[发明专利]用于钻头的保径切割器保护

说明书

背景技术

在向地下钻井眼应用中，例如用于回收油气或其他应用中，常规做法是在端对端连接形成“钻柱”的钻杆部分组合的下端连接钻头。通过在地面上旋转所述钻柱或通过致动井下马达或涡轮，或同时使用两种方法，所述钻头被旋转。由施加到所述钻柱上的重力，所述旋转钻头与地球地层接合，通过摩擦，破碎，或剪切动作，或通过所有切割方法的组合，使所述钻头剪断地层材料，从而形成沿预定路径指向目标区域的井眼。

很多不同类型的钻头已经被开发并被证实在钻这类井眼时是有用的。两种主要类型的钻头是牙轮钻头及固定切割器(或旋转刮刀)钻头。多数固定切割器钻头的设计包括多个相对于钻头端面成角度隔开的刀片。所述刀片从所述钻头本体径向向外伸出，并在其间形成流道。此外，切割元件典型地被分组并以径向延伸排列的形式被固定至数个刀片上。取决于多个因素(例如需要被钻的地层)，所述切割元件在所述刀片上的配置或布局可以有很大差异。

配置于固定切割器钻头刀片上的所述切割元件典型地由超硬材料形成。在一个典型的固定切割器钻头中，每个切割元件包含被收纳及固定于形成于所述刀片之一的表面中的槽中的伸长的及通常是圆柱形的碳化钨基体，所述切割元件典型的包含多晶金刚石(PCD)硬切割层，或其他超硬材料，例如热稳定金刚石或多晶立方氮化硼。为了方便，如在此所使用的，提及“PDC钻头”或“PDC切割器”时，指代使用多晶金刚石或其他超级磨削材料构成的硬切割层的固定切割器钻头或切割元件。

参考图1及2，示出了适于钻透岩石地层以形成井眼的传统的固定切割器或刮刀钻头10。钻头10一般地包括一个钻头本体12、杆13以及用于将所述钻头10连接至用来旋转所述钻头以便钻出所述井眼的钻柱(未示出)的螺纹连接部或销14。钻头端面20支撑切割结构15，并形成于所述钻头10的与销端16相反的另一端。钻头10进一步包括中心轴线11，钻头10绕其在箭头18表示的切割方向上旋转。

切割结构15被提供于钻头10的端面20上。切割结构15包括多个有角度地隔开的主刀片31、32、33以及从刀片34、35、36，其中每一个均从钻头端面20延伸。主刀片31、32、33及从刀片34、35、36沿钻头端面20基本上径向地延伸，然后沿钻头10的外周的一部分轴向延伸。然而，从刀片34、35、36从远离钻头轴线11沿钻头端面20径向地延伸至钻头10的外周。因此，如在此所使用的，“从刀片”可以被用来指代从距离所述钻头轴线一定距离处开始，并沿所述钻头端面基本上径向地延伸至所述钻头外周的刀片。主刀片31、32、33及从刀片34、35、36被钻井流体流道19分隔开。

仍然参考图1及2，每个主刀片31、32、33包括用于安装多个切割元件的刀片顶部42，并且每个从刀片34、35、36包括用于安装多个切割元件的刀片顶部52。特别地，每一个均具有切割面44的切割元件40被分别安装于形成于每一个主刀片31、32、33及每一个从刀片34、35、36的刀片顶部42、52中的槽中。切割元件40被设置为在邻近每个主刀片31、32、33及每个从刀片34、35、36的前导面(leading face)处彼此靠近地径向延伸排列。每个切割面44具有距切割元件40安装其上的刀片顶部42、52最远的最外面刀顶部44a。

现在参考图3，示出了钻头10的剖面，其能够显示旋转成单个旋转剖面的所有的刀片(例如，主刀片31、32、33及从刀片34、35、36)及所有切割元件40的切割面44。在旋转剖面图中，钻头10的所有刀片31-36的刀片顶部42、52形成并限定组合或复合刀片剖面39，其从钻头10的钻头轴线11向外半径23径向地延伸。因此，如在此所使用的，短语“组合或复合剖面”指代如下剖面，其从所述钻头的钻头轴线向所述外半径延伸，由所述钻头旋转成单个旋转剖面(即在旋转剖面图中)的所有所述刀片的刀片顶部形成。

传统的复合刀片剖面39(最清楚地示于图3中的钻头10的右半部)一般地可以被分隔成三个区域，通常被标记为锥部区域24、肩部区域25和保径区域26。锥部区域24包含所述钻头10的径向最内部区域，并且复合刀片剖面39一般地从钻头轴线11向肩部区域25延伸。如图3中所示，在多数传统的固定切割器钻头中，锥部区域24一般是凹面的。邻近锥部区域24的是肩部(或上翻曲线)区域25。在多数传统的固定切割器钻头中，肩部区域25一般是凸面的。径向向外移动，邻近肩部区域25的是所述保径区域26，其在所述复合刀片剖面39的径向外周面平行于所述钻头轴线11延伸。因此，传统的钻头10的复合刀片剖面39包括一个凹面区域——锥部区域24，以及一个凸面区域——肩部区域25。