[发明专利]被设计来控制和减少作用于岩石的岩心上的切削力的取芯钻头

说明书

技术领域

本公开大体上涉及钻井工具，并且更具体地涉及被设计来控制和减少作用于岩石的岩心上的切削力和摩擦力的取芯钻头。

发明背景

各种类型的钻井工具已经用来在相关联的井下地层中形成钻孔，所述钻井工具包括但不限于：旋转钻头尖、扩孔器、取芯钻头、管下扩孔器、打孔器、稳定器和其他井下工具。此类旋转钻头或取芯钻头的实例包括但不限于：固定铣刀钻头或取芯钻头、刮刀钻头、多晶金刚石复合(PDC)钻头、热稳定性金刚石(TSD)钻头、天然金刚石钻头、或者嵌有金刚石的钻头或取芯钻头、以及与形成延伸穿过一个或多个井下地层的油气井相关联的基体或钢体钻头或取芯钻头。诸如PDC钻头尖或取芯钻头的固定铣刀钻头尖或取芯钻头可包括各自包括多个切削元件的多个刀片。

诸如石油和天然气的烃常常以各种形式驻留在地下地质地层内。常常，取芯钻头用来获取从感兴趣地层取得的岩石的代表样本。这些岩石样本通常被称为“岩心样本”。岩心样本的分析和研究使工程师和地质学家能够评估地层参数，诸如储层存储容量、形成地层的岩石的流动潜力、驻留在地层中的可恢复烃或矿物质的组分以及岩石的束缚水饱和水平。例如，关于流体的量的信息可用于完井项目的随后设计和实现中，所述完井项目实现基于从岩心样本获取的数据被确定为在经济上有吸引力的被选择的地层和区域的生产。

附图简述

为了更完全地理解本发明及其特征与优点，现结合附图来参考以下描述，在附图中：

图1是取芯系统的示例性实施方案的正视图；

图2是以常常用来建模或设计固定铣刀钻头和取芯钻头的方式向上取向的旋转取芯钻头的等距图；

图3A示出包括多个切削元件的取芯钻头的俯视图以及由每个切削元件在取芯操作过程中产生的力矢量分布，其在垂直于取芯钻头轴线的平面中示出；

图3B示出包括多个切削元件的取芯钻头的一个刀片的俯视图以及由每个切削元件在取芯操作过程中产生的切削力所得矢量，其在垂直于取芯钻头轴线的平面中示出；

图4A和4B示出穿过一个刀片截取的取芯钻头、岩层和由取芯钻头中的每一个获取的岩心样本的剖视图；

图5A和5B示出穿过一个刀片截取的取芯钻头、岩层、由取芯钻头中的每一个获取的岩心样本的剖视图，以及在穿过取芯钻头轴线的平面中的每个切削元件的力矢量分布；

图6A和6B示出穿过一个刀片截取的取芯钻头、岩层、由取芯钻头中的每一个获取的岩心样本的剖视图，以及在穿过取芯钻头轴线的平面中的每个切削元件的力所得矢量；

图7示出示例性取芯钻头建模系统的框图；并且

图8示出用于设计取芯钻头以减少作用于岩心上的力的方法的流程图。

具体实施方式

取芯钻头可被设计成最小化施加在岩心样本和/或地层区域(统称“岩心”)上的力，岩心样本将由取芯钻头上的一个或多个切削元件从所述地层区域切削。被设计成最小化施加在岩心上的力的取芯钻头可最小化岩心的磨损和/或断裂。另外，取芯钻头可减少取芯操作过程中的堵塞的发生，在堵塞发生时没有额外的岩心长度可进入取芯管道。因此，可根据本公开的教导来设计工具和方法，并且可根据特定应用而具有不同设计、配置和/或参数。通过参考图1至图8最好地理解本公开的实施方案和其优点，各图中相同编号用于指示相同和对应部分。

图1是钻井系统的示例性实施方案的正视图。钻井系统100可包括位于地质地层106上方的表面或场地104。诸如旋转台、钻井液泵和钻井液槽(未明确地示出)的各种类型的钻井装备可位于表面104处。例如，表面104可包括钻机102，所述钻机102可具有与“陆地钻机”相关联的各种特性和特征。然而，并入本公开的教导的井下钻井工具可令人满意地与位于海上平台、钻探船、半潜式装置和钻井驳船(未明确地示出)上的钻井装备一起使用。

钻井系统100还可包括与取芯钻头124相关联的钻柱112，所述钻柱112可用来形成多种多样的钻孔,诸如钻孔132。钻机102可耦接到钻井组件108，所述钻井组件108在地层106中的钻孔132内。钻井组件108可包括钻柱112和井底组件(BHA)114。如下文将描述的，钻柱112可包括多个管状节段，所述多个管状节段串联地耦接以便限定内孔，钻井液可穿过所述内孔被泵送。钻孔110可由铁壳110部分地覆盖。