[发明专利]具有导向切削件结构的旋转刮刀钻头以及利用所述旋转刮刀钻头使地下岩层预破碎的方法

说明书

优先权声明

本申请要求提交于2006年12月7日、名称为“具有导向切削件结构的旋转刮刀钻头以及利用所述旋转刮刀钻头使地下岩层预破碎的方法”的美国临时专利申请序列No.60/873,349以及提交于2007年9月27日、名称为“具有导向切削件结构的旋转刮刀钻头以及利用所述旋转刮刀钻头使地下岩层预破碎的方法”的美国专利申请序列No.11/862,440的提交日期的优先权，上述两篇申请的全部内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明在一些实施例中大体涉及用于钻进地下岩层的旋转刮刀钻头，更特别地，涉及具有包括导向切削件和旋转跟随的主切削件的至少一个切削件组的旋转刮刀钻头，以及利用所述旋转刮刀钻头使地下岩层预破碎的方法。

背景技术

数十年来，人们使用旋转刮刀钻头对地层进行钻进，已经在刮刀钻头顶冠上使用各种尺寸、形状和图案的天然和人工合成金刚石作为切削元件。刮刀钻头在许多地层中可以提供优于牙轮钻头或孕镶金刚石钻头的钻进速度(ROP)。

在过去的几十年里，利用聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件或切削件提高了旋转刮刀钻头的性能，所述切削件由在高温、高压条件下形成在碳化物基底上的平面金刚石切削元件或台组成。PDC切削件形成为各种形状，包括圆形、半圆形或墓石形，这些是最常使用的结构。典型地，PDC金刚石台形成为使所述台的边缘与支撑的碳化物基底共面或者所述台可以悬挂或略微底切，在所述台的后缘处形成“唇部”，以便在切削件进入被钻地层时延长其磨损寿命。已经证明，装有PDC切削件(例如，可以硬钎焊到钻头表面上的凹窝、从所述表面伸出的刮刀上的凹窝中，或者安装到插入钻头体中的柱块上)的钻头在钻进具有低到中等压缩强度的地下岩层时可以实现高ROP。PDC切削件给钻头设计师提供了各种改进的切削件分布和朝向，顶冠结构，有利的优化喷嘴布置以及其它设计选择，在以前，这些对于小天然金刚石或人工合成金刚石切削件来说不可能实现。尽管PDC切削元件在钻进许多地下岩层时提高了钻头效率，但是，PDC切削元件在操作暴露于钻进工况时易于磨损，从而缩短了旋转钻头的寿命。

热稳定金刚石(TSP)是另一种人工合成金刚石、PDC材料，其可用作旋转刮刀钻头的切削元件或切削件。TSP切削件(必须使用催化剂以促使在由此去除的结构中形成金刚石对金刚石结合)具有优于PDC切削件的热性能。与坚硬和磨蚀性岩石钻进应用相关的高摩擦热使切削边缘温度超过PDC的热稳定性，而TSP切削件在更高的工作温度下仍然保持稳定。这个特性还使它们焙烧到基体型旋转刮刀钻头的表面中。

尽管PDC或TSP切削元件与其它切削元件类型相比在钻进期间提供了更高的ROP并具有更少的磨损，但仍然希望进一步延长旋转刮刀钻头的寿命以及延长切削件寿命，不管所用切削件类型如何。工业领域的研究人员很早就认识到，当切削元件磨损，即在钻进期间磨损平面产生并形成在与地下岩层接触的每个切削元件上时，钻进速度(或ROP)降低。特别是当其它钻进参数保持不变时，钻进速度的降低表示旋转刮刀钻头磨坏。各种钻进参数包括地层类型、WOB、切削件位置或刀面角、切削件数量、切削件密度、钻进温度和RPM，例如但不限于此，并且还包括地层钻进领域技术人员所了解的其它参数。

尽管研究人员不断研究和寻找更为耐用的切削件以及对切削件性能的一般性改进，但他们未能找到或实现通过利用切削元件磨损率保持或增大钻进速度或ROP来实现延长刮刀钻头寿命的工程方法。在这个方面，尽管ROP在很多情况下是辨别钻头性能的关键属性，但是人们希望采用或利用切削元件磨损来延长或改善刮刀钻头的寿命。

因此，人们希望改进或延长旋转刮刀钻头的寿命，而不管被钻地下岩层的类型如何。人们还希望通过使切削件有利地定向和定位在钻头体上来延长旋转刮刀钻头的寿命。

发明内容

因此，本发明提供了一种具有导向切削件结构的旋转刮刀钻头。旋转刮刀钻头的寿命通过导向切削件结构而延长，使钻头更为耐用并且延长了切削元件的寿命。另外，位于旋转刮刀钻头上的导向切削件结构增强了被钻地下岩层材料的破碎，延长了钻头寿命并减少了切削件上的应力。