CN102395744A - 用于聚晶金刚石复合片刀具的铣削盖 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括金刚石台层和下面的基底层的PDC刀具。所述PDC刀具的盖结构包括覆盖但并不附接至金刚石台层的正面的第一部分以及从该第一部分垂直延伸的第二部分，该第二部分覆盖并附接至下面的基底层的外部周边表面。

Description

用于聚晶金刚石复合片刀具的铣削盖

优先权要求

本申请要求提交于2010年5月25日的美国专利申请12/787,349的权益，其要求提交于2009年5月29日的美国临时专利申请61/182,382的优先权，其公开内容以引用方式包括进本申请。

技术领域

本发明一般涉及陆地勘探钻头，更具体地，涉及聚晶金刚石复合片(PDC)钻头。本发明进一步涉及同时支持铣削能力和地层钻孔能力的钻头。

背景技术

PDC钻头刀具的金刚石层是极其耐磨的，但当其在运输、搬运和进入钻井孔期间遭受撞击或大的点载荷时，PDC钻头刀具的金刚石层容易遭受切削。由于当遇到黑色金属材料时在切割期间产生的高的摩擦温度下与黑色金属材料发生化学反应，例如钻出套管开窗或钻出套管相关的设备中的过程中，所以刀具也易受在切削尖端的金刚石石墨化影响。诸如碳化钨、立方氮化硼(CBN)的其他材料在切割黑色金属材料方面更好，但是在切割例如已经钻通套管或套管相关的部件之后遇到的岩石方面不是那么有效。为了该公开的目的，“套管相关的部件”包括但不限于以下：阶段注水泥设备、浮鞋、鞋轨迹(shoe track)、浮环、浮阀、擦拭器、致动镖、致动球、膨胀型封隔器、机械式封隔器、可膨胀的封隔器、循环接头(circulation sub)、套管鞋、套管钻头、铰刀鞋、导向铰刀、划线导向装置(liner guide)、划线钻头、马达驱动鞋、马达驱动铰刀、马达驱动钻头、一次性或单次性马达和一次性或单次性涡轮机。换句话说，“套管相关的部件”被定义为任何配置或安装在井口套管内的障碍物，或是固定在套管末端内、在套管末端上、或在套管末端外部的障碍物，其可以被钻孔钻头全部地或部分地接触到。

从历史上来说，在地层应用的优选钻头钻入孔中之前，用专业钻头或铣刀钻出与套管相关部件相关联的黑色金属材料。具有可有效地钻通套管或套管相关设备的钻头的钻入时间的可能费用节省推动了常常被称为铣削钻孔机的新组合钻头的发展。在该领域中的钻头一般使套管或套管相关的部件钻孔的范围在1直线英尺和35直线英尺之间。在铣削套管开窗的实例中，刀具必须将套管壁厚移除几横向英寸，同时向下钻若干直线英尺。在铣削套管出口时，钻通套管壁的距离取决于用于将钻头推入套管壁中的造斜器的结构和其倾角。在这两种情况中，在需要钻数百或甚至数千英尺的地层之前会相对少量地钻套管或套管相关的设备。

现有技术尝试提供刀具保护和/或套管和套管相关部件铣削的方法，在下面阐述了随后的地层钻孔。这里所讨论的所有参考资料均以引用方式包括进本发明。

Langford的美国专利4,397,361描述了通过从钻头的头部伸出超过PDC切割元件的各个突出提供的可磨耗刀具保护。这些突出是由比任何切割元件更容易被地层磨损的金属制造。

Barr等人的美国专利4,995,887和5,025,874描述了PDC刀具，其具有粘合在金刚石层表面的额外的碳化钨层。这种粘合是通过在高温、高压的压力机中实现的。其中描述了“切割元件，其中较不硬材料(通常又是碳化钨)的更远的前层被粘合至金刚石层的正面(front face)，并延伸跨过其主要部分。由于更远层的较不硬材料可以比金刚石层具有更好的张力中的韧性，这可以使得切割元件能够更擅长抵抗张应力......”。该方法的缺点将在下面讨论。

Scott等人的美国专利5,979,571描述了“组合铣刀和钻头”。在Scott方法中，碳化钨插入物以外部行固定在从钻头的主体延伸的刀片上。连接刀片的外部伸出部分的外部安装的碳化钨插入物是为了保护连接至相同刀片的PDC插入物下面的行。或者，包含碳化钨插入物的更加向外伸出的刀片起到保护承载PDC插入物的较少向外伸出的刀片的作用。在任一种情形中，在碳化钨刀具已经磨损之后，组合刀片或单独刀片的母体刀片材料将产生支承面。在另一个实施例中，通过高压/高温将碳化钨层压到PDC刀具面上。该方法的缺点将在下文中讨论。在另一个实施例中，PDC刀具嵌入保护的碳化钨插入物材料的环的中心。在刀具嵌入碳化钨的环中的情形中，刀具的PDC部分表面完全暴露，并且受到在钻出期间遇到的金属碎片的伤害。此外，随着组合元件进入地层和碳化钨环开始磨损，在钻头的整个寿命中，碳化钨的支承面与PDC金刚石层并存，并邻近PDC金刚石层。此外，碳化钨的围绕环或是减少了可以放置在刀片上或整个钻头面上的刀具总数，或是减小了可用于地层切割的PDC金刚石层的直径。这两种选择的任一种带来的损害都偏离标准PDC钻头设计。

Haugen等人的美国专利5,887,668描述了铣削钻头，其具有在钻头下面的牺牲性鼻椎体，用于铣削窗口的切割结构，以及在某些实施例中的为了在地层中向前钻的切割结构。Haugen所描述的钻头就是为了用于这些操作。

Desai等人的美国专利6,612,383描述了利用面对着粘合的碳化钨层的PDC刀具的双重功能切削型钻头。这些刀具被描述为在高温/高压压力机中来生产。该方法的缺点将在下文中讨论。

Hart等人的美国专利7,178,609描述了开窗铣刀和钻头，其使用用于铣削的主切削结构分开的刀片或刀具组和用于地层钻孔的副刀片或刀具组。此外，Hart描述了连接方法，借此铣刀利用保险螺栓连接至造斜器突出物，保险螺栓直接连接至为建立铣刀工作面上的缓冲区而配置的螺纹套节。

McClain等人的美国专利申请公开2006/0070771描述了具有套管部件钻出能力的地钻钻头及其使用方法(Earth Boring Drill Bits with CasingComponent Drill Out Capability and Methods of Use)。旨在穿透钻井孔设备的切割元件均是单独配置的，是比旨在给地层钻孔的刀具更加高度暴露的装置。

McClain等人的美国专利申请公开2007/0079995描述了套管部件钻出而构造的切割元件和包括其的地钻钻头(Cutting Elements Configuredfor Casing Component Drillout and Earth Boring Drill Bits Including Same)。‘995的图7A和图7B示出了粘合的刀具，其中主要的超硬磨料元件粘合底座磨料元件，底座磨料元件伸出超过圆形的前超硬磨料元件的顶部。

Scott的美国专利申请公开2008/0308276指出“与提供钻头上的两组切割元件相关的一个缺点......是在套管或套管部件和周围接合剂穿透之后无法提供用于地层钻孔的最佳切割元件设计。这个问题证明其本身不仅存在达到最佳切割作用的问题，而且由于存在所需的两组切割元件，还存在当寻求到任何大的穿透速率(ROP)时使钻头液压系统利用钻孔流体有效清理地层碎屑也存在问题。”Scott的缺点解决方法是提供具有构造有(通过涂层、沉淀或HPHT粘合)不反应的超硬磨料材料(如立方氮化硼)的钻孔钻头，镀上或配置有额外的金刚石切割材料(如PDC)。换句话说，该解决方法需要专门的、非传统的PDC刀具。该解决方法可能无法改装成标准的PDC钻头，而是必须替代标准的PDC刀具。

概括地总结，该领域的现有技术中提出的解决方法分成两类：1)使过度暴露(overexposed)金属(一般是碳化钨)元件的额外的独立结构(包括单独的套节、底托、刀片、和/或预先粘合的元件)保护轴向的主要PDC刀具和/或完成最初的铣削任务。在这些实例中，可以从钻头上移除超硬磨料元件，并且留下独立的切割结构。2)使贴有粘合(一般通过HPHT方法)的碳化钨或其他可以在传统的金刚石(一般是PDC)之前完成铣削任务的非金刚石材料的特殊PDC刀具来切割地层。

需要根据存在于PDC钻头领域的知识来评估这些方法。一些要点如下：

已经证明，即使轻微围绕PDC刀具边缘都可以通过显著且不利的方式降低在很多地层中的穿透速度。

已经证明，PDC优于碳化钨和立方氮化硼(CBN)或用于地层钻孔的其他超硬磨料材料。

已经证明，钻头的低效率的清洁和冷却不利地影响钻进速度和钻头寿命。

已经证明，接触岩壁的非地层切割元件通过建立钻头面的非切割负荷支承面来产生热并限制钻入速度。

已经证明，力平衡的PDC钻头比力不平衡的PDC钻头持续更久且执行地更好。

已经证明，任何类型的绝热切削尖端可以加快PDC金刚石的磨损速度和热变质。可以参考SPE 16699 Sinor和Warren的“Drag Bit WearModel”以及SPE11947 Glowka和Stone的“Thermal Response ofPolycrystalline Diamond Compact Cutters Under Simulated DownholeConditions”，其公开整体以引用方式包括进本发明。由此得出结论，压到PDC金刚石层表面上的碳化钨层或任何其他具有比金刚石较低导热性的材料将作为贯穿外层寿命的隔热层，外层寿命很可能与金刚石层的有效寿命相一致。

已经证明，粘合金刚石和碳化钨的HPHT过程在分界面留下残留应力。

已经证明，由冲击力或粘合的碳化钨中的残留应力引起的破裂可以传播至金刚石层，导致大碎屑和金刚石尖端故障。

众所周知，10°至25°范围内的后倾斜角最适合进行钻孔岩层，而2°至7°范围的后倾斜角最适合机加工金属。由此得出结论，其中平面碳化钨层或其他材料已经被平坦地压在PDC刀具的金刚石层上的刀具将在定义上具有与在下面的刀具相同的后倾斜角度。当配置在铣钻刀具上时，这些刀具将在定义上具有对于金属切削或是岩石切割而言的非最佳后倾斜角。

已经证明，即使当主要是由非黑色金属材料制造的套管鞋钻头钻出时，在套管鞋钻头上配置的PDC刀具的碳化钨基底可以损坏正用于完成钻出的钻头的PDC刀具。即使过度暴露的碳化钨的切割结构配置在钻出钻头上，也会发生这种情况，因为释放的套管鞋钻头的PDC刀具可以围绕在钻出钻头下面转动，并且通过冲击PDC刀具面可以容易地冲击和损坏钻出钻头的PDC刀具。

已经证明，包括浮动设备、鞋轨迹、套管鞋、套管铰刀、阶段固井设备、单次性或一次性的马达或涡轮机或退出窗口的所有钻出应用可以对标准的PDC钻头产生损坏。即使当在设计和材料替代方面做出很大的努力使得设备更易于钻出，仍然会是这种情形。使用铝、酚醛树脂和其他材料已经有助于限制对PDC钻头的损坏，但仍然存在在已经钻出之后对地层钻孔时降低PDC钻头的性能和有效寿命的损坏可能性。

评估上面提供的要点证明上面讨论的现有技术的解决方法全部体现了重要设计或结构的折衷，该折衷显著降低地层钻孔中钻头的潜在性能，在地层钻孔中将耗去其无论是以旋转时间还是以钻孔距离衡量的大部分寿命。现有技术的解决方法需要对钻头的设计布局的侵入式改进或用在定义上对地层切割而言非最佳的专门刀具来替代。

需要的是允许使用标准的PDC刀具和地层最佳的PDC钻头设计的解决方法，无需产生寿命长的支承面。该解决方法应当能够容易地改装现有的钻头或钻头设计，并且早在柱套管/套管相关设备铣削和钻孔的过程中，提供基本的刀具尖端和刀具面保护、有效和快速的铣削、以及从钻头或钻头的刀具可预知的和完全的分离。

发明内容

能够安装由合适材料制造的盖(例如碳化钨盖、碳化钨或尖端为CBN的盖、或类似的合适盖)作为现存的标准PDC钻孔钻头的PDC切割结构的整体部分。盖固定在PDC刀具，PDC刀具包含金刚石面和下面的碳化钨基底。盖可以覆盖，而不是直接粘合，PDC刀具的大体整个金刚石面。或者，盖可以覆盖，而不是直接粘合，PDC刀具的大于50％的金刚石面。或者，盖可以覆盖，而不是直接粘合，PDC刀具的大概50％的金刚石面。或者，盖可以覆盖，而不是直接粘合，小于50％的PDC刀具的金刚石面。盖凭借盖和PDC刀具的碳化钨基底之间的粘接作用而保持在PDC刀具上适当的位置。更具体地，盖的一部分(不是金刚石面上的部分)粘合安装的PDC刀具的碳化钨基底的暴露在钻头主体的外面的一部分或大部分。

盖可以安装到任何PDC刀具上，PDC刀具包括固定在基底(例如碳化钨基底)上的金刚石面，基底包括是任何下面类型之一的金刚石面：未沥滤了的、浅沥滤了的、深沥滤了的和完全沥滤了的。

在一个实施例中，盖是由高韧性、低耐磨的碳化钨材料制造。这种碳化钨材料可以含有14％-18％范围的钴。

在可替换的实施例中，盖主要是由钢(或镍或钛或任何其他合适的金属或合金)制造的。在一个实施例中，这种材料类型的盖可以额外地设置有碳化钨或CBN外部尖端。这种碳化钨或CBN外部尖端可以铜焊到金属底盖，或用紧固物(例如通过使用金属底盖面上的螺纹孔固定的螺钉)固定到金属底盖上。或者，碳化钨或CBN外部尖端可以热压、高压压、LS粘合或以其他方式粘附到金属底盖上。在外部尖端被铜焊或LS粘合到金属底盖上的实施例中，推荐使用熔点高于用于安装钻头的PDC刀具的铜焊材料的熔点的高温铜焊材料。

在优选的实施例中，利用熔点低于用于最初将PDC刀具铜焊到钻孔钻头主体的铜焊材料的熔点的铜焊材料将盖固定到钻孔钻头的PDC刀具的基底上。例如，如果利用具有熔点在1300华氏度到1330华氏度范围的铜焊材料对PDC刀具进行铜焊，那么则利用具有的熔点小于1250华氏度的铜焊材料将保护盖铜焊到PDC刀具的基底上。

在可替换的实施例中，利用LS接合器中的高温铜焊材料或通过本领域中已知的其他铜焊方法可以将盖预先安装在PDC刀具上。然后利用已知的铜焊方法和将刀具铜焊到钻头的温度可以将预先加盖的PDC刀具铜焊到钻头上。

在优选的实施例中，盖具有倾斜的面从而相对于铣削目标产生比下面的加盖PDC刀具的纵向前角更小的纵向前角。

在一个实施例中，盖的外部面可以是大致半球形状的。

在优选的实施例中，盖的外部尖端从PDC刀具的外部尖端偏移，即使当考虑刀具纵向前角时，其也是保护性的。偏移包含向前偏移(与金刚石台面垂直的方向)和圆周偏移(径向)。偏移量可以是例如至少0.030英寸。

在本发明的另一个实施例中，盖的正面可以具有不同于下面的刀具的横向前角的横向前角。换句话说，盖的正面部分的厚度可以在盖外侧比在盖内侧厚，反之亦然。

在又一个实施例中，盖的正面是向前偏移的(垂直于金刚石台面的方向)。然而，盖的切削尖端与PDC尖端对齐，或是定位在PDC尖端后方。盖尖端关于盖正面的偏移是通过使用中间的斜角、斜面、弧、或台阶来实现的。在所有实例中，盖的外部尖端是相对更靠近相应的PDC刀具的切割尖端的。其优点在于改装钻头使其具有盖时，最小地影响钻头的下面的力平衡特性。在铣削或钻出期间，钻头将从下面的力平衡设计中受益。这种设计的另一个被意识到的优势是通过在PDC刀具尖端后面稍微下降可以提高用于铣削目的的钻头的效率。外盖尖端将会被更好地定位从而剪掉金属表面，而不是挖除金属表面，这使得加工更有效率。

在优选的实施例中，盖或盖的外部尖端在其面上包括断屑槽类型的凹槽或凹陷，从而改善套管或套管相关设备的铣削/机加工。

在所有实施例中，盖并不粘合PDC金刚石层的面或周边，而是粘合PDC刀具的碳化钨基底。PDC金刚石并不附着/吸收(wetable)标准的铜焊材料。主要方面是PDC刀具表面可以由盖的第一部分来保护，而不是盖直接粘合该面。在该实施中，连接(例如，与其整体形成)至第一部分的盖的第二部分例如通过铜焊而固定到PDC刀具的碳化钨基底。

在某些实施例中，盖的第二部分也粘合PDC刀具面下方的刀具腔的底部。在某些实施例中，更短的基底PDC刀具用于增加在刀具腔底部的盖的粘合面积。在某些实施例中，孔的底部构造为增加在相同位置的盖的可用粘合面积。

在优选的实施例中，铜焊材料用于将盖铜焊到刀具基底上，也粘附至邻近PDC金刚石层的面和周边的盖的第一部分的内表面。该铜焊材料，尽管不是用于将盖的第一部分固定在金刚石层面，但在盖铣削套管或套管相关的设备时提供了薄的缓冲层限制冲击负荷转移至金刚石层。

在优选的实施例中，盖包括在安装期间改进铜焊材料流入盖的内部匹配面的孔或槽。在优选的实施例中，这些相同的孔或槽构造为在铣削完成之后和当盖开始遇到岩层时，加速盖的碎裂或脱落，尤其是第一部分。

在某些实施例中，锯齿状突起或凹槽也用于盖的构造中，从而提高铣削性能和产生预定的破裂面从而更好地允许盖在地层钻孔开始就碎裂。盖上的凹槽或锯齿状突起也提高了盖在铣削操作期间的冷却和清洁性能。

在某些实施例中，盖可以配置在钻头的上铰刀部分或后铰刀部分，从而提高钻头向后铣削穿过铣削碎片、造斜器附件设备，或向后拉穿过套管开窗或被钻孔的套管相关设备的能力。

盖满足前述背景部分阐述的标准，因为其并不改变用于将被钻孔的地层的钻头设计或选择。不改变钻头下面的力平衡。进一步留下很小或没有支承面，从而降低了在钻孔地层时的穿透速度。盖只最低限度地作为部分金刚石面的热绝缘体，并且只是当盖仍是完整的时。盖并不粘合金刚石表面，因此不倾向于将应力断裂传送至金刚石表面。盖不会干扰钻头的整个液压结构，并且最小地影响钻头液压装置，当在地层钻孔期间盖损坏和脱落时，影响将会消失。盖不需要专用PDC刀具或刀具基底上的专用非圆柱形附加物。盖不需要使金刚石与其他超硬磨料(superabrasive)材料的混合来实现铣削。盖能够使PDC钻头完成铣削步骤而不增加刀具尖端被圆整的可能性，粘合至PDC刀具面的碳化钨薄层或其他非金刚石材料中会发生这种情况。盖保护PDC刀具的尖端免受释放的PDC刀具或浸透(impregnated)部分或在钻出套管相关设备期间产生的其他金属碎片所造成的损伤。

附图说明

图1示出了PDC刀具的侧视图；

图2-5示出了用于PDC刀具上的盖部分的不同形状；

图6和图7示出了在盖的正面上形成的断屑槽类型的凹槽或凹陷；

图8示出了盖的可选横向前角特征；

图9和图10分别示出了盖的可替换实施例的端视图和侧视图；

图11和图12分别示出了盖的可替换实施例的端视图和侧视图；和

图13示出了包括具有盖的刀具的钻孔/铣削钻头。

具体实施方式

现在参考图1，其中示出了安装钻孔/铣削钻头(像图13中所示)的腔102的PDC刀具100的侧视图。PDC刀具100包含金刚石台层104(或金刚石面)和下面的基底106，基底可以由碳化钨材料制造。刀具腔102在钻头主体上形成，钻头主体可以由脉石(matrix)中的碳化钨制造。根据需要，金刚石台层104可以是未沥滤的、浅沥滤的、深沥滤的、或完全沥滤了的。PDC刀具和具有腔的钻头主体的结构对本领域的技术人员而言是熟知的，除了理解本发明所必要的以外将不会进一步详细描述。

PDC刀具100一般通过铜焊固定在刀具腔102内，但是可以使用其他方法。用于将PDC刀具100固定在腔102内的铜焊材料108一般具有的熔点范围在1300华氏度至1330华氏度之间。超过比例示出图1中的铜焊材料的厚度，为的是使其位置和存在清晰可见。

图1进一步示出了已经安装在PDC刀具100上的盖110。应当理解，在第一种实施例中，盖110可以在PDC刀具100已经固定到钻头主体的刀具腔102之后被安装在PDC刀具100上。或者，在第二种实施中，盖110在组合的刀具盖组件固定在钻头的刀具腔102之前就安装在PDC刀具100上。因此，第一种实施例例如表示改装所制造的PDC钻头，以包括在所包括的PDC钻头的期望PDC钻头上的盖。相反地，第二种实施例例如表示制造新的PDC钻头，其包括在所选位置上的加盖PDC刀具。

图1具体地示出了碳化钨盖(如，由碳化钨材料制造的盖)的使用。盖110的材料可包含高韧性、低耐磨的碳化钨材料，例如含有钴的百分比在14％-18％之间的碳化钨材料。盖110可以具有任意期望的形状，并且几个不同形状和结构在这里被讨论。或者如这里更详细地讨论的，盖110可以可替换地由金属(或金属合金)材料制造。更进一步，金属/金属合金盖110可以包括碳化钨或CBN尖端。盖110可以可替换地由另一种合适的材料(盖的材料的非限制实例包括：钢、钛、镍和钼)来制造。

盖110通过PDC刀具的盖和基底106之间的粘结作用保持在PDC刀具100上的合适位置。更具体地，盖110的一部分粘合于所安装的PDC刀具的基底106的暴露在钻头主体外部(如，刀具腔102外部)的一部分或大部分。在一个实施例中，盖110通过铜焊至基底(例如，碳化钨基底)而连接至PDC刀具100。用于将盖固定到至少PDC刀具的基底上的铜焊材料108一般具有低于1250华氏度的熔点(因此低于用于将PDC刀具固定在刀具腔中的铜焊材料的1300华氏度至1330华氏度的熔点范围)。这允许盖110在盖安装期间被铜焊至已经安装的刀具上，而不会冒将安装的刀具从腔102中松开的风险。超过比例示出图1中所示铜焊材料的厚度，为的是使其位置和存在清晰可见。

优选地，盖110不被铜焊(即，不被连接)至PDC刀具100的金刚石台层104。而是，超过PDC刀具的金刚石台层104正面的盖110的第一部分简单地搁置在邻近面的位置，而超过基底106的盖的第二部分通过粘合剂固定于基底上。在该情况中，应当认识到，PDC金刚石不会附着/吸收标准的铜焊材料。重要的是，PDC刀具的金刚石台层面是由盖保护的，但盖并不直接粘合至面。盖110的邻近PDC刀具100的基底106的第二部分(被铜焊和连接至基底材料)可以进一步通过铜焊在刀具腔后面区域中连接至钻头主体(参见附图标记50)。盖的第一部分也可以通过铜焊连接至刀具腔(更具体地，在PDC刀具面下面的刀具腔的底部，附图标记52)。在某些实施例中，更短的基底PDC刀具用于增加盖在刀具腔底部的粘合区域。在某些实施例中，腔底部构造为增加在相同位置的盖的可用粘合区域。

某些铜焊材料108可以方便地位于PDC刀具100的盖110和金刚石台层104的正面之间，但是该材料并不用于将盖固定于金刚石台层上。在优选的实施例中，用于将盖铜焊至刀具基底上的铜焊材料也粘附至盖邻近PDC金刚石台层的金刚石台面(diamond table face)及其周边的内表面。该铜焊材料提供薄的缓冲层限制冲击负荷转移至金刚石层，同时盖还用于铣削套管或套管相关设备。一旦完成铣削操作，钻头开始进行地层钻孔，盖(至少超过金刚石台面)就磨损或脱开，以便于允许金刚石台起到主要切割结构的作用。用这种方式，钻头可以首先用于铣削(用盖)，然后用于钻孔(用金刚石台)，于是不需要使用且然后将专用铣削钻头从孔中拉出。

在可替换的实施例中，使用LS接合器中的高温铜焊材料108或通过本领域中已知的其他铜焊方法可以将盖110预先固定在PDC刀具100上。然后利用已知的铜焊方法和将刀具铜焊至钻头中的温度可以将预先加盖的PDC刀具铜焊至钻头的刀具腔102中。

关于盖110的形状和结构，盖可以大体覆盖，但不是直接粘合，PDC刀具100的全部金刚石面104。或者，盖110可以覆盖，但不是直接粘合，超过PDC刀具100的金刚石面104的50％。或者，盖110可以覆盖，但不是直接粘合，PDC刀具100的金刚石面104的大约50％。或者，盖110可以覆盖，但不是直接粘合，少于PDC刀具100的金刚石面104的50％。具有不同覆盖百分比的不同形状的实例在图2和图3中示出。

图2示出了位于PDC刀具100的金刚石面104上的盖110部分的矩形形状。图3示出了位于PDC刀具100的金刚石面104上的盖110部分的梯形形状。图2和图3都是朝着金刚石面沿着PDC刀具纵轴线向下观看的端视图。而且，在图2和图3中，为了清晰起见，已经放大用于将PDC刀具固定在刀具腔中的铜焊材料的厚度。

其他几何形状也可以用于提供差不多或不同的金刚石面的覆盖范围。例如，可以参考图4和图5。

图4示出了位于PDC刀具100的金刚石面104上的盖110部分的弯曲段(眉毛状)形状。图5示出了位于PDC刀具100的金刚石面104上的盖110部分的椭圆形形状。图4和图5都是朝着金刚石面沿着PDC刀具纵轴向下观看的端视图。而且，为了清晰起见，在图4和图5中已经放大用于将PDC刀具固定在刀具腔中的铜焊材料的厚度。

在优选的实施例中，盖110具有倾斜的面用于产生相对于铣削目标比下面的PDC刀具100的纵向前角更低的纵向前角。这在图6和图7中示出，其中图6示出了该实施例的端视图，并且图7示出了该实施例的侧视图。尽管图6还示出了盖的另一种不同形状，应当认识到，图7中所示的提供较低的纵向前角的盖的不同倾斜面(关于金刚石台)同样适用于图1-5中所示的任何期望盖形状。金刚石台面和盖正面之间的角度差可以从几度到十度到二十度的范围。

图6和图7还示出了可选地存在的断屑槽120类型的凹槽或凹陷，其在盖120的外尖端处靠近切削刃形成在盖110的正面中。该结构可以提高套管或套管相关设备的铣削/机加工时的性能。在可替换的实施例中，锯齿或凹槽可以在盖的结构中，从而不仅提高铣削性能，还产生预定的破裂面从而更好地允许盖在完成铣削操作和开始地层钻孔时碎裂。盖上的这种凹槽或锯齿也可以在铣削操作期间提高盖的冷却和清洁性能。

图6还示出了盖110的另一种形状结构。在该情形中，盖的外边缘形状是半椭圆，其主轴是朝着切割尖端定位的。或者，该半椭圆可以作为替代包含半球形形状。提供的切去部分122从该不完全的切掉形状延伸，切去部分具有与盖的外边缘形状大体相同的几何形状。

尽管在前述的图1-7中未具体地示出，但是应当理解，盖110的正面可以形成为包括与下面的PDC刀具100的横向前角不同的横向前角。换句话说，盖的正面部分的厚度在盖的一侧(例如，外侧)大于盖的另一侧(例如，内侧)。该可选的横向前角特征在图8中用虚线160示出。

在优选的实施例中，盖110包括孔或槽130，当安装孔或槽时，其改善了铜焊材料流入盖的内部啮合面的流。在优选的实施例中，这些相同的孔或槽130构造为在完成铣削和当盖开始遇到岩层时加速盖的碎裂和脱落。这在图8中示出，图8示出了包括孔/槽130的盖110的侧视图。

图8提供了盖结构的放大的侧视图。盖110包括设定为互相垂直的两个内表面。与盖的第一部分133相关的那些垂直内表面的第一个132定位为邻近PDC刀具的金刚石台面(在图8中未示出)。与盖的第二部分135相关的那些垂直的内表面的第二个134定位为邻近PDC刀具的侧面。盖的正表面136被设定为相对于第一垂直表面132成锐角，为的是提供与金刚石台面的纵向前角相比较的期望的纵向前角。盖的侧表面138相对于第二垂直表面134成锐角。成角度的正表面136和侧表面138的组合使得盖朝着盖110的第一部分133和第二部分135相遇的尖端140变厚。在一个实施例中，正表面136和侧表面138可以在盖110的尖端140处相遇。或者，如图8中所示，一般平行于第二个垂直表面134的额外表面142在盖的尖端部分连接成角度的正表面136和侧表面138。盖是包含在尖端部分互相连接的第一部分和第二部分的整体形成的物品。

在优选的实施例中，盖的外部尖端140从其保护的PDC刀具的外尖端圆周向前，即使考虑刀具的后倾角时。如果画一条穿过PDC的切割尖端的垂直于钻头轮廓的线，并且画一条穿过相应的刀具盖的外部尖端的垂直于钻头轮廓的线，那么在该实施例中这些线是基本平行的，并且穿过刀具盖的外部尖端的线与穿过PDC刀具尖端的线的径向偏移距离至少为0.030英寸。而且，在优选的实施例中，盖的外部尖端是朝着垂直于金刚石台面的方向从PDC刀具的刀具尖端向前偏移至少0.030英寸。

上面讨论的实施例强调将碳化钨材料用于盖。在可替换的实施例中，作为替代盖，主要由钢(或镍或钛或任何其他合适的金属或合金)来制造。对比碳化钨盖，某些铣削操作可以用金属更好地执行。这种盖可以具有图8中所示的形状和结构。

在可替换的实施例中，由金属/金属合金材料制造的盖180可以额外地设置有碳化钨或CBN外部尖端182。该实施例在图9和图10中示出，其中图9示出了该实施例的端视图，图10示出了该实施例的侧视图。这种碳化钨或CBN外部尖端182可以在尖端部分铜焊至金属底盖180，或用紧固物(例如通过使用金属底盖面上的螺纹孔固定的螺钉)固定在其上。或者，碳化钨或CBN外部尖端182可以在尖端部分被热压、高压压、LS粘合或用其它方式粘附至底盖180材料。在外部尖端铜焊或LS粘合至金属底盖的实施例中，推荐使用具有高于铜焊材料熔点的熔点的高温铜焊材料将PDC刀具固定在钻头中。

图9和图10的盖结构可以如上面关于图8讨论的那样具有相同的前向偏移和径向偏移。

现在参考图11和图12。还是在另一个实施例中，盖的正面从金刚石台面偏移(例如，偏移0.030英寸的距离)，但是盖的最外部尖端或是与PDC尖端径向对齐或是从PDC尖端的向后偏移(如，其在相应的PDC刀具的切割尖端后面一定距离，如附图标记190所标示)。在这些例子的任一个中，盖的外部尖端的位置离尖端的正面的距离差是通过使用介于中间的斜角、斜面、弧形或阶梯来完成的。在所有实例中，盖的外部尖端比现有技术的任何未粘合的单独或增加的基底切割结构都更靠近相应的PDC刀具的切割尖端。优势在于，当改装钻头使其具有盖时，最小地影响钻头下面的力平衡特性。在铣削或钻出期间，钻头将从下面的力平衡布局中受益。该布局的另一个可见优势在于，通过使PDC刀具稍微向后可以提高用于铣削目的的尖端的有效性。将更擅长定位外部盖尖端，从而剪切掉金属表面而不是挖除金属表面，这使得加工更有效。

在某些实施例中，盖110可以配置在钻头的上铰刀部分或后铰刀部分，从而提高钻头向后铣削穿过铣削碎片、造斜器附件设备，或向后拉穿过套管开窗或钻孔的套管相关设备的能力。

应当认识到，可以容易地改装现存的钻头或钻头设计来接收盖110。盖足够稳健以至于能完成所请求的铣削任务，同时在完成铣削和钻头向前移动用于铣削地层时，盖在结构上预先倾向于加速碎裂和脱落。钻头被改装带有盖用于钻出钢体套管鞋钻头(casing shoe bit)或由其他材料构造的套管鞋钻头，这扩展了套管钻孔操作的套管鞋钻头选择。本发明的钻头也可以用于单程铣削钻系统中，在该系统中钻头连接在造斜器顶部，用于在孔中运行。

包括这里所描述的盖的PDC钻头可以有利地用于组合的铣削和地层钻孔操作中。由此，提供具有多个PDC刀具钻头的PDC刀具，用于连接至钻柱或其他钻孔设备，其中某些刀具包括连接至PDC刀具的铣削盖。铣削盖构造为用于位于孔中的套管相关部件的铣削操作，但对于地层钻孔操作不是最佳的。钻头被旋转，并且钻头上的铣削盖用于执行套管相关部件上的下向孔铣削操作。在套管相关部件的铣削之后，继续用钻头钻孔从而对下面的地层进行钻孔。重要的是，使用的是同一钻头，并且因此在重新开始地层钻孔之前不需要将钻头从孔中拉出。地层钻孔引起钻头上的铣削盖被毁坏，因此暴露出PDC刀具的金刚石台表面，其随后与地层接合。

现在参考图13，示出了PDC钻孔/铣削钻头。该钻孔/铣削钻头包括钻头主体，其包括多个刀具腔(例如，定位在径向延伸的刀片上)。每个刀具腔可以支持这里所描述类型的PDC刀具的安装，其可以包括保护性的铣削盖和允许钻孔/铣削钻头最初起到铣削工具(利用盖结构)的作用，然后起到钻孔工具(在盖已经破碎或磨损之后利用下面的PDC金刚石台)的作用。图11的PDC钻孔/铣削钻头以示例性的方式示出为完全的打孔工具。然而，应当理解，这里利用PDC刀具上方的铣削盖所描述的钻孔/铣削方案同样地适用于利用PDC刀具的任何向下打孔工具。例如，该钻孔/铣削方案可以关联向下打孔工具使用，打孔工具包括：双中心钻头、套管鞋钻头、PDC铰刀、PDC钻孔具、可扩展的铰刀、PDC设置稳定器、PDC设置导块、和铰刀导块。更具体地，该钻孔/铣削方案适用于期望与先前所述的任何“套管”或“套管相关部件”接合或接触的向下打孔工具。

将被进一步理解的是，铣削盖可能需要以如下方式在PDC刀具(例如，相对于向下打孔工具的刀具腔中的安装)上定向，即阻止PDC铣削/钻孔钻头(即，向下打孔工具)超过尺寸(go over gage)或者超过通过直径(drift diameter)(即，可以被“通过”的套管的内部直径，或套管内部的最狭窄的直径)上移动。

上面已经描述并示出了本发明的实施例。本发明不限于所公开的实施例。

Claims (31)

1.一种装置，其包含：

盖结构，该盖结构被构造为安装在包括金刚石台层和下面的基底层的PDC刀具上，所述盖结构包括被成形以覆盖但并不附接至金刚石台层的正面的第一部分以及从所述第一部分垂直延伸并被成形以覆盖和附接至所述下面的基底层的外部周边表面的第二部分。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包含所述PDC刀具和用于将所述盖结构的所述第二部分附接至所述PDC刀具的所述外部周边表面的材料。

3.根据权利要求2所述的装置，其中用于附接的所述材料是铜焊材料，并且该铜焊材料也存在于所述盖结构的所述第一部分和所述金刚石台层的所述正面之间，从而在所述盖结构的所述第一部分和所述金刚石台层的所述正面之间提供介于其间的缓冲层，而不将所述盖结构的所述第一部分附接至所述金刚石台层的所述正面。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，用于附接的所述材料是铜焊材料，并且其中所述盖结构的所述第二部分包括至少一个开口，用于使在所述盖结构的所述第二部分和所述外部周边表面之间进行附接的铜焊材料流动。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述盖结构具有正面，并且其中所述盖结构的所述正面平行于位于所述金刚石台层上的所述第一部分的背面。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述盖结构具有正面，并且其中所述盖结构的所述正面不平行于位于所述金刚石台层上的所述第一部分的背面。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述盖结构的不平行正面提供与所述金刚石台层的所述正面所提供的纵向前角不同的纵向前角。

8.根据权利要求6所述的装置，其中所述盖结构的不平行正面提供与所述金刚石台层的所述正面所提供的横向前角不同的横向前角。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述盖结构进一步包括冷却和清洁结构特征。

10.根据权利要求1所述的装置，进一步包含所述PDC刀具，并且其中所述盖结构进一步包括结构特征，该结构特征加速所述盖结构的至少未附接的第一部分从所述PDC刀具上的碎裂和脱落。

11.根据权利要求1所述的装置，进一步包含所述PDC刀具，并且其中所述盖结构的所述第一部分覆盖所述金刚石台层的所述正面的多于大约50％。

12.根据权利要求1所述的装置，进一步包含所述PDC刀具，并且其中所述盖结构的所述第一部分覆盖所述金刚石台层的所述正面的少于大约50％。

13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述盖结构的所述第一部分具有从以下形状中选出的形状：矩形、梯形、卵形、椭圆形、弯曲段形、半椭圆形和半球形。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述盖结构是由碳化钨材料制造的。

15.根据权利要求1所述的装置，其中所述盖结构是由金属/金属合金材料制造的。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述盖结构进一步包括安装至金属/金属合金盖材料的碳化钨外部尖端。

17.根据权利要求15所述的装置，其中所述盖结构进一步包括安装至金属/金属合金盖材料的CBN外部尖端。

18.根据权利要求1所述的装置，其中所述盖结构进一步包括与大部分盖结构形成的材料不同的材料制造的外部尖端。

19.根据权利要求18所述的装置，其中不同材料的所述外部尖端从所述盖结构的所述第一部分的正面向后偏移。

20.根据权利要求19所述的装置，其中所述偏移使不同材料的所述外部尖端布置在位于所述金刚石台层上的所述第一部分的背面之后。

21.根据权利要求18所述的装置，其中不同材料的所述外部尖端与所述盖结构的所述第一部分的正面在同一平面内对齐。

22.一种方法，其包含：

提供PDC刀具钻孔钻头，其具有多个PDC刀具，其中一些刀具包括附接至所述PDC刀具但不是所述PDC刀具的金刚石台表面的铣削盖，其中，所述铣削盖构造为进行铣削操作，但对于地层钻孔操作不是最佳的；

利用所述钻孔钻头上的铣削盖执行向下打孔铣削操作；和

在完成所述向下打孔铣削操作之后，继续用同一个钻孔钻头对地层进行钻孔，所述对地层钻孔使得所述铣削盖的至少未附接至所述金刚石台表面的一部分被毁坏，从而暴露出所述PDC刀具的金刚石台表面，用于所述地层接合。

23.根据权利要求22所述的方法，进一步包含在所述铣削盖上形成结构，该结构响应于钻孔钻头接合所述地层而加速所述铣削盖的毁坏。

24.一种钻孔钻头，其包含：

包括刀具腔的钻头主体；

具有金刚石台层和下面的基底层的PDC刀具，所述PDC刀具安装在刀具腔中；和

铣削盖结构，其包括覆盖但不附接至所述金刚石台层的正面的第一部分和连接至所述第一部分的第二部分，所述第二部分附接至下面的基底层的外部周边表面。

25.根据权利要求24所述的钻孔钻头，其中具有第一熔点的第一铜焊材料用于将所述基底层安装到所述刀具腔中，并且具有第二熔点的第二铜焊材料用于将所述铣削盖的所述第二部分安装到所述基底层上。

26.根据权利要求25所述的钻孔钻头，其中所述第二熔点低于所述第一熔点。

27.根据权利要求24所述的钻孔钻头，进一步包含在所述铣削盖的所述第一部分和所述金刚石台层之间的缓冲材料。

28.根据权利要求27所述的钻孔钻头，其中所述缓冲材料是用于将所述铣削盖的所述第二部分安装到所述基底层的铜焊材料。

29.根据权利要求24所述的钻孔钻头，进一步包含在所述铣削盖中形成的加速所述铣削盖的毁坏的结构。

30.根据权利要求24所述的钻孔钻头，其中所述铣削盖结构的正面具有与所述金刚石台层的所述正面不同的纵向前角。

31.根据权利要求24所述的钻孔钻头，其中所述铣削盖结构的正面具有与所述金刚石台层的所述正面不同的横向前角。

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