CN111315955B - 钻地工具及相关方法 - Google Patents

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CN111315955B CN201880071760.8A CN201880071760A CN111315955B CN 111315955 B CN111315955 B CN 111315955B CN 201880071760 A CN201880071760 A CN 201880071760A CN 111315955 B CN111315955 B CN 111315955B
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Abstract

本文公开了一种钻地工具，该钻地工具包括具有第一切割元件的主体，该第一切割元件安装到轴向前导面，该第一切割元件各自具有暴露于主体的面上方高度处的切割面，该第一切割元件的切割面向后倾斜并且面向钻地工具的预期旋转方向。该钻地工具还包括第二切割元件，该第二切割元件在钻头刃面的锥形区域中与第一切割元件相邻地安装到主体的轴向前导面，该第二切割元件各自具有暴露于主体的该面上方高度处并且被构造用于剪切型切割动作的切割面，该第二切割元件的切割面向后倾斜与第一切割元件大约相同或更大程度并且通常面向钻地工具的该预期旋转方向。

Description

钻地工具及相关方法
优先权声明
本申请要求2017年10月4日提交的“Earth-Boring Tools and Related Methods”(钻地工具及相关方法)的美国专利申请序列号15/725,097的提交日期的权益。
技术领域
本文所公开的实施方案涉及钻地工具及相关的钻探方法。更具体地讲，本文公开的实施方案涉及结合有用于改变采用了超研磨切割元件的旋转式钻地工具的侵入性的结构的钻地工具，并且涉及相关方法。
背景技术
采用呈多晶金刚石压块(PDC)切割元件形式的超研磨切割元件的旋转式刮刀钻头已经使用了数十年。PDC切割元件通常由在高压和高温条件下形成并粘结到支撑基材诸如硬质合金碳化钨(WC)的圆盘形金刚石“台”组成，尽管其它构造也是已知的。带有PDC切割元件(其例如可钎焊到位于钻头刃面中的凹坑、从刃面延伸的刀片上的凹坑中，或者安装在***到钻头主体中的螺柱上)的钻头已被证实在钻探表现出低至中等抗压强度的地下地层时实现高穿透率(ROP)方面非常有效。围绕钻头刃面的液压流态设计、切割器设计和钻探液配方中的改进已通过增加地层材料的体积来减小此类钻头成为“滚珠”的现有显著趋势，该地层材料体积可在超出钻头及其相关联的钻探液流从钻头刃面清除地层钻屑的能力之前被切除。
然而，即使考虑到此类改进，PDC切割元件仍然遭受可能被简单称为“过载”的影响，即使在施加至其上安装有承载此类切割元件的钻头的钻柱的低钻压(WOB)下也是如此，特别是在采用侵入性切割结构的情况下。扭矩与WOB的关系可用作切割元件的侵入性的指标，因此扭矩与WOB的比率越高，钻头就越具有侵入性。过大的钻头侵入性问题在抗压强度相对较低的地层中尤其显著，在此类地层中可能以极低的WOB实现不当的大切割深度(DOC)。该问题还可能由于钻柱振荡而加剧，其中钻柱的弹性可能导致将WOB不稳定地施加到钻头，从而导致过载。
另一个单独的问题涉及从相对较高地层抗压强度的区域或地层钻探到抗压强度明显较低的“较软”区域，该问题也可能发生在所谓的“互层”地层中，其中具有相对较高抗压强度的较硬岩石纵梁间歇性地分散在具有相对较低抗压强度的较软岩石中。随着钻头钻入较软的地层材料而不改变所施加的WOB(或在钻机可减小WOB之前)，PDC切割元件的穿透力以及因此所得的钻头扭矩(TOB)几乎瞬间增大并且增大很大幅度。突然更高的扭矩继而可能导致切割元件和/或钻头主体本身损坏。在定向钻探中，此类变化导致定向(随钻测量(MWD)或转向工具)组件的工具面取向发生波动，从而使定向钻机更难沿循计划的钻头定向路径。因此，定向钻机可能需要使钻头从钻孔底部退出，以使工具面复位或重新取向。此外，井下马达(诸如通常与可转向的底部孔组件结合用于定向钻孔操作中的钻探液驱动的Moineau型马达)可在突然扭矩增大的情况下完全停止。也就是说，钻头可能停止旋转，停止钻探操作，并再次需要将钻头从底部钻孔移开，以重新建立钻探液流量和马达输出。钻井的此类中断可能耗时且相当昂贵。
多年来，已经使用各种方法进行了大量尝试来保护金刚石切割元件及其安装结构的完整性以及限制切割器穿透到正在钻探的地层中。例如，从甚至在商业化使用PDC切割元件之前的时间开始，美国专利3,709,308号公开在钻头主体上使用尾随的圆形天然金刚石来限制用于切割地层的立方晶型金刚石的穿透。美国专利4,351,401号公开在钻头的量规处或附近使用表面镶嵌天然金刚石作为穿透限制器，以控制在钻头刃面上的PDC切割元件的切割深度。以下其它专利公开了使用尾随PDC切割元件(相对于钻头旋转的预期方向)的各种结构来保护切割元件或其安装结构：美国专利4,889,017、4,991,670、5,244,039和5,303,785号。美国专利5,314,033号特别公开了使用协作的正和负或中性后倾角切割元件来限制正前角切割元件穿透到地层中。限制切割元件穿透的另一种方法是在钻头主体上采用旋转地引导(而不是尾随)PDC切割元件的结构或特征，如美国专利3,153,458、4,554,986、5,199,511和5,595,252号中所公开。
在另一种背景下，即所谓的“反旋”钻探结构，在美国专利5,402,856号中被主张，应确定与反旋管下扩孔器产生的所得径向力对准的支承表面的尺寸，使得施加到井筒侧壁的每单位面积的力不超过正在被管下扩孔的地层的抗压强度。还可参见美国专利4,982,802、5,010,789、5,042,596、5,111,892和5,131,478号。
虽然某些前述专利认识到希望限制切割器的穿透力或DOC或以其它方式限制施加到井筒表面的力，但所公开的方法本质上有些笼统，无法适应或实施旨在与更稳定的可预测的钻头性能相结合实现目标ROP的工程方法。此外，所公开的方法不提供通常耐受轴向加载一定量的WOB的钻头或钻探方法，该WOB量超过正在钻探的特定地层的当前穿透率而言最佳的量且过量，并且如果钻头经受如此大的钻压，则不会产生大量潜在的停钻或破坏钻头的钻头扭矩。
各种用以解决切割元件过度穿透问题的成功解决方案提出于美国专利6,298,930、6,460,631、6,779,613和6,935,441号中，其各自的公开内容全文以引用方式并入本文。具体地讲，美国专利6,298,930号描述了一种旋转式刮刀钻头，该钻头包括用以控制安装在其上的切割元件的切割深度的外部特征，从而控制每次钻头旋转切割的地层材料的体积以及钻头和相关联的井底钻具组件经历的扭矩。这些特征也称为切割深度控制(DOCC)特征，其提供一个或多个非切割支承表面，这些表面具有足够的表面积以承受轴向或纵向WOB而不超出所钻探的地层的抗压强度，并且使得PDC切割元件切入地层的穿透深度受到控制。因为DOCC特征要经受所施加的WOB并且与磨料地层和载有磨料的钻探液接触，所以DOCC特征可作为贴花材料或硬面焊缝(其具有高负荷和高磨损/侵蚀环境所需的材料特性)层化在钢质主体钻头的表面上，或包括设置在铸造在矩阵型钻头表面上的支承表面中的单个、离散的耐磨元件或***件，如美国专利6,298,930号的图1中所描绘。耐磨***件或元件可包括碳化钨块或盘、金刚石砂粒、金刚石膜、天然或合成金刚石(PDC或TSP)或立方晶型氮化硼。
‘930专利的图10A和10B分别描述了不同的DOCC特征和PDC切割器组合。在每种情况下，将单个PDC切割器固定在组合的切割器支架和DOC限制器上，然后将支架接收在钻头刃面(或刀片上)的空腔内并固定在其中。DOC限制器包括表现出支承表面的突出部。
虽然DOCC特征对于在管理给定的相对稳定的WOB时限制切割深度是极其有利的，但当钻地工具在高WOB下在具有显著不同抗压强度的相对较硬地层材料与相对较软地层材料之间快速移动时，所关注的是钻柱和井底钻具组件的所谓“粘滑”，在钻头突然过分侵入性地接合地层时将发生这种情况，反扭矩增大至使钻柱旋转停止的程度，直至反扭矩大到足以使钻柱再次旋转为止，尽管以不受控制的方式。因此，工具面的取向可能受到损害。除粘滑之外，当钻地工具在高WOB冲击下在相对较软地层与相对较硬地层之间快速移动时，可能损坏PDC切割元件，在极端情况下还会损坏钻头本身。与没有DOCC特征的相同钻头相比，在配备有PDC切割元件的钻头上使用常规DOCC特征通常可以将钻头的侵入性降低约20％至约30％。由于现有的DOCC特征仅依赖于支承元件的表面积来控制PDC切割元件的暴露和钻头侵入性，因此就侵入性的降低而言，此类DOCC特征可能不足以应对岩石抗压强度的突然变化，从而避免粘滑和冲击损坏。
本发明人已经认识到常规DOCC技术在某些地下钻探环境中的缺点，并且开发了一种违反直觉、新颖且不明显的方法来控制钻头的侵入性，该方法实质上比传统DOCC技术更能应对地层抗压强度的变化，诸如可能存在于互层地层中的变化。
发明内容
本文所述的实施方案包括一种钻地工具，该钻地工具包括：主体；第一切割元件，该第一切割元件安装到主体的轴向前导面，该第一切割元件各自具有暴露于主体的面上方高度处的切割面，该切割元件的切割面向后倾斜并且面向钻地工具的预期旋转方向。钻地工具还包括第二切割元件，该第二切割元件在轴向前导面的与主体的纵向轴线相邻的锥形区域中与第一切割元件相邻地安装到主体的轴向前导面，该第二切割元件各自具有被构造用于剪切型切割动作并且暴露于主体的面上方高度处的切割面，第二切割元件的切割面向后倾斜与第一切割元件大约相同或更大程度并且通常面向钻地工具的预期旋转方向。
本文所述的实施方案还包括一种钻地工具，该钻地工具包括：主体，该主体具有从其纵向突出的大致径向延伸的刀片；第一超研磨切割元件，其安装到与其旋转前导面相邻的刀片的轴向前导刀片面，该第一超研磨切割元件包括被构造用于剪切型切割动作并基本上在预期钻头旋转方向上取向的切割面以及表现出侵入性。该钻地工具还包括第二超研磨切割元件，其安装到其锥形区域中的轴向前导面，该第二超研磨切割元件包括被构造用于剪切型切割动作并基本上在预期钻头旋转方向上取向的切割面以及表现出比第一超研磨切割元件的侵入性小的侵入性。第一超研磨切割元件和相邻的第二超研磨切割元件在共用刀片的轴向前导面上方表现出基本上相同的暴露。
本文所述的实施方案还包括一种钻探地下地层的方法，该方法包括在施加的WOB和TOB下，将地下地层与旋转式刮刀钻头的第一组切割元件接合以剪切地层材料；以及在施加的WOB和TOB下，基本上同时将地下地层与旋转式刮刀钻头的第二组切割元件接合以不太有效地剪切地层材料，从而减小旋转式刮刀钻头的侵入性。
附图说明
图1A和图1B分别是根据本公开的实施方案的为刮刀钻头形式的钻地工具的仰视图和局部透视图；
图2A和图2B分别是低效切割元件的透视图和前视图(就安装到钻地工具上而言)，该切割元件是在图1A、图1B和图5的刮刀钻头上采用并且可能在其它钻地工具上采用；
图3是采用卵形支承元件作为DOCC结构的刮刀钻头的局部透视图，并且图3A是图3的刮刀钻头的超研磨切割元件的放大图，该切割元件被卵形支承元件旋转地拖尾；
图4是如实施例中所述的配备有三(3)个低效切割元件的刮刀钻头的放大透视图；
图5是根据本公开的另一个实施方案的为刮刀钻头形式的另一种钻地工具的透视正视图；并且
图6A至图6D分别是低效切割元件的前透视图、后透视图、侧视图和俯视图，该切割元件可在图1A、图1B和图5的刮刀钻头上以及其它钻地工具上采用。
具体实施方式
在各种实施方案中，公开了结合有用于降低超研磨切割元件的侵入性的结构的钻地工具，该切割元件响应于由钻地工具所钻探的地层中岩石的抗压强度的快速且显著的变化。与依赖于支承元件的表面积来限制相关PDC切割元件的DOC的现有DOCC特征不同，本公开的实施方案在与超研磨切割元件基本上相同、略微减少暴露的情况下采用低效切割元件。低效切割元件与例如一块软得多的岩石的突然接合和穿透与由超研磨切割元件的接合和穿透基本上同时产生显著的DOC，响应于此，WOB急剧增大，而TOB相对于没有DOCC的钻头没有急剧增大或急剧减小，从而实质上降低钻柱发生粘滑的可能性以及对钻地工具的冲击损坏。类似地，当遇到坚硬得多的岩石时，低效切割元件的存在减小了冲击损坏的可能性。
以下描述提供具体细节(诸如尺寸、形状、材料组成和取向)以便提供对本公开的实施方案的透彻描述。然而，本领域普通技术人员将理解，可以实践本公开的实施方案而不必采用这些具体细节。本公开的实施方案可结合本行业中采用的常规制造技术来实施。
本文呈现的附图仅为了进行示意性的说明，并且不意味着是任何特定材料、组件、结构、装置或***的实际视图。可以预期由于例如制造技术和/或公差而导致附图中所示形状的变化。因此，本文描述的实施方案不应理解为限于所示的特定形状或区域，而是包括例如由制造引起的形状的偏差。例如，示出或描述为盒形的区域可具有粗糙和/或非线性特征，并且示出或描述为圆形的区域可包括一些粗糙和/或线性特征。此外，示出的表面之间的锐角可为倒圆的，并且反之亦然。因此，附图中示出的区域本质上是示意性的，并且它们的形状并不旨在示出区域的精确形状，并且不限制本权利要求的范围。附图不一定按比例绘制。
如本文所用，术语“包含”、“包括”、“含有”、“其特征在于”及其语法等同物是包含性或开放式术语，这些术语不排除附加未叙述的要素或方法动作，但还包括更具限制性的术语“由...组成”和“基本上由...组成”及其语法等同物。如本文所用，相对于材料、结构、特征或方法行为而言的术语“可”指示这是被设想用于实现本公开的实施方案，并且与更具限制性的术语“是”相比优先使用此术语以便避免可与之组合使用的其他兼容材料、结构、特征和方法应当或必须被排除的任何暗示。
如本文所用，空间相对术语诸如“在...下方”、“在...之下”、“在...下部”、“底部”、“在...之上”、“在...上方”、“在...上部”、“顶部”、“前”、“后”、“左”、“右”等可为了便于描述的目的而使用，以描述如附图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除非另外指明，否则这些空间相对术语旨在涵盖除附图中所描绘的取向之外材料的不同取向。例如，如果将附图中的材料反转，则被描述为在其它元件或特征“上方”或“之上”或“上”或“顶部上”的元素将取向为在其它元件或特征的“之下”、“下方”或“下”或“底部”。因此，取决于使用术语的上下文，术语“在...上方”可涵盖之上和之下两个方向，这对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。材料可以其它方式取向(例如，旋转90度、反转、翻转)，并且相应地解释本文中使用的空间相对描述语。
如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。
如本文所用，术语“被构造”和“构造”是指以预定方式促进至少一个结构和至少一个装置中的一者或多者的操作的该结构和该装置中的一者或多者的尺寸、形状、材料组成、取向和布置。
如本文所用，关于给定参数、特性或条件的术语“基本上”在一定程度上意指并包括：本领域的普通技术人员将理解给定参数、特性或条件是在一定方差度的情况下(诸如在可接受的制造公差内)满足的。作为示例，根据基本上满足的特定参数、特性或条件，该参数、特性或条件可为至少90.0％满足的，至少95.0％满足的，至少99.0％满足的，或甚至至少99.9％满足的。
如本文所用，参考给定参数的术语“约”包含所陈述的值并且具有由上下文决定的含义(例如，其包括与给定参数的测量相关联的误差度)。
如本文所用，术语“钻地工具”和“钻地钻头”是指并且包括用于在地下地层的井筒的形成或扩大期间进行钻探的任何类型的钻头或工具，并且包括例如固定切割器(即，刮刀)钻头、岩心钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔钻、铣刀、混合钻头(例如，与固定切割元件结合的滚动部件)以及如本领域中已知的其它采用固定切割元件的钻头和工具。
如本文中所使用的，术语“切割元件”是指并且包括钻地工具的任何元件，该元件被构造成在使用钻地工具在地层中形成或扩大孔时切割或以其它方式去除地层材料。具体地讲，“切割元件”是指并且包括超研磨切割元件和由其它硬质材料形成的切割元件两者，如本文关于本公开的实施方案的实现所使用该术语那样。前者的示例包括多晶金刚石压块和立方晶型氮化硼压块以及采用金刚石和类金刚石碳膜涂层的切割元件，后者的示例包括金属碳化物，诸如碳化钨(WC)。
如本文所用，术语“支承元件”是指被构造成安装在钻地工具诸如钻头的主体上并且随着钻地工具的主体在井筒内旋转而摩擦地层的元件，并且当接触地层材料时，不表现出任何实质性(即，可测量的)剪切或其它地层材料去除作用。支承元件包括例如在本领域中被称为常规切割深度控制(DOCC)元件的元件或结构，例如但不限于卵形支承元件。参见图3和图3A，包括刀片202的传统钻头200可采用PDC切割元件204，该PDC切割元件与刀片202的旋转前导面206相邻，旋转地跟随有呈卵形形式的支承元件208，该支承元件***在钻头刃面的锥形区域212中的刀片202的轴向前导面210中。如图3A中所描绘，支承元件208可能欠暴露距离D，选择该距离以限制PDC切割元件204的DOC，而不表现出任何实质的地层材料去除作用。
如本文所用，术语“机械比能”或“MSE”是指并且包括指示在钻探操作期间每单位体积岩石所消耗的功的值。MSE可使用由基于钻头的传感器或由钻头外部的传感器进行的钻压和钻头扭矩测量值来计算。MSE可由基于钻头的传感器以如下方式计算：
MSE＝(k1×TOB×RPM)/ROP×D2)+(k2×WOB/π×D2)
其中，k1和k2是常数，TOB是钻头扭矩，ROP是获得的钻头穿透率，D是钻头直径，并且WOB是使用基于钻头的传感器测量值确定的钻压。由钻头外部的WOB和TOB传感器计算的MSE趋于达到更高的值。
如本文所用，术语“Mu”表示钻头的切割元件的侵入性以及钻头本身的侵入性，并且是指并且包括在以每次钻头旋转的毫米数(mm)测得的特定DOC下的TOB与WOB的比率。
本公开的实施方案包括采用低效切割元件形式的侵入性控制结构与常规超研磨切割元件结合以接合并剪切地层材料的钻地工具，从而提供了随着超研磨切割元件的切割深度的增大而增大的曳力来限制在相对较高WOB下的反扭矩。此类侵入性控制结构可能与常规DOCC特征不同，常规DOCC特征例如以卵形或其它钝的支承元件为例，其以非切割的摩擦作用接合地层并提供足够的表面积以防止钻地工具超过正被钻探的地层的抗压强度。如上所述，虽然后者可能在恒定的WOB或逐渐变化的WOB期间提供足够的侵入性控制，但此类支承元件在相对较高的WOB下突然遇到相对较软的地层时防止粘滑或当突然从较软地层移动到相对较硬地层时防止对超研磨切割元件造成冲击损坏。
图1A和图1B示出了为刮刀钻头100形式的钻地工具的实施方案。刮刀钻头100没有常规DOCC承载元件。刮刀钻头100包括主体102，该主体包括大致径向延伸的纵向地突出的刀片104。如常规情况那样，主体102在其与刀片相对的端部处被固定到用于将刮刀钻头100固定到钻柱或井底钻具组件(BHA)上的结构(未示出)。用于固定的该结构可例如包括具有API销连接的柄部。流体通道106位于刀片104之间，并且沿着刀片104的外径延伸并从其径向***到排屑槽108。主刀片104p从主体102的纵向轴线L大致径向向外延伸至刮刀钻头100的外径，而副刀片104s具有远离纵向轴线L的径向内端并且大致径向向外延伸至刮刀钻头100的外径。
所有刀片104均包括超研磨切割元件，例如切割元件110，该切割元件包括安装在固定在凹坑116中的硬质合金基材114上的多晶金刚石台112，并且具有在使用期间面向预期钻头旋转方向的二维切割面118。如本领域普通技术人员所知，切割元件110是后倾斜的。如图所示，金刚石台112具有圆形切割面118和弧形切割刃120。然而，应当理解，切割元件110可包括例如凸形、凹形或其它三维切割面。另外，呈现其它三维切割表面的切割元件也可用作切割元件110。作为非限制性示例，如美国专利5,697,462、5,706,906、6,053,263、6,098,730、6,571,891、8,087,478、8,505,634、8,684,112、8,794,356和9,371,699中所公开并受权利要求书保护的切割元件可用作切割元件110，所述专利均转让给本专利申请的受让人并且据此全文以引用方式并入本文。另外，在本公开的实施方案的具体实施中，表现出不同结构的切割元件可组合用作切割元件110。流体通道106中的端口124中的喷嘴122将钻探液从刮刀钻头100的内部引导出来，以冷却切割元件110，并从切割面118和流体通道106以及穿过排屑槽108，直至穿过刮刀钻头100与正在钻探的井筒壁之间的环形空间，以清除地层钻屑。刮刀钻头100的面130包括由刀片104(具体地讲，是安装在其上的切割元件110的切割刃120)限定的轮廓，该轮廓包括从纵向轴线L径向延伸的锥形区域132，从锥形区域132径向向外并围绕锥形区域的鼻部区域134，从鼻部区域134径向向外并围绕鼻部区域的肩部区域136，以及从肩部区域136径向向外并围绕肩部区域的量规区域138。与切割元件110类似地结构化的任选的后倾斜备用切割元件110b在肩部区域136中旋转地尾随切割元件110。
侵入控制(AC)切割元件150位于面130的锥形区域132中，其在锥形区域132中旋转地引导切割元件110。如图所示，AC切割元件150a可位于与它们分别引导的切割元件110类似的径向位置，AC切割元件150b可部分地从它们分别引导的相关切割元件110径向地偏移，或者如在AC切割元件150c的情况下，可基本上径向地位于两个分别引导的切割元件110之间以遇到并破坏在轮廓上的切割元件110之间地层岩尖。在一些情况下，AC切割元件150c可在横向上邻接并介于切割元件110之间。在各种径向布置中，AC切割元件在一些情况下可旋转地尾随安装到旋转前导刀片104的切割元件110。
概括地说，AC切割元件150被有目的地结构化以表现出低效切割动作，以便当刮刀钻头100采用相对较深的DOC时需要实质性的WOB增大，同时相对于没有DOCC的钻头减小TOB。AC切割元件150被结构化成具有二维切割面并且表现出由具有可测量深度的外表面拖尾的宽切割刃。如图所示，二维切割面可比相关切割元件110的切割面的后倾角更向后倾斜；然而，切割面的后倾角可等于或小于相关的切割元件110的后倾角。任选地，尾随面可以与切割面的后倾角对应的类似或不同的前倾角取向。
由于应用可能取决于将要遇到的预期地层材料以及切割元件的尺寸，因此在一些实施方案中，AC切割元件150可在刀片表面上方以与切割元件110基本上类似的暴露量暴露，并且在一些实施方案中略少，例如少约0.254mm至约1.016mm，或少约0.508mm。在其它实施方案中，AC切割元件150的欠暴露可显著更大，在约2.54mm至约3.81mm的量级上。最终限值将基于切割元件110的尺寸及其在刀片的轴向前导面上方的暴露量。作为非限制性示例，在切割元件110的直径为25.4mm的切割面的一半暴露在刀片上方的情况下，AC切割元件150的欠暴露可能高达约5.08mm。在需要更大的侵入性变化的应用中，AC切割元件150甚至可能相对于切割元件110过暴露。
图2A和图2B示出了如美国专利9,316,058所公开的AC切割元件150的一个示例，该专利转让给本发明的受让人并且其公开内容全文以引用方式并入本文。AC切割元件150包括基底152，该基底包括圆柱形部分，该圆柱形部分的端部154(其可包括***斜面)被接纳在主刀片110p的面上的孔中(参见图1A和图1B)。切割面156的两侧是弧形的半截头锥形形侧表面158，并且从基底152的圆柱部分延伸到弧形切割刃160，顶点表面162位于该切割刃背后。在顶点表面162的后部，任选的拖尾面(未示出)可以是切割面156的镜像，并且与AC切割元件150的轴线A成相同、相似或不同的角度，切割面156和拖尾面朝向顶点表面162会聚。切割面156、切割刃160、顶点表面162和拖尾面以及半截头锥形形侧表面158可包括与基底152相同的材料，诸如硬质合金(例如，WC)，并且与基底一体形成，或者可在基材材料上方包括超研磨层，如前述的′058专利中所公开。超研磨层可包括例如多晶金刚石、立方晶型氮化硼压块、化学气相沉积(CVD)施加的金刚石膜或类金刚石碳(DLC)。
图6A至6D示出AC切割元件150′的另一个示例。为了方便起见，指示与AC切割元件150的那些特征类似的特征的附图标号是相同的。AC切割元件150′包括基底152，该基底包括圆柱形部分，该圆柱形部分的端部154(其可包括***斜面)被接纳在主刀片110p的面上的孔中(参见图1A和图1B)。切割面156的两侧是弧形的半截头锥形形侧表面158，并且从基底152的圆柱部分延伸到弧形切割刃160，顶点表面162位于该切割刃背后。在顶点表面162的后部，拖尾面164可被构造成与顶点表面162相邻的基本上凸的突出部166，该突出部向下和向外引导至与侧表面158邻接的半截头锥形形裙边部分168，而不是作为AC切割元件150的切割面156的镜像。拖尾面164的构造可为AC切割元件150′提供增强的强度和耐久性，以抵抗由施加WOB所赋予的轴向力以及在硬度和旋转力显著不同的地下地层材料之间转换时的冲击力。切割面156、切割刃160、顶点表面162和拖尾面164以及半截头锥形形侧表面158可包括与基底152相同的材料，诸如硬质合金(例如，WC)，并且与基底一体形成，或者可在基材材料上方包括超研磨层，如前述的′058专利中所公开。超研磨层可包括例如多晶金刚石、立方晶型氮化硼压块、化学气相沉积(CVD)施加的金刚石膜或类金刚石碳(DLC)。
合适的AC切割元件的另一个示例公开于美国专利6,098,730中，该专利也转让给本发明的受让人并且其公开内容全文以引用方式并入本文。以非限制性示例的方式，在美国专利5,323,865、5,551,768、5,746,280、5,855,247、6,332,503、8,061,456、8,240,403、9,074,435以及美国专利公开2009/0159341中公开了适合用作AC切割元件的另外的切割元件构造，该AC切割元件经取向以在接合地下地层时提供剪切切割动作，上述专利中的每一个均转让给本发明的受让人并且其公开内容全文以引用方式并入本文。
应当指出的是，根据本公开的实施方案，AC切割元件150被安装到钻地工具诸如刮刀钻头100上，当如‘058专利中所公开那样使用时，其横向旋转，即相对于其取向旋转约90°。换句话讲，在‘058专利中，在所公开的钻探应用中，切割元件采用截头锥形形侧表面158作为切割面，并且其与顶点表面162的交点作为切割刃，并且切割元件优选地相对于钻头旋转方向向后倾斜，以获得最大耐久性和切割效率。还预期AC切割元件150可用于实施本公开的实施方案，其中切割面156横向于钻头旋转方向取向，但也相对于钻头旋转方向以较小的锐角夹角取向，例如但不限于介于约35°和约55°之间，但不排除介于零至89°之间的其它角度。
虽然不希望受到任何具体理论的束缚，但据信，AC切割元件150的切割刃160和顶点表面162与切割元件110的切割刃120在基本上同一时间与正被切割元件110钻探的岩层接触提供稳健但实际上低效的切割动作，当切割面156的更多表面积随着DOC增大而与岩石接合时，为曳力形式的低效增加，从而对于给定DOC需要更大的WOB，并且在给定DOC下相对于没有DOCC结构的钻头，刮刀钻头100减小TOB。通过进一步解释，本公开的实施方案能够发起目标DOC，和/或在选定DOC处创建所需的Mu改变，以获得相对于没有DOCC结构的相同钻头减少TOB同时需要更大WOB的期望效果。这种现象在相对较大的DOC下尤其明显，其中因AC切割元件150的接合造成的地层钻屑变为截留在切割元件的切割刃和面与井筒的刃面之间。换句话讲，考虑到钻头尺寸和要钻探的预期地下地层材料，可以选择多个AC切割元件布置在旋转式刮刀钻头上，以在相当大的DOC下提供可预测的拐点，其中所需的WOB显著增大，同时TOB受到控制并且所需的Mu改变被发起并且MSE没有显著增大。
因此，显而易见的是，根据本公开的实施方案的钻地工具表现出在相对较高WOB下对粘滑的实质抗性，增强的工具面控制，并且在钻头可能遭受灾难性损坏的时间点之前提供早期指示，诸如退出条件，其中在给定半径上的所有切割元件在钻头刃面上都受到严重损坏或钻头刃面折断。
实施例
在实验室测试中，在ROP控制模拟器实验室测试中运行215.9mm的Baker HughesT405刮刀钻头，在Mancos页岩中的压力为207巴并且以90rpm旋转。WOB从约2268kg的基线增大到约22680kg，并且DOC从0的基线增大到超过5.08mm/rev。在四(4)个不同的测试中，钻头分别为1)在没有DOCC结构的情况下运行，2)在锥形区域使用三个卵形DOCC结构运行，相对于第一前导PDC切割元件欠暴露0.508mm，3)使用三个以Baker Hughes Stay TrueTM PDC切割元件形式的AC切割元件运行，如美国专利9，316，058中所公开并受权利要求书保护的那样，其中对于此类切割元件，顶点和侧接平面平行于呈常规取向的钻头旋转方向取向，相对于第一前导PDC切割元件欠暴露0.508mm，以及4)如图4所示，使用三个Baker Hughes StayTrueTM切割元件150运行，其中顶点和平面横向于呈“犁形”取向的钻头旋转方向取向，相对于第一前导PDC切割元件110欠暴露0.508mm。如下表所示，在约15876kg或更高的相对较高WOB下，其中钻头采用(4mm in/rev)的切割深度，具有呈犁形取向的Stay TrueTM切割元件的钻头需要比没有DOCC结构的钻头高35％的WOB，而TOB降低10％，MU降低15％，并且MSE仅提高15％。与减小或消除高破坏性粘滑的可能性相比，MSE的该略微增大可忽略不计。可能甚至更重要的是，当钻头配备有卵形DOCC结构时，在4mm/rev切割深度处，WOB仅比没有DOCC结构的钻头大20％，TOB没有降低，MU仅降低5％，并且MSE增大10％。因此，当钻头配备有犁形取向的Stay True切割元件时，需要多百分之七十五(75％)的WOB才能获得相同的DOC。可以预料，当仅配备有三个AC切割元件时，由测试钻头所表现出的有利的响应变化将具有更大幅度，该情况下更多此类AC切割元件(例如图1A和图1B所示的八个AC切割元件，或图图5所示的九个AC切割元件，这些是在类似尺寸的钻头上使用的常规DOCC结构的典型和代表性数量)布置在锥形区域中。
Figure BDA0002478869560000141
图5是为刮刀钻头300形式的钻地工具的另一个实施方案的透视前视图，其中，与图1A和图1B以及图5共用的元件由相同的附图标号来识别。与刮刀钻头100的情况一样，刮刀钻头300没有常规DOCC支承元件。刮刀钻头300包括主体102，该主体包括大致径向延伸的纵向地突出的刀片104。如常规情况那样，主体102在其与刀片相对的端部处被固定到用于将刮刀钻头固定到钻柱或井底钻具组件(BHA)上的结构。用于固定的结构可例如包括具有API销连接P的柄部。流体通道106位于刀片104之间，并且沿着刀片104的外径延伸并从其径向***到排屑槽108。主刀片104p从主体102的纵向轴线L大致径向向外延伸至刮刀钻头100的外径，而副刀片104s具有远离纵向轴线L的径向内端并且大致径向向外延伸至刮刀钻头100的外径。
所有刀片104均包括超研磨切割元件，例如切割元件110，其包括安装在固定在凹坑116中的硬质合金基材114上的多晶金刚石台112，并且具有在使用期间面向预期钻头旋转方向的二维切割面118。如本领域普通技术人员所知，切割元件110是后倾斜的。如图所示，金刚石台112具有圆形切割面118和弧形切割刃120。流体通道106中的端口中的喷嘴122将钻探液从刮刀钻头100的内部引导出来，以冷却切割元件110，并从切割面118和流体通道106以及穿过排屑槽108，直至穿过刮刀钻头100与正在钻探的井筒壁之间的环形空间，以清除地层钻屑。刮刀钻头100的面130包括由刀片102(具体地讲，是安装在其上的切割元件110的切割刃120)限定的轮廓，该轮廓包括从纵向轴线L径向延伸的锥形区域132，从锥形区域132径向向外并围绕锥形区域的鼻部区域134，从鼻部区域134径向向外并围绕鼻部区域的肩部区域136，以及从肩部区域136径向向外并围绕肩部区域的量规区域138。与切割元件110类似地结构化的任选的后倾斜备用切割元件110b在肩部区域136中旋转地尾随切割元件110。
侵入控制(AC)切割元件150位于面130的锥形区域132中，其在锥形区域132中旋转地尾随切割元件110。如图所示，AC切割元件150a可位于与它们分别尾随的切割元件10类似的径向位置，AC切割元件150b可部分地从它们分别尾随的相关切割元件110径向地偏移，或者如在AC切割元件150c的情况下，可基本上径向地位于两个分别尾随的切割元件110之间。在各种径向布置中，AC切割元件在一些情况下可旋转地引导安装到旋转跟随刀片102的切割元件110。
与刮刀钻头100一样，刮刀钻头300还采用了美国专利9,316,058中所公开并受权利要求书保护的Baker Hughes Stay TrueTM切割元件302，其中对于此类切割元件，顶点和侧接平面平行于呈常规取向的钻头旋转方向在其鼻部区域134上取向。
虽然已经结合附图描述了某些示例性实施方案，但本领域普通技术人员将认识并理解，本公开所涵盖的实施方案不限于本文中明确示出和描述的那些实施方案。而是可以在不脱离本公开所涵盖的实施方案(诸如下文受权利要求书保护的实施方案，包括合法等同物)的范围的情况下对本文所述的实施方案进行许多添加、删除和修改。此外，来自一个公开实施方案的特征可以与另一个公开实施方案的特征组合，同时仍然涵盖在本公开的范围内。

Claims (21)

1.一种钻地工具，所述钻地工具包括：
主体；
第一切割元件，所述第一切割元件安装到所述主体的轴向前导面，所述第一切割元件各自具有暴露于所述主体的所述轴向前导面上方一高度处的切割面，所述第一切割元件的所述切割面向后倾斜并且面向所述钻地工具的预期旋转方向；和
第二切割元件，所述第二切割元件在所述轴向前导面的与所述主体的纵向轴线相邻的锥形区域中与所述第一切割元件相邻地安装到所述主体的所述轴向前导面，所述第二切割元件各自具有被构造用于剪切型切割动作并暴露于所述主体的所述轴向前导面上方高度处的单个二维切割面，所述二维切割面具有由可测量深度的外表面拖尾的切割刃，所述第二切割元件的所述二维切割面向后倾斜与所述第一切割元件相同或更大程度并且面向所述钻地工具的所述预期旋转方向。
2.根据权利要求1所述的钻地工具，其中所述主体包括纵向并径向延伸的刀片，并且所述第一切割元件和所述第二切割元件安装到所述刀片。
3.根据权利要求2所述的钻地工具，其中所述第二切割元件旋转地尾随相同刀片上的相应相邻的第一切割元件。
4.根据权利要求2所述的钻地工具，其中所述第二切割元件旋转地引导不同刀片上的相应相邻的第一切割元件。
5.根据权利要求2所述的钻地工具，其中所述第二切割元件中的至少一些第二切割元件被定位成与相应相邻的第一切割元件的切割路径至少部分地重叠。
6.根据权利要求2所述的钻地工具，其中所述第二切割元件中的至少一些第二切割元件被定位成位于两个径向相邻的第一切割元件的切割路径之间。
7.根据权利要求2所述的钻地工具，其中所述第一切割元件和所述第二切割元件包括超研磨切割元件。
8.根据权利要求2所述的钻地工具，其中所述刀片限定所述主体的轮廓，所述轮廓包括所述锥形区域、位于所述锥形区域的径向外侧并围绕所述锥形区域的鼻部区域、位于所述鼻部区域的径向外侧并围绕所述鼻部区域的肩部区域、以及位于所述肩部区域径向外侧并围绕所述肩部区域的量规区域。
9.根据权利要求8所述的钻地工具，其中所述第二切割元件仅被定位在所述锥形区域中。
10.根据权利要求9所述的钻地工具，其中所述第二切割元件是旋转地引导、尾随相应相邻的第一超研磨切割元件或位于所述相应相邻的第一超研磨切割元件之间的第二超研磨切割元件。
11.根据权利要求10所述的钻地工具，其中所述第一超研磨切割元件表现出弧形切割刃，并且所述第二超研磨切割元件表现出半径比所述第一超研磨切割元件的所述切割刃的半径大的切割刃。
12.根据权利要求11所述的钻地工具，其中所述第二超研磨切割元件的所述切割刃被具有可测量深度的顶点表面拖尾。
13.根据权利要求1所述的钻地工具，其中在所述锥形区域中所述第一切割元件的暴露高度和所述第二切割元件的暴露高度相同。
14.根据权利要求1所述的钻地工具，其中在所述锥形区域中所述第二切割元件的暴露高度小于所述第一切割元件的暴露高度。
15.根据权利要求1所述的钻地工具，其中在所述锥形区域中所述第二切割元件的暴露高度大于所述第一切割元件的暴露高度。
16.根据权利要求9所述的钻地工具，其中所述锥形区域没有支承元件。
17.一种钻地工具，所述钻地工具包括：
主体，所述主体具有从其纵向突出的径向延伸的刀片；
第一超研磨切割元件，所述第一超研磨切割元件安装到与其旋转前导面相邻的轴向前导刀片面，所述第一超研磨切割元件包括被构造用于剪切型切割动作并在预期钻头旋转方向上取向的切割面以及表现出侵入性；
第二超研磨切割元件，所述第二超研磨切割元件安装到其锥形区域中的轴向前导面，所述第二超研磨切割元件各自包括被构造用于剪切型切割动作的单个二维切割面，所述二维切割面具有由可测量深度的外表面拖尾的切割刃，所述二维切割面在所述预期钻头旋转方向上取向以及表现出比所述第一超研磨切割元件的侵入性小的侵入性；并且
相邻的所述第二超研磨切割元件与所述第一超研磨切割元件在共用刀片的所述轴向前导面上方表现出相同或更少的暴露。
18.根据权利要求17所述的钻地工具，其中所述第二超研磨切割元件仅定位在所述钻地工具的所述轴向前导刀片面的所述锥形区域中。
19.根据权利要求17所述的钻地工具，其中所述第二超研磨切割元件的所述二维切割面表现出与相邻的所述第一超研磨切割元件的所述切割面相同或更大的后倾角。
20.根据权利要求17所述的钻地工具，其中所述第二超研磨切割元件的所述二维切割面的切割刃的曲率半径大于相邻的所述第一超研磨切割元件的所述切割面的曲率半径。
21.一种钻探地下地层的方法，所述方法包括：
在施加的WOB和TOB下，将地下地层与旋转式刮刀钻头的第一组固定的切割元件接合以去除地层材料；以及
在施加的WOB和TOB下，将所述地下地层与所述旋转式刮刀钻头的锥形区域中的第二组固定的切割元件接合以不太有效地剪切地层材料，从而减小所述旋转式刮刀钻头的侵入性，所述第二组固定的切割元件各自具有单个二维切割面，所述二维切割面具有由可测量深度的外表面拖尾的切割刃。
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