[发明专利]带有可加强流体返回区域的凿岩钻头

说明书

发明领域

本发明总的涉及一种用于在地下钻井的转动式钻头，具体地说是涉及一种具有一单件式钻头本体的钻头，所述钻头本体能在钻井作业的过程中加强流体的流动并且能大大减少流体从钻孔的底部返回到井表面所受的限制。

发明背景

有多种类型的转动钻头或凿岩钻头可被用来在地下钻孔。这种凿岩钻头的例子包括用于钻油井和天然气井的滚动式锥形钻头或转动式锥形钻头。一种典型的滚动式锥形钻头包括一钻头本体，它具有一用来连接一钻井套管的上端。有多个支撑臂(一般为三个)从钻头本体的下端延伸，每一支撑臂都具有一相对钻头本体的设定的转动轴线沿径向向内和向下凸伸的轴。

传统的滚动式锥形钻头一般由三个部分构成。各个部分之间可以靠一焊接槽沿纵向定位在一起。然后，可以采用传统技术将这三个部分焊接在一起，以形成钻头本体。每一部分上还包括一从钻头本体上伸出的相关支撑臂。在钻头本体内通常形成有一个加大的腔室或通道以容纳来自钻井套管的钻孔流体。美国专利第4,054,772号、名为“用于凿岩钻头焊接的定位系统”中揭示了一种用三个单独的部分构成一三件式锥形转动凿岩钻头的方法和装置。本申请中援引美国专利第4054,772号以作参考。

一切削刀锥体组件通常安装在各个轴上，并且可转动地支承在处于轴和切削刀锥体中的轴容纳腔室的内部之间的轴承上。在邻近支撑臂的钻头本体上可以形成一个或多个喷嘴壳体。一喷嘴一般位于各壳体中，以使来自钻井套管的钻孔流体穿过钻头本体，被引向正在形成的钻孔的底部。钻井用流体通常由钻井套管提供，它起到包括下述的几个作用：将在钻孔底部钻出的材料冲走、清洗切削刀锥体组件、以及在钻头本体外部和钻孔内壁之间的环形空间内使切削碎屑先是径向向外然后再向上地带走。美国专利第4,056,153号、名为“带有用于非常硬的地层的多排分布的转动式凿岩钻头”和名为“凿岩钻头”的美国专利第4,280,571号都是传统的滚动式锥形钻头的例子，它们具有安装在一从一支撑臂上凸伸的轴上的切削刀锥体组件。美国专利第4,056,153号和美国专利第4,280,571号都被援引在本申请中以作参考。

当采用这样的转动式钻头或凿岩钻头钻孔时，切屑和其它类型的碎屑由于受到受制约的流体的作用而集中在深孔位置中。这些流体受制约的位置例如包括：邻近于各个支撑臂的钻头本体的下部、钻头本体的外侧和钻孔相邻壁之间的环形区域。其它的流体受约束的区域可包括：各个切削刀锥体组件的背面、支撑臂和钻孔壁的一部分。这些碎屑集中的结果是，使流体流动的区域减少，甚至还导致通过这些区域的流体速度增加，并且使相邻金属构件的腐蚀程度加大。随着腐蚀程度的加深，关键的构件、例如轴承和密封件可能都要暴露于钻井用流体和钻井时产生的碎屑，这可能引起所用的凿岩钻头过早地失效。

发明概要

用本发明可以大大地减少或消除前述凿岩钻头和转动式锥形钻头的种种不利之处和问题。本发明的一个方面中包括一单件式的钻头本体，它能在钻井作业的过程中加强围绕钻头本体和支撑臂外侧的流体流动，因此可以加强用来将切屑和其它碎屑从钻孔的底部携带到钻井表面的流体流动。邻近于相关支撑臂的钻头本体的下部最好是包括一大体凸形的外表面，该表面能消除与每一支撑臂相关的切削刀锥体组件之上方的切屑和/或钻井用流体的滞流现象。钻头本体的凸形表面能促进切屑或其它碎屑从切削刀锥体组件起沿径向朝钻孔内壁移动，并且向上穿过钻孔壁和相关钻井套管之间形成的环形空间。

本发明的另一个方面在于，它把钻头本体的外径保持成尽可能的小，并且能同时提供符合美国石油协会(API)标准的螺旋式钻头连接件，以便把相关的钻头连接到钻井套管上。通过使钻头本体的外径尽可能变小，可以使相关的转动式锥形钻头的外侧和钻孔之间的流体流动区域大大地增加。与很多具有同一直径规格的传统的转动式锥形钻头相比，在某些情况下，本发明可使钻头本体的外侧和钻孔内壁之间的流体流动区域增加百分之二十(20％)或更多。

本发明的另一个方面在于，它能使每一支撑臂和与其相关的切削刀锥体组件的位置最优化，从而增加了钻头本体的外侧和相关切削刀锥体组件的相关部分之间的流体流动。使切削刀锥体组件相对于相关钻头本体之外侧的位置最优化可以导致从钻头本体的下部和切削刀锥体组件之间的空间到相关转动钻头外部，以及向上经过钻井套管和钻孔内壁之间的环形空间的流体流动及切屑的运动得到加强。