[发明专利]旋转式刮刀钻头

说明书

优先权要求

本申请要求于2007年2月12日申请的美国临时专利申请第60/889,403号的优先权和权益，该美国临时专利申请全文引入作为参考。

技术领域

本发明大体上涉及旋转式刮刀钻头，以及特别地涉及用于具有大后倾角的保径部切削元件的旋转式刮刀钻头的改进系统、方法和装置。

背景技术

通常称为“刮刀钻头”的固定切削元件式钻地钻头不具有运动部件，并且采用硬质嵌入物阵列来随着钻头在井眼中旋转而刮削和剪切地层材料。根据现有技术的固定切削元件钻头上的嵌入物通常对齐排列成使得所述嵌入物从井眼底部刮削所述地层材料。为了产生刮削，嵌入物的纵向轴线通常相对于钻头端面呈小的锐角(例如0度到30度)。此种排列设置将圆柱状嵌入物的切削面设置成大致垂直于井眼底部。切削元件和所述地层之间的接触区域开始时非常小但是随着切削深度的加深而快速增加。

在操作期间钻头上的高冲击侧向载荷导致PDC切削元件上的金刚石和碳化钨组分之间界面处的非压缩性载荷。这导致钻头轮廓的上肩部和保径区域中的切削元件的破损和/或碎裂。由于各种不同的平面和非平面几何形状以及切削元件加工过程，在此分界面区域内存在高的残余应力。这样，希望有改进的技术方案来克服这些问题。

发明内容

本发明公开了用于具有大后倾角的保径部切削元件的固定切削元件式旋转钻头的系统、方法和装置的实施例。保径部位于所述钻头的从所述切削端延伸的外径侧壁部分处。所述保径部及其切削元件在钻进操作期间接触所述井眼的侧壁。

根据本发明，所述保径部切削元件能够构造成具有大约40度至70度的范围内的后倾角。对于切削元件破损是优先关注事项而侧向切削侵蚀性是低优先级的应用中，非常大的后倾角有助于在侧向冲击力较大时确保压缩性的切削元件载荷。

对于本领域的普通技术人员来说，在结合所附权利要求和附图阅读下面对本发明的详细说明的基础上，本发明的前述和其它目的和优点将是清楚的。

附图说明

通过参考在附图中示出的本发明的实施例，可以对上面简要总结的本发明作更具体的说明，且能够更详细地理解并得到本发明的特征和优点及其实现的方式。然而，所述附图仅仅示出了本发明的某些实施例而并非限制其范围，因为本发明可以容许其它等效实施例。

图1是根据本发明构造的钻头的一个实施例的立体图；

图2是根据本发明构造的图1的钻头的一半切削轮廓的示意图；

图3是切削元件工作的图示；

图4是示出常规后倾角的切削元件的侧视图；

图5是示出根据本发明构造的后倾角的切削元件的一个实施例的侧视图；以及

图6是示出根据本发明构造的后倾角的切削元件的另一实施例的侧视图。

具体实施方式

参见图1，其中示出固定切削元件式旋转钻头11的一个实施例。钻头11具有钻头轴线12以及用于连接至钻柱内的螺纹端13。

处于钻头11的大致另一端处的切削端15设有多个在切削端15周围设置的硬质切削元件17(例如多晶金刚石切削元件等)，以随着钻头11在井眼中旋转而实现地层材料的有效破裂。

如图5的实施例中所示出的，各切削元件17具有带轴线20的圆柱形基部19，并且固定在于切削端15上预先形成的凹窝21中，并且还具有接合所述地层材料的切削面23。如图所示的，切削元件17可以包括截锥形的切削端，所述截锥形的切削端形成临近切削面23的倒角。切削元件17在一定程度上如犁一样工作，其整体上将高百分比的地层材料从其平坦面向上引导。

现在参见图1和2，切削元件17在钻头11上的设置被构造成围绕钻头轴线12的整个切削轮廓25(图2中示出其大约一半)。当从钻头11的内径处的轴线12处开始朝着钻头11的外径移动(在图2中为从右向左)观察时，轮廓25包括各个区域，包含锥部27、前部29、肩部31以及保径部或者保径垫或保径面33。保径部33相对于钻头轴线12处在钻头体的径向最外部上。

保径部33基本上限定了钻头11的从切削端15延伸的平坦、外径侧壁部分(图1)。在通过钻头11进行钻进操作期间，保径部33及其切削部件接近并接触井眼的侧壁34(见图3)。如图1中所示，多个槽或沟道35(例如排屑槽)从切削端15延伸并穿过保径部33，以便提供用于去除由切削元件17形成的钻屑或碎片的间隙区域。