CN110469273B - 用于钻地工具的切削元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于钻地工具的切削元件，所述切削元件包括基底和设置在基底上的一定体积的超硬磨料。所述体积的超硬磨料具有非平面几何形状。所述至少一个切削元件被配置成定位在钻地工具上并在所述钻地工具上取向，以通过在钻地操作中在所述钻地工具的使用期间利用所述体积的超硬磨料的所述暴露的外表面的至少一部分将地下地层材料压裂或塑性地变形来移除所述地层材料。所述体积的超硬磨料的所述暴露的外表面包括具有第一平均表面加工粗糙度的第一区域和具有比所述第一平均表面加工粗糙度更大的第二平均表面加工粗糙度的第二区域。

Description

用于钻地工具的切削元件

本申请是国际申请号为PCT/US2016/054174、中国申请号为201680057318.0、申请日为2016年09月28日、名称为“用于钻地工具的切削元件、包含此类切削元件的钻地工具和相关方法”的中国专利申请的分案申请。

优先权要求

本申请要求2015年10月2日提交的关于“CUTTING ELEMENTS FOR EARTH-BORINGTOOLS,EARTH-BORING TOOLS INCLUDING SUCH CUTTING ELEMENTS,AND RELATED METHODS”的美国专利申请序列号14/873,366的提交日的权益。

技术领域

本公开的实施方案涉及钻地工具、用于此类钻地工具的切削元件和相关方法。

背景技术

出于各种目的在地下地层中形成井筒，包括例如从地下地层提取油和气以及从地下地层提取地热。可以使用钻头例如钻地旋转钻头在地下地层中形成井筒。不同类型的钻地旋转钻头是本领域已知的，包括例如固定切削齿钻头(其在本领域中通常被称为“刮刀”钻头)、牙轮切削齿钻头(其在本领域中通常被称为“凿岩”钻头)、孕镶金刚石的钻头、混合钻头(其可包括例如固定切削齿和牙轮切削齿两者)。旋转钻头并将其推入地下地层中。随着钻头的旋转，切削齿或其研磨结构切削、粉碎、剪切和/或磨掉地层材料以形成井筒。可以由设置在钻头的最外直径处的切削结构来限定由钻头钻出的井筒的直径。

钻头直接或间接地耦接到本领域中称为“钻柱”的端部，该钻柱包括一系列首尾相连的细长管状段并从地层表面延伸到井筒中。通常，各种工具和部件，其包括钻头，可以在正钻出的井筒的底部在钻柱的远侧端部耦接在一起。在本领域中将工具和部件的这个组件称为“井底钻具组件”(BHA)。

可以通过使钻柱从地层表面开始旋转来在井筒内旋转钻头，或者可以通过将钻头耦接到井下马达来旋转钻头，该井下马达也耦接到钻柱并且设置在井筒的底部附近。井下马达可以包括例如液压Moineau型马达，该液压Moineau型马达具有安装有钻头的轴，可以通过以下操作来使轴旋转：将流体(例如，钻井泥浆或钻井流体)从地层表面向下泵送穿过钻柱中心，穿过液压马达，从钻头中的喷嘴出来，且穿过钻柱的外表面与井筒内的地层的暴露表面之间的环形空间向上回到地层表面。

已知的是，当在地下地层钻探井筒时，使用本领域中称为“扩孔钻”装置(也称为“开孔装置”或“开孔器”)与钻头一起作为井底钻具组件的一部分。在这个构型中，钻头作为“领眼”钻头操作以在地下地层中形成领眼钻孔。当钻头和井底钻具组件推入地层中时，扩孔钻装置穿过领眼钻孔跟随钻头并放大领眼钻孔的直径或对领眼钻孔“扩孔”。

钻地工具诸如钻头和扩孔钻的主体通常设有流体流道诸如“排屑槽”，以允许钻井泥浆(其可包括由工具生成的夹带在流体中的钻井流体和地层钻屑)围绕工具主体向上传递到钻柱外的工具上方的井筒内的环形空间中。

钻井筒时，地层钻屑可粘附到钻头表面或在它上面“球化”。钻屑可在切削元件和钻头或其他工具的表面上积聚，并且可以聚集在钻头的各种结构部件之间产生的任何空隙、间隙或凹陷中。这种现象尤其会在塑性失效的地层中得到增强，例如在某些页岩、泥岩、粉砂岩、灰岩和其他相对延性的地层中。来自这些地层的钻屑可以被机械地装填在钻头的外部的上述空隙、间隙或凹陷中。在其他情况下，诸如在钻某些页岩地层时，地层钻屑与钻头或其他工具的表面之间的粘附可至少部分基于原子吸引力和/或它们之间的键。

发明内容

本概述并不旨在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在以任何方式来限制所要求保护的主题的范围。

在一些实施方案中，一种钻地工具，该钻地工具包括主体和由主体承载的至少一个切削元件。至少一个切削元件包括设置在基底上的一定体积的超硬磨料。该体积的超硬磨料具有暴露的外表面，该外表面具有非平面几何形状。至少一个切削元件定位在主体上并在主体上取向，以通过在钻地操作中在钻地工具的使用期间利用该体积的超硬磨料的暴露的外表面的至少一部分将地下地层材料压裂或塑性地变形来移除地层材料。该体积的超硬磨料的暴露的外表面包括第一平均表面加工粗糙度小于500纳米的第一区域和第二平均表面加工粗糙度大于500纳米的第二区域。

在其他实施方案中，一种形成钻地工具的方法包括获得第一切削元件，该第一切削元件包括设置在基底上的一定体积的超硬磨料。该体积的超硬磨料具有暴露的外表面，该暴露的外表面具有非平面几何形状。第一切削元件被配置成定位在钻地工具上并在钻地工具上取向，以通过在钻地操作中在钻地工具的使用期间利用该体积的超硬磨料的暴露的外表面的至少一部分将地下地层材料压裂或塑性地变形来移除地层材料。该体积的超硬磨料的暴露的外表面包括具有第一平均表面加工粗糙度的第一区域和具有比第一平均表面加工粗糙度更大的第二平均表面加工粗糙度的第二区域。该方法包括将第一切削元件附接到钻地工具的面并将第二切削元件在与第一切削元件相邻的位置处附接到钻地工具的面。第二切削元件被配置成通过将地下地层材料从未切割的地层材料剪切来移除所述地层材料。

在另外的实施方案中，一种用于钻地工具的切削元件包括基底和设置在基底上的一定体积的超硬磨料。该体积的超硬磨料具有暴露的外表面，该暴露的外表面具有非平面几何形状。至少一个切削元件被配置成定位在钻地工具上并在钻地工具上取向，以通过在钻地操作中在钻地工具的使用期间利用该体积的超硬磨料的暴露的外表面的至少一部分将地下地层材料压裂或塑性地变形来移除地层材料。该体积的超硬磨料的暴露的外表面包括具有第一平均表面加工粗糙度的第一区域和具有比第一平均表面加工粗糙度更大的第二平均表面加工粗糙度的第二区域。

附图说明

虽然说明书结论部分的权利要求书特别指出并明确声明了哪些被认为是本公开的实施方案，但从以下参考附图所提供的对本公开的示例性实施方案的描述能够更容易地确定本公开的各种特征和优点。

图1示出了根据本公开的实施方案的包括固定切削齿旋转钻头的钻地工具的透视图，该钻地工具包括如本文所述附接到钻头的主体的切削元件。

图2示出了可由钻地工具诸如图1的钻头承载的圆顶形铲凿切削元件的截面视图。

图3示出了可由钻地工具诸如图1的钻头承载的圆锥形铲凿切削元件的截面视图。

图4示出了接合地下地层材料的现有技术剪切切削元件的侧视图。

图5示出了接合地下地层材料的现有技术铲凿切削元件的侧视图。

图6示出了具有设置在其上的一个或多个铲凿切削元件以及位于刀的轮廓的锥部区域、鼻部区域和肩部区域的每一个中的一个或多个剪切切削元件的图1的钻头的刀的简化截面视图。

图7示出了可由钻地工具诸如图1的钻头承载的铲凿切削元件的透视图。

图8示出了根据本公开的实施方案的外部面的第一区域的表面粗糙度小于外部面的第二区域的表面粗糙度的铲凿切削元件(与图7的铲凿切削元件类似地形成)的前视图。

图9示出了根据本公开的另一个实施方案的外部面的第一区域的表面粗糙度小于第二区域的表面粗糙度的铲凿切削元件(与图7和图8的铲凿切削元件类似地形成)的前视图。

图10示出了根据本公开的又一个实施方案的外部面的第一区域的表面粗糙度小于第二区域的表面粗糙度的铲凿切削元件(与图7至图9的铲凿切削元件类似地形成)的前视图。

图11示出了根据本公开的实施方案的具有承载每个刀的旋转前缘处的剪切切削元件和刀片上处于“备用”位置的铲凿切削元件的钻头的局部透视图。

图12示出了根据本公开的实施方案的具有承载铲凿切削元件的旋转前部刀和承载被定位成直接跟在铲凿切削元件之后的剪切切削元件的旋转尾部刀的钻头的局部透视图。

图13示出了根据本公开的实施方案的具有仅承载剪切切削元件的第一组刀和仅承载铲凿切削元件的第二组刀的钻头的透视图，其中该第一组刀和该第二组刀处于旋转交替位置。

图14示出了根据本公开的实施方案的具有多个刀的扩孔钻的透视图，该多个刀各自承载一排剪切切削元件和一排铲凿切削元件。

图15是根据本公开的实施方案的包含领眼钻头和扩孔钻的井底钻具组件的示意图。

具体实施方式

本文提供的图示不是任何特定钻地工具、钻头、扩孔钻装置、切削元件或这个工具、钻头或扩孔钻的部件的实际视图，而仅是用于描述本公开的实施方案的理想化表示。

如本文所用，术语“钻地工具”意指并包括用于移除地下地层材料并通过地层材料的移除而形成或扩大穿过地层的钻孔(例如，井筒)的任何工具。

如本文所用，术语“切削元件”意指并包括钻地工具的用于当钻地工具用于形成或扩大地层中的钻孔时将地层材料切削、剪切、断裂、塑性地变形或以其他方式碎裂的任何元件。

如本文所用，术语“剪切”意指并包括使地下地层的一部分沿与切削平面的接触平面移动。

如本文所用，术语“剪切切削元件”意指并包括钻地工具的被配置成在钻地工具上定位并取向，用于当钻地工具用于形成或扩大地层中的钻孔时至少主要由剪切机构切削地层材料的任何切削元件。

如本文所用，术语“铲凿切削元件”意指并包括钻地工具的被配置成在钻地工具上定位并取向，用于以非剪切方式接合地层材料的任何切削元件。例如，铲凿切削元件可以主要通过铲凿机构、穿透机构和粉碎机构中的至少一个来移除地层材料。然而，铲凿切削元件可以被配置成主要不是移除地层材料，而是在钻地工具上提供支承表面或充当剪切切削元件的切削深度限制特征。一般来讲，钝的铲凿切削元件当接合地下地层材料时，将表现出更多的支承行为，而相对锐利的铲凿切削元件当接合地下地层材料时，将表现出更多的切削行为，尽管应当理解，它们各自表现出一定程度的支承行为和一定程度的切削行为。

如本文所用，术语“抛光”及其任何衍生物，当用于描述一定体积的超硬磨料的表面或切削元件的基底的状态时，意指并包括用于提供平均表面加工粗糙度小于约2.0微英寸(μin.)(约50.8纳米(nm))均方根(RMS)(本文引用的所有表面光洁度均为RMS)的平面表面或平均表面加工粗糙度小于约25.0μin.(约635nm)的非平面表面的任何方法和/或工艺。

图1示出了本公开的钻地工具的实施方案。如图所示，钻地工具可以为固定切削齿钻头110，该固定切削齿钻头的钻头主体111包括从钻头主体111的面115向外伸出并通过流体流道114彼此分开的多个刀112。流体流道114的沿钻头110的径向侧(即，“保径”区域)延伸的部分在本领域通常被称为“排屑槽”。钻头主体111可以进一步包括大体圆柱形的内部流体增压室和穿过钻头主体111延伸到钻头主体111的面115上的流体流道114的流体通道。喷嘴118可以固定在刀112之间的钻头主体111的面115上的流体流道114内，用于在钻井操作期间控制钻头110的水力特征。多个切削元件可以靠近刀112的旋转前缘130安装到刀112中的每一个。切削元件可以包括剪切切削元件140和铲凿切削元件150的组合，如下文进一步详细讨论的那样。磨结151可以任选地在旋转地位于切削元件之后的位置处设置在刀112上。

在另外的实施方案中(未示出)，在一个或多个刀112上可以设置有两排、三排或更多排铲凿切削元件150。应当理解，剪切切削元件140和铲凿切削元件150的任意组合可由钻头110的刀112中的任一个承载。还应当理解，虽然图1示出了承载剪切切削元件140和铲凿切削元件150的组合的钻头110，但承载铲凿切削元件150而无剪切切削元件140的钻地工具也在本公开的范围内。

在钻井操作期间，钻头110可以耦接到钻柱(图15)。随着钻头110在井筒内的旋转，可以使钻井流体沿钻柱向下，穿过钻头主体111内的内部流体增压室和流体通道，并穿过喷嘴118从钻头110泵送出来。由钻头110的切削元件140、150生成的地层钻屑可以通过钻井流体穿过流体流道114跨越面115承载，穿过排屑槽113绕钻头110，并穿过钻柱外部的井筒内的环形空间向上返回井筒。

剪切切削元件140可以各自包括设置在基底上的一定体积的超硬磨料，如本领域已知的。该体积的超硬磨料可以包括烧结的多晶金刚石(PCD)材料并且可以具有被配置成在钻地操作期间将地层材料从未切割的地层材料剪切的切削面。切削面可以基本上是平面的，尽管剪切切削元件140可以具有带成形特征和非平面几何形状的切削面，如以下专利中所公开的那样：美国专利8,684,112，2014年4月1日发布，DiGiovanni等人；美国专利8,919,462，2014年12月30日发布，DiGiovanni等人；美国专利9,103,174，2015年8月11日发布，DiGiovanni等人；美国专利公布号2013/0068534A1，2013年3月21日公布，以DiGiovanni等人的名义；美国专利公布号2013/0068538A1，2013年3月21日公布，以DiGiovanni等人的名义；以及2014/0246253A1，2014年9月4日公布，以Patel等人的名义；以及美国申请序号14/480,293，2014年9月8日提交，以Patel等人的名义，这些专利各自的全部公开内容以引用的方式并入本文。基底可以由陶瓷金属复合材料形成并包含陶瓷金属复合材料(其通常被称为“金属陶瓷”材料)。基底可以包含烧结的碳化物材料诸如烧结的碳化钨材料，其中碳化钨颗粒在金属粘结剂材料中烧结在一起。金属粘结剂材料可以包括例如钴、镍、铁或其合金和混合物。该体积的超硬磨料形成在基底上，或者该体积的超硬磨料和基底可以单独地形成且随后附接在一起。

当剪切切削元件140切削地层材料时，地层钻屑通常偏转越过并穿过剪切切削元件140的切削面，并且通常由从喷嘴118发出的钻井流体引导到排屑槽113中。每个剪切切削元件140都可以相对于将要切削的地层以正倾角、负倾角或中性倾角安装在刀112上。剪切切削元件140也可以相对于将要切削的地层以侧倾角进行安装。

图2是与钻地工具诸如图1的钻头110一起使用的示例性铲凿切削元件150的截面视图。铲凿切削元件150可以包括基底152，该基底具有设置于其上的一定体积的超硬磨料154。该体积的超硬磨料154可以包括合成金刚石、天然金刚石、合成金刚石和天然金刚石的组合、多晶金刚石(PCD)或本领域已知的其他超硬磨料。该体积的超硬磨料154可以具有暴露的非平面外部面155，该暴露的非平面外部面可以包括具有顶点156的卵形或圆顶形形状，如图所示，尽管其他形状也在本公开的范围内。铲凿切削元件150的基底152可以与剪切切削元件140的基底大体类似。此外，如同剪切切削元件的情况一样，铲凿切削元件150的该体积的超硬磨料154可以形成在基底152上，或者该体积的超硬磨料154和基底152可以单独地形成且随后附接在一起。应当理解，虽然该体积的超硬磨料154的暴露的外表面155可以被配置成表现出比切削行为更多的支承行为，但暴露的外表面155在某些情况下可以被称为“切削面”，如果它被配置成主要移除地层材料的话。

图3是图2所示铲凿切削元件150的另一个构型的截面视图。图3的铲凿切削元件150可以与图2的铲凿切削元件150基本上类似，但可以具有带圆锥形形状而不是圆顶形形状的外部面155。

应当理解，本公开的钻地工具可以采用很多不同类型的、不同形状的和不同构型的铲凿切削元件。作为非限制性例子，本公开的铲凿切削元件150可以如以下专利中所公开的那样来配置：美国专利5,890,552，1999年4月6日发布，Scott等人；以及美国专利6,332,503，2001年12月25日发布，Pessier等人；以及美国专利申请公布号2008/0035387A1，2008年2月14日公布，Hall等人，这些专利各自的全部公开内容以引用的方式并入本文。此外，可以在同一钻地工具上和/或同一刀上或在钻地工具的同一区域内采用具有不同形状的铲凿切削元件。铲凿切削元件150可以相对于将要切削的地层以正倾角、负倾角、可忽略不计的倾角或侧倾角安装在钻地工具上。

在一些实施方案中，铲凿切削元件150可以被配置成在地层中在比剪切切削元件140更深的点处接合地层材料。换句话说，与剪切切削元件140相比，铲凿切削元件150可以相对于地层暴露过度。在其他实施方案中，铲凿切削元件150可以被布置成具有与剪切切削元件140的暴露相当的暴露。在其他实施方案中，铲凿切削元件可以被配置成与剪切切削元件相比，暴露不足。

当与剪切切削元件140一起使用时，铲凿切削元件150可以被配置成提供钻地工具的支承功能和/或剪切切削元件140的切削深度限制功能。当铲凿切削元件的外部面155变得更钝或更不锋利时，铲凿切削元件150通常可以为钻地工具提供更多的支承功能和/或为钻地工具上的任何剪切切削元件140中的至少一些提供切削深度限制功能(这取决于铲凿切削元件150和剪切切削元件140的相对布置和取向)。铲凿切削元件150还可以用于吸收钻地工具对地层的冲击。然而，应当理解，铲凿切削元件150还可以被配置成切削和移除地层材料，如以下更详细描述的那样。

在图4和图5中示出剪切切削元件140和铲凿切削元件150的地层移除机构之间的差异。参见图4，当剪切切削元件140接合地下地层160时，剪切切削元件140的切削边缘162通常可以接合先前未切割的地下地层材料。图4的剪切切削元件140示为在钻地工具164上以负倾角取向。当剪切切削元件140的切削面166已诸如通过抛光物理地改性为表面粗糙度小于约5.0μin.(50.8nm)时，切削边缘162可以与地下地层160的先前未切割的且未受扰动的区域168完全接合，并且可能在紧邻切削边缘162之处地层材料受损。当剪切切削元件140被推动穿过未切割地层168时，未切割地层168可以断裂成粒状块(未示出)，这些粒状块随后可由于剪切切削元件140相对于地层160的向前运动而被基本上立即压实到切削面166中。鉴于此，冲击切削面166的断裂地层的粒状块可能会被压缩在一起，从而形成本领域中通常称为“碎片”的粘性结构170。抛光切削面166的切削边缘162能够不受阻碍地从地层切削或剪切碎片170。如图所示，具有基本上均匀厚度的地层碎片170从来自切削面166的切削边缘162的接触点或接触线向上延伸越过切削面166，直到它通过与钻地工具164的主体或碎片断裂器接触，或者由于从钻地工具164的面上的喷嘴发出的钻井流体的冲击，或者穿过钻探工具164的面上的通道流出的流体而断裂。

现在参见图5，铲凿切削元件150通过显著不同的移除机构来移除地层材料。具体地，铲凿切削元件150的顶点156可以包括锐利到足以穿透地层160的曲率，但钝到不足以使其自身前面处于压缩状态的地层160受损。图5的铲凿切削元件150以约45度(45°)的正倾角示出(从铲凿切削元件150的纵向轴线172以及垂直于接合地层160的暴露表面175的线174测得)。随着铲凿切削元件150在地层160中的推进，顶点156使位于铲凿切削元件150的侧之前和周边的地层受损，在地层160中产生可以在铲凿切削元件150前进到地层160中传播最终到达地层160的暴露表面175的裂缝，从而允许大的段176从地层160断开。铲凿切削元件150也可以使位于铲凿切削元件150的侧之前和周边的地层材料170压缩并塑性地变形，如在区域177处所示的。由铲凿切削元件150从地层160断裂的段176通常包括与由剪切切削元件140(图4)移除的碎片170相比更大的体积和不同的形状。

继续参见图5，当铲凿切削元件150切削地层材料时，地层钻屑通常在几个方向上越过并围绕铲凿切削元件150的非平面外部面155偏转，包括在大体平行于地层160的表面175并侧向朝向相邻切削元件的方向上偏转到铲凿切削元件150的横向侧。因此，由铲凿切削元件150生成的地层钻屑可能被迫在铲凿切削元件150与紧邻的切削元件之间传送。

当铲凿切削元件150的外部面155已物理地改性为表面粗糙度小于约25μin.(约635nm)时，外部面155的摩擦系数也减小，从而导致当铲凿切削元件150接合地层材料160时，外部面155与移动越过外部面155的地层钻屑之间的摩擦变少。当外部面155上的摩擦力减小时，利用铲凿切削元件150切削地层材料所需的扭矩也减小。相对较钝的顶点156上的较低摩擦力允许外部面155相对于地层材料具有更多的支承行为并且具有更少的切削或移除行为。如下面更详细讨论的那样，铲凿切削元件150的外部面155的选定区域可以被改性为表面加工粗糙度减小以便为铲凿切削元件150以及与其附接的工具提供有益的性能特征。

再次参见图1，钻地工具，诸如所示的钻头110，可以以受益于其不同地层移除机构的方式承载剪切切削元件140和铲凿切削元件150的组合。例如，如图1所示，刀112中的至少一些可以在刀112的旋转前缘130附近承载一排交替的剪切切削元件140和铲凿切削元件150。在这样的实施方案中，其中铲凿切削元件150位于排中的剪切切削元件140附近，不需要穿过紧邻的铲凿切削元件150之间的相对较小的空间挤压或挤出由铲凿切削元件生成的地层钻屑(这在相对较软的地层中可能有助于地层钻屑在紧邻的铲凿切削元件150周围和/或之间的装填或“成球”)，而是可以使由铲凿切削元件150生成的地层钻屑朝向紧邻的剪切切削元件140侧向偏转，这可能会使钻屑远离地层表面偏转和/或挖出并进入钻头面115的流体流道114。另外，铲凿切削元件150可以使位于紧邻的剪切切削元件140的至少部分之前的地层材料断裂并“软化”，从而减小剪切切削元件140上的剪切力并且便于由剪切切削元件140更方便地移除地层材料。在钻地工具上利用铲凿切削元件150和剪切切削元件140的组合可以增强地层钻屑在工具上的移除，并提供组合的相应地层移除机构的协同益处，从而有利地影响工具在钻地操作期间的性能。可以通过操纵多个切削齿参数来调整这些益处，如下面更详细讨论的那样。

另外，在钻地工具(诸如图1的也采用剪切切削元件140的钻头110)上包括铲凿切削元件150，可以提高包括软的塑性行为地层和硬地层的层间地层中的工具效率。此外，这样的构型可以减小扭矩并因此抑制工具的不希望的扭转振荡，从而增加钻地操作期间工具(和钻柱)的动态稳定性。钻地工具，其包括铲凿切削元件150和剪切切削元件140的组合，受益于铲凿切削元件通过断裂和铲凿机构有效地移除硬地层材料的能力以及剪切切削元件140通过剪切机构有效地移除较软地层材料的能力。铲凿切削元件150和剪切切削元件140在同一刀上的组合可导致相对于在一个或多个刀112上仅包括剪切切削元件140和在一个或多个其他刀112上仅包括铲凿切削元件150的钻地工具，每个刀移除更均衡量的地层材料。

此外，在钻地工具上选择性地配置铲凿切削元件150和剪切切削元件140可以提高工具的扭矩相关性质。如先前所述，铲凿切削元件150通常产生比剪切切削元件140更小的扭矩。此外，工具上的铲凿切削元件150还可以有效地限制工具上的剪切切削元件140暴露于地层的深度(即，铲凿切削元件150可以提供切削深度(DOC)限制功能)，这可以在钻地操作期间减少剪切切削元件140以及扩展开来说，工具上的扭矩的量。因此，铲凿切削元件150和剪切切削元件140可以在钻地工具上分别配置成实现预定的性能特征，包括扭矩特征，特别是地层类型，并考虑各种井下参数。

图6示出了承载剪切切削元件140和铲凿切削元件150的图1的钻头110的刀112的局部截面视图。如本领域中所分类的，刀112的轮廓可以具有锥部区域143、鼻部区域142和肩部区域141。由于切削元件与地层材料之间的摩擦产生的扭矩随着切削齿与钻地工具的纵向轴线的径向距离的增加而增加，因此径向外部切削元件上的摩擦力与径向内部切削元件上的摩擦力相比，通常会影响移除地层材料所需的扭矩(即钻头扭矩(TOB))。因此，刀112可以在刀轮廓的径向外部区域诸如鼻部区域和肩部区域中承载一个或多个铲凿切削元件150以减小扭矩。刀112还可以在锥部区域中承载一个或多个铲凿切削元件150。刀112还可以在刀轮廓的锥部区域、鼻部区域和肩部区域的任一个中承载一个或多个剪切切削元件140。应当理解，位于工具轮廓的锥部区域、鼻部区域和肩部区域的任一个中的剪切切削元件140和铲凿切削元件150的任意组合都在本公开的范围内。此外，在一些实施方案中，工具轮廓的锥部区域、鼻部区域和肩部区域中的每一个都可仅包括铲凿切削元件150。

作为非限制性例子，可以在钻地工具上采用铲凿切削元件150来管理与扭矩和/或摩擦相关的现象，例如“粘滑”和球化。钻地工具的粘滑以及由此引起的工具振动是有问题的，可能对工具、井底钻具组件乃至整个钻柱造成破坏。根据在工具与地层之间的静态摩擦与动态(即“滑动”)摩擦之间的差异，由于钻地工具的面上的能量积聚而发生粘滑。当施加到钻柱的扭矩不能克服工具与地层之间的静态摩擦力时，该工具可能在井筒内“粘滞”或暂时不能旋转。在这样的粘滞期间，当通过位于井底钻具组件中和/或井的表面上的一个或多个马达向钻柱施加扭矩时，工具内的能量可以积聚，直到所施加的扭矩克服工具与地层之间的静摩擦力，从而导致工具突然“滑移”。这种滑移可导致钻柱剧烈旋转，在工具、井底钻具组件和/或钻柱内产生破坏性的振动，并导致工具面受损，从而影响井筒的方向。因此，将铲凿切削元件150与钻地工具上的剪切切削元件140结合使用可以减小工具与地层之间的摩擦力，这可以减少在钻地操作期间粘滑的风险和发生。

然而，即使在钻地工具上采用铲凿切削元件150，也可能导致扭矩和/或摩擦相关的问题。通过修改铲凿切削元件150中的一个或多个的外部面155，可以显著增强承载铲凿切削元件150的钻地工具的有益性能特征。图7示出了包括设置在基底152上的一定体积的超硬磨料154的示例性铲凿切削元件150的透视图。该体积的超硬磨料154的外部面155可以包括大体位于外部面155的顶点156处的弯曲刀峰180。第一大体平面后刀面181可以位于刀峰180的一侧上，并且第二大体平面后刀面182可以位于刀峰180的相对侧上。第一倒圆部分183可以位于刀峰180、第一大体平面后刀面181和第二大体平面后刀面182之间。第二倒圆部分184(在图8至图10中可见)可以在刀峰180的与第一倒圆部分183相对的侧上位于刀峰180与第一后刀面181和第二大体平面后刀面182之间。该体积的超硬磨料154的外部面155的区域可以被改性为相对于外部面155的其他区域具有减小的表面加工粗糙度，以便提供改进的和/或定制的切削性能。例如，具有减小的表面加工粗糙度的外部面155的区域的提供降低了区域内的静态摩擦系数和动态摩擦系数，从而使钻地工具上的粘滑振动减少。此外，铲凿切削元件150的外部面155上的减小的摩擦改进了领眼钻孔操作中的工具面控制。

图8至图10各自示出了在图1的钻头110(或任何其他钻地工具)上以相对于地层材料160的暴露表面175的各种取向以及在各种切削深度(DOC)处定位的铲凿切削元件(与图7的铲凿切削元件150类似地形成)的外部面155的前视图。根据涉及铲凿切削元件在它将接合地层材料时的位置和取向的因素(诸如刀前角、切削深度和围绕切削齿的纵向轴线的角度取向)，外部面155的选定区域可以被改性为相对于外部面155的其他区域具有减小的表面加工粗糙度。换句话说，外部面155的第一区域186可以被改性为具有第一表面加工粗糙度并且外部面155的第二区域188可以被改性为具有比第一表面加工粗糙度更大的第二表面加工粗糙度。

在常规的未抛光剪切切削元件中，切削面可以被研磨到在约20μin.–40μin.(508nm–1016nm)范围内的表面加工粗糙度。在20μin.–40μin.(508nm–1016nm)范围内的表面加工粗糙度触感相对平滑并且是视觉上平面的(如果抛光表面本身是平坦的)，但包括许多表面异常并且表现出一定程度的粗糙度，这甚至在非常低倍率的放大下，诸如10倍的珠宝商放大镜下，也很容易看到。

抛光表面光滑度也是铲凿切削元件150的非平面外部面155或其部分可实现的，尽管超硬磨料诸如PCD的非平面表面比其平面表面的抛光要困难得多。铲凿切削元件150的未抛光外部面155可以具有约40μin.–50μin.(1016nm–1270nm)的表面加工粗糙度。外部面155的第一区域186可以通过以下专利中所公开的工艺和技术中的任一种而改性到约25.0μin.(约635nm)或更小的未抛光表面加工粗糙度：美国专利6,145,608，2000年11月14日发布，Lund等人；美国专利8,991,525，2015年3月31日发布，Bilen等人；以及美国专利公布号2009/0114628A1，2009年5月7日公布，以DiGiovanni的名义，这些专利各自的全部公开内容以引用的方式并入本文。例如，在一些实施方案中，外部面155的第一区域186可以被抛光到在约12μin.–20μin.(约305nm–508nm)范围内的表面加工粗糙度。在另外的实施方案中，外部面155的第一区域186可以被抛光到小于12μin.(305nm)，且甚至低至2μin.(127nm)或更小的表面加工粗糙度，尽管这样的较低光滑度的实现可能要花费很大的代价。

在另外的实施方案中，可以通过根据以下专利中所描述的任一方法在外部面155的第一区域186上施加表面粗糙度小于约10μin.(约254nm)的类金刚石的碳(DLC)材料的共形体积或“涂层”来将该区域物理地改性为具有抛光表面加工粗糙度：美国专利公布号2009/0321146A1，2009年12月31日公布，以Dick等人的名义；以及美国专利公布号2012/0205162A1，2012年8月16日公布，以Patel等人的名义，这些专利各自的全部公开内容以引用的方式并入本文。在另外的实施方案中，可以诸如通过化学气相沉积(CVD)工艺在该体积的超硬磨料154上施加或“生长”合成金刚石的共形体积或“涂层”来使外部面155的第一区域186物理地改性。以这种方式施加的合成金刚石可以被称为“CVD金刚石”。DLC材料或CVD金刚石的共形体积可以具有在约197μin.(约5微米(μm))至约0.0031in.(约80μm)范围内的厚度。在其他实施方案中，DLC材料的共形体积可以具有在约40μin.(约1.0μm)至约0.004in.(约102μm)范围内的厚度。

在另外的实施方案中，随后可以将铲凿切削元件150的外部面155的先前抛光部分粗糙化以产生外部面155的第二区域188，该第二区域的表面加工粗糙度比第一区域186的表面加工粗糙度更大。在这样的实施方案中，可以通过激光蚀刻工艺来将外部面155的第二区域188粗糙化，该激光蚀刻工艺诸如以下任一个专利中所公开的：美国专利公布号2009/0114628A1；以及美国专利8,991,525，这些专利中的每一个都以引用的方式并入上文。应当理解，铲凿切削元件150的外部面155的抛光区域的其他粗糙化方法也在本公开的范围内。

如图8所示，铲凿切削元件150a位于钻头110上，使得刀峰180大体垂直于地层材料160的暴露表面175取向(如在垂直于铲凿切削元件150a的纵向轴线172的平面上观察到的)并且外部面155在比外部面155的半径更小的切削深度处接合地层材料160。在这种构型中，外部面155的第一区域186(即，具有抛光表面光滑粗糙度的区域)可以包括外部面155的刀峰180和第二大体倒圆部分184(即，位于切削深度内的大体倒圆部分)。这样，外部面155的最直接冲击地层材料160的部分可以具有抛光表面加工粗糙度(以及因此减小的静态摩擦系数和动态摩擦系数)，以减少外部面155与当铲凿切削元件接合地层材料160时移动越过外部面155的地层钻屑之间的摩擦力。在其他实施方案中，外部面155的第一区域186可以包括第一大体平面后刀面181和第二大体平面后刀面182的部分，这可能在后刀面181、182之间的角变得较钝并且后刀面181、182更直接地进入地层材料160中时是更有利的。在外部面的穿透地层材料的点或区域的任一侧面上选择性地抛光外部面155的部分的优点在于，地层钻屑可以更小，经历更少的横向偏转并且可以更容易地被引导穿过铲凿切削元件150a与紧邻的切削元件之间的相对小的空间。此外，后刀面181、182中只有一个可以被抛光，以便在后刀面上提供有利的切削流行为。例如，在后刀面181、182中的一个比另一个后刀面更靠近相邻的切削元件定位时，只有更靠近相邻切削元件的后刀面181、182才可以被抛光以促进钻屑在抛光后刀面与相邻切削元件之间的流动。在其他实施方案中，后刀面181、182，其相对于另一个后刀面更径向向外定位，可以被抛光以有效地“平衡”铲凿切削元件150a上的扭矩。如本文所证明的，外部面155的选定表面的抛光提供了铲凿切削元件的多种定制性能模式。

现在参见图9，当与图7所示类似地形成的铲凿切削元件150b以与图8所示大体类似的方式位于钻头110上时，不同的是外部面155在比外部面155的半径更大的切削深度处接合地层材料160，外部面155的第一区域186可以包括刀峰180以及第一大体平面后刀面181和第二大体平面后刀面182的部分以及大体倒圆部分183的一部分。如同图8的情况一样，第一区域186可以任选地包括外部面155的其他部分以赋予铲凿切削元件150b预定的性能特征。

现在参见图10，当与图7所示类似地形成的铲凿切削元件150c位于钻头110上使得外部面155的刀峰180与地层材料160的暴露表面175大体平行取向并且外部面155在与外部面155的半径大致相等的切削深度处接合地层材料160时，外部面155的第一区域186可以包括刀峰180以及第一大体平面后刀面181和第二大体平面后刀面182的部分以及位于切削深度内(即，位于远离钻头110的面114的位置处)的第一倒圆部分183和第二倒圆部分184的部分。如之前一样，第一区域186可以任选地包括外部面155的其他部分以赋予铲凿切削元件150c预定的性能特征。

应当理解，图8至图10所示的外部面155的第一区域186的抛光图案仅表示几乎无限的各种各样的可能抛光图案的非限制性例子。抛光图案可基于许多因素而变化，包括但不限于外部面155的形状和尺寸、刀前角、切削深度、预期遇到的一种或多种地层材料、其中将要安装切削齿的工具轮廓的区域(即锥部区域、鼻部区域、肩部区域和/或保径区域)以及安装在工具上的其他切削齿的构型。任何类型的铲凿切削元件150都可以具有带抛光表面的外部面。此外，铲凿切削元件150的其他表面也可以被抛光，包括该体积的超硬磨料154或基底152的侧表面。还应当理解，由于与非平面表面的抛光有关的成本通常(并且通常显著地)比平面表面的抛光更昂贵，因此通过选择性地抛光铲凿切削元件155的那些表面可以实现显著的节省，这些表面被计算为在钻地操作期间提供最大程度的减小的摩擦力。

图11至图15中示出了承载具有选定抛光表面的铲凿切削元件150的钻地工具的另外的例子。图11示出了其中剪切切削元件140沿每个刀112的旋转前部表面130安装并且铲凿切削元件150旋转地在剪切切削元件140之后安装在刀112上的固定切削齿刮刀钻头110的一部分。在这样的实施方案中，铲凿切削元件可以被视为“备用”切削元件并且可以在切削元件轮廓中位于与对应剪切切削元件相同的纵向和径向位置处，使得备用铲凿切削元件至少基本上遵循对应剪切切削元件的路径(即，将由剪切切削元件刨切基本上位于地层材料中的切口内的地层材料)。铲凿切削元件150的外部面155的选定区域可以被抛光以便为钻头110提供预定的性能特征。例如，铲凿切削元件150的选定区域可以被抛光以增大铲凿切削元件150的支承行为并减少铲凿切削元件150的地层移除。在其他实施方案中，铲凿切削元件150的外部面155的径向外部区域(相对于钻头110)可以被抛光以减少钻头110上的扭矩。在另外的实施方案中，铲凿切削元件150的外部面155的一个径向侧(相对于钻头110)可以被抛光以将更多的地层钻屑引向外部面155的相对侧，与美国专利8,991,525中所公开的类似，该专利以引用的方式并入上文。在另外的实施方案中，外部面155的部分可以被抛光以减小地层钻屑陷入刀112的外表面与地层的表面之间的可能性，当铲凿切削元件150位于相对于剪切切削元件140的“备用”位置时，这可能是特别有问题的。

在这样的实施方案中的一些中，如图12所示，钻头110的一个刀112上的剪切切削元件140可以直接遵循安装在旋转向前刀112上的铲凿切削元件150。在这样的实施方案中，铲凿切削元件150的选定表面可以被抛光以增加剪切切削元件140前面的地层材料的断裂，从而有效地减小剪切切削元件140上的剪切力(以及因此扭矩)。

在其他实施方案中，如图13所示，钻地工具110的一个或多个刀112可以承载靠近刀112的旋转前缘130安装的多个铲凿切削元件150，而任何剪切切削元件140都没有在同一刀112上安装在铲凿切削元件附近。在这样的实施方案中，铲凿切削元件150的选定表面可以以先前所述的任一构型进行抛光以便为钻地工具提供有益的性能特征。仅作为非限制性例子，铲凿切削元件150中的至少一些可以使它们的整个暴露的外部面155都进行抛光。在其他实施方案中，可以将铲凿切削元件150中的至少一些的外部面155的顶点156和周围区域中的至少一些抛光。在另外的实施方案中，铲凿切削元件150中的至少一些可以在每个这样的铲凿切削元件150的外部面155的径向向内或径向向外(这种情况下，“径向地”参考工具面的径向位置)部分上具有抛光的区域并且在外部面155的相对区域上具有未抛光的区域，其中抛光的区域和未抛光的区域的摩擦系数差可以具有使地层钻屑如上所述向外部面155的未抛光侧转向的效果。这样，铲凿切削元件150中的至少一些的外部面155的选定部分可以被抛光以影响地层钻屑在有利方向越过此类铲凿切削元件150的外部面155的流动方向。此类铲凿切削元件150的外部面155的摩擦系数差还可以导致地层钻屑更容易分解或在切削后以其他方式降解。

图14示出了在其主体上具有承载多个剪切切削元件140和多个铲凿切削元件150的刀112的扩孔钻190。扩孔钻190示为具有通过流体流道114分开的四个刀112(其中三个可见)，刀112中的每一个都在刀112的旋转前缘130处承载一排剪切切削元件140以及在相对于剪切切削元件140的备用位置处承载一排铲凿切削元件150。铲凿切削元件150中的至少一些可以具有其中选定区域已抛光的外部面155，如本文先前所公开的，以实现上述任一个有益的性能特征。当由扩孔钻承载的切削元件比领眼钻头上的切削元件固有地位于井筒内的更大半径处时，扩孔钻190的铲凿切削元件150上的摩擦力的减小可以具有降低用扩孔钻190移除地层材料所需扭矩量的高效作用。应当理解，扩孔钻190可以承载根据本文先前所公开的任一构型相对定位的剪切切削元件140和铲凿切削元件150。

图15示出了用于将井扩孔到比初始所钻更大的直径或用于同时对井筒进行钻探和扩孔的井底钻具组件192。如图所示，井底钻具组件192包括领眼钻头194和扩孔钻190。领眼钻头194可以与相对于图1和图11至图14中任一个所公开的钻头110类似地配置。井底钻具组件192任选地可以包括各种其他类型的钻井工具，例如，一个或多个稳定器198、转向单元196、随钻测量(MWD)工具200、一个或多个双向脉冲通信模块(BCPM)202、一个或多个力学和动力学工具204以及一个或多个电子装置206。另外，井底钻具组件10还可以包括一个或多个钻环208、一个或多个电通信钻杆段210以及一个或多个加重钻杆(HWDP)段212。领眼钻头194和扩孔钻190可以各自包括根据本文先前所述任一实施方案来抛光的铲凿切削元件150。钻头194和/或扩孔钻190可以包括剪切切削元件140和铲凿切削元件150的组合，其中铲凿切削元件150中的至少一些使它们的外部面155的选定区域被抛光，如本文所述。承载抛光铲凿切削元件150的这个钻头194和承载抛光切削元件的这个扩孔钻190的利用可以允许操作者增强将井筒钻探和/或扩孔所需扭矩的减少，并减少球化和/或粘滑的风险，并增加钻头的领眼控制的量，如先前所述。

尽管以上描述和示例性实施方案包含了很多具体细节，但这些细节不应当被理解成对本公开范围的限制，而仅应认为是提供了某些示例性实施方案。类似地，可以设想在本公开的范围内的本公开的其他实施方案。例如，本文参考一个实施方案所述的特征还可以与本文所述的其他实施方案的特征结合。因此，本公开的范围仅由随附权利要求书及其法律等效物来指示和限制，而不由以上描述来指示和限制。落在随附权利要求书的意义和范围之内的对如本文所公开的装置、设备、系统和方法的所有添加、删除和修改都被本公开所包含。

Claims (5)

1.一种用于钻地工具的铲凿切削元件，包括：

基底；

一定体积的超硬磨料，所述体积的超硬磨料设置在基底上，所述体积的超硬磨料具有暴露的外表面，所述暴露的外表面包括：

弯曲刀峰，所述弯曲刀峰大体定位在所述暴露的外表面的顶点处；

第一大体平面后刀面，所述第一大体平面后刀面定位在所述弯曲刀峰的第一侧上；

第二大体平面后刀面，所述第二大体平面后刀面定位在与所述弯曲刀峰的第一侧相对的相对侧上；

第一大体倒圆部分，所述第一大体倒圆部分位于所述弯曲刀峰、所述第一大体平面后刀面、和所述第二大体平面后刀面之间；和

第二大体倒圆部分，所述第二大体倒圆部分在与所述第一大体倒圆部分相对的相对侧位于所述弯曲刀峰、所述第一大体平面后刀面、和所述第二大体平面后刀面之间；

其中，所述铲凿切削元件构造成定位在所述钻地工具上并在所述钻地工具上取向，以通过在钻地操作中在所述钻地工具的使用期间利用所述体积的超硬磨料的所述暴露的外表面的至少一部分将地下地层材料压裂或塑性地变形来移除所述地层材料，所述体积的超硬磨料的所述暴露的外表面包括具有第一平均表面加工粗糙度的第一区域和具有比所述第一平均表面加工粗糙度更大的第二平均表面加工粗糙度的第二区域；并且

其中，所述第一区域包括以下中的至少一者：所述弯曲刀峰、所述第一大体平面后刀面的至少一部分、所述第二大体平面后刀面的至少一部分、所述第一大体倒圆部分的至少一部分、或者所述第二大体倒圆部分的至少一部分；所述第二区域包括以下中的至少一者：所述第一大体平面后刀面的至少一部分、所述第二大体平面后刀面的至少一部分、所述第一大体倒圆部分的至少一部分、或者所述第二大体倒圆部分的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的铲凿切削元件，其中所述第一区域包括所述第一大体平面后刀面，而所述第二区域包括所述第二大体平面后刀面。

3.根据权利要求1所述的铲凿切削元件，其中所述第一平均表面加工粗糙度小于254纳米。

4.根据权利要求3所述的铲凿切削元件，其中所述第二平均表面加工粗糙度大于254纳米。

5.根据权利要求1所述的铲凿切削元件，其中所述第一区域包括所述体积的超硬磨料的所述暴露的外表面的顶点。

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