钻头制造技术

一种钻头，包括具有面的主体和设置在该主体的面上的多个刀片。多个刀片中的每一个可以具有设置在其上的一排切割器，并且多排切割器可以共同限定钻头的切割轮廓。沿切割轮廓的切割器的至少一些可以具有交替的正后倾角。沿切割轮廓的相邻切割器上的大多数后倾角之间的差可以小于20°。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】钻头优先权声明本申请要求2018年11月12日提交的美国专利申请第16/188,227号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
本公开总体上涉及具有刀片的钻头，刀片具有改进的切割器布置。特别地，本公开涉及一种钻头，其包括在其上具有切割器的刀片，切割器具有交替的后倾角。
技术介绍
诸如旋转刮刀钻头、铰刀和类似的用于在地下岩层中钻孔或形成孔的井下工具的钻头是众所周知的。在钻探石油和天然气井时，转刮刀钻头会拖动离散的切割结构(称为“切割器”)，这些切割结构安装在针对地层的工具主体上的固定位置。当切割器通过工具主体的旋转被拖向地层时，切割器通过剪切作用使地层破裂。这种剪切作用形成了小的切屑，这些切屑通过钻井液被液压排空，钻井液通过工具主体中的喷嘴泵送。一种这样的固定切割器，钻土钻具，通常在石油和天然气勘探行业中称为多晶金刚石复合片或PDC钻头，采用了固定切割器。每个切切割器有由PDC或类似的高度耐磨材料组成的高度耐磨切割或磨损表面。PDC切割器通常是通过在耐腐蚀基底上形成一层多晶金刚石(PCD)(有时称为冠或金刚石台)制成的。PDC磨损表面由表现出金刚石与金刚石的粘结的烧结多晶金刚石(天然或合成)组成。多晶立方氮化硼、纤锌矿氮化硼、聚集的金刚石纳米管(ADN)或其他坚硬的结晶材料是已知的替代品，以及在某些钻井应用中可能有用。通过将粉末形式的金刚石磨料粒材料与一种或多种粉末状金属催化剂和其他材料混合，将混合物形成复合片，然后将其烧结，通常将其与碳化钨基底一起使用高温高压或微波加热进行烧结，从而制成复合片。出于以下描述的目的，多晶立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、ADN和类似材料的烧结复合片等同于多晶金刚石复合片，因此，除非另有说明，否则应解释为在详细说明中使用“PDC”否则，除非另有明确说明或上下文，否则不得提及多晶金刚石、立方氮化硼、纤锌矿氮化硼和其他高耐磨材料的烧结体。对“PDC”的引用还旨在涵盖这些材料与可用于改善其性能和切割性能的其他材料或结构元件的烧结体复合片。此外，PDC涵盖了热稳定的品种，其中金属催化剂在烧结后已被部分或全部去除。典型地，用于支撑PDC磨损表面或层的基底至少部分地由硬质合金金属碳化物制成，其中碳化钨是最常见的。通过将粉末状的金属碳化物与金属合金粘合剂烧结而形成粘合(cemented)的金属碳化物基底。PDC和基底的复合材料可以多种不同方式制造。例如，它也可以包括过渡层，在过渡层中，金属碳化物和金刚石与其他元素混合在一起，以改善PCD与基底之间的粘结力并降低PCD与基底之间的应力。每个PDC切割器都被制造成与钻头分开的离散件。由于用于制造它们的工艺，PCD层和基底通常具有圆柱形状，并且相对薄的PCD盘结合到基底材料的更高或更长的圆柱体上。可以将所得复合材料机械加工或研磨以形成所需的形状。然而，PCD层和基底通常以制造它们的圆柱形形式使用。固定切割器以预定的图案或布局安装在钻土工具的主体的外部。此外，根据特定的应用，切割器通常沿几个刀片中的每个布置，这些刀片由形成在钻土工具的主体上的凸起的脊组成。每个刀片通常包括平行于被切割的地层定向的平坦表面。切割器通常沿这些平坦表面设置在孔或开口中。例如，在PDC钻头中，刀片通常以径向方式围绕钻头的中心钻头轴线(旋转轴线)布置。它们通常但并非总是沿与钻头旋转方向相反的方向弯曲。当具有固定切割器的钻土工具旋转时，切割器共同对土层呈现一个或多个预定切割轮廓，从而剪切地层。当切割器旋转穿过从钻土工具的旋转轴线向外延伸的平面(例如钻头轴线)时，切割轮廓由与之相关联的每个切割器的位置和定向来限定。切割器沿切割轮廓的位置主要是其相对于钻头轴线(旋转轴线)的横向位移的函数，而不是其所在的特定刀片的函数。在切割轮廓中彼此相邻切割器通常在相同刀片上彼此不相邻。相反，在切割轮廓上彼此相邻切割器通常位于不同的刀片上。除了在钻头上的位置或定位之外，每个切割器还具有三维定向。通常，将相对于两个坐标系之一来限定该定向：相对于其旋转轴限定的钻头的坐标系；或通常基于切割器本身的坐标系。切割器的定向通常根据切割器的后倾或旋转以及切割器的侧倾或旋转来指定。后倾或“后倾角”根据轴向倾角或后倾角来指定，具体取决于所使用的参考系。侧倾角或“侧倾角”通常以侧倾角或侧倾角的形式指定，具体取决于所使用的参考系。例如在美国专利第9,556,683号中描述了这样的钻头，其全部内容通过引用并入本文。美国专利第5,549,171号描述了一种固定切割器钻头，其包括安装在钻头表面上的多组切割器元件。每组包括至少两个切割器，这些切割器安装在相对于钻头轴线大体上相同的径向位置但具有不同的后倾角的不同刀片上。可以安装一组切割器元件，使其切割面在轮廓外(out-of-profile)，使得该组中的某些元件比相同组中的其他切割器元件更大程度地暴露于地层材料。一组中的切割器元件可以具有相同的切割面和轮廓，或者它们的大小或形状或两者均可以变化。该钻头显示出增加的稳定性，并且在ROP(钻进速度)方面提供了实质性的改进，而无需过多的WOB(钻头重量)。美国专利第6,164,394号描述了一种固定切割器钻头，该钻头特别适用于塑料页岩钻探。钻头包括布置多排切割器元件，使得排中的切割器的切割尖端布置在前角位置和后角位置，从而限定锯齿状的切割边缘。通过沿相同刀片安装具有不同程度的正后倾角和负后倾角的切割器，可以改变给定排中的切割器的切割尖端的角位置。优选地，在给定排的一段内，切割器在具有正后倾角和负后倾角之间交替，而安装有正后倾角的切割器比安装有负后倾角的切割器更暴露于地层材料。喷嘴提供有高的侧向位置以用于有效清洁。正后倾角切割器元件具有双半径的切割面，并且被安装为相对于地层材料具有后角(reliefangle)。不同排的切割器元件安装在基本相同的径向位置，但具有不同的暴露高度，具有正后倾角的切割器元件安装得比具有负后倾角的切割器元件更暴露于地层。尽管已知具有不同配置的切割器的钻头，但是仍然需要具有配置成用于提高地层破坏效率、ROP(钻进速度)和稳定性的切割器的钻头。
技术实现思路
在一些方面，本公开涉及一种具有刀片和位于刀片上的一排切割器的钻头，该排切割器具有交替的后倾角。在一些方面，本公开涉及一种钻头，其具有带有面和中心钻头轴线的主体，设置在主体的表面上的刀片以及设置在刀片上的一排切割器。至少一些切割器可具有交替的正后倾角。在一些实施例中，相邻切割器上的大多数后倾角之间的差可以小于20°。在一些实施例中，两个相邻切割器上的后倾角之间的差可以大于可以进一步径向向外设置的另外两个相邻切割器上的后倾角之间的差。在一些实施例中，两个相邻切割器上的后倾角之间的差可以小于可以进一步径向向外设置的另外两个相邻切割器上的后倾角之间的差。在一些实施例中，每个其他切割器上的后倾角可随着切割器可径向向外进一步设置而逐渐增加。在一些实施例中，每个其他切割器上的后倾角可随着切割器可进一步径向向外设置而逐渐减小。在一些实施例中，面可以包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部。至少一个切割本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钻头，包括：/n具有面和中心钻头轴线的主体；/n设置在所述主体的所述面上的刀片；以及/n设置在所述刀片上的一排切割器，所述切割器的至少一些具有交替的正后倾角，/n其中，相邻切割器上的大部分后倾角之间的差小于20°。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181112 US 16/188,2271.一种钻头，包括：
具有面和中心钻头轴线的主体；
设置在所述主体的所述面上的刀片；以及
设置在所述刀片上的一排切割器，所述切割器的至少一些具有交替的正后倾角，
其中，相邻切割器上的大部分后倾角之间的差小于20°。


2.根据权利要求1所述的钻头，其中，两个相邻切割器上的所述后倾角之间的差大于进一步径向向外设置的另外两个相邻切割器上的所述后倾角之间的差。


3.根据权利要求1所述的钻头，其中，两个相邻切割器上的所述后倾角之间的差小于进一步径向向外设置的另外两个相邻切割器上的所述后倾角之间的差。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的钻头，其中，随着所述切割器进一步径向向外设置，每隔一个切割器上的所述后倾角逐渐增大。


5.根据权利要求1-4中任一项所述的钻头，其中，所述面包括围绕所述中心钻头轴线设置的锥体部，其中，至少一个切割器的后倾角小于相邻切割器上的后倾角，并且其中，所述相邻切割器中的一个设置在所述锥体部上。


6.根据权利要求1-4中任一项所述的钻头，其中，所述面包括围绕所述中心钻头轴线设置的锥体部和围绕所述锥体部的鼻部，其中，至少一个切割器的后倾角小于在相邻切割器上的后倾角，并且其中，至少一个切割器设置在所述鼻部上。


7.根据权利要求1-4中任一项所述的钻头，其中，所述面包括围绕所述中心钻头轴线设置的锥体部、围绕所述锥体部的鼻部、以及从所述锥体和所述鼻部径向向外设置的肩部，其中，至少一个切割器的后倾角大于相邻切割器上的后倾角，并且其中，至少一个切割器设置在所述肩部上。


8.根据权利要求1-7中任一项所述的钻头，其中，所述一排切割器中的每个切割器具有形成切割表面的切割器面和穿过所述切割器面的纵向切割器轴线，并且其中，至少一个切割器的所述切割器面相对于所述至少一个切割器的所述纵向切割器轴线倾斜。


9.根据权利要求1-4和8中任一项所述的钻头，其中，所述面包括锥体部，并且其中，具有交替的正后倾角的所述切割器设置在所述锥体部上。


10.根据权利要求1-4、8和9中任一项所述的钻头，其中，所述面包括肩部，并且其中，具有交替的正后倾角的所述切割器设置在所述肩部上。


11.根据权利要求1-4和8中任一项所述的钻头，其中，所述面包括围绕所述中心钻头轴线设置的锥体部和从所述锥体部径向向外设置的肩部，并且其中，具有交替的正后倾角的所述切割器设置在所述锥体部和所述肩部上。


12.根据权利要求1-11中任一项所述的钻头，其中，所述面包括保径部，并且其中，具有交替的正后倾角的所述切割器设置在所述保径部上。


13.根据权利要求1-4和8中任一项所述的钻头，其中，所述面包括围绕所述中心钻头轴线设置的锥体部、围绕所述锥体部的鼻部、从所述锥体部和所述鼻部径向向外设置的肩部，以及纵向延伸的保径部，其中，所述一排切割器从所述锥体部延伸至所述保径部，并且具有交替的正后倾角的所述切割器设置在所述锥体部、所述鼻部、所述肩部或所述保径部的至少一个上。


14.根据权利要求1-13中任一项所述的钻头，其中，具有交替的正后倾角的所述切割器的至少一些也具有交替的侧倾角。


15.根据权利要求1-14中任一项所述的钻头，其中，当所述一排切割器是一排主切割器时，所述钻头还包括一排备用切割器。


16.根据权利要求1-15中任一项所述的钻头，其中，当所述一排切割器是一排备用切割器时，所述钻头还包括一排主切割器。


17.根据权利要求1-16中任一项所述的钻头，其中，所述刀片包括内部区域和从所述内部区域旋转偏移的外部区域，并且其中，所述一排切割器设置在所述内部区域、所述外部区域、或它们的组合的至少一个上。


18.根据权利要求1-17中任一项所述的钻头，其中，所述一排切割器还包括不具有交替的正后倾角的切割器。


19.一种钻头，包括：
具有面和中心钻头轴线的主体；
设置在所述主体的所述面上的刀片；以及
以交替方式布置在所述刀片上的多个第一和第二切割器，其中，所述多个第一切割器各自具有在±9°的第一范围内的正后倾角，其中，所述多个第二切割器各自具有在±9°的第二范围内的正后倾角，并且其中，所述第一范围的平均值和所述第二范围的平均值之差为5至20°。


20.根据权利要求19所述的钻头，其中，所述多个第一切割器各自具有在±9°的第一范围内的正后倾角，其中，所述多个第二切割器各自具有在±9°的第二范围内的正后倾角，并且其中，所述第一范围的平均值和所述第二范围的平均值之差为5到10°。


21.根据权利要求19所述的钻头，其中，所述多个第一切割器各自具有在±9°的第一范围内的正后倾角，其中，所述多个第二切割器各自具有在±9°的第二范围内的正后倾角，并且其中，所述第一范围的平均值和所述第二范围的平均值之差为10到20°。


22.根据权利要求19所述的钻头，其中，所述多个第一切割器各自具有在±5°的第一范围内的正后倾角，其中，所述多个第二切割器各自具有在±5°的第二范围内的正后倾角，并且其中，所述第一范围的平均值和所述第二范围的平均值之差为5至20°。


23.根据权利要求19-22所述的钻头，其中，所述面包括围绕所述中心钻头轴线设置的锥体部和从所述锥体部径向向外设置的肩部，并且其中，交替的第一和第二切割器的至少一些设置在所述锥体部或所述肩部的至少一个上。


24.根据权利要求19-23所述的钻头，其中，所述面包括鼻部和从所述鼻部径向向外设置的肩部，并且其中，交替的第一和第二切割器的至少一些设置在所述鼻部和所述肩部上。


25.根据权利要求19-24所述的钻头，其中，所述多个第一切割器的至少一些还具有非零的侧倾角。


26.根据权利要求19-25所述的钻头，其中，所述刀片包括内部区域和从所述内部区域旋转偏移的外部区域，其中，所述多个第一和第二切割器的至少一些设置在所述内部区域或所述外部区域的至少一个上。


27.一种钻头，包括：
具有中心钻头轴线的主体，所述钻头旨在围绕上所述中心钻头轴线旋转；
设置在所述主体上的刀片；以及
位于所述刀片上的至少两对切割器，每对切割器中的切割器都安装在所述刀片上的相邻固定位置，当所述钻头旋转时，所述切割器部分地限定所述钻头的切割轮廓的至少一部分，所述切割器的每个基于其距所述中心钻头轴线的距离以及在其切割面的预定方向而在所述切割轮廓内具有预定的径向位置；
其中，所述预定方向包括在至少两对切割器中的所述切割器的每个上的不同的非零后倾角，每对切割器中的切割器相对于每对切割器中的另一个切割器具有不同的后倾角，以及其中，所述每对切割器内的所述后倾角之间的差小于20°。


28.根据权利要求27所述的钻头，其中，每对切割器内的所述后倾角之间的差小于10°。


29.根据权利要求27和28中任一项所述的钻头，其中，所述预定方向还包括非零侧倾角。


30.根据权利要求29所述的钻头，其中，所述至少两对切割器中的每对切割器具有彼此汇聚的侧倾角。


31.根据权利要求27-30中任一项所述的钻头，其中，所述两对切割器的至少一个设置在所述切割轮廓的所述锥体部中。


32.根据权利要求27-31中任一项所述的钻头，其中，所述两对...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾格尔·阿瑟三世·希尔维斯，艾尔弗雷德·哈罗德·斯金纳，本杰明·克莱斯特，
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