具有改善的切削件側(cè)傾角布置方式的鉆地工具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明整體涉及用于使用旋轉(zhuǎn)主體上的固定切削件鉆進(jìn)地層的鉆頭、擴(kuò)孔鉆和類似井下工具。
【背景技術(shù)】
[0002]用于在鉆探石油井和天然氣井時在地下巖層中鉆出或形成孔的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭、擴(kuò)孔鉆和類似井下工具通過旋轉(zhuǎn)工具主體抵靠地層拖動分立切削結(jié)構(gòu)，該分立切削結(jié)構(gòu)采用稱為“切削件”的切削元件，該切削元件安裝在工具主體上的固定位置中。工具的旋轉(zhuǎn)使切削件能夠通過剪切作用使地層破裂，從而導(dǎo)致形成小碎肩，然后利用通過工具主體中小心放置的噴嘴泵送的鉆井液將所述小碎肩以液壓方式排空。
[0003]通常在石油和天然氣勘探行業(yè)中稱為PDC鉆頭的一種這類固定切削件鉆地工具采用固定切削件，該固定切削件具有由聚晶金剛石復(fù)合片(roc)或類似的高度耐磨材料構(gòu)成的高度耐磨切削或磨損表面。PDC切削件通常通過在抗侵蝕基體上形成聚晶金剛石(PCD)層而制成，該聚晶金剛石層有時稱為冠部或金剛石平面。PDC磨損表面由表現(xiàn)出金剛石與金剛石間粘結(jié)的燒結(jié)聚晶金剛石(天然的或合成的)構(gòu)成。聚晶立方氮化硼、纖維鋅礦型氮化硼、聚合金剛石納米管(ADN)或其他硬質(zhì)晶體材料是已知的替代物，并且可在一些鉆井應(yīng)用中使用。復(fù)合片通過下述步驟制成:將粉末形式的金剛石粗粒材料與一種或多種粉末狀金屬催化劑以及其他材料混合，從而使混合物形成復(fù)合片，然后通常將其與碳化鎢基體一起使用高熱和高壓下或通過微波加熱進(jìn)行燒結(jié)。出于下文的說明目的，聚晶立方氮化硼、纖維鋅礦型氮化硼、ADN和類似材料的燒結(jié)復(fù)合片等同于聚晶金剛石復(fù)合片，因此，除非另外明確指明或上下文不允許，否則在具體描述中對“roc”的提及都應(yīng)視為對聚晶金剛石、立方氮化硼、纖維鋅礦型氮化硼和其他高度耐磨材料的燒結(jié)復(fù)合片的提及。對“roc”的提及還旨在涵蓋這些材料與可能會用于改善其性能和切削特性的其他材料或結(jié)構(gòu)元素的燒結(jié)復(fù)合片。此外，PDC還涵蓋熱穩(wěn)定的變體，其中金屬催化劑已在燒結(jié)后被部分或完全移除。
[0004]用于支承PDC磨損表面或?qū)拥幕w通常至少部分地由硬質(zhì)金屬碳化物制成，其中碳化鎢是最常見的。硬質(zhì)金屬碳化物基體是通過將粉末狀金屬碳化物與金屬合金粘結(jié)劑一起燒結(jié)而形成。roc和基體的復(fù)合物可以通過多種不同方式制成。例如，該復(fù)合物還可包括過渡層，其中將金屬碳化物和金剛石與用于提高PCD與基體之間的粘結(jié)并減小PCD與基體之間的應(yīng)力的其他元素混合。
[0005]每個PDC切削件被制造為獨(dú)立于鉆頭的分立件。由于用于制造這些切削件的方法，PCD層和基體通常具有圓柱形形狀，其中相對較薄的PCD盤粘結(jié)到較高或較長的基體材料圓柱體上?？蓪λ脧?fù)合物進(jìn)行加工或銑削以改變其形狀。然而，PCD層和基體通常以其制成的圓柱體形式使用。
[0006]固定切削件以預(yù)定模式或布局安裝在鉆地工具主體的外部上。此外，根據(jù)具體應(yīng)用，切削件通常沿若干刀翼中的每一個排列，所述刀翼由鉆地工具主體上形成的突脊構(gòu)成。在PDC鉆頭中，例如，刀翼通常以徑向方式圍繞鉆頭的中心軸線(旋轉(zhuǎn)軸線)排列。這些刀翼通常、但并不總是沿與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向相對的方向彎曲。
[0007]當(dāng)具有固定切削件的鉆地工具旋轉(zhuǎn)時，切削件向地層共同呈現(xiàn)一個或多個預(yù)定切削剖面，從而剪切地層。切削剖面由切削件中的每一個的位置和取向來限定，該切削件在旋轉(zhuǎn)穿過從鉆地工具的向外旋轉(zhuǎn)軸線延伸出的平面時與該位置和取向相關(guān)聯(lián)。切削件沿著切削剖面的位置主要取決于其相對于旋轉(zhuǎn)軸線的側(cè)向位移，而不是其所位于的具體刀翼。切削剖面中彼此相鄰的切削件在同一個刀翼上通常不會彼此相鄰。
[0008]除了鉆頭上的定位或位置外，每個切削件還具有一個取向。一般來講，該取向?qū)⑾鄬τ趦蓚€坐標(biāo)系中的一個而限定:參照其旋轉(zhuǎn)軸線限定的鉆頭坐標(biāo)系，或通常基于切削件本身的坐標(biāo)系。切削件的取向通常根據(jù)切削件的側(cè)向傾斜或旋轉(zhuǎn)以及切削件的向前/向后傾斜或旋轉(zhuǎn)來指定。側(cè)向傾斜通常根據(jù)橫向傾角或側(cè)傾角來指定，具體取決于所用的參照系。向后傾斜根據(jù)軸向傾角或后傾角來指定，具體取決于所使用的參照系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明整體涉及具有多個固定切削件的鉆地工具，其中與常規(guī)布置方式相比，側(cè)向傾斜以預(yù)定模式布置以便改善碎肩移除和排空、鉆井效率和/或切削深度管理。
【附圖說明】
[0010]圖1表示旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭的前視圖的示意圖。
[0011]圖2A為roc鉆頭的切削剖面的示意圖。
[0012]圖2B為圖2A中的切削件之一的示意圖。
[0013]圖3A為roc鉆頭的代表性例子的側(cè)視圖。
[0014]圖3B為圖3A的I3DC鉆頭的透視圖。
[0015]圖3C為圖3A的I3DC鉆頭的前視圖。
[0016]圖4為圖3A-圖3C的PDC鉆頭中的所選I3DC切削件的軸測圖，以便更清楚地示出切削件的側(cè)傾角。
[0017]圖5A-圖5J為繪制出側(cè)向傾斜(諸如側(cè)傾角或橫向傾角)的切削件位置的曲線圖，代表在具有固定切削件的鉆地工具的刀翼或切削剖面上此類角的模式的例子。
【具體實施方式】
[0018]在以下描述中，類似的數(shù)字指代類似的元件。
[0019]典型的固定切削件(特別是PDC切削件)將通常呈圓柱形形狀，并具有用作其主要工作表面的基本平坦的頂部。然而，切削件不必且并不總是完全圓柱形或?qū)ΨQ的。固定切削件將具有一個或多個工作表面，用于接合地層并執(zhí)行使其破裂的工作。對于固定切削件，切削面由切削件的一個或多個表面構(gòu)成，所述表面旨在面向并接合地層，從而執(zhí)行使地層破裂的工作。這些表面往往會經(jīng)歷來自地層的最大反作用力。對于圓柱形形狀的切削件，圓柱體的基本平坦的PCD層用作主要切削表面，因此該表面的取向可用于使用例如垂直于該表面的平面的向量以及該表面的平面中的向量指定鉆頭上的切削件的取向。例如，在roc切削件上，主要切削表面由PCD層頂部的相對平坦的表面構(gòu)成，并且圓柱形切削件的中心軸線將垂直于主要切削表面并在其上保持居中。然而，P⑶層的暴露側(cè)可執(zhí)行一些工作并且可能會被視為工作表面或切削表面、或切削面的一部分。PDC鉆頭還可具有例如傾斜的或有斜切的切削件的頂部邊緣的一部分。此外，切削表面的一部分可能不是平坦的或平面的。
[0020]刮刀鉆頭、擴(kuò)孔鉆以及用于鉆穿巖石的其他旋轉(zhuǎn)體上的固定切削件在其主要切削表面上將通常至少具有相對或基本上平面或平坦的主導(dǎo)部分。該主導(dǎo)部分可能不是完全如此，但是與明顯圓形、錐形或一些其他形狀的表面相比，它相對平坦。為了指定切削件的取向，除非另外指明，否則以下說明采用垂直于主導(dǎo)切削表面的該相對平坦部分的平面的向量。出于以下說明的目的，該向量將稱為切削件的主軸線或取向軸線。由于在以下說明中假定采用圓柱形形狀的切削件，因此除非另外指明，否則在圖1、圖2A和圖2B給定的例子中切削件的中心軸線將是切削件的主軸線。然而，這一慣例的選擇并非意圖限制下文所述的概念?？墒褂糜糜谥付ㄇ邢骷闹饕邢鞅砻娴奈恢煤腿∠虻钠渌麘T例。
[0021]圖1表示鉆頭的前視圖的示意圖，并且旨在示出橫向傾角的概念。鉆頭的保徑部通常由圓10指示。為清楚起見，僅示出三個固定切削件12、14和16。參考標(biāo)號18標(biāo)識圖1中的鉆頭的旋轉(zhuǎn)中心以及圖2A中的旋轉(zhuǎn)軸線。徑向線20表示圍繞軸線18的零度角旋轉(zhuǎn)。如角度24所指出的那樣，固定切削件12和14基本上以相同的角旋轉(zhuǎn)位于相同的徑向線22上，但是它們徑向地移位不同距離26和28。它們位于相同的刀翼上，該刀翼未在示意圖上示出。然而，相同刀翼上的切削件不總是全部位于相同的徑向線上或以圍繞軸線18的相同角旋轉(zhuǎn)定位。通常，它們實際上不會。如角度33所指出的那樣，切削件16位于徑向線32上，其具有實質(zhì)上較大的角位置。切削件16相對于旋轉(zhuǎn)軸線的徑向位移由距離34指示，該距離34大于另外兩個切削件12和14的距離。
[0022]切削件12、14和16中的每一個被示出為具有不同量的橫向傾角，分別由角度36、38和40指示。橫向傾角由下述角度限定，該角度位于(I)垂直于該切削件的徑向線并穿過由切削件的切削表面與切削件的主軸線的交叉限定的點(diǎn)的線與⑵切削件的主軸線之間。就切削件14而言，例如，橫向傾角38限定在垂直于徑向線的線35與切削件的主軸線39之間。為了簡化說明，切削件被示出為不具有任何后傾角，但上述定義適用于具有后傾角的切削件。
[0023]圖2A的曲線42表示圖1的鉆頭的切削剖面，其中各個切削件12、14和16的外徑分別由圓形輪廓44、46和48表示。切削件的剖面通過下述方式形成:將切削件位置旋轉(zhuǎn)到零度角旋轉(zhuǎn)徑向線20 (圖1)，并且使切削件投影到旋轉(zhuǎn)軸線18和零度角旋轉(zhuǎn)徑向線20所在平面中。表示鉆頭的切削剖面的曲線42在一個點(diǎn)處觸及每個切削件，并且通常表示在鉆頭穿透地層時鉆頭所留下的鉆孔的預(yù)期橫截面形狀。然而，為了簡化說明，對