[发明专利]用于钻地工具的切削元件

说明书

本发明涉及一种用于钻地工具的切削元件，所述切削元件包括基底和设置在基底上的一定体积的超硬磨料。所述体积的超硬磨料具有非平面几何形状。所述至少一个切削元件被配置成定位在钻地工具上并在所述钻地工具上取向，以通过在钻地操作中在所述钻地工具的使用期间利用所述体积的超硬磨料的所述暴露的外表面的至少一部分将地下地层材料压裂或塑性地变形来移除所述地层材料。所述体积的超硬磨料的所述暴露的外表面包括具有第一平均表面加工粗糙度的第一区域和具有比所述第一平均表面加工粗糙度更大的第二平均表面加工粗糙度的第二区域。

本申请是国际申请号为PCT/US2016/054174、中国申请号为201680057318.0、申请日为2016年09月28日、名称为“用于钻地工具的切削元件、包含此类切削元件的钻地工具和相关方法”的中国专利申请的分案申请。

优先权要求

本申请要求2015年10月2日提交的关于“CUTTING ELEMENTS FOR EARTH-BORINGTOOLS,EARTH-BORING TOOLS INCLUDING SUCH CUTTING ELEMENTS,AND RELATED METHODS”的美国专利申请序列号14/873,366的提交日的权益。

技术领域

本公开的实施方案涉及钻地工具、用于此类钻地工具的切削元件和相关方法。

背景技术

出于各种目的在地下地层中形成井筒，包括例如从地下地层提取油和气以及从地下地层提取地热。可以使用钻头例如钻地旋转钻头在地下地层中形成井筒。不同类型的钻地旋转钻头是本领域已知的，包括例如固定切削齿钻头(其在本领域中通常被称为“刮刀”钻头)、牙轮切削齿钻头(其在本领域中通常被称为“凿岩”钻头)、孕镶金刚石的钻头、混合钻头(其可包括例如固定切削齿和牙轮切削齿两者)。旋转钻头并将其推入地下地层中。随着钻头的旋转，切削齿或其研磨结构切削、粉碎、剪切和/或磨掉地层材料以形成井筒。可以由设置在钻头的最外直径处的切削结构来限定由钻头钻出的井筒的直径。

钻头直接或间接地耦接到本领域中称为“钻柱”的端部，该钻柱包括一系列首尾相连的细长管状段并从地层表面延伸到井筒中。通常，各种工具和部件，其包括钻头，可以在正钻出的井筒的底部在钻柱的远侧端部耦接在一起。在本领域中将工具和部件的这个组件称为“井底钻具组件”(BHA)。

可以通过使钻柱从地层表面开始旋转来在井筒内旋转钻头，或者可以通过将钻头耦接到井下马达来旋转钻头，该井下马达也耦接到钻柱并且设置在井筒的底部附近。井下马达可以包括例如液压Moineau型马达，该液压Moineau型马达具有安装有钻头的轴，可以通过以下操作来使轴旋转：将流体(例如，钻井泥浆或钻井流体)从地层表面向下泵送穿过钻柱中心，穿过液压马达，从钻头中的喷嘴出来，且穿过钻柱的外表面与井筒内的地层的暴露表面之间的环形空间向上回到地层表面。

已知的是，当在地下地层钻探井筒时，使用本领域中称为“扩孔钻”装置(也称为“开孔装置”或“开孔器”)与钻头一起作为井底钻具组件的一部分。在这个构型中，钻头作为“领眼”钻头操作以在地下地层中形成领眼钻孔。当钻头和井底钻具组件推入地层中时，扩孔钻装置穿过领眼钻孔跟随钻头并放大领眼钻孔的直径或对领眼钻孔“扩孔”。

钻地工具诸如钻头和扩孔钻的主体通常设有流体流道诸如“排屑槽”，以允许钻井泥浆(其可包括由工具生成的夹带在流体中的钻井流体和地层钻屑)围绕工具主体向上传递到钻柱外的工具上方的井筒内的环形空间中。

钻井筒时，地层钻屑可粘附到钻头表面或在它上面“球化”。钻屑可在切削元件和钻头或其他工具的表面上积聚，并且可以聚集在钻头的各种结构部件之间产生的任何空隙、间隙或凹陷中。这种现象尤其会在塑性失效的地层中得到增强，例如在某些页岩、泥岩、粉砂岩、灰岩和其他相对延性的地层中。来自这些地层的钻屑可以被机械地装填在钻头的外部的上述空隙、间隙或凹陷中。在其他情况下，诸如在钻某些页岩地层时，地层钻屑与钻头或其他工具的表面之间的粘附可至少部分基于原子吸引力和/或它们之间的键。

发明内容