切削混合鉆頭和其它井下切削工具的制作方法
【專利摘要】地球地層中鉆井眼的鉆頭可以包括：具有鉆頭軸線和鉆頭端面的鉆頭體；沿著所述鉆頭端面徑向延伸的多個(gè)刀片；和設(shè)置在所述多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括：包括襯底和金剛石臺(tái)面的至少一個(gè)牙輪，所述金剛石臺(tái)面具有大致平坦切削面；和包括襯底和金剛石層的至少兩個(gè)圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中在所述多個(gè)切削元件旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面中的視圖中，所述至少一個(gè)牙輪位于遠(yuǎn)離所述鉆頭軸線的徑向位置，所述徑向位置在所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件的徑向位置之間。
【專利說(shuō)明】切削混合鉆頭和其它井下切肖IJ工具
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本發(fā)明主張2011年2月10提出申請(qǐng)的美國(guó)申請(qǐng)N0.61/441,319，和2011年6月22日提出申請(qǐng)的美國(guó)申請(qǐng)N0.61/499，851的優(yōu)先權(quán)，其中所述兩個(gè)申請(qǐng)通過(guò)引用在此全文并入。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]這里公開的實(shí)施例總體涉及包括混合切削結(jié)構(gòu)的固定齒切削工具，所述混合切削結(jié)構(gòu)包括兩種或更多種類型的切削元件，每一種類型都具有針對(duì)地層的不同切削作用模式。這里公開的其它實(shí)施例涉及包括圓錐形切削元件的固定齒切削工具，包括這種切削元件在鉆頭上的放置和可以用于優(yōu)化鉆井的這種切削元件的變化。
【背景技術(shù)】
[0004]在地球中鉆井眼時(shí)，例如用于油氣的開采或其它應(yīng)用，通常的做法是將鉆頭連接在首尾相接以形成“鉆柱”的鉆桿段組件的下端上。鉆頭通過(guò)在地面上旋轉(zhuǎn)鉆柱或通過(guò)致動(dòng)井下馬達(dá)或渦輪或通過(guò)所述兩種方法而旋轉(zhuǎn)。通過(guò)將重量施加到鉆柱，旋轉(zhuǎn)的鉆頭接合地層，從而使鉆頭通過(guò)磨蝕、破碎或剪切作用或通過(guò)所有切削方法的組合切削通過(guò)地層物質(zhì)，從而沿著預(yù)定路徑朝向目標(biāo)區(qū)形成井眼。
[0005]已經(jīng)研發(fā)并獲得用于鉆這種井眼的多種不同類型的鉆頭。兩種主要類型的鉆頭是牙輪鉆頭和固定齒(或旋轉(zhuǎn)刮刀)鉆頭。大多數(shù)固定齒鉆頭設(shè)計(jì)包括繞鉆頭表面以一定角度間隔開的多個(gè)刀片。刀片從鉆頭體徑向向外突出并在刀片之間形成流動(dòng)通道。另外，切削元件典型地被分組并安裝在徑向延伸的列中的多個(gè)刀片上。切削元件在刀片上的結(jié)構(gòu)或布局基于諸如要被鉆進(jìn)的地層的許多因素而廣泛變化。
[0006]設(shè)置在固定齒鉆頭的刀片上的切削元件典型地由極硬材料形成。在典型的固定齒鉆頭中，每一個(gè)切削元件都包括容納并固定在形成在刀片中的一個(gè)的表面中的槽窩中的細(xì)長(zhǎng)大致圓柱形碳化鶴襯底(substrate)。切削元件典型地包括由多晶金剛石(PCD)或其它超級(jí)研磨材料(例如，熱穩(wěn)定金剛石或多晶立方氮化硼)形成的硬切削層。為了方便起見，如這里所使用的，對(duì)“PDC鉆頭”、“PDC切削刃”的描述是指采用多晶金剛石或其它超級(jí)研磨材料形成的硬切削層的切削元件或固定齒鉆頭。
[0007]參照?qǐng)D1和圖2，顯示了適于鉆通巖石地層以形成井眼的常規(guī)固定齒鉆頭或刮刀鉆頭10。鉆頭10通常包括鉆頭體12、鉆頭接頭(shank) 13、和用于將鉆頭10連接到鉆柱(未示出)的螺紋連接裝置或公接頭14，其中所述鉆柱被用于使鉆頭旋轉(zhuǎn)以對(duì)井眼進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆頭端面20支撐切削結(jié)構(gòu)15并形成在鉆頭10的與陽(yáng)螺紋端16相對(duì)的端部上。鉆頭10還包括中心軸線11，鉆頭10繞中心軸線11在由箭頭18表示的切削方向上旋轉(zhuǎn)。
[0008]切削結(jié)構(gòu)15設(shè)置在鉆頭10的端面上。切削結(jié)構(gòu)15包括以角度間隔開的多個(gè)主刀片31，32，33和副刀片34，35，36，所述刀片中的每一個(gè)都從鉆頭端面20延伸。主刀片31，32，33和副刀片34，35，36沿著鉆頭端面20大致徑向延伸并然后沿著鉆頭10的周邊的一部分軸向延伸。然而，副刀片34，35，36沿著鉆頭端面20從為遠(yuǎn)端鉆頭軸線11的位置朝向鉆頭10的周邊徑向延伸。因此，如這里所使用的，“副刀片”可以用于表示以一定距離從鉆頭軸線開始并沿著鉆頭端面朝向鉆頭的周邊大致徑向延伸的刀片。主刀片31，32，33和副刀片34，35，36被鉆井液流動(dòng)路線19分隔開。
[0009]仍然參照?qǐng)D1和圖2，每一個(gè)主刀片31，32，33包括用于安裝多個(gè)切削元件的刀片頂部42，并且每一個(gè)副刀片34，35，36包括用于安裝多個(gè)切削元件的刀片頂部52。具體地，每一個(gè)都具有切削面44的切削元件40分別安裝在形成在每一個(gè)主刀片31，32，33和每一個(gè)副刀片34，35，36的刀片頂部42，52中的槽窩(pocket)中。切削元件40鄰近每一個(gè)主刀片31，32，33和每一個(gè)副刀片34，35，36的前緣沿徑向延伸列彼此相鄰布置。每一個(gè)切削面44具有最遠(yuǎn)離安裝有切削元件40的刀片頂部42，52的最遠(yuǎn)切削末端44a。
[0010]以下參照?qǐng)D3，顯示了鉆頭10的輪廓，且顯而易見的是刀片(例如，主刀片31，32，33和副刀片34，35，36)和所有切削元件40的切削面44被旋轉(zhuǎn)成單個(gè)旋轉(zhuǎn)輪廓。在旋轉(zhuǎn)剖面圖中，鉆頭10的所有刀片31-36的刀片頂部42，52形成并限定從鉆頭軸線11徑向延伸到鉆頭10的外半徑23的組合或復(fù)合片輪廓39。因此，如這里使用的，措詞“復(fù)合片輪廓”表示從鉆頭軸線延伸到鉆頭的外半徑并由鉆頭的旋轉(zhuǎn)成單個(gè)旋轉(zhuǎn)輪廓(即，在旋轉(zhuǎn)剖面圖)的所有刀片的刀片頂部形成的輪廓。
[0011]傳統(tǒng)的復(fù)合片輪廓39(在圖3中的鉆頭10的右半側(cè)中最清楚地所示)可以通常被分成三個(gè)區(qū)域，所述三個(gè)區(qū)域傳統(tǒng)地被標(biāo)記為錐形區(qū)域24、臺(tái)肩區(qū)域25和保徑區(qū)域26。錐形區(qū)域24包括鉆頭10和復(fù)合片輪廓39的大致從鉆頭軸線11延伸到臺(tái)肩區(qū)域25的徑向最內(nèi)側(cè)區(qū)域。如圖3所示，在大多數(shù)常規(guī)的固定齒鉆頭中，錐形區(qū)域是24通常是凹入的。與錐形區(qū)域24相鄰的是臺(tái)肩(或翻轉(zhuǎn)曲線)區(qū)域25。在大多數(shù)常規(guī)的固定齒鉆頭中，臺(tái)肩區(qū)域25通常是凸起的。向外徑向移動(dòng)與臺(tái)肩區(qū)域2525相鄰的是保徑區(qū)域26，所述保徑區(qū)域在復(fù)合片輪廓39的外徑向周邊平行于鉆頭軸線11延伸。因此，常規(guī)鉆頭10的復(fù)合片輪廓39包括一個(gè)凹入?yún)^(qū)域(錐形區(qū)域24)和一個(gè)凸起區(qū)域(臺(tái)肩區(qū)域)。
[0012]凸起臺(tái)肩區(qū)域25和復(fù)合片輪廓39的軸向最低點(diǎn)限定刀片輪廓頂冠27。在刀片輪廓頂冠27處，凸起臺(tái)肩區(qū)域25和復(fù)合片輪廓39的切線27a的斜率為零。因此，如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“刀片輪廓頂冠”表示在旋轉(zhuǎn)剖面圖中沿著鉆頭的復(fù)合片輪廓的凸起區(qū)域的點(diǎn)，其中復(fù)合片輪廓的切線的斜率在所述點(diǎn)處為零。對(duì)于大多數(shù)常規(guī)固定齒鉆頭(例如，鉆頭10)來(lái)說(shuō)，復(fù)合片輪廓僅包括一個(gè)凸起臺(tái)肩區(qū)域(例如，凸起臺(tái)肩區(qū)域25)和僅一個(gè)刀片輪廓頂冠(例如，頂冠27)。如圖1-3所示，切削元件40沿著刀片31-36成行布置并沿著鉆頭端面20定位在先前被描述為復(fù)合片輪廓39的錐形區(qū)域24、臺(tái)肩區(qū)域25和保徑區(qū)域26的多個(gè)區(qū)域中。具體地，切削元件40相對(duì)于鉆頭10的中心軸線11在刀片31-36上安裝在預(yù)定徑向間隔開的位置。
[0013]在不考慮鉆頭的類型的情況下，鉆井眼的成本與將所述井眼鉆進(jìn)到期望深度和位置所耗費(fèi)的持續(xù)時(shí)間成比例。鉆井時(shí)間又在很大程度上受到為了達(dá)到目標(biāo)地層必須更換鉆頭的次數(shù)的影響。這是因?yàn)槊看胃鼡Q鉆頭時(shí)，可以為幾英里長(zhǎng)的整個(gè)鉆柱必須逐段從井眼中取出。一旦已經(jīng)取出鉆柱并安裝新的鉆頭，鉆頭在鉆柱上必須被下入到井眼的底部，其中所述鉆柱必須再次被逐段構(gòu)造而成。被公知為“起下鉆”的這種過(guò)程需要大量時(shí)間、工作和費(fèi)用。因此，總是期望采用鉆得更快更長(zhǎng)并且可在寬范圍的不同地層硬度上使用的鉆頭。[0014]在必須更換鉆頭之前鉆頭可以被使用的持續(xù)時(shí)間取決于鉆頭的鉆進(jìn)速度(“R0P”)以及鉆頭保持較高或可接受ROP的耐用性或能力。另外，鉆頭的理想特征在于鉆頭是“穩(wěn)定的”并且抗振動(dòng)，其中鉆頭的大多數(shù)劇烈類型或模式是“旋轉(zhuǎn)”，其中旋轉(zhuǎn)是用于描述其中鉆頭在井眼的底部處關(guān)于偏離鉆頭的幾何中心的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。這種旋轉(zhuǎn)使鉆頭上的切削元件增加載荷，從而使切削元件過(guò)早被磨損或破壞并且導(dǎo)致鉆進(jìn)速度的喪失。因此，防止鉆頭振動(dòng)并保持PDC鉆頭的穩(wěn)定性長(zhǎng)期以來(lái)是一種期望但始終沒有實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。鉆頭振動(dòng)典型地可以發(fā)生在任何類型的地層中，但是最不利地發(fā)生在較硬地層中。
[0015]近年來(lái)，PDC鉆頭已經(jīng)成為用于切削軟硬度和中等硬度的地層的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，當(dāng)在研制PDC鉆頭以用于在硬地層中使用時(shí)，鉆頭穩(wěn)定性成為一個(gè)增加的挑戰(zhàn)。如先前所述，鉆井期間鉆頭過(guò)度振動(dòng)往往會(huì)使鉆頭變鈍和/或可能將鉆頭損壞到需要過(guò)早對(duì)鉆柱進(jìn)行起下鉆的程度。
[0016]已經(jīng)對(duì)PDC切削結(jié)構(gòu)提出了大量可選設(shè)計(jì)，其旨在提供一種能夠以有效的ROP和可接受的鉆頭壽命或耐用性鉆通各種地層硬度的PDC鉆頭。不幸地，旨在最小化振動(dòng)的大多數(shù)鉆頭設(shè)計(jì)要求與早期設(shè)計(jì)的鉆頭相比較以增加的鉆壓(WOB)執(zhí)行鉆井。例如，一些鉆頭已經(jīng)被設(shè)計(jì)有多個(gè)牙輪，所述牙輪以較小侵蝕性后傾角安裝使得所述牙輪需要增加的WOB來(lái)穿過(guò)地層物質(zhì)到達(dá)期望區(qū)域。通過(guò)增加WOB或以重的WOB鉆井具有嚴(yán)重后果并且如果可能通常避免此。增加WOB伴隨有將額外的重鉆鋌增加到鉆柱。這種額外的重量增加鉆柱部件上的應(yīng)力和應(yīng)變，使扶正器磨損得更多并且不能有效地工作，并且增加了鉆柱的水力降，從而需要使用較高容量(并且典型較高成本)的泵以用于循環(huán)鉆井液。所述問(wèn)題仍然進(jìn)一步復(fù)雜，增加的WOB使鉆頭磨損并且與以其它方式變鈍相比較使鉆頭更加快速地變鈍。為了延緩鉆柱的起下鉆，通常的做法是進(jìn)一步增加WOB并用部分磨損并變鈍的鉆頭繼續(xù)鉆井。鉆頭磨損與WIB之間的關(guān)系不是線性的，而是成指數(shù)關(guān)系，使得對(duì)于給定鉆頭來(lái)說(shuō)在超過(guò)特定WOB時(shí)，WOB非常小的增加將導(dǎo)致鉆頭磨損的巨大增加。因此，增加更多WOB以用部分磨損的鉆頭鉆井會(huì)進(jìn)一步逐步增加鉆頭和其它鉆柱部件的磨損。
[0017]因此，仍然持續(xù)需要能夠以經(jīng)濟(jì)的ROP有效鉆井并理想地鉆入具有大于可以采用常規(guī)PDC鉆頭的硬度的地層的固定齒鉆頭。更具體地，持續(xù)需要一種PDC鉆頭，所述PDC鉆頭可以鉆入軟硬度、中等硬度、中間硬度并且甚至鉆入一些硬地層，同時(shí)保持侵蝕性切削元件輪廓以保持可接受ROP持續(xù)可接受持續(xù)時(shí)間并從而降低當(dāng)前行業(yè)的鉆井成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]在一方面中，這里公開的實(shí)施例涉及一種用于在地球地層中鉆井眼的鉆頭，所述鉆頭包括:具有鉆頭軸線和鉆頭端面的鉆頭體；沿著鉆頭端面徑向延伸的多個(gè)刀片；和設(shè)置在多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括:包括襯底和金剛石臺(tái)面的至少一個(gè)牙輪，所述金剛石臺(tái)面具有大致平坦切削面；和包括襯底和金剛石層的至少兩個(gè)圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中在多個(gè)切削元件旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面中的視圖中，所述至少一個(gè)牙輪位于遠(yuǎn)離鉆頭軸線的徑向位置，所述徑向位置在至少兩個(gè)圓錐形切削元件的徑向位置之間。
[0019]在另一方面，這里公開的實(shí)施例涉及一種井下切削工具，所述井下切削工具包括:工具主體；從工具主體方位角地延伸的多個(gè)刀片；設(shè)置在多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括:包括襯底和金剛石層的至少一個(gè)圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中所述至少一個(gè)圓錐形切削元件包括不與襯底的軸線同軸的圓錐形切削刃的軸線。
[0020]在又一個(gè)方面中，這里公開的實(shí)施例涉及一種井下切削工具，所述井下切削工具包括:工具主體；從工具主體方位角地延伸的多個(gè)刀片；設(shè)置在多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括:包括襯底和金剛石層的至少一個(gè)圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中所述至少一個(gè)圓錐形切削元件包括與圓錐形切削刃的頂點(diǎn)相鄰的傾斜表面。
[0021]在又一個(gè)方面中，這里公開的實(shí)施例涉及一種井下切削工具，所述井下切削工具包括:工具主體；從工具主體方位角地延伸的多個(gè)刀片；設(shè)置在多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括:包括襯底和金剛石層的至少一個(gè)圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中至少一個(gè)圓錐形切削元件包括非對(duì)稱性金剛石層。
[0022]在又一個(gè)方面中，這里公開的實(shí)施例涉及一種井下切削工具，所述井下切削工具包括:工具主體；從工具主體方位角地延伸的多個(gè)刀片；設(shè)置在多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括:包括襯底和金剛石層的至少一個(gè)圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃；和至少一個(gè)孕鑲金剛石硬合金齒，所述至少一個(gè)孕鑲金剛石硬合金齒被鑲嵌到至少一個(gè)刀片的孔中。
[0023]在又一個(gè)方面中，這里公開的實(shí)施例涉及一種井下切削工具，所述井下切削工具包括:工具主體；從工具主體方位角地延伸的多個(gè)刀片；和設(shè)置在所述多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括:至少兩個(gè)牙輪，所述至少兩個(gè)牙輪包括襯底和金剛石臺(tái)面，金剛石臺(tái)面具有大致平坦切削面；和至少一個(gè)圓錐形切削元件，所述至少一個(gè)圓錐形切削元件包括襯底和金剛石層，金剛石層具有圓錐形切削刃，其中在多個(gè)切削元件旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面的視圖中，所述至少一個(gè)圓錐形切削元件位于遠(yuǎn)離鉆頭軸線的徑向位置，所述徑向位置在至少兩個(gè)牙輪的徑向位置之間。
[0024]在又一個(gè)方面中，這里公開的實(shí)施例涉及一種井下切削工具，所述井下切削工具包括:工具主體；從工具主體方位角地延伸的多個(gè)刀片；和設(shè)置在多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括:至少兩個(gè)牙輪，所述至少兩個(gè)牙輪包括襯底和金剛石臺(tái)面，金剛石臺(tái)面具有大致平坦切削面；和至少一個(gè)圓錐形切削元件，所述至少一個(gè)圓錐形切削元件包括襯底和金剛石層，金剛石層具有圓錐形切削刃，其中在單個(gè)刀片上，圓錐形切削元件設(shè)置在兩個(gè)牙輪之間的徑向中間位置，其中圓錐形切削元件尾隨兩個(gè)牙輪。
[0025]本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將從以下說(shuō)明和所附權(quán)利要求變得清楚可見。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1顯示現(xiàn)有技術(shù)鉆頭；
[0027]圖2顯示現(xiàn)有技術(shù)鉆頭的頂視圖；
[0028]圖3顯示現(xiàn)有技術(shù)鉆頭的橫截面視圖；
[0029]圖4顯示根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切削元件；
[0030]圖5顯示根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切削元件；
[0031]圖6顯示根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切削元件；[0032]圖7顯示根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切削元件；
[0033]圖8顯示根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切削元件的旋轉(zhuǎn)；
[0034]圖9顯示根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切削元件布局；
[0035]圖9A顯示圖9的切削元件布局的放大視圖；
[0036]圖10顯示根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切削元件分布圖；
[0037]圖1lA顯示根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切削元件布局；
[0038]圖1lB顯示具有圖1lA的切削元件布局的鉆頭的頂視圖；
[0039]圖1lC顯示具有圖1lA的切削元件布局的鉆頭的頂視圖；
[0040]圖12顯示用于傳統(tǒng)切削元件的后傾角(backrake angle)；
[0041]圖13顯示根據(jù)本公開的用于圓錐形切削元件的后傾角；
[0042]圖14顯示了根據(jù)本公開的用于圓錐形切削元件的撞擊角；
[0043]圖15A-C顯示了根據(jù)本公開的各種圓錐形切削元件；
[0044]圖16A-C顯示了根據(jù)本公開的各種圓錐形切削元件；
[0045]圖17顯示了根據(jù)本公開的圓錐形切削元件的一個(gè)實(shí)施例；
[0046]圖18顯示了根據(jù)本公開的圓錐形切削元件的一個(gè)實(shí)施例；
[0047]圖19顯示了根據(jù)本公開的圓錐形切削元件的一個(gè)實(shí)施例；
[0048]圖20顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切削元件布局；
[0049]圖21顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的鉆頭；
[0050]圖22顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切削輪廓；
[0051]圖23顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切削輪廓；
[0052]圖24顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切削輪廓；以及
[0053]圖25顯示了可以使用本公開的切削元件的工具。
【具體實(shí)施方式】
[0054]在一方面中，這里公開的實(shí)施例涉及包括混合切削結(jié)構(gòu)的固定齒鉆頭。具體地，這里公開的實(shí)施例涉及包括兩種或更多種類型的切削元件的鉆頭，且每一種類型都具有針對(duì)地層的不同模式的切削動(dòng)作。這里公開的其它實(shí)施例涉及包括圓錐形切削元件的固定齒鉆頭，包括這種切削元件在鉆頭上的布置和可以用于優(yōu)化鉆井的切削元件的變形例。
[0055]參照?qǐng)D4和圖5，顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的用于鉆頭(或擴(kuò)眼器)的在上面形成有切削元件的典型的刀片。如圖4所示，刀片140包括傳統(tǒng)地被稱為牙輪或roc牙輪的多個(gè)牙輪142以及多個(gè)圓錐形切削元件144。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“圓錐形切削元件”表示具有終止于圓形頂點(diǎn)的大致圓錐形切削刃(包括直錐或斜錐)的切削元件。不同于終止于尖銳點(diǎn)頂點(diǎn)的幾何圓錐，本公開的圓錐形切削元件包括具有在側(cè)表面與頂點(diǎn)之間的曲率的頂點(diǎn)。圓錐形切削元件144被定位成與具有平坦切削面的牙輪142相反。為了便于在兩種類型的切削元件之間進(jìn)行區(qū)分，術(shù)語(yǔ)“切削元件”一般表示任何類型的切削元件，而“牙輪”表示具有平坦切削面的這些切削元件。如參照?qǐng)D1和圖2所述，“圓錐形切削元件”將表示具有大致圓錐形切削刃的這些切削元件。
[0056]參照?qǐng)D6-8，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用常規(guī)平坦牙輪142結(jié)合圓錐形切削元件144可以允許單個(gè)鉆頭具有兩種類型的切削作用(由虛線表示):除了由牙輪142剪切地層進(jìn)行切削之外，由圓錐形切削元件144通過(guò)壓裂或刮削地層進(jìn)行切削，如圖8和圖9中示意性所示。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，牙輪142穿過(guò)被圓錐形切削元件預(yù)先破碎的地層以修整由圓錐形切削元件144產(chǎn)生的切口。具體地，如圖8中詳細(xì)所示，在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置Rl處的第一圓錐形切削元件144.1是當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)通過(guò)參考平面P的第一切削元件。在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置R3處的圓錐形切削元件144.3是旋轉(zhuǎn)通過(guò)參考平面P的第二切削元件。在遠(yuǎn)離鉆頭中心線的徑向位置R2處的切削元件142.2是旋轉(zhuǎn)通過(guò)參考平面P的第三切削元件，其中R2是遠(yuǎn)離鉆頭中心線在Rl和R3的徑向距離之間的徑向距離。
[0057]圖4所示的實(shí)施例包括在單個(gè)刀片上的牙輪142和圓錐形切削元件144，而圖5所示的實(shí)施例包括在一個(gè)刀片上的牙輪和在第二刀片上的圓錐形切削元件144。具體地，牙輪142位于尾隨上面定位有圓錐形切削元件144的刀片的刀片141上。
[0058]參照?qǐng)D9和圖9A，顯示了用于鉆頭的具體實(shí)施例的切削結(jié)構(gòu)布局。圖8中詳細(xì)示出的切削結(jié)構(gòu)布局140顯示了當(dāng)被設(shè)置在刀片上的牙輪142和圓錐形切削元件144，并且為了簡(jiǎn)化起見沒有示出刀片和其它鉆頭體。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將從圖9所示的布局認(rèn)識(shí)到上面設(shè)置有牙輪142和圓錐形切削元件144的鉆頭包括七個(gè)刀片。具體地，牙輪142和圓錐形切削元件144沿著七個(gè)刀片以行146設(shè)置，三個(gè)主行146al，146a2,和146a3(在主刀片上)和四個(gè)副行146bl, 146b2, 146b3和146b4 (在副刀片上)，如在圖1和圖2中所使用的術(shù)語(yǔ)。在圖9所示的實(shí)施例中，每一個(gè)主行146al，146a2,和146a3以及每一個(gè)副行146bl, 146b2, 146b3和146b4包括至少一個(gè)牙輪142和至少一個(gè)圓錐形切削元件144。然而，本發(fā)明不受限于此。相反地，基于期望的切削輪廓，可以使用不同排列的牙輪142和圓錐形切削元件144。
[0059]相對(duì)于PDC牙輪的兩個(gè)常規(guī)設(shè)置或牙輪分布結(jié)構(gòu)是:“單組”方法和“多組”方法。在“單組”方法中，橫過(guò)鉆頭的端面定位的每一個(gè)PDC牙輪被提供有從鉆頭的中心軸線向外朝向保徑部測(cè)量的獨(dú)特的徑向位置。相對(duì)于多組方案(還被公知為“冗余牙輪”或“尾隨牙輪”方案)，PDC牙輪部署在包括兩個(gè)或更多個(gè)牙輪的組中，其中給定組的牙輪定位在遠(yuǎn)離鉆頭軸線的相同的徑向距離處。
[0060]參照?qǐng)D10，顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的牙輪分布圖，其中示出了在旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面中的鉆頭的所有切削元件。如圖10所示，切削元件包括具有平坦切削面的兩個(gè)常規(guī)牙輪142以及圓錐形切削元件144。圖10所示的牙輪142和圓錐形切削元件144還由所述牙輪142和圓錐形切削元件144與鉆頭軸線的徑向位置以“142”或“144”標(biāo)記之后的數(shù)字形式被識(shí)別。根據(jù)本公開的一些實(shí)施例，牙輪142可以在兩個(gè)徑向相鄰的圓錐形切削元件144之間進(jìn)行切削。具體地，如圖10所示，牙輪142.8位于圓錐形切削元件144.7與144.9.之間的徑向中間位置。類似地，牙輪142.12位于圓錐形切削元件144.11與144.13之間的徑向中間位置。進(jìn)一步地，本發(fā)明不局限于其中在每個(gè)切削元件之間存在這種交替方案的鉆頭。
[0061]在圖10中，顯而易見的是不是每一個(gè)牙輪都具有在徑向相鄰位置處的圓錐形切削元件。相反地，如圖10所示，圓錐形切削元件設(shè)置在切削輪廓的頂冠區(qū)域153、臺(tái)肩區(qū)域155和保徑區(qū)域157中。然而，在其它實(shí)施例中，圓錐形切削元件144還可以位于錐形區(qū)域151和/或可以不位于保徑區(qū)域157中。進(jìn)一步地，不同的切削輪廓區(qū)域可以具有在不同區(qū)域之間具有不同露出高度(與牙輪142相比較)的圓錐形切削元件144也在本公開的保護(hù)范圍內(nèi)。這種差異可以是一種漸進(jìn)或逐漸過(guò)渡。
[0062]再參照?qǐng)D9和圖9A，徑向相鄰(當(dāng)在旋轉(zhuǎn)平面中看時(shí))元件144.7，142.8和144.9位于多個(gè)刀片上。具體地，圓錐形切削元件144.7和144.9在牙輪142.8之后的地層中產(chǎn)生鑿槽。因此，與圓錐形切削元件144.7和144.9中的每一個(gè)相比較，牙輪142.8在尾隨刀片146a2上。尾隨刀片是當(dāng)繞軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)在導(dǎo)引刀片之后旋轉(zhuǎn)通過(guò)參考平面的刀片。在圖9和圖9A所示的實(shí)施例中，圓錐形切削元件144.7和144.9在兩個(gè)單獨(dú)的刀片(S卩，刀片146al和146bl)上；然而，在其它實(shí)施例中，位于與牙輪142徑向相鄰的位置上的兩個(gè)圓錐形切削元件144可以在同一刀片上。
[0063]參照?qǐng)D11A-C，在圖1lA中示出了用于鉆頭(圖11B-C所示)的具體實(shí)施例的切削結(jié)構(gòu)布局。例如，如圖1lA-C所示，切削元件的徑向位置使得切削元件的兩個(gè)刀片146完全由圓錐形切削元件144構(gòu)成，四行刀片146完全由牙輪142構(gòu)成，而兩行刀片146包括牙輪142和圓錐形切削元件144的混合。不同于圖9所示的實(shí)施例，圖1lA-C中的實(shí)施例對(duì)于每一個(gè)位置來(lái)說(shuō)包括圓錐形切削元件144與牙輪142之間的交替。因此，在這種情況下，圓錐形切削元件144將位于每一個(gè)以奇數(shù)編號(hào)的徑向位置處，而牙輪142位于每一個(gè)以偶數(shù)編號(hào)的徑向位置處。進(jìn)一步地，基于切削元件的具體徑向位置，為牙輪142留下可以穿過(guò)的切口的一對(duì)圓錐形切削元件142可以在同一刀片上或者可以在不同的刀片上。
[0064]通常，當(dāng)將切削元件(具體地，牙輪)定位在鉆頭或擴(kuò)眼器的刀片上時(shí)，牙輪可以插入牙輪槽窩(或在圓錐形切削元件的插入孔中)中以改變牙輪撞擊地層的角度。具體地，可以調(diào)節(jié)牙輪后傾角(即，縱向方向)和側(cè)傾角(即，側(cè)向方向)。通常，后傾角被定義為形成在牙輪142的切削面與正交于正在被切削的地層物質(zhì)的線之間的角度α。如圖12所示，在具有零后傾角的常規(guī)牙輪142的情況下，切削面44大致垂直或正交于地層物質(zhì)。具有負(fù)后傾角α的牙輪142具有以當(dāng)從地層物質(zhì)測(cè)量時(shí)小于90°的角度接合地層物質(zhì)的切削面44。類似地，具有正后傾角α的牙輪142具有以當(dāng)從地層物質(zhì)測(cè)量時(shí)大于90°的角度接合地層物質(zhì)的切削面44。側(cè)傾角被定義為切削面與鉆頭的徑向平面(χ-ζ平面)之間的角度。當(dāng)沿著ζ軸線看時(shí),負(fù)側(cè)傾角由牙輪的逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)產(chǎn)生，而正側(cè)傾角由牙輪的順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)產(chǎn)生。在具體的實(shí)施例中，常規(guī)牙輪的后傾角可以在從-5°至-45°的范圍內(nèi)，而側(cè)傾角在從0°至30°的范圍內(nèi)。
[0065]然而，圓錐形切削元件沒有切削面，并因此圓錐形切削元件的方向必須被不同地定義。當(dāng)考慮圓錐形切削元件的方向時(shí)，除了切削元件主體的垂直方向或側(cè)向方向之外，切削刃的圓錐形幾何結(jié)構(gòu)也影響圓錐形切削元件如何撞擊地層以及圓錐形切削元件撞擊地層的角度。具體地，除了影響圓錐形切削元件-地層相互作用的侵蝕性的后傾角之外，切削刃幾何結(jié)構(gòu)(具體地，頂角和曲率半徑)在很大程度上影響圓錐形切削元件沖擊地層的侵蝕性。在圓錐形切削元件的背景下，如圖12所示，后傾角被定義為形成在圓錐形切削元件144的軸線(具體地，圓錐形切削刃的軸線)與正交于正在被切削的地層物質(zhì)的線之間的角度a。如圖13所示，在圓錐形切削元件144具有零度后傾角的情況下，圓錐形切削元件144的軸線大致垂直或正交于地層物質(zhì)。具有負(fù)后傾角α的圓錐形切削元件144具有以當(dāng)從地層物質(zhì)測(cè)量時(shí)小于90°的角度接合地層物質(zhì)的軸線。類似地，具有正后傾角α的圓錐形切削元件144具有以當(dāng)從地層物質(zhì)測(cè)量時(shí)大于90°的角度接合地層物質(zhì)的軸線。在具體的實(shí)施例中，圓錐形切削元件的后傾角可以為零，或這另一個(gè)實(shí)施例中，圓錐形切削元件的后傾角可以為負(fù)。在具體的實(shí)施例中，圓錐形切削元件的后傾角可以在從-10°至10°的范圍內(nèi)，在具體的實(shí)施例中，圓錐形切削元件的后傾角可以在從0°至10°的范圍內(nèi)，以及在可選的實(shí)施例中，圓錐形切削元件的后傾角可以在從-5°至5°的范圍內(nèi)。在各種實(shí)施例中，另外，圓錐形切削元件的側(cè)傾角可以在從大約-10°至10°的范圍內(nèi)。
[0066]除了軸線相對(duì)于地層的方向之外，圓錐形切削元件的侵蝕性還可以依賴于頂角或具體地依賴于地層與圓錐形切削元件的引導(dǎo)部（leading portion)之間的角度。由于圓錐形切削元件的圓錐形形狀，因此不存在引導(dǎo)刃；然而，可以確定圓錐形切削表面的引導(dǎo)線為當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)在沿著圓錐形切削刃面上的每一個(gè)軸向點(diǎn)處圓錐形切削元件的最先點(diǎn)（thefirstmost points)。在另一種方式中,可以沿著在鉆頭的旋轉(zhuǎn)的方向上的平面中獲取圓錐形切削元件的橫截面，如圖14所示?？梢韵鄬?duì)于地層考慮圓錐形切削元件144在這種平面中的引導(dǎo)線145。圓錐形切削元件144的撞擊角被定義為形成在圓錐形切削元件144的引導(dǎo)線145與正在被切削的地層之間的角度a。撞擊角將基于后傾角和錐角變化，因此圓錐形切削元件的撞擊角可以被計(jì)算為后傾角減去錐角的一半（即，^1=81?-(0.51錐角））。
[0067]再參照?qǐng)D7，可以以不同的露出高度設(shè)置牙輪142和圓錐形切削元件144也在本公開的保護(hù)范圍內(nèi)。具體地，在具體的實(shí)施例中，至少一個(gè)牙輪142可以被設(shè)置有大于至少一個(gè)圓錐形切削元件的露出高度，其中所述至少一個(gè)圓錐形切削元件144在更具體的實(shí)施例中可以是徑向相鄰的牙輪142?？蛇x地，可以以相同的露出高度設(shè)置切削元件，或者至少一個(gè)圓錐形切削元件144可以設(shè)置有大于至少一個(gè)牙輪142的露出高度，所述至少一個(gè)牙輪在更具體的實(shí)施例中可以是徑向相鄰的牙輪142?？梢曰诶缫汇@進(jìn)地層的類型選擇露出高度差。例如，當(dāng)?shù)貙虞^硬時(shí)，具有較大露出高度的圓錐形切削元件144可以是優(yōu)選的，而當(dāng)?shù)貙虞^軟時(shí)，具有較大露出高度的牙輪142可以是優(yōu)選的。進(jìn)一步地，露出差可以允許在地層類型之間的過(guò)渡時(shí)更好的鉆進(jìn)。如果牙輪具有較大的露出高度（用于鉆通較軟地層），則當(dāng)沖擊不同地層類型時(shí)所述牙輪變鈍，并且牙輪變鈍可以允許圓錐形切削元件的接合。
[0068]進(jìn)一步地，與傳統(tǒng)地適合于鉆井（斜面達(dá)到足以最小化破碎的可能）相比較，圓錐形切削元件144和牙輪142的使用可以允許牙輪142具有較小的斜面切削刃。例如,牙輪142可以被磨成（~0.001英寸斜面長(zhǎng)度）或可以具有最多大約0.005英寸的斜面長(zhǎng)度。然而，可以使用較大斜面（大于0.005英寸）也在本公開的范圍內(nèi)。
[0069]雖然圖9-11所示的實(shí)施例顯示了基本上在鉆頭的中心線附近延伸的切削元件(和/或與中心線相交的刀片），然而鉆頭的中心區(qū)域可以保持沒有切削結(jié)構(gòu)（和刀片）也在本公開的保護(hù)范圍內(nèi)。圖20中顯示了這種鉆頭的示例性切削元件布局。參照?qǐng)D20，牙輪142和圓錐形切削元件144位于不與鉆頭的中心線相交的刀片146上，而是在刀片之間在鉆頭的沒有切削元件的該中心部分148中形成一空腔?？蛇x地，本公開的各種實(shí)施例可以包括芯型切削元件，例如，授予本受讓人并通過(guò)引用在此全文并入供參考的美國(guó)專利No. 5，655，614中所述的類型。這種切削元件可以具有類似于牙輪142的圓柱形形狀或類似于圓錐形切削元件144的圓錐形切削刃。
[0070]本公開的一些實(shí)施例可以涉及牙輪和圓錐形切削元件的混合使用，其中牙輪彼此遠(yuǎn)離間隔開，并且圓錐形切削元件設(shè)置在兩個(gè)徑向相鄰的牙輪之間的中間位置。在實(shí)施例(包括上述實(shí)施例）中的牙輪142之間的間距可以被認(rèn)為是在同一刀片上的兩個(gè)相鄰牙輪142之間或當(dāng)所有切削元件旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面圖時(shí)兩個(gè)徑向相鄰的牙輪142之間的間距。
[0071]例如，參照?qǐng)D21，鉆頭100可以包括上面具有多個(gè)牙輪142和多個(gè)圓錐形切削元件144的多個(gè)刀片140。如圖所示，牙輪142和圓錐形切削元件144以交替方案設(shè)置在每一個(gè)刀片140上。相對(duì)于同一刀片上的彼此相鄰的兩個(gè)牙輪142 (且圓錐形切削元件144在尾隨位置處在所述兩個(gè)牙輪142之間)，兩個(gè)相鄰牙輪可以彼此遠(yuǎn)離間隔開距離D，如圖21中所示。在一個(gè)實(shí)施例中，D可以等于或大于牙輪直徑值C的四分之一，S卩，1/4CSD。在其它實(shí)施例中，D 的下限可以是 0.1C, 0.2C, 0.25C, 0.33C, 0.5C, 0.67C, 0.75C, C，或 1.5C 中的任一個(gè)，而D的上限可以是0.5C, 0.67C, 0.75C, C，1.25C, 1.5C, 1.75，或2C中的任一個(gè)，其中任何下限可以與任何上限組合。圓錐形切削元件144可以在刀片140上設(shè)置在兩個(gè)牙輪(在同一刀片或在兩個(gè)或更多個(gè)不同刀片上在相對(duì)于牙輪的引導(dǎo)或尾隨位置)之間的徑向中間位置處以保護(hù)刀片表面和/或有助于地層的刮削。
[0072]相鄰牙輪142之間的具體間距的選擇可以基于刀片的數(shù)量，例如和/或當(dāng)所有牙輪旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)剖面圖中時(shí)徑向相鄰的牙輪之間的期望的重疊范圍。例如，在一些實(shí)施例中，理想的是在鉆頭100上的所有牙輪142之間具有全井底覆蓋程度(在由牙輪142形成的切削輪廓中沒有間隙)，而在其它實(shí)施例中，理想的是在至少一些牙輪142之間具有至少部分地由圓錐形切削元件144填充的一間隙148，如圖22中所示。在一些實(shí)施例中，徑向相鄰的牙輪142 (當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面中時(shí))之間的寬度可以在從0.1英寸達(dá)到牙輪的直徑(即，C)的范圍。在其它實(shí)施例中，牙輪142(當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面中時(shí))之間的寬度的下限可以是
0.1C, 0.2C, 0.4C, 0.5C, 0.6C,或0.8C中的任一個(gè)，而牙輪142 (當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面中時(shí))之間的寬度的上限可以是0.4C, 0.5C, 0.6C, 0.8C或C中的任一個(gè)，其中任何下限可以與任何上限結(jié)合。
[0073]在其它實(shí)施例中，徑向相鄰的(在旋轉(zhuǎn)視圖中)的牙輪142的切削刃143可以至少彼此相切，如圖23所示，其中圖23顯示了當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面中時(shí)從鉆頭(未顯示)的縱向軸線L向外延伸的牙輪142的切削輪廓146的另一個(gè)實(shí)施例。雖然未示出，但是圓錐形切削元件可以包括在任意兩個(gè)徑向相鄰的牙輪142(在旋轉(zhuǎn)視圖中)之間，如上所述。如圖24所示，其顯示了當(dāng)旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面中時(shí)從鉆頭(未顯示)的縱向軸線L向外延伸的牙輪142的切削輪廓146的另一個(gè)實(shí)施例，徑向相鄰(在旋轉(zhuǎn)視圖中)的牙輪142的切削刃143可以重疊范圍V。雖然未示出，但是圓錐形切削元件可以包括在任意兩個(gè)徑向相鄰的牙輪142 (在旋轉(zhuǎn)視圖中)之間，如上所述。重疊V可以被定義為沿大致平行于切削輪廓146的相應(yīng)部分的重疊的牙輪142的切削面的距離。在一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)徑向相鄰(在旋轉(zhuǎn)視圖中)的牙輪142之間的重疊V的上限可以等于牙輪的半徑(或牙輪直徑C的一半)，g卩，VSC/2。在其它實(shí)施例中，重疊V的上限可以基于半徑(C/2)和存在于鉆頭上的刀片的數(shù)量，具體地半徑除以刀片的數(shù)量，即，C/2B，其中B是刀片的數(shù)量。因此，對(duì)于雙刀片式鉆頭來(lái)說(shuō)，重疊V的上限可以為C/4，而對(duì)于四刀片式鉆頭來(lái)說(shuō)，重疊V的上限可以是C/8。因此，V可以通常在從0〈V ( C/2的范圍內(nèi)，而在特定實(shí)施例中，V的下限可以是C/10B, C/8B, C/6B, C/4B, C/2B,或 0.1C, 0.2C, 0.3C,或 0.4C(對(duì)于任意數(shù)量的刀片)中的任一個(gè)，而 V 的上限可以是 C/8B, C/6B, C/4B, C/2B,或 0.2C, 0.3C, 0.4C 或 0.5C 中的任一個(gè)，其中任何下限可以與任何上限一起使用。
[0074]在一個(gè)示例性實(shí)施例中，牙輪的切削面可以具有大于圓錐形切削元件的末端的延伸高度(即，與備用切削元件相比較，“輪廓上”主切削元件接合更大的地層深度，而備用切削元件是“脫離輪廓”的)。在其它實(shí)施例中，圓錐形切削元件可以具有大于常規(guī)牙輪的高度。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“脫離輪廓”可以用于表示從牙輪支撐表面(例如，切削元件，切削深度限制器等)延伸的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)具有小于限定給定刀片的最外側(cè)切削輪廓的一個(gè)或更多個(gè)其它切削元件的延伸高度的延伸高度。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“延伸高度”用于描述切削面從與所述切削面連接的刀片的牙輪支撐表面延伸的距離。在一些實(shí)施例中，備用切削元件可以與主切削元件在相同的露出高度處，但是在其它實(shí)施例中，主牙輪可以具有在備用牙輪以上的更大的露出或延伸高度。這種延伸高度可以在例如從0.005英寸達(dá)到C/2(牙輪的半徑)的范圍內(nèi)。在其它實(shí)施例中，延伸高度的下限可以是0.1C，0.2C，0.3C，或0.4C中的任一個(gè)，而延伸高度的上限可以是0.2C, 0.3C, 0.4C,或0.5C中的任一個(gè)，其中任何下限可以與任何上限一起使用。另外的延伸高度可以用在涉及使用圓錐形切削元件和牙輪的以上實(shí)施例中的任一個(gè)中。
[0075]以上實(shí)施例中的任一個(gè)可以使用非圓錐形但也非平坦的刮削切削元件代替圓錐形切削元件，即，切削元件具有可以刮削地層的頂部，例如鑿狀、穹頂狀、截頭圓錐狀、或小平面切削元件等，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0076]進(jìn)一步地，本公開的各種實(shí)施例還可以包括孕鑲金剛石切削裝置(diamondimpregnated cutting means)。這種金剛石孕鑲以是孕鑲在刀片內(nèi)的形式或由孕鑲金剛石材料形成的切削元件的形式。具體地，在具體的實(shí)施例中，諸如美國(guó)專利N0.6，394，202和美國(guó)專利公開出版物N0.2006/0081402中所述的經(jīng)常在現(xiàn)有技術(shù)中作為砂礫熱壓(GHI)的孕鑲金剛石硬合金齒可以安裝在凹穴中，所述凹穴大致垂直于刀片的表面形成在刀片中并通過(guò)釬焊、粘結(jié)劑諸如過(guò)盈配合的機(jī)械法等固定，這類似于GHI在孕鑲金剛石鉆頭中的使用，如在美國(guó)專利N0.6，394，202中所述，或者硬合金齒(inserts)可以并排位于刀片內(nèi)。進(jìn)一步地，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到上述任何組合的切削元件的可以固定到本公開的任一個(gè)刀片。在具體的實(shí)施例中，至少一個(gè)預(yù)先形成的孕鑲金剛石硬合金齒或GHI可以放置在至少一個(gè)圓錐形切削元件的備用位置(即，后面)。在另一個(gè)具體的實(shí)施例中，預(yù)先形成的孕鑲金剛石硬合金齒可以在大致相同的徑向位置處設(shè)置在每一個(gè)圓錐形切削元件的備用或尾隨位置。在具體的實(shí)施例中，預(yù)先形成的孕鑲金剛石硬合金齒以低于圓錐形切削元件的露出高度設(shè)置在圓錐形切削元件的備用或尾隨位置。在具體的實(shí)施例中，孕鑲金剛石硬合金齒設(shè)置成在圓錐形切削元件的頂部以下大約0.030英寸到0.100英寸。進(jìn)一步地，孕鑲金剛石硬合金齒可以具有各種形狀。例如，在各種實(shí)施例中，孕鑲金剛石元件的上表面可以是平坦的、穹頂形、或圓錐形以接合地層。在具體的實(shí)施例中，具有穹頂形上表面或圓錐形上表面。
[0077]包括孕鑲金剛石硬合金齒或刀片的這種實(shí)施例中，這種孕鑲材料可以包括分散在諸如以下詳細(xì)描述的材料的連續(xù)基質(zhì)內(nèi)的少量磨蝕顆粒。進(jìn)一步地，這種預(yù)先形成的硬合金齒或刀片可以由如美國(guó)專利公開出版物N0.2006/0081402和美國(guó)申請(qǐng)N0.11/779，083，N0.11/779，104和N0.11/937，969中所述的包封顆粒。少量磨蝕顆?？梢赃x自人造金剛石、天然金剛石、回收的天然或人造金剛石、砂礫、立方氮化硼(CBN)、熱穩(wěn)定聚晶金剛石(TSP)、碳化硅、氧化鋁、工具鋼、碳化硼或其組合。在各種實(shí)施例中，刀片的特定部分可以浸潰有所選擇的顆粒以與后部相比產(chǎn)生具有更大磨蝕性的前部(或反之亦然)。[0078]浸潰顆粒可以分散在由基質(zhì)粉末和粘結(jié)劑材料(粘結(jié)劑粉末和/或滲透粘結(jié)劑合金)形成的連續(xù)基質(zhì)中?；|(zhì)粉末材料可以包括使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何技術(shù)的碳化物組分和/或金屬合金的混合物。例如，基質(zhì)粉末材料可以包括宏晶碳化鎢顆粒、滲碳碳化鎢顆粒、鑄造碳化鎢顆粒和燒結(jié)碳化鎢顆粒中的至少一種。在其它實(shí)施例中，可以使用由釩、鉻、鈦、鉭、鈮形成的非碳化鎢以及過(guò)渡金屬族形成的其它碳化物。在又一個(gè)實(shí)施例中，可以使用IVA族、VA族或VIA族金屬的碳化物、氧化物和氮化物。通常，粘結(jié)相可以由粉末成分和/或滲透成分形成。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，硬顆?？梢耘c諸如鈷、鎳、鐵、鉻、銅、鑰、及其合金及其組合的粉末粘結(jié)劑組合使用。在各種其它實(shí)施例中，滲透粘結(jié)劑可以包括Cu-Mn-Ni合金、N1-Cr-S1-B-Al-C合金、N1-Al合金、和/或Cu-P合金。在其它實(shí)施例中，除了按重量計(jì)算數(shù)量在從30%至100%的范圍內(nèi)的至少一種粘結(jié)劑之外，滲透基質(zhì)可以包括按重量計(jì)算數(shù)量在從0%至70%的范圍內(nèi)的碳化物，以促進(jìn)基質(zhì)和浸潰材料的粘結(jié)。進(jìn)一步地，即使在沒有提供孕鑲金剛石(孕鑲金剛石以預(yù)先形成的硬合金齒的形式提供)的實(shí)施例中，這些基質(zhì)也可以用于形成刀片結(jié)構(gòu)，其中本公開的切削元件被用于所述刀片結(jié)構(gòu)上。
[0079]以下參照?qǐng)D15A-C，圖15A-C顯示了可以是這里公開的實(shí)施例中的任一個(gè)中的圓錐形切削元件的變形例。設(shè)置在鉆頭或擴(kuò)眼器上的圓錐形切削元件128(圖15A-15C示出了所述圓錐形切削元件128的變形例)具有在襯底134(例如，燒結(jié)碳化鎢襯底)上的金剛石層132，其中金剛石層132形成圓錐形金剛石工作表面。具體地，圓錐形幾何形狀可以包括正切地連接頂點(diǎn)的曲率的側(cè)壁。圓錐形切削元件128可以以類似于在形成金剛石增強(qiáng)硬合金齒(在牙輪鉆頭中使用)中使用的方法類似的方法形成或可以將部件釬焊在一起。金剛石層132與襯底134之間的界面(未單獨(dú)示出)可以是非平坦或非均一的，例如用于有助于在操作中減小金剛石層132與襯底134的分層的產(chǎn)生并提高元件的強(qiáng)度和耐沖擊性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到所述界面可以包括一個(gè)或多個(gè)凸起或凹入部，如本領(lǐng)域所公知的非平坦界面。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到使用一些非平坦界面可以允許金剛石層在層的末端區(qū)域具有更大的厚度。進(jìn)一步地，理想的是產(chǎn)生界面幾何形狀使得金剛石層在包圍金剛石增強(qiáng)元件與地層之間的主要接觸區(qū)域的臨界區(qū)域處最厚。可以用于本公開的金剛石增強(qiáng)元件的另外的形狀和界面包括美國(guó)專利公開出版物N0.2008/0035380中所述的形狀和界面，其中所述專利公開出版物通過(guò)引用在此全文并入。進(jìn)一步地，金剛石層132可以由包括例如多晶金剛石、多晶立方氮化硼、熱穩(wěn)定聚晶金剛石(通過(guò)對(duì)由諸如鈷的金屬形成的多晶金剛石或由具有低于鈷的熱膨脹系數(shù)的金屬形成的多晶金剛石進(jìn)行處理形成)的任何多晶超級(jí)研磨材料形成。
[0080]如上所述，圓錐形切削元件的頂點(diǎn)可以具有包括曲率半徑的曲率。在本實(shí)施例中，曲率半徑可以在從大約0.050至0.125的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，曲率可以包括可變曲率半徑、拋物線的一部分、雙曲線的一部分、垂鏈線的一部分、或參量樣條(parametricspline)。進(jìn)一步地，參照?qǐng)D15A-B，錐形端的錐角β可以改變，并且基于要被鉆進(jìn)的具體地層選擇所述錐角β。在具體的實(shí)施例中，錐角β可以在從大約75度至90度的范圍內(nèi)。
[0081]以下參照?qǐng)D15C，圖15C顯示了非對(duì)稱或傾斜圓錐形切削元件。如圖15C所示，圓錐形切削元件128的切削圓錐形切削刃部135具有不與襯底134的軸線同軸的軸線。在具體的實(shí)施例中，至少一個(gè)非對(duì)稱圓錐形切削元件可以用在所述的鉆頭或擴(kuò)眼器中的任一個(gè)上。可以選擇非對(duì)稱圓錐形切削元件以更好地將來(lái)自地層的作用在切削元件上的法向或反作用力與切削末端軸線對(duì)齊，或者以改變圓錐形切削元件相對(duì)于地層的侵蝕性。在具體的實(shí)施例中，形成在切削刃或錐體軸線與襯底的軸線之間的角度Y可以在從37.5度至45度的范圍內(nèi)，且尾隨側(cè)的角度比引導(dǎo)角大5-20度。參照?qǐng)D17，非對(duì)稱(即，傾斜)圓錐形切削元件的后傾角165基于圓錐形切削刃的軸線，所述圓錐形切削刃的軸線沒有穿過(guò)圓錐形切削刃的基部的中心。撞擊角167如上所述基于圓錐形切削元件的側(cè)壁的引導(dǎo)部與地層之間的角度。如圖17所示，通過(guò)頂點(diǎn)的切削刃軸線遠(yuǎn)離鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向指向。
[0082]參照?qǐng)D16A-C，圓錐形切削元件144與切削刃135的頂點(diǎn)139相鄰的一部分可以使切削元件呈斜面或磨掉以在切削元件上形成傾斜表面138。例如，可以從傾斜表面與正交于圓錐形切削元件的頂點(diǎn)的平面之間的角度測(cè)量斜面的傾斜切削角?；谄谕那治g性，傾斜切削角可以在從15度至30度的范圍內(nèi)。如圖16B和16C所示，顯示了 17度和25度的傾斜切削角。進(jìn)一步地，斜面的長(zhǎng)度可以例如基于傾斜切削角以及頂角。
[0083]除了切削元件144中金剛石層132與碳化物襯底134之間的非平坦界面之外或作為所述界面的可替換方案，圓錐形切削元件的一個(gè)具體實(shí)施例可以包括不正交于如圖19所示的襯底主體軸線以產(chǎn)生非對(duì)稱性金剛石層的界面。具體地，在這種實(shí)施例中，在圓錐形切削元件的一半上的金剛石的體積大于在圓錐形切削元件的另一半上的金剛石的體積。相對(duì)于基部的界面的角度的選擇可以基于例如具體的后傾角、撞擊角、頂角、圓錐形切削刃的軸線，以最小化在金剛石-碳化物界面上的剪切力的大小，并相反使界面具有大于切應(yīng)力的壓縮應(yīng)力。
[0084]如本公開全文所述，切削元件和切削結(jié)構(gòu)組合可以用在固定切齒刃鉆頭或擴(kuò)眼器上。圖25顯示了包括本公開的一個(gè)或多個(gè)切削元件的擴(kuò)眼器830的通常結(jié)構(gòu)。擴(kuò)眼器830包括工具主體832和繞該工具主體832的圓周設(shè)置在選擇的方位角位置處的多個(gè)刀片838。擴(kuò)眼器830整體上包括連接裝置834，836 (例如，螺紋連接裝置)，使得擴(kuò)眼器830可以聯(lián)接到例如包括鉆柱和/或井底鉆具組合(BHA)(未示出)的相鄰鉆具。工具主體832大致包括通過(guò)所述工具主體832的孔，使得當(dāng)從地面將鉆井液泵送(例如，從地面泥漿泵(未示出))到井眼(未示出)的底部時(shí)，所述鉆井液可以流動(dòng)通過(guò)擴(kuò)眼器830。工具主體832可以由鋼或由本領(lǐng)域所公知的其它材料形成。例如，工具主體832還可以由滲透有粘結(jié)劑合金的基質(zhì)形成。
[0085]圖25中所示的刀片是螺旋刀片并且整體上以大致相等角間隔繞工具主體的圓周定位，使得擴(kuò)眼器830。該布置不是對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，而是相反僅用于說(shuō)明性目的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可以使用任何現(xiàn)有技術(shù)的井下切削工具。雖然圖25沒有詳細(xì)示出圓錐形切削元件的位置，但是可以基于上述變形例在工具上放置所述圓錐形切削元件。
[0086]此外，除了諸如擴(kuò)孔器、擴(kuò)眼器、扶正器等的井下工具應(yīng)用之外，與現(xiàn)有技術(shù)鉆頭相比較，使用根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的諸如這里公開的切削元件的鉆頭可以在高轉(zhuǎn)速方面具有改進(jìn)的鉆井特性。當(dāng)鉆頭通過(guò)渦輪、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)或用在高轉(zhuǎn)速應(yīng)用中時(shí)，這種高轉(zhuǎn)速是典型的。
[0087]此外，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到對(duì)本公開的切削元件的尺寸沒有限制。例如，在各種實(shí)施例中，切削元件的尺寸可以形成為包括但不限于9mm、13mm、16mm、和19mm。切削元件尺寸的選擇可以基于例如要被鉆進(jìn)的地層的類型。例如，在軟地層中，理想的是可以使用大切削元件，而在硬地層中，理想的是可以使用小切削元件。
[0088]進(jìn)一步地，上述實(shí)施例中的任一個(gè)中的牙輪142可以是諸如美國(guó)專利N0.7，703，559、美國(guó)專利公開出版物N0.2010/0219001和美國(guó)專利申請(qǐng)N0.61/351，035中所公開的可旋轉(zhuǎn)切削元件的可旋轉(zhuǎn)切削元件也在本公開的保護(hù)范圍內(nèi)，其中所述申請(qǐng)被轉(zhuǎn)讓給本受讓人并通過(guò)引用在全文此并入。
[0089]進(jìn)一步地，雖然上述多個(gè)實(shí)施例描述了牙輪和圓錐形切削元件位于彼此不同的徑向位置，但是期望是圓錐形切削元件可以在徑向相鄰牙輪之間等間距間隔開(或反之亦然，相對(duì)于圓錐形切削元件之間的牙輪間距)，然而還可設(shè)想的是還可以使用非等間距間隔。進(jìn)一步地，圓錐形切削元件和牙輪可以位于相同的徑向位置，例如在同一刀片上，使得一個(gè)尾隨另一個(gè)的方案也在本公開的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0090]本公開的實(shí)施例可以包括一個(gè)或多個(gè)以下優(yōu)點(diǎn)。本公開的實(shí)施例可以提供能夠以經(jīng)濟(jì)ROP實(shí)際地鉆入具有大于可以采用常規(guī)PDC鉆頭的硬度的地層中的固定切齒刃鉆頭或其它固定切齒刃切削工具。更具體地，本實(shí)施例可以鉆入軟、中間、中等硬度地層中，并且甚至鉆入一些硬地層中，同時(shí)保持侵蝕性切削元件輪廓以保持可接受ROP持續(xù)可接受的持續(xù)時(shí)間并因此降低當(dāng)前行業(yè)中的鉆井成本。具有圓錐形切削元件的剪切牙輪的組合可以通過(guò)產(chǎn)生溝槽(通過(guò)圓錐形切削元件)以削弱巖石然后通過(guò)剪切牙輪隨后的作用挖掘所述巖石來(lái)進(jìn)行鉆進(jìn)。此外，其它實(shí)施例還可以通過(guò)切削機(jī)理到研磨的轉(zhuǎn)變(通過(guò)包括孕鑲金剛石)提供增強(qiáng)的耐用性。進(jìn)一步地，圓錐形切削元件的各種幾何結(jié)構(gòu)和位置可以用于在使用期間優(yōu)化圓錐形切削元件的使用，尤其地減小或最小化在鉆進(jìn)期間切削元件上的有害載荷和應(yīng)力。
[0091]雖然已經(jīng)相對(duì)于有限的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是得益于本公開的本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可以設(shè)計(jì)不背離如這里公開的本發(fā)明的保護(hù)范圍的本發(fā)明的其它實(shí)施例。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該僅由所附權(quán)利要求限制。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在地球地層中鉆井眼的鉆頭，包括: 具有鉆頭軸線和鉆頭端面的鉆頭體； 沿著所述鉆頭端面徑向延伸的多個(gè)刀片；和 設(shè)置在所述多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括: 包括襯底和金剛石臺(tái)面的至少一個(gè)牙輪，所述金剛石臺(tái)面具有大致平坦切削面；和 包括襯底和金剛石層的至少兩個(gè)圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃， 其中在所述多個(gè)切削元件旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面中的視圖中，所述至少一個(gè)牙輪位于遠(yuǎn)離所述鉆頭軸線的徑向位置，所述徑向位置在所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件的徑向位置之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少一個(gè)牙輪設(shè)置在相對(duì)于上面設(shè)置有所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件的至少一個(gè)刀片的尾隨刀片上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉆頭，其中，所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件在兩個(gè)單獨(dú)的刀片上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件在同一刀片上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件設(shè)置在切削輪廓的頂冠區(qū)域和臺(tái)肩區(qū)域中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件具有在從大約-10度至10度的范圍內(nèi)的后傾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件具有在從零度到10度范圍內(nèi)的后傾角。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，至少一個(gè)圓錐形切削元件以比徑向相鄰牙輪大的露出高度設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，至少一個(gè)圓錐形切削元件以比徑向相鄰牙輪小的露出高度設(shè)置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，至少一個(gè)圓錐形切削元件以與徑向相鄰牙輪大致相同的露出高度設(shè)置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述鉆頭的刀片不與所述鉆頭的中心線相交。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的鉆頭，進(jìn)一步包括設(shè)置在至少兩個(gè)刀片之間的區(qū)域中的芯型切削元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的鉆頭，其中，所述芯型切削元件包括牙輪。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的鉆頭，其中，所述芯型切削元件包括圓錐形切削元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，至少一個(gè)刀片的至少一部分包括分散在連續(xù)基質(zhì)中的多個(gè)超級(jí)研磨顆粒。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述多個(gè)切削元件進(jìn)一步包括被鑲嵌到至少一個(gè)刀片中的孔中的至少一個(gè)孕鑲金剛石硬合金齒。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的鉆頭，其中，所述至少一個(gè)孕鑲金剛石硬合金齒設(shè)置在大致相同的徑向位置處并尾隨至少一個(gè)圓錐形切削元件。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件中的至少一個(gè)包括不與所述襯底的軸線同軸的所述圓錐形切削刃的軸線。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的鉆頭，其中，形成在所述圓錐形切削刃的軸線與所述襯底的軸線之間的角度在從37. 5°到45°的范圍內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件中的至少一個(gè)包括與所述切削刃的頂點(diǎn)相鄰的傾斜表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的鉆頭，其中，所述傾斜表面的傾斜切削角在從大約15度至30度的范圍內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少一個(gè)牙輪具有在從大約O.001英寸至大約0.005英寸的范圍內(nèi)的斜面。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件中的至少一個(gè)包括非對(duì)稱性金剛石層。
24.一種井下切削工具，包括： 工具主體； 從所述工具主體方位角地延伸的多個(gè)刀片； 設(shè)置在所述多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括： 包括襯底和金剛石層的至少一個(gè)圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中所述至少一個(gè)圓錐形切削元件包括不與所述襯底的軸線同軸的所述圓錐形切削刃的軸線。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所示的切削工具，其中，形成在所述圓錐形切削刃的軸線與所述襯底的軸線之間的角度在從X至Y的范圍內(nèi)。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的切削工具，其中，所述多個(gè)切削元件進(jìn)一步包括至少一個(gè)牙輪，所述至少一個(gè)牙輪包括襯底和金剛石臺(tái)面，所述金剛石臺(tái)面具有大致平坦切削面，其中在所述多個(gè)切削元件旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面的視圖中，所述至少一個(gè)牙輪位于遠(yuǎn)離所述鉆頭軸線的徑向位置，所述徑向位置在所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件的徑向位置之間。
27.一種井下切削工具，包括： 工具主體； 從所述工具主體方位角地延伸的多個(gè)刀片； 設(shè)置在所述多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括： 包括襯底和金剛石層的至少一個(gè)圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中所述至少一個(gè)圓錐形切削元件包括與所述圓錐形切削刃的頂點(diǎn)相鄰的傾斜表面。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的切削工具，其中，所述傾斜表面的傾斜切削角在從大約15度至30度的范圍內(nèi)。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的切削工具，其中，所述多個(gè)切削元件進(jìn)一步包括至少一個(gè)牙輪，所述至少一個(gè)牙輪包括襯底和金剛石臺(tái)面，金剛石臺(tái)面具有大致平坦切削面，其中在所述多個(gè)切削元件旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面的視圖中，所述至少一個(gè)牙輪位于遠(yuǎn)離所述鉆頭軸線的徑向位置，所述徑向位置在所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件的徑向位置之間。
30.一種井下切削工具，包括： 工具主體； 從所述工具主體方位角地延伸的多個(gè)刀片； 設(shè)置在所述多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括： 包括襯底和金剛石層的至少一個(gè)圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃，其中所述至少一個(gè)圓錐形切削元件包括非對(duì)稱性金剛石層。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的切削工具，其中，所述多個(gè)切削元件進(jìn)一步包括至少一個(gè)牙輪，所述至少一個(gè)牙輪包括襯底和金剛石臺(tái)面，金剛石臺(tái)面具有大致平坦切削面，其中在所述多個(gè)切削元件旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面的視圖中，所述至少一個(gè)牙輪位于遠(yuǎn)離所述鉆頭軸線的徑向位置，所述徑向位置在所述至少兩個(gè)圓錐形切削元件的徑向位置之間。
32.—種井下切削工具，包括: 工具主體； 從所述工具主體方位角地延伸的多個(gè)刀片； 設(shè)置在所述多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括: 包括襯底和金剛石層的至少一個(gè)圓錐形切削元件，所述金剛石層具有圓錐形切削刃；和 至少一個(gè)孕鑲金剛石硬合金齒，所述至少一個(gè)孕鑲金剛石硬合金齒被鑲嵌到至少一個(gè)刀片的孔中。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的切削工具，其中，所述至少一個(gè)孕鑲金剛石硬合金齒設(shè)置在相同的徑向位置處并尾隨至少一個(gè)圓錐形切削元件。
34.一種井下切削工具，包括: 工具主體； 從所述工具主體方位角地延伸的多個(gè)刀片；和 設(shè)置在所述多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括: 至少兩個(gè)牙輪，所述至少兩個(gè)牙輪包括襯底和金剛石臺(tái)面，金剛石臺(tái)面具有大致平坦切削面；和 至少一個(gè)圓錐形切削元件，所述至少一個(gè)圓錐形切削元件包括襯底和金剛石層，金剛石層具有圓錐形切削刃， 其中在所述多個(gè)切削元件旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面的視圖中，所述至少一個(gè)圓錐形切削元件位于遠(yuǎn)離所述鉆頭軸線的徑向位置，所述徑向位置在所述至少兩個(gè)牙輪的徑向位置之間。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的井下切削工具，其中，至少一個(gè)牙輪與徑向相鄰的牙輪間隔開所述至少一個(gè)牙輪的直徑的至少四分之一。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的井下切削工具，其中，所述多個(gè)牙輪設(shè)置在所述井下切削工具上，使得在所述多個(gè)牙輪的旋轉(zhuǎn)切削輪廓上的相鄰牙輪之間存在至少一些重疊。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的井下切削工具，其中，所述多個(gè)牙輪設(shè)置在所述井下切削工具上，使得在所述多個(gè)牙輪的旋轉(zhuǎn)切削輪廓上的相鄰牙輪的切削面至少彼此相切。
38.一種井下切削工具，包括: 工具主體； 從所述工具主體方位角地延伸的多個(gè)刀片；和 設(shè)置在所述多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件，所述多個(gè)切削元件包括: 至少兩個(gè)牙輪，所述至少兩個(gè)牙輪包括襯底和金剛石臺(tái)面，金剛石臺(tái)面具有大致平坦切削面；和 至少一個(gè)圓錐形切削元件，所述至少一個(gè)圓錐形切削元件包括襯底和金剛石層，金剛石層具有圓錐形切削刃，其中在單個(gè)刀片上，圓錐形切削元件設(shè)置在兩個(gè)牙輪之間的徑向中間位置，其中所述圓錐形切削元件尾隨所述兩個(gè)牙輪。
【文檔編號(hào)】E21B10/43GK103842607SQ201280008571
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月10日
【發(fā)明者】邁克爾·G·阿扎, 芭拉·杜賴?yán)芏? 馬達(dá)普斯·K·克沙凡恩 申請(qǐng)人:史密斯運(yùn)輸股份有限公司