[發明專利]混合式鉆頭及其鉆進方法

無效

• 申請號: 200880016630.0
• 申請日: 2008-04-04
• 公開（公告）號: CN101765695A
• 公開（公告）日: 2010-06-30
• 發明（設計）人: Z·安東;R·C·O·普雷西爾;D·源;M·S·達姆施恩;K·B·塞佩達;T·K·馬維爾;M·J·邁納斯
• 申請（專利權）人: 貝克休斯公司
• 主分類號: E21B10/14
• 分類號: E21B10/14
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 趙培訓

技術領域

本發明通常涉及鉆地鉆頭，尤其涉及具有滾動牙輪、固定切削件和切削齒的組合的鉆頭，以及利用該鉆頭進行鉆進的方法。

背景技術

旋轉鉆探的成功能夠發現深油氣儲層和開采大量石油。旋轉鉆巖鉆頭是使旋轉鉆探成為可能的重要發明。只有軟土質地層可以在商業上利用早期刮刀鉆頭和索鉆鉆具鉆透，但是Howard?R.Hughes的美國專利No.930,759中公開的雙牙輪鉆巖鉆頭在靠近Beaumont，Tex.的Spindletop油氣田相對容易地鉆探蓋巖。上世紀首個十年期間的重要發明達不到現代旋轉鉆巖鉆頭的深度和速度。最初的Hughes鉆頭鉆進許多小時，現代鉆頭鉆進許多天。現代鉆頭有時鉆進數千英尺，而不是僅僅幾英尺。許多努力對旋轉巖石鉆頭做出了重要改進。

在利用滾動牙輪或滾動切削刃鉆頭對泥土質層鉆孔時，可以使用其上旋轉安裝有一個、兩個或三個滾動牙輪的巖石鉆頭。鉆頭固定到鉆柱下端，所述鉆柱從地面旋轉或通過井底電機或渦輪機旋轉。當鉆柱旋轉時，安裝在鉆頭上的牙輪在鉆孔底部上滾動和滑動，從而接合并破碎要去除的地層材料。滾動牙輪設置有切削元件或切削齒，其通過來自鉆柱的重力推動以穿透和挖掘鉆孔底部。來自鉆孔底部和側面的切屑由從地面通過中空的旋轉鉆柱向下泵送的鉆井液沖走，并且以懸浮在鉆井液中的形式運送到地面。

滾動牙輪鉆頭在20世紀大部分的時間內進行石油鉆探。由于20世紀70年代和20世紀80年代出現的合成或人工金剛石技術的進步，固定切削刃或″刮刀″鉆頭在20世紀下半葉重新開始流行。現代固定切削刃鉆頭通常稱作″金剛石″或″PDC″(聚晶金剛石復合片)鉆頭并且比19世紀和20世紀早期的最初固定切削刃鉆頭鉆進距離更長。金剛石或PDC鉆頭安裝有包括形成在支撐基底(通常為燒結碳化鎢)上并粘結于其上的聚晶金剛石復合片層或″臺″的切削元件，切削元件布置在刀翼的選定位置或鉆頭體上的其他結構上，其中，金剛石臺通常朝向鉆頭旋轉方向。金剛石鉆頭優于滾動牙輪鉆頭之處在于它們通常不具有活動部分。金剛石鉆頭的鉆進機理和動態性能與滾動牙輪鉆頭不同，因為它們不具有活動部分。在鉆進操作期間，金剛石鉆頭以與滾動牙輪鉆頭類似的方式使用，金剛石鉆頭同樣在所施加的鉆壓作用下抵靠被鉆地層旋轉以去除地層材料。金剛石切削齒和鉆孔底部及側部之間的接合剪切或刮削地層材料，以代替滾動牙輪鉆頭所產生的破碎作用。滾動牙輪和金剛石鉆頭均具有比彼此更適合的特殊應用；在可預見的將來，沒有哪種鉆頭可以完全代替另一種。

在現有技術中，一些鉆地鉆頭使用一個或多個滾動牙輪和一個或多個固定刀翼的組合。一部分組合型鉆頭稱作混合式鉆頭。混合式鉆頭的上述設計(例如授權給Baker，III的美國專利No.4,343,371中描述的情況)使用滾動牙輪進行大部分地層切削，尤其是在鉆孔中心處。其它類型的組合鉆頭稱作″取芯鉆頭″，例如授權給Garner的美國專利No.4,006,788中所公開的那樣。取芯鉆頭典型地具有截頂滾動牙輪，所述截頂滾動牙輪不延伸到鉆頭中心并且設計成能通過向下鉆鑿來去除地層的巖心樣品，而周圍的，要從鉆孔中去除的實心圓柱形地層通常保持完整。

授權給Shamburger，Jr.的美國專利No.5,695,019中描述了另一種混合式鉆頭，其中，滾動牙輪幾乎全部延伸到中心。固定切削件鑲齒50(圖2和3)位于鉆頭的圓頂區域2或″分叉處″以實現被鉆地層的去除。還有另一種混合式鉆頭有時候稱作″擴眼器″，美國專利No.6,527,066中描述了擴眼器的實例。擴眼器具有軸向延伸超過滾動牙輪以附接定向鉆頭的固定螺紋突起，所述定向鉆頭可以是滾動牙輪鉆頭或固定切削刃鉆頭。在后兩種情況下，利用固定切削齒切削中心處，但是固定切削齒不形成從中心到鉆頭周邊的連續、不中斷的切削輪廓。

盡管每種鉆頭可用于特定應用，但人們希望使用具有增強鉆進性能的改進的混合式鉆地鉆頭。

發明內容