[发明专利]具有套管部件钻出能力的钻地钻头、用于所述钻地钻头的切削元件以及所述钻地钻头的使用方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及钻探地下钻孔，更具体地，涉及用于钻探地层并具有钻出可能位于或紧挨套管柱或衬管柱(例如套管钻头或套管靴，注水泥设备部件和水泥)端部的地质构造和材料的能力的钻头。

背景技术

钻探用于油气生产的井眼通常使用钻管的纵向延伸段或称作“钻柱”，所述钻管的一端固定有较大直径的钻头。在已经钻出钻孔的选定部分之后，钻孔通常用套管柱或套管段加衬里或加套。这种套管或衬管的直径通常大于钻管的直径且小于钻头的直径。因此，根据常规方法的钻探和加套典型地需要按顺序使用其上附接有钻头的钻柱来钻探钻孔，从钻孔中取出钻柱和钻头，以及将套管放入钻孔中。另外，通常来说，当钻孔的一部分利用套管(其通常利用水泥固定在适当的位置上)加衬后，人们希望超出套管端部的附加钻探。

令人遗憾的是，连续的钻探和加套是耗费时间的，这是因为如人们所认识到的，在油气生产期间达到的相当深的深度处，完成回收钻柱的复杂取回作业所需的时间是相当长的。因此，这种作业也是高成本的，举例来说，这是因为开始赚钱的生产被大大推迟。此外，在取出钻管和将套管放入钻孔期间难以进行钻井控制。

已经研究出了一些方法来解决与常规钻探和加套作业相关的难题。最初关注的是已经在常规钻探作业中使用的称作扩眼钻头靴的装置。扩眼钻头靴在近年来被有效使用，并且该扩眼钻头靴是能够钻通已经预先钻出的钻孔内的适度阻塞的装置。另外，扩眼钻头靴可以包括由可被钻头钻进的材料制成的内部。因此，当用水泥固定到适当位置时，扩眼钻头靴通常不会给随后的钻头造成困难。例如，授权给Strong等的美国专利号6,062,326公开了中心部分构造为被钻通的套管靴或扩眼钻头靴。另外，授权给Strong等的美国专利号6,062,326公开了一种套管靴，如果不希望钻通的话，所述套管靴可以包括布置在其整个表面上的金刚石切削件。

作为对扩眼钻头靴构思的进一步扩展，为了解决与顺序钻探和加套相关的难题，套管钻进是广受欢迎的方法，其用于首先钻探钻孔，其中，套管用作钻探导管，在钻探之后，套管保持在井下作为钻孔套管。套管钻进使用附接到套管柱上的传统钻头，使得钻头不仅起到钻进地层的作用，还起到引导套管进入井孔的作用。这在当钻孔由钻头形成时，套管放入钻孔的情况下是有利的，因此，取消了在到达希望加注水泥的目标深度之后取回钻柱和钻头的必要性。

尽管这种方法大大提高了钻进过程的效率，但是当套管在到达预定深度时加注水泥的情况下遇到了其它问题。而套管钻进的一个优点是钻头无需从井孔中取回，需要进一步的钻进。例如，进行水泥加注是为了沿着井孔的特定宽度，而不是在预定深度处使某些地层彼此隔离。因此，必须通过或围绕附接到套管端部上的钻头进行进一步的钻进。

在可钻孔的套管靴的情况下，可以利用穿过第一套管内部的较小直径的钻头和附接于其上的套管段完成进一步的钻进，从而钻进超过预定到达深度的另一孔段。当然，可以利用相应的越来越小的部件根据需要重复进行加注水泥和进一步钻进，直到到达井孔的预定深度。

然而，由于需要钻头从地层中移除岩石，因此通过上述钻头进行钻进是困难的，钻头通常包括典型地由例如碳化钨、多晶金刚石或钢制成的极耐钻进的刚性结构。尝试通过附接到套管端部上的钻头进行钻进可能引起对随后使用的钻头和底部钻具组件或者套管本身的损坏。有可能通过钻头或具有称作铣刀的专用工具的套管进行钻进，但是这些工具不能有效穿透岩层，并且铣刀必须从井孔中取回或“脱扣”并替换为钻头。在这种情况下，由套管钻进节省的时间和费用消失殆尽。上文引用的被要求优先权的美国专利申请序列号10/916,342中公开了一种避免套管开窗铣刀脱扣的装置，所述套管开窗铣刀用于钻穿设置于套管中的造斜器。然而，人们已经研发出了在其它情况下使用的其它方法以允许连同进一步钻进一起间歇性的注入水泥。