具有岩芯破碎特性的固定齿钻头的制作方法

具有岩芯破碎特性的固定齿钻头的制作方法
【专利摘要】一种具有多个刀片的钻头，包括一个取芯刀片、具有设置于多个刀片之间的排泄槽的多个流道以及设置于钻头中心线或其附近的圆锥形嵌入物。取芯刀片包含位于钻头中心线第一个径向位置的第一切削元件。而且，取芯刀片包含一个大体垂直面和一个有角度的面。在钻孔过程中，第一切削元件在钻头中心线处切削地层以形成岩心样本碎片。当岩芯样本碎片达到一定长度后，利用有角度的面或圆锥形嵌入物从地层分离。岩芯样本碎片通过排泄槽脱离钻头，并通过内齿环将岩芯样本碎片从排泄槽转移到地表以供测试和分析。
【专利说明】具有岩芯破碎特性的固定齿钻头
相关申请的交叉引用
[0001]本发明主张2011年6月22日提交的美国临时申请61/499851和2012年3月12日提交的美国临时申请61/609527，其中所述两个申请通过引用在此全文并入。
【技术领域】
[0002]这里公开的实施例总体涉及从地层获得岩芯样本碎片的装置和方法。具体的，这里公开的实施例涉及用于从地层获得岩芯样本碎片的固定齿钻头。
【背景技术】
[0003]在地球钻钻孔时，例如用于油气开采或者其他用途时，通常做法是将钻头连接在首尾相接的钻杆段组件的下端以形成钻柱。钻头通过在地面上旋转钻柱或通过制动井下马达或涡轮或通过所述两种方法而旋转。通过将重量施加到钻柱，旋转的钻头接合地层，从而使钻头通过磨蚀、破碎或剪切作用或通过所有切削方法的组合切削通过地层材料，从而沿着预定路径朝向目标区形成钻孔。
[0004]已经研发并获得用于钻这种钻孔的多种不同类型的钻头。两种主要类型的钻头是牙轮钻头和固定齿(或旋转刮刀)钻头。大多数固定齿钻头设计包括绕钻头表面以一定角度间隔开的多个刀片。刀片从钻头体径向向外突出并在刀片之间形成流动通道。另外，切削元件典型地被分组并安装在径向延伸的列中的多个刀片上。切削元件在刀片上的结构或布局基于诸如要被钻进的地层的许多因素而广泛变化。
[0005]设置在固定齿钻头的刀片上的切削元件典型地由极硬材料形成。在典型的固定齿钻头中，每一个切削元件都包括容纳并固定在形成在刀片中的一个表面中的槽窝中的细长大致圆柱形碳化物衬底。切削元件典型地包括由多晶金刚石(P⑶)或其他超级研磨材料(例如，热稳定金刚石或多晶立方氮化硼)形成的硬切削层。为了方便起见，如这里所使用的，对“PDC钻头”、“PDC切削刀”的描述是指采用多晶金刚石或其他超级研磨材料形成的硬切削层的切削元件或固定齿钻头。
[0006]参照图1和图2,显不了适用于钻通岩石地层以形成钻孔的常规PDC钻头10。F1DC通常包括钻头体12、钻头柄部13、和用于将PDC钻头10连接到钻柱(未示出)的螺纹连接装置或销14，其中所述钻柱被用于使钻头旋转以对钻孔进行钻进。钻头端面20支撑切削结构15并形成在PDC钻头10与销端16相对的端部上。PDC钻头10还包括中心轴线11，PDC钻头10绕中心轴线11在由箭头18表示的切削方向上旋转。
[0007]切削结构15设置在PDC钻头10的端面20上。切削结构15包括以角度间隔开的多个主刀片31，32，33和副刀片34，35，36，所述刀片中的每一个都从钻头端面20延伸。主刀片31，32，33和副刀片34，35，36沿着钻头端面20大致径向延伸并然后沿着钻头10的周边的一部分轴向延伸。然而，副刀片34，35，36沿着钻头端面20从为远端钻头轴线11的位置朝向钻头10的周边径向延伸。因此，如这里所使用的，“副刀片可以用于表示以一定距离从钻头轴线开始并沿着钻头端面朝向钻头的周边大致径向延伸的刀片。主刀片31，32，33和副刀片34，35，36被钻井液流动路线19分隔开。
[0008]仍然参照图1和图2，每一个主刀片31，32，33包括用于安装多个切削元件的刀片顶部42，并且每一个副刀片34，35，36包括用于安装多个切削元件的刀片顶部52。具体地，每一个都具有切削面44的切削元件40分别安装在形成在每一个主刀片31，32，33和每一个副刀片34，35，36的刀片顶部42，52中的槽窝(pocket)中。切削元件40附近每一个主刀片31，32，33和每一个副刀片34，35，36的前缘沿径向延伸列彼此相邻布置。每一个切削面44具有最远离安装有切削元件40的刀片顶部42，52的最远切削末端44a。
[0009]以下参照图3，显示了钻头10的轮廓图，以可以显示所有刀片(例如，主刀片31，32，33和副刀片34，35，36)和所有切削元件40的切削面44被旋转成单个旋转轮廓图。在旋转轮廓图中，PDC钻头10的所有刀片31-36的刀片顶部42，52形成并限定从钻头轴线11径向延伸到PDC钻头10的外半径23的组合或复合刀片轮廓39。因此，如这里使用的，措词“复合刀片轮廓”表示从钻头轴线延伸到钻头的外半径并由钻头的旋转成单个旋转轮廓(即，在旋转轮廓图)的所有刀片的刀片顶部形成的轮廓。
[0010]传统的复合刀片轮廓39 (在图3中的钻头10的右半侧中最清楚显示)可以通常被分成三个区域，所述三个区域传统地被标记为锥形区域24、台肩区域25和保径区域26。锥形区域24包括钻头10和复合刀片轮廓39的大致从钻头轴线11延伸到台肩区域25的径向最内侧区域。如图3所示，在大多数常规的固定齿钻头中，锥形区域24通常是凹入的。与锥形区域24相邻的是台肩(或翻转曲线)区域25.在大多数常规的固定齿钻头中，台肩区域25通常是凸起的。向外径向移动与台肩区域25相邻的是保径区域26，所述保径区域在复合刀片轮廓39的外径向周边平行于钻头轴线11延伸。因此，常规PDC钻头10的复合刀片轮廓39包括一个凹入区域(锥形区域24)和一个凸起区域(台肩区域)。
[0011]凸起台肩区域25和复合刀片轮廓39的轴向最低点限定刀片轮廓顶冠27。在刀片轮廓顶冠27处，凸起台肩区域25和复合刀片轮廓39的切线27a的斜率为零。因此，如这里所使用的，术语“刀片轮廓顶冠”表示在旋转剖面图中沿着钻头的复合刀片轮廓的凸起区域的点，其中复合刀片轮廓的切线的斜率在所述点处为零。对于大多数常规固定齿钻头(例如，PDC钻头IO )来说，复合刀片轮廓仅包括一个凸起台肩区域(例如，凸起台肩区域25 )和仅一个刀片轮廓顶冠(例如，顶冠27)。如图1-3所示，切削元件40沿着刀片31-36成行布置并沿着钻头端面20定位在先前被描述为复合刀片轮廓39的锥形区域24、台肩区域25和保径区域26的多个区域中。具体地，切削元件40相对于钻头10的中心轴心11在刀片31-36上安装在预定径向间隔开的位置。
[0012]对于较硬的地层钻孔，其钻孔的机制从剪切变为磨蚀。对于磨蚀钻孔，优选具有固定、磨蚀元件的钻头。尽管PDC钻头被公认为对于某些地层的钻孔有效，但是发现对于硬的，磨蚀性地层例如砂岩不那么有效。对于这些硬地层，含有孕镶在支持母体中的微粒金刚石，或者金刚石磨粒的切削结构是有效的。在下面讨论中，这种成分被叫做“孕镶金刚石”。
[0013]孕镶金刚石钻头通常用于非常硬的或者磨蚀性岩石层中钻孔。这种钻头的切削面包括分布在支持材料(例如，金属-母体复合物材料)中的天然或者合成金刚石以形成磨蚀层。在钻头工作时，磨蚀层中金刚石随着支持材料磨损逐渐露出。通过磨损在切削面上的支持材料使新的金刚石不断露出是孕镶钻头的基本功能原理。
[0014]图4显示了现有技术孕镶金刚石钻头的一个例子。孕镶钻头70包括钻头体72和几个在钻头体内形成的多个筋74。筋74可以从钻头体中心径向向外延伸到钻头体72的外径，接着轴向向下，限定孕镶钻头70的直径(或保径)。筋74被通道76分开以使钻井液在其间流动清洗和冷却筋74。筋74典型地排列成组79，其中典型地通过去掉或者省略掉至少一部分筋74以形成组79中间的间隙78。所述间隙78，也被称作“液体流道”，处于为钻井液提供额外流动通道并且为岩屑通过钻头70运输到钻孔表面(未示出)提供通道的位置。
[0015]如图5所示，显示了根据美国专利6394202的现有技术孕镶钻头80的例子，该专利已经转让于本发明的受让人并在此引用合并。在图5中，孕镶钻头80包括一个柄部82和冠部84。柄部82典型地由钢形成并包括螺旋销86以连接到钻柱上。冠部84具有切削面88和外部面89。根据一个或多个实施例，冠部84通过浸入大量嵌有合成或天然金刚石的碳化钨粉末形成。
[0016]冠部84可以包括多种表面特征，例如凸起的筋74。更好地，在制造过程中包含成型器使得浸透的，孕镶金刚石的冠部包含多个一定大小和形状的孔或者槽85以接收相应的多个金刚石孕镶嵌入物83。一旦冠部84形成，嵌件83嵌入到槽85中，并通过合适的方法，比如铜焊，粘合，机械方法如过盈链接等方式固定。如图5所示，槽85可以基本上垂直于冠部84的表面。或者，如图5所示，槽85可以每个基本上垂直于冠部84的表面。在本实施例中，槽85是倾斜的，这样嵌件83基本上在钻头的旋转方向上排列，以提高剪切性。
[0017]现在参照图6，显示了现有技术孕镶钻头的一条筋的截面图。筋74具有轮廓90限定了它的大致形状/几何结构，该轮廓可以分成几个部分:锥形区域92(凹进的中心区域)，顶冠区域94 (轮廓的前沿切削边缘)，台肩区域96 (钻头外径的起点)，过渡区域98 (台肩和垂直保径之间的过渡)，和保径区域99 (垂直区域限定钻头的外径)。筋74的主要切削部分包括锥形区域92，顶冠区域94，和台肩区域96，其中保径区域90主要负责保持孔的尺寸。
[0018]在不考虑钻头的类型的情况下，钻钻孔的成本与将所述钻孔钻进到期望深度和位置所耗费的持续时间成比例。钻井时间又在很大程度上受到为了达到目标地层必须更换钻头的次数的影响。这是因为每次更换钻头时，可以为几英里长的整个钻柱必须逐段从钻孔中取出。一旦已经取出钻柱并安装新的钻头，钻头在钻柱上必须被下入到钻孔的底部，其中所述钻柱必须再次被逐段构造而成。被公知为“起下钻”的这种过程需要大量时间、工作和费用。因此，总是期望采用钻得更快更长并且可在宽范围的不同地层硬度上使用的钻头。
[0019]在必须更换钻头之前钻头可以被使用的持续时间取决于钻头的钻进速度(“R0P”)以及钻头保持较高或可接受ROP的耐用性或能力。具体的，ROP是钻头钻进给定地层的速度。ROP典型地计量单位是英尺每小时。目前人们在不断尝试优化钻头使其更快钻入特定地层以减少钻孔成本，其很大程度受到ROP的影响。
[0020]一旦钻孔中达到理想的地层，可以提取地层岩芯样本进行分析。通常，采用中空取芯钻头从地层提取岩芯样本。一旦岩芯样本从钻孔运输到地面，可用于分析和测试例如渗透率，孔隙率，成分或者其他地层的地质特性。
[0021]不考虑用于钻入地层的钻头种类，通常取岩芯的方法需要从钻孔取回钻柱，将该钻头替换成取芯钻头，将该取芯钻头下入到钻孔中的钻柱上以取回岩芯样本，该样本再沿钻孔的路径带到地表进行分析。也就是，通常的取芯方法需要起下钻钻柱，因此需要很长时间，经历和花费。[0022]因此，需要一种能够在钻孔过程中获取地层岩芯样本碎片的固定齿钻头，以避免起下钻钻柱并减少取芯成本。另外，这种固定齿钻头需要保持可接受的ROP以达到可接受时长并避免提取岩芯样本碎片到地表分析时钻头堵塞。

【发明内容】

[0023]一方面，这里公开的实施例涉及一种用于从地层获得岩芯样本碎片的钻头，包括:具有钻头中心线和钻头端面的钻头体；多个沿着钻头端面径向延伸的刀片，该刀片被多个流道从中间分隔开，其中多个刀片中的一个是取芯刀片，包括:一个大体垂直面；和一个有角度的面，其中大体垂直面和有角度的面是整体相连的；在多个刀片上安置有多个切削元件，其中多个切削元件的一个是安置在取芯刀片上自钻头中心线第一径向位置处的第一切削元件。
[0024]另一方面，在这里公开的实施例涉及一种从地层获得岩芯样本碎片的钻头，包括:具有钻头中心线和钻头端面的钻头体；多个沿着钻头端面径向延伸的刀片，该刀片被多个流道从中间分隔开，其中多个刀片中的一个是取芯刀片，其中多个流道的一个是排屑槽，该排屑槽位于相对于取芯刀片穿过钻头中心线的位置；在多个刀片上安置有多个切削元件，其中多个切削元件的一个是安置在取芯刀片上自钻头中心线第一个径向位置处的第一切削元件，其中第一切削元件是圆锥形切削元件，该圆锥形切削元件嵌入在取芯刀片上以使其圆锥切削元件的顶端朝向钻头中心线，其中在取芯刀片和排屑槽中间安置有支撑面，并将取芯刀片整体连接到排屑槽，其中在支撑面上最接近钻头中心线处安置有圆锥形嵌入物，并且该嵌入物嵌入在钻头体上使得该圆锥形嵌入物的顶端位于第一切削元件的第一径向位置的轴向上方。
[0025]另一方面，在这里公开的实施例涉及一种从地层获得岩芯样本碎片的方法，包括:将钻头固定在钻柱的下端，旋转钻柱以将钻头钻入并切削穿入地层，形成钻井孔；利用钻头的第一切削元件在钻柱旋转过程中形成最接近钻头中心线的岩芯样本碎片，其中该岩芯样本碎片具有基于第一切削元件的第一径向位置的宽度；利用取芯刀片的有角度的面在岩芯样本碎片的一边施加侧向压力以使岩芯样本碎片达到一定长度之后从地层分离；将岩芯样本碎片传送到钻头的排屑槽中；并将岩芯样本碎片从排屑槽中通过钻井孔和钻柱之间形成的内齿环运输到地层表面。
[0026]然而另一方面，在这里公开的实施例涉及一种从地层获得岩芯样本碎片的方法，包括:将钻头固定在钻柱的下端，旋转钻柱以将钻头钻入并切削穿入地层，形成钻井孔；利用嵌入在钻头的取芯刀片的圆锥形切削元件刻划地层，这时在钻柱旋转过程中岩芯样本碎片在最接近钻头中心线处形成，其中该岩芯样本碎片具有基于嵌入在取芯刀片中的圆锥形切削元件的第一径向位置的宽度；利用嵌入在取芯刀片中的圆锥形切削元件削弱岩芯样本碎片以使岩芯样本碎片达到一定长度之后从地层分离；如果嵌入在取芯刀片中的圆锥形切削元件无法将岩芯样本碎片从地层上分离，利用安置在最接近钻头中心线的圆锥形嵌入物在岩芯样本碎片的一端施加中心负载，当岩芯样本碎片达到该长度后使岩芯样本碎片从地层分离，其中安置在最接近钻头中心线的圆锥形嵌入物嵌入在钻头体中使圆锥形嵌入物的顶端位于嵌入在取芯刀片上的圆锥形切削元件的第一径向位置的轴向上方；将岩芯样本碎片传送到钻头的排屑槽中；并将岩芯样本碎片通过钻井孔和钻柱之间的形成的内齿环中从排屑槽运输到地层表面。
[0027]本公开的其他方面和优势从以下描述和附加权利要求中体现。
【专利附图】

【附图说明】
[0028]图1是PDC钻头现有技术的透视图。
[0029]图2是PDC钻头现有技术的俯视图。
[0030]图3是PDC钻头现有技术的剖视图。
[0031]图4是孕镶钻头现有技术的俯视图。
[0032]图5是孕镶钻头现有技术的透视图。
[0033]图6是一个孕镶钻头的筋的现有技术剖视图。
[0034]根据本发明公开的一个或多个实施例，图7是带有岩芯样本碎片的钻头透视图。
[0035]根据本发明公开的一个或多个实施例，图8是的带有岩芯样本碎片的钻头的另一个透视图。
[0036]根据本发明公开的一个或多个实施例，图9是钻头的俯视图。
[0037]根据本发明公开的一个或多个实施例，图10是钻头的俯视图。
[0038]根据本发明公开的一个或多个实施例，图11是带有岩芯样本碎片的钻头的一个部分透视图。
[0039]根据本发明公开的一个或多个实施例，图12是带有岩芯样本碎片钻头的部分透视图。
[0040]根据本发明公开的一个或多个实施例，图13是钻头的部分放大视图，该钻头在图12中已展示。
[0041]根据本发明公开的一个或多个实施例，图14是图12所示钻头的另一个部分放大视图。
[0042]根据本发明公开的一个或多个实施例，图15是钻头的剖视图。
[0043]根据本发明公开的一个或多个实施例，图16是图15所示带有岩芯样本碎片的钻头的剖视图。
[0044]根据本发明公开的一个或多个实施例，图17是改变ROP百分比的钻头的图纸。
[0045]根据本发明公开的一个或多个实施例，图18是钻头的法向力对比的图纸。
[0046]根据本发明公开的一个或多个实施例，图19是带有岩芯样本碎片的钻头的部分透视图。
[0047]根据本发明公开的一个或多个实施例，图20是图19中不带有岩芯样本碎片的钻头的部分透视图。
[0048]根据本发明公开的一个或多个实施例，图21是图20所示钻头的局部放大图。
[0049]根据本发明公开的一个或多个实施例，图22是图20所示钻头的另一个局部放大图。
[0050]根据本发明公开的一个或多个实施例，图23是钻头的剖视图。
[0051]根据本发明公开的一个或多个实施例，图24是钻头的立体剖视图。
[0052]根据本发明公开的一个或多个实施例，图25是图23所示带有岩芯样本碎片的钻头的剖视图。[0053]根据本发明公开的一个或多个实施例，图26A-26C是多种圆锥形嵌入物和切割元件。
[0054]根据本发明的一个实施例，图27是圆锥形嵌入物或圆锥形切割元件。
[0055]根据本发明公开的一个或多个实施例，图28A-C是多种圆锥形嵌入物或圆锥形切表I]兀件。
[0056]根据本发明公开的一个或多个实施例，图29是圆锥形嵌入物或圆锥形切割元件。
[0057]根据本发明公开的一个或多个实施例，图30是切割轮廓。
【具体实施方式】
[0058]本发明公开的实施例将根据附图在下文中说明。一般而言，本发明与从地层获得岩芯样本碎片的设备和方法相关。特别的，本发明公开的实施例与用于从地层获得岩芯样本碎片的固定齿钻头相关。
[0059]根据本发明公开的一个或多个实施例，图7和图8是带有岩芯样本碎片的钻头的透视图。如图所示，该钻头是PDC钻头700，包含钻头体701、钻头端面703、柄705和销707。销707用于确保PDC钻头指向钻柱的下末端(未在图中显示)。PDC钻头700进一步包括了钻头中心线709，PDC钻头700关于该线沿着箭头711的方向旋转。根据发明公开的一个或多个实施例，钻头面703延伸通过中线709并平滑地转换进流道719中，下面进一步详细说明。
[0060]当PDC钻头700确保指向钻柱时，旋转钻柱会引起PDC钻头700旋转、穿透并切割地层，该过程中使用了切削元件713，下面进一步详细说明。随着PDC钻头700穿透并切割地层，钻井孔形成。
[0061]如图7和图8所示，PDC钻头700的钻头面703支撑多个刀片715。多个刀片715在PDC钻头700的末端形成，并与销707相对。如图所示，多个刀片715径向延伸到钻面703，然后沿着PDC钻头700外围的一部分轴向延伸。根据本发明公开的一个或多个实施例，多个刀片之一是取芯刀片717，下面有进一步的细节说明。多个刀片715被多流道719分开，这使得钻井液能够在钻井时在清洁而且冷却的多个叶片715之间流动。根据本发明公开的一个或多个实施例，多流道719之一是排泄槽721，下面进一步详细说明。
[0062]如图7和图8所示，多个刀片715中的每一个均有切削元件713置于其上。多切削元件713朝向每一个多刀片715的边缘，并沿着径向并列排列。多切削元件713可以有大致水平的切削面，使得其在钻进地层时发挥剪切作用。在其它实施例中，多切削元件713的任意一个可以是可旋转的切削元件，正如在美国专利N0.7，703，559、美国专利文献N0.2010/0219001 和美国实用新型N0.13/152，626,61/479, 151 和61/479，183所公开的，这些均已转让给受让人，并在此处以与其全部内容所阐明的一样的意义通过引用结合于此。在其它实施例中，多切削元件713中的任意一个可以为“圆锥形切削元件”，正如在美国专利文献 N0.61/441，319、13/370，734,61/499, 851、13/370，862 和 61/609，527 所公开的，这些均已转让给受让人，并在此处以与其全部内容所阐明的一样的意义通过引用结合于此。下面关于圆锥形切削元件进一步详细说明。
[0063]根据本发明公开的一个或多个实施例，多切削元件713之一是主切削齿723(或第一切削元件)，它被置于取芯刀片717上。如下文进一步细节说明所述，主切削齿723和取芯刀片717用以形成和破坏岩芯样本碎片725，如图7和图8所示。
[0064]如图7和图8进一步所示，PDC钻头700包含一个嵌于钻体701中的圆锥形嵌入物727，该钻体被放置于或接近于钻头中心线709。如下文进一步细节说明所述，圆锥形嵌入物727与取芯刀片717共同工作，以使得岩芯样本碎片725在钻孔过程中从地层分离。
[0065]根据本发明公开的一个或多个实施例，图9是钻头的俯视图。特别的，根据本发明公开的一个或多个实施例，图9是PDC钻头700的俯视图。图9略去了岩芯样本碎片725，以提供没有遮挡的PDC钻头700的俯视图。图9是钻头面703、多切削元件713、多刀片715和多流道719，这些在上文均已说明。图9进一步展示了取芯刀片717、排泄槽721、主切削齿723和圆锥形嵌入物727，下面进一步详细说明。
[0066]根据本发明公开的一个或多个实施例，图10是钻头的俯视图。特别的，根据本发明公开的一个或多个实施例，图10是PDC钻头700的俯视图。除了桥接部分1000，图10与图9相似。为表达清晰，图10中与图9重复的部分兀件被略去。
[0067]如图10所示，根据本发明公开的一个或多个实施例，桥接部分1000将位于中心的至少两个多刀片715的邻近末端相连接。根据本发明公开的一个或多个实施例，桥接部分1000将位于中心的取芯刀片717末端部分与至少两个多刀片715的邻近末端相连接。桥接部分1000可以将多刀片715中的至少两个位于中心的邻近末端连接为一个整部分。在一些实施例中，桥接部分1000可以桥接取芯刀片717和多刀片715中不是取芯刀片717的另一个刀片，或者桥接部分1000可以桥接多刀片715中不是取芯刀片717的至少两个。
[0068]根据图7到图10，随着PDC钻头700在地层内旋转，PDC钻头700通过多切削元件713发挥作用形成井眼，并同时通过取芯刀片717主切削齿的作用形成岩芯样本碎片725。随着岩芯样本碎片725在钻井过程中形成，沿着钻面703并在多流道719之间的钻头水力特性可辅助新形成的岩芯样本碎片725指向PDC钻头700的排泄槽。
[0069]参考图10，根据本发明公开的一个或多个实施例，如前所述，当桥接部分1000被使用，桥接部分的机械结构产生了一个边界，并与钻头水力特性协同，辅助新形成的岩芯样本碎片725指向PDC钻头700的排泄槽。
[0070]根据本发明公开的一个或多个实施例，图11是带有岩芯样本碎片725的钻头的部分透视图。特别的，根据本发明公开的一个或多个实施例，图11显示了 PDC钻头700的部分透视图。参考图12，根据本发明公开的一个或多个实施例，图11所示的PDC钻头700部分透视图略去了岩芯样本碎片725，以提供没有遮挡的PDC钻头700结构的部分透视图。
[0071]图12是多切削元件713、多刀片715和多流道719，这些均已在上文说明。图12进一步展示了取芯刀片717、排泄槽721、主切削齿723和圆锥形嵌入物727，这些均在下文有进一步的细节说明。
[0072]如图12所示，取芯刀片717是PDC钻头700多刀片715中的一个。参考图13和图14，根据本发明公开的一个或多个实施例，图12是PDC钻头700的部分放大图。特别的，图13和图14着重展示了取芯刀片717。如图所示，根据本发明公开的一个或多个实施例，取芯刀片717有多切削元件713置于其上。多切削元件713中的一个是主切削齿723。根据本发明公开的一个或多个实施例，主切削齿沿着钻头中心线709的第一径向位置Rl被放置于取芯刀片717上。主径向方位Rl由所有的切削元件713旋转而成的单一旋转视图确定，用以得到切削轮廓。这个位于最靠近钻头中心线709位置——即第一径向位置Rl的切削元件713是主切削齿723。
[0073]根据本发明公开的一个或多个实施例，第一径向位置Rl与钻头中心线709有一些距离，使岩芯样本碎片725得以形成。作为一个非限制示例，根据本发明公开的一个或多个实施例，第一径向位置Rl距钻头中心线709的距离是PDC钻头700的直径的0.25倍。根据本发明公开的一个或多个实施例，第一径向位置Rl距钻头中心线的距离可以为PDC钻头700的直径的0.05到0.25倍。根据本发明公开的其它实施例，第一径向位置Rl距钻头中心线的距离最低限制可以为I3DC钻头700的直径的0.05,0.075,0.1,0.125或0.1倍中的任意一个，最高限制可以为PDC钻头700的直径的0.075,0.1,0.125,0.15,0.175,0.2,0.225或0.25倍中的任意一个，此处，最低限制可以与任一最高限制组合使用。本领域的普通技术人员应当理解，第一径向位置Rl可以与钻头中心线有其它的距离值，该距离根据所需的岩芯样本碎片725的尺寸确定，而不超出本申请的范围。
[0074]根据本发明公开的一个或多个实施例，取芯刀片717的主切削齿723被用于在钻井眼过程中形成位于或靠近钻头中心线709的岩芯样本碎片725。特别的，在钻井眼过程中，随着PDC钻头700绕着钻头中心线709旋转，主切削齿723将岩芯样本碎片725从地层中切割出。根据本发明公开的一个或多个实施例，主切削齿可以有大体水平的切削面，使得其在钻地层时发挥剪切作用。在其它实施例中，主切削齿723可以由一个圆锥形的切削元件，下文将有进一步的细节说明。主切削齿723所在的第一径向位置Rl决定了岩芯样本碎片725的宽度和直径。例如，根据本发明公开的一个或多个实施例，如果第一径向位置Rl与钻头中心线的距离为PDC钻头的0.25倍，置于第一径向位置Rl的主切削齿723将会形成一个半径为PDC钻头700的0.25倍的岩芯样本碎片725，并且其宽度和直径是PDC钻头700的0.5倍。第一径向位置Rl距钻头中心线越远，岩芯样本碎片725的宽度就越大。类似的，第一径向位置Rl距钻头中心线越近，岩芯样本碎片725的宽度就越小。相应的，本领域的普通技术人员应当理解，第一径向位置Rl可以与中心线709有多种距离，以形成有多种宽度的岩芯样本碎片，而不超出本申请的范围。
[0075]如图13和图14进一步展示的那样，根据本发明公开的一个或多个实施例，取芯刀片717可以包括大体垂直的面1301，缓冲部分1303和有角度的面1305。有角度的面1305被轴向放置在刀片顶端上，并在钻面703轴向下方，该轴线延伸穿过钻头中心线709。在一些实施例中，钻面703可以在其孔中插入嵌入体，该嵌入体可以放置于或接近钻头中心线709。如图所示，缓冲部分1303可以被放置在大体垂直面1301和有角度的面1305之间。缓冲部分1303可以保护大体垂直面1301，以防止其过早磨损。根据本发明公开的一个或多个实施例，大体垂直面1301、缓冲部分1303和有角度的面1305被整合连接以形成连续部分，并面向PDC钻头700的钻头中心线709。
[0076]根据本发明公开的其它实施例，取芯刀片717可以在没有缓冲部分的情况下安装。根据这些其它实施例，大体垂直面1301和有角度的面1305被整合连接以形成连续整体，并面向PDC钻头700的钻头中心线709。进一步的，根据这些其它实施例，大体垂直面1301和有角度的面1305交叉于一点，该点在岩芯样本碎片717的主切削齿723轴向上方。
[0077]根据本发明公开的一个或多个实施例，大体垂直面1301可以大致平行于PDC钻头700的钻头中心线709。即，根据本发明公开的一个或多个实施例，大体垂直面1301可以与PDC钻头700的中心线709在任一方向上成大小范围为0°到5°的角。如图16所示，以在下文进一步说明，有角度的面1305的斜度可辅助确定相应岩芯样本碎片725的长度。例如，有角度的面1305的斜度越平(即与钻头中心线709形成更大的角度)，相应的岩芯样本碎片725长度越大。类似的，有角度的面1305的斜度越陡(即与钻头中心线709形成更小的角度)，相应的岩芯样本碎片725长度越小。本领域的普通技术人员应当理解，除倾斜角1305的斜度外，取芯刀片717的高度可辅助确定相应岩芯样本碎片725的高度。例如，取芯刀片717越高，相应的岩芯样本碎片越长。类似的，取芯刀片717越低，相应的岩芯样本碎片越短。相应的，本领域的普通技术人员应当理解，有角度的面1305可以与钻头中心线709形成不同角度，且取芯刀片717可以有多种高度，以形成有不同高度的岩芯样本碎片725，而不超出本申请的范围。在特别的实施例中，有角度的面1305可以被这样放置，以使得位于轴心点的有角度的面1305有一个与主切削齿723径向方位相等的径向值，该值的最低限度可以为钻头直径的0.1,0.2,0.3,0.4或0.5倍中的至少任意一个，最高限度可以为钻头直径的0.2,0.3,0.4,0.5、0.6或0.75倍中的至少任意一个，任一最低限制可以与最高限制组合使用。
[0078]根据本发明公开的一个或多个实施例，有角度的面1305与钻头中心线709有一个大小范围为15°到20°的夹角。然而，鉴于以上所述，此夹角范围并不限制本申请的范围，而且有角度的面1305可以与钻头中心线709有多种夹角。例如，在一个或多个实施例中，有角度的面1305可以有一个夹角，该角的最低限度为5°、10°、15°、20°或25°左右中的任意一个，最高限度为15°、20°、25°、30°、35°或45°中的任意一个。根据本发明公开的一个或多个实施例，有角度的面1305可以与钻头中心线709有一个夹角，该夹角满足有角度的面1305的一边接触于岩芯样本碎片725的边上，以足够引起岩芯样本碎片725从地层破碎分离并达到需要的长度。有角度的面1305的作用在图16中有进一步的描述。
[0079]回到图13-14，依据本发明的一个或多个实施例，缓冲部分1303可配置在大体垂直面1301和有角度的面1305。缓冲部分1303用来减轻和保护大体垂直面1301以防过早磨损。依据本发明的一个或多个实施例，缓冲部分1303在大体垂直面1301和有角度的面1305间的位置取决于岩芯样本碎片725的理想长宽比。依据本发明的一个或多个实施例，岩芯样本碎片725的长度与宽度的比率将大于等于1.因而，缓冲部分1303的位置取决于取芯刀片717的高度，有角度的面1305的倾角，还有第一个径向位置Rl对于钻头中心线709的位置，正如之前所叙述的那样。
[0080]如图13，依据本发明的一个或多个实施例，大体垂直面1301可有一个低摩擦耐磨表面1307，因为在钻孔过程中外在的对大体垂直面1301施加的负载。对低摩擦耐磨表面1307的使用将为大体垂直面1301提供磨损保护，这将强化聚晶金刚石钻头700的使用寿命。依据本发明的一个或多个实施例，对低摩擦耐磨表面1307在大体垂直面1301上的使用将在形成岩芯样本碎片725的过程中提供额外的切削作用。依据本发明的一个或多个实施例，低摩擦耐磨表面1307或者将与大体垂直面1301连接，或者将从一个或多个非整体的片段中形成，例如在图13中的三角形中。虽然如图13显示的三角形状的非整体的片段，本领域的普通技术人员将理解本发明的一个或多个实施例并不局限在一个特定的形状。的确，方形、圆形、椭圆形、钻石形、磁盘形、楔形等或其他能对大体垂直面1301提供磨损保护的形状都可能被使用。
[0081]依据本发明的一个或多个实施例,低摩擦耐磨表面1307与大体垂直面1301连接，并在聚晶金刚石钻头700的取芯刀片717形成时形成。依据本发明的一个或多个实施例，在使用低摩擦耐磨表面1307时的材料或者是热稳定多晶金刚石(TSP)，天然钻石，或者是其他热稳定耐磨材料。依据本发明的一个或多个实施例，这里低摩擦耐磨表面1307使用的材料是TSP。
[0082]如图14，依据本发明的一个或多个实施例，有角度的面1305可包含一个摩擦耐磨表面1307，因为在钻孔时对外在的施加于有角度的面1305的负载。对低摩擦耐磨表面1307的使用将保护有角度的面1305，这将确保持续耐磨，从而强化了聚晶金刚石钻头700的使用寿命。依据本发明的一个或多个实施例，地摩擦耐磨表面1307或者与倾斜表面1305连接，或者形成于一个或多个非完整的片段，例如图14显示的圆盘。虽然如图14显示的圆盘形状的非完整片段，本领域的普通技术人员将理解本发明给出的一个或多个实施例并不仅仅局限在一个特定的形状。的确，三角形，方形，圆形，椭圆形，钻石形，楔形，或者其他能对倾斜表面1305提供磨损保护的形状都可能被使用。
[0083]依据本发明的一个或多个实施例，低摩擦耐磨表面1307与有角度的面1305连接，并在聚晶金刚石钻头700的取芯刀片717的形成时形成。依据本发明的一个或多个实施例，被用于低摩擦耐磨表面1307的材料或者是TSP，天然钻石，或者是任何其他热稳定耐磨材料。依据本发明的一个或多个实施例，用于低摩擦耐磨表面1307的材料是TSP。
[0084]图13-14也显示出圆锥形嵌入物727配置在钻头中心线709旁边。在这里，“靠近”钻头中心线709指的或者在钻头中心线709上，或者在钻头中心线709和第一径向位置Rl之间。依据本发明的一个或多个实施例，圆锥形嵌入物727被嵌入到一个钻头体701，继而圆锥形嵌入物727的一个顶点被纵向放置到在取芯刀片717的缓冲部分1303上。圆锥形嵌入物727在图15中有更细化的描述。
[0085]依据本发明的一个或多个实施例，图15显示的是一个钻头的剖视图。特别地，图15展现出聚晶金刚石钻头700的剖视图。如图所示，圆锥形嵌入物727被配置在或者近似放置在一个有钻头体701的支撑表面1500的钻头中心线709。依据本发明的一个或多个实施例，支撑表面1500被安置在取芯刀片701上。依据本发明的一个或多个实施例，支撑表面1500被安置在取芯刀片717和聚晶金刚石钻头700的排泄槽721中。依据本发明的一个或多个实施例，支撑表面1500完整地连接取芯刀片717到排泄槽721以形成连续整体。更多的，依据本发明的一个或多个实施例，支撑表面1500有低于五度的倾斜度，比其他实施例少2或3度，或者甚至有一个与钻头中心线709的倾角为零。
[0086]如图15，依据本发明的一个或多个实施例，圆锥形嵌入物727被嵌入到钻头体701使得圆锥形嵌入物727的顶点被纵向放置在缓冲部分1303的取芯刀片717上。在这里，“圆锥形嵌入物”指的一个有逐渐锋利末端的元件(包括直锥和斜锥)以一个圆型顶点结尾。依据本发明的一个或多个实施例，圆锥形嵌入物727的顶点可以有在圆锥形嵌入物727端面和顶点的曲率。因为压缩破裂和熔刮产生的碎片725圆锥形嵌入物727的结构允许削减。
[0087]依据本发明的一个或多个实施例，圆锥形嵌入物727可能是配置到一个圆锥体形状的刚性切削元件。但是，圆锥形嵌入物727的形状并不意味着被限制，并且圆锥形嵌入物727可能被设置成不同的形状而不是圆锥体形。本领域的普通技术人员将明白，依据本发明的一个或多个实施例，圆锥形嵌入物727可以有各种形状的用来与随后相联系的分离岩芯样本碎片725。[0088]依据本发明的一个或多个实施例，圆锥形嵌入物727可能由一个钻头体701的积分元素形成，或者是由多晶超硬材料制作的非整体嵌件形成。依据本发明的一个或多个实施例，圆锥形嵌入物727是一个非整体嵌入物，它包括一个衬底(例如一个被加固的碳化钨衬底)与一个由多晶超硬材料制作的钻石层相连接，这将包含，例如，多晶金刚石，聚晶立方氮化硼，或者TSP。依据本发明的一个或多个实施例，金刚石层形成一个锥形金刚石的圆锥形嵌入物727的工作面，并且衬底形成一个基于圆锥形嵌入物727的基层。不超出本发明的范围，圆锥形嵌入物727其他的形状、结构、组成部分还有维度将被允许，例如在美国专利申请N0.61/609，527中被描述为“圆锥形切削元件”的，在这里一并全文引用。
[0089]依然参看图15，排泄槽721被直接安置在取芯刀片717旁边的钻头中心线709。依据本发明的一个或多个实施例，排泄槽721的一个侧面被嵌入聚晶金刚石钻头700的钻头体701的下面。被本领域普通技术人员熟知的，排泄槽721被嵌入聚晶金刚石钻头700的钻头体701的下面，这可以是多变的，没有超出本发明的范围。例如，被本领域普通技术人员所熟知的，排泄槽721将被安置在钻头体701的下面以达到足以保证从排泄槽721平稳排出岩芯样本碎片725，而不产生钻头堵塞。此外，本领域普通技术人员熟知的，排泄槽721将被安置在钻头体701下面，安置量为不影响聚晶金刚石钻头700的使用寿命。因而，依据本发明的一个或多个实施例，排泄槽721被安置在聚晶金刚石钻头700的钻头体701下面，安置量取决于要使得平稳排出岩芯样本碎片725，并不产生钻头堵塞，并且依据安装量将不会导致聚晶金刚石钻头700使用寿命的缩短。依据本发明的一个或多个实施例，排泄槽721有一个与支持表面1500和钻头体701形成的普通向下的斜坡。
[0090]更多的，在本发明的一个或多个实施例中，排泄槽721所在的流道719位于一个比其他流道710更大的聚晶金刚石钻头700的圆周扩展上。例如，在一个或多个实施例中，在排泄槽721所在的流道719与其他流道719相比，位于至少一个大于75%、大于100%，甚至大于150%的表面。更多的，基于钻头体701的侧面，这也许没必要给出一个排泄槽721嵌入钻头体701，但是流道719与流道719的表面区域结合的倾角与取芯刀片717不同，这可能很方便于疏散钻头体701的岩芯样本碎片725到内齿环并传递到表面。
[0091]如图16是图15中聚晶金刚石钻头700和一个岩芯样本碎片725的横截面视图,依据本发明的一个或多个实施例。如前所述，依据本发明的一个或多个实施例，取芯刀片717的主切削齿723在钻井时用来形成岩芯样本碎片725。特别的在钻井时，当聚晶金刚石钻头700以钻头中心线709旋转时，主切削齿723切削了岩芯样本碎片725。因此，岩芯样本碎片725通过主切削齿723的切削作用于钻头中心线709上形成。
[0092]一旦岩芯样本碎片725到达一个特定长度，这个是由取芯刀片717的高度和有角度的面1305与先前提到的钻头中心线709形成的角度决定的。通过在新形成的岩芯样本碎片725的一边施加一个横向负载，取芯刀片717上有角度的面1305促进了岩芯样本碎片725在形成时的分离。依据本发明的一个或多个实施例，这种横向负载导致了岩芯样本碎片725在其即将形成的最后阶段分离。在岩芯样本碎片725的形成的最后阶段是岩芯样本碎片725最脆弱的部分，这是由于主切削齿723的切削作用在岩芯样本碎片725形成时施加于其上的压力。因此，有角度的面1305的横向负载导致了岩芯样本碎片725在其即将形成的最后阶段分离。
[0093]依据本发明的一个或多个实施例，产生的岩芯样本碎片725的宽度在0.75英寸到1.25英寸范围内，并且长度介于0.75~1.25英寸之间。依据本发明的其他实施例，得到的岩芯样本碎片725具有有1.9~2.1英寸的宽度，1.9~2.1英寸的长度。本领域的普通技术人员熟知的是，得到的岩芯样本碎片725可具有多种长度和宽度，并未超出本发明的范围。
[0094]如图16所示，依据本发明的一个或多个实施例，新形成的岩芯样本碎片725与取芯刀片717的有角度的面1305接触，轴向低于圆锥形嵌入物727的顶点。从另一个角度来说，依据本发明的一个或多个实施例，新形成的岩芯样本碎片725与有角度的面1305在一个点相接，该点与主切削齿723的第一径向位置Rl有相同的径向位置。依据本发明的一个或多个实施例，这个点轴向低于圆锥形嵌入物727的顶点。
[0095]依据本发明的其他实施例，主切削齿723可能是圆锥形嵌入物727，正如上文先前所述。在这些其他实施例中，圆锥形嵌入物727可能被嵌入到取芯刀片717的第一径向位置Rl上，从而圆锥形嵌入物727的顶点被调整到钻头中心线709。此外，在其他实施例中，一旦岩芯样本碎片725到达一个特定长度，由取芯刀片717的高度决定，正如前文所述，钻孔时圆锥形嵌入物727在新形成的岩芯样本碎片725制造一道刻痕。依据本发明的一个或多个实施例，这个刻痕导致岩芯样本碎片725变薄弱并且会在其即将形成的最后阶段分离。岩芯样本碎片725即将形成的最后阶段是岩芯样本碎片725最脆弱的部分，这是由于作用类似于主切削齿723的圆锥形嵌入物727的切削作用在岩芯样本碎片725形成时施加于其上的压力。因此，依据本发明的一个或多个实施例，圆锥形嵌入物727的刻痕导致了岩芯样本碎片725在其即将形成的最后阶段分离。 [0096]如图30所示的是另一个使用圆锥形嵌入物的实施例。如实施例所示，位于或临近钻头中心线709，存在一个圆锥形嵌入物727，作为一个中心取芯元件与刀片上的多个切削元件713结合(未展示出来)。如图30所示，多个切削元件713可能是圆锥形切削元件，依据本发明的一个或多个实施例。在一个特别的实施例中，第一径向切削元件723是一个圆锥形切削元件3000。进一步说明，圆锥形嵌入物727被直接安置在钻头体(未显示)在聚晶金刚石钻头700的刀片上的凹处而不是直接安置于一个刀片上。更多的，当在此实施例中指明的切剖面被展示为仅包含多个圆锥形切削元件713，这与当前展示的范围相比很特别，因为切剖面可能包含多个齿(未显示)并且/或者多个圆锥形切削元件，在美国专利申请N0.13/370, 734和N0.13/370,862中描述的任何配置，这两个都一并引用它们的全部，或者其他配置。
[0097]实施例有一个锥形切削元件3000，作为第一径向切削元件723可能会使用圆锥形切削元件3000，在特例中它半径范围在0.010到0.125英寸间。在一些实施例中，锥形切削元件3000的半径r在第一径向位置Rl上的下限范围可以是0.01, 0.02, 0.04, 0.05, 0.06或者0.075英寸，上限范围是0.05，0.06，0.075，0.085，0.1或者是0.0125英寸，这里任何下限将与任意一个上限进行组合。此外，特例将使用一个非对称的或者斜向切削元件，其中圆锥形切削元件3000的切削圆锥形切削末端有一个轴，该轴与衬底不同轴。更多的，理想状态下安置圆锥形切削元件3000在一个特定的斜度取向(例如:垂直的或者侧面横向的角度)朝向取芯刀片717 (对特定圆锥形切削元件713给定非对称角度和锥角)因而这里有一个角度α形成于圆锥形切削元件朝向圆锥形切削元件3000的径向内部，有条线平行于钻头中心线709。在多种实施例中，α范围在O~45度之间。在其他实施例中，角度α可能大于O度。在一些实施例中，角度α的下限在O，2，5，10，15，20或30度间，上限在15，20，25，30，35，40到45度之间，这里任意下限将于一个上限结合组合。有利的是，圆锥形切削元件3000的位置在取芯刀片717的第一径向位置Rl处，这将弱化形成于聚晶金刚石钻头700的核心区域的岩芯样本碎片725的核心强度，通过允许圆锥形切削元件3000在其中形成划痕。更多的，依据本发明的一个或多个实施例，取芯刀片717的圆锥形切削元件3000的第一径向位置Rl可能被配置或未配置倾斜表面1305，正如之前上文所提到的。
[0098]如果在有角度的面施加横向负载(或者，依据其他实施例，圆锥形切削元件3000的刻痕作为第一径向切削元素723嵌入取芯刀片717中，如前文所述)并不足以用来在岩芯样本碎片725形成时分离，圆锥形嵌入物727嵌入近似的钻头中心线709可能会形成导致岩芯样本碎片725在形成中作为备份分离。尤其，依据一个或多个实施例，嵌入钻头中心线709附近的圆锥形嵌入物727施加了一个中心负载在岩芯样本碎片725的末端，临近圆锥形嵌入物727的顶点。圆锥形嵌入物727的中心负载导致了岩芯样本碎片725的破裂。作为这个中心负载的结果，并且由于圆锥形嵌入物727位于或接近位于中心线709，岩芯样本碎片725断裂成两半。依据本发明的一个或多个实施例，这些两半的部分实质上有着相同的长度和览度。
[0099]岩芯样本碎片725在形成中分离后，依照本发明的一个或多个实施例,钻头水力特性与/或桥接部分1000 (正如先前描述的那样)帮助新萃取的岩芯样本碎片725被转移或集中到排泄槽721，作为聚晶金刚石钻头700的出口。如先前描述，通常排泄槽721的向下倾角将与一个或多个实施例相符，保证岩芯样本碎片725排出聚晶金刚石钻头700而不造成钻孔堵塞。依据本发明的一个或多个实施例，从排泄槽721，岩芯样本碎片725将通过一个在钻井孔和钻柱之间形成的内齿环(并未展示)被运输到地面。
[0100]如图17所示的是一个钻头的ROP中的百分比的变化图示，依据本发明的一个或多个实施例。图17中展示 了一个图示是聚晶金刚石钻头700的ROP的百分比变化，依据本发明的一个或多个实施例。如图所示，聚晶金刚石钻头700的岩芯破碎特性包含取芯刀片717，主切削齿723，有角度的面1305，圆锥形嵌入物727，还有排泄槽721，正如先前一个或多个实施例中展示的那样，展示了一个ROP中在基线聚晶金刚石钻头上的增长，这并没有岩芯破碎特性，依据本发明的一个或多个实施例。更特别的是，依据本发明的一个或多个实施例，当给定一个钻压时，RPM的钻柱，岩石类型，还有封闭压力，聚晶金刚石钻头700展示了一个在基线聚晶金刚石钻头上平均21%的增长，。
[0101]为本领域的普通技术人员所熟知，ROP中的此番平均增长是聚晶金刚石钻头700意料之外的一个结果，这被配置以用来同时产生岩芯样本碎片725，在钻孔时，这与上文所述的一个或多个实施例相符。聚晶金刚石钻头700在ROP中的增长依据一个或多个实施例，可以是有利的，至少因为ROP中的增长转化成聚晶金刚石钻头700的使用寿命的增加，一种使得形成过程变快的钻孔方法，也可以减少钻孔成本。
[0102]图18为根据本公开内容的一个或多个实施例，对钻头法向力进行比较的图示。具体地，图18显示了根据本公开内容的一个或多个实施例，相对于基准PDC钻头，施加于roc钻头700的主切削齿723的法向力分布，考虑了给定钻柱的RPM，WOB和岩石类型。如图所示，根据本公开内容的一个或多个实施例，当PDC钻头700的主切削齿723设置在离钻头中心线709约I英寸的第一径向位置Rl时，主切削齿723比基准I3DC钻头承受更大的法向力，其径向位置距钻头中心线小于I英寸(更接近钻头中心线)。
[0103]本领域普通技术人员可以领会到，主切削齿723上更大的法向力可以使主切削齿723实现每单位WOB更大的切割深度。本领域普通技术人员可以进一步领会到，每单位WOB更大的切割深度导致PDC钻头700的ROP提高。如前所述，根据本公开内容的一个或多个实施例，PDC钻头700的ROP提高是有利的，至少由于ROP的提高可以转化为PDC钻头700使用寿命的延长，地层钻探速度的提高以及钻探成本的降低。
[0104]图19为根据本公开内容的一个或多个实施例,带有岩芯样本碎片的钻头的部分透视图。具体地，图19显示了根据本公开内容的一个或多个实施例，带有岩芯样本碎片1901的孕镶钻头1900的部分透视图。图20为根据本公开内容的一个或多个实施例，孕镶钻头1900的部分透视图，在图19的基础上去掉岩芯样本碎片1901，从而提供无阻挡的关于孕镶钻头1900结构的部分透视图。
[0105]如图20所示，孕镶钻头1900包括钻头体2001和钻面2002。与之前所述的PDC钻头700相似，孕镶钻头1900包括一个用于将孕镶钻头1900固定于钻柱(未显示)下端的销(未显示)。孕镶钻头1900进一步包括钻头中心线2003，孕镶钻头1900沿切削方向绕其旋转。根据本公开的一个或多个实施例，钻面2002延伸通过钻头中心线2003，平滑过渡进入通道2011或在其之间，如以下细节所述。
[0106]当孕镶钻头1900固定于钻柱，旋转钻柱引起孕镶钻头1900旋转，并利用多个孕镶金刚石颗粒和/或孕镶嵌入物2005穿透并切断地层，如下文进一步的细节所述。随着孕镶钻头1900穿透并切断地层，则形成钻井孔。
[0107]如图20所示，钻头体2001支持多个凸起筋2007。与PDC钻头700的多个刀片715相似，根据本公开内容的一个或多个实施例，多个凸起筋2007包含一定数量的凸起材料，从距钻头体2001的一个面一定高度处延伸。但是，本领域的普通技术人员可以领会到，孕镶钻头上这样的“刀片”在本领域一般指“筋”。多个凸起筋2007在孕镶钻头1900与销(未显示)相反的一端形成。如图所示，多个凸起筋2007从钻头中心线2003沿径向向外延伸，然后沿轴向向下形成孕镶钻头1900的直径轮廓。
[0108]根据本公开内容的一个或多个实施例，多个凸起筋2007其中之一为取芯筋2009，更多细节如下所述。多个凸起筋2007由多个通道2011分隔，可以在钻孔过程中使钻井液在其间流动，保持凸起筋2007的清洁和冷却。根据本公开内容的一个或多个实施例，多个通道2011的其中之一为排泄槽2013，更多细节如下所述。
[0109]图20进一步所示，多个凸起筋2007的每一个都包括一个孕镶切削结构，通过镶嵌于筋2007的金刚石颗粒(或其它超级研磨材料)或含有多个孕镶嵌入物2005的多个孔洞实现。多个凸起筋2007既可以包括筋2007本身的金刚石孕镶，也包括孕镶齿2005嵌入凸起筋2007中形成的孔洞中，都在本公开内容的范围内。根据本公开内容的一个或多个实施例，将多个孔处理为一定的尺寸和形状来接受相应的多个孕镶齿2005。如图所示，多个孕镶齿2005可以互相相邻排列和/或沿多个凸起筋间隔排列。根据本公开内容的一个或多个实施例，根据多个孕镶齿2005沿多个凸起筋2007的位置，多个孕镶齿2005可以定位与钻头中心线2003大致平行或与钻头中心线2003大致垂直。多个孕镶齿2005可以由天然或者合成金刚石形成，也可以利用其它非超级研磨材料，从而在钻探地层时实现腐蚀切削作用。
[0110]根据本公开内容的一个或多个实施例，取芯筋2009包含置于其上的主切削齿(或第一切削元件)2015。如以下更多细节所述，主切削齿2015和取芯筋2009共同作用形成并分离岩芯样本碎片1901,如图19所不。
[0111]图20进一步显示，孕镶钻头1900包括一个嵌入钻头体2001中的圆锥形嵌入物2017，位于或靠近钻头中心线2003处。如以下更多细节所述，圆锥形嵌入物2017与取芯筋2009共同作用引起岩芯样本碎片1901在钻探过程中从地层分离。
[0112]如图20所示，取芯筋2009是孕镶钻头1900的多个凸起筋2007的其中之一。如图21-22为根据本公开内容的一个或多个实施例，图20中所示的孕镶钻头1900的部分剖视图。具体地，图21-22着重于取芯筋2009。如图所示，根据本公开内容的一个或多个实施例，取芯筋2009包含置于其上的主切削齿2015。根据本公开内容的一个或多个实施例，主切削齿2015置于从钻头中心线2003开始的第一径向位置Rl处的取芯筋2009上。第一径向位置Rl通过旋转孕镶切削结构的所有切削元件至单旋转视图从而产生切削轮廓来确定。切削元件位于离钻头中心线2003最近处，例如，主切削齿2015在第一径向位置Rl处。
[0113]与本公开内容的一个或多个实施例相一致，考虑到岩芯样本碎片1901的形成，第一径向位置Rl设于距钻头中心线2003—定距离处。根据本公开内容的一个或多个实施例，一个非限制性例子为第一径向位置Rl离钻头中心线2003的距离为孕镶钻头1900直径的0.25倍。根据本公开内容的一个或多个实施例，第一径向位置Rl离钻头中心线2003的距离可以在孕镶钻头1900直径尺寸的0.05?0.25倍范围内。根据本公开内容的其它实施例，第一径向位置Rl距钻头中心线2003的距离范围的下限为孕镶钻头1900直径的0.05，0.075，0.1,0.125或0.15倍中任何一个，上限为孕镶钻头1900直径的0.075，0.1,0.125，0.15，0.175,0.2,0.225或0.25倍中任何一个，任意下限可以与任意上限组合。本领域的普通技术人员可以领会到，根据岩芯样本碎片1901的理想尺寸，第一径向位置Rl可以距钻头中心线2003为其他距离，并不偏离本公开内容范围。
[0114]根据本公开内容的一个或多个实施例，钻井过程中，取芯筋2009的主切削齿2015用于在孕镶钻头1900的钻头中心线2003上或其附近形成岩芯样本碎片1901。具体地，在钻井过程中，随着孕镶钻头1900绕钻头中心线2003旋转，主切削齿2015将岩芯样本碎片1901从地层切割下来。根据本公开内容的一个或多个实施例，主切削齿2015可以包含大体平滑的切削面。在其它实施例中，主切削齿2015可以包含以下详述的圆锥形切削元件3000。放置主切削齿2015的第一径向位置Rl决定产生的岩芯样本碎片1901的宽度或直径。例如，与本公开内容的一个或多个实施例相一致，如果第一径向位置Rl距离钻头中心线2003为孕镶钻头1900直径长度的0.25倍，置于第一径向位置Rl的第一切削刀2005将形成岩芯样本碎片1901，其半径为孕镶钻头1900的直径的0.25倍，宽度或直径为孕镶钻头1900直径的0.5倍。第一径向位置Rl距钻头中心线2003更远，形成的岩芯样本碎片1901宽度更大。相应地，本领域的普通技术人员可以领悟到，为得到具有不同宽度的岩芯样本碎片1901，第一径向位置Rl可以位于距钻头中心线2003不同距离处，并不偏离本公开内容范围。
[0115]如图21-22进一步所示，根据本公开内容的一个或多个实施例，取芯筋2009可以包括大体垂直面2100，缓冲部分2101和有角度的面2103。有角度的面2103在轴向上置于刀片上方和钻面2002下方，延伸经过钻头中心线2003。在一些实施例中，钻面2002可以包含插入孔中的嵌入物，位于钻头中心线2003上或其附近。如图所示，缓冲2101可以置于大体垂直面2100和有角度的面2103之间。缓冲2101可以发挥缓冲和保护大体垂直面2100不被过早磨损的作用。根据本公开内容的一个或多个实施例，大体垂直面2100，缓冲2101和有角度的面2103整体连接形成连续部分，定位朝向孕镶钻头1900的钻头中心线2003。
[0116]根据本公开的其它实施例，取芯筋2009可以设置为无缓冲2101。根据这些其他的实施例，大体垂直面2100和有角度的面2103整体连接形成连续部分，并朝向孕镶钻头1900的钻头中心线2003。进一步，根据这些其它实施例，大体垂直面2100和有角度的面2103在轴向上高于取芯筋2009的主切削齿2015的一点相交。
[0117]根据本公开的一个或多个实施例，大体垂直面2100可以与孕镶钻头1900的钻头中心线2003大致平行。即根据本公开的一个或多个实施例，大体垂直面2100可以被定位于相对于孕镶钻头1900的钻头中心线2003的平行线，从O到5°范围内的任何方向。图25更好地显示，如下进一步所述，有角度的面2103的斜率有助于确定产生的岩芯样本碎片1901的长度。例如，有角度的面2103的斜率越缓(即距钻头中心线2003的角度越大)，产生岩芯样本碎片1901的长度越长。同样地，有角度的面2103的斜率越陡，(即距钻头中心线2003的角度越小)，产生岩芯样本碎片1901的长度越短。本领域的普通技术人员可以领会至IJ，除了有角度的面2103的斜率，取芯筋2009的高度也可以有助于确定产生岩芯样本碎片1901的长度。例如，取芯筋2009越高，产生岩芯样本碎片1901的长度越长。同样地，取芯筋2009越低，产生岩芯样本碎片1901的长度越短。相应地，本领域的普通技术人员可以领会到，有角度的面2103可以相对于钻头中心线2003呈不同角度，取芯筋2009可以有不同高度以获得具有不同长度的岩芯样本碎片1901，不偏离本公开内容范围。在一个特定的实施例中，有角度的面2103可以设置为其所在的轴向点与主切削齿2015的径向位置有相同的径向值，其下限至少为钻头直径的0.1,0.2,0.3，0.4或0.5倍中的任意值，上限为钻头直径的0.2，0.3，0.4，0.5，0.6或0.75倍中的任意值，任意下限可以与任意上限组合。
[0118]根据本公开内容的一个或多个实施例，有角度的面2103与钻头中心线2003呈15?20°的角度范围。但是根据上述情况，此角度范围并非刻意限制，有角度的面2103可以与钻头中心线2003呈不同角度。例如，在一个或多个实施例中，有角度的面角度下限可以为约5，10，15，20或25度的任意度数，上限为15，20，25，30，35或45度的任意度数。根据本公开内容的一个或多个实施例，有角度的面2103可以与钻头中心线呈某一角度，使有角度的面2103与大体垂直面2100和缓冲2101共同在岩芯样本碎片1901的一边施加横向负载，在岩芯样本碎片1901达到理想长度后足以引起其从地层分离。有角度的面2103在这方面的作用在后续结合图25进一步阐述。
[0119]回到图21-22，缓冲2101设置在大体垂直面2100和有角度的面2103之间。缓冲2101可以使大体垂直面2100和有角度的面2103在相对钻头中心线2003的不同角度之间转变。根据本公开的一个或多个实施例，缓冲2101在大体垂直面2100和有角度的面2103之间的位置基于产生的岩芯样本碎片1901的理想长宽比。根据本公开的一个或多个实施例，岩芯样本碎片1901长度和宽度的比例可以大于等于I。这样，取芯筋2009的缓冲2101的位置根据上述的取芯筋2009的高度，有角度的面2103的斜率以及第一径向位置Rl相对钻头中心线2003的位置确定。
[0120]对于图21，根据本公开内容的一个或多个实施例，由于钻探过程中由大体垂直面2100施加或施加于其上的载荷，取芯筋2009的大体垂直面2100可以包括低摩擦耐磨表面2105。使用低摩擦耐磨表面2105可以为大体垂直面2100提供磨损保护，从而延长孕镶钻头1900的使用寿命。根据本公开内容的一个或多个实施例，在大体垂直面2100上使用低摩擦耐磨表面2105也可以在岩芯样本碎片1901形成的过程中提供额外的切削作用。根据本公开内容的一个或多个实施例，低摩擦耐磨表面2105可以或者与大体垂直面2100整合，或者由一个或多个不完整部件形成，例如图21中的三角形所示。虽然图21中显示了三角形的非整体部件，本领域的普通技术人员可以理解本公开内容的一个或多个实施例不限于某一特定形状的非整体部件。实际上，正方形，圆形，椭圆形，菱形，圆盘形，楔形或其它任何可以为大体垂直面2100提供磨损保护的形状都可以使用。
[0121]根据本公开内容的一个或多个实施例，低摩擦耐磨表面2105与大致垂直表面2100成为一体，在孕镶钻头1900的取芯筋2009形成的过程中形成。根据本公开内容的一个或多个实施例，用于低摩擦耐磨表面的材料可以是TSP，天然金刚石或其它任何类型的热稳定抗磨损材料。根据本公开内容的一个或多个实施例，用于低摩擦耐磨表面2105的材料是 TSP。
[0122]对于图22，根据本公开内容的一个或多个实施例，由于钻探过程中由有角度的面2013施加或施加于其上的载荷，取芯筋2009的有角度的面2103可以包括低摩擦耐磨表面2105。使用低摩擦耐磨表面2105可以为有角度的面2103提供磨损保护，从而延长孕镶钻头1900的使用寿命。根据本公开内容的一个或多个实施例，低摩擦耐磨表面2105可以或者与有角度的面2013整合，或者由一个或多个不完整部件形成，例如图22中的圆盘所示。虽然图22中显示了圆盘形的非整体部件，本领域的普通技术人员可以理解本公开内容的一个或多个实施例不限于某一特定形状的非整体部件。实际上，三角形，正方形，圆形，椭圆形，菱形，楔形或其它任何可以为有角度的面2013提供磨损保护的形状都可以使用。
[0123]根据本公开内容的一个或多个实施例，低摩擦耐磨表面2105与有角度的面2103成为一体，在孕镶钻头1900的取芯筋2009形成的过程中形成。根据本公开内容的一个或多个实施例，用于低摩擦耐磨表面2105的材料可以是TSP，天然金刚石或其它任何类型的热稳定抗磨损材料。根据本公开内容的一个或多个实施例，用于低摩擦耐磨表面2105的材料是TSP。
[0124]图21-22也显示了置于钻头中心线2013或其附近的圆锥形嵌入物2017。这里所用的“邻近”是考虑到钻头中心线2003意味着或者在钻头中心线2003处，或者在钻头中心线2003和第一径向位置Rl之间。根据本公开内容的一个或多个实施例，圆锥形嵌入物2017嵌入钻头体2001，这样圆锥形嵌入物2017的一个尖端轴向定位于取芯筋2009的缓冲部分2101上。下面将结合图23进一步详细描述圆锥形嵌入物2017。
[0125]图23显示了根据本公开内容的一个或多个实施例的钻头剖视图。具体地，图23展示了根据本公开内容的孕镶钻头1900的剖视图。如图所示，圆锥形嵌入物2017置于在钻头体2001支撑面2300上的钻头中心线2003或其附近处。根据本公开内容的一个或多个实施例，支撑面2300位于取芯筋2009和孕镶钻头1900的排泄槽2013之间。根据本公开内容的一个或多个实施例，支撑面2300在整体上将取芯筋2009与排泄槽2013连接成连续部件。进一步，根据本公开内容的一个或多个实施例，支撑面2300的斜率小于5度，在其它实施例中小于3或2度，或者相对钻头中心线2003呈O度。
[0126]仍对于图23，根据本公开内容的一个或多个实施例，圆锥形嵌入物2017嵌入钻头体2001，这样圆锥齿2017的一个尖端轴向定位于取芯筋2009的缓冲2101上。根据本公开内容的一个或多个实施例，孕镶钻头1900的圆锥形嵌入物2017与之前所述的PDC钻头700的圆锥形嵌入物727有同样的形状、结构、组合、尺寸及功能特征。
[0127]仍然参照图23，排泄槽2013被直接放置于与取芯筋2009相关联的钻头中心线2003上。根据一个或者更多个现行公开的实施例，排泄槽2013的剖面凹进于金刚石钻头1900的钻头体2001的下方。正如本领域普通技术人员所知晓的，如果没有脱离现行公开技术的范围，排泄槽2013凹进于钻头体2001下方的数目会发生变化。举例来说，正如本领域普通技术人员所能领会的，排泄槽2013会在一定程度上凹进于钻头体2001的下方，这种程度足够保证来自排泄槽2013的岩芯样本碎片1901有一个光滑的出口从而避免钻头被堵。进一步地，正如本领域普通技术人员所能领会的，排泄槽2013会在一定程度上凹进于钻头体2001的下方，这种程度不包括金刚石钻头1900的空白强度。因此，根据一个或者更多个现行公开的实施例，排泄槽2013的剖面会在一定程度上凹进于金刚石钻头1900的钻头体2001的下方，这种程度能够在没有被堵钻头的情形下为岩芯样本碎片1901确保一个光滑的出口，同时不会对金刚石钻头1900的使用寿命产生不利影响。根据一个或者更多个现行公开的实施例，排泄槽2013通常有一个向下的斜坡来保护支撑面2300和钻头体2001。
[0128]进一步地，在一个或者更多个实施例中，排泄槽2013所在的通道2011包括一个比通道2011更大圆周范围的金刚石钻头1900。举例来说，在一个或者更多个实施例中，排泄槽2013所在的通道2011包括比其它的通道2011大至少50%表面积的通道。在其它实施例中，排泄槽2013所在的通道2011包括一个比其它的通道2011大至少75%，或者100%，甚至大150%表面积的通道。进一步地，基于钻头体2001的剖面，我们可能就不需要提供一个凹进于钻头体2011的排泄槽2013。因为与通道2011表面面积相联接的通道2011的倾斜度可能已经足够导致岩芯样本碎片1901从钻头体2001中排放出来，这种钻头体被置于内齿环中，同时通道2011处于取芯筋2009的对面。
[0129]参照图形24，呈现的是一个钻头的立体剖视图，此剖视图是根据一个或者更多个现行公开技术的实施例所制作。更详细地，图形24呈现了一个金刚石钻头1900的立体剖视图，此剖视图是根据一个或者更多个现行公开的实施例所制作。正如该图形所呈现的，金刚石钻头1900包括:钻头中心线2003，取芯筋2009，排泄槽2013，主切削齿2015，第一径向位置R1，圆锥形嵌入物2017，有角度的面2103，大体垂直面2100，缓冲部分2101，有角度的面2103，支撑表面2300。比之于图形25 (各部分的)相互作用，关于形成、中断和疏散岩芯样本碎片1901组成部分间的相互作用在下文中将得到更加充分地描述。
[0130]参照图形25，呈现的是展示在图形23中的一个带有岩芯样本碎片金刚石钻头1900的剖视图，该钻头是根据一个或者更多个现行公开的实施例所制作。正如前文所描述的，根据一个或者更多个现行公开的实施例，在钻井孔的过程中取芯筋2009的主切削齿2015被用来提取岩芯样本碎片1901。更具体地，在钻井孔的过程中，当金刚石钻头1900围绕钻头中心线2003进行旋转时，主切削齿2015便将岩芯样本碎片1901从地层中切削出来。于是，通过主切削齿2015的切削作用，岩芯样本碎片1901在钻头中心线2003得以形成。
[0131]一旦岩芯样本碎片1901达到了由取芯筋2009的高度和有角度的面2103的角度所决定的特定长度(有角度的面2103与上文所描述的钻头中心线2003相关)，取芯筋2009的有角度的面2103便可通过在新形成的岩芯样本碎片1901的一侧施加横向荷负载的方式，促使岩芯样本碎片1901难以形成。根据一个或者更多个现行公开的实施例，在与地层相田比邻的岩芯样本碎片1901的末端,侧面加载会引起岩芯样本碎片1901从地层中分离。因为在通过使用主切削齿2015形成岩芯样本碎片1901的过程中强调在从上面授予，所以与地层相毗邻的岩芯样本碎片1901的末端是岩芯样本碎片1901最薄弱的地方。据此，根据一个或者更多个现行公开的实施例，在与地层相毗邻的岩芯样本碎片1901的末端，通过有角度的面2013形成的侧面加载会引起岩芯样本碎片1901从地层中分离。
[0132]根据一个或者更多个现行公开的实施例，获取的岩芯样本碎片1901的宽度在
0.75英尺到1.25英尺间变化，长度在0.75英尺到1.25英尺间变化。正如本领域普通技术人员所能理解的，如果没有脱离现行公开技术的范围，获取的岩芯样本碎片1901可能会有不同的长度和宽度。
[0133]正如图形25所进一步呈现的，根据一个或者更多个现行公开的实施例，新形成的岩芯样本碎片1901与取芯筋2009的有角度的面2103接触的点，轴向上在圆锥形嵌入物2017顶点的下方。换一种说法，根据一个或者更多个现行公开的实施例，新形成的岩芯样本碎片1901在某点上撞击有角度的面2103，该点与主切削齿2015的第一径向位置Rl是同一位置。根据一个或者更多个现行公开的实施例，该点轴向上是在圆锥形嵌入物2017顶点的下方。
[0134]根据现行公开的其它实施例，金刚石钻头1900的主切削齿2015可能是上文提及的圆锥形切削元件3000，该切削元件呈现于图形30中的roc钻头。在其它实施例中，圆锥形切削元件3000可能在第一径向位置Rl处嵌入于取芯筋2009，以至于圆锥形切削元件3000的顶端朝向钻头中心线2003。更进一步地，在其它实施例中，一旦岩芯样本碎片1901达到了由上文所描述的取芯筋2009高度所决定的特定长度，圆锥形切削元件3000便创造了一个在钻孔过程中新形成的岩芯样本碎片1901的刻痕。根据一个或者更多个现行公开的实施例，在与地层相毗邻的岩芯样本碎片1901的末端，这个刻痕会引起岩芯样本碎片1901从地层中衰弱和脱离出来。因为在通过使用圆锥切削元件3000的切削动作作为主切削齿2015而形成岩芯样本碎片1901的过程中强调在上面授予，故此与地层相毗邻的岩芯样本碎片的末端是岩心样本碎片1901最薄弱的地方。据此，根据一个或者更多个现行公开的实施例，在与地层相毗邻的岩芯样本碎片1901的末端，这个由圆锥形切削元件3000促成的刻痕会引起岩芯样本碎片1901从地层中分离。
[0135] 一个可作为第一径向切削元件的圆锥形切削元件3000的实施例，该实施例可能会在特殊实施情况中使用半径约0.010英寸到0.125英寸的圆锥形切削元件3000。在某些实施例中，处于第一径向位置Rl的圆锥形切削元件3000的半径会在低至
0.01，0.02，0.04，0.06 或 0.075 英寸，高至 0.05，.0.06，0.075，0.085，0.10 或 0.0125 英寸之间变动，在此过程中该半径的任何较低长度会与较高长度组合在一起。此外，特定实施例可能会使用一个非对称的或者倾斜的切削元件，在这当中该圆锥形切削元件3000的末端部分会有一个与基质层轴线不相共轴的轴线。进一步地，将圆锥形切削元件3000安置在取芯筋2009 (给出的不对称程度同特殊圆锥形切削元件3000的圆锥角一样)上的一个特殊倾斜方向(如垂直或横向)，以至于在圆锥形切削元件3000最内部部分和钻头中心线709的平行线之间会形成一个α角，这是可能获取的。在各种各样的实施例中，α角会在O到45度之间进行变化。在其它实施例中，α角可能会大于O度。在某些实施例中，α角的大小会在小至0、2、5、10、15、20或者30度，大至15、20、25、30、35、40或者45度间进行变动，在此过程中任何较小的角度会与较大的角度组合在一起。有利的是，考虑到圆锥形切削元件3000会在其中创造一个刻痕，在取芯筋2009第一径向位置Rl处的圆锥形切削元件3000的布置会虑及到对岩芯样本碎片1901的中心强度产生削弱，该岩芯样本碎片形成于金刚石钻头的中心区域。进一步地，根据一个或者更多个现行公开的实施例，如上文所述取芯筋2009可能会在有或者无有角度的面2103的情况下被安装。该取芯筋处于第一径向位置Rl处且拥有圆锥形切削元件3000。
[0136]通过有角度的面2103 (或者根据其它实施例，如上文所描述的通过嵌入取芯筋2009的圆锥形切削元件的刻痕)运用的横向负荷情形，对从地层中分离岩芯样本碎片1901是不够充分的。作为一个备份，嵌入近似钻头中心线2003的圆锥形嵌入物2017会起到促使岩芯样本碎片1901从地层中分离的作用。特别地，根据一个或者更多个现行公开的实施例，嵌入近似钻头中心线2003的圆锥形嵌入物2017在岩芯样本碎片1901的末端发挥了中心荷载的作用。该岩芯样本碎片与圆锥形嵌入物2017的顶端距离最近。通过圆锥形嵌入物2017起作用的中心荷载会引起岩芯样本碎片1901破裂。中心荷载的结果，同时由于圆锥形嵌入物2017被放置于钻头中心线2003或其附近，岩芯样本碎片1901便分裂成两半。根据一个或者更多个现行公开的实施例，两半(岩芯样本碎片)的长度和宽度在实质上是相同的。
[0137]根据一个或者更多个现行公开的实施例，在岩芯样本碎片1901从地层中分离之后，为了形成金刚石钻头1900的通道，钻头水力特性(如上文所述的关于PDC钻头700)会帮助新提取的岩芯样本碎片1901朝排泄槽2013传递。另一种可替换的方式，正如上文关于PDC钻头700的描述，金刚 石钻头1900会使用一个桥接部分，该桥接部分的机械结构为了金刚石钻头的通道会创造边界去帮助排泄槽2013直接提取岩芯样本碎片1901。
[0138]正如上文所描述的，根据一个或者更多个现行公开的实施例，排泄槽2013的普通向下斜坡会使岩芯样本碎片1901在钻头未堵的情况下让金刚石钻头1900排出。根据一个或者更多个现行公开的实施例，从排泄槽2013开始，岩芯样本碎片1901通过在钻井孔和钻柱之间形成的内齿环(未显示)后被运输到地层的表面。在其它实施例中，正如上文所述提供一个凹陷于钻头体2001的排泄槽2013是没有必要的。根据其它实施例，与通道2011表面面积相联接的通道2011的斜坡，已经足够导致岩芯样本碎片1901在没有钻头堵塞的情形下从钻头体2001排放出来，同时能够导致通过内齿环能够被循环到表面。通道2011处于取芯筋2009的对面。
[0139]参照图形26A-C，圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000 (该变化呈现于图形26A-C)的变化呈现如图，该变化可能存在于任何已经公开的实施例中。圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000提供了一个拥有处于衬底2601 (如钨钴硬质合金底部)的金刚石层2600的钻头，这当中金刚石层2600形成了一个圆锥形金刚石工作面。特别地，圆锥形可能包括一个切于顶端曲率的侧壁。圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000可能在某过程中形成，该过程同那些用于形成金刚石强化嵌入物(在牙轮钻头中使用)或者通过将组成部分用黄铜焊接在一起的过程相类似。处于金刚石层2600和衬底2601间的接触面(没有分开展示)可能是曲线或者不均匀的，比如说，在操作过程中帮助减少从衬底2601到金刚石层2600分层的意外的发生，以及帮助提升抗压性和对元件抵抗的影响。本领域普通技术人员能够领会接触面可能包括一个或者更多的凸面体或者凹陷部分，正如在曲线接触面上所知晓的。此外，本领域普通技术人员将能领会到对某些曲线接触面的使用可能会涉及到在层提示区域的金刚石层的更大厚度。进一步地，创造几何形状的界面以至于金刚石层在临界区域是最厚的。该临界区域包括在金刚石提升元件和地层之间的直接接触区域。现行公开技术中可能会用于金刚石提升元件的额外形状和接触面包括那些描述于美国专利出版物第2008/0035380号专利，通过引用在此全文并入。进一步地，金刚石层2600可由任何一个多晶超级研磨材料，比如包括，多晶金刚石，多晶立方氮化硼，热稳定多晶金刚石(或者形成于通过对一个诸如钴的多晶金刚石的处理，或者形成于一个带有比钴更低的热膨胀系数的金属多晶金刚石)形成。
[0140]圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000的顶端可能会有曲率，当中包括曲率半径。在这个实施例中，曲率半径会在大约0.050英寸到0.125英寸之间进行变化。在某些实施例中，曲率会包括一个变化的曲率半径，一个抛物线的部分，一个双曲线的部分，一个链状物的部分，或者一个生成参数样条曲线。进一步地，参照图形26A-B，圆锥的圆锥角β可能会变化，并且该圆锥角会基于被钻孔的特殊地层而被选择。在一个特殊实施例中，圆锥角β会在大约75度到90度之间变化。
[0141]参照图形26C，根据一个或者更多个现行公开的实施例，呈现的是一个不均匀或者倾斜的圆锥形嵌入物或圆锥形切削元件。正如图形26C所呈现的，圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000的锥形切削末端2603有一个与衬底2601的轴线不相共轴的轴线。在一个特殊实施例中，至少一个不均匀圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000会被用于任何一个被描述的钻头。对不均匀圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000的选 择可能会被选作更好地匹配标准，或圆锥形嵌入物727，2017上的反作用力，或带有刀片周轴线地层的锥形切削元件3000，或者被选作用来改变圆锥形嵌入物727, 2017的侵染性或与地层相关联的圆锥形切削元件3000。在一个特殊的实施例中，在切削刃或圆锥轴和衬底轴线之间形成的角度Y可能会在37.5度到45度之间变动，同时相伴随的是后边角比前夹角大5-20度。参照图形27，非对称(比如倾斜物)圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000的后倾角2700是基于锥形切削刃的轴线得到的，该轴线并没有穿过锥形切削刃底部的中心。正如图中所呈现的，走向角2701是基于在圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000的侧面大体垂直面的主导部分和地层之间所形成的。正如图27所呈现的，通过顶点的切削刃轴线被引导远离钻头旋转的方向。
[0142]参照图形28A-C，可能有切削元件的斜面在圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000的一部分上形成一个斜面2801，该部分毗邻于切削刃2603的顶点2800。比如说，斜面的倾斜切削角可能会从斜面和圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000的顶点平面法线之间的角度进行测量。基于期望中的变动，倾斜切削角可能会在15度到30度间变化。图形28Β和28C呈现的是17度和25度的倾斜切削角。进一步地，比如说斜面的长度可能是由同顶角一样的倾斜切削角所决定。
[0143]除了一个在金刚石层2600和圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000的碳化物衬底2601之间的曲线接触面之外，或者上述作为一个选择方案，圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000的特殊实施例可能会包括一个接触面。该接触面正如图形29所呈现的，并不会垂直于衬底体轴进而导致一个不对称的金刚石层。具体地，在这样一个实施例中，在某半个圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000上的金刚石的体积比圆锥形嵌入物727，2017或者圆锥形切削元件3000另一半的体积要大。接触面底部的角度可能会基于特殊后倾角、走向角、顶角或锥形切削刃的轴向进行选择，并且该角度被选择用来减小施加于金刚石-碳化物接口的剪切力，同时替代把接触面置于比剪切力更大的压应力上。
[0144]现行公开技术的实施例可能会包括一个或者更多个的优点。现行公开技术的实施例可能会提供一个像PDC钻头和金刚石钻头一样的固定齿钻头，该固定齿钻头能够在钻孔过程中从地层同步地形成和提取岩芯样本碎片，同时能够继续钻孔的进程。因为现行公开技术的实施例在钻孔和更换钻柱的过程中能够同步地从地层中形成和提取岩芯样本碎片，故此便能够避免更换钻柱的过程的昂贵成本和时间耗费。现行公开技术的实施例能够得到比其它钻头通过内齿环向上钻孔而得质量更好的岩芯样本碎片。据此，现行公开技术的实施例能够提取提供有意义测试和地层地理特征分析的岩芯样本碎片，与此同时该岩芯样本碎片正是从此地层地理特征中提取的。现行公开的实施例能够提供根据一个或者更多个现行公开的实施例且结合排泄槽所设计出的固定齿钻头。这些现行公开的实施例在钻头没有任何被堵的风险下，能够促使从钻头到内齿环的岩芯样本碎片的出口的形成。除了从地层中提取有质量的岩芯样本碎片外，根据一个或更多个现行公开的实施例，固定齿钻头同样展示了在ROP方面的增长，该增长意味着固定齿钻头在使用寿命方面的增长、钻孔能力的提升和钻孔费用的减少。
[0145]尽管该公开的方案只包括有限数量的实施例，为了使得本领域的技术人员可以通过本公开方案鉴别其他不超过本公开方案范围的实施例，该保护范围受到以下附加权利说明书的限制。
【权利要求】
1.一种用于从地层获得岩芯样本碎片的钻头，该钻头包括: 钻头体及其钻头中心线和一个钻面； 多个刀片沿钻面呈放射状延伸，被其间的多个流道所分隔开来， 其中多个刀片中的一个是取芯刀片，包括: 一个大体垂直面；和 一个有角度的面， 其中大体垂直面和有角度的面整体连接在一起；并且多个切削元件设置在多个刀片上， 其中多个切削元件中的一个是设置在取芯刀片钻面中心线第一个径向位置的第一切削元件。
2.权利要求1所述的钻头，其中取芯刀片进一步包括: 一个设置在大体垂直面和有角度的面之间的缓冲部分； 其中大体垂直面、有角度的面和凸起整体连接在一起。
3.权利要求1所 述的钻头，其中多个流道中的一个是排泄槽，穿过相对于取芯刀片的钻头中心线。
4.权利要求3所述的钻头，其中排泄槽的轮廓嵌入钻头体下方。
5.权利要求3所述的钻头，其中支撑面设置在取芯刀片的有角度的面和排泄槽之间，并且使有角度的面整体连接到排泄槽。
6.权利要求5所述的钻头， 其中圆锥形嵌入物设置在支撑面其中一个钻头中心线，或者在钻头中心线和第一个径向位置之间；并且 其中圆锥形嵌入物嵌入钻头体，以致圆锥形嵌入物顶端轴向置于大体垂直面和有角度的面的交叉点之上。
7.权利要求1所述的钻头，其中第一切削元件的第一个径向位置与钻头中心线之间的距离为钻头直径的0.05倍到0.25倍之间。
8.权利要求1所述的钻头， 其中取芯刀片的大体垂直面和有角度的面分别包括一种低摩擦耐磨材料，并且 其中大体垂直面的低摩擦耐磨材料具有剪切性。
9.权利要求8所述的钻头，其中低摩擦耐磨材料是热稳定的多晶金刚石(TSP)。
10.权利要求1所述的钻头，其中取芯刀片的有角度的面与钻头中心线所成角度在15。到20。范围内。
11.权利要求1所述的钻头，其中位于中心多个刀片中的至少两个刀片的临近尾部通过桥接部分连接到一起。
12.权利要求11所述的钻头，其中多个刀片中的至少两个刀片，其中的一个为取芯刀片。
13.权利要求1所述的钻头，其中多个切削元件包含孕镶金刚石颗粒。
14.权利要求1所述的钻头，其中多个切削元件包含孕镶金刚石嵌入物。
15.权利要求1所述的钻头，其中多个切削元件包含以下一个或多个: 具有一个大体平滑切削面的切削刀；圆锥形切削元件；和 旋转切削元件。
16.—种用于从地层获得岩芯样本碎片的钻头,该钻头包括: 钻头体及其钻头中心线和一个钻面； 多个刀片沿钻面呈放射状延伸，被其间的多个流道所分隔开来， 其中多个刀片中的一个为取芯刀片， 其中多个流道中的一个为排泄槽，穿过相对于取芯刀片的钻头中心线；并且多个切削元件设置于多个刀片上。 其中多个切削元件中的一个是设置在取芯刀片钻面中心线第一个径向位置的第一切削元件， 其中第一切削元件是圆锥形切削元件，嵌入取芯刀片从而使圆锥形切削元件的尖端朝向钻头中心线， 其中支撑面设置在取芯刀片和排泄槽之间，并且使取芯刀片整体连接到排泄槽， 其中圆锥形嵌入物设置 在支撑面接近钻头中心线处，并且 其中圆锥形嵌入物嵌入钻头体，以致圆锥形嵌入物尖端可轴向设置于第一个切削元件的第一个径向位置之上。
17.权利要求16所述的钻头，其中排泄槽的轮廓嵌入钻头体下方。
18.权利要求16所述的钻头，其中第一切削元件的第一个径向位置与钻头中心线之间的距离为钻头直径的0.05倍到0.25倍之间。
19.权利要求16所述的钻头，其中位于中心多个刀片中的至少两个刀片的临近尾部通过桥接部分连接到一起。
20.权利要求19所述的钻头，其中多个刀片中的至少两个刀片，其中的一个为取芯刀片。
21.权利要求16所述的钻头，其中多个切削元件包含孕镶金刚石颗粒。
22.权利要求16所述的钻头，其中多个切削元件包含孕镶金刚石嵌入物。
23.权利要求16所述的钻头，其中多个切削元件包含以下一个或多个: 具有一个大体平滑切削面的切削刀； 圆锥形切削元件；和 旋转切削元件。
24.权利要求16所述的钻头，其中取芯刀片包括: 一个大体垂直面；和 一个有角度的面， 其中大体垂直面和有角度的面整体连接在一起。
25.权利要求24所述的钻头， 其中取芯刀片的大体垂直面和有角度的面分别包括一种低摩擦耐磨材料，并且 其中大体垂直面的低摩擦耐磨材料具有剪切性。
26.权利要求25所述的钻头，其中低摩擦耐磨材料是热稳定的多晶金刚石(TSP)。
27.权利要求24所述的钻头，其中取芯刀片的有角度的面与钻头中心线所成角度在15。到20。范围内。
28.权利要求24所述的钻头，其中取芯刀片进一步包括: 一个设置在大体垂直面和有角度的面之间的凸起， 其中大体垂直面、有角度的面和凸起整体连接在一起。
29.—种用于从地层获得岩芯样本碎片的方法,该方法包括: 将权利要求1所述的钻头固定于钻柱下端； 旋转钻柱使钻头钻进并穿过地层，以得到钻井孔； 使用钻头第一切削元件以形成岩芯样本碎片，在钻柱旋转过程中接近钻头中心线， 其中岩芯样本碎片基于第一切削兀件的第一个径向位置占据一定宽度； 使用取芯刀片的有角度的面以施加一个横向负载于岩芯样本碎片的一侧，以使岩芯样本碎片 在达到一定长度后从地层中分离。 将岩芯样本碎片传递到钻头的排泄槽；并且 将排泄槽的岩芯样本碎片通过钻井孔与钻柱间形成的内齿环转移到地层表面。
30.权利要求29 所述的方法，进一步包括以下步骤: 在取芯刀片的有角度的面未能从地层中分离出岩芯样本碎片的情况下，使用设置于接近钻头中心线的圆锥形嵌入物来施加一个中心载荷于岩芯样本碎片末端，以在岩芯样本碎片达到一定长度时使之从地层中分离出来， 其中圆锥形嵌入物嵌入钻头体，从而使圆锥形嵌入物尖端轴向置于取芯刀片凸起之上。
31.权利要求29所述的方法，其中岩芯样本碎片的长宽比大于或等于I。
32.权利要求29所述的方法， 其中岩芯样本碎片的宽度为钻头直径的0.05倍到0.25倍之间；并且 其中芯样本碎片的长度为钻头直径的0.05倍到0.25倍之间。
33.一种用于从地层获得岩芯样本碎片的方法,该方法包括: 将权利要求16所述的钻头固定于钻柱下端； 旋转钻柱使钻头钻进并穿过地层，以得到钻井孔； 使用嵌入到钻头取芯刀片中的圆锥形切削元件来削弱岩芯样本碎片，从而在岩芯样本碎片达到一定长度时使之从地层中分离出来； 在嵌入到取芯刀片中的圆锥形切削元件未能从地层中分离出岩芯样本碎片的情况下，使用设置于接近钻头中心线的圆锥形嵌入物来施加一个中心载荷于岩芯样本碎片末端，以在岩芯样本碎片达到一定长度时使之从地层中分离出来， 其中设置于接近钻头中心线的圆锥形嵌入物嵌入到钻头体中，从而使圆锥形嵌入物尖端轴向置于嵌入取芯刀片的圆锥形切削元件第一个径向位置之上； 将岩芯样本碎片传递到钻头的排泄槽；并且 将排泄槽的岩芯样本碎片通过钻井孔与钻柱间形成的内齿环转移到地层表面。
34.权利要求33所述的方法，其中岩芯样本碎片的长宽比大于或等于I。
35.权利要求33所述的方法， 其中岩芯样本碎片的宽度为钻头直径的0.05倍到0.25倍之间；并且 其中芯样本碎片的长度为钻头直径的0.05倍到0.25倍之间。
36.权利要求33所述的方法， 其中调整圆锥形切削元件的朝向以使圆锥形切削元件与钻头中心线的平行方向所成角度在0°到45°范围内。
【文档编号】E21B10/02GK104024556SQ201280040733
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年6月20日 优先权日:2011年6月22日
【发明者】米歇尔·G·阿萨尔, 汉摩占陀罗·马达 申请人:史密斯国际公司