[发明专利]旋转刮刀钻头及其方法

说明书

优先权声明

本申请要求提交于2007年1月25日、名称为″旋转刮刀钻头″的美国临时专利申请序号60/897,457的提交日期的优先权，该申请的内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明在若干个实施例中通常涉及用于钻凿地下地层的旋转刮刀钻头，更特别地，涉及具有构造为提高切削件寿命和性能的不同切削件结构的辅助切削件的旋转刮刀钻头，包括其方法。

背景技术

数十年来，人们使用旋转刮刀钻头对地层进行钻进，已经在刮刀钻头顶冠上使用各种尺寸、形状和图案的天然和人工合成金刚石作为切削元件。刮刀钻头在许多地层中可以提供优于三牙轮钻头的钻进速度(ROP)。

在过去的几十年里，利用聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件或切削件提高了旋转刮刀钻头(drag bit)的性能，所述切削件包括在高温、高压条件下形成在碳化钨基底上的平面金刚石切削元件或台。PDC切削件形成为各种形状，包括圆形、半圆形或墓石形，这些是最常使用的结构。典型地，PDC金刚石台形成为使所述台的边缘与辅助的碳化钨基底共面或者所述台可以悬挂或略微底切，在所述台的后缘处形成″唇部″，以便在切削件进入被钻地层时提高其切削效率和延长其磨损寿命。已经证明，装有PDC切削件(例如，可以铜焊到钻头端面上的凹窝、从所述端面伸出的刀翼上的凹窝中，或者安装到插入钻头体中的柱块上)的钻头在钻进具有低到中等压缩强度的地下地层时可以非常有效地实现ROP。PDC切削件给钻头设计师提供了各种改进的切削件分布和朝向、顶冠结构、喷嘴布置以及其它设计选择，在以前，这些利用小天然金刚石或人工合成金刚石切削件来说不可能实现。尽管PDC切削元件在钻进许多地下地层时提高了钻头效率，但是，PDC切削元件在操作暴露于某些钻进工况时易于磨损，从而缩短了使用这种切削元件的旋转刮刀钻头的寿命。

热稳定金刚石(TSP)是另一种人工合成金刚石、PDC材料，其可用作旋转刮刀钻头的切削元件或切削件。TSP切削件(必须使用催化剂以促使在由此去除的结构中形成金刚石对金刚石结合)具有优于PDC切削件的热性能。与坚硬和磨蚀性岩石钻进应用相关的高摩擦热使切削边缘温度超过PDC的热稳定性，而TSP切削件在更高的工作温度下仍然保持稳定。这个特性还使TSP焙烧到基体型旋转刮刀钻头的端面中。

尽管PDC或TSP切削元件与其它切削元件类型相比在钻进期间提供了更高的ROP并具有更少的磨损，但仍然希望进一步延长旋转刮刀钻头的寿命以及延长切削件寿命，不管所用切削件类型如何。工业领域的研究人员很早就认识到，当切削元件磨损，即在钻进期间磨损平面产生并形成在与地下地层接触的每个切削元件上时，钻进速度(或ROP)降低。特别是当其它钻进参数保持不变时，钻进速度的降低表示旋转刮刀钻头的切削元件磨坏。各种钻进参数包括但不限于地层类型、钻压(WOB)、切削件位置或切削件刀面角、切削件数量、切削件密度、钻进温度和钻柱RPM，例如但不限于此，并且还包括地层钻进领域的普通技术人员所了解的其它参数。

尽管研究人员不断研究和寻找更为耐用的切削件以及对切削件性能的一般性改进，但他们未能找到或实现通过利用切削元件磨损率保持或增大ROP来实现延长刮刀钻头寿命的工程方法。在这个方面，尽管ROP在很多情况下是识别钻头性能的关键属性，但是人们希望在延长或改进刮刀钻头寿命方面采用或利用切削元件磨损性质。