具有底部支撐的滾動(dòng)切割器的制造方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]用于鉆探穿過(guò)地層的井筒的鉆頭通常被制作成位于兩大類鉆頭結(jié)構(gòu)的其中一類之內(nèi)。根據(jù)應(yīng)用/要鉆探的地層，可以基于鉆頭的切割動(dòng)作類型和其應(yīng)用在特定地層中的合適性來(lái)選取合適的鉆頭類型。第一類的鉆頭通常稱為“牙輪”鉆頭，其包括鉆頭體，鉆頭體具有可旋轉(zhuǎn)安裝到鉆頭體的一個(gè)或多個(gè)牙輪。所述鉆頭體可以由鋼或另一種高強(qiáng)度材料形成。牙輪還可以由鋼或其它高強(qiáng)度材料形成且包括設(shè)置在圍繞牙輪的選定位置上的多個(gè)切割元件。所述切割元件可以由與牙輪一樣的基礎(chǔ)材料形成。這些鉆頭可以被稱作“銑齒”鉆頭。其它牙輪鉆頭包括壓入(干涉)配合到形成和/或加工在牙輪內(nèi)的孔中的“鑲齒”切割元件。所述鑲齒可例如由碳化鎢、天然或合成金剛石、氮化硼、或者硬材料或超硬材料中的任何一種或其組合形成。
[0002]第二類鉆頭可以被稱作“固定切割器”或“刮刀”鉆頭。刮刀鉆頭包括具有連接到鉆頭體的切割元件的鉆頭，鉆頭體可以是鋼鉆頭體或者由基質(zhì)材料、例如被結(jié)合材料包圍的碳化鎢形成的基質(zhì)鉆頭體。刮刀鉆頭通常被定義為具有固定部件的鉆頭。然而，如本領(lǐng)域已知的，具有不同的形成刮刀鉆頭的類型和方法。例如，具有孕鑲到形成鉆頭體的材料表面的耐磨材料，例如金剛石的刮刀鉆頭通常被稱作“孕鑲鉆頭”。具有由沉積到或者以其他方式結(jié)合到基體上的超硬切割表面層或“臺(tái)”(例如，由多晶金剛石材料或多晶氮化硼材料)制成的切割元件的刮刀鉆頭在本領(lǐng)域稱為多晶金剛石復(fù)合體(“PDC”)鉆頭。
[0003]PDC鉆頭可以輕松地鉆探軟地層，但是它們經(jīng)常被用于鉆探硬度適中的或磨蝕性的地層。它們使用不會(huì)深入穿透到地層中的小切割器的剪切動(dòng)作來(lái)切割巖石地層。由于穿透深度較淺，因此通過(guò)相對(duì)較高的鉆頭轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)高速率的穿透。
[0004]PDC切割器在工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)使用了很多年，工業(yè)應(yīng)用包括巖石鉆探和金屬加工。在PDC鉆頭中，PDC切割器被容納在形成于從鉆頭體延伸的刀片內(nèi)的切割器凹口中，并且可通過(guò)銅焊到所述切割器凹口的內(nèi)表面而結(jié)合到刀片上。所述PDC切割器沿著鉆頭體刀片的前緣設(shè)置以使得隨著鉆頭體的旋轉(zhuǎn)，所述PDC切割器接合并鉆探地層。在使用中，可能會(huì)向PDC切割器施加很大的力，尤其是沿著前后方向。此外，所述鉆頭和PDC切割器可經(jīng)受巨大的磨蝕力。在某些情況下，由于丟失一個(gè)或多個(gè)切割器，或者由于刀片破損而使得沖擊、振動(dòng)以及侵蝕力引起鉆頭故障。
[0005]在典型的PDC切割器中，多晶金剛石復(fù)合體(“P⑶(或其它超硬材料，例如多晶立方氮化硼)被結(jié)合到基體材料，基體材料可以是形成切割結(jié)構(gòu)的燒結(jié)金屬碳化鎢。PCD包括結(jié)合到一起形成整體的，硬的，高強(qiáng)度的質(zhì)量體或晶格的金剛石顆粒或晶體的多晶質(zhì)量體。產(chǎn)生的PCD結(jié)構(gòu)產(chǎn)生增強(qiáng)的耐磨和硬度特性，使得PCD材料在耐磨和硬度要求很高的惡劣的磨損和切割應(yīng)用中尤其有用。
[0006]圖1所示的PDC鉆頭的一個(gè)實(shí)例具有多個(gè)具有超硬工作面的切割器。鉆頭100包括具有螺紋銷端部111和切割器端部115的鉆頭體110。切割器端部115包括圍繞鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線L布置并且從鉆頭體110向外徑向延伸的多個(gè)肋或刀片120。切割元件或者切割器150相對(duì)于工作面按照預(yù)定的角取向和徑向位置嵌入刀片120中并且相對(duì)于被鉆探的地層具有期望的后傾角。
[0007]多個(gè)孔眼116設(shè)置在鉆頭體110上的刀片120之間的區(qū)域中，所述區(qū)域可以被稱作“間隙”或“流路”?？籽?16通常適于接納噴嘴?？籽?16允許鉆井液通過(guò)鉆頭沿著選定的方向并且以選定的流速在切割刀片120之間被排出以潤(rùn)滑和冷卻鉆頭100、刀片120和切割器150。隨著鉆頭100旋轉(zhuǎn)并且穿透地層，鉆井液還可以清理和移除鉆肩。所述流路設(shè)置成為鉆井液提供額外的用于鉆井液的流道并且為地層切肩提供通道用以使切肩通過(guò)鉆頭10朝向井筒的地面(未示出)移動(dòng)。
[0008]確定PDC切割器的壽命的一個(gè)要素為切割器暴露于高溫。暴露于高溫會(huì)對(duì)金剛石臺(tái)造成熱損傷并且最終造成開(kāi)裂(由于熱膨脹系數(shù)之差)，這可能引起多晶金剛石層的剝落，多晶金剛石和基體之間的分層，金剛石發(fā)生轉(zhuǎn)換變回石墨，從而引發(fā)快速的磨蝕。傳統(tǒng)PDC切割器的熱操作范圍大約為700-750°C或者更低。
[0009]如上所述，傳統(tǒng)的多晶金剛石在空氣中的穩(wěn)定溫度高達(dá)700-750°C，在所述溫度范圍之上可以觀察到隨著溫度的升高可能對(duì)多晶金剛石造成永久性損壞以及結(jié)構(gòu)性破損。多晶金剛石的劣化歸因于與金剛石相比，結(jié)合材料、鈷的熱膨脹系數(shù)的差值巨大。一旦多晶金剛石被加熱，鈷和金剛石晶格就會(huì)以不同的速率膨脹，引發(fā)在金剛石晶格結(jié)構(gòu)中形成裂紋并且導(dǎo)致多晶金剛石劣化。損壞還可能是由于在極高的溫度下，在金剛石與金剛石的頸部處形成石墨，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)完整性喪失和強(qiáng)度損失。
[0010]在傳統(tǒng)的刮刀鉆頭中，PDC切割器被固定到鉆頭的表面以使得共同的切割表面與被鉆探的地層接觸。隨著時(shí)間流逝和/或當(dāng)鉆探某種硬但不是必然具有很高磨蝕性的巖石地層時(shí)，切割元件上經(jīng)常與地層接觸的工作面的邊緣開(kāi)始磨損，形成局部磨損平面，或者與切割元件剩余部分的磨損不成比例的區(qū)域。局部磨損平面由于降低了鉆頭有效穿透工作材料的能力以及切割元件的邊緣鈍化引起的穿透率損失而導(dǎo)致鉆探時(shí)間變得更長(zhǎng)。也就是說(shuō)，磨損的PDC切割器作為產(chǎn)生熱量的摩擦承載表面，這加速了 PDC切割器的磨損并且降低了鉆井的穿透速度。由于傳統(tǒng)的PDC切割器在與地層材料接觸的區(qū)域里不能與地層材料充分接合并且不能將其有效移除，因此這些平臺(tái)表面有效地阻止或嚴(yán)重地降低了地層切割速率。此外，所述切割器可以處于不變的溫度和機(jī)械載荷下。因此，熱量沿著切割表面積聚，并且導(dǎo)致切割元件破裂。當(dāng)切割元件斷裂時(shí)，鉆探作業(yè)可能遭受穿透速率損失，并且如果破裂的切割元件與第二個(gè)切割元件接觸，又會(huì)對(duì)其它切割元件造成額外的損傷。
[0011]此外，由于PCD和工作材料之間的摩擦引起在切割器接觸點(diǎn)，尤其是PDC層的暴露部分上產(chǎn)生熱量，這對(duì)PCD造成了裂縫形式的熱損傷，從而導(dǎo)致多晶金剛石層剝落，多晶金剛石和基體之間分層，以及金剛石轉(zhuǎn)換回石墨而引發(fā)快速磨損。傳統(tǒng)的PDC切割器的熱作業(yè)范圍大約為750 °C或更低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本概述用于引入在下面的詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述的構(gòu)思選擇。本概述不是用于確定要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或基本特征，也不是被用作幫助限制要求保護(hù)的主題的范圍。
[0013]一方面，這里公開(kāi)的實(shí)施例涉及一種切割元件組件，包括:套筒、相對(duì)于所述套筒的一端軸向延伸一定距離的襯托以及內(nèi)部切割器。所述內(nèi)部切割器具有:切割端，所述切割端從切割面延伸一定深度；側(cè)表面；以及本體，所述本體至少部分地設(shè)置在所述套筒內(nèi)，其中，所述切割端的側(cè)表面與所述襯托的接合表面相接合。
[0014]另一方面，這里公開(kāi)的實(shí)施例涉及一種切割元件組件，其包括支撐結(jié)構(gòu)和部分地設(shè)置在支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的內(nèi)部切割器。所述支撐結(jié)構(gòu)具有套筒部分和相對(duì)于所述套筒部分軸向延伸一定距離的襯托部分，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)具有非均勻的壁厚。所述內(nèi)部切割器具有從切割面延伸一定深度的切割端、側(cè)表面和本體。
[0015]又一方面，這里公開(kāi)的實(shí)施例涉及一種鉆頭，包括:鉆頭體，所述鉆頭體具有從其徑向延伸的多個(gè)刀片；以及設(shè)置在形成于多個(gè)刀片上的切割器凹口中的至少一個(gè)切割元件。所述切割元件可包括套筒、相對(duì)于套筒的一端軸向延伸一定距離的襯托以及內(nèi)部切割器，所述內(nèi)部切割器具有從切割面延伸一定深度的切割端、側(cè)表面以及至少部分地設(shè)置在所述套筒內(nèi)的本體，其中，所述切割端的側(cè)表面與襯托的接合表面相接合。
[0016]要求保護(hù)的主題的其它方面和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)后面的描述和所附的權(quán)利要求而變得更加明確。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為傳統(tǒng)的PDC鉆頭的透視圖。
[0018]圖2為根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的切割元件組件的剖視圖。
[0019]圖3為根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的切割元件組件的前視圖。
[0020]圖4為根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的套筒和襯托組件的分解視圖。
[0021]圖5為根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的套筒和襯托組件的透視圖。
[0022]圖6為根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的套筒和襯托組件的透視圖。
[0023]圖7示出根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的刀片的透視圖，其具有形成在其中的切割器凹
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[0024]圖8示出根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的切割器元件組件的剖視圖。
[0025]圖9和10示出根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的保持環(huán)的透視圖。
[0026]圖11示出根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的切割元件組件的分解視圖。
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