CN110869581A - 具有预成形硬面堆焊部段的切割工具 - Google Patents

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Abstract

一种井下工具包括联接到主体的刀片。所述主体和所述刀片绕纵向轴线旋转。预成形面板连接到所述刀片并且在其中部分地限定刀槽。所述刀槽的另一部分由所述刀片限定。所述刀槽包括侧壁和基部，其中所述侧壁由所述刀片和所述预成形面板形成，并且所述基部由所述刀片形成。所述预成形面板包括预成形的硬面堆焊元件。一种井下工具包括联接到主体的刀片。所述主体和所述刀片绕纵向轴线旋转。预成形部段连接到所述刀片并且在其中具有刀槽。所述刀槽包括侧壁和基部，并且切割元件联接到所述预成形部段并且在所述刀槽内。所述预成形部段任选地由与所述刀片不同的材料制成，并且与所述刀片相比具有增加的耐磨性和/或耐侵蚀性。

Description

具有预成形硬面堆焊部段的切割工具
相关申请的交叉引用
本申请要求各自于2017年5月31日提交的美国专利申请号62/513,351和美国专利申请号62/513,352的权益和优先权，所述申请以引用的方式整体并入本文。
背景技术
出于多种勘探或开采目的，将井筒钻探到地表位置或海床中。例如，可钻探井筒以获取储存在地下地层中的流体，诸如液态和气态烃，并且从地层中采出流体。部分地取决于钻探井筒所穿过的地层的特性，可利用多种钻探方法。
在钻探井筒期间，切割工具(诸如钻头和扩孔器)用于从土地中移除材料以延长或扩大井筒。切割工具包括在切割操作期间可能经受磨损或损伤的切割元件。切割元件损伤或丢失会降低切割工具的效力，并且减慢或停止井筒的工作。另外，切割工具的切割元件可能在切割工具本身的主体之前达到其操作寿命的终点。
发明内容
在一些实施方案中，一种切割工具包括主体、刀片和面板。所述主体绕纵向轴线旋转，并且具有联接到其并从其径向延伸的刀片。所述面板联接到所述刀片并且所述面板和所述刀片协作地限定部分地位于所述面板中且部分地位于所述刀片中的至少一个刀槽。
根据一些实施方案，一种井下工具包括可旋转主体和联接到所述主体的刀片。所述刀片在其中包括凹槽，并且所述凹槽限定界面。预成形硬面堆焊元件沿所述界面的至少一部分联接到所述刀片，并且所述刀片和所述预成形硬面堆焊元件协作地限定至少一个刀槽，使得所述刀槽部分地位于所述预成形硬面堆焊元件内且部分地位于所述刀片内。
在一些实施方案中，一种制造井下工具的方法包括形成刀片，所述刀片具有凹槽和邻近所述凹槽的刀槽的一部分。形成至少一个面板，并且所述至少一个面板包括所述刀槽的另一部分。将所述至少一个面板定位在所述凹槽中，使得所述刀槽在所述刀片和所述至少一个面板内的所述部分协作地限定完整刀槽，并且将所述面板连接到所述刀槽。
在一些实施方案中，一种切割工具包括主体、刀片和预成形部段。所述主体被构造成绕所述纵向轴线旋转。所述刀片连接到主体并且从所述主体径向延伸。所述预成形部段连接到所述刀片并且在其中具有刀槽。所述刀槽具有侧壁和基部。
在一些实施方案中，一种井下工具包括被构造成绕纵向轴线旋转的主体。刀片联接到所述主体并且包括限定界面的凹槽。部段在所述界面处连接到所述刀片，并且包括具有侧壁和基部的至少一个刀槽。
根据一些实施方案，一种制造井下工具的方法包括形成在其中具有凹槽的刀片。形成硬化的可替换部段并且所述硬化的可替换部段包括至少一个刀槽。将所述硬化的可替换部段定位在所述凹槽中并且连接到所述刀片。
本概述被提供来介绍以下在详细描述中进一步描述的一系列概念。本概述既不意图识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用来帮助限制要求保护的主题的范围。实际上，本公开的实施方案的另外的特征和方面将在描述中阐明，并且部分地将从描述中显而易见，或可通过此类实施方案的实践得以领会。可借助于描述和所附权利要求中具体指出的仪器和组合来实现和获得此类实施方案的特征和方面。
附图说明
为了描述可获得本公开的上述特征和其他特征的方式，将通过参考在附图中示出的本发明的特定实施方案来给出更具体的描述。为了更好的理解，贯穿各种附图，相似元件由相似附图标号指定。除了本质上清楚地示意性或夸张的附图之外，对于本公开的一些实施方案，应当认为附图是按比例绘制，而对于其他实施方案，则不是按比例绘制。应当理解，附图描绘一些示例性实施方案，这些实施方案将通过使用附图来另外具体和详细地描述并解释，在附图中：
图1是根据本公开的至少一个实施方案的钻探系统的示意图；
图2是根据本公开的至少一个实施方案的联接到旋转式可转向系统的钻头的侧视图；
图3是根据本公开的至少一个实施方案的具有连接到刀片的可替换切割结构部段的钻头的透视图；
图4是根据本公开的至少一个实施方案的图3的钻头的分解图；
图5是根据本公开的至少一个实施方案的具有连接到刀片的可替换切割结构部段的另一个钻头的分解图；
图6是根据本公开的至少一个实施方案的具有位于可替换切割结构部段与刀片之间的弹性能量吸收层的钻头的分解图；
图7是根据本公开的至少一个实施方案的包括多种材料的可替换切割结构部段的侧视图；
图8-1是根据本公开的至少一个实施方案的具有定位在刀片上的预成形面板的钻头的分解图；
图8-2是根据本公开的至少一个实施方案的具有定位在刀片的前缘表面和顶部表面上的预成形面板的钻头的局部剖视图；
图9是根据本公开的至少一个实施方案的具有定位在刀片上的多个预成形硬化面板的刀片的分解图；
图10是根据本公开的至少一个实施方案的具有从切割元件移位的可替换部段的钻头的部分侧视图；
图11是根据本公开的至少一个实施方案的井下切割工具的侧视图，所述井下切割工具包括联接到可扩张切割臂的一个或多个可替换切割结构元件；
图12是根据本公开的至少一个实施方案的制造切割工具的方法的流程图；并且
图13是根据本公开的至少一个实施方案的连接到切割工具的刀片的示例性可替换切割结构部段的侧面剖视图。
具体实施方式
本公开的实施方案总体涉及用于增加切割工具的操作寿命和/或减少停机时间的装置、系统和方法。更具体地，本公开的实施方案涉及用于将可替换切割元件部段定位在切割工具上的装置、系统和方法，其中所述部段具有比切割工具的主体或刀片材料更高的耐磨性或耐侵蚀性。
在一些实施方案中，根据本公开的切割工具具有一个或多个切割元件以在井下环境中移除材料。在切割操作过程中，切割元件处或附近的区域可能经受高磨损和/或侵蚀条件。根据本公开的切割工具可包括具有高耐磨性和耐侵蚀性材料的一个或多个部段，所述一个或多个部段邻近于切割元件或完全地或部分地围绕切割元件定位，以增加切割工具的操作寿命和可修复性。
图1示出用于钻探土地层101以形成井筒102的钻探系统100的一个实例。钻探系统100包括钻机103，所述钻机103用于使向下延伸到井筒102中的钻探工具组件104旋转。钻探工具组件104可包括钻柱105、井底钻具组件(“BHA”)106以及附接到钻柱105的井下端部的钻头110。
钻柱105可包括钻杆108的若干接头，这些接头通过工具接头109端对端连接。钻柱105通过中心孔传递钻井液，并且将旋转动力从钻机103传递到BHA 106。在一些实施方案中，钻柱105还包括另外的部件，诸如短节、短接等。钻杆108提供液压通道，通过所述液压通道从地表泵送钻井液。钻井液通过钻头110和/或BHA 106中的喷嘴、喷口或其他孔口排出，以达到冷却钻头110和切割其上的结构的目的并且用于将切屑从井筒102输送出去。
BHA 106可包括钻头110或其他部件。示例性BHA 106可包括(例如，联接在钻柱105与钻头110之间的)另外的或其他部件。另外的BHA部件的实例包括：钻铤；稳定器；随钻测量(“MWD”)工具、随钻测井(“LWD”)工具、井下马达、扩孔器、截面磨机、液压断开装置、震击器、振动或阻尼工具、其他部件或前述各项的组合。除钻头之外，钻头110还可包括其他切割结构，诸如铣削工具或扩孔工具。
通常，钻探系统100可包括其他钻探部件和附件，诸如上扣/卸扣装置(例如，铁钻工或动力钳)、阀(例如，方钻杆旋塞、防喷器和安全阀)、其他部件或上述的组合。钻探系统100中所包括的另外的部件可被认为是钻探工具组件104的一部分、钻柱105或BHA 106的一部分，这取决于它们在钻探系统100中的位置。
BHA 106中的钻头110可以是适于降解地层或其他井下材料的任何类型的钻头。例如，钻头110可以是适于钻探土地层101的钻头。用于钻探土地层的钻头的示例性类型是固定刀具或刮刀钻头、牙轮钻头和冲击锤钻头。在一些实施方案中，钻头110是用于扩张井筒直径的可扩张扩孔器。在其他实施方案中，钻头110是用于移除金属、复合材料、弹性体、其他井下材料或其组合的磨机。例如，钻头110可与造斜器一起使用，以铣削到内衬于井筒102的套管107中。钻头110还可用于铣削掉工具、塞头、水泥、井筒102内的其他材料或其组合。使用磨机形成的碎屑或其他切屑可被提升到地表，或者可允许其掉落到井下。
图2是根据本公开的一些实施方案的钻头210的井下端部的透视图。图2中的钻头210是固定刀具或刮刀钻头的实例，并且包括钻头主体212和从其径向和方位角延伸的多个刀片214。刀片214中的一个或多个—以及潜在地每个刀片214—可具有与其连接的多个切割元件216。在一些实施方案中，切割元件216中的至少一个具有平面切割面。平面切割面可用来剪切井下材料，并且这种切割元件可被认为是剪切切割元件。在其他实施方案中，切割元件216中的至少一个具有非平面切割面。非平面切割面可剪切、冲击/凿开或以其他方式降解井下材料。非平面切割元件(即，具有非平面切割面的切割元件)的实例包括具有圆锥形、脊状、圆顶形、鞍形、凿形或其他非平面切割面的切割元件。在一些实施方案中，钻头210包括一个或多个稳定器垫218。稳定器垫218可位于刀片214上或除刀片214之外的其他位置处，诸如钻头主体212上。
在图2中，钻头210联接到旋转式可转向系统(“RSS”)211，所述旋转式可转向系统(“RSS”)211可在形成或扩大井筒时用于使钻头210转向。RSS 211可包括能够选择性地致动以使钻头210转向的一个或多个转向装置220。在一些实施方案中，转向装置220包括一个或多个活塞222，所述一个或多个活塞222能够致动以相对于钻头210和RSS 211的纵向轴线224在径向向外方向上移动。RSS 211可相对于钻头210的钻探方向以一定角度施加力以使钻探方向偏转。例如，活塞222可以大约垂直于纵向轴线224的角度或在垂直于纵向轴线224的5°、15°或30°内的角度施加力。在一些实施方案中，转向装置220是或包括可致动表面或斜面，所述可致动表面或斜面相对于纵向轴线224在径向方向上移动。钻头210和RSS 211可绕纵向轴线224旋转，并且一个或多个转向装置220可随旋转以定时方式致动，以使钻头旋转并且形成定向井筒，或以维持笔直井筒。
在一些实施方案中，当转向装置220处于缩回位置时，转向装置220的一部分(例如，活塞222或活塞222的壳体)径向位于RSS主体226内。在一些实施方案中，当转向装置220处于扩张或缩回位置时，转向装置220的至少一部分(例如，活塞222或活塞222的壳体)可从RSS主体226突出。在一些实施方案中，RSS 211的一个或多个部分在操作期间可能经受更大的磨损和/或冲击。
钻头210的切割元件216可在钻头主体212或刀片214的不同区域中经受不同的磨损率。在一些实施方案中，钻头210的切割元件216在刀片214的锥区域228、鼻部区域230、肩部区域232或保径区域234处经受不同的磨损率。例如，鼻部区域230的切割元件216可比保径区域234的切割元件216经受更高的磨损率。在其他实例中，肩部区域232的切割元件216比鼻部区域230的切割元件216经受更高的磨损率。
在一些实施方案中，钻头主体212、刀片214、RSS主体226或其组合包括一种或多种主体材料。钻头208和/或RSS 211可以是或包括第二材料，所述第二材料比主体材料更硬和/或具有更高的耐磨性或耐侵蚀性。常规地，第二材料可以是手动施加到钻头主体212、刀片214或RSS主体226的硬面堆焊材料。可向钢钻头施加硬面堆焊物，以增加钻头和/或刀片上某些区域的耐磨性和/或耐侵蚀性。常规地，硬面堆焊是熔化硬面堆焊焊条的手动工艺。将熔化的材料施加到钻头，并且材料在钻头上冷却以具有最终的几何结构。硬面堆焊物可分层施加。作为手动工艺，硬面堆焊物是可变的，并且可能具有缺陷，导致在缺陷处或附近的硬面堆焊物和/或硬面堆焊部件过早失效。例如，硬面堆焊物可在边界处、随着成分变化、在层处或硬面堆焊材料中的其他不一致处失效。在其他实例中，由于在硬面堆焊材料与钻头和/或刀片之间的结合强度不足，硬面堆焊物与钻头和/或刀片脱层。在根据本公开的切割工具的一些实施方案中，钻头210和/或RSS 211的一个或多个部分包括定位在钻头和/或刀片中并且附连到钻头和/或刀片的保径装置或其他插入件。插入件可比邻近的钻头材料具有更高的耐磨性和/或耐侵蚀性，以延长可不包括硬面堆焊物的工具的操作寿命。
图3是具有钻头主体312的钻头310的冠部另一个实施方案的透视图，所述钻头主体312包括多个刀片。在一些实施方案中，钻头主体312包括一个或多个一级刀片314-1和一个或多个二级刀片314-2。在一些实施方案中，一级刀片314-1和二级刀片314-2两者延伸至钻头310的保径区域334，但是与二级刀片314相比，一级刀片314径向向内延伸以更靠近钻头310的纵向轴线324。在一些实施方案中，还包括三级刀片，所述三级刀片延伸至保径区域，但是比二级刀片314-2与纵向轴线324相距更远。
在一些实施方案中，钻头310包括至少一个一级刀片314-1，二级刀片314-2或三级刀片(统称为刀片314)，所述刀片包括与其联接的一个或多个部段336-1、336-2(统称为部段336)。在一些实施方案中，部段336是可替换切割元件部段，并且在其中包括一个或多个刀槽338。部段336可限定刀槽338，所述刀槽338包括侧壁和任选存在的基部。在一些实施方案中，切割元件340定位在刀槽338中。虽然在图3中示出剪切切割元件340，但是切割元件340可以是本文描述的任何切割元件(例如，非平面切割元件)。
在一些实施方案中，第一部段336-1联接到刀片314(例如，一级刀片314-1)。第一部段336-1可通过一个或多个连接机构连接到刀片314。例如，第一部段336-1可通过焊接、钎焊、粘合剂、一个或多个机械紧固件(例如，螺栓、螺钉、销、夹具、夹子或其他机械紧固件)、机械互锁部(例如，沟槽、燕尾榫、立柱、凹槽、脊、其他表面特征结构或其他机械互锁部)、其他机构或其组合连接到刀片314。在一些实施方案中，第一部段336-1钎焊或焊接到刀片314。在其他实施方案中，第一部段336-1利用机械互锁部和部分地利用钎焊或焊接至少部分地联接到刀片314。
在相同或其他实施方案中，第二部段336-2联接到具有与其联接的第一部段336-1的同一刀片314。第二部段336-2可通过与第一部段336-1相同或不同的连接机构联接到刀片314。例如，第一部段336-1在刀片314的第一部分中经受的力可不同于第二部段336-2在刀片314的第二部分中经受的力。在一些实例中，在切割操作期间施加的力例如在刀片314的鼻部区域或锥区域处(以及在第一部段336-1处)不同于在刀片314的肩部区域处(以及在第二部段336-2处)。在一些实施方案中，至少部分地由于在切割操作期间经受的不同力而使用不同的连接机构。
在一些实施方案中，部段336包括部段材料或由部段材料制成。部段材料可不同于钻头主体材料或刀片材料。例如，部段材料可包括与钻头主体或刀片314的陶瓷、碳化物、金属、金属合金或其他材料不同的陶瓷、碳化物、金刚石或超硬材料。“超硬材料”应理解为是指本领域已知的具有1,500HV(以kg/mm2为单位的维氏硬度)或更大的晶粒硬度的那些材料。此类超硬材料可包括由固结材料形成的在高于750℃、并且对于某些应用是高于1,000℃的温度下能够展示物理稳定性的那些。在一些实施方案中，超硬材料具有高于3,000HV的硬度值。在其他实施方案中，超硬材料具有高于4,000HV的硬度值。在又其他实施方案中，超硬材料具有大于80HRa(洛氏硬度A)的硬度值。在一些实例中，部段材料包括碳化物材料(例如，碳化钨、碳化钽、碳化钛等)。根据一些实施方案，形成部段336的碳化物材料被渗透和/或烧结，或者是胶合的碳化物材料。在一些实施方案中，碳化物材料是烧结并胶合的(例如，包括粘结剂并且通过增材制造形成的烧结碳化钨)。在又其他实例中，部段材料包括嵌入基质材料中的超硬颗粒。
在一些实施方案中，钻头主体材料和/或刀片材料是具有比部段材料更低耐侵蚀性和/或耐磨性的材料。在其他实施方案中，钻头主体材料和/或刀片材料是具有比部段材料更高韧性的材料。在一些实例中，钻头主体材料和/或刀片材料包括钢合金，并且部段材料包括碳化钨。钢合金可具有比碳化钨更高的韧性，所述碳化钨更脆，并且碳化钨可在切割操作期间提供更大的耐磨性和/或耐侵蚀性。
由于部段336可在切割操作期间经受剪切力和/或压缩力，因而部段336与刀片314-1、314-2的连接可包括多种几何结构和/或连接机构。图4是图3中的钻头310的实施方案的分解透视图，其中部段336可连接到刀片314。刀片314可以是如图4所示的一级刀片314-1，或者在其他实施方案中是二级刀片或三级刀片。
在一些实施方案中，空隙或凹槽342形成于刀片314中，并且被构造成接收部段336中的一个或多个。例如，在图4中，凹槽342在刀片314的旋转前缘面中形成，并且第一部段336-1和第二部段336-2至少部分地定位在凹槽342内并且在界面处连接到刀片314。
在一些实施方案中，界面包括一个或多个背部表面344和一个或多个侧表面346-1、346-2。背部表面344可向部段336提供支撑。具体地，背部表面344可在刀片314中形成并且被构造成支撑部段336中的一个或多个的后表面337。部段336的后表面337可与部段336的旋转前缘表面339相对。侧表面346-1、346-2可沿着部段336的一个或多个纵向和/或径向表面向部段336提供支撑。部段336的纵向和/或径向表面可在部段336的后表面337与旋转前缘表面339之间延伸。例如，第一侧表面346-1可取向为大约垂直于纵向轴线324，并且在切割操作期间，第一部段336-1可经受来自地层的纵向压缩力并且将这一纵向压缩力传递至第一侧表面346-1，所述第一侧表面346-1沿刀片314径向延伸。第一侧表面346-1可在接收压缩力的同时支撑第一部段336-1。在其他实施方案中，第一侧表面346-1相对于纵向轴线324以不同角度取向，或者是弯曲的或者具有一些其他轮廓、形状或取向。
在相同或其他实施方案中，限定凹槽342的第二侧表面346-2取向成与纵向轴线324成一定角度，以在径向方向上向第二部段336-2提供支撑。例如，在切割操作期间，第二部段336-2可任选地在纵向方向(在纵向轴线324的方向上)和径向方向(垂直于并朝向纵向轴线324)两者上经受压缩力。第二侧表面346-2可在径向方向和纵向方向两者上延伸并且在接收纵向压缩力和径向压缩力的同时支撑第二部段336-2。在一些实施方案中，第二侧表面346纵向延伸以平行于纵向轴线324，垂直于纵向轴线324，是弯曲的或者具有一些其他轮廓、形状或取向。因此，第一侧表面346-1和第二侧表面346-2可以是平面的或非平面的。
在一些实施方案中，当钻头310绕纵向轴线324沿旋转方向旋转(使得前缘表面339旋转地引导后表面337)时，后表面344支撑部段336的后表面337。在切割操作期间，来自地层或其他井下材料的对刀片314的剪切力、摩擦力或其他力可与钻头310—包括部段336—的移动方向相反。限定凹槽342的背部表面344可提供压缩支撑来抵抗来自地层的剪切力和其他力。在一些实施方案中，背部表面344是平面的、弯曲的或以其他方式被构造。在至少一些实施方案中，背部表面344朝向旋转方向成角度，使得施加到部段336-1、336-2的剪切力部分地指向钻头主体。例如，背部表面344的井下端部部分(即，最靠近刀片314的顶部的部分)可朝向(和更靠近)刀片314的旋转前缘面倾斜。在其他实施方案中，背部表面344的井上端部部分朝向刀片314的旋转前缘面倾斜。
在一些实施方案中，部段336利用连接机构在与凹槽的界面处(以及在背部表面344和/或侧表面346处)连接。在图4中，连接机构包括机械互锁特征结构348。在一些实施方案中，机械互锁特征结构348包括互补的凹槽和立柱。例如，可在刀片314中形成一个或多个凹槽并且在部段336中形成一个或多个互补立柱，或者可在部段336中形成一个或多个凹槽并且在刀片314中形成一个或多个立柱。在另一个或多个实施方案中，凹槽在部段336中的每一个中和在刀片314中形成，并且一个或多个互补立柱单独地形成并且插入到部段336和刀片314两者中的凹槽中。在其他实施方案中，机械互锁特征结构348包括限制和/或防止部段336相对于刀片314在一个或多个方向上移动的燕尾榫、楔形燕尾榫、脊、凹槽或其他表面特征结构。
在一些实施方案中，机械互锁特征结构348定位在限定凹槽342的侧表面346中。在相同或其他实施方案中，一个或多个机械互锁特征结构348定位在限定凹槽342的背部表面344中。在至少一个实施方案中，机械互锁特征结构348定位在限定凹槽342的侧表面346和背部表面344两者中。例如，背部表面344中的燕尾榫特征结构可允许部段336沿着燕尾榫滑动，并且潜在地直到立柱与侧表面346中的凹槽接合为止。在一些实施方案中，机械互锁特征结构348或其他表面特征结构有助于使部段336与凹槽342内的位置对准。在一些实例中，机械互锁特征结构348在钎焊、焊接或其他附接过程期间限制和/或防止部段336相对于刀片314-1移动。在其他实例中，第一部段336-1和第二部段336-2具有不同的机械互锁特征结构348或具有不同的形状，以防止部段336不正确地放置和安装。
在一些实施方案中，侧表面346的至少一部分是平面的。平面侧表面346可在凹槽342的界面与可替换部段336之间提供更牢固的连接。例如，邻近图4所示的实施方案的部段336的平面侧表面346允许将第一部段336-1更可靠地钎焊到刀片314，并且将第二部段336-2更可靠地钎焊到刀片314。在其他实施方案中，平面侧表面346减小或消除在对应的侧表面346内的应力集中。在一些实施方案中，在第一侧表面346-1与第二侧表面346-2之间存在不连续角度。
图5是钻头410的另一个实施方案的分解图，所述钻头410具有定位在刀片414的凹槽442中的部段436。尽管刀片414被示出为二级刀片，但是部段436可与一级刀片、三级刀片或其他刀片结合使用。在一些实施方案中，由刀片414内的凹槽442和部段426限定的界面的至少一部分是弯曲的。例如，侧表面446的全部或部分可以是弯曲的或以其他方式是非平面的。在其他实例中，侧表面446的一部分是弯曲的，而侧表面446的另一部分是平面的。
在一些实施方案中，侧表面446的弯曲部分的曲率半径在具有包括以下值中的任一个的上限值、下限值或上限值和下限值的范围中：5mm、20mm、40mm、50mm、60mm、80mm、100mm或介于上述值之间的任何值。例如，侧表面446的弯曲部分可具有大于5mm的曲率半径。在其他实例中，侧表面446的弯曲部分具有小于100mm的曲率半径。在又其他实例中，侧表面446的弯曲部分具有介于5mm与100mm之间的曲率半径。在另外的实例中，侧表面446的弯曲部分具有介于10mm与80mm之间的曲率半径。在又另外的实例中，侧表面446的弯曲部分具有25mm的曲率半径。在其他实施方案中，侧表面446的曲率半径小于5mm或大于100mm。另外，侧表面446的曲率半径可以变化或可以是恒定的。
在一些实施方案中，部段436利用机械紧固件单独地或与其他连接方法结合连接到刀片414。例如，部段436和刀片414可包括一个或多个机械紧固件连接位置450。例如，机械紧固件连接位置450可包括用于接收螺纹机械紧固件的螺纹孔(盲孔或通孔)或非螺纹通孔。在相同或其他实例中，机械紧固件连接位置450包括带肩部的孔或凹槽(例如，具有在其之间具有台阶的第一直径和更大第二直径的沉孔)以容纳螺母、螺栓的头部或其他互补的机械紧固件。在至少一个实例中，部段436中的机械紧固件连接位置450具有肩部以与螺纹螺栓的头部接合，并且在刀片414中的机械紧固件连接位置450具有螺纹孔以与螺纹螺栓的螺纹接合。螺纹可接合以允许螺栓的头部朝向与刀片414的界面压缩部段436。
图6是具有模块化或可替换部段536的钻头510的另一个实施方案的分解透视图，所述模块化或可替换部段536被构造成使用一个或多个机械紧固件连接部来连接到一级刀片、二级刀片或一些其他刀片514。部段536可通过机械紧固件压靠在背部表面544和/或侧表面546上。在一些实施方案中，弹性能量吸收层552定位在部段536与刀片514之间。弹性层552可以是在部段536与刀片514之间的压缩下可能变形的任何材料。例如，弹性层552可包括可发生塑性或弹性变形的弹性可压缩材料，诸如弹簧钢、钛合金、其他金属合金、聚合物、复合材料或其他材料。在一些实施方案中，弹性层具有低于630GPa的体积弹性模量。在其他实例中，弹性层552包括允许压缩弹性层552的几何结构。例如，弹性层552可包括板弹簧几何结构以向机械紧固件的压缩施加反作用力。
根据一些实施方案，机械紧固件可在切割操作期间可能至少部分地由于在切割地层、套管或其他材料期间引起的振动而松动。在一些实施方案中，弹性层552可限制和/或防止在切割操作期间机械紧固件“脱出”。在其他实施方案中，弹性层552可抑制振动从部段536传递至刀片514，从而减少对刀片514的疲劳损伤。在相同或其他实施方案中，弹性或非弹性的弹性层552可吸收部段536与刀片514之间的冲击，从而减少对部段536和/或刀片514的损伤。在另外的实施方案中，弹性层552可在部段536与刀片514之间提供柔顺层，所述柔顺层可减小由部段536和刀片514的接触面之间的任何不匹配引起的应力集中。
在其他实施方案中，弹性层或其他层是部段的一部分。图7是具有彼此结合的两种材料的部段636的另一个实施方案的侧视图。部段636可包括冶金结合或机械紧固的部段材料和基底材料。在一些实施方案中，部段636用沉积在基底材料层656上并结合到其的部段材料层654增材制造。基底材料层656可以是金属合金，诸如钢、铝、钛或其他金属合金。在一些实施方案中，基底材料是可焊接材料。例如，具有钢基底材料层656的部段636可以可焊接到钻头或其他切割工具的刀片的可焊接材料(例如，钢)。
在一些实施方案中，部段636包括具有定位在其中的切割元件640的一个或多个刀槽638。在一些实施方案中，刀槽638至少部分地位于部段636的部段材料层654中。在其他实施方案中，刀槽638整体位于部段636的部段材料层654中。在又其他实施方案中，刀槽638至少部分地位于部段636的基底材料层656中。在一些实施方案中，基底材料层656的厚度为至少0.05英寸(1.27mm)、至少0.1英寸(2.54mm)、至少0.2英寸(5.08mm)或至少0.3英寸(7.62mm)。在其他实施方案中，基底材料层656小于0.05英寸(1.27mm)。
在一些实施方案中，部段包括将刀槽限定在部段内的侧表面和后表面。在其他实施方案中，部段具有完全延伸的侧表面并且没有后表面，使得刀槽从第一面到相对的第二面完全延伸通过部段，从而使得刀槽在两侧上敞开。在此类实施方案中，刀片限定刀槽的至少一部分(例如，后表面和/或一个或多个侧表面的一部分)，并且切割元件至少部分地直接连接到钻头的刀片，而部段不会在切割元件与刀片之间形成纯粹的间接连接。
图8-1是具有刀槽738的钻头710的示例性实施方案的分解透视图，所述刀槽738形成在钻头710的刀片714(例如，一级刀片、二级刀片、三级刀片等)中，而保护性部段邻近于刀槽738和切割元件740定位。在一些实施方案中，保护性部段包括面板758，所述面板758联接到钻头710的刀片714的前缘面。面板758可在一些方面类似于关于图2至图7描述的部段。例如，面板758可包括部段材料，诸如碳化钨。在其他实例中，面板758包括为任选地可焊接材料的基底材料。在又其他实例中，面板758包括一个或多个机械紧固件或连接位置，以促进面板758与刀片714的联接。
面板758可定位在与刀片714的界面处，并且任选地定位在形成于刀片714的前缘表面中的凹槽742内。虽然面板758被示出邻近于一级刀片714的前缘面定位，但是在其他实施方案中，面板758邻近于钻头710的其他刀片(例如，二级刀片)定位，或定位在刀片的其他表面(例如，图8-2所示的顶部表面)上。在一些实施方案中，凹槽742可限定包括后表面744和侧表面746的界面。在一些实例中，侧表面746的至少一部分是弯曲的或非平面的。在其他实例中，侧表面746的至少一部分是平面的。
在一些实施方案中，在面板758与刀片714之间的界面的背部表面744具有定位在其中的一个或多个刀槽738的一部分。例如，刀槽738的基部表面、背部表面或后表面可至少部分地在刀片714内。在一些实例中，刀槽738的深度的至少一些位于刀片714中，使得刀槽738的侧表面至少部分地由刀片714形成并且至少部分地由面板758形成。因此，当面板758相对于刀片714定位时，刀片714和面板758可协作地限定刀槽738，以使刀槽738的相应部分对准。
在一些实施方案中，切割元件740定位在刀槽738中，并且连接到刀片714和面板758两者。例如，切割元件740可被钎焊到刀槽738中，使得切割元件740钎焊到刀片714和面板758两者。在其他实施方案中，切割元件740钎焊到刀片714而不是钎焊到面板758。在又其他实施方案中，切割元件740钎焊到面板758而不是钎焊到刀片714。在其他实施方案中，除钎焊之外的附接机构用于将切割元件740联接到刀片714、面板758或两者。
在至少一些实施方案中，面板758被预成形以替代通过常规的焊接/熔化工艺施加的硬面堆焊物。在这一情境中，即使在不熔化材料的情况下，“预成形”面板758也具有适于施加、粘合或联接到钻头或其他井下工具的形状。因此，与被熔化以施加到钻头的常规硬面堆焊物相反，预成形面板758具有与井下工具分开的限定形状，所述形状大体类似于当联接到井下工具时的面板758的形状。另外，虽然常规的硬面堆焊使用硬面堆焊物本身内的材料粘合到井下工具，但是可通过单独的材料(例如，钎焊料、焊料等)或单独的机构(例如，机械紧固件)来附接预成形的面板758。
面板758可由碳化物、陶瓷、基体、金属、金属合金或具有比形成刀片714的材料更高的耐磨性或耐侵蚀性的其他材料形成。举例来说，可使用铸造、渗透、模制、增材制造、烧结、机加工或其他工艺或上述的组合来生产至少部分地且潜在地完全由烧结的胶合碳化钨材料制得的面板758。面板758可联接到钢体钻头的刀片。由于与刀片的钢材料相比，烧结的胶合碳化钨材料具有更高的耐磨性和耐侵蚀性，面板758可充当可以替代硬面堆焊材料的预成形且潜在地可替换材料，来保护钻头710刀片的邻近切割元件740的区域。由于可减少由与地层和其他材料接触而引起的磨损以及来自喷嘴或井筒的流体流的侵蚀，这可允许延长钻头710的操作寿命。当面板758的磨损增加超过可接受水平时，可移除并替换面板758。任选地，切割元件740也可被移除；然而，在至少一些实施方案中，切割元件740中的一个或多个可在面板758被移除时以及任选地在附接替换面板758时保持联接到刀片714。在至少一些实施方案中，面板758通过钎焊、焊接或机械紧固联接到刀片714。面板758可任选地与同用于钎焊切割元件740的钎焊材料不同的钎焊材料联接。在至少一个实施方案中，用于将面板758钎焊到刀片714的钎焊材料具有比用于钎焊刀槽738内的切割元件740的钎焊材料更高的熔化温度。
图8-2是刀片714的另一个实例的示意性局部剖视图，所述刀片714具有联接到刀片714的多个面板。在图8-2所示的实施方案中，第一预成形面板758-1被示出为联接到刀片714的前缘表面，而第二预成形面板758-2联接到刀片714的顶部(面向井下或地层的)表面。第一预成形面板758-1可类似于图8-1的面板758，并且任选地定位在刀片714的前缘面中的凹槽内。如图8-2所示，第一面板758-1可形成切割元件740定位在其中的刀槽738的侧表面的至少一部分，而刀片714也可形成刀槽738的侧表面的一部分以及刀槽738的基部。
在图8-2中，第二面板758-2以与类似于第一面板758-1的方式联接到刀片714，不同的是第二面板758-2位于刀片714的顶部表面并且任选地邻近切割元件740。在示出的具体实施方案中，第二面板758-2可覆盖切割元件740的至少一部分以便也限定刀槽738的一部分；然而，这种实施方案仅是说明性的。在其他实施方案中，第二面板758-2旋转地定位在刀片714上切割元件740的后面。当钻探发生时，第二面板758-2可向刀片714的顶部(即，面向地层的)表面提供增加的耐磨性或耐侵蚀性。在一些实施方案中，第二面板758-2至少部分地定位在形成于刀片714的顶部表面中的凹槽内；然而，在其他实施方案中，第二面板758-2完全在凹槽内，或者可以根本不在任何凹槽内。
图9是具有联接到其的面板的刀片814的另一个实施方案的分解图。在一些实施方案中，面板包括联接到刀片814的多个面板部段858-1、858-2、858-3、858-4(共同地称为面板部段858)。在实例中，第一面板858-1可被构造成邻近于多个切割元件840定位并且/或者保护所述多个切割元件840。第一面板858-1可跨邻近于多个切割元件的距离连续，并且可减少可能易于增加侵蚀率或磨损率的开口或边缘。在其他实例中，至少一个面板(诸如图9的第二面板部段858-2)被构造成邻近于单一切割元件840定位并且/或者保护邻近所述单一切割元件840的刀片。鉴于本文的公开内容应当理解，面板部段858可邻近于任意数量的切割元件840(包括切割元件840的局部部分)定位并且/或者保护邻近所述任意数量的切割元件840的刀片。例如，第三面板部段858-3可邻近于切割元件840的一半定位。第四面板部段858-4被示出为邻近于一个半切割元件840定位并且/或者保护邻近所述一个半切割元件840的刀片。
在一些实施方案中，具有彼此不连接的单独的面板可允许减轻面板中的残余热或其他机械应力。允许第二面板部段858-2独立于第三面板部段858-3进行热膨胀或收缩可减小第二面板部段858-2和/或第三面板部段858-3失效的可能性。在其他实施方案中，由于刀片814的不同区域可能经受不同程度的侵蚀或磨损，因而具有彼此不连接的单独的面板或面板部段可允许替换或修复单个面板。
在一些实例中，位于刀片814的鼻部区域830上的第四面板部段858-4可经受与位于刀片814的肩部区域832上的第二面板部段858-2不同的磨损/侵蚀率。在其他实例中，刀片814的保径区域834可沿着保径834的长度经受基本相等的磨损率。在此类实例中，保径区域834可具有连续的第一面板部段858-1，使得在第一面板部段858-1中不存在空间或开口以增加保径区域834的操作寿命并且降低在第一面板部段858-1上不均匀磨损/侵蚀的风险。
在一些实施方案中，基于面板所保护的切割元件的类型，面板具有不同的几何结构。例如，一个面板可在被构造成保护剪切切割元件时具有第一几何结构，并且另一个面板可在被构造成保护非平面切割元件时具有第二几何结构。具有多个面板的刀片814可允许更换面板858中的一个或多个，从而允许刀片814和/或相关联的钻头被定制为要降解的材料。多种面板和面板部段的组合允许将单一钻头和/或刀片设计模块化。在至少一些实施方案中，面板或面板部段可提供预成形的硬化元件，其替代施加到钢或其他钻头上的刀片表面的一个或多个区域的硬面堆焊物。鉴于本文的公开内容应当理解，图9的可分离的模块化部段也可与在除旋转前缘表面之外的区域上使用的面板(包括如关于图8-2论述的刀片的顶部表面上的面板)结合使用。
图10是钻头910的另一个实施方案的侧视图，所述钻头910具有定位在钻头910的保径区域934中的预成形的耐磨损插入件960。插入件960可包括如本文所描述的部段材料。在一些实施方案中，插入件960定位在刀片914中以提供与刀片914的主体材料相比增加的耐磨性。插入件960可位于刀片中的空隙或凹槽中，所述空隙或凹槽类似于关于图4描述的空隙或凹槽。插入件960可提供没有槽或没有用于切割元件的槽的表面(与关于图2至图7描述的实施方案的承载切割元件的部段相反)和/或位于钻头910的非切割部分上(与位于邻近图8-1和图8-2中的切割元件740的面板758相反)。虽然实施方案包括钎焊到刀片914中的插入件960，但是在其他实施方案中，插入件960使用焊接、粘合剂、机械紧固件(诸如螺栓、螺钉、销、夹具、夹子或其他机械紧固件)、机械互锁部(诸如沟槽、燕尾榫、立柱、凹槽、脊、其他表面特征结构或其他机械互锁部)、本文公开或本领已知的其他机构或其组合连接到刀片914。
在其他实施方案中，预成形部段(包括代替硬面堆焊物的预成形硬化部段)与除钻头之外的切割工具结合使用。例如，图11是井下切割工具1062的实施方案的侧视图，其示出了具有多个部段1036-1、1036-2的可扩张的铣削工具或扩孔器。井下切割工具1062可用于铣削应用中以从井筒或其他井下环境中移除套管，或用于扩孔应用中以降解地层或水泥。井下切割工具1062可具有一个或多个切割臂或刀片1064。在一些实施方案中，刀片1064选择性地部署在井筒中的预期位置。刀片1064可具有定位在刀片1064的径向向外部分上的多个切割元件1040，所述部分被构造成移除套管和/或地层。例如，取决于刀片1064上的位置，可在刀片1064上使用不同切割元件1040的组合。在一些实例中，第一部段1036-1承载和/或保护被构造成切割钢套管的一个或多个切割元件1040。在其他实例中，第二部段1036-2承载和/或保护被构造成切割水泥或土地层的一个或多个切割元件1040。在又其他实例中，刀片1064具有承载多种类型的切割元件1040的一个连续部段，或者承载单一类型的切割元件1040的一个连续部段或多个部段。在一些实施方案中，由刀片1064承载的多种类型的切割元件包括除切割元件之外的稳定或保径元件。
在一些实施方案中，井下切割工具1062至少部分地由于不同区域的刀片1064与不同材料相互作用，承担更高的材料移除负担，经受不同的振动/冲击力或多种其他原因而在刀片1064上的不同位置处经受不同的磨损率。例如，在切割套管时第一部段1036-1的磨损率可大于在切割水泥或土地层时第二部段1036-2的磨损率。在另一个实例中，当两者都对土地层扩眼时，第二部段1036-2的磨损率可大于第一部段1036-1的磨损率。在至少一个实施方案中，有利的是一次选择性地替换或修复部段1036-1、1036-2中的一个。
根据诸如图12所示的方法来制造根据本公开的具有部段的切割工具的一些实施方案。在一些实施方案中，方法1168包括在1170处由主体材料形成刀片。例如，刀片可以是诸如关于图2所描述的钻头刀片，或者刀片可以是诸如关于图11所描述的铣削刀片或扩眼器/扩孔器刀片。刀片可通过多种方法形成，所述多种方法包括但不限于铸造、机加工、增材制造或其组合。例如，钻头主体可铸造成具有从其突出的刀片。在另一个实例中，钻头机加工成具有刀片，所述刀片与钻头主体成为一体并且从其突出。在另一个实例中，钻头被铸造或机加工，并且刀片被单独地形成并且焊接或以其他方式固定到钻头主体。在另一个实例中，钻头主体和刀片被增材制造(共同地或单独地)。在至少一些实施方案中，在1170处形成刀片还包括在其中具有空隙或凹槽的刀片。例如，刀片可被铸造、机加工或增材制造为具有凹槽，所述凹槽被构造成接收比刀片和/或钻头主体的材料具有更高耐磨性和/或耐侵蚀性的对应的预成形部段。
在一些实施方案中，如本文所述，凹槽限定包括一个或多个侧表面和/或背部表面的界面。界面可包括平面表面。在其他实施方案中，界面包括完全或部分弯曲或非平面的至少一个表面。在又其他实施方案中，界面是完全弯曲或非平面表面。根据至少一些实施方案，在1170处形成刀片包括形成完全或部分刀槽。
方法1168还可包括在1172处由部段材料形成部段。在一些实施方案中，部段包括一个或多个完全或部分刀槽。在其他实施方案中，部段是预成形的保护性硬化面板，其形成刀槽的至少一部分，而刀槽的基部由刀片形成。在又其他实施方案中，部段是没有刀槽并且定位在刀片中以增加耐磨性的插入件。任选地，部段是具有保径或稳定元件槽的插入件。
在一些实施方案中，形成部段包括将部段定形为具有与凹槽互补的形状并且与刀片对接以填充凹槽的至少一部分。例如，部段可互补地配合凹槽并且与基本上整个界面配对。在另一个实例中，部段可互补地配合空隙的一部分并且与小于整个界面配对。在至少一个实例中，部段包括多个部段部分，所述部段部分互补地配合空隙并且与基本上整个界面配对为一组完整的部段部分。
部段可通过多种方法由部段材料形成，所述多种方法包括但不限于铸造、机加工、增材制造或其组合。例如，部段可被铸造成与空隙的至少一部分具有互补的配合。在另一个实例中，部段被机加工成(例如，在绿色状态下)互补地配合空隙的至少一部分。在另一个实例中，部段可被增材制造成与空隙的至少一部分具有互补的配合。在至少一个实例中，部段被增材制造，铸造或模制成近似最终尺寸，并且被机加工以互补地配合空隙的至少一部分。
方法1168还可包括在1174处相对于刀片定位部段(例如，定位在凹槽或刀片中)，并且在1176处将部段连接到刀片。在一些实施方案中，将部段连接到刀片包括使用焊接、钎焊、粘合剂、机械紧固件(诸如螺栓、螺钉、销、夹具、夹子或其他机械紧固件)、机械互锁部(诸如沟槽、燕尾榫、立柱、凹槽、脊、其他表面特征结构或其他机械互锁部)或其组合。在一些实施方案中，部段钎焊到刀片。在其他实施方案中，部段利用与刀片的机械互锁部至少部分地保持，并且利用部段与刀片之间的钎焊接头至少部分地保持。例如，在部段与刀片之间的钎焊层的厚度可以约为0.004英寸(0.1mm)。
在一些实施方案中，部段和/或界面包括一个或多个表面特征结构，以将部段和刀片间隔开并且产生钎焊料定位在其中的间隙。例如，部段可包括一个或多个表面特征结构，所述表面特征结构在刀片与部段之间产生恒定的0.002英寸(0.05mm)至0.006英寸(0.015mm)的间隙。在一些实施方案中，表面特征结构提供大于或小于0.004英寸(0.1mm)的间隙。例如，不同的钎焊料可在更大或更小的间隙中更有效地流动。
在相同或其他实施方案中，部段利用定位在部段与刀片之间的机械紧固件和/或弹性层连接到刀片，诸如关于图6所描述的。在此类实施方案中，弹性层可提供振动衰减和/或吸收，以限制对部段、刀片或它们之间的连接部的振动损伤。在一些实施方案中，通过使用部段的基底将部段连接到刀片。例如，部段可包括结合或以其他方式联接到基底材料的部段材料，如本文关于图7所描述的。基底材料可焊接或钎焊到刀片材料上，或者可使用机械紧固件联接到刀片。
在一些实施方案中，方法1168还包括在1178处将切割元件定位并连接在部段和/或刀片的刀槽中。在一些实施方案中，在将预成形或可替换部段连接到刀片之前发生将切割元件定位并连接在刀槽中。例如，在将部段连接到刀片之前，可将切割元件钎焊到部段的刀槽中(诸如图4所示)。在此类实例中，部段与刀片的后续连接将切割元件间接地附连到刀片。在另一个实例中，面板连接到刀片(参见图8-1)，并且切割元件随后定位在由刀片和面板形成的刀槽中并且连接到所述刀槽。
在利用钎焊材料和接头将部段连接到刀片并且使用钎焊材料和接头将切割元件连接到刀槽和/或部段的实施方案中，可首先产生任一种连接。例如，第一钎焊可包括相对较高温度的钎焊，例如，大于1,600℉(870℃)，并且第二钎焊可包括相对较低温度的钎焊，例如，小于1400℉(760℃)。在较低温度下执行第二钎焊可限制和/或防止对先前钎焊的损伤或削弱。在一些实施方案中，高温钎焊料和低温钎焊料的熔化温度彼此相隔至少100℉(55℃)，以限制对先前钎焊的损伤。因此，钎焊方法可包括在比高温钎焊过程低至少100℉(55℃)的温度下执行低温钎焊过程。在其他实施方案中，高温钎焊和低温钎焊在彼此相隔至少200℉(110℃)下执行以限制对先前钎焊的损伤。在一些实施方案中，将部段和/或切割元件加热至较低钎焊温度，以选择性地促进修复和/或替换通过低温钎焊连接的部段和/或切割元件。
虽然本文已经描述了具有和不具有刀槽或在其中具有刀槽的一部分的部段的实施方案，但是部段本身可另外具有相对于刀片的一系列几何结构。图13是根据本公开的钻头1210的另一个实施方案的侧面剖面图。在一些实施方案中，预成形的可替换部段1236任选地相对于刀片材料硬化，并且连接到从钻头主体1212延伸的刀片1214。切割元件1240可定位在部段1236中并且连接到部段1236。在一些实施方案中，部段1236的大小由相对于切割元件1240的切割尖端1278的垂直比和水平比限定。切割尖端1278可以是切割元件1240距钻头主体1212的最外点，使得切割尖端1278是切割元件1240的第一点，以接触在切割操作期间被移除的材料。
在一些实施方案中，刀片1214具有刀片高度1280-1，并且部段1236具有部段高度1280-2。刀片高度1280-1从钻头主体1212到切割点1278测量。部段高度1280-2从最靠近钻头主体1212的部段1236的点到切割点1278测量。
垂直比是部段高度1280-2与刀片高度1280-1的比。例如，作为刀片高度1280-1的一半的部段高度1280-2具有0.5的垂直比。在一些实施方案中，垂直比在具有包括0.1、0.25、0.5、0.75、0.95、1.0中的任一者或其间的任何值的上限值、下限值或上限值和下限值的范围内。例如，垂直比可大于0.1。在其他实例中，垂直比介于0.2与0.95之间。在又其他实例中，垂直比介于0.3与0.95之间。在另外的实例中，垂直比介于0.34与0.9之间。在至少一个实例中，垂直比大于0.34。在其他实施方案中，垂直比小于0.1或甚至大于1.0(例如，在部段被插入钻头主体中并且延伸完全刀片高度1280-1的情况下)。
在一些实施方案中，刀片1214具有刀片宽度1282-1，并且部段1236具有部段宽度1282-2。刀片宽度1282-1从刀片1214的最外点到切割点1278测量。部段宽度1282-2从部段1236的最外点到切割点1278测量。
水平比是部段宽度1282-2与刀片宽度1282-1的比。例如，作为刀片宽度1282-1的一半的部段宽度1282-2具有0.5的水平比。在一些实施方案中，水平比在具有包括0.1、0.25、0.5、0.75、0.95、1.0中的任一者或其间的任何值的上限值、下限值或上限值和下限值的范围内。例如，水平比可大于0.1。在其他实例中，水平比介于0.2与0.95之间。在又其他实例中，水平比介于0.3与0.95之间。在另外的实例中，水平比介于0.37与0.9之间。在至少一个实例中，水平比大于0.37。在其他实施方案中，水平比小于0.1或大于1.0(例如，在部段伸出刀片1214的情况下)。在图13中，刀片基部上的虚线示出水平比等于1.0的示例性部段1236。
在至少一个实施方案中，根据本公开的切割工具相对于常规切割工具具有增加的操作寿命。在一些实施方案中，根据本公开的具有结合了预成形的可替换部段的刀片的切割工具相对于常规的切割工具表现出增加的耐磨性/耐侵蚀性。例如，一个或多个部段可位于刀片上磨损和侵蚀最高的位置中。当部段磨损时，它们可被移除和替换以延长钻头主体和刀片的操作寿命。例如，虚线示出示例性机械紧固件(例如，互补的燕尾销和插槽)的使用，所述示例性机械紧固件可作为钎焊、焊接或其他紧固方法的补充或替代而被使用。在相同或其他实施方案中，相对于其中刀片与主体成一体或者甚至其中刀片本身是可移除的或可替换的常规切割工具，根据本公开的具有结合了部段的刀片的切割工具可允许更快和/或更容易地修复。
已参考井筒切割操作主要描述了切割工具的实施方案，然而，本文所描述的切割工具可在除钻探井筒之外的应用中使用。在其他实施方案中，根据本公开的切割工具在井筒或用于天然资源的勘探和生产的其他井下环境外使用。例如，本公开的切割工具可在用于放置公用设施线路的井眼中使用。因此，术语“井筒”、“井眼”等不应被解释为将本公开的工具、系统、组件或方法限制于任何具体的工业、场地或环境。
本文中描述了本公开的一个或多个具体实施方案。这些所描述实施方案是当前所公开技术的实例。另外，为了提供对这些实施方案的简要描述，可能不在说明书中描述实际实施方案的所有特征。应当理解，在任何工程或设计项目开发任何此类实际实现方式时，均要做出与实施方案特定相关的多个决策以便实现开发人员的特定目标，诸如，遵守系统相关约束和业务相关约束，这些约束可能会因实施方案的不同而有所不同。此外，应当理解，这种开发工作可能极为复杂且耗时，但对于受益于本公开的普通技术人员而言，这将仍然是设计、建造和制造中的常规任务。
冠词“一”、“一个”和“所述”意图意指先前描述中存在所述元件中的一个或多个。术语“包含”、“包括”和“具有”意图是包括性的，并且表示除了所列元件之外，可能存在另外的元件。另外，应当理解，对本公开的“一个实施方案”或“一项实施方案”的参考并不意图解释为排除也涵盖所列举特征的另外实施方案的存在。例如，关于本文的实施方案所描述的任何元件可能够与本文所描述的任何其他实施方案的任何元件结合。本文所述的数字、百分比、比或其他值意图包括那个值并且还包括“约”为或“近似”为所述值的其他值，如本公开的实施方案所涵盖的领域中的普通技术人员将理解的。所述值因此应广泛地解释为足以涵盖至少足够接近所述值以执行所需要的功能或实现所需要的结果的值。所述值至少包括合适的制造或生产过程中所期望的变化，并且包括在所述值的5％内、1％内、0.1％内或0.01％内的值。
本领域普通技术人员应鉴于本公开认识到，等效构造不偏离本公开的精神和范围，并且可对本文所公开的实施方案进行各种变化、取代和更改而不背离本公开的精神和范围。包括功能的“手段加功能”条款的等效构造意图覆盖本文所述的执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等效物和提供相同功能的等效结构。申请人的表达意图是对于除了词语“用于……的装置”与相关联功能一起出现的权利要求外的任何权利要求不调用手段加功能或其他功能权利要求。对实施方案的落入权利要求的含义和范围内的每个添加、删除和修改应由权利要求涵盖。
如本文所用，术语“近似”、“约”以及“基本上”表示仍然执行所需功能或实现所需结果的接近所述量的量。例如，术语“近似”、“约”以及“基本上”可以是指在所述量的少于5％内、少于1％内、少于0.1％内以及少于0.01％内的量。此外，应当理解，先前描述中的任何方向或参考坐标系仅仅是相对方向或移动。例如，对“上”和“下”或“以上”或“以下”的任何参考仅仅是相关元件的相对位置或移动的描述。在本文中使用许可性术语“可以(may)”或“可以(can)”来指示特征在一些实施方案中存在，但是为任选的并且不包括在本公开范围内的其他实施方案中。
本公开可在不背离其精神或特性的情况下以其他特定形式体现。所描述的实施方案应被认为是说明性的而不是限制性的。本公开的范围因此由所附权利要求而不是由前述描述来指示。在权利要求的等效物的含义和范围内的变化都将涵盖在权利要求的范围内。

Claims (40)

1.一种切割工具，其包括：
主体，所述主体具有纵向轴线；
刀片，所述刀片联接到所述主体并且从所述主体径向延伸；以及
面板，所述面板联接到所述刀片并且由与所述刀片不同的材料制成，所述面板和所述刀片协作地限定部分地位于所述面板中且部分地位于所述刀片中的至少一个刀槽。
2.如权利要求1所述的切割工具，所述刀槽具有限定在所述刀片内的基部。
3.如权利要求1所述的切割工具，所述部段通过钎焊接头、焊接接头或机械紧固件中的一者或多者联接到所述刀片。
4.如权利要求3所述的切割工具，其还包括：
能量吸收层，所述能量吸收层在所述面板的至少一部分与所述刀片之间。
5.如权利要求1所述的切割工具，所述面板是第一面板并且联接到所述刀片的旋转前缘面，所述切割工具还包括：
第二面板，所述第二面板联接到所述刀片的顶部表面。
6.如权利要求1所述的切割工具，其还包括：
切割元件，所述切割元件定位在所述刀槽中。
7.如权利要求6所述的切割工具，其还包括：
第一钎焊接头，所述第一钎焊接头利用第一钎焊材料将所述面板连接到所述刀片；以及
第二钎焊接头，所述第二钎焊接头利用第二钎焊材料将所述切割元件连接到所述面板，所述第一钎焊材料和所述第二钎焊材料具有不同的熔化温度。
8.如权利要求1所述的切割工具，所述刀片包括钢。
9.如权利要求8所述的切割工具，所述面板包括陶瓷材料。
10.如权利要求9所述的切割工具，所述预成形部段包括在增材制造过程中冶金结合到金属合金基底的增材制造的陶瓷材料。
11.一种井下工具，其包括：
可旋转主体；
联接到所述主体的刀片，所述刀片在其中包括限定界面的凹槽；以及
预成形硬面堆焊元件，所述预成形硬面堆焊元件沿所述界面的至少一部分联接到所述刀片，所述刀片和所述预成形硬面堆焊元件协作地限定部分地位于所述预成形硬面堆焊元件内且部分地位于所述刀片内的至少一个刀槽。
12.如权利要求11所述的井下工具，所述预成形硬面堆焊元件是第一预成形硬面堆焊元件，所述井下工具还包括：
第二预成形硬面堆焊元件，所述第二预成形硬面堆焊元件沿所述界面的另一部分联接到所述刀片，所述刀片和所述第二预成形硬面堆焊元件协作地限定部分地位于所述第二预成形硬面堆焊元件内且部分地位于所述刀片内的另一个刀槽。
13.如权利要求12所述的井下工具，所述凹槽以及所述第一预成形硬面堆焊元件和所述第二预成形硬面堆焊元件位于所述刀片的旋转前缘面中。
14.如权利要求11所述的井下工具，所述预成形硬面堆焊元件是第一预成形硬面堆焊元件，并且所述凹槽是第一凹槽，所述井下工具还包括：
第二预成形硬面堆焊元件，所述第二预成形硬面堆焊元件在所述刀片的第二凹槽内联接到所述刀片，所述第一凹槽和所述第二凹槽至少部分地位于所述刀片的不同表面中。
15.如权利要求14所述的井下工具，所述第一凹槽和所述第一预成形硬面堆焊元件位于所述刀片的旋转前缘面中，并且所述第二凹槽和所述第二预成形硬面堆焊元件位于所述刀片的顶部面中。
16.如权利要求11所述的井下工具，所述界面至少部分地是非平面的。
17.一种制造井下工具的方法，其包括：
形成刀片，所述刀片限定凹槽和邻近所述凹槽的刀槽的一部分；
形成具有所述刀槽的另一部分的至少一个面板；
将所述至少一个面板定位在所述凹槽中，使得所述刀槽在所述刀片和所述至少一个面板内的所述部分协作地限定完整刀槽；以及
将所述面板连接到所述刀片。
18.如权利要求17所述的方法，其中形成所述至少一个面板包括由烧结的胶合碳化钨增材制造所述面板。
19.如权利要求18所述的方法，其中形成所述刀片包括由金属合金机加工所述刀片或壳体加工所述刀片，并且使所述刀片与所述井下工具的主体成为一体。
20.如权利要求17所述的方法，其还包括：
在将所述至少一个面板连接到所述刀片之后，将切割元件定位在所述刀槽中，并且将所述切割元件钎焊到所述至少一个面板和所述刀片。
21.一种切割工具，其包括：
主体，所述主体被构造成绕纵向轴线旋转；
连接到所述主体的刀片，所述刀片延伸远离所述主体；以及
连接到所述刀片的预成形部段，所述部段在其中具有刀槽，所述刀槽具有侧壁和基部。
22.如权利要求21所述的切割工具，所述预成形部段通过钎焊连接到所述刀片。
23.如权利要求21所述的切割工具，所述预成形部段包括至少一个机械紧固件连接位置。
24.如权利要求23所述的切割工具，其还包括：
弹性层，所述弹性层位于所述预成形部段的至少一部分与所述刀片的至少一部分之间。
25.如权利要求21所述的切割工具，其还包括：
焊接件，所述焊接件将所述预成形部段连接到所述刀片。
26.如权利要求21所述的切割工具，其还包括：
切割元件，所述切割元件定位在所述刀槽中。
27.如权利要求26所述的切割工具，其还包括：
第一钎焊接头，所述第一钎焊接头利用第一钎焊材料将所述预成形部段连接到所述刀片；以及
第二钎焊接头，所述第二钎焊接头利用第二钎焊材料将所述切割元件连接到所述预成形部段，所述第一钎焊材料和所述第二钎焊材料具有不同的熔化温度。
28.如权利要求21所述的切割工具，所述刀片包括钢。
29.如权利要求28所述的切割工具，所述预成形部段包括陶瓷材料。
30.如权利要求29所述的切割工具，所述预成形部段包括在增材制造过程中冶金结合到金属合金基底的增材制造的陶瓷材料。
31.一种井下工具，其包括：
主体，所述主体被构造成绕纵向轴线旋转；
连接到所述主体的刀片，所述刀片在其中包括限定界面的凹槽；以及
在所述界面处连接到所述刀片的部段，所述部段包括具有侧壁和基部的至少一个刀槽。
32.如权利要求31所述的井下工具，所述界面至少部分地是非平面的。
33.如权利要求31所述的井下工具，所述界面是平面的。
34.如权利要求31所述的井下工具，所述界面具有背部表面和侧表面。
35.如权利要求34所述的井下工具，所述背部表面是成角的，使得所述背部表面的井下端部部分比所述背部表面的井上端部部分更靠近所述刀片的前缘。
36.如权利要求31所述的井下工具，弹性层定位在所述部段与所述刀片之间的界面处。
37.一种制造井下工具的方法，其包括：
形成刀片，所述刀片在其中具有凹槽；
形成在其中具有至少一个刀槽的硬化的可替换部段；
将所述硬化的可替换部段的至少一部分定位在所述凹槽中；以及
将所述部段连接到所述刀片。
38.如权利要求37所述的方法，其中形成所述硬化的可替换部段包括由烧结的胶合碳化钨增材制造所述部段。
39.如权利要求38所述的方法，其中形成所述刀片包括由金属合金机加工所述刀片，并且所述刀片与所述井下工具的主体成为一体。
40.如权利要求37所述的方法，其还包括：
在将所述部段连接到所述刀片之前，将切割元件定位在所述刀槽中，并且将所述切割元件钎焊到所述部段。
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