具有混合切割结构的井下切割工具的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]在钻地层中的井眼，例如用于回收烃或其它应用时，实际上通常需要将钻头连接在头尾连接到一起以形成“钻柱”的钻杆组件部分的下端上。通过在地面上转动钻柱或者通过致动井下马达或涡轮机，或同时通过这两种方法来使钻头旋转。借助施加给钻柱的重量，旋转的钻头与地层接合，通过磨蚀，压裂，或剪切作用，或者通过所有切割方法的组合使得钻头切割穿过地层材料，由此形成沿着预定路径朝向目标区域的井眼。
[0002]已经开发和发现了很多不同类型的应用于例如钻井眼的钻头。两种主要类型的钻头为牙轮钻头和固定切割器(或者旋转刮刀)钻头。大多数的固定切割器钻头设计包括围绕钻头面成角度间隔分布的多个刀翼。刀翼从钻头本体向外径向突出并且在彼此之间形成流动通道。此外，切割元件通常被分组并且成径向延伸的列安装在几个刀翼上。刀翼上的切割元件的配置或布局可以根据多个因素，例如待钻的地层在大范围内变化。
[0003]设在固定切割器钻头的刀翼上的切割元件通常由极硬的材料形成。在典型的固定切割器钻头中，每个切割元件包括容纳并且固定在形成于其中一个刀翼的表面的凹口处中的细长且大体上为圆柱形的碳化钨基材。切割元件通常包括由多晶金刚石(PCD)或其它超硬磨蚀材料、例如热稳定金刚石或多晶立方氮化硼构成的硬切割层。为了方便起见，如这里所使用的引述“PCD钻头”或“PCD切割器”所指的是采用由多晶金刚石或其它超硬磨蚀材料构成的硬切割层的固定切割器钻头或者切割元件。
[0004]参照图1和2，示出了适于钻穿岩石地层以形成井眼的传统的固定切割器或刮刀钻头10。钻头10总体包括钻头本体12、杆13及将钻头10连接到被用于旋转钻头以钻井眼的钻柱(未示出)的螺纹连接结构或销14。钻头面20支撑刀翼状切割结构15并且形成在钻头10的与销的端部16相反的端部上。钻头10进一步包括使钻头10围绕其沿着由箭头18所表示的切割方向进行旋转的中心轴线11。
[0005]切割结构15设置在钻头10的面20上。切割结构15包括多个成角度间隔分布的主刀翼31，32，33，以及副刀翼34，35，36，其中，每一个都从钻头面20延伸。主刀翼31，32，33和副刀翼34，35，36总体上沿着钻头面20径向延伸并且接着沿着钻头10的一部分外周轴向延伸。然而，副刀翼34，35，36沿着钻头面20从远离钻头轴线11的位置朝向钻头10的外周径向延伸。因此，如这里使用的，“副刀翼”可被用于指代从距离钻头轴线某一距离开始并且总体上沿着钻头面径向延伸到钻头的外周的刀翼。主刀翼31，32，33和副刀翼34，35，36被钻井液流动路径19分隔开。
[0006]仍然参照图1和2，每个主刀翼31，32，33包括用于安装多个切割元件的刀翼顶42，并且每个副刀翼34，35，36包括用于安装多个切割元件的刀翼顶52。特别地，切割元件40 (每一个均具有切割面44)被安装在分别形成于每个主刀翼31，32，33和每个副刀翼34，35，36的刀翼顶42，52中的凹口中。切割元件40彼此相邻布置成与每个主刀翼31，32，33和每个副刀翼34，35，36的前缘最接近的径向延伸的列。每个切割面44具有距离安装切割元件40的刀翼顶42，52最远的最外的切割刃44a。
[0007]现在参照图3，示出了钻头10的轮廓，其表现为所有刀翼(例如，主刀翼31，32，33和副刀翼34，35，36)和所有切割元件40的切割面44被旋转到单个旋转轮廓中。在旋转轮廓视图中，钻头10的所有刀翼31-36的刀翼顶42，52形成并且限定出从钻头轴线11径向延伸到钻头10的外径23的组合或复合刀翼轮廓39。因此，如这里使用的，词组“复合刀翼轮廓”指的是从钻头轴线向钻头的外径延伸的轮廓，其由旋转到单个旋转轮廓(即，在旋转轮廓视图中)的钻头的所有刀翼的刀翼顶形成。
[0008]传统的复合刀翼轮廓39(在图3中的钻头10的右半边中最清晰地示出)总体上可被分割成三个区域，分别被标记为圆锥区域24，肩部区域25，以及轨径区域26。圆锥区域24包括钻头10的径向最内区域以及总体上从钻头轴线11向肩部区域25延伸的复合刀翼轮廓39。如图3所示，在最传统的固定切割器钻头中，圆锥区域24总体上成凹形。与圆锥区域24相邻的为肩部(或向上翻转的弯曲)区域25。在最传统的固定切割器钻头中，肩部区域25总体上成凸形。径向靠外的与肩部区域25相邻的为轨径区域26，其平行于钻头轴线11在复合刀翼轮廓39的外径向周缘上延伸。因此，传统钻头10的复合刀翼轮廓39包括一个凹形区域-圆锥区域24以及一个凸形区域-肩部区域25。
[0009]凸形肩部区域25以及复合刀翼轮廓39的轴向最下的点限定出刀翼轮廓冠顶27。在刀翼轮廓冠顶27处，凸形肩部区域25和复合刀翼轮廓39的切线27a的斜率为零。因此，如这里使用的，术语“刀翼轮廓冠顶”指的是在旋转轮廓视图中沿钻头的复合刀翼轮廓的凸形区域的点，在该点上与复合刀翼轮廓的切线的斜率为零。对绝大多数传统的固定切割器钻头(例如，钻头10)来说，复合刀翼轮廓仅仅包括一个凸形肩部区域(例如，凸形肩部区域25)，并且仅仅包括一个刀翼轮廓冠顶(例如，冠顶27)。如图1-3所示，切割元件40沿着刀翼31-36成列布置并且沿着前面描述的复合刀翼轮廓39的圆锥区域24，肩部区域25以及轨径区域26等区域中的钻头面20设置。特别地，切割元件40安装在刀翼31-36上的相对于钻头10的中心轴线11径向间隔开的预定位置上。
[0010]不考虑钻头类型，钻井的费用与将井眼钻到期望的深度和位置处所花费的时间长度成正比。因而，钻井时间很大程度上受必须更换钻头以达到目标地层的次数的影响。这是因为每次更换钻头时，可能为几英里长的整个钻柱必须从井眼中一段一段地取出来。一旦钻柱被取出并且安装好新的钻头，钻头必须在钻柱上被下降到井眼底部，钻柱必须再次一段一段地构建。称为钻柱的“起下”的这种过程需要大量的时间、工作量以及花费。因此，总是期望采用钻井更快且更长并且在较宽的不同地层硬度范围内都可以使用的钻头。
【发明内容】
[0011]本概述用于引入在详细描述中进一步描述的构思的选取。本概述不是用于限定要求保护的主题的关键或实质特征，也不是用于帮助限定要求保护的主体的范围。
[0012]一方面，这里公开的实施例涉及一种钻头，其具有钻头本体，钻头本体具有贯穿延伸的纵轴线以及钻头面。多个刀翼从钻头本体延伸，其中所述多个刀翼具有包括冠顶的刀翼轮廓。多个切割元件设置在所述多个刀翼上，且包括多个非平面切割元件和多个旋转切割元件，其中，所述多个非平面切割元件设置在至少一个刀翼上的位于纵轴线和冠顶之间的非平面切割元件区域中。
[0013]另一方面，这里公开的实施例涉及一种具有工具本体的井下切割工具，该工具本体具有贯穿延伸的纵轴线和切割端。多个刀翼从工具本体在方位角方向上延伸，并且多个切割元件设置在多个刀翼上。所述多个切割元件包括至少一个旋转切割元件和至少一个非平面切割元件，其中，所述至少一个非平面切割元件位于刀翼的与切割端最接近的非平面切割元件区域中。
[0014]要求保护的主题的其它方面和优点通过后面的描述和所附的权利要求变得更加明显。
【附图说明】
[0015]图1示出现有技术的钻头。
[0016]图2示出现有技术的钻头的顶视图。
[0017]图3示出现有技术的钻头的剖视图。
[0018]图4示出根据本公开的实施例的钻头的顶视图。
[0019]图5示出根据本公开的实施例的切割轮廓。
[0020]图6示出根据本公开的实施例的圆锥形切割元件。
[0021]图7示出根据本公开的实施例的圆锥形切割元件。
[0022]图8示出根据本公开的实施例的圆锥形切割元件。
[0023]图9示出根据本公开的一个实施例的切割元件。
[0024]图10示出根据本公开的实施例的旋转切割元件。
[0025]图11示出根据本公开的实施例的圆锥形切割元件。
[0026]图12示出根据本公开的实施例的圆锥形切割元件。
[0027]图13示出根据本公开的实施例的双心钻头的侧视图。
[0028]图14示出根据本公开的实施例的双心钻头的切割轮廓。
[0029]图15A-15B示出圆锥形切割元件的侧视图和剖视图。
[0030]图16A-16B示出具有凸出的侧表面的尖形切割元件的侧视图和剖视图。
[0031]图17示出具有凹入的侧