具有增強耐用性和增強磨損壽命的超耐磨切削元件，以及如此配備的鑽進設備的製作方法

2023-05-01 22:56:31 1

專利名稱：具有增強耐用性和增強磨損壽命的超耐磨切削元件，以及如此配備的鑽進設備的製作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及在鑽進地下地層時使用的切削元件和如此配 備的設備。更特別地，本發明的實施例涉及聚晶金剛石或其它超耐磨 切削元件或切削件，以及如此配備的鑽頭和鑽具，所述切削元件或切 削件配置為在用於對地層或巖石鑽孔的旋轉刮刀鑽頭或其它鑽具上使 用，例如可以用於石油、氣體、地熱或其它地下鑽孔的鑽進或擴大。
背景技術：
存在三種通常用於鑽穿地下地層的鑽頭，包括衝撞鑽頭(也稱作 沖擊鑽頭)，滾錐鑽頭(包括三牙輪鑽頭)和旋轉刮刀鑽頭或固定牙輪 式旋轉鑽頭(包括如此構造的取芯鑽頭)。旋轉刮刀鑽頭通常使用金剛 石或其它超耐磨切削元件或"切削件"，其中，聚晶金剛石複合片(PDC ) 切削件最為常見。
除了傳統的同心旋轉刮刀鑽頭之外，還存在在井下使用的其它設 備，在此統稱為"鑽具"，其可用於切削或擴大鑽孔或者可以使用位於 其表面上的超耐磨切削件、鑲嵌件或插入件作為切削件或防磨損元件。 這種鑽具包括但不限於雙中心鑽頭、偏心鑽頭、可擴大擴眼鑽頭和隨 鑽擴眼器。
多年來，在本領域熟知的是，PDC切削件在刮刀鑽頭及其它旋轉 鑽具上使用良好。PDC切削件典型地具有在高溫、高壓條件下形成在硬質合金基底(例如，燒結碳化鴒)上的金剛石層或臺，所述硬質合金基底含有金屬粘結劑或催化劑，例如鈷。所述基底可以硬焊或其它手段連接到例如支柱的連接構件或者圓柱形支撐元件上以增強其固定到鑽頭面上。可以通過壓配合或將螺栓鎖定到鋼體刮刀鑽頭上的插座中，或者通過將切削件基底(有或沒有圓柱形支撐元件)直接硬焊到鑽頭體表面上預先形成的凹窩、插口或其它插座中(如由本領域已知
的澆鑄在固化、通常銅基粘結劑中的wc顆粒製成的基體型鑽頭)使
切削元件安裝到鑽頭上。
PDC通常通過將圓盤形硬質合金基底放置到容器或筒體(金剛石晶體或晶粒層裝入所述筒體中與基底的一個表面相鄰)中製造而成。許多此類筒體典型地裝入超高壓壓力機中。基底和相鄰的金剛石結晶層隨後在超高溫度和壓力情況下壓縮。超高壓力和溫度條件使來自基底本體的金屬粘結劑變成液體，從緊挨著金剛石層的基底表面後面的區域穿過金剛石晶粒去除並且起到反應液相的作用以促進金剛石晶粒燒結以形成多晶金剛石結構。因此，金剛石晶粒相互結合以在基底表面上形成金剛石臺，所述金剛石臺同樣結合到基底表面上。金屬粘結劑可以保持在金剛石層中的金剛石晶粒之間的氣孔內，或者全部或一部分金屬粘結劑可以去除，如本領域已知。粘結劑可以通過酸浸法或電解浸出法去除。為了獲知與用於形成多晶金剛石切削件的方法相關的更多背景技術，讀者可以閱讀授權給Wentorf, Jr等的、授權日為1973年7月17日的美國專利No.3,745，623。
圖1顯示了傳統的旋轉刮刀鑽頭的實施例。圖l所示刮刀鑽頭設計成能圍繞其縱向軸線沿順時針方向(在孔中使用的鑽頭處往下看，或者如果從鑽頭前端，或表面看該鑽頭，則沿逆時針方向，如圖l所示)旋轉。大部分目前刮刀鑽頭設計使用包括PDC金剛石臺的金剛石切削件，所述PDC金剛石臺形成在典型地由燒結碳化鵠(WC)製成的基底上。現有技術的刮刀鑽頭可以在適當鑽壓(WOB)和所施加扭矩下達到大約1到超過305米/小時的鑽進速度(ROP)。現有技術的刮刀鑽頭的缺陷在於，它們由於PDC切削件的衝擊損壞而過早磨損，同樣，切削件如果在由石灰石、白雲石、硬石膏、硬質砂巖組成的高 應力或堅硬地層，例如具有砂巖、石灰石和白雲石層序的混合地層(還 稱作過渡地帶)，或者包含堅硬"薄夾層，，的地層中使用會非常迅速地 損壞。如上所述，存在用於鑽孔的其它種類的工具，所述工具使用用 於切削的超耐磨切削元件，並且在鑽鑿所列舉地層中具有相同的缺陷。 在許多此類地層中，在刮刀鑽頭中已經使用了其它類型的切削結構，
包括小天然金剛石，小"熱穩定，，PDC切削件，和各種構造的充滿金 剛石砂粒的金屬碳化物基體型切削結構。然而，這種刮刀鑽頭給設置 有PDC切削件的鑽頭提供了更差的ROP，因此，對現場的鑽井裝置 和鑽機機組人員的時間來說產生了相當大的附加鑽進成本。
傳統的PDC切削件在高栽荷應用中存在耐久性問題。它們在暴露 于堅硬、堅固或高應力地質構造時具有不希望的裂紋(包括顯微裂紋)、 切屑、碎片和斷裂趨勢，使得切削件經受高載荷和沖擊力。它們在從 各種角度承受高載荷時同樣不耐用。傳統PDC的耐久性問題由於鑽鑿 期間的正常和扭轉載荷的動態特性而惡化，其中，鑽頭表面與形成井 孔底部的未切削地層形成接觸和脫離，載荷由於所謂的鑽頭"渦旋" 而在一些鑽頭設計和一些地層中進一步惡化。
傳統PDC的金剛石臺/基底接合面經受從切削元件的地層產生的 高殘餘應力，因為在冷卻期間，金剛石和基底材料的不同熱膨脹係數 產生熱應力。另外，有限元分析(FEA)已經證明，在外部圓柱形基 底表面上的局部區域和基底內部存在高強應力。這兩種情況在鑽鑿操 作期間對切削元件的壽命是有害的，因為所述應力(通過歸因於地層 對切削元件載荷的應力增大時)會造成碎裂、破裂乃至金剛石臺從基 底上剝離。
另外，切削元件的切削邊緣的高切向載荷在金剛石臺上產生彎曲 應力，所述金剛石臺在拉伸狀態下相對脆弱，如果不充分防止彎曲時 將會容易地產生破裂。其上形成有金剛石臺的金屬碳化物基底可能不 具有足以提供這種希望的支撐程度的剛度。
傳統PDC切削件的金剛石臺的較快磨損還導致位於切削邊緣後面的金屬碳化物基底中的磨損平面迅速形成，所述磨損平面減少了切
削邊緣附近的單位面積載荷以及需要較大鑽壓(WOB)以保持給定的 鑽進速度(ROP)。由於引入基底材料作為與地層的接觸面，磨損平 面還因摩擦係數的改變增大了切削件和地層之間的阻力或摩擦接觸。 因此，摩擦熱增多，使切削件的溫度升高並對PDC臺造成熱裂形式的 初始損壞，同時，磨損平面的存在減少了鑽井流體進入金剛石臺的切 削邊緣的直接後方的可能。
現有技術存在許多提高傳統PDC切削件的耐久性的嘗試，它們通 過改變切削麵幾何結構，具體地，位於與被鑽地層接合的切削元件附 近。舉例來說，讀者參見授權給Dennis的美國專利RE32，036 ( >036 專利)；授權給Dennis的美國專利No.4，592，433 ( >433專利)和授權 給Dennis的美國專利5，120,327( >327專利)。在>036專利的圖5A中， 描述了具有傾斜圓周邊緣的切削件，並且在第3欄第51-54行對此進 行了簡要討論。在>433專利的圖4中，顯示了切削件基底周緣的極小 傾斜，或者內部具有金剛石凹槽的坯件(參見用於簡要描述斜角的專 利的第5欄，第l-2行)。類似地，在>327專利的圖1-6中，顯示了較 小的周邊斜角(參見用於簡要描述斜角的第5欄，第40-42行)。這種 斜角或倒角最初設計成保護PDC的切削邊緣，同時承載切削元件的螺 栓壓配合到鑽頭面上的凹窩中。然而，隨後人們認識到，通過提供小 載荷承載面積使斜角或倒角防止切削邊緣不受到載荷應力集中的影 響，所述小載荷承載面積在鑽鑿初期降低了單位應力。切削件栽荷會 以其他方式導致未倒角的切削邊緣處的金剛石層在切削件啟用之後不 久和在切削件在切削邊緣處自然磨損到平面或"磨損平面"之前發生 削蝕作用或碎裂。
本領域還已知使PDC切削件的切削邊緣成圓角而非倒角，如授權 給Tandberg的美國專利5,016,718中所公開的那樣。這種圓角化已經 證明，可以提供與切削麵上的小周邊倒角類似的承載面積。
對於提高切削件磨損和耐久性特徵的其他方法來說，讀者還可以 參考轉讓給本發明受讓人的授權給Cooley等的美國專利No.5，437，343(>343專利)；授權給Meany等的美國專利No.5，460,233 ( >233專利)。 在>343專利的圖3和5中，可以看到，多個相鄰倒角形成在金剛石層 的周邊(參見第4欄第31-68行，第5-6欄全文)。在>233專利的圖2 中，可以理解，支撐超耐磨臺的碳化物基底沿其縱向軸線以大約10-15° 成錐形，從而提供附加支撐以防止金剛石層突然失效(參見>233專利 的第5欄第2-67行，第6欄第1-21行)。還可以參見授權給Strange 的美國專利No.5，443，565 ，該專利公開了 一種多倒角金剛石臺。
可以知道，在切削件上設置較大倒角提高了耐久性，但同時降低 了 ROP，並且不希望地增大了用於給定ROP的所需WOB。增大的 WOB轉換為施加到鑽鑿系統上的更多能量，具體地，刮刀鑽頭繼而 加速切削件損壞。
轉讓給本發明受讓人的授權給Jurewicz等的美國專利 No.5，706，906描述了 PDC切削件，其具有大約1.778毫米(0.070英寸) 到3.81毫米(0.150英寸)的相當大的深度或厚度，並且具有帶大倒 角或所謂"斜面"的切削麵，所述斜面沿其表面徑向測量為不小於大 約1.27亳米(0.050英寸)。
如，906專利所述的PDC切削件已經證明，對於給定切削深度和 被切削地層來說，由於極大減少了有害碎片、切屑、裂縫和斷裂的傾 向，與現有技術的PDC切削件相比可以獲得大大提高的使用壽命。人 們已經發現，PDC切削件在使用後會顯示一些裂縫，但是小裂縫不會 發展成通常發生在PDC切削件中的金剛石臺的突然失效。如果完全實 現的話，這種能力將對安裝在刮刀鑽頭上的切削件尤為有用，所述刮 刀鑽頭在其間具有硬巖薄夾層的硬巖地層和軟地層(混合層間地層) 上使用。
當與具有類似金剛石臺厚度但沒有大斜面的其它切削件相比時， 儘管這類PDC切削件(具有大斜面)在最初現場試驗、最終證明所述 設計的耐久性方面顯示出了 一些優點，但這些PDC切削件還顯示了 一 些削弱其在現實鑽鑿情況中有用性的不利特徵。具體地，配備有這些 PDC切削件的鑽頭表現出了令鑽井電機，例如輔助設備和外殼的其它井底鑽具組件(BHA)以及位於BHA上方的鑽柱的管狀部件過載的 令人困擾的傾向(表面上由於通過使這些切削件與被鑽地層接觸而產 生的極大切削力)。
另外，配備有這些PDC切削件的鑽頭通常相當緩慢地鑽鑿，即， 它們鑽鑿地層的速度(ROP)遠小於配備有傳統PDC切削件的鑽頭 的ROP，同時在鑽穿硬地層(原本非常適用)時變的困難。可以看出， 由於弧形斜面在其接觸地層時的可變幾何形狀以及在接觸和切削地層 時缺少"強力性"，這些厚金剛石臺切削件的外部構造(儘管有助於切 削件的耐用性質)對於許多鑽鑿情況來說不夠理想。可以想到，如具 有相似形狀的結構的金屬切削件所顯示的，在塑性地層中，這些PDC 切削件會僅使由切削件接合的地層表面材料發生變形，在前面形成巖 石塑性"突起"並在側面與切削件接觸，而不是如希望的那樣剪切地 層材料。
因此，儘管這些PDC切削件具有優異特徵，它們在有效切削頑固 地層(PDC切削件表現出的耐久性非常適合該地層)方面的實用性實 際上在大量地層和鑽鑿情況下仍然不能實現。
轉讓給本發明受讓人的授權給Cooley的美國專利No.5，881,830描 述了具有切削麵的PDC切削件，所述切削麵具有橫向於切削件縱向軸 線的第一部分和包括平坦接合表面或支肋平面的第二部分，所述平坦 接合表面或支肋平面相對於所述第一部分以小銳角定位並且具有沿著 其至少一部分周邊的切削邊緣。這些PDC切削件耐用、相當強力並且 與'906專利中所述PDC切削件相比在切削件使用壽命期間具有更為 穩定的性能，但是它們的大倒角使切削方面的強力性降低，使ROP 降低。
另外，轉讓給本發明受讓人的授權給Lund等的美國專利 No.6，935，444公開了使用多個相鄰倒角，所述倒角具有位於其間沿著 PDC切削件的切削邊緣的弧形表面。已經證明，這種幾何結構可以防 止PDC切削件沿著切削邊緣的最初削蝕作用，延長了 PDC切削件的 使用壽命。然而，如參照上述PDC切削件設計所提及的，仍然存在對耐用超 耐磨切削件的需要，所述切削件能夠經受上述頑固地層中的切削應力， 在有效鑽鑿(損壞或不損壞傳統的現有技術井底鑽具組件和鑽柱)的 同時減少磨損趨勢，同時提供在商業上可行的穩定ROP。
在實驗室試驗期間，人們已經觀察到，具有傳統倒角深度(例如 為0.406毫米(0.016英寸))的傳統的45。倒角切削件在磨損平面向倒 角內邊界以內延伸時通常發生過早切削件損壞和故障。具體地，人們 已經觀察到，增大了 PDC臺碎裂和削蝕的發生率。這在上述高應力或 堅韌地層、層間地層和包含硬薄夾層的地層中尤為麻煩。
人們認為幾個因素造成這類切削件故障。首先，在鑽鑿操作期間， 由於倒角和切削件後傾角的緣故，向下作用力在WOB下施加給緻密 地層，使PDC臺保持壓縮並提高了切削件完整性。然而，當倒角內邊 緣或邊界磨損時，壓縮作用力的倒角分量減弱，從而有可能在切削麵 上具有高強度剪切力，引起上述碎裂和削蝕作用。另外，當倒角的內 邊緣或邊界磨損時，切削麵處的陡邊或角部呈現給地層，與未倒角切 削件類似。作用於這個陡邊上的任何豎直(與切削麵平面平行)作用 力將轉換為橫向於切削麵的豎直拉伸剪切力，形成破損的切削件。
另外，由於最初較寬的大磨損平面引起的PDC臺中的熱裂朝向磨 損平面後方變得尤為顯著，並且可能導致PDC臺後面和側面的顯著破 裂。

發明內容
在一個實施例中，根據本發明的切削件包括安裝到支撐基底上的 超耐磨臺，所述支撐基底由例如燒結金屬碳化物的金屬材料製成。切 削件具有縱向軸線，所述縱向軸線基本橫向於切削麵的平面延伸。在 圓柱形切削件結構中，縱向軸線與切削件的中心線重合。鄰近超耐磨 臺的至少一部分外周設置倒角，所述倒角相對於切削件縱向軸線或者 相對於切削件側壁母線(假定切削件具有與切削件縱向軸線平行的側 壁)具有大於大約45。的較大倒角。倒角可以是弧形或平坦的。倒角深度連同較大倒角 一起足以使磨損平面保持在位於切削麵上的倒角內 邊界之外，同時小到足以避免大大犧牲切削件的鑽鑿力。
通過使用較大倒角，切削件的鑽鑿力得以保持，這是因為施加到 切削件下方地層上的作用力更為集中，使地層很少壓縮，在切削件和 地層之間產生較小的滑動摩擦，保持了鋒利的切削邊緣。利用較大倒
角可以減小所需WOB，因為它們更有效地鑽入地層中的希望切削深 度，減少了摩擦和由此產生的熱量，並且延長了切削件壽命。
就較大倒角來說，與在常規倒角切削件上產生的磨損平面相比， 產生了較小且長度較短的磨損平面，減少了因PDC臺上的熱應力引起 的熱裂。
通過使磨損平面包含在倒角內邊界以外和倒角包絡面以內，作用
了^削件碎裂的發生。這源於這種切削件能夠經受相當大的鑽鑿振動 的能力。在這裡與超耐磨臺切削麵上的磨損平面分布相關的術語"倒 角包絡面"是指位於倒角內邊界以外的切削麵部分。換言之，並且在 使用這種鑽鑿地下地層的切削件的範圍內，所述術語是指位於在鑽鑿
的區域。
發明人還注意到，設置有根據本發明 一些實施例的大倒角的切削 件特別適合於布置在需要提高切削效率的鑽頭的較低載荷區域上，例 如鑽頭的頂冠、肩部和保徑區域上。本發明切削件的其它實施例特別 適合於放置在鑽頭的高載荷區域上，例如在靠近縱向軸線的鑽頭區域 (通常稱作錐形區域)上，在所述區域上，在鑽頭面上的給定半徑處由 於低切削件冗餘性具有作用於切削件上的較大作用力，並且切削件具 有較大切削麵積。
因此，考慮到給定位置處的切削件所需性能、倒角和尺寸，根據 本發明各種實施例的切削件可以放置在鑽頭表面上。
因此，也包含體現本發明實施例的旋轉刮刀鑽頭和其它固定牙輪 式鑽具。


在結合附圖閱讀說明書的情況下，本發明的前述和其它特徵和優
點對於本領域普通技術人員來說變得顯而易見，其中 圖1是傳統刮刀鑽頭的透視圖2a-2d分別顯示了本發明的超耐磨切削件的實施例的側視圖、 擴大側視圖、前視圖和透視圖3顯示了與地下地層接合的使用中的本發明超耐磨切削件的圖 2a-2d的實施例；
圖4顯示了根據本發明的圖2a-2d的實施例的部分磨損的切削件； 圖5顯示了本發明的切削件的另一實施例的側視圖； 圖5a顯示了與地下地層接合的圖5所示切削件的一部分的放大側 視圖6顯示了本發明的切削件的又一實施例的側視圖7是產生所需鑽壓以實現給定切削深度的切削件倒角和切削件 後傾角之間的理論關係圖8是用於預測磨損平面表面面積的理論磨損平面分析圖，所述 磨損平面表面面積與用於給定切削件後傾角度的倒角相關；
圖9是傳統PDC切削件的45。倒角切削麵與根據本發明實施例的 PDC切削元件的60。倒角切削麵相比的示意圖，顯示了本發明對磨損 平面形成的影響以及在倒角範圍內保持切削深度的增強性能；和
圖IO是位於刮刀鑽頭的單個刀翼上的切削件布置的示意圖，以黑 色顯示了由位於刀翼上的每個切削件切削的相關形成區域。
具體實施例方式
參見圖1，傳統的固定牙輪式旋轉鑽頭10包括鑽頭體12，所述鑽 頭體具有通常徑向伸出且縱向延伸的翼部或刀翼14，所述刀翼由排屑 槽16隔開。多個PDC切削件18設置在刀翼14的引導面上，所述刀 翼在鑽頭體12的表面20上延伸。鑽頭體12的表面20包括構造為與 被鑽地層接合的刀翼14的表面，以及位於通道和排屑槽16內的鑽頭體12的外表面。多個PDC切削件18可以沿著每個刀翼14設置在形 成於刀翼14上的凹窩22中，並且可以由支肋被24從後面支撐，所述 支肋與鑽頭體12整體地形成。
鑽頭IO還包括用於將鑽頭IO連接到鑽柱(未顯示)上的API(美 國石油組織規定標準)螺紋連接部分30。此外，縱向孔(未顯示)縱 向延伸穿過至少一部分鑽頭體12，內部流體通道(未顯示)提供縱向 孔和噴嘴32之間的流體連通，所述噴嘴設置在鑽頭體12的表面20 上並且通向與排屑槽16連通的通道。
在鑽進操作期間，鑽頭10定位在鑽孔底部並且在施加鑽壓和鑽井 流體通過縱向孔、內部流體通道和噴嘴32泵送到鑽頭體12的表面20 上的同時旋轉。當鑽頭10旋轉時，PDC切削件18橫向刮削和切斷下 伏地層。地層巖屑與鑽井流體混合併懸浮於其中，並且通過排屑槽16 並向上通過位於鑽孔壁和鑽柱外表面之間的環形空間流向地層表面。
發明人設想，本發明的切削件實施例主要在如上所述並且包括但 不限於取芯鑽頭、雙心鑽頭和偏心鑽頭的旋轉刮刀鑽頭上使用，以及 在包括但不限於擴眼鑽頭或其它開孔鑽具的各種結構的鑽具上使用。 當在此使用時，術語"鑽頭"包括所有這類鑽頭和鑽具。
發明人還設想，本發明的切削件實施例可以在鑽頭或其它鑽具上 的不同位置處使用，例如在鑽頭或鑽具表面的牙輪、頂冠(nose)、凸 肩和保徑區域上，並且可以作為主切削件沿鑽頭刀翼的旋轉前緣定位， 或者作為旋轉位於刀翼上的一個或多個主切削件之後的所謂"支撐" 切削件。這種支撐切削件可以定位成具有與相關的主切削件相比相同、 更大或更小的暴露面。參考圖2a-2d，其分別顯示了本發明切削件的 一個實施例的側視圖、擴大側視圖、端視圖和透視圖。切削件201具 有平緩截錐形結構並且包括結合(即，燒結)到圓柱形基底203 (例 如，碳化鎢)上的.圓形金剛石層或臺202 (例如，聚晶金剛石複合片)。 金剛石層和基底之間的接合部(如圖所示)由位於基底203中的徑向 延伸凹部組成，金剛石臺202的一部分伸入所述凹部中(圖2a中的虛 線所示)，定義了與轉讓給本發明受讓人的美國專利No.5，435，403 —致的所謂金剛石"棒"。毫無疑問，許多其它接合部幾何結構在本領域已
知並且適用於本發明。金剛石層202具有如圖2a所示的厚度"Tr。 基底203具有同樣如圖2a所示的厚度"T2"。金剛石層202包括弧形 倒角208，所述弧形倒角相對於金剛石層202的側壁206 (與切削件 201的縱向軸線或中心線207平行)具有倒角0並且朝向縱向軸線207 向前和徑向向內延伸。所示實施例中的倒角0定義為倒角208的表面 和金剛石層的側壁206之間的銳角，所述金剛石層的側壁206在所示 實施例中與縱向軸線207平行。倒角0為大約45。以上到大約85。。 目前認為，倒角0的特別適合的範圍是大約50。到大約75°。
倒角的尺寸對於切削件的性能而言具有重要作用。發明人已經發 現，倒角208的深度D!應當為至少大約0.0508毫米(0.002英寸)並 且不超過大約0.635毫米(0.025英寸)，從位於倒角內邊界處橫向於 切削件縱向軸線的直線沿著所述縱向軸線或與之平行的方向或者切削 件側壁(如果切削件為大體上圓柱形)的方向到切削邊緣外周測量所 得。重要的是，切削件的磨損平面保持在倒角內，或者換言之，將切 削件的磨損平面保持在位於切削麵上的倒角內邊界外。
金剛石臺202還包括切削麵213和切削邊緣209,所述切削麵具 有從倒角208徑向向內的平坦中心區域211。在切削邊緣209和基底 203之間存在稱作基底層210的金剛石層的部分或深度，所述基底層 具有厚度T3 (圖2c)，同時位於切削麵213的平坦中心區域211和基 底層210之間的厚度為l的部分或深度D,(圖2a)稱作倒角層212。 術語"層"只是為了描述方便起見，並且如本領域已知，金剛石臺的 不同"層"實際上形成為一個整體。然而，對於層來說已知的是，金 剛石臺具有用於不同特性的不同尺寸的金剛石砂粒，但是這種砂粒層 不必與如這裡所述的金剛石臺202的層相對應。
如圖2a、 2b、 2c和2d中描述的那樣，切削麵213的中心區域211 是與縱向軸線207垂直的大體上平坦表面。
在所述切削件中，金剛石層202的厚度L可以為大約0.762毫米 (0.030英寸)到大約3.048毫米(0.120英寸)，目前認為，特別適合的厚度範圍為大約1.524毫米(0.060英寸)到大約2.032毫米(0.080
英寸)。這種金剛石層厚度產生一種切削件，其與上述倒角尺寸和角度 範圍結合具有充分提高的耐沖擊、耐磨性和抗腐蝕性。另外，前述厚 度範圍是標稱範圍，沒有考慮金剛石層202伸入基底203的突起或反 之亦然，例如在使用非平面金剛石層/基底接合構造時的情況，如本領 域已知的那樣。在任何情況下，超過最小金剛石層厚度都足以提供上 述優點，所採用的金剛石層厚度對本發明來說並不重要。
人們希望，金剛石層和基底到切削邊緣209後部的邊界215與切 削邊緣後部的縱向距離為至少大約0.127毫米(0.005英寸)。發明人 確信，上述最小的切削邊緣到接合面距離是人們所希望的，從而確保 最高殘餘應力區域(即，位於切削件切削邊緣與被切削地層接觸位置 後面的區域)不受初期點載荷的影響，並且確保金剛石和基底材料的 足夠剛性質量支撐高載荷應力線。
如圖2a-2d所示，切削件201的側壁217與切削件的縱向軸線207 平行。因此，如圖所示，倒角0等於倒角208和軸線207 (圖2a)之 間的角度①。然而，本發明的切削件的橫截面不必為圓形乃至對稱， 切削件側壁，或者延伸到支撐基底的超耐磨臺和側壁中的倒角後面的 部分不總是與切削件的縱向軸線平行。因此，根據切削件構造和設計 師偏好，倒角可以設定為角度0或角度①。本發明涉及倒角角度方位 的重要方面在於使倒角與地層成有效角度以實現保持強力切削結構並 同時保持切削件完整性的發明優點。
圖2a-2d顯示的本發明實施例的另一可選但希望特徵是對切削麵 213 (包括倒角208)進行低摩擦精整。適當的低摩擦精整是拋光鏡面 精整，人們已經發現拋光鏡面精整可以減少金剛石臺202和被切削地 層之間的摩擦並且增強切削麵的完整性。為了解上述精整的更多細節， 讀者可以閱讀授權給Lund等並轉讓給本發明受讓人的美國專利 No.5，447，208，獲知拋光超耐磨切削麵的進一步討論和公開。
本發明使用且在圖2a中以虛線表示的另一個可選切削件特徵是 使用面接合到基底203背面上的支撐柱體216。這種設計允許切削件沿其縱向軸線207具有較大尺寸(或長度)的結構提供用於將切削件 結合(如通過硬焊)到鑽頭面上的附加區域，從而使切削件能夠在不 脫離鑽頭面的情況下，在使用中承受更大的作用力。這種結構在本領 域眾所周知並且公開於美國專利4,200,159中。然而，有或沒有這種支 撐柱體不會影響本發明切削件的耐用性或磨損特性。
圖3顯示了在使用中位於鑽頭10上的本發明切削件201的實施 例。切削件201具有燒結在碳化鴒基底203上的金剛石臺202。金剛 石臺202具有倒角208，所述倒角相對於側壁217具有倒角0。切削 件201具有帶中心平坦區域211的切削麵213。切削麵213切削巖石 260，所述切削麵在其切削邊緣209接觸所述巖石。當具有切削件201 的鑽頭10沿箭頭270所示方向移動時，切削件201切入巖石260，使 巖石顆粒或切屑280滑過切削麵213。切削件201的切削作用導致在 巖石260中產生切削，切削具有切削深度"DOC"。由於較大倒角(其 提供同樣耐用的強力切削件)的原因，在使用本發明切削件時的切削 作用是剪切作用，例如利用無倒角切削件或具有較小深度倒角的切削 件所發生的情況。
可以想到，可以選擇不同的倒角0以便增加切削麵強度或切削深 度。當0增大時，切削邊緣單位面積載荷增大，切削深度增大，從而 使給定WOB下穿過地層的鑽進速度相應提高。相反地，當0減小時， 切削邊緣單位面積載荷減小，切削深度減小，給定WOB下的鑽進速 度減小。
在圖4中，顯示了從金剛石臺202或切削麵213觀察的切削件201 的實施例的端視圖。附圖顯示了切削邊緣209、倒角208、倒角內邊界 205和中心切削麵區域211。當使用切削件201時，與具有45。倒角的 常規倒角切削件相比，將研發較短且相對窄、淺的磨損平面W，其與 鄰近但位於內邊界205外的倒角內部相比，只在鄰近切削邊緣209或 切削件周邊(即，鄰近切削件側壁)處略寬，其中，磨損平面顯著更 長和更深，延伸到內邊界205內，如圖4中的虛線W'所示，並且更遠 地延伸到切削邊緣後面並延伸到金剛石臺202的側壁206中，以及延
16伸到更大的寬度(未顯示)。本發明的切削件可以為半切削件(180°切削麵)、三分之一切削件(120°切削麵)、四分之一切削件(90°切削麵)或完整圓柱形切削件的任何其它部分。可選地，可以形成具有非圓柱形的體現本發明構思的切削件。可以想到，根據本發明實施例具有大倒角的切削件可以構造為具有各種切削麵形狀，沿與切削件縱向軸線垂直的橫截面截取，包括但不限於正方形、矩形、三角形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形、形成為n邊形(其中，n為整數)的其它形狀、卵形、橢圓形、或其它形狀。
本發明切削件的實施例通過提供這樣一種切削件提高了切削件性能，人們一經發現，所述切削件以相當於通常傳統切削件(具有類似的直徑和成分，具有類似尺寸的倒角，但是以傳統的45°倒角)的鑽速(ROP)切削地下地層，並與在磨損到喪失有效切削作用的程度之前切削明顯更多地層的能力相結合。在實驗室試驗中，人們還發現本發明切削件的實施例與具有類似倒角深度但具有傳統的45。倒角的現有技術切削件相比，使PDC臺具有更高的耐磨性，以及抗碎裂性、削蝕作用、熱裂和顯微裂紋。
根據應用，超耐磨臺可以由多晶金剛石或熱穩定聚晶金剛石製造而成。另外，多晶金剛石臺可以使催化劑或粘結劑只去除到切削麵下面並沿著臺側壁的選定深度，如本領域已知。作為多晶金剛石臺的替代，可以在切削件中使用下列任意類型的臺或緻密結構，金剛石薄膜(包括CVD)、正六面體氮化硼、和文獻中預測為C3N4 (與已知超耐磨材料等效)的結構。根據本發明實施例的切削件可以利用背景技術部分簡要提交的常規方法製造而成，這種方法為本領域普通技術人員所熟知。當然，如果使用除了金剛石顆粒之外的材料製造切削件臺，或者如果使用除了硬質合金(例如，碳化鴒(WC))之外的材料製造基底，則可以適當地改變製造方法。發明人想到，可以使用除了碳化鎢之外的許多基底製造本發明的切削件。適當的基底材料包括各種燒結金屬碳化物，例如鵠(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釩(V)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鵠(W)、和鉿(Hf)的碳化物。圖5顯示了根據本發明的切削件301的另一實施例，該切削件一部分切削麵313的範圍內在超耐磨臺302上具有大體上平坦的倒角308並且延伸到切削邊緣309。這種大體上平坦的倒角308可以與超耐磨臺302同時形成，或者在其後經機加工形成。可選地，這種切削件或者圓形切削件的一部分超耐磨臺302可以雷射縫合以產生削弱的角部，其優選地與超耐磨臺脫離，在深度和角度方面形成希望的倒角輪廓和切削邊緣309。當然，如圖5a所示，可以採用環形倒角308。如圖5和5a所示，超耐磨臺302和支撐基底303可以構造為所謂的CSE(硬質合金支撐刃)結構，其中，超耐磨臺302和基底303在前端均構造有角形側壁，用於提高超耐磨臺的支撐，同時在切削件301後傾時仍然提供與切削邊緣309後面相關的間隙或大約10°-15°的"后角a"，如圖5a所示。可以從圖5a容易地看出，可以使用基底303的角形側壁303S與(例如)60。的較大倒角和(例如)25。的切削件後傾角相結合以提供相對非常堅固的切削件結構，所述結構迅速鑽進並且在使基底側壁303S長時間不與被鑽地層接觸。這種方案減少了由基底與緊位於超耐磨臺之後的地層滑動接觸引起的損害性熱量產生的可能。Hughes Christensen (本發明受讓人的經營機構)提供了 CSE切削件構造，在先前提及的美國專利No,5,460，233中對所述切削件構造進行了更加充分的描述。
圖6顯示了根據本發明的切削件401的又一實施例，該切削件在金剛石臺402的切削麵413上具有較大的內倒角408，所述金剛石臺根據本發明成角形並且在其徑向外周上由更小、較平緩的外倒角或圓角邊緣408，界定。可以使用這種方案提供根據本發明的強力切削件，同時圓角邊緣408'的外倒角可以防止切削邊緣409的最初削蝕作用，直到已經形成至少小磨損平面為止。在一些實施例中，邊緣408'的特徵是具有相關的小倒角或半徑的鋒利、"塘磨"邊緣，所述小倒角或半徑只大到足以在鑽進開始時，防止切削件與地層最初接合期間的邊緣損壞。
本發明切削件實施例的切削麵與地層接觸的實際角度(和有效後傾角)部分地由倒角確定，部分地由切削件本身的後傾角確定，如本領域已知。與具有類似倒角深度的傳統超耐磨切削件相比，其中，倒角相對迅速地去除，其後，只有切削件本身的後傾角有助於超耐磨臺的壓縮，根據本發明實施例的切削件的延長倒角壽命有助於使超耐磨臺長時間保持壓縮，明顯有助於在延長的磨損壽命內的切削件完整性。
圖7顯示了倒角(與用於倒角和切削件後傾角的各種組合的切削件後傾角相結合)與給定DOC所需WOB之間的預測關係的計算機分析。模型巖石是鋸齒山脊白色花崗巖，模擬鑽進的ROP為6.1米/小時(20英尺/小時)，轉速為60轉/分，使用0.406毫米(0.016英寸)的倒角深度和1.702毫米(0.067英寸)的切削深度DOC。如圖所示，對於約為5°、 10°和15。的較小切削件後傾角來i兌，55。到70。的倒角明顯減少了給定DOC的所需WOB。希望DOC的所需WOB減少(同時保持超耐磨臺切削麵處於如上所述的壓縮應力狀態)提供了增強的切削效率並且可以延長切削件壽命，但是這未經證實。
人們注意到，根據本發明實施例的切削件在用於鑽鑿具有大約1054.9 Kg/cm (15Kpsi)以上的無側限抗壓強度的堅硬地層時非常有用，甚至在用於具有超過大約1758.1 Kg/cm ( 25 Kpsi)的無側限抗壓強度的超硬地層時更加有用。這種切削件還特別適用於鑽鑿磨蝕性地層(其中，人們希望更小的磨損平面以保持ROP)。例如，使用根據本發明實施例的切削件鑽鑿鋸齒山脊白色花崗巖的實驗室試驗產生了優異結果，所述鋸齒山脊白色花崗巖具有1828.4 Kg/cm(26 Kpsi )UCS並且非常耐磨。
圖8圖解說明了構造根據本發明實施例的切削件的耐久優點。圖8圖解說明了對以20。切削件後傾角定向的16mm直徑PDC切削件進行理論磨損平面分析的結果。圖表顯示了與具有0.406毫米(0.016英寸)深度、45°倒角(曲線A)相比，使用0.406毫米(0.016英寸)或0.457毫米(0.018英寸)倒角深度、60。或70。倒角(曲線B到E)在磨損平面面積減少方面的顯著優點。在圖8中，在圖表插值方面，與每條曲線A、 B等相關的第一數字表示倒角，第二數字表示以英寸表示的倒角深度。
圖9是PDC切削元件的放大部分和切削麵的一部分的示意圖，顯示了根據本發明實施例的具有疊加的60。倒角角度(在圖中稱作"大倒角")的傳統45。倒角(稱作Std.45。倒角)。PDC切削元件相對於在圖紙上從右向左移動的切削件水平線來說後傾，在切削地層時如傳統的那樣。如圖所示，傳統的45。倒角隨時間流逝導致較大(長，從前到後)磨損平面的形成，在圖中表示為"大磨損平面"，本發明的大倒角導致更小(較短)的磨損平面，在圖中表示為"小磨損平面"。另夕卜，通過使傳統45。倒角的"短倒角包絡面"與根據本發明的大倒角的"延長的倒角包絡面，，進行對比可以清楚的看出，本發明通過在超過倒角包絡面之前獲得更大的切削深度和使PDC臺承受較大磨損而有利地保持位於倒角包絡面內的切削深度。如前所述，在大多數情況下，如果磨損平面可以保持在倒角包絡面之內，可以避免由切削麵的碎裂和削蝕作用導致的切削件突然失效。就在磨損平面保持於倒角包絡面之內的鑽鑿操作期間使用切削件來說，時間越長，前倒角邊緣有利地保持在壓縮狀態的時間越長。當磨損平面增大並磨損到倒角內邊界以內的切削麵時，導致PDC臺發生碎裂。
現在參考圖10，描述了使用根據本發明的切削件的不同實施例的優點。圖IO是沿著刮刀鑽頭的單個刀翼邊緣的切削件布置方式的示意圖。以Cl表示的切削件最靠近鑽頭的縱向軸線L，而圖10中的C1和C36不是連續的，預設的數字屬於鑽頭的其它刀翼上的切削件。根據工業實踐，"數字1"切削件是緊鄰鑽頭軸線的切削件，而之後的切削件數字表示從所述軸線開始以逐漸增大的徑向距離隔開的切削件，與位於刀翼上的各種特殊切削件無關。每個切削件上的內弧線是倒角包絡面的內邊界。在每個切削件上，黑色區域表示扇形切削區域，不規則的切削區域形狀歸因於之前由另 一 刀翼上的另 一 徑向相鄰切削件切入地層的路徑。還可以看出，位於鑽頭頂冠區域上的(例如)Cl和C4切削件上的切削區域遠大於位於鑽頭肩部上的(例如)C24和C28切削件上的切削區域。可以容易地看出，對於切削件C24和C28
20來說，切削區域基本上包含在倒角包絡面內。
因此，對與切削效率和耐久性相關的鑽鑿性能來說，切削件C24和C28的鑽鑿性能主要取決於倒角。通常，這種切削件具有比較大的後傾角(注意，切削件C30、 C36的略微橢圓形狀，表示大後傾角)，形成具有耐久性的堅固切削件，但在使用傳統的45。倒角時犧牲了鑽進效率。通過使用根據本發明實施例的切削件(具有較大倒角並使切削區域保持在倒角包絡面內)，提高了鑽進效率，減少了摩擦熱的產生並且延長了切削件壽命。
發明人發現，儘管根據本發明實施例的切削件鑽鑿速度比常規倒角的切削件快，但在一些情況下，在鑽頭上使用這種切削件可以導致更高的轉矩比率和更大的振動。在這種情況下，人們希望使用由Hughes Christensen Company提供的稱作"EZ Steer"技術的所謂切削深度控制技術，如轉讓給本發明受讓人的美國專利No.6，298，930和No.6，460，631所述。可以使用這種技術防止鑽頭過扭矩或鑽頭鑽鑿過快，並且提供較高的切削件耐久性。其它方法包括使用附加的切削件，並且在具有大量切削件和增強的切削件冗餘性的"高布齒密度"鑽頭上使用這種切削件。
儘管已經結合多個特定實施例對本發明進行了描述和圖解說明，本領域的技術人員應當認識到，在不脫離這裡圖解說明、描述和要求保護的發明原理的情況下可以進行變形和改型。本發明在不脫離其精神或基本特徵的情況下可以其他特定形式實施。所述實施例只是說明性質，不用於限制。因此，本發明的範圍由所附權利要求書，而非前述說明書限定。落入權利要求書的等效表述和範圍內的所有變形包含在本發明的範圍之內。
權利要求
1.一種在鑽鑿地下地層時使用的結構，所述結構包括切削元件，所述切削元件具有橫向於該切削元件的縱向軸線延伸的超耐磨臺並且包括具有周邊的切削麵，所述周邊包括沿著該周邊的至少一部分延伸到切削邊緣附近的倒角；其中，所述倒角相對於所述切削元件的縱向軸線以大於大約45°的角度定向；並且其中，所述倒角具有平行於所述縱向軸線從倒角內邊界到切削邊緣測量得到的不大於大約0.635毫米(0.025英寸)的深度。
2. 如權利要求l所述的結構，還包括在其端部具有用於連接到鑽 柱上的結構的主體，其中，所述切削元件在所述主體的相對端部上安 裝於該主體上。
3. 如權利要求1或2所述的結構，其中，所述切削元件還包括支 撐基底，所述超耐磨臺結合到所述支撐基底上。
4. 如權利要求1或2所述的結構，其中，所述倒角相對於所述切 削元件的縱向軸線以不大於大約85。的角度定向。
5. 如權利要求1或2所述的結構，其中，所述倒角相對於所述切 削元件的縱向軸線以大約50°到大約75。的角度定向。
6. 如權利要求1或2所述的結構，其中，所述倒角深度不小於大 約0.0508毫米(0.002英寸)。
7. 如權利要求1或2所述的結構，其中，位於所述倒角內邊界內 的切削麵為大體上平坦的。
8. 如權利要求1或2所述的結構，其中，所述超耐磨臺包括聚晶 金剛石複合片。
9. 如權利要求1或2所述的結構，其中，所述切削元件還包括其 上結合有超耐磨臺的支撐基底，所述超耐磨臺大體上為圓形，所述支 撐基底大體上為圓柱形並且由金屬材料製成。
10. 如權利要求1或2所述的結構，還包括位於所述倒角以外的 另一倒角，所述另一倒角相對於所述縱向軸線成更小的角度，具有更 小的深度，並且比所述倒角更靠近切削邊緣。
11. 如權利要求1或2所述的結構，還包括比所述倒角更靠近切 削邊緣的、位於所述倒角以外的圓角邊緣。
12. 如權利要求1或2所述的結構，其中，所述切削元件還包括 由金屬材料製成的支撐基底，所述超耐磨臺結合到所述支撐基底上， 其中，與切削邊緣相鄰的所述超耐磨臺側壁的至少一部分和所述支撐 基底側壁的相鄰部分與所述縱向軸線成銳角。
13. 如權利要求1或2所述的結構，其中，所述切削元件還包括 其上結合有超耐磨臺的支撐基底，所述超耐磨臺大體上為圓形，所述 支撐基底大體上為圓柱形並且由金屬材料製成。
14. 如權利要求2所述的結構，其中，所述主體包括旋轉刮刀鑽 頭主體，且前沿面包括位於所述主體上的表面。
15. 如權利要求14所述的結構，還包括從所述表面伸出的刀翼， 其中，所述多個切削元件中的至少 一部分布置在所述刀翼上。
16. 如權利要求14所述的結構，其中，所述前沿面包括位於固定 到所述主體上的至少一個刀翼上的前沿面。
17. 如權利要求2所述的結構，其中，所述主體包括鑽頭體和鑽 具體之一。
全文摘要
一種在鑽鑿地下地層時使用的切削元件。切削元件包括安裝到支撐基底上的超耐磨臺。超耐磨臺包括二維切削麵和包括倒角的表面，所述二維切削麵具有沿著其至少一部分外周的切削邊緣，所述倒角從靠近外周切削邊緣相對於所述切削元件的縱向軸線以大於大約45°的第一銳角向前和向內延伸至不大於選定深度。倒角為弧形或平坦的，並且具有足以確保在切削元件使用期間產生的磨損平面保持在位於倒角包絡面以內的倒角內邊界之外的尺寸，並且小到足以保持切削元件的強力切削性能。本發明還公開了承載切削元件的鑽頭和鑽具。
文檔編號E21B10/46GK101680273SQ200780050314
公開日2010年3月24日 申請日期2007年12月17日 優先權日2006年12月18日
發明者I·R·魯加紹博羅拉, M·喬治, N·J·萊昂斯, P·E·帕斯圖塞克, R·J·麥克萊倫, S·G·帕特爾 申請人:貝克休斯公司