[发明专利]具有在第一径向位置的用于切割出岩芯的多个切割元件的固定切割器钻头

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年9月11日提交的美国专利申请号61/876630的优 先权，在此通过参引方式将其整体纳入本文。

背景技术

在地球中钻孔时，例如用于油气开采或者其他用途时，通常做法是将 钻头连接在首尾相接的钻杆段组件的下端以形成“钻柱”。钻头通过在地面 上旋转钻柱或通过致动井下马达或涡轮或通过所述两种方法而旋转。通过 将压力施加到钻柱，旋转的钻头接合地层，从而使钻头通过磨蚀、破碎或 剪切作用或通过各切割方法的组合切割通过地层材料，从而沿着预定路径 朝向目标区形成钻孔。

已经研发并获得用于钻这种钻孔的多种不同类型的钻头。两种主要类 型的钻头是牙轮钻头和固定切割器(或旋转刮刀)钻头。大多数固定切割 器钻头设计包括绕钻头面以一定角度间隔开的多个刀片。刀片从钻头本体 径向向外突出并在刀片之间形成流动通道。另外，切割元件典型地被分组 并成径向延伸的列安装在多个刀片上。切割元件在刀片上的结构或布局基 于诸如要被钻进的地层的许多因素而显著变化。

设置在固定切割器钻头的刀片上的切割元件通常由极硬材料形成。在 典型的固定切割器钻头中，每一个切割元件都包括容纳并固定在形成于刀 片中的一个的表面中的槽中的细长大致圆柱形碳化物基体。切割元件典型 地包括由多晶金刚石(PCD)或其他超级研磨材料(例如，热稳定金刚石 或多晶立方氮化硼)形成的硬切割层。这些切割元件被设计为剪切从软到 中硬度范围的地层。为了方便起见，如本文所使用的，对“PDC钻头”、“PDC 切割器”的引述是指采用多晶金刚石或其他超级研磨材料形成的硬切割层 的固定切割器钻头或切割元件。

参照图1和图2，显示了适用于钻通岩石地层以形成钻孔的常规PDC 钻头10。PDC钻头10通常包括钻头本体12、柄部13、和用于将PDC钻 头10连接到钻柱(未示出)的螺纹连接装置或销14，其中，所述钻柱被 用于使钻头旋转以对钻孔进行钻进。钻头面20支撑着切割结构15并形成 在PDC钻头10的与销端16相反的端部上。PDC钻头10还包括中心轴线 11，PDC钻头10绕中心轴线11沿由箭头18表示的切割方向旋转。

切割结构15设置在PDC钻头10的面20上。切割结构15包括角度上 间隔开的多个主刀片31、32、33和副刀片34、35、36，所述刀片中的每一 个都从钻头面20延伸。主刀片31、32、33和副刀片34、35、36沿钻头面 20大致径向延伸并然后沿着钻头10的周边的一部分轴向延伸。然而，副刀 片34、35、36沿着钻头面20从远离钻头轴线11的位置朝向钻头10的周 边径向延伸。因此，如本文所使用的，“副刀片”可用于表示从距离钻头轴 线一定距离处开始并沿着钻头面朝向钻头的周边大致径向延伸的刀片。主 刀片31、32、33和副刀片34、35、36被钻井流体流道19分隔开。

仍然参照图1和图2，每一个主刀片31、32、33包括用于安装多个切 割元件的刀片顶部42，并且每一个副刀片34、35、36包括用于安装多个切 割元件的刀片顶部52。特别地，每一个都具有切割面44的切割元件40安 装在形成于每一个主刀片31、32、33和每一个副刀片34、35、36的刀片 顶部42、52中的槽中。切割元件40在靠近每一个主刀片31、32、33和每 一个副刀片34、35、36的前缘处成径向延伸的行彼此相邻地设置。每一个 切割面44具有最远离安装有切割元件40的刀片顶部42、52的最外切割末 端44a。

现在参照图3，显示了钻头10的轮廓图，其以每个刀片(例如，主刀 片31、32、33和副刀片34、35、36)和每个所述切割元件40的切割面44 被旋转成单个旋转轮廓图的方式显示。在旋转轮廓图中，PDC钻头10的每 个刀片31-36的刀片顶部42、52形成并限定从钻头轴线11径向延伸到PDC 钻头10的外半径23的组合或复合刀片轮廓39。因此，如此所使用的，措 词“复合刀片轮廓”表示从钻头轴线延伸到钻头的外半径并由钻头的旋转 成单个旋转轮廓(即，在旋转轮廓图中)的每个刀片的刀片顶部形成的轮 廓。