包括多层切削元件的旋转钻头制造技术

公开一种被设计用于钻包括多个地层的井筒的多层井下钻井工具。所述钻井工具包括钻头体和多个主刀片和副刀片，所述主刀片和所述副刀片在所述钻头体的外部分上具有各自前表面。所述钻井工具进一步包括分别位于所述主刀片和所述副刀片的所述前表面上的多个第一层切削元件和第二层切削元件。每个第二层切削元件相对于所述对应第一层切削元件下方暴露。所述下方暴露量根据每个第二层切削元件选择，其具有大于第一钻井距离的实际切削深度的初始临界切削深度和在目标钻井深度下等于零的临界切削深度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括多层切削元件的旋转钻头
本公开大致涉及井下钻井工具，且更具体地涉及旋转钻头和用于设计具有多层切削元件的旋转钻头的方法。专利技术背景各种类型的井下钻井工具包括但不限于旋转钻头、扩孔钻、取芯钻头和已被用于在相关井下地层中形成井筒的其它井下工具。这些旋转钻头的实例包括但不限于固定切削刃钻头、刮刀钻头、聚晶金刚石复合片(PDC)钻头和与形成延伸穿过一个或更多个井下地层的油气井相关的胎体钻头。诸如PDC钻头的固定切削刃钻头可包括多个刀片，其各包括多个切削元件。在典型的钻井应用中，PDC钻头可用于钻透各种层或多种类型的地质层，具有比非PDC钻头长的钻头寿命。典型地层可大致在地层的上部分中(例如，较小钻井深度)具有相对较低压缩强度且在地层的下部分中(例如，较大钻井深度)具有相对较高压缩强度。因此，通常在越大的深度下钻井变得越难。此外，钻头上的切削元件可能随着钻井深度增大而经历更大磨损。附图简述通过参考结合其中相同的参考数字指示相同的特征的附图进行的下文描述，可获得本公开和其特征以及其优点的更全面理解，且其中：图1图示根据本公开的一些实施方案的钻井系统的示例性实施方案的正视图；图2图示根据本公开的一些实施方案的以通常用于对固定切削刃钻头进行建模或设计的方式向上定向的旋转钻头的等距视图；图3图示根据本公开的一些实施方案的从用钻头钻井筒收集而来的运行信息的报告；图4A图示依据如根据本公开的一些实施方案估计的钻井深度的实际平均钻速(ROP)和每分钟转数(RPM)的曲线图；图4B图示依据如根据本公开的一些实施方案估计的钻井深度的实际平均切削深度的曲线图；图5图示根据本公开的一些实施方案的依据钻井深度的第一层切削元件磨损深度、第二层切削元件临界切削深度和实际切削深度的曲线图；图6A图示根据本公开的一些实施方案的可针对其确定临界切削深度控制曲线(CDCCC)的包括第一层切削元件和第二层切削元件的钻头的钻头刃面的示意图；图6B图示根据本公开的一些实施方案的图6A的钻头的钻头刃面轮廓的示意图；图7A图示根据本公开的一些实施方案的用于确定和产生CDCCC的示例性方法的流程图；图7B图示根据本公开的一些实施方案的其中依据图6A的钻头的钻头半径绘制临界切削深度的CDCCC的曲线图；图8A至图8I图示根据本公开的一些实施方案的具有第二层切削元件的示例性放置的钻头的钻头刃面的示意图；图9图示根据本公开的一些实施方案的其中依据其中第二层切削元件具有不同下方暴露的钻头的钻头半径绘制临界切削深度的CDCCC的曲线图；图10图示根据本公开的一些实施方案的用于调整钻头上的第二层切削元件的下方暴露以接近目标临界切削深度的示例性方法的流程图；和图11图示根据本公开的一些实施方案的用于执行具有第二层切削元件的先前存在的钻头的设计更新或构造具有第二层切削元件的新钻头的示例性方法的流程图。具体实施方式通过参考图1至图11最佳了解本公开的实施方案和其优点，其中相同数字用于指示相同和对应零件。图1图示根据本公开的一些实施方案的钻井系统的示例性实施方案的正视图。钻井系统100被构造来根据本公开的一些实施方案提供钻井至一个或更多个地质层中。钻井系统100可包括井表面，有时被称作“井场”106。各种类型的钻井设备(诸如转盘、泥浆泵和泥浆罐(未明确示出))可位于井表面或井场106处。例如，井场106可包括钻机102，所述钻机102可具有与“地面钻机”相关的各种特性和特征。但是，并入本公开的教示的井下钻井工具可令人满意地与位于海上平台、钻井船、半潜式平台和钻井驳船(未明确示出)上的钻井设备一起使用。钻井系统100可包括与钻头101相关的钻柱103，其可用于形成多种井筒或钻孔，诸如大致垂直井筒114a或大致水平井筒114b，如图1中所示。各种定向钻井技术和钻柱103的井底组件(BHA)120的相关部件可用于形成大致水平井筒114b。例如，可在开始位置113附近将侧向力施加至钻头101以形成从大致垂直井筒114a延伸的大致水平井筒114b。术语“定向钻井”可用于描述钻按相对垂直方向的一个或多个期望角度延伸的井筒或井筒的部分。这些角度可大于与垂直井筒相关的正常变动。定向钻井也可被描述为钻偏离垂直方向的井筒。术语“水平钻井”可用于包括在与垂直方向相差大约九十度(90°)的方向上钻井。BHA120可由被构造来形成井筒114的多种部件形成。例如，BHA120的部件122a、122b和122c可包括但不限于钻头(例如，钻头101)钻铤、旋转转向工具、定向钻井工具、井下钻井电机、用于钻柱的重量、扭矩、弯度和弯曲方向测量的钻井参数传感器和其它振动和旋转相关传感器、扩孔器(诸如扩孔钻、管下扩眼器或扩眼器)、稳定器、含井筒勘察设备的随钻测量(MWD)部件、用于测量地层参数的随钻测井(LWD)传感器、用于通信的短跳长距遥测系统和/或任何其它适当井下设备。包括在BHA120中的部件(诸如钻铤)的数量和部件122的不同类型可依据预期井下钻井条件和将通过钻柱103和旋转钻头101形成的井筒的类型。BHA120也可包括各种类型的测井工具(未明确示出)和与井筒的定向钻井相关的其它井下工具。这些测井工具和/或定向钻井工具的实例可包括但不限于声、中子、伽马射线、密度、光电、核子磁共振、旋转转向工具和/或任何其它可购得的井工具。可至少部分通过从井表面106延伸至所选井下位置的套管柱110界定井筒114。不包括套管柱110的如图1中所示的井筒114的部分可被描述为“开孔”。此外，衬管段(未明确示出)可能存在并且可与相邻套管或衬管段连接。衬管段(未明确示出)可能未延伸至井场106。衬管段可相对于先前衬管或套管定位为邻近井底或井下。衬管段可延伸至井筒114的末端。可将各种类型的钻井流体从井表面106泵送穿过钻柱103至附接的钻头101。这些钻井流体可被导向以从钻柱103流动至包括在旋转钻头101中的各自喷嘴(图2中图示的项目156)。钻井流体可穿过至少部分由钻柱103的外径112和井筒114的内径118界定的环空108循环回至井表面106。内径118可被称作井筒114的“侧壁”或“孔壁”。环空108也可由钻柱103的外径112和套管柱110的内径111界定。开孔环空116可被定义为侧壁118和外径112。钻井系统100也可包括旋转钻头(“钻头”)101。如图2中进一步详细讨论的钻头101可包括一个或更多个刀片126，所述刀片126可从钻头101的旋转钻头体124的外部分向外安置。旋转钻头体124可具有大致圆柱形主体且刀片126可为从旋转钻头体124向外延伸的任何适当类型的突部。钻头101可在由方向箭头105界定的方向上相对于钻头旋转轴104旋转。刀片126可包括一个或更多个切削元件128，其从各刀片126的外部分向外安置。刀片126可包括一个或更多个切削深度控制器(未明确示出)，其被构造来控制切削元件128的切削深度。刀片126可进一步包括安置在刀片126上的一个或更多个保径垫(未明确示出)。钻头101可根据本公开的教示设计以及形成，并且可具有根据钻头101的特定应用的许多不同设计、构造和/或尺寸。钻井系统100可包括钻头上的一个或更多个第二层切削元件，所述第二层切削元件被构造来在特定钻井深度下和/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种被设计用于钻包括多个地层的井筒的多层井下钻井工具，其包括：钻头体；所述钻头体的外部分上的多个主刀片，每个主刀片包括前表面；所述钻头体的外部分上的多个副刀片，每个副刀片包括前表面；所述主刀片的外部分上的多个第一层切削元件，每个第一层切削元件定位在对应主刀片的所述前表面上；和所述副刀片的外部分上的多个第二层切削元件，每个第二层切削元件定位在对应副刀片的所述前表面上，且相对于对应第一层切削元件下方暴露，所述下方暴露量根据每个第二层切削元件选择，其具有大于第一钻井距离的实际切削深度的初始临界切削深度和在目标钻井深度下等于零的临界切削深度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种被设计用于钻包括多个地层的井筒的多层井下钻井工具，其包括：钻头体；所述钻头体的外部分上的多个主刀片，每个主刀片包括前表面；所述钻头体的外部分上的多个副刀片，每个副刀片包括前表面；所述主刀片的外部分上的多个第一层切削元件，每个第一层切削元件定位在对应主刀片的所述前表面上；和所述副刀片的外部分上的多个第二层切削元件，每个第二层切削元件定位在对应副刀片的所述前表面上，且相对于对应第一层切削元件下方暴露，下方暴露量根据在目标钻井深度处每个对应第一层切削元件的磨损深度来选择，每个第二层切削元件具有大于第一钻井距离的实际切削深度的初始临界切削深度和在目标钻井深度下等于零的临界切削深度。2.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述下方暴露量进一步根据所述多个地层的地层性质选择。3.根据权利要求2所述的钻井工具，其中所述地层性质是岩石强度。4.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述下方暴露量进一步根据临界切削深度控制曲线选择。5.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述下方暴露量根据所述第二层切削元件的位置变动。6.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述下方暴露量进一步根据所述多个地层之一的预期性质选择。7.根据权利要求1所述的钻井工具，其中每个第二层切削元件与所述对应第一层切削元件轨迹设定。8.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述第一层切削元件之一与不同的第一层切削元件轨迹设定。9.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述第二层切削元件的每个在可旋转地位于所述对应第一层切削元件前方的副刀片上。10.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述第二层切削元件的每个在可旋转地位于所述对应第一层切削元件后方的副刀片上。11.一种设计用于钻包括多个地层的井筒的多轮廓层钻头的方法，所述方法包括：获得先前存在的钻头的钻头运行信息；基于所述钻头运行信息产生依据钻井深度的实际切削深度；依据所述钻井深度估计多个第一层切削元件的每个的磨损；估计所述多个第一层切削元件被磨损以使得多个第二层切削元件的至少一个具有等于零的临界切削深度的目标钻井深度；和基于所述目标钻井...

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