[发明专利]在固定切割器钻头中使用套管、压缩弹簧、和/或销/球附连滚动切割器的方法

说明书

背景技术

用于通过地质地层钻井的钻头通常在钻头结构的两个宽泛类型之一内形成。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它的合适性而选择。在第一种类型中的钻头通常称为“辊压锥体”钻头，其包括钻头主体，该钻头主体具有可旋转地安装至钻头主体的一个或多个辊压锥体。钻头主体通常由钢或其它高强度材料形成。辊压锥体也通常由钢或其它高强度材料形成，且包括布置在锥体附近所选位置处的多个切割元件。切割元件可以由与锥体相同的基础材料形成。这些钻头通常称为“铣齿”钻头。其它的辊压锥体钻头包括“嵌件”切割元件，其压力（干涉）配合至形成的孔中和/或机械加工至辊压锥体中。嵌件可以由例如碳化钨、天然或合成的金刚石、氮化硼、或硬材料或超硬材料中的任一种或组合来形成。

第二种类型的钻头通常称为“固定切割器”或“切削型”钻头。钻头包括具有附连至钻头主体的切割元件的钻头，其可以是钢的钻头主体或由粘结剂材料包围的由基质材料、例如碳化钨形成的基质钻头主体。切削型钻头可以通常定义为不具有移动部件的钻头。但是，本领域中已知存在不同的类型的切削型钻头和不同的形成切削型钻头的方法。例如，具有研磨材料（例如金刚石，潜铸在形成钻头主体的材料的表面中）的切削型钻头通常称为“潜铸”式钻头。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“顶面”（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在本领域中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，该小切割器不深深地穿透进入地层中。因为穿透的深度浅，因此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凹槽之内，该切割器凹槽在自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凹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导边缘安置，使得随着钻头主体旋转，PDC切割器啮合且钻入地质地层。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失效。

在通常的PDC切割器中，多晶金刚石（polycrystalline diamond，PCD）（或其它的超硬材料，例如多晶立方氮化硼）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包含金刚石晶粒或晶体的多晶块体，它们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损和切割应用中是非常有用的。

具有包括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115通常包括多个肋或刀片120，该多个肋或刀片围绕钻头的旋转轴线L（也称为纵向轴线或中心轴线）排列且自该钻头主体10向外径向地延伸。切割元件或切割器150相对于工作表面以预定的角度方位和径向位置嵌入刀片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110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允许钻井液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。钻井液也在钻头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失效。定位流体通道用以为钻井液提供附加的流动通路并且用以为地层钻屑提供通道用以通过钻头100朝向井眼的地面（未示出）行进。