切割结构及用于保持该切割结构的结构的制作方法
【专利说明】切割结构及用于保持该切割结构的结构
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年6月12日提交的第61/834264号美国临时专利申请的权益，其全文通过参引方式纳入本文。
【背景技术】
[0003]不同类型和形状的地质钻井钻头用于地质钻井工业中的不同的应用中。例如，地质钻井钻头具有钻头本体，其包括不同的特征例如核、刀片、以及延伸进入钻头本体中的切割器槽或者安装在钻头本体上的牙轮。根据即将钻井的应用/地层，合适类型的钻头可以基于用于钻头的切割动作类型以及用在特定地层中的它的合适性而选择。
[0004]刮刀型钻头，通常称为“固定切割器钻头”，包括具有附连至钻头本体的切割元件的钻头，该钻头本体可以是钢制钻头本体或由基质材料例如碳化钨形成的由结合剂材料包围的基质钻头本体。刮刀型钻头可以通常定义为不具有移动部件的钻头。但是，本领域中已知存在形成刮刀型钻头的不同的类型和方法。例如，具有研磨材料、例如孕镶在形成钻头本体的材料的表面中的金刚石的刮刀型钻头通常称为“孕镶”式钻头。在本领域中已知的具有由沉积至基体上或者以其他方式结合至基体的超硬切割表面层或“台”(其可由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成)制成的切割元件的刮刀型钻头称为多晶金刚石复合台(“PDC”)钻头。
[0005]PDC钻头容易钻软地层，但是它们频繁地用于钻中度硬度或磨耗地层。它们用剪切动作使用小切割器来切割岩石地层，该小切割器不深穿透进入地层中。因为穿透的深度浅，通过相对高的钻头旋转速度来实现高速率的穿透。
[0006]PDC切割器在包括岩层钻孔以及金属机械加工的工业应用中已经使用很多年了。在PDC钻头中，PDC切割器容纳于切割器槽之内，该切割器槽在从钻头本体延伸的刀片之内形成，且PDC切割器通常通过铜焊至切割器槽的内部表面而结合至该刀片。PDC切割器沿着钻头本体刀片的前边缘安置，以便随着钻头本体旋转，PDC切割器啮合并钻地质地层。使用中，高的力可以施加在PDC切割器上，尤其在从前到后的方向上。此外，钻头和PDC切割器可以承受大的研磨力。在一些例子中，由于一个或多个切割器的损失或由于刀片的破损，冲击、振动、以及侵蚀力弓I起钻头故障。
[0007]在一些应用中，多晶金刚石(POT)(或其他的超硬材料)的复合片结合至基体材料用以形成切割结构体，该基体材料可以是烧结的金属-碳化物。PCD包含金刚石(通常是合成的)的多晶块体，其结合在一起用以形成一个整体的、坚韧的、高强度的块体或晶格。所得的PCD结构产生增强的耐磨性和硬度的特性，从而使得PCD材料对于其中需要高水平的耐磨性和硬度的侵蚀性磨损和切割应用中是非常有用的。
[0008]POT切割器可以通过放置一个烧结的碳化物基体到压制机的容器中而形成。将金刚石晶粒或金刚石晶粒与催化剂结合剂的混合物放置在基体之上，并在高压、高温条件下处理。如此操作后，金属结合剂(通常是钴)从基体迀移，并通过金刚石晶粒，用以促进金刚石晶粒之间的交互生长。结果，金刚石晶粒变得彼此结合，用以形成金刚石层，且该金刚石层转而一体地结合至基体。基体可以由包括金属-碳化物复合材料制成，例如碳化妈-钴。沉积的金刚石层通常称为“金刚石台”或“研磨层”。
[0009]包括具有超硬工作表面的多个切割器的PDC钻头的一个实例在图1和2中示出。钻头100包括钻头本体110，其具有带有螺纹的上销端部111和切割端部115。切割端部115包括多个肋或刀片120，所述多个肋或刀片绕着钻头的旋转轴线L(也称为纵轴线或中心轴线)布置并从该钻头本体110向外径向地延伸。切割元件或切割器150以预定的角度方位和相对于工作表面的径向位置嵌入刀片120中并且相对于即将钻井的地层具有需要的后倾角和侧倾角。
[0010]多个孔口 116安置在钻头本体110上刀片120之间的区域中，该区域可以称为“缝隙”或“流体通道”。孔口 116通常适于接收喷嘴。孔口 116允许钻井流体以选定的方向且以选定的流动速率在刀片120之间排出钻头，以用于润滑和冷却钻头100、刀片120以及切割器150。钻井流体也在钻头100旋转和穿透地质地层时清洁和去除钻肩。在没有合适的流动特性的情况下，切割器150的不充足冷却可能在钻井操作期间导致切割器的故障。流体通道被安置用以为钻井流体提供额外的流动通道并且用以为地层钻肩提供通道用以经过钻头100朝向井眼的地面(未示出)行进。
[0011]参考图2，示出了现有技术PDC钻头的俯视图。示出的钻头的切割面118包括六个刀片120-125。每一个刀片包括从切割面118的中心通常径向布置的多个切割元件或切割器，以便通常形成行。特定的切割器，尽管在不同的轴向位置处，可以占据径向位置，该位置在与其他刀片上的其他切割器类似的径向位置中。
[0012]切割器可以通过铜焊工艺附连至钻头或其他井下工具。在铜焊工艺中，铜焊材料安置在切割器与切割器槽之间。材料融化，随后固化时，将切割器结合(附连)到切割器槽中。铜焊材料的选择取决于它们各自的融化温度，用以在钻头(和切割器)正在钻井操作中使用之前避免对金刚石有过多的热暴露(和热损坏)。具体地，适于铜焊其上具有金刚石层的切割元件的合金已经被限于仅仅一些合金:其提供足够低的铜焊温度用以避免金刚石层的损坏，和足够高的铜焊强度用以在钻头上保持切割元件。
[0013]在确定PDC切割器的寿命中的一个重要因素是切割器对热量的暴露。多晶金刚石在空气中在高达700-750°C的温度下可以是稳定的，在观测的温度增长之后，可能导致多晶金刚石永久的损坏和结构的失效。在多晶金刚石中的这个劣化是由于与金刚石相比，结合剂材料、钴的热膨胀系数的显著不同所引起的。当加热多晶金刚石时，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，其可能引起在金刚石晶格结构体中形成裂缝并导致多晶金刚石的劣化。损坏还可能由于在极高温度下在金刚石-金刚石颈部处石墨的形成，从而导致微结构完整性的损失和强度的损失。
[0014]暴露至热量(通过铜焊或通过由切割器与地层的接触产生的摩擦热量)可能对金刚石台引起热损坏并且最终导致裂缝的形成(由于热膨胀系数的不同)，该裂缝可能导致多晶金刚石层的剥落、在多晶金刚石与基体之间的脱层，以及金刚石向石墨的反向转换(其引起快速的研磨磨损)。当切割元件接触地层时，产生磨平面且引起摩擦热量。随着切割元件继续使用，磨平将增加尺寸且进一步引起摩擦热量。热量可能积累，其可能引起由上文讨论的金刚石与催化剂之间的热不匹配导致的切割元件的失效。这对于如本领域中常规的固定地附连至钻头的切割器来说尤其如此。
【发明内容】
[0015]提供本
【发明内容】
部分旨在介绍一系列概念，其在下面的详细描述中将会进一步描述。本
【发明内容】
部分不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用作辅助限制所要求保护的主题的范围。
[0016]一方面，本文公开的实施例涉及一种井下切割工具，其包括:工具本体，所述工具本体上形成有至少一个切割元件支撑结构，其中，所述至少一个切割元件支撑结构中形成有至少一个切割器槽；至少一个切割器，具有至少大体上不受遮挡的切割面，所述切割器被保持于所述至少一个切割器槽中，所述切割器槽阻止所述至少一个切割器大体上的横向移动；以及至少一个保持元件，所述保持元件与所述至少一个切割器的圆周表面的一部分接入口 ο
[0017]另一方面，本文公开的实施例涉及一种井下切割工具，其包括:工具本体，其中形成有至少一个切割器槽和至少一个保持槽，所述至少一个保持槽径向邻接于并与所述至少一个切割器槽的一部分相交；至少一个滚动切割器，其被保持于所述至少一个切割器槽中，所述至少一个滚动切割器具有形成于所述至少一个滚动切割器的圆周表面中的圆周凹槽；以及至少一个保持元件，其被保持于所述至少一个保持槽中，所述至少一个保持元件具有与所述至少一个滚动切割器的圆周凹槽的一部分大体相配的几何形状。
[0018]从下面的描述和所附的权利要求，所要求保护的主题的其他方面和优点将会明显。
【附图说明】
[0019]图1示出了常规的刮刀型钻头的侧视图。
[0020]图2示出了常规的刮刀型钻头的俯视图。
[0021]图3示出了其上包括有滚动切割器的井下切割工具的局部截面图。
[0022]图4示出了其上包括有滚动切割器的井下切割工具的局部前视图。
[0023]图5示出了其上包括有滚动切割器的井下切割工具的局部截面图。
[0024]图6示出了其上包括有滚动切割器的井下切割工具的局部截面图。
[0025]图7示出了其上包括有滚动切割器的井下切割工具的局部前视图。
[0026]图8示出了其上包括有被机械地保持的切割器的井下切割工具的局部截面图。
[0027]图9示出了切割器的透视图。
[0028]图10示出了包括多个滚动切割器和多个固定切割器的钻头的侧视图。
[0029]图11示出了钻头的旋转轮廓图。
[0030]图12示出了可以使用本发明的切割元件