在地层内钻井眼的钻头、钻井系统和方法.pdf

在地层内钻井眼的钻头，钻头有中央纵轴线并可以至少以绕所述中央纵轴线旋转的方式运转，其运转也可以包括对钻头施以纵向往复运动从而对井眼底施加冲击力。所述钻头包括安装多个旋转切割刀(9)的表面。所述旋转切割刀有前刀面，其目的是在旋转运动时引起沿井眼底的刮削运动。所述前刀面在运行中面向旋转方向后倾角小于90度。所述后倾角定义为位于中央纵轴线和旋转切割刀切向速度分量方向限定的平面上的垂直于所述倾斜面的投影与垂直于所述纵轴线的平面之间的夹角。一个或数个旋转切割刀除了有这种前刀面外还有实质上平行于所述纵轴线垂直面的预切平的冲击面(19)。

权利要求书

在地层内钻井眼的钻头、钻井系统和方法
技术领域
本发明涉及用于在地层内钻井眼的钻头。所述的钻头有中央纵轴线并可以至少以绕所述中央纵轴线旋转的方式运转，其运转也可以包括对钻头施以纵向往复运动从而对井眼底施加冲击力。
本发明还涉及用于在地层内钻井眼的钻井系统，它包括安装了上述钻头的钻柱并使用把井眼钻入地下地层的方法。
本发明也涉及在地层内钻井眼的方法。
技术背景
包括冲击切割钻头的钻井系统已公知，它披露于美国专利第6,253,864号。所述美国专利的图4示出了一种冲击切割钻头，所述的钻头有整体的主体、与钻柱连结的装置和安装多个切割元件的多个叶片。液流出口位于所述整体的主体头上各叶片之间。所述叶片包括多个安装切割元件的插座和一个在所述切割元件之前沿叶片延伸的架子，所述架子的作用是把切屑从钻头的工作面引导走。
在运行中，这种现有的冲击切割钻头绕其纵轴线旋转，随着钻头的旋转切割岩层。同时用锤冲击钻头，借此另外施加冲击钻力。所述切割元件是专门设计的，能经受冲击钻进和旋转切割钻进联合引起的超常应力，因为切割刀的远端部分制成圆形的，防止所述切割刀内大的局部应力。因此得知在所述切割元件内兼顾平衡了旋转切割和轴向切割。
现已发现这种现有的钻井系统在钻某些种类的地层时有粘滑扭转振动的危险。发生这种情况时钻头卡到地层内停止不动而钻柱由于地面旋转驱动装置的驱动拧转直至因为比较高的旋转速度突然解脱。这种粘滑扭转振动不时发生，高速旋转与粘滑扭转振动结合可能严重损坏钻头上的刀具。
发明内容
根据本发明的第一方面提供一种在地层内钻井眼的钻头，钻头有中央纵轴线并可以至少以绕所述中央纵轴线旋转的方式运转，其运转也可以包括对钻头施以纵向往复运动从而对并眼底施加冲击力。所述钻头包括安装多个旋转切割刀的表面。所述旋转切割刀有前刀面，其目的是在旋转运动时引起沿井眼底的刮削运动。所述前刀面在运行中面向旋转方向后倾角小于90度。所述后倾角定义为位于中央纵轴线和旋转切割刀切向速度分量方向限定的平面上而垂直于所述前刀面的投影与垂直于所述纵轴线的平面之间的夹角。一个或数个旋转切割刀除了有这种前刀面外还有实质上平行于所述纵轴线垂直面的预切平的冲击面。
现已得知，安装有预切平的冲击面的旋转切割刀的钻头在钻井系统中引起的粘滑扭转振动模式减少。本发明人无意受这一原理限制，但认为粘滑扭转振动趋于减少是因为预切平的冲击面与以比较尖锐的顶缘为端部的前刀面相比突入井眼底的硬物质的能力低一些。在钻头同时承受冲击时情况特别是这样的。
现已发现钻头也承受冲击时旋转切割刀的预切平的冲击面比没有预切平的冲击面的旋转切割刀更抗磨。这可能是平的冲击面的冲击应力分布效应的结果。
在本发明的特别优选的实施例中，钻头除了有预切平的冲击面的旋转切割刀之外还安装多个轴向刀，所述轴向刀有面向下的拱顶形或实质上半圆形切割面。因此这种钻头特别适合冲击作业。
这种轴向刀能最佳化承受轴向冲击而无需旋转切割能力。因此，这些轴向刀与旋转切割刀相比没有引起粘滑扭转振动的倾向，从而可以在不增加引起粘滑扭转振动危险的情况下安装于钻头上。
安装了这种轴向刀，任选的冲击力分布于更多的切割元件上，因此钻井系统的工作寿命延长。
这种轴向刀的另一优点是轴向刀可以最佳化抗轴向冲击，而旋转切割刀可以无需考虑轴向切割能力单独最化地用于旋转切割。
具体地说，旋转切割刀可以具有比轴向刀高的旋转切割效率，轴向刀可以比旋转切割刀更抗轴向冲击。
根据本发明的第二方面，提供一种在地层内钻井眼的钻井系统。所述系统包括安装了根据本发明第一方面的钻头的钻柱，还包括使钻头在井眼内绕其中央纵轴线旋转的旋转驱动装置从而引起所述旋转切割刀沿井眼底的刮削运动。
所述钻井系统还可以有轴向驱动装置，用于引起钻头在井眼内地纵向往复运动从而对井眼底施加冲击力。
根据本发明的第三方面，提供了向地下地层内钻井眼的方法。所述方法包括下面步骤：设置根据本发明第二方面的钻井系统；把钻头放到要钻的地下地层上；在对地层上的钻头保持一个力的同时使钻头绕纵轴线旋转；任选地对钻头间歇地提供冲击。
附图说明
图1a是根据本发明的6”的3叶片冲击钻头的透视图。
图1b是图1a所示冲击钻头的钻头面的顶视图。
图2示意地显示各种有预切平的冲击面的旋转切割刀。
图3a是本发明另一实施例的6”的4叶片冲击钻头的透视图。
图3b是图3a所示冲击钻头的钻头面的顶视图。
图4是根据本发明又一实施例的8”8叶片冲击钻头的钻头面的顶视图。
图5是刀具结构的示意断面图。
图中相同的零件用相同的标号标记。
具体实施方式
现在以举例的方式参照附图说明本发明。
图1a示出的是根据本发明的3叶片冲击钻头的透视图。所述钻头有在中央纵轴线周围纵向延伸的杆部1，所述杆部特别适合装在钻柱内。杆部1的后端连结于冲击面2，以承受冲击锤冲击，优选地，冲击锤是往复式活塞锤(未显示)。杆部的前端连结于钻头3。杆部1有沿自身纵向延伸的多个键4。键4起旋转地连结钻柱与杆部1的作用，从而钻头可以以既轴向冲击又绕中央纵轴线旋转的方式运行。
现在参看图1a和1b，钻头3有3片从其自身突起的叶片61、62和63。在叶片61、62、63之间有相对于这些叶片凹进的区域，从而形成流动通道71、72、73。所述流动通道71、72、73实质上沿钻头3径向延伸。
钻头3内有供钻井液通过的中央通道8。除了中央通道8之外，还可以在叶片61、62、63之间的流动通道71、72、73内设置通道81、82、83；也可以没有中央通道8只安装通道81、82、83。这些通道都连结于穿过杆部1的中央纵向孔(未显示)。
在钻油气井的作业中，钻柱一般顺时针方向旋转。图1a和1b中的箭头5示出的是作业中施加于钻头的旋转方向。
因此，相对于所述旋转方向5，叶片61、62、63各有前缘91、92、93。旋转切割刀9分别成排地安装于各叶片61、62、63的前缘91、92、93上。各排旋转切割刀9分别与一条流动通道相关，相对旋转方向，此流动通道位于这排切割刀9的直接前方。旋转切割刀9的形状最适合于沿井眼底刮削，从而从井眼底把地层切割为碎屑。旋转切割刀9除了有倾斜面外还在其远端部分设有预切平的冲击面19，这将在下面参照图2更详细地论述。
在各排旋转切割刀9之后，因此也就是在叶片61、62、63上相对于各排旋转切割刀9后面的位置上安装轴向刀10、11。所述轴向刀10、11的形状最适合于在井眼底轴向凿地层，从而可以使地层破碎。
在叶片61、62、63的外周部分可以安装保径器12，优选地，所述保径器有多晶金刚石涂层。
旋转切割刀9是多晶金刚石成形刀。图2示意地显示这些旋转切割刀上有预切深度为1mm、2mm和3mm的预切平的冲击面19。所述预切深度相当于预切平的冲击面与顶点18之间的垂直距离，顶点18是旋转切割刀体外壳与前刀面的交会处。例如，这些旋转切割刀的前刀面的后倾角为40度，但小于90度的任何角度都可以用。预切平的冲击面19的冲击面后倾角大于前刀面的后倾角。冲击面后倾角实质上为90度时会获得最佳结果。
可以看出，预切平的冲击面的面积随预切深度的增加而增加。优选地，预切深度在1mm与3mm之间。
图3a是本发明有4片叶片6并相应地有4条流动通道的钻头的一个变型的透视图，图3b是其顶视图。在其它方面本变型与图1a和1b所示之变型相同。具体地说，预切平的冲击面，以及，优选地，还有各叶片前缘上的成排的旋转切割刀9的位置和与成排的旋转切割刀9相对在其后面的轴向刀10、11的位置都与所述第一实施例相同。
上面参照图1a、1b和图3a、3b论述的冲击钻头的外周直径是6英寸，相当于大约15厘米。图4中示出的是钻头面的外直径为8英寸(相当于大约20厘米)的实施例。此实施例是基于8片叶片6和相应数目的流动通道7。各个流动通道7都设有通道81，所述通道81能使钻井液进入各自的流动通道。因为图4的钻头面的直径大于图1和图3所示的钻头面的直径，所以可以容纳更多的旋转切割刀9和轴向刀10、11。
在上述图3a、3b和图4中所示出的冲击钻头中，所述第一排内的各旋转切割刀和另一叶片上的第二排内的各旋转切割刀在径向位置上互不相同。这样，钻头旋转时，一排内相邻旋转切割刀之间的间隙被不同叶片上的下一排内的旋转切割刀覆盖。理想的是各个旋转切割刀总体圆轨迹略有重叠，从而在井眼底的大部分区域内旋转切割刀切割带是连续的。
图5示意地显示刀具的结构，是沿切向横断面示出。能看见的是叶片6及其前缘91。旋转切割刀9安装于所述前缘91上或邻近它，用以旋转切割地层13并把切割屑20刮入流动通道71内。相对于旋转运动方向5，在旋转切割刀9之后有轴向刀10。
旋转切割刀9有\--/形横断面，其前斜边相当于所述前刀面。其底边19实质上垂直于钻头中央纵轴线延展，在正常运行中实质上平行于井眼底的预切平的冲击面。其后斜边相当于用硬材料制造的旋转切割刀体14，适合的硬材料是碳化钨。
面向相关的流动通道71的前刀面覆盖多晶金刚石层15。这种有多晶金刚石切割面的旋转切割刀称为多晶金刚石成形刀，即，PDC刀。预切平的冲击面根据前刀面的后倾角、多晶金刚石层15的厚度和预切深度只暴露多晶金刚石层15或者在图5的情况下还露出旋转切割刀杆部。
轴向刀10设有轴向刀柄16，所述轴向刀柄至少在一边有半圆形或圆拱形切割面17。所述轴向刀用硬材料制造，碳化钨是适合它的材料。所述轴向刀也可以有多晶金刚石层，从而成为PDC轴向刀。
为了保护旋转切割刀9不受冲击，旋转切割刀9可以相对于轴向刀10、11缩进安装，从而轴向刀10、11先于旋转切割刀9碰到井眼底的岩石13上。理想的是在轴向刀10、11刚开始钻进岩石13的新碎屑时这种缩进安装使旋转切割刀9高于井眼底的岩石13，高出的高度相当于缩进的量。冲击接着进行时，旋转切割刀9最后钻进的深度小于轴向刀10、11析钻进深度相当于缩进的量。不管缩进量多大都对旋转切割刀的工作寿命有利，但推荐缩进量至少0.25mm，而优选地则为至少0.50mm。
在图1a和1b、图3a和3b及图4所示之各实施例中，最外面的轴向刀11是PDC轴向刀而其它的轴向刀10则是碳化钨轴向刀。因此，在这些钻头面上，这些最外面的轴向刀11比其余的轴向刀10更硬和/或更抗磨。
在运行中，这种冲击钻头安装于钻井系统内，由钻柱固定，所述钻井系统还包括：
—旋转驱动装置，用于使钻头在井眼内旋转从而引起所述旋转切割刀沿井眼底的刮削运动；还可以包括
—轴向驱动装置，用于使钻头在井眼内纵向往复运动从而至少引起轴向刀对井眼底施加冲击力。所述旋转(或第一)和轴向(或第二)驱动装置可以同时工作。轴向驱动装置由锤形成较好，往复式活塞锤更好。在钻井作业中，钻井液被泵送穿过钻柱，钻柱与通道8、81、82、83流体连通。适合用作钻井液的有泥浆、水、油或泡沫，可以根据所钻地层的不同种类而用不同的钻井液。
正如从图5内可以见到的那样，轴向刀10、11和旋转切割刀9都与地层13接触，从而冲击力分布于尽可能多的刀具。因此，刀具的工作寿命也就尽可能长。为了减少冲击应力集中对旋转切割刀的作用，如上所述在各旋转切割刀上设置预切平的冲击面。所述预切平的冲击面，也可以看作预切的抗磨平面，对减少钻井系统内激发所谓的粘滑扭转振动的倾向有益。
刀下的地层13由于轴向冲击而破碎。旋转切割刀9随着钻头旋转而刮削井眼底表面并从切屑和钻井液中聚集岩粉和碎片。这些聚集的岩粉和碎片被推到旋转切割刀9的前面，这里有钻井液沿径向向外方向流的流动通道7。刮削下的屑料从这里被冲到井眼的环状套筒并从井眼底部移走。
为了进一步帮助把刮削下的屑料经各流动通道冲走，各旋转切割刀的所述前刀面可以有相对于钻头径向的第二倾斜面，所述第二倾斜面使得旋转切割刀的所述前刀面能把从岩层切割下的岩屑沿径向向外方向推或沿径向向内方向推。
适合上述钻头运转的典型条件包括加在钻头上的重量在3到6公吨之间。每次冲击施加在钻头上的冲击能量可以在0.3千焦耳与5千焦耳之间。一般地说，钻井系统可以在9和30赫兹之间的冲击频率下用10与50千瓦之间的冲击能量工作。
上面说明的钻头都既有旋转切割刀又有轴向刀。可是，因为无论是这两者的功能还是预切平的冲击面的功能都不决定于是否有轴向刀，所以具有预切平冲击面的旋转切割刀也可以在没有轴向刀的情况下用于钻头并可以在有或没有冲击运动的情况下以旋转运动的方式运行。
另外，上述各实施例的钻头，举例为外直径6英寸和8英寸。应该了解可以以类似的方式用其它大小的直径。同样，本发明不限于所示之叶片数。可以安装任何数量的叶片。