旋转切削结构以及用于保持其的结构制造技术

一种井下切削工具，包括：限定切削刀凹座的工具主体；和滚动切削刀，所述滚动切削刀具有在所述切削刀凹座中的内部可旋转切削元件和套筒，其中，所述内部可旋转切削元件的轴向运动由设置在所述套筒外部的外部保持元件限制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】旋转切削结构以及用于保持其的结构相关申请的交叉引用本申请要求于2015年9月29日提交的美国临时专利申请序列号62/234560的权益，其公开内容通过引用并入本文。
技术介绍
各种类型和形状的地钻钻头用于地球钻探行业的各种应用。例如，地钻钻头具有的钻头体包括各种特征，比如延伸到钻头体中的核心、刀片和切削刀凹座或者安装在钻头体上的牙轮。根据要钻的应用/地层，可以基于钻头的切削动作类型和其在特定地层中使用的适当性来选择合适类型的钻头。通常被称为“固定切削刀钻头”的刮刀钻头包括具有附接到钻头体的切削元件的钻头，其可以是由粘合剂材料包围的基体材料比如碳化钨形成的钢钻头体或基体钻头体。刮刀钻头通常可以被定义为没有移动部件的钻头。然而，存在形成本领域已知的刮刀钻头的不同类型和方法。例如，渗透在形成钻头体的材料的表面中的具有研磨材料比如金刚石的刮刀钻头通常被称为“冲击”钻头。沉积到或以其他方式结合到基底上的具有由超硬切削表面层或“台”(其可由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成)制成的切削元件的刮刀钻头在本领域中已知为多晶金刚石复合片(“PDC”)钻头。PDC钻头很容易钻软地层，但它们经常用来钻中等硬度或磨蚀性地层。他们使用不会深入地层的小型切削刀，通过剪切动作切削岩层。由于穿透深度较浅，因此通过较高的钻头旋转速度可获得较高的穿透率。多年来，PDC切削刀已被用于工业应用，包括凿岩和金属加工。在PDC钻头中，PDC切削刀容纳在切削刀凹座内，其形成在从钻头体延伸的刀片内，并且通常通过钎焊到切削刀凹座的内表面而结合到刀片。PDC切削刀沿着钻头体刀片的前缘定位，使得当钻头体旋转时，PDC切削刀接合并钻地层。在使用中，可能会在PDC切削刀上施加较大的力，特别是在前后方向上。另外，钻头和PDC切削刀可能受到相当大的研磨力。在某些情况下，冲击、振动和侵蚀力会导致钻头因一个或多个切削刀损失或由于刀片破损而失效。在一些应用中，多晶金刚石(PCD)(或其他超硬材料)的复合片结合到基底材料上，该基底材料可以是烧结金属碳化物以形成切削结构。PCD包括多晶体金刚石(通常是合成的)，它们结合在一起形成完整的坚韧的高强度块或晶格。由此产生的PCD结构可提高耐磨性和硬度，使PCD材料在需要高耐磨性和高硬度的侵蚀性磨损和切削应用中非常有用。PDC切削刀可以通过将烧结硬质合金基底放入压机的容器中而形成。将金刚石颗粒或金刚石颗粒与催化剂粘合剂的混合物置于基底上并在高压、高温条件下处理。在此过程中，金属粘合剂(通常为钴)从基底迁移并穿过金刚石颗粒以促进金刚石颗粒之间的共生。结果，金刚石颗粒彼此结合以形成金刚石层，并且金刚石层又一体地结合到基底。基底可以由金属-碳化物复合材料比如碳化钨-钴制成。沉积的金刚石层通常被称为“金刚石台”或“磨料层”。图1和2示出了具有多个带有超硬工作表面的切削刀的PDC钻头的示例。钻头100包括具有螺纹上销端111和切削端115的钻头体110。切削端115包括围绕钻头的旋转轴线L(也称为纵向或中心轴线)布置的多个肋或刀片120并且从钻头体110径向向外延伸。切削元件或切削刀150以相对于工作表面的角定向和径向位置嵌入刀片120中并且相对于要钻的地层具有后倾角和侧倾角。多个孔口116定位在刀片120之间的区域中的钻头体110上，这些区域可被称为“间隙”或“流体层”。孔口116通常适于接收喷嘴。孔口116允许钻井液沿选定的方向以及在刀片120之间的选定的流速通过钻头排出，以润滑和冷却钻头100、刀片120和切削刀150。钻井液还清洁和去除当钻头100旋转并穿透地质构造时的钻屑。没有适当的流动特性，切削刀150的冷却不足可能导致钻井操作期间的切削刀失效。流体层定位成为钻井液提供附加的流动通道并为地层钻屑提供通道以通过钻头100朝向井眼表面。参考图2，示出了现有技术的PDC钻头的俯视图。所示出的钻头的切削面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前侧122、后侧124(与前侧相对)和顶侧126。每个刀片包括多个切削元件或切削刀，它们通常从切削面118的中心径向布置以大致形成行。某些切削刀虽然处于不同的轴向位置，但可能占据的径向位置与其他刀片上的其他切削刀类似的径向位置。切削刀可以通过钎焊过程连接到钻头或其他井下工具。在钎焊过程中，钎焊材料位于切削刀和切削刀凹座之间。材料熔化，并在随后的凝固时将切削刀结合(附着)在切削刀凹座中。钎焊材料的选择取决于它们各自的熔化温度，以避免钻头(和切削刀)甚至用于钻孔操作之前对金刚石层的过度热暴露(和热损伤)。具体地，适用于钎焊其上具有金刚石层的切削元件的合金限于一对合金，这些合金提供较低的钎焊温度以避免或减少对金刚石层的损伤，并且具有足够高的钎焊强度以将切削元件保持在钻头上。确定PDC切削刀寿命的因素是切削刀暴露于热。多晶金刚石在高达700-750℃的温度下可能会稳定在空气中，在此温度以上，观察到的温度升高可能会导致多晶金刚石的损坏和结构失效。多晶金刚石的这种劣化可能是由于与金刚石相比，粘合剂材料钴的热膨胀系数的显著差异。在加热多晶金刚石时，钴和金刚石晶格将以不同的速度膨胀，这可能导致在金刚石晶格结构中形成裂纹并导致多晶金刚石的劣化。损坏也可能是由于金刚石-金刚石颈部的石墨形成，导致在极高温度下损失微观结构完整性和强度损失。暴露于热(通过钎焊或通过切削刀与地层接触而产生的摩擦热)可能导致金刚石台的热损伤并最终导致形成裂缝(由于热膨胀系数的差异)，这可能导致多晶金刚石层的剥落、多晶金刚石与基底之间的分层以及金刚石向石墨的转化，导致快速磨蚀磨损。当切削元件接触地层时，磨损平面发展并且引起摩擦热。随着切削元件的继续使用，磨损面积将增加，并进一步引起摩擦热。由于上面讨论的金刚石和催化剂之间的热失配，热量可能积聚并导致切削元件失效。如本领域常规的，这对于不可移动地连接到钻头上的切削刀来说尤其如此。
技术实现思路
提供本
技术实现思路
是为了介绍将在以下详细描述中进一步描述的概念的选择。本
技术实现思路
不旨在确定所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在用作帮助限制所要求保护的主题的范围。在一方面，本文公开的实施例涉及一种井下切削工具，其包括限定切削刀凹座的工具主体以及包括内部可旋转切削元件和套筒的至少一个滚动切削刀。内部可旋转切削元件的轴向运动受到设置在套筒外部的外部保持元件的限制。在另一方面，本文公开的实施例涉及一种井下切削工具，包括工具主体，其具有形成于其上的至少一个切削元件支撑结构，所述至少一个切削元件支撑结构包括形成于其中的至少一个切削刀凹座。至少一个滚动切削刀位于所述至少一个切削刀凹座中并且包括部分地设置在圆周套筒中的内部可旋转切削元件。内部可旋转切削元件具有轴向延伸超过所述圆周套筒的后保持部分，所述后保持部分具有在其中形成的凹槽，凹槽中具有保持元件。在另一方面，本文公开的实施例涉及一种井下切削工具，其包括具有至少一个切削元件支撑结构的工具主体。所述至少一个切削元件支撑结构包括在至少一个切削元件支撑件中的至少一个切削刀凹座，并且从所述切削元件支撑件的引导面和地层面向表面中的开口延伸到后面。所述至少一个切削元件支撑结构还包括在与所述至少一个切削刀凹座的开口向后间隔开的地层面向表面中的至少一个保持开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种井下切削工具，包括：限定切削刀凹座的工具主体；和在所述切削刀凹座中的滚动切削刀，所述滚动切削刀包括内部可旋转切削元件和套筒，所述内部可旋转切削元件的轴向运动由所述套筒外部的外部保持元件限制。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.29 US 62/234,5601.一种井下切削工具，包括：限定切削刀凹座的工具主体；和在所述切削刀凹座中的滚动切削刀，所述滚动切削刀包括内部可旋转切削元件和套筒，所述内部可旋转切削元件的轴向运动由所述套筒外部的外部保持元件限制。2.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中，所述外部保持元件是在所述内部可旋转切削元件的外周中的凹槽中的C形夹具。3.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中，所述内部可旋转切削元件的切削延伸部分轴向地延伸超过所述套筒并且至少部分地由所述切削刀凹座支撑。4.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中，所述保持元件限制所述滚动切削刀在至少一个轴向方向上的轴向运动。5.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中，所述滚动切削刀还包括内部保持元件。6.根据权利要求5所述的井下切削工具，其中，所述内部保持元件在所述套筒和所述内部可旋转切削元件之间接合。7.根据权利要求6所述的井下切削工具，其中，所述内部保持元件是保持环，所述保持环设置在由所述内部可旋转切削元件和所述套筒中的相应凹槽形成的圆周体积中。8.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中，所述套筒钎焊到所述工具主体。9.根据权利要求1所述的井下切削工具，还包括固定在另一切削刀凹座中的固定切削元件。10.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中，所述井下切削工具是固定切削刀钻头，其包括钻头本体和从所述钻头本体延伸的多个刀片，其中，所述切削刀凹座位于所述多个刀片之一中。11.根据权利要求10所述的井下切削工具，其中，所述滚动切削刀位于所述多个刀片中的至少一个的鼻部区域或肩部区域上。12.一种井下切削工具，包括：限定切削刀凹座的工具主体；和所述切削刀凹座中的滚动切削刀，所述滚动切削刀包括部分地位于圆周套筒中的内部可旋转切削元件，所述内部可旋转切削元件具有轴向延伸超过所述圆周套筒的后保持部分，所述后保持部分具有凹槽，以及在所述凹槽中的保持元件。13.根据权利要求12所述的井下切削工具，其中，所述内部可旋转切削元件的切削延伸部分轴向地延伸超过所述套筒并且至少部分地由所述切削刀凹座支撑。14.根据权利要求12所述的井下切削工具，其中，所述保持元件限制所述滚动切削刀在至少一个轴向方向上的轴向运动。15.根据权利要求12所述的井下切削工具，其中，所述滚动切削刀还包括内部保持元件。16.根据权利要求15所述的井下切削工具，其中，所述内部保持元件在所述套筒和所述内部可旋转切削元件之间接合。17.根据权利要求16所述的井下切削工具，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y张，C陈，YY布尔汗，
申请(专利权)人：史密斯国际有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US