專利名稱：旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭及其方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明在若干個實施例中通常涉及用于鉆鑿地下地層的旋轉(zhuǎn)刮刀 鉆頭，更特別地，涉及具有構(gòu)造為提高切削件壽命和性能的不同切削 件結(jié)構(gòu)的輔助切削件的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，包括其方法。
背景技術(shù)：
數(shù)十年來，人們使用旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭對地層進行鉆進，已經(jīng)在刮刀 鉆頭頂冠上使用各種尺寸、形狀和圖案的天然和人工合成金剛石作為 切削元件。刮刀鉆頭在許多地層中可以提供優(yōu)于三牙輪鉆頭的鉆進速 度(ROP)。
在過去的幾十年里，利用聚晶金剛石復合片(PDC)切削元件或 切削件提高了旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭(drag bit)的性能，所述切削件包括在高 溫、高壓條件下形成在碳化鎢基底上的平面金剛石切削元件或臺。PDC 切削件形成為各種形狀，包括圓形、半圓形或墓石形，這些是最常使 用的結(jié)構(gòu)。典型地，PDC金剛石臺形成為使所述臺的邊緣與輔助的碳 化鎢基底共面或者所述臺可以懸掛或略微底切，在所述臺的后緣處形 成"唇部"，以便在切削件進入被鉆地層時提高其切削效率和延長其磨 損壽命。已經(jīng)證明，裝有PDC切削件(例如，可以銅焊到鉆頭端面上 的凹窩、從所述端面伸出的刀翼上的凹窩中，或者安裝到插入鉆頭體 中的柱塊上)的鉆頭在鉆進具有低到中等壓縮強度的地下地層時可以非常有效地實現(xiàn)ROP。 PDC切削件給鉆頭設計師提供了各種改進的 切削件分布和朝向、頂冠結(jié)構(gòu)、噴嘴布置以及其它設計選擇，在以前， 這些利用小天然金剛石或人工合成金剛石切削件來說不可能實現(xiàn)。盡 管PDC切削元件在鉆進許多地下地層時提高了鉆頭效率，但是，PDC 切削元件在操作暴露于某些鉆進工況時易于磨損，從而縮短了使用這 種切削元件的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的壽命。
熱穩(wěn)定金剛石(TSP)是另一種人工合成金剛石、PDC材料，其 可用作旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的切削元件或切削件。TSP切削件(必須使用催 化劑以促使在由此去除的結(jié)構(gòu)中形成金剛石對金剛石結(jié)合)具有優(yōu)于 PDC切削件的熱性能。與堅硬和磨蝕性巖石鉆進應用相關(guān)的高摩擦熱 使切削邊緣溫度超過PDC的熱穩(wěn)定性，而TSP切削件在更高的工作 溫度下仍然保持穩(wěn)定。這個特性還使TSP焙燒到基體型旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭 的端面中。
盡管PDC或TSP切削元件與其它切削元件類型相比在鉆進期間 提供了更高的ROP并具有更少的磨損，但仍然希望進一步延長旋轉(zhuǎn) 刮刀鉆頭的壽命以及延長切削件壽命，不管所用切削件類型如何。工 業(yè)領域的研究人員很早就認識到，當切削元件磨損，即在鉆進期間磨 損平面產(chǎn)生并形成在與地下地層接觸的每個切削元件上時，鉆進速度 (或ROP)降低。特別是當其它鉆進參數(shù)保持不變時，鉆進速度的降 低表示旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的切削元件磨壞。各種鉆進參數(shù)包括但不限于地 層類型、鉆壓(WOB)、切削件位置或切削件刀面角、切削件數(shù)量、 切削件密度、鉆進溫度和鉆柱RPM，例如但不限于此，并且還包括地 層鉆進領域的普通技術(shù)人員所了解的其它參數(shù)。
盡管研究人員不斷研究和尋找更為耐用的切削件以及對切削件性 能的 一般性改進，但他們未能找到或?qū)崿F(xiàn)通過利用切削元件磨損率保 持或增大ROP來實現(xiàn)延長刮刀鉆頭壽命的工程方法。在這個方面， 盡管ROP在很多情況下是識別鉆頭性能的關(guān)鍵屬性，但是人們希望 在延長或改進刮刀鉆頭壽命方面釆用或利用切削元件磨損性質(zhì)。
延長鉆頭壽命的一種方法是使用"輔助"切削件，從而特別是當經(jīng)受異常能量或地下地層中的更硬、研磨性更高的材料時，延長刮刀鉆 頭的主切削件的壽命。通常，輔助切削件定位在第二切削件排中，在 主切削件的路徑內(nèi)在旋轉(zhuǎn)方向上附隨，以便在主切削件失效或者磨損 超過相當大的程度時與地層接合。已經(jīng)證明，使用輔助切削件是用于 延長鉆頭壽命的適當方法，同時在無需設計具有附加刀翼以設置更多
切削件的鉆頭的情況下提高穩(wěn)定性，所述更多刀翼會降低ROP或者 可能由于減少在鉆頭端面上的有效流體流動面積而犧牲鉆頭水力特性 以及由于噴嘴在鉆頭端面上的不利位置而不如最佳的流體流動。通常， 本領域技術(shù)人員應當理解，刮刀鉆頭在刀翼數(shù)增大時經(jīng)受較少的磨損 并且不希望地具有更緩慢的ROP,而具有低刀翼數(shù)的刮刀鉆頭(具有 更快的ROP)經(jīng)受更大的磨損。同時，人們相信，傳統(tǒng)的輔助切削件 連同其相關(guān)的主切削件會不希望地導致刀翼區(qū)域利用地層材料成球 形。因此，人們希望使用或利用輔助切削件提高刮刀鉆頭的耐久性， 同時提高ROP并且不會犧牲鉆頭水力特性和地層巖屑去除。人們還 希望通過進一步減少通常所需刀翼的數(shù)量提供具有改進、限制較少的
流動面積的刮刀鉆頭，從而獲得更為耐用的刀翼。耐久性可以根據(jù)切 削件位置進行量化，并且還可以看作在鉆進同時長時間保持每個切削 件鋒利度的能力。在這種意義上講，每個切削件的"鋒利度"包括改善 金剛石臺的磨損，包括減少因點載荷、異常能量或鉆柱跳動引起的對 金剛石臺的碎裂或損壞。
因此，人們希望改進或延長旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的壽命和性能，而不管 被鉆地下地層的類型如何。人們還希望通過使切削件有利地定向和定 位在鉆頭體上來延長旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
因此，旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的實施例包括主切削件排，所述主切削件排 具有至少一個主切削件和相對于彼此構(gòu)造的至少兩個附加切削件。在 一個實施例中，切削件是位于相應的第一和第二在后切削件排中、相 對于彼此定向并且定位成大體上附隨于所述至少一個主切削件的切削件群的輔助切削件。旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的壽命因輔助切削件群而延長，使 得鉆頭更為耐用并且延長了切削件的壽命。另外，切削件可以有選擇 地構(gòu)造為接合和破碎被鉆地下地層材料，提供改善的鉆頭壽命，減少 作用在主切削件上的應力。
在本發(fā)明的實施例中，旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭包括具有端面和軸線的鉆 頭體；在所述端面上徑向和縱向延伸的至少一個刀翼；包括至少一個 主切削件的主切削件排，所述至少一個主切削件包括從所述刀翼至少 部分地伸出的切削表面，且定位成在所述鉆頭體圍繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時 橫向于切削路徑，并且構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與地層接合； 和包括第一在后切削件排和第二在后切削件排的輔助切削件群，每個 在后切削件排包括至少一個切削件，所述切削件包括切削件結(jié)構(gòu)和從 所述刀翼至少部分地伸出的切削表面，每個第一和第二在后切削件排 中的至少一個切削件定位成在所述鉆頭體圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)時沿著所述 切削路徑大體上附隨于所述至少一個主切削件，并且每個切削件構(gòu)造 為在沿著所述切削路徑運動時與所述地層有選擇地接合。
在本發(fā)明的另一實施例中，旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭包括具有端面和軸線 的鉆頭體；在所述端面上徑向和縱向延伸的至少一個刀翼；包括多個 主切削件的主切削件排，所述多個主切削件中的每一個包括從所述刀 翼至少部分地伸出的切削表面，且定位成在所述鉆頭體圍繞所述軸線 旋轉(zhuǎn)時橫向于切削路徑，并且構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與地 層接合；包括至少一個第一切削件的第一在后切削件排，所述第一切 削件包括第 一切削件結(jié)構(gòu)和從所述刀翼至少部分地伸出的切削表面， 其定位成沿著所述切削路徑大體上附隨于所述多個主切削件中的至少 一個，并且構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與所述地層有條件地接 合；和包括至少一個第二切削件的第二在后切削件排，所述第二切削 件包括與第一切削件結(jié)構(gòu)不同的第二切削件結(jié)構(gòu)和從所述刀翼至少部 分地伸出的切削表面，且定位成沿著所述切削路徑大體上附隨于所述 多個主切削件中的至少一個，并且構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時 與所述地層有條件地接合。在本發(fā)明的其它實施例中，旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭包括具有端面和軸線 的鉆頭體；在所述端面上徑向和縱向延伸的至少一個刀翼；包括至少 一個主切削件的主切削件排，所述至少一個主切削件包括從所述刀翼 至少部分地伸出的切削表面，且定位成在所述鉆頭體圍繞所述軸線旋 轉(zhuǎn)時橫向于切削路徑，并且構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與地層 接合；和包括多個輔助切削件的輔助切削件排，所述輔助切削件包括 在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于所述至少一個主切削件的第一輔助切削件和與所 述第 一輔助切削件朝向不同的第二輔助切削件，所迷第 一輔助切削件 和第二輔助切削件包括從所述刀翼至少部分地伸出的切削表面，并且 構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與地層有條件地接合。
在本發(fā)明的其它實施例中，旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭包括具有端面和軸線 的鉆頭體；在所述端面上徑向和縱向延伸的至少一個刀翼；包括第一 主切削件和第二主切削件的主切削件排，每個主切削件包括從所述刀 翼至少部分地伸出的切削表面，且定位成在所述鉆頭體圍繞所述軸線 旋轉(zhuǎn)時橫向于切削路徑，并且構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與地 層接合；在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于所述第一主切削件的第一輔助切削件， 所述第 一輔助切削件包括從所述刀翼至少部分地伸出的切削表面，構(gòu) 造為在沿著所述切削路徑與地層有條件地接合；和在旋轉(zhuǎn)方向上附隨 于所述第二主切削件并相對于所述第一輔助切削件定向的第二輔助切 削件，所述第二輔助切削件包括從所述刀翼至少部分地伸出的切削表 面，且構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與地層有條件地接合。
在本發(fā)明的其它實施例中，旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭包括具有端面和軸線 的鉆頭體；在所述端面上徑向和縱向延伸的至少一個刀翼；多個主切 削件，所述多個主切削件中的每個主切削件包括從所述刀翼至少部分 地伸出的切削表面，且定位成在所述鉆頭體圍繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時橫向 于切削路徑，并且構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與地層接合；在 旋轉(zhuǎn)方向上附隨于所述多個主切削件中的主切削件的第一輔助切削 件，所述第一輔助切削件包括第一側(cè)傾角、第一后傾角和從所述刀翼 至少部分地伸出的切削表面，并且構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與地層有條件地接合；和在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于所述多個主切削件中的 另 一主切削件的第二輔助切削件，所述第二輔助切削件包括與第 一側(cè) 傾角不同的第二側(cè)傾角、與第一后傾角不同的第二后傾角和從所述刀 翼至少部分地伸出的切削表面，并且構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動 時與地層有條件地接合。
在本發(fā)明的其它實施例中，旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭有利地包括位于至少一 個切削件排中并且設置有不同程度的后傾角和側(cè)傾角的輔助切削件。
旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的其它實施例可以有利地包括具有不同程度的后傾 角和側(cè)傾角的輔助切削件結(jié)構(gòu)。
此外，本發(fā)明還提供了使用旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的方法和設計旋轉(zhuǎn)刮刀 鉆頭的方法。
在結(jié)合附圖和所附權(quán)利要求書閱讀本發(fā)明的各種實施例的詳細說 明的情況下，本發(fā)明的其它優(yōu)點和特征將變得顯而易見。


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的前視圖。 圖2顯示了用于本發(fā)明第一實施例的切削件和刀翼輪廓。 圖3A顯示了直列式切削件組的頂視圖。 圖3B顯示了直列式切削件組的平面圖。 圖4A顯示了交錯式切削件組的頂視圖。 圖4B顯示了交錯式切削件組的平面圖。
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的前視圖。 圖6顯示了用于本發(fā)明第二實施例的切削件和刀翼輪廓。 圖7顯示了用于圖5所示鉆頭的第一刀翼的切削件輪廓。 圖8顯示了用于圖5所示鉆頭的第二刀翼的切削件輪廓。 圖9顯示了用于圖5所示鉆頭的第三刀翼的切削件輪廓。 圖IO顯示了用于圖5所示鉆頭的第四刀翼的切削件輪廓。 圖ll顯示了用于圖5所示鉆頭的第五刀翼的切削件輪廓。 圖12顯示了用于圖5所示鉆頭的第六刀翼的切削件輪廓。圖13是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的前視圖。 圖14顯示了用于本發(fā)明第三實施例的切削件和刀翼輪廓。 圖15顯示了用于圖13所示鉆頭的第一刀翼的切削件輪廓。 圖16顯示了用于圖13所示鉆頭的第二刀翼的切削件輪廓。 圖17顯示了用于圖13所示鉆頭的第三刀翼的切削件輪廓。 圖18顯示了具有兩個側(cè)傾切削件的直列式切削件組的頂視圖。 圖19是在用于七個不同刮刀鉆頭的模擬鉆進條件期間，在被鉆距
離范圍內(nèi)累積金剛石磨損平面面積的圖表。
圖20是圖19所示模擬鉆進條件的鉆進速度的圖表。
圖21是在模擬結(jié)束時，與用于圖19所示模擬鉆進條件的切削件
徑向位置相關(guān)的每個切削件的磨損平面面積的圖表。
圖22顯示了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的前視圖。
圖23顯示了用于本發(fā)明第四實施例的切削件和刀翼輪廓。
圖24顯示了根據(jù)本發(fā)明第五實施例的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的前視圖。
圖25顯示了用于本發(fā)明第五實施例的切削件和刀翼輪廓。
圖26顯示了用于圖24所示鉆頭的第一刀翼的切削件輪廓。
圖27顯示了用于圖24所示鉆頭的第二刀翼的切削件輪廓。
圖28顯示了用于圖24所示鉆頭的第三刀翼的切削件輪廓。
圖29顯示了用于圖24所示鉆頭的第四刀翼的切削件輪廓。
圖30顯示了用于圖24所示鉆頭的第五刀翼的切削件輪廓。
圖31顯示了用于圖24所示鉆頭的第六刀翼的切削件輪廓。
圖32是在用于兩個不同刮刀鉆頭的模擬鉆進條件期間，在被鉆距
離范圍內(nèi)累積金剛石磨損平面面積的圖表。
圖33是圖32所示模擬鉆進條件的功率(work rate)的圖表。 圖34是在模擬結(jié)束時，與用于圖32所示模擬鉆進條件的切削件
徑向位置相關(guān)的每個切削件的磨損平面率的圖表。 圖35顯示了旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的局部頂視圖。 圖36顯示了圖35所示旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的局部側(cè)視圖。
具體實施例方式
在將要描述的本發(fā)明實施例中，提供了可以比常規(guī)設計的旋轉(zhuǎn)刮 刀鉆頭鉆得更深、鉆得更快或者更為耐用的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭。在這個方 面，不管被鉆地下地層材料如何，都可以使每個刮刀鉆頭的壽命延長， 性能提高。
在圖1中，旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭110定位成從底部觀察，或者在觀察者 位于鉆孔底部的情況下在鉆頭端面或前端112處向上觀看。鉆頭110 包括例如通過銅焊粘結(jié)到凹窩116 (如示意性描述的那樣)上的切削 元件或切削件114，所述凹窩位于從刮刀鉆頭110的端面112伸出的 刀翼131、 132、 133上。盡管切削件114可以通過銅焊粘結(jié)到凹窩116 上，但是也可以使用對本領域普通技術(shù)人員來說顯而易見的其它連接 方法。通常使用參考數(shù)字114表示每個切削件。切削件114耦合到刮 刀鉆頭110上的相應凹窩116上，但是特殊切削件(包括其特征)將 在以下文以不同的參考數(shù)字表示以對本發(fā)明進行更詳細的描述。
本實施例中的刮刀鉆頭110稱作"基體"鉆頭。"基體"鉆頭包括滲 入熔融(隨后可硬化的)粘結(jié)劑(例如，銅基合金)中的大量金屬粉 末(例如，碳化鵠顆粒)。選擇性地，鉆頭還可以是鋼制或其它鉆頭 類型，例如，燒結(jié)金屬碳化物。鋼制鉆頭通常由鍛件或鋼坯制成，隨 后機加工成最終形狀。本發(fā)明不限于實現(xiàn)其任何實施例的鉆頭體類型。
流體通路120位于刀翼131、 132、 133之間并且通過位于從腔室 引出的通道末端的水眼122提供鉆井流體，所述腔室從位于鉆頭110 上端或尾端處的管狀鉆桿延伸到鉆頭體111中。水眼122可以包括固 定到其上的噴嘴(未顯示)，用于增強和控制鉆井流體的流動。流體 通路120延伸到排屑槽126，所述排屑槽沿著鉆頭110的縱向側(cè)面124 在刀翼131、 132、 133之間向上延伸。保徑墊塊(未顯示)包括具有 從刀翼131、 132、 133伸出的徑向外表面121的縱向突起，并且可以 包括本領域已知的耐磨鑲嵌件或涂層。在使用中，從水眼122流出的 鉆井流體(未顯示)將地層巖屑從切削件114上沖走，所述鉆井流體 通常通過流體通道120徑向向外流動并隨后穿過排屑槽126向上流到鉆柱和鉆孔表面之間的環(huán)形區(qū)域，鉆頭110懸掛并支撐在所述鉆柱上。 有利地，鉆井流體在鉆進期間從鉆頭端面112上沖走地層巖屑的同時 還冷卻切削件114。
本實施例中的每個切削件114為PDC切削件。然而，可以認識到， 本發(fā)明的實施例可以使用任何其它適用類型的切削元件。為了在本發(fā) 明的不同實施例中清楚起見，切削件顯示為單個結(jié)構(gòu)以便更好地描述 和介紹本發(fā)明。然而，可以認識到，切削件114可以包括材料層。在 這方面，本實施例的PDC切削件114均包括粘結(jié)到支撐基底上的金剛 石臺，如前所述。當刮刀鉆頭110以使地層與切削件114的切削邊緣 113接觸的方式旋轉(zhuǎn)時，PDC切削件114通過剪切作用從地下地層中 去除材料。當切削件144切削和粉碎地層時，鉆井流體流使地層切屑 懸浮并夾帶其從排屑槽126排出。
刀翼131、 132、 133稱作主刀翼。每個刀翼131、 132、 133 (統(tǒng) 稱主刀翼)包括主體部分134，所述主體部分從端面112伸出(縱向 和徑向突出)并且屬于鉆頭體lll (鉆頭體lll也稱作鉆頭110的"框 架")的一部分。主體部分134可以延伸到保徑區(qū)域165。主體部分134 包括刀翼表面135、前表面136和后表面137并且可以從鉆頭110的 錐形區(qū)域160或者軸向中心線C/L (以數(shù)字161表示)朝向保徑區(qū)域 165徑向向外延伸。流體通路120位于定位在鉆頭端面112上的相鄰 刀翼131、 132、 133的部分之間并且與位于沿著鉆頭110的保徑區(qū)域 165延伸的相鄰刀翼131、 132、 133的部分之間的排屑槽126相連。 由于刀翼131、 132、 133的主體部分134從鉆頭110的軸向中心線161 徑向向外延伸，刀翼表面135可以徑向加寬，前表面136和后表面137 均可以從鉆頭體111的端面112軸向伸出更長的距離。盡管鉆頭110 的圖示實施例包括三個刀翼131、 132和133，鉆頭可以具有任意數(shù)量 的刀翼，但是通常具有不少于由至少兩個流體通路120和排屑槽126 隔開的兩個刀翼。
當鉆井流體從水眼122流出時，它在鉆進期間通過流體通路120 大體上輸送至排屑槽126并且流動到每個刀翼131、 132、 133的主體部分134的前表面136。鉆井流體的一部分還沖刷刀翼表面135,包括 刀翼表面135的后表面137,從而冷卻和清洗切削件114。
本發(fā)明實施例中的刮刀鉆頭110包括三個主刀翼131、 132、 133， 但是不包括本領域熟知的任何副刀翼或從(tertiary)刀翼。副刀翼或 從刀翼提供了附加的支撐結(jié)構(gòu)，從而通過在其上接收附加的主切削件 114而增大鉆頭110的切削件密度。副刀翼或從刀翼與主刀翼大體上 相同，但是通常從鉆頭110的頂冠區(qū)域162、側(cè)部區(qū)域163或肩部區(qū) 域164朝向保徑區(qū)域徑向延伸。在這個方面，副刀翼或從刀翼界定在 與至少一個水眼122流體連通的前、后流體通路120之間。同樣，副 刀翼或從刀翼或者副刀翼和從刀翼的組合可以設置在主刀翼之間。然 而，副刀翼或從刀翼減少了相鄰流體通路120的有效容積，提供了較 少的地層切屑清洗作用或切削件114的清洗作用。有選擇地，在需要 或希望實現(xiàn)刮刀鉆頭的特定鉆進特性時，根據(jù)本發(fā)明實施例的刮刀鉆 頭IIO可以包括一個或多個副刀翼或從刀翼。
根據(jù)如圖1所示的本發(fā)明的第一實施例，旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭110包括 三個刀翼131、 132、 133，三個主切削件排141、 142、 143和三個輔 助切削件群151、 152、 153。盡管包括三個輔助切削件群151、 152、 153，應當想到，刮刀鉆頭IIO可以在刀翼之一上包括一個輔助切削件 群或者在每個刀翼上包括多于或少于圖示數(shù)量的多個輔助切削件群。 另外，可以想到，刮刀鉆頭IIO可以具有比所示三個更多或更少的刀 翼。每個輔助切削件群151、 152、 153可以具有一個或多個輔助切削 件組。例如但不限于，輔助切削件群152包括三個輔助切削件組152，、 152"、 152"'?，F(xiàn)在對輔助切削件群152的輔助切削件組152，、 152"、 152"進行詳細說明。
每個主切削件排141、 142、 143分別布置在每個刀翼131、 132、 133上。輔助切削件群151、 152、 153分別在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于每個 刀翼131、 132、 133上的每個主切削件排141、 142、 143。盡管在這 個實施例中，每個刀翼包括在旋轉(zhuǎn)方向上領先于輔助切削件群的主切 削件排，刮刀鉆頭110可以具有有選擇地設置在位于鉆頭體111的至少一個刀翼上的主切削件排之后的輔助切削件群。另外，刮刀鉆頭no 可以具有有選擇地設置在鉆頭體lll的多個刀翼上的輔助切削件群。
每個輔助切削件群151、 152和153可以具有一個或多個輔助切削 件組。例如但不限于，輔助切削件群152包括三個多輔助切削件組 152，、 152"、 152'"。盡管位于同一刀翼132并在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于主 切削件排142的切削件的輔助切削件群152包括三個輔助切削件組 152，、 152"、 152"，可以想到的是，刮刀鉆頭110可以在每個輔助切 削件群中包括一個輔助切削件組或者大于或小于圖示三個的多個輔助 切削件組。下面將更詳細的描述刀翼132的切削件群152的輔助切削 件組152'、 152"、 152，"，用它們表示其它切削件群151、 153中的其 它輔助切削件組也是一樣。
輔助切削件群152 (包括輔助切削件組152'、 152"、 152'")包括 第一在后切削件排154、第二在后切削件排155、和第三在后切削件排 156。每一排141、 142、 143、 154、 155、 156包括聯(lián)接到刀翼131、 132、 133上的一個或多個切削件114。切削件排可以由從刮刀鉆頭110 的端面112的中心線C/L (該中心線從圖l伸出，由數(shù)字161表示) 伸出的徑向路徑?jīng)Q定，并且大體上沿著或靠近所述徑向路徑布置有一 個或多個切削元件或切削件。
另外參考圖2，刀翼132的主切削件排142包括切削件3、 6、 11、 19、 28、 37、 46、 50。每個輔助切削件組152，、 152"、 152"'分別包括 第一在后切削件排154的切削件20、 29、 38，第二在后切削件排155 的切削件21、 30、 39和第三在后切削件排156的切削件57、 58、 59。 第一在后切削件排154在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于主切削件排142并在旋轉(zhuǎn) 方向上領先于第二在后切削件排155，所述第二在后切削件排在旋轉(zhuǎn) 方向上領先于第三在后切削件排156。盡管本實施例的每個輔助切削 件組152，、 152"、 152"'包括在后切削件排154、 155、 156中的切削件 114，切削件排的數(shù)目只受到每個刀翼131、 132、 133的表面135上的 有效面積的限制。在這個方面，輔助切削件組152'包括分別來自三個 在后切削件排154、 155、 156的三個切削件20、 21、 57。盡管輔助切削件組152，包括三個切削件20、 21、 57，但是可以想到，每個輔助切 削件組可以包括來自多個在后切削件排的切削件。
第一在后切削件排154的切削件12、 20、 29、 38、 47分別在旋轉(zhuǎn) 方向上附隨于主切削件排142的切削件11、 19、 28、 37、 46，并且在 本實施例中看作輔助切削件。輔助切削件沿大體上相同的旋轉(zhuǎn)路徑(位 于距中心線C/L的大體上相同半徑處)在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于主切削件， 從而在主切削件失效或磨損超過其有用性時提高刮刀鉆頭110的耐久 性和壽命。然而，第一在后切削件排154的切削件12、 20、 29、 38、 47可以是主切削件、副切削件或輔助切削件的任何分類或組合。盡管 本發(fā)明不包括任何副切削件，但是副切削件可以沿相鄰的旋轉(zhuǎn)路徑(位 于中心線C/L的不同半徑處)在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于主切削件，從而消 除主切削件之間的較大溝槽，以給刮刀鉆頭IIO提供增大的鉆進速度 和增強的耐久性。根據(jù)切削件分類，切削件12、 20、 29、 38、 47可以 沿著其旋轉(zhuǎn)路徑在不同的徑向位置處隔開，從而在與特殊地下地層的
材料接合時增強切削件性能。另外，在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于切削件11、 19、 28、 37、 46的切削件12、 20、 29、 38、 47在切削件11、 19、 28、 37、 46的下面暴露。具體地，切削件12、 20、 29、 38、 47以千分之 二十五(0.025)英寸(0.635亳米)的距離在下面暴露。
第二在后切削件排155的切削件21、 30、 39均分別在旋轉(zhuǎn)方向上 附隨于主切削件排142的切削件19、 28、 37,并且在本實施例中也看 作是主切削件排142的輔助切削件。有選擇地，切削件21、 30、 39 可以是第一在后切削件排154的切削件20、 29、 38的輔助切削件或者 第一在后切削件排154和主切削件排142的組合的輔助切削件。盡管 切削件21、 30、 39是輔助切削件，第二在后切削件排55的切削件21、 30、 39可以是主切削件、副切削件和輔助切削件的任何分類或組合。 另外，在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于切削件19、 28、 37的切削件21、 30、 39 在切削件19、 28、 37的下面暴露。具體地，切削件21、 30、 39相對 于排142以千分之五十(0.050 )英寸(1.27毫米)的距離在下面暴露。
第三在后切削件排156的切削件57、 58、 59均分別在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于主切削件排142的切削件19、 28、 37，并且在本實施例中也看 作是主切削件排142的輔助切削件。有選擇地，切削件57、 58、 59 可以是第二在后切削件排155的切削件21、 30、 39的輔助切削件或者 是第二在后切削件排155、第一在后切削件排154和主切削件排142 的組合的輔助切削件。盡管切削件57、 58、 59是輔助切削件，第三在 后切削件排156的切削件57、 58、 59可以是主切削件、副切削件和輔 助切削件的任何分類或組合。另外，在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于切削件19、 28、 37的切削件57、 58、 59在切削件19、 28、 37的下面暴露。具體 地，切削件57、 58、 59以千分之七十五(0.075)英寸(1.905毫米) 的距離在下面暴露。
有選擇地，在下面將要描述的本發(fā)明實施例中，每個切削件12、 20、 29、 38、 47、 21、 30、 39、 57、 58、 59可以相對于主切削件排142 的切削件114具有不同的下方暴露量或者很少到?jīng)]有下方暴露量，與 每個其它切削件12、 20、 29、 38、 47、 21、 30、 39、 57、 58、 59無關(guān)。
第一在后切削件排154、第二在后切削件排155和第三在后切削 件排156的切削件114小于主切削件排141、 142、 143的切削件114。 切削件排154、 155、 156的較小切削件114能夠在必要時提供用于主 切削件排141、 142、 143的輔助支持，而且在不需要切削件114時， 減少與地層材料之間的旋轉(zhuǎn)接觸阻力。盡管第一在后切削件排154、 第二在后切削件排155和第三在后切削件排156的較小切削件114全 部具有相同的尺寸，但是可以想到的是，每個切削件尺寸可以大于或 小于圖示尺寸。同樣，盡管每個切削件排154、 155、 156的切削件114 全部具有相同的尺寸，但是可以想到的是，每個切削件排的切削件尺 寸可以大于或小于其它切削件排。
在本發(fā)明的實施例中，在旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的刀翼上可以旋轉(zhuǎn)布置的 方式包括一個或多個附加的輔助切削件排，其在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于主
發(fā)明的這個方面， 一個或多;附力:切削件排不是位于刮刀鉆頭的下一 刀翼上的第二切削件排、第三切削件排或第ii切削件排。 一個或多個附加輔助切削件排、輔助切削件排和主切削件排中的每一個包括位于 同一刀翼上的一個或多個切削元件或切削件。 一個或多個附加輔助切 削件排的每一個切削件可以與在旋轉(zhuǎn)方向上領先于它的切削件定位或 大體上定位在同心旋轉(zhuǎn)路徑中。選擇性地，每個切削件與位于輔助切 削件排和主切削件排中的切削件的旋轉(zhuǎn)路徑略微偏心布置。
在本發(fā)明的實施例中，附加切削件排中的 一個或多個切削件相對 于刮刀鉆頭刀翼上的在先切削件排的 一個或多個切削件都具有特定暴 露量。例如，每個切削件排的一個或多個切削件的暴露量相對于在先 切削件排的一個或多個切削件的暴露量在數(shù)值上逐漸減小。在這個方 面，切削件排的 一個或多個切削件可以相對于旋轉(zhuǎn)在先切削件排的切 削件在下方逐漸露出。選擇性地，每個在后切削件排的一個或多個切 削件與在其前面的切削件排的一個或多個切削件相比具有更大或更小 的下方暴露量。通過調(diào)節(jié)切削件排的切削件的下方暴露量，輔助切削 件排的切削件可以設計成在主切削件的磨損平面面積增大時與地層材 料形成接觸。在這個方面，輔助切削件排的切削件設計成在主切削件 磨損時與地層接合，從而延長刮刀鉆頭的壽命。通常，特別是在切削
件磨損很少時，主切削件典型地朝向刀翼131的前部或前表面136定 位或者定位于其上以提供大部分切削工作負荷。當刮刀鉆頭的主切削 件承受動態(tài)異常能量或者當切削件磨損時，輔助切削件排中的輔助切 削件開始與地層接合并且開始承受或均分主切削件的工作，以便更好 地去除地層材料。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，圖3A顯示了直列式切削件組200的頂視 圖。圖3A是旋轉(zhuǎn)或螺旋路徑202的線性表示，切削件214可以沿所 述路徑定位在旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭上。直列式切削件組200包括主切削件 204、第一輔助切削件206和第二輔助切削件208，每個切削件與緊鄰 位于之前的切削件成旋轉(zhuǎn)直列關(guān)系，即，大體上沿著相同的旋轉(zhuǎn)路徑 202排列。較大的主切削件204和較小的輔助切削件206、 208給旋轉(zhuǎn) 刮刀鉆頭提供了增強的耐久性和延長的壽命。另外，當主切削件失效 或承受不希望的高異常能量時，輔助切削件206、 208給主切削件204提供了輔助支持。同樣，輔助切削件206和208在主切削件204磨損 時給其提供冗余的輔助支持。在這個方面，輔助切削件206、 208是輔 助切削件組。
圖3B顯示了直列式切削件組200的平面圖。直列式切削件組200 使主切削件204和輔助切削件206、 208分別相對于基準線203具有完 全暴露的切削件表面205和部分暴露的切削件表面207、 209。在這個 方面，輔助切削件206、 208在主切削件204的下方暴露。在切削地層 材料時，基準線203還表示在輔助切削件206、 208逐漸接合以承擔大 量工作負荷之前主切削件204上所需的磨損量。直列式切削件組200 可用于本發(fā)明的其它實施例。另外，直列式切削件組200可以包括位 于在后切削件組排中的第三輔助切削件或者多個輔助切削件。盡管表 面205、 207、 209包括其各自的暴露面，直列式切削件組200的表面 可以構(gòu)造為包括切削件204、 206、 208的相同暴露量(或下方暴露量) 或暴露量組合。選擇性地，盡管輔助切削件206、 208相對于主切削件 204的旋轉(zhuǎn)路徑徑向?qū)?，但是任一輔助切削件可以相對于其它切削 件徑向偏離更大或更小的徑向程度。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，圖4A顯示了略微交錯的切削件組220的 頂視圖。圖4A是旋轉(zhuǎn)或螺旋路徑222的線性表示，切削件214可以 沿所述路徑定位在旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭上。交錯式切削件組220包括主切削 件224、第一輔助切削件226和第二輔助切削件228，每個切削件在給 定的旋轉(zhuǎn)路徑中相對于其它切削件214徑向交錯或偏離。第一輔助切 削件226和第二輔助切削件228與主切削件224相比是較小切削件。 例如，輔助切削件226、 228具有不同的、重疊的旋轉(zhuǎn)路徑，兩者主要 位于主切削件224的旋轉(zhuǎn)路徑222內(nèi)。較大的主切削件224和較小的 輔助切削件226、 228給旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭提供了增強的耐久性和延長的壽 命。另外，當主切削件失效或承受不希望的高異常能量時，輔助切削 件226、 228給主切削件224提供了輔助支持。同樣，輔助切削件226 和228在主切削件224磨損時給其提供冗余的輔助支持。在這個方面， 輔助切削件226、 228是輔助切削件組。圖4B顯示了交錯式切削件組220的平面圖。交錯式切削件組220 使主切削件224和輔助切削件226、 228分別相對于基準線223具有完 全暴露的切削件表面225和部分暴露的切削件表面227、 229。在這個 方面，輔助切削件226、 228在主切削件224的下方暴露。在切削地層 材料時，基準線223還表示在輔助切削件226、 228開始充分均分來自 主切削件224的工作負荷之前主切削件224上所需的磨損量。有利地， 對于交錯式切削件組220來說，當主切削件224磨損時，交錯式切削 件組220提供了圍繞主切削件224的徑向路徑交錯布置的兩個更為鋒 利的切削件226、 228，比直列式切削件具有更強力的切削。交錯式切 削件組220可用于本發(fā)明的任何實施例。另外，交錯式切削件組220 可以包括位于在后切削件組排中的第三輔助切削件或者多個輔助切削 件。盡管表面225、 227、 229包括其各自的暴露面，交錯式切削件組 220的表面可以構(gòu)造為包括切削件224、 226、 228的相同暴露量(或 下方暴露量)或暴露量組合，如圖4B所示。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，切削件組可以包括多個切削件214，其具 有與其它切削件214徑向交錯或偏離的至少一個切削件和與在先切削 件成旋轉(zhuǎn)直列關(guān)系的至少 一個切削件。
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭210的前視圖。 旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭210包括六個刀翼231、 231'、 232、 232，、 233、 233', 每個刀翼具有從鉆頭210的中心線C/L伸出的主切削件排或第一切削 件排241和第二切削件排251 。切削件排241 、 251包括耦合到刀翼231 、 231'、 232、 232'、 233、 233'的切削件凹窩216上的切削件214?？梢?想到，每個刀翼231、 231，、 232、 232'、 233、 233'可以具有比圖示兩 個更多或更少的切削件排241、 251。同樣，每個切削件排241、 251 可以具有比每個刀翼231、 231，、 232、 232'、 233、 233，上所示更多或 更少數(shù)量的切削件214。在本實施例中，刀翼231、 232、 233是主刀 翼，刀翼231'、 232，、 233'是副刀翼。副刀翼231'、 232'、 233，提供用 于特別是在頂冠區(qū)域262(參見圖6)上增添的附加切削件214的支撐， 在所述頂冠區(qū)域262處，切削件214上發(fā)生沖擊破壞的工作要求或可能性較大。當切削件214受損或磨損時，第二切削件排251的切削件 214提供用于第一切削件排241的相應切削件214的輔助支持。
為了提高刮刀鉆頭210的壽命，第二切削件排251的每個切削件 214可以相對于第一切削件排241的每個相應切削件214以例如但不 限于直列、偏移、下方暴露或交錯或者其組合的方式定位。在這個方 面，在第一切削件排241的切削件214失效時，第二切削件排251的 切削件214可以通過去除地層材料輔助和支持第一切削件排241的切 削件214。在本發(fā)明的這個實施例中，第二切削件排251在每個刀翼
231、 231'、 232、 232'、 233、 233'上包括以直列、偏移、交錯和/或下 方暴露方式布置的切削件214。下面討論刀翼231、 231，、 232、 232，、 233、 233'的第二切削件排251。
圖6顯示了用于圖5所示刮刀鉆頭210的實施例的切削件和刀翼 輪廓230。刮刀鉆頭210具有51個切削件的切削件密度和由切削件和 刀翼輪廓230表示的輪廓。切削件214編為1-51號。盡管可以包括本 發(fā)明其它實施例的方面，但是切削件1-51不會與本發(fā)明其它實施例的 帶編號的切削件發(fā)生混淆。圖7-12分別顯示了用于每個刀翼231、231'、
232、 232'、 233、 233，的特殊切削件輪廓。
如圖7所示，刀翼231安裝有第二切削件排251和第一切削件排 241。笫一切削件排241包括主切削件17和29。笫二切削件排251包 括輔助切削件18和30。切削件18相對于主切削件17交錯布置并且 在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于該主切削件17，但切削件30相對于主切削件29 交錯布置并且在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于該主切削件29。切削件17和18形 成交錯式切削件組280。同樣地，切削件29和30也形成交錯式切削 件組281。交錯的切削件18和30形成交錯式切削件排291。盡管交錯 切削件18、 30相對于其相應的主切削件17、 29具有多暴露量或者偏 移的下方暴露量，但是它們也可以具有與主切削件17和29相比相同 或相等的下方暴露量。
圖8顯示了安裝有第二切削件排251和第一切削件排241的刀翼 231'。第一切削件排241包括主切削件15和27。第二切削件排241包括輔助切削件16和28。切削件16相對于主切削件15交錯布置并 且在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于該主切削件15，但切削件28相對于主切削件 27交錯布置并且在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于該主切削件27。切削件15和16 形成交錯式切削件組281。同樣地，切削件27和28也形成交錯式切 削件組281。交錯的切削件16和28形成交錯式切削件排292。盡管交 錯切削件16、 28相對于其相應的主切削件15、 27具有多暴露量或者 偏移的下方暴露量，但是它們也可以具有相對于主切削件15和27相 同或相等的下方暴露量。
圖9顯示了安裝有第二切削件排251和第一切削件排241的刀翼 232。第一切削件排241包括主切削件13、 25和37。第二切削件排241 包括輔助切削件14、 26和38。切削件14相對于主切削件13交錯布 置并且在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于該主切削件13，切削件38相對于主切削 件37交錯布置并且在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于該主切削件37，而切削件26 相對于主切削件25成直列關(guān)系并且在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于該主切削件 25。切削件13、 14以及37、 38分別形成兩個交錯式切削件組283、 284。切削件25、 27形成直列式切削件組270。盡管直列式切削件26 和交錯式切削件14、 38相對于其相應的主切削件13、 25和37具有多 暴露量或者偏移的下方暴露量，但是它們也可以具有相對于主切削件 13、 25和37相同或相等的下方暴露量。
類似地，圖10顯示了具有第二切削件排251的刀翼232'，所述第 二切削件排251包括形成交錯式切削件排294的交錯式切削件12、 36 和直列式切削件24。同樣，如圖11所示，刀翼233的第二切削件排 251包括形成交錯式切削件排295的交錯式切削件9、 34和直列式切 削件22。另外，如圖12所示的刀翼233'的第二切削件排251包括形 成交錯式切削件排296的交錯切削件20、 32。盡管在刮刀鉆頭210的 刀翼231、 231'、 232、 232'、 233、 233'的排251中可以布置交錯切削 件和直列式切削件的各種方案，如圖7-12所示，但是可以想到， 一個 或多個交錯切削件可以設置有或沒有刀翼231、 231'、 232、 232'、 233、 233'的第二切削件排251中顯示的直列式切削件。根據(jù)本發(fā)明的實施例，多個交錯切削件可以具有相等的下方暴露 量或者可以相對于其相應的主切削件相等地交錯布置。在這個方面， 交錯切削件可以相對于其相應的主切削件具有大體上相同的下方暴露 量或偏移(即，交錯)量，如其它交錯切削件的每個下方暴露和交錯 量一樣。同樣，可以想到， 一個或多個交錯切削件排可以設置在圖示
第二切削件排251以外， 一個或多個交錯切削件排可以包括非均勻分 布的交錯切削件，所述交錯切削件相對于同 一切削件排內(nèi)的其它交錯 切削件具有不同的下方暴露量。進一步想到的是，第二切削件排251 可以包括切削件214，所述切削件214具有在交錯式切削件排內(nèi)非線 性分布的下方暴露量，切削件214相對于從刮刀鉆頭210的中心線C/L 徑向向外延伸的交錯式切削件排分布。
圖13顯示了旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭310的另 一 實施例的前視圖。旋轉(zhuǎn)刮刀 鉆頭310包括三個主刀翼331、 332、 333，每個第一刀翼包括分別從 鉆頭310的中心線C/L徑向向外延伸的主切削件排或第一切削件排 341、 342、 343，輔助切削件排或第二切削件排344、 345、 346，和附 加的輔助切削件排或第三切削件排347、 348、 349。選擇性地， 一個 或多個附加的輔助切削件排可以設置在圖示第一切削件排341、 342、 343和第二切削件排344、 345、 346以外的至少一個刀翼331、 332和 333上。每個切削件排341、 342、 343、 344、 345、 346、 347、 348、 349包括多個切削件314;每個切削件314耦合到刀翼331、 332、 333 的切削件凹窩316上。
切削件排341、 342、 343中的切削件314是如圖14所示的完全暴 露切削件，圖14顯示了用于鉆頭310的切削件和刀翼輪廓330。刮刀 鉆頭310具有54個刀翼的切削件密度和由切削件和刀翼輪廓330表示 的輪廓。切削件314編為1-54號。盡管切削件1-54可以包括本發(fā)明 其它實施例的方面，但是它們不會與本發(fā)明其它實施例的帶編號的切 削件發(fā)生混淆。切削件排344、 345、 346中的切削件314相對于其旋 轉(zhuǎn)在先切削件排341、 342、 343中的切削件以千分之二十五(0.025) 英寸(0.635毫米)的距離在下方露出。切削件排347、 348、 349中的切削件314相對于其旋轉(zhuǎn)在先切削件排341、 342、 343中的切削件以 千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)的距離在下方露出。在這個方 面，切削件排341、 344、 347形成用于刀翼331的切削件群351。盡 管切削件排344、347的切削件分別相對于切削件排341的切削件以千 分之二十五(0.025)英寸(0.635亳米)和千分之五十(0.050)英寸 (1.27毫米)的距離在下方露出，但是可以想到，每個切削件排可以以 比所示更少、相等或更多的距離在下方暴露。切削件排342、 345、 348 形成用于刀翼332的切削件群352，切削件排343、 346、 349形成用 于刀翼333的多層切削件群353。盡管每個多層切削件群351、 352、 353包括具有切削件的切削件排，其中，切削件相對于每個群的在先 排中的切削件具有相同的下方暴露量，但是可以想到的是，它們可以 包括具有切削件的切削件排，其中，所述切削件相對于與其相應的在 先排的切削件更大或更小程度的下方暴露量。
圖15-17分別顯示了用于每個刀翼331、 332、 333的特殊切削件 輪廓。對于刀翼331來說，切削件群351的第一切削件排341包括切 削件直徑為5/8英寸(大約16毫米)的切削件1、 4、 7、 14、 23、 32、 41、 48并且包括切削件直徑為1/2英寸(大約13毫米)的切削件54。 通常，第一切削件排341的切削件314具有尺寸大于第二切削件排344 和第三切削件排347的切削件314的切削件。切削件群351的第二切 削件排344包括切削件直徑為1/2英寸(大約13毫米)的切削件8、 15、 24、 33、 42、 51。切削件群351的第三切削件排347包括切削件 直徑為1/2英寸(大約13毫米)的切削件13、 22、 31、 40。切削件群 351通過在切削件314的壽命內(nèi)與地層形成改進的接觸接合給刮刀鉆 頭310提供了提高的耐久性和延長的壽命。切削件群351通過在第二 和第三切削件排344、345中設置較小切削件314在切削地層時提高了 性能，所述較小切削件提高了第一切削件排341的較大切削件314的 性能。在這個方面，例如，較小切削件13、 15在旋轉(zhuǎn)路徑內(nèi)在旋轉(zhuǎn)方 向上附隨于較大切削件14，所述旋轉(zhuǎn)路徑在去除材料時對地層具有比 利用單個副切削件排(具有與主切削件排相同的切削件尺寸)通常所得更少的干擾或阻力。盡管切削件314具有1/2英寸(大約13毫米) 和5/8英寸(大約16毫米)的切削件直徑，但是切削件314可以具有 比圖示更大或更小的切削件直徑。
切削件314從與刮刀鉆頭310中每個切削件移動的旋轉(zhuǎn)路徑相關(guān) 的法線方向向后傾斜(即，具有后傾角)15度，如本領域普通技術(shù)人 員已知。可以預料的是，對于特殊應用來說，每個切削件314可以具 有與圖示15度后傾角不同的更大或更小的強力后傾角。
如圖15所示，刀翼331的切削件群351包括兩個直列式切削件組 370、 372和四個交錯式切削件組380、 382、 384、 386。在這個實施例 中，分別包括切削件7、 8和切削件48、 51的直列式切削件組370、 372提供了輔助支持并延長了主切削件7和48的壽命。同樣，交錯式 切削件組380、 382、 384、 386提高了去除地層材料的能力，同時給切 削件組的相應主切削件提供輔助支持并延長刮刀鉆頭310的壽命。
刀翼332的切削件群352包括三個直列式切削件組371、 373、 374 和三個交錯式切削件組381、 383、 385，如圖16所示。
如圖17所示，刀翼333的切削件群353包括兩個直列式切削件組 375、 376和四個交錯式切削件組387、 388、 389、 390。
在本發(fā)明的實施例中，刮刀鉆頭可以包括一個或多個切削件群以 改善鉆頭的壽命和性能。具體地，在鉆頭體的一個或多個刀翼上可以 包括多層切削件群，進一步包括以任意組合方式的一個或多個多暴露 切削件排、 一個或多個交錯式切削件組或一個或多個直列式切削件組， 但本發(fā)明不限于此。
在本發(fā)明的實施例中，多層切削件群可以包括具有不同切削件尺 寸的切削件組或切削件排，以便在輔助切削件隨主切削件運動時改進 (通過降低)刮刀鉆頭承受的阻力。在這個方面，較小的輔助切削件更 適合位于直徑較大的主切削件之后，以便在刮刀鉆頭旋轉(zhuǎn)時提供平穩(wěn) 的同心運動。在一個方面，通過將每個輔助切削件的直徑尺寸從主切 削件的切削件直徑5/8英寸(大約16毫米)減小到1/2英寸(大約13 毫米)、11毫米或3/8英寸(大約9毫米)，例如但不限于此，在主觸。在另一個方面，通過設置具有較小切削件尺寸的輔助切削件，與 輔助切削件的非切削表面接觸的地層減少，從而改善了刮刀鉆頭的
ROP。
在本發(fā)明的實施例中，輔助切削件排的切削件可以具有與主切削 件排的切削件的后傾角相比強力侵入性能更高或更低的后傾角。通常， 為了保持主切削件的耐久性，使用強力侵入性能不太大的后傾角；雖 然犧牲了切削件性能，但強力侵入性能不太大的后傾角使主切削件更 為耐用并且在承受異常能量或鉆桿跳動時很少發(fā)生碎裂。通過提供本 發(fā)明實施例中的輔助切削件，可以在輔助切削件、主切削件或兩者上 使用強力侵入性能更強的后傾角。組合的主切削件和輔助切削件提供 改進的耐久性，允許后傾角有選擇地具有強力侵入性能，以便提高切 削件的綜合性能，在鉆進時很少發(fā)生因振動產(chǎn)生的磨損或碎裂。
在本發(fā)明的實施例中，輔助切削件排的切削件可以具有與主切削 件排上的切削件的倒角相比強力侵入性能更高或更低的倒角。通常， 為了保持主切削件的耐久性，特別是在主切削件上使用強力侵入性能 更強的后傾角時，使用較長的倒角。盡管犧牲了切削件性能，但較長 倒角使主切削件更為耐用，在切削時承受異常能量的情況下不易破碎。 通過提供輔助切削件，在輔助切削件、主切削件或兩者上使用強力侵 入性能更強，即更短的倒角以提高鉆頭的切削速度。組合切削件提供 改進的耐久性，允許倒角長度具有更高或更低的強力侵入性能，以便 提高切削件的綜合性能，在鉆進時很少發(fā)生因振動導致的斷裂可能。
在本發(fā)明的實施例中，刮刀鉆頭可以包括耦合到刀翼的切削件凹 窩上的輔助切削件，所述切削件具有與切削件旋轉(zhuǎn)路徑相關(guān)的側(cè)傾角。 在一個實例中，圖18顯示了具有直列式切削件組300的刮刀鉆頭的頂 視圖，所述直列式切削件組具有兩個側(cè)傾切削件302、 303。圖18是 旋轉(zhuǎn)或螺旋路徑301的線性表示，直列式切削件組300可以沿所述路 徑定位在旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭上。直列式切削件組300包括主切削件304和 兩個側(cè)傾切削件302、 303。側(cè)傾切削件303在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于并主切削件304且小于主切削件304，并且以側(cè)傾角305定向。側(cè)傾切削 件302還沿與側(cè)傾角305相反的方向以側(cè)傾角定向，如圖所示。盡管 在直列式切削件組300上設置了兩個側(cè)傾切削件302、 303，但是可以 想到的是，可以設置一個或多個附加的側(cè)傾切削件(即，圖示兩個)。 盡管磨損平面306、 307在其磨損時可以在主切削件304上擴大，通過 使側(cè)傾切削件302、 303以側(cè)傾角定向，側(cè)傾切削件302、 303可以分 別保持較陡邊緣308、 309，改善鉆頭的ROP。同樣，當主切削件304 上的磨損平面306、 307增大時，側(cè)傾切削件302和303的較陡邊緣 308、 309可以增大切削件302、 303施加在地層上以便使地層材料破 碎并由此去除的應力。盡管切削件組300顯示為具有0度后傾角或" 傾角"，但是可以想到的是，切削件302、 303、 304還以如本領域普通 技術(shù)人員所知的后傾角定向。盡管直列式切削件組300包括側(cè)傾切削 件303，但是還可以想到的是，例如但不限于，可以在輔助切削件組、 輔助切削件組、切削件排、交錯式切削件排和交錯式切削件組中使用 側(cè)傾切削件。
在本發(fā)明的實施例中，切削結(jié)構(gòu)可以聯(lián)接到刮刀鉆頭的刀翼上， 在刀翼前部布置較大直徑的主切削件，其后面是位于大體上相同螺旋
路徑或者切削件旋轉(zhuǎn)軌跡的其它變化范圍內(nèi)的一排或多排較小直徑切 削件。在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于主切削件的較小直徑切削件可以下方暴露 至與主切削件的切削深度或磨損特性相關(guān)的不同程度，使得較小切削 件可以在特定切削深度處或者在主切削件上發(fā)生一定的磨損情況之后 與地層材料接合?？梢栽诒景l(fā)明的實施例中使用如名稱為"具有減小的 切削件暴露量的鉆頭"的美國專利號7，096，978中所述的切削深度控制 特征。
在圖19、20和21中，幾個根據(jù)本發(fā)明不同實施例的刮刀鉆頭404、 405、 406的性能與傳統(tǒng)刮刀鉆頭407、 408、 409、 410的性能相進行 了比較。具體地，圖19、 20和21均顯示了利用軟件模型預測在刮刀 鉆頭404、 405、 406、 407、 408、 409、 410壽命內(nèi)的累積切削件磨損 平面面積。有利地，應用本發(fā)明實施例的刮刀鉆頭404、 405、 406具有改進的磨損平面對ROP特性，在鉆進速度更快的情況下延長了切 削元件或切削件的壽命，與傳統(tǒng)的刮刀鉆頭407、 408、 409、 410相比， 在主切削件上磨損變少，從而改進了綜合鉆進性能。改進的鉆進性能 是指在不犧牲刮刀鉆頭耐久性的情況下更快的鉆進。在圖19、 20和 21中，參考賦予每個刮刀鉆頭404、 405、 406、 407、 408、 409、 410 的數(shù)字來識別所描繪的結(jié)果。
刮刀鉆頭404包括三個刀翼和位于每個刀翼上的三排切削件。第 一排切削件是在旋轉(zhuǎn)方向上領先于兩個交錯切削件排的主切削件排， 其中，第一交錯式切削件排的切削件以千分之二十五(0.025 )英寸 (0.635毫米)的距離在下方暴露，第二交錯式切削件排的切削件以千 分之五十(0.050)英寸(1.27亳米)的距離在下方暴露。
刮刀鉆頭405包括三個刀翼和位于每個刀翼上的三排切削件。第 一排切削件是在旋轉(zhuǎn)方向上領先于兩個直列式切削件排的主切削件 排，其中，第一直列式切削件排的切削件以千分之五十(0.050)英寸 (1.27毫米)的距離在下方暴露，第二直列式切削件排的切削件以千分 之五十(0.050)英寸(1.27毫米)的距離在下方暴露。
刮刀鉆頭406包括三個刀翼和位于每個刀翼上的三排切削件。第 一排切削件是在旋轉(zhuǎn)方向上領先于兩個直列式切削件排的主切削件 排，其中，第一直列式切削件排的切削件以千分之二十五(0.025)英 寸(0.635毫米)的距離在下方暴露，第二直列式切削件排的切削件以 千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)的距離在下方暴露。
傳統(tǒng)的刮刀鉆頭407包括六個刀翼和位于每個刀翼上的單排主切 削件。傳統(tǒng)的刮刀鉆頭408包括四個刀翼，在每個刀翼上具有主切削 件排和輔助切削件排。傳統(tǒng)的刮刀鉆頭409包括五個刀翼和位于每個 刀翼上的單排主切削件。傳統(tǒng)的刮刀鉆頭410包括三個刀翼，在每個 刀翼上具有主切削件排和輔助切削件排。
圖19是在模擬鉆進條件下，七個不同刮刀鉆頭404、 405、 406、 407、 408、 409、 410的累積金剛石磨損平面面積的圖表400。圖19 的圖表400包括豎軸和橫軸，所述豎軸表示以平方英寸(以平方毫米計，乘645.16)計的所有切削元件的總金剛石磨損平面面積，所述橫 軸表示以英尺(以米計，乘0.3048 )計的鉆進距離。圖19顯示了在鉆 頭壽命期間，磨損平面面積和磨損平面率受刮刀鉆頭404、 405、 406、 407、 408、 409、 410上的切削結(jié)構(gòu)布置方式和朝向影響的差異。例如， 在鉆進的第一個1200英尺(366米)范圍內(nèi)，磨損平面率，即，曲線 斜率對傳統(tǒng)刮刀鉆頭407、 408、 409來說，特別是在地層鉆進的初始 階段(即，第 一個1200英尺(366米))內(nèi)以較快的速率增大，而體 現(xiàn)本發(fā)明教導的刮刀鉆頭404、 405、 406和傳統(tǒng)的刮刀鉆頭410保持 較低的磨損率。當刮刀鉆頭407、 409的磨損平面率在磨損平面面積接 近有效鉆進的可用終點，即，超過如圖所示1200英尺(366米)時開 始減少時，鉆進速度在剩余的鉆頭壽命期間以顯著的速率不希望地降 低。在這個方面，在鉆進大約1200英尺(366米)之后，對于具有至 少一個輔助切削件排的刮刀鉆頭404、 405、 406、 408、 410來說，磨 損平面率開始以較大速率增加。在鉆進大約2100英尺(640米)處， 具有多輔助切削件排的刮刀鉆頭405的磨損平面率開始比只具有一個 輔助切削件排的刮刀鉆頭410的磨損平面率大，這表示鉆頭410接近 其可用壽命，它的鉆進速度顯著降低，如圖20所示。每個刮刀鉆頭 404、 405、 406、 407、 408、 409、 410的磨損平面率的變化影響希望 的ROP (如圖20所示)，因此，特別是在更快地鉆進時，鉆頭總壽 命是希望的目標。
對比圖19和圖20，可以認識到，為了在給定的鉆進距離內(nèi)保持 較快的ROP，人們希望在開始時緩慢地加快和控制磨損平面增長，在 鉆頭的剩余壽命期間以較大的速率增加。通過在具有較少刀翼的刮刀 鉆頭的每個刀翼上設置一個或多個輔助切削件排，切削件的磨損平面 率可以提高磨損和ROP方面的性能。
圖20是圖19所示模擬鉆進條件的鉆進速度的圖表401。圖20的 圖表401包括豎軸和橫軸，所述豎軸表示以英尺/小時(以米/小時計， 乘0.3048)計的鉆進速度(或ROP),所述橫軸表示以平方英寸(以 平方毫米計，乘645.16)計的磨損平面面積。具有輔助切削件的體現(xiàn)本發(fā)明教導的刮刀鉆頭404、 405、 406和具有輔助切削件的傳統(tǒng)刮刀 鉆頭408在大于0.7平方英寸(452平方亳米)的磨損平面面積上具有 改進的ROP。傳統(tǒng)的刮刀鉆頭407、 409、 410的ROP在磨損平面面 積超過大約0.7平方英寸(452平方毫米)時加速降低。然而，僅具有 一個輔助切削件排的刮刀鉆頭408在切削件在其使用壽命期間磨損時 保持較高ROP。圖19顯示出刮刀鉆頭408不能像體現(xiàn)本發(fā)明教導的 任何刮刀鉆頭404、 405、 406那樣深地鉆入地層。通過將刮刀鉆頭設 計為在切削件的使用壽命期間，即，當切削件磨損時具有較高的ROP， 刮刀鉆頭可以更快地鉆進。根據(jù)本發(fā)明教導構(gòu)造的切削件增強了鉆頭 耐久性，使得切削件不易受損，進一步提供了在鉆頭磨損時保持較高 ROP所需的切削結(jié)構(gòu)。在這個方面，附加的切削件排還提供了用于保 持較高ROP的改進的磨損平面面積控制。
圖21是在模擬結(jié)束時，即，當鉆進速度低于如圖20所示的10 英尺/小時(3.04米/小時)時，與用于圖19所示模擬鉆進條件的切削 件徑向位置相關(guān)的每個切削件的磨損平面面積的圖表402。圖21的圖 表402包括豎軸和橫軸，所述豎軸表示以平方英寸(以平方亳米計， 乘645.16)計的每個切削元件的金剛石磨損平面面積，所述橫軸表示 以英寸(以毫米計，乘25.4)計的相對于刮刀鉆頭中心的切削元件的 徑向位置。圖表402表示在模擬結(jié)束時，每個刮刀鉆頭404、 405、 406、 407、 408、 409、 410的每個切削元件或切削件的磨損狀態(tài)。人們所關(guān) 心的是，用于本發(fā)明刮刀鉆頭404、 405、 406的主切削件排在與傳統(tǒng) 的刮刀鉆頭407、 408、 409、 410相比時發(fā)生更少的切削件磨損。在這 個方面，切削件的磨損提供了每個切削件承擔的工作負荷的標志，最 終，提供了特殊刮刀鉆頭在其切削件磨損時的ROP的標志。
圖22顯示了根據(jù)本發(fā)明另 一個實施例的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭510的前視 圖。旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭510包括三個刀翼531、 532、 533，每個刀翼包括 分別由鉆頭510的中心線C/L徑向向外延伸的前部或第一切削件排
541、 542、 543和表面或第二切削件排544、 545、 546。切削件排541、
542、 543、 544、 545、 546包括多個主切削件514，其聯(lián)接到刮刀鉆頭510的刀翼531、 532、 533的切削件凹窩516中。切削件排541、 542、 543、 544、 545、 546允許主切削件514有選擇地定位在比通常為實現(xiàn) 理想切削件輪廓所需更少的刀翼上。在這個方面，第二切削件排544、 545、546在單個刀翼上提供了分成至少兩個不同切削件排的主切削件 514，從而與傳統(tǒng)刮刀鉆頭上所需相比減少了刀翼數(shù)量，在實現(xiàn)低密度 刀翼型刮刀鉆頭的較快ROP的同時，提高了高密度刀翼型刮刀鉆頭 的耐久性。同樣，三個刀翼531、 532、 533中的每個刀翼可以分別具 有位于圖示第二切削件排544、 545、 546以外的更多或更少的主切削 件排。
選擇性地，盡管刮刀鉆頭510包括三個刀翼531、 532、 533，但 是刮刀鉆頭510可以包括一個或多個主刀翼。同樣，還可以設置一個 或多個附加或輔助切削件排，其在刀翼531、 532、 533至少之一上包 括分別位于圖示第一切削件排541、 542、 543和第二切削件排544、 545、 546以外的副切削件、輔助切削件或多輔助切削件。在這個方面， 刮刀鉆頭510可以包括本發(fā)明其它實施例的方面。
切削件排541、 542、 543、 544、 545、 546中的切削件514是如圖 23所示的完全暴露的主切削件，圖23顯示了本發(fā)明第四實施例的切 削件和刀翼輪廓530。刮刀鉆頭510具有51個切削件的切削件密度和 由切削件和刀翼輪廓530表示的輪廓。切削件514編為1-51號。盡管 可以包括本發(fā)明其它實施例的方面，但是切削件1-51不會與本發(fā)明其 它實施例的帶編號的切削件發(fā)生混淆。切削件排544、 545、 546中的 切削件514定位在相鄰的旋轉(zhuǎn)路徑中并且相對于切削件排541、 542、 543中的切削件514完全暴露，允許切削件514在刮刀鉆頭上的某些 徑向位置處提供金剛石容積，以便在控制切削件磨損的同時使地層材 料去除最優(yōu)化。在這個方面，切削件l-51提供通常存在于六刀翼型刮 刀鉆頭上的切削件輪廓，然而，切削件1-51由于它們在刮刀鉆頭上具 有較少數(shù)量的刀翼，因此能夠以更快的速率去除更多的地層材料。
相對于與每個切削件移動的旋轉(zhuǎn)路徑相關(guān)的切削臺邊緣與井孔表 面接觸的切線來說，每個切削件514從每個切削件的切削臺平面的法線方向向后傾斜(即，具有后傾角)大約15到大約30度，如本領域 普通技術(shù)人員已知?？梢韵氲降氖牵瑢τ谔厥鈶脕碚f，每個切削件 514可以具有與圖示后傾角不同的強力侵入性更大或更小的后傾角。 在另一個方面，還可以想到的是，用于大體上聯(lián)接到每個刀翼表面535 上的第二切削件排544、 545、 546中的切削件514的后傾角可以具有 與第一切削件排541、 542、 543的切削件514不同的強力侵入性更大 或更小的后傾角，所述第一切削件排的切削件大體上聯(lián)接成朝向前端 面534并且在地層鉆進期間經(jīng)受更多的異常能量。在每個切削件514的切削邊緣513上包括倒角515。每個切削件 514的倒角515可以在用于強力侵入性更強的切削結(jié)構(gòu)的非常淺、幾 乎覺察不到的表面和千分之十(0.010)英寸(0.254毫米)或千分之 十六(0.016)英寸(0.406毫米)的深度，乃至用于強力侵入性較小 的更深深度之間變化，如本領域普通技術(shù)人員已知。可以想到的是， 每個倒角515可以具有用于每個切削件514的特殊徑向位置，即刮刀 鉆頭510的錐形區(qū)域560、頂冠區(qū)域562、側(cè)部區(qū)域563、肩部區(qū)域564 或保徑區(qū)域565上的切削件位置的強力侵入性更大或更小的寬度。在 另一個方面，還可以想到的是，用于大體上聯(lián)接到每個刀翼表面535 上的第二切削件排544、 545、 546中的每個切削件514的倒角可以具 有與第一切削件排541、 542、 543的每個切削件514相關(guān)的強力侵入 性更大或更小的倒角寬度，所述第一切削件排的每個切削件大體上聯(lián) 接成朝向前端面534并且在地層鉆進期間經(jīng)受更多的異常能量。利用刮刀鉆頭510在鉆進地層時獲得更快的鉆進速率或ROP。傳 統(tǒng)刮刀鉆頭在刀翼數(shù)減少和ROP增大時在切削件上經(jīng)受更多的磨損。 通過給刮刀鉆頭510設置刀翼數(shù)量與傳統(tǒng)多刀翼型鉆頭(例如，六個 刀翼)相比減少到圖示三個刀翼531、 532、 533，切削件磨損和ROP 的性能提高。較少刀翼數(shù)目允許每個刀翼531、 532、 533的刀翼表面 535加寬，提供了在每個刀翼上增加切削件密度或容量，即，在三刀 翼鉆頭上實現(xiàn)六刀翼刮刀鉆頭的等效切削件密度的空間。通過增大位 于每個刀翼531、 532、 533上，特別是在每個切削件上的工作負荷更為明顯的某些徑向位置上的主切削件514的切削件密度或熱量，切削 件514在更快的ROP下，以更緩慢的速率磨損。同樣，通過設置數(shù) 量減少的刀翼531、 532、 533，可以給每個刀翼設置更多的噴嘴以便 提供增加的流體流量，以及處理由被鉆地層材料產(chǎn)生的更多切屑。通 過增大從噴嘴到刀翼的液壓馬力以清洗切削件514 ， ROP進一 步增大。 此外，通過給刮刀鉆頭510提供較少數(shù)量的刀翼和多排主切削件，水 力清洗刮刀鉆頭510得到增強以提供增大的ROP，同時獲得傳統(tǒng)較重 刮刀鉆頭的耐久性，而不會最終降低ROP。在刮刀鉆頭510的一個方面，X刀翼型刮刀鉆頭的切削結(jié)構(gòu)放在 Y刀翼型刮刀鉆頭上，其中，Y小于X，切削結(jié)構(gòu)的切削件514均在 相鄰或部分重疊的旋轉(zhuǎn)或螺旋路徑上聯(lián)接到Y(jié)刀翼型刮刀鉆頭上。通 過在Y刀翼型刮刀鉆頭上設置X刀翼型刮刀鉆頭的切削結(jié)構(gòu)，在Y 刀翼型刮刀鉆頭上實現(xiàn)X刀翼型刮刀鉆頭的耐久性，同時實現(xiàn)Y刀翼 型刮刀鉆頭的較高鉆進速度或效率。圖24顯示了根據(jù)本發(fā)明另 一個實施例的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭610的前視 圖。旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭610包括六個刀翼631、 631'、 632、 632，、 633、 633'， 每個刀翼包括從鉆頭610的中心線C/L伸出的主切削件排或第 一切削 件排641和輔助切削件排或第二切削件排651。切削件排641、 651包 括聯(lián)接到刀翼631、 631，、 632、 632'、 633、 633，的切削件凹窩616上 的切削件614?？梢韵氲降氖?，每個刀翼631、 631'、 632、 632'、 633、 633'可以具有比圖示兩個更多或更少的切削件排641、 651。同樣，每 個切削件排641、 651可以在每個刀翼631、 631'、 632、 632，、 633、 633'具有比圖示更少或更多數(shù)量的切削件614。在本實施例中，刀翼 631、 632、 633是主刀翼，刀翼631'、 632'、 633'是副刀翼。副刀翼 631'、 632'、 633'提供用于特別是在頂冠或肩部區(qū)域662 (參見圖25) 上增添的附加切削件614的支撐，在所述頂冠或肩部區(qū)域662處，切 削件614上發(fā)生沖擊破壞的工作要求或可能性較大。當切削件614受 損或磨損時，第二切削件排651的切削件614給第一切削件排641的 相應切削件614提供輔助支持，并且還可以有選擇地布置為以第一切削件排641的切削件614的不同磨損狀態(tài)均分工作。為了提高刮刀鉆頭610的壽命，第二切削件排651的每個切削件 614可以相對于第一切削件排641的每個相應切削件614以例如但不 限于直列、偏移、下方暴露或交錯或者其組合的方式定位。在這個方 面，第二切削件排651的切削件614可以通過去除地層材料輔助和支 持第一切削件排641的切削件614，并且在第一切削件排641的主切 削件614失效時仍能提供輔助支持。在本發(fā)明的這個實施例中，第二切削件排651在每個刀翼631、 631'、 632、 632'、 633、 633'上包括具有不同的下方暴露量的切削件 614。連同術(shù)語"下方暴露的"或術(shù)語"下方暴露"一起使用的術(shù)語"不同 "是指不同的切削件可以相對于刮刀鉆頭610上的其它切削件中的任 何一個具有不同程度的下方暴露，在這個方面，切削件稱作變化地在 下方暴露。通過設置在下方暴露程度不同的切削件614，每個切削件 614可以在第一切削件排641的主切削件614的不同磨損狀態(tài)下接合 地層材料，同時提供輔助支持?，F(xiàn)在將討論刀翼631、 631'、 632、 632'、 633、 633'的第二切削件排651。圖25顯示了用于本發(fā)明第二實施例的切削件和刀翼輪廓630。刮 刀鉆頭610具有51個切削件的切削件密度和由切削件和刀翼輪廓630 表示的輪廓。刮刀鉆頭610的切削件614編為1-51號。盡管可以包括 本發(fā)明其它實施例的方面，但是切削件1-51不會與本發(fā)明其它實施例 的帶編號的切削件發(fā)生混淆。圖26-31分別顯示了用于每個刀翼631、 631'、 632、 632'、 633、 633'的特定切削件輪廓。圖26所示刀翼631包括第二切削件排651和第一切削件排641， 具有分別在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于完全暴露的主切削件17以千分之五十 (0.050)英寸(1.27毫米)的距離在下方暴露的第二切削件18，和在 旋轉(zhuǎn)方向上附隨于完全暴露的第一切削件29以千分之十五(0.015) 英寸(0.381毫米)的距離在下方暴露的第二切削件30。盡管第二切 削件排631中的第二切削件18、 30具有千分之五十(0.050 )英寸(1.27 亳米)和千分之十五(0.015)英寸(0.381毫米)的不同的下方暴露量，它們可以具有更大或更小的下方暴露量，并且還可以具有相同的下方暴露量。切削件17和18形成在下方暴露的切削件組680。同樣 地，切削件29和30也形成在下方暴露的切削件組681。第二切削件 18和30形成在下方暴露的切削件排691。如圖27所示，包括第二切削件排651和第一切削件排641在內(nèi)的 刀翼631'包括分別在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于完全暴露的主切削件15以千 分之五十(0.050)英寸(1.27亳米)的距離在下方暴露的第二切削件 16，和在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于完全暴露的第一切削件27以千分之十五 (0.015)英寸(0.381毫米)的距離在下方暴露的另一第二切削件削件 28。盡管第二切削件16、 28分別具有千分之五十(0.050)英寸(1.27 毫米)和千分之十五(0.015)英寸(0.381毫米)的下方暴露量，它 們可以具有更大或更小的下方暴露量，并且還可以具有相同的下方暴 露量。切削件15和16形成在下方暴露的切削件組682。同樣地，切 削件27和28也形成在下方暴露的切削件組683。第二切削件16和28 形成在下方暴露的切削件排692。圖28所示刀翼632包括第二切削件排651和第一切削件排641， 其包括分別在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于完全暴露的主切削件13、 25和37且 以千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)、千分之二十五(0.025)英 寸(0.635毫米)和千分之十五(0.015)英寸(0.381毫米)的距離在 下方暴露的第二切削件14、 26和38。盡管第二切削件排631中的第 二切削件14、 26、 38分別具有千分之五十(0.050 )英寸(1.27亳米)、 千分之二十五(0.025)英寸(0.635亳米)和千分之十五(0.015)英 寸(0.381亳米)的下方暴露量，它們可以具有更大或更小的下方暴露 量，并且還可以具有相同的下方暴露量。切削件13和14、 25和26、 以及37和38分別形成三個在下方暴露的切削件組684、 685、 686。 第二切削件14、 26、 38形成在下方暴露的切削件排693。如圖29所示刀翼632'的第二切削件排651包括分別在旋轉(zhuǎn)方向上 附隨于完全暴露的主切削件11、 23和35以千分之五十(0.050)英寸 (1.27亳米)、千分之十五(0.015 )英寸(0.381毫米)和千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)的距離在下方暴露的第二切削件12、 24和36，并且第二切削件12、 24和36形成在下方暴露的切削件排 694。同樣，如圖30所示，刀翼633的第二切削件排651包括分別在 旋轉(zhuǎn)方向上附隨于完全暴露的主切削件9、 21和33且以千分之五十 (0.050 )英寸(1.27毫米)、千分之二十五(0.025 )英寸(0.635毫米) 和千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)的距離在下方暴露的第二切 削件10、 22和34，并且第二切削件IO、 22和34形成在下方暴露的 切削件排695。另外，如圖31所示，刀翼633，的第二切削件排651包 括分別在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于完全暴露的主切削件19和31且以千分之 二十五(0.025 )英寸(0.635毫米)和千分之十五(0.015 )英寸(0.381 毫米)的距離在下方暴露的第二切削件20、 32，并且第二切削件20、 32形成在下方暴露的切削件排696。盡管在刮刀鉆頭610的刀翼631、 631'、 632、 632'、 633、 633'的下方暴露的切削件排691-696中布置第 二切削件614的不同方案，但是可以想到的是，可以設置具有為排641 中所示主切削件的不同磨損階段設定的用于與地層材料接合的更多或 更少下方暴露量的一個或多個第二切削件。在這個方面，第二切削件 10、 12、 14、 16和18可以在其相應的主切削件614發(fā)生大量磨損或 損壞時與地層材料接合，而第二切削件24、 28、 30和32可以在相應 的主切削件614開始磨損時(不管是否造成損壞)與地層材料接合。根據(jù)本發(fā)明的實施例，多個副切削元件可以在從刮刀鉆頭610的 中心線C/L向外徑向延伸的一個或多個輔助切削件排中具有不同的下 方暴露量，以便作為多個主切削元件磨損的結(jié)果，使切削元件與地層 材料分級接合。同樣，副切削元件可以在一個或多個輔助切削件排中 具有不同的下方暴露量，從而在主切削件失效的情況下給主切削件提 供輔助保護。在圖32、 33和34中，參考賦予每個刮刀鉆頭608和610的數(shù)字 識別所描繪的結(jié)果。圖32是在用于傳統(tǒng)刮刀鉆頭608和刮刀鉆頭610 的模擬鉆進條件期間，累積金剛石磨損平面面積的圖表600。傳統(tǒng)的 刮刀鉆頭608包括六個刀翼，其在每個刀翼上具有主切削件排和輔助切削件排，其中，輔助切削件排的下方暴露量保持不變。圖25顯示和 在上文描述了刮刀鉆頭610。圖32的圖表600包括豎軸和橫軸，所述 豎軸表示以平方英寸(以平方毫米計，乘645.16)計的所有切削元件 的總金剛石磨損平面面積，所述橫軸表示以英尺(以米計，乘0.3048) 計的鉆進距離。圖32顯示了在鉆頭壽命期間，磨損平面面積和磨損平 面率(斜率)受刮刀鉆頭608、 610上的切削結(jié)構(gòu)布置方式影響的差異。 例如，在鉆進的第一階段或1200英尺(366米)范圍內(nèi)，用于鉆頭608、 610的磨損平面率，即，曲線斜率相似。當鉆頭608、 610繼續(xù)鉆進超 過1200英尺(366米)時，普通鉆頭608的切削件以增大的速率磨損， 而結(jié)合本發(fā)明教導的新穎鉆頭610的切削件以更為緩慢的速率磨損， 因為下方暴露的輔助切削件開始與地層材料接合以有助于使每個切削 件上的負荷和磨損最優(yōu)化。刮刀鉆頭610的不同下方暴露的輔助切削 件與相當?shù)钠胀ㄣ@頭608相比可以鉆進更遠的距離。通過在刮刀鉆頭 的一個或多個刀翼上設置一個或多個下方暴露的切削件排，切削件的 磨損平面率可以提高總磨損和鉆進深度方面的性能。圖33是圖32所示模擬鉆進條件的功率(work rate)的圖表601。 圖33的圖表601包括豎軸和橫軸，所述豎軸表示以瓦特計的用于每個 切削元件的工作負荷，所述橫軸表示以英寸(以毫米計，乘25.4)計 的切削元件相對于刮刀鉆頭中心的徑向位置。圖表601顯示了在鉆進 地層材料結(jié)束時，每個切削元件上的工作負荷。有利地，因為刮刀鉆 頭610的切削件包括下方暴露量不同的第二切削件，當主切削件磨損 或損壞時，只有特定的第二切削件與地層接合。因此，刮刀鉆頭610 的第二切削件只在主切削件損壞或在主切削件上發(fā)生階段磨損時做 功。然而，普通鉆頭608的所有輔助切削件不希望地做功，而不管其 主切削件上的磨損量如何，從而導致不良性能。通過給每個輔助切削 件提供不同的下方暴露量，主切削件上的磨損可以優(yōu)化以提高每個切 削件做的功，同時延長鉆頭的可用壽命。圖34是與用于圖32所示模擬鉆進條件的切削件徑向位置相關(guān)的 每個切削件的磨損率的圖表。圖34的圖表602包括豎軸和橫軸，所述豎軸表示以平方英寸/分鐘(以平方毫米/分鐘計，乘25.4)計的每個 切削元件的金剛石磨損率，所述橫軸表示以英寸(以亳米計，乘25.4) 計的切削元件相對于刮刀鉆頭中心的徑向位置。圖表602表示在模擬 結(jié)束時，用于每個刮刀鉆頭608、 610的每個切削元件或切削件的磨損 率。人們關(guān)心的是，具有設計或階梯式切削件磨損量的不同下方暴露 量的切削件減少了主切削件上的磨損，延長或優(yōu)化了刮刀鉆頭610的 壽命，并且在主切削件失效時仍然提供輔助切削件保護。然而，不管 主切削件的磨損狀態(tài)如何，不必暴露給地層的普通鉆頭608的所有輔 助切削件與刮刀鉆頭610的切削件相比以增大的速率磨損。通過設置 下方暴露量不同的切削件，刮刀鉆頭610的磨損率(圖32中的曲線斜 率)以更為緩慢的速率增大，從而延長所有切削件的壽命，從而實現(xiàn) 更深的鉆進深度。此外，圖表602顯示了可以在設置輔助切削件的同 時延長鉆頭610的壽命，所述輔助切削件在主切削件失效或者當在選 定主切削件614上實現(xiàn)特殊磨損狀態(tài)時與地層材料接合。圖3 5是旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭710的局部頂視圖，顯示出切削件側(cè)傾角(側(cè) 傾角)、切削件位置(側(cè)面-側(cè)面)以及切削件尺寸(尺寸)的概念。 "側(cè)傾角"如上所述。'側(cè)面-側(cè)面'是同 一切削件排中的切削件之間的距 離。"尺寸"是切削件尺寸，通常以切削件表面長度或直徑表示。圖36 顯示了圖35所示旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭710的局部側(cè)視圖，顯示了此處所述后 傾角、暴露量、倒角和間距的概念。在上述實施例中，已經(jīng)研究了用于放置在旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭上的切削 件的選定切削件結(jié)構(gòu)和切削件朝向。選定切削件結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化，從而 具有以優(yōu)化切削深度和巖石去除策略為基礎的布局。這種策略能夠使 切削結(jié)構(gòu)的設計在選定的主切削件和輔助切削件之間具有最佳負荷分 配和振動緩沖。通常，輔助切削件以相等的下方暴露量在刮刀鉆頭上 定位在領先于該輔助切削件的主切削件后面設定距離處。通過實施巖 石去除策略，主切削件和副切削件的位置可以優(yōu)化以有效地平衡刮刀 鉆頭的負荷和巖石去除，從而提高性能和延長壽命?；旧希蔚躲@ 頭上的切削件排中的每個切削件的位置得以優(yōu)化，從而提供與其它切削件相關(guān)的最佳側(cè)傾角、切削件位置、切削件尺寸、后傾角、暴露量、 倒角或間距，以便使刮刀鉆頭更快地鉆進。在上述實施例中，旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭包括具有不同的后傾角和側(cè)傾角 (如此所述)，相對于主切削件定位在鉆頭上的選定位置上的輔助切削 件，以便通過限制鉆進期間的振動和異常能量來延長切削件的可用工 作壽命。在這個方面，應當理解，對于上述鉆頭而言，根據(jù)與主切削強切削件作用力的平衡效果，實現(xiàn)更平穩(wěn)的功率。因此，通過在切削 元件的輪廓內(nèi)改變輔助切削件的后傾角和側(cè)傾角，可以增強地層鉆進 期間，尤其是發(fā)生異常能量時的振動緩沖，以及在切削元件磨損時提 高切削作用。盡管已經(jīng)顯示和描述了本發(fā)明的特定實施例，但許多變形和可選 實施例對于本領域技術(shù)人員來說顯而易見。因此，本發(fā)明只受到所附 權(quán)利要求及其法律等效表述的限制。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，包括具有端面和軸線的鉆頭體；在所述端面上徑向和縱向延伸的至少一個刀翼；包括至少一個主切削件的主切削件排，所述至少一個主切削件包括從所述刀翼至少部分地伸出的切削表面，所述切削表面定位成在所述鉆頭體圍繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時橫向于切削路徑，并且構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與地層接合；包括多個輔助切削件的輔助切削件排，所述輔助切削件包括在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于所述至少一個主切削件的第一輔助切削件和與所述第一輔助切削件朝向不同的第二輔助切削件，所述第一輔助切削件和第二輔助切削件包括從所述刀翼至少部分地伸出的切削表面，并且所述第一輔助切削件和第二輔助切削件的切削表面構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與地層有條件地接合。
2. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述第二輔助切削 件具有與第一輔助切削件不同的后傾角。
3. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述第二輔助切削 件具有與第一輔助切削件不同的后傾角和側(cè)傾角。
4. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述輔助切削件排 包括相對于所述第一輔助切削件和第二輔助切削件中任一個定向的第 三輔助切削件。
5. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述第二輔助切削 件比所述第一輔助切削件在下方露出更大的程度。
6. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述第二輔助切削 件比所述第一輔助切削件在下方露出更小的程度。
7. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述第二輔助切削 件構(gòu)造為在旋轉(zhuǎn)方向上附隨另一主切削件的切削路徑。
8. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，還包括由第一在后切削件排和第二在后切削件排構(gòu)成的輔助切削件群，所述第一在后切削件排 包括第一輔助切削件，所述第二在后切削件排包括第二輔助切削件。
9. 如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述第一在后切削 件排的第一輔助切削件以與第二在后切削件排的第二輔助切削件的后 傾角不同的后傾角定向。
10. 如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述第一在后切 削件排的第一輔助切削件以與第二在后切削件排的第二輔助切削件的 后傾角和側(cè)傾角不同的后傾角和側(cè)傾角定向。
11. 如權(quán)利要求10所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述第一在后切 削件排的第一輔助切削件相對于所述至少一個主切削件的暴露部在下
12. 如權(quán)利要求IO所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述第二在后切 削件排的第二輔助切削件相對于所述第一在后切削件排的第一輔助切 削件的暴露部在下方暴露。
13. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述刀翼是包括 刀翼表面和前表面的主刀翼，所述主切削件排大體上沿著所述前表面定位。
14. 如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述第一和第二 在后切削件排的第一和第二切削件的切削表面具有比所述至少一個主 切削件的切削表面的暴露量更小的暴露量。
15. 如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述第一和第二 在后切削件排的第 一和第二切削件具有大體上相同尺寸的切削表面。
16. 如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，第一和第二在后 切削件排中的任一個在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于除與主切削件排相關(guān)的刀翼 之外的另一刀翼上的主切削件排。
17. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個主 切削件和多個輔助切削件是聚晶金剛石復合片切削件。
18. —種設計旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的方法，包括將鉆頭體構(gòu)造為具有端面、軸線、在所述端面上徑向和縱向延伸的至少 一個刀翼和多個主切削件，所述多個主切削件中的每個主切削 件包括從所述刀翼至少部分地伸出的切削表面，該切削表面定位成在 所述鉆頭體圍繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時橫向于切削路徑，并且構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與地層接合；將第一輔助切削件構(gòu)造為在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于所述多個主切削件 的主切削件，所述第一輔助切削件包括第一側(cè)傾角、第一后傾角和從 所述刀翼至少部分地伸出的切削表面，并且所述第 一輔助切削件的切 削表面構(gòu)造為在沿著所述切削路徑運動時與地層有條件地接合；和將第二輔助切削件構(gòu)造為在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于所述多個主切削件的另 一主切削件，所述第二輔助切削件包括與第 一側(cè)傾角不同的第二 側(cè)傾角、與第一后傾角不同的第二后傾角和從所述刀翼至少部分地伸 出的切削表面，并且所述第二輔助切削件的切削表面構(gòu)造為在沿著所 述切削路徑運動時與地層有條件地接合。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述第二輔助切削件構(gòu)造 為從與主切削件相關(guān)的另一刀翼伸出。
20. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中，還包括將所述第二輔助切 削件構(gòu)造為比所述第一輔助切削件在下方露出更小的程度。
全文摘要
旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭包括主切削件排(141)，所述主切削件排包括至少一個主切削件和相對于彼此構(gòu)造的至少兩個附加的切削件(19，20，21)。在一個實施例中，切削件是位于相應的第一和第二在后切削件排(153)中，相對于彼此定向并且定位成大體上附隨于所述至少一個主切削件的切削件群的輔助切削件。旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的壽命因輔助切削件群而延長，使得鉆頭更為耐用并且延長了切削件的壽命。在其它實施例中，切削件構(gòu)造為有選擇地與被鉆地下地層材料接合，提供改善的鉆頭壽命，減少作用在切削件上的應力。旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的其它實施例包括具有不同的后傾角和側(cè)傾角的輔助切削件結(jié)構(gòu)，包括其方法。
文檔編號E21B10/43GK101622422SQ200880006207
公開日2010年1月6日 申請日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月25日
發(fā)明者D·加維亞, E·E·麥克萊恩, J·E·霍伊恩斯, L·E·斯內(nèi)爾, M·L·多斯特, M·R·伊莎貝爾 申請人:貝克休斯公司