用于地下钻孔中的钻地工具的可旋转切削器和元件、具有其的钻地工具以及相关方法技术

用于钻地工具的可旋转元件包括可移动元件和固定元件。可移动元件和固定元件包括分度定位特征部，该分度定位特征部被配置成当可移动元件在第一轴向位置和第二轴向位置之间移动时旋转可移动元件。

Rotary cutters and elements for drilling tools in underground drilling, drilling tools with them and related methods

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于地下钻孔中的钻地工具的可旋转切削器和元件、具有其的钻地工具以及相关方法优先权声明本申请要求2017年7月28日提交的序列号为15/662,626的题目为“ROTATABLECUTTERSANDELEMENTSFORUSEONEARTH-BORINGTOOLSINSUBTERRANEANBOREHOLES,EARTH-BORINGTOOLSINCLUDINGSAME,ANDRELATEDMETHODS”的美国专利申请的权益。
本公开的实施方案总体上涉及用于在钻地操作中使用的钻地工具的切削元件和其他可旋转元件的装置和方法，更具体地，涉及用于钻地工具的切削元件，该切削元件可以旋转以改变切削元件的切削刃和切削面相对于切削元件所联接的钻地工具的旋转定位，还涉及此装备的钻地工具以及相关方法。
技术介绍
各种钻地工具，诸如旋转钻头(包括牙轮钻头和固定切削器钻头或刮刀钻头)、岩心钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔钻和磨机，通常用于在地层中形成钻孔或井眼。这类工具的与地层接合的表面上通常可包括一个或更多个切削元件，当地钻工具在钻孔中旋转或以其他方式移动时，切削元件可以用来移除地层材料。例如，固定切削器钻头(通常称之为“刮刀钻头”)具有多个附连到或以其他方式固定到钻头体的端面(即，与地层接合的表面)的切削元件。切削元件通常包括切削表面，其中切削表面通常由超硬磨料形成，诸如相互粘合的聚晶金刚石颗粒。切削表面通常形成在或粘结到硬质材料诸如烧结碳化钨的支撑基底上。在钻井操作期间，切削刃的至少由切削表面的外围部分局部限定的部分被压入地层中。当钻地工具相对于地层移动时，切削元件被拖过地层表面，并且切削表面的切削刃剪切掉地层材料。这种切削元件通常被称为“聚晶金刚石复合片”(PDC)切削元件或切削器。在钻井过程中，由于切削表面和被切削的地层之间的摩擦、来自钻压(WOB)的高轴向载荷，以及由于WOB变化、地层不规则性和材料差异以及振动造成的高冲击力，切削元件会受到高温的影响。这些条件会导致切削表面损坏(例如，碎裂、剥落)。这种损坏通常发生在切削表面的切削刃处或其附近，并且至少部分是由钻井期间出现的高冲击力造成的。切削元件的损坏导致切削元件的切削效率降低。当切削元件的效率降低到临界水平时，必须停止操作以移除和更换钻头或损坏的切削器，这对于使用钻地工具的操作来说是很大的费用。将PDC切削元件固定到钻头上限制了这种切削元件的使用寿命，因为金刚石台面的切削刃随着基底的磨损而磨损，产生了所谓的“磨损平面”，并且由于露出的表面积增加，需要增加钻压才能保持钻头进入地层的给定钻进速度。此外，除非加热切削元件以将其从钻头上移除，然后重新焊在用于接合地层的切削刃的未磨损部分，否则切削元件的利用度不会超过一半。已经有尝试将切削元件构造成可旋转，使得围绕每个切削元件延伸的整个切削刃可以选择性地接合和移除材料。通过利用整个切削刃，可以增加切削元件的有效寿命。一些旋转切削元件的设计允许切削元件即使在切削载荷下也能自由旋转。在载荷下旋转会导致内表面磨损，使切削元件暴露在振动中，这会损坏切削元件，降低其寿命，并可能导致切削元件的切削刃磨损不均匀。
技术实现思路
在一些实施方案中，本公开包括用于地下钻孔中的钻地工具的可旋转切削器。可旋转切削器可以包括可旋转元件和固定元件。可旋转元件可以包括切削表面和用于切削表面的支撑结构。固定元件可以包括空腔和分度定位特征部，其中可旋转元件可以至少部分地设置在空腔中。可旋转元件可以沿着可旋转切削器的纵轴相对于固定元件移动。分度定位特征部可以包括至少一个轨道和至少一个突起。当可旋转元件在第一轴向位置和第二轴向位置之间行进时，突起和轨道可以彼此接合以旋转可旋转元件。在另外的实施方案中，本公开包括钻地工具，该钻地工具包括工具主体和由工具主体承载的元件。元件中的至少一个元件包括可移动元件、套筒和分度定位特征部。可移动元件可以包括用于接合地下钻孔的一部分的表面。可移动元件可联接到套筒上，并构造成沿着可旋转元件的纵向轴线在第一轴向位置和第二轴向位置之间移动。分度定位特征部可以被配置成当可移动元件在第一轴向位置和第二轴向位置之间移动时旋转可移动元件。本公开的其他实施方案包括用于旋转切削元件的方法。切削元件可以通过相对于外套筒套沿着切削元件的纵向轴线平移内部切削元件来旋转。当内部切削元件在第一轴向位置和第二轴向位置之间平移时，分度定位特征部可用于旋转内部切削元件。当内部切削元件处于第一轴向位置或第二轴向位置中的至少一个时，分度定位特征部还可以至少部分地阻止内部切削元件的旋转。附图说明虽然说明书最后附有特别指出并清楚地要求保护本公开的实施方案的权利要求书，但是在结合附图阅读时，从本公开的某些实施方案的下列描述中可以容易地确定本公开的实施方案的各种优点，其中：图1示出了根据本公开实施方案的固定切削器钻地工具，其通常被称为“刮刀钻头”；图2是根据本公开实施方案的可旋转切削器的等轴视图；图3A是根据本公开实施方案的处于第一位置的可旋转切削器的横截面侧视图；图3B是根据本公开实施方案的处于第二位置的可旋转切削器的横截面侧视图；图4是根据本公开实施方案的可旋转切削器的分解图；图5是根据本公开的另一实施方案的可旋转切削器的等轴视图；图6是图5所示的可旋转切削器的横截面侧视图；并且图7是图5和图6所示的可旋转切削器的分解图。具体实施方式这里给出的示图并不意味着任何特定钻地工具、可旋转切削元件或其部件的实际视图，而仅仅是用于描述例示性实施方案的理想化表示。附图不一定按比例绘制。所公开的实施方案总体上涉及用于钻地工具的可旋转元件(例如，切削元件)，该可旋转元件可以旋转以改变切削元件相对于切削元件所联接到的钻地工具的定位。例如，这种构造可以使切削元件连续呈现锋利的切削刃(利用该切削刃接合地层)，而且占据的空间量与传统固定切削元件基本相同。这种可旋转切削元件的一些实施方案可以包括固定元件和具有分度定位特征部的可旋转元件。分度定位特征部可用于旋转和/或控制切削元件的旋转。在一些实施方案中，分度定位特征部可以用于当切削元件没有主动进行移除材料时促使切削元件旋转，同时当切削元件主动进行移除材料时停止切削元件旋转。这种可旋转元件可以在各种钻地工具中实现，诸如例如旋转钻头、冲击钻头、岩心钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔钻、膨胀扩孔钻、磨机、刮刀钻头、牙轮钻头、混合钻头以及本领域已知的其他钻头和工具。如本文所用，参考给定参数的术语“基本上”表示且包括在本领域的技术人员将了解的程度上满足给定参数、性质或条件，同时有较小程度的偏差(诸如在可接受制造公差内)。例如，基本上符合的参数可以是至少约90％符合、至少约95％符合、或者甚至至少约99％符合。参考图1，其示出了钻地工具10的透视图。钻地工具10可以具有刀片20，多个切削元件100可以固定在刀片20上。切削元件100可以具有带有切削表面102的切削台10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于地下钻孔中的钻地工具的可旋转切削器，所述可旋转切削器包括：/n可旋转元件，所述可旋转元件包括支撑结构上的切削表面；和/n固定元件，所述固定元件包括：/n空腔，所述可旋转元件至少部分地设置在所述空腔内，所述可旋转元件被配置成相对于所述固定元件沿着所述可旋转切削器的纵向轴线在第一轴向位置和第二轴向位置之间移动；和/n分度定位特征部，所述分度定位特征部横向定位在所述可旋转元件和所述固定元件之间，所述分度定位特征部包括至少一个突起和至少一个轨道，其中所述至少一个突起与所述至少一个轨道的接合被配置为当所述可旋转元件朝向所述第二轴向位置移动时，相对于所述固定元件旋转所述可旋转元件。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170728 US 15/662,6261.一种用于地下钻孔中的钻地工具的可旋转切削器，所述可旋转切削器包括：
可旋转元件，所述可旋转元件包括支撑结构上的切削表面；和
固定元件，所述固定元件包括：
空腔，所述可旋转元件至少部分地设置在所述空腔内，所述可旋转元件被配置成相对于所述固定元件沿着所述可旋转切削器的纵向轴线在第一轴向位置和第二轴向位置之间移动；和
分度定位特征部，所述分度定位特征部横向定位在所述可旋转元件和所述固定元件之间，所述分度定位特征部包括至少一个突起和至少一个轨道，其中所述至少一个突起与所述至少一个轨道的接合被配置为当所述可旋转元件朝向所述第二轴向位置移动时，相对于所述固定元件旋转所述可旋转元件。


2.根据权利要求1所述的可旋转切削器，还包括置于所述固定元件和所述可旋转元件之间的促动元件，所述促动元件被配置为在所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间移动所述可旋转元件。


3.根据权利要求1所述的可旋转切削器，其中，所述至少一个突起和所述至少一个轨道之间的相互作用被配置为当所述可旋转元件在所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间移动时，在所述可旋转元件上施加旋转，并且其中所述至少一个轨道被配置为当所述可旋转元件处于所述第一轴向位置或所述第二轴向位置中的至少一个时，基本上抑制所述可旋转元件的旋转。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的可旋转切削器，其中，所述至少一个突起包括围绕所述纵向轴线布置的至少两个销。


5.根据权利要求1至3中任一项所述的可旋转切削器，其中，所述至少一个突起位于所述可旋转元件的所述支撑结构上，并且所述至少一个轨道限定在所述固定元件上。


6.根据权利要求1至3中任一项所述的可旋转切削器，其中，所述至少一个突起位于所述固定元件上，并且所述至少一个轨道限定在所述可旋转元件的所述支撑结构上。


7.根据权利要求1至3中任一项所述的可旋转切削器，其中，所述至少一个突起和所述至少一个轨道之间的相互作用被配置成当所述可旋转元件从所述第一轴向位置移动到所述第二轴向位置时以及当所述可旋转元件从所述第二轴向位置移动到所述第一轴向位置时，在所述可旋转元件上施加旋转。


8.根据权利要求7所述的可旋转切削器，其中，所述至少一个突起和所述至少一个轨道之间的相互作用被配置成当所述可旋转元件处于所述第一轴向位置和所述第二轴向位置两者时，至少部分地抑制所述可旋转元件的旋转。


9.根据权利要求1至3中任一项所述的可旋转切削器，其中，所述可旋转元件通过所述分度定位特征部进行的旋转被配置为相对于所述可旋转切削器所附接的钻地工具递增地旋转所述可旋转切削器的所述切削表面。


10.根据权利要求9所述的可旋转切削器，其中，所述分度定位特征部被配置成当所述可旋转元件从所述第一轴向位置移动到所述第二轴向位置时，以期望间隔的第一部分递增地旋转所述切削表面，并且当所述可旋转元件从所述第二轴向位置移动到所述第一轴向位置时，以所述期望间隔的第二部分递增地旋转所述切削表面，其中，所述第一部分小于所述第二部分。

【专利技术属性】
技术研发人员：小威廉·A·莫斯，亚历山大·罗德尼·勃姆，乔恩·大卫·施罗德，基根·L·勒夫雷司，约翰·阿布舍克·拉杰·波米迪，
申请(专利权)人：通用电气GE贝克休斯有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US