形成用于容纳钻头切削元件的凹窝的方法

专利名称：形成用于容纳钻头切削元件的凹窝的方法
技术领域：
本发明总体上涉及钻地工具以及形成钻地工具的方法。更具体地， .明劲 成的工具，
背景技术：
旋转钻头通常用于在地层内钻孔或钻井。 一种类型的旋转钻头是 固定切削件式钻头(常称作"刮刀"钻头)，其典型地包括多个固定到 钻头体的钻头端面区域的切削元件。通常，固定切削件式钻头的多个 切削元件具有盘形形状，或者在某些情况下具有更长的大体圆柱形形 状。在各切削元件的基体的大体圆形端表面上可以设置包括硬质超研 磨材料一一例如形成所谓的"金刚石片"的多晶金刚石的互相束缚颗 粒一一的切削表面。这种切削元件常称作"聚晶金刚石复合片(PDC )" 切削元件或切削件。典型地，PDC切削元件与钻头体分开制造，并固 定在形成于钻头体外表面内的凹窝内部。可使用诸如粘合剂或更典型 采用的硬钎焊合金的结合材料将切削元件固定到钻头体。
旋转钻头的钻头体典型地固定到硬化钢质钻头接头部分，钻头接 头部分具有用于将钻头体附接到钻柱的符合美国石油协会(API)定义的螺紋连接部。钻柱包括位于钻头和地面处的其它钻进设备之间首 尾耦联的管形钻杆以及设备节段。可以使用诸如转盘或顶部驱动装置 的设备来使钻柱和钻头在钻孔内转动。替代性地，钻头的钻头接头部 分可直接耦联到井下马达的驱动轴，然后井下马达可用于转动钻头。
参见图1，传统的固定切削件式钻地旋转钻头10包括钻头体12， 其具有总体上沿径向突出并沿纵向延伸的翼部或刀翼14，刀翼14由 自钻头体12的钻头端面20上的沟槽延伸的排屑槽16分开。多个PDC 切削元件18设置在延伸于钻头体12的钻头端面20上的刀翼14上。 钻头体12的钻头端面20包括刀翼14的配置成与被钻地层接合的表 面、以及钻头体12的位于沟槽和排屑槽16内部的外表面的外表面。 多个PDC切削元件18可沿着各刀翼14设置于在刀翼14的就旋转方 向而言的前边缘内所形成的切削元件凹窝22的内部，PDC切削元件 18可由支撑部24从后面支撑，支撑部24可与钻头体12 —体形成。
钻头IO可进一步包括用于将钻头IO附接到钻柱(未示出)的API 螺紋接头部分30。此外，纵向孔(未示出)沿纵向延伸穿过钻头体12 的至少一部分，且内部流体通道(未示出)在该纵向孔与设置在钻头 体12的钻头端面20处的喷嘴32 (其在延伸至排屑槽16的沟槽上敞 开)之间提供流体连通。
在钻进操作过程中，钻头IO位于井眼底部处，并在钻井液通过纵 向孔、内部流体通道、以及喷嘴32被泵抽到钻头体12的钻头端面20 的同时转动。当钻头10转动时，PDC切削元件18刮削并剪切底下的 地层。地层钻屑与钻井液混合并悬浮于钻井液中，且通过排屑槽16 并向上通过井眼壁和钻柱外表面之间的环形空隙到达地层表面。
固定切削件式旋转钻头10的钻头体12可由钢制成。这种钢制钻 头体通过加工钢坯(利用包括诸如车削、铣削、钻孔的传统加工工艺) 以形成刀翼14、排屑槽16、凹窝22、支撑部24、内部纵向孔和流体 通道(未示出)、以及钻头10的其它特征而典型地制成。
钻地旋转钻头的切削元件18常具有大体圆柱形状。因此，为了形 成用于在其内容纳这种切削元件18的凹窝22，可能必需或希望在钻
6头体内形成具有端部平坦的直柱形状的凹部。这种凹部可通过例如使 到钻头体内而加工形成钻头体。这种加工操作可产生如下的切削元件
凹窝22:其具有大体圆柱形表面和大体平面形端表面，以用于将大体 圆柱形切削元件18设置并钎焊于其内。
但是，在一些情形下，加工这种大体圆柱形切削元件凹窝22可能 有困难。例如，在所使用的加工设备(例如多轴铣床)与钻头的与希 望在其上加工切削元件凹窝22的刀翼相邻的刀翼之间可能会有物理 干涉。更具体地，这种物理干涉可能会限制加工工具沿着通常沿其旋 转轴线对齐的希望加工路径行进，这是因为加工工具和保持加工工具 的夹头或夹盘中的至少一个可能会接触邻近刀翼。结果，为了借助于 诸如端铣刀的底部平坦的加工工具形成希望的切削元件凹窝22,可能 需要加工工具移除例如相邻的就旋转方向而言的前刀翼的一部分。作
为进一步复杂化因素，钻头常在其钻头端面上具有径向中心"内锥，， 区。在这种内锥区内，钻头的端面的轮廓在其接近钻头的端面的中心 时在与钻进方向相反的纵向上逐渐变尖。因此，在钻头中心附近，使 用端部平坦的加工工具来形成大体圆柱形切削元件的凹部可能极其困难。
这种工具路径的干涉问题导致可能必需将一个或多个切削元件凹 窝22在钻地旋转钻头的钻头端面上成如下角度定向该角度造成固定 于切削元件凹窝22内的切削元件18具有比希望后预定角度大的后预 定角度。
在现有技术中已给出用于克服这种工具路径干涉问题的方法。例 如，授权给Sherwood，Jr.等人的美国专利No. 7,070,011公开了钢制本 体的旋转钻头，其具有设置于由切削件支撑元件部分地限定的切削件 凹窝内的主切削元件。支撑元件在钻头制造过程中固定到钢制本体。 各切削元件的本体的至少一部分固定到钢制钻头体的表面，且各切削 元件的本体的至少另一部分以匹配的方式接合支撑元件之一的表面。
但是，该现有技术仍继续需要能避免上述工具路径干涉问题并且的方法。 发明内容在一些实施方式中，本发明包括在诸如固定切削件式旋转钻头、 牙轮旋转钻头、取心钻头、偏心钻头、双心钻头、扩眼钻头、铣磨钻 头等钻地工具的表面内形成一个或多个切削元件凹窝的方法。该方法 包括以避免机械工具干涉问题的方式使用旋转刀具来加工切削元件凹 窝的至少一部分，以及形成凹窝以充分支撑其内的切削元件。例如， 本发明的方法可包括使用相对于待形成的切削元件凹窝的纵向轴线成 预定角度定向的旋转切削工具来加工切削元件凹窝的至少一部分。在 一些实施方式中，可使用相对于正形成的切削元件凹窝的纵向轴线成 预定角度定向的旋转切削工具来在钻地工具的钻头体内加工出第一凹 部，以限定切削元件凹窝的横向侧壁表面。可在钻头体内加工出附加 凹部，以限定切削元件凹窝的端表面的至少一部分。因为切削元件常 是大体圆柱形形状，因此切削元件凹窝的横向侧壁表面和端表面可形 成为使得大体圆柱形切削元件能够同时抵接切削元件凹窝的横向侧壁 表面和端表面。在附加实施方式中，该方法可包括在钻头体内形成限定切削元件 凹窝的横向侧壁表面的第一表面。可以使第一表面的至少一部分具有 以切削元件凹窝的纵向轴线为中心的大体圆柱形形状。可形成大体平 面形的、限定切削元件凹窝的后端表面的第二表面。进一步地，可形 成至少一个附加表面，其限定位于第一表面和第二表面之间的沟槽。 可使得所述至少一个附加表面沿着从切削元件凹窝的纵向轴线大体径 向向外方向的延伸，并延伸超出第一表面的至少一部分并进入钻头体内。在附加实施方式中，本发明包括形成钻地工具(例如上文提及的那些)的方法。该方法包括形成钻头体；使用旋转刀具以避免机械 工具干涉问题并容许凹窝形成为充分支撑其内的切削元件的方式在钻头体内加工切削元件凹窝的至少一部分(如前述和下文进一步详述的 那样)。在另外的附加实施方式中，本发明包括具有钻头体的钻地工具，钻头体包括第一表面，其限定切削元件凹窝的横向侧壁表面；第二 表面，其限定切削元件凹窝的端表面；以及至少一个附加表面，其限 定位于第一表面和第二表面之间的沟槽，沟槽以使切削元件能够抵接 切削元件凹窝的横向侧壁表面和端表面的每一个的区域的方式延伸进 钻头体内。在一些实施方式中，切削元件凹窝可配置成在其内容纳大 体圆柱形切削元件。例如，在一些实施方式中，第一表面的限定切削 元件凹窝横向侧壁表面的至少一部分可为大体圆柱形形状，并且可以以切削元件凹窝的纵向轴线为中心。在这种实施方式中，该至少一个 附加表面可限定沿着从切削元件凹窝的纵向轴线大体径向向外的方向 延伸并径向超出第一表面的大体圆柱形部分而进入钻头体内。


尽管说明书以权利要求书进行了总结，并且权利要求书特别指出 并清楚地要求了本发明的保护范围，但当结合附图研读本发明的后述具体实施方式
之后，可更容易地确定本发明的各种特征和优点，其中图l是钻地旋转钻头的立体图；图2A是与图1示出的相似的钻地旋转钻头的钻头体的局部剖视 图，并且示出了根据本发明的一个实施方式在钻头体内所形成的切削 元件凹窝的一部分；图2B是沿图2A中示出的剖切线2B-2B横贯图2A中示出的部 分形成的切削元件凹窝得到的局部剖视图；图3是与图2A的相似的局部剖视图，示出了设置于该部分形成 的切削元件凹窝内部的切削元件；图4A是与图2A的相似的局部剖视图，并且示出了在图2A内示 出的在钻头体内所形成的切削元件凹窝的另一部分；图4B是沿图4A中示出的剖切线4B-4B横贯图4A中示出的切削元件凹窝的局部剖视图；图5是与图4A的相似的局部剖视图，示出了设置于切削元件凹 窝内部并同时抵接切削元件凹窝的横向侧壁和端壁的区域的切削元 件；图6是钻头体的局部剖视图，并示出了根据本发明另一实施方式 在钻头体内所形成的切削元件凹窝的一部分；图7是钻头体的局部剖视图，并示出了根据本发明又一实施方式 在钻头体内所形成的切削元件凹窝的一部分；图8是与图7的相似的局部剖视图，并示出了图7中示出的在钻 头体内所形成的切削元件凹窝的另一部分；图9A是与图5的相似的局部纵向剖视图，进一步示出了绕切削 元件凹窝内部的切削元件设置在切削元件凹窝内部的填料；图9B是沿图9A中示出的剖切线9B-9B横贯图9A中示出的结 构的局部剖视图，并示出了设置于切削元件凹窝内部并覆盖切削元件 凹窝内的切削元件的附加填料；图IO是与图9B的相似的另一局部横剖视图，示出了大体完全覆 盖切削元件的位于切削元件凹窝内部的部分的填料；图11是切削元件实施方式的侧视图；图12是本发明切削元件的实施方式的侧视图；图13A是具有多个与图4A和4B中示出的相似的切削元件的本 发明的钻地旋转钻头实施方式的端面的平面图；图13B是图13A中示出的钻头的两个主切削元件的放大立体图， 且两个主切削元件各自设置于与图4 A和4 B中示出的相似的切削元件 凹窝内部；以及图13C是图13A示出的钻头的两个副切削元件的放大立体图，且 两个副切削元件各自设置于与图4 A和4 B示出的相似的切削元件凹窝 内部。
具体实施方式
本文的图示在一些情况下不是任何特定切削元件嵌入物、切削元 件或钻头的实际视图，而仅是用于描述本发明的理想化图示。另外， 附图之间的共同元件可能会使用同 一附图标记。在一些实施方式中，本发明包括用于形成切削元件凹窝的方法(其 避免或克服了与形成这种凹窝的前述已知方法有关的干涉问题中的至 少 一些问题)以及利用这种方法所形成的切削元件凹窝。图2A是钻头体50的局部剖视图，并示出了在钻头体50的地层 接合表面54内形成的、限定了钻头体50的位于切削元件凹窝内部的 至少一个表面55的第一凹部52。凹部52可利用加工工艺形成于钻头 体50内。举例而言且并非限制，凹部52可利用多轴铣床(未示出) 的转动刀具56形成。在一些实施方式中，铣床的刀具56可包括所谓 的"端铣刀"刀具，并且可选地可包括所谓的"球头"端铣刀刀具， 当铣削三维表面时经常使用这些刀具。本文所用术语"球头"端铣刀 刀具意指在其端部上具有弯曲状或圆形(例如半球形)的切削轮廓的 端铣刀刀具。在一些方法中，刀具56可具有比待由刀具56形成的表 面55的最小曲率半径要小得多的半径。在一些实施方式中，待要固定到钻头体50的钻头端面54并固定 到切削元件凹窝内的切削元件可具有大体圆柱形本体，其包括在两个 大体平面形端表面之间延伸的大体圆柱形横向侧壁表面。这种构造通 常用于聚晶金刚石复合片(PDC)切削件。结果，待形成的切削元件 凹窝也可具有与待固定于其内的切削元件互补的大体圆柱形形状。图2B是沿图2A所示剖切线2B-2B横贯凹部52得到的图2A所 示钻头体50的剖视图。如结合参照图2A和2B能看到的，钻头体50 的位于凹部52内的表面55可包括待形成的切削元件凹窝的横向侧壁 表面，且横向侧壁表面55的至少一部分58 (图2B)可具有大体圆柱 形形状。表面55的大体圆柱形部分58可以以切削元件凹窝的纵向轴 线60 (图2A)为中心。切削元件凹窝的纵向轴线60可定义为延伸穿 过切削元件凹窝的如下轴线该轴线将会与适当地固定在切削元件凹 窝内部的如图2B所示，表面55具有三维轮廓或形状，并且可通过如下方 式加工而成，即在刀具56相对于纵向轴线60 (图2A)成直角(即 九十度(90°C ))或锐角(即介于零度(0°C )和九十度(90°C )之间) 定向的同时沿图2A和2B中所示方向箭头的标示方向移动刀具56。 在钻头体50内加工凹部52时，根据需要或希望可改变刀具56和纵向 轴线60之间的角度。因为钻头体50的表面55可利用刀具56相对于 纵向轴线60 (图2A)成直角(即九十度(90'C))或锐角(即介于零 度(0°C )和九十度(90°C )之间)定向(其不同于与纵向轴线60对 齐的情形)加工而成，因此可减少或消除与在钻头体内加工出凹部以 形成切削元件凹窝的前述机械干涉问题。再次参见图2A，在加工钻头体50的位于凹部52内部的表面55 时，也可形成钻头体50的大体平面形前(就旋转方向而言在前)端表 面64和大体平面形后(就旋转方向而言在后)端表面66。弯曲状或 所谓的"圆角化"表面68可在横向侧壁表面55和各端表面64、 66 之间延伸，也如图2A所示。图3是与图2A的相似的纵向剖视图，并示出了设置于凹部52内 部的切削元件18。如参见图3能够了解的，设置于横向侧壁表面55 和大体平面形后端表面66之间的弯曲状或圆角化表面68使得大体圆 柱形切削元件18不能同时抵接钻头体50的横向侧壁表面55和大体平 面形后端表面66这两者的任何大面积区域。可能希望使切削元件18 能够同时抵接横向侧壁表面55和大体平面形后端表面66中的每一个 的区域，以在钻进操作过程中给切削元件18提供增加的或最大的支撑 和增强。参见图4A，为了使切削元件18能够同时抵接钻头体50的位于切 削元件凹窝内部的横向侧壁表面55和大体平面形后端表面66的区域 (而非仅以一点或沿接触线抵接)，可在钻头体50内、于凹部52内部 的大体平面形后端表面66和横向侧壁表面55之间相交处或其附近形 成附加的凹部或沟槽70，从而去除大体平面形后端表面66和横向侧 壁表面55之间的弯曲状或圆角化表面68，形成本发明的切削元件凹12窝80的实施方式。这种去除或取代位于凹部52内部的大体平面形后 端表面66和横向侧壁表面55之间的弯曲状或圆角化表面68的工艺可 称作"下切"凹部52的端部，且附加的凹部或沟槽70可为待要固定 于切削元件凹窝80内部的切削元件提供所谓的"下切部"或"退切部"。图4B是沿图4A所示剖切线4B-4B横贯附加凹部或沟槽70得 到的图4A所示钻头体50的剖视图。如结合参照4A和4B能够看到 的，附加凹部或沟槽70可由钻头体50的一个或多个表面72限定，该 一个或多个表面72沿着从切削元件凹窝80的纵向轴线60 (图4A) 大致径向向外的方向延伸，并且沿径向超过横向侧壁表面55的至少大 体圆柱形部分58。在一些实施方式中，附加凹部或沟槽70的至少一 部分可具有大体环形形状，并可绕切削元件凹窝80的纵向轴线60、 在凹部52内部的大体平面形后端表面66和横向侧壁表面55之间相交 处或其附近延伸。附加凹部或沟槽70可利用前文与参照图2A和2B所示凹部52描 述的工艺大致相似的加工工艺而形成，并且可利用相对于切削元件凹 窝80的纵向轴线60倾斜一定角度(即直角或锐角)定向的旋转刀具 56加工而成。在一些实施方式中，附加凹部或沟槽70可利用与用于 形成凹部52相同的旋转刀具56而形成于钻头体50内，且沟槽70可 与凹部52在同一加工工艺或工序过程中形成。例如，在一些实施方式 中，凹部52和沟槽70可在由铣床执行的单一加工工艺或工序中顺次 形成。作为另一示例，在一些实施方式中，凹部52和沟槽70可在由 铣床执行的单一加工工艺或工序中大致同时地一起形成。在另外一些 其它实施方式中，凹部52和沟槽70可在不同加工工艺或工序中顺次 形成。参见图5，通过形成附加凹部或沟槽70从而下切凹部52，切削元 件凹窝80的大体平面形后端表面66的尺寸和构造能够容许切削元件 18的横向侧壁表面26和大体平面形后端表面28同时分别抵接钻头体 50的位于切削元件凹窝80内部的横向侧壁表面55和大体平面形后端 表面66。换句话^兌，通过形成附加凹部或沟槽70，从而下切凹部52,使得由横向侧壁表面55的至少所述部分58在后端表面66上的投影所 限定的边界围绕的后端表面66的区域为大体平面形，可增加切削元件 凹窝80的大体平面形后端表面66的接触面积。在这种构造中，切削 元件18能同时地抵接切削元件凹窝80内部的横向侧壁表面55和大体 平面形后端表面66中的每一个，如图5所示。
如前所述，附加凹部或沟槽70可利用相对于切削元件凹窝80的 纵向轴线60成直角定向的多走转刀具56而在钻头体50内加工而成，如 图4A所示。在本发明的附加实施方式中，附加凹部或沟槽70可利用 相对于切削元件凹窝80的纵向轴线60倾斜小于九十度(90°C )的锐 角定向的旋转刀具56在钻头体50内加工而成，如图6所示。作为非 限制性示例，当形成附加凹部或沟槽70时，切削件56可相对于切削 元件凹窝80的纵向轴线60倾斜介于约九十度(90。C )和约三十度(30 。C)之间的锐角定向。在一些这样的方法中，切削元件凹窝80内部的 横向侧壁表面55和大体平面形后端表面66都被附加凹部或沟槽70 下切，也如图6所示。
如前所述，在本发明的一些实施方式中，凹部52可先于附加凹部 或沟槽70形成，且附加凹部或沟槽70可形成于钻头体50的暴露于凹 部52内部的一个或多个表面内、或者与该一个或多个表面相交。在附 加实施方式中，附加凹部或沟槽70可在形成凹部52之前形成，且凹 部52可形成于钻头体50的暴露于附加凹部或沟槽70内部的一个或多 个表面内、或者与该一个或多个表面相交。
参见图7，举例而言，凹部或沟槽70，可在钻头体50内形成以形 成钻头体的大体平面形表面66。例如，在一些实施方式中，凹部或沟 槽70，可为大体平面形或盘形形状，并且可大致垂直于纵向轴线60定 向。这种大体平面形凹部或沟槽70，可由以下表面部分地限定钻头 体50的暴露于凹部或沟槽70，内部的大体平面形表面66;钻头体50 的暴露于凹部或沟槽70，内部的与大体平面形表面66相对的、第二大 体平面形表面67;以及在钻头体50的第一大体平面形表面66和第二 大体平面形表面67之间延伸、并且暴露于凹部或沟槽70，内部的一个
14或多个表面72。凹部或沟槽70，可以以与前文结合沟槽70以及图4A 和4B描述的方式相似的方式在钻头体50内加工而成。
如图8所示，然后可在钻头体50内形成凹部52，以限定切削元件 凹窝80的横向侧壁表面55。可使凹部52，与钻头体50的暴露于凹部 或沟槽70，内的第二大体平面形表面67，(图7)相交。凹部52，可以以 与前文结合凹部52以及图2A和2B描述的方式相似的方式在钻头体 50内加工而成。
在形成凹部或沟槽70，和凹部52，之后，第一大体平面形表面66 可限定切削元件凹窝80的大体平面形后端表面，且横向侧壁表面55 可限定切削元件凹窝80的横向侧壁表面。
虽然图4A、 4B及5中所示的切削元件凹窝80被配置成在其内容 纳大体圆柱形切削元件18，在其它实施方式中，包括凹部52和附加 凹部或沟槽70的切削元件凹窝80可配置成容纳具有其它形状和构造 的切削元件18。
本发明能用于具有大体由诸如钢的金属或金属合金形成的钻头体 的钻地旋转钻头。近来，已努力发展了形成具有包括颗粒胎体复合材 料的钻头体的新方法，以改进钻地旋转钻头的性能和耐用性。在待审 的2005年11月10日申请的美国专利申请No. 11/271,153、以及待审 的同样于2005年11月10日申请的美国专利申请No. 11/272,439中公 开了这样的方法。
与传统渗透方法(其中，硬颗粒(例如碳化鴒)在耐熔模具内由 熔融的液体金属胎体材料(例如铜基合金)渗透)相比而言，这些新 方法通常包括对粉末混合物施压以形成生粉末压缩物、并且烧结生粉 末压缩物以形成钻头。如果必需或希望，生粉末压缩物可在烧结之前 利用与用于形成钢制钻头体的那些方法相似的传统加工技术进行加 工。此外，可在将生粉末压缩物烧结成已部分烧结的褐色状态之后， 或者在将生粉末压缩物烧结成希望的最终密度之后，执行附加的加工 工艺。例如，可能希望在钻头体还处于生的、褐色或完全烧结状态下 时通过这种工艺所形成的钻头体的一个或多个刀翼(图1)上加工切削元件凹窝。然而，与钢制钻头的情形一样，干涉问题可能会阻碍形 成所期望的切削元件凹窝。为了克服这种干涉问题，本发明的方法一 —例如本文前述的一一可用于在钻头体还处于生的、褐色或完全烧结 状态下时通过这种工艺所形成的钻头体的一个或多个刀翼(例如图1
所示的刀翼14)内形成一个或多个切削元件凹窝80。因此，本发明也 能用于具有大体由颗粒胎体复合材料所形成的钻头体的钻地旋转钻 头。
在如前述在钻地旋转钻头的钻头体50内形成一个或多个切削元 件凹窝80之后，切削元件18可定位于各切削元件凹窝80内部并固定 到钻头体50。举例而言且并非限制，各切削元件18可利用硬钎焊合 金、软钎焊合金或粘合剂材料固定在切削元件凹窝80内部。
如图5所示，在将各切削元件18固定到切削元件凹窝80内部之 后，在切削元件凹窝80内部绕切削元件18的至少一部分可设置一个 或多个空隙或空穴。例如，凹部或沟槽70可包括或限定切削元件凹窝 80内部的绕切削元件18的空隙或空穴。另外，凹部52位于切削元件 18前方(就旋转方向而言的切削元件18的前方)的部分可包括或限 定切削元件凹窝80内部的绕切削元件18的另一空隙或空穴。这种空 隙或空穴可使得在钻进操作过程中钻头的周围元件或部分容易磨损， 这将潜在地导致切削元件18与钻头体50在钻进时分离。切削元件凹 窝80内部的绕切削元件18的空隙或空穴可填充填料(下文对其进一 步详述)以防止钻进过程中的磨损。
参见图9A，由凹部或沟槽70和凹部52的位于切削元件18前方 的部分所限定的空隙或孔削可填充以填料84。图9B是沿图9A所示 剖切线9B-9B所剖的图9A所示结构的局部横剖面图。如图9B所示， 附加填料84也可设置于切削元件凹窝80内部、切削元件18的至少一 部分上，以减少或消除延伸进位于钻头体50钻头端面54下面的切削 元件凹窝80内的任何凹部或空穴。
图10是与图9B相似的、贯穿切削元件凹窝80及位于其内的切 削元件18所剖的局部横剖图。如图10所示，在一些情形中，切削元件18的至少一部分可基本上完全凹进切削元件凹窝80内部、位于钻 头体50钻头端面54的下方。在这种情况下，填料84可设置成完全覆 盖切削元件18的位于切削元件凹窝80内部的至少一部分上。
举例而言且并非限制，图9A、 9B及10所示填料84可包括熔焊 合金、软钎焊合金或硬钎焊合金，且可通过利用相应的熔焊、软钎焊 或硬钎焊工艺而施加。
在附加实施方式中，填料84可包括表面硬化材料(例如颗粒胎体 复合材料)，并且可利用熔焊工艺(例如电弧焊、气焊、电阻焊等)或 火焰喷涂工艺而施加。举例而言且并非限制，在2006年8月30日申 请的待审的美国专利申请No. 11/513,677中所述的表面硬化材料中的 任何一个均可用作填料84，并且可如其中所述地方法施加到钻头体 50。此外，在一些实施方式中，填料84可包括熔焊合金、软钎焊合金、 硬钎焊合金中的至少 一种，且表面硬化材料可应用到填料84的暴露表 面上以最小化或防止钻进操作过程中的磨损。针对钻进工具的具体设 计、切削元件18在钻进工具上的位置、或者钻进工具待要应用的场合， 这种分层式材料组合可以进行选择，以在切削元件18和周围的钻头体 50之间形成复合或层级式结构，该复合或层级式结构构造成能够适应 紧紧围绕着切削元件18的区域的强度、韧性、磨损性能以及腐蚀性能。
在另一其它实施方式中，填料84的至少一部分可为或者包括预成 型固体结构，该预成型固体结构构造并形成为具有与切削元件凹窝80 内部的绕切削元件18的凹部或空穴的一部分的形状相对应的形状。作 为非限制性示例，图IO所示的位于切削元件18上的填料84可包括预 成型的固体封盖结构，其可定位于切削元件凹窝80内部的切削元件 18上并固定到钻头体50。
这种预成型固体结构可分离地制造，定位在切削元件凹窝80内部 的选定位置以填充空隙或空穴，并固定到钻头体50的一个或多个周围 表面。预成型固体结构可利用诸如粘合剂、硬钎焊工艺、火焰喷涂工 艺或熔焊工艺固定到钻头体50的一个或多个周围表面。在一些实施方 式中，预成型固体结构可在切削元件18固定到切削元件凹窝80内之后定位在切削元件凹窝80内部并固定到钻头体50。在附加实施方式 中，这种预成型固体结构可在切削元件18固定到切削元件凹窝80内 之前定位在切削元件凹窝80内部并固定到钻头体50。在另外一些其 它实施方式中，一个或多个预成型固体结构可在切削元件18固定到切 削元件凹窝80内部之前固定到切削元件18。
在一些实施方式中，这种预成型固体结构可包括相对耐磨蚀和磨 损的材料，例如包括遍布在金属或金属合金胎体材料(例如镍基或钴 基金属合金)内的众多硬质颗粒(例如碳化钨)的颗粒胎体复合材料， 以进一步防止钻进操作中围绕切削元件18的材料磨损。
图11是切削元件18的侧视图。如图11所示，在一些实施方式中， 切削元件18可包括形成在第一基体86的表面上或以其他方式固定在 第一基体86的表面的金刚石片85。第一基体86的相对的另一表面可 固定到相对较大的第二基体87的表面。在一些实施方式中，第一基体 86可具有盘形形状，而相对较大的基体87可具有细长形状。例如， 可能希望具有这样的基体，即其具有与由第一基体86和第二基体 87形成的组合形状相似的形状。但是，难于在这种基体表面上形成金 刚石片85。结果，可能必需或希望在相对较小基体(例如第一基体86) 上形成金刚石片，然后将相对较小基体固定到相对较大基体(例如第 二基体87)，以提供具有希望形状的组合基体。
图12示出本发明的切削元件18A的实施方式。如图12所示，切 削元件18A包括相对较小的第一基体86A和相对较大的第二基体 87A。切削元件18A可具有与其一体形成的一个或多个部分88，所述 部分88的尺寸、形状以及其他构造能够填充切削元件凹窝80内部的 绕切削元件18的凹部或空穴的至少一部分。例如， 一个或多个这种部 分88可与第一基体86A和第二基体87A中的至少一个一体形成。举 例而言其并非限制，切削元件18A可具有与第二基体87A —体形成的 部分88，其具有配置成适于填充凹部70 (例如前文参照图4A和4B 描述的)的尺寸和形状，如图12所示。在附加实施方式中，切削元件 18A可包括一个或多个如下的部分88:所述部分的尺寸和构造适于填充位于切削元件凹窝80内部的切削元件18A上方的凹部或空穴的至 少一部分，例如前文参照图9B和IO描述的那些。
图13A是本发明的钻地旋转钻头90实施方式的端面的平面视图。 钻地旋转钻头90包括具有多个总体径向突出并纵向延伸的翼部或刀 翼94的钻头体92，刀翼94由自钻头体92的钻头端面上的沟槽延伸 的排屑槽96分开。在每个刀翼94上的切削元件凹窝80(图4A至4B ) 的内部设置有多个PDC主切削元件18。在每个刀翼94上的就旋转方 向而言位于主切削元件18后方的切削元件凹窝80内部还设置有多个 PDC副切削元件18，。
图13B是示出两个主切削元件18的放大立体图，这两个主切削 元件18固定在利用本文前述的本发明方法所形成的切削元件凹窝80 内部。相似地，图13C是示出两个副切削元件18，的放大立体图，这 两个副切削元件18，也固定在利用本文前述的本发明方法所形成的切 削元件凹窝80内部。
尽管本文已经结合包括固定切削件式钻地旋转钻头实施方式描述 了本发明，但其它类型的钻地工具，例如取心钻头、偏心钻头、双心 钻头、扩眼钻头、铣磨钻头、牙轮钻头以及现有技术中公知的其它类 型的这种结构也可实施本发明的教导，并可通过实施本发明教导的方 法而形成；本文所用术语"钻头体"包括钻地旋转钻头的本体、以及 其它钻地工具的本体，所述其他钻地工具包括但不限于取心钻头、偏 心钻头、双心钻头、扩眼钻头、铣磨钻头、牙轮钻头、以及其它钻进 和井下打眼工具。
通过利用本发明的切削元件凹窝80的实施方式，切削件(主切削 件和副切削件)实际上可固定到钻头体的钻头端面上的任何位置，且 切削元件凹窝80可配置成为固定于其内的切削元件提供任何选定的 后倾角，而不会碰到机械工具干涉问题。结果，可提供诸如图13A所 示的钻地旋转钻头90的钻地钻进工具，其能够以相对于以前公知的具 有加工的切削件凹窝的钻进工具增加的钻进速度钻进，并且该钻速与 利用具有以铸造工艺(例如浸透工艺)形成的切削件凹窝的钻进工具
19所实现的钻速相似。
此外，尽管本文已经结合某些优选实施方式描述了本发明，但本
领域技术人员将认识和理解本发明并不局限于此。相反，在不脱离后 文要求的本发明范围的情况下可对这些优选实施方式进行很多增加、
删除以及修改。另外， 一个实施方式中的特征可与另一实施方式中的 特征相结合，同时仍旧涵盖于本发明人想到的本发明范围之内。此外，
本发明能用于不同的各种钻头轮廓以及切削件类型和构造中。
权利要求
1.一种在钻地工具内形成至少一个切削元件凹窝的方法，所述方法包括使用相对于所述至少一个切削元件凹窝的纵向轴线成预定角度定向的旋转刀具在钻地工具内加工出限定所述至少一个切削元件凹窝的横向侧壁表面的第一凹部；在所述钻地工具内加工出限定所述至少一个切削元件凹窝的端表面的至少一部分的第二凹部；以及将所述至少一个切削元件凹窝的所述横向侧壁表面和所述端表面形成为使得大体圆柱形切削元件能够同时抵接所述至少一个切削元件凹窝的横向侧壁表面和端表面中的每一个的预定区域。
2. 如权利要求l所述的方法，进一步包括 形成钻头体；以及在所述钻头体内形成所述至少 一个切削元件凹窝。
3. 如权利要求2所述的方法，其中形成钻头体包括 提供粉末混合物；以及 对所述粉末混合物施压以形成生钻头体。
4. 如权利要求2所述的方法，其中形成钻头体包括形成主要由 金属或金属合金构成的钻头体。
5. 如权利要求1或2所述的方法，其中使用旋转刀具包括使用 端铣刀刀具。
6. 如权利要求2所述的方法，其中加工第二凹部进一步包括在 加工所述第一凹部之后，加工所述第二凹部。
7. 如权利要求1或2所述的方法，其中加工第二凹部进一步包括 在加工所述第一凹部之前加工所述第二凹部。
8. 如权利要求1或2所述的方法，其中加工第二凹部进一步包括 使用与用于加工所述第一凹部的旋转刀具相同的旋转刀具来加工所述 第二凹部。
9. 如权利要求2所述的方法，其中在所述钻头体内加工第二凹部 包括在所述钻头体的暴露于所述第一凹部内部的表面内加工沟槽。
10. 如权利要求2所述的方法，其中在所述钻头体内加工第二凹 部包括在所述钻头体内加工与所述至少一个切削元件凹窝的纵向轴 线大体垂直定向的大体平面形凹部。
11. 如权利要求1或2所述的方法，进一步包括将切削元件固定到所述至少 一个切削元件凹窝内部；以及 用填料填充第一凹部和第二凹部中的至少一个内的围绕所述切削元件的空穴的至少一部分。
12. 如权利要求1或2所述的方法，其中将所述至少一个切削元 件凹窝的所述横向侧壁表面和所述端表面形成为使得大体圆柱形切削 元件能够同时抵接所述至少一个切削元件凹窝的横向侧壁表面和端表 面中的每一个的预定区域包括使所述第二凹部的至少一部分沿着从所述至少一个切削元件凹窝 的纵向轴线大体径向向外的方向延伸，并延伸超出所述至少一个切削 元件凹窝的横向侧壁表面的至少一部分。
13. —种钻地工具，其具有钻头体，所述钻头体包括 第一表面，其限定至少一个切削元件凹窝的横向侧壁表面，所述第 一表面的至少 一部分具有以所述至少 一个切削元件凹窝的纵向轴线 为中心的大体圆柱形形状；大体平面形的第二表面，其限定所述至少 一个切削元件凹窝的后 端表面；以及至少一个附加表面，其限定位于所述第一表面和所述第二表面之 间的沟槽，所述沟槽沿着从所述至少 一个切削元件凹窝的纵向轴线大 体径向向外的方向延伸，并且延伸超出所述第一表面的所述至少一部 分并进入所述钻头体内。
14. 如权利要求13所述的钻地工具，其中所述钻头体主要由钢和 颗粒胎体复合材料中的一种构成。
15. 如权利要求13或14所述的钻地工具，进一步包括固定在所述至少一个切削元件凹窝内部的切削元件。
16. 如权利要求15所述的钻地工具，其进一步包括设置于所述 至少一个切削元件凹窝的围绕所述切削元件的至少一部分的内部的填 料。
17. 如权利要求16所述的钻地工具，其中所述填料包括硬钎焊 合金、软钎焊合金、熔焊合金以及表面硬化材料中的至少一种。
18. 如权利要求16所述的钻地工具，其中所述填料包括预成型固 体结构。
19. 如权利要求18所述的钻地工具，其中所述预成型固体结构通 过钎焊、熔焊以及火焰喷涂中的至少一种方式固定到所述钻头体。
20. 如权利要求18或19所述的钻地工具，其中所述预成型固体 结构包括颗粒胎体复合材料。
全文摘要
提供了一种在钻地工具内形成切削元件凹窝的方法，包括使用相对于切削元件凹窝的纵向轴线成预定角度定向的旋转刀具(56)加工限定切削元件凹窝的横向侧壁表面的至少一个凹部(52)。提供了一种形成钻地工具的方法，包括形成钻头体(50)，并且使用相对于待形成的切削元件凹窝的纵向轴线(60)成预定角度定向的旋转刀具在钻头体内形成至少一个切削元件凹窝。提供了一种钻地工具，具有钻头体，钻头体包括第一表面，其限定切削元件凹窝的横向侧壁(55)；第二表面，其限定切削元件凹窝的后端壁(66)；以及另一表面，其限定位于第一表面和第二表面之间的沟槽，沟槽延伸进本体内以使切削元件(18)抵接凹窝的横向侧壁和端壁。
文档编号E21B10/46GK101631928SQ200880008025
公开日2010年1月20日 申请日期2008年3月12日 优先权日2007年3月13日
发明者J·H·史蒂文斯, J·L·达根, R·H·史密斯 申请人:贝克休斯公司