CN101899951A - 钻井工具 - Google Patents
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Abstract
一种双中心钻井工具包括相对于工具旋转轴偏心定位的主扩眼区(14)和位于主扩眼区之前的前导切削结构(30)，在钻井方向，前导切削结构(30)的位置应能对钻井工具施加侧面载荷，侧面载荷的作用方向应能抵消在使用中由于主扩眼区(14)偏心于旋转轴线所施加的侧面载荷。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于钻井眼的钻井工具，例如后续使用于石油和/或天然气开采中。本发明特别涉及一种钻井工具，借助该工具，能够形成增大的导向器的井眼区域。
背景技术
在进行钻井或完成井眼时，有时需要提供直径扩大的区域。显然，用于形成井眼的直径扩大的区域的工具必须能够通过位于较大直径区域要形成处上方的任何较小的井眼直径区域。这对在该用途中使用的工具形成相当的设计限制。
已知使用具有多个可动部件的钻井工具，这些部件可以移动从而改变所钻井眼的直径。然而，可动部件多会导致该工具变得较为复杂，容易由于其部件的堵塞而失效，并且还需要具有相应的控制系统以控制其操作。
另一种熟知的适用于该用途的工具为双中心工具。该工具可包括导向或中间扩眼区和相对中间扩眼区偏心定位的主扩眼区。在这样的布置中，当工具需要形成直径相对较大的区域时，它就会绕中间扩眼区的旋转轴旋转，同时施加钻压载荷。中间扩眼区形成或完成直径相对较小的钻孔区域，随后通过偏心主扩眼区扩大该区域，中间扩眼区挤靠孔壁用于引导工具，对由于主扩眼区的偏心定位而施加的侧面载荷作出反应。在需要较小的直径区域时，该工具由相对井眼中心偏心定位的中间扩眼区的旋转轴支撑，工具尺寸使其能够通过孔的较小直径区域。例如，在US5678644和US 2002/0104688中描述了这种通用类型的工具。
正如在双中心工具中是必要的一样，主扩眼区的偏心位置导致工具在使用中会以上文所描述的方式不平衡。例如，由于工具不平衡造成的侧面载荷可能会导致工具易于倾斜，并且导致工具推进的方向与需要扩大井眼的方向不同。不平衡力还可能导致工具易于绕与想要其围绕旋转的中间扩眼区的旋转轴不同的旋转轴旋转，这将导致主扩眼区所钻的井眼的一部分与希望的不同，例如具有较小的直径。而且，不平衡力可能会导致工具的某些部件遭受过度磨损或导致那里在使用中损坏。显然，这些效应是不利的，且本发明的目标在于提供一种能够克服或减小上文所述的不利效应的钻井工具。
在US5678644的布置中，钻井工具的设计方式为：包括穿透限制装置，该装置可操作地限制工具上的至少某些刀头的穿透深度。人们认为，用这种方式限制穿透深度能够减小钻头的倾斜和旋转。但是，用这种方式限制穿透深度仅仅是解决了由过量的穿透引发的问题，并没有解决由其它因素引发的不稳定问题。US5678644进一步地描述了钻头的导向部分和扩眼部分产生的切削力能够基本平衡的设计技术，这两个切削力基本是方向相反并基本大小相等。
发明内容
根据本发明，提供一种双中心钻井工具，其包括相对于工具旋转轴偏心定位的主扩眼区和位于主扩眼区之前的不平衡前导切削结构，在钻井方向，前导切削结构的定位应能对钻井工具施加侧面载荷，侧面载荷的作用方向应能抵消在使用中由于主扩眼区偏心于旋转轴所施加的侧面载荷。
前导切削结构优选包括至少一个设有刀头的前导刀片。方便地，提供单个这类前导刀片。
优选地，中间扩眼区位于主扩眼区域和前导切削结构之间。
优选地，主扩眼区以与中间扩眼区在导向方向上的转动轴间隔开的轴线为中心，前导刀片沿与第一方向相反的第二方向、延伸离开中间扩眼区的旋转轴。
前导刀片具有外表面，该外表面优选设有耐磨损层，例如采用TSP保护的形式。前导刀片优选包括多个刀头，这些刀头的设计和/或取向应能提高可由此获得的侧面载荷的大小。这种布置的优点在于：其允许平衡或补偿在提供较大或更偏心的主钻井区域时施加的侧面载荷，从而允许钻出直径较大的井眼区域。因此，其可以使通常难以保持平衡的直径较大的工具保持平衡。通过提供实现平衡或改善平衡的钻井工具，将克服或减少上文中提到的缺点。例如，将减小形成尺寸过小的孔区域的风险，还将减小在井眼中发生不希望的偏差的风险。
附图说明
结合附图，通过例子对本发明进行进一步说明，其中：
图1为根据本发明的一个实施例，钻井工具的示意侧视图；
图2为图1所示的工具的端视图；
图3a和3b为图1所示的工具在使用中的示意图示。
具体实施方式
参照附图，对双中心钻井工具10进行说明。工具10包括意欲沿着钻管组中途安装的扩眼器，并且可操作地允许完成需要扩大的井眼区域。尽管所说明的工具为扩眼器，但是应理解，本发明也适用于其它类型的钻井工具。
钻井工具10包括例如铸钢形式的工具主体12。但是，工具主体也可以用其它材料。工具主体12由定义为主扩眼区14和中间扩眼区16的区域来形成。每一区14，16均在钻头主体12上包括一系列竖直刀片18，每个刀片18都携带一系列呈多晶金刚石复合切削器形式的切削元件20。一种使切削元件20在刀片18上固定就位的方式为将切削元件钎焊到形成于刀片上的凹口或其它结构上。但是，这可能要使用很多其它的固定或安装技术。同样，本发明也涵盖其它类型的切削元件的使用。
如图2所示，中间扩眼区16的多数刀片18基本上延伸至直径23的导向标准圆周22，该圆周以钻井工具10的旋转轴24为中心。主扩眼区14的刀片18基本上延伸到穿过偏心于导向标准圆周22的直径27的圆周26的轨道。导向标准圆周22的一部分凸出到穿过圆周26的轨道的外侧，且在工具的这部分中，中间扩眼区16的刀片18仅径向向外延伸穿过圆周26的轨道那么远，而不是导向标准圆周22那么远。
当井眼需要相对较大的直径区域，工具10支撑成绕旋转轴24旋转同时在那里施加合适的钻压载荷。该旋转导致中间扩眼区16靠顶井眼壁，刮削、研磨或以其它方式去除地层材料，从而钻出或增加导向孔50的直径(参见图3a)。该旋转还导致偏心主扩眼区14的旋转，扫过直径29的圆周28，位于主扩眼区14的刀片18上的刀头20刮削、研磨或以其它方式去除地层材料，扩展导向孔50的直径以基本形成直径29的井眼52。
在钻井工具10上述操作中，应理解，主扩眼区14的偏心定位导致施加相对较大的侧面载荷或施加其它不平衡力。为了抵消这些力，根据本发明，工具10设有前导刀片30的形式的附加前导切削结构，前导刀片30位于主扩眼区14之前，在所示的实施例中，在钻井的方向上，位于中间扩眼区16之前的位置。前导刀片30在与主扩眼区14最偏心于旋转轴24的位置径向相反的位置上位于工具10上。尽管前导刀片30延伸到其它径向位置可以获得一些本发明的益处，但在该实施例中，前导刀片30延伸到一个大体上位于穿过圆周26的轨道上的径向位置。
前导刀片30设有例如多晶金刚石复合刀头形式的切削元件32，切削元件优选定位成实现施加相对较大的侧面或不平衡载荷。这可以通过使用具有适当后倾角的大倒角刀头来实现。相似地，前导刀片30的形状优选是使获得相对陡峭的切削轮廓，这将也会加强能够由前导刀片30施加的平衡力的大小。前导刀片30的外表面优选抗磨损，例如通过在外表面应用TSP保护(未显示)。另一种选择或附加地，前导刀片30具有PDC或碳化钨镶齿或其它材料的部件，例如与刀头(例如或者在刀头之后或在刀头之间)相结合以共同承担冲击载荷，控制钻井扭矩，增强持久性和/或产生附加的钻井力。
提供前导刀片30在使用过程中导致，当工具10用于增加井眼直径时，施加最先或早期的不平衡的侧面载荷给钻井工具10，作用方向与主扩眼区14的作用方向相反。如上文所描述的，作用在钻井工具10上的净不平衡载荷的平衡或降低程度是有益的，因为降低了钻出尺寸过小孔区域的风险。此外，可以降低在井眼中钻井工具的倾斜以及偏差的形成。它也允许平衡相对较大的偏心扩眼器或其它钻井工具，如果需要，可以让其具有另外的刀片。
当需要井眼的相对较小的直径区域，通过定位工具使该工具能够穿过井眼的那些区域以便轴24偏心于所述井眼区域的轴线。在这种方式下，尽管该工具能够钻即直径为29的相当大的井眼区域，但是工具还能够穿过像直径27那么小直径的井眼区域。
尽管上文所示出和描述的装置仅具有一个前导刀片30，但是可以采用设有两个或更多这类刀片的结构，前导刀片的位置和设计应使得施加在钻井工具上的净不平衡载荷作用方向与由主钻井区域的操作引起的不平衡力作用方向大体相反。而且，需要时也可以在与前导切削结构大体相同的轴位置处具有一个或更多的支承垫。
在不脱离本发明范围的情况下，可以对上文描述的结构作出各种改进和替代。
Claims (8)
1.一种双中心钻井工具，包括相对于工具旋转轴偏心定位的主扩眼区，和位于主扩眼区之前的不平衡前导切削结构，在钻井方向，前导切削结构定位成对钻井工具施加侧面载荷，侧面载荷的作用方向抵消在使用中由于主扩眼区偏心于旋转轴所施加的侧面载荷。
2.根据权利要求1所述的工具，其中：前导切削结构包括至少一个设有刀头的前导刀片。
3.根据权利要求2所述的工具，其中：前导切削结构包括单个前导刀片。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的工具，其中：中间扩眼区位于主扩眼区和前导切削结构之间。
5.根据权利要求4所述的工具，其中：主扩眼区以在第一方向上与中间扩眼区的转动轴间隔开的轴线为中心，前导切削结构沿与第一方向相反的第二方向延伸离开中间扩眼区的旋转轴。
6.根据在前任意一项权利要求所述的工具，其中：前导切削结构具有外表面，该外表面设有耐磨损层。
7.根据在前任意一项权利要求所述的工具，其中：前导切削结构包括多个刀头，这些刀头设计和/或取向成增强所获得的侧面载荷的大小。
8.根据在前任意一项权利要求所述的工具，其中：通过前导切削结构获得的切削轮廓选择成增强由此获得的侧面载荷的大小。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141022 Termination date: 20201009 |