CN109642452A - 具有顺应性保持器的滚动元件组件 - Google Patents

具有顺应性保持器的滚动元件组件 Download PDF

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Abstract

一种滚动元件组件，其包括：滚动元件，所述滚动元件可在位于限定在钻头的钻头体上的腔内时围绕旋转轴线旋转；以及顺应性保持器，所述顺应性保持器位于限定在所述钻头体中的保持器狭槽内。偏置装置位于限定在所述钻头体内的装置槽腔内，以使所述顺应性保持器抵靠所述滚动元件的外圆周表面偏置。所述顺应性保持器将所述滚动元件固定在所述腔内，同时所述滚动元件的弧形部分从所述腔中突出并暴露所述滚动元件的整个轴向宽度。

Description

具有顺应性保持器的滚动元件组件
背景技术
在石油和天然气工业中的常规的井筒钻取中，钻头安装在钻柱的端部上，随着钻井逐渐钻到期望的深度，钻柱可以通过添加钻杆段来延伸。在井场的地面处，可以提供旋转驱动(称为“顶部驱动”)，以旋转整个钻柱(包括端部处的钻头)从而钻穿地下地层。替代地，可以使用井下泥浆马达旋转钻头而不必旋转钻柱。在钻井时，钻井液被泵送通过钻柱并从钻头排出，以移除岩屑和碎屑。如果存在于钻柱中，则泥浆马达可以使用循环的钻井液被选择性地提供动力。
用于钻井筒的一种常见类型的钻头是“固定切削齿”钻头，其中切削齿在固定位置固定到钻头体。这种类型的钻头有时被称为“刮刀钻头”，因为切削齿在一个方面拖曳而不是在钻井期间与地层滚动接触。钻头体可以由高强度材料诸如碳化钨、钢或复合材料/胎体材料形成。多个切削齿(也称为切削齿元件、切削元件或***件)被附接在钻头体周围的选定位置处。切削齿可以包括由碳化物(例如，碳化钨)制成的基体或支撑螺柱以及沉积在基体上或以其他方式粘结到基体的由聚晶金刚石材料或聚晶氮化硼材料制成的超硬切削表面层或“台面(table)”。此类切削齿通常被称为聚晶金刚石复合片(“PDC”)切削齿。
在固定切削齿钻头中，PDC切削齿诸如通过在被限定在从钻头体延伸的刀片上的对应切削齿槽腔内进行钎焊而刚性地固定到钻头体。一些PDC切削齿沿着刀片的前缘策略性地定位，以在钻井期间接合地层。在使用中，在PDC切削齿上具体地沿前后方向施加较大的力。随着时间的推移，每个切削齿的工作表面或切削刃(其连续地接触地层)最终会磨损和/或失效。
附图说明
以下附图被包括在内以示出本公开的某些方面，并且不应被看作是排他性的实施方案。在不脱离本公开的范围的情况下，所公开的主题能够在形式和功能上有相当大的修改、改变、组合和等同物。
图1A示出了可以采用本公开的原理的旋转钻头的等距视图。
图1B示出了封闭在图1A的指示框中的旋转钻头的一部分的等距视图。
图1C示出了具有显示图1的钻头的剖开部分的剖视图和正视图。
图1D示出了表示图1的钻头的刀片的横截面视图的刀片轮廓。
图2是滚动元件组件的一个示例的局部横截面等距视图。
图3是图2的滚动元件组件的局部横截面侧视图。
图4是图2的滚动元件组件的另一实施方案的局部横截面侧视图。
图5是图2的滚动元件组件的另一实施方案的局部横截面侧视图。
图6是图2的滚动元件组件的另一示例性实施方案的局部横截面等距视图。
图7是图2的滚动元件组件的另一实施方案的局部横截面侧视图。
具体实施方式
本公开涉及穿透地层的钻头，且更具体地涉及可在钻头中使用的滚动式切削深度控制元件。
本公开包括可固定在设置在钻头上的对应腔内的滚动元件组件。每个滚动元件组件都可包括圆柱形滚动元件，该圆柱形滚动元件策略性地定位并固定到钻头，使得滚动元件能够在钻井期间接合地层。响应于钻头旋转，并且取决于滚动元件相对于钻头的主体的所选择的定位(定向)，滚动元件可以抵靠下面的地层滚动、抵靠地层进行切削或者可以既抵靠地层滚动又切削地层。当前公开的滚动元件组件的滚动元件使用接纳在限定在腔中的保持器腔内的弧形保持器而保持在钻头体上的对应腔内。
本文所述的示例性滚动元件组件可包括：滚动元件，其可在限定在钻头体中的腔内围绕旋转轴线旋转；以及顺应性保持器，其位于限定在钻头体中的保持器狭槽内。偏置装置可位于限定在钻头体内的装置槽腔内，以使顺应性保持器抵靠滚动元件的外圆周表面偏置。顺应性保持器有助于将滚动元件固定在腔内，同时滚动元件的弧形部分从腔中突出并暴露滚动元件的整个轴向宽度。顺应性保持器可设计成使得其在钻井操作期间保持但容易移除以进行修复操作。
选择每个滚动元件相对于钻头体的定向，以产生各种不同的功能和/或效果。所选择的定向包括例如所选择的侧倾角和/或所选择的后倾角。在钻井时的一些情况下，滚动元件可以被构造为滚动切削元件，该滚动切削元件既沿着地层滚动(例如，通过所选择范围的侧倾角)，也切削地层(例如，通过所选择的后倾角和/或侧倾角)。更具体地，滚动切削元件可以定位成使用定位成接合地层的滚动元件的一部分(例如，聚晶金刚石台面)从地层切削、挖掘、刮擦或以其他方式移除材料。
在一些示例性实施方案中，本文所述的滚动元件组件可以构造为滚动切削元件。滚动切削元件可被构造成围绕旋转轴线自由地旋转，并且因此，滚动切削元件的整个外边缘可以用作切削刃。因此，不是切削刃的仅仅有限的一部分在钻井期间暴露于地层(在常规的固定切削齿的情况下是那样的)，而是滚动切削元件的整个外边缘将相继地暴露于地层，因为滚动切削元件在钻井期间围绕其旋转轴线旋转。与常规切削齿相比，这导致更均匀的切削刃磨损，这可延长滚动切削元件的使用期限。
在其他示例性实施方案中，本文所述的滚动元件组件可被构造为滚动切削深度控制(DOCC)元件，该滚动切削深度控制(DOCC)元件随着钻头旋转而沿着地层滚动。在滚动DOCC元件构造中，可以选择滚动元件的定向，使得滚动元件的整个轴向跨度抵靠地层承载。与滚动切削元件一样，滚动DOCC元件可以表现出增强的耐磨性，并允许额外的钻压，而不会对钻头扭矩产生负面影响。这可以允许井操作者最小化对钻头的损坏，从而减少起下钻和非生产时间，并且在不牺牲钻头效率的情况下降低钻头的侵蚀性。本文所述的滚动DOCC元件还可以减少钻头与地层之间的界面处的摩擦，且从而允许稳定的切削深度，这导致更好的刀面控制。
在其他示例性实施方案中，本文所述的滚动元件组件可以作为滚动切削元件与滚动DOCC元件之间的混合体进行操作。这可以通过将滚动元件的旋转轴线定向在一平面上实现，所述平面不穿过钻头的纵向轴线，也不是垂直于穿过钻头的纵向轴线的一平面而定向的平面。本领域技术人员将容易理解，当前公开的实施方案可以改进混合式牙轮钻头，所述混合式牙轮钻头通过牺牲金刚石体积而使用大的牙轮元件作为切削深度限制器。相比之下，当前公开的滚动元件组件比较小，并且其实现不会在固定切削齿刮刀钻头上导致金刚石体积的显著损失。
图1A是可以采用本公开的原理的示例性钻头100的等距视图。钻头100被描绘为固定切削齿钻头，并且本教导可应用于任何固定切削齿钻头类别，所述固定切削齿钻头类别包括聚晶金刚石复合片(PDC)钻头、刮刀钻头、胎体钻头和/或钢体钻头。虽然钻头100在图1A中被描绘为固定切削齿钻头，但本公开的原理同样适用于可操作以形成井筒的其他类型的钻头，所述钻头包括但不限于牙轮钻头。
钻头100具有钻头体102，所述钻头体包括具有前导面106的径向和纵向延伸的刀片104。钻头体102可以由钢或较硬材料(诸如碳化钨)的胎体制成。钻头体102围绕纵向钻头轴线107旋转，以在施加的钻压下钻入下面的地下地层中。对应的排屑槽112限定在周向相邻的刀片104之间，并且多个喷嘴或端口114可布置在排屑槽112内以用于喷射钻井液，所述钻井液冷却钻头100并且另外冲掉钻井时产生的岩屑和碎屑。
钻头体102还包括多个切削齿116，所述切削齿固定在对应的多个切削齿槽腔内，所述切削齿槽腔的尺寸和形状设定成接纳切削齿116。在该示例中，每个切削齿116都包括固定切削齿，所述固定切削齿经由钎焊、螺纹、预紧装配、压装、卡环或其任何组合被固定在其对应的切削齿槽腔内。固定切削齿116以预定的角度定向和径向位置保持在刀片104和相应的切削齿槽腔中，以使固定切削齿116以所期望的后倾角抵靠正被穿透的地层。随着钻柱的旋转，固定切削齿116通过钻头100处所经受的钻压和扭矩的组合力被驱动穿过岩石。在钻井期间，由于在钻头100旋转时与正被钻取的下面的地层的相互作用，固定切削齿116可经受各种力，例如拖曳力、轴向力、反作用力矩力等。
每个固定切削齿116都可包括由极硬材料(诸如碳化钨)制成的大致圆柱形基体和固定到该基体的切削面。切削面可包括一层或多层超硬材料，诸如聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、孕镶金刚石等，所述超硬材料通常形成用于每个固定切削齿116的切削刃和工作表面。工作表面通常是平面的或平坦的，但也可以表现有弯曲的暴露表面，该暴露表面在切削刃处与侧表面相遇。
通常，每个固定切削齿116都可以使用碳化钨制造为基体。虽然圆柱形碳化钨“坯料”可以用作基体，所述基体足够长以用作切削面的安装螺柱，但是基体同样可以包括中间层，所述中间层在另一个界面处粘结到另一个金属安装螺柱。为了形成切削面，可以将基体放置成邻近一层超硬材料颗粒，诸如金刚石颗粒或立方氮化硼颗粒，并且该结合在其中超硬材料颗粒是热力学稳定的一压力下经受高温。这导致聚晶超硬材料层(诸如聚晶金刚石层或聚晶立方氮化硼层)的再结晶和直接在基体的上表面上形成。当使用聚晶金刚石作为超硬材料时，固定切削齿116可以被称为聚晶金刚石复合片切削齿或“PDC切削齿”，并且使用这种PDC固定切削齿116制造的钻头通常被称为PDC钻头。
如图所示，钻头100还可包括多个滚动元件组件118，如滚动元件组件118a和118b所示。每个滚动元件组件118a、118b的旋转轴线相对于刀片104的外表面的切面的定向可以决定特定的滚动元件组件118a、118b是作为滚动DOCC元件、滚动切削元件还是两者的混合体操作。如上所述，滚动DOCC元件可以证明在不过度接合固定切削齿116的情况下允许额外的钻压(WOB)以增强定向钻井应用的方面是有利的。有效的DOCC还限制扭矩的波动并使粘-滑最小化，扭矩的波动和粘-滑可能对固定切削齿116造成损坏。
图1B是由图1A中所示的虚线框所指示的钻头100的放大部分。如图1B所示，每个滚动元件组件118a、118b都定位在刀片104中并包括滚动元件122。滚动元件122的暴露部分以实线线型示出，而滚动元件122安置在滚动元件组件118a、118b的对应的壳体内的部分以虚线线型示出。每个滚动元件122都具有旋转轴线A、垂直于刀片轮廓138的Z轴(图1D)和与旋转轴线和Z轴线二者正交的Y轴。
如果例如滚动元件122的旋转轴线A大体上平行于刀片轮廓的外表面119的切面，则滚动元件组件118a、118b可以大致作为滚动DOCC元件操作。换句话说，如果滚动元件122的旋转轴线A穿过一平面或位于所述平面上(所述平面穿过钻头100(图1A)的纵向轴线107(图1A))，则滚动元件组件118a、118b可以大体上作为滚动DOCC元件操作。然而，如果滚动元件122的旋转轴线A大体上垂直于刀片104的前导面106，则滚动元件组件118a、118b可以大体上作为滚动切削元件操作。因此，如果滚动元件122的旋转轴线A垂直于一平面或位于所述平面上(所述平面垂直于穿过钻头100(图1A)的纵向轴线107(图1A))，则滚动元件组件118a、118b可以大体上作为滚动切削元件操作。
因此，如图1B所描绘的，第一滚动元件组件118a可以被定位成作为滚动切削元件操作，而第二滚动元件组件118b可以被定位成作为滚动DOCC元件操作。在其中滚动元件122的旋转轴线A位于不穿过钻头100(图1A)的纵向轴线107(图1A)也不是垂直于纵向轴线107的平面的平面上的实施方案中，则滚动元件组件118a、118b可以作为混合体的滚动DOCC和切削元件操作。
用于DOCC的传统承载型切削元件通过仅沿着地层拖曳、滑动等不利地影响钻头扭矩(TOB)，而滚动的DOCC元件(诸如当前描述的滚动元件组件118b)可以减少钻取地层所需的扭矩量，因为它滚动以减少承载DOCC元件通常带来的摩擦损失。本文所述的滚动DOCC元件还可以证明在减小扭矩波动和最小化粘-滑发生的方面是有利的。与传统承载元件相比，滚动DOCC元件还将具有减少的磨损。然而，应当理解，滚动元件组件118b中的一个或多个也可以用作滚动切削元件，这可以提高切削齿效率，因为它将在整个切削刃上更均匀地分布热量并且最小化在滚动切削元件上的局部磨损平面的形成。
图1C是具有显示钻头100的剖开部分的剖视图和正视图，所述钻头通过第一井下地层124钻取井筒并钻入下面的第二井下地层126。当与第二井下地层126相比时，第一井下地层124可描述为更软或更硬。钻头100的与第一井下地层124和/或第二井下地层126的相邻部分接触的外部部分可被描述为钻头刃面，并且被旋转地投射到径向平面上，以提供钻头刃面轮廓128。钻头100的钻头刃面轮廓128可包括各种区域或区段，并且由于钻头刃面轮廓128的旋转投影而可围绕钻头100的纵向轴线107大体上对称，使得纵向轴线107的一侧上的区域或区段可以大体上类似于纵向轴线107的相对侧上的区域或区段。
例如，钻头刃面轮廓128可包括与第二保径区域130b相对定位的第一保径区域130a、与第二肩部区域132b相对定位的第一肩部区域132a、与第二鼻部区域134b相对定位的第一鼻部区域134a、以及与第二锥形区域136b相对定位的第一锥形区域136a。包括在每个区域中的固定切削齿116可以称为该区域的切削元件。例如，包括在保径区域130a、130b中的固定切削齿116a可以被称为保径切削元件，包括在肩部区域132a、132b中的固定切削齿116b可以被称为肩部切削元件，包括在鼻部区域134a、134b中的固定切削齿116c可以被称为鼻部切削元件，并且包括在锥形区域136a、136b中的固定切削齿116d可以被称为锥形切削元件。
锥形区域136a、136b可以是大致凹形的，并且可以形成在钻头100的每个刀片104(图1A)的外部部分上、邻近纵向轴线107并从纵向轴线107向外延伸。鼻部区域134a、134b可以是大致凸形的，并且可以形成在每个刀片104的外部部分上、邻近每个锥形区域136并从每个锥形区域136延伸。肩部区域132a、132b可以形成在每个刀片104的从相应的鼻部区域134a、134b延伸的外部部分上，并且可以接近相应的保径区域130a、130b终止。钻头刃面轮廓128的面积可取决于与钻头刃面轮廓128的区域或区段相关联的横截面区域，而不是取决于固定切削齿116的总数、刀片104的总数或每个固定切削齿116的切削区域。
图1D示出了表示钻头100(图1A)的刀片104中的一个的横截面视图的刀片轮廓138。刀片轮廓138包括锥形区域136、鼻部区域134、肩部区域132和保径区域130，如上面相对于图1C所述。每个区域130、132、134、135均可以相对于纵向轴线107和水平参考线140基于其沿着刀片104的相应位置，所述水平参考线指示在垂直于纵向轴线107的平面中距纵向轴线107的距离。图1C和图1D的比较显示了图1D的刀片轮廓138相对于图1C的钻头刃面轮廓128是颠倒的。
刀片轮廓138包括内部区域142和外部区域144。内部区域142从纵向轴线107向外延伸到鼻尖146，并且外部区域144从鼻尖146延伸到刀片104的端部。鼻尖146可以是鼻部区域134内的刀片轮廓138上的一位置，所述位置具有最大高度，如按照钻头纵向轴线107(垂直轴线)距参考线140(水平轴线)所测量的。对应于纵向轴线107的图1D中的图表上的坐标可以被称为轴向坐标或位置。对应于参考线140的坐标可以被称为径向坐标或径向位置，所述径向坐标或径向位置指示在穿过纵向轴线107的径向平面中从纵向轴线107正交延伸的距离。例如，在图1D中，纵向轴线107可以沿着Z轴放置，以及参考线140可以指示从纵向轴线107正交延伸到在可以定义为Z-R平面的径向平面上的点的距离(R)。
取决于每个滚动元件组件118a、118b(图1B)的旋转轴线A(图1B)如何相对于纵向轴线107并且更具体地相对于穿过纵向轴线107的Z-R平面定向，滚动组件118a、118b可以作为滚动DOCC元件、滚动切削元件或其混合体操作。如果滚动元件122的旋转轴线A位于Z-R平面上，则滚动元件组件118a、118b将大致作为滚动DOCC元件操作，但如果滚动元件122的旋转轴线A位于垂直于Z-R平面的平面上，则所述滚动元件组件将大致作为滚动切削元件操作。在其中滚动元件122的旋转轴线A位于偏离Z-R平面但不垂直于Z-R平面的平面上的实施方案中，滚动元件组件118a、118b可以作为混合的滚动DOCC元件和滚动切削元件操作。
取决于它们相对于纵向轴线107如何定向，每个滚动元件组件118a、118b(图1B)都可以在操作期间表现出侧倾角或后倾角。侧倾角可以定义为滚动元件122的旋转轴线A(图1B)与延伸穿过纵向轴线107的Z-R平面之间的角度。当旋转轴线A平行于Z-R平面时，侧倾角大体上为0°，诸如在图1B的第二滚动元件组件118b的情况下。然而，当旋转轴线A垂直于Z-R平面时，侧倾角大体上为90°，诸如在图1B的第一滚动元件组件118a的情况下。当沿着Z轴从正Z方向观察(朝向负Z方向观察)时，负的侧倾角由滚动元件122的逆时针旋转产生，并且正的侧倾角由滚动元件122的顺时针旋转产生。换句话说，当从刀片轮廓128的顶部观察时，负的侧倾角由滚动元件122的逆时针旋转产生，并且正的侧倾角由滚动元件122围绕Z轴的顺时针旋转产生。
后倾角可以定义为对着在给定的滚动元件122的Z轴和Z-R平面之间的角度。更具体地，当给定的滚动元件122的Z轴从Z-R平面向后或向前偏移旋转时，偏移旋转量等于测量的后倾角。然而，如果给定的滚动元件122的Z轴位于Z-R平面上，则该滚动元件122的后倾角将为0°。
在一些实施方案中，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以表现出范围在0°和45°(或0°和-45°)之间的侧倾角，或者替代地表现出范围在45°和90°(或-45°和-90°)之间的侧倾角。在其他实施方案中，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以表现出范围在0°和45°(或0°和-45°)之间的后倾角。所选择的侧倾角将影响滚动元件组件118a、118b所包括的滚动元件122将经历的滚动量与滑动量之间的关系，而所选择的后倾角将影响滚动元件122的切削刃与地层(例如，图1C的第一地层124和第二地层126)接合的方式，以切削、刮擦、凿刻或以其他方式移除材料。
再次参考图1A，第二滚动元件组件118b可以放置在钻头100的锥形区域中，并且另外定位成使得滚动元件组件118b在相邻的固定切削齿116的路径中跟踪；例如，它们被放置在刀片104上的第一排固定切削齿116后面的第二排中。然而，由于第二滚动元件组件118b能够滚动，因此它们可以放置在锥体以外的位置而不影响TOB。
第一滚动元件组件118a和第二滚动元件组件118b的策略性放置可以进一步允许它们用作主要和/或次要滚动切削元件以及滚动DOCC元件，而不脱离本公开的范围。例如，在一些实施方案中，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可定位在位于相邻固定切削齿116之间的切口形成区域120中。在操作期间，切口形成区域120导致在正被钻取的下面的地层上形成切口。滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以定位在钻头体102上，使得它们在钻井操作期间将接合并且另外延伸横跨一个或多个形成的切口。在这样的实施方案中，滚动元件组件118a、118b还可以用作预破裂元件，所述预裂缝元件在相邻的固定切削齿116之间的下面的地层上形成的切口顶部滚动或以其他方式压碎所述切口。在其他情况下，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可定位在钻头体102上，使得它们将在钻井操作期间在相邻的成形切口之间行进。在其他实施方案中，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可定位成在钻头100的顶点处或邻近钻头100的顶点(即，在纵向轴线107处或附近)。在此类实施方案中，钻头100可以更有效地使下面的地层破裂。
在一些实施方案中，如图所示，滚动元件组件118a、118b可各自定位在相应的刀片104上，使得滚动元件组件118a、118b从相应刀片104的外表面119(图1B)正交地延伸。然而，在其他实施方案中，滚动元件组件118a、118b中的一个或多个可以以与相应刀片104的外表面119的轮廓的法线偏移的预定角定向(三个自由度)进行定位。因此，滚动元件组件118a、118b可以表现出改变的或期望的后倾角、侧倾角或两者的组合。应当理解，可以相对于滚动元件组件118a、118b设置于其上的刀片104的主要固定切削齿116和/或表面119(图1B)调节并且另外优化所期望的后倾角和侧倾角。
图2是根据一个或多个实施方案的滚动元件组件200的一个示例的局部横截面等距视图。滚动元件组件200可以例如与图1A至图1B的钻头100一起使用，在这种情况下，滚动元件组件200可以是滚动元件组件118a、118b或滚动元件组件118a、118b的具体示例性实施方案的代替。
如图所示，滚动元件组件200可以位于限定在钻头100(图1A)的刀片104中的腔202内。刀片104的仅一部分在图2中表示并描绘成横截面为矩形立方体的大致形状。在其中钻头100由胎体材料制成的实施方案中，腔202可以通过将置换材料(即，固结砂或石墨)选择性地放置在将要形成腔202的位置处而形成。在其中钻头100包括钢体钻头的实施方案中，可以采用常规的加工技术在所期望的位置处将腔202加工到所期望的尺寸。此外，虽然腔202被示出为限定在刀片104中，但是应当理解，本公开的原理同样适用于被限定在并且另外设置在钻头100的其他位置处的腔202，而不脱离本公开的范围。
滚动元件组件200包括滚动元件204，所述滚动元件包括大致圆柱形或盘形主体，所述主体具有第一轴向端206a和与第一轴向端206a相对的第二轴向端206b。第一轴向端206a与第二轴向端206b之间的距离在本文中称为滚动元件204的轴向宽度208。
滚动元件204包括基体210和相对的金刚石台面212a和212b，金刚石台面212a和212b分别布置在第一轴向端206a和第二轴向端206b处，并且另外联接到基体210的相对的轴向端。基体210可以由多种硬质或超硬材料形成，所述材料包括但不限于钢、钢合金、碳化钨、烧结碳化物、其任何衍生物和它们的任何组合形成。合适的烧结碳化物可含有不同比例的碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)。另外，各种粘结金属(诸如钴、镍、铁、金属合金或其混合物)可以包括在基体210中。在基体210中，金属碳化物晶粒被支撑在金属粘合剂(诸如钴)内。在其他情况下，基体210可以由烧结碳化钨复合结构或金刚石超硬材料(诸如聚晶金刚石(PCD)或热稳定聚晶金刚石(TSP))形成。
金刚石台面212a、212b可以由各种超硬材料制成，所述超硬材料包括但不限于聚晶金刚石(PCD)、热稳定聚晶金刚石(TSP)、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米金刚石、超纳米金刚石和氧化锆。此类材料非常耐磨并且适合用作承载表面，如本文所描述。
滚动元件204可包含并且另外包括一个或多个圆柱形承载部分。更具体地，在该示例中，整个滚动元件204是圆柱形的并且由硬质的耐磨材料制成，因此滚动元件204的任何部分在一定程度上可以被认为是圆柱形承载部分，即其在滚动时(诸如在钻井操作期间所预期的)滑动地接合腔202的承载表面或滚动元件组件200的另一部件。在一些实施方案中，例如，金刚石台面212a、212b中的一个或两个可以被认为是用于滚动元件204的圆柱形承载部分并且在操作期间接触腔202的相邻侧壁。在其他实施方案中，可以从滚动元件204中省略金刚石台面212a、212b中的一个或两个，并且基体210可以被替代地认为是圆柱形承载部分。在其他实施方案中，整个圆柱形或盘形滚动元件204可以被认为是圆柱形承载部分，并且可以由本文提到的任何硬质或超硬材料制成，而不脱离本公开的范围。
应该注意的是，滚动元件204的特征仅出于说明性目的而示出，并且可以或可以不按比例绘制。因此，如所描绘的，滚动元件204不应被视为限制本公开的范围。例如，金刚石台面212a、212b的厚度或轴向大小(长度)可以相同也可以不同。在至少一个实施方案中，例如，金刚石台面212a、212b中的一个可以比另一个厚。此外，在一些实施方案中，金刚石台面212a、212b中的一个可以完全从滚动元件204省略。在其他实施方案中，可以省略基体210，并且滚动元件204可以改为完全由金刚石台面212a、212b的材料制成。
滚动元件组件200还包括顺应性保持器214，顺应性保持器214用于帮助将滚动元件204在使用期间固定或保持在腔202中。腔202提供并且另外限定开口216，开口216足够大以接纳滚动元件204；即，开口216的长度大于滚动元件204的直径。当安置在腔202内时，滚动元件204的弧形部分在开口216处从腔202延伸出来，这暴露出滚动元件204的整个轴向宽度208。如下面将更详细描述的，偏置装置218可以被包括在内以作用于顺应性保持器214并推动顺应性保持器214抵靠滚动元件204的外圆周，且从而在操作期间将滚动元件204保持在腔202内。这可以在腔202和顺应性保持器214的部分共同环绕滚动元件204的圆周超过180°但小于360°时完成，使得滚动元件204的整个轴向宽度208在操作期间保持暴露以实现外部与地层的接触。
顺应性保持器214可表现出各种横截面形状。在所示实施方案中，例如，顺应性保持器214被描绘为表现出具有两个圆形(弧形)侧面的大致矩形横截面。然而，在其他实施方案中，顺应性保持器214的横截面可以是圆形、椭圆形、卵形或任何其他多边形形状，而不脱离本公开的范围。
在至少一个实施方案中，如图所示，滚动元件组件200还可包括承载元件220，承载元件220也位于腔202内并且可与滚动元件204的外圆周接合。与顺应性保持器214类似，承载元件220可表现出多种横截面形状，包括但不限于多边形(例如，矩形、正方形等)、圆形、椭圆形、卵形或其任何组合。然而，在其他实施方案中，可以省略承载元件220，而不脱离本公开的范围。在此类实施方案中，滚动元件204可以改为接合腔202的内部弧形形表面或壁。
在钻井操作期间，滚动元件204能够围绕滚动元件204的旋转轴线A在腔202内旋转。随着滚动元件204围绕旋转轴线A的旋转，顺应性保持器214将滚动元件204维持在腔内，同时允许弧形部分通过开口216从腔202延伸出来以接合下面的地层(即，切削地层、抵靠地层滚动或既切削地层又抵靠地层滚动)。这允许在使用期间随着滚动元件204的旋转逐渐地使用滚动元件204横跨整个外圆周表面的整个轴向宽度208。
图3是安装在限定在刀片104中的腔202内的滚动元件组件200的局部横截面侧视图。如图所示，刀片104(例如，图1A的钻头体102)可以提供或以其他方式限定保持器狭槽302，保持器狭槽302从腔202的体积延伸并与其连通，并且被构造成接纳和容纳顺应性保持器214。此外，在其中承载元件220包括在滚动元件组件200中的实施方案中，刀片104(例如，图1A的钻头体102)还可以提供或以其他方式限定承载狭槽304，承载狭槽304从腔202的体积延伸并与其连通，并且被构造成接纳和容纳承载元件220。保持器狭槽302和承载狭槽304可以表现出一定形状，所述形状大致构造成分别接纳顺应性保持器214和承载元件220的横截面形状。
顺应性保持器214提供内部弧形表面306和与内部弧形表面306相对的后表面308。在顺应性保持器214被接纳在保持器狭槽302内的情况下，后表面308将抵靠保持器狭槽302的底部310设置或以其他方式与其邻近，并且内部弧形表面306将抵靠滚动元件204的外圆周表面设置或以其他方式与其邻近。类似地，承载元件220提供内部弧形表面312和与内部弧形表面306相对的后表面314。在承载元件220被接纳在承载狭槽304内的情况下，后表面314将抵靠承载狭槽304的底部316设置或以其他方式与其邻近，并且内部弧形表面312将抵靠滚动元件204的外圆周表面设置或以其他方式与其邻近。内部弧形表面306、312以及腔202的介入的内壁(如果有的话)的曲率使得滚动元件204能够在操作期间在腔202内的所有角位置处抵靠连续(均匀)弯曲的表面承载。
顺应性保持器214和承载元件220(如果使用的话)可以由上面提到的用于基体212和金刚石台面214a、214b的任何硬质或超硬质材料制成。更具体地，顺应性保持器214和/或承载元件220可以由诸如但不限于钢、钢合金、碳化钨、烧结碳化钨复合结构、烧结碳化物、聚晶金刚石(PCD)、热稳定聚晶金刚石(TSP)、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米金刚石、超纳米金刚石、氧化锆、其任何衍生物和它们的任何组合的材料制成。替代地或除此之外，顺应性保持器214和/或承载元件220可由工程金属、涂覆材料(即，使用诸如化学气相沉积、等离子体气相沉积等的工艺)或其他硬质或耐磨材料制成。
偏置装置218可位于装置槽腔318内，装置槽腔318限定在刀片104(例如，图1A的钻头体102)内且从保持器狭槽302延伸并且另外与保持器狭槽302连通。在一些实施方案中，如图所示，偏置装置218包括螺旋压缩弹簧。然而，在其他实施方案中，偏置装置318可包括能够将顺应性保持器214偏置成与滚动元件204的外圆周接合的任何其他装置或器件。例如，偏置装置318可以替代地包括一系列贝氏垫圈、空气冲击件、液压冲击件、工程聚合物件、塑料件、弹性材料件或前述的任何组合。
在所示实施方案中，偏置装置218位于顺应性保持器214的后表面308和装置槽腔318的底部320之间并且另外可与顺应性保持器214的后表面308和装置槽腔318的底部320接合。当滚动元件组件200被适当地装配时，偏置装置218作用于顺应性保持器214并推动顺应性保持器214抵靠滚动元件204的外圆周，这使顺应性保持器214移离保持器狭槽302的底部310。因此，可以在柔顺保持器214的后表面308和底部310之间形成间隙322。间隙322的形成允许滚动元件204被适当地保持在腔202内以进行操作，并且还促进滚动元件组件200在操作期间可以呈现一定的适应(give)量，这可以证明在延长滚动元件204的使用寿命的方面是有利的。
通过首先将偏置装置218***装置槽腔318中，且随后将顺应性保持器214***保持器狭槽302中，且由此使顺应性保持器214的后表面308抵靠偏置装置218接合，可以装配滚动元件组件200。当被偏置装置218偏置时，顺应性保持器214部分地延伸到腔202的体积中，并且间隙322将处于其最大值。如果包括在滚动元件组件200中，则承载元件220也可以***承载狭槽304中。然后可以经由开口216将滚动元件204***腔202中。随着滚动元件204延伸到腔202中，滚动元件204接合顺应性保持器214的上部延伸区324，上部延伸区324形成内部弧形表面306的一部分。与上部延伸区324的接合会将顺应性保持器214更深地推进(推动)到保持器狭槽302中，且从而减小间隙322的大小并同时压缩偏置装置218，这产生弹簧(偏置)力。一旦滚动元件204的直径横穿(超过)上部延伸区324，弹簧力就能够至少部分地释放，并且偏置装置218推动顺应性元件214抵靠滚动元件204并且内部弧形表面306与滚动元件204的外圆周接合。
随着被偏置抵靠滚动元件204的外圆周，顺应性元件214用于将滚动元件204保持在腔202内。更具体地，当滚动元件204装配在腔202中时，滚动元件204表现有中心线326，中心线326大致平行于开口216(或与其相切)并垂直于旋转轴线A。由于顺应性保持器214的上部延伸区324在中心线326上方延伸，因此滚动元件204的圆周的超过180°(但小于360°)将与顺应性保持器214、腔202的内部弧形壁的部分和/或承载元件220(如果使用的话)接合并且另外被顺应性保持器214、腔202的内部弧形壁的部分和/或承载元件220(如果使用的话)环绕。此外，腔202的尺寸设定成使得滚动元件204降到最低点，其中弧形部分从开口216延伸出来，使得在操作期间滚动元件204的整个轴向宽度208(图2)保持暴露以实现外部与地层的接触。
在一些应用中，滚动元件组件200可布置在刀片104上，使得滚动元件204将在操作期间围绕旋转轴线A沿第一方向330旋转。随着滚动元件204接合下面的地下地层并围绕旋转轴线A旋转，钻压(WOB)力F1和摩擦力F2将作用于滚动元件204。WOB力F1是沿钻头100(图1A至图1B)的前进方向施加到滚动元件204的重力。摩擦力F2是由滚动元件204承担的并且沿与钻头100的旋转方向相反的方向施加的拖曳力。基于WOB力F1和摩擦力F2的相应大小，滚动元件204将承担合力FR。合力FR的大小可以如下确定：
FR 2＝F1 2+F2 2 方程式(1)
并且合力FR矢量将以从WOB力F1偏移角度θ来指向。角度θ可以如下确定：FR
如果合力FR矢量的方向与位于保持器狭槽302内的顺应性保持器214相交，则顺应性保持器214不仅可以用于帮助将滚动元件204保持在腔202中，而且还可以证明像承载元件那样有用，所述承载元件在钻井操作期间承担滚动元件204的合力FR的至少一部分。在此类实施方案中，偏置装置218可证明在操作期间承受冲击力或冲击载荷的方面是有利的，所述冲击力或冲击载荷将使得间隙322的大小突然减小。然而，如果合力FR矢量的方向不与顺应性保持器214相交，则顺应性保持器214将主要充当有助于将滚动元件204保持在腔202中的结构。
在所示实施方案中，保持器214的弧长L足够长，使得合力FR矢量将与顺应性保持器214相交，这允许顺应性保持器214同时作为保持结构和承载元件操作。然而，在其他实施方案中，并且取决于已知或预测的钻井参数，顺应性保持器214的弧长L可以增大或减小，以允许顺应性保持器214仅作为保持器操作。因此，顺应性保持器214不仅有助于将滚动元件204固定在腔202中，而且还可以充当支撑和引导滚动元件204的承载表面。
替代地，摩擦力F2可以沿与图3所示相反的方向施加在滚动元件204上。在此类实施方案中，合力FR将改为大致指向承载元件220，这将承担在操作期间的大部分(如果不是全部的话)冲击载荷。然后，顺应性保持器214将主要用于将滚动元件204保持在腔202内。偏置装置218可以被构造成并且另外设计成提供足够的偏置力以维持顺应性保持器214和滚动元件204之间的恒定接触。
考虑到滚动元件组件200的设计，在操作期间施加在顺应性保持器214或承载元件220上的力本质上将主要是压缩性的。使顺应性保持器214和承载元件220由硬质或超硬质材料制成可有助于减小滚动元件204与内部弧形表面306、312之间的摩擦和磨损量，因为滚动元件204抵靠内部弧形表面306、312承载并滑动。因此，顺应性保持器214和承载元件220的硬质或超硬质材料可减少或消除在滚动元件204分别与顺应性保持器214和承载元件220的内部弧形表面306、312之间的润滑需求。然而，在至少一个实施方案中，内部弧形表面306、312中的一个或两个可以被抛光，以便减少相对表面之间的摩擦。内部弧形表面306、312可以被抛光到例如约40微英寸或更好的表面光洁度。
应该注意的是，尽管滚动元件组件200已被描述为保持一个滚动元件204，但本公开的实施方案不限于此，并且滚动元件组件200(或本文所描述的任何滚动元件组件)可包括并且另外使用两个或更多个滚动元件204，而不脱离本公开的范围。在此类实施方案中，多个滚动元件204可以使用顺应性保持器214保持在腔202内，或者每个滚动元件204都可以由各个顺应性保持器214支撑。
图4是安装在限定在刀片104中的腔202内的滚动元件组件200的另一实施方案的局部横截面侧视图。与图3的实施方案不同，从图4的实施方案中省略了承载元件220(图3)。如图所示，顺应性保持器214布置在保持器狭槽302内并将滚动元件204维持在腔202内。偏置装置218作用于顺应性保持器214并且推动顺应性保持器214抵靠滚动元件204的外圆周。图4的实施方案的装配与图3的实施方案的装配类似，且因此将不再提供。在操作期间，合力FR(图3)可以朝向腔202的内部弧形表面402指向并由其承担，从而允许顺应性保持器214主要用于将滚动元件204保持在腔202内。
图5是安装在限定在刀片104中的腔202内的滚动元件组件200的另一实施方案的局部横截面侧视图。在所示实施方案中，第二偏置装置502可位于第二装置槽腔504内，第二装置槽腔504限定在刀片104(例如，图1A的钻头体102)内且从接纳承载元件220的承载狭槽304延伸并且另外与所述承载狭槽304连通。与偏置装置218类似，在一些实施方案中，第二偏置装置502可包括螺旋压缩弹簧，如图所示，但可以替代地包括能够将支撑元件220偏置成与滚动元件204的外圆周接合的任何其他装置或器件。例如，偏置装置318可以替代地包括一系列贝氏垫圈、空气冲击件、液压冲击件、工程聚合物件、塑料件、弹性材料件或前述的任何组合。
在所示实施方案中，第二偏置装置502位于承载元件220的后表面314和第二装置槽腔504的底部506之间并且另外可与承载元件220的后表面314和第二装置槽腔504的底部506接合。当滚动元件组件200装配在腔202内时，第二偏置装置502作用于承载元件220并且推动承载元件220抵靠滚动元件204的外圆周。与偏置装置218的操作类似，第二偏置装置502还可以证明在操作期间承受来自滚动元件204的冲击力或冲击载荷的方面是有利的，并且由此有助于延长滚动元件组件200的使用期限。
在一些实施方案中，保持器狭槽302可以相对于刀片104的外表面328以第一角度508a限定在刀片104中，并且承载狭槽304可以相对于刀片104的外表面328以第二角度508b限定在刀片104中，使得保持器狭槽302和承载狭槽304可以彼此成角度地偏移第三角度508c。角度508a、508b可以根据所使用的钻头的类型和预计的钻速进行优化。例如，第一角度508a可以决定，为将滚动元件204适当地保持在腔202内，顺应性保持器204适合哪种几何结构。更具体地，第一角度508a可以被优化，使得上部延伸区324在滚动元件204的中心线326(图3)上方延伸，使得滚动元件204的圆周的超过180°(但小于360°)将在任何给定时刻被环绕以将滚动元件204锁定在腔202内。此外，第二角度508b可以被优化并且另外构造成使得承载元件220大体上垂直于在钻井操作期间预期的预计载荷方向(例如，图3的合力FR)以使承载元件220能够承担大部分(如果不是全部的话)载荷。
图6是根据一个或多个实施方案的滚动元件组件200的另一示例的局部横截面等距视图。在所示实施方案中，锁销602可包括在滚动元件组件200中，并且可用于将滚动元件204固定在腔202内。更具体地，锁销602可以***(容纳在)主体孔604中，主体孔604限定在刀片104中并从刀片104的外表面328延伸。主体孔604延伸到保持器狭槽302并穿透保持器狭槽302。在一些实施方案中，如图所示，主体孔604可以延伸通过(穿过)保持器狭槽302并进入刀片104更深，但可以替代地仅穿透保持器狭槽302，而不脱离本公开的范围。
当顺应性保持器214布置在保持器狭槽302中时，顺应性保持器214可以提供并且另外限定可与主体孔604对准的保持器孔606。锁销602被构造成延伸到主体孔604中并同时延伸到对准的保持器孔606中以将顺应性保持器214在保持器狭槽302内锁定在适当的位置。这可以证明在帮助将滚动元件204固定在腔202内的方面是有利的，因为顺应性保持器214将无法移动到保持器狭槽302中的某个位置，在该位置滚动元件204将能够绕过上部延伸区324以从腔202中抽出。
在一些实施方案中，锁销602可以拧入刀片孔604和保持器孔606中的一个或两个中。在其他实施方案中，锁销602可以仅延伸到刀片孔604和保持器孔606中。锁销602可表现出各种横截面形状。在所示实施方案中，例如，锁销602被描绘为表现出大致圆形的横截面。然而，在其他实施方案中，顺应性保持器214的横截面可以是椭圆形、卵形或多边形，而不脱离本公开的范围。
在一些实施方案中，保持器孔606的尺寸可以设定成允许顺应性保持器214在保持器狭槽302内有少量行程。更具体地，如图所示，保持器孔606可以被限定为细长的椭圆形，其允许顺应性保持器214在被细长椭圆形的几何结构约束时在保持器狭槽302内平移一小段距离。这可以证明在允许顺应性保持器214在操作期间在被偏置抵靠偏置装置218时表现出一定的适应量的方面是有利的。因此，由滚动元件204承受的冲击力或冲击载荷可以至少部分地传递到顺应性保持器214和偏置装置218，这可以延长滚动元件组件200的使用寿命。
图7是安装在限定在刀片104中的腔202内的滚动元件组件200的另一实施方案的局部横截面侧视图。所示实施方案在某些方面类似于图4所示的实施方案。如图所示，顺应性保持器214布置在保持器狭槽302内，并且偏置装置218作用于顺应性保持器214并推动顺应性保持器214抵靠抵靠滚动元件204的外圆周，以帮助将滚动元件204维持在腔202内。
然而，与图4的实施方案不同，在图7的实施方案中，腔202包括保持特征，所述保持特征也有助于将滚动元件204保持在腔内。更具体地，腔202的与保持器狭槽302相对的内部弧形表面402可以以连续的弯曲或弧形轨迹行进，直到终止于开口216。因此，顺应性保持器214和开口216处的内部弧形表面402的一部分共同环绕滚动元件204的圆周的超过180°但小于360°，且从而将滚动元件204保持在腔202内。尽管与图4的实施方案相比，内部弧形表面402提供了细长的连续弯曲或弧形表面，但开口216的长度保持大于滚动元件204的直径，以允许滚动元件204进入。
本文公开的实施方案包括：
A.一种滚动元件组件，其包括：滚动元件，其可在位于限定在钻头的钻头体上的腔内时围绕旋转轴线旋转；顺应性保持器，其位于限定在钻头体中的保持器狭槽内；以及偏置装置，其位于限定在钻头体内的装置槽腔内，以使顺应性保持器抵靠滚动元件的外圆周表面偏置，其中顺应性保持器将滚动元件固定在腔内，同时滚动元件的弧形部分从腔中突出并暴露滚动元件的整个轴向宽度。
B.一种钻头，其包括：钻头体,其包括从其延伸的一个或多个刀片；多个切削齿，其固定到一个或多个刀片；以及滚动元件组件，其位于限定在钻头体上的腔内，所述滚动元件组件包括可在腔内围绕旋转轴线旋转的滚动元件和位于限定在钻头体中的保持器狭槽内且被偏置抵靠滚动元件的外圆周表面的顺应性保持器，其中顺应性保持器将滚动元件固定在腔内，同时滚动元件的弧形部分从腔中突出并暴露滚动元件的整个轴向宽度。
实施方案A和B中的每一个可以以任何组合具有以下附加要素中的一个或多个：要素1：其中至少顺应性保持器和腔协同地环绕滚动元件的圆周超过180°但小于360°。要素2：其中偏置装置使得在顺应性保持器的后表面与保持器狭槽的底部之间形成间隙。要素3：其中顺应性保持器包括选自由以下项组成的组的材料：钢、钢合金、碳化钨、烧结碳化钨复合材料、烧结碳化物、聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米金刚石、超纳米金刚石、氧化锆、其任何衍生物和它们的任何组合。要素4：其中顺应性保持器限定内部弧形表面，所述内部弧形表面具有上部延伸区，当滚动元件装配在腔中时，上部延伸区在滚动元件的中心线上方延伸。要素5：其还包括承载元件，所述承载元件位于限定在钻头体中的承载狭槽内，并且具有可与滚动元件的外圆周接合的内部弧形表面。要素6：其还包括第二偏置装置，所述第二偏置装置位于限定在钻头体内的第二装置槽腔内，以使承载元件抵靠滚动元件的外圆周表面偏置。要素7：其还包括锁销，所述锁销将顺应性保持器固定在保持器狭槽内。要素8：其中钻头体限定穿透保持器狭槽的主体孔，并且顺应性保持器限定可与主体孔对准的保持器孔，并且其中锁销可延伸到主体孔和保持器孔中。要素9：其中保持器孔的尺寸设定成允许顺应性保持器在保持器狭槽内平移。
要素10：其中腔限定在一个或多个刀片上。要素11：其中顺应性保持器限定内部弧形表面，所述内部弧形表面具有上部延伸区，当滚动元件装配在腔中时，上部延伸区在滚动元件的中心线上方延伸。要素12：其还包括承载元件，所述承载元件位于限定在钻头体中的承载狭槽内，并且具有可与滚动元件的外圆周接合的内部弧形表面。要素13：其还包括第二偏置装置，所述第二偏置装置位于限定在钻头体内的第二装置槽腔内，以使承载元件抵靠滚动元件的外圆周表面偏置。要素14：其还包括锁销，所述锁销可延伸穿过限定在钻头体中的主体孔，以将顺应性保持器固定在保持器狭槽内。要素15：其中滚动元件组件在钻头体上定向，以表现出范围在0°和45°之间的侧倾角，或范围在45°和90°之间的侧倾角。要素16：其中滚动元件组件在钻头体上定向，以表现出范围在0°和45°之间的后倾角，从而允许滚动元件作为切削齿操作。要素17：其中滚动元件的旋转轴线位于穿过钻头体的纵向轴线的平面上。要素18：其中滚动元件的旋转轴线位于垂直于钻头体的纵向轴线的平面上。
作为非限制性示例，适用于A和B的示例性组合包括：要素5和要素6；要素7和要素8；要素8和要素9；以及要素12和要素13。
因此，所公开的***和方法非常适合于获得所提到的结果和优点以及其中固有的结果和优点。上文公开的特定实施方案仅仅是说明性的，因为本公开的教导可以修改并用不同但是等效的方式来实践，所述方式对于受益于本文中的教导的本领域技术人员来说是显而易见的。另外，并不意在限于本文所示出的构造或设计的细节，而是限于所附权利要求中所描述的内容。因此，显而易见的是，可以更改、组合或修改上文公开的特定说明性实施方案，并且认为所有此类变化在本公开的范围内。本文说明性地公开的***和方法可以适宜地在本文未具体公开的任何要素和/或本文公开的任何任选的要素不存在的情况下实践。虽然以“包含”、“含有”或“包括”各种部件和步骤的措辞描述了组合物和方法，但是所述组合物和方法也可以“基本上由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”。上文公开的所有数字和范围可以变化一定量。每当公开具有下限和上限的数值范围时，则具体公开了落入该范围内的任何数值和任何所包括的范围。具体地说，本文所公开的值的每个范围(形式为“从约a到约b”，或等效地“从大致a到b”，或等效地“从大致a-b”)应理解为阐述涵盖在所述值的较宽范围内的每个数值和范围。而且，除非专利权人明确和清楚地限定，否则权利要求中的术语具有其平常、普通含义。此外，如权利要求书中所使用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中被定义为意指其所引入的元件中的一个或一个以上。如果本说明书中的词语或术语的用法和可以以引用的方式并入本文中的一个或多个专利或其他文献存在任何冲突，则应当采用与本说明书一致的定义。
如本文中所使用，在一系列项目之前的短语“至少一个”，以及用于分开所述项目中的任何一个的术语“和”或“或”修改列表作为整体，而不是所述列表中的每一个成员(即，每个项目)。短语“至少一个”允许包括项目中的任何一个的至少一个、和/或项目的任何组合中的至少一个、和/或项目中每一个的至少一个的含义。作为示例，短语“A、B和C中的至少一个”或“A、B或C中的至少一个”每个是指仅A、仅B或仅C；A、B和C的任何组合；和/或A、B和C中的每个中的至少一个。

Claims (20)

1.一种滚动元件组件，其包括：
滚动元件，所述滚动元件在位于限定在钻头的钻头体上的腔内时能围绕旋转轴线旋转；
顺应性保持器，所述顺应性保持器位于限定在所述钻头体内的保持器狭槽内；以及
偏置装置，所述偏置装置位于限定在所述钻头体内的装置槽腔内，以使所述顺应性保持器抵靠所述滚动元件的外圆周表面偏置，
其中所述顺应性保持器将所述滚动元件固定在所述腔内，同时所述滚动元件的弧形部分从所述腔中突出并暴露所述滚动元件的整个轴向宽度。
2.如权利要求1所述的滚动元件组件，其中至少所述顺应性保持器和所述腔协同地环绕所述滚动元件的圆周超过180°但小于360°。
3.如权利要求1所述的滚动元件组件，其中所述偏置装置使得在所述顺应性保持器的后表面与所述保持器狭槽的底部之间形成间隙。
4.如权利要求1所述的滚动元件组件，其中所述顺应性保持器包括选自由以下项组成的组的材料：钢、钢合金、碳化钨、烧结碳化钨复合材料、烧结碳化物、聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石、纳米金刚石、超纳米金刚石、氧化锆、其任何衍生物和它们的任何组合。
5.如权利要求1所述的滚动元件组件，其中所述顺应性保持器限定内部弧形表面，所述内部弧形表面具有上部延伸区，当所述滚动元件装配在所述腔中时，所述上部延伸区在所述滚动元件的中心线上方延伸。
6.如权利要求1所述的滚动元件组件，其还包括承载元件，所述承载元件位于限定在所述钻头体中的承载狭槽内，并且具有能与所述滚动元件的外圆周接合的内部弧形表面。
7.如权利要求6所述的滚动元件组件，其还包括第二偏置装置，所述第二偏置装置位于限定在所述钻头体内的第二装置槽腔内，以使所述承载元件抵靠所述滚动元件的外圆周表面偏置。
8.如权利要求1所述的滚动元件组件，其还包括锁销，所述锁销将所述顺应性保持器固定在所述保持器狭槽内。
9.如权利要求8所述的滚动元件组件，其中所述钻头体限定穿透所述保持器狭槽的主体孔，并且所述顺应性保持器限定可与所述主体孔对准的保持器孔，并且其中所述锁销可延伸到所述主体孔和所述保持器孔中。
10.如权利要求9所述的滚动元件组件，其中所述保持器孔的尺寸设定成允许所述顺应性保持器在所述保持器狭槽内平移。
11.一种钻头，其包括：
钻头体，所述钻头体包括从其延伸的一个或多个刀片；
多个切削齿，所述多个切削齿固定到所述一个或多个刀片；以及
滚动元件组件，所述滚动元件组件位于限定在所述钻头体上的腔内，所述滚动元件组件包括可在所述腔内围绕旋转轴线旋转的滚动元件和位于限定在所述钻头体中的保持器狭槽内并被偏置抵靠所述滚动元件的外圆周表面的顺应性保持器，
其中所述顺应性保持器将所述滚动元件固定在所述腔内，同时所述滚动元件的弧形部分从所述腔中突出并暴露所述滚动元件的整个轴向宽度。
12.如权利要求11所述的钻头，其中所述腔限定在所述一个或多个刀片上。
13.如权利要求11所述的钻头，其中所述顺应性保持器限定内部弧形表面，所述内部弧形表面具有上部延伸区，当所述滚动元件装配在所述腔中时，所述上部延伸区在所述滚动元件的中心线上方延伸。
14.如权利要求11所述的钻头，其还包括承载元件，所述承载元件位于限定在所述钻头体中的承载狭槽内，并且具有可与所述滚动元件的外圆周接合的内部弧形表面。
15.如权利要求14所述的钻头，其还包括第二偏置装置，所述第二偏置装置位于限定在所述钻头体内的第二装置槽腔内，以使所述承载元件抵靠所述滚动元件的外圆周表面偏置。
16.如权利要求11所述的钻头，其还包括锁销，所述锁销可延伸穿过限定在所述钻头体中的主体孔，以将所述顺应性保持器固定在所述保持器狭槽内。
17.如权利要求11所述的钻头，其中所述滚动元件组件在所述钻头体上定向，以表现出范围在0°和45°之间的侧倾角，或范围在45°和90°之间的侧倾角。
18.如权利要求11所述的钻头，其中所述滚动元件组件在所述钻头体上定向，以表现出范围在0°和45°之间的后倾角，从而允许所述滚动元件作为切削齿操作。
19.如权利要求11所述的钻头，其中所述滚动元件的所述旋转轴线位于穿过所述钻头体的纵向轴线的平面上。
20.如权利要求11所述的钻头，其中所述滚动元件的所述旋转轴线位于垂直于所述钻头体的纵向轴线的平面上。
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