具有防钻头循旧槽结构的混合式钻头制造技术

本发明专利技术披露了带有具有不同直径的至少两个牙轮(21)和/或利用不同刀具齿距以便在钻井作业期间减少钻头循旧槽问题的钻头(11)。尤其是，提供钻地钻头，所述钻头具有两个或更多个牙轮以及可任选的一个或更多个刀具刮刀(19)，所述钻头被布置成，通过调节其中一个或更多个牙轮的齿间距、牙轮齿距角和/或直径，减少牙轮齿在作业期间的钻头循旧槽现象。这些配置在钻头作业期间实现了防钻头循旧槽行为，提高了钻井效率。

【技术实现步骤摘要】
本申请是国际申请日为2011年6月29日、国际申请号为PCT/US2011/042437、中国国家申请号为201180032259.9的专利技术专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求2010年6月29日提交的序列号为No.61/359,606的美国临时专利申请的优先权，该专利的内容在此引入作为参考。有关联邦资助研究或开发的声明不适用。附录参考不适用。
在此披露和教导的专利技术总体上涉及用于钻井的钻地(earth-boring)钻头，更具体地说，涉及改进的钻地钻头，例如那些具有两个或更多个牙轮(rollercones)和带有相联的切削元件的可任意选择的至少一个固定刀具的组合的钻头，其中钻头在钻井作业期间呈现减少的钻头循旧槽(reducedtracking)现象，以及涉及这种钻头在井下环境中的操作。
技术介绍
牙轮钻头是公知的，其为具有固定刮刀和牙轮两者的“混合”型钻头。牙轮钻头通常在油气工业中用于钻井。牙轮钻头通常包括在一端带有用于连接至钻柱的螺纹连接部分的钻头本体以及附接在所述钻头本体的相对端并且能够相对于钻头本体旋转的多个牙轮，所述牙轮典型地为3个。在每个牙轮上配置有若干切削元件，所述切削元件通常绕各个牙轮的表面成排布置。切削元件通常可以包括碳化钨硬合金齿、聚晶金刚石复合片、铣制钢齿或它们的组合。为制作出钻井效率高并且寿命长的钻头，在钻头设计和制造上的花费是巨大的。牙轮钻头可以被认为是在设计上比固定刀具钻头更复杂，因为牙轮钻头的切削表面设置在牙轮上。牙轮钻头上的每个牙轮相对于钻头本体的旋转而绕相对于钻头本体轴线倾斜的轴线独立地旋转。因为牙轮旋转彼此独立，所以各牙轮的转速通常是各不相同的。对于任何给定的牙轮，牙轮转速通常可以由钻头的转速和牙轮的“驱动排(driverow)”的有效半径确定。牙轮的有效半径通常与牙轮上相对于钻头轴线朝着井底轴向延伸最远的切削元件的径向范围有关。这些切削元件通常承载高负荷，可以被认为是通常位于所谓的“驱动排’上。位于牙轮上以钻取钻头的全直径的切削元件被称为“保径排(gagerow)”。位于牙轮钻头的牙轮上的切削元件增加了牙轮钻头设计的复杂性，在钻井期间，切削元件通过压裂作用力和剪切作用力的组合使地层变形。另外，最新的牙轮钻头设计具有布置在每个牙轮上的切削元件，使得相邻牙轮上的切削元件在相邻牙轮之间相互啮合。在整个钻头设计中通常需要牙轮钻头上的相互啮合的切削元件，从而使得牙轮上的相邻同心排的切削元件之间的钻头泥包最小化和/或允许硬合金齿较高地突出以实现有竞争力的钻进速度(“ROP”)，同时保持钻头的使用寿命。然而，牙轮钻头上的相互啮合的切削元件显著地制约了切削元件在钻头上的布置，从而使牙轮钻头的设计更加复杂。对于当前许多的牙轮钻头设计，一个突出且总是出现的问题是，由此形成的牙轮配置，无论是任意地作出还是使用模拟设计参数，由于问题(例如“钻头循旧槽”和“打滑”)不容易被检测，因此都很少能够提供理想的钻井性能。在钻头旋转期间，当钻头上的切削元件落入由其它切削元件在之前的时刻形成的先前凹槽(impressions)之内时，就会产生钻头循旧槽现象。这种重叠对齿产生侧压力，往往引起牙轮与先前凹槽对齐。当一个牙轮的根部排的齿落入由另一个牙轮的根部排的齿形成的凹槽之内时，也可能产生钻头循旧槽现象。打滑与钻头循旧槽有关，当切削元件碰到先前形成的凹槽的一部分，然后滑入这些先前凹槽，而不是切入还未切削的地层时，会发生打滑，从而降低了钻头的切削效率。就牙轮钻头来说，在钻井过程中，由于在井眼底部(下文称为\井底\)上的动作(例如滑动)，钻头的牙轮通常不呈现纯滚动。因为切削元件在落入或滑入由其它切削元件形成的先前凹槽时不能有效切削，因此应当优选避免发生钻头循旧槽和打滑。尤其是，由于没有任何新岩石被切削，因此钻头循旧槽造成效率低下，并因而浪费能量。理想的情况是，在井底上的每一次冲击都应切削新岩石。另外，打滑也是不希望有的，因为打滑可导致切削元件上发生不均匀磨损，这反过来又可导致钻头或刀具过早失效。已经发现，由于切削元件在钻头上的间隔不是最优的原因，因此经常发生钻头循旧槽和打滑。在许多情况下，通过适当调节切削元件在钻头上的布置，可以显著减少诸如钻头循旧槽和打滑的问题。对牙轮钻头上的牙轮的驱动排上的切削元件来说尤其是这样的，因为通常驱动排是控制牙轮的转速的排。正如所指出的，钻头牙轮上的切削元件在落入或滑入由其它切削元件形成的先前凹槽时不能有效切削。尤其是，由于没有任何新岩石被切削，因此钻头循旧槽造成效率低下。另外不希望有钻头循旧槽发生是因为钻头循旧槽会导致钻进速度(ROP)变慢、切削结构发生有害磨损以及钻头本身过早失效。打滑也是不希望有的，因为打滑可导致切削元件本身不均匀磨损，这反过来又可导致切削元件过早失效。因而，钻井过程中的钻头循旧槽和打滑会导致钻进速度低，许多情况下会导致切削元件和牙轮壳体的不均匀磨损。通过适当调节切削元件在钻头上的布置，可以显著减少诸如钻头循旧槽和打滑的问题。对牙轮的驱动排上的切削元件来说尤其如此，这是因为通常驱动排控制牙轮的转速。认识到这些问题的重要性，因此已经着手有关总体钻头设计和刨削-刮削作用程度之间的定量关系的研究，试图设计和选择合适的凿岩钻头用于在给定的地层中钻井。[参见，例如DekunMa和J.J.Azar，SPEPaperNo.19448(1989)]。现存在若干个用于改变钻头上切削元件的定向以解决这些钻头循旧槽问题的解决方案。例如，美国专利号No.6,401,839披露了改变不同牙轮的一排内或重叠排之间的凿刀型切削元件的牙顶定向，以减少钻头循旧槽问题，并改善钻井性能。美国专利号No.6,527,068和No.6,827,161两者都披露了具体的用于设计钻头的方法，该方法通过用钻头模拟钻井以确定它的钻井性能，然后调节钻头上至少一个非轴对称的切削元件的定向，并重复模拟和确定，直到性能参数确定为最佳值。所描述的方法还需要用户逐步求出各个牙轮的运动，以努力克服钻头实际使用过程中可能出现的钻头循旧槽问题。这样复杂的模拟需要的计算时间相当长，而且不总是能解决可以影响钻头循旧槽和打滑的其它因素(例如正在被钻的岩石类型的硬度)。美国专利号No.6,942,045披露了一种在一排钻头上使用不同几何本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钻头，包括：钻头本体，所述钻头本体具有纵向中心轴线；从钻头本体延伸的至少一个刮刀；从钻头本体延伸的第一臂和第二臂；可旋转地固定于第一臂的第一牙轮；可旋转地固定于第二臂的第二牙轮；以及其中，第一牙轮的直径不同于第二牙轮的直径。

【技术特征摘要】
2010.06.29 US 61/359,6061.一种钻头，包括：
钻头本体，所述钻头本体具有纵向中心轴线；
从钻头本体延伸的至少一个刮刀；
从钻头本体延伸的第一臂和第二臂；
可旋转地固定于第一臂的第一牙轮；
可旋转地固定于第二臂的第二牙轮；以及
其中，第一牙轮的直径不同于第二牙轮的直径。
2.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮具有第一刀具齿距，
第二牙轮具有不同的第二刀具齿距。
3.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮包括第一刀具齿距
和不同的第二刀具齿距。
4.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮上的一刀具排以第
一刀具齿距和不同的第二刀具齿距间隔开。
5.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮上的一刀具排的第
一部分以第一刀...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·J·巴斯克，J·F·布拉德福德，
申请(专利权)人：贝克休斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US