中心具有轴向可调逆转刀具的混合钻头制造技术

本文公开了一种混合钻头，所述混合钻头上包括固定切割元件和可调切割结构二者。调整机构被提供来允许对所述可调切割结构的前端处的切割元件的轴向位置相对于所述固定切割元件的轴向位置进行调整。所述可调切割结构可以包括相对于钻头体旋转轴倾斜地安装的逆转切割构件，并且所述调整机构可以动态地支撑所述可调切割结构，以使得当所述钻头在井筒内操作时可以调整所述切割元件的所述轴向位置。可以通过改变施加至所述井筒内的所述钻头的压力而调整所述轴向位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】中心具有轴向可调逆转刀具的混合钻头
技术介绍
本公开大体上涉及井下工具，诸如在与石油和天然气勘探、钻井和生产有关的操作中有用的钻头。更确切地说，本公开涉及包括具有相对于钻头体的轴向可调位置的切割元件的钻头。通常在有关碳氢化合物、水、地热能或其它地下资源的勘探、钻井和生产的操作中，旋转钻头被用来形成穿过地质地层的井筒。旋转钻头通常可以被分类为：具有静止切割元件的固定刀具钻头(通常称为“刮刀钻头”)；或牙轮钻头，其中所述牙轮钻头具有安装在被安装用于相对于钻头的钻头体旋转的一个或多个牙轮上的切割元件。固定刀具钻头可以使用安装至钻头体的多个固定切割元件来构造。用于固定刀具钻头的钻头体可以由诸如钢等金属材料或由粘结材料构造而成，所述粘结材料通过用熔融粘合剂渗透增强材料而形成。固定切割元件可以附接至钻头体的外轮廓，以使得当形成井筒时切割元件上的硬质表面暴露于地质地层。切割元件通常操作来从地质地层移除材料，典型地通过当钻头在井筒内旋转时剪切地层材料。牙轮钻头可以由旋转地安装至钻头体的一个或多个牙轮构造而成，其中切割元件安置在牙轮上。当牙轮钻头旋转时，牙轮沿井筒的底部滚动。牙轮上的切割元件通常操作来从地质地层移除材料，典型地通过对来自地质地层的材料进行压碎、刨削和/或刮削以钻出井筒。为了各种目的，已经开发了具有固定刀具和牙轮钻头二者的特征的混合钻头。例如，在一些情况下，混合钻头可能更加耐用，从而容许在需要维护或更换钻头之前钻出比单独使用固定刀具钻头或牙轮钻头更大的深度。混合钻头还可以增强针对特定应用的特性，诸如可控性、稳定性等。当钻头钻过具有不同硬度、密度和/或其它地层参数的地质地层区域时，固定刀具钻头、牙轮钻头和混合钻头上的切割元件会受到不同程度的磨损。切割元件上的磨损通常要求对钻头进行维护或更换，这在钻井操作期间可能是昂贵和耗时的。在一些情况下，切割元件上的磨损的量可能受到以下参数影响：诸如施加至钻头的压力、穿过地质地层的穿透率、以及一个或多个切割元件从钻头体突出的轴向距离。附图说明下文仅通过举例的方式依据附图中所呈现的实例详细地描述本公开，其中：图1是包括在陆地钻井环境中操作的混合钻头的钻井系统的部分截面侧视图；图2是图1的混合钻头的透视图，示出外围定位的固定切割结构，所述外围定位的固定切割结构由钻头和被所述外围定位的固定切割结构包围的中心定位的逆转可调切割结构限定；图3是图2的混合钻头的简化透视图，其中所述钻头被示意性地绘示来说明耦接在钻头与逆转可调切割结构之间的调整机构，以用于使用层叠的柔性间隔构件将逆转可调切割结构动态地支撑在钻头体内的多个轴向位置处；图4是图3的混合钻头的截面视图；图5是钻头的截面视图，示出根据替换实例的调整机构，其中可调切割结构通过大致刚性的间隔件而被静态地支撑在钻头体内的多个可能的轴向位置中的一个位置处；并且图6是混合钻头的另一实例的截面视图，示出用于使用填充有支撑材料的空腔来支撑逆转可调切割结构的动态调整机构。具体实施方式在以下描述中，虽然附图可以绘示具有特定取向的井筒的一部分中的设备，但是除非另有指示，否则根据本公开的设备也可以同样适用于具有其它取向的井筒部分，所述其它取向包括垂直的、倾斜的、水平的、弯曲的等等。同样地，虽然附图可能绘示陆地钻井操作，但是除非另有说明，否则根据本公开的设备也可以同样适用于海上或海底操作。另外，虽然附图可能绘示裸眼井筒，但是除非另有说明，否则根据本公开的设备可以同样适用于割缝衬管或部分套管井筒。本公开包括钻头，所述钻头包括安装在钻头体上的可调切割结构，所述可调切割结构包括至少一个切割元件。例如，钻头可以是任选地包括围绕钻头体的外围安置的固定切割元件的混合钻头，并且所述可调切割结构可以包括一对逆转切割构件，该对逆转切割构件位于钻头体的中心更靠近钻头体的旋转轴的位置。钻头的旋转携载钻头体上沿着相对较长的周向路径的任何外围定位的固定切割元件，这可以有助于对来自地层的地质材料进行剪切。与钻头的旋转携载沿着相对较长的周向路径外围定位的固定切割元件同步地，可调切割结构(例如，一对逆转切割构件)可以在相对较短的圆周区域中滚动，以与外围定位的切割元件相比更接近钻头的旋转轴对地质材料进行压碎和刮削。可调切割结构包括调整机构来允许可调切割结构(以及其上的一个或多个切割元件)被支撑在相对于钻头体的多个轴向位置中的任何位置处。调整机构可以包括例如将允许可调切割结构的轴向位移的螺纹、花键或其它扭矩传递配合特征。可调切割结构可以在离散轴向位置之间移动，或者可选地在连续范围的轴向位置上移动。图1是可以合并混合钻头100的钻井系统10的实例的正视图。钻井系统10部分安置在从地面位置“S”延伸并且横断地质地层“G”的井筒14内。在所示出的实例中，虽然井筒14被示出是大体上垂直的，但是井筒14中可以包括多种垂直、定向、偏离、倾斜和/或水平部分中的任何一种，并且可以沿任何轨迹延伸通过地质地层“G”。混合钻头100被提供在钻柱18的较下端以便切割到地质地层“G”中。当旋转时，混合钻头100操作来打碎地质地层“G”。混合钻头100可以以多种方式中的任何一种旋转。在该实例中，在地面位置“S”处，钻机22包括转台28，所述转台28可以被操作来旋转整个钻柱18和耦接至钻柱18的较下端的混合钻头100。转台28选择性地由引擎30、链驱动系统或其它设备驱动。可以提供在钻柱18中的井底钻具组件或BHA32可以包括井下马达34来相对于钻柱18的其余部分选择性地旋转混合钻头100。马达34可以响应于诸如泥浆36等钻井流体从其中循环通过而生成扭矩。相对于钻柱18选择性地旋转混合钻头100的能力在定向钻井中和/或对于其它操作可以是有用的。泥浆36可以通过泥浆泵38经由钻柱18的内部泵送到井下。泥浆36传递通过BHA32的井下马达34，在这里从泥浆36提取能量来转动混合钻头100。当泥浆36传递通过BHA32时，泥浆36在被挤压通过限定在混合钻头100中的喷嘴124(图2)之前可以润滑限定在所述BHA32中的轴承(未明确示出)。当泥浆36继续向上循环通过限定在钻柱18与地质地层“G”之间的环形空间40时，泥浆36冲刷来自混合钻头100的路径的地质钻屑和/或其它碎屑。地质钻屑和其它碎屑被泥浆36携载至地面位置“S”，在这里可以从泥浆流移除岩屑和碎屑。图2是混合钻头100的透视图，示出钻头体102，所述钻头体102限定外围定位的固定切割结构104和被所述外围定位的固定切割结构104包围的中心定位的逆转可调切割结构106。混合钻头100还可以包括从钻头体102延伸的用于将混合钻头100耦接至钻柱18(图1)的各种类型的连接器108中的任何一种。连接器108可以包括其上限定有美国石油学会(API)螺纹的螺纹销。钻头体102限定在其前端102A与后端102B之间延伸的钻头体旋转轴“X0”。钻头体102可以由诸如钢等金属材料或大体上与制造旋转钻头相关联的各种金属合金中的任何一种构造而成。或者，钻头体102可以由粘结材料构造而成，所述粘结材料通过用例如铜、锡、锰镍合金和锌的熔融粘合剂渗透例如碳化钨粉末的增强材料而形成。外围定位的固定切割构件104包括多个切割刀片114，所述多个切割刀片114利用限定在切割刀片114本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于形成穿过地质地层的井筒的钻头，所述钻头包括：连接器，所述连接器被配置用于连接至钻柱，钻头体，所述钻头体耦接至所述连接器并且限定在其中纵向延伸的钻头体旋转轴；可调切割结构，所述可调切割结构安装在所述钻头体上，所述可调切割结构包括从所述钻头体的前端突出以便穿透所述地质地层的至少一个切割元件；以及调整机构，所述调整机构耦接在所述钻头体与所述可调切割结构之间以便将所述可调切割结构支撑在相对于所述钻头体的多个轴向位置处。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于形成穿过地质地层的井筒的钻头，所述钻头包括：连接器，所述连接器被配置用于连接至钻柱，钻头体，所述钻头体耦接至所述连接器并且限定在其中纵向延伸的钻头体旋转轴；可调切割结构，所述可调切割结构安装在所述钻头体上，所述可调切割结构包括从所述钻头体的前端突出以便穿透所述地质地层的至少一个切割元件；以及调整机构，所述调整机构耦接在所述钻头体与所述可调切割结构之间以便将所述可调切割结构支撑在相对于所述钻头体的多个轴向位置处。2.如权利要求1所述的钻头，其中所述调整机构进一步包括：至少一个柔性间隔构件，所述至少一个柔性间隔构件安置在所述可调切割结构与所述钻头体之间以动态地支撑所述可调切割结构。3.如权利要求2所述的钻头，其中所述至少一个柔性间隔构件包括所述可调切割结构与所述钻头体之间处于弹簧预加载力下的弹簧，以防止所述可调切割结构在低于与所述弹簧预加载力有关的阈值的轴向力下的轴向移动。4.如权利要求2所述的钻头，其中所述调整机构进一步包括对应的花键表面，所述对应的花键表面容许所述可调切割结构与所述钻头体之间的轴向移动以及所述可调切割结构与所述钻头体之间的扭矩传递。5.如权利要求1所述的钻头，所述钻头进一步包括固定切割结构，所述固定切割结构包括安装在所述钻头体上以便随着所述钻头体围绕所述钻头体旋转轴旋转的至少一个固定切割元件。6.如权利要求5所述的钻头，其中所述固定切割结构包括安装在所述钻头体上并且包围所述可调切割结构的多个固定切割元件。7.如权利要求1所述的钻头，其中所述可调切割结构进一步包括围绕滚子轴安装的一个或多个旋转切割构件，所述滚子轴相对于所述可调切割结构上的所述钻头体旋转轴倾斜地支撑。8.如权利要求7所述的钻头，其中所述滚子轴相对于所述钻头体旋转轴大体上垂直地布置。9.如权利要求1所述的钻头，其中所述调整结构包括限定在所述钻头体中的空腔，所述空腔填充有选自由以下组成的组的支撑材料：可压缩气体、液体、粘弹性材料和超弹性材料。10.如权利要求1所述的钻头，其中所述调整机构将所述可调切割结构静态地支撑在安置在所述可调切割结构与所述钻头体之间的至少一个大致刚性的间隔构件上。11.一种用于形成穿过地质地层的井筒的钻头，所述钻头包括：连接器，所述连接器被配置用于连接至钻柱，钻头体，所述钻头体耦接至所述连接器并且限定在其中纵...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·C·格罗兹，
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