连接固定的刀具钻孔或铣削钻头的造斜器

申请号 CN201080016875.0 申请日 2010-05-28 公开(公告)号 CN102395743A 公开(公告)日 2012-03-28
申请人 维拉国际工业有限公司; 发明人 W·W·金; S·W·祝斯; M·R·瑞斯;
摘要 本 发明 提供一种将造斜器连接至 铣削 /钻孔 钻头 的组件。所述组件包括适于安装在所述铣削/钻孔钻头的柄周围的上部轴环。至少一个连接构件安装在所述上部轴环的第一端部。所述连接构件从所述上部轴环向下延伸,并适于安装在所述上部轴环连接的所述铣削/钻孔钻头的排屑槽内。造斜器连接结构安装于所述至少一个连接构件的第二端部。
权利要求

1.一种设备,其包含:
适于安装在铣削/钻孔钻头的柄周围的上部轴环;
至少一个连接构件,其安装于所述上部轴环的第一端部并由此向下延伸,所述连接构件适于安装在连接有所述上部轴环的所述铣削/钻孔钻头的排屑槽内;和安装于所述至少一个连接构件的第二端部的造斜器连接结构。
2.根据权利要求1所述的设备,其中所述连接构件具有一长度,该长度足够长以延伸至接近连接有所述上部轴环的所述铣削/钻孔钻头或在连接有所述上部轴环的所述铣削/钻孔钻头下方的点。
3.根据权利要求1所述的设备,其中所述造斜器连接结构包含凸缘构件,该凸缘构件支撑适于将所述凸缘连接至造斜器顶部的连接机构。
4.根据权利要求1所述的设备,其中所述上部轴环包括沟槽,并且所述至少一个连接构件的第一端部安装在所述沟槽内。
5.根据权利要求1所述的设备,进一步包含从所述上部轴环向外延伸的突舌构件,所述至少一个连接构件的第一端部安装于所述突舌构件。
6.根据权利要求5所述的设备,进一步包括在所述突舌构件中的远程致动的分离机构,所述分离机构被远程控制使得所述至少一个连接构件的第一端部与其安装至的所述突舌构件分离。
7.根据权利要求1所述的设备,其中所述造斜器连接结构包含:
在第二端部连接至多个连接构件中的每个连接构件的下环部分;
从所述下环部分向下延伸的造斜器连接凸缘。
8.根据权利要求1所述的设备,进一步包括从所述上部轴环向外延伸的突舌构件,所述突舌构件包括向下钻进传感器
9.根据权利要求1所述的设备,其中所述至少一个连接构件包含多个构件,所述多个构件在其第一端部连接至所述上部轴环,并由此向下延伸安装在所述铣削/钻孔钻头的相应的排屑槽内。
10.根据权利要求9所述的设备,进一步包括连接至在第一端部和第二端部之间的多个连接构件中的每个连接构件的中间环。
11.根据权利要求9所述的设备,其中所述造斜器连接结构包含:
在第二端部连接至所述多个连接构件中的每个连接构件的下环部分;以及从所述下环部分向下延伸的造斜器连接凸缘。
12.根据权利要求1所述的设备,其中所述至少一个连接构件在所述上部轴环的第一侧安装于所述上部轴环,进一步包含系紧带,所述系紧带具有在与所述第一侧相对的第二侧连接于所述上部轴环的第一端部,所述系紧带的第二端部连接至所述连接构件的第二端部或所述造斜器连接结构。
13.根据权利要求1所述的设备,其中所述上部轴环包括适于啮合所述铣削/钻孔钻头的柄上的装卸器槽的至少一个装卸器槽插入物。
14.根据权利要求1所述的设备,其中所述上部轴环包含铰接至第二弓形构件的第一弓形构件,并包括用于将所述第一弓形构件和第二弓形构件定在一起的锁定机构。
15.根据权利要求1所述的设备,进一步包括从所述上部轴环向下延伸的柄护罩。
16.一种将造斜器悬装在铣削/钻孔钻头上的方法,所述铣削/钻孔钻头包括柄部分,所述方法包含:
将上部轴环连接在所述铣削/钻孔钻头的柄周围;和
从所述上部轴环悬装所述造斜器。
17.根据权利要求16所述的方法,其中悬装包含通过至少一个连接构件而不连接至所述铣削/钻孔钻头的表面部分将所述造斜器连接至所述上部轴环。
18.根据权利要求17所述的方法,进一步包含安装所述连接构件使其延伸通过所述铣削/钻孔钻头的排屑槽。
19.根据权利要求17所述的方法,进一步包含构造剪断构件。
20.一种方法,其包含:
提供具有多个PDC刀具的PDC刀具钻孔钻头,其中所述刀具中的一些包括连接至所述PDC刀具的铣削盖,其中所述铣削盖构造为用于铣削操作,但对于地层钻孔操作不是最佳的;
从所述PDC刀具钻孔钻头的柄部分悬装造斜器;
降低所述钻孔钻头,并将造斜器悬装在井眼中;
将所述造斜器从所述PDC刀具钻孔钻头分离;
利用所述钻孔钻头上的所述铣削盖和造斜器铣削套管开窗;和
沿着穿过所述套管开窗的通道继续用同一钻孔钻头钻穿地层,该地层钻孔使得所述铣削盖被毁坏,从而暴露所述PDC刀具的金刚石台表面,以便接合所述地层。
21.根据权利要求20所述的方法,进一步包含在所述铣削盖上形成响应于钻孔钻头接合所述地层加快毁坏所述铣削盖的结构。
22.根据权利要求20所述的方法,其中所述悬装包含:
将上部轴环连接在所述PDC刀具钻孔钻头的所述柄部分周围;和
从所述上部轴环悬装所述造斜器。
23.根据权利要求22所述的方法,其中悬装进一步包含通过至少一个连接构件而不连接至所述PDC刀具钻孔钻头的表面部分将所述造斜器连接至所述上部轴环。
24.根据权利要求23所述的方法,进一步包含安装所述连接构件以使其延伸穿过所述PDC刀具钻孔钻头的排屑槽。
25.根据权利要求23所述的方法,进一步包含构造剪断构件,并且其中分离包含在所述剪断构件处进行分离。
26.一种系统,其包含:
钻孔钻头,该钻孔钻头包括:
柄部分;
包括多个刀具腔的钻头主体;
PDC刀具,包括金刚石台层和安装在每个刀具腔中的下方的衬底;和
在至少一个所述PDC刀具上的盖结构,所述盖结构包括覆盖但不连接所述金刚石台层的正面的第一部分以及从所述第一部分垂直延伸的第二部分,该第二部分覆盖并连接下方衬底层的外部周边表面;和
造斜器吊架组件,该造斜器吊架组件包含:
适于安装在所述柄部分周围的上部轴环;
安装在所述上部轴环并由此向下延伸的第一端部的至少一个连接构件,所述连接构件适于安装在所述钻孔钻头的排屑槽内;和
安装于所述至少一个连接构件的第二端部的造斜器连接结构。
27.根据权利要求26所述的系统,进一步包含造斜器,所述造斜器具有顶端,所述造斜器的顶端连接至所述造斜器连接结构。
28.根据权利要求26所述的系统,其中所述盖结构是由化钨材料制造的。
29.根据权利要求26所述的系统,其中所述盖结构是由金属/金属合金材料制造的。
30.根据权利要求29所述的系统,其中所述盖结构进一步包括安装于所述金属/金属合金盖材料的碳化钨外部尖端。
31.根据权利要求29所述的系统,其中所述盖结构进一步包括安装于金属/金属合金盖材料的CBN外部尖端。
32.根据权利要求26所述的系统,其中所述盖结构进一步包括由与形成大部分盖结构的材料不同的材料制造的外部尖端。
33.根据权利要求26所述的系统,其中不同材料的外部尖端从所述盖结构的所述第一部分的正面向后偏移。
34.根据权利要求33所述的系统,其中所述偏移使得所述不同材料的外部尖端位于所述金刚石台层的所述正面之后。
35.根据权利要求26所述的系统,其中所述不同材料的外部尖端与所述盖结构的所述第一部分的正面在同一平面内对齐。
36.根据权利要求26所述的系统,其中通过用焊材料将所述刀具安装于所述刀具腔,所述铜焊材料也出现在所述盖结构的所述第一部分和所述金刚石台层的所述正面之间,从而提供介于所述盖结构的所述第一部分和所述金刚石台层的所述正面之间的缓冲层,而不将所述盖结构的所述第一部分连接至所述金刚石台层的所述正面。
37.根据权利要求26所述的系统,其中所述盖结构进一步包括结构特征,该结构特征在完成所述套管开窗的铣削之后,加快所述盖结构的至少未连接的第一部分的碎裂和脱落。

说明书全文

连接固定的刀具钻孔或铣削钻头的造斜器

[0002] 本申请要求提交于2010年5月27日的美国专利申请12/789,416的权益,美国专利申请12/789,416要求提交于2009年5月29日的美国临时专利申请61/182,442的权益,其公开通过引用包括进本发明

技术领域

[0003] 本发明一般涉及铣削和钻孔方法和工具,更具体地,涉及造斜器与用于铣削和钻孔操作的铣削钻头或钻孔钻头的连接。

背景技术

[0004] 已知铣削工具用于将现有的套管的部分或开窗从井眼中移除。在已知的实施方式中,造斜器-铣刀组合工具进入井眼。该组合工具一般包含铣削钻头,其被安装到造斜器的顶部。在某些实例中该铣削钻头是起动铣刀(starting mill)。在期望的井眼深处,一般设置有封隔器,造斜器(悬装在铣削钻头上)设置在正确的方向并固定在合适的位置。然后铣削钻头与造斜器脱离,并且随着施加的压旋转。造斜器的凹面和椎体使得铣削钻头抵靠套管的内部,从而切割初始的套管开窗(该初始的铣削操作也可以移除将造斜器顶部连接至铣削钻头的机构)。然后将起动铣刀从井眼中移除,并且连接更挠性的钻柱的开窗铣削钻头则降低至井眼中。然后旋转该开窗铣削钻头,从而当开窗铣削钻头进一步向下到造斜器的凹面和椎体上时,其从初始的套管开窗向下进行铣削。这形成了套管开窗开口。然后移除开窗铣削钻头。额外的铣刀钻头可以进入井眼,从而限定套管中的开口的尺寸和形状。在打开套管开窗之后期望进行额外的地层钻孔的情况下,例如关于方向性的钻孔操作,钻孔钻头将之后进入井眼中,并向外穿过形成的套管开窗从而与地层接合。
[0005] 本领域的技术人员将认识到,铣削套管开窗的操作是极其耗时且昂贵的,因为其需要几种不同的工具和多次向下进入井眼的行程。如果在打开套管开窗之后要求进一步的地层钻孔,仍需要另一次行程使地层钻孔设备返回到井眼中。如果更有效率的铣削和钻孔方法和工具可供关于套管开窗的铣削和穿过套管开窗的地层钻孔之用,那么这将是有利的。
[0006] 关于已知的单程铣刀-钻孔系统,其利用悬装(hang)在铣刀或铣销钻孔钻头下的造斜器用于造斜器进入、定向和布置,将造斜器连接至铣刀或铣销钻孔钻头的一般方法使用钻头下部中的一个或更多个有螺纹的套节或有螺纹的喷嘴口。然后介于其间的部件用螺栓安装到有螺纹的套节和造斜器组件的上部。本系统的操作涉及应用重力和旋转力来剪断去除螺栓连接。该重力和旋转力通过造斜器的凹面和椎体进一步促进铣销钻孔钻头进入套管壁,以便于开始开窗铣削。
[0007] 为了效率和行程节约的原因,工具设计者试图将铣销钻孔钻头设计为既能够铣出套管开窗,又有效地向前钻入并穿过套管之外的岩层。总体上还未能圆满实现该设计目标。一个原因是,工具设计者选择用于有效地移除地层材料的PDC钻孔钻头刀具的金刚石层在用于铣削套管材料时不够有效。众所周知,诸如化钨或立方氮化(CBN)更擅长用于切割黑色金属材料,例如井套管,但是切割例如透过套管之后遇到的岩石则不是那么有效。
为了处理该问题,本领域中是众所周知的,提供具有碳化钨或立方氮化硼(CBN)的PDC钻头切割特性帮助铣削操作,同时钻头的PDC刀具关于随后的地层钻孔起作用。这些组合铣削/钻孔钻头的性能还未完全令人满意。
[0008] 关于将造斜器连接至PDC钻孔钻头也出现一个问题。当前在油田应用的大多数PDC钻头被制造为具有由碳化钨脉石铸造成的主体。试图将脉石PDC钻头设计改进为具有带螺纹的套节,用于连接造斜器,这是极其困难且耗时的,因为对于标准加工而言脉石材料太硬。或者,有螺纹的套节可被包括在初始的铸造设计中。然而,钻头的设计和完整性可以由于包含有螺纹的套节(或是机加工,或是铸造进去)而受到损害。对于钻头主体由除了碳化钨之外的材料制造的钻头也存在这些问题。例如将用于造斜器连接的有螺纹的套节包括在钢钻头主体中也可以损害最佳设计或钻头主体完整性。
[0009] 因此本领域中存在对连接机构的需求,其用于在阻力型PDC钻孔钻头上悬装造斜器。优选地,将提供将造斜器连接至标准阻力型PDC钻头的非侵入方式。该方法也可以应用于专用的铣刀或铣削钻孔钻头,以便于消除对侵入式螺纹套节以连接造斜器的需要。
[0010] 参考了现有技术美国专利7,178,609,5,887,655,3,652,138和5,069,297,这些公开的整体以引用方式包括进本发明。也可以参考Knight Fishing Services,X-1 Single Trip Whipstock;the Smith Services Trackmaster Plus Wellbore Departure System、the Weatherford Quickcut Casing Exit System和the Western Well Tool Non-Rotating Protectors,现有技术装置(通过引用并入)。

发明内容

[0011] 将造斜器连接至铣削/钻孔钻头的非侵入组件使用放置在铣削/钻孔钻头的柄周围的轴环。铣削/钻孔钻头可以包含PDC钻孔钻头,其构造为同时进行铣削和钻孔功能操作。轴环作为连接造斜器的连接设备的平台。
[0012] 在一个实施例中,组件包含:包括沟槽(或槽)的上部轴环组件;固定在沟槽上的一个或更多个连接构件;包括下凸缘环的下环组件;和穿过凸缘的造斜器连接机构。上部轴环组件用铰链接合在一侧,和包括在另一侧的闭机构。当关闭闭锁时,上部轴环构造为牢固地夹住钻头柄及其装卸器槽平面。
[0013] 在优选的实施例中,上部轴环也包括当上部轴环闭锁关闭时,填充在钻头柄的两侧上的装卸器槽中的一体的装卸器槽插入物。利用装卸器槽作为夹住和定位区域的优势是,它们被保持了一定的公差,从而与标准的钻头装卸器相匹配。另一个优势是,在使得钻孔钻头达到柱(string)之后,不会再次使用钻头装卸器槽,直到准备好从柱上移除钻头。再一个优势是,钻头装卸器区域是由坚韧的、高强度的钢制造,可以支撑通过本发明连接构件传送的造斜器组件的重量。
[0014] 尽管已经描述了使用装卸器槽作为定位上部轴环的位置的优点,但本发明不限于使用装卸器槽。上部轴环可以配置在量规垫的顶部和API连接的泥浆密封之间任意点的柄表面上。或者,上部轴环可以构造为夹住所有或一部分装卸器槽,并且还夹在装卸器槽区域以上和/或以下的完全圆柱形柄部段的一部分。如果钻头未使装卸器槽成为柄的一部分,那么上部轴环可以只夹在柄的圆柱形部分。
[0015] 上部轴环结合了允许一个或更多个构件连接至轴环的正连接方法。连接构件连接在与在钻头的刀片之间形成的沟槽之一的顶部一致的圆周位置。这些沟槽通常被称为排屑槽。如果在排屑槽边界的钻头量规部分是垂直的,那么垂直定向匹配连接构件。如果在排屑槽边界的量规部分是成度的,那么匹配连接构件成角度,从而匹配量规部分的角度。在一个实施例中,连接构件的角度锁定在合适的位置,从而匹配相应的排屑槽的角度(或垂直方向)。
[0016] 连接构件具有超过钻头表面延伸短距离的长度。该连接构件包括允许其坚固地连接至下环组件的正连接方法。下环组件可以是或可以不是完全环。例如,如果只使用一个连接构件,那么下环组件将只是短弧,其被充分定尺寸为包括连接至连接构件的正连接装置,并支撑下环螺栓凸缘。
[0017] 某些用于构建组件的主要部件的材料包括钢、生、或其他合适的金属和合金、酚树脂复合材料橡胶、或以上材料的组合。可以设计为在给定负荷下分别剪掉任一部件。上部轴环组件的外圆周不必须是圆形的。在只使用一个或两个连接机构的实例中,上部轴环可以具有专用于连接至连接构件上端的突舌。上部轴环的剩余部分可以是比这些突舌状面积更小的横截面。
[0018] 上部轴环的锁定方法可以是本领域中很多已知方法中的一种,包括:螺栓、抓挡件、销或凸轮锁紧(应当理解,这并不是穷尽的列表)。
[0019] 为了进一步加强组件,额外的(但可选的)中部环可以配置在上部轴环下方和与钻头呈斜角的上部量规的上方,且该环可以用于进一步使连接构件互联。中部环也可以用于使单个连接构件紧密抵靠排屑槽的内表面,以便于限制连接构件远离钻头弯曲或扭转的任何趋势。
[0020] 或者,系紧带可以用于拉下环或连接构件的下内表面。其穿过钻头表面中心,沿着大体相对的断屑槽向上延伸,并且固定至上部轴环的相对侧。该系紧带可以由编织的铜丝或钢丝或可以供给合适量的张力以将下环和连接构件紧紧保持在位的任何其他材料制造。
[0021] 连接构件可以被成形为接近其通过的排屑槽的横截面形状。该连接构件的长度被定尺寸为从上部轴环的连接区域延伸至接近外部钻头表面或外部钻头表面以下的点。
[0022] 在优选的实施例中,上部轴环上的单个连接点连接至单个连接构件,该单个连接构件在连接构件的下端承载连接装置,用于连接从造斜器顶部向上配置的连接装置。在该实施例中,优选的剪断螺栓或其他剪断部件定位在或靠近上部轴环的连接点。在设定造斜器之后,以重力形式的向下力、或以拉力形式的向上力的应用引起受剪构件折断。这允许钻孔钻头和/或铣削钻孔钻头从造斜器中释放。在该实施例中,在开始进行铣削之前可以将铣削钻孔钻头缩回几英尺,以便在开始剩下的铣削任务之前立刻铣削连接构件。然后可以旋转钻头开始实现铣削操作。初始的铣削操作将毁坏连接构件和剪断部件的任何剩余部分。
[0023] 在该设备的一个特殊实施例中,额外的突舌提供在上部轴环上,可以用于配置能够将信息传递至泥浆达的下壳或能够记录向下钻进信息的传感器
[0024] 在该设备的另一个特殊实施例中,提供额外的突舌操作内部打开机构,从而在已经设定造斜器之后打开连接构件的上端。在该实施例中的一个选择是通过使用发送自表面的通过有线钻杆信号或有线底部孔组件部件和泥浆脉冲信号的组合来致动分离机构。在该实施例中,然后铣削钻孔机可以在开始其铣削之前缩回几英尺,以便在开始剩下的铣削任务之前立刻铣削连接构件。
[0025] 该组件关联钻孔钻头悬装造斜器使用是有利的。钻孔钻头优选地是PDC钻孔钻头,构造为同时支持铣削和钻孔操作。因此,钻头起初起到铣削套管开窗的作用,然后起到在套管开窗外部钻孔地层的作用。这是通过构造用于铣削套管和随后用于地层钻孔的钻孔钻头刀具来实现的。在优选实施中,用于PDC钻孔钻头的刀具包括可以安装作为现有PDC切割结构的一体部分的合适材料制造的盖(例如,碳化钨盖、碳化钨或CBN镶齿盖、或类似合适的盖)。盖安装在包含金刚石面和下方的碳化钨衬底的PDC刀具上。盖可以覆盖但不是直接粘合PDC刀具的一部分金刚石面。
[0026] PDC刀具上的盖用于实施套管开窗的铣削。当钻头移动至套管开窗外部的地层时,通过与地层相互作用毁坏盖,从而暴露下方的PDC金刚石台。然后PDC刀具的金刚石台用于实施地层钻孔。附图说明
[0027] 图1和图2分别是将造斜器连接至铣削/钻孔钻头的非侵入组件的侧视图和俯视图;
[0028] 图3示出了组件的连接构件的侧视图和正视图;
[0029] 图4示出了安装到铣削/钻孔钻头的组件的图;
[0030] 图4A示出了造斜器至组件和钻孔钻头的连接;
[0031] 图5和图6分别示出了组件的可替换实施例的正视图和侧视图;
[0032] 图7-9示出了对图6中所示组件的修改
[0033] 图10示出了PDC刀具的侧视图;
[0034] 图11-14示出了用于PDC刀具的盖部分的不同形状;
[0035] 图15和图16示出了在盖的前端面上形成的断屑槽类型的槽或凹陷;
[0036] 图17示出了盖的可选横向前角特征;
[0037] 图18和图19分别示出了盖的可替换实施例的端视图和侧视图;以及[0038] 图20和图21分别示出了盖的可替换实施例的端视图和侧视图。

具体实施方式

[0039] 现在参考图1,其示出了将造斜器连接至铣削/钻孔钻头的非侵入组件10的侧视图。在图2中提供组件10的俯视图。图1和图2的组件10包含上部轴环12。上部轴环12形成为大体的圆形形状,其包括在上部轴环的底面中形成并从上部轴环的底面打开的沟槽(或槽)14。上部轴环圆形形状是由两个弓形(例如,半圆形)构件16构成的,两个弓形构件16用铰链共同接合在一个点,并能够共同锁定在相对点。提供锁定机构18可分开地连接上部轴环12的两个弓形构件16。当轴环12未锁定时,铰链20允许两个弓形构件16的未锁定端彼此分离。上部轴环12的锁定方法可以是本领域中许多方法中的一种,包括:螺栓、抓挡件、销或凸轮锁(这并不是穷尽的列表)。应当认识到,上部轴环组件10的外部圆周不需要在所有实施例中都是圆形的。轴环12的内表面优选地在大小和形状方面与轴环要安装至的钻头的柄部分相一致。
[0040] 每个弓形构件16可以包括被定位为横跨弓形构件16的内表面的一体的装卸器槽插入物22。装卸器槽插入物22具有内部平表面24和遵循弓形构件16的内表面的外部弯曲表面26。当两个弓形构件16锁定在一起时,一体的装卸器槽插入物22的内部平表面24彼此平行。如上所讨论的,轴环的内表面在大小和形状方面优选地遵循其要安装至的钻头的柄部分。一体的装卸器槽插入物22(如果包括的话)相应地遵循钻头柄上的装卸器槽的大小和形状。
[0041] 连接至上部轴环12并由此向下延伸的组件10进一步包括至少一个连接构件30。现在额外地参考图3,其示出了连接构件30的正视图和侧视图。所包括的每个连接构件的第一端部32安装在上部轴环12中形成的沟槽14内。所包括的每个连接构件30的对置的第二端34包括连接开口36(下环连接孔)。提供正连接机构38(例如凸轮)将一个或更多个连接构件30的第一端部32连接在轴环12的沟槽14内。当多个连接构件30连接轴环
12时,那些构件优选地但不是必须地相对于上部轴环圆周地间隔开。
[0042] 图1示出了连接构件30以如下方式连接至上部轴环12,即使得每个连接构件垂直于上部轴环。在可替换的实施例中,连接构件30以如下方式连接至上部轴环12,即使得每个连接构件并不垂直于上部轴环。参考图4和这里的讨论。
[0043] 图4示出了安装于铣削和/或钻孔钻头40上的组件10。图4具体地示出了将组件10安装至阻力型PDC钻孔钻头,但仅作为示例。铣削/钻孔钻头40可以包含构造为同时执行这里所讨论的铣削和钻孔功能操作的PDC钻孔钻头。应当理解,可以在大小和形状方面构造组件用于安装到任意期望类型的钻头。
[0044] 图4进一步示出了在图1-3中未示出的组件10的额外部件。该组件10的额外的部件包括下环50,其通过下环连接孔36(参见图3)安装于所包括的每个连接构件的第二端部34。下环50组件包括下环螺栓凸缘52。关于下环螺栓凸缘提供造斜器连接螺栓54。图4A示出了利用凸缘52和螺栓54将造斜器连接至组件10。并未示出造斜器的详细构造,应当认识到,一般来说,任何造斜器都可以连接至组件10,且造斜器10的结构对本领域的技术人员而言是已知的。
[0045] 为了将组件10安装在铣削/钻孔钻头40上,打开上部轴环12上的闭锁18,利用铰链20展开两个弓形构件16。然后围绕铣削/钻孔钻头40的柄42定位上部轴环12,并关闭闭锁18。当用闭锁关闭轴环12时,定位一体的装卸器(breaker)槽插入物22,从而填充同时包括在柄42两侧的装卸器槽44。上部轴环12构造为牢牢地夹住柄42和装卸器槽44平面。因此上部轴环12的装卸器槽插入物22以夹具的形式起到安装上部轴环的位置和防止轴环关于柄42旋转的作用。因此轴环12用作将组件10连接至钻孔钻头40和支撑在钻头上悬装造斜器的平台。
[0046] 利用装卸器槽44作为夹住和定位区域的优势是,它们被保持了一定的公差,从而与标准的钻头装卸器相匹配。另一个优势是,在使得钻孔钻头40达到柱(string)之后,不会再次使用钻头装卸器槽44,直到准备好从柱上移除钻头。再一个优势是,钻头装卸器区域是由坚韧的、高强度的钢制造,可以支撑通过连接组件10的连接构件30传送的造斜器组件的重量。
[0047] 尽管利用装卸器槽44作为协助确定上部轴环12的旋转方向的位置存在优势,但是还存在可替换的方法利用装卸器槽。上部轴环12可以配置在量规垫的顶部和API连接的泥浆密封之间任意点的柄42表面上。或者,上部轴环12可以构造为夹住所有或一部分装卸器槽44,并且还夹在装卸器槽区域以上和/或以下的完全圆柱形柄42部段的一部分。如果钻头未使装卸器槽44成为柄42的一部分,那么上部轴环12可以单独地夹在柄的圆柱形部分。
[0048] 每个连接构件30具有超过钻头表面46延伸短距离的长度。例如,每个连接构件30长度可以定尺寸为从上部轴环12的连接区域延伸至接近外部钻头表面46或在外部钻头表面46以下的点。在沟槽14中为每个连接构件30提供的正连接将连接构件牢牢地连接至上部轴环12。通过每个连接构件和下环50组件之间的下环连接孔36进一步提供了正连接。
[0049] 所包括的每个连接构件30连接在轴环12上的圆周位置,当轴环固定于钻头柄42时,该圆周位置与在钻头的刀片43之间形成的沟槽48中的一个的顶部相一致。这些沟槽48通常称作断屑槽。如果在排屑槽48边界的钻头量规45部分是垂直的,那么垂直定位啮合连接构件30(如图3所示)。如果在排屑槽48边界的量规45部分是成角度的,那么啮合连接构件30成角度,从而匹配量规部分的角度(如图4所示)。在实施例中,将每个连接构件30的角度锁定在位,从而匹配其相应的排屑槽48的角度(或垂直方向)。可以成形连接构件30,从而接近构件要配置处的排屑槽48的横截面形状。
[0050] 为了进一步加强组件10,额外(可选)的中间环60可以配置在上部轴环12下方和与钻头成斜角的上部量规45上方,并可以用于进一步使连接构件30互连。中间环60也可以用于使得单个连接构件30紧紧抵靠排屑沟槽48的内表面,从而限制连接构件远离钻孔钻头40弯曲或扭曲的任何趋势。因此中间环60连接至所包括的每个连接构件30,并定位在连接构件的两个相对端32和34之间的方便位置。中间环60的位置可以由钻头柄42和钻头主体47之间的关系驱动。
[0051] 尽管在图4中作为完全的环示出下环50组件,但是其不需要具有完全环结构。例如,如果只使用一个连接构件30,那么下环50组件只需要是短弧,其被充分地定尺寸为包括至连接构件的正连接,并承载下环螺栓凸缘52。例如,参考图6。在凸缘52连接至连接构件30的下端的情况中,则根本不要求使用下环。
[0052] 可以用于构造组件10的主要部件的某些材料包括钢、铸铁、铝、钛、铜、其他合适的金属和合金、酚醛树脂、合成材料、橡胶、或以上材料的组合。任何部件可以设计为在给定负荷下被剪切开。
[0053] 现在参考图5,其示出了组件10的可替换实施例的俯视图。在只使用一个或两个连接构件30的实例中,上部轴环12可以包括具体用于安装到连接构件的上端的相应的突舌70。上部轴环的剩余部分可以具有比任何包括的突舌状面积更小的横截面。
[0054] 现在参考图6,其示出了图5中所示组件10的侧视图。此外,在单个连接构件30实施例的背景下,系紧带72可以用于连接在下环50(或连接构件30)和上部轴环12之间,其中在与连接构件相对的位置连接至上部轴环12。系紧形成这样的带72,其穿过钻头表面中心,沿着大体相对的断屑槽向上延伸,并且固定至上部轴环12的相对侧。在该结构中,系紧起到拉下环50的下内表面(和/或第二端部34的连接构件30的内表面)的作用。该系紧带72可以由编织的铜丝或钢丝、或可以供给合适量的张力以将下环50和连接构件30紧紧保持在位的任何其他材料制造。
[0055] 在组件10的优选的实施例中,如图5和图6中所示,单个连接构件30从上部轴环12的沟槽14中的单个连接点向下延伸。单个连接构件30在连接构件的第二端部承载有连接装置(例如,通过使用下凸缘52),用于连接在造斜器顶部的向上配置的连接装置。在该实施例中,优选的剪断螺栓或其他剪断部件位于或接近上部轴环12上的连接点(尽管可以选择其他剪断位置)。在通过该组件设定悬装在钻头上的造斜器的位置和方向之后,应用呈重力形式的向下力或呈拉力形式的向上力引起剪断构件折断。这允许钻孔钻头和/或铣削钻头从造斜器释放。然后开始旋转钻头,从而实现铣削操作。应当理解,在释放造斜器之后执行初始的铣削操作将毁坏连接构件30和剪断部件的任何剩余部分。上部轴环12可以完整保留,并可以重新用于制造随后的组件。
[0056] 图7示出了对图6中所述组件的修改,其包括从上部轴环12向下延伸的柄护罩78。提供柄护罩78增加上部轴环组件的进一步夹持和稳定性
[0057] 在该设备的一个特殊实施例中,在上部轴环12上提供额外的突舌80,可以用于配置能够传送信息至泥浆马达的下壳、或能够记录向下钻进信息的传感器。在图8中示出该额外的突舌80。
[0058] 在该设备的另一个特殊实施例中,提供支撑连接构件的突舌70,其具有的内部分离机构90在已经设定造斜器之后可操作地分离连接构件30的上端。在该实施例中的选择是通过使用发送自表面的通过有线钻杆的信号或有线底部孔组件部件和泥浆脉冲信号的组合来致动分离机构90。在该实施例中,然后铣削钻孔机可以在开始其铣削之前缩回几英尺,以便在开始剩下的铣削任务之前立刻铣削连接构件。
[0059] 如上所讨论的,钻头可以包含铣削或钻孔钻头。如果钻头可以同时执行铣削和钻孔功能,这将是有利的。在用于铣削/钻孔操作的包含以上结合钻头所讨论的组件的系统的优选实施中,钻头可以包含如图4和图4A中所示的PDC钻孔钻头,除了钻头包括下面所述的唯一一组加盖的PDC刀具之外。
[0060] 现在参考图10,其中示出了安装钻孔钻头(像图4中所示)的腔102的PDC刀具100的侧视图。PDC刀具100包含金刚石台层104(或金刚石面)和下面的基底106,基底可以由碳化钨材料制造。刀具腔102在钻头主体上形成,钻头主体可以由脉石(matrix)种的碳化钨制造。根据需要,金刚石台层104可以是未沥滤的、浅沥滤的、深沥滤的、或完全沥滤了的。PDC刀具和具有腔的钻头主体的结构对本领域的技术人员而言是熟知的,除了理解本发明所必要的以外将不会进一步详细描述。
[0061] PDC刀具100一般通过铜焊固定在刀具腔102内,但是可以使用其他方法。用于将PDC刀具100固定在腔102内的铜焊材料108一般具有的熔点范围在1300华氏度至1330华氏度之间。超过比例示出图10中的铜焊材料的厚度,为的是使其位置和存在清晰可见。
[0062] 图10进一步示出了已经安装在PDC刀具100上的盖110。应当理解,在第一种实施例中,盖110可以在PDC刀具100已经固定到钻头主体的刀具腔102之后被安装在PDC刀具100上。或者,在第二种实施中,盖110在组合的刀具盖组件固定在钻头的刀具腔102之前就安装在PDC刀具100上。因此,第一种实施例例如表示改装所制造的PDC钻头,以包括在所包括的PDC钻头的期望PDC钻头上的盖。相反地,第二种实施例例如表示制造新的PDC钻头,其包括在所选位置上的加盖PDC刀具。
[0063] 图10具体地示出了碳化钨盖(如,由碳化钨材料制造的盖)的使用。盖110的材料可包含高韧性、低耐磨的碳化钨材料,例如含有钴的百分比在14%-18%之间的碳化钨材料。盖110可以具有任意期望的形状,并且几个不同形状和结构在这里被讨论。或者如这里更详细地讨论的,盖110可以可替换地由金属(或金属合金)材料制造。更进一步,金属/金属合金盖110可以包括碳化钨或CBN尖端。盖110可以可替换地由另一种合适的材料(盖的材料的非限制实例包括:钢、钛、镍和钼)来制造。
[0064] 盖110通过PDC刀具的盖和基底106之间的粘结作用保持在PDC刀具100上的合适位置。更具体地,盖110的一部分粘合于所安装的PDC刀具的基底106的暴露在钻头主体外部(如,刀具腔102外部)的一部分或大部分。在一个实施例中,盖110通过铜焊至基底(例如,碳化钨基底)而连接至PDC刀具100。用于将盖固定到至少PDC刀具的基底上的铜焊材料108一般具有低于1250华氏度的熔点(因此低于用于将PDC刀具固定在刀具腔中的铜焊材料的1300华氏度至1330华氏度的熔点范围)。超过比例示出图10中所示铜焊材料的厚度,为的是使其位置和存在清晰可见。
[0065] 优选地,盖110不被铜焊至(即,不被连接至)PDC刀具100的金刚石台层104。而是,超过PDC刀具的金刚石台层104正面的盖110的第一部分简单地搁置在邻近面的位置,而超过基底106的盖的第二部分通过粘合剂固定于基底上。在该情况中,应当认识到,PDC金刚石不会附着/吸收标准的铜焊材料。重要的是,PDC刀具的金刚石台层面是由盖保护的,但盖并不直接粘合至面。盖110的邻近PDC刀具100的基底106的第二部分(被铜焊和连接至基底材料)可以进一步通过铜焊在刀具腔后面区域中连接至钻头主体。盖的第一部分也可以通过铜焊连接至刀具腔(更具体地,在PDC刀具面下面的刀具腔的底部)。在某些实施例中,更短的基底PDC刀具用于增加盖在刀具腔底部的粘合区域。在某些实施例中,腔底部构造为增加在相同位置的盖的可用粘合区域。
[0066] 某些铜焊材料108可以方便地位于PDC刀具100的盖110和金刚石台层104的正面之间,但是该材料并不用于将盖固定于金刚石台层上。在优选的实施例中,用于将盖铜焊至刀具基底上的铜焊材料粘附至盖邻近PDC金刚石台层的金刚石台面(diamond table face)及其周边的内表面。该铜焊材料提供薄的缓冲层限制冲击负荷转移至金刚石层,同时盖还用于铣削套管或套管相关设备。一旦完成铣削操作,钻头开始进行地层钻孔,盖(至少超过金刚石台面)就磨损或脱开,以便于允许金刚石台起到主要切割结构的作用。用这种方式,钻头可以首先用于铣削(用盖),然后用于钻孔(用金刚石台),于是不需要使用且然后将专用铣削钻头从孔中拉出。
[0067] 在可替换的实施例中,使用本领域中已知的LS接合器中的高温铜焊材料108可以将盖110预先固定在PDC刀具100上。然后利用已知的铜焊方法和将刀具铜焊至钻头中的温度可以将预先加盖的PDC刀具铜焊至钻头的刀具腔102中。
[0068] 关于盖110的形状和结构,盖可以大体覆盖,但不是直接粘合,PDC刀具100的全部金刚石面104。或者,盖110可以覆盖,但不是直接粘合,超过PDC刀具100的金刚石面104的50%。或者,盖110可以覆盖,但不是直接粘合,PDC刀具100的金刚石面104的大约
50%。或者,盖110可以覆盖,但不是直接粘合,少于PDC刀具100的金刚石面104的50%。
具有不同覆盖百分比的不同形状的实例在图11和图12中示出。
[0069] 图11示出了位于PDC刀具100的金刚石面104上的盖110部分的矩形形状。图12示出了位于PDC刀具100的金刚石面104上的盖110部分的梯形形状。图11和图12都是朝着金刚石面沿着PDC刀具纵轴线向下观看的端视图。而且,在图11和图12中,为了清晰起见,已经放大用于将PDC刀具固定在刀具腔中的铜焊材料的厚度。
[0070] 其他几何形状也可以用于提供差不多或不同的金刚石面的覆盖范围。例如,可以参考图13和图14。
[0071] 图13示出了位于PDC刀具100的金刚石面104上的盖110部分的弯曲段(眉毛状)形状。图14示出了位于PDC刀具100的金刚石面104上的盖110部分的椭圆形形状。图13和图14都是朝着金刚石面沿着PDC刀具纵轴向下观看的端视图。而且,为了清晰起见,在图13和图14中已经放大用于将PDC刀具固定在刀具腔中的铜焊材料的厚度。
[0072] 在优选的实施例中,盖110具有倾斜的面用于产生相对于铣削目标比下面的PDC刀具100的纵向前角更低的纵向前角。这在图15和图16中示出,其中图15示出了该实施例的端视图,图16示出了该实施例的侧视图。尽管图15还示出了盖的另一种不同形状,应当认识到,图16中所示的提供较低的纵向前角的盖的不同倾斜面(关于金刚石台)同样适于图10-14中所示的任何期望盖形状。金刚石台面和盖正面之间的角度差可以从几度到十度到二十度的范围。
[0073] 图15和图16还示出了可选地存在的断屑槽120类型的凹槽或凹陷,其在盖120的外尖端处靠近切削刃形成在盖110的正面中。该结构可以提高套管或套管相关设备的铣削/机加工时的性能。在可替换的实施例中,锯齿或凹槽可以在盖的结构中,从而不仅提高铣削性能,还产生预定的破裂面从而更好地允许盖在完成铣削操作和开始地层钻孔时碎裂。盖上的这种凹槽或锯齿也可以在铣削操作期间提高盖的冷却和清洁性能。
[0074] 图15还示出了盖110的另一种形状结构。在该情形中,盖的外边缘形状是半椭圆,其主轴是朝着切割尖端定位的。或者,该半椭圆可以作为替代包含半球形形状。提供的切去部分122从该不完全的切掉形状延伸,切去部分具有与盖的外边缘形状大体相同的几何形状。
[0075] 尽管在前述的图10-16中未具体地示出,但是应当理解,盖110的正面可以形成为包括与下面的PDC刀具100的横向前角不同的横向前角。换句话说,盖的正面部分的厚度在盖的一侧(例如,外侧)大于在盖的另一侧(例如,内侧)。该可选的横向前角特征在图17中用虚线160示出。
[0076] 在优选的实施例中,盖110包括孔或槽130,当安装孔或槽时,其改善了铜焊材料流入盖的内部啮合面的流。在优选的实施例中,这些相同的孔或槽130构造为在完成铣削和当盖开始遇到岩层时加速盖的碎裂和脱落。这在图17中示出,图17示出了包括孔/槽130的盖110的侧视图。
[0077] 图17提供了盖结构的放大的侧视图。盖110包括设定为互相垂直的两个内表面。与盖的第一部分133相关的那些垂直表面的第一个132定位为邻近PDC刀具的金刚石台面(在图17中未示出)。与盖的第二部分135相关的那些垂直表面的第二个134定位为邻近PDC刀具的侧面。盖的正表面136被设定为相对于第一垂直表面132成锐角,为的是提供与金刚石台面相比较的期望的纵向前角。盖的侧表面138相对于第二垂直表面134成锐角。成角度的正表面136和侧表面138的组合使得盖朝着盖110的第一部分133和第二部分135相遇的尖端140变厚。在一个实施例中,正表面136和侧表面138可以在盖110的尖端140处相遇。或者,如图17中所示,一般平行于第二个垂直表面134的额外表面142在盖的尖端部分连接成角度的正表面136和侧表面138。盖是包含在尖端部分互相连接的第一部分和第二部分的整体形成的物品。
[0078] 在优选的实施例中,盖的外部尖端140从其保护的PDC刀具的外尖端圆周向前,即使考虑刀具的后倾角时。如果画一条穿过PDC的切割尖端的垂直于钻头轮廓的线,并且画一条穿过相应的刀具盖的外部尖端的垂直于钻头轮廓的线,那么在该实施例中这些线是基本平行的,穿过刀具盖的外部尖端的线与穿过PDC刀具尖端的线的径向偏移距离至少为0.030英寸。而且,在优选的实施例中,盖的外部尖端是朝着垂直于金刚石台面的方向从PDC刀具的刀具尖端向前偏移至少0.030英寸。
[0079] 上面讨论的实施例强调将碳化钨材料用于盖。在可替换的实施例中,作为替代盖,主要由钢(或镍或钛或任何其他合适的金属或合金)来制造。对比碳化钨盖,某些铣削操作可以用金属更好地执行。这种盖可以具有图17中所示的形状和结构。
[0080] 在可替换的实施例中,由金属/金属合金材料制造的盖180可以额外地设置有碳化钨或CBN外部尖端182。该实施例在图18和图19中示出,其中图18示出了该实施例的端视图,图19示出了该实施例的侧视图。这种碳化钨或CBN外部尖端182可以在尖端部分铜焊至金属底盖180,或用紧固物(例如通过使用金属底盖面上的螺纹孔固定的螺钉)固定在其上。或者,碳化钨或CBN外部尖端182可以在尖端部分被热压、高压压、LS粘合或用其它方式粘附至底盖180材料。在外部尖端铜焊或LS粘合至金属底盖的实施例中,推荐使用具有高于铜焊材料熔点的熔点的高温铜焊材料将PDC刀具固定在钻头中。
[0081] 图18和图19的盖结构可以如上面关于图17讨论的那样具有相同的前向偏移和径向偏移。
[0082] 现在参考图20和图21。还是在另一个实施例中,盖的正面从金刚石台面偏移(例如,偏移0.030英寸的距离),但是盖的最外部尖端或是与PDC尖端径向对齐或是从PDC尖端的向后偏移(如,其在相应的PDC刀具的切割尖端后面一定距离,如附图标记190所标示)。在这些例子的任一个中,盖的外部尖端的位置离尖端的正面的距离差是通过使用介于中间的斜角、斜面、弧形或阶梯来完成的。在所有实例中,盖的外部尖端比现有技术的任何未粘合的单独或增加的基底切割结构都更靠近相应的PDC刀具的切割尖端。优势在于,当改装钻头使其具有盖时,最小地影响钻头下面的力平衡属性。在铣削或钻出期间,钻头将从下面的力平衡布局中受益。该布局的另一个可见优势在于,通过使PDC刀具稍微向后可以提高用于铣削目的的尖端的有效性。将更擅长定位外部盖尖端,从而剪切掉金属表面而不是挖除金属表面,这使得加工更有效。
[0083] 在某些实施例中,盖110可以配置在钻头的上铰刀部分或后铰刀部分,从而提高钻头向后铣削穿过铣削碎片、造斜器附件设备,或向后拉穿过套管开窗或钻孔的套管相关设备的能力。
[0084] 应当认识到,可以容易地改装现有的钻头或钻头设计来接收盖110。盖足够稳健以至于能完成所请求的铣削任务,同时在完成铣削和钻头向前移动用于铣削地层时,盖在结构上预先倾向于加速碎裂和脱落。改装有盖的钻头用于钻出钢体套管钻头(casing shoe bit)或由其他材料构造的套管鞋钻头,这扩展了套管钻孔操作的套管鞋钻头选择。本发明的钻头也可以用于单程铣削钻系统中,在该系统中钻头连接在造斜器顶部,用于在孔中运行。
[0085] 包括这里所描述的盖的PDC钻头可以有利地用于组合铣削和地层钻孔操作中,例如当结合这里描述的造斜器骨节组件使用时。由此,提供具有多个PDC刀具钻头的PDC刀具,用于连接至钻柱或其他钻孔设备,其中某些刀具包括连接至PDC刀具的铣削盖,并且使用公开的组件将造斜器悬装在钻头上。铣削盖构造为用于位于孔中的套管相关部件的铣削操作,但对于地层钻孔操作不是最佳的。在造斜器被置于井眼中,并且然后通过以上描述的剪断操作被释放后,钻头被旋转,并且钻头上的铣削盖在造斜器的协助下用于执行套管相关部件上的下向孔铣削操作。在套管相关部件的铣削之后,继续用钻头钻孔从而对套管开窗外面的地层进行钻孔。重要的是,使用的是同一钻头,并且因此在重新开始地层钻孔之前不需要将钻头从孔中拉出。地层钻孔引起钻头上的铣削盖被毁坏,因此暴露出PDC刀具的金刚石台表面,其随后与地层接合。
[0086] 上面已经描述和示出了本发明的实施例。本发明并不限于所公开的实施例。
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