具有改善的切削件侧倾角布置方式的钻地工具的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及用于使用旋转主体上的固定切削件钻进地层的钻头、扩孔钻和类似井下工具。
【背景技术】
[0002]用于在钻探石油井和天然气井时在地下岩层中钻出或形成孔的旋转刮刀钻头、扩孔钻和类似井下工具通过旋转工具主体抵靠地层拖动分立切削结构，该分立切削结构采用称为“切削件”的切削元件，该切削元件安装在工具主体上的固定位置中。工具的旋转使切削件能够通过剪切作用使地层破裂，从而导致形成小碎肩，然后利用通过工具主体中小心放置的喷嘴泵送的钻井液将所述小碎肩以液压方式排空。
[0003]通常在石油和天然气勘探行业中称为PDC钻头的一种这类固定切削件钻地工具采用固定切削件，该固定切削件具有由聚晶金刚石复合片(roc)或类似的高度耐磨材料构成的高度耐磨切削或磨损表面。PDC切削件通常通过在抗侵蚀基体上形成聚晶金刚石(PCD)层而制成，该聚晶金刚石层有时称为冠部或金刚石平面。PDC磨损表面由表现出金刚石与金刚石间粘结的烧结聚晶金刚石(天然的或合成的)构成。聚晶立方氮化硼、纤维锌矿型氮化硼、聚合金刚石纳米管(ADN)或其他硬质晶体材料是已知的替代物，并且可在一些钻井应用中使用。复合片通过下述步骤制成:将粉末形式的金刚石粗粒材料与一种或多种粉末状金属催化剂以及其他材料混合，从而使混合物形成复合片，然后通常将其与碳化钨基体一起使用高热和高压下或通过微波加热进行烧结。出于下文的说明目的，聚晶立方氮化硼、纤维锌矿型氮化硼、ADN和类似材料的烧结复合片等同于聚晶金刚石复合片，因此，除非另外明确指明或上下文不允许，否则在具体描述中对“roc”的提及都应视为对聚晶金刚石、立方氮化硼、纤维锌矿型氮化硼和其他高度耐磨材料的烧结复合片的提及。对“roc”的提及还旨在涵盖这些材料与可能会用于改善其性能和切削特性的其他材料或结构元素的烧结复合片。此外，PDC还涵盖热稳定的变体，其中金属催化剂已在烧结后被部分或完全移除。
[0004]用于支承PDC磨损表面或层的基体通常至少部分地由硬质金属碳化物制成，其中碳化钨是最常见的。硬质金属碳化物基体是通过将粉末状金属碳化物与金属合金粘结剂一起烧结而形成。roc和基体的复合物可以通过多种不同方式制成。例如，该复合物还可包括过渡层，其中将金属碳化物和金刚石与用于提高PCD与基体之间的粘结并减小PCD与基体之间的应力的其他元素混合。
[0005]每个PDC切削件被制造为独立于钻头的分立件。由于用于制造这些切削件的方法，PCD层和基体通常具有圆柱形形状，其中相对较薄的PCD盘粘结到较高或较长的基体材料圆柱体上。可对所得复合物进行加工或铣削以改变其形状。然而，PCD层和基体通常以其制成的圆柱体形式使用。
[0006]固定切削件以预定模式或布局安装在钻地工具主体的外部上。此外，根据具体应用，切削件通常沿若干刀翼中的每一个排列，所述刀翼由钻地工具主体上形成的突脊构成。在PDC钻头中，例如，刀翼通常以径向方式围绕钻头的中心轴线(旋转轴线)排列。这些刀翼通常、但并不总是沿与钻头旋转方向相对的方向弯曲。
[0007]当具有固定切削件的钻地工具旋转时，切削件向地层共同呈现一个或多个预定切削剖面，从而剪切地层。切削剖面由切削件中的每一个的位置和取向来限定，该切削件在旋转穿过从钻地工具的向外旋转轴线延伸出的平面时与该位置和取向相关联。切削件沿着切削剖面的位置主要取决于其相对于旋转轴线的侧向位移，而不是其所位于的具体刀翼。切削剖面中彼此相邻的切削件在同一个刀翼上通常不会彼此相邻。
[0008]除了钻头上的定位或位置外，每个切削件还具有一个取向。一般来讲，该取向将相对于两个坐标系中的一个而限定:参照其旋转轴线限定的钻头坐标系，或通常基于切削件本身的坐标系。切削件的取向通常根据切削件的侧向倾斜或旋转以及切削件的向前/向后倾斜或旋转来指定。侧向倾斜通常根据横向倾角或侧倾角来指定，具体取决于所用的参照系。向后倾斜根据轴向倾角或后倾角来指定，具体取决于所使用的参照系。
【发明内容】
[0009]本发明整体涉及具有多个固定切削件的钻地工具，其中与常规布置方式相比，侧向倾斜以预定模式布置以便改善碎肩移除和排空、钻井效率和/或切削深度管理。
【附图说明】
[0010]图1表示旋转刮刀钻头的前视图的示意图。
[0011]图2A为roc钻头的切削剖面的示意图。
[0012]图2B为图2A中的切削件之一的示意图。
[0013]图3A为roc钻头的代表性例子的侧视图。
[0014]图3B为图3A的I3DC钻头的透视图。
[0015]图3C为图3A的I3DC钻头的前视图。
[0016]图4为图3A-图3C的PDC钻头中的所选I3DC切削件的轴测图，以便更清楚地示出切削件的侧倾角。
[0017]图5A-图5J为绘制出侧向倾斜(诸如侧倾角或横向倾角)的切削件位置的曲线图，代表在具有固定切削件的钻地工具的刀翼或切削剖面上此类角的模式的例子。
【具体实施方式】
[0018]在以下描述中，类似的数字指代类似的元件。
[0019]典型的固定切削件(特别是PDC切削件)将通常呈圆柱形形状，并具有用作其主要工作表面的基本平坦的顶部。然而，切削件不必且并不总是完全圆柱形或对称的。固定切削件将具有一个或多个工作表面，用于接合地层并执行使其破裂的工作。对于固定切削件，切削面由切削件的一个或多个表面构成，所述表面旨在面向并接合地层，从而执行使地层破裂的工作。这些表面往往会经历来自地层的最大反作用力。对于圆柱形形状的切削件，圆柱体的基本平坦的PCD层用作主要切削表面，因此该表面的取向可用于使用例如垂直于该表面的平面的向量以及该表面的平面中的向量指定钻头上的切削件的取向。例如，在roc切削件上，主要切削表面由PCD层顶部的相对平坦的表面构成，并且圆柱形切削件的中心轴线将垂直于主要切削表面并在其上保持居中。然而，P⑶层的暴露侧可执行一些工作并且可能会被视为工作表面或切削表面、或切削面的一部分。PDC钻头还可具有例如倾斜的或有斜切的切削件的顶部边缘的一部分。此外，切削表面的一部分可能不是平坦的或平面的。
[0020]刮刀钻头、扩孔钻以及用于钻穿岩石的其他旋转体上的固定切削件在其主要切削表面上将通常至少具有相对或基本上平面或平坦的主导部分。该主导部分可能不是完全如此，但是与明显圆形、锥形或一些其他形状的表面相比，它相对平坦。为了指定切削件的取向，除非另外指明，否则以下说明采用垂直于主导切削表面的该相对平坦部分的平面的向量。出于以下说明的目的，该向量将称为切削件的主轴线或取向轴线。由于在以下说明中假定采用圆柱形形状的切削件，因此除非另外指明，否则在图1、图2A和图2B给定的例子中切削件的中心轴线将是切削件的主轴线。然而，这一惯例的选择并非意图限制下文所述的概念。可使用用于指定切削件的主要切削表面的位置和取向的其他惯例。
[0021]图1表示钻头的前视图的示意图，并且旨在示出横向倾角的概念。钻头的保径部通常由圆10指示。为清楚起见，仅示出三个固定切削件12、14和16。参考标号18标识图1中的钻头的旋转中心以及图2A中的旋转轴线。径向线20表示围绕轴线18的零度角旋转。如角度24所指出的那样，固定切削件12和14基本上以相同的角旋转位于相同的径向线22上，但是它们径向地移位不同距离26和28。它们位于相同的刀翼上，该刀翼未在示意图上示出。然而，相同刀翼上的切削件不总是全部位于相同的径向线上或以围绕轴线18的相同角旋转定位。通常，它们实际上不会。如角度33所指出的那样，切削件16位于径向线32上，其具有实质上较大的角位置。切削件16相对于旋转轴线的径向位移由距离34指示，该距离34大于另外两个切削件12和14的距离。
[0022]切削件12、14和16中的每一个被示出为具有不同量的横向倾角，分别由角度36、38和40指示。横向倾角由下述角度限定，该角度位于(I)垂直于该切削件的径向线并穿过由切削件的切削表面与切削件的主轴线的交叉限定的点的线与⑵切削件的主轴线之间。就切削件14而言，例如，横向倾角38限定在垂直于径向线的线35与切削件的主轴线39之间。为了简化说明，切削件被示出为不具有任何后倾角，但上述定义适用于具有后倾角的切削件。
[0023]图2A的曲线42表示图1的钻头的切削剖面，其中各个切削件12、14和16的外径分别由圆形轮廓44、46和48表示。切削件的剖面通过下述方式形成:将切削件位置旋转到零度角旋转径向线20 (图1)，并且使切削件投影到旋转轴线18和零度角旋转径向线20所在平面中。表示钻头的切削剖面的曲线42在一个点处触及每个切削件，并且通常表示在钻头穿透地层时钻头所留下的钻孔的预期横截面形状。然而，为了简化说明，对