[发明专利]用于固定切削齿钻头和其他井下切削工具的切削构件

说明书

背景技术

在地球上的钻井过程中，比如为了回收碳氢化合物或为了其他应用，常规的实践是在端对端连接而形成“钻柱”的钻杆段组件的下端连接钻头。通过在地面旋转钻柱或通过井下马达或涡轮机的致动，或通过两种方法使钻头旋转。在施加到钻柱的重力作用下，旋转的钻头接合地层，致使钻头通过磨蚀、压裂或剪切动作，或通过所有切削方法的组合切穿地层材料，从而形成沿着朝向目标区域的预定路径的井眼。

已经研制和发现了许多不同类型的钻头用在钻这样的井眼的过程中。两种主导类型的钻头是牙轮钻头和固定切削齿钻头(或旋转式刮刀)钻头。大多数固定切削齿钻头设计包括绕钻头面成角度地间隔的多个刀体。刀体从钻头主体径向向外地突出，且在其两两之间形成流道。此外，切削元件通常以径向延伸的排分组且安装在几个刀体上。根据许多因素(比如被钻地层)，刀体上的切削元件的配置或布局可以宽泛地变化。

设置在固定切削齿钻头的刀体上的切削元件通常由超硬材料制成。在典型的固定切削齿钻头中，每个切削元件包括细长的且大体上圆柱形的碳化钨基底，该基底被接纳且固定在刀体之一的表面上形成的袋孔中。切削元件通常包括多晶金刚石(“PCD”)或其他超耐磨材料(比如热稳定金刚石或多晶立方氮化硼)的硬质切削层。为方便起见，在本文中使用的提及“PDC钻头”或“PDC切削齿”就是指采用了多晶金刚石或其他超耐磨材料的硬质切削层的固定切削齿钻头或切削元件。

参照图1和2，示出了适用于钻穿岩石地层以形成井眼的常规固定切削齿或刮刀钻头10。钻头10大体上包括钻头主体12、钻柄13，和在销端部16处用于将钻头10连接于钻柱(未示出)的螺纹连接或销14，其中该钻柱被用于转动钻头，以便钻出井眼。钻头面20支撑切削构件15，且形成在钻头10的与销端部16相反的端部上。钻头10还包括中心轴线11，钻头10绕该中心轴线沿箭头18表示的切削方向旋转。

切削构件15被设置在钻头10的面20上。切削构件15包括多个成角度地间隔开的主刀体31、32、33和副刀体34、35、36，每一刀体都从钻头面20延伸。主刀体31、32、33和副刀体34、35、36大体上沿钻头面20径向延伸，然后沿钻头10的周边的一部分轴向延伸。然而，副刀体34、35、36从朝向钻头10的周边远离钻头轴线11的位置沿钻头面20径向延伸。因此，在本文中使用的“副刀体”可用于指在离钻头轴线一段距离的位置开始且大体上沿钻头面向钻头的周边径向延伸的刀体。主刀体31、32、33和副刀体34、35、36被钻井液流道19分开。

仍然参照图1和2，每一主刀体31、32、33包括用于安装多个切削元件的刀体顶部42，且每一副刀体34、35、36包括用于安装多个切削元件的刀体顶部52。尤其是，每个都具有切削面44的切削元件40被分别安装在每一主刀体31、32、33的刀体顶部42和每一副刀体34、35、36的刀体顶部52上形成的袋孔中。切削元件40被彼此毗邻地布置成接近每一主刀体31、32、33和每一副刀体34、35、36的前边缘的径向延伸的排。每个切削面44具有离刀体顶部42、52(切削元件40被安装在其上)最远的最外的切削尖44a。

现在参照图3，钻头10的型面被示为就像全部刀体(例如，主刀体31、32、33和副刀体34、35、36)和全部切削元件40的切削面44旋转入单个旋转型面中所呈现的。在旋转型面视图中，钻头10的全部刀体31-36的刀体顶部42、52形成且限定了组合或复合的刀体型面39，该型面从钻头轴线11向钻头10的外半径23径向延伸。因此，在本文中使用的短语“复合刀体型面”指的是这样的型面，即，从钻头轴线向钻头的外半径延伸，由旋转入单个旋转型面(即，在旋转型面视图中)的钻头的全部刀体的刀体顶部形成。

常规复合刀体型面39(在图3中钻头10的右半部中更清楚地示出)可大体上被分成三个区域，通常标记为锥部区域24、肩部区域25和保径部区域26。锥部区域24包括钻头10的径向最内的区域和大体上从钻头轴线11延伸到肩部区域25的复合刀体型面39。如图3所示，在最常规的固定切削齿钻头中，锥部区域24是大体上凹下的。邻近锥部区域24是肩部(或上弯曲线)区域25。在最常规的固定切削齿钻头中，肩部区域25是大体上凸出的。径向向外移动，邻近肩部区域25的是保径部区域26，该保径部区域在复合刀体型面39的外部径向周边处平行于钻头轴线11延伸。因此，常规钻头10的复合刀体型面39包括一个凹下的区域、锥部区域24，和一个凸出的区域、肩部区域25。