滚切刀具组合件制造技术

一种示例性滚切刀具组合件包括滚切刀具，所述滚切刀具可安置于在钻头中界定的刀具凹穴内，所述刀具凹穴包括接纳端、底部端和在所述接纳端与所述底部端之间延伸的侧壁。所述滚切刀具提供基底，所述基底具有：第一端，其上面安置有金刚石台；以及第二端，其可在所述底部端处或附近布置在所述刀具凹穴内。轴承元件可在所述底部端处安置在所述刀具凹穴内，并且可以在所述滚切刀具围绕中心轴旋转时与所述滚切刀具的所述第二端接合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及钻地钻头，并且更特定来说，涉及可用于钻头中的滚切刀具(rollingcutter)。
技术介绍
一般通过旋转钻井的过程来钻出用于油气产业的井筒。在常规的井筒钻井中，将钻头安装在钻柱的末端上，所述钻柱可能有数英里长。在井筒的表面处，旋转传动装置转动包括布置在孔的底部处的钻头的钻柱，从而逐渐透入地下地层，同时通过钻柱泵送钻井液。在其它钻井配置中，可使用泥浆马达来旋转钻头，所述泥浆马达在井下环境中与钻头邻近地轴向地布置，并且使用循环钻井液供给动力。用于钻井筒的一种常见类型的钻头被称为“固定刀具”或“刮刀”钻头。这种类型的钻头具有由例如碳化钨或钢等高强度材料形成的钻头主体，或者复合/基体钻头主体，其具有围绕钻头主体附接在选定位置处的多个刀具(还被称作刀具元件、切削元件或嵌件)。所述刀具可包括由碳化物(例如，碳化钨)制成的基底或者支撑螺柱，以及超硬切削表面层或“片”，其由沉积或以其它方式结合到基底上的聚晶金刚石材料或聚晶氮化硼材料制成。所述刀具通常被称作聚晶金刚石复合片(“PDC”)刀具。在固定刀具钻头中，PDC刀具通常定位在从钻头主体延伸的刀片内界定的对应刀具凹穴内，并且可以通过钎焊到刀具凹穴的内表面而结合到刀片上。PDC刀具沿着钻头主体的刀片的前沿边缘定位，使得旋转钻头主体会导致PDC刀具啮合岩石，从而透入下伏地层。在使用中，尤其在前后方向上将较高的力施加到PDC刀具上。PDC刀具通常固定到钻头主体，使得普通的切削表面在钻井期间接触地层。然而，PDC刀具的一直接触地层的工作表面的边缘可能会随时间磨损或变迟钝，这可由于钻头有效地透入地层的能力减小而导致更长的钻井时间。附图说明本文包括以下各图来说明本公开的某些方面，并且这些图不应被视为穷举实施例。在不脱离本公开的范围的情况下，所公开的主题能够在形式和功能方面有大量变体、变型、组合和等效形式。图1A是可采用本公开的原理的示例性固定刀具钻头的示意图。图1B是可以与图1A的钻头一起使用的示例性刀具的示意图。图2是示例性滚切刀具组合件的横截面俯视图。图3是另一示例性滚切刀具组合件的横截面俯视图。图4是另一示例性滚切刀具组合件的横截面俯视图。具体实施方式本公开涉及钻地钻头，并且更特定来说，涉及可用于钻头中的滚切刀具。本文所描述的滚切刀具组合件包括可旋转地紧固在对应刀具凹穴内的滚切刀具。滚切刀具能够在钻头接触地层时在刀具凹穴内旋转。滚切刀具的旋转允许其切削表面使用切削表面的整个外部边缘(即，整个周向边缘)而不是该外部边缘的同一区段来切削地层。因此，可产生更均匀的边缘磨损，并且刀具可以不那么快速地磨损。使用保持机构的各种配置和设计将滚切刀具保持在刀具凹穴内，所述配置和设计允许滚切刀具在旋转的同时防止从刀具凹穴去除滚切刀具。目前描述的滚切刀具可包括安置在刀具凹穴的底部处的轴承元件。所述轴承元件可显示出有利于为滚切刀具提供在旋转的同时进行接合(啮合，engage)的低摩擦表面。所述轴承元件可在制造被配置成使用滚切刀具的钻头时钎焊到刀具凹穴中，或者铸造到刀具凹穴中。所述轴承元件可有助于减轻刀具凹穴的背表面的磨伤，所述磨伤可潜在地卡住滚切刀具的自由旋转。在一些应用中，后轴承表面可定位在滚切刀具上，以便在旋转期间接合轴承元件。后轴承表面的加入可向两个组件之间的近乎无摩擦界面提供金刚石对金刚石接合。参看图1A，说明可采用本公开的原理的示例性固定刀具钻头100。钻头100具有钻头主体102，所述钻头主体包括：径向和纵向延伸的刀片104，其具有前表面106；以及带螺纹销连接108，其用于将钻头主体102连接到钻柱(未示出)。钻头主体102可由钢或更硬材料(例如碳化钨)的基体制成。钻头主体102被配置用于围绕纵轴110旋转，以便经由施加钻压而钻入地下地层中。在周向邻近的刀片104之间界定对应的排屑槽112，并且可以在排屑槽112内布置多个喷嘴或端口114以便喷射钻井液，所述钻井液会冷却钻头100并且另外冲洗掉在钻井期间产生的钻屑和碎片。钻头主体102进一步包括多个刀具116，其安置在大小和形状被设计成接纳刀具116的对应多个刀具凹穴118内。刀具116以预定的角度定向和径向位置被固持在刀片104和刀具凹穴118中，以便使刀具116相对于透入的地层成所要的背斜角。当旋转钻柱时，通过在钻头100处经历的钻压和扭矩的组合力驱使刀具116穿过岩石。现在参看图1B，并继续参看图1A，说明可以与图1A的钻头100一起使用的刀具116。如所说明，刀具116可包括由例如碳化钨(WC)等极硬材料制成的大体上圆柱形基底120。金刚石台(可选地被称作圆盘)124在界面表面122处耦合到基底120。金刚石台124可包括超硬材料的一个或多个层，所述超硬材料例如为聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼或孕镶金刚石(其它超硬磨料材料)。金刚石台124将通常包括在极高的温度和压力下由颗粒材料在压力下形成的聚晶金刚石。举例来说，金刚石台124可在一个或多个高温、高压(HTHP)压力循环中形成并且结合到基底120。在另一实例中，金刚石台124可在第一HTHP压力循环中形成，并且随后在第二HTHP压力循环中结合到基底120。在形成金刚石台124以及将金刚石台124结合到基底120期间，可将例如钴等催化剂材料嵌入基底120中和/或与颗粒材料包含在一起，以便提升金刚石颗粒之间的结合。金刚石台124一般界定工作表面，所述工作表面的至少一部分在钻井进行切削/毁坏地层期间啮合地层。所述工作表面可包括金刚石台124的顶部125、切削边缘126和侧部127。在一些实施例中，切削边缘126可斜切。更具体来说，可将金刚石台124描述为具有“底部”表面128，金刚石台124在所述表面处结合到基底120的“上部”表面122。底部表面128和上部表面122在本文统称为界面130，且金刚石台124的暴露表面与底部表面128相对。金刚石台124通常具有平坦或平面工作表面，但还可能具有弯曲暴露表面，所述弯曲暴露表面在切削边缘126处与侧表面汇合。虽然可将圆柱形碳化钨“坯体”用作基底120来形成刀具116，所述基底充分长来充当金刚石台124的安装螺柱，但在另一实例中，基底120可为在另一界面处结合到另一金属安装螺柱的中间层。为了形成金刚石台124，可邻近于超硬材料颗粒(例如，金刚石或立方氮化硼颗粒)的层而放置基底120，且所述组合在超硬材料颗粒热力稳定的压力下经受高温。这导致聚晶超硬材料层(例如，聚晶金刚石或聚晶立方氮化硼层)直接重结晶和形成于基底120的上表面122上。当将聚晶金刚石用作超硬材料时，可将刀具116称作聚晶金刚石复合片刀具或“PDC”刀具，且使用此类PDC刀具116制成的钻头一般被称为PDC钻头。根据本公开，图1A的钻头100中的刀具116中的一者或多者可为滚切刀具。当刀具116接触下伏地层时，对地层的剪切可能会促使刀具116围绕其中心轴旋转。旋转刀具116可允许金刚石台124使用切削边缘126的整个圆周而不是切削边缘126的同一区段来啮合下伏地层。如将了解，这可在刀具116上产生更均匀的边缘磨损，并且进而防止在金刚石台124上形成局部磨损平坦区域。因此，刀具116可能不会在一个区中那么快地磨损，并且进而展现更本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种滚切刀具组合件，其包括：滚切刀具，所述滚切刀具可安置在钻头的刀具凹穴内，所述刀具凹穴包括接纳端、底部端和在所述接纳端与所述底部端之间延伸的侧壁，且所述滚切刀具提供一基底，所述基底具有：第一端，其上面安置有；以及第二端，其在所述底部端处或附近定位在所述刀具凹穴内；保持机构，所述保持机构将所述滚切刀具可旋转地紧固在所述刀具凹穴内；以及轴承元件，所述轴承元件在所述底部端处安置在所述刀具凹穴内，并且可以在所述滚切刀具围绕中心轴旋转时与所述滚切刀具的所述第二端接合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种滚切刀具组合件，其包括：滚切刀具，所述滚切刀具可安置在钻头的刀具凹穴内，所述刀具凹穴包括接纳端、底部端和在所述接纳端与所述底部端之间延伸的侧壁，且所述滚切刀具提供一基底，所述基底具有：第一端，其上面安置有；以及第二端，其在所述底部端处或附近定位在所述刀具凹穴内；保持机构，所述保持机构将所述滚切刀具可旋转地紧固在所述刀具凹穴内；以及轴承元件，所述轴承元件在所述底部端处安置在所述刀具凹穴内，并且可以在所述滚切刀具围绕中心轴旋转时与所述滚切刀具的所述第二端接合。2.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其中所述轴承元件被钎焊到所述刀具凹穴的所述底部端中。3.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其中所述轴承元件被铸造到所述刀具凹穴的所述底部端中。4.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其中所述轴承元件包括选自由以下各者组成的群组的材料：聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石、超纳米晶金刚石、氮化硅、铬钢、不锈钢、碳合金钢、陶瓷，和包括硅、氧化铝和氧化锆的混合陶瓷，及其任何衍生物和组合。5.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其中所述保持机构包括：内部轴承座圈，其在所述基底的外表面上界定；外部轴承座圈，其在所述刀具凹穴的所述侧壁上界定；以及一个或多个滚珠轴承，一旦在轴向上对准所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈之后，所述一个或多个滚珠轴承可安置在所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈内。6.如权利要求5所述的滚切刀具组合件，其中所述外部轴承座圈被铸造到所述刀具凹穴的所述侧壁中。7.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其进一步包括后轴承表面，所述后轴承表面安置在所述滚切刀具的所述第二端上，并且可以在所述滚切刀具围绕所述中心轴旋转时与所述轴承元件接合，所述后轴承表面包括选自由以下各者组成的群组的材料：聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米晶金刚石、超纳米晶金刚石，及其任何衍生物和组合。8.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其进一步包括套管，所述套管可紧固到所述刀具凹穴的所述侧壁，所述套管为以下状态中的至少一者：钎焊到所述侧壁；以及铸造到所述刀具凹穴中。9.如权利要求1所述的滚切刀具组合件，其中所述保持机构包括：内部轴承座圈，其在所述基底的外表面上界定；外部轴承座圈，其在所述套管中界定；以及一个或多个滚珠轴承，一旦在轴向上对准所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈之后，所述一个或多个滚珠轴承可安置在所述内部轴承座圈和所述外部轴承座圈内。10.如权利要求10所述的滚切刀具组合件，其中所述轴承元件从所述刀具凹穴的所述底部端突出并且延伸到所述套管的内部中。11.一种钻头，其包括：钻头主体；至少一个刀片，其从所述钻头主体径向地延伸；至少一个刀具凹穴，其界定在所述至少一个刀片中并且包括接纳端、底部端和在所述接纳端与所述底部端之间延伸的侧壁；轴承元件，其在所述底部端处安置在所述至少一个刀具凹穴内；至少一个滚切刀具，其布置在所述至少一个刀具凹穴内且提供一基底，所述基底具有：第一端，其上面安置有金刚石台；以及第二端，其可在所述底部端处或附近布置在所述刀具凹穴内，使得所述第二端可以与所述轴承元件接合；以及保持机构，其在所述至少一个滚切刀具围绕中心轴旋转时将所述至少一个滚切刀具可旋转地紧固在所述至少一个刀具凹穴内。12.如权利要求11所述的钻头，其中所述轴承元件为钎焊到所述刀具凹穴的所述底部端中的至少一者。13.如权利要求11所述的钻头，其中所述轴承元件被铸造到所述刀具凹穴的所述底部端中。14.如权利要求11所述的钻头，其中所述轴承元件包括选自由以下各者组成的群组...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·C·普罗佩斯，B·阿特金斯，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US