[发明专利]设计和制造具有可预测漂移特征的钻地旋转钻头的方法以及构造为具有预测漂移特征的钻头

说明书

技术领域

本发明通常涉及用于钻探地下地层的钻地钻头及其它工具，并且涉及设计和制造这种钻地钻头的方法。更具体地，本发明涉及具有可预测漂移特征的用于钻探地下地层的钻地钻头及其它工具，并且涉及设计和制造这种钻地钻头的方法。而且，本发明涉及用于采集与用于钻探地下地层的钻地钻头及其它工具的不平衡作用力和漂移特征相关的数据的系统和方法。

背景技术

技术现状：旋转钻头通常用于在地层中钻孔或钻井。一类旋转钻头是固定牙轮式钻头(通常称作“刮刀”钻头)，其典型地包括固定到钻头体表面区域上的多个切削元件。通常，固定牙轮式钻头的切削元件具有盘形或大体圆柱形状。包括硬质超耐磨材料(例如，相互粘结的金刚石颗粒)的切削表面可以设置在每一切削元件的大体圆形端面上。这种切削元件通常称作“聚晶金刚石复合片”(PDC)切削件。典型地，切削元件与钻头体分开制造并且固定在形成于钻头体外表面上的凹窝中。可以使用例如粘结剂的粘结材料(更典型地，硬钎焊合金)将切削元件固定到钻头体上。固定牙轮式钻头可以放入钻孔中，使得切削元件临近要钻进的地层。当钻头旋转时，切削元件横向刮削和切削下伏地层的表面。

旋转钻头的钻头体典型地固定到硬化钢杆上，所述硬化钢杆具有用于将钻头附接到钻柱上的美国石油学会标准(API)螺纹接头。钻柱包括在钻头和位于地面的其它钻井设备之间首尾相连的管状管件和设备段(segments)。可以使用例如回转工作台或顶部驱动装置的设备使钻柱和钻头在钻孔内旋转。可选地，钻头杆可以直接联接到井下马达的驱动轴上，因此，可以使用所述驱动轴使钻头旋转。

旋转钻头的钻头体可由钢制成。可选地，钻头体可以由颗粒基体复合材料制成。典型地，通过将钢坯包埋在例如碳化钨(WC)颗粒的碳化物颗粒材料中，并且将粒状碳化物材料利用例如铜合金的液化金属材料(通常称作“粘结”材料)渗透而形成这种钻头体，以提供大体上由颗粒基体复合材料制成的钻头体。相对于具有钢制钻头体的钻头而言，具有由这种颗粒基体复合材料制成的钻头体的钻头可以具有增强的耐腐蚀性和耐磨损性。

钻探地下地层的过程通常是三维过程，也就是说，钻头不仅沿竖向轴线线性钻透地层，而且有目的地或者非有意地沿弯曲路径或者相对于沿大体上与地球重力场平行的方向延伸到地下地层中的理论竖直轴线成一定角度地进行钻探。在这里使用的术语“定向钻进”是指引导钻头沿一些希望轨迹穿过地下地层到达预定目标位置以形成钻孔的过程，以及引导钻头沿除了沿与地球的重力场大体上平行的方向直接向下钻入地下地层到达已知或未知目标之外方向的预定轨迹钻进的过程。参考图1，利用延伸到地下并与地球重力场平行的理论竖直轴线2和大体上垂直于理论竖直轴线2的水平面4可以将钻头和/或钻孔的朝向描述为“倾斜角”和“方向角”。倾斜角可以定义为延伸穿过钻头和/或钻孔的纵向轴线6和理论竖直轴线2之间的最小角度。方向角可以定义为在水平面4内从参考方向(例如，北)沿顺时针方向延伸到贯穿钻头和/或钻孔的纵向轴线6在水平面4上的投影8的角度。方向角在本领域中通常称作“方位”或“方位角”。

举例来说，当钻孔大体上竖直地向下延伸到地下地层中时，倾斜角为零并且不存在方向角。而且，当钻孔沿横向方向在地下地层内大体上水平地延伸时，倾斜角为大约90°，方位角可以是0和360°之间的任何角度。

已经研制出了用于定向钻进的几个方法。例如，人们已知使用井底钻具组合(BHA)，其包括由沿钻杆柱泵送给马达的钻井流体或“泥浆”流驱动的马达，当钻头安装到使钻头与钻孔成一定角度的弯接头或弯外壳上时，所述马达使所述钻头旋转。其他方法包括例如使用“造斜器”，其可以包括定位在井孔底部，定向成使钻头与钻孔的纵向轴线倾斜成一定角度并钻穿其侧壁的楔形刀具。用于定向钻进的另一种方法涉及使用“喷射钻头”，其可以包括至少一个钻井流体喷嘴，该钻井流体喷嘴构造为使流体射流沿相对于钻头面的预定方向射出。钻头可以沿希望的朝向定位在钻孔底部，从喷嘴射出的流体射流用于在钻头不旋转时从围绕钻孔的地层材料中腐蚀出凹窝。钻头随后前进到被腐蚀的凹窝中，恢复钻头的旋转，钻头相对于在先轨迹成一定角度地前进。

在识别出地下地层内的目标之后，可以预先确定钻头和由此生产的钻孔的轨迹。在此处使用的术语“井斜控制(deviation control)”是指将钻头和钻孔相对于预定轨迹保持在预定限制范围内的过程。

定向钻进和井斜控制方法由于钻头和围绕钻孔的地下地层壁之间作用力的复杂关系而变得复杂。