CN101589208A - 具有可更换水力喷嘴的孕镶钻头 - Google Patents

Abstract

一种孕镶金刚石的钻头冠部(11)具有形成于其上的刮刀(17)。在所述刮刀之间形成有流道，所述流道(19)具有内端和外端且所述流道向外延伸至所述冠部的保径面。所述流道的至少一些流道具有宽度增大区域(23)，所述宽度增大区域的宽度比紧接着从所述宽度增大区域向外延伸的部分的宽度大。喷嘴(29)可拆卸地固定在各宽度增大区域中，用于排放钻井液。

Description

具有可更换水力喷嘴的孕镶钻头

优先权主张

本申请主张于2006年12月11日递交的美国临时专利申请US60/874,121的优先权。

技术领域

本发明涉及地钻钻头，而且尤其地涉及具有孕镶金刚石的冠部的刮刀钻头，所述冠部具有可更换的供钻井液流动的喷嘴。

背景技术

一种称为“孕镶钻头”的地钻钻头被用于钻进诸如砂岩之类的相对坚硬的和/或研磨性的岩石地层。孕镶钻头具有由孕镶金刚石的胎体构成的冠部或切削面。所述胎体可包括散布在耐磨材料胎体中的诸如天然或合成金刚石磨料粒之类的超研磨性切削颗粒。所述耐磨胎体典型地包括浸渗有铜基黏合料的碳化钨粉末。

所述冠部被模制成限定具有各种形状的刮刀。流道(也称为“排屑槽”)位于刮刀之间。在某些流道中定位有水眼(port)。各水眼延伸穿过冠壳直到内腔，用于将沿钻柱往下泵送的钻井液排出。

所述水眼的直径固定，且它们在使用过程中逐渐磨损或冲蚀。对于某些类型的地钻钻头而言，尤其是针对牙轮钻头，采用可更换喷嘴是已知的。然而，所述流道的宽度不足以满足这些类型的喷嘴的需要。

发明内容

本发明的钻头具有安装在本体上的冠部。所述冠部由碳化物胎体材料制成并具有形成在其上的多个孕镶式刮刀，至少部分刮刀彼此分离以限定多个流道。所述多个流道中的至少一些流道具有形成在其中的喷嘴口。各喷嘴口以可释放方式固定有喷嘴。各喷嘴与所述本体中的腔流体连通，以排放钻井液。

优选地，各喷嘴口均位于相应的一个流道的宽度增大部内。各宽度增大部在其外侧相连有宽度渐变部。所述宽度渐变部的内部在宽度上小于所述宽度增大部的最大宽度，且所述宽度渐变部向外渐扩到保径区域。

优选地，所述多个流道中的至少一些流道具有固定水眼，所述固定水眼不具有可更换的喷嘴，但是通向所述腔，以用于排出钻井液。各固定水眼在直径上比任何喷嘴口都要小。在优选实施方式中，所述多个喷嘴口彼此均匀地间隔开且与所述冠部的轴线之间的距离相同。

附图说明

图1是依据本发明构造的刮刀钻头的钻头端面的俯视图。

图2是图1的刮刀钻头的立体图。

图3是图1的刮刀钻头的喷嘴中的一个沿图1的3-3线的放大剖视图。

具体实施方式

参照图1，示出了刮刀钻头的冠部11。冠部11由包含诸如碳化钨之类的硬质金属颗粒的胎体制成的铸件。冠部11具有钻头端面13，钻头端面13为与井眼底部接合的部分。在钻井过程中，冠部11围绕着其中心轴线14旋转。冠部11具有围绕钻头端面13的大体圆柱形保径区域15，用于接触井眼侧壁。通常，冠部11将具有位于钻头端面13中央的中心区16或喉道。中心区16自钻头端面13向上延伸到冠部11中一短段距离，并具有闭合或部分闭合的基部。中心区16可以具有各种构造，诸如倒锥形。

在钻头端面13上形成由多个刮刀组成的刮刀结构17。在铸造过程中，刮刀结构17作为冠部11的一部分一体地形成；而且刮刀结构17含有与碳化物颗粒混合的金刚石或其它超研磨性颗粒。从散布在所述碳化钨材料内的金刚石颗粒上磨损掉相对细的碳化钨材料，从而露出其内未磨损的金刚石。在该实施方式中，刮刀结构17的外表面为光滑研磨性表面。刮刀结构17可以由诸如压力渗透工艺之类的已知工艺来形成。

刮刀结构17限定了多个定位在不同刮刀之间并自所述不同刮刀凹入的流道或排屑槽。在所示出的实例中，所述多个流道包括多个长流道19，所述多个长流道19沿着保径区域15轴向延伸、并大体径向穿越钻头端面13直到中心区16中。在该实例中，示出了七个长流道19，但是该数量可以变化。在所述七个长流道19中，七个长流道19中的三个完全延伸至轴线14，而其它四个长流道不到轴线14便终止，但依然位于中心区16内。这些长流道19中的三个长流道在轴线14处彼此相交。长流道中的两个长流道19(示出在该图中的右下侧)在中心区16内彼此相交，但径向向外远离轴线14；最后两个长流道19彼此不相交，但是径向向外远离轴线14地终止在中心区14内。

在该实例中，七个长流道19中的各长流道均具有中心区部21，中心区部21形成所述各长流道的径向上的最内部分、并定位在中心区16内。各长流道19具有与其中心区部21相连的宽度增大部23，宽度增大部23位于向外距离中心区16一短段距离处。宽度增大部23具有大体圆形或弧形轮廓。在优选实施方式中，宽度增大部23通向宽度减小部25。宽度发散部27自宽度减小部25径向向外延伸至保径区域15。宽度发散部27的宽部沿向外方向增加，直到宽度稍大于宽度增大部23的宽度。

可更换喷嘴29安装于钻头冠部11的各长流道19的宽度增大部23内。在该实施方式中，所有喷嘴29定位成与钻头轴线14之间的径向距离相同。在该实施方式中，所有喷嘴29以相同的周向距离彼此均匀地间隔开。各喷嘴29均为由诸如碳化钨之类的硬质耐磨损材料制成的短管形元件。

如图3所示，各喷嘴29均具有通道33，通道33延伸穿过各喷嘴29，并与冠部11的内部连通，以用于将沿钻柱往下泵送的钻井液排出。通道33可以具有各种构造，且示出的为具有聚敛的下游部。喷嘴29均定向为大体向下喷射钻井液，以冷却冠部11，并迫使岩屑沿着长流道19径向向外移动。各喷嘴29的下游端优选地平齐于一个长流道19的外表面或稍凹入于一个长流道19的外表面内。紧固装置使得各喷嘴29能快速地被拆下和更换。在该实例中，所述紧固装置包括配合螺纹31，所述配合螺纹形成在喷嘴29的外径上以及冠部11内用来容置喷嘴29的孔或开口中。各喷嘴29的下游端具有形成于其内的槽(未示出)，以用于接纳用来拧紧或旋松喷嘴29的螺纹31的工具。可替代地，可采用卡环或螺纹护环。

在本实施方式中，在中心区16内、于轴线14附近定位有多个中心水眼37。图中示出了三个中心水眼37，一个长流道19的中心区部21中有一个中心水眼37。中心水眼37也将沿钻柱往下泵送的钻井液排出，然而，中心水眼37的直径比喷嘴29的通道33的直径小，而且中心水眼37不带有可更换喷嘴。

由刮刀结构17形成的所述多个流道还包括多个中等长度的流道39，所述多个中等长度的流道39自保径区域15延伸且部分穿越钻头端面13。各中等长度的流道39的内端与轴线14之间的径向距离和各长流道的宽度增大部23与轴线14之间的径向距离大体相同。每个中等长度的流道39位于两个长流道19之间、大体径向延伸、并在其内端附近具有“狗腿”样的转折部。在冠部11中于各中等长度的流道39的内端处形成中间水眼41。在该实例中，有七个中间水眼41，而且各中间水眼的位置与轴线14的径向距离相同。所述中间水眼41也将沿钻柱往下泵送的钻井液排出，然而，中间水眼41的直径比中心水眼37的直径小，而且中间水眼41不具有可更换喷嘴。

由刮刀结构17形成的所述多个流道还包括多个短流道43，所述多个短流道43自保径区域15延伸并部分穿越钻头端面13。各短流道43的内端与轴线14之间的径向距离大于各中等长度的流道39的内端与轴线14之间的径向距离。每个短流道43位于两个长流道19之间、大体径向平行于一个中等长度的流道的外部而延伸。在冠部11中于各短流道43的内端处形成外水眼44，外水眼44要比中间水眼41更向外远离轴线14。在该实例中，有七个外水眼44，而且各外水眼的位置与轴线14的径向距离相同。外水眼44也将沿钻柱往下泵送的钻井液排出，然而，外水眼44的直径比中心水眼37的直径小，且外水眼44不具有可更换喷嘴。

各个流道19、39、43的图案产生了如下的刮刀结构17：该刮刀结构17具有多个位于中心区16内、且大体径向向外延伸的树枝状结构45。六个树枝状结构45各均相交另一个树枝状结构45。各树枝状结构45均分成两个彼此扩展开的长分支47，如同树的分叉一样。各长分支47从一个树枝状结构45上大体向外延伸至保径区域15。短分支49相连到一个长分支47上、并大体径向向外延伸但是不到保径区域15便终止。刮刀结构17可分为三个大致扇形结构17a、17b、17c，其中，扇形结构17a和17b相同且均由两个相交的树枝状结构45、四个长分支47和两个短分支49来限定。在该实例中，与其它两个刮刀结构17a、17b相比，第三个扇形结构17c扩展的角度更大。第三个扇形结构17c也具有两个相交的树枝状结构45、四个长分支47和两个短分支49。但是，第三个扇形结构17c具有一较小的扇形嵌入结构17d，扇形嵌入结构17d未完全示出但是具有部分延伸到中心区16中的单个树枝状结构45。从嵌入结构17d的树枝状结构45上延伸出两个长分支47。

各长流道19均起始于两个树枝状结构45之间并且位于两个长分支47之间。各中等长度的流道39均定位在一个长分支47和一个短分支49之间。各短流道43均定位于一个长分支47和一个短分支49之间。

中心区16内可具有切削元件。在本实施方式中，多个聚晶金刚石(PDC)切削元件51安装于树枝状结构45。PDC元件51具有与旋转方向相交地定向的平面，以用于破碎地层。除了中心区16内以外，钻头端面13不具有任何PDC切削元件。

参照图2，冠部11常规地安装于本体53，本体53典型地由钢制成。本体53为具有一组螺纹55的管状元件，所述螺纹55用于连接于钻杆的钻柱。

在操作中，利用螺纹55将本体53固定于钻柱并下降到井眼中。操作人员使本体53旋转并将钻井液沿着钻柱往下泵送。钻头端面13接触并研磨井底。钻井液从各个喷嘴29、水眼37、41和44中排出。所述钻井液从各个流道19、39和43中流出并向上返回到井眼的围绕钻柱的环空中。

在钻到井的特定部分之后，出于各种原因，可能要修复钻头。刮刀结构17可能依然具有有效的使用寿命。然而，钻井液倾向于腐蚀并磨损掉喷嘴29。如果过度损坏，操作人员可拧下一个或多个喷嘴29并将其更换成新喷嘴。操作人员可以在同一或另一井眼中重复使用所述钻头。

尽管仅以一个形式示出了本发明，本领域普通技术人员应该清楚的是，本发明不限制于此，而是在不脱离本发明的范围的情况下，本发明能进行各种改变。

Claims (20)

1.一种地钻钻头，包括：

本体，其具有用于与钻柱连接的螺纹端，所述本体具有中心腔，所述中心腔用于接收沿所述钻柱往下泵送的钻井液；

冠部，其安装在所述本体上，所述冠部由碳化物胎体材料制成，并且具有多个形成在其上的孕镶超研磨性颗粒的刮刀，所述多个刮刀的至少一部分彼此分隔开来而限定多个流道，所述多个流道中的至少一些在其内形成有喷嘴口；以及

以可释放方式紧固于各喷嘴口的喷嘴，各喷嘴与所述本体的所述中心腔流体连通，以用于排放钻井液。

2.依据权利要求1所述的钻头，其中，每个喷嘴口均位于相应的一个流道的宽度增大部内，各宽度增大部在其外侧连接有宽度减小部。

3.依据权利要求1所述的钻头，其中，

包括一个喷嘴口的各流道均具有内部、中间部和外部，所述内部比所述中间部更接近于所述冠部的轴线；

所述中间部和所述内部之间具有内连接部，所述内连接部在宽度上比所述中间部的最大宽度小；

所述中间部和所述外部之间具有外连接部，所述外连接部在宽度上比所述外部的最大宽度小；并且

每个喷嘴口位于相应的一个中间部内。

4.依据权利要求1所述的钻头，还包括：

所述多个流道中的至少一些流道具有固定的水眼，所述固定的水眼不具有可更换的喷嘴，但是所述固定的水眼通向所述中心腔，以用于排出钻井液；并且

各个固定的水眼的直径比任一喷嘴口的直径都要小。

5.依据权利要求4所述的钻头，其中，所述流道的包含所述固定的水眼的部分在宽度上小于所述流道的包含所述喷嘴口的部分。

6.依据权利要求4所述的钻头，其中，所述多个流道中的至少一部分流道分别具有一个所述固定的水眼和一个所述喷嘴口。

7.依据权利要求4所述的钻头，其中，所述多个流道中的至少一部分流道仅包含一个或多个固定的水眼而不包含任何所述喷嘴口。

8.依据权利要求4所述的钻头，其中，所述多个流道中的至少一部分流道仅包含一个所述喷嘴口而不包含任何所述固定的水眼。

9.依据权利要求1所述的钻头，其中，所述可更换喷嘴口彼此均匀地间隔开且与所述冠部的轴线的距离相同。

10.一种地钻钻头，包括：

孕镶超研磨性颗粒的钻头冠部，其具有形成在其上的多个刮刀；

多个流道，其形成在所述多个刮刀之间，各流道具有内端和外端且朝着所述冠部的保径面向外延伸，所述多个流道中的至少一些流道具有宽度增大区域，各宽度增大区域在宽度上比相应流道的紧接着从各宽度增大部向外延伸的部分大；以及

以可释放方式固定到各宽度增大区域中的喷嘴，用于排放钻井液。

11.依据权利要求10所述的钻头，其中，各宽度增大区域在宽度上比相应流道的紧接着从各宽度增大区域向内延伸的部分大。

12.依据权利要求10所述的钻头，其中，所述多个流道中的包含宽度增大区域的至少一些流道均从所述冠部的轴线连续地延伸。

13.依据权利要求10所述的钻头，其中，所述多个喷嘴均以与所述冠部的轴线之间的距离相同的方式彼此均匀地间隔开。

14.一种地钻钻头，包括：

孕镶金刚石的冠部，具有旋转轴线、保径区域以及形成在其上的多个刮刀；

第一组流道，其形成在所述多个刮刀的一些刮刀之间，并向外延伸至所述保径区域，所述第一组流道中的各流道均具有宽度增大区域，宽度增大区域与宽度朝所述保径区域增加的宽度发散区域连接，宽度增大区域和宽度发散区域之间的连接部在宽度上比宽度增大区域的最大宽度小；

形成在各宽度增大区域中的喷嘴口；

以可释放方式固定于各喷嘴口的喷嘴；

第二组流道，其形成在所述多个刮刀的一些刮刀之间，并向外延伸至所述保径区域；以及

定位在所述第二组流道的各流道中的固定的水眼，各固定的水眼的直径小于各喷嘴口的直径，且各固定的水眼内不具有任何喷嘴。

15.依据权利要求14所述的钻头，其中，所述固定的水眼中的至少一些固定的水眼的位置比任何喷嘴口都更接近于所述轴线。

16.依据权利要求14所述的钻头，其中，所述固定的水眼中的至少一些固定的水眼的位置比任何喷嘴口都远离所述轴线。

17.依据权利要求14所述的钻头，其中，所述第一组流道中的至少一些流道在其内具有比所述喷嘴口更接近所述轴线的固定的水眼。

18.依据权利要求14所述的钻头，其中，所述第一组流道中的至少一些流道从所述轴线连续地延伸至所述保径区域。

19.依据权利要求14所述的钻头，其中，所述刮刀中的至少一些刮刀具有与所述刮刀中的其它一些刮刀相连的内部部分。

20.依据权利要求14所述的钻头，其中，各喷嘴具有：上游端，其凹进到所述冠部的中心腔内；以及下游端，其大体与所述冠部的外表面平齐。

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