CN112204221B - 具有固定刀片和可旋转切割结构的钻地工具及相关方法 - Google Patents

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CN112204221B CN201980032969.8A CN201980032969A CN112204221B CN 112204221 B CN112204221 B CN 112204221B CN 201980032969 A CN201980032969 A CN 201980032969A CN 112204221 B CN112204221 B CN 112204221B
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Abstract

本发明公开了一种钻地工具，所述钻地工具包括主体、至少一个刀片和至少一个可旋转切割结构。所述刀片从所述主体轴向延伸并且从所述钻地工具的中心纵向轴线径向向外延伸至小于所述钻地工具的外径。所述刀片限定第一切割轮廓。所述至少一个可旋转切割结构组件联接到所述主体，并且包括从所述主体轴向延伸的腿部和可旋转地联接到所述腿部的可旋转切割结构。所述可旋转切割结构限定延伸至所述钻地工具的所述外径的第二切割轮廓。所述第一切割轮廓与所述第二切割轮廓在径向方向上以小于所述钻地工具的所述外径的20％的量重叠。本发明还公开了一种制作钻地工具的方法。

Description

具有固定刀片和可旋转切割结构的钻地工具及相关方法
优先权声明
本申请要求2018年5月18日提交的“具有固定刀片和可旋转切割结构的钻地工具及相关方法(Earth-Boring Tools Having Fixed Blades and Rotatable CuttingStructures and Related Methods)”的美国专利申请序列号15/983,639的提交日期的权益。
技术领域
本公开整体涉及具有固定刀片、固定切割元件和可旋转切割结构的钻地工具。
背景技术
油井(井筒)通常用钻杆柱钻探。所述钻杆柱包括管状构件，所述管状构件具有在其底端处包括单个钻头的钻井组件。钻井组件还可包括装置和传感器，所述装置和传感器提供与下列相关的信息：与钻井操作相关的多种参数(“钻井参数”)、钻井组件的行为(“钻井组件参数”)以及与井筒所穿透的地层相关的参数(“地层参数”)。通过从钻机旋转钻柱和/或通过底部钻具组合(“BHA”)中的钻井马达(也称为“泥浆马达”)来旋转附接到钻井总成的底端的钻头和/或扩孔钻，以移除地层材料来钻取井筒。
发明内容
本公开的一些实施方案包括钻地工具。钻地工具可包括主体、至少一个刀片和至少一个可旋转切割结构。该至少一个刀片可从主体轴向延伸并且可从钻地工具的中心纵向轴线径向向外延伸至小于钻地工具的外径。该至少一个刀片可限定第一切割轮廓。该至少一个可旋转切割结构组件可联接到主体，并且可包括从主体轴向延伸的腿部和可旋转地联接到该腿部的可旋转切割结构。该可旋转切割结构可限定延伸至钻地工具的外径的第二切割轮廓。第一切割轮廓可与第二切割轮廓在径向方向上以小于钻地工具的外径的10％的量重叠。
在另外的实施方案中，钻地工具可包括主体、刀片结构和多个可旋转切割结构组件。刀片结构可包括从主体轴向延伸的多个刀片，并且每个刀片可从靠近钻地工具的中心纵向轴线径向向外延伸至小于钻地工具的外径。该多个刀片可限定第一切割轮廓。多个可旋转切割结构组件可联接到主体，并且每个可旋转切割结构组件可包括从主体轴向延伸的腿部和可旋转地联接到该腿部的可旋转切割结构。该多个可旋转切割结构组件中的可旋转切割结构可限定延伸至钻地工具的外径的第二切割轮廓，并且第一切割轮廓可与第二切割轮廓在径向方向上以小于钻地工具的外径的10％的量重叠。
本公开的一些实施方案包括形成钻地工具的方法。该方法可包括：形成具有至少一个刀片的主体，该至少一个刀片从主体轴向延伸并且从钻地工具的中心纵向轴线径向向外延伸至小于钻地工具的外径，该至少一个刀片限定第一切割轮廓；将至少一个可旋转切割结构组件联接到主体，该至少一个可旋转切割结构组件包括：从主体轴向延伸的腿部；和可旋转地联接到该腿部的可旋转切割结构，该可旋转切割结构限定延伸至钻地工具的外径的第二切割轮廓，其中将该至少一个可旋转切割结构组件联接到主体包括：将该可旋转切割结构可旋转地联接到该腿部，使得第一切割轮廓与第二切割轮廓在径向方向上以小于钻地工具的外径的10％的量重叠。
附图说明
为了详细地理解本公开，应结合附图参考以下具体实施方式，在附图中，相似的元件一般由相似的数字表示，并且其中：
图1是根据本公开的一个或多个实施方案的包括钻杆柱的井筒系统的示意图，该钻杆柱包括钻地工具；
图2是根据本公开的一个或多个实施方案的钻地工具的顶部透视图；
图3是根据本公开的一个或多个实施方案的钻地工具的顶视图；
图4是根据本公开的一个或多个实施方案的钻地工具的可旋转切割结构的侧视图；
图5是根据本公开的实施方案的钻地工具的切割轮廓的示意性剖视图；
图6是根据本公开的一个或多个实施方案的在钻地工具旋转期间钻地工具的切割元件接触地层的接触位置的示意图；
图7是根据本公开的一个或多个附加实施方案的钻地工具的透视图；并且
图8是根据本公开的一个或多个附加实施方案的钻地工具的透视图。
具体实施方式
本文所呈现的图示不是任何钻头、辊切割器或其任何部件的实际视图，而仅仅是用于描述本发明的理想化表示。
如本文所用，术语“钻头”和“钻地工具”分别意指并包括用于形成、扩大、或形成和扩大钻孔的钻地工具。钻头的非限制性示例包括固定切削件式(“刮刀”)钻头、固定切削件式取芯钻头、固定切削件式偏心钻头、固定切削件式双心钻头、固定切削件式扩孔钻、具有承载固定切削件的刀片的可扩展扩孔钻、以及包括固定切削件和可旋转切削结构(牙轮)两者的混合式钻头。
如本文所用，术语“切割结构”意指并包括被构造用于钻地工具上以及用于在钻地工具操作期间从井筒内的地层中移除地层材料的任何元件。作为非限制性示例，切割结构包括可旋转切割结构，在本领域中通常称为“牙轮”或“滚锥”。
如本文所用，术语“切割元件”意指并包括例如用作固定切割元件的超硬磨料(例如，多晶金刚石致密物或“PDC”)切割元件，以及用作安装到可旋转切割结构(诸如牙轮)的切割元件的碳化钨刀片和超硬磨料刀片。另外，关于可旋转切割结构，术语“切割元件”包括铣成齿和/或PDC切割元件两者。此外，术语“切割元件”包括碳化钨刀片。
如本文所用，诸如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”等的任何关系术语为了清楚和方便地理解本公开和附图而使用，并且除非上下文另有明确说明，否则不暗示或取决于任何特定的偏好或取向。例如，这些术语可指当以常规方式设置在井眼内时钻地工具的元件的取向。此外，当如附图所示时，这些术语可指钻地工具的元件的取向。
如本文所使用的，关于给定参数、特性或状况的术语“基本上”在某种程度上意指并包括：本领域技术人员将理解以小差异程度(诸如在可接受的制造公差内)满足给定参数、特性或状况。例如，基本上满足的参数可以是至少约90％满足、至少约95％满足、或甚至至少约99％满足。
本公开的一些实施方案包括具有刀片和可旋转切割结构两者的混合式钻地工具。具体地讲，钻地工具可包括PDC切割轮廓(例如，由钻地工具的固定刀片的切割元件限定的切割轮廓)，该PDC切割轮廓跨钻地工具的直径的一部分延伸。例如，PDC切割轮廓可从钻地工具的中心径向向外延伸，并且可延伸以便覆盖钻地工具的外径的约25％至约50％。可旋转切割结构(例如，牙轮)可形成(例如，限定)钻地工具的切割轮廓的其余部分。例如，由可旋转切割结构限定的切割轮廓可从钻地工具的外径延伸(例如，限定钻地工具的外径)，并且可径向向内延伸至固定刀片的PDC切割轮廓。在一些实施方案中，由可旋转切割结构限定的切割轮廓和PDC切割轮廓可以钻地工具的外径的约20％、10％、5％或更小的量重叠。
在一个或多个实施方案中，PDC切割轮廓或由可旋转切割结构限定的切割轮廓中的任一者可在轴向方向上相对于另一者凹陷。与常规混合式钻地工具相比，本公开的钻地工具可具有可旋转切割结构，该可旋转切割结构具有较大的直径和较高的偏移。
图1是可利用本文所公开的装置和方法以钻削钻孔的钻井系统100的示例的示意图。图1示出了钻孔102，该钻孔包括其中安装有套管106的上区段104以及用钻杆柱110钻削的下区段108。钻杆柱110可包括管状构件112，该管状构件在其底端处承载钻井组件114。管状构件112可通过接合钻杆区段来构成，或者其可为一串连续管(coiled tubing)。钻头116可附接到钻井组件114的底端，以用于在地层118中钻探具有选定直径的井眼102。
钻杆柱110可在表面122处延伸至钻机120。为了便于解释，所示的钻机120是陆上钻机120。然而，当海上钻机120用于在水下钻探井眼时，本发明所公开的设备和方法同样适用。旋转工作台124或顶部驱动器可联接到钻杆柱110，并且可用于使钻杆柱110旋转和使钻井组件114旋转，从而使钻头116旋转以钻探井眼102。钻井电机126可设置在钻井组件114中以使钻头116旋转。钻井马达126可单独使用以旋转钻头116或通过钻柱110叠加钻头116的旋转。钻机120还可包括常规设备，诸如在钻探井眼102时将附加区段添加到管状构件112的机构。表面控制单元128(其可为基于计算机的单元)可放置在表面122处，以用于接收并处理由钻头116中的传感器140和钻井组件114中的传感器140所传输的井下数据并且用于控制钻井组件114中的各种装置和传感器140的选定操作。传感器140可包括测定加速度、钻压、扭矩、压力、切割元件位置、穿透速率、倾角、方位角形成/岩性等的传感器140中的一个或多个传感器。在一些实施方案中，表面控制单元128可包括处理器130和用于存储数据、算法和计算机程序134的数据存储装置132(或计算机可读介质)。数据存储设备132可以是任何合适的设备，包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存存储器、磁带、硬盘和光盘。在钻探期间，来自其源136的钻井流体可在压力下泵送通过管状构件112，该管状构件在钻头116的底部排出并经由钻杆柱110与井眼102的内侧壁138之间的环形空间(也称为“环带”)返回到表面122。
钻井组件114还可包括一个或多个井下传感器140(由数字140统一表示)。传感器140可包括任何数量和类型的传感器140，其包括但不限于一般称为随钻测量(MWD)传感器或随钻测井(LWD)传感器的传感器，以及提供与钻井组件114的行为相关的信息的传感器140，所述信息诸如钻头旋转(每分钟转数或“RPM”)、工具面、压力、振动、涡流、弯曲和粘滑。钻井组件114还可包括控制器单元142，该控制器单元142控制钻井组件114中的一个或多个装置和传感器140的操作。例如，控制器单元142可设置在钻头116内(例如，在钻头116的钻头主体的柄部208和/或冠部210内)。此外，控制器单元142可包括用于处理来自传感器140的信号的电路、用于处理数字化信号的处理器144(诸如微处理器)、数据存储装置146(诸如固态存储器)和计算机程序148。处理器144可处理数字化信号，并且控制井下装置和传感器140，并且经由双向遥测单元150与表面控制单元128通信数据信息。
图2是根据本公开的一个或多个实施方案的可与图1的钻井组件114一起使用的钻地工具200的透视图。图3是图2的钻地工具200的顶视图。同时参见图2和图3，钻地工具200可包括钻头，该钻头具有牙轮形式的一个或多个可旋转切割结构218和一个或多个刀片214。例如，钻地工具200可以为如图2和图3所示的混合式钻头(例如，具有牙轮和刀片两者的钻头)。
钻地工具200可包括主体202，该主体包括颈部206、柄部208和冠部210。在一些实施方案中，主体202的本体可由钢或陶瓷-金属复合材料构成，该陶瓷-金属复合材料包括烧结在金属基质材料内的硬质材料(例如碳化钨)的颗粒。钻地工具200的主体202可具有限定中心纵向轴线205的轴向中心，所述中心纵向轴线可与钻地工具200的旋转轴线大致重合。主体202的中心纵向轴线205可在下文称为“轴向”的方向上延伸。
主体202能够连接到钻杆柱110(图1)。例如，主体202的颈部206可具有渐缩上端，该渐缩上端在其上具有螺纹以用于将钻地工具200连接到钻井组件114(图1)的箱体端。柄部208可包括在接头处固定地连接到冠部210的下直区段。在一些实施方案中，冠部210可包括多个可旋转切割结构组件212和多个刀片214。
钻地工具200的多个刀片214中的每个刀片214可包括固定于其上的多个切割元件230。每个刀片214的多个切割元件230可靠近刀片214的旋转前导面232沿刀片214的轮廓定位成行。另外，可旋转切割结构组件212中的每个可旋转切割结构组件可包括具有多个切割元件220(例如，齿状物或碳化钨刀片)的可旋转切割结构218。在一些实施方案中，多个可旋转切割结构218(例如，辊切割器)的多个切割元件220和多个刀片214的多个切割元件230可包括PDC切割元件。此外，多个可旋转切割结构218的多个切割元件230和多个刀片214的多个切割元件230可包括用于钻探和/或扩大井眼的任何合适的切割元件构型和材料。例如，在一些实施方案中，多个切割元件220可以包括碳化物圆柱体、耐磨堆焊块或本领域已知的任何其他超硬元件。在下文中更详细地描述可旋转切割结构218的切割元件220。
在一些实施方案中，多个刀片214可与钻地工具200的主体202分开并且区别开来。例如，多个刀片214可以可移除地附接到钻地工具200的主体202。此外，多个刀片214中的每个刀片214可彼此分开并且区别开来。在一个或多个实施方案中，主体202可具有形成于其中的多个键孔和/或凹陷部250(例如，从主体202的下表面252轴向延伸至主体202中)，并且多个刀片214中的每个刀片214可具有相关的键构件254，该键构件的尺寸和形状被设定成插入(例如，可插入)多个键孔250中的相应键孔250中。因此，可通过将多个刀片214的键构件254插入主体202的键孔250中来将多个刀片214固定到主体202。在附加的实施方案中，可通过其他紧固件例如花键式凸耳螺母附接多个刀片214。此外，除了多个键构件254之外或另选地，多个刀片214可焊接到主体202。
在一个或多个实施方案中，多个刀片214可各自形成单个刀片结构的一部分。换句话讲，多个刀片214可在单个刀片结构内连接在一起。此外，单个刀片结构可包括与钻地工具200的主体202的一个或多个键孔250相关的一个或多个键构件254。在其他实施方案中，多个刀片214和钻地工具200的主体202可为一体式整体主体的部分。
在一些实施方案中，多个刀片214中的每个刀片214可从钻地工具200的中心纵向轴线205径向向外延伸。此外，多个刀片214中的每个刀片214可径向向外延伸至小于钻地工具200的外径。换句话讲，多个刀片214中的每个刀片214可径向向外延伸小于钻地工具200的半径的距离。例如，多个刀片214中的每个刀片214可从钻地工具200的中心纵向轴线205径向向外延伸介于钻地工具200的总直径的约12％和约25％之间的距离。如参见图5更详细地讨论，多个刀片214可限定钻地工具200的第一切割轮廓。如本文所用，术语“切割轮廓”可指当切割元件230在旋转视图中(即，当钻地工具200围绕其中心纵向轴线205旋转时)出现时切割元件的轮廓或外形。
在一个或多个实施方案中，多个刀片214可彼此成角度地间隔开。例如，多个刀片214中的第一刀片的前导面可与相邻的第二刀片的前导面以角度β成角度地间隔开。在一个或多个实施方案中，角度β可介于约70°至约125°的范围内。例如，在一个或多个实施方案中，角度β可为约90°。例如，当多个刀片214包括四个刀片时，角度β可为约90°。在其他实施方案中，角度β可为约120°。例如，当多个刀片214包括三个刀片时，角度β可为约120°。在一些实施方案中，角度β可在刀片之间变化，使得并非刀片之间的所有角度都相等。例如，当多个刀片214包括三个刀片时，角度β可为约115°、120°和125°。
另外，在一些实施方案中，当从与钻地工具200的中心纵向轴线205正交的平面观察时，多个刀片214中的每个刀片214可具有至少基本上均匀的横截面。换句话讲，当刀片214从钻地工具200的主体202轴向(即，在轴向方向上)延伸时，该刀片可基本上不改变形状。
流体流道234可以形成在多个刀片214中的相邻刀片214之间，并且可以通过位于通道端部处的端口而被设置有钻井流体，该通道从内部流体增压室引导，该内部流体增压室从钻地工具200的上端处的管状柄部208延伸通过主体202。喷嘴238可固定在端口内以用于增强流体流的方向并控制钻井流体的流速。在一些实施方案中，一个或多个喷嘴238可靠近钻地工具200的主体202的外周边取向。在一些实施方案中，流体通道234延伸至排屑槽，该排屑槽在多个刀片214中的刀片214之间沿钻地工具200的纵向侧轴向延伸。
多个可旋转切割结构组件212可包括多个腿部216和多个可旋转切割结构218，每个可旋转切割结构分别安装到腿部216。多个腿部216可从主体202与颈部206相对的端部延伸，并且可在轴向上延伸。另外，在一些实施方案中，多个腿部216可从主体202径向向外延伸。因此，多个可旋转切割结构组件212的腿部216和/或可旋转切割结构218可限定钻地工具200的外径。在一些实施方案中，多个腿部216中的每个腿部216可在其远侧端部(例如，腿部216的与主体202相对的端部)处限定相应可旋转切割结构218的安装表面258。每个可旋转切割结构218可在安装表面258处可旋转地安装到主体202的相应腿部216。例如，每个可旋转切割结构218可用轴颈轴承和滚动元件轴承中的一者或多者安装到相应腿部216。许多此类轴承系统是本领域已知的，并且可用于本公开的实施方案中。在一个或多个实施方案中，多个腿部216中的每个腿部216的安装表面258可至少大致面向钻地工具200的中心纵向轴线205。
多个可旋转切割结构218中的每个可旋转切割结构218可具有旋转轴线228a、228b、228c，在钻探操作中使用钻地工具200期间，每个可旋转切割结构218可围绕这些旋转轴线旋转。在一些实施方案中，多个可旋转切割结构218中的每个可旋转切割结构218的旋转轴线228a、228b、228c可与钻地工具200的中心纵向轴线205相交。在其他实施方案中，多个可旋转切割结构218中的一个或多个可旋转切割结构218的旋转轴线228a、228b、228c可从钻地工具200的中心纵向轴线205偏移。例如，多个可旋转切割结构218中的一个或多个可旋转切割结构218的旋转轴线228a、228b、228c可侧向偏移(例如，成角度地倾斜)，使得多个可旋转切割结构218中的一个或多个可旋转切割结构218的旋转轴线228a、228b、228c不与钻地工具200的中心纵向轴线205相交。在一些实施方案中，线性偏移与钻地工具200的外径的比率可介于约0.024至约0.028的范围内。在一些实施方案中，根据钻地工具200的外径，多个可旋转切割结构组件212中的一个或多个可旋转切割结构218可具有约0.375英寸(0.9525cm)、约0.438英寸(1.1125cm)、0.500英寸(1.27cm)、0.594英寸(1.5087cm)或大于0.688英寸(1.7475cm)的线性偏移。例如，如果钻地工具200具有26.0英寸(66.04cm)的外径，则可旋转切割结构组件212可具有约0.688英寸(1.7475cm)的线性偏移。如本领域的普通技术人员将理解的，前述偏移值对于典型混合钻头而言是非典型的，因为典型混合式钻头具有小于约0.250英寸(0.635cm)的偏移值。
另外，如上所述，每个可旋转切割结构218可在其上具有多个切割元件220。在一些实施方案中，每个可旋转切割结构218的多个切割元件220可在可旋转切割结构218的外表面上被布置成大致周向的行。在其他实施方案中，切割元件220可以至少基本上随机的构型布置在可旋转切割结构218的外表面上。在一些实施方案中，可旋转切割结构218的切割元件220可为与每个可旋转切割结构218的材料一体形成的齿状物的形式。换句话讲，可旋转切割结构218可包括钢铣成齿可旋转切割结构，如本领域已知的。另外，如本领域中已知的，可用一种或多种耐磨堆焊材料涂覆(例如，镀覆)这些齿状物。在其他实施方案中，切割元件220可包括预成形刀片，这些预成形刀片是配合到形成于每个可旋转切割结构218中的孔中的干扰物。切割元件220(如果呈刀片的形式)可由碳化钨形成，并且任选地具有多晶金刚石、立方氮化硼或任何其他耐磨和/或研磨或超硬磨料的远侧表面。如本领域的普通技术人员将理解，与将过度成球的固定切割器PDC钻头(所谓的“粘性”页岩)相比，使可旋转切割结构218包括钢铣成齿可旋转切割结构218可实现更有力的钻探过程。另外，碳化钨刀片切割结构在这些地层中将趋于太慢。
多个可旋转切割结构组件212的可旋转切割结构218可限定钻地工具200的第二切割轮廓，并且如参见图5更详细地讨论，钻地工具200的第一切割轮廓和第二切割轮廓可重叠相对较小的量。另外，由可旋转切割结构218限定的第二切割轮廓可延伸至钻地工具200的外径。
在一些实施方案中，多个可旋转切割结构218中的每个可旋转切割结构218可具有大致圆锥形状，其中该圆锥形状的基座端224(例如，宽端和径向最外端224)安装到相应腿部216并且渐缩端226(例如，径向最内端226)靠近(例如，至少基本上指向)钻地工具200的主体202的中心纵向轴线205。在其他实施方案中，多个可旋转切割结构218中的每个可旋转切割结构218可不具有大致圆锥形状，但可具有适用于可旋转切割结构218的任何形状。在一些实施方案中，多个可旋转切割结构218中的每个可旋转切割结构218的径向最内端226可与钻地工具200的中心纵向轴线205径向间隔开。如下文参见图5更详细地讨论，多个可旋转切割结构218中的每个可旋转切割结构218的径向最内端226可与中心纵向轴线205径向间隔开与多个刀片214的径向最外边缘大致相同的量。例如，如上所述，多个刀片214的第一切割轮廓可与可旋转切割结构218的第二切割轮廓重叠相对较小的量。
在一些实施方案中，多个可旋转切割结构218可围绕钻地工具200的中心纵向轴线205彼此成角度地间隔开。例如，多个可旋转切割结构218中的第一可旋转切割结构218a(图4)的第一旋转轴线228a可与第二可旋转切割结构218b(图4)的第二旋转轴线228b以约75°至约180°周向成角度地间隔开。在一些实施方案中，可旋转切割结构218可以锐角彼此成角度地间隔开。例如，在一些实施方案中，可旋转切割结构218可以约120°彼此成角度地间隔开。在其他实施方案中，可旋转切割结构218可以约150°彼此成角度地间隔开。在其他实施方案中，可旋转切割结构218可以约180°彼此成角度地间隔开。虽然本文公开了旋转轴线的特定分离度(即，度数)，但本领域的普通技术人员将认识到，可旋转切割结构218可以任何合适的量彼此成角度地间隔开。
在一些实施方案中，多个可旋转切割结构218中的每个可旋转切割结构218可设置在多个刀片214中的两个相邻刀片之间。此外，每个可旋转切割结构218的径向最内端226可通常朝向靠近钻地工具200的中心纵向轴线205的两个相邻刀片的界面延伸(例如，指向该界面)。在一些实施方案中，多个可旋转切割结构218中的可旋转切割结构218可更靠近(例如，更接近)其间设置有可旋转切割结构218的两个相邻刀片中的一个刀片。换句话讲，多个可旋转切割结构218中的可旋转切割结构218可不在其间设置有可旋转切割结构218的两个相邻刀片之间居中。在其他实施方案中，多个可旋转切割结构218中的可旋转切割结构218可在其间设置有可旋转切割结构218的两个相邻刀片之间居中。仍然同时参见图2和图3，在一些实施方案中，除了多个可旋转切割结构组件212之外或代替该多个可旋转切割结构组件，钻地工具200可包括鞍形安装的切割器。此外，除了多个刀片214之外或代替该多个刀片，钻地工具200还可包括本领域中已知的任何定向钻头和/或类似嵌套钻头结构。
图4是根据本公开的一个或多个实施方案的钻地工具200的第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b和第三可旋转切割结构218c的侧视图。如上所述，第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b和第三可旋转切割结构218c可具有形成于和/或设置于其上的多个切割元件220。此外，每个可旋转切割结构218a、218b、218c的多个切割元件220可在相应可旋转切割结构218a、218b、218c的外表面上被布置成大致周向的行。此外，如上所述，第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b和第三可旋转切割结构218c可具有大致截头圆锥形状，该大致截头圆锥形状具有基座端224(当安装到钻地工具200时的径向最外端224)和相对的渐缩端226(例如，当安装到钻地工具200时的径向最内端226)。
在一个或多个实施方案中，第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b和第三可旋转切割结构218c中的每个可旋转切割结构的基座端224可包括截头圆锥形表面404。此外，第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b和第三可旋转切割结构218c可包括设置在截头圆锥形表面404上的多个冲击刀片406(例如，插入限定截头圆锥形表面404的可旋转切割结构218的一部分中)。在图4所示的示例中，第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b和第三可旋转切割结构218c的切割元件220和/或多个冲击刀片406可由耐磨堆焊材料构成。此外，如上所述，第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b和第三可旋转切割结构218c可包括碳化钨刀片(“TCI”)切割结构或钢齿切割结构。
此外，在一些实施方案中，第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b和第三可旋转切割结构218c可具有沿第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b和第三可旋转切割结构218c的旋转轴线228a、228b、228c变化的高度H。在一些实施方案中，第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b和第三可旋转切割结构218c中的每一者可具有介于约3.6英寸(9.144cm)至约12.7英寸(32.258cm)的范围内的高度H，这取决于钻地工具200的外径。作为非限制性示例，外径为26.0英寸(66.04cm)的钻地工具200可具有高度为约7.90英寸(20.066cm)、7.44英寸(18.8976cm)或约6.94英寸(17.6276cm)的可旋转切割结构218。在一些实施方案中，可旋转切割结构中的每个可旋转切割结构的高度与钻地工具200的外径的比率可介于约0.20至约0.35的范围内。例如，可旋转切割结构中的每个可旋转切割结构的高度与钻地工具200的外径的比率可介于约0.25至约0.30的范围内。
此外，所有可旋转切割结构218a、218b、218c可具有介于约5.5英寸(13.97cm)至约19.0英寸(48.26cm)的范围内的宽度W(例如，外径)，这取决于钻地工具200的外径。作为非限制性示例，外径为26.0英寸(66.04cm)的钻地工具200可具有宽度W为约11.65英寸(29.591cm)的可旋转切割结构218。例如，在一个或多个实施方案中，可旋转切割结构218a、218b、218c中的每一者的宽度与钻地工具200的外径的比率可介于约0.40至约0.50的范围内。例如，可旋转切割结构218a、218b、218c中的每一者的宽度与钻地工具200的外径的比率可为约0.448。
另外，第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b和第三可旋转切割结构218c三者的基座端224可具有介于约3.5英寸(8.89cm)至约12.0英寸(30.48cm)的范围内的直径D。作为非限制性示例，对于外径为26.0英寸(66.04cm)的钻地工具200，第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b和第三可旋转切割结构218c的基座端224可具有约7.09英寸(18.0086cm)的直径D。例如，可旋转切割结构218a、218b、218c的基座端224的直径D与钻地工具200的外径的比率可介于约0.22至约0.30的范围内。例如，可旋转切割结构218a、218b、218c的基座端224的直径D与钻地工具200的外径的比率可为约0.27。
图5示出了根据本公开的一个或多个实施方案的由钻地工具200(例如，钻地工具200)的多个刀片214和可旋转切割结构218限定的总体切割轮廓500的示意图。可由多个刀片214所限定的第一切割轮廓502和由钻地工具200的可旋转切割结构218所限定的第二切割轮廓504来限定钻地工具200的总体切割轮廓500。
在一些实施方案中，第一切割轮廓502和第二切割轮廓504可在径向方向上彼此重叠。在一些实施方案中，第一切割轮廓502与第二切割轮廓504在径向方向上以小于钻地工具200的外径的20％的量重叠。在附加的实施方案中，第一切割轮廓502与第二切割轮廓504在径向方向上以小于钻地工具200的外径的10％的量重叠。在另外的实施方案中，第一切割轮廓502与第二切割轮廓504在径向方向上以小于钻地工具200的外径的5％的量重叠。在其他实施方案中，第一切割轮廓502和第二切割轮廓504可不重叠但可相遇。
在一些实施方案中，第一切割轮廓502可沿径向方向介于钻地工具200的总切割轮廓500的约15％和约65％之间形成。在附加的实施方案中，第一切割轮廓502可沿径向方向介于钻地工具200的总切割轮廓500的约25％和约50％之间形成。
在一个或多个实施方案中，由多个刀片214限定的第一切割轮廓502可相对于由钻地工具200的可旋转切割结构218限定的第二切割轮廓504凹陷。例如，第一切割轮廓502可在钻地工具200的轴向方向上相对于第二切割轮廓504凹陷。在一些实施方案中，第一切割轮廓502可相对于第二切割轮廓504凹陷约一个切割元件或齿宽。在附加的实施方案中，第一切割轮廓502可相对于第二切割轮廓504凹陷约半个切割元件或齿宽。例如，第一切割轮廓502可相对于第二切割轮廓504凹陷介于约0.25英寸(0.635cm)至约2.00英寸(5.08cm)。
在附加的实施方案中，由多个刀片214限定的第一切割轮廓502可相对于由钻地工具200的可旋转切割结构218限定的第二切割轮廓504突出。例如，第一切割轮廓502可在钻地工具200的轴向方向上相对于第二切割轮廓504突出。在一些实施方案中，第一切割轮廓502可相对于第二切割轮廓504突出约一个切割元件或齿宽。在附加的实施方案中，第一切割轮廓502可相对于第二切割轮廓504突出约半个切割元件或齿宽。例如，第一切割轮廓502可相对于第二切割轮廓504凹陷介于约0.25英寸(0.635cm)至约2.00英寸(5.08cm)。在另外的实施方案中，第一切割轮廓502和第二切割轮廓504可对准，使得两者既不相对于另一者凹陷也不相对于另一者突出。鉴于上述情况，使第一切割轮廓502或第二切割轮廓504相对于另一者凹陷可减少粘滑并且可减少多个刀片214上的扭矩(当刀片214相对于可旋转切割结构218凹陷时)。
图6示出了其中在钻地工具200(图3)的单次旋转期间钻地工具200的可旋转切割结构218(第一可旋转切割结构218a、第二可旋转切割结构218b)的切割元件220(图2和图3)可接触地层118(图1)时的接触位置602与其中在钻地工具200的单次旋转期间钻地工具200的多个刀片214的切割元件230可接触地层的接触位置604。
如图6所示，由钻地工具200的多个刀片214的接触位置604限定的第一圆606的直径可介于由钻地工具200的可旋转切割结构218的接触位置602限定的第二圆608的直径的约25％和约50％之间。如本领域的普通技术人员将理解的，使固定刀片延伸出小于钻地工具200的全直径的距离减少了在多个刀片214和相关联的切割元件220上产生的热量。前述内容减少了多个刀片214和切割元件220上的磨损。此外，减少多个刀片214从钻地工具的中心纵向轴线205向外延伸的量降低了粘滑的风险。
同时参见图2至图6，本公开的钻地工具200可提供优于常规钻地工具的优点。例如，与常规的牙轮钻头相比，由于较大的可旋转切割结构尺寸，钻地工具200可实现更有力的钻探过程。此外，与常规混合式钻头相比，本公开的钻地工具200可表现出减小的扭矩响应。例如，本公开的钻地工具200的扭矩响应可类似于牙轮钻头的扭矩响应。另外，与常规混合式钻头相比，本公开的钻地工具200的生产成本可能更低。同样，与常规混合式钻头相比，本公开的钻地工具200可提供更好的井眼清洁。
图7是根据本公开的一个或多个附加实施方案的钻地工具700的透视图。具体地讲，如图7所示，在一些实施方案中，多个刀片214可形成单个刀片结构702的一部分。此外，单个刀片结构702可经由一个或多个紧固件704(例如，螺栓、螺钉等)固定到钻地工具700的主体202。
如上所述的刀片结构702可提供优于常规钻地工具的优点。例如，刀片结构702可允许容易地移除、修理和/或更换多个刀片214。此外，刀片结构702可减少移除、修理和/或更换多个刀片214所需的时间。如本领域的普通技术人员将理解的，上述优点可降低修理成本，可提高生产率，并且可增加钻地工具的寿命。
图8是根据本公开的一个或多个附加实施方案的钻地工具800的透视图。如图8所示，在一个或多个实施方案中，多个刀片214可以与钻地工具800的主体202成一整体。此外，多个刀片214可从中心构件802(例如，柱)径向向外延伸靠近中心构件802的远侧端部。与常规钻地工具相比，图8的实施方案可使得液压流体能够更靠近切割面设置。
本公开还包括以下实施方案：
实施方案1.一种钻地工具，所述钻地工具包括：主体；至少一个刀片，所述至少一个刀片从所述主体轴向延伸并从所述钻地工具的中心纵向轴线径向向外延伸至小于所述钻地工具的外径，所述至少一个刀片具有设置于其上的多个切割元件并且限定第一切割轮廓；和至少一个可旋转切割结构组件，所述至少一个可旋转切割结构组件联接到所述主体并且包括：从所述主体轴向延伸的腿部；和可旋转地联接到所述腿部的可旋转切割结构，所述可旋转切割结构限定延伸至所述钻地工具的所述外径的第二切割轮廓，其中所述第一切割轮廓与所述第二切割轮廓在径向方向上以所述钻地工具的所述外径的20％或更小的量重叠。
实施方案2.根据实施方案1所述的钻地工具，其中所述至少一个可旋转切割结构的所述腿部限定安装表面，所述可旋转切割结构安装在所述安装表面上，并且其中所述安装表面至少大致面向所述钻地工具的所述中心纵向轴线。
实施方案3.根据实施方案1和2中任一项所述的钻地工具，其中所述至少一个刀片从所述钻地工具的所述中心纵向轴线径向向外延伸的距离介于所述钻地工具的总直径的约12.5％至约25％之间。
实施方案4.根据实施方案1至3中任一项所述的钻地工具，其中所述至少一个刀片的所述多个切割元件的所述第一切割轮廓相对于所述至少一个可旋转切割结构的所述第二切割轮廓轴向凹陷。
实施方案5.根据实施方案1至4中任一项所述的钻地工具，其中所述至少一个刀片的所述多个切割元件的所述第一切割轮廓相对于所述至少一个可旋转切割结构的所述第二切割轮廓轴向突出。
实施方案6.根据实施方案1至5中任一项所述的钻地工具，其中所述至少一个刀片与所述主体分开并且区别开来，并且经由一个或多个紧固件或焊接件联接到所述主体。
实施方案7.根据实施方案1至6中任一项所述的钻地工具，其中所述至少一个刀片包括至少三个刀片。
实施方案8.根据实施方案7所述的钻地工具，其中所述至少一个可旋转切割结构组件包括至少三个可旋转切割结构组件，并且其中所述至少三个可旋转切割结构组件中的每个可旋转切割结构设置在所述至少三个刀片中的相邻刀片之间。
实施方案9.一种钻地工具，所述钻地工具包括：主体；刀片结构，所述刀片结构包括从所述主体轴向延伸的多个刀片，并且每个刀片从靠近所述钻地工具的中心纵向轴线径向向外延伸至小于所述钻地工具的外径，所述多个刀片具有限定第一切割轮廓的多个切割元件；和联接到所述主体的多个可旋转切割结构组件，每个可旋转切割结构组件包括：从所述主体轴向延伸的腿部；和可旋转地联接到所述腿部的可旋转切割结构，其中所述多个可旋转切割结构组件中的所述可旋转切割结构限定延伸至所述钻地工具的所述外径的第二切割轮廓，其中所述第一切割轮廓与所述第二切割轮廓在径向方向上以所述钻地工具的所述外径的20％或更小的量重叠。
实施方案10.根据实施方案9所述的钻地工具，其中所述多个可旋转切割结构组件中的每个可旋转切割结构的外径与所述钻地工具的所述外径的比率介于约0.40至约0.50的范围内。
实施方案11.根据实施方案9和10中任一项所述的钻地工具，其中每个可旋转切割结构组件的所述腿部可分离地附接到所述钻地工具的所述主体。
实施方案12.根据实施方案9至11中任一项所述的钻地工具，其中每个可旋转切割结构组件的所述腿部除了从所述钻地工具的所述主体轴向向外延伸之外，还径向向外延伸。
实施方案13.根据实施方案9至12中任一项所述的钻地工具，其中所述多个可旋转切割结构组件中的每个可旋转切割结构的线性偏移与所述钻地工具的所述外径的比率介于约0.024至约0.028的范围内。
实施方案14.根据实施方案9至13中任一项所述的钻地工具，其中所述主体包括轴向延伸至所述主体中的键容纳孔，并且其中所述刀片结构包括键构件，所述键构件的尺寸和形状被设定成能够插入到所述主体的所述键容纳孔中。
实施方案15.根据实施方案9至14中任一项所述的钻地工具，其中所述多个刀片的所述第一切割轮廓相对于所述多个可旋转切割结构的所述第二切割轮廓轴向凹陷。
实施方案16.根据实施方案9至15中任一项所述的钻地工具，其中所述多个刀片的所述第一切割轮廓相对于所述多个可旋转切割结构的所述第二切割轮廓轴向突出。
实施方案17.根据实施方案9至16中任一项所述的钻地工具，其中所述刀片结构和所述主体为一体式整体主体的部分。
实施方案18.一种形成钻地工具的方法，所述方法包括：形成具有至少一个刀片的主体，所述至少一个刀片从所述主体轴向延伸并且从所述钻地工具的中心纵向轴线径向向外延伸至小于所述钻地工具的外径，所述至少一个刀片具有限定第一切割轮廓的多个切割元件；以及将至少一个可旋转切割结构组件联接到所述主体，所述至少一个可旋转切割结构组件包括：从所述主体轴向延伸的腿部；和可旋转地联接到所述腿部的可旋转切割结构，所述可旋转切割结构限定延伸至所述钻地工具的所述外径的第二切割轮廓，其中将所述至少一个可旋转切割结构组件联接到所述主体包括：将所述可旋转切割结构可旋转地联接到所述腿部，使得所述第一切割轮廓与所述第二切割轮廓在径向方向上以所述钻地工具的所述外径的20％或更小的量重叠。
实施方案19.根据实施方案18所述的方法，其中形成具有至少一个刀片的主体包括将所述至少一个刀片形成为从所述钻地工具的所述中心纵向轴线径向向外延伸，使得所述至少一个刀片的径向长度与所述钻地工具的所述外径的比率介于约0.125和约0.25之间。
实施方案20.根据实施方案18和19中任一项所述的方法，还包括使所述第一轮廓和所述第二轮廓中的至少一者相对于另一者轴向凹陷。
上文所述和附图所示的本公开的实施方案不限制本公开的范围，本公开的范围由所附权利要求及其法律等同物的范围所涵盖。任何等效实施方案都在本公开的范围内。实际上，所属领域一般技术人员从所述描述将显而易见除本文中展示且描述的修改之外的本公开的各种修改(诸如所描述元件的另选有用组合)。这种修改和实施方案也落入所附权利要求书及等同物的范围内。

Claims (12)

1.一种钻地工具，所述钻地工具包括：
主体；
多个刀片，所述多个刀片从所述主体轴向延伸、并从所述钻地工具的中心纵向轴线径向向外延伸至小于所述钻地工具的外径，所述多个刀片具有设置于其上并且限定第一切割轮廓的多个切割元件；和
至少一个可旋转切割结构组件，所述至少一个可旋转切割结构组件联接到所述主体并且包括：
从所述主体轴向延伸的腿部；和
可旋转地联接到所述腿部的可旋转切割结构，所述可旋转切割结构限定延伸至所述钻地工具的所述外径的第二切割轮廓，
其中，每个可旋转切割结构设置在所述多个刀片中的两个相邻刀片之间；
其中，所述第一切割轮廓与所述第二切割轮廓在径向方向上以所述钻地工具的所述外径的20％或更小的量重叠；并且
其中，所述多个切割元件的所述第一切割轮廓相对于所述可旋转切割结构的所述第二切割轮廓轴向凹陷或突出。
2.根据权利要求1所述的钻地工具，其中，所述至少一个可旋转切割结构的所述腿部限定安装表面，所述可旋转切割结构安装在所述安装表面上，并且其中，所述安装表面至少大致面向所述钻地工具的所述中心纵向轴线。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的钻地工具，其中，每个刀片从所述钻地工具的所述中心纵向轴线径向向外延伸的距离介于所述钻地工具的总直径的12.5％至25％之间。
4.根据权利要求1和2中任一项所述的钻地工具，其中，所述多个刀片与所述主体分开并且区别开来，并且经由一个或多个紧固件或焊接件联接到所述主体。
5.根据权利要求1和2中任一项所述的钻地工具，其中，所述多个刀片包括至少三个刀片。
6.根据权利要求5所述的钻地工具，其中，所述至少一个可旋转切割结构组件包括至少三个可旋转切割结构组件，并且其中，所述至少三个可旋转切割结构组件中的每个可旋转切割结构设置在所述至少三个刀片中的相邻刀片之间。
7.根据权利要求1和2中任一项所述的钻地工具，其中，所述至少一个可旋转切割结构组件中的每个可旋转切割结构的外径与所述钻地工具的所述外径的比率介于0.40至0.50的范围内。
8.根据权利要求1和2中任一项所述的钻地工具，其中，所述至少一个可旋转切割结构组件的所述腿部可分离地附接到所述钻地工具的所述主体。
9.根据权利要求1和2中任一项所述的钻地工具，其中，所述至少一个可旋转切割结构组件的所述腿部除了从所述钻地工具的所述主体轴向向外延伸之外还径向向外延伸。
10.根据权利要求1和2中任一项所述的钻地工具，其中，所述主体包括轴向延伸至所述主体中的键容纳孔，并且其中，所述多个刀片包括键构件，所述键构件的尺寸和形状被设定成能够插入到所述主体的所述键容纳孔中。
11.一种形成钻地工具的方法，所述方法包括：
形成具有多个刀片的主体，所述多个刀片从所述主体轴向延伸、并且从所述钻地工具的中心纵向轴线径向向外延伸至小于所述钻地工具的外径，所述多个刀片具有限定第一切割轮廓的多个切割元件；以及
将至少一个可旋转切割结构组件联接到所述主体，所述至少一个可旋转切割结构组件包括：
从所述主体轴向延伸的腿部；和
可旋转地联接到所述腿部的可旋转切割结构，所述可旋转切割结构限定延伸至所述钻地工具的所述外径的第二切割轮廓，
其中，将所述至少一个可旋转切割结构组件联接到所述主体包括：将每个可旋转切割结构设置在所述多个刀片中的两个相邻刀片之间并且将每个可旋转切割结构可旋转地联接到所述腿部，使得所述第一切割轮廓与所述第二切割轮廓在径向方向上以所述钻地工具的所述外径的20％或更小的量重叠；以及使所述多个切割元件的所述第一切割轮廓相对于所述可旋转切割结构的所述第二切割轮廓轴向凹陷或突出。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，形成具有多个刀片的主体包括将所述多个刀片形成为从所述钻地工具的所述中心纵向轴线径向向外延伸，使得每个刀片的径向长度与所述钻地工具的所述外径的比率介于0.125和0.25之间。
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