KR20170130583A - 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 드릴 비트 커터 - Google Patents

성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 드릴 비트 커터 Download PDF

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KR20170130583A
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실린 첸
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핼리버튼 에너지 서비시즈 인코퍼레이티드
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Abstract

성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 드릴 비트 커터가 개시된다. 커터는 고정부를 갖는 기재와, 및 고정부에 회전 가능하게 부착되는 회전부를 포함한다. 또한, 커터는 기재의 회전 부분에 고정되는 커팅 엘리먼트를 포함하는데, 커팅 엘리먼트는 회전 커팅 엘리먼트의 커터 축에 수직인 평면에서 비원형의 단면을 가지며, 단면은 방사상으로 대칭인 형상을 갖는다.

Description

성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 드릴 비트 커터
본 개시내용은 일반적으로 드릴 비트(drill bit) 및 다른 다운홀 커팅 공구(downhole cutting tool)에서 사용하기 위한 커터에 관한 것이다.
지표면 아래에 있는 오일 및 가스와 같은 탄화수소를 회수하기 위한 시추공(wellbore)을 지하 지층(subterranean formation)에 형성하기 위해 다양한 타입의 공구가 사용된다. 이러한 공구의 예는 회전식 드릴 비트, 홀 오프너, 리머(reamer) 및 코어링 비트(coring bit)를 포함한다. 회전식 드릴 비트는 다결정 다이아몬드(polycrystalline diamond: PCD) 비트와 같은 고정된 커터 드릴 비트를 포함한다. 드릴 비트는 다양한 레벨 또는 타입의 지질의 지층을 뚫는 데 사용될 수도 있다. 그러나, 지층이 깊이 또는 위치에 따라, 예를 들면, 하나의 깊이/위치에서의 낮은 압축 강도로부터 다른 깊이/위치에서의 더 높은 압축 강도에 이르기까지, 변함에 따라, 커터의 성능은 변할 수도 있다.
본 개시내용과 그 특징부 및 그 이점의 보다 완전한 이해는 첨부된 도면과 관련하여 취해지는 다음의 설명을 참조하는 것에 의해 획득될 수도 있는데, 첨부된 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 특징부를 나타내고, 첨부된 도면에서:
도 1은 예시적인 드릴링 시스템의 입면도;
도 2는 예시적인 고정된 커터 드릴 비트의 등각도(isometric view);
도 3은 제1 다운홀 지층을 통해 그리고 인접한 제2 다운홀 지층 안으로 시추공을 드릴링하는 드릴 비트를 도시하는 부분 절개된 부분을 갖는 단면 및 정면에서의 도면;
도 4a는 성형된 커팅 엘리먼트(shaped cutting element)를 갖는 예시적인 회전 커터의 측단면도;
도 4b는 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 예시적인 비회전 커터(non-rotating cutter)의 측단면도;
도 5a는 예시적인 커터의 등각도;
도 5b는 예시적인 커터의 등각도;
도 5c는 예시적인 커터의 등각도;
도 6a는 관련된 굴착력(drilling force)을 포함하는 예시적인 커터의 측단면도;
도 6b는 다운홀 지층을 드릴링하는 커팅 엘리먼트의 단면 정면도;
도 6c는 다운홀 지층을 드릴링하는 성형된 커팅 엘리먼트의 단면 정면도;
도 7a는 드릴 비트의 블레이드의 상방을 향한 단면도를 나타내는 블레이드 프로파일을 예시한 도면; 및
도 7b는 지층과 상호 작용하는 커터의 단면도.
본 개시내용은, 일반적으로 본원에서 성형된 커팅 엘리먼트로 지칭되는 특수하게 성형된(비원형(non-circular)) 커팅 엘리먼트와 같은, 커터 성능을 개선하기 위한 다양한 기계적 속성을 갖는, 드릴 비트용의 커터의 실시형태를 제공한다. 이들 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 커터는 드릴 비트 몸체(body)에 장착될 수도 있고 커터의 커터 축을 중심으로 선택적으로(optionally) 회전할 수도 있다. 본 개시내용에 따른 복수의 커터는 드릴 비트 몸체 상의 전략적으로 선택된 위치에 있을 수도 있다. 각각의 커터는, 기재 및, 예컨대 납땜 또는 고온 프레싱에 의해, 기재(substrate)의 일단부 상에 고정되는 경질의 커팅 재료(예를 들면, 다결정 다이아몬드)로 만들어지는 성형된 커팅 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 커팅 엘리먼트는 다결정 다이아몬드(PCD) 또는 입방정 질화 붕소(cubic boron nitride)와 같은 초 경질 재료로 형성될 수도 있다. 커팅 엘리먼트는 적어도 하나의 커팅 면을 갖는데, 적어도 하나의 커팅 면은 드릴링 동안 지층과 접촉하도록 의도되는 커팅 엘리먼트의 일부분이거나 또는 그 일부분을 포함한다. 커터는 드릴 비트 몸체에 고정되어 드릴링 동안 커팅 면이 다운홀 지층과 맞물리도록(engage) 커팅 엘리먼트를 위치시킨다.
본 개시내용의 하나의 양태에서, 커팅 엘리먼트 자체는, 종래의 고정된 커터 비트 상에 일반적으로 원형의 또는 원통형의 커팅 엘리먼트 이외의 특정한 기하학적 형상을 가질 수도 있다. 커팅 엘리먼트의 특정한 형상은 커팅 엘리먼트가 부착되는 기재의 형상 이외의 것일 수도 있고, 커팅 엘리먼트가 부착되는 기재의 형상과는 무관할 수도 있다. 예를 들면, 커터는 원통형 형상을 갖는 기재에 고정되는 다각형 형상을 갖는 커팅 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 아주 다양하고 상이한 커팅 엘리먼트 형상, 및 커팅 엘리먼트와 기재 형상 조합의 상이한 조합이 또한 개시된다.
또한, 커터의 적어도 일부분은, 커팅 엘리먼트가 커팅 엘리먼트를 통과하는 커터 축을 중심으로 회전할 수 있도록, 비트 몸체에 회전 가능하게 고정될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 커터는 드릴 비트에 부착되는 베이스 부분(base portion)(이것은 선택적으로 기재 타입의 재료임), 및 고정된 베이스 부분에 회전 가능하게 고정되는 회전 가능한 기재 부분을 포함한다. 회전 기재 부분(rotating substrate portion) 및 회전 기재 부분에 고정되는 커팅 엘리먼트는 고정된 베이스 부분에 대하여 커터 축을 중심으로 함께 회전한다. 대안적으로, 다른 실시형태에서, 성형된 커팅 엘리먼트 및 기재는 고정된 커터 드릴 비트의 비트 몸체에 회전 불가능하게 고정된다.
커터가 성형된 커팅 엘리먼트(및 기재)를 가지며 비트 몸체에 회전 가능하게 고정되는 실시형태에서, 커팅 엘리먼트의 회전은 커팅 엘리먼트 및 관련 커터가 증가된 유효 수명을 갖는 것을 허용할 수도 있고, 그에 의해 커터 교체의 빈도를 감소시킬 수도 있다. 특히, 고정된 베이스 부분에 대해 회전하는 커팅 엘리먼트의 능력은, 종래의 고정된 커터의 커팅 에지와 대비하여, 시간에 걸쳐 지층에 대해 더 큰 길이의 커팅 면 둘레를 노출시키는 것에 의해 커터 마모를 감소시킬 수도 있다.
성형된 커팅 엘리먼트가 비트 몸체에 대해 회전 불가능한 실시형태에서도, 성형된 비회전 커팅 엘리먼트는 종래의 원형 커팅 엘리먼트와 비교하여 개선된 성질(property)을 또한 가질 수도 있다. 예를 들면, 동일한 커팅 깊이에서, 성형된 비원형의 비회전 커팅 엘리먼트는, 표준 원형 커팅 엘리먼트와 비교하여, 지층과 더 큰 접촉 호(arc) 길이를 가질 수도 있다. 따라서, 비트 축에 근접하게 위치되는 성형된 비회전 커팅 엘리먼트를 갖는 커터는 더 많은 비트에 가해지는 무게(weight on bit: WOB)를 취할 수도 있는데, 이것은 더 적은 비트 토크(torque on bit: TOB)를 초래할 수도 있다. 따라서, 성형된 비회전 커팅 엘리먼트를 갖는 커터를 포함하는 다운홀 드릴링 공구는, 방향성 드릴링 동안 개선된 공구면 제어(toolface control)를 허용할 수도 있다. 본 개시내용의 특징부 및 이점은 도 1 내지 도 7을 참조하는 것에 의해 추가적으로 이해될 수도 있다.
본 개시내용의 커터는 또한 도 1의 드릴링 시스템(100)과 같은 드릴링 시스템에서 사용될 수도 있다. 도 1은 예시적인 드릴링 시스템의 입면도를 예시한다. 드릴링 시스템(100)은 하나 이상의 지질의 지층 안으로의 드릴링을 제공하도록 구성될 수도 있다. 드릴링 시스템(100)은 때때로 웰 사이트(well site)(106)로 칭해지는 웰 표면을 포함할 수도 있다. 웰 사이트(106)는 지상 드릴링 리그(land drilling rig)와 관련된 다양한 특성 및 특징부를 가질 수도 있는 드릴링 리그(102)를 포함할 수도 있다. 그러나, 본 개시내용의 교시를 통합하는 다운홀 드릴링 공구는, 해양 플랫폼, 드릴십(drill ship), 반잠수정 및 드릴용 바지(drilling barge)(도 1에서 명시적으로 도시되지 않음) 상에 위치되는 드릴링 기기와 함께 만족스럽게 사용될 수도 있다.
드릴링 시스템(100)은, 다양한 종류의 시추공 또는 시추 홀(bore hole)을 형성하기 위해 사용될 수도 있는 그리고 본 개시내용의 커터를 포함할 수도 있는 드릴 비트(101)와 관련되는 드릴 스트링(103)을 포함할 수도 있다. 하부 홀 어셈블리(bottom hole assembly: BHA)(120)는 시추공(114)를 형성하도록 구성되는 아주 다양한 컴포넌트로부터 형성될 수도 있다. 예를 들면, BHA(120)의 컴포넌트(122a, 122b 및 122c)는, 드릴 비트(예를 들면, 드릴 비트(101)) 드릴 칼라(drill collar), 회전식 조종 툴, 방향성 드릴링 공구, 다운홀 드릴링 모터, 드릴링 스트링 및 다른 진동 및 회전 관련 센서의 토크, 굴곡 및 굴곡 방향 측정을 위한 드릴링 파라미터, 리머, 언더 리머 홀 오프너와 같은 구멍 확대기(hole enlarger), 스태빌라이저, 시추공 계측 기기를 포함하는 드릴링 중 측정(measurement while drilling: MWD) 컴포넌트, 지층 파라미터를 측정하기 위한 드릴링 중 로깅(logging while drilling: LWD) 센서, 통신을 위해 사용되는 쇼트 홉(short-hop) 및 롱 홀(long haul) 원격 측정 시스템, 및/또는 임의의 다른 적절한 다운홀 기기를 포함할 수도 있지만, 그러나 이들로 한정되지는 않는다. BHA(120)에 포함되는 드릴 칼라 및 상이한 타입의 컴포넌트(122)와 같은 컴포넌트의 수는, 예상된 다운홀 드릴링 조건 및 드릴 스트링(103) 및 회전식 드릴 비트(101)에 의해 형성될 시추공의 타입에 의존할 수도 있다. 드릴 비트(101)는 본 개시내용의 교시에 따라 설계 및 형성될 수도 있으며, 드릴 비트(101)의 특정한 애플리케이션에 따라 많은 상이한 설계, 구성, 및/또는 치수를 가질 수도 있다.
본 개시내용의 커터는 고정된 커터 드릴 비트와 같은 다운홀 공구에서 사용될 수도 있다. 도 2는 고정된 커터 드릴 비트의 등각도를 예시한다. 드릴 비트(101)는, 하나 이상의 다운홀 지층을 통해 연장하는 시추공을 형성하도록 동작 가능한 PCD 비트, 드래그 비트, 매트릭스 드릴 비트, 및/또는 스틸 몸체 드릴 비트를 비롯한, 다양한 타입의 고정된 커터 드릴 비트 중 임의의 것일 수도 있다. 본원에서 설명되는 본 개시내용으부터 이익을 얻을 수도 있는 다른 커팅 공구는, 주입된 드릴 비트, 코어 헤드, 코어링 공구, 리머, 및 다른 공지된 다운홀 드릴링 공구를 포함하지만, 그러나 이들로 한정되는 것은 아니다.
드릴 비트(101)는, 드릴 비트(101)의 회전식 비트 몸체(204)의 외부 부분으로부터 바깥쪽으로 배치될 수도 있는 하나 이상의 블레이드(202)(예를 들면, 블레이드(202a-202g))를 포함할 수도 있다. 회전식 비트 몸체(204)는 일반적으로 원통형일 수도 있고 블레이드(202)는 회전식 비트 몸체(204)로부터 바깥쪽으로 연장하는 임의의 적절한 타입의 돌출부일 수도 있다. 예를 들면, 블레이드(202)의 일부분은 비트 몸체(204)의 외부 부분에 직접적으로 또는 간접적으로 커플링될 수도 있는 반면, 블레이드(202)의 다른 일부분은 비트 몸체(204)의 외부 부분으로부터 돌출될 수도 있다. 본 개시내용의 교시에 따라 형성되는 블레이드(202)는, 실질적으로 아치형, 나선형(helical), 나선형(spiraling), 테이퍼형, 수렴형, 분산형, 대칭형, 및/또는 비대칭형을 포함하는, 그러나 이들로 한정되지는 않는 아주 다양한 구성을 가질 수도 있다.
블레이드(202) 및 드릴 비트(101)는 방향 화살표(214)에 의해 정의되는 방향으로 비트 축(208)을 중심으로 회전할 수도 있다. 블레이드(202)는 각각의 블레이드(202)의 외부 부분으로부터 바깥쪽으로 배치되는 하나 이상의 커터(206)를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 커터(206)의 베이스 부분은 블레이드(202)의 외부 부분에 직접적으로 또는 간접적으로 커플링될 수도 있는 반면, 커터(206)의 커팅 엘리먼트는 블레이드(202)의 외부 부분으로부터 멀어지게 돌출될 수도 있다. 커터(206)는, 1 차 커터, 백업 커터, 2 차 커터, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 그러나 이들로 한정되지는 않는, 지층 안으로 절단하도록 구성되는 임의의 적절한 디바이스일 수도 있다. 제한이 아닌 예로서, 커터(206)는 아주 다양한 드릴 비트(101)와 함께 사용하기에 좋은 다양한 타입의 커터, 콤팩트, 버튼, 인서트 및 게이지 커터(gage cutter)일 수도 있다.
커터(206)는 드릴 비트(101)의 블레이드(202) 상에 위치되는 리세스(recess) 또는 커터 포켓(240) 내에 유지될 수도 있다. 납땜(brazing) 재료, 용접 재료, 납땜(soldering) 재료, 접착제, 또는 다른 부착 재료가 커터 몸체(230), 특히 고정된 베이스 부분과 커터 포켓(240) 사이에 배치될 수도 있다. 커터(206)는 또한, 납땜 재료를 재가열한 다음 커터(206)를 물리적으로 이탈시키는 것에 의해, 커터 포켓(240)으로부터 제거될 수도 있다. 그 다음, 새로운 커터(206)가 커터 포켓(240)에 삽입되고 납땜 조인트를 통해 커플링될 수도 있다. 커터(206)는, 다른 고정 메커니즘의 사용에 의해, 드릴 비트(101)의 블레이드(202)와 같은 블레이드에 커플링될 수도 있다. 그러나, 커터(206)는 또한, 블레이드(202)의 상부와 같은 또는 백업 커터와 같은, 드릴 비트(101)의 임의의 다른 컴포넌트에 커플링될 수도 있다.
임의의 적절한 커터는 성형된 커팅 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 도 3을 참조하여 하기에서 설명되는 바와 같이, 드릴 비트의 비트 면은 하나 이상의 구역으로 분할될 수도 있다. 임의의 적절한 구역의 커터는 성형된 커팅 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 적어도 하나의 또는 모든 콘 커터(cone cutter)는 성형된 커팅 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 또는 모든 게이지 커터는 성형된 커팅 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 또한, 적어도 하나의 또는 모든 숄더 커터(shoulder cutter)는 성형된 커팅 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 또한, 적어도 하나의 또는 모든 노우즈 커터(nose cutter)는 성형된 커팅 엘리먼트를 포함할 수도 있다.
드릴 비트(101)의 업홀 엔드(uphole end)(220)는, 상부에 드릴 파이프 나사(224)가 형성되는 생크(shank)(222)를 포함할 수도 있다. 나사(224)는 드릴 비트(101)를 하부 홀 어셈블리와 해제 가능하게 맞물릴 수도 있고, 그에 의해 드릴 비트(101)는 비트 축(208)에 대해 회전될 수도 있다.
커터(206)는 커터 몸체(230)의 일단부 상에 배치되는 커팅 엘리먼트(232)를 포함할 수도 있다. 커팅 엘리먼트(232)는, 드릴 비트 상에서 사용되는 경우 다운홀 지층의 인접한 부분과 맞물려 시추공을 형성하거나, 또는 다른 다운홀 공구 상에서 유사한 기능을 수행하는 커팅 면을 포함한다. 커팅 엘리먼트(232)는 커팅 면(234) 및 커팅 에지(236)를 포함할 수도 있다. 커팅 면(234) 및 선택적으로 커팅 에지(236)의 지층과의 접촉은, 각각의 커터(206)와 관련되는 커팅 구역을 형성할 수도 있다. 커팅 엘리먼트(232)는 편평한 또는 평면인 커팅 면(234)을 가질 수도 있지만, 그러나 또한 굴곡된 커팅 면(234)을 가질 수도 있다. 커팅 엘리먼트(232)의 상이한 부분은 다양하고 상이한 성질을 갖는 상이한 표면 및/또는 커팅 에지를 가질 수도 있다. 예를 들면, 커팅 엘리먼트(232)의 상이한 부분은 상이한 경도, 및/또는 내충격성(impact resistance)을 가질 수도 있다. 커팅 엘리먼트(232)의 이들 성질은 사용되는 재료(예를 들면, 다이아몬드 입자 사이즈), 및/또는 처리(예를 들면, 침출(leaching))에 기초할 수도 있다.
커터 몸체(230)는, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 하기에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 커팅 엘리먼트(232)가 배치될 수도 있는 회전 부분, 및 다운홀 공구에 부착될 수도 있는 고정된 베이스 부분을 포함할 수도 있다. 커터 몸체(230)의 기재 부분은, 텅스텐 카바이드 또는 회전식 드릴 비트를 위한 커터를 형성하는 것과 관련되는 다른 적절한 재료로부터 형성될 수도 있다. 텅스텐 카바이드는, 모노텅스텐 카바이드(monotungsten carbide)(WC), 디텅스텐 카바이드(ditungsten carbide)(W2C), 매크로 결정성 텅스텐 카바이드 및 침탄된(cemented) 또는 소결된(sintered) 텅스텐 카바이드를 포함할 수도 있지만, 그러나 이들로 한정되는 것은 아니다. 커터 몸체(230)의 기재 부분은 또한, 금속 붕소화물, 금속 카바이드, 금속 산화물 및 금속 질화물과 같은 다양한 금속 합금 및 침탄물(cement)을 포함할 수도 있는 다른 경질 재료를 사용하여 형성될 수도 있다. 추가적으로, 코발트, 니켈, 철, 금속 합금, 또는 이들의 혼합물과 같은 다양한 결합 금속(binding metal)이 커터 몸체(230)의 기재 부분에 포함될 수도 있다. 기재 부분과 마찬가지로, 커터 몸체(230)의 고정된 베이스 부분은 이들 재료 중 임의의 것을 사용하여 형성될 수도 있다. 커터 몸체(230)의 고정된 베이스 부분은 또한, 강철, 강 합금, 카바이드(예를 들면, 텅스텐 카바이드, 실리콘 카바이드, 등등)와 같은 다른 비트 몸체 재료로부터 형성될 수도 있다.
몇몇 애플리케이션에서, 커팅 엘리먼트(232)는 기재와 실질적으로 동일한 재료로부터 형성될 수도 있다. 다른 애플리케이션에서, 커팅 엘리먼트(232)는 기재와는 상이한 재료로부터 형성될 수도 있다. 커팅 엘리먼트(232)를 형성하기 위해 사용되는 재료의 예는, 합성 다결정 다이아몬드, 열적으로 안정한 다결정 다이아몬드(thermally stable polycrystalline diamond: TSP), 및 다른 적절한 재료를 비롯한, PCD를 포함할 수도 있다.
커팅 엘리먼트(232)를 형성하기 위해, 회전 기재 부분이 초 경질 재료 입자, 예를 들면, 다이아몬드 입자의 층에 근접하게 배치될 수도 있고, 고온 및 고압에 노출되어 다결정 재료 층, 예를 들면 PCD 층의 재결정화 및 형성으로 나타날 수도 있다. 커팅 엘리먼트(232) 및 회전 기재 부분은 커터(206)의 두 개의 별개의 컴포넌트로서 형성될 수도 있다. 커팅 엘리먼트(232) 및 회전 기재 부분은 대안적으로 일체로 형성될 수도 있다. 커팅 엘리먼트(232)는 상이한 커팅 에지 및/또는 커팅 면을 포함할 수도 있다. 커팅 엘리먼트(232)의 커팅 에지 및 커팅 면의 성질은 드릴 비트에 의해 커팅될 지층의 특성에 기초하여 설계될 수도 있다. 또한, 커팅 엘리먼트(232)는 다양하고 상이한 커팅 면 성질(예를 들면, 경도 및/또는 내충격성)을 갖는 섹션(예를 들면, 커팅 에지 및/또는 커팅 면)을 가질 수도 있다. 이러한 커팅 면 성질은 사용되는 재료(예를 들면, 다이아몬드 입자 사이즈), 또는 처리(예를 들면, 침출)에 기초할 수도 있다. 특정한 수의 상이한 커팅 에지 또는 커팅 면 성질을 가지고 아래의 도 5a 내지 도 7b에서 도시되지만, 커팅 엘리먼트(232)는 임의의 수의 커팅 에지 또는 커팅 면 성질을 가질 수도 있다. 커터(232) 상에 포함될 수도 있는 커팅 에지 또는 커팅 면의 예가 아래의 도 5a 내지 도 7b를 참조하여 논의된다.
도 3은, 제1 다운홀 지층을 통해 그리고 인접한 제2 다운홀 지층 안으로 시추공을 드릴링하는, 상기의 도 1 및 도 2에서 예시되는, 드릴 비트를 도시하는 부분 절개된 부분을 갖는 단면 및 정면에서의 도면을 예시한다. 커터(328) 및 블레이드(도 3에 명확하게 도시되지 않음)의 외부 부분은 반경 방향 평면 상으로 회전식으로 돌출되어 비트 면 프로파일(bit face profile)(300)을 형성할 수도 있다. 예시되는 바와 같이, 지층 레이어(formation layer)(302)는 다운홀 지층 레이어(304)와 비교할 때, "더 연질" 이거나 또는 "덜 단단한"것으로서 설명될 수도 있다. 도 3에서 도시되 바와 같이, 다운홀 지층의 인접한 부분과 접촉하는 드릴 비트(101)의 외부 부분은 "비트 면"으로서 설명될 수도 있다. 드릴 비트(101)의 비트 면 프로파일(300)은 다양한 구역 또는 세그먼트를 포함할 수도 있다. 비트 면 프로파일(300)은, 비트 면 프로파일(300)의 회전 투영으로 인해, 비트 축(208)에 대해 실질적으로 대칭일 수도 있고, 그 결과, 비트 축(208)의 일 측 상의 구역 또는 세그먼트는, 비트 축(208)의 반대 측 상의 구역 또는 세그먼트와 실질적으로 유사할 수도 있다.
예를 들면, 비트 면 프로필(300)은, 게이지 구역(306b)에 대향하여 위치되는 게이지 구역(306a), 숄더 구역(308b)에 대향하여 위치되는 숄더 구역(308a), 노우즈 구역(310b)에 대향하여 위치되는 노우즈 구역(310a), 및 콘 구역(cone zone)(312b)에 대향하여 위치되는 콘 구역(312a)을 포함할 수도 있다. 각각의 구역에 포함되는 커터(206)는 그 구역의 커터로서 칭해질 수도 있다. 예를 들면, 게이지 구역(306)에 포함되는 커터(328g)는 게이지 커터로 칭해질 수도 있고, 숄더 구역(308)에 포함되는 커터(328s)는 숄더 커터로서 칭해질 수도 있고, 노우즈 구역(310)에 포함되는 커터(328n)는 노우즈 커터로서 칭해질 수도 있으며, 그리고 콘 구역(312)에 포함되는 커터(328c)은 콘 커터로서 칭해질 수도 있다.
콘 구역(312)은, 비트 축(208)에 인접한 그리고 그로부터 연장하는, 드릴 비트(101)의 각각의 블레이드(예를 들면, 도 2에서 예시되는 블레이드(202))의 외부 부분 상에 형성될 수도 있다. 콘 구역(312)은 볼록부 및/또는 오목부를 포함할 수도 있다. 노우즈 영역(310)은 일반적으로 볼록할 수도 있으며, 각각의 콘 구역(312)에 인접하는 그리고 그로부터 연장하는, 드릴 비트(101)의 각각의 블레이드의 외부 부분 상에 형성될 수도 있다. 숄더 구역(308)은 각각의 노우즈 구역(310)으로부터 연장하는 각각의 블레이드(202)의 외부 부분 상에 형성될 수도 있고 각각의 게이지 구역(306)에 근접하여 종단할 수도 있다. 도 3에서 도시되는 바와 같이, 비트 면 프로파일(300)의 영역은, 커터의 전체 수, 블레이드의 전체 수, 또는 커터당 커팅 구역보다는 비트 면 프로파일(300)의 구역 또는 세그먼트와 관련되는 단면 영역에 의존할 수도 있다. 도 3은 단지 예시적 목적을 위한 것이며, 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않으면서 도 3에 대한 변형, 추가 또는 생략이 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 비트 면 프로파일에 관한 다양한 구역의 실제 위치는 도 3에서의 묘사와는 다를 수도 있다.
도 4a는 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 예시적인 회전 커터의 측단면도이다. 기재의 회전 부분이 고정된 베이스 부분에 회전 가능하게 부착될 수도 있는 수많은 방법이 있다. 예를 들면, 도 4a에서 묘사되는 바와 같이, 회전 커터(400)는 고정된 베이스 부분(404b) 및 회전 기재 부분(404a)에 커플링되는 관련 성형된 커팅 엘리먼트(402)를 포함한다. 고정된 베이스 부분(404b)은 일반적으로 원통형인 내부 리세스(410)를 포함할 수도 있다. 리세스(410)는 회전 기재 부분(404a)를 수용하도록 구성될 수도 있다. 회전 기재 부분(404a)은 고정된 베이스 부분(404b) 내에 형성되는 리세스 내에 끼워지도록 선택될 수도 있다. 회전 기재 부분(404a)은 성형된 커팅 엘리먼트(402)를 지지하도록 그리고 리세스(410) 내에서 고정된 베이스 부분(404b)에 대해 회전하도록 구성될 수도 있다.
리테이너(retainer)(416)는, 회전 기재 부분(404a)이 고정된 베이스 부분(404b)에 대해 회전하는 것을 허용하면서, 관련된 리세스(410) 안에 회전 기재 부분(404a)를 유지할 수도 있다. 리테이너(416)는, 회전 기재 부분(404a)이 고정된 베이스 부분(404b)에 대해 자신의 커터 축(418)을 중심으로 회전하는 것을 허용하도록 구성되는 임의의 유지 메커니즘 또는 디바이스를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 리세스(410) 내에서 회전 기재 부분(404a)을 고정하기 위해, 회전 기재 부분(404a)과 리세스(410) 사이에 베어링 또는 유지용 볼(retaining ball)이 사용될 수도 있다. 리테이너(416)는 환형 어레이에 배치되는 다른 볼 베어링 메커니즘 또는 유지용 볼을 포함할 수도 있다. 환형 어레이는, 예를 들면, 고정된 베이스 부분(404b)의 리세스(410)의 인접한 내부 부분의 바깥쪽 볼 레이스(422) 및 회전 기재 부분(404a)의 안쪽 볼 레이스(420)에 의해 형성될 수도 있다. 커팅 어셈블리(406)가 고정된 베이스 부분(404b)에 설치될 때, 안쪽 볼 레이스(420) 및 바깥쪽 볼 레이스(422)는 실질적으로 정렬될 수도 있고, 안쪽 레이스(420)와 바깥쪽 레이스(422) 사이에 정의되는 공간은 일반적으로 볼 베어링에 의해 점유될 수도 있다.
바로 위에서 설명되는 볼 베어링에 추가하여 또는 대신에, 리테이너(416)는, 리세스(410) 내에서 회전 기재 부분(404a)을 회전 가능하게 고정하는 임의의 다른 적절한 기계적 연동 디바이스(mechanical interlocking device)를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 리테이너(416)는, 리세스(410) 내에 회전 기재 부분(404a)을 회전 가능하게 고정하는 하나 이상의 핀(도 4a에서는 명시적으로 도시되지 않음)을 포함할 수도 있다. 또한, 다수의 유지 메커니즘 또는 리테이너(416)가 사용될 수도 있다. 리테이너(416)는 커팅 어셈블리(406)가 지층과 맞물리는 동안 작용하는 압축력을 견딜 수도 있는 임의의 재료로 제조될 수도 있다. 예를 들면, 리테이너(416)는, 강철, 강 합금, 탄화물(예를 들면, 텅스텐 카바이드, 실리콘 카바이드, 등등), 또는 임의의 다른 적절한 재료로 제조될 수도 있다. 삽입되는 경우, 리테이너(416)는, 고정된 베이스 부분(404b)으로부터의 회전 기재 부분(404a)이 이탈(disengagement)을 방지할 수도 있다. 또한, 리테이너(416)는 회전 기재 부분(404a)이 커터 축(418) 주위로 회전하는 것을 허용할 수도 있다. 비록 고정된 베이스 부분(404b) 및 회전 기재 부분(404a)의 특정한 구성이 도 4a에 묘사되지만, 관련된 리세스(410) 내에 각각의 회전 기재 부분(404a)을 회전 가능하게 고정하기 위해 임의의 적절한 리테이너가 사용될 수도 있다.
회전 기재 부분은 임의의 적절한 구성으로 고정된 기재 부분에 고정될 수도 있다. 예를 들면, 회전 기재 부분 내에 리세스가 형성될 수도 있으며, 이러한 리세스는 고정된 베이스 부분을 수용하도록 구성될 수도 있다. 이 구현에서, 안정한 기재 부분의 리세스 내에 고정된 베이스 부분을 고정하기 위해 리테이너(416)와 유사한 리테이너가 사용될 수도 있다. 안쪽 볼 레이스는, 회전 기재 부분보다는, 고정된 베이스 부분 상에 형성될 수도 있다. 마찬가지로, 바깥쪽 볼 레이스는, 고정된 베이스 부분보다는, 회전 기재 부분 상에 정의될 수도 있다. 대안적으로, 임의의 다른 적절한 리테이너 또는 유지 메커니즘이 사용될 수도 있다.
몇몇 애플리케이션의 경우, 베어링 표면(도 4a에서 명시적으로 도시되지 않음)은 회전 커터의 회전을 용이하게 할 수도 있다. 예를 들면, 베어링 표면은 회전 가능한 기재의 외부 부분 및 고정된 베이스 부분 내에 형성되는 리세스의 내부 부분 상에 배치될 수도 있다. 고정된 베이스 부분 내에 회전 가능한 기재를 장착하는 것과 관련되는 베어링 표면은, 회전 가능한 기재 및/또는 고정된 베이스 부분의 일체형 컴포넌트로서 형성될 수도 있다. 비록 베어링 표면의 특정한 구성이 설명되지만, 관련된 리세스(410) 내에서의 하나 이상의 회전 기재 부분(404a)의 회전을 용이하게 하기 위해 임의의 적절한 구성의 베어링 표면이 사용될 수도 있다.
성형된 커팅 엘리먼트(402)는 회전 기재 부분(404a)의 일단부 상에 배치될 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트(402)는 도 2를 참조하여 논의되는 커팅 엘리먼트(232)와 유사할 수도 있으며, 따라서 드릴링 작업 동안 지층을 관통 절개하도록 구성될 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트(402)는 커터 축(418)에 수직인 평면에서 비원형의 단면을 가질 수도 있다. 또한, 성형된 커팅 엘리먼트(402)는 커팅 에지(430)에 대한 상이한 에지 구성 및/또는 커팅 면(432)의 커팅 면 성질을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 커팅 에지(430)는 모따기(chamfer) 또는 빗각(bevel)을 가지고 구성될 수도 있다. 또한, 성형된 커팅 엘리먼트(402)의 상이한 부분은 상이한 커팅 면 성질을 가질 수도 있다. 예를 들면, 커팅 엘리먼트의 상이한 부분은 상이한 재료로 형성될 수도 있거나 또는 상이한 처리가 적용될 수도 있다. 따라서, 성형된 커팅 엘리먼트(402)의 상이한 부분은 상이한 경도 및/또는 내충격성 값을 가질 수도 있다. 이들 성질은 성형된 커팅 엘리먼트(402)를 형성하기 위해 사용되는 재료(예를 들면, 다이아몬드 입자 사이즈), 또는 성형된 커팅 엘리먼트(402)에 적용되는 처리(예를 들면, 침출)에 적어도 부분적으로 기초할 수도 있다.
성형된 커팅 엘리먼트는 또한 비회전 커터에 부착될 수도 있다. 도 4b는 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 예시적인 비회전 커터의 측단면도를 예시한다. 커터(450)는 기재 부분(454) 및 기재 부분(454)에 커플링되는 관련 성형된 커팅 엘리먼트(452)를 포함한다. 성형된 커팅 엘리먼트(452)는 도 2를 참조하여 논의되는 커팅 엘리먼트(232)와 유사할 수도 있으며, 따라서 드릴링 작업 동안 지층을 관통 절개하도록 구성될 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트(452)는 커터 축(462)에 수직인 평면에서 비원형의 단면을 가질 수도 있다. 또한, 성형된 커팅 엘리먼트(452)는 커팅 에지(458)에 대한 상이한 에지 구성 및/또는 커팅 면(460)의 커팅 면 성질을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 커팅 에지(458)는 모따기 또는 빗각을 가지고 구성될 수도 있다. 또한, 성형된 커팅 엘리먼트(452)의 상이한 부분은 상이한 커팅 면 성질을 가질 수도 있다. 예를 들면, 커팅 엘리먼트의 상이한 부분은 상이한 재료로 형성될 수도 있거나 또는 상이한 처리가 적용될 수도 있다. 따라서, 성형된 커팅 엘리먼트(452)의 상이한 부분은 상이한 경도 및/또는 내충격성 값을 가질 수도 있다. 이들 성질은 성형된 커팅 엘리먼트(452)를 형성하기 위해 사용되는 재료(예를 들면, 다이아몬드 입자 사이즈), 또는 성형된 커팅 엘리먼트(452)에 적용되는 처리(예를 들면, 침출)에 적어도 부분적으로 기초할 수도 있다.
도 5a는 예시적인 커터의 등각도를 예시한다. 커터(500)는 기재(504) 및 성형된 커팅 엘리먼트(502)를 포함할 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트(502)는 비원형의 단면을 가질 수도 있다. 도 6a 내지 도 7b를 참조하여 하기에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 지층과 성형된 커팅 엘리먼트(502) 사이의 상호 작용은 커터 축(518) 둘레에서 커터(500)의 회전을 촉진할 수도 있다.
커터의 커터 축에 수직인 평면에서의 성형된 커팅 엘리먼트를 통한 단면은 다양한 형상을 가질 수도 있다. 예를 들면, 성형된 커팅 엘리먼트는 정다각형의(regular polygonal) 단면을 가질 수도 있다. 본 개시내용의 목적을 위해, 정다각형은, 모든 변이 대략 동일한 길이를 가지며 모든 내각이 대략 동일한 다각형을 가리킬 수도 있다. 예시적인 커터(500) 상에서 묘사되는 바와 같이, 성형된 커팅 엘리먼트(502)는 7각형 단면을 갖는다. 성형된 커팅 엘리먼트는 6 개와 36 개 사이의 변을 갖는 정다각형을 비롯한, 고차 정다각형에 대응하는 단면을 가질 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트는 볼록한 단면 또는 오목한 단면을 가질 수도 있다. 본 개시내용의 목적을 위해, 단면의 하나 이상의 내각이 대략 180도보다 더 큰 경우, 단면은 오목할 수도 있다. 마찬가지로, 본 개시내용의 목적을 위해, 오목부 및 볼록부 둘 다를 포함하는 단면은 오목부로 칭해질 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트(502)는 커터 축(518)을 중심으로 방사상으로 대칭일 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트(502)는 또한, 도 5c를 참조하여 설명되는 바와 같이, 임의의 적절한 수의 치형부(tooth)를 포함하는 단면을 가질 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트(502)는 기재(504)의 단면에 의해 외접될 수도 있다. 따라서, 성형된 커팅 엘리먼트(502)는 비원형의 단면을 가질 수도 있기 때문에, 성형된 커팅 엘리먼트(502)는 기재(504)와 언더랩할(underlap) 수도 있다.
성형된 커팅 엘리먼트는 하나 이상의 타입의 커팅 에지를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 성형된 커팅 엘리먼트(502)는 모따기된 커팅 에지(530)를 포함한다. 비록 성형된 커팅 엘리먼트(502)가 특정한 모따기 폭(508) 및 커팅 면(506)에 대해 특정한 각도를 갖는 모따기된 에지를 가지고 예시되지만, 성형된 커팅 엘리먼트는 일반적으로 임의의 적절한 모따기 폭 및 커팅 면에 대해 임의의 적절한 각도를 갖는 모따기된 에지를 가질 수도 있다. 또한, 모따기된 에지에 추가하여 또는 그 대신에, 성형된 커팅 엘리먼트는 임의의 수의 빗각의 에지, 비평면의 에지, 및 평면의 에지를 가질 수도 있다. 모따기된 에지와 유사하게, 빗각의 에지, 비평면의 에지 및 평면의 에지와 같은 다른 에지는 임의의 적절한 사이즈를 가질 수도 있다.
또한, 성형된 커팅 엘리먼트, 또는 성형된 커팅 엘리먼트의 일부분은 상이한 재료로부터 형성될 수도 있다. 따라서, 성형된 커팅 엘리먼트의 상이한 커팅 면은 상이한 커팅 면 성질을 가질 수도 있다. 예를 들면, 상이한 커팅 면은 상이한 경도 및/또는 내충격성을 가질 수도 있다. 이들 성질은, 적어도 부분적으로는, 성형된 커팅 엘리먼트(502)를 형성하기 위해 사용되는 재료(예를 들면, 다이아몬드 입자 사이즈), 또는 성형된 커팅 엘리먼트(502)에 적용되는 처리(예를 들면, 침출)에 기초할 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트의 에지 구성은 내충격성 및 드릴링 효율성에 적어도 부분적으로 기초하여 선택될 수도 있다. 예를 들면, 큰 모따기 사이즈는 내충격성을 증가시킬 수도 있고, 따라서 비트 수명을 증가시킬 수도 있다. 마찬가지로, 큰 모따기 사이즈는 드릴링 효율성을 감소시킬 수도 있다. 비록 성형된 커팅 엘리먼트의 특정한 성질이 도 5a에서 묘사되지만, 성형된 커팅 엘리먼트는 임의의 적절한 형상, 에지 구성, 또는 다른 커팅 엘리먼트 성질을 가질 수도 있다.
성형된 커팅 엘리먼트는 다양한 형상, 에지 구성, 및/또는 커팅 면 성질을 가질 수도 있다. 또한, 도 5c를 참조하여 하기에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 성형된 커팅 엘리먼트는 도 5a에서 예시되는 다각형 형상 대신에 비다각형 형상(non-polygonal shape)을 포함할 수도 있다.
도 5b는 예시적인 커터의 등각도를 예시한다. 커터(540)는 도 5a를 참조하여 상기에서 설명되는 커터(500)와 유사한 특징부를 가질 수도 있다. 예를 들면, 커터(540)는 기재(544) 및 성형된 커팅 엘리먼트(542)를 포함할 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트(542)는 정다각형 단면을 가질 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트(542)는 모따기된 커팅 에지보다는 평면의 커팅 에지를 갖는다. 따라서, 커터(540)는 도 5a를 참조하여 상기 설명되는 커터(500)보다 더 큰 내충격성을 가질 수도 있다. 따라서, 커터(540)는 커터(500)보다 더 낮은 드릴링 효율성을 가질 수도 있다.
도 5c는 예시적인 커터의 등각도를 예시한다. 성형된 커팅 엘리먼트(562)는 비다각형의 오목한 단면을 갖는다. 구체적으로, 성형된 커팅 엘리먼트(562)는 성형된 커팅 엘리먼트(562)의 원주 둘레에서 이격되는 치형부(564)를 포함한다. 성형된 커팅 엘리먼트 상의 치형부는 원 또는 타원의 세그먼트 또는 섹터와 같이 둥글게 될 수도 있다. 원 세그먼트는 원의 현(chord)과 그 현에 의해 지정되는 원호 사이의 영역이다. 원 섹터는 원의 두 반경과 이 두 반경 사이의 원호로 둘러싸인 영역이다. 그러나, 정다각형 또는 다른 다각형과 같은 임의의 적절한 형상의 치형부가 사용될 수도 있다. 치형부(564)는, 커터의 커터 축 주위의 대칭이 유지될 수도 있도록, 성형된 커팅 엘리먼트의 에지 둘레에 배열될 수도 있다. 비록 성형된 커팅 엘리먼트(562)가 평면의 에지를 가지고 예시되지만, 성형된 커팅 엘리먼트(562)는 임의의 수의 모따기된 에지, 빗각의 에지, 비평면의 에지, 및 평면의 에지를 포함할 수도 있다. 또한, 성형된 커팅 엘리먼트(562)는 모따기된 에지, 빗각의 에지, 비평면의 에지, 및 평면의 에지에 대한 임의의 적절한 사이즈를 포함할 수도 있다. 추가적으로, 상이한 커팅 면은 상이한 커팅 면 성질을 가질 수도 있다. 예를 들면, 상이한 커팅 면은 상이한 경도 및/또는 내충격성을 가질 수도 있다. 이들 성질은, 적어도 부분적으로, 커팅 엘리먼트(562)를 형성하기 위해 사용되는 재료(예를 들면, 다이아몬드 입자 사이즈), 또는 커팅 엘리먼트(562)에 적용되는 처리(예를 들면, 침출)에 기초할 수도 있다.
커터가 지층을 통과함에 따라, 성형된 커팅 엘리먼트는 지층과 접촉한다. 결과적으로, 성형된 커팅 엘리먼트는 굴착력을 유발할 수도 있다. 회전 기재에 부착되는 성형된 커팅 엘리먼트의 경우, 성형된 커팅 엘리먼트에 의해 유발되는 굴착력은 커터의 회전을 촉진할 수도 있다. 비트 축 근처에 위치되는 성형된 비회전 커터는 더 많은 비트에 가해지는 무게(WOB)를 취할 수도 있는데, 이것은 더 적은 비트 토크(TOB)를 야기할 수도 있어서, 향상된 공구 면 제어(tool face control)를 허용한다.
도 6a는 관련 굴착력을 포함하는 예시적인 커터의 측단면도를 예시한다. 커터(600)는 성형된 커팅 엘리먼트(606)를 포함한다. 성형된 커팅 엘리먼트(606)는 커팅 면(624)을 포함한다. 커터(600)가 드릴링 방향에서 지층을 통해 이동함에 따라, 성형된 커팅 엘리먼트(606)는 관통력(620) 및 항력(drag force)(622)과 같은 굴착력을 유발할 수도 있다. 관통력(620)은 드릴 비트의 비트 축을 향해 작용할 수도 있다. 항력(622)은 관통력(620)에 수직하게 그리고 커터(600)의 드릴링 방향과는 반대 방향으로 작용할 수도 있다. 관통력(620)은 커팅 면(624)의 평면 안으로 투영될 수도 있으며, 반경 방향 힘(628)을 초래한다. 마찬가지로, 항력(622)은 커팅 면(624)에 수직인 평면 안으로 투영될 수도 있고, 수직 힘(626)을 초래한다.
항력(622) 및 관통력(620)은 커터 기하 계수(geometry coefficient) (Kd) 및 (Kp)에 의존할 수도 있는데, 이들은 커터(600)의 윗면 경사각(back rake angle), 측면 경사각(side rake angle), 및 프로파일 각(profile angle)의 함수일 수도 있다. 또한, 항력(622) 및 관통력(620)은 커팅 구역의 암반 압축 강도(σ), 면적(A) 및 커팅 구역의 접촉 길이(L)에 추가적으로 의존할 수도 있다. 항력(622) 및 관통력(620)은 다음의 식에 의해 표현되는 바와 같이 계산될 수도 있다:
Fd = Kd * σ * f(A, L)
Fp = Kp * σ * f(A, L)
예를 들면, 커터의 커팅 구역, 커터 기하 계수, 또는 커터의 위치에서의 암반 압축 강도가 커터 사이에서 다를 경우, 굴착력이 달라질 수도 있다. 예를 들면, 커팅력은 드릴 비트의 블레이드 상의 커터 위치, 경사각(rake angle), 지층 압축 강도, 관통 속도(rate of penetration: ROP), 비트에 가해지는 무게(WOB), 및/또는 분당 회전 수(rotations per minute: RPM)에 의존할 수도 있다. 항력 및 관통력은 하나 이상의 개개의 커터에 의해 유발될 수도 있다. 커터 상에서의 각각의 항력 및 관통력은, 시추공의 커터의 상대적 위치 및 방향에 기초하여 수평 및 수직 성분으로 분해될 수도 있다. 이들 힘의 수직 성분의 합계는 WOB를 추정하는 데 사용될 수도 있다. 또한, 비트 토크(TOB)를 계산하기 위해 항력이 그들 각각의 모멘트 암에 의해 승산될 수도 있다.
도 6b는 다운홀 지층을 드릴링하는 커팅 엘리먼트의 단면 정면도를 예시한다. 드릴링 동안, 커터(640)는 지층(642)을 통해 이동할 수도 있다. 원형의 단면을 갖는 커팅 엘리먼트를 구비하는 커터는, 지층과 맞물릴 때, 커터 축(예를 들면, 커터(640)의 커터 축(644)) 주위에서 제로 또는 매우 작은 토크를 유발한다. 도 6a를 참조하여 상기에서 설명되는 바와 같이, 커터가 지층을 통해 이동함에 따라, 커터는 하나 이상의 반경 방향 힘을 비롯한, 다양한 굴착력을 유발할 수도 있다. 원형의 단면을 갖는 커터(예를 들면, 커터(640))는 단일의 반경 방향 힘을 유발할 수도 있다. 예를 들면, 커터(640)는 반경 방향 힘(646)을 유발할 수도 있다. 반경 방향 힘(646)은 실질적으로 커터 축(644)을 향해 작용할 수도 있다. 따라서, 반경 방향 힘(646)은 통상적으로 커터 축(644) 둘레에서 제로의 또는 매우 작은 토크를 생성한다.
도 6c는 다운홀 지층 안으로 드릴링하는 성형된 커팅 엘리먼트의 단면 정면도를 예시한다. 커터 상에서의 성형된 커팅 엘리먼트의 포함은, 원형의 단면을 구비하는 커팅 엘리먼트를 갖는 커터와 비교했을 때, 커터에 의해 유발되는 힘을 변화시킬 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 커터는 비대칭 반경 방향 힘으로 인해 제로가 아닌 토크를 경험할 수도 있다. 특히, 성형된 커팅 엘리먼트는, 지층과의 다수의 접촉 때문에, 다수의 반경 방향의 힘을 유발할 수도 있다. 예를 들면, 다각형 단면을 갖는 성형된 커팅 엘리먼트의 경우, 지층과 접촉하는 성형된 커팅 엘리먼트의 각각의 측면은 반경 방향 힘을 유발할 수도 있다. 마찬가지로, 치형부를 갖는 성형된 커팅 엘리먼트의 경우, 지층과 접촉하는 각각의 치형부는 반경 방향 힘을 유발할 수도 있다. 이들 다수의 접촉은 회전 가능한 커터의 커터 축을 중심으로 회전 가능한 커터의 회전을 촉진할 수도 있다. 이들 반경 방향 힘이 커터의 커터 축에 대해 다양한 힘 및 입사각을 가질 수도 있기 때문에, 이들 힘의 합은 커터의 커터 축 주위에 토크를 생성할 수도 있다. 회전 커터의 커터 축 둘레의 토크는, 커터가 토크의 방향으로 회전하게 할 수도 있다.
도 6c에 묘사되는 바와 같이, 성형된 커팅 엘리먼트(606)는 비원형의 단면을 가지며, 치형부(614) 및 치형부(616)를 포함한다. 드릴링 작업 동안, 지층(608)은 비평면의 표면을 가질 수도 있다. 따라서, 성형된 커팅 엘리먼트(606)의 개개의 부분은 상이한 반경 방향 힘을 경험할 수도 있다. 치형부(614)는 반경 방향 힘(602)을 유발할 수도 있는 반면, 치형부(616)는 반경 방향 힘(604)을 유발할 수도 있다. 반경 방향 힘(602, 604)은 성형된 커팅 엘리먼트(606)와 지층(608) 사이의 접촉에 기초하여 변할 수도 있다. 힘(602) 및 힘(604)은 상이한 크기 및 방향을 가질 수도 있기 때문에, 이들 힘의 합은 커터 축(610) 주위에서 토크(612)를 야기할 수도 있다. 토크(612)는 회전 가능한 기재 부분이 고정된 베이스 부분에 대해 회전하게 할 수도 있다. 따라서, 커팅 엘리먼트(606)는 지층과 성형된 커팅 엘리먼트(606) 사이의 상호 작용으로 인해 회전할 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트(606)의 회전은 성형된 커팅 엘리먼트(606)의 상이한 부분이 드릴 작업 동안 상이한 시간에 지층과 접촉하는 것을 허용할 수도 있다. 따라서, 성형된 커팅 엘리먼트(606)의 상이한 부분은 드릴링 작업 동안 비회전 커팅 엘리먼트보다 더 균일하게 마모될 수도 있다. 따라서, 커팅된 커팅 엘리먼트(606) 및 커터(600)는 더 긴 유효 수명을 가질 수도 있으며 드릴링 작업의 효율성을 증가시킬 수도 있다.
드릴 작업 동안, 커터가 시추공의 다른 섹션과 상호 작용할 때, 치형부(614) 및 치형부(616)에 의해 각각 유발되는 반경 방향 힘(602 및 604)의 크기 및 방향은 다양할 수도 있다. 따라서, 성형된 커팅 엘리먼트(606)가 시추공의 상이한 부분과 상호 작용할 때 토크(612)의 크기 및 방향은 드릴링 작업 동안 변할 수도 있다. 토크(612)는 양 또는 음의 값을 가질 수도 있다. 따라서, 토크(612)는 회전 가능한 커터가 커터 축을 중심으로 시계 방향으로 또는 반시계 방향으로 회전하게 할 수도 있다. 추가적으로, 반경 방향 힘(602 및 604)은 성형된 커팅 엘리먼트(606)가 회전함에 따라, 및/또는 성형된 커팅 엘리먼트(606)가 마모됨에 따라 변할 수도 있다.
도 7a는 드릴 비트의 블레이드의 상방을 향한 단면도를 나타내는 블레이드 프로파일을 예시한다. 드릴링 비트에 회전 가능하게 부착되는 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 커터에 추가하여 또는 대신에, 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 커터(예를 들면, 커터(722a, 722b 및 722c))는 드릴 비트에 회전 불가능하게 부착될 수도 있다. 드릴링 동안, 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 회전 불가능하게 부착된 커터는 시추공의 다른 섹션과 상호 작용할 수도 있고, 따라서 지층과의 상이한 다른 접촉 면적 및 호 길이를 가질 수도 있다. 회전 불가능하게 부착된 커터의 다양한 접촉 면적 및 호 길이는 개개의 커터에 의해 그리고 드릴 비트에 의해 유발되는 힘의 적용 또는 효과에 영향을 줄 수도 있다. 성형된 커팅 엘리먼트를 포함하는 커터는 성형된 커팅 엘리먼트에 의해 유발되는 굴착력의 성질을 이용하기 위해 드릴 비트의 상이한 구역에 커플링될 수도 있다.
예를 들면, 도 7a에서 도시되는 바와 같이, 블레이드 프로파일(700)은 (도 3을 참조하여 더 상세하게 설명되는 바와 같이) 콘 구역(712), 노우즈 구역(710), 숄더 구역(708) 및 게이지 영역(706)을 포함한다. 콘 구역(712), 노우즈 구역(710), 숄더 구역(708), 및 게이지 구역(706)은 비트 축(732)에 대한 블레이드(202)를 따른 그들의 위치 및 비트 축(732)을 포함하는 평면에서의 비트 축(732)으로부터의 거리를 나타내는 수평 기준선(horizontal reference line)(730)에 기초하여 식별될 수도 있다. 블레이드 프로파일(700)은 안쪽 구역(702) 및 바깥쪽 구역(704)을 포함할 수도 있다. 안쪽 구역(702)은 비트 축(732)으로부터 노우즈 포인트(711)로 바깥쪽으로 연장할 수도 있다. 바깥쪽 영역(704)은 노우즈 포인트(711)로부터 블레이드(126)의 단부까지 연장할 수도 있다. 노우즈 포인트(711)는, 기준선(730)(수평축)으로부터 비트 축(732)(수직축)에 의해 측정했을 대 최대 높이를 갖는 노우즈 구역(710) 내의 블레이드 프로파일(700) 상의 위치 일 수도 있다. 비트 축(732)에 대응하는 도 7a의 그래프 상의 좌표는 축 좌표 또는 위치로 칭해질 수도 있다. 기준선(730)에 대응하는 도 7a의 그래프 상의 좌표는, 비트 축(732)을 통과하는 방사상 평면에서 비트 축(732)으로부터 직각으로 연장하는 거리를 나타내는 방사상 좌표 또는 방사상 위치로서 칭해질 수도 있다. 예를 들면, 도 7a에서 비트 축(732)은 z 축을 따라 배치될 수도 있고 기준선(730)은 비트 축(732)으로부터 ZR 평면으로 정의될 수도 있는 반경 평면 상의 한 포인트로 직각으로 연장하는 거리(R)를 나타낸다.
드릴 비트는 드릴 비트에 부착되는 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 하나 이상의 비회전 커터를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 도 7a에서 묘사되는 바와 같이, 커터(722a, 722b 및 722c)는 성형된 커팅 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 커터(722a, 722b 및 722c)는 드릴 비트의 블레이드에 회전 불가능하게 부착될 수도 있다. 비회전의 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 하나 이상의 커터가 드릴 비트의 콘 구역에 부착될 수도 있다. 숄더 구역, 노우즈 구역, 또는 게이지 구역에서 비회전의 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 하나 이상의 커터와 같은 회전 불가능한 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 커터는 또한, 드릴 비트 상의 임의의 적절한 위치에 부착될 수도 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하여 상기에서 설명되는 바와 같이, 커터는 드릴링 작업 동안 성형된 커팅 엘리먼트가 지층과 접촉함에 따라 다수의 힘을 경험할 수도 있다. 예를 들면, 관통력이 커터의 드릴링 방향으로 작용할 수도 있다. 또한, 항력이 관통력에 수직으로 작용할 수도 있다. 항력과 관통력은 암반 압축 강도(σ) 및 커터의 커팅 면 상의 절단 구역의 면적에 의존할 수도 있다. 항력은 또한 커터의 커팅 면 상의 커팅 구역의 형상에 의존할 수도 있다. 예를 들면, 드릴링 파라미터(예를 들면, 암반 압축 강도, RPM, ROP)의 주어진 세트 하에서, 더 작은 커팅 구역은 더 큰 커팅 구역보다 더 낮은 항력 및 더 낮은 관통력을 경험할 수도 있다. 굴착력에 대한 커팅 구역의 형상의 효과는, 형상 기반 커팅력 수식을 사용하여 추정될 수도 있다. 예를 들면, 드릴 비트 설계 상의 각각의 커터의 위치를 결정하기 위해, 드릴 비트 설계의 컴퓨터 생성 3 차원 모델이 활용될 수도 있다. 드릴 비트 설계 상의 다른 특징부에 대한 각각의 커터의 위치에 기초하여, 커팅 구역, 호 길이(S), 및 등가의 커팅 높이(H)가 각각의 커터의 커팅 구역에 대해 결정될 수도 있다. 예를 들면, 다른 형상을 구비하는 커팅 구역을 갖는 커터에 대한 커팅력은 형상 기반 커팅력 수식에 기초하여 계산될 수도 있다:
Figure pct00001
여기서 μ는 윗면 경사각 및 측면 경사각에 관련되는 계수이고, σ는 암반 압축 강도이고,
Figure pct00002
는 커팅 형상에 관련되는 계수이고, S는 커팅 구역의 호 길이이고, 그리고 H는 커팅 구역의 등가의 커팅 높이이다. 등가의 커팅 높이, 즉 H는, 다음과 같이, 호 길이인 S와 커팅 구역인 A에 기초하여 계산될 수도 있다:
H = A/S
도 7b는 지층과 상호 작용하는 커터의 단면도를 예시한다. 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 커터는 더 긴 호 길이를 가질 수도 있으며, 따라서 더 높은 커팅력을 유발할 수도 있다. 예를 들면, 커터(764)는 성형된 커팅 엘리먼트(752)를 포함하고, 한편 커터(766)의 커팅 엘리먼트(754)는 원형의 단면을 갖는다. 지층(750)은 표면(756)을 포함할 수도 있다. 도 7b에 도시되는 예에서, 성형된 커팅 엘리먼트(752) 및 커팅 엘리먼트(754)는 지층(750) 안으로 동일한 최대 침투 깊이(758)를 갖는다. 표면(756)과 최대 침투 깊이(758) 사이의 최단 거리는 커팅의 깊이로서 칭해질 수도 있다. 도 7b에서 도시되는 바와 같이, 성형된 커팅 엘리먼트(752)는 커팅 엘리먼트(754)와 관련되는 호 접촉 길이(760)보다, 지층(702)과의 더 긴 호 접촉 길이(762)를 갖는다. 따라서, 커터(764)는 커터(766)보다 더 높은 커팅력을 유발할 수도 있다.
드릴 비트 또는 드릴 비트 설계는 원형의 단면을 갖는 커팅 엘리먼트를 갖는 하나 이상의 커터 및 비원형의 단면을 갖는 커팅 엘리먼트를 갖는 하나 이상의 커터를 가질 수도 있다. 드릴링 비트의 콘 구역에서 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 커터를 사용하는 것은, 성형되지 않은 커팅 엘리먼트를 활용하는 드릴 비트와 등가의 침투력을 달성하기 위해 더 많은 WOB를 취할 수도 있다. 마찬가지로, 동일한 WOB의 경우, 콘 영역에서 성형된 커팅 엘리먼트를 갖는 커터를 포함하는 드릴 비트가 더 적은 TOB를 생성할 수도 있고, 따라서 더 나은 공구 면 제어를 허용하게 된다.
본원에서 개시되는 실시형태는 다음을 포함한다:
A. 드릴 비트의 몸체에 회전 가능하게 커플링하기 위한 기재 및 기재에 고정되는 성형된 커팅 엘리먼트를 포함하는 드릴용 커터, 성형된 커팅 엘리먼트는 기재의 회전축에 수직인 평면에서 방사상으로 대칭인 비원형의 단면을 가짐.
B. 비트 몸체, 비트 몸체의 외부 부분 상의 블레이드, 및 블레이드 상의 회전 커터를 포함하는 드릴 비트. 회전 커팅은 드릴 비트의 몸체에 회전 가능하게 커플링하기 위한 기재 및 기재에 고정되는 성형된 커팅 엘리먼트를 포함하며, 성형된 커팅 엘리먼트는 기재의 회전축에 수직인 평면에서 방사상으로 대칭인 비원형의 단면을 가짐.
C. 비트 몸체, 비트 몸체의 외부 부분 상의 블레이드, 블레이드에 커플링되는 제1 커터를 포함하는 드릴 비트. 제1 커터는 블레이드에 커플링되는 제1 기재, 및 기재 상의 제1 커팅 엘리먼트를 포함하며, 제1 커팅 엘리먼트는 제1 커터의 커터 축에 수직인 평면에서 방사상으로 대칭인 비원형의 단면을 가짐.
실시형태 A, B 및 C의 각각은 다음의 추가 엘리먼트 중 하나 이상을 임의의 조합으로 가질 수도 있다: 엘리먼트 1: 커터는 드릴 비트의 몸체에 고정하기 위한 베이스 부분을 더 포함하고, 기재는 베이스 부분에 회전 가능하게 고정된다. 엘리먼트 2: 베이스 부분은 드릴 비트의 몸체에 결합하기 위한 기재 재료를 포함한다. 엘리먼트 3: 기재 재료를 포함하는 베이스 부분 및 베이스 부분에 회전 가능하게 고정되는 기재는 일반적으로 정렬되고 기재의 회전축에 수직인 평면에서 동일한 단면 형상을 갖는다. 엘리먼트 4: 베이스 부분은 리세스를 더 포함하고, 기재는 베이스 부분의 리세스 내에 위치된다. 엘리먼트 5: 커터는 기재의 일부분의 리세스 내에 기재의 회전 부분을 회전 가능하게 고정하는 리테이너를 더 포함한다. 엘리먼트 6: 성형된 커팅 엘리먼트의 단면은 정다각형 형상을 갖는다. 엘리먼트 7: 성형된 커팅 엘리먼트의 단면은 복수의 치형부를 포함하는 오목한 형상을 갖는다. 엘리먼트 8: 복수의 치형부의 각각은 원형의 형상을 갖는다. 엘리먼트 9: 제1 커터는 블레이드의 콘 구역 상에 위치된다. 엘리먼트 10: 블레이드 상의 제2 커터, 제2 커터는 블레이드에 고정되는 제2 기재, 및 제2 기재 상의 제2 커팅 엘리먼트를 포함하고, 제2 커팅 엘리먼트는 제2 커터의 커터 축을 중심으로 원형의 단면을 갖는다.
비록 본 개시내용과 그 이점이 상세하게 설명되었지만, 하기의 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 개시내용의 취지와 범위를 벗어나지 않으면서 본원에서 다양한 변경, 대체 및 수정이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 개시내용은 첨부된 청구범위의 범위 내에 있는 이러한 변경예 및 수정예를 포괄하는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 드릴 비트용 커터(cutter for a drill bit)로서,
    상기 드릴 비트의 몸체(body)에 회전 가능하게 커플링하기 위한 기재(substrate); 및
    상기 기재에 고정되는 성형된 커팅 엘리먼트(shaped cutting element)를 포함하되, 상기 성형된 커팅 엘리먼트는 상기 기재의 회전축에 수직인 평면에서 방사상으로 대칭인 비원형의(non-circular) 단면을 갖는, 드릴 비트용 커터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 드릴 비트의 상기 몸체에 고정하기 위한 베이스 부분(base portion)을 더 포함하되, 상기 기재는 상기 베이스 부분에 회전 가능하게 고정되는, 드릴 비트용 커터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 베이스 부분은 상기 드릴 비트의 상기 몸체에 결합하기 위한 기재 재료를 포함하는, 드릴 비트용 커터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기재 재료를 포함하는 상기 베이스 부분 및 상기 베이스 부분에 회전 가능하게 고정되는 상기 기재는 일반적으로 정렬되고 상기 기재의 상기 회전축에 수직인 평면에서 동일한 단면 형상을 갖는, 드릴 비트용 커터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 베이스 부분은 리세스(recess)를 더 포함하되, 상기 기재는 상기 베이스 부분의 상기 리세스 내에 위치되며; 상기 커터는 상기 기재의 회전 부분을 상기 기재의 상기 부분의 상기 리세스 내에 회전 가능하게 고정하는 리테이너(retainer)를 더 포함하는, 드릴 비트용 커터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 성형된 커팅 엘리먼트의 상기 단면은 정다각형 형상을 갖는, 드릴 비트용 커터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 성형된 커팅 엘리먼트의 상기 단면은 복수의 치형부(tooth)를 포함하는 오목한 형상을 가지되, 상기 복수의 치형부의 각각은 원형의 형상을 갖는, 드릴 비트용 커터.
  8. 드릴 비트로서,
    비트 몸체;
    상기 비트 몸체의 외부 부분 상의 블레이드;
    상기 블레이드 상의 회전 커터로서,
    상기 드릴 비트의 몸체에 회전 가능하게 커플링하기 위한 기재; 및
    상기 기재에 고정되는 성형된 커팅 엘리먼트
    를 포함하는, 상기 회전 커터를 포함하되, 상기 성형된 커팅 엘리먼트는 상기 기재의 회전축에 수직인 평면에서 방사상으로 대칭인 비원형의 단면을 갖는, 드릴 비트.
  9. 제8항에 있어서, 상기 회전 커터는 상기 드릴 비트의 상기 몸체에 고정하기 위한 베이스 부분을 더 포함하되, 상기 기재는 상기 베이스 부분에 회전 가능하게 고정되는, 드릴 비트.
  10. 제9항에 있어서, 상기 베이스 부분은 상기 드릴 비트의 상기 몸체에 결합하기 위한 기재 재료를 포함하는, 드릴 비트.
  11. 제10항에 있어서, 상기 기재 재료를 포함하는 상기 베이스 부분 및 상기 베이스 부분에 회전 가능하게 고정되는 상기 기재는 일반적으로 정렬되고 상기 기재의 상기 회전축에 수직인 평면에서 동일한 단면 형상을 갖는, 드릴 비트.
  12. 제11항에 있어서, 상기 베이스 부분은 리세스를 더 포함하되, 상기 기재는 상기 베이스 부분의 상기 리세스 내에 위치되며; 상기 커터는 상기 기재의 회전 부분을 상기 기재의 상기 부분의 상기 리세스 내에 회전 가능하게 고정하는 리테이너를 더 포함하는, 드릴 비트.
  13. 제8항에 있어서, 상기 성형된 커팅 엘리먼트의 상기 단면은 정다각형 형상을 갖는, 드릴 비트.
  14. 제8항에 있어서, 상기 성형된 커팅 엘리먼트의 상기 단면은 복수의 치형부를 포함하는 오목한 형상을 가지되, 상기 복수의 치형부의 각각은 원형의 형상을 갖는, 드릴 비트.
  15. 드릴 비트로서,
    비트 몸체;
    상기 비트 몸체의 외부 부분 상의 블레이드;
    상기 블레이드에 커플링된 제1 커터로서,
    상기 블레이드에 커플링되는 제1 기재; 및
    상기 기재 상의 제1 커팅 엘리먼트
    를 포함하는, 상기 제1 커터를 포함하되, 상기 제1 커팅 엘리먼트는 상기 제1 커터의 커터 축에 수직인 평면에서 방사상으로 대칭인 비원형의 단면을 갖는, 드릴 비트.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 커터는 상기 블레이드의 콘 구역(cone zone) 상에 위치되는, 드릴 비트.
  17. 제15항에 있어서, 상기 블레이드 상의 제2 커터를 더 포함하되, 상기 제2 커터는:
    상기 블레이드에 고정되는 제2 기재; 및
    상기 제2 기재 상의 제2 커팅 엘리먼트로서, 상기 제2 커팅 엘리먼트는 상기 제2 커터의 커터 축을 중심으로 원형의 단면을 갖는, 상기 제2 커팅 엘리먼트를 포함하는, 드릴 비트.
  18. 제15항에 있어서, 상기 단면은 정다각형 형상을 갖는, 드릴 비트.
  19. 제15항에 있어서, 상기 단면은 복수의 치형부를 포함하는 오목한 형상을 갖는, 드릴 비트.
  20. 제19항에 있어서, 상기 복수의 치형부는 원형의 형상을 갖는, 드릴 비트.
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