[发明专利]具有减少泥包特征的井下工具及其形成和修复方法

说明书

优先权声明

本申请要求申请日为2010年1月18日、专利名称为“钻头和具有减少泥包特征的其他井下工具及其相关方法(Drill Bits and Other Downhole Tolls having Features for Reducing Balling，and Related Methods)”的美国临时专利申请案序列号为61/295,989的优先权。

技术领域

本发明的实施方式涉及井下工具，如钻地旋转钻头，并且更特别地涉及具有在井筒形成过程中减少岩层切屑在其上粘连的特征的井下工具，以及形成该井下工具的方法。

背景技术

各种用途的井筒形成在地层中，这些用途包括，比如从地层开采石油和天然气及从地层中开采地热。可利用钻头，比如，钻地旋转钻头在地层中形成井筒。本领域公知的不同类型的钻地旋转头包括，比如固定切削件钻头(在现有技术中常指“刮刀”钻头)，旋转切削件钻头(在现有技术中常指“牙轮”钻头)，孕镶金刚石钻头和混合式钻头(其包括，例如固定切削件和旋转切削件)。钻头旋转并伸入地层。随着钻头旋转，其切削件或研磨结构切削、破碎、剪切、和/或研磨地层形成井筒。钻头钻出的井筒直径可由设置在钻头最大外直径上的切削结构限定。

钻头直接或间接地与在现有技术中被称为“钻柱”的部件的端部连接，该钻柱包括一系列细长的端对端连接的管状段，其从地面延伸进入井筒。通常，包括钻头的不同工具和组件可与位于所钻井筒的底部的钻柱的远端处连接在一起。这种工具和组件的组合在现有技术中被称作“底部钻具组合”(简称BHA)。

通过从地面旋转钻柱来使钻头在井筒中旋转，或者通过将钻头连接到井下发动机上来使钻头旋转，该发动机也与钻柱连接并设置在接近井筒底部的地方。井下发动机可包括，比如，具有主轴的液压穆瓦诺型发动机，钻头安装在主轴上，可通过泵送流体(例如，钻井泥浆或钻井液)旋转钻头，泵送的流体从地面下到钻柱中心，穿过液压发动机，穿出钻头中的喷嘴，然后通过位于钻柱外表面和地层暴露于井筒内的表面之间的环状空间，回到地面。

在地层中钻井筒时，使用在本领域中被称为“扩孔器”的设备(在本领域中还被称为“扩眼设备”或者“扩孔器”)连同钻头作为底部钻具组合的一部分是本领域公知的。在这样的布局中，钻头作为“导向”钻头在地层中形成导向孔。随着钻头和底部工具组合在岩层中行进，钻孔器设备跟随着钻头穿过导向孔并扩大或“扩展”导向孔的直径。

井底工具的主体部分，比如钻头和钻孔器，常提供有流体通道，如“排屑槽”，使得钻井泥浆(其可包括钻井液及由被带入钻井液中的工具产生的岩层切屑)向上绕着工具的主体部分穿过，进入到钻柱外工具之上的井筒内的环形空间中。用于套管钻井和尾管钻井的钻井工具通常具有较小的流体通道，且特别地易于形成泥包，导致较低的钻进速度。

在钻井筒时，岩层切屑可粘到或“泥包”到钻头表面上。切屑可积聚于切削元件和钻头或其他工具的表面上，并可汇集于钻头的各种结构构件之间产生的空隙，间隙或凹部中。特别地，这种现象在失去塑性的岩层，比如一些页岩、泥岩、粉砂岩、石灰岩及其他相对易于延展的岩层中更加明显。从这样的岩层切下的切屑可机械地堆积在钻头上的前述的空隙、间隙或凹部中。在其它的情况下，就像对一些泥页岩地层进行钻井时，岩层切屑和钻头或其他工具的表面之间的附着力可至少部分地取决于两者之间的化学结合。当钻头表面因岩层中的水而变湿时，钻头表面和页岩的粘土层可能共享相同的电子。同样的电子分享发生在页岩自身单片之间。这种电子分享导致页岩和钻头表面之间发生粘附特性结合。岩层切屑和钻头表面之间的粘附特性还可能发生在当钻头表面的电荷与岩层的电荷相反的时。相反电荷的岩层粒子可粘到钻头表面上。此外，岩层粒子可被压到钻头表面上或者机械地结合到在钻井过程中由于侵蚀和磨蚀蚀刻到钻头上的凹陷或槽中。

在一些情况下，钻井操作常采用简化的或缓和的液压的系统。比如，一些钻探设备不具有用于钻所需深度的大型泵。此外，操作者时常发现运行更高泥浆流速成本太高或者搞流速导致BHA更易于磨损和开裂。采用简化的或缓和的液压系统来钻井具有导致泥包的趋势。

已经进行了减少井下工具的泥包的可能性的尝试，如所公开的，比如，美国专利号No.5651420(于1997年7月29日授权给Tibbittes等人)；及美国专利号No.6260636(于2001年7月17日授权给Cooley等人)；和美国专利号No.6450271(于2002年9月17日授权给Tibbitts等人)。

发明内容