[发明专利]具有圆锥形端部的多晶金刚石压实体切割器

说明书

背景技术

不同类型和形状的地质钻井钻头用于地质钻井工业中的不同的应用中。例如，地质钻井钻头具有钻头主体，其包括不同的特征例如核、刀片、以及延伸进入钻头主体中的切割器槽或者安装在钻头主体上的辊压锥体。根据即将钻井的应用/地层，合适类型的钻头可以基于用于钻头的切割动作类型以及用在特定地层中的它的合适性而选择。

切削型钻头，通常称为“固定切割器钻头”，包括具有附连至钻头主体的切割元件的钻头，该钻头主体可以是钢制钻头主体或由基质材料例如碳化钨形成的由粘结剂材料包围的基质钻头主体。切削型钻头可以通常定义为不具有移动部件的钻头。但是，本领域中已知存在形成切削型钻头的不同的类型和方法。例如，具有研磨材料、例如潜铸在形成钻头主体的材料的表面中的金刚石的切削型钻头通常称为“潜铸”式钻头。在本领域中已知的具有由沉积至基体上或者粘结至基体的超硬切割表面层或“板”（通常由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成）制成的切割元件的切削型钻头称为多晶金刚石压实体（polycrystalline diamond compact，PDC）钻头。

PDC钻头容易对软地层钻井，但是它们频繁地用于钻中度硬度或磨耗地层。它们用剪切动作使用小切割器来切割岩石地层，该小的切割器不深深地穿透进入地层中。因为穿透的深度浅，通过相对高的钻头旋转速度来实现高速率的穿透。

PDC切割器在包括凿岩以及金属机械加工的工业应用中已经使用很多年了。在PDC钻头中，PDC切割器容纳于切割器槽之内，该切割器槽在从钻头主体延伸的刀片之内形成，且PDC切割器通常通过钎焊至切割器槽的内部表面而粘结至该刀片。PDC切割器沿着钻头主体刀片的前边缘安置，因而随着钻头主体旋转，PDC切割器啮合且钻地质地层。使用中，高的力可以施加在PDC切割器上，尤其在从前到后的方向上。此外，钻头和PDC切割器可以承受大体的研磨力。在一些例子中，由于一个或多个切割器的损失或由于刀片的破损，冲击、振动、以及侵蚀力引起钻头故障。

在通常的应用中，多晶金刚石（polycrystalline diamond，PCD）（或其它的超硬材料）的压实体粘结至基体材料用以形成切割结构体，该基体材料通常是烧结的金属-碳化物。PCD包含金刚石（通常是合成的）的多晶块体，该金刚石粘结在一起用以形成一个整体的、坚韧的、高强度的块体或晶格。所得的PCD结构产生增强的耐磨性和硬度的特性，从而使得PCD材料对于其中需要高水平的耐磨性和硬度的侵蚀性磨碎和切割应用中是非常有用的。

PCD切割器常规地通过放置一个烧结的碳化物基体到压制机的容器中而形成。将金刚石晶粒或金刚石晶粒与催化剂结合剂的混合物放置在基体之上，且在高压、高温条件下处理。如此操作后，金属结合剂（通常是钴）从基体迁移，且通过金刚石晶粒，用以促进金刚石晶粒之间的交互生长。结果，金刚石晶粒变得彼此结合，用以形成金刚石层，且该金刚石层转而一体地结合至基体。基体通常包括金属碳化物复合材料，例如碳化钨-钴。沉积的金刚石层通常称为“金刚石板”或“研磨层”。

包括具有超硬工作表面的多个切割器的现有技术PDC钻头的一个实例在图1A和1B中示出。钻头100包括钻头主体110，其具有带有螺纹的上销端部111和切割端部115。切割端部114通常包括多个肋或刀片120，所述多个肋或刀片关于钻头的旋转轴L（也称为纵轴或中心轴）排列且从该钻头主体10向外径向地延伸。切割元件或切割器150以预定的角度方位和相对于工作表面的径向位置嵌入刀片120中并且相对于即将钻井的地层具有需要的后倾角和侧倾角。

多个孔口116安置在钻头主体10上在刀片120之间的区域中，该区域可以称为“缝隙”或“流体通道”。孔口116通常适于接收喷嘴。孔口116允许钻井流体通过钻头在选择的方向上且在刀片120之间的流动以选择的速率进行释放，以用于润滑和冷却钻头100、刀片120以及切割器150。钻井流体也在钻头100旋转和穿透地质地层时清洁和去除钻屑。在没有合适的流动特性的情况下，切割器150的不充足的冷却可能在钻井操作期间导致切割器的故障。流体通道被安置用以为钻井流体提供附加的流动通道并且用以为地层钻屑提供通道用以通过钻头100朝向井筒的地面（未示出）行进。

参考图1B，示出了现有技术PDC钻头的顶视图。示出的钻头的切割面118包括六个刀片120-125。每一个刀片包括从切割面118的中心通常径向布置的多个切割元件或切割器，以便通常形成行。特定的切割器，尽管在不同的轴向位置处，可以占据径向位置，该位置在与其它刀片的其他切割器近似的径向位置中。