本公開總體涉及具有旋轉(zhuǎn)切削層的超硬切削元件和井下工具，諸如包括這些元件的鉆頭。

背景技術(shù)：

各種類型的工具用來在地下地層中形成井筒，以便回收烴類(諸如位于地面下方的石油和天然氣)。此類工具的實例包括旋轉(zhuǎn)鉆頭、擴(kuò)孔器、鉸刀以及取芯鉆頭。旋轉(zhuǎn)鉆頭包括固定切削齒鉆頭，諸如多晶金剛石(pcd)鉆頭。鉆頭可用來鉆穿各種級別或類型的地質(zhì)地層。然而，隨著地層改變，例如，從較低的抗壓強(qiáng)度到較高的抗壓強(qiáng)度，切削層的不同構(gòu)型可能更有效和/或高效。

附圖說明

可通過參考結(jié)合附圖做出的以下描述獲得對本公開及其特征和優(yōu)點的更為完整的理解，其中相同參考編號指示相同特征，并且其中：

圖1示出根據(jù)本公開的一些實施方案的鉆井系統(tǒng)的示例性實施方案的正視圖；

圖2示出根據(jù)本公開的一些實施方案的鉆頭的等軸測視圖；

圖3a示出根據(jù)本公開的一些實施方案的利用限制機(jī)構(gòu)的示例性旋轉(zhuǎn)切削元件的橫截面?zhèn)纫晥D；

圖3b示出根據(jù)本公開的一些實施方案的圖3a中所示的示例性旋轉(zhuǎn)切削元件的等軸測視圖；

圖3c示出根據(jù)本公開的一些實施方案的旋轉(zhuǎn)可包括多倒角的切削層的示例性旋轉(zhuǎn)切削元件的三維透視圖；

圖3d示出根據(jù)本公開的一些實施方案的圖3a中所示的示例性旋轉(zhuǎn)切削元件的襯底的示例性頂視圖；

圖4示出根據(jù)本公開的一些實施方案的利用機(jī)電機(jī)構(gòu)的示例性旋轉(zhuǎn)切削元件的橫截面?zhèn)纫晥D；

圖5a和圖5b分別示出根據(jù)本公開的一些實施方案的具有倒角邊緣和平面邊緣的示例性旋轉(zhuǎn)切削元件的示例性三維透視圖和剖視圖；

圖6a和圖6b分別示出根據(jù)本公開的一些實施方案的具有第一平面邊緣和第二平面邊緣的示例性旋轉(zhuǎn)切削元件的示例性三維透視圖和剖視圖；

圖7a和圖7b分別示出根據(jù)本公開的一些實施方案的具有切削層的用于斷削的示例性旋轉(zhuǎn)切削元件的示例性三維透視圖和剖視圖；并且

圖8a至8e示出根據(jù)本公開的一些實施方案的具有不同的切削層的示例性旋轉(zhuǎn)切削元件的示例性三維透視圖。

具體實施方式

本公開涉及具有由切削面鄰接的切削層的切削元件。切削層由超硬材料(諸如多晶金剛石(pcd)或立方氮化硼)形成。切削層附接到旋轉(zhuǎn)襯底部分，所述旋轉(zhuǎn)襯底部分能夠相對于穩(wěn)定襯底部分移動。穩(wěn)定襯底部分可固定到井下工具，諸如固定切削齒鉆頭。例如，切削層可被配置為在鉆井操作期間旋轉(zhuǎn)。切削層相對于穩(wěn)定襯底部分的旋轉(zhuǎn)可基于被切削的地層的特性、切削層的磨損或用于修改切削層的切削刃的任何其他合適的標(biāo)準(zhǔn)而發(fā)生。例如，當(dāng)旋轉(zhuǎn)基于切削刃的磨損時，切削層旋轉(zhuǎn)以使得未磨損的切削刃開始切削地層。

在一些實施方案中，旋轉(zhuǎn)切削層可允許切削層和相關(guān)聯(lián)的切削元件具有增加的使用壽命，并且較少的切削元件替換可能是必需的。切削層可被配置來旋轉(zhuǎn)和停止旋轉(zhuǎn)或以其他方式通過各種機(jī)構(gòu)限制切削層旋轉(zhuǎn)，并且可通過各種方法緊固在切削元件內(nèi)。

此外，基于地層的特性，具有一組特定特性的切削刃可以是更高效和/或有效的切削刃。例如，切削層可具有多個后傾角、斜角、倒角、斜度、材料，或者其他性質(zhì)可基于待切削的地層的特性。通過參考圖1至8e進(jìn)一步理解本公開的實施方案和其優(yōu)點，各圖中相同編號用于指示相同和對應(yīng)部分。

本公開的切削元件還可用在鉆井系統(tǒng)，諸如圖1的鉆井系統(tǒng)100中。鉆井系統(tǒng)100被配置為在一個或多個地質(zhì)地層中鉆井。鉆井系統(tǒng)100可包括井表面，有時被稱為井場106。井場106可包括鉆機(jī)102，所述鉆機(jī)102可具有與陸地鉆機(jī)相關(guān)聯(lián)的各種特性和特征。然而，并入本公開的教導(dǎo)內(nèi)容的井下鉆井工具可令人滿意地與位于海上平臺、鉆探船、半潛式裝置和鉆井駁船(未明確地示出)上的鉆井裝備一起使用。

鉆井系統(tǒng)100可包括與鉆頭101相關(guān)聯(lián)的鉆柱103，所述鉆頭101可用來形成多種井筒或鉆孔并且可包括本公開的切削元件。井底總成(bha)120可由被配置為形成井筒114的多種部件形成。例如，bha120的部件122a、122b和122c可包括但不限于：鉆頭(例如，鉆頭101)、鉆挺、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、定向鉆井工具、井下鉆井馬達(dá)、用于鉆柱的重量、扭矩、彎曲和彎曲方向測量的鉆井參數(shù)傳感器以及其他振動和旋轉(zhuǎn)相關(guān)傳感器、諸如鉸刀、管下擴(kuò)眼器或開孔器的擴(kuò)孔器、穩(wěn)定器、包含井筒測量裝備的隨鉆測量(mwd)部件、用于測量地層參數(shù)的隨鉆測井(lwd)傳感器、用于通信的短途和長距離遙測系統(tǒng)和/或任何其他合適的井下裝備。諸如被包括在bha120中的鉆挺和不同類型的部件122的部件的數(shù)量可取決于所預(yù)測的井下鉆探情況和將由鉆柱103和旋轉(zhuǎn)鉆頭101形成的井筒的類型。bha120還可包括各種類型的測井工具(未明確示出)和與井筒的定向鉆井相關(guān)聯(lián)的其他井下工具。此類測井工具和/或定向鉆井工具的實例可包括但不限于：聲學(xué)、中子、伽馬射線、密度、光電、核磁共振、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和/或任何其他可商購的井工具。鉆頭101可根據(jù)本公開的教導(dǎo)內(nèi)容來設(shè)計和形成，并且可根據(jù)鉆頭101的特定應(yīng)用而具有許多不同的設(shè)計、配置和/或尺寸。

本公開的切削元件可用在井下工具，諸如固定切削齒鉆頭中。圖2示出根據(jù)本公開的一些實施方案的固定切削齒鉆頭101的等軸測視圖。鉆頭101可以是各種類型的固定切削機(jī)鉆頭中的任一種，包括可操作來形成延伸通過一個或多個井下地層的井筒的pcd鉆頭、刮刀鉆頭、基體鉆頭和/或鋼體鉆頭?？傻靡嬗诒疚乃龅膶嵤┓桨傅钠渌邢鞴ぞ甙ǖ幌抻冢涸需傘@頭、取芯鉆頭、取芯工具、鉸刀以及其他已知的井下鉆井工具。

鉆頭101可包括一個或多個刀片202(例如，刀片202a-202g)，所述刀片202可從鉆頭101的旋轉(zhuǎn)鉆頭體204的外部部分向外設(shè)置。旋轉(zhuǎn)鉆頭體204可以是大體上圓柱形的，并且刀片202可以是從旋轉(zhuǎn)鉆頭體204向外延伸的任何合適類型的突起。例如，刀片202的一部分可直接地或間接地聯(lián)接到鉆頭體204的外部部分，而刀片202的另一部分可遠(yuǎn)離鉆頭體204的外部部分突出。根據(jù)本公開的教導(dǎo)形成的刀片202可具有多種配置，包括但不限于基本拱形、螺旋狀、螺旋形、錐形、會聚式、發(fā)散式、對稱的和/或非對稱的。

刀片202和鉆頭101可在由方向箭頭214限定的方向上圍繞鉆頭軸線208旋轉(zhuǎn)。刀片202可包括從每個刀片202的外部部分向外設(shè)置的一個或多個切削元件206。例如，切削元件206的基部部分可直接地或間接地聯(lián)接到刀片202的外部部分，而切削元件206的切削層可遠(yuǎn)離刀片202的外部部分突出。切削元件206可以是被配置為切進(jìn)地層中的任何合適的裝置，包括但不限于主切削元件、備用切削元件、副切削元件或其任何組合。舉例而非限制地來說，切削元件206可以是適用于多種鉆頭101的各種類型的切削機(jī)、緊湊件、按鈕件、插入件和保徑切削機(jī)。

切削元件206可被保持在位于鉆頭101的刀片202上的凹部或切削機(jī)槽240中。硬焊材料、熔接材料、焊接材料、粘合劑或其他附接材料可被放置在襯底230，特別是穩(wěn)定的襯底部分230b與切削機(jī)槽240之間。切削元件206也可通過重新加熱硬焊材料而被從切削機(jī)槽240移除，從而隨后物理上使切削元件206脫離。新的切削元件206可隨后插入到切削機(jī)槽240中并且經(jīng)由硬焊接點加以附接。切削元件206還可通過使用另一個緊固機(jī)構(gòu)聯(lián)接到刀片(諸如鉆頭101的刀片202)。然而，在一些實施方案中，切削元件206可聯(lián)接到鉆頭101的任何其他部件，諸如刀片202的頂部或備用切削元件。

至少一個切削元件206是根據(jù)本公開的切削元件。在一些實施方案中，所有切削元件可以是根據(jù)本公開的切削元件。在一些實施方案中，至少一個或所有非保徑切削元件可以是根據(jù)本公開的切削元件。根據(jù)另一個實施方案，至少一個或所有保徑切削元件可以是根據(jù)本公開的切削元件。

鉆頭101的井上端部220可包括具有形成在其上的鉆桿螺紋224的柄部222。螺紋224可用來使鉆頭101與底部鉆孔組件可釋放地接合，由此鉆頭101可相對于鉆頭軸線208旋轉(zhuǎn)。

切削元件206可包括設(shè)置在襯底230的一端上的切削層232。切削層232包括切削面，所述切削面在用在鉆頭上時接合井下地層的相鄰部分以形成井筒，或者在其他井下工具上執(zhí)行類似的功能。切削層232可包括切削面234以及切削刃236。切削面234和另外任選的切削刃236與地層的接觸可形成與每個切削元件206相關(guān)聯(lián)的切削區(qū)。切削層232可具有平坦或平面切削面234，但還可具有彎曲切削面234。在一些實施方案中，切削面234可具有帶有各種不同性質(zhì)(諸如硬度、配置和/或抗沖擊性)或基于所使用的材料(諸如金剛石晶粒大小)和處理(諸如浸出)的其他性質(zhì)的多個切削表面和/或切削刃。

襯底230包含其上設(shè)置有切削層232的旋轉(zhuǎn)襯底部分，以及可附接到井下工具的穩(wěn)定襯底部分。襯底230可具有各種配置，并可由與形成用于旋轉(zhuǎn)鉆頭的切削元件相關(guān)聯(lián)的碳化鎢或其他合適的材料形成。碳化鎢可包括但不限于碳化一鎢(wc)、碳化二鎢(w2c)、大結(jié)晶碳化鎢和凝結(jié)或燒結(jié)碳化鎢。襯底230還可使用其他硬質(zhì)材料形成，所述硬質(zhì)材料可包括各種金屬合金和水泥，諸如金屬硼化物、金屬碳化物、金屬氧化物以及金屬氮化物。另外，各種粘結(jié)金屬(諸如鈷、鎳、鐵、金屬合金或其混合物)可包括在襯底230中。對于一些應(yīng)用來說，切削層232可由與襯底大致上相同的材料形成。在其他應(yīng)用中，切削層232可由不同于襯底的材料形成。用來形成切削層232的材料的實例可包括pcd，包括人造多晶金剛石、熱穩(wěn)定多晶金剛石(tsp)以及其他合適的材料。在一些實施方案中，為了形成切削層232，旋轉(zhuǎn)襯底部分可放置在超硬材料顆粒(例如金剛石顆粒)附近，并經(jīng)受高溫和高壓以導(dǎo)致多晶材料層(例如pcd層)的再結(jié)晶和形成。切削層232和旋轉(zhuǎn)襯底部分可形成為切削元件206的兩個不同的部件，或者可替代地，切削層232和旋轉(zhuǎn)襯底部分可一體形成。在一些實施方案中，切削層232可包括切削刃和/或切削表面的不同配置。切削層232的切削刃和切削表面的性質(zhì)可基于由鉆頭切削的地層的特性。此外，切削層232可具有帶有各種不同性質(zhì)(諸如硬度、配置和/或抗沖擊性)或基于所使用的材料(諸如金剛石晶粒大小)和處理(諸如浸出)的其他性質(zhì)的區(qū)段(例如，切削刃和/或切削表面)。盡管以下在圖3a至8e中示出具有特定數(shù)量的不同切削刃配置或切削表面配置，但是切削層232可具有任何數(shù)量的切削刃性質(zhì)或切削表面性質(zhì)，諸如硬度、配置和/或抗沖擊性，或基于所使用的材料(諸如金剛石晶粒大小)和處理(諸如浸出)的其他性質(zhì)。以下參考圖3a至8e討論可被配置在切削元件232上的切削刃或切削表面的實例。

在一些實施方案中，由于切削層232的不同區(qū)段的不同特性，切削層232或許能夠切削不同的地層。當(dāng)切削層232接觸地層時，地層的剪切可引起切削層相對于穩(wěn)定襯底部分旋轉(zhuǎn)。切削層232的旋轉(zhuǎn)可允許切削層232的不同區(qū)段(例如，切削刃或切削表面)接觸地層。這樣，一旦切削層232的一個區(qū)段變得磨損，切削層可相對于穩(wěn)定襯底部分旋轉(zhuǎn)，以使得切削層的不同區(qū)段接觸地層。切削層232和切削元件206可因此具有更長的有效壽命并提高鉆井操作的效率。

圖3a示出根據(jù)本公開的一些實施方案的利用限制機(jī)構(gòu)340的實例旋轉(zhuǎn)切削元件300的橫截面?zhèn)纫晥D。旋轉(zhuǎn)切削元件300可包括穩(wěn)定襯底部分304b以及位于旋轉(zhuǎn)襯底部分304a上的相關(guān)聯(lián)的切削層302。穩(wěn)定襯底部分304b可包括大致圓柱形的內(nèi)部凹部310。凹部310可被配置為接收旋轉(zhuǎn)襯底部分304a。旋轉(zhuǎn)襯底部分304a可被配置為支撐切削層302并在凹部310內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并相對于穩(wěn)定襯底部分304b旋轉(zhuǎn)。凹部310還可包括限制機(jī)構(gòu)340。限制機(jī)構(gòu)340可包括一個或多個剪切銷312、一個或多個鎖定機(jī)構(gòu)(諸如鎖銷314)或被配置為至少暫時地限制旋轉(zhuǎn)襯底部分304a相對于穩(wěn)定襯底部分304b旋轉(zhuǎn)的其他合適的部件。切削組件306的旋轉(zhuǎn)襯底部分304a可具有各種配置。

切削層302可設(shè)置在旋轉(zhuǎn)襯底部分304a的一端上。切削層302可類似于參考圖2所討論的切削層232，并且因此可被配置為在鉆井操作期間切穿地層。在一些實施方案中，切削層302可包括切削刃330和/或切削面332的不同配置。例如，切削刃330a可被配置成大倒角，而在切削面332的大致相對側(cè)上，切削刃330b可被配置成小倒角。切削刃330和切削面332的配置可基于待由鉆頭切削的地層的特性。此外，切削層302可具有帶有不同性質(zhì)(諸如硬度、配置和/或抗沖擊性)、或基于所使用的材料(諸如金剛石晶粒大小)和處理(諸如浸出)的其他性質(zhì)的區(qū)段。例如，圖3b示出根據(jù)本公開的一些實施方案的圖3a中所示的實例旋轉(zhuǎn)切削元件300的等軸測視圖。在圖3b中，具有大倒角的切削刃330a可位于約180度的切削面332上。具有小倒角的切削刃330b可位于另一半的約180度的切削面332上。圖3c示出可包括多倒角切削層302的實例旋轉(zhuǎn)切削元件300的三維透視圖。切削層302可包括切削面332。切削層332可包括不同倒角大小的切削刃330。例如，切削刃330a可配置有約0.018英寸的倒角。切削刃330b可配置有約0.010英寸的倒角。

回到圖3a，多種支撐結(jié)構(gòu)和/或支承表面可使每個旋轉(zhuǎn)襯底部分304a可旋轉(zhuǎn)地緊固在相關(guān)聯(lián)的凹部310中。例如，可在旋轉(zhuǎn)襯底部分304a與凹部310之間使用軸承、保持球或保持器316，以將旋轉(zhuǎn)襯底部分304a緊固在穩(wěn)定襯底部分304b內(nèi)。保持器316可以是被配置為允許旋轉(zhuǎn)襯底部分304a相對于穩(wěn)定襯底部分304b圍繞其中心軸線318旋轉(zhuǎn)的任何保持機(jī)構(gòu)或裝置。對于一些應(yīng)用，與將載具可旋轉(zhuǎn)地安裝在襯底內(nèi)相關(guān)聯(lián)的軸承表面可形成為整體部件(未明確示出)，所述整體部件設(shè)置在相關(guān)聯(lián)載具的外部部分和形成于相關(guān)聯(lián)襯底內(nèi)的凹部的內(nèi)部部分上。在一些實施方案中，保持器316可包括保持球或其他球軸承機(jī)構(gòu)，所述保持球或其他球軸承機(jī)構(gòu)可設(shè)置在相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部球滾道320與外部球滾道322內(nèi)的環(huán)形陣列(未明確示出)中，所述的內(nèi)部球滾道320形成在旋轉(zhuǎn)襯底部分304a中，所述外部球滾道322形成在穩(wěn)定襯底部分304b的凹部310的相鄰內(nèi)部部分中。當(dāng)切削組件306被適當(dāng)?shù)匕惭b在穩(wěn)定襯底部分304b中時，內(nèi)部滾道320和外部滾道322可基本上對準(zhǔn)，并且限定在內(nèi)部滾道320與外部滾道322之間的空間通?？捎汕蜉S承占據(jù)。

在一些實施方案中，保持器316可包括將旋轉(zhuǎn)襯底部分304a可旋轉(zhuǎn)地緊固在凹部310內(nèi)的一個或多個銷或機(jī)械互鎖裝置。此外，可使用多個保持機(jī)構(gòu)或保持器316。保持器316可由能夠承受在切削組件306接合地層時起作用的壓縮力的任何材料制成。在一些實施方案中，例如，保持器316可由鋼、鋼合金、碳化物(例如，碳化鎢、碳化硅等)或任何其他合適的材料制成。一旦被插入，保持器316可防止旋轉(zhuǎn)襯底部分304a從穩(wěn)定襯底部分304b脫離。

限制機(jī)構(gòu)340可包括位于穩(wěn)定襯底部分304b的凹部310內(nèi)的一個或多個剪切銷312。在一些實施方案中，剪切銷312可由金屬或金屬合金(諸如鋼或黃銅)制成。剪切銷312可延伸到凹部310內(nèi)的凹槽或空腔324中。剪切銷312還可延伸到旋轉(zhuǎn)襯底部分304a內(nèi)的、大小被設(shè)定成容納剪切銷312的凹槽或空腔326中。當(dāng)安放在凹槽324中時，剪切銷316可基本上防止旋轉(zhuǎn)襯底部分304a和切削組件306圍繞軸線318旋轉(zhuǎn)，直到預(yù)先確定的力被施加在剪切銷316上。在操作期間，可基于切削層302與地層的接觸將力施加到切削組件306。所述力一旦增加到預(yù)先確定的力就可引起剪切銷312進(jìn)行剪切，從而允許切削組件306相對于穩(wěn)定襯底部分304b旋轉(zhuǎn)。切削組件306可相對于穩(wěn)定襯底部分304b旋轉(zhuǎn)直到凹槽326到達(dá)附加的剪切銷(未明確示出)，在配合表面或鎖定機(jī)構(gòu)(諸如鎖銷314)中停止，此時，附加的剪切銷或鎖定機(jī)構(gòu)可延伸到凹槽326中并基本上防止切削組件306至少暫時相對于穩(wěn)定襯底部分304b進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。

作為實例，鎖銷314可包括彈簧加載柱塞，所述彈簧加載柱塞在被接合時延伸穿過旋轉(zhuǎn)襯底部分304a和穩(wěn)定襯底部分304b，并將所述旋轉(zhuǎn)襯底部分304a與所述穩(wěn)定襯底部分304b聯(lián)接。鎖銷314可聯(lián)接到或形成為空腔310的一部分。例如，鎖銷314可被配置在穩(wěn)定襯底部分304b的凹部或凹槽328中。當(dāng)鎖銷314與旋轉(zhuǎn)襯底部分304a接合時，可防止旋轉(zhuǎn)襯底部分304a相對于穩(wěn)定襯底部分304b旋轉(zhuǎn)移動。

在一些實施方案中，鎖銷314可相對于一個或多個剪切銷312配置并定位，以允許旋轉(zhuǎn)襯底部分304a相對于穩(wěn)定襯底部分304b旋轉(zhuǎn)限定的度數(shù)。例如，鎖銷314可被定位成使得當(dāng)剪切銷312剪切時，旋轉(zhuǎn)襯底部分304a圍繞軸線318旋轉(zhuǎn)約90度。盡管參照約九十度的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行討論，但是可根據(jù)待切削的地層的特性或其他參數(shù)，旋轉(zhuǎn)量在約10度至約180度的范圍內(nèi)。

在一些實施方案中，如上所述，旋轉(zhuǎn)切削元件300可包括取代鎖銷314接合的附加剪切銷312，以使得附加剪切銷312可以以不同的預(yù)定義的力剪切。例如，圖3d示出根據(jù)本公開的一些實施方案的圖3a中所示的旋轉(zhuǎn)切削元件300的穩(wěn)定襯底部分304b的示例性頂視圖。穩(wěn)定襯底部分304b可包括多個凹部324以便使用多個剪切銷312和/或鎖銷314。多個剪切銷312的使用可允許切削組件306在空腔310內(nèi)并相對于穩(wěn)定襯底部分304b棘輪旋轉(zhuǎn)。例如，第二剪切銷可被配置在第二凹部324中，以使得當(dāng)?shù)谝患羟袖N剪切時，第二剪切銷在旋轉(zhuǎn)襯底部分304a圍繞軸線318旋轉(zhuǎn)約90度之后接合。當(dāng)?shù)诙羟袖N剪切時，鎖銷314或第三剪切銷可在旋轉(zhuǎn)襯底部分304a圍繞軸線318旋轉(zhuǎn)九十度之后接合。旋轉(zhuǎn)襯底部分304a的單向棘輪移動允許使用切削層302的多個區(qū)段。盡管圖3d示出限定數(shù)量的凹部324，但是可使用更多或更少的凹部。

在一些實施方案中，可利用其他限制機(jī)構(gòu)340來限制旋轉(zhuǎn)襯底部分304a和切削層302至少暫時圍繞軸線318旋轉(zhuǎn)。例如，可利用插塞(未明確示出)作為臨時塊來阻止旋轉(zhuǎn)襯底部分304a相對于穩(wěn)定襯底部分304b旋轉(zhuǎn)。插塞可由可降解或可溶解(統(tǒng)稱為可溶解)材料(如聚乳酸(pla)；柔韌的水、油或氣溶性樹脂；或任何其他合適的可溶解材料)形成。旋轉(zhuǎn)切削元件300可被配置成具有靠近插塞的流體流并溶解插塞。當(dāng)插塞被溶解時，旋轉(zhuǎn)襯底部分304a可相對于穩(wěn)定襯底部分304b旋轉(zhuǎn)限定的度數(shù)，直到通過使用鎖銷、附加的插塞或其他合適的部件來停止旋轉(zhuǎn)。另外，可使用配合表面中的任一個表面中的任何其他類型的止動件來至少暫時限制旋轉(zhuǎn)襯底部分304a。

圖4示出根據(jù)本公開的一些實施方案的利用機(jī)電機(jī)構(gòu)406的實例旋轉(zhuǎn)切削元件400的橫截面?zhèn)纫晥D。旋轉(zhuǎn)切削元件400可包括切削層402、旋轉(zhuǎn)襯底區(qū)段404、穩(wěn)定襯底區(qū)段410以及相關(guān)聯(lián)的機(jī)電機(jī)構(gòu)406。機(jī)電機(jī)構(gòu)406可以是任何合適的旋轉(zhuǎn)引發(fā)機(jī)構(gòu)，并且可包括各種部件，包括但不限于致動器408、桿412以及接線414。致動器408可以是用于引起桿412使旋轉(zhuǎn)襯底區(qū)段404相對于穩(wěn)定襯底部分410旋轉(zhuǎn)的任何合適的裝置。例如，致動器408可以是電動機(jī)，諸如壓電電動機(jī)、磁阻電動機(jī)或任何其他合適的電動機(jī)。致動器408被配置為使旋轉(zhuǎn)襯底區(qū)段404相對于穩(wěn)定襯底區(qū)段410旋轉(zhuǎn)，以使得切削層402的特定部分與地層接觸。致動器408可例如經(jīng)由電導(dǎo)體(諸如接線414)通信地聯(lián)接到bha(諸如圖1中所示的bha120)、到井表面處的部件、到井下傳感器或到任何其他合適的部件。在一些實施方案中，可基于接收信號激活或去激活致動器408。例如，到致動器408的信號可經(jīng)由遙測通信接口系統(tǒng)從井表面通過，所述遙測通信接口系統(tǒng)允許與鉆頭、鉆柱和/或bha遙測系統(tǒng)通信。致動器408在被激活時可引起桿412使旋轉(zhuǎn)襯底區(qū)段404和切削層402圍繞軸線416并相對于穩(wěn)定襯底區(qū)段410旋轉(zhuǎn)限定的度數(shù)。例如，致動器408可基于接收信號引起桿412使旋轉(zhuǎn)襯底區(qū)段404圍繞軸線416旋轉(zhuǎn)約九十度。

旋轉(zhuǎn)切削元件400的穩(wěn)定襯底區(qū)段410可具有各種配置，并且可由與旋轉(zhuǎn)襯底區(qū)段404相同的材料形成。穩(wěn)定襯底區(qū)段410可被緊固，例如被釬焊到鉆頭的切削機(jī)槽，諸如參考圖2所討論的鉆頭101的切削機(jī)槽240中。

桿412可將穩(wěn)定襯底區(qū)段410與旋轉(zhuǎn)襯底區(qū)段404聯(lián)接。在一些實施方案中，桿412可由金屬或金屬合金(諸如鋼或黃銅)制成。桿412可延伸到穩(wěn)定襯底區(qū)段410和旋轉(zhuǎn)襯底區(qū)段404內(nèi)的凹槽或空腔中。此外，致動器408可被配置在穩(wěn)定襯底區(qū)段410的空腔或凹部中、或可被密封在穩(wěn)定襯底區(qū)段410內(nèi)。

切削層402可設(shè)置在旋轉(zhuǎn)襯底區(qū)段404的一端上。切削層402可類似于參考圖2所討論的切削層232，并且因此可被配置來在鉆井操作期間切穿地層。此外，如參考圖3b所討論的，切削面432可包括環(huán)繞切削刃330的各種配置或結(jié)構(gòu)。例如，具有大倒角的切削刃430a可位于約180度的切削面432上。具有小倒角的切削刃430b可位于另一半的約180度的切削面432上。

圖5a和圖5b分別示出根據(jù)本公開的一些實施方案的具有倒角邊緣504a和平面邊緣504b的實例旋轉(zhuǎn)切削元件500的示例性三維透視圖和剖視圖。在這個實施方案中，可形成切削層502，以使得切削面506的一部分配置有平面邊緣504b，并且切削面506的不同部分配置有倒角邊緣504a。倒角邊緣504a可相對于穩(wěn)定襯底部分旋轉(zhuǎn)，以在地層包括特定特性時切入到地層中。例如，可使用小的倒角邊緣而不是平面邊緣來更有效地去除相對容易剪切的地層。平面邊緣504b可相對于穩(wěn)定襯底部分旋轉(zhuǎn)，以在地層包括特定特性時切入到地層中。例如，可使用平面邊緣而不是倒角邊緣來更有效地去除相對不容易剪切的地層。盡管用具有特定配置的倒角邊緣和平面邊緣以及特定大小比例說明，但是本公開的實施方案設(shè)想任何數(shù)量的倒角邊緣、斜切邊緣、非平面邊緣和平面邊緣以及用于倒角邊緣、斜切邊緣、非平面邊緣和平面邊緣中的任一個的任何合適的大小。此外，切削面可由帶有各種不同性質(zhì)(諸如硬度、配置和/或抗沖擊性)、或基于所使用的材料(諸如金剛石晶粒大小)和處理(諸如浸出)的其他性質(zhì)的各種材料中的任一種形成。

圖6a和圖6b分別示出根據(jù)本公開的一些實施方案的具有第一平面邊緣604a和第二平面邊緣604b的實例旋轉(zhuǎn)切削元件600的示例性三維透視圖和剖視圖。在這個實施方案中，可形成切削層602，以使得切削面606的一部分配置有第一平面邊緣604a，并且切削面606的另一部分配置有第二平面邊緣604b。第一平面邊緣604a可相對于穩(wěn)定襯底部分旋轉(zhuǎn)，以在地層包括特定特性時切入到地層中。第二平面邊緣604b可相對于穩(wěn)定襯底部分旋轉(zhuǎn)，以在地層包括特定特性時切入到地層中。例如，所使用的平面邊緣可基于待去除的地層的硬度。此外，每個平面邊緣604的大小可基于地層特性而變化。例如，第一平面邊緣604a與第二平面邊緣604b之間的頂點610可從切削元件軸線612偏離。盡管用兩個平面邊緣和特定大小比例說明，但是本發(fā)明的實施方案設(shè)想任何數(shù)量的平面邊緣和用于平面邊緣中任一個的任何合適的大小。此外，切削面可由帶有各種不同性質(zhì)(諸如硬度、配置和/或抗沖擊性)、或基于所使用的材料(諸如金剛石晶粒大小)和處理(諸如浸出)的其他性質(zhì)的各種材料中的任一種形成。

圖7a和圖7b分別示出根據(jù)本公開的一些實施方案的具有切削層702的用于斷削的旋轉(zhuǎn)切削元件700的示例性三維透視圖和剖視圖。用于斷削鉆頭的旋轉(zhuǎn)切削元件700可被配置為在一個或多個特定方向上或以特定方式反射從地層削下的巖石。這樣，切削層702可被配置成v形結(jié)構(gòu)，并且切削表面704可根據(jù)需要基于用于從地層削下的巖石的期望方向相對于穩(wěn)定襯底部分旋轉(zhuǎn)。盡管用v形結(jié)構(gòu)和特定大小比例說明，但是本發(fā)明的實施方案設(shè)想任何合適形狀的結(jié)構(gòu)(例如，u形結(jié)構(gòu))和用于切削表面中任一個的任何合適的大小。此外，切削表面可由帶有各種不同性質(zhì)(諸如硬度、配置和/或抗沖擊性)或基于所使用的材料(諸如金剛石晶粒大小)和處理(諸如浸出)的其他性質(zhì)的各種材料中的任一種形成。

圖8a至8e示出根據(jù)本公開的一些實施方案的具有不同的切削層的實例旋轉(zhuǎn)切削元件的示例性三維透視圖。圖8a至8e中所示的切削層可包括可具有不同切削刃的不同切削表面。盡管用具有各種特性和組合的切削表面說明，但是本公開的實施方案考慮了任何切削表面上的任何合適的特性或特征組合。

圖8a示出可包括凸輪形狀的切削層802的旋轉(zhuǎn)切削元件800。切削層802可包括切削表面804a和804b。切削表面804a和804b可包括多種不同性質(zhì)，諸如不同配置的切削刃806。例如，切削刃806a可以是大致圓形形狀。切削刃806b可包括劃線邊緣，以使得切削層802的一部分可具有非圓形形狀，例如大致三角形形狀。

圖8b示出可包括多直徑的切削層812的旋轉(zhuǎn)切削元件810。切削層812可包括切削表面814a和814b。切削表面814a和814b可包括不同形狀的切削刃816。例如，切削刃816a和816b可基于多個不同直徑和/或半徑被配置。這樣，切削刃816a的直徑可以是約13毫米。切削刃816b的直徑可以是約16毫米。

圖8c示出可包括多構(gòu)成的切削層822的旋轉(zhuǎn)切削元件820。切削層822可包括切削表面824a、824b和824c。切削表面824a、824b和824c可基于多種不同性質(zhì)，諸如不同類型的切削材料結(jié)構(gòu)被配置。例如，切削表面824a可以是平衡的抗沖擊和耐磨金剛石。切削表面824b可以是高抗沖擊金剛石。此外，切削表面824c可以是高耐磨金剛石。用來形成切削表面824的材料可基于粒度、密度、元素或其他特性而變化。

圖8d示出可包括多后傾角的切削層832的旋轉(zhuǎn)切削元件830。切削層832可包括切削表面834a、834b和834c。切削表面834a、834b和834c可基于多種不同性質(zhì)，諸如不同后傾角被配置。例如，切削表面834a可具有約0度后傾角。切削表面834b可具有約10度后傾角。此外，切削表面834c可具有約20度后傾角。

圖8e示出可包括多磨耗的切削層842的旋轉(zhuǎn)切削元件840。切削層842可包括切削表面844a和844b。切削表面844a和844b可包括具有不同性質(zhì)，諸如不同磨損量的切削刃846。例如，切削刃846a由于早先使用可能磨損到某個特定程度。切削刃846b可能基本上未被磨損。切削層842的切削刃846在本公開的實施方案中可具有任何程度的磨損。

本文所公開的實施方案包括：

a.旋轉(zhuǎn)切削元件，其包括具有旋轉(zhuǎn)部分和穩(wěn)定部分的襯底。穩(wěn)定部分具有空腔并被配置成固定到鉆頭的刀片。所述旋轉(zhuǎn)切削元件還包括保持器，所述保持器將襯底的旋轉(zhuǎn)部分可旋轉(zhuǎn)地緊固在襯底的穩(wěn)定部分的空腔中。另外，所述旋轉(zhuǎn)切削元件包括位于襯底的旋轉(zhuǎn)部分上的切削層。切削層具有多個切削表面，并且所述多個切削表面中的一個具有不同于所述多個切削表面中的另一個的性質(zhì)。切削層被配置為相對于襯底的穩(wěn)定部分旋轉(zhuǎn)并基于待切削的地層的特性使用多個切削表面中的一個。

b.鉆頭包括鉆頭體以及位于所述鉆頭體的外部部分上的刀片。所述鉆頭還包括位于刀片上的旋轉(zhuǎn)切削元件。旋轉(zhuǎn)切削元件包括具有旋轉(zhuǎn)部分和穩(wěn)定部分的襯底。穩(wěn)定部分具有空腔并被配置成固定到刀片。所述旋轉(zhuǎn)切削元件還包括保持器，所述保持器將襯底的旋轉(zhuǎn)部分可旋轉(zhuǎn)地緊固在襯底的穩(wěn)定部分的空腔中。另外，所述旋轉(zhuǎn)切削元件包括位于襯底的旋轉(zhuǎn)部分上的切削層。切削層具有多個切削表面，并且所述多個切削表面中的一個具有不同于所述多個切削表面中的另一個的性質(zhì)。切削層被配置為相對于襯底的穩(wěn)定部分旋轉(zhuǎn)并基于待切削的地層的特性使用多個切削表面中的一個。

實施方案a和b中的每一個可具有任意組合的下面附加要素中的一個或多個：要素1：其中性質(zhì)是倒角。要素2：其中性質(zhì)是后傾角。要素3：其中性質(zhì)是切削材料。要素4：其中性質(zhì)是半徑。要素5：其中切削層具有非圓形的切削面。要素6：其還包括限制機(jī)構(gòu)，所述限制機(jī)構(gòu)被配置在空腔中并且將旋轉(zhuǎn)部分保持在某個位置中直到發(fā)生旋轉(zhuǎn)事件。要素7：其中限制機(jī)構(gòu)包括剪切銷。要素8：其中旋轉(zhuǎn)事件包括施加到切削層來剪切剪切銷的足夠的力。要素9：其還包括被配置在空腔中的鎖定機(jī)構(gòu)，所述鎖定機(jī)構(gòu)被配置為防止旋轉(zhuǎn)部分在旋轉(zhuǎn)部分已旋轉(zhuǎn)限定的度數(shù)之后的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。要素11：其中鎖定機(jī)構(gòu)包括鎖銷。要素12：其中限定的度數(shù)的范圍是從約10度至約180度。要素13：其還包括第二限制機(jī)構(gòu)，所述第二限制機(jī)構(gòu)被配置在空腔中并且將旋轉(zhuǎn)部分保持在第二位置中直到發(fā)生第二次旋轉(zhuǎn)事件。要素14：其中限制機(jī)構(gòu)包括可溶解插塞。

雖然已詳細(xì)描述本公開和其優(yōu)點，但應(yīng)理解，可以在不脫離如由所附權(quán)利要求書限定的本公開的精神和范圍的情況下，在本文中進(jìn)行各種改變、替代和更改。本公開意圖涵蓋落入隨附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的此類變化和修改。