[发明专利]具有同轨设置的初级切削齿和备用切削齿的固定切削齿钻头

说明书

本公开涉及具有同轨设置的初级切削齿和备用切削齿的固定切削齿钻头、设计这种钻头的方法、实现这种方法的系统以及使用这种固定切削齿钻头在地质地层中钻取井眼的系统。

优先权要求

本申请要求2017年7月25日提交的标题为“FIXED-CUTTER DRILL BITS WITHTRACK-SET PRIMARY CUTTERS AND BACKUP CUTTERS”的美国临时专利申请序列号62/536,863的优先权，其全部内容通过引用方式并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及具有同轨设置的初级切削齿和备用切削齿的固定切削齿钻头、设计这种钻头的方法、实现这种方法的系统，以及使用这种固定切削齿钻头在地质地层中钻取井眼的系统。

背景技术

井眼最经常是使用钻地钻头在地质地层中形成的。存在各种类型的这种钻头，但是它们都会由于使用而经历某种类型的磨损或疲劳，这限制了钻头的总寿命或在返回地面之前在井眼中于井下所使用的时间。钻头中使用的材料及其随着井眼推进有效切削遇到的不同类型地层的能力有时也使得从井眼中取出钻头、更换钻头或钻头的部件、然后将其返回井下以恢复切削成为必需。

特别地，随着井眼达到更大的长度，取出和返回钻头的过程变得费时且昂贵。另外，钻头和钻头部件本身很昂贵并且制造或更换非常耗时。因此，那些参与设计、制造和操作钻地钻头及其部件的人员花费大量时间来开发限制在井眼中取出和返回钻头的方法以及提高钻头及其部件寿命的方法。然而，由于钻地钻头及其部件和操作往往非常复杂，致使这些尝试变得复杂，从而导致一些改进被发现是不切实际的。

附图说明

结合附图参考以下描述可获得对本公开的特征和其优点的更完整的理解，在并不一定按比例的附图中相同的参考数字指示相同的特征，并且在附图中：

图1是钻井系统的示意图，其中可以使用根据本公开的具有同轨设置的初级切削齿和备用切削齿的固定切削齿钻头；

图2是具有同轨设置的初级切削齿和备用切削齿的固定切削齿钻头的等距视图；

图3是示出初级切削齿和同轨设置的备用切削齿的相对位置的示意图；

图4是作为角度(θ)的函数的图3的初级切削齿和备用切削齿的切削深度的曲线图；

图5(左)是固定切削齿钻头上的初级切削齿和同轨设置的备用切削齿的相对位置的示意图；图5(右)是固定切削齿钻头的切削齿的轨迹图；

图6是取决于角度θ的初级切削齿和同轨设置的备用切削齿的接合面积的一组示意图；

图7(左)是当不存在对初级切削齿的磨损时初级切削齿、以及同轨设置的备用切削齿的暴露不足(δ)的示意图；图7(右)是当存在对初级切削齿的磨损(w)时初级切削齿、以及同轨设置的备用切削齿的相对暴露不足的示意图；

图8是固定切削齿钻头的计算的钻头磨损的曲线图；

图9是在固定切削齿钻头的切削齿磨损期间切削刃的变化曲线，虚线表示磨损的切削刃；

图10是在安置同轨设置的备用切削齿的设计方法之前，在固定切削齿钻头上的初级切削齿的示意图；

图11是作为初级切削齿磨损(w)和钻进距离的函数的备用切削齿的临界切削深度(CDOC_b)的曲线图；

图12是用于设计具有初级切削齿和同轨设置的备用切削齿的固定切削齿钻头的方法的流程图。

图13是具有初级切削齿和同轨设置的备用切削齿的固定切削齿钻头的示意图；

图14是作为图13的固定切削齿钻头的钻头半径的函数的备用切削齿的临界切削深度(CDOC_b)的曲线图；