本公開大體上涉及井下鉆井工具，并且更具體地涉及一種用于井下鉆井工具上的鉆井元件的固定機(jī)構(gòu)。

發(fā)明背景

使用各種類型工具來在地下地層中形成井筒，用于采收在地表下方的諸如油和氣的烴類。這類工具實(shí)例包括旋轉(zhuǎn)鉆頭、開孔器、擴(kuò)孔器和取芯鉆頭。兩個(gè)主要旋轉(zhuǎn)鉆頭類別包括：固定刀具鉆頭，一些固定刀具鉆頭在本領(lǐng)域中可以稱為多晶金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭、刮刀鉆頭或基體鉆頭；以及牙輪鉆頭，一些牙輪鉆頭在本領(lǐng)域中可以稱為巖石鉆頭。固定刀具鉆頭通常包括多個(gè)刀片，每個(gè)刀片具有多個(gè)刀具，諸如PDC鉆頭上的PDC刀具。

在典型鉆井應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)鉆頭可以用于鉆穿各種水平或類型的地質(zhì)構(gòu)造。典型地層一般可以在地層上部部分(例如，較小鉆井深度)中具有相對(duì)低的抗壓強(qiáng)度，并且在地層下部部分(例如，較大鉆井深度)中具有相對(duì)高的抗壓強(qiáng)度。因此，它典型地變得越來越難在越來越大深度處鉆井。另外，在鉆井操作過程中，鉆頭中的刀具可能經(jīng)歷磨損?？蓪⑹苓^度磨損的刀具從鉆頭中移除，并且可用新或翻新刀具替換以進(jìn)一步鉆井。

附圖簡(jiǎn)述

為了更完整地理解本公開及其特征和優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參考以下結(jié)合附圖來進(jìn)行的描述，其中：

圖1示出了鉆井系統(tǒng)的示例實(shí)施方案的正視圖；

圖2示出了以常用于為固定刀具鉆頭建?；蛟O(shè)計(jì)的方式向上取向的旋轉(zhuǎn)鉆頭的等距視圖；

圖3A示出了其中部分被剖切開的截面圖和正視圖，其示出了圖2的鉆頭鉆出穿過第一井下地層并進(jìn)入相鄰第二井下地層的井筒；

圖3B示出了刀片輪廓，其表示了鉆頭的刀片的橫截面圖；

圖4示出了向上取向的示例性的切削元件和刀片的等距視圖；

圖5A示出了示例性的切削元件的等距視圖；

圖5B示出了示例性的刀片的一部分的指向上的等距視圖，這個(gè)部分包括凹穴，凹穴被構(gòu)造為接收?qǐng)D5A的切削元件；

圖5C示出了圖5A的切削元件的等距視圖，切削元件放置在圖5B的凹穴中；

圖5D示出了示例性的鎖定元件的等距視圖，鎖定元件被構(gòu)造為將圖5A的切削元件鎖定在圖5B的凹穴中；

圖6A示出了示例性的切削元件的等距視圖；

圖6B示出了示例性的刀片的一部分的指向上的等距視圖，這個(gè)部分包括凹穴，凹穴被構(gòu)造為接收?qǐng)D6A的切削元件；

圖7示出了切削元件和刀片的仰視圖；

圖8A示出了示例性的切削元件的等距視圖；

圖8B示出了示例性的刀片的一部分的指向上的等距視圖，這個(gè)部分包括凹穴，凹穴被構(gòu)造為接收?qǐng)D8A的切削元件；

圖9示出了向上取向的一個(gè)示例性的刀片和多個(gè)示例性的切削元件的等距視圖；

圖10A-E示出了在刀片與切削元件的相交處的示例性的鎖定元件的橫截面圖；

圖11示出了在刀片與切削元件的相交處的示例性的鎖定元件的橫截面圖；

圖12A示出了示例性的滾動(dòng)元件的等距視圖；以及

圖12B示出了示例性的滾動(dòng)元件的等距視圖，滾動(dòng)元件放置在指向上的刀片的一部分中。

具體實(shí)施方式

公開一種井下鉆井工具，以及用于將鉆井元件固定在井下鉆井工具上的相關(guān)的系統(tǒng)和方法。井下鉆井工具(諸如鉆頭、擴(kuò)孔器和穩(wěn)定器)可以包括各種鉆井元件。鉆井元件可以是這樣的特征：其耦接到井下鉆井工具并在鉆井操作期間接合地層。

鉆井元件的一個(gè)實(shí)例是切削元件，其位于鉆頭上，并在鉆井操作期間與地層相互作用并切入地層。切削元件可以包括具有安置在襯底一端上的硬切削材料層的襯底。切削元件硬層可以提供切削表面，切削表面可在鉆井操作期間接合井下地層的相鄰部分以形成井筒。

鉆井元件的另一實(shí)例是切削深度控制器(DOCC)。DOCC可以位于鉆頭上，并且可以控制一個(gè)或多個(gè)切削元件的切削深度的方式在鉆井操作期間與地層相互作用。DOCC可以包括沖擊制動(dòng)裝置、備用切削元件或經(jīng)修改的金剛石增強(qiáng)件(MDR)。

鉆井元件的另一實(shí)例是滾動(dòng)元件。滾動(dòng)元件可固定到井下鉆井工具，并且可以包括旋轉(zhuǎn)地安裝的滾筒。滾筒可以包括硬化材料外層，硬化材料外層在鉆井操作期間與地層接合。如以下參考圖12A和圖12B更詳細(xì)地描述，滾動(dòng)元件可以根據(jù)它們?cè)诰裸@井工具上的取向而用于不同功能。例如，可將滾動(dòng)元件取向在鉆頭上以在鉆井操作期間切入地層。還可將滾動(dòng)元件取向在鉆頭上以用作控制其它切削元件的切削深度的DOCC。作為另一實(shí)例，可將滾動(dòng)元件取向在擴(kuò)孔器或穩(wěn)定器上，以便減少在鉆井操作期間在擴(kuò)孔器或穩(wěn)定器與井筒側(cè)壁之間的摩擦量。

可以通過鎖定元件將鉆井元件固定到井下鉆井工具。作為一個(gè)實(shí)例，可以通過鎖定元件將切削元件固定在鉆頭的刀片上的凹穴內(nèi)。在鉆井操作期間，切削元件可能經(jīng)歷因切削元件與隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)而切削的地層的相互作用而造成的拖曳力，以及大體上對(duì)應(yīng)于將鉆頭推向井下的鉆壓(WOB)的軸向力。在一些鉆頭中，可將切削元件安置在凹穴中，使得凹穴為切削元件提供支撐以抵抗拖曳力和軸向力。然而，由于被施加到切削元件的力(例如，拖曳力和軸向力)，切削元件還會(huì)經(jīng)歷反作用力矩力，反作用力矩力趨于使切削元件圍繞在切削元件背面上的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)出凹穴。鎖定元件可以支撐切削元件抵抗這樣的力矩力，并且因此可在鉆井期間將切削元件固定在凹穴中。也可通過鎖定元件以類似的方式將其它類型鉆井元件(例如，DOCC或滾動(dòng)元件)固定到井下鉆井工具。

還可將鉆井元件設(shè)計(jì)為使得可在鉆井操作期間受到磨損之后替換鉆井元件。如上所述，切削元件可設(shè)計(jì)為裝配在形成于鉆頭的刀片上的凹穴內(nèi)。鎖定元件可以在鉆井操作期間將切削元件固定在凹穴中。另外，可以直接地從設(shè)有凹穴的刀片的表面接近鎖定元件。由此，可容易地移除鎖定元件以允許在鉆井操作之間容易地移除和替換切削元件。此類鎖定元件還可用于允許容易地移除和替換其它類型鉆井元件(例如，DOCC或滾動(dòng)元件)。

存在可實(shí)現(xiàn)鎖定元件以將鉆井元件固定在井下鉆井工具上的多種方式。此外，可以實(shí)現(xiàn)鎖定元件以將任何合適鉆井元件(例如，切削元件、DOCC或滾動(dòng)元件)固定在任何合適井下鉆井工具(例如，鉆頭、擴(kuò)孔器或穩(wěn)定器)上，這種井下鉆井工具可為井底組件(BHA)(諸如以下參考圖1更詳細(xì)地描述的BHA 120)的一部分。因此，通過參考圖1至圖12B可最佳地理解本公開的實(shí)施方案及其優(yōu)點(diǎn)，其中相同數(shù)字用于指示相同和對(duì)應(yīng)的部分。

圖1示出了鉆井系統(tǒng)100的示例實(shí)施方案的正視圖。鉆井系統(tǒng)100可以包括井表面或井場(chǎng)106。各種類型鉆井設(shè)備(諸如旋轉(zhuǎn)臺(tái)、鉆井流體泵和鉆井流體罐(未明確地示出))可以位于井表面或井場(chǎng)106。例如，井場(chǎng)106可以包括鉆機(jī)102，鉆機(jī)可以具有與陸地鉆機(jī)相關(guān)聯(lián)的各種特性和特征。然而，結(jié)合有本公開的教示的井下鉆井工具可令人滿意地用于位于海上平臺(tái)、鉆井船、半潛式平臺(tái)和鉆井駁船(未明確地示出)上的鉆井設(shè)備。

鉆井系統(tǒng)100還可包括與鉆頭101相關(guān)聯(lián)的鉆柱103，鉆柱可以用于形成各種各樣的井筒或鉆孔，諸如大體上豎直的井筒114a或大體上水平的井筒114b或其任何組合。各種定向鉆井技術(shù)以及鉆柱103的井底組件(BHA)120的相關(guān)聯(lián)的部件可以用于形成水平井筒114b。例如，可在起動(dòng)位置113附近將側(cè)向力施加到BHA 120以形成從大體上豎直的井筒114a延伸的大體上水平的井筒114b。

BHA 120可以包括可在鉆出井筒114的過程中被用到的各種部件。例如，BHA 120的部件122a、122b和122c可以包括但不限于鉆頭(例如，鉆頭101)、取心鉆頭、鉆鋌、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向工具、定向鉆井工具、井下鉆井馬達(dá)、擴(kuò)孔器、孔擴(kuò)大器或穩(wěn)定器。包括在BHA 120中的部件122的數(shù)量和類型可取決于預(yù)期井下鉆井條件，以及將由鉆柱103和旋轉(zhuǎn)鉆頭101形成的井筒的類型。BHA 120還可包括各種類型測(cè)井工具(未明確地示出)，以及與定向鉆出井筒相關(guān)聯(lián)的其它井下工具。測(cè)井工具和/或定向鉆井工具實(shí)例可以包括但不限于聲學(xué)、中子、伽瑪射線、密度、光電、核磁共振、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和/或任何其它商業(yè)上可用的鉆井工具。另外，BHA 120還可包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(未明確地示出)，其連接到部件122a、122b和122c，并且其與部件122a、122b和122c一起使鉆柱103的至少部分旋轉(zhuǎn)。

井筒114可以部分地由套管柱110限定，套管柱可以從井表面106延伸到所選擇的井下位置。如圖1所示，井筒114不包括套管柱110的部分可以被描述為開孔。各種類型鉆井流體可以從井表面106泵送通過鉆柱103到所附接的鉆頭101。鉆井流體可以被引導(dǎo)為從鉆柱103向相應(yīng)噴嘴(在圖2中被描繪為噴嘴156)流動(dòng)，從而通過旋轉(zhuǎn)鉆頭101。鉆井流體可以通過部分地由鉆柱103的外徑112和井筒114a的內(nèi)徑118限定的環(huán)帶108而循環(huán)回井表面106。內(nèi)徑118可以稱為井筒114a的側(cè)壁。環(huán)帶108還可由鉆柱103的外徑112和套管柱110的內(nèi)徑111限定。開孔環(huán)帶116可以被限定為側(cè)壁118和外徑112。

鉆井系統(tǒng)100還可包括旋轉(zhuǎn)鉆頭(“鉆頭”)101。在圖2中更詳細(xì)地論述的鉆頭101可以包括一個(gè)或多個(gè)刀片126，一個(gè)或多個(gè)刀片可從鉆頭101的旋轉(zhuǎn)鉆頭主體124的外部部分向外安置。刀片126可為從旋轉(zhuǎn)鉆頭主體124向外延伸的任何合適類型突起。鉆頭101可沿由方向箭頭105限定的方向來相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104旋轉(zhuǎn)。刀片126可以包括一個(gè)或多個(gè)切削元件128，一個(gè)或多個(gè)切削元件會(huì)從每個(gè)刀片126的外部部分向外安置。刀片126還可包括一個(gè)或多個(gè)切削深度控制器(未明確地示出)，一個(gè)或多個(gè)切削深度控制器被構(gòu)造為控制切削元件128的切削深度。刀片126還可包括一個(gè)或多個(gè)保徑墊(未明確地示出)，一個(gè)或多個(gè)保徑墊安置在刀片126上。鉆頭101可以根據(jù)本公開的教示來設(shè)計(jì)和形成，并且可以根據(jù)鉆頭101的具體應(yīng)用具有許多不同設(shè)計(jì)、構(gòu)型和/或尺寸。

鉆頭101和/或其它井下鉆井工具上的切削元件128的構(gòu)型也可以有助于該鉆頭的鉆井效率。切削元件128可以根據(jù)兩個(gè)一般原理布置：?jiǎn)蝹€(gè)組和軌道組。在單個(gè)組配置中，鉆頭101上的每個(gè)切削元件128可相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104具有唯一徑向位置。在軌道組配置中，鉆頭101上的至少兩個(gè)切削元件128可相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104具有相同徑向位置。軌道組切削元件可以位于鉆頭的不同刀片上。具有布置成單個(gè)組配置的切削元件的鉆頭可比具有軌道組配置的鉆頭更有效地足勁，而具有布置成軌道組配置的切削元件的鉆頭可比具有單個(gè)組配置的鉆頭更穩(wěn)定。

圖2示出了以常用于為固定刀具鉆頭建?；蛟O(shè)計(jì)的方式向上取向的旋轉(zhuǎn)鉆頭101的等距視圖。鉆頭101可為各種類型旋轉(zhuǎn)鉆頭中的任何一種，包括固定刀具鉆頭、多晶金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭、刮刀鉆頭、基體鉆頭和/或鋼體鉆頭，它們可操作以形成井筒(例如，如圖1所示的井筒114)，井筒延伸穿過一個(gè)或多個(gè)井下地層。鉆頭101可以根據(jù)本公開的教示來設(shè)計(jì)和形成，并且可以根據(jù)鉆頭101的具體應(yīng)用具有許多不同設(shè)計(jì)、構(gòu)型和/或尺寸。

鉆頭101可以包括一個(gè)或多個(gè)刀片126(例如，刀片126a-126g)，一個(gè)或多個(gè)刀片可從鉆頭101的旋轉(zhuǎn)鉆頭主體124的外部部分向外安置。刀片126可為從旋轉(zhuǎn)鉆頭主體124向外延伸的任何合適類型突起。例如，刀片126的一部分可以直接地或間接地耦接到鉆頭主體124的外部部分，而刀片126的另一部分可以突出遠(yuǎn)離鉆頭主體124的外部部分。根據(jù)本公開的教示而形成的刀片126可以具有各種各樣構(gòu)型，包括但不限于基本上弓形的、大體上螺旋的、螺旋形的、錐形的、會(huì)聚的、發(fā)散的、對(duì)稱的和/或不對(duì)稱的。一個(gè)或多個(gè)刀片126可以具有從鉆頭101的近側(cè)旋轉(zhuǎn)軸線104延伸的基本上弓形的構(gòu)型。弓形構(gòu)造可以部分地由從近側(cè)鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104延伸的大體上凹陷的凹形部分限定。弓形構(gòu)造還可部分地由大體上突出的向外彎曲部分限定，大體上突出的向外彎曲部分安置在每個(gè)刀片的凹陷凹形部分與外部部分之間，大體上對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)鉆頭的外徑。

刀片126中的每者可以包括接近或朝向鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104安置的第一端部和接近或朝向鉆頭101的外部部分安置的第二端部(例如，大體上遠(yuǎn)離鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104并朝向鉆頭101的井上部分安置)。術(shù)語“井上”和“井下”可以用于描述鉆井系統(tǒng)100的各種部件相對(duì)于圖1所示井筒114的底部或端部的位置。例如，被描述為相較第二部件在井上的第一部件可以比第二部件更遠(yuǎn)離井筒114的端部。類似地，被描述為相較第二部件在井下的第一部件可以比第二部件更靠近井筒114的端部。

刀片126a-126g可以包括圍繞鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線而安置的初級(jí)刀片。例如，刀片126a、126c和126e可為初級(jí)刀片或主要刀片，因?yàn)榈镀?26a、126c和126e中的每者的相應(yīng)第一端部141可以緊鄰鉆頭101的鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104安置。刀片126a-126g還可包括安置在初級(jí)刀片之間的至少一個(gè)次級(jí)刀片。例如，如圖2所示，鉆頭101上的刀片126b、126d、126f和126g可為次級(jí)刀片或次要刀片，因?yàn)橄鄳?yīng)第一端部141可以安置在鉆頭101的井上端部151上距相關(guān)聯(lián)的鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104某個(gè)距離處。初級(jí)刀片和次級(jí)刀片的數(shù)量和位置可以變化，使得鉆頭101包括更多或更少的初級(jí)刀片和次級(jí)刀片。刀片126可相對(duì)于彼此并相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104對(duì)稱地或不對(duì)稱地安置，其中刀片126的位置可以基于鉆井環(huán)境中的井下鉆井條件。刀片126和鉆頭101可沿由方向箭頭105限定的方向關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線104旋轉(zhuǎn)。

刀片126中的每者可以在鉆頭101的旋轉(zhuǎn)方向上具有相應(yīng)前導(dǎo)或前表面130，并且背向鉆頭101的旋轉(zhuǎn)方向的與前導(dǎo)表面130相反定位的拖尾或后表面132。刀片126可以沿著鉆頭主體124定位，使得它們具有相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104的螺旋構(gòu)型。刀片126還可沿著鉆頭主體124以相對(duì)于彼此并相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104大體上平行的構(gòu)型定位。

刀片126可以包括一個(gè)或多個(gè)切削元件128，一個(gè)或多個(gè)切削元件會(huì)從每個(gè)刀片126的外部部分向外安置。例如，切削元件128的一部分可以直接地或間接地耦接到刀片126的外部部分，而切削元件128的另一部分可以突出遠(yuǎn)離刀片126的外部部分。

切削元件128可為被構(gòu)造為切入地層中的任何合適裝置，包括但不限于初級(jí)切削元件、備用切削元件、次級(jí)切削元件或其任何組合。切削元件128可以包括相應(yīng)襯底164，其中硬切削材料層(例如，切削臺(tái)162)安置在每個(gè)相應(yīng)襯底164一端上。切削元件128硬層可以提供切削表面，切削表面可以如圖1所示接合井下地層的相鄰部分以形成井筒114。舉例來說，但非限制，切削元件128可為各種類型刀具、復(fù)合片、按鈕、插入件和保徑刀具，它們可令人滿意地與各種各樣鉆頭101一起使用。雖然圖2示出了刀片126上的兩排切削元件128，但是根據(jù)本公開的教示設(shè)計(jì)和制造的鉆頭可以具有一排切削元件或多于兩排的切削元件。

切削元件128的每個(gè)襯底164可以具有各種構(gòu)型，并且可由碳化鎢或與形成用于旋轉(zhuǎn)鉆頭的切削元件相關(guān)聯(lián)的其它合適材料形成。碳化鎢可以包括但不限于碳化一鎢(WC)、碳化二鎢(W₂C)、粗晶碳化鎢，以及膠合或燒結(jié)的碳化鎢。襯底還可使用其它硬質(zhì)材料形成，這種硬質(zhì)材料可以包括各種金屬合金和膠合劑，諸如金屬硼化物、金屬碳化物、金屬氧化物和金屬氮化物。對(duì)于一些應(yīng)用，硬切削層可由與襯底基本上相同的材料形成。在其它應(yīng)用中，硬切削層可由與襯底不同的材料形成。用于形成硬切削層的材料的實(shí)例可以包括多晶金剛石材料，包括合成多晶金剛石。

在鉆井操作期間，切削元件128可能經(jīng)歷因切削元件128與地層的相互作用而造成的拖曳力，地層隨著鉆頭圍繞鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104在方向105上旋轉(zhuǎn)而被切削。切削元件128還會(huì)經(jīng)歷大體上對(duì)應(yīng)于將鉆頭推向井下的鉆壓(WOB)的軸向力。切削元件128可由凹穴166來支撐以抵抗拖曳力和軸向力，切削元件放置在相應(yīng)刀片126上的凹穴中。例如，刀片126e可以包括凹穴166e，凹穴可為刀片126e上的凹陷切口，這個(gè)凹陷切口被構(gòu)造為接收切削元件128e。然而，由于被施加到切削元件的力(例如，拖曳力和軸向力)，切削元件還會(huì)經(jīng)歷反作用力矩力，反作用力矩力趨于使切削元件圍繞在切削元件背面上的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)出凹穴。如以下參考圖4-12B更詳細(xì)地描述，鎖定元件可以支撐切削元件128抵抗這樣的力矩力，并且因此可在鉆井期間將切削元件固定在凹穴中。

刀片126還可包括一個(gè)或多個(gè)切削深度控制器(DOCC)(未明確地示出)，一個(gè)或多個(gè)切削深度控制器被構(gòu)造為控制切削元件128的切削深度。DOCC可以包括沖擊制動(dòng)裝置、備用或第二層切削元件或經(jīng)修改的金剛石增強(qiáng)件(MDR)。刀片126、切削元件128和DOCC(未明確地示出)的外部部分可以形成鉆頭面的部分。

刀片126還可包括一個(gè)或多個(gè)保徑墊(未明確地示出)，一個(gè)或多個(gè)保徑墊安置在刀片126上。保徑墊可為安置在刀片126的外部部分上的保徑件、保徑段或保徑部分。保徑墊可以接觸例如由鉆頭101形成的井筒(例如，如圖1所示的井筒114)。刀片126的外部部分和/或相關(guān)聯(lián)保徑墊可相對(duì)于大體上豎直的井筒114a的相鄰部分以各種角度(例如，正、負(fù)和/或平行)來安置。保徑墊可以包括一個(gè)或多個(gè)硬表面材料層。

鉆頭101的井上端部150可以包括具有形成在其上的鉆管螺紋155的柄部152。螺紋155可以用于將鉆頭101與BHA 120可釋放地接合，從而鉆頭101可相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104旋轉(zhuǎn)。鉆頭101的井下端部151可以包括多個(gè)刀片126a-126g，相應(yīng)排屑槽或流體流動(dòng)路徑140被安置在多個(gè)刀片之間。另外，鉆井流體可以被傳送到一個(gè)或多個(gè)噴嘴156。

鉆頭操作可以作為鉆井深度的函數(shù)的每轉(zhuǎn)切削深度表示。每轉(zhuǎn)切削深度、或是“切削深度”可由穿透速率(ROP)和每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)確定。ROP可以表示在鉆頭101旋轉(zhuǎn)時(shí)所移除的地層的量，并且可以ft/hr為單位。另外，RPM可以表示鉆頭101的旋轉(zhuǎn)速度。例如，用于鉆挖地層的鉆頭101可以約120RPM的速率旋轉(zhuǎn)。實(shí)際切削深度(Δ)可以表示在鉆頭101的旋轉(zhuǎn)期間切削元件切入地層的深度的量度。因此，實(shí)際切削深度可以使用以下等式來表達(dá)為實(shí)際ROP和RPM的函數(shù)：

Δ＝ROP/(5*RPM)。

實(shí)際切削深度可以具有單位in/rev。

鉆頭101的穿透速率(ROP)通常是鉆壓(WOB)和每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)兩者的函數(shù)。鉆柱103可以在鉆頭101上施加重量，并且還可圍繞旋轉(zhuǎn)軸線104旋轉(zhuǎn)鉆頭101，以便形成井筒114(例如，井筒114a或井筒114b)。對(duì)于一些應(yīng)用，可將井下馬達(dá)(未明確地示出)提供作為BHA 120的部分，從而也使鉆頭101旋轉(zhuǎn)。

圖3A示出了其中部分被剖切開的截面圖和正視圖，其示出了圖2的鉆頭101鉆出穿過第一井下地層并進(jìn)入相鄰第二井下地層的井筒。刀片外部部分(在圖3A中未明確地示出)和切削元件128可旋轉(zhuǎn)地投影到徑向平面上，以便形成鉆頭面輪廓200。與井下地層204相比時(shí)，地層202可以被描述為較軟或不太硬的。如圖3A所示，鉆頭101的接觸井下地層的相鄰部分的外部部分可以被描述為鉆頭面。鉆頭101的鉆頭面輪廓200可以包括各種的區(qū)或段。由于鉆頭面輪廓200的旋轉(zhuǎn)投影，鉆頭面輪廓200可為關(guān)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104基本上對(duì)稱的，使得在旋轉(zhuǎn)軸線104一側(cè)上的區(qū)或段可以基本上類似于在旋轉(zhuǎn)軸線104的相對(duì)側(cè)上的區(qū)或段。

例如，鉆頭面輪廓200可以包括與保徑區(qū)206b相對(duì)定位的保徑區(qū)206a、與肩部區(qū)208b相對(duì)定位的肩部區(qū)208a、與鼻狀區(qū)210b相對(duì)定位的鼻狀區(qū)210a，以及與錐部區(qū)212b相對(duì)定位的錐狀區(qū)212a。包括在每個(gè)區(qū)中的切削元件128可以稱為這個(gè)區(qū)的切削元件。例如，包括在保徑區(qū)206中的切削元件128_g可以稱為保徑切削元件，包括在肩狀區(qū)208中的切削元件128_s可以稱為肩狀切削元件，包括在鼻狀區(qū)210中的切削元件128_n可以稱為鼻狀切削元件，并且包括在錐狀區(qū)212中的切削元件128_c可以稱為錐狀切削元件。

錐狀區(qū)212可為大體上凹陷的，并且可以形成在鉆頭101的每個(gè)刀片(例如，如圖1所示的刀片126)的外部部分上，鄰近鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104并從鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線延伸出來。鼻狀區(qū)210可為大體上凸出的，并且可以形成在鉆頭101的每個(gè)刀片的外部部分上，鄰近每個(gè)錐狀區(qū)212并從每個(gè)錐狀區(qū)延伸出來。肩狀區(qū)208可以形成在每個(gè)刀片126的從相應(yīng)的鼻狀區(qū)210延伸的外部部分上鼻狀，并且可以在接近相應(yīng)的保徑區(qū)206的位置終止。如圖3A所示，鉆頭面輪廓200的面積可取決于與鉆頭面輪廓200的區(qū)或段相關(guān)聯(lián)的橫截面積而非切削元件總數(shù)、刀片總數(shù)或每切削元件的切削面積。

圖3B示出了刀片輪廓300，其表示了鉆頭101的刀片126的橫截面圖。刀片輪廓300包括如以上參考圖2所述的錐狀區(qū)212、鼻狀區(qū)210、肩狀區(qū)208和保徑區(qū)206。錐狀區(qū)212、鼻狀區(qū)210、肩狀區(qū)208和保徑區(qū)206可以基于它們相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線104和水平參考線301的沿刀片126的位置，這指示了在垂直于旋轉(zhuǎn)軸線104的平面中距旋轉(zhuǎn)軸線104的距離。圖3A和圖3B的比較示出了圖3B的刀片輪廓300相對(duì)于圖3A的鉆頭面輪廓200而顛倒。

刀片輪廓300可以包括內(nèi)區(qū)302和外區(qū)304。內(nèi)區(qū)302可以從旋轉(zhuǎn)軸線104向外延伸到鼻點(diǎn)311。外區(qū)304可以從鼻點(diǎn)311延伸到刀片126的端部。鼻點(diǎn)311可為刀片輪廓300上的位于鼻狀區(qū)210內(nèi)的位置，這個(gè)位置具有如從參考線301(水平軸線)以鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104(垂直軸線)測(cè)量的最大高度。圖3B中的曲線圖上對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)軸線104的坐標(biāo)可以稱為軸向坐標(biāo)或位置。圖3B中的曲線圖上對(duì)應(yīng)于參考線301的坐標(biāo)可以稱為徑向坐標(biāo)或徑向位置，它可指示在穿過旋轉(zhuǎn)軸線104的徑向平面中從旋轉(zhuǎn)軸線104正交地延伸的距離。例如，在圖3B中，旋轉(zhuǎn)軸線104可以沿著z軸放置，并且參考線301可以指示從旋轉(zhuǎn)軸線104正交地延伸到可限定為ZR平面的徑向平面上的點(diǎn)的距離(R)。

圖3A和3B僅僅用于說明目的，并且在不脫離本公開的范圍的情況下，可對(duì)圖3A和3B進(jìn)行修改、添加或省略。例如，各區(qū)相對(duì)于鉆頭面輪廓的實(shí)際位置可以變化，并且可不完全如圖所繪。

圖4示出了切削元件428和刀片126的等距視圖。切削元件428和刀片126向上取向，這類似于如圖2所示的位于刀片126a-e上的切削元件128的向上取向。

如圖4所示，切削元件428可以位于刀片126的凹穴410中。與圖4一致地，切削元件(或者其它類型鉆井元件，諸如DOCC或滾動(dòng)元件)至少部分地由凹穴(例，凹穴410)包圍，這種切削元件在本文中可以稱為位于該凹穴中。

在鉆井操作期間，刀片126和切削元件428所位于的鉆頭可以圍繞鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，這類似于圖2中的鉆頭101的元件可圍繞鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104旋轉(zhuǎn)的方式。因此，在切削元件428所位于的鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削元件428可以經(jīng)歷因切削面420與被鉆井的地層之間的相互作用而產(chǎn)生的拖曳力405。切削元件428還會(huì)經(jīng)歷大體上對(duì)應(yīng)于將切削元件428所位于的鉆頭推向井下的鉆壓(WOB)的軸向力406。如圖4所示，凹穴410可以支撐切削元件428抵抗拖曳力405和軸向力406，，并且因此可有助于將切削元件428固定在凹穴410內(nèi)。

由于被施加到切削元件428的力(例如，拖曳力405和軸向力406)，切削元件428還會(huì)經(jīng)歷反作用力矩力407，反作用力矩力趨于使切削元件圍繞在切削元件背面上的力矩點(diǎn)(MP)旋轉(zhuǎn)出凹穴。然而，鎖定元件454可以支撐切削元件428抵抗力矩力407，并且因此可有助于將切削元件428固定在凹穴410內(nèi)。

鎖定元件454可從一組對(duì)應(yīng)刀片和切削元件開口向內(nèi)延伸，并且環(huán)繞到另一組的對(duì)應(yīng)刀片和切削元件開口。例如，鎖定元件454a可以形成圈環(huán)，圈環(huán)從第一端部上的刀片開口450a和切削元件開口452a、并且從另一端部上的刀片開口450b和切削元件開口452b向內(nèi)延伸。另外，單個(gè)鎖定元件或多個(gè)鎖定元件454可將單個(gè)切削元件固定在刀片126上。例如，鎖定元件454a可以在切削元件428一側(cè)上形成圈環(huán)，圈環(huán)從第一端部上的刀片開口450a和切削元件開口452a、并且從另一端部上的刀片開口450b和切削元件開口452b向內(nèi)延伸。同樣，鎖定元件454b可以在切削元件428的另一側(cè)上形成圈環(huán)，圈環(huán)從第一端部上的刀片開口450c和切削元件開口452c向內(nèi)延伸、并且從另一端部上的刀片開口450d和切削元件開口452d向內(nèi)延伸。如以下參考圖5A-5D更詳細(xì)地解釋，鎖定元件(諸如鎖定元件454)可從刀片和切削元件中的開口向內(nèi)延伸穿過空腔，所述空腔由凹穴中和切削元件中的對(duì)準(zhǔn)溝槽之間的組合區(qū)域形成。

圖5A示出了切削元件528的等距視圖。圖5B示出了刀片126的一部分的指向上的等距視圖，這個(gè)部分包括凹穴510，凹穴可以被構(gòu)造為接收切削元件528(圖5A中所示的)。圖5C示出了切削元件528的等距視圖，切削元件放置在凹穴510中。并且，圖5D示出了鎖定元件554，鎖定元件可將切削元件528(圖5A中所示的)固定在凹穴510(圖5B中所示的)中。

如圖5A所示，切削元件528可以包括切削元件溝槽530a，所述切削元件溝槽可從切削元件開口552a到切削元件開口552b以“U”形形狀延伸。切削元件528還可包括切削元件溝槽530b，所述切削元件溝槽可從切削元件開口552c到切削元件開口552d以“U”形形狀延伸。雖然切削元件528上包括的溝槽在本文中稱為切削元件溝槽，但是在切削元件或其它類型鉆井元件(例如，DOCC或滾動(dòng)元件)上的此類溝槽通常還會(huì)稱為鉆井元件溝槽。

如圖5B所示，刀片126可以包括凹穴溝槽540a，所述凹穴溝槽可以鄰接凹穴510，并且可從凹穴開口550a到凹穴開口550b以“U”形形狀延伸。刀片126還可包括凹穴溝槽540b，所述凹穴溝槽可以鄰接凹穴510，并且可從凹穴開口550c到凹穴開口550d以“U”形形狀延伸。

如圖5C所示，切削元件528可以放置在凹穴510中。另外，切削元件528的一個(gè)或多個(gè)溝槽可與刀片126的一個(gè)或多個(gè)溝槽對(duì)準(zhǔn)。例如，切削元件溝槽530a(圖5A中所示的)和凹穴溝槽540a(圖5B中所示的)可以在切削元件528放置在凹穴510中時(shí)對(duì)準(zhǔn)，并且可以在切削元件溝槽530a和凹穴溝槽540a內(nèi)的組合空間中形成空腔570a(圖5C中所示的)。同樣，切削元件溝槽530b(圖5A中所示的)和凹穴溝槽540b(圖5B中所示的)可以在切削元件528放置在凹穴510中時(shí)對(duì)準(zhǔn)，并且可以在切削元件溝槽530b和凹穴溝槽540b內(nèi)的組合空間中形成空腔570b(圖5C中所示的)。雖然凹穴溝槽540a-b和切削元件溝槽530a-b在圖5A-B中被示出為具有“U”形形狀，但是相應(yīng)溝槽可以具有任何合適形狀，諸如具有九十度角的“U”形形狀、“V”形形狀、弧形或半圓形形狀、或者多邊形形狀。

在切削元件528放置在凹穴510中的情況下，可通過鎖定元件554(圖5D中所示的)將切削元件528固定或鎖定到適當(dāng)位置。例如，鎖定元件554的一個(gè)實(shí)例可以裝配在相應(yīng)空腔中，空腔是由每對(duì)對(duì)準(zhǔn)的切削元件和凹穴溝槽形成。例如，鎖定元件554的第一實(shí)例可以放置在空腔570a中，所述空腔由切削元件溝槽530a和凹穴溝槽540a形成，并且鎖定元件554的第二實(shí)例可以放置在空腔570b中，所述空腔由切削元件溝槽530b和凹穴溝槽540b形成。雖然切削元件528和刀片126可以在圖5A-B中被示出為具有兩個(gè)凹穴溝槽和切削元件溝槽組，但是切削元件528和刀片126可僅包括單組對(duì)應(yīng)溝槽，并且切削元件528可以固定在具有鎖定元件554的單個(gè)實(shí)例的凹穴510中。

如圖5A所示，切削元件528可以具有大體上圓形的形狀，但是具有平邊560。該切削元件的平邊560可以減小切削元件528的總寬度和凹穴510的總寬度，切削元件528可以放置在所述凹穴中。切削元件528的減小的寬度可以為凹穴溝槽540a和540b在刀片126上提供額外空間，同時(shí)仍然符合對(duì)在刀片126上多次具現(xiàn)切削元件528的間距要求。切削元件(諸如切削元件528)還可具有任何其它合適形狀，例如大體上正方形的形狀或大體上橢圓形的形狀。

鎖定元件554可以具有任何合適形狀，并且可以包括任何合適材料，以便允許鎖定元件554放置在切削元件溝槽(例如，切削元件溝槽530a)與凹穴溝槽(例如，凹穴溝槽540a)之間。例如，鎖定元件554可以包括鎖環(huán)。鎖環(huán)可以具有例如弧形形狀或半圓形形狀。鎖環(huán)可以被構(gòu)造為旋轉(zhuǎn)通過由切削元件溝槽530a和凹穴溝槽540a形成的對(duì)應(yīng)弧形形狀或半圓形形狀。鎖環(huán)可由剛性材料形成，使得在鎖環(huán)插入到由切削元件溝槽530的實(shí)例和凹穴溝槽540的實(shí)例的組合形成的空腔570中時(shí)，鎖環(huán)會(huì)維持其形狀(例如，弧形形狀或半圓形形狀)。雖然這種鎖定元件可以稱為鎖環(huán)，但是這種鎖定元件可不形成完整的環(huán)，而是可以形成環(huán)的部分。

作為另一實(shí)例，鎖定元件554可以包括鎖線。這種鎖線可以插入空腔570中，所述空腔由切削元件溝槽530的實(shí)例和凹穴溝槽540的對(duì)應(yīng)實(shí)例形成。鎖線可由可延展性材料形成，使得在鎖線插入到空腔中時(shí)，鎖線采取由切削元件溝槽和凹穴溝槽形成的空腔的形狀。

鎖定元件554可包括能夠采取由切削元件溝槽530的實(shí)例和凹穴溝槽540的對(duì)應(yīng)實(shí)例形成的空腔570的形狀的任何合適材料。例如，鎖定元件554可以包括低溫金屬、形狀記憶金屬和/或彈簧鋼。鎖定元件554還可包括滾珠軸承陣列或可以放置在空腔570中的任何其它合適球形和/或分段元件的陣列。另外，鎖定元件554可以包括液體環(huán)氧樹脂、彈性體、陶瓷材料或塑料材料，可將它們注入到空腔570中?？蓡为?dú)地使用液體環(huán)氧樹脂，或與任何其它材料(諸如金屬鎖環(huán)或金屬鎖線)結(jié)合使用。鎖定元件554還可包括粘合劑，粘合劑可以填充空腔570中的尚未被例如鎖環(huán)、鎖線或滾珠軸承陣列填充的任何空隙。

鎖定元件554還可包括在鎖定元件554的一個(gè)或多個(gè)端部的鎖帽555的實(shí)例。鎖帽555可以插入鎖定元件554所放置的空腔570，并且可在鉆井期間將鎖定元件554保持在空腔570中的適當(dāng)位置。鎖帽555可以包括按壓帽、螺紋塞、銅焊頭、環(huán)氧樹脂或任何其它合適裝置，以便保護(hù)鎖定元件554免受不利要素影響或者防止受損。雖然帽555在上文中被描述為鎖定元件554的一部分，但是鎖帽(諸如鎖帽555)可以是被封住的鎖定元件的一部分或與所述鎖定元件分離的元件。

切削元件溝槽530、凹穴溝槽540和鎖定元件554可以提供用于容易地移除和替換切削元件528。如圖5A-D所示，鎖定元件554可以形成圈環(huán)，圈環(huán)可從刀片126和/或切削元件528的表面的兩個(gè)分離點(diǎn)處。由切削元件溝槽530a和凹穴溝槽540a形成的雙接近點(diǎn)可以允許鎖定元件554被容易地移除。例如，返回參考圖4，可以移除在鎖定元件454a的兩個(gè)相應(yīng)端部中的每者處的鎖帽?？蓪⒘κ┘拥芥i定元件454a一側(cè)(例如，在開口450a處)，以便推動(dòng)鎖定元件454a通過由凹穴溝槽和切削元件溝槽形成的空腔。然后，可以從另一側(cè)(例如，在開口450b處)移除鎖定元件454a。鎖定元件454b可以如針對(duì)鎖定元件454a所述的類似方式移除。一旦移除鎖定元件454a和454b，就可移除切削元件428和/或可用新或翻新切削元件替換。

容易地將鎖定元件554移除可允許容易地對(duì)鉆頭的切削元件(例如，切削元件528)替換，例如在那些切削元件因進(jìn)行大量鉆井而磨損后如此。此外，鎖定元件554可以提供用于將切削元件固定到它們相應(yīng)凹穴中的方式，而不利用沖擊切削元件528的切削面520的銅焊工藝。消除用于將切削元件固定到鉆頭的刀片的銅焊工藝可以允許利用更高質(zhì)量切削元件，這種切削元件會(huì)在鉆井操作期間提供更有效的切削。例如，典型銅焊工藝中的高溫可能限制可用在PDC切削元件的硬切削表面上的多晶金剛石材料的質(zhì)量。在不利用銅焊工藝的情況下，可以在切削元件的硬切削表面上使用更高質(zhì)量多晶金剛石材料，并且因此可在鉆井操作期間提供更有效的切削，而且延長該切削元件的使用壽命。

雖然鎖定元件554以及對(duì)應(yīng)的切削元件溝槽和凹穴溝槽在上文中被描述為形成“U”形形狀，但是鎖定元件以及它們對(duì)應(yīng)的切削元件溝槽和凹穴溝槽可形成為任何合適形狀。例如，鎖定元件和其對(duì)應(yīng)的切削元件溝槽和凹穴溝槽可以圍繞切削元件形成螺旋形狀。作為另一實(shí)例，并且如以下參考圖6A-B更詳細(xì)地描述，鎖定元件可以從鎖定元件的第一端部到鎖定元件的相對(duì)端部形成“L”形形狀，其中第一端部和相對(duì)端部可在刀片和/或切削元件的分離表面上接近。

圖6A示出了切削元件628的等距視圖。圖6B示出了刀片126的一部分的指向上的等距視圖，這個(gè)部分包括凹穴610，凹穴可以被構(gòu)造為接收切削元件628(圖6A中所示的)。

如圖6A所示，切削元件628可以包括切削元件溝槽630a，所述切削元件溝槽可從切削元件開口652a到切削元件開口652b以“L”形形狀延伸。切削元件628還可包括切削元件溝槽630b，所述切削元件溝槽可從切削元件開口652c到切削元件開口652d以“L”形形狀延伸。

如圖6B所示，刀片126可以包括凹穴溝槽640a，所述凹穴溝槽可以鄰接凹穴610，并且可從凹穴開口650a到凹穴開口650b以“L”形形狀延伸。刀片126還可包括凹穴溝槽640b，所述凹穴溝槽可以鄰接凹穴610，并且可從凹穴開口650c到凹穴開口650d以“L”形形狀延伸。切削元件628可以放置在凹穴610中。另外，切削元件628的一個(gè)或多個(gè)溝槽可與刀片126的一個(gè)或多個(gè)凹穴溝槽對(duì)準(zhǔn)。例如，切削元件溝槽630a可與凹穴溝槽640a對(duì)準(zhǔn)，并且切削元件溝槽630b可與凹穴溝槽640b對(duì)準(zhǔn)。在切削元件628放置在凹穴610中的情況下，切削元件628可由一個(gè)或多個(gè)鎖定元件以如以上參考圖5A-C的相應(yīng)刀片、切削元件和鎖定元件所述的類似方式固定或鎖定到適當(dāng)位置。

圖7示出了切削元件728和刀片126的仰視圖。如圖7所示，一個(gè)或多個(gè)鎖定元件754可以將切削元件728固定到刀片126的凹穴710中。此外，開口中的一個(gè)或多個(gè)可完全包圍在刀片126的表面內(nèi)，可以通過開口接近鎖定元件754。例如，刀片126可以包括凹穴溝槽740a，所述凹穴溝槽可從開口750a到相對(duì)開口750b以“U”形形狀向內(nèi)延伸。同樣，刀片126可以包括凹穴溝槽740b，所述凹穴溝槽可從開口750c和750d以“U”形形狀向內(nèi)延伸。

切削元件728可以放置在刀片126的凹穴710中。切削元件728可以包括切削元件溝槽730a和切削元件溝槽730b。凹穴溝槽740a可與切削元件溝槽730a對(duì)準(zhǔn)，并且凹穴溝槽740b可與切削元件溝槽730b對(duì)準(zhǔn)。切削元件溝槽730a和730b可以位于切削元件728的暴露表面下方，并且可以分別與凹穴溝槽740a和740b的位于刀片126的暴露表面下方的部分對(duì)準(zhǔn)?？梢詫㈡i定元件754a插入以填充由凹穴溝槽740a和切削元件溝槽730a的組合形成的空腔。同樣，可以將鎖定元件754b插入以填充由凹穴溝槽740b和切削元件溝槽730b的組合形成的空腔。在切削元件728放置在凹穴710中的情況下，切削元件728可由鎖定元件754a-b以如以上參考圖5A-C的相應(yīng)刀片、切削元件和鎖定元件所述的類似方式固定或鎖定到適當(dāng)位置。

圖8A示出了切削元件828的等距視圖。圖8B示出了刀片126的一部分的指向上的等距視圖，這個(gè)部分包括凹穴810，凹穴可以被構(gòu)造為接收切削元件828(圖8A中所示的)。

如圖8A所示，切削元件828可以包括切削元件溝槽830a，所述切削元件溝槽可從切削元件開口852a向內(nèi)延伸。切削元件828還可包括切削元件溝槽830b，所述切削元件溝槽可從切削元件開口852b向內(nèi)延伸。

如圖8B所示，刀片126可以包括凹穴溝槽840a，所述凹穴溝槽可以鄰接凹穴810，并且可從凹穴開口850a向內(nèi)延伸。刀片126還可包括凹穴溝槽840b，所述凹穴溝槽可以鄰接凹穴810，并且可從凹穴開口850b向內(nèi)延伸。切削元件828可以放置在凹穴810中。另外，切削元件828的一個(gè)或多個(gè)溝槽可與刀片126的一個(gè)或多個(gè)凹穴溝槽對(duì)準(zhǔn)。例如，切削元件溝槽830a可與凹穴溝槽840a對(duì)準(zhǔn)，并且切削元件溝槽830b可與凹穴溝槽840b對(duì)準(zhǔn)。在切削元件828放置在凹穴810中的情況下，可通過一個(gè)或多個(gè)鎖定元件將切削元件828固定或鎖定到適當(dāng)位置。

雖然與切削元件828和凹穴810一起使用的鎖定元件可僅包括單進(jìn)入點(diǎn)，但是可以如以上參考圖4、圖5A-C和圖6A-B所述的類似方式另外使用鎖定元件來將切削元件828固定或鎖定到適當(dāng)位置。當(dāng)在鉆井操作中并未使用切削元件828和刀片126所位于的鉆頭時(shí)，該鎖定元件的單進(jìn)入點(diǎn)可以用于抽出鎖定元件。因此，可將切削元件828移除和/或替換。

此外，雖然單端凹穴溝槽840a-b被示出為在表面處與切削元件溝槽830a-b對(duì)準(zhǔn)，但是單端凹穴溝槽可從被完全包圍在刀片126內(nèi)的開口延伸，并且可以如以上參考圖7所述的類似方式在切削元件828和刀片126的相應(yīng)表面下方的位置處與切削元件828的子表面溝槽對(duì)準(zhǔn)。此外，雖然圖8中示出的凹穴溝槽和切削元件溝槽被示出為以垂直于刀片126的表面的角度向內(nèi)延伸，凹穴溝槽和切削元件溝槽可從刀片126的任何表面并以可適于抵消以上參考圖4所述的力矩力的任何角度向內(nèi)延伸。

圖9示出了向上取向的刀片126和多個(gè)切削元件928的等距視圖。切削元件928a-b和刀片126向上取向，這類似于如圖2所示的位于刀片126a-e上的切削元件128的向上取向。

可利用單個(gè)鎖定元件將多個(gè)切削元件固定或鎖定到刀片上的適當(dāng)位置。例如，如圖9所示，鎖定元件954可以從切削元件開口952a和凹穴開口950a向內(nèi)延伸，經(jīng)過切削元件928a下方，經(jīng)過切削元件928b下方，并且一直延伸到切削元件開口952b和凹穴開口950b。切削元件溝槽930a和930b可以分別與凹穴溝槽940a和940b對(duì)準(zhǔn)，以便形成空腔970，鎖定元件954可以穿過所述空腔放置。出于本公開的目的，空腔970可以被認(rèn)為是通過不同的切削元件溝槽和凹穴溝槽組合而形成在分離部分中的單個(gè)空腔，或者被視為是通過不同的切削元件溝槽和凹穴溝槽組合而形成的多個(gè)空腔。

在切削元件928a-b放置在它們?cè)诘镀?26上的相應(yīng)凹穴中的情況下，切削元件928a-b可由鎖定元件928以如以上參考圖5A-C的相應(yīng)刀片、切削元件和鎖定元件所述的類似方式固定或鎖定到適當(dāng)位置。雖然圖9示出了用于將兩個(gè)切削元件928a-b固定在它們相應(yīng)凹穴中的鎖定元件954，但是單個(gè)鎖定元件954同樣可將任何合適數(shù)量切削元件(例如，四個(gè)、八個(gè)或所有的切削元件)固定在刀片上。在此類示例構(gòu)型中，單個(gè)鎖定元件可以從側(cè)面、從底部或從切削元件的任何合適部分固定相應(yīng)切削元件。另外，如不同于與凹穴溝槽對(duì)準(zhǔn)的切削元件溝槽，還可通過一個(gè)或多個(gè)切削元件中的每者中的孔洞放置鎖定元件。

圖10A-E示出了在刀片126與切削元件1028的相交處的示例性的鎖定元件1054的橫截面圖。如以上參考圖2和圖4所述，鎖定元件(諸如鎖定元件1054)可以將切削元件固定以抵抗可在鉆井操作期間作用來使切削元件旋轉(zhuǎn)出其凹穴的力矩力。鎖定元件、以及切削元件和刀片兩者中的對(duì)應(yīng)溝槽可以具有用于將切削元件固定以抵抗這樣的力矩力的任何合適橫截面形狀。

例如，如圖10A所示，凹穴溝槽1050a和切削元件溝槽1052a可組合以形成橢圓形的空腔，橢圓形的鎖定元件1054a可以穿過所述橢圓形的空腔放置。作為另一實(shí)例，如圖10B所示，凹穴溝槽1050b和切削元件溝槽1052b可組合以形成矩形空腔，矩形鎖定元件1054b可以穿過所述矩形空腔放置。作為又一實(shí)例，如圖10C所示，凹穴溝槽1050c和切削元件溝槽1052c可組合以形成三角形的空腔，三角形的鎖定元件1054c可以穿過所述三角形的空腔放置。

鎖定元件1054、以及由切削元件溝槽1052和凹穴溝槽1054形成的空腔也可具有圓形形狀、正方形形狀、六邊形形狀，或者用于將切削元件1028固定以抵抗力矩力的任何其它合適形狀。鎖定元件1054還可具有不同于由切削元件溝槽和凹穴溝槽形成的空腔的橫截面形狀的橫截面形狀。例如，如圖10D所示，凹穴溝槽1050a和切削元件溝槽1052a可組合以形成橢圓形的空腔，矩形鎖定元件1054b可以穿過所述橢圓形的空腔放置。作為另一實(shí)例，如圖10E所示，凹穴溝槽1050b和切削元件溝槽1052b可組合以形成矩形空腔，橢圓形的鎖定元件1054a可以穿過所述矩形空腔放置。

圖11示出了在刀片126與切削元件1128的相交處的示例性的鎖定元件1154的橫截面圖。雖然切削元件溝槽在上文中參考圖5A-C被描述為并且在圖10A-E中被示出為與對(duì)應(yīng)凹穴溝槽對(duì)準(zhǔn)，但是切削元件溝槽和凹穴溝槽也可彼此以一定偏移來對(duì)準(zhǔn)。例如，切削元件溝槽和凹穴溝槽可以彼此偏移，但至少部分地對(duì)準(zhǔn)，使得在切削元件溝槽和凹穴溝槽內(nèi)的組合空間(在切削元件放置在凹穴中時(shí))形成連續(xù)空腔。如圖11所示，切削元件溝槽1152可相對(duì)于凹穴溝槽1150以偏移1110來定位。這種偏移可以提供用于進(jìn)一步將切削元件1128固定在其凹穴中的預(yù)載力。例如，所包括的圓形鎖定元件1154可以插入到由凹穴溝槽1150和偏移切削元件溝槽1152形成的空腔中。在鎖定元件1154采取由偏移溝槽形成的空腔形狀時(shí)，被推入偏移溝槽的材料可以提供與施加到鎖定元件1154的變形量成比例的預(yù)載力。作為另一實(shí)例，包括形狀記憶金屬的圓形鎖定元件1154可以插入到由凹穴溝槽1150和偏移切削元件溝槽1152形成的空腔中。圓形鎖定元件1154可以采取具有偏移側(cè)的空腔形式，并且由于鎖定元件1154的形狀記憶金屬在觸發(fā)事件(諸如電荷或溫度的施加)后嘗試返回其原始圓形形狀的趨勢(shì)，可產(chǎn)生預(yù)載力。

圖12A示出了滾動(dòng)元件1228的等距視圖。圖12B示出了滾動(dòng)元件1228的指向上的等距視圖，滾動(dòng)元件放置在刀片126的一部分中。可以利用滾動(dòng)元件1228來例如在鉆井操作期間接合井下地層的相鄰部分以形成井筒。滾動(dòng)元件1228還可用作切削深度控制器(DOCC)。在此類實(shí)現(xiàn)方案中，滾動(dòng)元件1228可以放置在刀片126的一部分中，位于在刀片的切削面上的第一排切削元件后方的第二排元件中。

也可將滾動(dòng)元件1228與其它井下鉆井工具一起使用。根據(jù)井下鉆井工具上的滾動(dòng)元件1228相對(duì)于井下鉆井工具旋轉(zhuǎn)方向的取向，滾動(dòng)元件1228可以執(zhí)行非切削的功能，或者可以執(zhí)行切削功能。例如，滾動(dòng)元件1228可以放置在擴(kuò)孔器上或穩(wěn)定器上，使得在滾筒1210的外部尖端處，滾筒1210的旋轉(zhuǎn)方向在鉆井操作期間與井筒中的擴(kuò)孔器或穩(wěn)定器的旋轉(zhuǎn)方向?qū)?zhǔn)。在此類實(shí)現(xiàn)方案中，滾動(dòng)元件1228可減少在鉆井操作期間在井下鉆井工具(例如，擴(kuò)孔器或穩(wěn)定器)與例如井筒側(cè)壁之間的發(fā)生的摩擦量。作為另一實(shí)例，滾動(dòng)元件1228可以放置在鉆頭上，使得在滾筒1210的尖端處，滾筒1210的旋轉(zhuǎn)方向大致上垂直于鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向。在此類實(shí)現(xiàn)方案中，滾動(dòng)元件1228可在鉆井操作期間與地層相互作用并切入地層。

滾動(dòng)元件1228可以包括頂部元件1214、底部元件1212和滾筒1210。頂部元件1214可以包括內(nèi)部腔室(未明確地示出)，內(nèi)部腔室可以容納滾筒1210的一部分。此外，底部元件1212可以包括圓形內(nèi)部溝槽，其對(duì)應(yīng)于滾筒1210的圓形形狀。如圖12A所示，滾筒1210可從頂部元件1214中的開口突出。在頂部元件1214的頂部處的開口可以小于滾筒1210的直徑。因此，頂部元件1214可以將滾筒1210保持在適當(dāng)位置，使得滾筒1210保持容納在內(nèi)部腔室或頂部元件1214內(nèi)。頂部元件1214還可包括溝槽，溝槽可與鎖定元件結(jié)合使用以將滾動(dòng)元件1228固定和/或鎖定在鉆頭的刀片上的適當(dāng)位置。

如圖12B所示，滾動(dòng)元件1228可以放置在刀片126的凹穴1211中。在滾動(dòng)元件1228的第一側(cè)上，開口1250a和1250b可與刀片126的開口1252a和1252b對(duì)準(zhǔn)，并且切削元件溝槽1230(圖12A中所示的)可與對(duì)應(yīng)凹穴溝槽對(duì)準(zhǔn)，以便形成“U”形空腔1231。同樣，在滾動(dòng)元件1228的另一側(cè)上，開口1250c和1250d可與刀片126的開口1252c和1252d對(duì)準(zhǔn)，并且第二切削元件溝槽可與第二對(duì)應(yīng)凹穴溝槽對(duì)準(zhǔn)，以便在滾動(dòng)元件1228的另一側(cè)上形成“U”形空腔(未明確地示出)。在滾動(dòng)元件1228放置在凹穴1211中的情況下，切削元件1228可由一個(gè)或多個(gè)鎖定元件以如以上參考圖5A-C的相應(yīng)刀片、切削元件和鎖定元件所述的類似方式固定或鎖定到適當(dāng)位置。

雖然本公開描述了將鉆井元件(諸如切削元件、DOCC或滾動(dòng)元件)固定到鉆頭，但是可以利用本文參考圖4-12B所述鎖定元件將任何合適鉆井元件固定到任何合適井下鉆井工具。例如，可以利用本文所述鎖定元件固定切削元件、DOCC、滾動(dòng)元件，以及在鉆井期間使地層接合到鉆頭的其它類型鉆井元件(例如，保徑墊、滾動(dòng)保徑墊、沖擊制動(dòng)裝置或MDR)。此外，可以利用本文所述鎖定元件將合適鉆井元件固定到鉆頭或其它類型井下鉆井工具(諸如穩(wěn)定器或擴(kuò)孔器)。另外，上文在圖4-12B中描述的鎖定元件的示例特征可彼此以任何合適組合實(shí)現(xiàn)。例如，可以利用一個(gè)或兩個(gè)或更多鎖定元件將本文所述切削元件中的任何切削元件固定在刀片的凹穴內(nèi)。限定鎖定元件的路徑的凹穴溝槽和切削元件溝槽可為“U”形形狀、“L”形形狀、水平形狀、豎直形狀、對(duì)角形狀或任何其它合適形狀。另外，例如利用具有多個(gè)鎖定元件的多個(gè)凹穴溝槽和切削元件溝槽組的實(shí)現(xiàn)方案，每個(gè)凹穴溝槽和切削元件溝槽組可以具有相同或不同的形狀。作為一個(gè)實(shí)例，切削元件可由放置在具有“U”形形狀的第一凹穴溝槽和切削元件溝槽組中的第一鎖定元件和放置在具有“L”形形狀的第二凹穴溝槽和切削元件溝槽組中的第二鎖定元件固定。

此外，每組的凹穴溝槽和鉆井元件溝槽可以具有至少一個(gè)開口，所述至少一個(gè)開口可在鉆頭并未用于鉆井操作時(shí)接近。因此，可將鎖定元件從由凹穴溝槽和鉆井元件溝槽形成的空腔中移除，并且可以在鉆頭并未用于鉆井操作時(shí)移除和/或替換由鎖定元件固定的一個(gè)或多個(gè)鉆井元件。

本文中的實(shí)施方案可以包括：

A.一種鉆頭，所述鉆頭包括：鉆頭主體；以及刀片，所述刀片被安置在所述鉆頭主體的外部部分上，所述刀片包括凹穴和包括在所述凹穴中的凹穴溝槽。所述鉆頭還包括：鉆井元件，所述鉆井元件位于所述凹穴中，所述鉆井元件包括鉆井元件溝槽，所述鉆井元件溝槽至少部分地與所述凹穴溝槽對(duì)準(zhǔn)；以及鎖定元件，所述鎖定元件延伸穿過所述凹穴溝槽和所述鉆井元件溝槽內(nèi)的組合空間。

B.一種井下鉆井工具，所述井下鉆井工具包括：凹穴；凹穴溝槽，所述凹穴溝槽包括在所述凹穴中；鉆井元件，所述鉆井元件位于所述凹穴中，所述鉆井元件包括鉆井元件溝槽，所述鉆井元件溝槽至少部分地與所述凹穴溝槽對(duì)準(zhǔn)；以及鎖定元件，所述鎖定元件延伸穿過所述凹穴溝槽和所述鉆井元件溝槽內(nèi)的組合空間。

實(shí)施方案A和B中的每者可以具有呈任何組合的以下額外要素中的一個(gè)或多個(gè)：

要素1：其中所述鉆井元件包括切削元件。要素2：其中所述鉆井元件包括滾動(dòng)元件。要素3：其中所述鉆井元件包括切削深度控制器(DOCC)。要素4：其中所述鎖定元件包括鎖環(huán)。要素5：其中所述鎖定元件包括鎖線。要素6：其中所述鎖定元件包括形狀記憶金屬、彈簧鋼和環(huán)氧樹脂中的一者。要素7：其中所述鉆井元件溝槽以一定偏移與所述凹穴溝槽對(duì)準(zhǔn)。要素8：其中由所述凹穴溝槽和所述鉆井元件溝槽形成的空腔包括端部，所述端部可從所述刀片和所述鉆井元件中的至少一者的外表面接近。要素9：其中所述空腔從所述空腔的第一端部到所述空腔的相對(duì)端部形成U形形狀和L形形狀中的一種。要素10：其中由所述凹穴溝槽和所述鉆井元件溝槽形成的所述空腔具有圓形橫截面形狀、正方形橫截面形狀、三角形橫截面形狀中的一種或其組合。要素11：所述鉆頭還包括鎖帽，所述鎖帽位于由所述凹穴溝槽和所述鉆井元件溝槽形成的所述空腔的開口處，所述鎖帽包括按壓帽、螺紋塞、銅焊頭和環(huán)氧樹脂中的一者。要素12：其中所述鉆井元件具有帶平邊的圓形橫截面。要素13：所述井下鉆井工具包括鉆頭，并且所述凹穴和所述凹穴溝槽位于所述鉆頭的刀片上。要素14：所述井下鉆井工具包括擴(kuò)孔器，并且所述凹穴和所述凹穴溝槽位于所述擴(kuò)孔器上。要素15：所述井下鉆井工具包括穩(wěn)定器，并且所述凹穴和所述凹穴溝槽位于所述穩(wěn)定器上。

雖然已經(jīng)利用若干實(shí)施方案描述了本公開，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員可提出各種改變和修改。本公開旨在涵蓋如落在隨附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的此類改變和修改。