[发明专利]TSP切削刀具的界面设计

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年10月28日提交的美国专利申请No.61/407,596，并于此讲该文章整体纳入本文作为引证。

技术领域

本发明大体上涉及一种地层钻探设备的切削元件。更具体地说，本发明涉及一种切削刀具的界面设计。

背景技术

不同种类和形状的地层钻头被用于地层钻探行业。地层钻头的钻头体有很多种特征，例如岩心、刀翼以及延伸至钻头内部的切削槽和附着在钻头体牙轮。在钻探的应用和地层结构不同时，需要根据钻头切削行为的类别以及对不同地层结构的适用范围来选择所用钻头的类别。

刮刀钻头通常指“固定的切削钻头”，它包括钻头体上附有切削元件的钻头，并且通常是钢制钻头，或者胎体材料钻头，例如粘合料的包裹碳化钨材料。刮刀钻头通常被定义为不含活动件的钻头。然而，在该技术领域中，刮刀钻头有很多种类和制作方法。例如，将包括金刚石在内的摩擦材料均匀镶嵌在钻头体材料中得到的刮刀钻头通常被称作“孕镶”钻头。以超硬质的切削表面层或“面板”(一般是由聚晶金刚石或聚晶氮化硼材料制成)沉积或接合在底层上形成切削元件的钻头在该技术领域中被称作聚晶金刚石复合片(“PDC”)钻头。

PDC钻头可以很轻松地钻入软质地层，但是它却通常被用于钻探硬度适中或者磨损性的地层。PDC钻头以小型刀具进行剪切行为，从而可以在不深入地层的情况下切割岩石。由于透入深度比较浅，因而通过钻头的高速旋转来达到较高的钻探速率。

在PDC钻头中，聚晶金刚石复合(PDC)刀具位于由刀翼从钻头体中延伸形成的切削槽上，并且通常被钎焊在切削槽内表面。PCD刀具沿着钻头体刀翼的前缘分布，因而当钻头体在旋转时，PDC刀具会接触并钻削地层。在使用时，PDC刀具会受到很大的，特别是前后方向的作用力。此外，钻头与PDC刀具也会受到巨大的摩擦力。在某些情况下，冲击、振动以及侵蚀力都会导致一个或多个刀具的损失或者刀翼断裂，从而造成钻头失效。

典型的PDC刀具上，都有一种聚晶金刚石(“PDC”)(或者其他超硬质材料，例如聚多晶立方氮化硼)复合片被接合在通常为烧结的金属硬质合金的底层材料上，以形成切削结构。PCD包括金刚石颗粒的多晶块或者由多个晶体构成的，一体的、粗糙的、高强度的块状物或格状物。得到的PCD结构在抗磨性和硬度方面都有很好的改善，这使得PCD材料可以很好地应用在有着蔓延性磨损现象和切割作业这种需要耐磨性和硬度的场合。

PCD可以通过将一定量的金刚石颗粒在高温高压(“HPHT”)下，以烧结用酸或粘合剂处理而得到。传统上，烧结用酸或粘度计以溶剂金属催化剂材料的形式引入，例如一种或多种元素周期表中的VIII族元素。在高温高压处理之前，可以在金刚石颗粒中混入这种溶剂金属催化剂，并且/或者通过将以溶剂金属催化剂为主要成分的底层物质在HPHT过程中渗入来获得。

传统的PDC刀具通常由烧结硬质合金底层放入高温高压反应器内制得。反应器中，通过将金刚石颗粒混合物或金刚石颗粒和催化粘合剂放置在底层的顶部，可以在底层顶部得到金刚石层。然后将反应器装入经过配置和调整可以对其施加HPHT条件的HPHT装置。这种情况下，金属粘合剂会从底层迁移出来，穿过金刚石颗粒，从而促进金刚石颗粒间的共生长。因此，金刚石颗粒会彼此相连，从而形成一个金刚石层，并且牢牢地粘合在底层上。这种底层通常含有金属硬质合金复合材料，例如碳化钨。沉积的金刚石体通常被称为“金刚石层”、“金刚石板”或者“摩料层”。

现有技术下的一例含有多个超硬工作表面刀具的PDC钻头如图1所示。钻头100由一个上端有螺纹的钻杆160和切削端140组成。切削端140通常包括多个环绕着钻头旋转轴L(也被称为纵向轴或中心轴)，并且从钻头体110向外放射状伸展的肋条或刀翼120。切削元件，或者说刀具180以一个固定角度方向，相对于工作表面190呈放射状分布，镶嵌在刀翼120上，并且与被钻入的地层结构有设定好的纵向前角和横向前角。

钻头体110上，在刀翼120中间的，通常被成为区域有多个喷嘴130，它们通常被称为“凹槽”或“流道”。喷嘴130通常被调整使得可以与管口相连接。喷嘴130可以让钻井液在刀翼120之间，从钻头处沿着一定的方向，以一定的速率流出，从而润滑并冷却钻头100，刀翼120和刀具180。在钻头100旋转并钻穿地层结构时，钻井液还可以清洗并且去除钻屑。如果不满足适当的流体特性，在钻探作业时，刀具冷却不足会导致刀具失效。流道的设置可以为钻井液提供额外的通道，并且使地层切削能够穿过钻头100流向井口(图中未显示)。