[发明专利]包括用于钻探地层的地钻元件和冲击元件的混合式钻头

说明书

包括地钻元件和冲击元件的一种混合式钻头。地钻元件和冲击元件同轴地布置，其中地钻元件围绕冲击元件。冲击元件的往复运动构件可以以使得往复运动构件的底端能够从地钻元件的底端反复地突出并且能够被反复地拔出的方式振动。地钻元件的构造可使其能够钻进地层中的某些材料并从地层中移除某些材料，而冲击元件可使混合式钻头能够钻入并移除难钻的材料，包括具有高压缩力的研磨材料，如角岩。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年3月7日提交的申请号为62/468,363并且题为“HYBRID BITINCLUDING EARTH-BORING AND PERCUSSION ELEMENTS FOR DRILLING EARTH FORMATIONS”(“’363临时申请”)的美国临时申请的优先权。’363临时申请的公开内容全部并入本文。

技术领域

本公开一般涉及用于钻入地层的钻头，并且更具体地，涉及用于钻探地层的混合式钻头。更具体地，本公开涉及包括集成的地钻元件和冲击元件的混合式钻头，并且更具体地，涉及包括彼此集成的地钻元件和冲击元件的钻头。还公开了在地层中形成钻孔(例如，油井、气井等)的方法。

背景技术

地钻钻头通常用于钻入各种地层。在钻穿某些地层(例如石灰岩地层等)时，可能会遇到更硬、更难钻的材料(例如磨蚀性材料、具有高抗压强度的材料等)，例如角岩。为了继续钻穿这种难钻的材料，可能需要锤击元件，其也被称为冲击元件。

如果缺少锤击元件的底部钻具组合(BHA)遇到难钻的材料，则必须从钻孔或井中取出钻柱，以便将锤击元件合并到BHA中。只要将锤击元件引入钻孔中，就可以继续进行钻探。

常规地，气动(即，空气驱动)锤击元件在本领域中也被称为潜孔(DTH)钻头，其已经被用于辅助打碎难钻的材料。气动锤击元件的功能类似于钻孔底部或末端的手持式凿岩钻。使用完成DTH后，必须将其从钻孔中移除，然后将包含钻头的BHA重新引入钻孔中。从钻孔中反复移除钻柱并替换钻孔中的钻柱会不期望地消耗宝贵的钻探时间。

最近，已经开发了液压锤击元件。典型地，钻头附接到液压锤击元件的底端。锤击元件在地钻钻头中会引起轴向振动，从而导致其与钻孔末端或底部的地层接合的压力和力产生振动，这可能会使地钻钻头承受钻头所没有被设计成能承受的力。将传统的地钻钻头与锤击元件一起使用可能会导致地钻钻头过早失效。

发明内容

一方面，根据本公开的混合式钻头包括彼此集成的冲击元件和地钻元件。这种混合式钻头的冲击元件在本文中也可以称为“锤击元件”或“冲击钻头”。根据本公开的混合式钻头的地钻元件也可以称为“地钻钻头”。除了冲击元件和地钻元件之外，根据本公开的混合式钻头还包括连接器。

冲击元件和地钻元件可以同轴布置，其中地钻元件围绕冲击元件。地钻元件和冲击元件的相对轴向位置可以是固定的。在一些实施例中，地钻元件的上部和冲击元件的上部，并且更具体地，地钻元件的上部和冲击元件的固定构件的上部，可以彼此固定。冲击元件的下部，其包括围绕冲击元件的固定构件的下部的往复运动构件，可以位于地钻元件的下部的喉部内，因此被地钻元件的下部围绕但并没有固定在地钻元件的下部。这样的布置可以使往复运动构件能够基于混合式钻头的方位，在地钻元件的喉部内轴向地振动或上下移动或前后移动。

冲击元件的底端或底表面暴露于地钻元件的底端。当冲击元件沿着地钻元件和混合式钻头的轴线或长度振动时，冲击元件的底端通过相对于地钻元件的底端移动到不同位置而轮转。因此，冲击元件的底端相对于地钻元件的底端的位置可以根据沿着冲击元件的固定构件的下部的冲击元件的往复运动构件的位置并且因此根据往复运动构件相对于地钻元件的下部的位置而变化。当往复运动构件沿着固定构件的下部的长度处于其最低位置时，冲击元件的底端从地钻元件的底端突出。当往复运动构件沿着固定构件的下部的长度处于其最高位置时，冲击元件的底端可以相对于地钻元件的底端凹进，基本上与地钻元件的底端齐平或平齐，或从地钻元件的底端稍微突出。