在固定切割器鑽頭中使用套管、壓縮彈簧、和/或銷/球附連滾動切割器的方法與流程

2023-10-09 06:38:29 2

在固定切割器鑽頭中使用套管、壓縮彈簧、和/或銷/球附連滾動切割器的方法
背景技術：
：：用於通過地質地層鑽井的鑽頭通常在鑽頭結構的兩個寬泛類型之一內形成。根據即將鑽井的應用/地層，合適類型的鑽頭可以基於用於鑽頭的切割動作類型以及用在特定地層中它的合適性而選擇。在第一種類型中的鑽頭通常稱為「輥壓錐體」鑽頭，其包括鑽頭主體，該鑽頭主體具有可旋轉地安裝至鑽頭主體的一個或多個輥壓錐體。鑽頭主體通常由鋼或其它高強度材料形成。輥壓錐體也通常由鋼或其它高強度材料形成，且包括布置在錐體附近所選位置處的多個切割元件。切割元件可以由與錐體相同的基礎材料形成。這些鑽頭通常稱為「銑齒」鑽頭。其它的輥壓錐體鑽頭包括「嵌件」切割元件，其壓力（幹涉）配合至形成的孔中和/或機械加工至輥壓錐體中。嵌件可以由例如碳化鎢、天然或合成的金剛石、氮化硼、或硬材料或超硬材料中的任一種或組合來形成。第二種類型的鑽頭通常稱為「固定切割器」或「切削型」鑽頭。鑽頭包括具有附連至鑽頭主體的切割元件的鑽頭，其可以是鋼的鑽頭主體或由粘結劑材料包圍的由基質材料、例如碳化鎢形成的基質鑽頭主體。切削型鑽頭可以通常定義為不具有移動部件的鑽頭。但是，本領域中已知存在不同的類型的切削型鑽頭和不同的形成切削型鑽頭的方法。例如，具有研磨材料（例如金剛石，潛鑄在形成鑽頭主體的材料的表面中）的切削型鑽頭通常稱為「潛鑄」式鑽頭。具有由沉積至基體上或者粘結至基體的超硬切割表面層或「頂面」（通常由多晶金剛石材料或多晶氮化硼材料製成）製成的切割元件的切削型鑽頭在本領域中稱為多晶金剛石壓實體（polycrystallinediamondcompact，PDC）鑽頭。PDC鑽頭容易對軟地層鑽井，但是它們頻繁地用於鑽中度硬度或磨耗地層。它們用剪切動作使用小切割器來切割巖石地層，該小切割器不深深地穿透進入地層中。因為穿透的深度淺，因此通過相對高的鑽頭旋轉速度來實現高速率的穿透。PDC切割器在包括鑿巖以及金屬機械加工的工業應用中已經使用很多年了。在PDC鑽頭中，PDC切割器容納於切割器凹槽之內，該切割器凹槽在自鑽頭主體延伸的刀片之內形成，且PDC切割器通常通過釺焊至切割器凹槽的內部表面而粘結至該刀片。PDC切割器沿著鑽頭主體刀片的前導邊緣安置，使得隨著鑽頭主體旋轉，PDC切割器嚙合且鑽入地質地層。使用中，高的力可以施加在PDC切割器上，尤其在從前到後的方向上。此外，鑽頭和PDC切割器可以承受大體的研磨力。在一些例子中，由於一個或多個切割器的損失或由於刀片的破損，衝擊、振動、以及侵蝕力引起鑽頭失效。在通常的PDC切割器中，多晶金剛石（polycrystallinediamond，PCD）（或其它的超硬材料，例如多晶立方氮化硼）的壓實體粘結至基體材料用以形成切割結構體，該基體材料通常是燒結的金屬-碳化物。PCD包含金剛石晶粒或晶體的多晶塊體，它們粘結在一起用以形成一個整體的、堅韌的、高強度的塊體或晶格。所得的PCD結構產生增強的耐磨性和硬度的特性，從而使得PCD材料對於其中需要高水平的耐磨性和硬度的侵蝕性磨損和切割應用中是非常有用的。具有包括超硬工作表面的多個切割器的現有技術PDC鑽頭的一個實例在圖1A和1B中示出。鑽頭100包括鑽頭主體110，其具有帶有螺紋的上銷端部111和切割端部115。切割端部115通常包括多個肋或刀片120，該多個肋或刀片圍繞鑽頭的旋轉軸線L（也稱為縱向軸線或中心軸線）排列且自該鑽頭主體10向外徑向地延伸。切割元件或切割器150相對於工作表面以預定的角度方位和徑向位置嵌入刀片120中並且相對於即將鑽井的地層具有需要的後傾角和側傾角。多個孔口116安置在鑽頭主體110上在刀片120之間的區域中，該區域可以稱為「縫隙」或「流體通道」。孔口116通常適於接收噴嘴。孔口116允許鑽井液通過鑽頭在選擇的方向上且在刀片120之間的流動以選擇的速率進行釋放，以用於潤滑和冷卻鑽頭100、刀片120以及切割器150。鑽井液也在鑽頭100旋轉和穿透地質地層時清潔和去除鑽屑。在沒有合適的流動特性的情況下，切割器150的不充足的冷卻可能在鑽井操作期間導致切割器的失效。定位流體通道用以為鑽井液提供附加的流動通路並且用以為地層鑽屑提供通道用以通過鑽頭100朝向井眼的地面（未示出）行進。參考圖1B，示出了現有技術PDC鑽頭的頂視圖。示出的鑽頭的切割面118包括多個刀片120，其中，每一個刀片具有面向鑽頭旋轉方向的前導側部122和後尾側部124（與前導側部相反）以及頂側126。每一個刀片包括自切割面118的中心大致徑向布置的多個切割元件或切割器，用以通常形成行。儘管在不同的軸向位置處，特定的切割器可以佔據徑向位置，該位置在與其它刀片上的其它切割器處於近似的徑向位置中。在確定PDC切割器壽命中的一個重要因素是切割器的受熱。受熱可能對金剛石頂面引起熱損壞並且最後導致破裂的形成（由於熱膨脹係數的不同），該破裂可能導致多晶金剛石層的剝落、多晶金剛石與基體之間的脫層、以及引起快速研磨劑磨損的金剛石向石墨的反向轉換。常規PDC切割器的熱操作範圍通常是700-750℃或更少。如上所述，在空氣中在高達700-750℃的溫度下常規的多晶金剛石是穩定的，觀測溫度的增長可能導致多晶金剛石的永久損壞和結構失效。在多晶金剛石中的這個劣化是由於與金剛石相比，粘結劑材料、鈷的熱膨脹係數的顯著不同所引起的。當加熱多晶金剛石時，鈷和金剛石晶格將以不同的速率膨脹，其可能引起在金剛石晶格結構體中形成破裂，並導致多晶金剛石的劣化。在極高溫度下，損壞還可能由於在金剛石-金剛石頸部處石墨的形成，從而導致微結構完整性的損失和強度的損失。在常規切削型鑽頭中，PDC切割器固定至鑽頭的表面，使得在鑽井期間共同的切割面接觸地層。超時和/或當對特定硬的但不必定高度磨耗巖石地層鑽井時，不斷接觸地層的切割元件上的工作表面的邊緣開始磨損，形成局部磨損平面，或形成與切割元件的剩餘部分不成比例磨損的區域。由於鑽頭有效穿透工作材料能力的降低和由切割元件邊緣的磨鈍引起的穿透速率的缺失，局部磨損平面可能導致較長的鑽井時間。也就是說，磨損的PDC切割器作為產生熱量的摩擦承受表面，其加速了PDC切割器的磨損且減慢了鑽井的穿透速率。由於常規的PDC切割器不能夠充足地嚙合且有效地從接觸面積去除地層材料，這樣的平面表面有效地阻止或嚴重地減少了地層切割的速率。此外，切割器通常處於恆定的熱負載和機械負載之下。最終，熱量沿著切割表面累積，且導致切割元件破裂。當切割元件斷裂時，鑽井操作可能經受穿透速率的損失，且斷裂的切割元件接觸第二切割元件時對其它切割元件造成額外損壞。此外，在切割器接觸點處由PCD與工作材料之間的摩擦引起的熱量產生（尤其在PDC層的暴露部分處）對PCD引起破裂形式的熱損壞，該破裂導致多晶金剛石層的剝落、多晶金剛石與基體之間的脫層、以及引起快速研磨劑磨損的金剛石向石墨的反向轉換。常規PDC切割器的熱操作範圍通常是750℃或更少。因此，在改善切割元件壽命方面存在持續的改進需求。技術實現要素：在一個方面，本公開的實施例涉及一種切割元件，包括：套管，其包括第一內徑部以及第二內徑部，其中，所述第二內徑部大於所述第一內徑部且相對於所述第一內徑部位於更低的軸向位置處；可旋轉切割元件，所述可旋轉切割元件具有延伸穿過它的旋轉軸線，且所述可旋轉切割元件至少部分地布置在所述套管內，其中，所述可旋轉切割元件包括切割面和從所述切割面軸向向下延伸的主體、從所述主體的外部表面朝向所述旋轉軸線延伸的至少一個孔洞以及布置在每一個孔洞中的鎖定裝置；其中，所述鎖定裝置從所述孔洞突出，以接觸所述套管的所述第二內徑部，從而將所述可旋轉切割元件保持在所述套管內。在另一個方面，本公開的實施例涉及一種形成鑽頭的方法，包括：提供鑽頭，所述鑽頭包括鑽頭主體、從所述鑽頭主體延伸的多個刀片以及布置在所述多個刀片中的多個切割器凹槽；將套管附連至至少一個切割器凹槽，所述套管包括：第一內徑部以及第二內徑部，其中，所述第二內徑部大於所述第一內徑部且相對於所述第一內徑部位於更低的軸向位置處；將可旋轉切割元件插入至所述套管中，所述可旋轉切割元件具有延伸穿過它的旋轉軸線，且所述可旋轉切割元件包括切割面和從所述切割面軸向向下延伸的主體、從所述主體的外部表面朝向所述旋轉軸線延伸的至少一個孔洞以及布置在每一個孔洞中的鎖定裝置；其中，所述鎖定裝置從所述孔洞突出，以接觸所述套管的所述第二內徑部，從而將所述可旋轉切割元件保持在所述套管內。在另一個方面，本文公開的實施例涉及一種切割元件，包括：套管，與所述套管的下部區域相比，所述套管的上部區域具有更小的內部半徑部；可旋轉切割元件，所述可旋轉切割元件具有延伸穿過它的旋轉軸線，且所述可旋轉切割元件至少部分地布置在所述套管內，其中，所述可旋轉切割元件包括臨近所述套管的最上部分的切割面；其中，所述可旋轉切割元件的至少一部分具有大於所述套管的上部區域的內部半徑的外部半徑，且所述可旋轉切割元件的所述部分與所述內部半徑部相比處於更低的縱向位置處。在另一個方面，本文公開的實施例涉及一種切割元件，包括：內部支撐元件，所述內部支撐元件具有延伸穿過它的縱向軸線；從所述內部支撐元件的外部表面朝向所述縱向軸線延伸的至少一個孔洞；以及布置在每一個孔洞中的鎖定裝置；可旋轉地安裝在所述內部支撐元件上的可旋轉套管切割元件，所述可旋轉套管切割元件包括臨近所述可旋轉套管切割元件的最上部分的切割面以及形成在所述可旋轉套管切割元件的內部表面內的圓周凹槽；其中，所述鎖定裝置從所述孔洞突出，以接觸所述圓周凹槽，從而將所述可旋轉套管切割元件保持在所述內部支撐元件上。通過下文的說明書和所附權利要求書，本公開的其它方面和優點將是顯而易見的。附圖說明圖1A和1B示出了常規切削型鑽頭的側視圖和頂視圖。圖2A和2B示出了本公開的可旋轉切割元件的透視圖。圖3A和3B示出了根據本公開的實施例的可旋轉切割元件的剖視圖。圖4A和4B示出了根據本公開的實施例的可旋轉切割元件的透視圖和剖視圖。圖5A-D示出了根據本公開的其它實施例的可旋轉切割元件的剖視圖。圖6A和6B示出了根據本公開的其它實施例的可旋轉切割元件的剖視圖。圖7A-C示出了根據本公開的實施例的可旋轉切割元件的透視圖。圖8A和8B示出了根據本公開的其它實施例的可旋轉切割元件的剖視圖。圖9A-C示出了根據本公開的一些實施例的可旋轉切割元件的剖視圖。圖10A-D示出了根據本公開的實施例的可旋轉切割元件的剖視圖和透視圖。圖11根據本公開的實施例的可旋轉切割元件的剖視圖。具體實施方式本文公開的實施例總體上涉及可旋轉切割元件和在鑽頭或其它切割工具上保持上述可旋轉切割元件的方法。尤其，本公開的可旋轉切割元件可以使用可調整鎖定裝置和/或具有多種半徑的套管來保持在固定的切割器鑽頭上。有利地，當可旋轉切割元件接觸將被鑽井的地層時，本文描述的可調整鎖定裝置和套管允許可旋轉切割元件旋轉，同時將可旋轉切割元件保持在鑽頭上。圖2A和2B示出了根據本公開的可旋轉切割元件組件的一個示例性實施例。如圖2A中所示，可旋轉切割元件200具有縱向延伸穿過可旋轉切割元件200的旋轉軸線A，切割面210，以及自切割面210軸向向下延伸的主體220。主體220具有外部表面222和自主體220的外部表面222朝向旋轉軸線A延伸的至少一個孔洞224。切割邊緣218形成在可旋轉切割元件200的切割面210與外部表面222的交匯處。如圖2B中所示，可旋轉切割元件200的主體220可以布置在套管230中用以形成切割器組件202，其中，套管230具有內部表面231，外部表面232，以及多種內部半徑（未示出）。鎖定裝置240（有效增加可旋轉切割元件200的一個部分的直徑）布置在所述至少一個孔洞224中，其中，鎖定裝置240可以自孔洞224突出用以接觸套管230的內部表面231、進而用以將可旋轉切割元件200保持在套管230中。本公開的鎖定裝置可以由例如碳化物、鋼、陶瓷、和/或淬硬工具鋼製成。圖3A和3B示出了可調整鎖定裝置340將可旋轉切割元件300保持在套管330之內用以形成切割器組件302的實例性實施例的剖視圖。套管330具有外部表面332，內部表面331，和多種內部半徑，包括在套管的上部區域338處的內部半徑R1，其小於在套管的下部區域339處的內部半徑R2，其中，內部表面半逕自可旋轉元件300的旋轉軸線A處進行測量。鎖定裝置340自孔洞324突出用以在較大內部半徑R2處接觸套管330的內部表面，其中，較小內部半徑防止鎖定裝置340移動出套管330，因此將可旋轉切割元件300保持在套管330之內。鎖定裝置340可以是可調整的或不可調整的。例如，如圖3A和3B中所示，可調整鎖定裝置340可以包括彈簧342和在彈簧342的兩側的銷344，或彈簧342和在彈簧342的兩側的球345。彈簧342提供可調整性，例如可壓縮性，因而球345或銷344可以在套管330之內通過具有較小內部半徑R1的上部區域338進行壓縮和在具有較大內部半徑R2的下部區域339處膨脹以接觸內部表面331且將可旋轉切割元件300鎖定在套管330之內。彈簧342和球345可以作為一件或分離的多件來形成。類似地，彈簧342和銷344也可以作為一件或分離的多件來形成。圖4A和4B示出了使用鎖定裝置440附連至套管430的可旋轉切割元件400的另一個實施例的透視圖和剖視圖。可旋轉切割元件400具有延伸穿過的旋轉軸線A，切割面410，以及自切割面410軸向向下延伸的主體420。至少一個孔洞424自主體420的外部表面422朝向旋轉軸線A延伸。可旋轉切割元件可以至少部分地布置在套管430之內。套管430具有外部表面432，內部表面431，和多種內部半徑，包括在套管的上部區域438處的內部半徑R1，其小於在套管的下部區域439處的內部半徑R2，其中，內部表面半逕自可旋轉元件400的旋轉軸線A處進行測量。可旋轉切割元件400可以插入至套管430中，使得所述至少一個孔洞424與套管開口435對準。鎖定裝置440可以通過套管開口435插入且進入孔洞424中。鎖定裝置440自可旋轉切割元件400突出，以在可旋轉切割元件400在套管430之內旋轉時接觸套管430的內部表面431。鎖定裝置440可以可調整的或不可調整的。例如，鎖定裝置440可以是卷制銷，其中，銷材料可以被卷製成具有小於套管開口435的直徑，用以通過套管開口435進行裝配。一旦壓縮的卷制銷通過套管開口435被插入，卷制銷可以部分地展開用以膨脹、進而用以裝配在所述至少一個孔洞424的直徑之內。可選地，鎖定裝置440可以是實心銷。根據本公開的套管可以布置在鑽頭刀片的切割器凹槽中，使得套管開口在刀片的頂部處暴露，因而鎖定裝置可以被插入、進入、和/或移除，而無需從鑽頭刀片移除整個套管。在沒有進入開口的套管的實施例中，套管可以被移除，且可通過套管的背部使可旋轉切割元件進入。進一步地，在下文的其它實施例中，套管可以在套管的上部區域具有金剛石頂面用以形成可旋轉套管切割元件，同時將內部支撐元件固定至切割工具用以支撐可旋轉套管切割元件。根據本公開的實施例，在可旋轉切割元件中的所述至少一個孔洞可以是盲孔（自外部表面部分地通過可旋轉切割元件的孔洞）或通孔（自可旋轉切割元件的外部表面至相反的表面完全地通過可旋轉切割元件的孔洞）。例如，如圖3A-4B所示，孔洞324、424可以完全地延伸通過可旋轉切割元件300、400，因此形成通孔。在其他示例性實施例中，如圖5A-5D所示，孔洞524可以部分地延伸進入可旋轉切割元件500，因此形成盲孔。在具有形成在可旋轉切割元件中的至少一個盲孔524的實施例中，如圖5A-D中所示，鎖定裝置540可以插入每一個孔洞524中，其中，鎖定裝置可以是可調整的或不可調整的。例如，鎖定裝置540可以包括彈簧542和球545（如圖5A中所示），彈簧和銷544（如圖5B和5C中所示），或卷制銷543（如圖5D中所示），用以形成可調整的鎖定裝置。在其它的實施例中，鎖定裝置可以是不可調整的。進一步地，本公開的鎖定裝置可插入形成在可旋轉切割元件中的盲孔中，同時可旋轉切割元件布置在套管之內，或者鎖定裝置可以在可旋轉切割元件布置在套管之內之前插入盲孔中。參考圖5D，可旋轉切割元件500可以在套管530之內插入，使得至少一個孔洞524與套管開口535對準。然後，鎖定裝置540可以通過套管開口535插入且進入可旋轉切割元件500內的孔洞524中。而且，在圖5D中，套管開口535直徑可以大於鎖定裝置直徑，使得鎖定裝置540可以通過套管開口進行裝配。可選地，在具有卷制銷鎖定裝置的實施例中，卷制銷可以緊密地卷繞用以在套管開口直徑之內進行裝配，並且一旦卷制銷通過套管開口直徑裝配進入，卷制銷直徑可以膨脹用以適配可旋轉切割元件中的孔洞的直徑且用以防止卷制銷從套管開口脫落。儘管圖5D中的套管開口提供一種方法，該方法在可旋轉切割元件已經布置在套管之內之後用以將鎖定裝置插入可旋轉切割元件中，但套管開口也可以或可選地提供接近點用於移除鎖定裝置而無需移除可旋轉切割元件。例如，如圖5C中所示，具有銷544和彈簧542的鎖定裝置可以在形成在可旋轉切割元件500中的盲孔524之內插入，然後組件可以在套管530之內插入。套管開口535可以為鎖定裝置提供接近點，其中，銷544可以由通過套管開口535插入的工具擠壓，使得可旋轉切割元件500和鎖定裝置可以自套管530拉出而同時套管仍然附連至鑽頭。如圖5A和5B中所示，鎖定裝置540可以首先插入到可旋轉切割元件500之內的孔洞524中。然後可旋轉切割元件500和鎖定裝置540可以自套管的上部區域538或自套管的下部區域539插入套管530之內。如本文使用的，套管的上部區域和下部區域可以指套管的相對位置，其中，下部區域位於低於上部區域的軸向位置。如圖5A和5B中所示，切割面510的半徑可以大於套管530的多種內部表面半徑中的每一個，或至少大於在上部軸向位置處的第一半徑。在上述實施例中，可旋轉切割元件500和鎖定裝置540可以自套管的上部區域538插入套管530之內，其中，鎖定裝置540可以是可調整的，用以通過套管530的內部表面531進行壓縮。在圖5C和5D中說明的實施例中，切割面510的半徑也大於在上部軸向位置處的第一半徑，所以可旋轉切割元件500自套管的上部區域538插入套管530之內，其中，鎖定裝置540隨後通過套管開口535插入，用以將可旋轉切割元件500保持在套管530之內。儘管圖5A-D中示出的實施例示出了在可旋轉切割元件中的一個孔洞和對應的鎖定裝置，但多於一個的孔洞可以形成在可旋轉切割元件中且鎖定裝置布置在每一個孔洞之內。例如，圖10A-B示出了具有多於一個的孔洞1024形成在其中的可旋轉切割元件1000的剖視圖，圖10C-D示出了相應的透視圖，其中，可旋轉切割元件布置在套管1030之內。鎖定裝置1040可以布置在每一個孔洞1024之內，其中，鎖定裝置可以是可調整的或不可調整的。如圖10A中所示，每一個鎖定裝置1040可以包括銷1044和彈簧1042。如圖10B中所示，每一個鎖定裝置1040可以包括球1045和彈簧1042。但是，其它的實施例也可以包括具有其它形狀和尺寸的鎖定裝置，其中，鎖定裝置可以自可旋轉切割元件突出用以接觸套管的內部表面且將可旋轉切割元件保持在套管之內。而且，本公開的鎖定裝置可以包括具有不同壓縮值的彈簧。例如，形成鎖定裝置一部分的彈簧可具有從1lb/in至50lb/in範圍的彈簧係數。在其它的實施例中，鎖定裝置中的彈簧可以具有從3lb/in至20lb/in範圍的彈簧係數。根據本公開的其它實施例，可旋轉切割元件的切割面可以具有可以通過套管的內部表面半徑進行適配的半徑。例如，參考圖6A和6B，可旋轉切割元件600的切割面610可以具有這樣的半徑，其大體上等於套管內部表面631的最小半徑，因而，可旋轉切割元件可以通過套管630進行適配。如本文使用的，大體上相等的半徑包括足夠的間隙用以允許可旋轉切割元件600在套管630之內旋轉，該間隙可以例如從大約0.003至0.030英寸變化。鎖定裝置，例如彈簧642和銷644（圖6A中所示）或不可調整的銷643（圖6B中所示）可以插入形成在可旋轉切割元件600的主體中的孔洞642中，其中，鎖定裝置640自可旋轉切割元件600的主體突出。然後，鎖定裝置和可旋轉切割元件600可以自套管的下部區域639朝向套管的上部區域638插入套管630中。可選地，在具有可調整鎖定裝置的一些實施例中（例如圖6A中所示），當可旋轉切割元件自套管的上部區域向下部區域插入套管中時，可調整鎖定裝置可以被按壓進入形成在可旋轉切割元件的主體中的孔洞中。如圖所示的，圖6A和6B中的套管630的內部表面631具有多種半徑，包括在套管的上部區域638處的內部半徑R1，其值小於在套管的下部區域639處的內部半徑R2，其中內部表面半逕自可旋轉切割元件600的旋轉軸線A處進行測量。一旦將可旋轉切割元件600插入且將鎖定裝置突出進入到套管的下部區域639時，鎖定裝置640可以自可旋轉切割元件600突出一定距離用以可旋轉地接觸套管630的內部半徑R2，且防止可旋轉切割元件600滑出套管的上部區域638。尤其，當鎖定裝置可以突出用以接觸套管的下部區域中的較大內部半徑處時，鎖定裝置可能大到不能通過套管的上部區域中的較小內部半徑進行適配，從而將可旋轉切割元件保持在套管之內。也可以想像，本公開的任何鎖定裝置不需要如此大用以接觸較大內部半徑，而只要其大於套管的上部區域中的較小內部半徑即可。圖7A-C示出了圖6A和6B中示出的實施例的透視圖。尤其，可旋轉切割元件700可以布置在套管730之內，其中，可旋轉切割元件700的切割面710的半徑稍微小於套管730的內部表面半徑，因而可旋轉切割元件可以通過套管730進行裝配。如所示的，可旋轉切割元件700的外部表面722和切割面710可以交匯用以形成切割邊緣718。在具有切割面710半徑小於套管730的外部表面732的半徑的可旋轉切割元件700的實施例中，套管730可以具有斜切部733，其可以安置在刀片的頂側處，因而當安裝在轉頭上或其他切割工具上時，切割邊緣可以接觸且切割地層表面。切割面710可以由金剛石或其它超硬材料形成。進一步地，一旦可旋轉切割元件700布置在套管730之內，金剛石或超硬材料切割表面可以臨近套管的上部區域，且組件可以布置在刀片上，使得切割表面接觸且切割工作表面。例如，金剛石切割面可以延伸大約0.06英寸至大約0.15英寸的厚度用以形成金剛石切割頂面。在其它實施例中，可旋轉切割元件可以具有從大約0.05至0.15英寸範圍的厚度的金剛石或其它超硬材料頂面。如上文所描述的，本公開的可旋轉切割元件可以與鎖定裝置裝配，且組件插入套管中，或者，可旋轉切割元件可以插入套管中並且在將可旋轉切割元件插入套管中之後添加所述至少一個鎖定裝置。進一步地，本公開的可旋轉切割元件可以自套管的下部區域或自套管的上部區域插入套管中。但是可旋轉切割元件也可以通過其它方式布置在套管之內。例如，根據本公開的其它實施例，可旋轉切割元件可以自套管的下部區域和套管的上部區域插入套管中。參考圖8A，可旋轉切割元件800可以通過螺紋方式旋入布置在套管830之內的可旋轉基部802中。如示出的，可旋轉基部802可以具有這樣的直徑，其在套管內部表面831的較大直徑836之內適配，但在套管內部表面831的較小直徑834之內不適配。因此，可旋轉基部802可以通過套管的較大下部區域839插入套管830中，且可旋轉切割元件800可以通過套管的上部區域838插入且通過螺紋方式旋入可旋轉基部802中。孔洞824可以形成在可旋轉基部802中且與形成在套管830中的進入孔洞835對準，因而鎖定工具（未示出）可以通過進入孔洞835插入且進入可旋轉基部孔洞824中，以在可旋轉切割元件800通過螺紋方式旋入可旋轉基部802時保持住可旋轉基部802。一旦將可旋轉切割元件800通過螺紋方式旋入可旋轉基部802中，鎖定工具可以自進入孔洞835和可旋轉基部孔洞824移除，且可旋轉切割元件800和可旋轉基部802兩者均可以在套管830之內旋轉。可旋轉基部802可以通過機械連接方式（例如螺紋）或通過釺焊或類似的方式與可旋轉切割元件800接合用以將上述兩件鎖定在一起。現在參考圖8B，可旋轉切割元件800可以螺紋連接至可旋轉基部802，其中，可旋轉切割元件800具有可變形區域803和螺紋區域804。尤其，可旋轉基部802可以放置在套管830之內。然後，套管830可以釺焊或者其它方式附連至鑽頭主體。然後，可旋轉切割元件800可以通過將可旋轉切割元件800旋入具有相應螺紋的可旋轉基部802中而被插入套管830中。可旋轉切割元件800的螺紋區域804可以螺紋連接進入可旋轉基部802中，使得可旋轉切割元件800的可變形區域803也可以在可旋轉基部802之內螺紋連接。可旋轉基部802中的螺紋可以咬入可變形區域803中且然後防止可旋轉切割元件從套管830出來。可變形區域803可以由例如塑料、特氟隆（Teflon）、橡膠製成。根據一些實施例，可旋轉切割元件可以被保持在套管之內而無需使用鎖定裝置。具有可旋轉切割元件保持在套管中而無需使用鎖定裝置的切割元件的示例性實施例在圖9A-C中示出，其中，在軸向下部位置處的可旋轉切割元件的直徑大於在軸向上部位置處的直徑。如圖9A-C中所示，切割元件可以具有套管930，其具有在套管930的上部區域938處的內部半徑R1的值小於在套管930的下部區域939處的內部半徑R2。具有延伸通過的旋轉軸線A的可旋轉切割元件900可以至少部分地布置在套管930之內。可旋轉切割元件900具有臨近套管930的最上部的金剛石切割面910，其中，可旋轉切割元件900的至少一部分具有的外部半徑大於套管的上部區域938的內部半徑R1，且其中，可旋轉切割元件的該部分位於低於內部半徑R1的縱向位置處。如圖9A中所示，套管930的內部表面931可以具有自上部區域938至下部區域939縱向延伸的連續增加的半徑。如圖9B中所示，套管930的內部表面931可以在套管的一部分處具有恆定的內部半徑，且在另一個部分處，套管930可以具有朝下部軸向位置延伸的連續增加的半徑。在其它的實施例中，套管930可以具有兩個或更多個具有恆定內部半徑的部分。例如，如圖9C中所示，套管930可以在上部區域938處具有第一恆定內部半徑R1，且在下部區域939處具有第二恆定內部半徑R2，其中，在下部區域處的第二恆定內部半徑R2大於第一恆定內部半徑。通過本領域已知的方法，例如釺焊，可以通過附連套管至鑽頭切割器凹槽而將本公開的切割元件附連至鑽頭。尤其，鑽頭具有鑽頭主體，多個自鑽頭主體延伸的刀片（其中，每一個刀片均具有前導面，後尾面和頂側），以及布置在多個刀片中的多個切割器凹槽。切割器凹槽可以形成在刀片的頂側中的前導面處，使得一旦布置在切割器凹槽中，切割元件可以接觸且切割工作表面。根據本文公開的實施例的切割元件的套管可以在其中布置有或沒有布置可旋轉切割元件的情況下附連至至少一個切割器凹槽。套管可以使用本領域中已知的釺焊工藝附連至鑽頭主體。可選地，在本公開的其它實施例中，套管可以在滲透或燒結工藝過程中直接滲透或鑄造到鑽頭主體中。套管可以具有第一內徑和第二內徑，其中，第二內徑大於第一內徑。具有延伸穿過的旋轉軸線的可旋轉元件（在附連至切割器凹槽之前或之後插入套管之內）可以具有切割面，自切割面向下延伸的主體，外部表面，以及形成在切割面與外部表面交匯處的切割邊緣。至少一個孔洞可以形成在可旋轉切割元件主體中，且自主體的外部表面朝向旋轉軸線延伸，而且鎖定裝置可以布置在每一個孔洞中。鎖定裝置可以自孔洞突出用以接觸套管的第二內徑，因而將可旋轉切割元件保持在套管之內。可選地，本文公開的可旋轉切割元件的特徵可以用在機械地附連至套管而不能在套管之內旋轉的切割元件上。本公開的套管可以進一步具有進入孔洞，或開口，其中，鎖定裝置可以通過套管開口（例如在套管附連至切割器凹槽之後可旋轉切割元件插入套管之內的實施例中）插入可旋轉切割元件之內的孔洞中，和/或其中，鎖定裝置可以通過開口移除（例如，用以更換可旋轉切割元件）。在上述實施例中，進入孔洞或開口可以面向刀片的頂側安置，使得鎖定裝置可以被接近而無需移除套管。在一些實施例中，具有切割面的套管可以可旋轉地安裝至內部支撐元件用以形成可旋轉套管切割元件。例如，參考圖11，可旋轉套管切割元件1150可旋轉地安裝至內部支撐元件1160。內部支撐元件1160具有延伸穿過的縱向軸L和自內部支撐元件1160的外部表面1161朝向縱向軸L延伸的至少一個孔洞1124。可旋轉套管切割元件1150具有臨近可旋轉套管切割元件的最上部的切割面1110。切割面可以包括超硬材料，例如，金剛石頂面。如圖11中所示，圓周凹槽1155形成在可旋轉套管切割元件1150的內部表面1131之內。鎖定裝置1140布置在內部支撐元件1160的孔洞1124中，其中，鎖定裝置1140自孔洞1124突出，用以接觸圓周凹槽1155，從而將可旋轉套管切割元件1150保持至內部支撐元件1160。如上文所描述，鎖定裝置可以包括例如，彈簧和球組件，或者彈簧和銷組件。進一步地，具有可旋轉套管切割元件的實施例可以具有在切割面處暴露的內部支撐元件的一部分，或者可選地，可旋轉套管切割元件的切割面可以覆蓋內部支撐元件。進一步地，可旋轉切割元件可以由一件進行機械加工，或者可以由多於一件製成。例如，在具有金剛石切割面的實施例中，可旋轉切割元件可以由碳化物基體和例如通過本領域中已知的方式形成在碳化物基體的上部表面上或附連至碳化物基體的上部表面的金剛石頂面形成。可選地，本公開的可旋轉切割元件可以由相同材料的多於一件來形成。本文描述的每一個實施例可以具有包括在其中的至少一種超硬材料。上述的超硬材料可以包括常規的多晶金剛石頂面（間隙空間內可以存在金屬組分（例如金屬催化劑）的互相連接的金剛石微粒的頂面）；熱穩定金剛石層（即，具有比常規多晶金剛石更大的熱穩定性，750℃），例如，其通過從互相連接的金剛石微粒之間的間隙空間去除大體上所有金屬形成、或由金剛石/碳化矽複合材料形成；或其它超硬材料例如立方氮化硼。進一步地，在特殊的實施例中，內部可旋轉切割元件可以整體由超硬材料形成，但是該元件也可以包括多個金剛石等級，例如，用於形成梯度結構（在等級間具有緩變的或非緩變的過渡）。在特殊的實施例中，具有較小粒度和/或較高金剛石密度的第一金剛石等級可以用於形成內部可旋轉切割元件的上部部分（當安裝在鑽頭或其它工具上時其形成切割邊緣），而具有較大粒度和/或較高金屬含量的第二金剛石等級可以用於形成切割元件的下部非切割部分。進一步地，也在本公開的範圍之內的是，可以使用多於兩個金剛石等級。如本領域中已知的，熱穩定性金剛石可以以不同的方式形成。通常的多晶金剛石層包括單獨的金剛石「晶體」，它們是互相連接的。單獨的金剛石晶體因此形成晶格結構。金屬催化劑，例如鈷，可以用於促進金剛石微粒的再結晶和晶格結構的形成。因此，鈷微粒通常在金剛石晶格結構中的間隙空間之內發現。鈷具有與金剛石相比顯著不同的熱膨脹係數。因此，當加熱金剛石頂面時，鈷和金剛石晶格將會以不同的速率膨脹，從而引起在晶格結構中形成破裂且導致金剛石頂面的劣化。為了排除這個問題，可以使用強酸來從多晶金剛石晶格結構（或者一個薄體積或整個壓片（tablet））「浸濾」鈷，用以至少減少加熱時不同速率下的來自加熱金剛石-鈷複合材料所經歷的損壞。「浸濾」工藝的實例可以在，例如美國專利號4,288,248和4,104,344中找到。簡短地說，強酸，通常氫氟酸或幾種強酸的組合，可以用於處理金剛石頂面，從PDC複合材料去除至少一部分的鈷-催化劑。合適的酸可以包括：硝酸、氫氟酸、鹽酸、硫酸、磷酸或高氯酸、或這些酸的組合。此外，腐蝕劑，例如氫氧化鈉和氫氧化鉀，已經用於碳化物工業，用以從碳化物複合材料吸收金屬元素。此外，其它的酸和基本的浸濾劑可以根據需要而使用。本領域的普通技術人員將理解，浸濾劑的摩爾濃度可以根據需要浸濾的時間、考慮到的危險等來調整。通過浸濾掉鈷，形成熱穩定的多晶（thermallystablepolysrystalline，TSP）金剛石。在特定的實施例中，為了獲得熱穩定性而不會缺失耐衝擊性，僅僅浸濾選擇部分的金剛石複合材料。如本文使用的，術語TSP包括上述（即，部分和全部浸濾）混合物的兩者。在浸濾之後仍然存在的間隙體積可以通過促進合併或通過用次級材料填充體積來減少，例如通過現有技術中已知的和在美國專利號5,127,923中描述的工藝，該專利在本文中以參考的形式引用其全部內容。可選地，TSP可以通過在擠壓機中使用除了鈷之外的粘結劑（一個例子是矽）形成金剛石層的來形成，該粘結劑具有比鈷更近似於金剛石的熱膨脹係數。在製造工藝期間，大部分，80至90體積百分比的矽與金剛石晶格反應用以形成碳化矽，其也具有近似於金剛石的熱膨脹。當加熱時，任何剩餘的矽、碳化矽、以及金剛石晶格將與鈷與金剛石的膨脹速率相比以更近似的速率膨脹，從而產生更加熱穩定的層。即使當切割器溫度達到1200℃時，具有TSP切割層的PDC切割器具有相對低的磨損速率。但是，本領域技術人員將會認識到，熱穩定性金剛石層可以由本領域中已知的其它方法形成，包括，例如，通過在金剛石層的形成中改變工藝條件。切割面布置在其上的基體可以由多種硬的或超硬的微粒形成。在一個實施例中，基體可以由合適的材料，例如碳化鎢、碳化鉭或碳化鈦形成。此外，不同的粘結金屬可以包括在基體中，例如鈷、鎳、鐵、金屬合金、或它們的混合物。在基體中，金屬碳化鎢顆粒在金屬粘結劑，例如鈷，之內被支撐。此外，基體可以由燒結的碳化鎢複合材料結構形成。已知除了碳化鎢和鈷之外，可以使用不同的金屬碳化鎢複合材料和粘結劑。因此，對使用碳化鎢和鈷的引述僅僅是為了說明的目的，不旨在於限制使用的基體和粘結劑類型。在另一個實施例中，基體也可以由金剛石超硬材料形成，例如多晶金剛石和熱穩定性金剛石。儘管說明的實施例示出了切割面和基體作為兩個不同部分，本領域技術人員應該理解在本公開的公開範圍之內的是，切割面和基體是整體的、相同的組分。在上述的一個實施例中可以優選的是，具有形成切割面和基體或不同層的單一金剛石複合材料。外部套管可以由各種材料形成。在一個實施例中，外部套管可以由合適的材料形成，例如碳化鎢、碳化鉭、或碳化鈦。此外，不同的粘結金屬可以包括在外部支撐元件中，例如鈷、鎳、鐵、金屬合金、或它們的混合物，使得金屬碳化鎢顆粒在金屬粘結劑之內被支撐。在一個特別的實施例中，外部支撐元件是具有從6至13百分比的鈷含量的硬質碳化鎢。也在本公開的範圍之內的是，外部套管（包括後保持機構）也可以包括更潤滑的材料用以減小摩擦係數。套管可以整體由上述材料形成或其一部分（例如上部區域的內部表面）包括上述的潤滑材料。例如，套管可以包括金剛石，類似金剛石的塗層，或其它固體薄膜潤滑劑。在其它實施例中，外部套管可以由合金鋼、鎳基合金、或鈷基合金形成。本領域技術人員也將會認識到，切割元件構件可以用耐磨堆焊（hardfacing）材料塗覆，以增加腐蝕保護。上述的塗層可以通過本領域中已知的各種技術實施，例如，爆燃槍（detonationgun，d-槍）和噴霧-熔絲技術。本公開的切割元件可以包含在各種類型的切割工具中，包括例如在固定切割器鑽頭中的切割器，或在輥壓錐體鑽頭中的嵌件。具有本公開的切割元件的鑽頭可包括單個可旋轉切割元件，剩餘的切割元件是常規的切割元件；所有切割元件均是可旋轉的；或是可旋轉的與傳統的切割元件之間的任意組合。在一些實施例中，可以選擇固定的切割器鑽頭的刀片上或輥壓錐體鑽頭的錐體上的切割元件的位置，使得可旋轉切割元件位於經歷最大磨損的區域中。例如，在特殊的實施例中，可旋轉切割元件可以位於固定切割器鑽頭的肩部或鼻部區域。此外，本領域技術人員將認識到，對本公開的切割元件的尺寸不存在限制。例如，在不同的實施例中，切割元件可以以多種尺寸（包括但不限於：9mm、13mm、16mm、以及19mm）形成。進一步地，本領域技術人員也將理解，如上文描述的任何設計變形，包括，例如，側傾、後傾、幾何形狀的變化、表面改變/蝕刻、密封、軸承、材料複合物等，可以以各種組合被包括，而不限於上文所描述的本公開的切割元件中的那些。在一個實施例中，切割器可以具有0至±45度範圍的側傾。在另一個實施例中，切割器可以具有從大約5至35度範圍的後傾。切割器可以以選擇的側傾安置在刀片上，用以協助去除鑽屑且增加穿透速率。具有側傾地布置在鑽頭上的切割器可以當鑽頭旋轉時在徑向和切線方向被向前驅使。在一些實施例中，因為徑向方向可以協助內部可旋轉切割元件相對於外部支撐元件的移動，上述的旋轉可以允許更多的鑽屑的去除，且提供改進的穿透速率。本領域普通技術人員將會意識到，關於本公開的切割元件可以使用任何的後傾和側傾組合用以增強旋轉性和/或改進鑽井效率。當切割元件接觸地層時，切割元件的旋轉運動可以是連續的或不連續的。例如，當切割元件以確定的側傾和/或後傾安裝時，切割力可以總體上指向一個方向。提供定向的切割力可以允許切割元件具有連續的旋轉運動，從而進一步增強鑽井效率。但是，根據其它實施例，上文公開的可旋轉切割元件中的一個或多個能夠被改變成為機械固定至套管，因此形成固定的切割器。例如，在更改為機械固定至套管的實施例中，套管的內部表面可以具有配置為與布置在切割元件中的至少一個鎖定裝置相應且保持該鎖定裝置的表面幾何形狀，使得切割元件不能自由地圍繞它的軸線旋轉。有利地，本公開的實施例可以允許可旋轉切割元件被安裝至其中形成有常規切割器凹槽的鑽頭，也同樣提供移除和替換磨損的可旋轉切割工具的更方便的工藝。通過使用具有可調整特徵的鎖定裝置，本公開也可以提供一種將可旋轉切割元件插入套管中而無需自鑽頭主體拆卸套管的方法。此外，本公開也可以有利地提供一種將可旋轉切割元件包括在具有與常規的切割器凹槽相同幾何尺寸的切割器凹槽之內的方法。可旋轉切割元件可以避免由通常的固定切割器產生的高溫。因為現有技術切割元件的切割表面經常地在一個固定地點處接觸地層，能夠迅速形成磨損平面且因此引起摩擦熱量。熱量可能積累，且引起由於如上文討論的金剛石與催化劑之間的熱不匹配所導致的切割元件的失效。因為接觸地層的邊緣改變，根據本發明的實施例可以避免上述的熱量積累。在切割元件的邊緣處的較低溫度可以降低潛在的破裂，從而延長切割元件的功能壽命。通過降低由切割元件的切割表面經受的熱的和機械的負載，切割元件壽命可以增加，從而允許更高效的鑽井。進一步地，切割元件的可旋轉部分的旋轉可以允許切割表面使用切割表面的全部外部邊緣，而不是如現有技術中所提供的那樣使用外部邊緣的相同部分，來切割地層。切割元件的全部的邊緣可以接觸地層，產生更一致的切割元件邊緣磨損，從而防止局部的磨損平面區域的形成。因為邊緣磨損更一致，切割元件可以不迅速地磨損，從而具有較長的井下壽命，且因此增加鑽井操作的整體效率。此外，因為隨著切割元件的可旋轉切割部分旋轉接觸地層的切割元件的邊緣改變，切割邊緣可以保持鋒利。鋒利的切割邊緣可以在鑽地層時增加穿透的速率，從而增加鑽井操作的效率。進一步地，隨著切割元件的可旋轉部分旋轉，可以施加液壓力至切割表面用以冷卻和清潔切割元件的表面。雖然本發明關於有限數量的實施例，但受益於本公開，本領域技術人員將理解，能夠設計出其它的實施例而不脫離如本文公開的本發明的範圍。因此，本發明的保護範圍應僅由所附權利要求所限制。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp