[发明专利]钻头

说明书

一种钻头，包括具有面的主体和设置在该主体的面上的多个刀片。多个刀片中的每一个可以具有设置在其上的一排切割器，并且多排切割器可以共同限定钻头的切割轮廓。沿切割轮廓的切割器的至少一些可以具有交替的正后倾角。沿切割轮廓的相邻切割器上的大多数后倾角之间的差可以小于20°。

优先权声明

本申请要求2018年11月12日提交的美国专利申请第16/188,227号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开总体上涉及具有刀片的钻头，刀片具有改进的切割器布置。特别地，本公开涉及一种钻头，其包括在其上具有切割器的刀片，切割器具有交替的后倾角。

背景技术

诸如旋转刮刀钻头、铰刀和类似的用于在地下岩层中钻孔或形成孔的井下工具的钻头是众所周知的。在钻探石油和天然气井时，转刮刀钻头会拖动离散的切割结构(称为“切割器”)，这些切割结构安装在针对地层的工具主体上的固定位置。当切割器通过工具主体的旋转被拖向地层时，切割器通过剪切作用使地层破裂。这种剪切作用形成了小的切屑，这些切屑通过钻井液被液压排空，钻井液通过工具主体中的喷嘴泵送。

一种这样的固定切割器，钻土钻具，通常在石油和天然气勘探行业中称为多晶金刚石复合片或PDC钻头，采用了固定切割器。每个切切割器有由PDC或类似的高度耐磨材料组成的高度耐磨切割或磨损表面。PDC切割器通常是通过在耐腐蚀基底上形成一层多晶金刚石(PCD)(有时称为冠或金刚石台)制成的。PDC磨损表面由表现出金刚石与金刚石的粘结的烧结多晶金刚石(天然或合成)组成。多晶立方氮化硼、纤锌矿氮化硼、聚集的金刚石纳米管(ADN)或其他坚硬的结晶材料是已知的替代品，以及在某些钻井应用中可能有用。通过将粉末形式的金刚石磨料粒材料与一种或多种粉末状金属催化剂和其他材料混合，将混合物形成复合片，然后将其烧结，通常将其与碳化钨基底一起使用高温高压或微波加热进行烧结，从而制成复合片。出于以下描述的目的，多晶立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、ADN和类似材料的烧结复合片等同于多晶金刚石复合片，因此，除非另有说明，否则应解释为在详细说明中使用“PDC”否则，除非另有明确说明或上下文，否则不得提及多晶金刚石、立方氮化硼、纤锌矿氮化硼和其他高耐磨材料的烧结体。对“PDC”的引用还旨在涵盖这些材料与可用于改善其性能和切割性能的其他材料或结构元件的烧结体复合片。此外，PDC涵盖了热稳定的品种，其中金属催化剂在烧结后已被部分或全部去除。

典型地，用于支撑PDC磨损表面或层的基底至少部分地由硬质合金金属碳化物制成，其中碳化钨是最常见的。通过将粉末状的金属碳化物与金属合金粘合剂烧结而形成粘合(cemented)的金属碳化物基底。PDC和基底的复合材料可以多种不同方式制造。例如，它也可以包括过渡层，在过渡层中，金属碳化物和金刚石与其他元素混合在一起，以改善PCD与基底之间的粘结力并降低PCD与基底之间的应力。

每个PDC切割器都被制造成与钻头分开的离散件。由于用于制造它们的工艺，PCD层和基底通常具有圆柱形状，并且相对薄的PCD盘结合到基底材料的更高或更长的圆柱体上。可以将所得复合材料机械加工或研磨以形成所需的形状。然而，PCD层和基底通常以制造它们的圆柱形形式使用。

固定切割器以预定的图案或布局安装在钻土工具的主体的外部。此外，根据特定的应用，切割器通常沿几个刀片中的每个布置，这些刀片由形成在钻土工具的主体上的凸起的脊组成。每个刀片通常包括平行于被切割的地层定向的平坦表面。切割器通常沿这些平坦表面设置在孔或开口中。例如，在PDC钻头中，刀片通常以径向方式围绕钻头的中心钻头轴线(旋转轴线)布置。它们通常但并非总是沿与钻头旋转方向相反的方向弯曲。

当具有固定切割器的钻土工具旋转时，切割器共同对土层呈现一个或多个预定切割轮廓，从而剪切地层。当切割器旋转穿过从钻土工具的旋转轴线向外延伸的平面(例如钻头轴线)时，切割轮廓由与之相关联的每个切割器的位置和定向来限定。切割器沿切割轮廓的位置主要是其相对于钻头轴线(旋转轴线)的横向位移的函数，而不是其所在的特定刀片的函数。在切割轮廓中彼此相邻切割器通常在相同刀片上彼此不相邻。相反，在切割轮廓上彼此相邻切割器通常位于不同的刀片上。