[发明专利]用于移除岩石的具有固定切割器的井下工具

说明书

刮刀钻头包括刀片，刀片从钻头主体延伸并支撑邻近纵向轴线附近的内切割器和与纵向轴线间隔开的外切割器。内切割器从内切割器旋转偏移。在操作期间，内切割器将切割的材料沉积在与接收外切割器切割的材料的通道相邻的通道中。切割器和相邻的通道从槽中冲洗附聚的材料。

优先权要求

本申请要求2018年8月7日提交的美国临时专利申请第62/715，771号，2018年8月16日提交的美国临时专利申请第62/719，097号和2018年8月17日提交的美国专利申请第15/999，039号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明大体上涉及具有用于移除岩石的具有固定切割器的井下工具领域。更具体地，本发明涉及具有刀片的支撑切割器的旋转刮刀钻头。

背景技术

在典型的钻井操作中，钻头在被推进到岩层中的同时是旋转的。存在几种类型的钻头，包括牙轮钻头、锤钻头和刮刀钻头。具有许多钻头主体、刀片和切割器的刮刀钻头配置。

刮刀钻头典型地包括具有从主体延伸的多个刀片的主体。钻头可由钢合金、钨基质或其他材料制成。刮刀钻头通常不具有移动部件，并且被铸造或铣削成具有钎焊到主体的刀片中的切割元件的单件主体。每个刀片支撑多个分立的切割器，当钻头旋转以推进钻孔时，该多个分立的切割器接触、剪切和/或压碎钻孔中的岩层。在刮刀钻头的肩部上的切割器有效地扩大了由位于钻头的鼻部上和圆锥体或中心中的切割器启动的钻孔。

图1是钻井操作2的示意图。在常规钻井操作中，钻头10安装在包括钻杆和钻铤的钻柱6的端部上。钻柱可为几英里长，钻头通过靠近钻头的马达或通过旋转钻柱或同时两者而在钻孔4中旋转。泵8使钻井液循环通过钻杆，并从钻头冲出钻头冲洗岩屑并将它们输送回到钻孔中。钻柱包括在其端部处螺纹连接在一起的管段以形成足够长度的管以到达钻孔的底部。

安装在刮刀钻头的刀片上的刀具可由任何耐用材料制成，但通常由碳化钨背衬件或基底形成，其中前置台由金刚石材料构成。所述碳化钨基底由烧结碳化钨形成，所述烧结碳化钨包括分散在钴粘结剂基质中的碳化钨颗粒。接合岩层的金刚石台典型地包括直接粘结到碳化钨基底上的多晶金刚石(PCD)，但也可以是任何硬质材料。与在钻井期间支撑金刚石的较软，坚韧的碳化钨基底相比，PCD台提供了改进的耐磨性。

在钻孔中剪切岩石的切割器通常沿着刀片的前边缘被接收在凹部中。钻柱和钻头绕纵向轴线旋转，并且安装在刀片上的切割器在钻孔中清扫径向路径，使岩石破裂。破裂材料进入钻头刀片之间的通道中，并且通过沿钻柱向下泵送的钻井流冲洗到表面。

钻头穿过的一些材料倾向于阻塞通道并降低钻头在钻孔中推进的效率。当钻头使材料如钻孔处的页岩破裂时，材料迅速吸收流体，并可形成粘性的粘土。当从孔中切下时，粘土可形成带，带附聚并可紧贴通道中的钻头的表面。这使通道变窄，并且可以抑制新材料对表面的冲洗。当材料吸收水时会膨胀并且钻头的通道中压力增加。虽然通道中的压力可以帮助从通道中冲洗较少的粘性材料，但是压力可以使粘土粘附到通道壁上。这导致钻头向下弯曲并限制可通过通道处理的新材料的体积。

配置为穿过形成粘土的更精细的稠度的材料来推进钻孔以及更有效地将破裂的材料冲洗出通道而不会堵塞的钻头可能是有利的。

发明内容

本发明涉及一种钻井操作，其中具有切割器的旋转钻头在地下推进钻孔。钻头附接至钻柱的端部并且被旋转以使钻孔中的岩石破裂。钻头的刀片上的切割器接触地层并通过剪切或压碎来使钻孔中的岩石破裂。以下描述了若干实施例的代表性实例，这些实施例实现对刀片和通道几何形状和特征的改进以能够提高旋转钻头的钻进速度。一些改进涉及通过切割器更好地处理或从钻孔排出切割的材料的通道。通道用于移除和冲洗诸如粘土材料的带的材料，材料可附聚并粘附到通道的表面。当材料粘附在通道中时，通道明显变窄并且变得堵塞。这些粘土类材料的低效移除可限制钻进速度，因为新材料不能容易地穿过由较早材料堵塞的通道。