旋转超硬切削元件制造技术

公开用于旋转超硬切削元件的系统和方法。所述旋转切削元件包括具有旋转部分和稳定部分的衬底。所述稳定部分具有空腔并被配置成固定到钻头的刀片。所述旋转切削元件还包括：保持器，所述保持器将所述衬底的所述旋转部分可旋转地紧固在所述衬底的所述稳定部分的所述空腔中；以及切削层，所述切削层位于所述衬底的所述旋转部分上。所述切削层具有多个切削表面。所述多个切削表面中的一个具有不同于所述多个切削表面中的另一个的性质。所述切削层被配置来相对于所述衬底的所述稳定部分旋转并基于待切削的地层的特性使用所述多个切削表面中的一个。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】旋转超硬切削元件
本公开总体涉及具有旋转切削层的超硬切削元件和井下工具，诸如包括这些元件的钻头。
技术介绍
各种类型的工具用来在地下地层中形成井筒，以便回收烃类(诸如位于地面下方的石油和天然气)。此类工具的实例包括旋转钻头、扩孔器、铰刀以及取芯钻头。旋转钻头包括固定切削齿钻头，诸如多晶金刚石(PCD)钻头。钻头可用来钻穿各种级别或类型的地质地层。然而，随着地层改变，例如，从较低的抗压强度到较高的抗压强度，切削层的不同构型可能更有效和/或高效。附图说明可通过参考结合附图做出的以下描述获得对本公开及其特征和优点的更为完整的理解，其中相同参考编号指示相同特征，并且其中：图1示出根据本公开的一些实施方案的钻井系统的示例性实施方案的正视图；图2示出根据本公开的一些实施方案的钻头的等轴测视图；图3A示出根据本公开的一些实施方案的利用限制机构的示例性旋转切削元件的横截面侧视图；图3B示出根据本公开的一些实施方案的图3A中所示的示例性旋转切削元件的等轴测视图；图3C示出根据本公开的一些实施方案的旋转可包括多倒角的切削层的示例性旋转切削元件的三维透视图；图3D示出根据本公开的一些实施方案的图3A中所示的示例性旋转切削元件的衬底的示例性顶视图；图4示出根据本公开的一些实施方案的利用机电机构的示例性旋转切削元件的横截面侧视图；图5A和图5B分别示出根据本公开的一些实施方案的具有倒角边缘和平面边缘的示例性旋转切削元件的示例性三维透视图和剖视图；图6A和图6B分别示出根据本公开的一些实施方案的具有第一平面边缘和第二平面边缘的示例性旋转切削元件的示例性三维透视图和剖视图；图7A和图7B分别示出根据本公开的一些实施方案的具有切削层的用于断削的示例性旋转切削元件的示例性三维透视图和剖视图；并且图8A至8E示出根据本公开的一些实施方案的具有不同的切削层的示例性旋转切削元件的示例性三维透视图。具体实施方式本公开涉及具有由切削面邻接的切削层的切削元件。切削层由超硬材料(诸如多晶金刚石(PCD)或立方氮化硼)形成。切削层附接到旋转衬底部分，所述旋转衬底部分能够相对于稳定衬底部分移动。稳定衬底部分可固定到井下工具，诸如固定切削齿钻头。例如，切削层可被配置为在钻井操作期间旋转。切削层相对于稳定衬底部分的旋转可基于被切削的地层的特性、切削层的磨损或用于修改切削层的切削刃的任何其他合适的标准而发生。例如，当旋转基于切削刃的磨损时，切削层旋转以使得未磨损的切削刃开始切削地层。在一些实施方案中，旋转切削层可允许切削层和相关联的切削元件具有增加的使用寿命，并且较少的切削元件替换可能是必需的。切削层可被配置来旋转和停止旋转或以其他方式通过各种机构限制切削层旋转，并且可通过各种方法紧固在切削元件内。此外，基于地层的特性，具有一组特定特性的切削刃可以是更高效和/或有效的切削刃。例如，切削层可具有多个后倾角、斜角、倒角、斜度、材料，或者其他性质可基于待切削的地层的特性。通过参考图1至8E进一步理解本公开的实施方案和其优点，各图中相同编号用于指示相同和对应部分。本公开的切削元件还可用在钻井系统，诸如图1的钻井系统100中。钻井系统100被配置为在一个或多个地质地层中钻井。钻井系统100可包括井表面，有时被称为井场106。井场106可包括钻机102，所述钻机102可具有与陆地钻机相关联的各种特性和特征。然而，并入本公开的教导内容的井下钻井工具可令人满意地与位于海上平台、钻探船、半潜式装置和钻井驳船(未明确地示出)上的钻井装备一起使用。钻井系统100可包括与钻头101相关联的钻柱103，所述钻头101可用来形成多种井筒或钻孔并且可包括本公开的切削元件。井底总成(BHA)120可由被配置为形成井筒114的多种部件形成。例如，BHA120的部件122a、122b和122c可包括但不限于：钻头(例如，钻头101)、钻挺、旋转导向工具、定向钻井工具、井下钻井马达、用于钻柱的重量、扭矩、弯曲和弯曲方向测量的钻井参数传感器以及其他振动和旋转相关传感器、诸如铰刀、管下扩眼器或开孔器的扩孔器、稳定器、包含井筒测量装备的随钻测量(MWD)部件、用于测量地层参数的随钻测井(LWD)传感器、用于通信的短途和长距离遥测系统和/或任何其他合适的井下装备。诸如被包括在BHA120中的钻挺和不同类型的部件122的部件的数量可取决于所预测的井下钻探情况和将由钻柱103和旋转钻头101形成的井筒的类型。BHA120还可包括各种类型的测井工具(未明确示出)和与井筒的定向钻井相关联的其他井下工具。此类测井工具和/或定向钻井工具的实例可包括但不限于：声学、中子、伽马射线、密度、光电、核磁共振、旋转导向工具和/或任何其他可商购的井工具。钻头101可根据本公开的教导内容来设计和形成，并且可根据钻头101的特定应用而具有许多不同的设计、配置和/或尺寸。本公开的切削元件可用在井下工具，诸如固定切削齿钻头中。图2示出根据本公开的一些实施方案的固定切削齿钻头101的等轴测视图。钻头101可以是各种类型的固定切削机钻头中的任一种，包括可操作来形成延伸通过一个或多个井下地层的井筒的PCD钻头、刮刀钻头、基体钻头和/或钢体钻头。可得益于本文所述的实施方案的其他切削工具包括但不限于：孕镶钻头、取芯钻头、取芯工具、铰刀以及其他已知的井下钻井工具。钻头101可包括一个或多个刀片202(例如，刀片202a-202g)，所述刀片202可从钻头101的旋转钻头体204的外部部分向外设置。旋转钻头体204可以是大体上圆柱形的，并且刀片202可以是从旋转钻头体204向外延伸的任何合适类型的突起。例如，刀片202的一部分可直接地或间接地联接到钻头体204的外部部分，而刀片202的另一部分可远离钻头体204的外部部分突出。根据本公开的教导形成的刀片202可具有多种配置，包括但不限于基本拱形、螺旋状、螺旋形、锥形、会聚式、发散式、对称的和/或非对称的。刀片202和钻头101可在由方向箭头214限定的方向上围绕钻头轴线208旋转。刀片202可包括从每个刀片202的外部部分向外设置的一个或多个切削元件206。例如，切削元件206的基部部分可直接地或间接地联接到刀片202的外部部分，而切削元件206的切削层可远离刀片202的外部部分突出。切削元件206可以是被配置为切进地层中的任何合适的装置，包括但不限于主切削元件、备用切削元件、副切削元件或其任何组合。举例而非限制地来说，切削元件206可以是适用于多种钻头101的各种类型的切削机、紧凑件、按钮件、插入件和保径切削机。切削元件206可被保持在位于钻头101的刀片202上的凹部或切削机槽240中。硬焊材料、熔接材料、焊接材料、粘合剂或其他附接材料可被放置在衬底230，特别是稳定的衬底部分230b与切削机槽240之间。切削元件206也可通过重新加热硬焊材料而被从切削机槽240移除，从而随后物理上使切削元件206脱离。新的切削元件206可随后插入到切削机槽240中并且经由硬焊接点加以附接。切削元件206还可通过使用另一个紧固机构联接到刀片(诸如钻头101的刀片202)。然而，在一些实施方案中，切削元件206可联接到钻头101的任何其他部件，诸如刀片202的顶部或备用切削元件。至少一个切削元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋转切削元件，包括：衬底，其包括旋转部分和稳定部分，所述稳定部分具有空腔，所述稳定部分被配置成固定到钻头的刀片；保持器，其将所述衬底的所述旋转部分可旋转地紧固在所述衬底的所述稳定部分的所述空腔中；以及切削层，其位于所述衬底的所述旋转部分上；所述切削层具有多个切削表面，所述多个切削表面中的一个具有不同于所述多个切削表面中的另一个的性质；所述切削层被配置为相对于所述衬底的所述稳定部分旋转并基于待切削的地层的特性使用所述多个切削表面中的一个。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种旋转切削元件，包括：衬底，其包括旋转部分和稳定部分，所述稳定部分具有空腔，所述稳定部分被配置成固定到钻头的刀片；保持器，其将所述衬底的所述旋转部分可旋转地紧固在所述衬底的所述稳定部分的所述空腔中；以及切削层，其位于所述衬底的所述旋转部分上；所述切削层具有多个切削表面，所述多个切削表面中的一个具有不同于所述多个切削表面中的另一个的性质；所述切削层被配置为相对于所述衬底的所述稳定部分旋转并基于待切削的地层的特性使用所述多个切削表面中的一个。2.如权利要求1所述的旋转切削元件，其中所述性质是倒角。3.如权利要求1所述的旋转切削元件，其中所述性质是后倾角。4.如权利要求1所述的旋转切削元件，其中所述性质是切削材料。5.如权利要求1所述的旋转切削元件，其中所述性质是半径。6.如权利要求1所述的旋转切削元件，其中所述切削层具有非圆形的切削面。7.如权利要求1所述的旋转切削元件，其还包括限制机构，所述限制机构被配置在所述空腔中并且将所述旋转部分保持在某个位置中直到发生旋转事件。8.如权利要求7所述的旋转切削元件，其中所述限制机构包括剪切销。9.如权利要求7所述的旋转切削元件，其中所述旋转事件包括施加到所述切削层来剪切所述剪切销的足够的力。10.如权利要求7所述的旋转切削元件，其还包括被配置在所述空腔中的锁定机构，所述锁定机构被配置为防止所述旋转部分在所述旋转部分已旋转限定的度数之后...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·D·邓巴，W·B·阿特金斯，R·哈韦尔，
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