钻头以及使用方法

本发明涉及一种从套管的内部清除由选择的材料构成的物体的方 法，该套管延伸到在地层内形成的井孔内。本发明还涉及一种在本发 明的方法中使用的钻头。

当例如为产生勘探或生产矿物碳氢化合物用的井而在地层内钻井 孔时，通常在钻井工序的某一阶段设置钢套管，以便在钻入更深之前 固定井孔的业已钻出的井段。在设置套管之后，钻头前进通过此套管， 以便达到井孔的底部，在此底部处钻井工序能够继续。送进钻头通过 套管具有损坏套管壁的危险，尤其是因为通常选择一个新的钻头，它 具有锋利的岩石切削刀，岩石切削刀一般为剪切切削刀的形式，剪切 切削刀比套管钢坚硬得多，以及甚至有可能切穿套管。由于套管一般 用于保留在井孔内经历一个长时期，所以不希望引起套管壁损伤。

并且，套管经常被粘结在井孔内。通常使用的灌水泥粘结的程序 要求一些水泥以及辅助设备，比如灌水泥塞子保留在套管靴内部。这 必须被钻出，以便暴露井孔的底部，用于继续钻井。然而，从套管钻 出保留的水泥和辅助设备具有套管被钻头的岩石切削刀损坏的危险。 如果希望在套管内保留尽可能少的水泥，例如，如果套管的下端部分 要以密封接合的关系接纳衬管或另一根套管的上端部分，情况尤其是 这样。

因此，这里需要一种从井孔套管的内部清除由选择的材料构成的 物体的改进的方法，该方法克服上述的问题。

为此，按照本发明的方法包括：

a)将用于对井孔进行继续钻进的钻头下降到套管中，该钻头在操 作中具有一个纵向的旋转轴线，该钻头包括岩石切削部件、至少一个 保护元件以及控制部件，所述保护元件用于保护套管的内表面避免与 所述岩石切削部件接触，每个保护元件适合于从套管的内部清除所述 的选择的材料，并能沿径向朝向套管的内表面移动，所述控制部件用 于将受控制的强度的径向向外的力施加给保护元件；

b)在所述套管内转动所述钻头；以及

c)操作所述控制部件，从而所述的受控制的强度的径向向外的力 施加给保护元件。

按照本发明的另一方面，提供一种用于将井孔钻入地层内的钻头， 该钻头适合于从延伸到所述井孔内的套管的内部清除由选择的材料构 成的物体，藉此，在工作中所述钻头具有一个纵向的旋转轴线，该钻 头包括岩石切削部件、至少一个保护元件以及控制部件，所述保护元 件用于保护所述套管的内表面避免与所述岩石切削部件接触，每个保 护元件适合于从所述套管的内部清除所述的选择的材料，并能朝向所 述套管的内表面径向地移动，所述控制部件用于将受控制的强度的径 向向外的力施加给所述保护元件。

借此可以取得下列结果：保护元件防止岩石切削部件和套管的内 表面之间的接触，而且保护元件借助于它以受控制的力径向地向外移 动而不会对套管内表面造成任何损伤。因此，保护元件以一种安全的 方式从套管的内部清除不需要的材料。

适当的是，钻头包括钻头体和扩孔臂，该扩孔臂可以相对于所述 旋转轴线沿径向移动，其中，岩石切削部件和每个保护元件设置在扩 孔臂上，以及其中步骤c)包括这样操作控制部件，使扩孔臂相对于 旋转轴线沿径向向外的方向移动。

借助径向地伸出的扩孔臂，保护元件对着套管的内壁刮削，借此 清理套管，而没有岩石切削刀损伤套管的危险。

优选的是，控制部件包括用于将钻井流体泵送到钻头的泵，以及 其中步骤c)包括这样操作该泵，使得以受控制的流量将钻井流体泵 送到钻头。

为了逐渐地从套管内部清除不需要的材料，适当的是在进行步骤 b)和c)的同时使钻头轴向移动通过套管。

在一个有利的实施例中，钻头首先被操作以便在所述的由选择的 材料构成的物体中钻出一个纵向钻孔，以此形成由选择的材料构成的 物体的环形剩余部分，以及随后钻头被操作以便清除此环形剩余部分， 以此钻头被轴向地移动通过所述的纵向钻孔。

优选的是，当钻头被操作以继续钻进此井孔时，保护元件突然地 或逐渐地磨损掉，这样就能够以其由岩石切削部件所限定的标称钻孔 直径钻进井孔，而不会被保护元件阻碍。

在一个有利的实施例中，当保护元件与地下地层接触时，它是牺 牲性的。达到此目的的方式是，例如为保护元件提供具有平衡的耐磨 性的材料，这就是，这种材料在一方面足够地耐磨，以防止岩石切削 部件与套管内表面接触，在另一方面一旦钻头处在套管外面并且对地 层进行钻孔时，这种材料对于地下地层是可被磨损的。

套管能够典型地是钢套管。

在下面将借助实例并参考附图更详细地说明本发明，在附图中：

图1图解地示出本发明的方法中使用的钻头；

图2图解地示出钻头的扩孔臂；

图3图解地示出在钻头内使用的一个第一代替的扩孔臂；

图4图解地示出在钻头内使用的一个第二代替的扩孔臂；以及

图5a-5d示出各种可能的岩石切削刀和保护元件在扩孔臂上的排 列；

图6图解地示出图1的钻头，在清理套管内部的一个开始阶段该 钻头被下降到套管内；

图7图解地示出在清理套管内部的一个另外的阶段时的钻头；

图8图解地示出在清理套管内部的又一个另外的阶段时的钻头； 以及

图9图解地示出在该套管的连接至另一个套管上之后的下端。

在各附图中相似的附图标记表示相似的部件。

参见图1，示出在地层内钻井孔用的一个钻头1，钻头1在钻孔时 具有一个纵向旋转轴线(如标号A所示)。钻头包括一个圆柱形钻头 体2、一个用于将钻头1连接至一个钻杆柱(未示出)上的连接部分4、 一个设置在钻头的下端的领眼钻头段6以及扩孔臂8，扩孔臂8可以 在径向收缩位置和径向伸出位置之间移动。每个扩孔臂8可以被一个 活塞/缸组件操作(未示出)，该活塞/缸组件合并在钻头体2内，由从 地面泵送到钻杆柱内的钻井流体的压力控制。每个扩孔臂8被一个剪 切销(未示出)暂时地保持在它的收缩位置，该剪切销防止扩孔臂8 径向向外移动。剪切销设计为在泵送进入钻杆柱的钻井流体施加至活 塞/缸组件一个阈值流体压力时破坏。

扩孔臂8更详细地示于图2，图2指出了设置在扩孔臂8的径向 外表面14上的保护元件12和多个岩石切削刀10。保护元件12径向 地伸出到超过岩石切削刀10，这就是说，保护元件12相对于钻头1 的标称钻孔直径是超过规定尺寸的。保护元件12优选地具有钝器形 状，例如，圆形或带有倒角的扁平形。因此，保护元件12为岩石切削 刀10相对于套管的内表面提供了偏离间隙(standoff)，并借此防止岩 石切削刀3损伤套管内表面。

此外，保护元件12是足够耐磨的以便有效地清理套管内不需要的 剩余物，比如水泥，但是它的硬度比岩石切削刀10的硬度显著地低。 以这样的方式可以达到在用钻头1继续钻此井孔时保护元件12迅速地 磨损掉，以便保护元件12不会妨碍继续钻孔。适当地，保护元件12 用碳化钨或硬化和/或热处理钢制造。这些材料足够耐磨，以提供希望 的偏离间隙和对套管的保护，但在钻入岩层时迅速地消失掉。碳化钨 的耐磨程度可以借助改变合金中的钴含量和/或借助改变合金材料的 粒度分布而被调整到适合于实际情况。使用钢作为保护元件的优点是 能机加工出保护元件，作为扩孔臂的一个整体部分。

代替钻入岩层时适合于磨损掉的保护元件的使用，可以使用一种 保护元件，这种保护元件可以相对于扩孔臂8或相对于岩石切削刀10 径向地收缩。

保护元件12从岩石切削刀10沿向上的方向即沿与钻头1钻进方 向相反的方向轴向地偏移。因此，在清理套管的下端部分的过程中， 保护元件12跟随着岩石切削刀10并保护套管内表面，直到岩石切削 刀10从套管中出来。

图3示出扩孔臂8的一个第一代替的实施例，其中扩孔臂8补充 地设有由硬质材料构成的永久尺寸保护区(permanent gauge-protecting area(永久保径区))14a。

在图4内，示出扩孔臂8的一个第二代替的实施例，其中保护元 件12布置在尺寸保护区14a的顶部。这种布置具有的优点是扩孔臂8 能够具有一个较小的横截面尺寸。适当的是，尺寸保护区14a与保护 元件12整体地形成，以及形成为一个层状结构。如图所示，保护元件 12的外表面具有相对于岩石切削10和尺寸保护区在径向和轴向向 上方向上的正暴露(positive exposure)。

在图5a-5d内图解地示出岩石切削刀10和保护元件12在扩孔臂 8的外表面14上的各种不同布置。在图5a和5b的布置中，两个保护 元件12设置在岩石切削刀10上方。在图5c和5d内，保护元件12 是一个长条元件，或者对准旋转轴线A(图5c)，或者与旋转轴线A 成一个角度(图5d)。这些长条元件由具有基本上球形的端部的圆柱 形插入件构成。

再参见图6，示出一个钻头1，该钻头1处在其在一个套管16内 下降的过程中，该钻头1连接在一个钻杆柱15的下端上，该套管16 延伸到地层内形成的一个井孔(未示出)中。套管16具有一个下端段 18(以下称为“钟形段(bell section)”)，下端段18的内径和外径大 于套管16的剩余部分19。钟形段18充填有由于灌水泥操作而形成的 由硬化的水泥20构成的物体，借助于灌水泥操作，水泥是通过套管被 泵送到套管16和井孔之间的环形空间内，以便将套管16固定在井孔 内。并且，一个灌水泥封隔器24设置在水泥体20的顶上。

在图7内，示出在钻头已被操作而钻出一个通过水泥体20的纵向 钻孔26从而限定一个剩余的环形水泥部分27之后的钻头1和套管16。

图8示出处在将环形水泥部分27和灌水泥封隔器24的任何剩余 物从套管16内部清理的过程中的钻头1和套管16。

图9示出用本发明的方法清理之后的钟形段18，以及其中另一个 套管28延伸进入钟形段18内。另一个套管28已经使用已知的膨胀技 术对着钟形段18的内表面径向地膨胀。

在正常的操作中，在借助相关的剪切销使扩孔臂被保持在它们的 收缩位置的情况下，钻头1下降进入套管16中(图6)。当与灌水泥 封隔器24接触时，钻杆柱15转动，藉此领眼钻头段6钻出灌水泥封 隔器24，以及进而钻穿水泥体20，以产生纵向钻孔26。

钻杆柱15此后继续下降，直到钻头延伸至套管16的钟形段18 的下面(图7)。此后，钻井流体的泵送速率暂时地提高，以破坏剪切 销，借此允许扩孔臂8径向向外移动。

在下一个步骤内，泵送速率保持在一个水平，借此，每个活塞/ 缸组件施加一个适中的(moderate)径向向外的力至相应的扩孔臂8。 钻杆柱同时转动和逐渐地向上移动。当钻头1向上移动通过纵向钻孔 16时，岩石切削刀10使纵向钻孔16扩大，相应的扩孔臂8的保护元 件12对着环形水泥部分27刮削，借此使环形水泥部分27被逐渐地清 除。由于保护元件12被径向向外推动的力是控制在一个适中的强度， 这里没有套管16的内表面由于保护元件12的刮削动作而显著损坏的 危险。与此同时，保护元件12借助它们的径向偏离间隙防止了尖锐的 岩石切削刀10与套管16接触。

因此，本发明的钻头尤其是有利于清理一个套管靴内的水泥剩余 物。领眼钻头段和/或扩孔臂的岩石切削刀钻出水泥体的主要部分，保 护元件借助在岩石切削刀和套管壁之间的偏离间隙以一种安全的方式 清理套管的内表面。保护元件适当地形成为一个钝头的切削元件。再 者，保护元件能够制成为一个刮刀(scraper)。

在一个代替的操作模式中，钻头下降通过套管直到达到密封塞 (wiper plug)(如果存在)或水泥体。随后在扩孔臂处于其收缩位置 的状态下开始钻出，直到达到套管的钟形段。然后，钻井流体的压力 被增加至超过选择的压力，从而破坏剪切销并允许扩孔臂径向向外移 动。借此保护元件与钟形段接合，从而清理掉钟形段内的水泥剩余物。 当钻头最终移动至套管钟形段下面时，扩孔臂可以选择性地完全膨胀， 以继续钻孔和/或对此井孔进行扩孔。

在这样的继续钻孔时，保护元件与地下岩层接触，借此以高磨损 速度磨损，这样使保护元件的有目的低切削特性对钻孔性能可能产生 的负面影响得以减轻。

该代替的操作模式相对于参见图6-8所述的正常操作模式的优点 与在正常的操作模式中对套管的在钟形段和套管剩余部分之间的过渡 段的损伤的潜在危险有关。该过渡段沿向上方向收敛为一个较小直径。 如果由于在清理钟形段时保护元件磨损极小而保留某些锐边，这样的 损伤能够在保护元件从钟形段移动进入套管剩余部分时由保护元件造 成。