專利名稱：鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在地層中鉆孔的旋轉(zhuǎn)鉆頭。有許多種鉆頭被應(yīng)用到現(xiàn)有技術(shù)中，例如齒輪鉆頭或噴射切割式鉆頭。這些鉆頭一般設(shè)置有多個(gè)耐磨的切割部件，這些耐磨的切割部件由耐磨性好的材料制成，例如鉆石或碳化鎢。這些切割部件的截割動(dòng)作主要是通過(guò)這些部件沿鉆孔底部的磨削產(chǎn)生的。鉆頭在鉆孔內(nèi)的進(jìn)度決定于許多因素，例如，切割部件的磨損量，巖石的硬度和鉆頭的重量。由于鉆井的成本占整個(gè)井筒成本的大部分，因此就需要減少鉆井時(shí)間，即提高鉆進(jìn)速度。
WO99/11900公開(kāi)了一種旋轉(zhuǎn)鉆頭，該鉆頭包括多個(gè)盤式切割件，這些切割件設(shè)置在錐形滾柱上并能夠在鉆孔的底部?jī)?nèi)切割出多個(gè)基本為圓形并沿徑向間隔一定距離的截槽。每個(gè)滾柱上的這組切割件都相對(duì)另一滾柱上的那組切割件沿徑向移動(dòng)，從而對(duì)于沿徑向相鄰的每對(duì)切割件而言，這對(duì)切割件中的第二切割件都在一個(gè)位于第一切割件后方的位置上切入鉆孔底部。巖石材料體被限定在各個(gè)截槽之間，該巖石材料體將被第二切割件沿第一切割件形成的截槽方向剪切掉。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)公知鉆頭鉆入地層的速度(ROP)在某些巖層中尤其是在硬質(zhì)巖層中相對(duì)較低，這是因?yàn)檠刂傻谝磺懈罴纬傻慕夭鄣纳隙思羟袔r石材料主體比較困難。因此，就需要提供一種能夠在這些類型的巖石中提高鉆進(jìn)速度ROP的改進(jìn)型鉆頭。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于在地層中鉆孔的旋轉(zhuǎn)式鉆頭，該鉆頭包括一個(gè)第一盤形切割件和一個(gè)第二盤形切割件，每個(gè)盤形切割件都能夠在鉆頭的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中沿鉆孔底部滾動(dòng)，從而在鉆孔底部切割出基本為圓形且沿徑向間隔一定距離的截槽，這樣就將巖石材料體限定在所述截槽之間，第二盤形切割件被設(shè)置成能夠在第一盤形切割件后方以選定的鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)間隔切入鉆孔底部的結(jié)構(gòu)形式并能夠沿第一切槽的方向截割所述的巖石材料體，其中每個(gè)盤形切割件都包括一組相互間隔一定距離的切割部件，這組切割部件能夠在鉆頭的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中形成一組與盤形截割件形成的截槽相對(duì)應(yīng)的截槽部分；而且，切割部件被設(shè)置成能夠使這組截槽部分在鉆頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中相對(duì)交錯(cuò)排列的結(jié)構(gòu)形式。
通過(guò)下述特征每個(gè)盤形截割件都由一組不連續(xù)的切割部件組成，這些不連續(xù)的切割部件代替了現(xiàn)有技術(shù)中的連續(xù)盤形截割件，這樣就減少了截割件與鉆孔底部的瞬時(shí)接觸表面，從而使鉆頭在給定重量的作用下在巖層中的鉆進(jìn)深度更大。這樣，由截割件形成的切槽也就更深，因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，就使在第一切槽的下端方向上被剪切下來(lái)的巖石材料體多于在第一切槽的上端方向上被剪切下來(lái)的巖石材料體。
應(yīng)該知道由于盤形切割件不再是連續(xù)的，因此完整的圓周切槽必須在鉆頭旋轉(zhuǎn)多圈后才能形成。這一點(diǎn)可通過(guò)以下述方式對(duì)鉆頭的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)使在鉆頭前一圈旋轉(zhuǎn)過(guò)程中介于由切割部件形成的切槽部分之間的巖石材料能夠在鉆頭后一圈的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中被切割部件切入。
下面將參照附圖，通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明加以說(shuō)明，附圖其中

圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的鉆頭的底部視圖；圖2示意性地示出了圖1所示的鉆頭的局部側(cè)視圖；圖3示意性地示出了圖1所示的鉆頭的錐形滾柱的底視圖；圖4示意性地示出了利用圖1所示的鉆頭進(jìn)行鉆孔的各個(gè)階段，鉆孔底部的橫向剖視圖。
在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。
在圖1中，示出了鉆頭1的底視圖，該鉆頭1設(shè)有一個(gè)鉆頭體3和三個(gè)錐形滾柱4、5、6，這三個(gè)錐形滾柱相對(duì)鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線7以120°的角度間隔排列。錐形滾柱與鉆頭主體3可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接。錐形滾柱4設(shè)置有一組圓盤形切割部件4a、4b和4c，錐形滾柱5設(shè)置有一組圓盤形切割部件5a、5b和5c，錐形滾柱6設(shè)置有一組圓盤形切割部件6a、6b和6c，每個(gè)圓盤切割部件4a、4b、4c、5a、5b、5c、6a、6b和6c都在一個(gè)基本垂直錐形滾柱之轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的平面內(nèi)沿各個(gè)錐形滾柱的圓周延伸。每個(gè)圓盤切割部件4a、4b、4c、5a、5b、5c、6a、6b和6c都被設(shè)計(jì)成能夠在鉆頭1旋轉(zhuǎn)過(guò)程中當(dāng)各個(gè)滾柱4、5和6沿鉆孔底部滾動(dòng)時(shí)在鉆孔底部上切割出一個(gè)基本為圓形的切槽的結(jié)構(gòu)形式。
參照?qǐng)D2，圖中示出了鉆頭1和錐形滾柱4的局部側(cè)視圖。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在圖中沒(méi)有示出錐形滾柱5和6，但是圖中以虛線示出了切割部件5b、5c、6b和6c在各個(gè)接觸點(diǎn)上與鉆孔底部相接觸的多個(gè)部分。沿徑向位于最外部的切割部件4a、5a和6a被設(shè)計(jì)成能夠相對(duì)軸線7以相等的半徑切入鉆孔底部的結(jié)構(gòu)形式，即這些切割部件以分別相同的軸向位置設(shè)置在各個(gè)錐形滾柱4、5和6上。內(nèi)部切割部件4b、4c、5b、5c、6b和6c沿軸向(相對(duì)錐形滾柱的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線)以相互錯(cuò)開(kāi)的方式設(shè)置在錐形滾柱4、5和6上。換言之，切割部件5b以一定的半徑切入鉆孔底部，該半徑介于切割部件4a和4b切入鉆孔底部的半徑之間；切割部件5c以一定的半徑切入鉆孔底部，該半徑介于切割部件4b和4c切入鉆孔底部的半徑之間；切割部件6b也以一定的半徑切入鉆孔底部，該半徑介于切割部件4b和5c切入鉆孔底部的半徑之間。
每個(gè)圓盤切割部件都設(shè)置有兩側(cè)側(cè)壁10、12，在圖2中為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，僅示出了切割部件4a、4b和4c的各個(gè)側(cè)面10、12。每對(duì)側(cè)面10、12都限定了一個(gè)楔形的刀刃14。此外，每個(gè)側(cè)面12都垂直各個(gè)錐形滾柱4、5和6的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(由錐形滾柱4上的附圖標(biāo)記16表示)延伸，從而在鉆進(jìn)過(guò)程中，使側(cè)面12沿轉(zhuǎn)軸16的方向抵壓在巖石上。側(cè)面20在一個(gè)與鉆孔底部相接觸的位置上平行于鉆頭1的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線7延伸。
如圖2所示，每個(gè)圓盤切割部件4a、4b、4c、5a、5b、5c、6a、6b、6c都由一組相互隔開(kāi)的凹槽20構(gòu)成，這樣圓盤切割部件的其余部分就會(huì)相應(yīng)地限定一組相互隔開(kāi)的截割件22。對(duì)于每個(gè)錐形滾柱4、5和6而言，相鄰切割部件上的成組的截割件22相互交錯(cuò)排列。
每個(gè)錐形滾柱4、5、6的尺寸都被設(shè)計(jì)成使錐形滾柱上的每個(gè)圓盤切割部件的截割件22都能夠在鉆頭1轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的過(guò)程中在鉆孔底部形成一組切槽部分(未示出)并在鉆頭繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使已形成的多組切槽部分能夠相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。換言之，在鉆頭1的下一圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，圓盤切割部件的截割件22在一個(gè)未被在前的截割件22截割的位置上切入鉆孔底部。這就說(shuō)明完整的圓形切槽是在鉆頭1轉(zhuǎn)動(dòng)多圈后由圓盤切割部件形成的。
在截割部件22沿相應(yīng)的圓盤切割部件的圓周以相同的間距相互隔開(kāi)，即在圖示實(shí)施例的情況下，如果需要避免在鉆頭下一圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中使截割件22精確地切入在前一圈形成的相同切槽內(nèi)，那么就可以得到所需的尺寸設(shè)計(jì)。一種方法在于通過(guò)避免出現(xiàn)下述條件的出現(xiàn)而得以實(shí)現(xiàn)L＝i×T，其中L＝切槽的周長(zhǎng)，i＝整數(shù)1、2、3，...等，T＝截割部件的截距。
由于T＝π×d/n，而且L＝π×D，其中d為圓盤切割部件的滾動(dòng)直徑，n為圓盤切割部件的截割件的數(shù)量，D為由切割部件形成的切槽的直徑，這樣就得出如果D/d＝(i+f)/n，那么就可以正確為其設(shè)計(jì)尺寸。
最好令0.3＜f＜0.7。例如，f可以約為0.5，這樣就能夠在鉆頭旋轉(zhuǎn)約兩圈時(shí)形成一個(gè)完整的切槽。
D和d的數(shù)值可按照能夠滿足1.5＜D/d＜2.0的方式選取。
在圖3中示出了錐形滾柱4的底部視圖，同時(shí)圖中還示出了截割部件和凹槽的角度范圍的數(shù)值(截割部件的角度范圍為32°，凹槽的角度范圍為28°)。圖中還示出了圓盤切割部件4a和圓盤切割部件4b的截割件相互重疊2°的情形。在各個(gè)切割部件4b、4c的截割部件也存在類似的角度重疊。
此外，錐形滾柱4、5、6還在最外部的切割部件4a、4b、4c上和錐形滾柱的內(nèi)部部分上設(shè)置有傳統(tǒng)的截割用硬質(zhì)鑲嵌件26。
在常規(guī)的操作過(guò)程中，鉆頭1在鉆孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)，這樣就使錐形滾柱4、5、6滾動(dòng)并沿鉆孔底部進(jìn)行切割。下文僅針對(duì)切割部件4b、5b和6b對(duì)切割操作進(jìn)行說(shuō)明，因?yàn)槠渌懈畈考牟僮髋c上述切割部件相似。
參照?qǐng)D4，切割部件4b、5b和5c在鉆孔底部形成了彼此相鄰的切槽32、34和36。這些切槽由直線表示，但是，實(shí)際上，這些切槽的形狀以不同的程度與切割部件上穿透鉆孔底部的部分的形狀相對(duì)應(yīng)。直線f、g、h、I、j表示圓盤形切割部件4b、5b和5c之下端的包絡(luò)線，該包絡(luò)線是鉆頭轉(zhuǎn)角的函數(shù)。這樣，鉆頭在鉆孔內(nèi)從深度為f處的轉(zhuǎn)動(dòng)0°處開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，直線g表示鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)120°時(shí)所在的高度水平，直線h表示鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)240°時(shí)所在的高度水平，直線I表示鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)360°時(shí)所在的高度水平，直線j表示鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)480°時(shí)所在的高度水平。
在轉(zhuǎn)角為120°時(shí)，切割部分4b已使切槽36位于高度g處。在轉(zhuǎn)角為240°時(shí)，切割部件5b使切槽34位于高度h處。這樣，就使巖石材料體38a限定在高度水平為h的切槽36和高度水平為g的切槽34之間，而巖石材料體38a是被切割部件5b的側(cè)面1 2沿一條在切槽36和34之間延伸的直線s1剪切下來(lái)的。
在轉(zhuǎn)角為360°時(shí)，切割部件6b已在高度i處形成切槽32，從而將巖石材料體38b限定在高度水平為g的切槽34和高度水平為i的切槽之間，而巖石材料體38b是被切割部件6b的側(cè)面12沿一條在切槽34和32之間延伸的直線s2剪切下來(lái)的。
在轉(zhuǎn)角為480°時(shí)，切割部件5b已在高度j處形成切槽34，從而將巖石材料體38c限定在高度水平為i的切槽36和高度水平為j的切槽34之間，該巖石材料體38c是被切割部件5b的側(cè)面沿一條在切槽36和34之間延伸的直線s3剪切下來(lái)的。
類似地，在繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)120°后，巖石材料體38d就會(huì)被限定在高度水平為j的切槽34和位于更深處的切槽32之間，而該巖石材料體38d是被切割部件6b的側(cè)面沿一條在切槽36和34之間延伸的直線s4剪切下來(lái)的。
外部切割部件4a、5a和6a將對(duì)位于由上述切割部件形成的切槽(未示出)和由切割部分5b以類似方式形成的切槽32之間的巖石材料進(jìn)行切割并將其剪切下來(lái)。切割部件4c、5c、6c的切割動(dòng)作與切割部件4b、5b、6b的切割動(dòng)作相似。
與由鉆頭上重量相同的連續(xù)圓盤切割部件(即沒(méi)有凹槽的切割部件)形成的切槽相比，由截割部件32形成的不連續(xù)的截割部件將延伸到鉆孔底部?jī)?nèi)更深的位置上。因此，介于相鄰切槽之間的巖石材料體在鉆頭鉆進(jìn)方向上的尺寸就較大，這樣就可以避免在硬質(zhì)地層中執(zhí)行鉆進(jìn)操作時(shí)僅對(duì)表層進(jìn)行膚淺的切割，因此可以提高鉆進(jìn)效率。
權(quán)利要求
1.一種用于在地層中鉆孔的旋轉(zhuǎn)鉆頭，該鉆頭包括一個(gè)第一盤形切割部件和一個(gè)第二盤形切割部件，每個(gè)盤形切割部件都被設(shè)計(jì)成在鉆頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程中能夠沿鉆孔底部滾動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，這樣就可以在鉆孔底部截割出大體為圓形且間隔一定距離的第一和第二切槽，從而使巖石材料體限定在所述切槽之間；所述第二盤形切割部件被設(shè)計(jì)成能夠在第一盤形切割部件的后方以選定的鉆頭旋轉(zhuǎn)間距切入鉆孔底部并能夠沿第一切槽的方向切掉所述巖石材料體的結(jié)構(gòu)形式，其特征在于每個(gè)盤形切割部件都包括一組相互間隔一定距離的截割件，所述截割件被設(shè)計(jì)成在鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的過(guò)程中，能夠由盤形切割部件形成一組對(duì)應(yīng)的切槽部分；所述截割部件還被設(shè)計(jì)成能夠使在鉆頭繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中形成的多組切槽部分相對(duì)交錯(cuò)排列的結(jié)構(gòu)形式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于所述截割部件以基本相同的間隔分布在切割部件上；所述鉆頭的尺寸按照能夠滿足下式的方式設(shè)計(jì)D/d＝(i+f)/n，其中，D＝由切割部件形成的切槽的直徑；n＝切割部件的截割件的數(shù)量；d＝切割部件的滾動(dòng)部件；i＝整數(shù)1，2，3，...等；0＜f＜1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于0.3＜f＜0.7。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于f約為0.5。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4之一的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于1.5＜D/d＜2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于所述鉆頭包括一個(gè)鉆頭主體和多個(gè)錐形滾柱，所述錐形滾柱與鉆頭主體相互連接，從而使其能夠在鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中基本沿鉆孔底部在鉆孔內(nèi)滾動(dòng)并能夠定位在不同徑向方位上，其中第一錐形滾柱設(shè)置有第一盤形切割部件，第二錐形滾柱設(shè)置有第二盤形切割部件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于每個(gè)所述的錐形滾柱都設(shè)置有多個(gè)沿錐形滾柱的軸向間隔定位的盤形切割部件；錐形滾柱上的相鄰切割部件的多組截割件交錯(cuò)排列。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于對(duì)于每個(gè)盤形切割部件而言，盤形切割部件的每個(gè)截割件都沿盤形切割部件上角度為α的部分延伸，盤形切割部件的兩個(gè)相鄰截割件之間的間距沿盤形切割部件上角度為β的部分延伸，而且α＝β+δ，而且0°＜δ＜4°。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于1°＜δ＜3°，而且δ最好約為2°。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一的旋轉(zhuǎn)鉆頭，其特征在于每組截割部件都由設(shè)置在盤形切割部件上且間隔定位的一組凹槽限定而成，而且在盤形切割部件上安裝有多組截割部件。
11.參照附圖根據(jù)上文所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭。
全文摘要
一種用于在地層中鉆孔的旋轉(zhuǎn)鉆頭，包括第一盤形切割部件和第二盤形切割部件，各盤形切割部件都被設(shè)計(jì)成在鉆頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程中能夠沿鉆孔底部滾動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，這樣就可以在鉆孔底部截割出大體為圓形且間隔一定距離的第一和第二切槽，使巖石材料體限定在這些切槽之間。第二盤形切割部件被設(shè)計(jì)成能夠在第一盤形切割部件的后方以選定的鉆頭旋轉(zhuǎn)間距切入鉆孔底部并能夠沿第一切槽的方向切掉巖石材料體的結(jié)構(gòu)形式。各盤形切割部件都包括一組相互間隔一定距離的截割件，截割件設(shè)計(jì)成在鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的過(guò)程中，能夠由盤形切割部件形成一組對(duì)應(yīng)的切槽部分；這些截割部件還被設(shè)計(jì)成能使在鉆頭繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中形成的多組切槽部分相對(duì)交錯(cuò)排列的結(jié)構(gòu)形式。
文檔編號(hào)E21B10/08GK1452685SQ01815189
公開(kāi)日2003年10月29日 申請(qǐng)日期2001年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月8日
發(fā)明者弗雷德里克·丹姆豪夫, 朱勒·H·齊斯玲 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司