具有混合切割結(jié)構(gòu)的井下切割工具的制作方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]在鉆地層中的井眼，例如用于回收烴或其它應(yīng)用時(shí)，實(shí)際上通常需要將鉆頭連接在頭尾連接到一起以形成“鉆柱”的鉆桿組件部分的下端上。通過(guò)在地面上轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柱或者通過(guò)致動(dòng)井下馬達(dá)或渦輪機(jī)，或同時(shí)通過(guò)這兩種方法來(lái)使鉆頭旋轉(zhuǎn)。借助施加給鉆柱的重量，旋轉(zhuǎn)的鉆頭與地層接合，通過(guò)磨蝕，壓裂，或剪切作用，或者通過(guò)所有切割方法的組合使得鉆頭切割穿過(guò)地層材料，由此形成沿著預(yù)定路徑朝向目標(biāo)區(qū)域的井眼。
[0002]已經(jīng)開發(fā)和發(fā)現(xiàn)了很多不同類型的應(yīng)用于例如鉆井眼的鉆頭。兩種主要類型的鉆頭為牙輪鉆頭和固定切割器(或者旋轉(zhuǎn)刮刀)鉆頭。大多數(shù)的固定切割器鉆頭設(shè)計(jì)包括圍繞鉆頭面成角度間隔分布的多個(gè)刀翼。刀翼從鉆頭本體向外徑向突出并且在彼此之間形成流動(dòng)通道。此外，切割元件通常被分組并且成徑向延伸的列安裝在幾個(gè)刀翼上。刀翼上的切割元件的配置或布局可以根據(jù)多個(gè)因素，例如待鉆的地層在大范圍內(nèi)變化。
[0003]設(shè)在固定切割器鉆頭的刀翼上的切割元件通常由極硬的材料形成。在典型的固定切割器鉆頭中，每個(gè)切割元件包括容納并且固定在形成于其中一個(gè)刀翼的表面的凹口處中的細(xì)長(zhǎng)且大體上為圓柱形的碳化鎢基材。切割元件通常包括由多晶金剛石(PCD)或其它超硬磨蝕材料、例如熱穩(wěn)定金剛石或多晶立方氮化硼構(gòu)成的硬切割層。為了方便起見(jiàn)，如這里所使用的引述“PCD鉆頭”或“PCD切割器”所指的是采用由多晶金剛石或其它超硬磨蝕材料構(gòu)成的硬切割層的固定切割器鉆頭或者切割元件。
[0004]參照?qǐng)D1和2，示出了適于鉆穿巖石地層以形成井眼的傳統(tǒng)的固定切割器或刮刀鉆頭10。鉆頭10總體包括鉆頭本體12、桿13及將鉆頭10連接到被用于旋轉(zhuǎn)鉆頭以鉆井眼的鉆柱(未示出)的螺紋連接結(jié)構(gòu)或銷14。鉆頭面20支撐刀翼狀切割結(jié)構(gòu)15并且形成在鉆頭10的與銷的端部16相反的端部上。鉆頭10進(jìn)一步包括使鉆頭10圍繞其沿著由箭頭18所表示的切割方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的中心軸線11。
[0005]切割結(jié)構(gòu)15設(shè)置在鉆頭10的面20上。切割結(jié)構(gòu)15包括多個(gè)成角度間隔分布的主刀翼31，32，33，以及副刀翼34，35，36，其中，每一個(gè)都從鉆頭面20延伸。主刀翼31，32，33和副刀翼34，35，36總體上沿著鉆頭面20徑向延伸并且接著沿著鉆頭10的一部分外周軸向延伸。然而，副刀翼34，35，36沿著鉆頭面20從遠(yuǎn)離鉆頭軸線11的位置朝向鉆頭10的外周徑向延伸。因此，如這里使用的，“副刀翼”可被用于指代從距離鉆頭軸線某一距離開始并且總體上沿著鉆頭面徑向延伸到鉆頭的外周的刀翼。主刀翼31，32，33和副刀翼34，35，36被鉆井液流動(dòng)路徑19分隔開。
[0006]仍然參照?qǐng)D1和2，每個(gè)主刀翼31，32，33包括用于安裝多個(gè)切割元件的刀翼頂42，并且每個(gè)副刀翼34，35，36包括用于安裝多個(gè)切割元件的刀翼頂52。特別地，切割元件40 (每一個(gè)均具有切割面44)被安裝在分別形成于每個(gè)主刀翼31，32，33和每個(gè)副刀翼34，35，36的刀翼頂42，52中的凹口中。切割元件40彼此相鄰布置成與每個(gè)主刀翼31，32，33和每個(gè)副刀翼34，35，36的前緣最接近的徑向延伸的列。每個(gè)切割面44具有距離安裝切割元件40的刀翼頂42，52最遠(yuǎn)的最外的切割刃44a。
[0007]現(xiàn)在參照?qǐng)D3，示出了鉆頭10的輪廓，其表現(xiàn)為所有刀翼(例如，主刀翼31，32，33和副刀翼34，35，36)和所有切割元件40的切割面44被旋轉(zhuǎn)到單個(gè)旋轉(zhuǎn)輪廓中。在旋轉(zhuǎn)輪廓視圖中，鉆頭10的所有刀翼31-36的刀翼頂42，52形成并且限定出從鉆頭軸線11徑向延伸到鉆頭10的外徑23的組合或復(fù)合刀翼輪廓39。因此，如這里使用的，詞組“復(fù)合刀翼輪廓”指的是從鉆頭軸線向鉆頭的外徑延伸的輪廓，其由旋轉(zhuǎn)到單個(gè)旋轉(zhuǎn)輪廓(即，在旋轉(zhuǎn)輪廓視圖中)的鉆頭的所有刀翼的刀翼頂形成。
[0008]傳統(tǒng)的復(fù)合刀翼輪廓39(在圖3中的鉆頭10的右半邊中最清晰地示出)總體上可被分割成三個(gè)區(qū)域，分別被標(biāo)記為圓錐區(qū)域24，肩部區(qū)域25，以及軌徑區(qū)域26。圓錐區(qū)域24包括鉆頭10的徑向最內(nèi)區(qū)域以及總體上從鉆頭軸線11向肩部區(qū)域25延伸的復(fù)合刀翼輪廓39。如圖3所示，在最傳統(tǒng)的固定切割器鉆頭中，圓錐區(qū)域24總體上成凹形。與圓錐區(qū)域24相鄰的為肩部(或向上翻轉(zhuǎn)的彎曲)區(qū)域25。在最傳統(tǒng)的固定切割器鉆頭中，肩部區(qū)域25總體上成凸形。徑向靠外的與肩部區(qū)域25相鄰的為軌徑區(qū)域26，其平行于鉆頭軸線11在復(fù)合刀翼輪廓39的外徑向周緣上延伸。因此，傳統(tǒng)鉆頭10的復(fù)合刀翼輪廓39包括一個(gè)凹形區(qū)域-圓錐區(qū)域24以及一個(gè)凸形區(qū)域-肩部區(qū)域25。
[0009]凸形肩部區(qū)域25以及復(fù)合刀翼輪廓39的軸向最下的點(diǎn)限定出刀翼輪廓冠頂27。在刀翼輪廓冠頂27處，凸形肩部區(qū)域25和復(fù)合刀翼輪廓39的切線27a的斜率為零。因此，如這里使用的，術(shù)語(yǔ)“刀翼輪廓冠頂”指的是在旋轉(zhuǎn)輪廓視圖中沿鉆頭的復(fù)合刀翼輪廓的凸形區(qū)域的點(diǎn)，在該點(diǎn)上與復(fù)合刀翼輪廓的切線的斜率為零。對(duì)絕大多數(shù)傳統(tǒng)的固定切割器鉆頭(例如，鉆頭10)來(lái)說(shuō)，復(fù)合刀翼輪廓僅僅包括一個(gè)凸形肩部區(qū)域(例如，凸形肩部區(qū)域25)，并且僅僅包括一個(gè)刀翼輪廓冠頂(例如，冠頂27)。如圖1-3所示，切割元件40沿著刀翼31-36成列布置并且沿著前面描述的復(fù)合刀翼輪廓39的圓錐區(qū)域24，肩部區(qū)域25以及軌徑區(qū)域26等區(qū)域中的鉆頭面20設(shè)置。特別地，切割元件40安裝在刀翼31-36上的相對(duì)于鉆頭10的中心軸線11徑向間隔開的預(yù)定位置上。
[0010]不考慮鉆頭類型，鉆井的費(fèi)用與將井眼鉆到期望的深度和位置處所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)度成正比。因而，鉆井時(shí)間很大程度上受必須更換鉆頭以達(dá)到目標(biāo)地層的次數(shù)的影響。這是因?yàn)槊看胃鼡Q鉆頭時(shí)，可能為幾英里長(zhǎng)的整個(gè)鉆柱必須從井眼中一段一段地取出來(lái)。一旦鉆柱被取出并且安裝好新的鉆頭，鉆頭必須在鉆柱上被下降到井眼底部，鉆柱必須再次一段一段地構(gòu)建。稱為鉆柱的“起下”的這種過(guò)程需要大量的時(shí)間、工作量以及花費(fèi)。因此，總是期望采用鉆井更快且更長(zhǎng)并且在較寬的不同地層硬度范圍內(nèi)都可以使用的鉆頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本概述用于引入在詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述的構(gòu)思的選取。本概述不是用于限定要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或?qū)嵸|(zhì)特征，也不是用于幫助限定要求保護(hù)的主體的范圍。
[0012]一方面，這里公開的實(shí)施例涉及一種鉆頭，其具有鉆頭本體，鉆頭本體具有貫穿延伸的縱軸線以及鉆頭面。多個(gè)刀翼從鉆頭本體延伸，其中所述多個(gè)刀翼具有包括冠頂?shù)牡兑磔喞６鄠€(gè)切割元件設(shè)置在所述多個(gè)刀翼上，且包括多個(gè)非平面切割元件和多個(gè)旋轉(zhuǎn)切割元件，其中，所述多個(gè)非平面切割元件設(shè)置在至少一個(gè)刀翼上的位于縱軸線和冠頂之間的非平面切割元件區(qū)域中。
[0013]另一方面，這里公開的實(shí)施例涉及一種具有工具本體的井下切割工具，該工具本體具有貫穿延伸的縱軸線和切割端。多個(gè)刀翼從工具本體在方位角方向上延伸，并且多個(gè)切割元件設(shè)置在多個(gè)刀翼上。所述多個(gè)切割元件包括至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)切割元件和至少一個(gè)非平面切割元件，其中，所述至少一個(gè)非平面切割元件位于刀翼的與切割端最接近的非平面切割元件區(qū)域中。
[0014]要求保護(hù)的主題的其它方面和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)后面的描述和所附的權(quán)利要求變得更加明顯。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的鉆頭。
[0016]圖2示出現(xiàn)有技術(shù)的鉆頭的頂視圖。
[0017]圖3示出現(xiàn)有技術(shù)的鉆頭的剖視圖。
[0018]圖4示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的鉆頭的頂視圖。
[0019]圖5示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的切割輪廓。
[0020]圖6示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的圓錐形切割元件。
[0021]圖7示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的圓錐形切割元件。
[0022]圖8示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的圓錐形切割元件。
[0023]圖9示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的切割元件。
[0024]圖10示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)切割元件。
[0025]圖11示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的圓錐形切割元件。
[0026]圖12示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的圓錐形切割元件。
[0027]圖13示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的雙心鉆頭的側(cè)視圖。
[0028]圖14示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的雙心鉆頭的切割輪廓。
[0029]圖15A-15B示出圓錐形切割元件的側(cè)視圖和剖視圖。
[0030]圖16A-16B示出具有凸出的側(cè)表面的尖形切割元件的側(cè)視圖和剖視圖。
[0031]圖17示出具有凹入的側(cè)