具有閉合保持環的滾動切割器的制造方法
【技術領域】
[0001]本文公開的實施例總體上涉及用于鉆頭或其他裝有鉆頭的切割工具的切割元件。更特別地，本文公開的實施例總體上涉及可旋轉切割元件。
【背景技術】
[0002]總體上，在兩個廣義分類的鉆頭結構中的一個內制造用于鉆通過地球地層的井眼的鉆頭。根據應用/將被鉆的地層，可以基于針對鉆頭的切割動作類型和針對其適用的特定地層來選擇恰當類型的鉆頭。第一類別中的鉆頭一般被稱為“牙輪”鉆頭，其包括具有可旋轉地安裝到鉆頭本體的一個或多個牙輪的鉆頭本體。鉆頭本體通常由鋼或別的高強度材料形成。牙輪通常也由鋼或其他高強度材料形成，并且包括多個布置在繞著牙輪的所選位置處的切割元件。切割元件可以由與牙輪的基材相同的基材形成。這些鉆頭通常被稱為“銑齒”鉆頭。其他牙輪鉆頭包括“嵌齒”切割元件，它們被壓(過盈)配合到形成在和/或被機械加工到牙輪內的洞中。嵌齒可以由例如碳化鎢、天然的或合成的金剛石、氮化硼、或硬的或超硬的材料中的任一個或組合形成。
[0003]第二類別的鉆頭通常稱為“固定切割器”鉆頭或“刮刀型”鉆頭。刮刀型鉆頭包括具有連接到鉆頭本體的切割元件的鉆頭，該鉆頭本體可以是鋼的鉆頭本體或由諸如被結合劑材料所包圍的碳化鎢的基質材料形成的基質鉆頭本體。刮刀型鉆頭一般可以被定義為不具有運動部件的鉆頭。然而，存在形成現有技術中已知的刮刀型鉆頭的不同的類型與方法。例如，具有諸如被孕鑲到形成鉆頭本體的材料的表面內的金剛石的研磨材料的刮刀型鉆頭一般被稱為“孕鑲”鉆頭。具有由沉積在基體上或以別的方式結合至基體的(通常由多晶金剛石材料或多晶氮化硼材料制成的)超硬切割表面層或“臺”制成的切割元件的刮刀型鉆頭在現有技術中被稱為多晶金剛石復合片(“roc”)鉆頭。
[0004]PDC切割器已經在包括巖石鉆探和金屬機加工的工業應用中被使用多年。在roc鉆頭中，PDC切割器被納入到切割器的接收口內，該接收口形成在自鉆頭本體延伸的刀片內，并且PDC切割器通常通過銅焊至切割器的接收口的內表面而被結合至刀片。沿鉆頭本體刀片的先導邊緣設置PDC切割器，使得當鉆頭本體旋轉時，PDC切割器接合并且鉆地球地層。在使用中，尤其是在從前至后的方向上，可對PDC切割器施加大的力。此外，鉆頭和roc切割器可能受到相當大程度的研磨力。在一些例子中，由于一個或多個切割器的缺失或由于刀片的破裂，沖擊、振動以及沖蝕力會導致鉆頭故障。
[0005]在通常的PDC切割器中，多晶金剛石復合片(“roc”)(或其他諸如多晶立方氮化硼的超硬材料)被結合至基體材料，其通常為燒結金屬碳化物，以形成切割結構。PDC包括被結合在一起以形成整體的、堅固的、高強度塊或晶格的金剛砂或金剛石晶體的多晶塊。形成的PDC結構造成了增強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劇烈磨損與切割應用中非常有用。
[0006]在圖1和2中示出了具有包括超硬工作面的多個切割器的現有技術的PDC鉆頭的一個實例。鉆頭100包括具有帶螺紋的上銷端111和切割端115的鉆頭本體110。切割端115通常包括繞著鉆頭的旋轉軸線L (也被稱為縱軸線或中心軸線)布置并且自鉆頭本體110徑向地向外延伸的多個肋或刀片120。切割元件或切割器150相對于工作面以預定的角方位和徑向位置以及相對于將被鉆的地層以所需的后傾角和側傾角嵌入到刀片120中。
[0007]多個孔116設置在鉆頭本體110上的刀片120之間的區域中，該區域可以被稱為“空隙”或“流體流道”。孔116通常適于容納噴嘴。孔116允許鉆井流體沿所選方向以所選流速在刀片120之間排放通過鉆頭，用于潤滑并冷卻鉆頭100、刀片120和切割器150。當鉆頭100旋轉并穿透地質地層時，鉆井流體還清洗且去除巖肩。在沒有恰當的流動特性的情況下，對切割器150的不充分冷卻可能導致在鉆井作業期間切割器故障。設置流體流道以便為鉆井流體提供另外的流道，并且為地層巖肩提供通道以行進通過鉆頭100向井眼的地面傳送(未示出)。
[0008]參考圖2，示出了現有技術的PDC鉆頭的頂視圖。所示鉆頭的切割面118包括多個刀片120，其中，每個刀片具有面向鉆頭旋轉方向的先導側122、(與先導側相反的)跟隨側124和頂側126。每個刀片包括通常自切割面118的中心徑向地設置并通常成行的多個切割元件或切割器。某些切割器，盡管在不同的軸向位置處，但可以占用與其他刀片上的其他切割器相似的徑向位置的徑向位置。
[0009]決定PDC切割器的壽命的一個重要因素是切割器對熱的暴露。對熱的暴露能夠導致金剛石臺的熱損害，并且最終(由于熱膨脹系數的不同)導致裂縫的形成，該裂縫可能導致多晶金剛石層的脫落、多晶金剛石與基體之間的層離、以及金剛石轉換回石墨(這會引起快速磨損)。傳統的PDC切割器的熱作業范圍通常為700-750°C或更低。
[0010]如所提及的，傳統的多晶金剛石在空氣中在高達700_750°C的溫度下是穩定的，所觀察到的溫度增加到該溫度以上可能導致對多晶金剛石的永久性損害以及結構損傷。多晶金剛石的這種劣化是由于與金剛石相比，結合劑材料、鈷的熱膨脹系數的顯著不同。一旦多晶金剛石受熱，鈷和金剛石晶格將以不同速率膨脹，這可能導致在金剛石晶格結構中形成裂縫并且導致多晶金剛石的劣化。損壞還可能是由于在極高的溫度下，在金剛石-金剛石頸處石墨的形成，這導致微觀結構完整性的喪失與強度的喪失。
[0011]在傳統的刮刀型鉆頭中，將PDC切割器固定到鉆頭的表面上，使得相同的切割面在鉆井期間接觸地層。隨著時間的過去和/或當鉆某些堅硬的但不必然是高磨蝕的巖石地層時，不斷接觸地層的切割元件上的工作面的邊緣開始磨損，形成局部的磨損平面，或對切割元件的剩余部分的不相稱的損害區域。局部磨損平面可能由于鉆頭有效地穿透工作材料的能力的降低以及由切割元件的邊緣的變鈍引起的穿透率的損失而導致更長的鉆井時間。換言之，磨損的PDC切割器充當生熱的摩擦承受承面，這會加速PDC切割器的磨損并減緩鉆井的穿透速率。這種平面有效地阻止了或嚴重地降低了地層切割速率，因為傳統的PDC切割器不能充分地接合并從接觸區域高效去除地層物質。此外，切割器通常處于恒定的熱量和機械載荷下。因此，會沿切割面積聚熱量，并且熱量導致切割元件裂開。當一個切割元件斷裂時，如果斷裂的切割元件接觸第二切割元件，鉆井作業可能承受穿透速率的損失以及對其他切割元件的額外的損害。
[0012]此外，在切割器接觸點處，尤其是在由PDC與工作材料之間的摩擦所引起的roc層的裸露部分處的熱量的產生，導致對roc的裂縫形式的熱損害，該裂縫導致多晶金剛石層的剝落、多晶金剛石與基體之間的層離以及金剛石轉換回石墨(這會引起快速磨損)。傳統的PDC切割器的熱工作范圍通常為750°C或更低。
[0013]因此，存在對提高切割元件的壽命方面的開發的持續需求。
【發明內容】
[0014]提供該
【發明內容】
，以引入對在下面的詳細描述中將進一步描述的概念的選擇。該
【發明內容】
既不旨在確定所要求主題的關鍵或必要特征，也不旨在被用作幫助限定所要求主題的范圍。
[0015]一個方面，本文所公開的實施例涉及一種切割元件組件，包括:具有第一內徑和第二內徑的套筒，其中，所述第二內徑大于所述第一內徑，并且位于比所述第一內徑更低的軸向位置處。所述切割元件還包括具有貫通延伸的旋轉軸線的可旋轉切割元件、切割面和從所述切割面軸向向下延伸的本體，其中，所述本體具有軸，所述軸設置在所述套筒內，并且繞著所述軸的外表面形成有圓周槽。至少一個保持環設置在所述圓周槽中，其中，所述至少一個保持環至少繞著所述軸的整個圓周延伸，并且其中，所述至少一個保持環從所述圓周槽突出，從而將可旋轉切割元件保持在所述套筒內。
[0016]另一方面，本文所公開的實施例涉及一種切割元件組件，包括:套筒和具有貫通延伸的旋轉軸線的可旋轉切割元件。所述可旋轉切割元件具有切割面和從所述切割面軸向向下延伸的本體，其中，所述本體的至少一部分設置在所述套筒內。繞著所述本體的外表面形成有圓周槽，其中，所述圓周槽相對于所述套筒軸向靠下設置。至少一個保持環設置在所述圓周槽中，其中，所述至少一個保持環至少繞著所述本體的整個圓周延伸，并且其中，所述至少一個保持環從所述圓周槽突出，從而將所述可旋轉切割元件保持在所述套筒內。
[0017]根據下面的描述和所附權利要求，本公開的其他方面與優點將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0018]根據下面的附圖描述本公開的實施例。在附圖中，相同的數字被用于標記相同的特征與部件。
[0019]圖1示出傳統的刮刀型鉆頭的側視圖。
[0020]圖2示出傳統的刮刀型鉆頭的頂視圖。
[0021]圖3示出根據本公開的實施例的可旋轉切割元件的透視圖。
[0022]圖4示出根據本公開的實施例的切割元件組件的分解圖。
[0023]圖5A-B示出根據本公開的實施例的切割元件組件的橫截面視圖。
[0024]圖6A-B示出根據本公開的實施例的保持環的透視圖。
[0025]圖7示出根據本公開的實施例的保持環的透視圖。
[0026]圖8示出根據本公開的實施例的切割元件的橫截面視圖。
[0027]圖9示出根據本公開的實施例的彈簧的透視圖。
[0028]圖10示出根據本公開的實施例的切割元件的橫截面視圖。
[0029]圖11示出根據本公開的實施例的切割元件的橫截面視圖。
[0030]圖12示出根據本公開的實施例的切割元件的橫截面視圖。
[0031]圖13示出根據本公開的實施例的切割元件的分解圖。
[0032]圖14示出根據本公開的實施例的切割元件的透視圖。
[0033]圖15示出根據本公開的實施例的切割元件的橫截面視圖。
[0034]圖16示出根據本公開的實施例的鉆頭的頂視圖。
[0035]圖17示出根據本公開的實施例的鉆頭的側視圖。
[0036]圖18示出根據本公開的實施例的用于實驗室測試的切割元件的圖片。
[0037]圖19示出根據本公開的實施例的切割元件組件的橫截面視圖。
[0038]圖20示出根據本公開的實施例的切割元件組件的分解圖。
[0039]圖21示出根據本公開的實施例的切割元件組件的橫截面視圖。
[0040]圖22示出根據本公開的實施例的切割元件組件的透視圖。
[0041]圖23示出根據本公開的實施例的切割元件組件的橫截面視圖。
[0042]圖24A-B示出根據本公開的實施例的切割元件組件的橫截面視圖。
[0043]圖25示出根據本公開的實施例的切割元件組件的橫截面視圖。
[0044]圖26示出根據本公開的實施例的切割元件組件的橫截面視圖。
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