[发明专利]具有防钻头循旧槽结构的钻头

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年6月29日提交的序列号为No.61/359,606的美国临时专利申请的优先权，该专利的内容在此引入作为参考。

有关联邦资助研究或开发的声明

不适用。

附录参考

不适用。

技术领域

在此披露和教导的发明总体上涉及用于钻井的钻地（earth-boring）钻头，更具体地说，涉及改进的钻地钻头，例如那些具有两个或更多个牙轮（roller cones）和带有相联的切削元件的可任意选择的至少一个固定刀具的组合的钻头，其中钻头在钻井作业期间呈现减少的钻头循旧槽（reduced tracking）现象，以及涉及这种钻头在井下环境中的操作。

背景技术

牙轮钻头是公知的，其为具有固定刮刀和牙轮两者的“混合”型钻头。牙轮钻头通常在油气工业中用于钻井。牙轮钻头通常包括在一端带有用于连接至钻柱的螺纹连接部分的钻头本体以及附接在所述钻头本体的相对端并且能够相对于钻头本体旋转的多个牙轮，所述牙轮典型地为3个。在每个牙轮上配置有若干切削元件，所述切削元件通常绕各个牙轮的表面成排布置。切削元件通常可以包括碳化钨硬合金齿、聚晶金刚石复合片、铣制钢齿或它们的组合。

为制作出钻井效率高并且寿命长的钻头，在钻头设计和制造上的花费是巨大的。牙轮钻头可以被认为是在设计上比固定刀具钻头更复杂，因为牙轮钻头的切削表面设置在牙轮上。牙轮钻头上的每个牙轮相对于钻头本体的旋转而绕相对于钻头本体轴线倾斜的轴线独立地旋转。因为牙轮旋转彼此独立，所以各牙轮的转速通常是各不相同的。对于任何给定的牙轮，牙轮转速通常可以由钻头的转速和牙轮的“驱动排（drive row）”的有效半径确定。牙轮的有效半径通常与牙轮上相对于钻头轴线朝着井底轴向延伸最远的切削元件的径向范围有关。这些切削元件通常承载高负荷，可以被认为是通常位于所谓的“驱动排’上。位于牙轮上以钻取钻头的全直径的切削元件被称为“保径排（gage row）”。

位于牙轮钻头的牙轮上的切削元件增加了牙轮钻头设计的复杂性，在钻井期间，切削元件通过压裂作用力和剪切作用力的组合使地层变形。另外，最新的牙轮钻头设计具有布置在每个牙轮上的切削元件，使得相邻牙轮上的切削元件在相邻牙轮之间相互啮合。在整个钻头设计中通常需要牙轮钻头上的相互啮合的切削元件，从而使得牙轮上的相邻同心排的切削元件之间的钻头泥包最小化和/或允许硬合金齿较高地突出以实现有竞争力的钻进速度（“ROP”），同时保持钻头的使用寿命。然而，牙轮钻头上的相互啮合的切削元件显著地制约了切削元件在钻头上的布置，从而使牙轮钻头的设计更加复杂。

对于当前许多的牙轮钻头设计，一个突出且总是出现的问题是，由此形成的牙轮配置，无论是任意地作出还是使用模拟设计参数，由于问题（例如“钻头循旧槽”和“打滑”）不容易被检测，因此都很少能够提供理想的钻井性能。在钻头旋转期间，当钻头上的切削元件落入由其它切削元件在之前的时刻形成的先前凹槽（impressions）之内时，就会产生钻头循旧槽现象。这种重叠对齿产生侧压力，往往引起牙轮与先前凹槽对齐。当一个牙轮的根部排的齿落入由另一个牙轮的根部排的齿形成的凹槽之内时，也可能产生钻头循旧槽现象。打滑与钻头循旧槽有关，当切削元件碰到先前形成的凹槽的一部分，然后滑入这些先前凹槽，而不是切入还未切削的地层时，会发生打滑，从而降低了钻头的切削效率。

就牙轮钻头来说，在钻井过程中，由于在井眼底部（下文称为井底）上的动作（例如滑动），钻头的牙轮通常不呈现纯滚动。因为切削元件在落入或滑入由其它切削元件形成的先前凹槽时不能有效切削，因此应当优选避免发生钻头循旧槽和打滑。尤其是，由于没有任何新岩石被切削，因此钻头循旧槽造成效率低下，并因而浪费能量。理想的情况是，在井底上的每一次冲击都应切削新岩石。另外，打滑也是不希望有的，因为打滑可导致切削元件上发生不均匀磨损，这反过来又可导致钻头或刀具过早失效。已经发现，由于切削元件在钻头上的间隔不是最优的原因，因此经常发生钻头循旧槽和打滑。在许多情况下，通过适当调节切削元件在钻头上的布置，可以显著减少诸如钻头循旧槽和打滑的问题。对牙轮钻头上的牙轮的驱动排上的切削元件来说尤其是这样的，因为通常驱动排是控制牙轮的转速的排。