一种用于在地层中钻孔的工具。该工具包括主体、具有从工具主体延伸的旋转前表面的刀片、至少部分地固定在切削元件凹坑内的切削元件、以及位于切削元件凹坑与刀片的旋转前表面之间的线性或倒圆过渡表面。倒圆过渡表面具有介于约3毫米与150毫米之间的曲率半径。本公开还包括一种制造钻地井下工具的方法，该方法包括：提供工具主体和包括从工具主体延伸的旋转前表面的刀片；将切削元件凹坑邻近刀片的旋转前表面形成于刀片中；在切削元件凹坑与刀片的旋转前表面之间形成线性或倒圆过渡表面，该倒圆过渡表面具有介于约3毫米与150毫米之间的曲率半径；以及将切削元件至少部分地固定在切削元件凹坑内。削元件凹坑内。削元件凹坑内。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】邻近切削元件具有增强水力的钻土工具和形成方法
[0001]优先权声明
[0002]本申请要求2020年3月18日提交的针对“EARTH BORING TOOLS WITH ENHANCED HYDRAULICS ADJACENT CUTTING ELEMENTS AND METHODS OF FORMING(邻近切削元件具有增强水力的钻土工具和形成方法)”的美国专利申请序列号16/823,131的提交日期的权益。
[0003]本公开的实施方案总体上涉及钻地操作。具体地，本公开的实施方案涉及邻近切削元件具有增强水力性能的钻土工具和形成此类钻地工具的方法。
技术介绍
[0004]在地下地层中形成井眼以用于各种目的，包括例如从地下地层开采油和气以及从地下地层开采地热。可以使用钻地工具，诸如钻地旋转钻头在地下地层中形成井眼。使钻地旋转钻头旋转并推进到地下地层中。当钻地旋转钻头旋转时，切削齿或其研磨结构切削、压碎、剪切和/或磨掉地层材料以形成井眼。
[0005]钻地旋转钻头直接或间接地耦接到本领域中被称为“钻杆柱”的端部，该钻杆柱包括一系列首尾相连的细长管状节段，这些细长管状节段从被钻的地下地层上方的地面延伸进入井眼中。各种工具和部件(包括钻头)可在位于被钻的井眼底部的钻杆柱的远端处联接在一起。工具和部件构成的这种组件在本领域中被称为“井底钻具组合”(BHA)。
[0006]可通过从地层表面旋转钻杆柱而使钻地旋转钻头在井眼内旋转；或者可通过将钻头联接到井下马达而使钻头旋转，该井下马达联接到钻杆柱并设置在井眼底部附近。井下马达可包括例如液压莫瓦诺型马达，该液压莫瓦诺型马达具有安装了钻地旋转钻头的轴，通过将流体(例如，钻井泥浆或钻井流体)从地层表面向下泵送穿过钻杆柱的中心、穿过液压马达、从钻头中的喷嘴喷出，并使流体经过钻杆柱的外表面与井眼内暴露的地层表面之间的环形空间向上返回到地层表面，从而可引起钻头旋转。井下马达可在有或没有钻杆柱旋转的情况下操作。
[0007]不同类型的钻地旋转钻头在本领域中是已知的，包括固定切削齿钻头、滚动切削齿钻头和混合钻头(其可包括例如固定切削齿和滚动切削齿两者)。与牙轮钻头相反，固定切削齿钻头没有移动部件。通常存在两种类型的固定切削齿钻头；胎体式钻头和钢体式钻头。胎体式钻头通常用碳化钨制造，该碳化钨比钢更耐腐蚀。当使用高固相含量钻探泥浆时，胎体式钻头通常是优选的。对于软的非磨蚀性地层和大孔径而言，钢体式钻头通常是优选的。钢体式钻头也能够比胎体式钻头更好地承受冲击载荷。
[0008]钢体式钻头通常包括各种特征部，包括但不限于刀片、喷嘴插入件和切削元件凹坑。钢体式钻头通常在机加工工艺中通过计算机数字控制(“CNC”)车床和铣床形成。在此工艺中，可以转动钢条以形成钻头的大致轮廓。可以通过钻孔操作形成孔口和切削元件凹坑。刀片和刀尖可以通过铣削形成。
[0009]图1示出了可以与钻井系统结合使用的现有技术固定切削齿钻地旋转现有技术钻
头100。现有技术钻头100包括钻头主体102，该钻头主体可以进一步包括由排屑槽106分开的多个刀片104。多个刀片中的每个刀片包括旋转前表面118、旋转后表面122和位于旋转前表面118与旋转后表面122之间的刀片正面120。钻头主体102可包括内部流体通道，该内部流体通道在钻头主体102的多个刀片104与纵向孔之间延伸，从而延伸穿过柄部到钻杆柱。钻头主体102可在连接到内部流体通道的排屑槽106中进一步包括喷嘴108。在一些实施方案中，钻头主体102可包括保径耐磨塞110和耐磨护箍112。切削元件114，通常为聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件，可以安装在切削元件凹坑116中，该切削元件凹坑位于多个刀片104中的每个刀片的旋转前表面118附近。
[0010]通常，切削元件114由在界面128处粘结到烧结碳化钨基底132的聚晶金刚石130的薄层构成。聚晶金刚石130的薄层在现有技术钻头100的切削元件114上形成前切削面124。聚晶金刚石的薄层通常高达约3.5mm厚。这些切削元件114通常是圆柱形的，直径为约8mm至约24mm，并且聚晶金刚石薄层的周边边缘通常被倒角以增加切削齿的冲击阻力。然而，切削元件114可以是其他形式，诸如椭圆形或三角形，并且可以大于或小于上述尺寸。通常，切削元件114与钻头主体分开制造并且固定在形成于刀片的外表面中的切削元件凹坑内。可使用粘接材料诸如粘合剂或更典型地钎焊合金来将切削元件114固定在切削元件凹坑116内。切削元件114还可以通过机械固定粘结到切削元件凹坑116。
[0011]切削元件114通过像车床的切削动作一样的剪切来钻凿岩石地层，这与通过压凹和压碎岩石来钻凿的牙轮钻头相反。切削元件114的切削动作在钻凿岩石地层所需的能量大小中起到主要作用。影响钻凿岩石地层所需的能量大小的其它因素包括钻头稳定性和钻头泥包。
[0012]图2是现有技术固定刀片钻地旋转钻头100的正面视图，其示出了多个刀片104、排屑槽106、喷嘴108、切削元件114和切削元件凹坑116。图2示出了当多个刀片104具有较大的刀片前曲率时，与切削元件114的前切削面124相邻的刀片材料可以延伸超过切削元件114的前切削面124，从而产生凸缘126。与切削元件114的前切削面124相邻的凸缘126可以产生切屑收集区域，从而减少到切削元件114的水力流。切削材料聚集在钻头主体102的刀片正面120周围和切削元件114周围的趋势通常被称为“钻头泥包”。钻头泥包可在一些应用中损坏切削元件凹坑116。
[0013]钻头泥包通常由粘附到切削元件114、钻头主体102的刀片正面120和/或钻杆柱的底部孔组件的水合粘土矿物或其它材料引起。从操作的角度来看，通过泵压力的增加(由于穿过井眼环空的流动路径被阻挡)、穿透速率的降低、振荡筛被阻塞、起下钻(并且可能为卡钻)时由于环空受到限制而产生必需的过拉张力来证实了钻头泥包问题。
[0014]一旦诊断出钻头泥包，则传统的补救方法是增加钻头上的重量、添加化学物质并且可能将钻杆牵拉出孔以清洁钻头和底部孔组件。对于水基泥浆，可以将洗涤剂添加到钻井泥浆中以降低水合粘土粘附到钻头和底部孔组件的能力。还可添加约3％到4％的系统体积的乙二醇，但这通常不能解决问题。
[0015]用于最小化钻头泥包的预防性措施包括使用KCl/聚合物或CaCl/聚合物泥浆来防止粘土溶胀。这在例如授予Isbell等人的美国专利第4,984,643号中示出。解决钻头泥包问题的另一种方式是引导喷嘴排放以优化“泥浆挖取”构型中的底部孔清洁。例如，在Smith等人的Hydraulics Optimization Research in Large Diameter Bits Reduces Operator
’
s Variable Costs(大直径钻头液压优化研究降低作业人员可变成本)，AASDE
‑
05
‑
NTCE
‑
58(2005)中报告本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种井下钻地工具，所述井下钻地工具包括：工具主体；至少一个刀片，所述至少一个刀片从所述工具主体延伸，所述至少一个刀片包括旋转前表面；至少一个切削元件凹坑，所述至少一个切削元件凹坑限定与切削元件的形状对应的内表面，并且邻近所述至少一个刀片的所述旋转前表面形成于所述至少一个刀片中；至少一个倒圆过渡表面，所述至少一个倒圆过渡表面从所述至少一个刀片的所述旋转前表面向内延伸到所述至少一个切削元件凹坑的口部，所述至少一个倒圆过渡表面具有在约3毫米与150毫米范围内的曲率半径；和至少一个切削元件，所述至少一个切削元件至少部分地固定在所述至少一个切削元件凹坑内并且具有从所述至少一个切削元件凹坑延伸的旋转前端，以限定具有所述至少一个倒圆过渡表面的凹陷部。2.根据权利要求1所述的井下钻地工具，其中与所述至少一个切削元件相邻的所述至少一个刀片的所述旋转前表面不延伸超过所述至少一个切削元件的前切削表面。3.根据权利要求1或权利要求2所述的井下钻地工具，其中所述至少一个倒圆过渡表面从所述至少一个切削元件凹坑到所述至少一个刀片的所述旋转前表面中延伸了介于5毫米与50毫米之间的距离。4.根据权利要求1至3中任一项所述的井下钻地工具，其中在所述至少一个刀片的表面中在所述至少一个切削元件凹坑与所述至少一个刀片的所述旋转前表面之间没有直角。5.根据权利要求1至4中任一项所述的井下钻地工具，其中所述至少一个倒圆过渡表面包括围绕所述至少一个切削元件的基本上同心的表面。6.根据权利要求1至4中任一项所述的井下钻地工具，其中所述至少一个倒圆过渡表面包括从所述至少一个切削元件突起的基本上椭圆形的表面。7.根据权利要求1至4中任一项所述的井下钻地工具，其中所述至少一个倒圆过渡表面包括与所述至少一个切削元件相邻的非对称偏心表面。8.根据权利要求1至7中任一项所述的井下钻地工具，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬，
申请(专利权)人：贝克休斯油田作业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。