用于在大地地层中钻孔的钻孔系统和混合型钻头及其相关方法

用于在大地地层中钻孔的钻孔系统和混合型钻头及其相关方法
【专利摘要】公开了钻头以及与其相关的方法。在实施例中，所述钻头包括具有多个腿部的主体，每个腿部具有包括前缘表面和后缘表面的下段。多个锥形刀具中的每一个以可旋转方式安装至腿部中一个的下段，每个锥形刀具具有锥体轴线，并且包括绕锥体轴线布置的第一多个切削元件，以便当主体绕钻头轴线旋转时，所述第一多个切削元件均剪切地层。
【专利说明】用于在大地地层中钻孔的钻孔系统和混合型钻头及其相关 方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年12月5日提交的，标题为"Dri 11 ing Systems and Hybrid Drill Bits for Drilling in a Subterranean Formation(用于在大地地层中钻孔的钻 孔系统和混合型钻头)"的美国临时申请No . 61 /912，302的权益，其公开内容在此通过引用 以其整体并入。
[0003] 关于美国联邦政府资助的研究或者开发的声明
[0004] 不适用。
【背景技术】
[0005] 本公开主要涉及例如为了最终采收石油、天然气和/或矿石，用于钻出穿过大地地 层的钻孔的钻孔系统和钻地钻头。更特别地，本公开涉及混合型钻头，该混合型钻头包括带 有切削元件的固定叶片以及带有切削元件的旋转锥体。
[0006] 钻地钻头连接至钻柱的下端，并且通过从地面旋转钻柱、利用井下电机或者通过 两者而被旋转。通过所应用的钻头钻压(W0B)，旋转钻头接合大地地层并且继续前进，以沿 朝着目标区域的预定路径形成钻孔。
[0007]在钻孔操作中，成本通常与将钻孔钻至期望深度和位置耗费的时间长度成比例。 钻出井所需的时间继而极大地受必须在钻孔操作期间更换和添加钻头的次数影响。情况就 是这样，因为每次更换或者添加钻头，都必须从井下一段一段地取出可能几英里长的钻杆 的整个钻柱。一旦已经取出钻柱，并且更换或者添加了工具，钻柱必须被一段一段地构成， 并且降回钻孔中。被称为钻柱的"起下钻"的这种过程需要相当多的时间、人工和费用。由于 钻孔成本通常约为每小时几千美元，所以期望减少为了完成钻孔必须对钻柱起下钻的次 数。
[0008] 在传统的钻孔操作期间，一旦钻头已经受损、磨损和/或其切削有效性已经充分地 降低，通常就必需更换或者替换布置在钻柱下端处的钻头。与特定动机无关地，每次替换或 者更换钻头，都必须执行对钻柱的起下钻，因而这提高了与钻出大地井筒相关联的整体时 间和成本。

【发明内容】

[0009] 一些实施例涉及一种用于在大地地层中钻出钻孔的钻头，钻孔具有规直径（gage diameter)。在实施例中，钻头包括钻头主体，该钻头主体具有钻头轴线、被构造成将联接至 钻柱的下端的第一端以及被构造成接合大地地层的第二端，其中钻头主体包括绕钻头轴线 周向地布置的多个腿部，其中每个腿部都具有从钻头的第二端轴向延伸的下段，并且其中 每个下段都具有相对于绕钻头轴线的钻头旋转方向的前缘表面以及相对于钻头旋转方向 的后缘表面。另外，钻头包括多个滚动锥形刀具，其中每个滚动锥形刀具都被以可旋转方式 安装至一个腿部的下段，并且沿相应腿部的前缘表面设置，其中每个锥形刀具都具有锥体 旋转轴线，该锥体旋转轴线与钻头轴线径向地间隔开，并且基本垂直于含钻头轴线的平面。 每个锥形刀具都包括以绕相应的锥体旋转轴线延伸的第一周向行布置的第一多个切削元 件。第一多个切削元件中的每个都包括被构造成当钻头主体绕钻头轴线在钻头旋转方向上 旋转时接合并且剪切大地地层的平坦切削面。
[0010] 其它实施例涉及一种用于在大地地层中钻出钻孔的钻头，钻孔具有规直径。在实 施例中，钻头包括钻头主体，该钻头主体具有钻头轴线、被构造成将联接至钻柱的下端的第 一端以及被构造成接合大地地层的第二端，其中钻头主体包括绕钻头轴线周向地布置的多 个腿部，其中每个腿部都具有从钻头的第二端轴向延伸的下段，并且其中每个下段都具有 相对于绕钻头轴线的钻头旋转方向的前缘表面以及相对于钻头旋转方向的后缘表面。另 外，钻头包括多个滚动锥形刀具，其中每个滚动锥形刀具都被以可旋转方式安装在与一个 腿部的下段螺纹联接的轴颈上，其中每个锥形刀具都沿相应腿部的前缘表面设置。每个锥 形刀具都包括以绕相应的锥体旋转轴线延伸的第一周向行布置的第一多个切削元件。第一 多个切削元件中的每个都包括被构造成当钻头主体绕钻头轴线在钻头旋转方向上旋转时 接合并且剪切大地地层的平坦切削面。
[0011] 又一实施例涉及一种在大地地层中钻出钻孔的方法。在实施例中，该方法包括(a) 将第一轴颈可移除地联接至钻头主体的腿部，其中钻头主体具有钻头轴线。另外，该方法包 括(b)将第一滚动锥形刀具以可旋转方式联接至第一轴颈，其中第一锥形刀具有第一锥体 轴线和多个切削元件。此外，该方法包括：（c)使钻头绕钻头轴线在切削方向上旋转，和(d) 在（c)期间使大地地层接合被安装至第一锥形刀具的多个切削元件。再另外，该方法包括 (e)使第一锥形刀具在(d)期间绕第一锥体轴线旋转。
[0012] 本文所述的实施例包括旨在解决与一些现有装置、系统和方法相关联的各种缺点 的特征和优点的组合。上文已经相当广泛地概述了所公开实施例的特征和技术优点，以便 可以更好地理解下文的详细说明。本领域技术人员通过阅读下文详细说明并且通过参考附 图，将易于明白上述各种特征以及其它特性。本领域技术人员应明白，可以易于采用所公开 的构思和具体实施例作为修改或者设计用于执行所公开实施例的相同目的的其它结构的 基础。本领域技术人员也应明白，这些等效构造不偏离如在附加权利要求中提出的本公开 的精神和范围。
【附图说明】
[0013]为详细说明所公开实施例，现在将参考附图，其中：
[0014] 图1是包括根据本文公开的原理的钻头的实施例的钻孔系统的示意性局部侧横截 面图；
[0015] 图2是沿截面II-II的图1的钻孔系统的钻头和钻柱下端的放大示意性局部侧横截 面图；
[0016] 图3是图1的钻头的透视图；
[0017] 图4是图1的钻头的另一透视图；
[0018] 图5是图1的钻头的侧视图；
[0019] 图6是图1的钻头的横截面侧视图；
[0020] 图7是图1的钻头的端视图；
[0021] 图8是图1的钻孔组件中的钻头的横截面端视图；
[0022] 图9是图1的钻头的一个可旋转刀具的侧视图；
[0023] 图10a-l〇C是示出以各种后倾角度接合地层的示例性切削元件的示意性侧视图；
[0024] 图11是根据本文公开的原理的钻头的实施例的端视图；
[0025] 图12是根据本文公开的原理的钻头的实施例的横截面端视图；并且
[0026] 图13是根据本文公开的原理的钻头的实施例的横截面端视图。
【具体实施方式】
[0027] 下文讨论涉及各种示例性实施例。然而，本领域技术人员应理解，本文公开的示例 具有广泛应用，并且对任何实施例的讨论都仅意味着例证该实施例，并且无意暗示本公开 (包括权利要求)的范围限于该实施例。
[0028] 贯穿下文说明和权利要求使用的特定术语涉及具体部件或者组件。本领域技术人 员应明白，不同的人可以通过不同名称指代相同部件或者组件。本公开无意在名称而非功 能不同的组件或者部件之间区分。附图不必按比例绘制。可能比例夸大地或者以稍微示意 性的形式示出本文的具体部件和组件，并且可能为了清楚和简明未示出传统元件的一些细 To
[0029] 在下文讨论和权利要求中，术语"包括…"和"包含…"是被以开端方式使用的，并 且因而应被理解为指"包括，但是不限于…"。同样地，术语"联接"或者"联接"旨在指间接或 者直接连接。因而，如果第一装置联接至第二装置，该连接可以通过直接连接，或者通过经 由其它装置、组件和连接件的间接连接。另外，本文使用的术语"轴向的"和"轴向地"主要指 沿着或者平行于中心轴线（例如，主体或者端口的中心轴线），而术语"径向的"和"径向地" 主要指垂直于中心轴线。例如，轴向距离指沿着或者平行于中心轴线测量的距离，并且径向 距离指垂直于中心轴线测量的距离。说明书中和权利要求中对上或者下的任何参考都将是 出于清楚目的，"上"、"上部"、"向上"、"上孔"或者"上游"指朝着钻孔的地面端，并且"下"、 "下部"、"向下"、"下孔"或者"下游"指朝着钻孔的终端，而与钻孔取向无关。
[0030] 如上所述，在传统的钻孔操作期间，通常期望在钻头的可用寿命已经耗尽之后替 换接合土质地层的钻头。每次执行这种钻头替换，整个钻柱都必须被起钻至地面，因而极大 地提高了执行钻孔操作的成本。因而，本文公开的实施例包括这样的钻头，这些钻头包括具 有布置在其上的多个切削元件的固定叶片以及具有布置在其上的多个切削元件的旋转锥 体，以有效地增大钻孔操作期间可用于接合大地地层的切削元件的数目和切削材料的体 积。
[0031] 现在参考图1，其中示意性地示出钻孔系统10的实施例。在该实施例中，钻孔系统 10包括位于穿透大地地层12的钻孔11上的钻机20,以及从钻机20的钻架21悬置在钻孔11中 的钻柱30。钻柱30具有中心或者纵向轴线31、联接至钻架21的第一或者上孔端30a，以及与 端部30a相反的第二或者下孔端30b。另外，钻柱30包括位于下孔端30b处的钻头100,以及从 钻头100延伸至上孔端30a的多个钻杆接头33。钻杆接头33首尾相连，并且钻头100连接至最 下部钻杆接头33的下端。井底钻具组件(BHA)(未示出）能够被沿着紧邻钻头100的钻柱30布 置(例如，轴向地处于最下部的钻杆接头33和钻头100之间）。
[0032]在该实施例中，钻头100通过来自地面14的钻柱30的旋转而旋转。特别地，钻柱30 被接合方钻杆23的转盘22旋转，方钻杆23联接至钻柱30的上孔端30a。方钻杆23,并且因此 钻柱30从与具有旋转转体25的游动滑车(未示出）附接的钩子24悬置，旋转转体25允许钻柱 30相对于钻架21旋转。虽然在该实施例中，从地面14通过转盘22和钻柱30旋转钻头100,但 是通常能够以布置在地面14处的转盘或者顶部驱动装置、布置在BHA中的井下泥浆电机或 者其组合(例如，由转盘通过钻柱以及由泥浆电机两者旋转、由顶部驱动装置和泥浆电机旋 转，等等)旋转钻头1 〇〇。例如，可以采用通过井下电机的旋转以补充转盘22的旋转功率(如 果需要)和/或以实现钻孔过程的变化。因而，应明白，本文公开的各种方面适合在这些钻孔 构造中的每种构造中采用，并且不限于传统的旋转钻孔操作。
[0033]在钻孔操作期间，地面14处的泥浆栗26通过转体25中的端口将钻液或者泥浆沿着 钻柱30内部栗送。钻液通过钻头100的面中的端口或者喷嘴流出钻柱30,并且然后通过钻柱 30和钻孔11之间的环空13循环回地面14。钻液起润滑和冷却钻头100以及将地层岩肩带到 地面14的功能。
[0034] 现在简要地参考图2,钻头100产生的钻孔11包括侧壁55、角部56和底部57。钻孔 (例如，钻孔11)周围的平均有效应力通常在角部56处最大。因此，与钻孔11的侧壁55和底部 57相比，角部56通常更硬并且更难以切削。因而，如下文将更详细地解释的，本文公开的实 施例包括具有旋转锥形刀具的钻头(例如，钻头100)，旋转锥形刀具有布置在其上的多行切 削元件，由此提高可用于在钻孔操作期间接合钻孔11的角部56的切削元件的数目。
[0035] 现在参考图3-7,其中示出系统10的钻头100。钻头100具有钻头100在箭头103所示 的切削方向上绕其旋转的中心纵向轴线105、第一或者上端100a以及与上端100a相反的第 二或者下端l〇〇b。另外，钻头100包括钻头主体101，该钻头主体101具有在上端100a处用于 将钻头100连接至钻柱30的螺纹连接部或者销106、在下端100b处用于接合和切削地层(例 如，地层12)的切削结构120、以及在销106和切削结构120之间轴向延伸的钻柄108。钻柄108 提供接触表面，以便扭转工具和/或组件可以夹持钻头100,以利于将钻头100连接至钻柱 30 〇
[0036] 钻头100具有由三个滚动锥形刀具131、132、133和三个固定叶片121、122、123的径 向最外部范围限定的预定规直径，所述滚动锥形刀具131、132、133被绕它们的各自轴线135 可旋转地安装在从主体101悬置的轴承轴或者轴颈上，而所述固定叶片121、122、123从钻头 主体101悬置。图7示意性地示出在钻头100在绕轴线100沿切削方向103旋转时，钻头100(相 对于钻头轴线105)的径向外部范围，其中规圆102的直径D 1Q()等于钻头100的全规直径(full gage diameter)。在该实施例中，圆102被绕钻头轴线105同心地布置。
[0037]钻头主体101由被焊接在一起以形成钻头主体101的三个周向地布置的部段或者 腿部107组成。更特别地，每个腿部107都具有与钻头100的端部100a-致的第一或者上端 107a、与钻头100的下端100b-致的第二或者下端107b、从上端107a轴向延伸的第一或者上 段109,以及从下端107b轴向延伸至相应的上段109的第二或者下段111。腿部107的上段109 被焊接在一起，而下段111周向地间隔开。每个固定叶片121、122、123都与相应腿部107的下 段111整体成型（即，单件成型），并且进一步地，固定叶片121、122、123每个都从相应腿部 107的下段111径向向外地延伸。特别地，叶片121、122、123每个都沿钻头100的外围轴向地， 并且沿一个腿部107的下端107b朝着轴线105径向地延伸，其中腿部107接合在一起。在该实 施例中，每个腿部107的下段111都包括其中一个叶片121、122、123,因而在钻头100上设置 总共三个周向间隔开的叶片121、122、123。
[0038]在该实施例中，下段111均匀地周向间隔开，并且从其悬垂的固定叶片121、122、 123均匀地周向间隔开。由于存在三个下段111和三个相应的固定叶片121、122、123,所以下 段111均匀地成120°角度地间隔开，并且固定叶片121、122、123均匀地成120°角度地间隔 开。
[0039] 简要地参考图6,钻头100也包括从上端100a轴向延伸的中心孔115,以及从孔115 向下延伸至下端l〇〇b的多个流动通道116。流动通道116具有被布置在它们的最下端（即，近 端l〇〇b)处的端口或者喷嘴118。孔115、流动通道116和喷嘴118促进来自钻柱30(参见图1) 的钻液流经钻头100。喷嘴18朝着钻孔(例如，钻孔11)的底部并且绕锥形刀具131、132、133 和叶片121、122、123引导钻液。从喷嘴118喷出的钻液将地层钻肩从钻头100冲走，并且向钻 头100提供对流冷却。虽然在图6中示出两个通道116,但是应明白，在其它实施例中包括超 过或者少于两个通道116,同时仍符合本文公开的原理。
[0040] 现在参考图7,每个腿部107的下段111都包括径向延伸的前缘面或者表面125或者 径向延伸的后缘面或者表面126。分别将每个腿部107上的表面125、126描述为"前缘"和"后 缘"，是因为相对于钻头100的旋转方向103,表面125先于同一腿部107上的表面126。每个腿 部107的表面125、126都成角度γ地间隔开，并且每个腿部107的后缘表面126都相对于直接 周向地相邻的锥形刀具(例如，刀具131、132、133)的轴线135以角度φ定向，该锥形刀具关于 切削方向103跟随后缘表面126(即，直接相邻的后缘锥形刀具）。通常，角度γ优选地在0°和 90°之间，并且更优选地在30°和60°之间。在该实施例中，每个角度γ都相同，并且特别地， 每个角度γ都为50°。另外，通常角度Φ优选在0°和45°之间，并且更优选地在0°和30°之间。 在该实施例中，每个角度φ都相同，并且特别地，每个角度Φ都为20°。如下文将更详细所述 的，锥形刀具131、132、133每个都通过轴颈140联接至相应腿部107的下段111，并且沿相应 腿部107的前缘表面126设置。每个后缘表面126都包括余隙凹部126a。如下文将更详细所述 的，每个腿部107中的余隙凹部126a都提供足够的空间和余隙，以适应周向地相邻的后缘锥 形刀具131、132、133绕其相应轴线135的旋转，并且也提供足够的空间和余隙，以允许周向 地相邻的后缘锥形刀具131、132、133与其相应的腿部107分离并被移除。
[00411 再次参考图3-7,叶片121、122、123每个都具有在相应腿部107的下段111的前缘表 面125和后缘表面126之间被周向地布置的径向外部的面对地层刀具支撑表面124。每个叶 片121、122、123的面对地层刀具支撑表面124上都支撑多个切削元件150。切削元件150包括 切削面152,并且沿叶片121、122、123的支撑表面124成行地安装。应明白，在其它实施例中， 切削元件150可以以除成行以外的任何其它适当布置来布置，同时仍符合本文公开的原理。 在该实施例中，切削元件150的切削面152包括聚晶金刚石复合片(PDC);然而，应明白，在其 它实施例中，切削元件150和切削面152可以包括多种材料和/或设计。另外，也应明白，切削 面152为平坦的。如图7中最清楚地示出的，每个叶片121、122、123的径向最外部切削元件 150(相对于钻头轴线105)的切削面152的径向最外部顶端/边缘(相对于钻头轴线105)都延 伸至全规直径D 1QQ，并且因而达到规圆102。
[0042] 现在参考图7和8，如上所述，锥形刀具131、132、133每个都被安装在从一个腿部 107的下段111上的前缘表面125延伸的销或者轴颈140上(参见图8)。特别地，锥形刀具131、 132、133每个都包括具有中心旋转轴线135的大致圆锥形主体130、与相应腿部107相邻的第 一端或者背面130a、与背面130a相反并且远离相应腿部107的第二端或者前端130b，以及从 背面130a轴向地延伸至前端130b的渐缩或者圆锥表面130c。在该实施例中，圆锥表面130c 大致朝着轴线135径向向内地渐缩，同时从背面130a轴向地延伸至前端130b，以便锥形刀具 131、 132、133每个都在背面130a处比前端130b处径向更宽。如图8中所示，每个轴线135都与 钻头100的中心轴线106径向地间隔开。换句话说，轴线135不与轴线105相交。锥形刀具131、 132、 133每个的主体130的外表面都包括表面130c上的绕轴线135周向地延伸的多个间隔开 的环状带134。环状带134限定用于安装多个切削元件150的刀具支撑表面，切削元件150与 上述切削元件150基本相同。因而，如图7中所示，主体130上的每个切削元件150都沿轴线 135与背面130a轴向地间隔开。在该实施例中，一对刀具环状支撑表面134被设置在每个锥 体131、132、133上，每个表面134都支撑切削元件150的环状行138。因而，在该实施例中，刀 具131、132、133每个上都包括两个轴向间隔开的切削元件150环状行138。然而，应明白，在 其它实施例中，可以在每个刀具131、132、133的主体130上包括超过或者少于两行138切削 元件150,同时仍符合本文公开的原理。例如，简要地参考图11，其中示出包括具有总共三个 轴向间隔开的切削元件150环状行238的旋转锥体231、232、233的实施例的钻头200。再次参 考图7,每个锥体131、132、133上的每一行138中的径向最外部切削元件150(相对于钻头轴 线105)的切削面152的径向最外部顶端/边缘(相对于钻头轴线105)延伸至全规直径D 1Q()，并 且因而达到规圆102。再次参考图7和8,周向凹槽或者"排肩槽"137径向地延伸到主体130 内，并且绕每个刀具131、132、133的轴线135周向地延伸。在钻孔操作期间，被切削元件150 从地层(例如，地层12)剪切的钻肩被引导到排肩槽137中，然后被钻液(例如，钻孔泥浆)从 切削结构120扫除。在该实施例中，排肩槽137关于中心轴线135轴向地位于上述各个带134 之间。
[0043]特别参考图8,在该实施例中，每个刀具131、132、133的主体130都包括穿过其中从 背面130a径向地延伸至前端130b的中心通道136。每个通道136都由从相应的锥体131、132、 133的背面130a轴向地延伸至前端130b的内部表面136a限定。每个轴颈140都被布置在相应 的锥体131、132、133的通道136内，并且包括第一或者近端140a、与近端140a相反的第二或 者远端140b、从远端140b轴向地延伸的接合座141，以及近端140a处的螺纹连接器144。在该 实施例中，每个轴颈140都被以例如在美国专利号8，020,638中所述和所示的传统方式由锁 球142固定在通道136内，该专利的公开内容在此通过引用以其整体并入。锁球142也在钻孔 操作期间支撑主体130绕轴线135相对于轴颈140的旋转。也应明白，在一些实施例中，可以 沿轴颈140和表面136a布置另外的轴承机构(例如，滚柱轴承）（未示出），以在操作期间进一 步支撑主体130绕轴线135的旋转。密封盖148被螺纹固定在紧邻前端130b的各通道136内， 以密封通道136,并且在一些实施例中提供用于在操作期间将润滑液(例如，油脂)注入通道 136的注入端口。应明白，在一些实施例中，可以在通道136内包括另外的密封组件(例如，旋 转密封件），以进一步限制流体（例如，润滑液、钻液等等）在操作期间流出或者流入通道 136。例如，在一些实施例中，在内部表面136a或者轴颈140上包括另外的密封管，同时仍符 合本文公开的原理。在钻头100装配期间，每个轴颈140都被以先前所述的方式接收在一个 刀具131、132、133的通道136内，并且被进一步安装至一个腿部107的下段111。特别地，每个 轴颈140上的连接器144都被螺纹接收在延伸到一个腿部107的下段111的前缘表面125内的 端口 128中，从而将轴颈140并且因而将主体130与之固定。结果，每个刀具131、132、133都在 操作期间绕其相应的轴线135自由地旋转。
[0044]由于每个轴颈140在延伸到一个腿部107的下段111上的前缘表面125内的端口 128 中的螺纹接合，所以轴颈140被可移除地安装至每个腿部107的下段111，以便刀具131、132、 133能够易于与其相应的轴颈140-起从钻头100移除。换句话说，每个轴颈140及其相应的 刀具131、132、133都能够通过从腿部107拧下轴颈140而从相应的腿部107分离并且移除。结 果，一旦刀具131、132、133上的切削元件150故障或者可用寿命耗尽，操作者就能够起出钻 头100,分别通过将轴颈140从端口 128拧松和拧紧而移除和替换锥体131、132、133,由此使 得钻孔操作继续，不存在对整个钻头100的相对昂贵的替换并且不存在对轴颈140或者钻头 100的损伤。
[0045] 例如，现在将描述用于安装至一个腿部107的下段111的锥形刀具131的特定移除 程序;然而，应明白，对于其它腿部107上的每个其它锥形刀具132、133,这些程序都相同。特 别地，当期望从相应腿部107的下段111移除锥形刀具131时，密封盖148被从通道136移除， 由此允许接触接合座141。接合座141包括按尺寸和形状成型，以在安装和移除过程期间接 收匹配扳手或者用于将扭矩传递给轴颈140的其它工具的内部轮廓。在该实施例中，接合座 141的内部轮廓包括沿相应轴线135从远端140b轴向地延伸的多个平表面。在这些操作中， 在移除密封盖148之后，扳手或者其它适当的工具(例如，按形状和尺寸成型，从而相应于组 成接合座141的平表面的工具)被插入接合座141内，并且之后绕轴线135传递扭矩，从而将 轴颈140从前缘表面125拧下。随着轴颈140被从前缘表面125拧下，锥形刀具131沿轴线135 的轴向运动被直接周向地相邻的前缘腿部1〇7(即，关于切削方向103的直接相邻的前缘腿 部107)上的余隙凹部126a所容纳。在该实施例中，锥形刀具131的轴向运动也被相应腿部 107上的前缘表面125相对于直接相邻的前缘腿部107上的后缘表面126以上述角度Φ的布置 所容纳。另外，在该实施例中，一旦轴颈140被从前缘表面125完全拧下，则锥形刀具131沿方 向147相对于相应的腿部107旋转，以便从钻头100移除刀具131和轴颈140两者。这种沿方向 147的旋转也被余隙凹部126a所容纳，以便防止锥形刀具131上的切削元件150接合周向地 相邻的叶片122上的后缘表面126。结果，由于轴颈140的螺纹接合，以及直接相邻的前缘腿 部107的前缘表面126上的余隙凹部126a相对于相应腿部107上的前缘表面125的尺寸、形状 和布置的尺寸、形状和布置，锥形刀具131易于从钻头100上的相应腿部107移除，以便可以 维修和/或替换锥形刀具131，以便促进之后以钻头100进行的钻孔操作。将锥形刀具131安 装在钻头100的相应腿部107上的安装程序与上文对移除锥形刀具131所述的操作完全相 反，因而省略该程序的详细说明。
[0046] 再次参考图7,当沿着轴线105观察钻头100时，锥形刀具131、132、133的每个中心 轴线135都被关于定向为平行于并且包含轴线105的相应平面110定向为角度Θ。通常，每个 角度Θ都优选地范围为从60°至120°，并且更优选地近似为90° (即，90° ±5°)。在该实施例 中，每个角度Θ都为90°。因而，在该实施例中，每个锥形刀具131、132、133的轴线135都在相 应的平面110处平行于钻头100的切削方向1〇3(即，轴线135平行于图7中所示的切削方向箭 头103限定的圆的切线）。另外，现在参考图9,刀具131、132、133每个都被安装至相应腿部 107的前缘表面125,以便其中心轴线135在径向地或者从沿轴线105的半径布置的一点观察 钻头100时关于平面110成角度0地定向。通常，角度β优选地范围为从60°至120°，并且更优 选地近似为90° (即，90° ±5°)。如图7和9两者中所示，在该实施例中，每个刀具131、132、133 都被布置成每个刀具131、132、133的背面130a比前端130b更接近相应平面110,每个背面 130都平行于相应平面110。
[0047] 在一些实施例中，一个或者更多个叶片121、122、123和/或刀具131、132、133上的 每个切削元件150的切削面152的方向可以被设计或者布置成提高其在钻孔操作期间的耐 用性和可用寿命。例如，现在参考图l〇a-l〇 C，其中示出随着三个示例性切削元件150在横跨 表面15(例如，地层表面）的箭头方向151上移动或者拖曳时，它们被定向为不同的后倾角。 本文使用的切削元件的切削面的"后倾角"涉及在切削面(例如，切削面152)和正交于正在 被切削的地层表面(例如，表面15)的线之间形成的角度α。如图10b中所示，当后倾角α为零 时，切削面152基本垂直于表面15。如图10a中所示，当切削面152被定向为关于表面15成大 于90°的角度时，后倾角α为负。如图10c中所示，当切削面152被定向为关于表面15成小于 90°的角度时，后倾角α为正。
[0048] -般而言，后倾角α越大，切削元件的侵蚀性越小，并且切削元件150经历的负荷越 低。因此，在两个切削元件150的切削面152每个都具有负后倾角α时，具有更大的负后倾角α 的切削元件150侵蚀性更大；并且在两个切削元件150的切削面152每个都具有正后倾角α 时，具有更大的负后倾角α的切削元件150侵蚀性较小。另外，在一个切削元件150的切削面 152具有负后倾角α，并且另一切削元件150的切削面152具有正后倾角α时，具有负后倾角α 的切削元件150侵蚀性更大。因而，如果忽略所有其它因素，当每个切削元件150都在方向 151中跨表面15移动或者拖曳时，图10a中所示的切削元件150经历比图10b中所示的切削元 件更大的负荷，并且图l〇b中所示的切削元件150经历比图10c中所示的切削元件150更大的 负荷。由于本文公开的钻头(例如，钻头100)的实施例包括可在运行期间暴露于大地地层的 更多个可用的切削元件150,所以角度θ、β可以被选择成对于至少一些切削元件150提供更 有侵蚀性的后倾角α，同时仍保持足够的可用寿命。另外，由于每个旋转刀具131、132、133都 易于在钻头100上移除和替换，而固定叶片121、122、123不易于移除和替换，所以在一些实 施例中，被布置在固定叶片121、122、123上的切削元件150可以被构造成具有较小侵蚀性后 倾角α(以促进更长的耐久性），而被布置在旋转刀具131、132、133上的切削元件150可以被 构造成具有更大侵蚀性后倾角α(由于它们能够被替换）。此外，再次简要地参考图2,在一些 实施例中，旋转刀具131、132、133上的每个切削元件150的后倾角（例如，角α)都经调节(例 如，通过改变上文所述以及在图7和8中所示的角度Θ和β，以及调节切削元件150沿轴线135 距离背面130a的轴向间距），以便随着每个刀具131、132、133绕其相应的轴线135旋转，切削 元件150相继接合侧壁55、角部56并且最终接合钻孔11的底部57。
[0049] 现在参考图1-5、7和8,在钻孔操作期间，钻头100在方向103上绕对齐的轴线31、 105旋转，以便被布置在每个叶片121、122、123以及刀具131、132、133上的切削元件150接合 地层12，以延长钻孔11。随着钻头100以所述方式旋转，刀具131、132、133也绕它们相应的轴 线135(参见图7和8)旋转，以将从表面134延伸的每个切削元件150都暴露于大地地层12。在 至少一些实施例中，刀具131、132、133被布置在钻头100上，以便布置在其上的切削元件150 接合钻孔11的角部56,由此提高在钻孔操作期间暴露于角部56的切削元件150的总数目。在 这些钻孔操作期间，应明白，刀具131、132、133上的切削元件150接合地层12，以便切削面 152剪掉地层12的部分，以延长钻孔11。切削元件150和地层12之间的这种剪切接触与被布 置在传统的滚动锥形钻头上的切削元件所实现的接触有本质上的不同，相反，传统的滚动 锥形钻头上的切削元件被构造成刺穿、挖凿和压碎地层(例如，地层12)。
[0050] 虽然在图8中示出用于将每个锥形刀具131、132、133可旋转地安装至每个腿部107 的下段111的特定布置，但是应明白，可能存在其它布置。例如，在一些实施例中，轴承套圈 被安装在凹部136内，以在操作期间支撑施加在刀具131、132、133上的径向方向的负荷(关 于轴线135)，以及每个刀具131、132、133的主体130绕它们相应的轴线135的旋转运动。特别 地，现在参考图12,其中示出钻头100(示出并且描述为钻头100A)的实施例。除了轴承套圈 160被安装在每个旋转刀具131、132、133的主体130的通道136内之外，钻头100A与上述钻头 100基本相同。套圈160的形状大致为圆柱形，并且包括第一或者近端160a、第二或者远端 160b以及在端部160a、160b之间延伸的外部圆柱形表面164。另外，套圈160包括从近端160a 径向地延伸的多个销166。在该实施例中，销166的形状大致为圆柱形;然而，销166的确切形 状和比例可以极大地变化，同时仍符合本文公开的原理。此外，虽然在图12中仅示出两个销 166,但是应明白，销166的数目以及它们沿套圈160的位置也可以变化，同时仍符合本文公 开的原理。
[0051 ] 仍参考图12,钻头100A也包括基本与上述轴颈140相同的轴颈140A，只是轴颈140A 按尺寸和比例成型以在被安装在主体130的通道136内时配合在轴承套圈160内（即，轴颈 140A通常比轴颈140径向地更小或者更窄）。另外，由于轴颈140A与轴颈140相比的通常径向 更窄的形状，所以在端部140a、140b之间形成环状肩台146。
[0052]在装配期间，套圈160在轴颈140A上滑动，以便远端160b接合或者抵靠环状肩台 146。之后，轴颈140A和套圈160两者都被安装在主体的通道136内，以便套圈160的外部圆柱 形表面164以滑动方式接合内部表面136a。另外，通过锁球142的接合，以与上文对钻头100 (参见图8)的轴颈140所述的相同的方式将套圈160和轴颈140A固定在通道136内。之后，轴 颈140A上的上述螺纹连接器144以与上文对钻头100所述的相同的方式螺纹接合在端口 128 内。另外，随着轴颈140A被螺纹固定至上述一个腿部107的下段111上的前缘表面125,环状 肩台146接合远端160b，以便近端160a坐落于在下段111的下前缘表面125内延伸的凹槽127 内。另外，随着近端160a坐落在凹槽127内，每个销166都坐落于在凹槽127内延伸的多个相 应埋头孔129其中之一内。在该实施例中，每个埋头孔129都被布置成以及按尺寸成型以相 应于套圈160上的销166。因而，在钻孔操作期间，随着主体130绕轴线135旋转，套圈160通过 套圈160和凹槽127的接合将关于轴线135的径向方向的负荷传递给钻头100A的其它部分。 另外，通过销166和埋头孔129的接合而关于钻头100A可旋转地固定套圈160。
[0053]另外，在一些实施例中不包括单独的密封盖148以降低组件的总数目。例如，现在 参考图13，其中示出钻头100 (示出和描述为钻头100B)的实施例。除了不包括在操作期间密 封内部通道136的密封盖148之外，钻头100B基本与上述钻头100A相同。作为代替，包括密封 组件170,从而有效地将通道136与井下环境密封开。特别地，组件170包括沿表面136a周向 地延伸的环状密封管172,以及被布置在密封管172内的密封构件174。在一些实施例中，密 封构件174包括0形环或者任何其它适当的旋转密封件;然而，可以采用适合限制和/或防止 接合表面之间的流体流动的任何密封构件，同时仍符合本文公开的原理。另外，钻头100B也 包括基本与上述轴颈140A相同的轴颈140B，只是轴颈140B轴向延长，以便其延长至紧邻主 体130的前端130b的一点。在操作期间，当上述轴颈140B和套圈160被接收在通道136内时， 密封构件174接合轴颈140B和密封管172两者，以便在密封管172和构件174之间形成静态密 封，并且在构件174和轴颈140B之间形成动态密封，从而有效地将通道136与井下环境密封 开。
[0054] 在所述方式中，本文公开的钻头（例如，钻头100、10(^、10(?、200)的实施例、可暴 露于地层12的切削元件150的数目大大增加。结果，根据本文公开的原理设计的钻头的可用 寿命延长，所以替换和/或维修钻头必要的钻柱31起下钻之间的时间也大大延长，由此降低 钻孔操作的总成本。另外，由于轴颈140、140A、140B并且因而刀具131、132、133被以上述方 式分别可移除地联接至钻头100、100A、100B，所以操作者可以在布置在锥形刀具131、132、 133上的切削元件150故障或者可用寿命耗尽时简单地替换锥形刀具131、132、133，由此进 一步降低钻孔操作的总成本。
[0055] 虽然本文公开的实施例已经包括具有在轴线105处相交或者接合的下段111的腿 部107,但是应明白，在其它实施例中，下段111可以不以这种方式相交或者接合，并且作为 代替，每个都可以在与轴线105径向间隔开的一点处终止，同时仍符合本文公开的原理。另 外，应明白，在一些实施例中，在钻头100上包括超过或者少于三个固定叶片121、122、123， 同时仍符合本文公开的原理。此外，虽然本文所示和所述的实施例已经包括每个都包括切 削元件150的叶片121、122、123，但是应明白，在一些实施例中（例如，参见图11中的钻头 200)，在固定叶片121、122、123中的一个或者更多个上不包括切削元件150,同时仍符合本 文公开的原理。又进一步，虽然本文公开的实施例已经包括被分别可移除地联接至钻头 100、10(^、1008的轴颈140、14(^、1408，但是应明白，其它实施例包括与钻头（例如，钻头 100、10(^、10(?、200)整体成型的轴颈，同时仍符合本文公开的原理。例如，一些实施例包括 被焊接至一个腿部107的下段111的轴颈(例如，轴颈140、140A、140B)。同样地，在一些实施 例中，每个刀具131、132、133上的切削元件150行的数目和布置可以被设计成使得刀具131、 132、133可以在钻孔操作期间接合钻孔11的一个或者更多个部段55、56、57。也应明白，在一 些实施例中，可以使用传统的滚柱轴承以除了上述特定支撑机构之外或者作为其代替，支 撑每个刀具131、132、133绕相对轴线135的旋转，同时仍符合本文公开的原理。还应明白，在 一些实施例中，可以使用传统的油囊(或者类似的这种装置）以向刀具131、132、133供应润 滑剂(例如，油、油脂），以便在钻孔操作期间进一步促进它们绕轴线135的旋转。
[0056] 虽然已经示出和描述了优选实施例，但是不偏离其教导的范围，本领域技术人员 能够做出它们的变型。本文所述的实施例仅是示例性而非限制性的。本文所述的系统、设备 和过程的许多变体和变型都是可能的，并且处于本公开的范围内。例如，各种零件的相对尺 寸、制成各种零件的材料以及其它参数能够变化。因而，保护范围不限于本文所述的实施 例，而是仅由下文的权利要求限定，其范围应包括权利要求主旨的所有等效物。除非另外明 确指出，否则都可以通过任何顺序执行方法权利要求中的步骤。方法权利要求中的步骤之 前记载的标识符，诸如(a)、（b)、（c)或者（1)、（2)、（3)无意并且不指定步骤的特殊顺序，而 是被用于简化之后对这些步骤的引用。
【主权项】
1. 一种用于在大地地层中钻出钻孔的钻头，所述钻孔具有规直径，所述钻头包括： 钻头主体，所述钻头主体具有钻头轴线、第一端和第二端，所述第一端被构造成联接到 钻柱的下端，所述第二端被构造成与大地地层接合，其中所述钻头主体包括绕所述钻头轴 线周向地布置的多个腿部，其中每个腿部具有从所述钻头的所述第二端轴向地延伸的下 段，并且其中每个下段都具有相对于绕所述钻头轴线的钻头旋转方向的前缘表面以及相对 于所述钻头旋转方向的后缘表面； 多个滚动锥形刀具，其中每个滚动锥形刀具被以可旋转方式安装至所述腿部中的一个 腿部的所述下段，并且沿相应的腿部的所述前缘表面设置，其中每个锥形刀具具有锥体旋 转轴线，所述锥体旋转轴线与所述钻头轴线径向间隔开，并且基本垂直于包含所述钻头轴 线的平面； 其中每个锥形刀具包括沿着绕相应的所述锥体旋转轴线延伸的第一周向行布置的第 一多个切削元件，其中所述第一多个切削元件中的每一个包括平坦切削面，所述平坦切削 面被构造成当所述钻头主体绕所述钻头轴线在所述钻头旋转方向上旋转时与大地地层接 合并且剪切大地地层。2. 根据权利要求1所述的钻头，还包括： 多个周向间隔开的固定叶片，其中每个固定叶片从所述腿部中的一个腿部的所述下段 径向向外延伸，其中每个固定叶片具有周向地布置在相应的腿部的所述前缘表面和所述后 缘表面之间的径向外部的面向地层表面;和 多个切削元件，所述多个切削元件被安装至每个叶片的所述面向地层表面，并且被构 造成当所述钻头主体绕所述钻头轴线在所述钻头旋转方向上旋转时与地层接合并且剪切 地层。3. 根据权利要求2所述的钻头，其中每个锥形刀具具有背面、前端以及从所述背面延伸 至所述前端的圆锥表面，其中每个锥形刀具的所述背面与相应的固定叶片的所述下段的所 述前缘表面周向地相邻。4. 根据权利要求2所述的钻头，其中每个锥形刀具被以可旋转方式安装至从相应的腿 部的所述下段延伸的轴颈，其中每个轴颈以可移除方式联接至相应的下段。5. 根据权利要求4所述的钻头，其中每个轴颈被螺纹联接至相应的腿部的所述下段。6. 根据权利要求4所述的钻头，其中每个腿部的所述下段的所述后缘表面包括余隙凹 部，所述余隙凹部被构造成防止与周向相邻的腿部的所述下段联接的锥形刀具之间的干 涉。7. 根据权利要求4所述的钻头，其中每个腿部的所述下段的所述后缘表面包括余隙凹 部，所述余隙凹部被构造成提供用于移除与周向相邻的腿部的所述下段联接的锥形刀具和 轴颈的空间。8. 根据权利要求4所述的钻头，其中每个锥形刀具的锥体轴线被定向为相对于周向相 邻的所述固定叶片的所述后缘表面成角度Φ，以相对于所述钻头旋转方向引导所述锥形刀 具，其中每个角度φ为小于45°的锐角。9. 根据权利要求7所述的钻头，其中每个角度φ小于30°。10. 根据权利要求1所述的钻头，其中每个锥形刀具包括沿第二周向行布置的第二多个 切削元件，所述第二周向行相对于所述锥体旋转轴线与所述第一周向行轴向间隔开，其中 所述第二多个切削元件中的每一个包括平坦切削面，所述平坦切削面被构造成当所述钻头 主体绕所述钻头轴线在所述钻头旋转方向上旋转时与大地地层接合并且剪切大地地层。11. 根据权利要求10所述的钻头，其中所述第一多个切削元件相对于所述钻头轴线的 径向最外部切削元件的切削面在端视图中延伸至基准圆，其中所述基准圆由所述全规直径 限定并且绕所述钻头轴线同心地布置;并且 其中所述第二多个切削元件相对于所述钻头轴线的径向最外部切削元件的切削面在 端视图中延伸至所述基准圆。12. -种用于在大地地层中钻出钻孔的钻头，所述钻孔具有规直径，所述钻头包括： 钻头主体，所述钻头主体具有钻头轴线、第一端以及第二端，所述第一端被构造成联接 到钻柱的下端，所述第二端被构造成与大地地层接合，其中所述钻头主体包括绕所述钻头 轴线周向地布置的多个腿部，其中每个腿部具有从所述钻头的第二端轴向地延伸的下段， 并且其中每个下段具有相对于绕所述钻头轴线的钻头旋转方向的前缘表面以及相对于所 述钻头旋转方向的后缘表面； 多个滚动锥形刀具，其中每个滚动锥形刀具被以可旋转方式安装在与所述腿部中的一 个腿部的所述下段螺纹联接的轴颈上，其中每个锥形刀具沿相应的腿部的所述前缘表面设 置； 其中每个锥形刀具包括沿着绕相应的锥体旋转轴线延伸的第一周向行布置的第一多 个切削元件，其中所述第一多个切削元件中的每一个包括平坦切削面，所述平坦切削面被 构造成当所述钻头主体绕所述钻头轴线在所述钻头旋转方向上旋转时与大地地层接合并 且剪切大地地层。13. 根据权利要求12所述的钻头，还包括： 多个周向间隔开的固定叶片，其中每个固定叶片从所述腿部中的一个腿部的所述下段 径向向外延伸，其中每个固定叶片具有周向地布置在相应的腿部的所述前缘表面和所述后 缘表面之间的径向外部的面向地层表面； 多个切削元件，所述多个切削元件被安装至每个叶片的所述面向地层表面，并且被构 造成当所述钻头主体绕所述钻头轴线在所述钻头旋转方向上旋转时与地层接合并且剪切 地层。14. 根据权利要求13所述的钻头，其中每个锥形刀具的所述锥体旋转轴线与所述钻头 轴线径向间隔开，并且基本垂直于包含所述钻头轴线的平面。15. 根据权利要求14所述的钻头，其中每个锥形刀具具有背面、前端以及从所述背面延 伸至所述前端的圆锥表面，其中每个锥形刀具的所述背面与相应的腿部的所述下段的所述 前缘表面周向地相邻。16. 根据权利要求12所述的钻头，其中每个腿部的所述下段的所述后缘表面包括余隙 凹部，所述余隙凹部被构造成提供用于移除与周向相邻的腿部的所述下段联接的锥形刀具 和轴颈的空间。17. 根据权利要求12所述的钻头，其中每个锥形刀具的每个锥体轴线被定向为相对于 周向相邻的所述固定叶片的所述后缘表面成角度Φ，以相对于所述钻头旋转方向引导所述 锥形刀具，其中每个角度Φ为小于45°的锐角。18. 根据权利要求17所述的钻头，其中每个角度φ小于30°。19. 根据权利要求12所述的钻头，其中每个锥形刀具包括沿着第二周向行布置的第二 多个切削元件，所述第二周向行相对于所述锥体旋转轴线与所述第一周向行轴向间隔开， 其中所述第二多个切削元件中的每一个包括平坦切削面，所述平坦切削面被构造成当所述 钻头主体绕所述钻头轴线在所述钻头旋转方向上旋转时与大地地层接合并且剪切大地地 层。20. 根据权利要求19所述的钻头，其中所述第一多个切削元件相对于所述钻头轴线的 径向最外部切削元件的切削面在端视图中延伸至基准圆，其中所述基准圆由所述全规直径 限定并且绕所述钻头轴线同心地布置;并且 其中所述第二多个切削元件相对于所述钻头轴线的径向最外部切削元件的切削面在 端视图中延伸至所述基准圆。21. -种在大地地层中钻出钻孔的方法，所述方法包括： (a) .将第一轴颈以可移除方式联接至钻头主体的腿部，其中所述钻头主体具有钻头轴 线； (b) .将第一滚动锥形刀具以可旋转方式联接至所述第一轴颈，其中所述第一锥形刀具 有第一锥体轴线和多个切削元件； (c) .使所述钻头绕所述钻头轴线在切削方向上旋转； (d) .在(c)期间，使安装至所述第一锥形刀具的所述多个切削元件与大地地层接合；以 及 (e) .在(d)期间，使所述第一锥形刀具绕所述第一锥体轴线旋转。22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述腿部包括：固定叶片，所述固定叶片具有径 向外部的面向地层表面;和多个切削元件，所述多个切削元件被安装至所述面向地层表面， 并且其中（d)还包括： 在(c)期间，使被安装至所述固定叶片的所述面向地层表面的所述多个切削元件与大 地地层接合。23. 根据权利要求22所述的方法，其中（d)还包括:在(c)期间，利用被安装至所述固定 叶片的所述面向地层表面的多个切削元件以及被安装至所述第一锥形刀具的多个切削元 件剪切大地地层。24. 根据权利要求22所述的方法，其中(a)包括将所述第一轴颈拧入所述腿部。25. 根据权利要求24所述的方法，还包括： (f) .在(d)之后，将所述钻头从所述钻孔起钻； (g) .在(f)之后，通过从所述腿部拧下所述第一轴颈而从所述钻头主体移除所述第一 锥形刀具。26. 根据权利要求25所述的方法，还包括： (h) .在(g)之后，将第二轴颈以可移除方式联接至钻头主体的腿部； (i) .将第二滚动锥形刀具以可旋转方式联接至所述第二轴颈，其中所述第二锥形刀具 有第二锥体轴线和多个切削元件； (j) .使所述钻头绕所述钻头轴线在所述切削方向上旋转； (k) .在（j)期间，使被安装至所述固定叶片的所述面向地层表面的多个切削元件以及 被安装至所述第二锥形刀具的多个切削元件与大地地层接合。27. 根据权利要求23所述的方法，其中所述第一锥体轴线与所述钻头轴线径向地间隔 开，并且基本垂直于包含所述钻头轴线的第一平面。28. 根据权利要求27所述的方法，其中所述第一锥形刀具有背面、前端以及从所述背面 延伸至所述前端的圆锥表面； 其中(b)还包括将所述第一锥形刀具的所述背面设置成与所述固定叶片周向地相邻。
【文档编号】E21B10/14GK105874147SQ201480066202
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年12月5日
【发明人】杰弗里·罗纳德·克劳森
【申请人】国民油井Dht有限公司