CN105051313A - 用于固定切削齿钻头和其他井下切削工具的切削构件 - Google Patents
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Abstract
一种切削工具,可包括工具主体;从所述工具主体延伸的多个刀体;和沿着所述多个刀体的每一个设置的多个非平面切削元件,所述多个非平面切削元件形成切削型面,在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面内的旋转视图中,所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域。所述多个非平面切削元件包括在所述锥部区域、所述鼻部区域、所述肩部区域和所述保径部区域中的至少一个中的第一形状,和在至少一个其他区域中的不同的第二形状。
Description
背景技术
在地球上的钻井过程中,比如为了回收碳氢化合物或为了其他应用,常规的实践是在端对端连接而形成“钻柱”的钻杆段组件的下端连接钻头。通过在地面旋转钻柱或通过井下马达或涡轮机的致动,或通过两种方法使钻头旋转。在施加到钻柱的重力作用下,旋转的钻头接合地层,致使钻头通过磨蚀、压裂或剪切动作,或通过所有切削方法的组合切穿地层材料,从而形成沿着朝向目标区域的预定路径的井眼。
已经研制和发现了许多不同类型的钻头用在钻这样的井眼的过程中。两种主导类型的钻头是牙轮钻头和固定切削齿钻头(或旋转式刮刀)钻头。大多数固定切削齿钻头设计包括绕钻头面成角度地间隔的多个刀体。刀体从钻头主体径向向外地突出,且在其两两之间形成流道。此外,切削元件通常以径向延伸的排分组且安装在几个刀体上。根据许多因素(比如被钻地层),刀体上的切削元件的配置或布局可以宽泛地变化。
设置在固定切削齿钻头的刀体上的切削元件通常由超硬材料制成。在典型的固定切削齿钻头中,每个切削元件包括细长的且大体上圆柱形的碳化钨基底,该基底被接纳且固定在刀体之一的表面上形成的袋孔中。切削元件通常包括多晶金刚石(“PCD”)或其他超耐磨材料(比如热稳定金刚石或多晶立方氮化硼)的硬质切削层。为方便起见,在本文中使用的提及“PDC钻头”或“PDC切削齿”就是指采用了多晶金刚石或其他超耐磨材料的硬质切削层的固定切削齿钻头或切削元件。
参照图1和2,示出了适用于钻穿岩石地层以形成井眼的常规固定切削齿或刮刀钻头10。钻头10大体上包括钻头主体12、钻柄13,和在销端部16处用于将钻头10连接于钻柱(未示出)的螺纹连接或销14,其中该钻柱被用于转动钻头,以便钻出井眼。钻头面20支撑切削构件15,且形成在钻头10的与销端部16相反的端部上。钻头10还包括中心轴线11,钻头10绕该中心轴线沿箭头18表示的切削方向旋转。
切削构件15被设置在钻头10的面20上。切削构件15包括多个成角度地间隔开的主刀体31、32、33和副刀体34、35、36,每一刀体都从钻头面20延伸。主刀体31、32、33和副刀体34、35、36大体上沿钻头面20径向延伸,然后沿钻头10的周边的一部分轴向延伸。然而,副刀体34、35、36从朝向钻头10的周边远离钻头轴线11的位置沿钻头面20径向延伸。因此,在本文中使用的“副刀体”可用于指在离钻头轴线一段距离的位置开始且大体上沿钻头面向钻头的周边径向延伸的刀体。主刀体31、32、33和副刀体34、35、36被钻井液流道19分开。
仍然参照图1和2,每一主刀体31、32、33包括用于安装多个切削元件的刀体顶部42,且每一副刀体34、35、36包括用于安装多个切削元件的刀体顶部52。尤其是,每个都具有切削面44的切削元件40被分别安装在每一主刀体31、32、33的刀体顶部42和每一副刀体34、35、36的刀体顶部52上形成的袋孔中。切削元件40被彼此毗邻地布置成接近每一主刀体31、32、33和每一副刀体34、35、36的前边缘的径向延伸的排。每个切削面44具有离刀体顶部42、52(切削元件40被安装在其上)最远的最外的切削尖44a。
现在参照图3,钻头10的型面被示为就像全部刀体(例如,主刀体31、32、33和副刀体34、35、36)和全部切削元件40的切削面44旋转入单个旋转型面中所呈现的。在旋转型面视图中,钻头10的全部刀体31-36的刀体顶部42、52形成且限定了组合或复合的刀体型面39,该型面从钻头轴线11向钻头10的外半径23径向延伸。因此,在本文中使用的短语“复合刀体型面”指的是这样的型面,即,从钻头轴线向钻头的外半径延伸,由旋转入单个旋转型面(即,在旋转型面视图中)的钻头的全部刀体的刀体顶部形成。
常规复合刀体型面39(在图3中钻头10的右半部中更清楚地示出)可大体上被分成三个区域,通常标记为锥部区域24、肩部区域25和保径部区域26。锥部区域24包括钻头10的径向最内的区域和大体上从钻头轴线11延伸到肩部区域25的复合刀体型面39。如图3所示,在最常规的固定切削齿钻头中,锥部区域24是大体上凹下的。邻近锥部区域24是肩部(或上弯曲线)区域25。在最常规的固定切削齿钻头中,肩部区域25是大体上凸出的。径向向外移动,邻近肩部区域25的是保径部区域26,该保径部区域在复合刀体型面39的外部径向周边处平行于钻头轴线11延伸。因此,常规钻头10的复合刀体型面39包括一个凹下的区域、锥部区域24,和一个凸出的区域、肩部区域25。
凸出的肩部区域25和复合刀体型面39的轴向最低点限定了刀体型面鼻部27。在刀体型面鼻部27处,与凸出的肩部区域25和复合刀体型面39相切的切线27a的斜率是0。因此,在本文中使用的术语“刀体型面鼻部”指的是在旋转型面视图中沿着钻头的复合刀体型面的凸出区域的点,其中在该点处与复合刀体型面相切的切线的斜率是0。对于最常规的固定切削齿钻头(例如钻头10)来说,复合刀体型面包括仅一个凸出的肩部区域(例如,凸出的肩部区域25),和仅一个刀体型面鼻部(例如,鼻部27)。如图1-3所示,切削元件40被沿着刀体31-36布置成排,且被沿着钻头面20设置在前面描述为复合刀体型面39的锥部区域24、肩部区域25和保径部区域26的区域内。尤其是,切削元件40被安装在刀体31-36上相对于钻头10的中心轴线11预定的径向间隔位置。
不考虑钻头的类型,钻井花费与将井眼钻到预期的深度和位置所花费的时间长度成比例。继而,钻井时间受到在到达目标地层之前钻头的更换次数影响很大。这是因为每次更换钻头,整个钻柱(可能几英里长)必须从井眼中一段一段地收回。一旦钻柱被收回,且新钻头安装上,钻柱上的钻头必须下降到井眼的底部,这再次必须一段一段地安装。这个过程被称作钻柱的“起下”,通常需要相当多的时间、劳动和花费。因此,希望使用这样的钻头,即,能快速且时间长的钻井,且可用于宽范围的不同地层硬度。
在更换之前钻头可以使用的时间长度取决于它的钻进速度(“ROP”),以及其维持较高或可接受的ROP的耐用性或能力。此外,期望的钻头特性是它是“稳定的”且能抵抗不希望的振动,该振动的最严重的类型或模式是“涡旋”,这是用于描述钻头在井眼底部绕偏离钻头几何中心的旋转轴线旋转的现象的术语。这种涡旋使钻头上的切削元件承受增大的负载,这导致切削元件过早磨损或损坏和ROP损失。因此,防止或减少不希望的钻头振动并维持PDC钻头的稳定性已经成为长期以来期望的目标,但问题是总是没有实现。不希望的钻头振动通常可能出现在任何类型的地层,但在硬质地层中更有害。
近年来,PDC钻头已经成为切削软或中间硬度的地层的工业标准。然而,因为PDC钻头是被研制用于硬质地层的,所以钻头稳定性正成为日益增加的挑战。如前所述,在钻井过程中过度的不希望的钻头振动趋于使钻头变钝,和/或可能损坏钻头到必须或期望过早地起下钻柱的程度。
已经有许多推荐用于PDC切削构件的备选设计,这些设计旨在提供一种能够以高效的ROP钻穿各种硬度的地层且具有可接受的钻头寿命和耐久性的PDC钻头。遗憾的是,针对使振动最小化的许多钻头设计需要在与早期设计的钻头相比增大的钻压(“WOB”)下进行钻井。例如,一些钻头已经设计有以更少攻击性的背前角安装的切削齿,以使得它们需要增大的WOB,以便钻进地层材料到达所期望的程度。如果可能,通常避免利用增大的或重的WOB进行钻井。增大WOB是通过给钻柱增加附加的重钻铤来完成的。这种附加的重量增加了钻柱部件中的一些或全部上的应力和张力,导致稳定器磨损更多,且工作效率更低,并且增加了钻柱中的液压降,需要使用更高容量(且通常更高花费)的泵来循环钻井液。组合问题更多,增大的WOB导致钻头磨损,且比其他方式出现的情况更快地变钝。为了延迟钻柱的起下,通常的实践是进一步增加WOB,且以部分磨损和变钝的钻头继续钻井。钻头磨损和WOB之间的关系不是线性的,而是指数关系,使得一旦对于给定钻头来说超过特定的WOB时,WOB上非常小的增加将导致钻头磨损极大地增加。因此,增加更大的WOB而以部分磨损的钻头钻井进一步增加了钻头和其他钻柱部件上的磨损。
发明内容
本发明内容用于引入在下面详细的描述中进一步描述的一组构思。本发明内容不是为了确定要求保护的主题的关键或主要特征,也不是为了用于辅助限定要保护的主题的范围。
在一些实施例中,一种切削工具包括工具主体;从所述工具主体延伸的多个刀体;沿所述多个刀体的每一个设置的多个非平面切削元件。所述多个非平面切削元件形成切削型面,在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面的旋转视图中,所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域。所述多个非平面切削元件包括在所述锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域中的至少一个中的第一形状,和在至少一个其他区域中的不同的第二形状。
在一些实施例中,一种切削工具包括工具主体;从所述工具主体延伸的多个刀体;沿所述多个刀体的每一个设置的多个非平面切削元件。所述多个非平面切削元件形成切削型面,在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面的旋转视图中,所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域。所述多个非平面切削元件包括具有在所述锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域中的至少一个中的第一曲率半径的顶端,和具有在至少一个其他区域中的不同的第二曲率半径的顶端。
在一些实施例中,一种切削工具包括工具主体;从所述工具主体延伸的多个刀体;沿所述多个刀体的每一个设置的多个非平面切削元件。所述多个非平面切削元件形成切削型面,在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面的旋转视图中,所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域。所述多个非平面切削元件具有在所述锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域中的至少一个中的第一直径,和在至少一个其他区域中的不同的第二直径。
在一些实施例中,一种切削工具包括工具主体;从所述工具主体延伸的多个刀体;沿所述多个刀体的每一个设置的多个非平面切削元件。所述多个非平面切削元件形成切削型面,在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面的旋转视图中,所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域。所述多个非平面切削元件具有在所述锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域中的至少一个中的第一材料特性,和在至少一个其他区域中的不同的第二材料特性。
从下面的描述和所附的权利要求,本发明要求保护的主题的其他方面和优点将显而易见。
附图说明
图1示出了常规钻头。
图2示出了常规钻头的俯视图。
图3示出了常规钻头的剖视图。
图4示出了根据一个实施例的钻头的俯视图。
图5示出了根据一个实施例的切削型面。
图6示出了锥形切削元件的剖视图。
图7示出了具有凸出侧面的尖头形切削元件的剖视图。
图8示出了具有凹下侧面的尖头形切削元件的剖视图。
图9示出了根据一个或多个实施例的切削齿。
图10示出了根据一个或多个实施例的锥形切削元件。
图11示出了根据一个或多个实施例的锥形切削元件。
图12示出了根据一个或多个实施例的切削齿。
图13示出了根据一个或多个实施例的锥形切削元件的俯视图。
图14示出了根据一个或多个实施例的锥形切削元件的侧视图。
图15示出了根据一个或多个实施例的扩孔器。
具体实施方式
在本发明公开的一些方面,实施例涉及包含具有非平面切削表面的切削元件的固定切削齿钻头或其他井下切削工具。尤其是,本文中公开的实施例涉及包含两个或更多个非平面切削元件的钻头,所述至少两个切削元件具有不同的几何或尺寸型面和/或不同的材料特性。本文中公开的其他实施例涉及包含这些切削元件的固定切削齿钻头,包括在钻头上放置这些切削元件,以及可用于优化或改善钻井过程的在切削元件上的改变。
根据本发明公开的一个或多个实施例,可使用不同的非平面切削元件,且根据沿切削型面(例如参照图3限定的)的特定的非平面切削元件的位置选择几何形状。现在参照图4,示出了钻头的实施例的俯视图。如图4中所示,钻头40可包括从钻头主体44径向延伸的多个刀体42。非平面切削元件46每个都在多个刀体42上的切削齿袋孔48内。虽然在图4中仅示出了非平面切削元件,但一个或多个刀体可包括在其上的一个或多个平面的或大致平面的切削元件也在本发明公开的范围内。现在参照图5,示出了切削型面(其中钻头上的所有切削元件被示为旋转入单个平面内)。类似于图3中的上面限定的切削型面,图5中所示的切削型面50包括锥部区域53、鼻部区域57、肩部区域55和保径部区域56;然而,在图5中所示的实施例中,切削型面是由非平面切削元件形成的。此外,虽然在图5中所示的非平面切削元件是锥形切削元件,但本发明公开并非如此有限。而是,形成本发明公开的切削型面的一个或多个、或全部切削元件可包括除了锥形切削元件之外的非平面切削元件。例如,现在参照图6-8,示出了可用于本发明公开的实施例中的各种非平面切削元件的图示。
为了便于在多种类型的切削元件之间区分,术语“切削元件”将一般指的是任何类型的切削元件,而“切削齿”将指那些具有平面切削面的切削元件,如上面参照图1和2所述的,且“非平面切削元件”将指那些具有非平面顶部表面(例如,具有终止于顶端的端部)的切削元件,该非平面切削元件可包括具有锥形切削端的切削元件(图6中所示)或弹头形切削元件(图7中所示),例如(两者也可称作“尖头形切削元件”)。在本文中使用的术语“锥形切削元件”指的是具有大体上锥形切削端62(包括直锥或斜锥)的切削元件,即,具有终止于圆角顶端66的锥形侧壁64,如图6中所示。与终止于尖锐顶端的几何形圆锥不同,本发明公开的锥形切削元件拥有具有在侧面和顶端之间的弯曲部分的顶端。此外,在一个或多个实施例中,可使用弹头形切削元件70。术语“弹头形切削元件”指的是具有终止于圆角顶端76的大体上凸出的侧面78(代替大体上锥形的侧面)的切削元件。在一个或多个实施例中,顶端76具有比凸出的侧面78大致更小的曲率半径。然而,还被设想到的是本发明公开的非平面切削元件也可包括其他形状,例如包括终止于圆角顶端的凹下的侧面,如图8中所示。在每个这样的实施例中,非平面切削元件可具有在侧面和圆角顶端之间的平滑过渡(即,侧面或侧壁相切地连接顶端的弯曲部分),但在一些实施例中,可以提供非平滑的过渡(即,侧面的切线与顶端的切线以非180度的角相交,就像例如从约120度到小于180度的范围)。此外,在一个或多个实施例中,非平面切削元件可包括具有在夹持或基部区域上方延伸的切削端的任何形状,在一个或多个实施例中在夹持或基部区域上方,切削端延伸一高度,该高度是切削元件的直径的至少0.25倍,或是直径的至少0.3、0.4、0.5或0.6倍。
本发明公开的各种实施例可使用沿切削型面的不同形状(比如在图6-8中所示的那些,例如非平面切削元件或尖头形切削元件)的切削元件。例如,在一个实施例中,锥部区域可包括一个或多个弹头形切削元件70,而鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括不是弹头形切削元件的一个或多个非平面切削元件(或尖头形切削元件),比如锥形切削元件60或凹下的切削元件80。在特定实施例中,锥部区域可包括一个或多个(或全部)弹头形切削元件70,且鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件60。例如,当在锥部区域希望更大的冲击保护时,可选择这样的实施例。
在另一实施例中,锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个弹头形切削元件70,而肩部区域和保径部区域可包括不是弹头形切削元件的一个或多个非平面切削元件,比如锥形切削元件60或凹下的切削元件80。在特定实施例中,锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个(或全部)弹头形切削元件70,且肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件60。例如,当在锥部区域和鼻部区域希望更大的冲击保护时,可选择这样的实施例。
在另一实施例中,锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个弹头形切削元件70,而保径部区域可包括不是弹头形切削元件的一个或多个非平面切削元件,比如锥形切削元件60或凹下的切削元件80。在特定实施例中,锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)弹头形切削元件70,且保径部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件60。例如,对于高冲击应用来说,可选择这样的实施例。
在一个实施例中,锥部区域可包括一个或多个锥形切削元件60,而鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括不是锥形切削元件的一个或多个非平面切削元件,比如弹头形切削元件70或凹下的切削元件80。在特定实施例中,锥部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件60,且鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)弹头形切削元件70。例如,当在鼻部区域、肩部区域和保径部区域希望更大的冲击保护时,可选择这样的实施例。
在另一实施例中,锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个锥形切削元件60,而肩部区域和保径部区域可包括不是锥形切削元件的一个或多个非平面切削元件,比如弹头形切削元件70或凹下的切削元件80。在特定实施例中,锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件60,且肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)弹头形切削元件70。例如,当在肩部区域和保径部区域希望更大的冲击保护时,可选择这样的实施例。
在另一实施例中,锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个锥形切削元件60,而保径部区域可包括不是锥形切削元件的一个或多个非平面切削元件,比如弹头形切削元件70或凹下的切削元件80。在特定实施例中,锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件60,且保径部区域可包括一个或多个(或全部)弹头形切削元件70。例如,当在保径部区域希望更大的冲击保护时,可选择这样的实施例。
此外,在另一实施例中,锥部区域和肩部区域可具有相同的所选形状,而鼻部区域形状不同。例如,在一个实施例中,锥部和肩部区域可包括一个或多个锥形切削元件60,而鼻部区域可包括不是锥形切削元件的一个或多个非平面切削元件,比如弹头形切削元件70或凹下的切削元件80。在特定实施例中,锥部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件60,且鼻部区域可包括一个或多个(或全部)弹头形切削元件70。保径部区域也可具有一个或多个(或全部)弹头形切削元件70也在本发明公开的范围内。
在另一实施例中,锥部和肩部区域可包括一个或多个弹头形切削元件70,而鼻部区域可包括不是锥形切削元件的一个或多个非平面切削元件,比如锥形切削元件60或凹下的切削元件80。在特定实施例中,锥部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)弹头形切削元件70,且鼻部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件60。保径部区域也可具有一个或多个(或全部)锥形切削元件60也在本发明公开的范围内。
如上所述,非平面切削元件的顶端可具有弯曲部分,包括曲率半径。在一个或多个实施例中,该曲率半径可在从约0.050至0.125的范围。一个或多个其他实施例可使用0.050、0.060、0.075、0.085或0.100中的任一个为下限且0.075、0.085、0.095、0.100、0.110或0.0125中的任一个为上限的曲率半径,在这种情况下,任何下限可与任何上限一起使用。在一些实施例中,该弯曲部分可具有可变的曲率半径,一部分抛物线、一部分双曲线、一部分悬链线或一部分样条线。此外,在一个或多个实施例中,不同的顶端弯曲部分可用于沿切削型面的(相同几何类型或不同几何类型的)切削元件中。这可包括例如上述的各种实施例,以及包括沿切削型面的全部锥形切削元件或全部弹头形切削元件等的实施例。具体而言,“钝的”切削元件可包括任何类型的具有与同一钻头上别的、“锐利的”非平面切削元件相比更大的曲率半径的非平面切削元件。因此,术语“钝的”和“锐利的”是彼此相对的,且每个的曲率半径可从沿着上述半径范围的任何点选取。
例如,在一个实施例中,锥部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件,且鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件。例如,当在锥部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
在另一实施例中,锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件,且肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件。例如,当在锥部区域和鼻部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
在另一实施例中,锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件,且保径部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件。例如,当在锥部区域、鼻部区域和肩部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
在一个实施例中,锥部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件,且鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件。例如,当在鼻部区域、肩部区域和保径部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
在另一实施例中,锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件,且肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件。例如,当在肩部区域和保径部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
在另一实施例中,锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件,且保径部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件。例如,当在保径部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
此外,在另一实施例中,锥部区域和肩部区域可具有相同的所选钝度或锐度,而在鼻部区域有不同的半径。例如,在一个实施例中,锥部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件,且鼻部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件。保径部区域也可具有一个或多个(或全部)钝的切削元件70也在本发明公开的范围内。
在另一实施例中,锥部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件,且鼻部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件。保径部区域也可具有一个或多个(或全部)锐利的切削元件也在本发明公开的范围内。
此外,在一个或多个其他实施例中,非平面切削元件的直径可以沿着切削型面变化。例如,非平面切削元件的直径可大体上在从9mm到20mm的范围,比如9mm、11mm、13mm、16mm、19mm和22mm。沿着切削型面的不同尺寸的选择允许切削元件的数量在刀体的特定区域变化。具体而言,“大”切削元件可包括具有与同一钻头上别的、“小”非平面切削元件相比更大的直径的任何类型的非平面切削元件。因此,术语“大”和“小”是彼此相对的,且每个的直径可从沿着上述直径范围的任何点处选择。此外,在上述实施例的任一个中可使用相同直径的切削元件也在本发明公开的范围内,且可以例如根据被钻地层的类型选择所希望的尺寸。例如,在软地层中,可能希望使用大切削元件,但在硬地层中,可能希望使用小切削元件。
例如,在一个实施例中,锥部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件,且鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件。例如,当在锥部区域希望更大的金刚石密度和冲击负载分布时可选择这样的实施例。
在另一实施例中,锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件,且肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件。例如,当在锥部区域和鼻部区域希望更大的金刚石密度和冲击负载分布时可选择这样的实施例。
在另一实施例中,锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件,且保径部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件。例如,当在锥部区域、鼻部区域和肩部区域希望更大的金刚石密度和冲击负载分布时可选择这样的实施例。
在一个实施例中,锥部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件,且鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件。例如,当在鼻部区域、肩部区域和保径部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
在另一实施例中,锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件,且肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件。例如,当在肩部区域和保径部区域希望更大的金刚石密度和冲击负载分布时可选择这样的实施例。
在另一实施例中,锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件,且保径部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件。例如,当在保径部区域希望更大的金刚石密度和冲击负载分布时可选择这样的实施例。
此外,在另一实施例中,锥部区域和肩部区域可具有相同的所选直径,而鼻部区域有不同的尺寸。例如,在一个实施例中,锥部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件,且鼻部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件。保径部区域也可具有一个或多个(或全部)小切削元件也在本发明公开的范围内。
在另一实施例中,锥部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件,且鼻部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件。保径部区域也可具有一个或多个(或全部)大切削元件也在本发明公开的范围内。
此外,不同形状、半径和直径的各种组合可沿着切削型面一起使用也明确地在本发明的范围内。例如,在一个或多个特定实施例中,切削元件可包括不同的切削端形状以及沿着切削型面的不同直径两者。也就是说,在锥部区域的切削元件可具有第一形状和第一直径,在鼻部区域的切削元件可具有第二形状和第一(或第二)直径,在肩部区域的切削元件可具有第二形状和第一(或第二)直径,且在保径部区域的切削元件可具有第二形状和第二直径。此外,在锥部区域的切削元件可具有第一形状和第一直径,在鼻部区域的切削元件可具有第一形状和第一(或第二)直径,在肩部区域的切削元件可具有第二形状和第一(或第二)直径,且在保径部区域的切削元件可具有第二形状和第二直径。最后,在锥部区域的切削元件可具有第一形状和第一直径,在鼻部区域的切削元件可具有第一形状和第一(或第二)直径,在肩部区域的切削元件可具有第一形状和第一(或第二)直径,且在保径部区域的切削元件可具有第二形状和第二直径。基于上述公开内容还可以想到其他的组合。
此外,如上所述,一个或多个平面切削元件(即,剪切齿)可被使用在沿着切削型面的任何位置处也在本发明公开的范围内。因此,上述实施例的变化也存在,其中一个或多个区域可包括一个或多个(或全部)剪切齿。例如,在一个实施例中,设想到的是剪切齿可尤其被例如沿着保径部区域使用。然而,代替沿着其他区域的切削元件的其他实施例也可被想到。
回过来参照图6-8,示出了可以在本文公开的任一实施例中的非平面切削元件的变体。设置在钻头或扩孔器(或本发明公开的其他切削工具)上的非平面切削元件拥有在基底604、704、804(比如烧结碳化钨基底)上的金刚石层602、702、802,在基底上金刚石层602、702、802形成非平面金刚石工作面。非平面切削元件可以在类似于制成金刚石强化刀片(用于牙轮钻头中)的过程中使用的工艺中制成,或可以将组件钎焊在一起。在金刚石层602、702、802和基底604、704、804之间的界面606、706、806可以是非平面的或非均匀的,例如,有助于在工作过程中减少金刚石层602、702、802与基底604、704、804分层的情况,以及提高元件的强度和抗冲击性。本领域的技术人员应当理解,界面可包括一个或多个凸出或凹下部分,如非平面界面技术中已知的。此外,本领域的技术人员应当理解,使用一些非平面界面可允许在金刚石层的尖部区域有更大的金刚石层厚度。此外,希望形成界面几何形状,以使得包含金刚石强化元件和地层之间的接触区域(例如,主接触区域或关键区域)的区域的金刚石层最厚。可用于本发明公开的金刚石强化元件的附加形状和界面包括在美国专利No.2008/0035380中描述的那些,在本文中通过引用而将其全部内容并入。在一个或多个实施例中,金刚石层602、702、802可具有从顶端到基底的中心区域为0.100至0.500英寸的厚度,且在一个或多个特定实施例中,这种厚度可以在从0.125到0.275英寸的范围。金刚石层602、702、802和硬质合金基底604、704、804可具有从顶端到硬质合金基底的基部为0.200至0.700英寸的总厚度。然而,其他尺寸和厚度也可以使用。
此外,金刚石层602、702、802可以由任何多晶超耐磨材料形成,例如包括多晶金刚石、多晶氮化立方硼、热稳定多晶金刚石(通过对比如锆的金属制成的多晶金刚石进行处理或由具有比锆更低的热膨胀系数的金属制成的多晶金刚石形成)。此外,在一个或多个实施例中,金刚石品级(即,包括晶粒尺寸和/或金属含量的金刚石粉末成分)可以在金刚石层602、702、802中变化。例如,在一个或多个实施例中,与切削元件60、70、80的顶端66、76、86处的金刚石层602、702、802的区域相比,邻近基底604、704、804的金刚石层602、702、802的区域可以在材料特性上不同。这种变化可通过多个阶梯层或通过渐变来形成。
此外,本发明公开的一个或多个方面还涉及由不同金刚石品级(沿着切削型面相互比较)形成的非平面切削元件的使用。例如,在一个或多个实施例中,可能希望由更耐冲击的金刚石品级形成锥部区域的非平面切削元件的金刚石层,且由更耐磨的金刚石品级形成保径部区域中的非平面切削元件的金刚石层。此外,在一个或多个实施例中,鼻部和肩部区域也可以是比保径部区域更耐冲击的。在一个或多个其他实施例中,鼻部可以由更耐冲击的金刚石品级形成,肩部可以由更耐磨的金刚石品级形成。此外,在另外的其他实施例中,鼻部和肩部也可由与锥部相比更耐磨的金刚石品级形成。材料特性上的这些差别可起因于金刚石层中的金属/金刚石含量(即,金刚石密度)的变化和/或金刚石晶粒尺寸的变化。一般地,在一个或多个实施例中,在形成金刚石层中使用的金刚石密度的整体趋势(从钻头中心到外半径)是从锥部到保径部金刚石密度大体上增加。所期望的特性也可通过改变金刚石晶粒尺寸来达成,其中在形成金刚石层中使用的晶粒尺寸的整体趋势(从钻头中心到外半径)可以是从锥部到保径部金刚石晶粒尺寸通常减小。
类似地,金刚石晶粒尺寸的差别也可能导致耐磨性的差别,其中晶粒尺寸减小通常导致耐磨性增加。耐磨性上的差别可以(除了如上所述改变金刚石品级之外)通过使用不同的烧结条件、通过从金刚石层中的间隙去除比如锆的金属、通过在形成金刚石层的过程中使用不同的组成来避免使用锆、或通过任何其他适当的方法来达成。
在一个或多个实施例中,可能还希望使用在金刚石耐磨性上的一种整体趋势(从钻头中心到外半径)。例如,在一个或多个实施例中,可能希望在保径部区域的非平面切削元件具有更耐磨的金刚石层,且在锥部区域的非平面切削元件具有较低耐磨性的金刚石层。此外,在一个或多个实施例中,鼻部区域和肩部区域也可以是比锥部区域更耐磨的。在一个或多个其他实施例中,肩部区域可以由更耐磨的金刚石品级形成,鼻部区域可以由较低耐磨性的金刚石品级形成。此外,在另外的其他实施例中,鼻部和肩部也可以由与保径部相比较低耐磨性的金刚石品级形成。
因此,在一个或多个实施例中,更高耐磨性的金刚石层可以由具有不同的热稳定性等级的超硬材料(比如金刚石)形成。常规的多晶金刚石在空气中在高达700-750℃的温度下是稳定的,在此温度之上可观察到的温度增加可能导致多晶金刚石过早损坏和结构失效。多晶金刚石的这种劣化是由于与金刚石相比粘结剂材料(锆)的热膨胀系数的明显差别造成的。在加热多晶金刚石时,锆和金刚石晶格将以不同的速度膨胀,这可能导致在金刚石晶格结构中形成裂纹,而导致多晶金刚石劣化。这样的超硬材料可包括常规的多晶金刚石片(具有间隙空间的互连的金刚石颗粒形成的片,在间隙空间之间可能留存金属成分(比如金属催化剂))、例如通过从互连的金刚石颗粒之间的间隙空间或从金刚石/碳化硅复合物去除大致全部金属而形成的热稳定金刚石层(即,具有比常规多晶金刚石更高的热稳定性,750℃),或其他比如氮化立方硼的超硬材料。
如本领域所知,热稳定金刚石可以各种方式形成。典型的多晶金刚石层包括被互连的单独的金刚石“晶体”。因此,单独的金刚石晶体形成晶格结构。金属催化剂,比如锆,可被用于促进金刚石颗粒的再结晶和晶格结构的形成。因此,锆颗粒通常在金刚石晶格结构的间隙空间内被发现。锆具有与金刚石相比明显不同的热膨胀系数。所以,在加热金刚石片时,锆和金刚石晶格将以不同的速度膨胀,导致在金刚石晶格结构中形成裂纹,而致使金刚石片劣化。
为避免这一问题,可使用酸来从多晶金刚石晶格结构(薄体积或整个片)“浸出”锆,以至少减轻在加热时以不同速度加热金刚石-锆复合物的过程中经受的损害。“浸出”工艺的示例可以例如在美国专利No.4288248和No.4104344中发现。简而言之,可使用强酸(通常是氢氟酸)或几种强酸的组合来处理金刚石片,从PDC复合物中去除至少一部分共催化剂。适合的酸包括硝酸、氢氟酸、盐酸、硫酸、磷酸或高氯酸,或这些酸的组合。此外,腐蚀剂,比如氢氧化钠和氢氧化钾,已经被用于碳化工业,以从碳化复合物中消化金属元素。此外,根据需要可以使用其他酸性和碱性浸出剂。本领域的普通技术人员应当理解,根据所希望的浸出时间、对危险的担心等,可以调节浸出剂的摩尔浓度。
通过浸出锆,可以形成热稳定多晶(TSP)金刚石。在某些实施例中,仅金刚石复合物的选择部分被浸出,以便在没有损失耐冲击性的情况下获得热稳定性。在本文中使用的术语“TSP”包括上述的(即,部分地或完全地浸出)的复合物两者。在浸出之后保留的间隙体积可以通过进一步固结或通过用二次材料来填充所述体积而减少,比如通过现有技术中已知的且美国专利No.5127923中描述的工艺,在本文中通过引用而将该专利的全部内容并入。
在一些实施例中,TSP可以通过在使用除了锆之外的粘结剂的工艺中形成金刚石层,一种粘结剂比如硅,其具有比锆更类似于金刚石的热膨胀系数。在制造过程中,大部分(80至100体积百分比)的硅与金刚石晶格反应而形成碳化硅,其也具有与金刚石类似的热膨胀系数。在加热时,任何留存的硅、碳化硅和金刚石晶格将以与锆和金刚石的膨胀速度相比更类似的速度膨胀,导致形成更热稳定的层。具有TSP切削层的多晶金刚石密实切削齿具有较低的磨损速度,即使切削齿的温度达到1200℃。然而,本领域的普通技术人员将认识到热稳定的金刚石层可以通过本领域已知的其他方法形成,例如包括通过改变金刚石层形成过程中的工艺条件,比如通过在1350℃之上的温度增加压力到50kbar以上。
本发明公开的切削元件可以以任何背前角或侧前角定位。一般地,当在钻头或扩孔器的刀体上放置切削元件(具体地,切削齿)时,切削齿可被***切削齿袋孔(或在锥形切削元件情况下的孔)中,以改变切削齿击打地层的角度。具体而言,切削齿的背前角(即,竖直方位)和侧前角(即,横向方位)可被调节。一般地,背前角被定义为在切削齿142的切削面和正交于被切削的地层材料的直线之间形成的角α。如图9所示,对于具有零背前角的常规切削齿142来说,切削面基本上垂直于或正交于地层材料。具有负背前角α的切削齿142具有以从地层材料测量的小于90°的角接合地层材料的切削面。类似地,具有正被前角α的切削齿142具有以从地层材料测量的大于90°的角接合地层材料的切削面。侧前角被定义为在切削面和钻头的径向平面(x-z平面)之间的角。当沿z轴观察时,负侧前角产生于切削齿的逆时针旋转,且正侧前角产生于顺时针旋转。在特定实施例中,常规切削齿的背前角可以在从-5至-45度的范围内,且侧前角可以在从0到30度的范围内。
然而,尖头形切削元件不具有平坦的切削面,因此尖头形切削元件的方位可以不同地定义。当考虑到非平面切削元件的方位时,除了切削元件主体的竖直或横向方位之外,切削端的尖头形几何形状也影响尖头形切削元件如何击打地层和击打地层的角度。具体而言,除了影响非平面切削元件-地层相互作用的攻击性的背前角之外,切削端的几何形状(具体而言,顶端角度和曲率半径)大大影响尖头形切削元件攻击地层的攻击性。在尖头形切削元件的场景中,如图10所示,背前角被定义为在尖头形切削元件144的轴线(具体而言,尖头形切削端的轴线)和正交于被切削的地层材料的直线之间形成的角α。如图10所示,对于具有零背前角的尖头形切削元件144来说,尖头形切削元件144的轴线大致垂直于或正交于地层材料。具有负背前角α的尖头形切削元件144具有以从地层材料测量的小于90°的角接合地层材料的轴线。类似地,具有正背前角α的尖头形切削元件144具有以从地层材料测量的大于90°的角接合地层材料的轴线。在一些实施例中,尖头形切削元件的背前角可以是0度,或在一些实施例中可以是负的。在一些实施例中,尖头形切削元件的背前角可以在从-10到10度的范围、从0到10度的范围、和/或从-5到5度的范围。
除了相对于地层的轴线方位之外,尖头形切削元件的攻击性也可取决于顶端角度,或具体而言,在地层和尖头形切削元件的前部之间的角。由于尖头形切削元件的切削端形状,所以不存在前边缘;然而,尖头形切削表面的前导线可被确定为在钻头旋转时尖头形切削元件在沿着尖头形切削端表面的每个轴向点处的第一最点。换另一种方式说,可以沿着在钻头的旋转方向上的平面截取尖头形切削元件的截面,如图11所示。在这个平面内尖头形切削元件144的前导线145可被认为与地层相关。尖头形切削元件144的走向角被定义为在尖头形切削元件144的前导线145和被切削的地层之间的角α。
常规上对于PDC切削齿来说,侧前角被定义为在切削面和钻头的径向平面(x-z平面)之间的角,如图12所示。当沿z轴观察时,负侧前角β产生于切削齿的逆时针旋转,且正侧前角β产生于切削齿的顺时针旋转。在一些实施例中,切削齿的侧前角可以在从-30到30度或从0到30度的范围内。
然而,尖头形切削元件没有切削面,因此尖头形切削元件的方位可以不同地定义。在尖头形切削元件的场景中,如图13和14所示,侧前角被定义为在尖头形切削元件的轴线(具体而言,锥形切削端的轴线)和平行于钻头中心线的线(即z轴)之间形成的角β。如图13和14B所示,对于具有零侧前角的尖头形切削元件来说,尖头形切削元件的轴线大致平行于钻头中心线。具有负侧前角β的尖头形切削元件具有朝向远离钻头中心线的方向的轴线。相反,具有正侧前角β的尖头形切削元件具有朝向钻头中心线的方向的轴线。尖头形切削元件的侧前角在各种实施例中可以在从约-30到30度的范围,且在其他实施例中可以在从-10到10度的范围内。此外,虽然在下面的段落中没有必要具体地提到,但在下面的实施例中尖头形切削元件的侧前角可以从这些范围中选择。
如整个本发明公开所述,切削元件和切削构件组合可被用在固定切削齿钻头或开孔器上。图15示出了开孔器830的大体构造,其可包括本发明公开的一个或多个非平面切削元件。开孔器830包括工具主体832和在围绕工具主体的圆周的选定方位角位置处设置的多个刀体838。开孔器830通常包括连接834、836(例如,螺纹连接),以使得开孔器830可连接到相邻的钻井工具,该钻井工具例如包括钻柱和/或井下钻具组合(BHA)(未示出)。工具主体832通常包括贯穿的钻孔,使得钻井液在被从地面(例如从地面泥浆泵(未示出))泵送至井眼(未示出)底部时可流经开孔器830。
图15中所示的刀体838是螺旋形刀体,且大体上围绕工具主体的周长以大致相等的角度间隔设置,这样形成开孔器830。这种布置不是对本发明范围的限制,而是仅仅用于例示说明的目的。本领域的普通技术人员将认识到可以使用任何井下切削工具。虽然图15没有详细示出非平面切削元件的位置,但它们在工具上的位置可以如上述变体中的一个或多个所述。
虽然仅一些示例性实施例在上文中详细地描述,但本领域技术人员将容易认识到在示例性实施例中许多更改是可能的,且没有实质上脱离本发明公开。因此,所有这样的更改都意在被包括在本发明公开的范围内。在权利要求中,“装置加功能”语句旨在覆盖在本文中描述的执行所述功能的构件,且不仅覆盖结构等同物,而且覆盖等效构件。因此,虽然钉子和螺栓可能不是结构等同物,因为在紧固木制零件的环境中钉子利用圆柱形表面将木制零件固定在一起,而螺栓利用螺旋表面,但钉子和螺栓可以是等效构件。申请人的明确意思表示不是对本文中的任何权利要求的任何限制援引35U.S.C.§112,第6段,除非那些明确将词语“用于…的装置”与相应的功能一起使用的权利要求。
Claims (24)
1.一种切削工具,包括:
工具主体;
从所述工具主体延伸的多个刀体;和
在所述多个刀体的每一个上的多个非平面切削元件,所述多个非平面切削元件形成切削型面,在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面内的旋转视图中,所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域,所述多个非平面切削元件包括在所述锥部区域、所述鼻部区域、所述肩部区域和所述保径部区域中的至少一个中的第一形状,和在至少一个其他区域中的不同的第二形状。
2.根据权利要求1所述的切削工具,其特征在于,具有所述第一形状的所述多个非平面切削元件包括弹头形切削元件。
3.根据权利要求1所述的切削工具,其特征在于,具有所述第一形状的所述多个非平面切削元件包括锥形切削元件。
4.根据前述权利要求任一所述的切削工具,其特征在于,具有所述第一形状的所述多个非平面切削元件是在单个区域内,且具有所述第二形状的所述多个非平面切削元件是在其他三个区域内。
5.根据权利要求4所述的切削工具,其特征在于,在所述单个区域内的每个切削元件包括具有所述第一形状的所述多个非平面切削元件。
6.根据权利要求4所述的切削工具,其特征在于,在所述其他三个区域内的每个切削元件包括具有所述第二形状的所述多个非平面切削元件。
7.根据权利要求1至3任一所述的切削工具,其特征在于,具有所述第一形状的所述多个非平面切削元件是在两个区域内,且具有所述第二形状的所述多个非平面切削元件是在其他两个区域内。
8.根据前述权利要求任一所述的切削工具,其特征在于,所述多个非平面切削元件中的至少一个是钝的,且所述多个非平面切削元件中的至少一个其他的是锐利的。
9.根据前述权利要求任一所述的切削工具,其特征在于,所述多个非平面切削元件中的至少一个是第一直径的,且所述多个非平面切削元件中的至少一个其他的是不同的第二直径的。
10.一种切削工具,包括:
工具主体;
从所述工具主体延伸的多个刀体;和
在所述多个刀体的每一个上的多个非平面切削元件,所述多个非平面切削元件形成切削型面,在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面内的旋转视图中,所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域,所述多个非平面切削元件包括在所述锥部区域、所述鼻部区域、所示肩部区域和所述保径部区域中的至少一个中的具有第一曲率半径的顶端,和在至少一个其他区域中的具有不同的第二曲率半径的顶端。
11.根据权利要求10所述的切削工具,其特征在于,具有所述第一曲率半径的所述多个非平面切削元件是在单个区域内,且具有所述第二曲率半径的所述多个非平面切削元件是在其他三个区域内。
12.根据权利要求10所述的切削工具,其特征在于,具有所述第一曲率半径的所述多个非平面切削元件是在两个区域内,且具有所述第二曲率半径的所述多个非平面切削元件是在其他两个区域内。
13.根据权利要求10至12任一所述的切削工具,其特征在于,所述多个非平面切削元件中的至少一个具有第一形状,且所述多个非平面切削元件中的至少一个其他的具有不同的第二形状。
14.根据权利要求10至13任一所述的切削工具,其特征在于,所述多个非平面切削元件中的至少一个具有第一直径,且所述多个非平面切削元件中的至少一个其他的具有不同的第二直径。
15.一种切削工具,包括:
工具主体;
从所述工具主体延伸的多个刀体;
在所述多个刀体的每一个上的多个非平面切削元件,所述多个非平面切削元件形成切削型面,在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面内的旋转视图中,所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域,所述多个非平面切削元件包括在所述锥部区域、所述鼻部区域、所述肩部区域和所述保径部区域中的至少一个中的第一直径,和在至少一个其他区域中的不同的第二直径。
16.根据权利要求15所述的切削工具,其特征在于,具有所述第一直径的所述多个非平面切削元件是在单个区域内,且具有所述第二直径的所述多个非平面切削元件是在其他三个区域内。
17.根据权利要求15所述的切削工具,其特征在于,具有所述第一直径的所述多个非平面切削元件是在两个区域内,且具有所述第二直径的所述多个非平面切削元件是在其他的两个区域内。
18.根据权利要求15至17任一所述的切削工具,其特征在于,所述多个非平面切削元件中的至少一个具有第一形状,且所述多个非平面切削元件中的至少一个其他的具有不同的第二形状。
19.根据权利要求15至18任一所述的切削工具,其特征在于,所述多个非平面切削元件中的至少一个是钝的,且所述多个非平面切削元件中的至少一个其他的是锐利的。
20.一种切削工具,包括:
工具主体;
从所述工具主体延伸的多个刀体;
在所述多个刀体的每一个上的多个非平面切削元件,所述多个非平面切削元件形成切削型面,在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面内的旋转视图中,所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域,所述多个非平面切削元件包括在所述锥部区域、所述鼻部区域、所述肩部区域和所述保径部区域中的至少一个中的第一材料特性,和在至少一个其他区域中的不同的第二材料特性。
21.根据权利要求20所述的切削工具,其特征在于,所述多个非平面切削元件在所述保径部区域具有与所述锥部区域相比更大的耐磨损和/或磨蚀性。
22.根据权利要求20所述的切削工具,其特征在于,所述多个非平面切削元件在所述肩部区域具有与所述锥部区域相比更大的耐磨损和/或磨蚀性。
23.根据权利要求20所述的切削工具,其特征在于,所述多个非平面切削元件在所述肩部区域具有与所述鼻部区域相比更大的耐磨损和/或磨蚀性。
24.根据权利要求20至23任一所述的切削工具,其特征在于,不同的材料特性差别起因于金刚石晶粒尺寸、金刚石含量、金刚石烧结工艺、烧结后处理或粘结剂成分中的至少一个中的差别。
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