CN110678621B - 包括用于钻探地层的地钻元件和冲击元件的混合式钻头 - Google Patents

Abstract

包括地钻元件和冲击元件的一种混合式钻头。地钻元件和冲击元件同轴地布置，其中地钻元件围绕冲击元件。冲击元件的往复运动构件可以以使得往复运动构件的底端能够从地钻元件的底端反复地突出并且能够被反复地拔出的方式振动。地钻元件的构造可使其能够钻进地层中的某些材料并从地层中移除某些材料，而冲击元件可使混合式钻头能够钻入并移除难钻的材料，包括具有高压缩力的研磨材料，如角岩。

Description

包括用于钻探地层的地钻元件和冲击元件的混合式钻头

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年3月7日提交的申请号为62/468,363并且题为“HYBRID BITINCLUDING EARTH-BORING AND PERCUSSION ELEMENTS FOR DRILLING EARTH FORMATIONS”(“’363临时申请”)的美国临时申请的优先权。’363临时申请的公开内容全部并入本文。

技术领域

本公开一般涉及用于钻入地层的钻头，并且更具体地，涉及用于钻探地层的混合式钻头。更具体地，本公开涉及包括集成的地钻元件和冲击元件的混合式钻头，并且更具体地，涉及包括彼此集成的地钻元件和冲击元件的钻头。还公开了在地层中形成钻孔(例如，油井、气井等)的方法。

背景技术

地钻钻头通常用于钻入各种地层。在钻穿某些地层(例如石灰岩地层等)时，可能会遇到更硬、更难钻的材料(例如磨蚀性材料、具有高抗压强度的材料等)，例如角岩。为了继续钻穿这种难钻的材料，可能需要锤击元件，其也被称为冲击元件。

如果缺少锤击元件的底部钻具组合(BHA)遇到难钻的材料，则必须从钻孔或井中取出钻柱，以便将锤击元件合并到BHA中。只要将锤击元件引入钻孔中，就可以继续进行钻探。

常规地，气动(即，空气驱动)锤击元件在本领域中也被称为潜孔(DTH)钻头，其已经被用于辅助打碎难钻的材料。气动锤击元件的功能类似于钻孔底部或末端的手持式凿岩钻。使用完成DTH后，必须将其从钻孔中移除，然后将包含钻头的BHA重新引入钻孔中。从钻孔中反复移除钻柱并替换钻孔中的钻柱会不期望地消耗宝贵的钻探时间。

最近，已经开发了液压锤击元件。典型地，钻头附接到液压锤击元件的底端。锤击元件在地钻钻头中会引起轴向振动，从而导致其与钻孔末端或底部的地层接合的压力和力产生振动，这可能会使地钻钻头承受钻头所没有被设计成能承受的力。将传统的地钻钻头与锤击元件一起使用可能会导致地钻钻头过早失效。

发明内容

一方面，根据本公开的混合式钻头包括彼此集成的冲击元件和地钻元件。这种混合式钻头的冲击元件在本文中也可以称为“锤击元件”或“冲击钻头”。根据本公开的混合式钻头的地钻元件也可以称为“地钻钻头”。除了冲击元件和地钻元件之外，根据本公开的混合式钻头还包括连接器。

冲击元件和地钻元件可以同轴布置，其中地钻元件围绕冲击元件。地钻元件和冲击元件的相对轴向位置可以是固定的。在一些实施例中，地钻元件的上部和冲击元件的上部，并且更具体地，地钻元件的上部和冲击元件的固定构件的上部，可以彼此固定。冲击元件的下部，其包括围绕冲击元件的固定构件的下部的往复运动构件，可以位于地钻元件的下部的喉部内，因此被地钻元件的下部围绕但并没有固定在地钻元件的下部。这样的布置可以使往复运动构件能够基于混合式钻头的方位，在地钻元件的喉部内轴向地振动或上下移动或前后移动。

冲击元件的底端或底表面暴露于地钻元件的底端。当冲击元件沿着地钻元件和混合式钻头的轴线或长度振动时，冲击元件的底端通过相对于地钻元件的底端移动到不同位置而轮转。因此，冲击元件的底端相对于地钻元件的底端的位置可以根据沿着冲击元件的固定构件的下部的冲击元件的往复运动构件的位置并且因此根据往复运动构件相对于地钻元件的下部的位置而变化。当往复运动构件沿着固定构件的下部的长度处于其最低位置时，冲击元件的底端从地钻元件的底端突出。当往复运动构件沿着固定构件的下部的长度处于其最高位置时，冲击元件的底端可以相对于地钻元件的底端凹进，基本上与地钻元件的底端齐平或平齐，或从地钻元件的底端稍微突出。

冲击元件的底端可具有使其能够与钻孔的底部或端部处的地层接触并接合或连接的构造。另外，冲击元件的构造可以使其承受由其往复运动构件的振动引起的力，包括在这种振动期间冲击元件的底端与钻孔的底部或端部相互作用的方式(例如振动、反复改变冲击元件的底端施加到钻孔底部或端部的力、反复冲击地层等)产生的力。在一些实施例中，冲击元件的构造可以使往复运动构件的底端能够将由往复运动构件的振动产生的振动力施加到钻孔的底部或端部，而地钻元件几乎不施加或根本不施加振荡力到钻孔底部或端部。

当混合式钻头的冲击元件的底端吸收由冲击元件的往复运动构件的振动引起的力时，它还可以增强钻孔的底部与混合式钻头的地钻元件之间的接触。冲击元件和地钻元件的布置方式可以使冲击元件的往复运动构件振动，同时限制钻地元件的振动。即，地钻元件的振动程度或其行程长度小于往复运动构件的振动程度，从而使地钻元件能够用作常规的地钻钻头而不是锤子。

在根据本公开的混合式钻头的其它实施例中，地钻元件可固定到冲击元件的往复运动构件。在这样的实施例中，往复运动构件的振动引起地钻元件的同等振动。

在另一方面，根据本公开的用于钻探地层的方法包括：使用混合式钻头，其中至少一些钻探由混合式钻头的地钻元件执行，并且至少一些钻探由混合式钻头的冲击元件进行。这样的方法可以包括将钻柱和混合式钻头引入到地层中，其中混合式钻头包括在钻柱的底部由地钻元件同轴围绕的冲击元件。可以使用合适的钻压(WOB)将地钻元件钻入地层中。混合式钻头的冲击元件的往复运动构件可轴向振动以反复提升WOB，这可能将振动引入钻孔的底部或端部，甚至导致往复运动构件反复冲击钻孔的底部或端部。当遇到新型材料时，地钻元件和冲击元件彼此协同操作可以使这些元件能够有效地钻穿地层中的各种不同类型的材料，而无需从钻孔中移除钻柱来优化BHA。

在一些实施例中，地钻元件和冲击元件可以同时运行。在其他实施例中，地钻元件可以连续地运行，而冲击元件可以选择性地运行(例如，在冲击元件内，在施加至少阈值液压(例如，钻井液或泥浆的阈值液压等)的情况下，通过向冲击元件等施加至少一个阈值力(例如，WOB等)来运行)。在其他实施例中，当可以选择性地控制地钻元件的运行(例如，通过旋转混合式钻头、通过施加WOB等选择性地控制地钻元件的运行)时，冲击元件可以运行。在选择地控制冲击元件的运行以及可选的地钻元件的运行的实施例中，一旦使用冲击元件(有或没有地钻元件)使混合式钻头穿过地层中特别困难的位置(例如，穿过角岩等)，就可以停止使用冲击元件，并且可以再次使用地钻元件来钻入地层。类似地，如果冲击元件磨损或损坏，则可以停止使用，并且可以继续使用或重新使用地钻元件。

根据随后的说明、附图和所附权利要求，本领域技术人员将清楚所公开主题的其他方面以及所公开主题的各个方面的特征和优点。

附图说明

图1和图2示出了根据本公开的混合式钻头的横截面图，其中示出了混合式钻头的冲击元件与混合式钻头的地钻元件之间的布置的实施例；

图3和图4示出了根据本公开的混合式钻头的实施例的底部透视图；

图5示出了图3和图4所示的混合式钻头的实施例的仰视图；

图6示出了根据本公开的混合式钻头的另一实施例的底部透视图；

图7示出了图6所示的混合式钻头的实施例的仰视图。

具体实施方式

参考图1，示出了根据本公开的混合式钻头10的横截面图。混合式钻头10包括地钻元件20和冲击元件40。地钻元件20和冲击元件40同轴地布置，其中地钻元件20的喉部23接收冲击元件40。混合式钻头10在其顶端11还包括连接器15。

地钻元件20可以类似于取芯钻头的构造，具有相对较宽的喉部23，该喉部23轴向地定位并且限定了地钻元件20的内部。喉部23具有使其能够接收冲击元件40的直径。

地钻元件20在其外部25处可以具有类似于地钻钻头的构造。如所示出的，地钻元件20配置为所谓的“刮刀钻头”或“PDC钻头”，其外部25包括多个带有凹穴(未示出)的有些径向突出的刀片26和在相邻刀片26之间的排屑槽30，这些凹穴携带聚晶金刚石复合片切削齿28。刀片26限定了地钻元件20的规格和在地钻元件20的底部的冠部34。另外，这样的地钻元件20可以包括内部流体管路(未示出)和将钻探流体或“泥浆”连通到地钻元件20的外部25的喷嘴32。可以以任何合适的方式来选择和布置接地元件20的特征，包括其外部25的特征，并且可以优化其选择和布置以及地钻元件20的其他特征，以用于特定的地层或将要钻探的地层类型。作为包括刮刀钻头的特征的替代，地钻元件20可能具有镶金刚石钻头的构造、刮刀钻头和镶金刚石钻头的混合式配置(例如，来自Baker Hughes公司的FuseTech^TM,

等)、或刮刀钻头-牙轮钻头的混合式配置。

地钻元件20的喉部23可包括一个或多个纵向定向的凹部24，并且可在喉部23和冲击元件40之间限定通道，该通道促进钻探流体在地钻元件20和冲击元件40之间的流动。穿过凹部24的钻探流体的流动可以实现对冲击元件40和/或对地钻元件20的润滑、冷却和/或清洁。

冲击元件40可以包括液压冲击元件(例如，作为被泥浆或钻探流体流过其中而工作的冲击元件，等)或者包括可以用作钻柱的底部钻具组合的一部分的气动冲击元件(例如，气锤)。作为具体但非限制性的示例，冲击元件40包括液压冲击元件，其可以构造成类似于得克萨斯州的National Oilwell Varco(NOV)的

钻探工具。

更具体地说，冲击元件40可包括固定构件45和往复运动构件50。固定构件45可以包括上部46，上部46固定到地钻元件20的上部21或者甚至可以与地钻元件20的上部21集成一体。往复运动构件50能够在固定元件45的底部47上纵向运动，并且能够通过地钻元件20的喉部23纵向运动。

图1示出了处于完全缩回位置的冲击元件40的往复运动构件50，其中，往复运动构件50的底端56以及因此冲击元件40的底端56与混合式钻头10的地钻元件20的冠部34的底表面36齐平。或者，冲击元件40的底端56可相对于地钻元件20的冠部34的底表面36略微凹进，或者当往复运动构件50处于完全缩回位置，它可从地钻元件20的冠部34的底表面36略微突出。

在图2中，示出了冲击元件40的往复运动构件50处于完全伸出的位置，其中，冲击元件40的底端56突出超过了地钻元件20的冠部34的底表面36。完全延伸的往复运动构件50和其底端56突出超过地钻元件20的冠部34的底表面36的距离对应于往复运动构件50的行程长度。往复运动构件50的行程长度、往复运动构件50的底端56施加在钻孔底部或端部的地层上的冲击力、和/或往复运动构件50的振动或前后轮转的频率中的任何一个，可以根据各种目的定制。这些可以包括但不限于，具有特定类型和/或构造的地钻元件20的冲击元件40的使用、使用混合式钻头10的方式(例如，垂直钻孔、定向钻孔等)、以及正在钻探的地层类型(例如，钻探过程中会遇到的材料、钻探过程中会遇到的情况等)。

在冲击元件40包括液压冲击元件的混合式钻头10的实施例中，通过钻柱的钻探流体可以在冲击元件40和地钻元件20之间分离。当然，钻探流体向冲击元件40的流动(例如，约680l/min(约180gpm(加仑/分钟))、约760l/min(约200gpm)等)足以驱动冲击元件40(即能够达到和/或超过锤击压力的阈值)，或足以使冲击元件40正常运行，而钻探流体流入或穿过地钻元件20时，其足以润滑冷却和/或清洁地钻元件20，以及可选地，润滑冷却和/或清洁冲击元件40。

足够的钻探流体流入冲击元件40可能仅足以使冲击元件40运行(即，使往复运动构件50振动)。可选地，冲击元件40的运行还可以取决于冲击元件40的底端56与钻孔的底部或端部接触的位置，并且可选地，取决于放置在冲击元件40及其往复运动构件50上的至少的重量阈值(例如WOB)。

连接器15可以使混合式钻头10作为钻柱的BHA的一部分或作为钻柱的BHA连接到钻柱。连接器15可以包括标准API(美国石油组织)螺纹连接器，其尺寸对应于混合式钻头10的尺寸(例如，直径)，因此也对应于其地钻元件20的尺寸。

现参照图3-7，示出了根据本公开的混合式钻探10’和10”的非限制性实施例。

图3-5中所示的混合式钻头10’包括具有六(6)个刀片26的刮刀式地钻元件20’，每个刀片具有多个切削齿28，这些切割齿28可以包括PDC切削齿。另外，每个刀片26的规格表面27可以承载规格保护器29、规格切削齿(未示出)和/或规格衬垫(未示出)。每对相邻的刀片26之间的凹入区域包括一个排屑槽30。一些排屑槽30包括喷嘴32，喷嘴32可以以一定的方向和在一定的压力下引导来自地钻元件20’的主体内的流体管路的钻探流体，所述压力将清除来自地钻元件20’的冠部34的钻屑和其他碎屑，使其能够有效地切入地层，同时防止对地钻元件20’及其特征和组件进行磨蚀性冲刷。

混合式钻头10’的冲击元件40’包括可在地钻元件20’的喉部23内振动的往复运动构件50。往复运动构件50’包括底端56’，该底端56’包括按钮插入件58或碳化钨插入件。按钮插入件58可以包括锥形按钮插入件和/或凿按钮插入件。锥形按钮插入件58可以磨碎研磨材料和具有高抗压强度的材料。凿按钮插入件58可以磨碎并切碎研磨材料和具有高抗压强度的材料。另外，喷嘴62可引导钻探流体从往复运动构件50’内流动到其底端56’上。

冲击元件40'的往复运动构件50'的外围表面52'可包括沿外围表面52'纵向定向的凹部54'。凹部54'可以沿着限定地钻元件22的内表面的喉部23在喉部23和冲击元件40'的外围表面52'之间限定通道。凹部54’和因此被部分限定的通道有助于钻探流体在地钻元件20和冲击元件40之间流动。通过凹部54'的钻探流体的流动可以实现对冲击元件40'和/或对地钻元件20'的润滑、冷却和/或清洁。

图6和图7所示出的混合式钻头10”的实施例包括地钻元件20”，其具有的特征和部件与图3-5所示的混合式钻头10的地钻元件20’具有的相同。另外，类似于图3-5所示的混合式钻头10'的冲击元件40'，图6和7所示的混合式钻头10”的冲击元件40”包括具有底端56”的往复运动构件50”，该底端56”承载按钮插入件58和外围表面52”，纵向取向的限定通道的凹部54”沿外围表面52”延伸。作为喷嘴62的替代(如图3-5所示)，然而，一对刀片延伸部66”从底端56”突出。冲击元件40”的往复运动构件50”的底端56”上的刀片延伸部66”可以与地钻元件22”的一对对应刀片26对准，并且因此可以引导由与那些刀片26相邻的喷嘴32喷射的钻探流体在底端56”上润滑、冷却和/或清洁底端56”。每个刀片延伸部66”也可以承载一个或多个切削齿28。

在使用中，根据本公开的混合式钻头10、10’、10”等可以组装在钻柱的底部。混合式钻头10、10’、10”等可与其他潜孔工具一起使用，包括电机和BHA的其他组件。

参照图1和图2，根据本公开的混合式钻头10可用于垂直钻探以及与定向钻探工具一起使用。这样的混合式钻头10可以以本领域中已知的方式限定或引入钻孔中。

混合式钻头10的旋转可以使得其地钻元件20能够用作常规的地钻钻头(例如，作为刮刀钻头等)。当冲击元件40与在地钻元件20旋转的同时工作时，混合式钻头10的构造可使冲击元件40施加力，包括对钻孔底部或端部的冲击力，而不会引起地钻元件20将此类力施加到钻孔的底部或端部。

混合式钻头10可以在限定钻孔时或在引入现有钻孔时旋转。当混合式钻头10遇到地钻元件20无法有效地或有效地钻探的材料(例如研磨材料、具有高抗压强度的材料等)时，例如角岩，冲击元件40可能会使混合式钻头10继续钻入地层，而无需从钻孔中取出钻柱。

在一些实施例中，可以选择性地控制地钻元件20和/或冲击元件40的运行。地钻元件20的旋转和WOB可以以本领域中已知的方式控制。在冲击元件40包括液压冲击元件的实施例中，其运行可以通过控制由在冲击元件40内的钻探流体产生的液压来控制，和/或当底端56接触钻孔的底部或端部时，通过控制施加到冲击元件40的往复运动构件50的底端56的力(例如，WOB)来控制。

作为选择性地控制混合式钻头10的地钻元件20和/或冲击元件40的运行的示例，可以旋转混合式钻头10以使地钻元件20能够钻入地层中。不论是否进行冲击元件40的运行，都可能发生旋转混合式钻头10以使地钻元件20钻进地层并从地层中移除材料。当混合式钻头10遇到其地钻元件20无法有效率地或有效地钻探的材料时，如果冲击元件40未提前运行，则可能会启动其运行。如果冲击元件40在遇到难钻的材料之前已经在运行，则可以继续其运行。混合式钻头10的旋转可能会继续，当混合式钻头10将钻孔延伸到难钻的材料中时，混合式钻头10的旋转也可能会停止。在一些实施例中，一旦混合式钻头10使钻孔延伸通过难钻的材料，则可以停止冲击元件40的运行。可替代地，冲击元件40也可以继续运行。当混合式钻头10将钻孔延伸穿过难钻的材料时，如果混合式钻头10没有旋转，则一旦它再次到达可以有效移除的材料时，其旋转就会恢复。

使用混合式钻头10完毕后，可将其从钻孔中拔出。

尽管前面的描述阐述了许多细节，但是这些不应该被解释为限制任何权利要求的范围，而仅仅是提供对某些实施例的说明以及所公开主题的元件或特征的变型。可以设计所公开的主题的其他实施例，其不背离任何权利要求的精神或范围。来自不同实施例的特征可以组合使用。因此，每个权利要求的范围仅受其通俗语言及其合法等同物的限制。

Claims (18)

1.一种用于在地层中钻探钻孔的混合式钻头，包括：

连接器，所述连接器使混合式钻头的其余部分固定到钻柱上的底部钻具组合的底端；

冲击元件，包括：固定构件和往复运动构件，固定构件的上部相对于连接器固定在适当的位置，以及往复运动构件的底端能够在钻探期间与钻孔的底部或端部对接，当所述底端接触钻孔的底部或端部，并将振动引入到钻孔的底部或端部而无需反复冲击钻孔的底部或端部时，所述往复运动构件能够以引起往复运动构件振动的方式沿着所述固定构件前后纵向运动；

地钻元件，地钻元件固定到冲击元件的固定构件的上部，所述地钻元件同轴地围绕同轴布置的冲击元件的往复运动构件的至少一部分，冲击元件和地钻元件能够彼此独立地运行，当对钻孔的底部或端部施加振动力时，所述冲击元件的往复运动构件的底端暴露在地钻元件的头部并且能够突出超过地钻元件的头部，以与钻孔的底部或端部保持恒定的接触。

2.根据权利要求1所述的混合式钻头，还包括：多个按钮插入件，所述按钮插入件由所述冲击元件的所述往复运动构件的底端承载，并且按钮插入件突出超过地钻元件的底端。

3.根据权利要求1或2所述的混合式钻头，其中，所述冲击元件的所述往复运动构件的底端能够缩回所述地钻元件的头部。

4.根据权利要求1或2所述的混合式钻头，其中，所述地钻元件配置为刮刀钻头。

5.根据权利要求1或2所述的混合式钻头，其中，所述冲击元件包括液压冲击元件。

6.根据权利要求5所述的混合式钻头，包括液压件，所述液压件能够分离在液压冲击元件和地钻元件之间钻探流体的流动。

7.根据权利要求1或2所述的混合式钻头，其中，所述冲击元件包括气动冲击元件。

8.根据权利要求1或2所述的混合式钻头，其中，所述冲击元件能够引起所述往复运动构件的前后纵向运动，而不会引起所述地钻元件的前后纵向运动。

9.根据权利要求1或2所述的混合式钻头，其中，所述冲击元件的往复运动构件的底端能够在所述冲击元件的所述往复运动构件的前后纵向运动期间反复地突出超过所述地钻元件的底端。

10.根据权利要求1或2所述的混合式钻头，其中往复运动构件包括通道，所述通道允许钻探流体朝向往复运动构件的底端流动。

11.根据权利要求10所述的混合式钻头，其中往复运动构件的通道形成在往复运动构件的外围表面中。

12.根据权利要求10所述的混合式钻头，其中所述通道延伸到往复运动构件的底端中的喷嘴。

13.根据权利要求1或2所述的混合式钻头，其中往复运动构件包括刀片延伸部，所述刀片延伸部与地钻元件的对应的刀片对准，并从往复运动构件的底端突出。

14.一种利用权利要求1-13中任一项所述的混合式钻头在地层中钻探钻孔的方法，包括：

将钻柱引入地层中，在钻柱的底部，地钻元件同轴地包围混合式钻头的冲击元件；

使用地钻元件钻入地层中，同时钻头上能够接受的重量使地钻元件能够以所需的穿进速率运行；以及

当往复运动构件的底表面的至少一部分突出超过地钻元件的头部，同时钻头上的重量将往复运动构件的底表面保持抵靠于钻孔的端部时，停止用地钻元件进行的钻探并使冲击元件的往复运动构件振动，以将振动引入到钻孔的端部中，从而促进进一步地钻入地层中，而无需将钻柱从地层中移除。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括使所述冲击元件的往复运动构件缩回地钻元件的头部。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，使冲击元件的往复运动构件振动包括：在所述地钻元件继续钻入地层中时，使所述冲击元件的往复运动构件振动。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括：在使冲击元件的往复运动构件振动之后，与地钻元件一起进一步钻入地层。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：当使冲击元件的往复运动构件振动时，以引起相对于地钻元件的头部突出的往复运动构件的底端中的按钮插入件与钻孔的端部物理地相互作用的方式，来旋转冲击元件的往复运动构件的底端。

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