专利名称：用于钻井眼的钻头和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在物体内钻井眼的钻头，所述钻头包括延伸在中心纵轴周围的钻头体，该钻头可通过绕所述中心纵轴旋转来操作。
背景技术：
在专利公开号为GB2365888A中披露了一种可展开的钻头。该已知的钻头包括设有刀具的两个可枢转的臂。在收缩位置，所述臂钻削出与钻头体相当的井眼，在展开位置，所述臂钻削出较大的井眼。在该展开位置，导引部钻削出井眼的中心，所述臂钻削出标准尺寸。
发明内容
本发明的目的是对钻头进行改进。特别地，本发明的目的是提供一种钻头，其可更加可靠地在收缩位置和展开位置之间切换。
依照本发明，提供一种用于在物体内钻井眼的钻头，所述钻头具有中心纵轴并包括设有中心柄部的钻头体，所述中心柄部用来将钻头连接到钻井系统上，所述钻头还包括至少一个钻削臂，各个钻削臂设有用来钻削物体的一组刀具，并经由枢转装置联结到钻头体上，其中，所述枢转装置容许钻削臂在径向收缩位置和径向展开位置之间枢转，所述钻头设有支撑装置，以用于在其径向展开位置支撑该钻削臂，其中，所述支撑装置用来将钻井过程中产生的至少一部分旋转扭矩从钻削臂传递到钻头体，以便降低或防止所述旋转扭矩经由枢转装置传递。
借助于支撑装置，减轻了枢转装置所承受的全部扭矩负载。由此可以得到，在不丧失将钻头从收缩位置切换到展开位置以及相反的过程的可靠性的情况下，所述枢转装置不会由于传递较大的负载而易于受到损坏。
在另一个方面，本发明提供一种液压系统，其用于驱使可枢转的钻具臂在径向收缩位置和径向展开位置之间作枢转运动，液压系统包括液压缸和活塞装置，所述活塞装置滑动地安装在液压缸内，在活塞装置的一侧形成驱动室，在活塞装置的另一侧形成返回室，活塞装置在液压缸内具有前进和后退位置，由此，活塞装置由于作用于其上的驱动力超出了作用于其上的返回力而可被驱动至后退位置，其中，所述驱动力由于主动室内的压力而产生，所述返回力由于返回室内的压力而产生，所述活塞装置联结到可枢转的钻具臂上，以在活塞被驱动至后退位置时，将该钻具臂从收缩位置驱动到展开位置，由此，活塞装置被联结到门装置(gate means)上，这样设置该门装置，即，在活塞装置处于其前进位置或者在前进位置附近时，作用于活塞上的返回力就超出了作用于活塞上的驱动力，而相反的是在活塞装置处于除前进位置或者前进位置附近以外的位置时的情况，其中，所述返回力由于返回室内的压力而产生，所述驱动力由于主动室内的压力而产生。
在钻具臂处于收缩位置时，活塞装置可置于前进位置处或者其附近，门装置在该位置处被切换，以便将活塞装置偏压到前进位置。在活塞装置被机械地移出其前进位置时，门装置由于其联结到活塞装置上而被切换，这就导致作用于活塞上的驱动力超出了作用于活塞上的返回力，其中，所述驱动力由于主动室内的压力而产生，所述返回力由于返回室内的压力而产生。结果，钻具臂枢转到其展开位置，并由活塞装置保持在该位置处。通过机械地迫使活塞装置进入其前进位置，或者通过设置附加的门装置，可以恢复开始时的状态，由此，在该状态下活塞装置可被再次偏压到其前进位置，其中，所述门装置用于调节主动室和返回室内部的压力，以便根据指令向前移动活塞装置。
将在下文参考附图以示例方式更详细地叙述本发明，其中图1示意性地示出本发明的钻头在径向收缩位置时的一个实施例的纵视图，其局部剖开；图2示意性地示出图1中的钻头处于径向展开位置时的纵视图，其局部剖开；图3示意性地示出图2中的3-3截面。
具体实施例方式
在附图中，相同的附图标记指示相同的元件。
参考图1-3，示出用来在地质岩层内钻井眼的钻头1，所述钻头具有导引部1a，该导引部1a设有流体喷嘴1b和与通常钻头的钻削结构类似的钻削结构1c。导引部1a的直径为D1，其稍小于井眼入口部分的通过直径，例如由井眼上部的套管(未示出)限定形成。此外，钻头具有柄部2，该柄部2设有螺纹3，以将钻头联结到钻柱(未示出)上。导引部1a固定地连接到管6上，所述管6被轴向可滑动地容纳在柄部2内，所述管6配备有活塞7。因此，导引部1a、管6和活塞7可相对于柄部2作轴向滑动。柄部2设有两个相对的唇缘8，各个唇缘8具有平的内表面(图3)，在导引部1a相对于柄部2处于最上方位置时(图2)，所述内表面靠着导引部1a的相应的平的外表面8b延伸。
钻头1还设有钻削臂，其形式为下扩眼臂9(under-reaming arm)，经由铰链10形式的枢转装置连接到柄部2上，其中，所述铰链10由唇缘8支撑。各个下扩眼臂9可绕相应的铰链10在径向收缩位置和径向展开位置之间旋转，其中，所述下扩眼臂9在径向收缩位置基本上与导引部1a平齐，所述下扩眼臂9在径向展开位置延伸至比导引部1a的直径还要大的直径。柄部2在其下端设有环形锁环12，在各个下扩眼臂9处于径向展开位置时，该环形锁环12滑动配合到设在各个所述下扩眼臂9内的相应的环形凹槽14内。此外，锁环12和凹槽14设有齿廓(未示出)，以便容许将钻头1的操作过程中产生的钻削扭矩经由所述齿廓从下扩眼臂9传递到柄部2。除了齿廓，任何适当形式的轮廓都可设置在锁环12和凹槽14内，以在下扩眼臂9和柄部2之间传递负载和扭矩，例如，可以采用阶梯形轮廓。
活塞7在柄部2内限定两个环形室，由此，活塞下方的室16经由开口18连接到管6的孔部。在活塞7处于其最下方位置时，所述开口18可被柄部2闭合。活塞7上方的室19经由开口20被连接到形成在钻头1和井眼之间的井眼环(未示出)内。在钻探流体通过钻头1循环时，通过流体喷嘴1b的压降导致在管6上产生一个纯向上的力，这是因为环形活塞区域大于管6的区域。
在两个下扩眼臂9对称的情况下，钻头1对于下扩眼臂9的各个位置来说都具有力平衡的钻削结构。柄部2的唇缘8的外表面可设有抗磨层，以提供给钻头附加的横向稳定性。
在利用套管在地质岩层内钻出一个超标准尺寸的井眼时，运转过程如下在导引部1自柄部2轴向延伸，并且下扩眼臂9在其相应的收缩位置处(如图1所示)的情况下，钻头1穿过套管。借助于设在柄部2内的安全销22将导引部1a保持在轴向延伸位置，其中，所述安全销22用来防止柄部2内的管6向上移动。钻头1还运行到套管下方的开孔，以使得钻井组件能够被锁定在套管下部。然后，套管和钻井组件运行到孔底。在这个操作过程中，在没有开动下扩眼臂9的情况下可以进行泥浆循环，这是因为管6内的开口18在活塞处于最下位置时被柄部2关闭。一旦导引部触到孔底，管6就相对于柄部向上移动，由此破坏了安全销22，之后开口9打开。通过钻头喷嘴的压降将趋于将钻头关闭。通过闭合钻头，下扩眼臂9将向外移动，并终止在其展开位置，如图2所示。
仍参考图2，在下扩眼臂9处于完全展开位置时，柄部2的唇缘8卡在导引部1a的平的外表面8b周围。同时，柄部2下端的锁环12卡在下扩眼臂9的凹槽14内。配合的锁环12和下扩眼臂9的凹槽14防止了下扩眼臂9相对于柄部2沿着钻头的旋转方向进行旋转。
一旦导引钻头处于其最上位置，就会导致下扩眼臂9处于其完全展开位置，导引钻头的钻井扭矩经由唇缘8被传递到柄部2，并随后经由螺纹连接部3传递到钻井组件。导引部1a的重量经由下扩眼臂9和锁环12传递到柄部2，并随后经由螺纹连接部3传递到钻井组件。下扩眼臂9的重量经由锁环12传递到柄部2，并且，下扩眼臂9的扭矩经由锁环12的锯齿部被传递到柄部。
因此，一旦下扩眼臂9处于展开位置，展开机构就不受钻井负载，这就使得钻头非常坚固。实际上，物体可受到展开钻头如一块实心钻头体的作用。
钻头也可用于钻出设有钟形物的前述的套管靴，或者钻出作为传统的套管钻井操作一部分的前述套管靴。
在这种情况下，步骤如下。在钻井组件被锁定在套管内时，套管运行到套管孔内，直到水泥的顶端被连接。然后，通过导引部1a相对于柄部2向上移动而打开开口18。钻井流体如泥浆循环时，应用轴向收缩力，钻头趋向于闭合，由此向外推动下扩眼臂9。在钻头旋转过程中，下扩眼臂9将打开所述孔，直到下扩眼臂9上的钻削元件接触到已安装的前述套管的钢。这些钻削元件应该被设计为不能切削钢。例如，这可通过采用负前角较大的钻削元件来获得，所述负前角与双中心钻头的负前角类似。
在从套管靴钻出水泥时，下扩眼臂9从已安装的套管内壁或者已安装的套管的钟形区域刮擦水泥。
一旦下扩眼臂9延伸到前述套管之下的开口，钻削结构将能够进一步打开所述开口，以能够使下扩眼臂9到达其完全展开位置，如图2和3所示。
用于钻出套管靴所需的设计特征是，对于活塞7的任何位置来说，导引部1a可相对于钻头的柄部2被锁定在钻头旋转方向上。通过将唇缘8的长度和导引部1a标准尺寸的平的部分8b的尺寸延伸以使其一直接合，从而获得这一点。可替换地，管6的顶部可配备有花键，其可在柄部2的顶部滑动，以防止导引部1a相对于柄部2旋转。
在钻出套管靴的过程中，下扩眼臂9的钻井扭矩经由铰链10被传递到柄部2。可替换地，下扩眼臂和导引部之间的界面可配备有径向狭槽，其将扭矩从下扩眼臂传递到柄部。
概括地说，本发明提供一种可展开的钻头，其可在多个位置处钻井。在展开位置，下扩眼臂被液压力锁在适当的位置处。一旦下扩眼臂被锁定，钻井力直接从钻削元件被传递到钻头的柄部，由此，去掉了下扩眼臂的铰链的负载，其中，所述钻井力包括作用于钻头上的扭矩和/或作用于钻头上的重量。这样，就其构成来说，钻头可视为规则钻头，并且具有与普通钻头类似的潜在钻井能力。与下扩眼臂9上的适当钻削结构结合的这种特征应该使钻头适用于包括较硬的岩石在内的更宽的地岩层范围。
钻头可具有的其他特征为-夹紧装置，一旦下扩眼臂经由活塞和管通过液压作用已到达完全展开位置，所述夹紧装置用来将管锁定。这样，钻头就被锁定在展开位置。在钻头运行末端，钻头可以通过将钻井组件再次拉入套管内而收缩(collapsed)。这种拉力应使得保持夹紧装置的安全销失效，这样，管就被再次释放，钻头打开，下扩眼臂可移动到收缩位置。
-喷嘴可以这种方式设置在钻头的导引部内，即，这些喷嘴所喷出的流指向下扩眼臂，从而提供有效的清洁和冷却。
-可展开的钻头也可用于传统超标准尺寸钻井中，该传统超标准尺寸钻井采用钻管而不是套管。在这种情况下，钻头的柄部优选设有水道，以在下扩眼臂处于收缩位置时，使泥浆能够循环。
-在上述的液压锁定机构中可以采用多组下扩眼臂。
上述的液压锁定机构可用在更加一般的意义上，以用于获得其他可膨胀的井底元件的具体功能性，如用于超标准尺寸钻井中的可展开稳定器。
权利要求
1.一种用于在物体内钻井眼的钻头，该钻头具有中心纵轴，并包括设有中心柄部的钻头体，所述柄部用于将钻头连接到钻井系统，所述钻头还包括至少一个钻削臂，各个钻削臂设有用于钻削物体的一组刀具，并由枢转装置连接到钻头体上，所述枢转装置容许钻削臂在径向收缩位置和径向展开位置之间枢转，钻头设有支撑装置，以在其径向展开位置支撑该钻削臂，其特征在于，所述支撑装置用来将钻井过程中产生的至少一部分旋转扭矩从钻削臂传递到钻头体，从而降低或防止所述旋转扭矩由枢转装置的传递。
2.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述支撑装置还用来将轴向压缩负载从钻削臂传递到钻头体。
3.如权利要求1或2所述的钻头，其特征在于，所述支撑装置还用来支撑从钻削臂到钻头体的径向压缩负载。
4.如前述任一权利要求所述的钻头，其特征在于，所述支撑装置用来将大部分旋转扭矩，优选基本为全部的旋转扭矩从钻削臂传递到钻头体。
5.如前述任一权利要求所述的钻头，其特征在于，所述钻削臂还可枢转到一个中间位置，在这个中间位置，第二组刀具相对于所述物体设置在第二钻削位置处用于钻出井眼，其标准尺寸比展开位置处的小。
6.如前述任一权利要求所述的钻头，还包括设有导引刀具的一导引部，所述导引刀具用来在钻削臂之前预钻出导引井眼。
7.如权利要求6所述的钻头，其特征在于，所述导引部可相对于柄部轴向移动，由此，钻削臂连接到导引部上，以控制钻削臂的枢转。
8.如权利要求7所述的钻头，其特征在于，所述导引部连接到用于控制所述轴向可动性的液压系统上。
9.如权利要求1-8中任一权利要求所述的钻头，其特征在于，所述钻头是用于在地质岩层中钻井眼的钻头。
10.一种参考附图如上文所述的钻头。
全文摘要
一种用于在物体内钻井眼的钻头，所述钻头具有中心纵轴，并包括设有中心柄部(2)的钻头体，所述中心柄部(2)用来将钻头连接到钻井系统。钻头还包括至少一个钻削臂(9)，各个钻削臂还包括用于钻削物体的至少一组刀具，并经由枢转装置(10)连接到钻头体上，其中，所述枢转装置(10)容许钻削臂在径向收缩位置和径向展开位置之间枢转。钻头设有支撑装置(12)，以用于在其径向展开位置支撑该钻削臂，其中，所述支撑装置用来将钻井过程中所产生的至少一部分旋转扭矩从钻削臂传递到钻头体，以便降低或防止所述旋转扭矩经由枢转装置传递。
文档编号E21B10/32GK1791733SQ200480013967
公开日2006年6月21日 申请日期2004年5月19日 优先权日2003年5月21日
发明者D·H·齐伊斯林 申请人:国际壳牌研究有限公司