[发明专利]具有闭合保持环的滚动切割器

说明书

技术领域

本文公开的实施例总体上涉及用于钻头或其他装有钻头的切割工具的切割元件。更特别地，本文公开的实施例总体上涉及可旋转切割元件。

背景技术

总体上，在两个广义分类的钻头结构中的一个内制造用于钻通过地球地层的井眼的钻头。根据应用/将被钻的地层，可以基于针对钻头的切割动作类型和针对其适用的特定地层来选择恰当类型的钻头。第一类别中的钻头一般被称为“牙轮”钻头，其包括具有可旋转地安装到钻头本体的一个或多个牙轮的钻头本体。钻头本体通常由钢或别的高强度材料形成。牙轮通常也由钢或其他高强度材料形成，并且包括多个布置在绕着牙轮的所选位置处的切割元件。切割元件可以由与牙轮的基材相同的基材形成。这些钻头通常被称为“铣齿”钻头。其他牙轮钻头包括“嵌齿”切割元件，它们被压(过盈)配合到形成在和/或被机械加工到牙轮内的洞中。嵌齿可以由例如碳化钨、天然的或合成的金刚石、氮化硼、或硬的或超硬的材料中的任一个或组合形成。

第二类别的钻头通常称为“固定切割器”钻头或“刮刀型”钻头。刮刀型钻头包括具有连接到钻头本体的切割元件的钻头，该钻头本体可以是钢的钻头本体或由诸如被结合剂材料所包围的碳化钨的基质材料形成的基质钻头本体。刮刀型钻头一般可以被定义为不具有运动部件的钻头。然而，存在形成现有技术中已知的刮刀型钻头的不同的类型与方法。例如，具有诸如被孕镶到形成钻头本体的材料的表面内的金刚石的研磨材料的刮刀型钻头一般被称为“孕镶”钻头。具有由沉积在基体上或以别的方式结合至基体的(通常由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成的)超硬切割表面层或“台”制成的切割元件的刮刀型钻头在现有技术中被称为多晶金刚石复合片(“PDC”)钻头。

PDC切割器已经在包括岩石钻探和金属机加工的工业应用中被使用多年。在PDC钻头中，PDC切割器被纳入到切割器的接收口内，该接收口形成在自钻头本体延伸的刀片内，并且PDC切割器通常通过铜焊至切割器的接收口的内表面而被结合至刀片。沿钻头本体刀片的先导边缘设置PDC切割器，使得当钻头本体旋转时，PDC切割器接合并且钻地球地层。在使用中，尤其是在从前至后的方向上，可对PDC切割器施加大的力。此外，钻头和PDC切割器可能受到相当大程度的研磨力。在一些例子中，由于一个或多个切割器的缺失或由于刀片的破裂，冲击、振动以及冲蚀力会导致钻头故障。

在通常的PDC切割器中，多晶金刚石复合片(“PDC”)(或其他诸如多晶立方氮化硼的超硬材料)被结合至基体材料，其通常为烧结金属碳化物，以形成切割结构。PDC包括被结合在一起以形成整体的、坚固的、高强度块或晶格的金刚砂或金刚石晶体的多晶块。形成的PDC结构造成了增强的耐磨性和硬度特性，使得PDC材料在需要高水平的耐磨性和硬度的剧烈磨损与切割应用中非常有用。

在图1和2中示出了具有包括超硬工作面的多个切割器的现有技术的PDC钻头的一个实例。钻头100包括具有带螺纹的上销端111和切割端115的钻头本体110。切割端115通常包括绕着钻头的旋转轴线L(也被称为纵轴线或中心轴线)布置并且自钻头本体110径向地向外延伸的多个肋或刀片120。切割元件或切割器150相对于工作面以预定的角方位和径向位置以及相对于将被钻的地层以所需的后倾角和侧倾角嵌入到刀片120中。

多个孔116设置在钻头本体110上的刀片120之间的区域中，该区域可以被称为“空隙”或“流体流道”。孔116通常适于容纳喷嘴。孔116允许钻井流体沿所选方向以所选流速在刀片120之间排放通过钻头，用于润滑并冷却钻头100、刀片120和切割器150。当钻头100旋转并穿透地质地层时，钻井流体还清洗且去除岩屑。在没有恰当的流动特性的情况下，对切割器150的不充分冷却可能导致在钻井作业期间切割器故障。设置流体流道以便为钻井流体提供另外的流道，并且为地层岩屑提供通道以行进通过钻头100向井眼的地面传送(未示出)。

参考图2，示出了现有技术的PDC钻头的顶视图。所示钻头的切割面118包括多个刀片120，其中，每个刀片具有面向钻头旋转方向的先导侧122、(与先导侧相反的)跟随侧124和顶侧126。每个刀片包括通常自切割面118的中心径向地设置并通常成行的多个切割元件或切割器。某些切割器，尽管在不同的轴向位置处，但可以占用与其他刀片上的其他切割器相似的径向位置的径向位置。