專利名稱：沖擊鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉆地下地層的沖擊鉆頭，所述鉆頭有中央縱軸線并可以通過(guò)沿軸線對(duì)地下地層反復(fù)施加有軸向分力的軸向沖擊和繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而工作。
本發(fā)明還涉及在地層內(nèi)鉆井眼的鉆機(jī)系統(tǒng)，它包括安裝了所述鉆頭的鉆柱，還涉及用于向地下地層鉆井眼的方法。
本發(fā)明也涉及用于向地下地層鉆井眼的方法。
背景技術(shù)：
沖擊旋轉(zhuǎn)剪切鉆頭已有所聞，它披露于美國(guó)專利6,253,864號(hào)。所述美國(guó)專利的圖9示出了具有最佳化用于沖入地層的圓拱形軸向刀和最佳化用于旋轉(zhuǎn)切入的旋轉(zhuǎn)剪切刀的沖擊鉆頭。
在鉆井作業(yè)中，這種現(xiàn)有的沖擊旋轉(zhuǎn)剪切鉆頭繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)，隨著旋轉(zhuǎn)切割巖層。同時(shí)用錘沖擊鉆頭，因而提供了附加的沖擊鉆力。
可以看出這種現(xiàn)有的沖擊旋轉(zhuǎn)剪切鉆頭的缺點(diǎn)是盡管有軸向刀可是旋轉(zhuǎn)切割刀仍然遭受可能縮短其壽命從而縮短鉆頭壽命的沖擊。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明提供了一種用于鉆入地下地層的沖擊鉆頭，它有中央縱軸線并可以用相對(duì)于地層反復(fù)施加軸向沖擊和繞軸線旋轉(zhuǎn)的辦法工作，所述鉆頭包括-一把或多把軸向刀，主要用于相應(yīng)軸向沖擊軸向切割地下地層；-一把或多把旋轉(zhuǎn)切割刀，主要用于相應(yīng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割地下地層；-因此，在所述一把或多把旋轉(zhuǎn)切割刀中有第一旋轉(zhuǎn)切割刀，相對(duì)于至少所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀安裝一把或多把軸向刀做到在沖擊時(shí)所述一把或多把軸向刀比至少所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀更早些與地下地層接觸和/或進(jìn)入地層更深些。
根據(jù)本發(fā)明的鉆頭除了旋轉(zhuǎn)切割刀之外還有軸向刀。所述軸向刀的主要功能是適合承受鉆頭與地層之間的沖擊，而所述旋轉(zhuǎn)切割刀的主要功能則是適合從井眼底刮削出切屑。
因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明軸向刀安裝得在沖擊時(shí)在至少所述第一把旋轉(zhuǎn)切割刀之前與地層接觸，所以伴隨沖擊運(yùn)動(dòng)而來(lái)的軸向沖擊的最強(qiáng)部分為軸向刀所承受。因此至少所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀的沖擊負(fù)荷減少，結(jié)果其工作壽命延長(zhǎng)。這樣，軸向刀有效保護(hù)了所述旋轉(zhuǎn)切割刀。
或者，軸向刀也可以安裝得在沖擊時(shí)比至少所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀的吃進(jìn)量更大些。
因?yàn)楦鶕?jù)現(xiàn)有技術(shù)的鉆頭的工作壽命受旋轉(zhuǎn)切割刀工作壽命的限制，所以延長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)切割刀的工作壽命就會(huì)延長(zhǎng)鉆頭的工作壽命。
同時(shí)保持了旋轉(zhuǎn)切割刀的效能，因?yàn)樾D(zhuǎn)切割刀還安裝得在沖擊的末期與地層接觸。因此，旋轉(zhuǎn)切割刀相應(yīng)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而發(fā)揮效能從井眼底刮削出切屑。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是軸向刀能最佳地進(jìn)行軸向切割而旋轉(zhuǎn)切割刀則可以只最佳化地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割而不必考慮軸向切割能力。
相對(duì)于至少所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀安裝軸向刀做到能在沖擊運(yùn)動(dòng)時(shí)比所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀早些與地下地層接觸的有利方法是相對(duì)于至少所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀安裝軸向刀做到在每次沖擊運(yùn)動(dòng)時(shí)軸向刀進(jìn)入地層的深度比所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀深一些。這樣，軸向刀預(yù)先有效地?fù)羲閹r石并同時(shí)降低鉆頭沖擊運(yùn)動(dòng)的速度。
軸向刀進(jìn)入地層的深度比所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀深一些的所需量決定于所鉆井眼的地層的硬度和種類。優(yōu)選地，巖石越硬，所述軸向刀比第一旋轉(zhuǎn)切割刀所需的進(jìn)入地層深度的量越大。優(yōu)選地是軸向刀進(jìn)入地層的平均深度為所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀的至少1.5倍，更優(yōu)選地是至少兩倍?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)這適合于非常硬的地層，包括含花崗巖的地層和含黑片麻巖的地層。
相對(duì)于至少所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀安裝軸向刀做到能在沖擊運(yùn)動(dòng)時(shí)比所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀早些與地下地層接觸的有利方法是作以下安排所述一把或多把軸向刀和所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀都有沖擊點(diǎn)，所述沖擊點(diǎn)的定義為軸向沖擊時(shí)刀首先與地層接觸作用的部分，至少第一旋轉(zhuǎn)切割刀的沖擊點(diǎn)相比所述一把或多把軸向刀的沖擊點(diǎn)縮進(jìn)一個(gè)量r。簡(jiǎn)單地通過(guò)所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀相對(duì)于所述一把或多把軸向刀的縮進(jìn)，后者就首先與巖石接觸，從而保護(hù)所述旋轉(zhuǎn)切割刀免受沖擊的最強(qiáng)烈部分。
優(yōu)選地，第一旋轉(zhuǎn)切割刀受到相對(duì)與其靠近的一把或多把軸向刀的保護(hù)，特別是相鄰的軸向刀的保護(hù)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第一旋轉(zhuǎn)切割刀安裝于繞中央軸線的第一環(huán)形軌道，所述第一環(huán)形軌道的徑向?qū)挾认喈?dāng)于所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀的徑向?qū)挾?，所述一把或多把軸向刀也安裝于第一環(huán)形軌道。在此實(shí)施例中，所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀受到最佳保護(hù)，因?yàn)檫@些軸向刀在鉆頭旋轉(zhuǎn)后所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀起作用的區(qū)域內(nèi)把巖石擊碎了。
可以有安裝于繞中央軸線的第二環(huán)形軌道內(nèi)的第二旋轉(zhuǎn)切割刀，所述第二環(huán)形軌道的徑向?qū)挾认喈?dāng)于所述第二旋轉(zhuǎn)切割刀的徑向?qū)挾?，把一把或多把軸向刀安裝于所述第二環(huán)形軌道。為了鉆頭在兩條軌道內(nèi)都獲得恒定的鉆進(jìn)速度，各條軌道內(nèi)每把刀要清除的巖石量可以根據(jù)軌道的面積和相關(guān)的軌道內(nèi)刀的數(shù)量而在軌道與軌道之間有所不同。具體地說(shuō)，在這種情況下，所述第二把旋轉(zhuǎn)切割刀的沖擊點(diǎn)相對(duì)于第二環(huán)形軌道內(nèi)的一把或多把軸向刀的沖擊點(diǎn)的縮進(jìn)量大于r。
軸向刀與旋轉(zhuǎn)切割刀之間的相對(duì)數(shù)量可以根據(jù)要鉆的地層的種類作最佳選擇。含比較硬的巖石，例如，花崗巖，的地層可以使用旋轉(zhuǎn)切割刀比較少而刀的總數(shù)量卻比較多的鉆頭鉆，因此把沖擊力分布于更多的軸向刀上。
軟一些的地層，例如，石灰石或砂石，最好用旋轉(zhuǎn)切割刀比較多的鉆頭鉆，因?yàn)闆_擊力比較小而發(fā)生鉆頭泥包的概率卻比較高。
對(duì)于比較硬的地層，優(yōu)選地，要用軸向刀多于旋轉(zhuǎn)切割刀的實(shí)施例。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一把或多把旋轉(zhuǎn)切割刀有預(yù)切平?jīng)_擊面，所述沖擊面基本平行于與縱軸線垂直的平面。盡管安裝了承受軸向沖擊力的軸向刀，可是旋轉(zhuǎn)切割刀也承受部分沖擊力。由于有預(yù)切平?jīng)_擊面，旋轉(zhuǎn)切割刀上的沖擊應(yīng)力集中減少，因此不像沒(méi)有預(yù)切平?jīng)_擊面的旋轉(zhuǎn)切割刀壞得那么快?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)自然磨擦平面不足以平到能有效減少?zèng)_擊應(yīng)力集中，因?yàn)殂@頭沖擊時(shí)旋轉(zhuǎn)切割刀趨向于在形狀粗糙時(shí)破裂而不是形成有效的磨擦平面。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，沖擊鉆頭還包括-多個(gè)從鉆頭突起的葉片；-多個(gè)基本沿鉆頭徑向延伸的流動(dòng)通道，使得接連的流動(dòng)通道形成于相鄰的兩葉片之間；旋轉(zhuǎn)切割刀相對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向成排地安裝于葉片的前緣，各排旋轉(zhuǎn)切割刀有與之相關(guān)的供液體流過(guò)的流動(dòng)通道，借以排除積累于各排旋轉(zhuǎn)切割刀前面的切屑。
因此，所謂的鉆頭泥包，即，翻滾于旋轉(zhuǎn)切割刀前面的巖石粉和巖石片與諸如水、油或泥漿之類的鉆井液混合在井眼底形成糊狀物的現(xiàn)象，得以避免，因?yàn)榛緩较蜓由斓牧鲃?dòng)通道充分有效地排除了累積于成排的旋轉(zhuǎn)切割刀前面的切屑。鉆頭泥包是不理想的，因?yàn)楫a(chǎn)生的糊狀物減輕的是鉆頭的重量而不是下面巖石的重量。
把軸向刀安裝在相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向各排旋轉(zhuǎn)切割刀后面以及與下一排旋轉(zhuǎn)切割刀相關(guān)的后面相鄰的流動(dòng)通道之前位置的實(shí)施例能更好地避免鉆頭泥包。任何形成于軸向刀之下的鉆頭泥包都會(huì)在后面的流動(dòng)通道內(nèi)消失。
本發(fā)明還提供了一種用于在地層內(nèi)鉆井眼的鉆井系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括安裝了根據(jù)上述一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的沖擊鉆頭的鉆柱，所述鉆井系統(tǒng)還包括-第一驅(qū)動(dòng)裝置，用于使鉆頭在井眼內(nèi)旋轉(zhuǎn)從而引起旋轉(zhuǎn)切割刀沿井眼底的刮削運(yùn)動(dòng)；-第二驅(qū)動(dòng)裝置，用于引起具有沿鉆頭軸線分力方向的對(duì)鉆頭的反復(fù)軸向沖擊從而引起至少軸向刀向井眼底施加沖擊力。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)安裝了具有預(yù)切平?jīng)_擊面的鉆頭或鉆井系統(tǒng)在鉆井系統(tǒng)內(nèi)引起的粘滑扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模比較少，發(fā)生這種情況鉆頭被錘打入地層停止不動(dòng)而鉆柱則被地面的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置擰轉(zhuǎn)直至由于較高的旋轉(zhuǎn)速度而突然解脫。這種粘滑扭轉(zhuǎn)振動(dòng)不時(shí)重復(fù)發(fā)生，與粘滑扭轉(zhuǎn)振動(dòng)相結(jié)合的高旋轉(zhuǎn)速度可能?chē)?yán)重?fù)p壞鉆頭上的刀。
本發(fā)明還提供了一種在地下地層鉆井眼的方法，包括的步驟有根據(jù)上述實(shí)施例中的一個(gè)配備鉆井系統(tǒng)；把鉆頭放成對(duì)著要鉆的地下地層；在繞軸線實(shí)施旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)在鉆頭上保持一個(gè)對(duì)地層的軸向力；對(duì)鉆頭斷斷續(xù)續(xù)地提供沖擊。
因?yàn)殂@頭的工作壽命延長(zhǎng)，無(wú)需像以前那樣經(jīng)常更換鉆頭，從而本發(fā)明的方法鉆每口井所需的取、下管柱的次數(shù)減少。


圖1a是根據(jù)本發(fā)明的6英寸3葉片沖擊鉆頭的透視圖。
圖1b是圖1a所示沖擊鉆頭的鉆頭面的頂視圖。
圖2的刀結(jié)構(gòu)的橫斷面示意圖。
圖3a是本發(fā)明另一實(shí)施例的6英寸4葉片沖擊鉆頭的透視圖。
圖3b是圖3a所示沖擊鉆頭的鉆頭面的頂視圖。
圖4是顯示6英寸鉆頭面上各軌道的旋轉(zhuǎn)切割刀縮進(jìn)量變化的曲線圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的8英寸8葉片鉆頭面的頂視圖。
圖6示意地顯示具有預(yù)切平?jīng)_擊面的不同旋轉(zhuǎn)切割刀。
圖中相同的零件使用相同的標(biāo)記符號(hào)。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在以舉例的辦法參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
圖1a是根據(jù)本發(fā)明的3葉片沖擊鉆頭的透視圖。所述鉆頭包括在其縱軸線周?chē)由斓谋?，所述柄部特別適合在鉆柱內(nèi)側(cè)與之配合。柄部的后端連結(jié)于承受沖擊錘沖擊的沖擊面2，優(yōu)選地，所述沖擊錘為往復(fù)式活塞錘(未顯示)。柄部1有多個(gè)實(shí)質(zhì)上縱向延伸的鍵槽4。所述鍵槽4起旋轉(zhuǎn)地連結(jié)鉆柱與柄部1的作用，從而鉆頭可以既接受軸向沖擊又繞中央縱軸線旋轉(zhuǎn)的方式運(yùn)作。
現(xiàn)在參看圖1a和1b，鉆頭3有3片從鉆頭突出的葉片61、62和63。葉片61、62、63之間是相對(duì)于葉片凹進(jìn)的區(qū)域，從而形成流動(dòng)通道71、72、73。所述流動(dòng)通道71、72、73基本沿鉆頭3徑向延伸。
鉆頭3內(nèi)有中央通道8供鉆井液通過(guò)。除了中央通道8之外，葉片61、62、63之間的流動(dòng)通道71、72、73還可以有通道81、82、83，或者，沒(méi)有中央通道8只有通道81、82、83。上述所有通道都連結(jié)于穿過(guò)柄部1延伸的中央縱向孔(未顯示)。
在鉆油氣井的作業(yè)中，鉆柱通常順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。圖1a和1b中的箭頭5示出了作業(yè)中施加于鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向。
因此，葉片61、62、63各有相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向5的前緣91、92、93。旋轉(zhuǎn)切割刀9成排地安裝于葉片61、62、63各自的前緣91、92、93上。各排旋轉(zhuǎn)切割刀9都有一條與之相關(guān)的流動(dòng)通道，該流動(dòng)通道相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向5在成排的旋轉(zhuǎn)切割刀9的前方。
在葉片61、62、63上各排旋轉(zhuǎn)切割刀9之后，即相對(duì)于各排旋轉(zhuǎn)切割刀9后面的位置安裝軸向刀10、11。
旋轉(zhuǎn)切割刀9相對(duì)于軸向刀10、11縮進(jìn)去一些，從而在沖擊時(shí)軸向刀10、11在旋轉(zhuǎn)切割刀9之前先撞擊井眼底的巖石。具體地說(shuō)，位于距中央縱軸線一定徑向距離的旋轉(zhuǎn)切割刀相對(duì)于距中央縱軸線同樣徑向距離的軸向刀縮進(jìn)去一些。
圖2示意地顯示根據(jù)本發(fā)明的刀切向橫斷面的結(jié)構(gòu)。如同前面的圖一樣，箭頭5顯示工作中施加于鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向?？吹降氖侨~片6中的一片和其相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向的前緣91，所述葉片從鉆頭向下突出并容納刀9和10。旋轉(zhuǎn)切割刀9安裝于其前緣91上或其前緣附近。相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向5位于旋轉(zhuǎn)切割刀9的后面的是軸向刀10。
旋轉(zhuǎn)切割刀9的形狀最佳化用于沿井眼底刮削，從井眼底切割出地層的碎屑。軸向刀10、11的形狀最佳化以在井眼底的地層軸向鑿坑從而有可能鑿碎地層。
軸向刀10下面的地層13由于軸向沖擊而破碎。所示軸向刀10進(jìn)入地層13的深度為d1。旋轉(zhuǎn)切割刀9與軸向刀10相對(duì)縮進(jìn)一些，因而其進(jìn)入地層的深度d2比軸向刀10的深度淺r。由于旋轉(zhuǎn)切割刀9與軸向刀10相對(duì)縮進(jìn)一些，在工作中，鉆頭向下沖擊時(shí)軸向刀10首先與井眼底的新的部分接觸。旋轉(zhuǎn)切割刀9在軸向刀10進(jìn)入地層的深度超過(guò)r之前不與地層接觸。在到達(dá)深度r時(shí)軸向刀10已經(jīng)承受了最強(qiáng)部分的沖擊，因而旋轉(zhuǎn)切割刀9承受的沖擊力比它與軸向刀10同時(shí)或早于軸向刀10與地層接觸時(shí)要少。因此，各刀的工作壽命可以盡量保持。
沖擊趨于結(jié)束時(shí)軸向刀10、11和旋轉(zhuǎn)切割刀9都與地層13接觸，從而旋轉(zhuǎn)切割刀9能有效地切割地層刮削出切屑20。旋轉(zhuǎn)切割刀9隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)而沿井眼底的表面刮削并從切屑和鉆井液中累積巖粉和碎片。巖粉和碎片被推到旋轉(zhuǎn)切割刀9前面，此處優(yōu)選地有鉆井液基本徑向外流通過(guò)的流動(dòng)通道7。刮削下來(lái)的切屑從此處被沖到井眼的外環(huán)并排出井底區(qū)域。
圖3a是本發(fā)明的一個(gè)有4片葉片6從而有4條流動(dòng)通道7的變型的鉆頭的透視圖，圖3b則是其頂視圖。本變型在其它方面與圖1a和1b所示之鉆頭類似。具體地說(shuō)，各葉片前緣上的旋轉(zhuǎn)切割刀9相對(duì)于位于其后面的軸向刀10、11的縮進(jìn)與第一個(gè)論述的實(shí)施例類似。
圖3b中，各條同心點(diǎn)劃線連結(jié)各組軸向刀和旋轉(zhuǎn)切割刀，這些刀被認(rèn)為位于各自的軌道上。這些軌道從離中央軸線最遠(yuǎn)的開(kāi)始編號(hào)分別為tr1-tr6。
優(yōu)選地，各條軌道上的旋轉(zhuǎn)切割刀的縮進(jìn)量根據(jù)各軌道上每把刀清除的巖石量而不同。一般地說(shuō)，靠近鉆頭外圍(相當(dāng)于軌道編號(hào)小)的刀，每刀要清除的地層更多些，因?yàn)楦鬈壍赖拿娣e隨著離中央軸線的距離增加而增加但是軌道上刀的數(shù)量在許多鉆頭設(shè)計(jì)中并不增加。因此，按時(shí)間平均計(jì)算，外邊的刀與更靠近中央軸線的刀相比要刮削巖石的深度更大。旋轉(zhuǎn)切割刀的縮進(jìn)量可以相應(yīng)增加，從而按時(shí)間平均計(jì)算，各軌道上的旋轉(zhuǎn)切割刀的刮削深度都一樣，無(wú)論是d1的絕對(duì)值還是相對(duì)于d2，無(wú)論哪一個(gè)都是理想的。
圖4示出的是圖3的6英寸鉆頭鉆進(jìn)速度每小時(shí)12米、振動(dòng)頻率25赫茲的典型縮進(jìn)量圖表。軌道編號(hào)為1的最外邊軌道的旋轉(zhuǎn)切割刀的縮進(jìn)量為0.66毫米，而第六軌道的則為0.40毫米。
一般地說(shuō)，各軌道上旋轉(zhuǎn)切割刀的縮進(jìn)量的這種情況可以根據(jù)對(duì)軸向刀平均吃進(jìn)量的估計(jì)用以下方法計(jì)算。對(duì)于鉆頭一定的鉆進(jìn)速度每條軌道要清除的巖石量是已知的。因?yàn)檩S向刀的數(shù)量是已知的，所以每個(gè)軸向刀的巖石清除量也是已知的。因此可以認(rèn)為大部分巖石是以已知頻率的沖擊清除的。
上面論述的圖1a和1b以及圖3a和3b中沖擊鉆頭的外周直徑是6英寸，相當(dāng)于大約15厘米。圖5中示出的是8英寸(相當(dāng)于大約20厘米的外直徑)鉆頭面的實(shí)施例。
圖5中各條同心點(diǎn)劃線連結(jié)各組被認(rèn)為位于各自軌道上的軸向刀和旋轉(zhuǎn)切割刀。
圖5所示之實(shí)施例的根據(jù)是8片葉片6和相應(yīng)數(shù)目的流動(dòng)通道7。每條流動(dòng)通道7都有一條通道81，用于使鉆井液流入各自的流動(dòng)通道。因?yàn)閳D5的這個(gè)鉆頭面比圖2和圖3的鉆頭面大，可以容納更多的旋轉(zhuǎn)切割刀9和軸向刀10、11。
在圖3a和3b以及圖5所示之上面論述的沖擊鉆頭中，成排的旋轉(zhuǎn)切割刀中的所述第一排的旋轉(zhuǎn)切割刀與另一葉片上的所述第二排的旋轉(zhuǎn)切割刀在徑向位置上互不相同。這樣，在鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)同一排內(nèi)相鄰刀之間的間隙就被不同葉片上的下一排內(nèi)的旋轉(zhuǎn)切割刀覆蓋。理想的是各個(gè)旋轉(zhuǎn)切割刀的圓軌道略有重疊從而在井眼底的大部分區(qū)域上是連續(xù)的。
在上面所示之實(shí)施例中，軸向刀10各由軸向刀柄16形成，其至少一邊有半球形或圓拱形切割面17。這種軸向刀用硬材料制造，適合的硬材料是碳化鎢。優(yōu)選地，此刀也可以有一層多晶金剛石，從而形成多晶金剛石壓實(shí)軸向刀。
在圖1a和1b、圖3a和3b以及圖5所示之實(shí)施例中，最外邊的軸向刀11是多晶金剛石壓實(shí)軸向刀，其余的軸向刀10是碳化鎢軸向刀。因此，在這些鉆頭面中，最外邊的軸向刀11比其余的軸向刀10硬。
上述旋轉(zhuǎn)切割刀9是多晶金剛石壓實(shí)刀，有用硬材料制造的旋轉(zhuǎn)切割刀柄14，適合的硬材料是碳化鎢。面向相關(guān)的流動(dòng)通道71的傾斜面覆蓋一層多晶金剛石15。這種有多晶金剛石切割面的旋轉(zhuǎn)切割刀叫做多晶金剛石壓實(shí)刀，即，PDC刀。所述旋轉(zhuǎn)切割刀除了所述前刀面外還設(shè)有基本垂直于鉆頭中央縱軸線并平行于井眼底的地層13延展的預(yù)切平?jīng)_擊面。
為了減少?zèng)_擊應(yīng)力集中作用于旋轉(zhuǎn)切割刀上，上述實(shí)施例中的旋轉(zhuǎn)切割刀9都有預(yù)切平?jīng)_擊面。這些可以看作預(yù)切抗磨平面的預(yù)切平?jīng)_擊面，在減少引起鉆井系統(tǒng)內(nèi)所謂的滑粘扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的傾向方面也是有利的。
圖6示意地顯示這些旋轉(zhuǎn)切割刀上有預(yù)切深度為1mm、2mm、3mm的預(yù)切平?jīng)_擊面19。所述預(yù)切深度相當(dāng)于預(yù)切沖擊面19與頂點(diǎn)18之間的垂直距離，在頂點(diǎn)18旋轉(zhuǎn)切割刀柄和所述前刀面會(huì)合，作為一實(shí)例，各把旋轉(zhuǎn)切割刀的后傾角為40度，但任何小于90度的角都可采用。所述沖擊面的沖擊面后傾角大于所述傾斜面后傾角。沖擊面后傾角基本為90度時(shí)可以獲得最佳結(jié)果。
可以看出，預(yù)切平?jīng)_擊面19的面積隨著預(yù)切深度增加而增加。優(yōu)選地預(yù)切深度在1毫米與3毫米之間。
工作中，所述沖擊鉆頭安裝于鉆井系統(tǒng)內(nèi)，為鉆柱所固定。所述鉆井系統(tǒng)還包括-第一驅(qū)動(dòng)裝置，用于使鉆頭在井眼內(nèi)旋轉(zhuǎn)從而引起旋轉(zhuǎn)切割刀沿井眼底的刮削運(yùn)動(dòng)；-第二驅(qū)動(dòng)裝置，用于引起鉆頭在井眼內(nèi)的縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而引起至少軸向刀對(duì)井眼底施加沖擊力，所述第一和第二驅(qū)動(dòng)裝置同時(shí)工作。所述第二驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)選地由錘形成，更優(yōu)選地由往復(fù)式活塞錘形成。鉆井作業(yè)時(shí)，泵送鉆井液穿過(guò)與通道8、81、82、83液體連通的鉆柱。適合用作鉆井液的有泥漿、水、油或泡沫，并可以根據(jù)所鉆地層的種類而改變。
為了進(jìn)一步幫助沖刷切屑通過(guò)流動(dòng)通道，各個(gè)旋轉(zhuǎn)切割刀的前刀面可以有相對(duì)于鉆頭徑向的第二傾斜面，所述第二傾斜面使所述前刀面能把切屑徑向外推或徑向內(nèi)推。
適合上述鉆頭的典型工作條件包括壓在鉆頭上的重量在3到6公噸的范圍內(nèi)。施加于鉆頭的沖擊能量每次沖擊在0.3到5千焦耳之間的范圍。典型地，鉆井系統(tǒng)可以在沖擊功10與50千瓦之間沖擊頻率9和30赫茲之間工作。
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1使用有相應(yīng)于圖5所示刀型的鉆頭在非常硬并有磨蝕性的黑片麻巖沖擊鉆出3.6千米的井眼。鉆頭的設(shè)計(jì)概括于下面的表內(nèi)，徑向向內(nèi)計(jì)數(shù)，軌道tr1到tr13相應(yīng)于圖5給出的虛線圓弧所表示的圓軌道。

軌道1到5和8到10內(nèi)的旋轉(zhuǎn)切割刀相對(duì)于其軌道內(nèi)的軸向刀沒(méi)有縮進(jìn)。軌道6內(nèi)的旋轉(zhuǎn)切割刀相對(duì)于其軌道內(nèi)的軸向刀縮進(jìn)0.25mm。軌道7內(nèi)的旋轉(zhuǎn)切割刀相對(duì)于其軌道內(nèi)的軸向刀縮進(jìn)0.50mm。
鉆進(jìn)兩小時(shí)后，軌道7內(nèi)的旋轉(zhuǎn)切割刀沒(méi)有大的損傷，而其余軌道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)切割刀受到嚴(yán)重?fù)p傷。軌道6內(nèi)的旋轉(zhuǎn)切割刀損傷的嚴(yán)重程度輕于其余軌道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)切割刀，但重于軌道7內(nèi)的旋轉(zhuǎn)切割刀。
令人驚奇的是在軌道7內(nèi)不僅旋轉(zhuǎn)切割刀而且軸向刀也比其它軌道內(nèi)的軸向刀狀況好。
例如，上述沖擊鉆頭的外直徑為6英寸和8英寸。要理解，也可以用其它直徑的類似樣式的沖擊鉆頭。同樣本發(fā)明不限于所示數(shù)目的葉片?？梢杂腥魏螖?shù)目的葉片。
權(quán)利要求
1.一種供鉆入地下地層之用的沖擊鉆頭，所述的沖擊鉆頭有中央縱軸線并可以用相對(duì)于地層反復(fù)施加軸向沖擊和繞軸線旋轉(zhuǎn)的辦法工作，所述鉆頭包括—一把或多把軸向刀，主要用于相應(yīng)軸向沖擊軸向切割地下地層；—一把或多把旋轉(zhuǎn)切割刀，主要用于相應(yīng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割地下地層；因此，在所述一把或多把旋轉(zhuǎn)切割刀中有第一旋轉(zhuǎn)切割刀，相對(duì)于至少所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀安裝一把或多把軸向刀做到在沖擊時(shí)所述一把或多把軸向刀比至少所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀更早些與地下地層接觸。
2.按照權(quán)利要求1的沖擊鉆頭，其特征在于所述一把或多把軸向刀相對(duì)于所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀安排成每次沖擊平均比第一旋轉(zhuǎn)切割刀更深一些進(jìn)入地層，其量?jī)?yōu)選地至少為1.5倍，更優(yōu)選地為2倍。
3.按照權(quán)利要求1或2的沖擊鉆頭，其特征在于所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀安裝于繞中央軸線的第一環(huán)形軌道內(nèi)，所述第一環(huán)形軌道的徑向?qū)挾认喈?dāng)于所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀的徑向?qū)挾?，使所述一把或多把軸向刀安裝于所述第一環(huán)形軌道內(nèi)。
4.按照前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)的沖擊鉆頭，其特征在于所述一把或多把軸向刀和所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀各有沖擊點(diǎn)，所述沖擊點(diǎn)的定義為刀在軸向沖擊時(shí)起首先與地層接觸作用的部分，因此至少所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀的沖擊點(diǎn)相對(duì)于所述一把或多把軸向刀的沖擊點(diǎn)之縮進(jìn)量為r。
5.按照權(quán)利要求3或4中的沖擊鉆頭，其特征在于繞中央軸線的第二環(huán)形軌道內(nèi)安裝了第二旋轉(zhuǎn)切割刀，所述第二環(huán)形軌道的徑向?qū)挾认喈?dāng)于所述第二旋轉(zhuǎn)切割刀的徑向?qū)挾龋挂话鸦蚨喟演S向刀安裝于所述第二環(huán)形軌道內(nèi)，因此所述第二旋轉(zhuǎn)切割刀的沖擊點(diǎn)相對(duì)于所述一把或多把軸向刀的沖擊點(diǎn)之縮進(jìn)量大于r。
6.按照權(quán)利要求5的沖擊鉆頭，其特征在于第二環(huán)形軌道在徑向上比第一環(huán)形軌道離中央軸線靠外一些。
7.按照權(quán)利要求4、5或6的沖擊鉆頭，其特征在于r＞0.25mm，優(yōu)選地r≥0.50mm。
8.按照前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)的沖擊鉆頭，其特征在于所述軸向刀有圓拱形或基本上半球形切割面。
9.按照前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)的沖擊鉆頭，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)切割刀有后傾角小于90度面向與之相關(guān)的流動(dòng)通道的傾斜面，其中所述后傾角定義為鉆頭的所述中央縱軸線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切線方向限定的平面上垂直于所述傾斜面的線的投影與垂直于所述縱軸線的平面之間的角。
10.按照前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)的沖擊鉆頭，其特征在于一把或多把旋轉(zhuǎn)切割刀有預(yù)切平?jīng)_擊面，所述沖擊面基本平行于與所述中央縱軸線垂直的平面。
11.按照前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)的沖擊鉆頭，其它還包括—多個(gè)從鉆頭突起的葉片；—多個(gè)基本沿鉆頭徑向延伸的流動(dòng)通道，使得接連的流動(dòng)通道形成于相鄰的兩葉片之間；旋轉(zhuǎn)切割刀相對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向成排地安裝于葉片前緣，各排旋轉(zhuǎn)切割刀有與之相關(guān)的供液體流過(guò)的流動(dòng)通道，借以排除積累于各排旋轉(zhuǎn)切割刀前面的切屑。
12.按照權(quán)利要求11的沖擊鉆頭，其特征在于軸向刀相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向安裝在各排旋轉(zhuǎn)切割刀后面以及與下一排旋轉(zhuǎn)切割刀相關(guān)的后面相鄰的流動(dòng)通道之前位置。
13.按照前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)的沖擊鉆頭，其特征在于安裝的軸向刀的數(shù)量與旋轉(zhuǎn)切割刀數(shù)量之比至少為3比2。
14.一種用于在地層內(nèi)鉆井眼的鉆井系統(tǒng)，所述的鉆井系統(tǒng)包括安裝了根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)的沖擊鉆頭的鉆柱，所述鉆井系統(tǒng)還包括—第一驅(qū)動(dòng)裝置，用于使鉆頭在井眼內(nèi)旋轉(zhuǎn)從而引起旋轉(zhuǎn)切割刀沿井眼底的刮削運(yùn)動(dòng)；—第二驅(qū)動(dòng)裝置，用于引起沿鉆頭軸線分力方向的對(duì)鉆頭的軸向沖擊從而引起至少軸向刀向井眼底施加沖擊力。
15.一種在地下地層鉆井眼的方法，所述的方法包括配備根據(jù)權(quán)利要求14的鉆井系統(tǒng)；把鉆頭放成對(duì)著要鉆的地下地層；在繞軸線實(shí)施旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)在鉆頭上保持一個(gè)對(duì)地層的軸向力；對(duì)鉆頭斷斷續(xù)續(xù)地提供沖擊。
全文摘要
供鉆入地下地層之用的沖擊鉆頭，沖擊鉆頭有中央縱軸線并可以用相對(duì)于地層反復(fù)施加軸向沖擊和繞軸線旋轉(zhuǎn)的辦法工作，所述鉆頭包括一把或多把軸向刀，主要用于相應(yīng)軸向沖擊軸向切割地下地層；一把或多把旋轉(zhuǎn)切割刀，主要用于相應(yīng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割地下地層；因此，在所述一把或多把旋轉(zhuǎn)切割刀中有第一旋轉(zhuǎn)切割刀，相對(duì)于至少所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀安裝一把或多把軸向刀做到在沖擊時(shí)所述一把或多把軸向刀比至少所述第一旋轉(zhuǎn)切割刀更早些與地下地層接觸。
文檔編號(hào)E21B10/56GK1806087SQ200480016293
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2004年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月12日
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