CN101627178A - 旋转刮刀钻头及其方法 - Google Patents

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Abstract

旋转刮刀钻头包括具有端面和轴线的钻头体，从所述端面径向和纵向向外延伸的多个刀翼和至少一个分开式切削件组。分开式切削件组包括多个切削件，其中，所述切削件中的至少两个是位于所述多个刀翼中的不同刀翼上的主切削件和/或切割切削件。分开式切削件组的一对主切削件和/或切割切削件可以相对于钻头的中心线或旋转轴线定位在彼此大体上相同的径向距离处或者在钻头上定位在彼此大体上相同的经度或高度上，或者附随彼此大体上相同的旋转或螺旋切削路径。另外，至少一个辅助切削件可以相对于钻头的中心线或旋转轴线定位在与一个或两个主切削件和/或切割切削件大体上距离相同的径向距离处或者定位在与一个或两个主切削件和/或切割切削件大体上相同的钻头经度或高度上，或者附随与一个或两个主和/或切割切削件大体上相同的旋转或螺旋切削路径。分开式切削件组的切削件可以构造和定位为提供延长的钻头寿命和减小切削件上的应力。本发明还提供了旋转刮刀钻头的其它实施例，包括其方法。

Description

旋转刮刀钻头及其方法
优先权声明
本申请要求提交于2007年1月25日、名称为“旋转刮刀钻头”的美国临时专利申请序列No.60/897,457的提交日期的优先权，该申请的内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明在若干个实施例中通常涉及用于钻凿地下地层的旋转刮刀钻头(drag bit)，更特别地，涉及具有构造为提高切削件寿命和性能的多个选定切割切削件结构的旋转刮刀钻头，包括其方法。
背景技术
数十年来，人们使用旋转刮刀钻头对地层进行钻进，已经在刮刀钻头顶冠上使用各种尺寸、形状和图案的天然和人工合成金刚石作为切削元件。刮刀钻头在许多地层中可以提供优于三牙轮钻头的钻进速度(ROP)。
在过去的几十年里，利用聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件或切削件提高了旋转刮刀钻头的性能，所述切削件包括在高温、高压条件下形成在碳化钨基底上的平面金刚石切削元件或台。PDC切削件形成为各种形状，包括圆形、半圆形或墓石形，这些是最常使用的结构。典型地，PDC金刚石台形成为使所述台的边缘与辅助的碳化钨基底共面或者所述台可以悬挂或略微底切，在所述台的后缘处形成“唇部”，以便在切削件进入被钻地层时提高其切削效率和延长其磨损寿命。已经证明，装有PDC切削件(例如，可以铜焊到钻头端面上的凹窝、从所述端面伸出的刀翼上的凹窝中，或者安装到插入钻头体中的柱块上)的钻头在钻进具有低到中等压缩强度的地下地层时可以有效地实现ROP。PDC切削件给钻头设计师提供了各种改进的切削件分布和朝向，顶冠结构，喷嘴布置以及其它设计选择，在以前，这些利用小天然金刚石或人工合成金刚石切削件来说不可能实现。尽管PDC切削元件在钻进许多地下地层时提高了钻头效率，但是，PDC切削元件在操作暴露于某些钻进工况时易于磨损，从而缩短了使用这种切削元件的旋转刮刀钻头的寿命。
热稳定金刚石(TSP)是另一种人工合成金刚石、PDC材料，其可用作旋转刮刀钻头的切削元件或切削件。TSP切削件(必须使用催化剂以促使在由此去除的结构中形成金刚石对金刚石结合)具有优于PDC切削件的热性能。与坚硬和磨蚀性岩石钻进应用相关的高摩擦热使切削边缘温度超过PDC的热稳定性，而TSP切削件在更高的工作温度下仍然保持稳定。这个特性还使TSP焙烧到基体型旋转刮刀钻头的端面中。
尽管PDC或TSP切削元件与其它切削元件类型相比在钻进期间提供了更高的ROP并具有更少的磨损，但仍然希望进一步延长旋转刮刀钻头的寿命以及延长切削件寿命，不管所用切削件类型如何。工业领域的研究人员很早就认识到，当切削元件磨损，即在钻进期间磨损平面产生并形成在与地下地层接触的每个切削元件上时，钻进速度(或ROP)降低。特别是当其它钻进参数保持不变时，钻进速度的降低表示旋转刮刀钻头的切削元件磨坏。各种钻进参数包括但不限于地层类型、钻压(WOB)、切削件位置或切削件刀面角、切削件数量、切削件密度、钻进温度和钻柱RPM，例如但不限于此，并且还包括地层钻进领域的普通技术人员所了解的其它参数。
尽管研究人员不断研究和寻找更为耐用的切削件以及对切削件性能的一般性改进，但他们未能找到或实现通过利用切削元件磨损率保持或增大ROP来实现延长刮刀钻头寿命的工程方法。在这个方面，尽管ROP在很多情况下是识别钻头性能的关键属性，但是人们希望在延长或改进刮刀钻头寿命方面采用或利用切削元件磨损性质。
延长钻头寿命的一种方法是使用所谓的“辅助”切削件，从而特别是当经受异常能量或地下地层中的更硬、研磨性更高的材料时，延长刮刀钻头的主切削件的寿命。通常，辅助切削件定位在第二切削件排中，在主切削件的路径内在旋转方向上附随主切削件，以便在主切削件失效或者磨损超过相当大的程度时与地层接合。已经证明，使用辅助切削件是用于延长钻头寿命的适当方法，同时在无需设计具有附加刀翼以设置更多切削件的钻头的情况下提高稳定性，所述更多刀翼会降低ROP或者可能由于减少在钻头端面上的有效流体流动面积而牺牲钻头水力特性以及由于喷嘴在钻头端面上的不利位置而不如最佳的流体流动。通常，本领域技术人员应当理解，刮刀钻头在刀翼数增大时经受较少的磨损并且不希望地具有更缓慢的ROP，而具有低刀翼数的刮刀钻头(具有更快的ROP)经受更大的磨损。同时，人们相信，传统的辅助切削件连同其相关的主切削件会不希望地导致刀翼区域利用地层材料成球形。因此，人们希望使用或利用辅助切削件提高刮刀钻头的耐久性，同时提高ROP并且不会牺牲钻头水力特性和地层岩屑去除。人们还希望通过进一步减少通常所需刀翼的数量提供具有改进、限制较少的流动面积的刮刀钻头，从而获得更为耐用的刀翼。耐久性可以根据切削件位置进行量化，并且还可以看作在钻进同时长时间保持每个切削件锋利度的能力。在这种意义上讲，每个切削件的“锋利度”包括改善金刚石台的磨损，包括减少因点载荷、异常能量或钻柱跳动引起的对金刚石台的碎裂或损坏。
因此，人们希望改进或延长旋转刮刀钻头的寿命和性能，而不管被钻地下地层的类型如何。人们还希望通过使切削件有利地定向和定位在钻头体上来延长旋转刮刀钻头的寿命。
发明内容
旋转刮刀钻头的实施例包括具有端面和轴线的钻头体，在所述端面上径向和纵向延伸的多个刀翼和至少一个分开式切削件组。分开式切削件组的每个切削件包括从刮刀钻头的刀翼表面至少部分地伸出或暴露超过该刀翼表面的切削表面。分开式切削件组的所有切削件可以相对于钻头中心轴线定位在大体上相同的径向距离处，并且可以沿着钻头的中心轴线定位在大体上相同的高度处或者能够使它们在钻头体围绕其轴线旋转时大体上横向于共用切削路径的位置处。分开式切削件组包括位于第一刀翼上的第一主切削件和位于不同的第二刀翼上的相应的第二主切削件。第一和第二主切削件之一称作所谓的“切割切削件”(kerfing cutter)，其大体上附随于另一主切削件的切削路径，从刮刀钻头钻入的地层中去除附加材料。分开式切削件组还包括至少一个辅助切削件，所述辅助切削件旋转或螺旋定位在第一主切削件或第二主切削件的后面，以便跟从与定位在其前面的主切削件大体上相同的切削路径。在一些实施例中，可以给分开式切削件组的每个主切削件设置一个或多个辅助切削件。这种分开式切削件组能够更快地钻进，同时减小切削件上的应力。在这个方面，钻头切削件的寿命得以延长，钻头与相当的传统刮刀钻头相比更为耐用，从而延长了旋转刮刀钻头的寿命。
旋转刮刀钻头的各种实施例可以有利地包括具有下列主切削件结构的分开式切削件组：位于第一刀翼上的主切削件和位于第二在后刀翼上的分开式切削件，其中，所述第二在后刀翼可以邻近第一刀翼定位，由另一刀翼与第一刀翼(至少沿刮刀钻头的旋转方向)隔开，与第一刀翼相对(即，例如以大约180度“相对”)；或者位于第一刀翼上的分开式切削件和位于第二在后刀翼上的主切削件，其中，第二刀翼邻近第一刀翼定位，由另一刀翼与第一刀翼(至少沿刮刀钻头的旋转方向)隔开，或者与第一刀翼相对(即，例如以大约180度“相对”)；或者位于不同的第一和第二刀翼上的一对主切削件，其中，第二刀翼紧紧落后于第一刀翼，落后于位于第一刀翼之后的插入刀翼，或者与第一刀翼相对地定位。
本发明还提供了构造旋转刮刀钻头的方法和使用根据本发明实施例的旋转刮刀钻头的方法。
在结合附图和所附权利要求书阅读本发明的各种实施例的详细说明的情况下，本发明的其它优点和特征将变得显而易见。
附图说明
图1显示了根据本发明第一实施例的旋转刮刀钻头的前视图。
图2显示了用于本发明第一实施例的切削件和刀翼轮廓。
图3A显示了直列式切削件组的顶视图。
图3B显示了直列式切削件组的平面图。
图4A显示了交错式切削件组的顶视图。
图4B显示了交错式切削件组的平面图。
图5显示了根据本发明第二实施例的旋转刮刀钻头的前视图。
图6显示了用于本发明第二实施例的切削件和刀翼轮廓。
图7显示了用于图5所示钻头的第一刀翼的切削件轮廓。
图8显示了用于图5所示钻头的第二刀翼的切削件轮廓。
图9显示了用于图5所示钻头的第三刀翼的切削件轮廓。
图10显示了用于图5所示钻头的第四刀翼的切削件轮廓。
图11显示了用于图5所示钻头的第五刀翼的切削件轮廓。
图12显示了用于图5所示钻头的第六刀翼的切削件轮廓。
图13是根据本发明第三实施例的旋转刮刀钻头的前视图。
图14显示了用于本发明第三实施例的切削件和刀翼轮廓。
图15显示了用于图13所示钻头的第一刀翼的切削件轮廓。
图16显示了用于图13所示钻头的第二刀翼的切削件轮廓。
图17显示了用于图13所示钻头的第三刀翼的切削件轮廓。
图18显示了具有两个侧倾切削件的直列式切削件组的顶视图。
图19是在用于七个不同刮刀钻头的模拟钻进条件期间，在被钻距离范围内累积金刚石磨损平面面积的图表。
图20是图19所示模拟钻进条件的钻进速度的图表。
图21是在模拟结束时，与用于图19所示模拟钻进条件的切削件径向位置相关的每个切削件的磨损平面面积的图表。
图22显示了根据本发明第四实施例的旋转刮刀钻头的前视图。
图23显示了用于本发明第四实施例的切削件和刀翼轮廓。
图24显示了根据本发明第五实施例的旋转刮刀钻头的前视图。
图25显示了用于本发明第五实施例的切削件和刀翼轮廓。
图26显示了用于图24所示钻头的第一刀翼的切削件轮廓。
图27显示了用于图24所示钻头的第二刀翼的切削件轮廓。
图28显示了用于图24所示钻头的第三刀翼的切削件轮廓。
图29显示了用于图24所示钻头的第四刀翼的切削件轮廓。
图30显示了用于图24所示钻头的第五刀翼的切削件轮廓。
图31显示了用于图24所示钻头的第六刀翼的切削件轮廓。
图32是在用于两个不同刮刀钻头的模拟钻进条件期间，在被钻距离范围内累积金刚石磨损平面面积的图表。
图33是图32所示模拟钻进条件的功率的图表。
图34是在模拟结束时，与用于图32所示模拟钻进条件的切削件径向位置相关的每个切削件的磨损平面率的图表。
图35显示了旋转刮刀钻头的局部顶视图。
图36显示了图35所示旋转刮刀钻头的局部侧视图。
图37显示了根据本发明第六实施例的旋转刮刀钻头的前视图。
图38显示了用于本发明第六实施例的切削件和刀翼轮廓。
具体实施方式
在将要描述的本发明实施例中，提供了可以比常规设计的旋转刮刀钻头钻得更深、钻得更快或者更为耐用的旋转刮刀钻头。在这个方面，不管被钻地下地层材料如何，都可以使每个刮刀钻头的寿命延长，性能提高。
在图1中，旋转刮刀钻头110定位成从底部观察，或者在观察者位于钻孔底部的情况下在钻头端面或前端112处向上观看。钻头110包括例如通过铜焊粘结到凹窝116(如示意性描述的那样)上的切削元件或切削件114，所述凹窝位于从刮刀钻头110的端面112伸出的刀翼131、132、133上。尽管切削件114可以通过铜焊粘结到凹窝116上，但是也可以使用对本领域普通技术人员来说显而易见的其它连接方法。通常使用参考数字114表示每个切削件。切削件114联接到刮刀钻头110上的相应凹窝116上，但是特殊切削件(包括其特征)将在以下文以不同的参考数字表示以对本发明进行更详细的描述。
本实施例中的刮刀钻头110称作“基体”钻头。“基体”钻头包括渗入熔融(随后可硬化的)粘结剂(例如，铜基合金)中的大量金属粉末(例如，碳化钨颗粒)。选择性地，钻头还可以是钢制或其它钻头类型，例如，烧结金属碳化物。钢制钻头通常由锻件或钢坯制成，随后机加工成最终形状。本发明不限于实现其任何实施例的钻头体类型。
流体通路120位于刀翼131、132、133之间并且通过位于从腔室引出的通道末端的水眼122提供钻井流体，所述腔室从位于钻头110上端或尾端处的管状钻杆延伸到钻头体111中。水眼122可以包括固定到其上的喷嘴(未显示)，用于增强和控制钻井流体的流动。流体通路120延伸到排屑槽126，所述排屑槽沿着钻头110的纵向侧面124在刀翼131、132、133之间向上延伸。保径垫块(未显示)包括具有从刀翼131、132、133伸出的径向外表面121的纵向突起，并且可以包括本领域已知的耐磨镶嵌件或涂层。在使用中，从水眼122流出的钻井流体(未显示)将地层切屑从切削件114上冲走，所述钻井流体通常通过流体通道120径向向外流动并随后穿过排屑槽126向上流到钻柱和钻孔表面之间的环形区域，钻头110悬挂并支撑在所述钻柱上。有利地，钻井流体在钻进期间从钻头端面112上冲走地层岩屑的同时还冷却切削件114。
本实施例中的每个切削件114为PDC切削件。然而，可以认识到，本发明的实施例可以使用任何其它适用类型的切削元件。为了在本发明的不同实施例中清楚起见，切削件显示为单个结构以便更好地描述和介绍本发明。然而，可以认识到，切削件114可以包括材料层。在这方面，本实施例的PDC切削件114均包括粘结到支撑基底上的金刚石台，如前所述。当刮刀钻头110以使地层与切削件114的切削边缘113接触的方式旋转时，PDC切削件114通过剪切作用从地下地层中去除材料。当切削件144切削和粉碎地层时，钻井流体流使地层切屑悬浮并夹带其从排屑槽126排出。
刀翼131、132、133称作主刀翼。每个刀翼131、132、133(统称主刀翼)包括主体部分134，所述主体部分从端面112伸出(纵向和径向突出)并且属于钻头体111(钻头体111也称作钻头110的“框架”)的一部分。主体部分134可以延伸到保径区域165。主体部分134包括刀翼表面135、前表面136和后表面137并且可以从钻头110的锥形区域160或者轴向中心线C/L(以数字161表示)朝向保径区域165径向向外延伸。流体通路120位于定位在钻头端面112上的相邻刀翼131、132、133的部分之间并且与位于沿着钻头110的保径区域165延伸的相邻刀翼131、132、133的部分之间的排屑槽126相连。由于刀翼131、132、133的主体部分134从钻头110的轴向中心线161径向向外延伸，刀翼表面135可以径向加宽，前表面136和后表面137均可以从钻头体111的端面112轴向伸出更长的距离。尽管钻头110的图示实施例包括三个刀翼131、132和133，钻头可以具有任意数量的刀翼，但是通常具有不少于由至少两个流体通路120和排屑槽126隔开的两个刀翼。
当钻井流体从水眼122流出时，它在钻进期间通过流体通路120大体上输送至排屑槽126并且流动到每个刀翼131、132、133的主体部分134的前表面136。钻井流体的一部分还冲刷刀翼表面135，包括刀翼表面135的后表面137，从而冷却和清洗切削件114。
本发明实施例中的刮刀钻头110包括三个主刀翼131、132、133，但是不包括本领域熟知的任何副刀翼或从(tertiary)刀翼。副刀翼或从刀翼提供了附加的支撑结构，从而通过在其上接收附加的主切削件114而增大钻头110的切削件密度。副刀翼或从刀翼与主刀翼大体上相同，但是通常从钻头110的顶冠区域162、侧部区域163或肩部区域164朝向保径区域径向延伸。在这个方面，副刀翼或从刀翼界定在与至少一个水眼122流体连通的前、后流体通路120之间。同样，副刀翼或从刀翼或者副刀翼和从刀翼的组合可以设置在主刀翼之间。然而，副刀翼或从刀翼减少了相邻流体通路120的有效容积，提供了较少的地层岩屑清洗作用或切削件114的清洗作用。有选择地，在需要或希望实现刮刀钻头的特定钻进特性时，根据本发明实施例的刮刀钻头110可以包括一个或多个副刀翼或从刀翼。
根据如图1所示的本发明的第一实施例，旋转刮刀钻头110包括三个刀翼131、132、133，三个主切削件排141、142、143和三个辅助切削件群151、152、153。尽管包括三个辅助切削件群151、152、153，应当想到，刮刀钻头110可以在刀翼之一上包括一个辅助切削件群或者在每个刀翼上包括多于或少于图示数量的多个辅助切削件群。另外，可以想到，刮刀钻头110可以具有比所示三个更多或更少的刀翼。每个辅助切削件群151、152、153可以具有一个或多个辅助切削件组。例如但不限于，辅助切削件群152包括三个辅助切削件组152′、152″、152′″。现在对辅助切削件群152的辅助切削件组152′、152″、152″进行详细说明。
每个主切削件排141、142、143分别布置在每个刀翼131、132、133上。辅助切削件群151、152、153分别在旋转方向上附随于每个刀翼131、132、133上的每个主切削件排141、142、143。尽管在这个实施例中，每个刀翼包括在旋转方向上领先于辅助切削件群的主切削件排，刮刀钻头110可以具有有选择地设置在位于钻头体111的至少一个刀翼上的主切削件排之后的辅助切削件群。另外，刮刀钻头110可以具有有选择地设置在钻头体111的多个刀翼上的辅助切削件群。
每个辅助切削件群151、152和153可以具有一个或多个辅助切削件组。例如但不限于，辅助切削件群152包括三个多辅助切削件组152′、152″、152′″。尽管位于同一刀翼132上并在旋转方向上附随于主切削件排142的切削件的辅助切削件群152包括三个辅助切削件组152′、152″、152″，可以想到的是，刮刀钻头110可以在每个辅助切削件群中包括一个辅助切削件组或者大于或小于图示三个的多个辅助切削件组。下面将更详细的描述刀翼132的切削件群152的辅助切削件组152′、152″、152′″，用它们表示其它切削件群151、153中的其它辅助切削件组也是一样。
包括辅助切削件组152′、152″、152″在内的辅助切削件群152包括第一在后切削件排154、第二在后切削件排155和第三在后切削件排156。每一排141、142、143、154、155、156包括定位联接到刀翼131、132、133上的一个或多个切削件114。切削件排可以由从刮刀钻头110的端面112的中心线C/L(该中心线从图1伸出，由数字161表示)伸出的径向路径决定，并且大体上沿着或靠近所述径向路径布置有一个或多个切削元件或切削件。
另外参考图2，刀翼132的主切削件排142包括切削件3、6、11、19、28、37、46、50。每个辅助切削件组152′、152″、152′″分别包括第一在后切削件排154的切削件20、29、38，第二在后切削件排155的切削件21、30、39和第三在后切削件排156的切削件57、58、59。第一在后切削件排154在旋转方向上附随于主切削件排142并在旋转方向上领先于第二在后切削件排155，所述第二在后切削件排在旋转方向上领先于第三在后切削件排156。尽管本实施例的每个辅助切削件组152′、152″、152′″包括在后切削件排154、155、156中的切削件114，切削件排的数目只受到每个刀翼131、132、133的表面135上的有效面积的限制。在这个方面，辅助切削件组152′包括分别来自三个在后切削件排154、155、156的三个切削件20、21、57。尽管辅助切削件组152′包括三个切削件20、21、57，但是可以想到，每个辅助切削件组可以包括来自多个在后切削件排的切削件。
第一在后切削件排154的切削件12、20、29、38、47分别在旋转方向上附随于主切削件排142的切削件11、19、28、37、46，并且在本实施例中看作辅助切削件。辅助切削件沿大体上相同的旋转路径(位于距中心线C/L的大体上相同半径处)在旋转方向上附随于主切削件，从而在主切削件失效或磨损超过其有用性时提高刮刀钻头110的耐久性和寿命。然而，第一在后切削件排154的切削件12、20、29、38、47可以是主切削件、副切削件或辅助切削件的任何分类或组合。尽管本发明不包括任何副切削件，但是副切削件可以沿相邻的旋转路径(位于距中心线C/L的不同半径处)在旋转方向上附随于主切削件，从而消除主切削件之间的较大沟槽，以给刮刀钻头110提供增大的钻进速度和增强的耐久性。根据切削件分类，切削件12、20、29、38、47可以沿着其旋转路径在不同的径向位置处隔开，从而在与特殊地下地层的材料接合时增强切削件性能。另外，在旋转方向上附随于切削件11、19、28、37、46的切削件12、20、29、38、47在切削件11、19、28、37、46的下面暴露。具体地，切削件12、20、29、38、47以千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)的距离在下面露出。
第二在后切削件排155的切削件21、30、39均分别在旋转方向上附随于主切削件排142的切削件19、28、37，并且在本实施例中也看作是主切削件排142的辅助切削件。有选择地，切削件21、30、39可以是第一在后切削件排154的切削件20、29、38或者是第一在后切削件排154和主切削件排142的组合的辅助切削件。尽管切削件21、30、39是辅助切削件，第二在后切削件排55的切削件21、30、39可以是主切削件、副切削件和辅助切削件的任何分类或组合。另外，在旋转方向上附随于切削件19、28、37的切削件21、30、39在切削件19、28、37的下面暴露。具体地，切削件21、30、39相对于排142以千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)的距离在下面暴露。
第三在后切削件排156的切削件57、58、59均分别在旋转方向上附随于主切削件排142的切削件19、28、37，并且在本实施例中也看作是主切削件排142的辅助切削件。有选择地，切削件57、58、59可以是第二在后切削件排155的切削件21、30、39的辅助切削件或者是第二在后切削件排155、第一切削件排154和主切削件排142的组合的辅助切削件。尽管切削件57、58、59是辅助切削件，第三在后切削件排156的切削件57、58、59可以是主切削件、副切削件和辅助切削件的任何分类或组合。另外，在旋转方向上附随于切削件19、28、37的切削件57、58、59在切削件19、28、37的下面暴露。具体地，切削件57、58、59以千分之七十五(0.075)英寸(1.905毫米)的距离在下面露出。
有选择地，在下面将要描述的本发明实施例中，每个切削件12、20、29、38、47、21、30、39、57、58、59可以相对于主切削件排142的切削件114具有不同的下方暴露量或者很少到没有下方暴露量，与每个其它切削件12、20、29、38、47、21、30、39、57、58、59无关。
第一在后切削件排154、第二在后切削件排155和第三在后切削件排156的切削件114小于主切削件排141、142、143的切削件114。切削件排154、155、156的较小切削件114能够在必要时提供用于主切削件排141、142、143的辅助支持，而且在不需要切削件114时，减少与地层材料之间的旋转接触阻力。尽管第一在后切削件排154、第二在后切削件排155和第三在后切削件排156的较小切削件114全部具有相同的尺寸，但是可以想到的是，每个切削件尺寸可以大于或小于图示尺寸。同样，尽管每个切削件排154、155、156的切削件114全部具有相同的尺寸，但是可以想到的是，每个切削件排的切削件尺寸可以大于或小于其它切削件排的切削件尺寸。
在本发明的实施例中，在旋转刮刀钻头的刀翼上可以旋转布置的方式包括一个或多个附加的辅助切削件排，其在旋转方向上附随于主切削件排和辅助切削件排并增添给主切削件排和辅助切削件排。在本发明的这个方面，一个或多个附加切削件排不是位于刮刀钻头的下一刀翼上的第二切削件排、第三切削件排或第n切削件排。一个或多个附加辅助切削件排、辅助切削件排和主切削件排中的每一个包括位于同一刀翼上的一个或多个切削元件或切削件。所述一个或多个附加辅助切削件排的每一个切削件可以与在旋转方向上领先于它的切削件排列或大体上排列在同心旋转路径中。选择性地，每个切削件与位于辅助切削件排和主切削件排中的切削件的旋转路径略微偏心布置。
在本发明的实施例中，附加切削件排的一个或多个切削件相对于刮刀钻头刀翼上的在先切削件排的一个或多个切削件都具有特定暴露量。例如，每个切削件排的一个或多个切削件的暴露量相对于在先切削件排的一个或多个切削件的暴露量在数值上逐渐减小。在这个方面，切削件排的一个或多个切削件中的每一个可以相对于在旋转方向上的在先切削件排的切削件在下方逐渐露出。选择性地，每个在后切削件排的一个或多个切削件与在其前面的切削件排的一个或多个切削件相比具有更大或更小的下方暴露量。通过调节切削件排的切削件的下方暴露量，辅助切削件排的切削件可以设计成在主切削件的磨损平面面积增大时与地层材料形成接触。在这个方面，辅助切削件排的切削件设计成在主切削件磨损时与地层接合，从而延长刮刀钻头的寿命。通常，特别是在切削件磨损很少时，主切削件典型地朝向刀翼131的前部或前表面136定位或者定位于其上以提供大部分切削工作负荷。当刮刀钻头的主切削件承受动态异常能量或者当切削件磨损时，辅助切削件排中的辅助切削件开始与地层接合并且开始承受或均分主切削件的工作，以便更好地去除地层材料。
根据本发明的实施例，图3A显示了直列式切削件组200的顶视图。图3A是旋转或螺旋路径202的线性表示，切削件214可以沿所述路径定位在旋转刮刀钻头上。直列式切削件组200包括主切削件204、第一辅助切削件206和第二辅助切削件208，每个切削件与紧位于之前的切削件成旋转直列关系，即，大体上沿着相同的旋转路径202排列。较大的主切削件204和较小的辅助切削件206、208给旋转刮刀钻头提供了增强的耐久性和延长的寿命。另外，当主切削件失效或承受不希望的高异常能量时，辅助切削件206、208均给主切削件204提供辅助支持。同样，辅助切削件206和208在主切削件204磨损时给其提供冗余的辅助支持。在这个方面，辅助切削件206、208是辅助切削件组。
图3B显示了直列式切削件组200的平面图。直列式切削件组200使主切削件204和辅助切削件206、208分别相对于基准线203具有完全暴露的切削件表面205和部分暴露的切削件表面207、209。在这个方面，辅助切削件206、208在主切削件204的下方暴露。在切削地层材料时，基准线203还表示在辅助切削件206、208逐渐接合以承担大量工作负荷之前主切削件204上所需的磨损量。直列式切削件组200可用于本发明的其它实施例。另外，直列式切削件组200可以包括位于在后切削件组排中的第三辅助切削件或者多个辅助切削件。尽管表面205、207、209包括其各自的暴露量，直列式切削件组200的表面可以构造为包括切削件204、206、208的相同暴露量(或下方暴露量)或暴露量组合。选择性地，尽管辅助切削件206、208相对于主切削件204的旋转路径径向对准，但是任一辅助切削件可以相对于其它切削件径向偏离更大或更小的径向程度。
根据本发明的实施例，图4A显示了略微交错的切削件组220的顶视图。图4A是旋转或螺旋路径222的线性表示，切削件214可以沿所述路径定位在旋转刮刀钻头上。交错式切削件组220包括主切削件224、第一辅助切削件226和第二辅助切削件228，每个切削件在给定的旋转路径中相对于其它切削件214径向交错或偏离。第一辅助切削件226和第二辅助切削件228与主切削件224相比是较小切削件。例如，辅助切削件226、228具有不同的，重叠的旋转路径，两者主要位于主切削件224的旋转路径222内。较大的主切削件224和较小的辅助切削件226、228给旋转刮刀钻头提供了增强的耐久性和延长的寿命。另外，当主切削件失效或承受不希望的高异常能量时，辅助切削件226、228均给主切削件224提供辅助支持。另外，辅助切削件226和228在主切削件224磨损时给其提供冗余的辅助支持。在这个方面，辅助切削件226、228是辅助切削件组。
图4B显示了交错式切削件组220的平面图。交错式切削件组220使主切削件224和辅助切削件226、228分别相对于基准线223具有完全暴露的切削件表面225和部分暴露的切削件表面227、229。在这个方面，辅助切削件226、228在主切削件224的下方暴露。在切削地层材料时，基准线223还表示在辅助切削件226、228开始充分均分来自主切削件224的工作负荷之前主切削件224上所需的磨损量。有利地，对于交错式切削件组220来说，当主切削件224磨损时，交错式切削件组220提供了围绕主切削件224的径向路径交错布置的两个更为锋利的切削件226、228，比直列式切削件具有更强力的切削。交错式切削件组220可用于本发明的任何实施例。另外，交错式切削件组220可以包括位于在后切削件组排中的第三辅助切削件或者多个辅助切削件。尽管表面225、227、229包括其各自的暴露量，交错式切削件组220的表面可以构造为包括切削件224、226、228的相同暴露量(或下方暴露量)或暴露量组合，如图4B所示。
根据本发明的实施例，切削件组可以包括多个切削件214，其具有与其它切削件214径向交错或偏离的至少一个切削件和与在先切削件在旋转方向上成直列关系的至少一个切削件。
图5显示了根据本发明第二实施例的旋转刮刀钻头210的前视图。旋转刮刀钻头210包括六个刀翼231、231′、232、232′、233、233′，每个刀翼具有从钻头210的中心线C/L伸出的主切削件排或第一切削件排241和第二切削件排251。切削件排241、251包括联接到刀翼231、231′、232、232′、233、233′的切削件凹窝216上的切削件214。可以想到，每个刀翼231、231′、232、232′、233、233′可以具有比图示两个更多或更少的切削件排241、251。同样，每个切削件排241、251可以具有比每个刀翼231、231′、232、232′、233、233′上所示更多或更少数量的切削件214。在本实施例中，刀翼231、232、233是主刀翼，刀翼231′、232′、233′是副刀翼。副刀翼231′、232′、233′提供用于特别是在顶冠区域262(参见图6)上增添的附加切削件214的支撑，在所述顶冠区域262处，切削件214上发生冲击破坏的工作要求或可能性较大。当切削件214受损或磨损时，第二切削件排251的切削件214提供用于第一切削件排241的相应切削件214的辅助支持。
为了提高刮刀钻头210的寿命，第二切削件排251的每个切削件214可以相对于第一切削件排241的每个相应切削件214以例如但不限于直列、偏移、下方暴露或交错或者其组合的方式定位。在这个方面，在第一切削件排251的切削件214失效时，第二切削件排251的切削件214可以通过去除地层材料辅助和支持第一切削件排241的切削件214。在本发明的这个实施例中，第二切削件排251在每个刀翼231、231′、232、232′、233、233′上包括以直列、偏移、交错和/或下方暴露方式布置的切削件214。下面讨论刀翼231、231′、232、232′、233、233′的第二切削件排251。
图6显示了用于图5所示刮刀钻头210的实施例的切削件和刀翼轮廓230。刮刀钻头210具有51个切削件的切削件密度和由切削件和刀翼轮廓230表示的轮廓。切削件214编为1-51号。尽管可以包括本发明其它实施例的方面，但是切削件1-51不会与本发明其它实施例的带编号的切削件发生混淆。图7-12分别显示了用于每个刀翼231、231′、232、232′、233、233′的特殊切削件轮廓。
如图7所示，刀翼231安装有第二切削件排251和第一切削件排241。第一切削件排241包括主切削件17和29。第二切削件排251包括辅助切削件18和30。切削件18相对于主切削件17交错布置并且在旋转方向上附随于该主切削件17，而切削件30相对于主切削件29交错布置并且在旋转方向上附随于该主切削件29。切削件17和18形成交错式切削件组280。同样地，切削件29和30也形成交错式切削件组281。交错的切削件18和30形成交错式切削件排291。尽管交错切削件18、30相对于其相应的主切削件17、29具有多暴露量或者偏移的下方暴露量，但是它们也可以具有与主切削件17和29相比相同或相等的下方暴露量。
图8显示了安装有第二切削件排251和第一切削件排241的刀翼231′。第一切削件排241包括主切削件15和27。第二切削件排241包括辅助切削件16和28。切削件16相对于主切削件15交错布置并且在旋转方向上附随于该主切削件15，而切削件28相对于主切削件27交错布置并且在旋转方向上附随于该主切削件27。切削件15和16形成交错式切削件组281。同样地，切削件27和28也形成交错式切削件组281。交错的切削件16和28形成交错式切削件排292。尽管交错切削件16、28相对于其相应的主切削件15、27具有多暴露量或者偏移的下方暴露量，但是它们也可以具有与主切削件15和27相同或相等的下方暴露量。
图9显示了安装有第二切削件排251和第一切削件排241的刀翼232。第一切削件排241包括主切削件13、25和37。第二切削件排241包括辅助切削件14、26和38。切削件14相对于主切削件13交错布置并且在旋转方向上附随于该主切削件13，切削件38相对于主切削件37交错布置并且在旋转方向上附随于该主切削件37，而切削件26相对于主切削件25成直列关系并且在旋转方向上附随于该主切削件25。切削件13、14以及37、38分别形成两个交错式切削件组283、284。切削件25、27形成直列式切削件组270。尽管直列式切削件26和交错式切削件14、38相对于其相应的主切削件13、25和37具有多暴露量或者偏移的下方暴露量，但是它们也可以具有与主切削件13、25和37相同或相等的下方暴露量。
类似地，图10显示了具有第二切削件排251的刀翼232′，所述第二切削件排251包括形成交错式切削件排294的交错式切削件12、36和直列式切削件24。另外，如图11所示，刀翼233的第二切削件排251包括形成交错式切削件排295的交错式切削件9、34和直列式切削件22。另外，如图12所示的刀翼233′的第二切削件排251包括形成交错式切削件排296的交错切削件20、32。尽管在刮刀钻头210的刀翼231、231′、232、232′、233、233′的排251中可以布置交错切削件和直列式切削件的各种方案，如图7-12所示，但是可以想到，一个或多个交错切削件可以设置有或没有刀翼231、231′、232、232′、233、233′的第二切削件排251中显示的直列式切削件。
根据本发明的实施例，多个交错切削件可以具有相等的下方暴露量或者可以相对于其相应的主切削件一致地交错布置。在这个方面，交错切削件可以相对于其相应的主切削件具有大体上相同的下方暴露量或偏移(即，交错)量，如其它交错切削件的每个下方暴露和交错量一样。同样，可以想到，一个或多个交错切削件排可以设置在图示第二切削件排251以外，一个或多个交错切削件排可以包括非均匀分布的交错切削件，所述交错切削件相对于同一切削件排内的其它交错切削件具有不同的下方暴露量。进一步想到的是，第二切削件排251可以包括切削件214，所述切削件214具有在交错式切削件排内非线性分布的下方暴露量，切削件214相对于从刮刀钻头210的中心线C/L径向向外延伸的交错式切削件排分布。
图13显示了旋转刮刀钻头310的另一实施例的前视图。旋转刮刀钻头310包括三个主刀翼331、332、333，每个主刀翼包括分别从钻头310的中心线C/L径向向外延伸的主切削件排或第一切削件排341、342、343，辅助切削件排或第二切削件排344、345、346，和附加的辅助切削件排或第三切削件排347、348、349。选择性地，一个或多个附加的辅助切削件排可以设置在图示第一切削件排341、342、343和第二切削件排344、345、346以外的至少一个刀翼331、332和333上。每个切削件排341、342、343、344、345、346、347、348、349包括多个切削件314，每个切削件314联接到刀翼331、332、333的切削件凹窝316上。
切削件排341、342、343中的切削件314是如图14所示的完全暴露切削件，图14显示了用于钻头310的切削件和刀翼轮廓330。刮刀钻头310具有54个切削件的切削件密度和由切削件和刀翼轮廓330表示的轮廓。切削件314编为1-54号。尽管切削件1-54可以包括本发明其它实施例的方面，但是它们不会与本发明其它实施例的带编号的切削件发生混淆。切削件排344、345、346中的切削件314相对于在旋转方向上领先的切削件排341、342、343中的切削件以千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)的距离在下方露出。切削件排347、348、349中的切削件314相对于在旋转方向上在先切削件排341、342、343中的切削件以千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)的距离在下方露出。在这个方面，切削件排341、344、347形成用于刀翼331的切削件群351。尽管切削件排344、347的切削件分别相对于切削件排341的切削件以千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)和千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)的距离在下方露出，但是可以想到，每个切削件排可以以比所示更少、相等或更多的量在下方暴露。切削件排342、345、348形成用于刀翼332的切削件群352，切削件排343、346、349形成用于刀翼333的多层式切削件群353。尽管每个多层式切削件群351、352、353包括具有切削件的切削件排，其中的切削件相对于每个群的在先排中的切削件具有相同的下方暴露量，但是可以想到的是，它们可以包括具有切削件的切削件排，其中的所述切削件具有相对于其在先排的切削件而言更大或更小程度的下方暴露量。
图15-17分别显示了用于每个刀翼331、332、333的特殊切削件轮廓。对于刀翼331来说，切削件群351的第一切削件排341包括切削件直径为5/8英寸(大约16毫米)的切削件1、4、7、14、23、32、41、48并且包括切削件直径为1/2英寸(大约13毫米)的切削件54。通常，第一切削件排341的切削件314具有尺寸大于第二切削件排344和第三切削件排347的切削件314尺寸的切削件。切削件群351的第二切削件排344包括切削件直径为1/2英寸(大约13毫米)的切削件8、15、24、33、42、51。切削件群351的第三切削件排347包括切削件直径为1/2英寸(大约13毫米)的切削件13、22、31、40。切削件群351通过在切削件314的寿命内与地层形成改进的接触接合给刮刀钻头310提供了提高的耐久性和延长的寿命。切削件群351通过在第二和第三切削件排344、345中设置较小切削件314在切削地层时提高了性能，所述较小切削件提高了第一切削件排341的较大切削件314的性能。在这个方面，例如，较小切削件13、15在旋转路径内在旋转方向上附随于较大切削件14，所述旋转路径在去除材料时对地层具有比利用单个副切削件排(具有与主切削件排相同的切削件尺寸)通常所得更少的干扰或阻力。尽管切削件314具有1/2英寸(大约13毫米)和5/8英寸(大约16毫米)的切削件直径，但是切削件314可以具有比图示更大或更小的切削件直径。
切削件314从与刮刀钻头310中每个切削件移动的旋转路径相关的法线方向向后倾斜(即，具有后倾角)15度，如本领域普通技术人员已知。可以预料的是，对于特殊应用来说，每个切削件314可以具有与图示15度后倾角不同的更大或更小的强力后倾角。
如图15所示，刀翼331的切削件群351包括两个直列式切削件组370、372和四个交错式切削件组380、382、384、386。在这个实施例中，分别包括切削件7、8和切削件48、51的直列式切削件组370、372提供了辅助支持并延长了主切削件7和48的寿命。同样，交错式切削件组380、382、384、386提高了去除地层材料的能力，同时给切削件组的相应主切削件提供辅助支持并延长刮刀钻头310的寿命。
刀翼332的切削件群352包括三个直列式切削件组371、373、374和三个交错式切削件组381、383、385，如图16所示。
如图17所示，刀翼333的切削件群353包括两个直列式切削件组375、376和四个交错式切削件组387、388、389、390。
在本发明的实施例中，刮刀钻头可以包括一个或多个切削件群以改善钻头的寿命和性能。具体地，在钻头体的一个或多个刀翼上可以包括多层式切削件群，进一步包括以任意组合方式的一个或多个多暴露量切削件排、一个或多个交错式切削件组或一个或多个直列式切削件组，但本发明不限于此。
在本发明的实施例中，多层式切削件群可以包括具有不同切削件尺寸的切削件组或切削件排，以便在辅助切削件随主切削件运动时改进(通过降低)刮刀钻头承受的阻力。在这个方面，较小的辅助切削件更适合位于直径较大的主切削件之后，以便在刮刀钻头旋转时提供平稳的同心运动。在一个方面，通过将每个辅助切削件的直径尺寸从主切削件的切削件直径5/8英寸(大约16毫米)减小到1/2英寸(大约13毫米)、11毫米或3/8英寸(大约9毫米)，例如但不限于此，在主切削件形成的旋转路径上去除地层材料时很少存在与地层的干涉接触。在另一个方面，通过设置具有较小切削件尺寸的辅助切削件，与辅助切削件的非切削表面接触的地层减少，从而改善了刮刀钻头的ROP。
在本发明的实施例中，辅助切削件排的切削件可以具有与主切削件排的切削件的后倾角相比强力侵入性能更高或更低的后倾角。通常，为了保持主切削件的耐久性，使用强力侵入性能不太大的后倾角，虽然牺牲了切削件性能，但强力侵入性能不太大的后倾角使主切削件更为耐用并且在承受异常能量或钻杆跳动时很少发生碎裂。通过提供本发明实施例中的辅助切削件，可以在辅助切削件、主切削件或两者上使用强力侵入性能更强的后倾角。组合的主切削件和辅助切削件提供改进的耐久性，允许后倾角有选择地具有强力侵入性能，以便提高切削件的综合性能，在钻进时很少发生因振动产生的磨损或碎裂。
在本发明的实施例中，辅助切削件排的切削件可以具有与主切削件排上的切削件的倒角相比强力侵入性能更高或更低的倒角。通常，为了保持主切削件的耐久性，特别是在主切削件上使用强力侵入性能更强的后倾角时，使用较长的倒角。尽管牺牲了切削件性能，但较长倒角使主切削件更为耐用，在钻进时承受异常能量的情况下不易破碎。通过提供辅助切削件，在辅助切削件、主切削件或两者上使用强力侵入性能更强，即更短的倒角以提高钻头的切削速度。组合切削件提供改进的耐久性，允许倒角长度具有更高或更低的强力侵入性能，以便提高切削件的综合性能，在钻进时很少发生因振动导致的断裂可能。
在本发明的实施例中，刮刀钻头可以包括联接到刀翼的切削件凹窝上的辅助切削件，所述切削件具有与切削件旋转路径相关的侧倾角。在一个实例中，图18显示了具有直列式切削件组300的刮刀钻头的顶视图，所述直列式切削件组具有两个侧倾切削件302、303。图18是旋转或螺旋路径301的线性表示，直列式切削件组300可以沿所述路径定位在旋转刮刀钻头上。直列式切削件组300包括主切削件304和两个侧倾切削件302、303。侧倾切削件303在旋转方向上附随于主切削件304并且小于主切削件304，并且以侧倾角305定向。侧倾切削件302还沿与侧倾角305相反的方向以侧倾角定向，如图所示。尽管在直列式切削件组300上设置了两个侧倾切削件302、303，但是可以想到的是，可以设置一个或多个附加的侧倾切削件(即，图示两个)。尽管磨损平面306、307在其磨损时可以在主切削件304上扩大，通过使侧倾切削件302、303以侧倾角定向，侧倾切削件302、303可以分别保持较陡边缘308、309，改善钻头的ROP。另外，当主切削件304上的磨损平面306、307增大时，侧倾切削件302和303的较陡边缘308、309可以增大切削件302、303施加在地层上以便使地层材料破碎并由此去除的应力。尽管切削件组300显示为具有0度后倾角或“倾角”，但是可以想到的是，切削件302、303、304还以如本领域普通技术人员所知的后倾角定向。尽管直列式切削件组300包括侧倾切削件303，但是还可以想到的是，例如但不限于，可以在辅助切削件组、辅助切削件组、切削件排、交错式切削件排和交错式切削件组中使用侧倾切削件。
在本发明的实施例中，切削结构可以联接到刮刀钻头的刀翼上，在刀翼前部布置较大直径的主切削件，其后面是位于大体上相同螺旋路径或者切削件旋转轨迹的其它变化范围内的一排或多排较小直径切削件。在旋转方向上附随于主切削件的较小直径切削件可以下方暴露至与主切削件的切削深度或磨损特性相关的不同程度，使得较小切削件可以在特定切削深度处或者在主切削件上发生一定的磨损情况之后与地层材料接合。可以在本发明的实施例中使用如名称为“具有减小的切削件暴露量的钻头”的美国专利号7,096,978中所述的切削深度控制特征。
在图19、20和21中，几个根据本发明不同实施例的刮刀钻头404、405、406的性能与传统刮刀钻头407、408、409、410的性能进行了比较。具体地，图19、20和21均显示了利用软件模型预测在刮刀钻头404、405、406、407、408、409、410寿命内的累积切削件磨损平面面积。有利地，应用本发明实施例的刮刀钻头404、405、406具有改进的磨损平面对ROP特性，在钻进速度更快的情况下延长了切削元件或切削件的寿命，与传统的刮刀钻头407、408、409、410相比，在主切削件上磨损变少，从而改进了综合钻进性能。改进的钻进性能是指在不牺牲刮刀钻头耐久性的情况下更快的钻进。在图19、20和21中，参考赋予每个刮刀钻头404、405、406、407、408、409、410的数字来识别所描绘的结果。
刮刀钻头404包括三个刀翼和位于每个刀翼上的三排切削件。第一排切削件是在旋转方向上领先于两个交错切削件排的主切削件排，其中，第一交错式切削件排的切削件以千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)的距离在下方暴露，第二交错式切削件排的切削件以千分之五十(0.050)英寸(大约1.27毫米)的距离在下方暴露。
刮刀钻头405包括三个刀翼和位于每个刀翼上的三排切削件。第一排切削件是在旋转方向上领先于两个直列式切削件排的主切削件排，其中，第一直列式切削件排的切削件以千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)的距离在下方暴露，第二直列式切削件排的切削件以千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)的距离在下方暴露。
刮刀钻头406包括三个刀翼和位于每个刀翼上的三排切削件。第一排切削件是在旋转方向上领先于两个直列式切削件排的主切削件排，其中，第一直列式切削件排的切削件以千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)的距离在下方暴露，第二直列式切削件排的切削件以千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)的距离在下方暴露。
传统的刮刀钻头407包括六个刀翼和位于每个刀翼上的单排主切削件。传统的刮刀钻头408包括四个刀翼，在每个刀翼上具有主切削件排和辅助切削件排。传统的刮刀钻头409包括五个刀翼和位于每个刀翼上的单排主切削件。传统的刮刀钻头410包括三个刀翼，在每个刀翼上具有主切削件排和辅助切削件排。
图19是在模拟钻进条件下，七个不同刮刀钻头404、405、406、407、408、409、410的累积金刚石磨损平面面积的图表400。图19的图表400包括竖轴和横轴，所述竖轴表示以平方英寸(以平方毫米计，乘645.16)计的所有切削元件的总金刚石磨损平面面积，所述横轴表示以英尺(以米计，乘0.3048)计的钻进距离。图19显示了在钻头寿命期间，磨损平面面积和磨损平面率受刮刀钻头404、405、406、407、408、409、410上的切削结构布置方式和朝向影响的差异。例如，在钻进的第一个1200英尺(366米)范围内，磨损平面率，即，曲线斜率对传统刮刀钻头407、408、409来说，特别是在地层钻进的初始阶段(即，第一个1200英尺(366米))内以较快的速率增大，而体现本发明教导的刮刀钻头404、405、406和传统的刮刀钻头410保持较低的磨损率。当刮刀钻头407、409的磨损平面率在磨损平面面积接近有效钻进的可用终点，即，超过如图所示1200英尺(366米)时开始减少时，钻进速度在剩余的钻头寿命期间以显著的速率不希望地降低。在这个方面，在钻进大约1200英尺(366米)之后，对于具有至少一个辅助切削件排的刮刀钻头404、405、406、408、410来说，磨损平面率开始以较大速率增加。在钻进大约2100英尺(640米)处，具有多辅助切削件排的刮刀钻头405的磨损平面率开始比只具有一个辅助切削件排的刮刀钻头410的磨损平面率大，这表示钻头410接近其可用寿命，它的钻进速度显著降低，如图20所示。每个刮刀钻头404、405、406、407、408、409、410的磨损平面率的变化影响希望的ROP(如图20所示)，因此，特别是在更快地钻进时，钻头总寿命是希望的目标。
对比图19和图20，可以认识到，为了在给定的钻进距离内保持较快的ROP，人们希望在开始时缓慢地加快和控制磨损平面增长，在钻头的剩余寿命期间以较大的速率增加。通过在具有较少刀翼的刮刀钻头的每个刀翼上设置一个或多个辅助切削件排，切削件的磨损平面率可以提高磨损和ROP方面的性能。
图20是图19所示模拟钻进条件的钻进速度的图表401。图20的图表401包括竖轴和横轴，所述竖轴表示以英尺/小时(以米/小时计，乘0.3048)计的钻进速度(或ROP)，所述横轴表示以平方英寸(以平方毫米计，乘645.16)计的磨损平面面积。均具有辅助切削件的体现本发明教导的刮刀钻头404、405、406和传统的刮刀钻头408在大于0.7平方英寸(452平方毫米)的磨损平面面积上具有改进的ROP。传统的刮刀钻头407、409、410的ROP在磨损平面面积超过大约0.7平方英寸(452平方毫米)时加速降低。然而，尽管仅具有一个辅助切削件排的刮刀钻头408在切削件在其使用寿命期间磨损时保持较高ROP，图19显示出刮刀钻头408不能像体现本发明教导的任何刮刀钻头404、405、406那样深地钻入地层。通过将刮刀钻头设计为在切削件的使用寿命期间，即，当切削件磨损时具有较高的ROP，刮刀钻头可以更快地钻进。根据本发明教导构造的切削件增强了钻头耐久性，使得切削件不易受损，进一步提供了在钻头磨损时保持较高ROP所需的切削结构。在这个方面，附加的切削件排还提供了用于保持较高ROP的改进的磨损平面面积控制。
图21是在模拟结束时，即，当钻进速度低于如图20所示的10英尺/小时(3.04米/小时)时，与用于图19所示模拟钻进条件的切削件径向位置相关的每个切削件的磨损平面面积的图表402。图21的图表402包括竖轴和横轴，所述竖轴表示以平方英寸(以平方毫米计，乘645.16)计的每个切削元件的金刚石磨损平面面积，所述横轴表示以英寸(以毫米计，乘25.4)计的相对于刮刀钻头中心的切削元件的径向位置。图表402表示在模拟结束时，每个刮刀钻头404、405、406、407、408、409、410的每个切削元件或切削件的磨损状态。人们所关心的是，用于本发明刮刀钻头404、405、406的主切削件排在与传统的刮刀钻头407、408、409、410相比时发生更少的切削件磨损。在这个方面，切削件的磨损提供了每个切削件承担的工作负荷的标志，最终，提供了特殊刮刀钻头在其切削件磨损时的ROP的标志。
图22显示了根据本发明的另一实施例的旋转刮刀钻头510的前视图。旋转刮刀钻头510包括三个刀翼531、532、533，每个刀翼包括分别由钻头510的中心线C/L径向向外延伸的前部切削件排或第一切削件排541、542、543和表面切削件排或第二切削件排544、545、546。切削件排541、542、543、544、545、546包括多个主切削件514，其联接到刮刀钻头510的刀翼531、532、533的切削件凹窝516中。切削件排541、542、543、544、545、546允许主切削件514有选择地定位在比通常为实现理想切削件轮廓所需更少的刀翼上。在这个方面，第二切削件排544、545、546在单个刀翼上提供了分成至少两个不同切削件排的主切削件514，从而与传统刮刀钻头上所需相比减少了刀翼数量，在实现低密度刀翼型刮刀钻头的较快ROP的同时，提高了高密度刀翼型刮刀钻头的耐久性。同样，三个刀翼531、532、533中的每个刀翼可以分别具有位于图示第二切削件排544、545、546以外的更多或更少的主切削件排。
选择性地，尽管刮刀钻头510包括三个刀翼531、532、533，但是刮刀钻头510可以包括一个或多个主刀翼。同样，还可以设置一个或多个附加切削件排或辅助切削件排，其在刀翼531、532、533至少之一上包括分别位于图示第一切削件排541、542、543和第二切削件排544、545、546以外的副切削件、辅助切削件或多辅助切削件。在这个方面，刮刀钻头510可以包括本发明其它实施例的方面。
切削件排541、542、543、544、545、546中的切削件514是如图23所示的完全暴露的主切削件，图23显示了本发明第四实施例的切削件和刀翼轮廓530。刮刀钻头510具有51个切削件的切削件密度和由切削件和刀翼轮廓530表示的轮廓。切削件514编为1-51号。尽管可以包括本发明其它实施例的方面，但是切削件1-51不会与本发明其它实施例的带编号的切削件发生混淆。切削件排544、545、546中的切削件514定位在相邻的旋转路径中并且相对于切削件排541、542、543中的切削件514完全暴露，允许切削件514在刮刀钻头上的某些径向位置处提供金刚石容积，以便在控制切削件磨损的同时使地层材料去除最优化。在这个方面，切削件1-51提供通常存在于六刀翼型刮刀钻头上的切削件轮廓，然而，切削件1-51由于它们布置在具有较少数量的刀翼的刮刀钻头上，因此能够以更快的速率去除更多的地层材料。
相对于与每个切削件移动的旋转路径相关的切削台边缘与井孔表面接触的切线来说，每个切削件514从每个切削件的切削台平面的法线方向向后倾斜(即，具有后倾角)大约15到大约30度，如本领域普通技术人员已知。可以想到的是，对于特殊应用来说，每个切削件514可以具有与图示后倾角不同的强力侵入性更大或更小的后倾角。在另一个方面，还可以想到的是，用于大体上联接到每个刀翼表面535上的第二切削件排544、545、546中的切削件514的后倾角可以具有与第一切削件排541、542、543的切削件514不同的强力侵入性更大或更小的后倾角，所述第一切削件排的切削件大体上联接成朝向前表面534并且在地层钻进期间经受更多的异常能量。
在每个切削件514的切削边缘513上包括倒角515。每个切削件514的倒角515可以在用于强力侵入性更强的切削结构的非常浅、几乎觉察不到的表面和千分之十(0.010)英寸(0.254毫米)或千分之十六(0.016)英寸(0.406毫米)的深度，乃至用于强力侵入性较小的更深深度之间变化，如本领域普通技术人员已知。可以想到的是，每个倒角515可以具有用于每个切削件514的特殊径向位置，即刮刀钻头510的锥形区域560、顶冠区域562、侧部区域563、肩部区域564或保径区域565上的切削件位置的强力侵入性更大或更小的宽度。在另一个方面，还可以想到的是，用于大体上联接到每个刀翼表面535上的第二切削件排544、545、546中的每个切削件514的倒角可以具有与第一切削件排541、542、543的每个切削件514不同的强力侵入性更大或更小的倒角宽度，所述第一切削件排的每个切削件大体上联接成朝向前表面534并且在地层钻进期间经受更多的异常能量。
利用刮刀钻头510在钻进地层时获得更快的钻进速率或ROP。传统刮刀钻头在刀翼数减少和ROP增大时在切削件上经受更多的磨损。通过给刮刀钻头510设置刀翼数量与传统多刀翼型钻头(例如，六个刀翼)相比减少到图示三个刀翼531、532、533，切削件磨损和ROP的性能提高。较少刀翼数目允许每个刀翼531、532、533的刀翼表面535加宽，提供了在每个刀翼上增加切削件密度或体积，即，在三刀翼钻头上实现六刀翼刮刀钻头的等效切削件密度的空间。通过增大位于每个刀翼531、532、533上，特别是在每个切削件上的工作负荷更为明显的某些径向位置上的主切削件514的切削件密度或体积，切削件514在更快的ROP下，以更缓慢的速率磨损。同样，通过设置数量减少的刀翼531、532、533，可以给每个刀翼设置更多的喷嘴以便提供增加的流体流量，以及处理由被钻地层材料产生的更多切屑。通过增大从喷嘴到刀翼的液压马力以清洗切削件514，ROP进一步增大。此外，通过给刮刀钻头510提供较少数量的刀翼和多排主切削件，水力清洗刮刀钻头510得到增强以提供增大的ROP，同时获得传统较重刮刀钻头的耐久性，而不会最终降低ROP。
在刮刀钻头510的一个方面，X刀翼型刮刀钻头的切削结构放在Y刀翼型刮刀钻头上，其中，Y小于X，切削结构的切削件514均在相邻或部分重叠的旋转或螺旋路径上联接到Y刀翼型刮刀钻头上。通过在Y刀翼型刮刀钻头上设置X刀翼型刮刀钻头的切削结构，在Y刀翼型刮刀钻头上实现X刀翼型刮刀钻头的耐久性，同时实现Y刀翼型刮刀钻头的较高钻进速度或效率。
图24显示了根据本发明另一个实施例的旋转刮刀钻头610的前视图。旋转刮刀钻头610包括六个刀翼631、631′、632、632′、633、633′，每个刀翼包括从钻头610的中心线C/L伸出的主切削件排或第一切削件排641和辅助切削件排或第二切削件排651。切削件排641、651包括联接到刀翼631、631′、632、632′、633、633′的切削件凹窝616上的切削件614。可以想到的是，每个刀翼631、631′、632、632′、633、633′可以具有比图示两个更多或更少的切削件排641、651。同样，每个切削件排641、651可以在每个刀翼631、631′、632、632′、633、633′具有比图示更少或更多数量的切削件614。在本实施例中，刀翼631、632、633是主刀翼，刀翼631′、632′、633′是副刀翼。副刀翼631′、632′、633′提供用于特别是在顶冠或肩部区域662(参见图25)上增添的附加切削件614的支撑，在所述顶冠或肩部区域662处，切削件614上发生冲击破坏的工作要求或可能性较大。当切削件614受损或磨损时，第二切削件排651的切削件614给第一切削件排641的相应切削件614提供辅助支持，并且还可以有选择地布置为以第一切削件排641的切削件614的不同磨损状态均分工作。
为了提高刮刀钻头610的寿命，第二切削件排651的每个切削件614可以相对于第一切削件排641的每个相应切削件614以例如但不限于直列、偏移、下方暴露或交错或者其组合的方式定位。在这个方面，第二切削件排651的切削件614可以通过去除地层材料辅助和支持第一切削件排641的切削件614，并且在第一切削件排641的主切削件614失效时仍能提供辅助支持。
在本发明的这个实施例中，第二切削件排651在每个刀翼631、631′、632、632′、633、633′上包括具有不同的下方暴露量的切削件614。连同术语“下方暴露的”或术语“下方暴露”一起使用的术语“不同”是指不同的切削件可以相对于刮刀钻头610上的其它切削件中的任何一个具有不同程度的下方暴露，在这个方面，切削件称作变化的下方暴露。通过设置下方暴露程度不同的切削件614，每个切削件614可以在第一切削件排641的主切削件614的不同磨损状态下接合地层材料，同时提供辅助支持。现在将讨论刀翼631、631′、632、632′、633、633′的第二切削件排651。
图25显示了用于本发明第二实施例的切削件和刀翼轮廓630。刮刀钻头610具有51个切削件的切削件密度和由切削件和刀翼轮廓630表示的轮廓。刮刀钻头610的切削件614编为1-51号。尽管可以包括本发明其它实施例的方面，但是切削件1-51不会与本发明其它实施例的带编号的切削件发生混淆。图26-31分别显示了用于每个刀翼631、631′、632、632′、633、633′的特定切削件轮廓。
图26所示刀翼631包括第二切削件排651和第一切削件排641，具有分别在旋转方向上附随于完全暴露的主切削件17以千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)的距离在下方暴露的第二切削件18，和在旋转方向上附随于完全暴露的第一切削件29以千分之十五(0.015)英寸(0.381毫米)的距离在下方暴露的第二切削件30。尽管第二切削件排631中的第二切削件18、30分别具有千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)和千分之十五(0.015)英寸(0.381毫米)的不同的下方暴露量，它们可以具有更大或更小的下方暴露量，并且还可以具有相同的下方暴露量。切削件17和18形成下方暴露的切削件组680。同样地，切削件29和30也形成在下方暴露的切削件组681。第二切削件18和30形成在下方暴露的切削件排691。
如图27所示，包括第二切削件排651和第一切削件排641在内的刀翼631′包括分别在旋转方向上附随于完全暴露的主切削件15以千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)的距离在下方暴露的第二切削件16，和在旋转方向上附随于完全暴露的第一切削件27以千分之十五(0.015)英寸(0.381毫米)的距离在下方暴露的另一第二切削件削件28。尽管第二切削件16、28分别具有千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)和千分之十五(0.015)英寸(0.381毫米)的下方暴露量，它们可以具有更大或更小的下方暴露量，并且还可以具有相同的下方暴露量。切削件15和16形成在下方暴露的切削件组682。同样地，切削件27和28也形成在下方暴露的切削件组683。第二切削件16和28形成在下方暴露的切削件排692。
图28所示刀翼632包括第二切削件排651和第一切削件排641，其包括分别在旋转方向上附随于完全暴露的主切削件13、25和37以千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)、千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)和千分之十五(0.015)英寸(0.381毫米)的距离在下方暴露的第二切削件14、26和38。尽管第二切削件排631中的第二切削件14、26、38分别具有千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)、千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)和千分之十五(0.015)英寸(0.381毫米)的下方暴露量，它们可以具有更大或更小的下方暴露量，并且还可以具有相同的下方暴露量。切削件13和14、25和26、以及37和38分别形成三个在下方暴露的切削件组684、685、686。第二切削件14、26、38形成在下方暴露的切削件排693。
如图29所示刀翼632′的第二切削件排651包括分别在旋转方向上附随于完全暴露的主切削件11、23和35以千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)、千分之十五(0.015)英寸(0.381毫米)和千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)在下方暴露的第二切削件12、24和36，并且第二切削件12、24和36形成在下方暴露的切削件排694。同样，如图30所示，刀翼633的第二切削件排651包括分别在旋转方向上附随于完全暴露的主切削件9、21和33以千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)、千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)和千分之五十(0.050)英寸(1.27毫米)在下方暴露的第二切削件10、22和34，并且第二切削件10、22和34形成在下方暴露的切削件排695。另外，如图31所示，刀翼633′的第二切削件排651包括分别在旋转方向上附随于完全暴露的主切削件19和31以千分之二十五(0.025)英寸(0.635毫米)和千分之十五(0.015)英寸(0.381毫米)在下方暴露的第二切削件20、32，并且第二切削件20、32形成在下方暴露的切削件排696。尽管在刮刀钻头610的刀翼631、631′、632、632′、633、633′的下方暴露的切削件排691-696中布置第二切削件614的不同方案，但是可以想到的是，可以设置具有为排641中所示主切削件的不同磨损阶段设定的用于与地层材料接合的更多或更少下方暴露量的一个或多个第二切削件。在这个方面，第二切削件10、12、14、16和18可以在其相应的主切削件614发生显著磨损或损坏时与地层材料接合，而第二切削件24、28、30和32可以在相应的主切削件614开始磨损时(不管是否造成损坏)与地层材料接合。
根据本发明的实施例，多个副切削元件可以在从刮刀钻头610的中心线C/L向外径向延伸的一个或多个辅助切削件排中具有不同的下方暴露量，以便作为多个主切削元件磨损的结果，使切削元件与地层材料分级接合。同样，副切削元件可以在一个或多个辅助切削件排中具有不同的下方暴露量，从而在主切削件失效的情况下给主切削件提供辅助保护。
在图32、33和34中，参考赋予每个刮刀钻头608和610的数字识别所描绘的结果。图32是在用于传统刮刀钻头608和刮刀钻头610的模拟钻进条件期间，累积金刚石磨损平面面积的图表600。传统的刮刀钻头608包括六个刀翼，其在每个刀翼上具有主切削件排和辅助切削件排，其中，辅助切削件排的下方暴露量保持不变。图25显示和在上文描述了刮刀钻头610。图32的图表600包括竖轴和横轴，所述竖轴表示以平方英寸(以平方毫米计，乘645.16)计的所有切削元件的总金刚石磨损平面面积，所述横轴表示以英尺(以米计，乘0.3048)计的钻进距离。图32显示了在钻头寿命期间，磨损平面面积和磨损平面率(斜率)受刮刀钻头608、610上的切削结构布置方式影响的差异。例如，在钻进的第一阶段或1200英尺(366米)范围内，用于钻头608、610的磨损平面率，即，曲线斜率相似。当钻头608、610继续钻进超过1200英尺(366米)时，普通钻头608的切削件以增大的速率磨损，而结合本发明教导的新颖钻头610的切削件以更为缓慢的速率磨损，因为辅助切削件的下方暴露开始与地层材料接合以有助于使每个切削件上的负荷和磨损最优化。刮刀钻头610的可变下方暴露的辅助切削件与相当的普通钻头608相比可以钻进更远的距离。通过在刮刀钻头的一个或多个刀翼上设置一个或多个下方暴露的切削件排，切削件的磨损平面率可以提高总磨损和钻进深度方面的性能。
图33是图32所示模拟钻进条件的功率(work rate)的图表601。图33的图表601包括竖轴和横轴，所述竖轴表示以瓦特计的用于每个切削元件的工作负荷，所述横轴表示以英寸(以毫米计，乘25.4)计的相对于刮刀钻头中心的切削元件的径向位置。图表601显示了在钻进地层材料结束时，每个切削元件上的工作负荷。有利地，因为刮刀钻头610的切削件包括下方暴露程度不同的第二切削件，当主切削件磨损或损坏时，只有特定的第二切削件与地层接合。因此，刮刀钻头610的第二切削件只在主切削件损坏或在主切削件上发生阶段磨损时做功。然而，普通钻头608的所有辅助切削件不希望地做功，而不管其主切削件上的磨损量如何，从而导致不良性能。通过给每个辅助切削件提供变化的下方暴露量，主切削件上的磨损可以优化以提高每个切削件做的功，同时延长钻头的可用寿命。
图34是与用于图32所示模拟钻进条件的切削件径向位置相关的每个切削件的磨损率的图表602。图34的图表602包括竖轴和横轴，所述竖轴表示以平方英寸/分钟(以平方毫米/分钟计，乘25.4)计的每个切削元件的金刚石磨损率，所述横轴表示以英寸(以毫米计，乘25.4)计的相对于刮刀钻头中心的切削元件的径向位置。图表602表示在模拟结束时，用于每个刮刀钻头608、610的每个切削元件或切削件的磨损率。人们关心的是，具有设计或阶梯式切削件磨损量的不同下方暴露量的切削件减少了主切削件上的磨损，延长或优化了刮刀钻头610的寿命，并且在主切削件失效时仍然提供辅助切削件保护。然而，不管主切削件的磨损状态如何，不必暴露给地层的普通钻头608的所有辅助切削件与刮刀钻头610的切削件相比以增大的速率磨损。通过设置下方暴露量可变的切削件，刮刀钻头610的磨损率(图32中的曲线斜率)以更为缓慢的速率增大，从而延长所有切削件的寿命，从而实现更深的钻进深度。此外，图表602显示了可以在设置辅助切削件的同时延长钻头610的寿命，所述辅助切削件在主切削件失效或者当在选定主切削件614上实现特殊磨损状态时与地层材料接合。
图35显示了旋转刮刀钻头710的局部顶视图，显示出切削件侧倾角(侧倾角)、切削件位置(侧面-侧面)以及切削件尺寸(尺寸)的概念。“侧倾角”如上所述。′侧面-侧面′是同一切削件排中的切削件之间的距离。“尺寸”是切削件尺寸，通常以切削件表面长度或直径表示。图36显示了图35所示旋转刮刀钻头710的局部侧视图，显示了此处所述后倾角、暴露量、倒角和间距的概念。
图37显示了根据本发明另一实施例的旋转刮刀钻头810的前视图，所述旋转刮刀钻头包括分开式切削件组。在分开式切削件组中，由不同刀翼831、831′、832、832′、833、833′支承的两个主切削件814(例如，两个无切口主切削件，主切削件和切割切削件等)可以定位在与钻头810的中心线C/L相关的相同径向距离处并且定位在钻头810的大体上相同的高度处和/或可以附随大体上相同的径向或螺旋切削路径。分开式切削件组的至少一个主切削件814可以在旋转方向上或螺旋方向上领先于辅助切削件，所述辅助切削件附随与其相应的、在先主切削件大体上相同的切削路径。每个辅助切削件可以定位在与其相应的主切削件和/或切割切削件相同的刀翼上，或者定位在与其相应的主切削件和/或切割切削件不同的刀翼上。
旋转刮刀钻头810的所示实施例包括六个刀翼831、831′、832、832′、833、833′，每个刀翼装有切削件814。在该实施例中，钻头810的刀翼831、832、833是主刀翼，刀翼831′、832′、833′是副刀翼。副刀翼831′、832′、833′特别是在钻头810的顶冠区域提供用于附加切削件814的支撑，在所述顶冠区域处，切削件814上发生冲击破坏的工作要求或可能性较大。尽管钻头810描述为包括六个刀翼，包括少于或多于六个刀翼的刮刀钻头的类似实施例也落入本发明的范围之内。
应当注意，钻头810的每个刀翼831、831′、832、832′、833、833′安装有切削件814，其联接到刀翼831、831′、832、832′、833、833′的切削件凹窝816上。切削件814可以成排布置在刀翼831、831′、832、832′、833、833′上。更具体地，图示钻头810的每个刀翼831、831′、832、832′、833、833′具有沿着通常从钻头810的中心线C/L朝向钻头810的保径部分延伸的路径布置的主切削件排或第一切削件排841和辅助或第二切削件排851。可以想到，每个刀翼831、831′、832、832′、833、833′可以具有比图示两个更多或更少的切削件排841、851。同样，每个切削件排841、851可以具有比每个刀翼831、831′、832、832′、833、833′上所示更多或更少数量的切削件814。当切削件814受损或磨损时，第二切削件排851的切削件814提供用于第一切削件排841的相应切削件814的辅助支持。
图37显示了钻头810的一部分切削件814布置在分开式切削件组820上的方式。钻头810可以包括比所示更少或更多的分开式切削件组820。在所示实施例中，每个分开式切削件组820包括由两个切削件814组成的至少两个子组，其中，一个子组包括来自一个刀翼831、831′、832、832′、833、833′的每个第一切削件排841和第二切削件排851的一个刀翼814，另一个子组包括来自不同的刀翼831、831′、832、832′、833、833′的每个第一切削件排841和第二切削件排851的一个切削件814。在所示实施例中，第二子组的切削件814位于在旋转方向上附随于安装切削件814的第一子组的刀翼831、831′、832、832′、833、833′的刮刀钻头810的刀翼831、831′、832、832′、833、833′上。
在分开式切削件组820的每个子组821、822中，第二切削件排851的切削件814在旋转方向上附随于相邻第一切削件排841的相应切削件814。切削件814的这个子组822连通位于不同刀翼831、831′、832、832′、833、833′上但大体上附随相同切削路径的切削件814的另一子组821形成分开式切削件组820，其通过构造为辅助和主切削件的切削件814在提高刮刀钻头810寿命的同时改进了地层去除率。还可以认识到，为了进一步延长刮刀钻头810的寿命，每个切削件排841、851的每个切削件814相对于分开式切削件组820的相应切削件814中的每一个以例如但不限于直列式、偏移、下方暴露或交错、或者其组合的方式定位。在这个方面，第二切削件排851的切削件814可以通过去除地层材料辅助和支持第一切削件排841的切削件814，并且在第一切削件排841的主切削件814失效时仍能提供辅助支持。
在本发明的这个实施例中，分开式切削件组820包括在刮刀钻头810旋转时大体上沿着切削路径在旋转方向上附随于另一切削件子组822的切削件子组821。切削件子组821包括带编号的切削件25和26，其中，切削件26相对于刀翼833′上的第一切削件排841中的切削件25以直列式和下方暴露的方式定位在第二切削件排851中，并且在旋转方向上附随于切削件子组822的带编号切削件23和24。带编号的切削件23和24具有与切削件子组821的切削件25和26大体上相同的结构。任一切削件子组822、821可以具有比所示带编号的切削件24和26的数量更少或更多的用于执行辅助支持的切削件814。可选择地，分开式切削件组820可以包括至少两个主切削件814，每个主切削件位于钻头810的不同刀翼上并且构造为在钻头810围绕其轴线旋转时大体上附随相同的切削路径，例如，刀翼833上的带编号切削件23和刀翼833′上的带编号切削件25。现在参考图38讨论多个分开式切削件组820。
图38显示了用于钻头810的切削件和刀翼轮廓830。钻头810具有五十三(53)个切削件的切削件密度以及如切削件和刀翼轮廓830表示的轮廓。切削件814编为1-53号。尽管切削件1-53可以包含本发明刮刀钻头的其它实施例方面的方式定位，但是它们不应当与本发明刮刀钻头的其它实施例的带编号切削件发生混淆。尽管没有显示用于每个刀翼831、831′、832、832′、833、833′的特殊切削件轮廓，但是，每个刀翼831、831′、832、832′、833、833′上的切削件位置可以参考每个带编号切削件标号所带的下标1、2、3、4、5和6进行区分。
切削件轮廓830显示了刮刀钻头810构造有十个分开式切削件组820。例如，如上所述，一个分开式切削件组820包括主切削件235和254和辅助切削件245和264。在本实施例中，分开式切削件组820构造为在后分开式切削件组，包括位于刀翼833′上并且在旋转方向上附随于刀翼833上的辅助切削件组822的辅助切削件组821。在钻头810的这个实施例中，其它分开式切削件组820也是在后分开式切削件组。例如，刀翼831和831′上的切削件391、401、416、426形成在后分开式切削件组。在后分开式切削件组的另一实例包括构造为刀翼832上的主切削件和刀翼833′上的切削件442、452的切削件433，这些切削件在刮刀钻头810围绕其轴线C/L旋转时均附随大体上相同的旋转路径。切削件433和442构造为主切削件，切削件452构造为副切削件或辅助切削件。
在本发明的其它方面，如上所述的分开式切削件组820认为是“在后切割和辅助切削件组”，即，一个主切削件附随于刮刀钻头810的不同刀翼上的另一主切削件以在钻进时进行切割作用，其中，主切削件的至少一个包括位于其相应刀翼上的在后辅助切削件，如上所述。可以认识到，两个主切削件可以具有根据本发明如上所述的其它实施例的一个或多个辅助切削件。
根据本发明的实施例，例如但不限于，分开式切削件组可以包括构造为“相对的切割和辅助切削件组”、“在后切割和在先辅助切削件组”、“相对的切割和在先辅助切削件组”、“在后切割和在后辅助切削件组”和“相对的切割和在后辅助切削件组”的切削件814。
“相对的切割和辅助切削件组”的实例包括一个主切削件和位于刮刀钻头的不同、相对刀翼上的另一主切削件，其中，至少一个主切削件在旋转方向上领先于与相应主切削件相同的刀翼上安装的辅助切削件。术语“相对的”通常理解为包括构造成相对于另一切削件或刀翼在旋转方向上附随或领先大约180度的切削件或刀翼。同样，可以认识到，两个主切削件可以具有根据本发明如上所述其它实施例的一个或多个在后辅助切削件。“相对的切割和辅助切削件组”的一个实例可以示意性地包括(使用具有六个，顺序编号的刀翼1、2、3、4、5和6和如图38所示的切削件和刀翼轮廓的带编号切削件)位于刀翼5上的主切削件23和位于刀翼2上的相对的主切削件25，所述刀翼5具有位于刀翼5上的辅助切削件24，所述刀翼2具有位于刀翼2上的辅助切削件26。
“在后切割和在先辅助切削件组”的实例包括一个主切削件，所述主切削件附随于刮刀钻头的不同刀翼上的另一主切削件，其中，至少一个在先辅助切削件沿着与相应主切削件大体上相同的旋转路径移动，并且定位在领先于主切削件的相应刀翼的刀翼上。同样，可以认识到，两个主切削件可以具有根据本发明如上所述其它实施例的一个或多个在先辅助切削件。“在后切割和在先辅助切削件组”的一个实例可以示意性地包括(使用具有六个，顺序编号的刀翼1、2、3、4、5和6和如图38所示的切削件和刀翼轮廓的带编号切削件)位于刀翼5上的主切削件23和位于刀翼4上的在后主切削件25，所述刀翼5具有位于刀翼1上的辅助切削件24，所述刀翼4具有位于刀翼6上的辅助切削件26。
“相对的切割和在先辅助切削件组”的实例包括与位于刮刀钻头的不同刀翼上的另一主切削件相对的一个主切削件，其中，至少一个主切削件在旋转方向上或螺旋方向上领先于刀翼上的辅助切削件，所述刀翼领先于安装主切削件的刀翼。同样，可以认识到，每个辅助切削件可以包含根据如上所述刮刀钻头的其它实施例的教导。“相对的切割和在先辅助切削件组”的一个实例可以示意性地包括(使用具有六个，顺序编号的刀翼1、2、3、4、5和6和如图38所示的切削件和刀翼轮廓的带编号切削件)位于刀翼5上的主切削件23和位于刀翼2上的相对的主切削件25，所述刀翼5具有位于刀翼6上的辅助切削件24，所述刀翼2具有位于刀翼3上的辅助切削件26。
“在后切割和在后辅助切削件组”的实例包括附随于刮刀钻头的不同刀翼上的另一主切削件的一个主切削件，其中，至少一个主切削件包括安装在同一刀翼上的在后辅助切削件。同样，可以认识到，两个主切削件可以具有根据本发明如上所述其它实施例的一个或多个在先或在后辅助切削件。“在后切割和在后辅助切削件组”的一个实例可以示意性地包括(使用具有六个，顺序编号的刀翼1、2、3、4、5和6和如图38所示的切削件和刀翼轮廓的带编号切削件)位于刀翼5上的主切削件23和位于刀翼4上的在后主切削件25，所述刀翼5具有位于刀翼3上的辅助切削件24，所述刀翼4具有位于刀翼2上的辅助切削件26。
“相对的切割和在后辅助切削件组”的实例包括与位于刮刀钻头的不同刀翼上的另一主切削件相对的一个主切削件，其中，至少一个主切削件包括位于附随于主切削件的相应刀翼的刀翼上的在后辅助切削件。同样，可以认识到，两个主切削件可以具有根据本发明如上所述其它实施例的一个或多个在先或在后辅助切削件。“相对的切割和在后辅助切削件组”的一个实例可以示意性地包括(使用具有六个，顺序编号的刀翼1、2、3、4、5和6和如图38所示的切削件和刀翼轮廓的带编号切削件)位于刀翼5上的主切削件23和位于刀翼2上的相对的主切削件25，所述刀翼5具有位于刀翼4上的辅助切削件24，所述刀翼2具有位于刀翼1上的辅助切削件26。
根据本发明的实施例，分开式切削件组可以包括相对于分开式切削件组的其它切削件一致构造的切削件。在这个方面，例如但不限于，切削件可以具有相同的倾角、下方暴露量和尺寸。同时，可以想到，分开式切削件组的一个或多个切削件可以具有非一致构造或定位的切削件。此外，分开式切削件组的切削件可以包括彼此成直列关系、彼此交错和暴露量不同的切削件，如参考本发明其它实施例所述。
在上述实施例中，已经研究了用于放置在旋转刮刀钻头上的切削件的选定切削件结构和切削件朝向。选定切削件结构可以优化，从而具有以优化切削深度和岩石去除策略为基础的布局。这种策略能够使切削结构的设计在选定的主切削件和辅助切削件之间具有最佳负荷分配和振动缓冲。通常，辅助切削件以相等的下方暴露量在刮刀钻头上定位在领先于该辅助切削件的主切削件后面设定距离处。通过实施岩石去除策略，主切削件和副切削件的位置可以优化以有效地平衡刮刀钻头的负荷和岩石去除，从而提高性能和延长寿命。基本上，刮刀钻头上的切削件排中的每个切削件的位置得以优化，从而提供与其它切削件相关的最佳侧倾角、切削件位置、切削件尺寸、后倾角、暴露量、倒角或间距，以便于刮刀钻头的优化而更快地钻进。
在上述实施例中，旋转刮刀钻头包括具有不同的后倾角和侧倾角(如此所述)，相对于主切削件定位在钻头上的选定位置上的辅助切削件，以便通过限制钻进期间的振动和异常能量来延长切削件的可用工作寿命。在这个方面，应当理解，对于上述钻头而言，根据主切削件或其它辅助切削件改变辅助切削件的后倾角和侧倾角可以增强切削件作用力的平衡效果，实现更平稳的功率。因此，通过在切削元件的轮廓内改变辅助切削件的后倾角和侧倾角，可以增强地层钻进期间，尤其是发生异常能量时的振动缓冲，以及在切削元件磨损时提高切削作用。
在上述实施例中，已经研究了选择用于放置在旋转刮刀钻头上的辅助切削件。特别地，像主切削件或与其相关的副切削件一样，选择放置在旋转刮刀钻头的同一刀翼上的辅助切削件。可以认识到，辅助切削件可以(有选择地)放置在与主切削件或与其相关的副切削件不同的刀翼上。在这个方面，主切削件或副切削件可以放置在一个刀翼上，辅助切削件可以放置在另一个刀翼上。
尽管已经显示和描述了本发明的特定实施例，但许多变形和可选实施例对于本领域技术人员来说显而易见。因此，本发明只受到所附权利要求及其法律等效表述的限制。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
根据PCT 19(1)所作修改的声明
申请人修改了权利要求1-5、7-17、19。此种修改对说明书和附图未造成任何影响。修改后的权利要求1包含原权利要求6的特征，并包含如下技术特征：旋转刮刀钻头包括形成分开式切削件组的聚晶金刚石复合片，所述分开式切削件组位于钻头的顶冠区域、侧部区域和肩部区域之一上。分开式切削件组具有位于不同刀翼上预定钻头半径处的两个主切削件以及位于相同刀翼上预定的钻头半径处的、作为主切削件之一的辅助切削件。同时，将从属权利要求19按照与权利要求1相似的方式已被修改为包括原从属权利要求20的发明主题。
1.一种旋转刮刀钻头(810)，其特征在于：
具有端面和轴线(C/L)的钻头体；
在所述端面上径向向外延伸的多个刀翼(831，831′，832，832′，833，833′)，每个刀翼具有锥形区域(160)、顶冠区域(162)、侧部区域(163)、肩部区域(164)和保径区域(165)；和
至少一个分开式切削件组(820)，所述分开式切削件组包括在顶冠区域(162)、侧部区域(163)和肩部区域(164)之一上相对于轴线(C/L)定位在一定预定半径位置处的多个聚晶金刚石复合片切削件(814)，所述多个切削件中的至少两个切削件(814)是定位在所述多个刀翼(831，831′，832，832′，833，833′)的不同刀翼上的主切削件以在所述钻头体围绕所述轴线(C/L)旋转时大体上横向于共用切削路径，所述多个切削件(814)中的每个切削件包括从所述多个刀翼(831，831′，832，832′，833，833′)中的一个刀翼至少部分地伸出的切削表面并且构造为在沿着所述切削路径旋转时与地层有条件地接合，所述分开式切削件组(820)包括相对于所述轴线(C/L)定位在所述预定半径位置处的至少一个辅助切削件(24)，所述辅助切削件具有从所述多个刀翼(831，831′，832，832′，833，833′)之一至少部分地伸出的切削表面，所述辅助切削件的切削表面定位成在所述钻头体围绕所述轴线(C/L)旋转时大体上横向于共用切削路径并且构造为在沿着所述切削路径运动时与地层有条件地接合，所述分开式切削件组的主切削件和辅助切削件定位在所述多个刀翼(831，831′，832，832′，833，833′)中的相同刀翼上。
2.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述多个刀翼(831，831′，832，832′，833，833′)包括至少一个主刀翼(831)和至少一个副刀翼(831′)。
3.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个分开式切削件组(820)包括下列至少之一：相对的切割和辅助切削件组(23，24，25，26)；在后切割(821)和在先辅助切削件组(822)；相对的切割和在先辅助切削件组(23，24，25，26)；在后切割和在后辅助切削件组(23，24，25，26)；以及相对的切割和在后辅助切削件组(23，24，25，26)。
4.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个分开式切削件组(820)构造为：所述至少两个切削件中的至少一个切削件在旋转方向上附随于该至少两个切削件中的另一个切削件。
5.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个分开式切削件组(820)构造为：所述至少两个切削件中的至少一个切削件与该至少两个切削件中的另一个切削件在旋转方向上相对。
7.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个辅助切削件(24)包括多个辅助切削件，所述多个辅助切削件中的至少一个辅助切削件(24)构造为在旋转方向上附随于相应的主切削件(23)，并且所述多个辅助切削件中的至少另一个辅助切削件(26)构造为在旋转方向上附随于另一个相应的主切削件(25)。
8.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个辅助切削件(24)包括多个辅助切削件，所述多个辅助切削件中的至少一个辅助切削件(24)构造为与相应的主切削件(23)在旋转方向上相对，并且所述多个辅助切削件中的至少另一个辅助切削件(26)构造为与另一个相应的主切削件(25)在旋转方向上相对。
9.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个辅助切削件(24)包括多个辅助切削件，所述多个辅助切削件中的至少一个辅助切削件(24)构造为在旋转方向上领先于相应的主切削件(23)，并且所述多个辅助切削件中的至少另一个辅助切削件(26)构造为在旋转方向上领先于另一个相应的主切削件(25)。
10.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个辅助切削件(24)从所述多个刀翼(831，831′，832，832′，833，833′)之一至少部分地伸出，所述多个刀翼之一在旋转方向上附随、相对或领先于包括分开式切削件组(820)的至少一个主切削件的多个刀翼(831，831′，832，832′，833，833′)中的另一个。
11.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个辅助切削件(24)相对于分开式切削件组(820)的任一主切削件在下方暴露。
12.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个分开式切削件组(820)包括多个主切削件和多个辅助切削件，所述多个辅助切削件中的至少一个辅助切削件(24)构造为在旋转方向上附随于第一相应的主切削件(23)，所述多个辅助切削件中的至少另一个辅助切削件(26)构造为在旋转方向上附随于第二相应的主切削件(25)。
13.如权利要求12所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个辅助切削件(24)与第一相应的主切削件(23)定位在不同的刀翼上，所述至少另一个辅助切削件(26)定位在与第二相应的主切削件(25)不同的刀翼上。
14.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个分开式切削件组(820)包括多个主切削件和多个辅助切削件，所述多个辅助切削件中的至少一个辅助切削件(24)构造为与第一相应的主切削件(23)在旋转方向上相对，所述多个辅助切削件中的至少另一个辅助切削件(26)构造为与第二相应的主切削件(25)在旋转方向上相对。
15.如权利要求14所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个辅助切削件(24)与第一相应的主切削件(23)定位在不同的刀翼上，所述至少另一个辅助切削件(26)定位在与第二相应的主切削件(25)不同的刀翼上。
16.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个分开式切削件组(820)包括多个主切削件和多个辅助切削件，所述多个辅助切削件中的至少一个辅助切削件(24)构造为在旋转方向上附随于第一相应的主切削件(23)，所述多个辅助切削件中的至少另一个辅助切削件(26)构造为在旋转方向上附随于第二相应的主切削件(25)，所述第一相应的主切削件(23)构造为在旋转方向上附随于所述第二相应的主切削件(25)。
17.如权利要求16所述的旋转刮刀钻头(810)，其中，所述至少一个辅助切削件(24)与所述至少另一个辅助切削件(26)定位在相同的刀翼上并且定位在与所述第一相应的主切削件(23)不同的刀翼上，所述至少另一个辅助切削件(26)定位在与所述第二相应的主切削件(25)不同的刀翼上。
19.一种设计旋转刮刀钻头(810)的方法，包括：
将钻头体构造为具有端面、轴线(C/L)和在所述端面上径向向外延伸的多个刀翼(831，831′，832，832′，833，833′)；和
将至少一个分开式切削件组(820)构造为包括位于多个刀翼(831，831′，832，832′，833，833′)上的多个切削件，所述多个切削件中的至少两个切削件位于所述多个刀翼(831，831′，832，832′，833，833′)的不同刀翼上，所述多个切削件中的每个切削件包括从所述多个刀翼(831，831′，832，832′，833，833′)之一至少部分地伸出的切削表面，且所述切削件的切削表面定位成在所述钻头体围绕所述轴线旋转时大体上横向于共用切削路径，并且构造为在沿着所述切削路径运动时与地层有条件地接合，其中，将所述至少一个分开式切削件组(820)构造为包括下列至少之一：相对的切割和辅助切削件组(23，24，25，26)；在后切割(821)和在先辅助切削件组(822)；相对的切割和在先辅助切削件组(23，24，25，26)；在后切割和在后辅助切削件组(23，24，25，26)，以及相对的切割和在后辅助切削件组(23，24，25，26)。

Claims (20)

1.一种旋转刮刀钻头，包括：
具有端面和轴线的钻头体；
在所述端面上径向和纵向向外延伸的多个刀翼；和
包括多个切削件在内的至少一个分开式切削件组，所述多个切削件中的至少两个切削件位于所述多个刀翼的不同刀翼上并且定位成在所述钻头体围绕所述轴线旋转时大体上横向于共用切削路径，所述多个切削件中的每个切削件包括从所述多个刀翼中的一个刀翼至少部分地伸出的切削表面并且构造为在沿着所述切削路径运动时与地层有条件地接合。
2.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述多个刀翼包括至少一个主刀翼和至少一个副刀翼。
3.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个分开式切削件组包括下列至少之一：相对的切割和辅助切削件组；在后切割和在先辅助切削件组；相对的切割和在先辅助切削件组；在后切割和在后辅助切削件组；以及相对的切割和在后辅助切削件组。
4.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个分开式切削件组构造为：所述至少两个切削件中的至少一个切削件在旋转方向上附随于该至少两个切削件中的另一个切削件。
5.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个分开式切削件组构造为：所述至少两个切削件中的至少一个切削件与该至少两个切削件中的另一个切削件在旋转方向上相对。
6.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个分开式切削件组的多个切削件是主切削件，并且分开式切削件组还包括至少一个辅助切削件，所述辅助切削件包括从所述多个刀翼之一至少部分地伸出的切削表面，所述辅助切削件定位成在所述钻头体围绕所述轴线旋转时横向于所述共同切削路径，并且构造为在沿着所述切削路径运动时与地层有选择地接合。
7.如权利要求6所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个辅助切削件包括多个辅助切削件，所述多个辅助切削件中的至少一个辅助切削件构造为在旋转方向上附随于相应的主切削件，所述多个辅助切削件的至少另一个辅助切削件构造为在旋转方向上附随于另一个相应的主切削件。
8.如权利要求6所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个辅助切削件包括多个辅助切削件，所述多个辅助切削件中的至少一个辅助切削件构造为与相应的主切削件在旋转方向上相对，所述多个辅助切削件的至少另一个辅助切削件构造为与另一个相应的主切削件在旋转方向上相对。
9.如权利要求6所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个辅助切削件包括多个辅助切削件，所述多个辅助切削件中的至少一个辅助切削件构造为在旋转方向上领先于相应的主切削件，所述多个辅助切削件中的至少另一个辅助切削件构造为在旋转方向上领先于另一个相应的主切削件。
10.如权利要求6所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个辅助切削件从所述多个刀翼之一至少部分地伸出，所述多个刀翼之一在旋转方向上附随、相对或领先于所述多个刀翼中的另一个，所述另一个刀翼包括所述分开式切削件组的至少一个主切削件。
11.如权利要求6所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个辅助切削件相对于分开式切削件组中的任一主切削件在下方暴露。
12.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个分开式切削件组包括多个主切削件和多个辅助切削件，所述多个辅助切削件中的至少一个辅助切削件构造为在旋转方向上附随于第一相应的主切削件，所述多个辅助切削件中的至少另一个辅助切削件构造为在旋转方向上附随于第二相应的主切削件。
13.如权利要求12所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个辅助切削件位于与第一相应的主切削件不同的刀翼上，所述至少另一个辅助切削件位于与第二相应的主切削件不同的刀翼上。
14.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个分开式切削件组包括多个主切削件和多个辅助切削件，所述多个辅助切削件中的至少一个辅助切削件构造为与第一相应的主切削件在旋转方向上相对，所述多个辅助切削件中的至少另一个辅助切削件构造为与第二相应的主切削件在旋转方向上相对。
15.如权利要求14所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个辅助切削件位于与第一相应的主切削件不同的刀翼上，所述至少另一个辅助切削件位于与第二相应的主切削件不同的刀翼上。
16.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个分开式切削件组包括多个主切削件和多个辅助切削件，所述多个辅助切削件中的至少一个辅助切削件构造为在旋转方向上附随于第一相应的主切削件，所述多个辅助切削件中的至少另一个辅助切削件构造为在旋转方向上附随于第二相应的主切削件，所述第一相应的主切削件构造为在旋转方向上附随于所述第二相应的主切削件。
17.如权利要求16所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个辅助切削件位于与所述至少另一个辅助切削件相同且与所述第一相应的主切削件不同的刀翼上，所述至少另一个辅助切削件位于与所述第二相应的主切削件不同的刀翼上。
18.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述多个切削件是聚晶金刚石复合片切削件。
19.一种设计旋转刮刀钻头的方法，包括：
将钻头体构造为具有端面、轴线和在所述端面上沿径向和纵向向外延伸的多个刀翼；和
将至少一个分开式切削件组构造为包括位于多个刀翼上的多个切削件，所述多个切削件中的至少两个切削件位于所述多个刀翼的不同刀翼上，所述多个切削件的每个切削件包括从所述多个刀翼中的一个刀翼至少部分地伸出的切削表面，且切削件的切削表面定位成在所述钻头体围绕所述轴线旋转时大体上横向于共用切削路径，并且构造为在沿着所述切削路径运动时与地层有条件地接合。
20.如权利要求19所述的方法，其中，将所述至少一个分开式切削件组构造为包括下列至少之一：相对的切割和辅助切削件组；在后切割和在先辅助切削件组；相对的切割和在先辅助切削件组；在后切割和在后辅助切削件组；以及相对的切割和在后辅助切削件组。
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