用于固定切削齒鉆頭和其他井下切削工具的切削構(gòu)件的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]在地球上的鉆井過程中，比如為了回收碳氫化合物或為了其他應用，常規(guī)的實踐是在端對端連接而形成“鉆柱”的鉆桿段組件的下端連接鉆頭。通過在地面旋轉(zhuǎn)鉆柱或通過井下馬達或渦輪機的致動，或通過兩種方法使鉆頭旋轉(zhuǎn)。在施加到鉆柱的重力作用下，旋轉(zhuǎn)的鉆頭接合地層，致使鉆頭通過磨蝕、壓裂或剪切動作，或通過所有切削方法的組合切穿地層材料，從而形成沿著朝向目標區(qū)域的預定路徑的井眼。
[0002]已經(jīng)研制和發(fā)現(xiàn)了許多不同類型的鉆頭用在鉆這樣的井眼的過程中。兩種主導類型的鉆頭是牙輪鉆頭和固定切削齒鉆頭(或旋轉(zhuǎn)式刮刀)鉆頭。大多數(shù)固定切削齒鉆頭設(shè)計包括繞鉆頭面成角度地間隔的多個刀體。刀體從鉆頭主體徑向向外地突出，且在其兩兩之間形成流道。此外，切削元件通常以徑向延伸的排分組且安裝在幾個刀體上。根據(jù)許多因素(比如被鉆地層)，刀體上的切削元件的配置或布局可以寬泛地變化。
[0003]設(shè)置在固定切削齒鉆頭的刀體上的切削元件通常由超硬材料制成。在典型的固定切削齒鉆頭中，每個切削元件包括細長的且大體上圓柱形的碳化鎢基底，該基底被接納且固定在刀體之一的表面上形成的袋孔中。切削元件通常包括多晶金剛石(“PCD”)或其他超耐磨材料(比如熱穩(wěn)定金剛石或多晶立方氮化硼)的硬質(zhì)切削層。為方便起見，在本文中使用的提及“PDC鉆頭”或“PDC切削齒”就是指采用了多晶金剛石或其他超耐磨材料的硬質(zhì)切削層的固定切削齒鉆頭或切削元件。
[0004]參照圖1和2，示出了適用于鉆穿巖石地層以形成井眼的常規(guī)固定切削齒或刮刀鉆頭10。鉆頭10大體上包括鉆頭主體12、鉆柄13，和在銷端部16處用于將鉆頭10連接于鉆柱(未示出)的螺紋連接或銷14，其中該鉆柱被用于轉(zhuǎn)動鉆頭，以便鉆出井眼。鉆頭面20支撐切削構(gòu)件15，且形成在鉆頭10的與銷端部16相反的端部上。鉆頭10還包括中心軸線11，鉆頭10繞該中心軸線沿箭頭18表示的切削方向旋轉(zhuǎn)。
[0005]切削構(gòu)件15被設(shè)置在鉆頭10的面20上。切削構(gòu)件15包括多個成角度地間隔開的主刀體31、32、33和副刀體34、35、36，每一刀體都從鉆頭面20延伸。主刀體31、32、33和副刀體34、35、36大體上沿鉆頭面20徑向延伸，然后沿鉆頭10的周邊的一部分軸向延伸。然而，副刀體34、35、36從朝向鉆頭10的周邊遠離鉆頭軸線11的位置沿鉆頭面20徑向延伸。因此，在本文中使用的“副刀體”可用于指在離鉆頭軸線一段距離的位置開始且大體上沿鉆頭面向鉆頭的周邊徑向延伸的刀體。主刀體31、32、33和副刀體34、35、36被鉆井液流道19分開。
[0006]仍然參照圖1和2，每一主刀體31、32、33包括用于安裝多個切削元件的刀體頂部42，且每一副刀體34、35、36包括用于安裝多個切削元件的刀體頂部52。尤其是，每個都具有切削面44的切削元件40被分別安裝在每一主刀體31、32、33的刀體頂部42和每一副刀體34、35、36的刀體頂部52上形成的袋孔中。切削元件40被彼此毗鄰地布置成接近每一主刀體31、32、33和每一副刀體34、35、36的前邊緣的徑向延伸的排。每個切削面44具有離刀體頂部42、52 (切削元件40被安裝在其上)最遠的最外的切削尖44a。
[0007]現(xiàn)在參照圖3，鉆頭10的型面被示為就像全部刀體(例如，主刀體31、32、33和副刀體34、35、36)和全部切削元件40的切削面44旋轉(zhuǎn)入單個旋轉(zhuǎn)型面中所呈現(xiàn)的。在旋轉(zhuǎn)型面視圖中，鉆頭10的全部刀體31-36的刀體頂部42、52形成且限定了組合或復合的刀體型面39，該型面從鉆頭軸線11向鉆頭10的外半徑23徑向延伸。因此，在本文中使用的短語“復合刀體型面”指的是這樣的型面，即，從鉆頭軸線向鉆頭的外半徑延伸，由旋轉(zhuǎn)入單個旋轉(zhuǎn)型面(即，在旋轉(zhuǎn)型面視圖中)的鉆頭的全部刀體的刀體頂部形成。
[0008]常規(guī)復合刀體型面39 (在圖3中鉆頭10的右半部中更清楚地示出)可大體上被分成三個區(qū)域，通常標記為錐部區(qū)域24、肩部區(qū)域25和保徑部區(qū)域26。錐部區(qū)域24包括鉆頭10的徑向最內(nèi)的區(qū)域和大體上從鉆頭軸線11延伸到肩部區(qū)域25的復合刀體型面39。如圖3所示，在最常規(guī)的固定切削齒鉆頭中，錐部區(qū)域24是大體上凹下的。鄰近錐部區(qū)域24是肩部(或上彎曲線)區(qū)域25。在最常規(guī)的固定切削齒鉆頭中，肩部區(qū)域25是大體上凸出的。徑向向外移動，鄰近肩部區(qū)域25的是保徑部區(qū)域26，該保徑部區(qū)域在復合刀體型面39的外部徑向周邊處平行于鉆頭軸線11延伸。因此，常規(guī)鉆頭10的復合刀體型面39包括一個凹下的區(qū)域、錐部區(qū)域24，和一個凸出的區(qū)域、肩部區(qū)域25。
[0009]凸出的肩部區(qū)域25和復合刀體型面39的軸向最低點限定了刀體型面鼻部27。在刀體型面鼻部27處，與凸出的肩部區(qū)域25和復合刀體型面39相切的切線27a的斜率是Oo因此，在本文中使用的術(shù)語“刀體型面鼻部”指的是在旋轉(zhuǎn)型面視圖中沿著鉆頭的復合刀體型面的凸出區(qū)域的點，其中在該點處與復合刀體型面相切的切線的斜率是O。對于最常規(guī)的固定切削齒鉆頭(例如鉆頭10)來說，復合刀體型面包括僅一個凸出的肩部區(qū)域(例如，凸出的肩部區(qū)域25)，和僅一個刀體型面鼻部(例如，鼻部27)。如圖1-3所示，切削元件40被沿著刀體31-36布置成排，且被沿著鉆頭面20設(shè)置在前面描述為復合刀體型面39的錐部區(qū)域24、肩部區(qū)域25和保徑部區(qū)域26的區(qū)域內(nèi)。尤其是，切削元件40被安裝在刀體31-36上相對于鉆頭10的中心軸線11預定的徑向間隔位置。
[0010]不考慮鉆頭的類型，鉆井花費與將井眼鉆到預期的深度和位置所花費的時間長度成比例。繼而，鉆井時間受到在到達目標地層之前鉆頭的更換次數(shù)影響很大。這是因為每次更換鉆頭，整個鉆柱(可能幾英里長)必須從井眼中一段一段地收回。一旦鉆柱被收回，且新鉆頭安裝上，鉆柱上的鉆頭必須下降到井眼的底部，這再次必須一段一段地安裝。這個過程被稱作鉆柱的“起下”，通常需要相當多的時間、勞動和花費。因此，希望使用這樣的鉆頭，即，能快速且時間長的鉆井，且可用于寬范圍的不同地層硬度。
[0011]在更換之前鉆頭可以使用的時間長度取決于它的鉆進速度(“R0P”)，以及其維持較高或可接受的ROP的耐用性或能力。此外，期望的鉆頭特性是它是“穩(wěn)定的”且能抵抗不希望的振動，該振動的最嚴重的類型或模式是“渦旋”，這是用于描述鉆頭在井眼底部繞偏離鉆頭幾何中心的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象的術(shù)語。這種渦旋使鉆頭上的切削元件承受增大的負載，這導致切削元件過早磨損或損壞和ROP損失。因此，防止或減少不希望的鉆頭振動并維持PDC鉆頭的穩(wěn)定性已經(jīng)成為長期以來期望的目標，但問題是總是沒有實現(xiàn)。不希望的鉆頭振動通?？赡艹霈F(xiàn)在任何類型的地層，但在硬質(zhì)地層中更有害。
[0012]近年來，PDC鉆頭已經(jīng)成為切削軟或中間硬度的地層的工業(yè)標準。然而，因為roc鉆頭是被研制用于硬質(zhì)地層的，所以鉆頭穩(wěn)定性正成為日益增加的挑戰(zhàn)。如前所述，在鉆井過程中過度的不希望的鉆頭振動趨于使鉆頭變鈍，和/或可能損壞鉆頭到必須或期望過早地起下鉆柱的程度。
[0013]已經(jīng)有許多推薦用于PDC切削構(gòu)件的備選設(shè)計，這些設(shè)計旨在提供一種能夠以高效的ROP鉆穿各種硬度的地層且具有可接受的鉆頭壽命和耐久性的PDC鉆頭。遺憾的是，針對使振動最小化的許多鉆頭設(shè)計需要在與早期設(shè)計的鉆頭相比增大的鉆壓(“W0B”)下進行鉆井。例如，一些鉆頭已經(jīng)設(shè)計有以更少攻擊性的背前角安裝的切削齒，以使得它們需要增大的W0B，以便鉆進地層材料到達所期望的程度。如果可能，通常避免利用增大的或重的WOB進行鉆井。增大WOB是通過給鉆柱增加附加的重鉆鋌來完成的。這種附加的重量增加了鉆柱部件中的一些或全部上的應力和張力，導致穩(wěn)定器磨損更多，且工作效率更低，并且增加了鉆柱中的液壓降，需要使用更高容量(且通常更高花費)的栗來循環(huán)鉆井液。組合問題更多，增大的WOB導致鉆頭磨損，且比其他方式出現(xiàn)的情況更快地變鈍。為了延遲鉆柱的起下，通常的實踐是進一步增加W0B，且以部分磨損和變鈍的鉆頭繼續(xù)鉆井。鉆頭磨損和WOB之間的關(guān)系不是線性的，而是指數(shù)關(guān)系，使得一旦對于給定鉆頭來說超過特定的WOB時，WOB上非常小的增加將導致鉆頭磨損極大地增加。因此，增加更大的WOB而以部分磨損的鉆頭鉆井進一步增加了鉆頭和其他鉆柱部件上的磨損。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本
【發(fā)明內(nèi)容】
用于引入在下面詳細的描述中進一步描述的一組構(gòu)思。本
【發(fā)明內(nèi)容】
不是為了確定要求保護的主題的關(guān)鍵或主要特征，也不是為了用于輔助限定要保護的主題的范圍。
[0015]在一些實施例中，一種切削工具包括工具主體；從所述工具主體延伸的多個刀體；沿所述多個刀體的每一個設(shè)置的多個非平面切削元件。所述多個非平面切削元件形成切削型面，在所述多個非平面切削元件旋轉(zhuǎn)入單個平面的旋轉(zhuǎn)視圖中，所述切削型面包括錐部區(qū)域、鼻部區(qū)域、肩部區(qū)域和保徑部區(qū)域。所述多個非平面切削元件包括在所述錐部區(qū)域、鼻部區(qū)域、肩部區(qū)域和保徑部區(qū)域中的至少一個中的第一形狀，和在至少一個其他區(qū)域中的不同的第二形狀。
[0016]在一些實施例中，一種切削工具包括工具主體；從所述工具主體延伸的多個刀體；沿所述多個刀體的每一個設(shè)置的多個非平面切削元件。所述多個非平面切削元件形成切削型面，在所述多個非平面切削元件旋轉(zhuǎn)入單個平面的旋轉(zhuǎn)視圖中，所述切削型面包括錐部區(qū)域、鼻部區(qū)域、肩部區(qū)域和保徑部區(qū)域。所述多個非平面切削元件包括具有在所述錐部區(qū)域、鼻部區(qū)域、肩部區(qū)域和保徑部區(qū)域中的至少一個中的第一曲率半徑的頂端，和具有在至少一個其他區(qū)域中的不同的第二曲率半徑的頂端。
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