[发明专利]用于聚晶金刚石复合片刀具的铣削盖

说明书

优先权要求

本申请要求提交于2010年5月25日的美国专利申请12/787,349的权益，其要求提交于2009年5月29日的美国临时专利申请61/182,382的优先权，其公开内容以引用方式包括进本申请。

技术领域

本发明一般涉及陆地勘探钻头，更具体地，涉及聚晶金刚石复合片(PDC)钻头。本发明进一步涉及同时支持铣削能力和地层钻孔能力的钻头。

背景技术

PDC钻头刀具的金刚石层是极其耐磨的，但当其在运输、搬运和进入钻井孔期间遭受撞击或大的点载荷时，PDC钻头刀具的金刚石层容易遭受切削。由于当遇到黑色金属材料时在切割期间产生的高的摩擦温度下与黑色金属材料发生化学反应，例如钻出套管开窗或钻出套管相关的设备中的过程中，所以刀具也易受在切削尖端的金刚石石墨化影响。诸如碳化钨、立方氮化硼(CBN)的其他材料在切割黑色金属材料方面更好，但是在切割例如已经钻通套管或套管相关的部件之后遇到的岩石方面不是那么有效。为了该公开的目的，“套管相关的部件”包括但不限于以下：阶段注水泥设备、浮鞋、鞋轨迹(shoe track)、浮环、浮阀、擦拭器、致动镖、致动球、膨胀型封隔器、机械式封隔器、可膨胀的封隔器、循环接头(circulation sub)、套管鞋、套管钻头、铰刀鞋、导向铰刀、划线导向装置(liner guide)、划线钻头、马达驱动鞋、马达驱动铰刀、马达驱动钻头、一次性或单次性马达和一次性或单次性涡轮机。换句话说，“套管相关的部件”被定义为任何配置或安装在井口套管内的障碍物，或是固定在套管末端内、在套管末端上、或在套管末端外部的障碍物，其可以被钻孔钻头全部地或部分地接触到。

从历史上来说，在地层应用的优选钻头钻入孔中之前，用专业钻头或铣刀钻出与套管相关部件相关联的黑色金属材料。具有可有效地钻通套管或套管相关设备的钻头的钻入时间的可能费用节省推动了常常被称为铣削钻孔机的新组合钻头的发展。在该领域中的钻头一般使套管或套管相关的部件钻孔的范围在1直线英尺和35直线英尺之间。在铣削套管开窗的实例中，刀具必须将套管壁厚移除几横向英寸，同时向下钻若干直线英尺。在铣削套管出口时，钻通套管壁的距离取决于用于将钻头推入套管壁中的造斜器的结构和其倾角。在这两种情况中，在需要钻数百或甚至数千英尺的地层之前会相对少量地钻套管或套管相关的设备。

现有技术尝试提供刀具保护和/或套管和套管相关部件铣削的方法，在下面阐述了随后的地层钻孔。这里所讨论的所有参考资料均以引用方式包括进本发明。

Langford的美国专利4,397,361描述了通过从钻头的头部伸出超过PDC切割元件的各个突出提供的可磨耗刀具保护。这些突出是由比任何切割元件更容易被地层磨损的金属制造。

Barr等人的美国专利4,995,887和5,025,874描述了PDC刀具，其具有粘合在金刚石层表面的额外的碳化钨层。这种粘合是通过在高温、高压的压力机中实现的。其中描述了“切割元件，其中较不硬材料(通常又是碳化钨)的更远的前层被粘合至金刚石层的正面(front face)，并延伸跨过其主要部分。由于更远层的较不硬材料可以比金刚石层具有更好的张力中的韧性，这可以使得切割元件能够更擅长抵抗张应力......”。该方法的缺点将在下面讨论。

Scott等人的美国专利5,979,571描述了“组合铣刀和钻头”。在Scott方法中，碳化钨插入物以外部行固定在从钻头的主体延伸的刀片上。连接刀片的外部伸出部分的外部安装的碳化钨插入物是为了保护连接至相同刀片的PDC插入物下面的行。或者，包含碳化钨插入物的更加向外伸出的刀片起到保护承载PDC插入物的较少向外伸出的刀片的作用。在任一种情形中，在碳化钨刀具已经磨损之后，组合刀片或单独刀片的母体刀片材料将产生支承面。在另一个实施例中，通过高压/高温将碳化钨层压到PDC刀具面上。该方法的缺点将在下文中讨论。在另一个实施例中，PDC刀具嵌入保护的碳化钨插入物材料的环的中心。在刀具嵌入碳化钨的环中的情形中，刀具的PDC部分表面完全暴露，并且受到在钻出期间遇到的金属碎片的伤害。此外，随着组合元件进入地层和碳化钨环开始磨损，在钻头的整个寿命中，碳化钨的支承面与PDC金刚石层并存，并邻近PDC金刚石层。此外，碳化钨的围绕环或是减少了可以放置在刀片上或整个钻头面上的刀具总数，或是减小了可用于地层切割的PDC金刚石层的直径。这两种选择的任一种带来的损害都偏离标准PDC钻头设计。