CN102084082B - 聚晶金刚石复合片钻头刀片设计和喷嘴布置 - Google Patents

Abstract

一种用于在地下土地钻探操作中使用的旋转式刮刀钻头(10)，该刮刀钻头具有刀片(14)、在刀片上的切削器(17)排，以及设置在排内的喷嘴(25)。喷嘴构造成以便在钻孔期间排出流体。喷嘴布置增强了钻头冷却和碎屑移除，从而降低了钻头球化的可能性。

Description

聚晶金刚石复合片钻头刀片设计和喷嘴布置

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年4月23日提交的编号No.61/047,322的共同未决的美国临时申请的优先权和益处，该申请的全部公开特此通过引用而结合在本文中。

技术领域

本发明涉及用于钻探地下井眼的装置。更具体而言，本发明涉及具有刀片的旋转式刮刀钻头，刀片具有凹部和在凹部中的喷嘴。

背景技术

用于产生地下井眼的钻头典型地包括旋转式三锥钻头或刮刀钻头中的一种。刮刀钻头典型地包括由碳化钨与钢芯体的组合模制成的单个主体。该主体包括称为刀片的凸起部分，凸起部分沿着钻头主体的面延伸。刀片具有形成于其上的凹部，凹部大体垂直于刀片而延伸。一般通过焊接、炖焖(braisinf)或一些其它紧固方式将嵌件或切削器锚定在凹部内。另外，流体喷嘴大体沿着钻头基部而提供，以在钻孔时喷射流体，以冲洗掉在钻孔过程期间形成的钻屑，以及冷却钻头。

钻头典型地连接到钻柱的端部上，其中，钻柱的上端与驱动机构联接，驱动机构用于在钻孔操作期间旋转钻柱，因而旋转地操作钻头。通过碎裂和/或剪切岩层，钻头切削通过地下地层。钻孔流体或浆被泵送通过钻柱，向下通过钻头，以执行之前提到的清洁和冷却功能。另外，嵌件可包括在钻头面上的聚晶金刚石复合片(PDC)。因而，具有PDC嵌件的刮刀钻头称为PDC钻头。一般在分类为具有软至中等硬度的地层中采用PDC钻头。若干个参数确定钻头性能，例如浆类型、每分钟转数、钻头上的重量、钻柱和地层。以穿透率来评价钻头的性能。

PDC钻头的一个特性是它的稳定性，这会降低底部孔组件处的振动的幅度。当旋转轴线偏离钻头的几何中心时，会产生“涡转”效应，其会使井眼中的切削的量过载。PDC刀片形状、液压技术和切削器的密度/大小会影响钻头性能。标准的PDC钻头的特征在于包括若干个刀片，各个刀片由从钻头面延伸的坚固材料件组成。这些钻头有时可能会经历称为“球化”的现象，“球化”指的是软的地层在钻头面上的积聚。在钻头面上积聚的软的地层减少了切削接触，因而降低了钻头性能。“球化”需要对钻头进行清洁，这可能要消耗钻井时间中的相当多的时间来用于泵送和/或钻头行程。

发明内容

因此，产生了对可避免钻头球化的、结合土地钻探操作来使用的固定式钻头或刮刀钻头的需要。根据本发明，公开了一种土地钻探钻头，其包括：钻头主体，该钻头主体具有侧部和钻头面；在钻头面上的细长刀片，该刀片具有从钻头面向上延伸且在刀片表面处终止的相对的侧部；在刀片中的凹部；以及流体喷嘴，其具有背离钻头面而定向的流体排出口。喷嘴可在刀片表面上、在钻头面上，或在形成到钻头主体中的凹部中，凹部具有侧部和基部且喷嘴提供于基部上。在一个可选实施例中，土地钻探钻头包括形成到钻头主体中的细长波状轮廓(undulation)。该波状轮廓具有侧部和基部以及在基部上提供的喷嘴。切削器可以可选地包括在波状轮廓侧部上。喷嘴可包括连接到通过钻头主体而形成的流体通道上的喷嘴入口。喷嘴还可包括在钻头面上。

本文还公开了一种钻孔系统，其包括具有顶部和底部的钻柱、联接到钻柱顶部上的顶部驱动器，以及固定在钻柱底部上的钻头。在一个实施例中，钻头包括具有钻头面的主体、具有从钻头面延伸的侧部的钻头面上的刀片、连接上部末端侧部端的刀片表面，以及在刀片表面上的凹部。刀片表面可垂直于侧部。钻头还可包括在刀片表面上布置成排的切削器，以及具有离开钻头面而定向的排出口的喷嘴。钻孔系统还包括与钻柱处于流体连通的钻孔流体供应。

附图说明

针对(so that)获得并且可详细理解本发明的上述特征、方面和优点以及将变得显而易见的其它内容所采用的方式，通过参照形成本说明书的一部分的附图中所示的本发明的实施例，可具有对上面简要概述的本发明的更具体的描述。但是，将注意到，附图示出了本发明的仅优选实施例，并且因此不应被看作限制本发明的范围，因为本发明可容许有其它同样有效的实施例。

图1示出了根据本公开的钻头实施例的向上看的视图。

图2描绘了根据本公开的钻头的一部分的侧面局部截面图。

图3是根据本公开的钻头的一部分的侧面局部截面图。

图4提供了与地层接触的钻头的一部分的侧面局部截面图。

图5是采用本文所述的钻头的钻孔系统的侧面截面图。

具体实施方式

本公开包括刮刀钻头，其具有带有钻头面的主体、在钻头面上的刀片、在刀片中的凹部，以及设置在凹部中的至少一个喷嘴。可选地，额外的喷嘴可设置在钻头主体上，并且设置成远离刀片。在刮刀钻头的一个实施例中，切削钻头面的一部分被移除，这增大了废物槽口区域。这相应地提高了由任何添加的钻孔流体所提供的冷却作用，并且还降低了刀片的抵抗扭矩。降低抵抗扭矩和增强冷却增加了钻头穿透率(ROP)。

现在参照图1，根据本公开示出了钻头10实施例的向上看的视图。钻头10包括模制主体12，模制主体12具有在其上表面上的钻头面13。显示了在钻头面13上的刀片14，刀片14为在主体轴线Ax和主体12外半径之间延伸的大体成长方形的凸起部分。刀片14具有从钻头面13向上延伸且在刀片表面23处终止的侧部27，刀片表面23被显示为基本垂直于刀片侧部27。本公开的范围包括其它刀片14实施例，诸如例如不与轴线Ax对准的刀片14。显示了切削器16附连在刀片表面23上。切削器16为细长的截头圆锥体形的坚固的部件，其固定在形成于刀片表面23中的袋口15内。袋口15和切削器16对准成大体垂直于刀片14细长区段。切削器16的前端或切削端包括类似盘的PDC嵌件17。PDC嵌件的硬化结构材料在切削操作期间增强了钻头10的操作。

显示了切削器16平行地对齐，并且沿着刀片14布置成排19。示出了喷嘴18周期性地设置在切削器16的这些排19中，并且与排19成一列。除了与排19成一列之外，喷嘴18具有排出口25，排出口25在相邻的排19之间定向，并且定向到这些排19之间的开放空间中。可选地，喷嘴18还可设置在钻头面13上。如以上所注意到的那样，将喷嘴18置于排19内会在钻孔期间增强冷却。这个喷嘴18布置还增加了废物槽口空间，从而允许更多的地层钻屑流过钻头10，并且降低在移除切削器16时在钻头10上的旋转扭矩。

参看图2，示出了钻头主体12的一个实施例的侧面截面图。如图所示，喷嘴18在切削器16的相邻的排19之间嵌入主体12内。更详细地，喷嘴18由壳体20形成，壳体20利用在壳体20的基部处的螺纹21拧到钻头主体12中。截头圆锥体环形套筒22形成为通过壳体，从而提供从壳体20底部端到截头圆锥体环形套筒22的顶点的流体连通。在环形套筒22的顶点处，喷嘴出口24形成为向上到达壳体20上端。因而，流体连通经由环形套筒22和喷嘴出口24而延伸通过喷嘴18。以虚线轮廓显示的是流体通道26，其通过钻头主体12延伸到壳体20底部端。流体通道26与钻柱(未显示)处于流体连通，钻孔流体通过钻柱供应到喷嘴18。

在图3中的侧面局部截面图中显示了钻头10a的一个可选实施例。在这个实施例中，钻头10a包括主体12a，主体12a具有沿着其上部切削表面延伸的刀片14a。切削器16沿横向设置在刀片14a上表面23a上。凹部28形成于钻头主体12a中、从上表面23a起通过刀片14a。喷嘴18a可选地提供于凹部28的基部中，其中，喷嘴18a与上面所论述的钻孔流体处于流体连通。

在图4中提供了钻头主体12b的另一个实施例的局部侧面截面图。在这个实施例中，切削器16的排19a提供于切削刀片14b上，切削刀片14b形成于钻头主体12b的切削表面上。扩展的波状轮廓30在相邻的排19a之间突入到切削面中。波状轮廓30在排19a之间形成加宽的凹部。与图3的具有相对平滑的侧部的凹部28不同，切削器16可包括在波状轮廓30内。显示了用于将钻孔流体供应到钻头主体12b面的喷嘴18b在波状轮廓30的下部或基部上。

在图5中的侧面局部截面图中示意性地示出了采用了本文描述的钻头10的一个实施例的钻孔系统30的实例。钻孔系统30包括钻柱38，钻柱38在其上端处连接到顶部驱动器36上，顶部驱动器36提供了土地钻探操作所必需的旋转扭矩。钻头10附连到钻柱32下端上。这里，示出了系统30钻探井眼32而进入地下地层34中。用于在钻孔期间使用的钻孔流体经由流体线路42从流体贮存器40供应到系统30。流体离开喷嘴并且从井眼32向上回流，如箭头A所示。

因此，通过增加在钻孔期间的有效流体输送区域以及增加废物槽口流动区域，大大增强了在使用期间清洁钻头的面的能力，从而显著地加快了钻孔操作。可选地，除了下切削面之外，切削器16还可提供于本文所述的各个钻头的横向侧部上。

在已经在上面对本发明进行了描述的情况下，技术、程序、材料和装备的各种修改对于本领域的技术人员将是显而易见的。虽然已经显示和描述了各种实施例，但是可对其作出各种修改和替代。因此，将理解到，本发明是作为说明而非限制来进行描述的。意图的是，在本发明的范围和精神内的所有这种变型都包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (14)

1.一种土地钻探钻头，包括：

钻头主体，具有侧部和钻头面；

细长刀片，具有从所述钻头面突起的横向侧部，以及与所述钻头面相对的、跨置在刀片侧部的相应的端部之间的刀片上表面；

在所述刀片上表面中的凹部；

在所述凹部中的流体喷嘴；以及

在所述流体喷嘴上的流体排出口；

且其中，所述流体喷嘴相对于所述刀片上表面凹陷在所述凹部中。

2.根据权利要求1所述的土地钻探钻头，其特征在于，所述土地钻探钻头进一步包括在所述刀片上的切削器。

3.根据权利要求2所述的土地钻探钻头，其特征在于，所述切削器沿着一条线布置在所述刀片上，且所述凹部在所述线中介于相邻的切削器之间。

4.根据权利要求1所述的土地钻探钻头，其特征在于，所述凹部延伸到所述钻头面，并且所述流体喷嘴设置在所述钻头面中。

5.根据权利要求1所述的土地钻探钻头，其特征在于，所述凹部延伸到所述钻头面中，并且所述流体喷嘴设置在所述凹部底部中。

6.根据权利要求1所述的土地钻探钻头，其特征在于，所述凹部延伸跨越所述刀片的宽度。

7.根据权利要求1所述的土地钻探钻头，其特征在于，所述土地钻探钻头进一步包括在所述钻头面上的额外的刀片，所述额外的刀片具有从所述钻头面突起的横向侧部，与所述钻头面相对的、跨置在所述刀片侧部的相应的端部之间的刀片上表面，以及在所述额外的刀片上表面中的凹部。

8.根据权利要求1所述的土地钻探钻头，其特征在于，所述土地钻探钻头进一步包括在所述刀片中的第二凹部。

9.一种钻孔系统，包括：

具有顶部和底部的钻柱；

联接到所述钻柱顶部上的顶部驱动器；

具有固定到所述钻柱底部上的主体的钻头；

在所述钻头主体上的钻头面；

从所述钻头面向上突起的钻头刀片；

形成于所述钻头刀片上表面上的凹部；

在所述刀片表面上布置成排的切削器；

在所述凹部中的喷嘴；

在所述喷嘴上、定向为离开所述钻头面的排出口；以及

与所述钻柱处于流体连通的钻孔流体供应；

其中，所述切削器沿着一条线布置在所述刀片上，且所述凹部在所述线中介于相邻的切削器之间，且其中，所述流体喷嘴相对于所述刀片的上表面凹陷在所述凹部中。

10.根据权利要求9所述的钻孔系统，其特征在于，所述钻孔系统进一步包括从所述钻头面向上突起的额外的钻头刀片，以及形成于所述额外的钻头刀片上表面上的凹部。

11.根据权利要求10所述的钻孔系统，其特征在于，所述钻孔系统进一步包括在所述钻头刀片中的第二凹部。

12.根据权利要求10所述的钻孔系统，其特征在于，所述凹部向下延伸到所述钻头面，并且所述喷嘴提供于所述钻头面上。

13.根据权利要求10所述的钻孔系统，其特征在于，所述凹部延伸到所述钻头面中，并且所述喷嘴在所述凹部底部中。

14.根据权利要求9所述的钻孔系统，其特征在于，所述钻孔系统包括流体通道，所述流体通道与所述钻柱处于流体连通。