專利名稱：具有導向切削件結構的旋轉刮刀鉆頭以及利用所述旋轉刮刀鉆頭使地下巖層預破碎的方法
技術領域：
本發(fā)明在一些實施例中大體涉及用于鉆進地下巖層的旋轉刮刀鉆 頭，更特別地，涉及具有包括導向切削件和旋轉跟隨的主切削件的至 少 一個切削件組的旋轉刮刀鉆頭，以及利用所述旋轉刮刀鉆頭使地下 巖層預破碎的方法。
背景技術：
數(shù)十年來，人們使用旋轉刮刀鉆頭對地層進行鉆進，已經(jīng)在刮刀 鉆頭頂冠上使用各種尺寸、形狀和圖案的天然和人工合成金剛石作為 切削元件。刮刀鉆頭在許多地層中可以提供優(yōu)于牙輪鉆頭或孕鑲金剛 石鉆頭的鉆進速度(ROP)。
在過去的幾十年里，利用聚晶金剛石復合片(PDC)切削元件或 切削件提高了旋轉刮刀鉆頭的性能，所述切削件由在高溫、高壓條件 下形成在碳化物基底上的平面金剛石切削元件或臺組成。PDC切削件 形成為各種形狀，包括圓形、半圓形或墓石形，這些是最常使用的結構。典型地，PDC金剛石臺形成為使所述臺的邊緣與支撐的碳化物基 底共面或者所述臺可以懸掛或略微底切，在所述臺的后緣處形成"唇 部"，以便在切削件進入被鉆地層時延長其磨損壽命。已經(jīng)證明，裝有 PDC切削件(例如，可以硬釬焊到鉆頭表面上的凹窩、從所述表面伸 出的刮刀上的凹窩中，或者安裝到插入鉆頭體中的柱塊上)的鉆頭在 鉆進具有低到中等壓縮強度的地下巖層時可以實現(xiàn)高ROP。 PDC切 削件給鉆頭設計師提供了各種改進的切削件分布和朝向，頂冠結構， 有利的優(yōu)化噴嘴布置以及其它設計選擇，在以前，這些對于小天然金 剛石或人工合成金剛石切削件來說不可能實現(xiàn)Q盡管PDC切削元件在 鉆進許多地下巖層時提高了鉆頭效率，但是，PDC切削元件在操作暴 露于鉆進工況時易于磨損，從而縮短了旋轉鉆頭的壽命。
熱穩(wěn)定金剛石(TSP)是另一種人工合成金剛石、PDC材料，其 可用作旋轉刮刀鉆頭的切削元件或切削件。TSP切削件(必須使用催 化劑以促使在由此去除的結構中形成金剛石對金剛石結合)具有優(yōu)于 PDC切削件的熱性能。與堅硬和磨蝕性巖石鉆進應用相關的高摩擦熱 使切削邊緣溫度超過PDC的熱穩(wěn)定性，而TSP切削件在更高的工作 溫度下仍然保持穩(wěn)定。這個特性還使它們焙燒到基體型旋轉刮刀鉆頭 的表面中。
盡管PDC或TSP切削元件與其它切削元件類型相比在鉆進期間 提供了更高的ROP并具有更少的磨損，但仍然希望進一步延長旋轉 刮刀鉆頭的壽命以及延長切削件壽命，不管所用切削件類型如何。工 業(yè)領域的研究人員很早就認識到，當切削元件磨損，即在鉆進期間磨 損平面產(chǎn)生并形成在與地下巖層接觸的每個切削元件上時，鉆進速度 (或ROP)降低。特別是當其它鉆進參數(shù)保持不變時，鉆進速度的降 低表示旋轉刮刀鉆頭磨壞。各種鉆進參數(shù)包括地層類型、WOB、切削 件位置或刀面角、切削件數(shù)量、切削件密度、鉆進溫度和RPM，例如 但不限于此，并且還包括地層鉆進領域技術人員所了解的其它參數(shù)。
盡管研究人員不斷研究和尋找更為耐用的切削件以及對切削件性 能的一般性改進，但他們未能找到或實現(xiàn)通過利用切削元件磨損率保持或增大鉆進速度或ROP來實現(xiàn)延長刮刀鉆頭壽命的工程方法。在 這個方面，盡管ROp在很多情況下是辨別鉆頭性能的關鍵屬性，但
是人們希望采用或利用切削元件磨損來延長或改善刮刀鉆頭的壽命。
因此，人們希望改進或延長旋轉刮刀鉆頭的壽命，而不管被鉆地 下巖層的類型如何。人們還希望通過使切削件有利地定向和定位在鉆 頭體上來延長旋轉刮刀鉆頭的壽命。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明提供了一種具有導向切削件結構的旋轉刮刀鉆頭。 旋轉刮刀鉆頭的壽命通過導向切削件結構而延長，使鉆頭更為耐用并 且延長了切削元件的壽命。另外，位于旋轉刮刀鉆頭上的導向切削件 結構增強了被鉆地下巖層材料的破碎，延長了鉆頭壽命并減少了切削 件上的應力。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了 一種為地層破碎而構造的旋轉刮刀 鉆頭。旋轉刮刀鉆頭包括具有端面的鉆頭體，和聯(lián)接到所述鉆頭體端 面上的多個切削件。多個切削件包括至少 一個導向切削件和在旋轉方 向上落后于所述至少一個導向切削件的主切削件。所述至少一個導向 切削件具有小于主切削件的橫向寬度，并且比主切削件暴露的程度大， 使得在鉆進期間，在主切削件與被鉆地層的一部分接觸之前使該部分 地層預破碎和清除。
在本發(fā)明的其它實施例中，提供了一種壽命延長的旋轉刮刀鉆頭。 旋轉刮刀鉆頭包括鉆頭體和至少一個切削件組，所述切削件組包括導 向切削件和聯(lián)接到所述鉆頭體上的旋轉落后的主切削件。
在本發(fā)明的其它實施例中，鉆頭體包括至少一個刮刀、在旋轉方 向上領先于導向切削件的至少 一個流體流道和主切削件，所述導向切 削件聯(lián)接到所述刮刀上并與所述流體通道相鄰，所述主切削件聯(lián)接到 所述刮刀上、旋轉跟隨所述導向切削件并且旋轉遠離所述流體通道。
本發(fā)明還提供了一種使用具有導向切削件結構的旋轉刮刀鉆頭鉆 進地下巖層的方法。在結合附圖和所附權利要求書閱讀本發(fā)明的各種實施例的詳細說 明的情況下，本發(fā)明的其它優(yōu)點和特征將變得顯而易見。


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的旋轉刮刀鉆頭的平面視圖。
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的旋轉刮刀鉆頭的平面視圖。 圖3顯示了本發(fā)明第 一 實施例的切削件和刮刀輪廓。 圖4顯示了用于圖1所示鉆頭的第一刮刀的切削件輪廓。 圖5顯示了用于圖1所示鉆頭的第四刮刀的切削件輪廓。 圖6顯示了用于圖1所示鉆頭的第七刮刀的切削件輪廓。 圖7顯示了用于具有根據(jù)本發(fā)明第三實施例的切削件組的鉆頭的 切削件輪廓。
圖8是在模擬鉆井條件下累積金剛石磨損平面面積的圖表。 圖9是在模擬鉆井條件下鉆進速度的圖表。
圖10顯示了用于具有根據(jù)本發(fā)明第一實施例的一個切削件組合 組的鉆頭的典型地層切削部分。
圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的切削件組的示意圖。 圖12顯示了用于本發(fā)明第二實施例的切削件輪廓。
具體實施例方式
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的旋轉刮刀鉆頭110的端面視 圖。盡管本實施例的旋轉刮刀鉆頭110包括九個導向器或切削件組 160，但是可以想到，刮刀鉆頭110可以包括一個切削件組或者多于或 小于九個的多個切削件組合組。在詳細描述切削件組160之前，首先 對刮刀鉆頭IIO進行概述。
圖中的旋轉刮刀鉆頭110是從其端面或前端112向上觀察的視圖， 就如同觀察者位于井孔的底部觀察那樣。如本領域普通技術人員已知 的，鉆頭110包括例如通過硬釬焊粘結到凹窩116 (如示意性示出的 那樣)中的多個切削元件或切削件114，所述凹窩位于在刮刀鉆頭110的端面112上延伸的刮刀118上。所述刮刀鉆頭110是包括胎體材料 鉆頭體的鉆頭，本發(fā)明不限于此。鉆頭還可以形成為所謂的"鋼質鉆 頭體"的鉆頭類型或其它鉆頭類型。"胎體"鉆頭包括滲入熔融且隨后 可硬化的粘結劑(例如，銅基合金)中的大量金屬粉末(例如，碳化 鴒顆粒)。此外，盡管本發(fā)明的這個實施例包括在鉆頭110的端面112 上延伸的刮刀118，但是刮刀118的使用對于本發(fā)明而言并不是重要 的，并且不限制本發(fā)明。
流體通道120位于刮刀118之間并且由固定在噴嘴口 124中的噴 嘴122供應以鉆井液，噴嘴口 124位于從壓力通風系統(tǒng)引出的通道端 部處，所述壓力通風系統(tǒng)從位于鉆頭110上端或尾端處的管狀柄延伸 到鉆頭體111中。流體通道120延伸到排屑槽126，所述排屑槽沿著 鉆頭IIO的側面在刮刀118之間向上延伸。保徑墊塊(未顯示)構成 刮刀118的縱向向上延伸部并且在其徑向外表面121上可以具有耐磨 鑲嵌件或涂層，如本領域已知的那樣。從噴嘴122流出的鉆井液F將 地層巖屑從切削件114上沖走，所述鉆井液通常穿過流體通道120徑 向向外流動并隨后穿過排屑槽126向上流到鉆柱(鉆頭110懸掛并支 撐在所述鉆柱上)和被鉆地層之間的環(huán)形區(qū)域。鉆井液F在鉆進期間 給切削件114提供冷卻并且從鉆頭端面112上清除地層巖屑。
本實施例中的切削件114均為PDC切削件。然而，可以i人識到， 本發(fā)明的實施例可以使用任意其它類型的切削元件。為了在本發(fā)明的 不同實施例中清楚起見，切削件顯示為 一體式結構以便更好地描述和 介紹本發(fā)明。然而，可以認識到，切削件114可以包括材料層。在這 方面，本實施例的PDC切削件114均包括粘結到支撐基底上的金剛石 臺，如前所述。當刮刀鉆頭110通過使地層與切削邊緣113接觸旋轉 時，PDC切削件114通過剪切作用從地下巖層中去除材料。在切削地 層時，鉆井液F磨碎地層巖屑，使顆?；旌衔飸腋∮谄渲胁A帶顆粒 混合物，使其通過如上所述的排屑槽126流出。
刮刀118包括形式分別為第一、第四和第七刮刀131、 134和137 的主刮刀，并且還包括形式分別為第二、第三、第五、第六、第八和第九刮刀132、 133、 135、 136、 138和139的副刮刀。每個刮刀118 大體上從端面112縱向伸出并且通常徑向向外延伸穿過端面112到達 鉆頭體111的保徑部。多個切削件114布置在刮刀131、 132、 133、 134、 135、 136、 137、 138、 139上，如圖3中的切削件和刮刀輪廓130 所示。圖3所示的每個切削件114表示布置在鉆頭體111上的切削件 (正如切削件輪廓領域的技術人員所能理解的那樣)，從鉛垂線起編為 l到60號，為了描述本發(fā)明的實施例，分別以相同的數(shù)字1到61表 示。每個切削件1到61包括1到12的下標，這些下標表示其在布置 于刮刀118上的各個切削件排141到152中的位置。每個切削件排141 到152在旋轉方向上落后于緊接著其之前的切削件排。例如，切削件 16和17分別包括下標1和2，這表示切削件16屬于主切削件排141， 切削件17屬于在旋轉方向上落后于主切削件排141的副切削件排 142。切削件16和17均布置在第一刮刀131上。盡管切削件114呈十 二排布置成在具有九個刮刀的刮刀鉆頭110上，但是刮刀鉆頭110也 可以具有任何適當數(shù)量的切削件排或任何數(shù)量的刮刀。具體地，本發(fā) 明的實施例特別適合于在一個刮刀上布置兩個切削件排的刮刀鉆頭。 切削件排可以由從刮刀鉆頭110的端面112的中心線C/L伸出的徑向 路徑來確定，并且通過大體上沿著或靠近所述徑向路徑布置的一個或 多個切削元件來限定。
切削件組160包括切削件12/13;切削件16/17;切削件20/21; 切削件24/25;切削件28/29;切削件32/33;切削件36/37;切削件40/41 和切削件44/46。切削件組160主要位于鉆頭體111的頂冠區(qū)域172、 側部區(qū)域174和肩部區(qū)域175上。切削件組160還可以位于鉆頭體111 的錐形區(qū)域170和保徑區(qū)域176上，或者位于任何給定區(qū)域上，不限 于此。
每個切削件組160包括具有較小橫向寬度的導向切削件162，所 述導向切削件在旋轉方向上領先于位于大體上相同的旋轉路徑中(與 中心線C/L大體上相同的半徑處)的、具有較大橫向寬度的主切削件 164。圖4、 5和6中分別顯示了切削件組160的輪廓，圖4顯示了用于刮刀鉆頭110的第一刮刀131的切削件輪廓，圖5顯示了用于刮刀 鉆頭110的第四刮刀134的切削件輪廓128，圖6顯示了用于刮刀鉆 頭110的第七刮刀137的切削件輪廓129。例如，主切削件17在S走轉 方向上落后于沿著大體上相同的旋轉路徑的導向切削件16，如圖4所 示?？蛇x地，切削件組160可以布置在任何刮刀上，例如主刮刀、副 刮刀或三次刮刀上，并且不限于此，但是在本實施例中位于主刮刀 131、 134、 137上。
導向切削件162相對于地層具有特定的暴露量，暴露量為切削件 在周圍的鉆頭端面(例如如圖6所示的刮刀端面137)上方突出的范 圍。沿著一個或多個刮刀分布的切削件具有如圖3到6中所示的刮刀 輪廓，并且在圖6中以166表示。在使用中，切削件與地層接合到通 常由各切削件安裝于其上的鉆頭端面上的周圍表面限制、但在其它情 況下由稱作穿透度或切削深度限制器限制的切削深度，這一點在本領 域是已知的。較大的主切削件164 (在旋轉方向上落后于導向切削件 162)相較于導向切削件162具有較少的暴露量。盡管在本實施例中， 較大的主切削件164的暴露量不如導向切削件162，但是主切削件164 可以具有相同的暴露量。當然，"較少的暴露量"可以根據(jù)地層特性、 相關切削件尺寸、切削件形狀、在切削件的切削面上有或沒有倒角、 切削件后傾角、切削件之間的旋轉間距和其它因素而變化。在這個方 面，選定的較少的暴露量是設計暴露量。同樣，導向切削件的設計暴 露量可以包括與其它主切削件相同的暴露量。在這個結構中，當較大 的切削件164清除和擴大由導向切削件162在地層中形成的切口時， 暴露量更多的較小導向切削件162能夠施加集中的能量(所述能量由 鉆壓(WOB)和鉆頭旋轉施加給鉆頭)以使地層預先碎裂。較大切削 件164可以具有各種較少的暴露量，使得當沿著圖示刮刀上的切削件 之間的路徑間隔168切削時，在其它切削件114切削未鉆地層材料之 前，切削件164在大體上落后于導向切削件162的同時與地層保持連 續(xù)接觸。
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的旋轉刮刀鉆頭210的前視圖。同時還可以參考圖12，圖12顯示了用于本發(fā)明的第二實施例的切削 件輪廓230。旋轉刮刀鉆頭210包括六個刮刀218和聯(lián)接于其上的多 個切削件214。為了描述本發(fā)明的第二實施例的圖2和12,切削件編 為1-57，刮刀鉆頭210還包括編為58-62的抗磨結。在這個方面，不 應將用于本發(fā)明第 一 實施例的切削件1到61與用于本發(fā)明第二實施例 的圖12所示切削件輪廓230的切削件1到57和抗磨結58到62相混 淆。刮刀218包4舌三個主刮刀231、 234、 237和三個副刮刀232、 235、 238。每個切削件1-57和每個抗磨結58-62包括分別表示其在刮刀231 、 232、 234、 235、 237、 238上的位置的下標1到6，并且還布置在每個 刮刀231、 232、 234、 235、 237、 238的切削件排241到252中。
切削件214布置在分別位于刮刀231、 232、 234、 235、 237、 238 上的第一切削件排241、 243、 245、 247、 249、 251和第二切削件排 242、 244、 246、 248、 250、 252中。第二切削件排242、 244、 246、 248、 250、 252均在旋轉方向上落后于分別位于其前方的第一切削件 組241、 243、 245、 247、 249、 251。切削件214包括位于第一切削件 排241、 243、 245、 247、 249、 251中的較小切削元件262，其領先于 第二切削件排242、 244、 246、 248、 250、 252中的較大切削元件264 以便在鉆進期間使地層預先碎裂或改進地層碎裂。在這方面，當與大 體上沿著或靠近由較小切削元件262形成的徑向路徑布置的第二切削 件排242、 244、 246、 248、 250、 252中相應的較大、主切削元件264 結合考慮時，第一切削件排241、 243、 245、 247、 249、 251中的較小 切削元件262可以稱作"導向"切削件組260。
在本發(fā)明的這個實施例中，切削件組260大體上位于刮刀鉆頭210 的頂冠區(qū)域272中。位于頂冠區(qū)域272中的切削件214承受非常大的 切削件負荷，通過給切削件組260提供分布在切削件262和264上的 工作負荷，能夠改善地層材料的去除，同時降低單個切削件負荷。切 削件組260還可以位于鉆頭體111的錐形區(qū)域270、肩部區(qū)域274和 保徑區(qū)域276上，或者位于任何給定區(qū)域上，并且不限于此。切削件 組260包括切削件11/12、 13/14、 15/16、 17/18、 19/20、 21/22、 25/26、29/30和33/34，如圖12所示。
在本發(fā)明的這個實施例中，較小切削元件262是導向或取芯切削 件，其提供了使地層破碎的主要裝置，允許具有較大直徑的較大切削 元件264在較小切削元件262的后面(即，旋轉跟隨)進一步去除地 層。較大切削元件264如傳統(tǒng)刮刀鉆頭那樣剪切地層材料，但是因為 地層已經(jīng)通過旋轉在前的較小切削元件262碎裂并因此變弱，所以切 削可以利用較少的能量完成。在這方面，較大切削元件264可以更容 易地去除通過較小切削元件262 (不會經(jīng)受同樣大的應力)弱化但未 去除的地層材料。在另一方面，利用位于較大切削元件264前面的較 小(導向)切削元件262去除相同數(shù)量的地層，允許較小切削元件262 在工作地層上留下與磨損平面面積(如下所述)相關的較小痕跡，進 而允許切削件組合(位于較大切削元件264前面的較小切削元件262 ) 在切削件214磨損時長時間地保持提高的效率(同樣就如下所述的磨 損平面面積而言)。
圖7顯示了用于具有根據(jù)本發(fā)明第三實施例的切削件組360的鉆 頭310的切削件輪廓330。切削件組360包括第一切削件362和第二 切削件364,兩者聯(lián)接到鉆頭310的鉆頭體311上。第二切削件364 大于第一切削件362，暴露量小于第一切削件362并在旋轉方向上落 后于第一切削件362。盡管第二切削件364在旋轉方向上落后于第一 切削件362，但是它只需要沿著由鉆頭310旋轉產(chǎn)生的大體上相鄰或 類似的旋轉或螺旋路徑旋轉尾隨。假定用于粉碎地層的外加力在鉆頭 310上保持不變，則與具有較大表面區(qū)域365的第二切削件364相比， 第一切削件362由于其較小的表面區(qū)域363和接合切削邊緣對地層施 加較大的應力。在這個方面，第一切削件362由于其每單位面積施加 的較大作用力而提供用于預先碎裂的主要作用力，而第二切削件364 能夠利用其每單位面積施加的較小作用力清掃和打開地層中的切口。
首先，在地層鉆進時，即，在切削件114上形成磨損平面之前， 由鉆柱提供的能量主要傳遞給切削件362和364并分別通過其表面區(qū) 域363和365，給地層施加應力以使其破碎(穿透力)。還可以參考圖11，其中顯示了當切削件362和364磨損時，在正常的切削面380和 381上分別形成磨損平面區(qū)域。當磨損平面區(qū)域在正常切削面380和 381上增加或增大時，縮進力增大，需要更大的WOB以獲得給定的 切削深度。盡管傳統(tǒng)的切削件存在能量傳遞效應，但是本發(fā)明的實施 例通過優(yōu)化切削件組360的相互作用來有利地利用和控制磨損平面區(qū) 域的增大，從而在鉆進期間通過減少切削件磨損來保持較低的所需 WOB，進而提高和延長了刮刀鉆頭310的壽命。
在本發(fā)明的實施例中，刮刀鉆頭的壽命同大體上等效的傳統(tǒng)刮刀 鉆頭相比得以延長。具體地，通過使用較小直徑或橫向寬度，在具有 較大橫向寬度或直徑的較大切削件之前的、具有較寬或落后間隔的旋 轉在先的切削件沿相同的徑向路徑運行，因此需要的切削件密度變少， 即，切削件密度在與類似的常規(guī)鉆頭相比時減小，但是也可以使用相 同的切削件數(shù)目。與具有相同切削件數(shù)量的常規(guī)鉆頭相比，切削件密 度實際上在地層上留下了較小的痕跡，能夠在切削件磨損時產(chǎn)生更大 的穿透度。在這個方面，由切削件留在地層上的較小痕跡改進了能量 傳遞，特別是改進了施加給鉆頭的作用力，從而可以更有效地長時間 使用切削件。
圖10顯示了用于具有根據(jù)本發(fā)明第一實施例的一個切削件組合 組160的鉆頭110的典型地層切削部分167。當從地層中的鉆孔底部 向上觀察時，顯示了朝向鉆頭110觀看的切削部分167。切削件組合 組160包括在旋轉方向上領先于較大切削件164或位于其前面的較小 切削件162。切削件組合組160的切削件162、 164以組合方式定位在 鉆頭110的鉆頭體的刮刀118上，以便在鉆進時有助于地下巖層的預 破碎和去除，從而到達切削部分167。較大切削件164的切削面以旋 轉部分或間隔161落后于較小切削件162的切削面，并且切削件162、 164位于刮刀118上，使得切削件162、 164的中心位于略有不同或大 體上相同的徑向路徑上。徑向路徑169表示在鉆進期間切削地層時切 削件162、 164移動的螺旋路徑。較大切削件164的暴露量比較小切削 件162略小。在這個方面，較小切削件162使地層預石皮碎，此后，暴露量較小的較大切削件164在切削時擴大切削部分167并去除額外的 地層材料。較少的暴露量由希望的ROP以及旋轉部分或間隔161決 定。在本實施例中，當希望的ROP增大或者旋轉間隔161增大時， 切削件164的設計"較少的暴露量"有必要增大以便允許較小切削件 162主要接觸地層，較大切削件164尾隨旋轉以達到切削部分167。
如本發(fā)明的其它實施例一樣，切削件162、 164之間的旋轉間隔 161可以使得較小切削件162與第一切削件排141內的其它切削件114 對齊，并且較大切削件164與第二切削件排142內的其它切削件114 對齊。可選擇地，旋轉間隔161可以更大或更小，使得切削件162、 164定位于其自身的切削件排中。
如文所述，較小切削件162和較大切削件164均為PDC整圓面切 削件，其能提供用于多種地層類型的適當切削能力?？蛇x地，較小切 削件162和較大切削件164可由不同的切削元件材料制成，所述材料 例如為TSP，但不限于此，可以包括適合于切削不同地層類型的各種 切削件形狀，例如，劃割切削件，但不限于此。
示意性地，圖IO顯示了在切削件162、 164開始產(chǎn)生磨損平面之 前的地層切削部分167。當鉆頭110磨損時，在切削件162、 164上產(chǎn) 生磨損平面190。當鉆頭110繼續(xù)磨損時，磨損平面190的表面區(qū)域 191繼續(xù)增大。其它切削件114在鉆頭110磨損時也形成磨損平面。 磨損平面190表示通常沿鉆頭110的法線方向與地層形成接觸的切削 件的切削區(qū)域。當磨損平面190的表面區(qū)域191增大時，利用切削件 穿透地層所需的作用力增大，最終減少了用于穿透的作用力(或能量) 大小，導致ROP降低。同樣，當鉆頭110磨損時，用于穿透地層的能 量傳遞的增大加快了磨損平面增大的速率，最終縮短了鉆頭110的壽 命。有利地，在與常規(guī)鉆頭比較時，該鉆頭110的壽命因切削件組合 組160而延長。切削件組合組160將工作載荷分配到切削件162、 164 上。具體地，較小切削件164使地層預破碎，較大切削件162擴大預 破碎的地層，降低了切削件組160上的應力，允許鉆頭110的磨損平 面區(qū)域191以用于給定ROP的較低速率增大。圖8和9顯示了通過使用本發(fā)明實施例獲得的性能改善。對于在 相同鉆井條件下進行模擬的兩種不同的刮刀鉆頭來說，圖8是累積金 剛石磨損平面面積的圖表400，圖9是鉆進速度的圖表410。
圖8的圖表400包括豎軸和橫軸，所述豎軸表示以平方厘米(顯 示為以平方英寸計)計的所有切削元件的總金剛石磨損平面面積，所 述橫軸表示以米(顯示為以英尺計)計的鉆進距離。圖9的圖表410 包括豎軸和橫軸，所述豎軸表示以米/小時(顯示為以英尺/小時計) 計的鉆進速度(或ROP)，所述橫軸表示以米(顯示為以英尺計)計 的鉆進距離。圖8和9所示結果以刮刀鉆頭的計算機模型為基礎，所 述刮刀鉆頭在單個、堅硬的研磨砂巖地層中鉆鑿豎孔，同時在整個鉆 進過程中以120 RPM的恒定鉆頭轉速保持11,340 Kg ( 25,000 lbs )的 WOB。鉆頭的尺寸為20厘米(7.875英寸)并且包括相同數(shù)量的鉆頭 刮刀。同樣，模擬實驗通過給鉆頭提供冷卻流體將鉆頭溫度保持在100 度。另外，在模擬實驗的模型中沒有動態(tài)功能異常和偏置作用力。
圖8和9分別顯示的402和412為常規(guī)鉆頭。圖8和9分別顯示 的404和414為根據(jù)本發(fā)明實施例的導向切削件鉆頭。兩種鉆頭具有 相同數(shù)量的切削元件；在這個方面，常規(guī)鉆頭和導向切削件鉆頭在設 計上功能相同。然而，常規(guī)鉆頭的實際金剛石或切削件密度大于導向 切削件鉆頭，即，由于所用的較小或導向切削元件使導向切削件鉆頭 的金剛石密度較小。金剛石或切削件密度是切削件面積、切削件尺寸 以及鉆頭上的所有切削件的切削件體積(例如，但不限于此)的度量。 查看圖表400，常規(guī)鉆頭的磨損平面區(qū)域402以比導向切削件鉆頭的 磨損平面區(qū)域404更快的速度增大。在這個方面，導向切削件鉆頭的 壽命長于常規(guī)鉆頭的壽命。
查看圖表410，對于給定的鉆進距離來說，導向切削件鉆頭的鉆 進速度414大于常規(guī)鉆頭的鉆進速度412,對于如圖表400所示的相 同鉆進距離來說，相應地與磨損平面面積相關。因此，通過提供根據(jù) 本發(fā)明實施例構造的鉆頭，切削元件的磨損平面面積的增大速率降低， 并且與常規(guī)鉆頭相比，對于給定距離來說，還減少了在運行過程中的ROP的減小。
同樣，在給定的鉆進距離處，導向切削件鉆頭的鉆進速度414大 于常規(guī)鉆頭的鉆進速度412，這在一定程度上是因為不管兩個鉆頭 是否具有相同的切削件數(shù)量，"導向切削件"鉆頭可以具有較低的切削 件密度。在這個方面，當導向切削件鉆頭的切削件磨損時，在鉆頭壽 命期間相對地保持較小的"痕跡"或磨損平面面積，提供更大的作用 力(即，能量)以去除和穿透地層，給所述"痕跡，，或磨損平面區(qū)域 提供更小的作用力。在常規(guī)鉆頭中，在一定程度上由于其較大的金剛 石密度，更大的作用力(即，能量)傳遞給鉆頭的"痕跡"或磨損平 面區(qū)域，加速了磨損平面增大，縮短了鉆頭的鉆進壽命。
在本發(fā)明的實施例中，主切削件或較大切削件能夠以盡可能地密 集但又不與其它切削件干涉的方式隔開。因為導向切削件或較小切削 件領先于較大切削件，導向切削件將以更寬的間距隔開，切削件密度 將小于通常為類似鉆頭輪廓所考慮的情形。增大導向切削件和較大切 削件的間隔通過留下與常規(guī)鉆頭切削件相比更小的"痕跡"或磨損平 面面積而延長了鉆頭壽命，另外，提高了在刮刀鉆頭壽命期間切削件 磨損時的鉆進速度。通過使導向切削件位于刮刀鉆頭上來增大切削件 的間距，可以允許更多的鉆頭或刮刀主體材料圍繞切削件，提供額外 的表面區(qū)域來吸收可能損壞主切削件或導向切削件的各種沖擊或者動 態(tài)功能異常能量。
在本發(fā)明的實施例中，主切削件或較大切削件可以具有設計的暴 露量。在導向切削件包括比主切削件小的切削件密度的大體上相同的 旋轉路徑上，對于導向切削件和在旋轉方向上落后于該導向切削件的 主切削件來說，設計暴露量可以包括相同的暴露量。
在本發(fā)明的其他實施例中，所有的主切削件或較大切削件可以具 有一設計暴露量，所有的導向切削件可以具有一設計暴露量。在每個 導向切削件和每個主切削件群的每個大體上相同的旋轉路徑上，對于
件來說:設計暴露量可以包二相同:暴露量。;個導向切削件包括小于每個主切削件的切削件密度。
在本發(fā)明的其他實施例中，所有的副切削件可以具有 一設計暴露 量，所有的導向切削件可以具有一設計暴露量。在每個導向切削件和 每個副切削件群的每個大體上相同的旋轉路徑上，對于所有導向切削 件和在旋轉方向上落后于每個導向切削件的所有副切削件來說，*沒計 暴露量可以包括相同的暴露量。每個導向切削件包括小于每個主切削 件的切削件密度。
在本發(fā)明的其它實施例中，所有的主切削件可以具有 一設計暴露 量。對所有主切削件來說，設計暴露量可以包括相同的暴露量。 一部 分主切削件位于鉆頭體的刮刀上，大體上落后于排屑槽，所述排屑槽 直接在旋轉方向上領先于刮刀，其它主切削件沿著每個導向切削件和
刀上的它們各自的導向切削件。至少一個導向切削件包括小于刮刀上 在旋轉方向上落后于該導向切削件的主切削件的切削件密度。
盡管已經(jīng)顯示和描述了本發(fā)明的特定實施例，但許多變形和可選 實施例對于本領域技術人員來說顯而易見。因此，本發(fā)明只受到所附 權利要求的限制。
權利要求
1.一種旋轉刮刀鉆頭，包括具有端面和縱向軸線的鉆頭體，所述鉆頭體構造為圍繞所述軸線旋轉；至少一個導向切削件，所述導向切削件布置在距離所述縱向軸線預定半徑處，并且包括以第一暴露量至少部分地從所述端面伸出的具有第一橫向寬度的切削表面；和至少一個主切削件，所述主切削件布置在距離所述縱向軸線大體上相同的半徑處，并且包括以第二暴露量至少部分地從所述端面伸出的具有第二、較大橫向寬度的切削表面。
2. 如權利要求1所述的旋轉刮刀鉆頭，其中，就預期的鉆頭旋轉 方向而言，所述至少一個導向切削件在所述至少一個主切削件之前。
3. 如權利要求1所述的旋轉刮刀鉆頭，其中，所述至少一個主切 削件的第二暴露量是具有較少暴露量的設計暴露量，所述較少暴露量 相對地小于或等于所述至少一個導向切削件的第一暴露量。
4. 如權利要求1所述的旋轉刮刀鉆頭，其中，所述至少一個主切削件的第二暴露量小于所述至少一個導向切削件的第一暴露量。
5. 如權利要求l所述的旋轉刮刀鉆頭，其中，所述至少一個導向切削件的第一暴露量小于所述至少一個主切削件的第二暴露量。
6. 如權利要求1所述的旋轉刮刀鉆頭，其中，所述至少一個導向 切削件和至少 一個主切削件中的至少 一個為熱穩(wěn)定金剛石切削件和聚 晶金剛石復合片切削件中之一。
7. 如權利要求1所述的旋轉刮刀鉆頭，其中，所述鉆頭體還包括 從所述端面伸出的至少一個刮刀，所述至少一個導向切削件和至少一 個主切削件與所述刮刀聯(lián)接。
8. —種旋轉刮刀鉆頭，包括具有端面和縱向軸線的鉆頭體，所述鉆頭體構造為圍繞所述縱向 軸線旋轉；和至少一個包括兩個切削件的切削件組，每個切削件包括以一定的 暴露量至少部分地從所述鉆頭體的端面伸出的切削表面，兩個切削件 中的一個定位成在所述鉆頭體圍繞所述縱向軸線旋轉時沿著切削路徑 大體上追隨于兩個切削件中的另 一個，兩個切削件中的每一個均具有 橫向寬度不同且暴露量不同的切削表面。
9. 如權利要求8所述的旋轉刮刀鉆頭，其中，導向切削件組中的 所述兩個切削件包括具有較小橫向寬度的第一切削元件和在旋轉方向上落后于所述第一切削元件的具有較大橫向寬度的第二切削元件，所 述第二切削元件的暴露量小于所述較小切削元件的暴露量。
10. 如權利要求8所述的旋轉刮刀鉆頭，其中，所述鉆頭體包括 從所述端面伸出并且具有笫一切削件排和在旋轉方向上落后于所述第 一切削件排的第二切削件排的至少一個刮刀，所述切削件組中的所述 兩個切削件包括位于第 一切削件排中的第 一切削元件和位于第二切削 件排中的第二切削元件，所述第 一切削元件具有橫向寬度較小的切削 表面，所述第二切削元件具有橫向寬度較大的切削表面。
11. 如權利要求IO所述的旋轉刮刀鉆頭，其中，所述第二切削元 件的暴露量小于所述第 一切削元件的暴露量。
12. 如權利要求10所述的旋轉刮刀鉆頭，其中，所述第一切削件 排和所述第二切削件排大致從所述鉆頭體的縱向軸線徑向向外延伸。
13. —種導向刮刀鉆頭，包括具有端面、軸線、至少一個刮刀和至少一個流體通道的鉆頭體， 所述刮刀從所述端面延伸，所述流體通道在所述端面上大致從所述軸 線徑向向外延伸并且在旋轉方向上領先于所述至少一個刮刀，所述鉆 頭體構造為圍繞所述軸線旋轉；與所述流體通道相鄰地聯(lián)接到所述刮刀上的導向切削件；和 聯(lián)接到所述刮刀上的主切削件，所述主切削件遠離所述至少一個 流體通道并在旋轉方向上落后于所述導向切削件。
14. 如權利要求13所述的導向刮刀鉆頭，其中，所述主切削件沿 著大體上相同的切削路徑在旋轉方向上落后于所述導向切削件。
15. 如權利要求13所述的導向刮刀鉆頭，其中，所述主切削件的 暴露量小于所述導向切削件的暴露量。
16. 如權利要求13所述的導向刮刀鉆頭，其中，所述主切削件沿 大體上相同的切削路徑在旋轉方向上落后于所述導向切削件，并且所 述主切削件的暴露量小于所述導向切削件的暴露量。
17. —種使用包括導向切削件結構的旋轉刮刀鉆頭使地下巖層預 破碎的方法，包括提供包括鉆頭體和至少一個導向切削件組的旋轉刮刀鉆頭，所述鉆頭體具有端面和軸線并且構造為圍繞所述軸線旋轉，所述導向切削件組包括兩個切削件，每個切削件包括至少部分地從所述鉆頭體的所述端面伸出的切削表面，兩個切削件中的一個定位成在所述鉆頭體圍繞其軸線旋轉時沿著切削路徑大體上旋轉追隨兩個切削件中的另一 個；使所述旋轉刮刀鉆頭在鉆壓下旋轉以使地下巖層與所述至少一個 導向切削件組的旋轉在先的切削件接合，從而沿著切削件路徑預破碎 地層并去除一部分地層材料，以及使地層與位于與旋轉在先切削件接 合的那部分的橫向外側的、旋轉追隨的切削件接合以去除附加的地層 材料。
18. 如權利要求17所述的方法，還包括避免位于旋轉追隨的切削 件緊下方的地層與所述旋轉追隨的切削件有實質性接合。
19. 如權利要求17所述的方法，其中，提供包括至少一個導向切 削件組的旋轉刮刀鉆頭包括提供多個導向切削件組。
20. 如權利要求19所述的方法，其中，所述至少一個導向切削件 組包括聚晶金剛石復合片切削元件。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有提高的切削效率和延長的壽命的旋轉刮刀鉆頭(110)。旋轉刮刀鉆頭包括具有端面的鉆頭體，和聯(lián)接到所述鉆頭體端面上的多個切削件。多個切削件包括至少一個導向切削件(162)和位于大體上相同半徑處并可選地具有略小暴露量的旋轉落后的較大主切削件(164)。導向切削件(162)的尺寸和位置設置成使地層預破碎并形成初始切口，而主切削件(164)沿著相同的旋轉路徑去除弱化、剩余的地層材料。本發(fā)明還提供了一種使用具有導向切削件結構的旋轉刮刀(110)使地下巖層預破碎的方法。
文檔編號E21B10/00GK101611213SQ200780050291
公開日2009年12月23日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權日2006年12月7日
發(fā)明者D·加維亞 申請人:貝克休斯公司