CN111032991A - 包括被构造为减少工作比率的切割元件轮廓的地钻工具 - Google Patents
包括被构造为减少工作比率的切割元件轮廓的地钻工具 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111032991A CN111032991A CN201880056774.2A CN201880056774A CN111032991A CN 111032991 A CN111032991 A CN 111032991A CN 201880056774 A CN201880056774 A CN 201880056774A CN 111032991 A CN111032991 A CN 111032991A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- axis
- rotation
- earth
- slope
- boring tool
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 title claims abstract description 95
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 23
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 23
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 10
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 230000037430 deletion Effects 0.000 description 1
- 238000012217 deletion Methods 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004064 dysfunction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000009527 percussion Methods 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/42—Rotary drag type drill bits with teeth, blades or like cutting elements, e.g. fork-type bits, fish tail bits
- E21B10/43—Rotary drag type drill bits with teeth, blades or like cutting elements, e.g. fork-type bits, fish tail bits characterised by the arrangement of teeth or other cutting elements
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/42—Rotary drag type drill bits with teeth, blades or like cutting elements, e.g. fork-type bits, fish tail bits
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
- E21B10/54—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of the rotary drag type, e.g. fork-type bits
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
- E21B10/54—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of the rotary drag type, e.g. fork-type bits
- E21B10/55—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of the rotary drag type, e.g. fork-type bits with preformed cutting elements
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
- Drilling Tools (AREA)
Abstract
本发明公开了一种地钻工具，其可包括：主体，该主体包括从该主体突出的刀片、旋转轴线；以及固定到该刀片的切割元件。在被旋转地投影到平面上观察时，切割元件的与切割元件的切割面的最外点相交的轮廓可为从紧靠旋转轴线至鼻点的抛物线，在该鼻点处，该轮廓的斜率使得轮廓与垂直于旋转轴线的平面之间的角度为约0°。在其它实施方案中，轮廓的第一部分可以第一斜率延伸，并且轮廓的第二部分可以不同的第二斜率延伸。在其它实施方案中，与轮廓的切线可在邻近旋转轴线的位置处以至少15°的角度取向。
Description
优先权声明
根据35 U.S.C.§119(e)，本专利申请要求2017年7月28日提交的美国临时专利申请序列号62/538,320的权益，该专利的公开内容据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及地钻工具以及制造和使用地钻工具的方法。更具体地讲，本发明所公开的实施方案整体涉及用于地钻工具的面的轮廓构造，其可降低切割元件的工作比率，减少钻头不平衡，减少切割元件在钻头面的至少一些选定区域上所承受的载荷，以及改善或保持切割移除效率。
背景技术
在地下地层中形成井筒以用于各种目的，包括例如从地下地层提取油和气体以及从地下地层提取地热。可在地下地层中使用钻头(诸如地钻旋转钻头)来形成井筒。不同类型的地钻旋转钻头是本领域已知的，包括固定的切割器钻头(本领域通常称为“刮刀”钻头)，滚刀切割器钻头(在本领域中通常称为“岩石”钻头)，镶金刚石的钻头和混合钻头(其可包括例如固定的切割器和滚刀切割器)。固定的切割器钻头包括附接到柄部的钻头主体，该钻头主体将具有螺纹部分以连接到底部孔组件的其余部分。钻头主体将具有接触待钻出的地层的牙冠。在牙冠中是用于连接到内部流体通道以向钻头主体的面提供钻井液或泥浆的喷嘴插入件。牙冠还具有排屑槽，以允许从地层中移除钻屑，并使泥后退至表面。牙冠还具有刀片，在该刀片上附接有切割元件，该切割元件在钻孔操作期间接合和移除地层物质。在大多数采用多晶硅金刚石紧凑(PDC)切割器的现代刮刀钻头中，可表征为钻头面的牙冠的轮廓通过它们与钻头的纵向轴线或中心线的关系而被划分成多个区域。钻头的中心(旋转轴线)附近的区域称为锥形区域。从锥形区域，径向向外移动，牙冠的其它区域为：鼻部，肩部和量规区域。牙冠的轮廓使得当钻头在钻孔期间推进到地层中时，鼻部区域通常是第一个接触地层的区域。
在钻孔期间，钻头被旋转并推进到地下地层中。当钻头旋转时，钻头的面上的切割器延伸至量规，切割并剪切地层物质以形成井筒。由钻头钻出的井筒的直径可由设置在量规(钻头的最大外径)处的切割结构限定。
钻头直接或间接地联接到本领域中称为“钻柱”的端部，该钻柱包括从被钻出的地下地层上方的地球表面延伸到井筒中的一系列细长管状段，该细长管状段端对端连接。包括钻头在内的各种工具和部件可在钻柱的远侧端部处联接在一起，所述钻柱位于钻出的井筒的底部处。工具和部件的这种组件在本领域中被称为“底部孔组件”(BHA)。
钻头可通过从地层的表面旋转钻柱而在井筒内旋转，或者钻头可通过将钻头联接到井下马达来旋转，该井下马达也联接到钻柱并且邻近井筒的底部设置。井下马达可包括例如液压Moineau型马达，其具有钻头安装到其上的轴，其可通过以下方式导致旋转：将流体(例如，钻孔泥浆或流体)从地层表面向下泵送穿过钻柱的中心，穿过液压马达，从钻头中的喷嘴流出并通过钻柱的外表面与钻孔内的地层的暴露表面之间的环形空间而返回到地层的表面。
井下马达可在具有或不具有钻柱旋转的情况下操作。由于钻柱可具有相当大的长度，因此除了钻头沿线性路径的旋转之外，钻孔组件和钻头还可表现出多种运动。此类运动一般被称为功能障碍，并且包括振动、工具沿除钻孔方向之外的方向的位移、弯曲力矩和回旋。回旋发生在旋转构件(诸如钻柱、钻头、轴等)中。回旋通常会在底部孔组件部件中引起故障并损坏钻头。
钻井所需的时间受到钻头必须改变以到达目标地层的次数的极大影响。这是因为每次改变钻头时，必须逐段从钻孔中检索整个钻管串(其可为数英里(公里)长)。一旦已检索钻柱并安装了新钻头，则必须将钻头降低至钻柱上钻孔的底部，该钻柱必须再次逐段构造。这一过程需要相当长的时间、精力和费用。钻头在必须改变之前可采用的时间长度取决于其穿透率(“ROP”)以及其耐久性。
发明内容
在一些实施方案中，地钻工具可包括主体，所述主体包括从所述主体突出的刀片，所述刀片从所述工具的旋转轴线大致径向向外延伸。切割元件可固定到刀片。在被旋转地投影到所述主体的旋转轴线处于其中的平面上观察时，固定到所述刀片的所述切割元件的与所述切割元件的切割面的最外点相交的轮廓从紧邻所述旋转轴线至鼻点可为抛物线，在所述鼻点处所述轮廓的斜率使得所述轮廓与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度为约0°。
在其它实施方案中，地钻工具可包括主体，所述主体具有从主体的其余部分向外延伸的刀片。切割元件可固定到刀片。在被旋转地投影到所述主体的旋转轴线处于其中的平面上观察时，由最小二乘拟合至固定到所述刀片的所述切割元件的切割面的最外点形成的面的轮廓的第一部分可为线性的，并且可相对于垂直于所述主体的旋转轴线的平面从邻近所述主体的旋转轴线以第一斜率径向向外延伸。围绕并从所述第一部分径向向外延伸的所述面的轮廓的第二部分可为线性的，并且可相对于垂直于所述主体的旋转轴线的平面以不同的第二斜率延伸。所述轮廓的第三部分可相对于所述第二部分径向向外定位，所述第三部分远离所述主体的前端从所述第二斜率走弧线。
在其它实施方案中，地钻工具可包括主体，所述主体具有从主体的其余部分向外延伸的刀片。切割元件可固定到刀片。由最小二乘拟合至固定的所述切割元件的切割面的最外点形成的轮廓可以在邻近所述主体的旋转轴线的位置处相对于垂直于所述主体的旋转轴线的平面以至少15°的角度取向。
附图说明
虽然本公开以特别指出并清楚地要求保护具体实施方案的权利要求书作为结尾，但当结合附图阅读时，通过以下描述可更容易地确定本公开范围内的实施方案的各种特征和优点，其中：
图1为地钻工具的透视图；
图2A至图2D为用于地钻工具的切割元件的轮廓的示意图，诸如图1所示；
图3为用于地钻工具的切割元件的轮廓的两个实施方案的示意图，诸如图1所示；并且
图4为用于地钻工具的切割元件的轮廓的另一个实施方案的示意图，诸如图1所示。
具体实施方式
本公开中呈现的图示并不旨在为任何特定的地钻工具或其部件的实际视图，而仅仅是用于描述示例性实施方案的理想化表示。因此，附图未必按比例绘制。
如本文所用，术语“被构造”是指至少一个结构和至少一个设备中的一者或多者的尺寸、形状、材料组成和/或布置，以有利于以预定方式操作结构和设备中的一者或多者。
如本文所用，涉及给定参数、特性或条件的术语“基本上”和“约”是指并且包括在本领域的普通技术人员将理解给定参数、特性或条件满足一定程度的方差(诸如在可接受的制造公差内)的程度。例如，基本上为或为约指定值的参数可为指定值的至少约90％，指定值的至少约95％，指定值的至少约99％，或甚至指定值的至少约99.9％。
如本文所用，术语“地钻工具”是指并且包括井筒在地下地层中形成或放大期间用于钻孔的任何类型的钻头或工具。例如，地钻工具包括固定的切割器钻头、冲击钻头、岩心钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔钻、铣刀、混合钻头，以及本领域已知的其它钻孔钻头和工具。
本文的发明人已发现，除了在钻头面上的PDC切割元件的形式、取向和定位之外，钻头的轮廓，尤其是从鼻部穿过锥体到钻头中心线的轮廓部分，极大地影响钻头耐久性和ROP。因此，切割元件的形式和定位以及钻头主体的设计对于提高钻头的ROP和耐久性是重要的。
图1示出了地钻工具100的透视图。地钻工具100可包括主体102，该主体具有从主体102的其余部分向外延伸的刀片104，其中排屑槽114旋转地定位在刀片104之间。刀片104可从接近地钻工具100的旋转轴线110径向向外延伸至主体102的外径处的量规区域118。刀片104可在地钻工具100的前端处从主体102的面116纵向延伸，远离面116，朝向在地钻工具100的后端处的柄部120。柄部120可具有螺纹连接部分，该螺纹连接部分可符合工业标准(例如，美国石油学会(API)所公布的那些)，用于将地钻工具100附接到钻柱。主体102可包括适于井下使用的材料。例如，主体102可包括金属或金属合金材料(例如，钢)或颗粒基质复合材料(例如，位于金属或金属合金基质中的碳化钨颗粒)。
切割元件112可固定到主体102。更具体地讲，切割元件112可至少部分地固定在凹坑122内，所述凹坑从刀片104的旋转引导表面延伸到刀片104中。切割元件112可被构造成与WOB下的地层接合，并且在地钻工具100的旋转期间移除地层物质。位于排屑槽114内的喷嘴124可在压力下发射穿过钻柱循环的钻井液，以从切割元件112和钻头面移除钻屑，并将悬浮在钻井液中的钻屑沿着井筒环带传送至表面。地钻工具100的切割元件112可具有根据本公开的实施方案的轮廓106，该轮廓106可通过以下方式最好地显示：将切割元件112的切割面134旋转地投影到共平面108上来显示到旋转轴线110的一侧，该旋转轴线也可被表征为地钻工具100的纵向轴线。然后可通过识别切割元件134的切割面134的最外点来形成轮廓106，最外点位于距主体102最远的位置，并且计算那些点的最小二乘拟合。根据本公开的用于地钻工具100的切割元件112的轮廓106可降低固定到地钻工具100的面116上的各个切割元件112的工作比率，可改善地钻工具100在钻孔期间的稳定性，并且可根据地钻工具100的穿透率(ROP)更好地分布在轮廓106的径向范围内承载的载荷而不会显著地恶化性能。图1中所示的地钻工具100被构造为具有固定到其刀片104的切割元件112的固定切割器钻头，但用于采用固定切割元件的地钻工具的其它构型可与用于根据本公开的切割元件112的轮廓106一起使用。
图2A至图2D为用于地钻工具的切割元件112的轮廓106的示意性实施方案，诸如图1所示的地钻工具100。图2A至图2D的轮廓106A至106D可共同跟随抛物线轨迹126，该抛物线轨迹邻近地钻工具100(参见图1)的旋转轴线110，径向向外延伸到鼻点128。在鼻点128处，相对于垂直于旋转轴线110延伸的平面130测量的轮廓106A至106D的斜率可使得与轮廓106A至106D的切线与鼻点128处的平面130之间的角度可为(例如)小于约5°。更具体地讲，在鼻点128处与刀片104的表面相切地延伸的线可为(例如)约0°。相对于鼻点128，当朝向柄部120(参见图1)纵向弯曲时，轮廓106可径向向外延伸至量规区域118(参见图1)。鼻点128可远离旋转轴线110位于地钻工具100(参见图1)的半径的至少二分之一处。更具体地讲，鼻点128可相对于旋转轴线位于地钻工具100(参见图1)的半径的约二分之一至约四分之三。
从旋转轴线110径向延伸至鼻点128的区域中的每个刀片104A至104D的外表面可包括一个或多个平面132A至132D，该一个或多个平面从旋转轴线110朝鼻点128径向向外延伸，并且相对于垂直于旋转轴线110的平面130以倾斜角度纵向延伸。例如，每个刀片104A至104D的外表面可包括多个平面132A至132D，其等于位于从旋转轴线110径向延伸至鼻点128的区域中的切割元件112A至112D的数量，每个切割元件112A至112D位于平面132A至132D中的对应一个上。更具体地讲，部署在给定地钻工具的所有刀片104A至104D上的平面132A至132D的总数可为至少五个。
每个平面132A至132D可沿垂直于平面132A至132D的方向与在相应平面132A至132D的表面与从对应切割元件112A至112D的距离平面132A至132D内的刀片104A至104D最远的切割面134A至134D上的点延伸至相应平面132A至132D的线136A至136D之间的相交点处的抛物线轨线126相切地取向。当刀片104A至104D的平面132A至132D旋转地投影到接触旋转轴线110的平面108(参见图1)上时，抛物线轨迹126可接触平面132A至132D中的每一个，使得平面132A至132D与抛物线轨迹相切。此外，曲线138可为抛物线，其通过如下方式形成：对在区域内的切割元件112A至112D中的每一个旋转地投影到平面108(参见图1)上形成的一系列点进行最小二乘拟合，该区域从旋转轴线110径向延伸至鼻点128，旋转轴线110位于平面108中，并且将该点放置在切割元件112A至112D的距离刀片104A至104D在区域内的表面最远的切割面134A至134D上的点处。
由于切割元件112A至112D可相对于旋转轴线110位于不同的径向距离处，因此平面132A至132D相对于垂直于旋转轴线110的平面130的特定斜率可变化。例如，平面132A至132D相对于垂直于旋转轴线110的平面130的斜率可使得平面132A至132D与垂直于旋转轴线110的平面130之间的角度可从邻近旋转轴线110的约35°或更小变化至邻近鼻点128的大于约0°。更具体地讲，平面132A至132D相对于垂直于旋转轴线110的平面130的斜率可使得平面132A至132D与垂直于旋转轴线110的平面130之间的角度可从邻近旋转轴线110的约30°或更小变化至邻近鼻点128的约5°或更大(例如，约10°或更大、约15°或更大等)。紧接着刀片104A至104D的平面132A至132D的抛物线轨迹126，以及紧接着切割元件112A至112D的抛物线曲线138，可使邻近旋转轴线110的区域更快速地朝向柄部120(参见图1)延伸，而抛物线轨迹126和抛物线曲线138可更渐进地从邻近旋转轴线110的陡峭区域过渡到鼻点128。
图3为用于地钻工具(诸如图1所示的地钻工具100)的切割元件112(参见图1)的两个附加轮廓106E和106F的实施方案的示意图。如图3中所示，用于根据本公开的切割元件112(参见图1)的另一个轮廓106E可遵循从地钻工具100的旋转轴线110延伸至鼻点128的区域中的抛物线轨迹126。与上一个实施方案一样，鼻点128可位于其中轮廓106E的斜率可使得相对于与轮廓106E相切的线的角度可为(例如)小于约5°的位置处，如相对于垂直于旋转轴线110延伸的平面130所测量的。更具体地讲，鼻点128可位于其中线与限定轮廓106E的曲线138相切地延伸的位置处，并且鼻点通过如下方式形成：对通过将切割元件112(参见图1)中的每一个旋转地投影到平面108(参见图1)上产生的一系列点进行最小二乘拟合，其中旋转轴线110位于平面108中，并且将点放置在切割元件112A至112D的距离刀片104A至104D在该区域内的表面最远的切割面134A至134D上，可为(例如)约0°。相对于鼻点128，当朝向柄部120(参见图1)纵向弯曲时，轮廓106E可径向向外延伸至量规区域118(参见图1)。
与图2A至图2D所示的刀片104A至104D的外表面不同，其包括与抛物线轨迹126相切地延伸的平面132A至132D，图3所示的刀片104E中的至少一个的外表面本身可以是抛物线的。更具体地讲，当旋转地投影到旋转轴线110处于其中的平面108(参见图1)上时，刀片104E的外表面可为从紧邻旋转轴线110到鼻点128的抛物线，基本上不具有线性部分。
限定相对于垂直于旋转轴线110的平面130的轮廓106E的曲线138的斜率可从邻近旋转轴线110的约35°或更小变化至邻近鼻点128的约0°或更大，这通过测量与外表面相切的线与垂直于旋转轴线110的平面130之间的角度来量化。更具体地讲，限定相对于垂直于旋转轴线110的平面130的轮廓106E的曲线138的斜率可使得与外表面相切的线与平面130之间的角度从邻近旋转轴线110的约30°或更小变化至邻近鼻点128的约5°或更大(例如，约10°或更大、约15°或更大等)。限定相对于垂直于旋转轴线110的平面130的轮廓106E的曲线138的斜率可从邻近旋转轴线110连续变化至邻近鼻点128，从而形成抛物线。紧接着刀片104的轮廓106E的抛物线轨迹126，以及紧接着固定到其上的切割元件112(参见图1)的抛物线曲线138，可使邻近旋转轴线110的区域更快速地朝向柄部120(参见图1)延伸，而抛物线轨迹126和抛物线曲线138可更渐进地从邻近旋转轴线110的陡峭区域过渡到鼻点128。
图3中所示的另一个轮廓106F的特征可在于，轮廓106F的线性部分125表现出从邻近旋转轴线110径向向外延伸到邻近鼻点128的陡峭斜率。相对于鼻点128，当朝向柄部120(参见图1)纵向弯曲时，轮廓106F可径向向外延伸至量规区域118(参见图1)。轮廓106F的线性部分125相对于垂直于旋转轴线110的平面130的斜率可使得线性部分125和平面130之间的角度可为(例如)约35°至约10°。更具体地讲，轮廓106F的线性部分125相对于垂直于旋转轴线110的平面130的斜率可使得线性部分125和平面130之间的角度可为约30°至约15°。在从邻近旋转轴线110径向向外延伸至邻近鼻点128的区域中，轮廓106F的线性部分125的陡峭斜率可使得邻近纵向旋转轴线110的区域能够更快速地朝向柄部120(参见图1)延伸。可通过例如如下方式来生成轮廓106F：对通过将切割元件112(参见图1)中的每一个旋转地投影到平面108(参见图1)上所识别的一系列点进行最小二乘拟合，旋转轴线110位于平面108中，并且将点放置在切割元件112(参见图1)的距离刀片104(参见图1)的表面最远的切割面134(参见图1)上。
在对邻近旋转轴线110的切割元件112的轮廓106F采用陡峭线性轨迹的一些实施方案中，鼻点128可位于平坦的鼻部表面127上。例如，刀片104的表面(参见图1)产生轮廓106F的线性部分125(其自身可为平坦的)，该刀片的表面可在边缘处与另一个平坦的鼻部表面127相交。鼻部表面127可从刀片104(参见图1)的表面径向向外延伸，以一定斜率产生轮廓106F的陡峭线性部分125，使得鼻部表面127与垂直于旋转轴线110延伸的平面130之间的角度可小于约5°。更具体地讲，鼻部表面127的斜率可使得鼻部表面127与垂直于旋转轴线110延伸的平面130之间的角度可为(例如)约0°。相对于鼻部表面127，当朝向柄部120(参见图1)纵向弯曲时，刀片104的表面可径向向外延伸至量规区域118(参见图1)。
图4为用于地钻工具(诸如图1中所示的地钻工具100)的切割元件112(参见图1)的轮廓106G的另一个实施方案的示意图。图3中所示的轮廓106G的特征可在于第一线性部分140表现出从邻近旋转轴线110径向向外延伸至第二线性部分142的陡峭斜率，第二线性部分142从第一线性部分140以较浅的斜率延伸至鼻点128或接近鼻点128。与先前实施方案一样，鼻点128可位于其中轮廓106G的斜率可等于或接近最小值的位置，如通过测量在鼻点处与轮廓106G相切的线与垂直于旋转轴线110延伸的平面130之间的角度(其可为例如小于约5°)来量化。更具体地讲，鼻点128可位于其中与轮廓106G相切地延伸的线可例如为约0°的位置。相对于鼻点128，当朝向柄部120(参见图1)纵向弯曲时，轮廓106G可径向向外延伸至量规区域118(参见图1)。轮廓106G可通过以下方式产生，例如当切割面134(参见图1)旋转地投影到平面108(参见图1)上时(其中旋转轴线110位于平面108中)，将对应于切割元件112(参见图1)的距离刀片104(参见图1)的表面最远的切割面134(参见图1)上的位置的一系列点进行最小二乘拟合。
轮廓106G的第一线性部分140相对于垂直于旋转轴线110的平面130的斜率可使得第一线性部分140和平面130之间的角度可为(例如)约35°至约5°。更具体地讲，轮廓106G的第一线性部分140相对于垂直于旋转轴线110的平面130的斜率可使得第一线性部分140和平面130之间的角度可为(例如)约30°至约10°。第一线性部分140在第一径向距离Ri上方延伸，如沿垂直于旋转轴线110的方向从旋转轴线110测量，第一径向距离Ri可例如为到鼻点128的第二径向距离R2的约50％至约75％。更具体地讲，第一线性部分140在第一径向距离Ri上方延伸，第一径向距离Ri可例如为到鼻点128的第二径向距离R2的约60％至约70％(例如，约66％)。轮廓106G的第二线性部分142相对于垂直于旋转轴线110的平面130的斜率可小于第一线性部分140的斜率。例如，第二线性部分142相对于垂直于旋转轴线110的平面130的斜率可为第一线性部分140的斜率的约25％至约50％。更具体地讲，第二线性部分142相对于垂直于旋转轴线110的平面130的斜率可为第一线性部分140的斜率的约30％至约40％(例如，约33％)。又如，第二线性部分142相对于垂直于旋转轴线110的平面130的斜率可使得第二线性部分142和平面130之间的角度可为约10°至约20°。更具体地讲，第二线性部分142相对于垂直于旋转轴线110的平面130的斜率可使得第二线性部分142和平面130之间的角度可为约12°至约18°(例如，约15°)。第一线性部分140的第一斜率可为例如第二线性部分142相对于垂直于主体的旋转轴线的平面的第二斜率的约一倍半至五倍大。更具体地讲，第一线性部分140的第一斜率可为例如第二线性部分142相对于垂直于主体的旋转轴线的平面的第二斜率的约两倍至四倍大(例如，两倍半、三倍、三倍半)。第一线性部分140的陡峭斜率可使得邻近旋转轴线110的区域能够更快速地朝向柄部120(参见图1)延伸，而第二线性部分142的更渐进的斜率可更渐进地从邻近旋转轴线110的陡峭区域过渡到鼻点128。
用于根据本公开的地钻工具的切割元件的最外点的轮廓可表现出紧紧围绕旋转轴线的较深锥形区域。因此，可将更大量的被钻出的地层物质接纳到锥形区域中，并且刀片的倾斜表面可更好地夹持该较大量的地层物质，从而提高稳定性。此外，本发明人已发现，提供从邻近旋转轴线的区域中的陡峭斜率到邻近鼻点的较浅斜率的更渐进的过渡更均匀地平衡工具的面上的工作比率。还可减小遵循根据本公开的轮廓的切割元件的冲击负载。本发明人还通过对包括用于根据本公开的切割元件的轮廓的地钻工具的行为进行建模来发现，刀片内的最大应力从刀片到刀片更均匀地平衡。由于固定到刀片的切割元件之间的过渡的斜率在锥形区域中更陡，因此该区域内的排屑槽可比在其它区域中更浅。然而，对从喷嘴到透明钻屑的流体流的建模显示，较浅的排屑槽对流体清除钻屑的效率不具有显著的有害影响。最后，采用根据本公开的轮廓的地钻工具可在所有切割元件之间更均匀地分布给定的所施加的重量(例如，钻头上的重量)。
本公开范围内的附加的非限制性实施方案包括以下方面：
实施方案1：一种地钻工具，包括：主体，所述主体包括从所述主体突出的刀片，所述刀片从所述工具的旋转轴线大致径向向外延伸；和切割元件，所述切割元件固定到所述刀片；其中在被旋转地投影到所述主体的旋转轴线位于其中的平面上观察时，固定到所述刀片的所述切割元件的与所述切割元件的切割面的最外点相交的轮廓从紧邻所述旋转轴线至鼻点为抛物线，在所述鼻点处所述线的斜率使得所述线与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度为约0°。
实施方案2：根据实施方案1所述的地钻工具，其中邻近所述主体的所述旋转轴线的所述轮廓的斜率使得所述线与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度为至少约15°。
实施方案3：根据实施方案1或实施方案2所述的地钻工具，其中邻近所述主体的旋转轴线的所述轮廓的斜率使得所述线与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度为约35°或更小。
实施方案4：根据实施方案1至3中任一项所述的地钻工具，其中所述鼻点相对于所述旋转轴线位于所述主体的半径的至少二分之一处。
实施方案5：根据实施方案1至4中任一项所述的地钻工具，其中所述鼻点相对于所述旋转轴线位于所述主体的半径的至少四分之三处。
实施方案6：根据实施方案1至5中任一项所述的地钻工具，其中所述刀片的被投影到垂直于所述刀片的旋转方向的平面上的表面包括多个线段，每个线段与从邻近所述旋转轴线延伸至邻近所述鼻点的抛物线曲线相切地延伸。
实施方案7：根据实施方案6所述的地钻工具，其中所述线段的数量为至少五。
实施方案8：一种地钻工具，包括：主体，所述主体包括从所述主体的其余部分向外延伸的刀片；和切割元件，所述切割元件固定到所述刀片；其中在被旋转地投影到所述主体的旋转轴线处于其中的平面上观察时，由最小二乘拟合至固定到所述刀片的所述切割元件的切割面的最外点形成的面的轮廓的第一部分能够为线性的，并且能够相对于垂直于所述主体的所述旋转轴线的平面从邻近所述主体的旋转轴线以第一斜率径向向外延伸；其中围绕并从所述第一部分径向向外延伸的所述面的轮廓的第二部分能够为线性的，并且能够相对于垂直于所述主体的所述旋转轴线的平面以不同的第二斜率延伸；并且其中所述轮廓的第三部分能够相对于所述第二部分径向向外定位，所述第三部分远离所述主体的前端从所述第二斜率走弧线。
实施方案9：根据实施方案8所述的地钻工具，其中相对于垂直于所述主体的所述旋转轴线的平面，所述第一斜率为所述第二斜率的二至四倍大。
实施方案10：根据实施方案8或实施方案9所述的地钻工具，其中所述第一斜率使得所述第一部分与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度相对于垂直于所述主体的旋转轴线的平面为约10°至约35°。
实施方案11：根据实施方案8至10中任一项所述的地钻工具，其中所述第二斜率使得所述第二部分与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度相对于垂直于所述主体的所述旋转轴线的平面为约10°至约20°。
实施方案12：根据实施方案8至11中任一项所述的地钻工具，其中所述第一斜率和所述第二斜率之间的过渡产生径向距离，所述径向距离为由所述第一斜率和所述第二斜率占据的径向距离的至少约二分之一。
实施方案13：根据实施方案8至12中任一项所述的地钻工具，其中所述第一斜率和所述第二斜率之间的过渡产生径向距离，所述径向距离小于由所述第一斜率和所述第二斜率占据的径向距离的约四分之三。
实施方案14：一种地钻工具，包括：主体，所述主体包括从所述主体的其余部分向外延伸的刀片；和切割元件，所述切割元件固定到所述刀片；其中由最小二乘拟合至固定的所述切割元件的切割面的最外点形成的轮廓在邻近所述主体的旋转轴线的位置处相对于垂直于所述主体的旋转轴线的平面以至少15°的角度取向。
实施方案15：根据实施方案14所述的地钻工具，所述轮廓在邻近所述旋转轴线的位置处相对于垂直于所述旋转轴线的平面以约30°或更小的角度取向。
实施方案16：根据实施方案14或实施方案15所述的地钻工具，其中所述轮廓从紧邻所述旋转轴线至鼻点为抛物线，在所述鼻点处所述轮廓的斜率使得与所述轮廓相切的线与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度为约0°。
实施方案17：根据实施方案16所述的地钻工具，其中所述鼻点相对于所述旋转轴线位于所述主体的半径的至少二分之一处。
实施方案18：根据实施方案16所述的地钻工具，其中所述鼻点相对于所述旋转轴线位于所述主体的半径的至少四分之三处。
实施方案19：根据实施方案14所述的地钻工具，其中所述刀片的被投影到垂直于所述刀片的旋转方向的平面上的表面包括多个线段，每个线段与从邻近所述旋转轴线延伸至邻近所述鼻点的抛物线曲线相切地延伸。
实施方案20：根据实施方案19所述的地钻工具，其中所述线段的数量为至少五。
虽然已结合附图描述了某些示例性实施方案，但本领域的普通技术人员将认识到并理解，本公开的范围不限于本公开中明确示出和描述的那些实施方案。相反，可作出对本公开中所述的实施方案的许多添加、删除和修改以产生本公开范围内的实施方案，诸如具体要求保护的那些，包括法律等同物。此外，如发明人所设想的，来自一个本发明所公开的实施方案的特征可与另一个所公开的实施方案的特征组合，同时仍处于本公开的范围内。
Claims (20)
1.一种地钻工具，包括：
主体，所述主体包括从所述主体突出的刀片，所述刀片从所述工具的旋转轴线大致径向向外延伸；和
切割元件，所述切割元件固定到所述刀片；
其中在被旋转地投影到所述主体的旋转轴线处于其中的平面上观察时，固定到所述刀片的所述切割元件的与所述切割元件的切割面的最外点相交的轮廓从紧邻所述旋转轴线至鼻点为抛物线，在所述鼻点处所述轮廓的斜率使得所述轮廓与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度为约0°。
2.根据权利要求1所述的地钻工具，其中邻近所述主体的旋转轴线的所述轮廓的斜率使得所述轮廓与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度为至少约15°。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的地钻工具，其中邻近所述主体的旋转轴线的所述轮廓的斜率使得所述轮廓与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度为约35°或更小。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的地钻工具，其中所述鼻点相对于所述旋转轴线位于所述主体的半径的至少二分之一处。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的地钻工具，其中所述鼻点相对于所述旋转轴线位于所述主体的半径的至少四分之三处。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的地钻工具，其中所述刀片的被投影到垂直于所述刀片的旋转方向的平面上的表面包括多个线段，每个线段与从邻近所述旋转轴线延伸至邻近所述鼻点的抛物线曲线相切地延伸。
7.根据权利要求6所述的地钻工具，其中所述线段的数量为至少五。
8.一种地钻工具，包括：
主体，所述主体包括从所述主体的其余部分向外延伸的刀片；和
切割元件，所述切割元件固定到所述刀片；
其中在被旋转地投影到所述主体的旋转轴线处于其中的平面上观察时，由最小二乘拟合至固定到所述刀片的所述切割元件的切割面的最外点形成的面的轮廓的第一部分能够为线性的，并且能够相对于垂直于所述主体的所述旋转轴线的平面从邻近所述主体的旋转轴线以第一斜率径向向外延伸；
其中围绕并从所述第一部分径向向外延伸的所述面的轮廓的第二部分能够为线性的，并且能够相对于垂直于所述主体的所述旋转轴线的平面以不同的第二斜率延伸；并且
其中所述轮廓的第三部分能够相对于所述第二部分径向向外定位，所述第三部分远离所述主体的前端从所述第二斜率走弧线。
9.根据权利要求8所述的地钻工具，其中相对于垂直于所述主体的所述旋转轴线的平面，所述第一斜率为所述第二斜率的二至四倍大。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的地钻工具，其中所述第一斜率使得所述第一部分与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度相对于垂直于所述主体的旋转轴线的平面为约10°至约35°。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的地钻工具，其中所述第二斜率使得所述第二部分与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度相对于垂直于所述主体的所述旋转轴线的平面为约10°至约20°。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的地钻工具，其中所述第一斜率和所述第二斜率之间的过渡产生径向距离，所述径向距离为由所述第一斜率和所述第二斜率占据的径向距离的至少约二分之一。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的地钻工具，其中所述第一斜率和所述第二斜率之间的过渡产生径向距离，所述径向距离小于由所述第一斜率和所述第二斜率占据的径向距离的约四分之三。
14.一种地钻工具，包括：
主体，所述主体包括从所述主体的其余部分向外延伸的刀片；和
切割元件，所述切割元件固定到所述刀片；
其中由最小二乘拟合至固定的所述切割元件的切割面的最外点形成的轮廓在邻近所述主体的旋转轴线的位置处相对于垂直于所述主体的旋转轴线的平面以至少15°的角度取向。
15.根据权利要求14所述的地钻工具，所述轮廓在邻近所述旋转轴线的位置处相对于垂直于所述旋转轴线的平面以约30°或更小的角度取向。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的地钻工具，其中所述轮廓从紧邻所述旋转轴线至鼻点为抛物线，在所述鼻点处所述轮廓的斜率使得与所述轮廓相切的线与垂直于所述旋转轴线的平面之间的角度为约0°。
17.根据权利要求16所述的地钻工具，其中所述鼻点相对于所述旋转轴线位于所述主体的半径的至少二分之一处。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的地钻工具，其中所述鼻点相对于所述旋转轴线位于所述主体的半径的至少四分之三处。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的地钻工具，其中所述刀片的被投影到垂直于所述刀片的旋转方向的平面上的表面包括多个线段，每个线段与从邻近所述旋转轴线延伸至邻近所述鼻点的抛物线曲线相切地延伸。
20.根据权利要求19所述的地钻工具，其中所述线段的数量为至少五。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201762538320P | 2017-07-28 | 2017-07-28 | |
| US62/538,320 | 2017-07-28 | ||
| PCT/US2018/043941 WO2019023485A1 (en) | 2017-07-28 | 2018-07-26 | SOIL DRILLING TOOLS COMPRISING PROFILES OF CUTTING ELEMENTS DESIGNED TO REDUCE WORKING RHYTHMS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111032991A true CN111032991A (zh) | 2020-04-17 |
Family
ID=65037716
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201880056774.2A Pending CN111032991A (zh) | 2017-07-28 | 2018-07-26 | 包括被构造为减少工作比率的切割元件轮廓的地钻工具 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20190032411A1 (zh) |
| CN (1) | CN111032991A (zh) |
| BR (1) | BR112020001731A2 (zh) |
| CA (1) | CA3071386A1 (zh) |
| GB (1) | GB2579733A (zh) |
| MX (1) | MX2020001099A (zh) |
| NO (1) | NO20200214A1 (zh) |
| WO (1) | WO2019023485A1 (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111520079A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-08-11 | 西南石油大学 | 一种冠部轮廓偏移的pdc钻头刀翼 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010120696A1 (en) * | 2009-04-13 | 2010-10-21 | Baker Hughes Incorporated | A drill bit with a hybrid cutter profile |
| US20120186879A1 (en) * | 2007-12-10 | 2012-07-26 | Smith International, Inc. | Drill Bit Having Enhanced Stabilization Features and Method of Use Thereof |
| US20130175096A1 (en) * | 2008-04-14 | 2013-07-11 | Smith International, Inc. | Percussion drilling assembly and hammer bit with gage and outer row reinforcement |
| CN204920801U (zh) * | 2015-09-09 | 2015-12-30 | 中国石油集团渤海石油装备制造有限公司 | 适合旋冲钻具系统的pdc钻头 |
| CN206233859U (zh) * | 2016-08-31 | 2017-06-09 | 四川川石·克锐达金刚石钻头有限公司 | 一种适用于定向钻井的pdc钻头 |
| CN107208476A (zh) * | 2015-03-25 | 2017-09-26 | 哈利伯顿能源服务公司 | 对井下钻井工具的可调节式切割深度控制 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8437995B2 (en) * | 1998-08-31 | 2013-05-07 | Halliburton Energy Services, Inc. | Drill bit and design method for optimizing distribution of individual cutter forces, torque, work, or power |
| US10125548B2 (en) * | 2014-12-22 | 2018-11-13 | Smith International, Inc. | Drill bits with core feature for directional drilling applications and methods of use thereof |
-
2018
- 2018-07-26 CA CA3071386A patent/CA3071386A1/en not_active Abandoned
- 2018-07-26 WO PCT/US2018/043941 patent/WO2019023485A1/en active Application Filing
- 2018-07-26 CN CN201880056774.2A patent/CN111032991A/zh active Pending
- 2018-07-26 MX MX2020001099A patent/MX2020001099A/es unknown
- 2018-07-26 BR BR112020001731-0A patent/BR112020001731A2/pt not_active IP Right Cessation
- 2018-07-26 GB GB2001927.9A patent/GB2579733A/en not_active Withdrawn
- 2018-07-26 US US16/046,704 patent/US20190032411A1/en not_active Abandoned
-
2020
- 2020-02-19 NO NO20200214A patent/NO20200214A1/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120186879A1 (en) * | 2007-12-10 | 2012-07-26 | Smith International, Inc. | Drill Bit Having Enhanced Stabilization Features and Method of Use Thereof |
| US20130175096A1 (en) * | 2008-04-14 | 2013-07-11 | Smith International, Inc. | Percussion drilling assembly and hammer bit with gage and outer row reinforcement |
| WO2010120696A1 (en) * | 2009-04-13 | 2010-10-21 | Baker Hughes Incorporated | A drill bit with a hybrid cutter profile |
| CN107208476A (zh) * | 2015-03-25 | 2017-09-26 | 哈利伯顿能源服务公司 | 对井下钻井工具的可调节式切割深度控制 |
| CN204920801U (zh) * | 2015-09-09 | 2015-12-30 | 中国石油集团渤海石油装备制造有限公司 | 适合旋冲钻具系统的pdc钻头 |
| CN206233859U (zh) * | 2016-08-31 | 2017-06-09 | 四川川石·克锐达金刚石钻头有限公司 | 一种适用于定向钻井的pdc钻头 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111520079A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-08-11 | 西南石油大学 | 一种冠部轮廓偏移的pdc钻头刀翼 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| NO20200214A1 (en) | 2020-02-19 |
| GB202001927D0 (en) | 2020-03-25 |
| GB2579733A (en) | 2020-07-01 |
| BR112020001731A2 (pt) | 2020-07-21 |
| MX2020001099A (es) | 2020-08-06 |
| US20190032411A1 (en) | 2019-01-31 |
| WO2019023485A1 (en) | 2019-01-31 |
| CA3071386A1 (en) | 2019-01-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10851594B2 (en) | Kerfing hybrid drill bit and other downhole cutting tools | |
| US8839886B2 (en) | Drill bit with recessed center | |
| US6742607B2 (en) | Fixed blade fixed cutter hole opener | |
| US8336649B2 (en) | Drill bit for earth boring | |
| US8439136B2 (en) | Drill bit for earth boring | |
| US8887836B2 (en) | Drilling systems for cleaning wellbores, bits for wellbore cleaning, methods of forming such bits, and methods of cleaning wellbores using such bits | |
| US9133667B2 (en) | Drill bit for boring earth and other hard materials | |
| EP3042021B1 (en) | Reamer blades exhibiting at least one of enhanced gage cutting element backrakes and exposures and reamers so equipped | |
| GB2438520A (en) | Drill bit | |
| US9284786B2 (en) | Drill bits having depth of cut control features and methods of making and using the same | |
| CN111032991A (zh) | 包括被构造为减少工作比率的切割元件轮廓的地钻工具 | |
| US9284785B2 (en) | Drill bits having depth of cut control features and methods of making and using the same | |
| US11208847B2 (en) | Stepped downhole tools and methods of use |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200417 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |