[发明专利]滚动切削器稳定性的改进

说明书

切削元件包括延伸从切削面到与切削面相反的界面表面的深度的切削端，和心轴，心轴与切削端通过过渡区域轴向地分离。心轴具有在心轴侧表面之间测量的小于切削端直径的心轴直径。从过渡区域过渡的点到保持特征测量的引导长度长于心轴的总长度的75％。

交叉参照有关申请

本申请要求2015年9月29日提交的标题为“Improvements on Rolling CutterStability”的美国专利申请序列号62/234,555的权益和优先权，该申请通过援引整体明确并入在此。

背景技术

各种类型和形状的地球钻孔钻头用于地球钻井行业的各种应用。例如，地球钻孔钻头具有钻头主体，其包括各种特征，例如芯部、刀片和延伸到钻头主体中的切削器凹穴，或者例如安装在钻头主体上的牙轮。根据要钻的应用/地层，可以基于钻头的切削动作类型和其在特定地层中使用的适当性来选择合适类型的钻头。

通常称为“固定切削器”钻头的刮刀钻头包括具有附接到钻头主体的切削元件的钻头，钻头主体可以是钢钻头主体或者由诸如由粘合剂材料围绕的碳化钨的基质材料形成的基质钻头主体。通常可以将刮刀钻头限定为没有移动部件的钻头。然而，存在形成本领域已知的刮刀钻头的不同的类型和方法。例如，具有孕镶在形成钻头主体的材料的表面中的诸如金刚石的研磨材料的刮刀钻头通常被称为“孕镶”钻头。具有由沉积在或另外结合到基底的超硬切削表面层或“台”(其可由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成)制成的切削元件的刮刀钻头在本领域中已知为多晶金刚石复合片(“PDC”)钻头。

在PDC钻头中，PDC切削器接收在切削器凹穴内，切削器凹穴形成在从钻头主体延伸的刀片内，并且可以通过钎焊到切削器凹穴的内表面而结合到刀片。PDC切削器沿着钻头主体刀片的前刃定位，使得当钻头主体旋转时，PDC切削器接合并钻井于地层。在使用中，可能会在PDC切削器上施加较大的力，特别是在前后方向上。另外，钻头和PDC切削器可能受到相当大的研磨力。在某些情况下，冲击、振动和侵蚀力会导致钻头因一个或多个切削器损失或由于刀片破损而失效。

PDC切削器可以通过将烧结硬质合金基底放入压机的容器中而形成。将金刚石晶粒或金刚石晶粒与催化剂粘合剂的混合物置于基底上并在高压、高温条件下处理。在这样做时，金属粘合剂(通常为钴)从基底迁移并穿过金刚石晶粒以促进金刚石晶粒之间的共生。结果，金刚石晶粒彼此结合以形成金刚石层，并且金刚石层又一体地结合到基底。基底可以由诸如碳化钨-钴的金属-碳化物复合材料制成。沉积的金刚石层通常被称为“金刚石台”或“研磨层”。

具有多个带超硬工作表面的切削器的PDC钻头的示例在图1和2中示出。钻头100包括具有螺纹上销端111和切削端115的钻头主体110。切削端115包括围绕钻头的旋转轴线L(也称为纵向或中心轴线)布置并且从钻头主体110径向向外延伸的多个肋或刀片120。切削元件或切削器150以相对于工作表面的角取向和径向位置和相对于要钻井的地层的后倾角和侧倾角嵌入刀片120中。

多个孔口116位于钻头主体110上的刀片120之间的区域中，其可以被称为“间隙”或“流体流道”。孔口116适于接收喷嘴。孔口116允许钻井流体沿选定的方向以及在刀片120之间的选定的流速通过钻头100排出，以润滑和冷却钻头100、刀片120和切削器150。钻井流体也清洁并且移除当钻头100旋转并穿透地质地层时的切屑。没有适当的流动特性，切削器150的冷却不足可能导致钻井操作期间的切削器失效。流体流道被定位成为钻井流体提供附加的流动通道，并为地层切屑向上穿过钻头100朝向井眼表面提供通路。

参考图2，示出了现有技术的PDC钻头的顶视图。所示的钻头的切削面118包括多个刀片120，并且每个刀片具有面向钻头旋转方向的前侧122，后侧124(与前侧122相反)和面向地层的顶侧126。每个刀片120包括从切削面118的中心径向延伸并且大致形成多排的多个切削元件或切削器。某些切削器虽然处于不同的轴向位置，但可能会占据与其他刀片上的其他切削器处于相似径向位置的径向位置。