CN106661925A - 力自平衡钻头 - Google Patents

Abstract

一种地面钻头包括钻头主体组件和由所述钻头主体组件承载的多个可单独移动的切割元件。所述钻头主体组件绕中心钻头主体轴线布置并且包括液压回路。所述多个可单独移动的切割元件可在平行于所述中心钻头主体轴线的方向上移动，并且由所述液压回路中的流体支撑。

Description

力自平衡钻头

发明背景

本公开涉及用于在地层中钻探井筒的钻头，并且更具体地，涉及具有可移动切割结构的钻头。

钻头可用来在地层中通过使钻头绕纵向轴线旋转来钻探井筒。钻头通常包括处于切割结构(例如，刀片、牙轮、圆盘)上的切割元件(例如，固定刀具、铣钢齿、碳化物插入件)。在钻头旋转期间，切割元件和切割结构通过对地层的各部分进行剪切、压裂、粉碎或者组合进行剪切、压裂、粉碎来在地下地层中形成井筒。在同一钻头上不同位置处的切割结构在它们与地层相互作用时暴露于不同的负载下。

附图简述

图1是示例性井系统的示意性部分截面图。

图2是示例性钻头的示意性透视图。

图3A是示例性钻头的示意性部分端视图。

图3B是示例性钻头的示意性部分端视图。

图4A和图4B是示例性钻头的示意性部分截面侧视图。

在各图中，类似的参考符号指示类似的元件。

具体实施方式

图1是示例性井系统10的示意性部分截面图，所述井系统10通常包括大致圆柱形井筒12，所述大致圆柱形井筒12从表面16处的井口14向下延伸到地面中从而进入一个或多个感兴趣的地下区(示出一个感兴趣的地下区18)。地下区18可以对应于由井系统10进入的单一地层、地层的一部分或多于一种地层，并且给定的井系统10可以进入一个或多于一个地下区18。在井筒12的一些或全部被钻探之后，井筒12的从井口14延伸到地下区18的部分与管件(称为套管20)的长度对齐。所描绘的井系统10是垂直井，并且井筒12从地面16大致垂直地延伸至地下区18。然而，本文中的概念适用于井的许多其他不同构型，包括水平井、倾斜井或以其他方式偏斜的井以及具有从入口井偏斜的支腿的多分支井。

钻柱22被示出为已经从地面16下放到井筒12中。在一些实例中，钻柱22是端对端耦接在一起的一系列联结长度的管件和/或连续的(即，不是联结的)复绕管件。钻柱22包括一个或多个井工具，包括井底总成24。井底总成24可例如包括钻头。在所示实例中，井筒12正在被钻探。井筒12可被分段钻探，并且可将套管20安装在各段之间。

图2是示例性钻头100的示意性透视图，所述示例性钻头100可以用于图1的井系统10的井底总成24中。示例性钻头100包括钻头主体组件102，所述钻头主体组件102具有处于钻头主体组件102的一个纵向端上的销端104，处于钻头主体组件102的与销端104相对的另一个纵向端上的钻探端106以及中心钻头主体轴线A-A。所述中心钻头主体轴线A-A通过钻头主体组件102的中心限定中心纵向轴线。钻头100在钻探时绕中心钻头主体轴线A-A旋转。在一些实例中，销端104是凸形的并且具有螺纹以与钻柱管件端处的凹形箱配合。钻头主体组件102包括处于钻头主体组件102内的液压回路(如在下文结合图4A和图4B进一步描述)。示例性钻头100包括位于刀片110上的呈刀具112形式的可单独移动的切割元件108，所述可单独移动的切割元件108由钻头主体组件102承载，可(大致或直接地)平行于中心钻头主体轴线A-A移动并且由液压回路中的流体支撑。在图2的示例性钻头100中，切割元件108(即，刀片110的刀具112)可沿着中心钻头主体轴线A-A纵向移动。刀片110从钻头主体组件102的钻探端106向前纵向延伸，并且刀具112部分地嵌入在刀片110中。尽管图2将切割元件108描绘为位于刀片110上的刀具112，但是切割元件108可以包括另外的或不同的特征部和部件。例如，切割元件108可以包括位于滚柱牙轮、圆盘和/或其他切割结构上的由钻头主体组件102承载并且由液压回路中的流体支撑或不由所述流体支撑的铣齿、PDC插入件、碳化物插入件和/或其他。切割元件108绕中心钻头主体轴线A-A对称地布置在示例性钻头100的钻探端106上。在一些实例中，切割元件108绕中心钻头主体轴线A-A不对称地布置在钻头100上。

图3A是示例性钻头100的部分示意性端视图，其示出位于两个刀片110上的呈刀具112形式的切割元件108，所述两个刀片110附连到公共可移动翼瓣114。图3B示出图3A的切割元件108，并且画出示例性钻头100的外周的轮廓。所述外周示出包括三个可单独移动的翼瓣114的示例性钻头100，每个翼瓣114具有位于两个刀片110上的呈刀具112形式的、在示例性钻头100上均匀间隔开的切割元件108。在一些实例中，翼瓣114的数量是不同的，设置在钻头100上的可移动切割元件108的总数量是不同的，被承载以一起移动的切割结构(例如，刀片110)的数量是不同的(例如，每个翼瓣114一个或三个或更多个刀片110)，切割结构的类型是不同的(例如，刀片110、滚柱牙轮、圆盘和/或其他切割结构)，和/或切割元件108的类型是不同的(例如，铣钢齿、PDC插入件、碳化物插入件和/或其他)。例如，示例性钻头100可以包括两个或更多个可单独移动的翼瓣114，每个翼瓣114具有一个或多个切割元件108和/或切割结构。在一些实例中，在一个或多个翼瓣或每个翼瓣上的切割结构包括一个或多个刀片、一个或多个圆盘、一个或多个滚柱牙轮和/或这些的组合，其中所述切割结构包括切割元件108。在某些实例中，切割结构和/或切割元件108在示例性钻头100上不均匀地间隔开。

图4A和图4B是处于第一位置中(图4A)和第二位置中(图4B)的示例性钻头100的示意性部分截面侧视图。图4A中示出的钻头100的第一位置与翼瓣114的轴向延伸位置关联，并且因此与切割元件108关联。图4B中示出的钻头100的第二位置与翼瓣114的轴向压缩位置关联，并且因此与切割元件108关联。液压回路116包括被接收在液压互连的圆柱体120(示出一个)中的多个活塞118(示出一个)，所述液压互连的圆柱体120由钻柱主体组件102的环状翼瓣座122限定。活塞118和圆柱体120设置在翼瓣114中的每一个处。因此，液压互连的圆柱体120绕环状翼瓣座122均匀或不均匀地周向地间隔开。环状翼瓣座122附连到环状钻头主体124，所述环状钻头主体124限定钻头主体组件102的螺纹销端104。示例性钻头100包括多个翼瓣114(示出一个)，所述多个翼瓣114各自包括具有切割元件108(例如，刀具112)的切割结构(即，刀片110)并且各自耦接到不同的活塞118。在某些实例中，翼瓣114中的一个或多个各自连接到多于一个的活塞118，例如以便用相应活塞118冗余支撑翼瓣114。活塞118中的每一个包括活塞销126和活塞主体128。活塞销126(例如，通过螺纹、粘合剂、紧固件、焊接和/或其他连接)耦接到翼瓣114中的一个。在图4A和图4B中，活塞销126是圆柱形的并且部分地嵌入翼瓣114中，从翼瓣114延伸到瓣片座122的液压互连的圆柱体120中。活塞主体128具有大致与液压互连的圆柱体120的内径匹配的外径。在某些实例中，活塞主体128包括抵靠液压互连圆柱体120的内径的密封件(例如，o形环130)，以例如(大致或完全地)抵抗经过活塞118的活塞主体128的流体泄露。活塞主体128的相对于活塞销126的较大直径在邻近液压互连的圆柱体120的翼瓣座122中产生肩台区域。在一些实例中，翼瓣座122的肩台区域作为翼瓣114抵靠肩台区域的机械止动件(例如，如图4B描绘)，和/或作为活塞118的活塞主体128抵靠肩台区域的机械止动件(例如，如图4A描绘)起作用。在某些实例中，翼瓣座122的肩台区域部分地起作用，以将翼瓣114侧向地对准翼瓣座122，并且以将翼瓣114可滑动地耦接到翼瓣座122以便进行相对纵向移动。在一些实例中，诸如图4A和图4B中所描述，翼瓣座122的肩台区域包括绕活塞销126的一部分的衬套132，以例如在纵向移动切割元件108期间可滑动地与活塞销126啮合。在一些实例中，衬套132吸收示例性钻头100在翼瓣114与翼瓣座122之间的旋转和/侧向振动。在某些实例中，衬套132包括具有强的耐热性和/或抗疲劳性的材料。

在一些实例中，液压互连的圆柱体120是圆柱形腔室，其通过通道134连接到钻头主体组件102中的其他液压互连的圆柱体。通道134流体地连接钻头主体组件的液压互连的圆柱体120，使得(例如，由于可移动切割元件108撞击地层)活塞主体128在液压互连圆柱体120中的纵向移动使流体移位到液压回路116中，以作用于液压回路116中的其他活塞。换句话说，液压回路116将两个或更多个翼瓣114液压地连接在一起并且支撑所述两个或更多个翼瓣114，使得一个翼瓣的移动通过液压回路中的流体对相同液压回路中的另一个翼瓣引起压力变化。例如，在钻探期间，示例性钻头100压靠地层，使得切割元件108压裂、刮磨、粉碎和/或以其他方式啮合地层。在一些实例中，地层对钻头100施加不均匀的纵向压力，使得切割元件108中的一个比其他切割元件108中的一个或多个经历更大的纵向压力。施加的压力可以引起切割元件108受迫平移(即，使活塞118平移)，从而使液压回路116中的流体移位到其他液压互连圆柱体120中的每一个。在一些实例中，切割元件响应于切割元件啮合地层而在一个方向上轴向地移动。例如，由于液压回路中移位的流体对另一个切割元件起作用或推挤所述另一个切割元件，响应于切割元件的轴向移动，另一个切割元件在相对方向上轴向地移动。换句话说，轴向地移动钻头的切割结构的切割元件增加液压回路中对另一个切割结构的另一个切割元件的流体压力，以使所述另一个切割元件在相对方向上移动。在一些实例中，具有其啮合坚硬岩石的可移动切割元件的翼瓣使其相应活塞比液压回路中的其他活塞经受更大压力，但是所述更大压力然后通过液压回路中的流体被传递到其他活塞(即，其他翼瓣和相应的切割元件)上以接近自调整的压力平衡。在钻头100钻探期间，液压回路116可以通过经由通道134在液压互连的圆柱体120之间的流体传送来连续地接近液压回路116中流体的压力平衡，以例如大致对液压回路116中的活塞118维持压力均等。液压回路116允许在翼瓣114以及其相应的可移动切割元件108之间具有自可调整的力平衡。

在一些实例中，液压回路116使示例性钻头100内的切割力保持平衡，以例如在钻探期间更好地引导钻头100和/或减小正被钻探的井筒的偏心率。在某些实例中，切割元件在钻头上的对称布置促进钻头主体组件的自可调整的力平衡。在一些实例中，例如由于钻头的自调整能力，钻头主体组件102减小了归因于在不同切割结构(例如，刀片、牙轮、圆盘和/或其他)或切割元件108之间的不平衡切割力的钻头生成的振动。在某些实例中，例如，由于钻头自调整能力，钻头主体组件102减小对可移动切割元件的冲击损伤，这可减小刀具磨损和/或使刀具磨损在钻头上更加均等。在一些实例中，钻头主体组件102抑制钻头生成的高频振动传播到钻柱，和/或抑制钻柱生成的高频振动传播到钻头，这可使钻探过程稳定并且提高钻探效率。

图4A和图4B的示例性钻头100包括液压回路116，所述液压回路116用液压回路116中的流体支撑可单独移动的切割元件108中的每一个。在某些实例中，液压回路116在不平行于中心钻头主体轴线A-A的方向上支撑可单独移动的切割元件108。例如，钻头主体组件的液压回路中的流体可支撑多个可移动切割元件，所述多个可移动切割元件侧向地移动以啮合井筒的侧壁，相对于中心钻头主体轴线A-A对角地移动和/或在不平行于中心钻头主体轴线A-A的另外的不同方向上移动。

在一些实例中，诸如图4A和图4B中描绘，钻头主体组件102包括处于翼瓣座122中的插塞136，所述插塞136与处于翼瓣114中的对应的纵向狭槽138配合。在一些实例中，例如，当活塞118的活塞销126脱离翼瓣114时，插塞136和狭槽138可以起作用来将翼瓣114固定到翼瓣座122。在某些实例中，狭槽138具有纵向长度，所述纵向长度大致等于处于可移动切割元件108和/或翼瓣114的第一位置(图4A)与可移动切割元件108和/或翼瓣114的第二位置(图4B)之间的差量。例如，插塞136和狭槽138可以作为区别于翼瓣座122的肩台区域或除所述肩台区域之外的机械止动件起作用，以使翼瓣114处于或第一位置(图4A)与第二位置(图4B)处或在所述第一位置(图4A)与所述第二位置(图4B)之间。对于钻头主体组件102的每个翼瓣114，钻头主体组件102可以包括一个或多个插塞和一个或多个对应的狭槽。

在一些实例中，示例性钻头100包括处于钻头主体组件102中的沿着中心钻头主体轴线A-A的中心孔140，以例如在钻探期间将钻头泥浆供应到钻头100的钻探端106。在一些实例中，钻头主体组件102包括沿着中心孔140的内支撑管142。内支撑管142耦接到环状钻头主体124和翼瓣座122并且压靠翼瓣114。内支撑管142可以各种方式(例如，利用螺纹、通过将内支撑管142收缩配合在中心孔140中、通过焊接和/或以另一种方式)耦接到环状钻头主体124和翼瓣座122。内支撑管142压靠翼瓣114，以例如使翼瓣114与翼瓣座122部分对准，同时允许翼瓣114沿着内支撑管142纵向移动。在一些实例中，内支撑管142包括抵靠翼瓣114的密封件(例如，o形环144)。内支撑管142向钻头主体组件102提供侧向支撑，例如对翼瓣114的侧向支撑。

在一些实例中，诸如图2、图4A和图4B中所描绘，钻头主体组件102包括位于钻探端106处的喷嘴146，以在钻探期间将钻井液(即，钻探泥浆)提供给钻头100前面的地层。

鉴于以上讨论，某些方面包括一种地面钻头，所述地面钻头包括钻头主体组件和多个可单独移动的切割元件。所述钻头主体组件绕中心钻头主体轴线布置并且包括液压回路。所述可单独移动的切割元件由所述钻头主体组件承载并且在平行于中心钻头主体轴线的方向上由液压回路中的流体支撑。

某些方面包括一种方法，所述方法包括：当切割元件切割地面时，将钻头的多个切割元件支撑在公共液压回路上；以及响应于在一个方向上轴向地移动一个切割元件，在相对方向上轴向地移动钻头的另一个切割元件。

某些方面包括一种钻井钻头，所述钻井钻头包括用于附接到绕中心钻头主体轴线布置的钻柱的钻头主体，以及被液压地支撑在公共液压回路上以相对于钻头主体移动的多个可单独移动的切割元件。

上文所述的方面可包括以下特征中的一些、零个或全部。液压回路包括被接收在液压互连圆柱体中的多个活塞，并且所述可单独移动的切割元件由所述活塞和所述圆柱体支撑，每个活塞和圆柱体与至少一个切割元件相关联。所述钻头主体组件包括附连到环状钻头主体的环状翼瓣座，所述翼瓣座限定多个液压互连的圆柱体，每个液压互连的圆柱体绕环状翼瓣座环周向地间隔开。所述钻头主体组件包括多个翼瓣，所述多个翼瓣各自包括至少一个切割元件并且各自耦接到不同的活塞。所述钻头包括内支撑管，所述内支撑管位于钻头的中心孔中并且抵靠多个翼瓣以侧向地支撑所述多个翼瓣。所述钻头包括位于翼瓣座中的插塞，所述插塞与翼瓣中的狭槽配合以将所述翼瓣可移动地固定到所述翼瓣座。所述钻头包括处于每个翼瓣处的至少一个切割结构，每个切割结构包括所述多个可单独移动的切割元件中的至少一个切割元件。所述可单独移动的切割元件绕中心钻头主体轴线对称地布置在钻头主体组件上。所述地面钻头包括多个可单独移动的刀片，所述刀片包括切割元件并且由液压回路中的流体支撑。在相对方向上轴向地移动(例如，推挤)钻头的另一个切割元件包括增加液压回路中对所述另一个切割元件的流体压力，以使所述另一个切割元件在相对方向上移动。所述一个切割元件和所述另一个切割元件在平行方向上移动。所述一个切割元件和所述另一个切割元件在非平行方向上移动。所述方法包括使液压回路中的对多个切割元件的流体压力保持平衡。所述多个可单独移动的切割元件平行于中心钻头主体轴线移动。所述可单独移动的切割元件绕中心钻头主体轴线对称地布置在钻头主体上。

已描述了多个实施方案。然而，应理解，可做出各种修改。因此，其他实施方案均处于所附权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种地面钻头，其包括：

钻头主体组件，所述钻头主体组件绕中心钻头主体轴线布置并且包括液压回路；以及

多个可单独移动的切割元件，所述多个可单独移动的切割元件由所述钻头主体组件承载，可平行于所述中心钻头主体轴线移动，并且由所述液压回路中的流体支撑。

2.如权利要求1所述的地面钻头，其中所述液压回路包括被接收在液压互连的圆柱体中的多个活塞；并且

其中所述可单独移动的切割元件由所述活塞和所述圆柱体支撑，每个活塞和圆柱体与至少一个切割元件相关联。

3.如权利要求2所述的地面钻头，其中所述钻头主体组件包括：

附连到环状钻头主体的环状翼瓣座，所述翼瓣座限定所述多个液压互连的圆柱体，每个液压互连的圆柱体绕所述环状翼瓣座周向地间隔开。

4.如权利要求3所述的地面钻头，其中所述钻头主体组件包括各自包括至少一个切割元件并且各自耦接到不同活塞的多个翼瓣。

5.如权利要求4所述的地面钻头，其包括内支撑管，所述内支撑管位于所述钻头的中心孔中并且抵靠所述多个翼瓣以侧向地支撑所述多个翼瓣。

6.如权利要求4所述的地面钻头，其包括位于所述翼瓣座中的插塞，所述插塞与所述翼瓣中的狭槽配合以将所述翼瓣可移动地固定到所述翼瓣座。

7.如权利要求1所述的地面钻头，其包括处于每个翼瓣处的至少一个切割结构，每个切割结构包括所述多个可单独移动的切割元件中的至少一个切割元件。

8.如权利要求1所述的地面钻头，其中所述可单独移动的切割元件绕所述中心钻头主体轴线对称地布置在所述钻头主体组件上。

9.如权利要求1所述的地面钻头，其包括多个可单独移动的刀片，所述刀片包括所述切割元件并且由所述液压回路中的流体支撑。

10.一种方法，其包括：

当切割元件切割地面时，将钻头的所述多个切割元件支撑在公共液压回路上；以及

响应于在一个方向上轴向地移动一个切割元件，在相对方向上轴向地移动所述钻头的另一个切割元件。

11.如权利要求10所述的方法，其中在相对方向上轴向地移动所述钻头的另一个切割元件包括增加所述液压回路中对所述另一个切割元件的流体压力，以使所述另一个切割元件在所述相对方向上移动。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述一个切割元件和所述另一个切割元件在平行方向上移动。

13.如权利要求10所述的方法，其中所述一个切割元件和所述另一个切割元件在非平行方向上移动。

14.如权利要求10所述的方法，其包括使所述液压回路中对所述多个切割元件的流体压力保持平衡。

15.一种钻井钻头，其包括：

钻头主体，所述钻头主体用于附接到绕中心钻头主体轴线布置的钻柱；以及

多个可单独移动的切割元件，所述多个可单独移动的切割元件被液压地支撑在公共液压回路上以相对于所述钻头主体移动。

16.如权利要求15所述的钻井钻头，其中所述多个可单独移动的切割元件平行于所述中心钻头主体轴线移动。

17.如权利要求15所述的钻井钻头，其中所述可单独移动的切割元件绕所述中心钻头主体轴线对称地布置在所述钻头主体上。