专利名称：具有一体化扩孔器的孕镶钻头的制作方法
技术领域：
本申请案大致涉及钻井中使用的钻井方法和装置。尤其，本申请案涉及具有一体化扩孔器的钻头和制作及使用这种钻头的方法。
背景技术：
岩心钻井(或岩心取样)包括出于不同原因在不同深度下获得地层样品。例如，取回的岩心样品可指示特定地层中存在或可能存在什么材料(诸如石油、贵金属和其他所要材料)及其深度。在一些情况下，岩心取样可给出材料和事件的地理时间线。因而，岩心取样可帮助确定特定区域中进一步勘探的必要性。绳索钻井系统是一种用于取回岩心样品的常见类型的钻井系统。在绳索钻井过程中，岩心钻头附接至外管或钻杆的前沿。钻柱随后在外管被下放至更深入所要地层时，通过将组装在一起的一系列钻杆逐段附接而形成。岩心筒总成随后被下放或泵入钻柱。岩心钻头被旋转、推动及/或振动至地层中，从而导致所要材料的样品进入岩心筒总成。一旦获得岩心样品，就使用绳索将岩心筒总成从钻柱中取回。岩心样品随后可从岩心筒总成中移除。孕镶钻头通常用于岩心取样操作和其他钻井操作(尤其在非常坚硬或磨蚀性岩层中)。孕镶钻头通常含有分布在支撑基质内以形成冠部或切削区段的天然或合成金刚石。在钻头作业期间，冠部内的金刚石随支撑基质被磨损掉而逐渐暴露，因此切削表面保持锋利。孕镶钻头可继续高效切削直到工具的金刚石冠部或切削区段被耗尽。一旦被耗尽，钻头就变钝且通常需要更换。耦合扩孔器或扩孔筒通常用于将岩心钻头附接至岩心管的末端。通常，扩孔器被固定在岩心管的末端与岩心钻头之间。扩孔器可通过将松散或不平坦材料从钻孔壁上移除而维持钻孔的所要直径。扩孔器还可帮助维持钻孔中的钻柱对齐，因为扩孔器通常具有类似钻孔内径的外径。一些传统扩孔器通常使用可放置为与钻柱对准的管制成。管可具有围绕钢管延伸的研磨衬垫或环以实现钻柱的所要稳定性及/或维持钻孔的直径。在钻井作业期间，钻头和扩孔器可因使用而变得受损或耗尽。受损或耗尽的钻头和/或扩孔器的更换可能耗时、昂贵并且危险。例如，钻头和扩孔器的更换通常需要将整个钻柱从钻孔中移出(或起钻)。钻柱的每段必须从钻孔中连续移除。一旦钻头或扩孔器被更换，整个钻柱就必须逐段装配且随后下钻回钻孔中。取决于钻孔的深度和所钻材料的特性，此过程可能需要针对单个钻孔重复多次。此外，传统扩孔器的长度通常达传统岩心钻头的两倍至五倍。因此，通常钻柱将需要下钻以更换钻头。此外，在钻头尚未耗尽时更换将钻头耦合至钻柱的扩孔器或在耦合扩孔器尚未耗尽时更换钻头可能需要钻头与扩孔器之间接合的制作和破坏，其可耗时、困难且可能危险。耦合至钻头的传统扩孔器因其单独构造而具有无衬垫或冠部的部分(例如，坯体或间隙)。这些坯体或间隙降低流速。岩屑可易于在这些低速区域中收集并且可切断扩孔器或钻柄。如果这种情况发生，扩孔器或钻头可能无法在不进行通常非常耗时的特殊测量的情况下从孔中取回。通常，特殊测量需要透过钻头和/或扩孔器钻井。有时，材料无法被钻出且钻井人员需用大量成本和时间来转移孔。当更换钻头时，通常将检查扩孔器。在一些情况下，扩孔器在钻头完井之前磨损掉且无法被钻井人员检测到。如果这种情况发生，那么在安装新钻头和扩孔器时，钻柱无法行进。归因于新钻头和/或扩孔器的较大尺寸，孔通常必须重钻以针对使用磨损扩孔器期间的深度增大其直径。这被称作扩至孔底。传统扩孔器和钻头构造使用这两个组件与杆柱末端之间的螺纹接合。此接合可具有较小刚性，其接着降低杆柱末端的方向稳定性。接合还可引入钻头与扩孔器之间的同心度误差。同心度误差可产生弯曲，导致钻柱的振动并且降低钻柱的方向稳定性。在破裂条件中，通常增加表面加硬层以延长钻头坯体和钻头扩孔器的寿命。表面加硬层防止低速区的磨损。增加表面加硬层给钻头和扩孔器的制造带来大成本。因此，在传统扩孔器和钻头中存在许多可解决的缺点。
发明内容
本发明的实施方式用可提供减少的钻柱起下钻来更换零件的钻具、系统和方法克服本领域的一个或多个问题。例如，本发明的一个或多个实施方式包括具有钻头和一体化扩孔器的钻具。这些单体钻具可提高钻井效率和速度，同时也增强钻井作业的安全性。例如，钻具的一个实施方式可包括具有第一末端及相对第二末端的单体柄。钻具在柄的第一末端上还可包括用于将柄固定至钻柱组件的接头。此外，钻头冠部可固定至柄的第二末端且扩孔器可固定在柄上。此外，岩心钻井系统的实施方式可包括钻柱和固定至钻柱末端的钻具。钻具可包括具有第一末端和第二相对末端的单体柄。柄的第一末端可固定至钻柱末端。环形钻头冠部可固定至柄的第二末端。此外，扩孔器可在柄的第一末端与第二末端之间固定至柄。除上文以外，一种根据本发明的实施方式的岩心钻井方法可涉及将单体钻具的第一末端固定至钻柱。方法还可涉及将钻柱推进至地层中。在钻柱被推进至地层中时，单体钻具的第二末端上的钻头冠部可在地层中切削出一个孔。此外，单体钻具上的扩孔器可维持孔的直径。方法还可涉及通过破坏单体钻具的第一末端与钻柱之间的单个接合而将钻柱从地层中起钻并且将单体钻具从钻柱中移除。本发明的示例性实施方式的附加特征和优点将在下文描述中说明并且部分可从描述中了解或可通过实践这些示例性实施方式而获悉。这些实施方式的特征和优点可通过随附权利要求中特别指定的仪器和组合实现和获得。这些和其他特征将从下文描述和随附权利要求中更全面了解或可通过根据下文说明实践这些示例性实施方式而获悉。
为了描述可获得本发明的上述和其他优点和特征的方式，上文简述的本发明的更具体描述将通过参考具体实施方案而提出，所述具体实施方案示于附图中。应当注意附图并未按比例绘制且为说明的目的在所有附图中类似结构或功能的元件大致由相同参考数字表示。在了解这些附图仅描绘本发明的典型实施方案并且因此不被视作限制其范围的情况下，将通过使用附图而更具体和详细地描述和说明本发明，其中:
图1示出根据本发明的实施方式的包括孕镶冠部和一体化扩孔器的岩心钻井工具的透视图；图2示出沿着图1的线2-2取得的图1岩心钻井工具的横截面图；图3示出根据本发明的实施方式的图1岩心钻井工具的透视图，其中扩孔器包括销；图4示出根据本发明的另一个实施方式的包括孕镶冠部和一体化扩孔器的岩心钻井工具的透视图；图5示出根据本发明的另一个实施方式的包括孕镶冠部和一体化扩孔器的岩心钻井工具的透视图；图6示出根据本发明的另一个实施方式的包括孕镶冠部和一体化扩孔器的岩心钻井工具的透视图；和图7示出根据本发明的一个实施方式的包括孕镶冠部和一体化扩孔器的钻具的钻井系统的示意图。
具体实施例方式本发明的一个或多个实施方式涉及可提供减少的钻柱起下钻以更换零件的钻井工具、系统和方法。例如，本发明的一个或多个实施方式包括具有钻头和一体化扩孔器的钻具。这些单体钻具可提高钻井效率和速度，同时也增强钻井作业者的安全性。除上文以外，本发明的一个或多个实施方式的钻具的孕镶钻头和一体化扩孔器可构造有大致相等的钻井寿命。大致相等的切削寿命可使钻头冠部和扩孔器大致同时耗尽。因此，允许钻井操作者同时更换钻头冠部和扩孔器。此外，钻井操作者可通过破坏以及制作钻具与钻柱之间的单个接合而更换孕镶冠部和一体化扩孔器。应了解，这与传统扩孔器形成对比，所述传统扩孔器需要破坏以及制作扩孔器与钻柱之间的第一接合和扩孔器与钻头之间的第二接合。因此，具有一个或多个实施方式的一体化扩孔器的孕镶钻头可允许减少的钻柱起下钻及减少的接合破坏和制作。因而，本发明的一个或多个实施方式可减小钻井时间和开支，而同时增强安全性。例如，图1和图2示出包括孕镶钻头102和一体化扩孔器104的钻具100的透视图和侧截面图。如图1和图2所示，钻具100可包括钻头冠部或切削截面103、扩孔器104、柄106和接头108。尤其，钻具100可包括单个或单体结构(S卩，扩孔器104和钻头102直接附接至单体柄106)。换句话说，钻具100可包括在第一末端105上具有接头108的柄106和固定至相对第二末端107的钻头冠部103。此外，扩孔器104可沿着柄106定位在接头108与钻头冠部103之间或换句话说柄106的第一末端105与第二末端107之间。图2示出扩孔器104和钻头102是两个单独件。在替代实施方式中，扩孔器104和钻头102可包括渗入为单件的单个组件。如上所述，钻头冠部103和扩孔器104可构造有大致相等切削寿命。例如，钻头冠部103可构造有延长高度使得钻头冠部103和扩孔器104将大致同时需要更换。尤其，钻头冠部103可包括一排或多排偏移的封闭流体槽114，其允许增大的高度和大致等于扩孔器104的延长的钻井寿命。或者或此外，钻头冠部103的成分可被定制来提供所需强度特性(即，归因于增大或减小的基质强度的磨耗速率)使得钻头冠部103具有大致等于扩孔器104钻井寿命的钻井寿命。尤其,扩孔器104的钻井寿命可等于或大于钻头冠部寿命103,其可防止倒扩至孔底。此外，这可有利，因为钻井人员通常只能确认钻头冠部103使用寿命何时结束而非扩孔器104使用寿命何时结束。依据本文公开内容应了解具有构造有大致相等切削寿命的钻头冠部103和扩孔器104的钻具100可提供许多好处。例如，钻具100只需要从钻孔中起钻一次来更换钻头102或钻头冠部103和扩孔器104。换句话说，使用者无需将钻柱起钻来更换钻头且随后再次将钻柱起钻来更换扩孔器。钻柱起钻的减少可降低钻井效率和安全性并且减小钻井时间和成本。除上文以外，只需破坏单个接合来更换钻头冠部103和扩孔器104。在一个或多个实施方式中，钻具100可具有增大的长度。尤其，钻具100可具有大致等于传统钻头和扩孔筒的长度。因此，钻具100可取代传统钻头和扩孔筒。例如，如图2所示，在一个或多个实施方式中，钻具100的总长度可大约为钻头冠部103高度的6倍。在替代实施方式中，钻具100的总长度可大约为钻头冠部103高度的3、4、5或大于6倍。应了解一体化扩孔器104可通过免除钻头102与扩孔器104之间的螺纹连接而为钻具100提供增大的强度和耐用性。此外，钻具100可降低制造商和最终使用者的存放和装运要求，因为钻具100可取代传统钻头和传统扩孔器。因此，钻具100可降低作业成本。此夕卜，钻具100可通过免除单独扩孔器和相关的两个螺固作业和熔炉作业而降低制造成本。此外，包括孕镶钻头102和一体化扩孔器104的钻具100还可增强安全性。例如，钻头与扩孔筒之间的接合通常是钻柱中最紧的。因此，破坏这个接合可能因破坏接合所需的力而耗时及危险。因此，通过免除钻头102与扩孔器104之间的接合，钻具100可免除与破坏这样一种接合相关的危险。图1和图2进一步示出在一个或多个实施方式中，扩孔器104可在钻头冠部103正后方定位在柄106上。依据本文公开内容应了解，扩孔器104在钻头冠部103正后方的位置可提供许多好处。例如，扩孔器104在钻头冠部103正后方的位置可减小孔偏斜并且允许钻出更直的孔以及另外帮助将钻头冠部103维持在所要钻井路径上。因此，钻具100可通过减少或免除对钻孔测量和校正的需要而提高钻井效率和产量。此外，扩孔器104在钻头冠部103正后方的位置可减少或免除钻杆在研磨/破裂件中的断裂以及背衬粉末在钻头冠部103中的磨耗。或者或此外，扩孔器104在钻头102正后方的定位可免除有时施加来试图和防止坯体断裂的表面加硬层的使用。此外，扩孔器104还可在钻井的同时减小钻头冠部103的振动，其可提高钻井效率。在替代的实施方式中，扩孔器104可与钻头冠部103底部间隔一距离。例如，在一个或多个实施方式中，扩孔器104可定位为邻近钻具100的第一末端105。在其他实施方式中，扩孔器104可在第一末端105与钻头冠部103之间大致定位在柄106中心。在附加实施方式中，扩孔器104可沿着柄106的整个长度从钻头冠部103延伸至第一末端105。现将描述图1和图2的钻头冠部103和扩孔器104的许多特定特征。作为基本事项，本文所述的钻具可用于切削石头、地下矿层、陶瓷、浙青、混凝土和其他硬材料。这些钻具可包括例如岩心取样钻头、刮刀型钻头、牙轮钻头、扩孔器、稳定器、套管或杆靴等。为便于描述，下文所包括的附图和相应文本说明孕镶、岩心取样钻头及使用这些钻头的方法的实例。但是依据本文公开内容应了解本发明的系统、方法和设备可结合其他钻井工具使用，诸如上文所述的钻井工具。
图1和图2还示出钻具100可界定围绕其中心轴用于接收岩心样品的内部空间。因此，柄106、扩孔器104和钻头冠部103都可具有大致环形形状。因此，所钻材料的碎片可穿过钻具100的内部空间并且向上穿过附接钻柱。钻具100可为任意大小且因此可用于收集任意大小的岩心样品。虽然钻具100可具有任意直径且可用于移除和收集具有任意非所要直径的岩心样品，但是在一些实施方式中钻具100的直径范围可从大约I英寸至大约12英寸。此外，虽然钻具100的割缝(即，外表面118的半径减去内表面116的半径)可为任意宽度，但是根据一些实施方式，割缝范围可从大约1/4英寸至大约6英寸。钻头冠部103可被构造来在钻井过程期间对所要材料进行切削或钻孔。尤其，钻具100的钻头冠部103可包括切削面109。切削面109可被构·造来在钻具100被旋转并且推进至地层中时对材料进行钻孔或切削。如图1和图2所示，在一个或多个实施方式中，切削面109可包括大致轴向远离切削面109延伸的多个突出物110。突出物110可帮助允许新钻具100的快速启用。在替代的实施方式中，切削面109可能不包括突出物110或可能包括用于协助钻井过程的其他特征，诸如例如径向槽。切削面109还可包括水路，诸如美国专利第7，628，288号 ’第7，828，090号 ’第7，918，288号；第7，958，954号；第7，909，119号；第7，874，384号和美国专利申请公开案第2011-0031027号和第2010-0089660号所公开的流体凹口或流体槽。每个上述专利和专利申请案的内容全文以引用的方式并入本文中。水路可允许钻井流体或其他润滑物质跨切削面109流动以帮助在钻井期间提供冷却。例如，图1示出钻头冠部103可包括在大致轴向方向上从切削面109延伸至钻具100的钻头冠部103中的多个凹口 112。此外，凹口 112可从钻头冠部103的内表面116延伸至钻头冠部103的外表面118。作为水路，凹口 112可允许钻井流体从钻头冠部103的内表面116流动至钻头冠部103的外表面118。因此，凹口112可允许钻井流体将切屑和岩屑从内表面116冲到钻具100的外表面118，并且还为切削面109提供冷却。钻头冠部103可具有任意数量的凹口 112，其提供所要数量的流体/岩屑流并且还允许钻头冠部103维持所需结构完整性。例如，图1和图2示出钻具100包括三个凹口112。依据本文公开内容应了解本发明不限于此。在附加实施方式中，钻具100可取决于所要构造和待钻地层而不包括凹口 112、包括一个凹口 112或多达20个或更多凹口 112。此夕卜，凹口 112可围绕钻头冠部103的圆周均匀或不均匀间隔。例如，图1和图2描绘围绕钻头冠部103的圆周彼此均匀间隔的三个凹口 112。但是，在替代实施方式中，凹口 112可错开或另外不均匀间隔。除凹口 112以外，钻具可任选地包括如上所述的多个封闭槽114。应了解，当钻头冠部103因钻井而磨耗时，凹口 112可磨损掉。随着磨耗继续，封闭槽114可变为暴露在切削面109上且随后因此变为凹口。应了解钻具100的构造因此可允许钻头冠部103的纵向尺寸延伸和延长而不显著减小钻具100的结构完整性。钻头冠部103的延伸纵向尺寸可允许钻具100持续更长时间并且具有实质等于扩孔器104的钻井寿命。尤其，图1和图2示出钻头冠部103可包括从切削面109朝向钻具100的柄106延伸一距离的多个封闭槽114。此外，封闭槽114可从钻头冠部103的内表面116延伸至钻头冠部103的外表面118。作为水路，封闭槽114可允许钻井流体从钻头冠部103的内表面116流动至钻头冠部103的外表面118。因此，封闭槽114可允许钻井流体将切屑和碎屑从钻具100的内表面116冲到外表面118，并且还为切削面109提供冷却。钻头冠部103可具有任意数量的封闭槽114，其提供所要数量的流体/岩屑流或冠部纵向尺寸，同时还允许钻头冠部103在维持所需结构完整性的同时具有所要钻井寿命。例如，图1和图2示出钻具100包括六个凹口 114。依据本文公开内容应了解本发明不限于此。在附加实施方式中，钻具100可取决于所要构造和待钻地层而不包括封闭槽、包括一个封闭槽或多达20个或更多个封闭槽。此外，封闭槽114可围绕钻头冠部103的圆周均匀或不均匀地间隔。例如，图1和图2描绘围绕钻头冠部103的圆周彼此均匀间隔的封闭槽114。但是，在替代实施方式中，封闭槽114可错开或另外不均匀间隔。封闭槽114和凹口 112可具有允许其根据期望作业的任意形状且形状可取决于钻具100所需的特性或待钻地层的特性而改变。例如，图1和图2示出可具有梯形形状的凹口 112和封闭槽114。但是，在替代实施方式中，凹口 112和封闭槽114可具有正方形、三角形、圆形、矩形、多边形或椭圆形形状或其任意组合。此外，虽然附图示出凹口 112和封闭槽114具有类似形状，但是在替代实施方式中，凹口 112的形状可与封闭槽114的形状不同。除凹口 112和封闭槽114外，钻头冠部103可包括可进一步协助引导钻井流体或其他润滑物质至切削面109或将其从钻头冠部103的内表面引导至外表面的附加特征。例如，图1至图2示出钻具100可包括径向延伸至钻头冠部103中的的多个凹槽122、124。尤其，在本发明的一些实施方式中，钻具100可包括从内表面116朝向外表面118径向延伸的多个内凹槽122。多个内凹槽122可帮助沿着钻具100的内表面116将钻井流体从柄102朝向切削面109引导。如图1至图2所示，在本发明的一些实施方式中，内凹槽122可沿着钻头冠部103的内表面116从柄102轴向延伸至凹口 112。因此，内凹槽122可帮助将钻井流体引导至凹口 112。在替代实施方式中，内凹槽122可从柄102延伸至切削面109或甚至沿着柄106延伸。图1至图2还示出在一些实施方式中，钻具100可包括多个外凹槽124。外凹槽124可从钻头冠部103的外表面118朝向内表面116径向延伸。多个外凹槽124可帮助沿着钻具100的外表面118将钻井流体从凹口 112朝向柄106引导。如图1至图2所示，在本发明的一些实施方式中，外凹槽124可沿着外表面118从凹口 112轴向延伸至扩孔器104。类似于凹口 112和封闭槽114，钻具100的一个或多个实施方式可能不包括内凹槽122或外凹槽124。或者，钻具100可能包括内凹槽122但不包括外凹槽124。在其他实施方式中，钻具100可能包括外凹槽124但不包括内凹槽122。如图1所示，在一个或多个实施方式中，一体化扩孔器104可包括由沟槽132分开的突起衬垫130。沟槽132可与钻头冠部103的外凹槽124对齐。因此，沟槽132可允许钻井流体将来自外凹槽124的切屑和岩屑推离钻头冠部103底部。因此，一体化扩孔器104可减少或防止来自在钻头冠部103底部磨损柄106的切屑和岩屑。换句话说，一体化扩孔器104可通过提供增大的将切屑冲离钻头冠部103底部而减少或免除研磨和破裂条件中钻柄的断裂。如图1所示，在一个或多个实施方式中，沟槽132可包括锥形使得其大小随其在远离钻头冠部103朝向第一末端105延伸而增大。锥形可通过增大钻头冠部103底部钻井流体的速度以及提供增大的切屑冲洗而充当喷嘴。在替代实施方式中，沟槽132可能是线性的并且不包括锥形。在其他实施方式中，每个沟槽132的两侧包括锥形。
此外，在一个或多个实施方式中，衬垫130可具有螺旋构造。换句话说，衬垫130可沿着柄106轴向以及围绕柄106径向延伸。衬垫130的螺旋构造可提供增大的与钻孔的接触、增大的稳定性和减小的振动。在替代实施方式中，衬垫130可具有线性而非螺旋构造。在这些实施方式中，衬垫130可沿着柄106轴向延伸。此外,在一个或多个实施方式中，衬垫130可包括锥形前沿以协助沿着钻孔向下移动扩孔器104。如上所述，柄106可被构造来将钻具100固定至钻柱组件，诸如岩心筒。例如，柄106可包括美国石油协会(API)螺纹连接108部分或其他特征以协助附接至钻柱组件。举例来说且非限制，柄部106可由钢、另一种基于铁的合金或展现可接受的物理性质的任意其他材料形成。在本发明的一些实施方式中，本发明钻具100的钻头冠部103可由一个层或多层制成。例如，根据本发明的一些实施方式，钻头冠部103可包括两层。尤其，钻头冠部103可包括执行钻井作业的基质层和将基质层连接到柄106的背衬层。在这些实施方式中，基质层可含有研磨并且磨耗所钻材料的研磨切削介质。依据本文公开内容应了解定位在钻头冠部103正后方的一体化扩孔器104可减小背衬层的必要大小和用于形成背衬层的背衬粉末的数量。此外，一体化扩孔器104可减小使外凹槽124延伸穿过背衬层或进入柄106所需的背衬层或柄106的加工量。在一个或多个实施方式中，钻头冠部103可由硬颗粒材料的基质形成，诸如例如金属。依据本文公开内容应了解，硬颗粒材料可包括粉末材料，诸如例如粉末金属或合金，以及陶瓷化合物。根据本发明的一些实施方式，硬颗粒材料可包括碳化钨。如本文中所使用，术语“碳化钨”意指含有钨和碳的化学化合物的任意材料成分，诸如，例如wc、W2C以及WC和W2C的组合。因此，碳化钨包括例如铸造碳化钨、烧结碳化钨和粗晶钨。根据本发明的附加或替代实施方式，硬颗粒材料可包括碳化物、钨、铁、钴和/或钥及其碳化物、硼化物、合金或任意其他适当材料。如上所述及如图2所示,钻头冠部103还可包括分散遍及硬颗粒材料的多个研磨切削介质140。研磨切削介质可包括一种或多种天然金刚石、合成金刚石、多晶金刚石或热稳定金刚石产品、氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方体氮化硼、氧化铝、加晶种或未加晶种溶胶-凝胶氧化铝或任意适当材料。此外，图2示出研磨切削介质140可分散遍及钻头冠部103的至少一部分(即，切削面109与柄106之间的钻头冠部103部分)。换句话说，研磨切削介质140可在切削面109上内嵌在钻头冠部103内以及切削面109之后。本发明的一个或多个实施方式的钻具中所使用的研磨切削介质可具有任意所要特性或特性的组合。例如，研磨切削介质可为任意大小、形状、纹理、质量、粒度、浓度等。在一些实施方案中，研磨切削介质可非常小及实质圆形以在被钻头冠部103切削的材料上留下光滑面层。在其他实施方案中，切削介质可较大以大规模切削至所钻材料或地层中。研磨切削介质可均质或非均质分散遍及钻头冠部103。此外，研磨切削介质可以特定方式对准从而在相对于钻头冠部103的有利位置上提供介质的钻井性质。类似地，研磨切削介质可根据特定用途的需要而以多种密度包含在钻头冠部103中。例如，进一步分隔开的大研磨切削介质可比紧实充填在一起的小研磨切削介质更快速地切削材料。因此，依据本文公开内容应了解可依据钻具100的所要成本和性能而以多种组合提供研磨切削介质的大小、密度和形状。
例如，钻头冠部103可制作为任意所要规格或被赋予任意所要特性。以此方式，钻头冠部103可被定制为拥有用于对特定材料钻孔的最佳特性。例如，硬耐磨基质可被制作来对软、研磨、非胶结地层钻孔而软延性基质可被制作来对极硬、非研磨、胶结地层钻孔。以此方式，基质硬度可匹配至特定地层，允许基质层按受控、所要速率磨耗并且具有实质等于一体化扩孔器104的钻井。当基质磨耗时，新研磨切削介质140可连续暴露在切削面109上。因此，基质的磨耗可在切削面109上提供连续锋利研磨切削介质140直到钻头冠部103被耗尽。如上所述，在一个或多个实施方式中，钻头冠部103的成分可被定制来为钻头冠部104提供大致等于扩孔器104钻井寿命的钻井寿命。例如，钻头冠部104可包括粘合材料。粘合剂可包括铜、锌、银、钥、镍、钴、锡、锰、硅、铁、其混合物和合金或其他适当材料。粘合材料可将研磨切削介质140和基质粘合在一起。粘合材料可针对增大或减小的强度而定制以定制钻头冠部104将在钻井期间磨耗的便利。在一个或多个实施方式中，粘合材料可被定制来为钻头冠部103提供大致等于扩孔器104钻井寿命的钻井寿命。此外，在一个或多个实施方式中，钻头冠部103可任选地包括多个纤维142，诸如美国专利第7，695，542号所述的纤维，其全文以引用的方式并入本文中。在本发明的一个或多个实施方式中，纤维142可帮助控制基质磨耗的速率及因此钻头冠部103的钻井寿命。当然，在替代实施方式中，钻头冠部103可能不包括纤维。纤维142可具有不同的形状或其组合，诸如(例如)带状、圆柱形、多边形、椭圆形、笔直、弯曲、卷曲、盘绕、按角度弯曲等。孕镶钻头102的钻头冠部103中的纤维142可为任意大小或大小组合，包括不同大小的混合物。钻头冠部103中的纤维142大小可被定制来控制钻头冠部103的磨耗速率及因此钻井寿命。在一个或多个实施方式中，钻头冠部103中纤维142的大小可被定制来为钻头冠部103提供大致等于扩孔器104钻井寿命的钻井寿命。纤维142可包括一种或多种碳纤维、金属纤维(例如，由钨、碳化钨、铁、钥、钴或其组合物制成的纤维)、玻璃纤维、聚合纤维(例如，由凯夫拉尔(Kevlar)制成的纤维)、陶瓷纤维(例如，由碳化硅制成的纤维)、涂层纤维和/或类似纤维。图2示出纤维142可分散在钻头冠部103的切削面109上。此外，图2示出纤维142可分散遍及冠体的至少一部分(即，切削面109与柄106之间的钻头冠部103的部分)。换句话说，纤维142可在切削面109上以及切削面109之后内嵌在钻头冠部103内。纤维142可分散遍及钻头冠部103的至少一部分。例如，图2示出纤维142实质分散遍及整个钻头冠部103。在替代实施方式中，纤维142可仅分散遍及钻头冠部103的一部分。例如，在一些实施方式中，纤维142可仅分散在钻头冠部102的部分中从而定制钻头冠部103的钻井寿命。在任何情况下，钻头冠部103中纤维142的位置可被定制来控制钻头冠部103的磨耗速率及因此钻井寿命。在一个或多个实施方式中，纤维142在钻头冠部103中的位置可被定制来为钻头冠部103提供大致等于扩孔器104钻井寿命的钻井寿命。如图3所示，纤维142可以无组织配置配置在钻头冠部103中。在附加实施方式中，纤维142可随机分散在钻头冠部103内。因此，在本发明的至少一个实施方式中，纤维142未配置为相对彼此的特定对齐或切削面109中。
在任何情况下，如图2所示，纤维142可均质分散遍及钻头冠部103。在替代实施方式中，纤维142可非均质分散遍及钻头冠部103。例如，在一些实施方式中，纤维142的浓度可根据需要在钻头冠部103的任意部分内变化以定制钻头冠部103的钻井寿命。尤其，钻头冠部103可包括纤维142的梯度。例如，最靠近孕镶钻头102的切削面109的钻头冠部103的部分可含有第一浓度的纤维142且纤维142的浓度可朝向柄106逐渐减小或增大。在任何情况下，钻头冠部103中纤维142的浓度可被定制来控制钻头冠部103的磨耗速率及因此钻井寿命。在一个或多个实施方式中，纤维142在钻头冠部103中的浓度可被定制来为钻头冠部103提供大致等于扩孔器104钻井寿命的钻井寿命。
类似于钻头冠部103，在一些实施方式中，一体化扩孔器104可由硬颗粒材料的基质形成，诸如例如金属。依据本文公开内容应了解扩孔器104的硬颗粒材料可包括上文结合钻头冠部103的硬颗粒材料所述的任意材料。如图2所示，一体化扩孔器104还可包括分散遍及硬颗粒材料的多个研磨切削介质140。扩孔器104的研磨切削介质140可包括上文结合钻头冠部103的研磨切削介质140所述的任意材料。如图3所示，或者或此外，一体化扩孔器104的衬垫130可包括一个或多个销143。在一个或多个实施方式中，销143可沿着衬垫130的前沿和/或后沿定位。销143可由碳化钨、热稳定金刚石或其他研磨材料形成，诸如上文结合研磨切削介质所述的材料。销143可帮助保护衬垫130的度量并且延长一体化扩孔器104的切削寿命。因此，销143的数量和放置可被定制来控制一体化扩孔器104的钻井寿命使得一体化扩孔器104具有实质等于钻头冠部104的钻井寿命。依据本文公开内容应了解一体化扩孔器104可包括任意数量的不同构造。例如，图4示出具有一体化扩孔器104a的钻具IOOa的另一个实施方式，所述一体化扩孔器104a具有延长的长度。钻具IOOa可包括类似于钻具100的钻头冠部103和柄106。但是，如图4所述，一体化扩孔器104a可具有增大长度。一体化扩孔器104的增大长度可提供增大的稳定性并且进一步帮助稳定钻头冠部103。此外，如通过比较图1和图4所示，本发明的一体化扩孔器的衬垫130a和沟槽132a不限于任意特定数量、大小、形状或布局。因此，图4示出连接到两个外凹槽124的更宽沟槽132a。更宽沟槽可帮助补偿由衬垫130a的增大长度形成的附加曳力。在一些实施方式中，一体化扩孔器104可能不包括衬垫130。例如，图5示出包括一体化扩孔器104b的钻具100b，所述一体化扩孔器104b包括拉刀而非衬垫。拉刀可包括多个条状物150。在一些实施方式中，条状物150可成弧形且非如图5所示的完全半球形。拉刀可减小一体化扩孔器在钻孔上的接触，从而减小曳力。此外，拉刀可提供增大的水流且因此可能特别适于较软地层。上文所示及所述的实施方式已包括单个一体化扩孔器。但是，依据本文公开内容应了解本发明不限于此。例如，图6示出包括定位为邻近钻头冠部103的第一一体化扩孔器104和定位为邻近接头108的第二一体化扩孔器104c的钻具100c。第二一体化扩孔器104c可提供附加稳定性给钻具IOOc及固定至接头108的钻柱组件。第二一体化扩孔器104c可包括类似于第体化扩孔器104的构造。或者，图6不出第二一体化扩孔器104c在大小、形状、长度、研磨材料或其他构造中的一种或多种上与第--体化扩孔器104不同。应了解根据本发明的实施方式的具有定制切削部的钻具可与几乎任意类型的钻井系统一起使用以执行不同钻井作业。例如，图7和相应文本图示或描述可与本发明的钻具一起使用的一个这种钻井系统。但是，应了解图7所示和描述的钻井系统只是本发明的钻具可结合使用的系统的一个实例。例如，图7示出包括钻头152的钻井系统150。钻头152可耦合至井架154，所述井架154接着耦合至钻机156。钻头152可构造成具有耦合至其上的一个或多个管状构件158。管状构件可包括但不限于钻杆、管套和潜孔锤。为方便参考，管状构件158将在下文中描述为钻柱组件。钻柱组件158接着可耦合至附加钻柱组件158以形成钻柱或工具柱160。接着，钻柱160可耦合至包括钻头102和一体化扩孔器104的钻具100，诸如上述钻具100、100b、100c。如上所述，钻具100可被构造成与待钻材料170或地层介接。在至少一个实例中，图7所示的钻头152可被构造来在钻井过程期间旋转钻柱160。尤其，钻头152可改变钻头152旋转的速度。例如，钻头152传递给钻柱160的钻头钻速和\或转矩可根据钻井过程而根据需要选择。此外，钻井系统150可被构造来应用大致纵向向下力至钻柱160以在钻井作业期间推动钻具760进入地层170。例如，钻井系统150可包括如上所述被构造来相对于井架154移动滑橇总成以施加大致纵向力至钻具100的链条驱动总成。如本文中所使用，术语“纵向”意指沿着钻柱160的长度。此外，如本文中所使用，术语“上”、“顶部”和“之上”以及“下”和“之下”指的是钻柱160上的纵向位置。术语“上”、“顶部”和“之上”指的是更靠近钻头152的位置，且“下”和“之下”指的是更靠近钻具100的位置。因此，依据本文公开内容应了解本发明的钻具可用于本领域已知的任何目的。例如，钻具100可附接至钻柱160的末端，所述末端接着连接至钻井机或钻机156。当钻柱160及因此钻具100由钻井机156旋转和推动时，钻头760可将所钻地下岩层170中的材料磨掉。被钻掉的岩心样本可从钻柱160中取出。钻具100的钻头冠部103和扩孔器104可因研磨动作而随时间磨耗。这个过程可继续直到钻头冠部103和扩孔器104的切削部被耗尽且钻柱160随后可从钻孔中起钻且钻具100被更换。在一个或多个实施方式中，钻头冠部103和扩孔器104可被构造成大致同时耗尽或另外需要更换。本发明的实施方式还包括形成具有一体化扩孔器的钻具的方法。下文描述至少一种形成具有一体化扩孔器104、104a、104b、104c的钻具100、100a、IOObUOOc的方法。当然，作为基本事项，本领域一般技术人员应了解详细说明的方法可修改以使用本发明的一个或多个组件安装多种构造。作为基本事项，如本文中所使用的术语“渗入(infiltration)”或“渗入(infiltrating)”涉及熔化粘合材料以及导致熔化的粘合剂渗透并且填充基质的空间或孔。在冷却时，粘合剂可固化，将基质粒子粘合在一起。如本文中所使用的术语“烧结”意指移除粒子之间的孔的至少一部分(其可伴随收缩)，结合邻近粒子之间的聚结和接合。一种本发明的方法可包括形成钻头冠部103。形成钻头冠部103可包括提供硬颗粒材料和研磨切削介质104的基质，诸如上述硬颗粒材料和研磨切削介质材料。在本发明的一些实施方式中，硬颗粒材料可包括粉末混合物。方法还可涉及使基质受压或另外成形为所要形式。例如，方法可涉及使基质形成为环形钻头冠部103的形状。在一个或多个其他实施方式中，方法还可包括使多个纤维142分散遍及基质的至少一部分。尤其，方法可包括使纤维随机或以无组织配置分散遍及基质。方法随后可用粘合剂渗入基质。粘合剂可包括铜、锌、银、钥、镍、钴、锡、锰、硅、铁、其混合物和合金或其他适当材料。粘合剂可冷却从而粘合至基质(硬颗粒材料和研磨切削介质)，从而将基质粘合在一起。本发明的另一种方法通常包括通过提供基质和用基质填充模具而形成钻头冠部103。模具可由一种粘合材料无法明显粘合的材料(诸如例如石墨或碳)形成。方法随后可涉及通过重力和/或振动稠化基质。方法随后可涉及用包括上述一种或多种上述材料的粘合剂渗入基质。粘合剂可冷却从而粘合至基质(硬颗粒材料和研磨切削介质)，从而将基质粘合在一起。在基质渗入之后、之后或同时，一种或多种本发明的方法可包括将基质烧结为所要密度。由于烧结涉及结构内孔隙的稠化和移除，所烧结结构可在烧结过程期间收缩。结构在烧结期间可经历介于1%与40%之间的线性收缩。因此，在设计工具(模具(mold)、模具(die)等)或加工具有未完全烧结的结构时可能需要考虑和考量尺寸收缩。根据本发明的一些实施方式，渗入过程的时间和/或温度可增加以允许粘合剂充满大量及更多基质的孔隙。这可同时在烧结期间减小收缩并且增大所得钻具的强度。方法可涉及将钻头冠部103固定至柄106。尤其，在一个或多个实施方式中，背衬层可用于将钻头冠部103固定至柄106。一旦钻头冠部103已固定至柄106,或之前或同时，方法可涉及将扩孔器104、104a、104b、104c固定至柄106。在一个或多个实施方式中，扩孔器104、104a、104b、104c可铸造至柄106上。或者，取决于扩孔器104、104a、104b、104c的成分，扩孔器104、104a、104b、104c可融合或焊接至柄106。在其他实施方式中，钻头冠部103和扩孔器104、104a、104b、104c可在单个熔炉步骤中固定至柄106。除上文以外，本发明的实施方式还包括使用具有一体化扩孔器的钻具的钻井方法。下文描述使用上述一个或多个钻具100、100a、100b、IOOc的至少一种岩心钻井方法。当然，作为基本事项，本领域一般技术人员应了解详细说明的方法可修改以使用本发明的一个或多个组件安装多种构造。例如，一种岩心钻井方法可涉及将单体钻具100、100a、100b、IOOc的第一末端105固定至钻柱160。例如，方法可涉及将接头108螺固至钻柱160上。方法还可涉及将钻柱160推进至地层170中，由此单体钻具100、100a、100b、IOOc第二末端上的钻头冠部130可在地层170中切削出一个孔。此外，单体钻具100、100a、100b、IOOc上的扩孔器104、104a、104b、104c可维持孔的直径。方法还可包括使用绳索将岩心样品从钻柱160中取出。方法还可涉及在钻头冠部103和扩孔器104、104a、104b、104c耗尽时将钻柱160从地层170中起钻。如上所述，钻头冠部103可在钻井期间磨损掉使得钻头冠部103的钻井寿命和扩孔器104、104a、104b、104c的钻井寿命大致相等。方法还可涉及通过破坏单体钻具100、100a、100b、IOOc的第一末端105与钻柱160之间的单个接合而将单体钻具100、100a、100b、IOOc从钻柱160中移除。本发明因此可具体体现为其他具体形式而不脱离其精神或基本特性。所述实施方案应在所有方面仅被视作说明性且非限制性。本发明的范围因此由所述权利要求而非上文描述指示。在权利要求等效物的意义和范围内的所有变化应涵盖在其范围内。
权利要求
1.一种钻具，其包括: 单体柄，其具有第一末端及相对的第二末端； 接头，其在所述柄的所述第一末端上用于将所述柄固定至钻柱组件； 钻头冠部，其固定至所述柄的所述第二末端；和 扩孔器，其固定在所述柄上。
2.根据权利要求1所述的钻具，其中所述钻头冠部具有大致等于所述扩孔器切削寿命的切削寿命。
3.根据权利要求1所述的钻具，其中所述扩孔器固定在所述接头与所述钻头冠部之间。
4.根据权利要求1所述的钻具，其中钻头冠部孕镶研磨切削介质。
5.根据权利要求1所述的钻具，其中所述扩孔器固定为邻近所述钻头冠部的底座。
6.根据权利要求1所述的钻具，其还包括邻近所述接头固定在所述柄上的第二扩孔器。
7.根据权利要求1所述的钻具，其还包括沿着所述钻头冠部的外表面延伸的外凹槽。
8.根据权利要求7所述的钻具，其中所述扩孔器包括由沟槽分开的衬垫。
9.根据权利要求8所述的钻具，其中所述沟槽包括锥形使得所述沟槽的宽度随其远离所述钻头冠部延伸而增大。
10.根据权利要求8所述的钻具，其中所述沟槽与所述外凹槽对齐。
11.根据权利要求1所述的钻具，其中所述钻头冠部包括岩心钻头。
12.一种岩心钻井系统,其包括: 钻柱； 钻具，其固定至所述钻柱的末端，所述钻具包括: 单体柄，其具有第一末端和第二相对末端，其中所述柄的所述第一末端固定至所述钻柱的所述末端， 环形钻头冠部，其固定至所述柄的所述第二末端；和 扩孔器，其在所述柄的所述第一末端与所述第二末端之间固定至所述柄。
13.根据权利要求10所述的岩心钻井系统，所述钻头冠部包括: 基质；和 多个研磨切削介质，其分散在所述基质内； 其中所述基质适于磨损掉以连续暴露研磨切削介质。
14.根据权利要求13所述的岩心钻井系统，其中所述钻头冠部具有大致等于所述扩孔器切削寿命的切削寿命。
15.根据权利要求14所述的岩心钻井系统，其中所述钻头冠部的高度被定制来为所述钻头冠部提供大致等于所述扩孔器切削寿命的切削寿命。
16.根据权利要求14所述的岩心钻井系统，其还包括分散在所述基质内的多个纤维，其中所述纤维的尺寸和浓度的一个或多个为所述钻头冠部提供大致等于所述扩孔器切削寿命的切削寿命。
17.根据权利要求12所述的岩心钻井系统，其还包括沿着所述钻头冠部的外表面延伸的外凹槽。
18.根据权利要求12所述的岩心钻井系统，其中所述扩孔器包括由沟槽分开的衬垫。
19.根据权利要求18所述的岩心钻井系统，其中所述沟槽包括锥形使得所述沟槽的宽度随其远离所述钻头冠部延伸而增大。
20.根据权利要求18所述的岩心钻井系统，其中所述沟槽与所述外凹槽对齐。
21.一种岩心钻井方法,其包括: 将单体钻具的第一末端固定至钻柱； 将所述钻柱推进至地层中，由此所述单体钻具的第二末端上的钻头冠部在所述地层中切削出一个孔及由此所述单体钻具上的扩孔器维持所述孔的直径； 将所述钻柱从所述地层中起钻； 通过破坏所述单体钻具的所述第一末端与所述钻柱之间的单个接合而将所述单体钻具从所述钻柱中移除。
22.根据权利要求21所述的岩心钻井方法，其中所述钻头冠部在钻井期间磨损掉使得所述钻头冠部的钻井寿命和所述扩孔器的钻井寿命大致相等。
23.根据 权利要求21所述的岩心钻井方法，其还包括使用绳索将岩心样品从所述钻柱中取出。
全文摘要
钻具包括钻头冠部和一体化扩孔器。所述钻头冠部和所述一体化扩孔器可构造有大致相等的钻井寿命。所述钻头冠部可孕镶研磨切削介质并且包括一个或多个外凹槽。所述一体化扩孔器可定位在所述钻头冠部底部并且包括与一个或多个所述外凹槽对齐的一个或多个沟槽。所述沟槽可成锥形使得其宽度随其远离所述钻头冠部延伸而增大。
文档编号E21B10/02GK103097642SQ201180043597
公开日2013年5月8日 申请日期2011年8月22日 优先权日2010年9月13日
发明者科迪·A·皮尔斯, 克里斯蒂安·M·兰贝特, 迈克尔·D·鲁普 申请人:长年Tm公司