[发明专利]其上具有旋转切割结构的钻头

说明书

背景技术

历史上存在两种用于钻入地质地层的主要类型的钻头：刮刀钻头和牙轮钻头。术语“刮刀钻头”涉及那些没有移动元件的旋转钻头。刮刀钻头包括那些具有附连到钻头本体的切割器的刮刀钻头，其主要通过剪切动作切割地层。牙轮钻头包括一个或多个可旋转地安装到钻头本体的牙轮。这些牙轮具有多个附连到其上的切割元件，其在正被钻的井孔底部处压碎、削凿和刮擦岩石。

通常，钻头类型可基于待钻井地层的基本性质而选择。然而，许多地层具有混合特征(即，地层可能包括硬的和软的两种区域)，这可减少钻头穿透速率(可选地或者减少所选钻头的寿命)，这是由于所选钻头对特定区域不是优选的。例如，铣齿牙轮钻头与PDC钻头两者可有效钻入软的地层，但PDC钻头将通常具有高于牙轮钻头的穿透速速率。

PDC钻头

刮刀钻头，通常称为“固定切割器钻头”，包括具有附着至钻头本体的切割元件的钻头，钻头本体可以是钢钻头本体或由基质材料(如碳化钨)形成的由结合材料包围的基质钻头本体。刮刀钻头可以通常定义为不具有移动部件的钻头。但是，本领域中已知存在形成刮刀钻头的不同的类型和方法。例如，具有孕镶在形成钻头本体的材料的表面的研磨材料(如金刚石)的刮刀钻头，通常称为“孕镶(impreg)”式钻头。在本领域中已知的具有由沉积到基体上或者结合到基体上的超硬切割表面层或“面”(通常由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成)制成的切割元件的刮刀钻头作为聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact，PDC)钻头。

PDC钻头容易钻入软的地层，但是它们频繁地用于钻入中度硬度或研磨地层。它们使用小切割器用剪切动作来切割岩石地层，该小切割器不深深地穿透进入地层中。因为穿透的深度浅，因此通过对地层的连续切割来实现高速率的穿透。

包括具有超硬工作表面的多个切割器的现有技术PDC钻头的一个实例在图1中示出。钻头10包括钻头本体11，其具有带螺纹的上杆端部12和切割器端部13。切割器端部13通常包括多个肋或刀片14，它们围绕钻头的旋转轴线布置且从该钻头本体11向外径向延伸。切割元件或切割器15相对于工作表面以预定的角度方向和径向位置嵌入刀片14中并且针对待钻井的地层具有需要的后倾角。

多个孔口16放置在钻头本体11上的刀片14之间的区域中，该区域可称为“缺口”或“水槽”。孔口16通常适于接收喷嘴。孔口16允许钻井液通过钻头在所选方向上且在切割刀片14之间以选择的流动速率排放用于润滑和冷却钻头10、刀片14以及切割器15。钻井液也随着钻头10旋转和穿透地质地层而清洁和去除钻屑。如果没有合适的流动特征，切割器15的不充足的冷却可能在钻井操作期间导致切割器失效。设置水槽用以为钻井液提供额外的流动通道并且用以为地层钻屑提供通道以通过钻头10朝向井眼(未示出)的地面行进。

牙轮钻头

牙轮钻头通常以通过压碎和凿碎地层而不是剪切的方式钻入地层。通常，牙轮钻头还优选用于异质地层，该异质地层会在刮刀钻头中引起振动。牙轮钻头包括铣齿钻头和镶齿钻头。铣齿牙轮钻头可用于钻入相对软的地层，而镶齿牙轮钻头适用于中等硬度的或硬的地层。

牙轮钻头通常包括：本体，在本体的上端部上形成带有螺纹的杆部用于连接到钻柱；及一个或多个从本体的下端部延伸的腿部。现参考图2，常规的镶齿牙轮钻头(总体上表示为20)由形成上杆端部22的钻头本体21和由从本体21延伸的腿部25支撑的牙轮24的切割器端部23组成。螺纹杆端部22适于装配到用于钻油井等的钻柱(未示出)上。每个腿部25以牙松钻头体(shirttail)26终止。

每一个牙轮24通常在其上具有多个切割元件27用于随着钻头20绕着纵向轴线L旋转而切割地层。图2示出了被挤压在形成在牙轮24的表面中的孔之内的切割元件27，但是，铣齿钻头具有铣削形成在牙轮24的外部上的硬面钢齿代替碳化物镶齿。在钻头本体21中的喷嘴28将钻井泥浆引入到围绕牙轮24的空间中，以用于冷却以及携带走由钻头20钻出的地层钻屑。钻井液在钻头20的中空杆端部22内被引导到由钻头本体21形成的内部增压室29。然后流体通过一个或多个喷嘴28引导到钻头之外。