一種固定切割器鉆頭可以包括具有鉆頭中心線的鉆頭本體；從鉆頭本體徑向延伸并由多個其間的流道隔開的多個刀片，所述多個刀片中的每一個均與鉆頭中心線間隔開一徑向距離以限定一個巖芯成型區域；設置在所述多個刀片的上的多個切割元件，所述多個切割元件包括設置在所述多個刀片中的至少一個上的至少一個取芯切割元件，所述至少一個取芯切割元件是所述多個刀片上的徑向最內部的切割元件，其中，所述取芯切割元件的取芯角小于其內錐角。
【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關申請的交叉引用本申請要求于2013年9月11日提交的美國專利申請號61/876587的優先權，在此通過參引方式將其整體納入本文。
技術介紹
在地球中鉆孔時，例如用于油氣開采或者其他用途時，通常做法是將鉆頭連接在首尾相接的鉆頭桿段的組件的下端以形成“鉆柱”。鉆頭通過在地面上旋轉鉆柱或通過致動井下馬達或渦輪或同時通過所述兩種方法而旋轉。通過將壓力施加到鉆柱，旋轉的鉆頭接合地層，從而使鉆頭通過磨蝕、破碎或剪切作用或通過各切割方法的組合切割通過地層材料，從而沿著預定路徑朝向目標區形成鉆孔。已經研發并獲得用于鉆這種鉆孔的多種不同類型的鉆頭。兩種主要類型的鉆頭是牙輪鉆頭和固定切割器(或旋轉刮刀)鉆頭。大多數固定切割器鉆頭設計包括繞鉆頭面以一定角度間隔開的多個刀片。刀片從鉆頭本體徑向向外突出并在刀片之間形成流動通道。另外，切割元件典型地被分組并以徑向延伸的列安裝在多個刀片上。切割元件在刀片上的結構或布局基于諸如要被鉆進的地層的許多因素而顯著變化。設在固定切割器鉆頭的刀片上的切割元件典型地由極硬材料形成。在典型的固定切割器鉆頭中，每一個切割元件都包括容納并固定在形成在刀片中的一個的表面中的槽窩中的細長大致圓柱形碳化物基體。切割元件典型地包括由多晶金剛石(PCD)或其他超級研磨材料(例如，熱穩定金剛石或多晶立方氮化硼)形成的硬切割層。這些切割元件被設計為剪切從軟到中硬度范圍的地層。為了方便起見，如本文所使用的，對“PDC鉆頭”、“PDC切割器”的描述是指采用多晶金剛石或其他超級研磨材料形成的硬切割層的固定切割器鉆頭或切割元件。參照圖1和圖2，顯示了適用于鉆通巖石地層以形成鉆孔的常規PDC鉆頭10。PDC鉆頭10通常包括鉆頭本體12、柄部13、和用于將PDC鉆頭10連接到鉆柱(未示出)的螺紋連接裝置或銷14，其中，所述鉆柱被用于使鉆頭旋轉以鉆孔。鉆頭面20支撐切割結構15并形成在PDC鉆頭10上的與銷端16相反的端部上。PDC鉆頭10還包括中心軸線11，PDC鉆頭10繞中心軸線11在由箭頭18表示的切割方向上旋轉。切割結構15設置在PDC鉆頭10的面20上。切割結構15包括以角度間隔開的多個主刀片31、32、33和副刀片34、35、36，所述刀片中的每一個都從鉆頭面20延伸。主刀片31、32、33和副刀片34、35、36沿著鉆頭面20大致徑向延伸并然后沿著PDC鉆頭10的周邊的一部分軸向延伸。然而，副刀片34、35、36沿著鉆頭面20從遠離鉆頭軸線11的位置朝向PDC鉆頭10的周邊徑向延伸。因此，如本文所使用的，“副刀片”可以用于表示距離鉆頭軸線一定距離開始并沿著鉆頭面朝向鉆頭的周邊大致徑向延伸的刀片。主刀片31、32、33和副刀片34、35、36被鉆井液流道19分隔開。仍然參照圖1和圖2，每一個主刀片31、32、33包括用于安裝多個切割元件的刀片頂部42，并且每一個副刀片34、35、36包括用于安裝多個切割元件的刀片頂部52。特別地，每一個都具有切割面44的切割元件40分別安裝在形成于每一個主刀片31、32、33和每一個副刀片34、35、36的刀片頂部42、52中的槽窩中。切割元件40在靠近每一個主刀片31、32、33和每一個副刀片34、35、36的前緣處以徑向延伸的行彼此相鄰地設置。每一個切割面44具有最遠離安裝有切割元件40的刀片頂部42、52的最遠切割末端44a。現在參照圖3，顯示了PDC鉆頭10的輪廓，其以每個刀片(例如，主刀片31、32、33和副刀片34、35、36)和每個所述切割元件40的切割面44被旋轉成單個旋轉輪廓圖的方式顯示。在旋轉輪廓圖中，PDC鉆頭10的每個刀片31-36的刀片頂部42、52形成并限定從鉆頭軸線11徑向延伸到PDC鉆頭10的外半徑23的組合或復合刀片輪廓39。因此，如這里所使用的，措詞“復合刀片輪廓”表示從鉆頭軸線延伸到鉆頭的外半徑并由鉆頭的旋轉成單個旋轉輪廓(即，在旋轉輪廓圖中)的每個刀片的刀片頂部形成的輪廓。常規的復合刀片輪廓39(在圖3中的PDC鉆頭10的右半側中最清楚顯示)通常可以被分成三個區域，所述三個區域被常規地標記為錐形區域24、臺肩區域25和保徑區域26。錐形區域24包括PDC鉆頭10和復合刀片輪廓39的大致從鉆頭軸線11延伸到臺肩區域25的徑向最內側區域。如圖3所示，在大多數常規的固定切割器鉆頭中，錐形區域24通常是凹入的。與錐形區域24相鄰的是臺肩(或上彎曲線)區域25。在大多數常規的固定切割器鉆頭中，臺肩區域25通常是凸起的。向外徑向移動，與臺肩區域25相鄰的是保徑區域26，所述保徑區域在復合刀片輪廓39的外徑向周邊平行于鉆頭軸線11延伸。因此，常規PDC鉆頭10的復合刀片輪廓39包括一個凹入區域——錐形區域24和一個凸起區域——臺肩區域25。凸起臺肩區域25和復合刀片輪廓39的軸向最低點限定了刀片輪廓頂冠27。在刀片輪廓頂冠27處，凸起臺肩區域25和復合刀片輪廓39的切線27a的斜率為零。因此，如本文所使用的，術語“刀片輪廓頂冠”表示在旋轉輪廓圖中沿著鉆頭的復合刀片輪廓的凸起區域的點，復合刀片輪廓的切線的斜率在所述點處為零。對于大多數常規的固定切割器鉆頭(例如，PDC鉆頭10)來說，復合刀片輪廓包括單個凸起臺肩區域(例如，凸起臺肩區域25)和單個刀片輪廓頂冠(例如，頂冠27)。如圖1-3所示，切割元件40沿著刀片31-36成行布置并沿著鉆頭面20定位在先前被描述為復合刀片輪廓39的錐形區域24、臺肩區域25和保徑區域26的多個區域中。特別地，切割元件40相對于PDC鉆頭10的中心軸線11在刀片31-36上安裝在預定徑向間隔開的位置。表示所述刀片輪廓的另一種方式可以把錐形區域24稱作由直線限定的內部徑向位置，保徑區域26稱作豎直部分。如果在錐形區域24的外徑端部劃一條水平線，則所述刀片在其軸向末端的區域(在圖3中所示的線下方)是所述頂冠區域27，并且在所述水平線朝向所述鉆頭的銷端的一側的區域(在圖3中所示的線上方)是所述臺肩區域25。為了鉆較硬的地層，其鉆井機制從剪切變為磨蝕。對于磨蝕鉆井，通常使用具有固定、磨蝕元件的鉆頭。盡管PDC鉆頭被公認為對于某些地層的鉆孔有效，但是已經發現對于硬的、磨蝕性地層、例如砂巖不那么有效。對于這些硬地層，含有孕鑲在支撐基質中的微粒金剛石、或者金剛石磨粒的切割結構是有效的。在下面討論中，這種類型的成分被叫做“孕鑲金剛石”。孕鑲金本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種固定切割器鉆頭，包括：具有鉆頭中心線的鉆頭本體；從鉆頭本體徑向延伸的多個刀片，所述多個刀片由它們之間的多個流道隔開，所述多個刀片中的每個均與鉆頭中心線間隔開一徑向距離，以限定巖芯成型區域；設置在所述多個刀片上的多個切割元件，所述多個切割元件包括設置在所述多個刀片中的至少一個上的至少一個取芯切割元件，所述至少一個取芯切割元件是所述多個刀片上的徑向最內部的切割元件，其中，所述至少一個取芯切割元件的內錐角被定義為：所述鉆頭中心線與一切線之間的夾角，所述切線在所述至少一個取芯切割元件與切割井眼底部的徑向相鄰的切割元件之間延伸，其中，所述至少一個取芯切割元件的取芯角被定義為：當所述至少一個取芯切割元件繞著所述鉆頭中心線旋轉直到所述至少一個取芯切割元件的頂端接觸所述切線時，垂直于所述鉆頭中心線的直線與投射到所述垂直于鉆頭中心線的直線上的所述至少一個取芯切割元件的軸線之間的夾角，并且其中，所述取芯角小于所述內錐角。
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2013.09.11 US 61/876,587;2014.09.10 US 14/482,9921.一種固定切割器鉆頭，包括：
具有鉆頭中心線的鉆頭本體；
從鉆頭本體徑向延伸的多個刀片，所述多個刀片由它們之間的多個流
道隔開，所述多個刀片中的每個均與鉆頭中心線間隔開一徑向距離，以限
定巖芯成型區域；
設置在所述多個刀片上的多個切割元件，所述多個切割元件包括設置
在所述多個刀片中的至少一個上的至少一個取芯切割元件，所述至少一個
取芯切割元件是所述多個刀片上的徑向最內部的切割元件，
其中，所述至少一個取芯切割元件的內錐角被定義為：所述鉆頭中心
線與一切線之間的夾角，所述切線在所述至少一個取芯切割元件與切割井
眼底部的徑向相鄰的切割元件之間延伸，
其中，所述至少一個取芯切割元件的取芯角被定義為：當所述至少一
個取芯切割元件繞著所述鉆頭中心線旋轉直到所述至少一個取芯切割元件
的頂端接觸所述切線時，垂直于所述鉆頭中心線的直線與投射到所述垂直
于鉆頭中心線的直線上的所述至少一個取芯切割元件的軸線之間的夾角，
并且
其中，所述取芯角小于所述內錐角。
2.如權利要求1所述的固定切割器鉆頭，其中，所述取芯角是所述內
錐角的至少50％。
3.如權利要求1所述的固定切割器鉆頭，其中，所述取芯角是所述內
錐角的至少60％。
4.如權利要求2所述的固定切割...
【專利技術屬性】
技術研發人員：S·韋爾沃盧里，H·馬達，
申請(專利權)人：史密斯國際有限公司，
類型：發明
國別省市：美國;US
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