CN107620573A - 用于以套管或尾管柱进行钻孔的钻头及其制造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于以套管或尾管柱进行钻孔的钻头及其制造，钻头包括：管状杆部，其由高强度金属或合金制成；头部：具有切削面，该切削面具有内圆锥体、外肩部和处在圆锥体与肩部之间的中间鼻部；附接到杆部的端部；并由非铁金属或合金制成；多个刀片，所述多个刀片与头部一体地形成，由所述非铁金属或合金制成，并且各自从切削面的中心延伸到肩部；多个超硬切削器，所述多个超硬切削器沿每个刀片安装；多个保径垫，所述多个保径垫与杆部一体地形成；和齐平接头，其形成在每个刀片与相应的保径垫之间。所述高强度金属或合金的屈服强度是所述非铁金属或合金的屈服强度的至少两倍。

Description

用于以套管或尾管柱进行钻孔的钻头及其制造
技术领域
本公开总的涉及一种用于以套管或尾管柱进行钻孔的钻头及其制造。
背景技术
US 5,950,742公开了用于在地下地层中钻井眼的方法和相关设备，由此钻头附接到诸如通常不用于钻孔的套管柱的第一导管柱的一端，并且使第一导管柱和钻头前进到地下地层中，以延伸现有井眼、清理(cleanout)井眼或创建新的分支(lateral)井眼。停止该前进，并且采取步骤，以创建穿过钻头的纵向开口。此后，第二导管柱前进穿过钻头中的开口并进入地下地层中，以进一步延伸、清理或创建分支井眼。
US 5,957,225公开了一种用于钻到不稳定或枯竭地层中的方法和尾管组件，其维持对井眼抵抗例如其中未固结地层被穿透的崩落的控制和/或使诸如差异压力存在的欠压地层的流体损失最小化。该方法和尾管组件包括提供具有其可钻的部分的尾管，使得在尾管的设定之后，钻孔能够在对用于钻出尾管可钻部分的钻头的最小损伤的情况下继续更深入到不稳定地层中。在一种形式中，尾管具有鞋，鞋包括切削器安装刀片，每个刀片在其上具有一组切削器。释放(relief)狭槽形成在切削器之间的刀片中，使得当鞋及其刀片正被钻孔时，钻头将会通过该狭槽进行切削，从而释放鞋切削器，以通过钻孔液向上传送到表面，从而使钻头与鞋切削器的接触损坏最小化。优选地，鞋具有双中心和抗涡动设计。在另一形式中，尾管具有与其预先组装的造斜器(whipstock)和与造斜器相邻的可钻材料的预先成形的窗，使得在用尾管组件钻到不稳定地层中并将其设定在其中之后，超过尾管的随后的钻孔通过使钻头在井下延伸并钻孔直到其接合造斜器为止而发生，该造斜器将钻头引导到所述窗，以穿过其进行钻孔。
US 6,443,247公开了一种套管钻孔鞋，其适合于附接到套管柱并且包括由诸如钢的相对硬质材料构造的外钻孔段和由诸如铝的容易可钻材料构造的内段。钻孔鞋进一步包括用于可控制地移位外部钻孔段的装置，以使得鞋能够通过使用标准钻头钻穿并随后被减小直径的套管柱或尾管穿透。
US 6,848,517公开了一种钻头喷嘴，其提供用于使钻孔液通过钻头的通孔。喷嘴由能够通过标准井眼钻孔设备而被钻穿的材料或多种材料制成。材料或多种材料被选择用以给通孔提供表面，该表面具有相对较高的抗侵蚀性，以耐受所喷射的钻孔液的磨蚀和腐蚀的冲击。描述了使用硬铬/铜组合和单一橡胶材料的实施例。
US 7,066,253公开了一种用于在井眼内引导钻柱的鞋，其包括相对硬材料的环形体和相对软材料的鼻部，环形体和鼻部互锁，使得当鼻部被钻穿时，任何保留部分保持抵靠环形体。互锁通过燕尾螺纹实现。描述了鞋作为扩孔器(reamer)鞋和作为钻头在套管中延伸的实施例。
US 7,096,982公开了一种用于以套管进行钻孔的方法和设备，其包括钻孔鞋，钻孔鞋构造用于其在原位的以后钻穿，其中切削器可响应于在钻孔钻出期间遇到的力而保留在钻孔鞋上，仍可从包络面(envelope)移动，当切穿在原位的钻孔鞋时，以后的钻孔鞋将通过该包络面。钻孔鞋在其上包括一个或多个轮廓，携带地层钻孔切削器的刀片设置到其中。轮廓在其上包括至少一个突起，其被接纳在刀片中的配合狭槽内。刀片还可以构造成具有相对置的两段，所述相对置的两段相对于彼此构造成具有小于九十度的夹角。
US 7,216,727公开了一种用于井眼中钻孔套管的钻头。钻头由相对软和相对硬材料的组合构造。材料的比例被选择，使得钻头提供井眼的适当的切削和钻孔，同时能够通过随后的钻头而被钻穿。提供了将硬质材料施加到柔软材料体的方法。
US 7,395,882公开了一种套管钻头，其可以包括用于将套管段钻到地下地层中的复合结构，并且可以包括构造成被钻穿的部分。公开了切削元件和使用的方法。公开了切削元件的粘合剂、焊料、电剥离材料以及钎焊固附。公开了切削元件的不同磨蚀材料量、特性以及尺寸。公开了伸缩(telescoping)套管段和钻头。公开了多个方面和实施例，包括：至少一个从鼻部延伸的保径段、至少一个形成在多个刀片中的至少一个刀片中的旋转尾槽、可移动刀片，包括超硬磨料材料的前导面、钻孔液喷嘴和套筒中的至少一个、优先失效的凹槽、至少一个固附到鼻部的滚锥、至少一个传感器、离散的切削元件保持结构以及冲击刀片。
US 8,074,749公开了具有用于有助于钻穿的特征的掘土构件。在一个实施例中，用于以套管或尾管进行钻井眼的掘土构件包括管状体和头部。头部紧固到所述管状体的端部或与所述管状体的端部一起形成，具有表面和侧面，由高强度材料制成，并且具有穿过表面形成的端口。掘土构件进一步包括刀片。刀片形成在头部上，从侧面并沿表面延伸，并且由高强度材料制成。掘土构件进一步包括：切削器，切削器沿刀片设置；以及喷嘴适配器。喷嘴适配器具有穿过其形成的端口，纵向且旋转地联接到头部，并且由可钻材料制成。掘土构件进一步包括喷嘴，喷嘴设置在适配器端口中并紧固到喷嘴适配器。
US 8,561,729公开了一种套管端部工具，该套管端部工具具有碗状(或杯状)体，该碗状(或杯状)体由具有外凸形表面和与外凸形表面相对的内凹形表面的壁限定。碗状体具有中心轴线。内凹形表面相对于中心轴线是非轴对称的，而外凸形表面相对于中心轴线是轴对称的。在一个实施方案中，非轴对称构造通过存在形成于内凹形表面上的一组凸起的凸台或平台(land)结构来提供。在另一实施方案中，非轴对称构造由形成在内凹形表面中的通道提供。
US 8,887,836公开了井眼清洁钻头，其包括钻头体、钻头体上的至少一个切削结构以及构造用以将钻头体附接到钻柱的钻柄。用于清洁井眼的钻孔系统包括井眼清洁钻头，井眼清洁钻头联接到钻柱。井眼清洁钻头可以包括：套管钻头体；和钻柄，钻柄与套管钻头体和钻柱附接。套管钻头可以附接到具有连接部的钻柄，该连接部构造用于附接到钻柱，以形成用于清洁井眼的至少一段的井眼清洁钻头。此外，套管钻头可以使用钻柱来前进到井眼中，以清洁井眼。
US 8,960,332公开了一种掘土构件，该掘土构件具有用于有助于以套管或尾管应用进行钻孔的钻穿的特征。在一个实施例中，套管钻头包括：管状体；鼻部，鼻部附接到管状体的一端，其中鼻部包括刀片支撑件并且包括可钻材料；刀片，刀片使用配合轮廓附接到刀片支撑件；切削器，切削器沿刀片设置；以及喷嘴，喷嘴设置在鼻部中。
US 9,085,939公开了套管钻头，套管钻头包括钻头冠部，钻头冠部具有基本上中空的内部。钻头冠部具有在其表面部分上的刀片，刀片包括多个与其附接的切削元件。钻头冠部进一步包括复合嵌体(inlay),复合嵌体至少位于基本上中空的内部内。套管钻头还包括外壳硬化外表面,外壳硬化外表面径向位于钻出区域外。套管钻头进一步包括短基底切削元件。还公开了形成套管钻头的方法。
US 2011/0209922公开了一种套管端部工具，套管端部工具具有心轴和主体，该主体由具有外表面和与外表面相对的内表面的壁限定。主体由结晶钨粉末和粘合剂材料制造。内表面包括一组凸起的凸台或平台结构。主体包括多个在外表面上的刀片。每个刀片具有多个切削器。刀片上的刀片通道和切削器通道增强了在套管端部工具的钻出期间主体的碎裂。
发明内容
本公开总的涉及用于以套管或尾管柱进行钻孔的钻头及其制造。
在一个实施例中，用于以套管或尾管柱进行钻孔的钻头包括：管状杆部，管状杆部由高强度金属或合金制成；头部：具有切削面，该切削面具有内圆锥体、外肩部以及处在圆锥体与肩部之间的中间鼻部；附接到杆部的端部；并且由非铁金属或合金制成；多个刀片，所述多个刀片与头部一体地形成，由非铁金属或合金制成，并且各自从切削面的中心延伸到肩部；多个超硬切削器，所述多个超硬切削器沿每个刀片安装；多个保径垫；所述多个保径垫与杆部一体地形成；以及齐平接头，齐平接头形成在每个刀片与相应的保径垫之间。高强度金属或合金的屈服强度是非铁金属或合金的屈服强度的至少两倍。
在另一实施例中，用于以套管或尾管柱进行钻孔的钻头包括：头部，头部具有切削面并且由非铁金属或合金制成，该切削面具有内圆锥体和中间鼻部；管状杆部，管状杆部附接到头部，具有切削面的外肩部，并且由高强度金属或合金制成；多个内刀片，所述多个内刀片与头部一体地形成，由非铁金属或合金制成，并且各自从切削面的中心延伸到鼻部；多个超硬切削器，所述多个超硬切削器沿每个内刀片安装；多个外刀片，所述多个外刀片与杆部一体地形成，由高强度金属或合金制成，并且每个具有弯曲肩部和保径部；多个超硬切削器，所述多个超硬切削器沿每个肩部安装；以及齐平接头，齐平接头形成在每个内刀片与外刀片之间。高强度金属或合金的屈服强度是非铁金属或合金的屈服强度的至少两倍。
附图说明
因此，以上简要概述的本公开的更具体的描述可以以本公开的上述特征能够详细理解的方式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1A-1I示出了根据本公开的一个实施例的用于以套管或尾管柱进行钻孔的钻头的头部的制造。
图2A-2H示出了钻头的杆部的制造。
图3A-3C示出了头部和杆部的组装。
图4A-4F示出了将头部和杆部附接的锁定接头的制造。
图5A示出了钻头的保径直径的调节。图5B示出了喷嘴安装到头部中。
图6A-6D示出了完成的钻头。
图7A示出了钻头的钻出。图7B示出了根据本公开的另一实施例的用于以套管或尾管柱进行钻孔的替代钻头的头部和杆部的组装。
图8A-8D示出了完成的替代钻头。
图9示出了对根据本公开的另一实施例的替代钻头的修改。
具体实施方式
图1A-1I示出了根据本公开的一个实施例的用于以套管或尾管柱(未示出)进行钻孔的钻头1(图6A)的头部1h的制造。具体参照图1A，一件圆形坯料(round stock)2可以从金属加工厂接收。圆形坯料2可由金属或合金制成。金属或合金可以是非铁的，例如是镍基的。镍基合金可以是具有范围在55％和75％之间的镍含量并且具有范围在25％和45％之间的铜含量的镍-铜合金。
具体参照图1B和1C，圆形坯料2可以安装在车床(未示出)中。车床可以是手动的或CNC。圆形坯料2可以在车床中被车削，以形成在其安装端处的其外表面中的搭接联接部3h。圆形坯料2可以在车床中被进一步车削，以形成从安装端延伸的增压室4和从该增压室延伸的螺纹插座5。圆形坯料2可以在车床中被进一步车削，以形成在其与安装端相邻的内表面中的锥面(taper)6t以及在其与安装端相邻的外表面中的倒角6c。圆形坯料2可以在车床中被进一步车削，以形成在其切削面中的内圆锥体7c、在切削面中的外肩部8以及在圆锥体与肩部之间的中间鼻部7n。切削面可以位于圆形坯料2的与安装端相对的端部处。具有车削的特征3-8的圆形坯料现将被称为坯件(blank)。
具体参照图1D-1G，坯件可以被从车床移除并安装在铣床(未示出)中，以由该坯件形成头部1h。铣床可以是手动的或CNC。铣床可以操作用以切削在坯件的切削面中的流体流道，从而形成多个在相邻的流体流道之间的刀片9。铣床可以进一步操作用以将多个(示出六个)端口10钻到坯件中。端口10可以从流体流道延伸到坯件的增压室4。
刀片9可以包括一个或多个(示出一对)主刀片9a、b和一个或多个(示出一对)辅助刀片9c、d。刀片9可以绕切削面隔开，并且可以从头部1h的底部和侧面突出。主刀片9a、b可以各自从切削面的中心延伸到肩部8。主刀片9a、b可以沿圆锥体7c和鼻部7n以轻微的螺旋曲率大致径向延伸，并且沿肩部8以轻微的螺旋曲率大致纵向延伸。端口10(内端口)中的一个或多个(示出一对)可以设置成与切削面的中心相邻。辅助刀片9c、d可以各自从在与相应内端口10相邻的切削面上的位置延伸到肩部8。辅助刀片9c、d可以沿鼻部7n以轻微的螺旋曲率大致径向延伸，并且沿肩部8以轻微的螺旋曲率大致纵向延伸。由于刀片9与头部1h一体地形成，因此刀片也由与头部相同的材料制成。
铣床可以进一步操作用以沿每个刀片9a-d的前导边缘切削一排凹座11。对于主刀片9a、b，每排凹座11可以从切削面的中心延伸到相应刀片的肩部端。对于辅助刀片9c、d，每排凹座11可以从与相应内端口相邻的位置延伸到相应刀片的肩部端。铣床可以进一步操作用以形成在每个刀片9a-d的肩部端中的弯曲切口12h。弯曲切口12h可以符合刀片9的轻微的螺旋曲率。
具体参考图1H，头部1h可以从铣床移除并传送到处理工位(未示出)。处理工位可以是手动或自动化的。在处理工位处，表面硬化13h的层可以沉积在刀片9上，以增加其对磨损和/或侵蚀的抗性。表面硬化13h可以是陶瓷或金属陶瓷，例如碳化物或由金属或合金烧结的碳化物。表面硬化13h可以沉积在每个刀片9a-d的前导面的一部分、尾表面的一部分和底/外表面上。前导面和尾表面的表面硬化部可从每个刀片9a-d的前导边缘和尾边缘延伸到或超过其中间部。凹座11可以由表面硬化13h遮蔽。
具体参照图1I，头部1h接着可以从处理工位输送到切削器工位。切削器工位可以是手动或自动化的。在切削器工位处，切削器14可以例如通过钎焊安装到凹座11中。每个切削器14可以包括附接到诸如金属陶瓷的硬质基底的、诸如多晶金刚石的超硬切削台，从而形成诸如多晶金刚石复合片(PDC)的复合片(compact)。金属陶瓷可以是由VIIIB族金属烧结的碳化物。
图2A-2H示出了钻头1的杆部1s的制造。具体参照图2A和2D，油田管状件(tubular)15可以从制造工厂接收。管状件15可以具有诸如母螺纹(box)的螺纹联接部16，螺纹联接部16形成在其第一纵向端处，用于将钻头1组装为套管或尾管柱的一部分。管状件15还可以具有钻环17，钻环17形成在管状件15的外表面中并且处在管状件15的第二纵向端处。钻环17可以仅沿管状件的长度的一部分延伸，例如管状件的长度的十分之一至一半之间。管状件15可由比头部合金更强的金属或合金制成，例如由具有大于或等于头部合金的屈服强度的两倍、两倍半或三倍的屈服强度的金属或合金制成。管状件15的金属或合金可以是高强度的，例如钢。管状件15的钢可以是普通碳的、不锈的或低合金的诸如SAE 41xx钢。
具体参照图2B和2E，管状件15可以安装在车床中。管状件15可以在车床中被车削，以形成在其第二端处的内表面中的搭接联接部3s。搭接联接部3s可以接纳搭接联接部3h，以形成搭接接头3(图3B)。管状件15可以被进一步车削，以调节钻环17的长度。
具体参照图2C、2F和2G，管状件15可以从车床移除并安装在铣床中，以由其形成杆部1s。铣床可以操作用以切削在钻环17中的排屑槽，从而形成多个在相邻的排屑槽之间的保径垫(gauge pad)18。每个保径垫18可以匹配头部1h的相应刀片9a-d，并且每个排屑槽可以匹配头部的相应流体流道，从而限定钻头1的保径段。保径垫18可以以轻微的螺旋曲率大致纵向地沿钻环17延伸。铣床可以被进一步操作用以形成在与杆部1s的第二端相邻的每个垫18的端部中的弯曲切口12s。弯曲切口12h可以符合保径垫18的轻微的螺旋曲率。弯曲切口12h可以接纳弯曲切口12s，以形成齐平接头12(图6B)。由于保径垫18与杆部1s一体形成，因此保径垫18也由与杆部相同的材料制成。
替代地，铣床可以进一步操作用以沿保径垫18的外表面并横跨保径垫18的外表面形成凹座。
具体参考图2H，杆部1s可以被从铣床移除并传送到处理工位。在处理工位处，表面硬化13s的层可以沉积在保径垫18上，以增加其对磨损和/或侵蚀的抗性。表面硬化13s可以是陶瓷或金属陶瓷，例如碳化物或由金属或合金烧结的碳化物。表面硬化13s可以沉积在每个垫18的前导面的一部分、尾表面的一部分和外表面上。
替代地，杆部1s可以输送到用于将保护器安装在凹座中的切削器工位。保护器可以由诸如陶瓷或金属陶瓷的硬质材料、或诸如金刚石的超硬材料制成。陶瓷或金属陶瓷可以是由金属或合金烧结的碳化物，并且金刚石可以是复合片或浸渍段。
图3A-3C示出了头部1h和杆部1s的组装。夹具19可以用于有助于组装过程。夹具19可以包括凸缘19f、螺杆19r和螺母19n。螺杆19r可以拧到头部1h的插座5中，并且凸缘19f可以拧到杆部1s的母螺纹16中。诸如O形环的密封件20可以插入杆部1s的搭接联接部3s中。当搭接联接部3h、s配合并且弯曲切口12h、s对准时，杆19r可以插入杆部1s中并且被接纳到穿过凸缘19f形成的孔中。螺母19n可以拧到与凸缘19f相邻的螺杆19r的端部上，从而将头部1h固定到位。密封件20可以由弹性体材料制成，并且可以通过倒角6c与其接合来加强。
图4A-4F示出了将头部1h和杆部1s附接起来的锁定接头21的制造。夹紧的头部1h和杆部1s可以安装在铣床中，以形成锁定接头21。铣床可以操作用以钻出一个或多个(示出四个)容座21r，容座21r穿过杆部1s的搭接联接部3s并进入头部1h的搭接联接部3h。诸如销21p的紧固件接着可以插入每个容座21r中，并且具有延伸到相应容座的头部插座中的部分和延伸到相应容座的杆孔中的部分，从而扭转地且纵向地将头部1h和杆部1s连接起来。每个销21p可以由与头部1h相同的材料制成。每个容座21r接着可以通过由焊接形成的插塞21g来封闭，从而将相应销21p固定到位并密封容座，以免泄漏。夹具19接着可以被移除。
图5A示出了钻头1的保径直径的调节。研磨机(未示出)接着可以用于磨损每个刀片9a-d的最外面的切削器14o，以调节钻头1的保径直径。
图5B示出了喷嘴22安装到头部1h中。喷嘴22接着可以插入每个端口10中，并且例如通过粘合剂安装在其中。每个喷嘴可以由诸如陶瓷或金属陶瓷的耐侵蚀材料制成。陶瓷或金属陶瓷可以是碳化物或由金属或合金烧结的碳化物。粘合剂可以是诸如热固树脂(thermoset)的聚合物。每个喷嘴22可以是套筒并且具有形成在其外表面中的安装肩部，以与形成在相应端口10中的安装肩部接合。每个喷嘴22可以具有比头部1h的厚度(处在增压室4与头部的底部之间)大的长度，使得喷嘴的一部分延伸到增压室4(图6B)中，从而阻止其侵蚀。
图6A-6D示出了完成的钻头1。在操作中，钻头1可组装为尾管柱的一部分(未示出)。尾管柱可以包括悬挂器、封隔器(packer)、尾管的接头、浮动钻环以及连接在其底部处的钻头1。钻头1对将井眼延伸穿过诸如不稳定或枯竭的问题地层可以是特别有用的。组装的尾管柱可以使用与其连接的工作管柱(work string)部署到井眼中，直到钻头1到达已经设定在井眼中的套管柱的鞋为止。诸如泥浆的钻孔液可以被泵送穿过工作管柱和尾管柱，并且钻头1旋转并前进，以钻出套管鞋。尾管柱的前进可以继续，直到钻头1已经将井眼延伸穿过问题地层为止。尾管悬挂器接着可以设定成抵靠套管柱。水泥浆可以被泵送穿过尾管柱并进入形成在尾管柱与井眼之间的环形空间中。尾管封隔器接着可以设定，并且工作管柱从井眼收回。
图7A示出了钻头1的钻出。钻柱(未示出)可以接着部署到井眼中。钻柱可以包括诸如PDC的固定切削器、或牙轮式第二钻头。钻柱可以部署到井眼中，直到第二钻头到达尾管柱的浮动钻环为止。钻孔液可以被泵送穿过钻柱，第二钻头旋转并且前进，以钻出浮动钻环。钻柱的前进可以继续，直到第二钻头到达头部1h为止。锥面6t可以引导第二钻头与头部1h接合。第二钻头可以穿过增压室4和锥面6t钻出头部1h的内部部分23。头部1h的内部部分23还可包括切削面的圆锥体7c和鼻部7n。即使销21p的一部分可以被钻出，但足够的销可以保留，以使头部1h保持扭转并纵向地连接到杆部1s，从而通过不让头部随第二钻头旋转来有助于钻出。头部1h的保留外部部分可进一步包括肩部8。一旦第二钻头已经钻出头部1h，则井眼的钻孔可以恢复。
钻头1对以套管柱而不是以尾管柱进行钻孔可以是同样有用的。显著差异是，套管柱从井口悬挂，而不是在井眼中的现有套管柱。
替代地，钻头1可以在将套管或尾管柱固井(cement)到井眼中之前钻出。
图7B示出了根据本公开的另一实施例的用于以套管或尾管柱进行钻孔的替代钻头25(图8A)的头部25h和杆部25s的组装。类似于钻头1，一件圆形坯料(未示出)可以从金属加工厂接收。圆形坯料可以由以上对于圆形坯料2所述的相同的材料制成。圆形坯料可以被安装在车床中。圆形坯料可以在车床中被车削，以形成在其安装端处的其外表面中的搭接联接部26h。圆形坯料可以在车床中被进一步车削，以形成从其安装端延伸的增压室27(图8D)和从该增压室延伸的螺纹插座28(图8D)。圆形坯料可以在车床中被进一步车削，以形成在其与安装端相邻的内表面中的锥面29t(图8D)以及在其与安装端相邻的外表面中的倒角29c(图8D)。圆形坯料可以在车床中被进一步车削，以形成在其切削面中的内圆锥体30c(图8B)以及在切削面中的中间鼻部30n(图8B)。切削面可以位于圆形坯料的与安装端相对的端部处。具有车削的特征26-30的圆形坯料现将被称为坯件。
坯件可从车床移除并安装在铣床中。铣床可以操作用以切削在坯件的切削面中的流体流道，从而形成多个在相邻的流体流道之间的刀片31。铣床可以进一步操作用以将多个(示出八个)端口39钻到坯件中。端口39可以从流体流道延伸到坯件的增压室27。
刀片31可以包括一个或多个(示出四个)主刀片31p和一个或多个(示出四个)辅助刀片31s。刀片31可以绕切削面间隔开，并且可以从头部25h的底部突出。主刀片31p可以各自从切削面的中心延伸到鼻部30n。主刀片31p可以沿圆锥体30c和鼻部30n径向延伸。辅助刀片31s可各自从圆锥体30c的周边并沿鼻部30n径向延伸。由于刀片31与头部25h一体地形成，因此刀片也由与头部相同的材料制成。铣床可以进一步操作用以沿每个刀片31p、s的前导边缘切削一排凹座。对于主刀片31p，每排凹座可以从切削面的中心延伸到相应刀片的鼻部端。对于辅助刀片31s，每排凹座可以从圆锥体30c的周边延伸到相应刀片的鼻部端。铣床可以进一步操作用以形成在每个刀片31p、s的鼻部端中的斜接(miter)切口32h。
头部25h可以从铣床移除并传送到处理工位。在处理工位处，表面硬化的层(未示出，参见2016年7月13日提交的美国临时专利申请No.62/361,739的图8A，其通过参考以其整体并入本文)可以沉积在刀片31上，以增加其对磨损和/或侵蚀的抗性。表面硬化可以是陶瓷或金属陶瓷，例如碳化物或由金属或合金烧结的碳化物。表面硬化可以沉积在每个刀片31p、s的前导面的一部分、尾表面的一部分和底表面上。前导面和尾表面的表面硬化部可从每个刀片31p、s的前导边缘和尾边缘延伸到或超过其中间部。凹座可以由表面硬化遮蔽。头部25h接着可以从处理工位输送到切削器工位。在切削器工位处，切削器34可以例如通过钎焊安装到凹座中。切削器34可以类似于切削器14。
油田管状件(未示出)可从制造工厂接收。管状件可以具有诸如母螺纹的螺纹联接器，该螺纹联接器形成在其第一纵向端处，用于将替代钻头25组装为套管或尾管柱的一部分。管状件还可以具有钻环，钻环形成在管状件的外表面中并且在管状件的第二纵向端处。钻环可以仅沿管状件的长度的一部分延伸，诸如管状件的长度的十分之一至一半之间。管状件可以由以上对于管状件15所述的相同的材料制成。
管状件可以安装在车床中。管状件可以在车床中被车削，以形成在其第二端处的其内表面中的搭接联接部26s。搭接联接部26s可以接纳搭接联接部26h，以形成搭接接头26(图8D)。管状件可以被进一步车削，以调节钻环17的长度。
管状件可以从车床移除并安装在铣床中，以由其形成杆部25s。铣床可以操作用以切削在钻环中的排屑槽，从而形成多个在相邻的排屑槽之间的刀片35。每个刀片35可以匹配头部25h的相应刀片31，并且每个排屑槽可以匹配头部的相应流体流道。每个刀片35可以具有弯曲肩部35s和直的保径部35g，从而限定替代钻头25的切削面的外肩部和保径段。刀片35可沿钻环纵向延伸。铣床可以进一步操作用以沿每个刀片的肩部35s的前导边缘切削一排凹座。铣床可以进一步操作用以形成在每个刀片35的肩部端中的斜接切口32s。斜接切口32h可以接纳斜接切口32s，以形成齐平接头12(图8D)。由于刀片35与杆部25s一体地形成，因此刀片35也由与杆部相同的材料制成。
替代地，铣床可以进一步操作用以沿保径部35g的外表面并横跨保径部35g的外表面形成凹座。
杆部25s可以从铣床移除并传送到处理工位。在处理工位处，表面硬化的层(未示出，参见‘739临时申请’的图8A)可以沉积在刀片35上，以增加其对磨损和/或侵蚀的抗性。表面硬化可以是陶瓷或金属陶瓷，例如碳化物或由金属或合金烧结的碳化物。表面硬化可以沉积在每个刀片35的前导面的一部分、尾表面的一部分和外表面上。杆部25s接着可以从处理工位输送到切削器工位。在切削器工位处，切削器34可以例如通过钎焊安装到肩部35s的凹座中。
替代地，在切削器工位处，保护器也可以安装在保径部35g的凹座中。保护器可以由诸如陶瓷或金属陶瓷的硬质材料、或诸如金刚石的超硬材料制成。陶瓷或金属陶瓷可以是由金属或合金烧结的碳化物，并且金刚石可以是复合片或浸渍段。
与夹具19类似的夹具(未示出)可以用于有助于组装过程。诸如O形环的密封件36(图8D)可以插入到杆部25s的搭接联接部26s中。当搭接联接部26h、s配合并且斜接切口32h、s对准时，夹具的杆可以插入杆部26s中并且被接纳到穿过夹具的凸缘形成的孔中。夹具的螺母可以拧到与凸缘相邻的螺杆的端部上，从而将头部26h固定到位。密封件36可以由弹性体材料制成，并且可以通过倒角29c与其接合来加强。
夹紧的头部26h和杆部26s可以安装在铣床中，以形成将头部和杆部附接的锁定接头。铣床可以操作用以钻出一个或多个容座，所述容座穿过杆部25s的搭接联接部26s并进入头部25h的搭接联接部26h中。诸如销37p的紧固件接着可以插入每个容座中并且具有延伸到相应容座的头部插座37s中的部分和延伸到相应容座的杆孔37h中的部分，从而扭转且纵向地将头部25h和杆部25s连接起来。每个销37p可以由与头部25h相同的材料制成。每个容座接着可以通过由焊接形成的插塞37g(图8C)来封闭，从而将相应的销37p固定到位并密封容座，以免泄漏。夹具接着可以被移除。
研磨机(未示出)接着可以用于磨损每个刀片35的最外面的切削器，以调节替代钻头25的保径直径。喷嘴38(图8B)接着可以插入每个端口39中，并且例如通过粘合剂安装在其中。喷嘴材料和粘合剂可以类似于以上对于喷嘴22所述的那些。每个喷嘴38可以是套筒并且具有形成在其外表面中的安装肩部，以与形成在相应端口32中的安装肩部接合。每个喷嘴38可以具有比头部25h的厚度(处在增压室27与头部的底部之间)大的长度，使得喷嘴的一部分延伸到增压室4(图8D)中，从而阻止其侵蚀。
图8A-8D示出了完成的替代钻头25。除了基本上所有的头部25h而不是仅内部部分23被钻出之外，替代钻头25的使用和钻出可以类似于以上对于钻头1所述的使用和钻出。
图9示出了根据本公开的另一实施例的对于替代钻头25的修改。在形成刀片35之后，铣床可以进一步操作用以在排屑槽中的一个排屑槽处钻出穿过杆部26s的壁的保留端口。保留端口接着可以通过将诸如破裂盘40的易碎构件安装到修改的杆部来封闭。如果喷嘴变得堵塞，特别是在套管或尾管柱的固井期间，则保留端口可以被利用。增压室27中的压力可以增加，直到达到破裂压力为止，从而打开破裂盘40。
替代地，钻头1也可以被修改成包括保留端口和破裂盘。
虽然前述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被设计，并且本发明的范围由所附权利要求书来确定。

Claims (16)

1.一种用于以套管或尾管柱进行钻孔的钻头，包括：
管状杆部，所述管状杆部由高强度金属或合金制成；
头部：
具有切削面，所述切削面具有内圆锥体、外肩部以及处在所述圆锥体与所述肩部之间的中间鼻部；
附接到所述杆部的端部；并且
由非铁金属或合金制成；
多个刀片，所述多个刀片与所述头部一体地形成，由所述非铁金属或合金制成，并且各自从所述切削面的中心延伸到所述肩部；
多个超硬切削器，所述多个超硬切削器沿每个所述刀片安装；
多个保径垫，所述多个保径垫与所述杆部一体地形成；以及
齐平接头，所述齐平接头形成在每个所述刀片与相应的所述保径垫之间，
其中，所述高强度金属或合金的屈服强度是所述非铁金属或合金的屈服强度的至少两倍。
2.如权利要求1所述的钻头，其中：
所述高强度金属或合金是钢，并且
所述非铁金属或合金是镍基的。
3.如权利要求1所述的钻头，进一步包括表面硬化的层，所述表面硬化的层沉积在每个所述刀片的底表面或外表面上以及每个所述垫的外表面上。
4.如权利要求1所述的钻头，其中：
所述钻头进一步包括锁定接头和搭接接头，所述锁定接头和所述搭接接头将所述头部附接到所述杆部，并且
所述搭接接头具有与所述头部的搭接联接部接合的所述杆部的搭接联接部。
5.如权利要求4所述的钻头，其中，所述锁定接头包括：
容座，所述容座具有孔和插座，所述孔穿过所述杆部的所述搭接联接部形成，所述插座形成到所述头部的所述搭接联接部中；
紧固件，所述紧固件设置在所述插座和所述孔中；以及
查塞，所述插塞封闭所述容座。
6.如权利要求4所述的钻头，其中：
所述头部的所述搭接联接部具有倒角，所述倒角形成在所述头部的外表面中，并且
所述钻头进一步包括密封件，所述密封件设置在所述倒角与所述杆部的所述搭接联接部之间。
7.如权利要求4所述的钻头，其中，所述头部的所述搭接联接部具有锥面，所述锥面形成在所述头部的内表面中，用于将第二钻头引导到所述头部中。
8.如权利要求1所述的钻头，其中，所述头部进一步具有：
多个流体流道，所述多个流体流道形成在所述刀片之间；
形成在所述头部中的增压室；以及
多个端口，所述多个端口从所述流体流道延伸到所述增压室。
9.如权利要求8所述的钻头，其中：
所述钻头进一步包括多个喷嘴，
每个所述喷嘴安装在相应的端口中，并且
每个所述喷嘴由陶瓷或金属陶瓷制成。
10.如权利要求8所述的钻头，其中：
所述刀片是主刀片，
所述端口中的一些是设置成与所述切削面的中心相邻的内端口，并且
所述钻头进一步包括多个辅助刀片，所述多个辅助刀片每个从与相应的内端口相邻的所述切削面上的位置延伸到所述肩部。
11.如权利要求1所述的钻头，其中：
每个所述齐平接头具有在相应的所述刀片的肩部端处的弯曲切口以及在与所述刀片的所述肩部端相邻的相应的所述保径垫的端部处的弯曲切口，
所述刀片和所述垫具有轻微的螺旋曲率，并且
所述弯曲切口符合所述轻微的螺旋曲率。
12.如权利要求1所述的钻头，其中：
所述杆部具有保留端口，所述保留端口穿过所述杆部的杆壁形成，并且
所述钻头进一步包括破裂盘，所述破裂盘封闭所述保留端口。
13.如权利要求1所述的钻头，其中：
所述端部是所述杆部的下端，并且
所述钻头进一步包括螺纹联接器，所述螺纹联接器形成在所述杆部的上端处，用于连接到所述套管或尾管柱。
14.一种使用如权利要求13所述的钻头来钻井眼的方法，包括：
将所述钻头组装为所述套管或尾管柱的一部分；
将所述套管或尾管柱钻到所述井眼中，以将所述井眼延伸穿过问题地层；
将所述套管或尾管柱固井到所述井眼中；以及
利用多晶金刚石复合片式或牙轮式第二钻头钻出所述头部的内部部分，
其中，所述头部的外部部分在钻出之后保留。
15.如权利要求14所述的方法，其中：
所述钻头进一步包括锁定接头和搭接接头，所述锁定接头和所述搭接接头将所述头部附接到所述杆部，并且
所述外部部分包括所述锁定接头的必要部分。
16.一种用于以套管或尾管柱进行钻孔的钻头，包括：
头部，所述头部具有切削面并且由非铁金属或合金制成，所述切削面具有内圆锥体和中间鼻部；
管状杆部，所述管状杆部附接到所述头部，具有所述切削面的外肩部，并且由高强度金属或合金制成；
多个内刀片，所述多个内刀片与所述头部一体地形成，由所述非铁金属或合金制成，并且各自从所述切削面的中心延伸到所述鼻部；
多个超硬切削器，所述多个超硬切削器沿每个所述内刀片安装；
多个外刀片，所述多个外刀片与所述杆部一体地形成，由所述高强度金属或合金制成，并且每个具有弯曲肩部和保径部；
多个超硬切削器，所述多个超硬切削器沿每个所述肩部安装；以及
齐平接头，所述齐平接头形成在每个所述内刀片与所述外刀片之间，
其中，所述高强度金属或合金的屈服强度是所述非铁金属或合金的屈服强度的至少两倍。
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