[发明专利]带有用于减少刀具露出量的支承元件的钻头

说明书

本申请要求2005年12月14日递交的美国临时申请No.60/750,647的优先权，其公开内容在此全部引入作为参考。

技术领域

本发明涉及用于地下地层钻井的旋转式钻地刮刀钻头，及这样钻头的操作。更具体地，本发明涉及改进钻头的设计以包括支承元件，以便将切削元件或刀具在钻头冠部上的露出量有效减小可容易地预测的量，以及在控制刀具加载或切削深度方面用于优化钻头性能。

背景技术

带有聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件或刀具的钻头已经证明在具有低到中压缩强度的地下地层钻井中获得高钻井速度(ROP)方面非常有效。PDC刀具通常包括在高压和高温情况下形成在支撑基底上并结合至支撑基底的圆盘状金刚石Atable@，其可由碳化钨硬质合金(WC)形成，但是其他刀具结构和基底材料在本领域也是公知的。最近在关于钻头面和、刀具设计和钻井液(drilling fluid)配方的液压流动方式设计方面的改进通过增加可能在超过钻头能力之前切削的地层材料及其用于将钻屑从钻头面清除的相关钻井液的体积，而减小了这种钻头现有的值得注意的到Aball@的趋势。

旋转式钻地刮刀钻头体可通过在石墨或其他材料块中铣制空腔并且将插入物或刀具置换物引入铣制空腔中而制造。模具空腔表面形成在钻头表面的区域，而刀具置换物和其他插入物可在钻头体表面上形成凹部，在钻头主体内形成空腔。一旦任何插入物和置换物已经设置在模具空腔内，例如碳化钨等微粒材料可引入模具的空腔中。之后，渗透剂或粘结剂材料可引入空腔中以将微粒彼此固定。刀具置换物和其他插入物可在渗透工艺后从钻头体去除，其后，例如刀具和液压喷嘴等其他元件可与钻头体装配在一起并且固定到钻头体。

钻头扭矩(TOB)与钻压(WOB)的关系可用作刀具切削能力指标，TOB与WOB的比率对应于刀具相对于钻头冠部或冠部锥形露出或定向而具有的切削性。当刀具放置在已经利用标准刀具置换物形成的空腔中时，其可露出足够的切削距离，以至于可能发生本领域中称为“过载”的现象，甚至当低WOB施加到安装钻头的钻柱时也会如此。该现象随着刀具的露出和定向出更多而更可能发生。过载在低压缩强度地层中特别显著，在在低压缩强度地层中，在非常低的WOB下可获得较大的切削深度(DOC)。过载也可由于钻柱反弹而产生或加剧，其中钻柱的弹性造成对钻头施加不稳定或不一致的WOB。而且，当具有由空腔承载的刀具的钻头在非常高的DOC下操作时，可能产生太多钻屑，多于能从钻头面连续清除并且通过钻头面上的排屑槽沿着井眼环面向后引导的钻屑，这可能导致钻头泥包。

当从较高地层压缩强度区或层到“较软”的低压缩强度区钻井时，可能发生另一个问题，该问题可能由设置在旋转钻孔钻头冠部上的刀具过多露出时造成。当钻头从较硬的地层钻入较软的地层而没有改变施加的WOB时，或在定向钻头可能改变WOB之前，PDC刀具的钻入进而钻头上的合成扭矩(TOB)几乎瞬间增加，并且增加相当大的值。突然变高的扭矩又可造成对刀具和/或钻头体的损坏。在定向钻井中，这样的变化造成定向组件(随钻测量或MWD或导向工具)的工具表面方向(TFO)变动，使得定向钻孔机很难沿着计划的用于钻头的定向路径。因而，可能需要定向钻孔机从钻井底部退出钻头来重新设置或重新定向工具表面，这可能花费相当长的时间(例如达一小时)。另外，井下马达，例如通常结合可操纵井下组件的用于定向钻井操作的钻井液驱动Moineau式马达可能在突然扭矩增加的情况下完全停机，可能造成马达损坏。即，钻头可能停止旋转，由此停止钻井操作，并且迫使钻头从井底撤回以重新建立钻井液流和马达输出。在钻井中的这样的中断可能耗费时间，并且代价高，特别是在离岸钻井情况下。