CN104364460A - 用于钻头的保径切割器保护 - Google Patents
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Abstract
一种井下切割工具可以包括：工具本体；多个刀片，它们从所述工具本体按相应的方位角延伸，并包括锥部区域、肩部区域以及保径区域；至少一个切割元件，其沿所述刀片的锥部区域及肩部区域配置；以及至少一个保径切割元件，其沿所述刀片的保径区域配置，其中，所述至少一个保径切割元件具有从大于70度至约85度范围内的负后倾角。
Description
背景技术
在向地下钻井眼应用中，例如用于回收油气或其他应用中，常规做法是在端对端连接形成“钻柱”的钻杆部分组合的下端连接钻头。通过在地面上旋转所述钻柱或通过致动井下马达或涡轮，或同时使用两种方法，所述钻头被旋转。由施加到所述钻柱上的重力，所述旋转钻头与地球地层接合，通过摩擦，破碎，或剪切动作，或通过所有切割方法的组合，使所述钻头剪断地层材料，从而形成沿预定路径指向目标区域的井眼。
很多不同类型的钻头已经被开发并被证实在钻这类井眼时是有用的。两种主要类型的钻头是牙轮钻头及固定切割器(或旋转刮刀)钻头。多数固定切割器钻头的设计包括多个相对于钻头端面成角度隔开的刀片。所述刀片从所述钻头本体径向向外伸出，并在其间形成流道。此外，切割元件典型地被分组并以径向延伸排列的形式被固定至数个刀片上。取决于多个因素(例如需要被钻的地层)，所述切割元件在所述刀片上的配置或布局可以有很大差异。
配置于固定切割器钻头刀片上的所述切割元件典型地由超硬材料形成。在一个典型的固定切割器钻头中，每个切割元件包含被收纳及固定于形成于所述刀片之一的表面中的槽中的伸长的及通常是圆柱形的碳化钨基体，所述切割元件典型的包含多晶金刚石(PCD)硬切割层，或其他超硬材料，例如热稳定金刚石或多晶立方氮化硼。为了方便，如在此所使用的，提及“PDC钻头”或“PDC切割器”时，指代使用多晶金刚石或其他超级磨削材料构成的硬切割层的固定切割器钻头或切割元件。
参考图1及2，示出了适于钻透岩石地层以形成井眼的传统的固定切割器或刮刀钻头10。钻头10一般地包括一个钻头本体12、杆13以及用于将所述钻头10连接至用来旋转所述钻头以便钻出所述井眼的钻柱(未示出)的螺纹连接部或销14。钻头端面20支撑切割结构15，并形成于所述钻头10的与销端16相反的另一端。钻头10进一步包括中心轴线11，钻头10绕其在箭头18表示的切割方向上旋转。
切割结构15被提供于钻头10的端面20上。切割结构15包括多个有角度地隔开的主刀片31、32、33以及从刀片34、35、36，其中每一个均从钻头端面20延伸。主刀片31、32、33及从刀片34、35、36沿钻头端面20基本上径向地延伸，然后沿钻头10的外周的一部分轴向延伸。然而，从刀片34、35、36从远离钻头轴线11沿钻头端面20径向地延伸至钻头10的外周。因此，如在此所使用的，“从刀片”可以被用来指代从距离所述钻头轴线一定距离处开始，并沿所述钻头端面基本上径向地延伸至所述钻头外周的刀片。主刀片31、32、33及从刀片34、35、36被钻井流体流道19分隔开。
仍然参考图1及2，每个主刀片31、32、33包括用于安装多个切割元件的刀片顶部42，并且每个从刀片34、35、36包括用于安装多个切割元件的刀片顶部52。特别地，每一个均具有切割面44的切割元件40被分别安装于形成于每一个主刀片31、32、33及每一个从刀片34、35、36的刀片顶部42、52中的槽中。切割元件40被设置为在邻近每个主刀片31、32、33及每个从刀片34、35、36的前导面(leading face)处彼此靠近地径向延伸排列。每个切割面44具有距切割元件40安装其上的刀片顶部42、52最远的最外面刀顶部44a。
现在参考图3，示出了钻头10的剖面，其能够显示旋转成单个旋转剖面的所有的刀片(例如，主刀片31、32、33及从刀片34、35、36)及所有切割元件40的切割面44。在旋转剖面图中，钻头10的所有刀片31-36的刀片顶部42、52形成并限定组合或复合刀片剖面39，其从钻头10的钻头轴线11向外半径23径向地延伸。因此，如在此所使用的，短语“组合或复合剖面”指代如下剖面，其从所述钻头的钻头轴线向所述外半径延伸，由所述钻头旋转成单个旋转剖面(即在旋转剖面图中)的所有所述刀片的刀片顶部形成。
传统的复合刀片剖面39(最清楚地示于图3中的钻头10的右半部)一般地可以被分隔成三个区域，通常被标记为锥部区域24、肩部区域25和保径区域26。锥部区域24包含所述钻头10的径向最内部区域，并且复合刀片剖面39一般地从钻头轴线11向肩部区域25延伸。如图3中所示，在多数传统的固定切割器钻头中，锥部区域24一般是凹面的。邻近锥部区域24的是肩部(或上翻曲线)区域25。在多数传统的固定切割器钻头中，肩部区域25一般是凸面的。径向向外移动，邻近肩部区域25的是所述保径区域26，其在所述复合刀片剖面39的径向外周面平行于所述钻头轴线11延伸。因此，传统的钻头10的复合刀片剖面39包括一个凹面区域——锥部区域24，以及一个凸面区域——肩部区域25。
所述凸面肩部区域25的轴向最低点与复合刀片剖面39限定了刀片剖面鼻部27。在刀片剖面鼻部27，凸面肩部区域25及复合刀片剖面39的切线27a的斜率是零。因此，如在此所使用的，术语“刀片剖面鼻部”指在旋转剖面图中沿钻头的复合刀片剖面的凸面区域一个点，在此点所述复合刀片剖面的切线斜率为零。对于多数传统的固定切割器钻头(例如，钻头10)，所述复合刀片剖面包括一个凸面肩部区域(例如，凸面肩部区域25)，以及一个刀片剖面鼻部(例如，鼻部27)。如图1-3中所示，切割元件40被沿刀片31-36设置，并沿所述钻头端面20被配置于复合刀片剖面39的前面描述为锥部区域24、肩部区域25及保径区域26的区域中。特别地，切割元件40被安装于刀片31-36上相对于所述钻头10的中心轴线11预定径向间隔的位置。
不考虑钻头的类型，钻井眼的成本与将所述井眼钻至期望深度和位置所花费的时间成正比。所述钻井时间，反过来，极大地受为到达目标地层而更换钻头的次数的影响。情况就是这样，因为每次更换钻头，整个钻柱(有可能有数英里之长)被从所述井眼中逐节取出。一旦所述钻柱被取出且新钻头被安装后，所述钻头在所述钻柱上被下降至所述井眼的底部，这又是逐节进行的。这个过程，被称为所述钻柱的“起下钻”，需要相当多的时间，努力及开支。相应地，人们期望采用能够钻得更快更长以及在更大不同地层硬度范围内可用的钻头。
钻头在被更换前可以使用的时间长度取决于它的钻进速度(“ROP”)，以及它的耐久性或者维持高或可接受ROP的能力。此外，所述钻头的一个期望属性是它“稳定”并且抗振动，振动的最严重模式类型是“回旋”，这是一个用来描述在所述井眼底部的钻头绕一个偏离所述钻头的几何中心的旋转轴线旋转的现象的术语。这样的回旋使所述钻头上的切割元件承受增加的载荷，这引起所述切割元件的过早磨损或破坏，以及穿进速率的损失。因此，长期以来，防止钻头振动并维持PDC钻头的稳定性是一个理想且不易实现的目标。钻头振动一般地能够发生于任何类型的地层中，但在较硬的地层中是最有害的。
近些年来，所述PDC钻头已经成为切割软或中等硬度的地层的工业标准。然而，随着PDC钻头被开发用于更硬的地层中，钻头稳定性正成为不断增长的挑战。如前所述，在钻井过程中的过度钻头振动倾向于钝化所述钻头和/或可能损坏所述钻头到一定程度，使钻柱过早的被起出。
已经提出很多设计用于PDC切割结构，旨在提供PDC钻头，能够以有效的ROP及可接受的钻头寿命或耐久性钻穿不同硬度的地层。不幸的是，可能由于所述钻头设计旨在最小化振动，导致了将要进行的钻探相比早先的设计具有增加的钻压(WOB)。例如，一些钻头已经被设计为以较小的正后倾角安装切割器，以便增加的钻压被用于以期望的程度穿透地层材料。具有增加的或沉重的钻压的钻探会产生严重的后果，并且一般要尽可能避免。增加所述钻压是通过向所述钻柱添加额外重钻铤来实现的。所述额外重量增加了所有钻柱部件上的压力及张力，使扶稳器更易耗损且工作效率更低，并且增加了所述钻柱内的跌水，同时需要使用更高容量(一般更高成本)的泵来循环所述钻井流体。使问题更加复杂的是，所述增加的钻压相比不增加钻压时导致所述钻头更快的磨损及钝化。为了延迟起出所述钻柱，常规选择是进一步增加钻压，继续使用部分磨损及钝化的钻头进行钻探。钻头磨损与WOB之间的关系并非是线性的，但是指数关系，因此对于给定的钻头当超过特定的钻压时，钻压增加很小也会显著增加钻头磨损。因此，继续增加钻压以使用部分磨损的钻头钻探进一步增加了钻头及其他钻柱部件的磨损。
当前的PDC钻头可以具有前平或完全圆角保径切割器。然而，当所述钻头经受横向振动或进行定向作业时，所述保径切割器承受冲击载荷，并可能先于所述主刀损坏或磨损。因此，当前保径切割器上的载荷条件在所述金刚石与碳化物基体的界面附近产生了高压力。
相应地，对于固定切割器钻头仍然有如下持续需求，其能够以经济钻进速率有效的钻探，并且理想地其能够探进比传统PDC钻头可以应用的地层的更硬的地层。更具体地，对于PDC钻头仍然有如下持续需求，其能够钻探软、中等、中等硬度，并且甚至是硬地层，同时保持积极的切割元件轮廓，从而将可接受的钻进速率维持可接受的时间长度，并从而降低目前在此行业中的钻探成本。
发明内容
提供本发明内容，旨在介绍一系列概念，这些概念将在以下发明详述中进一步描述。本发明内容并不意图认定要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用作限制要求保护的主题的范围的辅助。
在一个方面，一个或多个实施例涉及一种井下切割工具，包括：工具本体；多个刀片，它们从所述工具本体按相应的方位角延伸，并包括锥部区域、肩部区域以及保径区域；至少一个切割元件，其沿所述刀片的锥部区域及肩部区域配置；以及至少一个保径切割元件，其沿所述刀片的保径区域配置，其中，所述至少一个保径切割元件具有从大于70度至约85度范围内的负后倾角。
在另一个方面，一个或多个实施例涉及一种井下切割工具，包括：工具本体；多个刀片，它们从所述工具本体按相应的方位角延伸，并包括锥部区域、肩部区域以及保径区域；至少一个切割元件，其沿所述刀片的锥部区域及肩部区域配置；至少两个保径切割元件，它们沿所述刀片的保径区域配置，所述至少两个保径切割元件具有从大于20度至小于90度范围内的负后倾角；以及保径垫，其中，至少一个保径切割元件邻近于所述肩部区域且至少一个保径切割元件邻近于所述保径垫；其中，邻近于肩部区域的所述至少一个保径切割元件以及邻近于保径垫的所述至少一个保径切割元件具有不同的后倾角。
在另一个方面，在此所描述的实施例涉及一种井下切割工具，包括：工具本体；多个刀片，它们从所述工具本体按相应的方位角延伸，并包括锥部区域、肩部区域以及保径区域；至少一个切割元件，其沿所述刀片的锥部区域及肩部区域配置；以及至少两个保径切割元件，它们沿所述刀片的保径区域配置，其中，所述至少两个保径切割元件中的一个保径切割元件尾后于另一个保径切割元件，其中，所述另一个保径切割元件具有大于20度的负后倾角。
从下面的描述及所附权利要求，所要求保护的主题的其他方面及优势将会明显。
附图说明
图1显示钻头。
图2显示钻头的顶视图。
图3显示钻头的剖面图。
图4显示根据本发明的一个实施例的钻头。
图5显示根据本发明的一个实施例的钻头的局部视图。
图6显示根据本发明的实施例的后倾角。
图7和8显示根据本发明的实施例的保径切割元件布置。
图9到13显示根据本发明的实施例的保径切割元件的形状。
图14显示根据本发明的实施例的后倾角设置。
具体实施方式
现在参考附图，其中本发明的各个实施例会给出数字编号，并且其中本发明的各个方面会被谈及以便使得本领域技术人员可以制造和使用本文描述的实施例。
在一个或多个方面，本发明涉及固定切割器钻头和其他井下切割工具以及在此钻头和其他井下切割工具上的保径区域中的切割元件的定向。具体地讲，各个实施例使用在刀片上以高后倾角定向的保径切割元件，这可使得切割元件在钻井过程中产生的应力产生有利的偏移。
一般地，已经发现在切割器之间，在切割器基体上，以及在切割器周围的刀片面上会发生严重的腐蚀。同样已经发现沿钻头的刀片顶部、切割器基体、保径垫表面以及刀片根部表面会发生严重的磨损。例如，传统的121/4基质本体钻头在松散的、过度磨损应用的单次作业中可以丢失10至12磅的材料。这些钻头一般不能被恢复或再次作业，必须废弃。在钻头可以被恢复并尝试二次作业的情况下，所述恢复操作是昂贵的，且经常产生热应力裂纹。而且，所述切割器遭受的磨损及损坏一般使所述切割器不能被旋转或重用于二次作业。
在水平钻井应用中，由于与地层间不断的摩擦作用以及磨浆内的尖砂流过保径垫表面，所述保径垫承受过度磨损。这能够使钻头过早的磨损至小于标称直径。传统的PDC钻头还经常比牙轮钻头在这些应用中具有更弱的方向响应，并且更倾向于钻出期望区域和钻入边界地层中，而在地面上还没有任何指示。PDC钻头还具有保径表面，其产生与孔壁的多点持续接触，这导致在这些环境中钻头过早的磨损至小于标称直径。传统的PDC钻头还被发现在水平井眼条件中完成它们的钻井需求后更加难以从水平井眼内起出。这是因为在钻井过程中无法到达地面的切屑倾向于落到井眼的下侧，这有效地形成了回到地面的限制通道。此外，传统的PDC钻头已经被发现当其被用于钻出固井鞋以及当其与储层油层之上或之下的更坚硬的地层接触时，其对切割器的损坏更加敏感。在这些应用中传统的PDC钻头承受的损坏导致了昂贵的恢复操作或不能重用。因此，传统的PDC钻头在松散的、过度磨损钻井应用中已经不能够经济上可行，且一般不被使用。
参考图4，示出了适于钻透岩石地层以形成井眼的固定切割器或刮刀钻头110的一个实施例。钻头110一般地包括钻头本体112、杆113以及用于将所述钻头110连接至被用于旋转所述钻头以钻出所述井眼的钻柱(未示出)的螺纹连接部或销(未示出)。钻头端面120支撑切割结构115，并被形成于所述钻头110的与销端(未示出)相反的一端上。钻头110进一步包括中心轴线111，钻头110绕该中心轴线111沿箭头118表示的切割方向旋转。
切割结构115被提供于钻头110的端面120上。切割结构115包括多个有角度地隔开的刀片131、132、133、134、135及136，其中每一个均从钻头端面120延伸。主刀片131、132、133以及从刀片134、135、136沿钻头端面120基本上径向地延伸，然后沿钻头110的外周的一部分轴向延伸。然而，从刀片134、135、136从远离钻头轴线111的位置向钻头110的外周沿钻头端面120径向地延伸。因此，如在此所使用的，“从刀片”可以被用来指代从距离所述钻头轴线一定距离处开始并沿所述钻头端面基本上径向地延伸至钻头的外周的刀片。主刀片131、132、133及从刀片134、135、136被钻井流体流道119分隔开。
切割元件140被沿刀片131-136设置，并沿所述钻头端面120配置于被描述为锥部区域124及肩部区域125的区域中，而保径切割元件142被配置于保径区域126的刀片区域中。特别地，切割元件140相对于钻头110的中心轴线111被安装于刀片131-136上的预定径向间隔开的位置。锥部区域(未指出)包含所述钻头110的径向最内区域，并基本上从钻头轴线111至肩部区域125延伸。肩部(或朝上曲线(当所述钻头定向为使所述端面向下指向所述地层时))区域125邻近锥部区域(未指出)。在多数传统的固定切割器钻头中，肩部区域125一般是凸面的。所述保径区域126径向向外移动邻近肩部区域125，且在所述钻头的径向外周面平行于所述钻头轴线111延伸。所述保径区域126包括刀片区域126a及保径垫区域126b。保径垫区域126b在轴向上位于所述刀片区域126a之上，即比所述切割元件140更接近于所述销端116，并且可以包括保径垫170。所述保径垫170可以沿所述钻头刀片131-136的侧面延伸，从而与井眼(当被所述保径切割元件142切割及限定时)的侧面接触，以便帮助维持所述钻头110的稳定性，维持井眼直径，并防止从所述井眼轴线偏离(不需要提供对地层的有效切割)。
稳定特征150、例如耐磨护箍(wear knot)可大约位于所述保径切割元件142之后(即跟随所述保径切割元件142之后)。所述稳定特征150可以位于所述刀片区域126a中并形成一个与周围刀片材料相比升高的轮廓(或可以是单独嵌入物)。所述稳定特征150可以与所述保径切割元件142具有基本上相同的外露面，或可以比所述保径切割元件142具有稍多或稍少的外露面。在特定的实施例中，所述稳定特征150与所述保径切割元件142相比，可以具有至少1mm、2mm、3mm、4mm、5mm或6mm、直到8mm的外露面差的减少的外露面。
所述切割元件140与所述保径切割元件142不同。为了便于区分所述两种类型的切割元件，术语“切割元件”是指在钻头的锥部、鼻部和/或肩部区域(即，所述保径部的径向靠内)的那些切割元件，如上文参考图1-3所述的。而“保径切割元件”是指那些位于所述保径区域(即刀片的基本上平行所述钻头轴线延伸的部分)的切割元件。根据本发明，所述保径切割元件可具有与那些位于所述保径区域径向靠内的切割器明显不同的后倾角。图4中示出的实施例在单个刀片上包括切割元件140及保径切割元件142。所述保径切割元件142可以被置于接近所述刀片131、132、133、134、135及136的前导面。在某些实施例中，如图5中所示，给定刀片的保径区域中可以具有两或更多“列”160的保径切割元件142，相对于尾后面164，第一列接近于所述刀片131-135的前导面162，即所述刀片的面向钻头旋转方向的面；以及第二列，如图5中所示，其与第一列向后间隔开。如在此所述，如图5中所示，所述保径切割元件142的任何一列或所有列160可以具有比径向靠内的切割元件140更大的后倾角。
一般地，当在钻头或扩孔器的刀片上配置保径切割元件(具体地是切割器)时，所述切割器可以被插入切割器槽中以改变所述切割器冲击地层的角度。具体地讲，切割器的后倾角(即垂直定向)和侧倾角(即侧向定向)可以被调整。一般地，后倾角被定义为切割元件(包括所述保径切割元件142)的切割面与被切割的地层材料的法线之间形成的角α。如图6中所示，保径切割元件142具有0度后倾角时，所述切割面144基本上垂直于或正交于所述地层材料。当从所述地层材料测量时，具有负后倾角α的保径切割元件142的切割面144与地层材料接触的角度小于90°。类似地，当从所述地层材料测量时，具有正后倾角α的保径切割元件142的切割面144与地层材料接触的角度大于大约90°。
根据本发明的各个实施例，所述保径切割元件142的后倾角可以是负的，并在约20至约85度范围内。在其他实施例中，所述后倾角范围的下限值可以是20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75或80度中的任何一个，并且上限值可以是35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85或90度中的任何一个。在一个或多个实施例中，所述保径切割元件142的后倾角可以在从约70至85度范围，在另一个特定实施例中，从约75至85度，在又一个特定实施例中，从78至82度。在另一个特定实施例中，所述保径切割元件142的后倾角可以在从约45至55度范围，而在另一个特定实施例中从48至52度。因此，在某些实施例中，刀片131-136中的至少一个包括具有上述后倾角的保径切割元件142，而在其他实施例中，所述刀片131-136中的每一个可以包括具有上述后倾角的保径切割元件142。
此外，在一个或多个实施例中，至少一个保径切割元件可被配置为在井下工具的操作期间，所述保径切割元件的尾后边缘在所述保径切割元件的前导边缘之前接触井下地层，其中，前导和尾后是基于所述钻头的旋转方向确定的。有利的，此配置可以具有特别优势在于所述保径切割元件的受力可以使金刚石台受压，而在相反配置中的力主要是剪切力，其可导致所述保径切割元件脱层。
同样包含于本发明的范围之内的是，设于给定刀片131-136上的一个或多个保径切割元件142可具有上述的后倾角。例如，在图4示出的实施例中，每个刀片131-136上有两个保径切割元件142，并且每个刀片131-136上的所有两个保径切割元件142被示为具有上述的后倾角。然而，在其他实施例中，并不要求所有保径切割元件142可以具有上述的后倾角。进一步地，同样包含于本发明的范围之内的是，靠近刀片的肩部区域125的保径切割元件142可以具有比靠近保径垫170及保径垫区域126b的保径切割元件142更小的后倾角。在其他实施例中，靠近刀片的肩部区域125的保径切割元件142可以具有比靠近保径垫170及保径垫区域126b的保径切割元件142更大的后倾角。根据一个或多个实施例，通过将所述保径切割元件142置于较高的后倾角，在此定向时，在所述元件上的荷载条件可以变为压缩载荷，从而所述保径切割元件142可以为使所述结构免受侧向振动。
在一个或多个实施例中，有效切割保径切割元件142可以被布置于所述保径垫区域126b中并在保径垫170上方延伸，这增加了井下前导面的有效表面积，并增加了所述保径切割元件与其周围地层之间的接触。在一个或多个实施例中，保径切割元件可在所述保径垫上方一定距离处延伸，所述距离可以在下限为0.005英寸、0.010英寸或0.025英寸至上限为0.100英寸、0.125英寸或0.150英寸的范围内。
重新参考图5，靠近所述前导面162的保径切割元件142被示为具有上述后倾角，而位于所述靠近前导面的保径切割元件142之后的第二列保径切割元件142可以具有更小的后倾角，然而仍然在上述范围内，或者还可以比上述范围更小。在其他实施例中，相反的情况也是合适的。也即，位于所述靠近前导面162的保径切割元件142之后的第二列保径切割元件142可以具有上述后倾角，而靠近所述前导面162的保径切割元件142可以具有更小的后倾角，然而仍然在上述范围内，或者还可比上述范围更小。此外，与参考图4描述的类似，还可以设想所述靠近肩部区域125的保径切割元件可与那些靠近所述保径垫区域126b的保径切割元件具有不同的后倾角。
进一步地，如图5和11中所示，保径切割元件142的多列160之间相互对齐，即“尾后”或后方的保径切割元件142与“前导”保径切割元件142处于基本相同的径向位置。然而，本发明并不限于此。相反，如图12中所示，保径切割元件142的所述列160可以相互偏移，以使所述“尾后”或后方的保径切割元件142与所述“前导”保径切割元件142处于不同的径向位置。进一步地，同样包含于本发明的范围之内的是，多列切割元件可以具不同的外露面。例如，所述尾后列可以比前导列具有更多或更少的外露面，其中，具有上述后倾角的所述保径切割元件可以处于具有更多或更少外露面的列上，或同时处于具有更多及更少外露面的两列上。在一个或多个实施例中，在具有前导列及尾后列保径切割元件的井下工具上，所述前导保径元件可以具有在上述的任意下限值至任意上限值的范围内的后倾角(例如，约20至约85，以及在特定实施中从70至85度)，并且所述尾后列或第二列保径切割元件可以具有从选自40度、45度及50度的任意下限值至选自80度、85度及90度的任意上限值的后倾角。同样包含于本发明范围之内的是，对于具有至少两列前导-尾后配置的保径切割元件的井下工具，所述前导及尾后保径切割元件可以是如图7所示的“共线”，或如图8所示的交错，或任何由上述两种实现的几何变型。
此外，虽然上文示出的图1-8将保径切割元件142示为圆柱体，这与传统的剪切切割器类似，然而本发明并不限于此。相反，所述保径切割元件142可以是不同的形状，例如但不限于，图9至13中示出的形状。图9示出了具有方块体形状的保径切割元件142。即，所述保径切割元件具有立方体138以及一个平面矩形切割面144。图10示出的保径切割元件142具有立方体138及由沿对称面延伸的抛物线形成的拱形非平面切割面144。图11是保径切割元件142，其具有圆柱体138及截头圆锥切割面144。图12示出了保径切割元件142，其具有圆柱体138及由沿对称平面延伸的抛物线形成的拱形非平面切割面144，这与图10中示出的实施例相类似。图13示出了保径切割元件，其具有圆柱体138以及圆顶形切割面144。在一个或多个实施例中，所述保径切割元件是圆柱体，且具有以圆锥、凹形或凸形侧面终止于滚圆顶部的指向的切割端，例如在美国专利公开第2008/0035380号中所描述的。
在其他实施例中，所述保径切割元件可以独立地从下面的切割元件中选择：所述切割元件具有选自具有平面矩形切割面的立方体，具有弓形非平面切割面的立方体，具有截头圆锥切割面的圆柱体，具有圆锥切割面的圆柱体，具有弓形非平面切割面的圆柱体，具有平面矩形切割面的圆柱体或具有圆顶形切割面的圆柱体的形状。
可以使用本领域技术人员公知及设计的任何形状的保径切割元件。进一步地，任意上述保径切割元件的类型可以由碳化物基体及金刚石或其他超硬上层形成，而且还可以仅由金刚石(即，热稳定多晶金刚石材料，例如不含VIII族中金属的多晶金刚石材料，或金刚石-碳化硅复合材料)组成，仅由硬质合金组成，或由孕镶有金刚石颗粒的碳化物基体组成，如下文将要讨论的。
具体地讲，在一个特定实施例中，任意上述保径切割元件可以是孕镶有金刚石的嵌入物，如那些描述于美国专利第6,394,202号及美国专利公开第2006/0081402号中的，其在本领域中经常被称为砂砾热压嵌入物(GHI)，被安装于形成于刀片上的槽中以安装至所述刀片表面，并通过铜焊、粘结剂、诸如过盈配合的机械方式及其类似手段附连，这类似于GHI在孕镶金刚石的钻头中的使用，如在美国专利第6,394,202中所述，或者嵌入物可以并排位于刀片内。进一步地，本领域技术人员会认识到，上述保径切割元件的任意组合可以被附连至本发明的任意刀片。
在这些含有孕镶金刚石的嵌入物的实施例中，这些孕镶材料可包括分散于连续基质内的超级磨削颗粒，例如下文将要详述的材料。而且，这些预先成形的嵌入物可以由包封颗粒形成，例如美国专利公开第2006/0081402及美国专利申请第11/779,083、11/779,104及11/937,969号中所述的。所述超级磨削颗粒可以选自人造金刚石、天然金刚石、再生的天然或人造金刚石磨粒、立方氮化硼(CBN)、热稳定多晶金刚石(TSP)、碳化硅、氧化铝、工具钢、碳化硼或它们的组合。在各种实施例中，刀片的某些部分可以孕镶有所选择的颗粒以与尾后部分相比产生具有更大磨削能力的前导部分(或反之亦然)。
所述孕镶颗粒可以分散在由基质粉末和结合剂材料(结合剂粉末和/或渗入结合剂合金)形成的连续基质中。基质粉末材料可包括使用本领域技术人员公知的任何技术的碳化物组分和/或金属合金的混合物。例如，基质粉末材料可以包括宏晶碳化钨颗粒、渗碳碳化钨颗粒、铸造碳化钨颗粒和烧结碳化钨颗粒中的至少一种。在其它实施例中，可以使用由钒、铬、钛、钽、铌形成的非钨碳化物以及过渡金属族形成的其它碳化物。在又一个实施例中，可以使用IVA族、VA族或VIA族金属的碳化物、氧化物和氮化物。结合剂相可以由粉末成分和/或渗入成分形成。在本发明的一些实施例中，硬颗粒可以与诸如钴、镍、铁、铬、铜、钼、及它们的合金及它们的组合的粉末结合剂组合使用。在各种其它实施例中，渗入结合剂可以包括Cu-Mn-Ni合金、Ni-Cr-Si-B-Al-C合金、Ni-Al合金、和/或Cu-P合金。在其它实施例中，除了按重量计算量在从30％至100％的范围内的用于促进基质材料和孕镶材料的结合的至少一种结合剂之外，渗入基质材料可以包括按重量计算量在从0％至70％的范围内的碳化物。进一步地，即使在没有提供孕镶金刚石(或孕镶金刚石以预先形成的嵌入物的形式提供)的实施例中，这些基质材料也可以用于形成刀片结构，其中，本发明的切割元件被用于所述刀片结构之中或之上。
进一步地，同样包含于本发明的范围之内的是，相对于所述保径区域126径向靠内使用的切割元件140可以是本领域中公知的任意类型的切割元件，包括传统的PDC切割器、旋转切割元件、锥形切割元件，并且还可以包括一列或多列切割元件。进一步地，对于所述径向靠内的切割元件140的定向或布置同样没有限制。
为了估计后倾角在钻井过程中对于减少损坏的效果，进行了有限元分析。建立了使用烧结模拟的预应力有限元模型来反应热残余应力。在两种不同载荷条件下比较了三个后倾角分别为约20度、约50度及约80度的侧向冲击及切割载荷，如图14中所示。结果被汇总于下面表1中。
表1：后倾角与载荷条件
在侧向冲击下所述剪力及张力随着后倾角增大而减小，这减少了对保径切割器的冲击损坏。所述金刚石顶端上的最大主应力在侧向冲击与切割载荷下均随着后倾角增大而减小，这可以减少碎裂。进一步地，当具有相同切割深度时，与20度后倾角相比，在80度后倾角时的接触面积要大得多，以适应施加的载荷；然而，按照设计，如果钻头运转稳定，所述保径切割器应该有很小的切割深度，且不应该承受大的切割载荷。
如本发明全文所述，所述保径切割元件可以用于固定切割器钻头或扩眼器上。此外，除诸如扩眼器、扩孔器、稳定器等的井下工具应用外，与现有技术的钻头相比，使用根据诸如本文公开的本发明的各种实施例的保径切割元件的钻头可以改善高转速时的钻井特性。当钻头由涡轮、液压马达驱动时，或在高转速应用中使用时，此高转速是典型的。
此外，本领域技术人员应该认识到，对本发明的切割元件的尺寸并不存在限制。例如，在各个实施例中，所述保径切割元件可以被形成为包括但不限于9mm、13mm、16mm及19mm的尺寸。保径切割元件的尺寸选择可以基于例如将要被钻进的地层类型。例如，在较软地层中，可能期望使用较大的保径切割元件，而在较硬地层中，可能期望使用较小的保径切割元件。
进一步地，同样包含于本发明的范围之内的是，在上述任何实施例中的保径切割器142可以是可旋转切割元件，诸如那些被转让给本受让人的美国专利第7,703,559号、美国专利公开第2010/0219001号以及美国专利申请第61/351,035号公开的，它们的全文以参引方式被包含于本文中。
进一步地，尽管很多上述实施例描述了切割器及保径切割元件位于彼此不同的径向位置，但保径切割元件在径向相邻的切割器之间可以是等间隔的(或者反之亦然，对于保径切割元件之间的切割器间距是相等的)，但是还可以设想使用不同间距的间隔。
本发明的实施例可以包括一个或多个下面的优点。本发明的实施例可以为固定切割器钻头或其他固定切割器切割工具提供能够在经济ROP下在比传统PDC钻头可以应用的地层硬度更硬的地层中更有效地钻井。更具体地，本实施例可以钻进软、中等的、中等硬度以及甚至一些硬地层，同时还会保持有效的切割元件轮廓，从而将可接受的ROP维持可接受的时间长度，并从而降低目前在此行业中的钻井成本。此外，其他实施例通过将切割机构转变为磨削(通过包含金刚石孕镶)，还可以提供增强的耐用性。
本发明已经就限制数量的实施例进行了描述，但受益于本发明的本领域技术人员应该理解，在不脱离本文公开的本发明的范围的前提下，可以设计出其他实施例。相应地，本发明的范围应该仅由所附的权利要求所限定。
Claims (20)
1.一种井下切割工具，包括：
工具本体；
多个刀片，它们从所述工具本体按相应的方位角延伸，并包括锥部区域、肩部区域以及保径区域；
至少一个切割元件，其沿所述刀片的锥部区域及肩部区域配置；以及
至少一个保径切割元件，其沿所述刀片的保径区域配置，其中，所述至少一个保径切割元件具有从大于70度至约85度范围内的负后倾角。
2.如权利要求1所述的井下切割工具，其中，所述至少一个保径切割元件邻近于所述刀片的前导面。
3.如权利要求2所述的井下切割工具，该井下切割工具进一步包括尾后保径切割元件，其比邻近前导面配置的所述至少一个保径切割元件具有更小的后倾角。
4.如权利要求3所述的井下切割工具，其中，所述尾后保径切割元件具有至少20度的负后倾角。
5.如权利要求1所述的井下切割工具，该井下切割工具进一步包括：
至少一个保径垫，其沿所述工具本体的一侧配置。
6.如权利要求5所述的井下切割工具，该井下切割工具进一步包括位于保径垫区域中的至少一个保径切割元件，其在所述保径垫上方距离所述保径垫的距离为0.005英寸至0.125英寸的位置处延伸。
7.如权利要求1所述的井下切割工具，其中，所述至少一个保径切割元件具有非平面的切割面。
8.如权利要求1所述的井下切割工具，其中，所述至少一个保径切割元件被配置为在所述井下切割工具的操作期间，所述保径切割元件的尾后边缘先于保径切割元件的前导边缘接触井下地层。
9.如权利要求1所述的井下切割工具，其中，所述至少一个保径切割元件具有从75至85度范围内的负后倾角。
10.如权利要求1所述的井下切割工具，其中，所述至少一个保径切割元件具有从78至82度范围内的负后倾角。
11.如权利要求1所述的井下切割工具，该井下切割工具进一步包括至少一个其他保径切割元件，其中，保径切割元件中的一个保径切割元件尾后于另一个保径切割元件。
12.如权利要求11所述的井下切割工具，其中，尾后保径切割元件比所述另一个保径切割元件具有更大的后倾角。
13.如权利要求12所述的井下切割工具，其中，具有从70至85度范围内的负后倾角的所述至少一个保径切割元件尾后于至少一个具有较小后倾角的保径切割元件。
14.如权利要求12所述的井下切割工具，其中，所述至少一个其他保径切割元件具有至少20度的负后倾角。
15.一种井下切割工具，包括：
工具本体；
多个刀片，它们从所述工具本体按相应的方位角延伸，并包括锥部区域、肩部区域以及保径区域；
至少一个切割元件，其沿所述刀片的锥部区域及肩部区域配置；
至少两个保径切割元件，它们沿所述刀片的保径区域配置，所述至少两个保径切割元件具有从大于20度至小于90度范围内的负后倾角；以及
保径垫，
其中，至少一个保径切割元件邻近于所述肩部区域且至少一个保径切割元件邻近于所述保径垫；
其中，邻近于肩部区域的所述至少一个保径切割元件以及邻近于保径垫的所述至少一个保径切割元件具有不同的后倾角。
16.如权利要求15所述的井下切割工具，其中，邻近于所述肩部区域的所述至少一个保径切割元件比邻近于所述保径垫的所述至少一个保径切割元件具有更小的后倾角。
17.如权利要求16所述的井下切割工具，其中，邻近于所述保径垫的所述至少一个保径切割元件具有至少70度的负后倾角。
18.如权利要求17所述的井下切割工具，该井下切割工具进一步包括第二列保径切割元件，其中，沿所述保径区域的前导面配置的所述至少两个保径切割元件包括第一列保径切割元件。
19.如权利要求18所述的井下切割工具，其中，所述第二列保径切割元件的后倾角在从40度至90度范围内。
20.一种井下切割工具，包括：
工具本体；
多个刀片，它们从所述工具本体按相应的方位角延伸，并包括锥部区域、肩部区域以及保径区域；
至少一个切割元件，其沿所述刀片的锥部区域及肩部区域配置；以及
至少两个保径切割元件，它们沿所述刀片的保径区域配置，其中，所述至少两个保径切割元件中的一个保径切割元件尾后于另一个保径切割元件，其中，所述另一个保径切割元件具有大于20度的负后倾角。
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