[发明专利]旋转切削结构以及用于保持其的结构

说明书

一种井下切削工具，包括：限定切削刀凹座的工具主体；和滚动切削刀，所述滚动切削刀具有在所述切削刀凹座中的内部可旋转切削元件和套筒，其中，所述内部可旋转切削元件的轴向运动由设置在所述套筒外部的外部保持元件限制。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年9月29日提交的美国临时专利申请序列号62/234560的权益，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术

各种类型和形状的地钻钻头用于地球钻探行业的各种应用。例如，地钻钻头具有的钻头体包括各种特征，比如延伸到钻头体中的核心、刀片和切削刀凹座或者安装在钻头体上的牙轮。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。

通常被称为“固定切削刀钻头”的刮刀钻头包括具有附接到钻头体的切削元件的钻头，其可以是由粘合剂材料包围的基体材料比如碳化钨形成的钢钻头体或基体钻头体。刮刀钻头通常可以被定义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类型和方法。例如，渗透在形成钻头体的材料的表面中的具有研磨材料比如金刚石的刮刀钻头通常被称为“冲击”钻头。沉积到或以其他方式结合到基底上的具有由超硬切削表面层或“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。

PDC钻头很容易钻软地层，但它们经常用来钻中等硬度或磨蚀性地层。他们使用不会深入地层的小型切削刀，通过剪切动作切削岩层。由于穿透深度较浅，因此通过较高的钻头旋转速度可获得较高的穿透率。

多年来，PDC切削刀已被用于工业应用，包括凿岩和金属加工。在PDC钻头中，PDC切削刀容纳在切削刀凹座内，其形成在从钻头体延伸的刀片内，并且通常通过钎焊到切削刀凹座的内表面而结合到刀片。PDC切削刀沿着钻头体刀片的前缘定位，使得当钻头体旋转时，PDC切削刀接合并钻地层。在使用中，可能会在PDC切削刀上施加较大的力，特别是在前后方向上。另外，钻头和PDC切削刀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刀损失或由于刀片破损而失效。

在一些应用中，多晶金刚石(PCD)(或其他超硬材料)的复合片结合到基底材料上，该基底材料可以是烧结金属碳化物以形成切削结构。PCD包括多晶体金刚石(通常是合成的)，它们结合在一起形成完整的坚韧的高强度块或晶格。由此产生的PCD结构可提高耐磨性和硬度，使PCD材料在需要高耐磨性和高硬度的侵蚀性磨损和切削应用中非常有用。

PDC切削刀可以通过将烧结硬质合金基底放入压机的容器中而形成。将金刚石颗粒或金刚石颗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。在此过程中，金属粘合剂(通常为钴)从基底迁移并穿过金刚石颗粒以促进金刚石颗粒之间的共生。结果，金刚石颗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。基底可以由金属-碳化物复合材料比如碳化钨-钴制成。沉积的金刚石层通常被称为“金刚石台”或“磨料层”。

图1和2示出了具有多个带有超硬工作表面的切削刀的PDC钻头的示例。钻头100包括具有螺纹上销端111和切削端115的钻头体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)布置的多个肋或刀片120并且从钻头体110径向向外延伸。切削元件或切削刀150以相对于工作表面的角定向和径向位置嵌入刀片120中并且相对于要钻的地层具有后倾角和侧倾角。

多个孔口116定位在刀片120之间的区域中的钻头体110上，这些区域可被称为“间隙”或“流体层”。孔口116通常适于接收喷嘴。孔口116允许钻井液沿选定的方向以及在刀片120之间的选定的流速通过钻头排出，以润滑和冷却钻头100、刀片120和切削刀150。钻井液还清洁和去除当钻头100旋转并穿透地质构造时的钻屑。没有适当的流动特性，切削刀150的冷却不足可能导致钻井操作期间的切削刀失效。流体层定位成为钻井液提供附加的流动通道并为地层钻屑提供通道以通过钻头100朝向井眼表面。