[发明专利]旋转钻头和设计用于定向和水平钻探的旋转钻头的方法

说明书

技术领域

本发明总的涉及井下钻探工具，具体来说，涉及旋转钻头和设计用于定向和水平钻探的旋转钻头的方法。

背景技术

各种类型的井下钻探工具包括但不限于：旋转钻头、钻孔器、岩心钻头以及其它的井下工具，在相关的井下地层中，这些钻探工具已经被用来形成井筒。此类旋转钻头的实例包括但不限于：固定刀具的钻头、拖曳钻头、多晶金刚石致密(PDC)钻头，以及与形成延伸通过一个或多个井下地层的油井和气井相关的基质钻头。诸如PDC钻头的固定刀具钻头包括多个刀片，它们各包括多个切割元件。

在典型的钻探应用场合中，钻头可用在定向和水平钻探中。通常在定向和水平钻探中，钻头将垂直地钻探到某一开始部位，在该开始部位处，钻头将开始弯曲到地层中，且在某一点处，钻头将开始水平钻探。定向和水平钻探的目的之一是增大蓄库排放到井筒中的排量并提高井的产量。

当钻探垂直井筒时，位于钻头上方的钻具组和各种其它的物件在钻头上提供要求的力，这通常被称作钻压(WOB)。该WOB能使钻头充分地配合地层，达到足够的穿透率(ROP)和切削深度。然而，当井筒开始从垂直改变到水平时，钻具组借助于重力保持抵靠着井筒的下壁。在这种情况下，钻具组处于井筒开始部位和水平部分中的部分可能在钻头上不作用任何的重力，因为钻具组的重量作用在井筒的下壁上。这导致非常小的WOB和低的ROP。因此，在定向和水平钻探中，用于使钻头转向的任何力必须克服钻具组和井筒下壁之间的摩擦力。此外，在某些定向和水平钻探中使钻头转向所需的转矩仅由井下马达提供的，因此是非常有限的。如果钻头切削的即时深度非常深，使得马达所产生的转矩和每分钟转数(RPM)不足以有效地转动该钻头，则该有限的转矩可导致“马达停转”。

发明内容

根据本发明的介绍，与使用旋转钻头进行定向和水平钻探有关的缺点和问题已经基本上减少或消除。在特别的实施例中，披露了设计用于定向和水平钻探中的多层井下的钻探工具。该钻探工具包括钻头体，其包括延伸通过其中的旋转轴线。多个主刀片设置在钻头体的外部上，而多个次级刀片设置在钻头体的外部上主刀片之间。多个第一层切削元件设置在主刀片的外部上，且多个第二层的切削元件设置在次级刀片的外部上。第二层的切削元件按反向轨迹式设置(opposite track set)构造与第一层的切削元件呈轨迹式设置。

根据本发明一实施例，披露了设计用于定向和水平钻探中的多层井下钻探工具。该钻探工具包括钻头体，其包括延伸通过其中的旋转轴线。多个主刀片设置在钻头体的外部上，而多个次级刀片设置在钻头体的外部上主刀片之间。多个第一层切削元件设置在主刀片的外部上，且多个第二层的切削元件设置在次级刀片的外部上。第二层的切削元件按前轨迹式设置构造(front track set)而与第一层切削元件呈轨迹式设置。

根据本发明另一实施例，披露了设计多外形层的钻头以提供定向和水平钻探的方法。该方法包括：将多个第一层切削元件放置在设置于钻头体外部上的多个主刀片上；以及由前轨迹式设置构造或反向轨迹式设置构造形成切削元件构造。在钻探过程中，根据井筒的地层特征和与钻头相关的马达转速，来估计第二层切削元件与地层相配合处的钻压。确定第二层的切削元件和第一层的切削元件之间的未露出量，并根据切削元件构造和所确定的未露出量，将第二层的切削元件放置在多个次级刀片上，以防止在滑动模式钻探过程中马达停转。

附图说明

为了更完整地理解本发明和其特征和优点，现结合附图，参照以下的描述，附图中：

图1示出根据本发明某些实施例的钻探系统的示例实施例；

图2A示出根据本发明某些实施例的旋转钻头的立体图，该钻头以经常用于对固定刀具的钻头进行模型确定或设计的方式而向上定向；

图2B示出根据本发明某些实施例的作为转速、流体速度和压差的函数的马达的输出转矩图；

图3示出根据本发明某些实施例设计的钻头每转切削深度和钻压的关系图；

图4A示出根据本发明某些实施例的钻头的钻头面，其包括设置在呈前轨迹式设置构造的刀片上的切削元件；

图4B示出根据本发明某些实施例设计的图4A的钻头的钻压对穿透率的曲线图；

图5A示出根据本发明某些实施例的钻头的钻头面，其包括设置在呈反向轨迹式设置构造的刀片上的切削元件；

图5B示出根据本发明某些实施例设计的图5A的钻头的钻压对穿透率的曲线图；

图6A示出根据本发明某些实施例的钻头的钻头面，对该钻头面可确定切削控制曲线的临界深度(CDCCC)；