專利名稱：鉆井工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于鉆井眼的鉆井工具，例如后續(xù)使用于石油和/或天然氣開 采中。本發(fā)明特別涉及一種鉆井工具，借助該工具，能夠形成增大的導向器的井眼區(qū)域。
背景技術(shù)：
在進行鉆井或完成井眼時，有時需要提供直徑擴大的區(qū)域。顯然，用于形成井眼的 直徑擴大的區(qū)域的工具必須能夠通過位于較大直徑區(qū)域要形成處上方的任何較小的井眼 直徑區(qū)域。這對在該用途中使用的工具形成相當?shù)脑O(shè)計限制。已知使用具有多個可動部件的鉆井工具，這些部件可以移動從而改變所鉆井眼的 直徑。然而，可動部件多會導致該工具變得較為復雜，容易由于其部件的堵塞而失效，并且 還需要具有相應(yīng)的控制系統(tǒng)以控制其操作。另一種熟知的適用于該用途的工具為雙中心工具。該工具可包括導向或中間擴眼 區(qū)和相對中間擴眼區(qū)偏心定位的主擴眼區(qū)。在這樣的布置中，當工具需要形成直徑相對較 大的區(qū)域時，它就會繞中間擴眼區(qū)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時施加鉆壓載荷。中間擴眼區(qū)形成或完 成直徑相對較小的鉆孔區(qū)域，隨后通過偏心主擴眼區(qū)擴大該區(qū)域，中間擴眼區(qū)擠靠孔壁用 于引導工具，對由于主擴眼區(qū)的偏心定位而施加的側(cè)面載荷作出反應(yīng)。在需要較小的直徑 區(qū)域時，該工具由相對井眼中心偏心定位的中間擴眼區(qū)的旋轉(zhuǎn)軸支撐，工具尺寸使其能夠 通過孔的較小直徑區(qū)域。例如，在US5678644和US 2002/0104688中描述了這種通用類型 的工具。正如在雙中心工具中是必要的一樣，主擴眼區(qū)的偏心位置導致工具在使用中會以 上文所描述的方式不平衡。例如，由于工具不平衡造成的側(cè)面載荷可能會導致工具易于傾 斜，并且導致工具推進的方向與需要擴大井眼的方向不同。不平衡力還可能導致工具易于 繞與想要其圍繞旋轉(zhuǎn)的中間擴眼區(qū)的旋轉(zhuǎn)軸不同的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，這將導致主擴眼區(qū)所鉆的 井眼的一部分與希望的不同，例如具有較小的直徑。而且，不平衡力可能會導致工具的某些 部件遭受過度磨損或?qū)е履抢镌谑褂弥袚p壞。顯然，這些效應(yīng)是不利的，且本發(fā)明的目標在 于提供一種能夠克服或減小上文所述的不利效應(yīng)的鉆井工具。在US5678644的布置中，鉆井工具的設(shè)計方式為包括穿透限制裝置，該裝置可操 作地限制工具上的至少某些刀頭的穿透深度。人們認為，用這種方式限制穿透深度能夠減 小鉆頭的傾斜和旋轉(zhuǎn)。但是，用這種方式限制穿透深度僅僅是解決了由過量的穿透引發(fā)的 問題，并沒有解決由其它因素引發(fā)的不穩(wěn)定問題。US5678644進一步地描述了鉆頭的導向部 分和擴眼部分產(chǎn)生的切削力能夠基本平衡的設(shè)計技術(shù)，這兩個切削力基本是方向相反并基 本大小相等。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種雙中心鉆井工具，其包括相對于工具旋轉(zhuǎn)軸偏心定位的主 擴眼區(qū)和位于主擴眼區(qū)之前的不平衡前導切削結(jié)構(gòu)，在鉆井方向，前導切削結(jié)構(gòu)的定位應(yīng)
3能對鉆井工具施加側(cè)面載荷，側(cè)面載荷的作用方向應(yīng)能抵消在使用中由于主擴眼區(qū)偏心于 旋轉(zhuǎn)軸所施加的側(cè)面載荷。前導切削結(jié)構(gòu)優(yōu)選包括至少一個設(shè)有刀頭的前導刀片。方便地，提供單個這類前 導刀片。優(yōu)選地，中間擴眼區(qū)位于主擴眼區(qū)域和前導切削結(jié)構(gòu)之間。優(yōu)選地，主擴眼區(qū)以與中間擴眼區(qū)在導向方向上的轉(zhuǎn)動軸間隔開的軸線為中心， 前導刀片沿與第一方向相反的第二方向、延伸離開中間擴眼區(qū)的旋轉(zhuǎn)軸。前導刀片具有外表面，該外表面優(yōu)選設(shè)有耐磨損層，例如采用TSP保護的形式。前 導刀片優(yōu)選包括多個刀頭，這些刀頭的設(shè)計和/或取向應(yīng)能提高可由此獲得的側(cè)面載荷的 大小。這種布置的優(yōu)點在于其允許平衡或補償在提供較大或更偏心的主鉆井區(qū)域時施加 的側(cè)面載荷，從而允許鉆出直徑較大的井眼區(qū)域。因此，其可以使通常難以保持平衡的直徑 較大的工具保持平衡。通過提供實現(xiàn)平衡或改善平衡的鉆井工具，將克服或減少上文中提 到的缺點。例如，將減小形成尺寸過小的孔區(qū)域的風險，還將減小在井眼中發(fā)生不希望的偏 差的風險。


結(jié)合附圖，通過例子對本發(fā)明進行進一步說明，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，鉆井工具的示意側(cè)視圖；圖2為圖1所示的工具的端視圖；圖3a和3b為圖1所示的工具在使用中的示意圖示。
具體實施例方式參照附圖，對雙中心鉆井工具10進行說明。工具10包括意欲沿著鉆管組中途安 裝的擴眼器，并且可操作地允許完成需要擴大的井眼區(qū)域。盡管所說明的工具為擴眼器，但 是應(yīng)理解，本發(fā)明也適用于其它類型的鉆井工具。鉆井工具10包括例如鑄鋼形式的工具主體12。但是，工具主體也可以用其它材 料。工具主體12由定義為主擴眼區(qū)14和中間擴眼區(qū)16的區(qū)域來形成。每一區(qū)14，16均 在鉆頭主體12上包括一系列豎直刀片18，每個刀片18都攜帶一系列呈多晶金剛石復合切 削器形式的切削元件20。一種使切削元件20在刀片18上固定就位的方式為將切削元件釬 焊到形成于刀片上的凹口或其它結(jié)構(gòu)上。但是，這可能要使用很多其它的固定或安裝技術(shù)。 同樣，本發(fā)明也涵蓋其它類型的切削元件的使用。如圖2所示，中間擴眼區(qū)16的多數(shù)刀片18基本上延伸至直徑23的導向標準圓周 22，該圓周以鉆井工具10的旋轉(zhuǎn)軸24為中心。主擴眼區(qū)14的刀片18基本上延伸到穿過 偏心于導向標準圓周22的直徑27的圓周26的軌道。導向標準圓周22的一部分凸出到穿 過圓周26的軌道的外側(cè)，且在工具的這部分中，中間擴眼區(qū)16的刀片18僅徑向向外延伸 穿過圓周26的軌道那么遠，而不是導向標準圓周22那么遠。當井眼需要相對較大的直徑區(qū)域，工具10支撐成繞旋轉(zhuǎn)軸24旋轉(zhuǎn)同時在那里施 加合適的鉆壓載荷。該旋轉(zhuǎn)導致中間擴眼區(qū)16靠頂井眼壁，刮削、研磨或以其它方式去除 地層材料，從而鉆出或增加導向孔50的直徑(參見圖3a)。該旋轉(zhuǎn)還導致偏心主擴眼區(qū)14
4的旋轉(zhuǎn)，掃過直徑29的圓周28，位于主擴眼區(qū)14的刀片18上的刀頭20刮削、研磨或以其 它方式去除地層材料，擴展導向孔50的直徑以基本形成直徑29的井眼52。在鉆井工具10上述操作中，應(yīng)理解，主擴眼區(qū)14的偏心定位導致施加相對較大的 側(cè)面載荷或施加其它不平衡力。為了抵消這些力，根據(jù)本發(fā)明，工具10設(shè)有前導刀片30的 形式的附加前導切削結(jié)構(gòu)，前導刀片30位于主擴眼區(qū)14之前，在所示的實施例中，在鉆井 的方向上，位于中間擴眼區(qū)16之前的位置。前導刀片30在與主擴眼區(qū)14最偏心于旋轉(zhuǎn)軸 24的位置徑向相反的位置上位于工具10上。盡管前導刀片30延伸到其它徑向位置可以獲 得一些本發(fā)明的益處，但在該實施例中，前導刀片30延伸到一個大體上位于穿過圓周26的 軌道上的徑向位置。前導刀片30設(shè)有例如多晶金剛石復合刀頭形式的切削元件32，切削元件優(yōu)選定 位成實現(xiàn)施加相對較大的側(cè)面或不平衡載荷。這可以通過使用具有適當后傾角的大倒角刀 頭來實現(xiàn)。相似地，前導刀片30的形狀優(yōu)選是使獲得相對陡峭的切削輪廓，這將也會加強 能夠由前導刀片30施加的平衡力的大小。前導刀片30的外表面優(yōu)選抗磨損，例如通過在 外表面應(yīng)用TSP保護(未顯示)。另一種選擇或附加地，前導刀片30具有PDC或碳化鎢鑲 齒或其它材料的部件，例如與刀頭(例如或者在刀頭之后或在刀頭之間)相結(jié)合以共同承 擔沖擊載荷，控制鉆井扭矩，增強持久性和/或產(chǎn)生附加的鉆井力。提供前導刀片30在使用過程中導致，當工具10用于增加井眼直徑時，施加最先或 早期的不平衡的側(cè)面載荷給鉆井工具10，作用方向與主擴眼區(qū)14的作用方向相反。如上文 所描述的，作用在鉆井工具10上的凈不平衡載荷的平衡或降低程度是有益的，因為降低了 鉆出尺寸過小孔區(qū)域的風險。此外，可以降低在井眼中鉆井工具的傾斜以及偏差的形成。它 也允許平衡相對較大的偏心擴眼器或其它鉆井工具，如果需要，可以讓其具有另外的刀片。當需要井眼的相對較小的直徑區(qū)域，通過定位工具使該工具能夠穿過井眼的那些 區(qū)域以便軸24偏心于所述井眼區(qū)域的軸線。在這種方式下，盡管該工具能夠鉆即直徑為29 的相當大的井眼區(qū)域，但是工具還能夠穿過像直徑27那么小直徑的井眼區(qū)域。盡管上文所示出和描述的裝置僅具有一個前導刀片30，但是可以采用設(shè)有兩個或 更多這類刀片的結(jié)構(gòu)，前導刀片的位置和設(shè)計應(yīng)使得施加在鉆井工具上的凈不平衡載荷作 用方向與由主鉆井區(qū)域的操作引起的不平衡力作用方向大體相反。而且，需要時也可以在 與前導切削結(jié)構(gòu)大體相同的軸位置處具有一個或更多的支承墊。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以對上文描述的結(jié)構(gòu)作出各種改進和替代。
權(quán)利要求
一種雙中心鉆井工具，包括相對于工具旋轉(zhuǎn)軸偏心定位的主擴眼區(qū)，和位于主擴眼區(qū)之前的不平衡前導切削結(jié)構(gòu)，在鉆井方向，前導切削結(jié)構(gòu)定位成對鉆井工具施加側(cè)面載荷，側(cè)面載荷的作用方向抵消在使用中由于主擴眼區(qū)偏心于旋轉(zhuǎn)軸所施加的側(cè)面載荷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具，其中前導切削結(jié)構(gòu)包括至少一個設(shè)有刀頭的前導刀片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工具，其中前導切削結(jié)構(gòu)包括單個前導刀片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任意一項所述的工具，其中中間擴眼區(qū)位于主擴眼區(qū)和前 導切削結(jié)構(gòu)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工具，其中主擴眼區(qū)以在第一方向上與中間擴眼區(qū)的轉(zhuǎn)動 軸間隔開的軸線為中心，前導切削結(jié)構(gòu)沿與第一方向相反的第二方向延伸離開中間擴眼區(qū) 的旋轉(zhuǎn)軸。
6.根據(jù)在前任意一項權(quán)利要求所述的工具，其中前導切削結(jié)構(gòu)具有外表面，該外表 面設(shè)有耐磨損層。
7.根據(jù)在前任意一項權(quán)利要求所述的工具，其中前導切削結(jié)構(gòu)包括多個刀頭，這些 刀頭設(shè)計和/或取向成增強所獲得的側(cè)面載荷的大小。
8.根據(jù)在前任意一項權(quán)利要求所述的工具，其中通過前導切削結(jié)構(gòu)獲得的切削輪廓 選擇成增強由此獲得的側(cè)面載荷的大小。
全文摘要
一種雙中心鉆井工具包括相對于工具旋轉(zhuǎn)軸偏心定位的主擴眼區(qū)(14)和位于主擴眼區(qū)之前的前導切削結(jié)構(gòu)(30)，在鉆井方向，前導切削結(jié)構(gòu)(30)的位置應(yīng)能對鉆井工具施加側(cè)面載荷，側(cè)面載荷的作用方向應(yīng)能抵消在使用中由于主擴眼區(qū)(14)偏心于旋轉(zhuǎn)軸線所施加的側(cè)面載荷。
文檔編號E21B10/46GK101899951SQ200910246899
公開日2010年12月1日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月9日
發(fā)明者R·查費 申請人:里德?？甯裼邢薰?br>