其上具有旋转切割结构的钻头的制作方法

其上具有旋转切割结构的钻头的制作方法
【专利摘要】一种钻头包括：钻头本体，其能够绕着纵向轴线旋转，且在一个端部处具有用于将所述钻头固定到钻柱的连接端部，而且在与所述连接端部相反的位置处具有一个面；以及多个切割结构，包括至少一个固定切割结构和至少一个切割本体，所述至少一个固定切割结构布置在所述钻头本体的面上，所述至少一个切割本体可旋转地附连到所述钻头本体的所述面；其中，在多个切割结构旋转到单个平面的视图中，在所述至少一个固定切割结构与所述至少一个切割本体之间基本不存在径向重叠。
【专利说明】其上具有旋转切割结构的钻头
【背景技术】
[0001]历史上存在两种用于钻入地质地层的主要类型的钻头:刮刀钻头和牙轮钻头。术语“刮刀钻头”涉及那些没有移动元件的旋转钻头。刮刀钻头包括那些具有附连到钻头本体的切割器的刮刀钻头，其主要通过剪切动作切割地层。牙轮钻头包括一个或多个可旋转地安装到钻头本体的牙轮。这些牙轮具有多个附连到其上的切割元件，其在正被钻的井孔底部处压碎、削凿和刮擦岩石。
[0002]通常，钻头类型可基于待钻井地层的基本性质而选择。然而，许多地层具有混合特征(即，地层可能包括硬的和软的两种区域)，这可减少钻头穿透速率(可选地或者减少所选钻头的寿命)，这是由于所选钻头对特定区域不是优选的。例如，铣齿牙轮钻头与PDC钻头两者可有效钻入软的地层，但PDC钻头将通常具有高于牙轮钻头的穿透速速率。
[0003]PDC 钻头
[0004]刮刀钻头，通常称为“固定切割器钻头”，包括具有附着至钻头本体的切割元件的钻头，钻头本体可以是钢钻头本体或由基质材料(如碳化钨)形成的由结合材料包围的基质钻头本体。刮刀钻头可以通常定义为不具有移动部件的钻头。但是，本领域中已知存在形成刮刀钻头的不同的类型和方法。例如，具有孕镶在形成钻头本体的材料的表面的研磨材料(如金刚石)的刮刀钻头，通常称为“孕镶(impreg)”式钻头。在本领域中已知的具有由沉积到基体上或者结合到基体上的超硬切割表面层或“面”(通常由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成)制成的切割元件的刮刀钻头作为聚晶金刚石复合片(polycrystallinediamond compact, PDC)钻头。
[0005]PDC钻头容易钻入软的地层，但是它们频繁地用于钻入中度硬度或研磨地层。它们使用小切割器用剪切动作来切割岩石地层，该小切割器不深深地穿透进入地层中。因为穿透的深度浅，因此通过对地层的连续切割来实现高速率的穿透。
[0006]包括具有超硬工作表面的多个切割器的现有技术PDC钻头的一个实例在图1中示出。钻头10包括钻头本体11，其具有带螺纹的上杆端部12和切割器端部13。切割器端部13通常包括多个肋或刀片14，它们围绕钻头的旋转轴线布置且从该钻头本体11向外径向延伸。切割元件或切割器15相对于工作表面以预定的角度方向和径向位置嵌入刀片14中并且针对待钻井的地层具有需要的后倾角。
[0007]多个孔口 16放置在钻头本体11上的刀片14之间的区域中，该区域可称为“缺口”或“水槽”。孔口 16通常适于接收喷嘴。孔口 16允许钻井液通过钻头在所选方向上且在切割刀片14之间以选择的流动速率排放用于润滑和冷却钻头10、刀片14以及切割器15。钻井液也随着钻头10旋转和穿透地质地层而清洁和去除钻屑。如果没有合适的流动特征，切割器15的不充足的冷却可能在钻井操作期间导致切割器失效。设置水槽用以为钻井液提供额外的流动通道并且用以为地层钻屑提供通道以通过钻头10朝向井眼(未示出)的地面行进。
[0008]牙轮钻头
[0009]牙轮钻头通常以通过压碎和凿碎地层而不是剪切的方式钻入地层。通常，牙轮钻头还优选用于异质地层，该异质地层会在刮刀钻头中引起振动。牙轮钻头包括铣齿钻头和镶齿钻头。铣齿牙轮钻头可用于钻入相对软的地层，而镶齿牙轮钻头适用于中等硬度的或硬的地层。
[0010]牙轮钻头通常包括:本体，在本体的上端部上形成带有螺纹的杆部用于连接到钻柱；及一个或多个从本体的下端部延伸的腿部。现参考图2，常规的镶齿牙轮钻头(总体上表示为20)由形成上杆端部22的钻头本体21和由从本体21延伸的腿部25支撑的牙轮24的切割器端部23组成。螺纹杆端部22适于装配到用于钻油井等的钻柱(未示出)上。每个腿部25以牙松钻头体(shirttail) 26终止。
[0011]每一个牙轮24通常在其上具有多个切割元件27用于随着钻头20绕着纵向轴线L旋转而切割地层。图2示出了被挤压在形成在牙轮24的表面中的孔之内的切割元件27，但是，铣齿钻头具有铣削形成在牙轮24的外部上的硬面钢齿代替碳化物镶齿。在钻头本体21中的喷嘴28将钻井泥浆引入到围绕牙轮24的空间中，以用于冷却以及携带走由钻头20钻出的地层钻屑。钻井液在钻头20的中空杆端部22内被引导到由钻头本体21形成的内部增压室29。然后流体通过一个或多个喷嘴28引导到钻头之外。
[0012]每一个腿部25包括向下且径向向内朝向钻头本体21的中心线或纵向轴线L延伸的轴颈30。轴承组件布置在牙轮24与轴颈30之间。对于更高旋转速度的应用，牙轮钻头可具有滚珠轴承组件。多个滚珠轴承32分别安装到牙轮24中和轴颈30上的互补的滚珠轨道。这些滚珠32通过滚珠通道34嵌入，该滚珠通道在滚珠轨道与钻头20的外部之间延伸通过轴颈30。牙轮24首先被安装在轴颈30上，然后滚珠32通过滚珠通道34嵌入。滚珠32承载趋于从轴颈30移除牙轮24从而将牙轮24保持在轴颈30上的任何推力负载。滚珠32由滚珠保持器35被保持在轨道中，该滚珠保持器35在滚珠入位之后通过滚珠通道34被嵌入且焊接在其中。
[0013]润滑油储蓄器系统容纳在钻头本体21之内，总体上标识为36。从储蓄器室38到形成在牙轮24与轴颈30之间的滚珠支承表面33提供润滑剂通道37。牙轮24与轴颈30之间的滚珠支承表面33由润滑剂或润滑油组合物润滑。润滑剂或润滑油由牙轮24与轴颈30之间的弹性密封件39保留在轴承结构中。
[0014]牙轮钻头和PDC钻头具有它们各自的优势。由于切割机制和切割元件材料的差别，每一个最好适用于不同的钻井条件下。牙轮钻头在钻井中主要使用压碎机制，其为牙轮钻头带来整体耐久性和强的切割能力。PDC钻头使用纯的剪切机制用于切割，其允许在软的地层钻井中具有比牙轮钻头能够达到的更高的性能。
[0015]尽管现有技术给出许多有价值的贡献，但开发具有所需切割机构的钻头仍将是有益的。

【发明内容】

[0016]提供本
【发明内容】
用于介绍概念的选择，该概念在下文详细的说明书中进一步描述。本
【发明内容】
不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要的特征，也不旨在作为一种帮助来限制所要求保护的主题的范围。
[0017]在一个方面，本文公开的实施例涉及一种钻头，包括:钻头本体，其能够绕着纵向轴线旋转，且在一个端部处具有用于将所述钻头固定到钻柱的连接端部，而且在与所述连接端部相反的位置处具有一个面；以及多个切割结构，包括至少一个固定切割结构和至少一个切割本体，所述至少一个固定切割结构布置在所述钻头本体的面上，所述至少一个切割本体可旋转地附连到所述钻头本体的所述面；其中，在多个切割结构旋转到单个平面的视图中，在所述至少一个固定切割结构与所述至少一个切割本体之间基本不存在径向重叠。
[0018]在一个方面，本文公开的实施例涉及一种钻头，包括:钻头本体，其能够绕着纵向轴线旋转，且在一个端部处具有用于将所述钻头固定到钻柱的连接端部，而且在与所述连接端部相反的位置处具有一个面；以及多个切割结构，包括多个切割本体，其可旋转地附连到所述钻头本体的所述面；其中，所述多个切割本体中的每一个具有大体上平行的旋转轴线且具有轴向重叠的切割表面；以及其中，所述钻头本体不具有从其沿方位角方向延伸的刀片。
[0019]在另一方面，本文公开的实施例涉及一种钻头，包括:钻头本体，其能够绕着纵向轴线旋转，且在一个端部处具有用于将所述钻头固定到钻柱的连接端部，而且在与所述连接端部相反的位置处具有一个面；以及至少一个切割结构，包括至少一个切割本体，其可旋转地附连到所述钻头本体的所述面，其中，所述至少一个切割本体包括多个凸起部，所述多个凸起部围绕所述至少一个切割本体在方位角方向上间隔开。
[0020]在又一方面，本文公开的实施例涉及一种钻头，包括:钻头本体，其能够绕着纵向轴线旋转，且在一个端部处具有用于将所述钻头固定到钻柱的连接端部，而且在与所述连接端部相反的位置处具有一个面，其中，所述面包括形成在其中的至少一个孔；以及至少一个切割结构，包括至少一个切割本体，其可旋转地附连到所述钻头本体的所述面，其中，所述至少一个切割本体包括暴露端部和轴，所述轴伸入形成在所述钻头本体的所述面中的所述孔中。
[0021]通过下文的说明书和所附权利要求书，所要求保护的主题的其它方面和优点将是显而易见的。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]图1是常规的roc钻头的透视图。
[0023]图2是常规的三牙轮钻头的半示意性透视图。
[0024]图3A-3C示出了钻头的一个实施例的三个不同的透视图。
[0025]图4A和4B示出了钻头的一个实施例的两个不同的透视图。
[0026]图5A和5B示出了钻头的一个实施例的两个不同的透视图。
[0027]图6A和6B示出了钻头的一个实施例的两个不同的透视图。
[0028]图7A和7B示出了钻头的一个实施例的两个不同的透视图。
[0029]图8A和8B示出了钻头的一个实施例的两个不同的透视图。
[0030]图9A和9B示出了钻头的一个实施例的两个不同的透视图。
[0031]图1OA和IOB示出了钻头的一个实施例的两个不同的透视图。
[0032]图11示出了具有嵌入到钻头本体中的孔中的轴的滚动切割本体。
[0033]图12示出了一个圆锥形切割镶齿。
[0034]图13A-13B示出了多面体镶齿的侧透视图和顶透视图。[0035]图14示出了位于旋转切割本体上的切割元件的示例性切割轨迹。
[0036]图15示出了附连到钻头本体的旋转切割本体的剖视图。
[0037]图16A-16B示出了根据本公开的实施例的布置在旋转切割本体与钻头本体之间的机械密封组件的剖视图。
[0038]图17A-17B示出了根据本公开的实施例的布置在旋转切割本体与钻头本体之间的机械密封组件的剖视图。
[0039]图18示出了根据本公开的实施例的具有开式支承组件的钻头的分解视图。
[0040]图19A-19C示出了根据本公开的实施例的径向支承表面。
[0041]图20A-20B示出了根据本公开的实施例的轴承座套。
[0042]图21A-21D示出了根据本公开的实施例的轴承环的透视图。
[0043]图22示出了根据本公开的实施例的磨损钮的透视图。
[0044]图23示出了附连到钻头的旋转切割本体的分解视图。
[0045]图24示出了根据本公开的实施例的钻头的侧透视图。
[0046]图25示出了根据本公开的实施例的钻头的顶透视图。
【具体实施方式】
[0047]在一个方面，本文公开的多个实施例涉及其上布置有旋转切割本体的钻头。具体地讲，此旋转切割本体可用作钻头上的唯一的切割结构或可与常规的切割结构、例如固定的刀片(具有切割器)和牙轮一起使用。
[0048]参考图3A和3B，示出了钻头的两个不同的透视图。如图3A和3B中所示，钻头100具有钻头本体102，在本体102的一端处具有面104，在本体102的相反端处具有连接端部106用于将钻头100固定到钻柱(在图3C中示出)。多个切割本体110可旋转地附连到钻头本体102的面104上。在图3A-3B中示出的实施例中，多个旋转切割本体110中的每一个都具有轴线，所述轴线大体上平行于(或者精确地平行于)其它旋转切割本体的轴线，且还大体上平行于(或精确地平行于)钻头的纵向轴线；但是，可以想象，一些实施例可以包含附连到钻头的这样的旋转切割本体:它们的轴线可以相对彼此偏斜。图3A-3B中示出的旋转切割本体110安装在从钻头本体102的面104延伸的轴颈112上。旋转切割本体110由保持滚珠114保持在轴颈上。轴向推力轴承116可布置在旋转切割本体110的轴向支承表面与轴颈112之间。轴承座套和/或嵌体118可布置在旋转切割本体110的径向支承表面与轴颈112之间。轴向和径向支承表面由来自润滑通道120的润滑油润滑。润滑剂或润滑油由旋转切割本体110与轴颈112之间的密封件122保留在支承结构中。可选地，代替安装在轴颈112上，旋转切割本体110可包括延伸到形成在钻头本体102的面104中的孔内的轴，如下文所描述的。
[0049]示出的旋转切割本体110具有多个压入到形成在旋转切割本体110中的孔中的镶齿124。在说明的实施例中，旋转切割本体110是截头的超椭圆体形。旋转切割本体110的侧圆周表面限定了与地层的侧壁接合用以维持井孔直径的钻头的规径区域126或外部直径。旋转切割本体110的径向端部表面128形成了钻头100的有效切割区域，使得在此区域中镶齿124保持大体上与地层接合，且执行有效切割和岩石去除功能。
[0050]在图3A-3B中示出的实施例中，存在两种类型的使用的镶齿:圆锥形镶齿1241和多面体镶齿1242。将在下文参看图12更加详细地描述的圆锥形镶齿1241在径向端部表面128上可能是特别需要的，使得镶齿可穿透到岩石中，且钻头可前进。其它的实施例可使用波状镶齿代替圆锥形镶齿1241。多面体镶齿1242(在图13中更加详细地示出)在旋转切割本体110的规径区域126上可能是特别需要的，用以维持井孔直径。当钻头本体102旋转时，镶齿1242可通过来自岩石地层的反作用力为切割本体110提供旋转力。因此，切割本体110可涉及两种旋转运动。一种是由钻头本体102提供的旋转，另一种是围绕它们自己的轴线的旋转。根据所需的地层相互作用，还可使用其它形状的切割元件，如本领域中已知的凿形的、半圆形顶部等。进一步，也在本公开的范围之内的是，图3A-3B的钻头可具有图3A-3B、4A-4B、7A-7B(下文中描述)中说明的以任何组合方式或单独使用的旋转切割本体中的任何一个。
[0051]如图3C所示，钻头100的连接端部106可固定到钻柱50。钻柱50可由涡轮马达组件52旋转，所述涡轮马达组件52可包括非移动或定子壳体54和移动或转子组件56。转子组件可包括附连到钻柱50的桨叶，所述桨叶被设计为随着钻井泥浆流动通过涡轮马达组件52进入井眼(未示出)而转动。其它本领域中已知的涡轮马达可与本公开的钻头组合使用来旋转钻头。
[0052]现在参考图4A和4B，示出了钻头的两个不同的透视图。如图4A和4B中所示，钻头100具有钻头本体102，在钻头本体102的一端处具有面104，在钻头本体102的相反的一端处具有连接端部106用于将钻头100固定到钻柱(未示出)。多个切割本体110可旋转地附连到钻头本体102的面104上。在图4A-4B中示出的实施例中，多个旋转切割本体110中的每一个均具有轴线，该轴线大体上平行于(或精确地平行于)其它旋转切割本体的轴线，且还大体上平行于(或精确地平行于)钻头的纵向轴线；但是，可以想象，一些实施例也可以包含这样附连到钻头的旋转切割本体:它们的轴线可以相对彼此偏斜。旋转切割本体110可附连到钻头本体(例如通过参看图3A-3B描述的机构)或它们可包括延伸到形成在钻头本体102的面104中的孔中的轴，如下文所描述的。
[0053]图4A和4B中示出的旋转切割本体110包括多个凸起部130，它们围绕旋转切割本体Iio在方位角上间隔开，它们之间具有流体通道132。示出的流体开口 134(具有任选的液压构件，如喷嘴(未示出))存在于旋转切割本体的中线处，其可允许钻井液流动穿过且向上通过流动通道132。凸起部130从径向端部表面128沿方位角方向延伸通过规径区域126。如图3A-3B中所讨论的，旋转切割本体110的径向端部表面128形成了钻头100的有效切割区域，使得在此区域中镶齿124保持大体上与地层接合，且执行有效切割和岩石去除功能，而规径区域126中的镶齿124与地层的侧壁接合用以维持井孔的直径。在此实施例中使用的镶齿124包括在径向端部表面126上的圆锥形镶齿1241和在规径区域中的多面体镶齿1242。根据所需的地层相互作用，还可使用其它形状的切割元件，如本领域中已知的波状的、凿形的、半圆形顶部等。
[0054]现在参考图5A和5B，示出了钻头的两个不同的透视图。如图5A和5B中所示，钻头100具有钻头本体102，在钻头本体102的一端处具有面104，在钻头本体102的相反的一端处具有连接端部106用于将钻头100固定到钻柱(未示出)。多个切割本体110可旋转地附连到钻头本体102的面104上。在图5A-5B中示出的实施例中，多个旋转切割本体110中的每一个均具有轴线，该轴线大体上平行于(或精确地平行于)其它旋转切割本体的轴线，且还大体上平行于(或精确地平行于)钻头的纵向轴线；但是，可以想象，一些实施例也可以包含这样附连到钻头的旋转切割本体:它们的轴线可以相对彼此偏斜。旋转切割本体110可附连到钻头本体(例如通过参看图3A-3B描述的机构)或它们可包括延伸到形成在钻头本体102的面104中的孔中的轴，如下文所描述的。
[0055]除了旋转切割本体110之外，图5A-5B中示出的钻头100还包括作为切割结构的、安装在钻头本体面104中的孔(未示出)中的多个镶齿136的固定结构。当从旋转到单个平面的视图观察时，在镶齿136与旋转切割本体110之间基本不存在径向重叠(从钻头中线)。如本文定义的，基本不存在径向重叠被定义为意味着小于切割型廓的总半径的10%的重叠。在实施例中，可以想象甚至更少的重叠，如小于5%的重叠或不存在重叠。在此实施例中示出的旋转切割本体110与在上文参看图3A-3B示出的和讨论的那些相同。嵌入到钻头本体102中的孔的镶齿136被示为具有轴线的圆锥形镶齿，该轴线大体上平行于彼此、平行于旋转切割本体110的轴线以及钻头100的中线。但是，还可想象，镶齿136可这样嵌入到孔中，使得每一个镶齿与围绕的钻头面正切地嵌入，且当钻头面具有此曲率时，镶齿不需要大体上平行。如示出的，多个镶齿136具有不同的尺寸，其中基本驻留在钻头中线(即，r0)处或与钻头中线重叠的镶齿136是最大的镶齿(直径和延伸尺度)。在其次最接近钻头中线的径向位置(即，处的镶齿136小于在 (ι处的中心镶齿136。在其次最接近钻头中线的径向位置(即，r2)处的镶齿136具有介于rQ处和1^处的镶齿136之间的中等尺寸。最后，在距钻头中线最远的径向位置(即，r3)处的镶齿136是最小的镶齿136，小于在1^处的镶齿136。镶齿136的细节(以及镶齿的几何形状)在下文更加详细的讨论。此外，径向向外从A到1*3移动，在每一个径向位置处的镶齿136的顶点的轴向位置增加，中心镶齿136具有最低的轴向顶点且在1*3处的镶齿具有最高的轴向顶点(当钻头向下朝向地层定向时)，因而中心键齿最先接触井底。 [0056]当所有的切割元件在旋转的单个平面中观察时，旋转切割本体110在大于r3的径向位置处附连到钻头面104，但是可以想象，位于旋转切割本体上的镶齿124的型廓可与r3处的镶齿136的型廓重叠。钻头本体102可延伸成凸耳或径向突出部138用以支持旋转切割本体110。在这样的方式中，钻头本体102保持波形，以允许间隔开的切割结构之间的最大流体流动。尽管图3和4中示出的钻头本体102也被波形化，但由于在前文说明的实施例中围绕钻头中线的旋转切割本体110紧凑，凸耳不像图5A-5B中示出的那样显著凸出。尽管图5A-5B中示出的钻头100具有两种类型的切割结构:旋转切割本体110和镶齿136，但只有旋转切割本体110有助于维持规径。规径保护元件140可沿着延伸到规径的钻头本体部分嵌入到钻头本体102中，用以沿着钻头本体的此部分帮助防止磨损。
[0057]进一步地，尽管图5A-5B中说明的旋转切割本体与图3A-3B中说明的是相同类型的，但也在本公开的范围之内的是，具有凸起部的旋转切割本体(如图4A-4B中示出的那些)可与说明的旋转切割本体110 —起使用或代替说明的旋转切割本体110。
[0058]现在参考图6A和6B，示出了钻头的两个不同的透视图。如图6A和6B中所示，钻头100具有钻头本体102，在钻头本体102的一端处具有面104，在钻头本体102的相反的一端处具有连接端部106用于将钻头100固定到钻柱(未示出)。多个切割本体110可旋转地附连到钻头本体102的面104上。在图6A-6B中示出的实施例中，多个旋转切割本体110中的每一个均具有轴线，该轴线大体上平行于(或精确地平行于)其它旋转切割本体的轴线，且还大体上平行于(或精确地平行于)钻头的纵向轴线；但是，可以想象，一些实施例也可以包含这样附连到钻头的旋转切割本体:它们的轴线可以相对彼此偏斜。旋转切割本体110可附连到钻头本体(例如通过参看图3A-3B描述的机构)或它们可包括延伸到形成在钻头本体102的面104中的孔中的轴，如下文所描述的。
[0059]除了旋转切割本体110之外，图6A-6B中示出的钻头100还包括作为切割结构的、从钻头本体102沿方位角方向延伸的刀片142的固定的切割结构。每一个刀片142包括多个切割器凹槽，切割器144可布置在所述切割器凹槽中。当从旋转到单个平面的视图观察时，在切割器144与旋转切割本体110之间基本不存在径向重叠(从钻头中线)(如上文所讨论)。在此实施例中示出的旋转切割本体110在单个钻头上包括两种类型的切割本体:如上文参看图3A-3B所示出和讨论的两个切割本体以及类似于参看图4A-4B所示出和讨论的一个切割本体。但是，代替具有相同类型的旋转切割本体，钻头也可具有图3A-3B中或图4A-4B中说明的那些中的任一个。应该注意，在图6A-6B中示出的具有凸起部130的旋转切割本体110不包括如图4A-4B中讨论的中心流体通道。类似于图5A-5B，由于固定的刀片142和切割器144的径向靠内设置，只有旋转切割本体110 (与规径保护元件140 —起)有助于在此说明的实施例中维持规径。
[0060]现在参考图7A和7B，示出了钻头的两个不同的透视图。如图7A和7B中所示，钻头100具有钻头本体102，在钻头本体102的一端处具有面104，在钻头本体102的相反的一端处具有连接端部106用于将钻头100固定到钻柱(未示出)。多个切割本体110可旋转地附连到钻头本体102的面104上。在图7A-7B中示出的实施例中，多个旋转切割本体110中的每一个均具有轴线，该轴线大体上平行于(或精确地平行于)其它旋转切割本体的轴线，且还大体上平行于(或精确地平行于)钻头的纵向轴线；但是，可以想象，一些实施例也可以包含这样附连到钻头的旋转切割本体:它们的轴线可以相对彼此偏斜。旋转切割本体110可附连到钻头本体(例如通过参看图3A-3B描述的机构)或它们可包括延伸到形成在钻头本体102的面104中的孔中的轴，如下文所描述的。
[0061]除了旋转切割本体110之外，图7A-7B中示出的钻头100还包括作为切割结构的、从钻头本体102沿方位角方向延伸的刀片142的固定的切割结构。每一个刀片142包括多个切割器凹槽，切割器144可布置在所述切割器凹槽中。在此实施例中，刀片142延伸到钻头的规径处且可包括位于其上的规径保护元件142。当从旋转到单个平面的视图观察时，与图6A-6B中示出的实施例相反，在切割器144与旋转切割本体110之间存在实质的径向重叠(从钻头中线)。如本文定义的，“实质的径向重叠”被定义为意味着大于切割型廓的总半径的10%的重叠。在实施例中，还可以想象大于25%的重叠、或大于50%的重叠。
[0062]在此实施例中示出的旋转切割本体110在单个钻头上包括单个类型的切割本体:具有多个围绕旋转切割本体110在方位角上间隔开的凸起部130的切割本体110，如参看图4A-4B示出和讨论的。但是，也在本公开的范围之内的是，图3A-3B中示出的类型的旋转切割本体110可与说明的旋转切割本体110 —起使用或代替说明的旋转切割本体110。进一步地，图7A-7B中示出的旋转切割本体110与图4A-4B中说明的那些不相同。相反，除了延伸通过径向端部128与规径区域126且具有位于其上的镶齿124的凸起部130之外，图7A-7B的旋转切割本体110还包括仅仅延伸通过规径区域126且其上没有布置切割元件的凸起部130-1。此凸起部130-1可包括位于其上的规径垫或其它耐磨材料，如钻头领域中普通技术人员所知的。因此，凸起部130上的镶齿124、凸起部130-1、以及刀片144的规径区域146中的切割器142均有助于在此说明的实施例中维持规径。还应注意，图7A-7B中说明的旋转切割本体110还可用在任何上文描述的具有位于其上的旋转切割本体110的钻头的实施例中。进一步，也在本公开的范围之内的是，图7A-7B的钻头110可具有图3A-3B、4A-4B.7A-7B中说明的以任何组合方式或单独使用的旋转切割本体中的任何一个。
[0063]示出的间隔开地存在于凸起部130之间的流体开口 134(具有任选的液压构件，如喷嘴(未示出))被提供在旋转切割本体上，其可允许钻井液流动通过且向上流过延伸通过旋转切割本体110的流动通道。流体开口 134可用于清洁和冷却钻头100上的切割结构，包括固定的切割结构的切割器144和在旋转切割本体110上的旋转切割结构，以及针对井底用于潜在钻屑的去除。在一个实施例中，流体开口 134可被设计为具有特别的方位，用以当切割本体110旋转时将流体直接扩散在切割器面上。此外，钻头面104还可设有流体开口 135(以及任选的液压构件)用以在液压清洁、冷却以及钻屑去除方面辅助流体开口 134。
[0064]现在参考图8A和8B，示出了钻头的两个不同的透视图。如图8A和8B中所示，钻头100具有钻头本体102，在钻头本体102的一端处具有面104，在钻头本体102的相反的一端处具有连接端部106用于将钻头100固定到钻柱(未示出)。多个切割本体110可旋转地附连到钻头本体102的面104上。在图8A-8B中示出的实施例中，多个旋转切割本体110中的每一个均具有轴线，该轴线大体上平行于(或精确地平行于)其它旋转切割本体的轴线，且还大体上平行于(或精确地平行于)钻头的纵向轴线；但是，可以想象，一些实施例也可以包含这样附连到钻头的旋转切割本体:它们的轴线可以相对彼此偏斜。旋转切割本体110可附连到钻头本体(例如通过参看图3A-3B描述的机构)或它们可包括延伸到形成在钻头本体102的面104中的孔中的轴，如下文所描述的。
[0065]除了旋转切割本体110之外，图8A-8B中示出的钻头100还包括作为切割结构的、从凸起的本体结构体150沿方位角方向延伸的刀片142的固定的切割结构，该凸起的本体结构体150从钻头本体102的面104轴向延伸。每一个刀片142包括多个切割器凹槽，切割器144可布置在所述切割器凹槽中。类似于图5A-5B，由于固定的刀片142和切割器144的径向靠内设置，只有旋转切割本体110有助于在此说明的实施例中维持规径。当从旋转到单个平面的视图观察时，在切割器144与旋转切割本体110之间基本不存在径向重叠(从钻头中线)(如上文所讨论的)。但是，在一些实施例中，在切割器与旋转切割本体之间存在径向重叠(从钻头中线)。
[0066]如图8A-8B中说明的，旋转切割本体110具有多个沿方位角方向间隔开的凸起部，该凸起部从径向端部表面128延伸通过规径区域126。不像图4A-4B中说明的旋转切割本体110，图8A-8B的旋转切割本体110具有金刚石孕镶切割肋。不同的金刚石级的微粒可孕镶到旋转切割本体的肋中(如天然的金刚石和/或合成的金刚石、热稳定的多晶金刚石)，或可包括立方氮化硼、碳化硅、和/或本领域中已知的其它超磨料颗粒，并且尺寸可在例如从0.01至2.0mm变化。还应注意，在图8A-8B中说明的旋转切割本体110还可用在任何上文描述的上面具有旋转切割本体110的钻头的实施例中。进一步，也在本公开的范围之内的是，图8A-8B的钻头110可具有图3A-3B、4A-4B、7A-7B、以及8A-8B中说明的以任何组合方式或单独使用的旋转切割本体中的任何一个。
[0067]现在参考图9A和9B，示出了钻头的两个不同的透视图。如图9A和9B中所示，钻头100具有钻头本体102，在钻头本体102的一端处具有面104，在钻头本体102的相反的一端处具有连接端部106用于将钻头100固定到钻柱(未示出)。多个切割本体110可旋转地附连到钻头本体102的面104上。在图9A-9B中示出的实施例中，多个旋转切割本体110中的每一个均具有轴线，该轴线大体上平行于(或精确地平行于)其它旋转切割本体的轴线，且还大体上平行于(或精确地平行于)钻头的纵向轴线；但是，可以想象，一些实施例也可以包含这样附连到钻头的旋转切割本体:它们的轴线可以相对彼此偏斜。旋转切割本体110可附连到钻头本体(例如通过参看图3A-3B描述的机构)或它们可包括延伸到形成在钻头本体102的面104中的孔中的轴，如下文所描述的。
[0068]除了旋转切割本体110之外，多个切割结构进一步包括安装在轴颈(未示出)上的常规的牙轮152，该轴颈向下且从腿部154径向向内延伸，该腿部154从钻头面104延伸。示出的牙轮152具有与牙轮一体化的铣齿，但是也在本公开的范围之内的是，牙轮152可具有镶齿，其被挤压适配到形成在牙轮中的镶齿孔中。
[0069]如图9A和9B中说明的旋转切割本体110是圆柱形本体。多个镶齿124布置在圆柱形旋转切割本体110的径向端部面128和圆周侧面或规径表面126上。示出的布置在圆柱形旋转切割本体上的所有的镶齿124是圆锥形镶齿(其将在下文更详细讨论)，但是也在本公开的范围之内的是，还可使用其它形状的切割元件。进一步，也在本公开的范围之内的是，图9A-9B的钻头110可具有图3A-3B、4A-4B、7A-7B、8A-8B以及9A-9B中说明的以任何组合方式或单独使用的旋转切割本体中的任何一个。
[0070]现在参考图1OA和10B，示出了钻头的两个不同的透视图。如图1OA和IOB中所示，钻头100具有钻头本体102，在钻头本体102的一端处具有面104，在钻头本体102的相反的一端处具有连接端部106用于将钻头100固定到钻柱(未示出)。多个切割本体110可旋转地附连到钻头本体102的面104上。在图10A-10B中示出的实施例中，多个旋转切割本体110中的每一个均具有轴线，该轴线大体上平行于(或精确地平行于)其它旋转切割本体的轴线，且还大体上平行于(或精确地平行于)钻头的纵向轴线；但是，可以想象，一些实施例也可以包含这样附连到钻头的旋转切割本体:它们的轴线可以相对彼此偏斜。旋转切割本体110可附连到钻头本体(例如通过参看图3A-3B描述的机构)或它们可包括延伸到形成在钻头本体102的面104中的孔158中的轴156，如下文在图1OB中说明的且在图11中更详细描述的。
[0071]除了旋转切割本体110之外，图10A-10B中示出的钻头100还包括作为切割结构的、从钻头本体102沿方位角方向延伸的刀片142的固定的切割结构。每一个刀片142包括多个切割器凹槽，切割器144可布置在所述切割器凹槽中。当从旋转到单个平面的视图观察时，在切割器144与旋转切割本体110之间基本不存在径向重叠(从钻头中线)(如上文所讨论的)。
[0072]在此实施例中示出的旋转切割本体110均包括从径向顶端表面延伸到规径侧区域的凸起部130，但是没有凸起部130具有布置在其上的镶齿或其它切割元件。当然，凸起部130自身旨在接合地层。旋转切割本体110可具有螺旋部130-1或直线部130-2。进一步，也在本公开的范围之内的是，图10A-10B的钻头110可具有图3A-3B、4A-4B、7A-7B、8A-8B、9A-9B以及10A-10B中说明的以任何组合方式或单独使用的旋转切割本体中的任何一个。[0073]现在参考图11，示出了将旋转切割本体110附连到钻头本体102的一个实施例。图23-25分别示出了附连到钻头本体102的旋转切割本体110的分解视图、钻头100的侧透视图及钻头100的顶透视图。如示出的，旋转切割本体110包括轴向远离径向端部表面128延伸的轴156，该径向端部表面128暴露到环境中。轴156存在于形成在钻头本体102之内的孔158中。轴156 (以及旋转切割本体110)由多个保持滚珠160保持在孔158中，该保持滚珠160通过滚珠通道162导入且由滚珠保持器(未示出)保持在形成在轴156与钻头本体102之间的滚珠轨道之内。
[0074]轴承座套、嵌体、或类似物(未示出)可布置在形成在轴156的径向支承表面166、168与钻头本体102之间的轴承座套壳体164中。推力轴承(未示出)可布置在形成在轴156的轴向支承表面172、174与钻头本体102之间的推力轴承壳体170中。润滑油储蓄器176可将润滑剂或润滑油提供到支承表面。第一密封套178邻近钻头本体102的面104形成在旋转切割本体110的轴156与钻头本体102之间，且密封件布置在密封套之内用以使循环的井流体远离轴156与钻头本体102之间的支承表面，并且用以将润滑剂或润滑油保留在轴承壳体之内。
[0075]—些实施例可用于将钻井液泵送通过旋转切割本体110且离开提供在旋转切割本体的表面上的旋转切割本体上的开口。在此情况中，轴156的端部可包括通到延伸通过轴156的通路的开口 182，流体可以流动通过该通路。将流体从流体增压器(未示出)通过形成在钻头本体102中的流体通道184递送到开口。在将井眼流体提供到轴156中的开口182的情况下，第二密封套180 (以及相应的密封件)可密封支承表面用以将润滑剂保持在轴承壳体内并使井眼流体远离轴承壳体。本领域普通技术人员将理解，可存在支承结构和保持机构的一些变型并且其仍处于本公开的范围之内。进一步，如上文提及的，具有保持在形成在钻头本体之内的孔158之内轴156的旋转切割本体110可用于任何上文描述的钻头中。也在本公开的范围之内的是，开口(以及相应的液压构件)可包括在钻头本体上，如本领域普通技术人员所知的。
[0076]图15示出了根据本公开的实施例的在旋转切割本体110与钻头本体102之间具有机械密封组件200的钻头。旋转切割本体110包括轴向远离旋转切割本体110的径向端部表面128延伸的轴156。轴156存在于形成在钻头本体102内的孔158中，且由多个保持滚珠160保持在孔158中。轴承座套165布置在形成在轴156的径向支承表面166、168与钻头本体102之间的轴承座套壳体中。推力轴承175布置在形成在轴156的轴向支承表面172、174与钻头本体102之间的推力轴承壳体中。润滑油储蓄器176可将润滑剂或润滑油提供到支承表面，压力补偿子组件可用于平衡外部井孔流体与由润滑油储蓄器提供的润滑剂之间的压力。机械密封组件200可邻近钻头本体102的面104位于旋转切割本体100的轴156与钻头本体102之间。
[0077]示出的根据本公开的一些实施例的机械密封组件200装配在图16A中的钻头之内，且图16B中提供详细的视图。如图16A中所示，机械密封组件200邻近钻头本体102的面104布置在旋转切割本体110与钻头102之间。如图16B中所示，机械密封组件200包括两个密封环202、204以及弹性体增能器206。特别地，第一密封环204邻近于切割本体110，弹性体增能器206邻近于钻头本体102，第二密封环202布置在第一密封环204与弹性体增能器206之间。弹性体增能器206可促使第一和第二密封环204、202彼此接触用以维持良好的液压密封表面。如示出的，第一密封环204在界面表面203处接触第二密封环202。
[0078]根据一些实施例，第一密封环204与第二密封环202之间的接触区域的横截面宽度可小于0.4英寸。例如，在一些实施例中，接触区域的宽度可选自在0.1与0.3英寸之间的宽度。第一和第二密封环的界面表面的几何形状可改变以减少其间的接触区域。例如，如图16B中所示，第一密封环204的界面表面的边缘可被倒角205以减少与第二密封环202的界面表面的接触区域。有利地，两个密封环之间的低的接触区域可在它们相对彼此旋转时减少两个密封环之间的摩擦量。进一步，通道208可形成在旋转切割本体110与钻头本体102之间且延伸到机械密封组件200，因而由润滑油储蓄器提供的润滑剂可到达接触区域，这可帮助减少第一密封环204与第二密封环202之间的界面203处的摩擦。
[0079]弹性体增能器206可用于防止第二密封环202与弹性体增能器206之间的相对运动。根据一些实施例，O形环209还可布置在第二密封环202与钻头本体102之间且邻近于弹性体增能器206，这可帮助防止第二密封环202关于弹性体增能器206的旋转。因此，在具有弹性体增能器和提供大体静止的第二密封环202的O形环的实施例中，第一密封环204可与旋转切割本体共同沿着第一与第二密封环之间的界面表面203旋转，从而在旋转切割本体110与钻头本体102之间形成动态密封。应该注意的是，尽管上文的描述和相应的附图示出了两个独立的密封环(第一密封环204和第二密封环202)，但本公开的机械密封组件可仅仅具有一个独立的密封环(即，形成密封组件的独立的、单独部件的密封环)。例如，根据一些实施例，第一密封环204可与旋转切割本体110 一体形成，而第二密封环202是布置在第一密封环204与弹性体增能器206之间的单独部件。
[0080]根据本公开的实施例的机械密封组件200的另一个实例在图17A中示出，且装配在钻头内，图17B中将提供详细视图。如图17A中所示，机械密封组件200邻近钻头本体102的面104布置在旋转切割本体110与钻头102之间。如图17B中所示，机械密封组件200包括两个密封环202、204以及弹性体增能器206且不包括O形环。特别地，第一密封环204邻近于切割本体110，且布置在形成在切割本体110中的接收凹槽201内。弹性体增能器206布置成邻近于钻头本体102，且第二密封环202布置在第一密封环204与弹性体增能器206之间。弹性体增能器206可促使第一和第二密封环204、202彼此接触用以维持良好的动态密封表面。如示出的，第一密封环204在界面表面203处接触第二密封环202。此外，第一密封环204可与旋转切特本体110 —体形成，或可是单独的、独立的部件。
[0081]根据本文公开的实施例的弹性体增能器可包括含氟弹性体、全氟弹性体、高饱和腈、或它们的组合。根据本文公开的实施例的密封环可包括金属合金和/或本领域中已知的超硬材料。例如，一个或多个密封环可包括碳化钨、碳化硅、多晶金刚石、或它们的组合。而且，根据一些实施例，第一密封环和第二密封环中的至少一个可在它们之间具有金刚石涂层。
[0082]有利地，因为形成密封环的材料的耐磨性远远高于常规使用的弹性体密封件的耐磨性，因此，本文公开的机械密封组件特别有用于正常或高旋转(rpm，每分钟转数)应用中的牙轮钻头。例如，常规的牙轮钻头设计使用O形环/弹性体来防止润滑剂从支承表面周围泄露以及防止研磨钻井液进入牙轮与轴颈之间和毁坏支承表面。牙轮钻头的每一个单独的牙轮或切割器可以钻头本体的旋转速度大约三倍的速度旋转。因此，O形环/弹性体密封件的耐磨性将限制牙轮钻头在正常和高速应用中的性能。然而，本公开的机械密封组件使用金属和/或超硬材料密封环来提供动态密封，同时弹性体增能器环将密封环支撑以接触而不是提供密封。因此，尽管用于牙轮钻头中的润滑系统的常规使用的弹性体密封件易于在高rpm应用期间失效，但本文公开的机械密封组件可用在正常速度rpm应用以及高速度rpm (例如IOOOrpm或更大)应用中。
[0083]密封组件的上文描述针对的是密封的支承和润滑系统。但是，根据本公开的其它实施例，可以使用开式支承系统。参考图18，示出了具有开式支承系统(没有使用密封件的支承系统)的钻头100的分解视图。钻头100具有多个附连到钻头本体102的旋转切割本体110，其中，旋转切割本体110包括轴向远离径向端部表面128延伸的轴156，该径向端部表面128暴露到环境中。轴156存在于形成在钻头本体102之内的孔158中。轴156(以及旋转切割本体110)由多个保持滚珠160保持在孔158中，该保持滚珠160通过滚珠通道导入，且由滚珠保持器(未示出)保持在形成在轴156与钻头本体102之间的滚珠轨道之内。保持滚珠可由例如钢、陶瓷及如碳化物的硬质材料形成。例如，保持滚珠可由耐磨材料涂覆或被渗碳。进一步地，如图11、15和18中示出的保持滚珠用于保持本文公开的任何旋转切割本体。
[0084]开式支承系统包括围绕旋转切割本体110的轴156的圆周延伸的径向支承表面310和围绕径向支承表面310布置的轴承座套320。轴承座套可布置在形成在轴156的径向支承表面310与钻头本体102之间的轴承座套壳体中。开式支承系统还包括布置在形成在轴156的轴向支承表面172、174与钻头本体102之间的推力轴承壳体中的推力轴承330，其中，该推力轴承包括至少两个轴承环332、334。如示出的，多个磨损钮340可布置在两个轴承环332、334之间。但是，根据其它的实施例，如下文描述的，可在两个轴承环之间提供其它磨损表面。在具有两个轴承环332、334的推力轴承中，邻近于轴156的轴承环332可与轴156 —起旋转，而邻近于钻头本体102的轴承环334可不相对于轴156移动。因此，两个轴承环332、334相对于彼此在其间的界面处旋转。在具有两个轴承环和布置在两个轴承环332、334之间的磨损钮340或磨损环(下文描述)的推力轴承中，旋转在磨损钮或磨损环之间发生。
[0085]现在参考图19A-19C，示出了围绕旋转切割本体110的轴156的圆周延伸的径向支承表面310的各种实施例。根据本公开的实施例的径向支承表面310可包括具有各种形状和尺寸的磨损钮340。例如，如图19A中所示，多个圆形的磨损钮340可围绕旋转切割本体110的轴156以相等地间隔分开的行布置，以形成径向支承表面310。在图19B中，多个柱形的磨损钮340围绕旋转切割本体110的轴156均匀地间隔分开，以形成径向支承表面310。在图19C中，圆形和柱形混合的磨损钮340围绕旋转切割本体110的轴156间隔分开，以形成径向支承表面310。但是，还可使用其它形状和尺寸的磨损钮来形成径向支承表面。此外，磨损钮可相等地或不等地围绕旋转切割本体的轴间隔开。进一步地，如图19A-19C所示，磨损钮340可布置在轴156的表面内，使得磨损钮可与轴156的表面平齐，以形成大体上光滑的径向支承表面310。可选地，磨损钮可围绕轴的圆周布置，使得磨损钮从轴的表面突出，从而形成不平坦的径向支承表面。
[0086]现在参考图20A和20B，示出了根据本公开的实施例的轴承座套320。如图20A所示的，轴承座套可由耐磨材料整体制成或由耐磨材料涂覆。耐磨材料可包括例如硼化物、氮化物、碳化物(如碳化钨和碳化硅)以及多晶金刚石、或它们的组合。根据其它实施例，如图20B中所示的，如上文所描述的，轴承座套可具有磨损钮340，它们布置在轴承座套320的内部表面321上。磨损钮340可围绕轴承座套320的内部表面相等地间隔开。进一步地，轴承座套可具有耐磨材料或钢基体和由碳化物(如碳化钨和碳化硅)、氮化物、硼化物、和/或金刚石制成的磨损钮。可以用在根据本公开的实施例的轴承座套中的碳化物材料的实例包括粗晶碳化物，例如具有从6到12微米的平均晶粒尺寸和从5%到30%的结合剂含量的碳化物。根据一些实施例，轴承座套还可包括金刚石，如本领域中已知的多晶金刚石或金刚石复合物，例如金刚石与碳化硅复合物或金刚石与碳化钨复合物。
[0087]现在参考图21A-21D，示出了使用在根据本公开的几个实施例的推力轴承中的轴承环334。如图21A中示出的，用于形成推力轴承中的一个或多个轴承环的轴承环334可由耐磨材料整体制成或可由耐磨材料涂覆的钢基体制成或被渗碳。例如，轴承环334可由碳化物材料、例如碳化钨或碳化硅、或其上具有金刚石涂层的碳化物材料制成。其它可用于形成推力轴承的轴承环的耐磨材料在上文针对轴承座套被描述。在一些实施例中，如图21B中所示，轴承环334可具有布置在其上的磨损钮340。磨损钮340可由耐磨材料制成，如上文所描述的，例如碳化物材料、如碳化钨或碳化硅，或金刚石材料、如多晶金刚石或金刚石/碳化物复合物。磨损钮340可围绕与第二轴承环(未示出)界接的表面相等地间隔开。但是，根据本公开的一些实施例，推力轴承可由三个轴承环制成，其中，一个轴承环是布置在另外两个轴承环之间的磨损环。例如，如图21C和21D中所示的，磨损环341布置在用在推力轴承组件中的轴承环334上。磨损环341可包括耐磨材料，如用于磨损钮的耐磨材料。进一步地，磨损环341可具有一致的高度，如图21C中所示。可选地，如图21D中所示，磨损环341可具有形成在其中的沟槽342，该沟槽342从内部表面331径向延伸到外部表面333。当形成有沟槽342的磨损环341布置在两个轴承环334之间以形成推力轴承时，沟槽342可提供流动通道用于使润滑剂流动通过，这可冷却推力轴承构件。
[0088]现在参考图22，示出了根据本公开的一些实施例的磨损钮340的各种形状和尺寸。例如，磨损钮340可以是柱形、矩形、三角形、圆形或具有多边形形状，如六边形。但是，也可使用图22中示出的形状以外的形状来形成磨损钮340。如上文讨论的，在开式支承系统中磨损钮340可沿着支承表面、如在旋转切割本体轴的径向支承表面上、轴承座套上、以及在推力轴承的轴承环之间使用。
[0089]根据本公开的一些实施例的具有大体上(或精确地)与钻头本体的旋转轴线平行定位的旋转切割本体的钻头可以以相对于钻头本体的旋转轴线以一定角度定位的切割本体(如常规的安装到从钻头腿部延伸的轴颈的牙轮)的大约2到3倍的速度旋转。因此，通过提供具有本文公开的可耐受高rpm应用的支承系统(如上文描述的机械密封组件或开式支承系统)的这种钻头，钻头可具有更长的钻井寿命。
[0090]上文讨论的很多实施例提及了圆锥形镶齿124和136。如图12中所示，此镶齿可在基体186 (如硬质碳化钨基体)上具有金刚石层184，其中，金刚石层184形成圆锥形金刚石工作表面。具体地讲，圆锥形几何形状可包括与顶点的弯曲部切向接合的侧壁。圆锥形切割元件124、136可在与形成金刚石增强镶齿(用在牙轮钻头中)中使用的工艺类似的工艺中形成，或可通过构件铜焊在一起形成。金刚石层184与基体186之间的界面(未单独示出)可是非平面或不均匀的，例如用以在操作中辅助减少金刚石层184从基体186的脱离意外且改善元件的强度和耐冲击性。本领域技术人员将理解，界面可包括一个或多个凸出部或凹入部，如现有技术中已知的非平面界面。此外，本领域技术人员将理解，一些非平面界面的使用可允许在层的顶端区域中具有更大厚度的金刚石层。进一步地，可希望的是，产生这样的界面几何形状，使得金刚石层在重要区域最厚，该重要区域围绕金刚石增强元件与地层之间的主接触区域。额外的形状和界面可用于本公开的金刚石增强元件。进一步地，金刚石层184可由任何多晶超磨料材料形成，该多晶超磨料材料包括例如多晶金刚石、多晶立方氮化硼、热稳定多晶金刚石(通过由金属、如钴形成的多晶金刚石的热处理，或采用具有比钴更低的热膨胀系数的金属形成的多晶金刚石的热处理形成)。
[0091]如上文所提及的，圆锥形切割元件的顶点可具有弯曲部，其包括如图12中示出的曲率半径R。在一个实施例中，曲率半径的范围可从大约0.010到0.180英寸或从大约0.040到0.120英寸。一些实施例的曲率半径可从下限:0.01,0.02,0.04,0.06,0.08、和0.10中的任一个到上限:0.08,0.10,0.12、0.014、0.016、和0.018中的任一个之间变化。在一些实施例中，弯曲部可包括可变曲率半径:抛物线的一部分、双曲线的一部分、悬链线的一部分、或样条曲线的一部分。进一步地，参考图12，圆锥形端部的锥角α可变化，且可基于待钻的特殊地层进行选择。在一个实施例中，锥角α可从大约30到大约120度变化，或从大约60到大约90度变化。一些实施例的锥角α可从下限:30、40、50、60、70、和80度中的任一个到上限:60、80、70、90、100、和120度中的任一个之间变化。
[0092]此外，圆锥形切割元件可具有如下特征:具有圆锥形部(延伸部)和圆柱形部(握持部)。圆锥形部的相对延伸高度可表示为圆锥形部的高度HO与镶齿的总高度Η(圆锥形部和圆柱形部)的比例。在实施例中，Η0/Η可从大约0.1到大约0.7或从0.2到0.5变化。一些实施例的HQ/H可从下限:0.1、0.2、0.3、0.4、和0.5中的任一个到上限:0.3、0.4、0.5、
0.6、和0.7中的任一个之间变化。圆锥形镶齿的外部直径可从大约0.1到大约1.25英寸或从大约0.25到大约0.875英寸之间变化。
[0093]如上文提及的，金刚石层184可由多晶金刚石(P⑶)形成，其中P⑶包括金刚石的多晶块体(通常为合成的)，该金刚石结合在一起(通过催化剂的使用)以形成一体的、硬的、高强度的块体或晶格。所得的PCD结构产生增强的耐磨性和硬度，从而使得PCD材料在需要高水平的耐磨性和硬度的侵蚀性磨碎和切割应用中是非常有用的。使用在形成圆锥形镶齿的PCD中的催化剂含量可从2到35质量百分比之间变化(预混合或从基体渗入或它们的组合)，其中，P⑶颗粒尺寸从0.2到50微米变化。P⑶层的厚度可通常从大约0.012到大约0.400英寸变化。进一步地，如使用在金刚石增强镶齿中的过渡层可与金属、金刚石、以及金属碳化物的不同组合一起使用。
[0094]基体186可由合适的材料、如碳化钨、碳化钽、或碳化钛形成。此外，不同的结合金属、如钴、镍、铁、金属合金或它们的混合物可以包括在基体中。在基体中，金属碳化物颗粒被支撑在金属结合剂(如钴)之内。基体中的钴(或其它金属)可从大约2到35重量百分比变化，平均碳化物颗粒尺寸可通常从大约0.2到35微米变化。
[0095]上文公开的各种实施例涉及刀片142上的切割器144的使用。本文涉及的切割器144包括结合至基体材料的多晶金刚石(PCD)(或其它的超硬材料)的压紧体，其通常是烧结的金属碳化物。PDC切割器常规地通过将烧结的碳化物基体放置到压制机的容器中而形成。将金刚石晶粒或金刚石晶粒与催化剂结合剂的混合物放置在基体之上，且在高压、高温条件下处理。如此操作后，金属结合剂(通常是钴)从基体迁移，且通过金刚石晶粒，以促进金刚石晶粒之间的交互生长。结果，金刚石晶粒变得彼此结合以形成金刚石层，该金刚石层进而一体地结合至基体。基体通常包括金属碳化物复合材料，例如碳化钨-钴。沉积的金刚石层通常称为“金刚石面”、“研磨层”或“超硬层”。
[0096]可用于形成“超硬层”的材料可包括常规的多晶金刚石面(一层互相连接的金刚石微粒，金刚石微粒之间具有间隙空间，该间隙空间中可存在金属组分(例如金属催化剂)、热稳定金刚石层(即，具有比常规多晶金刚石750°C更大的热稳定性)，该热稳定金刚石层例如通过从互相连接的金刚石微粒之间的间隙空间大体上去除所有金属来形成、或由金刚石/碳化硅复合物、或其它超硬材料(例如立方氮化硼)形成。
[0097]切割面布置在其上的基体可由多种硬的或超硬的微粒形成。在一个实施例中，基体可由合适的材料如碳化钨、碳化钽或碳化钛形成。此外，各种结合金属、例如钴、镍、铁、金属合金或它们的混合物可以包括在基体中。在基体中，金属碳化物颗粒支撑在金属结合剂(如钴)内。此外，基体可由烧结的碳化钨复合材料结构形成。已知，除了碳化钨和钴之外，还可以使用各种金属碳化物复合物和结合剂。因此，使用碳化钨和钴的说明仅仅是为了说明的目的，而不旨在限制所使用的基体或结合剂的类型。
[0098]现在参考图13A-13B，示出了多面体镶齿1242的实施例。如图13A-13B中示出的，镶齿1242具有握持区域190和延伸部192。握持区域190大体上是圆柱形且延伸到形成在旋转切割本体中的孔中(未示出)且可由干涉配合保持在其中。延伸部192包括大体上平坦的磨损表面194和在磨损表面194与圆柱形握持区域190之间延伸的多个面196。如图13A-13B中示出的，磨损表面194是四边形的且因此四个面196在磨损表面194与握持区域190之间延伸；但是本公开不限于此。当然，也在本公开的范围之内的是，磨损表面194可具有三个或多于四个的边，其中相应数目的面从它们延伸。进一步地，如图13A-13B中所示，磨损表面194可从顶部198倾斜(不相对于镶齿轴线垂直)，根据磨损表面194的方位，该顶部可包括一个点或一个边缘。此外，也在本公开的范围之内的是，具有其它各种形状和尺寸的面和过渡表面的镶齿可用在旋转切割本体的规径区域上来代替图13A-13B中示出的多面体镶齿1242。
[0099]现在参考图14，就运动学运动分析而言，示出了位于旋转切割本体上的圆锥形镶齿的切割轨迹的实例。图14中示出的轨迹是位于旋转切割本体上的单个圆锥形镶齿的，其以1:3.5的旋转比率(整个钻头:旋转切割本体)旋转。该轨迹显示:圆锥形镶齿连续地在井孔底部在投影平面上沿着非常规路径切割地层。与此相反，固定在刀片上的切割器将沿着固定的圆形路径旋转。改变旋转比率可允许每一个镶齿的轨迹变化，对改变ROP或其它钻井变量具有低的随从性。
[0100]本文公开的钻头可使用涡轮组件旋转，该涡轮组件附连到且旋转钻柱和连接的钻头。与本公开的钻头一起使用的涡轮组件可包括例如冲击或反作用式涡轮，且可包括(直接或间接地)刚性附连到钻柱的涡轮桨叶。钻井液可被泵入井眼中且通过涡轮组件用以提供旋转动力。进一步地，本领域中已知的其它涡轮组件也可用于旋转本公开的钻头。例如，在一些实施例中，涡轮组件可放置在钻柱中，其中，涡轮组件包括定子和转子。转子可包括随着钻井液流动通过桨叶而旋转的多个桨叶或叶片。定子可包括相对于转子桨叶以特定方向引导钻井液的多个流动通道。流动通道的形状和尺寸可设计为给予特别的流体流动速度和方向，因此实现涡轮转子的特别速度和最终实现钻头的旋转速度。在一些实施例中，定子可具有相对于转子保持静止的固定的流动通道。在其它实施例中，流动通道是可移动的，因此能够改变流动通过井眼的流体与涡轮的转子桨叶的接合角度。
[0101]本公开的实施例可以提供如下优点中的至少一个。本公开的钻头可提供新的切割机制，其可单独使用或与在钻头中使用的常规切割机制组合使用。引入新的可旋转或滚动结构可提供岩石去除机制的改变，这可在穿透率以及耐久性上具有效果。
[0102]虽然上文中只详细描述了少数的示例性实施例，但对于本领域技术人员来说将很容易理解，在示例性实施例中很多修改是可能的而不在实质上背离本发明。因此，所有这样的修改旨在被包括在下文的权利要求书所定义的本公开的范围内。在权利要求书中，装置加功能的表述旨在覆盖本文中描述的为执行所述功能的结构，且不仅是结构上的等同物，也是等同的结构。因此，虽然钉子和螺钉可能不是结构上的等同物，因为钉子采用圆柱形的表面将木制部件固定在一起；而螺钉采用螺旋的表面；但在紧固木制部件的环境中，钉子和螺钉可以 是等同的结构。除了在权利要求中与相关功能一起使用了词语“用于(meansfor) ”表述的情况外， 申请人:的明确意图不是援引35U.S.C § 112，段落6来对任何权利要求进行任何限制。
【权利要求】
1.一种钻头,包括: 钻头本体，其能够绕着纵向轴线旋转，且在一个端部处具有用于将所述钻头固定到钻柱的连接端部，而且在与所述连接端部相反的位置处具有一个面；以及 多个切割结构，包括: 至少一个固定切割结构，其布置在所述钻头本体的面上；以及 至少一个切割本体，其可旋转地附连到所述钻头本体的所述面； 其中，在多个切割结构旋转到单个平面的视图中，在所述至少一个固定切割结构与所述至少一个切割本体之间基本不存在径向重叠。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个固定切割结构包括至少一个刀片，所述至少一个刀片从所述钻头本体沿方位角方向延伸，且具有位于其上的多个切割器。
3.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个固定切割结构包括从所述面延伸的凸起结构体，所述凸起结构体具有从其沿方位角方向延伸的多个刀片，所述多个刀片具有位于其上的多个切割器。
4.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个固定切割结构包括切割元件，所述切割元件嵌入到形成在所述钻头本体中的嵌入孔中。
5.根据上述权利 要求中任一项所述的钻头，其中，所述多个切割结构包括多个切割本体，其中，所述多个切割本体中的每一个具有大体上平行的旋转轴线。
6.根据上述权利要求中任一项所述的钻头，其中，所述至少一个切割本体包括多个凸起部，所述多个凸起部围绕所述至少一个切割本体在方位角方向上间隔开。
7.根据上述权利要求中任一项所述的钻头，其中，所述至少一个切割本体包括位于其上的多个切割元件。
8.根据上述权利要求中任一项所述的钻头，其中，所述至少一个固定切割结构的切割表面与所述至少一个切割本体的切割表面具有轴向重叠。
9.根据上述权利要求中任一项所述的钻头，其中，所述至少一个切割本体的最低程度在轴向上位于所述至少一个固定切割结构的最低程度的上方。
10.根据上述权利要求中任一项所述的钻头，其中，所述至少一个切割本体包括轴，所述轴伸到形成在所述钻头本体的所述面中的孔中。
11.根据上述权利要求中任一项所述的钻头，其中，涡轮组件连接到所述钻柱。
12.—种钻头,包括: 钻头本体，其能够绕着纵向轴线旋转，且在一个端部处具有用于将所述钻头固定到钻柱的连接端部，而且在与所述连接端部相反的位置处具有一个面；以及 多个切割结构，包括: 多个切割本体，其可旋转地附连到所述钻头本体的所述面； 其中，所述多个切割本体中的每一个具有大体上平行的旋转轴线且具有轴向重叠的切割表面；以及 其中，所述钻头本体不具有从其沿方位角方向延伸的刀片。
13.根据权利要求12所述的钻头，进一步包括: 至少一个腿部，其从所述钻头本体的一个面延伸且具有形成在其上的轴颈；以及 其中，所述多个切割结构进一步包括可旋转地安装在所述轴颈上的至少一个牙轮。
14.根据权利要求12所述的钻头，其中，所述多个切割结构由所述多个切割本体组成。
15.根据权利要求12所述的钻头，其中，所述多个切割结构进一步包括切割元件，所述切割元件嵌入到形成在所述钻头本体中的嵌入孔中。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的钻头，其中，所述多个旋转切割本体包括圆柱形本体。
17.根据权利要求16所述的钻头，其中，所述圆柱形本体包括绕着所述圆柱形本体沿圆周布置的切割元件。
18.根据权利要求16或17所述的钻头，其中，所述圆柱形本体包括布置在其平坦表面上的切割元件。
19.根据权利要求12-18中任一项所述的钻头，其中，涡轮组件连接到所述钻柱。
20.—种钻头,包括: 钻头本体，其能够绕着纵向轴线旋转，且在一个端部处具有用于将所述钻头固定到钻柱的连接端部，而且在与所述连接端部相反的位置处具有一个面；以及 至少一个切割结构，包括: 至少一个切割本体，其可旋转地附连到所述钻头本体的所述面，其中，所述至少一个切割本体包括多个凸起部，所述多个凸起部围绕所述至少一个切割本体在方位角方向上间隔开。
21.根据权利要求20所述的钻头，其中，所述至少一个切割结构进一步包括至少一个刀片，所述至少一个刀片从所述钻头本体沿方位角方向延伸，且具有位于其上的多个切割器。
22.根据权利要求21所述的钻头，其中，在多个切割结构旋转到单个平面的视图中，在所述至少一个刀片与所述至少一个切割本体之间不存在径向重叠。
23.根据权利要求20所述的钻头，其中，所述至少一个固定切割结构包括从所述面延伸的凸起结构体，所述凸起结构体具有从其沿方位角方向延伸的多个刀片，所述多个刀片具有位于其上的多个切割器。
24.根据权利要求20所述的钻头，其中，所述至少一个固定切割结构包括切割元件，所述切割元件嵌入到形成在所述钻头本体中的嵌入孔中。
25.根据权利要求20-24中任一项所述的钻头，其中，所述多个切割结构包括多个切割本体，其中，所述多个切割本体中的每一个具有大体上平行的旋转轴线。
26.—种钻头,包括: 钻头本体，其能够绕着纵向轴线旋转，且在一个端部处具有用于将所述钻头固定到钻柱的连接端部，而且在与所述连接端部相反的位置处具有一个面，其中，所述面包括形成在其中的至少一个孔；以及 至少一个切割结构，包括: 至少一个切割本体，其可旋转地附连到所述钻头本体的所述面，其中，所述至少一个切割本体包括暴露端部和轴，所述轴伸入形成在所述钻头本体的所述面中的所述孔中。
27.根据权利要求26所述的钻头，其中，所述至少一个切割本体具有形成在其表面上的开口，所述开口流体连接到延伸通过所述暴露端部和所述轴的通道，以将流体从流体增压器引导到钻头外部。
28.根据权利要求26-27中任一项所述的钻头，其中，所述钻头进一步包括: 第一密封套，其邻近于所述钻头本体的所述面形成在所述至少一个切割本体的所述轴与所述钻头本体之间；以及 第一密封件，其布置在所述第一密封套中。
29.根据权利要求26-28中任一项所述的钻头，其中，所述钻头进一步包括: 第二密封套，其邻近于所述轴的所述暴露端部形成在所述至少一个切割本体的所述轴与所述钻头本体之间；以及 第二密封件，其布置在所述第二密封套中。
30.根据权利要求26-29中任一项所述的钻头，进一步包括: 轴承座套，其布置在形成在所述轴的径向表面与所述钻头本体之间的轴承座套壳体中。
31.根据权利要求26-31中任一项所述的钻头，进一步包括: 推力轴承，其布置在形成在所述轴的轴向表面与所述钻头本体之间的推力轴承壳体中。
32.根据权利要求26-32中任一项所述的钻头，进一步包括: 多个保持滚珠，其布置在形成在所述轴与所述钻头本体之间的滚珠轨道中。
33.根据权利要求26所述的钻头，进一步包括: 第一密封套，其邻近于所述钻头本体的所述面形成在所述至少一个切割本体的所述轴与所述钻头本体之间； 第一密封件，其布置在所述第一密封套中； 轴承座套，其布置在形成在所述轴的径向支承表面与所述钻头本体之间的轴承座套壳体中，且轴向邻近于第一密封套； 推力轴承，其布置在形成在所述轴的轴向支承表面与所述钻头本体之间的推力轴承壳体中，且轴向邻近于轴承座套； 润滑剂储蓄器，其与所述支承表面流体连接； 多个保持滚珠，其布置在形成在所述轴与所述钻头本体之间的滚珠轨道中，且轴向邻近于所述推力轴承； 第二密封套，其邻近于所述轴的所述暴露端部形成在所述至少一个切割本体的所述轴与所述钻头本体之间； 第二密封件，其布置在所述第二密封套中； 其中，所述至少一个切割本体具有形成在其表面上的开口，所述开口流体连接到延伸通过所述暴露端部和所述轴的通道，以将流体从流体增压器引导到钻头外部，且所述第二密封件将支承表面与流体密封隔离开。
34.根据权利要求26所述的钻头，进一步包括:机械密封组件，其布置在所述切割本体与所述钻头本体之间且邻近于所述钻头本体的所述面，其中，所述机械密封组件包括: 第一密封环，其邻近于所述切割本体； 弹性体增能器，其邻近于所述钻头本体；以及 第二密封环，其布置在所述第一密封环与所述弹性体增能器之间。
35.根据权利要求34所述的钻头，其中，所述第一密封环在界面表面处接触所述第二密封环，所述界面表面具有小于0.4英寸的宽度。
36.根据权利要求34所述的钻头，其中，所述弹性体增能器包括含氟弹性体、全氟弹性体、高饱和腈或它们的组合。
37.根据权利要求34所述的钻头，其中，所述第一密封环与所述切割本体为一体。
38.根据权利要求34所述的钻头，其中，所述第一密封环和所述第二密封环中的至少一个在它们之间具有金刚石涂层。
39.根据权利要求34所述的钻头，进一步包括:0形环，其布置在所述第二密封环与所述钻头本体之间且邻近于所述弹性体增能器。
40.根据权利要求26所述的钻头，进一步包括开式支承系统，其中，所述开式支承系统包括: 径向支承表面，其围绕所述轴的圆周延伸； 轴承座套，其围绕所述轴向支承表面布置； 推力轴承，其布置在所述轴与所述孔的底部之间，其中，所述推力轴承包括至少两个轴承环。
41.根据权利要求40所述的钻头，其中，所述径向支承表面、所述轴承座套和所述推力轴承中的至少一个包 括磨损钮。
42.根据权利要求40所述的钻头，其中，所述轴承座套包括碳化钨、碳化硅以及多晶金刚石中的至少一种。
43.根据权利要求40所述的钻头，其中，所述推力轴承包括三个轴承环，其中，一个轴承环是布置在其它两个轴承环之间的磨损环。
44.根据权利要求40所述的钻头，其中，磨损钮布置在所述推力轴承的两个轴承环之间。
45.根据权利要求26-44中任一项所述的钻头，其中，涡轮组件连接到所述钻柱。
【文档编号】E21B10/08GK103998707SQ201280062390
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年10月17日 优先权日:2011年10月18日
【发明者】Z·勇, J·吴 申请人:史密斯国际有限公司