具有巖芯破碎特性的固定齒鉆頭的制作方法
【專利摘要】一種具有多個(gè)刀片的鉆頭，包括一個(gè)取芯刀片、具有設(shè)置于多個(gè)刀片之間的排泄槽的多個(gè)流道以及設(shè)置于鉆頭中心線或其附近的圓錐形嵌入物。取芯刀片包含位于鉆頭中心線第一個(gè)徑向位置的第一切削元件。而且，取芯刀片包含一個(gè)大體垂直面和一個(gè)有角度的面。在鉆孔過程中，第一切削元件在鉆頭中心線處切削地層以形成巖心樣本碎片。當(dāng)巖芯樣本碎片達(dá)到一定長(zhǎng)度后，利用有角度的面或圓錐形嵌入物從地層分離。巖芯樣本碎片通過排泄槽脫離鉆頭，并通過內(nèi)齒環(huán)將巖芯樣本碎片從排泄槽轉(zhuǎn)移到地表以供測(cè)試和分析。
【專利說明】具有巖芯破碎特性的固定齒鉆頭
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001]本發(fā)明主張2011年6月22日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/499851和2012年3月12日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/609527，其中所述兩個(gè)申請(qǐng)通過引用在此全文并入。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]這里公開的實(shí)施例總體涉及從地層獲得巖芯樣本碎片的裝置和方法。具體的，這里公開的實(shí)施例涉及用于從地層獲得巖芯樣本碎片的固定齒鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0003]在地球鉆鉆孔時(shí)，例如用于油氣開采或者其他用途時(shí)，通常做法是將鉆頭連接在首尾相接的鉆桿段組件的下端以形成鉆柱。鉆頭通過在地面上旋轉(zhuǎn)鉆柱或通過制動(dòng)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材料，從而沿著預(yù)定路徑朝向目標(biāo)區(qū)形成鉆孔。
[0004]已經(jīng)研發(fā)并獲得用于鉆這種鉆孔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(jì)包括繞鉆頭表面以一定角度間隔開的多個(gè)刀片。刀片從鉆頭體徑向向外突出并在刀片之間形成流動(dòng)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(gè)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。
[0005]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(gè)切削元件都包括容納并固定在形成在刀片中的一個(gè)表面中的槽窩中的細(xì)長(zhǎng)大致圓柱形碳化物襯底。切削元件典型地包括由多晶金剛石(P⑶)或其他超級(jí)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(duì)“PDC鉆頭”、“PDC切削刀”的描述是指采用多晶金剛石或其他超級(jí)研磨材料形成的硬切削層的切削元件或固定齒鉆頭。
[0006]參照?qǐng)D1和圖2,顯不了適用于鉆通巖石地層以形成鉆孔的常規(guī)PDC鉆頭10。F1DC通常包括鉆頭體12、鉆頭柄部13、和用于將PDC鉆頭10連接到鉆柱(未示出)的螺紋連接裝置或銷14，其中所述鉆柱被用于使鉆頭旋轉(zhuǎn)以對(duì)鉆孔進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆頭端面20支撐切削結(jié)構(gòu)15并形成在PDC鉆頭10與銷端16相對(duì)的端部上。PDC鉆頭10還包括中心軸線11，PDC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)。
[0007]切削結(jié)構(gòu)15設(shè)置在PDC鉆頭10的端面20上。切削結(jié)構(gòu)15包括以角度間隔開的多個(gè)主刀片31，32，33和副刀片34，35，36，所述刀片中的每一個(gè)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(dòng)路線19分隔開。
[0008]仍然參照?qǐng)D1和圖2，每一個(gè)主刀片31，32，33包括用于安裝多個(gè)切削元件的刀片頂部42，并且每一個(gè)副刀片34，35，36包括用于安裝多個(gè)切削元件的刀片頂部52。具體地，每一個(gè)都具有切削面44的切削元件40分別安裝在形成在每一個(gè)主刀片31，32，33和每一個(gè)副刀片34，35，36的刀片頂部42，52中的槽窩(pocket)中。切削元件40附近每一個(gè)主刀片31，32，33和每一個(gè)副刀片34，35，36的前緣沿徑向延伸列彼此相鄰布置。每一個(gè)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。
[0009]以下參照?qǐng)D3，顯示了鉆頭10的輪廓圖，以可以顯示所有刀片(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(gè)旋轉(zhuǎn)輪廓圖。在旋轉(zhuǎn)輪廓圖中，PDC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PDC鉆頭10的外半徑23的組合或復(fù)合刀片輪廓39。因此，如這里使用的，措詞“復(fù)合刀片輪廓”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(gè)旋轉(zhuǎn)輪廓(即，在旋轉(zhuǎn)輪廓圖)的所有刀片的刀片頂部形成的輪廓。
[0010]傳統(tǒng)的復(fù)合刀片輪廓39 (在圖3中的鉆頭10的右半側(cè)中最清楚顯示)可以通常被分成三個(gè)區(qū)域，所述三個(gè)區(qū)域傳統(tǒng)地被標(biāo)記為錐形區(qū)域24、臺(tái)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)合刀片輪廓39的大致從鉆頭軸線11延伸到臺(tái)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24通常是凹入的。與錐形區(qū)域24相鄰的是臺(tái)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(tái)肩區(qū)域25通常是凸起的。向外徑向移動(dòng)與臺(tái)肩區(qū)域25相鄰的是保徑區(qū)域26，所述保徑區(qū)域在復(fù)合刀片輪廓39的外徑向周邊平行于鉆頭軸線11延伸。因此，常規(guī)PDC鉆頭10的復(fù)合刀片輪廓39包括一個(gè)凹入?yún)^(qū)域(錐形區(qū)域24)和一個(gè)凸起區(qū)域(臺(tái)肩區(qū)域)。
[0011]凸起臺(tái)肩區(qū)域25和復(fù)合刀片輪廓39的軸向最低點(diǎn)限定刀片輪廓頂冠27。在刀片輪廓頂冠27處，凸起臺(tái)肩區(qū)域25和復(fù)合刀片輪廓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)合刀片輪廓的凸起區(qū)域的點(diǎn)，其中復(fù)合刀片輪廓的切線的斜率在所述點(diǎn)處為零。對(duì)于大多數(shù)常規(guī)固定齒鉆頭(例如，PDC鉆頭IO )來說，復(fù)合刀片輪廓僅包括一個(gè)凸起臺(tái)肩區(qū)域(例如，凸起臺(tái)肩區(qū)域25 )和僅一個(gè)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)合刀片輪廓39的錐形區(qū)域24、臺(tái)肩區(qū)域25和保徑區(qū)域26的多個(gè)區(qū)域中。具體地，切削元件40相對(duì)于鉆頭10的中心軸心11在刀片31-36上安裝在預(yù)定徑向間隔開的位置。
[0012]對(duì)于較硬的地層鉆孔，其鉆孔的機(jī)制從剪切變?yōu)槟ノg。對(duì)于磨蝕鉆孔，優(yōu)選具有固定、磨蝕元件的鉆頭。盡管PDC鉆頭被公認(rèn)為對(duì)于某些地層的鉆孔有效，但是發(fā)現(xiàn)對(duì)于硬的，磨蝕性地層例如砂巖不那么有效。對(duì)于這些硬地層，含有孕鑲在支持母體中的微粒金剛石，或者金剛石磨粒的切削結(jié)構(gòu)是有效的。在下面討論中，這種成分被叫做“孕鑲金剛石”。
[0013]孕鑲金剛石鉆頭通常用于非常硬的或者磨蝕性巖石層中鉆孔。這種鉆頭的切削面包括分布在支持材料(例如，金屬-母體復(fù)合物材料)中的天然或者合成金剛石以形成磨蝕層。在鉆頭工作時(shí)，磨蝕層中金剛石隨著支持材料磨損逐漸露出。通過磨損在切削面上的支持材料使新的金剛石不斷露出是孕鑲鉆頭的基本功能原理。
[0014]圖4顯示了現(xiàn)有技術(shù)孕鑲金剛石鉆頭的一個(gè)例子。孕鑲鉆頭70包括鉆頭體72和幾個(gè)在鉆頭體內(nèi)形成的多個(gè)筋74。筋74可以從鉆頭體中心徑向向外延伸到鉆頭體72的外徑，接著軸向向下，限定孕鑲鉆頭70的直徑(或保徑)。筋74被通道76分開以使鉆井液在其間流動(dòng)清洗和冷卻筋74。筋74典型地排列成組79，其中典型地通過去掉或者省略掉至少一部分筋74以形成組79中間的間隙78。所述間隙78，也被稱作“液體流道”，處于為鉆井液提供額外流動(dòng)通道并且為巖屑通過鉆頭70運(yùn)輸?shù)姐@孔表面(未示出)提供通道的位置。
[0015]如圖5所示，顯示了根據(jù)美國(guó)專利6394202的現(xiàn)有技術(shù)孕鑲鉆頭80的例子，該專利已經(jīng)轉(zhuǎn)讓于本發(fā)明的受讓人并在此引用合并。在圖5中，孕鑲鉆頭80包括一個(gè)柄部82和冠部84。柄部82典型地由鋼形成并包括螺旋銷86以連接到鉆柱上。冠部84具有切削面88和外部面89。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，冠部84通過浸入大量嵌有合成或天然金剛石的碳化鎢粉末形成。
[0016]冠部84可以包括多種表面特征，例如凸起的筋74。更好地，在制造過程中包含成型器使得浸透的，孕鑲金剛石的冠部包含多個(gè)一定大小和形狀的孔或者槽85以接收相應(yīng)的多個(gè)金剛石孕鑲嵌入物83。一旦冠部84形成，嵌件83嵌入到槽85中，并通過合適的方法，比如銅焊，粘合，機(jī)械方法如過盈鏈接等方式固定。如圖5所示，槽85可以基本上垂直于冠部84的表面?；蛘撸鐖D5所示，槽85可以每個(gè)基本上垂直于冠部84的表面。在本實(shí)施例中，槽85是傾斜的，這樣嵌件83基本上在鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向上排列，以提高剪切性。
[0017]現(xiàn)在參照?qǐng)D6，顯示了現(xiàn)有技術(shù)孕鑲鉆頭的一條筋的截面圖。筋74具有輪廓90限定了它的大致形狀/幾何結(jié)構(gòu)，該輪廓可以分成幾個(gè)部分:錐形區(qū)域92(凹進(jìn)的中心區(qū)域)，頂冠區(qū)域94 (輪廓的前沿切削邊緣)，臺(tái)肩區(qū)域96 (鉆頭外徑的起點(diǎn))，過渡區(qū)域98 (臺(tái)肩和垂直保徑之間的過渡)，和保徑區(qū)域99 (垂直區(qū)域限定鉆頭的外徑)。筋74的主要切削部分包括錐形區(qū)域92，頂冠區(qū)域94，和臺(tái)肩區(qū)域96，其中保徑區(qū)域90主要負(fù)責(zé)保持孔的尺寸。
[0018]在不考慮鉆頭的類型的情況下，鉆鉆孔的成本與將所述鉆孔鉆進(jìn)到期望深度和位置所耗費(fèi)的持續(xù)時(shí)間成比例。鉆井時(shí)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?yàn)槊看胃鼡Q鉆頭時(shí)，可以為幾英里長(zhǎng)的整個(gè)鉆柱必須逐段從鉆孔中取出。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鉆孔的底部，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(shí)間、工作和費(fèi)用。因此，總是期望采用鉆得更快更長(zhǎng)并且可在寬范圍的不同地層硬度上使用的鉆頭。
[0019]在必須更換鉆頭之前鉆頭可以被使用的持續(xù)時(shí)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。具體的，ROP是鉆頭鉆進(jìn)給定地層的速度。ROP典型地計(jì)量單位是英尺每小時(shí)。目前人們?cè)诓粩鄧L試優(yōu)化鉆頭使其更快鉆入特定地層以減少鉆孔成本，其很大程度受到ROP的影響。
[0020]一旦鉆孔中達(dá)到理想的地層，可以提取地層巖芯樣本進(jìn)行分析。通常，采用中空取芯鉆頭從地層提取巖芯樣本。一旦巖芯樣本從鉆孔運(yùn)輸?shù)降孛?，可用于分析和測(cè)試?yán)鐫B透率，孔隙率，成分或者其他地層的地質(zhì)特性。
[0021]不考慮用于鉆入地層的鉆頭種類，通常取巖芯的方法需要從鉆孔取回鉆柱，將該鉆頭替換成取芯鉆頭，將該取芯鉆頭下入到鉆孔中的鉆柱上以取回巖芯樣本，該樣本再沿鉆孔的路徑帶到地表進(jìn)行分析。也就是，通常的取芯方法需要起下鉆鉆柱，因此需要很長(zhǎng)時(shí)間，經(jīng)歷和花費(fèi)。[0022]因此，需要一種能夠在鉆孔過程中獲取地層巖芯樣本碎片的固定齒鉆頭，以避免起下鉆鉆柱并減少取芯成本。另外，這種固定齒鉆頭需要保持可接受的ROP以達(dá)到可接受時(shí)長(zhǎng)并避免提取巖芯樣本碎片到地表分析時(shí)鉆頭堵塞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]一方面，這里公開的實(shí)施例涉及一種用于從地層獲得巖芯樣本碎片的鉆頭，包括:具有鉆頭中心線和鉆頭端面的鉆頭體；多個(gè)沿著鉆頭端面徑向延伸的刀片，該刀片被多個(gè)流道從中間分隔開，其中多個(gè)刀片中的一個(gè)是取芯刀片，包括:一個(gè)大體垂直面；和一個(gè)有角度的面，其中大體垂直面和有角度的面是整體相連的；在多個(gè)刀片上安置有多個(gè)切削元件，其中多個(gè)切削元件的一個(gè)是安置在取芯刀片上自鉆頭中心線第一徑向位置處的第一切削元件。
[0024]另一方面，在這里公開的實(shí)施例涉及一種從地層獲得巖芯樣本碎片的鉆頭，包括:具有鉆頭中心線和鉆頭端面的鉆頭體；多個(gè)沿著鉆頭端面徑向延伸的刀片，該刀片被多個(gè)流道從中間分隔開，其中多個(gè)刀片中的一個(gè)是取芯刀片，其中多個(gè)流道的一個(gè)是排屑槽，該排屑槽位于相對(duì)于取芯刀片穿過鉆頭中心線的位置；在多個(gè)刀片上安置有多個(gè)切削元件，其中多個(gè)切削元件的一個(gè)是安置在取芯刀片上自鉆頭中心線第一個(gè)徑向位置處的第一切削元件，其中第一切削元件是圓錐形切削元件，該圓錐形切削元件嵌入在取芯刀片上以使其圓錐切削元件的頂端朝向鉆頭中心線，其中在取芯刀片和排屑槽中間安置有支撐面，并將取芯刀片整體連接到排屑槽，其中在支撐面上最接近鉆頭中心線處安置有圓錐形嵌入物，并且該嵌入物嵌入在鉆頭體上使得該圓錐形嵌入物的頂端位于第一切削元件的第一徑向位置的軸向上方。
[0025]另一方面，在這里公開的實(shí)施例涉及一種從地層獲得巖芯樣本碎片的方法，包括:將鉆頭固定在鉆柱的下端，旋轉(zhuǎn)鉆柱以將鉆頭鉆入并切削穿入地層，形成鉆井孔；利用鉆頭的第一切削元件在鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中形成最接近鉆頭中心線的巖芯樣本碎片，其中該巖芯樣本碎片具有基于第一切削元件的第一徑向位置的寬度；利用取芯刀片的有角度的面在巖芯樣本碎片的一邊施加側(cè)向壓力以使巖芯樣本碎片達(dá)到一定長(zhǎng)度之后從地層分離；將巖芯樣本碎片傳送到鉆頭的排屑槽中；并將巖芯樣本碎片從排屑槽中通過鉆井孔和鉆柱之間形成的內(nèi)齒環(huán)運(yùn)輸?shù)降貙颖砻妗?br> [0026]然而另一方面，在這里公開的實(shí)施例涉及一種從地層獲得巖芯樣本碎片的方法，包括:將鉆頭固定在鉆柱的下端，旋轉(zhuǎn)鉆柱以將鉆頭鉆入并切削穿入地層，形成鉆井孔；利用嵌入在鉆頭的取芯刀片的圓錐形切削元件刻劃地層，這時(shí)在鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中巖芯樣本碎片在最接近鉆頭中心線處形成，其中該巖芯樣本碎片具有基于嵌入在取芯刀片中的圓錐形切削元件的第一徑向位置的寬度；利用嵌入在取芯刀片中的圓錐形切削元件削弱巖芯樣本碎片以使巖芯樣本碎片達(dá)到一定長(zhǎng)度之后從地層分離；如果嵌入在取芯刀片中的圓錐形切削元件無法將巖芯樣本碎片從地層上分離，利用安置在最接近鉆頭中心線的圓錐形嵌入物在巖芯樣本碎片的一端施加中心負(fù)載，當(dāng)巖芯樣本碎片達(dá)到該長(zhǎng)度后使巖芯樣本碎片從地層分離，其中安置在最接近鉆頭中心線的圓錐形嵌入物嵌入在鉆頭體中使圓錐形嵌入物的頂端位于嵌入在取芯刀片上的圓錐形切削元件的第一徑向位置的軸向上方；將巖芯樣本碎片傳送到鉆頭的排屑槽中；并將巖芯樣本碎片通過鉆井孔和鉆柱之間的形成的內(nèi)齒環(huán)中從排屑槽運(yùn)輸?shù)降貙颖砻妗?br> [0027]本公開的其他方面和優(yōu)勢(shì)從以下描述和附加權(quán)利要求中體現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是PDC鉆頭現(xiàn)有技術(shù)的透視圖。
[0029]圖2是PDC鉆頭現(xiàn)有技術(shù)的俯視圖。
[0030]圖3是PDC鉆頭現(xiàn)有技術(shù)的剖視圖。
[0031]圖4是孕鑲鉆頭現(xiàn)有技術(shù)的俯視圖。
[0032]圖5是孕鑲鉆頭現(xiàn)有技術(shù)的透視圖。
[0033]圖6是一個(gè)孕鑲鉆頭的筋的現(xiàn)有技術(shù)剖視圖。
[0034]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖7是帶有巖芯樣本碎片的鉆頭透視圖。
[0035]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖8是的帶有巖芯樣本碎片的鉆頭的另一個(gè)透視圖。
[0036]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖9是鉆頭的俯視圖。
[0037]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖10是鉆頭的俯視圖。
[0038]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖11是帶有巖芯樣本碎片的鉆頭的一個(gè)部分透視圖。
[0039]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖12是帶有巖芯樣本碎片鉆頭的部分透視圖。
[0040]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖13是鉆頭的部分放大視圖，該鉆頭在圖12中已展示。
[0041]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖14是圖12所示鉆頭的另一個(gè)部分放大視圖。
[0042]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖15是鉆頭的剖視圖。
[0043]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖16是圖15所示帶有巖芯樣本碎片的鉆頭的剖視圖。
[0044]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖17是改變ROP百分比的鉆頭的圖紙。
[0045]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖18是鉆頭的法向力對(duì)比的圖紙。
[0046]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖19是帶有巖芯樣本碎片的鉆頭的部分透視圖。
[0047]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖20是圖19中不帶有巖芯樣本碎片的鉆頭的部分透視圖。
[0048]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖21是圖20所示鉆頭的局部放大圖。
[0049]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖22是圖20所示鉆頭的另一個(gè)局部放大圖。
[0050]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖23是鉆頭的剖視圖。
[0051]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖24是鉆頭的立體剖視圖。
[0052]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖25是圖23所示帶有巖芯樣本碎片的鉆頭的剖視圖。[0053]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖26A-26C是多種圓錐形嵌入物和切割元件。
[0054]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖27是圓錐形嵌入物或圓錐形切割元件。
[0055]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖28A-C是多種圓錐形嵌入物或圓錐形切表I]兀件。
[0056]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖29是圓錐形嵌入物或圓錐形切割元件。
[0057]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖30是切割輪廓。
【具體實(shí)施方式】
[0058]本發(fā)明公開的實(shí)施例將根據(jù)附圖在下文中說明。一般而言，本發(fā)明與從地層獲得巖芯樣本碎片的設(shè)備和方法相關(guān)。特別的，本發(fā)明公開的實(shí)施例與用于從地層獲得巖芯樣本碎片的固定齒鉆頭相關(guān)。
[0059]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖7和圖8是帶有巖芯樣本碎片的鉆頭的透視圖。如圖所示，該鉆頭是PDC鉆頭700，包含鉆頭體701、鉆頭端面703、柄705和銷707。銷707用于確保PDC鉆頭指向鉆柱的下末端(未在圖中顯示)。PDC鉆頭700進(jìn)一步包括了鉆頭中心線709，PDC鉆頭700關(guān)于該線沿著箭頭711的方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，鉆頭面703延伸通過中線709并平滑地轉(zhuǎn)換進(jìn)流道719中，下面進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0060]當(dāng)PDC鉆頭700確保指向鉆柱時(shí)，旋轉(zhuǎn)鉆柱會(huì)引起PDC鉆頭700旋轉(zhuǎn)、穿透并切割地層，該過程中使用了切削元件713，下面進(jìn)一步詳細(xì)說明。隨著PDC鉆頭700穿透并切割地層，鉆井孔形成。
[0061]如圖7和圖8所示，PDC鉆頭700的鉆頭面703支撐多個(gè)刀片715。多個(gè)刀片715在PDC鉆頭700的末端形成，并與銷707相對(duì)。如圖所示，多個(gè)刀片715徑向延伸到鉆面703，然后沿著PDC鉆頭700外圍的一部分軸向延伸。根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，多個(gè)刀片之一是取芯刀片717，下面有進(jìn)一步的細(xì)節(jié)說明。多個(gè)刀片715被多流道719分開，這使得鉆井液能夠在鉆井時(shí)在清潔而且冷卻的多個(gè)葉片715之間流動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，多流道719之一是排泄槽721，下面進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0062]如圖7和圖8所示，多個(gè)刀片715中的每一個(gè)均有切削元件713置于其上。多切削元件713朝向每一個(gè)多刀片715的邊緣，并沿著徑向并列排列。多切削元件713可以有大致水平的切削面，使得其在鉆進(jìn)地層時(shí)發(fā)揮剪切作用。在其它實(shí)施例中，多切削元件713的任意一個(gè)可以是可旋轉(zhuǎn)的切削元件，正如在美國(guó)專利N0.7，703，559、美國(guó)專利文獻(xiàn)N0.2010/0219001 和美國(guó)實(shí)用新型N0.13/152，626,61/479, 151 和61/479，183所公開的，這些均已轉(zhuǎn)讓給受讓人，并在此處以與其全部?jī)?nèi)容所闡明的一樣的意義通過引用結(jié)合于此。在其它實(shí)施例中，多切削元件713中的任意一個(gè)可以為“圓錐形切削元件”，正如在美國(guó)專利文獻(xiàn) N0.61/441，319、13/370，734,61/499, 851、13/370，862 和 61/609，527 所公開的，這些均已轉(zhuǎn)讓給受讓人，并在此處以與其全部?jī)?nèi)容所闡明的一樣的意義通過引用結(jié)合于此。下面關(guān)于圓錐形切削元件進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0063]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，多切削元件713之一是主切削齒723(或第一切削元件)，它被置于取芯刀片717上。如下文進(jìn)一步細(xì)節(jié)說明所述，主切削齒723和取芯刀片717用以形成和破壞巖芯樣本碎片725，如圖7和圖8所示。
[0064]如圖7和圖8進(jìn)一步所示，PDC鉆頭700包含一個(gè)嵌于鉆體701中的圓錐形嵌入物727，該鉆體被放置于或接近于鉆頭中心線709。如下文進(jìn)一步細(xì)節(jié)說明所述，圓錐形嵌入物727與取芯刀片717共同工作，以使得巖芯樣本碎片725在鉆孔過程中從地層分離。
[0065]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖9是鉆頭的俯視圖。特別的，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖9是PDC鉆頭700的俯視圖。圖9略去了巖芯樣本碎片725，以提供沒有遮擋的PDC鉆頭700的俯視圖。圖9是鉆頭面703、多切削元件713、多刀片715和多流道719，這些在上文均已說明。圖9進(jìn)一步展示了取芯刀片717、排泄槽721、主切削齒723和圓錐形嵌入物727，下面進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0066]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖10是鉆頭的俯視圖。特別的，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖10是PDC鉆頭700的俯視圖。除了橋接部分1000，圖10與圖9相似。為表達(dá)清晰，圖10中與圖9重復(fù)的部分兀件被略去。
[0067]如圖10所示，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，橋接部分1000將位于中心的至少兩個(gè)多刀片715的鄰近末端相連接。根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，橋接部分1000將位于中心的取芯刀片717末端部分與至少兩個(gè)多刀片715的鄰近末端相連接。橋接部分1000可以將多刀片715中的至少兩個(gè)位于中心的鄰近末端連接為一個(gè)整部分。在一些實(shí)施例中，橋接部分1000可以橋接取芯刀片717和多刀片715中不是取芯刀片717的另一個(gè)刀片，或者橋接部分1000可以橋接多刀片715中不是取芯刀片717的至少兩個(gè)。
[0068]根據(jù)圖7到圖10，隨著PDC鉆頭700在地層內(nèi)旋轉(zhuǎn)，PDC鉆頭700通過多切削元件713發(fā)揮作用形成井眼，并同時(shí)通過取芯刀片717主切削齒的作用形成巖芯樣本碎片725。隨著巖芯樣本碎片725在鉆井過程中形成，沿著鉆面703并在多流道719之間的鉆頭水力特性可輔助新形成的巖芯樣本碎片725指向PDC鉆頭700的排泄槽。
[0069]參考圖10，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，如前所述，當(dāng)橋接部分1000被使用，橋接部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個(gè)邊界，并與鉆頭水力特性協(xié)同，輔助新形成的巖芯樣本碎片725指向PDC鉆頭700的排泄槽。
[0070]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖11是帶有巖芯樣本碎片725的鉆頭的部分透視圖。特別的，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖11顯示了 PDC鉆頭700的部分透視圖。參考圖12，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖11所示的PDC鉆頭700部分透視圖略去了巖芯樣本碎片725，以提供沒有遮擋的PDC鉆頭700結(jié)構(gòu)的部分透視圖。
[0071]圖12是多切削元件713、多刀片715和多流道719，這些均已在上文說明。圖12進(jìn)一步展示了取芯刀片717、排泄槽721、主切削齒723和圓錐形嵌入物727，這些均在下文有進(jìn)一步的細(xì)節(jié)說明。
[0072]如圖12所示，取芯刀片717是PDC鉆頭700多刀片715中的一個(gè)。參考圖13和圖14，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖12是PDC鉆頭700的部分放大圖。特別的，圖13和圖14著重展示了取芯刀片717。如圖所示，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，取芯刀片717有多切削元件713置于其上。多切削元件713中的一個(gè)是主切削齒723。根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，主切削齒沿著鉆頭中心線709的第一徑向位置Rl被放置于取芯刀片717上。主徑向方位Rl由所有的切削元件713旋轉(zhuǎn)而成的單一旋轉(zhuǎn)視圖確定，用以得到切削輪廓。這個(gè)位于最靠近鉆頭中心線709位置——即第一徑向位置Rl的切削元件713是主切削齒723。
[0073]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，第一徑向位置Rl與鉆頭中心線709有一些距離，使巖芯樣本碎片725得以形成。作為一個(gè)非限制示例，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，第一徑向位置Rl距鉆頭中心線709的距離是PDC鉆頭700的直徑的0.25倍。根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，第一徑向位置Rl距鉆頭中心線的距離可以為PDC鉆頭700的直徑的0.05到0.25倍。根據(jù)本發(fā)明公開的其它實(shí)施例，第一徑向位置Rl距鉆頭中心線的距離最低限制可以為I3DC鉆頭700的直徑的0.05,0.075,0.1,0.125或0.1倍中的任意一個(gè)，最高限制可以為PDC鉆頭700的直徑的0.075,0.1,0.125,0.15,0.175,0.2,0.225或0.25倍中的任意一個(gè)，此處，最低限制可以與任一最高限制組合使用。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，第一徑向位置Rl可以與鉆頭中心線有其它的距離值，該距離根據(jù)所需的巖芯樣本碎片725的尺寸確定，而不超出本申請(qǐng)的范圍。
[0074]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，取芯刀片717的主切削齒723被用于在鉆井眼過程中形成位于或靠近鉆頭中心線709的巖芯樣本碎片725。特別的，在鉆井眼過程中，隨著PDC鉆頭700繞著鉆頭中心線709旋轉(zhuǎn)，主切削齒723將巖芯樣本碎片725從地層中切割出。根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，主切削齒可以有大體水平的切削面，使得其在鉆地層時(shí)發(fā)揮剪切作用。在其它實(shí)施例中，主切削齒723可以由一個(gè)圓錐形的切削元件，下文將有進(jìn)一步的細(xì)節(jié)說明。主切削齒723所在的第一徑向位置Rl決定了巖芯樣本碎片725的寬度和直徑。例如，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，如果第一徑向位置Rl與鉆頭中心線的距離為PDC鉆頭的0.25倍，置于第一徑向位置Rl的主切削齒723將會(huì)形成一個(gè)半徑為PDC鉆頭700的0.25倍的巖芯樣本碎片725，并且其寬度和直徑是PDC鉆頭700的0.5倍。第一徑向位置Rl距鉆頭中心線越遠(yuǎn)，巖芯樣本碎片725的寬度就越大。類似的，第一徑向位置Rl距鉆頭中心線越近，巖芯樣本碎片725的寬度就越小。相應(yīng)的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，第一徑向位置Rl可以與中心線709有多種距離，以形成有多種寬度的巖芯樣本碎片，而不超出本申請(qǐng)的范圍。
[0075]如圖13和圖14進(jìn)一步展示的那樣，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，取芯刀片717可以包括大體垂直的面1301，緩沖部分1303和有角度的面1305。有角度的面1305被軸向放置在刀片頂端上，并在鉆面703軸向下方，該軸線延伸穿過鉆頭中心線709。在一些實(shí)施例中，鉆面703可以在其孔中插入嵌入體，該嵌入體可以放置于或接近鉆頭中心線709。如圖所示，緩沖部分1303可以被放置在大體垂直面1301和有角度的面1305之間。緩沖部分1303可以保護(hù)大體垂直面1301，以防止其過早磨損。根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，大體垂直面1301、緩沖部分1303和有角度的面1305被整合連接以形成連續(xù)部分，并面向PDC鉆頭700的鉆頭中心線709。
[0076]根據(jù)本發(fā)明公開的其它實(shí)施例，取芯刀片717可以在沒有緩沖部分的情況下安裝。根據(jù)這些其它實(shí)施例，大體垂直面1301和有角度的面1305被整合連接以形成連續(xù)整體，并面向PDC鉆頭700的鉆頭中心線709。進(jìn)一步的，根據(jù)這些其它實(shí)施例，大體垂直面1301和有角度的面1305交叉于一點(diǎn)，該點(diǎn)在巖芯樣本碎片717的主切削齒723軸向上方。
[0077]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，大體垂直面1301可以大致平行于PDC鉆頭700的鉆頭中心線709。即，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，大體垂直面1301可以與PDC鉆頭700的中心線709在任一方向上成大小范圍為0°到5°的角。如圖16所示，以在下文進(jìn)一步說明，有角度的面1305的斜度可輔助確定相應(yīng)巖芯樣本碎片725的長(zhǎng)度。例如，有角度的面1305的斜度越平(即與鉆頭中心線709形成更大的角度)，相應(yīng)的巖芯樣本碎片725長(zhǎng)度越大。類似的，有角度的面1305的斜度越陡(即與鉆頭中心線709形成更小的角度)，相應(yīng)的巖芯樣本碎片725長(zhǎng)度越小。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，除傾斜角1305的斜度外，取芯刀片717的高度可輔助確定相應(yīng)巖芯樣本碎片725的高度。例如，取芯刀片717越高，相應(yīng)的巖芯樣本碎片越長(zhǎng)。類似的，取芯刀片717越低，相應(yīng)的巖芯樣本碎片越短。相應(yīng)的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，有角度的面1305可以與鉆頭中心線709形成不同角度，且取芯刀片717可以有多種高度，以形成有不同高度的巖芯樣本碎片725，而不超出本申請(qǐng)的范圍。在特別的實(shí)施例中，有角度的面1305可以被這樣放置，以使得位于軸心點(diǎn)的有角度的面1305有一個(gè)與主切削齒723徑向方位相等的徑向值，該值的最低限度可以為鉆頭直徑的0.1,0.2,0.3,0.4或0.5倍中的至少任意一個(gè)，最高限度可以為鉆頭直徑的0.2,0.3,0.4,0.5、0.6或0.75倍中的至少任意一個(gè)，任一最低限制可以與最高限制組合使用。
[0078]根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，有角度的面1305與鉆頭中心線709有一個(gè)大小范圍為15°到20°的夾角。然而，鑒于以上所述，此夾角范圍并不限制本申請(qǐng)的范圍，而且有角度的面1305可以與鉆頭中心線709有多種夾角。例如，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，有角度的面1305可以有一個(gè)夾角，該角的最低限度為5°、10°、15°、20°或25°左右中的任意一個(gè)，最高限度為15°、20°、25°、30°、35°或45°中的任意一個(gè)。根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，有角度的面1305可以與鉆頭中心線709有一個(gè)夾角，該夾角滿足有角度的面1305的一邊接觸于巖芯樣本碎片725的邊上，以足夠引起巖芯樣本碎片725從地層破碎分離并達(dá)到需要的長(zhǎng)度。有角度的面1305的作用在圖16中有進(jìn)一步的描述。
[0079]回到圖13-14，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，緩沖部分1303可配置在大體垂直面1301和有角度的面1305。緩沖部分1303用來減輕和保護(hù)大體垂直面1301以防過早磨損。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，緩沖部分1303在大體垂直面1301和有角度的面1305間的位置取決于巖芯樣本碎片725的理想長(zhǎng)寬比。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，巖芯樣本碎片725的長(zhǎng)度與寬度的比率將大于等于1.因而，緩沖部分1303的位置取決于取芯刀片717的高度，有角度的面1305的傾角，還有第一個(gè)徑向位置Rl對(duì)于鉆頭中心線709的位置，正如之前所敘述的那樣。
[0080]如圖13，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，大體垂直面1301可有一個(gè)低摩擦耐磨表面1307，因?yàn)樵阢@孔過程中外在的對(duì)大體垂直面1301施加的負(fù)載。對(duì)低摩擦耐磨表面1307的使用將為大體垂直面1301提供磨損保護(hù)，這將強(qiáng)化聚晶金剛石鉆頭700的使用壽命。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，對(duì)低摩擦耐磨表面1307在大體垂直面1301上的使用將在形成巖芯樣本碎片725的過程中提供額外的切削作用。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，低摩擦耐磨表面1307或者將與大體垂直面1301連接，或者將從一個(gè)或多個(gè)非整體的片段中形成，例如在圖13中的三角形中。雖然如圖13顯示的三角形狀的非整體的片段，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例并不局限在一個(gè)特定的形狀。的確，方形、圓形、橢圓形、鉆石形、磁盤形、楔形等或其他能對(duì)大體垂直面1301提供磨損保護(hù)的形狀都可能被使用。
[0081]依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,低摩擦耐磨表面1307與大體垂直面1301連接，并在聚晶金剛石鉆頭700的取芯刀片717形成時(shí)形成。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，在使用低摩擦耐磨表面1307時(shí)的材料或者是熱穩(wěn)定多晶金剛石(TSP)，天然鉆石，或者是其他熱穩(wěn)定耐磨材料。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，這里低摩擦耐磨表面1307使用的材料是TSP。
[0082]如圖14，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，有角度的面1305可包含一個(gè)摩擦耐磨表面1307，因?yàn)樵阢@孔時(shí)對(duì)外在的施加于有角度的面1305的負(fù)載。對(duì)低摩擦耐磨表面1307的使用將保護(hù)有角度的面1305，這將確保持續(xù)耐磨，從而強(qiáng)化了聚晶金剛石鉆頭700的使用壽命。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，地摩擦耐磨表面1307或者與傾斜表面1305連接，或者形成于一個(gè)或多個(gè)非完整的片段，例如圖14顯示的圓盤。雖然如圖14顯示的圓盤形狀的非完整片段，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解本發(fā)明給出的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例并不僅僅局限在一個(gè)特定的形狀。的確，三角形，方形，圓形，橢圓形，鉆石形，楔形，或者其他能對(duì)傾斜表面1305提供磨損保護(hù)的形狀都可能被使用。
[0083]依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，低摩擦耐磨表面1307與有角度的面1305連接，并在聚晶金剛石鉆頭700的取芯刀片717的形成時(shí)形成。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，被用于低摩擦耐磨表面1307的材料或者是TSP，天然鉆石，或者是任何其他熱穩(wěn)定耐磨材料。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，用于低摩擦耐磨表面1307的材料是TSP。
[0084]圖13-14也顯示出圓錐形嵌入物727配置在鉆頭中心線709旁邊。在這里，“靠近”鉆頭中心線709指的或者在鉆頭中心線709上，或者在鉆頭中心線709和第一徑向位置Rl之間。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圓錐形嵌入物727被嵌入到一個(gè)鉆頭體701，繼而圓錐形嵌入物727的一個(gè)頂點(diǎn)被縱向放置到在取芯刀片717的緩沖部分1303上。圓錐形嵌入物727在圖15中有更細(xì)化的描述。
[0085]依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖15顯示的是一個(gè)鉆頭的剖視圖。特別地，圖15展現(xiàn)出聚晶金剛石鉆頭700的剖視圖。如圖所示，圓錐形嵌入物727被配置在或者近似放置在一個(gè)有鉆頭體701的支撐表面1500的鉆頭中心線709。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，支撐表面1500被安置在取芯刀片701上。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，支撐表面1500被安置在取芯刀片717和聚晶金剛石鉆頭700的排泄槽721中。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，支撐表面1500完整地連接取芯刀片717到排泄槽721以形成連續(xù)整體。更多的，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，支撐表面1500有低于五度的傾斜度，比其他實(shí)施例少2或3度，或者甚至有一個(gè)與鉆頭中心線709的傾角為零。
[0086]如圖15，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圓錐形嵌入物727被嵌入到鉆頭體701使得圓錐形嵌入物727的頂點(diǎn)被縱向放置在緩沖部分1303的取芯刀片717上。在這里，“圓錐形嵌入物”指的一個(gè)有逐漸鋒利末端的元件(包括直錐和斜錐)以一個(gè)圓型頂點(diǎn)結(jié)尾。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圓錐形嵌入物727的頂點(diǎn)可以有在圓錐形嵌入物727端面和頂點(diǎn)的曲率。因?yàn)閴嚎s破裂和熔刮產(chǎn)生的碎片725圓錐形嵌入物727的結(jié)構(gòu)允許削減。
[0087]依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圓錐形嵌入物727可能是配置到一個(gè)圓錐體形狀的剛性切削元件。但是，圓錐形嵌入物727的形狀并不意味著被限制，并且圓錐形嵌入物727可能被設(shè)置成不同的形狀而不是圓錐體形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將明白，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圓錐形嵌入物727可以有各種形狀的用來與隨后相聯(lián)系的分離巖芯樣本碎片725。[0088]依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圓錐形嵌入物727可能由一個(gè)鉆頭體701的積分元素形成，或者是由多晶超硬材料制作的非整體嵌件形成。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圓錐形嵌入物727是一個(gè)非整體嵌入物，它包括一個(gè)襯底(例如一個(gè)被加固的碳化鎢襯底)與一個(gè)由多晶超硬材料制作的鉆石層相連接，這將包含，例如，多晶金剛石，聚晶立方氮化硼，或者TSP。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，金剛石層形成一個(gè)錐形金剛石的圓錐形嵌入物727的工作面，并且襯底形成一個(gè)基于圓錐形嵌入物727的基層。不超出本發(fā)明的范圍，圓錐形嵌入物727其他的形狀、結(jié)構(gòu)、組成部分還有維度將被允許，例如在美國(guó)專利申請(qǐng)N0.61/609，527中被描述為“圓錐形切削元件”的，在這里一并全文引用。
[0089]依然參看圖15，排泄槽721被直接安置在取芯刀片717旁邊的鉆頭中心線709。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，排泄槽721的一個(gè)側(cè)面被嵌入聚晶金剛石鉆頭700的鉆頭體701的下面。被本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的，排泄槽721被嵌入聚晶金剛石鉆頭700的鉆頭體701的下面，這可以是多變的，沒有超出本發(fā)明的范圍。例如，被本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的，排泄槽721將被安置在鉆頭體701的下面以達(dá)到足以保證從排泄槽721平穩(wěn)排出巖芯樣本碎片725，而不產(chǎn)生鉆頭堵塞。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的，排泄槽721將被安置在鉆頭體701下面，安置量為不影響聚晶金剛石鉆頭700的使用壽命。因而，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，排泄槽721被安置在聚晶金剛石鉆頭700的鉆頭體701下面，安置量取決于要使得平穩(wěn)排出巖芯樣本碎片725，并不產(chǎn)生鉆頭堵塞，并且依據(jù)安裝量將不會(huì)導(dǎo)致聚晶金剛石鉆頭700使用壽命的縮短。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，排泄槽721有一個(gè)與支持表面1500和鉆頭體701形成的普通向下的斜坡。
[0090]更多的，在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，排泄槽721所在的流道719位于一個(gè)比其他流道710更大的聚晶金剛石鉆頭700的圓周擴(kuò)展上。例如，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，在排泄槽721所在的流道719與其他流道719相比，位于至少一個(gè)大于75%、大于100%，甚至大于150%的表面。更多的，基于鉆頭體701的側(cè)面，這也許沒必要給出一個(gè)排泄槽721嵌入鉆頭體701，但是流道719與流道719的表面區(qū)域結(jié)合的傾角與取芯刀片717不同，這可能很方便于疏散鉆頭體701的巖芯樣本碎片725到內(nèi)齒環(huán)并傳遞到表面。
[0091]如圖16是圖15中聚晶金剛石鉆頭700和一個(gè)巖芯樣本碎片725的橫截面視圖,依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。如前所述，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，取芯刀片717的主切削齒723在鉆井時(shí)用來形成巖芯樣本碎片725。特別的在鉆井時(shí)，當(dāng)聚晶金剛石鉆頭700以鉆頭中心線709旋轉(zhuǎn)時(shí)，主切削齒723切削了巖芯樣本碎片725。因此，巖芯樣本碎片725通過主切削齒723的切削作用于鉆頭中心線709上形成。
[0092]一旦巖芯樣本碎片725到達(dá)一個(gè)特定長(zhǎng)度，這個(gè)是由取芯刀片717的高度和有角度的面1305與先前提到的鉆頭中心線709形成的角度決定的。通過在新形成的巖芯樣本碎片725的一邊施加一個(gè)橫向負(fù)載，取芯刀片717上有角度的面1305促進(jìn)了巖芯樣本碎片725在形成時(shí)的分離。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，這種橫向負(fù)載導(dǎo)致了巖芯樣本碎片725在其即將形成的最后階段分離。在巖芯樣本碎片725的形成的最后階段是巖芯樣本碎片725最脆弱的部分，這是由于主切削齒723的切削作用在巖芯樣本碎片725形成時(shí)施加于其上的壓力。因此，有角度的面1305的橫向負(fù)載導(dǎo)致了巖芯樣本碎片725在其即將形成的最后階段分離。
[0093]依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，產(chǎn)生的巖芯樣本碎片725的寬度在0.75英寸到1.25英寸范圍內(nèi)，并且長(zhǎng)度介于0.75~1.25英寸之間。依據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，得到的巖芯樣本碎片725具有有1.9~2.1英寸的寬度，1.9~2.1英寸的長(zhǎng)度。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員熟知的是，得到的巖芯樣本碎片725可具有多種長(zhǎng)度和寬度，并未超出本發(fā)明的范圍。
[0094]如圖16所示，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，新形成的巖芯樣本碎片725與取芯刀片717的有角度的面1305接觸，軸向低于圓錐形嵌入物727的頂點(diǎn)。從另一個(gè)角度來說，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，新形成的巖芯樣本碎片725與有角度的面1305在一個(gè)點(diǎn)相接，該點(diǎn)與主切削齒723的第一徑向位置Rl有相同的徑向位置。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，這個(gè)點(diǎn)軸向低于圓錐形嵌入物727的頂點(diǎn)。
[0095]依據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，主切削齒723可能是圓錐形嵌入物727，正如上文先前所述。在這些其他實(shí)施例中，圓錐形嵌入物727可能被嵌入到取芯刀片717的第一徑向位置Rl上，從而圓錐形嵌入物727的頂點(diǎn)被調(diào)整到鉆頭中心線709。此外，在其他實(shí)施例中，一旦巖芯樣本碎片725到達(dá)一個(gè)特定長(zhǎng)度，由取芯刀片717的高度決定，正如前文所述，鉆孔時(shí)圓錐形嵌入物727在新形成的巖芯樣本碎片725制造一道刻痕。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，這個(gè)刻痕導(dǎo)致巖芯樣本碎片725變薄弱并且會(huì)在其即將形成的最后階段分離。巖芯樣本碎片725即將形成的最后階段是巖芯樣本碎片725最脆弱的部分，這是由于作用類似于主切削齒723的圓錐形嵌入物727的切削作用在巖芯樣本碎片725形成時(shí)施加于其上的壓力。因此，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圓錐形嵌入物727的刻痕導(dǎo)致了巖芯樣本碎片725在其即將形成的最后階段分離。 [0096]如圖30所示的是另一個(gè)使用圓錐形嵌入物的實(shí)施例。如實(shí)施例所示，位于或臨近鉆頭中心線709，存在一個(gè)圓錐形嵌入物727，作為一個(gè)中心取芯元件與刀片上的多個(gè)切削元件713結(jié)合(未展示出來)。如圖30所示，多個(gè)切削元件713可能是圓錐形切削元件，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。在一個(gè)特別的實(shí)施例中，第一徑向切削元件723是一個(gè)圓錐形切削元件3000。進(jìn)一步說明，圓錐形嵌入物727被直接安置在鉆頭體(未顯示)在聚晶金剛石鉆頭700的刀片上的凹處而不是直接安置于一個(gè)刀片上。更多的，當(dāng)在此實(shí)施例中指明的切剖面被展示為僅包含多個(gè)圓錐形切削元件713，這與當(dāng)前展示的范圍相比很特別，因?yàn)榍衅拭婵赡馨鄠€(gè)齒(未顯示)并且/或者多個(gè)圓錐形切削元件，在美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/370, 734和N0.13/370,862中描述的任何配置，這兩個(gè)都一并引用它們的全部，或者其他配置。
[0097]實(shí)施例有一個(gè)錐形切削元件3000，作為第一徑向切削元件723可能會(huì)使用圓錐形切削元件3000，在特例中它半徑范圍在0.010到0.125英寸間。在一些實(shí)施例中，錐形切削元件3000的半徑r在第一徑向位置Rl上的下限范圍可以是0.01, 0.02, 0.04, 0.05, 0.06或者0.075英寸，上限范圍是0.05，0.06，0.075，0.085，0.1或者是0.0125英寸，這里任何下限將與任意一個(gè)上限進(jìn)行組合。此外，特例將使用一個(gè)非對(duì)稱的或者斜向切削元件，其中圓錐形切削元件3000的切削圓錐形切削末端有一個(gè)軸，該軸與襯底不同軸。更多的，理想狀態(tài)下安置圓錐形切削元件3000在一個(gè)特定的斜度取向(例如:垂直的或者側(cè)面橫向的角度)朝向取芯刀片717 (對(duì)特定圓錐形切削元件713給定非對(duì)稱角度和錐角)因而這里有一個(gè)角度α形成于圓錐形切削元件朝向圓錐形切削元件3000的徑向內(nèi)部，有條線平行于鉆頭中心線709。在多種實(shí)施例中，α范圍在O~45度之間。在其他實(shí)施例中，角度α可能大于O度。在一些實(shí)施例中，角度α的下限在O，2，5，10，15，20或30度間，上限在15，20，25，30，35，40到45度之間，這里任意下限將于一個(gè)上限結(jié)合組合。有利的是，圓錐形切削元件3000的位置在取芯刀片717的第一徑向位置Rl處，這將弱化形成于聚晶金剛石鉆頭700的核心區(qū)域的巖芯樣本碎片725的核心強(qiáng)度，通過允許圓錐形切削元件3000在其中形成劃痕。更多的，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，取芯刀片717的圓錐形切削元件3000的第一徑向位置Rl可能被配置或未配置傾斜表面1305，正如之前上文所提到的。
[0098]如果在有角度的面施加橫向負(fù)載(或者，依據(jù)其他實(shí)施例，圓錐形切削元件3000的刻痕作為第一徑向切削元素723嵌入取芯刀片717中，如前文所述)并不足以用來在巖芯樣本碎片725形成時(shí)分離，圓錐形嵌入物727嵌入近似的鉆頭中心線709可能會(huì)形成導(dǎo)致巖芯樣本碎片725在形成中作為備份分離。尤其，依據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，嵌入鉆頭中心線709附近的圓錐形嵌入物727施加了一個(gè)中心負(fù)載在巖芯樣本碎片725的末端，臨近圓錐形嵌入物727的頂點(diǎn)。圓錐形嵌入物727的中心負(fù)載導(dǎo)致了巖芯樣本碎片725的破裂。作為這個(gè)中心負(fù)載的結(jié)果，并且由于圓錐形嵌入物727位于或接近位于中心線709，巖芯樣本碎片725斷裂成兩半。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，這些兩半的部分實(shí)質(zhì)上有著相同的長(zhǎng)度和覽度。
[0099]巖芯樣本碎片725在形成中分離后，依照本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,鉆頭水力特性與/或橋接部分1000 (正如先前描述的那樣)幫助新萃取的巖芯樣本碎片725被轉(zhuǎn)移或集中到排泄槽721，作為聚晶金剛石鉆頭700的出口。如先前描述，通常排泄槽721的向下傾角將與一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例相符，保證巖芯樣本碎片725排出聚晶金剛石鉆頭700而不造成鉆孔堵塞。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，從排泄槽721，巖芯樣本碎片725將通過一個(gè)在鉆井孔和鉆柱之間形成的內(nèi)齒環(huán)(并未展示)被運(yùn)輸?shù)降孛妗?br> [0100]如圖17所示的是一個(gè)鉆頭的ROP中的百分比的變化圖示，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。圖17中展示 了一個(gè)圖示是聚晶金剛石鉆頭700的ROP的百分比變化，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。如圖所示，聚晶金剛石鉆頭700的巖芯破碎特性包含取芯刀片717，主切削齒723，有角度的面1305，圓錐形嵌入物727，還有排泄槽721，正如先前一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中展示的那樣，展示了一個(gè)ROP中在基線聚晶金剛石鉆頭上的增長(zhǎng)，這并沒有巖芯破碎特性，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。更特別的是，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，當(dāng)給定一個(gè)鉆壓時(shí)，RPM的鉆柱，巖石類型，還有封閉壓力，聚晶金剛石鉆頭700展示了一個(gè)在基線聚晶金剛石鉆頭上平均21%的增長(zhǎng)，。
[0101]為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知，ROP中的此番平均增長(zhǎng)是聚晶金剛石鉆頭700意料之外的一個(gè)結(jié)果，這被配置以用來同時(shí)產(chǎn)生巖芯樣本碎片725，在鉆孔時(shí)，這與上文所述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例相符。聚晶金剛石鉆頭700在ROP中的增長(zhǎng)依據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，可以是有利的，至少因?yàn)镽OP中的增長(zhǎng)轉(zhuǎn)化成聚晶金剛石鉆頭700的使用壽命的增加，一種使得形成過程變快的鉆孔方法，也可以減少鉆孔成本。
[0102]圖18為根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，對(duì)鉆頭法向力進(jìn)行比較的圖示。具體地，圖18顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，相對(duì)于基準(zhǔn)PDC鉆頭，施加于roc鉆頭700的主切削齒723的法向力分布，考慮了給定鉆柱的RPM，WOB和巖石類型。如圖所示，根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，當(dāng)PDC鉆頭700的主切削齒723設(shè)置在離鉆頭中心線709約I英寸的第一徑向位置Rl時(shí)，主切削齒723比基準(zhǔn)I3DC鉆頭承受更大的法向力，其徑向位置距鉆頭中心線小于I英寸(更接近鉆頭中心線)。
[0103]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以領(lǐng)會(huì)到，主切削齒723上更大的法向力可以使主切削齒723實(shí)現(xiàn)每單位WOB更大的切割深度。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)到，每單位WOB更大的切割深度導(dǎo)致PDC鉆頭700的ROP提高。如前所述，根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，PDC鉆頭700的ROP提高是有利的，至少由于ROP的提高可以轉(zhuǎn)化為PDC鉆頭700使用壽命的延長(zhǎng)，地層鉆探速度的提高以及鉆探成本的降低。
[0104]圖19為根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,帶有巖芯樣本碎片的鉆頭的部分透視圖。具體地，圖19顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，帶有巖芯樣本碎片1901的孕鑲鉆頭1900的部分透視圖。圖20為根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，孕鑲鉆頭1900的部分透視圖，在圖19的基礎(chǔ)上去掉巖芯樣本碎片1901，從而提供無阻擋的關(guān)于孕鑲鉆頭1900結(jié)構(gòu)的部分透視圖。
[0105]如圖20所示，孕鑲鉆頭1900包括鉆頭體2001和鉆面2002。與之前所述的PDC鉆頭700相似，孕鑲鉆頭1900包括一個(gè)用于將孕鑲鉆頭1900固定于鉆柱(未顯示)下端的銷(未顯示)。孕鑲鉆頭1900進(jìn)一步包括鉆頭中心線2003，孕鑲鉆頭1900沿切削方向繞其旋轉(zhuǎn)。根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，鉆面2002延伸通過鉆頭中心線2003，平滑過渡進(jìn)入通道2011或在其之間，如以下細(xì)節(jié)所述。
[0106]當(dāng)孕鑲鉆頭1900固定于鉆柱，旋轉(zhuǎn)鉆柱引起孕鑲鉆頭1900旋轉(zhuǎn)，并利用多個(gè)孕鑲金剛石顆粒和/或孕鑲嵌入物2005穿透并切斷地層，如下文進(jìn)一步的細(xì)節(jié)所述。隨著孕鑲鉆頭1900穿透并切斷地層，則形成鉆井孔。
[0107]如圖20所示，鉆頭體2001支持多個(gè)凸起筋2007。與PDC鉆頭700的多個(gè)刀片715相似，根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，多個(gè)凸起筋2007包含一定數(shù)量的凸起材料，從距鉆頭體2001的一個(gè)面一定高度處延伸。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以領(lǐng)會(huì)到，孕鑲鉆頭上這樣的“刀片”在本領(lǐng)域一般指“筋”。多個(gè)凸起筋2007在孕鑲鉆頭1900與銷(未顯示)相反的一端形成。如圖所示，多個(gè)凸起筋2007從鉆頭中心線2003沿徑向向外延伸，然后沿軸向向下形成孕鑲鉆頭1900的直徑輪廓。
[0108]根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，多個(gè)凸起筋2007其中之一為取芯筋2009，更多細(xì)節(jié)如下所述。多個(gè)凸起筋2007由多個(gè)通道2011分隔，可以在鉆孔過程中使鉆井液在其間流動(dòng)，保持凸起筋2007的清潔和冷卻。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，多個(gè)通道2011的其中之一為排泄槽2013，更多細(xì)節(jié)如下所述。
[0109]圖20進(jìn)一步所示，多個(gè)凸起筋2007的每一個(gè)都包括一個(gè)孕鑲切削結(jié)構(gòu)，通過鑲嵌于筋2007的金剛石顆粒(或其它超級(jí)研磨材料)或含有多個(gè)孕鑲嵌入物2005的多個(gè)孔洞實(shí)現(xiàn)。多個(gè)凸起筋2007既可以包括筋2007本身的金剛石孕鑲，也包括孕鑲齒2005嵌入凸起筋2007中形成的孔洞中，都在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，將多個(gè)孔處理為一定的尺寸和形狀來接受相應(yīng)的多個(gè)孕鑲齒2005。如圖所示，多個(gè)孕鑲齒2005可以互相相鄰排列和/或沿多個(gè)凸起筋間隔排列。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，根據(jù)多個(gè)孕鑲齒2005沿多個(gè)凸起筋2007的位置，多個(gè)孕鑲齒2005可以定位與鉆頭中心線2003大致平行或與鉆頭中心線2003大致垂直。多個(gè)孕鑲齒2005可以由天然或者合成金剛石形成，也可以利用其它非超級(jí)研磨材料，從而在鉆探地層時(shí)實(shí)現(xiàn)腐蝕切削作用。
[0110]根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，取芯筋2009包含置于其上的主切削齒(或第一切削元件)2015。如以下更多細(xì)節(jié)所述，主切削齒2015和取芯筋2009共同作用形成并分離巖芯樣本碎片1901,如圖19所不。
[0111]圖20進(jìn)一步顯示，孕鑲鉆頭1900包括一個(gè)嵌入鉆頭體2001中的圓錐形嵌入物2017，位于或靠近鉆頭中心線2003處。如以下更多細(xì)節(jié)所述，圓錐形嵌入物2017與取芯筋2009共同作用引起巖芯樣本碎片1901在鉆探過程中從地層分離。
[0112]如圖20所示，取芯筋2009是孕鑲鉆頭1900的多個(gè)凸起筋2007的其中之一。如圖21-22為根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圖20中所示的孕鑲鉆頭1900的部分剖視圖。具體地，圖21-22著重于取芯筋2009。如圖所示，根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，取芯筋2009包含置于其上的主切削齒2015。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，主切削齒2015置于從鉆頭中心線2003開始的第一徑向位置Rl處的取芯筋2009上。第一徑向位置Rl通過旋轉(zhuǎn)孕鑲切削結(jié)構(gòu)的所有切削元件至單旋轉(zhuǎn)視圖從而產(chǎn)生切削輪廓來確定。切削元件位于離鉆頭中心線2003最近處，例如，主切削齒2015在第一徑向位置Rl處。
[0113]與本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例相一致，考慮到巖芯樣本碎片1901的形成，第一徑向位置Rl設(shè)于距鉆頭中心線2003—定距離處。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，一個(gè)非限制性例子為第一徑向位置Rl離鉆頭中心線2003的距離為孕鑲鉆頭1900直徑的0.25倍。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，第一徑向位置Rl離鉆頭中心線2003的距離可以在孕鑲鉆頭1900直徑尺寸的0.05?0.25倍范圍內(nèi)。根據(jù)本公開內(nèi)容的其它實(shí)施例，第一徑向位置Rl距鉆頭中心線2003的距離范圍的下限為孕鑲鉆頭1900直徑的0.05，0.075，0.1,0.125或0.15倍中任何一個(gè)，上限為孕鑲鉆頭1900直徑的0.075，0.1,0.125，0.15，0.175,0.2,0.225或0.25倍中任何一個(gè)，任意下限可以與任意上限組合。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以領(lǐng)會(huì)到，根據(jù)巖芯樣本碎片1901的理想尺寸，第一徑向位置Rl可以距鉆頭中心線2003為其他距離，并不偏離本公開內(nèi)容范圍。
[0114]根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，鉆井過程中，取芯筋2009的主切削齒2015用于在孕鑲鉆頭1900的鉆頭中心線2003上或其附近形成巖芯樣本碎片1901。具體地，在鉆井過程中，隨著孕鑲鉆頭1900繞鉆頭中心線2003旋轉(zhuǎn)，主切削齒2015將巖芯樣本碎片1901從地層切割下來。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，主切削齒2015可以包含大體平滑的切削面。在其它實(shí)施例中，主切削齒2015可以包含以下詳述的圓錐形切削元件3000。放置主切削齒2015的第一徑向位置Rl決定產(chǎn)生的巖芯樣本碎片1901的寬度或直徑。例如，與本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例相一致，如果第一徑向位置Rl距離鉆頭中心線2003為孕鑲鉆頭1900直徑長(zhǎng)度的0.25倍，置于第一徑向位置Rl的第一切削刀2005將形成巖芯樣本碎片1901，其半徑為孕鑲鉆頭1900的直徑的0.25倍，寬度或直徑為孕鑲鉆頭1900直徑的0.5倍。第一徑向位置Rl距鉆頭中心線2003更遠(yuǎn)，形成的巖芯樣本碎片1901寬度更大。相應(yīng)地，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以領(lǐng)悟到，為得到具有不同寬度的巖芯樣本碎片1901，第一徑向位置Rl可以位于距鉆頭中心線2003不同距離處，并不偏離本公開內(nèi)容范圍。
[0115]如圖21-22進(jìn)一步所示，根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，取芯筋2009可以包括大體垂直面2100，緩沖部分2101和有角度的面2103。有角度的面2103在軸向上置于刀片上方和鉆面2002下方，延伸經(jīng)過鉆頭中心線2003。在一些實(shí)施例中，鉆面2002可以包含插入孔中的嵌入物，位于鉆頭中心線2003上或其附近。如圖所示，緩沖2101可以置于大體垂直面2100和有角度的面2103之間。緩沖2101可以發(fā)揮緩沖和保護(hù)大體垂直面2100不被過早磨損的作用。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，大體垂直面2100，緩沖2101和有角度的面2103整體連接形成連續(xù)部分，定位朝向孕鑲鉆頭1900的鉆頭中心線2003。
[0116]根據(jù)本公開的其它實(shí)施例，取芯筋2009可以設(shè)置為無緩沖2101。根據(jù)這些其他的實(shí)施例，大體垂直面2100和有角度的面2103整體連接形成連續(xù)部分，并朝向孕鑲鉆頭1900的鉆頭中心線2003。進(jìn)一步，根據(jù)這些其它實(shí)施例，大體垂直面2100和有角度的面2103在軸向上高于取芯筋2009的主切削齒2015的一點(diǎn)相交。
[0117]根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，大體垂直面2100可以與孕鑲鉆頭1900的鉆頭中心線2003大致平行。即根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，大體垂直面2100可以被定位于相對(duì)于孕鑲鉆頭1900的鉆頭中心線2003的平行線，從O到5°范圍內(nèi)的任何方向。圖25更好地顯示，如下進(jìn)一步所述，有角度的面2103的斜率有助于確定產(chǎn)生的巖芯樣本碎片1901的長(zhǎng)度。例如，有角度的面2103的斜率越緩(即距鉆頭中心線2003的角度越大)，產(chǎn)生巖芯樣本碎片1901的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。同樣地，有角度的面2103的斜率越陡，(即距鉆頭中心線2003的角度越小)，產(chǎn)生巖芯樣本碎片1901的長(zhǎng)度越短。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以領(lǐng)會(huì)至IJ，除了有角度的面2103的斜率，取芯筋2009的高度也可以有助于確定產(chǎn)生巖芯樣本碎片1901的長(zhǎng)度。例如，取芯筋2009越高，產(chǎn)生巖芯樣本碎片1901的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。同樣地，取芯筋2009越低，產(chǎn)生巖芯樣本碎片1901的長(zhǎng)度越短。相應(yīng)地，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以領(lǐng)會(huì)到，有角度的面2103可以相對(duì)于鉆頭中心線2003呈不同角度，取芯筋2009可以有不同高度以獲得具有不同長(zhǎng)度的巖芯樣本碎片1901，不偏離本公開內(nèi)容范圍。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，有角度的面2103可以設(shè)置為其所在的軸向點(diǎn)與主切削齒2015的徑向位置有相同的徑向值，其下限至少為鉆頭直徑的0.1,0.2,0.3，0.4或0.5倍中的任意值，上限為鉆頭直徑的0.2，0.3，0.4，0.5，0.6或0.75倍中的任意值，任意下限可以與任意上限組合。
[0118]根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，有角度的面2103與鉆頭中心線2003呈15?20°的角度范圍。但是根據(jù)上述情況，此角度范圍并非刻意限制，有角度的面2103可以與鉆頭中心線2003呈不同角度。例如，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，有角度的面角度下限可以為約5，10，15，20或25度的任意度數(shù)，上限為15，20，25，30，35或45度的任意度數(shù)。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，有角度的面2103可以與鉆頭中心線呈某一角度，使有角度的面2103與大體垂直面2100和緩沖2101共同在巖芯樣本碎片1901的一邊施加橫向負(fù)載，在巖芯樣本碎片1901達(dá)到理想長(zhǎng)度后足以引起其從地層分離。有角度的面2103在這方面的作用在后續(xù)結(jié)合圖25進(jìn)一步闡述。
[0119]回到圖21-22，緩沖2101設(shè)置在大體垂直面2100和有角度的面2103之間。緩沖2101可以使大體垂直面2100和有角度的面2103在相對(duì)鉆頭中心線2003的不同角度之間轉(zhuǎn)變。根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，緩沖2101在大體垂直面2100和有角度的面2103之間的位置基于產(chǎn)生的巖芯樣本碎片1901的理想長(zhǎng)寬比。根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，巖芯樣本碎片1901長(zhǎng)度和寬度的比例可以大于等于I。這樣，取芯筋2009的緩沖2101的位置根據(jù)上述的取芯筋2009的高度，有角度的面2103的斜率以及第一徑向位置Rl相對(duì)鉆頭中心線2003的位置確定。
[0120]對(duì)于圖21，根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，由于鉆探過程中由大體垂直面2100施加或施加于其上的載荷，取芯筋2009的大體垂直面2100可以包括低摩擦耐磨表面2105。使用低摩擦耐磨表面2105可以為大體垂直面2100提供磨損保護(hù)，從而延長(zhǎng)孕鑲鉆頭1900的使用壽命。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，在大體垂直面2100上使用低摩擦耐磨表面2105也可以在巖芯樣本碎片1901形成的過程中提供額外的切削作用。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，低摩擦耐磨表面2105可以或者與大體垂直面2100整合，或者由一個(gè)或多個(gè)不完整部件形成，例如圖21中的三角形所示。雖然圖21中顯示了三角形的非整體部件，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例不限于某一特定形狀的非整體部件。實(shí)際上，正方形，圓形，橢圓形，菱形，圓盤形，楔形或其它任何可以為大體垂直面2100提供磨損保護(hù)的形狀都可以使用。
[0121]根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，低摩擦耐磨表面2105與大致垂直表面2100成為一體，在孕鑲鉆頭1900的取芯筋2009形成的過程中形成。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，用于低摩擦耐磨表面的材料可以是TSP，天然金剛石或其它任何類型的熱穩(wěn)定抗磨損材料。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，用于低摩擦耐磨表面2105的材料是 TSP。
[0122]對(duì)于圖22，根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，由于鉆探過程中由有角度的面2013施加或施加于其上的載荷，取芯筋2009的有角度的面2103可以包括低摩擦耐磨表面2105。使用低摩擦耐磨表面2105可以為有角度的面2103提供磨損保護(hù)，從而延長(zhǎng)孕鑲鉆頭1900的使用壽命。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，低摩擦耐磨表面2105可以或者與有角度的面2013整合，或者由一個(gè)或多個(gè)不完整部件形成，例如圖22中的圓盤所示。雖然圖22中顯示了圓盤形的非整體部件，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例不限于某一特定形狀的非整體部件。實(shí)際上，三角形，正方形，圓形，橢圓形，菱形，楔形或其它任何可以為有角度的面2013提供磨損保護(hù)的形狀都可以使用。
[0123]根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，低摩擦耐磨表面2105與有角度的面2103成為一體，在孕鑲鉆頭1900的取芯筋2009形成的過程中形成。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，用于低摩擦耐磨表面2105的材料可以是TSP，天然金剛石或其它任何類型的熱穩(wěn)定抗磨損材料。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，用于低摩擦耐磨表面2105的材料是TSP。
[0124]圖21-22也顯示了置于鉆頭中心線2013或其附近的圓錐形嵌入物2017。這里所用的“鄰近”是考慮到鉆頭中心線2003意味著或者在鉆頭中心線2003處，或者在鉆頭中心線2003和第一徑向位置Rl之間。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圓錐形嵌入物2017嵌入鉆頭體2001，這樣圓錐形嵌入物2017的一個(gè)尖端軸向定位于取芯筋2009的緩沖部分2101上。下面將結(jié)合圖23進(jìn)一步詳細(xì)描述圓錐形嵌入物2017。
[0125]圖23顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的鉆頭剖視圖。具體地，圖23展示了根據(jù)本公開內(nèi)容的孕鑲鉆頭1900的剖視圖。如圖所示，圓錐形嵌入物2017置于在鉆頭體2001支撐面2300上的鉆頭中心線2003或其附近處。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，支撐面2300位于取芯筋2009和孕鑲鉆頭1900的排泄槽2013之間。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，支撐面2300在整體上將取芯筋2009與排泄槽2013連接成連續(xù)部件。進(jìn)一步，根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，支撐面2300的斜率小于5度，在其它實(shí)施例中小于3或2度，或者相對(duì)鉆頭中心線2003呈O度。
[0126]仍對(duì)于圖23，根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，圓錐形嵌入物2017嵌入鉆頭體2001，這樣圓錐齒2017的一個(gè)尖端軸向定位于取芯筋2009的緩沖2101上。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，孕鑲鉆頭1900的圓錐形嵌入物2017與之前所述的PDC鉆頭700的圓錐形嵌入物727有同樣的形狀、結(jié)構(gòu)、組合、尺寸及功能特征。
[0127]仍然參照?qǐng)D23，排泄槽2013被直接放置于與取芯筋2009相關(guān)聯(lián)的鉆頭中心線2003上。根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，排泄槽2013的剖面凹進(jìn)于金剛石鉆頭1900的鉆頭體2001的下方。正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知曉的，如果沒有脫離現(xiàn)行公開技術(shù)的范圍，排泄槽2013凹進(jìn)于鉆頭體2001下方的數(shù)目會(huì)發(fā)生變化。舉例來說，正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所能領(lǐng)會(huì)的，排泄槽2013會(huì)在一定程度上凹進(jìn)于鉆頭體2001的下方，這種程度足夠保證來自排泄槽2013的巖芯樣本碎片1901有一個(gè)光滑的出口從而避免鉆頭被堵。進(jìn)一步地，正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所能領(lǐng)會(huì)的，排泄槽2013會(huì)在一定程度上凹進(jìn)于鉆頭體2001的下方，這種程度不包括金剛石鉆頭1900的空白強(qiáng)度。因此，根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，排泄槽2013的剖面會(huì)在一定程度上凹進(jìn)于金剛石鉆頭1900的鉆頭體2001的下方，這種程度能夠在沒有被堵鉆頭的情形下為巖芯樣本碎片1901確保一個(gè)光滑的出口，同時(shí)不會(huì)對(duì)金剛石鉆頭1900的使用壽命產(chǎn)生不利影響。根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，排泄槽2013通常有一個(gè)向下的斜坡來保護(hù)支撐面2300和鉆頭體2001。
[0128]進(jìn)一步地，在一個(gè)或者更多個(gè)實(shí)施例中，排泄槽2013所在的通道2011包括一個(gè)比通道2011更大圓周范圍的金剛石鉆頭1900。舉例來說，在一個(gè)或者更多個(gè)實(shí)施例中，排泄槽2013所在的通道2011包括比其它的通道2011大至少50%表面積的通道。在其它實(shí)施例中，排泄槽2013所在的通道2011包括一個(gè)比其它的通道2011大至少75%，或者100%，甚至大150%表面積的通道。進(jìn)一步地，基于鉆頭體2001的剖面，我們可能就不需要提供一個(gè)凹進(jìn)于鉆頭體2011的排泄槽2013。因?yàn)榕c通道2011表面面積相聯(lián)接的通道2011的傾斜度可能已經(jīng)足夠?qū)е聨r芯樣本碎片1901從鉆頭體2001中排放出來，這種鉆頭體被置于內(nèi)齒環(huán)中，同時(shí)通道2011處于取芯筋2009的對(duì)面。
[0129]參照?qǐng)D形24，呈現(xiàn)的是一個(gè)鉆頭的立體剖視圖，此剖視圖是根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開技術(shù)的實(shí)施例所制作。更詳細(xì)地，圖形24呈現(xiàn)了一個(gè)金剛石鉆頭1900的立體剖視圖，此剖視圖是根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例所制作。正如該圖形所呈現(xiàn)的，金剛石鉆頭1900包括:鉆頭中心線2003，取芯筋2009，排泄槽2013，主切削齒2015，第一徑向位置R1，圓錐形嵌入物2017，有角度的面2103，大體垂直面2100，緩沖部分2101，有角度的面2103，支撐表面2300。比之于圖形25 (各部分的)相互作用，關(guān)于形成、中斷和疏散巖芯樣本碎片1901組成部分間的相互作用在下文中將得到更加充分地描述。
[0130]參照?qǐng)D形25，呈現(xiàn)的是展示在圖形23中的一個(gè)帶有巖芯樣本碎片金剛石鉆頭1900的剖視圖，該鉆頭是根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例所制作。正如前文所描述的，根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，在鉆井孔的過程中取芯筋2009的主切削齒2015被用來提取巖芯樣本碎片1901。更具體地，在鉆井孔的過程中，當(dāng)金剛石鉆頭1900圍繞鉆頭中心線2003進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，主切削齒2015便將巖芯樣本碎片1901從地層中切削出來。于是，通過主切削齒2015的切削作用，巖芯樣本碎片1901在鉆頭中心線2003得以形成。
[0131]一旦巖芯樣本碎片1901達(dá)到了由取芯筋2009的高度和有角度的面2103的角度所決定的特定長(zhǎng)度(有角度的面2103與上文所描述的鉆頭中心線2003相關(guān))，取芯筋2009的有角度的面2103便可通過在新形成的巖芯樣本碎片1901的一側(cè)施加橫向荷負(fù)載的方式，促使巖芯樣本碎片1901難以形成。根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，在與地層相田比鄰的巖芯樣本碎片1901的末端,側(cè)面加載會(huì)引起巖芯樣本碎片1901從地層中分離。因?yàn)樵谕ㄟ^使用主切削齒2015形成巖芯樣本碎片1901的過程中強(qiáng)調(diào)在從上面授予，所以與地層相毗鄰的巖芯樣本碎片1901的末端是巖芯樣本碎片1901最薄弱的地方。據(jù)此，根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，在與地層相毗鄰的巖芯樣本碎片1901的末端，通過有角度的面2013形成的側(cè)面加載會(huì)引起巖芯樣本碎片1901從地層中分離。
[0132]根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，獲取的巖芯樣本碎片1901的寬度在
0.75英尺到1.25英尺間變化，長(zhǎng)度在0.75英尺到1.25英尺間變化。正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所能理解的，如果沒有脫離現(xiàn)行公開技術(shù)的范圍，獲取的巖芯樣本碎片1901可能會(huì)有不同的長(zhǎng)度和寬度。
[0133]正如圖形25所進(jìn)一步呈現(xiàn)的，根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，新形成的巖芯樣本碎片1901與取芯筋2009的有角度的面2103接觸的點(diǎn)，軸向上在圓錐形嵌入物2017頂點(diǎn)的下方。換一種說法，根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，新形成的巖芯樣本碎片1901在某點(diǎn)上撞擊有角度的面2103，該點(diǎn)與主切削齒2015的第一徑向位置Rl是同一位置。根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，該點(diǎn)軸向上是在圓錐形嵌入物2017頂點(diǎn)的下方。
[0134]根據(jù)現(xiàn)行公開的其它實(shí)施例，金剛石鉆頭1900的主切削齒2015可能是上文提及的圓錐形切削元件3000，該切削元件呈現(xiàn)于圖形30中的roc鉆頭。在其它實(shí)施例中，圓錐形切削元件3000可能在第一徑向位置Rl處嵌入于取芯筋2009，以至于圓錐形切削元件3000的頂端朝向鉆頭中心線2003。更進(jìn)一步地，在其它實(shí)施例中，一旦巖芯樣本碎片1901達(dá)到了由上文所描述的取芯筋2009高度所決定的特定長(zhǎng)度，圓錐形切削元件3000便創(chuàng)造了一個(gè)在鉆孔過程中新形成的巖芯樣本碎片1901的刻痕。根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，在與地層相毗鄰的巖芯樣本碎片1901的末端，這個(gè)刻痕會(huì)引起巖芯樣本碎片1901從地層中衰弱和脫離出來。因?yàn)樵谕ㄟ^使用圓錐切削元件3000的切削動(dòng)作作為主切削齒2015而形成巖芯樣本碎片1901的過程中強(qiáng)調(diào)在上面授予，故此與地層相毗鄰的巖芯樣本碎片的末端是巖心樣本碎片1901最薄弱的地方。據(jù)此，根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，在與地層相毗鄰的巖芯樣本碎片1901的末端，這個(gè)由圓錐形切削元件3000促成的刻痕會(huì)引起巖芯樣本碎片1901從地層中分離。
[0135] 一個(gè)可作為第一徑向切削元件的圓錐形切削元件3000的實(shí)施例，該實(shí)施例可能會(huì)在特殊實(shí)施情況中使用半徑約0.010英寸到0.125英寸的圓錐形切削元件3000。在某些實(shí)施例中，處于第一徑向位置Rl的圓錐形切削元件3000的半徑會(huì)在低至
0.01，0.02，0.04，0.06 或 0.075 英寸，高至 0.05，.0.06，0.075，0.085，0.10 或 0.0125 英寸之間變動(dòng)，在此過程中該半徑的任何較低長(zhǎng)度會(huì)與較高長(zhǎng)度組合在一起。此外，特定實(shí)施例可能會(huì)使用一個(gè)非對(duì)稱的或者傾斜的切削元件，在這當(dāng)中該圓錐形切削元件3000的末端部分會(huì)有一個(gè)與基質(zhì)層軸線不相共軸的軸線。進(jìn)一步地，將圓錐形切削元件3000安置在取芯筋2009 (給出的不對(duì)稱程度同特殊圓錐形切削元件3000的圓錐角一樣)上的一個(gè)特殊傾斜方向(如垂直或橫向)，以至于在圓錐形切削元件3000最內(nèi)部部分和鉆頭中心線709的平行線之間會(huì)形成一個(gè)α角，這是可能獲取的。在各種各樣的實(shí)施例中，α角會(huì)在O到45度之間進(jìn)行變化。在其它實(shí)施例中，α角可能會(huì)大于O度。在某些實(shí)施例中，α角的大小會(huì)在小至0、2、5、10、15、20或者30度，大至15、20、25、30、35、40或者45度間進(jìn)行變動(dòng)，在此過程中任何較小的角度會(huì)與較大的角度組合在一起。有利的是，考慮到圓錐形切削元件3000會(huì)在其中創(chuàng)造一個(gè)刻痕，在取芯筋2009第一徑向位置Rl處的圓錐形切削元件3000的布置會(huì)慮及到對(duì)巖芯樣本碎片1901的中心強(qiáng)度產(chǎn)生削弱，該巖芯樣本碎片形成于金剛石鉆頭的中心區(qū)域。進(jìn)一步地，根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，如上文所述取芯筋2009可能會(huì)在有或者無有角度的面2103的情況下被安裝。該取芯筋處于第一徑向位置Rl處且擁有圓錐形切削元件3000。
[0136]通過有角度的面2103 (或者根據(jù)其它實(shí)施例，如上文所描述的通過嵌入取芯筋2009的圓錐形切削元件的刻痕)運(yùn)用的橫向負(fù)荷情形，對(duì)從地層中分離巖芯樣本碎片1901是不夠充分的。作為一個(gè)備份，嵌入近似鉆頭中心線2003的圓錐形嵌入物2017會(huì)起到促使巖芯樣本碎片1901從地層中分離的作用。特別地，根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，嵌入近似鉆頭中心線2003的圓錐形嵌入物2017在巖芯樣本碎片1901的末端發(fā)揮了中心荷載的作用。該巖芯樣本碎片與圓錐形嵌入物2017的頂端距離最近。通過圓錐形嵌入物2017起作用的中心荷載會(huì)引起巖芯樣本碎片1901破裂。中心荷載的結(jié)果，同時(shí)由于圓錐形嵌入物2017被放置于鉆頭中心線2003或其附近，巖芯樣本碎片1901便分裂成兩半。根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，兩半(巖芯樣本碎片)的長(zhǎng)度和寬度在實(shí)質(zhì)上是相同的。
[0137]根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，在巖芯樣本碎片1901從地層中分離之后，為了形成金剛石鉆頭1900的通道，鉆頭水力特性(如上文所述的關(guān)于PDC鉆頭700)會(huì)幫助新提取的巖芯樣本碎片1901朝排泄槽2013傳遞。另一種可替換的方式，正如上文關(guān)于PDC鉆頭700的描述，金剛 石鉆頭1900會(huì)使用一個(gè)橋接部分，該橋接部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)為了金剛石鉆頭的通道會(huì)創(chuàng)造邊界去幫助排泄槽2013直接提取巖芯樣本碎片1901。
[0138]正如上文所描述的，根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，排泄槽2013的普通向下斜坡會(huì)使巖芯樣本碎片1901在鉆頭未堵的情況下讓金剛石鉆頭1900排出。根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，從排泄槽2013開始，巖芯樣本碎片1901通過在鉆井孔和鉆柱之間形成的內(nèi)齒環(huán)(未顯示)后被運(yùn)輸?shù)降貙拥谋砻妗Ｔ谄渌鼘?shí)施例中，正如上文所述提供一個(gè)凹陷于鉆頭體2001的排泄槽2013是沒有必要的。根據(jù)其它實(shí)施例，與通道2011表面面積相聯(lián)接的通道2011的斜坡，已經(jīng)足夠?qū)е聨r芯樣本碎片1901在沒有鉆頭堵塞的情形下從鉆頭體2001排放出來，同時(shí)能夠?qū)е峦ㄟ^內(nèi)齒環(huán)能夠被循環(huán)到表面。通道2011處于取芯筋2009的對(duì)面。
[0139]參照?qǐng)D形26A-C，圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000 (該變化呈現(xiàn)于圖形26A-C)的變化呈現(xiàn)如圖，該變化可能存在于任何已經(jīng)公開的實(shí)施例中。圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000提供了一個(gè)擁有處于襯底2601 (如鎢鈷硬質(zhì)合金底部)的金剛石層2600的鉆頭，這當(dāng)中金剛石層2600形成了一個(gè)圓錐形金剛石工作面。特別地，圓錐形可能包括一個(gè)切于頂端曲率的側(cè)壁。圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000可能在某過程中形成，該過程同那些用于形成金剛石強(qiáng)化嵌入物(在牙輪鉆頭中使用)或者通過將組成部分用黃銅焊接在一起的過程相類似。處于金剛石層2600和襯底2601間的接觸面(沒有分開展示)可能是曲線或者不均勻的，比如說，在操作過程中幫助減少?gòu)囊r底2601到金剛石層2600分層的意外的發(fā)生，以及幫助提升抗壓性和對(duì)元件抵抗的影響。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠領(lǐng)會(huì)接觸面可能包括一個(gè)或者更多的凸面體或者凹陷部分，正如在曲線接觸面上所知曉的。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將能領(lǐng)會(huì)到對(duì)某些曲線接觸面的使用可能會(huì)涉及到在層提示區(qū)域的金剛石層的更大厚度。進(jìn)一步地，創(chuàng)造幾何形狀的界面以至于金剛石層在臨界區(qū)域是最厚的。該臨界區(qū)域包括在金剛石提升元件和地層之間的直接接觸區(qū)域。現(xiàn)行公開技術(shù)中可能會(huì)用于金剛石提升元件的額外形狀和接觸面包括那些描述于美國(guó)專利出版物第2008/0035380號(hào)專利，通過引用在此全文并入。進(jìn)一步地，金剛石層2600可由任何一個(gè)多晶超級(jí)研磨材料，比如包括，多晶金剛石，多晶立方氮化硼，熱穩(wěn)定多晶金剛石(或者形成于通過對(duì)一個(gè)諸如鈷的多晶金剛石的處理，或者形成于一個(gè)帶有比鈷更低的熱膨脹系數(shù)的金屬多晶金剛石)形成。
[0140]圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000的頂端可能會(huì)有曲率，當(dāng)中包括曲率半徑。在這個(gè)實(shí)施例中，曲率半徑會(huì)在大約0.050英寸到0.125英寸之間進(jìn)行變化。在某些實(shí)施例中，曲率會(huì)包括一個(gè)變化的曲率半徑，一個(gè)拋物線的部分，一個(gè)雙曲線的部分，一個(gè)鏈狀物的部分，或者一個(gè)生成參數(shù)樣條曲線。進(jìn)一步地，參照?qǐng)D形26A-B，圓錐的圓錐角β可能會(huì)變化，并且該圓錐角會(huì)基于被鉆孔的特殊地層而被選擇。在一個(gè)特殊實(shí)施例中，圓錐角β會(huì)在大約75度到90度之間變化。
[0141]參照?qǐng)D形26C，根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，呈現(xiàn)的是一個(gè)不均勻或者傾斜的圓錐形嵌入物或圓錐形切削元件。正如圖形26C所呈現(xiàn)的，圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000的錐形切削末端2603有一個(gè)與襯底2601的軸線不相共軸的軸線。在一個(gè)特殊實(shí)施例中，至少一個(gè)不均勻圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000會(huì)被用于任何一個(gè)被描述的鉆頭。對(duì)不均勻圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000的選 擇可能會(huì)被選作更好地匹配標(biāo)準(zhǔn)，或圓錐形嵌入物727，2017上的反作用力，或帶有刀片周軸線地層的錐形切削元件3000，或者被選作用來改變圓錐形嵌入物727, 2017的侵染性或與地層相關(guān)聯(lián)的圓錐形切削元件3000。在一個(gè)特殊的實(shí)施例中，在切削刃或圓錐軸和襯底軸線之間形成的角度Y可能會(huì)在37.5度到45度之間變動(dòng)，同時(shí)相伴隨的是后邊角比前夾角大5-20度。參照?qǐng)D形27，非對(duì)稱(比如傾斜物)圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000的后傾角2700是基于錐形切削刃的軸線得到的，該軸線并沒有穿過錐形切削刃底部的中心。正如圖中所呈現(xiàn)的，走向角2701是基于在圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000的側(cè)面大體垂直面的主導(dǎo)部分和地層之間所形成的。正如圖27所呈現(xiàn)的，通過頂點(diǎn)的切削刃軸線被引導(dǎo)遠(yuǎn)離鉆頭旋轉(zhuǎn)的方向。
[0142]參照?qǐng)D形28A-C，可能有切削元件的斜面在圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000的一部分上形成一個(gè)斜面2801，該部分毗鄰于切削刃2603的頂點(diǎn)2800。比如說，斜面的傾斜切削角可能會(huì)從斜面和圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000的頂點(diǎn)平面法線之間的角度進(jìn)行測(cè)量?；谄谕械淖儎?dòng)，傾斜切削角可能會(huì)在15度到30度間變化。圖形28Β和28C呈現(xiàn)的是17度和25度的傾斜切削角。進(jìn)一步地，比如說斜面的長(zhǎng)度可能是由同頂角一樣的傾斜切削角所決定。
[0143]除了一個(gè)在金剛石層2600和圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000的碳化物襯底2601之間的曲線接觸面之外，或者上述作為一個(gè)選擇方案，圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000的特殊實(shí)施例可能會(huì)包括一個(gè)接觸面。該接觸面正如圖形29所呈現(xiàn)的，并不會(huì)垂直于襯底體軸進(jìn)而導(dǎo)致一個(gè)不對(duì)稱的金剛石層。具體地，在這樣一個(gè)實(shí)施例中，在某半個(gè)圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000上的金剛石的體積比圓錐形嵌入物727，2017或者圓錐形切削元件3000另一半的體積要大。接觸面底部的角度可能會(huì)基于特殊后傾角、走向角、頂角或錐形切削刃的軸向進(jìn)行選擇，并且該角度被選擇用來減小施加于金剛石-碳化物接口的剪切力，同時(shí)替代把接觸面置于比剪切力更大的壓應(yīng)力上。
[0144]現(xiàn)行公開技術(shù)的實(shí)施例可能會(huì)包括一個(gè)或者更多個(gè)的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)行公開技術(shù)的實(shí)施例可能會(huì)提供一個(gè)像PDC鉆頭和金剛石鉆頭一樣的固定齒鉆頭，該固定齒鉆頭能夠在鉆孔過程中從地層同步地形成和提取巖芯樣本碎片，同時(shí)能夠繼續(xù)鉆孔的進(jìn)程。因?yàn)楝F(xiàn)行公開技術(shù)的實(shí)施例在鉆孔和更換鉆柱的過程中能夠同步地從地層中形成和提取巖芯樣本碎片，故此便能夠避免更換鉆柱的過程的昂貴成本和時(shí)間耗費(fèi)?，F(xiàn)行公開技術(shù)的實(shí)施例能夠得到比其它鉆頭通過內(nèi)齒環(huán)向上鉆孔而得質(zhì)量更好的巖芯樣本碎片。據(jù)此，現(xiàn)行公開技術(shù)的實(shí)施例能夠提取提供有意義測(cè)試和地層地理特征分析的巖芯樣本碎片，與此同時(shí)該巖芯樣本碎片正是從此地層地理特征中提取的。現(xiàn)行公開的實(shí)施例能夠提供根據(jù)一個(gè)或者更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例且結(jié)合排泄槽所設(shè)計(jì)出的固定齒鉆頭。這些現(xiàn)行公開的實(shí)施例在鉆頭沒有任何被堵的風(fēng)險(xiǎn)下，能夠促使從鉆頭到內(nèi)齒環(huán)的巖芯樣本碎片的出口的形成。除了從地層中提取有質(zhì)量的巖芯樣本碎片外，根據(jù)一個(gè)或更多個(gè)現(xiàn)行公開的實(shí)施例，固定齒鉆頭同樣展示了在ROP方面的增長(zhǎng)，該增長(zhǎng)意味著固定齒鉆頭在使用壽命方面的增長(zhǎng)、鉆孔能力的提升和鉆孔費(fèi)用的減少。
[0145]盡管該公開的方案只包括有限數(shù)量的實(shí)施例，為了使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過本公開方案鑒別其他不超過本公開方案范圍的實(shí)施例，該保護(hù)范圍受到以下附加權(quán)利說明書的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種用于從地層獲得巖芯樣本碎片的鉆頭，該鉆頭包括: 鉆頭體及其鉆頭中心線和一個(gè)鉆面； 多個(gè)刀片沿鉆面呈放射狀延伸，被其間的多個(gè)流道所分隔開來， 其中多個(gè)刀片中的一個(gè)是取芯刀片，包括: 一個(gè)大體垂直面；和 一個(gè)有角度的面， 其中大體垂直面和有角度的面整體連接在一起；并且多個(gè)切削元件設(shè)置在多個(gè)刀片上， 其中多個(gè)切削元件中的一個(gè)是設(shè)置在取芯刀片鉆面中心線第一個(gè)徑向位置的第一切削元件。
2.權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中取芯刀片進(jìn)一步包括: 一個(gè)設(shè)置在大體垂直面和有角度的面之間的緩沖部分； 其中大體垂直面、有角度的面和凸起整體連接在一起。
3.權(quán)利要求1所 述的鉆頭，其中多個(gè)流道中的一個(gè)是排泄槽，穿過相對(duì)于取芯刀片的鉆頭中心線。
4.權(quán)利要求3所述的鉆頭，其中排泄槽的輪廓嵌入鉆頭體下方。
5.權(quán)利要求3所述的鉆頭，其中支撐面設(shè)置在取芯刀片的有角度的面和排泄槽之間，并且使有角度的面整體連接到排泄槽。
6.權(quán)利要求5所述的鉆頭， 其中圓錐形嵌入物設(shè)置在支撐面其中一個(gè)鉆頭中心線，或者在鉆頭中心線和第一個(gè)徑向位置之間；并且 其中圓錐形嵌入物嵌入鉆頭體，以致圓錐形嵌入物頂端軸向置于大體垂直面和有角度的面的交叉點(diǎn)之上。
7.權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中第一切削元件的第一個(gè)徑向位置與鉆頭中心線之間的距離為鉆頭直徑的0.05倍到0.25倍之間。
8.權(quán)利要求1所述的鉆頭， 其中取芯刀片的大體垂直面和有角度的面分別包括一種低摩擦耐磨材料，并且 其中大體垂直面的低摩擦耐磨材料具有剪切性。
9.權(quán)利要求8所述的鉆頭，其中低摩擦耐磨材料是熱穩(wěn)定的多晶金剛石(TSP)。
10.權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中取芯刀片的有角度的面與鉆頭中心線所成角度在15。到20。范圍內(nèi)。
11.權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中位于中心多個(gè)刀片中的至少兩個(gè)刀片的臨近尾部通過橋接部分連接到一起。
12.權(quán)利要求11所述的鉆頭，其中多個(gè)刀片中的至少兩個(gè)刀片，其中的一個(gè)為取芯刀片。
13.權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中多個(gè)切削元件包含孕鑲金剛石顆粒。
14.權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中多個(gè)切削元件包含孕鑲金剛石嵌入物。
15.權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中多個(gè)切削元件包含以下一個(gè)或多個(gè): 具有一個(gè)大體平滑切削面的切削刀；圓錐形切削元件；和 旋轉(zhuǎn)切削元件。
16.—種用于從地層獲得巖芯樣本碎片的鉆頭,該鉆頭包括: 鉆頭體及其鉆頭中心線和一個(gè)鉆面； 多個(gè)刀片沿鉆面呈放射狀延伸，被其間的多個(gè)流道所分隔開來， 其中多個(gè)刀片中的一個(gè)為取芯刀片， 其中多個(gè)流道中的一個(gè)為排泄槽，穿過相對(duì)于取芯刀片的鉆頭中心線；并且多個(gè)切削元件設(shè)置于多個(gè)刀片上。 其中多個(gè)切削元件中的一個(gè)是設(shè)置在取芯刀片鉆面中心線第一個(gè)徑向位置的第一切削元件， 其中第一切削元件是圓錐形切削元件，嵌入取芯刀片從而使圓錐形切削元件的尖端朝向鉆頭中心線， 其中支撐面設(shè)置在取芯刀片和排泄槽之間，并且使取芯刀片整體連接到排泄槽， 其中圓錐形嵌入物設(shè)置 在支撐面接近鉆頭中心線處，并且 其中圓錐形嵌入物嵌入鉆頭體，以致圓錐形嵌入物尖端可軸向設(shè)置于第一個(gè)切削元件的第一個(gè)徑向位置之上。
17.權(quán)利要求16所述的鉆頭，其中排泄槽的輪廓嵌入鉆頭體下方。
18.權(quán)利要求16所述的鉆頭，其中第一切削元件的第一個(gè)徑向位置與鉆頭中心線之間的距離為鉆頭直徑的0.05倍到0.25倍之間。
19.權(quán)利要求16所述的鉆頭，其中位于中心多個(gè)刀片中的至少兩個(gè)刀片的臨近尾部通過橋接部分連接到一起。
20.權(quán)利要求19所述的鉆頭，其中多個(gè)刀片中的至少兩個(gè)刀片，其中的一個(gè)為取芯刀片。
21.權(quán)利要求16所述的鉆頭，其中多個(gè)切削元件包含孕鑲金剛石顆粒。
22.權(quán)利要求16所述的鉆頭，其中多個(gè)切削元件包含孕鑲金剛石嵌入物。
23.權(quán)利要求16所述的鉆頭，其中多個(gè)切削元件包含以下一個(gè)或多個(gè): 具有一個(gè)大體平滑切削面的切削刀； 圓錐形切削元件；和 旋轉(zhuǎn)切削元件。
24.權(quán)利要求16所述的鉆頭，其中取芯刀片包括: 一個(gè)大體垂直面；和 一個(gè)有角度的面， 其中大體垂直面和有角度的面整體連接在一起。
25.權(quán)利要求24所述的鉆頭， 其中取芯刀片的大體垂直面和有角度的面分別包括一種低摩擦耐磨材料，并且 其中大體垂直面的低摩擦耐磨材料具有剪切性。
26.權(quán)利要求25所述的鉆頭，其中低摩擦耐磨材料是熱穩(wěn)定的多晶金剛石(TSP)。
27.權(quán)利要求24所述的鉆頭，其中取芯刀片的有角度的面與鉆頭中心線所成角度在15。到20。范圍內(nèi)。
28.權(quán)利要求24所述的鉆頭，其中取芯刀片進(jìn)一步包括: 一個(gè)設(shè)置在大體垂直面和有角度的面之間的凸起， 其中大體垂直面、有角度的面和凸起整體連接在一起。
29.—種用于從地層獲得巖芯樣本碎片的方法,該方法包括: 將權(quán)利要求1所述的鉆頭固定于鉆柱下端； 旋轉(zhuǎn)鉆柱使鉆頭鉆進(jìn)并穿過地層，以得到鉆井孔； 使用鉆頭第一切削元件以形成巖芯樣本碎片，在鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中接近鉆頭中心線， 其中巖芯樣本碎片基于第一切削兀件的第一個(gè)徑向位置占據(jù)一定寬度； 使用取芯刀片的有角度的面以施加一個(gè)橫向負(fù)載于巖芯樣本碎片的一側(cè)，以使巖芯樣本碎片 在達(dá)到一定長(zhǎng)度后從地層中分離。 將巖芯樣本碎片傳遞到鉆頭的排泄槽；并且 將排泄槽的巖芯樣本碎片通過鉆井孔與鉆柱間形成的內(nèi)齒環(huán)轉(zhuǎn)移到地層表面。
30.權(quán)利要求29 所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟: 在取芯刀片的有角度的面未能從地層中分離出巖芯樣本碎片的情況下，使用設(shè)置于接近鉆頭中心線的圓錐形嵌入物來施加一個(gè)中心載荷于巖芯樣本碎片末端，以在巖芯樣本碎片達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)使之從地層中分離出來， 其中圓錐形嵌入物嵌入鉆頭體，從而使圓錐形嵌入物尖端軸向置于取芯刀片凸起之上。
31.權(quán)利要求29所述的方法，其中巖芯樣本碎片的長(zhǎng)寬比大于或等于I。
32.權(quán)利要求29所述的方法， 其中巖芯樣本碎片的寬度為鉆頭直徑的0.05倍到0.25倍之間；并且 其中芯樣本碎片的長(zhǎng)度為鉆頭直徑的0.05倍到0.25倍之間。
33.一種用于從地層獲得巖芯樣本碎片的方法,該方法包括: 將權(quán)利要求16所述的鉆頭固定于鉆柱下端； 旋轉(zhuǎn)鉆柱使鉆頭鉆進(jìn)并穿過地層，以得到鉆井孔； 使用嵌入到鉆頭取芯刀片中的圓錐形切削元件來削弱巖芯樣本碎片，從而在巖芯樣本碎片達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)使之從地層中分離出來； 在嵌入到取芯刀片中的圓錐形切削元件未能從地層中分離出巖芯樣本碎片的情況下，使用設(shè)置于接近鉆頭中心線的圓錐形嵌入物來施加一個(gè)中心載荷于巖芯樣本碎片末端，以在巖芯樣本碎片達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)使之從地層中分離出來， 其中設(shè)置于接近鉆頭中心線的圓錐形嵌入物嵌入到鉆頭體中，從而使圓錐形嵌入物尖端軸向置于嵌入取芯刀片的圓錐形切削元件第一個(gè)徑向位置之上； 將巖芯樣本碎片傳遞到鉆頭的排泄槽；并且 將排泄槽的巖芯樣本碎片通過鉆井孔與鉆柱間形成的內(nèi)齒環(huán)轉(zhuǎn)移到地層表面。
34.權(quán)利要求33所述的方法，其中巖芯樣本碎片的長(zhǎng)寬比大于或等于I。
35.權(quán)利要求33所述的方法， 其中巖芯樣本碎片的寬度為鉆頭直徑的0.05倍到0.25倍之間；并且 其中芯樣本碎片的長(zhǎng)度為鉆頭直徑的0.05倍到0.25倍之間。
36.權(quán)利要求33所述的方法， 其中調(diào)整圓錐形切削元件的朝向以使圓錐形切削元件與鉆頭中心線的平行方向所成角度在0°到45°范圍內(nèi)。
【文檔編號(hào)】E21B10/02GK104024556SQ201280040733
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月22日
【發(fā)明者】米歇爾·G·阿薩爾, 漢摩占陀羅·馬達(dá) 申請(qǐng)人:史密斯國(guó)際公司