用于固定齒鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和其它井下切削工具的制作方法
【專利摘要】井下切削工具可以包括：工具本體；從工具本體方位角地延伸的多個刀片；和設(shè)置在多個刀片上的多個切削元件，所述多個切削元件包括具有襯底和金剛石層的至少兩個圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中所述至少兩個圓錐形切削元件中的至少一個具有正后傾角，以及所述至少兩個圓錐形切削元件中的至少一個具有負(fù)后傾角。
【專利說明】用于固定齒鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和其它井下切削工具
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本發(fā)明主張2011年2月10提出申請的美國申請No，61/441,319，和2011年6月22日提出申請的美國申請No，61/499，851的優(yōu)先權(quán)，其中所述兩個申請通過引用在此全文并入。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]這里公開的實施例總體涉及包括切削結(jié)構(gòu)的固定齒切削工具，所述混合切削結(jié)構(gòu)包括兩種或更多種類型的切削元件，每一種類型都具有針對地層的不同切削作用模式。這里公開的其它實施例涉及包括圓錐形切削元件的固定齒切削工具，包括這種切削元件在鉆頭上的放置和可以用于優(yōu)化鉆井的這種切削元件的變化。
【背景技術(shù)】
[0004]在地球中鉆井眼時，例如用于油氣的開采或其它應(yīng)用，通常的做法是將鉆頭連接在首尾相接以形成“鉆柱”的鉆桿段組件的下端上。鉆頭通過在地面上旋轉(zhuǎn)鉆柱或通過致動井下馬達(dá)或渦輪或通過所述兩種方法而旋轉(zhuǎn)。通過將重量施加到鉆柱，旋轉(zhuǎn)的鉆頭接合地層，從而使鉆頭通過磨蝕、破碎或剪切作用或通過所有切削方法的組合切削通過地層物質(zhì)，從而沿著預(yù)定路徑朝向目標(biāo)區(qū)形成井眼。
[0005]已經(jīng)研發(fā)并獲得用于鉆這種井眼的多種不同類型的鉆頭。兩種主要類型的鉆頭是牙輪鉆頭和固定齒(或旋轉(zhuǎn)刮刀)鉆頭。大多數(shù)固定齒鉆頭設(shè)計包括繞鉆頭表面以一定角度間隔開的多個刀片。刀片從鉆頭體徑向向外突出并在刀片之間形成流動通道。另外，切削元件典型地被分組并安裝在徑向延伸的列中的多個刀片上。切削元件在刀片上的結(jié)構(gòu)或布局基于諸如要被鉆進(jìn)的地層的許多因素而廣泛變化。
[0006]設(shè)置在固定齒鉆頭的刀片上的切削元件典型地由極硬材料形成。在典型的固定齒鉆頭中，每一個切削元件都包括容納并固定在形成在刀片中的一個的表面中的槽窩中的細(xì)長大致圓柱形碳化鎢襯底(substrate)。切削元件典型地包括由多晶金剛石(PCD)或其它超級研磨材料(例如，熱穩(wěn)定金剛石或多晶立方氮化硼)形成的硬切削層。為了方便起見，如這里所使用的，對“PDC鉆頭”、“PDC切削刃”的描述是指采用多晶金剛石或其它超級研磨材料形成的硬切削層的切削元件或固定齒鉆頭。
[0007]參照圖1和圖2，顯示了適于鉆通巖石地層以形成井眼的常規(guī)固定齒鉆頭或刮刀鉆頭10。鉆頭10通常包括鉆頭體12、鉆頭接頭(shank) 13、和用于將鉆頭10連接到鉆柱(未示出)的螺紋連接裝置或公接頭14，其中所述鉆柱被用于使鉆頭旋轉(zhuǎn)以對井眼進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆頭端面20支撐切削結(jié)構(gòu)15并形成在鉆頭10的與陽螺紋端16相對的端部上。鉆頭10還包括中心軸線11，鉆頭10繞中心軸線11在由箭頭18表示的切削方向上旋轉(zhuǎn)。
[0008]切削結(jié)構(gòu)15設(shè)置在鉆頭10的端面上。切削結(jié)構(gòu)15包括以角度間隔開的多個主刀片31，32，33和副刀片34，35，36，所述刀片中的每一個都從鉆頭端面20延伸。主刀片31，32，33和副刀片34，35，36沿著鉆頭端面20大致徑向延伸并然后沿著鉆頭10的周邊的一部分軸向延伸。然而，副刀片34，35，36沿著鉆頭端面20從為遠(yuǎn)端鉆頭軸線11的位置朝向鉆頭10的周邊徑向延伸。因此，如這里所使用的，“副刀片”可以用于表示以一定距離從鉆頭軸線開始并沿著鉆頭端面朝向鉆頭的周邊大致徑向延伸的刀片。主刀片31，32，33和副刀片34，35，36被鉆井液流動路線19分隔開。
[0009]仍然參照圖1和圖2，每一個主刀片31，32，33包括用于安裝多個切削元件的刀片頂部42，并且每一個副刀片34，35，36包括用于安裝多個切削元件的刀片頂部52。具體地，每一個都具有切削面44的切削元件40分別安裝在形成在每一個主刀片31，32，33和每一個副刀片34，35，36的刀片頂部42，52中的槽窩(pocket)中。切削元件40鄰近每一個主刀片31，32，33和每一個副刀片34，35，36的前緣沿徑向延伸列彼此相鄰布置。每一個切削面44具有最遠(yuǎn)離安裝有切削元件40的刀片頂部42，52的最遠(yuǎn)切削末端44a。
[0010]以下參照圖3，顯示了鉆頭10的輪廓，且顯而易見的是刀片(例如，主刀片31，32，33和副刀片34，35，36)和所有切削元件40的切削面44被旋轉(zhuǎn)成單個旋轉(zhuǎn)輪廓。在旋轉(zhuǎn)剖面圖中，鉆頭10的所有刀片31-36的刀片頂部42，52形成并限定從鉆頭軸線11徑向延伸到鉆頭10的外半徑23的組合或復(fù)合片輪廓39。因此，如這里使用的，措詞“復(fù)合片輪廓”表示從鉆頭軸線延伸到鉆頭的外半徑并由鉆頭的旋轉(zhuǎn)成單個旋轉(zhuǎn)輪廓(即，在旋轉(zhuǎn)剖面圖)的所有刀片的刀片頂部形成的輪廓。
[0011]傳統(tǒng)的復(fù)合片輪廓39(在圖3中的鉆頭10的右半側(cè)中最清楚地所示)可以通常被分成三個區(qū)域，所述三個區(qū)域傳統(tǒng)地被標(biāo)記為錐形區(qū)域24、臺肩區(qū)域25和保徑區(qū)域26。錐形區(qū)域24包括鉆頭10和復(fù)合片輪廓39的大致從鉆頭軸線11延伸到臺肩區(qū)域25的徑向最內(nèi)側(cè)區(qū)域。如圖3所示，在大多數(shù)常規(guī)的固定齒鉆頭中，錐形區(qū)域是24通常是凹入的。與錐形區(qū)域24相鄰的是臺肩(或翻轉(zhuǎn)曲線)區(qū)域25。在大多數(shù)常規(guī)的固定齒鉆頭中，臺肩區(qū)域25通常是凸起的。向外徑向移動與臺肩區(qū)域2525相鄰的是保徑區(qū)域26，所述保徑區(qū)域在復(fù)合片輪廓39的外徑向周邊平行于鉆頭軸線11延伸。因此，常規(guī)鉆頭10的復(fù)合片輪廓39包括一個凹入?yún)^(qū)域(錐形區(qū)域24)和一個凸起區(qū)域(臺肩區(qū)域)。
[0012]凸起臺肩區(qū)域25和復(fù)合片輪廓39的軸向最低點限定刀片輪廓頂冠27。在刀片輪廓頂冠27處，凸起臺肩區(qū)域25和復(fù)合片輪廓39的切線27a的斜率為零。因此，如這里所使用的，術(shù)語“刀片輪廓頂冠”表示在旋轉(zhuǎn)剖面圖中沿著鉆頭的復(fù)合片輪廓的凸起區(qū)域的點，其中復(fù)合片輪廓的切線的斜率在所述點處為零。對于大多數(shù)常規(guī)固定齒鉆頭(例如，鉆頭10)來說，復(fù)合片輪廓僅包括一個凸起臺肩區(qū)域(例如，凸起臺肩區(qū)域25)和僅一個刀片輪廓頂冠(例如，頂冠27)。如圖1-3所示，切削元件40沿著刀片31-36成行布置并沿著鉆頭端面20定位在先前被描述為復(fù)合片輪廓39的錐形區(qū)域24、臺肩區(qū)域25和保徑區(qū)域26的多個區(qū)域中。具體地，切削元件40相對于鉆頭10的中心軸線11在刀片31-36上安裝在預(yù)定徑向間隔開的位置。
[0013]在不考慮鉆頭的類型的情況下，鉆井眼的成本與將所述井眼鉆進(jìn)到期望深度和位置所耗費的持續(xù)時間成比例。鉆井時間又在很大程度上受到為了達(dá)到目標(biāo)地層必須更換鉆頭的次數(shù)的影響。這是因為每次更換鉆頭時，可以為幾英里長的整個鉆柱必須逐段從井眼中取出。一旦已經(jīng)取出鉆柱并安裝新的鉆頭，鉆頭在鉆柱上必須被下入到井眼的底部，其中所述鉆柱必須再次被逐段構(gòu)造而成。被公知為“起下鉆”的這種過程需要大量時間、工作和費用。因此，總是期望采用鉆得更快更長并且可在寬范圍的不同地層硬度上使用的鉆頭。[0014]在必須更換鉆頭之前鉆頭可以被使用的持續(xù)時間取決于鉆頭的鉆進(jìn)速度(“R0P”)以及鉆頭保持較高或可接受ROP的耐用性或能力。另外，鉆頭的理想特征在于鉆頭是“穩(wěn)定的”并且抗振動，其中鉆頭的大多數(shù)劇烈類型或模式是“旋轉(zhuǎn)”，其中旋轉(zhuǎn)是用于描述其中鉆頭在井眼的底部處關(guān)于偏離鉆頭的幾何中心的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。這種旋轉(zhuǎn)使鉆頭上的切削元件增加載荷，從而使切削元件過早被磨損或破壞并且導(dǎo)致鉆進(jìn)速度的喪失。因此，防止鉆頭振動并保持PDC鉆頭的穩(wěn)定性長期以來是一種期望但始終沒有實現(xiàn)的目標(biāo)。鉆頭振動典型地可以發(fā)生在任何類型的地層中，但是最不利地發(fā)生在較硬地層中。
[0015]近年來，PDC鉆頭已經(jīng)成為用于切削軟硬度和中等硬度的地層的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，當(dāng)在研制PDC鉆頭以用于在硬地層中使用時，鉆頭穩(wěn)定性成為一個增加的挑戰(zhàn)。如先前所述，鉆井期間鉆頭過度振動往往會使鉆頭變鈍和/或可能將鉆頭損壞到需要過早對鉆柱進(jìn)行起下鉆的程度。
[0016]已經(jīng)對PDC切削結(jié)構(gòu)提出了大量可選設(shè)計，其旨在提供一種能夠以有效的ROP和可接受的鉆頭壽命或耐用性鉆通各種地層硬度的PDC鉆頭。不幸地，旨在最小化振動的大多數(shù)鉆頭設(shè)計要求與早期設(shè)計的鉆頭相比較以增加的鉆壓(WOB)執(zhí)行鉆井。例如，一些鉆頭已經(jīng)被設(shè)計有多個牙輪，所述牙輪以較小侵蝕性后傾角安裝使得所述牙輪需要增加的WOB來穿過地層物質(zhì)到達(dá)期望區(qū)域。通過增加WOB或以重的WOB鉆井具有嚴(yán)重后果并且如果可能通常避免此。增加WOB伴隨有將額外的重鉆鋌增加到鉆柱。這種額外的重量增加鉆柱部件上的應(yīng)力和應(yīng)變，使扶正器磨損得更多并且不能有效地工作，并且增加了鉆柱的水力降，從而需要使用較高容量(并且典型較高成本)的泵以用于循環(huán)鉆井液。所述問題仍然進(jìn)一步復(fù)雜，增加的WOB使鉆頭磨損并且與以其它方式變鈍相比較使鉆頭更加快速地變鈍。為了延緩鉆柱的起下鉆，通常的做法是進(jìn)一步增加WOB并用部分磨損并變鈍的鉆頭繼續(xù)鉆井。鉆頭磨損與WIB之間的關(guān)系不是線性的，而是成指數(shù)關(guān)系，使得對于給定鉆頭來說在超過特定WOB時，WOB非常小的增加將導(dǎo)致鉆頭磨損的巨大增加。因此，增加更多WOB以用部分磨損的鉆頭鉆井會進(jìn)一步逐步增加鉆頭和其它鉆柱部件的磨損。
[0017]因此，仍然持續(xù)需要能夠以經(jīng)濟的ROP有效鉆井并理想地鉆入具有大于可以采用常規(guī)PDC鉆頭的硬度的地層的固定齒鉆頭。更具體地，持續(xù)需要一種PDC鉆頭，所述PDC鉆頭可以鉆入軟硬度、中等硬度、中間硬度并且甚至鉆入一些硬地層，同時保持侵蝕性切削元件輪廓以保持可接受ROP持續(xù)可接受持續(xù)時間并從而降低當(dāng)前行業(yè)的鉆井成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]一方面，這里公開的實施例涉及一種井下切削工具，所述井下切削工具包括:工具本體；從工具本體方位角地延伸的多個刀片；和設(shè)置在多個刀片上的多個切削元件，所述多個切削元件包括:包括襯底和金剛石層的至少兩個圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中所述至少兩個圓錐形切削元件中的至少一個具有正后傾角，以及所述至少兩個圓錐形切削元件中的至少一個具有負(fù)后傾角。另一方面，這里公開的實施例涉及一種井下切削工具，該井下切削工具包括:工具本體；從工具本體方位角地延伸的多個刀片；和設(shè)置在多個刀片上的多個切削元件，所述多個切削元件包括:包括襯底和金剛石層的至少兩個圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中至少兩個圓錐形切削元件中的至少一個具有正側(cè)傾角，以及至少兩個圓錐形切削元件中的至少一個具有負(fù)側(cè)傾角。
[0019]在又一方面中，這里公開的實施例涉及一種井下切削工具，所述井下切削工具包括:工具本體；從工具本體方位角地延伸的多個刀片；和設(shè)置在多個刀片上的多個切削元件，所述多個切削元件包括:具有襯底和金剛石臺面的至少一個牙輪，所述金剛石臺面具有大致平坦切削面；包括襯底和金剛石層的至少一個圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中至少一個牙輪和至少一個圓錐形切削元件設(shè)置在距離鉆頭中心線的相同徑向距離處。
[0020]在又一方面中，這里公開的實施例涉及一種用于在地球地層中鉆井眼的鉆頭，所述鉆頭包括:具有鉆頭軸線和鉆頭端面的鉆頭體；沿著鉆頭端面徑向延伸的多個刀片；設(shè)置在多個刀片上的多個切削元件；和設(shè)置在至少兩個刀片之間的區(qū)域中的圓錐形芯型(coring)切削元件，其中圓錐形芯型切削元件的頂點在小于最徑向內(nèi)部切削元件的切削刃的高度H處，其中高度H在達(dá)到所述鉆頭的直徑的0.35倍的范圍內(nèi)。
[0021]在又一方面中，這里公開的實施例涉及一種井下切削工具，所述井下切削工具包括:工具本體；從工具本體方位角地延伸的多個刀片；和設(shè)置在多個刀片上的多個切削元件，所述多個切削元件包括:包括襯底和金剛石層的至少一個圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中所述多個切削元件的切削輪廓在旋轉(zhuǎn)視圖中包括在所述切削輪廓中的至少一個不平滑臺階部。
[0022]本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將從以下說明和所附權(quán)利要求變得清楚可見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1顯示現(xiàn)有技術(shù)鉆頭；
[0024]圖2顯示現(xiàn)有技術(shù)鉆頭的頂視圖；
[0025]圖3顯示現(xiàn)有技術(shù)鉆頭的橫截面視圖；
[0026]圖4顯示根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件；
[0027]圖5顯示根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件；
[0028]圖6顯示根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件；
[0029]圖7顯示根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件；
[0030]圖8顯示根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件的旋轉(zhuǎn)；
[0031]圖9顯示根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件布局；
[0032]圖10顯示根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件分布圖；
[0033]圖1lA顯示根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件布局；
[0034]圖1lB顯示旋轉(zhuǎn)到單個平面中的圖1lA的切削元件布局的頂視圖；
[0035]圖1lC顯示了旋轉(zhuǎn)到單個平面中的圖1lA的切削元件布局的俯視圖；
[0036]圖12顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件布局；
[0037]圖13A-B顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件；
[0038]圖14A-B顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件布局；
[0039]圖15顯示了根據(jù)本公開的切削元件；
[0040]圖16A-B顯示了根據(jù)本公開的切削元件的俯視圖和側(cè)視圖；
[0041]圖17顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件布局；[0042]圖18A-B顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件布局；
[0043]圖19A-B顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件布局；
[0044]圖20A-B顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件布局；
[0045]圖21A-C顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件露出量；
[0046]圖22A-C顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削輪廓；
[0047]圖23顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削輪廓；
[0048]圖24顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削輪廓；
[0049]圖25顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削輪廓；
[0050]圖26顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削輪廓；
[0051]圖27顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削輪廓；
[0052]圖28顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削元件布局；
[0053]圖29顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削輪廓；
[0054]圖30A-B顯示了根據(jù)本公開的切削輪廓；
[0055]圖31A-C顯示了根據(jù)本公開的各種圓錐形切削元件；
[0056]圖32A-C顯示了根據(jù)本公開的各種圓錐形切削元件；
[0057]圖33顯示了根據(jù)本公開的圓錐形切削元件的一個實施例；
[0058]圖34顯示了根據(jù)本公開的圓錐形切削元件的一個實施例；
[0059]圖35顯示了根據(jù)本公開的圓錐形切削元件的一個實施例；
[0060]圖36顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的鉆頭；
[0061]圖37顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削輪廓；
[0062]圖38顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削輪廓；
[0063]圖39顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的切削輪廓；以及
[0064]圖40顯示了可以使用本公開的切削元件的工具。
【具體實施方式】
[0065]在一方面中，這里公開的實施例涉及包括多種類型的切削結(jié)構(gòu)的固定齒鉆頭或其它井下切削工具。具體地，這里公開的實施例涉及包括兩種或更多種類型的切削元件的鉆頭，且每一種類型都具有針對地層的不同模式的切削動作。這里公開的其它實施例涉及包括圓錐形切削元件的固定齒鉆頭，包括這種切削元件在鉆頭上的布置和可以用于優(yōu)化鉆井的切削元件的變形例。
[0066]參照圖4和圖5，顯示了根據(jù)本公開的一個實施例的用于鉆頭(或擴眼器)的在上面形成有切削元件的典型的刀片。如圖4所示，刀片140包括傳統(tǒng)地被稱為牙輪或PDC牙輪的多個牙輪142以及多個圓錐形切削元件144。如這里所使用的，術(shù)語“圓錐形切削元件”表示具有終止于圓形頂點的大致圓錐形切削刃(包括直錐或斜錐)的切削元件。不同于終止于尖銳點頂點的幾何圓錐，本公開的圓錐形切削元件包括具有在側(cè)表面與頂點之間的曲率的頂點。圓錐形切削元件144被定位成與具有平坦切削面的牙輪142相反。為了便于在兩種類型的切削元件之間進(jìn)行區(qū)分，術(shù)語“切削元件”一般表示任何類型的切削元件，而“牙輪”表示具有平坦切削面的這些切削元件。如參照圖1和圖2所述，“圓錐形切削元件”將表示具有大致圓錐形切削刃的這些切削元件。圖4所示的實施例包括在單個刀片上的牙輪142和圓錐形切削元件144，而圖5所示的實施例包括在一個刀片上的牙輪和在第二刀片上的圓錐形切削元件144。具體地，在圖5所示的實施例中，牙輪142位于尾隨上面定位有圓錐形切削元件144的刀片的刀片141上；然而，本公開不是必須如此限制。
[0067]參照圖6-7，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用常規(guī)平坦牙輪142結(jié)合圓錐形切削元件144可以允許單個鉆頭具有兩種類型的切削作用(由虛線表示):除了由牙輪142剪切地層進(jìn)行切削之外，由圓錐形切削元件144通過壓裂或刮削地層進(jìn)行切削，如圖6和7中示意性所
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[0068]通常，當(dāng)將切削元件(具體地，牙輪)定位在鉆頭或擴眼器的刀片上時，牙輪可以插入牙輪槽窩(或在圓錐形切削元件的插入孔中)中以改變牙輪撞擊地層的角度。具體地，可以調(diào)節(jié)牙輪后傾角(即，縱向方向)和側(cè)傾角(即，側(cè)向方向)。通常，后傾角被定義為形成在牙輪142的切削面與正交于正在被切削的地層物質(zhì)的線之間的角度α。如圖8所示，在具有零后傾角的常規(guī)牙輪142的情況下，切削面44大致垂直或正交于地層物質(zhì)。具有負(fù)后傾角α的牙輪142具有以當(dāng)從地層物質(zhì)測量時小于90°的角度接合地層物質(zhì)的切削面44。類似地，具有正后傾角α的牙輪142具有以當(dāng)從地層物質(zhì)測量時大于90°的角度接合地層物質(zhì)的切削面44。根據(jù)本公開的各種實施例，常規(guī)牙輪142的后傾角可以在從-5°至-45°的范圍內(nèi)。
[0069]然而，圓錐形切削元件沒有切削面，并因此圓錐形切削元件的方向必須被不同地定義。當(dāng)考慮圓錐形切削元件的方向時，除了切削元件主體的垂直方向或側(cè)向方向之外，切削刃的圓錐形幾何結(jié)構(gòu)也影響圓錐形切削元件如何撞擊地層以及圓錐形切削元件撞擊地層的角度。具體地，除了影響圓錐形切削元件-地層相互作用的侵蝕性的后傾角之外，切削刃幾何結(jié)構(gòu)(具體地，頂角和曲率半徑)在很大程度上影響圓錐形切削元件沖擊地層的侵蝕性。在圓錐形切削元件的背景下，如圖9所示，后傾角被定義為形成在圓錐形切削元件144的軸線(具體地，圓錐形切削刃的軸線)與正交于正在被切削的地層物質(zhì)的線之間的角度α。如圖9所示，在圓錐形切削元件144具有零度后傾角的情況下，圓錐形切削元件144的軸線大致垂直或正交于地層物質(zhì)。具有負(fù)后傾角α的圓錐形切削元件144具有以當(dāng)從地層物質(zhì)測量時小于90°的角度接合地層物質(zhì)的軸線。類似地，具有正后傾角α的圓錐形切削元件144具有以當(dāng)從地層物質(zhì)測量時大于90°的角度接合地層物質(zhì)的軸線。在具體的實施例中，圓錐形切削元件的后傾角可以為零，或這另一個實施例中，圓錐形切削元件的后傾角可以為負(fù)或正。在多個實施例中，圓錐形切削元件的后傾角可以在從-35°至35°的范圍內(nèi)，在其它實施例中，圓錐形切削元件的后傾角可以在從-10°至10°的范圍內(nèi)，在又一個實施例中，圓錐形切削元件的后傾角可以在從0°至10°的范圍內(nèi)，以及在又一個實施例中，圓錐形切削元件的后傾角可以在從-5°至5°的范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，雖然在以下段落中不需要特別提及，但是在以下實施例中圓錐形切削元件的后傾角可以選自這些范圍。
[0070]除了軸線相對于地層的方向之外，圓錐形切削元件的侵蝕性還可以依賴于頂角或具體地依賴于地層與圓錐形切削元件的引導(dǎo)部(leading portion)之間的角度。由于圓錐形切削元件的圓錐形形狀，因此不存在引導(dǎo)刃；然而，可以確定圓錐形切削表面的引導(dǎo)線為當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時在沿著圓錐形切削刃面上的每一個軸向點處圓錐形切削元件的最先點(thefirstmost points)。在另一種方式中,可以沿著在鉆頭的旋轉(zhuǎn)的方向上的平面中獲取圓錐形切削元件的橫截面，如圖10所示?？梢韵鄬τ诘貙涌紤]圓錐形切削元件144在這種平面中的引導(dǎo)線145。圓錐形切削元件144的撞擊角被定義為形成在圓錐形切削元件144的引導(dǎo)線145與正在被切削的地層之間的角度α。撞擊角將基于后傾角和錐角而變化，因此，圓錐形切削元件的撞擊角可以被計算為后傾角加上錐角的一半(即，β = (0.5X錐角)+ α)，其中如果后傾角α為負(fù)，如相對于圖9所述，則公式將負(fù)值加到(0.5Χ錐角)的值。在多個實施例中，β可以在從大約5度至100度的范圍內(nèi)，而在其它實施例中，β可以在從大約20度至65度的范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，雖然在以下段落中不是必須被具體提到，但是在以下實施例中圓錐形切削元件的撞擊角可以選自這些范圍。
[0071]以下參照圖11A-C，顯示了根據(jù)本公開使用的切削結(jié)構(gòu)的變形例。如圖1lA所示，其中顯示了兩個圓錐形切削元件144的旋轉(zhuǎn)，位于遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置Rl處的第一圓錐形切削元件144.1可以以正后傾角定向，而位于遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置R2處的第二圓錐形切削元件144.2可以以負(fù)后傾角定向。在所述的實施例中，圓錐形切削元件144.1是當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第一切削元件，而圓錐形切削元件144.2是當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第二切削元件。圓錐形切削元件144.1和144.2的后傾角可以選自這里所述的后傾角中的任一個。進(jìn)一步地，一個或多個常規(guī)牙輪(在圖1lA中未示出)可以位于圓錐形牙輪144.1與144.2之間的徑向中間位置處，這在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。在這點上，兩個徑向相鄰圓錐形切削元件之間的相反后傾角參見其中僅考慮圓錐形切削元件的切削輪廓的視圖。因為本公開允許任意兩個徑向相鄰圓錐形切削元件(當(dāng)圓錐形切削元件旋轉(zhuǎn)到單個平面上的視圖中)具有相反的后傾角，因此這可以使圓錐形切削元件當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個平面中時具有方向交替的后傾角，如圖1lB所示，或者任意數(shù)量對的圓錐形切削元件可以具有相反的后傾角，如圖1lC所示。
[0072]任選地，圓錐形切削元件144可以與牙輪142—起布置在鉆頭上，使得當(dāng)在切削輪廓或旋轉(zhuǎn)到單個平面中的視圖中看切削元件時，至少一個牙輪142位于遠(yuǎn)離鉆頭軸線的徑向位置，其中所述徑向位置在至少兩個圓錐形切削元件144的徑向位置之間，如轉(zhuǎn)讓給本受讓人并通過引用在此全文并入的美國專利申請N0.61/441，319中所述。具體地，如圖12所示，在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置Rl處的第一圓錐形切削元件144.1是當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第一切削元件。在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置R3處的圓錐形切削元件144.3是旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第二切削元件。在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置R2處的切削元件142.2是旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第三切削元件，其中R2是遠(yuǎn)離鉆頭中心線在Rl和R3的徑向距離之間的徑向距離。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時，牙輪142穿過被圓錐形切削元件144預(yù)先破碎的地層以修整由圓錐形切削元件144產(chǎn)生的切口。
[0073]參照圖13Α-Β，顯示了組合相對于圖1lA所述的圓錐形切削元件定向與相對于圖12所述的牙輪布局的實施例。例如，如圖13Α所示，在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置Rl處的具有正后傾角的第一圓錐形切削元件144.1是當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第一切削元件。在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置R3處的具有負(fù)后傾角的圓錐形切削元件144.3是當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第二切削元件。在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置R2處的切削元件142.2是當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第三切削元件，其中R2是遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向距離Rl與R3之間的徑向距離。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時，牙輪142穿過被圓錐形切削元件144預(yù)先破碎的地層以修整由圓錐形切削元件144產(chǎn)生的切口。圖13Β中顯示了具有七個切削元件(4個圓錐形切削元件144.1，144.3，144.5，144.7和三個牙輪142.2，142.4，142.6)的這種結(jié)構(gòu)。
[0074]圖14A-B顯示了使用具有在相反方向上的后傾角的圓錐形切削元件的切削結(jié)構(gòu)裝置的又一個變形例。相對于PDC牙輪的兩個常規(guī)設(shè)置或牙輪分布結(jié)構(gòu)是“單組”方法和“多組”方法。在“單組”方法中，橫過鉆頭的端面定位的每一個PDC牙輪被提供有從鉆頭的中心軸線向外朝向保徑部測量的獨特的徑向位置。相對于多組方案(還被公知為“冗余牙輪”或“尾隨牙輪”方案)，PDC牙輪部署在包括兩個或更多個牙輪的組中，其中給定組的牙輪定位在遠(yuǎn)離鉆頭軸線的相同的徑向距離處。如圖14A-B所示，每一個徑向位置都包括兩個圓錐形切削元件144。在第一徑向位置Rl處，圓錐形切削元件144.1a具有正后傾角，而尾隨圓錐形切削元件144.1b具有負(fù)后傾角。然而,反之亦然。例如,在第二徑向位置R2處，圓錐形切削元件144.2a具有負(fù)后傾角，而尾隨圓錐形切削元件144.2b具有正后傾角。
[0075]各種實施例還可以使用本公開的圓錐形切削元件上的多個側(cè)傾角。傳統(tǒng)地，對于PDC牙輪來說，側(cè)傾角被定義為鉆頭的切削面與徑向平面(x-z平面)之間的角度，如圖15中所示。當(dāng)沿著z軸線觀察時，負(fù)側(cè)傾角β通過牙輪的逆時針方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，而正側(cè)傾角由牙輪的順時針方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。在具體的實施例中，牙輪的側(cè)傾角可以在從30°至30°的范圍內(nèi)，而在其它實施例中，牙輪的側(cè)傾角可以在從0°至30°的范圍內(nèi)。
[0076]然而，圓錐形切削元件沒有切削面并因此圓錐形切削元件的定向必須被不同地定義。在圓錐形切削元件的背景下，如圖16Α-Β所示，側(cè)傾角被定義為形成在圓錐形切削元件144的軸線(具體地，圓錐形切削刃的軸線)與平行于鉆頭中心線(即，ζ軸線)的線之間的角度β。如圖16Α-Β中所示，在圓錐形切削元件144具有零度側(cè)傾角的情況下，圓錐形切削元件144的軸線大致平行于鉆頭中心線。具有負(fù)側(cè)傾角β的圓錐形切削元件144具有遠(yuǎn)離鉆頭中心線的方向指向的軸線。相反，具有正后傾角β的圓錐形切削元件144具有朝向鉆頭中心線的方向指向的軸線。在具體的實施例中，圓錐形切削元件的側(cè)傾角可以在從-30°至30°的范圍內(nèi)，在其它實施例中，圓錐形切削元件的側(cè)傾角可以在從-10°至10°的范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，盡管在以下段落中不是必須要具體提及，但是在以下實施例中圓錐形切削元件的側(cè)傾角可以選自這些范圍。
[0077]以下參照圖17，顯示了根據(jù)本公開使用的切削結(jié)構(gòu)的變形例。如圖17所示，其中顯示了兩個圓錐形切削元件144的旋轉(zhuǎn)，位于遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置Rl處的第一圓錐形切削元件144.1可以以負(fù)側(cè)傾角定向，而位于遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置R2處的第二圓錐形切削元件144.2可以以正側(cè)傾角定向。在此圖示的實施例中，圓錐形切削元件144.1是當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第一切削元件，而圓錐形切削元件144.2是當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第二切削元件。圓錐形切削元件144.1和144.2的側(cè)傾角可以選自這里所述的側(cè)傾角中的任一個。進(jìn)一步地，一個或多個常規(guī)牙輪(在圖17中未示出)可以位于圓錐形牙輪144.1與144.2.之間的徑向中間位置處，這也在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。在這點上，兩個徑向相鄰圓錐形切削元件之間的相反側(cè)傾角參見其中僅考慮圓錐形切削元件的切削輪廓的視圖。因為本公開允許任意兩個徑向相鄰圓錐形切削元件(當(dāng)圓錐形切削元件旋轉(zhuǎn)到單個平面上的視圖中)具有相反的側(cè)傾角，因此這可以使圓錐形切削元件當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個平面中時具有方向交替的側(cè)傾角，或者任意數(shù)量對的圓錐形切削元件的可以具有相反的側(cè)傾角。
[0078]參照圖18Α-Β，顯示了組合相對于圖1lA所述的圓錐形切削元件定向與相對于圖17所述的牙輪布局的實施例。例如，如圖18A所示，在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置Rl處具有負(fù)側(cè)傾角的第一圓錐形切削元件144.1是當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第一切削元件。在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置R3處具有正側(cè)傾角的圓錐形切削元件144.3是旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第二切削元件。在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置R2處的切削元件142.2是旋轉(zhuǎn)通過參考平面P的第三切削元件，其中R2是遠(yuǎn)離鉆頭中心線在Rl和R3的徑向距離之間的徑向距離。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時，牙輪142穿過被圓錐形切削元件144預(yù)先破碎的地層以修整由圓錐形切削元件144產(chǎn)生的切口。圖18B中顯示了具有七個切削元件((四個圓錐形切削元件144.1，144.3，144.5，144.7和三個牙輪142.2，142.4，142.6)的這種結(jié)構(gòu)。在圖18A-B所示的實施例中，牙輪142.2通過的多對圓錐形切削元件144.1，144.3(牙輪142.6通過多對圓錐形切削元件144.5，144.7)朝向彼此指向并指向R2 (或R6)位置。相反地，牙輪142.4通過的多對圓錐形切削元件144.3，144.5遠(yuǎn)離彼此指向并指向R4位置。因為本公開允許中間牙輪通過的任意兩個徑向相鄰的圓錐形切削元件(當(dāng)圓錐形切削元件旋轉(zhuǎn)到單個平面上的視圖中)具有相反的側(cè)傾角，因此這使得與圖18A-B中所示的實施例相比較使圓錐形切削元件包括當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個平面中時具有相反側(cè)傾角方案的圓錐形切削元件144( S卩，圓錐形切削元件144.1具有正側(cè)傾角，并且每一個隨后的徑向相鄰圓錐形牙輪具有在一方向上交替的側(cè)傾角)，如圖19A-B所示,或者任意數(shù)量對的圓錐形切削元件可以具有相反的側(cè)傾角。進(jìn)一步地，可以省略在任意徑向中間位置處的牙輪142例如使得由兩個圓錐形切削元件和一個牙輪形成的所有三個一組部件可以具有朝向或遠(yuǎn)離徑向中間牙輪指向的圓錐形切削元件，這在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0079]進(jìn)一步地，雖然早先提到了在多組切削元件布置中一個或多個圓錐形切削元件可以是另一個圓錐形切削元件的冗余或尾隨切削元件，但是牙輪142可以尾隨圓錐形切削元件144或反之亦然也在本公開的保護范圍內(nèi)。例如，如圖20A-B所示，每一個徑向位置(即，Rl)都包括圓錐形切削元件144和尾隨圓錐形切削元件144的牙輪142。在該實施例中，圓錐形切削元件144可以產(chǎn)生溝槽，所述溝槽的每一個隨后都通過牙輪142被修整。然而，反之亦然。進(jìn)一步地，雖然每一個圓錐形切削元件都被顯示為具有正后傾角并且沒有側(cè)傾角，但是可以在這種實施例中使用諸如這里所述的后傾角和/或側(cè)傾角的任意類型或組合也在本公開的保護范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，當(dāng)使用多組切削元件時，其中圓錐形切削元件被牙輪尾隨，反之亦然，且參照圖21A-C，牙輪142和圓錐形切削元件144可以以相同或不同露出高度設(shè)置也在本公開的保護范圍內(nèi)。在圖21A中，圓錐形切削元件142和牙輪以相同的露出高度設(shè)置，而圖21B顯示了其中圓錐形切削元件以大于牙輪142的露出高度設(shè)置的實施例，而圖21C顯示了其中牙輪142以大于圓錐形切削元件144的露出高度設(shè)置的實施例。可以基于例如要被鉆進(jìn)地層的類型選擇露出高度差。例如，當(dāng)?shù)貙虞^硬時，具有較大露出高度的圓錐形切削元件144可以是優(yōu)選的，而當(dāng)?shù)貙虞^軟時，具有較大露出高度的牙輪142可以是優(yōu)選的。進(jìn)一步地，露出差可以允許在地層類型之間的過渡時更好的鉆進(jìn)。如果牙輪具有較大的露出高度(用于鉆通較軟地層)，則當(dāng)沖擊不同地層類型時所述牙輪變鈍，并且牙輪變鈍可以允許圓錐形切削元件的接合。在具體實施例中，這種露出高度差可以在主0.25英寸的范圍內(nèi)，而在其它實施例中，這種露出高度差可以在±0.1英寸的范圍內(nèi)。
[0080]進(jìn)一步地，雖然圖21A-C中的實施例示出了多組切削元件，但是單組切削元件也可以利用這種露出高度變化也在本公開的保護范圍內(nèi)。以下參照圖22A-C，顯示了包括圓錐形切削元件144和牙輪142兩者的單組切削元件。在該實施例中，圓錐形切削元件144和牙輪142具有相同的露出高度。進(jìn)一步地，圓錐形切削元件144和牙輪在順次徑向位置處交替，并且當(dāng)單獨考慮時每一組圓錐形切削元件144和牙輪142形成全井底覆蓋度(圖22B-C所示)，但是被合并成也具有全井底覆蓋度的單個切削輪廓。以下參照圖23，顯示了牙輪142和圓錐形切削元件144的類似交替排列，從而提供全井底覆蓋度。然而，圓錐形切削元件144的露出高度大于牙輪142。雖然沒有具體示出，但是也可以使用相反的露出高度差。進(jìn)一步地，雖然這些實施例示出了兩種類型的切削元件之間大致恒定的露出高度差，但是本公開不受限于此。相反，露出高度可以沿著切削輪廓變化，使得例如錐體、頂冠、臺肩或保徑部中的任一個具有更高或更低的相對露出高度差。這種變化可以是平穩(wěn)的或階梯狀的。
[0081]以下參照圖24，顯示了根據(jù)本公開的切削輪廓的另一個實施例。如上所述，可以基于圓錐形切削元件沿著切削輪廓的徑向位置選擇后傾角的方向。例如，參照圖24，顯示了旋轉(zhuǎn)到單個平面中的圓錐形切削元件144的切削輪廓。在輪廓的錐形區(qū)域中的圓錐形切削元件144C被提供有正后傾角，輪廓的頂冠區(qū)域中的圓錐形切削元件144N被提供有中性或基本上沒有后傾角，而輪廓的臺肩區(qū)域中的圓錐形切削元件144S被提供有負(fù)后傾角。進(jìn)一步地，雖然在每一個區(qū)域中的圓錐形切削元件144被顯示為具有大致相同的后傾角，但是本公開不受限于此。相反，設(shè)想的是后傾角的范圍在切削輪廓的每一個區(qū)域內(nèi)是可以變化的。進(jìn)一步地，雖然在本實施例中沒有顯示牙輪，但是牙輪可以在鉆頭上任選地包括在徑向中間位置處或當(dāng)多組時尾隨圓錐形切削元件144也在本公開的保護范圍內(nèi)
[0082]此外，雖然圖24所示的實施例從正后傾角變化到負(fù)后傾角，從而遠(yuǎn)離鉆頭中心線移動，但是本公開的另一個實施例包括從負(fù)后傾角變化到正后傾角從而遠(yuǎn)離鉆頭中心線移動的另一個實施例。具體地，參照圖25，顯示了旋轉(zhuǎn)到單個平面中的圓錐形切削元件144的切削輪廓。在輪廓的錐形區(qū)域中的圓錐形切削元件144C被提供有負(fù)后傾角，輪廓的頂冠區(qū)域中的圓錐形切削元件144N被提供有中性或基本上沒有后傾角，而輪廓的臺肩區(qū)域中的圓錐形切削元件144S被提供有正后傾角。進(jìn)一步地，雖然在每一個區(qū)域中的圓錐形切削元件144被顯示為具有大致相同的后傾角，但是本公開不受限于此。相反，設(shè)想的是后傾角的范圍在切削輪廓的每一個區(qū)域內(nèi)是可以變化的。進(jìn)一步地，雖然在本實施例中沒有顯示牙輪，但是牙輪可以在鉆頭上任選地包括在徑向中間位置處或當(dāng)多組時尾隨圓錐形切削元件144也在本公開的保護范圍內(nèi)。當(dāng)對于鉆頭的不同區(qū)域選擇不同的后傾角時，選擇可以例如基于在哪里期望侵蝕性或無源切削作用。可以對鉆頭的其中期望侵蝕性切削的區(qū)域選擇正后傾角，而可以對鉆頭的其中期望更多穿過切削的區(qū)域選擇負(fù)后傾角。
[0083]進(jìn)一步地，雖然目前為止顯示的所有實施例顯示了平滑的切削輪廓，但是本公開不受限于此。相反，以下參照圖26，顯示了不平滑或鋸齒形切削輪廓的一個實施例。如圖26所示，圓錐形切削元件144可以設(shè)置在鉆頭上(或者所述刀片可以具有類似的輪廓)，使得能夠獲得不平滑鋸齒形輪廓。如這里所使用的，不平滑切削輪廓表示由與旋轉(zhuǎn)到單個平面中的圓錐形切削元件的頂點和/或牙輪的切削刃相切的線產(chǎn)生且包括至少一個頂點的輪廓。具體地，為了獲得圖26所示的切削輪廓，第一三個(徑向定位)圓錐形切削元件144.1-144.3形成大致線性輪廓，所述大致線性輪廓為“平坦”(共平面)的或相對于垂直于鉆頭中心線的平面形成有微小角度。圓錐形切削元件144.4位于大于圓錐形切削元件144.1-144.3的露出高度處以在切削輪廓中產(chǎn)生有角度臺階部。切削元件144.5，144.6與圓錐形切削元件144.4 一起形成大致線性輪廓，所述大致線性輪廓為“平坦”的或相對于垂直于鉆頭中心線的平面形成有微小角度。在圓錐形切削元件144.7開始并持續(xù)朝向鉆頭的保徑部徑向向外，圓錐形切削元件144.7-144.15形成平滑的弓形切削輪廓。
[0084]進(jìn)一步地，雖然圖26中所示的實施例具有由圓錐形切削元件確定的包括產(chǎn)生臺階形輪廓的切削輪廓形狀，但是其它實施例可以使用圓錐形切削元件和牙輪的組合以產(chǎn)生輪廓形狀。如圖27所示，從鉆頭中心線L延伸，多個牙輪142在第一輪廓形狀SI處徑向向外延伸，直到到達(dá)第一圓錐形切削元件144.4為止，由于圓錐形切削元件144.4的頂點和錐角及其露出高度，所述圓錐形切削元件144.4改變輪廓形狀。切削輪廓的該第二高臺部或臺階部S2由兩個牙輪142支撐，并且在第二高臺部S2之外，以類似的方式在切削輪廓中還包括四個其它這種臺階部或高臺部(S3-S6)以產(chǎn)生多臺階不平滑切削輪廓。具體地，圓錐形切削元件144在SI與S2、S3與S4和S5與S6之間過渡，而牙輪142在S2與S3和S4與S5之間過渡。雖然牙輪142可以用于在切削輪廓中產(chǎn)生凹入有角度臺階部(例如，從S2至S3的變化)，但是圓錐形切削元件144可以對在諸如從SI至S2的輪廓中產(chǎn)生凸起有角度臺階部尤其有用。然而，可以可選地通過利用圓錐形切削元件獲得(從S2至S3)的一個或多個凹入變化。
[0085]雖然各種實施例顯示了基本上在鉆頭的中心線附近延伸的切削元件(和/或與中心線相交的刀片)，然而鉆頭的中心區(qū)域可以保持沒有切削結(jié)構(gòu)(和刀片)也在本公開的保護范圍內(nèi)。圖28中顯示了這種鉆頭的示例性切削元件布局。參照圖28，牙輪142和圓錐形切削元件144位于不與鉆頭的中心線相交的刀片146上，而是在刀片之間在鉆頭的沒有切削元件的該中心部分148中形成一空腔。可選地，本公開的各種實施例可以包括中心芯切削元件，例如，授予本受讓人并通過引用在此全文并入供參考的美國專利N0.5，655，614中所述的類型。這種切削元件可以具有類似于牙輪142的圓柱形形狀或類似于圓錐形切削元件144的圓錐形切削刃。在圖29中顯示下一個實施例。
[0086]以下參照圖29，在上述結(jié)構(gòu)或任意其它結(jié)構(gòu)的任一個中，切削輪廓可以包括多個牙輪142和/或多個圓錐形切削元件144。在鉆頭中心線L處與鉆頭中心線L相鄰處，包括作為中心芯型元件146的圓錐形切削元件。這種芯型元件在形成在刀片之間的空腔中直接連接到鉆頭(未示出)，而不是連接到刀片(如圓錐形切削元件144和牙輪142被連接)。根據(jù)本公開，中心圓錐形芯型元件146可以被設(shè)定成使其頂點低于第一徑向切削元件的切削刃(不管所述第一徑向切削元件是圓錐形切削元件或牙輪)。在具體的實施例中，圓錐形芯型元件146的頂點可以在小于第一徑向切削元件的切削刃的高度H處，如圖29所示。在一些實施例中，高度H可以在從O英寸至I英寸的范圍內(nèi)，在其它實施例中，高度H可以在從0.1英寸達(dá)到(0.35X鉆頭直徑)的范圍內(nèi)，或達(dá)到(0.1X鉆頭直徑)。此外，在一些實施例中，圓錐形芯型元件可以具有從60度至120度的范圍內(nèi)的錐角，在其它實施例中，圓錐形芯型元件可以具有從80度至90度的范圍內(nèi)的錐角。在其它實施例中，圓錐形芯型元件的直徑可以在從0.25英寸至1.5英寸和從0.3英寸至0.7英寸的范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，在其它實施例中，H與圓錐形切削元件的直徑的比值可以在從大約0.1至6或從大約0.5至3的范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，設(shè)置圓錐形芯型元件的中心芯或空腔(即，在多個刀片之間的區(qū)域)的直徑可以達(dá)到圓錐形芯型元件的直徑的3倍。[0087]進(jìn)一步地，雖然圖29所示的實施例示出了圓錐形芯型元件146設(shè)置在鉆頭中心線中，但是本公開的實施例可以包括與鉆頭中心線相鄰的圓錐形切削元件，所述圓錐形切削元件與鉆頭中心線間隔開從O直到圓錐形芯型硬合金齒的半徑值(用于對稱性硬合金齒)。然而，本公開也包括使用非對稱性圓錐形芯型硬合金齒(類似于圖31C所示的幾何形狀)，其中，距離鉆頭中心線的距離可以在從零直到圓錐形芯型硬合金齒的半徑加上圓錐形切削刃的頂點與硬合金齒中心線之間的偏移量的和的范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，雖然圖29所示的實施例顯示了圓錐形芯型元件被鑲齒使得所述圓錐形芯型元件的軸線與鉆頭軸向同軸或平行，但是芯型圓錐形硬合金齒的中心線相對于鉆頭中心線成一角度也在本公開的保護范圍內(nèi)。當(dāng)使用非對稱性圓錐形芯型硬合金齒時，這種成角度硬合金齒尤其有用。圓錐形芯型硬合金齒可以鑲齒到鉆頭的中心區(qū)域中的孔中，使得圓錐形芯型元件的圓柱形基部的向上長度(即，134，如圖31A所示)為距離鉆頭表面的±0.1英寸，并且在各種實施例中優(yōu)選地與鉆頭表面齊平。
[0088]以下參照圖30A-B，示出了根據(jù)本公開的臺階式切削輪廓的進(jìn)一步實施例。在圖30A-B所述的實施例中，中心圓錐形芯型切削元件146沿著鉆頭中心線L定位。從鉆頭中心線L徑向延伸，圖30A包括與圖27所示的輪廓類似的輪廓。如圖30A所示，多個牙輪142在第一輪廓形狀SI處徑向向外延伸直到達(dá)到第一圓錐形切削元件144.4，由于圓錐形切削元件144.4的頂點和錐角及其露出高度，所述第一圓錐形切削元件144.4改變輪廓形狀。切削輪廓的該第二高臺部或臺階部S2由兩個牙輪142支撐，并且在第二高臺S2之外，也以類似的方式在切削輪廓中包括四個其它這種臺階部或高臺部(S3-S6)以產(chǎn)生多臺階式不平滑切削輪廓。具體地，圓錐形切削元件144在SI與S2、S3與S4和S5與S6之間過渡以產(chǎn)生輪廓的凸起部分，而牙輪142在S2與S3和S4與S5之間過渡以產(chǎn)生輪廓的凹入部分。
[0089]以下參照圖30B，從鉆頭中心線延伸，多個牙輪142在第一輪廓形狀SI處徑向向外延伸直到到達(dá)第一圓錐形切削元件144為止，由于圓錐形切削元件144的頂點、錐角和露出高度，所述第一圓錐形切削元件144改變輪廓形狀。在第二高臺部或臺階部S2由兩個牙輪142支撐，之后，通過圓錐形切削元件144在每一個高臺S2-S6之間產(chǎn)生隨后的變化，而牙輪142形成每一個高臺部或臺階部的直線部分。進(jìn)一步地，雖然圖27和30A-B所示的實施例僅使用圓錐形切削元件144來產(chǎn)生隨后的高臺部之間的變化，但是圓錐形切削元件可以設(shè)置在與牙輪大致相同的露出高度處使得圓錐形切削元件對切削輪廓的線性(或弓形)部分存在貢獻(xiàn)也在本公開的保護范圍內(nèi)。
[0090]另一方面，與傳統(tǒng)地適合于鉆井(斜面達(dá)到足以最小化破碎的可能)相比較，圓錐形切削元件144和牙輪142的使用可以允許牙輪142具有較小的斜面切削刃。例如,牙輪142可以被磨成(?0.001英寸斜面長度)或可以具有最多大約0.005英寸的斜面長度。然而，可以使用較大斜面(大于0.005英寸)也在本公開的范圍內(nèi)。
[0091]進(jìn)一步地，本公開的各種實施例還可以包括孕鑲金剛石切削裝置(diamondimpregnated cutting means)。這種金剛石孕鑲以是孕鑲在刀片內(nèi)的形式或由孕鑲金剛石材料形成的切削元件的形式。具體地，在具體的實施例中，諸如美國專利N0.6，394，202和美國專利公開出版物N0.2006/0081402中所述的經(jīng)常在現(xiàn)有技術(shù)中作為砂礫熱壓(GHI)的孕鑲金剛石硬合金齒可以安裝在凹穴中，所述凹穴大致垂直于刀片的表面形成在刀片中并通過釬焊、粘結(jié)劑諸如過盈配合的機械法等固定，這類似于GHI在孕鑲金剛石鉆頭中的使用，如在美國專利N0.6，394，202中所述，或者硬合金齒(inserts)可以并排位于刀片內(nèi)。進(jìn)一步地，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到上述任何組合的切削元件的可以固定到本公開的任一個刀片。在具體的實施例中，至少一個預(yù)先形成的孕鑲金剛石硬合金齒或GHI可以放置在至少一個圓錐形切削元件的備用位置(即，后面)。在另一個具體的實施例中，預(yù)先形成的孕鑲金剛石硬合金齒可以在大致相同的徑向位置處設(shè)置在每一個圓錐形切削元件的備用或尾隨位置。在具體的實施例中，預(yù)先形成的孕鑲金剛石硬合金齒以低于圓錐形切削元件的露出高度設(shè)置在圓錐形切削元件的備用或尾隨位置。在具體的實施例中，孕鑲金剛石硬合金齒設(shè)置成在圓錐形切削元件的頂部以下大約0.030英寸到0.100英寸。進(jìn)一步地，孕鑲金剛石硬合金齒可以具有各種形狀。例如，在各種實施例中，孕鑲金剛石元件的上表面可以是平坦的、穹頂形、或圓錐形以接合地層。在具體的實施例中，具有穹頂形上表面或圓錐形上表面。
[0092]包括孕鑲金剛石硬合金齒或刀片的這種實施例中，這種孕鑲材料可以包括分散在諸如以下詳細(xì)描述的材料的連續(xù)基質(zhì)內(nèi)的少量磨蝕顆粒。進(jìn)一步地，這種預(yù)先形成的硬合金齒或刀片可以由如美國專利公開出版物N0.2006/0081402和美國申請N0.11/779，083，N0.11/779，104和N0.11/937,969中所述的包封顆粒。少量磨蝕顆?？梢赃x自人造金剛石、天然金剛石、回收的天然或人造金剛石、砂礫、立方氮化硼(CBN)、熱穩(wěn)定聚晶金剛石(TSP)、碳化硅、氧化鋁、工具鋼、碳化硼或其組合。在各種實施例中，刀片的特定部分可以浸潰有所選擇的顆粒以與后部相比產(chǎn)生具有更大磨蝕性的前部(或反之亦然)。
[0093]浸潰顆?？梢苑稚⒃谟苫|(zhì)粉末和粘結(jié)劑材料(粘結(jié)劑粉末和/或滲透粘結(jié)劑合金)形成的連續(xù)基質(zhì)中?；|(zhì)粉末材料可以包括使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何技術(shù)的碳化物組分和/或金屬合金的混合物。例如，基質(zhì)粉末材料可以包括宏晶碳化鎢顆粒、滲碳碳化鎢顆粒、鑄造碳化鎢顆粒和燒結(jié)碳化鎢顆粒中的至少一種。在其它實施例中，可以使用由釩、鉻、鈦、鉭、鈮形成的非碳化鎢以及過渡金屬族形成的其它碳化物。在又一個實施例中，可以使用IVA族、VA族或VIA族金屬的碳化物、氧化物和氮化物。通常，粘結(jié)相可以由粉末成分和/或滲透成分形成。在本發(fā)明的一些實施例中，硬顆粒可以與諸如鈷、鎳、鐵、鉻、銅、鑰、及其合金及其組合的粉末粘結(jié)劑組合使用。在各種其它實施例中，滲透粘結(jié)劑可以包括Cu-Mn-Ni合金、N1-Cr-S1-B-Al-C合金、N1-Al合金、和/或Cu-P合金。在其它實施例中，除了按重量計算數(shù)量在從30%至100%的范圍內(nèi)的至少一種粘結(jié)劑之外，滲透基質(zhì)可以包括按重量計算數(shù)量在從0%至70%的范圍內(nèi)的碳化物，以促進(jìn)基質(zhì)和浸潰材料的粘結(jié)。進(jìn)一步地，即使在沒有提供孕鑲金剛石(孕鑲金剛石以預(yù)先形成的硬合金齒的形式提供)的實施例中，這些基質(zhì)也可以用于形成刀片結(jié)構(gòu)，其中本公開的切削元件被用于所述刀片結(jié)構(gòu)上。
[0094]以下參照圖31A-C，圖31A-C顯示了可以是這里公開的實施例中的任一個中的圓錐形切削元件的變形例。設(shè)置在鉆頭或擴眼器上的圓錐形切削元件128 (圖31A-31C示出了所述圓錐形切削元件128的變形例)具有在襯底134(例如，燒結(jié)碳化鎢襯底)上的金剛石層132，其中金剛石層132形成圓錐形金剛石工作表面。具體地，圓錐形幾何形狀可以包括正切地連接頂點的曲率的側(cè)壁。圓錐形切削元件128可以以類似于在形成金剛石增強硬合金齒(在牙輪鉆頭中使用)中使用的方法類似的方法形成或可以將部件釬焊在一起。金剛石層132與襯底134之間的界面(未單獨示出)可以是非平坦或非均一的，例如用于有助于在操作中減小金剛石層132與襯底134的分層的產(chǎn)生并提高元件的強度和耐沖擊性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到所述界面可以包括一個或多個凸起或凹入部，如本領(lǐng)域所公知的非平坦界面。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到使用一些非平坦界面可以允許金剛石層在層的末端區(qū)域具有更大的厚度。進(jìn)一步地，理想的是產(chǎn)生界面幾何形狀使得金剛石層在包圍金剛石增強元件與地層之間的主要接觸區(qū)域的臨界區(qū)域處最厚?？梢杂糜诒竟_的金剛石增強元件的另外的形狀和界面包括美國專利公開出版物N0.2008/0035380中所述的形狀和界面，其中所述專利公開出版物通過引用在此全文并入。進(jìn)一步地，金剛石層132可以由包括例如多晶金剛石、多晶立方氮化硼、熱穩(wěn)定聚晶金剛石(通過對由諸如鈷的金屬形成的多晶金剛石或由具有低于鈷的熱膨脹系數(shù)的金屬形成的多晶金剛石進(jìn)行處理形成)的任何多晶超級研磨材料形成。
[0095]如上所述，圓錐形切削元件的頂點可以具有包括曲率半徑的曲率。在本實施例中，曲率半徑可以在從大約0.050至0.125的范圍內(nèi)。在一些實施例中，曲率可以包括可變曲率半徑、拋物線的一部分、雙曲線的一部分、垂鏈線的一部分、或參量樣條(parametricspline)。進(jìn)一步地，參照圖31A-B，錐形端的錐角β可以改變，并且基于要被鉆進(jìn)的具體地層選擇所述錐角β。在具體的實施例中，錐角β可以在從大約75度至90度的范圍內(nèi)。
[0096]以下參照圖31C，圖31C顯示了非對稱或傾斜圓錐形切削元件。如圖31C所示，圓錐形切削元件128的切削圓錐形切削刃部135具有不與襯底134的軸線同軸的軸線。在具體的實施例中，至少一個非對稱圓錐形切削元件可以用在所述的鉆頭或擴眼器中的任一個上?？梢赃x擇非對稱圓錐形切削元件以更好地將來自地層的作用在切削元件上的法向或反作用力與切削末端軸線對齊，或者以改變圓錐形切削元件相對于地層的侵蝕性。在具體的實施例中，形成在切削刃或錐體軸線與襯底的軸線之間的角度Y可以在從37.5度至45度的范圍內(nèi)，且尾隨側(cè)的角度比引導(dǎo)角大5-20度。參照圖17，非對稱(B卩，傾斜)圓錐形切削元件的后傾角165基于圓錐形切削刃的軸線，所述圓錐形切削刃的軸線沒有穿過圓錐形切削刃的基部的中心。撞擊角167如上所述基于圓錐形切削元件的側(cè)壁的引導(dǎo)部與地層之間的角度。如圖33所示，通過頂點的切削刃軸線遠(yuǎn)離鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向指向。
[0097]參照圖32A-C，圓錐形切削元件144與切削刃135的頂點139相鄰的一部分可以使切削元件呈斜面或磨掉以在切削元件上形成傾斜表面138。例如，可以從傾斜表面與正交于圓錐形切削元件的頂點的平面之間的角度測量斜面的傾斜切削角。基于期望的侵蝕性，傾斜切削角可以在從15度至30度的范圍內(nèi)。如圖32Β和32C所示，顯示了 17度和25度的傾斜切削角。進(jìn)一步地，斜面的長度可以例如基于傾斜切削角以及頂角。
[0098]除了切削元件144中金剛石層132與碳化物襯底134之間的非平坦界面之外或作為所述界面的可替換方案，圓錐形切削元件的一個具體實施例可以包括不正交于如圖35所示的襯底主體軸線以產(chǎn)生非對稱性金剛石層的界面。具體地，在這種實施例中，在圓錐形切削元件的一半上的金剛石的體積大于在圓錐形切削元件的另一半上的金剛石的體積。相對于基部的界面的角度的選擇可以基于例如具體的后傾角、撞擊角、頂角、圓錐形切削刃的軸線，以最小化在金剛石-碳化物界面上的剪切力的大小，并相反使界面具有大于切應(yīng)力的壓縮應(yīng)力。
[0099]本公開的一些實施例可以涉及牙輪和圓錐形切削元件的混合使用，其中牙輪彼此遠(yuǎn)離間隔開，并且圓錐形切削元件設(shè)置在兩個徑向相鄰的牙輪之間的中間位置。在實施例(包括上述實施例)中的牙輪142之間的間距可以被認(rèn)為是在同一刀片上的兩個相鄰牙輪142之間或當(dāng)所有切削元件旋轉(zhuǎn)到單個平面圖時兩個徑向相鄰的牙輪142之間的間距。
[0100]例如，參照圖36，鉆頭100可以包括上面具有多個牙輪142和多個圓錐形切削元件144的多個刀片140。如圖所示，牙輪142和圓錐形切削元件144以交替方案設(shè)置在每一個刀片140上。相對于同一刀片上的彼此相鄰的兩個牙輪142 (且圓錐形切削元件144在尾隨位置處在所述兩個牙輪142之間)，兩個相鄰牙輪可以彼此遠(yuǎn)離間隔開距離D，如圖36中所示。在一個實施例中，D可以等于或大于牙輪直徑值C的四分之一，S卩，1/4CSD。在其它實施例中，D 的下限可以是 0.1C,0.2C，0.25C，0.33C，0.5C，0.67C，0.75C, C，或 1.5C 中的任一個，而D的上限可以是0.5C，0.67C，0.75C，C，1.25C，1.5C，1.75，或2C中的任一個，其中任何下限可以與任何上限組合。圓錐形切削元件144可以在刀片140上設(shè)置在兩個牙輪(在同一刀片或在兩個或更多個不同刀片上在相對于牙輪的引導(dǎo)或尾隨位置)之間的徑向中間位置處以保護刀片表面和/或有助于地層的刮削。
[0101]相鄰牙輪142之間的具體間距的選擇可以基于刀片的數(shù)量，例如和/或當(dāng)所有牙輪旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)剖面圖中時徑向相鄰的牙輪之間的期望的重疊范圍。例如，在一些實施例中，理想的是在鉆頭100上的所有牙輪142之間具有全井底覆蓋程度(在由牙輪142形成的切削輪廓中沒有間隙)，而在其它實施例中，理想的是在至少一些牙輪142之間具有至少部分地由圓錐形切削元件144填充的一間隙148，如圖37中所示。在一些實施例中，徑向相鄰的牙輪142 (當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個平面中時)之間的寬度可以在從0.1英寸達(dá)到牙輪的直徑(即，C)的范圍。在其它實施例中，牙輪142(當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個平面中時)之間的寬度的下限可以是0.1C，0.2C，0.4C，0.5C，0.6C，或0.8C中的任一個，而牙輪142 (當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個平面中時)之間的寬度的上限可以是0.4C，0.5C，0.6C，0.8C或C中的任一個，其中任何下限可以與任何上限結(jié)合。
[0102]在其它實施例中，徑向相鄰的(在旋轉(zhuǎn)視圖中)的牙輪142的切削刃143可以至少彼此相切，如圖38所示，其中圖38顯示了當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個平面圖中時牙輪142的從鉆頭(未顯示)的縱向軸線L向外延伸的切削輪廓146的另一個實施例。雖然未示出，但是圓錐形切削元件可以包括在任意兩個徑向相鄰的牙輪142 (在旋轉(zhuǎn)視圖中)之間，如上所述。如圖39所示，其顯示了當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個平面圖中時牙輪142的從鉆頭(未顯示)的縱向軸線L向外延伸的切削輪廓146的另一個實施例，徑向相鄰(在旋轉(zhuǎn)視圖中)的牙輪142的切削刃143可以重疊范圍V。雖然未示出，但是圓錐形切削元件可以包括在任意兩個徑向相鄰的牙輪142(在旋轉(zhuǎn)視圖中)之間，如上所述。重疊V可以被定義為沿大致平行于切削輪廓146的相應(yīng)部分的重疊的牙輪142的切削面的距離。在一個實施例中，兩個徑向相鄰(在旋轉(zhuǎn)視圖中)的牙輪142之間的重疊V的上限可以等于牙輪的半徑(或牙輪直徑C的一半)，SP，VSC/2。在其它實施例中，重疊V的上限可以基于半徑(C/2)和存在于鉆頭上的刀片的數(shù)量，具體地半徑除以刀片的數(shù)量，即，C/2B，其中B是刀片的數(shù)量。因此，對于雙刀片式鉆頭來說，重疊V的上限可以為C/4，而對于四刀片式鉆頭來說，重疊V的上限可以是C/8。因此，V可以通常在從O < VS C/2的范圍內(nèi)，而在特定實施例中，V的下限可以是C/10B，C/8B, C/6B, C/4B, C/2B，或0.1C，0.2C，0.3C，或0.4C (對于任意數(shù)量的刀片)中的任一個，而V的上限可以是C/8B, C/6B, C/4B, C/2B,或0.2C，0.3C，0.4C或0.5C中的任一個，其中任何下限可以與任何上限一起使用。[0103]在一個示例性實施例中，牙輪的切削面可以具有大于圓錐形切削元件的末端的延伸高度(即，與備用切削元件相比較，“輪廓上”主切削元件接合更大的地層深度，而備用切削元件是“脫離輪廓”的)。在其它實施例中，圓錐形切削元件可以具有大于常規(guī)牙輪的高度。如這里所使用的，術(shù)語“脫離輪廓”可以用于表示從牙輪支撐表面(例如，切削元件，切削深度限制器等)延伸的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)具有小于限定給定刀片的最外側(cè)切削輪廓的一個或更多個其它切削元件的延伸高度的延伸高度。如這里所使用的，術(shù)語“延伸高度”用于描述切削面從與所述切削面連接的刀片的牙輪支撐表面延伸的距離。在一些實施例中，備用切削元件可以與主切削元件在相同的露出高度處，但是在其它實施例中，主牙輪可以具有在備用牙輪以上的更大的露出或延伸高度。這種延伸高度可以在例如從0.005英寸達(dá)到C/2(牙輪的半徑)的范圍內(nèi)。在其它實施例中，延伸高度的下限可以是0.1C，0.2C，0.3C，或0.4C中的任一個，而延伸高度的上限可以是0.2C，0.3C，0.4C，或0.5C中的任一個，其中任何下限可以與任何上限一起使用。另外的延伸高度可以用在涉及使用圓錐形切削元件和牙輪的以上實施例中的任一個中。
[0104]以上實施例中的任一個可以使用非圓錐形但也非平坦的刮削切削元件代替圓錐形切削元件，即，切削元件具有可以刮削地層的頂部，例如鑿狀、穹頂狀、截頭圓錐狀、或小平面切削元件等也在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0105]如本公開全文所述，切削元件和切削結(jié)構(gòu)組合可以用在固定切齒刃鉆頭或擴眼器上。圖40顯示了包括本公開的一個或多個切削元件的擴眼器830的通常結(jié)構(gòu)。擴眼器830包括工具主體832和繞該工具主體832的圓周設(shè)置在選擇的方位角位置處的多個刀片838。擴眼器830整體上包括連接裝置834，836 (例如，螺紋連接裝置)，使得擴眼器830可以聯(lián)接到例如包括鉆柱和/或井底鉆具組合(BHA)(未示出)的相鄰鉆具。工具主體832大致包括通過所述工具主體832的孔，使得當(dāng)從地面將鉆井液泵送(例如，從地面泥漿泵(未示出))到井眼(未示出)的底部時，所述鉆井液可以流動通過擴眼器830。工具主體832可以由鋼或由本領(lǐng)域所公知的其它材料形成。例如，工具主體832還可以由滲透有粘結(jié)劑合金的基質(zhì)形成。
[0106]圖40中所示的刀片是螺旋刀片并且整體上以大致相等角間隔繞工具主體的圓周定位，使得擴眼器830。該布置不是對本發(fā)明的保護范圍的限制，而是相反僅用于說明性目的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到可以使用任何現(xiàn)有技術(shù)的井下切削工具。雖然圖36沒有詳細(xì)示出圓錐形切削元件的位置，但是可以基于上述變形例在工具上放置所述圓錐形切削元件。
[0107]此外，除了諸如擴孔器、擴眼器、扶正器等的井下工具應(yīng)用之外，與現(xiàn)有技術(shù)鉆頭相比較，使用根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的諸如這里公開的切削元件的鉆頭可以在高轉(zhuǎn)速方面具有改進(jìn)的鉆井特性。當(dāng)鉆頭通過渦輪、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動或用在高轉(zhuǎn)速應(yīng)用中時，這種高轉(zhuǎn)速是典型的。
[0108]此外，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到對本公開的切削元件的尺寸沒有限制。例如，在各種實施例中，切削元件的尺寸可以形成為包括但不限于9mm、13mm、16mm、和19mm。切削元件尺寸的選擇可以基于例如要被鉆進(jìn)的地層的類型。例如，在軟地層中，理想的是可以使用大切削元件，而在硬地層中，理想的是可以使用小切削元件。
[0109]進(jìn)一步地，牙輪142可以是諸如美國專利N0.7，703, 559、美國專利公開出版物N0.2010/0219001 和美國專利申請 N0.13/152, 626,N0.61/479, 151、Νο.61/479，183 中所公開的可旋轉(zhuǎn)切削元件的可旋轉(zhuǎn)切削元件也在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)，其中所述申請被轉(zhuǎn)讓給本受讓人并通過引用在全文此并入。
[0110]本公開的實施例可以包括一個或多個以下優(yōu)點。本公開的實施例可以提供能夠以經(jīng)濟ROP實際地鉆入具有大于可以采用常規(guī)PDC鉆頭的硬度的地層中的固定切齒刃鉆頭或其它固定切齒刃切削工具。更具體地，本實施例可以鉆入軟、中間、中等硬度地層中，并且甚至鉆入一些硬地層中，同時保持侵蝕性切削元件輪廓以保持可接受ROP持續(xù)可接受的持續(xù)時間并因此降低當(dāng)前行業(yè)中的鉆井成本。具有圓錐形切削元件的剪切牙輪的組合可以通過產(chǎn)生溝槽(通過圓錐形切削元件)以削弱巖石然后通過剪切牙輪隨后的作用挖掘所述巖石來進(jìn)行鉆進(jìn)。此外，其它實施例還可以通過切削機理到研磨的轉(zhuǎn)變(通過包括孕鑲金剛石)提供增強的耐用性。進(jìn)一步地，圓錐形切削元件的各種幾何結(jié)構(gòu)和位置可以用于在使用期間優(yōu)化圓錐形切削元件的使用，尤其地減小或最小化在鉆進(jìn)期間切削元件上的有害載荷和應(yīng)力。
[0111]雖然已經(jīng)相對于有限的實施例描述了本發(fā)明，但是得益于本公開的本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到可以設(shè)計不背離如這里公開的本發(fā)明的保護范圍的本發(fā)明的其它實施例。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該僅由所附權(quán)利要求限制。
【權(quán)利要求】
1.一種井下切削工具，包括: 工具本體； 從所述工具本體方位角地延伸的多個刀片；和 設(shè)置在所述多個刀片上的多個切削元件，所述多個切削元件包括: 包括襯底和金剛石層的至少兩個圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃， 其中所述至少兩個圓錐形切削元件中的至少一個具有正后傾角，以及所述至少兩個圓錐形切削元件中的至少一個具有負(fù)后傾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下切削工具，其中，具有正后傾角的所述至少一個圓錐形切削元件和具有負(fù)后傾角的所述至少一個圓錐形切削元件在鉆頭上設(shè)置在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的同一徑向位置處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下切削工具，其中，所述多個切削元件進(jìn)一步包括具有襯底和金剛石臺面的至少一個牙輪，所述至少一個牙輪具有大致平坦切削面，其中在所述多個切削元件旋轉(zhuǎn)到單個平面中的視圖中，所述至少一個牙輪位于遠(yuǎn)離所述鉆頭軸線的徑向位置處，所述徑向位置在具有正后傾角的所述至少一個圓錐形切削元件的徑向位置與具有負(fù)后傾角的所述至少一個圓錐形切削元件的徑向位置之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下切削工具，其中，在所述鉆頭的錐形區(qū)域中的多個圓錐形切削元件具有正后 傾角，在所述鉆頭的頂冠區(qū)域中的多個圓錐形切削元件具有大致中性后傾角，以及在所述鉆頭的臺肩區(qū)域中的多個圓錐形切削元件具有負(fù)后傾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下切削工具，其中，在所述鉆頭的錐形區(qū)域中的多個圓錐形切削元件具有負(fù)后傾角，在所述鉆頭的頂冠區(qū)域中的多個圓錐形切削元件具有大致中性后傾角，以及在所述鉆頭的臺肩區(qū)域中的多個圓錐形切削元件具有正后傾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下切削工具，其中，所述多個切削元件進(jìn)一步包括具有襯底和金剛石臺面的至少一個牙輪，所述金剛石臺面具有大致平坦切削面，其中所述至少一個牙輪設(shè)置在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的與所述圓錐形切削元件中的至少一個相同的徑向距離處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下切削工具，其中，所述至少兩個圓錐形切削元件被設(shè)置在兩個單獨的刀片上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下切削工具，其中，所述至少兩個圓錐形切削元件被設(shè)置在同一刀片上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下切削工具，其中，所述至少兩個圓錐形切削元件設(shè)置在切削輪廓的頂冠區(qū)域和臺肩區(qū)域中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下切削工具，進(jìn)一步包括設(shè)置在至少兩個刀片之間的區(qū)域中的中間芯型圓錐形切削元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下切削工具，其中，所述井下切削工具是鉆頭，所述鉆頭包括: 具有鉆頭軸線和鉆頭端面的鉆頭體；和 沿著所述鉆頭端面徑向延伸的多個刀片。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下切削工具，其中，所述至少兩個圓錐形切削元件具有選自大約-10°至10°的后傾角。
13.一種井下切削工具，包括:工具本體； 從所述工具本體方位角地延伸的多個刀片；和 設(shè)置在所述多個刀片上的多個切削元件，所述多個切削元件包括: 包括襯底和金剛石層的至少兩個圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃， 其中所述至少兩個圓錐形切削元件中的至少一個具有正側(cè)傾角，以及所述至少兩個圓錐形切削元件中的至少一個具有負(fù)側(cè)傾角。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的井下切削工具，其中，具有正側(cè)傾角的所述至少一個圓錐形切削元件和具有負(fù)側(cè)傾角的所述至少一個圓錐形切削元件在鉆頭上設(shè)置在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的同一徑向位置處。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的井下切削工具，其中，所述多個切削元件進(jìn)一步包括具有襯底和金剛石臺面的至少一個牙輪，所述金剛石臺面具有大致平坦切削面，其中在所述多個切削元件旋轉(zhuǎn)到單個平面中的視圖中，所述至少一個牙輪位于遠(yuǎn)離所述鉆頭軸線的徑向位置處，所述徑向位置在具有正側(cè)傾角的所述至少一個圓錐形切削元件的徑向位置與具有負(fù)側(cè)傾角的所述至少一個圓錐形切削元件的徑向位置之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的井下切削工具，其中，所述多個切削元件進(jìn)一步包括具有襯底和金剛石臺面的至少一個牙輪，所述金剛石臺面具有大致平坦切削面，其中所述至少一個牙輪設(shè)置在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的與所述圓錐形切削元件中的至少一個相同的徑向距離處。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的井下切削工具，其中，所述至少兩個圓錐形切削元件被設(shè)置在兩個單獨的刀片上。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的井下切削工具，其中，所述至少兩個圓錐形切削元件被設(shè)置在同一刀片上。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的井下切削工具，其中，所述至少兩個圓錐形切削元件設(shè)置在切削輪廓的頂冠區(qū)域和臺肩區(qū)域中。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的井下切削工具，進(jìn)一步包括設(shè)置在至少兩個刀片之間的區(qū)域中的芯型圓錐形切削元件。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的井下切削工具，其中，所述井下切削工具是鉆頭，所述鉆頭包括: 具有鉆頭軸線和鉆頭端面的鉆頭體；和 沿著所述鉆頭端面徑向延伸的多個刀片。
22.—種井下切削工具，包括: 工具本體； 從所述工具本體方位角地延伸的多個刀片；和 設(shè)置在所述多個刀片上的多個切削元件，所述多個切削元件包括: 具有襯底和金剛石臺面的至少一個牙輪，所述金剛石臺面具有大致平坦切削面；包括襯底和金剛石層的至少一個圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中所述至少一個牙輪和所述至少一個圓錐形切削元件設(shè)置在距離鉆頭中心線的相同徑向距離處。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的井下切削工具，其中，所述至少一個牙輪設(shè)置在相對于上面設(shè)有所述至少一個圓錐形切削元件的至少一個刀片的尾隨刀片上。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的井下切削工具，其中，所述至少一個牙輪設(shè)置在相對于上面設(shè)有所述至少一個圓錐形切削元件的至少一個刀片的引導(dǎo)刀片上。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所示的井下切削工具，其中，所述至少一個圓錐形切削元件具有大于所述至少一個牙輪的露出高度。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的井下切削工具，其中，所述至少一個圓錐形切削元件具有小于所述至少一個牙輪的露出高度。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的井下切削工具，其中，所述至少一個圓錐形切削元件具有與所述至少一個牙輪大致相同的露出高度。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的井下切削工具，進(jìn)一步包括設(shè)置在至少兩個刀片之間的區(qū)域中的芯型圓錐形切削元件。
29.根據(jù)權(quán)利要求22所述的井下切削工具，其中，所述井下切削工具是鉆頭，所述鉆頭包括: 具有鉆頭軸線和鉆頭端面的鉆頭體；和 沿著所述鉆頭端面徑向延伸的多個刀片。
30.一種用于在地球地層中鉆井眼的鉆頭，包括: 具有鉆頭軸線和鉆頭端面的鉆頭體； 沿著所述鉆頭端面徑向延伸的多個刀片； 設(shè)置在所述多個刀片上的多個切削元件；和 設(shè)置在至少兩個刀片之間的區(qū)域中的圓錐形芯型切削元件， 其中所述圓錐形芯型切削元件的頂點在壁徑向最內(nèi)部切削元件的切削刃小的高度H處，其中高度H在達(dá)到所述鉆頭的直徑的0.35倍的范圍內(nèi)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的鉆頭，其中，高度H達(dá)到所述鉆頭直徑的0.1倍。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的鉆頭，其中，所述圓錐形芯型切削元件的錐角在從60度至120度的范圍內(nèi)。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的鉆頭，其中，高度H與所述圓錐形芯型切削元件的直徑的比值在從0.5至3的范圍內(nèi)。
34.一種井下切削工具，包括: 工具本體； 從所述工具本體方位角地延伸的多個刀片；和 設(shè)置在所述多個刀片上的多個切削元件，所述多個切削元件包括: 包括襯底和金剛石層的至少一個圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中所述多個切削元件的切削輪廓在旋轉(zhuǎn)視圖中包括在所述切削輪廓中的至少一個不平滑臺階部。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的井下工具，其中，所述至少一個圓錐形切削元件在相鄰臺階之間過渡并在所述切削輪廓中產(chǎn)生頂點。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的井下工具，其中，所述圓錐形切削元件產(chǎn)生所述不平滑切削輪廓的凸起部分。
37.根據(jù)權(quán)利要求 34所述的井下工具，其中，所述切削輪廓進(jìn)一步包括在所述切削輪廓中的弓形區(qū)域。
38.根據(jù)權(quán)利要求34所述的井下工具，其中，所述多個切削元件進(jìn)一步包括具有襯底和金剛石臺面的多個牙輪，所述多個牙輪具有大致平坦的切削面。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的井下工具，其中，至少兩個牙輪產(chǎn)生所述不平滑切削輪廓的凹入部分。
40.根據(jù)權(quán)利要求34所述的井下工具，進(jìn)一步包括在鉆頭中心線處或與所述鉆頭中心線相鄰的圓錐形芯型 切削元件。
【文檔編號】E21B10/58GK103827435SQ201280008587
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月10日
【發(fā)明者】邁克爾·G·阿扎, 芭拉·杜賴?yán)芏? 馬達(dá)普斯·K·克沙凡恩 申請人:史密斯運輸股份有限公司