具有多个超硬切割表面的滚子圆锥规准面切割件 【技术领域】
本发明一般地涉及井下钻头领域。具体地说，本发明涉及用于滚子圆锥钻头的规准面的具有多个超硬切割表面的切割件。
【发明背景】
在石油和天然气勘探和生产领域，常采用滚子圆锥钻头作为地层钻孔用钻头或岩石钻头。典型的滚子圆锥钻头采用许许多多可回转地安装在相对于钻头中心线向下和向内延伸的滚子圆锥刀具。滚子圆锥刀具可具有滚花齿或以预定方式配置在每个刀具上的刀具镶入件。
已经认识到使钻头保持一致的直径对于钻孔作业是很重要的。当钻头切入岩层以形成一钻孔时，一般被称为规准面的每个圆锥刀具的一部分与钻孔的侧壁接触。一些滚子圆锥钻头已在规准面上装有抗磨损和/或超硬材料的刀具镶入件以切割侧壁并保持钻孔的直径。抗磨损刀具镶入件在使用时通常容易热开裂和剥落，而超硬材料刀具镶入件则易于因岩层与镶入件之间的强烈摩擦而易于产生摩擦热并碎裂。还认识到(平头)接触焊的镶入件较易因摩擦热而损坏，而凿焊的镶入件则较易断裂。
本发明概况
因此，需要有一种能减少所产生的摩擦热、不易碎裂、且同时保持一有效切割表面的规准面切割件。
按照本发明，提供一种用于一圆锥刀具的规准面的切割件，这种切割件能基本消除或减少现有技术的刀具镶入件所存在的缺点。
按照本发明的一个方面，一种用于一滚子圆锥钻头中的刀具的规准面切割件具有一由一抗磨损硬质材料制成的大致为圆柱形的本体。该切割件的切割端具有一基本上与圆柱体的纵向轴线垂直的通常为圆锥形的切割表面。该切割端另外可包括一与圆锥形切割表面和圆柱形本体连接的倾斜表面。该圆锥形切割表面具有一可在160°与180°之间变化的钝角α。在该圆锥形切割表面中形成多个浅槽，槽中配置有多个超硬材料的条片。槽和镶入件或镶入刀具的数目根据切割件的直径和需钻孔的岩层可以是一个或多个。结果是能以相对于刀具圆锥的回转方向为0°,90°或其间任何角度的一圆锥形切割表面。
按照本发明的另一方面，该浅槽可在圆锥形切割表面上加工成圆弧形槽，在圆锥形切割表面上加工成方形槽，圆锥形切割表面上加工成燕尾状槽，或朝圆锥形切割表面为开端状槽。
附图简单说明
无论更好地理解本发明，以下参照附图进行具体说明，其中：
图1为安装在圆锥形刀具规准面上的具有按照本发明设计的切割件的滚子圆锥钻头的立体图；
图2为按照本发明设计的切割件的圆锥形切割表面的俯视图；
图3为切割件的侧视图；
图4为切割件的另一侧视图；
图5为按照本发明设计的切割件的圆锥形切割表面的另一实施例的俯视图；
图6为图5所示切割件的侧视图；
图7为切割件的另一侧视图；
图8为按照本发明设计的切割件的圆锥形切割表面的另一实施例的俯视图；
图9为图8所示切割件的侧视图；
图10为按照本发明设计的切割件的圆锥形切割表面的另一实施例的俯视图；
图11为图10所示切割件的侧视图；
图12为按照本发明设计的切割件的圆锥形切割表面的另一实施例的俯视图；
图13为图12所示切割件的侧视图；
图14为图2所示切割件的横剖面图；
图15为按照本发明的槽结构的一实施例的侧视图；
图16为按照本发明的槽结构地另一实施例的侧视图；
图17为按照本发明的槽结构的另一实施例的侧视图；
图18为按照本发明的槽结构的另一实施例的侧视图；以及
图19A和19B为圆锥刀具的规准面的视图，用于示出切割件相对于回转方向的朝向。
本发明具体描述
图1-19示出本发明的较佳实施例，各图中对相应的零件采用同样的标号。
为示意性的目的，本发明示出一用于地层钻孔的滚子圆锥钻头10，如图1所示。滚子圆锥钻头10也可指一“回转钻头”或一“岩石钻头”。该滚子圆锥钻头10最好包括一具有一适于装到一钻柱(未示)下部的上螺纹部或销14的钻头体12。螺纹部14和钻柱的相应的螺纹连接部允许钻头10相应于在钻井表面处的钻柱的转动而转动。钻头体12包括一允许冷的钻探泥浆或类似材料从钻柱向下通过的内部通道(未示)。该钻探泥浆经喷嘴16(示出两个)流出并向下流至孔底，然后夹带着钻削碎屑和岩石碎片通过孔壁与钻柱之间的环路向上流动。
在一个三圆锥的滚子圆锥钻头10中，在钻头体12上悬挂有三个基本相同的臂18(示出两个)。每个臂18可回转地支承一圆锥刀具组件20，每个圆锥刀具组件20具有多个以一预定方式配置的刀具镶入件或滚花齿。本发明中系为配置在一位于刀具组件20上的规准面24上的刀具镶入件或切割件22。刀具镶入件22构成刀具组件20的表面排，并在钻头10正在可回转地切割该钻孔时被限定为与钻孔(未示)外周或侧壁接触的刀具组件20的部分。表面排在工业上一般称为规准排，以后并将这样称呼。
参照图2-4，为示出一按照本发明教导设计的一刀具镶入件30。刀具镶入件30包括一由硬质材料和抗磨损材料如烧结碳化钨制成的通常为圆柱形体或基底32。刀具镶入体32具有一切割端34和一基座36，该基座被压入圆锥刀具组件20的规准面24中形成的插座中。切割端34限定一通常为圆锥形的切割表面38，该切割表面稍微高于规准面24延伸以与钻孔接触。圆锥形切割表面38具有一可在160°与180°之间变化的钝角α。
在切割件30的圆锥形切割表面38中形成有多个通常为相互平排地延伸的浅槽40-42。在这些槽40-42内镶入有伸长的条片或刀具镶入件44-46，这些条片或镶入件系由超硬及抗磨损材料制成，如钻石，多晶体钻石，热稳定多晶体钻石(TSP)，立方氮化硼或其它超硬及抗磨损的非钻石材料。伸长的镶入刀具44-46被制造和成形到与槽40-42一致以保证紧固配合。该伸长的超硬镶入刀具44-46可通过烧结、铜焊、压配或其它类似方法固定在槽40-42中。由于采用这种方式制造，故圆锥形切割表面38被硬和超硬材料所限定。切割端34还可包括一与圆锥形切割表面38和圆柱体32连接的倾斜表面48。该倾斜表面48可以是倒角、圆角、斜角或类似的倾斜面。
图5-7示出一刀具镶入件50的另一实施例。该刀具镶入件50包括一通常为圆柱形的镶入体52，该圆柱体也由一超硬抗磨损材料如烧结碳化钨制成。刀具镶入体52具有一切割端54和一基座56。切割端54限定一通常为圆锥形的切割表面58，当在其中安装时，该切割表面稍微高于规准面24延伸。圆锥形切割表面58具有一可在160°与180°之间变化的钝角α。
在切割件50的圆锥形切割表面58中形成有多个通常为相互平排地延伸的浅槽60-63。在这些槽60-63内镶入有伸长的条片或镶入刀具64-67，这些条片或镶入刀具系由超硬及抗磨损材料制成，如钻石，多晶体钻石，热稳定多晶体钻石(TSP)，立方氮化硼或其它超硬及抗磨损的非钻石材料。伸长的镶入刀具64-67被制造和成形到与槽60-63一致以保证紧固配合。该伸长的超硬镶入刀具64-67可通过烧结、铜焊、压配或其它方法固定在槽60-63中。切割端54还可包括一与圆锥形切割表面58和圆柱体52连接的倾斜表面68。该倾斜表面68可以是倒角、圆角、斜角或类似的倾斜面。
图8-9示出一刀具镶入件70的另一实施例。该刀具镶入件70包括一通常为圆柱形的镶入体72，该圆柱体也由一超硬抗磨损材料如烧结碳化钨制成。刀具镶入体72具有一切割端74和一基座76。切割端74限定一通常为圆锥形的切割表面78，当在其中安装时，该切割表面稍微高于规准表面24延伸。圆锥形切割表面78具有一可在160°与180°之间变化的钝角α。
在切割件70的圆锥形切割表面78中形成有多个通常为相互同心地延伸的浅槽80-82。在这些槽80-82内镶入有环形的条片或镶入刀具84-86，这些条片或镶入刀具系由超硬及抗磨损材料制成，如钻石，多晶体钻石，热稳定多晶体钻石(TSP)，立方氮化硼或其它超硬及抗磨损的非钻石材料。伸长的镶入刀具84-86被制造和成形到与槽80-82一致以保证紧固配合。该圆形的超硬镶入刀具84-86可通过烧结、铜焊、压配或其它方法固定在槽80-82中。切割端74还可包括一与圆锥形切割表面78和圆柱体72连接的倾斜表面88。该倾斜表面88可以是倒角、圆角、斜角或类似的倾斜面。
图10-11示出一刀具镶入件100的另一实施例。该刀具镶入件100包括一通常为圆柱形的镶入体102，该圆柱体也由一超硬抗磨损材料如烧结碳化钨制成。刀具镶入体102具有一切割端104和一基座106。切割端104限定一通常为圆锥形的切割表面108，当在其中安装时，该切割表面稍微高于规准面24上方稍微延伸。圆锥形切割表面108具有一可在160°与180°之间变化的钝角α。
在切割件100的圆锥形切割表面108中形成有多个通常为相互等间隔地延伸的曲线浅槽110-112。在这些槽110-112内镶入有伸长的曲线条片或镶入刀具114-116，这些条片或镶入刀具系由超硬及抗磨损材料制成，如钻石，多晶体钻石，热稳定多晶体钻石(TSP)，立方氮化硼或其它超硬及抗磨损的非钻石材料。伸长的镶入刀具114-116被制造和成形到与槽110-112一致以保证紧固配合。该伸长的超硬镶入刀片114-116可通过烧结、铜焊、压配或其它方法固定在槽110-112中。切割端104还可包括一与圆锥形切割表面108和圆柱体102连接的倾斜表面118。该倾斜表面118可以是倒角、圆角、斜角或类似的倾斜面。
图12-13示出一刀具镶入件120的另一实施例。该刀具镶入件120包括一通常为圆柱形的镶入体122，该圆柱体也由一超硬抗磨损材料如烧结碳化钨制成。刀具镶入体122具有一切割端124和一基座126。切割端124限定一通常为圆锥形的切割表面128，当在其中安装时，该切割表面稍微高于规准面24上方稍微延伸。圆锥形切割表面128具有一可在160°与180°之间变化的钝角α。
在切割件120的圆锥形切割表面128中形成有多个通常为相互平排地延伸的长方形浅槽130-132。在这些槽130-132内镶入有长方形的曲线条片或镶入刀具134-136，这些条片或镶入刀具系由超硬及抗磨损材料制成，如钻石，多晶体钻石，热稳定多晶体钻石(TSP)，立方氮化硼或其它超硬及抗磨损的非钻石材料。长方形镶入刀具134-136被制造和成形到与槽130-132一致以保证紧固配合。该长方形超硬镶入刀具134-136可通过烧结、铜焊、压配或其它方法固定在槽130-132中。切割端124还可包括一与圆锥形切割表面128和圆柱体122连接的倾斜表面138。该倾斜表面138可以是倒角、圆角、斜角或类似的倾斜面。
图14示出一切割件的横剖面图。虽然图14具体示出了图2的切割件30，它同样适用于图5的切割件50、图8的切割件70、图10的切割件100、以及图12的切割件120。
在图14中具体示出了超硬材料45在靠近镶入件30中心处的厚度或深度δc及靠近外周处的厚度或深度δ
p。可以认为，超硬材料45的厚度以及相应的浅槽41的深度不必到处相同而可以是逐步变化的。因此，根据岩层和应用情况，如果需要，δ
c可以大于或小于δ
p。特别是δ
c可以大于δ
p，这是由于切割表面外缘与中心相比摩擦和磨损更多。注意，超硬材料厚度方面的变化可以出现在切割件中所有的伸长的镶入件上，或者出现在经挑选的镶入件上。
现参照图15-18，可以对槽的结构加以变化，以改善切割件的耐用度。图15示出一用于切割件30的槽结构的实施例。虽然图15具体示出了图2的切割件30，它同样适用于图5的切割件50、图8的切割件70、图10的切割件100、以及图12的切割件120。
如图15所示，系在切割件30的圆锥形切割表面38上开有圆弧形槽40-42。将伸长的镶入件44-46制造并成形到与圆弧形槽40-42一致。相应地将超硬和抗磨损材料形成的镶入件44-46装设在圆锥形切割表面38处或其附近。其结果是切割件30在其寿命开始时具有增强的切割能力，但这种能力随着切割件30的磨损而按指数规律下降。
图16示出用于切割件30的槽结构的另一实施例。虽然图16具体示出了图2的切割件30，它同样适用于图5的切割件50、图8的切割件70、图10的切割件100、以及图12的切割件120。
如图16所示，系在切割件30的圆锥形切割表面38上开有方形槽40-42。将伸长的镶入件44-46制造并成形到与长方形的槽40-42一致。相应地将超硬和抗磨损材料形成的镶入件44-46均匀地分布在整个切割表面上。其结果是切割件30在其整个寿命中具有均匀的切割能力
图17示出用于切割件30的槽结构的另一实施例。虽然图17具体示出了图2的切割件30，它同样适用于图5的切割件50、图8的切割件70、图10的切割件100、以及图12的切割件120。
如图17所示，系在切割件30的圆锥形切割表面38上开有燕尾形槽40-42。将伸长的镶入件44-46制造并成形到与长方形的槽40-42一致。相应地将超硬和抗磨损材料形成的镶入件44-46装设在圆锥形切割表面38的下方。其结果是切割件30在其寿命开始时具有降低的切割能力，这种能力随着切割件30的磨损而按指数规律上升。而且，燕尾形槽40-42为切割件对镶入件44-46提供增加的夹持力。其结果是镶入件在经过在其它结构中将断裂的点处倾向于磨损。
图18示出用于切割件30的槽结构的另一实施例。虽然图18具体示出了图2的切割件30，它同样适用于图5的切割件50、图8的切割件70、图10的切割件100、以及图12的切割件120。
如图18所示，开端槽40-42系朝向切割件30的圆锥形切割表面38。将伸长的镶入件44-46制造并成形到与开端槽40-42一致。相应地将超硬和抗磨损材料形成的镶入件44-46装设在圆锥形切割表面38处或其附近。其结果是切割件30在其寿命开始时具有增强的切割能力，这种能力随着切割件30的磨损而按指数规律下降。
图19A和19B示出从基座方向看的滚子圆锥刀具20的局部视图。刀具20包括规准面24，其中安装有一排切割件，包括按照本发明教导设计的切割件22。刀具20沿所示回转方向绕一中心轴线70旋转。
在图19A中，切割件22被安装在规准排上，故超硬镶入件通常垂直于回转方向。换句话说，超硬镶入件的轴线在与圆锥回转方向成90°处。当以这种方式安装时，由所确定的硬质材料或超硬材料形成的多个连续切割表面即遇到在钻孔的侧壁岩层。硬质材料具有保护超硬镶入件不致因超硬材料向钻孔侧壁过分外露造成剥落损坏。根据超硬镶入件的位置，前刃或切割表面可以是硬质材料或超硬材料。当前刃磨损后，后面的切割表面即成为新的切割刃和切割表面，以连续切割一完全直径的钻孔。
在图19B中，切割件22中超硬镶入件的轴线相对于圆锥回转方向为平行朝向。换句话说，超硬镶入件在与回转方向成0°处。引起的切割动作为前倾或卡爪状。由硬质切割表面作为切割表面的前刃引起的超硬切割表面的中断而出现在岩层上，其结果是摩擦更小和切割更有效。
可以看到，按照本发明设计的切割件22可以装入所有沿规准排的插座或根据应用情况和岩层情况装入其中所选择的插座。
虽然已对本发明及其优点作了具体描述，但应理解，可以进行各种改变、替换和变换，而不脱离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。