专利名称：用于刮刀钻头牙轮的碎屑流动管理特征及如此设置的钻头的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及钻探地下地层的钻头，更具体地涉及用于钻探 这样的地层和这样装配的钻头的牙轮。
背景技术：
旋转刮刀钻头用于地下钻井已经好几十年，并且各种类型、形状
冠部上。当钻探一定的地下地层时，设计得当的刮刀钻头可提供给三 牙轮钻头改善的机械钻速(ROP)。
旋转刮刀钻头的性能已经随着聚晶金刚石复合片(PDC)切削元 件的引进大大地改善，在高温高压条件下，聚晶金刚石复合片切削元 件通常设置成形成在硬质合金基体上的基本平的PDC台。PDC台形 成各种形状，包括圆形、半圆形和墓碑状，这些是最经常使用的结构。 另外，形成PDC台的目的在于该台的外边缘或边缘部分，与支撑硬质 合金基体的侧壁同向延伸，或者PDC台可稍微悬在基体侧壁之上，在 台的尾缘形成"唇缘"。在某些情况下，例如在PDC台形成期间，当邻 接切削面的PDC台的一部分已经滤去用于模拟金刚石-金刚石间的胶 结的金属催化剂时，由于PDC台未滤去部分相对于滤去部分的后方要 更快磨损，因此在钻井期间可形成唇缘。PDC牙轮已经提供给钻头设 计者各种各样的可能的牙轮部署和方向，冠部构造、喷嘴布局和不可 能用天然金刚石或较小的人造金刚石牙轮选择的其他设计。虽然旋转刮刀钻头在许多条件下提供了比三牙轮钻头更好的
ROP，但是旋转刮刀钻头的性能仍可改善。该行业的研究者已经认识 到，控制重新压实的岩屑或碎屑在PDC牙轮的切削面上的堆积，是影 响切削性能的主要原因。控制PDC台切削面上的碎屑堆积的方法包括 沖击重新压实的碎屑的机械的、水力的和化学的方法。
已观察到，在PDC切削元件上的上述唇缘构造通过减少切削元件 的侧壁到PDC台后方的碎屑堆积，改善了切削效率，但是这种观察到 的现象的运行机理一直没有被了解。此外，设置PDC切削元件或形成 突出的唇缘增加了切削元件制作的成本，并且这样的切削元件增加的 成本被察觉到与从许多应用中获得的好处是不相称的。
需要什么是明确的，在堆积循环的早期，抑制紧挨着被切削地层 的牙轮侧面上的碎屑的流动和堆积，从牙轮的侧面除去重新压实的碎 屑，或者两者都进行，来经济的改善旋转刮刀钻头牙轮。
发明内容
本发明的实施例证明了修正PDC切削元件或牙轮的结构，例如改 变牙轮筒(cutter barrel)的侧面的表面，或至少在紧挨着被切削地层 的区域增加渗透性，通过抑制侧面上碎屑的流动和堆积或通过有效地 除去碎屑堆积能达到有益的结果。
这些结构设置好像抵消了"压差粘附"，该压差粘附可描述为由于 作用在碎屑上的静压，使得从地层上切削下的和流过牙轮与邻接地层 之间的牙轮的碎屑粘附到牙轮表面的趋势。因为这些牙轮筒的结构设 置能够使静压侵入侧面和任何密切接近的碎屑之间，因此避免了这样 的压差粘附。
本发明的实施例包括提供给牙轮筒侧面的变化的表面的各种结构。
提供改变侧面的表面的一个方法包括使牙轮筒的侧面有紋路或粗 糙化。紋路可以是铸造、碾磨或切进侧面，并且可包括脊、槽、交叉 紋路、凸点、草皮、凹陷或孔洞。粗糙化由喷砂、喷珠、喷丸实现，或利用熔焊技术增加对侧面的耐磨堆焊。
改变侧面的表面的另一个方法可包括给侧面增加结构。考虑用耐
磨材料，例如碳化钨、PDC元件、TSP (热稳定PDC)元件或可被使 用的这样材料的组合构成杆、圆盘、三角形件、方块、棒或球。取决 于其组成的结构，可被熔焊、硬钎焊或直接胶结到侧面或在侧面内形 成的相容的承窝内。
仍作为另一个方法，可应用或包括耐磨材料的颗粒，例如碳化鴒、 天然金刚石或人造金刚石，利用该材料构成牙轮筒的侧面，或混合进 紧固在侧面凹槽内的插入件内。
在所有的前述的例子中，改变的侧面表面促使进牙轮附近的围压 钻井液接近侧面，并且特别在密切接近侧面的碎屑和侧面本身之间， 防止了流过牙轮侧面的碎屑的压差粘附。
有效降低牙轮筒侧面上的碎屑堆积量的再一个方法是增加侧面的 渗透率，允许牙轮附近的周围钻井液通过侧面传送到侧面和紧密接近 的任何碎屑之间的区域，并防止压差粘附。
通过在牙轮筒的侧面上建立孔或洞的图案或由多孔的或渗透的材 料构成牙轮筒的侧面，能够提高渗透率。置于地层附近的牙轮筒的侧 面上的孔或多孔材料传递静压下的钻井液滤出液。因而，邻近牙轮筒 的侧面的钻井液将润滑侧面和抵消邻近侧面的静压产生压差粘附的任 何趋势。由于牙轮筒侧面附近的静压被基本平衡到牙轮侧面和接触牙 轮筒的任何碎屑的地层侧面上，因此钻井液的流动(或者移动穿过钻 井液的钻头的旋转)将削弱任何在碎屑堆积循环的早期粘附或压缩到 侧面上的切削下的地层材料。
本发明的上述的和其他的优点在参照附图阅读下面的详细说明基 础上将变得显而易见，其中
图1A是在底面上有碎屑堆积的牙轮筒组件的颗粒流模拟(PFC) 模型；图IB是具有包括唇缘的牙轮并且在底面上没有碎屑堆积的牙轮
筒组件的PFC模型；
图2A是牙轮筒组件的PFC模型，碎屑在底面和压实碎屑的压力
边界之间形成钝角；
图2B是牙轮筒组件的PFC模型，碎屑在底面和压实碎屑的压力
边界之间形成锐角；
图3A是牙轮筒组件的PFC模型，其中底面的摩擦系数较低； 图3B是牙轮筒组件的PFC模型，其中底面的摩擦系数较高； 图4示出了包括本发明的一个实施例的传统旋转刮刀钻头； 图5A是包括设置在底面内的承窝中的结构的牙轮筒组件的剖视
图5B是包括连接到底面的球或圆柱体的牙轮筒组件的剖视图； 图5C是包括填充在牙轮筒组件中的磨粒的牙轮筒组件的剖视图； 图5D是牙轮筒组件的剖视图，其中底面包括紋路或已经被粗糙
化；
图5E是牙轮筒组件的剖视图，其中与增压钻井液滤出液连通的 孔或水嘴布置在底面上。
具体实施例方式
研究表明，重新压实的岩石碎屑与原岩具有同一数量级的封闭强 度，并且用于岩石地层的离散元模型(DEM )的颗粒流模拟软件(PFC ) 模型表明，使用固定牙轮切削岩石的大多数能量在挤压重新压实的碎 屑时被消耗掉了 。颗粒流模拟软件由美国明尼苏达州明尼阿波利斯市 的Itasca Consulting Company制作。
另外，PFC模型表明，牙轮下方(牙轮和被切削地层之间)的碎 屑流动与牙轮面上的碎屑流动同等重要。碎屑流的影响切削机构的这 种作用和随之而来的压差粘附到牙轮筒上的可能性，损害了接近被钻 地层的牙轮并极大地降低了切削效率，这在本领域中先前一直没有认 识到。影响牙轮下方的碎屑流动的新观念提供了提高切削效率的机会。
7当碎屑材料邻近切削元件或牙轮的表面流动时，它可能通过压差
粘附到表面上；这对于流动到牙轮的切削面上的重新压实的岩屑或碎 片和那些在牙轮下方流动并穿过邻近被切削地层的牙轮筒的侧面的岩 屑或碎片都是如此。岩石性能的颗粒流模拟(PFC)模型表明，在牙 轮下方流动的碎屑材料的压差粘附可能是控制在预定地下地层中的切 削效率的重要因素；并且在相对不渗透的地层中，例如所有的页岩和 大多数碳酸盐岩，其可能是单一的最重要因素。在这样的地层中，岩 石和碎屑都是相对不渗透的，这种重新压实的颗粒材料在牙轮和原岩 之间产生了屏障。井下压力压紧并加强碎屑材料使其成为屏障，使碎 屑材料吸收钻压并降低了切削效率。
因为碎屑的膨胀，碎屑内部的孔隙压力典型地低于周围钻井液的 静压，因此静压将碎屑压靠于牙轮筒的侧面上。钻井液或"泥浆"的本 性阻止液体渗透进入颗粒碎屑块，产生并恶化这个问题。
图1A和1B示出了切削岩石的PDC牙轮10的PFC模型。如图 所示，携带PDC牙轮IO的钻头体在从左到右的方向上移动，切削进 入原岩62(线60以下)、剪切岩石并形成碎屑64,其中牙轮包括碳化 鵠基体20和形成于其上的金刚石台12。 一部分碎屑64被向上挤压到 PDC牙轮10的金刚石台12的切削面上，形成岩屑碎片68。在图1A 和1B中， 一些碎屑64在牙轮10下方流动。在切削面上的碎屑64的 表面上、PDC牙轮10下方、以及在原岩62的表面上的黑点分别表示 碎屑64、原岩62、处于静压下的泵进井眼的周围钻井液两两之间的压 力边界。在图1A中，在牙轮10下方流动的碎屑64通过压差粘附到 牙轮10的侧面14上并抑制了切削。与之形成对比的是，图1B包括 延伸至邻近的碳化鴒基体20的表面之外或形成延伸至该表面之外的 唇缘16的金刚石台12。在这个模型中，很少的碎屑64在牙轮10下 方流动并且没有碎屑64粘附到侧面14上。该有益的效果归因于唇缘 16抑制碎屑64流动的能力。干净的侧面14允许静压在金刚石台12 的唇缘16处穿透碎屑64,促进了切削过程的效率。
另外，当在钻探期间碎屑在牙轮下方流动时，已经观察到碎屑粘附到牙轮筒的程度在适当情形下影响了清除装置。最初，碎屑将形成 沉淀物，然后继续聚集材料， 一直到堆积足够大并形成一定形状，以 允许碎屑和牙轮筒的侧面之间的周围静压减轻压差粘附为止。在这些
情况下，随着牙轮前进，堆积的材料从牙轮筒的侧面被剪除，暂时提 高了切削效率。
图2A和2B均示出了具有金刚石台12的牙轮IO从左向右运动， 形成岩屑碎片68。在两种情况中都显示出碎屑64在牙轮12下方流动。 然而，就碎屑64的堆积来说，图2A的图像示出了不希望有的情形。 当碎屑64在牙轮10下方流动时，由于静压将碎屑压靠在侧面14上， 碎屑开始压差粘附，在侧面14上形成压实块66。压实块66和侧面14 之间产生一个钝角54。在这个碎屑构造中，静压(如图中箭头52所 示的向量)垂直作用于压力边界50，对块66施力并且抵靠着侧面14 保持块66。然而，如图2B所示，如果邻近侧面14的碎屑64的运动 被阻滞，而不是碎屑64被允许在侧面14上滑动、粘附到侧面14上或 者^皮压实到侧面14上，则压实块66和侧面14之间的角54变成4兌角， 如图2B所示。 一旦碎屑和侧面14形成4兌角54，则沿着压力边界50 的静压52楔进碎屑和侧面之间，并且对任意压实块66施加远离侧面 14的作用力，释放碎屑64和牙轮10的侧面14之间的由于压力差引 起的粘结。由于在钻井过程期，经过牙轮的碎屑整个块的流动一直在 持续，所以如果碎屑64不能沿着侧面14容易地滑动，则碎屑64和侧 面14将形成前面提及的锐角54,并且静压将继续有益地进入侧面14 和碎屑64之间的区域，在基本上持续的基础上，楔入并扩展二者之间 的裂缝。
在钻井工业中，通常要磨光PDC牙轮的切削面，以通过提供低摩 擦表面(形成切削碎片的碎屑可容易地在其上滑动)来试图限制碎屑 堆积。然而，PFC模型表明，与传统观念相反，较高的摩擦系数可以 用于抑制牙轮筒上的碎屑堆积。图3A和图3B示出了牙轮10的PFC 模型，其中侧面14的摩擦系数已经被处理。对于图3A所示的模型， 系数被随意地设置为较低(0.1)，并且对于图3B中的模型，系数被随
9意地设置为较高(2.0)。在图3A中，显示了碎屑64在牙轮10的侧面 14下方流动并压差粘附，在侧面14上形成压实块66。碎屑64的这种 压实块66吸收钻压并使静压52继续堆积碎屑64。相反，图3B所示 的高摩擦系数的PFC模型没有显示出压差粘附。这允许金刚石台12 的切削刃基本完全接触原岩62，并且允许静压52在金刚石台12的切 削刃附近在碎屑64和侧面14之间穿过，并且十分有益地将碎屑64 抬升远离侧面14，抑制了堆积。图3A和3B所示的PFC模型试验在 不同的钻头间隙角18(牙轮10的侧面14和切削进入邻近的、下方的 地层材料的方向之间的角度)下重复了许多次，包括间隙角低至5度 的试验。所有的试验提供了一致的、可重复的结果，这些结果证实了 图3A和3B所示的现象。
参考图4，常规的固定牙轮旋转钻头300包括钻头体302,该钻头 体通常具有径向凸起和纵向延伸的翼或刮刀304，翼或刮刀由排屑槽 306分隔开。在刮刀304的前沿面上具有多个PDC牙轮10,这些牙轮 在钻头体302的整个表面308上延伸。钻头体302的表面308包括用 于接合所钻地层的刮刀304的表面，以及孔道与排屑槽306内的钻头 体302的外表面。多个PDC牙轮10可沿着每个刮刀304设置于刮刀 304上所形成的承窝310内，并且可由支持物312从后面支撑，该支 持物可与钻头体302 —体形成。
钻头300还可包括API螺紋连接部分314，用以将钻头300连接 到钻柱上(未示出)。另外，纵向孔(未示出)纵向延伸穿过至少钻头 体302的一部分，内部流体通道(未示出)提供纵向孔和喷嘴316之 间的流体传递，喷嘴316位于钻头体302的表面308上，并且通往通 向排屑槽306的孔道。
在钻井操作过程中，钻头300被放置在井眼底部并旋转，同时施 加钻压并且钻井液穿过纵向孔、内部流体通道以及喷嘴316，泵送至 钻头体302的表面308。当钻头300旋转时，PDC牙轮10刮削并剪切 地下地层。地层岩屑与钻井液混合，并悬浮于其内，并且穿过排屑槽 306，经钻孔壁与钻柱外表面之间的环空升至地层表面。发明人预期将本发明的牙轮的实施例用于上面所示出的旋转刮刀 钻头和包括但不限于取芯钻头、双心钻头和偏心钻头，也可以用在任 何构造的固定切削钻井工具上，包括但不限于扩孔或其他打孔工具。 因此，术语"旋转刮刀钻头，，和在这里使用的"用于地下钻井的装置"包 含了所有这样的装置。
图5A-5E均是根据本发明的牙轮的实施例的剖视图，每个牙轮实 施例包括牙轮筒110,牙轮筒110包括支撑基体，支撑基体具有形成 在其上的PDC台112和侧面114,当牙轮定位在旋转刮刀钻头上时， 侧面114与净皮切削地层相邻。
图5A是包括结构140A的剖视图，该结构设置于形成在牙轮筒 110的侧面114中的承窝内或者设置于牙轮筒110的侧面114上。结构 140A可设置成杆、圆盘、三角形件、方块、或棒，该结构被熔焊、硬 钎焊或胶结到形成于侧面114内的相应承窝内。结构140A可由硬质 的、耐腐蚀和耐磨的材料，例如碳化鴒、PDC或TSP构成。结构140A 将增加从地层切削下的岩屑和侧面114之间的摩擦。
图5B示出了固定在牙轮筒110的侧面114上的球或圆柱体140B。 球或圆柱体140B将增加侧面114和碎屑间的摩擦。圆柱体或球140B 可被胶结、熔焊或直接硬钎焊在侧面114上，或可被固定在形成于侧 面114上的承窝内。球或圆柱体140B可包括耐磨材料，例如碳化鴒、 PDC或TSP。
图5C示出了牙轮筒110的侧面114上携带的耐磨颗粒140C。耐 磨颗粒140C可是碳化鵠、天然金刚石或人造金刚石。耐磨颗粒140C 可被胶结、熔焊或硬钎焊在侧面114上；或者，耐磨颗粒140C可被 浇铸或以其他方式直接加入到筒的材料中。耐磨颗粒140C也可通过 例如铸造或烧结工艺制成插入件。然后插入件可置于侧面114的互补 容置部内。耐磨颗粒140C与侧面114形成一体的实施例提供了额外 的优势随着侧面114的磨损，新的耐磨颗粒将露出来。此外，在现 有技术中，用单一的金属层或多层来涂覆金刚石砂砾是众所周知的， 所述涂层可用于胶结上述的天然或人造金刚石颗粒到侧面114上，或在牙轮筒110形成期间与牙轮筒110的材料(一般为碳化钨)一体化。
图5D所示的牙轮筒110的侧面114的部分包括有紋路的或有图 案的表面形状或已经被粗糙化(如附图标记140D所示)，以提供不规 则的表面形貌。紋路140D可被铸造、碾磨或切削进侧面114中，并 且可包括脊、槽、交叉紋路、凸点、草皮、凹陷或孔洞。粗糙化可由 喷砂、喷珠、喷丸，或通过给侧面114焊接堆焊材料来实现。
如同那些本领域技术人员很容易理解的那样，上述的实施例可以 说是增加了侧面114的摩擦性能，阻止了在碎屑和侧面114之间形成 前述的钝角，保持了静压进入碎屑和侧面之间区域的通路。
图5E是牙轮筒110的侧面的剖视图，其包括在侧面上开的孔或 洞140E。在围压下以钻井液的形式与孔或洞140E连通的高压滤出液 将与倾向于将碎屑压靠于侧面114上的压力平衡，很大程度上阻止了 侧面114上的碎屑堆积，并除去任何开始形成的明显的沉淀物。代替 相对较大的孔或洞140E，牙轮筒110的一部分可制成实质上多孔的或 可渗透的，如虛线140E，所示出的那样，或制成置于牙轮筒110的凹 槽内的多孔插入件(例如多孔的烧结体)，以为高压钻井液提供从钻头 内部进入到侧面114的通道。
上述的实施例可以被描述为通过允许静压在牙轮附近进入侧面 114和邻近碎屑之间的区域来阻碍压差粘附。
虽然本发明可能易于有各种变化和变形，但是在这里通过附图中 的例子已经示出特定的实施例并详细地描述。然而，应当理解本发明 并不局限于特定的公开的形式。而是，本发明包括落入由下面所附的 权利要求定义的本发明的精神和范围内的所有的修改、等价物和替代 物。
1权利要求
1.一种用于地下钻井的结构，该结构包括至少一个切削元件，包括牙轮筒，牙轮筒具有形成在其端部上的超研磨料台；和牙轮筒上的侧面，其纵向延伸远离超研磨料台的切削刃，并设置成抑制岩石碎屑在其上的堆积。
2. 如权利要求l的结构，其中牙轮筒的设置成抑制岩石碎屑在其 上堆积的所述侧面具有变化的表面形貌。
3. 如权利要求2的结构，其中牙轮筒的所述侧面的变化的表面形 貌包括粗糙化的侧面。
4. 如权利要求2的结构，其中牙轮筒的所述侧面的变化的表面形 貌包括槽、孔和承窝中的一个。
5. 如权利要求4的结构，其中牙轮筒的所述侧面的变化的表面形 貌包括承窝，并且还包括固定地连接至承窝的杆、球、圆柱体、方块、 三角形件或圆盘中的至少一个。
6. 如权利要求5的结构，其中所述杆、球、圆柱体、方块、三角 形件或圆盘中的至少一个通过熔焊、硬钎焊、胶结和烧结中的至少一 种方式固定连接。
7. 如权利要求5的结构，其中所述杆、球、圆柱体、方块、三角 形件和圆盘中的至少一个包括碳化钨、聚晶金刚石和热稳定聚晶金刚 石中的至少一种。
8. 如权利要求2的结构，其中牙轮筒的所述侧面的变化的表面形 貌还包括加入牙轮筒的耐磨颗粒。
9. 如权利要求8的结构，其中耐磨颗粒包括碳化钨、金刚石、聚 晶金刚石和热稳定聚晶金刚石中的至少一种。
10. 如权利要求l的结构，其中超研磨料台包括聚晶金刚石复合片。
11. 如权利要求l的结构，其中牙轮筒的设置成抑制岩石碎屑在其上堆积的所述侧面包括碳化鵠基材内的金刚石颗粒。
12. 如权利要求ll的结构，其中金刚石颗粒通过硬钎焊材料和烧 结中的一种方式固定至碳化鴒。
13. 如权利要求ll的结构，其中金刚石颗粒与牙轮筒是一体的。
14. 如权利要求l的结构，其中牙轮筒的设置成抑制岩石碎屑在 其上堆积的所述侧面包括具有增加的摩擦系数的表面。
15. 如权利要求l的结构，其中牙轮筒的设置成抑制岩石碎屑在 其上堆积的所述侧面包括一个或多个孔，所述孔设置成允许邻近切削 元件的静压钻井液从牙轮筒的内部与所述侧面连通。
16. 如权利要求l的结构，其中牙轮筒的设置成抑制岩石碎屑在
17. 如权利要求1-16的任意一个的结构，其中所述至少一个切削 元件包括多个切削元件，并且所述结构还包括具有所述多个切削元件 的主体，所述切削元件固定在所述主体的与地下地层接触的面上。
18. 如权利要求17的结构，其中所述结构包括钻头，所述主体包 括钻头主体，钻头主体在其与所述面相反的端部处具有螺紋连接部， 该螺紋连接部设置成将所述钻头主体连接至钻柱。
19. 如权利要求17的结构，其中所述主体包括钻井工具，并且主 体包括钻井工具主体，所述钻井工具主体在其与所述面相反的端部处 具有螺紋连接部，该螺紋连接部设置成将所述钻头工具主体连接至钻 柱。
20. 如权利要求19的钻井工具，其中所述钻井工具设置成用于扩 大井眼。
全文摘要
由刮刀钻头牙轮剪切地下地层材料产生的岩石碎屑可能在牙轮下方流动，通过产生的压差将碎屑粘附到牙轮筒的侧面上，并且膨胀碎屑。这种由静压限制的粘附材料，可在牙轮和被切削的原岩之间产生屏障并加强该屏障。通过削弱牙轮和原岩地层的接触，碎屑屏障吸收钻压并降低了切削效率。岩石碎屑和牙轮筒侧面之间增加的摩擦，例如通过槽或杆(140A)装置抑制碎屑流动，减少堆积，并允许静压有助于而不是抑制切削过程。当静压钻井液被允许通过牙轮的侧面的孔或通过其他可渗透的侧面流动时，可得到类似于减轻由于压差效应造成的碎屑粘附的有益的结果。
文档编号E21B10/54GK101589207SQ200780049046
公开日2009年11月25日 申请日期2007年11月29日 优先权日2006年11月29日
发明者L·W·莱杰伍德 申请人:贝克休斯公司