專(zhuān)利名稱(chēng)：具有減少泥包特征的井下工具及其形成和修復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方式涉及井下工具，如鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭，并且更特別地涉及具有在井筒形成過(guò)程中減少巖層切屑在其上粘連的特征的井下工具，以及形成該井下工具的方法。
背景技術(shù)：
各種用途的井筒形成在地層中，這些用途包括，比如從地層開(kāi)采石油和天然氣及從地層中開(kāi)采地?zé)帷？衫勉@頭，比如，鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭在地層中形成井筒。本領(lǐng)域公知的不同類(lèi)型的鉆地旋轉(zhuǎn)頭包括，比如固定切削件鉆頭(在現(xiàn)有技術(shù)中常指“刮刀”鉆頭)，旋轉(zhuǎn)切削件鉆頭(在現(xiàn)有技術(shù)中常指“牙輪”鉆頭)，孕鑲金剛石鉆頭和混合式鉆頭(其包括，例如固定切削件和旋轉(zhuǎn)切削件)。鉆頭旋轉(zhuǎn)并伸入地層。隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)，其切削件或研磨結(jié)構(gòu)切削、破碎、剪切、和/或研磨地層形成井筒。鉆頭鉆出的井筒直徑可由設(shè)置在鉆頭最大外直徑上的切削結(jié)構(gòu)限定。鉆頭直接或間接地與在現(xiàn)有技術(shù)中被稱(chēng)為“鉆柱”的部件的端部連接，該鉆柱包括一系列細(xì)長(zhǎng)的端對(duì)端連接的管狀段，其從地面延伸進(jìn)入井筒。通常，包括鉆頭的不同工具和組件可與位于所鉆井筒的底部的鉆柱的遠(yuǎn)端處連接在一起。這種工具和組件的組合在現(xiàn)有技術(shù)中被稱(chēng)作“底部鉆具組合”(簡(jiǎn)稱(chēng)BHA)。通過(guò)從地面旋轉(zhuǎn)鉆柱來(lái)使鉆頭在井筒中旋轉(zhuǎn)，或者通過(guò)將鉆頭連接到井下發(fā)動(dòng)機(jī)上來(lái)使鉆頭旋轉(zhuǎn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)也與鉆柱連接并設(shè)置在接近井筒底部的地方。井下發(fā)動(dòng)機(jī)可包括，比如，具有主軸的液壓穆瓦諾型發(fā)動(dòng)機(jī)，鉆頭安裝在主軸上，可通過(guò)泵送流體(例如，鉆井泥漿或鉆井液)旋轉(zhuǎn)鉆頭，泵送的流體從地面下到鉆柱中心，穿過(guò)液壓發(fā)動(dòng)機(jī)，穿出鉆頭中的噴嘴，然后通過(guò)位于鉆柱外表面和地層暴露于井筒內(nèi)的表面之間的環(huán)狀空間，回到地面。在地層中鉆井筒時(shí)，使用在本領(lǐng)域中被稱(chēng)為“擴(kuò)孔器”的設(shè)備(在本領(lǐng)域中還被稱(chēng)為“擴(kuò)眼設(shè)備”或者“擴(kuò)孔器”)連同鉆頭作為底部鉆具組合的一部分是本領(lǐng)域公知的。在這樣的布局中，鉆頭作為“導(dǎo)向”鉆頭在地層中形成導(dǎo)向孔。隨著鉆頭和底部工具組合在巖層中行進(jìn)，鉆孔器設(shè)備跟隨著鉆頭穿過(guò)導(dǎo)向孔并擴(kuò)大或“擴(kuò)展”導(dǎo)向孔的直徑。井底工具的主體部分，比如鉆頭和鉆孔器，常提供有流體通道，如“排屑槽”，使得鉆井泥漿(其可包括鉆井液及由被帶入鉆井液中的工具產(chǎn)生的巖層切屑)向上繞著工具的主體部分穿過(guò)，進(jìn)入到鉆柱外工具之上的井筒內(nèi)的環(huán)形空間中。用于套管鉆井和尾管鉆井的鉆井工具通常具有較小的流體通道，且特別地易于形成泥包，導(dǎo)致較低的鉆進(jìn)速度。
在鉆井筒時(shí)，巖層切屑可粘到或“泥包”到鉆頭表面上。切屑可積聚于切削元件和鉆頭或其他工具的表面上，并可匯集于鉆頭的各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間產(chǎn)生的空隙，間隙或凹部中。特別地，這種現(xiàn)象在失去塑性的巖層，比如一些頁(yè)巖、泥巖、粉砂巖、石灰?guī)r及其他相對(duì)易于延展的巖層中更加明顯。從這樣的巖層切下的切屑可機(jī)械地堆積在鉆頭上的前述的空隙、間隙或凹部中。在其它的情況下，就像對(duì)一些泥頁(yè)巖地層進(jìn)行鉆井時(shí)，巖層切屑和鉆頭或其他工具的表面之間的附著力可至少部分地取決于兩者之間的化學(xué)結(jié)合。當(dāng)鉆頭表面因巖層中的水而變濕時(shí)，鉆頭表面和頁(yè)巖的粘土層可能共享相同的電子。同樣的電子分享發(fā)生在頁(yè)巖自身單片之間。這種電子分享導(dǎo)致頁(yè)巖和鉆頭表面之間發(fā)生粘附特性結(jié)合。巖層切屑和鉆頭表面之間的粘附特性還可能發(fā)生在當(dāng)鉆頭表面的電荷與巖層的電荷相反的時(shí)。 相反電荷的巖層粒子可粘到鉆頭表面上。此外，巖層粒子可被壓到鉆頭表面上或者機(jī)械地結(jié)合到在鉆井過(guò)程中由于侵蝕和磨蝕蝕刻到鉆頭上的凹陷或槽中。在一些情況下，鉆井操作常采用簡(jiǎn)化的或緩和的液壓的系統(tǒng)。比如，一些鉆探設(shè)備不具有用于鉆所需深度的大型泵。此外，操作者時(shí)常發(fā)現(xiàn)運(yùn)行更高泥漿流速成本太高或者搞流速導(dǎo)致BHA更易于磨損和開(kāi)裂。采用簡(jiǎn)化的或緩和的液壓系統(tǒng)來(lái)鉆井具有導(dǎo)致泥包的趨勢(shì)。已經(jīng)進(jìn)行了減少井下工具的泥包的可能性的嘗試，如所公開(kāi)的，比如，美國(guó)專(zhuān)利號(hào) No. 5651420(于1997年7月29日授權(quán)給Tibbittes等人)；及美國(guó)專(zhuān)利號(hào)No. 6260636 (于 2001年7月17日授權(quán)給Cooley等人);和美國(guó)專(zhuān)利號(hào)No. 6450271 (于2002年9月17日授權(quán)給Tibbitts等人)。

發(fā)明內(nèi)容
在一些實(shí)施例中，本發(fā)明包括一種井下工具，其具有主體，主體具有表面，所述表面具有由延伸入所述表面中的凹部和從所述表面突出的凸起中的至少一個(gè)而限定出的地形狀圖案。所述井下工具還包括設(shè)置在所述表面的包括所述地形狀圖案的至少一部分上的防泥包材料。所述防泥包材料可以具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。在一些實(shí)施例中，井下工具可包括具有表面的主體，該主體的表面具有至少一個(gè)延伸入所述主體的所述表面內(nèi)的凹部，以及布置在至少一個(gè)凹部?jī)?nèi)的嵌入件。該嵌入件可包括防泥包材料，防泥包材料具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。在一些實(shí)施例中，一種井下工具可以包括具有表面的主體；位于所述主體的所述表面上的至少一塊多孔物質(zhì)；及設(shè)置在所述至少一塊多孔物質(zhì)上的防泥包材料。所述防泥包材料具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。一種形成井下工具的方法可以包括形成延伸入井下工具的主體中的凹部和從井下工具的主體上突出的凸起中的至少一個(gè)。所述方法還可以包括在所述表面的至少一部分上設(shè)置防泥包材料以及選擇防泥包材料，使其具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)用于減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。所述井下工具可以包括延伸入所述凹部或所述凸起，或者在其上延伸的表面。
一種形成井下工具的方法可以包括在井下工具的主體的表面上設(shè)置多孔物質(zhì)； 在多孔物質(zhì)的至少一部分上設(shè)置防泥包材料；以及選擇防泥包材料，使其具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)用于減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。一種形成井下工具的方法還可以包括在井下工具的主體上形成凹部；形成包括防泥包材料的嵌入件；選擇防泥包材料，使其具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)用于減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分；將嵌入件設(shè)置到凹部?jī)?nèi)；并將嵌入件連接到井下工具的主體。一種修復(fù)井下工具的方法可包括將井下工具的凹部?jī)?nèi)的嵌入件移除；將替換用嵌入件布置到凹部?jī)?nèi)；以及將替換用嵌入件連接到井下工具的主體。該替換用嵌入件可具有防泥包材料，防泥包材料具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)用于減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。


盡管本說(shuō)明書(shū)以特別指出并清楚聲明了被認(rèn)為是本發(fā)明的實(shí)施例的權(quán)利要求進(jìn)行了總結(jié)，但是該發(fā)明的各種特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)可從參考附圖所給出的本發(fā)明的示例性實(shí)施例的以下描述中更輕易地確定，其中圖I為本發(fā)明井下工具的一個(gè)實(shí)施例的透視圖，其包括連接于其上的、采用了本發(fā)明中描述的特點(diǎn)和方法的防泥包材料；圖2為圖I中一部分的放大視圖，其顯示了其上可布置防泥包材料的圖I中工具的外部表面上的紋理或圖案；圖3為沿著圖2所示的剖開(kāi)線(xiàn)103-103剖開(kāi)的圖I和2中所示的工具的一部分的橫斷面視圖；圖4與圖2相似，其顯示了根據(jù)本發(fā)明用于提高防泥包材料與工具的粘附特性的另一實(shí)施方例的可以形成在工具外部表面上的另一紋理或圖案；圖5與圖3的橫斷面視圖類(lèi)似，其顯示了沿圖4所示的剖開(kāi)線(xiàn)105-105剖開(kāi)的本發(fā)明另一實(shí)施例；圖6與圖2和4相似，其顯示了根據(jù)本發(fā)明用于提高防泥包材料與工具的粘附特性的另一實(shí)施例的可以形成在工具外部表面上的又一紋理或圖案；圖7與圖3和5的橫斷面視圖類(lèi)似，但是其顯示了沿圖6所示的剖開(kāi)線(xiàn)107-107 剖開(kāi)的圖6所示工具的一部分；圖8與圖2，4和6相似，其顯示了根據(jù)本發(fā)明用于提高防泥包材料與工具的粘附特性的再一實(shí)施例的可以形成在工具外部表面上的再一紋理或圖案；圖9與圖3，5和7的橫斷面視圖類(lèi)似，但是其顯示了沿圖8中剖開(kāi)線(xiàn)109-109剖開(kāi)的圖8所示工具的一部分；圖IOA為圖8和9所示的工具一部分的透視圖；圖IOB為圖8到圖IOB所示的在圓形區(qū)域111內(nèi)的部分工具的放大細(xì)節(jié)透視圖；圖11為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的工具的一部分的透視圖；圖12與圖2，4，6和8相似，其顯示了根據(jù)本發(fā)明用于提高防泥包材料與工具的粘附特性的再一實(shí)施方式的可以形成在工具外部表面上的再一紋理或圖案；
圖13與圖3，5，7和9的橫斷面視圖類(lèi)似，但是其顯示了沿圖12中剖開(kāi)線(xiàn)113-113 剖開(kāi)的圖12所示工具的一部分；圖14到17顯示了不同置換部件的透視圖，這些置換部件包括有模板紋理或圖案， 在用來(lái)于模具中形成井下工具的浸滲工藝或鑄造工藝過(guò)程中，所述模板紋理或圖案在井下工具外部表面上和/或內(nèi)形成互補(bǔ)紋理或圖案(如圖I所示的紋理或圖案)。圖18為施加在如圖I的井下工具的外部表面上的防泥包材料的透視圖，所述防泥包材料施加在所述外部表面上的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例設(shè)置的紋理或圖案上；以及圖19顯示了包括防泥包材料的嵌入件，一個(gè)或多個(gè)嵌入件可以被固定到根據(jù)本發(fā)明另外實(shí)施例的井下工具主體上。
具體實(shí)施例本文中給出的圖示并非是任何具體井下工具、鉆頭、或這樣的工具或鉆頭的元件的實(shí)際視圖，僅僅是被用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的所期望的圖示。圖I示出了本發(fā)明的井下工具的一個(gè)實(shí)施例。圖I的該井下工具是鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭 10，其具有包括由流體通道13分隔開(kāi)的多個(gè)刮刀12的鉆頭主體11。流體通道13的沿著徑向側(cè)(鉆頭10的“保徑”區(qū)域)延伸的部分常常在本領(lǐng)域中被稱(chēng)為“排屑槽”。每個(gè)刮刀 12上都安裝有多個(gè)切削元件14。鉆頭主體11進(jìn)一步包括穿過(guò)鉆頭主體11延伸到鉆頭主體11的外部表面16的大體上柱狀的內(nèi)部流體增壓室和流體通道。噴嘴18可接近主體11 的外部表面16固定到流體通道內(nèi)，用以在鉆井過(guò)程中控制鉆頭10的水力學(xué)特性。在鉆井 呆作過(guò)程中，鉆頭10可連接到鉆柱(未不出)上。隨著鉆頭10在井筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)，鉆井液可沿著鉆柱被向下泵送、穿過(guò)鉆頭10的鉆頭主體11內(nèi)的內(nèi)部流體增壓室和流體通道、通過(guò)噴嘴18排到鉆頭10外。由鉆頭10的切削元件14產(chǎn)生的巖層切屑可由鉆井液攜載著穿過(guò)流體通道13、圍繞鉆頭10并穿過(guò)井筒內(nèi)、鉆柱外的環(huán)空而順著井筒向上返回。如圖I所示，在鉆頭主體10的外部表面16的至少一部分上可以設(shè)置防泥包材料 22，為了說(shuō)明的目的，防泥包材料22在圖I中以交叉剖面線(xiàn)的區(qū)域來(lái)表示。防泥包材料22 可具有當(dāng)使用鉆頭10形成井筒時(shí)用來(lái)減少地層切屑在鉆頭上聚積的成分。防泥包材料22 可設(shè)置在比如鉆頭10易于形成泥包的區(qū)域，像窄點(diǎn)(如，刮刀匯集處)，切削軌跡點(diǎn)(如，切屑匯集處)以及鉆頭頂部接頭(即，鉆頭頭部和螺紋銷(xiāo)連接處)。比如，防泥包材料22可在鉆頭10的鉆頭主體11的外部表面16的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域上設(shè)置于流體通道13內(nèi)，如圖 I所示。這樣的區(qū)域可以包括比如，刮刀12的旋轉(zhuǎn)方向上的前表面24Α，刮刀的旋轉(zhuǎn)方向上的后表面24Β，切削元件14下方(在此會(huì)產(chǎn)生切屑流)和切削元件14后方。在另外的實(shí)施例中，防泥包材料22可形成大體上連續(xù)覆蓋于鉆頭10的鉆頭主體11的至少基本上所有外部表面上的覆層。防泥包材料22可包括比如聚合物材料，像比如，含氟聚合物(例如，聚四氟乙烯基材料)、聚氨酯或環(huán)氧樹(shù)脂。在一些實(shí)施例中，防泥包材料22還可以包括金屬、金屬合金、或陶瓷，像硼、鋁和鎂的合金。在其他實(shí)施例中，防泥包材料可包括石墨、二硫化鑰、氮化硼、或硅樹(shù)脂。比如，防泥包材料22可包括含氟聚合物與金屬或比如像鎳基合金的金屬合金的混合物。防泥包材料22可基于各種特性進(jìn)行選擇或配制，所述特性例如為疏水性、 摩擦系數(shù)、與鉆頭主體11結(jié)合的能力等。比如，防泥包材料22可選擇為具有疏水性(即，與水滴的接觸角大于90°，這根據(jù)美國(guó)賓夕法尼亞州西康舍霍肯市的ASTM Inf I的ASTM 標(biāo)準(zhǔn)F21-65，2007、借助噴霧測(cè)試對(duì)疏水性表面膜的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法確定得出)和具有約為 O. 5或更小的摩擦系數(shù)(根據(jù)美國(guó)賓夕法尼亞州西康舍霍肯市的ASTM Infl的ASTM標(biāo)準(zhǔn) G115-10、測(cè)試和報(bào)告摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)手冊(cè)確定得出)。在一些實(shí)施例中，防泥包材料 22可具有約為O. 2或更小的摩擦系數(shù)。作為一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例，如果防泥包材料22為含氟聚合物，該防泥包材料22可具有低于O. 04的摩擦系數(shù)?？捎糜诜滥喟牧?2的商業(yè)上可獲取的材料的實(shí)施例包括比如，美國(guó)德克薩斯州漢布爾市的Southwest Impreglon出售的商品名為FLUPROSHIELD 和FLUOROLON 的材料。在一些實(shí)施例中，防泥包材料22可包括金剛石或類(lèi)金剛石碳(DLC)。DLC為碳基非結(jié)晶涂層，具有與金剛石相同的特性，例如硬度或化學(xué)穩(wěn)定性。DLC包含被構(gòu)造成立方和六角點(diǎn)陣的Sp3混合碳原子。比如，DLC可包括非晶四面體碳，或ta-C，其僅由Sp3碳組成。 DLC還可包括填充劑，像氫、Sp2碳，或金屬。DLC涂層沒(méi)有長(zhǎng)距晶級(jí)，這可使得涂層更具撓性且能夠與不同形狀一致。出于其抗磨性的考慮來(lái)選擇DLC涂層，DLC涂層可具有與精鋼摩擦?xí)r約為O. 05-0. 20的摩擦系數(shù)(根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)Gl 15-10確定)。國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/GB2008/050102的PCT申請(qǐng)(其申請(qǐng)日為2008年2月15 日，
公開(kāi)日為2008年8月21日，國(guó)際公開(kāi)號(hào)W02008/099220)公開(kāi)了施加DLC涂層的一個(gè)特別合適的工藝，該申請(qǐng)的副本作為本文一部分，呈現(xiàn)在附件A中。英國(guó)北安普頓郡的金剛石硬質(zhì)表面有限責(zé)任公司已經(jīng)針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)施了上述的涂覆工藝。然而，該涂覆工藝的應(yīng)用——其將獲得商標(biāo)名為ADAMANT 的涂層——并未教導(dǎo)應(yīng)用于本發(fā)明?，F(xiàn)在已經(jīng)確信，公知為Adamant 010涂層或更為耐用的涂層，可特別地適用于本發(fā)明。涂覆工藝可在ioo°C或更低溫度下進(jìn)行，涂層的期望厚度從約I μ m到約50 μ m厚(取決于待要涂覆的基底的材料)，其可在低于200°C的溫度獲得。此外，這些涂層呈現(xiàn)出與涂覆的基底表面良好的粘附特性，并且具有高保形性和覆蓋均勻性。在一些實(shí)施例中，防泥包材料22可進(jìn)一步包括一種或多種填充劑，例如，晶須、纖維、顆粒物等。作為非限制性實(shí)施例，在一些實(shí)施例中，防泥包材料22可包括一種或多種碳纖維及陶瓷顆粒(例如，氧化材料顆粒，像氧化鋁、氧化鋯、氧化釔、氧化鋅、氧化鈦、氧化鉭，等)。在一些實(shí)施例中，防泥包材料22可包括平均厚度TA (圖3)大于約O. 13mm,大于約
O.20_，或甚至大于約3. 175mm的材料層。然而在其他實(shí)施例中，防泥包材料22可包括平均厚度Ta(圖3)在幾納米(如，2納米)到約O. 13mm之間的材料層。如，一些防泥包材料22 (如，DLC涂層或通過(guò)化學(xué)汽相淀積法涂覆的涂層)可具有從約I微米(O. OOlmm)到約1000微米(I. Omm)的平均厚度TA。作為另一實(shí)施例，防泥包材料22可形成具有從約I 微米到約25毫米的平均厚度TA。在一些實(shí)施例中，防泥包材料22甚至具有大于25mm的平均厚度Ta。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，多孔沉積物可設(shè)置在鉆頭10的鉆頭主體11的外部表面16上，且防泥包材料22可設(shè)置在該多孔沉積物上。比如，圖2為圖I中鉆頭10的鉆頭主體11的部分放大視圖，其顯示了在鉆頭主體 11的外部表面16的區(qū)域上、位于流體通道13內(nèi)的多孔物質(zhì)26。當(dāng)然，多孔物質(zhì)26可設(shè)置在鉆頭主體10的外部表面16的任何區(qū)域上，包括防泥包材料22將要設(shè)置于其上的外部表面16的那些區(qū)域，正如之前結(jié)合圖I所討論的那樣。在圖2的實(shí)施例中，多孔物質(zhì)26包括在鉆頭10的鉆頭主體11的外部表面16的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域上延伸的大體上連續(xù)的多孔材料層。圖3為沿著圖2所示剖開(kāi)線(xiàn)103-103剖開(kāi)的鉆頭10的部分橫斷面視圖。如圖3所示，多孔材料層的平均厚度Tp在比如約O. 0254mm 到約5. 08mm之間。在某些實(shí)施例中，多孔材料層的平均厚度Tp在比如約O. 13mm到約O. 20mm 之間。僅僅是舉例而非限制，多孔物質(zhì)26可包括采用熱噴涂工藝(例如，電弧噴涂工藝、 化學(xué)汽相淀積、施加DLC涂層的工藝等)沉積在鉆頭主體11上的金屬或金屬合金材料(像， 比如，鋼、鎳合金、鈷合金、或鎳鋁合金)。在這些實(shí)施例中，金屬或金屬合金材料的相對(duì)精細(xì)的顆粒通過(guò)電弧或火焰從噴槍中噴出，在電弧或者火焰中這些顆粒至少部分地熔化，并噴射到鉆頭主體11的外部表面16上。當(dāng)它們碰撞到外部表面16上時(shí)，顆粒冷卻，固化，并相互結(jié)合以及覆蓋外部表面16。然而，顆粒間的空間不可以完全填滿(mǎn)，從而使得多孔物質(zhì)26 具有多孔性。多孔物質(zhì)26中還可以包括抗磨顆粒如碳化鎢顆粒。在鉆頭主體11上設(shè)置了多孔物質(zhì)26后，之前結(jié)合圖I描述的防泥包材料22可設(shè)置在多孔物質(zhì)26之上。該防泥包材料22在施加到多孔物質(zhì)26之上時(shí)可浸滲多孔物質(zhì)26 的孔隙中，從而增強(qiáng)防泥包材料22與鉆頭主體11的結(jié)合力。多孔物質(zhì)26還可以增強(qiáng)防泥包材料22。因此，通過(guò)在多孔物質(zhì)26上設(shè)置防泥包材料22，在鉆井操作過(guò)程中防泥包材料 22磨損和/或從鉆頭主體11剝落的速率降低，防泥包材料22的使用壽命可增長(zhǎng)。在一些實(shí)施例中，防泥包材料可利用熱噴涂工藝沉積到多孔物質(zhì)26上。在本發(fā)明的另一些實(shí)施例中，如圖4所示，多孔物質(zhì)26可包括在鉆頭10的鉆頭主體11的外部表面16的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域上設(shè)置的多個(gè)多孔物質(zhì)26。在一些實(shí)施例中， 多個(gè)多孔物質(zhì)26可在鉆頭主體11的外部表面16上限定出“地形狀圖案(topographical pattern) ”。在一些實(shí)施例中，如圖4所示，多個(gè)多孔物質(zhì)26可包括多個(gè)分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的多孔物質(zhì)26。這樣的分離的多孔物質(zhì)26可在鉆頭主體11的外部表面16的區(qū)域上按有序的陣列布置，像，比如成行成列的方式。在另外的實(shí)施例中，分離的多孔物質(zhì)26可隨機(jī)布置在鉆頭主體11的外部表面16上。例如在易于形成泥包的區(qū)域，防泥包材料22可延伸超出分離的多孔物質(zhì)26。多個(gè)多孔物質(zhì)26可具有任何形狀，包括，比如，圓形、橢圓形、正方形、三角形、或如圖4所示截面形狀。圖5為類(lèi)似于圖3的橫斷面視圖，但顯示了在鉆頭主體11的外部表面16上的多個(gè)分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的多孔物質(zhì)26，以及設(shè)置于多孔物質(zhì)26上和鉆頭主體 11的外部表面16上的防泥包材料22。如圖5所示，在一些實(shí)施例中，多孔物質(zhì)26上的防泥包材料22的外露主要表面28 可具有光滑的輪廓，該輪廓并不復(fù)制或沿襲覆蓋下方的多孔物質(zhì)26的輪廓。然而，在其他實(shí)施例中，外露的主要表面28可復(fù)制或沿襲下方的多孔物質(zhì)26的輪廓，從而使得從鉆頭10 的外部可以看到由下方多孔物質(zhì)26限定出的圖案。這些分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的多孔物質(zhì)26可以與之前結(jié)合圖2和3所討論的多孔材料層大體上相同的方式或大體上相似的方式形成。在火焰噴涂工藝中，比如，火焰噴涂的材料可穿過(guò)遮擋罩上的孔沉積在鉆頭主體11上。遮擋罩上的孔可具有與待要沉積在鉆頭主體11的外部表面16上的在側(cè)向上隔開(kāi)的多孔物質(zhì)26的期望形狀所對(duì)應(yīng)的形狀。
根據(jù)本發(fā)明的另外一些實(shí)施例,鉆頭10的鉆頭主體11的外部表面16可具有由延伸至鉆頭主體11的外部表面16內(nèi)的多個(gè)凹部、以及從鉆頭主體11的外部表面16上突出的多個(gè)凸起中的至少一個(gè)限定得出的“地形狀圖案”。防泥包材料22可設(shè)置在該地形狀圖案上。換句話(huà)說(shuō)，防泥包材料22可設(shè)置在外部表面16的包括由所述凹部和/或凸起限定出的地形狀圖案的至少一部分上。地形狀圖案可構(gòu)造成提高鉆井過(guò)程中防泥包材料22在鉆頭主體11上的保持力。換句話(huà)說(shuō)，地形狀圖案可構(gòu)造成提高鉆井過(guò)程中防泥包材料22 在鉆頭10的鉆頭主體11上的壽命。參考圖6，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，凹部32 (如，多個(gè)凹部32)可形成或設(shè)置在鉆頭10的鉆頭主體11的外部表面16中。如圖6所不，凹部32可大體上為細(xì)長(zhǎng)的,且在一些實(shí)施例中，可在流體通道13內(nèi)定向成其延伸方向與在鉆井操作過(guò)程中穿過(guò)流體通道13 的流體流的大體方向大體上橫向。在其他實(shí)施例中，凹部32可在流體通道13內(nèi)定向成其延伸方向與在鉆井操作過(guò)程中穿過(guò)流體通道13的流體流的大體方向大體上平行。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，凹部32可包括一些橫向于穿過(guò)流體通道13的流體流的方向定向的凹部32， 以及一些平行于穿過(guò)流體通道13的流體流的方向定向的凹部32。比如，在一些實(shí)施例中， 多個(gè)十字交叉形的細(xì)長(zhǎng)的凹部32可設(shè)置在流體通道13內(nèi)的外部表面16的區(qū)域上。在另外的實(shí)施例中，凹部32可以不是細(xì)長(zhǎng)的，且可以為任何形狀，比如，圓形、橢圓形、長(zhǎng)方形、 正方形、三角形等。此外，在一些實(shí)施例中，如圖6所示，凹部32可包括多個(gè)分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的凹部32。這樣分離的凹部32可在鉆頭主體11的外部表面16的區(qū)域上按有序的陣列布置，或隨機(jī)地分布在鉆頭主體11的外部表面16上。因此，凹部32可用來(lái)限定或提供鉆頭主體11的外部表面16上的紋理或圖案，當(dāng)防泥包材料22設(shè)置在紋理或圖案上時(shí)可以提聞防泥包材料22的使用壽命。圖7為沿著圖6所示剖開(kāi)線(xiàn)107-107剖開(kāi)的圖6中鉆頭10的部分橫斷面視圖。如圖7所示，在一些實(shí)施例中，凹部32可具有約O. 254mm或更大，約O. 381mm或甚至約O. 762mm 或更大的平均深度DK。在一些實(shí)施例中，凹部32可具有約O. 762mm或更大，或者甚至約
I.5mm或更大的平均寬度WK。在凹部32為細(xì)長(zhǎng)形狀的實(shí)施例中，它們可具有約6. 35mm或更大，約19. 05mm或更大，或甚至約38. 4mm或更大的平均長(zhǎng)度。盡管圖7中所示的凹部32 的定向橫向于在鉆井操作中穿過(guò)流體通道13的流體流的大體方向，但是凹部32還可以定向成大體平行于穿過(guò)流體通道13的流體流的方向。凹部32可具有約50. 8_或更大，或甚至約152. 4mm或更大的平均長(zhǎng)度。可采用許多工藝中的任一種在鉆頭10的鉆頭主體11上形成凹部32。如，采用機(jī)加工工藝，比如銑削或鉆孔工藝，在鉆頭主體11的外部表面16上機(jī)加工出凹部32。當(dāng)鉆頭主體11由例如鋼的材料形成從而包括這樣的材料時(shí)，這種工藝是可取的，可以相對(duì)容易地進(jìn)行機(jī)加工。在另外的實(shí)施例中，鉆頭主體11可包括不易機(jī)加工的材料。比如，鉆頭主體11可包括顆?；鶑?fù)合材料,像鈷鎢硬質(zhì)合金,它們相對(duì)難于機(jī)加工。這樣的鉆頭主體11 通常采用浸滲工藝形成，此時(shí)，鉆頭主體11在模具內(nèi)采用鑄造工藝形成。特別地，模具由耐火材料像石墨形成，且模具形成為包括模具空腔，所述空腔的形狀與將要在其中形成的鉆頭主體11的形狀相對(duì)應(yīng)。在這樣的工藝中，可通過(guò)在模具空腔內(nèi)設(shè)置具有相應(yīng)于要形成在鉆頭主體11上的凹部32的形狀的凸起的一個(gè)表面來(lái)在鉆頭主體11的外部表面16上形成凹部32。然后鉆頭主體11在模具空腔內(nèi)與包括凸起的表面相鄰地鑄造，當(dāng)鉆頭主體11從模具中移出時(shí)，所述凸起將在鉆頭主體11外部表面16上形成互補(bǔ)的凹部32。參考圖8，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，在鉆頭10的鉆頭主體11外部表面16上形成或設(shè)置多個(gè)凹部34。如圖8所示，凹部34可大體上形成為球體的一部分，例如形成為半球。如圖8所示，凹部34可包括多個(gè)分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的凹部34。這樣分離的凹部34 可在鉆頭主體11的外部表面16的區(qū)域上按有序的陣列布置，或隨意地排列。因此，凹部34 可在鉆頭主體11外部表面16上限定或提供紋理或圖案，當(dāng)防泥包材料22設(shè)置在所述紋理或圖案上時(shí)可提高防泥包材料22的使用壽命。圖9為圖8中鉆頭10沿著圖8所示剖開(kāi)線(xiàn)109-109剖開(kāi)后的橫斷面視圖。如圖 9所示,在一些實(shí)施例中，凹部34可具有約O. 254mm或更大，約2. 54mm或更大，或甚至約 25. 4mm或更大的平均半徑rK。在其他實(shí)施例中，凹部34可具有小于約O. 254mm的平均半
徑rR。圖IOA為圖8中所示的鉆頭10的部分透視圖。凹部34顯示為位于鉆頭10的刮刀12之間的流體通道13內(nèi)。在一些實(shí)施例中，凹部34’構(gòu)造成與刮刀12相鄰。凹部34 被放大并更為詳細(xì)地展示在圖IOB中，其包括圖IOA中圓圈111圈住的區(qū)域內(nèi)所示的鉆頭 10的那個(gè)部分。在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)嵌入件36可至少部分地設(shè)置在凹部34內(nèi)。 如圖IOB所示，嵌入件36可大體上為球狀。嵌入件36可形成為不具有鋒利邊緣的球形，因而限制或避免由于嵌入件36的邊角處破損而帶來(lái)的問(wèn)題。凹部34可形成為僅有一個(gè)鋒利邊緣的球形的一部分(比如半球形)，以限制或避免鉆頭主體11的材料破損。凹部34和嵌入件36還可以形成為其他任何形狀，比如長(zhǎng)方形、三角形等等?？蛇x擇在其表面覆有防泥包材料或者由防泥包材料制成的嵌入件36。在某些實(shí)施例中，嵌入件36可由金屬、金屬基材、聚合物或其他任何材料組成，或者涂覆有防泥包材料。比如，防泥包材料涂層可利用熱噴涂工藝(例如，電弧噴涂工藝、化學(xué)汽相沉積、施加DLC涂層的工藝等)涂覆。在一些實(shí)施例中，嵌入件36可與凹部34的邊緣重疊以更好地保護(hù)其邊緣免受磨損。換句話(huà)說(shuō)，嵌入件36的外露部分可具有大于嵌入件36的設(shè)置在凹部34內(nèi)的那部分的尺寸(直徑、寬度等)。在一些實(shí)施例中，嵌入件36可形成為嵌入件36的外露部分與周?chē)黧w通道13的表面平齊。在其他實(shí)施例中，對(duì)于流體通道13的表面而言，可以使嵌入件36的外露部分升高或降低。其表面具有防泥包材料的凸起嵌入件36可設(shè)置在鉆頭主體11易于形成泥包的地方，這樣更不易形成大面積的泥包。凸起的嵌入件36具有比安裝在同樣凹部34內(nèi)的嵌入件36大的外露面積，并與周?chē)牧黧w通道13平齊。凸起的嵌入件36可增加在易于形成泥包的區(qū)域的防泥包材料的量。在一些實(shí)施例中，嵌入件36可以機(jī)械方式被按壓到凹部34內(nèi)。嵌入件36和/或限定出凹部34的表面可為鋸齒狀或以其他方式進(jìn)行處理，以增加限定出凹部34的表面與嵌入件36之間的連接的機(jī)械強(qiáng)度。嵌入件36和/或限定出凹部34的表面可以以機(jī)械方式和/或化學(xué)方式進(jìn)行處理從而影響其結(jié)合。比如，如果嵌入件36由氟碳聚合物(例如， 聚四氟乙烯)組成，那么嵌入件36的被構(gòu)造成安裝到凹部34中的部分可被蝕刻，以提高鉆頭主體11的粘附性。蝕刻可包括使嵌入件36或其一部分暴露在酸中。該酸可從其表面脫去氟分子，使得該表面不那么光滑(即，更易于與膠粘劑形成連接)。作為另外的實(shí)施例， 嵌入件36和/或限定出凹部34的表面可具有突脊或其他提高機(jī)械連接性能的物理輪廓。 在一些實(shí)施例中，膠粘劑或膠可涂覆在嵌入件36和限定出凹部34的表面之間的接觸面上。膠粘技術(shù)可根據(jù)如所需地進(jìn)行組合(例如，嵌入件36可加工為具有鋸齒并進(jìn)行蝕刻，并且可以應(yīng)用膠粘劑)。在一些實(shí)施例中，嵌入件36可利用硬釬焊工藝和/或熔接工藝安裝到凹部34內(nèi)。圖11為顯示了根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的鉆頭10的刮刀12的一部分的透視圖。 刮刀12可包括一個(gè)或多個(gè)嵌入件36’。嵌入件36’可為“碎片分裂器”，用于當(dāng)切屑形成時(shí)破碎切屑，其比如具有一個(gè)或多個(gè)銳利的邊緣。嵌入件36’可包括用來(lái)減少作用于切削液和切屑上的拖曳力的防泥包材料。嵌入件36’可以用與圖IOA和IOB所示的嵌入件36相同的材料和方法(例如，可以由一種材料組成，涂覆不同的防泥包材料)形成或安裝到凹部 (例如凹部34,34’)中。在一些實(shí)施例中，多個(gè)碎片分裂器可包括嵌入件36’。嵌入件36和36’可從凹部34和34’中移除，比如在鉆頭10使用后。嵌入件36 和36’可因?yàn)槟p、破壞、或不適于所選擇的應(yīng)用場(chǎng)合而移除。嵌入件36和36’可通過(guò)機(jī)械和/或化學(xué)手段(如，除膠劑、熱浴、噴砂和/或噴金屬粒的噴涂等)移除。比如，嵌入件 36和36’可被撬出凹部34和34’。將嵌入件36和36’移除后，替換用嵌入件36和36’可被安置在凹部34和34’中。替換用嵌入件36和36’可具有上述的防泥包材料，且可按上述方式安裝到鉆頭主體11中。在一些實(shí)施例中，替換用嵌入件36和36’可大體上與其所替換的嵌入件36和36’相同。在一些實(shí)施例中，替換用嵌入件36和36’可具有不同于它們所替換的嵌入件36和36’的特點(diǎn)，例如當(dāng)鉆頭10用于不同于在先應(yīng)用的不同應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)。參考附圖12，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，多個(gè)凸起40可形成或以其他方式設(shè)置于鉆頭10的鉆頭主體11外部表面16上。如圖12所示,在一些實(shí)施例中，凸起40可為大體上細(xì)長(zhǎng)形，如同之前結(jié)合圖6的凹部32所描述的那樣。凸起40可包括多個(gè)分離的、橫向相互隔開(kāi)的凸起40。這樣分尚的凸起40可隨機(jī)分布在鉆頭主體11的外部表面16上,如圖12 所示，或按有序的陣列設(shè)置在鉆頭主體11的外部表面16上。此外，在另外的實(shí)施例中，凸起40可具有任何其他形狀，比如，圓形、橢圓形、長(zhǎng)方形、正方形、三角形等。在具有細(xì)長(zhǎng)凸起40的實(shí)施例中，凸起40可在流體通道13內(nèi)定向成大體上平行于鉆井操作過(guò)程中穿過(guò)流體通道13的流體流的大體方向；所述凸起也可以以大體上橫向于穿過(guò)流體通道13的流體流的大體方向定向；或者一些凸起40可定向?yàn)闄M向于穿過(guò)流體通道13的大體流體流方向， 而一些凸起以大體上平行于穿過(guò)流體通道13的大體流體流方向定向。比如，在一些實(shí)施例中，多個(gè)十字交叉形細(xì)長(zhǎng)凸起可設(shè)置在外部表面16的位于流體通道13內(nèi)的區(qū)域中。因此， 以類(lèi)似于圖6和7中所述的凹部32的方式，凸起40可用來(lái)限定或提供位于鉆頭主體11的外部表面16上的紋理或圖案，當(dāng)防泥包材料22設(shè)置在紋理或圖案上時(shí)，可提高防泥包材料 22的使用壽命。圖13為圖12中鉆頭10沿著剖開(kāi)線(xiàn)113-113剖開(kāi)后的橫斷面視圖。如圖13所示， 在一些實(shí)施例中，凸起40可具有約O. 254mm或更大,約O. 381mm或更大,或甚至約O. 762mm 或更大的平均高度HP。在一些實(shí)施例中，凸起40可具有約O. 787_或更大，或甚至約1.5_ 或更大的平均寬度WP。在凸起40為細(xì)長(zhǎng)形的實(shí)施例中，其可以具有約6. 35mm或更大，約
19.05mm或更大，或甚至約38. 4mm或更大的平均長(zhǎng)度?？墒褂迷S多工藝中的任一種在鉆頭10的鉆頭主體11上形成凸起40。如，可利用機(jī)加工工藝機(jī)械地除去鉆頭主體11周?chē)牟牧?像銑削工藝或鉆孔工藝)，從而在鉆頭主體11的外部表面16上形成凸起40。當(dāng)鉆頭主體11由例如鋼的材料形狀并包括所述材料時(shí)，這樣的工藝是可取的，其加工起來(lái)相對(duì)容易。在鉆頭主體11由浸滲工藝形成的另外的實(shí)施例中，可以通過(guò)在模具空腔內(nèi)提供包括凹部的表面來(lái)形成鉆頭主體11外部表面16 上的凸起40，所述凹部具有與待要形成于鉆頭主體11上的凸起40相對(duì)應(yīng)的形狀。這樣，鉆頭主體11在模具空腔內(nèi)與包括所述凹部的該表面相鄰地鑄造，凹部在鉆頭主體11外部表面16上形成互補(bǔ)的凸起40，其在從模具中移除鉆頭主體11時(shí)便可看到。在一些實(shí)施例中，凹部32，34，34’，嵌入件36，36’和/或凸起40可構(gòu)造成用來(lái)引導(dǎo)鉆井泥漿，從而例如用來(lái)增強(qiáng)對(duì)排屑槽的清理、限制刮刀侵蝕、破碎切屑等。嵌入件36， 36’和/或凸起40可構(gòu)造成具有較低摩擦力，從而減少作用于鉆井泥漿(包括巖層切屑) 上的拖曳力。拖曳力公知會(huì)降低鉆井效率并增加產(chǎn)生泥包的可能性。因而減少拖曳力可增加鉆井效率并減少產(chǎn)生泥包的可能性。嵌入件36，36’和或凸起40可構(gòu)造成為碎片分裂器(即，可構(gòu)造成在切屑形成泥包之前破碎切屑)。在這樣的實(shí)施例中，碎片分裂器可包括具有較低摩擦系數(shù)(如，約O. 5或更小，或約O. 2或更小，或約O. 04或更小)的防泥包材料 22，這樣作用于鉆井碎片的拖曳力得到限制。碎片分裂器可包括支撐材料(如，金屬，金屬合金，顆?；鶑?fù)合材料或聚合物)，從而增強(qiáng)碎片分裂器的防泥包材料22。防泥包材料22 的摩擦系數(shù)可以低于支撐材料。碎片分裂器可定位為靠近刮刀，例如定位于圖10中所示凹部34’內(nèi)。圖14到圖17展示了可用于利用浸滲工藝來(lái)形成鉆頭主體11的模型中的各種置換部件，該模具包括與根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的鉆頭10的鉆頭主體11外部表面16上的紋理或圖案互補(bǔ)的紋理或圖案。參考圖14，顯示了置換部件50，其構(gòu)造成限定鉆頭10的鉆頭主體11的流體通道 13的至少一部分。置換部件50的主體52可包括壓縮的樹(shù)脂涂覆砂，細(xì)長(zhǎng)條54可以附連至置換部件50的主體52的表面。該條54可包括，比如，石墨基材料的細(xì)長(zhǎng)條，像美國(guó)俄亥俄州巴爾馬市的GrafTech國(guó)際有限責(zé)任公司所出售的商品名為GRAFOIL 的石墨基材料細(xì)長(zhǎng)條。該條54可用于形成置換部件50的主體52上的模板凸起(template protrusion)。 因此，當(dāng)置換部件50放置在模具內(nèi)、采用浸滲工藝在模具內(nèi)于置換部件50及細(xì)長(zhǎng)條54上及周?chē)T造鉆頭主體11時(shí)，石墨條54可在鉆頭主體11的外部表面16上、于由置換部件50 的主體52限定出的流體通道13內(nèi)限定出互補(bǔ)的細(xì)長(zhǎng)凹部，與圖6和7中示出的凹部32類(lèi)似。然而，如圖14所示的置換部件50的細(xì)長(zhǎng)條54在置換部件主體52上的定向使得形成于鉆頭主體11外部表面16上的凹部大體上平行于在鉆井過(guò)程中穿過(guò)由置換部件50形成的流體通道13的流體流的大體方向。圖15示出了與圖14中置換部件50相似的置換部件60，且其包括前述的主體52 和細(xì)長(zhǎng)條54。然而，置換部件60上的細(xì)長(zhǎng)條54在主體52上的定向使得形成于鉆頭主體 11外部表面16上的凹部大體上橫向于在鉆井過(guò)程中穿過(guò)由置換部件60形成的流體通道 13的流體流的大體方向。圖16示出了另一個(gè)被構(gòu)造成用來(lái)在鉆頭10的鉆頭主體11的外部表面16上限定出紋理或圖案的置換部件70。該置換部件70可包括已被成型、從而在置換部件中包括有十字交叉形的模板凹部72的粘土材料。因此，當(dāng)置換部件70放置在模具中、采用浸滲工藝在模具內(nèi)于置換部件70上及周?chē)T造鉆頭主體11時(shí)，模板凹部72可在鉆頭主體11的外部表面16上限定出互補(bǔ)的十字交叉形的的凸起。圖17顯示了另一個(gè)被構(gòu)造成用來(lái)在鉆頭10的鉆頭主體11的外部表面16上限定出紋理或圖案的置換部件80。置換部件80可包括石墨薄片材料(例如由美國(guó)俄亥俄州巴爾馬市的GrafTech國(guó)際有限責(zé)任公司所出售的商品名為GRAFOIL 的材料)，該石墨薄片材料已被成型，從而在其上包括一排大體上圓形的、分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的模板凸起 82。因此，當(dāng)置換部件80放置在模具中、采用浸滲工藝在模具內(nèi)于置換部件80上及周?chē)T造鉆頭主體11時(shí)，模板凸起82可在鉆頭主體11的外部表面16上限定出互補(bǔ)的凹部陣列。如圖18所示，在鉆頭10的鉆頭主體11外部表面16的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中和/或上設(shè)置紋理或圖案之后，可以如前所述地在圖案或紋理上面設(shè)置防泥包材料22。比如，防泥包材料22可為片狀，且可形成在鉆頭10的鉆頭主體11外部表面16上的區(qū)域的輪廓上。 在一些實(shí)施例中，防泥包材料22的片可在其上具有凹部或凸起，像圖6-圖13中所示那樣。 防泥包材料22的凹部或凸起可構(gòu)造成引導(dǎo)鉆井泥漿(包括巖層切屑)的流動(dòng)。在本發(fā)明另外的實(shí)施例中，如前所述的鉆頭10 (或任何其他井下工具)可包括具有防泥包材料22的預(yù)制的嵌入件。這樣的嵌入件可與鉆頭主體11分開(kāi)形成，然后連接到鉆頭10的鉆頭主體11外部表面16上形成的互補(bǔ)的凹部?jī)?nèi)。此外，這樣的嵌入件是可替換的。比如，圖19顯示了本發(fā)明嵌入件90的一個(gè)實(shí)施例。嵌入件90包括防泥包主體 92，其包括前述的防泥包材料22。防泥包主體92可利用比如模制工藝(如注射模塑工藝) 來(lái)制造。如圖19所示，嵌入件90的防泥包主體92包括具有防泥包材料22的外表面98。 外表面98可構(gòu)造為限定出鉆頭10外露的外表面。比如,外表面98可構(gòu)造成限定出鉆頭10 的位于流體通道13內(nèi)的外露外表面。嵌入件90及鉆頭主體11上待要接納嵌入件90的互補(bǔ)凹部的尺寸、形狀以及其他方面可以構(gòu)造成使得嵌入件90的外表面98與周?chē)@頭主體 11的外部表面16大體上連續(xù)、平齊、共延。因此，盡管所顯示的防泥包主體92的外表面98 大體上為長(zhǎng)方形且為平面，但外表面98可具有對(duì)于鉆頭10的外表面而言所期望的任何形狀和輪廓。在一些實(shí)施例中，外表面98可包括通道、肋條、凸起或凹部，用以對(duì)鉆井泥漿和切屑重新引導(dǎo)。防泥包主體92及由防泥包主體92所限定的防泥包材料層22可具有約為O. 20mm, 或甚至大于約3. 175mm的平均厚度?？蛇x地，嵌入件90可以包括基座部件94。該基座部件94可被構(gòu)造用來(lái)將防泥包主體92連接到鉆頭10的鉆頭主體11上,且可包括不同于防泥包主體92的材料。比如，基座部件可包括金屬或金屬合金(如，鋼)，顆?；鶑?fù)合材料像硬質(zhì)合金材料(如，碳化鎢硬質(zhì)合金)，或聚合物。在一些實(shí)施例中，基座部件94可包括至少大體上與嵌入件90待要連接于其上的鉆頭10的鉆頭主體11所使用的材料相同的材料。在一些實(shí)施例中，基座部件94可包括如前所述的地形狀圖案和/或多孔物質(zhì)，且防泥包主體92可設(shè)置在(例如，形成于)地形狀圖案和/或多孔物質(zhì)之上。在一些實(shí)施例中，基座部件94可與防泥包主體92—體成型。比如，基座部件94 可插入用來(lái)形成防泥包主體92的模具空腔內(nèi)，且防泥包主體92可圍繞基座部件94來(lái)形成 (即模制)。在另外的實(shí)施例中，基座部件94可利用緊固件(如，螺絲或螺栓)和/或膠粘劑來(lái)連接到防泥包主體92上。在這樣的構(gòu)造中，嵌入件90可從鉆頭10的鉆頭主體11中移除，并因此，在鉆井操作過(guò)程中，如果防泥包主體92磨損到不可接受的程度時(shí)可更換，因此便于鉆頭10的修復(fù)或連續(xù)使用。示例性地而非限制性地，基座部件94可構(gòu)造為通過(guò)螺栓連接到鉆頭主體11上，從而將嵌入件90連接到鉆頭主體11上；或基座部件94可構(gòu)造成為與鉆頭主體11機(jī)械地鎖定，比如借助兩者之間的榫槽結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)(即鉆頭主體11和基座部件94兩者之一包括榫， 另一個(gè)包括用來(lái)接受榫的相應(yīng)的槽)。在另一個(gè)實(shí)施例中，防泥包主體92和/或基座部件 94可利用兩者之間的壓接配合、收縮配合和/或硬釬焊工藝和/或熔接工藝來(lái)連接。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，防泥包主體92如結(jié)合圖19所述的那樣可直接形成于利用比如鑄造工藝形成于鉆頭10的鉆頭主體11外部表面16中的互補(bǔ)的凹部?jī)?nèi)。盡管結(jié)合固定切削件鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明的實(shí)施例還包括其他類(lèi)型的井下工具。如此處所使用的術(shù)語(yǔ)“井下工具”意味著并包括用來(lái)形成井筒和/或服務(wù)于井筒的任何工具?！胺?wù)于”井筒是指和包括工具與井筒的某部分接觸的任何操作。井下工具包括比如鉆井工具像鉆頭(如，像固定切削件鉆頭、牙輪鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭、取心鉆頭和沖擊鉆頭這類(lèi)旋轉(zhuǎn)鉆頭)、套管和尾管鉆井工具、擴(kuò)眼器、和其他開(kāi)孔工具，以及穩(wěn)定器、封隔器、和轉(zhuǎn)向組件如轉(zhuǎn)向尾管系統(tǒng)。本發(fā)明另外的非限制性示例實(shí)施例將在下面描述。實(shí)施例I :井下工具，包括主體，主體具有表面，該表面包括由延伸入表面中的凹部和從該表面突出的凸起中的至少一個(gè)而限定出的地形狀圖案；及設(shè)置在所述表面的其中包括所述圖案的至少一部分上的防泥包材料，該防泥包材料具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。實(shí)施例2 :如實(shí)施例I中的井下工具，其中防泥包材料包括疏水聚合物、金屬、金層合金、陶瓷、金剛石、類(lèi)金剛石碳、石墨、二硫化鑰、氮化硼、或硅樹(shù)脂。實(shí)施例3 :如實(shí)施例I或2中的井下工具，其中防泥包材料包括金屬或金屬合金與疏水聚合物材料的混合物。實(shí)施例4 :如實(shí)施例1-3中的任一井下工具，其中防泥包材料包括具有摩擦系數(shù)為 O. 5或更低的材料。實(shí)施例5 :如實(shí)施例1-4中的任一井下工具，其中防泥包材料包括具有摩擦系數(shù)為
O.2或更低的材料。實(shí)施例6 :如實(shí)施例1-5中的任一井下工具，其中防泥包材料包括在所述表面的包括所述圖案的所述至少一部分上設(shè)置的防泥包材料層。
均厚度。
實(shí)施例7 :如實(shí)施例6中的井下工具，其中防泥包材料層具有至少為O. 127mm的平實(shí)施例8 :如實(shí)施例6中的井下工具，其中防泥包材料層具有至少為O. 254mm的平
均厚度。實(shí)施例9 :如實(shí)施例1-8中的任一井下工具，其中地形狀圖案包括多個(gè)分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的凸起。實(shí)施例10 :如實(shí)施例9中的井下工具，其中多個(gè)分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的凸起中的分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的凸起按有序的陣列布置。
實(shí)施例11 :如實(shí)施例1-10中的任一井下工具，其中地形狀圖案包括多個(gè)分離的、 在側(cè)向上隔開(kāi)的凹部。實(shí)施例12 :如實(shí)施例1-11中的任一井下工具，其中多個(gè)分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的凹部中的分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的凹部按有序的陣列布置。實(shí)施例13 :如實(shí)施例1-11中的任一井下工具，進(jìn)一步包括嵌入件，其中嵌入件至少部分設(shè)置在凹部?jī)?nèi)。實(shí)施例14 :一種井下工具,包括具有表面的主體，該表面上包括至少一個(gè)延伸入所述主體的所述表面內(nèi)的凹部；以及設(shè)置在至少一個(gè)凹部?jī)?nèi)的嵌入件，該嵌入件具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。實(shí)施例15 :如實(shí)施例14中的井下工具，其中所述主體的所述表面包括多個(gè)延伸入所述主體的所述表面內(nèi)的凹部，其中井下工具進(jìn)一步包括設(shè)置在多個(gè)凹部的每個(gè)凹部中的嵌入件，每個(gè)嵌入件包括防泥包材料，防泥包材料具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。實(shí)施例16 :如實(shí)施例14或15的井下工具，其中多個(gè)凹部包括多個(gè)分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的凹部。實(shí)施例17 一種井下工具,包括具有表面的主體；在主體表面上的至少一塊多孔物質(zhì)；及設(shè)置在該至少一塊多孔物質(zhì)上的防泥包材料，該防泥包材料具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。實(shí)施例18 :如實(shí)施例17的井下工具，其中該至少一塊多孔物質(zhì)包括噴射沉積的材料。實(shí)施例19 :如實(shí)施例多孔物質(zhì)包含鎳鋁合金。實(shí)施例20:如實(shí)施例實(shí)施例21 :如實(shí)施例合金與含氟聚合物的混合物。實(shí)施例22 :如實(shí)施例實(shí)施例23:如實(shí)施例
17或18的井下工具,其中該主體包括碳化鶴,所述至少一塊
17-19中的任一井下工具，其中防泥包材料包括含氟聚合物。 17-20中的任一井下工具，其中防泥包材料包括金屬或金屬
17-21中的任一井下工具，其中防泥包材料包括陶瓷。
17-22中的任一井下工具，其中防泥包材料包括金剛石、類(lèi)金剛石碳、石墨、二硫化鑰、氮化硼或硅樹(shù)脂。實(shí)施例24 :如實(shí)施例17-23中的任一井下工具，其中至少部分防泥包材料被浸滲到所述至少一塊多孔物質(zhì)的孔隙內(nèi)。實(shí)施例25 :如實(shí)施例17-24中的任一井下工具，其中防泥包材料包括設(shè)置在所述至少一塊多孔物質(zhì)上的防泥包材料層。實(shí)施例26 :如實(shí)施例25中的井下工具，其中防泥包材料層具有至少為O. 0254mm
的平均厚度。實(shí)施例27 :如實(shí)施例25中的井下工具，其中防泥包材料層具有至少為O. 20mm的
平均厚度。實(shí)施例28 :如實(shí)施例17-27中的任一井下工具，其中所述至少一塊多孔物質(zhì)包括在主體的表面上限定出地形狀圖案的多塊多孔物質(zhì)。實(shí)施例29 :如實(shí)施例28的井下工具，其中多塊多孔物質(zhì)包括多塊分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的多孔沉積物。實(shí)施例30 :如實(shí)施例29的井下工具，其中多個(gè)分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的多孔沉積物中的多孔沉積物按有序的陣列布置。實(shí)施例31 :如實(shí)施例17-30中的任一井下工具，其中所述至少一塊多孔物質(zhì)包括多孔材料層。實(shí)施例32 :—種形成井下工具的方法，包括形成延伸進(jìn)入井下工具主體的凹部和從井下工具主體上突起的凸起中的至少一個(gè)；在表面的至少一部分上設(shè)置防泥包材料； 及選擇防泥包材料，使其具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。實(shí)施例32的井下工具包括延伸到凹部或凸起中、或者覆蓋所述凹部或凸起的表面。實(shí)施例33 :如實(shí)施例32的方法，其中形成延伸入井下工具主體的凹部和從井下工具主體上突出的凸起中的至少一個(gè)包括在模具空腔內(nèi)的表面上設(shè)置多個(gè)模板凹部和多個(gè)模板凸起中的至少一個(gè)，該空腔具有限定出井下工具的主體的至少一部分的形狀；在模具空腔內(nèi)鑄造井下工具的主體的至少一部分。實(shí)施例34 :如實(shí)施例33的方法，其中在模具空腔內(nèi)的表面上設(shè)置多個(gè)模板凹部和多個(gè)模板凸起中的至少一個(gè)包括在一置換部件上形成多個(gè)模板凹部和模板凸起的中至少一個(gè)；以及在模具內(nèi)鑄造井下工具主體的至少一部分之前，將置換部件放置在模具空腔內(nèi)。實(shí)施例35 :如實(shí)施例34的方法，進(jìn)一步包括選擇置換部件，使其具有包含粘土的主體、包含壓縮樹(shù)脂涂覆砂的主體及包含石墨的主體中的至少一個(gè)。實(shí)施例36 :如實(shí)施例32-35中任一項(xiàng)的方法，其中形成延伸入井下工具主體的凹部和從井下工具主體上突起的凸起中的至少一個(gè)包括對(duì)井下工具的主體表面進(jìn)行機(jī)加工。實(shí)施例37 :如實(shí)施例32-36中任一項(xiàng)的方法，其中在表面的至少一部分上設(shè)置防泥包材料包括在至少一部分表面上熱噴涂防泥包材料。實(shí)施例38 :如實(shí)施例32-37中任一項(xiàng)的方法，其中在表面的至少一部分上設(shè)置防泥包材料包括形成防泥包材料層及將防泥包材料層粘到表面的至少一部分上。實(shí)施例39 :—種形成井下工具的方法，包括在井下工具的主體的表面上設(shè)置多孔物質(zhì)；在多孔物質(zhì)的至少一部分上設(shè)置防泥包材料；及選擇防泥包材料，使其具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。實(shí)施例40 :—種形成井下工具的方法，包括在井下工具的主體的表面上形成凹部；形成包含防泥包材料的嵌入件；選擇防泥包材料，使其具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分；將嵌入件設(shè)置到凹部?jī)?nèi)； 及將嵌入件連接到井下工具的主體上。實(shí)施例41 :如實(shí)施例40的方法，其中形成包含防泥包材料的嵌入件包括形成包含金屬、金屬基材或聚合物的嵌入件；并用防泥包材料涂覆嵌入件。實(shí)施例42 :實(shí)如施例40或41的方法，其中形成包含防泥包材料的嵌入件包括形成包含摩擦系數(shù)為O. 5或更低的材料的嵌入件。實(shí)施例43 :如實(shí)施例40或41的方法，其中形成包含防泥包材料的嵌入件包括形成包含摩擦系數(shù)為O. 2或更低的材料的嵌入件。實(shí)施例44 :如實(shí)施例40-43任一項(xiàng)的方法，其中形成包含防泥包材料的嵌入件包括形成包含陶瓷、金剛石、類(lèi)金剛石碳、石墨、二硫化鑰、氮化硼或硅樹(shù)脂的嵌入件。實(shí)施例45 :—種形成井下工具的方法，包括在井下工具的主體的表面形成凹部； 形成包含金屬、金屬基材或聚合物中的至少一種的嵌入件，該嵌入件構(gòu)造成可至少部分安裝到凹部?jī)?nèi)；用防泥包材料涂覆嵌入件；以及將嵌入件至少部分放置到凹部?jī)?nèi)。實(shí)施例46 :—種修復(fù)井下工具的方法，包括從井下工具的凹部?jī)?nèi)移除嵌入件；在凹部?jī)?nèi)設(shè)置替換用嵌入件，替換用嵌入件具有防泥包材料，該防泥包材料具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分；將替換用嵌入件連接到井下工具的主體上。盡管上述說(shuō)明包含很多特殊之處，但它們不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，而僅僅是提供了一些示例性的實(shí)施例。同樣地，本發(fā)明的其他實(shí)施例可在不偏離本發(fā)明精神或范圍的情況下設(shè)計(jì)得出。比如，此處參考一個(gè)實(shí)施例所描述的特征還可使用在此處描述的其他實(shí)施例中。因而本發(fā)明的范圍，只通過(guò)從屬的權(quán)利要求和其法律的等同物得以顯示和限定，而不是通過(guò)前述說(shuō)明得到。對(duì)本發(fā)明所有增減、修正，如此處所公開(kāi)的內(nèi)容，都落入本發(fā)明權(quán)利要求的意思和范圍內(nèi)，得到本發(fā)明的保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種井下工具，包括主體，主體具有表面，所述表面包括由延伸入所述表面中的凹部和從所述表面突出的凸起中的至少ー個(gè)而限定出的地形狀圖案；以及設(shè)置在所述表面的其中包括所述地形狀圖案的至少一部分上的防泥包材料，所述防泥包材料具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的井下工具，其中防泥包材料包括疏水性聚合物、金屬、金屬合金、 陶瓷、金剛石或類(lèi)金剛石碳。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的井下工具，其中，防泥包材料包括摩擦系數(shù)為0.5或更低的材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2的井下工具，其中，防泥包材料包括設(shè)置在所述表面的包括所述圖案的所述至少一部分上的防泥包材料層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2的井下工具，其中，所述地形狀圖案包括多個(gè)分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的凸起或凹部。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的井下工具，其中，所述多個(gè)分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的凸起或凹部中的分離的、在側(cè)向上隔開(kāi)的凸起或凹部按有序的陣列布置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2的井下工具，進(jìn)ー步包括包含防泥包材料的嵌入件，其中，所述嵌入件至少部分設(shè)置在凹部?jī)?nèi)。
8.ー種井下工具，包括具有表面的主體；位于所述主體的所述表面上的至少ー塊多孔物質(zhì)；及設(shè)置在所述至少ー塊多孔物質(zhì)上的防泥包材料，所述防泥包材料具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。
9.ー種形成井下工具的方法，包括形成延伸入井下工具的主體中的凹部和從井下工具的主體上突出的凸起中的至少ー 個(gè),井下工具包括延伸入所述凹部或凸起或者在所述凹部或凸起上延伸的表面；在所述表面的至少一部分上設(shè)置防泥包材料；及選擇防泥包材料，使其具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)用于減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，形成延伸入井下工具的主體中的凹部和從井下工具的主體上突出的凸起中的至少ー個(gè)的步驟包括在模具空腔內(nèi)的表面上提供多個(gè)模板凹部和多個(gè)模板凸起中的至少ー個(gè)，所述空腔具有構(gòu)造成限定出井下工具的主體的至少一部分的形狀；及在模具空腔內(nèi)鋳造井下工具的主體的所述至少一部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，在模具空腔內(nèi)的表面上提供多個(gè)模板凹部和多個(gè)模板凸起中的至少ー個(gè)的步驟包括在一置換部件上形成多個(gè)模板凹部和凸起中的所述至少一個(gè)；及在模具空腔內(nèi)鋳造井下工具主體的所述至少一部分之前，將所述置換部件放置在模具空腔內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，進(jìn)ー步包括選擇置換部件，以包括以下主體中的至少ー 個(gè)包含粘土的主體、包含壓縮樹(shù)脂涂敷砂的主體、包含石墨的主體。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一的方法，其中，在所述表面的所述至少一部分上提供防泥包材料包括在所述表面的所述至少一部分上熱噴涂防泥包材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一的方法，其中，在所述表面的所述至少一部分上提供防泥包材料包括形成防泥包材料層且將防泥包材料層粘到所述表面的所述至少一部分上。
15.ー種形成井下工具的方法，包括在井下工具的主體的表面上設(shè)置多孔物質(zhì)；在多孔物質(zhì)的至少一部分上設(shè)置防泥包材料；以及選擇防泥包材料，使其具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)用于減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種井下工具，其具有地形狀圖案，并且防泥包材料設(shè)置在地形狀圖案之上。該地形狀圖案可由延伸入工具的主體的表面中的多個(gè)凹部和從該表面上突出的多個(gè)凸起中的至少一個(gè)限定得出。井下工具包括設(shè)置在主體內(nèi)凹部的嵌入件，該嵌入件包括防泥包材料，該材料具有當(dāng)井下工具用來(lái)形成井筒或服務(wù)于井筒時(shí)能夠減少巖層切屑在防泥包材料上聚積的成分。井下工具包括設(shè)置在工具表面上的多孔物質(zhì)上的防泥包材料。本發(fā)明還提供了形成井下工具的方法，其包括在工具的主體的表面上和/或表面內(nèi)的特征上設(shè)置防泥包材料。修復(fù)井下工具的方法包括從井下工具上移出嵌入件，并放入替換用嵌入件。
文檔編號(hào)E21B10/60GK102606079SQ20111006690
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者B·斯托弗, C·韋帕蒂, G·I·巴特勒, S·G·帕特爾, S·R·雷德福, T·K·馬弗爾 申請(qǐng)人:貝克休斯公司