
23.根据权利要求19所述的滚动元件组件，还包括在所述外部弓形表面中限定的一个或多个材料腔体，所述一个或多个材料腔体用于保持锁定材料，所述锁定材料用来将所述保持器固定在所述腔体内。
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