CN108463608A - 钻孔设备和方法 - Google Patents

Abstract

钻孔设备包括被构造成相对于导向钻头旋转的上部构件和钻头主体。上部构件的第一端部连接到工作柱。上部构件的内腔包括第一径向凸轮式表面。钻头主体的第一端部连接到上部构件的第二端部，使得钻头主体随上部构件旋转。钻头主体的第二端部包括工作面。导向钻头包括设置在上部构件的内腔中的第一端部，并且包括第二径向凸轮式表面，该第二径向凸轮式表面被构造成与第一径向凸轮式表面配合以输送锤击力。导向钻头延伸穿过钻头主体的中心钻孔，并且在其第二端部上包括接合表面，该接合表面被构造成接合围绕井眼的地层。

Description

钻孔设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请是于2015年9月24日提交的美国专利申请第14/864,016号的部分继续申请，该部分继续申请要求于2014年10月17日提交的美国临时专利申请第62/065,372号的利益和优先权，上述两个申请通过引用并入本文。

发明背景

本公开涉及一种钻孔设备和方法。更具体地，但不作为限制，本发明涉及钻头(drill bit)和钻井的方法。

钻头已经用于钻地下井。在钻井眼中，操作者寻求有效、安全且经济地钻井。钻直井、斜井、水平井、多分支井等需要钻头。这些年来已经提出了各种钻头，包括牙轮钻头和聚晶金刚石复合片钻头。

发明概述

在一个实施方案中，公开了一种设备，其包括：旋转段，其具有带有第一周向轮廓的第一径向表面；非旋转段，其具有带有第二周向轮廓的第二径向表面；围绕所述第一径向表面和第二径向表面设置的壳体；以及设置在第一径向表面和第二径向表面之间并与该第一径向表面和第二径向表面接触的一个或多个滚动元件，用于在该旋转段旋转时沿轴向方向传送该非旋转段。每个滚动元件相对于第一径向表面沿圆形路径移动360度，并且相对于第二径向表面沿圆形路径移动360度。旋转段相对于非旋转段旋转超过360度。第一周向轮廓可以包括锥形部分，该锥形部分可以包括波状的波形轮廓。第二周向轮廓可以包括锥形部分，该锥形部分可以包括波状的波形轮廓。滚动元件中的每一个可以包括球形外表面。在一个实施方案中，该设备可以包括彼此接触的两个滚动元件，并且每个滚动元件具有等于壳体的内径的一半的直径。在另一个实施方案中，设备可以包括三个或更多个滚动元件，其中每个滚动元件与两个相邻的滚动元件接触。在另一个实施方案中，该设备可包括引导构件和两个或更多个滚动元件，该引导构件设置在第一径向表面和第二径向表面之间，用于使滚动元件相对于彼此保持在固定位置中。

在另一个实施方案中，公开了一种设备，其包括：第一旋转段，其具有带有第一周向轮廓的第一径向表面；第二旋转段，其具有带第二周向轮廓的第二径向表面；围绕该第一径向表面和第二径向表面设置的壳体；以及设置在该第一径向表面和第二径向表面之间并与该第一径向表面和第二径向表面接触的一个或多个滚动元件，用于在该第一旋转段旋转时沿轴向方向传递该第二旋转段。第二旋转段以不同于第一旋转段的旋转速率旋转。可选地，第一旋转段和第二旋转段沿相反方向旋转。每个滚动元件相对于第一径向表面沿圆形路径移动360度，并且相对于第二径向表面沿圆形路径移动360度。第一旋转段相对于第二旋转段旋转超过360度。第一周向轮廓可以包括锥形部分，该锥形部分可以包括波状的波形轮廓。第二周向轮廓可以包括锥形部分，该锥形部分可以包括波状的波形轮廓。滚动元件中的每一个可以包括球形外表面。在一个实施方案中，该设备可以包括彼此接触的两个滚动元件，并且每个滚动元件具有等于壳体的内径的一半的直径。在另一个实施方案中，设备可以包括三个或更多个滚动元件，其中每个滚动元件与两个相邻的滚动元件接触。在另一个实施方案中，该设备可包括引导构件和两个或更多个滚动元件，该引导构件设置在第一径向表面和第二径向表面之间，用于使滚动元件相对于彼此保持在固定位置中。

在另一个实施方案中，公开了一种用于钻井的设备，该设备连接到工作柱(workstring)。该设备包括具有第一端部、内腔和第二端部的钻头主体，其中第一端部连接到工作柱，该工作柱构造成向钻头主体输送旋转力。内腔包含具有第一径向凸轮式表面(first radial cam surface)的轮廓。钻头主体的第二端部包括包含切割构件的工作面。该设备还包括旋转地连接在钻头主体的内腔内的导向钻头。导向钻头从工作面延伸。导向钻头包括第一端部和第二端部。导向钻头的第一端部具有第二径向凸轮式表面，该第二径向凸轮式表面可操作地构造成与第一径向凸轮式表面配合以输送锤击力。导向钻头的第二端部包括构造成接合围绕井眼的地层的接合表面。钻头主体以不同于导向钻头的速率旋转。第一径向凸轮式表面可以包括倾斜部分和直立部分。第二径向凸轮式表面可以包括倾斜部分和直立部分。接合表面可以包括偏心圆锥形表面。可选地，接合表面可包括凿刻表面。工作柱可以包含用于输送旋转力的泥浆马达。该设备还可包括与导向钻头可操作地相关联的保持器，用于将导向钻头保持在内腔内。工作柱可以是管状钻柱或盘绕管柱。该设备还可以包括设置在第一径向凸轮式表面和第二径向凸轮式表面之间并与第一径向凸轮式表面和第二径向凸轮式表面接触的一个或多个滚动元件。每个滚动元件可以是球形外表面。该设备可以包括彼此接触的两个滚动元件，其中滚动元件中的每一个的直径等于内腔的内径的一半。该设备可以包括三个或更多个滚动元件，滚动元件中的每一个与两个相邻的滚动元件接触。该设备可以包括引导构件和两个或更多个滚动元件，该引导构件设置在第一径向凸轮式表面和第二径向凸轮式表面之间，以用于使滚动元件相对于彼此保持在固定位置中。

还公开了一种钻井眼的方法。该方法包括在井眼内提供钻头设备，钻头设备包括：钻头主体，其具有第一端部、内腔和第二端部，其中第一端部连接到工作柱，该工作柱构造成将旋转力输送到钻头主体；该内腔包含具有第一径向凸轮式表面的轮廓；该第二端部包括包含切割构件的工作面；该设备还包括突出物(protuberance)，该突出物旋转地连接在钻头主体的内腔内并从该工作面延伸；所述突出物包括第一端部和第二端部，该第一端部具有第二径向凸轮式表面，并且该第二端部具有接合表面。该方法还包括使钻头设备降低到井眼中，使工作面的切割构件与储层界面接触，使钻头主体相对于突出物旋转，使突出物的接合表面与井眼中的储层界面接合，以及用该第一径向凸轮式表面撞击该第二径向凸轮式表面，使得在钻井眼时将冲击力输送到切割构件和接合表面。在一个实施方案中，第一径向凸轮式表面包括倾斜部分和直立部分，并且第二径向凸轮式表面包括倾斜部分和直立部分。工作柱可以包含用于输送旋转力的泥浆马达。工作柱可以是管状钻柱、生产柱或盘绕管柱。另外，接合表面可以是偏心圆锥形表面或凿刻表面。突出物可以由于与钻头主体的旋转相关联的摩擦力而旋转，其中突出物的旋转速率不同于钻头主体的旋转速率。钻头设备还可以包括设置在第一径向凸轮式表面和第二径向凸轮式表面之间并与该第一径向凸轮式表面和第二径向凸轮式表面接触的一个或多个滚动元件，并且该方法可以包括通过滚动元件用第一径向凸轮式表面撞击第二径向凸轮式表面。滚动元件中的每一个可以包括球形外表面。

在另一个实施方案中，公开了一种用于钻井的设备，该设备连接到工作柱。该设备包括具有第一端部、内腔和第二端部的钻头主体，其中第一端部连接到工作柱，该工作柱构造成向钻头主体输送旋转力。内腔包含具有锤的轮廓。钻头主体的第二端部包括包含多个切割构件的工作面。该设备还包括旋转地连接在钻头主体的内腔内的突出物。突出物从工作面延伸。突出物包括第一端部和第二端部。突出物的第一端部包含砧。突出物的第二端部包含构造成接合围绕井眼的地层的接合表面。锤可操作地构造成将锤击力输送到砧。钻头主体相对于突出物旋转。工作柱可以包含用于输送旋转力的泥浆马达。锤可包括倾斜部分和直立部分。砧可以包括倾斜部分和直立部分。可选地，内腔的轮廓还包括第一径向凸轮式表面，并且突出物的第一端部还包括构造成与第一径向凸轮式表面配合的第二径向凸轮式表面。该设备还可以包括与突出物可操作地相关联的保持器，以将突出物保持在内腔内。接合表面可以包括偏心圆锥形表面或凿刻表面。工作柱可以是管状钻柱或盘绕管柱。突出物可以以与钻头主体不同的旋转速率旋转。该设备还可以包括设置在锤和砧之间并与锤和砧接触的一个或多个滚动元件。每个滚动元件可以是球形外表面。该设备可以包括彼此接触的两个滚动元件，其中滚动元件中的每一个的直径等于内腔的内径的一半。该设备可以包括三个或更多个滚动元件，滚动元件中的每一个与两个相邻的滚动元件接触。该设备可包括两个或更多个滚动元件，和引导构件，该引导构件设置在锤和砧之间，以用于使滚动元件相对于彼此保持在固定位置中。

在另一个可选择的实施方案中，用于钻井眼的设备包括上部构件、钻头主体和导向钻头。上部构件包括第一端部、内腔和第二端部。所述第一端部连接到工作柱，所述工作柱同心地定位在井眼中。所述工作柱构造成将旋转力输送到所述上部构件。内腔包含具有第一径向凸轮式表面的轮廓。钻头主体包括第一端部、第二端部和从所述第一端部延伸到所述第二端部的中心钻孔。所述钻头主体的第一端部可操作地连接到所述上部构件的第二端部，其中所述钻头主体被构造成随着所述上部构件的旋转而旋转。钻头主体的第二端部包括包含切割构件的工作面。导向钻头旋转地连接在所述上部构件的所述内腔内，并且延伸穿过所述钻头主体的所述中心钻孔，延伸超过所述钻头主体的所述工作面。导向钻头包括第一端部和第二端部。所述第一端部包括第二径向凸轮式表面，该第二径向凸轮式表面可操作地构造成与第一径向凸轮式表面配合以输送锤击力。导向钻头的第二端部包括构造成接合围绕井眼的地层的接合表面。上部构件和钻头主体相对于导向钻头旋转。所述第一径向凸轮式表面和所述第二径向凸轮式表面可以各自包括倾斜部分和直立部分。导向钻头的接合表面可以包括偏心圆锥形表面或凿刻表面。该设备还可包括与导向钻头可操作地相关联的保持器，用于将导向钻头保持在内腔内。所述设备还可以包括设置在所述第一径向凸轮式表面和所述第二径向凸轮式表面之间并与所述第一径向凸轮式表面和所述第二径向凸轮式表面接触的一个或多个滚动元件。滚动元件中的每一个可以包括球形外表面。所述设备可以包括彼此接触的两个滚动元件，其中滚动元件中的每一个的直径近似等于内腔的内径的一半。可选择地，该设备可以包括三个或更多个滚动元件，滚动元件中的每一个与两个相邻的滚动元件接触。在另一个可选择的方案中，该设备可以包括引导构件和两个或更多个滚动元件，其中该引导构件设置在第一径向凸轮式表面和第二径向凸轮式表面之间，以用于使滚动元件相对于彼此保持在固定位置中。工作柱可以包含用于输送旋转力的泥浆马达。工作柱可以是管状钻柱或盘绕管柱。

在另一个可选择的实施方案中，用于钻井眼的设备包括上部构件、钻头主体和突出物。上部构件包括第一端部、内腔和第二端部。所述第一端部连接到工作柱，所述工作柱同心地定位在井眼中。所述工作柱构造成将旋转力输送到所述上部构件。内腔包含具有锤的轮廓。钻头主体包括第一端部、第二端部和从所述第一端部延伸到所述第二端部的中心钻孔。钻头主体的第一端部可操作地连接到上部构件的第二端部。钻头主体被构造成随着上部构件的旋转而旋转。钻头主体的第二端部包括包含多个切割构件的工作面。突出物旋转地连接在所述上部构件的所述内腔内，并且延伸穿过所述钻头主体的所述中心钻孔，延伸超过所述钻头主体的所述工作面。突出物包括第一端部和第二端部。所述第一端部包括砧，并且所述第二端部包括构造成接合围绕井眼的地层的接合表面。上部构件的锤可操作地构造成将锤击力输送到所述突出物的砧。上部构件和钻头主体相对于导向钻头旋转。锤和砧可以各自包括倾斜部分和直立部分。突出物的接合表面可以包括偏心圆锥形表面或凿刻表面。所述上部构件的所述内腔的轮廓还可以包括第一径向凸轮式表面，并且所述突出物的所述第一端部还可以包括构造成与所述第一径向凸轮式表面配合的第二径向凸轮式表面。该设备还可以包括设置在锤和砧之间并与锤和砧接触的一个或多个滚动元件。工作柱可以包含用于输送旋转力的泥浆马达。该设备还可以包括与突出物可操作地相关联的保持器，以将突出物保持在内腔内。工作柱可以是管状钻柱或盘绕管柱。突出物可以以与上部构件和钻头主体不同的旋转速率旋转。滚动元件中的每一个可以包括球形外表面。所述设备可以包括彼此接触的两个滚动元件，其中滚动元件中的每一个的直径近似等于内腔的内径的一半。可选择地，该设备可以包括三个或更多个滚动元件，滚动元件中的每一个与两个相邻的滚动元件接触。在另一可选择的方案中，所述设备包括引导构件和两个或更多个滚动元件，其中所述引导构件设置在所述锤和所述砧之间，用于使所述滚动元件相对于彼此保持在固定位置中。

钻井眼的方法包括步骤(a)提供钻孔设备。钻孔设备包括上部构件、钻头主体和导向钻头。上部构件包括第一端部、内腔和第二端部。第一端部连接到构造成将旋转力输送到上部构件的工作柱。内腔包含具有第一径向凸轮式表面的轮廓。钻头主体包括第一端部、第二端部和从所述第一端部延伸到所述第二端部的中心钻孔。所述钻头主体的第一端部可操作地连接到所述上部构件的第二端部，其中所述钻头主体被构造成随着所述上部构件的旋转而旋转。钻头主体的第二端部包括包含切割构件的工作面。导向钻头旋转地连接在所述上部构件的所述内腔内，并且延伸穿过所述钻头主体的所述中心钻孔，延伸超过所述钻头主体的所述工作面。导向钻头包括第一端部和第二端部。第一端部包括第二径向凸轮式表面。导向钻头的第二端部包括构造成接合围绕井眼的地层的接合表面。上部构件和钻头主体相对于导向钻头旋转。所述方法还包括步骤：(b)将所述钻孔设备降低到所述井眼中；(c)使所述工作面的所述切割构件与储层界面接触；(d)使所述上部构件和所述钻头主体相对于所述导向钻头旋转；(e)使所述导向钻头的所述接合表面与所述井眼中的储层界面接合；以及(f)用所述第一径向凸轮式表面撞击所述第二径向凸轮式表面，使得在用所述钻孔设备钻所述井眼时，将锤击力输送到所述切割构件和所述接合表面。工作柱可以包含用于将所述旋转力输送到所述上部构件的泥浆马达。工作柱可以是管状钻柱或盘绕管柱。导向钻头的接合表面可以包括偏心圆锥形表面或凿刻表面。在步骤(d)中，所述导向钻头可以由于与所述钻头主体和所述上部构件的旋转相关联的摩擦力而旋转，其中所述导向钻头的旋转速率不等于所述钻头主体的旋转速率。所述钻孔设备还可以包括设置在所述第一径向凸轮式表面和所述第二径向凸轮式表面之间并与所述第一径向凸轮式表面和所述第二径向凸轮式表面接触的一个或多个滚动元件，并且步骤(f)还可以包括：通过所述滚动元件用所述第一径向凸轮式表面撞击所述第二径向凸轮式表面。

附图简述

图1是本说明书中公开的钻头的一个实施方案的截面图。

图2是导向钻头上的凸轮式表面的一个实施方案的透视图。

图3是图1中标记为“A”的区域的放大的局部截面图，其描绘了钻头内的径向凸轮式表面。

图4是图1中所见的导向钻头的透视图。

图5是本说明书中公开的钻头的第二实施方案的截面图。

图6是图5中所见的导向钻头的第二实施方案的透视图。

图7是沿线A-A截取的图1的钻头的横截面图。

图8是本说明书中公开的钻头的第三实施方案的横截面图。

图9A是图8中所示的钻头的径向凸轮式表面的透视图。

图9B是图9A中所示的径向凸轮式表面的周向轮廓的示意图。

图9C是可选择的径向凸轮式表面的透视图。

图10是本说明书中公开的钻头的第五实施方案的横截面图。

图11是图10中标记为“B”的区域的放大的局部截面图。

图12是从钻机延伸的工作柱的示意图，其中工作柱同心地放置在井眼内。

图13是用于利用旋转构件施加轴向运动的设备的横截面图。

图14A是沿图13中的线A-A截取的设备的横截面图。

图14B是沿图13中的线A-A截取的设备的可选择的横截面图。

图14C是沿图13中的线A-A截取的该设备的另一个可选择的横截面图。

图14D是沿图13中的线A-A截取的该设备的又一个可选择的横截面图。

图15是包括引导构件的图13的设备的横截面图。

图16A是沿图15中的线B-B截取的设备的横截面图。

图16B是沿图15中的线B-B截取的设备的可选择的横截面图。

图16C是沿图15中的线B-B截取的设备的另一个可选择的横截面图。

图16D是沿图15中的线B-B截取的设备的又一个可选择的横截面图。

图17是本说明书中公开的钻孔设备的可选择的实施方案的横截面图。

优选实施方案的详细描述

图1是本说明书中公开的钻头2的一个实施方案的截面图。钻头2包括具有外径(outer diameter)的第一端部4，第一端部4包含外螺纹装置6，其中外螺纹装置6将连接到工作柱(在该视图中看不到)。钻头2可以是能够将孔钻入岩层中的任何工具，例如刮刀钻头、牙轮钻头(roller cone bit)、凿子式钻头或铣刀(mill)。如本领域普通技术人员所理解的，工作柱可以包括井底组件，井底组件包括在钻孔时测量的仪器、泥浆马达装置和钻铤(drill collar)(注意，该列举是说明性的)。外螺纹装置6延伸到径向肩部8，该径向肩部8又延伸到外圆锥形表面10。如图1中所见，外圆锥形表面10延伸到多个刀片，包括刀片12和14。钻头2，并且特别是刀片12、14，包含如本领域普通技术人员所理解的用于对地下岩石钻孔和破碎地下岩石的切割构件。在一个实施方案中，刀片12、14包括支腿部分，切割构件可以连接在支腿部分上。例如，图1描绘了连接到刀片12、14的支腿部分的远端23(也称为工作面23)的切割构件16、18、20、22。因此，切割构件16、18、20、22包含在钻头2的工作面23上。

钻头2还包含径向向内延伸到内径部分26的径向平坦的顶表面24。内径部分26延伸到通常以28示出的开口。开口28有时被称为内腔。开口28具有内部轮廓30，其中轮廓30包含第一径向凸轮式表面，将参照图2描述第一径向凸轮式表面。开口28延伸到钻头2的底部。如图1中所见，设置在开口28内的是导向钻头32(导向钻头32可以称为突出物32)。导向钻头32可以但不必需延伸超过钻头2的工作面23。导向钻头32具有第一端部(通常以34示出)和第二端部(通常以36示出)。第一端部34包含第二径向凸轮式表面，将参照图3描述第二径向凸轮式表面。应当注意，第一和第二径向凸轮式表面一起配合，如稍后在本公开中将更充分地解释的。

如图1中所见，开口28还包括增大直径的圆周区域38，圆周区域38适合于在其中放置保持器40，保持器40用于使导向钻头32保持在开口28内。保持器40可以是如所示的球构件。可选地，保持器40可以是至少部分地设置在开口28内的销、定位螺钉或其它类似机构，其用于将导向钻头32保持在开口28内。可以包括任何数量的保持器40。更具体地，导向钻头32包含第一外径表面42，该第一外径表面42延伸到倒角表面44，该倒角表面44又延伸到第二外径表面46，然后延伸到倒角表面48，然后延伸到第三外径表面50。在图1中描绘的实施方案中，第三外径表面50延伸到通常以52示出的凿刻轮廓表面(chiseled profilesurface)，该凿刻轮廓表面52具有用于接触地下岩石的倾斜端部54。中心线56延伸穿过钻头2的内径部分26以及穿过导向钻头32的倾斜端部54。球轴承构件40允许钻头2的旋转以及导向钻头32的旋转。在一个实施方案中，球轴承构件40允许钻头2和导向钻头32以不同的速度旋转，使得钻头2可具有以每分钟转数(RPM)测量的第一旋转速率，而导向钻头32可具有也以RPM测量的第二旋转速率。导向钻头32的第一外径表面42和第三外径表面50可以与钻头2的开口28的内表面一起用作径向轴承。

现在参照图2，现在将描述导向钻头32上的第二径向凸轮式表面60的一个实施方案的透视图。应当注意，在各个附图中相同的附图标记表示相同的部件。图2描绘了外径表面42以及外径表面50，其中外径表面50延伸到凿刻轮廓表面52。在一个实施方案中，第二径向凸轮式表面60包含三个斜面，即斜面62、64、66。斜面62、64和66将与内部轮廓30配合以输送锤击力，如下面将更充分地解释的。斜面66包含直立部分68、倾斜部分70和在倾斜部分70和直立部分70之间的平坦部分72。斜面62、64和66具有相似的结构。径向平坦区域74a、74b、74c将是在锤击动作期间两个径向凸轮将撞击的区域。换句话说，径向平坦区域74a、74b、74c接收锤击力而不是斜面表面。

具体参见图3，其是图1中标记为“A”的圆圈区域的放大局部截面图，现在将进行描述。图3描绘了在钻头2的内部轮廓30上的第一径向凸轮式表面80。图3示出了倾斜部分82，其延伸到直立部分84，直立部分84然后变平坦成平坦部分86。径向平坦区域以88示出。倾斜部分82、直立部分84、平坦部分86和径向平坦区域88与前述的第二径向凸轮式表面60是相反的。第二径向凸轮式表面60将与第一径向凸轮式表面80配合，以便根据本公开的教导产生锤力。内部轮廓30接合第二径向凸轮式表面60并与第二径向凸轮式表面60配合，使得当钻头2相对于导向钻头32旋转(即，导向钻头32不旋转或导向钻头32以与钻头2不同的旋转速率旋转)时，内部轮廓30的平坦部分86沿倾斜部分70向上、穿过平坦部分72、在直立部分68之上滑动并且滑动到第二径向凸轮式表面60的平坦区域74b上。当平坦部分86落到第二径向凸轮式表面60的平坦区域74b上时，将通过钻头2和导向钻头32在轴向方向上产生冲击力，以用于辅助穿过地层钻孔。在一个实施方案中，第二径向凸轮式表面60是砧构件，并且第一径向凸轮式表面80是锤构件。

图4是导向钻头构件即导向钻头32的第一实施方案的透视图。如图4中所示，外径表面50延伸到第一凹表面90以及第二凹表面92，第二凹表面92又延伸到倾斜端部54。因此，随着钻孔的进行，倾斜端部54可接触地下岩石，该地下岩石又将被破碎以及被凿刻。

图5是钻头94的第二实施方案的截面图，其中图5描绘了包含偏心圆锥形表面98的导向钻头96的第二实施方案。钻头94与图1中所示的钻头2相同，除了导向钻头96外。如图5中所示，穿过钻头94的中心的中心线100从导向钻头96的圆锥形部分104的顶点102偏移。圆锥形部分104的中心线106从钻头94的中心线100偏移，从而形成偏心圆锥形表面104。由于这种偏移(即，偏心距离)，需要较高的扭矩以旋转导向钻头96，这又要求钻头94和导向钻头96的径向凸轮式表面之间的较高摩擦，以便旋转导向钻头96。由于顶点102的较大的偏心距离，将需要较高的扭矩以旋转导向钻头96。因此，偏心距离在钻头2的旋转速率和导向钻头96的旋转速率之间产生较高的差(即，较高的相对旋转)，从而增加由径向凸轮式表面的相互作用产生的撞击的频率。

现在参考图6，现在将描述图5中所见的导向钻头构件96的第二实施方案的透视图。导向钻头96在远端端部处包含通向顶点102的圆锥形部分104。圆锥形部分104偏心地定位，这形成径向区域108。圆锥形部分104可以一体地形成在导向钻头96的主体上，或者可以例如通过焊接被附接。

图7是图1的钻头2的沿线7-7截取的横截面图。因此，导向钻头32与球轴承构件(例如构件40)一起示出，其中球轴承构件40定位在增大的直径的圆周区域38中。还示出了刀片12、14连同刀片109。图7示出了钻头2可以如何相对于导向钻头32沿顺时针方向110旋转。当钻头2构造成旋转时，导向钻头32不设计成旋转。因此，导向钻头32可以是非旋转构件。然而，在一个实施方案中，摩擦力可以导致导向钻头32旋转。在这种情况下，导向钻头32将以与钻头2不同的旋转速度旋转。

图8示出了钻头113的另一实施方案。除非另有说明，钻头113与钻头2相同。钻头113可以包括刀片114和115。钻头113还可以包括至少从径向凸轮式表面117延伸到径向表面118的内腔116。导向钻头119可包括从上部部分121延伸到圆锥形部分122的轴部分120。圆锥形部分122的顶点123可以从钻头113的中心线124偏移。上部部分121可以包括径向凸轮式表面125和径向肩部126。钻头113的径向表面118可以将导向钻头119的上部部分121保持在内腔116内。

钻头113还可包括定位在径向凸轮式表面117和125之间并与径向凸轮式表面117和125接触的滚动元件127和128。滚动元件127、128也可以称为旋转元件。在一个优选实施方案中，滚动元件127、128是球形构件，例如不锈钢球轴承或陶瓷球。在该实施方案中，每个球形构件可以具有近似等于内腔116的内径的一半的直径，使得球形构件彼此接触。应当理解，钻头113可以包括任何数量的滚动元件。所包括的滚动元件的数量可以等于径向凸轮式表面117和125中的每一个上的高点或斜面的数量。滚动元件中的每一个可以具有相同的尺寸。

当钻头113相对于导向钻头119旋转时，滚动元件127、128可以在径向凸轮式表面117和125之间自由移动。在一个实施方案中，当钻头113相对于导向钻头119旋转时，滚动元件127、128可在径向凸轮式表面125上的圆形路径中移动。滚动元件127、128在径向凸轮式表面117和125上的这种移动可引起导向钻头119相对于钻头113的轴向移动。使用滚动元件127、128允许在钻头113和导向钻头119的径向凸轮式表面117和125之间的较小的直接撞击，这可以增加钻头113和导向钻头119的寿命。

图9A示出了径向凸轮式表面125的第一实施方案。在此实施方案中，径向凸轮式表面125包括一系列表面，即，表面125a、125b、125c、125d、125e、125f、125g、125h、125i、125j、125k、125l。这些表面中的一些具有上升或下降斜率，使得径向凸轮式表面125具有多个分段的径向面。图9B是图9A中所示的径向凸轮式表面125的周向轮廓图。图9C示出了径向凸轮式表面125的另一实施方案。在该实施方案中，径向凸轮式表面125包括凸轮式低侧(camlow side)126a和凸轮式高侧126b。径向凸轮式表面125的该实施方案的轮廓可以是较平滑的波形。在一个实施方案中，径向凸轮式表面125的轮廓是正弦波形。应当注意，图9A和9C中所示的径向凸轮式表面125的实施方案可以都称为波状轮廓。钻头113的径向凸轮式表面117可以具有与径向凸轮式表面125相反的形状。可选地，径向凸轮式表面117和125中的一个可以是平坦径向表面。

图10是钻头130的又一实施方案的截面图。除非另有说明，钻头130与钻头2相同。钻头130可以包括刀片132和134。钻头130还可以包括从径向凸轮式表面138和锤表面140通向工作面142的内腔136。径向凸轮式表面138和锤表面140可以轴向地隔开一距离。导向钻头144可设置在钻头130的内腔136内。导向钻头144可包括第一端部146和第二端部148。第一端部146可以包括径向凸轮式表面150和砧表面152。径向凸轮式表面150和砧表面152可以轴向地隔开一距离。径向凸轮式表面150可与径向凸轮式表面138配合，并且砧表面152可与锤表面140配合。导向钻头144的第二端部148可以包括上述类型的凿刻轮廓表面(如所示)或偏心圆锥形部分。

图11是图10中部分B的放大图。该视图示出，当钻头130的锤表面140与导向钻头144的砧表面152接触时，径向凸轮式表面138和150隔开距离ΔX。当钻头130相对于导向钻头144旋转时，钻头130的径向凸轮式表面138接合导向钻头144的径向凸轮式表面150。如上面结合其它实施方案所解释的，径向凸轮式表面138上的每个高点154沿径向凸轮式表面150的每个斜面156滑动。在该时间期间，锤表面140将与砧表面152隔开。当径向凸轮式表面138的每个高点154在径向凸轮式表面150的每个高点158上方滑动时，每个高点154将落在径向凸轮式表面150的直立部分160上。该下降导致钻头130的锤表面140撞击导向钻头144的砧表面152。由于隔开距离ΔX，冲击力不直接地放置在径向凸轮式表面138和径向凸轮式表面150上。这种布置将通过减小径向凸轮式表面138和径向凸轮式表面150上的磨损而增加钻头130和导向钻头144的寿命。该实施方案还可以包括在径向凸轮式表面138和径向凸轮式表面150之间的一个或多个滚动元件。在使用滚动元件的情况下，当锤表面140接触并撞击砧表面152时，滚动元件可不与两个凸轮式表面接触。

现在参考图12，其是从钻机232延伸的工作柱230的示意图，其中工作柱230同心地放置在井眼234内。工作柱230将可操作地连接到井底组件，通常以236示出。在图12的实施方案中，井底组件236包括用于旋转地驱动钻头2的泥浆马达装置238。如本领域普通技术人员所理解的，在钻井的过程中，钻孔流体穿过工作柱230被泵送。钻孔流体被引导穿过泥浆马达装置，从而引起井底组件的一部分旋转。旋转力传递到钻头2，这将导致钻头2相对于导向钻头32旋转。因此，钻头2旋转，使得获得第一旋转速率。包含在工作面23上的切割构件(例如，图1中所示的切割构件16、18、20、22)也将与储层界面240接合。导向钻头32的倾斜端部54(在图4中示出)、导向钻头96的顶点102(在图6中示出)或导向钻头119的顶点123将接合储层界面240。应当理解，除非另有说明，钻头2、94、113和130以相同的方式工作，并且导向钻头32、96、119和144以相同的方式工作。

导向钻头32在钻孔操作期间可以不旋转。然而，由于摩擦力，钻头2相对于导向钻头32的相对旋转可以导致导向钻头32旋转。钻头2和导向钻头32之间的相对旋转可以由钻头2和导向钻头32之间的滑动摩擦和滚动摩擦以及两个构件和围绕井眼的储层岩石之间的摩擦引起。钻头2和导向钻头32可能需要不同的扭矩值以克服滚动摩擦和与储层岩石的摩擦，这可能导致导向钻头32以与钻头2不同的旋转速率旋转。当使用导向钻头96时，相对旋转也可以由顶点102从钻头94的中心线的偏心偏移而引起。钻头2可以以比导向钻头32更高的旋转速率或速度旋转。例如，钻头可以以80-400RPM旋转，而导向钻头可以以2-10RPM旋转。该方法还包括使第二径向凸轮式表面60抵靠第一径向凸轮式表面80撞击，使得冲击力被输送到工作面23和导向钻头32。以这种方式，钻头2和导向钻头32之间的相对旋转被转换成钻头2和导向钻头32之间的相对轴向运动。切割构件16、18、20、22的切割和破碎作用和与锤击力耦合的导向钻头32将钻出井眼。

如前所指出的，在一个实施方案中，第一径向凸轮式表面包括倾斜部分和直立部分，并且第二径向凸轮式表面包括倾斜部分和直立部分，它们是彼此相反的并且配合以在径向平坦区域(例如在图2中看到的区域74a、74b、74c)上产生锤击力。在一个实施方案中，工作柱包含用于输送旋转力的泥浆马达；然而，其它实施方案包括用于从钻台赋予工作柱的旋转的表面旋转装置。在另一个实施方案中，工作柱选自由管状钻柱、盘绕管柱和制动用的管(snubbing pipe)组成的组。一个实施方案的特征是接合表面(即导向钻头32的远端端部)可以是偏心圆锥形表面、凿刻表面或其它类似表面。

图13示出了包括旋转构件304(有时称为旋转段)和第二构件306(有时称为第二段)的设备302。旋转构件304和第二构件306可以各自至少部分地设置在壳体308内。旋转构件304可包括第一径向表面310。第二构件306可以包括与第一径向表面310相对的第二径向表面312。第一径向表面310或第二径向表面312可以包括如上所述的锥形表面。在一个实施方案中，两个径向表面310、312包括锥形表面。锥形表面可以是波状的波形轮廓。应当理解，旋转构件304可以定位在第二构件306上方或下方。

设备302可包括一个或多个滚动元件314。在一个实施方案中，设备302包括两个滚动元件314a、314b，如图13中所示的。每个滚动元件可以具有但不限于球形外表面，其具有近似等于壳体308的内径的一半的直径，使得滚动元件314a和滚动元件314b彼此恒定接触。应当理解，设备302可以包括任何数量的滚动元件。包括在井下设备中的滚动元件的数量可以等于径向表面310和径向表面312中的每一个上的高点或斜面的数量。滚动元件中的每一个可以具有相同的尺寸。

旋转构件304可相对于第二构件306连续旋转，即，旋转构件304可相对于第二构件306旋转超过360度。在一个实施方案中，第二构件306是非旋转构件。非旋转构件意味着该构件不被设计成旋转并且该构件相对于旋转构件大体上不旋转。在另一个实施方案中，第二构件306是以与旋转构件304不同的旋转速率旋转的构件。旋转速率是旋转速度，其可以以每分钟旋转或转数(RPM)为单位来测量。在另一实施方案中，第二构件306和旋转构件304沿相反方向旋转。在所有实施方案中，当旋转构件304相对于第二构件306旋转时，滚动元件314在第一径向表面310和第二径向表面312之间移动，从而产生第二构件306相对于旋转构件304的轴向运动。滚动元件314可以各自相对于第二径向表面312沿圆形路径移动360度。滚动元件314还可以各自相对于第一径向表面310沿圆形路径移动360度。滚动元件314在第一径向表面310和第二径向表面312上的移动可以同时发生，使得滚动元件314相对于第一径向表面310沿圆形路径移动360度，并且同时相对于第二径向表面312沿圆形路径移动360度。

应当理解，设备302不限于所示的方向性布置和倾斜布置。换句话说，只要第一径向表面310与第二径向表面31相对，其中一个或多个滚动元件设置在第一径向表面310与第二径向表面之间，则设备302将起作用。设备302可以以相对于这些附图中所示的竖直位置倒置的竖直位置来布置。设备302还可以布置在水平位置或任何其它倾斜位置。

图14A是沿图13中的A-A线截取的横截面图，示出了设置在壳体308内的第一径向表面310上的滚动元件314a、314b。图14B是沿图13中的A-A线截取的可选择的横截面图。在该实施方案中，设备302包括三个滚动元件，即滚动元件314a、314b、314c。图14C是沿图13中的A-A线截取的另一个可选择的横截面图，其示出了设备302，该设备302包括四个滚动元件，即滚动元件314a、314b、314c、314d。图14D是沿图13中的A-A线截取的又一个可选择的横截面图，示出了设备302，该设备302包括十个滚动元件，即滚动元件314a、314b、314c、314d、314e、314f、314g、314h、314i、314j。图14B、14C和14D中每个滚动元件可以被设定尺寸使得每个滚动元件与两个相邻的滚动元件接触。

图15示出了具有设置在径向表面310和312之间的引导构件316的设备302。引导构件316可以用于将滚动元件314a和314b控制在相对于彼此固定的位置。图16A是沿图15中的B-B线截取的横截面图，示出了设置在壳体308内的第一径向表面310上的由引导构件316保持的滚动元件314a、314b。在该实施方案中，滚动元件314a、314b被设定尺寸使得其彼此恒定接触。图16B是沿图15的B-B线的可选择的横截面图。在该实施方案中，设备302包括两个滚动元件314a、314b，滚动元件被设定尺寸使得其彼此隔开。引导构件316将滚动元件314a、314b保持在相对于彼此固定的位置，例如相隔180度。图16C是沿图15的B-B线截取的另一个可选择的横截面图。在该实施方案中，设备302包括三个滚动元件314a、314b、314c，其中滚动元件被设定尺寸设使得其彼此隔开并且通过引导构件316相对于彼此保持在固定位置，例如相隔120度。图16D是沿图15中的线B-B截取的又一个可选择的横截面图。在该实施方案中，设备302包括四个滚动元件314a、314b、314c、314d，其中滚动元件被设定尺寸使得其彼此隔开并且通过引导构件316相对于彼此保持在固定位置，例如相隔90度。应当理解，引导构件316可以与任何数量的滚动元件314一起使用。当滚动元件314被设定尺寸使得每个滚动元件不会持续地接触两个相邻的滚动元件时，优选使用引导构件316，例如在图16B、图16C和图16D中所示的实施方案中。

图17示出了包括上部构件402、钻头404和导向钻头406的钻孔设备400。上部构件402可以包括具有外径的上部端部408，上部端部408包含外螺纹装置410。外螺纹装置410可以连接到工作柱。外螺纹装置410可以延伸到径向肩部412。上部构件402还可以包括外表面414，外表面414从径向肩部412延伸到上部构件402的下部端部418上的下部径向表面416。上部构件402还可以包括内腔420，内腔420包括径向凸轮式表面422和径向表面424。上部构件402的钻孔426可以从内腔420延伸到具有内螺纹装置430的下部腔428。内螺纹装置430可以延伸到下部径向表面416。上部构件402可以是井下钻孔组件的任何部件，该井下钻孔组件可操作地连接到钻头或能够在岩石地层中钻孔的其他工具。例如，上部构件402可以是但不限于是井底组件的部件，该井底组件包括在钻孔时测量的仪器、泥浆马达装置和钻铤。

钻头404的上部端部432可以包括延伸到径向肩部436的外螺纹装置434。钻头404的下部端部438可以包括刀片440和442。内部钻孔444可以延伸穿过钻头404，从上部端部432延伸到下部端部438。除非另有说明，钻头404可包括与钻头2和113相同的特征。钻头404的上部端部432可以设置在下部腔428内，其中钻头404的外螺纹装置434接合上部构件402的内螺纹装置430。以此方式，钻头404和上部构件402螺纹连接在一起，使得上部构件402的下部径向表面416接合钻头404的径向肩部436。

导向钻头406可包括从上部部分448延伸到圆锥形部分450的轴部分446。圆锥形部分450的顶点452可以从上部构件402和钻头404的中心线454偏移。上部部分448可设置在上部构件402的内腔420内。上部部分448可以包括径向凸轮式表面456和径向肩部458。导向钻头406的径向肩部458可以接合上部构件402的径向表面424，以将上部部分448保持在内腔420内。导向钻头406的轴部分446可以被设置成穿过上部构件402的钻孔426并且穿过钻头404的内部钻孔444。钻孔426和内部钻孔444可以各自被配置成接纳导向钻头406的轴部分446。在一个实施方案中，钻孔426和内部钻孔444具有近似相等的内径。

设备400还可以包括滚动元件460和462，滚动元件460和462设置在内腔420中，位于上部构件402的径向凸轮式表面422和导向钻头406的径向凸轮式表面456之间并且接触上部构件402的径向凸轮式表面422和导向钻头406的径向凸轮式表面456。滚动元件460和462也可以称为旋转元件。在一个优选实施方案中，滚动元件460和462是球形构件，例如不锈钢球轴承或陶瓷球。在该实施方案中，每个球形构件可以具有近似等于内腔420的内径的一半的直径，使得球形构件彼此接触。应当理解，设备400可以包括任何数量的滚动元件。所包括的滚动元件的数量可以等于径向凸轮式表面422和456中的每一个上的高点或斜面的数量。滚动元件中的每一个可以具有相同的尺寸。径向凸轮式表面422和456可以各自包括上文结合示出径向凸轮式表面125的图9A、9B和9C描述的形状中的任何形状。

上部构件402和钻头404可以相对于导向钻头406旋转。当上部构件402相对于导向钻头406旋转时，滚动元件460和462可以在径向凸轮式表面422和456之间自由移动。在一个实施方案中，当上部构件402相对于导向钻头406旋转时，滚动元件460和462可在每个径向凸轮式表面422和456上的圆形路径中移动。滚动元件460和462在径向凸轮式表面422和456上的这种移动可引起导向钻头406相对于上部构件402和钻头404的轴向移动。使用滚动元件460和462允许径向凸轮式表面422和456之间的较小的直接撞击，这可以增加上部构件402和导向钻头406的寿命。钻孔设备400在设计上可以类似于图8所示的钻头113，除了滚动元件设置在上部构件的腔内而非钻头中的腔内之外。

在另一个实施方案中，设备400可以被配置成在没有滚动元件的情况下使用，使得径向凸轮式表面422和456直接互相接触，以产生导向钻头406相对于钻头404的轴向移动，如结合图1-7描述的。在另一个实施方案中，设备400可以被配置成在下述情况下使用，即，没有滚动元件并且上部构件402上的锤表面被设计成撞击导向钻头406的砧表面，以产生导向钻头406相对于钻头404的轴向移动，如结合图10-11描述的。

虽然已经参考本发明的某些优选变型相当详细地描述了本发明，但是其他变型是可能的。因此，所附权利要求的精神和范围不应限于本文包含的优选变型的描述。

Claims (20)

1.一种用于钻井眼的设备，所述井眼包含同心地定位在其中的工作柱，所述设备包括：

上部构件，其具有第一端部、内腔和第二端部，其中所述第一端部连接到所述工作柱，所述工作柱构造成将旋转力输送到所述上部构件，其中所述内腔包含具有第一径向凸轮式表面的轮廓；

钻头主体，其具有第一端部、第二端部和从所述第一端部延伸到所述第二端部的中心钻孔，所述钻头主体的所述第一端部可操作地连接到所述上部构件的所述第二端部，其中所述钻头主体被构造成随着所述上部构件的旋转而旋转，其中所述钻头主体的所述第二端部包括包含切割构件的工作面；

导向钻头，其旋转地连接在所述上部构件的所述内腔内，并且延伸穿过所述钻头主体的所述中心钻孔，延伸超过所述钻头主体的所述工作面，其中所述导向钻头包括第一端部和第二端部，其中所述第一端部包括可操作地构造成与所述第一径向凸轮式表面配合以输送锤击力的第二径向凸轮式表面，并且其中所述导向钻头的所述第二端部包括构造成接合围绕所述井眼的地层的接合表面；

其中，所述上部构件和所述钻头主体相对于所述导向钻头旋转。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一径向凸轮式表面和所述第二径向凸轮式表面各自包括倾斜部分和直立部分。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述导向钻头的所述接合表面包括偏心圆锥形表面或凿刻表面。

4.根据权利要求2所述的设备，还包括与所述导向钻头可操作地相关联的保持器，用于将所述导向钻头保持在所述内腔内。

5.根据权利要求2所述的设备，还包括设置在所述第一径向凸轮式表面和所述第二径向凸轮式表面之间并与所述第一径向凸轮式表面和所述第二径向凸轮式表面接触的一个或多个滚动元件。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述滚动元件中的每一个包括球形外表面。

7.根据权利要求6所述的设备，包括彼此接触的两个滚动元件，并且其中所述滚动元件中的每一个的直径近似等于所述内腔的内径的一半。

8.根据权利要求6所述的设备，包括三个或更多个滚动元件，其中所述滚动元件中的每一个与两个相邻的滚动元件接触。

9.根据权利要求5所述的设备，包括引导构件和两个或更多个滚动元件，所述引导构件设置在所述第一径向凸轮式表面和所述第二径向凸轮式表面之间，以用于使所述滚动元件相对于彼此保持在固定位置中。

10.一种用于钻井眼的设备，所述井眼包含同心地定位在其中的工作柱，所述设备包括：

上部构件，其具有第一端部、内腔和第二端部，其中所述第一端部连接到所述工作柱，所述工作柱构造成将旋转力输送到所述上部构件，其中所述内腔包含具有锤的轮廓；

钻头主体，其具有第一端部、第二端部和从所述第一端部延伸到所述第二端部的中心钻孔，所述钻头主体的所述第一端部可操作地连接到所述上部构件的所述第二端部，其中所述钻头主体被构造成随着所述上部构件的旋转而旋转，其中所述钻头主体的所述第二端部包括包含多个切割构件的工作面；

突出物，其旋转地连接在所述上部构件的所述内腔内，并且延伸穿过所述钻头主体的所述中心钻孔，延伸超过所述钻头主体的所述工作面，其中所述突出物包括第一端部和第二端部，其中所述第一端部包括砧，并且所述第二端部包括构造成接合围绕所述井眼的地层的接合表面；

其中所述上部构件的所述锤可操作地构造成将锤击力输送到所述突出物的所述砧，并且其中所述上部构件和所述钻头主体相对于所述导向钻头旋转。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述锤和所述砧各自包括倾斜部分和直立部分。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述突出物的所述接合表面包括偏心圆锥形表面或凿刻表面。

13.根据权利要求10所述的设备，其中所述上部构件的所述内腔的轮廓还包括第一径向凸轮式表面，并且其中所述突出物的所述第一端部还包括构造成与所述第一径向凸轮式表面配合的第二径向凸轮式表面。

14.根据权利要求10所述的设备，还包括设置在所述锤和所述砧之间并与所述锤和所述砧接触的一个或多个滚动元件。

15.一种钻井眼的方法，包括步骤：

a)提供一种钻孔设备，所述钻孔设备包括：上部构件，其具有第一端部、内腔和第二端部，其中所述第一端部连接到工作柱，所述工作柱构造成将旋转力输送到所述上部构件，其中所述内腔包含具有第一径向凸轮式表面的轮廓；钻头主体，其具有第一端部、第二端部和从所述第一端部延伸到所述第二端部的中心钻孔，所述钻头主体的所述第一端部可操作地连接到所述上部构件的所述第二端部，其中所述钻头主体被构造成随着所述上部构件的旋转而旋转，其中所述钻头主体的所述第二端部包括包含切割构件的工作面；以及导向钻头，其旋转地连接在所述上部构件的所述内腔内，并且延伸穿过所述钻头主体的所述中心钻孔，延伸超过所述钻头主体的所述工作面，其中所述导向钻头包括第一端部和第二端部，其中所述第一端部包括第二径向凸轮式表面，并且其中所述导向钻头的所述第二端部包括构造成接合围绕所述井眼的地层的接合表面，其中，所述上部构件和所述钻头主体相对于所述导向钻头旋转；

b)将所述钻孔设备降低到所述井眼中；

c)使所述工作面的所述切割构件与储层界面接触；

d)使所述上部构件和所述钻头主体相对于所述导向钻头旋转；

e)使所述导向钻头的所述接合表面与所述井眼中的储层界面接合；

f)用所述第一径向凸轮式表面撞击所述第二径向凸轮式表面，使得在用所述钻孔设备钻所述井眼时，将锤击力输送到所述切割构件和所述接合表面。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述工作柱包括用于将所述旋转力输送到所述上部构件的泥浆马达。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述工作柱是管状钻柱或盘绕管柱。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述导向钻头的所述接合表面是偏心圆锥形表面或凿刻表面。

19.根据权利要求15所述的方法，其中在步骤(d)中，所述导向钻头由于与所述钻头主体和所述上部构件的旋转相关联的摩擦力而旋转，其中所述导向钻头的旋转速率不等于所述钻头主体的旋转速率。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述钻孔设备还包括设置在所述第一径向凸轮式表面和所述第二径向凸轮式表面之间并与所述第一径向凸轮式表面和所述第二径向凸轮式表面接触的一个或多个滚动元件，并且其中步骤(f)还包括：通过所述滚动元件用所述第一径向凸轮式表面撞击所述第二径向凸轮式表面。