[发明专利]用于控制钻头扭矩的钻头装置

说明书

外国优先权

本申请要求2012年10月11日提交的英国申请号1218304.2的外国优先权，所述申请的内容以引用方式整体并入本文。

发明领域

本发明涉及一种用于在地下地层中钻探井眼的钻头，涉及一种用于设计这种钻头的方法，并且涉及一种在地下地层中钻探井眼的相关联方法。

背景技术

众所周知的是，通过定向钻探来提供非线性地下井眼。在进行定向钻探时，钻压(WOB)波动和随之产生的钻头扭矩(TOB)波动可能引起钻头和/或相关联的转向组件的取向发生改变，从而使井眼脱离其预期路径。因此，必须进行纠正性转向以使井眼返回到预期路径。这种偏离和纠正性转向发生得越频繁，井眼变得越不笔直且越曲折。越曲折的井眼使得越难以有效地将施加在地表处的明显WOB沿钻柱传递到钻头(由于钻柱与井眼的侧壁之间的接合或相互作用)，并且使得随后越难以进行进一步钻探或沿井眼延伸工具、套管等。

用于定向钻探的可转向井底钻具组件(BHA)通常与转向组件结合地采用固定切刀式钻头(也被称为切削型钻头)。BHA或转向组件还可以包括用于检测和测量工具位置和取向的设备，诸如随钻测量(MWD)工具。还常常在转向组件与钻头之间采用井下马达，诸如所谓的Moineau马达，所述马达是由在钻探操作中使用的钻探泥浆的流动驱动的。

固定切刀式钻头通常包括：钻头体，由围绕钻头体的纵向轴线布置的若干刀片形成；以及多个超研磨切刀，诸如多晶金刚石压块(PDC)或热稳定的PCD(TSP)切刀，所述切刀安装在刀片上以便在钻头体旋转时与正被钻探的岩石地层接合并且切入其中。PDC切刀最通常形成为圆盘形金刚石台面以充当切削面，并且被支撑在圆柱形碳化钨(WC)基底上。切刀最常见地通过将切刀钎焊到形成于刀片中的凹窝中来安装在钻头体的刀片上。

在刀片之间形成排屑槽，并且在每个排屑槽的顶端附近形成喷嘴，以使得钻探泥浆可以从地表、沿钻柱中的通道离开喷嘴，并且沿钻柱与井眼的侧壁之间的环空向上循环回到地表。这种循环流使钻头和切刀冷却，并且将由旋转的切刀切削的岩屑向上运送到地表，在地表处钻探泥浆被过滤以去除切屑并且进行再循环。

在钻探井眼时，通常合乎期望的是实现高钻速(ROP)，即，每单位时间钻入岩石中的距离。为了获得高钻速，合乎期望的是增加钻头的旋转速度以及随着钻头的每次旋转所切削和去除的岩石的体积。因此，固定切刀式钻头设计寻求增加切刀的切削面与岩石地层之间的接合部的总面积，以便增加随着钻头的每次旋转所去除的岩石的体积，并且采用喷嘴、刀片和排屑槽的先进液压设计以确保所循环的流体足以冷却切刀并将切屑运送走。

切刀通常是沿刀片的前缘和外缘分布，以使得切刀在若干刀片上的径向位置在每个刀片之间变化，从而使得由多个切刀限定的回转体积在刀片旋转时重叠。以这种方式，每个切刀与每个其它切刀偏离，以使得其在旋转时将切削原生岩石而不仅仅是在相同的径向位置追踪另一个切刀，并且在若干刀片上的多个切刀在它们之间获得大致对正被钻探的井眼底部处的岩石面的完整覆盖。

此类设计的一个特征是每个切刀预期切入岩石面中且与岩石面接合的深度。通过增加钻压(WOB)，将切刀更深地推入岩石面中，从而增加切削深度(DOC)；然而，在切刀进入岩石面中的接合增加的情况下，存在TOB的伴随性增加，所述TOB必须施加以使钻头旋转，从而克服在切削齿与岩石面接合时岩石面施加于钻头的反扭矩。类似地，增加DOC使每个切刀必须要做的功的增加，使切刀生成的热的量增加，并且使必须运送走的切削的体积增加。

以这种方式，可以理解，切刀进入岩石地层中的接合深度的增加将导致反扭矩的相应增加。切刀进入岩石地层中的接合深度的增加可以发生，例如由于WOB的增加或由于钻土在岩石面处遭遇的地层的岩石抗压强度减小，诸如当移动到不同岩石类型区中时。(除非由上下文另外说明或规定，否则本文对岩石抗压强度的参考是指岩石侧限抗压强度。)

如上文指出的，随之产生的TOB波动容易引起钻头的接触面(工具面)跳跃或扭转偏离正确的取向和与岩石面的接合，并且因此使钻头和/或相关联的可转向BHA相对于井眼的预期路径不对准。同样，如果切刀与正被钻探的岩石地层过度接合，那么被去除的切屑的体积可能超过用于从切刀和排屑槽清除切屑的循环钻探泥浆的容量，从而导致所谓的钻头球化。或者，钻头反扭矩可简单地变得对相关联的井下马达而言太大而不能继续使钻头转动，从而引起钻头停转，或甚至大的以致于损坏切刀、钻头或BHA的其它部件。