鑽地工具和形成這樣的鑽地工具的方法

2023-05-12 09:57:36 3

鑽地工具和形成這樣的鑽地工具的方法
【專利摘要】一種地鑽鑽頭包括鑽頭本體，所述鑽頭本體具有多個徑向延伸的刮刀和多個切削元件，所述多個切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀。僅僅鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少一個刮刀。僅僅剪切切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少另一個刮刀。所述多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量不同於所述多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量。用於形成地鑽鑽頭的方法包括形成鑽頭本體，所述鑽頭本體包括多個徑向延伸的刮刀。與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量不同於與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量。
【專利說明】鑽地工具和形成這樣的鑽地工具的方法
[0001]優先權
[0002]本申請要求在2011年5月5日提交的題目為「鑽地工具和形成這樣的鑽地工具的方法」的美國專利申請序列號13/101,840的優先權。本申請的主題涉及Lyons等人在2010年6月3日提交的美國申請序列號12/793,39的主題以及Lyons等人在2011年2月7日提交的美國申請序列號13/022，288的主題。
【技術領域】
[0003]本公開的實施例總體涉及鑽地工具和形成鑽地工具的方法。具體地，本公開的實施例涉及一種鑽地工具，所述鑽地工具具有附接到至少一個刮刀的僅僅剪切切削元件和附接到至少另一個刮刀的僅僅鑿挖切削元件。
【背景技術】
[0004]用於在地下地層中形成井眼的鑽地工具可以包括固定到本體的多個切削元件。例如，固定切削件式鑽地旋轉鑽頭(也稱作「刮刀鑽頭」)包括多個切削元件，所述多個切削元件固定地附接到鑽頭的鑽頭本體並且通常位於形成在刮刀中的凹入部中和鑽頭本體的其它外部部分中。牙輪地鑽鑽頭包括附接到位於支腿上的牙輪軸的多個牙輪，所述支腿從鑽頭本體垂下來。牙輪可以包括銑制或者用其它方式形成在牙輪上的切削元件(有時稱作「齒」)，所述切削元件可以包括位於切削元件的外表面上的表面硬化層，或者牙輪可以包括附接到牙輪的切削元件(有時稱作「嵌件」)，所述切削元件通常位於形成在牙輪中的凹入部中。
[0005]用於這種鑽地工具中的切削元件通常包括聚晶金剛石切削件(通常稱作「PDC」)，所述聚晶金剛石切削件是包括聚晶金剛石(PCD)材料的切削元件。通過下述方式來形成聚晶金剛石切削元件:在存在催化劑(諸如，鈷、鐵、鎳、或合金以及它們的混合物)的情況下，在高溫和高壓條件下將相對小的金剛石晶粒或者晶體燒結並且結合在一起而在切削元件基底上形成聚晶金剛石材料層。這些工藝通常被稱作高溫/高壓(或者「HTHP工藝」)工藝。切削元件基底可以包括金屬陶瓷材料(即，金屬陶瓷複合材料)，其在金屬基底(諸如，鈷鎢硬質合金)中包括多個硬質材料顆粒。在這些情況下，在由金剛石晶粒或者晶體燒結並且經催化而形成金剛石臺面期間，切削元件基底中的催化劑材料可以被吸入到金剛石晶粒或者晶體中。在其它方法中，在HTHP工藝中，在將晶粒或者晶體燒結在一起之前，可以將粉末狀催化劑材料與金剛石晶粒或者晶體相混合。
[0006]切削元件的工作表面(有時稱作切削麵)可以具有各種形狀，諸如平面形、半球形、圓錐形和鑿形。傳統地，具有平面形工作表面的切削元件可以利用剪切切削機理來移除下方地層。相比之下，具有圓頂形、圓錐形和鑿形的工作表面的切削元件傳統地利用壓碎和鑿挖切削機理來移除下方地層。此外，具有犁形工作表面的切削元件傳統地利用犁耕切削機理來移除地下地層。
[0007]已經提出了應用剪切切削元件、鑿挖切削元件和/或犁耕切削元件的組合的多種地鑽鑽頭。如在Hall等人的在2008年7月24日公開的美國申請公報N0.2008/0173482中公開的那樣，固定切削件式鑽頭上的刮刀可以包括:剪切切削元件，所述剪切切削元件位於鑽頭的至少肩部區域中；和具有帶尖的幾何形狀的切削元件，所述切削元件位於鑽頭的牙輪和前端區域中。另外，Hall公開了一種固定切削件式的鑽頭，其排他性地具有的切削元件帶有附接到其刮刀的尖幾何形狀。Lyons等人的在2010年6月3日提交的美國申請序列號12/793，396公開了剪切切削元件和鑿挖切削元件可以在多個區域(例如，牙輪區域、前端區域和肩部區域)中相互毗鄰地布置在固定切削件式鑽頭的共用刮刀上。Lyons等人的在2011年2月7日提交的美國申請序列號13/022288公開了鑿挖切削元件可以布置成在固定切削件式鑽頭的共用刮刀上的旋轉跟隨剪切切削元件(本領域中稱為備用切削元件構造)。Christensen, Inc.的在1982年5月12日公開的英國申請公報N0.2，086，451公開了一種固定切削件式鑽頭，其在一些刮刀上具有帶有平面切削麵的僅僅切削元件以及在其它刮刀上具有擁有小於180°的相互夾角的分開切削麵的僅僅切削元件。具有分開切削麵的切削元件將犁溝(例如，犁)印刻到正在鑽進的地層中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]雖然本說明書是通過關於本發明的特別指出並且明確聲明的權利要求得出的，但是當結合附圖閱讀時，從本公開的實施例的以下描述中，可以更為容易地推斷出本公開的實施例的各種特徵和優點，附圖中:
[0009]圖1是鑽地工具的透視圖，其中，與剪切切削元件附接的刮刀的數量大於與鑿挖切削元件附接的刮刀的數量；
[0010]圖2描繪了圖1的鑽地工具的端面的平面圖；
[0011]圖2A是針對圖2中示出的端面的替代構造的平面圖；
[0012]圖3圖解了鑽地工具的僅僅在一個刮刀上附接有鑿挖切削元件的端面的平面圖；
[0013]圖4是鑽地工具的在三個刮刀上附接有切削元件的端面的平面圖；
[0014]圖5描繪了鑽地工具的在五個刮刀上附接有切削元件的端面的平面圖；
[0015]圖6A至圖6D是針對附接到鑽地工具的切削元件的切削路徑的簡化示意性平面圖；
[0016]圖7圖解了鑽地工具的透視圖，其中，與鑿挖切削元件附接的刮刀的數量大於與剪切切削元件附接的刮刀的數量；
[0017]圖8是圖7的鑽地工具的端面的平面圖；
[0018]圖9描繪了使剪切切削元件與僅僅一個刮刀附接的鑽地工具的端面的平面圖；
[0019]圖10圖解了使切削元件與三個刮刀附接的鑽地工具的平面圖；
[0020]圖11是使切削元件與五個刮刀附接的鑽地工具的平面圖；
[0021]圖12A至圖12D是針對附接到鑽地工具的切削元件的切削路徑的簡化示意性平面圖；
[0022]圖13描繪了接合下方地層的鑿挖切削元件和剪切切削元件的簡化剖視圖；
[0023]圖14至圖19圖解了可以附接到鑽地工具的鑿挖切削元件的剖視圖；
[0024]圖20至圖21是可以附接到鑽地工具的剪切切削元件的剖視圖。【具體實施方式】
[0025]在此所提到的圖解並不意味著是任何特定鑽地工具或切削元件的實際視圖，而僅僅是用來描述本公開的實施例的理想化示圖。另外，這些圖之間共有的元件可保持相同或相似的附圖標記。
[0026]本公開的實施例涉及一種鑽地工具，所述鑽地工具具有與至少一個刮刀附接的僅僅剪切切削元件和與至少另一個刮刀附接的僅僅鑿挖切削元件。在一些實施例中，與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量可以大於與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量。在其它實施例中，與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量大於與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量。
[0027]如在此所使用的，術語「鑽地工具」和「地鑽鑽頭」表示並且包括在地下地層中形成或者擴大井眼期間用於鑽進的任何類型的鑽頭或工具，包括例如固定切削件式鑽頭、固定切削件式取芯鑽頭、固定切削件式偏心鑽頭、固定切削件式雙心鑽頭、混合式鑽頭、以及固定切削件式擴孔鑽、銑刀以及本領域中已知的其它固定切削件式鑽頭和工具。
[0028]如在此所使用的，術語「聚晶材料」表示並且包括下述任一結構，所述結構包括材料(例如，超研磨材料)的多個晶粒(即，晶體)，所述晶粒通過晶粒間結合而直接結合在一起。材料的單個晶粒的晶體結構在聚晶材料內的空間中可以任意定向。
[0029]如在此所使用的，術語「晶粒間結合」和「相互結合」表示並且包括聚晶材料的毗鄰晶粒中的原子之間的任意指向的原子鍵(例如，共價鍵、金屬化等)
[0030]如在此所使用的，術語「超研磨材料」表示並且包括具有大約3，000Kgf/mm2(29，420MPa)或更大的努氏硬度值的任何材料。超研磨材料包括例如金剛石和立方氮化硼。超研磨材料還可以稱作「超硬」材料。
[0031]當在使用時，術語「碳化鎢」表示包含鎢和碳的化學化合物(諸如WC、W2C、以及WC和W2C的組合)的任何材料合成物。碳化鎢包括例如鑄造碳化鎢、燒結碳化鎢和粗晶碳化鎢。
[0032]如在此所使用的，術語「剪切切削元件」表示並且包括具有涉及對下方地層進行剪切的主要切削機構的任何切削元件。
[0033]如在此所使用的，術語「鑿挖切削元件」表示並且包括具有涉及對下方地層進行鑿挖或壓碎的主要切削機構的任何切削元件。
[0034]參照圖1,示出了鑽地工具10,其中與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量大於與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量。鑽地工具10包括鑽頭本體18和布置在其端面20處的多個徑向延伸的刮刀14。刮刀14還可從端面20朝向鑽頭本體18的與端面20相對的端部縱向延伸，在與端面20相對的端部處，可以布置有柄22，所述柄構造用於附接到鑽柱。刮刀14可以終止於保徑區域24。位於刮刀14之間的噴嘴24可以提供鑽井液的出口，所述鑽井液可以有助於移除鑽屑並且冷卻鑽地工具10及其部件。噴嘴26可以布置在刮刀14之間的流體流道28中，並且流體流道28可以延伸到鄰近保徑區域24的排屑槽30。
[0035]參照圖2，示出了圖1的鑽地工具10的端面20的平面圖。為了簡化起見，已經省略了諸如噴嘴26 (見圖1)的一些部件。從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14的總數可以是偶數。例如，六個刮刀14可以從鑽地工具10的本體18延伸。與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量大於與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量。例如，僅僅鑿挖切削元件16可以附接到兩個從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14。因此，在刮刀14的總數為六個的情況下，僅僅剪切切削元件12可以附接到至少三個從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14，以及可以附接到剩餘四個刮刀14中的每一個刮刀。在其它實施例中，僅僅鑿挖切削元件16可以附接到多於兩個從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14。在這樣的實施例中，僅僅剪切切削元件12可以附接到多於三個從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14。
[0036]從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14可以布置在至少基本等距地間隔開的角位置處。將刮刀14定位在至少基本等距地間隔開的角位置處可以有助於平衡置於刮刀14上的載荷。例如，在刮刀14的總數為六個的情況下，每個刮刀14均可以與毗鄰其的刮刀14成大約60°。因此，在刮刀14的總數為六個的情況下，旋轉方向上在前刮刀和旋轉方向上在後刮刀14都可以與任何一個選定的刮刀14成大約60°。與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14可以位於相互基本等距地間隔開的角位置處。因此，在鑿挖切削元件16附接到兩個刮刀14並且刮刀14的總數為偶數的情況下，與鑿挖切削元件16附接的刮刀14可以定位成以大約180°間隔開。
[0037]在一些實施例中，可能不期望將刮刀14布置在精確等距地間隔開的角位置處。例如，認為就角位置而言使得鑽地工具10的所有刮刀14精確等距地間隔開可能致使如此產生的鑽地工具10變得不穩定。因此，刮刀14可以故意地布置在沒有精確間隔開的角位置處。例如，每個刮刀14可以布置在下述角位置中，所述角位置與在一些實施例中將刮刀14放置成精確間隔開的位置成±1°、±5°、土 10°、±15°、±20°、±30°或者甚至更大或更小的角度。因此，當提到刮刀14可以「至少基本等距地間隔開」或者定位成以「大約」某角度間隔開時，這意味著刮刀14可故意偏離於將刮刀14放置成精確間隔開的位置。
[0038]作為一個特定的非限制性示例，如圖2A所示，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14可以位於一角位置處，與所有刮刀14精確間隔開的情況相比，所述角位置更靠近與僅僅剪切切削元件12附接的緊鄰的旋轉方向上在前刮刀14。與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14可以以大約15°更靠近與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14，所述僅僅剪切切削元件12緊接旋轉地引帶與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14。在這樣的示例中，鑿挖切削元件16相對於剪切切削元件12的相對鄰近可以使得不同的切削元件12和16基於應用和/或正在鑽進的地層能夠更好地平衡置於每個切削元件上的載荷。此外，這樣的構造可以使得從切削元件12和16上以及與切削元件12和16附接的刮刀14上能夠更容易移除鑽屑，從而減小了可能在其它情況下發生的鑽屑成球現象。另外，鑿挖切削元件16可以限制剪切切削元件12的切削深度，這在剪切切削元件12以侵略性(aggressive)的後傾角定向(例如，以低的負後傾角，以中性後傾角以及以正後傾角)的實施例中是期望的。然而，在其它實施例中，刮刀14可以布置在精確等距地間隔開的角位置處。
[0039]使得與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14定位在至少基本等距地相互間隔開的角位置處可能意味著與僅僅剪切切削元件12附接的最大可行數量的刮刀14介於與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14之間。因此，在一些實施例中，在與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的一側上的與僅僅剪切切削元件附接的刮刀14的數量可以等於在與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的另一側上的與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量。例如，在刮刀14的總數為六個並且與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量為三個的情況下，與僅僅剪切切削元件16附接的一個刮刀14可以介於每一對旋轉毗鄰的與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14之間。在這種示例中，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14可以定位成以大約120°間隔開。
[0040]參照圖3，示出了另一種鑽地工具10的端面20的平面圖。從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14的總數可以是偶數。例如，六個刮刀14可以從鑽地工具10的本體18延伸。僅僅剪切切削元件12可以附接到刮刀14，與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量大於與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量。例如，僅僅鑿挖切削元件16可以附接到一個從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14。因此，在刮刀14的總數為六個的情況下，僅僅剪切切削元件12可以附接到至少兩個從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14，以及可以附接到剩餘五個刮刀14中的每一個。
[0041]從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14可以布置在至少基本等距地間隔開的角位置處。例如，在刮刀14的總數為六個的情況下，每個刮刀14均可以與毗鄰其的刮刀14成大約60°。因此，在刮刀14的總數為六個的情況下，旋轉方向上在前刮刀和旋轉方向上在後刮刀14都可以與任意選定的刮刀14成大約60°。
[0042]參照圖4，示出了又一種鑽地工具10的端面20的平面圖。從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14的總數為奇數。例如，三個刮刀14可以從鑽地工具10的本體18延伸。僅僅剪切切削元件12可以附接到刮刀14，與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量大於與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量。例如，僅僅鑿挖切削元件16可以附接到一個從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14。因此，在刮刀14的總數為三個的情況下，僅僅剪切切削元件12可以附接到至少兩個從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14，以及可以附接到剩餘兩個刮刀14中的每一個。
[0043]從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14可以布置在至少基本等距地間隔開的角位置處。例如，在刮刀14的總數為三個的情況下，每個刮刀14均可以與毗鄰其的刮刀14成大約120°。因此，在刮刀14的總數為三個的情況下，旋轉方向上在前刮刀和旋轉方向上在後刮刀14都可以與任意選定的刮刀14以大約120°間隔開。
[0044]參照圖5，示出了再一種鑽地工具10的端面20的平面圖。從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14的總數可以是奇數。例如，五個刮刀14可以從鑽地工具10的本體18延伸。僅僅剪切切削元件12可以附接到刮刀14，與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量大於與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量。例如，僅僅鑿挖切削元件16可以附接到兩個從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14。因此，在刮刀14的總數為五個的情況下，僅僅剪切切削元件12可以附接到至少三個從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14，以及可以附接到剩餘三個刮刀14中的每一個。在其它實施例中，僅僅鑿挖切削元件16可以附接到多於兩個從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14。在這種實施例中，僅僅剪切切削元件12可以附接到多於三個從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14。
[0045]從鑽地工具10的本體18延伸的刮刀14可以布置在至少基本等距地間隔開的角位置處。例如，在刮刀14的總數為五個的情況下，每個刮刀14均可以與毗鄰其的刮刀14成大約72°。因此，在刮刀14的總數為五個的情況下，旋轉方向上在前刮刀和旋轉方向上在後刮刀14都可以與任意選定的刮刀14成大約72°。與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14可以定位在至少基本等距地相互間隔開的角位置處。因此，在僅僅鑿挖切削元件16附接到兩個刮刀14並且刮刀14的總數為五個的情況下，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14可以定位成沿著鑽地工具10的旋轉方向間隔開大約144°，以及可以沿著與鑽地工具10旋轉方向相反的方向間隔開大約216°。
[0046]使得與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14定位在至少基本等距地相互間隔開的角位置處可以意味著與僅僅剪切切削元件12附接的最大可行數量的刮刀14介於與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14之間。因此，在一些實施例中，在與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的一側上的與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量可以不等於在與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的另一側上的與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量。例如，在刮刀14的總數為七個並且與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量是兩個的情況下，在一側上，三個與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14可以介於與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的之間，在另一側上，兩個與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14可以介於與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14之間。在這樣的示例中，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14可以在一側上定位成以大約206°間隔開，以及可以在另一側上定位成以大約154°間隔開。
[0047]在諸如圖1至圖5中示出的鑽地工具10中的任意一種鑽地工具上，與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量大於與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量可以提高鑽地工具10尤其在混合地層中的性能。例如，在待鑽的地層包括至少一些相對軟區域(諸如沙、頁巖或粘土的區域)和至少一些相對硬區域，(諸如硬石灰巖、硬砂巖、白雲石或硬石膏的區域)的情況下，附接主要使用剪切切削機構(即，剪切切削元件12)移除下方地層的一些切削元件和附接主要使用鑿挖或壓碎切削機構(即，鑿挖切削元件16)移除下方地層的一些其它切削元件可以提高鑽地工具10的效率，可以防止損壞鑽地工具10，以及可以更有效地分配置於鑽地工具10上的載荷。作為一個特定的非限制性示例，在計劃的鑽進路徑主要通過相對軟的地層和至少一個相對硬的地層的情況下，鑿挖切削元件16可以在相對硬的地層內提供增強的土移除並且可以減小在剪切切削元件12上可能發生的磨損。因此，與將僅僅剪切切削元件12附接到鑽地工具10的情況相比，鑿挖切削元件16可以使得鑽地工具10能夠更為有效地鑽進通過地層。
[0048]參照圖6A，示出了旋轉引帶剪切切削元件12和旋轉跟隨鑿挖切削元件16。儘管切削元件12和16在鑽孔中旋轉時可以沿著螺旋(例如，螺旋形)路逕行進，但是為了簡化起見，圖解了具有直線路徑17的切削元件12和16。如圖6A所示，旋轉跟隨鑿挖切削元件16可以切削有一切口，其在本領域中也稱為割口(swath)或槽，所述切口的中心與旋轉引帶剪切切削元件12的切口的中心至少基本對準。因此，在一些實施例中，附接到鑽地工具10的每個旋轉跟隨鑿挖切削元件16 (見圖1至圖5)均可以與對應的旋轉引帶剪切切削元件12至少基本對準。這樣的切削元件構造可以增加與切削元件12和16附接的鑽地工具10的穩定性(見圖1至圖5)並且致使鑽地工具10 (見圖1至圖5)自動定心(即，能夠鑽出至少基本豎直的鑽孔)。在一些實施例中，切削元件12和16可以具有相等或者不同的暴露量(SP，切削元件12和16在與所述切削元件12和16附接的刮刀14上方延伸的距離)，以及可以具有相等或者不同的後傾角和側傾角。
[0049]參照圖6B，示出了旋轉引帶剪切切削元件12和旋轉跟隨鑿挖切削元件16。如圖6B所示，旋轉跟隨鑿挖切削元件16可以切削有切口，所述切口的中心偏離旋轉引帶剪切切削元件12的切口的中心。這種切削元件構造可以改進與切削元件12和16附接的鑽地工具10的鑽孔切削元件覆蓋範圍(見圖1至圖5)，這在偏心旋轉是必需的並且使得鑽地工具10 (見圖1至圖5)蜿蜒曲折卿，鑽出非直線的鑽孔，諸如螺旋形鑽孔)的應用(諸如定向鑽進)中是有利的。在一些實施例中，旋轉跟隨鑿挖切削元件16的多達一半的直徑可以延伸超出旋轉引帶剪切切削元件12的側部。在一些實施例中，切削元件12和16可以具有相等或者不同的暴露量(即，切削元件12和16在與所述切削元件12和16附接的刮刀14上方延伸的距離)，以及可以具有相等或者不同的後傾角和側傾角。
[0050]參照圖6C，示出了旋轉引帶剪切切削元件12和旋轉跟隨鑿挖切削元件16。如圖6C所示，旋轉跟隨鑿挖切削元件16可以切削有切口，所述切口的中心偏離旋轉引帶剪切切削兀件12的切口的中心。在一些實施例中，旋轉跟隨鑿挖切削兀件16的大於一半的直徑可以延伸超出旋轉引帶剪切切削元件12的側部。在一些實施例中，切削元件12和16可以具有相等或者不同暴露量(即，切削元件12和16在與所述切削元件12和16附接的刮刀14上方延伸的距離)，以及可以具有相等或者不同的後傾角和側傾角。
[0051]參照圖6D，示出了旋轉引帶剪切切削元件12和旋轉跟隨鑿挖切削元件16。如圖6D所示，旋轉跟隨鑿挖切削元件16可以切削有槽，所述槽的中心偏離所述旋轉引帶剪切切削元件12的槽的中心。在一些實施例中，由旋轉跟隨鑿挖切削元件16所切削的槽都不能與由旋轉引帶剪切切削元件12所切削有的槽重疊。在一些實施例中，切削元件12和16可以具有相等或者不同的暴露量(即，切削元件12和16在與所述切削元件12和16附接的刮刀14上方延伸的距離)，以及可以具有相等或者不同的後傾角和側傾角。
[0052]參照圖7,示出了一種鑽地工具10',所述鑽地工具10'的與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量大於與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量。鑽地工具10'包括鑽頭本體18和布置在其端面20處的多個徑向延伸的刮刀14。刮刀14還可以從端面20朝向鑽頭本體18的與端面20相對的端部到達保徑區域24縱向延伸，在與端面20相對的端部處，可以布置有柄22，所述柄22構造成用於附接到鑽柱。位於刮刀14之間的噴嘴26可以提供鑽井液的出口，所述鑽井液可以有助於移除鑽屑並且冷卻鑽地工具10'及其部件。噴嘴26可以布置在刮刀14之間的流體流道28中，並且所述流體流道28可以延伸到鄰近保徑區域24的排屑槽30。
[0053]參照圖8，示出了圖7的鑽地工具1(V的端面20的平面圖。為了簡化起見，已經省略了諸如噴嘴26 (見圖7)的一些部件。從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14的總數可以是偶數。例如，六個刮刀14可以從鑽地工具10'的本體18延伸。僅僅鑿挖切削元件16可以附接到刮刀14，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量大於與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量。例如，僅僅剪切切削元件12可以附接到兩個從鑽地工具1(V的本體18延伸的刮刀14。因此，在刮刀14的總數為六個的情況下，僅僅鑿挖切削元件16可以附接到至少三個從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14，以及可以附接到剩餘四個刮刀中的每一個。在其它實施例中，僅僅剪切切削元件12可以附接到大於兩個從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14。在這樣的實施例中，僅僅鑿挖切削元件16可以附接到大於三個從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14。
[0054]從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14可以布置在至少基本等距地間隔開的角位置處。使得刮刀14定位在至少基本等距地間隔開的角位置處可以有助於平衡置於刮刀14上的載荷。例如，在刮刀14的總數為六個的情況下，每個刮刀14均可以與毗鄰其的刮刀14成大約60°。因此，在刮刀14的總數為六個的情況下，旋轉方向上在前刮刀和旋轉方向上在後刮刀14均可以與任意選定的刮刀14成大約60°。與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14可以定位在至少基本等距地相互間隔開的角位置處。因此，在僅僅剪切切削元件12附接到兩個刮刀14並且刮刀14的總數為七個的情況下，與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14可以定位成以大約180°間隔開。
[0055]使得與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14定位在至少基本等距地相互間隔開的角位置處可以意味著與僅僅鑿挖切削元件16附接的最大可行數量的刮刀14介於與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14之間。因此，在一些實施例中，在與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的一側上的與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量可以等於在與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的另一側上的與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量。例如，在刮刀14的總數為七個並且與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量為三個的情況下，與僅僅鑿挖切削元件16附接的一個刮刀14可以介於每一對旋轉毗鄰的與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14之間。在這個示例中，與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14可以定位成以大約120°間隔開。
[0056]參照圖9，示出了另一種鑽地工具10'的端面20的平面圖。從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14的總數可以是偶數。例如，六個刮刀14可以從鑽地工具1(V的本體18延伸。僅僅鑿挖切削元件16可附接到刮刀14，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量大於與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量。例如，僅僅剪切切削元件12可以附接到一個從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14。因此，在刮刀14的總數為六個的情況下，僅僅鑿挖切削元件16可以附接到至少兩個從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14，以及可以附接到剩餘五個刮刀14中的每一個。
[0057]從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14可以布置在至少基本等距地間隔開的角位置處。例如，在刮刀14的總數為六個的情況下，每個刮刀14均可以與毗鄰其的刮刀14成大約60°。因此，在刮刀14的總數為六個的情況下，旋轉方向上在前刮刀和旋轉方向上在後刮刀14可以與任意選定的刮刀14成大約60°。
[0058]在一些實施例中，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14中的至少一個可以傾斜以便沿著一方向延伸，所述方向與在刮刀14的中心軸線36與鑽頭本體18的刮刀14從其突出的徑向外表面32的交叉點處的切線成傾角Θ。例如，與僅僅鑿挖切削元件16附接的五個刮刀14中的至少一個可以沿著一方向延伸，所述方向與切向於鑽頭本體18的徑向外表面32的線成傾角Θ。因此，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14中的其它刮刀可以沿著與切向於鑽頭本體18的徑向外表面32的線垂直的方向延伸。例如，刮刀14可以傾斜的傾角Θ可以大於45°並且小於90°。作為一個特定的非限制性示例，傾角Θ可以為大約60°、大約70°或者大約80°。在一些實施例中，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14中的每一個的傾角Θ可以至少基本相等。在其它實施例中，至少一個刮刀14可以傾斜的傾角Θ與至少另一個刮刀14傾斜的傾角Θ不同(例如，大於或者小於)。例如，每個刮刀14均可以以不同於每個其它刮刀14傾斜的傾角Θ的獨特傾角Θ傾斜。使得與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14傾斜可以使得能夠從鑿挖切削元件16和與所述鑿挖切削元件附接的刮刀14更有效地衝洗出已經從下方地層移除的鑽屑。因此，與刮刀14不傾斜的實施例相比，減小了鑽屑成球到(即，附著)鑿挖切削元件16和與所述鑿挖切削元件16附接的刮刀14的現象。
[0059]參照圖10，示出了另一種鑽地工具10'的端面20的平面圖。從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14的總數可以是奇數。例如，三個刮刀14可以從鑽地工具10'的本體18延伸。僅僅鑿挖切削元件16可以附接到刮刀14，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量大於與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量。例如，僅僅剪切切削元件12可以附接到一個從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14。因此，在刮刀14的總數為三個的情況下，僅僅鑿挖切削元件16可以附接到至少兩個從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14，以及可以附接到剩餘兩個刮刀14中的每一個。
[0060]從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14可以布置在至少基本等距地間隔開的角位置處。例如，在刮刀14的總數為三個的情況下，每個刮刀14均可以與毗鄰其的刮刀14成大約120°。因此，在刮刀14的總數為三個的情況下，旋轉方向上在前刮刀和旋轉方向上在後刮刀14都可以與任意選定的刮刀14成大約120°。
[0061]參照圖11，示出了又一種鑽地工具10'的端面20的平面圖。從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14的總數可以是奇數。例如，五個刮刀14可以從鑽地工具10'的本體18延伸。僅僅鑿挖切削元件16可以附接到刮刀14，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量大於與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量。例如，僅僅剪切切削元件12可以附接到兩個從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14。因此，在刮刀14的總數為五個的情況下，僅僅鑿挖切削元件16可以附接到至少三個從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14，以及可以附接到剩餘三個刮刀14中的每一個。在其它實施例中，僅僅剪切切削元件12可以附接到大於兩個從鑽地工具1(V的本體18延伸的刮刀14。在這樣的實施例中，僅僅鑿挖切削元件16可以附接到大於三個從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14。
[0062]從鑽地工具10'的本體18延伸的刮刀14可以布置在至少基本等距地間隔開的角位置處。例如，在刮刀14的總數是五個的情況下，每個刮刀14均可以與毗鄰其的刮刀14成大約72°。因此，在刮刀14的總數為五個的情況下，旋轉方向上在前刮刀和旋轉方向上在後刮刀14都可以與任意選定的刮刀14成大約72°。與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14可以定位在至少基本等距地相互間隔開的角位置處。因此，在僅僅鑿挖切削元件16附接到兩個刮刀14並且刮刀14的總數為五個的情況下，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14可以定位成沿著鑽地工具10'的旋轉方向以大約144°間隔開，並且可以定位成沿著與鑽地工具1(V的旋轉方向相反的方向以大約216°間隔開。
[0063]在一些實施例中，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14中的至少一個可以傾斜以沿著一方向延伸，所述方向與在刮刀14的中心軸線與鑽頭本體18的刮刀14從其突出的徑向外表面32的交叉點處相切的線成傾角Θ。例如，與僅僅鑿挖切削元件16附接的五個刮刀14中的三個可以沿著一方向延伸，所述方向與切向於鑽頭本體18的徑向外表面32的線成傾角Θ。因此，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14中的每一個均可以傾斜。在其它實施例中，與僅僅鑿挖切削元件16附接的至少一個刮刀14可以沿著與切向於鑽頭本體8的徑向外表面32的線垂直的方向延伸。例如，刮刀14可傾斜的傾角Θ可以大於45°並且小於90°。作為一個特定的非限制性示例，傾角可以為大約60°、大約70°或者大約80°。在一些實施例中，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14中的每一個傾斜的傾角Θ可以至少基本相等。在其它實施例中，至少一個刮刀14可以傾斜的傾角Θ與至少另一個刮刀14傾斜的傾角Θ不同(例如，大於或者小於)。例如，每個刮刀14可以以與每個其它刮刀14傾斜的傾角Θ不同的獨特傾角Θ傾斜。使得與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14傾斜可以使得能夠從鑿挖切削元件16和與所述鑿挖切削元件16附接的刮刀14更加有效衝洗出已經從下方地層移除的鑽屑。因此，與刮刀14不傾斜的實施例相比，可減小鑽屑成球到(粘著)鑿挖切削元件16和與所述鑿挖切削元件16附接的刮刀14的現象。
[0064]在諸如圖6至圖10中示出的鑽地工具10'中的任意一個鑽地工具10'上，與僅僅鑿挖切削元件16附接的刮刀14的數量大於與僅僅剪切切削元件12附接的刮刀14的數量可以提高鑽地工具10'尤其在混合地層中的性能。例如，在待鑽的地層包括至少一些相對軟區域(諸如沙、頁巖或者粘土的區域)和至少一些相對硬區域(諸如硬石灰巖、硬砂巖、白雲石或者硬石膏的區域)的情況下，附接主要使用剪切切削機構(即，剪切切削元件16)移除下方地層的一些切削元件和附接主要使用鑿挖或壓碎切削機構(即，鑿挖切削元件16)移除下方地層的一些其它切削元件可以提高鑽地工具10'的效率，可以防止損壞鑽地工具10'，以及可以更有效地分配置於鑽地工具10'上的載荷。作為一個特定的非限制性示例，在計劃的鑽進路徑主要通過相對硬地層和至少一種相對軟地層的情況下，剪切切削元件12可以在相對軟地層內提供增強的土移除並且可以減小對鑿挖切削元件16可能造成的磨損。因此，與將僅僅鑿挖切削元件16附接到鑽地工具10'的情況相比，剪切切削元件12可以使得鑽地工具10'能夠更為有效地鑽進通過地層。
[0065]參照圖12A，示出了旋轉引帶鑿挖切削元件16和旋轉跟隨剪切切削元件12。儘管切削元件12和16在鑽孔中旋轉時可以沿著螺旋(例如，螺旋形)路逕行進，但是為了簡化起見，圖解了具有直線路徑17的切削元件12和16。如圖12A所示，旋轉跟隨剪切切削元件12可以切削有一切口，所述切口的中心與旋轉引帶鑿挖切削元件16的切口的中心至少基本對準。因此，在一些實施例中，附接到鑽地工具10'的每個旋轉跟隨剪切切削元件12(見圖7至圖11)可以與對應的旋轉引帶鑿挖切削元件16至少基本對準。在其它實施例中，至少一個旋轉跟隨剪切切削元件12可以偏離於對應的旋轉引帶鑿挖切削元件16。這樣的切削元件構造可以增加與切削元件12和16附接的鑽地工具10'(見圖7至圖11)的穩定性，並且致使鑽地工具10'(見圖7至圖11)自動定心(即，能夠鑽出至少基本豎直的鑽孔)。在一些實施例中，切削元件12和16 了可以具有相等或者不同的暴露量(即，切削元件12和16在與所述切削元件12和16附接的刮刀14上方延伸的距離)，以及可以具有相等或者不同的後傾角和側傾角。
[0066]參照圖12B，示出了旋轉引帶鑿挖切削元件16和旋轉跟隨剪切切削元件12。如圖12B所示，旋轉跟隨剪切切削元件12可以切削有一切口，所述切口的中心偏離旋轉引帶鑿挖切削元件16的切口的中心。在一些實施例中，旋轉跟隨剪切切削元件12的高達一半的直徑可以延伸超出旋轉引帶鑿挖切削元件16的側部。這種切削元件構造可以改進與切削元件12和16附接的鑽地工具10的鑽孔切削元件覆蓋範圍(見圖1至圖5)，這在偏心旋轉(諸如在定向鑽進中)是必需的並且使得鑽地工具(見圖1至圖5)蜿蜒曲折(B卩，鑽出非直線鑽孔，例如，螺旋形鑽孔)的應用中可以是有利的。在一些實施例中，切削元件12和16可以具有相同或者不同的暴露量(即，切削元件12和16在與所述切削元件12和16附接的刮刀14上方延伸的距離)，以及可以具有相等或者不同的後傾角和側傾角。[0067]參照圖12C，示出了旋轉引帶鑿挖切削元件16和旋轉跟隨剪切切削元件12。如圖12C所示，旋轉跟隨剪切切削元件12可以切削有一切口，所述切口的中心偏離旋轉引帶鑿挖切削元件16的切口的中心。在一些實施例中，旋轉跟隨剪切切削元件12的大於一半的直徑可以延伸超出旋轉引帶鑿挖切削元件16的側部。在一些實施例中，切削元件12和16可以具有相等或者不同的暴露量(即，切削元件12和16在與所述切削元件12和16附接的刮刀14上方延伸的距離)，以及可以具有相等或者不同的後傾角和側傾角。
[0068]參照圖12D，示出了旋轉引帶鑿挖切削元件16和旋轉跟隨剪切切削元件12。如圖12D所示，旋轉跟隨剪切切削元件12可以切削有一槽，所述槽的中心偏離所述旋轉引帶鑿挖切削元件16的槽的中心。在一些實施例中，由旋轉跟隨剪切切削元件12所切削的槽都不能與由旋轉引帶鑿挖切削元件16所切削有的槽重疊。在一些實施例中，切削元件12和16可以具有相等或者不同的暴露量(S卩，切削元件12和16在與所述切削元件12和16附接的刮刀14上延伸的距離)，以及可以具有相等或者不同的後傾角和側傾角。
[0069]參照圖13，示出了接合下方地層38的鑿挖切削元件16和剪切切削元件12的簡化剖視圖。附接到鑽地工具10的刮刀14的剪切切削元件12可以以負後傾角40定向。附接到鑽地工具10的刮刀14的鑿挖切削元件16可以以正後傾角42定向。當鑽地工具10在鑽孔內旋轉時，剪切切削元件12和鑿挖切削元件16中的至少一些可以接合下方地層38，以便於其移除。例如，鑿挖切削元件16可以進行鑿挖和壓碎，這對於移除地層38的以巖層44為特徵的相對較硬的部分尤為有效。比較而言，剪切切削元件12可以進行剪切，這對移除地層38的相對較軟的部分46尤為有效。另外，鑿挖切削元件16可以諸如通過壓碎下方地層的硬部分而破壞下方地層38，從而產生破壞帶，所述破壞帶與由剪切切削元件12所產生的破壞帶相比具有更大的深度，如圖13所示。
[0070]參照圖14至圖19，示出了可以附接到諸如圖1至圖5中示出的鑽地工具10和圖7至圖11中示出的鑽地工具10'中的任意一種鑽地工具的鑿挖切削元件16的剖視圖。鑿挖切削元件16可以包括聚晶超研磨材料48，所述聚晶超研磨材料在界面52處附接到襯底50的端部。聚晶超研磨材料48可以包括構造成鑿挖和壓碎地層的多種形狀，所述多種形狀諸如是鑿形、圓頂形、圓錐形以及本領域中已知的其它形狀。襯底50可以包括構造成支撐聚晶超研磨材料48的形狀(諸如圓柱形)。聚晶超研磨材料48之間的界面52在一些實施例(例如圖15所示)中可以是平面的。在其它實施例中，諸如在圖14和圖16至圖18中示出的那些實施例中，聚晶超研磨材料48之間的界面52可以包括非平面界面設計，諸如一系列突出部和凹陷部、同心環、徑向延伸的梯級和本領域中已知的其他非平面界面設計。
[0071]參照圖20和21，示出了可以附接到諸如在圖1至圖5示出的鑽地工具10和在圖7至11中示出的鑽地工具10'中的任意一種鑽地工具的剪切切削元件12的剖視圖。剪切切削元件12可以包括聚晶超研磨材料48，所述聚晶超研磨材料在界面52處附接到襯底50的端部。聚晶超硬材料48可以包括構造成剪切地層的形狀，所述形狀諸如是盤狀、圓柱形和本領域中已知的其它形狀。襯底50可以包括構造成支撐聚晶超研磨材料48的形狀(諸如圓柱體)。聚晶超研磨材料48之間的界面52在一些實施例(例如如圖20所示)中可以是平面的。在其它實施例中，例如如圖21所示，聚晶超研磨材料48之間的界面52可以包括非平面界面設計，諸如一系列突出部和凹陷部、同心環、徑向延伸的梯級和本領域中已知的其它非平面界面設計。[0072]聚晶超研磨材料48可以包括例如合成金剛石、天然金剛石、合成金剛石和天然金剛石的組合、立方氮化硼、氮化碳和本領域中已知的其它聚晶超研磨材料。在一些實施例中，在用於形成聚晶超研磨材料48的工藝(通常為高溫/高壓「HTHP」工藝)中使用的催化劑材料可以布置在超研磨材料的相互結合晶粒之間的空隙空間中。在其它實施例中，可以從聚晶超研磨材料48的超研磨材料的相互結合晶粒之間的間隙空間中移除催化劑材料中的至少一些(例如，使用溶浸劑(諸如王水))。
[0073]用於形成聚晶超研磨材料的HTHP工藝的一個示例可以包括在大於大約5.0GPa的壓力條件下和在大於大約1，400°C的溫度條件下在熱壓力機中按壓超研磨材料的多個顆粒(例如，晶粒或者晶體)，儘管HTHP工藝的準確操作參數將根據正在使用的各種材料的具體成分和數量而發生變化。熱壓力機中的壓力可以大於大約6.5MPa (例如，大約7GPa)，並且在一些實施例中可以甚至超過8.0GPa。而且，正被燒結的材料可以保持這樣的溫度和壓力一段時間，所述一段時間介於大約30秒至大約20分鐘之間。
[0074]襯底50可以包括適於在鑽地應用中使用的硬質材料。硬質材料可以包括例如陶瓷金屬合成材料(即，「金屬陶瓷」材料)，所述陶瓷金屬合成材料包括分散在金屬基底材料中的多個硬質陶瓷顆粒。硬質陶瓷顆粒可以包括碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(b4c))。更具體地，硬質陶瓷顆粒可以包括由諸如鎢、鈦、鑰、鈮、釩、氟化氫、鉭、鉻、鋯、鋁和矽的元素製成的碳化物和硼化物。舉例說明而非限制性地，可以用於形成硬質陶瓷顆粒的材料包括碳化鎢、碳化鈦(Tic)、碳化鉭(TaC)、碳化鈦(TiB2)、碳化鉻、氮化鈦(TiN)、氧化鋁(A1203)、氮化鋁(AlN)和碳化矽(SiC)。陶瓷金屬複合材料的金屬基底材料可以包括例如鈷基合金、鐵基合金、鎳基合金、鐵和鎳基合金、鈷和鎳基合金、以及鐵和鈷基合金。基底材料還可以選自商業上的純元素，諸如，鈷、鐵和鎳。作為一個特定的非限制性示例，硬質材料可以在鑽基底中包括多顆碳化鶴顆粒，在本領域中稱為鑽鶴硬質合金。
[0075]包括從鑽頭本體18延伸的刮刀14，鑽頭本體18可以包括適於在鑽地應用中使用的材料。例如，鑽頭本體18可以包括與襯底50相結合的先前描述的硬質材料中的任意一種。也考慮其它材料，諸如鐵和鋼。在一些實施例中，超研磨材料的顆粒可以分散在鑽頭本體18中並且至少部分地嵌入所述鑽頭本體18內。在一些實施例中，表面硬化可以應用於在鑽地工具10和10'的外表面，例如應用於刮刀14上、應用於排屑槽30內和應用於在保徑區域24上。
[0076]可以使用本領域中已知的傳統工藝(諸如例如機加工、鑄造和燒結)來形成鑽頭本體18。同樣，剪切切削元件12和鑿挖切削元件16可以通過例如釺焊、機械幹涉和本領域中已知的其它附接方式而附接到鑽地工具10或10'的刮刀14。
[0077]儘管在此已經針對某些實施例描述了本發明，但是本領域中的那些普通技術人員應當承認並且認識到的是本發明並不受此限制。而是，在不悖離本發明的此後聲明的範圍的前提下，可以對在此所描述的實施例做出很多添加、刪除和修改。另外，來自一個實施例的特徵可以與另一個實施例中的特徵相組合，而仍然包括在由本發明人所關注的本發明的範圍內。
[0078]結論
[0079]在一些實施例中，地鑽鑽頭包括鑽頭本體,所述鑽頭本體具有多個徑向延伸的刮刀和附接到所述多個徑向延伸刮刀的多個切削元件。僅僅鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少一個刮刀。僅僅剪切切削元件附接到所述多個徑向延伸刮刀的至少另一個刮刀。多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量不同於多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量。
[0080]在其它實施例中，用於形成地鑽鑽頭的方法包括形成鑽頭本體，所述鑽頭本體包括多個徑向延伸的刮刀。僅僅鑿挖切削元件附接到多個徑向延伸刮刀中的至少一個刮刀。僅僅剪切切削元件附接到多個徑向延伸刮刀中的至少另一個刮刀。與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量不同於與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量。
[0081]下面描述了本公開的其它非限制性、說明性實施例。
[0082]實施例1:地鑽鑽頭包括鑽頭本體,所述鑽頭本體具有多個徑向延伸刮刀和附接到所述多個徑向延伸刮刀的多個切削元件。僅僅鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少一個刮刀。僅僅剪切切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少另一個刮刀。僅僅鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的多個刮刀，多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量不同於多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量。
[0083]實施例2:如實施例1所述的地鑽鑽頭，其中，多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量大於多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量。
[0084]實施例3:如實施例2所述的地鑽鑽頭，其中，與僅僅鑿挖切削元件附接的至少一個刮刀位於一角位置處，所述角位置與所有刮刀精確等距地間隔開的情況相比更加旋轉更靠近與僅僅剪切切削元件附接的緊鄰的旋轉方向上在前刮刀。
[0085]實施例4:如實施例2或3所述的地鑽鑽頭，其中，僅僅鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的僅僅一個刮刀。
[0086]實施例5:如實施例2或3所述的地鑽鑽頭，其中，僅僅鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少兩個刮刀。
[0087]實施例6:如實施例5所述的地鑽鑽頭，其中，多個徑向延伸刮刀中的所述至少兩個刮刀位於至少基本等距地相互間隔開的角位置處。
[0088]實施例7:如實施例1所述的地鑽鑽頭，其中，所述多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量大於所述多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量。
[0089]實施例8:如實施例7所述的地鑽鑽頭，其中，僅僅剪切切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的僅僅一個刮刀。
[0090]實施例9:如實施例7所述的地鑽鑽頭，其中，僅僅剪切切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少兩個刮刀。
[0091]實施例10:如實施例9所述的地鑽鑽頭，其中，所述多個徑向延伸的刮刀中的至少兩個刮刀位於基本等距地相互間隔開的角位置處。
[0092]實施例11:如實施例7至10中的任意一個所述的地鑽鑽頭，其中，多個刮刀中的與僅僅鑿挖切削元件附接的至少一個刮刀沿著一方向從鑽頭本體延伸，所述方向與所述至少一個刮刀的中心軸線和鑽頭本體的所述至少一個刮刀從其突出的徑向外表面的交叉點處的切線成一傾角。[0093]實施例12:如實施例1至11中的任意一個所述的地鑽鑽頭，其中，鑿挖切削元件包括聚晶超研磨材料，所述聚晶超研磨材料為圓頂形、鑿形和圓錐形中的至少一種。
[0094]實施例13:如實施例1至12中的任意一個所述的地鑽鑽頭，其中，剪切切削元件包括盤狀的聚晶超研磨材料。
[0095]實施例14:如實施例1至13中的任意一個所述的地鑽鑽頭，其中，多個切削元件包括切削結構，所述切削結構包括聚晶超研磨材料，所述聚晶超研磨材料附接到包括硬質材料的襯底的端部。
[0096]實施例15:如實施例1至14中的任意一個所述的地鑽鑽頭，其中，鑿挖切削元件和剪切切削元件中的僅僅一種附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的每一個刮刀。
[0097]實施例16:—種用於形成地鑽鑽頭的方法包括形成鑽頭本體，所述鑽頭本體包括多個徑向延伸的刮刀。僅僅鑿挖切削元件附接到多個徑向延伸的刮刀中的至少一個刮刀。僅僅剪切切削元件附接到多個徑向延伸的刮刀中的至少另一個刮刀。與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量不同於與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量。
[0098]實施例17:如實施例16所述的方法，其中，將僅僅鑿挖切削元件附接到多個徑向延伸的刮刀中的至少一個刮刀包括:將僅僅鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少兩個刮刀。
[0099]實施例18:如實施例17所述的方法，所述方法還包括將多個徑向延伸的刮刀中的至少兩個刮刀定位在至少基本等距地相互間隔開的角位置處。
[0100]實施例19:如實施例17或18所述的方法，所述方法還包括將鑿挖切削元件和剪切切削元件中的僅僅一種附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的每一個刮刀。
[0101]實施例20:如實施例16至19中的任意一個所述的方法，所述方法還包括使用HTHP工藝來形成鑿挖切削元件或者剪切切削元件中的至少一種，所述HTHP工藝包括使得包括超研磨材料的多個顆粒經受至少7.0GPa的壓力和至少1，400°C的溫度介於30秒鐘至20分鐘之間。
【權利要求】
1.一種地鑽鑽頭,包括: 鑽頭本體，所述鑽頭本體具有多個徑向延伸的刮刀和多個切削元件，所述多個切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀； 其中，僅僅鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少一個刮刀； 僅僅剪切切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少另一個刮刀；以及 所述多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量不同於所述多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量。
2.根據權利要求1所述的地鑽鑽頭，其中，所述多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量大於所述多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量。
3.根據權利要求2所述的地鑽鑽頭，其中，與僅僅鑿挖切削元件附接的至少一個刮刀以一角位置定位，與所有刮刀精確等距地間隔開的情況相比，所述角位置旋轉地更靠近與僅僅剪切切削元件附接的緊鄰的旋轉方向上在前刮刀。
4.根據權利要求2所述的地鑽鑽頭，其中，僅僅鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的僅僅一個刮刀。
5.根據權利要求2所述的地鑽鑽頭，其中，僅僅所述鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少兩個刮刀。
6.根據權利要求 5所述的地鑽鑽頭，其中，所述多個徑向延伸的刮刀中的所述至少兩個刮刀位於至少基本等距地相互間隔開的角位置處。
7.根據權利要求1所述的地鑽鑽頭，其中，所述多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量大於所述多個徑向延伸的刮刀中的與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量。
8.根據權利要求7所述的鑽地工具，其中，所述僅僅剪切切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少一個刮刀。
9.根據權利要求7所述的地鑽鑽頭，其中，所述僅僅剪切切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少兩個刮刀。
10.根據權利要求9所述的地鑽鑽頭，其中，所述多個徑向延伸的刮刀中的至少兩個刮刀位於至少基本等距地相互間隔開的角位置處。
11.根據權利要求7所述的地鑽鑽頭，其中，所述多個刮刀中的與僅僅鑿挖切削元件附接的至少一個刮刀沿著一方向從所述鑽頭本體延伸，所述方向與所述至少一個刮刀的中心軸線和所述至少一個刮刀從所述鑽頭本體突出的鑽頭本體徑向外表面的交叉點處的切線成一傾角。
12.根據權利要求1所述的地鑽鑽頭，其中，所述鑿挖切削元件包括聚晶超研磨材料，所述聚晶超研磨材料是圓頂形、鑿形和圓錐形中的至少一種。
13.根據權利要求1所述的地鑽鑽頭，其中，所述剪切切削元件包括盤狀的聚晶超研磨材料。
14.根據權利要求1所述的地鑽鑽頭，其中，所述多個切削元件包括切削結構，所述切削結構包括聚晶超研磨材料，所述聚晶超研磨材料附接到包括硬質材料的襯底的端部。
15.根據權利要求1所述的地鑽鑽頭，其中，鑿挖切削元件和剪切切削元件中的僅僅一種附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的每一個刮刀。
16.一種用於形成地鑽鑽頭的方法，包括: 形成鑽頭本體，所述鑽頭本體包括多個徑向延伸的刮刀； 將僅僅鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少一個刮刀； 將僅僅剪切切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少另一個刮刀； 與僅僅剪切切削元件附接的刮刀的數量不同於與僅僅鑿挖切削元件附接的刮刀的數量。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，將僅僅鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少一個刮刀包括:將僅僅鑿挖切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的至少兩個刮刀。
18.根據權利要求17所述的方法，還包括: 將所述多個徑向延伸的刮刀中的至少兩個刮刀定位在基本等距地相互間隔開的角位置處。
19.根據權利要求17所述的方法，還包括: 將所述鑿挖切削元件和所述剪切切削元件中的僅僅一種切削元件附接到所述多個徑向延伸的刮刀中的每一個刮刀。
20.根據權利要求16所述的方法，還包括: 使用HTHP工藝來形成所述鑿挖切削元件或者所述剪切切削元件中的至少一種，所述HTHP工藝包括使得包括超研磨材料的多個顆粒經受至少7.0GPa的壓力和至少1400°C的溫度介於30秒鐘至20分鐘之間。
【文檔編號】E21B10/43GK103502556SQ201280021856
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年4月20日 優先權日:2011年5月5日
【發明者】D·加維亞, N·J·萊昂斯, J·M·比倫, D·E·斯科特, R·C·佩斯西爾 申請人:貝克休斯公司