[发明专利]旋转式锥形钻头和增强流体及钻屑上提能力的方法

说明书

发明领域

本发明总的涉及一种用于在地下钻孔的旋转式钻头，具体地说是涉及一种旋转式锥形钻头和一种增强将流体及钻屑上提的能力的方法。

发明背景

有多种类型的旋转式钻头或凿岩钻头可被用来在地下钻孔。这种凿岩钻头的例子包括用于钻油井和天然气井的滚动式锥形钻头或旋转式锥形钻头。一种典型的滚动式锥形钻头包括一钻头本体，它具有一用来连接一钻井套管的上端。从钻头本体的下端悬伸出多个，一般为三个的支撑臂，每一支撑臂都具有一相对钻头本体的设定的转动轴线沿径向向内和向下凸伸的轴。

传统的滚动式锥形钻头一般由三个分段构成。各个分段之间可以靠一焊接槽沿纵向定位在一起。然后，可以采用传统技术将这三个分段焊接在一起，以形成钻头本体。每一分段上还包括一从钻头本体上伸出的相关支撑臂。在钻头本体内通常形成有一个加大的腔室或通道以容纳来自钻井套管的钻孔流体。美国专利第4,054,772号、名为“用于凿岩钻头焊接的定位系统”中揭示了一种用三个单独的部分构成一三段式锥形旋转式凿岩钻头的方法和装置。本申请中援引美国专利第4054,772号以作参考。

刀具锥体组件通常安装在各个轴上，并且可转动地支承在处于轴和刀具锥体中的轴容纳腔室的内部之间的轴承上。在邻近支撑臂的钻头本体的下边可形成一个或多个喷嘴。诸喷嘴一般的位置设置要引导来自钻井套管的钻孔流体穿过钻头本体，而被引向正在形成的钻孔的底部。钻孔用流体通常由钻井套管提供，它起到包括下述的几个作用：将在钻孔底部钻出的材料冲走、清洗刀具锥体组件、以及在钻头本体外部和钻孔内壁之间的环形空间内使钻屑先是径向向外然后再向上地带走。第4,056,153号、名为“带有用于非常硬的地层的多排分布的旋转式凿岩钻头”的美国专利和第4,280,571号、名为“凿岩钻头”的美国专利都是传统的滚动式锥形钻头的例子，它们具有安装在一从一支撑臂上凸伸的轴上的刀具锥体组件。这两个美国专利都已被援引在本申请中以作为针对本发明申请目的的参考。

当采用这样的旋转式钻头或凿岩钻头钻孔时，在刀具锥体附近的流体流动可形成很强的紊流，从而阻止钻屑和其他的岩屑从孔底部向上平稳地流经环状空间排到井的外表面上。另外，这样的岩屑会被受限制的流体流聚集在孔底位置。这样的受限制的流体流带来的这样一些位置的实例包括邻接于相应的一些支撑臂的钻头本体的下部分以及位于钻头本体的外部与钻孔的相邻壁之间的一些环状空间。其他受限制的流体流区域可包括相应的诸各刀具锥体的背面和孔壁。由于聚集了这些岩屑，即使进一步提高经过流体流的区域的流体速度和相邻金属组件的腐蚀，这样的区域还是被减小了。由于这种腐蚀过程的影响，一些重要另件，如轴承和密封件将会暴露于钻孔流体和井岩屑，使该凿岩钻头过早发生故障。

发明概要

按照本发明，会基本上减少或避免发生在以前的滚动钻头和旋转式锥形钻头的缺点和问题。在一实施例中，本发明包括一支撑臂和刀具锥体组件，使增大钻孔操作中在一有关的旋转式钻头的外表面四周的流体流动量，用以将钻屑和其他岩屑从钻孔的底部排到井的表面。在每个支撑臂的外表面上设置有一坡道。该坡道是成一斜角设置的，使它从支撑臂的前导边到收尾边向上倾斜。该坡道促使流体、钻屑和其他岩屑流向钻孔壁与一有关的钻孔套管的外表之间的环状间隙中。

本发明的技术优点包括：坡道将围绕旋转的动刀具锥体的流体紊流与刀具锥体上方在环状间隙中的流体流分开，以使进入环状间隙的钻屑和其他岩屑不会被朝向刀具锥体方向而拉回。该坡道的外径基本上等于钻孔直径。因此，在钻头本体的其他部分的协同工作下，该坡道将钻头处的流体分到两个基本上独立的区域。由于流体从喷嘴喷出以及刀具锥体的涡旋搅拌作用，在坡道下方的流体流是紊流而且是多方向的。坡道上方的流体流是较少紊流的，并且单方向向上通过环形间隙，这是因为坡道的收尾边可取地位于喷嘴和刀具锥体的出口端的上方。这样，在该区域的流体流不会受到刀具锥体的涡旋搅拌作用或来自喷嘴的向下的流体的干扰。

本发明的另一技术优点包括：坡道提供了一种用以将钻屑和其他岩屑向上抬到环形间隙，并离开刀具锥体的手段。当钻头转动时，流体和岩屑沿着该坡道向上移向环状间隙。这样就减小了钻屑对流体流动的区域的干扰作用。

本发明的另一技术优点包括：使用了支撑臂上的一坡道后，在支撑臂的位于坡道上方处与钻孔壁之间可形成一间隙，从而提高了流体和岩屑的向上流动的能力。此外，在该坡道的下方还形成一第二间隙，它也增强了流体的流动。该第二间隙使钻孔流体和由一设置在一相邻的支撑臂上的坡道向上抬起的钻屑充分地混合。