CN107420045A - 具有带凹形芯切削器的芯容座的固定切削器钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有带凹形芯切削器的芯容座的固定切削器钻头。一种钻头，包括：柄部，该柄部具有螺纹联接，其形成在柄部的上端处；钻头主体，其安装到柄部的下端并具有增压室；保径部，其形成钻头的外部；切削面，其形成钻头的下端并包括：芯容座，该芯容座形成在所述切削面的中心处，可操作用以接纳土壤芯，并且包括：凹形芯切削器，其安装到钻头主体的底部；以及芯端口，其从增压室延伸穿过钻头主体的底部并且可操作用以将钻井液排出到土壤芯和芯切削器上；多个刀片，其从钻头主体的底部突出并从芯容座的外周延伸到保径部；以及多个前切削器，其沿每个刀片安装。

Description

具有带凹形芯切削器的芯容座的固定切削器钻头

技术领域

本公开总的涉及一种具有带凹形芯切削器的芯容座的固定切削器钻头。

背景技术

美国专利No.5,655,614公开了一种自定心钻头，包括头部，头部具有多个多晶金刚石复合片切削元件，所述多个多晶金刚石复合片切削元件布置在远离该钻头的表面向外延伸的刀片中。空腔居中地位于头部上并形成在相邻的刀片端部之间。空腔包括壁部，壁部由刀片端部限定。空腔用于容纳在钻头的钻孔操作期间形成的芯部。头部被平衡，以形成并传递从指定的壁部向空腔内的芯部的力。指定的壁部至少包括低摩擦耐磨表面。空腔包括刚性元件，刚性元件远离头部向外延伸，以在接触时减小空腔内的芯。传递到芯部的力引起反作用力，由芯施加到壁部，其保持钻头与其旋转轴线对齐，并从而防止回旋。

美国专利No.8,820,441公开了一种钻头，其具有固定的多晶金刚石复合片切削器，并用于钻出钻孔，钻孔在其中具有芯桩(core stump)。多个额外的固定的多晶金刚石复合片切削器设置在钻头的穹顶中，并且可用于将应力集中在芯桩的顶端中，以便于切下芯桩。

美国专利No.8,839,886公开了一种钻头，其构造用于将孔或井钻进土壤中，并且包括多个刀片，所述多个刀片构造有凹进的中心，使得所述刀片切削在其之间的芯。在凹进的中心中的切削元件构造用以切削并且去除芯。凹进的中心具有在离凹进的中心中的切削元件一定高度处的第一直径和比第一直径小的第二直径，使得在通过凹进的中心中的切削元件切削之前，芯上的限制应力被释放。

美国专利No.8,960,335公开了一种钻头，其用于钻井并具有前表面，前表面带有径向刀片，该径向刀片具有围绕前表面分布的切削元件。用于形成芯的空间位于前表面的中心。空腔设置用于将芯朝向该钻头的外周排出。空腔的至少一部分位于相邻的刀片之间。空腔由两个侧表面和相对于前表面向后退的间隙表面限定，并且空腔在与间隙表面相反的方向上敞开。该钻头可在用于钻井的方法中使用，并且使得能够在所有类型的岩石中快速钻出大深度的井，而没有堵塞的风险。

美国专利No.7,392,857公开了一种钻头，包括旋转轴线、主体和工作面。主体包括流体通道，流体通道具有第一座并容纳与轴线基本同轴的千斤顶(jack)元件。止挡元件设置在该通道内并且具有第一近密封表面。千斤顶元件具有在凹痕端和阀部中间的轴。阀部具有第二近密封表面和第二座，第二近密封表面与第一近密封表面相邻设置，第二座与第一座相邻设置。随着地层(formation)强烈地抵抗千斤顶元件，密封表面之间的距离变窄。这导致通道内的流体压力的增加并迫使凹痕端向下进入地层。千斤顶元件的这种移动缓解了压力积聚，使得地层将千斤顶元件往回推动，从而使千斤顶元件振动。

美国专利No.7,591,327公开了一种用于钻出钻孔的方法，包括以下步骤：将附接到钻柱的钻头部署在井眼中，钻头具有轴向千斤顶元件，该轴向千斤顶元件具有突出超过钻头的工作面的远端；将千斤顶元件的远端抵靠地层接合，使得地层在钻柱旋转的同时在千斤顶元件上施加反作用力；以及在千斤顶元件上施加与反作用力相反的力，使得千斤顶元件振动并将共振频率施加到地层中。

美国专利No.7,641,002公开了一种旋转刮刀(drag)钻头，其具有在柄部和工作面中间的主体。工作面具有多个刀片，所述多个刀片朝向工作面的中心会聚并朝向工作面的保径部发散。碳化物部固定于工作面并且位于设置在工作面的倒锥体内的凹座内。碳化物部具有暴露在工作面内的远端。

美国专利No.7,694,756公开了一种钻头，其具有钻头主体,钻头主体在工作面和适于连接到井下钻柱的柄端中间。工作面具有至少三个固定的刀片，所述至少三个固定的刀片朝向工作面的中心会聚并朝向钻头的保径部发散，至少一个刀片具有与工作面的中心相邻的锥形区域。锥形区域的高度远离工作面的中心并且朝向所述至少一个刀片的刀尖部增加。开口沿钻头的旋转轴线形成在钻头中心处的工作面中，该开口通向具有至少一个壁的腔室。凹痕构件设置在开口内并且从开口延伸，与旋转轴线基本同轴，并且固定于腔室的壁。

美国专利No.8,020,471公开了一种钻头，其具有在柄部和工作面中间的主体，工作面包括多个刀片，所述多个刀片形成在工作面上并从钻头主体向外延伸。每个刀片包括至少一个切削元件。钻头还具有千斤顶元件，千斤顶元件与旋转轴线同轴并从形成在工作面中的开口延伸出来。千斤顶元件的一部分涂覆有防镀层(stop-off)。

美国专利No.8,820,440公开了一种用于井下定向钻井的转向组件，包括：外钻头，外钻头具有孔和外切削区域；以及内钻头，内钻头具有内切削区域并连接到设置在钻孔内的轴。至少一个偏置机构设置在轴周围。至少一个流体通道设置在外钻头内并且将流体重新定向到所述至少一个偏置机构，从而致使所述至少一个偏置机构推动轴并相对于外钻头的轴线改变内钻头的轴线。

美国专利No.8,130,117公开了一种井下钻头，其具有在柄部和工作面中间的主体。与钻头主体电绝缘的耐磨电子发射器从工作面延伸。也与钻头主体电绝缘的耐磨导电接收器可连接到下井仪器串(tool string)部件。工作面还可以具有至少两个耐磨电极，所述至少两个耐磨电极位于发射器和接收器中间，适于测量地层中的电位。

美国专利No.7,661,487公开了一种井下冲击工具，包括内部腔室和活塞元件，活塞元件可滑动地就坐于内部腔室内，从而在任一侧上形成两个压力腔室。随着钻井液被引导到任一个压力腔室中，活塞元件可以在内部腔室内来回滑动。输入通道将钻井液供给到压力腔室中，并且出口孔口将液体从压力腔室释放。排出口允许额外的钻井液从内部腔室释放。在任一压力腔室中维持的压力的量可以通过出口孔口和排出口的尺寸来控制。在各种实施例中，冲击工具可以形成井下千斤顶锤或振动器工具。

美国专利No.8,191,656公开了一种构造有金刚石台的切削器，该金刚石台由结合到由碳化钨硬质合金制成的背衬层的多晶金刚石薄硬质表面材料层制成。金刚石台的表面包括形成有弯曲形状的凹形(concavity)，其中，在切削器的中心中的表面的至少一部分相对于在切削器的周界附近的表面的至少某一部分凹进。该凹形弯曲形状形成在金刚石台本身中，使得金刚石台具有取决于所实现的凹形变化的厚度。

发明内容

本公开总的涉及具有带有凹形芯切削器的芯容座的固定的切削器钻头。在一个实施例中，钻头包括：柄部，柄部具有螺纹联接，螺纹联接形成在柄部的上端处；钻头主体，钻头主体安装到柄部的下端并具有增压室(plenum)；保径部，保径部形成钻头的外部；以及切削面，切削面形成钻头的下端。切削面包括：芯容座，该芯容座形成在所述切削面的中心处，可操作用以接纳土壤芯，并且包括：凹形芯切削器，凹形芯切削器安装到钻头主体的底部；以及芯端口，芯端口从增压室延伸穿过钻头主体的底部并且可操作用以将钻井液排出到土壤芯和芯切削器上；多个刀片，所述多个刀片从钻头主体的底部突出并从芯容座的外周延伸到保径部；以及多个前切削器(leading cutter)，所述多个前切削器沿每个刀片安装。

附图说明

使得本公开的上述特征能够详细了解的方式，以上简要概述的本公开的更加具体的描述可以通过参考实施例进行，实施例中的一些在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了本公开的典型实施例，并且因此不被认为对其范围的限制，因为本公开可允许其它同等有效的实施例。

图1示出了根据本公开的一个实施例的具有芯切削器的钻头以及井眼。

图2A、2B和3A-3C示出了钻头，钻头具有与芯接合的芯切削器。图3D示出了芯切削器的倾斜角度。

图4A示出了钻头的切削面。图4B示出了钻头的芯容座(receptacle)。

图5A和5B示出了钻头的芯切削器。

图6示出了根据本公开的另一实施例的替代钻头，替代钻头具有双切削器容座。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的具有芯切削器3的钻头2以及井眼1。钻头2可以被组装为井底组件(BHA)4的组成部分。BHA4可以连接到管柱5的底部，例如钻管或盘绕管，并且部署到井眼1中，从而形成钻柱。BHA 4可以进一步包括一个或多个钻铤6，所述一个或多个钻铤6例如通过螺纹联接连接到钻头2。钻头2可以例如通过从钻机(未示出)旋转钻柱和/或通过BHA 4的钻井马达(未示出)来旋转，同时诸如泥浆的钻井液7可以顺着钻柱向下泵送。钻柱的重量可以设置在钻头2上。钻井液7可以通过钻头2排出，并且将切屑向上携带到形成在钻柱与井眼1之间和/或在钻柱与套管柱和/或衬套柱9之间的环形空间(annulus)8中。随着井眼1正在被钻出，圆柱形土壤芯10形成并由钻头2的中心接纳。芯10的顶部通过芯切削器3磨碎并破裂开，并且芯屑也通过排出的钻井流体7向上携带到环形空间8中。钻井液和切屑共同地称为回流物(return)11。

图2A、2B和3A-3C示出了钻头2，钻头2具有芯切削器3，芯切削器3与芯10接合。图3D示出了芯切削器3的倾斜角度26。图4A示出了钻头2的切削面。图4B示出了钻头2的芯容座。钻头2可以包括钻头主体12、柄部13、切削面和保径部。柄部13可以是管状的，并且包括上件和下件，下件例如通过由焊接固定的螺纹联接连接到上件。钻头主体12可以由复合材料制成，诸如陶瓷和/或被金属粘合剂渗透的金属陶瓷体粉末。钻头主体12可以在其模制期间安装到下柄部件。柄部13可以由诸如钢的金属或合金制成，并且具有形成在其上端以将钻头2连接到钻铤6的诸如螺纹销的联接器。柄部13可以具有穿过其中形成的流孔，并且流孔可以延伸进入钻头主体12中至其增压室。切削面可以形成钻头2的下端，并且保径部可以形成在其外部处。

或者，钻头主体12可以是金属的，例如由钢制成，并且可表面硬化。金属钻头主体可以通过螺纹联接连接到改进的柄部，并接着通过焊接固定。

切削面可以包括一个或多个(示出三个)主刀片14p、一个或多个(示出四个)辅助刀片14s、形成在刀片之间的流体流道、前切削器15a、备用切削器15b和芯容座16。芯容座16可以是形成在切削面的中心17处的无刀片区域。芯容座16可以构造用以接纳芯10，芯10具有在钻头2的外径的4％至17％之间的范围内的直径。芯10的直径可以通过前切削器15a中的最里面的一个15n的位置来控制。

芯容座16可以限定在主刀片14p的内端之间，并且包括芯切削器3和芯端口18。芯切削器3可以例如通过钎焊安装在形成于钻头主体12的底部中的凹座中。芯端口18可以形成在钻头主体12中，并且可以从增压室延伸并穿过钻头主体的底部，以将钻井液排出到芯10和芯切削器3上，从而便于通过芯切削器破碎芯并将切屑从其中清洗掉。芯端口18可以包括喷嘴(未示出)或者是无喷嘴的(示出)，喷嘴紧固到钻头主体12。芯切削器3的直径可以被选择并且芯切削器可以相对于钻头2的纵向中心线17倾斜26，使得其切削台3t与诸如在芯直径的四分之一至一半之间的范围内的芯直径的一部分重叠，从而确保随着芯切削器与钻头2一起旋转而完成其破碎。倾斜角度26可以在十度和五十度之间的范围内。芯切削器3的直径可以在芯10的直径的一半和二分之三的范围内。芯切削器3可以稍微偏离切削器表面的中心17，使得切削台3t的底部与芯10的外表面相邻和/或芯切削器凹座的边缘可以与切削器表面的中心17相交。芯容座16可以与流体流道流体连通。芯切削器3的底部可以相对于主刀片14p的底部稍稍凹进去(sub-flush)，并且可以基本上相对于主刀片稍稍凹进去，例如相对于主刀片的中线稍稍凹进去。

刀片14p、14s可以设置在切削面周围，并且每个刀片可以在钻头主体12的模制期间形成并可以从钻头主体的底部突出。主刀片14p可以各自从芯容座16的外周延伸到保径部。一个或多个(示出七个)刀片端口可以形成在钻头主体12中，并且每个刀片端口可以从增压室延伸并且穿过钻头主体的底部，以沿流体流道排出钻井液。喷嘴19可以设置在每个刀片端口中并且紧固到钻头主体12。内组的一个或多个(示出三个)刀片端口可以设置成与主刀片14p的相应内端相邻。辅助刀片14s可以从在切削面上与内组的刀片端口相邻的位置延伸到保径部。每个刀片14p、14s可以以稍微的螺旋弯曲从切削面大致径向地延伸到保径部。

每个刀片14p、14s的基部和每个刀片的中间部可以由与钻头主体12相同的材料制成。每个刀片14p、14s的下刀尖20可以用诸如金刚石的超硬材料浸渍，以增强耐磨性。前切削器15a可以例如通过钎焊安装在沿刀片14p、14s的前刀刃形成的凹座中。备用切削器15b可以例如通过钎焊安装在沿刀片14p、14s的底部形成的凹座中。每个备用切削器15b可以对准或稍微偏离相应的前切削器15a。备用切削器15b可以完全或可以不完全延伸到保径部。每个切削器15a、15b可以包括诸如多晶金刚石的超硬切削台，超硬切削台附着到诸如金属陶瓷的硬质基底上，从而形成诸如多晶金刚石复合片的复合片(compact)。每个主刀片14p在其底部中的最里面凹座或一对凹座可以具有磨损段21而不是备用切削器15b。每个磨损段21可以用诸如金刚石的超硬材料浸渍，以增强耐磨性。

保径部可以包括多个保径垫22和排屑槽，排屑槽形成在保径垫之间。排屑槽可以与形成在刀片14p、14s之间的流体流道流体连通。保径垫22可以设置在保径部周围，并且每个垫可以在钻头主体12的模制期间形成并可以从钻头主体的外部突出。每个保径垫22可以由与钻头主体相同的材料制成，并且每个保径垫可以与相应的刀片14p、14s一体形成。

图5A和5B示出了芯切削器3。芯切削器3可以包括凹形切削台3t,凹形切削台3t附接到圆柱形基底3s。凹形切削台3t可以是圆形的，并且基底3s可以是圆形筒。切削台3t可以由诸如多晶金刚石的超硬材料制成，所述超硬材料附着到诸如金属陶瓷的硬质基底，从而形成诸如多晶金刚石复合片的复合片。金属陶瓷可以是诸如钴(或VIII族金属)-碳化钨的硬质合金。切削台3t可以具有与基底3s的交界面23和与交界面相对的切削面24。切削面24可以具有外倒角刀刃24e、与倒角刀刃相邻的平面边沿24r、与该边沿相邻的圆锥形表面24n以及与圆锥形表面24c相邻的中心凹坑(crater)24c。交界面23可以具有平面外边沿23r和内抛物线表面23p。切削台3t的厚度可以在凹坑24c处是最小值，并从其向外增加，直到在边沿23r处达到最大值为止。该凹形的深度25可以在芯切削器3的直径的4％至18％之间的范围内。

或者，切削台3t和基底3s可以各自为椭圆形。

由于低线速度，切削效率在固定的切削器钻头的中心处可能是有问题的。有利地，凹形芯切削器3会利用剪切力和横向力两者平滑地破碎芯10，以将芯破裂开并使之破碎。这种双重作用切削优于上述任何现有技术解决方案。此外，为了清楚，即使在钻孔期间产生芯10，钻头2也不是取芯钻头，因为芯被芯切削器3破坏，并且切屑沿流体流道和排屑槽从其中清洗掉。

图6示出了根据本发明另一实施例的替代钻头27，替代钻头27具有双切削器容座27r。除了具有双切削器容座27r而不是芯容座16并且具有用于容纳双切削器容座的改进的钻头主体27b之外，替代钻头27可类似于钻头2。双切削器容座27r可包括外芯切削器28o、内芯切削器28n以及芯端口(未示出)。每个芯切削器28n、28o可类似于芯切削器3。每个芯切削器28n、28o可安装在形成于改进的钻头主体27b的底部中的相应凹座中。芯切削器28n、28o可绕替代芯容座27r成角度地彼此间隔开，例如以在三十度和一百八十度之间的范围内的间隔。每个芯切削器28n、28o的底部可以相对于主刀片(未示出)的底部稍稍凹进去。外芯切削器28o可以一定高度从改进的钻头主体27b的底部延伸，该高度大于内芯切削器28n从改进的钻头主体的底部延伸的高度。外芯切削器28o的切削台可与芯10的外部重叠，而内芯切削器28n的切削台可与芯的内部重叠，使得芯在两段中被切削。两段切削可在替代芯容座27r内赋予芯10分层形状。

或者，替代钻头27可以具有多于两个芯切削器28n、28o，例如大于或等于主刀片的数目(例如三个)或者大于或等于刀片总数目(主+辅助)(例如七个)的多个芯切削器。

虽然前述内容涉及本公开的实施例，但是本公开的其它和进一步实施例可以在不偏离本公开的基本范围的情况下想到，并且本发明的范围由所附权利要求书来确定。

Claims (15)

1.一种钻头，包括：

柄部，所述柄部具有螺纹联接，所述螺纹连接形成在所述柄部的上端处；

钻头主体，所述钻头主体安装到所述柄部的下端并具有增压室；

保径部，所述保径部形成所述钻头的外部；以及

切削面，所述切削面形成所述钻头的下端并包括：

芯容座，所述芯容座形成在所述切削面的中心处，可操作用以接纳土壤芯，并且包括：

凹形芯切削器，所述凹形芯切削器安装到所述钻头主体的底部；以及

芯端口，所述芯端口从所述增压室延伸穿过所述钻头主体的底部并可操作用以将钻井液排出到所述土壤芯和芯切削器上；

多个刀片，所述多个刀片从所述钻头主体的底部突出并从所述芯容座的外周延伸到所述保径部；以及

多个前切削器，所述前切削器沿每个刀片安装。

2.如权利要求1所述的钻头，其中，所述前切削器中的最里面一个定位成使得所述土壤芯的直径在从所述钻头的外径的4％至17％的范围内。

3.如前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中，所述凹形芯切削器与在所述土壤芯的直径的四分之一和一半之间的范围内的所述土壤芯的直径的一部分重叠。

4.如前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中，所述凹形芯切削器相对于所述钻头的中心线倾斜，倾斜角度在十度和五十度之间的范围内。

5.如前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中，所述凹形芯切削器的直径在所述芯的直径的一半和二分之三之间的范围内。

6.如前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中，所述凹形芯切削器的底部相对于所述刀片的中线稍稍凹进去。

7.如前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中，所述凹形的深度在所述凹形芯切削器的直径的4％和18％之间的范围内。

8.如前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中，所述钻头仅包括一个凹形芯切削器。

9.如权利要求1-7中的任一项所述的钻头，其中：

所述芯切削器为第一芯切削器，并且

所述钻头进一步包括第二凹形芯切削器，所述第二凹形芯切削器安装到所述钻头主体的底部。

10.如权利要求9所述的钻头，其中，所述芯切削器绕所述芯容座以在三十度和一百八十度之间的范围内的角度彼此间隔开。

11.如权利要求9所述的钻头，其中：

所述第一芯切削器是内芯切削器，

所述第二芯切削器是外芯切削器，

每个芯切削器的底部均可以相对于所述刀片的底部稍稍凹进去，

所述外芯切削器以一高度从所述钻头主体的底部延伸，所述高度大于所述内芯切削器从所钻头主体的底部延伸的高度，并且

所述外芯切削器的切削台与所述土壤芯的外部重叠，而所述内芯切削器的切削台与所述土壤芯的内部重叠，使得所述芯切削器能够操作用以在两段中切削所述土壤芯。

12.如权利要求1-7和9-11中的任一项所述的钻头，其中：

所述钻头具有至少三个刀片，并且

所述钻头具有大于或等于所述刀片的数目的多个凹形切削器。

13.如前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中，所述钻头主体由陶瓷和/或被金属粘合剂渗透的金属陶瓷粉末制成。

14.如前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中：

所述刀片的下刀尖用超硬材料浸渍，并且

所述钻头进一步包括一个或多个超硬磨损元件，所述一个或多个超硬磨损元件安装到与其内端相邻的每个刀片的底部。

15.一种使用如前述权利要求中的任一项所述的钻头来钻井眼的方法，包括：

将所述钻头连接到管柱的底部，从而形成钻柱；

将所述钻柱下降到所述井眼中，直到所述钻头紧邻所述井眼的底部为止；

旋转所述钻头并通过所述钻柱注入钻井液；以及

在所述钻头上施加重量，

其中，所述凹形芯切削器利用剪切力和横向力两者平滑地破碎所述土壤芯，以将所述土壤芯破裂开并使之破碎。