[发明专利]具有防钻头循旧槽结构的混合式钻头

说明书

本发明披露了带有具有不同直径的至少两个牙轮(21)和/或利用不同刀具齿距以便在钻井作业期间减少钻头循旧槽问题的钻头(11)。尤其是，提供钻地钻头，所述钻头具有两个或更多个牙轮以及可任选的一个或更多个刀具刮刀(19)，所述钻头被布置成，通过调节其中一个或更多个牙轮的齿间距、牙轮齿距角和/或直径，减少牙轮齿在作业期间的钻头循旧槽现象。这些配置在钻头作业期间实现了防钻头循旧槽行为，提高了钻井效率。

本申请是国际申请日为2011年6月29日、国际申请号为PCT/US2011/042437、中国国家申请号为201180032259.9的发明专利申请的分案申请。

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。