具有增强耐用性和增强磨损寿命的超耐磨切削元件，以及如此配备的钻进设备的制作方法

专利名称：具有增强耐用性和增强磨损寿命的超耐磨切削元件，以及如此配备的钻进设备的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及在钻进地下地层时使用的切削元件和如此配 备的设备。更特别地，本发明的实施例涉及聚晶金刚石或其它超耐磨 切削元件或切削件，以及如此配备的钻头和钻具，所述切削元件或切 削件配置为在用于对地层或岩石钻孔的旋转刮刀钻头或其它钻具上使 用，例如可以用于石油、气体、地热或其它地下钻孔的钻进或扩大。
背景技术：
存在三种通常用于钻穿地下地层的钻头，包括冲撞钻头(也称作 沖击钻头)，滚锥钻头(包括三牙轮钻头)和旋转刮刀钻头或固定牙轮 式旋转钻头(包括如此构造的取芯钻头)。旋转刮刀钻头通常使用金刚 石或其它超耐磨切削元件或"切削件"，其中，聚晶金刚石复合片(PDC ) 切削件最为常见。
除了传统的同心旋转刮刀钻头之外，还存在在井下使用的其它设 备，在此统称为"钻具"，其可用于切削或扩大钻孔或者可以使用位于 其表面上的超耐磨切削件、镶嵌件或插入件作为切削件或防磨损元件。 这种钻具包括但不限于双中心钻头、偏心钻头、可扩大扩眼钻头和随 钻扩眼器。
多年来，在本领域熟知的是，PDC切削件在刮刀钻头及其它旋转 钻具上使用良好。PDC切削件典型地具有在高温、高压条件下形成在硬质合金基底(例如，烧结碳化鴒)上的金刚石层或台，所述硬质合金基底含有金属粘结剂或催化剂，例如钴。所述基底可以硬焊或其它手段连接到例如支柱的连接构件或者圆柱形支撑元件上以增强其固定到钻头面上。可以通过压配合或将螺栓锁定到钢体刮刀钻头上的插座中，或者通过将切削件基底(有或没有圆柱形支撑元件)直接硬焊到钻头体表面上预先形成的凹窝、插口或其它插座中(如由本领域已知
的浇铸在固化、通常铜基粘结剂中的wc颗粒制成的基体型钻头)使
切削元件安装到钻头上。
PDC通常通过将圓盘形硬质合金基底放置到容器或筒体(金刚石晶体或晶粒层装入所述筒体中与基底的一个表面相邻)中制造而成。许多此类筒体典型地装入超高压压力机中。基底和相邻的金刚石结晶层随后在超高温度和压力情况下压缩。超高压力和温度条件使来自基底本体的金属粘结剂变成液体，从紧挨着金刚石层的基底表面后面的区域穿过金刚石晶粒去除并且起到反应液相的作用以促进金刚石晶粒烧结以形成多晶金刚石结构。因此，金刚石晶粒相互结合以在基底表面上形成金刚石台，所述金刚石台同样结合到基底表面上。金属粘结剂可以保持在金刚石层中的金刚石晶粒之间的气孔内，或者全部或一部分金属粘结剂可以去除，如本领域已知。粘结剂可以通过酸浸法或电解浸出法去除。为了获知与用于形成多晶金刚石切削件的方法相关的更多背景技术，读者可以阅读授权给Wentorf, Jr等的、授权日为1973年7月17日的美国专利No.3,745，623。
图1显示了传统的旋转刮刀钻头的实施例。图l所示刮刀钻头设计成能围绕其纵向轴线沿顺时针方向(在孔中使用的钻头处往下看，或者如果从钻头前端，或表面看该钻头，则沿逆时针方向，如图l所示)旋转。大部分目前刮刀钻头设计使用包括PDC金刚石台的金刚石切削件，所述PDC金刚石台形成在典型地由烧结碳化鵠(WC)制成的基底上。现有技术的刮刀钻头可以在适当钻压(WOB)和所施加扭矩下达到大约1到超过305米/小时的钻进速度(ROP)。现有技术的刮刀钻头的缺陷在于，它们由于PDC切削件的冲击损坏而过早磨损，同样，切削件如果在由石灰石、白云石、硬石膏、硬质砂岩组成的高 应力或坚硬地层，例如具有砂岩、石灰石和白云石层序的混合地层(还 称作过渡地带)，或者包含坚硬"薄夹层，，的地层中使用会非常迅速地 损坏。如上所述，存在用于钻孔的其它种类的工具，所述工具使用用 于切削的超耐磨切削元件，并且在钻凿所列举地层中具有相同的缺陷。 在许多此类地层中，在刮刀钻头中已经使用了其它类型的切削结构，
包括小天然金刚石，小"热稳定，，PDC切削件，和各种构造的充满金 刚石砂粒的金属碳化物基体型切削结构。然而，这种刮刀钻头给设置 有PDC切削件的钻头提供了更差的ROP，因此，对现场的钻井装置 和钻机机组人员的时间来说产生了相当大的附加钻进成本。
传统的PDC切削件在高栽荷应用中存在耐久性问题。它们在暴露 于坚硬、坚固或高应力地质构造时具有不希望的裂紋(包括显微裂紋)、 切屑、碎片和断裂趋势，使得切削件经受高载荷和沖击力。它们在从 各种角度承受高载荷时同样不耐用。传统PDC的耐久性问题由于钻凿 期间的正常和扭转载荷的动态特性而恶化，其中，钻头表面与形成井 孔底部的未切削地层形成接触和脱离，载荷由于所谓的钻头"涡旋" 而在一些钻头设计和一些地层中进一步恶化。
传统PDC的金刚石台/基底接合面经受从切削元件的地层产生的 高残余应力，因为在冷却期间，金刚石和基底材料的不同热膨胀系数 产生热应力。另外，有限元分析(FEA)已经证明，在外部圆柱形基 底表面上的局部区域和基底内部存在高强应力。这两种情况在钻凿操 作期间对切削元件的寿命是有害的，因为所述应力(通过归因于地层 对切削元件载荷的应力增大时)会造成碎裂、破裂乃至金刚石台从基 底上剥离。
另外，切削元件的切削边缘的高切向载荷在金刚石台上产生弯曲 应力，所述金刚石台在拉伸状态下相对脆弱，如果不充分防止弯曲时 将会容易地产生破裂。其上形成有金刚石台的金属碳化物基底可能不 具有足以提供这种希望的支撑程度的刚度。
传统PDC切削件的金刚石台的较快磨损还导致位于切削边缘后面的金属碳化物基底中的磨损平面迅速形成，所述磨损平面减少了切
削边缘附近的单位面积载荷以及需要较大钻压(WOB)以保持给定的 钻进速度(ROP)。由于引入基底材料作为与地层的接触面，磨损平 面还因摩擦系数的改变增大了切削件和地层之间的阻力或摩擦接触。 因此，摩擦热增多，使切削件的温度升高并对PDC台造成热裂形式的 初始损坏，同时，磨损平面的存在减少了钻井流体进入金刚石台的切 削边缘的直接后方的可能。
现有技术存在许多提高传统PDC切削件的耐久性的尝试，它们通 过改变切削面几何结构，具体地，位于与被钻地层接合的切削元件附 近。举例来说，读者参见授权给Dennis的美国专利RE32，036 ( >036 专利)；授权给Dennis的美国专利No.4，592，433 ( >433专利)和授权 给Dennis的美国专利5，120,327( >327专利)。在>036专利的图5A中， 描述了具有倾斜圆周边缘的切削件，并且在第3栏第51-54行对此进 行了简要讨论。在>433专利的图4中，显示了切削件基底周缘的极小 倾斜，或者内部具有金刚石凹槽的坯件(参见用于简要描述斜角的专 利的第5栏，第l-2行)。类似地，在>327专利的图1-6中，显示了较 小的周边斜角(参见用于简要描述斜角的第5栏，第40-42行)。这种 斜角或倒角最初设计成保护PDC的切削边缘，同时承载切削元件的螺 栓压配合到钻头面上的凹窝中。然而，随后人们认识到，通过提供小 载荷承载面积使斜角或倒角防止切削边缘不受到载荷应力集中的影 响，所述小载荷承载面积在钻凿初期降低了单位应力。切削件栽荷会 以其他方式导致未倒角的切削边缘处的金刚石层在切削件启用之后不 久和在切削件在切削边缘处自然磨损到平面或"磨损平面"之前发生 削蚀作用或碎裂。
本领域还已知使PDC切削件的切削边缘成圆角而非倒角，如授权 给Tandberg的美国专利5,016,718中所公开的那样。这种圆角化已经 证明，可以提供与切削面上的小周边倒角类似的承载面积。
对于提高切削件磨损和耐久性特征的其他方法来说，读者还可以 参考转让给本发明受让人的授权给Cooley等的美国专利No.5，437，343(>343专利)；授权给Meany等的美国专利No.5，460,233 ( >233专利)。 在>343专利的图3和5中，可以看到，多个相邻倒角形成在金刚石层 的周边(参见第4栏第31-68行，第5-6栏全文)。在>233专利的图2 中，可以理解，支撑超耐磨台的碳化物基底沿其纵向轴线以大约10-15° 成锥形，从而提供附加支撑以防止金刚石层突然失效(参见>233专利 的第5栏第2-67行，第6栏第1-21行)。还可以参见授权给Strange 的美国专利No.5，443，565 ，该专利公开了 一种多倒角金刚石台。
可以知道，在切削件上设置较大倒角提高了耐久性，但同时降低 了 ROP，并且不希望地增大了用于给定ROP的所需WOB。增大的 WOB转换为施加到钻凿系统上的更多能量，具体地，刮刀钻头继而 加速切削件损坏。
转让给本发明受让人的授权给Jurewicz等的美国专利 No.5，706，906描述了 PDC切削件，其具有大约1.778毫米(0.070英寸) 到3.81毫米(0.150英寸)的相当大的深度或厚度，并且具有带大倒 角或所谓"斜面"的切削面，所述斜面沿其表面径向测量为不小于大 约1.27亳米(0.050英寸)。
如，906专利所述的PDC切削件已经证明，对于给定切削深度和 被切削地层来说，由于极大减少了有害碎片、切屑、裂缝和断裂的倾 向，与现有技术的PDC切削件相比可以获得大大提高的使用寿命。人 们已经发现，PDC切削件在使用后会显示一些裂缝，但是小裂缝不会 发展成通常发生在PDC切削件中的金刚石台的突然失效。如果完全实 现的话，这种能力将对安装在刮刀钻头上的切削件尤为有用，所述刮 刀钻头在其间具有硬岩薄夹层的硬岩地层和软地层(混合层间地层) 上使用。
当与具有类似金刚石台厚度但没有大斜面的其它切削件相比时， 尽管这类PDC切削件(具有大斜面)在最初现场试验、最终证明所述 设计的耐久性方面显示出了 一些优点，但这些PDC切削件还显示了 一 些削弱其在现实钻凿情况中有用性的不利特征。具体地，配备有这些 PDC切削件的钻头表现出了令钻井电机，例如辅助设备和外壳的其它井底钻具组件(BHA)以及位于BHA上方的钻柱的管状部件过载的 令人困扰的倾向(表面上由于通过使这些切削件与被钻地层接触而产 生的极大切削力)。
另外，配备有这些PDC切削件的钻头通常相当緩慢地钻凿，即， 它们钻凿地层的速度(ROP)远小于配备有传统PDC切削件的钻头 的ROP，同时在钻穿硬地层(原本非常适用)时变的困难。可以看出， 由于弧形斜面在其接触地层时的可变几何形状以及在接触和切削地层 时缺少"强力性"，这些厚金刚石台切削件的外部构造(尽管有助于切 削件的耐用性质)对于许多钻凿情况来说不够理想。可以想到，如具 有相似形状的结构的金属切削件所显示的，在塑性地层中，这些PDC 切削件会仅使由切削件接合的地层表面材料发生变形，在前面形成岩 石塑性"突起"并在侧面与切削件接触，而不是如希望的那样剪切地 层材料。
因此，尽管这些PDC切削件具有优异特征，它们在有效切削顽固 地层(PDC切削件表现出的耐久性非常适合该地层)方面的实用性实 际上在大量地层和钻凿情况下仍然不能实现。
转让给本发明受让人的授权给Cooley的美国专利No.5，881,830描 述了具有切削面的PDC切削件，所述切削面具有横向于切削件纵向轴 线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对于所述第一部分以小锐角定位并且具有沿着 其至少一部分周边的切削边缘。这些PDC切削件耐用、相当强力并且 与'906专利中所述PDC切削件相比在切削件使用寿命期间具有更为 稳定的性能，但是它们的大倒角使切削方面的强力性降低，使ROP 降低。
另外，转让给本发明受让人的授权给Lund等的美国专利 No.6，935，444公开了使用多个相邻倒角，所述倒角具有位于其间沿着 PDC切削件的切削边缘的弧形表面。已经证明，这种几何结构可以防 止PDC切削件沿着切削边缘的最初削蚀作用，延长了 PDC切削件的 使用寿命。然而，如参照上述PDC切削件设计所提及的，仍然存在对耐用超 耐磨切削件的需要，所述切削件能够经受上述顽固地层中的切削应力， 在有效钻凿(损坏或不损坏传统的现有技术井底钻具组件和钻柱)的 同时减少磨损趋势，同时提供在商业上可行的稳定ROP。
在实验室试验期间，人们已经观察到，具有传统倒角深度(例如 为0.406毫米(0.016英寸))的传统的45。倒角切削件在磨损平面向倒 角内边界以内延伸时通常发生过早切削件损坏和故障。具体地，人们 已经观察到，增大了 PDC台碎裂和削蚀的发生率。这在上述高应力或 坚韧地层、层间地层和包含硬薄夹层的地层中尤为麻烦。
人们认为几个因素造成这类切削件故障。首先，在钻凿操作期间， 由于倒角和切削件后倾角的缘故，向下作用力在WOB下施加给致密 地层，使PDC台保持压缩并提高了切削件完整性。然而，当倒角内边 缘或边界磨损时，压缩作用力的倒角分量减弱，从而有可能在切削面 上具有高强度剪切力，引起上述碎裂和削蚀作用。另外，当倒角的内 边缘或边界磨损时，切削面处的陡边或角部呈现给地层，与未倒角切 削件类似。作用于这个陡边上的任何竖直(与切削面平面平行)作用 力将转换为横向于切削面的竖直拉伸剪切力，形成破损的切削件。
另外，由于最初较宽的大磨损平面引起的PDC台中的热裂朝向磨 损平面后方变得尤为显著，并且可能导致PDC台后面和侧面的显著破 裂。

发明内容
在一个实施例中，根据本发明的切削件包括安装到支撑基底上的 超耐磨台，所述支撑基底由例如烧结金属碳化物的金属材料制成。切 削件具有纵向轴线，所述纵向轴线基本横向于切削面的平面延伸。在 圆柱形切削件结构中，纵向轴线与切削件的中心线重合。邻近超耐磨 台的至少一部分外周设置倒角，所述倒角相对于切削件纵向轴线或者 相对于切削件侧壁母线(假定切削件具有与切削件纵向轴线平行的侧 壁)具有大于大约45。的较大倒角。倒角可以是弧形或平坦的。倒角深度连同较大倒角 一起足以使磨损平面保持在位于切削面上的倒角内 边界之外，同时小到足以避免大大牺牲切削件的钻凿力。
通过使用较大倒角，切削件的钻凿力得以保持，这是因为施加到 切削件下方地层上的作用力更为集中，使地层很少压缩，在切削件和 地层之间产生较小的滑动摩擦，保持了锋利的切削边缘。利用较大倒
角可以减小所需WOB，因为它们更有效地钻入地层中的希望切削深 度，减少了摩擦和由此产生的热量，并且延长了切削件寿命。
就较大倒角来说，与在常规倒角切削件上产生的磨损平面相比， 产生了较小且长度较短的磨损平面，减少了因PDC台上的热应力引起 的热裂。
通过使磨损平面包含在倒角内边界以外和倒角包络面以内，作用
了^削件碎裂的发生。这源于这种切削件能够经受相当大的钻凿振动 的能力。在这里与超耐磨台切削面上的磨损平面分布相关的术语"倒 角包络面"是指位于倒角内边界以外的切削面部分。换言之，并且在 使用这种钻凿地下地层的切削件的范围内，所述术语是指位于在钻凿
的区域。
发明人还注意到，设置有根据本发明 一些实施例的大倒角的切削 件特别适合于布置在需要提高切削效率的钻头的较低载荷区域上，例 如钻头的顶冠、肩部和保径区域上。本发明切削件的其它实施例特别 适合于放置在钻头的高载荷区域上，例如在靠近纵向轴线的钻头区域 (通常称作锥形区域)上，在所述区域上，在钻头面上的给定半径处由 于低切削件冗余性具有作用于切削件上的较大作用力，并且切削件具 有较大切削面积。
因此，考虑到给定位置处的切削件所需性能、倒角和尺寸，根据 本发明各种实施例的切削件可以放置在钻头表面上。
因此，也包含体现本发明实施例的旋转刮刀钻头和其它固定牙轮 式钻具。


在结合附图阅读说明书的情况下，本发明的前述和其它特征和优
点对于本领域普通技术人员来说变得显而易见，其中 图1是传统刮刀钻头的透视图2a-2d分别显示了本发明的超耐磨切削件的实施例的侧视图、 扩大侧视图、前视图和透视图3显示了与地下地层接合的使用中的本发明超耐磨切削件的图 2a-2d的实施例；
图4显示了根据本发明的图2a-2d的实施例的部分磨损的切削件； 图5显示了本发明的切削件的另一实施例的侧视图； 图5a显示了与地下地层接合的图5所示切削件的一部分的放大侧 视图6显示了本发明的切削件的又一实施例的侧视图7是产生所需钻压以实现给定切削深度的切削件倒角和切削件 后倾角之间的理论关系图8是用于预测磨损平面表面面积的理论磨损平面分析图，所述 磨损平面表面面积与用于给定切削件后倾角度的倒角相关；
图9是传统PDC切削件的45。倒角切削面与根据本发明实施例的 PDC切削元件的60。倒角切削面相比的示意图，显示了本发明对磨损 平面形成的影响以及在倒角范围内保持切削深度的增强性能；和
图IO是位于刮刀钻头的单个刀翼上的切削件布置的示意图，以黑 色显示了由位于刀翼上的每个切削件切削的相关形成区域。
具体实施例方式
参见图1，传统的固定牙轮式旋转钻头10包括钻头体12，所述钻 头体具有通常径向伸出且纵向延伸的翼部或刀翼14，所述刀翼由排屑 槽16隔开。多个PDC切削件18设置在刀翼14的引导面上，所述刀 翼在钻头体12的表面20上延伸。钻头体12的表面20包括构造为与 被钻地层接合的刀翼14的表面，以及位于通道和排屑槽16内的钻头体12的外表面。多个PDC切削件18可以沿着每个刀翼14设置在形 成于刀翼14上的凹窝22中，并且可以由支肋被24从后面支撑，所述 支肋与钻头体12整体地形成。
钻头IO还包括用于将钻头IO连接到钻柱(未显示)上的API(美 国石油组织规定标准)螺紋连接部分30。此外，纵向孔(未显示)纵 向延伸穿过至少一部分钻头体12，内部流体通道(未显示)提供纵向 孔和喷嘴32之间的流体连通，所述喷嘴设置在钻头体12的表面20 上并且通向与排屑槽16连通的通道。
在钻进操作期间，钻头10定位在钻孔底部并且在施加钻压和钻井 流体通过纵向孔、内部流体通道和喷嘴32泵送到钻头体12的表面20 上的同时旋转。当钻头10旋转时，PDC切削件18横向刮削和切断下 伏地层。地层岩屑与钻井流体混合并悬浮于其中，并且通过排屑槽16 并向上通过位于钻孔壁和钻柱外表面之间的环形空间流向地层表面。
发明人设想，本发明的切削件实施例主要在如上所述并且包括但 不限于取芯钻头、双心钻头和偏心钻头的旋转刮刀钻头上使用，以及 在包括但不限于扩眼钻头或其它开孔钻具的各种结构的钻具上使用。 当在此使用时，术语"钻头"包括所有这类钻头和钻具。
发明人还设想，本发明的切削件实施例可以在钻头或其它钻具上 的不同位置处使用，例如在钻头或钻具表面的牙轮、顶冠(nose)、凸 肩和保径区域上，并且可以作为主切削件沿钻头刀翼的旋转前缘定位， 或者作为旋转位于刀翼上的一个或多个主切削件之后的所谓"支撑" 切削件。这种支撑切削件可以定位成具有与相关的主切削件相比相同、 更大或更小的暴露面。参考图2a-2d，其分别显示了本发明切削件的 一个实施例的侧视图、扩大侧视图、端视图和透视图。切削件201具 有平緩截锥形结构并且包括结合(即，烧结)到圆柱形基底203 (例 如，碳化钨)上的.圆形金刚石层或台202 (例如，聚晶金刚石复合片)。 金刚石层和基底之间的接合部(如图所示)由位于基底203中的径向 延伸凹部组成，金刚石台202的一部分伸入所述凹部中(图2a中的虛 线所示)，定义了与转让给本发明受让人的美国专利No.5，435，403 —致的所谓金刚石"棒"。毫无疑问，许多其它接合部几何结构在本领域已
知并且适用于本发明。金刚石层202具有如图2a所示的厚度"Tr。 基底203具有同样如图2a所示的厚度"T2"。金刚石层202包括弧形 倒角208，所述弧形倒角相对于金刚石层202的侧壁206 (与切削件 201的纵向轴线或中心线207平行)具有倒角0并且朝向纵向轴线207 向前和径向向内延伸。所示实施例中的倒角0定义为倒角208的表面 和金刚石层的侧壁206之间的锐角，所述金刚石层的侧壁206在所示 实施例中与纵向轴线207平行。倒角0为大约45。以上到大约85。。 目前认为，倒角0的特别适合的范围是大约50。到大约75°。
倒角的尺寸对于切削件的性能而言具有重要作用。发明人已经发 现，倒角208的深度D!应当为至少大约0.0508毫米(0.002英寸)并 且不超过大约0.635毫米(0.025英寸)，从位于倒角内边界处横向于 切削件纵向轴线的直线沿着所述纵向轴线或与之平行的方向或者切削 件侧壁(如果切削件为大体上圆柱形)的方向到切削边缘外周测量所 得。重要的是，切削件的磨损平面保持在倒角内，或者换言之，将切 削件的磨损平面保持在位于切削面上的倒角内边界外。
金刚石台202还包括切削面213和切削边缘209,所述切削面具 有从倒角208径向向内的平坦中心区域211。在切削边缘209和基底 203之间存在称作基底层210的金刚石层的部分或深度，所述基底层 具有厚度T3 (图2c)，同时位于切削面213的平坦中心区域211和基 底层210之间的厚度为l的部分或深度D,(图2a)称作倒角层212。 术语"层"只是为了描述方便起见，并且如本领域已知，金刚石台的 不同"层"实际上形成为一个整体。然而，对于层来说已知的是，金 刚石台具有用于不同特性的不同尺寸的金刚石砂粒，但是这种砂粒层 不必与如这里所述的金刚石台202的层相对应。
如图2a、 2b、 2c和2d中描述的那样，切削面213的中心区域211 是与纵向轴线207垂直的大体上平坦表面。
在所述切削件中，金刚石层202的厚度L可以为大约0.762毫米 (0.030英寸)到大约3.048毫米(0.120英寸)，目前认为，特别适合的厚度范围为大约1.524毫米(0.060英寸)到大约2.032毫米(0.080
英寸)。这种金刚石层厚度产生一种切削件，其与上述倒角尺寸和角度 范围结合具有充分提高的耐沖击、耐磨性和抗腐蚀性。另外，前述厚 度范围是标称范围，没有考虑金刚石层202伸入基底203的突起或反 之亦然，例如在使用非平面金刚石层/基底接合构造时的情况，如本领 域已知的那样。在任何情况下，超过最小金刚石层厚度都足以提供上 述优点，所采用的金刚石层厚度对本发明来说并不重要。
人们希望，金刚石层和基底到切削边缘209后部的边界215与切 削边缘后部的纵向距离为至少大约0.127毫米(0.005英寸)。发明人 确信，上述最小的切削边缘到接合面距离是人们所希望的，从而确保 最高残余应力区域(即，位于切削件切削边缘与被切削地层接触位置 后面的区域)不受初期点载荷的影响，并且确保金刚石和基底材料的 足够刚性质量支撑高载荷应力线。
如图2a-2d所示，切削件201的侧壁217与切削件的纵向轴线207 平行。因此，如图所示，倒角0等于倒角208和轴线207 (图2a)之 间的角度①。然而，本发明的切削件的横截面不必为圆形乃至对称， 切削件侧壁，或者延伸到支撑基底的超耐磨台和侧壁中的倒角后面的 部分不总是与切削件的纵向轴线平行。因此，根据切削件构造和设计 师偏好，倒角可以设定为角度0或角度①。本发明涉及倒角角度方位 的重要方面在于使倒角与地层成有效角度以实现保持强力切削结构并 同时保持切削件完整性的发明优点。
图2a-2d显示的本发明实施例的另一可选但希望特征是对切削面 213 (包括倒角208)进行低摩擦精整。适当的低摩擦精整是抛光镜面 精整，人们已经发现抛光镜面精整可以减少金刚石台202和被切削地 层之间的摩擦并且增强切削面的完整性。为了解上述精整的更多细节， 读者可以阅读授权给Lund等并转让给本发明受让人的美国专利 No.5，447，208，获知抛光超耐磨切削面的进一步讨论和公开。
本发明使用且在图2a中以虚线表示的另一个可选切削件特征是 使用面接合到基底203背面上的支撑柱体216。这种设计允许切削件沿其纵向轴线207具有较大尺寸(或长度)的结构提供用于将切削件 结合(如通过硬焊)到钻头面上的附加区域，从而使切削件能够在不 脱离钻头面的情况下，在使用中承受更大的作用力。这种结构在本领 域众所周知并且公开于美国专利4,200,159中。然而，有或没有这种支 撑柱体不会影响本发明切削件的耐用性或磨损特性。
图3显示了在使用中位于钻头10上的本发明切削件201的实施 例。切削件201具有烧结在碳化鴒基底203上的金刚石台202。金刚 石台202具有倒角208，所述倒角相对于侧壁217具有倒角0。切削 件201具有带中心平坦区域211的切削面213。切削面213切削岩石 260，所述切削面在其切削边缘209接触所述岩石。当具有切削件201 的钻头10沿箭头270所示方向移动时，切削件201切入岩石260，使 岩石颗粒或切屑280滑过切削面213。切削件201的切削作用导致在 岩石260中产生切削，切削具有切削深度"DOC"。由于较大倒角(其 提供同样耐用的强力切削件)的原因，在使用本发明切削件时的切削 作用是剪切作用，例如利用无倒角切削件或具有较小深度倒角的切削 件所发生的情况。
可以想到，可以选择不同的倒角0以便增加切削面强度或切削深 度。当0增大时，切削边缘单位面积载荷增大，切削深度增大，从而 使给定WOB下穿过地层的钻进速度相应提高。相反地，当0减小时， 切削边缘单位面积载荷减小，切削深度减小，给定WOB下的钻进速 度减小。
在图4中，显示了从金刚石台202或切削面213观察的切削件201 的实施例的端视图。附图显示了切削边缘209、倒角208、倒角内边界 205和中心切削面区域211。当使用切削件201时，与具有45。倒角的 常规倒角切削件相比，将研发较短且相对窄、浅的磨损平面W，其与 邻近但位于内边界205外的倒角内部相比，只在邻近切削边缘209或 切削件周边(即，邻近切削件侧壁)处略宽，其中，磨损平面显著更 长和更深，延伸到内边界205内，如图4中的虛线W'所示，并且更远 地延伸到切削边缘后面并延伸到金刚石台202的侧壁206中，以及延
16伸到更大的宽度(未显示)。本发明的切削件可以为半切削件(180°切削面)、三分之一切削件(120°切削面)、四分之一切削件(90°切削面)或完整圆柱形切削件的任何其它部分。可选地，可以形成具有非圆柱形的体现本发明构思的切削件。可以想到，根据本发明实施例具有大倒角的切削件可以构造为具有各种切削面形状，沿与切削件纵向轴线垂直的横截面截取，包括但不限于正方形、矩形、三角形、五边形、六边形、七边形、八边形、形成为n边形(其中，n为整数)的其它形状、卵形、椭圆形、或其它形状。
本发明切削件的实施例通过提供这样一种切削件提高了切削件性能，人们一经发现，所述切削件以相当于通常传统切削件(具有类似的直径和成分，具有类似尺寸的倒角，但是以传统的45°倒角)的钻速(ROP)切削地下地层，并与在磨损到丧失有效切削作用的程度之前切削明显更多地层的能力相结合。在实验室试验中，人们还发现本发明切削件的实施例与具有类似倒角深度但具有传统的45。倒角的现有技术切削件相比，使PDC台具有更高的耐磨性，以及抗碎裂性、削蚀作用、热裂和显微裂紋。
根据应用，超耐磨台可以由多晶金刚石或热稳定聚晶金刚石制造而成。另外，多晶金刚石台可以使催化剂或粘结剂只去除到切削面下面并沿着台侧壁的选定深度，如本领域已知。作为多晶金刚石台的替代，可以在切削件中使用下列任意类型的台或致密结构，金刚石薄膜(包括CVD)、正六面体氮化硼、和文献中预测为C3N4 (与已知超耐磨材料等效)的结构。根据本发明实施例的切削件可以利用背景技术部分简要提交的常规方法制造而成，这种方法为本领域普通技术人员所熟知。当然，如果使用除了金刚石颗粒之外的材料制造切削件台，或者如果使用除了硬质合金(例如，碳化鴒(WC))之外的材料制造基底，则可以适当地改变制造方法。发明人想到，可以使用除了碳化钨之外的许多基底制造本发明的切削件。适当的基底材料包括各种烧结金属碳化物，例如鵠(W)、铌(Nb)、锆(Zr)、钒(V)、钽(Ta)、钛(Ti)、鵠(W)、和铪(Hf)的碳化物。图5显示了根据本发明的切削件301的另一实施例，该切削件一部分切削面313的范围内在超耐磨台302上具有大体上平坦的倒角308并且延伸到切削边缘309。这种大体上平坦的倒角308可以与超耐磨台302同时形成，或者在其后经机加工形成。可选地，这种切削件或者圆形切削件的一部分超耐磨台302可以激光缝合以产生削弱的角部，其优选地与超耐磨台脱离，在深度和角度方面形成希望的倒角轮廓和切削边缘309。当然，如图5a所示，可以采用环形倒角308。如图5和5a所示，超耐磨台302和支撑基底303可以构造为所谓的CSE(硬质合金支撑刃)结构，其中，超耐磨台302和基底303在前端均构造有角形侧壁，用于提高超耐磨台的支撑，同时在切削件301后倾时仍然提供与切削边缘309后面相关的间隙或大约10°-15°的"后角a"，如图5a所示。可以从图5a容易地看出，可以使用基底303的角形侧壁303S与(例如)60。的较大倒角和(例如)25。的切削件后倾角相结合以提供相对非常坚固的切削件结构，所述结构迅速钻进并且在使基底侧壁303S长时间不与被钻地层接触。这种方案减少了由基底与紧位于超耐磨台之后的地层滑动接触引起的损害性热量产生的可能。Hughes Christensen (本发明受让人的经营机构)提供了 CSE切削件构造，在先前提及的美国专利No,5,460，233中对所述切削件构造进行了更加充分的描述。
图6显示了根据本发明的切削件401的又一实施例，该切削件在金刚石台402的切削面413上具有较大的内倒角408，所述金刚石台根据本发明成角形并且在其径向外周上由更小、较平緩的外倒角或圆角边缘408，界定。可以使用这种方案提供根据本发明的强力切削件，同时圆角边缘408'的外倒角可以防止切削边缘409的最初削蚀作用，直到已经形成至少小磨损平面为止。在一些实施例中，边缘408'的特征是具有相关的小倒角或半径的锋利、"塘磨"边缘，所述小倒角或半径只大到足以在钻进开始时，防止切削件与地层最初接合期间的边缘损坏。
本发明切削件实施例的切削面与地层接触的实际角度(和有效后倾角)部分地由倒角确定，部分地由切削件本身的后倾角确定，如本领域已知。与具有类似倒角深度的传统超耐磨切削件相比，其中，倒角相对迅速地去除，其后，只有切削件本身的后倾角有助于超耐磨台的压缩，根据本发明实施例的切削件的延长倒角寿命有助于使超耐磨台长时间保持压缩，明显有助于在延长的磨损寿命内的切削件完整性。
图7显示了倒角(与用于倒角和切削件后倾角的各种组合的切削件后倾角相结合)与给定DOC所需WOB之间的预测关系的计算机分析。模型岩石是锯齿山脊白色花岗岩，模拟钻进的ROP为6.1米/小时(20英尺/小时)，转速为60转/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。如图所示，对于约为5°、 10°和15。的较小切削件后倾角来i兌，55。到70。的倒角明显减少了给定DOC的所需WOB。希望DOC的所需WOB减少(同时保持超耐磨台切削面处于如上所述的压缩应力状态)提供了增强的切削效率并且可以延长切削件寿命，但是这未经证实。
人们注意到，根据本发明实施例的切削件在用于钻凿具有大约1054.9 Kg/cm (15Kpsi)以上的无侧限抗压强度的坚硬地层时非常有用，甚至在用于具有超过大约1758.1 Kg/cm ( 25 Kpsi)的无侧限抗压强度的超硬地层时更加有用。这种切削件还特别适用于钻凿磨蚀性地层(其中，人们希望更小的磨损平面以保持ROP)。例如，使用根据本发明实施例的切削件钻凿锯齿山脊白色花岗岩的实验室试验产生了优异结果，所述锯齿山脊白色花岗岩具有1828.4 Kg/cm(26 Kpsi )UCS并且非常耐磨。
图8图解说明了构造根据本发明实施例的切削件的耐久优点。图8图解说明了对以20。切削件后倾角定向的16mm直径PDC切削件进行理论磨损平面分析的结果。图表显示了与具有0.406毫米(0.016英寸)深度、45°倒角(曲线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(曲线B到E)在磨损平面面积减少方面的显著优点。在图8中，在图表插值方面，与每条曲线A、 B等相关的第一数字表示倒角，第二数字表示以英寸表示的倒角深度。
图9是PDC切削元件的放大部分和切削面的一部分的示意图，显示了根据本发明实施例的具有叠加的60。倒角角度(在图中称作"大倒角")的传统45。倒角(称作Std.45。倒角)。PDC切削元件相对于在图纸上从右向左移动的切削件水平线来说后倾，在切削地层时如传统的那样。如图所示，传统的45。倒角随时间流逝导致较大(长，从前到后)磨损平面的形成，在图中表示为"大磨损平面"，本发明的大倒角导致更小(较短)的磨损平面，在图中表示为"小磨损平面"。另夕卜，通过使传统45。倒角的"短倒角包络面"与根据本发明的大倒角的"延长的倒角包络面，，进行对比可以清楚的看出，本发明通过在超过倒角包络面之前获得更大的切削深度和使PDC台承受较大磨损而有利地保持位于倒角包络面内的切削深度。如前所述，在大多数情况下，如果磨损平面可以保持在倒角包络面之内，可以避免由切削面的碎裂和削蚀作用导致的切削件突然失效。就在磨损平面保持于倒角包络面之内的钻凿操作期间使用切削件来说，时间越长，前倒角边缘有利地保持在压缩状态的时间越长。当磨损平面增大并磨损到倒角内边界以内的切削面时，导致PDC台发生碎裂。
现在参考图10，描述了使用根据本发明的切削件的不同实施例的优点。图IO是沿着刮刀钻头的单个刀翼边缘的切削件布置方式的示意图。以Cl表示的切削件最靠近钻头的纵向轴线L，而图10中的C1和C36不是连续的，缺省的数字属于钻头的其它刀翼上的切削件。根据工业实践，"数字1"切削件是紧邻钻头轴线的切削件，而之后的切削件数字表示从所述轴线开始以逐渐增大的径向距离隔开的切削件，与位于刀翼上的各种特殊切削件无关。每个切削件上的内弧线是倒角包络面的内边界。在每个切削件上，黑色区域表示扇形切削区域，不规则的切削区域形状归因于之前由另 一 刀翼上的另 一 径向相邻切削件切入地层的路径。还可以看出，位于钻头顶冠区域上的(例如)Cl和C4切削件上的切削区域远大于位于钻头肩部上的(例如)C24和C28切削件上的切削区域。可以容易地看出，对于切削件C24和C28
20来说，切削区域基本上包含在倒角包络面内。
因此，对与切削效率和耐久性相关的钻凿性能来说，切削件C24和C28的钻凿性能主要取决于倒角。通常，这种切削件具有比较大的后倾角(注意，切削件C30、 C36的略微椭圆形状，表示大后倾角)，形成具有耐久性的坚固切削件，但在使用传统的45。倒角时牺牲了钻进效率。通过使用根据本发明实施例的切削件(具有较大倒角并使切削区域保持在倒角包络面内)，提高了钻进效率，减少了摩擦热的产生并且延长了切削件寿命。
发明人发现，尽管根据本发明实施例的切削件钻凿速度比常规倒角的切削件快，但在一些情况下，在钻头上使用这种切削件可以导致更高的转矩比率和更大的振动。在这种情况下，人们希望使用由Hughes Christensen Company提供的称作"EZ Steer"技术的所谓切削深度控制技术，如转让给本发明受让人的美国专利No.6，298，930和No.6，460，631所述。可以使用这种技术防止钻头过扭矩或钻头钻凿过快，并且提供较高的切削件耐久性。其它方法包括使用附加的切削件，并且在具有大量切削件和增强的切削件冗余性的"高布齿密度"钻头上使用这种切削件。
尽管已经结合多个特定实施例对本发明进行了描述和图解说明，本领域的技术人员应当认识到，在不脱离这里图解说明、描述和要求保护的发明原理的情况下可以进行变形和改型。本发明在不脱离其精神或基本特征的情况下可以其他特定形式实施。所述实施例只是说明性质，不用于限制。因此，本发明的范围由所附权利要求书，而非前述说明书限定。落入权利要求书的等效表述和范围内的所有变形包含在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种在钻凿地下地层时使用的结构，所述结构包括切削元件，所述切削元件具有横向于该切削元件的纵向轴线延伸的超耐磨台并且包括具有周边的切削面，所述周边包括沿着该周边的至少一部分延伸到切削边缘附近的倒角；其中，所述倒角相对于所述切削元件的纵向轴线以大于大约45°的角度定向；并且其中，所述倒角具有平行于所述纵向轴线从倒角内边界到切削边缘测量得到的不大于大约0.635毫米(0.025英寸)的深度。
2. 如权利要求l所述的结构，还包括在其端部具有用于连接到钻 柱上的结构的主体，其中，所述切削元件在所述主体的相对端部上安 装于该主体上。
3. 如权利要求1或2所述的结构，其中，所述切削元件还包括支 撑基底，所述超耐磨台结合到所述支撑基底上。
4. 如权利要求1或2所述的结构，其中，所述倒角相对于所述切 削元件的纵向轴线以不大于大约85。的角度定向。
5. 如权利要求1或2所述的结构，其中，所述倒角相对于所述切 削元件的纵向轴线以大约50°到大约75。的角度定向。
6. 如权利要求1或2所述的结构，其中，所述倒角深度不小于大 约0.0508毫米(0.002英寸)。
7. 如权利要求1或2所述的结构，其中，位于所述倒角内边界内 的切削面为大体上平坦的。
8. 如权利要求1或2所述的结构，其中，所述超耐磨台包括聚晶 金刚石复合片。
9. 如权利要求1或2所述的结构，其中，所述切削元件还包括其 上结合有超耐磨台的支撑基底，所述超耐磨台大体上为圆形，所述支 撑基底大体上为圆柱形并且由金属材料制成。
10. 如权利要求1或2所述的结构，还包括位于所述倒角以外的 另一倒角，所述另一倒角相对于所述纵向轴线成更小的角度，具有更 小的深度，并且比所述倒角更靠近切削边缘。
11. 如权利要求1或2所述的结构，还包括比所述倒角更靠近切 削边缘的、位于所述倒角以外的圆角边缘。
12. 如权利要求1或2所述的结构，其中，所述切削元件还包括 由金属材料制成的支撑基底，所述超耐磨台结合到所述支撑基底上， 其中，与切削边缘相邻的所述超耐磨台侧壁的至少一部分和所述支撑 基底侧壁的相邻部分与所述纵向轴线成锐角。
13. 如权利要求1或2所述的结构，其中，所述切削元件还包括 其上结合有超耐磨台的支撑基底，所述超耐磨台大体上为圆形，所述 支撑基底大体上为圆柱形并且由金属材料制成。
14. 如权利要求2所述的结构，其中，所述主体包括旋转刮刀钻 头主体，且前沿面包括位于所述主体上的表面。
15. 如权利要求14所述的结构，还包括从所述表面伸出的刀翼， 其中，所述多个切削元件中的至少 一部分布置在所述刀翼上。
16. 如权利要求14所述的结构，其中，所述前沿面包括位于固定 到所述主体上的至少一个刀翼上的前沿面。
17. 如权利要求2所述的结构，其中，所述主体包括钻头体和钻 具体之一。
全文摘要
一种在钻凿地下地层时使用的切削元件。切削元件包括安装到支撑基底上的超耐磨台。超耐磨台包括二维切削面和包括倒角的表面，所述二维切削面具有沿着其至少一部分外周的切削边缘，所述倒角从靠近外周切削边缘相对于所述切削元件的纵向轴线以大于大约45°的第一锐角向前和向内延伸至不大于选定深度。倒角为弧形或平坦的，并且具有足以确保在切削元件使用期间产生的磨损平面保持在位于倒角包络面以内的倒角内边界之外的尺寸，并且小到足以保持切削元件的强力切削性能。本发明还公开了承载切削元件的钻头和钻具。
文档编号E21B10/46GK101680273SQ200780050314
公开日2010年3月24日 申请日期2007年12月17日 优先权日2006年12月18日
发明者I·R·鲁加绍博罗拉, M·乔治, N·J·莱昂斯, P·E·帕斯图塞克, R·J·麦克莱伦, S·G·帕特尔 申请人:贝克休斯公司