包括呈阶梯型面配置的切割元件的多级力平衡井下钻井工具制造技术

公开的是一种经设计以用于钻制井筒的井下钻井工具。所述钻井工具包括钻头本体，以及所述钻头本体的外侧部分上的第一多个叶片和第二多个叶片。第一组切割元件位于所述第一多个叶片的外侧部分上。第二组切割元件位于所述第二多个叶片上且相对于所述第一组切割元件下方暴露。所述第一和第二多个叶片以及所述第一组和第二组切割元件彼此协作以形成复合钻头面型面，使得所述复合钻头面型面上的每一相应组的至少三个相邻切割元件相对于彼此力平衡。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及井下钻井工具，且更特定来说涉及包括呈阶梯型面配置的切割元件的多级力平衡井下钻井工具。
技术介绍
可使用各种类型的井下钻井工具，包括(但不限于)旋转钻头、扩孔器、岩心钻头、稳定器和其它井下工具，在相关联井下地层中形成井筒。旋转钻头的实施例包括(但不限于)用以形成延伸穿过一个或多个井下地层的井筒的固定切割器钻头、刮刀钻头、多晶金刚石复合片(PDC)钻头、矩阵钻头、牙轮钻头、旋转锥形钻头和岩石钻头。与这些钻头相关联的切割动作一般需要与进入井下地层的邻近部分中的切割元件相关联的钻压(WOB)和旋转。旋转钻头可以形成为具有从钻头本体延伸的若干叶片，其中叶片的外侧部分上安置有切割元件。已使用各种技术和程序来选择用于在井下钻井工具上安装切割元件的位置。这些现有技术假定所有切割元件与基本均匀的井下地层接合。然而，在典型钻井应用中，地层可基本具有在地层的上部部分(例如，较浅的钻井深度)中的相对低的压缩强度以及在地层的下部部分(例如，较深的钻井深度)中的相对高的压缩强度。附图说明通过参考以下结合附图做出的描述可以获得各种实施方案及其优点的更完整且详尽的理解，在附图中相同参考标号指示相同特征，且其中：图1说明根据本公开的一些实施方案的钻井系统的实施例实施方案的立面图；图2A说明根据本公开的一些实施方案的以经常用以建模或设计钻头的方式向上定向的旋转钻头的等距视图；图2B说明根据本公开的一些实施方案的示出图2A的旋转钻头钻制井筒穿过第一井下地层且进入邻近的第二井下地层的截面和立面示意图，其中若干部分被分解开；图3A说明根据本公开的一些实施方案的用于井下钻井工具的钻头面的示意图，所述井下钻井工具包括用于多级力平衡所述井下钻井工具的两切割元件组；图3B说明根据本公开的一些实施方案的图3A的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图3C说明根据本公开的一些实施方案的用于井下钻井工具的钻头面的示意图，所述井下钻井工具包括用于多级力平衡所述井下钻井工具的三切割元件组；图3D说明根据本公开的一些实施方案的图3C的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图3E说明根据本公开的一些实施方案的用于井下钻井工具的钻头面的示意图，所述井下钻井工具包括用于多级力平衡所述井下钻井工具的四切割元件组；图3F说明根据本公开的一些实施方案的图3E的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图3G说明根据本公开的一些实施方案的用于井下钻井工具的钻头面的示意图，所述井下钻井工具包括用于多级力平衡所述井下钻井工具的五切割元件组；图3H说明根据本公开的一些实施方案的图3G的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图4A和图4B说明根据本公开的一些实施方案的示出匹配主叶片、切割元件组、叶片组以及切割元件集合以用于井下钻井工具的多级力平衡的实施例的表；图5说明根据本公开的一些实施方案的示出在多级力平衡井下钻井工具的设计期间主叶片、切割元件组、叶片组以及切割元件集合的优选匹配的实施例的表；图6说明根据本公开的一些实施方案的用于具有五个叶片的井下钻井工具的钻头面的示意图，包括用以基于用于多级力平衡所述井下钻井工具的叶片组和切割元件集合而安装切割元件的示范性位置；图7A和图7B说明根据本公开的一些实施方案的用于具有八个叶片的井下钻井工具的钻头面的示意图，包括用以基于用于多级力平衡所述井下钻井工具的叶片组和切割元件集合而安装切割元件的示范性位置；图8A说明根据本公开的一些实施方案的用于具有五个叶片的井下钻井工具的钻头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的单集合和轨道集合配置的组合而安装切割元件的示范性位置；图8B说明根据本公开的一些实施方案的图8A的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图8C说明根据本公开的一些实施方案的用于具有六个叶片的井下钻井工具的钻头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的单集合和轨道集合配置的组合而安装切割元件的示范性位置；图8D说明根据本公开的一些实施方案的图8C的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图8E说明根据本公开的一些实施方案的用于具有七个叶片的井下钻井工具的钻头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的单集合和轨道集合配置的组合而安装切割元件的示范性位置；图8F说明根据本公开的一些实施方案的图8E的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图8G说明根据本公开的一些实施方案的用于具有八个叶片的井下钻井工具的钻头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的单集合和轨道集合配置的组合而安装切割元件的示范性位置；图8H说明根据本公开的一些实施方案的图8G的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图8I说明根据本公开的一些实施方案的用于具有九个叶片的井下钻井工具的钻头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的单集合和轨道集合配置的组合而安装切割元件的示范性位置；图8J说明根据本公开的一些实施方案的图8I的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图9A说明根据本公开的一些实施方案的用于具有五个叶片的井下钻井工具的钻头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的轨道集合配置而安装切割元件的示范性位置；图9B说明根据本公开的一些实施方案的图9A的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图9C说明根据本公开的一些实施方案的用于具有六个叶片的井下钻井工具的钻头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的轨道集合配置而安装切割元件的示范性位置；图9D说明根据本公开的一些实施方案的图9C的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图9E说明根据本公开的一些实施方案的用于具有七个叶片的井下钻井工具的钻头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的轨道集合配置而安装切割元件的示范性位置；图9F说明根据本公开的一些实施方案的图9E的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图9G说明根据本公开的一些实施方案的用于具有八个叶片的井下钻井工具的钻头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的轨道集合配置而安装切割元件的示范性位置；图9H说明根据本公开的一些实施方案的图9G的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；图9I说明根据本公开的一些实施方案的用于具有九个叶片的井下钻井工具的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种经设计以形成井筒的井下钻井工具，其包括：钻头本体；所述钻头本体的外侧部分上的第一多个叶片；第一组切割元件，其位于所述第一多个叶片的外侧部分上；所述钻头本体的外侧部分上的第二多个叶片；第二组切割元件，其位于所述第二多个叶片的外侧部分上且相对于所述第一组切割元件下方暴露，所述第一和第二多个叶片以及所述第一和第二组切割元件彼此协作以形成复合钻头面型面；以及所述复合钻头面型面上的每一相应组的至少三个相邻切割元件，所述至少三个相邻切割元件相对于彼此力平衡。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种经设计以形成井筒的井下钻井工具，其包括：
钻头本体；
所述钻头本体的外侧部分上的第一多个叶片；
第一组切割元件，其位于所述第一多个叶片的外侧部分上；
所述钻头本体的外侧部分上的第二多个叶片；
第二组切割元件，其位于所述第二多个叶片的外侧部分上且相对于所述
第一组切割元件下方暴露，所述第一和第二多个叶片以及所述第一和第二组
切割元件彼此协作以形成复合钻头面型面；以及
所述复合钻头面型面上的每一相应组的至少三个相邻切割元件，所述至
少三个相邻切割元件相对于彼此力平衡。
2.如权利要求1所述的井下钻井工具，其中：
所述第一组切割元件中的每一切割元件相对于彼此力平衡；且
所述第二组切割元件中的每一切割元件相对于彼此力平衡。
3.如权利要求1所述的井下钻井工具，其中所述第一组切割元件和所述
第二组切割元件相对于彼此力平衡。
4.如权利要求1所述的井下钻井工具，其中所述第一和第二组切割元件
中的所有切割元件相对于彼此力平衡。
5.如权利要求1所述的井下钻井工具，其中用于所述一组的至少三个相
邻切割元件的所述钻头面型面上的相应切割表面重叠大约30％与大约100％
之间。
6.如权利要求1所述的井下钻井工具，其中如果与所述至少三个连续相
邻切割元件相关联的钻头不平衡力的量值小于与相应组的相邻切割元件中的
每一切割元件相关联的最大钻头不平衡力，那么每一组的至少三个相邻切割
元件力平衡。
7.如权利要求1所述的井下钻井工具，其中每一相应组的相邻切割元件
包括三个或四个相邻切割元件。
8.如权利要求1所述的井下钻井工具，其中所述第二组切割元件中的所
述切割元件中的每一个下方暴露不同的量。
9.如权利要求1所述的井下钻井工具，其中所述第一组切割元件与所述
第二组切割元件之间的下方暴露在大约0.01英寸与0.15英寸之间。
10.如权利要求1所述的井下钻井工具，其中所述第二组切割元件中的
所述切割元件中的至少一个相对于所述第二组切割元件中的另一切割元件为
轨道集合。
11.如权利要求1所述的井下钻井工具，其还包括：
所述钻头本体的外侧部分上的第三多个叶片；
第三组切割元件，其位于所述第三多个叶片的外侧部分上且相对于所述
第二组切割元件下方暴露，所述第一、第二和第三多个叶片以及所述第一、
第二和第三组切割元件彼此协作以形成所述复合钻头面型面；以及
所述复合钻头面型面上的每一相应组的至少三个相邻切割元件，所述至
少三个相邻切割元件相对于彼此力平衡。
12.一种设计用于钻制井筒的多级力平衡井下钻井工具的方法，其包括：
基于作用于第一组切割元件中的切割元件中的每一个上的平衡力来选择
用于在第一多个叶片的外侧部分上安装所述第一组切割元件的位置；
基于作用于第二组切割元件中的切割元件中的每一个上的平衡力来选择
用于在第二多个叶片的外侧部分上安装所述第二组切割元件的位置，所述第
二组切割元件相对于所述第一组切割元件下方暴露；
使所述第一和第二多个叶片以及所述第一和第二组切割元件突出到复合
钻头面型面上；
在钻制井筒的同时模拟作用于所述第一和第二组切割元件中的所有切割
元件上的力；以及
评估作用于所述复合切割面型面上的每一组至少三个...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈世林，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US