具有其他套管钻头的套管钻头的制作方法

专利名称：具有其他套管钻头的套管钻头的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及钻出地下井眼，更具体地，涉及布置在套管或衬管的末端上的钻井结构。
背景技术：
石油和天然气产物的钻井操作常规地利用钻管的纵向延伸节段或所谓的“管柱”， 直径较大的钻头在一端固定到所述管柱。在井眼的选定节段被钻出之后，通常用套管的一个管柱或节段为井眼设置衬垫或衬套。这样的套管或衬管通常具有比钻管大的直径和比钻头小的直径。所以，根据常规方法的钻井和衬套典型地需要顺序地使用附连有钻头的钻柱钻出井眼，从井眼去除钻柱和钻头，和将套管布置到井眼中。此外，常常在用套管(其通常被灌注水泥固定就位)衬垫井眼的一部分之后，超出套管的末端的额外钻进可能是期望的。然而，顺序钻进和套管可能是耗时和高成本的，原因是在相当大的深度执行复杂回缩过程以收回钻柱所需的时间可能很长。

发明内容
用另一个套管钻头钻进套管中的套管钻头和任何其他设备，其中直径不同并且具有关联套管节段的至少两个套管钻头可以被组装以形成用于钻进地下岩层的钻井组件，所述至少两个套管钻头和套管节段以可伸缩关系被布置。本领域的普通技术人员通过考虑以下描述、附图和附带权利要求将显而易见本发明的特征和优点。


在示出当前被认为是用于实现本发明的最佳模式的图中图IA显示了钻井组件的示意性横截面图，所述钻井组件包括以嵌套可可伸缩关系被布置的两个套管钻头(casing bit)；图IB显示了处于伸展的可伸缩关系的图IA中所示的钻井组件的示意性横截面图；图IC显示了根据本发明的钻井组件的示意性横截面图，所述钻井组件包括三个套管节段和旋转式钻头；图ID显示了根据本发明的钻井组件的示意性横截面图，所述钻井组件包括本发明的套管钻头和三个套管节段；
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图2显示了本发明的钻头的透视图；图3显示了本发明的另一个钻头的一部分的放大透视图；图4显示了图2的钻头的端面的放大图；图5显示了根据本发明的钻头的切削元件布置设计的示意性侧视横截面图，显示了布置在其上的第一和第二类型的切削元件的相对暴露量的情况；图6A是适合于钻透套管钻头和在套管钻头之上的套管内的注水泥设备部件(如果有的话)的切削元件的一个构造的透视图，图6B是图6A中所示的切削元件的前视图，图 6C是通过图6B上的线6C-6C获得的截面图，并且图6D是图6C的被圆圈圈起来的区域中的切削元件的切削刃的放大图；图7A-7H示意性地显示了适合于钻透套管钻头和在套管钻头之上的套管内的注水泥设备部件(如果有的话)的切削元件的其他构造，其中图7A，7C，7E和7G显示了切削元件的横向构造，并且图7B，7D，7F和7H显示了侧视图；图8A-8B显示了适合于钻透套管钻头和在套管钻头之上的套管内的注水泥设备部件(如果有的话)并且随后钻透在套管钻头之前的地下岩层的双用途切削元件的构造；图9示意性地显示了套管组件，所述套管组件具有在其底部的套管钻头和在套管钻头之上的注水泥设备部件组件，套管组件布置在井眼内；图10显示了例如可以用于图8的套管组件中的典型注水泥设备部件组件的详细、 侧视横截面图；以及图11显示了根据本发明的钻头的示意性横截面图，所述钻头布置在套管钻头内， 所述套管钻头具有内部轮廓以及与钻头的切削元件所限定的钻进轮廓基本一致的外部轮廓。
具体实施例方式在本发明中，直径不同并且具有关联套管节段的至少两个套管钻头可以被组装以形成用于钻进地下岩层的钻井组件，其中径向相邻的套管节段彼此选择性地、可释放地固定，并且其中所述至少两个套管钻头和套管节段以可伸缩关系被布置。这样的构造可以减小将附连到每个较大和较小套管钻头的套管节段布置到井眼中所需的时间。例如，如图IA和IB中所示，钻井组件511可以包括第一套管钻头516和第二套管钻头514，其中第一套管钻头516布置在第二套管钻头514内。第一套管钻头516可以固定到套管节段508并且第二套管钻头514可以固定到套管节段506。因此，套管节段506和 508可以以可伸缩关系被构造，S卩，能够彼此伸展或嵌套。如图IA中所示，套管节段508通过易碎元件518固定到套管节段506。易碎元件518可以被构造为在套管节段506和508 之间传递扭矩、轴向力或钻压(WOB)或两者。当然，可以利用其他结构在套管节段506和 508之间传递力。套管节段506可以包括与其和/或第二套管钻头514连接的注水泥设备部件组件的注水泥套管上浮设备F或井下电机M。所以，在操作期间，扭矩和WOB可以通过套管节段506被施加于第二套管钻头514。 可替代地，扭矩和WOB以通过套管节段508和通过易碎部分518被施加于第二套管钻头 514。可以理解，当套管钻头514和516在结构上彼此联接时，扭矩、WOB或两者可以在其间被传递。另外，在每个套管钻头514和516之间的流体端口或孔口可以被联接，使得钻井流体可以通过第一套管钻头516的内部被输送到第二套管钻头514。可替代地，钻井流体可以通过环空5M被输送，而第一套管钻头516的端口或孔口可以被堵塞或阻塞。因此，许多替换性选择可能用于将钻井流体输送到任何套管钻头514和516。如图IB中所示，套管节段504可以布置在第一深度处。然后，可以使第二套管钻头514钻透套管钻头512并且继续钻到第二深度。当到达第二深度时，扭矩、WOB或两者可以被施加以使易碎元件失效或断裂。可替代地，可以通过选择性地引爆发烟剂、爆炸剂或两者使易碎元件失效。因此，可以利用第一套管钻头516钻透第二套管钻头514并且到达第三深度。换句话说，图IB显示了处于伸展的可伸缩关系的钻井组件511。当然，本发明并不被限制于以可伸缩关系构造的套管钻头的任何特定数量。相反地，本发明的钻井组件可以包括一个或多个套管钻头，这些套管钻头以可伸缩关系至少部分布置在一个或多个其他套管钻头内。也应当理解的是，本发明并不被限制于较小的套管钻头或套管节段至少部分布置在另一个套管钻头内从而以可伸缩关系被构造。相反地，更具体地，套管钻头或套管节段可以布置在另一个套管节段内，所述另一个套管节段可以固定到另一个、更大的套管钻头， 从而以可伸缩关系被构造。可替代地，以可伸缩关系构造的多个套管节段中的两个的组件可以通过布置在其前端的钻井工具钻入地下岩层中。具体地，如示出钻井组件533的图IC中所示，例如可以通过将套管节段504，506和508锁扣在一起将套管节段504，506和508联接在一起以形成组件，所述组件可以通过布置在钻井组件533的沿钻进方向的前端的常规钻井工具534钻入岩层中，钻井工具534具有超过最大套管节段504的直径的直径。钻井工具534可以非限定性地包括旋转式钻头、扩眼钻、扩眼组件或套管钻头。钻井工具534可以通过套管节段 504,506和508的旋转和平移前进到岩层中。然而，优选地，钻井工具534可以在结构上联接到最内套管节段508，使得钻井工具534可以继续钻入岩层中，而套管节段504或506变为布置在井眼内。可选地，井下电机可以定位在最内套管节段508和钻井工具534之间。当钻井组件前进到岩层中时，径向相邻的较小套管节段可以与径向相邻的较大套管节段脱开连接并且从其伸展。当然，如上文(图1A)中所述的易碎元件(未显示)可以在结构上彼此连接套管节段504，506和508。力可以被施加，以使这样的易碎元件失效，或者可以利用燃烧或爆炸部件使易碎元件失效。应当注意的是常规钻井工具534可能不适合于允许另一个钻井工具将其钻透并通过。然而，套管节段504，506和508之间的可伸缩关系可以提供减少用于将套管节段504，506和508布置在井眼内的操作出错的优点。另外，以可伸缩关系构造的多个套管节段中的两个的组件可以通过布置在其前端的套管钻头钻入地下岩层中。如图ID中所示，包括套管节段504，506和508的钻井组件 544可以通过本发明的套管钻头546钻入岩层中。然而，套管钻头546可以主要联接到最内套管节段508，如图所示地，这通过径向延伸凸缘548和附连表面547来实现，从而套管钻头 546可以继续钻入岩层中，而套管节段504或506变为布置在井眼内，并且与套管节段508 分离。图2-图4示出了根据本发明的采用固定切削件或所谓的“刮刀”钻头的形式的钻头12的实施例的若干变化，所述钻头对应于图IA中的第一套管钻头516和图IC和ID中的钻井工具534和套管钻头M6。为了清楚起见，在图2-图4中类似的数字用于标识类似的特征。如图2-图4中所示，钻头12包括钻头主体14，所述钻头主体具有端面沈和大体径向延伸的刮刀22，在其间形成流体流道M，所述流体通道延伸到周向相邻刮刀22之间的排屑槽35。钻头主体14可以包括碳化钨基材或钢质主体，两者在本领域中是公知的。刮刀 22也可以包括凹窝30，所述凹窝可以被构造为接收一种类型的切削元件，例如呈PDC切削元件32的形式的超耐磨切削元件。通常，这样的PDC切削元件可以包括粘结到衬底的超耐磨区域。利用PDC切削元件的旋转式刮刀钻头已经使用了数十年。PDC切削元件典型地由在高压和高温(HPHT)工艺下形成和粘结到支撑衬底(例如烧结碳化钨(WC))的盘状金刚石“台”组成，尽管其他构造也是已知的。承载PDC切削元件的钻头在本领域中是已知的，所述PDC切削元件例如可以被硬钎焊到钻头端面中的凹窝、从端面延伸的刮刀中的凹窝中、 或安装到插入钻头主体中的柱螺栓上。因此，PDC切削元件可以通过硬钎焊、熔接或本领域中已知的另外方式固定到钻头12的刮刀22上。也可以预见的是切削元件32可以包括合适安装和暴露量的天然金刚石、热稳定聚晶金刚石复合片、立方氮化硼复合片或含金刚石磨料片段，它们在本领域中是已知的并且可以考虑待钻井的一个地下岩层或多个岩层进行选择。而且，每个刮刀22可以包括保径区域25，所述保径区域被构造为限定钻头12的最外半径，并且因此限定由其钻出的井眼的壁表面的半径。保径区域25包括从前端部分20 延伸的刮刀22的纵向向上(当钻头12在使用期间被定向时)延伸部，并且可以具有耐磨嵌入物或涂层，例如采用天然或合成金刚石的保径修整器的形式的切削元件，或在其径向外表面上的硬面材料，这在本领域中公知地抑制那里的过度磨损。钻头12也可以具有例如位于刮刀22中的凹窝34，所述凹窝可以被构造为接收不同于第一类型的另一种类型的研磨切削元件36，36'，36"，例如碳化钨切削元件。然而也可以预见的是研磨切削元件36可以包括例如除了碳化钨(W)以外的碳化物材料，例如Ti， Mo, Nb, V，Hf，Ta, Cr，Zr，Al和Si的碳化物或陶瓷。然而，根据将要由切削元件36,36'， 36"钻进的材料组分，研磨切削元件36，36'，36"可以与切削元件32相同地被构造。研磨切削元件36，36'，36"可以通过熔接、硬钎焊或本领域中已知的另外方式固定在凹窝 34内。如图2中所示，研磨切削元件36，36'，36"可以具有在预期钻头旋转的方向上量取的基本均勻的厚度。如图3和4中所示，研磨切削元件36，36'，36"可以具有在钻头旋转的方向上量取的变化厚度，其中在径向更向外位置的研磨切削元件36，36'，36"(并且因此，对于钻头12的每次旋转而言，其比例如在钻头12的锥形部内的那些元件移动相对更大的距离)可以较厚，以保证其将保留足够的材料，以用于切削套管部件和水泥，直到在套管部件和水泥被穿透之后它们通过与岩层材料接触而被磨耗。在图3-图5中显示了研磨切削元件36，36'，36〃可以被放置在从钻头的锥形部向外到肩部的区域中(在从中心线L到保径区域25的区域中)以提供对切削元件32的最大保护，当钻进套管组件部件时所述切削元件很容易受到损坏。很大意义上，端面26上的切削元件32得到良好保护，所述端面可以被定义为相对于中心线L成小于90°的轮廓角或角度的表面。切削元件36可以选择性地沿着端面沈的轮廓被放置，以提供对端面沈的某些区域和其上的切削元件32的增强保护。超耐磨切削元件32和研磨切削元件36，36'，36"的尺寸和构造可以结合各自的凹窝30和34的深度和位置分别进行设计，从而使研磨切削元件36，36'，36"具有比超耐磨切削元件32大的相对暴露量。当在本文中使用时，术语切削元件的“暴露量”通常是指切削元件在钻头的安装了该切削元件的部分(例如刮刀表面或刮刀轮廓)之上的突出距离。 本发明的术语“相对暴露量”用于表示所述的一种类型的切削元件32和另一种不同类型的切削元件36，36'，36"之间的暴露量的差异。更具体地，术语“相对暴露量”可以用于表示所述一种类型的一个切削元件32和另一种不同类型的另一个切削元件36，36'，36"之间的暴露量的差异，其中，前述切削元件在钻头12上的位置接近且相对于钻头12的中心线 L(参见图幻处于近似径向位置处，并且可选地可以沿钻头旋转的方向接近地定位。在图 2-图4所示的实施例中，研磨切削元件36，36'，36"通常可以被描述为在旋转方向上“跟随”超耐磨切削元件32并且在旋转方向上紧邻相同的刮刀22，以及以基本相同的半径被定位。然而，研磨切削元件36，36'，36〃也可以被定位为在旋转方向上“引领”相关的超耐磨切削元件32。通过前面的图示，图5显示了钻头12的切削元件布置设计的示意性侧视图，显示了当相对于其纵向轴线或中心线L和钻进轮廓P布置在诸如本发明的钻头12的钻头(未显示)上时的切削元件32，就好像所有切削元件32，32'和36被旋转到单一刮刀(未显示) 上。特别地，第一多个切削元件36的尺寸、构造以及位置可以进行设计，以接合和钻进第一材料或区域，例如套管靴、套管钻头、注水泥设备部件或其他井下部件。此外，第一多个切削元件36可以被构造为钻透围绕套管靴的水泥区域——如果套管靴在井眼内被水泥固定的话(这在本领域中是已知的)。另外，第二多个切削元件32的尺寸、构造以及位置可以进行设计，以钻入地下岩层中。而且，切削元件32'被显示为构造有径向向外定向的平坦部，并且被定位为与钻头12的保径直径相交，不过钻头12的切削元件布置设计的保径区域也可以分别包括第一和第二多个切削元件32和36。本发明预见了第一多个切削元件36可以比第二多个切削元件32具有更多暴露量。这样，第一多个切削元件36相对于第二多个切削元件32是“牺牲”的。进一步说，第一多个切削元件36，36'，36"可以被构造为初始接合和钻透这样的材料和区域所述材料和区域不同于随后第二多个切削元件32被构造用来接合和钻透的材料和区域。因此，第一多个切削元件36，36'，36〃可以不同于第二多个切削元件32被构造。 特别地，并且如上所述，第一多个切削元件36，36'，36"可以包括碳化钨切削元件，而第二多个切削元件32可以包括PDC切削元件。这样的构造可以便于主要利用第一多个切削元件 36,36'，36"来钻透套管靴或钻头，以及套管靴或钻头布置在其上的套管内的注水泥设备部件，以及附近的水泥。然而，当进入地下岩层时，正被钻进的地下岩层材料的研磨性可以磨耗切削元件36，36'，36"的碳化钨，从而第二多个PDC切削元件32可以接合岩层。如图 2-图4中所示，非限定性地，第二多个切削元件32中的一个或多个可以在旋转方向上“领先”第一多个切削元件36，36'，36"中的一个或多个。可替代地，非限定性地，第二多个切削元件32中的一个或多个可以在旋转方向上“跟随”第一多个切削元件36，36'，36"中的一个或多个。在用钻头12钻进期间，周向相邻的刮刀22之间的流体流道M可以具有钻井流体，所述钻井流体流过固定于在钻头12的内部和它的端面沈之间延伸的通道的外端的孔口中的喷嘴33。由于切削元件32或36，36'，36"的接合产生的材料的切屑从切削元件32 和36，36'，36〃上被扫除，并且切削元件32和36，36'，36〃由钻井流体或泥浆冷却，所述钻井流体或泥浆沿着钻头12布置在其上的钻柱的腔孔向下泵送并且从喷嘴33流出，所述流体大体径向向外移动通过流体流道M并且然后向上通过排屑槽35到达一环空，所述环空位于钻头12悬挂在其中的套管节段的内壁和钻头12布置在其上的钻柱的外部之间。当然，在钻头12钻透套管组件的末端之后，在钻柱的外部和井眼的围壁之间形成环空。图6A-6D显示了适合于切削元件36，36'，36〃的构造的一个例子，所述构造包括碳化钨或其他合适材料制成的盘状主体100并且在其后部(相对于预期切削件运动的方向而言)具有围绕平坦后表面104的周边倒角部102。圆柱形侧表面106从周边倒角部102 延伸到环形平坦部108，所述环形平坦部垂直于纵向轴线110定向并且向内延伸到偏移倒角部112，所述偏移倒角部通向平坦切削面114。为了方便起见，从侧表面106与环形平坦部108的接合部到偏移倒角部112与切削面114的接合部的区域通常可以被称为“切削刃区域”。周边倒角部102和偏移倒角部112与纵向轴线110所成的角例如可以为45°。然而，可以预见其他角，本发明并不限制于特定角。切削元件36可以以例如前倾角、中性(大约0°角)倾角或高达大约25°的后倾角布置在钻头12(图2)的端面沈上(以及刮刀 22上)，用于有效切削套管靴、套管钻头、注水泥设备部件和水泥，不过用于切削元件36， 36'，36"的后倾角的特定范围不是对本发明的限制。图7A-7H显示了适合于切削元件36，36' ,36"的其他构造。图7A和7B中所示的切削元件36，36'，36〃在横向构造上为圆形，并且如图7B中所示，具有与图6A-6D中所示的切削元件36的切削刃区域类似的切削刃区域。然而，后表面104朝着切削元件的前方 (沿箭头所示的预期切削方向)倾斜，从而提供了较厚的底部和用于切削的较薄的外刃，从而当接合岩层材料时能更快地磨损。图7C和7D中所示的切削元件36，36'，36"也在横向构造上为圆形，并且如图7D中所示，具有类似于图6A-6D中所示的切削元件36，36'，36〃 构造的切削刃区域。然而，后表面切削面114朝着切削元件的后方倾斜，从而提供了较厚的底部和用于切削的较薄的外刃，从而当接合岩层材料时能更快地磨损。图7E和7F中所示的切削元件36，36'，36"也在横向构造上为圆形，并且如图7F中所示，具有类似于图6A-6D 中所示的切削元件36，36'，36"的切削刃区域构造。然而，切削面114从切削刃区域朝着切削元件的后方倾斜，从而提供了较薄底部和用于切削的较厚外刃，从而为套管部件等的持久切削提供了更多的切削元件材料。图7G和7H中所示的切削元件36，36'，36"在横向构造上为卵形或蛋形，并且如图7H中所示，具有类似于图6A-6D中所示的切削元件36， 36'，36"的切削刃区域。切削面114和后表面104相互平行。卵形构造增强了被切削元件切削的材料的负荷，由此便于初始接合。图8A和8B显示了切削元件136，所述切削元件可以布置在钻头12(图2)上以切削套管关联部件以及地下岩层，而不是使用独立切削元件来切削套管关联部件和随后的地下岩层。切削元件136包括结合到研磨元件140的超耐磨元件138，切削元件136的外部横向构造由研磨元件140限定为卵形，超耐磨元件138具有圆形构造并且朝着切削元件136 的底部B偏移，从而在底部与研磨元件140切向对准。因此，研磨元件140的外部区域的暴露量大于超耐磨元件138的外部区域的暴露量，如142所示。研磨元件140的切削刃区域可以类似于图6A和6B中所示的切削元件36，36'，36”被构造，如图7B中所示。当切削元件136安装到钻头上并且底部B被接收在钻头端面上的单个凹窝中时，研磨元件140的较大暴露量将使它能够接触套管关联部件(套管靴、套管钻头、注水泥设备和水泥等)并且将其钻透，之后研磨元件140和地下岩层材料的接合将使它快速地磨损并且使超耐磨元件
9138和岩层接合。尽管显示和描述了一方面用于切削套管关联部件和水泥并且另一方面用于切削地下岩层的特定切削元件构造的例子，但是并非这样限制本发明。如本文中公开的切削元件构造仅仅是发明人认为合适的设计的例子。用于切削套管关联部件的其他切削元件设计例如可以利用连接切削元件的侧面和切削面之间的倒角部而不是偏移倒角部，或者根本不利用倒角部。类似地，超耐磨切削元件设计和制造是高度发达的、复杂的技术，并且使超耐磨切削元件设计和材料与期望的待要钻进的一个或多个特定岩层匹配在本领域中是公知的。如图9中所示，套管节段200和布置在它的末端204上的套管钻头CB可以由水泥 202或其他可硬化材料围绕，从而在钻出井眼BH之后，利用水泥将套管钻头CB和套管节段 200固定在井眼BH内。可以迫使水泥202通过套管节段200的内部、通过(例如)形成于套管钻头CB中的孔口，并且进入形成于井眼BH的壁134和套管节段200的外表面之间的环空。当然，在套管钻头CB之上示意性显示的注水泥设备部件组件F可以用于控制和输送水泥到套管钻头CB。利用水泥将套管钻头组件206固定到井眼BH中可以稳固井眼BH并且密封由井眼BH穿透的岩层。另外，可能希望钻透套管钻头CB，从而延伸井眼BH，如下文更详细所述。套管钻头CB可以包括从套管钻头CB的前端部分纵向延伸的包括一个或多个易碎区域的一体化主干节段S (参见图10)。可替代地，注水泥设备部件组件F的流量控制设备 (例如上浮设备)可以设置在套管钻头CB的一体化主干节段S内。套管钻头CB可以包括用于将套管钻头CB附连到套管管柱的螺纹端，或者它可以通过另一种合适的技术(例如熔接)被附连。可替代地或附加地，套管钻头CB可以非限定性地在一体化主干节段S内包括本领域中已知的浮阀机构、分段注水泥工具(cementing stage tool)、浮箍机构、坐落接箍结构、其他注水泥设备或它们的组合，或者这样的部件可以布置在套管钻头CB之上的套管管柱内。更特别地，套管钻头CB的一体化主干节段可以包括如授权给的美国专利 No. 3，997，009和授权给Mreich的5，379，835中公开的水泥浮阀作为注水泥设备部件组件F。此外，如Baldridge等人的美国专利No. 4，624，316和Budde的5，450，093中公开的在注水泥操作中常用的阀和密封组件可以包括注水泥设备部件组件F。此外，如Coone的美国专利No. 5，842，517中公开的浮箍可以包括注水泥设备部件组件F。另外，Allamon等人的美国专利No. 5，960，881和karka的6，497，291公开了可以包括部件组件F的注水泥设备。上面参考的注水泥设备或在本领域中另外已知的机构和设备中的任何一种可以被包括在一体化主干节段S内并且可以包括它的注水泥设备部件组件F。在一个实施例中，注水泥设备部件组件F可以包括如图10中所示的浮箍，该图显示了一体化主干节段S的部分侧视横截面图。如图10中所示，注水泥设备部件组件F可以包括内部主体82，所述内部主体由短水泥柱83锚固在外部主体84内并且具有通过其中连接它的上和下端的腔孔86。腔孔86可以适于由包括笼球型(poppet-type)阀元件89的止回阀88打开和关闭，所述笼球型阀元件能够在打开腔孔86的下部位置和关闭腔孔86的上部位置之间竖直地移动，因此允许经其向下的流动，但是阻止经其向上的流动。所以，笼球型阀元件89可以由被显示为压缩弹簧的偏压元件91偏压到上部位置；然而，其他偏压机构可以用于该目的，例如压缩气体或空气气缸或弓形弹簧。因此，水泥可以通过止回阀88和通过形成于一体化主干节段S或一体化套管钻头CB内的孔口(未显示)或易碎区域(未显示)被输送，如上文所述。在使用套管钻头组件206钻出井眼BH并且用水泥将套管钻头组件固定在井眼BH 内之后，可能希望钻透套管钻头组件206的末端并且进入在套管钻头组件的前方的岩层中，本发明的钻头尤其适合于用于该目的。参考附图的图11，如上所述，套管钻头CB可以固定到套管节段，并通过水泥固定在井眼或井筒(未显示)内，这在本领域中是已知的。图11显示了井眼组件W的一部分和布置在套管钻头CB的内部中用于钻透该套管钻头的根据本发明的钻头12的部分横截面实施例。为了清楚起见，井眼组件W被显示为不带有附连到套管钻头CB的套管节段。然而， 应当理解的是如图11中所示的井眼组件W的实施例可以包括本领域中已知的并且如图9 中所示的可以通过水泥固定在井眼内的套管节段。大体上，参考图11，钻头12可以包括沿着它的下部区域限定的钻进轮廓P，所述下部区域被构造成用于接合和钻透地下岩层。进一步说，钻头12的钻进轮廓P可以由切削元件36限定，所述切削元件沿着钻头12的路径或轮廓布置。因此，钻头12的钻进轮廓P是指将由钻头12围绕它的钻进轴线(未显示)的完整旋转形成的钻进包络面或钻出的表面。 当然，钻进轮廓P可以至少部分由布置在钻头12上的大体径向延伸的刮刀22(未在图11 中显示，参见图2-图4)限定，这在本领域中是已知的。而且，钻进轮廓P可以包括弓形区域、笔直区域或两者。套管钻头CB可以包括基本对应于钻头12的钻进轮廓P的内部轮廓IP。这样的构造在钻透套管钻头CB时可以提供较大稳定性。特别地，将钻头12的钻进轮廓P的几何形状形成为符合或对应于套管钻头CB的内部轮廓IP的几何形状可以使布置在钻头12上的具有相对较大暴露量的切削元件36能够至少在某种程度上同时接合套管钻头CB的内部轮廓IP，因此平衡切削钻透时的力、扭矩或两者。例如，参考图11，钻头12的钻进轮廓P基本对应于套管钻头CB的内部轮廓IP，两者形成所谓的“倒锥形”。换句话说，钻进轮廓P从钻头12的外径朝着钻头12的中心纵向向上倾斜(如图中所示定向)。所以，当钻头12接合套管钻头CB的内部轮廓IP时，钻头 12可以至少部分借助钻头12的钻进轮廓P和套管钻头CB的内部轮廓IP的各自几何形状定位。另外，由于钻头12的切削元件36基本均勻地接触套管钻头CB的内部轮廓IP，因此由于接触生成的扭矩可以在某种程度上更均等地分布在钻头12上。也如图11中所示，井眼组件W的套管钻头CB的外部轮廓OP可以具有基本对应于钻头12的钻进轮廓P的几何形状，例如倒锥形几何形状。在图5中，所有切削元件36被显示为在钻头12的每一侧(相对于钻头12的中心轴线)，并且被显示为就好像所有切削元件 36被旋转到单一平面中。因此，重叠切削元件36的下表面(切削刃区域)形成钻头12的钻进轮廓P，钻进轮廓P表示由钻头12围绕它的钻进轴线(未显示)的完整旋转形成的钻进包络面。作为本发明的进一步方面，本发明的套管钻头可以被构造为扩眼钻。扩眼钻是初始以第一较小直径钻进并且随后以第二较大直径钻进的装置。尽管本发明可以称为“钻头”，但是当在本文中使用时术语“钻头”也包含通常被称为套管钻头、扩眼钻和套管钻头扩眼钻的结构。 尽管前面的描述包含许多细节，但是这些不应当被理解为限制本发明的范围，而是仅仅提供一些典型实施例的举例说明。类似地，可以设计不脱离本发明的精神或范围的本发明的其他实施例。来自不同实施例的特征可以组合使用。所以本发明的范围仅仅由附带权利要求或它们的法定等效物，而不是由前面的描述指示和限定。如本文中公开的属于权利要求的含义和范围内的本发明的所有增加、删除和修改应当由此被涵盖。
权利要求
1.一种用于将两个或更多个套管节段钻入地下岩层中的钻井组件，其特征在于第一套管钻头和第二套管钻头，直径不同的每个套管钻头固定到直径不同的各自套管节段上，至少两个套管钻头和套管节段以可伸缩关系被布置；第二套管钻头包括钻头主体，其具有位于其前端的面；布置在钻头主体上的至少一种类型的第一多个切削元件，所述至少一种类型的切削元件均具有暴露量；布置在钻头主体上的至少另一种、不同类型的第二多个切削元件，所述至少另一种、不同类型的每个切削元件具有比所述至少一种类型的邻近切削元件的暴露量大的暴露量。
2.根据权利要求1所述的钻井组件，其中第二套管钻头的特征还在于在所述面上延伸的多个大体径向延伸的刮刀，其中在每个刮刀上布置有所述至少一种类型的至少一个切削元件和所述至少另一种、不同类型的至少一个切削元件。
3.根据权利要求2所述的钻井组件，其中所述至少一种类型的至少一些切削元件具有与其邻近的所述至少另一种、不同类型的切削元件。
4.根据权利要求3所述的钻井组件，其中所述至少一种类型的所述至少一些切削元件和所述至少另一种、不同类型的所述邻近切削元件位于离钻头的中心线基本相似的半径处。
5.根据权利要求2所述的钻井组件，其中第一和第二多个切削元件布置在形成于所述多个大体径向延伸的刮刀中的凹窝中。
6.根据权利要求5所述的钻井组件，其中所述至少一种类型的切削元件的特征在于包括PDC切削元件的超耐磨切削元件和包括碳化钨切削元件的研磨切削元件，并且所述至少另一种、不同类型的切削元件包括包含碳化钨切削元件的研磨切削元件。
7.根据权利要求1所述的钻井组件，其中所述面的外部轮廓的中心部分包括由前端部围绕的倒锥形。
8.根据权利要求7所述的钻井组件，其中所述至少另一种、不同类型的第二多个切削元件的至少大部分布置在所述面的外部轮廓的中心部分上和前端部上。
9.根据权利要求1所述的钻井组件，其中所述至少一种类型的切削元件选自由PDC切削元件、热稳定金刚石切削元件和天然金刚石切削元件组成的群组。
10.根据权利要求1所述的钻井组件，其中所述至少另一种、不同类型的切削元件选自由碳化钨切削元件、另一种金属碳化物切削元件和陶瓷组成的群组。
11.根据权利要求1所述的钻井组件，其中第二多个切削元件被构造为初始接合和钻透选定区域；并且第一多个切削元件被构造为接合和钻透随后将由钻头遇到的区域。
12.根据权利要求11所述的钻井组件，其中第二多个切削元件的每一个的特征在于碳化钨切削元件，并且第一多个切削元件的每一个包括PDC切削元件。
13.根据权利要求1所述的钻井组件，其中第二多个切削元件布置在钻头的中心线和钻头的保径区域之间。
14.根据权利要求1所述的钻井组件，其中第二多个切削元件布置在钻头的所述面上。
15.根据权利要求1所述的钻井组件，其中所述一种类型的至少一个切削元件和所述至少另一种、不同类型的至少一个切削元件一起呈单一结构布置并且布置在钻头主体上的单个凹窝中。
16.根据权利要求1所述的钻井组件，其中所述至少两个套管钻头中的一个或多个套管钻头以可伸缩关系至少部分布置在所述至少两个套管钻头中的一个或多个其他套管钻头内。
17.一种钻井的方法，其特征在于使用钻头钻透形成位于套管中的组件的部件的至少一种材料，以暴露钻头或地下岩层的材料二者中之一，所述钻头具有的多个切削元件具有比所述钻头上的另外多个切削元件大的暴露量；使暴露的地下岩层材料与所述多个切削元件接合，并且将所述切削元件磨耗到足够的程度，以至少暴露所述另外多个切削元件的切削刃；以及利用所述另外多个切削元件由所述钻头在地下岩层中钻进井眼。
18.一种用于将两个或更多个套管节段钻入地下岩层中的钻井组件，其特征在于 以可伸缩关系布置的直径不同的至少两个套管节段；钻井工具，其相对于预期钻进方向布置在所述至少两个套管节段的纵向前端，所述钻井工具被构造为钻出超过直径不同的所述至少两个套管节段的最大直径的直径；并且所述钻井工具包括 钻头主体，其具有位于其前端的面；布置在钻头主体上的至少一种类型的第一多个切削元件，所述至少一种类型的切削元件均具有暴露量；布置在钻头主体上的至少另一种、不同类型的第二多个切削元件，所述至少另一种、不同类型的每个切削元件具有比所述至少一种类型的邻近切削元件的暴露量大的暴露量。
19.根据权利要求沈所述的钻井组件，其中所述钻井工具的特征在于可操作地联接到所述至少两个套管节段的最内套管节段的旋转式钻头和扩眼组件中的至少一种。
20.根据权利要求沈所述的钻井组件，其特征还在于电机纵向布置在所述钻井工具和所述至少两个套管节段的最内套管节段之间并且与它们联接。
全文摘要
用另一个套管钻头钻进套管中的套管钻头和任何其他设备，其中直径不同并且具有关联套管节段的至少两个套管钻头可以被组装以形成用于钻进地下岩层的钻井组件，所述至少两个套管钻头和套管节段以可伸缩关系被布置。
文档编号E21B10/43GK102177306SQ200980140070
公开日2011年9月7日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年8月28日
发明者E·E·麦克莱恩, J·C·托马斯 申请人:贝克休斯公司