用于固定切削齿钻头和其他井下切削工具的切削构件的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]在地球上的钻井过程中，比如为了回收碳氢化合物或为了其他应用，常规的实践是在端对端连接而形成“钻柱”的钻杆段组件的下端连接钻头。通过在地面旋转钻柱或通过井下马达或涡轮机的致动，或通过两种方法使钻头旋转。在施加到钻柱的重力作用下，旋转的钻头接合地层，致使钻头通过磨蚀、压裂或剪切动作，或通过所有切削方法的组合切穿地层材料，从而形成沿着朝向目标区域的预定路径的井眼。
[0002]已经研制和发现了许多不同类型的钻头用在钻这样的井眼的过程中。两种主导类型的钻头是牙轮钻头和固定切削齿钻头(或旋转式刮刀)钻头。大多数固定切削齿钻头设计包括绕钻头面成角度地间隔的多个刀体。刀体从钻头主体径向向外地突出，且在其两两之间形成流道。此外，切削元件通常以径向延伸的排分组且安装在几个刀体上。根据许多因素(比如被钻地层)，刀体上的切削元件的配置或布局可以宽泛地变化。
[0003]设置在固定切削齿钻头的刀体上的切削元件通常由超硬材料制成。在典型的固定切削齿钻头中，每个切削元件包括细长的且大体上圆柱形的碳化钨基底，该基底被接纳且固定在刀体之一的表面上形成的袋孔中。切削元件通常包括多晶金刚石(“PCD”)或其他超耐磨材料(比如热稳定金刚石或多晶立方氮化硼)的硬质切削层。为方便起见，在本文中使用的提及“PDC钻头”或“PDC切削齿”就是指采用了多晶金刚石或其他超耐磨材料的硬质切削层的固定切削齿钻头或切削元件。
[0004]参照图1和2，示出了适用于钻穿岩石地层以形成井眼的常规固定切削齿或刮刀钻头10。钻头10大体上包括钻头主体12、钻柄13，和在销端部16处用于将钻头10连接于钻柱(未示出)的螺纹连接或销14，其中该钻柱被用于转动钻头，以便钻出井眼。钻头面20支撑切削构件15，且形成在钻头10的与销端部16相反的端部上。钻头10还包括中心轴线11，钻头10绕该中心轴线沿箭头18表示的切削方向旋转。
[0005]切削构件15被设置在钻头10的面20上。切削构件15包括多个成角度地间隔开的主刀体31、32、33和副刀体34、35、36，每一刀体都从钻头面20延伸。主刀体31、32、33和副刀体34、35、36大体上沿钻头面20径向延伸，然后沿钻头10的周边的一部分轴向延伸。然而，副刀体34、35、36从朝向钻头10的周边远离钻头轴线11的位置沿钻头面20径向延伸。因此，在本文中使用的“副刀体”可用于指在离钻头轴线一段距离的位置开始且大体上沿钻头面向钻头的周边径向延伸的刀体。主刀体31、32、33和副刀体34、35、36被钻井液流道19分开。
[0006]仍然参照图1和2，每一主刀体31、32、33包括用于安装多个切削元件的刀体顶部42，且每一副刀体34、35、36包括用于安装多个切削元件的刀体顶部52。尤其是，每个都具有切削面44的切削元件40被分别安装在每一主刀体31、32、33的刀体顶部42和每一副刀体34、35、36的刀体顶部52上形成的袋孔中。切削元件40被彼此毗邻地布置成接近每一主刀体31、32、33和每一副刀体34、35、36的前边缘的径向延伸的排。每个切削面44具有离刀体顶部42、52 (切削元件40被安装在其上)最远的最外的切削尖44a。
[0007]现在参照图3，钻头10的型面被示为就像全部刀体(例如，主刀体31、32、33和副刀体34、35、36)和全部切削元件40的切削面44旋转入单个旋转型面中所呈现的。在旋转型面视图中，钻头10的全部刀体31-36的刀体顶部42、52形成且限定了组合或复合的刀体型面39，该型面从钻头轴线11向钻头10的外半径23径向延伸。因此，在本文中使用的短语“复合刀体型面”指的是这样的型面，即，从钻头轴线向钻头的外半径延伸，由旋转入单个旋转型面(即，在旋转型面视图中)的钻头的全部刀体的刀体顶部形成。
[0008]常规复合刀体型面39 (在图3中钻头10的右半部中更清楚地示出)可大体上被分成三个区域，通常标记为锥部区域24、肩部区域25和保径部区域26。锥部区域24包括钻头10的径向最内的区域和大体上从钻头轴线11延伸到肩部区域25的复合刀体型面39。如图3所示，在最常规的固定切削齿钻头中，锥部区域24是大体上凹下的。邻近锥部区域24是肩部(或上弯曲线)区域25。在最常规的固定切削齿钻头中，肩部区域25是大体上凸出的。径向向外移动，邻近肩部区域25的是保径部区域26，该保径部区域在复合刀体型面39的外部径向周边处平行于钻头轴线11延伸。因此，常规钻头10的复合刀体型面39包括一个凹下的区域、锥部区域24，和一个凸出的区域、肩部区域25。
[0009]凸出的肩部区域25和复合刀体型面39的轴向最低点限定了刀体型面鼻部27。在刀体型面鼻部27处，与凸出的肩部区域25和复合刀体型面39相切的切线27a的斜率是Oo因此，在本文中使用的术语“刀体型面鼻部”指的是在旋转型面视图中沿着钻头的复合刀体型面的凸出区域的点，其中在该点处与复合刀体型面相切的切线的斜率是O。对于最常规的固定切削齿钻头(例如钻头10)来说，复合刀体型面包括仅一个凸出的肩部区域(例如，凸出的肩部区域25)，和仅一个刀体型面鼻部(例如，鼻部27)。如图1-3所示，切削元件40被沿着刀体31-36布置成排，且被沿着钻头面20设置在前面描述为复合刀体型面39的锥部区域24、肩部区域25和保径部区域26的区域内。尤其是，切削元件40被安装在刀体31-36上相对于钻头10的中心轴线11预定的径向间隔位置。
[0010]不考虑钻头的类型，钻井花费与将井眼钻到预期的深度和位置所花费的时间长度成比例。继而，钻井时间受到在到达目标地层之前钻头的更换次数影响很大。这是因为每次更换钻头，整个钻柱(可能几英里长)必须从井眼中一段一段地收回。一旦钻柱被收回，且新钻头安装上，钻柱上的钻头必须下降到井眼的底部，这再次必须一段一段地安装。这个过程被称作钻柱的“起下”，通常需要相当多的时间、劳动和花费。因此，希望使用这样的钻头，即，能快速且时间长的钻井，且可用于宽范围的不同地层硬度。
[0011]在更换之前钻头可以使用的时间长度取决于它的钻进速度(“R0P”)，以及其维持较高或可接受的ROP的耐用性或能力。此外，期望的钻头特性是它是“稳定的”且能抵抗不希望的振动，该振动的最严重的类型或模式是“涡旋”，这是用于描述钻头在井眼底部绕偏离钻头几何中心的旋转轴线旋转的现象的术语。这种涡旋使钻头上的切削元件承受增大的负载，这导致切削元件过早磨损或损坏和ROP损失。因此，防止或减少不希望的钻头振动并维持PDC钻头的稳定性已经成为长期以来期望的目标，但问题是总是没有实现。不希望的钻头振动通常可能出现在任何类型的地层，但在硬质地层中更有害。
[0012]近年来，PDC钻头已经成为切削软或中间硬度的地层的工业标准。然而，因为roc钻头是被研制用于硬质地层的，所以钻头稳定性正成为日益增加的挑战。如前所述，在钻井过程中过度的不希望的钻头振动趋于使钻头变钝，和/或可能损坏钻头到必须或期望过早地起下钻柱的程度。
[0013]已经有许多推荐用于PDC切削构件的备选设计，这些设计旨在提供一种能够以高效的ROP钻穿各种硬度的地层且具有可接受的钻头寿命和耐久性的PDC钻头。遗憾的是，针对使振动最小化的许多钻头设计需要在与早期设计的钻头相比增大的钻压(“W0B”)下进行钻井。例如，一些钻头已经设计有以更少攻击性的背前角安装的切削齿，以使得它们需要增大的W0B，以便钻进地层材料到达所期望的程度。如果可能，通常避免利用增大的或重的WOB进行钻井。增大WOB是通过给钻柱增加附加的重钻铤来完成的。这种附加的重量增加了钻柱部件中的一些或全部上的应力和张力，导致稳定器磨损更多，且工作效率更低，并且增加了钻柱中的液压降，需要使用更高容量(且通常更高花费)的栗来循环钻井液。组合问题更多，增大的WOB导致钻头磨损，且比其他方式出现的情况更快地变钝。为了延迟钻柱的起下，通常的实践是进一步增加W0B，且以部分磨损和变钝的钻头继续钻井。钻头磨损和WOB之间的关系不是线性的，而是指数关系，使得一旦对于给定钻头来说超过特定的WOB时，WOB上非常小的增加将导致钻头磨损极大地增加。因此，增加更大的WOB而以部分磨损的钻头钻井进一步增加了钻头和其他钻柱部件上的磨损。
【发明内容】
[0014]本
【发明内容】
用于引入在下面详细的描述中进一步描述的一组构思。本
【发明内容】
不是为了确定要求保护的主题的关键或主要特征，也不是为了用于辅助限定要保护的主题的范围。
[0015]在一些实施例中，一种切削工具包括工具主体；从所述工具主体延伸的多个刀体；沿所述多个刀体的每一个设置的多个非平面切削元件。所述多个非平面切削元件形成切削型面，在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面的旋转视图中，所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域。所述多个非平面切削元件包括在所述锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域中的至少一个中的第一形状，和在至少一个其他区域中的不同的第二形状。
[0016]在一些实施例中，一种切削工具包括工具主体；从所述工具主体延伸的多个刀体；沿所述多个刀体的每一个设置的多个非平面切削元件。所述多个非平面切削元件形成切削型面，在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面的旋转视图中，所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域。所述多个非平面切削元件包括具有在所述锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域中的至少一个中的第一曲率半径的顶端，和具有在至少一个其他区域中的不同的第二曲率半径的顶端。
[001