CN105556051A - 钻头臂凹座 - Google Patents

Abstract

一种用于旋转地下钻头的钻头臂的所公开实施方案包括凹座，其从所述钻头臂的外表面向内径向延伸。所述凹座可以包括工件材料已经移除的空孔。所述凹座可以紧接所述钻头臂的前缘并且可以延伸以便移除所述钻头臂的后缘的至少一部分。当所述钻头臂包括提升表面时，所述凹座可以紧接并跟随所述提升表面的向上的弯曲部分。所述凹座可以在操作期间在所述钻头臂上减少磨损。所述凹座可以提供位置用于放置所需设备件，诸如仪表元件和/或通信元件。

Description

钻头臂凹座

技术领域

本公开大体涉及地下钻井设备，并且更具体地说，涉及钻头臂凹座。

背景

烃类，诸如油和气体，常见地从可以位于陆上或者海上的地下地层获得。涉及将烃类从地下地层移除的地下操作和过程的发展是复杂的。通常，地下操作涉及许多不同步骤，例如像在所希望的井现场处钻探钻孔，处理所述钻孔以便优化烃类的生产，以及执行必要步骤以便生产并处理来自地下地层的烃类。

用于钻探井孔的钻头(诸如旋转锥形钻头)通常通过锻造和/或铸造过程以生产半制品，之后进行机械加工和/或表面处理以获得所需几何形状以及表面精加工而制成。钻头可以包括支撑构件，所述支撑构件包括用于在钻头旋转时对钻井液提供向上压力的提升表面。钻井液还可以用来清洁、冷却以及润滑切割元件、切割结构和与牙轮钻头相关联的其他部件。钻井液可以辅助井下地层的相邻部分的断裂、磨损和/或腐蚀。支撑构件还可以支撑旋转锥形切割器，所述切割器的齿在操作期间碾碎地层。

附图

通过部分地参考以下描述和附图可理解本公开的一些具体的示例性实施方案。

图1是示例钻井系统的一个实施方案的选定元件的方框图；

图2示出显示凹座可以包括在其中的钻头臂的一个实施方案的选定元件；

图3示出在其中具有凹座的钻头臂的一个实施方案的选定元件；并且

图4示出在其中具有凹座的钻头臂的一个实施方案的选定元件。

虽然本公开的实施方案已经得以描绘和描述并且通过参考本公开的示例性实施方案来加以限定，但是所述参考并不暗示对本公开的限制，并且不能推断出这样的限制。如本领域中的技术人员以及受益于本公开的人员将想到，所公开的主题能够在形式和功能上存在许多修改、变更和等效形式。所描绘和描述的本公开的实施方案仅为示例性的，并且并非详尽说明本公开的范围。

具体实施方案的描述

本公开大体涉及钻井设备，并且更具体地说，涉及钻头臂凹座。这些钻头臂凹座可以在保留由钻头臂的其他特征提供的所希望的流体流动特性的同时用来减轻钻头并减少用于钻头的材料的量。

为了促进更好理解本公开，给出某些实施方案的以下实施例。以下实施例决不应被理解为限制或限定本公开的范围。本公开的实施方案可适用于任何类型地层中的水平、垂直、偏斜、多边、u形管连接、交叉、绕开(钻探被卡住的中深落物周围并且返回井下)或其他非线性钻孔。实施方案可以应用到注入井以及生产井，包括自然资源生产井，诸如硫化氢、烃类或地热井。根据本文所描述的实施方案的装置和方法可以在钢缆、缆绳、随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)操作中的一个或多个中使用。下文参照一个实现方式(诸如钢缆)描述的实施方案不旨在限制。实施方案可以在适于沿着地层的区段进行测量、数据获取和/或记录数据的各种地层工具中实现，所述地层工具例如，可以通过管柱中的流体通道或使用钢缆、缆绳、牵引机、活塞、活塞牵引机、复绕管、井下机器人或等等传送。实施方案可以在各种大小的钻头(诸如但不限于表1中列出的钻头的大小)中实现。

钻头指称	钻头外径
		小井眼	4-3/8”到6-3/4”
A和B	7-3/8”到12-5/8”
		XL	13-1/2”到19-1/2”
大型	20”到28”

表1：钻头指称和大小。

现转向附图，图1示出钻井系统100的实施方案的选定元件。如图所示，钻井系统100包括安装在地面122处的钻塔102，其定位在地下地层106内的钻孔104的上方。图1中，钻塔102可以经由顶部驱动器126连接到多个钻管118和120。钻井系统100可以包括管中管钻井系统，其中内管120可以设置在外管118内。钻井泥浆例如可以在由外管118内的内管120限定的环形物内泵送到钻孔104中。钻井泥浆可以在井下通过井底组件(BHA)108泵送到钻头110。BHA108可以包括各种井下工具和/或另一个LWD/MWD元件112，其可以联接到外管118和内管120上。在某些实施方案中，钻井液可以在环形物116内返回至地面122或转移到内管120中。地面122处的控制单元124可以控制钻井设备中的至少一些的操作。

图1中，钻头110可以是旋转锥形钻头，并且可以具有许多钻头臂，其各自具有用于分别支撑旋转锥形切割器的锥形件。尽管可以使用不同数量的钻头臂和相关联的锥形件，但是图1中描绘的实施方案通过示例的方式包括三个钻头臂，其各自支撑在相应锥形件上。当组装时，锥形切割器可以相互配对以便产生用于在钻头110在钻柱的末端处旋转时在地质地层中钻孔的有效切割工具。钻头110的钻头臂可以包括提升表面，其向围绕钻头110循环的钻井液提供向上的压力。在操作中，钻头110的钻头臂各自支撑相应旋转锥形件并保持旋转锥形件附接到钻柱。当钻头旋转时，每个钻头臂还可以为钻井液提供提升表面。

牙轮钻头的钻头臂可以多种方法中的任何一种制造。通常，尽管非排他地，钻头臂由单个工件锻造(或铸造)并且随后进行后续机械加工，这涉及一定量的工件材料和机械加工的时间，这两者都表示形成钻头的费用。在某些实例中，用于钻头臂的机械加工时间可能与钻头臂的部分的总的外部表面积有关。如将进一步详细描述的，钻头110可以使用具有凹座(图1中未示出，参见图3和图4)的钻头臂，所述凹座在锻造、铸造和/或另一个形成过程期间在钻头臂内形成。钻头110的钻头臂中的凹座可以表示相对于用于钻头臂的常规形成过程已经消除的工件材料。当相比于常规钻头时，凹座可以作用于减少钻头110中的材料的量，这可以节约材料成本。当相比于常规钻头时，凹座可以导致减少用于形成钻头110的机械加工的时间和努力，这可以进一步减少制造成本。然而，凹座仍然可以在钻头110的操作期间为旋转锥形件提供充分的强度和支撑，旋转锥形切割器可以安装在所述旋转锥形件上。在一些实施方案中，当钻头110设计具有总体上涉及在钻头110的钻头臂处的另外的工件材料的提升表面时，凹座的上述特征在优化工件材料的量和生产钻头110的制造努力上可以尤其地有益。

现转向图2，其示出钻头臂200。图2中，钻头臂200示为包括上部分206、具有提升表面204的外表面202、前缘208、后缘210以及下部分212，后者包括用于支撑旋转锥形切割器(未示出)的旋转锥形件214。钻头臂200示为120°几何区段，3个此类区段可以配合以便形成具有3个切割元件的钻头。外表面202可以表示钻头臂200的支撑构件216的表面，其接合上部分206和下部分212。钻头臂200的支撑构件216和下部分212可以由上部分206挂起并保持在适当位置。在钻头臂200中，支撑构件216包括外表面202，其可以具有相对大的面积，所述面积可以在钻头臂200锻造和/或铸造后机械加工。

也在图2中示出的是凹座轮廓220，其描绘支撑构件216的区域，材料可以从所述区域移除以便形成凹座，如下文关于图3和图4所描述。凹座轮廓220的凹座深度可以如所需改变。在某些实施方案中，凹座轮廓220可以表示用于材料移除的最大线，这样使得当形成钻头臂200时，可以移除比由凹座轮廓220给定的更小量的材料。可以为钻头臂200的给定实例确定凹座轮廓220的精确位置，例如，通过使用几何材料模拟以便在预期的荷载条件下，诸如在钻井操作期间计算和/或估算钻头臂200内的应力集中。因此，凹座轮廓220的精确定位可以根据钻头臂200的设计和/或尺寸、用于钻头臂200的预期使用条件以及钻头臂200的所需强度和/或韧性，如示例标准等等改变。在某些实施方案中，在钻头臂200的现存实例中需要由凹座轮廓220给定的凹座的情况下，可以从钻头臂200移除材料以便形成凹座。材料移除过程可以包括机械加工、锻造和/或切割操作。在使用本文所描述的各种方式中的任何并如由凹座轮廓220给定来形成凹座后，热处理可以应用到钻头臂200以便释放应力和/或达到所需冶金条件。

在图2的实施方案中，钻头臂200包括提升表面204以便在钻井操作期间改善钻井液(未示出)的向上循环。如图所示，提升表面204可以表示倾斜水平面，其可以在相对于钻头臂200的所需旋转方向的向上方向上弯曲。提升表面204的向上的弯曲部分可以给予(或增加)向上力或压力，其在钻柱旋转时施加到钻井液。提升表面204可以具有相对于相应支撑构件216的外表面202并且相对于钻头旋转轴线(未示出)总体上向上的倾斜。可以选择每个提升表面204的构型和尺寸以便辅助形成相应液流(未示出)，其具有在钻孔中总体上向上的螺旋。由于提升表面204的形成可以通过向钻头臂200添加另外的材料实现，凹座轮廓220处的凹座的形成在实现用来形成钻头臂200的一些材料之间最佳平衡和钻头臂200的所需强度中可以尤其地有益。

在操作中，钻头臂200被设计来在引起前缘208引导、后缘210追随以及引起提升表面204在钻井液上在钻头臂200可以附接的钻柱(见图1)的方向上生成提升力的方向上旋转。当由凹座轮廓220给定的凹座包括在其中时，钻头臂200可以进一步以所需方式操作。凹座可以减少钻头的总重，在所述钻头中钻头臂200的3个实例例如已经接合。凹座可以减少钻头在钻孔中的外阻力或摩擦。凹座可以通过减少与钻孔接触的相关面积来减少钻头臂上的总磨损。

现转向图3，其示出钻头臂300的一个实施方案的选定元件。图3中，钻头臂300以正视图示出，其示出上部分306、具有提升表面304、前缘308、后缘310的外表面302以及下部分312，后者包括用于支撑旋转锥形切割器(未示出)的旋转锥形件314。钻头臂300示为120°几何区段，3个此类区段配合以便形成具有3个切割元件的钻头。外表面302可以表示钻头臂300的支撑构件316的表面，其接合上部分306和下部分312。钻头臂300的支撑构件316和下部分312可以由上部分306挂起并保持在适当位置。

图3中，钻头臂300示为包括凹座320，其表示工件材料已经选择性地移除以便形成支撑构件316的空孔。凹座320可以具有各种形状并具有各种边缘。凹座320的形状和/或大小可以基于用来形成钻头臂300的至少支撑构件316的材料定尺寸。支撑构件316的某些边缘和角可以具有最小曲率半径，诸如角322等等，以便在钻头臂300操作时减少内应力。后缘310的一部分已经移除，而凹座320的边缘可以跟随钻头臂300上的前缘308。换句话说，凹座320可以紧接前缘308开始并且可以延伸以便移除后缘310的至少一部分。在形成凹座320中，可以保持和/或改善钻头臂300的所需强度和流体提升能力。

在图3中描绘的钻头臂300的一些实施方案中，如上文所述，由于凹座320的形成，表示支撑构件316的外表面的外表面302可以显著地减少。外表面302可以表示以钻头的最大圆周的外表面，例如，当钻头臂300的3个实例接合以便型号才能钻头时。作为外表面，外表面302可以在钻井操作中与钻孔接触并且可能由于此类接触(例如，磨蚀、变形、擦伤、拉毛、开裂等等)经历显著的机械磨损。由于其中的凹座320的形成的外表面302的面积的减少，经受此机械磨损的面积可以减少。在某些实施方案中，所导致的磨损可以对于钻头总体减少。在给定实施方案中，外表面302可以使用各种表面硬化处理和/或各种其组合中的任何来另外地增强。由于面积的减少，涉及另外花费和/或资源并且取决于所处理面积的某些表面硬化处理可以对于改善外表面302的耐磨损性变得经济上可行。适用于外表面302的表面硬化处理可以包括淬火硬化、热处理、合成处理(例如，将碳和/或其他溶质添加到含铁基质，诸如铁或钢)以及各种其组合。适用于外表面302的表面硬化处理可以包括可以应用到外表面302或在其上发展各种类型的涂层，诸如陶瓷涂层、结晶涂层、粉末涂层和/或合金涂层。在具体实施方案中，非常坚硬的材料可以涂覆在外表面302上，诸如金刚石、蓝宝石、石英等等。适用于外表面302的表面硬化处理可以包括形成合金，其组合上不同于钻头臂300的其他部分。例如，合金可以通过更改在外表面302的某个深度上的成分来组成，这可以不同于先前所述的施加涂层。

另外地，表面硬化处理可以包括将插入件(附图中未示出)添加到外表面302。插入件可以锚定到钻头臂300并且可以覆盖外表面302的至少一部分。在某些实施方案中，插入件可以延伸超过外表面302并且沿着钻头进一步向上延伸(即，向上部分306)以便通过增加由于在插入件中使用的材料的高硬度的耐磨损性改善凹座320和钻头的保护。在给定实施方案中，插入件可以包括硬化材料，诸碳化物(例如，碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钼等等实施例)、高碳钢和/或另一种高硬度材料。

因此，可以使用用于外表面302的表面硬化处理各种类型和/或组合，例如，以便获得用于特定应用(例如，井的类型、井的深度、地质构造的类型等等)的钻头的最佳机械性质。由于表面硬化处理，钻头臂300的磨损性质可以显著地改善，同时仍然导致对于使用钻头臂300制造钻头的经济上竞争性成本。

此外如图3中所示，凹座320可以紧接向上弯曲的表面，其在支撑构件316中由提升表面304给定。当钻头在钻孔中旋转时，提升表面304可以向钻井液提供向上压力。凹座320的上边缘可以跟随提升表面304的形状并且也向上弯曲。在操作中，钻头臂300可以被设计来在引起前缘308引导、后缘310追随以及引起提升表面304在钻头臂300附接的钻柱(见图1)的方向上生成提升力的方向上旋转。

现转向图4，其示出钻头臂400的一个实施方案的选定元件。图4中，钻头臂400以侧视图示出，其示出上部分406、具有前缘408、后缘410的外表面402以及下部分412，后者包括用于支撑旋转锥形切割器(未示出)的旋转锥形件414。钻头臂400示为120°几何区段，3个此类区段配合以便形成具有3个切割元件的钻头。外表面402可以表示钻头臂400的支撑构件416的表面，其接合上部分406和下部分412。钻头臂400的支撑构件416和下部分412可以由上部分406挂起并保持在适当位置。在操作中，钻头臂400可以被设计成在引起前缘408引导和后缘410追随的方向上旋转。

图4中，钻头臂400示为包括凹座420，其表示工件材料已经选择性地移除以便形成支撑构件416的空孔。凹座420可以具有各种形状并具有各种边缘。凹座420的形状和/或大小可以基于用来形成钻头臂400的至少支撑构件416的材料定尺寸。支撑构件416的某些边缘和角可以具有最小曲率半径，诸如角422等等，以便在钻头臂400操作时减少内应力。在钻头臂400上，后缘410的一部分已经移除，而凹座420的边缘可以跟随前缘408。换句话说，凹座420可以紧接前缘408开始并且可以延伸以便移除后缘410的至少一部分。在形成凹座420中，可以保持和/或改善钻头臂400的所需强度。

在操作中，具有钻头臂的钻头可以用来在地下地层中钻钻孔。钻头可以定位在钻柱的末端处，通过所述钻柱钻井液可以在钻井的同时通过钻头循环。钻井液可以作用于冷却钻头并且可以在新鲜钻井液引入时将所移除的地质材料(即，钻头钻粉)携带离开钻头并且携带到表面。

另外地，当钻头在钻孔中旋转时，具有凹座的钻头臂的前缘以及钻头臂的向上弯曲的边缘(即，提升表面)可以对钻井液生成向上压力。凹座的存在可以维持对钻井液的此向上压力。在各种实施方案中，凹座的存在也可以作用于维持和/或改善钻井液的流动性质，例如，通过不减少或增加钻井液在向上方向上的流动速率和/或通过不恶化或改善钻井液的局部流动性质的质量。

此外，由于凹座包括从钻头臂的外表面向内径向延伸的空孔，钻头臂的外表面的表面积有效地减少。在钻孔中的操作期间，外表面旋转并且可以与钻孔的壁接触，从而引起钻头臂上的磨损并且也制造抵抗钻头的旋转工作的阻力(即，摩擦)。此不希望的阻力或摩擦可以与钻头臂接触钻孔壁的外表面的接触面积相关联。当外表面的接触面积由于钻头臂中的凹座的存在减少时，可能存在较少的材料与钻孔壁接触并且阻力或摩擦可以对应地减少，这继而可以减少钻头臂上的磨损和/或延长钻头的使用寿命。

凹座的至少一部分可以用来容纳与钻井操作相关联的功能元件或设备件。例如，仪表和/或通信元件(即，传感器、电子部件、电源、通信元件、联网元件等等)可以在钻头的操作期间放置在凹座中。凹座可以提供紧固位置用于容纳所需设备件。在某些实施方案中，凹座的形状可以保护位于其中的设备件不受不希望的暴露，例如，暴露给钻孔壁。在其他实施方案中，凹座的形状可以使位于其中的设备件能够与钻孔壁在所限定的接近度内和/或接触钻孔壁。放置在凹座中的仪表元件可以与凹座的形状配合，或可以驻留在与凹座的形状配合的壳体中。在某些实施方案中，仪表元件可以固定或附接以便在钻井操作期间保留在凹座内。

以上公开的主题应被认为是说明性的而非限制性的，并且所附权利要求意图涵盖所有这些修改、增强以及属于本公开的真实精神和范围内的其他实施方案。因此，在法律允许的最大范围内，本公开的范围应由所附权利要求及其等效物的最广泛容许解释来确定，并且不应受前述详细说明限定或限制。

Claims (20)

1.一种用于地下钻井的钻头，其包括：

多个支撑构件，每个支撑构件包括外表面并且被配置成接收相应切割元件；以及

所述多个支撑构件中的至少一个限定凹座，其中所述凹座从所述外表面向内径向延伸。

2.如权利要求1所述的钻头，其中所述多个支撑构件是3个支撑构件。

3.如权利要求1所述的钻头，其中所述凹座紧接支撑构件中的向上弯曲的表面，当所述钻头在钻孔中旋转时，所述向上弯曲的表面向钻井液提供向上压力。

4.如权利要求1所述的钻头，其中所述凹座的上边缘跟随所述向上弯曲的表面。

5.如权利要求1所述的钻头，其中所述凹座紧接支撑构件的前缘。

6.如权利要求1所述的钻头，其中所述凹座延伸到支撑构件的后缘的至少一部分。

7.如权利要求1所述的钻头，其中所述凹座具有弯曲边缘，其具有预定的最小曲率半径。

8.如权利要求1所述的钻头，其中所述凹座在所述钻头的操作期间容纳仪表元件。

9.如权利要求8所述的钻头，其中所述仪表元件包括通信元件。

10.如权利要求1所述的钻头，其中所述凹座减少所述外表面的表面积。

11.一种用于地下钻井的钻头的钻头臂，其包括：

上部分，其用于接合到所述钻头的其他臂；

下部分，其用于接收切割工具；以及

支撑构件，其连接所述上部分和所述下部分，所述支撑构件包括凹座，其在所述支撑构件的外表面中构造，其中所述凹座从所述外表面向内径向延伸。

12.如权利要求11所述的钻头臂，其中所述钻头包括3个钻头臂。

13.如权利要求11所述的钻头臂，其中所述凹座紧接所述支撑构件中的向上弯曲的表面，当所述钻头在钻孔中旋转时，所述向上弯曲的表面向钻井液提供向上压力。

14.如权利要求11所述的钻头臂，其中所述凹座的上边缘跟随所述向上弯曲的表面。

15.如权利要求11所述的钻头臂，其中所述凹座紧接所述支撑构件的前缘。

16.如权利要求11所述的钻头臂，其中所述凹座延伸到所述支撑构件的后缘的至少一部分。

17.如权利要求11所述的钻头臂，其中所述凹座具有弯曲边缘，其具有预定的最小曲率半径。

18.如权利要求11所述的钻头臂，其中所述凹座在所述钻头的操作期间容纳仪表元件。

19.如权利要求18所述的钻头臂，其中所述仪表元件包括通信元件。

20.如权利要求11所述的钻头臂，其中所述凹座减少所述外表面的表面积。