的工具。
【具体实施方式】
[0031]一方面，本文公开的实施例涉及使用可旋转切割结构(滚动切割器)的钻头和其他井下切割工具。特别地，本文公开的实施例涉及这些滚动切割器在钻头或其他井下切割工具上的保持。另一方面，本文公开的实施例涉及使用不可旋转切割元件的钻头和其他井下切割工具，所述不可旋转切割元件被机械地保持在钻头或其他井下切割工具上。
[0032]通常，本文描述的可旋转切割元件(也称为滚动切割器)允许当所述切割元件接触地层时使得所述切割元件的至少一个表面或部分旋转。当切割元件接触地层时，切割动作可以允许切割元件的一部分绕延伸穿过所述切割元件的切割元件轴线旋转。切割结构的一部分的旋转可以允许切割面使用切割面的整个外边缘来切割地层，而不是如在常规的切割元件中所观察到的那样使用所述外边缘的同一段。下面的讨论描述了用于保持这些滚动切割器及固定、不可旋转的切割元件的不同实施例。
[0033]本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可以使用能够旋转的切割元件的许多变化。例如，滚动切割器的旋转可以由侧切力和支承面之间的摩擦力进行控制。如果侧切力生成可以克服来自摩擦力的扭矩的扭矩，则所述可旋转部分将具有旋转运动。侧切力可受到切割器的侧倾角、后倾角和几何特性的影响，包括本文所公开的工作表面图案。此外，侧切力可受切割元件构件的表面的表面光洁度、地层的摩擦特性以及诸如切割深度的钻井参数的影响。在支承面处的摩擦力可能受到例如表面光洁度、泥浆侵入等的影响。本文所公开的可旋转切割器的设计可以被选择为确保侧切力克服摩擦力以允许可旋转部分旋转。
[0034]现在参考示出了井下切割工具(如钻头)的刀片的图3(局部截面图)和图4(局部前视图)。特别地，在钻头或其他井下切割工具上的每个刀片310 (包括例如主刀片和副刀片)提供了切割器支撑结构，切割元件360被安装于该切割器支撑结构上。如图所示，切割元件360是滚动切割器，即，切割元件360被保持为这样的方式，其允许该元件自由地旋转；然而，在一个或多个其他实施例中，切割元件360也可以是不可旋转的。具体地讲，如图所示，滚动切割器360被布置/保持在切割器槽312中，该槽可以限制滚动切割器360的横向移动。滚动切割器360向槽312外的轴向移动由保持元件362限制，该保持元件布置于径向邻近并相交于切割器槽312的一部分的保持槽314中。在一个或多个实施例中，保持槽沿切割器槽312的部分圆周(例如小于180度的弧长范围，或在其他实施例中从60至120度或75至105度)和部分轴向长度延伸。在一个或多个实施例中，保持槽314和切割器槽312均与刀片310的前导面316 (即，面向钻头或其他工具的旋转方向)接合。然而，可以想到的是，保持槽314也可形成在刀片310的尾后面，并延伸进入刀片310以与切割器槽312和滚动切割器360接合。
[0035]如上所述，滚动切割器360向槽312外的轴向移动由保持元件362限制。基于当施加钻压时在钻井期间承受到的合力，滚动切割器360可以被允许轴向向后移动到切割器槽312的背面，但保持元件362保持滚动切割器360不掉出槽312。具体地讲，这种限制可能来自形成于滚动切割器360中的凹槽366和形成于保持元件362中的突起或凸缘368的配合的几何外形(或者反之亦然)，在它们之间具有一些间隙，以允许滚动切割器360能够绕其轴线旋转。这种间隙例如可取决于滚动切割器360的尺寸，但在一个或多个实施例中，可以在从约0.001至约0.005英寸(25.4至127微米)范围内。然而，在使用由所述保持元件保持的固定切割器的实施例中，这样的凹槽366可以不沿切割器360的整个圆周延伸，使得切割器360不是自由旋转。
[0036]在一个或多个实施例中，保持元件362可以通过螺钉364或其他紧固件被保持在保持槽314内，或者在其他实施例中可被铜焊到位。在所示实施例中，螺钉364插入保持元件362中的通孔，并接合刀片310 (例如通过螺纹接合)或插入刀片310中的螺栓。因而，在一个或多个实施例中，滚动切割器360和保持元件的组件可以首先接合在一起，S卩，突起或凸缘368可装配到滚动切割器360的凹槽366中，该组件可随后被放置到切割器槽312中，最后，保持元件362可以固定至钻头或其他井下工具。
[0037]通过限制沿着侧面的轴向运动，滚动切割器的切割面370可基本上保持暴露和不受遮挡。此外，在所示的实施例中，切割面和保持元件362的暴露面可以彼此基本齐平；然而，在其他实施例中，保持元件362的暴露面可以稍微凹入或凸出。
[0038]现在参考图5，示出了保持在刀片510上的滚动切割器560的另一实施例。如图5所示，相比于在图3-4中示出的实施例，凹槽566在滚动切割器560上以及配合突起568在保持元件562上的轴向位置发生了改变。因此，尽管凹槽366/突起368的位置是滚动切割器360的前三分之一部分内，但是凹槽566/突起568的位置是在滚动切割器560的尾或后三分之一部分中。因此，保持元件562在沿滚动切割器560的明显大部分轴向长度上与滚动切割器接合。这种差别也会导致凹槽366沿滚动切割器360的圆周的一部分暴露，而凹槽566完全被包含于切割器槽512中。凹槽/突起的位置可以在沿滚动切割器的轴向长度上位于不同的位置，以提供所需的耐用性和接近/易于组装和整体使用。
[0039]现在参考示出了井下切割工具的刀片的(如钻头)的图6(示出了局部截面图)和图7(示出了局部前视图)。如图6和7所示，保持元件可以包括多个构件。例如，保持元件662可以包括滚动切割器接合构件662-1 (其接合并咬合滚动切割器660，以防止其轴向移动)和紧固件接合构件662-2 (与紧固件664咬合，以确保将保持元件662固定在位)。在一个或多个实施例中，基于构件的功能，这样的两个(或更多个)件式结构可能对使用不同材料的构件是有利的。例如，在一个或多个实施例中，相比于紧固件接合部件662-2，滚动切割器接合构件662-1可以选择更硬、更耐磨的材料，或反之亦然。如图所示，滚动切割器接合构件662-1是一个完全内部的构件，且它的轴向前表面与紧固件接合构件662-2的背面相接合。因此，紧固件接合构件662-2的前表面沿刀片的前导面616暴露。此外，如图所示，紧固件接合构件662-2的前或暴露面与滚动切割器660的切割面670基本齐平；然而，在其他实施例中，保持元件662的暴露面可以稍微凹入或凸出。在本实施例中，滚动切割器660的切割面670保持暴露和大体上不受遮挡。此外，尽管保持元件662 (或其一部分)可以向刀片的前导面616暴露并敞开，但在一个或多个实施例中，应该注意的是，保持元件662和保持槽614不对刀片顶(当钻头或其他工具在井中时将与地层接合的刀片上表面，其大体上垂直于刀片的前导面616)敞开。也就是说，当钻头或其他井下切割工具在井眼中时，在保持槽614 (在其中安置保持元件662)和地层之间有刀片材料610。
[0040]现在参考示出了井下切割工具(如钻头)和切割器(透视图)的刀片(局部截面图)的图8。特别地，在钻头或其他井下切割工具上的每个刀片810 (包括例如主刀片和副刀片)提供了切割器支撑结构，切割元件860被安装于该切割器支撑结构上。如图所示，切割元件860是固定切割器，即，切割元件860被保持为这样的方式，其阻止切割器的旋转。具体地，如图所示，固定切割器860被布置/保持在切割器槽812中，其可以限制固定切割器860的横向移动。固定切割器860向槽812外的轴向移动由保持元件862限制，该保持元件布置于径向邻近并相交于切割器槽812的一部分的保持槽814中。在一个或多个实施例中，保持槽沿切割器槽812的部分圆周(例如小于180度的弧长范围，或在其他实施例中从60至120度或75至105度)和部分轴向长度延伸。在一个或多个实施例中，保持槽814和切割器槽812均与刀片810的前导面816 ( S卩，面向钻头或其他工具的旋转方向)接合。然而，也可以想到的是，保持槽814也可形成在刀片810的尾后面上，并延伸进入刀片810以接合切割器槽812和固定切割器860。
[0041]如上所述，固定切割器860向槽812外的轴向移动由保持元件862限制。基于当施加钻压时在钻井期间承受到的合力，固定切割器860可以被允许轴向向后移动到切割器槽812的背面，但保持元件862保持固定切割器860不掉出槽812。具体地，这种限制可能来自形成于固定切割器860中的凹槽866和形成于保持元件862中的突起或凸缘868的配合的几何外形(或者反之亦然)。除了限制轴向移动，如图所示，因为凹槽866不沿切割器860的整个圆周延伸，因此切割器860的转动被阻止。在一个或多个实施例中，凹槽866可以是沿圆周的(即，沿切割器的部分圆周具有大体上恒定的深度，并因此在其沿所述圆周向所述切割器中的最远延伸处形成一个弧形)，或者可以是“直”凹槽或沟槽(即，沿部分圆周具有可变深度，使得沿所述圆周的最远延伸形成直线)。另外，其他的变型也在本发明的范围之内，使得所述保持元件还防止切割器860的旋转。突起或凸缘868 (以及凹槽866)可以