CN101310090A - 具有套管部件钻出能力的钻地钻头、用于所述钻地钻头的切削元件以及所述钻地钻头的使用方法 - Google Patents

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S·特亚吉
J·T·奥尔德哈姆
L·克拉克
W·霍伊瑟
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Abstract

钻头(12)包括具有表面的钻头体，在所述表面上布置有两种不同类型的切削元件，第一类型(32)为适于钻进至少一种地层的切削元件，如果套管钻头设置在套管或衬管柱内，以及位于所述套管或衬管柱以内或以外的水泥内的话，第二类型(36)为适于钻穿布置在套管或衬管柱和注水泥设备或其它部件的端部处的套管钻头的切削元件。第二类型的切削元件(36)与第一类型的切削元件(32)相比具有相对较大的暴露度，以便与套管钻头和(如果有的话)要钻穿的注水泥设备部件及水泥的内部接合，其后，第二类型的切削元件(36)在与位于套管钻头以外的地层材料接合时迅速磨损，并且第一类型的切削元件(32)继续钻进地层。

Description

具有套管部件钻出能力的钻地钻头、用于所述钻地钻头的切削元件以及所述钻地钻头的使用方法
技术领域
本发明通常涉及钻探地下钻孔，更具体地，涉及用于钻探地层并具有钻出可能位于或紧挨套管柱或衬管柱(例如套管钻头或套管靴，注水泥设备部件和水泥)端部的地质构造和材料的能力的钻头。
背景技术
钻探用于油气生产的井眼通常使用钻管的纵向延伸段或称作“钻柱”，所述钻管的一端固定有较大直径的钻头。在已经钻出钻孔的选定部分之后，钻孔通常用套管柱或套管段加衬里或加套。这种套管或衬管的直径通常大于钻管的直径且小于钻头的直径。因此，根据常规方法的钻探和加套典型地需要按顺序使用其上附接有钻头的钻柱来钻探钻孔，从钻孔中取出钻柱和钻头，以及将套管放入钻孔中。另外，通常来说，当钻孔的一部分利用套管(其通常利用水泥固定在适当的位置上)加衬后，人们希望超出套管端部的附加钻探。
令人遗憾的是，连续的钻探和加套是耗费时间的，这是因为如人们所认识到的，在油气生产期间达到的相当深的深度处，完成回收钻柱的复杂取回作业所需的时间是相当长的。因此，这种作业也是高成本的，举例来说，这是因为开始赚钱的生产被大大推迟。此外，在取出钻管和将套管放入钻孔期间难以进行钻井控制。
已经研究出了一些方法来解决与常规钻探和加套作业相关的难题。最初关注的是已经在常规钻探作业中使用的称作扩眼钻头靴的装置。扩眼钻头靴在近年来被有效使用，并且该扩眼钻头靴是能够钻通已经预先钻出的钻孔内的适度阻塞的装置。另外，扩眼钻头靴可以包括由可被钻头钻进的材料制成的内部。因此，当用水泥固定到适当位置时，扩眼钻头靴通常不会给随后的钻头造成困难。例如，授权给Strong等的美国专利号6,062,326公开了中心部分构造为被钻通的套管靴或扩眼钻头靴。另外，授权给Strong等的美国专利号6,062,326公开了一种套管靴，如果不希望钻通的话，所述套管靴可以包括布置在其整个表面上的金刚石切削件。
作为对扩眼钻头靴构思的进一步扩展，为了解决与顺序钻探和加套相关的难题，套管钻进是广受欢迎的方法，其用于首先钻探钻孔，其中，套管用作钻探导管，在钻探之后，套管保持在井下作为钻孔套管。套管钻进使用附接到套管柱上的传统钻头，使得钻头不仅起到钻进地层的作用，还起到引导套管进入井孔的作用。这在当钻孔由钻头形成时，套管放入钻孔的情况下是有利的，因此，取消了在到达希望加注水泥的目标深度之后取回钻柱和钻头的必要性。
尽管这种方法大大提高了钻进过程的效率，但是当套管在到达预定深度时加注水泥的情况下遇到了其它问题。而套管钻进的一个优点是钻头无需从井孔中取回，需要进一步的钻进。例如，进行水泥加注是为了沿着井孔的特定宽度，而不是在预定深度处使某些地层彼此隔离。因此，必须通过或围绕附接到套管端部上的钻头进行进一步的钻进。
在可钻孔的套管靴的情况下，可以利用穿过第一套管内部的较小直径的钻头和附接于其上的套管段完成进一步的钻进，从而钻进超过预定到达深度的另一孔段。当然，可以利用相应的越来越小的部件根据需要重复进行加注水泥和进一步钻进，直到到达井孔的预定深度。
然而，由于需要钻头从地层中移除岩石，因此通过上述钻头进行钻进是困难的，钻头通常包括典型地由例如碳化钨、多晶金刚石或钢制成的极耐钻进的刚性结构。尝试通过附接到套管端部上的钻头进行钻进可能引起对随后使用的钻头和底部钻具组件或者套管本身的损坏。有可能通过钻头或具有称作铣刀的专用工具的套管进行钻进，但是这些工具不能有效穿透岩层，并且铣刀必须从井孔中取回或“脱扣”并替换为钻头。在这种情况下，由套管钻进节省的时间和费用消失殆尽。上文引用的被要求优先权的美国专利申请序列号10/916,342中公开了一种避免套管开窗铣刀脱扣的装置，所述套管开窗铣刀用于钻穿设置于套管中的造斜器。然而，人们已经研发出了在其它情况下使用的其它方法以允许连同进一步钻进一起间歇性的注入水泥。
在一种方法中，使用包括钻头和例如扩孔器的一个或多个扩径工具在内的钻进组件，其钻出直径足够大的钻孔以容纳套管。钻进组件设置在套管前进端。钻头可以从套管上缩回、拆下或两者兼有。例如，授权给Leturno的美国专利号5,271,472公开了一种包括可取回中心钻头的钻头组件，所述中心钻头通过可松开的锁定装置插入外部扩孔钻头并与之接合，所述锁定装置可以是由钻井流体控制的压力流体。当完成钻井作业时，马达和可取回的中心钻头部分可以从井孔中取出，以便可以进行例如加注水泥将钻柱或套管固定在适当位置上的进一步的井孔作业或者实施进一步的井孔延伸或钻进作业。因为钻头的中心部分为可拆卸的，它可以包括设计成能承受井下恶劣环境的相对耐用的材料，例如碳化钨、金刚石或两者兼有。然而，这种配置不是人们所希望的，因为，在进行注水泥作业之前，钻头必须从井孔中拆卸，因此，不能消除拆卸钻头的时间和费用。
用于套管钻进的另一个方法包括适于附接到套管柱上的套管钻靴或钻头，其中，所述钻头包括由较硬材料制成的外部钻段和由可钻进材料制成的内部。例如，授权给Wardley的美国专利号6,443,247公开了一种套管钻靴，其包括由较硬材料制成的外部钻段和由例如铝的可钻进材料制成的内部。另外，外部钻段为可替换的，从而允许利用标准钻头钻穿所述靴。
同样，Wardley的美国专利申请2002/0189863中公开了一种用于将套管钻入钻孔中的钻头，其中，材料比例选择成使得钻头给井孔提供适当的切削和钻孔，同时能够由随后的钻头钻穿。该申请还公开了一种应用于套管靴的耐磨材料涂层以及施加该涂层的方法。
然而，如Wardley的上述专利和申请中所述的套管钻靴或钻头可能过于复杂，需要对包括易钻进材料在内的组合材料进行仔细选择，因此，对制造来说过于昂贵。
上文引用的被要求优先权的美国专利申请序列号10/783,720中公开和要求保护了套管钻头，其解决了与Wardley结构相关的许多缺陷。
然而，为了能够使用例如通常不可被超研磨切削元件钻进的钢或其它材料的耐用、价格低廉、易于加工的材料制造套管钻头(或套管靴)，人们希望钻头提供钻穿这种套管钻头和(如果使用的话)设置在上方的套管或衬管柱中的其它部件以及水泥的能力，同时仍然提供使用超研磨切削元件的传统钻头的地层钻进能力。
发明内容
本发明涉及一种钻头，其配置为钻穿套管钻头以钻入地层，并且在不使钻柱脱扣的情况下继续钻井作业。本发明的钻头可以包括用于将钻头连接到钻柱和主体上的连接结构，所述主体在一个实施例中可以承载布置在其表面上的多个通常径向延伸的刀翼，其中，多个刀翼中的至少一个支撑适于钻进地层的至少一个切削元件和具有比所述至少一个切削元件暴露度更大的至少另一个切削元件，所述至少另一个切削元件适于钻穿套管钻头和(如果有的话)布置在使本发明的钻头在其内部移动的套管或衬管柱中并位于所述套管钻头上方的注水泥设备部件以及位于所述套管或衬管柱以内或以外的水泥。
实际上，本发明设想，布置在钻头上的第一多个超研磨切削元件具有暴露度，布置在所述钻头上的第二多个研磨切削元件具有与第一多个切削元件相比更大的暴露度。第二多个研磨切削元件可以构造、定位和定向，并且具有上述较大的暴露度以首先接合并钻穿套管钻头、注水泥设备和用于将套管或衬管柱固定并密封在井孔内的水泥的材料和区域，所述材料和区域不同于在井孔的期望路径上位于套管钻头前面和外面的随后的地层材料和区域，第一多个超研磨切削元件构造、定位和定向为接合并钻穿上述地层材料和区域。特别地，第二多个研磨切削元件例如可以包括碳化钨切削元件，所述第一多个超研磨切削元件例如可以包括聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件。
在另一个实施例中，所述第二多个切削元件可以包括超研磨材料，以非限制实例的方式，所述超研磨材料的形式为孕镶超研磨材料的切削元件、孕镶超研磨材料的抗磨结以及包括天然金刚石的抗磨结。当在此使用时，术语“切削元件”包括研磨结构、超研磨结构和包括研磨和超研磨材料的结构，其具有切削能力，而不管是否构造为传统的切削元件。
在另一实施例中，所述第二多个切削元件的构造具有包括多个不同暴露度的切削刃，这种切削元件的切削面包括(以非限制实例的方式)90°台阶、45°台阶、锯齿状、齿状台阶或扇形构造。可选地，这种切削元件的切削面可以包括单个或多个斜面或倒角。
在其它实施例中，所述第二多个切削元件可以包括例如钢的可延芯部，所述芯部包括例如碳化钨或氮化钛的抗磨耗覆盖层。在其它实施例中，第二多个切削元件可以包括从后面由筋板或支肋支撑的切削结构，或者包括多个横向相邻的整体式切削面。
在另一实施例中，切削结构可以整合具有第一暴露度的第一切削元件部分和具有较大的第二暴露度的第二切削元件部分。
本发明还设想，钻头构造为扩孔器和套管钻头，包括构造为扩孔器的套管钻头。更具体地，本发明的钻头或套管钻头扩孔器可以包括位于其纵向下端的定心钻头和上部扩孔结构，所述上部扩孔结构以定心钻头为中心并且包括围绕扩孔器的外周或周边的主要部分分布的多个刀翼。可选地，本发明的钻头或套管钻头扩孔器可以构造为双中心钻头组件，其使用具有横向偏移轴线的两个纵向叠置钻头部分，其中，通常来说，使用具有较小直径的第一下部定向钻头部分开始钻进，定向钻头部分的旋转会导致钻头组件的旋转轴线从通过(pass-through)直径转换到扩孔直径。
本发明还设想，用于切削元件的构造尤其适合于钻进套管部件、注水泥设备部件和水泥。
通过考虑后面的说明、附图及所附权利要求书，对于本领域的普通技术人员来说，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
在图解说明了目前来讲是实施本发明的最佳方式的附图中：
图1是本发明的钻头的透视图；
图2是本发明的另一个钻头的一部分的放大透视图；
图3是图2所示钻头的表面的放大图；
图4是根据本发明的钻头的切削元件布置设计的示意性横截面侧视图，其中显示了布置在所述钻头上的第一和第二类型的切削元件相对暴露度；
图5A是适于钻穿套管钻头和(如果有的话)套管内位于套管钻头上方的注水泥设备部件的切削元件的一种构造的透视图，图5B是切削元件的前视图，图5C是沿图5B中直线5C-5C剖开的剖视图，和图5D是处于图5C所示圆圈区域内的切削元件的切削刃的放大图；
图6A-6H示意性地显示了适于钻穿套管钻头和/或(如果有的话)套管内的注水泥设备部件及相关材料的切削元件的其它构造，其中，图6A、6C、6E和6G显示了切削元件的横向构造，图6B、6D、6F和6H显示了侧视图；
图7A-7B显示了适于首先钻穿套管钻头和/或(如果有的话)套管内的注水泥设备部件及相关材料，随后钻穿位于套管钻头前面的地层的双重用途的切削元件；
图8示意性地显示了一种套管组件，该组件具有位于其底部的套管钻头和位于所述套管钻头上方的注水泥设备部件组件，所述套管组件布置在钻孔中；
图9显示了例如可在图7所示的套管组件中使用的示例性注水泥设备部件组件的详细的横截面侧视图；
图10显示了布置在套管钻头内的根据本发明的钻头的示意性横截面视图，所述套管钻头具有大体上与由钻头的切削元件限定的钻进轮廓相一致的内轮廓以及外轮廓；
图11A-11E是适于钻穿套管钻头和/或(如果有的话)套管内的注水泥设备部件及相关材料的切削元件实施例的侧视图；
图12是具有多个横向相邻的切削刃且适于钻穿套管钻头和/或(如果有的话)套管内的注水泥设备部件及相关材料的切削元件的正视图；
图13A和13B分别是适于钻穿套管钻头和/或(如果有的话)套管内的注水泥设备部件及相关材料的切削元件的侧视图和正视图；
图14A是适于钻穿套管钻头和/或(如果有的话)套管内的注水泥设备部件及相关材料的孕镶超研磨磨粒的切削元件的示意图；
图14B是孕镶超研磨磨粒的切削元件的示意侧视图，所述切削元件构造为适于钻穿套管钻头和/或(如果有的话)套管内的注水泥设备部件及相关材料的磨结(wear knot)；和
图14C是构造为柱的切削元件的正面图，所述切削元件具有多个固定在其远端的天然金刚石，并且适于钻穿套管钻头和/或(如果有的话)套管内的注水泥设备部件及相关材料。
具体实施方式
图1-3显示了根据本发明的形式为固定切削刃钻头或所谓的“切削型”钻头的钻头12的几个实施例变形。为清楚起见，相同的数字用于识别图1-3中相同的部分。如图1-3所示，钻头12包括具有表面26的主体14和通常径向延伸的刀翼22，所述刀翼形成位于其间且延伸至周向相邻的刀翼22之间的排屑槽35的流体通道24。钻头体14可以包括碳化钨基体或钢体，两者在本领域中都众所周知。刀翼22还可以包括凹窝(pockets)30，其可以构造为接收一种类型的切削元件，例如形式为PDC切削元件32的超研磨切削元件。通常，这种PDC切削元件可以包括粘结到基底上的超研磨区域。使用PDC切削元件的旋转切削型钻头已经使用了几十年。PDC切削元件典型地由形成在例如烧结碳化钨(WC)的支撑基底上且通过高压高温(HPHT)工艺粘结到其上的盘状金刚石“台”所构成，但是其它构造也是众所周知的。装有PDC切削元件的钻头在本领域众所周知，举例来说，所述切削元件可以铜焊到钻头面上的凹窝中、从表面伸出的刀翼上的凹窝中或者安装到插入钻头体中的柱块上。因此，PDC切削元件32可以通过铜焊、焊接或本领域已知的其它方法固定到钻头12的刀翼22上。如果使用PDC切削元件32的话，它们可以以恒定或变化的角度后倾。举例来说，PDC切削元件32在紧挨钻头中线的锥形牙轮内以15°后倾、在锥顶和肩部处以20°后倾、在保径面上以30°后倾。还可以想到，如本领域已知，并且在考虑要钻进的地层或地质构造时可以选择的，切削元件32可以包括适当安装和暴露的天然金刚石、热稳定聚晶金刚石硬质合金齿、立方氮化硼硬质合金齿或孕镶金刚石磨粒段。
同样，每个刀翼22可以包括保径区域25，其构造为限定钻头12的最外侧半径，因此，限定了所钻钻孔的壁表面的半径。保径区域25包括从锥顶部分20伸出的刀翼22的纵向向上(钻头12在使用期间的朝向)延伸部，并且在其径向外表面上可以具有耐磨硬合金齿或涂层，例如形式为由天然或人工合成金刚石或表面硬化材料制成的保径修整器的切削元件以抑制过度磨损，如本领域已知的那样。
例如，钻头12还可以具有位于刀翼22上的凹窝34，其可以构造为接收与第一类型(例如，碳化钨切削元件)不同的另一类型的研磨切削元件36。但是，还可以想到的是，研磨切削元件36例如可以包括除了钨(W)碳化物之外的碳化物材料，例如钛(Ti)、钼(Mo)、铌(Nb)、钒(V)、铪(Hf)、钽(Ta)、铬(Cr)、锆(Zr)、铝(Al)和硅(Si)碳化物，或陶瓷。研磨切削元件36可以通过焊接、铜焊或本领域已知的其它方法固定在凹窝34内。如图1所示，沿期望的钻头旋转方向观察，研磨切削元件36可以具有大体上相等的厚度。研磨切削元件35的适当且非限制的深度或厚度为0.175英寸。如图2和3所示，研磨切削元件36沿钻头旋转方向观察可以具有变化的厚度，其中，研磨切削元件36在径向更为靠外的位置(因此，它们在钻头12旋转一圈时例如比钻头12的锥形牙轮内的那些切削元件移动更长的距离)处具有较厚的厚度，从而确保为切削套管部件和水泥保留足够的材料，直到套管部件和水泥被穿透之后由于与地层材料相接触而磨耗为止。例如，钻头12的锥形牙轮内的研磨切削元件具有0.175英寸的深度或厚度，而位于径向更靠外位置的那些研磨切削元件具有0.25英寸的厚度。人们希望选择或调整研磨切削元件36的厚度以提供位于内部的足够多的材料来钻穿位于套管内部和周围的要钻进地层之间的套管钻头或其它结构，而不会产生超研磨切削元件32与套管钻头或其它结构之间任何实质和可能的接触损坏。
还是如图1-3所示，研磨切削元件36可以放置在从钻头锥形牙轮向外到肩部之间的区域内(在从中线L到保径区域25的区域内)以给切削元件32提供最大程度的保护，所述切削元件32在钻探套管组件部件时极易受损。研磨切削元件可以后倾例如5°。概括地说，人们希望保护表面26上的切削元件32，所述表面可以解释为相对于中线L具有小于90°的齿廓角或角度的表面。切削元件36还可以有选择地沿表面26的轮廓放置，从而给所述表面的某些区域和位于其上的切削元件32提供增强的保护。
超研磨切削元件32和研磨切削元件36可以结合凹窝30和34的相应深度和位置分别设定尺寸和构造，从而使研磨切削元件36比超研磨切削元件32具有更大的相对暴露度。当在此使用时，切削元件的“暴露度”通常是指在安装该切削元件的钻头的一部分，例如刀翼表面或其轮廓上方的凸起高度。然而，特别是参考本发明，“相对暴露度”是指一种类型的切削元件32和另一不同类型的切削元件36之间的暴露度差。更具体地，术语“相对暴露度”用于表示一种类型的一个切削元件32和另一不同类型的另一个切削元件36之间的暴露度差，所述切削元件大体上位于钻头12上相对于钻头12的中线L具有相似半径的位置处(参见图4)，并且，可选择地，它们大致沿钻头旋转方向定位。在图1-3所示的实施例中，研磨切削元件36通常描述为可“跟随”超研磨切削元件32旋转，并且在同一刀翼22上旋转靠近而且位于大体上相同的半径处。然而，研磨切削元件36还可以定位成旋转“领先”相关的超研磨切削元件32。
作为对前面的解释说明，图4为钻头12的切削元件放置设计的侧视图，显示了相对于纵向轴线或中线L及其钻进轮廓P布置在例如本发明的钻头12的钻头(未显示)上的切削元件32、32′和36，如同所有的切削元件32、32′和36在单一刀翼(未显示)上旋转。特别地，可以对多个切削元件36进行尺寸设计、构造和定位以便接合和钻进第一材料或区域，例如套管靴、套管钻头、注水泥设备部件或其它井下部件。另外，如果套管靴已经用水泥固定在井孔内，如本领域中已知的那样，多个切削元件36可以构造为钻穿围绕该套管靴的水泥区域。另外，可以对多个切削元件32进行尺寸设计、构造和定位以钻穿地层。同样，切削元件32′构造成具有径向向外的平面并且定位成切削钻头12的保径，但是钻头12的切削元件放置设计的保径区域还分别包括第一和第二多个切削元件32和36。本发明设想，多个切削元件36可以比多个切削元件32更为暴露。这样，多个切削元件36相对于多个切削元件32易受到损坏。进一步解释来说，所述多个切削元件36构造为首先接合并钻穿与所述多个切削元件32接合并钻穿的随后材料和区域不同的材料和区域。
因此，所述多个切削元件36与所述多个切削元件32的构造不同。特别地，如上所述，所述多个切削元件36可以包括碳化钨切削元件，而所述多个切削元件32包括PDC切削元件。这种构造有利于钻穿套管靴或钻头，以及其上布置有套管靴或钻头的套管内的注水泥设备部件，以及主要位于所述多个切削元件36附近的水泥。然而，在进入地层时，被钻探地层材料的研磨性可以磨掉切削元件36的碳化钨，多个PDC切削元件32可以与地层接合。如图1-3所示，在非限制的情况下，一个或多个切削元件32旋转位于一个或多个切削元件36之前。可选地，在非限制的情况下，一个或多个切削元件32旋转跟随一个或多个切削元件36。
值得注意的是，在被钻进地层材料的研磨性磨掉切削元件36的碳化钨之后，PDC切削元件32被减载，从而可以更有效地钻进。另外，人们相信，磨损切削元件36可以作为PDC切削元件36的备用，扫清PDC切削元件36钻入地层材料的路径，增强钻头12的稳定性，延长这些切削元件的寿命，并因此增强钻头12的耐久性和钻进效率。
在利用钻头12钻进期间，周向相邻刀翼22之间的流体通道24可以具有通过喷嘴33流动的钻井流体，所述喷嘴33固定在延伸于钻头12的内部及钻头外表面26之间的通道外端处的孔内。由于切削元件32或36接合而产生的材料切屑从切削元件32和36上冲走，并且切削元件32和36由泵送到其上布置有钻头12的钻柱孔中且由喷嘴33流出的钻井流体或泥浆冷却，所述流体通常径向向外流过流体通道24，随后向上通过排屑槽35流向位于其中悬置有钻头12的套管段的内壁和其上布置有钻头12的钻柱外部之间的环形区域。当然，在钻头12钻穿套管组件的端部之后，环形区域形成在钻柱外部和周围的井孔壁之间。
图5A-5D描述了切削元件36的适当构造的一个实例，包括由碳化钨或其它适当材料制成的盘形主体100，并在其后部(沿期望的切削运动方向)围绕平坦的后表面104具有周向倒角102。圆柱形侧面106从倒角102伸向环形平面108，所述环形平面108与纵向轴线110垂直并向内延伸到通向平坦切削面的偏移倒角112。为方便起见，从侧面106与环形平面108的交界到偏移倒角112与切削面114的交界的区域通常称作切削刃区域。倒角102和偏移倒角112与纵向轴线110的角度例如为45°。然而，可以设想其它角度，并且本发明不限于特定的角度。切削元件36可以例如以前倾角、中间(大约0°)倾角或最多大约25°的后倾角布置在钻头12的表面26(如在刀翼22上)上，从而有效地切削套管靴、套管钻头、注水泥设备部件和水泥，但是切削元件36的特定后倾角范围不限于本发明。
图6A-6H描述了切削元件36的其它适当构造。图6A和6B所示切削元件36的横向构造为圆形，并且如图6B所示，具有与图5A-5D所示切削元件36构造相类似的切削刃区域。然而，后表面104朝向切削元件的前部(沿箭头所示的期望切削方向)倾斜，提供较厚的底部和用于切削的较薄外缘，从而在与地层材料接合时加快磨损。图6C和6D所示切削元件36的横向构造也为圆形，并且如图6D所示，具有与图5A-5D所示切削元件36构造相类似的切削刃区域。然而，后表面切削面114朝向切削元件的后部倾斜，提供较厚的底部和用于切削的较薄外缘，从而在与地层材料接合时加快磨损。图6E和6F所示切削元件36的横向构造也为圆形，并且如图6F所示，具有与图5A-5D所示切削元件36构造相类似的切削刃区域。然而，切削面114从切削刃区域朝向切削元件的后部倾斜，提供较薄的底部和用于切削的较厚外缘，从而提供用于长期切削套管部件等的更多的切削元件材料。图6G和6H所示切削元件36的横向构造为卵形或蛋形，并且如图6H所示，具有与图5A-5D所示切削元件36构造相类似的切削刃区域。切削面114和后表面104相互平行。卵形构造增强了由切削元件切削的材料载荷，从而有利于最初的接合。
图7A和7B显示了可以布置在钻头12上的切削元件136以切削与套管相关的部件以及地层，而不是使用单独的切削元件切削与套管相关的部件以及随后的地层。切削元件136包括粘结到耐磨元件140上的超研磨元件138，切削元件136的外部横向构造由耐磨元件140限定为卵形，超研磨元件138具有圆形构造并朝向切削元件136的底部B偏移以在底部处与耐磨元件140切向对齐。因此，耐磨元件140的外部区域的暴露度大于超研磨元件138的外部区域的暴露度，如142处所示。元件140的切削刃区域，如图7B所示，与图5A-5D所示切削元件36的构造相类似。当切削元件136利用接收于钻头面上的单个凹窝内的底座B安装到钻头上时，耐磨元件140的较大暴露度将使其能够接触与套管相关的部件(套管靴、套管钻头、注水泥设备和水泥等)并钻穿，此后，耐磨元件140与地层材料的接合将使其迅速磨损并导致超研磨元件138与地层接合。
图11A-11E描述了根据本发明的切削元件36的其他实施例，所述切削元件36整合有多个切削刃以提高铣削穿透套管靴或其它套管部件时所遇钢和其它金属材料的效率。如每副附图中的虚线所示，切削元件36可以接收于在钻头面的下面延伸的凹窝中。如其它实施例那样，切削元件36的这些实施例可以具有圆形或其它(卵形、矩形、墓碑形等)合适的横截面构造。图11A描述了切削元件36，该切削元件包括位于其切削面114上的多个90°台阶S，在切削元件36磨损时，提供依次暴露为与所切削材料相接合的切削刃CE。这种构造在给定切削刃CE与被切削材料接合时，提供了较高的应力集中。图11B显示了类似的构造，其中，台阶S以45°布置，其提供了与图11A的90°台阶相比较低的应力集中。图11C显示了切削元件36，其具有一系列齿T，提供了切削刃CE，所述切削刃通过切削元件磨损而顺序暴露。图11D显示了切削元件36，其具有位于切削面114上的多个扇形凹口SC，从而提供了多个切削刃CE。图11E显示了与图11D所示构造类似的切削元件36，但是使用了更大的或伸长的扇形凹口SC，其起到“碎屑机”的作用以弄碎或粉碎套管材料或其它被钻穿材料的切屑，要不然的话，这些切屑会被切削元件36剪切成难以利用循环钻井流体从井孔靠液力冲走的细长碎片。
图12显示了切削元件36的另一实施例，其中，多个横向相邻的切削刃CE设置在同一切削面114上。这种布置尤其是在钻头12的相对密集的锥形牙轮区域内极好地提供了与被钻进套管材料和相关材料相接合的多个紧密相邻的点，而无需使用过多的切削元件36，但这会牺牲切削元件23的钻进效率。
图13A和13B显示了用于钻进套管部件和相关材料的切削元件236的另一实施例。切削元件236包括切削结构，其例如包括如参照图5A-5D、6A-6H、11A-11E和12显示和描述或如图13B所显示的切削元件36，切削元件36可以包括三角形构造。取代布置在相对较深的凹窝34中并通过一部分钻头体从后面(沿钻头旋转方向观察)支撑，切削元件36可以略微延伸到浅凹窝34s中并且通过从切削元件36的主平面以锐角伸出的筋板或支肋240在分立的外周位置从后面支撑，所述筋板或支肋由这样的材料制成并构造成使得当切削元件236充分磨损，例如磨损到水准L时，切削元件36和筋板或支肋240之间的接合点将失效，并且切削结构将挤毁。因此，围绕切削元件32的区域(在图13A和B中未显示)将确定无疑地增强钻头12的水力特性。筋板或支肋240例如可以包括由基体材料(渗透有铜合金的碳化钨)制成的支柱(包括钻头体的延伸部)，或者可以包括预成型构件，其由在钻进套管部件和相关材料的过程中足以经受切削元件236所遇到的作用力和冲击载荷的任何材料制成。
图14A-C显示了切削元件36的其它实施例。图14A显示了由支承在例如碳化钨的基体材料中的超研磨材料制成的切削元件36，所述超研磨材料采用天然或人工合成金刚石磨粒，或其组合的形式(其一或两者统一表示为G)。这种结构(如本领域已知)可以包括具有任何适当构造的烧结主体、渗透主体或热等静压(HIP)主体，图14A中只显示了一个非限定性示例。图14B显示了由支承在例如碳化钨的基体材料中并构造为磨结的超研磨材料制成的切削元件36，所述超研磨材料采用天然或人工合成金刚石磨粒，或其组合G的形式。磨结可以形成为基体型钻头体的整体部分，或者预先成形或固定(在凹窝中)到钻头面上。图14C显示了构造为支柱并包括位于其远端上的多个天然金刚石ND的切削元件36。如同磨结构造一样，支柱材料由基体材料构成。另外，图14C的结构可以构造为与图14B一致的磨结，图14B的结构可以构造为与图14C一致的支柱。还可以想到，立方氮化硼可作为超研磨材料使用，从而代替金刚石。
切削元件36的所有上述构造可以实现为具有坚硬或可延芯部的切削元件，其中一个或多个外表面上涂覆有例如碳化钨或氮化钛的抗磨耗覆盖层。尽管已经描述和显示了一方面用于切削与套管相关部件和水泥，另一方面用于切削地层材料的特定切削元件构造的实例，但是，本发明不限于此。如此处公开的切削元件构造仅仅为发明人认为合适的设计实例。用于切削与套管相关部件的其它切削元件设计例如可以使用桥接在切削元件侧面和切削面之间的倒角，而不是偏移倒角，或者根本不使用倒角。同样，超研磨切削元件设计和制造是极为先进完善的技术，使超研磨切削元件设计和材料与要钻进的特定地层相匹配是本领域众所周知的。
如图8所示，套管段200和布置在其端部204上的套管钻头CB可以由水泥202或其它可硬化材料包围，从而在钻孔BH钻出之后加固钻孔BH内的套管钻头CB和套管段200。可以迫使水泥202通过(例如)形成于套管钻头CB上的孔穿过套管段200的内部，进入形成于钻孔BH的壁和套管段200的外表面之间的环形区域。当然，可以使用如示意性地显示在套管钻头CB上方的传统浮动设备F控制和传送水泥到套管钻头CB。将套管钻头组件206加固到钻孔BH内可以稳定钻孔BH和密封由钻孔BH穿透的地层。另外，人们希望钻穿套管钻头CB，以便使钻孔CB延长，如下文更详细描述的那样。
套管钻头CB可以包括整体式梁腹部分S(参见图9)，其从包括一个或多个易碎区域的套管钻头CB的锥顶部分纵向伸出。可选地，例如浮动设备的流量控制设备F可以包括在套管钻头CB的整体式梁腹部分S内。套管钻头CB可以包括用于将套管钻头CB附接到套管柱上的螺纹端，或者可以通过例如焊接的其它适用技术附接。可选地或另外，在不限制的情况下，套管钻头CB可以包括位于整体式梁腹部分S内的本领域已知的浮阀机构、分段固井工具、浮箍机构、连顶接箍结构、其它注水泥设备或其组合，或者这类部件可以布置在位于套管钻头CB上方的套管柱内。
更具体地，作为部件组件F的套管钻头CB的整体式梁腹部分可以包括如授权给Fox的美国专利号3,997,009和授权给Streich的美国专利号5,379,835中公开的注水泥浮阀，所述文献的内容在此引入作为参考。另外，如授权给Baldridge等的美国专利号4,624,316和授权给Budde的5,450,903中公开的通常用于固井作业的阀和密封组件可以包括部件组件F，所述文献的内容在此引入作为参考。另外，如授权给Coone的美国专利号5,842,517中公开的浮箍可以包括部件组件F，所述文献的内容在此全文引入作为参考。另外，授权给Allamon等的美国专利号5,960,881和授权给Szarka的6,497,291中公开了可以包括部件组件F的注水泥设备，所述文献的内容在此全文引入作为参考。任何一种上述注水泥设备或者以其它方式为本领域公知的机构和设备可以包括在整体式梁腹部分S内并且可以包括部件F。
在一个实施例中，部件组件F可以包括浮箍，如图9所示，该图显示了整体式梁腹部分S的局部横截面侧视图。如图9所示，部件组件F可以包括内体82，其通过短水泥柱83锚定在外体84内，并且具有贯穿连接其上下端部的孔86。孔86适于通过包括提升阀构件89的止回阀88打开和关闭，所述提升阀构件89适于在下部位置敞开孔86和上部位置关闭孔86之间竖向移动，从而允许向下流动，但防止向上流动。因此，提升阀构件89可以由显示为压缩弹簧的偏压元件91偏压到上部位置；但是，为此目的可以使用其它偏压机构，例如压缩气体、气缸或拱形弹簧。因此，水泥可以通过止回阀88和孔(未显示)或者形成在整体式梁腹部分S或整体式套管钻头CB内的易碎区域(未显示)传送，如上文讨论的那样。
在利用钻孔BH内的套管钻头组件206和注水泥固定套管钻头组件钻探钻孔BH之后，人们希望钻穿套管钻头组件206的端部并钻入位于套管钻头组件206之前的地层，本发明的钻头尤其适用于所述套管钻头组件。
参见图10，如上所述，套管钻头CB可以固定到套管段上并且用水泥加固在钻孔或井孔(未显示)内，如本领域中已知的那样。图10显示了布置在用于钻穿的套管钻头CB内的根据本发明的井孔组件W和钻头12的一部分的局部横截面实施例。为清楚起见，显示了没有附接到套管钻头CB上的套管段的井孔组件W。然而，应当理解，如图10所示的井孔组件W的实施例可以包括如本领域已知和图8所示那样用水泥加固在钻孔内的套管段。
通常，参见图10，钻头12可以包括沿其下部区域限定的钻进轮廓P，所述下部区域配置为接合并钻穿地层。进一步解释来说，钻头12的钻进轮廓P可以由沿钻头12的路径或轮廓布置的切削元件36限定。因此，钻头12的钻进轮廓P是指钻进包络面或钻进表面，其由钻头12围绕其钻进轴线(未显示)旋转一整圈形成。当然，如本领域中已知，钻进轮廓P至少部分地由布置在钻头12上的通常径向延伸的刀翼(在图10中未显示，参见图1-3)限定。此外，钻进轮廓P可以包括弧形区域、平直区域或两者兼有。
套管钻头CB可以包括内轮廓IP，其大体上对应于钻头12的钻进轮廓P。这种构造提供了钻穿套管钻头CB时更高的稳定性。特别地，使钻头12的钻进轮廓P的几何结构形成为符合或对应于套管钻头CB的内轮廓IP的几何结构可以使布置在钻头12上的较大暴露面的切削元件36与套管钻头CB的内轮廓IP至少稍微同时地接合，从而补偿切削作用力、扭矩或两者。
例如，参见图10，钻头12的钻进轮廓P大体上对应于套管钻头CB的内轮廓IP，两者形成所谓的“倒锥形”。换句话说，钻进轮廓P从钻头12的外径朝向钻头12的中心纵向向上(如图所示的朝向)倾斜。因此，当钻头12与套管钻头CB的内轮廓IP接合时，钻头12可以至少部分地由钻头12的钻进轮廓P和套管钻头CB的内轮廓IP的相应几何结构定位。另外，因为钻头12的切削元件36与套管钻头CB的内轮廓IP大体上均匀地接触，响应于接触产生的扭矩可以在一定程度上更为均匀地分布在钻头12上。
还是如图10所示，组件W的套管钻头CB的外轮廓OP可以具有例如倒锥形几何结构的几何结构，其大体上对应于钻头12的钻进轮廓P。在图10中，显示了位于钻头12的(相对于钻头12的中心轴线)每一侧面上的所有切削元件36，并且显示出所有切削元件36如同在单一平面内旋转。因此，重叠切削元件36的下表面(切削刃区域)形成钻头12的钻进轮廓P，钻进轮廓P是指由钻头12围绕其钻进轴线(未显示)旋转一圈形成的钻进包络面。
作为本发明的另一方面，本发明的套管钻头可以配置为扩孔器。扩孔器是首先以第一较小直径、随后以第二较大直径钻进的装置。尽管本发明是指“钻头”，但是此处使用的术语“钻头”还包括通常涉及套管钻头、扩孔器和套管钻头扩孔器的结构。
尽管前面的描述包含许多特定特征，但是这些特征不应理解为限制本发明的范围，而仅仅是为了提供一些示例性实施例。类似地，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以想到本发明的其它实施例。不同实施例的特征可以结合使用。因此，本发明的范围只由所附权利要求书及其法律等效表述，而不是前面的说明指示和限定。从而涵盖落入权利要求书含义和范围之内的对本发明进行的所有增加、删除和改变。

Claims (35)

1.一种在钻穿位于套管或衬管柱的远端处的至少一个部件之后钻进地层的钻头，所述钻头包括：
在其前端具有表面的钻头体；
布置在钻头体上的至少一种类型的第一多个切削元件，所述至少一种类型的切削元件均具有暴露度；
布置在钻头体上的至少另一不同类型的第二多个切削元件，所述至少另一不同类型的切削元件均具有与所述至少一种类型的紧邻切削元件的暴露度相比更大的暴露度。
2.如权利要求1所述的钻头，还包括在所述表面上延伸的多个大体径向延伸的刀翼，其中，所述至少一种类型的至少一个切削元件和所述至少另一不同类型的至少一个切削元件布置在每一刀翼上。
3.如权利要求2所述的钻头，其中，所述至少一种类型的多个切削元件和所述至少另一不同类型的多个切削元件布置在每一刀翼上。
4.如权利要求3所述的钻头，其中，所述至少一种类型的至少一部分切削元件与所述至少另一不同类型的切削元件相邻。
5.如权利要求4所述的钻头，其中，所述至少一种类型的至少一部分切削元件和紧邻的所述另一不同类型的切削元件定位在距钻头中线大体上相等的半径处。
6.如权利要求2所述的钻头，其中，所述第一和第二多个切削元件布置在形成于多个叶片上的凹窝内。
7.如权利要求6所述的钻头，其中，所述至少一种类型的切削元件包括超研磨切削元件，所述至少另一类型的切削元件包括研磨切削元件。
8.如权利要求7所述的钻头，其中，所述超研磨切削元件包括PDC切削元件，所述研磨切削元件包括碳化钨切削元件。
9.如权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一种类型的切削元件包括超研磨切削元件，所述至少另一类型的切削元件包括研磨切削元件。
10.如权利要求9所述的钻头，其中，所述超研磨切削元件包括PDC切削元件，所述研磨切削元件包括碳化钨切削元件。
11.如权利要求1所述的钻头，其中，所述表面的外轮廓的中心部分构造为倒锥形并且由锥顶部分包围。
12.如权利要求11所述的钻头，其中，所述至少另一不同类型的多个切削元件中的至少大多数布置在中心部分内和锥顶部分上。
13.如权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个类型的切削元件选自PDC切削元件、热稳定金刚石切削元件和天然金刚石切削元件构成的组。
14.如权利要求1所述的钻头，其中，所述至少另一类型的切削元件选自碳化钨切削元件、另一金属碳化物切削元件和陶瓷组成的组。
15.如权利要求1所述的钻头，其中：
所述第二多个切削元件构造为首先接合并钻穿选定区域；并且
所述第一多个切削元件构造为接合并钻穿随后由钻头遇到的区域。
16.如权利要求15所述的钻头，其中，所述第二多个切削元件中的每一个包括碳化钨切削元件，所述第一多个切削元件中的每一个包括PDC切削元件。
17.如权利要求1所述的钻头，其中，所述第二多个切削元件以前倾角、中间(大约0°)倾角或最多大约25°的后倾角定位。
18.如权利要求1所述的钻头，其中，所述第二多个切削元件中的至少一部分包括切削刃区域，该区域由从切削元件的侧面通向终止于切削面的偏移倒角的环形平面界定。
19.如权利要求1所述的钻头，其中，所述一种类型的至少一个切削元件和所述至少另一不同类型的至少一个切削元件共同布置在单一结构中并布置在钻头体上的单一凹窝内。
20.如权利要求1所述的钻头，其中，所述至少另一不同类型的至少一部分切削元件包括：
由研磨材料制成并包括切削面的主体，所述切削面具有多个切削刃。
21.如权利要求20所述的钻头，其中，所述切削面进一步配置有台阶、扇形凹口和齿中的至少一个，多个切削刃中的至少一部分包括在位于界定所述台阶、扇形凹口或齿的切削面上的主体的相邻表面之间的尖部。
22.如权利要求21所述的钻头，其中，所述切削面配置有台阶，所述台阶包括90°台阶和45°台阶中的至少一种。
23.如权利要求21所述的钻头，其中，所述切削面配置有扇形凹口，所述扇形凹口具有足以使位于切削刃下面的至少一个尖部起到碎屑机作用的尺寸。
24.如权利要求1所述的钻头，其中，所述至少另一不同类型的至少一部分切削元件包括：
一主体，其由研磨材料制成并且包括大体上平坦切削面和与所述切削面相邻的侧面；和
一斜面，其在所述主体的切削面和主体侧面之间沿该主体的至少一部分外周的延伸。
25.如权利要求24所述的钻头，其中，所述斜面相对于与所述切削面垂直的主体的中线成45°角。
26.如权利要求1所述的钻头，其中，所述至少另一不同类型的至少一部分切削元件包括：
一主体，其由研磨材料制成并包括主平面；和
一支撑结构，其从位于所述切削元件外周后面的分离部分伸出并且由此以锐角向后延伸到所述主平面。
27.如权利要求20所述的钻头，其中，所述多个切削刃横向相邻。
28.如权利要求1所述的钻头，其中，所述至少另一不同类型的至少一部分切削元件包括：
一主体，其包括基体材料并孕镶超研磨磨粒。
29.如权利要求28所述的钻头，其中，所述超研磨磨粒包括天然金刚石和人工合成金刚石磨粒中的至少一种。
30.如权利要求28所述的钻头，其中，所述主体构造为磨结。
31.如权利要求1所述的钻头，其中，所述至少另一不同类型的至少一部分切削元件包括：
一包括基体材料的主体；和
固定到所述主体上的多个天然金刚石。
32.如权利要求31所述的钻头，其中，所述主体构造为支柱。
33.如权利要求1所述的钻头，其中，所述至少另一不同类型的至少一部分切削元件包括：
一芯部，其包括坚硬、延展性材料；和
一抗磨耗覆盖层，其布置在所述芯部的至少一个表面上。
34.一种钻进方法，包括：
利用具有多个切削元件的钻头钻穿套管组件的至少一个部件或材料以使地层材料露出，所述多个切削元件相对于所述钻头上的另外多个切削元件而言具有相对更大的暴露度；
使暴露的地层材料和所述多个切削元件接合，使所述多个切削元件磨损到至少足以使所述另外多个切削元件的切削刃露出的程度；和
使用所述另外多个切削元件，利用钻头在地层钻出井孔。
35.一种钻进方法，包括：
利用具有多个切削元件的钻头钻穿位于地层中的至少一种材料，所述多个切削元件相对于所述钻头上的另外多个切削元件而言具有相对更大的暴露度；和
利用所述多个切削元件钻进位于地层中的至少另一种材料，使所述多个切削元件磨损到至少足以使所述另外多个切削元件的切削刃露出的程度。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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