具有用于减少钻头游动的选择性定制的保径区域的钻地工具以及利用该钻地工具的钻探方法技术

本公开提供一种钻头，该钻头包括：钻头体，该钻头体具有纵向轴线；以及刀片，该刀片沿着面区域从纵向轴线径向向外延伸并且沿着保径区域轴向延伸。该保径区域包括：保径特征；以及第一凹陷区域和第二凹陷区域，该第一凹陷区域和该第二凹陷区域分别在保径特征的上方和下方轴向延伸。保径特征的最外表面径向延伸超过刀片在凹陷区域中的外表面。一种钻探钻孔的方法包括：使钻头围绕纵向轴线旋转；使地层与安装到面区域的切削元件接合；以及增大基本上垂直于纵向轴线施加的侧向力，使得保径区域中的径向外表面接合地层并且使得钻头表现出的侧切削最初最小且基本上恒定并且随后随着侧向力的增大而以基本上线性的方式增大。力的增大而以基本上线性的方式增大。力的增大而以基本上线性的方式增大。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有用于减少钻头游动的选择性定制的保径区域的钻地工具以及利用该钻地工具的钻探方法
[0001]优先权声明
[0002]根据35U.S.C.
§
119(e)，本专利申请要求2017年9月29日提交的美国临时专利申请序列号62/565,375的权益，该专利的公开内容据此全文以引用方式并入本文。本专利申请的主题也涉及与其在同一日期提交的标题为“Earth
‑
boring Tools Having a Gauge Region Configured for Reduced Bit Walk and Method ofDrilling with Same(具有被配置用于减少钻头游动的保径区域的钻地工具以及利用该钻地工具的钻探方法)”的美国申请_______(代理人案卷号1684
‑
14412US)的主题。本专利申请的主题进一步涉及与其在同一日期提交的标题为“Earth
‑
Boring Tools Having a Gauge Insert Configured for Reduced Bit Walk and Method of Drilling with Same(具有被配置用于减少钻头游动的保径插件的钻地工具以及利用该钻地工具的钻探方法)”的美国申请序列号________(代理人案卷号1684
‑
P14415US)的主题。


[0003]在各种实施方案中，本公开整体涉及具有径向延伸的刀片和轴向延伸的刀片的钻地工具诸如钻头。刀片在钻头的保径区域中的外表面的形状和外形被配置为在钻探钻孔的基本上笔直部分时限制钻头的侧切削，而在钻探钻孔的弯曲(例如，偏斜)部分时不限制钻头的侧切削。

技术介绍

[0004]旋转钻头通常用于在地层中钻探钻孔或井筒。一种类型的旋转钻头为固定刀具钻头(通常称为“刮刀”钻头)。图1是此常规固定刀具钻头10的示意性剖视图。钻头10通常包括固定到钻头体12的面区域11的多个切削元件(未示出)。一般来讲，钻头10的切削元件具有盘形或基本上圆柱形的形状。可在每个切削元件的基本上圆形端面上设置切削表面，该切削表面包括超硬磨料，诸如相互粘结的金刚石颗粒。此类切削元件通常被称为“多晶金刚石复合片”(PDC)切削元件。通常，切削元件与钻头体12分开制造并且固定在形成于钻头体12的外表面16中的凹坑14内。可使用诸如粘合剂或(更典型地)钎焊合金的粘结材料来将切削元件固定到钻头体12。可将钻头10置于钻孔中，使得切削元件邻近待钻探的地层。随着钻头10的旋转，切削元件刮擦并剪切下伏地层的表面。
[0005]通常将钻头10的钻头体12固定到硬化钢柄部18，该硬化钢柄部具有美国石油学会(API)螺纹连接，以用于将钻头10附接到钻柱。钻柱包括管状管段和设备段，这些段端对端地联接在钻头与地面上的其他钻探设备之间。可使用诸如旋转台或顶驱的设备来使钻柱和钻头10在钻孔内旋转。另选地，钻头18的柄部10可直接联接到井下马达的驱动轴，该井下马达随后可用于使钻头10单独地或与旋转台或顶驱一起旋转。
[0006]钻头10的钻头体12可由钢形成。另选地，钻头体12可由颗粒
‑
基质复合材料形成。通常通过将钢坯嵌入碳化物颗粒材料体积(诸如碳化钨(WC)颗粒)中并用液态金属材料(通
常称为“粘结剂”材料)诸如铜合金渗入颗粒碳化物材料中以提供基本上由颗粒
‑
基质复合材料形成的钻头体来形成此类钻头体。具有由此颗粒
‑
基质复合材料形成的钻头体的钻头相对于具有钢钻头体的钻头可表现出增大的抗蚀性和耐磨性。
[0007]钻探地层的过程可视化为三维过程，因为钻头10不仅可沿着竖直轴线线性地穿透地层，而且可有意地或无意地沿着弯曲路径钻探或者相对于理论竖直轴线成角度钻探以及相对于理论竖直轴线沿特定侧向方向钻探，该理论竖直轴线沿基本上平行于地球重力场的方向延伸到地层中。如本文所用，术语“定向钻探”是指以下两个过程：将钻头沿着某个期望轨迹穿过地层引导到预定目标位置以形成钻孔；以及将钻头沿着预定义轨迹在除沿基本上平行于地球重力场的方向直接向下进入地层之外的方向引导到已知目标或未知目标。
[0008]已开发出用于定向钻探的若干方法。例如，容积(Moineau)式马达以及涡轮已与偏转装置(诸如弯壳体、弯接头、偏心稳定器以及它们的组合)结合使用，以在钻头10仅由马达驱动轴旋转时实现取向的非线性钻探，以及在钻头10通过马达轴和钻柱的叠加旋转而旋转时实现线性钻探。
[0009]其他可导向井底钻具组合件是已知的，包括其中可通过一个或多个接触焊盘或构件相对于钻孔壁的选择性侧向延伸和回缩来改变钻柱的挠曲或取向的井底钻具组合件。一种这样的系统为本专利技术的受让人贝克休斯公司(通用电气公司)(Baker Hughes，a GE company，LLC)的INTEQ操作单元开发AutoTrak
TM
钻探系统。AutoTrak
TM
钻探系统的井底钻具组合件采用非旋转套筒，旋转驱动轴延伸穿过该非旋转套筒以驱动钻头10，因此套筒与钻柱旋转分离。套筒在其外部承载可单独控制的、可膨胀的、周向间隔开的转向肋，由肋施加在套筒上的侧向力由活塞控制，这些活塞通过容纳在贮存器内的液压流体操作，该贮存器定位在套筒内。闭环电子器件测量套筒的相对位置并且基本上连续地调整每个转向肋的位置，以便在钻头处沿期望方向提供稳定的侧向力。此外，可导向井底钻具组合件包括在钻头10和马达之间放置弯的可调造斜(AKO)接头。在其他情况下，可省略AKO，并且可向钻柱/钻头施加侧向载荷(例如，侧向力)，以致使钻头10随着其向下降而侧向行进。
[0010]定向钻探和偏斜控制的过程由于钻头10与钻孔周围的地层壁之间的力的复杂相互作用而变得复杂。在用旋转钻头，特别是用固定刀具型旋转钻头10钻探时，已知的是如果向钻头10施加了侧向力(箭头28所示)，则钻头10可能会从与钻孔的预期纵向轴线平行的笔直路径“游动”或“漂移”。许多因素或变量可至少部分地有助于由周围地层向钻头10施加反作用力和扭矩。此类因素和变量可包括例如：“钻压”(WOB)；钻头的旋转速度；正钻探的地层的物理特性和特征；钻探液的流体动力学；钻头10安装到其上的井底钻具组合件(BHA)的长度和构造；以及钻头的各种设计因素，包括切削元件尺寸、径向放置、后倾角(或前倾角)、侧倾角等。
[0011]当向钻头10施加了侧向力28以使钻头10转向或引导钻头远离钻孔的基本上竖直部分的线性路径时，定位在钻头10的保径区域20中的保径焊盘22可接合钻孔侧壁并移除地层材料。钻头10切削钻孔侧壁(而不是钻孔底部)的能力在本领域中被称为“侧切削”。游动或漂移的量可取决于相对于预期侧切削速率，钻头10侧切削钻孔侧壁的速率。钻头10的保径区域20还可包括邻近保径焊盘22的凹陷区域24。通过在保径区域20的顶部(例如，邻近柄部18并且在钻头10的面区域11的远侧)提供凹陷区域24，可减少保径区域20与地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于移除钻孔中的地下地层材料的钻头，所述钻头包括：钻头体，所述钻头体包括纵向轴线；刀片，所述刀片沿着所述钻头体的面区域从所述纵向轴线径向向外延伸并且沿着所述钻头体的保径区域轴向延伸；保径特征，所述保径特征设置在所述刀片的所述保径区域中；和凹陷区域，所述凹陷区域在所述刀片的所述保径区域中在所述保径特征的下方轴向延伸；其中所述保径特征的最外表面径向延伸超过所述刀片在所述凹陷区域中的外表面，并且其中所述保径特征的所述最外表面和所述刀片在所述凹陷区域中的所述外表面中的至少一个相对于所述钻头的外径径向凹陷。2.根据权利要求1所述的钻头，其中所述保径特征的所述最外表面和所述刀片在所述凹陷区域中的所述外表面中的每一个相对于所述钻头的所述外径径向凹陷。3.根据权利要求1所述的钻头，其中所述保径特征的所述最外表面和所述刀片在所述凹陷区域中的所述外表面中的至少一个的径向距离在约0.005英寸(0.127mm)至约0.020英寸(0.508mm)的范围内。4.根据权利要求1所述的钻头，还包括安装在所述保径特征上的切削元件。5.根据权利要求4所述的钻头，其中所述切削元件以在约87度至约90度的范围内的后倾角安装。6.根据权利要求4所述的钻头，其中所述切削元件的径向最外表面与所述保径特征的径向最外表面共延。7.根据权利要求1所述的钻头，其中所述保径特征从所述刀片的旋转前边缘延伸到旋转后边缘，使得所述保径特征的宽度与所述刀片的宽度共延。8.根据权利要求7所述的钻头，其中当所述保径特征在所述刀片的旋转前边缘和旋转后边缘之间延伸时，所述保径特征的所述径向最外表面相对于所述纵向轴线的径向延伸是基本上恒定的。9.根据权利要求7所述的钻头，其中沿平行于所述钻头的所述纵向轴线的方向测量的所述保径特征的长度在所述刀片的所述旋转前边缘和所述旋转后边缘之间渐缩。10.根据权利要求1所述的钻头，其中所述保径特征的所述外表面相对于所述钻头的所述外径凹陷约0.010英寸(0.254mm)至约0.180英寸(4.572mm)的范围内的径向距离。11.一种包括可操作地联接到根据权利要求1所述的钻头的可导向井底钻具组合件的定向钻探系统。12.一种用于移除钻孔中的地下地层材料的钻头，所述钻头包括：钻头体，所述钻头体包括纵向轴线；刀片，所述刀片沿着工具本体的面区域从所述纵向轴线径向向外延伸并且沿着所述钻头体的保径区域轴向延伸；保径特征，所述保径特征设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：里德，
申请(专利权)人：通用电气GE贝克休斯有限责任公司，
类型：发明
国别省市：