CN110130833A - 钻井方法 - Google Patents

Abstract

一种方法，包括将一具有钻头的钻柱引入到一井筒，钻头包括：钻头主体，具有从其处延伸的一个或多个刀片；多个刀具，紧固至刀片；及一个或多个滚动元件，定位在钻头主体上，每个滚动元件具有限定旋转轴线的圆柱形支承部分，每个滚动元件在限定于钻头主体内的对应的槽腔内能围绕旋转轴线旋转地耦接至钻头主体，钻头主体具有与内部弓形表面相对的且沿着旋转轴线设置的第一和第二内侧表面，定位于对应的槽腔的第一和第二内侧表面之间的一锁定销将滚动元件固定于槽腔内，槽腔的内部支承表面接合圆柱形支承部分，沿着滚动元件的全长槽腔和锁定销相配合环绕圆柱形支承部分超过180°，同时使得滚动元件的全长暴露；及旋转钻头使得钻头穿过地下地层而前进。

Description

钻井方法

本申请是申请人为“哈利伯顿能源服务公司”、申请日为2015年05月15日、申请号为201580017571.9、发明名称为“滚动元件组件”的申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年6月18日提交的美国临时专利申请第62/013,928号的优先权。

背景技术

用于油气工业的井筒通常借助旋转钻井过程来钻进。在常规井筒钻进中，钻头安装在钻柱的末端上，所述钻柱可能有几英里长。在井筒的表面处，旋转驱动器或顶部驱动器转动钻柱，包括布置在孔洞的底部以便逐渐穿透地下地层的钻头，同时通过钻柱来抽送钻井流体以便移除岩屑。在其他钻井配置中，可以使用井下泥浆马达来使钻头旋转，所述井下泥浆马达邻近于钻头轴向地布置，并且使用循环钻井流体来为之提供动力。

用来钻进井筒的一种普通类型的钻头被称为“固定刀具”或“刮刀”钻头。这种类型的钻头具有由高强度材料(如碳化钨或钢)构成的钻头主体，或者具有复合材料/基质钻头主体，所述复合材料/基质钻头主体具有多个围绕钻头主体而附接在选定位置处的刀具(也称为刀具元件、切削元件或插入件)。所述刀具可以包括由碳化物(例如，碳化钨)制成的基底或支撑螺柱以及由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”，所述聚晶金刚石材料或聚晶氮化硼材料沉积到所述基底上或者以其他方式粘合到所述基底。此类刀具通常称为聚晶金刚石复合片(“PDC”)刀具。

在固定刀具钻头中，PDC刀具刚性地紧固至钻头主体，诸如钎焊在对应刀具槽腔(pocket)内，所述刀具槽腔被限定在从钻头主体延伸的刀片上。PDC刀具可以沿着钻头主体的刀片的前缘来定位，从而使得PDC刀具在钻井期间啮合于地层。在使用中，较大的力施加在PDC刀具上，尤其是在前后方向上。随着时间的推移，每个刀具中持续接触地层的部分(称为工作表面或切削刃)最终磨平和/或失效。

发明内容

本发明提供了一种方法，包括将一钻柱引入到一井筒，所述钻柱具有位于其远端的一钻头，所述钻头包括：钻头主体，其具有从其处延伸的一个或多个刀片；多个刀具，其紧固至所述一个或多个刀片；以及一个或多个滚动元件，其定位在所述钻头主体上，每个滚动元件具有限定旋转轴线的圆柱形支承部分，其中每个滚动元件在限定于所述钻头主体内的对应的槽腔内能围绕旋转轴线旋转地耦接至所述钻头主体，所述钻头主体具有与内部弓形表面相对的第一和第二内侧表面，所述第一和第二内侧表面沿着所述旋转轴线设置，以及定位于对应的所述槽腔的第一和第二内侧表面之间的一锁定销将所述滚动元件固定于所述槽腔内，以及其中所述槽腔的一个或多个内部支承表面接合所述圆柱形支承部分，以及沿着所述滚动元件的全长所述槽腔和所述锁定销相配合环绕所述圆柱形支承部分超过180°，同时使得所述滚动元件的所述全长暴露；以及通过利用所述钻头去除地下地层，以旋转钻头使得钻头穿过地下地层而前进。

另外，根据本申请的方法还包括对所述一个或多个滚动元件中的至少一个进行定向，以作为切削深度控制元件操作。

根据本申请的方法还包括对所述一个或多个滚筒元件中的至少一个进行定向，以作为刀具操作。

根据本申请的方法还包括对所述一个或多个滚筒元件中的至少一个进行定向，以作为切削深度控制元件和刀具操作。

附图说明

下述附图被包括来示出本公开的某些方面，并且不应视为排他性的实施方案。所公开的主题能够在不背离本公开的范围的情况下在形式和功能上进行相当多的修改、改变、组合以及等效化。

图1A示出可以采用本公开的原理的旋转钻头的等距视图。

图1B示出旋转钻头被围封在图1A的指示框中的部分的等距视图。

图1C示出某些部分被截除的截面和正面图示，其展示图1的钻头。

图1D示出刀片轮廓，其表示图1的钻头的刀片的横截面图。

图2A和图2B分别示出示例性滚动元件组件的等距视图和展示图。

图3A和图3B描绘图2A至图2B的滚动元件组件的顶部元件和滚动元件的实施方案的视图。

图4A和图4B描绘图2A至图2B的滚动元件组件的顶部元件和滚动元件的另一实施方案的视图。

图5A和图5B分别示出另一示例性滚动元件组件的等距视图和展示图。

图6A示出位于限定在钻头刀片中的槽腔中的图5A和图5B的滚动元件组件的等距视图。

图6B示出示例性锁定元件的等距视图。

图7A和图7B示出另一示例性滚动元件组件的等距局部展示图。

图7C示出示例性侧面构件的等距视图。

图8A和图8B示出另一示例性滚动元件组件的等距视图。

图9A和图9B分别示出另一示例性滚动元件组件的等距视图和局部展示图。

图10示出并入有图9A和图9B的滚动元件的示例性钻头的等距视图。

图11是示例性滚动元件的等距视图。

图12A和图12B示出另一示例性滚动元件组件以及包括在其中的示例性滚动元件的等距视图。

图13A至图13C示出另一示例性滚动元件组件的视图。

图14A至图14D示出示例性滚动元件的等距视图。

图15A至图15D示出另一示例性滚动元件组件的视图。

图16示出位于钻头刀片中的、图15A至图15D的滚动元件组件的平面图。

具体实施方式

本公开涉及穿地钻头，并且更详细而言，涉及可用于钻头中的滚动类切削深度控制元件。

本公开的实施方案描述滚动元件组件，所述滚动元件组件可以紧固在于钻头上提供的对应槽腔内。每个滚动元件组件包括滚动元件，所述滚动元件的至少一部分具有圆柱形形状，所述圆柱形形状可以充当滚动元件的圆柱形支承部分，并且因此可以限定滚动元件的旋转轴线。每个滚动元件策略性地定位和紧固在钻头主体上，从而使得滚动元件在钻井期间啮合于地层。取决于滚动元件相对于钻头主体的所选定位，滚动元件可以响应于钻头在与地层啮合时的旋转，而围绕其自身的旋转通路相抵于地层进行滚动、相抵于地层进行滑动或者相抵于地层进行滚动和滑动的组合。使用各种固持机构配置来将一个示例中的滚动元件组件固持在钻头主体上的对应槽腔中。

每个滚动元件相对于钻头主体的定向被策略性地选择以便产生各种不同功能和/或效果中的任一种。策略性选择的定向包括(例如)选定侧倾角和/或选定后倾角。在一些情况下，滚动元件可以配置为滚动切削元件，其在钻井时既沿着地层滚动(例如，凭借选定范围的侧倾角)又(例如，凭借选定后倾角和/或侧倾角)切削地层。更详细而言，滚动切削元件可以被定位成使用滚动元件的一部分(例如，聚晶金刚石台面)来从地层切削、挖掘、刮除或以其他方式移除材料，所述部分被定位来啮合于地层。

正如下文详述的一些示例中所描述的，滚动切削元件可以被配置成围绕其旋转轴线自由地旋转，任选地达到至少360°，并且优选地围绕滚动元件旋转轴线持续转过完整的360°转数。因此，滚动切削元件的整个外边缘可以用作切削刃。因此，在使用中，相当于滚动切削元件的整个外边缘都可以在钻井期间随着时间的推移而暴露于地层，而不是像常规固定刀具中只有切削刃的有限部分被暴露。因此，与其中只有切削刃的有限部分接触地层的常规刀具相比而言，所述切削刃的更大总弧形长度将暴露于地层。结果，对于给定切削刃配置而言，所述滚动切削元件预期比常规刀具更持久。滚动元件围绕其自身旋转轴线进行旋转的能力也可以产生更为均匀的切削刃磨损。

在下文详述的其他示例中，滚动元件可以配置为沿着地层滚动的切削深度控制(DOCC)元件。滚动元件旋转地耦接至钻头主体的方式可以暴露滚动元件的全长(即，滚动元件在旋转轴线方向上的线性长度)，从而使得在DOCC应用中，滚动元件的整个长度可以支承在地层上。详细而言，每个滚动元件(不管是滚动切削元件还是滚动DOCC元件)都可以通过外壳而围绕其滚动元件轴线旋转性地紧固至钻头主体，所述外壳限定任选圆柱形支承表面，滚动元件的圆柱形支承部分抵靠于所述支承表面而滑动地旋转。外壳上的支承表面可以部分地环绕圆柱形支承部分以便使得滚动元件的全长得以暴露。因此，在滚动DOCC元件配置中，滚动元件的定向可以经过选择从而使得滚动元件的所述全长可以承抵在地层上。与滚动切削元件一样，滚动DOCC元件也可以展现增强的磨损弹性，并且允许存在额外的钻压，而不会负面地影响钻头上扭矩。这可以允许井操作员最小化对钻头的损坏，从而减少行程和非生产时间，并且降低钻头的攻击性而不牺牲其效率。本文中所描述的滚动DOCC元件也可以减少钻头与地层之间的界面处的摩擦，因而允许存在稳定的切削深度，这会产生更好的工具面控制。

在其他情况下，本文中所描述的滚动元件组件可以运作为滚动切削元件与滚动DOCC元件之间的混合体。如下文更为详细描述的，这可以通过将滚动元件的旋转轴线定向在某一平面上来完成，所述平面并不穿过钻头100的纵向轴线107，也不是被定向成与确实穿过纵向轴线107的平面垂直的平面。

本领域技术人员将容易了解，目前公开的实施方案可以改进混合式岩石钻头，所述混合式岩石钻头通过牺牲金刚石体积来使用较大牙轮元件作为切削深度限制器。相反地，目前公开的滚动元件组件比较之下是较小的，并且它的启用将不会导致固定刀具刮刀钻头上显著的金刚石体积损失。

参照图1A，其示出可以采用本公开的原理的钻头100的等距视图。如图1A中举例描绘的，根据本文教示内容的钻头可以应用于任何固定刀具钻头类别，包括聚晶金刚石复合片(PDC)钻头、刮刀钻头、基质钻头和/或钢制主体钻头。虽然在图1A中被描绘为固定刀具钻头，但是本公开的原理同样适用于可操作为形成井筒的其他类型钻头，包括但不限于牙轮钻头。

钻头100具有钻头主体102，所述钻头主体102包括径向和纵向延伸的刀片104，所述刀片104具有引领面106。钻头主体102可以由钢或更硬材料基质(如碳化钨)制成。钻头主体102围绕纵向钻头轴线107旋转以便在施加的钻压下钻进地下地层中。对应排屑槽112限定在周向相邻刀片104之间，并且多个喷嘴或通口114可以布置在排屑槽112内以便喷射钻井流体，所述钻井流体冷却钻头100并且以其他方式冲去钻井时产生的岩屑和碎片。

钻头主体102还包括安置在对应多个刀具槽腔内的多个刀具116，所述多个刀具槽腔具有合适尺寸和形状来接纳刀具116。此示例中的每个刀具116更详细而言是固定刀具，其经由钎焊、螺纹连接、收缩配合、压入配合、卡环或类似方式而紧固在对应刀具槽腔内。固定刀具116在预定角形定向和径向位置上保持在刀片104和各自刀具槽腔中，以便使得固定刀具116相抵于正在穿透的地层而具有期望的后倾角角度。随着钻柱进行旋转，通过钻头100处经受的钻压和扭矩的组合力来将固定刀具116驱动穿过岩石。在钻井期间，由于随着钻头100旋转时与正在钻进的下伏地层的相互作用，固定刀具116可能经受各种力，如拖曳力、轴向力、反作用力矩力或类似力。

每个固定刀具116可以包括由极硬材料(如碳化钨)制成的大体上圆柱形基底以及紧固至基底的切削面。所述切削面可以包括一层或多层超硬材料，如聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、孕镶金刚石等，所述超硬材料一般形成每个固定刀具116的切削刃和工作表面。工作表面通常是平坦或平面的，但是也可以展现与切削刃处的侧表面相符合的弯曲暴露表面。

一般而言，每个固定刀具116可以使用碳化钨作为基底来制造。虽然固定刀具116可以使用圆柱形碳化钨“坯料”作为基底来形成(所述基底足够地长以便充当切削面的安装螺柱)，但是所述基底同样可以包括在另一界面处粘合至另一金属安装螺柱的中间层。为了形成切削面，基底可以置放邻近一层超硬材料颗粒(如金刚石或立方氮化硼颗粒)，并且所述组合会在某一压力下承受较高温度，其中超硬材料颗粒在热力学上是稳定的。这会致使聚晶超硬材料层(如聚晶金刚石或聚晶立方氮化硼层)直接再结晶和形成到基底的上表面上。当使用聚晶金刚石作为超硬材料时，固定刀具116可以称为聚晶金刚石复合片刀具或“PDC刀具”，并且使用此类PDC固定刀具116制成的钻头一般称为PDC钻头。

如所示出的，钻头100还可包括多个滚动元件组件118，其展示为滚动元件组件118a和118b。每个滚动元件组件118a、118b的旋转轴线相对于刀片104的外表面的切线的定向可决定特定滚动元件组件118a、118b是充当滚动DOCC元件、滚动切削元件还是两者的混合体。如上文所提及的，滚动DOCC元件可以证明为有利地允许额外钻压(WOB)来增强定向钻井应用，而不存在固定刀具116的过度啮合。有效DOCC也限制扭矩波动并且最小化粘滑运动，所述粘滑运动可能导致对固定刀具116的损坏。

参考图1B，其示出钻头100的、被围封在图1A所指示的方框中的部分。如图1B中所示，滚动元件组件118a、118b的暴露部分，并且更详细而言，位于刀片104中的每个滚动元件组件118a、118b所包括的滚动元件122的暴露部分，是以实线形式来示出的，而这些部件中从当前观察角度而言肉眼无法看到的被围封部分或被覆盖部分按照惯例是通过虚线形式来示出的。每个滚动元件122具有旋转轴线A、垂直于刀片轮廓138(图1D)的Z1轴线以及正交于旋转轴线和Z1轴线两者的Y轴线。在钻头100的设计和制造中可以策略性地选择每个滚动元件的定向。例如，如果滚动元件122的旋转轴线A实质上平行于刀片轮廓的外表面119的切线，那么滚动元件组件118a、118b可以实质上充当滚动DOCC元件。换种方式来说，如果滚动元件122的旋转轴线A位于穿过钻头100(图1A)的纵向轴线107(图1A)的平面上，那么滚动元件组件118a、118b可以实质上充当滚动DOCC元件。

然而，如果滚动元件122的旋转轴线A实质上垂直于刀片104的引领面106，那么滚动元件组件118a、118b可以实质上充当滚动切削元件。换种方式来说，如果滚动元件122的旋转轴线A位于与穿过钻头100(图1A)的纵向轴线107(图1A)的平面垂直的平面上，那么滚动元件组件118a、118b可以实质上充当滚动切削元件。

因此，如图1B中所描绘的，滚动元件组件118a可以实质上充当滚动切削元件，并且滚动元件组件118b可以实质上充当滚动DOCC元件。如将会了解的，在滚动元件122的旋转轴线A位于并不穿过钻头100(图1A)的纵向轴线107(图1A)的平面、也不是垂直于纵向轴线107的平面的平面上的实施方案中，滚动元件组件118a、118b便可充当混合式滚动DOCC元件和滚动切削元件。

用于DOCC的传统负荷支承类切削元件通过沿着地层简单地拖曳、滑动等不利地影响钻头扭矩(TOB)，而滚动DOCC元件(如目前描述的滚动元件组件118b)可以减少钻进地层所需要的扭矩量，因为所述滚动DOCC元件进行滚动来减少负荷支承DOCC元件通常所具有的摩擦损失。与传统支承元件相比而言，滚动DOCC元件也将减少磨损。然而，正如将会了解的，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，其可以提高刀具有效性，因为其会将热量更为均匀地分布在整个刀具刃上并且最小化滚动切削元件上的局部磨损平部的形成。

图1C示出某些部分被截除的截面和正面图示，其展示图1A的钻头100，所述钻头100钻进穿过第一井下地层124并且进入到相邻第二井下地层126的井筒。刀片104(图1A)的外部部分以及固定刀具116可以旋转地突出到径向平面上以便形成钻头面轮廓128。在与第二井下地层126相比时，第一井下地层124可以描述为更软的或不太硬的。如图1C中所示，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描述为钻头面。钻头100的钻头面轮廓128可以包括各种区或区段，并且由于钻头面轮廓128的旋转突出而可以是实质上围绕钻头100的纵向轴线107对称的，从而使得纵向轴线107的一侧上的区或区段可以实质上类似于纵向轴线107的相反侧上的区或区段。

例如，钻头面轮廓128可以包括位于计量(gage)区130b对面的计量区130a、位于肩部区132b对面的肩部区132a、位于鼻部区134b对面的鼻部区134a以及位于圆锥形区136b对面的圆锥形区136a。每个区中包括的固定刀具116可以称为这个区的切削元件。例如，计量区130中包括的固定刀具116a可以称为计量切削元件，肩部区132中包括的固定刀具116b可以称为肩部切削元件，鼻部区134中包括的固定刀具116c可以称为鼻部切削元件，并且圆锥形区136中包括的固定刀具116d可以称为圆锥形切削元件。

圆锥形区136可以是大体上凹形的，而且可以形成于钻头100的每个刀片104(图1A)的外部部分上，邻近于纵向轴线107并从纵向轴线107向外延伸。鼻部区134可以是大体上凸形的，而且可以形成于每个刀片104的外部部分上，邻近于每个圆锥形区136并从每个圆锥形区136延伸。肩部区132可以形成于每个刀片104的外部部分上，从各自鼻部区134延伸，并且可以在接近于各自计量区130的地方终止。如图1A中所示，钻头面轮廓128的面积可以取决于与钻头面轮廓128的区或区段相关联的横截面面积，而不是取决于固定刀具116的总数、刀片104的总数或者每个固定刀具116的切削面积。

图1D示出表示钻头100的刀片104的横截面图的刀片轮廓138。刀片轮廓138包括如上文参照图1C所描述的圆锥形区136、鼻部区134、肩部区132和计量区130。圆锥形区136、鼻部区134、肩部区132和计量区130可以每个基于它们沿着刀片104相对于纵向轴线107和水平参考线140的位置，所述水平参考线140指示在垂直于纵向轴线107的平面中距纵向轴线107的距离。图1C和图1D的比较显示出图1C的刀片轮廓138相对于图1C的钻头面轮廓128而言是倒置的。

如所示出的，刀片轮廓138可以包括内区142和外区144。内区142可以从纵向轴线107向外延伸到鼻部点146，并且外区144可以从鼻部点146延伸到刀片104的末端。鼻部点146可以是鼻部区134内的刀片轮廓138上的位置，在通过钻头纵向轴线107(垂直轴线)从参考线140(水平轴线)来测量时，所述位置具有最大标高。图1D中的图表上对应于纵向轴线107的坐标可以称为轴向坐标或位置。更详细而言，对应于参考线140的坐标可以称为径向坐标或径向位置，所述径向坐标或径向位置可以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可以沿着z轴来放置，并且参考线140可以指示从纵向轴线107正交延伸到可被定义为Z-R平面的径向平面上某一点的距离(R)。

取决于每个滚动元件组件118a、118b(图1B)的旋转轴线A(图1B)如何相对于纵向轴线107来定向，并且更详细而言是如何相对于穿过纵向轴线107的Z-R平面来定向，滚动组件118a、118b可以充当滚动DOCC元件、滚动切削元件或其混合体。更具体而言，如果滚动元件122的旋转轴线A位于Z-R平面上，那么滚动元件组件118a、118b便可以实质上充当滚动DOCC元件，但是，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，那么滚动元件组件118a、118b便将实质上充当滚动切削元件。在滚动元件122的旋转轴线A位于偏离Z-R平面但并不与之垂直的平面上的实施方案中，滚动元件组件118a、118b可以充当混合式滚动DOCC元件和滚动切削元件。

此外，取决于滚动元件组件如何相对于纵向轴线107来定向，每个滚动元件组件118a、118b(图1B)可以展现侧倾角或后倾角。侧倾角可以定义为滚动元件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。当旋转轴线A平行于Z-R平面时，侧倾角实质上为0°，诸如在图1B中的滚动元件组件118b的情况下。然而，当旋转轴线A垂直于Z-R平面时，侧倾角实质上为90°，诸如在图1B中的滚动元件组件118a的情况下。当从正z方向沿着z轴观察(朝向负z方向观察)时，负侧倾角是由滚动元件122的逆时针旋转造成的，并且正侧倾角是由滚动元件122的顺时针旋转造成的。换种方式来说，当从刀片轮廓128的顶部观察时，负侧倾角是由滚动元件122的逆时针旋转造成的，并且正侧倾角是由滚动元件122围绕Z1轴线的顺时针旋转造成的。

后倾角可以定义为在给定滚动元件122的Z1轴线与Z-R平面之间对向的角。更详细而言，在给定滚动元件122的Z1轴线向后或向前旋转偏离Z-R平面时，偏离旋转的量便等同于所测后倾角。然而，如果给定滚动元件122的Z1轴线位于Z-R平面上，那么该滚动元件122的后倾角将会是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展现范围介于0°与45°(或0°与-45°)之间的侧倾角。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展现范围介于45°与90°(或-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展现范围介于0°与45°(或0°与-45°)之间的后倾角。所选择的侧倾角将会影响滚动元件组件118a、118b所包括的滚动元件122将经历的滚动量与滑动量的对比，而所选择的后倾角将会影响滚动元件122的切削刃如何啮合于地层(例如，图1C的第一地层124和第二地层126)以便刮削、刮除、圆凿或以其他方式移除材料。

再次参照图1A，滚动元件组件118b可以放置在钻头100的圆锥形区域中并且以其他方式进行定位，从而使得滚动元件组件118b跟随在相邻固定刀具116的路径中，所述相邻固定刀具116(例如)放置在处于刀片104的引领面106上的主排固定刀具116后面的次排中。然而，因为滚动元件组件118b能够滚动，所以它们可以放置在圆锥形部以外的位置中，而不会影响TOB。滚动元件组件118a、118b的策略性放置还可以允许它们用作主要和/或次要滚动切削元件以及滚动DOCC元件，而不会背离本公开的范围。

举例来说，在替代实施方案中，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以位于处在相邻固定刀具116之间的切口形成区域120中。在操作期间，切口形成区域120可以致使切口形成于所钻进的下伏地层上。滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以位于钻头主体102上，从而使得它们在钻井操作期间啮合，或以其他方式延伸穿越一个或多个形成的切口。在此类实施方案中，滚动元件组件118a、118b也可以充当预破裂元件，所述预破裂元件在相邻固定刀具116之间的下伏地层上所形成的切口上面滚动或以其他方式压碎所述切口。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主体102上，从而使得它们在钻井操作期间将在相邻形成切口之间继续行进。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位于钻头100的尖端上或尖端邻近处(即，纵向轴线107上或附近)。在此类实施方案中，钻头100可以更为有效地破裂下伏地层。

在一些实施方案中，正如所示出的，滚动元件组件118a、118b可以每个定位在各自刀片104上，从而使得滚动元件组件118a、118b从各自刀片104的外表面119(图1B)正交地延伸。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定位在从各自刀片104的外表面119的轮廓的法线偏离的预定角形定向(三个自由度)上。结果，滚动元件组件118a、118b可以展现改变的或期望的后倾角角度、侧倾角角度或其组合。如将会了解的，期望的后倾角和侧倾角角度可以相对于主要固定刀具116和/或刀片104的表面119来调整和以其他方式进行优化，其中滚动元件组件118a、118b安置在刀片104的表面119上。

图2A是根据一个或多个实施方案的滚动元件组件200的一个示例的等距视图。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，图2A中的特定滚动组件200可以是滚动元件组件118a、118b的替代物或者图1A至图1B中的滚动元件组件118a、118b的具体示例性实施方案。图2A中的滚动元件组件200包括一般以201指示的外壳，所述外壳可旋转地紧固滚动元件206。这个示例中的外壳201包括扣环202，所述扣环202可以用来将外壳201紧固至钻头主体的刀片104，从而可将滚动元件206围绕滚动元件的旋转轴线而旋转地紧固至钻头主体。在一些实施方案中，外壳201经由各种方法紧固在钻头主体的槽腔(如刀具槽腔)内，所述方法包括但不限于钎焊、螺纹连接、收缩配合、压入配合、粘合剂以及各种机械啮合，如卡环或滚珠轴承固持机构。在这个实施方案中，滚动元件206是大体上圆柱形的。如下文结合各种示例进一步论述的，外壳201部分地环绕圆柱形滚动元件206以便使滚动元件的全长“L”得以暴露。更详细而言，外壳201环绕滚动元件206超过180度以便将滚动元件206约束在外壳内，但是小于360度，从而使得在钻头进行运作时暴露滚动元件206的全长L以便实现与地层的外部接触。

图2B是图2A的滚动元件组件200的等距视图，其中外扣环202(图2A)被移除来揭示滚动元件组件200和外壳201的额外特征。滚动元件组件200的外壳201还包括顶部外壳构件204a和底部外壳构件204b，而且在这个示例中滚动元件206可在顶部外壳构件204a与底部外壳构件204b之间旋转地紧固在外壳201内。如下文进一步详细描述的，底部外壳构件204b具有充当支承表面(在这个示例中为圆柱形支承表面)的凹形沟槽218，滚动元件206抵靠于所述支承表面而滑动地旋转。顶部外壳构件204a和底部外壳构件204b可以紧固在外壳201内(例如，钎焊到图2A的扣环202中)，这将会使得滚动元件组件200固定在适当位置中，但同时允许滚动元件206相对于顶部外壳构件204a和底部外壳构件204b进行旋转。在其他实施方案中，扣环可以省去，并且顶部外壳构件204a和底部外壳构件204b可以直接钎焊到钻头100的刀片104中所限定的槽腔中。

这个示例中的顶部外壳构件204a和底部外壳构件204b可以每个包括基底208以及安置在基底208上的金刚石台面210。基底208可以由各种硬质或超硬材料形成，所述材料包括但不限于钢、钢合金、碳化钨、烧结碳化物以及任何衍生物和其组合。合适的烧结碳化物可以含有变化比例的碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)。另外，各种粘结金属可以包括在基底208中，如钴、镍、铁、金属合金或其混合物。在基底208中，金属碳化物晶粒被支撑在金属粘结剂(如钴)内。在其他情况下，基底208可以由烧结碳化钨复合结构或金刚石超硬材料(如聚晶金刚石或热稳定聚晶金刚石(TSP))形成。

金刚石台面210可以由各种超硬材料制成，所述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、纳米晶体金刚石、超纳米晶体金刚石和氧化锆。此类材料是非常耐磨的，并且适合于用在如本文所描述的支承表面中。虽然所示出的实施方案将金刚石台面210和基底208展示为滚动元件208的两个截然不同部件，但是本领域技术人员将容易了解，在不背离本公开的范围的情况下，金刚石台面210和基底208可以替代地形成为一体和以其他方式由相同材料制成。

滚动元件206可以由优选地具有良好硬度、耐久性和其他机械属性的任何固体材料形成，所述良好硬度、耐久性和其他机械属性会在本文所描述的用途中提供良好的使用寿命。在这个示例中，滚动元件206可以包括类似于基底208的基底212并且由上文指出的、具有良好硬度和耐磨性的相同材料制成。举例来说，滚动元件206也可以包括安置在基底212的相反末端上的相反金刚石台面214a和214b。金刚石台面214a、214b可以与上文指出的金刚石台面210相同材料制成，并且其也具有良好的硬度和耐磨性。在至少一个实施方案中，金刚石台面214a、214b可以替代地由氧化锆制成。应注意的是，并非图中的所有特征件都是按比例绘制的，而且两个金刚石台面214a、214b的厚度或轴向延伸可以是不相同的，并且金刚石台面214a、214b中的一个可以比另一个更厚或者可以一起从滚动元件206中省去。在一些实施方案中，基底212可以不存在，并且滚动元件206可以完全由金刚石台面214a、214b的材料制成。

滚动元件206可以包括和以其他方式包括一个或多个圆柱形支承部分。更详细而言，在这个示例中，整个滚动元件206是圆柱形的并且由硬质耐磨材料制成，且因此，就滚动元件206在滚动时滑动地啮合外壳201的支承表面(例如，凹形沟槽218)而言，滚动元件206的任何部分都可以视为圆柱形支承部分，诸如钻井操作期间所预期的。例如，在一些实施方案中，金刚石台面214a、214b中的一者或两者可以视为滚动元件206的圆柱形支承部分。在其他实施方案中，金刚石台面214a、214b中的一者或两者可以从滚动元件206中省去，并且基底212可以替代地视为圆柱形支承部分。在其他实施方案中，在不背离本公开的范围的情况下，整个圆柱形或盘状滚动元件206可以视为圆柱形支承部分，并且可以由本文中提及的硬质或超硬材料中的任何一种材料来制成。

如所示出的，顶部外壳构件204a可以提供或者以其他方式限定狭槽216，所述狭槽216接纳和约束滚动元件206以便在外壳201内进行旋转。如上文所介绍的，滚动元件206可以展现在其相反轴向末端之间延伸的长度L，并且狭槽216可以在尺寸上略微大于长度L。结果，滚动元件206的弓形部分或许能够延伸穿过狭槽216，从而使得整个长度L得以暴露并且以其他方式突出到顶部元件204a之外较短距离。因此，随着滚动元件206在操作期间围绕其旋转轴线A进行旋转，滚动元件206的弓形部分借助狭槽216来暴露，从而允许滚动元件206在长度L上的整个外圆周表面用于切削或啮合下伏地层。在一些实施方案中，正如从顶部元件204a的金刚石台面210中突出的，滚动元件206或许能够为钻头(即，图1A的钻头100)提供DOCC。然而，在其他实施方案中，滚动元件206可以被定向并且以其他方式进行配置以便在钻井期间啮合和切削下伏地下地层中的岩石。

如所示出的，底部外壳构件204b的金刚石台面210可以限定或者以其他方式提供凹形沟槽218(任选地，圆柱形沟槽)，所述凹形沟槽218用作支承表面的至少一部分来引导滚动元件206并且降低底部外壳构件204b与滚动元件206之间的接触应力。如将会了解的，底部外壳构件204b将会经受滚动元件206上所施加的负荷的大部分。因此，在操作期间使底部元件204b的金刚石台面210的超硬材料直接接触滚动元件206的金刚石台面214a、214b的超硬材料可以证明是有利的，这将有助于减少滚动元件206抵靠于地层滚动时的摩擦量和磨损量。此外，此类实施方案减少或消除对底部外壳构件204b与滚动元件206之间的润滑的需求。相反地，顶部外壳构件204a应该只承受正常操作条件下的最小负荷。应注意的是，在给定滚动元件组件200的设计下，在钻井操作期间滚动元件206和/或底部外壳构件204b的金刚石台面210上所施加的力可能主要是压缩性质的。

在一些实施方案中，滚动元件组件200的支承表面可以被抛光以便减少相反表面之间的摩擦。举例来说，滚动元件组件200中可以被抛光来减少摩擦的表面，包括但不限于滚动元件206、狭槽216、顶部元件204a的任何内部表面、底部元件204b以及凹形沟槽218。在至少一个实施方案中，此类表面可以抛光到约40微英寸或更好的表面抛光。

图3A和图3B示出顶部外壳构件204a和滚动元件206的视图。更详细而言，图3A描绘顶部外壳构件204a的横截面图，并且图3B结合滚动元件206来描绘顶部外壳构件204a的横截面图。在示出的实施方案中，限定在顶部外壳构件204a中的狭槽216可以包括接纳滚动元件206的弯曲或锥形表面302。弯曲表面302可以具有实质上与滚动元件206的半径相匹配的半径，以便允许滚动元件206与顶部外壳构件204a之间的更大接触面积，所述顶部外壳构件204a充当固持元件。

狭槽216还可以包括或者以其他方式限定相反侧表面304(仅展示一个)。在一些实施方案中，侧表面304可以啮合于滚动元件206的相反金刚石台面214a、214b。因此，在至少一个实施方案中，侧表面304可以实质上平行于相反金刚石台面214a、214b。然而，在其他实施方案中，在不背离本公开的范围的情况下，相反侧表面304可以相对于相反金刚石台面214a、214b的某一角度或半径而提供或者以其他方式加工。

图4A和图4B示出另一示例性顶部外壳构件204a和滚动元件206的组合的视图。更详细而言，图4A描绘顶部外壳元件204a的横截面图，并且图4B结合滚动元件206来描绘顶部外壳构件204a的横截面图。在示出的实施方案中，限定在顶部外壳构件204a中的狭槽216可以包括接纳滚动元件206的成角度表面402。成角度表面402可以减少滚动元件206与顶部外壳构件204a之间的接触面积，所述顶部外壳构件204a充当固持元件。

图4A至图4B中的狭槽216还可以包括或者以其他方式限定上文参考图3A至图3B来描述的相反侧表面304(仅展示一个)。在一些实施方案中，侧表面304可以啮合于滚动元件206的相反金刚石台面214a和214b。因此，在至少一个实施方案中，侧表面304可以实质上平行于相反金刚石台面214a和214b。然而，在其他实施方案中，在不背离本公开的范围的情况下，侧表面304可以相对于相反金刚石台面214a和214b的某一角度或半径而提供或者以其他方式加工。

现在参照图5A和图5B，其分别示出根据一个或多个实施方案的另一示例性滚动元件组件500的等距视图和展示图。滚动元件组件500可以与图1A的滚动元件组件118a、118b中的任何一个相同或类似。因此，滚动元件组件500可以被配置成定位在图1A的钻头100的刀片104上的选定位置处。此外，滚动元件组件500可以在某些方面类似于图2A和图2B的滚动元件组件200，并且因此可以参考图2A和图2B而得以最佳地了解，其中相似元件将代表相似部件，这些部件可能不再详细描述。

如所示出的，滚动元件组件500可以包括外壳502，所述外壳502被配置为接纳滚动元件206并将滚动元件206固持在其中。在示出的实施方案中，外壳502包括第一侧面构件504a和第二侧面构件504b，其中第一侧面构件504a和第二侧面构件504b充当蛤壳状结构，所述蛤壳状结构部分地将滚动元件206围封和固持在其中。如上文所论述的，滚动元件206可以包括基底212以及安置在基底212的相反末端上的相反金刚石台面214a、214b，但是可以替代地省去金刚石台面214a、214b中的一者或两者，或者整个滚动元件206可以包括类似于金刚石台面214a、214b的超硬材料。此外，滚动元件206的任何部分都可以视为支承部分，所述支承部分被配置来承抵和以其他方式啮合于外壳502的任何内部表面和/或钻井操作期间所钻进的下伏地层。在图5B中，省去第二侧面构件504b，以便于观察滚动元件组件500的内部部件。

外壳502可以被配置为部分地围封滚动元件206，从而使得滚动元件206的一部分突出或者以其他方式延伸穿过由外壳502所限定的并且更详细而言由第一侧面构件504a和第二侧面构件504b协作限定的狭槽506。结果，滚动元件206的弓形部分能够延伸穿过狭槽506，从而使得整个长度L得以暴露并且以其他方式突出到外壳502之外较短距离。随着滚动元件206在操作期间围绕其旋转轴线A进行旋转，滚动元件206的弓形部分借助狭槽506来暴露，从而允许滚动元件206在长度L上的整个外圆周表面用于切削或啮合下伏地层。因此，正如从外壳502中突出的，滚动元件206可以充当钻头(即，图1A的钻头100)的滚动DOCC元件，或者可以替代地被定向为充当滚动切削元件，所述滚动切削元件在钻井期间啮合并切削下伏地下地层中的岩石。在其他实施方案中，在不背离本公开的范围的情况下，滚动元件206可以经过定向从而使得其充当混合式滚动DOCC元件和滚动切削元件。

类似于图2A至图2B的狭槽216，狭槽506可以展现比滚动元件206的直径更小的尺寸，并且因而被配置成可旋转地将滚动元件206紧固在外壳502内。更详细而言，外壳502可以包括内部支承表面，如狭槽506，所述支承表面经过设计和以其他方式确定尺寸以便环绕和围封滚动元件206的圆周超过180°但小于360°，并且因而将滚动元件206约束在外壳502内。此外，狭槽506可以被确定尺寸从而使得滚动元件206的全长L在操作期间保持为暴露的。

类似于狭槽216，并且正如在图5B中最佳地看到的，狭槽506可以包括接纳滚动元件206的弯曲或锥形内表面507。在一些实施方案中，内表面507可以具有实质上与滚动元件206的半径相匹配的半径，以便允许滚动元件206与外壳502之间的更大接触面积。然而，在其他实施方案中，内表面507可以替代地为成角度的，而不是弓形的。滚动元件206可以紧固在外壳502中，从而使得滚动元件206可以在外壳502中围绕旋转轴线A进行旋转。结果，不仅仅是滚动元件206的外圆周的一部分，而是其整个外圆周都可以借助狭槽216而逐渐地暴露，以用于切削或者以其他方式啮合于下伏地层。

在一些实施方案中，正如图5B中最佳地看到的，滚动元件组件500还可以包括支承元件508。更详细而言，外壳502(即，第一侧面构件504a和第二侧面构件504b)可以提供或者以其他方式限定支承空腔510，所述支承空腔510被确定尺寸和以其他方式被配置为接纳支承元件508。如所示出的，支承元件508可以是大体上盘状结构，并且滚动元件206可以被配置成在操作期间啮合于支承元件508。在至少一个实施方案中，支承元件508可以包括基底512以及被配置为啮合于滚动元件206的至少一个支承表面。举例来说，正如所示出的，相反金刚石台面514a、514b可以安置在基底512的相反末端上，并且金刚石台面514a、514b中的至少一个可以充当用于支承元件508的支承表面。

基底512可以类似于滚动元件206的基底212并且可以由上文指出的相同材料制成，而相反金刚石台面514a、514b可以类似于滚动元件206的金刚石台面214a、214b并且也可以由上文指出的相同材料制成。在另一实施方案中，金刚石台面514a、514b中的一者或两者可以省去，并且基底512可以充当支承表面。在此类实施方案中，基底512可以由金刚石台面514a、514b的相同材料或者任何其他硬质或超硬材料制成，所述硬质或超硬材料诸如但不限于钢、涂覆表面或基质材料，所述基质材料包括选自由以下物质组成的群组的超硬材料：微晶碳化钨、铸造碳化物、烧结碳化物、球形碳化物或者其组合。

如将会了解的，支承元件508将在操作期间承担滚动元件206上所施加的负荷的大部分(即使并非全部)。因此，在操作期间使支承元件508的支承表面直接接触滚动元件206的金刚石台面214a、214b的超硬材料可以证明是有利的，这将有助于减少滚动元件206在接触地层的同时滚动时的摩擦量和磨损量。此外，此类实施方案减少或消除对支承元件508与滚动元件206之间的润滑的需求。

第一侧面构件504a和第二侧面构件504b可以由碳化钨、钢、工程材料、涂覆材料(即，使用诸如化学气相沉积、等离子体气相沉积等工艺)以及其他硬质或合适耐磨材料制成。每个侧面构件504a、504b可以提供和以其他方式限定侧表面516(图5B中仅展示一个)。侧表面516可以在操作期间与滚动元件206的相反金刚石台面214a、214b啮合。换种方式来表述，在操作期间，两个侧表面516可以并非总是啮合或接触相反金刚石台面214a、214b。因此，在至少一个实施方案中，侧表面516可以实质上平行于相反金刚石台面214a、214b。

在其他实施方案中，或者除了这些实施方案之外，侧表面516中的一者或两者可以具有定位在其上以便可与相邻金刚石台面214a、214b啮合的支承元件518(图5A中虚拟示出的)。支承元件518可以包括(例如)铸造到特定侧表面516中或者以其他方式紧固至其处的TSP或另一超硬材料。尽管支承元件518被示出为具有大体上圆形的横截面，但应了解的是，在不背离本公开的范围的情况下，支承元件518可以替代地展现可与相反金刚石台面214a、214b啮合的任何合适形状，如椭圆形、多边形等。在至少一个实施方案中，在不背离本公开的范围的情况下，整个侧表面516可以包括支承元件518，或者可以按照其他方式涂覆有超硬材料，所述超硬材料充当支承元件或支承表面。

因此，外壳502可以限定或提供一个或多个内部支承表面，如狭槽506的内表面507、侧表面516以及支承元件508。此外，滚动元件组件500的支承表面中的任何一个都可以抛光以便减少相反移动表面之间的摩擦。举例来说，滚动元件组件500中可以被抛光来减少摩擦的表面包括但不限于滚动元件206、内表面507、支承元件508、侧表面516以及紧固至侧表面516的支承元件518(如果使用的话)。在至少一个实施方案中，此类表面可以抛光到约40微英寸或更好的表面抛光。

应注意的是，尽管已经将滚动元件组件500描述为固持一个滚动元件206，但是本公开的实施方案并不受限于此，而且，在不背离本公开的范围的情况下，滚动元件组件500(或者本文所描述的滚动元件组件中的任何一个)可以包括和以其他方式使用两个或更多个滚动元件206。在此类实施方案中，所述多个滚动元件206可以由单个支承元件508支撑，或者每个滚动元件206可以由单独支承元件508支撑。此外，外壳502可以相应地修改以便固持/容纳增加数量的滚动元件206和/或支承元件508。

在继续参考图5A和图5B的情况下，现参照图6A和图6B，其分别示出定位在槽腔602内的滚动元件组件500以及锁定元件604的等距视图。如所示出的，槽腔602可以限定在钻头100(图1A)的刀片104中。在钻头100是由基质材料制成的实施方案中，可以通过有选择性地将移位材料(即，固结砂或石墨)放置在有待形成槽腔的位置处来形成槽腔602。在钻头100包括钢制主体钻头的实施方案中，可以采用常规加工技术来在期望位置处加工槽腔602。

滚动元件组件500可以经由各种方式和机构而紧固在槽腔602中。例如，在一些实施方案中，滚动元件组件500可以通过钎焊、焊接、螺纹连接、工业粘合剂、压入配合、收缩配合、一个或多个机械紧固件(例如，螺丝、螺栓、卡环、销钉、滚珠轴承固持机构等)或者其任何组合而紧固在槽腔602内。然而，在其他实施方案中，可以使用锁定元件604来将滚动元件组件500紧固在槽腔602内。一旦恰当地安装，锁定元件604便可以防止滚动元件组件500从槽腔602中脱离和以其他方式退离，这归因于钻井操作期间作用于滚动元件组件500上的力。如所示出的，锁定元件604可以被配置为插入到由外壳502和槽腔602协作限定的空腔606中。更详细而言，空腔606可以由限定在槽腔602中的槽腔沟槽608a以及限定在第一侧面构件504a和第二侧面构件504b的每一个的外表面上的对应外壳沟槽608b来形成。

正如图6B中所描绘的，在一些实施方案中，锁定元件604可以是“U”形、弧形或半圆形丝线。在一些实施方案中，锁定元件604可以由刚性材料制成，在插入到空腔606中时所述刚性材料仍然保持其形状。在其他实施方案中，锁定元件604可以由延性材料或可锻材料制成，所述延性材料或可锻材料能够被插入到和以其他方式强迫进入到任何形状的空腔606中并且因而承受空腔606的一般形状。出于说明目的，锁定元件604展示为仅放置在一个空腔606中。然而，应了解的是，空腔606可以限定在滚动元件组件500的相反侧面上，并且每个空腔606可以具有安置在其中以便将滚动元件组件500紧固在槽腔602内的对应锁定元件604。

用于锁定元件604的合适材料可以包括但不限于低温金属、形状记忆金属、弹簧钢以及其任何组合。其他合适材料包括可以注入到空腔606中并且被硬化来形成固体结构的液态环氧树脂、弹性体、陶瓷材料或者塑性材料。液态环氧树脂可以单独使用或者与任何其他材料(如金属锁定环或金属锁定线)组合使用。在其他实施方案中，锁定元件604可以包括粘合剂，所述粘合剂可以填充尚未填充的空腔606中的任何空隙，例如通过插入在空腔606中的锁定环或锁定线。应了解的是，尽管对应外壳沟槽608b和槽腔沟槽608a所形成的空腔606被示出为“U”形的，但是空腔606可以具有任何合适形状，如具有90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。

在继续参考图6A和图6B的情况下，再次参照图5A和图5B，在一些实施方案中，支承元件508和支承空腔510可以从外壳502中省去。相反地，外壳502可以在其底部具有或者以其他方式限定开放末端(未图示)，并且滚动元件206或许能够突出到开放末端底部之外较短距离。在此类实施方案中，TSP或另一超硬材料可以铸造到槽腔602的底部中，并且滚动元件206可以被配置为啮合和倚靠槽腔602的底部中的TSP。然而，在其他实施方案中，槽腔602的底部可以充当支承元件。举例来说，在此类实施方案中，钻头主体102(图1)可以由基质材料制成，并且槽腔602可以形成于其中。因此，滚动元件206可以倚靠形成槽腔602的底部的基质材料。

图7A和图7B示出根据一个或多个实施方案的另一示例性滚动元件组件700的等距展示图。滚动元件组件700可以在某些方面类似于图5A至图5B的滚动元件组件500，并且因此可以参考图5A至图5B而得以最佳地了解，其中相同数字表示相同部件，这些部件不再详细描述。如所示出的，滚动元件组件700可以包括有待于紧固在外壳502内并且更详细而言紧固在第一侧面构件504a和第二侧面构件504b内的滚动元件206。图7A描绘省去第二侧面构件504b的情况下的滚动元件组件700的等距视图，并且图7B描绘省去第一侧面构件504a的情况下的滚动元件组件700的等距视图，但是每个侧面构件将会以其他方式包括在滚动元件组件700中以用于操作。

然而，不同于图5A至图5B的滚动元件组件500，支承元件508可以从滚动元件组件700中省去。相反地，滚动元件206可以被配置为啮合于第一侧面构件504a和第二侧面构件504b的内弓形表面702(图7A)。弓形表面702可以由任何硬质或耐磨材料制成，所述硬质或耐磨材料诸如但不限于碳化钨、钢、工程金属或者其任何组合。在一些实施方案中，或者除了这些实施方案之外，弓形表面702可以经由化学气相沉积、等离子体气相沉积等而涂覆有硬质材料，以便提高其耐磨性。

类似于图5A至图5B的滚动元件组件500，滚动元件组件700可以定位在槽腔602(图6A)中并且使用(例如)锁定元件604而紧固在其中。或者，在一些实施方案中，滚动元件组件700可以通过钎焊、焊接、螺纹连接、工业粘合剂、压入配合、收缩配合、利用一个或多个机械紧固件(例如，螺丝、螺栓、卡环、销钉等)或者其任何组合而紧固在槽腔602内。

图7C示出第一侧面构件504a的示例性实施方案的等距视图。如上文所论述的，第一侧面构件504a可以提供和以其他方式限定接纳滚动元件206(未图示)并且将其紧固在外壳502内的侧表面516和相反表面507。第一侧面构件504a还可以包括弓形表面702。在示出的实施方案中，侧表面516、相反表面516和内弓形表面702中的每个可以包括或者以其他方式具有定位在其上的支承元件518。

如将会了解的，第二侧面构件504b(未示出)也可以在对应结构部件上提供对应支承元件518。然而，在至少一个实施方案中，第二侧面构件504b可以被确定形状和以其他方式被配置来接纳第一侧面构件504a的相反表面516和内弓形表面702上的支承件518。在其他实施方案中，在不背离本公开的范围的情况下，第一侧面构件504a和第二侧面构件504b可以协作地将支撑件518紧固在外壳502的相反表面516和内弓形表面702上。

应注意的是，在不背离本公开的范围的情况下，本文所描述的滚动元件组件中的任何一个都可以包括一个多个侧面构件，所述一个或多个侧面构件类似于侧面构件504a并且包括一个或多个支承件518。

现在参照图8A和图8B，其分别示出根据一个或多个实施方案的另一示例性滚动元件组件800的等距视图和展示图。滚动元件组件800可以在某些方面类似于图5A至图5B的滚动元件组件500，并且因此可以参考图5A至图5B而得以最佳地了解，其中相同数字表示相同部件，这些部件不再详细描述。滚动元件组件800可以包括外壳802，所述外壳802被配置为部分地接纳和以其他方式围封滚动元件206(为了使说明清晰而在图8B中省去)，从而使得滚动元件206的一部分突出或者以其他方式延伸穿过外壳802所限定的狭槽506并且滚动元件206的整个长度L得以暴露。如所示出的，外壳802可以包括限定和以其他方式提供侧面开口804的单一或单块结构，所述侧面开口804被确定尺寸以便接纳滚动元件206。在适当地放置于外壳802中时，可以暴露相反金刚石台面214a、214b中的一个(图8A中的第一金刚石台面214a)。

类似于滚动元件组件500和700，滚动元件组件800可以使用放置在空腔606中的锁定元件604(图6B)而紧固在切削元件槽腔602(图6A)中，所述槽腔606是由外壳802上的外壳沟槽608b以及限定在槽腔602中的对应槽腔沟槽608a来形成。或者，在一些实施方案中，滚动元件组件800可以通过钎焊、焊接、螺纹连接、工业粘合剂、压入配合、收缩配合、利用一个或多个机械紧固件(例如，螺丝、螺栓、卡环、销钉等)或者其任何组合而紧固在槽腔602中。与滚动元件组件500和700相比而言，滚动元件组件800可以提供相对更好的支承支架。

然而，不同于滚动元件组件500和700，在滚动元件组件800中，滚动元件206的侧表面806可以被配置成在滚动元件组件800处于操作中时，接触和倚靠槽腔602(图6A)的相反内表面。更详细而言，如所示出的，暴露的侧表面806形成第一金刚石台面214a的一部分，并且因此可以由如上文所描述的硬质或超硬材料制成。在此类实施方案中，槽腔602的内表面可以具有定位在其中的支承元件以便啮合于侧表面806。支承元件可以包括(例如)铸造到特定内表面中或者以其他方式紧固至其处的TSP或另一超硬材料。

现在参照图9A和图9B，其分别示出根据一个或多个实施方案的另一示例性滚动元件组件900的等距视图和局部展示图。滚动元件组件900可以在某些方面类似于图5A至图5B的滚动元件组件500，并且因此可以参考图5A至图5B而得以最佳地了解，其中相同数字表示相同部件，这些部件不再详细描述。滚动元件组件900可以包括外壳902，所述外壳902被配置为部分地接纳和以其他方式围封滚动元件206以用于操作。在示出的实施方案中，外壳902包括第一侧面构件904a和第二侧面构件904b，其中第一侧面构件904a和第二侧面构件904b充当蛤壳状结构，所述蛤壳状结构将滚动元件206围封和固持在其中。在图9B中，省去第二侧面构件904b，以便于观察滚动元件组件900的内部部件。

外壳902可以被配置为部分地围封滚动元件206，从而使得滚动元件206的一部分突出或者以其他方式延伸穿过由外壳902所限定的并且更详细而言由第一侧面构件904a和第二侧面构件904b协作限定的狭槽906。狭槽906的尺寸可以小于滚动元件206的直径，且结果，外壳902可以被配置为经由狭槽906而将滚动元件206紧固在外壳902内。狭槽906可以被确定尺寸和以其他方式被配置为允许整个长度L的滚动元件206突出到外壳502之外较短距离。随着滚动元件206在操作期间围绕其旋转轴线A进行旋转，滚动元件206的弓形部分借助狭槽906来暴露，从而允许滚动元件206在长度L上的整个外圆周表面用于切削或啮合下伏地层。

狭槽906可以包括接纳滚动元件206的至少一个弯曲或锥形内表面908(图9B)。在一些实施方案中，表面908可以具有实质上与滚动元件206的半径相匹配的半径，以便允许滚动元件206与外壳902之间的更大接触面积。然而，在其他实施方案中，表面908可以替代地为成角度的，而不是弓形的。

外壳902(即，第一侧面构件904a和第二侧面构件904b)还可以提供和以其他方式限定的内弓形表面910(图9B)，滚动元件206能够在操作期间啮合或倚靠所述内弓形表面910。弓形表面910可以由任何硬质或耐磨材料制成，所述硬质或耐磨材料诸如但不限于碳化钨、钢、工程金属或者其任何组合。在一些实施方案中，或者除了这些实施方案之外，弓形表面910可以经由化学气相沉积、等离子体气相沉积等而涂覆有硬质材料，以便提高其耐磨性。

每个侧面构件904a、904b也可以提供和以其他方式限定侧表面912(部分地展示于图9B中)。侧表面912可以被配置为在操作期间啮合于滚动元件206的相反金刚石台面214a、214b。因此，在至少一个实施方案中，侧表面912可以实质上平行于相反金刚石台面214a、214b。在其他实施方案中，或者除了这些实施方案之外，侧表面912中的一者或两者可以具有定位在其上以便啮合于相反金刚石台面214a、214b的支承元件(未图示)。支承元件可以包括(例如)铸造到特定侧表面912中或者以其他方式紧固至其处的TSP或另一超硬材料。

因此，外壳902可以限定或提供一个或多个内部支承表面，如狭槽906的内表面908、第一侧面构件904a和第二侧面构件904b以及内弓形表面910。此外，滚动元件组件900的支承表面中的任何一个都可以抛光以便减少相反移动表面之间的摩擦。举例来说，滚动元件组件900中可以被抛光来减少摩擦的表面，包括但不限于滚动元件206、表面908、弓形表面910、侧表面912以及紧固至侧表面912的任何支承元件(如果使用的话)。在至少一个实施方案中，此类表面可以抛光到约40微英寸或更好的表面抛光。

正如从外壳902中突出的，滚动元件206可以被配置为充当钻头(即，图1A的钻头100)的滚动DOCC元件，或者可以替代地被定向和以其他方式被配置为在钻井期间啮合并切削下伏地下地层中的岩石。在继续参考图9A和图9B的情况下，参照图10，其示出根据一个或多个实施方案的、可以并入有滚动元件组件900中的一个或多个的示例性钻头1000的等距视图。钻头1000可以在某些方面类似于图1A的钻头100，并且因此可以参考图1A而得以最佳地了解，其中相同数字表示相同部件，这些部件不再详细描述。如所示出的，钻头1000可以包括多个刀片104，并且多个固定刀具116可以有选择性地放置在刀片上的预定位置处。

此外，钻头1000还可以包括有选择性地定位在刀片104上的各种位置处的一个或多个滚动元件组件900。更详细而言，钻头1000可以包括第一滚动元件组件900a和第二滚动元件组件900b。如所示出的，第一滚动元件组件900a可以定位在主排固定刀具116中，并且第二滚动元件组件900b可以定位在处于主要固定刀具116后面的一排切削元件中。在操作中，第一滚动元件组件900a或第二滚动元件组件900b中的任一个可以充当滚动DOCC元件。在其他实施方案中，第一滚动元件组件900a和第二滚动元件组件900b中的一者或两者可以充当滚动切削元件或混合式滚动DOCC/切削元件，这取决于其在特定刀片104上的定向。

第一滚动元件组件900a可以紧固在邻近于一个或多个固定刀具116的刀具槽腔1002内。类似于固定刀具116中的任何一个，第一滚动元件组件900a可以经由各种方式和机构而紧固在对应刀具槽腔1002中，所述方式和机构诸如但不限于钎焊、焊接、螺纹连接、工业粘合剂、压入配合、收缩配合、一个或多个机械紧固件(例如，螺丝、螺栓、卡环、销钉等)或者其任何组合。然而，在其他实施方案中，正如上文大体描述并且在图6A至图6B中示出的，可以使用锁定元件604来将第一滚动元件组件900a紧固在刀具槽腔1002中。在一些实施方案中，第一滚动元件组件900a可以在最初制造钻头1000时紧固在刀具槽腔1002中。然而，在其他实施方案中，第一滚动元件组件900a可以在钻头1000的翻修或维修期间紧固在刀具槽腔1002中。在此类实施方案中，固定刀具116可以用滚动元件组件900a来替换，或者滚动元件组件900a可以移除、维修和替换。

第二滚动元件组件900b可以紧固在刀片104中的预定位置处所限定的槽腔1004内。类似于图6A的槽腔602，在钻头1000是由基质材料制成的实施方案中，可以通过有选择性地将移位材料(即，固结砂或石墨)放置在有待于形成槽腔1004的位置处来形成槽腔1004。然而，在钻头1000包括钢制主体钻头的实施方案中，可以采用常规加工技术来在期望位置处加工槽腔1004。类似于第一滚动元件组件900a，第二滚动元件组件900b可以经由各种方式和机构而紧固在对应刀具槽腔1004中，所述方式和机构诸如但不限于钎焊、焊接、螺纹连接、工业粘合剂、压入配合、收缩配合、一个或多个机械紧固件(例如，螺丝、螺栓、卡环、销钉等)或者其任何组合。然而，在其他实施方案中，正如上文大体描述并且在图6A至图6B中示出的，可以使用锁定元件604来将第二滚动元件组件900b紧固在刀具槽腔1004中。

图11示出根据一个或多个实施方案的示例性滚动元件1100。滚动元件1100可以在某些方面类似于滚动元件206，并且因此在不背离本公开的范围的情况下可以用于本文所描述的滚动元件组件200、500、700、800和900的任何一个。如所示出的，滚动元件1100可以包括具有第一末端1104a和第二末端1104b的实质上圆柱形主体1102。虽然描绘为实质上圆柱形的，但是滚动元件1100的长度L可以缩短，以便替代地展现与本文所描述的滚动元件206类似的大体上盘类形状。主体1102可以由(例如)碳化钨、金属基质材料或另一硬质材料制成。在至少一个实施方案中，主体1102可以具有嵌入于其中的人造或天然金刚石。

如所示出的，滚动元件1100还可以包括定位在主体1102的一个或两个末端1104a、1104b处的金刚石台面1106。金刚石台面1106可以由与上文所描述的金刚石台面214a、214b类似的材料制成。然而，在至少一个实施方案中，金刚石台面1106可以包括TSP圆盘或者可以按照其他方式由TSP制成。在一些实施方案中，正如所描绘的，金刚石台面1106可以包括在第一末端1104a与第二末端1104b之间延伸穿过主体1102的单个圆柱形元件。金刚石台面1106可以暴露在每个末端1104a、1104b处，并且因而可以充当滚动元件1100的支承元件。应注意的是，虽然金刚石台面1106被示出为具有大体上圆形横截面，但是实施方案并不受限于此，而且金刚石台面1106可以替代地展现任何合适的横截面形状，如椭圆形、多边形等。

如将会了解的，滚动元件1100的任何部分都可以视为圆柱形支承部分，所述圆柱形支承部分可以在钻井操作期间承抵和以其他方式啮合于另一结构或部件。例如，在一些实施方案中，金刚石台面1106中的一者或两者可以视为滚动元件1100的圆柱形支承部分。在其他实施方案中，金刚石台面1106中的一者或两者可以从滚动元件1100中省去，并且基底1102可以替代地视为圆柱形支承部分。在其他实施方案中，在不背离本公开的范围的情况下，整个圆柱形滚动元件1100可以视为圆柱形支承部分，并且可以由本文中提及的硬质或超硬材料中的任何一种材料来制成。

现在参照图12A和图12B，其分别示出根据一个或多个实施方案的另一示例性滚动元件组件1200和示例性滚动元件1206的等距视图。滚动元件组件1200可以在某些方面类似于图5A至图5B的滚动元件组件500，并且因此可以参考图5A至图5B而得以最佳地了解，其中相同数字表示相同部件，这些部件不再详细描述。如图12A中所示出的，滚动元件组件1200可以包括图7A和图7B中所描绘的并且一般结合图7A和图7B来描述的外壳502。因此，外壳502可以包括第一侧面构件504a和第二侧面构件504b，所述第一侧面构件504a和第二侧面构件504b可以被配置为接纳和固持滚动元件1206。如所示出的，第一侧面构件504a和第二侧面构件504b可以彼此轴向地隔开，以便容纳长度L的滚动元件1206。每个侧面构件504a、504b可以支撑滚动元件1206的轴向相反末端1204a、1204b。

图12B示出滚动元件1206的等距视图。如所示出的，滚动元件可以实质上类似于图11的滚动元件1100。更详细而言，滚动元件1206可以具有实质上圆柱形主体1202，并且可以包括定位在主体1202的一个或两个末端1204a、1204b处的金刚石台面1106。在一些实施方案中，正如所描绘的，金刚石台面1106可以包括延伸穿过主体1202且在第一末端1204a与第二末端1204b之间的单个圆柱形元件。

滚动元件1206还可以包括定位在主体1202上并且从其外表面向外径向延伸的一个或多个插入件1208。更详细而言，插入件1208可以围绕主体1202的外圆周表面而成角度地彼此偏离，并且可以位于主体1202中处于第一末端1204a与第二末端1204b之间的大体上中心部分中。在一些实施方案中，插入件1208可以嵌入于限定在主体1202中的插入件槽腔1210中。出于说明目的，图12B虚拟地展示位于对应插入件槽腔1210中的一个插入件1208的嵌入部分。如所示出的，插入件1208可以是大体上圆锥形形状的，但是也可以是任何其他形状，如金字塔形、圆柱形、棱柱形或任何多边形形状。插入件1208可以通过钎焊、焊接、螺纹连接、工业粘合剂、压入配合、收缩配合、一个或多个机械紧固件(例如，螺丝、螺栓、卡环、销钉、滚珠轴承固持机构等)或者其任何组合而紧固在插入件槽腔1210内。

如将会了解的，滚动元件组件1200对于在操作期间增加滚动元件1200在地层界面处的摩擦而言可以证明是有利的。增加的摩擦可以在采用滚动元件组件1200的钻头(例如，钻头100)的给定数目的转数下致使相对更大量的地层被移除。此外，插入件1208可以在钻井操作期间压碎或磨碎下伏地层，并且对于压碎相邻固定刀具116(图1A)之间所形成的一个或多个切口而言可以证明是有利的。

在操作期间，滚动元件1206可以被配置为啮合于第一侧面构件504a和第二侧面构件504b的内弓形表面1212(图12A)。弓形表面1212可以由任何硬质或耐磨材料制成，所述硬质或耐磨材料诸如但不限于碳化钨、钢、工程金属或者其任何组合。在一些实施方案中，或者除了这些实施方案之外，弓形表面1212可以经由化学气相沉积、等离子体气相沉积等而涂覆有硬质材料，以便提高其耐磨性。

类似于图5A至图5B的滚动元件组件500，滚动元件组件1200可以定位在槽腔602(图6A)中并且使用(例如)锁定元件604(图6B)而紧固在其中。因此，槽腔602可以被修改成容纳滚动元件组件1200的尺寸。或者，在一些实施方案中，滚动元件组件1200可以通过钎焊、焊接、螺纹连接、工业粘合剂、压入配合、收缩配合、利用一个或多个机械紧固件(例如，螺丝、螺栓、卡环、销钉等)或者其任何组合而紧固在槽腔602内。

现在参照图13A至图13C，其示出根据一个或多个实施方案的示例性滚动元件组件1300的视图，其包括滚动元件1302以及外壳1304中用来在操作期间接纳和固持滚动元件1302的部分。更详细而言，图13A是滚动元件1302的正视图，图13B展示接纳在外壳1304的一部分内的滚动元件1302，并且图13C是外壳1304的所述部分的等距视图。滚动元件组件1300可以在某些方面类似于图7A至图7B中的滚动元件组件700。

如图13A中所示出的，滚动元件1302可以包括一个或多个圆柱形支承部分，所述圆柱形支承部分延伸穿过滚动元件1302的长度L并且被配置成围绕旋转轴线A进行旋转。更详细而言，滚动元件1302可以包括第一金刚石台面1314a、第二金刚石台面1314b和第三金刚石台面1314。第一金刚石台面1314a和第二金刚石台面1314b定位在滚动元件1302的相反末端处，并且第三金刚石台面1314c置于第一金刚石台面1314a与第二金刚石台面1314b之间。第一基底1312a可以安置于第一金刚石台面1314a与第三金刚石台面1314c之间，并且第二基底1312b可以安置于第二金刚石台面1314b与第三金刚石台面1314c之间。基底1312a、1312b可以由上文针对基底212所指出的相同材料制成，并且金刚石台面1314a至1314c可以由上文针对金刚石台面214a、214b所指出的相同材料制成。

如所示出的，中间或第三金刚石台面1314c的直径大于第一金刚石台面1314a和第二金刚石台面1314b的直径。因此，在至少一个实施方案中，第一基底1312a和第二基底1312b的外表面可以提供缓解部分1306，其中第一基底1312a和第二基底1312b从第一金刚石台面1314a和第二金刚石台面1314b的较小直径过渡到第三金刚石台面1314c的较大直径。在此类实施方案中，缓解部分1306可以包括倒圆、削边、锥形表面或类似方面。缓解部分1306对于提供区域以便在操作期间装填和冷却滚动元件1302而言可以证明是有利的。举例来说，缓解部分1306可以允许流体进入外壳1304、围绕滚动元件1302进行循环并且随后经由缓解部分1306离开外壳1302。

应注意的是，尽管第三金刚石台面1314c的直径被描述为大于第一金刚石台面1314a和第二金刚石台面1314b的直径，但实施方案并不受限于此。在不背离本公开的范围的情况下，第一金刚石台面1314a、第二金刚石台面1314b和第三金刚石台面1314c中的任何一个或任何两个可以具有比其余金刚石台面1314a、1314b、1314c的直径更大的直径。此外，在一些实施方案中，可以采用三个以上或三个以下金刚石台面1314a至1314c。举例来说，在至少一个实施方案中，金刚石台面1314a至1314c可以每个省去，并且滚动元件1302可以替代地包括单块硬质或超硬材料。

滚动元件1302可以被接纳和固持在滚动元件组件1300的外壳1304中。类似于图7A的外壳502，外壳1304可以包括第一侧面构件504a和第二侧面构件504b以及狭槽506。第一侧面构件504a和第二侧面构件504b可以充当蛤壳状结构，所述蛤壳状结构将滚动元件1302围封和固持在其中。在图13B和图13C中，外壳1304的第二侧面构件504b被省去，以便于观察滚动元件组件1300的内部部件。狭槽506可以展现比滚动元件1302的直径更小的尺寸，并且因而被配置为将滚动元件1302紧固在外壳1304内。此外，狭槽506可以包括接纳滚动元件1302的内表面507，所述内表面507可以是弯曲的或成角度的。

如同图7A至图7B的滚动元件组件700一样，滚动元件1302可以被配置为啮合于第一侧面构件504a和第二侧面构件504b的内弓形表面1308。弓形表面1308可以被确定形状以便接纳滚动元件1302。具体来说，并且正如在图13C中最佳地看到的，弓形表面1308可以界定和以其他方式提供轮廓1316，所述轮廓1316被配置为实质上匹配滚动元件1302的外部形状和/或造型，并且因而允许滚动元件1302与外壳1304之间的最大接触面积。弓形表面1308可以由任何硬质或耐磨材料制成，所述硬质或耐磨材料诸如但不限于碳化钨、钢、工程金属或者其任何组合。在一些实施方案中，或者除了这些实施方案之外，弓形表面1308可以经由化学气相沉积、等离子体气相沉积等而涂覆有硬质材料，以便提高其耐磨性。

类似于图7A至图7B的滚动元件组件700，滚动元件组件1300可以定位在槽腔602(图6A)中并且使用(例如)锁定元件604(图6B)而紧固在其中。或者，在一些实施方案中，滚动元件组件1300可以通过钎焊、焊接、螺纹连接、工业粘合剂、压入配合、收缩配合、利用一个或多个机械紧固件(例如，螺丝、螺栓、卡环、销钉等)或者其任何组合而紧固在槽腔602内。如将会了解的，在不背离本公开的范围的情况下，滚动元件1302可以用于本文所描述的滚动元件组件的任何一个。

现在参照图14A至图14D，其分别示出根据一个或多个实施方案的示例性滚动元件1400a、1400b、1400c和1400d的等距视图。滚动元件1400a至1400d可以在某些方面类似于本文所描述的滚动元件206，并且可以替换本文所描述的滚动元件组件500、700、800和/或900的任何一个中的滚动元件206。如所示出的，滚动元件1400a至1400d可以每个包括大体上盘类结构，所述盘类结构具有相反的第一末端1404a和第二末端1404b以及在第一末端1404a与第二末端1404b之间延伸的外表面1402。在一些实施方案中，第一末端和第二末端中的一者或两者的某个部分或所有部分可以包含或包括超硬材料(即，金刚石台面214a、214b)。

在图14A中，滚动元件1400a的外表面1402被描绘为在第一末端1404a与第二末端1404b之间是弯曲的、弓形的或大体上圆形的。滚动元件1400a的整体或一部分可以由超硬材料(如本文所提及的超硬材料)制成。举例来说，在一个实施方案中，外表面1402可以包括超硬表面。在其他实施方案中，或者除了这些实施方案之外，相反末端1404中的一者或两者可以包括超硬表面。由于形状/结构，因此滚动元件1400a可以在钻井操作期间承受更大的负荷。另外，也可能配置包括滚动元件1400a的滚动元件组件以便符合期望的井底样式。

在图14B中，一个或多个沟槽1406可以限定在滚动元件1400b的外表面1402上。如所示出的，沟槽1406可以在第一末端1404a与第二末端1404b之间轴向地延伸，并且可以沿着外表面1402、围绕滚动元件1400b的圆周而彼此成角度地偏离。在一些实施方案中，沟槽1406可以借助安置在外表面1402的整体或一部分上的超硬材料来限定。

在图14C中，一个或多个凹口或槽腔1408可以限定在滚动元件1400c的外表面1402上。如所示出的，槽腔1408可以限定在末端表面1404a、1404b上或附近，且以其他方式沿着相反末端表面1404a、1404b的圆周边缘1410a、1410b来限定。在一些实施方案中，槽腔1408可以借助安置在外表面1402的整体或一部分上的超硬材料来限定。

在图14D中，一个或多个环形沟槽1412可以限定在滚动元件1400d的外表面410上。如所示出的，环形沟槽1412可以通过外表面410的凸起部分或非加工部分而彼此轴向地分开。在一些实施方案中，与其他滚动元件1400a至1400c一样，环形沟槽1412可以借助安置在外表面1402的整体或一部分上的超硬材料来限定。

如将会了解的，滚动元件1400a至1400d中的每个对于在操作期间增加地层界面处的摩擦而言可以证明是有利的。增加的摩擦可以在采用滚动元件1400a至1400d时的钻头(例如，图1A的钻头100)的给定数目的转数下致使相对更大量的地层被移除。另外，滚动元件1400b至1400d与正在钻进的地层之间的相对更高的摩擦系数可以允许滚动元件1400b至1400d的更一致滚动以及局部磨损的最小化。更详细而言，沟槽1406、槽腔1408和/或环形沟槽1412可以构成有助于诱发滚动的机械方式。

在再次参考图1A和图1B的情况下，现在参照图15A至图15D，其示出根据一个或多个实施方案的另一示例性滚动元件组件1500的各种视图。图15A是滚动元件组件1500的等距视图，所述滚动元件组件1500可以包括滚动元件206或者本文所描述的其他滚动元件中的任何一个。如所示出的，滚动元件组件1500可以定位在钻头(例如，图1的钻头100)的刀片104内，并且更详细而言，可以紧固在刀片104的外表面119上所限定的槽腔1502内。槽腔1502可以在某些方面类似于图6A的槽腔602。然而，如将会了解的，滚动元件组件1500不需要定位在刀片104上，而是在不背离本公开的范围的情况下，可以替代地定位在钻头主体102(图1A)上的任何位置处。滚动元件组件1500还可以包括锁定销钉1504，所述锁定销钉1504用来将滚动元件206紧固在槽腔1502中以便进行操作。

槽腔1502可以被确定尺寸和以其他方式被配置为允许整个长度L的滚动元件206突出到外壳槽腔1502之外较短距离。因此，随着滚动元件206在操作期间围绕其旋转轴线A进行旋转，滚动元件206的弓形部分被暴露，从而允许滚动元件206在长度L上的整个外圆周表面用于切削或啮合下伏地层。

正如在图15B和图15C中最佳地看到的，槽腔1502可以包括或者以其他方式限定弯曲或弓形的内表面1506，所述内表面1506可以接纳和约束滚动元件206以便在槽腔1502内旋转。在一些实施方案中，内表面1506可以具有实质上与滚动元件206的半径相匹配的半径，以便允许滚动元件206与槽腔1502之间的更大接触面积。然而，在其他实施方案中，内表面1506可以替代地为成角度的，而不是弓形的。滚动元件206可以经过定位从而使得滚动元件206的一部分可以突出或者以其他方式延伸到槽腔1502之外穿过外表面119，但是锁定销钉1504和内表面1506可以协作地将滚动元件206紧固在槽腔1502内，以便防止其在操作期间退离。

图15C示出槽腔1502的横截面图，其中滚动元件206被省去以便更为清晰地示出内部部件。如所示出的，槽腔1502可以由内弓形表面1508来限定，所述内弓形表面1508可以被配置为在操作期间接纳和啮合滚动元件206，并且因而充当支承表面。凹座1510可以限定在槽腔1502的内弓形表面1508中，以便容纳和以其他方式支撑锁定销钉1504。内弓形表面1508可以由任何硬质或耐磨材料制成，所述硬质或耐磨材料诸如但不限于碳化钨、钢、工程金属或者其任何组合。在一些实施方案中，或者除了这些实施方案之外，内弓形表面1508可以经由化学气相沉积、等离子体气相沉积等而涂覆有硬质材料，以便提高其耐磨性。

至少一个凹陷部1512(图15C)可以限定在槽腔1502中邻近于凹座1510的内侧表面1514上。尽管未示出，但应了解的是，槽腔1502可以由位于所示出内侧表面1514对面的另一内侧表面来限定。凹陷部1512可以被确定尺寸以便接纳锁定销钉1504的一部分，并且因而将锁定销钉1504紧固在槽腔1502内。更详细而言，并且参考图15D，锁定销钉1504可以包括或者以其他方式限定从锁定销钉1504的至少一个轴向末端轴向延伸的至少一个突出部1516。在至少一个实施方案中，突出部1516可以是弹簧承载的，并且因此可以被配置为置放和就位在对应凹陷部1512内。锁定销钉1504可以由钢、涂覆有碳化物的材料或者任何其他耐腐蚀或耐久材料制成。

类似于图7C的实施方案，支承元件518(图5A和图7C)可以紧固在弓形表面1508或者相反的第一和第二内侧表面1514中的至少一个上。在此类实施方案中，支承元件518对于减少槽腔1502与滚动元件216之间的摩擦而言可以证明是有利的。

因此，槽腔1502可以限定或提供一个或多个内部支承表面，如内表面1506、内弓形表面1508和内侧表面1514。此外，滚动元件组件1500的支承表面中的任何一个都可以抛光以便减少相反移动表面之间的摩擦。举例来说，滚动元件组件1500中可以被抛光来减少摩擦的表面包括但不限于滚动元件206、内表面1506、内弓形表面1508和内侧表面1514、紧固至内侧表面1514的任何支承元件(如果使用的话)以及锁定销钉1504的外表面。在至少一个实施方案中，此类表面可以抛光到约40微英寸或更好的表面抛光。

在继续参考图15A至图15D的情况下，现在参照图16，其示出根据一个或多个实施方案的、如安装在钻头100中的滚动元件组件1500的平面图。如所示出的，滚动元件组件1500可以紧固在钻头100的刀片104上的槽腔1502内。在示出的实施方案中，滚动元件组件1500被描述为放置在处于刀片104的引领面106(图1)上的主排固定刀具116后面的次排中，滚动元件206也可以位于主排固定刀具116中。然而，如上文所表明的，在不背离本公开的范围的情况下，滚动元件组件1500可以替代地定位在钻头主体102(图1A)上的任何位置处，如钻头100的尖端处。与本文所描述的滚动元件组件中的任何一个一样，滚动元件组件1500可以相对于刀片104的表面的切线来定向以便充当滚动DOCC元件、滚动切削元件或两者的混合体。

滚动元件组件1500相比于上文所描述的滚动元件组件500、700、800、900、1200和1300而言可以证明是有利的，原因在于滚动元件组件1500不包括接纳滚动元件206的外壳。实际上，至少部分地利用锁定销钉1504来将滚动元件206紧固在槽腔1502内。结果，滚动元件组件1500可以占用刀片104上更少的空间，并且增加数量的滚动元件组件1500可以定位在给定刀片104中。占用刀片104上更少的空间也可以允许使用更小尺寸的钻头。

本文中所公开的实施方案包括：一种钻头，其包括：钻头主体，其具有从其处延伸的一个或多个刀片；多个刀具，其紧固至所述一个或多个刀片；以及一个或多个滚动元件，其定位在所述钻头主体上，每个滚动元件具有限定旋转轴线的圆柱形支承部分，其中每个滚动元件在限定一个或多个内部支承表面的外壳内可围绕其旋转轴线旋转地耦接至所述钻头主体，所述一个或多个内部支承表面与所述圆柱形支承部分啮合，所述外壳部分地环绕所述圆柱形支承部分，同时使得所述滚动元件的全长暴露。

上述实施方案可以按照任何组合的方式而具有下述额外要素中的一个或多个：要素1：其中所述外壳环绕所述圆柱形支承部分的圆周超过180°但小于360°，同时使得所述滚动元件的所述全长暴露。要素2：其中所述滚动元件是圆柱形的，并且所述滚动元件的至少一部分包括所述圆柱形支承部分。要素3：其中所述圆柱形支承部分是延伸所述滚动元件的所述全长的连续圆柱形支承部分。要素4：其中所述钻头主体包括一个或多个槽腔，并且其中每个滚动元件的所述外壳在所述一个或多个槽腔中的各自一个内紧固至所述钻头主体。要素5：其中所述一个或多个槽腔中的至少一者包括刀具槽腔并且所述外壳可紧固在所述刀具槽腔内。要素6：其中所述钻头主体限定所述内部支承表面的至少一部分。要素7：其中所述一个或多个滚动元件中的至少一者被定向成展现范围介于0°与45°之间的侧倾角角度。要素8：其中一个或多个滚动元件被定向成展现范围介于45°与90°之间的侧倾角角度，并且因而充当切削深度控制器。要素9：其中用于所述滚动元件中的至少一者的所述外壳被定向成展现范围介于0°与45°之间的后倾角角度，因而允许所述一个或多个滚动元件中的所述至少一者充当刀具。要素10：其中所述一个或多个滚动元件中的至少一者的所述旋转轴线位于穿过所述钻头主体的纵向轴线的平面上。要素11：其中所述滚动元件中的至少一者包括聚晶金刚石复合片(PDC)，所述聚晶金刚石复合片(PDC)包括紧固至基底的至少一个金刚石台面。要素12：其中所述滚动元件中的至少一者还包括紧固在所述基底的第一末端处的第一金刚石台面和紧固在所述基底的第二末端处的第二金刚石台面。要素13：其中所述滚动元件中的至少一者包括三个或更多个金刚石台面和两个或更多个基底。要素14：其中所述金刚石台面中的至少一者的直径大于那个滚动元件上的所有其他金刚石台面的直径。要素15：其中所述外壳还包括第一侧面构件和第二侧面构件，并且所述第一侧面构件和所述第二侧面构件协作地限定狭槽，所述支承元件突出以便穿过所述狭槽暴露所述滚动元件的所述全长。要素16：其中所述一个或多个内部支承表面中的至少一者包括材料，所述材料选自由包括以下各项的基质材料组成的组：超硬材料、聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶体金刚石、超纳米晶体金刚石以及氧化锆。要素17：其中所述一个或多个滚动元件中的所述至少一者包括主体和从所述主体向外径向延伸的一个或多个插入件。要素18：其中所述外壳定位于限定在所述钻头主体中的槽腔内，所述钻头还包括：至少一个空腔，其由形成在所述槽腔内的槽腔沟槽和形成在所述外壳的外部上的外壳沟槽协作限定；以及锁定元件，其延伸到所述空腔中以便将所述外壳紧固在所述槽腔内。要素19：其还包括：支承空腔，其限定在所述外壳的底部中；以及支承元件，其定位在所述支承空腔中并且包括可在操作期间与所述滚动元件啮合的支承表面。

借助非限制性示例来说，适用于上述实施方案的示例性组合包括：要素4和要素5；要素11和要素12；要素11和要素13；以及要素13和要素14。

因此，所公开系统及方法良好适合于获得所提到的目标和优点以及本发明固有的那些目标和优点。以上公开的特定实施方案只是说明性的，因为本公开的教导内容可以对受益于本文教导内容的本领域技术人员明显不同但等效的方式来修改和实践。此外，无意限制本文所示的构造或设计的细节，除非所附权利要求书中另有所述。因此，显然以上公开的特定说明性实施方案可被改变、组合或修改，并且所有的此类变化被认为处于本公开的范围内。本文说明性公开的系统和方法可在缺少本文未特定公开的任何要素和/或本文所公开的任何任选要素的情况下得以适当实践。虽然组合物和方法在“包括”、“含有”或“包括”各种组分或步骤方面来描述，但是组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。上文所公开的所有数字和范围可变化某一量。每当公开具有下限和上限的数字范围时，均明确公开落在所述范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地说，本文公开的值的每个范围(形式为“约a至约b”，或等效地“大致a至b”，或等效地“大致a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围。另外，除非专利权所有人另外明确地并且清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其普通、常见意义。此外，如权利要求书中所使用的不定冠词“一(a/an)”在本文中被定义来表示其所形容的元件中的一个或多于一个。如果本说明书和可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文件中存在词语或术语用法的任何矛盾，那么应采用与本说明书一致的定义。

如本文所使用的，在一系列项目之前的短语“至少一个”，以及用于分开所述项目中的任何一个的术语“和”或“或”整体地修改列表，而不是所述列表中的每一个成员(即，每个项目)。短语“至少一个”允许表示包括任何一个项目的至少一个和/或任何项目组合的至少一个和/或每个项目的至少一个的意思。举例来说，短语“A、B和C中的至少一个”或“A、B或C中的至少一个”每个指代只有A、只有B或只有C；A、B和C的任何组合；和/或A、B和C中的每一个的至少一个。

Claims (4)

1.一种方法，包括将一钻柱引入到一井筒，所述钻柱具有位于其远端的一钻头，所述钻头包括：

钻头主体，其具有从其处延伸的一个或多个刀片；

多个刀具，其紧固至所述一个或多个刀片；以及

一个或多个滚动元件，其定位在所述钻头主体上，每个滚动元件具有限定旋转轴线的圆柱形支承部分，其中每个滚动元件在限定于所述钻头主体内的对应的槽腔内能围绕旋转轴线旋转地耦接至所述钻头主体，所述钻头主体具有与内部弓形表面相对的第一和第二内侧表面，所述第一和第二内侧表面沿着所述旋转轴线设置，以及定位于对应的所述槽腔的第一和第二内侧表面之间的一锁定销将所述滚动元件固定于所述槽腔内，以及其中所述槽腔的一个或多个内部支承表面接合所述圆柱形支承部分，以及沿着所述滚动元件的全长所述槽腔和所述锁定销相配合环绕所述圆柱形支承部分超过180°，同时使得所述滚动元件的所述全长暴露；以及

通过利用所述钻头去除地下地层，以旋转钻头使得钻头穿过地下地层而前进。

2.如权利要求1所述的方法，还包括对所述一个或多个滚动元件中的至少一个进行定向，以作为切削深度控制元件操作。

3.如权利要求1所述的方法，还包括对所述一个或多个滚筒元件中的至少一个进行定向，以作为刀具操作。

4.如权利要求1所述的方法，还包括对所述一个或多个滚筒元件中的至少一个进行定向，以作为切削深度控制元件和刀具操作。