專(zhuān)利名稱：旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明在若干個(gè)實(shí)施例中通常涉及用于鉆鑿地下地層的旋轉(zhuǎn)刮刀 鉆頭(drag bit),更特別地，涉及具有構(gòu)造為提高切削件壽命和性能 的多個(gè)選定切割切削件結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，包括其方法。
背景技術(shù)：
數(shù)十年來(lái)，人們使用旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭對(duì)地層進(jìn)行鉆進(jìn)，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(jìn)速 度(ROP )。在過(guò)去的幾十年里，利用聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)切削元件或 切削件提高了旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的性能，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(tái)。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(tái)形成為使所述臺(tái)的邊緣與輔助的碳化鵠基底共 面或者所述臺(tái)可以懸桂或略微底切，在所述臺(tái)的后緣處形成"唇部"， 以便在切削件進(jìn)入被鉆地層時(shí)提高其切削效率和延長(zhǎng)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(jìn)具有低到中等壓縮強(qiáng)度的地下地層時(shí)可以有效地實(shí)現(xiàn)ROP。 PDC切削件給鉆頭設(shè)計(jì)師提供了各種改進(jìn)的切削件分布和朝 向，頂冠結(jié)構(gòu)，噴嘴布置以及其它設(shè)計(jì)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(lái)說(shuō)不可能實(shí)現(xiàn)。盡管PDC切削元 件在鉆進(jìn)許多地下地層時(shí)提高了鉆頭效率，但是，PDC切削元件在操 作暴露于某些鉆進(jìn)工況時(shí)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(duì)金剛石結(jié)合)具有優(yōu)于 PDC切削件的熱性能。與堅(jiān)硬和磨蝕性巖石鉆進(jìn)應(yīng)用相關(guān)的高摩擦熱 使切削邊緣溫度超過(guò)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(gè)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(lèi)型相比在鉆進(jìn)期間 提供了更高的ROP并具有更少的磨損，但仍然希望進(jìn)一步延長(zhǎng)旋轉(zhuǎn) 刮刀鉆頭的壽命以及延長(zhǎng)切削件壽命，不管所用切削件類(lèi)型如何。工 業(yè)領(lǐng)域的研究人員很早就認(rèn)識(shí)到，當(dāng)切削元件磨損，即在鉆進(jìn)期間磨 損平面產(chǎn)生并形成在與地下地層接觸的每個(gè)切削元件上時(shí)，鉆進(jìn)速度 (或ROP)降低。特別是當(dāng)其它鉆進(jìn)參數(shù)保持不變時(shí)，鉆進(jìn)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(jìn)參數(shù)包括但不限于地 層類(lèi)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(jìn)溫度和鉆柱RPM，例如但不限于此，并且還包括地 層鉆進(jìn)領(lǐng)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(duì)切削件性 能的 一般性改進(jìn)，但他們未能找到或?qū)崿F(xiàn)通過(guò)利用切削元件磨損率保 持或增大ROP來(lái)實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)刮刀鉆頭壽命的工程方法。在這個(gè)方面， 盡管ROP在很多情況下是識(shí)別鉆頭性能的關(guān)鍵屬性，但是人們希望 在延長(zhǎng)或改進(jìn)刮刀鉆頭壽命方面釆用或利用切削元件磨損性質(zhì)。延長(zhǎng)鉆頭壽命的一種方法是使用所謂的"輔助"切削件，從而特別是當(dāng)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(shí)，延 長(zhǎng)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)方向上附隨主切削件，以便在主切 削件失效或者磨損超過(guò)相當(dāng)大的程度時(shí)與地層接合。已經(jīng)證明，使用 輔助切削件是用于延長(zhǎng)鉆頭壽命的適當(dāng)方法，同時(shí)在無(wú)需設(shè)計(jì)具有附 加刀翼以設(shè)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(huì)降低ROP或者可能由于減少在鉆頭端面上的有效流體流動(dòng)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(dòng)。通常，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，刮刀鉆頭在刀翼數(shù)增 大時(shí)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(shí)，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(huì)不希望地導(dǎo)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(shí)提高ROP并且不會(huì)犧牲鉆頭水力特性和地層巖 屑去除。人們還希望通過(guò)進(jìn)一步減少通常所需刀翼的數(shù)量提供具有改 進(jìn)、限制較少的流動(dòng)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(jìn)行量化，并且還可以看作在鉆進(jìn)同時(shí)長(zhǎng)時(shí) 間保持每個(gè)切削件鋒利度的能力。在這種意義上講，每個(gè)切削件的"鋒利度"包括改善金剛石臺(tái)的磨損，包括減少因點(diǎn)載荷、異常能量或鉆 柱跳動(dòng)引起的對(duì)金剛石臺(tái)的碎裂或損壞。因此，人們希望改進(jìn)或延長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的壽命和性能，而不管 被鉆地下地層的類(lèi)型如何。人們還希望通過(guò)使切削件有利地定向和定 位在鉆頭體上來(lái)延長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的壽命。發(fā)明內(nèi)容旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的實(shí)施例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多個(gè)刀翼和至少一個(gè)分開(kāi)式切削件組。分開(kāi)式 切削件組的每個(gè)切削件包括從刮刀鉆頭的刀翼表面至少部分地伸出或 暴露超過(guò)該刀翼表面的切削表面。分開(kāi)式切削件組的所有切削件可以相對(duì)于鉆頭中心軸線定位在大體上相同的徑向距離處，并且可以沿著 鉆頭的中心軸線定位在大體上相同的高度處或者能夠使它們?cè)阢@頭體 圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)大體上橫向于共用切削路徑的位置處。分開(kāi)式切削 件組包括位于第一刀翼上的第一主切削件和位于不同的第二刀翼上的 相應(yīng)的第二主切削件。第一和第二主切削件之一稱作所謂的"切割切削件"(kerfing cutter),其大體上附隨于另 一主切削件的切削路徑， 從刮刀鉆頭鉆入的地層中去除附加材料。分開(kāi)式切削件組還包括至少 一個(gè)輔助切削件，所述輔助切削件旋轉(zhuǎn)或螺旋定位在第 一主切削件或 第二主切削件的后面，以便跟從與定位在其前面的主切削件大體上相 同的切削路徑。在一些實(shí)施例中，可以給分開(kāi)式切削件組的每個(gè)主切 削件設(shè)置一個(gè)或多個(gè)輔助切削件。這種分開(kāi)式切削件組能夠更快地鉆 進(jìn)，同時(shí)減小切削件上的應(yīng)力。在這個(gè)方面，鉆頭切削件的壽命得以 延長(zhǎng)，鉆頭與相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)刮刀鉆頭相比更為耐用，從而延長(zhǎng)了旋轉(zhuǎn)刮 刀鉆頭的壽命。旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的各種實(shí)施例可以有利地包括具有下列主切削件結(jié) 構(gòu)的分開(kāi)式切削件組位于第一刀翼上的主切削件和位于第二在后刀 翼上的分開(kāi)式切削件，其中，所述第二在后刀翼可以鄰近第一刀翼定 位，由另一刀翼與第一刀翼(至少沿刮刀鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向)隔開(kāi)，與 第一刀翼相對(duì)(即，例如以大約180度"相對(duì)")；或者位于第一刀翼 上的分開(kāi)式切削件和位于笫二在后刀翼上的主切削件，其中，第二刀 翼鄰近第一刀翼定位，由另一刀翼與第一刀翼(至少沿刮刀鉆頭的旋 轉(zhuǎn)方向)隔開(kāi)，或者與第一刀翼相對(duì)(即，例如以大約180度"相對(duì)，，); 或者位于不同的第一和第二刀翼上的一對(duì)主切削件，其中，第二刀翼緊緊落后于第一刀翼，落后于位于第一刀翼之后的插入刀翼，或者與 第一刀翼相對(duì)地定位。本發(fā)明還提供了構(gòu)造旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的方法和使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施 例的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的方法。在結(jié)合附圖和所附權(quán)利要求書(shū)閱讀本發(fā)明的各種實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō) 明的情況下，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特征將變得顯而易見(jiàn)。


圖l顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)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(shí)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(cuò)式切削件組的頂視圖。 圖4B顯示了交錯(cuò)式切削件組的平面圖。圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)不同刮刀鉆頭的模擬鉆進(jìn)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(jìn)條件的鉆進(jìn)速度的圖表。圖21是在模擬結(jié)束時(shí)，與用于圖19所示模擬鉆進(jìn)條件的切削件徑向位置相關(guān)的每個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)不同刮刀鉆頭的模擬鉆進(jìn)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(jìn)條件的功率的圖表。
圖34是在模擬結(jié)束時(shí)，與用于圖32所示模擬鉆進(jìn)條件的切削件
徑向位置相關(guān)的每個(gè)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。圖37顯示了根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的前視圖。圖38顯示了用于本發(fā)明第六實(shí)施例的切削件和刀翼輪廓。
具體實(shí)施例方式
在將要描述的本發(fā)明實(shí)施例中，提供了可以比常規(guī)設(shè)計(jì)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(gè)方面，不管被鉆地下地層材料如何，都可以使每個(gè)刮刀鉆頭的壽命延長(zhǎng)，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(guò)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(guò)銅焊粘結(jié)到凹窩116上，但是也可以使用對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的其它連接方法。通常使用參考數(shù)字114表示每個(gè)切削件。切削件114聯(lián)接到刮刀鉆頭110上的相應(yīng)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(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
本實(shí)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(lèi)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(jī)加工成最終形狀。本發(fā)明不限于實(shí)現(xiàn)其任何實(shí)施例的鉆頭體類(lèi)型。
流體通路120位于刀翼131、 132、 133之間并且通過(guò)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(qiáng)和控制鉆井流體的流動(dòng)。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(lǐng)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)將地層切屑從切削件114上沖走，所述鉆井流體通常通過(guò)流體通道120徑向向外流動(dòng)并隨后穿過(guò)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(jìn)期間從鉆頭端面112上沖走地層巖屑的同時(shí)還冷卻切削件114。
本實(shí)施例中的每個(gè)切削件114為PDC切削件。然而，可以認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的實(shí)施例可以使用任何其它適用類(lèi)型的切削元件。為了在本發(fā)明的不同實(shí)施例中清楚起見(jiàn)，切削件顯示為單個(gè)結(jié)構(gòu)以便更好地描述和介紹本發(fā)明。然而，可以認(rèn)識(shí)到，切削件114可以包括材料層。在這方面，本實(shí)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(tái)，如前所述。當(dāng)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(shí)，PDC切削件114通過(guò)剪切作用從地下地層中去除材料。當(dāng)切削件144切削和粉碎地層時(shí)，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(gè)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111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(zhǎng)的距離。盡管鉆頭110的圖示實(shí)施例包括三個(gè)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(gè)流體通路120和排屑槽126隔開(kāi)的兩個(gè)刀翼。
當(dāng)鉆井流體從水眼122流出時(shí)，它在鉆進(jìn)期間通過(guò)流體通路120大體上輸送至排屑槽126并且流動(dòng)到每個(gè)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(shí)施例中的刮刀鉆頭110包括三個(gè)主刀翼131、 132、 133，但是不包括本領(lǐng)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(guò)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(gè)方面，副刀翼或從刀翼界定在與至少一個(gè)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(shè)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，提供了較的清洗作用。有選擇地，在需要或希望實(shí)現(xiàn)刮刀鉆頭的特定鉆進(jìn)特性時(shí)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的刮刀鉆頭110可以包括一個(gè)或多個(gè)副刀翼或從刀翼。
根據(jù)如圖1所示的本發(fā)明的第一實(shí)施例，旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭110包括三個(gè)刀翼131、 132、 133，三個(gè)主切削件排141、 142、 143和三個(gè)輔助切削件群151、 152、 153。盡管包括三個(gè)輔助切削件群151、 152、153,應(yīng)當(dāng)想到，刮刀鉆頭110可以在刀翼之一上包括一個(gè)輔助切削件群或者在每個(gè)刀翼上包括多于或少于圖示數(shù)量的多個(gè)輔助切削件群。另外，可以想到，刮刀鉆頭110可以具有比所示三個(gè)更多或更少的刀翼。每個(gè)輔助切削件群151、 152、 153可以具有一個(gè)或多個(gè)輔助切削件組。例如但不限于，輔助切削件群152包括三個(gè)輔助切削件組152'、152"、 152"'?，F(xiàn)在對(duì)輔助切削件群152的輔助切削件組152，、 152"、152"進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
每個(gè)主切削件排141、 142、 143分別布置在每個(gè)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(gè)刀翼131、 132、 133上的每個(gè)主切削件排141、 142、 143。盡管在這個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)刀翼包括在旋轉(zhuǎn)方向上領(lǐng)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(shè)置在位于鉆頭體111的至少一個(gè)刀翼上的主切削件排之后的輔助切削件群。另外，刮刀鉆頭110可以具有有選擇地設(shè)置在鉆頭體lll的多個(gè)刀翼上的輔助切削件群。
每個(gè)輔助切削件群151 、 152和153可以具有一個(gè)或多個(gè)輔助切削件組。例如但不限于，輔助切削件群152包括三個(gè)多輔助切削件組152'、 152"、 152"'。盡管位于同一刀翼132上并在旋轉(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(gè)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(gè)輔助切削件群中包括一個(gè)輔助切削件組或者大于或小于圖示三個(gè)的多個(gè)輔助切削件組。下面將更詳細(xì)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。包括輔助切削件組152'、 152"、 152'，在內(nèi)的輔助切削件群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包括定位聯(lián)接到刀翼131、 132、 133上的一個(gè)或多個(gè)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1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(gè)或多個(gè)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(gè)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(lǐng)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(lǐng)先于第三在后切削件排156。盡管本實(shí)施例的每個(gè)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(gè)刀翼131、 132、 133的表面135上的有效面積的限制。在這個(gè)方面，輔助切削件組152，包括分別來(lái)自三個(gè)在后切削件排154、 155、 156的三個(gè)切削件20、 21、 57。盡管輔助切削件組152，包括三個(gè)切削件20、 21、 57,但是可以想到，每個(gè)輔助切削件組可以包括來(lái)自多個(gè)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(shí)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(guò)其有用性時(shí)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(lèi)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(位于距中心線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110提供增大的鉆進(jìn)速
度和增強(qiáng)的耐久性。根據(jù)切削件分類(lèi)，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(kāi)，從而在與特殊地下地
層的材料接合時(shí)增強(qiáng)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毫米)的距離在下面露出。
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(shí)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或者是第一在后切削件排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(lèi)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(duì)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(shí)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(lèi)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)的距離在下面露出。
有選擇地，在下面將要描述的本發(fā)明實(shí)施例中，每個(gè)切削件12、20、 29、 38、 47、 21、 30、 39、 57、 58、 59可以相對(duì)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(gè)其它切削件12、 20、 29、 38、 47、 21、 30、 39、 57、 58、 59無(wú)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(shí)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(shí)，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(gè)切削件尺寸可以大于或小于圖示尺寸。同樣，盡管每個(gè)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(gè)切削件排的切削件尺寸可以大于或小于其它切削件排的切削件尺寸。
在本發(fā)明的實(shí)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(gè)或多個(gè)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(gè)方面， 一個(gè)或多個(gè)附加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n切削件排。 一個(gè)或多個(gè)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(gè)包括位于同一刀翼上的一個(gè)或多個(gè)切削元件或切削件。所述一個(gè)或多個(gè)附加輔助切削件排的每一 個(gè)切削件可以與在旋轉(zhuǎn)方向上領(lǐng)先于它的切削件排列或大體上排列在同心旋轉(zhuǎn)路徑中。選擇性地，每個(gè)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(shí)施例中，附加切削件排的 一 個(gè)或多個(gè)切削件相對(duì)于刮刀鉆頭刀翼上的在先切削件排的一個(gè)或多個(gè)切削件都具有特定暴露量。例如，每個(gè)切削件排的一個(gè)或多個(gè)切削件的暴露量相對(duì)于在先切削件排的一個(gè)或多個(gè)切削件的暴露量在數(shù)值上逐漸減小。在這個(gè)方面，切削件排的一個(gè)或多個(gè)切削件中的每一個(gè)可以相對(duì)于在旋轉(zhuǎn)方向上的在先切削件排的切削件在下方逐漸露出。選擇性地，每個(gè)在后切削件排的一個(gè)或多個(gè)切削件與在其前面的切削件排的一個(gè)或多個(gè)切削件相比具有更大或更小的下方暴露量。通過(guò)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(shè)計(jì)成在主切削件的磨損平面面積增大時(shí)與地層材料形成接觸。在這個(gè)方面，輔助切削件排的切削件設(shè)計(jì)成在主切削件磨損時(shí)與地層接合，從而延長(zhǎng)刮刀鉆頭的壽命。通
常，特別是在切削件磨損很少時(shí)，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(fù)荷。當(dāng)刮刀鉆頭的主切削件承受動(dòng)態(tài)異常能量或者當(dāng)切削件磨損時(shí)，輔助切削件排中的輔助切削件開(kāi)始與地層接合并且開(kāi)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(shí)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(gè)切削件與緊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(qiáng)的耐久性和延長(zhǎng)的壽命。另外，當(dāng)主切削件失效或承受不希望的高異常能量時(shí)，輔助切削件206、 208均給主切削件204提供輔助支持。同樣，輔助切削件206和208在主切削件204磨損時(shí)給其提供冗余的輔助支持。在這個(gè)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(duì)于基準(zhǔn)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(gè)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(shí)，基準(zhǔn)線203還表示在輔助切削件206、 208逐漸接合以承擔(dān)大量工作負(fù)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(shí)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(gè)輔助切削件。盡管表面205、 207、 209包括其各自的暴露量，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(duì)于主切削件204的旋轉(zhuǎn)路徑徑向?qū)?zhǔn)，但是任一輔助切削件可以相對(duì)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(shí)施例，圖4A顯示了略微交錯(cuò)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(cuò)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(gè)切削件在給定的旋轉(zhuǎn)路徑中相對(duì)于其它切削件214徑向交錯(cuò)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(qiáng)的耐久性和延長(zhǎng)的壽命。另外，當(dāng)主切削件失效或承受不希望的高異常能量時(shí)，輔助切削件226、 228均給主切削件224提供輔助支持。另外，輔助切削件226和228在主切削件224磨損時(shí)給其提供冗余的輔助支持。在這個(gè)方面，輔助切削件226、 228是輔助切削件組。
圖4B顯示了交錯(cuò)式切削件組220的平面圖。交錯(cuò)式切削件組220使主切削件224和輔助切削件226、 228分別相對(duì)于基準(zhǔn)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(gè)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(shí)，基準(zhǔn)線223還表示在輔助切削件226、 228開(kāi)始充分均分來(lái)自主切削件224的工作負(fù)荷之前主切削件224上所需的磨損量。有利地，對(duì)于交錯(cuò)式切削件組220來(lái)說(shuō)，當(dāng)主切削件224磨損時(shí)，交錯(cuò)式切削件組220提供了圍繞主切削件224的徑向路徑交錯(cuò)布置的兩個(gè)更為鋒利的切削件226、 228,比直列式切削件具有更強(qiáng)力的切削。交錯(cuò)式切削件組220可用于本發(fā)明的任何實(shí)施例。另外，交錯(cuò)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(gè)輔助切削、 229包括其各自的暴露量，交錯(cuò)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(shí)施例，切削件組可以包括多個(gè)切削件214，其具有與其它切削件214徑向交錯(cuò)或偏離的至少 一個(gè)切削件和與在先切削件在旋轉(zhuǎn)方向上成直列關(guān)系的至少一個(gè)切削件。
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)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(gè)刀翼231、 231'、 232、 232'、 233、 233'，每個(gè)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包括聯(lián)接到刀翼231 、231'、 232、 232'、 233、 233'的切削件凹窩216上的切削件214。可以想到，每個(gè)刀翼231、 231'、 232、 232'、 233、 233，可以具有比圖示兩個(gè)更多或更少的切削件排241、 251。同樣，每個(gè)切削件排241、 251可以具有比每個(gè)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(shí)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(jiàn)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(dāng)切削件214受損或磨損時(shí)，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(yīng)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(gè)切削件214可以相對(duì)于第一切削件排241的每個(gè)相應(yīng)切削件214以例如但不限于直列、偏移、下方暴露或交錯(cuò)或者其組合的方式定位。在這個(gè)方面，在第一切削件排251的切削件214失效時(shí)，第二切削件排251的切削件214可以通過(guò)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(gè)實(shí)施例中，第二切削件排251在每個(gè)刀翼231、 231，、 232、 232，、 233、 233，上包括以直列、偏移、交錯(cuò)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(shí)施例的切削件和刀翼輪廓230。刮刀鉆頭210具有51個(gè)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(hào)。盡管可以包括本發(fā)明其它實(shí)施例的方面，但是切削件1-51不會(huì)與本發(fā)明其它實(shí)施例的帶編號(hào)的切削件發(fā)生混淆。圖7-12分別顯示了用于每個(gè)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。第一切削件排241包括主切削件17和29。第二切削件排251包括輔助切削件18和30。切削件18相對(duì)于主切削件17交錯(cuò)布置并且在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于該主切削件17，而切削件30相對(duì)于主切削件29交錯(cuò)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(cuò)式切削件組280。同樣地，切削件29和30也形成交錯(cuò)式切削件組281。交錯(cuò)的切削件18和30形成交錯(cuò)式切削件排291。盡管交錯(cuò)切削件18、 30相對(duì)于其相應(yīng)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(duì)于主切削件15交錯(cuò)布置并且在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于該主切削件15，而切削件28相對(duì)于主切削件27交錯(cuò)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(cuò)式切削件組281。同樣地，切削件27和28也形成交錯(cuò)式切削件組281。交錯(cuò)的切削件16和28形成交錯(cuò)式切削件排292。盡管交錯(cuò)切削件16、 28相對(duì)于其相應(yīng)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與主切削件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(duì)于主切削件13交錯(cuò)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(duì)于主切削件37交錯(cuò)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(duì)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(gè)交錯(cuò)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(cuò)式切削件14、 38相對(duì)于其相應(yīng)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與主切削件13、25和37相同或相等的下方暴露量。
類(lèi)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(cuò)式切削件排294的交錯(cuò)式切削件12、 36和直列式切削件24。另外，如圖11所示，刀翼233的第二切削件排251包括形成交錯(cuò)式切削件排295的交錯(cuò)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(cuò)式切削件排296的交錯(cuò)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(cuò)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(gè)或多個(gè)交錯(cuò)切削件可以設(shè)置有或沒(méi)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(shí)施例，多個(gè)交錯(cuò)切削件可以具有相等的下方暴露量或者可以相對(duì)于其相應(yīng)的主切削件一致地交錯(cuò)布置。在這個(gè)方面，交錯(cuò)切削件可以相對(duì)于其相應(yīng)的主切削件具有大體上相同的下方暴露量或偏移(即，交錯(cuò))量，如其它交錯(cuò)切削件的每個(gè)下方暴露和交錯(cuò)量一樣。同樣，可以想到， 一個(gè)或多個(gè)交錯(cuò)切削件排可以設(shè)置在圖示第二切削件排251以外， 一個(gè)或多個(gè)交錯(cuò)切削件排可以包括非均勻分布的交錯(cuò)切削件，所述交錯(cuò)切削件相對(duì)于同 一切削件排內(nèi)的其它交錯(cuò)切削件具有不同的下方暴露量。進(jìn)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(cuò)式切削件排內(nèi)非線性分布的下方暴露量，切削件214相對(duì)于從刮刀鉆頭210的中心線C/L徑向向外延伸的交錯(cuò)式切削件排分布。圖13顯示了旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭310的另一實(shí)施例的前視圖。旋轉(zhuǎn)刮刀 鉆頭310包括三個(gè)主刀翼331、 332、 333，每個(gè)主刀翼包括分別從鉆 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(gè)或多 個(gè)附加的輔助切削件排可以設(shè)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(gè)刀翼331、 332和333 上。每個(gè)切削件排341、 342、 343、 344、 345、 346、 347、 348、 349 包括多個(gè)切削件314，每個(gè)切削件314聯(lián)接到刀翼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(gè)切削件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(hào)。盡管切削件1-54可以包括本 發(fā)明其它實(shí)施例的方面，但是它們不會(huì)與本發(fā)明其它實(shí)施例的帶編號(hào) 的切削件發(fā)生混淆。切削件排344、 345、 346中的切削件314相對(duì)于 在旋轉(zhuǎn)方向上領(lǐng)先的切削件排341、 342、 343中的切削件以千分之二 十五(0.025)英寸(0.635亳米)的距離在下方露出。切削件排347、 348、349中的切削件314相對(duì)于在旋轉(zhuǎn)方向上在先切削件排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(gè)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(duì)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亳米)的距離在下方露出，但是可以想到，每 個(gè)切削件排可以以比所示更少、相等或更多的量在下方暴露。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的多層式切削件群353。盡管每個(gè)多層式 切削件群351、 352、 353包括具有切削件的切削件排，其中的切削件 相對(duì)于每個(gè)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，其中的所述切削件 具有相對(duì)于其在先排的切削件而言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(gè)刀翼331、 332、 333的特殊切削件 輪廓。對(duì)于刀翼331來(lái)說(shuō)，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l、 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尺寸的切削件。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(guò)在切削件314的壽命內(nèi)與地層形成改進(jìn)的接觸接合給刮刀 鉆頭310提供了提高的耐久性和延長(zhǎng)的壽命。切削件群351通過(guò)在第 二和第三切削件排344、345中設(shè)置較小切削件314在切削地層時(shí)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(gè)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(shí)對(duì)地層具有 比利用單個(gè)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(gè)切削件移動(dòng)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(lǐng)域普通技術(shù)人 員已知?？梢灶A(yù)料的是，對(duì)于特殊應(yīng)用來(lái)說(shuō)，每個(gè)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(qiáng)力后傾角。
如圖15所示，刀翼331的切削件群351包括兩個(gè)直列式切削件組 370、 372和四個(gè)交錯(cuò)式切削件組380、 382、 384、 386。在這個(gè)實(shí)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(zhǎng)了主切削件7和48的壽命。同樣，交錯(cuò)式切削件組380、 382、 384、 386提高了去除地層材料的能力，同時(shí)給切 削件組的相應(yīng)主切削件提供輔助支持并延長(zhǎng)刮刀鉆頭310的壽命。
刀翼332的切削件群352包括三個(gè)直列式切削件組371、 373、 374 和三個(gè)交錯(cuò)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(gè)直列式切削件組 375、 376和四個(gè)交錯(cuò)式切削件組387、 388、 389、 390。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，刮刀鉆頭可以包括一個(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)刀翼上可以 包括多層式切削件群，進(jìn)一步包括以任意組合方式的一個(gè)或多個(gè)多暴 露量切削件排、 一個(gè)或多個(gè)交錯(cuò)式切削件組或一個(gè)或多個(gè)直列式切削 件組，但本發(fā)明不限于此。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，多層式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(yùn)動(dòng)時(shí)改 進(jìn)(通過(guò)降低)刮刀鉆頭承受的阻力。在這個(gè)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(shí)提供 平穩(wěn)的同心運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)方面，通過(guò)將每個(gè)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 主切削件形成的旋轉(zhuǎn)路徑上去除地層材料時(shí)很少存在與地層的干涉接 觸。在另一個(gè)方面，通過(guò)設(shè)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)力侵入性能不太大的后傾角，雖 然犧牲了切削件性能，但強(qiáng)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(dòng)時(shí)很少發(fā)生碎裂。通過(guò)提供本 發(fā)明實(shí)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(qiáng)力侵入性能更強(qiáng)的后傾角。組合的主切削件和輔助切削件提供改進(jìn)的耐久性，允許后傾角有選擇地具有強(qiáng)力侵入性能，以便提高切 削件的綜合性能，在鉆進(jìn)時(shí)很少發(fā)生因振動(dòng)產(chǎn)生的磨損或碎裂。
在本發(fā)明的實(shí)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(qiáng)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(qiáng)力侵入性能 更強(qiáng)的后傾角時(shí)，使用較長(zhǎng)的倒角。盡管犧牲了切削件性能，但較長(zhǎng) 倒角使主切削件更為耐用，在鉆進(jìn)時(shí)承受異常能量的情況下不易破碎。 通過(guò)提供輔助切削件，在輔助切削件、主切削件或兩者上使用強(qiáng)力侵 入性能更強(qiáng)，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(jìn)的耐久性，允許倒角長(zhǎng)度具有更高或更低的強(qiáng)力侵入性能，以便 提高切削件的綜合性能，在鉆進(jìn)時(shí)很少發(fā)生因振動(dòng)導(dǎo)致的斷裂可能。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，刮刀鉆頭可以包括聯(lián)接到刀翼的切削件凹 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(gè)實(shí)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(gè)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(gè)側(cè)傾切削件302、 303。側(cè)傾切削件303在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于主切 削件304并且小于主切削件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(shè)置了兩個(gè)側(cè)傾切削件302、 303，但是可以 想到的是，可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)附加的側(cè)傾切削件(即，圖示兩個(gè))。 盡管磨損平面306、 307在其磨損時(shí)可以在主切削件304上擴(kuò)大，通過(guò) 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。另外，當(dāng)主切削件304 上的磨損平面306、 307增大時(shí)，側(cè)傾切削件302和303的較陵邊緣 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(yīng)力。盡管切削件組300顯示為具有O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(lǐng)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(cuò)式切削件排和交錯(cuò)式切削件組中使用側(cè) 傾切削件。
在本發(fā)明的實(shí)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(shí)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(guó)專(zhuān)利號(hào)7，096，978中所述的切削深度控 制特征。
在圖19、20和21中，幾個(gè)根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)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的性能進(jìn)4亍了 比較。具體地，圖19、 20和21均顯示了利用軟件模型預(yù)測(cè)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(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例的刮刀鉆頭404、 405、 406具有 改進(jìn)的磨損平面對(duì)ROP特性，在鉆進(jìn)速度更快的情況下延長(zhǎng)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(jìn)了綜合鉆進(jìn)性能。改進(jìn)的鉆進(jìn)性能 是指在不犧牲刮刀鉆頭耐久性的情況下更快的鉆進(jìn)。在圖19、 20和 21中，參考賦予每個(gè)刮刀鉆頭404、 405、 406、 407、 408、 409、 410 的數(shù)字來(lái)識(shí)別所描繪的結(jié)果。
刮刀鉆頭404包括三個(gè)刀翼和位于每個(gè)刀翼上的三排切削件。第 一排切削件是在旋轉(zhuǎn)方向上領(lǐng)先于兩個(gè)交錯(cuò)切削件排的主切削件排， 其中，第一交錯(cuò)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(cuò)式切削件排的切削件以千 分之五十(0.050)英寸(大約1.27毫米)的距離在下方暴露。刮刀鉆頭405包括三個(gè)刀翼和位于每個(gè)刀翼上的三排切削件。第 一排切削件是在旋轉(zhuǎn)方向上領(lǐng)先于兩個(gè)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亳米)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(gè)刀翼和位于每個(gè)刀翼上的三排切削件。第 一排切削件是在旋轉(zhuǎn)方向上領(lǐng)先于兩個(gè)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(gè)刀翼和位于每個(gè)刀翼上的單排主切 削件。傳統(tǒng)的刮刀鉆頭408包括四個(gè)刀翼，在每個(gè)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(gè)刀翼和位于每個(gè) 刀翼上的單排主切削件。傳統(tǒng)的刮刀鉆頭410包括三個(gè)刀翼，在每個(gè) 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(jìn)條件下，七個(gè)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(jì)，乘645.16)計(jì)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(jì)，乘0.3048 )計(jì)的鉆進(jìn)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(jìn)的第一個(gè)1200英尺(366米)范圍內(nèi)，磨損平面率，即，曲線 斜率對(duì)傳統(tǒng)刮刀鉆頭407、 408、 409來(lái)說(shuō)，特別是在地層鉆進(jìn)的初始 階段(即，第一個(gè)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(dǎo)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(dāng)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(jìn)的可用終點(diǎn)，即，超過(guò)如圖所示1200英尺(366米)時(shí)開(kāi) 始減少時(shí)，鉆進(jìn)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(gè)方面，在鉆進(jìn)大約1200英尺(366米)之后，對(duì)于具有至 少一個(gè)輔助切削件排的刮刀鉆頭404、 405、 406、 408、 410來(lái)說(shuō)，磨 損平面率開(kāi)始以較大速率增加。在鉆進(jìn)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(kāi)始比只具有一個(gè) 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(jìn)速度顯著降低，如圖20所示。每個(gè)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(jìn)時(shí)，鉆頭總壽命 是希望的目標(biāo)。
對(duì)比圖19和圖20，可以認(rèn)識(shí)到，為了在給定的鉆進(jìn)距離內(nèi)保持 較快的ROP,人們希望在開(kāi)始時(shí)緩慢地加快和控制磨損平面增長(zhǎng)，在 鉆頭的剩余壽命期間以較大的速率增加。通過(guò)在具有較少刀翼的刮刀 鉆頭的每個(gè)刀翼上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)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(jìn)條件的鉆進(jìn)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(shí)(以米/小時(shí)計(jì)， 乘0.3048)計(jì)的鉆進(jìn)速度(或ROP)，所述橫軸表示以平方英寸(以 平方毫米計(jì)，乘645.16)計(jì)的磨損平面面積。均具有輔助切削件的體 現(xiàn)本發(fā)明教導(dǎo)的刮刀鉆頭404、 405、 406和傳統(tǒng)的刮刀鉆頭408在大 于0.7平方英寸(452平方毫米)的磨損平面面積上具有改進(jìn)的ROP。 傳統(tǒng)的刮刀鉆頭407、 409、 410的ROP在磨損平面面積超過(guò)大約0.7 平方英寸(452平方毫米)時(shí)加速降低。然而，盡管僅具有一個(gè)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(shí)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(dǎo)的任何刮刀 鉆頭404、 405、 406那樣深地鉆入地層。通過(guò)將刮刀鉆頭i殳計(jì)為在切 削件的使用壽命期間，即，當(dāng)切削件磨損時(shí)具有較高的ROP，刮刀鉆 頭可以更快地鉆進(jìn)。根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)構(gòu)造的切削件增強(qiáng)了鉆頭耐久性， 使得切削件不易受損，進(jìn)一步提供了在鉆頭磨損時(shí)保持較高ROP所 需的切削結(jié)構(gòu)。在這個(gè)方面，附加的切削件排還提供了用于保持較高ROP的改進(jìn)的磨損平面面積控制。
圖21是在模擬結(jié)束時(shí)，即，當(dāng)鉆進(jìn)速度低于如圖20所示的10 英尺/小時(shí)(3.04米/小時(shí))時(shí)，與用于圖19所示模擬鉆進(jìn)條件的切削 件徑向位置相關(guān)的每個(gè)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(以平方毫米計(jì)， 乘645.16)計(jì)的每個(gè)切削元件的金剛石磨損平面面積，所述橫軸表示 以英寸(以亳米計(jì)，乘25.4)計(jì)的相對(duì)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(shí)，每個(gè)刮刀鉆頭404、 405、 406、 407、 408、 409、 410的每個(gè)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(shí)發(fā)生更少的切削件磨損。在這 個(gè)方面，切削件的磨損提供了每個(gè)切削件承擔(dān)的工作負(fù)荷的標(biāo)志，最 終，提供了特殊刮刀鉆頭在其切削件磨損時(shí)的ROP的標(biāo)志。
圖22顯示了根據(jù)本發(fā)明的另 一實(shí)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(gè)刀翼531、 532、 533,每個(gè)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切削件排或第 一切 削件排541、 542、 543和表面切削件排或第二切削件排544、 545、 546。 切削件排541、 542、 543、 544、 545、 546包括多個(gè)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(shí)現(xiàn)理想切削件輪廓所需更少的刀翼上。在這個(gè)方面， 第二切削件排544、 545、 546在單個(gè)刀翼上提供了分成至少兩個(gè)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(shí)現(xiàn)低密度刀翼型刮刀鉆頭的較快ROP的同時(shí)，提高了 高密度刀翼型刮刀鉆頭的耐久性。同樣，三個(gè)刀翼531、 532、 533中 的每個(gè)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(gè)刀翼531、 532、 533,但 是刮刀鉆頭510可以包括一個(gè)或多個(gè)主刀翼。同樣，還可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)附加切削件排或輔助切削件排，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(gè)方面，刮刀鉆頭510可以包括本發(fā)明其它實(shí)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(shí)施例的切 削件和刀翼輪廓530。刮刀鉆頭510具有51個(gè)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(hào)。盡管 可以包括本發(fā)明其它實(shí)施例的方面，但是切削件1-51不會(huì)與本發(fā)明其 它實(shí)施例的帶編號(hào)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(duì)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(shí)使地層材 料去除最優(yōu)化。在這個(gè)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由于它們布置在具有較少 數(shù)量的刀翼的刮刀鉆頭上，因此能夠以更快的速率去除更多的地層材 料。
相對(duì)于與每個(gè)切削件移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)路徑相關(guān)的切削臺(tái)邊緣與井孔表 面接觸的切線來(lái)說(shuō)，每個(gè)切削件514從每個(gè)切削件的切削臺(tái)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(lǐng)域 普通技術(shù)人員已知?？梢韵氲降氖牵瑢?duì)于特殊應(yīng)用來(lái)說(shuō)，每個(gè)切削件 514可以具有與圖示后傾角不同的強(qiáng)力侵入性更大或更小的后傾角。 在另一個(gè)方面，還可以想到的是，用于大體上聯(lián)接到每個(gè)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(qiáng)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)接成朝向前表 面534并且在地層鉆進(jìn)期間經(jīng)受更多的異常能量。
在每個(gè)切削件514的切削邊緣513上包括倒角515。每個(gè)切削件 514的倒角515可以在用于強(qiáng)力侵入性更強(qiáng)的切削結(jié)構(gòu)的非常淺、幾乎覺(jué)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(qiáng)力侵入性較小 的更深深度之間變化，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知?？梢韵氲降氖牵?每個(gè)倒角515可以具有用于每個(gè)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(qiáng)力侵入性更大或更小的寬度。在 另一個(gè)方面，還可以想到的是，用于大體上聯(lián)接到每個(gè)刀翼表面535 上的第二切削件排544、 545、 546中的每個(gè)切削件514的倒角可以具 有與第一切削件排541、 542、 543的每個(gè)切削件514不同的強(qiáng)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(gè)切削件大體上聯(lián) 接成朝向前表面534并且在地層鉆進(jìn)期間經(jīng)受更多的異常能量。
利用刮刀鉆頭510在鉆進(jìn)地層時(shí)獲得更快的鉆進(jìn)速率或ROP。傳 統(tǒng)刮刀鉆頭在刀翼數(shù)減少和ROP增大時(shí)在切削件上經(jīng)受更多的磨損。 通過(guò)給刮刀鉆頭510設(shè)置刀翼數(shù)量與傳統(tǒng)多刀翼型鉆頭(例如，六個(gè) 刀翼)相比減少到圖示三個(gè)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(gè)刀翼531、 532、 533的刀翼表面 535加寬，提供了在每個(gè)刀翼上增加切削件密度或體積，即，在三刀 翼鉆頭上實(shí)現(xiàn)六刀翼刮刀鉆頭的等效切削件密度的空間。通過(guò)增大位 于每個(gè)刀翼531、 532、 533上，特別是在每個(gè)切削件上的工作負(fù)荷更 為明顯的某些徑向位置上的主切削件514的切削件密度或體積，切削 件514在更快的ROP下，以更緩慢的速率磨損。同樣，通過(guò)設(shè)置數(shù) 量減少的刀翼531、 532、 533，可以給每個(gè)刀翼設(shè)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(guò)增大從噴嘴到刀翼的液壓馬力以清洗切削件514， ROP進(jìn)一步增大。 此外，通過(guò)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(qiáng)以提供增大的ROP，同時(shí)獲得傳統(tǒng)較重 刮刀鉆頭的耐久性，而不會(huì)最終降低ROP。
在刮刀鉆頭510的一個(gè)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(guò)在Y刀翼型刮刀鉆頭上設(shè)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(shí)現(xiàn)X刀翼型刮刀鉆頭的耐久性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)Y刀翼 型刮刀鉆頭的較高鉆進(jìn)速度或效率。
圖24顯示了根據(jù)本發(fā)明另 一個(gè)實(shí)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(gè)刀翼631、 631'、 632、 632'、 633、 633，， 每個(gè)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(gè)刀翼631、 6M'、 632、 632'、 633、 633'可以具有比圖示兩個(gè)更多或更少的切削件排641、 651。同樣，每 個(gè)切削件排641、 651可以在每個(gè)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(shí)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(jiàn)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(dāng)切削件614受 損或磨損時(shí)，第二切削件排651的切削件614給第一切削件排641的 相應(yīng)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(gè)切削件 614可以相對(duì)于第一切削件排641的每個(gè)相應(yīng)切削件614以例如但不 限于直列、偏移、下方暴露或交錯(cuò)或者其組合的方式定位。在這個(gè)方 面，第二切削件排651的切削件614可以通過(guò)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(shí)仍能提供輔助支持。
在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，第二切削件排651在每個(gè)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(yǔ)"下方暴露的"或術(shù)語(yǔ)"下方暴露" 一起使用的術(shù)語(yǔ)"不同"是指不同的切削件可以相對(duì)于刮刀鉆頭610上的其它切削件中的 任何一個(gè)具有不同程度的下方暴露，在這個(gè)方面，切削件稱作變化的 下方暴露。通過(guò)設(shè)置下方暴露程度不同的切削件614，每個(gè)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(shí)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(shí)施例的切削件和刀翼輪廓630。刮 刀鉆頭610具有51個(gè)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(hào)。盡管可以包括 本發(fā)明其它實(shí)施例的方面，但是切削件1-51不會(huì)與本發(fā)明其它實(shí)施例 的帶編號(hào)的切削件發(fā)生混淆。圖26-31分別顯示了用于每個(gè)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亳米)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毫米)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亳米)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(gè)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毫米)、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)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以千分之五十(0.050 )英寸(1.27 亳米)、千分之二十五(0.025 )英寸(0.635毫米)和千分之五十(0.050 ) 英寸(1.27亳米)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)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(shè)置具有為排641中所示主切削件的不同磨損階段 設(shè)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(gè)或多個(gè)第 二切削件。在這個(gè)方面，第二切削件IO、 12、 14、 16和18可以在其 相應(yīng)的主切削件614發(fā)生顯著磨損或損壞時(shí)與地層材料接合，而第二 切削件24、 28、 30和32可以在相應(yīng)的主切削件614開(kāi)始磨損時(shí)(不 管是否造成損壞)與地層材料接合。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，多個(gè)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(gè)或多個(gè)輔助切削件排中具有不同的下 方暴露量，以便作為多個(gè)主切削元件磨損的結(jié)果，使切削元件與地層 材料分級(jí)接合。同樣，副切削元件可以在一個(gè)或多個(gè)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(hù)。
在圖32、 33和34中，參考賦予每個(gè)刮刀鉆頭608和610的數(shù)字 識(shí)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(jìn)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(gè)刀翼，其在每個(gè)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(jì)，乘645.16)計(jì)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(jì)，乘0.3048) 計(jì)的鉆進(jìn)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(jìn)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(dāng)鉆頭608、 610繼續(xù)鉆進(jìn)超 過(guò)1200英尺(366米)時(shí)，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(dǎo)的新穎鉆頭610的切削件以更為緩慢的速率磨損，因?yàn)檩o助切削件的下方暴露開(kāi)始與地層材料接合以有助于使每個(gè)切削
件上的負(fù)荷和磨損最優(yōu)化。刮刀鉆頭610的可變下方暴露的輔助切削 件與相當(dāng)?shù)钠胀ㄣ@頭608相比可以鉆進(jìn)更遠(yuǎn)的距離。通過(guò)在刮刀鉆頭 的一個(gè)或多個(gè)刀翼上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)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(jìn)深度方面的性能。
圖33是圖32所示模擬鉆進(jìn)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(jì)的用于每個(gè) 切削元件的工作負(fù)荷，所述橫軸表示以英寸(以毫米計(jì)，乘25.4)計(jì) 的相對(duì)于刮刀鉆頭中心的切削元件的徑向位置。圖表601顯示了在鉆 進(jìn)地層材料結(jié)束時(shí)，每個(gè)切削元件上的工作負(fù)荷。有利地，因?yàn)楣蔚?鉆頭610的切削件包括下方暴露程度不同的第二切削件，當(dāng)主切削件 磨損或損壞時(shí)，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(shí) 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(dǎo)致不良性能。通過(guò)給每個(gè)輔助切 削件提供變化的下方暴露量，主切削件上的磨損可以優(yōu)化以提高每個(gè) 切削件做的功，同時(shí)延長(zhǎng)鉆頭的可用壽命。
圖34是與用于圖32所示模擬鉆進(jìn)條件的切削件徑向位置相關(guān)的 每個(gè)切削件的磨損率的圖表602。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(jì)，乘25.4)計(jì)的 每個(gè)切削元件的金剛石磨損率，所述橫軸表示以英寸(以毫米計(jì)，乘 25.4)計(jì)的相對(duì)于刮刀鉆頭中心的切削元件的徑向位置。圖表602表 示在模擬結(jié)束時(shí)，用于每個(gè)刮刀鉆頭608、 610的每個(gè)切削元件或切削 件的磨損率。人們關(guān)心的是，具有設(shè)計(jì)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(zhǎng)或優(yōu)化了刮刀鉆 頭610的壽命，并且在主切削件失效時(shí)仍然提供輔助切削件保護(hù)。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(guò)設(shè)置下方暴露量可變的切削件，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(zhǎng)所有切削件的壽命，
從而實(shí)現(xiàn)更深的鉆進(jìn)深度。此外，圖表602顯示了可以在設(shè)置輔助切 削件的同時(shí)延長(zhǎng)鉆頭610的壽命，所述輔助切削件在主切削件失效或 者當(dāng)在選定主切削件614上實(shí)現(xiàn)特殊磨損狀態(tài)時(shí)與地層材料接合。
圖35顯示了旋轉(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(zhǎng)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。
圖37顯示了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭810的前視 圖，所述旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭包括分開(kāi)式切削件組。在分開(kāi)式切削件組中， 由不同刀翼831、 831'、 832、 832'、 833、 833'支承的兩個(gè)主切削件814 (例如，兩個(gè)無(wú)切口主切削件，主切削件和切割切削件等)可以定位在 與鉆頭810的中心線C/L相關(guān)的相同徑向距離處并且定位在鉆頭810 的大體上相同的高度處和/或可以附隨大體上相同的徑向或螺旋切削 路徑。分開(kāi)式切削件組的至少一個(gè)主切削件814可以在旋轉(zhuǎn)方向上或 螺旋方向上領(lǐng)先于輔助切削件，所述輔助切削件附隨與其相應(yīng)的、在 先主切削件大體上相同的切削路徑。每個(gè)輔助切削件可以定位在與其 相應(yīng)的主切削件和/或切割切削件相同的刀翼上，或者定位在與其相應(yīng) 的主切削件和/或切割切削件不同的刀翼上。
旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭810的所示實(shí)施例包括六個(gè)刀翼831、 831'、 832、 832'、 833、 833'，每個(gè)刀翼裝有切削件814。在該實(shí)施例中，鉆頭810 的刀翼831、 832、 833是主刀翼，刀翼831'、 832'、 833'是副刀翼。 副刀翼831'、 832'、 833，特別是在鉆頭810的頂冠區(qū)域提供用于附加 切削件814的支撐，在所述頂冠區(qū)域處，切削件814上發(fā)生沖擊破壞 的工作要求或可能性較大。盡管鉆頭810描述為包括六個(gè)刀翼，包括 少于或多于六個(gè)刀翼的刮刀鉆頭的類(lèi)似實(shí)施例也落入本發(fā)明的范圍之 內(nèi)。應(yīng)當(dāng)注意，鉆頭810的每個(gè)刀翼831、 831'、 832、 832，、 833、 833' 安裝有切削件814，其聯(lián)接到刀翼831、 831'、 832、 832，、 833、 833' 的切削件凹窩816上。切削件814可以成排布置在刀翼831、831，、832、 832'、 833、 833'上。更具體地，圖示鉆頭810的每個(gè)刀翼831、 831，、
832、 832'、 833、 833，具有沿著通常從鉆頭810的中心線C/L朝向鉆 頭810的保徑部分延伸的路徑布置的主切削件排或笫一切削件排841 和輔助或第二切削件排851?？梢韵氲剑總€(gè)刀翼831、 831，、 832、 832'、 833、 833'可以具有比圖示兩個(gè)更多或更少的切削件排841、 851。 同樣，每個(gè)切削件排841、 851可以具有比每個(gè)刀翼831、 831'、 832、 832'、 833、 833'上所示更多或更少數(shù)量的切削件814。當(dāng)切削件814 受損或磨損時(shí)，第二切削件排851的切削件814提供用于第一切削件 排841的相應(yīng)切削件814的輔助支持。
圖37顯示了鉆頭810的一部分切削件814布置在分開(kāi)式切削件組 820上的方式。鉆頭810可以包括比所示更少或更多的分開(kāi)式切削件 組820。在所示實(shí)施例中，每個(gè)分開(kāi)式切削件組820包括由兩個(gè)切削 件814組成的至少兩個(gè)子組，其中， 一個(gè)子組包括來(lái)自一個(gè)刀翼831、 831'、 832、 832'、 833、 833'的每個(gè)第一切削件排841和第二切削件排 851的一個(gè)刀翼814，另一個(gè)子組包括來(lái)自不同的刀翼831、831，、 832、 832'、 833、 833'的每個(gè)第一切削件排841和第二切削件排851的一個(gè) 切削件814。在所示實(shí)施例中，第二子組的切削件814位于在旋轉(zhuǎn)方 向上附隨于安裝切削件814的第一子組的刀翼831、 831'、 832、 832，、
833、 833'的刮刀鉆頭810的刀翼831、 831，、 832、 832'、 833、 833， 上。
在分開(kāi)式切削件組820的每個(gè)子組821、 822中，第二切削件排 851的切削件814在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于相鄰第一切削件排841的相應(yīng) 切削件814。切削件814的這個(gè)子組822連通位于不同刀翼831、 831'、 832、 832'、 833、 833'上但大體上附隨相同切削路徑的切削件814的另 一子組821形成分開(kāi)式切削件組820，其通過(guò)構(gòu)造為輔助和主切削件 的切削件814在提高刮刀鉆頭810壽命的同時(shí)改進(jìn)了地層去除率。還可以認(rèn)識(shí)到，為了進(jìn)一步延長(zhǎng)刮刀鉆頭810的壽命，每個(gè)切削件排841 、 851的每個(gè)切削件814相對(duì)于分開(kāi)式切削件組820的相應(yīng)切削件814 中的每一個(gè)以例如但不限于直列式、偏移、下方暴露或交錯(cuò)、或者其 組合的方式定位。在這個(gè)方面，第二切削件排851的切削件814可以 通過(guò)去除地層材料輔助和支持第一切削件排841的切削件814，并且 在第一切削件排841的主切削件814失效時(shí)仍能提供輔助支持。
在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，分開(kāi)式切削件組820包括在刮刀鉆頭 810旋轉(zhuǎn)時(shí)大體上沿著切削路徑在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于另 一切削件子組 822的切削件子組821。切削件子組821包括帶編號(hào)的切削件25和26， 其中，切削件26相對(duì)于刀翼833'上的第一切削件排841中的切削件 25以直列式和下方暴露的方式定位在第二切削件排851中，并且在旋 轉(zhuǎn)方向上附隨于切削件子組822的帶編號(hào)切削件23和24。帶編號(hào)的 切削件23和24具有與切削件子組821的切削件25和26大體上相同 的結(jié)構(gòu)。任一切削件子組822、 821可以具有比所示帶編號(hào)的切削件 24和26的數(shù)量更少或更多的用于執(zhí)行輔助支持的切削件814?？蛇x擇 地，分開(kāi)式切削件組820可以包括至少兩個(gè)主切削件814，每個(gè)主切 削件位于鉆頭810的不同刀翼上并且構(gòu)造為在鉆頭810圍繞其軸線旋 轉(zhuǎn)時(shí)大體上附隨相同的切削路徑，例如，刀翼833上的帶編號(hào)切削件 23和刀翼833，上的帶編號(hào)切削件25?，F(xiàn)在參考圖38討論多個(gè)分開(kāi)式 切削件組820。
圖38顯示了用于鉆頭810的切削件和刀翼輪廓830。鉆頭810具 有五十三(53)個(gè)切削件的切削件密度以及如切削件和刀翼輪廓830 表示的輪廓。切削件814編為1-53號(hào)。盡管切削件1-53可以包含本 發(fā)明刮刀鉆頭的其它實(shí)施例方面的方式定位，但是它們不應(yīng)當(dāng)與本發(fā) 明刮刀鉆頭的其它實(shí)施例的帶編號(hào)切削件發(fā)生混淆。盡管沒(méi)有顯示用 于每個(gè)刀翼831、 831，、 832、 832'、 833、 833'的特殊切削件輪廓，但 是，每個(gè)刀翼831、 831'、 832、 832'、 833、 833'上的切削件位置可以 參考每個(gè)帶編號(hào)切削件標(biāo)號(hào)所帶的下標(biāo)1、 2、 3、 4、 5和6進(jìn)行區(qū)分。
切削件輪廓830顯示了刮刀鉆頭810構(gòu)造有十個(gè)分開(kāi)式切削件組820。例如，如上所述， 一個(gè)分開(kāi)式切削件組820包括主切削件235和 254和輔助切削件245和264。在本實(shí)施例中，分開(kāi)式切削件組820構(gòu) 造為在后分開(kāi)式切削件組，包括位于刀翼833，上并且在旋轉(zhuǎn)方向上附 隨于刀翼833上的輔助切削件組822的輔助切削件組821。在鉆頭810 的這個(gè)實(shí)施例中，其它分開(kāi)式切削件組820也是在后分開(kāi)式切削件組。 例如，刀翼831和831'上的切削件39p 4(h、 416、 426形成在后分開(kāi) 式切削件組。在后分開(kāi)式切削件組的另 一 實(shí)例包括構(gòu)造為刀翼832上 的主切削件和刀翼833'上的切削件442、 452的切削件433,這些切削 件在刮刀鉆頭810圍繞其軸線C/L旋轉(zhuǎn)時(shí)均附隨大體上相同的旋轉(zhuǎn)路 徑。切削件433和442構(gòu)造為主切削件，切削件452構(gòu)造為副切削件或 輔助切削件。
在本發(fā)明的其它方面，如上所述的分開(kāi)式切削件組820認(rèn)為是"在 后切割和輔助切削件組"，即， 一個(gè)主切削件附隨于刮刀鉆頭810的不 同刀翼上的另一主切削件以在鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)行切割作用，其中，主切削件 的至少一個(gè)包括位于其相應(yīng)刀翼上的在后輔助切削件，如上所述?？?以認(rèn)識(shí)到，兩個(gè)主切削件可以具有根據(jù)本發(fā)明如上所述的其它實(shí)施例 的一個(gè)或多個(gè)輔助切削件。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，例如但不限于，分開(kāi)式切削件組可以包括 構(gòu)造為"相對(duì)的切割和輔助切削件組"、"在后切割和在先輔助切削件 組"、"相對(duì)的切割和在先輔助切削件組"、"在后切割和在后輔助切削 件組"和"相對(duì)的切割和在后輔助切削件組"的切削件814。
"相對(duì)的切割和輔助切削件組"的實(shí)例包括一個(gè)主切削件和位于刮 刀鉆頭的不同、相對(duì)刀翼上的另一主切削件，其中，至少一個(gè)主切削 件在旋轉(zhuǎn)方向上領(lǐng)先于與相應(yīng)主切削件相同的刀翼上安裝的輔助切削 件。術(shù)語(yǔ)"相對(duì)的"通常理解為包括構(gòu)造成相對(duì)于另一切削件或刀翼 在旋轉(zhuǎn)方向上附隨或領(lǐng)先大約180度的切削件或刀翼。同樣，可以認(rèn) 識(shí)到，兩個(gè)主切削件可以具有根據(jù)本發(fā)明如上所述其它實(shí)施例的一個(gè) 或多個(gè)在后輔助切削件。"相對(duì)的切割和輔助切削件組"的一個(gè)實(shí)例可 以示意性地包括(使用具有六個(gè)，順序編號(hào)的刀翼l、 2、 3、 4、 5和6和如圖38所示的切削件和刀翼輪廓的帶編號(hào)切削件)位于刀翼5上 的主切削件23和位于刀翼2上的相對(duì)的主切削件25，所述刀翼5具 有位于刀翼5上的輔助切削件24，所述刀翼2具有位于刀翼2上的輔 助切削件26。
"在后切割和在先輔助切削件組"的實(shí)例包括一個(gè)主切削件，所述 主切削件附隨于刮刀鉆頭的不同刀翼上的另一主切削件，其中，至少 一個(gè)在先輔助切削件沿著與相應(yīng)主切削件大體上相同的旋轉(zhuǎn)路徑移 動(dòng)，并且定位在領(lǐng)先于主切削件的相應(yīng)刀翼的刀翼上。同樣，可以認(rèn) 識(shí)到，兩個(gè)主切削件可以具有根據(jù)本發(fā)明如上所述其它實(shí)施例的一個(gè) 或多個(gè)在先輔助切削件。"在后切割和在先輔助切削件組"的一個(gè)實(shí)例 可以示意性地包括(使用具有六個(gè)，順序編號(hào)的刀翼1、 2、 3、 4、 5 和6和如圖38所示的切削件和刀翼輪廓的帶編號(hào)切削件)位于刀翼5 上的主切削件23和位于刀翼4上的在后主切削件25，所述刀翼5具 有位于刀翼1上的輔助切削件24，所述刀翼4具有位于刀翼6上的輔 助切削件26。
"相對(duì)的切割和在先輔助切削件組"的實(shí)例包括與位于刮刀鉆頭的 不同刀翼上的另一主切削件相對(duì)的一個(gè)主切削件，其中，至少一個(gè)主 切削件在旋轉(zhuǎn)方向上或螺旋方向上領(lǐng)先于刀翼上的輔助切削件，所述
刀翼領(lǐng)先于安裝主切削件的刀翼。同樣，可以認(rèn)識(shí)到，每個(gè)輔助切削 件可以包含根據(jù)如上所述刮刀鉆頭的其它實(shí)施例的教導(dǎo)。"相對(duì)的切割 和在先輔助切削件組"的一個(gè)實(shí)例可以示意性地包括(使用具有六個(gè)， 順序編號(hào)的刀翼l、 2、 3、 4、 5和6和如圖38所示的切削件和刀翼輪 廓的帶編號(hào)切削件)位于刀翼5上的主切削件23和位于刀翼2上的相 對(duì)的主切削件25，所述刀翼5具有位于刀翼6上的輔助切削件24，所 述刀翼2具有位于刀翼3上的輔助切削件26。
"在后切割和在后輔助切削件組"的實(shí)例包括附隨于刮刀鉆頭的不 同刀翼上的另一主切削件的一個(gè)主切削件，其中，至少一個(gè)主切削件 包括安裝在同一刀翼上的在后輔助切削件。同樣，可以認(rèn)識(shí)到，兩個(gè) 主切削件可以具有根據(jù)本發(fā)明如上所述其它實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)在先或在后輔助切削件。"在后切割和在后輔助切削件組"的一個(gè)實(shí)例可以
示意性地包括(使用具有六個(gè)，順序編號(hào)的刀翼l、 2、 3、 4、 5和6 和如圖38所示的切削件和刀翼輪廓的帶編號(hào)切削件)位于刀翼5上的 主切削件23和位于刀翼4上的在后主切削件25，所述刀翼5具有位 于刀翼3上的輔助切削件24,所述刀翼4具有位于刀翼2上的輔助切 削件26。
"相對(duì)的切割和在后輔助切削件組"的實(shí)例包括與位于刮刀鉆頭的 不同刀翼上的另一主切削件相對(duì)的一個(gè)主切削件，其中，至少一個(gè)主 切削件包括位于附隨于主切削件的相應(yīng)刀翼的刀翼上的在后輔助切削 件。同樣，可以認(rèn)識(shí)到，兩個(gè)主切削件可以具有根據(jù)本發(fā)明如上所述 其它實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)在先或在后輔助切削件。"相對(duì)的切割和在后 輔助切削件組"的一個(gè)實(shí)例可以示意性地包括(使用具有六個(gè)，順序 編號(hào)的刀翼l、 2、 3、 4、 5和6和如圖38所示的切削件和刀翼輪廓的 帶編號(hào)切削件)位于刀翼5上的主切削件23和位于刀翼2上的相對(duì)的 主切削件25，所述刀翼5具有位于刀翼4上的輔助切削件24，所述刀 翼2具有位于刀翼1上的輔助切削件26。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，分開(kāi)式切削件組可以包括相對(duì)于分開(kāi)式切 削件組的其它切削件一致構(gòu)造的切削件。在這個(gè)方面，例如但不限于， 切削件可以具有相同的傾角、下方暴露量和尺寸。同時(shí)，可以想到， 分開(kāi)式切削件組的一個(gè)或多個(gè)切削件可以具有非一致構(gòu)造或定位的切 削件。此外，分開(kāi)式切削件組的切削件可以包括彼此成直列關(guān)系、彼 此交錯(cuò)和暴露量不同的切削件，如參考本發(fā)明其它實(shí)施例所述。
在上述實(shí)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(chǔ)的布局。這種策略能夠使 切削結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在選定的主切削件和輔助切削件之間具有最佳負(fù)荷分 配和振動(dòng)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(lǐng)先于該輔助切削件的主切削件后面設(shè)定距離處。通過(guò)實(shí)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(fù)荷和巖石去除，從而提高性能和延長(zhǎng)壽命?；旧希蔚躲@ 頭上的切削件排中的每個(gè)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，以便于刮刀鉆頭的優(yōu)化而更快地鉆進(jìn)。
在上述實(shí)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(duì)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(guò)限制鉆進(jìn)期間的振動(dòng)和異常能量來(lái)延長(zhǎng)切削件的可用工 作壽命。在這個(gè)方面，應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于上述鉆頭而言，根據(jù)主切削件
^用力的平衡效果，實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的功率。因此，'通過(guò):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(qiáng)地層鉆進(jìn)期間，尤 其是發(fā)生異常能量時(shí)的振動(dòng)緩沖，以及在切削元件磨損時(shí)提高切削作 用。
在上述實(shí)施例中，已經(jīng)研究了選擇用于放置在旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭上的 輔助切削件。特別地，像主切削件或與其相關(guān)的副切削件一樣，選擇 放置在旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的同一刀翼上的輔助切削件?？梢哉J(rèn)識(shí)到，輔助 切削件可以(有選擇地)放置在與主切削件或與其相關(guān)的副切削件不 同的刀翼上。在這個(gè)方面，主切削件或副切削件可以放置在一個(gè)刀翼 上，輔助切削件可以放置在另一個(gè)刀翼上。
盡管已經(jīng)顯示和描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但許多變形和可選 實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)。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向外延伸的多個(gè)刀翼；和包括多個(gè)切削件在內(nèi)的至少一個(gè)分開(kāi)式切削件組，所述多個(gè)切削件中的至少兩個(gè)切削件位于所述多個(gè)刀翼的不同刀翼上并且定位成在所述鉆頭體圍繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)大體上橫向于共用切削路徑，所述多個(gè)切削件中的每個(gè)切削件包括從所述多個(gè)刀翼中的一個(gè)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(yùn)動(dòng)時(shí)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，所述多個(gè)刀翼包括 至少一個(gè)主刀翼和至少一個(gè)副刀翼。
3. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個(gè)分開(kāi) 式切削件組包括下列至少之一相對(duì)的切割和輔助切削件組；在后切 割和在先輔助切削件組；相對(duì)的切割和在先輔助切削件組；在后切割 和在后輔助切削件組；以及相對(duì)的切割和在后輔助切削件組。
4. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個(gè)分開(kāi) 式切削件組構(gòu)造為所述至少兩個(gè)切削件中的至少 一個(gè)切削件在旋轉(zhuǎn) 方向上附隨于該至少兩個(gè)切削件中的另一個(gè)切削件。
5. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個(gè)分開(kāi) 式切削件組構(gòu)造為所述至少兩個(gè)切削件中的至少 一個(gè)切削件與該至 少兩個(gè)切削件中的另 一個(gè)切削件在旋轉(zhuǎn)方向上相對(duì)。
6. 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個(gè)分開(kāi) 式切削件組的多個(gè)切削件是主切削件，并且分開(kāi)式切削件組還包括至 少一個(gè)輔助切削件，所述輔助切削件包括從所述多個(gè)刀翼之一至少部 分地伸出的切削表面，所述輔助切削件定位成在所述鉆頭體圍繞所述 軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)橫向于所述共同切削路徑，并且構(gòu)造為在沿著所述切削路 徑運(yùn)動(dòng)時(shí)與地層有選擇地接合。
7. 如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個(gè)輔助 切削件包括多個(gè)輔助切削件，所述多個(gè)輔助切削件中的至少 一個(gè)輔助 切削件構(gòu)造為在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于相應(yīng)的主切削件，所述多個(gè)輔助切 削件的至少另一個(gè)輔助切削件構(gòu)造為在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于另一個(gè)相應(yīng) 的主切削件。
8. 如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個(gè)輔助 切削件包括多個(gè)輔助切削件，所述多個(gè)輔助切削件中的至少一個(gè)輔助 切削件構(gòu)造為與相應(yīng)的主切削件在旋轉(zhuǎn)方向上相對(duì)，所述多個(gè)輔助切 削件的至少另一個(gè)輔助切削件構(gòu)造為與另一個(gè)相應(yīng)的主切削件在旋轉(zhuǎn) 方向上相對(duì)。
9. 如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個(gè)輔助 切削件包括多個(gè)輔助切削件，所述多個(gè)輔助切削件中的至少一個(gè)輔助 切削件構(gòu)造為在旋轉(zhuǎn)方向上領(lǐng)先于相應(yīng)的主切削件，所述多個(gè)輔助切 削件中的至少另一個(gè)輔助切削件構(gòu)造為在旋轉(zhuǎn)方向上領(lǐng)先于另一個(gè)相 應(yīng)的主切削件。
10. 如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個(gè)輔 助切削件從所述多個(gè)刀翼之一 至少部分地伸出，所述多個(gè)刀翼之一在 旋轉(zhuǎn)方向上附隨、相對(duì)或領(lǐng)先于所述多個(gè)刀翼中的另一個(gè)，所述另一 個(gè)刀翼包括所述分開(kāi)式切削件組的至少 一個(gè)主切削件。
11. 如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個(gè)輔 助切削件相對(duì)于分開(kāi)式切削件組中的任一主切削件在下方暴露。
12. 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(gè)分 開(kāi)式切削件組包括多個(gè)主切削件和多個(gè)輔助切削件，所述多個(gè)輔助切 削件中的至少一個(gè)輔助切削件構(gòu)造為在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于笫一相應(yīng)的 主切削件，所述多個(gè)輔助切削件中的至少另 一個(gè)輔助切削件構(gòu)造為在 旋轉(zhuǎn)方向上附隨于第二相應(yīng)的主切削件。
13. 如權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個(gè)輔 助切削件位于與第一相應(yīng)的主切削件不同的刀翼上，所述至少另一個(gè) 輔助切削件位于與第二相應(yīng)的主切削件不同的刀翼上。
14. 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(gè)分 開(kāi)式切削件組包括多個(gè)主切削件和多個(gè)輔助切削件，所述多個(gè)輔助切 削件中的至少一個(gè)輔助切削件構(gòu)造為與第 一相應(yīng)的主切削件在旋轉(zhuǎn)方 向上相對(duì)，所述多個(gè)輔助切削件中的至少另一個(gè)輔助切削件構(gòu)造為與 第二相應(yīng)的主切削件在旋轉(zhuǎn)方向上相對(duì)。
15. 如權(quán)利要求14所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個(gè)輔 助切削件位于與第一相應(yīng)的主切削件不同的刀翼上，所述至少另一個(gè) 輔助切削件位于與第二相應(yīng)的主切削件不同的刀翼上。
16. 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(gè)分 開(kāi)式切削件組包括多個(gè)主切削件和多個(gè)輔助切削件，所述多個(gè)輔助切 削件中的至少一個(gè)輔助切削件構(gòu)造為在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于第一相應(yīng)的 主切削件，所述多個(gè)輔助切削件中的至少另 一個(gè)輔助切削件構(gòu)造為在 旋轉(zhuǎn)方向上附隨于第二相應(yīng)的主切削件，所述第一相應(yīng)的主切削件構(gòu) 造為在旋轉(zhuǎn)方向上附隨于所述第二相應(yīng)的主切削件。
17. 如權(quán)利要求16所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述至少一個(gè)輔 助切削件位于與所述至少另一個(gè)輔助切削件相同且與所述第一相應(yīng)的 主切削件不同的刀翼上，所述至少另 一個(gè)輔助切削件位于與所述第二 相應(yīng)的主切削件不同的刀翼上。
18. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭，其中，所述多個(gè)切削件 是聚晶金剛石復(fù)合片切削件。
19. 一種設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的方法，包括將鉆頭體構(gòu)造為具有端面、軸線和在所述端面上沿徑向和縱向向 外延伸的多個(gè)刀翼；和將至少一個(gè)分開(kāi)式切削件組構(gòu)造為包括位于多個(gè)刀翼上的多個(gè)切 削件，所述多個(gè)切削件中的至少兩個(gè)切削件位于所述多個(gè)刀翼的不同 刀翼上，所述多個(gè)切削件的每個(gè)切削件包括從所述多個(gè)刀翼中的一個(gè) 刀翼至少部分地伸出的切削表面，且切削件的切削表面定位成在所述 鉆頭體圍繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)大體上橫向于共用切削路徑，并且構(gòu)造為 在沿著所述切削路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)與地層有條件地接合。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，將所述至少一個(gè)分開(kāi)式切 削件組構(gòu)造為包括下列至少之一相對(duì)的切割和輔助切削件組；在后 切割和在先輔助切削件組；相對(duì)的切割和在先輔助切削件組；在后切 割和在后輔助切削件組；以及相對(duì)的切割和在后輔助切削件組。
全文摘要
旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭包括具有端面和軸線的鉆頭體，從所述端面徑向和縱向向外延伸的多個(gè)刀翼和至少一個(gè)分開(kāi)式切削件組。分開(kāi)式切削件組包括多個(gè)切削件，其中，所述切削件中的至少兩個(gè)是位于所述多個(gè)刀翼中的不同刀翼上的主切削件和/或切割切削件。分開(kāi)式切削件組的一對(duì)主切削件和/或切割切削件可以相對(duì)于鉆頭的中心線或旋轉(zhuǎn)軸線定位在彼此大體上相同的徑向距離處或者在鉆頭上定位在彼此大體上相同的經(jīng)度或高度上，或者附隨彼此大體上相同的旋轉(zhuǎn)或螺旋切削路徑。另外，至少一個(gè)輔助切削件可以相對(duì)于鉆頭的中心線或旋轉(zhuǎn)軸線定位在與一個(gè)或兩個(gè)主切削件和/或切割切削件大體上距離相同的徑向距離處或者定位在與一個(gè)或兩個(gè)主切削件和/或切割切削件大體上相同的鉆頭經(jīng)度或高度上，或者附隨與一個(gè)或兩個(gè)主和/或切割切削件大體上相同的旋轉(zhuǎn)或螺旋切削路徑。分開(kāi)式切削件組的切削件可以構(gòu)造和定位為提供延長(zhǎng)的鉆頭壽命和減小切削件上的應(yīng)力。本發(fā)明還提供了旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的其它實(shí)施例，包括其方法。
文檔編號(hào)E21B10/43GK101627178SQ200880006237
公開(kāi)日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月25日
發(fā)明者M·L·多斯特 申請(qǐng)人:貝克休斯公司