其上具有旋轉(zhuǎn)切割結(jié)構(gòu)的鉆頭的制作方法
【專利摘要】一種鉆頭包括：鉆頭本體，其能夠繞著縱向軸線旋轉(zhuǎn)，且在一個端部處具有用于將所述鉆頭固定到鉆柱的連接端部，而且在與所述連接端部相反的位置處具有一個面；以及多個切割結(jié)構(gòu)，包括至少一個固定切割結(jié)構(gòu)和至少一個切割本體，所述至少一個固定切割結(jié)構(gòu)布置在所述鉆頭本體的面上，所述至少一個切割本體可旋轉(zhuǎn)地附連到所述鉆頭本體的所述面；其中，在多個切割結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到單個平面的視圖中，在所述至少一個固定切割結(jié)構(gòu)與所述至少一個切割本體之間基本不存在徑向重疊。
【專利說明】其上具有旋轉(zhuǎn)切割結(jié)構(gòu)的鉆頭
【背景技術(shù)】
[0001]歷史上存在兩種用于鉆入地質(zhì)地層的主要類型的鉆頭:刮刀鉆頭和牙輪鉆頭。術(shù)語“刮刀鉆頭”涉及那些沒有移動元件的旋轉(zhuǎn)鉆頭。刮刀鉆頭包括那些具有附連到鉆頭本體的切割器的刮刀鉆頭，其主要通過剪切動作切割地層。牙輪鉆頭包括一個或多個可旋轉(zhuǎn)地安裝到鉆頭本體的牙輪。這些牙輪具有多個附連到其上的切割元件，其在正被鉆的井孔底部處壓碎、削鑿和刮擦巖石。
[0002]通常，鉆頭類型可基于待鉆井地層的基本性質(zhì)而選擇。然而，許多地層具有混合特征(即，地層可能包括硬的和軟的兩種區(qū)域)，這可減少鉆頭穿透速率(可選地或者減少所選鉆頭的壽命)，這是由于所選鉆頭對特定區(qū)域不是優(yōu)選的。例如，銑齒牙輪鉆頭與PDC鉆頭兩者可有效鉆入軟的地層，但PDC鉆頭將通常具有高于牙輪鉆頭的穿透速速率。
[0003]PDC 鉆頭
[0004]刮刀鉆頭，通常稱為“固定切割器鉆頭”，包括具有附著至鉆頭本體的切割元件的鉆頭，鉆頭本體可以是鋼鉆頭本體或由基質(zhì)材料(如碳化鎢)形成的由結(jié)合材料包圍的基質(zhì)鉆頭本體。刮刀鉆頭可以通常定義為不具有移動部件的鉆頭。但是，本領(lǐng)域中已知存在形成刮刀鉆頭的不同的類型和方法。例如，具有孕鑲在形成鉆頭本體的材料的表面的研磨材料(如金剛石)的刮刀鉆頭，通常稱為“孕鑲(impreg)”式鉆頭。在本領(lǐng)域中已知的具有由沉積到基體上或者結(jié)合到基體上的超硬切割表面層或“面”(通常由多晶金剛石材料或多晶氮化硼材料制成)制成的切割元件的刮刀鉆頭作為聚晶金剛石復(fù)合片(polycrystallinediamond compact, PDC)鉆頭。
[0005]PDC鉆頭容易鉆入軟的地層，但是它們頻繁地用于鉆入中度硬度或研磨地層。它們使用小切割器用剪切動作來切割巖石地層，該小切割器不深深地穿透進(jìn)入地層中。因?yàn)榇┩傅纳疃葴\，因此通過對地層的連續(xù)切割來實(shí)現(xiàn)高速率的穿透。
[0006]包括具有超硬工作表面的多個切割器的現(xiàn)有技術(shù)PDC鉆頭的一個實(shí)例在圖1中示出。鉆頭10包括鉆頭本體11，其具有帶螺紋的上桿端部12和切割器端部13。切割器端部13通常包括多個肋或刀片14，它們圍繞鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線布置且從該鉆頭本體11向外徑向延伸。切割元件或切割器15相對于工作表面以預(yù)定的角度方向和徑向位置嵌入刀片14中并且針對待鉆井的地層具有需要的后傾角。
[0007]多個孔口 16放置在鉆頭本體11上的刀片14之間的區(qū)域中，該區(qū)域可稱為“缺口”或“水槽”?？卓?16通常適于接收噴嘴?？卓?16允許鉆井液通過鉆頭在所選方向上且在切割刀片14之間以選擇的流動速率排放用于潤滑和冷卻鉆頭10、刀片14以及切割器15。鉆井液也隨著鉆頭10旋轉(zhuǎn)和穿透地質(zhì)地層而清潔和去除鉆屑。如果沒有合適的流動特征，切割器15的不充足的冷卻可能在鉆井操作期間導(dǎo)致切割器失效。設(shè)置水槽用以為鉆井液提供額外的流動通道并且用以為地層鉆屑提供通道以通過鉆頭10朝向井眼(未示出)的地面行進(jìn)。
[0008]牙輪鉆頭
[0009]牙輪鉆頭通常以通過壓碎和鑿碎地層而不是剪切的方式鉆入地層。通常，牙輪鉆頭還優(yōu)選用于異質(zhì)地層，該異質(zhì)地層會在刮刀鉆頭中引起振動。牙輪鉆頭包括銑齒鉆頭和鑲齒鉆頭。銑齒牙輪鉆頭可用于鉆入相對軟的地層，而鑲齒牙輪鉆頭適用于中等硬度的或硬的地層。
[0010]牙輪鉆頭通常包括:本體，在本體的上端部上形成帶有螺紋的桿部用于連接到鉆柱；及一個或多個從本體的下端部延伸的腿部?，F(xiàn)參考圖2，常規(guī)的鑲齒牙輪鉆頭(總體上表示為20)由形成上桿端部22的鉆頭本體21和由從本體21延伸的腿部25支撐的牙輪24的切割器端部23組成。螺紋桿端部22適于裝配到用于鉆油井等的鉆柱(未示出)上。每個腿部25以牙松鉆頭體(shirttail) 26終止。
[0011]每一個牙輪24通常在其上具有多個切割元件27用于隨著鉆頭20繞著縱向軸線L旋轉(zhuǎn)而切割地層。圖2示出了被擠壓在形成在牙輪24的表面中的孔之內(nèi)的切割元件27，但是，銑齒鉆頭具有銑削形成在牙輪24的外部上的硬面鋼齒代替碳化物鑲齒。在鉆頭本體21中的噴嘴28將鉆井泥漿引入到圍繞牙輪24的空間中，以用于冷卻以及攜帶走由鉆頭20鉆出的地層鉆屑。鉆井液在鉆頭20的中空桿端部22內(nèi)被引導(dǎo)到由鉆頭本體21形成的內(nèi)部增壓室29。然后流體通過一個或多個噴嘴28引導(dǎo)到鉆頭之外。
[0012]每一個腿部25包括向下且徑向向內(nèi)朝向鉆頭本體21的中心線或縱向軸線L延伸的軸頸30。軸承組件布置在牙輪24與軸頸30之間。對于更高旋轉(zhuǎn)速度的應(yīng)用，牙輪鉆頭可具有滾珠軸承組件。多個滾珠軸承32分別安裝到牙輪24中和軸頸30上的互補(bǔ)的滾珠軌道。這些滾珠32通過滾珠通道34嵌入，該滾珠通道在滾珠軌道與鉆頭20的外部之間延伸通過軸頸30。牙輪24首先被安裝在軸頸30上，然后滾珠32通過滾珠通道34嵌入。滾珠32承載趨于從軸頸30移除牙輪24從而將牙輪24保持在軸頸30上的任何推力負(fù)載。滾珠32由滾珠保持器35被保持在軌道中，該滾珠保持器35在滾珠入位之后通過滾珠通道34被嵌入且焊接在其中。
[0013]潤滑油儲蓄器系統(tǒng)容納在鉆頭本體21之內(nèi)，總體上標(biāo)識為36。從儲蓄器室38到形成在牙輪24與軸頸30之間的滾珠支承表面33提供潤滑劑通道37。牙輪24與軸頸30之間的滾珠支承表面33由潤滑劑或潤滑油組合物潤滑。潤滑劑或潤滑油由牙輪24與軸頸30之間的彈性密封件39保留在軸承結(jié)構(gòu)中。
[0014]牙輪鉆頭和PDC鉆頭具有它們各自的優(yōu)勢。由于切割機(jī)制和切割元件材料的差別，每一個最好適用于不同的鉆井條件下。牙輪鉆頭在鉆井中主要使用壓碎機(jī)制，其為牙輪鉆頭帶來整體耐久性和強(qiáng)的切割能力。PDC鉆頭使用純的剪切機(jī)制用于切割，其允許在軟的地層鉆井中具有比牙輪鉆頭能夠達(dá)到的更高的性能。
[0015]盡管現(xiàn)有技術(shù)給出許多有價(jià)值的貢獻(xiàn)，但開發(fā)具有所需切割機(jī)構(gòu)的鉆頭仍將是有益的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]提供本
【發(fā)明內(nèi)容】
用于介紹概念的選擇，該概念在下文詳細(xì)的說明書中進(jìn)一步描述。本
【發(fā)明內(nèi)容】
不旨在標(biāo)識所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或必要的特征，也不旨在作為一種幫助來限制所要求保護(hù)的主題的范圍。
[0017]在一個方面，本文公開的實(shí)施例涉及一種鉆頭，包括:鉆頭本體，其能夠繞著縱向軸線旋轉(zhuǎn)，且在一個端部處具有用于將所述鉆頭固定到鉆柱的連接端部，而且在與所述連接端部相反的位置處具有一個面；以及多個切割結(jié)構(gòu)，包括至少一個固定切割結(jié)構(gòu)和至少一個切割本體，所述至少一個固定切割結(jié)構(gòu)布置在所述鉆頭本體的面上，所述至少一個切割本體可旋轉(zhuǎn)地附連到所述鉆頭本體的所述面；其中，在多個切割結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到單個平面的視圖中，在所述至少一個固定切割結(jié)構(gòu)與所述至少一個切割本體之間基本不存在徑向重疊。
[0018]在一個方面，本文公開的實(shí)施例涉及一種鉆頭，包括:鉆頭本體，其能夠繞著縱向軸線旋轉(zhuǎn)，且在一個端部處具有用于將所述鉆頭固定到鉆柱的連接端部，而且在與所述連接端部相反的位置處具有一個面；以及多個切割結(jié)構(gòu)，包括多個切割本體，其可旋轉(zhuǎn)地附連到所述鉆頭本體的所述面；其中，所述多個切割本體中的每一個具有大體上平行的旋轉(zhuǎn)軸線且具有軸向重疊的切割表面；以及其中，所述鉆頭本體不具有從其沿方位角方向延伸的刀片。
[0019]在另一方面，本文公開的實(shí)施例涉及一種鉆頭，包括:鉆頭本體，其能夠繞著縱向軸線旋轉(zhuǎn)，且在一個端部處具有用于將所述鉆頭固定到鉆柱的連接端部，而且在與所述連接端部相反的位置處具有一個面；以及至少一個切割結(jié)構(gòu)，包括至少一個切割本體，其可旋轉(zhuǎn)地附連到所述鉆頭本體的所述面，其中，所述至少一個切割本體包括多個凸起部，所述多個凸起部圍繞所述至少一個切割本體在方位角方向上間隔開。
[0020]在又一方面，本文公開的實(shí)施例涉及一種鉆頭，包括:鉆頭本體，其能夠繞著縱向軸線旋轉(zhuǎn)，且在一個端部處具有用于將所述鉆頭固定到鉆柱的連接端部，而且在與所述連接端部相反的位置處具有一個面，其中，所述面包括形成在其中的至少一個孔；以及至少一個切割結(jié)構(gòu)，包括至少一個切割本體，其可旋轉(zhuǎn)地附連到所述鉆頭本體的所述面，其中，所述至少一個切割本體包括暴露端部和軸，所述軸伸入形成在所述鉆頭本體的所述面中的所述孔中。
[0021]通過下文的說明書和所附權(quán)利要求書，所要求保護(hù)的主題的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是常規(guī)的roc鉆頭的透視圖。
[0023]圖2是常規(guī)的三牙輪鉆頭的半示意性透視圖。
[0024]圖3A-3C示出了鉆頭的一個實(shí)施例的三個不同的透視圖。
[0025]圖4A和4B示出了鉆頭的一個實(shí)施例的兩個不同的透視圖。
[0026]圖5A和5B示出了鉆頭的一個實(shí)施例的兩個不同的透視圖。
[0027]圖6A和6B示出了鉆頭的一個實(shí)施例的兩個不同的透視圖。
[0028]圖7A和7B示出了鉆頭的一個實(shí)施例的兩個不同的透視圖。
[0029]圖8A和8B示出了鉆頭的一個實(shí)施例的兩個不同的透視圖。
[0030]圖9A和9B示出了鉆頭的一個實(shí)施例的兩個不同的透視圖。
[0031]圖1OA和IOB示出了鉆頭的一個實(shí)施例的兩個不同的透視圖。
[0032]圖11示出了具有嵌入到鉆頭本體中的孔中的軸的滾動切割本體。
[0033]圖12示出了一個圓錐形切割鑲齒。
[0034]圖13A-13B示出了多面體鑲齒的側(cè)透視圖和頂透視圖。[0035]圖14示出了位于旋轉(zhuǎn)切割本體上的切割元件的示例性切割軌跡。
[0036]圖15示出了附連到鉆頭本體的旋轉(zhuǎn)切割本體的剖視圖。
[0037]圖16A-16B示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的布置在旋轉(zhuǎn)切割本體與鉆頭本體之間的機(jī)械密封組件的剖視圖。
[0038]圖17A-17B示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的布置在旋轉(zhuǎn)切割本體與鉆頭本體之間的機(jī)械密封組件的剖視圖。
[0039]圖18示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的具有開式支承組件的鉆頭的分解視圖。
[0040]圖19A-19C示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的徑向支承表面。
[0041]圖20A-20B示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的軸承座套。
[0042]圖21A-21D示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的軸承環(huán)的透視圖。
[0043]圖22示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的磨損鈕的透視圖。
[0044]圖23示出了附連到鉆頭的旋轉(zhuǎn)切割本體的分解視圖。
[0045]圖24示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的鉆頭的側(cè)透視圖。
[0046]圖25示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的鉆頭的頂透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047]在一個方面，本文公開的多個實(shí)施例涉及其上布置有旋轉(zhuǎn)切割本體的鉆頭。具體地講，此旋轉(zhuǎn)切割本體可用作鉆頭上的唯一的切割結(jié)構(gòu)或可與常規(guī)的切割結(jié)構(gòu)、例如固定的刀片(具有切割器)和牙輪一起使用。
[0048]參考圖3A和3B，示出了鉆頭的兩個不同的透視圖。如圖3A和3B中所示，鉆頭100具有鉆頭本體102，在本體102的一端處具有面104，在本體102的相反端處具有連接端部106用于將鉆頭100固定到鉆柱(在圖3C中示出)。多個切割本體110可旋轉(zhuǎn)地附連到鉆頭本體102的面104上。在圖3A-3B中示出的實(shí)施例中，多個旋轉(zhuǎn)切割本體110中的每一個都具有軸線，所述軸線大體上平行于(或者精確地平行于)其它旋轉(zhuǎn)切割本體的軸線，且還大體上平行于(或精確地平行于)鉆頭的縱向軸線；但是，可以想象，一些實(shí)施例可以包含附連到鉆頭的這樣的旋轉(zhuǎn)切割本體:它們的軸線可以相對彼此偏斜。圖3A-3B中示出的旋轉(zhuǎn)切割本體110安裝在從鉆頭本體102的面104延伸的軸頸112上。旋轉(zhuǎn)切割本體110由保持滾珠114保持在軸頸上。軸向推力軸承116可布置在旋轉(zhuǎn)切割本體110的軸向支承表面與軸頸112之間。軸承座套和/或嵌體118可布置在旋轉(zhuǎn)切割本體110的徑向支承表面與軸頸112之間。軸向和徑向支承表面由來自潤滑通道120的潤滑油潤滑。潤滑劑或潤滑油由旋轉(zhuǎn)切割本體110與軸頸112之間的密封件122保留在支承結(jié)構(gòu)中?？蛇x地，代替安裝在軸頸112上，旋轉(zhuǎn)切割本體110可包括延伸到形成在鉆頭本體102的面104中的孔內(nèi)的軸，如下文所描述的。
[0049]示出的旋轉(zhuǎn)切割本體110具有多個壓入到形成在旋轉(zhuǎn)切割本體110中的孔中的鑲齒124。在說明的實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)切割本體110是截頭的超橢圓體形。旋轉(zhuǎn)切割本體110的側(cè)圓周表面限定了與地層的側(cè)壁接合用以維持井孔直徑的鉆頭的規(guī)徑區(qū)域126或外部直徑。旋轉(zhuǎn)切割本體110的徑向端部表面128形成了鉆頭100的有效切割區(qū)域，使得在此區(qū)域中鑲齒124保持大體上與地層接合，且執(zhí)行有效切割和巖石去除功能。
[0050]在圖3A-3B中示出的實(shí)施例中，存在兩種類型的使用的鑲齒:圓錐形鑲齒1241和多面體鑲齒1242。將在下文參看圖12更加詳細(xì)地描述的圓錐形鑲齒1241在徑向端部表面128上可能是特別需要的，使得鑲齒可穿透到巖石中，且鉆頭可前進(jìn)。其它的實(shí)施例可使用波狀鑲齒代替圓錐形鑲齒1241。多面體鑲齒1242(在圖13中更加詳細(xì)地示出)在旋轉(zhuǎn)切割本體110的規(guī)徑區(qū)域126上可能是特別需要的，用以維持井孔直徑。當(dāng)鉆頭本體102旋轉(zhuǎn)時，鑲齒1242可通過來自巖石地層的反作用力為切割本體110提供旋轉(zhuǎn)力。因此，切割本體110可涉及兩種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。一種是由鉆頭本體102提供的旋轉(zhuǎn)，另一種是圍繞它們自己的軸線的旋轉(zhuǎn)。根據(jù)所需的地層相互作用，還可使用其它形狀的切割元件，如本領(lǐng)域中已知的鑿形的、半圓形頂部等。進(jìn)一步，也在本公開的范圍之內(nèi)的是，圖3A-3B的鉆頭可具有圖3A-3B、4A-4B、7A-7B(下文中描述)中說明的以任何組合方式或單獨(dú)使用的旋轉(zhuǎn)切割本體中的任何一個。
[0051]如圖3C所示，鉆頭100的連接端部106可固定到鉆柱50。鉆柱50可由渦輪馬達(dá)組件52旋轉(zhuǎn)，所述渦輪馬達(dá)組件52可包括非移動或定子殼體54和移動或轉(zhuǎn)子組件56。轉(zhuǎn)子組件可包括附連到鉆柱50的槳葉，所述槳葉被設(shè)計(jì)為隨著鉆井泥漿流動通過渦輪馬達(dá)組件52進(jìn)入井眼(未示出)而轉(zhuǎn)動。其它本領(lǐng)域中已知的渦輪馬達(dá)可與本公開的鉆頭組合使用來旋轉(zhuǎn)鉆頭。
[0052]現(xiàn)在參考圖4A和4B，示出了鉆頭的兩個不同的透視圖。如圖4A和4B中所示，鉆頭100具有鉆頭本體102，在鉆頭本體102的一端處具有面104，在鉆頭本體102的相反的一端處具有連接端部106用于將鉆頭100固定到鉆柱(未示出)。多個切割本體110可旋轉(zhuǎn)地附連到鉆頭本體102的面104上。在圖4A-4B中示出的實(shí)施例中，多個旋轉(zhuǎn)切割本體110中的每一個均具有軸線，該軸線大體上平行于(或精確地平行于)其它旋轉(zhuǎn)切割本體的軸線，且還大體上平行于(或精確地平行于)鉆頭的縱向軸線；但是，可以想象，一些實(shí)施例也可以包含這樣附連到鉆頭的旋轉(zhuǎn)切割本體:它們的軸線可以相對彼此偏斜。旋轉(zhuǎn)切割本體110可附連到鉆頭本體(例如通過參看圖3A-3B描述的機(jī)構(gòu))或它們可包括延伸到形成在鉆頭本體102的面104中的孔中的軸，如下文所描述的。
[0053]圖4A和4B中示出的旋轉(zhuǎn)切割本體110包括多個凸起部130，它們圍繞旋轉(zhuǎn)切割本體Iio在方位角上間隔開，它們之間具有流體通道132。示出的流體開口 134(具有任選的液壓構(gòu)件，如噴嘴(未示出))存在于旋轉(zhuǎn)切割本體的中線處，其可允許鉆井液流動穿過且向上通過流動通道132。凸起部130從徑向端部表面128沿方位角方向延伸通過規(guī)徑區(qū)域126。如圖3A-3B中所討論的，旋轉(zhuǎn)切割本體110的徑向端部表面128形成了鉆頭100的有效切割區(qū)域，使得在此區(qū)域中鑲齒124保持大體上與地層接合，且執(zhí)行有效切割和巖石去除功能，而規(guī)徑區(qū)域126中的鑲齒124與地層的側(cè)壁接合用以維持井孔的直徑。在此實(shí)施例中使用的鑲齒124包括在徑向端部表面126上的圓錐形鑲齒1241和在規(guī)徑區(qū)域中的多面體鑲齒1242。根據(jù)所需的地層相互作用，還可使用其它形狀的切割元件，如本領(lǐng)域中已知的波狀的、鑿形的、半圓形頂部等。
[0054]現(xiàn)在參考圖5A和5B，示出了鉆頭的兩個不同的透視圖。如圖5A和5B中所示，鉆頭100具有鉆頭本體102，在鉆頭本體102的一端處具有面104，在鉆頭本體102的相反的一端處具有連接端部106用于將鉆頭100固定到鉆柱(未示出)。多個切割本體110可旋轉(zhuǎn)地附連到鉆頭本體102的面104上。在圖5A-5B中示出的實(shí)施例中，多個旋轉(zhuǎn)切割本體110中的每一個均具有軸線，該軸線大體上平行于(或精確地平行于)其它旋轉(zhuǎn)切割本體的軸線，且還大體上平行于(或精確地平行于)鉆頭的縱向軸線；但是，可以想象，一些實(shí)施例也可以包含這樣附連到鉆頭的旋轉(zhuǎn)切割本體:它們的軸線可以相對彼此偏斜。旋轉(zhuǎn)切割本體110可附連到鉆頭本體(例如通過參看圖3A-3B描述的機(jī)構(gòu))或它們可包括延伸到形成在鉆頭本體102的面104中的孔中的軸，如下文所描述的。
[0055]除了旋轉(zhuǎn)切割本體110之外，圖5A-5B中示出的鉆頭100還包括作為切割結(jié)構(gòu)的、安裝在鉆頭本體面104中的孔(未示出)中的多個鑲齒136的固定結(jié)構(gòu)。當(dāng)從旋轉(zhuǎn)到單個平面的視圖觀察時，在鑲齒136與旋轉(zhuǎn)切割本體110之間基本不存在徑向重疊(從鉆頭中線)。如本文定義的，基本不存在徑向重疊被定義為意味著小于切割型廓的總半徑的10%的重疊。在實(shí)施例中，可以想象甚至更少的重疊，如小于5%的重疊或不存在重疊。在此實(shí)施例中示出的旋轉(zhuǎn)切割本體110與在上文參看圖3A-3B示出的和討論的那些相同。嵌入到鉆頭本體102中的孔的鑲齒136被示為具有軸線的圓錐形鑲齒，該軸線大體上平行于彼此、平行于旋轉(zhuǎn)切割本體110的軸線以及鉆頭100的中線。但是，還可想象，鑲齒136可這樣嵌入到孔中，使得每一個鑲齒與圍繞的鉆頭面正切地嵌入，且當(dāng)鉆頭面具有此曲率時，鑲齒不需要大體上平行。如示出的，多個鑲齒136具有不同的尺寸，其中基本駐留在鉆頭中線(即，r0)處或與鉆頭中線重疊的鑲齒136是最大的鑲齒(直徑和延伸尺度)。在其次最接近鉆頭中線的徑向位置(即，處的鑲齒136小于在 (ι處的中心鑲齒136。在其次最接近鉆頭中線的徑向位置(即，r2)處的鑲齒136具有介于rQ處和1^處的鑲齒136之間的中等尺寸。最后，在距鉆頭中線最遠(yuǎn)的徑向位置(即，r3)處的鑲齒136是最小的鑲齒136，小于在1^處的鑲齒136。鑲齒136的細(xì)節(jié)(以及鑲齒的幾何形狀)在下文更加詳細(xì)的討論。此外，徑向向外從A到1*3移動，在每一個徑向位置處的鑲齒136的頂點(diǎn)的軸向位置增加，中心鑲齒136具有最低的軸向頂點(diǎn)且在1*3處的鑲齒具有最高的軸向頂點(diǎn)(當(dāng)鉆頭向下朝向地層定向時)，因而中心鍵齒最先接觸井底。 [0056]當(dāng)所有的切割元件在旋轉(zhuǎn)的單個平面中觀察時，旋轉(zhuǎn)切割本體110在大于r3的徑向位置處附連到鉆頭面104，但是可以想象，位于旋轉(zhuǎn)切割本體上的鑲齒124的型廓可與r3處的鑲齒136的型廓重疊。鉆頭本體102可延伸成凸耳或徑向突出部138用以支持旋轉(zhuǎn)切割本體110。在這樣的方式中，鉆頭本體102保持波形，以允許間隔開的切割結(jié)構(gòu)之間的最大流體流動。盡管圖3和4中示出的鉆頭本體102也被波形化，但由于在前文說明的實(shí)施例中圍繞鉆頭中線的旋轉(zhuǎn)切割本體110緊湊，凸耳不像圖5A-5B中示出的那樣顯著凸出。盡管圖5A-5B中示出的鉆頭100具有兩種類型的切割結(jié)構(gòu):旋轉(zhuǎn)切割本體110和鑲齒136，但只有旋轉(zhuǎn)切割本體110有助于維持規(guī)徑。規(guī)徑保護(hù)元件140可沿著延伸到規(guī)徑的鉆頭本體部分嵌入到鉆頭本體102中，用以沿著鉆頭本體的此部分幫助防止磨損。
[0057]進(jìn)一步地，盡管圖5A-5B中說明的旋轉(zhuǎn)切割本體與圖3A-3B中說明的是相同類型的，但也在本公開的范圍之內(nèi)的是，具有凸起部的旋轉(zhuǎn)切割本體(如圖4A-4B中示出的那些)可與說明的旋轉(zhuǎn)切割本體110 —起使用或代替說明的旋轉(zhuǎn)切割本體110。
[0058]現(xiàn)在參考圖6A和6B，示出了鉆頭的兩個不同的透視圖。如圖6A和6B中所示，鉆頭100具有鉆頭本體102，在鉆頭本體102的一端處具有面104，在鉆頭本體102的相反的一端處具有連接端部106用于將鉆頭100固定到鉆柱(未示出)。多個切割本體110可旋轉(zhuǎn)地附連到鉆頭本體102的面104上。在圖6A-6B中示出的實(shí)施例中，多個旋轉(zhuǎn)切割本體110中的每一個均具有軸線，該軸線大體上平行于(或精確地平行于)其它旋轉(zhuǎn)切割本體的軸線，且還大體上平行于(或精確地平行于)鉆頭的縱向軸線；但是，可以想象，一些實(shí)施例也可以包含這樣附連到鉆頭的旋轉(zhuǎn)切割本體:它們的軸線可以相對彼此偏斜。旋轉(zhuǎn)切割本體110可附連到鉆頭本體(例如通過參看圖3A-3B描述的機(jī)構(gòu))或它們可包括延伸到形成在鉆頭本體102的面104中的孔中的軸，如下文所描述的。
[0059]除了旋轉(zhuǎn)切割本體110之外，圖6A-6B中示出的鉆頭100還包括作為切割結(jié)構(gòu)的、從鉆頭本體102沿方位角方向延伸的刀片142的固定的切割結(jié)構(gòu)。每一個刀片142包括多個切割器凹槽，切割器144可布置在所述切割器凹槽中。當(dāng)從旋轉(zhuǎn)到單個平面的視圖觀察時，在切割器144與旋轉(zhuǎn)切割本體110之間基本不存在徑向重疊(從鉆頭中線)(如上文所討論)。在此實(shí)施例中示出的旋轉(zhuǎn)切割本體110在單個鉆頭上包括兩種類型的切割本體:如上文參看圖3A-3B所示出和討論的兩個切割本體以及類似于參看圖4A-4B所示出和討論的一個切割本體。但是，代替具有相同類型的旋轉(zhuǎn)切割本體，鉆頭也可具有圖3A-3B中或圖4A-4B中說明的那些中的任一個。應(yīng)該注意，在圖6A-6B中示出的具有凸起部130的旋轉(zhuǎn)切割本體110不包括如圖4A-4B中討論的中心流體通道。類似于圖5A-5B，由于固定的刀片142和切割器144的徑向靠內(nèi)設(shè)置，只有旋轉(zhuǎn)切割本體110 (與規(guī)徑保護(hù)元件140 —起)有助于在此說明的實(shí)施例中維持規(guī)徑。
[0060]現(xiàn)在參考圖7A和7B，示出了鉆頭的兩個不同的透視圖。如圖7A和7B中所示，鉆頭100具有鉆頭本體102，在鉆頭本體102的一端處具有面104，在鉆頭本體102的相反的一端處具有連接端部106用于將鉆頭100固定到鉆柱(未示出)。多個切割本體110可旋轉(zhuǎn)地附連到鉆頭本體102的面104上。在圖7A-7B中示出的實(shí)施例中，多個旋轉(zhuǎn)切割本體110中的每一個均具有軸線，該軸線大體上平行于(或精確地平行于)其它旋轉(zhuǎn)切割本體的軸線，且還大體上平行于(或精確地平行于)鉆頭的縱向軸線；但是，可以想象，一些實(shí)施例也可以包含這樣附連到鉆頭的旋轉(zhuǎn)切割本體:它們的軸線可以相對彼此偏斜。旋轉(zhuǎn)切割本體110可附連到鉆頭本體(例如通過參看圖3A-3B描述的機(jī)構(gòu))或它們可包括延伸到形成在鉆頭本體102的面104中的孔中的軸，如下文所描述的。
[0061]除了旋轉(zhuǎn)切割本體110之外，圖7A-7B中示出的鉆頭100還包括作為切割結(jié)構(gòu)的、從鉆頭本體102沿方位角方向延伸的刀片142的固定的切割結(jié)構(gòu)。每一個刀片142包括多個切割器凹槽，切割器144可布置在所述切割器凹槽中。在此實(shí)施例中，刀片142延伸到鉆頭的規(guī)徑處且可包括位于其上的規(guī)徑保護(hù)元件142。當(dāng)從旋轉(zhuǎn)到單個平面的視圖觀察時，與圖6A-6B中示出的實(shí)施例相反，在切割器144與旋轉(zhuǎn)切割本體110之間存在實(shí)質(zhì)的徑向重疊(從鉆頭中線)。如本文定義的，“實(shí)質(zhì)的徑向重疊”被定義為意味著大于切割型廓的總半徑的10%的重疊。在實(shí)施例中，還可以想象大于25%的重疊、或大于50%的重疊。
[0062]在此實(shí)施例中示出的旋轉(zhuǎn)切割本體110在單個鉆頭上包括單個類型的切割本體:具有多個圍繞旋轉(zhuǎn)切割本體110在方位角上間隔開的凸起部130的切割本體110，如參看圖4A-4B示出和討論的。但是，也在本公開的范圍之內(nèi)的是，圖3A-3B中示出的類型的旋轉(zhuǎn)切割本體110可與說明的旋轉(zhuǎn)切割本體110 —起使用或代替說明的旋轉(zhuǎn)切割本體110。進(jìn)一步地，圖7A-7B中示出的旋轉(zhuǎn)切割本體110與圖4A-4B中說明的那些不相同。相反，除了延伸通過徑向端部128與規(guī)徑區(qū)域126且具有位于其上的鑲齒124的凸起部130之外，圖7A-7B的旋轉(zhuǎn)切割本體110還包括僅僅延伸通過規(guī)徑區(qū)域126且其上沒有布置切割元件的凸起部130-1。此凸起部130-1可包括位于其上的規(guī)徑墊或其它耐磨材料，如鉆頭領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的。因此，凸起部130上的鑲齒124、凸起部130-1、以及刀片144的規(guī)徑區(qū)域146中的切割器142均有助于在此說明的實(shí)施例中維持規(guī)徑。還應(yīng)注意，圖7A-7B中說明的旋轉(zhuǎn)切割本體110還可用在任何上文描述的具有位于其上的旋轉(zhuǎn)切割本體110的鉆頭的實(shí)施例中。進(jìn)一步，也在本公開的范圍之內(nèi)的是，圖7A-7B的鉆頭110可具有圖3A-3B、4A-4B.7A-7B中說明的以任何組合方式或單獨(dú)使用的旋轉(zhuǎn)切割本體中的任何一個。
[0063]示出的間隔開地存在于凸起部130之間的流體開口 134(具有任選的液壓構(gòu)件，如噴嘴(未示出))被提供在旋轉(zhuǎn)切割本體上，其可允許鉆井液流動通過且向上流過延伸通過旋轉(zhuǎn)切割本體110的流動通道。流體開口 134可用于清潔和冷卻鉆頭100上的切割結(jié)構(gòu)，包括固定的切割結(jié)構(gòu)的切割器144和在旋轉(zhuǎn)切割本體110上的旋轉(zhuǎn)切割結(jié)構(gòu)，以及針對井底用于潛在鉆屑的去除。在一個實(shí)施例中，流體開口 134可被設(shè)計(jì)為具有特別的方位，用以當(dāng)切割本體110旋轉(zhuǎn)時將流體直接擴(kuò)散在切割器面上。此外，鉆頭面104還可設(shè)有流體開口 135(以及任選的液壓構(gòu)件)用以在液壓清潔、冷卻以及鉆屑去除方面輔助流體開口 134。
[0064]現(xiàn)在參考圖8A和8B，示出了鉆頭的兩個不同的透視圖。如圖8A和8B中所示，鉆頭100具有鉆頭本體102，在鉆頭本體102的一端處具有面104，在鉆頭本體102的相反的一端處具有連接端部106用于將鉆頭100固定到鉆柱(未示出)。多個切割本體110可旋轉(zhuǎn)地附連到鉆頭本體102的面104上。在圖8A-8B中示出的實(shí)施例中，多個旋轉(zhuǎn)切割本體110中的每一個均具有軸線，該軸線大體上平行于(或精確地平行于)其它旋轉(zhuǎn)切割本體的軸線，且還大體上平行于(或精確地平行于)鉆頭的縱向軸線；但是，可以想象，一些實(shí)施例也可以包含這樣附連到鉆頭的旋轉(zhuǎn)切割本體:它們的軸線可以相對彼此偏斜。旋轉(zhuǎn)切割本體110可附連到鉆頭本體(例如通過參看圖3A-3B描述的機(jī)構(gòu))或它們可包括延伸到形成在鉆頭本體102的面104中的孔中的軸，如下文所描述的。
[0065]除了旋轉(zhuǎn)切割本體110之外，圖8A-8B中示出的鉆頭100還包括作為切割結(jié)構(gòu)的、從凸起的本體結(jié)構(gòu)體150沿方位角方向延伸的刀片142的固定的切割結(jié)構(gòu)，該凸起的本體結(jié)構(gòu)體150從鉆頭本體102的面104軸向延伸。每一個刀片142包括多個切割器凹槽，切割器144可布置在所述切割器凹槽中。類似于圖5A-5B，由于固定的刀片142和切割器144的徑向靠內(nèi)設(shè)置，只有旋轉(zhuǎn)切割本體110有助于在此說明的實(shí)施例中維持規(guī)徑。當(dāng)從旋轉(zhuǎn)到單個平面的視圖觀察時，在切割器144與旋轉(zhuǎn)切割本體110之間基本不存在徑向重疊(從鉆頭中線)(如上文所討論的)。但是，在一些實(shí)施例中，在切割器與旋轉(zhuǎn)切割本體之間存在徑向重疊(從鉆頭中線)。
[0066]如圖8A-8B中說明的，旋轉(zhuǎn)切割本體110具有多個沿方位角方向間隔開的凸起部，該凸起部從徑向端部表面128延伸通過規(guī)徑區(qū)域126。不像圖4A-4B中說明的旋轉(zhuǎn)切割本體110，圖8A-8B的旋轉(zhuǎn)切割本體110具有金剛石孕鑲切割肋。不同的金剛石級的微?？稍需偟叫D(zhuǎn)切割本體的肋中(如天然的金剛石和/或合成的金剛石、熱穩(wěn)定的多晶金剛石)，或可包括立方氮化硼、碳化硅、和/或本領(lǐng)域中已知的其它超磨料顆粒，并且尺寸可在例如從0.01至2.0mm變化。還應(yīng)注意，在圖8A-8B中說明的旋轉(zhuǎn)切割本體110還可用在任何上文描述的上面具有旋轉(zhuǎn)切割本體110的鉆頭的實(shí)施例中。進(jìn)一步，也在本公開的范圍之內(nèi)的是，圖8A-8B的鉆頭110可具有圖3A-3B、4A-4B、7A-7B、以及8A-8B中說明的以任何組合方式或單獨(dú)使用的旋轉(zhuǎn)切割本體中的任何一個。
[0067]現(xiàn)在參考圖9A和9B，示出了鉆頭的兩個不同的透視圖。如圖9A和9B中所示，鉆頭100具有鉆頭本體102，在鉆頭本體102的一端處具有面104，在鉆頭本體102的相反的一端處具有連接端部106用于將鉆頭100固定到鉆柱(未示出)。多個切割本體110可旋轉(zhuǎn)地附連到鉆頭本體102的面104上。在圖9A-9B中示出的實(shí)施例中，多個旋轉(zhuǎn)切割本體110中的每一個均具有軸線，該軸線大體上平行于(或精確地平行于)其它旋轉(zhuǎn)切割本體的軸線，且還大體上平行于(或精確地平行于)鉆頭的縱向軸線；但是，可以想象，一些實(shí)施例也可以包含這樣附連到鉆頭的旋轉(zhuǎn)切割本體:它們的軸線可以相對彼此偏斜。旋轉(zhuǎn)切割本體110可附連到鉆頭本體(例如通過參看圖3A-3B描述的機(jī)構(gòu))或它們可包括延伸到形成在鉆頭本體102的面104中的孔中的軸，如下文所描述的。
[0068]除了旋轉(zhuǎn)切割本體110之外，多個切割結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括安裝在軸頸(未示出)上的常規(guī)的牙輪152，該軸頸向下且從腿部154徑向向內(nèi)延伸，該腿部154從鉆頭面104延伸。示出的牙輪152具有與牙輪一體化的銑齒，但是也在本公開的范圍之內(nèi)的是，牙輪152可具有鑲齒，其被擠壓適配到形成在牙輪中的鑲齒孔中。
[0069]如圖9A和9B中說明的旋轉(zhuǎn)切割本體110是圓柱形本體。多個鑲齒124布置在圓柱形旋轉(zhuǎn)切割本體110的徑向端部面128和圓周側(cè)面或規(guī)徑表面126上。示出的布置在圓柱形旋轉(zhuǎn)切割本體上的所有的鑲齒124是圓錐形鑲齒(其將在下文更詳細(xì)討論)，但是也在本公開的范圍之內(nèi)的是，還可使用其它形狀的切割元件。進(jìn)一步，也在本公開的范圍之內(nèi)的是，圖9A-9B的鉆頭110可具有圖3A-3B、4A-4B、7A-7B、8A-8B以及9A-9B中說明的以任何組合方式或單獨(dú)使用的旋轉(zhuǎn)切割本體中的任何一個。
[0070]現(xiàn)在參考圖1OA和10B，示出了鉆頭的兩個不同的透視圖。如圖1OA和IOB中所示，鉆頭100具有鉆頭本體102，在鉆頭本體102的一端處具有面104，在鉆頭本體102的相反的一端處具有連接端部106用于將鉆頭100固定到鉆柱(未示出)。多個切割本體110可旋轉(zhuǎn)地附連到鉆頭本體102的面104上。在圖10A-10B中示出的實(shí)施例中，多個旋轉(zhuǎn)切割本體110中的每一個均具有軸線，該軸線大體上平行于(或精確地平行于)其它旋轉(zhuǎn)切割本體的軸線，且還大體上平行于(或精確地平行于)鉆頭的縱向軸線；但是，可以想象，一些實(shí)施例也可以包含這樣附連到鉆頭的旋轉(zhuǎn)切割本體:它們的軸線可以相對彼此偏斜。旋轉(zhuǎn)切割本體110可附連到鉆頭本體(例如通過參看圖3A-3B描述的機(jī)構(gòu))或它們可包括延伸到形成在鉆頭本體102的面104中的孔158中的軸156，如下文在圖1OB中說明的且在圖11中更詳細(xì)描述的。
[0071]除了旋轉(zhuǎn)切割本體110之外，圖10A-10B中示出的鉆頭100還包括作為切割結(jié)構(gòu)的、從鉆頭本體102沿方位角方向延伸的刀片142的固定的切割結(jié)構(gòu)。每一個刀片142包括多個切割器凹槽，切割器144可布置在所述切割器凹槽中。當(dāng)從旋轉(zhuǎn)到單個平面的視圖觀察時，在切割器144與旋轉(zhuǎn)切割本體110之間基本不存在徑向重疊(從鉆頭中線)(如上文所討論的)。
[0072]在此實(shí)施例中示出的旋轉(zhuǎn)切割本體110均包括從徑向頂端表面延伸到規(guī)徑側(cè)區(qū)域的凸起部130，但是沒有凸起部130具有布置在其上的鑲齒或其它切割元件。當(dāng)然，凸起部130自身旨在接合地層。旋轉(zhuǎn)切割本體110可具有螺旋部130-1或直線部130-2。進(jìn)一步，也在本公開的范圍之內(nèi)的是，圖10A-10B的鉆頭110可具有圖3A-3B、4A-4B、7A-7B、8A-8B、9A-9B以及10A-10B中說明的以任何組合方式或單獨(dú)使用的旋轉(zhuǎn)切割本體中的任何一個。[0073]現(xiàn)在參考圖11，示出了將旋轉(zhuǎn)切割本體110附連到鉆頭本體102的一個實(shí)施例。圖23-25分別示出了附連到鉆頭本體102的旋轉(zhuǎn)切割本體110的分解視圖、鉆頭100的側(cè)透視圖及鉆頭100的頂透視圖。如示出的，旋轉(zhuǎn)切割本體110包括軸向遠(yuǎn)離徑向端部表面128延伸的軸156，該徑向端部表面128暴露到環(huán)境中。軸156存在于形成在鉆頭本體102之內(nèi)的孔158中。軸156 (以及旋轉(zhuǎn)切割本體110)由多個保持滾珠160保持在孔158中，該保持滾珠160通過滾珠通道162導(dǎo)入且由滾珠保持器(未示出)保持在形成在軸156與鉆頭本體102之間的滾珠軌道之內(nèi)。
[0074]軸承座套、嵌體、或類似物(未示出)可布置在形成在軸156的徑向支承表面166、168與鉆頭本體102之間的軸承座套殼體164中。推力軸承(未示出)可布置在形成在軸156的軸向支承表面172、174與鉆頭本體102之間的推力軸承殼體170中。潤滑油儲蓄器176可將潤滑劑或潤滑油提供到支承表面。第一密封套178鄰近鉆頭本體102的面104形成在旋轉(zhuǎn)切割本體110的軸156與鉆頭本體102之間，且密封件布置在密封套之內(nèi)用以使循環(huán)的井流體遠(yuǎn)離軸156與鉆頭本體102之間的支承表面，并且用以將潤滑劑或潤滑油保留在軸承殼體之內(nèi)。
[0075]—些實(shí)施例可用于將鉆井液泵送通過旋轉(zhuǎn)切割本體110且離開提供在旋轉(zhuǎn)切割本體的表面上的旋轉(zhuǎn)切割本體上的開口。在此情況中，軸156的端部可包括通到延伸通過軸156的通路的開口 182，流體可以流動通過該通路。將流體從流體增壓器(未示出)通過形成在鉆頭本體102中的流體通道184遞送到開口。在將井眼流體提供到軸156中的開口182的情況下，第二密封套180 (以及相應(yīng)的密封件)可密封支承表面用以將潤滑劑保持在軸承殼體內(nèi)并使井眼流體遠(yuǎn)離軸承殼體。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可存在支承結(jié)構(gòu)和保持機(jī)構(gòu)的一些變型并且其仍處于本公開的范圍之內(nèi)。進(jìn)一步，如上文提及的，具有保持在形成在鉆頭本體之內(nèi)的孔158之內(nèi)軸156的旋轉(zhuǎn)切割本體110可用于任何上文描述的鉆頭中。也在本公開的范圍之內(nèi)的是，開口(以及相應(yīng)的液壓構(gòu)件)可包括在鉆頭本體上，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的。
[0076]圖15示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的在旋轉(zhuǎn)切割本體110與鉆頭本體102之間具有機(jī)械密封組件200的鉆頭。旋轉(zhuǎn)切割本體110包括軸向遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)切割本體110的徑向端部表面128延伸的軸156。軸156存在于形成在鉆頭本體102內(nèi)的孔158中，且由多個保持滾珠160保持在孔158中。軸承座套165布置在形成在軸156的徑向支承表面166、168與鉆頭本體102之間的軸承座套殼體中。推力軸承175布置在形成在軸156的軸向支承表面172、174與鉆頭本體102之間的推力軸承殼體中。潤滑油儲蓄器176可將潤滑劑或潤滑油提供到支承表面，壓力補(bǔ)償子組件可用于平衡外部井孔流體與由潤滑油儲蓄器提供的潤滑劑之間的壓力。機(jī)械密封組件200可鄰近鉆頭本體102的面104位于旋轉(zhuǎn)切割本體100的軸156與鉆頭本體102之間。
[0077]示出的根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的機(jī)械密封組件200裝配在圖16A中的鉆頭之內(nèi)，且圖16B中提供詳細(xì)的視圖。如圖16A中所示，機(jī)械密封組件200鄰近鉆頭本體102的面104布置在旋轉(zhuǎn)切割本體110與鉆頭102之間。如圖16B中所示，機(jī)械密封組件200包括兩個密封環(huán)202、204以及彈性體增能器206。特別地，第一密封環(huán)204鄰近于切割本體110，彈性體增能器206鄰近于鉆頭本體102，第二密封環(huán)202布置在第一密封環(huán)204與彈性體增能器206之間。彈性體增能器206可促使第一和第二密封環(huán)204、202彼此接觸用以維持良好的液壓密封表面。如示出的，第一密封環(huán)204在界面表面203處接觸第二密封環(huán)202。
[0078]根據(jù)一些實(shí)施例，第一密封環(huán)204與第二密封環(huán)202之間的接觸區(qū)域的橫截面寬度可小于0.4英寸。例如，在一些實(shí)施例中，接觸區(qū)域的寬度可選自在0.1與0.3英寸之間的寬度。第一和第二密封環(huán)的界面表面的幾何形狀可改變以減少其間的接觸區(qū)域。例如，如圖16B中所示，第一密封環(huán)204的界面表面的邊緣可被倒角205以減少與第二密封環(huán)202的界面表面的接觸區(qū)域。有利地，兩個密封環(huán)之間的低的接觸區(qū)域可在它們相對彼此旋轉(zhuǎn)時減少兩個密封環(huán)之間的摩擦量。進(jìn)一步，通道208可形成在旋轉(zhuǎn)切割本體110與鉆頭本體102之間且延伸到機(jī)械密封組件200，因而由潤滑油儲蓄器提供的潤滑劑可到達(dá)接觸區(qū)域，這可幫助減少第一密封環(huán)204與第二密封環(huán)202之間的界面203處的摩擦。
[0079]彈性體增能器206可用于防止第二密封環(huán)202與彈性體增能器206之間的相對運(yùn)動。根據(jù)一些實(shí)施例，O形環(huán)209還可布置在第二密封環(huán)202與鉆頭本體102之間且鄰近于彈性體增能器206，這可幫助防止第二密封環(huán)202關(guān)于彈性體增能器206的旋轉(zhuǎn)。因此，在具有彈性體增能器和提供大體靜止的第二密封環(huán)202的O形環(huán)的實(shí)施例中，第一密封環(huán)204可與旋轉(zhuǎn)切割本體共同沿著第一與第二密封環(huán)之間的界面表面203旋轉(zhuǎn)，從而在旋轉(zhuǎn)切割本體110與鉆頭本體102之間形成動態(tài)密封。應(yīng)該注意的是，盡管上文的描述和相應(yīng)的附圖示出了兩個獨(dú)立的密封環(huán)(第一密封環(huán)204和第二密封環(huán)202)，但本公開的機(jī)械密封組件可僅僅具有一個獨(dú)立的密封環(huán)(即，形成密封組件的獨(dú)立的、單獨(dú)部件的密封環(huán))。例如，根據(jù)一些實(shí)施例，第一密封環(huán)204可與旋轉(zhuǎn)切割本體110 一體形成，而第二密封環(huán)202是布置在第一密封環(huán)204與彈性體增能器206之間的單獨(dú)部件。
[0080]根據(jù)本公開的實(shí)施例的機(jī)械密封組件200的另一個實(shí)例在圖17A中示出，且裝配在鉆頭內(nèi)，圖17B中將提供詳細(xì)視圖。如圖17A中所示，機(jī)械密封組件200鄰近鉆頭本體102的面104布置在旋轉(zhuǎn)切割本體110與鉆頭102之間。如圖17B中所示，機(jī)械密封組件200包括兩個密封環(huán)202、204以及彈性體增能器206且不包括O形環(huán)。特別地，第一密封環(huán)204鄰近于切割本體110，且布置在形成在切割本體110中的接收凹槽201內(nèi)。彈性體增能器206布置成鄰近于鉆頭本體102，且第二密封環(huán)202布置在第一密封環(huán)204與彈性體增能器206之間。彈性體增能器206可促使第一和第二密封環(huán)204、202彼此接觸用以維持良好的動態(tài)密封表面。如示出的，第一密封環(huán)204在界面表面203處接觸第二密封環(huán)202。此外，第一密封環(huán)204可與旋轉(zhuǎn)切特本體110 —體形成，或可是單獨(dú)的、獨(dú)立的部件。
[0081]根據(jù)本文公開的實(shí)施例的彈性體增能器可包括含氟彈性體、全氟彈性體、高飽和腈、或它們的組合。根據(jù)本文公開的實(shí)施例的密封環(huán)可包括金屬合金和/或本領(lǐng)域中已知的超硬材料。例如，一個或多個密封環(huán)可包括碳化鎢、碳化硅、多晶金剛石、或它們的組合。而且，根據(jù)一些實(shí)施例，第一密封環(huán)和第二密封環(huán)中的至少一個可在它們之間具有金剛石涂層。
[0082]有利地，因?yàn)樾纬擅芊猸h(huán)的材料的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)使用的彈性體密封件的耐磨性，因此，本文公開的機(jī)械密封組件特別有用于正?；蚋咝D(zhuǎn)(rpm，每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))應(yīng)用中的牙輪鉆頭。例如，常規(guī)的牙輪鉆頭設(shè)計(jì)使用O形環(huán)/彈性體來防止?jié)櫥瑒闹С斜砻嬷車孤兑约胺乐寡心ャ@井液進(jìn)入牙輪與軸頸之間和毀壞支承表面。牙輪鉆頭的每一個單獨(dú)的牙輪或切割器可以鉆頭本體的旋轉(zhuǎn)速度大約三倍的速度旋轉(zhuǎn)。因此，O形環(huán)/彈性體密封件的耐磨性將限制牙輪鉆頭在正常和高速應(yīng)用中的性能。然而，本公開的機(jī)械密封組件使用金屬和/或超硬材料密封環(huán)來提供動態(tài)密封，同時彈性體增能器環(huán)將密封環(huán)支撐以接觸而不是提供密封。因此，盡管用于牙輪鉆頭中的潤滑系統(tǒng)的常規(guī)使用的彈性體密封件易于在高rpm應(yīng)用期間失效，但本文公開的機(jī)械密封組件可用在正常速度rpm應(yīng)用以及高速度rpm (例如IOOOrpm或更大)應(yīng)用中。
[0083]密封組件的上文描述針對的是密封的支承和潤滑系統(tǒng)。但是，根據(jù)本公開的其它實(shí)施例，可以使用開式支承系統(tǒng)。參考圖18，示出了具有開式支承系統(tǒng)(沒有使用密封件的支承系統(tǒng))的鉆頭100的分解視圖。鉆頭100具有多個附連到鉆頭本體102的旋轉(zhuǎn)切割本體110，其中，旋轉(zhuǎn)切割本體110包括軸向遠(yuǎn)離徑向端部表面128延伸的軸156，該徑向端部表面128暴露到環(huán)境中。軸156存在于形成在鉆頭本體102之內(nèi)的孔158中。軸156(以及旋轉(zhuǎn)切割本體110)由多個保持滾珠160保持在孔158中，該保持滾珠160通過滾珠通道導(dǎo)入，且由滾珠保持器(未示出)保持在形成在軸156與鉆頭本體102之間的滾珠軌道之內(nèi)。保持滾珠可由例如鋼、陶瓷及如碳化物的硬質(zhì)材料形成。例如，保持滾珠可由耐磨材料涂覆或被滲碳。進(jìn)一步地，如圖11、15和18中示出的保持滾珠用于保持本文公開的任何旋轉(zhuǎn)切割本體。
[0084]開式支承系統(tǒng)包括圍繞旋轉(zhuǎn)切割本體110的軸156的圓周延伸的徑向支承表面310和圍繞徑向支承表面310布置的軸承座套320。軸承座套可布置在形成在軸156的徑向支承表面310與鉆頭本體102之間的軸承座套殼體中。開式支承系統(tǒng)還包括布置在形成在軸156的軸向支承表面172、174與鉆頭本體102之間的推力軸承殼體中的推力軸承330，其中，該推力軸承包括至少兩個軸承環(huán)332、334。如示出的，多個磨損鈕340可布置在兩個軸承環(huán)332、334之間。但是，根據(jù)其它的實(shí)施例，如下文描述的，可在兩個軸承環(huán)之間提供其它磨損表面。在具有兩個軸承環(huán)332、334的推力軸承中，鄰近于軸156的軸承環(huán)332可與軸156 —起旋轉(zhuǎn)，而鄰近于鉆頭本體102的軸承環(huán)334可不相對于軸156移動。因此，兩個軸承環(huán)332、334相對于彼此在其間的界面處旋轉(zhuǎn)。在具有兩個軸承環(huán)和布置在兩個軸承環(huán)332、334之間的磨損鈕340或磨損環(huán)(下文描述)的推力軸承中，旋轉(zhuǎn)在磨損鈕或磨損環(huán)之間發(fā)生。
[0085]現(xiàn)在參考圖19A-19C，示出了圍繞旋轉(zhuǎn)切割本體110的軸156的圓周延伸的徑向支承表面310的各種實(shí)施例。根據(jù)本公開的實(shí)施例的徑向支承表面310可包括具有各種形狀和尺寸的磨損鈕340。例如，如圖19A中所示，多個圓形的磨損鈕340可圍繞旋轉(zhuǎn)切割本體110的軸156以相等地間隔分開的行布置，以形成徑向支承表面310。在圖19B中，多個柱形的磨損鈕340圍繞旋轉(zhuǎn)切割本體110的軸156均勻地間隔分開，以形成徑向支承表面310。在圖19C中，圓形和柱形混合的磨損鈕340圍繞旋轉(zhuǎn)切割本體110的軸156間隔分開，以形成徑向支承表面310。但是，還可使用其它形狀和尺寸的磨損鈕來形成徑向支承表面。此外，磨損鈕可相等地或不等地圍繞旋轉(zhuǎn)切割本體的軸間隔開。進(jìn)一步地，如圖19A-19C所示，磨損鈕340可布置在軸156的表面內(nèi)，使得磨損鈕可與軸156的表面平齊，以形成大體上光滑的徑向支承表面310?？蛇x地，磨損鈕可圍繞軸的圓周布置，使得磨損鈕從軸的表面突出，從而形成不平坦的徑向支承表面。
[0086]現(xiàn)在參考圖20A和20B，示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的軸承座套320。如圖20A所示的，軸承座套可由耐磨材料整體制成或由耐磨材料涂覆。耐磨材料可包括例如硼化物、氮化物、碳化物(如碳化鎢和碳化硅)以及多晶金剛石、或它們的組合。根據(jù)其它實(shí)施例，如圖20B中所示的，如上文所描述的，軸承座套可具有磨損鈕340，它們布置在軸承座套320的內(nèi)部表面321上。磨損鈕340可圍繞軸承座套320的內(nèi)部表面相等地間隔開。進(jìn)一步地，軸承座套可具有耐磨材料或鋼基體和由碳化物(如碳化鎢和碳化硅)、氮化物、硼化物、和/或金剛石制成的磨損鈕?？梢杂迷诟鶕?jù)本公開的實(shí)施例的軸承座套中的碳化物材料的實(shí)例包括粗晶碳化物，例如具有從6到12微米的平均晶粒尺寸和從5%到30%的結(jié)合劑含量的碳化物。根據(jù)一些實(shí)施例，軸承座套還可包括金剛石，如本領(lǐng)域中已知的多晶金剛石或金剛石復(fù)合物，例如金剛石與碳化硅復(fù)合物或金剛石與碳化鎢復(fù)合物。
[0087]現(xiàn)在參考圖21A-21D，示出了使用在根據(jù)本公開的幾個實(shí)施例的推力軸承中的軸承環(huán)334。如圖21A中示出的，用于形成推力軸承中的一個或多個軸承環(huán)的軸承環(huán)334可由耐磨材料整體制成或可由耐磨材料涂覆的鋼基體制成或被滲碳。例如，軸承環(huán)334可由碳化物材料、例如碳化鎢或碳化硅、或其上具有金剛石涂層的碳化物材料制成。其它可用于形成推力軸承的軸承環(huán)的耐磨材料在上文針對軸承座套被描述。在一些實(shí)施例中，如圖21B中所示，軸承環(huán)334可具有布置在其上的磨損鈕340。磨損鈕340可由耐磨材料制成，如上文所描述的，例如碳化物材料、如碳化鎢或碳化硅，或金剛石材料、如多晶金剛石或金剛石/碳化物復(fù)合物。磨損鈕340可圍繞與第二軸承環(huán)(未示出)界接的表面相等地間隔開。但是，根據(jù)本公開的一些實(shí)施例，推力軸承可由三個軸承環(huán)制成，其中，一個軸承環(huán)是布置在另外兩個軸承環(huán)之間的磨損環(huán)。例如，如圖21C和21D中所示的，磨損環(huán)341布置在用在推力軸承組件中的軸承環(huán)334上。磨損環(huán)341可包括耐磨材料，如用于磨損鈕的耐磨材料。進(jìn)一步地，磨損環(huán)341可具有一致的高度，如圖21C中所示?？蛇x地，如圖21D中所示，磨損環(huán)341可具有形成在其中的溝槽342，該溝槽342從內(nèi)部表面331徑向延伸到外部表面333。當(dāng)形成有溝槽342的磨損環(huán)341布置在兩個軸承環(huán)334之間以形成推力軸承時，溝槽342可提供流動通道用于使?jié)櫥瑒┝鲃油ㄟ^，這可冷卻推力軸承構(gòu)件。
[0088]現(xiàn)在參考圖22，示出了根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的磨損鈕340的各種形狀和尺寸。例如，磨損鈕340可以是柱形、矩形、三角形、圓形或具有多邊形形狀，如六邊形。但是，也可使用圖22中示出的形狀以外的形狀來形成磨損鈕340。如上文討論的，在開式支承系統(tǒng)中磨損鈕340可沿著支承表面、如在旋轉(zhuǎn)切割本體軸的徑向支承表面上、軸承座套上、以及在推力軸承的軸承環(huán)之間使用。
[0089]根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的具有大體上(或精確地)與鉆頭本體的旋轉(zhuǎn)軸線平行定位的旋轉(zhuǎn)切割本體的鉆頭可以以相對于鉆頭本體的旋轉(zhuǎn)軸線以一定角度定位的切割本體(如常規(guī)的安裝到從鉆頭腿部延伸的軸頸的牙輪)的大約2到3倍的速度旋轉(zhuǎn)。因此，通過提供具有本文公開的可耐受高rpm應(yīng)用的支承系統(tǒng)(如上文描述的機(jī)械密封組件或開式支承系統(tǒng))的這種鉆頭，鉆頭可具有更長的鉆井壽命。
[0090]上文討論的很多實(shí)施例提及了圓錐形鑲齒124和136。如圖12中所示，此鑲齒可在基體186 (如硬質(zhì)碳化鎢基體)上具有金剛石層184，其中，金剛石層184形成圓錐形金剛石工作表面。具體地講，圓錐形幾何形狀可包括與頂點(diǎn)的彎曲部切向接合的側(cè)壁。圓錐形切割元件124、136可在與形成金剛石增強(qiáng)鑲齒(用在牙輪鉆頭中)中使用的工藝類似的工藝中形成，或可通過構(gòu)件銅焊在一起形成。金剛石層184與基體186之間的界面(未單獨(dú)示出)可是非平面或不均勻的，例如用以在操作中輔助減少金剛石層184從基體186的脫離意外且改善元件的強(qiáng)度和耐沖擊性。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，界面可包括一個或多個凸出部或凹入部，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的非平面界面。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，一些非平面界面的使用可允許在層的頂端區(qū)域中具有更大厚度的金剛石層。進(jìn)一步地，可希望的是，產(chǎn)生這樣的界面幾何形狀，使得金剛石層在重要區(qū)域最厚，該重要區(qū)域圍繞金剛石增強(qiáng)元件與地層之間的主接觸區(qū)域。額外的形狀和界面可用于本公開的金剛石增強(qiáng)元件。進(jìn)一步地，金剛石層184可由任何多晶超磨料材料形成，該多晶超磨料材料包括例如多晶金剛石、多晶立方氮化硼、熱穩(wěn)定多晶金剛石(通過由金屬、如鈷形成的多晶金剛石的熱處理，或采用具有比鈷更低的熱膨脹系數(shù)的金屬形成的多晶金剛石的熱處理形成)。
[0091]如上文所提及的，圓錐形切割元件的頂點(diǎn)可具有彎曲部，其包括如圖12中示出的曲率半徑R。在一個實(shí)施例中，曲率半徑的范圍可從大約0.010到0.180英寸或從大約0.040到0.120英寸。一些實(shí)施例的曲率半徑可從下限:0.01,0.02,0.04,0.06,0.08、和0.10中的任一個到上限:0.08,0.10,0.12、0.014、0.016、和0.018中的任一個之間變化。在一些實(shí)施例中，彎曲部可包括可變曲率半徑:拋物線的一部分、雙曲線的一部分、懸鏈線的一部分、或樣條曲線的一部分。進(jìn)一步地，參考圖12，圓錐形端部的錐角α可變化，且可基于待鉆的特殊地層進(jìn)行選擇。在一個實(shí)施例中，錐角α可從大約30到大約120度變化，或從大約60到大約90度變化。一些實(shí)施例的錐角α可從下限:30、40、50、60、70、和80度中的任一個到上限:60、80、70、90、100、和120度中的任一個之間變化。
[0092]此外，圓錐形切割元件可具有如下特征:具有圓錐形部(延伸部)和圓柱形部(握持部)。圓錐形部的相對延伸高度可表示為圓錐形部的高度HO與鑲齒的總高度Η(圓錐形部和圓柱形部)的比例。在實(shí)施例中，Η0/Η可從大約0.1到大約0.7或從0.2到0.5變化。一些實(shí)施例的HQ/H可從下限:0.1、0.2、0.3、0.4、和0.5中的任一個到上限:0.3、0.4、0.5、
0.6、和0.7中的任一個之間變化。圓錐形鑲齒的外部直徑可從大約0.1到大約1.25英寸或從大約0.25到大約0.875英寸之間變化。
[0093]如上文提及的，金剛石層184可由多晶金剛石(P⑶)形成，其中P⑶包括金剛石的多晶塊體(通常為合成的)，該金剛石結(jié)合在一起(通過催化劑的使用)以形成一體的、硬的、高強(qiáng)度的塊體或晶格。所得的PCD結(jié)構(gòu)產(chǎn)生增強(qiáng)的耐磨性和硬度，從而使得PCD材料在需要高水平的耐磨性和硬度的侵蝕性磨碎和切割應(yīng)用中是非常有用的。使用在形成圓錐形鑲齒的PCD中的催化劑含量可從2到35質(zhì)量百分比之間變化(預(yù)混合或從基體滲入或它們的組合)，其中，P⑶顆粒尺寸從0.2到50微米變化。P⑶層的厚度可通常從大約0.012到大約0.400英寸變化。進(jìn)一步地，如使用在金剛石增強(qiáng)鑲齒中的過渡層可與金屬、金剛石、以及金屬碳化物的不同組合一起使用。
[0094]基體186可由合適的材料、如碳化鎢、碳化鉭、或碳化鈦形成。此外，不同的結(jié)合金屬、如鈷、鎳、鐵、金屬合金或它們的混合物可以包括在基體中。在基體中，金屬碳化物顆粒被支撐在金屬結(jié)合劑(如鈷)之內(nèi)。基體中的鈷(或其它金屬)可從大約2到35重量百分比變化，平均碳化物顆粒尺寸可通常從大約0.2到35微米變化。
[0095]上文公開的各種實(shí)施例涉及刀片142上的切割器144的使用。本文涉及的切割器144包括結(jié)合至基體材料的多晶金剛石(PCD)(或其它的超硬材料)的壓緊體，其通常是燒結(jié)的金屬碳化物。PDC切割器常規(guī)地通過將燒結(jié)的碳化物基體放置到壓制機(jī)的容器中而形成。將金剛石晶?；蚪饎偸ЯＥc催化劑結(jié)合劑的混合物放置在基體之上，且在高壓、高溫條件下處理。如此操作后，金屬結(jié)合劑(通常是鈷)從基體遷移，且通過金剛石晶粒，以促進(jìn)金剛石晶粒之間的交互生長。結(jié)果，金剛石晶粒變得彼此結(jié)合以形成金剛石層，該金剛石層進(jìn)而一體地結(jié)合至基體?；w通常包括金屬碳化物復(fù)合材料，例如碳化鎢-鈷。沉積的金剛石層通常稱為“金剛石面”、“研磨層”或“超硬層”。
[0096]可用于形成“超硬層”的材料可包括常規(guī)的多晶金剛石面(一層互相連接的金剛石微粒，金剛石微粒之間具有間隙空間，該間隙空間中可存在金屬組分(例如金屬催化劑)、熱穩(wěn)定金剛石層(即，具有比常規(guī)多晶金剛石750°C更大的熱穩(wěn)定性)，該熱穩(wěn)定金剛石層例如通過從互相連接的金剛石微粒之間的間隙空間大體上去除所有金屬來形成、或由金剛石/碳化硅復(fù)合物、或其它超硬材料(例如立方氮化硼)形成。
[0097]切割面布置在其上的基體可由多種硬的或超硬的微粒形成。在一個實(shí)施例中，基體可由合適的材料如碳化鎢、碳化鉭或碳化鈦形成。此外，各種結(jié)合金屬、例如鈷、鎳、鐵、金屬合金或它們的混合物可以包括在基體中。在基體中，金屬碳化物顆粒支撐在金屬結(jié)合劑(如鈷)內(nèi)。此外，基體可由燒結(jié)的碳化鎢復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形成。已知，除了碳化鎢和鈷之外，還可以使用各種金屬碳化物復(fù)合物和結(jié)合劑。因此，使用碳化鎢和鈷的說明僅僅是為了說明的目的，而不旨在限制所使用的基體或結(jié)合劑的類型。
[0098]現(xiàn)在參考圖13A-13B，示出了多面體鑲齒1242的實(shí)施例。如圖13A-13B中示出的，鑲齒1242具有握持區(qū)域190和延伸部192。握持區(qū)域190大體上是圓柱形且延伸到形成在旋轉(zhuǎn)切割本體中的孔中(未示出)且可由干涉配合保持在其中。延伸部192包括大體上平坦的磨損表面194和在磨損表面194與圓柱形握持區(qū)域190之間延伸的多個面196。如圖13A-13B中示出的，磨損表面194是四邊形的且因此四個面196在磨損表面194與握持區(qū)域190之間延伸；但是本公開不限于此。當(dāng)然，也在本公開的范圍之內(nèi)的是，磨損表面194可具有三個或多于四個的邊，其中相應(yīng)數(shù)目的面從它們延伸。進(jìn)一步地，如圖13A-13B中所示，磨損表面194可從頂部198傾斜(不相對于鑲齒軸線垂直)，根據(jù)磨損表面194的方位，該頂部可包括一個點(diǎn)或一個邊緣。此外，也在本公開的范圍之內(nèi)的是，具有其它各種形狀和尺寸的面和過渡表面的鑲齒可用在旋轉(zhuǎn)切割本體的規(guī)徑區(qū)域上來代替圖13A-13B中示出的多面體鑲齒1242。
[0099]現(xiàn)在參考圖14，就運(yùn)動學(xué)運(yùn)動分析而言，示出了位于旋轉(zhuǎn)切割本體上的圓錐形鑲齒的切割軌跡的實(shí)例。圖14中示出的軌跡是位于旋轉(zhuǎn)切割本體上的單個圓錐形鑲齒的，其以1:3.5的旋轉(zhuǎn)比率(整個鉆頭:旋轉(zhuǎn)切割本體)旋轉(zhuǎn)。該軌跡顯示:圓錐形鑲齒連續(xù)地在井孔底部在投影平面上沿著非常規(guī)路徑切割地層。與此相反，固定在刀片上的切割器將沿著固定的圓形路徑旋轉(zhuǎn)。改變旋轉(zhuǎn)比率可允許每一個鑲齒的軌跡變化，對改變ROP或其它鉆井變量具有低的隨從性。
[0100]本文公開的鉆頭可使用渦輪組件旋轉(zhuǎn)，該渦輪組件附連到且旋轉(zhuǎn)鉆柱和連接的鉆頭。與本公開的鉆頭一起使用的渦輪組件可包括例如沖擊或反作用式渦輪，且可包括(直接或間接地)剛性附連到鉆柱的渦輪槳葉。鉆井液可被泵入井眼中且通過渦輪組件用以提供旋轉(zhuǎn)動力。進(jìn)一步地，本領(lǐng)域中已知的其它渦輪組件也可用于旋轉(zhuǎn)本公開的鉆頭。例如，在一些實(shí)施例中，渦輪組件可放置在鉆柱中，其中，渦輪組件包括定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子可包括隨著鉆井液流動通過槳葉而旋轉(zhuǎn)的多個槳葉或葉片。定子可包括相對于轉(zhuǎn)子槳葉以特定方向引導(dǎo)鉆井液的多個流動通道。流動通道的形狀和尺寸可設(shè)計(jì)為給予特別的流體流動速度和方向，因此實(shí)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)子的特別速度和最終實(shí)現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度。在一些實(shí)施例中，定子可具有相對于轉(zhuǎn)子保持靜止的固定的流動通道。在其它實(shí)施例中，流動通道是可移動的，因此能夠改變流動通過井眼的流體與渦輪的轉(zhuǎn)子槳葉的接合角度。
[0101]本公開的實(shí)施例可以提供如下優(yōu)點(diǎn)中的至少一個。本公開的鉆頭可提供新的切割機(jī)制，其可單獨(dú)使用或與在鉆頭中使用的常規(guī)切割機(jī)制組合使用。引入新的可旋轉(zhuǎn)或滾動結(jié)構(gòu)可提供巖石去除機(jī)制的改變，這可在穿透率以及耐久性上具有效果。
[0102]雖然上文中只詳細(xì)描述了少數(shù)的示例性實(shí)施例，但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將很容易理解，在示例性實(shí)施例中很多修改是可能的而不在實(shí)質(zhì)上背離本發(fā)明。因此，所有這樣的修改旨在被包括在下文的權(quán)利要求書所定義的本公開的范圍內(nèi)。在權(quán)利要求書中，裝置加功能的表述旨在覆蓋本文中描述的為執(zhí)行所述功能的結(jié)構(gòu)，且不僅是結(jié)構(gòu)上的等同物，也是等同的結(jié)構(gòu)。因此，雖然釘子和螺釘可能不是結(jié)構(gòu)上的等同物，因?yàn)獒斪硬捎脠A柱形的表面將木制部件固定在一起；而螺釘采用螺旋的表面；但在緊固木制部件的環(huán)境中，釘子和螺釘可以 是等同的結(jié)構(gòu)。除了在權(quán)利要求中與相關(guān)功能一起使用了詞語“用于(meansfor) ”表述的情況外， 申請人:的明確意圖不是援引35U.S.C § 112，段落6來對任何權(quán)利要求進(jìn)行任何限制。
【權(quán)利要求】
1.一種鉆頭,包括: 鉆頭本體，其能夠繞著縱向軸線旋轉(zhuǎn)，且在一個端部處具有用于將所述鉆頭固定到鉆柱的連接端部，而且在與所述連接端部相反的位置處具有一個面；以及 多個切割結(jié)構(gòu)，包括: 至少一個固定切割結(jié)構(gòu)，其布置在所述鉆頭本體的面上；以及 至少一個切割本體，其可旋轉(zhuǎn)地附連到所述鉆頭本體的所述面； 其中，在多個切割結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到單個平面的視圖中，在所述至少一個固定切割結(jié)構(gòu)與所述至少一個切割本體之間基本不存在徑向重疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少一個固定切割結(jié)構(gòu)包括至少一個刀片，所述至少一個刀片從所述鉆頭本體沿方位角方向延伸，且具有位于其上的多個切割器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少一個固定切割結(jié)構(gòu)包括從所述面延伸的凸起結(jié)構(gòu)體，所述凸起結(jié)構(gòu)體具有從其沿方位角方向延伸的多個刀片，所述多個刀片具有位于其上的多個切割器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少一個固定切割結(jié)構(gòu)包括切割元件，所述切割元件嵌入到形成在所述鉆頭本體中的嵌入孔中。
5.根據(jù)上述權(quán)利 要求中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，所述多個切割結(jié)構(gòu)包括多個切割本體，其中，所述多個切割本體中的每一個具有大體上平行的旋轉(zhuǎn)軸線。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，所述至少一個切割本體包括多個凸起部，所述多個凸起部圍繞所述至少一個切割本體在方位角方向上間隔開。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，所述至少一個切割本體包括位于其上的多個切割元件。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，所述至少一個固定切割結(jié)構(gòu)的切割表面與所述至少一個切割本體的切割表面具有軸向重疊。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，所述至少一個切割本體的最低程度在軸向上位于所述至少一個固定切割結(jié)構(gòu)的最低程度的上方。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，所述至少一個切割本體包括軸，所述軸伸到形成在所述鉆頭本體的所述面中的孔中。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，渦輪組件連接到所述鉆柱。
12.—種鉆頭,包括: 鉆頭本體，其能夠繞著縱向軸線旋轉(zhuǎn)，且在一個端部處具有用于將所述鉆頭固定到鉆柱的連接端部，而且在與所述連接端部相反的位置處具有一個面；以及 多個切割結(jié)構(gòu)，包括: 多個切割本體，其可旋轉(zhuǎn)地附連到所述鉆頭本體的所述面； 其中，所述多個切割本體中的每一個具有大體上平行的旋轉(zhuǎn)軸線且具有軸向重疊的切割表面；以及 其中，所述鉆頭本體不具有從其沿方位角方向延伸的刀片。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的鉆頭，進(jìn)一步包括: 至少一個腿部，其從所述鉆頭本體的一個面延伸且具有形成在其上的軸頸；以及 其中，所述多個切割結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在所述軸頸上的至少一個牙輪。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的鉆頭，其中，所述多個切割結(jié)構(gòu)由所述多個切割本體組成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的鉆頭，其中，所述多個切割結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括切割元件，所述切割元件嵌入到形成在所述鉆頭本體中的嵌入孔中。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，所述多個旋轉(zhuǎn)切割本體包括圓柱形本體。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的鉆頭，其中，所述圓柱形本體包括繞著所述圓柱形本體沿圓周布置的切割元件。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的鉆頭，其中，所述圓柱形本體包括布置在其平坦表面上的切割元件。
19.根據(jù)權(quán)利要求12-18中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，渦輪組件連接到所述鉆柱。
20.—種鉆頭,包括: 鉆頭本體，其能夠繞著縱向軸線旋轉(zhuǎn)，且在一個端部處具有用于將所述鉆頭固定到鉆柱的連接端部，而且在與所述連接端部相反的位置處具有一個面；以及 至少一個切割結(jié)構(gòu)，包括: 至少一個切割本體，其可旋轉(zhuǎn)地附連到所述鉆頭本體的所述面，其中，所述至少一個切割本體包括多個凸起部，所述多個凸起部圍繞所述至少一個切割本體在方位角方向上間隔開。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的鉆頭，其中，所述至少一個切割結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括至少一個刀片，所述至少一個刀片從所述鉆頭本體沿方位角方向延伸，且具有位于其上的多個切割器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的鉆頭，其中，在多個切割結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到單個平面的視圖中，在所述至少一個刀片與所述至少一個切割本體之間不存在徑向重疊。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的鉆頭，其中，所述至少一個固定切割結(jié)構(gòu)包括從所述面延伸的凸起結(jié)構(gòu)體，所述凸起結(jié)構(gòu)體具有從其沿方位角方向延伸的多個刀片，所述多個刀片具有位于其上的多個切割器。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的鉆頭，其中，所述至少一個固定切割結(jié)構(gòu)包括切割元件，所述切割元件嵌入到形成在所述鉆頭本體中的嵌入孔中。
25.根據(jù)權(quán)利要求20-24中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，所述多個切割結(jié)構(gòu)包括多個切割本體，其中，所述多個切割本體中的每一個具有大體上平行的旋轉(zhuǎn)軸線。
26.—種鉆頭,包括: 鉆頭本體，其能夠繞著縱向軸線旋轉(zhuǎn)，且在一個端部處具有用于將所述鉆頭固定到鉆柱的連接端部，而且在與所述連接端部相反的位置處具有一個面，其中，所述面包括形成在其中的至少一個孔；以及 至少一個切割結(jié)構(gòu)，包括: 至少一個切割本體，其可旋轉(zhuǎn)地附連到所述鉆頭本體的所述面，其中，所述至少一個切割本體包括暴露端部和軸，所述軸伸入形成在所述鉆頭本體的所述面中的所述孔中。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的鉆頭，其中，所述至少一個切割本體具有形成在其表面上的開口，所述開口流體連接到延伸通過所述暴露端部和所述軸的通道，以將流體從流體增壓器引導(dǎo)到鉆頭外部。
28.根據(jù)權(quán)利要求26-27中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，所述鉆頭進(jìn)一步包括: 第一密封套，其鄰近于所述鉆頭本體的所述面形成在所述至少一個切割本體的所述軸與所述鉆頭本體之間；以及 第一密封件，其布置在所述第一密封套中。
29.根據(jù)權(quán)利要求26-28中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，所述鉆頭進(jìn)一步包括: 第二密封套，其鄰近于所述軸的所述暴露端部形成在所述至少一個切割本體的所述軸與所述鉆頭本體之間；以及 第二密封件，其布置在所述第二密封套中。
30.根據(jù)權(quán)利要求26-29中任一項(xiàng)所述的鉆頭，進(jìn)一步包括: 軸承座套，其布置在形成在所述軸的徑向表面與所述鉆頭本體之間的軸承座套殼體中。
31.根據(jù)權(quán)利要求26-31中任一項(xiàng)所述的鉆頭，進(jìn)一步包括: 推力軸承，其布置在形成在所述軸的軸向表面與所述鉆頭本體之間的推力軸承殼體中。
32.根據(jù)權(quán)利要求26-32中任一項(xiàng)所述的鉆頭，進(jìn)一步包括: 多個保持滾珠，其布置在形成在所述軸與所述鉆頭本體之間的滾珠軌道中。
33.根據(jù)權(quán)利要求26所述的鉆頭，進(jìn)一步包括: 第一密封套，其鄰近于所述鉆頭本體的所述面形成在所述至少一個切割本體的所述軸與所述鉆頭本體之間； 第一密封件，其布置在所述第一密封套中； 軸承座套，其布置在形成在所述軸的徑向支承表面與所述鉆頭本體之間的軸承座套殼體中，且軸向鄰近于第一密封套； 推力軸承，其布置在形成在所述軸的軸向支承表面與所述鉆頭本體之間的推力軸承殼體中，且軸向鄰近于軸承座套； 潤滑劑儲蓄器，其與所述支承表面流體連接； 多個保持滾珠，其布置在形成在所述軸與所述鉆頭本體之間的滾珠軌道中，且軸向鄰近于所述推力軸承； 第二密封套，其鄰近于所述軸的所述暴露端部形成在所述至少一個切割本體的所述軸與所述鉆頭本體之間； 第二密封件，其布置在所述第二密封套中； 其中，所述至少一個切割本體具有形成在其表面上的開口，所述開口流體連接到延伸通過所述暴露端部和所述軸的通道，以將流體從流體增壓器引導(dǎo)到鉆頭外部，且所述第二密封件將支承表面與流體密封隔離開。
34.根據(jù)權(quán)利要求26所述的鉆頭，進(jìn)一步包括:機(jī)械密封組件，其布置在所述切割本體與所述鉆頭本體之間且鄰近于所述鉆頭本體的所述面，其中，所述機(jī)械密封組件包括: 第一密封環(huán)，其鄰近于所述切割本體； 彈性體增能器，其鄰近于所述鉆頭本體；以及 第二密封環(huán)，其布置在所述第一密封環(huán)與所述彈性體增能器之間。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆頭，其中，所述第一密封環(huán)在界面表面處接觸所述第二密封環(huán)，所述界面表面具有小于0.4英寸的寬度。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆頭，其中，所述彈性體增能器包括含氟彈性體、全氟彈性體、高飽和腈或它們的組合。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆頭，其中，所述第一密封環(huán)與所述切割本體為一體。
38.根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆頭，其中，所述第一密封環(huán)和所述第二密封環(huán)中的至少一個在它們之間具有金剛石涂層。
39.根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆頭，進(jìn)一步包括:0形環(huán)，其布置在所述第二密封環(huán)與所述鉆頭本體之間且鄰近于所述彈性體增能器。
40.根據(jù)權(quán)利要求26所述的鉆頭，進(jìn)一步包括開式支承系統(tǒng)，其中，所述開式支承系統(tǒng)包括: 徑向支承表面，其圍繞所述軸的圓周延伸； 軸承座套，其圍繞所述軸向支承表面布置； 推力軸承，其布置在所述軸與所述孔的底部之間，其中，所述推力軸承包括至少兩個軸承環(huán)。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的鉆頭，其中，所述徑向支承表面、所述軸承座套和所述推力軸承中的至少一個包 括磨損鈕。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的鉆頭，其中，所述軸承座套包括碳化鎢、碳化硅以及多晶金剛石中的至少一種。
43.根據(jù)權(quán)利要求40所述的鉆頭，其中，所述推力軸承包括三個軸承環(huán)，其中，一個軸承環(huán)是布置在其它兩個軸承環(huán)之間的磨損環(huán)。
44.根據(jù)權(quán)利要求40所述的鉆頭，其中，磨損鈕布置在所述推力軸承的兩個軸承環(huán)之間。
45.根據(jù)權(quán)利要求26-44中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中，渦輪組件連接到所述鉆柱。
【文檔編號】E21B10/08GK103998707SQ201280062390
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月18日
【發(fā)明者】Z·勇, J·吳 申請人:史密斯國際有限公司