CN108474238A - 中心具有轴向可调逆转刀具的混合钻头 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种混合钻头，所述混合钻头上包括固定切割元件和可调切割结构二者。调整机构被提供来允许对所述可调切割结构的前端处的切割元件的轴向位置相对于所述固定切割元件的轴向位置进行调整。所述可调切割结构可以包括相对于钻头体旋转轴倾斜地安装的逆转切割构件，并且所述调整机构可以动态地支撑所述可调切割结构，以使得当所述钻头在井筒内操作时可以调整所述切割元件的所述轴向位置。可以通过改变施加至所述井筒内的所述钻头的压力而调整所述轴向位置。

Description

中心具有轴向可调逆转刀具的混合钻头

背景技术

本公开大体上涉及井下工具，诸如在与石油和天然气勘探、钻井和生产有关的操作中有用的钻头。更确切地说，本公开涉及包括具有相对于钻头体的轴向可调位置的切割元件的钻头。

通常在有关碳氢化合物、水、地热能或其它地下资源的勘探、钻井和生产的操作中，旋转钻头被用来形成穿过地质地层的井筒。旋转钻头通常可以被分类为：具有静止切割元件的固定刀具钻头(通常称为“刮刀钻头”)；或牙轮钻头，其中所述牙轮钻头具有安装在被安装用于相对于钻头的钻头体旋转的一个或多个牙轮上的切割元件。

固定刀具钻头可以使用安装至钻头体的多个固定切割元件来构造。用于固定刀具钻头的钻头体可以由诸如钢等金属材料或由粘结材料构造而成，所述粘结材料通过用熔融粘合剂渗透增强材料而形成。固定切割元件可以附接至钻头体的外轮廓，以使得当形成井筒时切割元件上的硬质表面暴露于地质地层。切割元件通常操作来从地质地层移除材料，典型地通过当钻头在井筒内旋转时剪切地层材料。牙轮钻头可以由旋转地安装至钻头体的一个或多个牙轮构造而成，其中切割元件安置在牙轮上。当牙轮钻头旋转时，牙轮沿井筒的底部滚动。牙轮上的切割元件通常操作来从地质地层移除材料，典型地通过对来自地质地层的材料进行压碎、刨削和/或刮削以钻出井筒。

为了各种目的，已经开发了具有固定刀具和牙轮钻头二者的特征的混合钻头。例如，在一些情况下，混合钻头可能更加耐用，从而容许在需要维护或更换钻头之前钻出比单独使用固定刀具钻头或牙轮钻头更大的深度。混合钻头还可以增强针对特定应用的特性，诸如可控性、稳定性等。

当钻头钻过具有不同硬度、密度和/或其它地层参数的地质地层区域时，固定刀具钻头、牙轮钻头和混合钻头上的切割元件会受到不同程度的磨损。切割元件上的磨损通常要求对钻头进行维护或更换，这在钻井操作期间可能是昂贵和耗时的。在一些情况下，切割元件上的磨损的量可能受到以下参数影响：诸如施加至钻头的压力、穿过地质地层的穿透率、以及一个或多个切割元件从钻头体突出的轴向距离。

附图说明

下文仅通过举例的方式依据附图中所呈现的实例详细地描述本公开，其中：

图1是包括在陆地钻井环境中操作的混合钻头的钻井系统的部分截面侧视图；

图2是图1的混合钻头的透视图，示出外围定位的固定切割结构，所述外围定位的固定切割结构由钻头和被所述外围定位的固定切割结构包围的中心定位的逆转可调切割结构限定；

图3是图2的混合钻头的简化透视图，其中所述钻头被示意性地绘示来说明耦接在钻头与逆转可调切割结构之间的调整机构，以用于使用层叠的柔性间隔构件将逆转可调切割结构动态地支撑在钻头体内的多个轴向位置处；

图4是图3的混合钻头的截面视图；

图5是钻头的截面视图，示出根据替换实例的调整机构，其中可调切割结构通过大致刚性的间隔件而被静态地支撑在钻头体内的多个可能的轴向位置中的一个位置处；并且

图6是混合钻头的另一实例的截面视图，示出用于使用填充有支撑材料的空腔来支撑逆转可调切割结构的动态调整机构。

具体实施方式

在以下描述中，虽然附图可以绘示具有特定取向的井筒的一部分中的设备，但是除非另有指示，否则根据本公开的设备也可以同样适用于具有其它取向的井筒部分，所述其它取向包括垂直的、倾斜的、水平的、弯曲的等等。同样地，虽然附图可能绘示陆地钻井操作，但是除非另有说明，否则根据本公开的设备也可以同样适用于海上或海底操作。另外，虽然附图可能绘示裸眼井筒，但是除非另有说明，否则根据本公开的设备可以同样适用于割缝衬管或部分套管井筒。

本公开包括钻头，所述钻头包括安装在钻头体上的可调切割结构，所述可调切割结构包括至少一个切割元件。例如，钻头可以是任选地包括围绕钻头体的外围安置的固定切割元件的混合钻头，并且所述可调切割结构可以包括一对逆转切割构件，该对逆转切割构件位于钻头体的中心更靠近钻头体的旋转轴的位置。钻头的旋转携载钻头体上沿着相对较长的周向路径的任何外围定位的固定切割元件，这可以有助于对来自地层的地质材料进行剪切。与钻头的旋转携载沿着相对较长的周向路径外围定位的固定切割元件同步地，可调切割结构(例如，一对逆转切割构件)可以在相对较短的圆周区域中滚动，以与外围定位的切割元件相比更接近钻头的旋转轴对地质材料进行压碎和刮削。可调切割结构包括调整机构来允许可调切割结构(以及其上的一个或多个切割元件)被支撑在相对于钻头体的多个轴向位置中的任何位置处。调整机构可以包括例如将允许可调切割结构的轴向位移的螺纹、花键或其它扭矩传递配合特征。可调切割结构可以在离散轴向位置之间移动，或者可选地在连续范围的轴向位置上移动。

图1是可以合并混合钻头100的钻井系统10的实例的正视图。钻井系统10部分安置在从地面位置“S”延伸并且横断地质地层“G”的井筒14内。在所示出的实例中，虽然井筒14被示出是大体上垂直的，但是井筒14中可以包括多种垂直、定向、偏离、倾斜和/或水平部分中的任何一种，并且可以沿任何轨迹延伸通过地质地层“G”。

混合钻头100被提供在钻柱18的较下端以便切割到地质地层“G”中。当旋转时，混合钻头100操作来打碎地质地层“G”。混合钻头100可以以多种方式中的任何一种旋转。在该实例中，在地面位置“S”处，钻机22包括转台28，所述转台28可以被操作来旋转整个钻柱18和耦接至钻柱18的较下端的混合钻头100。转台28选择性地由引擎30、链驱动系统或其它设备驱动。可以提供在钻柱18中的井底钻具组件或BHA 32可以包括井下马达34来相对于钻柱18的其余部分选择性地旋转混合钻头100。马达34可以响应于诸如泥浆36等钻井流体从其中循环通过而生成扭矩。相对于钻柱18选择性地旋转混合钻头100的能力在定向钻井中和/或对于其它操作可以是有用的。

泥浆36可以通过泥浆泵38经由钻柱18的内部泵送到井下。泥浆36传递通过BHA 32的井下马达34，在这里从泥浆36提取能量来转动混合钻头100。当泥浆36传递通过BHA 32时，泥浆36在被挤压通过限定在混合钻头100中的喷嘴124(图2)之前可以润滑限定在所述BHA 32中的轴承(未明确示出)。当泥浆36继续向上循环通过限定在钻柱18与地质地层“G”之间的环形空间40时，泥浆36冲刷来自混合钻头100的路径的地质钻屑和/或其它碎屑。地质钻屑和其它碎屑被泥浆36携载至地面位置“S”，在这里可以从泥浆流移除岩屑和碎屑。

图2是混合钻头100的透视图，示出钻头体102，所述钻头体102限定外围定位的固定切割结构104和被所述外围定位的固定切割结构104包围的中心定位的逆转可调切割结构106。混合钻头100还可以包括从钻头体102延伸的用于将混合钻头100耦接至钻柱18(图1)的各种类型的连接器108中的任何一种。连接器108可以包括其上限定有美国石油学会(API)螺纹的螺纹销。

钻头体102限定在其前端102A与后端102B之间延伸的钻头体旋转轴“X₀”。钻头体102可以由诸如钢等金属材料或大体上与制造旋转钻头相关联的各种金属合金中的任何一种构造而成。或者，钻头体102可以由粘结材料构造而成，所述粘结材料通过用例如铜、锡、锰镍合金和锌的熔融粘合剂渗透例如碳化钨粉末的增强材料而形成。

外围定位的固定切割构件104包括多个切割刀片114，所述多个切割刀片114利用限定在切割刀片114之间的排屑槽116围绕可调切割结构106周向地隔开。六(6)个切割刀片114可以围绕钻头体旋转轴“X₀”不对称地布置。排屑槽116有助于移除来自混合钻头100的路径的地质材料和碎屑，例如，通过围绕钻头体102为钻井泥浆36(图1)提供流路径。

切割刀片114上支撑有多个固定切割元件118，所述多个固定切割元件118围绕可调切割结构106轴向和径向地隔开。如本文所使用，术语“固定”通常表示固定切割元件118被安装用于当混合钻头100围绕钻头体旋转轴“X₀”旋转时维持相对于钻头体102的位置和取向。固定切割元件118可以通过钎焊或本领域公识的其它制造技术牢固地安装至切割刀片114。固定切割元件118中的一个或多个可以通过调整机构(下面更详细地描述)耦接至钻头体102，所述调整机构容许固定切割元件118来维持在钻头体102的前端102A上的周向位置，同时被静态地或动态地支撑在相对于钻头体102的多个不同的轴向位置处。固定切割元件118通常通过在混合钻头100在井下旋转时剪切来自井筒14(图1)的底部和侧面的地质材料来啮合并移除地质地层“G”(图1)的相邻部分。固定切割元件118可以包括各种类型的多晶金刚石复合片(PDC)刀具部件。

保径元件120被提供在每一切割刀片114的后端处的径向向外表面上。保径元件120可以由上面所描述的用于构造固定切割元件118的硬质材料中的任何一种构造而成，并且操作来维持井筒14(图1)的直径。

多个喷嘴开口122可以限定在钻头体102中。相应喷嘴124可以安置在每个喷嘴开口122中，以便排出泵送通过钻柱18(图1)的各种类型的钻井流体或泥浆36(图1)。喷嘴开口122流体地耦接至延伸通过混合钻头100的流体通道128(图3)。中心定位的可调切割结构106还可以包括流体地耦接至流体通道128的喷嘴(未明确示出)。流体通道128延伸通过钻头体102和连接器108，以使得流体通道128可以流体地耦接至钻柱18(图1)。

可调切割结构106径向安置成邻近钻头体旋转轴“X₀”，以使得可调切割结构106大体上被固定切割结构104包围。可调切割结构106包括通过滚子轴136旋转地耦接至钻头体102的一对逆转切割构件132。轴136可以相对于钻头体102以固定的周向取向安装，例如轴136随钻头体围绕钻头体旋转轴“X₀”旋转。如下面更详细地描述，轴136可以被调整机构动态或静态地支撑在相对于钻头体旋转轴“X₀”的多个轴向位置处。逆转切割构件132被安装以便围绕轴136相对于彼此逆转。每一逆转切割构件132从钻头体旋转轴“X₀”径向位移，并且因此可以在混合钻头100旋转时引起逆转切割构件132在轴136上旋转。例如，混合钻头100邻近地质地层“G”(图1)在箭头A₀的方向上围绕钻头体旋转轴“X₀”的旋转引起第一逆转切割构件132在方向A₁上围绕轴136的旋转以及第二逆转切割构件132围绕轴136在相反的箭头A₂方向上的旋转。围绕轴136的旋转部分归因于地质地层“G”与逆转切割构件132之间的摩擦力，所述摩擦力引起逆转切割构件132沿着周向路径围绕钻头体旋转轴“X₀”滚动。

逆转切割构件132上支撑有切割元件138。切割元件138一般可以操作来压碎和刮削靠近钻头体102的钻头体旋转轴“X₀”的地质材料。在示出的实例中，切割元件138从逆转切割构件132的大体半球形表面140突出。逆转切割构件132被布置成使得相应半球形表面140限定跨逆转可调切割结构106的前端142的大体球形轮廓。大体球形轮廓的顶点144可以大体上沿钻头体旋转轴“X₀”安置，并且应了解，顶点144可以从钻头体旋转轴“X₀”径向偏移。顶点144可以从钻头体旋转轴“X₀”径向偏移，以使得逆转切割构件132中的一个与钻头体旋转轴“X₀”相交，并且逆转切割构件132延伸至钻头体旋转轴“X₀”的相对径向侧。切割元件138可以围绕半球形表面140周向地成列布置。为了有助于逆转切割构件132的逆转(例如，围绕轴136在相反方向上旋转)，每个旋转切割构件132上的切割元件138的相应径向最内周向列138a、138b(图4)可以安置在钻头体旋转轴“X₀”的相对径向侧上，如图3中所示。也可以设想用于逆转切割构件132上的切割元件138的其它布置，诸如逆转切割构件132上的呈任何随机或图案化布置的突起或凹陷。

图3是混合钻头100的简化透视图，其中钻头体102被示意性地绘示来说明耦接在钻头体102与逆转可调切割结构106之间的调整机构148。调整机构148可操作以便将可调切割结构106动态地支撑在限定在钻头体102中的中心孔150内的多个轴向位置处。如本文所使用，“动态”调整机构包括在钻头100在井筒14(图1)内操作时容许可调切割结构106的轴向位置被调整的那些结构。为了容许动态调整，调整机构148包括可以例如通过施加适当的钻压而被轴向压缩的层叠的柔性间隔构件152。当层叠的间隔构件152被压缩时，可调切割结构106在箭头A₃的轴向方向上移动到钻头体102的中心孔150中。可以减轻钻压以容许间隔构件152轴向展开，并且在箭头A₄的方向上移动可调切割结构106。因此，逆转可调切割结构106的暴露或高度被动态地调整。间隔构件152可以包括Bellville垫圈、波形垫圈或本领域公识的其它盘形弹簧。可选地或另外地，间隔构件152可以包括可以被预加载的一个或多个压缩弹簧或其它结构，以使得可以预先确定必须被施加以引起可调切割结构106的移动的钻压的量。

调整机构148包括叉轴支撑件154。轴支撑件166可以将轴136固持在大体上正交于钻头体旋转轴“X₀”的取向上。叉轴支撑件154具有花键外表面156。花键外表面156包括与限定在钻头体102中的中心孔150的内表面162上的多个键160一致的多个凹槽158。凹槽158和键160容许扭矩在钻头体102与可调切割结构106之间传递，同时容许它们之间的轴向移动。虽然未示出，但是对应表面156可以包括其它特征，诸如螺旋花键、直线花键或容许轴向移动和扭矩传递的其它结构。具有矩形、三角形或任何非圆形截面的外表面156可被提供用于与类似形状的内表面162一起传递扭矩。调整机构148还包括紧固件164，所述紧固件164将叉轴支撑件154紧固至钻头体102。

图4是混合钻头100的截面视图。层叠的柔性间隔构件152被支撑在钻头体102内的内肩168上，并且叉轴支撑件154被支撑在层叠的柔性间隔构件154上。紧固件164延伸穿过柔性间隔构件154，并且拧紧到叉轴支撑件154中。紧固件164可以包括在其中延伸以容许钻井流体到达逆转切割构件132的流体通道166。紧固件164被拧紧到叉轴支撑件154中的程度确定柔性间隔构件154被压向肩部168的程度，并且因此限定施加至柔性间隔构件154的预载荷。

可调切割结构106在钻头体102内的轴向位置限定固定切割元件118(图2)可以实现的切割深度。一般而言，在逆转切割构件132在较大程度上轴向引导固定切割元件118的情况下，施加至钻头100的轴向力的较大部分可以经由逆转切割构件132而不是经由固定切割元件118被传递至地质地层“G”(图1)。因此，固定切割元件118可以实现相对较低的切割深度。相反地，在逆转切割构件132在较小程度上轴向引导固定切割元件118的情况下，或者在逆转切割构件132在轴向上牵引固定切割元件118的情况下，施加至钻头100的轴向力的较大部分可以经由固定切割元件118而不是经由逆转切割构件132被传递至地质地层“G”，并且因此固定切割元件118可以实现相对较高的切割深度。

虽然未示出，但是可调切割结构106可以暴露不足。例如，逆转切割构件132的前端142可以安置在中心孔150内，并且前端142可以被安置以对固定切割元件中的每个进行牵引。逆转可调切割结构106还可以过度暴露，以使得前端142安置在固定切割元件118(图2)中的每个的引导轴向侧上。

继续参看图1至图4，混合钻头100可以被采用来形成穿过地质地层“G”的井筒14。可以在各种深度评估地质地层“G”以估计可调切割结构106相对于固定切割元件118的适当轴向位置范围。例如，可以估计地质地层“G”内的地质材料的类型，以确定固定切割元件118在评估的各种深度处的适当切割深度。可调切割结构106的初始轴向位置可以通过以下方式来限定：选择并安装适当数量、大小和形状的柔性间隔构件152以及将紧固件164充分扭转以对柔性间隔构件152进行预加载并实现所需的初始轴向位置。

接着，混合钻头100可以使用连接器108耦接至钻柱18，并且混合钻头100的钻头体102可以邻近地质地层“G”在施加了初始钻压的情况下围绕钻头体旋转轴“X₀”旋转。初始钻压可以低于柔性间隔构件开始轴向压缩的阈值力。因此，逆转可调切割结构106和其前端142处的切割元件138被维持在相对于钻头体102的初始轴向位置处。通过旋转钻头体102，可以使用固定切割元件118来从地质地层“G”剪切地质材料。钻头体102的旋转致使逆转切割构件132沿地质地层“G”在相反方向上滚动。第一逆转切割构件132在箭头A₁的方向上滚动，并且第二逆转切割构件132在箭头A₂的方向上滚动。滚子元件132二者围绕轴136旋转，所述旋转可以大体上正交于钻头体旋转轴“X₀”。因此使用靠近钻头体旋转轴“X₀”的切割元件138来压碎和刮削来自地质地层“G”的地质材料。

当期望改变逆转可调切割结构106的轴向位置时，例如，当遭遇地质地层“G”的特性(硬度、密度等)变话时，钻压可以被增加超过柔性间隔构件152被压缩的阈值力。因此，引起可调切割结构106来在箭头A₃的方向上缩回到中心孔150中。固定切割元件118然后可以引导逆转切割构件132达相对较大的程度，并且施加至钻头100的轴向力的较大部分可以经由固定切割元件118传递至地质地层“G”。因此，固定切割元件118可以实现相对较高的切割深度。当再次遭遇地质地层“G”的特性变化时，可以减小钻压以允许柔性间隔构件152在箭头A₄的引导方向上推动逆转可调切割结构106。固定切割元件118可以实现穿过相对较硬的地层材料的相对较低的切割深度。可以以此方式控制固定切割元件所经受的磨损。

而且，当振动能量被赋予钻头100时，可以实现逆转可调切割结构106的轴向位置的改变。例如，当钻透地质地层“G”的相对较硬的部分时，振动能量可以致使柔性间隔构件152被压缩和展开，从而引起逆转可调切割结构106轴向位置的变化。以此方式，柔性间隔构件152可以充当阻尼器来减轻振动的有害影响。

图5是混合钻头200的另一实例的截面视图，示出调整机构202。可调切割结构204被静态地支撑在限定于钻头体208中的中心孔206内的多个可能的轴向位置中的一个位置处。一个或多个大致刚性的间隔件210可以设置在中心孔206内，以限定可调切割结构204相对于钻头体208的轴向位置。可调切割结构204包括啮合中心孔206的对应螺纹表面216的螺纹柄214。间隔件210的数量和厚度确定螺纹柄214将拧紧到中心孔206中的距离，并且因此限定可调切割结构204相对于钻头体208的轴向位置。大致刚性的间隔件210可以包括扁平钢垫圈。

调整机构202可以被描述成“静态”调整机构，因为当钻头200在井筒14(图1)内操作时可调切割结构204的轴向位置被维持。当期望改变可调切割结构204的轴向位置时，钻头200可以从井筒14(图1)缩回，并且可调切割结构204可以被从钻头体208拧开，以容许改变大致上刚性的间隔构件210的数量和/或大小。可调切割结构204然后可以被更换，并且将啮合大致刚性的间隔构件210，以被支撑在相对于钻头体208的不同轴向位置处。

可调切割结构204包括在其前端220处的切割元件218。切割元件218可以是固定切割元件，以使得一旦可调切割结构204被安装在中心孔内，切割元件218相对于钻头体208的轴向位置就是固定的。可选地或另外地，切割元件218可以被支撑以便如上所述围绕轴逆转。在任一种情况下，可通过选择间隔构件210的数量和大小来调整切割元件218在可调切割结构204的前端220处的轴向位置。

图6是混合钻头300的另一实例的截面视图，示出用于支撑逆转可调切割结构304的动态调整机构302。调整机构302包括限定在钻头体308中的空腔306，所述空腔306可以填充有支撑材料310。支撑材料310可以包括：诸如可压缩气体等流体，所述流体可以充当可调切割结构304与主体308之间的弹簧；或者诸如油等液体，所述液体可以为可调切割结构304提供阻尼。密封件312可以被提供在钻头体308与可调切割结构304之间，以在空腔306内维持流体支撑材料310。密封件312可以由弹性体O形圈或其它结构构造而成，这容许可调切割结构304响应于钻头300上所施加的压力的改变而例如在箭头A₅的方向上的轴向移动。

支撑材料310可以包括粘弹性材料或诸如橡胶等超弹性材料。当轴向力被施加至可调切割结构304的前端时，支撑材料310可以为可调切割结构304提供减震。

下面所描述的本公开的方面被提供来以简化形式描述上面更加详细地描述的一系列概念。本部分并非意在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也并非意在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

在一个方面中，本公开涉及用于形成穿过地质地层的井筒的钻头。所述钻头包括：连接器，所述连接器被配置用于连接至钻柱；以及钻头体，所述钻头体耦接至所述连接器。所述钻头体限定在其中纵向延伸的钻头体旋转轴。可调切割结构安装在钻头体上，并且包括从钻头体的前端突出以便穿透地质地层的至少一个切割元件。调整机构耦接在钻头体与可调切割结构之间以便将可调切割结构支撑在相对于钻头体的多个轴向位置处，以使得可以对可调切割结构的前端的暴露进行调整。

调整机构可以包括至少一个柔性间隔构件，所述至少一个柔性间隔构件安置在可调切割结构与钻头体之间以动态地支撑可调切割结构。所述至少一个柔性间隔构件可以包括可调切割结构与钻头体之间处于弹簧预加载力下的弹簧，以防止可调切割结构在低于与弹簧预加载力有关的阈值的轴向力下的轴向移动。可调切割结构可以响应于低于预定阈值力的轴向力而维持相对于钻头体的轴向位置，并且可调切割结构可以响应于高于预定阈值力的轴向力而压缩弹簧以相对于钻头体轴向移动。调整机构可以包括对应的花键表面，所述对应花键表面容许可调切割结构与钻头体之间的轴向移动以及可调切割结构与钻头体之间的扭矩传递。

钻头体可以包括固定切割结构，所述固定切割结构包括安装在钻头体上以便随着钻头体围绕钻头体旋转轴旋转的至少一个固定切割元件。固定切割结构可以包括安装在钻头体上并且包围可调切割结构的多个固定切割元件。

可调切割结构可以包括围绕滚子轴安装的一个或多个旋转切割构件，所述滚子轴相对于可调切割结构上的钻头体旋转轴倾斜地支撑。滚子轴可以相对于钻头体旋转轴大体上垂直地布置。

调整结构可以包括限定在钻头体中的空腔，所述空腔填充有选自由以下组成的组的支撑材料：可压缩气体、液体、粘弹性材料和超弹性材料。调整机构可以将可调切割结构静态地支撑在安置在可调切割结构与钻头体之间的至少一个大致刚性的间隔构件上。

在另一方面中，本公开涉及一种用于形成穿过地质地层的井筒的钻头，所述钻头包括：连接器，所述连接器被配置用于连接至钻柱；钻头体，所述钻头体耦接至所述连接器并且限定在其中纵向延伸的钻头体旋转轴；固定切割结构，所述固定切割结构安装在所述钻头体上并且其上包括至少一个固定切割元件，以随着所述钻头体围绕所述钻头体旋转轴旋转；可调切割结构，所述可调切割结构安装在所述钻头体上并且包括从钻头体的前端突出以便穿透地质地层的至少一个切割元件；以及调整机构，所述调整机构耦接在钻头体与可调切割结构之间，以便将可调切割结构支撑在相对于至少一个固定切割元件的多个轴向位置处。

固定切割结构可以包括外围地安装在钻头体上并且包围可调切割结构的多个固定切割元件。可调切割结构可以从限定在钻头体内的中心定位的孔延伸。调整机构可以包括限定在可调切割结构和所述孔上的对应螺纹表面，以及安置在调整机构内用于限定对应螺纹表面之间的啮合程度的至少一个间隔构件。

可调切割结构可以包括围绕相应滚子轴安装的一个或多个旋转切割构件，所述滚子轴相对于可调切割结构上的钻头体旋转轴倾斜地支撑。一个或多个旋转切割构件可以包括延伸至钻头体旋转轴的相对径向侧的一对逆转切割构件。调整机构可以将可调切割结构动态地支撑在安置在可调切割结构与钻头体之间的至少一个柔性间隔构件上。可调切割结构可以通过至少一个紧固件耦接至钻头体，并且所述紧固件可以操作来选择性地施加预定的预载荷给至少一个柔性间隔构件。

本公开的另一方面涉及操作钻头以便形成穿过地质地层的井筒的方法。所述方法包括：(a)邻近地质地层旋转钻头的钻头体，以啮合安装在钻头体的前端上的固定切割结构和在钻头体的前端处的可调切割结构，其中所述可调切割结构安置在相对于固定切割结构的初始轴向位置处，(b)对所述可调切割结构相对于所述固定切割结构的轴向位置进行调整，以及(c)在所述可调切割结构相对于固定切割结构安置在不同于初始轴向位置的第二轴向位置的情况下旋转所述钻头体。调整所述可调切割结构的轴向位置可以包括改变施加至钻头的钻压。

本公开的摘要仅用于向美国专利和商标局以及公众提供通过粗略阅读来快速确定本技术公开的性质和要点的方式，并且其仅表示一个或多个实施方案。

虽然已经详细地说明了各种实施方案，但是本公开并不限于所示出的实施方案。本领域技术人员可以想到上述实施方案的修改和改变。这样的修改和改变在本公开的精神和范围内。

Claims (20)

1.一种用于形成穿过地质地层的井筒的钻头，所述钻头包括：

连接器，所述连接器被配置用于连接至钻柱，

钻头体，所述钻头体耦接至所述连接器并且限定在其中纵向延伸的钻头体旋转轴；

可调切割结构，所述可调切割结构安装在所述钻头体上，所述可调切割结构包括从所述钻头体的前端突出以便穿透所述地质地层的至少一个切割元件；以及

调整机构，所述调整机构耦接在所述钻头体与所述可调切割结构之间以便将所述可调切割结构支撑在相对于所述钻头体的多个轴向位置处。

2.如权利要求1所述的钻头，其中所述调整机构进一步包括：

至少一个柔性间隔构件，所述至少一个柔性间隔构件安置在所述可调切割结构与所述钻头体之间以动态地支撑所述可调切割结构。

3.如权利要求2所述的钻头，其中所述至少一个柔性间隔构件包括所述可调切割结构与所述钻头体之间处于弹簧预加载力下的弹簧，以防止所述可调切割结构在低于与所述弹簧预加载力有关的阈值的轴向力下的轴向移动。

4.如权利要求2所述的钻头，其中所述调整机构进一步包括对应的花键表面，所述对应的花键表面容许所述可调切割结构与所述钻头体之间的轴向移动以及所述可调切割结构与所述钻头体之间的扭矩传递。

5.如权利要求1所述的钻头，所述钻头进一步包括固定切割结构，所述固定切割结构包括安装在所述钻头体上以便随着所述钻头体围绕所述钻头体旋转轴旋转的至少一个固定切割元件。

6.如权利要求5所述的钻头，其中所述固定切割结构包括安装在所述钻头体上并且包围所述可调切割结构的多个固定切割元件。

7.如权利要求1所述的钻头，其中所述可调切割结构进一步包括围绕滚子轴安装的一个或多个旋转切割构件，所述滚子轴相对于所述可调切割结构上的所述钻头体旋转轴倾斜地支撑。

8.如权利要求7所述的钻头，其中所述滚子轴相对于所述钻头体旋转轴大体上垂直地布置。

9.如权利要求1所述的钻头，其中所述调整结构包括限定在所述钻头体中的空腔，所述空腔填充有选自由以下组成的组的支撑材料：可压缩气体、液体、粘弹性材料和超弹性材料。

10.如权利要求1所述的钻头，其中所述调整机构将所述可调切割结构静态地支撑在安置在所述可调切割结构与所述钻头体之间的至少一个大致刚性的间隔构件上。

11.一种用于形成穿过地质地层的井筒的钻头，所述钻头包括：

连接器，所述连接器被配置用于连接至钻柱，

钻头体，所述钻头体耦接至所述连接器并且限定在其中纵向延伸的钻头体旋转轴；

固定切割结构，所述固定切割结构安装在所述钻头体上并且其上包括至少一个固定切割元件以便随着所述钻头体围绕所述钻头体旋转轴旋转；

可调切割结构，所述可调切割结构安装在所述钻头体上，所述可调切割结构包括从所述钻头体的前端突出以便穿透所述地质地层的至少一个切割元件；以及

调整机构，所述调整机构耦接在所述钻头体与所述可调切割结构之间以便将所述可调切割结构支撑在相对于所述至少一个固定切割元件的多个轴向位置处。

12.如权利要求11所述的钻头，其中所述固定切割结构包括外围地安装在所述钻头体上并且包围所述可调切割结构的多个固定切割元件。

13.如权利要求12所述的钻头，其中所述可调切割结构从限定在所述钻头体内的中心定位的孔延伸。

14.如权利要求13所述的钻头，其中所述调整机构包括限定在所述可调切割结构和所述孔上的对应螺纹表面，以及安置在所述调整机构内用于限定所述对应螺纹表面之间的啮合程度的至少一个间隔构件。

15.如权利要求11所述的钻头，其中所述可调切割结构进一步包括围绕相应滚子轴安装的一个或多个旋转切割构件，所述相应滚子轴相对于所述可调切割结构上的所述钻头体旋转轴倾斜地支撑。

16.如权利要求15所述的钻头，其中所述一个或多个旋转切割构件包括延伸至所述钻头体旋转轴的相对径向侧的一对逆转切割构件。

17.如权利要求16所述的钻头，其中所述调整机构将所述可调切割结构动态地支撑在安置在所述可调切割结构与所述钻头体之间的至少一个柔性间隔构件上。

18.如权利要求17所述的钻头，其中所述可调切割结构通过至少一个紧固件耦接至所述钻头体，并且其中所述紧固件可操作来选择性地施加预定的预载荷给所述至少一个柔性间隔构件。

19.一种操作钻头体以便形成穿过地质地层的井筒的方法，所述方法包括：

邻近所述地质地层旋转钻头的钻头体，以啮合安装在所述钻头体的前端上的固定切割结构和在所述钻头体的所述前端处的可调切割结构，其中所述可调切割结构安置在相对于所述固定切割结构的初始轴向位置处；

对所述可调切割结构相对于所述固定切割结构的所述轴向位置进行调整；以及

在所述可调切割结构相对于所述固定切割结构安置在不同于所述初始轴向位置的第二轴向位置的情况下旋转所述钻头体。

20.如权利要求19所述的方法，其中对所述可调切割结构的所述轴向位置进行调整包括改变施加至所述钻头的钻压。