專利名稱:形成用于容納鉆頭切削元件的凹窩的方法
技術領域:
本發(fā)明總體上涉及鉆地工具以及形成鉆地工具的方法。更具體地, .明勁 成的工具,
背景技術:
旋轉鉆頭通常用于在地層內鉆孔或鉆井。 一種類型的旋轉鉆頭是 固定切削件式鉆頭(常稱作"刮刀"鉆頭),其典型地包括多個固定到 鉆頭體的鉆頭端面區(qū)域的切削元件。通常,固定切削件式鉆頭的多個 切削元件具有盤形形狀,或者在某些情況下具有更長的大體圓柱形形 狀。在各切削元件的基體的大體圓形端表面上可以設置包括硬質超研 磨材料一一例如形成所謂的"金剛石片"的多晶金剛石的互相束縛顆 粒一一的切削表面。這種切削元件常稱作"聚晶金剛石復合片(PDC )" 切削元件或切削件。典型地,PDC切削元件與鉆頭體分開制造,并固 定在形成于鉆頭體外表面內的凹窩內部??墒褂弥T如粘合劑或更典型 采用的硬釬焊合金的結合材料將切削元件固定到鉆頭體。
旋轉鉆頭的鉆頭體典型地固定到硬化鋼質鉆頭接頭部分,鉆頭接 頭部分具有用于將鉆頭體附接到鉆柱的符合美國石油協(xié)會(API)定義的螺紋連接部。鉆柱包括位于鉆頭和地面處的其它鉆進設備之間首 尾耦聯(lián)的管形鉆桿以及設備節(jié)段??梢允褂弥T如轉盤或頂部驅動裝置 的設備來使鉆柱和鉆頭在鉆孔內轉動。替代性地,鉆頭的鉆頭接頭部 分可直接耦聯(lián)到井下馬達的驅動軸,然后井下馬達可用于轉動鉆頭。
參見圖1,傳統(tǒng)的固定切削件式鉆地旋轉鉆頭10包括鉆頭體12, 其具有總體上沿徑向突出并沿縱向延伸的翼部或刀翼14,刀翼14由 自鉆頭體12的鉆頭端面20上的溝槽延伸的排屑槽16分開。多個PDC 切削元件18設置在延伸于鉆頭體12的鉆頭端面20上的刀翼14上。 鉆頭體12的鉆頭端面20包括刀翼14的配置成與被鉆地層接合的表 面、以及鉆頭體12的位于溝槽和排屑槽16內部的外表面的外表面。 多個PDC切削元件18可沿著各刀翼14設置于在刀翼14的就旋轉方 向而言的前邊緣內所形成的切削元件凹窩22的內部,PDC切削元件 18可由支撐部24從后面支撐,支撐部24可與鉆頭體12 —體形成。
鉆頭IO可進一步包括用于將鉆頭IO附接到鉆柱(未示出)的API 螺紋接頭部分30。此外,縱向孔(未示出)沿縱向延伸穿過鉆頭體12 的至少一部分,且內部流體通道(未示出)在該縱向孔與設置在鉆頭 體12的鉆頭端面20處的噴嘴32 (其在延伸至排屑槽16的溝槽上敞 開)之間提供流體連通。
在鉆進操作過程中,鉆頭IO位于井眼底部處,并在鉆井液通過縱 向孔、內部流體通道、以及噴嘴32被泵抽到鉆頭體12的鉆頭端面20 的同時轉動。當鉆頭10轉動時,PDC切削元件18刮削并剪切底下的 地層。地層鉆屑與鉆井液混合并懸浮于鉆井液中,且通過排屑槽16 并向上通過井眼壁和鉆柱外表面之間的環(huán)形空隙到達地層表面。
固定切削件式旋轉鉆頭10的鉆頭體12可由鋼制成。這種鋼制鉆 頭體通過加工鋼坯(利用包括諸如車削、銑削、鉆孔的傳統(tǒng)加工工藝) 以形成刀翼14、排屑槽16、凹窩22、支撐部24、內部縱向孔和流體 通道(未示出)、以及鉆頭10的其它特征而典型地制成。
鉆地旋轉鉆頭的切削元件18常具有大體圓柱形狀。因此,為了形 成用于在其內容納這種切削元件18的凹窩22,可能必需或希望在鉆
6頭體內形成具有端部平坦的直柱形狀的凹部。這種凹部可通過例如使 到鉆頭體內而加工形成鉆頭體。這種加工操作可產生如下的切削元件
凹窩22:其具有大體圓柱形表面和大體平面形端表面,以用于將大體 圓柱形切削元件18設置并釬焊于其內。
但是,在一些情形下,加工這種大體圓柱形切削元件凹窩22可能 有困難。例如,在所使用的加工設備(例如多軸銑床)與鉆頭的與希 望在其上加工切削元件凹窩22的刀翼相鄰的刀翼之間可能會有物理 干涉。更具體地,這種物理干涉可能會限制加工工具沿著通常沿其旋 轉軸線對齊的希望加工路徑行進,這是因為加工工具和保持加工工具 的夾頭或夾盤中的至少一個可能會接觸鄰近刀翼。結果,為了借助于 諸如端銑刀的底部平坦的加工工具形成希望的切削元件凹窩22,可能 需要加工工具移除例如相鄰的就旋轉方向而言的前刀翼的一部分。作
為進一步復雜化因素,鉆頭常在其鉆頭端面上具有徑向中心"內錐,, 區(qū)。在這種內錐區(qū)內,鉆頭的端面的輪廓在其接近鉆頭的端面的中心 時在與鉆進方向相反的縱向上逐漸變尖。因此,在鉆頭中心附近,使 用端部平坦的加工工具來形成大體圓柱形切削元件的凹部可能極其困難。
這種工具路徑的干涉問題導致可能必需將一個或多個切削元件凹 窩22在鉆地旋轉鉆頭的鉆頭端面上成如下角度定向該角度造成固定 于切削元件凹窩22內的切削元件18具有比希望后預定角度大的后預 定角度。
在現(xiàn)有技術中已給出用于克服這種工具路徑干涉問題的方法。例 如,授權給Sherwood,Jr.等人的美國專利No. 7,070,011公開了鋼制本 體的旋轉鉆頭,其具有設置于由切削件支撐元件部分地限定的切削件 凹窩內的主切削元件。支撐元件在鉆頭制造過程中固定到鋼制本體。 各切削元件的本體的至少一部分固定到鋼制鉆頭體的表面,且各切削 元件的本體的至少另一部分以匹配的方式接合支撐元件之一的表面。
但是,該現(xiàn)有技術仍繼續(xù)需要能避免上述工具路徑干涉問題并且的方法。 發(fā)明內容在一些實施方式中,本發(fā)明包括在諸如固定切削件式旋轉鉆頭、 牙輪旋轉鉆頭、取心鉆頭、偏心鉆頭、雙心鉆頭、擴眼鉆頭、銑磨鉆 頭等鉆地工具的表面內形成一個或多個切削元件凹窩的方法。該方法 包括以避免機械工具干涉問題的方式使用旋轉刀具來加工切削元件凹 窩的至少一部分,以及形成凹窩以充分支撐其內的切削元件。例如, 本發(fā)明的方法可包括使用相對于待形成的切削元件凹窩的縱向軸線成 預定角度定向的旋轉切削工具來加工切削元件凹窩的至少一部分。在 一些實施方式中,可使用相對于正形成的切削元件凹窩的縱向軸線成 預定角度定向的旋轉切削工具來在鉆地工具的鉆頭體內加工出第一凹 部,以限定切削元件凹窩的橫向側壁表面??稍阢@頭體內加工出附加 凹部,以限定切削元件凹窩的端表面的至少一部分。因為切削元件常 是大體圓柱形形狀,因此切削元件凹窩的橫向側壁表面和端表面可形 成為使得大體圓柱形切削元件能夠同時抵接切削元件凹窩的橫向側壁 表面和端表面。在附加實施方式中,該方法可包括在鉆頭體內形成限定切削元件 凹窩的橫向側壁表面的第一表面??梢允沟谝槐砻娴闹辽僖徊糠志哂?以切削元件凹窩的縱向軸線為中心的大體圓柱形形狀??尚纬纱篌w平 面形的、限定切削元件凹窩的后端表面的第二表面。進一步地,可形 成至少一個附加表面,其限定位于第一表面和第二表面之間的溝槽。 可使得所述至少一個附加表面沿著從切削元件凹窩的縱向軸線大體徑 向向外方向的延伸,并延伸超出第一表面的至少一部分并進入鉆頭體內。在附加實施方式中,本發(fā)明包括形成鉆地工具(例如上文提及的那些)的方法。該方法包括形成鉆頭體;使用旋轉刀具以避免機械 工具干涉問題并容許凹窩形成為充分支撐其內的切削元件的方式在鉆頭體內加工切削元件凹窩的至少一部分(如前述和下文進一步詳述的 那樣)。在另外的附加實施方式中,本發(fā)明包括具有鉆頭體的鉆地工具,鉆頭體包括第一表面,其限定切削元件凹窩的橫向側壁表面;第二 表面,其限定切削元件凹窩的端表面;以及至少一個附加表面,其限 定位于第一表面和第二表面之間的溝槽,溝槽以使切削元件能夠抵接 切削元件凹窩的橫向側壁表面和端表面的每一個的區(qū)域的方式延伸進 鉆頭體內。在一些實施方式中,切削元件凹窩可配置成在其內容納大 體圓柱形切削元件。例如,在一些實施方式中,第一表面的限定切削 元件凹窩橫向側壁表面的至少一部分可為大體圓柱形形狀,并且可以以切削元件凹窩的縱向軸線為中心。在這種實施方式中,該至少一個 附加表面可限定沿著從切削元件凹窩的縱向軸線大體徑向向外的方向 延伸并徑向超出第一表面的大體圓柱形部分而進入鉆頭體內。
盡管說明書以權利要求書進行了總結,并且權利要求書特別指出 并清楚地要求了本發(fā)明的保護范圍,但當結合附圖研讀本發(fā)明的后述具體實施方式
之后,可更容易地確定本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點,其中圖l是鉆地旋轉鉆頭的立體圖;圖2A是與圖1示出的相似的鉆地旋轉鉆頭的鉆頭體的局部剖視 圖,并且示出了根據本發(fā)明的一個實施方式在鉆頭體內所形成的切削 元件凹窩的一部分;圖2B是沿圖2A中示出的剖切線2B-2B橫貫圖2A中示出的部 分形成的切削元件凹窩得到的局部剖視圖;圖3是與圖2A的相似的局部剖視圖,示出了設置于該部分形成 的切削元件凹窩內部的切削元件;圖4A是與圖2A的相似的局部剖視圖,并且示出了在圖2A內示 出的在鉆頭體內所形成的切削元件凹窩的另一部分;圖4B是沿圖4A中示出的剖切線4B-4B橫貫圖4A中示出的切削元件凹窩的局部剖視圖;圖5是與圖4A的相似的局部剖視圖,示出了設置于切削元件凹 窩內部并同時抵接切削元件凹窩的橫向側壁和端壁的區(qū)域的切削元 件;圖6是鉆頭體的局部剖視圖,并示出了根據本發(fā)明另一實施方式 在鉆頭體內所形成的切削元件凹窩的一部分;圖7是鉆頭體的局部剖視圖,并示出了根據本發(fā)明又一實施方式 在鉆頭體內所形成的切削元件凹窩的一部分;圖8是與圖7的相似的局部剖視圖,并示出了圖7中示出的在鉆 頭體內所形成的切削元件凹窩的另一部分;圖9A是與圖5的相似的局部縱向剖視圖,進一步示出了繞切削 元件凹窩內部的切削元件設置在切削元件凹窩內部的填料;圖9B是沿圖9A中示出的剖切線9B-9B橫貫圖9A中示出的結 構的局部剖視圖,并示出了設置于切削元件凹窩內部并覆蓋切削元件 凹窩內的切削元件的附加填料;圖IO是與圖9B的相似的另一局部橫剖視圖,示出了大體完全覆 蓋切削元件的位于切削元件凹窩內部的部分的填料;圖11是切削元件實施方式的側視圖;圖12是本發(fā)明切削元件的實施方式的側視圖;圖13A是具有多個與圖4A和4B中示出的相似的切削元件的本 發(fā)明的鉆地旋轉鉆頭實施方式的端面的平面圖;圖13B是圖13A中示出的鉆頭的兩個主切削元件的放大立體圖, 且兩個主切削元件各自設置于與圖4 A和4 B中示出的相似的切削元件 凹窩內部;以及圖13C是圖13A示出的鉆頭的兩個副切削元件的放大立體圖,且 兩個副切削元件各自設置于與圖4 A和4 B示出的相似的切削元件凹窩 內部。
具體實施方式
本文的圖示在一些情況下不是任何特定切削元件嵌入物、切削元 件或鉆頭的實際視圖,而僅是用于描述本發(fā)明的理想化圖示。另外, 附圖之間的共同元件可能會使用同 一附圖標記。在一些實施方式中,本發(fā)明包括用于形成切削元件凹窩的方法(其 避免或克服了與形成這種凹窩的前述已知方法有關的干涉問題中的至 少 一些問題)以及利用這種方法所形成的切削元件凹窩。圖2A是鉆頭體50的局部剖視圖,并示出了在鉆頭體50的地層 接合表面54內形成的、限定了鉆頭體50的位于切削元件凹窩內部的 至少一個表面55的第一凹部52。凹部52可利用加工工藝形成于鉆頭 體50內。舉例而言且并非限制,凹部52可利用多軸銑床(未示出) 的轉動刀具56形成。在一些實施方式中,銑床的刀具56可包括所謂 的"端銑刀"刀具,并且可選地可包括所謂的"球頭"端銑刀刀具, 當銑削三維表面時經常使用這些刀具。本文所用術語"球頭"端銑刀 刀具意指在其端部上具有彎曲狀或圓形(例如半球形)的切削輪廓的 端銑刀刀具。在一些方法中,刀具56可具有比待由刀具56形成的表 面55的最小曲率半徑要小得多的半徑。在一些實施方式中,待要固定到鉆頭體50的鉆頭端面54并固定 到切削元件凹窩內的切削元件可具有大體圓柱形本體,其包括在兩個 大體平面形端表面之間延伸的大體圓柱形橫向側壁表面。這種構造通 常用于聚晶金剛石復合片(PDC)切削件。結果,待形成的切削元件 凹窩也可具有與待固定于其內的切削元件互補的大體圓柱形形狀。圖2B是沿圖2A所示剖切線2B-2B橫貫凹部52得到的圖2A所 示鉆頭體50的剖視圖。如結合參照圖2A和2B能看到的,鉆頭體50 的位于凹部52內的表面55可包括待形成的切削元件凹窩的橫向側壁 表面,且橫向側壁表面55的至少一部分58 (圖2B)可具有大體圓柱 形形狀。表面55的大體圓柱形部分58可以以切削元件凹窩的縱向軸 線60 (圖2A)為中心。切削元件凹窩的縱向軸線60可定義為延伸穿 過切削元件凹窩的如下軸線該軸線將會與適當地固定在切削元件凹 窩內部的如圖2B所示,表面55具有三維輪廓或形狀,并且可通過如下方 式加工而成,即在刀具56相對于縱向軸線60 (圖2A)成直角(即 九十度(90°C ))或銳角(即介于零度(0°C )和九十度(90°C )之間) 定向的同時沿圖2A和2B中所示方向箭頭的標示方向移動刀具56。 在鉆頭體50內加工凹部52時,根據需要或希望可改變刀具56和縱向 軸線60之間的角度。因為鉆頭體50的表面55可利用刀具56相對于 縱向軸線60 (圖2A)成直角(即九十度(90'C))或銳角(即介于零 度(0°C )和九十度(90°C )之間)定向(其不同于與縱向軸線60對 齊的情形)加工而成,因此可減少或消除與在鉆頭體內加工出凹部以 形成切削元件凹窩的前述機械干涉問題。再次參見圖2A,在加工鉆頭體50的位于凹部52內部的表面55 時,也可形成鉆頭體50的大體平面形前(就旋轉方向而言在前)端表 面64和大體平面形后(就旋轉方向而言在后)端表面66。彎曲狀或 所謂的"圓角化"表面68可在橫向側壁表面55和各端表面64、 66 之間延伸,也如圖2A所示。圖3是與圖2A的相似的縱向剖視圖,并示出了設置于凹部52內 部的切削元件18。如參見圖3能夠了解的,設置于橫向側壁表面55 和大體平面形后端表面66之間的彎曲狀或圓角化表面68使得大體圓 柱形切削元件18不能同時抵接鉆頭體50的橫向側壁表面55和大體平 面形后端表面66這兩者的任何大面積區(qū)域。可能希望使切削元件18 能夠同時抵接橫向側壁表面55和大體平面形后端表面66中的每一個 的區(qū)域,以在鉆進操作過程中給切削元件18提供增加的或最大的支撐 和增強。參見圖4A,為了使切削元件18能夠同時抵接鉆頭體50的位于切 削元件凹窩內部的橫向側壁表面55和大體平面形后端表面66的區(qū)域 (而非僅以一點或沿接觸線抵接),可在鉆頭體50內、于凹部52內部 的大體平面形后端表面66和橫向側壁表面55之間相交處或其附近形 成附加的凹部或溝槽70,從而去除大體平面形后端表面66和橫向側 壁表面55之間的彎曲狀或圓角化表面68,形成本發(fā)明的切削元件凹12窩80的實施方式。這種去除或取代位于凹部52內部的大體平面形后 端表面66和橫向側壁表面55之間的彎曲狀或圓角化表面68的工藝可 稱作"下切"凹部52的端部,且附加的凹部或溝槽70可為待要固定 于切削元件凹窩80內部的切削元件提供所謂的"下切部"或"退切部"。圖4B是沿圖4A所示剖切線4B-4B橫貫附加凹部或溝槽70得 到的圖4A所示鉆頭體50的剖視圖。如結合參照4A和4B能夠看到 的,附加凹部或溝槽70可由鉆頭體50的一個或多個表面72限定,該 一個或多個表面72沿著從切削元件凹窩80的縱向軸線60 (圖4A) 大致徑向向外的方向延伸,并且沿徑向超過橫向側壁表面55的至少大 體圓柱形部分58。在一些實施方式中,附加凹部或溝槽70的至少一 部分可具有大體環(huán)形形狀,并可繞切削元件凹窩80的縱向軸線60、 在凹部52內部的大體平面形后端表面66和橫向側壁表面55之間相交 處或其附近延伸。附加凹部或溝槽70可利用前文與參照圖2A和2B所示凹部52描 述的工藝大致相似的加工工藝而形成,并且可利用相對于切削元件凹 窩80的縱向軸線60傾斜一定角度(即直角或銳角)定向的旋轉刀具 56加工而成。在一些實施方式中,附加凹部或溝槽70可利用與用于 形成凹部52相同的旋轉刀具56而形成于鉆頭體50內,且溝槽70可 與凹部52在同一加工工藝或工序過程中形成。例如,在一些實施方式 中,凹部52和溝槽70可在由銑床執(zhí)行的單一加工工藝或工序中順次 形成。作為另一示例,在一些實施方式中,凹部52和溝槽70可在由 銑床執(zhí)行的單一加工工藝或工序中大致同時地一起形成。在另外一些 其它實施方式中,凹部52和溝槽70可在不同加工工藝或工序中順次 形成。參見圖5,通過形成附加凹部或溝槽70從而下切凹部52,切削元 件凹窩80的大體平面形后端表面66的尺寸和構造能夠容許切削元件 18的橫向側壁表面26和大體平面形后端表面28同時分別抵接鉆頭體 50的位于切削元件凹窩80內部的橫向側壁表面55和大體平面形后端 表面66。換句話^兌,通過形成附加凹部或溝槽70,從而下切凹部52,使得由橫向側壁表面55的至少所述部分58在后端表面66上的投影所 限定的邊界圍繞的后端表面66的區(qū)域為大體平面形,可增加切削元件 凹窩80的大體平面形后端表面66的接觸面積。在這種構造中,切削 元件18能同時地抵接切削元件凹窩80內部的橫向側壁表面55和大體 平面形后端表面66中的每一個,如圖5所示。
如前所述,附加凹部或溝槽70可利用相對于切削元件凹窩80的 縱向軸線60成直角定向的多走轉刀具56而在鉆頭體50內加工而成,如 圖4A所示。在本發(fā)明的附加實施方式中,附加凹部或溝槽70可利用 相對于切削元件凹窩80的縱向軸線60傾斜小于九十度(90°C )的銳 角定向的旋轉刀具56在鉆頭體50內加工而成,如圖6所示。作為非 限制性示例,當形成附加凹部或溝槽70時,切削件56可相對于切削 元件凹窩80的縱向軸線60傾斜介于約九十度(90。C )和約三十度(30 。C)之間的銳角定向。在一些這樣的方法中,切削元件凹窩80內部的 橫向側壁表面55和大體平面形后端表面66都被附加凹部或溝槽70 下切,也如圖6所示。
如前所述,在本發(fā)明的一些實施方式中,凹部52可先于附加凹部 或溝槽70形成,且附加凹部或溝槽70可形成于鉆頭體50的暴露于凹 部52內部的一個或多個表面內、或者與該一個或多個表面相交。在附 加實施方式中,附加凹部或溝槽70可在形成凹部52之前形成,且凹 部52可形成于鉆頭體50的暴露于附加凹部或溝槽70內部的一個或多 個表面內、或者與該一個或多個表面相交。
參見圖7,舉例而言,凹部或溝槽70,可在鉆頭體50內形成以形 成鉆頭體的大體平面形表面66。例如,在一些實施方式中,凹部或溝 槽70,可為大體平面形或盤形形狀,并且可大致垂直于縱向軸線60定 向。這種大體平面形凹部或溝槽70,可由以下表面部分地限定鉆頭 體50的暴露于凹部或溝槽70,內部的大體平面形表面66;鉆頭體50 的暴露于凹部或溝槽70,內部的與大體平面形表面66相對的、第二大 體平面形表面67;以及在鉆頭體50的第一大體平面形表面66和第二 大體平面形表面67之間延伸、并且暴露于凹部或溝槽70,內部的一個
14或多個表面72。凹部或溝槽70,可以以與前文結合溝槽70以及圖4A 和4B描述的方式相似的方式在鉆頭體50內加工而成。
如圖8所示,然后可在鉆頭體50內形成凹部52,以限定切削元件 凹窩80的橫向側壁表面55??墒拱疾?2,與鉆頭體50的暴露于凹部 或溝槽70,內的第二大體平面形表面67,(圖7)相交。凹部52,可以以 與前文結合凹部52以及圖2A和2B描述的方式相似的方式在鉆頭體 50內加工而成。
在形成凹部或溝槽70,和凹部52,之后,第一大體平面形表面66 可限定切削元件凹窩80的大體平面形后端表面,且橫向側壁表面55 可限定切削元件凹窩80的橫向側壁表面。
雖然圖4A、 4B及5中所示的切削元件凹窩80被配置成在其內容 納大體圓柱形切削元件18,在其它實施方式中,包括凹部52和附加 凹部或溝槽70的切削元件凹窩80可配置成容納具有其它形狀和構造 的切削元件18。
本發(fā)明能用于具有大體由諸如鋼的金屬或金屬合金形成的鉆頭體 的鉆地旋轉鉆頭。近來,已努力發(fā)展了形成具有包括顆粒胎體復合材 料的鉆頭體的新方法,以改進鉆地旋轉鉆頭的性能和耐用性。在待審 的2005年11月10日申請的美國專利申請No. 11/271,153、以及待審 的同樣于2005年11月10日申請的美國專利申請No. 11/272,439中公 開了這樣的方法。
與傳統(tǒng)滲透方法(其中,硬顆粒(例如碳化鴒)在耐熔模具內由 熔融的液體金屬胎體材料(例如銅基合金)滲透)相比而言,這些新 方法通常包括對粉末混合物施壓以形成生粉末壓縮物、并且燒結生粉 末壓縮物以形成鉆頭。如果必需或希望,生粉末壓縮物可在燒結之前 利用與用于形成鋼制鉆頭體的那些方法相似的傳統(tǒng)加工技術進行加 工。此外,可在將生粉末壓縮物燒結成已部分燒結的褐色狀態(tài)之后, 或者在將生粉末壓縮物燒結成希望的最終密度之后,執(zhí)行附加的加工 工藝。例如,可能希望在鉆頭體還處于生的、褐色或完全燒結狀態(tài)下 時通過這種工藝所形成的鉆頭體的一個或多個刀翼(圖1)上加工切削元件凹窩。然而,與鋼制鉆頭的情形一樣,干涉問題可能會阻礙形 成所期望的切削元件凹窩。為了克服這種干涉問題,本發(fā)明的方法一 —例如本文前述的一一可用于在鉆頭體還處于生的、褐色或完全燒結 狀態(tài)下時通過這種工藝所形成的鉆頭體的一個或多個刀翼(例如圖1
所示的刀翼14)內形成一個或多個切削元件凹窩80。因此,本發(fā)明也 能用于具有大體由顆粒胎體復合材料所形成的鉆頭體的鉆地旋轉鉆 頭。
在如前述在鉆地旋轉鉆頭的鉆頭體50內形成一個或多個切削元 件凹窩80之后,切削元件18可定位于各切削元件凹窩80內部并固定 到鉆頭體50。舉例而言且并非限制,各切削元件18可利用硬釬焊合 金、軟釬焊合金或粘合劑材料固定在切削元件凹窩80內部。
如圖5所示,在將各切削元件18固定到切削元件凹窩80內部之 后,在切削元件凹窩80內部繞切削元件18的至少一部分可設置一個 或多個空隙或空穴。例如,凹部或溝槽70可包括或限定切削元件凹窩 80內部的繞切削元件18的空隙或空穴。另外,凹部52位于切削元件 18前方(就旋轉方向而言的切削元件18的前方)的部分可包括或限 定切削元件凹窩80內部的繞切削元件18的另一空隙或空穴。這種空 隙或空穴可使得在鉆進操作過程中鉆頭的周圍元件或部分容易磨損, 這將潛在地導致切削元件18與鉆頭體50在鉆進時分離。切削元件凹 窩80內部的繞切削元件18的空隙或空穴可填充填料(下文對其進一 步詳述)以防止鉆進過程中的磨損。
參見圖9A,由凹部或溝槽70和凹部52的位于切削元件18前方 的部分所限定的空隙或孔削可填充以填料84。圖9B是沿圖9A所示 剖切線9B-9B所剖的圖9A所示結構的局部橫剖面圖。如圖9B所示, 附加填料84也可設置于切削元件凹窩80內部、切削元件18的至少一 部分上,以減少或消除延伸進位于鉆頭體50鉆頭端面54下面的切削 元件凹窩80內的任何凹部或空穴。
圖10是與圖9B相似的、貫穿切削元件凹窩80及位于其內的切 削元件18所剖的局部橫剖圖。如圖10所示,在一些情形中,切削元件18的至少一部分可基本上完全凹進切削元件凹窩80內部、位于鉆 頭體50鉆頭端面54的下方。在這種情況下,填料84可設置成完全覆 蓋切削元件18的位于切削元件凹窩80內部的至少一部分上。
舉例而言且并非限制,圖9A、 9B及10所示填料84可包括熔焊 合金、軟釬焊合金或硬釬焊合金,且可通過利用相應的熔焊、軟釬焊 或硬釬焊工藝而施加。
在附加實施方式中,填料84可包括表面硬化材料(例如顆粒胎體 復合材料),并且可利用熔焊工藝(例如電弧焊、氣焊、電阻焊等)或 火焰噴涂工藝而施加。舉例而言且并非限制,在2006年8月30日申 請的待審的美國專利申請No. 11/513,677中所述的表面硬化材料中的 任何一個均可用作填料84,并且可如其中所述地方法施加到鉆頭體 50。此外,在一些實施方式中,填料84可包括熔焊合金、軟釬焊合金、 硬釬焊合金中的至少 一種,且表面硬化材料可應用到填料84的暴露表 面上以最小化或防止鉆進操作過程中的磨損。針對鉆進工具的具體設 計、切削元件18在鉆進工具上的位置、或者鉆進工具待要應用的場合, 這種分層式材料組合可以進行選擇,以在切削元件18和周圍的鉆頭體 50之間形成復合或層級式結構,該復合或層級式結構構造成能夠適應 緊緊圍繞著切削元件18的區(qū)域的強度、韌性、磨損性能以及腐蝕性能。
在另一其它實施方式中,填料84的至少一部分可為或者包括預成 型固體結構,該預成型固體結構構造并形成為具有與切削元件凹窩80 內部的繞切削元件18的凹部或空穴的一部分的形狀相對應的形狀。作 為非限制性示例,圖IO所示的位于切削元件18上的填料84可包括預 成型的固體封蓋結構,其可定位于切削元件凹窩80內部的切削元件 18上并固定到鉆頭體50。
這種預成型固體結構可分離地制造,定位在切削元件凹窩80內部 的選定位置以填充空隙或空穴,并固定到鉆頭體50的一個或多個周圍 表面。預成型固體結構可利用諸如粘合劑、硬釬焊工藝、火焰噴涂工 藝或熔焊工藝固定到鉆頭體50的一個或多個周圍表面。在一些實施方 式中,預成型固體結構可在切削元件18固定到切削元件凹窩80內之后定位在切削元件凹窩80內部并固定到鉆頭體50。在附加實施方式 中,這種預成型固體結構可在切削元件18固定到切削元件凹窩80內 之前定位在切削元件凹窩80內部并固定到鉆頭體50。在另外一些其 它實施方式中,一個或多個預成型固體結構可在切削元件18固定到切 削元件凹窩80內部之前固定到切削元件18。
在一些實施方式中,這種預成型固體結構可包括相對耐磨蝕和磨 損的材料,例如包括遍布在金屬或金屬合金胎體材料(例如鎳基或鈷 基金屬合金)內的眾多硬質顆粒(例如碳化鎢)的顆粒胎體復合材料, 以進一步防止鉆進操作中圍繞切削元件18的材料磨損。
圖11是切削元件18的側視圖。如圖11所示,在一些實施方式中, 切削元件18可包括形成在第一基體86的表面上或以其他方式固定在 第一基體86的表面的金剛石片85。第一基體86的相對的另一表面可 固定到相對較大的第二基體87的表面。在一些實施方式中,第一基體 86可具有盤形形狀,而相對較大的基體87可具有細長形狀。例如, 可能希望具有這樣的基體,即其具有與由第一基體86和第二基體 87形成的組合形狀相似的形狀。但是,難于在這種基體表面上形成金 剛石片85。結果,可能必需或希望在相對較小基體(例如第一基體86) 上形成金剛石片,然后將相對較小基體固定到相對較大基體(例如第 二基體87),以提供具有希望形狀的組合基體。
圖12示出本發(fā)明的切削元件18A的實施方式。如圖12所示,切 削元件18A包括相對較小的第一基體86A和相對較大的第二基體 87A。切削元件18A可具有與其一體形成的一個或多個部分88,所述 部分88的尺寸、形狀以及其他構造能夠填充切削元件凹窩80內部的 繞切削元件18的凹部或空穴的至少一部分。例如, 一個或多個這種部 分88可與第一基體86A和第二基體87A中的至少一個一體形成。舉 例而言其并非限制,切削元件18A可具有與第二基體87A —體形成的 部分88,其具有配置成適于填充凹部70 (例如前文參照圖4A和4B 描述的)的尺寸和形狀,如圖12所示。在附加實施方式中,切削元件 18A可包括一個或多個如下的部分88:所述部分的尺寸和構造適于填充位于切削元件凹窩80內部的切削元件18A上方的凹部或空穴的至 少一部分,例如前文參照圖9B和IO描述的那些。
圖13A是本發(fā)明的鉆地旋轉鉆頭90實施方式的端面的平面視圖。 鉆地旋轉鉆頭90包括具有多個總體徑向突出并縱向延伸的翼部或刀 翼94的鉆頭體92,刀翼94由自鉆頭體92的鉆頭端面上的溝槽延伸 的排屑槽96分開。在每個刀翼94上的切削元件凹窩80(圖4A至4B ) 的內部設置有多個PDC主切削元件18。在每個刀翼94上的就旋轉方 向而言位于主切削元件18后方的切削元件凹窩80內部還設置有多個 PDC副切削元件18,。
圖13B是示出兩個主切削元件18的放大立體圖,這兩個主切削 元件18固定在利用本文前述的本發(fā)明方法所形成的切削元件凹窩80 內部。相似地,圖13C是示出兩個副切削元件18,的放大立體圖,這 兩個副切削元件18,也固定在利用本文前述的本發(fā)明方法所形成的切 削元件凹窩80內部。
盡管本文已經結合包括固定切削件式鉆地旋轉鉆頭實施方式描述 了本發(fā)明,但其它類型的鉆地工具,例如取心鉆頭、偏心鉆頭、雙心 鉆頭、擴眼鉆頭、銑磨鉆頭、牙輪鉆頭以及現(xiàn)有技術中公知的其它類 型的這種結構也可實施本發(fā)明的教導,并可通過實施本發(fā)明教導的方 法而形成;本文所用術語"鉆頭體"包括鉆地旋轉鉆頭的本體、以及 其它鉆地工具的本體,所述其他鉆地工具包括但不限于取心鉆頭、偏 心鉆頭、雙心鉆頭、擴眼鉆頭、銑磨鉆頭、牙輪鉆頭、以及其它鉆進 和井下打眼工具。
通過利用本發(fā)明的切削元件凹窩80的實施方式,切削件(主切削 件和副切削件)實際上可固定到鉆頭體的鉆頭端面上的任何位置,且 切削元件凹窩80可配置成為固定于其內的切削元件提供任何選定的 后傾角,而不會碰到機械工具干涉問題。結果,可提供諸如圖13A所 示的鉆地旋轉鉆頭90的鉆地鉆進工具,其能夠以相對于以前公知的具 有加工的切削件凹窩的鉆進工具增加的鉆進速度鉆進,并且該鉆速與 利用具有以鑄造工藝(例如浸透工藝)形成的切削件凹窩的鉆進工具
19所實現(xiàn)的鉆速相似。
此外,盡管本文已經結合某些優(yōu)選實施方式描述了本發(fā)明,但本
領域技術人員將認識和理解本發(fā)明并不局限于此。相反,在不脫離后 文要求的本發(fā)明范圍的情況下可對這些優(yōu)選實施方式進行很多增加、
刪除以及修改。另外, 一個實施方式中的特征可與另一實施方式中的 特征相結合,同時仍舊涵蓋于本發(fā)明人想到的本發(fā)明范圍之內。此外,
本發(fā)明能用于不同的各種鉆頭輪廓以及切削件類型和構造中。
權利要求
1.一種在鉆地工具內形成至少一個切削元件凹窩的方法,所述方法包括使用相對于所述至少一個切削元件凹窩的縱向軸線成預定角度定向的旋轉刀具在鉆地工具內加工出限定所述至少一個切削元件凹窩的橫向側壁表面的第一凹部;在所述鉆地工具內加工出限定所述至少一個切削元件凹窩的端表面的至少一部分的第二凹部;以及將所述至少一個切削元件凹窩的所述橫向側壁表面和所述端表面形成為使得大體圓柱形切削元件能夠同時抵接所述至少一個切削元件凹窩的橫向側壁表面和端表面中的每一個的預定區(qū)域。
2. 如權利要求l所述的方法,進一步包括 形成鉆頭體;以及在所述鉆頭體內形成所述至少 一個切削元件凹窩。
3. 如權利要求2所述的方法,其中形成鉆頭體包括 提供粉末混合物;以及 對所述粉末混合物施壓以形成生鉆頭體。
4. 如權利要求2所述的方法,其中形成鉆頭體包括形成主要由 金屬或金屬合金構成的鉆頭體。
5. 如權利要求1或2所述的方法,其中使用旋轉刀具包括使用 端銑刀刀具。
6. 如權利要求2所述的方法,其中加工第二凹部進一步包括在 加工所述第一凹部之后,加工所述第二凹部。
7. 如權利要求1或2所述的方法,其中加工第二凹部進一步包括 在加工所述第一凹部之前加工所述第二凹部。
8. 如權利要求1或2所述的方法,其中加工第二凹部進一步包括 使用與用于加工所述第一凹部的旋轉刀具相同的旋轉刀具來加工所述 第二凹部。
9. 如權利要求2所述的方法,其中在所述鉆頭體內加工第二凹部 包括在所述鉆頭體的暴露于所述第一凹部內部的表面內加工溝槽。
10. 如權利要求2所述的方法,其中在所述鉆頭體內加工第二凹 部包括在所述鉆頭體內加工與所述至少一個切削元件凹窩的縱向軸 線大體垂直定向的大體平面形凹部。
11. 如權利要求1或2所述的方法,進一步包括將切削元件固定到所述至少 一個切削元件凹窩內部;以及 用填料填充第一凹部和第二凹部中的至少一個內的圍繞所述切削元件的空穴的至少一部分。
12. 如權利要求1或2所述的方法,其中將所述至少一個切削元 件凹窩的所述橫向側壁表面和所述端表面形成為使得大體圓柱形切削 元件能夠同時抵接所述至少一個切削元件凹窩的橫向側壁表面和端表 面中的每一個的預定區(qū)域包括使所述第二凹部的至少一部分沿著從所述至少一個切削元件凹窩 的縱向軸線大體徑向向外的方向延伸,并延伸超出所述至少一個切削 元件凹窩的橫向側壁表面的至少一部分。
13. —種鉆地工具,其具有鉆頭體,所述鉆頭體包括 第一表面,其限定至少一個切削元件凹窩的橫向側壁表面,所述第 一表面的至少 一部分具有以所述至少 一個切削元件凹窩的縱向軸線 為中心的大體圓柱形形狀;大體平面形的第二表面,其限定所述至少 一個切削元件凹窩的后 端表面;以及至少一個附加表面,其限定位于所述第一表面和所述第二表面之 間的溝槽,所述溝槽沿著從所述至少 一個切削元件凹窩的縱向軸線大 體徑向向外的方向延伸,并且延伸超出所述第一表面的所述至少一部 分并進入所述鉆頭體內。
14. 如權利要求13所述的鉆地工具,其中所述鉆頭體主要由鋼和 顆粒胎體復合材料中的一種構成。
15. 如權利要求13或14所述的鉆地工具,進一步包括固定在所述至少一個切削元件凹窩內部的切削元件。
16. 如權利要求15所述的鉆地工具,其進一步包括設置于所述 至少一個切削元件凹窩的圍繞所述切削元件的至少一部分的內部的填 料。
17. 如權利要求16所述的鉆地工具,其中所述填料包括硬釬焊 合金、軟釬焊合金、熔焊合金以及表面硬化材料中的至少一種。
18. 如權利要求16所述的鉆地工具,其中所述填料包括預成型固 體結構。
19. 如權利要求18所述的鉆地工具,其中所述預成型固體結構通 過釬焊、熔焊以及火焰噴涂中的至少一種方式固定到所述鉆頭體。
20. 如權利要求18或19所述的鉆地工具,其中所述預成型固體 結構包括顆粒胎體復合材料。
全文摘要
提供了一種在鉆地工具內形成切削元件凹窩的方法,包括使用相對于切削元件凹窩的縱向軸線成預定角度定向的旋轉刀具(56)加工限定切削元件凹窩的橫向側壁表面的至少一個凹部(52)。提供了一種形成鉆地工具的方法,包括形成鉆頭體(50),并且使用相對于待形成的切削元件凹窩的縱向軸線(60)成預定角度定向的旋轉刀具在鉆頭體內形成至少一個切削元件凹窩。提供了一種鉆地工具,具有鉆頭體,鉆頭體包括第一表面,其限定切削元件凹窩的橫向側壁(55);第二表面,其限定切削元件凹窩的后端壁(66);以及另一表面,其限定位于第一表面和第二表面之間的溝槽,溝槽延伸進本體內以使切削元件(18)抵接凹窩的橫向側壁和端壁。
文檔編號E21B10/46GK101631928SQ200880008025
公開日2010年1月20日 申請日期2008年3月12日 優(yōu)先權日2007年3月13日
發(fā)明者J·H·史蒂文斯, J·L·達根, R·H·史密斯 申請人:貝克休斯公司