专利名称：对卡塞的阀件进行重新穿孔的钻头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对卡塞的岡件进行重新穿孔或对井下地层
(formation)进行钻孔的钻头。本发明还涉及一种包括该钻头和一驱动单 元的钻具； 一种包括该钻具和一用于在井下移动该钻具的驱动工具的钻孔 系统；以及一种该钻头的用途。
背景技术：
当在地下地层内钻井时，需要使用钻具。但是，也可以对已有的井进 行钻孔，以对卡塞的阀件进行重新穿孔或取出地层样本。
US 2,643,858公开了一种用于取出样本的钻具。为了该目的，该钻具 设置有提升指，该提升指被降低，以在样本被切下来后与该样本接合。所 公开的这种钻具具有用于取出样本的非常复杂的设计，在钻孔操作期间， 臂可能会折断或被卡住。
有时，关闭一段时间的井下阀件由于腐蚀等被卡塞，从而不能使用常 用的设备再打开。在这种情况下，对卡塞的阀件进行重新穿孔是唯一的解 决方案。当对卡塞的阀件进行重新穿孔时，钻头刃(drilling bit)倾向于在 贴靠表面上滑动，尤其是如果该阀件是球阀时。
发明内容
本发明的一个方面是，至少部分地克服上述钻具的缺点，提供一种改 进的钻头并因此提供一种改进的钻具，该钻具能够对卡塞的阀件进行重新 穿孔或从地层上切下一块。
这方面和从以下描述显而易见的优点由以下这种井下钻头获得该钻头用于安装在钻具上，该钻具用于对卡塞的阀件进行重新穿孔或对井下地
层进行钻孔，所述钻头包括
-孔锯，该孔锯具有筒状体部，该筒状体部具有周向边沿和穿过该筒 状体部的中心的纵向轴线，以及
-钻头刃，该钻头刃沿所述纵向轴线延伸并穿过所述筒状体部的中心， 其中，所述周向边沿具有至少一个切割边缘，所述切割边缘转动，以
从卡塞的阀件或地层上切下一块。
此外，所述钻头刃可以具有可退回的突出部34:当在所述阀件内钻孔
时，所述突出部在所述切割边缘切下来的所述块经过所述突出部时退回，
所述突出部随后返回其突出位置，从而当钻孔过程结束时所述块与所述钻
头刃一同返回。
当所述钻头刃具有可退回的突出部时，被切下来的所述块被挤在所迷 突出部上，并且所述突出部退回，以允许所述块通过所述突出部。钻孔动 力一一即，钻压(WOB)— —使得所述块将所述突出部挤入退回位置。当 钻孔过程结束时，所述块已经滑动通过所述突出部，所述突出部返回其未 退回位置。因此，由于当钻孔过程结束时可退回的突出部将所述块保持在 所述孔锯内，从而所述块与所述钻头一同返回，所以可防止所述块从所述 钻头刃上滑下来。由于WOB仅帮助所述块滑到所述突出部上，因此所述 块不能够再将所述突出部挤入退回位置。
在另一实施例中，所述至少一个切割边缘可以至少部分地向所述筒状 体部的所述纵向轴线倾斜。从而，当钻入阀件内时释放出来的细屑被收集 在所述孔锯内。
此外，所述周向边沿具有至少三个沿所述周向边沿分布的切割边缘， 优选至少四个切割边缘，更优选至少六个切割边缘，尤其优选至少八个切 割边缘。
在一个实施例中，所述筒状体部可以是至少部分中空的，以便接纳正 被切下来的所述块，所述筒状体部具有周向壁。
在另一实施例中，所述切割边缘可以相对于所述筒状体部的所述周向壁以5。-60°的角度至少部分地向所述筒状体部的纵向轴线倾斜。
此外，所迷切割边缘可以至少部分地向所述筒状体部的所述纵向轴线 倾斜，使得所述筒状体部的直径(D)在所述切割边缘的末端处减小至少 2%，从而形成末端直径(d)。
此外，可退回的突出部可以具有倾斜的表面，以便在钻孔期间所述块 能够滑动到所述突出部上。
此外，可退回的突出部可以退回到所述钻头刃的纵向轴内的凹部内。
有利地，可退回的突出部可以是具有槽口的部分沿周向的挡圏的一部 分，所述挡圏部分地环绕所述钻头刃的纵向轴，从而通过将所述挡圈的一 端挤压向另一端而使所述突出部退回，由此使槽口缩小。
在另一实施例中，可退回的突出部是围绕钻头刃的纵向轴的挡圈的一 部分，其中，钻头刃的纵向轴在突出部外侧具有一凹部，挡圏的突出部可 以退回该凹部，所述挡圈开有槽，使得当突出部蜂皮挤入轴的凹部内时，所 述槽减小并且所迷突出部可以进入轴的凹部。
在一个实施例中，可退回的突出部由于挡圏的刚度被迫返回其未退回 位置。但是，在另一实施例中，可退回的突出部通过位于所述轴的凹部内 的弹黃被迫返回其未退回位置。
此外，所述切割边缘可以构成所述周向边沿的大于5%,优选大于 10%，更优选大于25%。
在一个实施例中，所述筒状体部可以具有一内侧，当所述块被切下来 时，所述内侧贴靠在所述块的周向边缘上。
在另一实施例中，所述筒状体部可以具有与所述切割边缘相对的封闭。
在又一实施例中，所述周向边沿可以具有多个切割边缘。 本发明还涉及一种用于在井下的地层等内钻孔的钻具，包括
-具有至少一个钻头刃的钻头，以及
-用于驱动所述钻头的驱动单元，
其中，所述钻头设置在与所述驱动单元相连接的轴上；所述钻具还包括设置在所述轴上的引导件，该引导件用于在一弯曲部的中心内一一例如， 在井下球阀的球形壳体内一一引导所述钻头刃。
当在井下钻孔以对卡塞的阀件例如球阀进行重新穿孔时，钻头刃具有 在球形表面上滑动的倾向，从而不能钻通所述阀件。当具有引导件例如筒 状引导件时，所述引导件能够将所述钻具紧固在所述球阀的内侧，使得钻 头相对于所述卡塞的阀件紧固，从而能够钻通所述阀件。
在一个实施例中，引导件可以可移动地连接到所述钻头上，以便在钻 孔期间所述钻头可相对于所述引导件平移。
在另一实施例中，引导件可以具有筒状环绕壁，当在钻孔前孔锯处于 其初始位置时，所述壁包围所述孔锯。
在又一实施例.中，所述引导件的筒状壁可以具有至少一个槽。
此外，钻头可以是根据上述实施例中任一个的钻头。
此夕卜，本发明涉及一种用于对井下的卡塞的阀件进行重新穿孔的方法，
包括以下步骤
-在所述井下阀件的外侧定位钻头，
-通过使用钻头刃刺穿所迷阀件而使用上述的钻头钻孔，其中，所述 钻头处于第一位置；随后使用处于所述第一位置周向的孔锯刺穿所迷阀件， 以便从所述卡塞的阀件上切下一阀块，
-在钻孔的同时将切屑收集在所述孔锯内，
-退回所述钻头和被所述钻头刃保持在所述孔锯内的所述阀块。 此外，本发明涉及一种上述井下钻头用于对卡塞的阀件进行重新穿孔、 对井下地层进行钻孔或取出井下地层样本的用途。
最后，本发明涉及一种用于井下钻孔的钻孔系统，包括
-上述钻具中的任一个，以及
-例如井下牵引器的用于在井内移动所迷钻具的驱动工具。
下面参照附图对本发明进行详细解释，其中:图l示出根据本发明的钻具； 图2示出钻头的一个实施例； 图3示出钻头的另一实施例； 图4示出钻头的又一实施例；
图5a-5d示出图1的钻具的局部视图，示出在钻孔之前、钻孔过程中 以及钻孔之后的钻头；以及
图6示出带有倾斜切割边缘的孔锯。 这些图仅是示意性的，用于示例性目的。
具体实施例方式
如图1所示，根据本发明的井下钻具1包括井下钻头2和驱动单元9。 井下钻头2由驱动单元9以一定的速度和一定的钻压(WOB )旋转地驱动， ^f吏得在钻孔过程中钻头刃10和30朝向例如地层36或阀件35的纵向位移 保持稳定。
在如图1所示的实施例中，井下钻头2具有设置在孔锯28中间的细长 的钻头刃30。孔锯28具有筒状的且至少部分中空的体部，该筒状体部具 有周向边沿29和穿过该筒状体部的中心的纵向轴线。纵向轴线以点线示 出。
在另一实施例中，周向边沿29上设置有多个切割边缘31,使得钻孔 过程比当仅使用一个切割边缘31时更有效率，在另一实施例中可能仅使用 一个切割边缘31。
如图1所示，井下钻头2设置在与驱动单元9相连接的轴32上。钻具 还包括设置在轴32上的引导件33，该引导件33可移动地连接到井下钻头 2上，以便在钻孔期间钻头2可相对于引导件33平移。
此处示出引导件33是环绕孔锯28的筒状壁。该筒状引导件33的周向 边缘能够在弯曲部分内 一一例如，在井下球阀35的球形壳体内一一引导孔 锯28。这样，钻头刃30被迫贴靠在球阀35的弯曲的内壁上，并且钻头刃 30能够钻通该球阀35，以便对该球阀35进行重新穿孔。在另一实施例中，引导件33仅是在钻头刃30各侧上的两个销。引导件也可以是带槽的筒状壁，使得该引导件33具有一点弹性，以便配合在需要被切掉的岡件35、地层36等中。
钻头刃30钻入阀件中，切割边缘31在围绕钻头刃30的周向切割部处从阀件35或地层36上切下一块37。在钻头刃30钻通该块37时，该块37紧固在钻头刃30上，在钻孔过程结束后，钻头2连同在其内部的被切下来的块37返回其初始位置。
孔锯28是中空的并具有与切割边缘31相对的封闭端，从而形成空腔，从地层或卡塞的阀件35上切下来的块37可以被接纳在该空腔内。该空腔允许钻孔过程产生的所有细屑被收集起来，并且允许当切下来的块37将从孔锯28上释放出来时所述细屑被送到地面上。
钻头刃30沿纵向轴线延伸并穿过筒状体部的中心。周向边沿29具有两个向筒状体部的纵向轴线倾斜的切割边缘31。如图6所示，切割边缘31相对于孔锯28的周向壁以大约45°的角度a向纵向轴线倾斜。在另一实施例中，角度a可以在5。和80°之间变化，例如在15。和55°之间。
由于周向边沿29向纵向轴线倾斜，所以孔锯28的直径D在切割边缘的末端处减小为末端直径d。直径D减小2。/。至20。/。，例如5%至10%。
由于使用向孔锯28的纵向轴线倾斜的切割边缘31，所以钻孔过程中产生的细屑被引导到孔锯28的空腔内。此外，从地层36或卡塞的阀件35上切下来的块37会在封闭端处封闭在中空体部内产生的空腔。因此，细屑能被安全地运送到地面上，并且不再需要去除该细屑的第二过程。
为了更有效地收集从阀件或地层上切下来的细屑或块，切割边缘的倾斜部分可以构成周向边沿的圃周的大于5%，优选大于10%，更优选大于25%。这样，当钻头在钻孔操作结束后退回时，被切下来的阀块会更成功地退回到钻头内。
在图1和图5a-5d中，钻头刃30上设置有可退回的突出部34,以便当钻头2返回其初始位置时块37可以被进一步紧固。当切割边缘31切下来的块37被迫经过突出部34进入钻头2的空腔内时，突出部34退回钻头刃30的纵向轴内的凹部内；当突出部34随后返回其突出位置时，所述块37保持在该空腔内。
突出部34可以包括各种可退回装置，例如弹簧，并且由于突出部34的斜坡形设计，块37可滑动到突出部34上并滑过该突出部34。通过滑动到突出部34上，块37将突出部34挤入退回位置，当块37已经经过(突出部34)时，弹簧装置迫使突出部34再次返回。
在另一实施例中，可退回的突出部34是围绕钻头刃的纵向轴的挡圏的一部分。纵向轴在突出部外侧具有凹部，挡圏的突出部可以退回到该凹部内。挡圏沿挡圏的纵向延伸范围开有槽，在挡圏的中间存在槽口。当突出部孚皮挤压以退回到轴的凹部内时，突出部因此可以进入轴的凹部。
在又一实施例中，可退回的突出部34是沿挡圏的纵向延伸范围具有槽口的挡圈的一部分，从而通过朝向彼此挤压挡圏的端部由此减小槽口，可以将挡圈调节为具有较小直径。
纵向轴内的凹部沿轴的纵向轴线可以具有各种截面形状，例如正方形、梯形、半圆形等。
在图5a中，示出图l的钻头2处于其第一位置，在该位置处，引导件33已经引导钻头2进入位于卡塞的阀件35的弯曲的内表面处的钻孔位置。在图5b中，钻头刃30已经钻通卡塞的阀件35，而引导件33保持其贴靠在球阀35的内表面上的位置。这样，钻头刃30已经相对于引导件33沿纵向移动了。在图5c中，块37已经经过钻头刃30的突出部34,并且已经迫使突出部34退回。随后，在图5d所示的钻孔过程结束后，钻头2退回其初始位置。当钻头2退回时，块37也退回。块37的周向边缘贴靠在孔锯28的筒状壁的内侧，由此孔锯28的筒状壁的内侧与孔锯28的封闭端共同形成空腔。由于切割边缘31的倾斜设计，当块37退回时，释放下来的细屑被迫进入阀件35的弯曲的表面内和孔锯28的空腔内。从而，细屑被收集在所述空腔内，不需要从井内清理掉这种细屑的后续清洁步骤。
根据本发明，钻头2可以是任何类型的钻头。图2-4示出一些其它例子。在图2所示的实施例中，钻头2具有三个钻头刃10的排列体16，排
i列体16设置在其上的钻头2转动，以使钻头刃IO从地层上切割下细屑。在图3所示的另一实施例中，钻头2具有三个带有若干钻头刃10的轮17，在钻孔过程中轮17相对于彼此转动。在图4所示的钻头2的又一实施例中，钻头2具有两个带有多个钻头刃10的臂14，臂14在钻孔时转动。
驱动单元9是用于驱动钻头2的电动机。该电动机具有用于驱动钻头2的轴32。轴32通过齿轮连接部12连接到钻头2上。这样， 一个钻头2可以用另一钻头2替换。
为了提高钻孔效率，可以在钻头2内设置开口，从而能喷射出流体，以使细屑从岩层上剥离下来并将细屑从钻头2上冲洗下来。
为了喷射流体，钻具l可以包括泵，该泵可以是任何类型的合适的泵。在该实施例中，泵是是单级离心泵，但在另一实施例中，泵可以是多级离心泵、喷射泵或活塞泵。
在钻具1没有一直浸在套管里的情况下，可以使用井下牵引器来推动钻具1,直到钻具位于井内的合适位置。井下牵引器是任何类型的能够在井下推动或4立动钻具的驱动工具，例如Well Tractor 。
权利要求
1.一种井下钻头(2)，该井下钻头用于安装在钻具上，以对卡塞的阀件进行重新穿孔或对井下地层进行钻孔，所述井下钻头包括-孔锯(28)，该孔锯具有筒状体部，该筒状体部具有周向边沿(29)和穿过该筒状体部的中心的纵向轴线，以及-钻头刃(30)，该钻头刃沿所述纵向轴线延伸并穿过所述筒状体部的中心，其中，所述周向边沿(29)具有至少一个切割边缘(31)，所述切割边缘至少部分地向所述筒状体部的所述纵向轴线倾斜；所述切割边缘可转动，以从卡塞的阀件或地层上切下一块(37)；所述切割边缘至少部分地向所述筒状体部的所述纵向轴线倾斜，使得所述筒状体部的内径(D)在所述切割边缘的末端处减小至少2％，从而形成末端直径(d)。
2. 根据权利要求1的井下钻头，其特征在于，所述钻头刃具有可退 回的突出部(34);当在所述阀件内钻孔时，所述突出部在所述切割边缘 切下来的所述块经过所述突出部时退回，所述突出部随后返回其突出位置， 从而当钻孔过程结束时所述块与所述钻头刃一同返回。
3. —种井下钻头(2),该井下钻头用于安装在钻具上，以对卡塞的 阀件进行重新穿孔或对井下地层进行钻孔，所述井下钻头包括-孔锯(28)，该孔锯具有筒状体部，该筒状体部具有周向边沿(29) 和穿过该筒状体部的中心的纵向轴线，以及-钻头刃(30)，该钻头刃沿所述纵向轴线延伸并穿过所述筒状体部 的中心，其中，所述周向边沿(29)具有至少一个切割边缘(31)，所述切割 边缘可转动，以从卡塞的阀件或地层上切下一块(37);所述钻头刃具有可退回的突出部(34);当在所述阀件内钻孔时，所 述突出部在所述切割边缘切下来的所述块经过所述突出部时退回，所述突 出部随后返回其突出位置，从而当钻孔过程结束时所述块与所述钻头刃一同返回。
4. 根据权利要求3的井下钻头，其特征在于，所述可退回的突出部 具有倾斜的表面(27)，以便在钻孔期间所述块能够滑动到所述突出部上。
5. 根据权利要求3或4的井下钻头，其特征在于，所述可退回的突 出部退回到所述钻头刃的纵向轴内的凹部内。
6. 根据前述权利要求中任一项的井下钻头，其特征在于，所述周向 边沿具有至少三个沿所述周向边沿分布的切割边缘，优选至少四个切割边 缘，更优选至少六个切割边缘，尤其优选至少八个切割边缘。
7. 根据前述权利要求中任一项的井下钻头，其特征在于，所述切割 边缘构成所述周向边沿的大于5%,优选大于10%，更优选大于25%。
8. —种用于在井下地层等内钻孔的钻具，包括 -根据权利要求l-7中任一项的具有至少一个钻头刃的钻头(2)，以及-用于驱动所述钻头的驱动单元(9)，其中，所述钻头设置在与所述驱动单元(9)相连接的轴(32)上；所 述钻具还包括设置在所述轴上的引导件(33)，该引导件用于在弯曲部的 中心内一一例如，在井下球阀的球形壳体内一一引导所述钻头刃。
9. 根据权利要求8的钻具，其特征在于，所述引导件可移动地连接 到所述钻头上，以便在钻孔期间所述钻头可相对于所述引导件平移。
10. 根据权利要求8或9的钻具，其特征在于，所述引导件(33)具有 筒状环绕壁，当在钻孔前孔锯处于其初始位置时，所述壁包围所述孔锯。
11. 根据权利要求8-10中任一项的钻具，其特征在于，所述引导件(33 ) 的筒状壁具有至少一个槽。
12. —种用于井下钻孔的钻孔系统，包括 -根据权利要求8-11中任一项的钻具，以及 -例如井下牵引器的用于在井内移动所述钻具的驱动工具。
13. —种用于对井下的卡塞的阀件进行重新穿孔的方法，包括以下步-在所述井下阀件的外侧定位钻头，-通过使用钻头刃刺穿所述阀件而使用根据权利要求1-7中任一项的 钻头钻孔，其中，在所述钻头处于第一位置；随后使用处于所述第一位置 周向的孔锯刺穿所述阀件，以便从所述卡塞的阀件上切下一阀块，-在钻孔的同时将切屑收集在所述孔锯内，-退回所述钻头和被所述钻头刃保持在所述孔锯内的所述阀块。
14. 一种根据权利要求1-7中任一项的井下钻头用于对卡塞的阀件进 行重新穿孔、对井下地层进行钻孔或取出井下地层样本的用途。
全文摘要
本发明涉及一种用于对卡塞的阀件(35)进行重新穿孔或对井下地层(36)进行钻孔的钻头(2)。本发明还涉及一种包括该钻头和一驱动单元(9)的钻具(1)。该钻头在钻头刃旁边包括一孔锯(28)，用于从卡塞的阀件上切下一块(37)。此外，本发明涉及一种包括该钻具和一用于在井下移动该钻具的驱动工具的钻孔系统；一种钻孔方法；以及一种该钻头的用途。
文档编号E21B11/00GK101657603SQ200880006544
公开日2010年2月24日 申请日期2008年2月28日 优先权日2007年2月28日
发明者J·哈伦德贝克, S·K·延森, T·S·安诺生 申请人:韦尔泰克公司