混合钻头的制作方法

混合钻头
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年5月21日提交的美国专利申请号62/850619的权益和优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。


背景技术：

3.井下钻头包括两类：固定钻头或“拖曳(drag)”钻头，以及旋转钻头。固定钻头包括在钻头旋转时不相对于钻头移动的固定切削结构。旋转钻头包括在钻头旋转时相对于钻头旋转的一个或多个旋转切削结构。混合钻头包括固定钻头和旋转钻头的某些方面。


技术实现要素：

4.在一些方面，钻头包括轮状滚动切削结构，其包括位于钻头的径向外表面上的多个切削元件。
5.在其他方面，混合钻头包括一个或多个固定切削结构和一个或多个滚动切削结构，该滚动切削结构包括多个锥形切削元件。滚动切削结构可以是锥形的或非锥形的。
6.在其他实施例中，用于钻孔的套件包括圆锥形或非圆锥形滚动切削结构，其具有位于滚动切削结构的径向向外表面上的切削元件。该套件可包括多个套筒，每个套筒被构造为调节滚动切削结构的高度。
7.提供该概述以介绍在以下详细描述中进一步描述的构思的选择。不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
8.本公开的实施例的附加特征和优点将在随后的描述中阐述，并且部分将从描述中显而易见，或者可以通过此类实施例的实践获悉。这些实施例的特征和优点可以通过所附权利要求中特别指出的仪器和组合来实现和获得。这些和其他特征将从以下描述和所附权利要求中变得更加明显，或者可以通过如下文阐述的此类实施例的实践而获悉。
附图说明
9.为了描述可以获得本公开的上述和其他特征的方式，将通过参考附图中示出的其特定实施例进行更具体的描述。为了更好地理解，在各个附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。虽然一些附图可能是构思的示意性或夸大的表示，但是至少一些附图可以按比例绘制。应当理解，附图描绘了一些示例性实施例，将通过使用附图以附加的特性和细节来描述和解释实施例，在附图中:
10.图1是根据本公开的至少一个实施例的钻井系统的示意图；
11.图2-1是根据本公开的至少一个实施例的滚动切削结构的透视图；
12.图2-2是根据本公开的至少一个实施例的图2-1的滚动切削结构的截面图；
13.图3-1是根据本公开的至少一个实施例的钻头的透视图；
14.图3-2是根据本公开的至少一个实施例的图3-1的钻头的底视图；
15.图3-3是根据本公开的至少一个实施例的图3-1的钻头的截面图；
16.图3-4是根据本公开的至少一个实施例的图3-1的钻头的切削元件轮廓(profile)；
17.图3-5是根据本公开的至少一个实施例的图3-1的钻头的另一横截面视图；
18.图4是根据本公开的至少一个实施例的套筒的透视图；
19.图5-1是根据本公开的至少一个实施例的钻头的透视图；
20.图5-2是根据本公开的至少一个实施例的图5-1的钻头的底视图；
21.图5-3是根据本公开的至少一个实施例的图5-1的钻头的侧视图；
22.图6是根据本公开的至少一个实施例的钻头的底视图；
23.图7-1是根据本公开的至少一个实施例的钻头的透视图；
24.图7-2是根据本公开的至少一个实施例的图7-1的钻头的底视图；
25.图7-3是根据本公开的至少一个实施例的图7-1的钻头的截面图；
26.图7-4是根据本公开的至少一个实施例的图7-1的钻头的另一横截面视图；
27.图7-5是根据本公开的至少一个实施例的图7-1的钻头的切削轮廓；和
28.图8是根据本公开的至少一个实施例的方法图。
具体实施方式
29.本公开总体上涉及用于包括切削元件的钻头的装置、系统和方法。图1示出了用于钻探地层101以形成井眼102的钻井系统100的一个示例。钻井系统100包括用于转动向下延伸到井眼102中的钻井工具组件104的钻机103。钻井工具组件104可包括钻柱105、井底组件(“bha”)106和钻头110，其附接到钻柱105的井下端。
30.钻柱105可包括通过工具接头109首尾相连的钻杆108的多个接头。钻柱105通过中心孔传输钻井流体并将旋转动力从钻机103传输到bha106。在一些实施例中，钻柱105还可包括附加部件，例如短节(sub)、短节接头(pup joint)等。钻杆108提供液压通道，通过该液压通道将钻井流体从地面泵送。钻井流体通过钻头110中选定尺寸的喷嘴、射流(jet)或其他孔口排出，用于冷却钻头110和其上的切削结构，清洁可能已经积累在钻头110和/或切削结构上的钻头110和其上的切削结构的任何切屑、钻屑或其他材料，并且用于在钻井时将钻屑提升出井眼102。
31.bha106可以包括钻头110或其他部件。示例bha106可包括附加或其他部件(例如，联接在钻柱105和钻头110之间)。附加bha部件的示例包括钻铤、稳定器、随钻测量(“mwd”)工具、随钻测井(“lwd”)工具、井下马达、扩眼器、段磨机、液压断开装置、震击器、振动或阻尼工具、转向工具、其他部件或上述的组合。
32.一般而言，钻井系统100可包括其他钻井部件和附件，例如特殊阀门(例如方钻杆、防喷器和安全阀)。包括在钻井系统100中的附加部件可被视为钻井工具组件104、钻柱105或bha106的一部分，这取决于它们在钻井系统100中的位置。
33.bha106中的钻头110可以是适合于降解井下材料的任何类型的钻头。例如，钻头110可以是适合于钻探地层101的钻头。用于钻探地层的钻头的示例类型是固定切削器或刮刀钻头。在其他实施例中，钻头110可以是用于去除金属、复合材料、弹性体、井下其他材料或其组合的磨机。例如，钻头110可以与造斜器一起使用以碾磨到衬在井眼102内的套管107中。钻头110也可以是用于磨掉井眼102内的工具、塞子、水泥、其他材料或其组合的垃圾磨
机。使用磨机形成的切屑或其他钻屑可能会被提升到地面，或者可能会落入井下。
34.图2-1是根据本公开的至少一个实施例的滚动切削结构212的透视图。在一些实施例中，滚动切削结构212可以是轮状的，或者大致轮状的。滚动切削结构212具有外表面214。多个切削元件216可以附接到外表面214或插入到外表面214中的凹穴中。例如，多个切削元件216可以使用任何方法附接到滚动切削结构212，包括铜焊、焊接、机械紧固件、压配合、干涉配合或任何其他类型的连接。
35.在一些实施例中，硬材料形成切削元件216或其基底。根据本公开实施例的基底可以由硬质合金形成，例如碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化钽、碳化钒或它们与铁、镍、钴或它们的合金的组合。例如，衬底可以由钴烧结碳化钨形成。根据本公开的实施例的超硬层可以由例如多晶金刚石形成，例如由在足够高的压力和高温下通过诸如钴或其他第viii族金属的金属催化剂结合在一起(在hpht条件下烧结)的金刚石晶体、热稳定多晶金刚石(去除了至少部分或基本上所有催化剂材料的多晶金刚石)或立方氮化硼形成。此外，超硬层可以由一个或多个层形成也在本公开的范围内，这些层中的金刚石含量可以具有梯度或阶梯过渡。在这样的实施例中，一个或多个过渡层(以及另一层)可以在其中包括金属碳化物颗粒。此外，当使用这种过渡层时，组合的过渡层和外层可以统称为超硬层，因为该术语已经在本技术中使用。也就是说，其上可以形成超硬层(或包括超硬材料的多个层)的界面是硬质合金基底的界面。
36.在一些实施例中，切削元件216可以是圆锥形或截头圆锥形。在其他实施例中，切削元件216可以具有凸形或凹形的外表面。在其他实施例中，切削元件216可以具有外表面，该外表面具有多个锥角、多个曲率半径、不同的凹面、至少一个直的和至少一个弯曲的部分、任何其他切削元件几何形状或其组合。切削元件216可以具有从外表面214径向向外指向的非平面表面。在其他实施例中，切削元件216可以是顶点形、尖形、脊形或任何其他形状。在进一步的实施例中，切削元件可以是包括圆形(例如圆形、椭圆形)、多边形(例如六边形、五边形、正方形或任何边的多边形)或非多边形(例如直边和曲线边)中的一个或多个的横截面形状。在一些实施例中，切削元件216可以是径向对称的。切削元件216可以包括一个、两个、三个、四个、五个、六个或更多对称平面。在其他实施例中，切削元件216可以是非对称的，或者不包括对称平面。在相同或其他实施例中，切削元件可以具有非对称的三维形状，包括远离切削元件纵轴的点。切削元件216可以包括金刚石，例如多晶金刚石，或者可以是任何合适的切削元件。
37.如上所述，多个切削元件216可以附接到外表面214或插入外表面214中的凹穴中。在一些实施例中，切削元件216仅从滚动切削结构212的外表面214沿径向方向延伸，而不从滚动切削结构212的前面或后面延伸。在一些实施例中，每个切削元件216具有各自的切削元件轴线215，其通常延伸穿过切削元件216的基底的中心和切削元件的切削面的中心。切削元件轴线215可以从滚动切削结构212的外表面214径向延伸。在一些实施例中，一排或多排的切削元件轴线215可以垂直于滚动切削结构212的轴线213(例如，轴颈轴轴线)。由于外表面214的形状和轮廓，切削元件轴线和附接切削元件的外表面214之间的角度可以不同于切削元件轴线和滚动切削结构212的轴线213之间的角度。
38.尽管通过说明书总体上关于旋转切削结构212描述了轮，但是在一些实施例中，轮是圆锥或截头圆锥滚动切削结构。
39.在一些实施例中，滚动切削结构212可以包括一排或多排切削元件216。第一排(例如，前排)切削元件216可包括一个或多个主切削元件216，第二排(例如，后排)切削元件可包括一个或多个附接到滚动切削结构212的外表面214的副切削元件217。主切削元件216和副切削元件217可以是金刚石镶片(insert)，或者可以是井下钻孔中使用的任何切削元件。在一些实施例中，滚动切削结构212可以仅包括切削元件216，而没有副切削元件217。在一些实施例中，至少50％的切削元件具有超硬涂层。在一些实施例中，至少90％的切削元件具有超硬涂层。在一些实施例中，所有切削元件都具有超硬涂层。
40.在一些实施例中，滚动切削结构212可以包括三排或更多排切削元件。切削元件的形状可以在排之间或排之中变化。例如，主排或前排可具有圆锥形切削元件，副排或后排可具有圆顶形切削元件。此外，切削元件的标称尺寸(例如，直径、特征宽度、从外表面214的延伸)可以在排之间或一排内的切削元件之中变化。例如，前排的切削元件可以具有比后排的切削元件更小的直径，第三排的切削元件可以是与前排的切削元件大致相同尺寸或更小。此外，切削元件从外表面214的延伸可以在排之间变化。前排中的切削元件216的延伸可以大于一个或多个后排中的副切削元件217的延伸。由于一些实施例的滚动切削结构212的轴颈角度，一个或多个副排的副切削元件217相对于钻头的一面可以比前排的主切削元件216延伸得更远，尽管副切削元件217从外表面214的延伸比主切削元件216更短。也就是说，在一些实施例中，副切削元件217的切削轮廓可以比主切削元件216的切削轮廓从钻头的前面延伸得更远。主排和任何第三排的切削元件可以被构造成接合地层，并通过滚动切削结构212减少刀片后缘上的磨损。
41.滚动切削结构212可以包括轴颈孔218。轴颈孔218可以延伸滚动切削结构212的宽度219。在一些实施例中，轴颈和轴颈轴可被构造成插入到轴颈孔218中，并且滚动切削结构212可围绕轴颈轴旋转。
42.图2-2是根据本公开的至少一个实施例的平行于图2-1所示的滚动切削结构212的纵向或旋转轴线的截面图。滚动切削结构212可以是圆柱形的，或者近似圆柱形的。滚动切削结构212具有轮宽度219。轮宽度219可以小于轮直径220。例如，轮宽度219可以小于轮直径220的50％。在其他示例中，轮宽度219可以小于轮直径220的40％。在其他示例中，轮宽度219可以小于轮直径220的80％、75％、70％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％、17.5％、15％、12.5％、10％、8％、6％或5％。因此，因为轮宽度219小于，甚至远小于轮直径220，所以滚动切削结构212可以是轮形的。换句话说，轮形滚动切削结构212具有小于或显著小于轮直径220的轮宽度219。在至少一个实施例中，轮宽度219小于轮直径220的50％可能是关键的。在其他实施例中，轮宽度219小于轮直径220的35％可能是关键的。这些百分比可以在被钻头的刀片(未示出)支撑和滚动切削结构212的强度之间达到平衡。
43.在一些实施例中，轮状滚动切削结构212是非圆锥形的(例如，部分圆锥形的、截头圆锥形的、截顶圆锥形的、圆顶形的、球形的、半球形的、部分球形的、椭圆形的、蛋形的、抛物面形的等)。在其他实施例中，轮状滚动切削结构212是例如部分圆锥形的、截头圆锥形的、截顶圆锥形的等。
44.轮状滚动切削结构212可以包括斜面，例如倾斜部分222。在轮状滚动切削结构的每一侧上，斜面222可以是不同的尺寸和/或几何形状，如图2-2所示在轮状滚动切削结构的
每一侧上可以是相同的，或者也可以只位于轮状滚动切削结构的一侧上。当斜面222仅位于轮状滚动切削结构的一侧或在两侧上不同时，它可能看起来是部分锥形的，并且这种几何形状被认为在本公开的范围内。在一些实施例中，轮直径220在滚动切削结构的第一侧223-1与第二侧223-2处可以相同或近似相同(即，在5％以内)。在一些实施例中，滚动切削结构212可以关于横向或垂直于轮宽度219的平面对称。
45.在一些实施例中，轮宽度219可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括0.3英寸(7.62毫米)、0.4英寸(10.16毫米)、0.5英寸(12.70毫米)、0.6英寸(15.24毫米)、0.7英寸(17.78毫米)、0.8英寸(20.32毫米)、0.9英寸(22.86毫米)、1.0英寸(25.40毫米)、1.25英寸(31.75毫米)、1.5英寸(38.1毫米)、1.75英寸(44.45毫米)、2.0英寸(50.8毫米)、2.25英寸(57.15毫米)、2.5英寸(63.50毫米)、2.75英寸(69.85毫米)、3.0英寸(76.2毫米)、3.5英寸(88.90毫米)、4.0英寸(101.6毫米)或它们之间的任何值中的任一个。例如，轮宽度219可以大于0.3英寸(7.62毫米)。在另一个示例中，轮宽度219可以小于4.0英寸(101.6毫米)。在其他示例中，轮宽度219可以是在0.3英寸(7.62毫米)和4.0英寸(101.6毫米)之间的范围内的任何值。
46.在一些实施例中，轮直径220可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括2.0英寸(5.08厘米)、2.5英寸(6.35厘米)、3.0英寸(7.62厘米)、3.5英寸(8.89厘米)、4.0英寸(10.16厘米)、4.5英寸(11.43厘米)、5.0英寸(12.70厘米)、5.5英寸(13.97厘米)、6.0英寸(15.24厘米)、7.0英寸(17.78厘米)、8.0英寸(20.32厘米)、9.0英寸(22.86厘米)、10.0英寸(25.40厘米)、12英寸(30.48厘米)、14英寸(35.56厘米)、16英寸(40.64厘米)、18英寸(45.72厘米)、20英寸(50.80厘米)、21英寸(53.34厘米)、22英寸(55.88厘米)、24英寸(60.96厘米)、25英寸(63.50厘米)，或两者之间的任何值中的任一个。例如，轮直径220可以大于1.0英寸(2.54厘米)。在另一个示例中，轮直径220可以小于10.0英寸(25.40厘米)。在其他示例中，轮直径220可以是在1.0英寸(2.54厘米)和10.0英寸(25.40厘米)之间的范围内的任何值。
47.在一些实施例中，轮直径220可以是钻头直径的直径百分比。在一些实施例中，直径百分比可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％或它们之间的任何值中的任一个。例如，直径百分比可以大于10％。在另一个示例中，直径百分比可以小于75％。在其他示例中，直径百分比可以是在10％和75％之间的范围内的任何值。在一些实施例中，直径百分比至少为50％以通过滚动切削结构212提供更大百分比的地层切削可能是关键的。
48.外表面214可以位于滚动切削结构212的径向外表面上。在一些实施例中，外表面214可以包括上部221。在至少一个实施例中，上部221可以是平坦的。在一些实施例中，上部221可以是弯曲的(例如，椭圆形的、半圆形的)或截头圆锥形的。在所示的实施例中，纵向穿过上部221，轮直径220可以保持不变，可以不变，或者可以仅轻微变化。切削元件216可以在上部221处附接到外表面214。在一些实施例中，滚动切削结构212可以包括沿着外表面214的倾斜部分222。例如，跨过倾斜部分222，轮直径220可以朝着滚动切削结构212的侧边缘223减小。当滚动切削结构接合地层时，倾斜部分222可有助于防止滚动切削结构212接触井眼底部。此外，倾斜部分222可有助于减少外表面214和侧边缘223之间的相交处的滚动切削结构212的应力，并因此减少其开裂、剥落和断裂。在一些实施例中，外表面214可以沿着滚
动切削结构212的两个边缘倾斜。在其他实施例中，外表面214可以沿着滚动切削结构的单个边缘倾斜。一个或多个切削元件216或成排的切削元件可以设置在外表面214的倾斜部分上。例如，前排和/或后排的切削元件可以设置在外表面214的倾斜部分上。一个或多个切削元件216可以不轴向延伸超过滚动切削结构212的前面或后面。
49.在一些实施例中，滚动切削结构212可以包括轴向座圈225。轴向座圈225可被构造成接纳轴向轴承或轴向密封件。滚动切削结构212可以包括止推垫圈腔227。止推垫圈(未示出)可以插入止推垫圈腔227和刀片(未示出)之间，以在滚动切削结构212和刀片之间提供轴承支撑。在至少一个实施例中，止推垫圈腔227可以位于滚动切削结构212的任一侧。
50.图3-1是根据本公开的至少一个实施例的钻头310的表示。钻头310可以包括一个或多个刀片324。钻头310可以由基体材料、合金材料(例如钢)或其任意组合形成。在一些实施例中，钻头310的一个或多个部分通过添加制造工艺形成。刀片324可以包括固定切削结构和滚动切削结构312。滚动切削结构312可以包括至少一些与关于图2-1和图2-2描述的滚动切削结构212相同的特征和特性。
51.在一些实施例中，固定切削结构330可以包括一个或多个固定切削元件332。在一些实施例中，固定切削元件332可以是标准的pdc切削元件。在其他实施例中，固定切削元件332可以是井下钻具中使用的任何其他类型的切削元件。在一些实施例中，固定切削元件332可以铜焊或焊接到刀片324上。在其他实施例中，固定切削元件332可以通过旋转连接附接到刀片324，使得每个固定切削元件332独立地围绕其自身的纵向轴线旋转。因此，固定切削结构330意味着固定切削元件332的位置相对于刀片324不变。
52.轴颈轴(未示出)可以插入刀片324的前表面中的轴颈腔331中。轴颈轴可以使用穿过刀片324的后表面处的腔333插入的紧固件固定到刀片324上。例如，螺纹紧固件可以插入螺栓腔333中。轴颈轴可以将滚动切削结构312固定到刀片324上。滚动切削结构312然后可以围绕轴颈轴旋转。滚动切削结构312可以固定在刀片324的狭槽348内。在一些实施例中，如图3-1所示，一个或多个狭槽348可以开口到钻头310的中心腔385。如图3-1所示，中心腔385可以开口到钻头轴线334和钻头310的一个或多个排屑狭槽，或者如图5-1所示，与一个或多个排屑狭槽分开。滚动切削结构312和固定切削结构330可以设置在中心腔385和钻头310的截面规格之间。
53.图3-2是根据本公开的至少一个实施例的图1的钻头310的表示。刀片324具有前缘326和后缘328。在一些实施例中，固定切削结构330可以位于刀片324的前缘326处。滚动切削结构312可位于刀片324的后缘328处或附近。因此，固定切削结构330和滚动切削结构312可以位于同一刀片(例如，刀片324)上。滚动切削结构312可以位于刀片324的狭槽348内。
54.在图3-2所示的实施例中，钻头310包括三个刀片324。三个刀片324可以围绕钻头310的圆周均匀间隔开。换句话说，刀片324可以间隔120
°
。在其他实施例中，钻头310可以包括少于或多于三个刀片。例如，钻头310可以包括两个间隔180
°
的刀片。在其他示例中，钻头310可以包括间隔90
°
的四个刀片。在其他示例中，钻头310可以包括围绕钻头310的圆周均匀间隔的五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个刀片。在至少一个实施例中，两个或更多个刀片可以围绕钻头310的圆周不均匀地间隔开。换句话说，两个或更多个刀片可以相对于钻头310的其他刀片具有不同的角间隔，这可能例如导致围绕钻头不均匀间隔的滚动切削结构。刀片324可以包括位于刀片324的前缘326上的固定切削结构330，以及位于刀片324
的后缘328上的滚动切削结构312。在至少一个实施例中，滚动切削结构312可以在刀片324的前缘326处。
55.在一些实施例中，每个刀片324可以包括滚动切削结构312。在其他实施例中，至少一个刀片324可以不包括滚动切削结构312。具有不位于钻头的每个刀片324上的多个滚动切削结构312的钻头可以具有一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个滚动切削结构312。更多的滚动切削结构312可以围绕钻头310的圆周均匀间隔。例如，钻头310可以包括两个间隔180
°
的滚动切削结构312。在其他示例中，钻头310可以包括间隔120
°
的三个滚动切削结构312。在其他示例中，钻头310可以包括围绕钻头310的圆周均匀间隔的四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多滚动切削结构312。在至少一个实施例中，两个或更多个滚动切削结构312可以围绕钻头310的圆周不均匀地间隔开。换句话说，两个或更多个滚动切削结构312可以相对于钻头310的其他滚动切削结构312具有不同的角间隔。例如，钻头310可以包括在180
°
的30
°
内间隔开的两个滚动切削结构312。也就是说，钻头310可以包括间隔在第二滚动切削结构312的150
°
和210
°
之间的第一滚动切削结构312。滚动切削结构312围绕钻头轴线334的不对称间隔可以减少钻孔时的谐波振动。
56.在一些实施例中，滚动切削结构312在钻井期间执行大部分地层移除，而固定切削结构330清理滚动切削结构312的切削轮廓。在其他实施例中，固定切削结构330可以在钻井期间执行大部分地层移除，而滚动切削结构312清理固定切削结构330的切削轮廓。将固定切削结构330和滚动切削结构312都包括在刀片上可以提高在重新安装或修理钻头310之前钻的速率或穿透率和/或脚的数量。此外，位于钻头310上的滚动切削结构312可以为操作者提供对钻头的更大控制，这可以改善在直钻或狗腿(dogleg)钻时对方位角和倾斜度的控制。
57.每个滚动切削结构312具有轴颈轴轴线355，滚动切削结构312围绕轴颈轴轴线355旋转。轴颈轴轴线355可以从钻头旋转轴线334偏移一辊偏移336。参考圆337可以以钻头旋转轴线334为中心，并且具有等于辊偏移336的半径。在一些实施例中，辊偏移336可以是钻头直径338的百分比。在一些实施例中，辊偏移336的百分比可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，所述上限值和下限值包括5％、10％、15％、20％、22％、24％、25％、26％、28％、30％、35％、40％、45％或其间的任何值中的任一个。例如，辊偏移336的百分比可以大于5％。在另一个示例中，辊偏移336的百分比可以小于45％。在其他示例中，辊偏移336的百分比可以是在5％和45％之间的范围内的任何值。在一些实施例中，20％或更大的辊偏移336百分比对于钻头310的操作可能是关键的。
58.随着辊偏移336增加，滚动切削结构312的旋转速率可以改变，并且与较低的辊偏移336相比，切削元件316可以用较长的刮擦来刮擦地层。沿着地层的这种增加的接触刮擦可以允许每个切削元件316移除更多的材料。切削元件316的圆锥形状可以是耐磨和耐腐蚀的。以这种方式，通过使用高辊偏移336和锥形切削元件316，钻头310可以经历增加的穿透率和/或更大的钻头耐用性。
59.垂直于钻头旋转轴线334的参考线357可以从钻头旋转轴线334延伸到轴颈轴轴线355。参考圆337可以以钻头旋转轴线为中心，并且具有等于辊偏移336的半径。换句话说，参考圆337可以在辊偏移336处围绕每个轴颈轴轴线355外接。切线339可以在轴颈轴轴线355处与参考圆337相切。轴颈轴取向角341可以是轴颈轴轴线355和切线339之间的角度。在一
些实施例中，轴颈轴取向角341可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括0
°
、5
°
、10
°
、15
°
、20
°
、25
°
、30
°
、35
°
、40
°
、45
°
或它们之间的任何值中的任一个。例如，轴颈轴取向角341可以是45
°
或更小。在另一个示例中，轴颈轴取向角341可以是30
°
或更小。在其他示例中，轴颈轴取向角341可以是15
°
或更小。在其他实施例中，轴颈轴取向角可以大于30
°
。
60.在至少一个实施例中，垂直于钻头旋转轴线334和切线339两者的参考线357可以是距切削元件尖端313的切削元件距离311。切削元件尖端313可以是切削元件316距滚动切削结构312最远的范围，或者是切削元件316在钻井期间首先接合地层的部分。当切削元件顶部313处于滚动切削结构312围绕轴颈轴轴线355旋转的最底部点时，切削元件距离311可以是在垂直于钻头旋转轴线334的平面中从参考线357到切削元件尖端313的最近距离。在一些实施例中，切削元件距离311可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括0.1英寸(2.54毫米)、0.2英寸(5.08毫米)、0.3英寸(7.62毫米)、0.4英寸(10.16毫米)、0.5英寸(12.70毫米)、0.6英寸(15.24毫米)、0.7英寸(17.78毫米)、0.8英寸(20.32毫米)、0.9英寸(22.86毫米)、1.0英寸(25.40毫米)或它们之间的任何值中的任一个。例如，切削元件距离311可以大于0.1英寸(2.54毫米)。在另一个示例中，切削元件距离311可以小于1.0英寸(25.40毫米)。在其他示例中，切削元件距离311可以是在0.1英寸(2.54毫米)和1.0英寸(25.40毫米)之间的范围内的任何值。
61.切削元件距离311可以在正方向或负方向上偏移。偏移方向可以帮助确定滚动切削结构312围绕轴颈346滚动的方向。换句话说，切削元件距离311可以在钻头的旋转方向上偏移(例如，正偏移)或者逆着钻头的旋转方向偏移(例如，负偏移)。当钻头旋转时，切削元件距离311的偏移方向可以改变滚动切削结构的旋转方向。正偏移可导致滚动切削结构312从钻头的中心(例如，从钻头旋转轴线或钻头旋转轴线附近)朝向钻头的外部或规格(gauge)旋转。负偏移可导致滚动切削结构312从钻头的外部或规格向钻头的中心旋转。在一些实施例中，由于被切削元件316移除的材料可被推离钻头旋转轴线和中心流体端口(例如，图3-2的中心流体端口340)，因此可能需要从钻头的中心朝向钻头的外部或规格旋转，从而有助于防止中心流体端口堵塞。在一些实施例中，第一滚动切削结构312以正偏移布置在钻头310上，第二滚动切削结构312以负偏移布置在钻头310上，从而将第一滚动切削结构和第二滚动切削结构构造成在相反方向上旋转。
62.钻头310可以包括中心流体端口340。在一些实施例中，中心流体端口340可以位于钻头旋转轴线334上。在其他实施例中，中心流体端口340可以位于滚动切削结构312的所有狭槽348的接合处或中心。以这种方式，中心流体端口340可以冲洗来自滚动切削结构312的切屑。此外，中心流体端口340可以清洁滚动切削结构312。在一些实施例中，钻头310可以在中心腔385中包括一个以上的中心流体端口340。例如，钻头310可以包括与滚动切削结构312相同数量的中心流体端口340。在其他示例中，钻头310可以包括比滚动切削结构312更多的中心流体端口340。在其他示例中，钻头310可以包括比滚动切削结构312更少的中心流体端口340。在一些实施例中，中心流体端口340可包括喷嘴，该喷嘴加压并引导钻井流体流出钻头310。在其他实施例中，中心流体端口340可以不包括喷嘴，而是可以直接从钻头主体内部的流体腔排出。
63.钻头310可以包括刀片喷嘴342。刀片喷嘴342可以位于刀片324之间的凹陷或排屑
狭槽中。在一些实施例中，刀片喷嘴342可以引导钻井流体穿过固定切削结构330。这可有助于将切屑从固定切削结构330上洗掉，并清洁固定切削结构330的切削元件。在一些实施例中，每个刀片324可以具有刀片喷嘴342。在一些实施例中，每个刀片324可以包括一个以上的刀片喷嘴342，以更好地清洁固定切削结构。
64.刀片324可以在刀片324的后缘328处包括支撑腿344。支撑腿344可以支撑滚动切削结构312的一端。例如，轴颈轴可以在前缘326或后缘328处插入刀片324的腔中。轴颈轴的第一端可由刀片324的前缘326支撑，轴颈轴的第二端可由支撑腿344支撑。
65.图3-3是根据本公开的至少一个实施例的刀片324的截面图。刀片324可包括轴颈腔331和滚动槽348。滚动槽348可以足够宽，以允许滚动切削结构312插入到滚动槽348中。为了将滚动切削结构312固定到刀片324上，当滚动切削结构312插入滚动槽348中时，轴颈346可以插入轴颈腔331中并穿过滚动切削结构312中的轴颈孔318。
66.在一些实施例中，轴颈346可以用轴颈附件350固定到刀片324上。轴颈附件可以包括螺纹紧固件351，例如螺钉或螺栓。螺纹紧固件351可以穿过螺栓孔352插入轴颈346中的匹配螺纹中。随着螺纹紧固件351被拧紧，轴颈346可被拉向螺栓孔352。垫圈353可以将拧紧的螺纹紧固件351的载荷分散在螺栓孔352上。因此，轴颈346可以在轴颈腔331中牢固地紧固到刀片324上。螺纹紧固件351可以通过刀片324中的螺栓腔333进入。
67.在一些实施例中，轴颈腔331可以延伸穿过滚动槽348到达刀片324的另一侧(即后缘328)。因此，轴颈346可以支撑在轴颈第一端354-1和轴颈第二端354-2上。刀片324可包括位于刀片324的后缘328处的支撑腿344。螺栓腔333和螺栓孔352可以位于支撑腿344中，并且轴颈腔331可以延伸到支撑腿344中。因此，轴颈346可插入轴颈腔331中，穿过滚动切削结构312的轴颈孔318插入，插入支撑腿344上的轴颈腔331的一部分中，并在轴颈附件350处固定到刀片324上。以这种方式，轴颈346可以在前缘326附近或前缘326处的轴颈第一端354-1处被支撑，并且在后缘328附近或后缘328处的支撑腿344处的轴颈第二端被支撑。因为轴颈346支撑滚动切削结构312，所以滚动切削结构312由前缘326附近的刀片和后缘328附近或处的支撑腿344支撑。
68.在至少一个实施例中，刀片324可以不包括支撑腿344。以这种方式，轴颈腔331可以延伸穿过刀片324，并且滚动切削结构312可以在刀片324后面的拖曳方向上悬臂伸出。例如，轴颈腔331可以使用硬化材料或刀片324前缘内部的附加制造结构来加强。这可以解决由悬臂滚动切削结构312在刀片324上引起的任何附加的力。
69.在一些实施例中，轴颈腔331可以位于刀片324的前缘326上。例如，轴颈腔331可以位于刀片324的前缘326上的固定切削结构330的下方。螺栓腔333可以位于支撑腿344上，或者换言之，位于刀片324的后缘328上。在其他实施例中，轴颈腔331可位于刀片324的后缘328上，螺栓腔333可位于刀片324的前缘326上。
70.在一些实施例中，轴颈346可以是轴颈轴。轴颈346的油脂可以位于油脂储存器(reservoir)356中。油脂储存器356可以整体形成在轴颈346内，或者可以是设置在轴颈346内的独立部件。油脂可以通过轴颈346中的油脂端口358传送到轴颈轴。轴颈346可以在支撑轴颈346的腔331的部分中具有增加的直径或横截面积。这可以增加油脂储存器356的体积，从而允许轴颈346更好的润滑和/或使用寿命。在至少一个实施例中，油脂储存器356可以从轴颈轴轴线355偏移，以适应一个或多个油脂端口358的放置。轴颈轴可以包括围绕轴颈346
的外部延伸的套筒。在一些实施例中，套筒可以至少部分延伸到轴颈腔331中。套筒可有助于将轴颈346固定就位，并分散轴颈346承受的任何载荷。穿过轴颈346和轴颈附件350的补偿孔364可以通过暴露于井下压力来促进来自储存器356的油脂的分配。此外，紧固件365(例如卡环)可被构造成将油脂储存器356固定在轴颈346内。
71.在一些实施例中，多个轴承323设置在滚动切削结构312和刀片324之间的轴承座圈325中。在一些实施例中，摩擦轴承沿轴颈轴轴线355在滚动切削结构312和刀片324沿槽348的部分之间提供轴向支撑。如上图2-2所述的，止推垫圈360可以布置在滚动切削结构312的止推垫圈腔327中。这些止推垫圈360和轴承323可以被构造成使滚动切削结构在槽348内居中。在一些实施例中，止推垫圈360在轴承323或摩擦轴承的径向外侧。一个或多个轴颈密封件361构造成减少或消除钻井流体侵入轴颈系统。在一些实施例中，一个或多个储存器密封件362被构造成隔离轴颈内的油脂。轴颈密封件361和储存器密封件362可包括但不限于o-形环、椭圆形密封件、子弹形密封件或其他类型的密封件。
72.滚动切削结构312的切削元件316可以具有暴露，该暴露是切削元件316可以切入地层的距离。此外，固定切削结构330的固定切削元件332可以具有暴露。在一些实施例中，固定切削元件332的暴露可以与切削元件316的暴露相同。在一些实施例中，固定切削元件332的暴露可以不同于切削元件316的暴露。在视图中可以看到不同的暴露，其中固定切削元件332和切削元件316围绕钻头轴线334旋转到相同的平面中以进行比较。
73.例如，滚动切削结构312的切削元件316可以比固定切削元件332具有更大的暴露。换句话说，在给定位置，切削元件316可以比固定切削元件332延伸到地层中更远。因此，在至少一个实施例中，切削元件316比固定切削元件332延伸超过钻头310的端部更远。以这种方式，切削元件316可以比固定切削元件切削更多的地层。在一些实施例中，固定切削元件332可以从未被切削元件316切削的材料中清理井眼底部。
74.切削元件316的暴露可以是正的或负的。如在本公开中所使用的，正暴露是切削元件316延伸超过其他切削元件(例如，其他滚动切削结构上的固定切削元件或切割器)的程度。负暴露是切削元件316可以定位的其它切削元件(例如，其它滚动切削结构上的固定切削元件或切割器)下方的程度。在一些实施例中，切削元件316暴露可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围，包括-0.300英寸(-7.62毫米)、-0.250英寸(-6.35毫米)、-0.200英寸(-5.08毫米)、-0.150英寸(-3.81毫米)、-0.100英寸(-2.54毫米)、-0.075英寸(-1.91毫米)、-0.050英寸(1.27毫米)、-0.025英寸(-0.64毫米)、0.025英寸(0.64毫米)、0.050英寸(1.27毫米)、0.075英寸(1.91毫米)、0.100英寸(2.54毫米)、0.150英寸(3.81毫米)、0.200英寸(5.08毫米)、0.250英寸(6.35毫米)、0.300英寸(7.62毫米)或它们之间的任何值中的任一个。例如，切削元件316暴露可以大于-0.300英寸(-7.62毫米)。在另一个示例中，切削元件316暴露可以小于0.300英寸(7.62毫米)。在其他示例中，切削元件316暴露可以是-0.300英寸(-7.62毫米)和0.300英寸(7.62毫米)之间范围内的任何值。在一些实施例中，切削元件316暴露可以小于-0.300英寸(-7.62毫米)或大于0.300英寸(7.62毫米)。在至少一个实施例中，暴露在-0.050英寸(-1.27毫米)和0.050英寸(1.27毫米)之间可能是至关重要的，以提供最大的穿透率并防止切削元件316过度磨损。在一些实施例中，不同的滚动切削结构312可以具有不同的暴露。例如，一个或多个滚动切削结构312可以具有负暴露，一个或多个滚动切削结构312可以具有正暴露，并且一个或多个滚动切削结构312可以具有0
2示出了在锥形区域376中没有固定切削元件的钻头310的实施例。也就是说，滚动切削结构312的切削元件316可以是锥形区域376内唯一的切削结构。一排或多排切削元件316可以至少在锥形区域376中暴露于地层。滚动切削结构312上的切削元件316的暴露329和335可以与鼻部区域374、肩部区域372和量规区域370中的一个或多个中的固定切削元件332的暴露345重叠。在一些实施例中，滚动切削结构312上的切削元件316的暴露329和335小于或等于固定切削元件332的暴露345，只要相应的暴露重叠。
81.图3-5是根据本公开的至少一个实施例的横向于图3-3所示的视图截得的图3-2和3-3的刀片324的横截面视图。轴颈腔331具有从轴颈腔顶部375延伸到轴颈腔底部347的轴颈腔高度343。轴颈腔331还具有轴颈腔宽度349。
82.在一些实施例中，轴颈腔331可以具有大致圆形的横截面。在其他实施例中，轴颈腔331可以具有带圆顶顶部部分和圆顶底部部分以及带直的中间部分的横截面。在其他实施例中，轴颈腔可以具有椭圆形横截面。在其他实施例中，轴颈腔331可以近似为矩形，或者具有圆角的矩形。在其他实施例中，轴颈腔331可以具有多边形(包括5边或更多边的多边形)的横截面。
83.在一些示例中，轴颈腔宽度349可以与轴颈腔高度343相同。例如，轴颈腔331可以近似为正方形或圆形的。在其他示例中，轴颈腔331可以是矩形或椭圆形的，这意味着轴颈腔宽度349可以小于轴颈腔高度343。在一些实施例中，矩形轴颈腔331可以对刀片324所承受的力具有更有利的力分布。
84.图4是根据本公开的至少一个实施例的套筒460的实施例。套筒460可以包括背板461。在一些实施例中，背板461可以被构造为邻接抵靠滚动腔(例如，图3-2的滚动槽348)的内表面。在一些实施例中，两个套筒460可以放置在滚动槽(例如，图3-3的滚动槽348)的任一侧上。因此，多个套筒可以被构造成支撑滚动切削结构(例如，图2-1的滚动切削结构212)。
85.套筒延伸部462可从背板461延伸，套筒延伸部轴颈孔463延伸穿过其中。套筒延伸部具有顶表面464和底表面465。顶部厚度466可以是套筒延伸部轴颈孔463和顶表面464之间的套筒延伸部462的厚度。底部厚度467可以是轴颈孔和底表面465之间的套筒延伸部462的厚度。
86.在一些实施例中，套筒460可以具有匹配轴颈腔(例如，图3-5的轴颈腔331)轮廓的外部轮廓，以及匹配轴颈(例如，图3-3的轴颈346)外圆周的内部轮廓。因此，轴颈腔的轮廓可能不同于轴颈的轮廓。以这种方式，套筒460可以将滚动切削结构经受的力分配到轴颈腔。因此，轴颈腔可被设计成将力从滚动切削结构(例如，图3-1的滚动切削结构312)分配到刀片，并且套筒460可被设计成将轴颈嵌套在轴颈腔内，并将轴颈经受的力从滚动切削结构传递到轴颈腔。
87.在一些实施例中，顶部厚度466可以与底部厚度467相同。在其他实施例中，顶部厚度466可以不同于底部厚度467。以这种方式，轴颈在轴颈腔内的相对位置可以通过提供具有不同顶部厚度466和底部厚度467的套筒460来调节。换句话说，轴颈腔内轴颈的高度可以通过将套筒460改变为具有不同顶部厚度466和不同底部厚度467的套筒460来调节。因此，滚动切削结构可以具有可调节的高度。这可以允许滚动切削结构的高度相对于钻头的其余部分改变。具体地，滚动切削结构相对于固定切削结构的高度或位置可以改变。换句话说，
通过改变套筒460，可以相对于固定切削元件(例如，图3-3的固定切削元件332)改变或调节切削元件(例如，图3-3的切削元件316)的暴露。在其他实施例中，可以使用其他调节机构。例如，棘轮机构、流量控制阀、步进电机或其他调节机构可用于调节轴颈的高度。调节机构的示例可以在2016年3月27日提交的美国专利公开号2018/0087323中看到，出于所有目的，该专利通过引用整体结合于此。
88.类似地，套筒460的侧面厚度469可以调节。以这种方式，可以调节偏移(例如，图3-2的辊偏移336)。换句话说，滚动切削结构的偏移可以是可调的。例如，具有不同侧面厚度469的套筒460可以插入轴颈腔中，从而改变滚动切削结构的偏移。在一些实施例中，侧面厚度469、顶部厚度466和底部厚度467可以同时改变。换句话说，轴颈偏移和轴颈高度可以同时调节。
89.在一些实施例中，套筒460可以是可逆的。换句话说，套筒460能够安装成使得顶表面464接合轴颈腔的底表面，底表面465接合轴颈腔的顶表面，反之亦然。以这种方式，轴颈和滚动切削结构的高度和暴露可以被快速地调节，例如在钻机现场。
90.图5-1是根据本公开的至少一个实施例的钻头510的表示的透视图。钻头510可以包括至少一些与关于图2-1至图4描述的滚动切削结构和钻头相同的特征和特性。钻头510可以包括多个刀片524。在所示实施例中，钻头510包括多个固定切削结构530和滚动切削结构512。滚动切削结构512可以使用安装在轴颈腔531中的轴颈546附接到刀片524。具有滚动切削结构512的刀片524的固定切削结构可以分成上刀片部分580和下刀片部分581，以便于轴颈腔531。上刀片部分580和下刀片部分581可以各自具有布置在其上的多个固定切削元件。
91.图5-2是图5-1的钻头510的底视图。如可以看到的，在一些实施例中，钻头510可以包括四个刀片(统称为524)。第一刀片524-1可以包括在第一刀片524-1的前缘526处的第一固定切削结构530-1。滚动切削结构(统称为512)可以在后缘528处附接到第一刀片524-1。滚动切削结构512可以附接到第一刀片524-1并由支撑腿544支撑。第二刀片524-2可以包括单个切削结构，即第二固定切削结构530-2。在一些实施例中，如图5-2所示，用于滚动切削结构512的槽548可以开口到中心腔585。
92.在一些实施例中，钻头510包括第一组刀片和第二组刀片。第一组刀片可以包括两个或更多个第一刀片524-1。第二组刀片可以包括两个或更多个第二刀片524-2。
93.钻头510可以具有两倍于滚动切削结构512的固定切削结构(统称为530)。在一些实施例中，副刀片或固定切削结构530可以位于每个滚动切削结构512的任一侧或两侧上。换句话说，每个固定切削结构530可以具有位于固定切削结构530的第一侧上的滚动切削结构512，以及位于固定切削结构的第二侧上的固定切削结构530。
94.在一些实施例中，第一刀片524-1可以仅包括滚动切削结构512，而没有第一固定切削结构530-1。在这样的实施例中，钻头510具有六个刀片524，每个刀片524包括单个切削结构。
95.在一些实施例中，钻头510可以包括第一滚动切削结构512-1和第二滚动切削结构512-2。两个滚动切削结构512-1、512-2都可以具有轴颈角度(例如，图3-3的轴颈角度359)。因为第一滚动切削结构512-1位于钻头510的与第二滚动切削结构512-2相反的一侧，所以第一滚动切削结构512-1看起来在与第二滚动切削结构512-2不同的方向上成角度。然而，
滚动切削结构512-1、512-2在相同的旋转方向上成角度。然而，在一些实施例中，由于轴颈角度，地层可能不会在钻头旋转轴线534附近完全磨损。在一些实施例中，切削元件之间穿过钻头旋转轴线534的间隔距离可以在0至1.0英寸、0.25至0.75英寸、0.3至0.6英寸之间或大约0.5英寸。因此，滚动切削结构512-1、512-2可以包括第二排副切削元件(例如，图2-1的副切削元件217)。这些副切削元件可有助于在钻头旋转轴线534处移除地层。
96.图5-3是根据本公开的至少一个实施例的图5-1的钻头510的侧视图。如上所述，滚动切削结构512可以使用安装在轴颈腔531中的轴颈546固定到钻头510。在一些实施例中，轴颈腔可以安装在固定切削结构530下方的刀片524的槽548中。然而，这可能减少固定切削结构530上的固定切削元件532的可用空间量。因此，在一些实施例中，一个或多个规格切削元件568可以位于滚动切削结构512附近或上方。因此，在至少一个实施例中，固定切削结构530可以具有一组与规格切削元件568分开定位的固定切削元件532。也就是说，刀片524的固定切削结构530可以具有上刀片部分580和下刀片部分581。
97.图6是根据本公开的至少一个实施例的钻头610的表示的底视图。钻头610可以包括至少一些与图2-1至图5-3中描述的滚动切削结构和钻头相同的特征和特性。钻头610可以包括多个刀片624。每个刀片624可以包括在刀片624的前缘626处的固定切削结构630和在后缘628处的滚动切削结构612。
98.以这种方式，钻头610可以包括与滚动切削结构612相同数量的固定切削结构630。换句话说，固定切削结构630可以位于每个滚动切削结构612的任一侧上，滚动切削结构612可以位于每个固定切削结构630的任一侧上。
99.中心间隙670(例如，中心腔)可以位于多个滚动切削结构612的汇合处。中心间隙670可以包括多个中心流体射流672。多个中心流体射流672可以指向滚动切削结构612，使得中心流体射流672清洁滚动切削结构612并从中心间隙670冲洗切屑。在一些实施例中，钻头610可以包括用于每个滚动切削结构612的中心流体射流672。在其他实施例中，可以有比滚动切削结构更多的中心流体射流672。在其他实施例中，中心流体射流672可以比滚动切削结构少。
100.在一些实施例中，切削元件616可能没有完全到达钻头610的中心。因此，在两个相对的滚动切削结构612之间可以有分离距离676。该分离距离676通常可以是轴颈偏移、轴颈角度、滚动切削结构612的放置或前述的任意组合的结果。在一些实施例中，一个或多个中心切削元件674可以在中心间隙670的中心处放置在钻头610上，以破碎没有被滚动切削结构612破碎的任何地层。分离距离676可以在大约0.1至1.0英寸、0.25至0.75英寸、0.3至0.6英寸之间或大约0.5英寸。在一些实施例中，相对的滚动切削结构612之间的间隔距离676可以是负的。也就是说，相对的滚动切削结构612的切削元件616可以与穿过钻头轴线634的平面重叠，使得切削轮廓延伸穿过钻头轴线634。这些滚动切削结构612布置在不同的平面上，其被构造为消除切削元件616的干涉。
101.在其他实施例中，可以放置或调节两个相对的滚动切削结构612，以减小分离距离676。例如，两个相对的滚动切削结构612可以以比其他两个滚动切削结构612更小的辊偏移放置。在其他示例中，两个相对的滚动切削结构612可以具有比其他两个滚动切削结构612更大的轮直径(例如，图202的轮直径220)。在其他示例中，滚动切削结构布置、轮直径和中心切削元件674的一些组合可以有助于破碎未在中心间隙670中切削的地层。
102.刀片喷嘴678可以位于每个刀片624之间。刀片喷嘴678可以被构造成清洁固定切削结构630。在一些实施例中，刀片喷嘴678可以相对于钻头旋转轴线634以刀片喷嘴角度取向。在一些实施例中，刀片喷嘴角度可以平行于钻头旋转轴线634。在其他实施例中，刀片喷嘴角度可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括5
°
、10
°
、15
°
、20
°
、25
°
、30
°
、35
°
、40
°
、45
°
、50
°
、55
°
、60
°
、65
°
、70
°
、75
°
、80
°
、85
°
或它们之间的任何值中的任一个。例如，刀片喷嘴角度可以大于5
°
。在另一个示例中，刀片喷嘴角度可以小于85
°
。在其他示例中，刀片喷嘴角度可以是5
°
和85
°
之间的范围内的任何值。在一些实施例中，大约45
°
的刀片喷嘴角度对于有效清洁固定切削结构630可能是关键的。
103.图7-1是根据本公开的至少一个实施例的钻头710的透视图。钻头710可以包括至少一些与图2-1至图6中描述的滚动切削结构和钻头相同的特征和特性。例如，钻头710可以包括两个彼此相对布置的第一刀片724-1，以及两个横向于第一刀片724-1布置并且彼此相对的第二刀片724-2。每个第一刀片724-1可以包括固定的切削结构730。每个第二刀片724-2可以包括第一滚动切削结构712-1和第二滚动切削结构712-2。第一滚动切削结构712-1可以通过中心支撑腿772与第二滚动切削结构712-2分离。
104.图7-2是图7-1的钻头710的底视图。每个第二刀片724-2可以包括第二刀片前缘726-2和第二刀片后缘728-2。第一滚动切削结构712-1可以位于第二刀片前缘726-2上，第二滚动切削结构712-2可以位于第二刀片后缘728-2上。
105.钻头710可以包括一个或多个中心流体端口740。中心流体端口740可以位于第二刀片724-2之间的钻头旋转轴线734附近，并且被构造成将切屑冲离第一滚动切削结构712-1和第二滚动切削结构712-2。刀片喷嘴742可位于一个或多个第一刀片724-1上，并被构造为清洁和清洗远离固定切削结构730的切屑。外部喷嘴774可以位于钻头710的外周上。外部喷嘴774可以被构造成进一步清洁第一滚动切削结构712-1和第二滚动切削结构712-2。
106.图7-3是图7-1和7-2所示的钻头710的第二刀片724-2的截面图。第二刀片724-2可以在第二刀片前缘726-2处支撑第一滚动切削结构712-1，在第二刀片后缘728-2处支撑第二滚动切削结构712-2。第一轴颈746-1可以将第一滚动切削结构712-1固定到第一支撑腿744-1和中心支撑腿772。第二轴颈746-2可以将第二滚动切削结构712-2固定到第二支撑腿744-2和中心支撑腿772。
107.在一些实施例中，第一滚动切削结构712-1和第二滚动切削结构712-2中的一个或多个可以相对于钻头旋转轴线734成角度。例如，第一轴颈746-1可以具有第一轴颈轴轴线755-1，第一滚动切削结构712-1可以围绕该第一轴颈轴轴线旋转。第二轴颈746-2可以具有第二轴颈轴轴线755-2，第二滚动切削结构712-2可以围绕该第二轴颈轴轴线旋转。在一些实施例中，第一轴颈轴轴线755-1和第二轴颈轴轴线755-2可以垂直于钻头旋转轴线734。
108.在其他实施例中，第一轴颈轴轴线755-1可以相对于参考线757成第一轴颈角度759-1，参考线757垂直于钻头旋转轴线734。类似地，第二轴颈轴轴线755-2可以相对于参考线757具有第二轴颈角度759-2。在一些实施例中，第一轴颈角度759-1和第二轴颈角度759-2可以具有不同的符号。例如，第一轴颈角度759-1可以是负的，第二轴颈角度759-2可以是正的。在其他示例中，第一轴颈角度759-1可以是正的，第二轴颈角度759-2可以是负的。在其他实施例中，第一轴颈角度759-1和第二轴颈角度759-2可以具有相同的符号。例如，第一轴颈角度759-1和第二轴颈角度759-2都可以是正的。在其他示例中，第一轴颈角度759-1和
第二轴颈角度759-2都可以是负的。
109.随着钻头710旋转，滚动切削结构712-1、712-2可以围绕轴颈轴轴线755-1、755-2旋转。在一些实施例中，滚动切削结构712-1、712-2可以从钻头旋转轴线734旋转到钻头710的外周。在其他实施例中，滚动切削结构712-1、712-2可以从钻头710的外周向钻头旋转轴线734旋转。在一些实施例中，第一滚动切削结构712-1和第二滚动切削结构712-2都可以在相同的方向上(即，从钻头旋转轴线734到钻头710的外周或者从钻头710的外周到钻头旋转轴线734)旋转。在其他实施例中，第一滚动切削结构712-1可以在不同于第二滚动切削结构712-2的方向上旋转。例如，第一滚动切削结构712-1可以从钻头旋转轴线734旋转到钻头710的外周，第二滚动切削结构712-2可以从钻头710的外周旋转到钻头旋转轴线734。在另一个示例中，第一滚动切削结构712-1可以从钻头710的外周旋转到钻头旋转轴线734，第二滚动切削结构712-2可以从钻头旋转轴线734旋转到钻头710的外周。
110.沿相反方向旋转的滚动切削结构712-1、712-2，或者反向旋转的滚动切削结构712-1、712-2，可以以不同的方式切削地层，这可以提高钻头710的穿透率、钻头710的寿命和/或减少钻头710的维护。例如，第一滚动切削结构712-1上的第一切削元件716-1可以在地层中沿第一方向切削第一路径。第二滚动切削结构712-2上的副切削元件716-2可以在地层中沿第二方向切削第二路径。因为第二方向不同于第一方向，所以副切削元件716-2可能不会在第一切削元件716-1留下的相同沟或凹坑中接合地层。这可以减少滚动切削结构712-1、712-2上的磨损。此外，由第一滚动切削结构712-1和第二滚动切削结构712-2引起的地层的断裂模式可以不同。这可能导致地层更容易破碎和/或破碎成更小的块。
111.第二刀片724-2可以包括轴颈腔731。轴颈腔731可以延伸穿过第一支撑腿744-1和第二支撑腿744-2的至少一部分。为了安装滚动切削结构712-1、712-2，第二轴颈746-2可以穿过第二滚动切削结构712-2插入位于第二支撑腿744-2中的轴颈腔731中。第二轴颈746-2可以固定到中心支撑腿772。然后，第一轴颈746-1可以通过第一滚动切削结构712-1插入位于第一支撑腿744-1中的轴颈腔731中，并固定到中心支撑腿772。因此，中心支撑腿772可以支撑第一滚动切削结构712-1和第二滚动切削结构712-2中的一个或两个。
112.在一些实施例中，第一轴颈746-1和第二轴颈746-2可以独立地固定到中心支撑腿772。在其他实施例中，连接器螺栓776可以穿过中心支撑腿772的一部分。连接器螺栓776可以连接到第一轴颈746-1和第二轴颈746-2。当连接器螺栓776处于拉伸状态时，第一轴颈746-1和第二轴颈746-2可被拉向并固定在中心支撑腿上。在一些实施例中，连接器螺栓776可以是螺钉，其头部在一个轴颈的腔中，并且螺纹部分在包括另一个轴颈的匹配螺纹的腔中。在其他实施例中，连接器螺栓776可以是任何类型的机械连接器。
113.在一些实施例中，螺栓腔733可以位于第二支撑腿744-2中。插入螺栓腔733中的螺纹紧固件751可以将第二轴颈746-2固定到第二支撑腿744-2。因此，第一轴颈可以通过连接器螺栓776连接到中心支撑腿772和第二轴颈746-2而固定在轴颈腔731内。
114.在一些实施例中，中心支撑腿772可以与钻头体773一体形成。换句话说，中心支撑腿772可以与钻头体773形成为单件。在其他实施例中，中心支撑腿772可以单独形成并连接到钻头体773。例如，中心支撑腿772可以通过铜焊、焊接、螺钉、螺栓、过盈配合(例如燕尾接头)、摩擦配合或其他连接方式连接到钻头体773。
115.在一些实施例中，中心支撑腿772可以包括位于中心支撑腿772底部的一个或多个
耐磨垫或硬面层。以这种方式，中心支撑腿772可被保护免受地层中未被滚动切削结构712-1、712-2切削的任何部分的影响。
116.第一滚动切削结构712-1、712-2可以具有不同的暴露。在一些实施例中，第一滚动切削结构712-1和第二滚动切削结构712-2的参数可以改变，以确保第一滚动切削结构712-1和第二滚动切削结构712-2具有相同或近似相同的暴露。
117.在一些实施例中，第一轴颈746-1可以与第二轴颈746-2同轴。换句话说，第一轴颈轴轴线755-1可以与第二轴颈轴轴线755-2相同或重合。在其他实施例中，第一轴颈轴轴线755-1可以不同于第二轴颈轴轴线755-2，或从第二轴颈轴轴线755-2偏移一竖直轴线偏移780
°
。在一些实施例中，竖直轴线偏移可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围，包括0.1英寸(2.54毫米)、0.2英寸(5.08毫米)、0.3英寸(7.62毫米)、0.4英寸(10.16毫米)、0.5英寸(12.70毫米)、0.6英寸(15.24毫米)、0.7英寸(17.78毫米)、0.8英寸(20.32毫米)、0.9英寸(22.86毫米)、1.0英寸(25.40毫米)、1.5英寸.(38.1毫米)、2英寸(50.8厘米)或两者之间的任何值中的任一个。例如，竖直轴线偏移780可以大于0.1英寸(2.54毫米)。在另一个示例中，竖直轴线偏移780可以小于2.0英寸(50.8毫米)。在其他示例中，竖直轴线偏移780可以是在0.1英寸(2.54毫米)和2.0英寸(50.8毫米)之间的范围内的任何值。因此，竖直轴线偏移780可以完全或部分抵消第一滚动切削结构712-1和第二滚动切削结构712-2之间的暴露差异。
118.在一些实施例中，第一滚动切削结构712-1可以具有与第二滚动切削结构712-2相同的轮直径(例如，图2-2的轮直径220)。在其他实施例中，第一滚动切削结构712-1可以具有与第二滚动切削结构712-2不同的轮直径。在一些实施例中，第二滚动切削结构712-2可以具有为第一滚动切削结构712-1的百分比的轮直径。在一些实施例中，百分比可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括50％、60％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％、105％、110％、115％、120％、125％、130％、140％、150％或其间的任何值中的任一个。例如，该百分比可以大于50％。在另一个示例中，该百分比可以小于150％。在其他示例中，该百分比可以是在50％和150％之间的范围内的任何值。因此，改变轮直径可以全部或部分抵消第一滚动切削结构712-1和第二滚动切削结构712-2之间的暴露差异。
119.图7-4是图7-1、7-2和7-3的钻头710的自底向上的截面图。在一些实施例中，第一轴颈轴轴线755-1和第二轴颈轴轴线755-2可以同轴，或者可以共享公共轴线。在其他实施例中，第一轴颈轴轴线755-1可以从第二轴颈轴轴线755-2以径向轴线偏移782偏移。在一些实施例中，径向轴线偏移782可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括0.1英寸(2.54毫米)、0.2英寸(5.08毫米)、0.3英寸(7.62毫米)、0.4英寸(10.16毫米)、0.5英寸(12.70毫米)、0.6英寸(15.24毫米)、0.7英寸(17.78毫米)、0.8英寸(20.32毫米)、0.9英寸(22.86毫米)、1.0英寸(25.40毫米)或它们之间的任何值中的任一个。例如，径向轴线偏移782可以大于0.1英寸(2.54毫米)。在另一个示例中，径向轴线偏移782可以小于1.0英寸(25.40毫米)。在其他示例中，径向轴线偏移782可以是在0.1英寸(2.54毫米)和1.0英寸(25.40毫米)之间的范围内的任何值。因此，径向轴线偏移782可以完全或部分抵消第一滚动切削结构712-1和第二滚动切削结构712-2之间的暴露差异。虽然参考图7-4进行了描述，但是这种偏移差异也可以应用于这里描述的其他实施例，其中滚动切削结构位于不同的刀片上。
120.图7-5是根据本公开的至少一个实施例的切削轮廓775的实施例。沿着切削轮廓775的不同区域可以主要由不同的切削元件切削。换句话说，不同的切削元件可以沿着切削轮廓775的不同区域具有最高暴露。在图7-5所示的实施例中，中心第一区域777可以主要由滚动切削结构上的副切削元件(例如，图7-2所示的滚动切削结构712-1、712-2的副切削元件717)切削。副切削元件可以被添加到滚动切削结构中，特别是切削该中心第一区域777，因为否则主切削元件(例如，图7-3的第一切削元件716-1)可能不会切削或者可能不会充分切削中心第一区域777。
121.第二区域779可以主要由第二滚动切削结构的主切削元件(例如，图7-3的第二滚动切削结构712-2的第一切削元件716-1)切削。第三区域781可以主要由第一滚动切削结构的主切削元件(例如，图7-3的第一滚动切削结构712-1的主切削元件716-1)切削。如可以看到的，在一些实施例中，第三区域781可以包括钻头的“鼻部”区域。因此，第一滚动切削结构的主切削元件可以移除最大量的材料。最外面的第四区域783可以由固定切削结构(例如，图7-2的固定切削结构730)的固定切削元件切削。这个最外面的第四区域783可以包括钻头的“肩部”和/或“规格”区域。如上面结合图3-4所讨论的，鼻部区域781可以被固定切削结构730的固定切削元件和/或被滚动切削结构712的主切削元件切削。
122.如可以看到的，一个主滚动切削结构可能具有最大的切削载荷。然而，剩余的切削结构可以支撑滚动切削结构。具体而言，剩余的切削结构可以主要切削主滚动切削结构不能充分到达的地层部分。
123.图8是根据本公开的至少一个实施例的形成钻头的方法884的方法图。方法884可以包括在886处选择钻头体。选择钻头体可以包括选择具有特定几何形状的钻头体。几何形状可以包括一个或多个固定切削结构、一个或多个滚动切削结构等。在一些实施例中，选择钻头体可以包括形成钻头体。例如，钻头体可以铸造、加工或使用添加剂制造来制造。钻头体可以是基体、钢体、附加制造体或其任意组合。在其他示例中，选择钻头体可以包括选择钻头体的设计并制造钻头体或者让第三方制造钻头体。
124.方法884可以包括在888处安装滚动切削结构。安装滚动切削结构可以包括将滚动切削结构插入钻头体的滚动腔中，并将轴颈插入钻头体的轴颈腔中。安装滚动切削结构还可以包括用轴颈布置任何密封件、套筒、垫圈或轴承，或者它们的任意组合。如上所述，轴颈和套筒可以被选择和安装以调节滚动切削结构的切削元件的暴露。
125.该方法可以进一步包括在890将滚动切削结构固定到钻头体。将滚动切削结构固定到钻头体可以包括将轴颈固定到钻头体。将轴颈固定到钻头体可以包括将轴颈固定到刀片的后缘。将轴颈固定到钻头体上还可以包括将轴颈固定到刀片的支撑腿和刀片的主体上。
126.混合钻头的实施例已经主要参照井眼钻井操作进行了描述；这里描述的混合钻头可以用于除了钻井眼以外的应用。在其他实施例中，根据本公开的混合钻头可以在用于自然资源勘探或生产的井眼或其他井下环境之外使用。例如，本发明的混合钻头可用在用于放置公用设施管线的钻孔中。因此，术语“井眼”、“钻孔”等不应被解释为将本公开的工具、系统、组件或方法限制于任何特定的行业、领域或环境。
127.本文描述了本公开的一个或多个具体实施例。这些描述的实施例是当前公开的技术的示例。另外，为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中可能没有描述实际实施例的
所有特征。应当理解，在任何这种实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，将做出许多特定于实施例的决定来实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的约束，这些约束可能因实施例而异。此外，应当理解，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说，这仍然是设计、制造和制造的常规任务。
128.冠词“一”、“一个”和“该”旨在表示在前面的描述中存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的，并且意味着除了列出的元件之外，还可以有附加的元件。此外，应当理解，对本公开的“一个实施例”或“一实施例”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的附加实施例的存在。例如，关于这里的实施例描述的任何元件可以与这里描述的任何其他实施例的任何元件组合。本文所述的数字、百分比、比率或其他值旨在包括该值，以及“大约”或“近似”所述值的其他值，如本公开的实施例所包含的本领域普通技术人员所理解的。因此，所述值应被解释得足够宽泛，以包括至少足够接近所述值的值，从而执行期望的功能或实现期望的结果。所述值至少包括在合适的制造或生产过程中预期的变化，并且可以包括在所述值的5％以内、1％以内、0.1％以内或0.01％以内的值。
129.鉴于本公开，本领域普通技术人员应该认识到，等同构造不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对这里公开的实施例进行各种改变、替换和变更。包括功能性“装置加功能”条款在内的等同结构旨在覆盖在此描述的执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等同物和提供相同功能的等同结构。申请人的明确意图是不对任何权利要求援引装置加功能或其他功能性要求，除非“用于...装置”一词与相关功能一起出现。落入权利要求的含义和范围内的对实施例的每个添加、删除和修改都将被权利要求所包含。
130.这里使用的术语“大约”、“约”和“基本上”表示接近于仍执行所需功能或实现所需结果的所述量的量。例如，术语“大约”、“约”和“基本上”可以指所述量的小于5％内、小于1％内、小于0.1％内和小于0.01％内的量。此外，应当理解，前面描述中的任何方向或参考系仅仅是相对方向或运动。例如，对“上”和“下”或“上方”或“下方”的任何引用仅仅是对相关元件的相对位置或运动的描述。
131.本公开可以在不脱离其精神或特征的情况下以其他特定形式实施。所描述的实施例被认为是说明性的而非限制性的。在权利要求的等同意义和范围内的变化将包含在其范围内。