[发明专利]具有滚动切割器并使用组合倒角的PDC钻头

说明书

背景技术

用于穿过地质地层钻出井眼的钻头通常在钻头结构的两大类之一内形成。第一种类型的钻头通常称为“牙轮”钻头，其包括钻头本体，该钻头本体具有可旋转地安装至钻头本体的一个或多个牙轮。钻头本体通常由钢或其它高强度材料形成。牙轮也通常由钢或其它高强度材料形成，且包括围绕牙轮的选定位置处布置的多个切割元件。切割元件可以由与牙轮相同的基材形成。这些钻头通常称为“铣齿”钻头。其它的牙轮钻头包括“镶齿”切割元件，其压力(干涉)配合至形成和/或机械加工到牙轮中的孔中。镶齿可以由例如碳化钨、天然或合成金刚石、氮化硼或硬或超硬材料中的一个或组合来形成。

第二种类型的钻头通常称为“固定切割器”或“刮刀”钻头。这种钻头没有移动的元件，而具有由钢或另一种高强度材料形成的钻头本体和在选定位置处附连到钻头本体的切割器(有时被称为切割器元件、切割元件或镶齿)。例如，切割器可形成有由碳化物(例如，碳化钨)制成的基体或支撑柱以及由沉积在基体上的或在接合处以其他方式结合到基体的多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成的超硬切割面层或“台”。

图1A中示出了具有包括超硬工作表面的多个切割器的现有技术刮刀钻头的一个实例。钻头10包括钻头本体12和形成在钻头本体12上的多个刀片14。刀片14由通道或缝隙16分开，以使得钻井流体能在它们之间流动并清洁和冷却刀片14和切割器18。切割器18以预定的角度方位和径向位置保持在刀片14中，以使工作表面20相对于待钻的地层具有需要的后倾角。典型地，工作表面20通常垂直于圆柱切割器18的轴线19和侧表面21。因此，工作表面20和侧表面21汇合或相交以形成圆周布置的切割边缘22。

喷嘴23典型地形成在钻头本体12中且位于缝隙16中，使得可在切割刀片14之间泵送流体以在选定的方向上且以选定的流动速率排放钻井流体用于润滑和冷却钻头10、刀片14及切割器18。随着钻头旋转和穿透地质地层，钻井流体还清洁和去除钻屑。定位缝隙16(其也可称作“液体通道”)，用以为钻井流体提供附加的流动通道且用以为地层钻屑提供通道，以经过钻头10朝向井眼的地面(未示出)行进。

钻头10包括柄部24和冠部26。柄部24典型地由钢或基质材料形成，且包括螺纹销部28用于附连到钻柱。冠部26具有切割面30和外部侧表面32。选择用于形成钻头本体的特别材料以提供足够的韧性，同时提供良好的耐磨性和耐腐蚀性。例如，在使用超硬切割器的情形下，钻头本体12可由在合适的模具形式之内渗入结合剂合金的粉末状碳化钨(WC)制成。在一种制造工艺中，冠部26包括多个孔洞或凹坑34，它们的尺寸和形状适于接收相应的多个切割器18。

切割器18的组合的多个表面20有效地形成了钻头10的切割面。一旦形成冠部26，则将切割器18布置在凹坑34中，且通过任何合适的方法固定，例如，通过硬焊、结合剂、机械措施(例如，干涉配合方式)等。描述的设计提供了相对于冠部26的表面倾斜的凹坑34。凹坑34被倾斜，使得切割器18被定向成使工作面20在钻头10的转动方向上具有需要的倾角，以便增强切割。应该理解，在一种可选的结构中(未示出)，每一个切割器可大体上垂直于冠部的表面，而超硬表面在切割器本体或柱上以一定的角度固定至基体，使得在工作表面处达到需要的倾角。

图1B中示出了一种典型的切割器18。该典型的切割器18具有圆柱形的硬质碳化物基体本体38，其具有端面或上表面54，在本文中称为“界面表面”54。超硬材料层(切割层)44(例如，多晶金刚石或多晶立方氮化硼层)形成工作表面20和切割边缘22。超硬材料层44的底表面52结合到基体38的上表面54上。底表面52和上表面54在本文中总称为界面46。切割层44的顶部暴露表面或工作表面20与底表面52相反。切割层44典型地具有平坦的或平面的工作表面20，但是也可具有弯曲的暴露表面，其在切割边缘22处与侧表面21汇合。

一般说来，用于制作切割器18的工艺使用碳化钨本体作为基体38。碳化物本体放置成邻近于超硬材料颗粒层(例如，金刚石或立方氮化硼颗粒)且该组合在使超硬材料颗粒热力学稳定的压力下经受高温。这导致再结晶和多晶超硬材料层(例如，多晶金刚石或多晶立方氮化硼层)直接形成在硬质碳化钨基体38的上表面54上。