[發明專利]具有圓錐形端部的多晶金剛石壓實體切割器

在審

• 申請號: 201280020271.2
• 申請日: 2012-04-26
• 公開（公告）號: CN103492661A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: Y·張;Y·沈;Y·布爾汗;J·史
• 申請（專利權）人: 史密斯國際有限公司
• 主分類號: E21B10/46
• 分類號: E21B10/46;C22C26/00;C01B31/06;B24D3/00
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 周家新;蔡洪貴

背景技術

不同類型和形狀的地質鉆井鉆頭用于地質鉆井工業中的不同的應用中。例如，地質鉆井鉆頭具有鉆頭主體，其包括不同的特征例如核、刀片、以及延伸進入鉆頭主體中的切割器槽或者安裝在鉆頭主體上的輥壓錐體。根據即將鉆井的應用/地層，合適類型的鉆頭可以基于用于鉆頭的切割動作類型以及用在特定地層中的它的合適性而選擇。

切削型鉆頭，通常稱為“固定切割器鉆頭”，包括具有附連至鉆頭主體的切割元件的鉆頭，該鉆頭主體可以是鋼制鉆頭主體或由基質材料例如碳化鎢形成的由粘結劑材料包圍的基質鉆頭主體。切削型鉆頭可以通常定義為不具有移動部件的鉆頭。但是，本領域中已知存在形成切削型鉆頭的不同的類型和方法。例如，具有研磨材料、例如潛鑄在形成鉆頭主體的材料的表面中的金剛石的切削型鉆頭通常稱為“潛鑄”式鉆頭。在本領域中已知的具有由沉積至基體上或者粘結至基體的超硬切割表面層或“板”（通常由多晶金剛石材料或多晶氮化硼材料制成）制成的切割元件的切削型鉆頭稱為多晶金剛石壓實體（polycrystalline?diamond?compact，PDC）鉆頭。

PDC鉆頭容易對軟地層鉆井，但是它們頻繁地用于鉆中度硬度或磨耗地層。它們用剪切動作使用小切割器來切割巖石地層，該小的切割器不深深地穿透進入地層中。因為穿透的深度淺，通過相對高的鉆頭旋轉速度來實現高速率的穿透。

PDC切割器在包括鑿巖以及金屬機械加工的工業應用中已經使用很多年了。在PDC鉆頭中，PDC切割器容納于切割器槽之內，該切割器槽在從鉆頭主體延伸的刀片之內形成，且PDC切割器通常通過釬焊至切割器槽的內部表面而粘結至該刀片。PDC切割器沿著鉆頭主體刀片的前邊緣安置，因而隨著鉆頭主體旋轉，PDC切割器嚙合且鉆地質地層。使用中，高的力可以施加在PDC切割器上，尤其在從前到后的方向上。此外，鉆頭和PDC切割器可以承受大體的研磨力。在一些例子中，由于一個或多個切割器的損失或由于刀片的破損，沖擊、振動、以及侵蝕力引起鉆頭故障。

在通常的應用中，多晶金剛石（polycrystalline?diamond，PCD）（或其它的超硬材料）的壓實體粘結至基體材料用以形成切割結構體，該基體材料通常是燒結的金屬-碳化物。PCD包含金剛石（通常是合成的）的多晶塊體，該金剛石粘結在一起用以形成一個整體的、堅韌的、高強度的塊體或晶格。所得的PCD結構產生增強的耐磨性和硬度的特性，從而使得PCD材料對于其中需要高水平的耐磨性和硬度的侵蝕性磨碎和切割應用中是非常有用的。

PCD切割器常規地通過放置一個燒結的碳化物基體到壓制機的容器中而形成。將金剛石晶粒或金剛石晶粒與催化劑結合劑的混合物放置在基體之上，且在高壓、高溫條件下處理。如此操作后，金屬結合劑（通常是鈷）從基體遷移，且通過金剛石晶粒，用以促進金剛石晶粒之間的交互生長。結果，金剛石晶粒變得彼此結合，用以形成金剛石層，且該金剛石層轉而一體地結合至基體。基體通常包括金屬碳化物復合材料，例如碳化鎢-鈷。沉積的金剛石層通常稱為“金剛石板”或“研磨層”。

包括具有超硬工作表面的多個切割器的現有技術PDC鉆頭的一個實例在圖1A和1B中示出。鉆頭100包括鉆頭主體110，其具有帶有螺紋的上銷端部111和切割端部115。切割端部114通常包括多個肋或刀片120，所述多個肋或刀片關于鉆頭的旋轉軸L（也稱為縱軸或中心軸）排列且從該鉆頭主體10向外徑向地延伸。切割元件或切割器150以預定的角度方位和相對于工作表面的徑向位置嵌入刀片120中并且相對于即將鉆井的地層具有需要的后傾角和側傾角。

多個孔口116安置在鉆頭主體10上在刀片120之間的區域中，該區域可以稱為“縫隙”或“流體通道”。孔口116通常適于接收噴嘴。孔口116允許鉆井流體通過鉆頭在選擇的方向上且在刀片120之間的流動以選擇的速率進行釋放，以用于潤滑和冷卻鉆頭100、刀片120以及切割器150。鉆井流體也在鉆頭100旋轉和穿透地質地層時清潔和去除鉆屑。在沒有合適的流動特性的情況下，切割器150的不充足的冷卻可能在鉆井操作期間導致切割器的故障。流體通道被安置用以為鉆井流體提供附加的流動通道并且用以為地層鉆屑提供通道用以通過鉆頭100朝向井筒的地面（未示出）行進。

參考圖1B，示出了現有技術PDC鉆頭的頂視圖。示出的鉆頭的切割面118包括六個刀片120-125。每一個刀片包括從切割面118的中心通常徑向布置的多個切割元件或切割器，以便通常形成行。特定的切割器，盡管在不同的軸向位置處，可以占據徑向位置，該位置在與其它刀片的其他切割器近似的徑向位置中。