具有导向切削件结构的旋转刮刀钻头以及利用所述旋转刮刀钻头使地下岩层预破碎的方法.pdf

本发明提供了具有提高的切削效率和延长的寿命的旋转刮刀钻头(110)。旋转刮刀钻头包括具有端面的钻头体，和联接到所述钻头体端面上的多个切削件。多个切削件包括至少一个导向切削件(162)和位于大体上相同半径处并可选地具有略小暴露量的旋转落后的较大主切削件(164)。导向切削件(162)的尺寸和位置设置成使地层预破碎并形成初始切口，而主切削件(164)沿着相同的旋转路径去除弱化、剩余的地层材料。本发明还提供了一种使用具有导向切削件结构的旋转刮刀(110)使地下岩层预破碎的方法。

1.  一种旋转刮刀钻头，包括：
具有端面和纵向轴线的钻头体，所述钻头体构造为围绕所述轴线旋转；
至少一个导向切削件，所述导向切削件布置在距离所述纵向轴线预定半径处，并且包括以第一暴露量至少部分地从所述端面伸出的具有第一横向宽度的切削表面；和
至少一个主切削件，所述主切削件布置在距离所述纵向轴线大体上相同的半径处，并且包括以第二暴露量至少部分地从所述端面伸出的具有第二、较大横向宽度的切削表面。

2.  如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，就预期的钻头旋转方向而言，所述至少一个导向切削件在所述至少一个主切削件之前。

3.  如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个主切削件的第二暴露量是具有较少暴露量的设计暴露量，所述较少暴露量相对地小于或等于所述至少一个导向切削件的第一暴露量。

4.  如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个主切削件的第二暴露量小于所述至少一个导向切削件的第一暴露量。

5.  如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个导向切削件的第一暴露量小于所述至少一个主切削件的第二暴露量。

6.  如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个导向切削件和至少一个主切削件中的至少一个为热稳定金刚石切削件和聚晶金刚石复合片切削件中之一。

7.  如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述钻头体还包括从所述端面伸出的至少一个刮刀，所述至少一个导向切削件和至少一个主切削件与所述刮刀联接。

8.  一种旋转刮刀钻头，包括：
具有端面和纵向轴线的钻头体，所述钻头体构造为围绕所述纵向轴线旋转；和
至少一个包括两个切削件的切削件组，每个切削件包括以一定的暴露量至少部分地从所述钻头体的端面伸出的切削表面，两个切削件中的一个定位成在所述钻头体围绕所述纵向轴线旋转时沿着切削路径大体上追随于两个切削件中的另一个，两个切削件中的每一个均具有横向宽度不同且暴露量不同的切削表面。

9.  如权利要求8所述的旋转刮刀钻头，其中，导向切削件组中的所述两个切削件包括具有较小横向宽度的第一切削元件和在旋转方向上落后于所述第一切削元件的具有较大横向宽度的第二切削元件，所述第二切削元件的暴露量小于所述较小切削元件的暴露量。

10.  如权利要求8所述的旋转刮刀钻头，其中，所述钻头体包括从所述端面伸出并且具有第一切削件排和在旋转方向上落后于所述第一切削件排的第二切削件排的至少一个刮刀，所述切削件组中的所述两个切削件包括位于第一切削件排中的第一切削元件和位于第二切削件排中的第二切削元件，所述第一切削元件具有横向宽度较小的切削表面，所述第二切削元件具有横向宽度较大的切削表面。

11.  如权利要求10所述的旋转刮刀钻头，其中，所述第二切削元件的暴露量小于所述第一切削元件的暴露量。

12.  如权利要求10所述的旋转刮刀钻头，其中，所述第一切削件排和所述第二切削件排大致从所述钻头体的纵向轴线径向向外延伸。

13.  一种导向刮刀钻头，包括：
具有端面、轴线、至少一个刮刀和至少一个流体通道的钻头体，所述刮刀从所述端面延伸，所述流体通道在所述端面上大致从所述轴线径向向外延伸并且在旋转方向上领先于所述至少一个刮刀，所述钻头体构造为围绕所述轴线旋转；
与所述流体通道相邻地联接到所述刮刀上的导向切削件；和
联接到所述刮刀上的主切削件，所述主切削件远离所述至少一个流体通道并在旋转方向上落后于所述导向切削件。

14.  如权利要求13所述的导向刮刀钻头，其中，所述主切削件沿着大体上相同的切削路径在旋转方向上落后于所述导向切削件。

15.  如权利要求13所述的导向刮刀钻头，其中，所述主切削件的暴露量小于所述导向切削件的暴露量。

16.  如权利要求13所述的导向刮刀钻头，其中，所述主切削件沿大体上相同的切削路径在旋转方向上落后于所述导向切削件，并且所述主切削件的暴露量小于所述导向切削件的暴露量。

17.  一种使用包括导向切削件结构的旋转刮刀钻头使地下岩层预破碎的方法，包括：
提供包括钻头体和至少一个导向切削件组的旋转刮刀钻头，所述钻头体具有端面和轴线并且构造为围绕所述轴线旋转，所述导向切削件组包括两个切削件，每个切削件包括至少部分地从所述钻头体的所述端面伸出的切削表面，两个切削件中的一个定位成在所述钻头体围绕其轴线旋转时沿着切削路径大体上旋转追随两个切削件中的另一个；
使所述旋转刮刀钻头在钻压下旋转以使地下岩层与所述至少一个导向切削件组的旋转在先的切削件接合，从而沿着切削件路径预破碎地层并去除一部分地层材料，以及使地层与位于与旋转在先切削件接合的那部分的横向外侧的、旋转追随的切削件接合以去除附加的地层材料。

18.  如权利要求17所述的方法，还包括避免位于旋转追随的切削件紧下方的地层与所述旋转追随的切削件有实质性接合。

19.  如权利要求17所述的方法，其中，提供包括至少一个导向切削件组的旋转刮刀钻头包括提供多个导向切削件组。

20.  如权利要求19所述的方法，其中，所述至少一个导向切削件组包括聚晶金刚石复合片切削元件。

具有导向切削件结构的旋转刮刀钻头以及利用所述旋转刮刀钻头使地下岩层预破碎的方法
优先权声明
本申请要求提交于2006年12月7日、名称为“具有导向切削件结构的旋转刮刀钻头以及利用所述旋转刮刀钻头使地下岩层预破碎的方法”的美国临时专利申请序列No.60/873,349以及提交于2007年9月27日、名称为“具有导向切削件结构的旋转刮刀钻头以及利用所述旋转刮刀钻头使地下岩层预破碎的方法”的美国专利申请序列No.11/862,440的提交日期的优先权，上述两篇申请的全部内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明在一些实施例中大体涉及用于钻进地下岩层的旋转刮刀钻头，更特别地，涉及具有包括导向切削件和旋转跟随的主切削件的至少一个切削件组的旋转刮刀钻头，以及利用所述旋转刮刀钻头使地下岩层预破碎的方法。
背景技术
数十年来，人们使用旋转刮刀钻头对地层进行钻进，已经在刮刀钻头顶冠上使用各种尺寸、形状和图案的天然和人工合成金刚石作为切削元件。刮刀钻头在许多地层中可以提供优于牙轮钻头或孕镶金刚石钻头的钻进速度(ROP)。
在过去的几十年里，利用聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件或切削件提高了旋转刮刀钻头的性能，所述切削件由在高温、高压条件下形成在碳化物基底上的平面金刚石切削元件或台组成。PDC切削件形成为各种形状，包括圆形、半圆形或墓石形，这些是最常使用的结构。典型地，PDC金刚石台形成为使所述台的边缘与支撑的碳化物基底共面或者所述台可以悬挂或略微底切，在所述台的后缘处形成“唇部”，以便在切削件进入被钻地层时延长其磨损寿命。已经证明，装有PDC切削件(例如，可以硬钎焊到钻头表面上的凹窝、从所述表面伸出的刮刀上的凹窝中，或者安装到插入钻头体中的柱块上)的钻头在钻进具有低到中等压缩强度的地下岩层时可以实现高ROP。PDC切削件给钻头设计师提供了各种改进的切削件分布和朝向，顶冠结构，有利的优化喷嘴布置以及其它设计选择，在以前，这些对于小天然金刚石或人工合成金刚石切削件来说不可能实现。尽管PDC切削元件在钻进许多地下岩层时提高了钻头效率，但是，PDC切削元件在操作暴露于钻进工况时易于磨损，从而缩短了旋转钻头的寿命。
热稳定金刚石(TSP)是另一种人工合成金刚石、PDC材料，其可用作旋转刮刀钻头的切削元件或切削件。TSP切削件(必须使用催化剂以促使在由此去除的结构中形成金刚石对金刚石结合)具有优于PDC切削件的热性能。与坚硬和磨蚀性岩石钻进应用相关的高摩擦热使切削边缘温度超过PDC的热稳定性，而TSP切削件在更高的工作温度下仍然保持稳定。这个特性还使它们焙烧到基体型旋转刮刀钻头的表面中。
尽管PDC或TSP切削元件与其它切削元件类型相比在钻进期间提供了更高的ROP并具有更少的磨损，但仍然希望进一步延长旋转刮刀钻头的寿命以及延长切削件寿命，不管所用切削件类型如何。工业领域的研究人员很早就认识到，当切削元件磨损，即在钻进期间磨损平面产生并形成在与地下岩层接触的每个切削元件上时，钻进速度(或ROP)降低。特别是当其它钻进参数保持不变时，钻进速度的降低表示旋转刮刀钻头磨坏。各种钻进参数包括地层类型、WOB、切削件位置或刀面角、切削件数量、切削件密度、钻进温度和RPM，例如但不限于此，并且还包括地层钻进领域技术人员所了解的其它参数。
尽管研究人员不断研究和寻找更为耐用的切削件以及对切削件性能的一般性改进，但他们未能找到或实现通过利用切削元件磨损率保持或增大钻进速度或ROP来实现延长刮刀钻头寿命的工程方法。在这个方面，尽管ROP在很多情况下是辨别钻头性能的关键属性，但是人们希望采用或利用切削元件磨损来延长或改善刮刀钻头的寿命。
因此，人们希望改进或延长旋转刮刀钻头的寿命，而不管被钻地下岩层的类型如何。人们还希望通过使切削件有利地定向和定位在钻头体上来延长旋转刮刀钻头的寿命。
发明内容
因此，本发明提供了一种具有导向切削件结构的旋转刮刀钻头。旋转刮刀钻头的寿命通过导向切削件结构而延长，使钻头更为耐用并且延长了切削元件的寿命。另外，位于旋转刮刀钻头上的导向切削件结构增强了被钻地下岩层材料的破碎，延长了钻头寿命并减少了切削件上的应力。
根据本发明的实施例，提供了一种为地层破碎而构造的旋转刮刀钻头。旋转刮刀钻头包括具有端面的钻头体，和联接到所述钻头体端面上的多个切削件。多个切削件包括至少一个导向切削件和在旋转方向上落后于所述至少一个导向切削件的主切削件。所述至少一个导向切削件具有小于主切削件的横向宽度，并且比主切削件暴露的程度大，使得在钻进期间，在主切削件与被钻地层的一部分接触之前使该部分地层预破碎和清除。
在本发明的其它实施例中，提供了一种寿命延长的旋转刮刀钻头。旋转刮刀钻头包括钻头体和至少一个切削件组，所述切削件组包括导向切削件和联接到所述钻头体上的旋转落后的主切削件。
在本发明的其它实施例中，钻头体包括至少一个刮刀、在旋转方向上领先于导向切削件的至少一个流体流道和主切削件，所述导向切削件联接到所述刮刀上并与所述流体通道相邻，所述主切削件联接到所述刮刀上、旋转跟随所述导向切削件并且旋转远离所述流体通道。
本发明还提供了一种使用具有导向切削件结构的旋转刮刀钻头钻进地下岩层的方法。
在结合附图和所附权利要求书阅读本发明的各种实施例的详细说明的情况下，本发明的其它优点和特征将变得显而易见。
附图说明
图1显示了根据本发明第一实施例的旋转刮刀钻头的平面视图。
图2显示了根据本发明第二实施例的旋转刮刀钻头的平面视图。
图3显示了本发明第一实施例的切削件和刮刀轮廓。
图4显示了用于图1所示钻头的第一刮刀的切削件轮廓。
图5显示了用于图1所示钻头的第四刮刀的切削件轮廓。
图6显示了用于图1所示钻头的第七刮刀的切削件轮廓。
图7显示了用于具有根据本发明第三实施例的切削件组的钻头的切削件轮廓。
图8是在模拟钻井条件下累积金刚石磨损平面面积的图表。
图9是在模拟钻井条件下钻进速度的图表。
图10显示了用于具有根据本发明第一实施例的一个切削件组合组的钻头的典型地层切削部分。
图11显示了根据本发明第三实施例的切削件组的示意图。
图12显示了用于本发明第二实施例的切削件轮廓。
具体实施方式
图1显示了根据本发明第一实施例的旋转刮刀钻头110的端面视图。尽管本实施例的旋转刮刀钻头110包括九个导向器或切削件组160，但是可以想到，刮刀钻头110可以包括一个切削件组或者多于或小于九个的多个切削件组合组。在详细描述切削件组160之前，首先对刮刀钻头110进行概述。
图中的旋转刮刀钻头110是从其端面或前端112向上观察的视图，就如同观察者位于井孔的底部观察那样。如本领域普通技术人员已知的，钻头110包括例如通过硬钎焊粘结到凹窝116(如示意性示出的那样)中的多个切削元件或切削件114，所述凹窝位于在刮刀钻头110的端面112上延伸的刮刀118上。所述刮刀钻头110是包括胎体材料钻头体的钻头，本发明不限于此。钻头还可以形成为所谓的“钢质钻头体”的钻头类型或其它钻头类型。“胎体”钻头包括渗入熔融且随后可硬化的粘结剂(例如，铜基合金)中的大量金属粉末(例如，碳化钨颗粒)。此外，尽管本发明的这个实施例包括在钻头110的端面112上延伸的刮刀118，但是刮刀118的使用对于本发明而言并不是重要的，并且不限制本发明。
流体通道120位于刮刀118之间并且由固定在喷嘴口124中的喷嘴122供应以钻井液，喷嘴口124位于从压力通风系统引出的通道端部处，所述压力通风系统从位于钻头110上端或尾端处的管状柄延伸到钻头体111中。流体通道120延伸到排屑槽126，所述排屑槽沿着钻头110的侧面在刮刀118之间向上延伸。保径垫块(未显示)构成刮刀118的纵向向上延伸部并且在其径向外表面121上可以具有耐磨镶嵌件或涂层，如本领域已知的那样。从喷嘴122流出的钻井液F将地层岩屑从切削件114上冲走，所述钻井液通常穿过流体通道120径向向外流动并随后穿过排屑槽126向上流到钻柱(钻头110悬挂并支撑在所述钻柱上)和被钻地层之间的环形区域。钻井液F在钻进期间给切削件114提供冷却并且从钻头端面112上清除地层岩屑。
本实施例中的切削件114均为PDC切削件。然而，可以认识到，本发明的实施例可以使用任意其它类型的切削元件。为了在本发明的不同实施例中清楚起见，切削件显示为一体式结构以便更好地描述和介绍本发明。然而，可以认识到，切削件114可以包括材料层。在这方面，本实施例的PDC切削件114均包括粘结到支撑基底上的金刚石台，如前所述。当刮刀钻头110通过使地层与切削边缘113接触旋转时，PDC切削件114通过剪切作用从地下岩层中去除材料。在切削地层时，钻井液F磨碎地层岩屑，使颗粒混合物悬浮于其中并夹带颗粒混合物，使其通过如上所述的排屑槽126流出。
刮刀118包括形式分别为第一、第四和第七刮刀131、134和137的主刮刀，并且还包括形式分别为第二、第三、第五、第六、第八和第九刮刀132、133、135、136、138和139的副刮刀。每个刮刀118大体上从端面112纵向伸出并且通常径向向外延伸穿过端面112到达钻头体111的保径部。多个切削件114布置在刮刀131、132、133、134、135、136、137、138、139上，如图3中的切削件和刮刀轮廓130所示。图3所示的每个切削件114表示布置在钻头体111上的切削件(正如切削件轮廓领域的技术人员所能理解的那样)，从铅垂线起编为1到60号，为了描述本发明的实施例，分别以相同的数字1到61表示。每个切削件1到61包括1到12的下标，这些下标表示其在布置于刮刀118上的各个切削件排141到152中的位置。每个切削件排141到152在旋转方向上落后于紧接着其之前的切削件排。例如，切削件16和17分别包括下标1和2，这表示切削件16属于主切削件排141，切削件17属于在旋转方向上落后于主切削件排141的副切削件排142。切削件16和17均布置在第一刮刀131上。尽管切削件114呈十二排布置成在具有九个刮刀的刮刀钻头110上，但是刮刀钻头110也可以具有任何适当数量的切削件排或任何数量的刮刀。具体地，本发明的实施例特别适合于在一个刮刀上布置两个切削件排的刮刀钻头。切削件排可以由从刮刀钻头110的端面112的中心线C/L伸出的径向路径来确定，并且通过大体上沿着或靠近所述径向路径布置的一个或多个切削元件来限定。
切削件组160包括：切削件12/13；切削件16/17；切削件20/21；切削件24/25；切削件28/29；切削件32/33；切削件36/37；切削件40/41和切削件44/46。切削件组160主要位于钻头体111的顶冠区域172、侧部区域174和肩部区域175上。切削件组160还可以位于钻头体111的锥形区域170和保径区域176上，或者位于任何给定区域上，不限于此。
每个切削件组160包括具有较小横向宽度的导向切削件162，所述导向切削件在旋转方向上领先于位于大体上相同的旋转路径中(与中心线C/L大体上相同的半径处)的、具有较大横向宽度的主切削件164。图4、5和6中分别显示了切削件组160的轮廓，图4显示了用于刮刀钻头110的第一刮刀131的切削件轮廓，图5显示了用于刮刀钻头110的第四刮刀134的切削件轮廓128，图6显示了用于刮刀钻头110的第七刮刀137的切削件轮廓129。例如，主切削件17在旋转方向上落后于沿着大体上相同的旋转路径的导向切削件16，如图4所示。可选地，切削件组160可以布置在任何刮刀上，例如主刮刀、副刮刀或三次刮刀上，并且不限于此，但是在本实施例中位于主刮刀131、134、137上。
导向切削件162相对于地层具有特定的暴露量，暴露量为切削件在周围的钻头端面(例如如图6所示的刮刀端面137)上方突出的范围。沿着一个或多个刮刀分布的切削件具有如图3到6中所示的刮刀轮廓，并且在图6中以166表示。在使用中，切削件与地层接合到通常由各切削件安装于其上的钻头端面上的周围表面限制、但在其它情况下由称作穿透度或切削深度限制器限制的切削深度，这一点在本领域是已知的。较大的主切削件164(在旋转方向上落后于导向切削件162)相较于导向切削件162具有较少的暴露量。尽管在本实施例中，较大的主切削件164的暴露量不如导向切削件162，但是主切削件164可以具有相同的暴露量。当然，“较少的暴露量”可以根据地层特性、相关切削件尺寸、切削件形状、在切削件的切削面上有或没有倒角、切削件后倾角、切削件之间的旋转间距和其它因素而变化。在这个方面，选定的较少的暴露量是设计暴露量。同样，导向切削件的设计暴露量可以包括与其它主切削件相同的暴露量。在这个结构中，当较大的切削件164清除和扩大由导向切削件162在地层中形成的切口时，暴露量更多的较小导向切削件162能够施加集中的能量(所述能量由钻压(WOB)和钻头旋转施加给钻头)以使地层预先碎裂。较大切削件164可以具有各种较少的暴露量，使得当沿着图示刮刀上的切削件之间的路径间隔168切削时，在其它切削件114切削未钻地层材料之前，切削件164在大体上落后于导向切削件162的同时与地层保持连续接触。
图2显示了根据本发明第二实施例的旋转刮刀钻头210的前视图。同时还可以参考图12，图12显示了用于本发明的第二实施例的切削件轮廓230。旋转刮刀钻头210包括六个刮刀218和联接于其上的多个切削件214。为了描述本发明的第二实施例的图2和12，切削件编为1-57，刮刀钻头210还包括编为58-62的抗磨结。在这个方面，不应将用于本发明第一实施例的切削件1到61与用于本发明第二实施例的图12所示切削件轮廓230的切削件1到57和抗磨结58到62相混淆。刮刀218包括三个主刮刀231、234、237和三个副刮刀232、235、238。每个切削件1-57和每个抗磨结58-62包括分别表示其在刮刀231、232、234、235、237、238上的位置的下标1到6，并且还布置在每个刮刀231、232、234、235、237、238的切削件排241到252中。
切削件214布置在分别位于刮刀231、232、234、235、237、238上的第一切削件排241、243、245、247、249、251和第二切削件排242、244、246、248、250、252中。第二切削件排242、244、246、248、250、252均在旋转方向上落后于分别位于其前方的第一切削件组241、243、245、247、249、251。切削件214包括位于第一切削件排241、243、245、247、249、251中的较小切削元件262，其领先于第二切削件排242、244、246、248、250、252中的较大切削元件264以便在钻进期间使地层预先碎裂或改进地层碎裂。在这方面，当与大体上沿着或靠近由较小切削元件262形成的径向路径布置的第二切削件排242、244、246、248、250、252中相应的较大、主切削元件264结合考虑时，第一切削件排241、243、245、247、249、251中的较小切削元件262可以称作“导向”切削件组260。
在本发明的这个实施例中，切削件组260大体上位于刮刀钻头210的顶冠区域272中。位于顶冠区域272中的切削件214承受非常大的切削件负荷，通过给切削件组260提供分布在切削件262和264上的工作负荷，能够改善地层材料的去除，同时降低单个切削件负荷。切削件组260还可以位于钻头体111的锥形区域270、肩部区域274和保径区域276上，或者位于任何给定区域上，并且不限于此。切削件组260包括切削件11/12、13/14、15/16、17/18、19/20、21/22、25/26、29/30和33/34，如图12所示。
在本发明的这个实施例中，较小切削元件262是导向或取芯切削件，其提供了使地层破碎的主要装置，允许具有较大直径的较大切削元件264在较小切削元件262的后面(即，旋转跟随)进一步去除地层。较大切削元件264如传统刮刀钻头那样剪切地层材料，但是因为地层已经通过旋转在前的较小切削元件262碎裂并因此变弱，所以切削可以利用较少的能量完成。在这方面，较大切削元件264可以更容易地去除通过较小切削元件262(不会经受同样大的应力)弱化但未去除的地层材料。在另一方面，利用位于较大切削元件264前面的较小(导向)切削元件262去除相同数量的地层，允许较小切削元件262在工作地层上留下与磨损平面面积(如下所述)相关的较小痕迹，进而允许切削件组合(位于较大切削元件264前面的较小切削元件262)在切削件214磨损时长时间地保持提高的效率(同样就如下所述的磨损平面面积而言)。
图7显示了用于具有根据本发明第三实施例的切削件组360的钻头310的切削件轮廓330。切削件组360包括第一切削件362和第二切削件364，两者联接到钻头310的钻头体311上。第二切削件364大于第一切削件362，暴露量小于第一切削件362并在旋转方向上落后于第一切削件362。尽管第二切削件364在旋转方向上落后于第一切削件362，但是它只需要沿着由钻头310旋转产生的大体上相邻或类似的旋转或螺旋路径旋转尾随。假定用于粉碎地层的外加力在钻头310上保持不变，则与具有较大表面区域365的第二切削件364相比，第一切削件362由于其较小的表面区域363和接合切削边缘对地层施加较大的应力。在这个方面，第一切削件362由于其每单位面积施加的较大作用力而提供用于预先碎裂的主要作用力，而第二切削件364能够利用其每单位面积施加的较小作用力清扫和打开地层中的切口。
首先，在地层钻进时，即，在切削件114上形成磨损平面之前，由钻柱提供的能量主要传递给切削件362和364并分别通过其表面区域363和365，给地层施加应力以使其破碎(穿透力)。还可以参考图11，其中显示了当切削件362和364磨损时，在正常的切削面380和381上分别形成磨损平面区域。当磨损平面区域在正常切削面380和381上增加或增大时，缩进力增大，需要更大的WOB以获得给定的切削深度。尽管传统的切削件存在能量传递效应，但是本发明的实施例通过优化切削件组360的相互作用来有利地利用和控制磨损平面区域的增大，从而在钻进期间通过减少切削件磨损来保持较低的所需WOB，进而提高和延长了刮刀钻头310的寿命。
在本发明的实施例中，刮刀钻头的寿命同大体上等效的传统刮刀钻头相比得以延长。具体地，通过使用较小直径或横向宽度，在具有较大横向宽度或直径的较大切削件之前的、具有较宽或落后间隔的旋转在先的切削件沿相同的径向路径运行，因此需要的切削件密度变少，即，切削件密度在与类似的常规钻头相比时减小，但是也可以使用相同的切削件数目。与具有相同切削件数量的常规钻头相比，切削件密度实际上在地层上留下了较小的痕迹，能够在切削件磨损时产生更大的穿透度。在这个方面，由切削件留在地层上的较小痕迹改进了能量传递，特别是改进了施加给钻头的作用力，从而可以更有效地长时间使用切削件。
图10显示了用于具有根据本发明第一实施例的一个切削件组合组160的钻头110的典型地层切削部分167。当从地层中的钻孔底部向上观察时，显示了朝向钻头110观看的切削部分167。切削件组合组160包括在旋转方向上领先于较大切削件164或位于其前面的较小切削件162。切削件组合组160的切削件162、164以组合方式定位在钻头110的钻头体的刮刀118上，以便在钻进时有助于地下岩层的预破碎和去除，从而到达切削部分167。较大切削件164的切削面以旋转部分或间隔161落后于较小切削件162的切削面，并且切削件162、164位于刮刀118上，使得切削件162、164的中心位于略有不同或大体上相同的径向路径上。径向路径169表示在钻进期间切削地层时切削件162、164移动的螺旋路径。较大切削件164的暴露量比较小切削件162略小。在这个方面，较小切削件162使地层预破碎，此后，暴露量较小的较大切削件164在切削时扩大切削部分167并去除额外的地层材料。较少的暴露量由希望的ROP以及旋转部分或间隔161决定。在本实施例中，当希望的ROP增大或者旋转间隔161增大时，切削件164的设计“较少的暴露量”有必要增大以便允许较小切削件162主要接触地层，较大切削件164尾随旋转以达到切削部分167。
如本发明的其它实施例一样，切削件162、164之间的旋转间隔161可以使得较小切削件162与第一切削件排141内的其它切削件114对齐，并且较大切削件164与第二切削件排142内的其它切削件114对齐。可选择地，旋转间隔161可以更大或更小，使得切削件162、164定位于其自身的切削件排中。
如文所述，较小切削件162和较大切削件164均为PDC整圆面切削件，其能提供用于多种地层类型的适当切削能力。可选地，较小切削件162和较大切削件164可由不同的切削元件材料制成，所述材料例如为TSP，但不限于此，可以包括适合于切削不同地层类型的各种切削件形状，例如，划割切削件，但不限于此。
示意性地，图10显示了在切削件162、164开始产生磨损平面之前的地层切削部分167。当钻头110磨损时，在切削件162、164上产生磨损平面190。当钻头110继续磨损时，磨损平面190的表面区域191继续增大。其它切削件114在钻头110磨损时也形成磨损平面。磨损平面190表示通常沿钻头110的法线方向与地层形成接触的切削件的切削区域。当磨损平面190的表面区域191增大时，利用切削件穿透地层所需的作用力增大，最终减少了用于穿透的作用力(或能量)大小，导致ROP降低。同样，当钻头110磨损时，用于穿透地层的能量传递的增大加快了磨损平面增大的速率，最终缩短了钻头110的寿命。有利地，在与常规钻头比较时，该钻头110的寿命因切削件组合组160而延长。切削件组合组160将工作载荷分配到切削件162、164上。具体地，较小切削件164使地层预破碎，较大切削件162扩大预破碎的地层，降低了切削件组160上的应力，允许钻头110的磨损平面区域191以用于给定ROP的较低速率增大。
图8和9显示了通过使用本发明实施例获得的性能改善。对于在相同钻井条件下进行模拟的两种不同的刮刀钻头来说，图8是累积金刚石磨损平面面积的图表400，图9是钻进速度的图表410。
图8的图表400包括竖轴和横轴，所述竖轴表示以平方厘米(显示为以平方英寸计)计的所有切削元件的总金刚石磨损平面面积，所述横轴表示以米(显示为以英尺计)计的钻进距离。图9的图表410包括竖轴和横轴，所述竖轴表示以米/小时(显示为以英尺/小时计)计的钻进速度(或ROP)，所述横轴表示以米(显示为以英尺计)计的钻进距离。图8和9所示结果以刮刀钻头的计算机模型为基础，所述刮刀钻头在单个、坚硬的研磨砂岩地层中钻凿竖孔，同时在整个钻进过程中以120RPM的恒定钻头转速保持11,340Kg(25,000lbs)的WOB。钻头的尺寸为20厘米(7.875英寸)并且包括相同数量的钻头刮刀。同样，模拟实验通过给钻头提供冷却流体将钻头温度保持在100度。另外，在模拟实验的模型中没有动态功能异常和偏置作用力。
图8和9分别显示的402和412为常规钻头。图8和9分别显示的404和414为根据本发明实施例的导向切削件钻头。两种钻头具有相同数量的切削元件；在这个方面，常规钻头和导向切削件钻头在设计上功能相同。然而，常规钻头的实际金刚石或切削件密度大于导向切削件钻头，即，由于所用的较小或导向切削元件使导向切削件钻头的金刚石密度较小。金刚石或切削件密度是切削件面积、切削件尺寸以及钻头上的所有切削件的切削件体积(例如，但不限于此)的度量。查看图表400，常规钻头的磨损平面区域402以比导向切削件钻头的磨损平面区域404更快的速度增大。在这个方面，导向切削件钻头的寿命长于常规钻头的寿命。
查看图表410，对于给定的钻进距离来说，导向切削件钻头的钻进速度414大于常规钻头的钻进速度412，对于如图表400所示的相同钻进距离来说，相应地与磨损平面面积相关。因此，通过提供根据本发明实施例构造的钻头，切削元件的磨损平面面积的增大速率降低，并且与常规钻头相比，对于给定距离来说，还减少了在运行过程中的ROP的减小。
同样，在给定的钻进距离处，导向切削件钻头的钻进速度414大于常规钻头的钻进速度412，这在一定程度上是因为：不管两个钻头是否具有相同的切削件数量，“导向切削件”钻头可以具有较低的切削件密度。在这个方面，当导向切削件钻头的切削件磨损时，在钻头寿命期间相对地保持较小的“痕迹”或磨损平面面积，提供更大的作用力(即，能量)以去除和穿透地层，给所述“痕迹”或磨损平面区域提供更小的作用力。在常规钻头中，在一定程度上由于其较大的金刚石密度，更大的作用力(即，能量)传递给钻头的“痕迹”或磨损平面区域，加速了磨损平面增大，缩短了钻头的钻进寿命。
在本发明的实施例中，主切削件或较大切削件能够以尽可能地密集但又不与其它切削件干涉的方式隔开。因为导向切削件或较小切削件领先于较大切削件，导向切削件将以更宽的间距隔开，切削件密度将小于通常为类似钻头轮廓所考虑的情形。增大导向切削件和较大切削件的间隔通过留下与常规钻头切削件相比更小的“痕迹”或磨损平面面积而延长了钻头寿命，另外，提高了在刮刀钻头寿命期间切削件磨损时的钻进速度。通过使导向切削件位于刮刀钻头上来增大切削件的间距，可以允许更多的钻头或刮刀主体材料围绕切削件，提供额外的表面区域来吸收可能损坏主切削件或导向切削件的各种冲击或者动态功能异常能量。
在本发明的实施例中，主切削件或较大切削件可以具有设计的暴露量。在导向切削件包括比主切削件小的切削件密度的大体上相同的旋转路径上，对于导向切削件和在旋转方向上落后于该导向切削件的主切削件来说，设计暴露量可以包括相同的暴露量。
在本发明的其他实施例中，所有的主切削件或较大切削件可以具有一设计暴露量，所有的导向切削件可以具有一设计暴露量。在每个导向切削件和每个主切削件群的每个大体上相同的旋转路径上，对于所有导向切削件和在旋转方向上落后于每个导向切削件的所有主切削件来说，设计暴露量可以包括相同的暴露量。每个导向切削件包括小于每个主切削件的切削件密度。
在本发明的其他实施例中，所有的副切削件可以具有一设计暴露量，所有的导向切削件可以具有一设计暴露量。在每个导向切削件和每个副切削件群的每个大体上相同的旋转路径上，对于所有导向切削件和在旋转方向上落后于每个导向切削件的所有副切削件来说，设计暴露量可以包括相同的暴露量。每个导向切削件包括小于每个主切削件的切削件密度。
在本发明的其它实施例中，所有的主切削件可以具有一设计暴露量。对所有主切削件来说，设计暴露量可以包括相同的暴露量。一部分主切削件位于钻头体的刮刀上，大体上落后于排屑槽，所述排屑槽直接在旋转方向上领先于刮刀，其它主切削件沿着每个导向切削件和每个主切削件群的大体上相同的旋转路径在旋转方向上落后于位于刮刀上的它们各自的导向切削件。至少一个导向切削件包括小于刮刀上在旋转方向上落后于该导向切削件的主切削件的切削件密度。
尽管已经显示和描述了本发明的特定实施例，但许多变形和可选实施例对于本领域技术人员来说显而易见。因此，本发明只受到所附权利要求的限制。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种旋转刮刀钻头，包括：
具有端面(112)、刮刀(118)和纵向轴线(C/L)的钻头体(110)，所述钻头体(110)构造为围绕所述轴线(C/L)旋转，所述钻头体(110)具有锥形区域(170)，顶冠区域(172)，肩部区域(174)，侧部区域(175)以及保径区域(176)；
至少一个导向切削件(162)，所述导向切削件(162)位于所述刮刀(118)上，具有第一直径，并且布置在距离所述纵向轴线(C/L)预定半径处，并且包括以第一暴露量至少部分地从所述端面(112)伸出的具有第一横向宽度的切削表面(113)；和
至少一个主切削件(164)，所述主切削件具有比所述至少一个导向切削件(162)的第一直径大的第二直径，其位于所述钻头体(110)的所述刮刀(118)上，且位于钻头体(110)的顶冠区域(172)中或者位于所述肩部区域(174)中，并且布置在距离所述纵向轴线(C/L)大体上相同的半径处，并且所述至少一个主切削件(164)包括以第二暴露量至少部分地从所述端面(112)伸出的具有第二宽度的切削表面(113)。
2.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，就预期的钻头旋转方向而言，所述至少一个导向切削件(164)在所述至少一个主切削件(162)之前。
3.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个主切削件(162)的第二暴露量是具有较少暴露量的暴露量，所述较少暴露量相对地小于或等于所述至少一个导向切削件(164)的第一暴露量。
4.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个主切削件(162)的第二暴露量小于所述至少一个导向切削件(164)的第一暴露量。
5.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个导向切削件(162)的第一暴露量小于所述至少一个主切削件(164)的第二暴露量。
6.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述至少一个导向切削件(162)和至少一个主切削件(164)中的至少一个为热稳定金刚石切削件和聚晶金刚石复合片切削件中之一。
7.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，第一切削元件(162)具有较小横向宽度，在旋转方向上落后于所述第一切削元件(162)的第二切削元件(164)具有较大横向宽度，所述第二切削元件(164)的暴露量小于所述较小切削元件(162)的暴露量。
8.如权利要求1所述的旋转刮刀钻头，其中，所述钻头体(110)包括从所述端面(112)伸出并且具有第一切削件排(141，145，149)和在旋转方向上落后于所述第一切削件排(141，145，149)的第二切削件排(142，146，150)的多个刮刀(118)，所述导向切削件和所述主切削件包括位于第一切削件排(141，145，149)中的第一切削元件(162)和位于第二切削件排(142，146，150)中的第二切削元件(164)，所述第一切削元件(162)具有横向宽度较小的切削表面(113)，所述第二切削元件(164)具有横向宽度较大的切削表面(113)。
9.如权利要求8所述的旋转刮刀钻头，其中，所述第一切削件排(141，145，149)和所述第二切削件排(142，146，150)大致从所述钻头体(110)的纵向轴线(C/L)径向向外延伸。
10.一种使用包括导向切削件结构的旋转刮刀钻头使地下岩层预破碎的方法，包括：
提供包括钻头体(110)和至少一个导向切削件组(160)的旋转刮刀钻头，所述钻头体(110)具有端面(112)、刮刀(118)和轴线(C/L)并且构造为围绕所述轴线(C/L)旋转，所述导向切削件组(160)包括位于所述钻头体(110)的所述刮刀(118)的顶冠区域(172)或侧部区域(174)上的两个切削件(162、164)，每个切削件包括至少部分地从所述钻头体(110)的所述端面伸出的切削表面(113)，两个切削件(162，164)中的一个(164)定位成在所述钻头体(110)围绕其轴线(C/L)旋转时沿着切削路径大体上旋转追随两个切削件(162，164)中的另一个(162)；所述两个切削件(162，164)中的旋转追随的所述一个(164)具有所述两个切削件(162，164)中的最大直径；
使所述旋转刮刀钻头在钻压下旋转以使地下岩层与所述至少一个导向切削件组的旋转在先的切削件(162)接合，从而沿着切削件路径预破碎地层并去除一部分地层材料，以及使地层与位于与旋转在先切削件接合的那部分的横向外侧的、旋转追随的切削件(164)接合以去除附加的地层材料。
11.如权利要求10所述的方法，还包括避免位于旋转追随的切削件紧下方的地层与所述旋转追随的切削件有实质性接合。
12.如权利要求10所述的方法，其中，提供包括至少一个导向切削件组(160)的旋转刮刀钻头包括提供多个导向切削件组(160)。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述至少一个导向切削件组(160)包括聚晶金刚石复合片切削元件(114)。