Pdc鉆頭上的牙輪的放置的制作方法【專利摘要】一種切割工具可包括工具主體和多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件；該工具主體具有徑向延伸的多個(gè)刀片，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件安裝在該多個(gè)刀片中的至少一個(gè)上，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以大約10度到大約30度或-10度到大約-30度的側(cè)傾角度在切割工具的鼻部和/或肩部區(qū)域中安裝在所述至少一個(gè)刀片上?！緦＠f(shuō)明】PDC鉆頭上的牙輪的放置【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本文公開的實(shí)施例總體上涉及用于對(duì)地質(zhì)地層鉆井的切割元件。更具體地，本文公開的實(shí)施例總體上涉及具有安裝在其上的可旋轉(zhuǎn)切割元件的旋轉(zhuǎn)鉆頭?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]用于穿過(guò)地質(zhì)地層鉆出井眼的鉆頭通常在鉆頭結(jié)構(gòu)的兩大類之一內(nèi)形成。第一種類型的鉆頭通常稱為"牙輪"鉆頭，其包括鉆頭主體，該鉆頭主體具有可旋轉(zhuǎn)地安裝至鉆頭主體的一個(gè)或多個(gè)牙輪。鉆頭主體通常由鋼或其它高強(qiáng)度材料形成。牙輪也通常由鋼或其它高強(qiáng)度材料形成，且包括布置在牙輪附近所選位置處的多個(gè)切割元件。切割元件可以由與牙輪相同的基材形成。這些鉆頭通常稱為"銑齒"鉆頭。其它的牙輪鉆頭包括"鑲齒"切割元件，其壓力（干涉）配合至形成的孔中和/或機(jī)械加工至牙輪中。鑲齒可以由例如碳化鎢、天然或合成的金剛石、氮化硼或硬材料或超硬材料中的一個(gè)或組合來(lái)形成。[0003]第二種類型的鉆頭通常稱為"固定切割器"或"刮刀"鉆頭。這種鉆頭沒(méi)有移動(dòng)的元件，而具有由鋼或另一種高強(qiáng)度材料形成的鉆頭主體和在所選位置處附連到鉆頭主體的切割器（有時(shí)被稱為切割器元件、切割元件或鑲齒）。例如，切割器可形成有由碳化物（例如，碳化鎢）制成的基體或支撐柱以及由沉積在基體上的或在界面處結(jié)合到基體的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(tái)面"。[0004]圖la中示出了具有包括超硬工作表面的多個(gè)切割器的現(xiàn)有技術(shù)刮刀鉆頭的一個(gè)實(shí)例。鉆頭10包括鉆頭主體12和形成在鉆頭主體12上的多個(gè)刀片14。刀片14由通道或縫隙16分開，以使得鉆井流體能在它們間流動(dòng)并清潔和冷卻刀片14和切割器18。切割器18以預(yù)定的角度方位和徑向位置保持在刀片14中，以使工作表面20相對(duì)于待鉆的地層具有需要的后傾角度。典型地，工作表面20通常垂直于圓柱切割器18的軸線19和側(cè)表面21。因此，工作表面20和側(cè)表面21匯合或相交以形成圓周布置的切割邊緣22。[0005]噴嘴23典型地形成在鉆頭主體12中且位于縫隙16中，使得可在切割刀片14之間泵送流體以在所選的方向上且以所選的流動(dòng)速率排放鉆井流體用于潤(rùn)滑和冷卻鉆頭10、刀片14以及切割器18。鉆井流體也隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)和穿透地質(zhì)地層而清潔和去除鉆屑。定位縫隙（其也可稱作"液體通道"），用以為鉆井流體提供額外的流動(dòng)通道并且用以為地層鉆屑提供通道，以經(jīng)過(guò)鉆頭10朝向井眼的地面（未示出）行進(jìn)。[0006]鉆頭10包括柄部24和冠部26。柄部24典型地由鋼或基質(zhì)材料形成，且包括螺紋銷部28用于附連到鉆柱。冠部26具有切割面30和外部側(cè)表面32。選擇用于形成鉆頭主體的特別材料以提供足夠的韌性，同時(shí)提供良好的耐研磨和耐腐蝕磨損性。例如，在使用超硬切割器的情形下，鉆頭主體12可由在合適的模具形式之內(nèi)滲入結(jié)合劑合金的粉末狀碳化鎢（WC)制成。在一種制造工藝中，冠部26包括多個(gè)孔洞或凹坑34,其尺寸和形狀適于接收相應(yīng)的多個(gè)切割器18。[0007]切割器18的組合的多個(gè)表面20有效地形成了鉆頭10的切割面。一旦形成冠部26,則將切割器18布置在凹坑34中，且通過(guò)任何合適的方法固定，例如，通過(guò)銅焊、結(jié)合劑、機(jī)械措施（例如，干涉配合方式）等。描述的設(shè)計(jì)提供了相對(duì)于冠部26的表面傾斜的凹坑34。凹坑34被傾斜，使得切割器18被定向成使工作面20在鉆頭10的轉(zhuǎn)動(dòng)方向上以需要的傾角定向，以便增強(qiáng)切割。應(yīng)理解的是，在一種可選的結(jié)構(gòu)中（未示出），每一個(gè)切割器可大體上垂直于冠部的表面，而超硬表面在切割器主體或柱上以一定的角度固定至基體，使得在工作表面處達(dá)到需要的傾角。[0008]圖lb中示出了一種典型的切割器18。該典型的切割器18具有圓柱形的硬質(zhì)碳化物基體主體38,其具有端面或上表面54,在本文中稱為"界面表面"54。超硬材料層（切割層）44(例如，多晶金剛石或多晶立方氮化硼層）形成工作表面20和切割邊緣22。超硬材料層44的底表面52結(jié)合到基體38的上表面54上。底表面52和上表面54在本文中總稱為界面46。切割層44的頂部暴露表面或工作表面20與底表面52相反。切割層44典型地具有平坦的或平面的工作表面20,但是也可具有彎曲的暴露表面，其在切割邊緣22處與側(cè)表面21匯合。[0009]-般說(shuō)來(lái)，用于制作切割器18的工藝使用碳化鎢主體作為基體38。碳化物主體放置成鄰近于超硬材料顆粒層（例如，金剛石或立方氮化硼顆粒）且該組合在使超硬材料顆粒熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力下經(jīng)受高溫。這導(dǎo)致再結(jié)晶和多晶超硬材料層（例如，多晶金剛石或多晶立方氮化硼層）直接形成在硬質(zhì)碳化鎢基體38的上表面54上。[0010]用于固定的切割器鉆頭的超硬工作表面20的一種類型如上文所描述地形成有位于碳化鎢基體上的多晶金剛石，通常稱為多晶金剛石復(fù)合片（PDC)、PDC切割器、PDC切割元件、或PDC鑲齒。使用上述PDC切割器18的鉆頭通常稱為PDC鉆頭。盡管切割器或切割器鑲齒18通常使用圓柱形的碳化鎢"坯"或基體38形成，該坯或基體38足夠長(zhǎng)以作為安裝柱40,但基體38也可以是在另一個(gè)界面處結(jié)合到另一個(gè)金屬安裝柱40的中間層。[0011]超硬工作表面20由多晶金剛石材料形成，成在界面46處結(jié)合到基體38的切割層44(有時(shí)稱為"臺(tái)面"）的形式。超硬層44的頂部提供工作表面20,且超硬層切割層44的底部在界面46處固定至碳化鎢基體38。基體38或柱40被銅焊或以其它方式結(jié)合在鉆頭主體12的冠部上的所選位置（圖la)。如上文參考附圖la所討論的，PDC切割器18典型地保持且銅焊到形成在鉆頭主體中的預(yù)定位置處的凹坑34中，為了接收切割器18的目的且使它們與地質(zhì)地層成一定的傾角。[0012]使用常規(guī)PDC切割器18的鉆頭10有時(shí)在磨損性和硬巖石中鉆井時(shí)通常遭遇的切割器溫度下不能維持足夠低的磨損速率。這些溫度可影響鉆頭10的壽命，尤其當(dāng)溫度達(dá)到700-750°C時(shí)，這導(dǎo)致超硬層44或PDC切割層的結(jié)構(gòu)故障。PDC切割層包括單獨(dú)的金剛石"晶體"，其是互相連接的。單獨(dú)的金剛石晶體因此形成晶格結(jié)構(gòu)。金屬催化劑（例如鈷）可用于促進(jìn)金剛石微粒的再結(jié)晶和晶格結(jié)構(gòu)的形成。因此，鈷微粒通常在金剛石晶格結(jié)構(gòu)中的間隙空間之內(nèi)發(fā)現(xiàn)。鈷與金剛石相比具有顯著不同的熱膨脹系數(shù)。因此，加熱金剛石臺(tái)面時(shí)，鈷和金剛石晶格將以不同的速率膨脹，這會(huì)引起裂縫形成在晶格結(jié)構(gòu)中且導(dǎo)致金剛石臺(tái)面劣化。[0013]申請(qǐng)人:已發(fā)現(xiàn)，在鉆井期間，很多切割器18在切割層經(jīng)受最高負(fù)載的區(qū)域處出現(xiàn)超硬材料切割層44的開裂、剝落、崩刃以及部分破裂。這個(gè)區(qū)域在本文中稱為"關(guān)鍵區(qū)域"56。關(guān)鍵區(qū)域56包括超硬材料層44的在鉆井期間接觸地質(zhì)地層的部分。關(guān)鍵區(qū)域56在鉆井期間經(jīng)受來(lái)自動(dòng)態(tài)正常負(fù)載的高幅度應(yīng)力和施加在超硬材料層44上的剪切負(fù)載。因?yàn)榍懈钇鞯湫偷匾砸欢▋A角嵌入刮刀鉆頭中，因此關(guān)鍵區(qū)域包括接近該層的圓周邊緣22的一部分且包括該層的圓周邊緣22的一部分的超硬材料層的一部分，其在鉆井期間與地質(zhì)地層接觸。[0014]關(guān)鍵區(qū)域56處的商幅度應(yīng)力單獨(dú)或與其它因素（例如，殘留熱應(yīng)力）一起可以導(dǎo)致穿過(guò)切割器18的超硬層44的裂縫58開始生長(zhǎng)。足夠長(zhǎng)度的裂縫可引起足夠大塊的超硬材料的分離，使得切割器18無(wú)效或?qū)е虑懈钇?8故障。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，可能必須終止鉆井操作以允許刮刀鉆頭的回收和無(wú)效或失效切割器的更換。高應(yīng)力、特別的剪切應(yīng)力還可導(dǎo)致超硬層44在界面46處脫層。[0015]在一些刮刀鉆頭中，PDC切割器18固定到鉆頭10的表面上，使得普通的切割表面在鉆井期間接觸地層。超時(shí)和/或當(dāng)對(duì)某些硬的但不必定高度磨損性巖石地層鉆井時(shí)，始終接觸地層的工作表面20的邊緣22開始磨損，形成局部磨損平面，或與切割元件的剩余部分不成比例磨損的區(qū)域。由于鉆頭有效穿透工作材料能力的降低和由切割元件的邊緣的磨鈍引起的穿透速率的缺失，局部磨損平面可導(dǎo)致較長(zhǎng)的鉆井時(shí)間。也就是說(shuō)，磨損的roc切割器作為產(chǎn)生熱量的摩擦承受表面，其加速了PDC切割器的磨損且減慢了鉆井的穿透速率。由于常規(guī)的PDC切割器不能夠充足地接合且高效地從接觸區(qū)域去除地層材料，這樣的平面表面有效地阻止或嚴(yán)重地降低了地層切割的速率。此外，切割器典型地處于恒定的熱負(fù)載和機(jī)械負(fù)載之下。最終，熱量沿著切割表面累積且導(dǎo)致切割元件破裂。當(dāng)切割元件斷裂時(shí)，鉆井操作可能經(jīng)受穿透速率的損失，且斷裂的切割元件接觸第二切割元件時(shí)對(duì)其它切割元件也會(huì)造成額外損壞。[0016]此外，決定PDC切割器的壽命的另一個(gè)因素是在切割器接觸點(diǎn)處的熱量的產(chǎn)生，特別是在PDC層的暴露部分處，該熱量由在PCD與工作材料之間的摩擦產(chǎn)生。該熱量對(duì)PCD引起裂縫形式的熱損壞，這導(dǎo)致多晶金剛石層的剝落、在多晶金剛石與基體之間的脫層以及金剛石向石墨的反轉(zhuǎn)換而引起快速的研磨磨損。常規(guī)PDC切割器的熱操作范圍典型地是750°C或更小。[0017]在美國(guó)專利No.4553615中公開了一種用于刮刀鉆頭的可旋轉(zhuǎn)切割元件，其以增加切割元件的壽命且允許增加的磨損和去除鉆屑為目標(biāo)。在1615專利中公開的可旋轉(zhuǎn)切割元件包括具有碳化物軸的碳化物支撐層上的金剛石微粒聚集薄層，其可樞轉(zhuǎn)地安裝在鉆頭中的孔中，可選地通過(guò)環(huán)形襯套。由于顯著增加了負(fù)載和穿透速率，1615專利的切割元件很可能以幾種故障模式中的一種發(fā)生損壞。首先，金剛石的薄層易于崩刃且快速磨損。第二，切割元件的幾何形狀將可能不能抵抗重負(fù)載，這會(huì)導(dǎo)致元件沿著碳化物破裂。第三，可旋轉(zhuǎn)部的保持能力很弱且可引起可旋轉(zhuǎn)部在鉆井期間脫落。第四，現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有公開鉆頭主體上的可旋轉(zhuǎn)切割元件的位置優(yōu)化。[0018]因此，對(duì)于可保持冷卻且避免產(chǎn)生局部磨損平面的切割元件、以及那些切割元件在鉆頭上或其它切割工具上的結(jié)合而言存在著不斷地需求?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0019]提供該【
發(fā)明內(nèi)容】用于介紹概念的選擇，該概念在下文詳細(xì)的說(shuō)明書中進(jìn)一步進(jìn)行描述。該【
發(fā)明內(nèi)容】不旨在標(biāo)識(shí)所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或必要特征，也不是旨在作為一種幫助用于限制所要求保護(hù)的主題的范圍。[0020]在一個(gè)方面，本文公開的實(shí)施例涉及一種切割工具，其包括工具主體和多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件；該工具主體具有徑向延伸的多個(gè)刀片，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件安裝在該多個(gè)刀片中的至少一個(gè)上，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以正向盤旋配置方式安裝在該至少一個(gè)刀片上，且該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件中的每一個(gè)具有負(fù)的側(cè)傾角度。[0021]在另一個(gè)方面，本文公開的實(shí)施例涉及一種切割工具，其包括工具主體和多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件；該工具主體具有徑向延伸的多個(gè)刀片，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件安裝在該多個(gè)刀片中的至少一個(gè)上，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以反向盤旋配置方式安裝在該至少一個(gè)刀片上，且該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件中的每一個(gè)具有正的側(cè)傾角度。[0022]在又一個(gè)方面，本文公開的實(shí)施例涉及一種切割工具，其包括工具主體和多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件；該工具主體具有徑向延伸的多個(gè)刀片，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件安裝在該多個(gè)刀片中的至少一個(gè)上，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以大約10度到大約30度或-10度到大約-30度的側(cè)傾角度在切割工具的鼻部和/或肩部區(qū)域中安裝在所述至少一個(gè)刀片上。[0023]通過(guò)下文的說(shuō)明書和所附權(quán)利要求書，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見(jiàn)的。【專利附圖】【附圖說(shuō)明】[0024]圖1A示出了常規(guī)的固定切割器鉆頭的透視圖。[0025]圖1B示出了常規(guī)的roc切割器的透視圖。[0026]圖2A-2B示出了根據(jù)本文公開的一個(gè)實(shí)施例的切割元件的示意圖。[0027]圖3A-3B示出了根據(jù)本文公開的一個(gè)實(shí)施例的切割元件的示意圖。[0028]圖4示出了根據(jù)本文公開的一個(gè)實(shí)施例的切割元件的示意圖。[0029]圖5示出了根據(jù)本文公開的一個(gè)實(shí)施例的在刀片上的切割元件的示意圖。[0030]圖6示出了根據(jù)本文公開的一個(gè)實(shí)施例的鉆頭型廓。[0031]圖7A-7C示出了根據(jù)本文公開的實(shí)施例的切割元件組件的放大視圖和剖視圖。[0032]圖8示出了常規(guī)的切割元件中的磨損平面的產(chǎn)生過(guò)程。[0033]圖9A-9B示出了根據(jù)本文公開的實(shí)施例的鉆頭的剖面圖。[0034]圖10示出了根據(jù)本文公開的實(shí)施例的鉆頭的旋轉(zhuǎn)剖面圖。[0035]圖11示出了根據(jù)本文公開的一個(gè)實(shí)施例的鉆頭型廓。[0036]圖12A-12D示出了鉆頭型廓和在該鉆頭上的切割元件的側(cè)傾角度的相應(yīng)曲線圖。[0037]圖13示出了刮刀鉆頭的局部剖視圖，僅說(shuō)明了旋轉(zhuǎn)到單個(gè)剖面中的可旋轉(zhuǎn)切割元件?！揪唧w實(shí)施方式】[0038]在一個(gè)方面，本文公開的實(shí)施例涉及使用可旋轉(zhuǎn)切割結(jié)構(gòu)的鉆頭設(shè)計(jì)。具體地講，本文公開的實(shí)施例涉及通過(guò)將可旋轉(zhuǎn)切割元件以特別的布置方式放置在鉆頭上而改進(jìn)鉆頭的壽命。[0039]通常，本文描述的可旋轉(zhuǎn)切割元件（也稱為牙輪）允許該切割元件的至少一個(gè)表面或部分隨著該切割元件接觸地層而旋轉(zhuǎn)。當(dāng)切割元件接觸地層時(shí)，切割動(dòng)作可允許切割元件的一部分繞著延伸通過(guò)該切割元件的切割元件軸線而旋轉(zhuǎn)。切割結(jié)構(gòu)的一部分的旋轉(zhuǎn)可允許切割表面使用切割表面的整個(gè)外邊緣來(lái)切割地層，而不是如常規(guī)的切割元件中所觀察到的外邊緣的相同區(qū)段。下文的討論描述了可旋轉(zhuǎn)切割元件的各種實(shí)施例；但是本公開不限于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，任何能夠旋轉(zhuǎn)的切割元件均可與鉆頭或本公開的其它切割工具一起使用。[0040]內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件的旋轉(zhuǎn)可通過(guò)側(cè)部切割力和支承表面之間的摩擦力來(lái)控制。如果側(cè)部切割力產(chǎn)生能克服來(lái)自摩擦力的扭矩的扭矩，可旋轉(zhuǎn)部分將具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。側(cè)部切割力可受到切割器側(cè)傾角、后傾角和幾何形狀（包括本文公開的工作表面圖案）的影響。此外，側(cè)部切割力可受到切割元件構(gòu)件的表面的表面精加工、地層的摩擦特性以及鉆井參數(shù)（例如切割的深度）的影響。支承表面處的摩擦力可受到例如表面精加工、泥漿侵入等等的影響?？蛇x擇本文公開的可旋轉(zhuǎn)切割器的設(shè)計(jì)以確保側(cè)部切割力克服摩擦力以允許可旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)。本公開的各種設(shè)計(jì)考慮因素以及牙輪的示例性切割器在下文描述。[0041]牙輪的放置[0042]根據(jù)本公開的實(shí)施例，鉆頭設(shè)計(jì)考慮因素可包括牙輪在鉆頭上的放置方式。鉆頭上的牙輪的放置設(shè)計(jì)可包括：首先，預(yù)測(cè)鉆頭上的常規(guī)切割器（固定切割器）磨損最頻繁或快速發(fā)生的位置。例如，固定切割器磨損可使用工程和設(shè)計(jì)軟件（例如I-DEAS，"IntegratedDesignandEngineeringAnalysisSoftware"或CAD軟件）來(lái)預(yù)測(cè)。這種工程和設(shè)計(jì)軟件還可用于使用牙輪的各種放置方式來(lái)優(yōu)化鉆頭穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)特性。固定切割器磨損還可通過(guò)觀察和/或測(cè)量模擬鉆頭上的磨損平面尺寸來(lái)預(yù)測(cè)。尤其，當(dāng)具有常規(guī)的固定切割器的鉆頭接觸和切割土質(zhì)地層時(shí)，固定切割器的切割表面和切割邊緣可磨損和形成磨損平面。圖8中示出了固定切割器2300中的磨損平面2305產(chǎn)生的實(shí)例。[0043]一旦預(yù)測(cè)了固定切割器磨損，可根據(jù)固定切割器磨損發(fā)生的位置來(lái)設(shè)定牙輪的放置標(biāo)準(zhǔn)。例如，根據(jù)本公開的實(shí)施例，牙輪放置設(shè)計(jì)可包括用牙輪替換具有最大量磨損的固定切割器。在一個(gè)實(shí)施例中，牙輪放置設(shè)計(jì)可包括用牙輪替換經(jīng)歷最大量磨損的固定切割器的總數(shù)量的一半。進(jìn)一步地，在其它實(shí)施例中，牙輪放置設(shè)計(jì)可包括僅在鉆頭的特定刀片上用牙輪替換固定切割器。[0044]根據(jù)本公開的實(shí)施例，可設(shè)定牙輪放置設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使得鉆頭上的牙輪和固定切割器具有多設(shè)定配置方式。具有多設(shè)定配置方式的鉆頭具有相對(duì)于鉆頭軸線處于至少一個(gè)徑向位置處的多于一個(gè)的切割元件。換句話說(shuō)，至少一個(gè)切割元件包括相對(duì)于鉆頭軸線布置在大約相同的徑向位置處的"備用（backup)"切割元件。例如，參考圖9A和9B，示出了具有多個(gè)切割刀片2410的鉆頭2400的正側(cè)視圖，其中，鉆頭沿方向R旋轉(zhuǎn)。主刀片2410a從大體上鄰近鉆頭的縱向軸線A朝鉆頭的周邊徑向延伸。從刀片2410b沒(méi)有從大體上鄰近鉆頭軸線A延伸，而是從遠(yuǎn)離鉆頭軸線A-定距離的位置處徑向延伸。切割元件2420、2430位于刀片2410的前導(dǎo)側(cè)，其中，刀片2410的前導(dǎo)側(cè)面向鉆頭旋轉(zhuǎn)方向R，刀片的后尾側(cè)面向相反的方向。進(jìn)一步地，如示出的，在多設(shè)定配置方式中切割元件2420追隨切割元件2430，艮P，切割元件2420相對(duì)于鉆頭軸線A在大約相同的徑向位置處為切割元件2430提供備用。切割元件2420或切割元件2430,或者切割元件2420和切割元件2430可以是牙輪。在特別的實(shí)施例中，具有多設(shè)定切割器配置方式的鉆頭可具有：至少一個(gè)后尾或備用切割元件，其是可旋轉(zhuǎn)的（牙輪）；以及至少一個(gè)前導(dǎo)或主切割元件，其為固定切割器。在另一個(gè)實(shí)施例中，具有多設(shè)定配置方式的鉆頭可具有：至少一個(gè)固定切割器式的后尾切割元件和至少一個(gè)牙輪式的前導(dǎo)切割元件。有利地，通過(guò)使用具有至少一個(gè)牙輪的多設(shè)定配置方式，切割結(jié)構(gòu)可更為可靠耐用。[0045]進(jìn)一步地，鉆頭可具有切割元件的單設(shè)定配置方式，其中，單設(shè)定配置方式中的每一個(gè)切割元件均位于鉆頭的獨(dú)特徑向位置處。在具有單設(shè)定配置方式的實(shí)施例中，多個(gè)牙輪可放置在相對(duì)于鉆頭軸線的各種獨(dú)特徑向位置處。例如，多個(gè)牙輪可具有正向盤旋或反向盤旋單設(shè)定配置方式，其中，牙輪放置在經(jīng)歷磨損的區(qū)域中。如本文所使用的，正向盤旋布局是指這樣一種切割器放置方式：距離鉆頭中心線具有遞增的徑向距離的切割器以順時(shí)針?lè)较蚍植挤胖茫聪虮P旋布局是指這樣一種切割器放置方式：距離鉆頭中心線具有遞增的徑向距離的切割器以逆時(shí)針?lè)较蚍植挤胖?。在一些?shí)施例中，切割器可以正向盤旋放置，其中，可旋轉(zhuǎn)切割器至少放置在鼻部和/或肩部區(qū)域中是可旋轉(zhuǎn)的；或者在特別的實(shí)施例中放置在鼻部、肩部及徑規(guī)區(qū)域中；以及在更加特別的實(shí)施例中放置在錐體（cone)、鼻部、肩部及徑規(guī)區(qū)域中。在一些實(shí)施例中，切割器可以反向盤旋放置，其中，可旋轉(zhuǎn)切割器至少放置在鼻部和/或肩部區(qū)域中是可旋轉(zhuǎn)的；或者在特別的實(shí)施例中放置在鼻部、肩部及徑規(guī)區(qū)域中；以及在更加特別的實(shí)施例中放置在錐體、鼻部、肩部及徑規(guī)區(qū)域中。[0046]此外，前導(dǎo)和后尾切割元件可放置在單個(gè)刀片上。但是，如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)"備用切割元件"用于描述當(dāng)鉆頭沿切割方向旋轉(zhuǎn)時(shí)跟隨同一刀片上的任何其它切割元件的切割元件。進(jìn)一步地，如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)"主切割元件"用于描述設(shè)置在刀片的前導(dǎo)邊緣上的切割元件。換句話說(shuō)，當(dāng)鉆頭沿切割方向繞著其中心縱向軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，"主切割元件"不追隨在相同刀片上的任何其它切割元件。合適地，每一個(gè)主切割元件和可選的備用切割元件可具有任何合適的尺寸和幾何形狀。主切割元件和備用切割元件可以具有任何合適的位置和方位且可以是牙輪或固定切割器。在一個(gè)示例性的實(shí)施例中，備用切割元件可位于與它追隨的主切割元件相同的徑向位置處，或者備用切割元件可偏離它追隨的主切割元件，或可使用這兩者的組合。[0047]尤其，鉆頭面上的每個(gè)刀片（例如，主刀片和從刀片）提供切割器支撐表面，切割元件安裝到該切割器支撐表面。主切割元件可布置在刀片的切割器支撐表面上，主刀片中的一個(gè)或多個(gè)還可具有布置在鉆頭的切割器支撐表面上的備用切割元件。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，備用切割元件可設(shè)置在錐體區(qū)域中的鉆頭主刀片中的一個(gè)或多個(gè)的切割器支撐表面上。在不同的示例性實(shí)施例中，備用切割元件可設(shè)置在肩部和/或徑規(guī)區(qū)域中的任何一個(gè)或多個(gè)從刀片的切割器支撐表面上。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，備用切割元件可設(shè)置在徑規(guī)區(qū)域中的任何一個(gè)或多個(gè)主刀片的切割器支撐表面上。在又一個(gè)示例性實(shí)施例中，主和/或從刀片可具有布置在切割器支撐表面上的至少兩排備用切割元件。[0048]主切割元件通?？杀舜伺R近地以第一排放置，所述第一排徑向沿著鉆頭的每一個(gè)主刀片且沿著鉆頭的每一個(gè)從刀片延伸。進(jìn)一步地，備用切割元件通?？杀舜伺R近地以第二排放置，所述第二排徑向沿著肩部區(qū)域中的每一個(gè)主刀片延伸。合適地，備用切割元件形成第二排，該第二排可沿著肩部區(qū)域、錐體區(qū)域和/或徑規(guī)區(qū)域中的每一個(gè)主刀片延伸。備用切割元件可放置在相同主刀片上的主切割元件之后，其中，備用切割元件追隨相同主刀片上的主切割元件。[0049]通常，主切割元件以及備用切割元件不必成排放置，但是可以其它合適的布置方式安裝，只要每一個(gè)切割元件處于前導(dǎo)位置（例如，主切割元件）或后尾位置（例如，備用切割元件）中。合適布置方式的實(shí)例可包括但不限于：成排、陣列方式或規(guī)則的圖案、隨機(jī)性、正弦曲線圖案或它們的組合。進(jìn)一步，在其它實(shí)施例中，附加排的切割元件可提供在主刀片、從刀片或它們的組合上。[0050]在本公開的一些實(shí)施例中，可設(shè)定牙輪放置設(shè)計(jì)規(guī)則，使得牙輪布置在鉆頭經(jīng)歷最大磨損的區(qū)域中。例如，牙輪可以放置在鉆頭的肩部區(qū)域中。參考圖10,示出了鉆頭10的型廓39,圖中顯示所有刀片和所有切割元件（包括主切割元件和備用切割元件）均被旋轉(zhuǎn)到單個(gè)旋轉(zhuǎn)剖面中。刀片型廓39(最清晰地在圖10中的鉆頭10的右半部中示出）可通常分成三個(gè)區(qū)域：常規(guī)標(biāo)注的錐體區(qū)域24、肩部區(qū)域25以及徑規(guī)區(qū)域26。錐體區(qū)域24包括鉆頭10的徑向最內(nèi)區(qū)域（例如，錐體區(qū)域24是鉆頭10的最中心區(qū)域）和大致從鉆頭軸線11延伸到肩部區(qū)域25的復(fù)合刀片型廓39。如圖10所示，在大多數(shù)固定切割器鉆頭中，錐體區(qū)域24通常是凹狀。臨近錐體區(qū)域24的是肩部（或朝上彎曲的曲線）區(qū)域25。因此，鉆頭10的復(fù)合刀片型廓39包括一個(gè)凹狀區(qū)域（錐體區(qū)域24)和一個(gè)凸?fàn)顓^(qū)域（肩部區(qū)域25)。在大多數(shù)固定切割器鉆頭中，肩部區(qū)域25通常是凸?fàn)?。徑向向外移?dòng)而臨近肩部區(qū)域25的是徑規(guī)區(qū)域26,所述徑規(guī)區(qū)域26在復(fù)合刀片型廓39的外部徑向周邊23處平行于鉆頭軸線11延伸。外部半徑23延伸到且因此限定鉆頭10的總徑規(guī)直徑。錐體區(qū)域24通過(guò)沿著X-軸線從中心軸線11測(cè)量的徑向距離來(lái)限定。應(yīng)理解，X-軸線垂直于中心軸線11且從中心軸線11徑向向外延伸。錐體區(qū)域24可通過(guò)鉆頭10的外部半徑23的百分比來(lái)限定。各鉆頭間，根據(jù)多種因素從中心軸線11測(cè)量的錐體區(qū)域24的實(shí)際半徑可不同，所述多種因素包括但不限于鉆頭幾何形狀、鉆頭類型、一個(gè)或多個(gè)從刀片的位置、備用切割元件50的位置或它們的組合。凸?fàn)罴绮繀^(qū)域25和復(fù)合刀片型廓39的軸向最低點(diǎn)限定刀片型廓鼻部27。在刀片型廓鼻部27處，正切線27a到凸?fàn)罴绮繀^(qū)域25和復(fù)合刀片型廓39的斜率是0。因此，如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)"刀片型廓鼻部"是指在旋轉(zhuǎn)剖面視圖中沿著鉆頭的復(fù)合刀片型廓的凸?fàn)顓^(qū)域的點(diǎn)，在該點(diǎn)處到復(fù)合刀片型廓的正切線的斜率是〇。對(duì)于大多數(shù)固定切割器鉆頭（例如，鉆頭10)，復(fù)合刀片型廓包括僅一個(gè)凸?fàn)罴绮繀^(qū)域（例如，凸?fàn)罴绮繀^(qū)域25)，和僅一個(gè)刀片型廓鼻部（例如，鼻部27)。有利地，通過(guò)將牙輪放置在鉆頭經(jīng)歷最大磨損的區(qū)域中（例如在鉆頭的肩部區(qū)域26處），鉆頭的磨損速率可得到改善。[0051]進(jìn)一步地，在一個(gè)特別的實(shí)施例中，鉆頭可具有以單設(shè)定配置方式放置的切割元件，其中牙輪放置在鉆頭經(jīng)歷最大磨損的區(qū)域中。在另一個(gè)實(shí)施例中，鉆頭可具有以多設(shè)定配置方式放置的切割元件，其中，至少一個(gè)牙輪放置在鉆頭經(jīng)歷最大磨損的區(qū)域中。[0052]牙輪的位置[0053]本公開的鉆頭設(shè)計(jì)考慮因素可進(jìn)一步包括鉆頭上牙輪的定位。鉆頭上的牙輪的定位設(shè)計(jì)可包括例如調(diào)整切割元件的后傾角（即，垂直方位）和側(cè)傾角（即，橫向方位），或調(diào)整切割元件的延伸高度。[0054]參考圖11，示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的鉆頭的切割結(jié)構(gòu)型廓。如在此實(shí)施例中示出的，放置在刀片2602上的切割器2600可具有側(cè)傾角或后傾角。側(cè)傾角定義為切割面2605與鉆頭的徑向平面（x-z平面）之間的角度。當(dāng)沿著z-軸線觀察時(shí)，負(fù)的側(cè)傾角源自切割器2600的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，正的側(cè)傾角源自順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。后傾角定義為切割器2600的切割面2605與平行于鉆頭的縱向軸線2607的直線之間所包的角度。在一個(gè)實(shí)施例中，切割器可具有從0到±45度的側(cè)傾角，例如5到±35度、10到±35度或15到±30度。在一個(gè)特別的實(shí)施例中，側(cè)傾角的方向（正或負(fù)）可基于切割器分布而選擇，即，切割器是以正向盤旋配置方式還是以反向盤旋配置方式布置。例如，在實(shí)施例中，如果切割器以反向盤旋布置，則可特別希望正的側(cè)傾角度。相反地，如果切割器以正向盤旋布置，可特別希望負(fù)的側(cè)傾角度。[0055]在一些實(shí)施例中，布置在鉆頭的鼻部和/或肩部區(qū)域中的每一個(gè)牙輪可具有從10到30度或-10到-30度的側(cè)傾角。在其它的實(shí)施例中，布置在鉆頭的鼻部和/或肩部區(qū)域中的每一個(gè)牙輪可具有從20到30度或-20到一30度范圍的側(cè)傾角。在一些實(shí)施例中，在肩部的徑向外側(cè)（即，在徑規(guī)區(qū)域中）的牙輪可以從5到35度或-5到-35度。在更特別的實(shí)施例中，在徑規(guī)區(qū)域中的牙輪可>5度、>10度、>15度、>20度、>25度、>30度、和/或〈10度、〈15度、〈20度、〈25度、〈30度、〈35度，其中，上述任何角度可以是正的或負(fù)的，且任何上限可與任何下限一起使用。進(jìn)一步地，在一些實(shí)施例中，切割器可放置在鉆頭的錐體區(qū)域中，其可具有小于20度的側(cè)傾角，或在更特別的實(shí)施例中從10到15度。在各種實(shí)施例中，錐體區(qū)域中的切割器可固定附連或可滾動(dòng)，但是如果固定或滾動(dòng)，可具有上述側(cè)傾角范圍。特別理解的是，任何區(qū)域的任何側(cè)傾角度可單獨(dú)使用或與其它區(qū)域的任何其它范圍組合使用。[0056]在另一個(gè)實(shí)施例中，切割器可以具有從大約5至35度的后傾角。在一個(gè)特別的實(shí)施例中，牙輪的后傾角度可>5度、>10度、>15度、>20度、>25度、>30度、和/或〈10度、〈15度、〈20度、〈25度、〈30度、〈35度，其中，任何上限可與任何下限一起使用。上述后傾角度可用于鉆頭的任何錐體、鼻部、肩部或徑規(guī)區(qū)域中的牙輪，但是在特別的實(shí)施例中，10度與35度之間（或在更特別的實(shí)施例中，15度到35度或20到30度）的后傾角可特別合適于鉆頭的鼻部和/或肩部區(qū)域中的切割器。切割器可以所選的后傾角安置在刀片上，以協(xié)助去除鉆屑和增加穿透速率。具有側(cè)傾角的布置在鉆頭上的切割器可在鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)被沿徑向和切線方向驅(qū)使向前。在一些實(shí)施例中，因?yàn)閺较蚍较蚩蓞f(xié)助可旋轉(zhuǎn)切割元件的移動(dòng)，因此上述的旋轉(zhuǎn)可允許去除更多的鉆屑，且提供改進(jìn)的穿透速率。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可意識(shí)到，本公開的切割元件可使用任何的后傾角和側(cè)傾角組合，以增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)性和/或改進(jìn)鉆井效率。[0057]當(dāng)牙輪接觸地層時(shí)，切割元件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以是連續(xù)的或不連續(xù)的。例如，當(dāng)切割元件以確定的側(cè)傾角和后傾角安裝時(shí)，切割力可大致指向一個(gè)方向。提供定向的切割力可允許切割元件具有連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這進(jìn)一步提高了鉆井效率。[0058]根據(jù)本公開，多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件利用兩個(gè)或多個(gè)側(cè)傾角度布置在鉆頭主體上，例如三個(gè)或更多側(cè)傾角度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)或更多個(gè)側(cè)傾角度可變化至少1度，例如至少2度（S卩，最大側(cè)傾角與最小側(cè)傾角之間的差別）或至少5度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可從1到45度變化，例如從1度到15度、從1度到10度、或從1度到5度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可變化至少2度，例如至少3度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可從2度到10度或從2到5度變化。[0059]圖12A-12D示出了位于鉆頭刀片2702上牙輪1、2、3、4和5的實(shí)例以及每一個(gè)牙輪的側(cè)傾角度的相應(yīng)曲線圖。如圖12B中所示，每一個(gè)牙輪1、2、3、4、5的側(cè)傾角度隨著牙輪距離鉆頭軸線2707更遠(yuǎn)而單調(diào)增加。有利地，通過(guò)相對(duì)于距離鉆頭軸線的徑向距離而單調(diào)地增加牙輪的側(cè)傾角度，距離軸線更遠(yuǎn)的牙輪可具有更快的旋轉(zhuǎn)速度，因此從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中受益更多。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可在從1到45度之內(nèi)單調(diào)增加，例如從度1到15度、從1度到10度、或從1度到5度。在其它實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可在其它角度變量之內(nèi)單調(diào)增加，例如大于45度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可單調(diào)增加至少2度，例如至少3度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可在從2度到10度或從2度到5度的范圍內(nèi)單調(diào)增加。[0060]在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖12C中示出的，牙輪1、2、3、4、5的側(cè)傾角度可隨著切割器距離鉆頭軸線更遠(yuǎn)而單調(diào)減小。有利地，通過(guò)相對(duì)于距離鉆頭軸線的徑向距離而單調(diào)減小牙輪的側(cè)傾角度，這可實(shí)現(xiàn)牙輪上相對(duì)相等的旋轉(zhuǎn)速度，且對(duì)切割器周圍的元件維持近似的磨損。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可在從45度到1度的范圍內(nèi)單調(diào)減小，例如從15度到1度、從10度到1度或從1度到5度。在其它實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可在其它角度范圍內(nèi)、例如大于45度單調(diào)地減小。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可單調(diào)減小至少2度，例如至少3度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可在從2度到10度或從2度到5度的范圍內(nèi)單調(diào)減小。[0061]在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖12D中示出的，牙輪的側(cè)傾角度可符合刀片切割型廓上的磨損圖案。例如，隨著放置在鉆頭刀片的某些區(qū)域中的切割元件的切割速率增加，切割元件的側(cè)傾角度可增加。同樣，隨著鉆頭刀片的某些區(qū)域中的切割元件經(jīng)歷的磨損量減小，那些切割元件的側(cè)傾角度可減小。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可在從45度到1度的范圍內(nèi)變化，例如從15度到1度、從10度到1度或從1度到5度。在其它實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可在其它角度變量范圍內(nèi)變化，例如大于45度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可變化至少2度，例如至少3度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，徑向臨近的可旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角度可從2度到10度或從2度到5度的范圍內(nèi)變化。[0062]具有多個(gè)本公開的牙輪的鉆頭可包括至少2個(gè)牙輪，例如至少3個(gè)、至少4個(gè)、至少9個(gè)或至少12個(gè)牙輪，其中，任何剩余的切割元件是常規(guī)的固定切割元件。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)或多個(gè)主刀片可包括一個(gè)或多個(gè)牙輪，例如每一個(gè)主刀片可包括一個(gè)或多個(gè)牙輪。在一個(gè)或多個(gè)附加實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)從刀片也可包括一個(gè)或多個(gè)牙輪，例如每一個(gè)從刀片可包括一個(gè)或多個(gè)牙輪。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，所有的切割元件均可以是可旋轉(zhuǎn)的。[0063]圖13說(shuō)明了刮刀鉆頭的示例性部分旋轉(zhuǎn)剖面，顯示出所有刀片和僅牙輪旋轉(zhuǎn)到單個(gè)旋轉(zhuǎn)剖面中（固定切割元件被排除）。如圖13所示，牙輪85a-85f每一個(gè)均位于鼻部27和肩部區(qū)域25內(nèi)的獨(dú)特的徑向位置處。牙輪85a具有20度的側(cè)傾角度和24度的后傾角度。牙輪85b具有25度的側(cè)傾角度和24度的后傾角度。牙輪85c具有25度的側(cè)傾角度和24度的后傾角度。牙輪85d具有22度的側(cè)傾角度和24度的后傾角度。牙輪85e具有25度的側(cè)傾角度和25度的后傾角度。牙輪85f具有22度的側(cè)傾角度和25度的后傾角度。[0064]在其它示例性實(shí)施例中，不同類型的牙輪可用于提供增加的設(shè)計(jì)自由。例如，不具有外殼的牙輪可在井下切割工具上占據(jù)更少的空間，因此沒(méi)有外殼的更多的牙輪可放置在切割工具上，其可提供增加的金剛石切割密度。進(jìn)一步地，使用沒(méi)有外殼的牙輪可以在切割工具上提供更多空間用于更高的側(cè)傾角度。例如，沒(méi)有外殼的牙輪可以放置在切割工具上，其中，牙輪每一個(gè)具有0度與40度之間范圍的側(cè)傾角度。[0065]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)第一牙輪可以第一側(cè)傾角度安裝在一個(gè)或多個(gè)主刀片上，一個(gè)或多個(gè)第二牙輪可以第二側(cè)傾角度安裝在一個(gè)或多個(gè)從刀片上，其中，第二側(cè)傾角度與第一側(cè)傾角度相差至少2度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第三牙輪可安裝在另一個(gè)主刀片上，其具有與一個(gè)或多個(gè)第一牙輪不同的側(cè)傾角度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第四牙輪可安裝在另一個(gè)從刀片上，其具有與一個(gè)或多個(gè)第二牙輪不同的側(cè)傾角度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第一、第二、第三和第四牙輪是相同的牙輪，它們具有不同的側(cè)傾角度且任選地具有不同的后傾角度?？蛇x地，一個(gè)或多個(gè)第一、第二、第三以及第四牙輪可使用兩種或多種不同的牙輪裝置。[0066]在可選的實(shí)施例中，切割元件可布置在切割工具中，該切割工具不包含后傾角和/或側(cè)傾角。當(dāng)切割元件以大體上〇度的側(cè)傾角和/或后傾角布置在鉆頭上時(shí)，切割力可是隨機(jī)的而不是指向一個(gè)通常的方向。該隨機(jī)力可引起切割元件具有不連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通常，上述不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)不可提供最高效的鉆井條件，但是，在特定實(shí)施例中，可能有益于允許鑲齒的大體上整個(gè)切割表面以相對(duì)均勻的方式接觸地層。在上述實(shí)施例中，可選的內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件和/或切割表面設(shè)計(jì)可用于進(jìn)一步開發(fā)可旋轉(zhuǎn)切割元件的益處。[0067]根據(jù)一些實(shí)施例，切割元件切割面（S卩，切割元件的切割臺(tái)的上表面）的延伸高度可變化。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，主切割元件的切割面可比備用切割元件的切割面具有更大的延伸高度（即，"型廓上"的主切割元件比備用切割元件接合更大深度的地層；備用切割元件位于"型廓外"）。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)"型廓外"可用于指從切割器支撐表面（例如，切割元件、切割深度限制器等）延伸的結(jié)構(gòu)，其具有小于限定給定刀片的最外切割型廓的一個(gè)或多個(gè)其它切割元件的延伸高度的延伸高度。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)"延伸高度"用于描述切割面從刀片的切割器支撐表面延伸的距離，所述切割面附連到所述切割器支撐表面。在一些示例性實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)備用切割面可具有與一個(gè)或多個(gè)主切割面相同的或比一個(gè)或多個(gè)主切割面更大的延伸高度。上述變量可影響B(tài)HA、特別是鉆頭的性質(zhì)，該性質(zhì)可影響不同類型的切割元件的布置或定位。例如，"型廓上"的切割元件可經(jīng)歷比"型廓外"切割元件更大量的磨損和負(fù)載。此外，主切割元件可經(jīng)歷比備用切割元件更大量的磨損和負(fù)載。[0068]牙輪的示例性實(shí)施例[0069]本公開的牙輪可包括各種類型和尺寸的牙輪。例如，牙輪可按尺寸形成，包括但不限于9mm、13mm、16mm以及19_。進(jìn)一步地，牙輪可包括外部支撐元件之內(nèi)保持的那些牙輪、由保持機(jī)構(gòu)或阻擋器保持的那些牙輪或上述兩者的組合?？捎迷诒竟_中的牙輪的實(shí)例可至少在美國(guó)公開No.2007/0278017和美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.61/351，035中找到，它們?cè)诖艘詤⒖嫉男问揭?。牙輪的示例性?shí)施例也在下文中描述；但是，可與本公開一起使用的可旋轉(zhuǎn)切割元件的類型不比受限于下文描述的那些。[0070]參考圖2A-2B，示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切割元件。如本實(shí)施例中示出的，切割元件200包括內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)（動(dòng)態(tài)）切割元件210,其部分布置在外部支撐（靜態(tài)）元件220中且因此由外部支撐（靜態(tài)）元件220部分圍繞。外部支撐元件220包括底部222和側(cè)部224。部分布置在由底部222與側(cè)部224限定的空腔之內(nèi)的內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210包括布置在基體214的上表面上的切割面212部分。此外，盡管圖2中示出的外部支撐元件220的底部222和側(cè)部224是整體的，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，根據(jù)切割元件構(gòu)件的幾何形狀，底部和側(cè)部可選地也可以是兩個(gè)分離件結(jié)合在一起。在另一個(gè)實(shí)施例中，外部支撐元件220可由兩個(gè)分離件在堅(jiān)直平面上（例如，相對(duì)于切割元件軸線）結(jié)合在一起而形成，以圍繞內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210的至少一部分。[0071]在各種實(shí)施例中，內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件的切割面可包括超硬層，該超硬層可包括：多晶金剛石臺(tái)面、熱穩(wěn)定金剛石層（即具有高于常規(guī)多晶金剛石的熱穩(wěn)定性，750°c)或其它超硬層例如立方氮化硼層。[0072]如本領(lǐng)域中已知的，熱穩(wěn)定性金剛石可以各種方式形成。典型的多晶金剛石層包括單獨(dú)的金剛石"晶體"，它們是互相連接的。單獨(dú)的金剛石晶體因此形成晶格結(jié)構(gòu)。金屬催化劑（例如鈷）可用于促進(jìn)金剛石微粒的再結(jié)晶和晶格結(jié)構(gòu)的形成。因此，鈷微粒典型地在金剛石晶格結(jié)構(gòu)中在間隙空間內(nèi)發(fā)現(xiàn)。鈷具有與金剛石相比顯著不同的熱膨脹系數(shù)。因此，加熱金剛石臺(tái)面時(shí)，鈷和金剛石晶格將以不同的速率膨脹，從而在晶格結(jié)構(gòu)中引起裂縫的形成且導(dǎo)致金剛石臺(tái)面的劣化。[0073]為了排除這個(gè)問(wèn)題，可以使用強(qiáng)酸來(lái)從多晶金剛石晶格結(jié)構(gòu)（或者一個(gè)薄體積或整個(gè)片狀物）"浸濾出"鈷，用以至少減少加熱時(shí)不同速率下來(lái)自加熱金剛石-鈷復(fù)合材料所經(jīng)歷的損壞。"浸濾出"工藝的實(shí)例可在例如美國(guó)專利No.4,288,248和4,104,344中找至IJ。簡(jiǎn)短地，強(qiáng)酸，典型的氫氟酸或幾種強(qiáng)酸的組合可以用于處理金剛石臺(tái)面，以從PDC復(fù)合材料中去除至少一部分的鈷-催化劑。合適的酸可以包括：硝酸、氫氟酸、鹽酸、硫酸、磷酸或高氯酸或這些酸的組合。此外，腐蝕劑（例如氫氧化鈉和氫氧化鉀）已經(jīng)用于碳化物工業(yè)以從碳化物復(fù)合材料中吸收金屬元素。此外，其它的酸和堿性浸濾劑可以根據(jù)需要使用。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，考慮到危險(xiǎn)等，浸濾劑的摩爾濃度可根據(jù)需要浸濾的時(shí)間來(lái)調(diào)整。[0074]通過(guò)浸濾出鈷，可形成熱穩(wěn)定的多晶（thermallystablepolycrystalline，TSP)金剛石。在特定的實(shí)施例中，僅僅浸濾出選擇的部分金剛石復(fù)合材料，以獲得熱穩(wěn)定性而不會(huì)缺失耐沖擊性。如文本所使用的，術(shù)語(yǔ)TSP包括上述（即，部分和全部浸濾）化合物的兩者。在浸濾之后保留的間隙體積空間可通過(guò)促進(jìn)合并或通過(guò)用從材料填充體積空間來(lái)減少，例如通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)中已知的、且在美國(guó)專利No.5,127,923中描述的工藝，該專利在本文中以參考的形式引用其全部?jī)?nèi)容。[0075]可選地，TSP可通過(guò)在壓機(jī)中使用鈷之外的結(jié)合劑（一個(gè)例子是硅）形成金剛石層而形成，該結(jié)合劑具有比鈷更近似于金剛石的熱膨脹系數(shù)。在制造工藝期間，大部分、80至100體積百分比的硅與金剛石晶格反應(yīng)用以形成碳化硅，其也具有近似于金剛石的熱膨脹。加熱時(shí)，任何剩余的硅、碳化硅以及金剛石晶格與鈷和金剛石的膨脹速率相比將以更近似的速率膨脹，從而產(chǎn)生更熱穩(wěn)定的層。具有TSP切割層的PDC切割器具有相對(duì)較低的磨損速率，即使當(dāng)切割器溫度達(dá)到1200°C時(shí)。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，熱穩(wěn)定性金剛石層可以由本領(lǐng)域中已知的其它方法形成，包括例如通過(guò)在金剛石層的形成中改變工藝條件。[0076]切割面布置在其上的基體可由多種硬的或超硬的微粒形成。在一個(gè)實(shí)施例中，基體可以由合適的材料（例如碳化鎢、碳化鉭或碳化鈦）形成。此外，不同的結(jié)合金屬（例如鈷、鎳、鐵、金屬合金或它們的混合物）可包括在基體中。在基體中，金屬碳化鎢顆粒在金屬結(jié)合劑（例如鈷）內(nèi)支撐。此外，基體可以由燒結(jié)的碳化鎢復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形成。眾所周知的是，除了碳化鎢和鈷之外，還可使用不同的金屬碳化鎢復(fù)合材料和結(jié)合劑。因此，對(duì)使用碳化鎢和鈷的引述僅僅是為了說(shuō)明的目的，而不旨在限制使用的基體和結(jié)合劑的類型。在另一個(gè)實(shí)施例中，基體還可由金剛石超硬材料（例如多晶金剛石和熱穩(wěn)定金剛石）形成。盡管說(shuō)明的實(shí)施例示出了切割面和基體作為兩個(gè)不同部分，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，切割面和基體是整體的、相同的組分也在本公開的公開范圍之內(nèi)。在上述實(shí)施例中，可以優(yōu)選的是，形成切割面和基體或不同層的是單晶復(fù)合材料。[0077]外部支撐元件可由不同的材料形成。在一個(gè)實(shí)施例中，外部支撐元件可以由合適的材料（例如碳化鎢、碳化鉭或碳化鈦）形成。此外，不同的結(jié)合金屬（例如鈷、鎳、鐵、金屬合金或它們的混合物）可以包括在外部支撐元件中，使得金屬碳化鎢顆粒在金屬結(jié)合劑內(nèi)支撐。在一個(gè)特別的實(shí)施例中，外部支撐元件是具有鈷含量從6到13百分比范圍的硬質(zhì)碳化鶴。[0078]在其它實(shí)施例中，外部支撐元件可以由合金鋼、鎳基合金和鈷基合金形成。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還將理解，切割元件構(gòu)件可以用耐磨堆焊材料涂覆用以增加腐蝕保護(hù)。上述涂層可通過(guò)本領(lǐng)域中已知的各種技術(shù)來(lái)施加，例如,爆燃槍（d_槍）和噴熔技術(shù)。[0079]再次參考圖2A，當(dāng)內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210僅部分布置在外部支撐元件220中和/或由外部支撐元件220圍繞時(shí)，內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210的至少一部分可稱為內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210的"暴露部分"216。根據(jù)暴露部分216的厚度，暴露部分216可至少包括切割面212的一部分或切割面212和基體214的一部分。如圖2所示，暴露部分216包括切割面212和基體214的一部分。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，盡管示出的暴露部分216是連續(xù)地穿過(guò)內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210的整個(gè)直徑或?qū)挾?，但在圖2示出的實(shí)施例中，根據(jù)切割元件構(gòu)件的幾何形狀，內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210的暴露部分216可變化，如下文描述的一些附圖示范的。[0080]在一個(gè)特別的實(shí)施例中，內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件的切割面具有至少0.050英寸的厚度。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，根據(jù)切割結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸，其它厚度也可能是合適。[0081]在另一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件在基體與切割面之間可具有非平坦的界面?；w與切割面之間的非平坦的界面增加了基體的表面面積，因此可改善切割面與基體的結(jié)合。此外，非平坦的界面可增加對(duì)剪切應(yīng)力的抵抗，剪切應(yīng)力通常導(dǎo)致例如金剛石臺(tái)面的脫層。[0082]碳化物基體與金剛石層之間的非平坦的界面的一個(gè)實(shí)例在例如美國(guó)專利No.5,662,720中描述，其中"蛋-盒"形狀通過(guò)合適的切割、蝕刻或模制工藝形成到基體中。也可使用其它非平坦的界面，包括例如美國(guó)專利No.5,494,477中描述的界面。根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例，切割面沉積到具有非平坦表面的基體上。[0083]內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件可通過(guò)多種機(jī)構(gòu)保持在外部支撐元件中，例如通過(guò)滾珠軸承、銷以及機(jī)械互鎖。在各種實(shí)施例中，可使用單個(gè)保持系統(tǒng)，同時(shí)可選地在其它實(shí)施例中，可使用多個(gè)保持系統(tǒng)。[0084]再次參考圖2A-2B，示出了具有滾珠軸承保持系統(tǒng)的切割元件。如在這些實(shí)施例中所示出的，內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210和外部支撐元件220分別在基體214的側(cè)表面和側(cè)部224的內(nèi)表面中包括大體上對(duì)準(zhǔn)/匹配的凹槽213和223。保持滾珠（即，滾珠軸承）230占據(jù)由凹槽213和223限定的空間，以協(xié)助將內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210保持在外部支撐元件220中。滾珠可通過(guò)側(cè)部224中的銷孔227嵌入。在上述實(shí)施例中，在切割元件200裝配之后，銷孔227可用銷或插塞232或任何其它能夠填充銷孔227的材料密封，而不會(huì)損傷保持滾珠/軸承230的功能。在可選實(shí)施例中，切割元件200可由上文描述的多個(gè)件來(lái)形成，使得不需要銷孔227和插塞232。[0085]滾珠230可由任何能夠在切割元件220接合地層時(shí)承受施加在其上的壓力的材料(例如，鋼或碳化物）制成。在一個(gè)特別的實(shí)施例中，滾珠可由碳化鎢或碳化硅形成。如果使用碳化鎢滾珠，可優(yōu)選使用不同于外部支撐元件和/或基體的硬質(zhì)碳化鎢組合物。滾珠230可以是任何尺寸且其是可變的以改變內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210的旋轉(zhuǎn)速度。在特定實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)部分210的可旋轉(zhuǎn)速度可在1圈與5圈/每分鐘之間，使得切割面212的表面可保持尖銳，而無(wú)需fe咅切割兀件200的整體性。[0086]參考圖3A-3B，示出了具有機(jī)械互鎖保持系統(tǒng)的切割元件。如本實(shí)施例中示出的，切割元件500包括內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)（動(dòng)態(tài)）切割元件510,其部分布置在外部支撐（靜態(tài)）元件520中且因此由外部支撐（靜態(tài)）元件520部分圍繞。外部支撐元件520包括底部522、側(cè)部524和頂部526。內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件510包括布置在基體514的上表面上的切割面512部分。內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件布置在由底部522、側(cè)部524以及頂部526限定的空腔之內(nèi)。由于此實(shí)施例的結(jié)構(gòu)特性，內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件機(jī)械地通過(guò)底部522、側(cè)部524以及頂部526保持在外部支撐元件520空腔之內(nèi)。如圖3所示出的，頂部526在切割面512的上表面上方部分延伸，以便保持內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件510且還允許內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件510以及特別地由切割面512來(lái)切割地層。[0087]在包括例如上文在圖2A-2B中示出那些的各種實(shí)施例中，本文公開的切割元件可包括位于內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件與外部支撐元件之間的密封件。如圖2A-2B中所示的，密封件或密封元件240布置在內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210與外部支撐元件220之間，特別地布置在內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210的圓錐表面上?？稍谝粋€(gè)實(shí)施例中提供密封元件240以減少內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210與外部支撐元件220之間的接觸，且密封元件240可由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何數(shù)量的材料（例如，橡膠、彈性體以及聚合物）制成。因此，當(dāng)內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210在外部支撐元件220之內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封元件240可減少由摩擦產(chǎn)生的熱量。進(jìn)一步地，密封元件240還可用以減少軸承230或銷由于鉆屑的泥漿灌入或壓縮的卡死或卡住。在任選實(shí)施例中，潤(rùn)滑油或任何其它摩擦減少材料可添加在內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210與外部支撐元件220之間的密封凹槽中。上述材料可防止構(gòu)件之間的熱量積累，從而延長(zhǎng)切割元件200的壽命。[0088]在一個(gè)實(shí)施例中，可增強(qiáng)本文公開的切割元件的支承表面以促進(jìn)外部支撐元件中的內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件的旋轉(zhuǎn)。支承表面增強(qiáng)可包含在內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件支承表面與外部支撐元件支承表面中的任一個(gè)或兩個(gè)的一部分上。在一個(gè)特別的實(shí)施例中，支承表面中的一個(gè)的至少一部分可包括金剛石支承表面。根據(jù)本公開，金剛石支承表面在一些實(shí)施例中可包括分離的金剛石區(qū)段，在其它實(shí)施例中可包括連續(xù)區(qū)段。可用在本文公開的切割元件中的支承表面可包括金剛石支承表面，例如在美國(guó)專利No.4,756,631和4,738,322中描述的那些，它們轉(zhuǎn)讓給本受讓人且其在本文中以參考的形式引用其全部?jī)?nèi)容。[0089]在一些實(shí)施例中，可提供金剛石-金剛石支承表面。這可以通過(guò)在內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件與外部支撐元件兩者上使用金剛石增強(qiáng)的支承表面來(lái)實(shí)現(xiàn)，或可選地，基體可以由金剛石形成，且金剛石增強(qiáng)的支承表面可提供在外部支撐元件上。在其它實(shí)施例中，可以使用碳化物-金剛石的支承表面，其中，金剛石支承表面可包括在基體或外部支撐元件中的一個(gè)上，其中，碳化物位于另一個(gè)構(gòu)件上。[0090]為了進(jìn)一步增強(qiáng)內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件的旋轉(zhuǎn)，內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件與外部支撐元件的底部匹配表面可變化。例如，滾珠軸承可提供在兩個(gè)構(gòu)件之間，或可選地，表面中的一個(gè)可包含金剛石和/或由金剛石形成。[0091]在另一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)支承表面的至少一部分可被表面處理以用于優(yōu)化內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件在外部支撐元件中的旋轉(zhuǎn)。適于本公開的切割元件的表面處理包括例如添加潤(rùn)滑劑、施加涂層以及表面精加工。在一個(gè)特別的實(shí)施例中，支承表面可經(jīng)歷表面精加工，使得表面具有小于大約125微英寸（μ-inch)Ra的平均粗糙度，在另一個(gè)實(shí)施例中小于大約32微英寸Ra。在另一個(gè)特別實(shí)施例中，支承表面可用潤(rùn)滑材料涂覆以促進(jìn)內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件的旋轉(zhuǎn)和/或以減少內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件與外部支撐元件之間的摩擦和卡死。在一個(gè)特別的實(shí)施例中，支承表面可用各種金屬的碳化物、氮化物、和/或氧化物涂覆，這可通過(guò)PVD、CVD或任何其它本領(lǐng)域中已知的促進(jìn)與基體或基部材料結(jié)合的沉積技術(shù)來(lái)施加。在另一個(gè)實(shí)施例中，支承表面之間可包括浮動(dòng)軸承以促進(jìn)旋轉(zhuǎn)。包含摩擦減少材料（例如，潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑劑）可允許內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件與外部支撐元件的表面旋轉(zhuǎn)且彼此接觸，但僅導(dǎo)致由此產(chǎn)生最小的熱量。[0092]在另一個(gè)實(shí)施例中，在內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件的切割面、基體和/或內(nèi)部孔的工作表面上可包括表面改變。表面改變可包括在本公開的切割元件中，以通過(guò)與地層的液壓相互作用或物理相互作用增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)。在各種實(shí)施例中，表面改變可被蝕刻或機(jī)械加工在各種構(gòu)件中，或可選地在構(gòu)件燒結(jié)或形成期間被形成，且在一些特別的實(shí)施例中可具有從〇.001到0.050英寸范圍的深度。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，表面改變可在內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件的任何部分上采取任何幾何的或非幾何的形狀，且可以對(duì)稱的或不對(duì)稱的形式形成。進(jìn)一步地，根據(jù)切割元件的尺寸，優(yōu)選改變表面改變的深度。[0093]雖然上述實(shí)施例描述了表面改變的形成，例如通過(guò)蝕刻或機(jī)械加工，但也在本公開范圍之內(nèi)的是，切割元件包括非平坦的切割面，其可通過(guò)源自面的凸起而實(shí)現(xiàn)。非平坦的切割面還可通過(guò)在內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件中使用成型的切割面來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，適于使用在本公開切割元件中的成型的切割面可包括圓頂?shù)幕驁A形的頂部和馬鞍形狀。[0094]進(jìn)一步地，在特別的切割元件中的內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件與外部支撐元件之間的支承表面的類型可變化?？纱嬖谟诒竟_的切割元件中的支承表面的類型可包括圓錐形支承表面、徑向支承表面、以及軸向支承表面。[0095]在一個(gè)實(shí)施例中，在具有大體上匹配形狀的外部支撐元件內(nèi)的內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件可以是通常截頭-圓錐形，使得內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件與外部支撐元件在它們間具有圓錐形的支承表面。參考圖2A-2B，示出了具有圓錐形支承表面的實(shí)施例。如在此實(shí)施例中所示出的，內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210與外部支撐元件220之間的圓錐形支承表面292可用于在操作期間當(dāng)它與地層相互作用時(shí)從內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件210的旋轉(zhuǎn)中獲取大部分的推力。進(jìn)一步地，在需要更多推力的切割元件的應(yīng)用中，圓錐形支承表面可提供更大區(qū)域用于施加負(fù)載。圖2A-2B中示出的實(shí)施例還示出了徑向支承表面294和軸向支承表面296。[0096]參考圖4,示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的切割元件。如本實(shí)施例中示出的，切割元件1900包括內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)（動(dòng)態(tài)）切割元件1910,其部分布置在外部支撐（靜態(tài)）元件1920中且因此由外部支撐（靜態(tài)）元件1920部分圍繞。外部支撐元件1920包括底部1922和側(cè)部1924。內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件1910包括布置在基體1914的上表面上的切割面1912部分。如本實(shí)施例中所示出的，外部支撐元件1920與鉆頭主體（未示出）是整體的。在可選實(shí)施例中，外部支撐元件1920可以是獨(dú)立的元件。也如本實(shí)施例中所示出的，外部支撐元件1920還包括內(nèi)部軸部1928,其通過(guò)螺紋方式附連到底部1922且從底部1922延伸到內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件1910的基體1914中，使得當(dāng)內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件1910旋轉(zhuǎn)時(shí)，它在側(cè)部1924之內(nèi)且繞著外部支撐元件1920的內(nèi)部軸部1928旋轉(zhuǎn)。在可選實(shí)施例中，內(nèi)部軸部1928可與底部1922是整體的。內(nèi)部軸部1928的上端部分延伸超過(guò)內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件1910的切割面1912以協(xié)助將內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件1910保持在外部支撐元件1920之內(nèi)。[0097]如在上文中說(shuō)明的各種中，內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件和外部支撐元件可采取各種形狀/幾何特性的形式。根據(jù)構(gòu)件的形狀，不同支承表面或它們的組合可在內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件和外部支撐元件之間存在。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可存在形狀的改變且任何特別幾何形狀形式不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本文公開的切割元件的范圍的限制。[0098]而且，本領(lǐng)域技術(shù)人員也將理解，如上文描述的任何設(shè)計(jì)變形，包括例如側(cè)傾角、后傾角、幾何形狀的變化、表面改變/蝕刻、密封件、軸承、材料復(fù)合物等，可以各種組合包括，而不限于上文所描述的那些本公開的切割元件中的那些。[0099]本公開的切割元件可包含在各種類型的井下切割工具中，包括例如作為固定切割器鉆頭中的切割器，或作為牙輪鉆頭中的鑲齒、鉸刀、井孔彎曲機(jī)、或可用于對(duì)土質(zhì)地層鉆井的任何其它工具中。具有本公開的切割元件的切割工具包括單個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件而剩余的切割元件是常規(guī)的切割元件；所有切割元件均是可旋轉(zhuǎn)的；或是可旋轉(zhuǎn)的與傳統(tǒng)的切割元件之間的任意組合。[0100]現(xiàn)參考圖5,示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的布置在刀片2002上的切割元件2000。在此實(shí)施例中，切割元件2000包括部分布置在外部支撐元件2020中的內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件2010。為了改變切割動(dòng)作和潛在地改變切割效率和旋轉(zhuǎn)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解的是，可如上文描述地調(diào)整切割元件2000的后傾角（即，垂直方位）和側(cè)傾角（即，橫向方位）。[0101]本公開的切割元件可通過(guò)多種機(jī)構(gòu)附連到或安裝在鉆頭上，包括但不限于切割器凹坑中的常規(guī)的附連或銅焊技術(shù)?？蛇m于本公開的切割元件的一種可選安裝技術(shù)在圖6中示出。如此實(shí)施例中所示出的，切割元件2100安裝在組件2101中，該組件2101可通過(guò)措施（例如機(jī)械、銅焊或它們的組合）安裝在鉆頭主體（未示出）上。也在本公開的范圍之內(nèi)的是，在一些實(shí)施例中，內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)切割元件可直接安裝在鉆頭上，使得鉆頭主體作為外部支撐元件，即，通過(guò)將內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)元件插入到孔洞中，可隨后阻擋該孔洞以將內(nèi)部可選切割元件保持在其中。[0102]參考圖7A-7B，示出了包括牙輪2230和阻擋器2240的牙輪2239。牙輪2230可具有圓柱形主體作為基體2231，其可由硬質(zhì)的碳化物（例如，碳化鎢）形成。切割面2232可形成在牙輪2230的一個(gè)端部上，其中，切割面2232是牙輪2230的面對(duì)相應(yīng)的阻擋器2240且在井眼中接觸地層的一端。切割面2232可由任何數(shù)量的硬的和/或耐磨損材料制成，包括例如碳化鎢、多晶金剛石以及熱穩(wěn)定多晶金剛石。進(jìn)一步地，切割面2232可由與基體不同或與基體2231相同的材料制成。例如，牙輪可具有由不同于基體材料的材料制成的切割面，例如布置在碳化物基體的上表面上的金剛石臺(tái)面，使得金剛石臺(tái)面形成牙輪的切割面?？蛇x地，一些實(shí)施例可具有由相同材料制成的基體和切割面。例如，牙輪可整個(gè)由金剛石制成，使得基體和切割面有金剛石制成。在該實(shí)施例中，金剛石可被全部或部分浸濾出。在具有由相同材料制成的基體和切割面的牙輪的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，牙輪基體可由碳化物材料制成，其中，碳化物基體的上表面形成切割面。[0103]牙輪2230還可具有側(cè)表面2235,其繞著牙輪2230的圓周形成且延伸牙輪2230的整個(gè)長(zhǎng)度。因此，在具有由不同于基體的材料制成的切割面的實(shí)施例中，側(cè)表面可包括基體材料和切割面材料兩者。進(jìn)一步地，如圖7A和7B中所示出的，切割邊緣2233在切割面2232與側(cè)表面2235的交匯處形成。切割邊緣可由與基體材料相同或與基體材料不同的材料形成。例如，切割邊緣可由碳化鎢、多晶金剛石、TSP、或其它本領(lǐng)域中已知的硬的和/或耐磨損的材料形成。[0104]進(jìn)一步地，可更改牙輪以在切割面和/或切割邊緣處具有金剛石材料（例如，多晶金剛石）。如圖7C中所示出的，具有多晶金剛石2234的切割邊緣2233的牙輪2230可具有暴露在一部分切割面2232上的碳化物材料（例如，碳化鎢），以確保牙輪2230的簡(jiǎn)單的和精確的機(jī)械加工來(lái)與阻擋器的相應(yīng)形狀的保持端部匹配。例如，圖7C示出了具有凹狀部2237的切割面的暴露的碳化物部分。在其它實(shí)施例中，牙輪的切割面可大體上是平面的。[0105]參考圖7A-7B，可更改牙輪2230以具有在切割面2232、切割邊緣2233和/或側(cè)表面2235內(nèi)形成的至少一個(gè)凹槽2236。凹槽2236可包括在本公開的牙輪中，以通過(guò)與地層的液壓相互作用或物理相互作用增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)。在各種實(shí)施例中，凹槽2236可被蝕刻或機(jī)械加工在各種構(gòu)件中，或可選地在構(gòu)件燒結(jié)或形成期間被形成，且在一些特別的實(shí)施例中可具有從0.001到0.050英寸范圍的深度。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，凹槽可采用任何幾何的或非幾何的形狀且根據(jù)切割元件的尺寸，可優(yōu)選改變凹槽的深度。旨在增加拖拽力以旋轉(zhuǎn)切割器的其它特征（例如孔洞、凹痕、或在切割面上凸起的體積塊、側(cè)表面的倒角）均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，凹槽可以對(duì)稱的或不對(duì)稱的形式繞著牙輪的縱向軸線形成。例如，圖7A示出了具有接近于切割邊緣2233軸對(duì)稱地形成在切割面2232中的凹槽2236的牙輪。[0106]除了凹槽之外，牙輪2230的切割面2232可以具有凹狀部或凸?fàn)畈?。術(shù)語(yǔ)"凹狀部"和"凸?fàn)畈?是指切割面具有凹狀形狀或凸?fàn)钚螤钋遗渲脼榕c臨近的阻擋器相符的部分。盡管凹狀部可具有類似于凹槽2236或與凹槽2236相同的形狀，但凹狀部/凸?fàn)畈吭诠δ苌锨沂纠缘卦诔叽缟虾臀恢蒙吓c凹槽不同。尤其，凹狀部/凸?fàn)畈靠杀恍纬梢耘浜舷鄳?yīng)阻擋器的保持端且可通常位于切割面的徑向中心。凹槽可繞著或接近切割面的邊緣形成以增強(qiáng)牙輪的旋轉(zhuǎn)且通常小于凹狀部/凸?fàn)畈俊0107]具有凹槽和凹狀部的牙輪的一個(gè)實(shí)例在圖7A-7B中示出用以進(jìn)一步澄清凹槽和凹狀部之間的差別。在圖7A-7B中示出的實(shí)施例中，牙輪2230具有形成在切割面2232的徑向中心處或接近切割面2232的徑向中心的凹狀部2237,以及接近切割邊緣2233繞著切割面2232形成的較小尺寸的凹槽2236。位于刀片2220的前導(dǎo)面2221上、臨近于牙輪2230的阻擋器2240可包括保持端2241和附連端2245,其中，保持端2241臨近于牙輪2230的切割面2232的凹狀部2237以將牙輪保持在切割器凹坑2225中，且附連端2245附連到刀片2220的一部分。附連端2245可包括上表面2248,其延伸進(jìn)入刀片的一部分中且位于牙輪2230之下。如圖7A-7B中所示出的，阻擋器2240的保持端2241可具有凸?fàn)畈?247,其中，該凸?fàn)畈?247與牙輪2230的凹狀部2237匹配?？蛇x地，在其它實(shí)施例中，切割面可具有凸?fàn)畈?，而阻擋器的保持端可具有凹狀部，使得切割面的凸?fàn)畈颗c保持端的凹狀部匹配。[0108]如本文所涉及的，阻擋器是與鉆頭分離的構(gòu)件，其附連到鉆頭且臨近于牙輪的切割面。阻擋器包括附連端和保持端，該附連端作為阻擋器與鉆頭之間的附連結(jié)構(gòu)，該保持端臨近于牙輪的切割面。阻擋器可由各種材料形成且具有各種形狀和尺寸以防止牙輪從形成在鉆頭中的切割器凹坑中出來(lái)。[0109]有利地，本文公開的實(shí)施例可提供下述優(yōu)點(diǎn)中的至少一個(gè)。包括可旋轉(zhuǎn)切割部的切割元件可避免典型的固定切割器產(chǎn)生的高溫。由于現(xiàn)有技術(shù)的切割元件的切割表面不斷接觸地層，熱量可積累，這可引起切割元件由于破裂而產(chǎn)生的故障。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例可避免上述的熱量積累，因?yàn)榻佑|地層的邊緣改變。在切割元件的邊緣處的較低溫度可降低潛在的破裂，從而延長(zhǎng)切割元件的功能壽命。通過(guò)降低由切割元件的切割表面經(jīng)歷的熱的和機(jī)械的負(fù)載，切割元件壽命可增加，從而允許更高效的鉆井。[0110]進(jìn)一步地，切割元件的可旋轉(zhuǎn)部的旋轉(zhuǎn)可允許切割表面使用切割表面的全部外邊緣（而不是如現(xiàn)有技術(shù)中提供的那樣僅使用外邊緣的相同部分）來(lái)切割地層。切割元件的全部邊緣可接觸地層，產(chǎn)生更一致的切割元件邊緣磨損，從而防止局部的磨損平面區(qū)域的形成。因?yàn)檫吘壞p更一致，切割元件可不迅速地磨損，從而具有較長(zhǎng)的井下壽命，因此增加了鉆井操作的整體效率。[0111]此外，因?yàn)殡S著切割元件的可旋轉(zhuǎn)切割部旋轉(zhuǎn)，接觸地層的切割元件的邊緣改變，切割邊緣可保持尖銳。尖銳的切割邊緣可在鉆地層時(shí)增加穿透速率，從而增加鉆井操作的效率。進(jìn)一步地，隨著切割元件的可旋轉(zhuǎn)部旋轉(zhuǎn)，可施加液壓力到切割表面以冷卻和清潔切割兀件的表面。[0112]一些實(shí)施例可保護(hù)切割元件的切割表面免于側(cè)沖擊力，從而防止切割元件過(guò)早破裂以及隨后的故障。其它實(shí)施例可使用金剛石臺(tái)面切割表面作為支承表面以減少摩擦且提供延長(zhǎng)的磨損壽命。隨著切割元件實(shí)施例的磨損壽命增加，切割元件故障的可能性減少。因此，更長(zhǎng)的有效切割元件壽命可提供更高的穿透速率，且最終產(chǎn)生更加高效的鉆井操作。[0113]雖然上文中只詳細(xì)描述了少數(shù)的示例性實(shí)施例，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將很容易理解，在示例性實(shí)施例中很多修改是可能的而不實(shí)質(zhì)上背離本發(fā)明。因此，所有這樣的修改旨在被包括在下文的權(quán)利要求書所定義的本公開的范圍內(nèi)。在權(quán)利要求書中，裝置加功能的表述旨在覆蓋本文中描述的結(jié)構(gòu)為執(zhí)排所述功能，且不僅是結(jié)構(gòu)上的等同物，也是等同的結(jié)構(gòu)。因此，雖然釘子和螺釘可能不是結(jié)構(gòu)上的等同物，因?yàn)獒斪硬捎脠A柱的表面將木制部件固定在一起、而螺釘采用盤旋的表面；但是在緊固木制部件的環(huán)境中，釘子和螺釘可以是等同的結(jié)構(gòu)。除了在權(quán)利要求中與相關(guān)功能一起使用了詞語(yǔ)"用于（meansfor)"表述的情況外，申請(qǐng)人:的表述旨在不援引35U.S.C§112,段落6來(lái)對(duì)任何權(quán)利要求進(jìn)行任何限制?！緳?quán)利要求】1.一種切割工具，包括：工具主體，其具有徑向延伸的多個(gè)刀片；以及安裝在該多個(gè)刀片中的至少一個(gè)上的多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以正向盤旋配置方式安裝在所述至少一個(gè)刀片上，且該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件中的每一個(gè)具有負(fù)的側(cè)傾角度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切割工具，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以0度到大約-45度的側(cè)傾角度安裝在所述至少一個(gè)刀片上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切割工具，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以_5度到大約-35度的側(cè)傾角度安裝在所述至少一個(gè)刀片上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切割工具，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以-15度到大約-30度的側(cè)傾角度安裝在所述至少一個(gè)刀片上。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的鼻部區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有從大約-10度到大約-30度的側(cè)傾角度。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的鼻部區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有從大約-20度到大約-30度的側(cè)傾角度。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的肩部區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有從大約-10度到大約-30度的側(cè)傾角度。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的肩部區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有從大約-20度到大約-30度的側(cè)傾角度。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的徑規(guī)區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有小于-25度的側(cè)傾角度。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的錐體區(qū)域中的多個(gè)切割元件具有小于-20度的側(cè)傾角度。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的切割工具，其中，安裝在該錐體區(qū)域中的該多個(gè)切割元件是可旋轉(zhuǎn)的。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的切割工具，其中，在該切割工具的鼻部和肩部區(qū)域中的每一個(gè)切割元件均是可旋轉(zhuǎn)的。13.-種切割工具，包括：工具主體，其具有徑向延伸的多個(gè)刀片；以及安裝在該多個(gè)刀片中的至少一個(gè)上的多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以反向盤旋配置方式安裝在所述至少一個(gè)刀片上，且該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件中的每一個(gè)具有正的側(cè)傾角度。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的切割工具，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以0度到大約45度的側(cè)傾角度安裝在所述至少一個(gè)刀片上。15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的切割工具，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以5度到大約35度的側(cè)傾角度安裝在所述至少一個(gè)刀片上。16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的切割工具，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以15度到大約30度的側(cè)傾角度安裝在所述至少一個(gè)刀片上。17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的鼻部區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有從大約10度到大約30度的側(cè)傾角度。18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的鼻部區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有從大約20度到大約30度的側(cè)傾角度。19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的肩部區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有從大約10度到大約30度的側(cè)傾角度。20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的肩部區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有從大約20度到大約30度的側(cè)傾角度。21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的徑規(guī)區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有小于25度的側(cè)傾角度。22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的錐體區(qū)域中的多個(gè)切割元件具有小于20度的側(cè)傾角度。23.根據(jù)權(quán)利要求23所述的切割工具，其中，安裝在該錐體區(qū)域中的該多個(gè)切割元件是可旋轉(zhuǎn)的。24.根據(jù)權(quán)利要求13所述的切割工具，其中，在該切割工具的鼻部和肩部區(qū)域中的每一個(gè)切割元件均是可旋轉(zhuǎn)的。25.-種切割工具，包括：工具主體，其具有徑向延伸的多個(gè)刀片；以及安裝在該多個(gè)刀片中的至少一個(gè)上的多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以大約10度到大約30度或-10度到大約-30度的側(cè)傾角度在切割工具的鼻部和/或肩部區(qū)域中安裝在所述至少一個(gè)刀片上。26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的切割工具，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以反向盤旋配置方式安裝。27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的切割工具，其中，該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件以正向盤旋配置方式安裝。28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的鼻部區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有從大約10度到大約30度或從大約-10度到大約-30度的側(cè)傾角度。29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的鼻部區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有從大約20度到大約30度或從大約-20度到大約-30度的側(cè)傾角度。30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的肩部區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有從大約10度到大約30度或從大約-10度到大約-30度的側(cè)傾角度。31.根據(jù)權(quán)利要求25所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的肩部區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有從大約20度到大約30度或從大約-20度到大約-30度的側(cè)傾角度。32.根據(jù)權(quán)利要求25所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的徑規(guī)區(qū)域中的該多個(gè)可旋轉(zhuǎn)切割元件具有小于±25度的側(cè)傾角度。33.根據(jù)權(quán)利要求25所述的切割工具，其中，安裝在該切割工具的錐體區(qū)域中的多個(gè)切割元件具有小于±20度的側(cè)傾角度。34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的切割工具，其中，安裝在該錐體區(qū)域中的該多個(gè)切割元件是可旋轉(zhuǎn)的。35.根據(jù)權(quán)利要求25所述的切割工具，其中，在該切割工具的鼻部和肩部區(qū)域中的每【文檔編號(hào)】E21B10/43GK104066919SQ201280067795【公開日】2014年9月24日申請(qǐng)日期:2012年11月20日優(yōu)先權(quán)日:2011年11月23日【發(fā)明者】Y·張,M·G·阿薩爾申請(qǐng)人:史密斯國(guó)際有限公司