具有持续锋利边缘切削元件的钻头.pdf

本发明公开了优化钻头设计的方法和用于在地层中钻井的优化钻头，所述优化钻头包括钻头体；围绕钻头体隔开的多个刮刀，每个刮刀具有弯曲外部边缘和前表面；沿着每个刮刀的外部边缘凹陷到表面中的第一排切削件凹窝；与第一排错开地凹陷到每个刮刀表面中的第二组切削件凹窝；和多个切削元件，每个切削元件通过硬钎焊固定到不同的切削件凹窝中。

1.  一种优化例如用于在地层中钻井的钻头的方法，所述方法包括如下步骤：
形成具有多个刮刀的钻头体，每个刮刀具有锥部、鼻部、肩部和保径部，每个刮刀具有其上至少部分地凹陷有一排单个的切削件凹窝的表面；和
将切削元件至少部分地固定在各个凹窝中，每个切削元件具有单个金刚石体积，单个金刚石体积的总和构成总金刚石体积；
其中，对总金刚石体积的分布进行优化以控制钻头的磨平区域。

2.  如权利要求1所述的方法，其中，总金刚石体积的大部分沿着肩部分布。

3.  如权利要求1所述的方法，其中，总金刚石体积的大部分沿着肩部靠近鼻部分布。

4.  如权利要求1所述的方法，其中，总金刚石体积的大部分沿着鼻部分布。

5.  如权利要求4所述的方法，其中，总金刚石体积的大部分沿着鼻部靠近肩部分布。

6.  如权利要求1所述的方法，其中，总金刚石体积的最大分布集中在鼻部与肩部交汇处。

7.  如权利要求1所述的方法，其中，总金刚石体积的分布从锥部向保径部改变。

8.  如权利要求7所述的方法，其中，总金刚石体积的分布从锥部向肩部增大。

9.  如权利要求7所述的方法，其中，总金刚石体积的分布从鼻部向肩部减小。

10.  如权利要求1所述的方法，其中，对总金刚石体积的分布进行优化以使钻头的使用寿命最大化。

11.  一种例如用于在地层中钻井的钻头，所述钻头包括：
具有多个刮刀的钻头体，每个刮刀具有锥部、鼻部、肩部和保径部，每个刮刀具有其上至少部分地凹陷有一排单个的切削件凹窝的表面；和
至少部分地固定在每个凹窝中的切削元件，每个切削元件具有单个金刚石体积，单个金刚石体积的总和构成总金刚石体积；
其中，总金刚石体积的分布被优化以控制钻头的磨平区域。

12.  如权利要求11所述的钻头，其中，总金刚石体积的大部分沿着肩部分布。

13.  如权利要求11所述的钻头，其中，总金刚石体积的大部分沿着肩部靠近鼻部分布。

14.  如权利要求11所述的钻头，其中，总金刚石体积的大部分沿着鼻部分布。

15.  如权利要求14所述的钻头，其中，总金刚石体积的大部分沿着鼻部靠近肩部分布。

16.  如权利要求11所述的钻头，其中，总金刚石体积的最大分布集中在鼻部与肩部交汇处。

17.  如权利要求11所述的钻头，其中，总金刚石体积的分布从锥部向保径部改变。

18.  如权利要求17所述的钻头，其中，总金刚石体积的分布从锥部向肩部增大。

19.  如权利要求17所述的钻头，其中，总金刚石体积的分布从鼻部向肩部减小。

20.  如权利要求11所述的钻头，其中，总金刚石体积的分布被优化以使钻头的使用寿命最大化。

21.  一种优化例如用于在地层中钻井的钻头的方法，所述方法包括步骤：
形成具有多个刮刀的钻头体，每个刮刀具有锥部、鼻部、肩部和保径部，每个刮刀具有其上至少部分地凹陷有一排单个的切削件凹窝的表面；和
将切削元件至少部分地固定在每个凹窝中；
其中，对切削元件的间隔进行优化以控制钻头的磨平区域。

22.  如权利要求21所述的方法，其中，切削元件沿着肩部更紧密地间隔。

23.  如权利要求21所述的方法，其中，切削元件沿着肩部靠近鼻部更紧密地间隔。

24.  如权利要求21所述的方法，其中，切削元件沿着鼻部更紧密地间隔。

25.  如权利要求21所述的方法，其中，切削元件沿着鼻部靠近肩部更紧密地间隔。

26.  如权利要求21所述的方法，其中，切削元件在鼻部与肩部交汇处更紧密地间隔。

27.  如权利要求21所述的方法，其中，切削元件的间隔从锥部向保径部改变。

28.  如权利要求27所述的方法，其中，切削元件的间隔从锥部向肩部减小。

29.  如权利要求27所述的方法，其中，切削元件的间隔从鼻部向肩部增大。

30.  如权利要求21所述的方法，其中，对切削元件的间隔进行优化以使钻头的使用寿命最大化。

31.  一种例如用于在地层中钻井的钻头，所述钻头包括：
具有多个刮刀的钻头体，每个刮刀具有锥部、鼻部、肩部和保径部，每个刮刀具有其上至少部分地凹陷有一排单个的切削件凹窝的表面；和
至少部分地固定在每个凹窝中的切削元件；
其中，切削元件的间隔被优化以控制钻头的磨平区域。

32.  如权利要求31所述的钻头，其中，切削元件沿着肩部更紧密地间隔。

33.  如权利要求31所述的钻头，其中，切削元件沿着肩部靠近鼻部更紧密地间隔。

34.  如权利要求31所述的钻头，其中，切削元件沿着鼻部更紧密地间隔。

35.  如权利要求31所述的钻头，其中，切削元件沿着鼻部靠近肩部更紧密地间隔。

36.  如权利要求31所述的钻头，其中，切削元件在鼻部与肩部交汇处更紧密地间隔。

37.  如权利要求31所述的钻头，其中，切削元件的间隔从锥部向保径部改变。

38.  如权利要求37所述的钻头，其中，切削元件的间隔从锥部向鼻部减小。

39.  如权利要求37所述的钻头，其中，切削元件的间隔从鼻部向肩部增大。

40.  如权利要求31所述的钻头，其中，切削元件的间隔被优化以使钻头的使用寿命最大化。

41.  一种优化例如用于在地层中钻井的钻头的方法，所述方法包括步骤：
形成具有多个刮刀的钻头体，每个刮刀具有锥部、鼻部、肩部和保径部，每个刮刀具有其上至少部分地凹陷有一排单个的切削件凹窝的表面；和
将切削元件至少部分地固定在每个凹窝中；
其中，使沿着锥部的切削元件的数量最小化以控制钻头的磨平区域。

42.  如权利要求41所述的方法，其中，切削元件的大部分沿着肩部分布。

43.  如权利要求42所述的方法，其中，切削元件的大部分沿着肩部靠近鼻部分布。

44.  如权利要求41所述的方法，其中，切削元件的大部分沿着鼻部分布。

45.  如权利要求44所述的方法，其中，切削元件的大部分沿着鼻部靠近肩部分布。

46.  如权利要求41所述的方法，其中，切削元件的最大分布集中在鼻部与肩部交汇处。

47.  如权利要求41所述的方法，其中，切削元件的数量从锥部向保径部改变。

48.  如权利要求47所述的方法，其中，切削元件的数量从锥部向肩部减小。

49.  如权利要求47所述的方法，其中，切削元件的数量从鼻部向肩部增大。

50.  如权利要求41所述的方法，其中，对切削元件的数量进行优化以使钻头的使用寿命最大化。

51.  一种例如用于在地层中钻井的钻头，所述钻头包括：
形成具有多个刮刀的钻头体，每个刮刀具有锥部、鼻部、肩部和保径部，每个刮刀具有其上至少部分地凹陷有一排单个的切削件凹窝的表面；和
将切削元件至少部分地固定在每个凹窝中；
其中，使沿着锥部的切削元件的数量最小化以控制钻头的磨平区域。

52.  如权利要求51所述的钻头，其中，切削元件的大部分沿着肩部分布。

53.  如权利要求52所述的钻头，其中，切削元件的大部分沿着肩部靠近鼻部分布。

54.  如权利要求51所述的钻头，其中，切削元件的大部分沿着鼻部分布。

55.  如权利要求54所述的钻头，其中，切削元件的大部分沿着鼻部靠近肩部分布。

56.  如权利要求51所述的钻头，其中，切削元件的最大分布集中在鼻部与肩部交汇处。

57.  如权利要求51所述的钻头，其中，切削元件的数量从锥部向保径部改变。

58.  如权利要求57所述的钻头，其中，切削元件的数量从锥部向肩部减小。

59.  如权利要求57所述的钻头，其中，切削元件的数量从鼻部向肩部增大。

60.  如权利要求51所述的钻头，其中，对切削元件的数量进行优化以使钻头的使用寿命最大化。

61.  一种优化例如用于在地层中钻井的钻头的方法，所述方法包括步骤：
形成具有多个刮刀的钻头体，每个刮刀具有至少部分地凹陷有一排单个的切削件凹窝的表面；和
将切削元件至少部分地固定在每个凹窝中；
其中，对刮刀数量进行优化以控制钻头的磨平区域。

62.  如权利要求61所述的方法，其中，使刮刀的数量最小化以控制钻头的磨平区域。

63.  如权利要求61所述的方法，其中，使刮刀的数量最小化以使钻头的使用寿命最大化。

64.  如权利要求61所述的方法，其中，每个刮刀具有主要表面切削元件和辅助表面切削元件。

65.  一种例如用于在地层中钻井的钻头，所述钻头包括：
具有多个刮刀的钻头体，每个刮刀具有至少部分地凹陷有一排单个的切削件凹窝的表面；和
至少部分地固定在每个凹窝中的切削元件；
其中，刮刀数量被优化以控制钻头的磨平区域。

66.  如权利要求65所述的方法，其中，使刮刀的数量最小化以控制钻头的磨平区域。

67.  如权利要求65所述的方法，其中，使刮刀的数量最小化以使钻头的使用寿命最大化。

68.  如权利要求65所述的钻头，其中，每个刮刀具有主要切削元件和辅助切削元件。

具有持续锋利边缘切削元件的钻头
优先权声明
本申请要求提交于2008年10月13日、名称为“具有持续锋利边缘切削元件的钻头”的美国专利申请序列No.12,250,445的提交日期的优先权。
背景技术
技术领域
本发明披露和教导的内容大体上涉及用于钻井的钻头；更特别地涉及用于在地层中钻井的具有超研磨切削元件的钻头。
现有技术
美国专利No.1,923,488公开了“一种钻井工具，例如钻头等，其具有简单、实用和改进的切削装置，其中工具通过使用达到自动磨锐。”
美国专利No.3,140,748公开了“一种刚性无轴承型钻地钻头，其公知为刮刀钻头。尽管JQ在本申请中强调了关于这种钻头在钻穿含油、气等的地层中的使用，但是应当理解，本发明还可用于其它钻地应用，包括采矿和采石。以在上述操作条件下具有长使用寿命、在从软到硬的各种地层中快速穿透、低“拉动”频率、保持大体上足尺寸井眼和将钻眼偏斜限制在可允许限度内为特征的钻头对石油工业非常有价值。另外，令人满意的钻头应当自动磨锐；并且它应当具有特定几何形状以快速穿透各种地层。在钻头中一开始具有这种几何形状的情况下，这种几何形状应当在钻头使用磨损时保持不变。然而，在一些情况下，希望的钻头几何形状仅在钻头使用磨损时形成，并且在形成之后应当在进一步使用期间保持不变。因此，该发明的目的之中包括提供一种具有如上所述的希望特征的可旋转的刮刀钻头，所述希望特征包括：与传统钻头相比能够在更长的时间内以更快的速度在坚硬地层钻进；在坚硬和磨蚀性岩石地层中保持大体上足尺寸井眼；自动磨锐；并且在使用中具有保持或形成用于钻头的希望几何形状的磨损情况。”
美国专利No.3,145,790公开了“[一种]用于从安装在井孔中的套管(14)的上部环形端(12)渐进地切掉套管(14)的一部分的铣削工具(10)。铣削工具(10)包括围绕铣削工具(10)的圆柱形主体(18)的外周以一英寸到三英寸的间隔彼此等距隔开的多个细长刮刀(32)。刮刀(32)相对于旋转轴线倾斜，以横排布置在刮刀(32)上的硬质合金切削盘(34)形成刮刀(32)的倾斜前平坦表面，最低的一排切削盘(34)形成在切削操作中与套管(14)的上端(12)接合的具有负前角的切削刃。”
美国专利No.4,533,004公开了“[一种]自动磨锐的旋转刮刀钻头组件，包括：(a)适于围绕第一轴线旋转且具有钻削端部的承载主体，(b)由主体支撑以在主体切削端部露出进行切削的切削件，所述切削件具有位于其上的硬质材料层，所述硬质材料层限定了在主体旋转时接合和切削被钻地层的切削刃，所述切削件还包括支撑所述硬质材料层的加固材料以防止硬质材料层在切削负载下发生偏斜，(c)所述主体和所述加固材料的特征在于：当钻头钻削端部与地层接合旋转时能够由地层研磨。”
美国专利No.4,719,979公开了“刮刀型钻头，其具有至少一个刮刀和多个流体流动通道，所述流体流动通道位于刮刀中以将来自钻头中空内部的钻井液或钻井泥浆引导至位于刮刀的前切削刃中的排放或喷射口。由金刚石或类似的“硬质”切削镶嵌件材料制成的条杆以如下构造整合在刮刀中，使得当在钻削期间刮刀磨损或被腐蚀并且小金刚石块丧失时，更多的金刚石暴露于地层以便切削。在刮刀被腐蚀或磨损期间，流体排放口持续操作以将钻井液喷射到大体上每个金刚石条杆附近，从而大大改善切屑的冲洗和金刚石的冷却。在本发明的一些实施例中，还与金刚石或类似的“硬质”切削镶嵌件条杆大体上平行地布置由交替的硬质和软质材料制成的条杆。当软质材料的条杆露出以钻削地层时，形成切口，所述切口随后由后续露出的硬质材料条杆“切掉”。”
美国专利N0.4,813,500公开了“[一种]具有附接到钻头主体上的可研磨切削件刮刀的鱼尾型刮刀钻头。多个轴向对准的管子焊接在一起以形成刮刀，每个刮刀与钻头主体的轴线大体上平行。刮刀的每个管子容纳由金刚石切削件材料基体形成的环形件。环形件的中心形成流体管道，流体管道与由钻头体形成的流体腔连通。因此，金刚石基体的切削刃始终紧邻流体喷嘴，不管钻头在地下岩层中操作期间的刮刀磨蚀程度如何均是如此。”
美国专利No.4,913,247公开了“钻头，[其]包括具有切削件刮刀的主体构件，所述切削件刮刀具有大致抛物面形底部轮廓。每个切削件刮刀包括金刚石切削面，金刚石切削面的竖直高度大体上随着与钻头中心线的距离增加而增大。增大的高度允许钻头在钻头的每个半径处提供希望的总金刚石切削体积，同时允许金刚石接触区域随着钻头磨损保持大致不变。”
美国专利No.5,025,873公开了“一种包括切削结构的旋转钻头，所述切削结构包括切削元件阵列，切削元件定向和布置成在切削元件变钝或磨损之前有助于钻头负荷集中在成组的切削元件上，这种情况下，新切削元件露出以接合地层并使管子承受集中的钻压。优选地，切削元件配置和/或支撑为在磨损到一定程度时脱离切削结构，从而有助于新切削元件露出以接合地层。”
美国专利No.5,103,922公开了“[一种]由多个刮刀组成的鱼尾型刮刀钻头，每个刮刀形成径向布置的凹槽。每个凹槽容纳沿其长度等距离隔开的金刚石切削件。另外，切削件相对于井底以负倾角定向。与钻头轴线平行的金刚石切削件竖向交错排列，从而当钻头在钻孔中工作时破坏由先前被磨耗的成排金刚石切削件留在地层中的切口。”
美国专利No.5,147,001公开了“一种用于钻地钻头的切削结构和包括至少一个这种结构的钻头，其包括以大体上彼此相邻方式布置的大体上平坦的切削元件阵列，所述阵列包含至少一个间隔部，所述间隔部将所述阵列分成多个子阵列。”
美国专利No.5,238,074公开了“[一种]用于旋转刮刀钻头的切削件，其具有由多个聚晶金刚石复合片(PCD)元件形成的切削面。所述元件可以具有不同的厚度和/或不同的硬度以提供具有不均匀磨耗特性的切削刃。另外还提供包括两层PCD元件的切削件。PCD元件可以具有不同的厚度和/或硬度以提供具有如下切削刃的切削件：所述切削刃具有随切削件磨损而变的磨损率。另外还提供具有由一或多层PCD元件形成的切削表面的冲击切削件。”
美国专利No.5,551,522公开了“一种包括如下切削结构的固定切削件式钻头，所述切削结构具有径向隔开的切削元件组。切削元件组优选地在旋转轮廓中重叠并且包括至少一个低轮廓元件和至少两个高轮廓元件。低轮廓元件安装成具有较低的暴露高度。高轮廓元件安装在高于低轮廓元件的暴露高度的暴露高度处，并且与钻头表面上的低轮廓元件径向隔开。高轮廓元件可以安装在相同的径向位置，但处于不同的暴露高度，或者可以安装为具有相同的暴露高度，但是相对于钻头轴线处于不同的径向位置。提供这种低、高轮廓切削元件的布局有助于提高钻头抵抗震动的能力并且提供侵入式切削结构，即使在发生明显磨损后也是如此。”
美国专利No.5,816,346公开了“[一种]用于钻进地下地层的旋转钻头，包括具有用于连接到钻柱上的杆部的钻头体，周向隔开且远离钻头的旋转中心轴线向外延伸的多个主刮刀和至少一个副刮刀，沿着每个刮刀安装的多个切削件，安装在每个主刮刀上的大部分切削件具有比位于副刮刀上的大部分切削件更大的暴露量，并且副刮刀的后掠角小于主刮刀的后掠角。该钻头具有与主刮刀上的切削件尺寸相关的穿透率，并且具有与至少一个副刮刀上的切削件尺寸相关的扭矩特性。”
美国专利No.5,957,227公开了“[一种]具有若干个刮刀16的钻具，每个刮刀限定外壁20和两个侧壁22、24。刮刀由凹部18隔开，主钻头28沿着刮刀外壁定位，副或支撑钻头40相对于钻具移动方向(f)附接到主钻头后方。每个刮刀限定至少一个分叉管道或通道30，其具有位于刮刀外壁上并位于主钻头后方的小进口32，和位于刮刀后侧上的较大出口34。副钻头安装在入口的后缘处，通道用于排出由副钻头挖出的材料。”
美国专利No.5,979,571公开了“[一种]组合式金属铣削和钻地工具，其用于从井孔中的套管执行单次起下初始造斜。该组合式铣削和钻进工具具有第一、相对耐用的切削结构，例如碳化钨，和第二、相对更硬的切削结构，例如聚晶金刚石。更为耐用的第一切削结构更适合于铣削金属套管，而更硬的第二切削结构更适合于钻穿地层，尤其是岩层。第一切削结构位于第二切削结构外面，使得第一切削结构将会铣削穿过金属套管，同时防止第二切削结构与套管接触。第一切削结构会在铣削穿过套管并与岩层初次接触时磨掉，从而露出第二切削结构以与岩层接触。第二切削结构因此能够用于钻穿岩层。”
美国专利No.5,992,549公开了“[一种]用于旋转刮刀型钻头的切削结构，包括安装在承载体上的预先形成的切削元件，所述承载体在使用中安装于钻头上，并且包括朝前的超硬材料台，所述超硬材料台结合到硬度较低的基底上。承载体的安装有预先形成的切削元件的部分在邻近切削元件的部位成形为与由切削元件从被钻地层上去除的地层材料切屑接合，从而使切屑从地层表面剥离。承载体的一部分或者说钻头体本身的一部分也可以在邻近切削元件的部位成形为将冲击所述表面的钻井液流引导至位于切削元件前面的位置，以便辅助排屑。”
美国专利No.6,283,233公开了“[一种]钻进和/或取芯工具，尤其是用于石油钻探和/或取芯，包括：具有大体上圆柱形外周表面(3)和前表面(4)的主体(2)；刮刀(5)，其从前表面(4)延伸到整个外周表面(3)上，并且每个刮刀具有前缘(6)；可能的PDC切削元件(7)，其至少位于前表面(4)的中心区域(15A)并且其纵向轴线横向于工具(1)的旋转轴线，此外，所述钻进和/或取芯工具还包括位于至少一个刮刀(5)上、所述中心区域(15A)之外的：PDC切削元件(7C)和/或副切削元件(10)，其均具有切削刃(8)，共同形成刮刀(5)的前缘(6)并且其纵向轴线横向于旋转轴线，和至少一个相关的切削元件(10A)，其位于PDC切削元件(7C)或副切削元件(10)中至少一个的后方，至少其从刮刀(5)伸出的部分具有与PDC切削元件(7C)或副切削元件(10)从刮刀(5)伸出的部分相同形状的横截面，并且设置在相同的刮刀(5)上。”
美国专利No.6,328,117公开了“[一种]在用于钻进地层的固定切削件型旋转钻头中使用的断屑器。断屑器包括刀状突起，刀状突起靠近切削元件定位并且紧邻或位于由钻头体限定的流体流道中。当地层碎片、刮屑或切屑在钻进期间产生时，碎片在所述突起上移动并且由该突起分开或划割。钻井液将分开或划割的碎片从邻近切削元件的流体流道表面冲走，并且将其运送穿过排屑槽。另外，碎片分裂器可以位于斜面上，所述斜面进一步提升地层碎片以将其从流体流道表面上去除。”
美国专利No.6,408,958公开了“[一种]由第一和第二超研磨切削元件组成的切削组件，所述第一和第二超研磨切削元件包括至少一个就旋转方向而言在前的切削元件和就旋转方向而言在后的切削元件，并且包括较厚超研磨台，所述就旋转方向而言在前的切削元件具有大体上沿钻头期望旋转方向定向的切削面，其中切削组件安装在钻头上以利用位于切削面外周上的切削刃切削地层，所述就旋转方向而言在后的切削元件沿大体上横向于钻头期望旋转方向的方向定向，所述较厚超研磨台配置为利用定位在位于超研磨台侧部的斜面及其表面之间的切削刃切削地层。就旋转方向而言在后的切削元件可以与两个就旋转方向而言在前的切削元件相关并且设置在钻头上的位于该两个就旋转方向而言在前的切削元件的至少部分横向中间位置上。还公开了配备有该切削组件的钻头。”
美国专利No.6,883,623公开了“[一种]用于钻进地层的旋转钻头，其配备有靠近保径修整器的就旋转方向而言在前的和在后的边缘的至少一个保护结构，其中，所述至少一个保护结构定位成具有与其相关的保径修整器大体上相同的暴露程度。特别地，本发明的设备还在钻进、起下管柱和/或在套管内旋转期间；即，当改变钻井液时，给保径修整器提供保护。保护结构可以根据预期的钻井条件包括螺旋角进行配置和定位。另外，保护结构可以靠近一个以上的保径修整器，同时每个相关的保径修整器具有大体上相同的暴露程度。还公开了应用方法和旋转钻头设计方法。”
美国专利No.7,025,156公开了“[一种]旋转钻头用于铣削套管窗和在地下泥土材料中钻出侧向钻孔，无需预先使用用于铣削套管和钻孔的单独的钻孔。旋转钻头下降到钻孔内的套管组中；并且钻头旋转以接合套管内表面。钻头上的第一组切削元件去除套管材料以铣出套管窗。钻头随后穿过套管窗，使得钻头上的第二组切削元件在地下泥土材料中产生侧向井孔。”
美国专利No.7,048,081公开了“[一种]与用于钻进地层的钻头一起使用且具有超研磨台或切削面的超研磨切削元件，其中，大量超研磨颗粒散布、粘结或烧结到所述超研磨台或切削面中，其中，超研磨台的至少一个暴露切削区域具有粗糙、凹凸不平的表面以提高钻头的切削效率，尤其是在(但不限于)相对坚硬、相对难磨地层的情况下。超研磨台可以包括具有明显不同尺寸或质量或者不同尺寸和质量组合的超研磨颗粒。还公开了包括体现该发明的切削元件的旋转钻头。”
美国专利No.7,237,628公开了“一种具有非切削耐磨蚀镶嵌件的钻头。在一个说明性实施例中，该设备包括基体钻头体，其包括多个刮刀、位于每个刮刀上的多个切削元件，和沿至少一个刮刀的表面定位的多个隔开的非切削耐磨蚀镶嵌件，所述切削元件限定多个棱角区域(web region)，每个非切削耐磨蚀镶嵌件的至少一部分定位在棱角区域之一的前方。”
美国专利No.7,278,499公开了“[一种]旋转刮刀钻头，其包括靠近其纵向轴线的倒置锥形几何形状。倒置锥部区域可以包括中心区域，所述中心区域包括固定于其上并沿着至少一个螺旋路径布置的多个切削结构。至少一个螺旋路径在倒置锥部区域内可以围绕其回转中心至少一圈。本发明公开了锥部区域置换件和用于制造旋转刮刀钻头的方法。至少一个凹槽可以沿着相应的至少一个螺旋路径形成在锥部区域置换件内，所述至少一个螺旋路径围绕其回转中心至少一圈。多个切削结构可以放置在至少一个凹槽内，并且锥部区域置换件可以放置在模型中以用可渗透粉末充满并渗透有可硬化渗透剂。”
美国专利申请No.20070261890公开了“[一种]用于在泥土地层中钻孔的钻头。在实施例中，钻头包括钻头体，其具有包括锥部区域、肩部区域和保径区域的钻头面。另外，钻头包括设置在钻头面上的至少一个主刮刀，其中，所述至少一个主刮刀延伸到锥部区域中。另外，钻头包括安装在位于锥部区域中的至少一个主刮刀上的多个主切削元件。更进一步，钻头包括安装在位于锥部区域中的至少一个主刮刀上的多个支撑切削元件，其中，至少一个主刮刀具有锥部支撑切削件密度和肩部支撑切削件密度，并且其中，至少一个主刮刀的锥部支撑切削件密度大于至少一个主刮刀的肩部支撑切削件密度。”
本发明公开和教导的内容涉及具有持续锋利切削元件的改进钻头。
发明内容
本发明涉及例如用于在地层中钻井的钻头，包括钻头体，围绕钻头体隔开的多个刮刀，每个刮刀具有弯曲外部边缘和大体上平坦的前表面。第一排切削件凹窝沿着每个刮刀的外部边缘至少部分地凹陷到所述前表面中，形成第一弯曲切削轮廓，第二排切削件凹窝至少部分地凹陷到每个刮刀的所述前表面中且与第一排错开，形成第二弯曲切削轮廓。第二轮廓可以与第一轮廓大体上相同。在一些实施例中，第二轮廓与第一轮廓竖向错开。多个切削元件优选地通过硬钎焊固定到不同的切削件凹窝中。凹窝给切削元件提供侧向支撑。第一排中的切削元件可以与第二排中的切削元件大体上相同或不同。切削元件优选地从刮刀内穿过所述前表面延伸到位于钻头刮刀之间的槽中。
通过使钻头旋转且使刮刀磨耗或磨损超过第一排切削元件，从而使第二排切削元件暴露给地层来使用钻头。因此，至少最初，在第一排中的一或多个切削元件从刮刀上磨耗掉之前，第二排中的切削元件不会直接接触地层。钻头体、刮刀和凹窝可以大体上同时形成为单个一体式结构。可替换地，钻头体、刮刀和第一排切削件凹窝可以大体上同时形成，第二排切削件凹窝随后形成在刮刀上。在一些实施例中，钻头由单个部件装配而成，使得钻头体和刮刀分别形成。这允许第一和第二排切削件凹窝在刮刀焊接或以其它方式固定到钻头体上之前形成在每个刮刀上。
本发明还涉及优化例如用于在底层中钻井的钻头的方法。钻头优化包括考虑许多因素，例如刮刀的尺寸、形状、间隔、朝向和数量；切削件或切削元件的尺寸、形状、间隔、朝向和数量；以及钻头体、刮刀、切削台和切削件基底的材料。可以根据钻头所适用地层的材料综合考虑这些因素。
附图说明
图1显示了具有切削元件并体现本发明的某些方面的示例性钻头的透视图；
图2是体现本发明的某些特征的示例性切削元件的放大透视图；
图3是根据本发明某些方面的钻头刮刀的局部正视图；
图4是根据本发明某些方面的钻头刮刀的另一局部正视图；
图5是根据本发明某些方面的钻头刮刀的放大局部正视图；
图6是根据本发明某些方面的钻头刮刀的局部剖视图；
图7是显示了标准钻头和优化钻头的磨平区域的图表；
图8是显示了标准钻头和根据本发明某些方面的优化钻头的优选实施例的磨平区域的图表；
图9是显示了钻头的磨损和性能之间关系的图表；
图10是根据本发明某些方面的钻头刮刀的另一局部正视图；
图11是根据本发明某些方面的钻头刮刀的另一局部正视图；
图12是根据本发明某些方面的钻头刮刀的另一局部正视图；
图13是根据本发明某些方面的钻头刮刀的另一局部正视图；和
图14是根据本发明某些方面的钻头刮刀的另一局部正视图。
具体实施方式
上面所述的附图和下面文字所述的具体结构和功能并不限制申请人发明的范围或者所附权利要求的范围。相反，附图和文字说明是用来教导本领域所有技术人员制造和使用要求专利保护的本发明。本领域技术人员应当认识到，为清楚和理解的目的，没有描述或显示本发明商业实施例的全部特征。本领域技术人员还应当认识到，具有本发明各方面的实际商业实施例的开发需要许多具体的实施决策以实现开发者用于商业实施的最终目标。这种具体的实施决策可以包括但不限于遵从与系统、商业、政府相关的限制和其它限制，这些限制可能随着具体实施情况、场所和时间而变化。尽管开发者的工作从绝对角度来看可能是复杂且费时的，但是这种工作对从本发明受益的本领域技术人员来说只是例行的任务。应当理解，这里披露和教导的本发明可以进行多种不同的改进且可具有可替换方式。最后，单数术语的使用——例如但不限于“一”——并非用于限制物品的数目。同样，关系术语的使用--例如但不限于“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、“侧面”等——在文字说明中是为参考附图时清楚起见，而非用于限制本发明或所附权利要求的范围。
下面可能会参考方框图和/或方法操作示意图来描述本发明的特定实施例。在一些可替换实施方案中，附图中指出的功能/动作/结构可以与方框图和/或操作示意图中指出的顺序不同。例如，根据所涉及的功能/动作/结构，显示为顺序发生的两个操作实际上可以大体上同时进行，或者所述操作可以按照相反的顺序进行。
申请人发明了用于使钻头设计优化的方法和用于在地层中钻井的优化钻头的若干个实施例。在一个实施例中，优化钻头包括钻头体；沿着钻头体隔开的多个刮刀，每个刮刀具有弯曲外部边缘和前表面；沿着每个刮刀的所述外部边缘凹陷到所述前表面中的第一排切削件凹窝；与第一排切削件凹窝竖向错开地凹陷到每个刮刀的所述前表面中的第二组切削件凹窝；和多个切削元件，每个切削元件用硬钎焊或以其它方式固定到一个不同的切削件凹窝中。
图1是钻头10的示意图，所述钻头包括钻头体12，钻头体12具有传统阳螺纹端14以提供与由钻机旋转且纵向驱动的传统连接的管状钻柱的螺纹连接。可替换地，钻头10可以按照本领域已知的方式连接到井底组件上，井底组件继而连接到管状钻柱上或者连接到基本连续的螺旋管路上。这种井底组件可以包括井底电机以使钻头10旋转，以作为由位于地面或近海平台(附图未显示)上的转台或顶驱装置旋转的补充方案或者替代方案。此外，传统的阳螺纹端14可以非必要地、可选地由本领域已知的各种可替换连接结构代替。因此，钻头10可以容易地适应用于钻进地下岩层的各种机构和结构。
钻头10及其选择部件优选地与美国专利No.7,048,081中披露的那些类似，该专利在此通过具体援引而引入本文。总之，钻头10优选地包括多个刮刀16，每个刮刀具有前表面或钻头表面18。钻头10可以具有两个到十六个刮刀16。在优选实施例中，钻头10具有三个刮刀，其已被发现会实际减少磨损、增大穿透性能和延长切削件寿命。例如，根据一个实例，在相同环境中，八刮刀钻头比三刮刀钻头的磨损多60％。在一个优选实施例中，钻头表面18大体上为平坦的，但是它可以是凹入和/或凸出的。
钻头10还优选地包括直接固定到刮刀16上的第一(主要)排表面切削件或切削元件20。钻头10还优选地包括多个喷嘴22以分配钻井液，从而冷却和润滑钻头10以及排屑。如本领域惯常的那样，保径部24是钻头10外周的最大直径部。保径部24由此确定钻头10在投入使用时所产生的最终钻孔的最小直径。小钻头的保径部可以小至几厘米，极大型钻头的保径部可以接近1米或更大。在每个刮刀16之间，钻头10优选地具有流体槽或通道26，钻井液通过喷嘴22被供给到所述流体通道中。
本发明的示例性切削元件20(如图2所示)包括超研磨切削台28，超研磨切削台28具有圆形、矩形或其它多角形、卵形、截圆形、三角形或其它适当横截面。具有圆截面和整体圆柱形构造或形状的超研磨台28适合于各种钻头和钻进应用。切削元件20的超研磨台28优选地由聚集的超研磨材料例如聚晶金刚石复合片(PDC)形成，其具有暴露的切削面30。切削面30典型地具有顶部30A和侧面30B，两者的周边接合部作为切削面30的切削区域，更精确地讲，作为切削面30的切削刃30C，切削刃30C通常是在固定切削元件20的钻头10逐渐进行钻孔时切削面30的接触并由此首先“切削”地层的第一部分。切削刃30C可以具有相对锋利的大约90°边缘，或者可以具有倒角或圆化处理。超研磨台28还典型地具有主要下侧(或附接)界面，其在形成超研磨台28的金刚石(或超研磨)层烧结期间连接到支撑基底32上，所述支撑基底典型地由坚硬且相对坚韧的材料，例如烧结碳化钨或其它碳化物形成。基底32可以预成型为希望的形状，使得大量颗粒金刚石材料可以在其上形成聚晶切削(或超研磨)台28，并且同时在现有技术中已实践的高温高压(HPHT)烧结技术期间牢固地结合到基底32上。可替换地，基底32可以由钢或其它高强度材料形成，所述材料具有小于碳化钨和/或被钻地层的耐磨性。在其它实施例中，基底32可以包括由钢质主体支撑的较薄碳化钨层。
不管怎么样，基底32可以具有圆柱形、圆锥形、锥形和/或矩形的整体形状，并且可以具有圆形、矩形或其它多边形、卵形、截圆形和/或三角形横截面。因此可以提供一体式切削元件20，其随后可以通过硬钎焊或本领域已知的其它方法例如粘合、压合和/或使用螺柱安装(stud mounting)固定到钻头10上。
根据本发明，超研磨台28优选地包括非均质聚集型的PDC层或金刚石基体，其中包括至少两种不同的公称尺寸和磨损特性的超研磨颗粒，例如不同粒度或尺寸的金刚石，用来最终改进粗制或粗切削的切削面30，特别是切削面侧部30B，更特别地是切削刃30C。在一个实施例中，大金刚石的范围上限为大约600μm，优选的范围是大约100μm到大约600μm，小金刚石或者超研磨颗粒优选的范围可以为大约15μm到大约100μm。在另一个实施例中，大金刚石的范围上限为大约500μm，优选的范围是大约100μm到大约250μm，小金刚石或超研磨颗粒优选的范围可以为大约15μm到大约40μm。
可以调整大金刚石的具体磨料粒度、小金刚石的磨料粒度、超研磨台28的切削面30的厚度、烧结剂的数量和类型以及相应的大小金刚石体积百分比，以使用于切割具有特定硬度和特定磨损特性的特定地层的切削件28优化。大金刚石和小金刚石之间令人希望的相对粒度关系可能是强度和切削件侵入性之间的折衷。一方面，希望超研磨台28在钻进期间保持住大颗粒要求小金刚石和大金刚石之间平均粒度方面的差异要相对较小。另一方面，希望提供粗切削面则又要求小金刚石和大金刚石之间平均粒度方面的差异要相对较大。此外，针对切削元件20接合地层的平均旋转速度，以及针对每个切削件20在工作时将会承受的法向力和扭矩(由钻进期间的旋转速度以及可能作用在钻头10上的重量或纵向力引起)大小，可以调节刚刚上面提到的因素对切削件20进行优化。
尽管在优选实施例中使用PDC切削件，例如上面所提到的那些，但是可替换地和/或附加地，可以使用其它切削件。例如，可以使用由具有三角形、销形和/或圆形构造的热稳定聚晶(TSP)金刚石、立方体氮化硼(CBN)和/或其它超研磨材料制成的切削件。在一些实施例中，可以使用非常简单的碳化物切削件。
参考图3，第一(或主要)排表面切削件20优选地沿着每个刮刀16的表面18的弯曲外部边缘34隔开，形成第一(或主要)弯曲切削轮廓36。第一排表面切削件20优选地以一定角度凹入到外部边缘34和表面18中，使切削面30具备负后倾角。在优选实施例中，每个刮刀16还包括第二(辅助)排表面切削件38。第二排表面切削件38优选地形成第二(或辅助)弯曲切削轮廓40。第二轮廓40优选地与第一轮廓36错开，但是也可以与第一轮廓36重合。在优选实施例中，第二轮廓40与第一轮廓36大体上竖向错开。当钻头10投入使用时，如下面更详细描述的那样，第二轮廓40优选地从第一轮廓36向上偏移。因为第二轮廓40可以与第一轮廓36大体上竖向错开，保径部24可以在过渡到第二排表面切削件38之后仍保持大体上相同，如下面更详细描述的那样。
参考图4，与第二排表面切削件38相比，第一排表面切削件20可以具有不同的尺寸、形状、构造和/或成分。例如，如图所示，第一排切削元件20可以具有大体上正方形横截面，而第二排切削元件38具有大体上三角形横截面。然而，第一和第二排中可以包含具有任何上述构造的单个表面切削件20、38。
参考图5和图6，第一排的每个切削件20优选地至少部分地设置在单个切削件凹窝42中。同样，第二排的每个切削件38优选地至少部分地设置在单个切削件凹窝44中。因此，切削件凹窝42、44也以沿着第一和第二弯曲切削轮廓36、40的第一和第二排布置。如图所示，第一排凹窝42沿着外部边缘34至少部分地凹入到刮刀16的表面18中。因此，第一排凹窝42优选地使第一排表面切削件20的一部分暴露给被钻地层。根据切削轮廓36、40，第二排凹窝44至少一开始就与第一排凹窝42错开地凹入到刮刀16的表面18中。因此，第二排表面切削件38一开始并不会直接接触地层。每个凹窝42、44优选地固定一个表面切削件20、38，从而给每个切削件20、38提供侧向支撑。每个表面切削件20、38优选地从其凹窝42、44内穿过刮刀16的表面18延伸到位于刮刀16前面的槽26中。
当使用钻头10时，第一排切削元件20磨损并最终磨掉。通过第一排表面切削件20防止刮刀16与被钻地层接触。当第一排表面切削件20中的一或多个切削件磨损或磨掉时，刮刀16本身被迫与地层接触，导致刮刀16在没怎么切削地层的情况下较快磨损、磨耗或磨蚀。刮刀16的较快磨损最终使第二排表面切削件38中的一或多个切削元件暴露给地层。第二排表面切削件38随后开始切削地层。因此，钻头10在第一排表面切削件20中的一或多个完全磨损之后仍然能够使用很久，从而减少了与钻头更换相关的停机时间和费用。
可以看出，本发明提供了不止一排表面切削件20、38。不要将这些第一(或主要)和第二(或辅助)表面切削件20、38与通常设置在刮刀16的外部边缘上的、位于第一排切削件20后方的支撑切削件(backup cutters)混淆。相反，辅助表面切削件38位于刮刀16的表面18上，且与主要表面切削件20错开。在一个优选实施例中，所述错开优选地为竖直方向上错开，从而使得：在钻头10使用时，辅助表面切削件38在刮刀16的表面18上高于主要表面切削件20。
刮刀16典型地由钢或金属结合剂基体(例如浸渍了合金结合剂的碳化物粉末基体)在铸造工艺期间制成。例如，钻头10可以利用浸入铸造工艺(infiltration casting process)构造为基体型钻头，在工艺中，铜合金结合剂被加热超过其熔化温度并且使其在重力作用下流到装填于石墨模中(并由该石墨模成形)的碳化物粉末基体中。模型优选地是与钻头10的形状互补的石墨。模型优选地包含钻头10的刮刀16和槽26的形状，从而产生基体形状。其它部件可以由粘土和/或型砂制成并且附接到模型上。
模型组件还可以包括一或多个置换元件。例如，模型组件可以包括多个喷嘴置换件以适应喷嘴22的最终安装。置换件可以由胶粘型砂、粘土材料和/或石墨制成。例如，它们可以由装满型砂的石墨外层组成。
模型组件还可以包括多个切削件凹窝置换件。切削件凹窝置换件是小石墨块，其保持切削件凹窝在基体和最终钻头中的实体位置。当钻头顺利成型时，由置换件形成的切削件凹窝42、44可以进一步机加工以提供用硬钎焊或以其他方式固定表面切削件20、38的位置。这样，第一和第二排切削件凹窝42、44可以与钻头体12、刮刀16和槽26同时形成为单个的一体结构。可替换地，在钻头10的大部分已经形成之后，第一和第二排切削件凹窝42、44可以机加工成刮刀16。在另一实施例中，第一排切削件凹窝42可以按照如上所述的方式与钻头体12、刮刀16和槽26同时形成，其后，在刮刀16中形成第二排切削件凹窝44。
毫无疑问，可以使用构造钻头10的其它方法。例如，钻头体12和刮刀16可以利用模块化部件和/或构造方法分别构造。更具体地，钻头体12和刮刀16可以由钢构造而成，并且在铣削或机加工出第一和第二排切削件凹窝42、44之后焊接到一起。这种构造可以更为容易地获得希望的切削件朝向，例如后倾角和/或侧倾角，尤其是对较多刮刀数来说更是如此。可替换地，钻头10可以利用混合技术例如分层或多级模压方法构造而成。
根据本发明的某些方面，与用可获得的强度最大、最耐用和最耐磨材料来构造钻头10不同，牺牲掉钻头10的一部分可能是有利的。例如，由于钻机日租金经常显著高于钻头的成本，首要任务是设计出使钻进操作成本最少的钻头。历史上，钻头已经设计成尽可能耐用和耐磨。令人遗憾的是，由于可预料到的所面临的极端环境，所有已知的钻头都会发生磨损。更具体地，当切削元件20磨损时，在钻头体12、刮刀16和切削件20上产生磨平区域。这些磨平区域与地层例如岩石对抗而磨损，从而引起无用热量、阻力以及钻进作业的其它有害副产品。热量和阻力进一步降低了钻头10的质量，加大了磨平问题，从而需要越来越多的能量并且降低了钻进速度。更具体地，增加的磨平区域增大了比能，即切掉单位体积岩石所需的能量。有时，磨平区域变得很大，使得所需比能过大，因此损失了钻进效率，钻头10必须要进行更换。
在一些情况下，一或多个切削元件20会突然失效而不是仅仅磨损。当这种情况发生时，地层将会严重磨损钻头体12的之前受失效切削元件保护的部分。这急剧增大磨平区域，增加所需比能，并且会迅速产生磨环，其中，流体(或排屑)槽26被阻断，急剧增加了泥浆系统压力。
总之，当钻头10失效和/或钻进效率丧失时，钻头10必须更换。更换钻头耗时且因此成本高昂。同样，本发明更广义地涉及优化钻头的设计和性能的方法以及优化的钻头。本发明的钻头10设计成在一或多个切削元件20、38失效期间继续高效钻进操作。
参考图7，当使用标准钻头时，随着时间推移，钻头的磨平区域随着钻进速度降低和比能增加而不断增大，直到钻进效率丧失并且必须更换钻头为止。本发明的方法试图例如通过优化切削件的放置和间隔来优化钻头设计，以便控制或最小化磨平区域和所需比能，因此使钻进效率最大化。因此，理想的是，本发明的优化钻头10的磨平区域不会连续增大到超过最大的设计的总磨平区域。相反，根据本发明的钻头可以通过控制磨平区域而持续有效，但效率略有降低。
参考图8，在一个实施例中，本发明的钻头10的磨平区域增大到接近最大的设计的总磨平区域。钻头10将磨平区域保持在最大的设计的总磨平区域或以下，直到一或多个主要表面切削件20开始失效为止。此时，磨平区域增大，可能略大于最大的设计的总磨平区域，直到一或多个辅助表面切削件38暴露并开始切削地层，使磨平区域彻底降至最大的设计的总磨平区域以下。这样，本发明的优化钻头10可以持续钻进，但效率略有降低，从而使钻机停机时间和所需比能最小化，同时保持可接受的钻进速度，并且在一或多个切削件故障期间使总钻进效率最大化。
参考图9，这可以通过钻压与钻进速度和比能的关系进行解释。图9左侧的含菱形标记曲线显示了未使用(或新)钻头的效率。图9右侧的含三角形标记曲线显示了磨损(或不能使用的)钻头的效率。如图所示，钻头在获得预定钻压之前效率较低，在获得预定钻压之后，钻头开始提供更大的钻速。还可以看出，在磨损钻头开始具有任何显著的钻进速度之前需要更大的钻压。应当理解，钻压越大，钻进所需的比能越大。
因此，本发明的钻头10优选地处于新钻头的位于图9左侧的含菱形标记曲线的性能和磨损钻头的位于图9右侧的含三角形标记曲线的性能之间。本发明的钻头10优选地更接近新钻头的性能，但是可以在可用钻头的位于图9中间的含正方形标记曲线附近来回摆动。
因此，在一些实施例中，刮刀16和/或钻头体12的其它部分优选地由耐磨性不如切削台28、基底32和/或钻头10所钻地层的耐磨性的材料制成。一个或多个表面切削件20、38可以设计成在开始失效时急剧或突然失效，而不是持续地辅助形成磨平区域。这两种设计优化通过使辅助表面切削件38更迅速接合而提高钻进效率。
在阅读本公开内容时，可以认识到，钻头设计包括对许多因素的考虑，这些因素例如为刮刀的尺寸、形状、间隔、朝向和数量；切削件或切削元件的尺寸、形状、间隔、朝向和数量；以及钻头体、刮刀、切削台和基底的材料。根据地层材料(钻头要针对其进行设计和/或与其匹配)，需要考虑所有这些因素。
可以看出，为了使辅助表面切削件38迅速露出，钻头体12优选地由耐磨性小于地层磨蚀性的材料制成。显而易见，切削台28必须由耐磨性大于地层磨蚀性的材料制成，以便切割穿过地层。因为基底32用于给切削台28提供支撑，而非用来显著提高钻进速度，所以基底32可以由耐磨性小于地层磨蚀性的材料制成。如上所述，因为钻头体12用于给切削元件20、38提供支撑，而非提高钻进速度，所以钻头体12和/或刮刀16可以由耐磨性小于地层磨蚀性的高强度材料制成。
磨蚀性的上述差异可以根据各独立的特定材料特性获得。例如，根据本发明的优化钻头10可以设计成使切削台28由具有最小耐磨性(但显著高于地层的磨蚀性)的切削材料制成。根据本发明的优化钻头10可以设计成使基底材料由具有最小和/或最大耐磨性(其优选地低于地层的磨蚀性)的基底材料制成。最后，根据本发明的优化钻头10可以设计成使刮刀16由具有最小和/或最大耐磨性(其优选地显著低于地层的磨蚀性)的刮刀或钻头体材料制成。
可替换地，上述耐磨性差异可以以规定的比率来实现。例如，根据本发明的优化钻头10可以设计成将最小耐磨比保持在：切削台28和刮刀16之间；切削台28和基底32之间；和/或基底32和刮刀16之间。总之，如上所述，地层的磨蚀性优选地使得至少刮刀材料在其与地层形成摩擦接触的情况下相当快地磨蚀。另外，如上所述，地层的磨蚀性可以使得基底材料在其与地层形成摩擦接触的情况下相当快地磨蚀。因此，最小磨蚀比还可以规定在：地层和刮刀材料之间；地层和基底材料之间；和/或地层和切削材料之间。
总之，可以认识到，可以根据所预测到和/或遭遇到的地层来选择预先设计和预先制造的钻头。可替换地，可以针对所预测到和/或遭遇到的地层具体地设计钻头。
已经发现，刮刀16很少均匀地磨损。因此，希望优化刮刀16的设计以及切削材料沿刮刀16的分布和/或间隔，从而在保持可接受的钻进速度和钻进效率的同时，延长钻头使用寿命和使所需比能最小化。现代钻头的刮刀16通常具有起到相关或重叠功能的三个或更多个部分。具体地，参考图10，每个刮刀16优选地具有锥形部、鼻部、肩部和保径部。
每个刮刀的锥形部优选地为大体上线性部，其从钻头10的中心线附近向外延伸。因为锥形部最靠近钻头10的中心线，所以锥形部相对于地层不会经历同样多或同样快的运动。因此，已经发现，锥形部比其它部分产生更少的磨损。因此，锥形部可以利用较少的切削材料保持高效和有效的钻进速度。这能以多种方式实现。例如，锥形部可以具有较少的表面切削件20、38；较小的表面切削件20、38；表面切削件20、38之间的间距可以较大；和/或甚至根本不需要辅助表面切削件38。PDC钻头的锥角典型地为15-25°，但是，在一些实施例中，锥形部基本上为平坦的，具有大体上0°锥角。
鼻部代表钻头上的最低点。因此，鼻部切削件典型地为最前部切削件。鼻部大致由鼻部半径限定。较大的鼻部半径在鼻部上提供更大的区域以放置表面切削件。鼻部从锥形部结束处和刮刀开始弯曲处开始，并且延伸到肩部。更具体地，鼻部在刮刀轮廓与由鼻部半径形成的圆切向匹配的位置延伸。鼻部产生比锥形部更大、更快的相对运动。另外，鼻部典型地比其它部分承担更多的重量。因此，鼻部产生比锥形部更多的磨损。因此，鼻部优选地具有更高的总切削件材料分布、密集度或密度，或者体积。
肩部从刮刀轮廓与鼻部半径分离处开始，并且在每个刮刀16上向外连续延伸到刮刀斜度为基本上完全竖直的位置(保径部)。肩部产生比锥形部大得多、快得多的相对运动。另外，肩部典型地承受由动态机能障碍例如钻头涡动而导致的不当冲击。因此，肩部产生比锥形部多得多的磨损。肩部与锥形部相比是对钻进速度和钻进效率更重要的因素。因此，肩部优选地具有更高的总切削件材料分布、密集度或密度，或者体积。根据应用，鼻部或肩部可能产生最多的磨损，并且因此，鼻部或肩部可以具有最高的总切削件材料分布、密集度或密度，或者体积。
保径部从肩部结束处开始。更具体地，保径部从刮刀斜度为明显竖直处开始。保径部向外连续延伸到钻头10的外周或外径。保径部相对于地层产生最大、最快的相对运动。然而，至少部分地由于保径部中的刮刀16的高(大体上竖直)斜度，保径部通常不产生与肩部和/或鼻部同样多的磨损。然而，保径部通常比锥形部产生更多的磨损。因此，保径部优选地具有比锥形部更高的总金刚石体积分布，但是可以具有比肩部和/或鼻部更小的总金刚石体积分布。
图11显示了实现上述目标和/或设计标准的一种可能的方法。图11所示刮刀16具有一排主要的切削元件20。图11所示刮刀16还具有一组辅助的表面切削件38。这些辅助的表面切削件38分布在四个部分上，其中位于肩部上的表面切削件具有更紧密的间隔、更高的总金刚石体积密度和/或数量也更多。更准确地说，在预计产生最大磨损率的肩部和保径部之间边界附近具有最高的表面切削件38密度或总金刚石体积密度。这允许优化钻头10，以在一个乃至几个切削元件20、38完全失效期间继续提供可接受的钻进速度。
图12显示了实现上述目标和/或设计标准的另一种可能的方法。图12所示刮刀16具有一排主要的切削元件20。图12所示刮刀16还具有多排辅助表面切削件38。肩部周围的主要表面切削件20和辅助表面切削件38较小，从而允许更紧密的间隔和更高的总金刚石体积分布或密度。这些辅助表面切削件38分布在三个部分上，位于肩部上的表面切削件具有更高的总金刚石体积密度或数量更多。更准确地说，在更靠近预计产生最大磨损率的肩部和保径部之间边界的位置，具有最高的表面切削件38密度或总金刚石体积密度。这允许优化钻头10，以在一个乃至几个切削元件20、38完全失效期间继续提供有效的钻进速度。
可以看出，尽管辅助表面切削件38的切削轮廓大体上与主要表面切削件的切削轮廓相符，但辅助表面切削件38的切削轮廓缩短而仅覆盖刮刀16的较小部分。应当注意，可以预料到，各主要表面切削件20不会同时发生失效。因此，当部分地作用于主要切削轮廓、部分地作用于辅助切削轮廓时，钻头10仍可以保持可接受的钻进速度。
图13显示了实现上述目标和/或设计标准的又一种可能的方法。图13所示刮刀16具有一排主要的切削元件20。图13所示刮刀16还具有多排辅助表面切削件38。辅助表面切削件38较小，从而允许更紧密的间隔和更高的总金刚石体积分布或密度。这些辅助表面切削件38分布在三个部分上，位于肩部上的表面切削件具有更高的总金刚石体积密度或数量更多。更准确地说，在更靠近预计产生最大磨损率的肩部和保径部之间边界的位置具有最高的表面切削件38密度或总金刚石体积密度。这允许优化钻头10，以在一个乃至几个切削元件20、38完全失效期间继续提供可接受的钻进速度。
可以看到，辅助切削件38的切削轮廓与主要切削件的切削轮廓不同。辅助切削件38的切削轮廓同样缩短而仅覆盖刮刀16的较小部分。
图14显示了可用于实现上述目标和/或设计标准的方法的一种组合。图14所示刮刀16具有一排主要切削元件20，其包括不同尺寸和不同形状的切削件。图14所示刮刀16还具有多排辅助切削件38，其同样包括不同尺寸和形状的切削件。在肩部和保径部上优选地具有更紧密的间隔和更高的总金刚石体积分布或密度。辅助切削件38分布在三个部分上，位于肩部上的切削件具有更高的总金刚石体积密度或数量更多。更准确地说，在更靠近预计产生最大磨损率的肩部和保径部之间边界的位置具有最高的切削件38密度或总金刚石体积密度。这允许优化钻头10，以在一个乃至几个切削元件20、38完全失效期间继续提供有效的钻进速度。
在不脱离本发明申请人的发明主旨的情况下，可以想到应用本发明如上所述的一或多个方面的其它和更多的实施例。例如，可以具有一排、两排、三排或更多排的切削元件。此外，钻头10的各种方法和实施例可以彼此结合以获得所披露方法和实施例的变形。例如，第一和/或第二排切削件可以包括相同的切削件或可以由不同尺寸和/或形状的切削件组成。另外，与如上所述在靠近保径部的肩部中具有最高的金刚石体积密度不同，最高的金刚石体积可以出现在保径部中并且可以靠近肩部。在阅读上述公开内容的情况下，可以认识到，存在许多方式来影响切削件体积的密度或分布，例如通过使用不同尺寸、不同形状和/或不同间隔的切削件。对“单数”元件的讨论可以包括多个元件，反之亦然。
但是，至少在优选实施例中，期望主要表面切削件20沿着刮刀16的轮廓成排布置，辅助表面切削件38可以(但并非一定要)成排布置。例如，如图3和图4所示，辅助轮廓40可以与主要轮廓36大体上匹配，仅具有一点儿偏离。在这种情况下，具有不同的两排表面切削件20、38。另外，在这种情况下，这种偏移大体上为竖直方向上的偏移。可替换地或者附加地，偏移可以是水平方向上的偏移。在其它构造中，如图11到图14所示，辅助表面切削件38可以不形成完整的排状辅助轮廓。相反，辅助表面切削件38可以在刮刀16预期要经受最大磨损率的区域中或附近成组或成群布置。这些套、组或群可以在组内具有相对均匀的分布，或者分布根据实际需要逐渐变化。
尽管图6显示了主要和辅助表面切削件20、38具有基本上相同的后倾角，但是它们可以具有不同的后倾角和/或不同的侧倾角。更大的后倾角和/或侧倾角可以有助于制造一体式钻头10，因为很难在具有较多刮刀16数量的钻头上铣削出辅助切削件凹窝44。
步骤的顺序可以按照各种次序进行，除非有明确限制。这里描述的不同步骤可以与其它步骤组合，与所述步骤穿插进行和/或分成多个步骤。类似地，许多元件已经在功能上进行了描述并且可以实施为分离部件，或者可以组合成具有多个功能的部件。
本发明已经结合优选和其它实施例中进行了描述并且没有描述本发明的每个实施例。本领域的普通技术人员可以对所述实施例进行显而易见的改进和变更。披露和未披露的实施例不用于限制或限定申请人所能想到的本发明的范围或适用范围，相反，根据专利法，申请人希望充分保护落入所附权利要求范围或等同范围内的所有此类变型和改进。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种优化例如用于在地层中钻井的钻头的方法，所述方法包括步骤：
形成具有多个刮刀的钻头体，每个刮刀具有锥部、鼻部、肩部和保径部，每个刮刀具有其上至少部分地凹陷有一排单个的切削件凹窝的表面；和
将切削元件至少部分地固定在每个凹窝中；
其中，对切削元件的间隔进行优化以控制钻头的磨平区域。
2.如权利要求1所述的方法，其中，切削元件沿着肩部更紧密地间隔。
3.如权利要求1所述的方法，其中，切削元件沿着肩部靠近鼻部更紧密地间隔。
4.如权利要求1所述的方法，其中，切削元件沿着鼻部更紧密地间隔。
5.如权利要求1所述的方法，其中，切削元件沿着鼻部靠近肩部更紧密地间隔。
6.如权利要求1所述的方法，其中，切削元件在鼻部与肩部交汇处更紧密地间隔。
7.如权利要求1所述的方法，其中，切削元件的间隔从锥部向保径部改变。
8.如权利要求7所述的方法，其中，切削元件的间隔从锥部向肩部减小。
9.如权利要求7所述的方法，其中，切削元件的间隔从鼻部向肩部增大。
10.如权利要求1所述的方法，其中，对切削元件的间隔进行优化以使钻头的使用寿命最大化。
11.一种例如用于在地层中钻井的钻头，所述钻头包括：
具有多个刮刀的钻头体，每个刮刀具有锥部、鼻部、肩部和保径部，每个刮刀具有其上至少部分地凹陷有一排单个的切削件凹窝的表面；和
至少部分地固定在每个凹窝中的切削元件；
其中，切削元件的间隔被优化以控制钻头的磨平区域。
12.如权利要求11所述的钻头，其中，切削元件沿着肩部更紧密地间隔。
13.如权利要求11所述的钻头，其中，切削元件沿着肩部靠近鼻部更紧密地间隔。
14.如权利要求11所述的钻头，其中，切削元件沿着鼻部更紧密地间隔。
15.如权利要求11所述的钻头，其中，切削元件沿着鼻部靠近肩部更紧密地间隔。
16.如权利要求11所述的钻头，其中，切削元件在鼻部与肩部交汇处更紧密地间隔。
17.如权利要求11所述的钻头，其中，切削元件的间隔从锥部向保径部改变。
18.如权利要求17所述的钻头，其中，切削元件的间隔从锥部向鼻部减小。
19.如权利要求17所述的钻头，其中，切削元件的间隔从鼻部向肩部增大。
20.如权利要求11所述的钻头，其中，切削元件的间隔被优化以使钻头的使用寿命最大化。