专利名称：冲击钻头、包括这种钻头的钻井系统和钻井方法
技术领域：
本发明涉及钻入地下地层的冲击钻头，所述的冲击钻头有中央纵轴线，并可以用沿所述轴线轴向冲击运动和绕所述轴线旋转的方式运行。
本发明还涉及在地层内钻井的钻井系统，所述系统包括安装所述冲击钻头的钻柱并使用在地下地层内钻井的方法。
本发明也涉及在地下地层内钻井的方法。
背景技术：
冲击切割钻头已公知，它公开于美国专利6,253,864号内。所述美国专利的图4示出了一种冲击切割钻头，所述钻头有整体的主体、与钻柱连结的装置和多个各安装多个切割元件的叶片。流体出口位于所述整体的主体的头上的所述各叶片之间。各叶片包括多个安装切割元件的插座和一个位于切割元件之前沿各叶片延伸的架子。所述架子起把切屑从钻头工作面引导走的作用。
在运行中，这种现有的冲击钻头绕其纵轴线旋转，随着旋转切割岩层。与此同时，用锤冲击钻头，从而再施加一个冲击钻力。所述切割元件是专门设计的，经得起冲击与切割联合引起的超常应力，因为切割刀的远端部分已制成圆形以防止切割刀内的局部大应力。
因此，这种现有的冲击切割钻头也就产生了缺点，它需要商品切割元件。现已查明在这种商品切割元件里兼顾平衡了旋转切割和轴向切割。因为这种兼顾平衡是建立在远端圆形的基础之上的，所以切割元件一旦磨损，这样兼顾平衡也就失去，这又形成这种现有冲击切割钻头的另一缺点。
发明内容
根据本发明提供一种钻入地下地层的冲击钻头，所述的冲击钻头有中央纵轴线，并可以用沿所述轴线实施轴向冲击运动又绕所述轴线旋转运动的方式运行。这种钻头包括—多个从钻头突起的叶片；—多个基本沿钻头径向延伸的流动通道，顺序的流动通道设于相邻的两个叶片之间；—多个旋转切割刀，所述旋转切割刀相对旋转方向成排地安装于至少一个叶片的前缘上或其附近，靠近与其相关的流动通道之后，所述流动通道用于液体流过，借此把聚集于成排的旋转切割刀前面的岩屑排除出去；除了这种旋转切割刀之外还有—多个轴向刀，所述轴向刀的位置在相对旋转方向成排的旋转切割刀和与之有关的流动通道之后。
根据本发明的钻头除了旋转切割刀外还包括轴向刀。所述轴向刀的主要功能是接受钻头与地层之间的冲击，而所述旋转切割刀的主要功能则是从井眼底刮削掉岩屑。
因为轴向切割元件至少承受部分随着冲击运动而来的轴向冲击力所以所述旋转切割元件的工作寿命延长。
同时所述旋转切割刀的效用得以保持，因为在相对于成排的旋转切割刀的后面位置安装轴向刀，使得基本径向配置的流动通道能充分有效地排除聚集于成排的旋转切割刀前面的切割屑料。因此，避免了所谓的钻头团聚，使通过钻头团聚翻到所述旋转切割刀前面的岩粉和岩屑与诸如水、油或泥浆之类的钻井液混合在井眼底形成糊状物。钻头团聚是人们所不希望的，因为由此产生的糊状物接受钻头的重量而不是下面岩石接受钻头的重量。
作为本发明另一优点的是轴向刀可以最佳化用于轴向切割，而所述旋转切割刀可以不必考虑轴向切割能力单独最佳化用于旋转切割。
所述旋转切割刀的前端部分可以很锋利并比较长期地保持锋利以便取得高切割效率。特别是所述旋转切割刀的切割效率高于所述轴向刀。
特别是所述轴向刀比所述旋转切割刀更能抗轴向冲击。
现在还已发现根据本发明的钻头即使切割元件中度磨损也能继续工作不会显著降低钻进速度。
已注意到美国6,2253,864号专利图9内披露的冲击钻头，冲击部件和切割部件的工作是由不同的刀具进行的，圆拱形轴向刀能最佳化冲击钻入地层，而旋转切割刀能最佳化切割钻入。可是这种现有的冲击钻头的轴向刀配置于切割元件之前。因此这种现有的冲击钻头在旋转切割刀的直接前方或附近没有流动通道，但有对向旋转切割刀的固定高压喷管或喷口。在旋转切割刀之前没有流动通道，不足以排除岩屑，而轴向切割元件因为配置于旋转切割刀之前甚至会促使不希望发生的钻头团聚发生，因为旋转切割刀之前正是旋转切割刀把岩屑推到的地方。
在一个优选实施例中，轴向刀与旋转切割刀配置于同一叶片上。因此，冲击钻头坚固而又稳定。
在特别优选的实施例中，轴向刀之后就是下一个流动通道，优选地，没有被一把或多把旋转切割刀把轴向刀与所述下一个流动通道隔开。这样，可能在第一叶片的径向刀之下开始形成的钻头团聚就会被其后相邻的流动通道的液体清洗掉，所述其后相邻的流动通道与下一叶片的旋转切割刀相关。
与旋转切割刀数目相对的径相刀的数目可以根据要钻的地层的种类而最佳化。含诸如花岗岩之类的比较硬的岩石的地层可以用旋转切割刀比较少但刀的总数比较多的钻头钻，因此，冲击分布于比较多的轴向刀上。诸如石灰石或砂石之类的比较软的地层，最好用旋转切割刀比较多的钻头钻，因为冲击力比较小，发生钻头团聚的概率高。
钻硬一些的地层，优选地，要用径向刀比旋转切割刀多的实施例。
本发明还提供在地层内钻井眼的钻井系统，所述钻井系统包括安装了上述冲击钻头的钻柱，此钻井系统还包括—第一驱动装置，用于使钻头在井眼内旋转从而引起旋转切割刀沿井眼底的刮削运动；—第二驱动装置，用于引起钻头在井眼内的纵向往复运动从而至少引起轴向刀对井眼底施加冲击力。
在优选实施例中，一个或数个旋转切割刀有平行于纵轴线垂直面的预切平的冲击面。尽管安装了承受轴向冲击力的轴向刀，可是旋转切割刀承受部分冲击力也是不可避免的。旋转切割刀上的冲击应力集中由于预切平的冲击面而减小。因此，有预切平的冲击面的旋转切割刀不会像没有预切平的冲击面的旋转切割刀的旋转切割刀那样快地断裂。现已得知自然磨平不足以平到能有效地减小冲击应力集中。
现已发现配备有预切平的冲击面的的钻头或钻井系统能减少钻井系统内的粘滑扭转振动模式，使得钻头被锤冲击卡到地层内而停止不动，同时钻柱则被地面的旋转驱动装置拧转直到钻柱因为旋转速度较高而被突然解脱。这种粘滑扭转振动会间歇地发生，与粘滑扭转振动结合的高速旋转可能严重损坏钻头上的刀具。
本发明的方法包括的步骤有设置根据上面说明的实施例之一的钻井系统；把钻头放到要钻的地下地层上；使钻头绕轴线旋转同时对钻头保持沿轴向对向地层的轴向力；间歇地对钻头提供冲击。
图1a是根据本发明的6”的3叶片冲击钻头的透视图。
图1b是图1a所示冲击钻头的钻头面的顶视图。
图2a是本发明另一实施例的6”的4叶片冲击钻头的透视图。
图2b是图2a所示冲击钻头的钻头面的顶视图。
图3是根据本发明再一实施例有8个叶片的8”钻头面的顶视图。
图4是刀具结构的示意横断面图。
图5示意地显示具有预切平冲击面的各种切割刀。
各图中，相同的零件用相同的标号标记。
具体实施例方式
现在参照附图以举例的方法说明本发明。
图1a内示出的是根据本发明的3叶片冲击钻头的透视图。所述钻头有围绕钻头中央纵轴线纵向延伸的杆部1，所述杆部特别适合装在钻柱内。所述杆部分的后端连结一个冲击面2，以承受冲击锤的冲击，优选地，所述锤是往复式活塞锤(未显示)。所述杆部的前端连结于钻头3。杆部1设有多个键4，所述键实质上沿连结部分1纵向延伸。所述键4起旋转地连结钻柱和杆部1的作用，从而钻头的运行既可以轴向冲击运动又可以围绕中央纵轴线作旋转运动。
现在参看图1a和1b，钻头3有从其上突起的3个叶片61、62和63。在叶片61、62、63之间是相对于叶片的凹进区域，从而形成流动通道71、72、73。所述流动通道71、72、73实质上沿钻头3径向延伸。
钻头3内有供钻井液通过的中央通道8。除了中央通道8之外还可以在叶片61、62、63之间的流动通道71、72、73内有通道81、82、83，或者，只有通道81、82、83而没有中央通道8。所有这些通道都连结于穿过杆部1的中央纵向孔(未显示)。
钻柱在钻油气井作业中通常顺时钟方向旋转。图1a和图1b中的箭头5显示作业中施加给钻头的旋转方向。
因此，叶片61、62、63相对于旋转运动5各有前缘91、92、93。叶片61、62、63各自的前缘91、92、93上都有一排旋转切割刀9。每排旋转切割刀9都在其与旋转运动5相对的前方有一个流动通道直接与之相关联。旋转切割刀9具有沿井眼底刮削的最佳形状，从而能从井眼底上刮出地层块。
在各排切割刀9的后面，因此在叶片61、62、63的相对于各排割刀9的后面位置上有轴向刀10、11。所述轴向刀10、11具有在轴向弯入井眼底部的最佳形状，从而能使地层破碎。
叶片61、62、63的外周部分可以安装保径器12，优选地，给保径器12涂覆有PDC涂层。
图2a是本发明具有4个叶片6及4个相应的流动通道7的钻头变型的透视图，图2b则是其顶视图。在其它方面，此变型与图1a和图1b所示之变型相同。具体地说，叶片前缘上的各排旋转切割刀9的位置和与各排旋转切割刀9相对的后面位置上的轴向刀10、11的位置与所述第一实施例相同。
上述图1a、1b和图2a、2b中的冲击钻头外周直径是6英寸，相当大约15厘米。图3内中示出的是8英寸(相当大约20厘米的外直径)的实施例。此实施例是基于8个叶片6和相应数量的流动通道7的。各个流动通道7都有一个通道81，使钻井液能进入各自的流动通道。因为图3内的这个钻头面的直径大于图1和图2所示的钻头面的直径，所以可以多容纳一些旋转切割刀9和轴向刀10、11。
在图2a、2b和图3所示的上述冲击钻头内，第一排内的各旋转切割刀的径向位置和另一叶片上的第二排内的各旋转切割刀的径向位置互不相同。这样，在旋转时一排里相邻旋转切割刀之间的间隔为后面排内的旋转切割刀所覆盖。理想的是旋转切割刀总体的圆周轨迹略有重叠，从而在井眼底的大部分区域提供连续的切割带。
图4是从正切的横断面上看的旋转切割刀分布示意图。能够看到叶片6及其前缘91。在所述前缘91或邻近它的位置有旋转切割刀9，切割地层13并把切割屑20刮入流动通道71内。轴向刀10相对于旋转运动方向5位于所述旋转切割刀9的后面。
旋转切割刀9有硬材料制造的旋转切割刀体14，碳化钨适合作这种硬材料。面向相关的流动通道71的前刀面上涂覆多晶金刚石层15。这种具有聚晶金刚石切割面的旋转切割刀叫做多晶金刚石成形刀，即，PDC刀。所述旋转切割刀除了所述前刀面外还有预切的平冲击面19，此面实质上垂直于钻头的中央纵轴线而平行于井眼底的地层表面13延伸。
轴向刀10是由轴向刀体16形成的，该轴向刀体至少在一侧有半球形或拱顶形切割面17。此刀用硬材料制造，碳化钨适合作这种硬材料。可选择地，轴向刀也可以设有一层多晶金刚石，从而形成PDC轴向刀。
为了保护旋转切割刀9防止完全暴露到受冲击，旋转切割刀9在安装上可以相对于轴向刀10、11缩进一些，从而轴向刀10、11先于旋转切割刀9冲击井眼底地层13的岩石。理想的是在轴向刀10、11刚要切入新碰到的地层13的岩石时，这种缩进安装使旋转切割刀9升起在岩石之上方，该高度相当于缩进安装的量。冲击随后结束时，旋转切割刀9最后切入的深度比轴向刀10、11切入的深度浅，其量相当于缩进安装的量。不管缩进安装的量是多大都对延长旋转切割刀的工作寿命有利，但建议的缩进安装量至少为0.25毫米，而优选地则至少为0.50毫米。
在图1a、1b、图2a、2b和图3所示之实施例中，最外面的轴向刀11是PDC轴向刀，其它轴向刀10是碳化钨轴向刀。因此，在这些钻头面上，最外面的轴向刀11比其余的轴向刀10硬一些和/或抗磨一些。
旋转切割刀9是PDC刀。图5示意地显示这些旋转切割刀的预切的平冲击面19的各种预切深度规定为1毫米、2毫米和3毫米。所述预切深度相当于预切平冲击面19与顶点18之间的垂直距离，所述顶点是旋转切割刀体外壳和所述前刀面的交会点。例如，这些旋转切割刀的后倾角各为40度，但任何小于90度的角均可使用。
可以看出预切的平冲击面的面积随预切深度的增加而增加。优选地，预切深度在1和3毫米之间。
在运行中，冲击钻头安装于钻井系统内，因此所述冲击钻头被钻柱固定。所述钻井系统还包括—第一驱动装置，用于使钻头在井眼内旋转从而引起所述旋转切割刀沿井眼底的刮削运动；—第二驱动装置，用于使钻头在井眼内纵向往复运动从而至少引起轴向刀对井眼底施加冲击力，所述第一和第二驱动装置同时工作。第二驱动装置优选地由锤形成，更优选地为往复式活塞锤。在钻探作业中，泵送钻井液穿过钻柱，钻柱与通道8、81、82、83流体连通。适合用作钻井液的有泥浆、水、油或泡沫，可以根据所钻地层的不同种类而用不同的钻井液。
正如从图4内可以见到的那样，轴向刀10、11和旋转切割刀9都与地层13接触，从而冲击力分布于尽可能多的刀具。因此，刀具的工作寿命也就尽可能长。为了减少冲击应力集中对旋转切割刀的作用，如上所述在各旋转切割刀上设置预切的平冲击面。所述预切的平冲击面，也可以看作预切的防磨平面，对减少钻井系统内激发所谓的粘滑扭转振动的倾向有益。
刀下的地层13由于轴向冲击而破碎。旋转切割刀9随着钻头旋转而刮削井眼底表面并从切屑和钻井液中聚集岩粉和碎片。这些聚集的岩粉和碎片被推到旋转切割刀9的前面，这里有钻井液沿径向向外方向流的流动通道7。刮削下的屑料从这里被冲到井眼的环状套筒并从井眼底部移走。
为了进一步帮助把刮削下的屑料经各流动通道冲走，各旋转切割刀的所述前刀面可以有相对于钻头径向的第二倾斜面，所述第二倾斜面使得旋转切割刀的所述前刀面能把从岩层切割下的岩屑沿径向的外方向推或沿径向向内方向推。
适合上述钻头运转的典型条件包括加在钻头上的重量在3到6公吨之间。每次冲击施加在钻头上的冲击能量可以在0.3千焦耳与5千焦耳之间。一般地说，钻井系统可以在9和30赫兹之间的冲击频率下用10与50千瓦之间的冲击能量工作。
例如，上述冲击钻头的外直径是6英寸和8英寸。可以理解，也可以用类似的方式使用其它直径。同样，本发明也不限于使用所述数目的叶片。可以安装任何数量的叶片。
权利要求
1 一种钻入地下地层的冲击钻头，所述的冲击钻头有中央纵轴线，并可以用沿所述轴线实施轴向冲击运动又绕所述轴线旋转运动的方式运行，这种钻头包括—多个从钻头突起的叶片；—多个基本沿钻头径向延伸的流动通道，顺序的流动通道制造于相邻的两个叶片之间；—多个旋转切割刀，所述旋转切割刀相对旋转方向成排地安装在或靠近于至少一个叶片的前缘，靠近与之相关的流动通道之后，所述流动通道用于液体流过，借此把聚集于成排的旋转切割刀前面的岩屑清除掉；除了这种旋转切割刀之外还有—多个轴向刀，这些轴向刀的位置相对旋转方向在成排的旋转切割刀和与之有关的流动通道之后。
2 按照权利要求1的冲击钻头，其特征在于所述轴向刀安装于相对于旋转方向的后一个相邻的流动通道之前。
3 按照权利要求2的冲击钻头，其特征在于所述后一个相邻的流动通道与第二排旋转切割刀有关，所述第二排旋转切割刀安装于所述至少一个叶片后面的叶片的前缘上。
4 按照权利要求1的冲击钻头，其特征在于所述轴向刀与所述旋转切割刀位于同一个叶片上。
5 按照前面权利要求中任一项的冲击钻头，其特征在于所述轴向刀的切割面是圆拱形的或实质上是半球形的。
6 按照前面权利要求中任一项的冲击钻头，其特征在于所述轴向刀实质上是用碳化钨制造的。
7 按照权利要求6的冲击钻头，其特征在于所述轴向刀有多晶金刚石外层。
8 按照前面权利要求中任一项的冲击钻头，其特征在于轴向刀比旋转切割刀多。
9 按照前面权利要求中任一项的冲击钻头，其特征在于安装的轴向刀的数目与旋转切割刀的数目之比至少为3∶2。
10 按照前面权利要求中任一项的冲击钻头，其特征在于所述第一排内的旋转切割刀与另一叶片上的所述第二排内的旋转切割刀在径向位置上互不相同。
11 按照前面权利要求中任一项的冲击钻头，其特征在于所述旋转切割刀有面向与之相关的流动通道后倾角小于90度的前刀面，所述后倾角定义为位于钻头的所述中央纵轴线和旋转运动的切线方向限定的平面上的垂直于所述前刀面的投影与垂直于所述纵轴线的平面之间的夹角。
12 按照前面权利要求中任一项的冲击钻头，其特征在于一个或多个所述旋转切割刀有实质上平行于与所述中央纵轴线垂直的面的预切的平冲击面。
13 一种在地层内钻井眼的钻井系统，包括安装了根据前面权利要求中任一项的冲击钻头的钻柱，所述钻井系统还包括—第一驱动装置，用于使钻头在井眼内旋转从而引起旋转切割刀沿井眼底刮削的运动；—第二驱动装置，用于引起钻头在井眼内的纵向往复运动从而至少引起轴向刀对井眼底施加冲击力。
14 一种在地下地层钻井眼的方法，包括以下步骤设置根据权利要求13的钻井系统；把钻头放到要钻的地下地层上；使钻头绕轴线旋转同时对钻头保持沿轴向对向地层的轴向力；间歇地对钻头提供冲击。
全文摘要
一种钻入地下地层的冲击钻头。所述的冲击钻头有中央纵轴线，并可以用沿所述轴线实施轴向冲击运动又绕所述轴线旋转运动的方式运行。所述钻头包括多个从钻头突起的叶片(61、62、63)；多个基本沿钻头径向延伸的流动通道(71、72、73)，顺序的流动通道制造于相邻的两个叶片之间；多个旋转切割刀(9)，所述旋转切割刀相对旋转方向成排地安装在或靠近于至少一个叶片的前缘，靠近与之相关的流动通道，所述流动通道用于液体流过，借此把聚集于成排的旋转切割刀前面的岩屑清除掉；除了这种旋转切割刀之外还有多个轴向刀(10、11)，这些轴向刀的位置在相对旋转方向成排的旋转切割刀和与之有关的流动通道之后。
文档编号E21B10/38GK1795318SQ200480014428
公开日2006年6月28日 申请日期2004年5月25日 优先权日2003年5月26日
发明者A·M·G·L·克鲁兹 申请人:国际壳牌研究有限公司