具有改进的切割器布置的井下工具制造技术

具有偏移刀片的地表钻探工具，偏移刀片包括具有侧倾角或侧面倾角的多个固定切割器，与常规设置相比，配置为用于改善切屑的去除和排出、钻探效率和/或切削深度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改进的切割器布置的井下工具优先权要求本申请要求2018年8月16日提交的美国临时专利第62/719,109号和2018年8月17日提交的美国专利第16/104,855号的权益，其全部内容结合于此作为参考。
本专利技术大体涉及使用安装在旋转体上的固定切割器来钻探地层的钻头、铰刀和类似的井下工具。
技术介绍
用于在钻探石油和天然气井时用于在地下岩层中钻孔或形成孔的旋转钻头、铰刀和类似的井下工具附接至钻柱并旋转以将安装在工具主体上的离散、固定的切割结构拖向底层。这些切割结构或元件称为“切割器”。旋转工具会导致切割器通过剪切作用使岩石破裂。所产生的碎石或刨花称为切屑-从工具的表面冲洗掉，并使用循环介质将其带地面，该介质沿钻柱向下泵送并从工具表面的喷嘴中出去。携带钻屑的钻井液流至井孔的壁和钻柱之间的环空的表面。循环介质可以是钻井液(也称为钻井“泥浆”)或气体或泡沫(“空气”)。“PDC钻头”是旋转刮刀钻头的一个示例，其包括主体，在主体上安装有在固定位置的离散PDC切割器。PDC切割器的由烧结的聚晶金刚石(PCD)或其他高度磨损的材料组成的工作表面或磨损表面。“PDC切割器”通常是指由复合片组成的离散的切割元件，复合片具有由烧结的聚晶金刚石(天然或合成的)制成的一个或多个磨损层组成，该烧结的聚晶金刚石表现出金刚石与金刚石的结合，该金刚石与金刚石的结合附接到金属碳化物(典型地为碳化钨)基底上。复合片还可以例如包括过渡层，在过渡层中，金属碳化物和金刚石与其他元素混合，以改善PCD和基底之间的结合并减小应力。但是该术语有时也广泛地用来指具有类金刚石磨损表面的切割器。至少在某些钻探应用中，聚晶立方氮化硼、纤锌矿氮化硼、聚集的金刚石纳米管(AND)或其他坚硬的结晶材料可以代替聚晶金刚石。为了本公开的目的，聚晶立方氮化硼、纤锌矿氮化硼、ADN和类似材料的烧结复合片等同于聚晶金刚石复合片。即使超硬磨损层不是由金刚石制成的，带切割器的旋转钻头有时也被称为PDC钻头，其中切割器具有像金刚石这样的超硬磨损表面。因此，在以下书面说明中对“PDC钻头”的引用应解释为包括钻头，该钻头具有切割器和复合片的，该切割器具有由聚晶金刚石和合适的替代物制成的耐磨表面，以及复合片具有包含可用于改善耐磨层的特性和切割特征的其他材料或结构元件的磨损表面。此外，为了避免任何疑问，聚晶金刚石的引用旨在涵盖热稳定的各种烧结聚晶材料，其中金属催化剂在烧结后已被部分或全部除去。具有固定切割器的刮刀钻头和其他井下工具通常没有移动切割器或其他零件。诸如PDC钻头之类的钻头钻体通常被铸造或铣削为一体。PDC钻头的主体可以由钢或钢合金(钢制钻头)、基体材料(基体钻头)或其他类型的材料制成。基体主体通常由碳化钨和由金属(例如钴和钴的合金)组成的结合相组成。也可以将硬面材料施加到钻头主体的区域上以改善耐磨性。PDC钻头主体的直径范围通常在4英寸到26英寸以上。旋转刮刀钻头，特别是PDC钻头，的主体具有切割面和保径部，该切割面通常在井孔钻进的方向上朝向地层，并且保径部用于建立钻头的外部金刚石，以及用于将其与钻柱或旋转杆连接的标准API连接。PDC钻头面和保径部的形状或几何形状部分由两个结构特征定义：“刀片”和“垃圾槽”。主切割器在钻头表面成排排列，以便在主切割器前面的钻头主体中定义通道。这些在钻头和地层之间提供空间的通道，以使钻屑能够被循环介质有效地排出，这些通道被称为“垃圾槽”。钻屑如果不从刮刀钻头的切割面上排出，会堵塞钻头和切割器的作用，从而降低钻进效率。在某些类型的岩石或土壤(例如粘土)的情况下，钻屑可能发粘并趋于粘住并粘附在切割器和钻头上，从而干扰钻头的旋转和切割作用。通过在高压和高速下引导钻井液或空气穿过切割器的面并沿着垃圾槽向下去除切屑。使用位于垃圾槽中的喷嘴引导钻井液。位于通道之间的切割面和保径部上的凸起结构部件被称为“刀片”，在刀片上安装有切割器。沿着钻头的面的刀片和垃圾槽通常在径向方向上朝向主体的保径部以及然后沿着主体的保径部向下。通常通过在主体的铸造和机械加工期间通过将其钎焊到已经形成在刀片中的凹穴中，将切割器以固定的定向在安装在刀片的固定位置上。每个刀片支撑多个离散的切割器。PDC位可以具有任意数量的刀片。具有3-6个刀片的PDC位是典型的，尽管可能超过6个。一些刀片从钻头中心向外延伸至保径部。这些被称为主刀片。称为次刀片的其他刀片不延伸到钻头的中心。大多数PDC钻头具有相似的横截面形状或轮廓。中心呈圆锥形，尽管有一些带有凸锥的PDC钻头的实例，但通常为凹的。锥体的直径、深度和角度是根据各种设计考虑和性能权衡选择的。锥体周围是称为鼻部的区域。锥体的径向外侧的面积或区域称为肩部，在此处钻头的轮廓从鼻部过渡到保径部。PDC钻头的肩部上的切割器主要用于扩大由位于鼻部和锥体中的切割器引发的钻孔。除了切割轮廓内的径向位置外，每个切割器还具有尺寸和定向。通常，相对于两个坐标系之一来定义定向：相对于钻头的旋转轴定义的钻头的坐标系；或通常基于切割器本身的坐标系。切割器的定向通常根据绕两个轴的旋转来指定：切割器的侧倾斜或旋转以及切割器的前/后倾斜或旋转。通常根据所使用的参考系，根据侧倾角或侧倾角度指定侧倾斜。为了简单起见，除非另外说明，否则对侧斜或侧斜角的引用旨在包括并包含侧倾角，反之亦然。根据所使用的参考系，根据轴向前倾角或后倾角指定后倾角。因此，可以通过每个切割器的径向位置和距钻头的中心线的距离、切割器在刀头面上的角位置、其安装在其上的刀片及其方向来指定切割器的几何形状。图1A表示用于PDC钻头的切割结构几何形状的部分的示意图，该PDC钻头包括安装在多个刀片(未示出)上的离散的固定切割器。该图旨在说明侧倾的概念。钻头的保径部通常用圈110表示。为了清楚起见，仅示出了三个固定切割器112、114和116。典型的PDC钻头将具有三个以上的切割器。参考标号118标识图1中的钻头的旋转中心或旋转轴。径向线120代表围绕中心轴(旋转轴)118的零度角旋转，该中心轴是钻头的旋转轴。在该实例中，固定切割器112和114位于相同的径向线122上，以相同的角度，如角度124所示，但是它们分别径向偏移距离126和128。在此实例中，它们位于同一刀片上，这在示意图中未示出。但是，同一刀片上的切割器并非总是沿着与钻头中心轴相交的直线。刀片通常是弯曲的，使得当刀片朝向保径部延伸时，刀片上的切割器的角位置相对于前面的切割器旋转移位。曲线通常可以描述为穿过安装在弯曲刀片前缘上的切割器的面。连接切割器的面的线的弯曲通常对应于刀片前缘的弯曲。切割器116位于径向线132上，该径向线132具有大得多的角位置，如角度133所示。距旋转轴的径向位移用距离134表示，该距离大于其他两个切割器112和114的距离。每个切割器112、114和116示出为具有分别由角度136、138和140表示的不同量的侧倾角。在此实例中，通过(1)垂直于该切割器的径向线的线(该线通过切割器的切割面与切割器的主轴线的交点限定的点)和(2)切割器的主轴线之间的角度定义侧倾角。例如，在切割器114的情况下，侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于推进井孔的钻头，包括：/n钻头主体，具有中心轴线，所述钻头旨在围绕所述中心轴线旋转，所述主体具有保径部和切割面，在所述保径部和所述切割面上形成有通过通道彼此分开的径向延伸的多个刀片，所述多个刀片中的每个支撑多个离散的、固定切割器，用于沿着每个刀片的前缘剪切岩石以排出岩屑，所述每个刀片靠近所述多个通道中的一个通道；所述切割器的每个具有在所述多个刀片的一个上的固定位置、在至少通过所述多个切割器限定的切割轮廓中的固定切割器位置、以及具有固定的侧倾角，所述侧倾角具有可以为负、正或零的极性；/n其中，/n所述刀片的至少一个是偏移刀片，所述偏移刀片从所述中心轴线附近朝向所述保径部径向向外延伸并具有与所述多个通道中的一个相邻的前缘，所述刀片具有第一部分和至少一个第二部分，所述第二部分从所述第一部分径向地和成角度地移位；/n所述多个切割器中的至少两个沿着所述第一部分中的前缘安装，并且所述多个切割器中的至少两个沿着所述第二部分中的前缘安装；/n其中，每组中的所述至少两个切割器的侧倾角彼此相差至少4度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180816 US 62/719,109;20180817 US 16/104,8551.一种用于推进井孔的钻头，包括：
钻头主体，具有中心轴线，所述钻头旨在围绕所述中心轴线旋转，所述主体具有保径部和切割面，在所述保径部和所述切割面上形成有通过通道彼此分开的径向延伸的多个刀片，所述多个刀片中的每个支撑多个离散的、固定切割器，用于沿着每个刀片的前缘剪切岩石以排出岩屑，所述每个刀片靠近所述多个通道中的一个通道；所述切割器的每个具有在所述多个刀片的一个上的固定位置、在至少通过所述多个切割器限定的切割轮廓中的固定切割器位置、以及具有固定的侧倾角，所述侧倾角具有可以为负、正或零的极性；
其中，
所述刀片的至少一个是偏移刀片，所述偏移刀片从所述中心轴线附近朝向所述保径部径向向外延伸并具有与所述多个通道中的一个相邻的前缘，所述刀片具有第一部分和至少一个第二部分，所述第二部分从所述第一部分径向地和成角度地移位；
所述多个切割器中的至少两个沿着所述第一部分中的前缘安装，并且所述多个切割器中的至少两个沿着所述第二部分中的前缘安装；
其中，每组中的所述至少两个切割器的侧倾角彼此相差至少4度。


2.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一组切割器中的至少一个切割器在所述偏移刀片上与所述一组切割器中的另一个切割器相邻。


3.根据权利要求2所述的钻头，其中，每组切割器中的所有切割器在所述偏移刀片上彼此相邻。


4.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一组切割器中的所述至少一个切割器在所述切割轮廓中与所述一组切割器中的另一个切割器相邻。


5.根据权利要求4所述的钻头，其中，所述一组切割器中的所有切割器在所述切割轮廓中与所述一组切割器中的另一个切割器相邻。


6.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述钻头主体具有锥形、鼻部、肩部和保径部，并且所述一组切割器中的所有切割器都位于所述锥形、所述鼻部、所述肩部或所述保径部中的一个内。


7.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一组切割器中的至少一个切割器的侧倾角极性不同于所述一组切割器中的不同切割器的侧倾角极性。


8.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一组切割器中的每个切割器的侧倾角由该切割器的切割面关于轴线的角度方向而限定，所述轴线与在所述切割器的径向位置处的所述切割轮廓的切线垂直。


9.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一组切割器中的每个切割器的侧倾角由该切割器的切割面关于轴线的角度方向而限定，所述轴线与投影到所述切割面的平面上的所述切割器的径向位置处的所述切割轮廓的切线垂直。


10.一种用于推进井孔的钻头，包括：
钻头主体，具有中心轴线，所述钻头旨在围绕所述中心轴线旋转，所述主体具有通过通道彼此分开的径向延伸的多个刀片，所述多个刀片中的每个支撑所述多个切割器；所述切割器的每个具有在所述多个刀片的一个上的固定位置、在至少通过所述多个切割器限定的切割轮廓中的固定切割器位置、以及具有固定的侧倾角，所述侧倾角具有可以为负、正或零的极性；
其中，
所述刀片的至少一个是偏移刀片，所述偏移刀片具有与所述多个通道中的一个相邻的前缘，所述刀片具有第一部分和第二部分，所述第二部分从所述第一部分径向地和成角度地移位；
其中，所述多个切割器包括至少一组两个或多个主切割器，所述主切割器沿着前偏移刀片成排安装，其中，每组中的所述至少两个主切割器的侧倾角彼此相差至少4度。


11.根据权利要求10所述的钻头，其中，所述一组切割器中的至少一个切割器在所述偏移刀片上与所述一组切割器中的另一个切割器相邻。


12.根据权利要求11所述的钻头，其中，所述一组切割器中的所有切割器在所述偏移刀片上彼此相邻。


13.根据权利要求10所述的钻头，其中，所述一组切割器中的所述至少一个切割器在所述切割轮廓中与所述一组切割器中的另一个切割器相邻。


14.根据权利要求13所述的钻头，其中，所述一组切割器中的所有切割器在所述切割轮廓中与所述一组切割器中的另一个切割器相邻。


15.根据权利要求10所述的钻头，其中，所述钻头主体具有锥形、鼻部、肩部和保径部，并且所述一组切割器中的所有切割器都位于所述锥形、所述鼻部、所述肩部或所述保径部中的一个内。


16.根据权利要求10所述的钻头，其中，所述一组切割器中的至少一个切割器的侧倾角极性不同于所述一组切割器中的另一侧切割器的侧倾角极性。


17.根据权利要求10所述的钻头，其中，所述钻头上的每个切割器的侧倾角由所...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗·M·卡萨德，卡尔·阿伦·迪恩，
申请(专利权)人：阿特拉钻孔技术有限合伙公司，
类型：发明
国别省市：美国;US