[發明專利]具有閉合保持環的滾動切割器

有效

• 申請號: 201380049452.2
• 申請日: 2013-07-19
• 公開（公告）號: CN104662252B
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: Y·布爾汗;J·史;C·陳;Y·張
• 申請（專利權）人: 史密斯國際有限公司
• 主分類號: E21B10/573
• 分類號: E21B10/573;E21B10/42
• 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

技術領域

本文公開的實施例總體上涉及用于鉆頭或其他裝有鉆頭的切割工具的切割元件。更特別地，本文公開的實施例總體上涉及可旋轉切割元件。

背景技術

總體上，在兩個廣義分類的鉆頭結構中的一個內制造用于鉆通過地球地層的井眼的鉆頭。根據應用/將被鉆的地層，可以基于針對鉆頭的切割動作類型和針對其適用的特定地層來選擇恰當類型的鉆頭。第一類別中的鉆頭一般被稱為“牙輪”鉆頭，其包括具有可旋轉地安裝到鉆頭本體的一個或多個牙輪的鉆頭本體。鉆頭本體通常由鋼或別的高強度材料形成。牙輪通常也由鋼或其他高強度材料形成，并且包括多個布置在繞著牙輪的所選位置處的切割元件。切割元件可以由與牙輪的基材相同的基材形成。這些鉆頭通常被稱為“銑齒”鉆頭。其他牙輪鉆頭包括“嵌齒”切割元件，它們被壓(過盈)配合到形成在和/或被機械加工到牙輪內的洞中。嵌齒可以由例如碳化鎢、天然的或合成的金剛石、氮化硼、或硬的或超硬的材料中的任一個或組合形成。

第二類別的鉆頭通常稱為“固定切割器”鉆頭或“刮刀型”鉆頭。刮刀型鉆頭包括具有連接到鉆頭本體的切割元件的鉆頭，該鉆頭本體可以是鋼的鉆頭本體或由諸如被結合劑材料所包圍的碳化鎢的基質材料形成的基質鉆頭本體。刮刀型鉆頭一般可以被定義為不具有運動部件的鉆頭。然而，存在形成現有技術中已知的刮刀型鉆頭的不同的類型與方法。例如，具有諸如被孕鑲到形成鉆頭本體的材料的表面內的金剛石的研磨材料的刮刀型鉆頭一般被稱為“孕鑲”鉆頭。具有由沉積在基體上或以別的方式結合至基體的(通常由多晶金剛石材料或多晶氮化硼材料制成的)超硬切割表面層或“臺”制成的切割元件的刮刀型鉆頭在現有技術中被稱為多晶金剛石復合片(“PDC”)鉆頭。

PDC切割器已經在包括巖石鉆探和金屬機加工的工業應用中被使用多年。在PDC鉆頭中，PDC切割器被納入到切割器的接收口內，該接收口形成在自鉆頭本體延伸的刀片內，并且PDC切割器通常通過銅焊至切割器的接收口的內表面而被結合至刀片。沿鉆頭本體刀片的先導邊緣設置PDC切割器，使得當鉆頭本體旋轉時，PDC切割器接合并且鉆地球地層。在使用中，尤其是在從前至后的方向上，可對PDC切割器施加大的力。此外，鉆頭和PDC切割器可能受到相當大程度的研磨力。在一些例子中，由于一個或多個切割器的缺失或由于刀片的破裂，沖擊、振動以及沖蝕力會導致鉆頭故障。

在通常的PDC切割器中，多晶金剛石復合片(“PDC”)(或其他諸如多晶立方氮化硼的超硬材料)被結合至基體材料，其通常為燒結金屬碳化物，以形成切割結構。PDC包括被結合在一起以形成整體的、堅固的、高強度塊或晶格的金剛砂或金剛石晶體的多晶塊。形成的PDC結構造成了增強的耐磨性和硬度特性，使得PDC材料在需要高水平的耐磨性和硬度的劇烈磨損與切割應用中非常有用。

在圖1和2中示出了具有包括超硬工作面的多個切割器的現有技術的PDC鉆頭的一個實例。鉆頭100包括具有帶螺紋的上銷端111和切割端115的鉆頭本體110。切割端115通常包括繞著鉆頭的旋轉軸線L(也被稱為縱軸線或中心軸線)布置并且自鉆頭本體110徑向地向外延伸的多個肋或刀片120。切割元件或切割器150相對于工作面以預定的角方位和徑向位置以及相對于將被鉆的地層以所需的后傾角和側傾角嵌入到刀片120中。

多個孔116設置在鉆頭本體110上的刀片120之間的區域中，該區域可以被稱為“空隙”或“流體流道”。孔116通常適于容納噴嘴。孔116允許鉆井流體沿所選方向以所選流速在刀片120之間排放通過鉆頭，用于潤滑并冷卻鉆頭100、刀片120和切割器150。當鉆頭100旋轉并穿透地質地層時，鉆井流體還清洗且去除巖屑。在沒有恰當的流動特性的情況下，對切割器150的不充分冷卻可能導致在鉆井作業期間切割器故障。設置流體流道以便為鉆井流體提供另外的流道，并且為地層巖屑提供通道以行進通過鉆頭100向井眼的地面傳送(未示出)。

參考圖2，示出了現有技術的PDC鉆頭的頂視圖。所示鉆頭的切割面118包括多個刀片120，其中，每個刀片具有面向鉆頭旋轉方向的先導側122、(與先導側相反的)跟隨側124和頂側126。每個刀片包括通常自切割面118的中心徑向地設置并通常成行的多個切割元件或切割器。某些切割器，盡管在不同的軸向位置處，但可以占用與其他刀片上的其他切割器相似的徑向位置的徑向位置。