CN102414393B - 套管钻头和套管铰孔器设计 - Google Patents
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Abstract
一种套管末端工具，其具有碗状(或杯状)主体，该碗状主体由具有外部凸表面和与所述外部凸表面相对的内部凹表面的壁限定。碗状主体具有中心轴线。内部凹表面关于中心轴线非轴对称，而外部凸表面关于中心轴线是轴对称的。在一种实现方式中，通过提供在内部凹表面上形成的一组凸起凸出或台肩结构而提供非轴对称构造。在另一种实现方式中，通过在内部凹表面中形成的沟道而提供非轴对称构造。
Description
优先权声明
本申请要求2010年6月3日提交的美国专利申请No.12/793,489的权益，该申请要求来自2009年6月5日提交的美国临时专利申请No.61/184,635的优先权，其全部内容合并在此作为参考。
技术领域
本发明大体涉及钻出井孔(wellbore)，并且更特别地涉及在该井孔内的套管(casing)或衬管(liner)末端使用的钻孔工具。本发明涉及这样的钻孔工具(以及形成钻孔工具的方法)，其可连接套管柱或衬管柱。在本发明的情况下，术语套管和衬管可以互换使用。
背景技术
在传统的钻井技术中，纵向延伸的管柱包含多段钻杆(drill pipe)，其固定于具有比钻杆的直径更大直径的钻头。在已经钻出井孔的选择部分之后，移除钻柱，并且在井孔内放置直径小于井孔的一系列管状构件，称为套管柱。然后通过将水泥向下泵送通过布置在套管柱末端的套管鞋或铰孔器(reamer)鞋，而以水泥填充井孔壁和套管柱外部之间的环带。
在可替换技术中，设计成解决与上述传统钻井技术中形成多个井孔起钻(trip)有关的低效率，现在已知通过套管钻井。在该技术中，钻井操作使用钻头，术语为套管钻头，其被连接到套管柱的末端。套管钻头的作用不仅是钻凿地层，还用于将套管柱引导进井孔。在随后套管在适当位置的水泥灌浆期间，套管钻头保持在适当的位置。因而，随着用套管钻头形成井孔，套管柱进入井孔。这消除了在达到需要水泥灌浆的目标深度后，取回钻柱和钻头的一个或更多额外起钻的需要。
在任一技术中，可能需要超过套管柱的末端深度的额外钻孔。假如这样的话，操作者必须钻出套管末端工具(鞋或钻头)，从而到达底层地层。这通常通过磨铣钻头(mill bit)完成，磨铣钻头特别设计用于切穿钻制成鞋的材料。这已导致更易于钻出的套管末端工具的开发。首先，该末端工具使用铝合金作为用于铰孔器(reamer)前端或承载末端工具的正面的切割结构的母体材料。最近，由合金钢制成的套管末端工具已被商业化，并且在用特别设计的钻出PDC钻头钻出套管之前，该套管末端工具运行在套管上，该PDC钻头带有另外的独立过曝碳化钨切割结构用以完成钻出。
以下阐述关于套管操作的现有技术成果。在此讨论的所有参考文献都被并入本文作为参考。
Strong等人的美国专利No.6,062,326公开了一种具有切割装置的套管鞋/铰孔器。该套管鞋/铰孔器具有凹槽(刀片)，其在一个实施例中沿工具的钻规(gage)并穿过工具的前端带有PDC切割器。公开的工具由可钻孔铝或非可钻孔材料制成。在一个实施例中，前端段被设计为被分为这样的几节，这些节被铰接到工具的外部部分，以便能在水泥灌浆之前或作为水泥灌浆过程的一部分将前端节向前外推。
Kirk等人的美国专利No.6,401,820和No.6,659,173描述了一种具有铰刀构件和铝或锌合金前端部分的鞋，从而允许前端被钻出。
Wardley的美国专利No.6,443,247描述了一种套管钻鞋，其具有由硬材料(例如钢)构造的外部钻孔段和由易于钻孔的材料(例如铝)构造的内部段。其进一步包括用于将外部钻孔段径向向外布置的装置。
Wardley的美国专利No.6,848,517描述了一种可钻孔钻头喷嘴，其用于待钻出的钻头。
Baker的美国专利No.7,066,253描述了一种套管鞋或铰孔器鞋，其具有相对硬材料的外部主体和相对软材料的前端，两者互锁。随后的钻头用于钻出大部分软材料，在硬材料的内部圆周中留下软材料鞘。
McKay等人的美国专利No.7,096,982公开了一种钻鞋，其具有由相对软材料构造的主体，其配有相对硬材料的刀片。刀片通常为钢制，进一步配有PDC切割器。一旦已达到期望的钻孔深度，就激活位移元件，从而将软材料推出，并且将刀片弯曲至环带的侧壁。然后用随后的钻头钻出位移元件。McKay想要提供一种具有钢刀片的切割结构支撑机构，该钢刀片足够坚固地用于处理钻孔负载。
Wheeler等人的美国专利No.7,117,960描述了一种用完井管柱钻孔的钻头，其包含整体母无肩油田完井管柱螺纹。该说明描述的钻头由不允许钻头被轻易钻孔的材料制造。
Wardley的美国专利No.7,216,727公开了一种套管钻头，其由相对软的材料(例如铝、铜或黄铜合金)构造，并且被涂有相对硬的材料。切割构件的切割装置包含由硬材料形成的精细层或切割元件。
Oldham等人的美国专利No.7,395,882为“Casing and Liner DrillingBits”。该专利教导制作具有轴对称内部剖面的这种工具，从而平均地由随后的钻头处理。其也教导使用配有袖件和钻规段的喷嘴，钻规段在工具所连接的套管上延伸。
Clark等人的美国专利申请公开No.2007/028972为“Reaming ToolSuitable for Running on Casing or Liner and Method of Reaming”。该公开的申请也教导轴对称内部剖面并且进一步陈述“在突出超过前端的表面的前端区域中无刀片允许对前端中的主体外壳的材料的不中断切割，使铰刀工具PDC钻头可钻”。
Kirk等人的美国专利No.6,845,816教导使用用于扶正器(centralizer)的等温淬火球墨铸铁/奥贝球铁(ADI)材料。该材料比铝更坚固，并且比钢更轻且易于加工。例如见THDick销售的ADI材料。
也参考Baker Hughes(Hughes Christensen)的EZ Case Casing BitSystem(套管钻头系统)和Weatherford International的Drillshoe(钻鞋)工具，其用于套管现有技术装置钻孔(该公开并入本文作为参考)。
概括本领域的现有技术，已对套管末端工具的最后钻出关注很多，但是很少关注套管末端工具自身的钻孔效率。能够通过使有效的钻孔技术适应套管末端工具结构和构造的独特挑战而做出套管末端工具性能的显著改进。现有技术的另一重要折中是主体材料的选择。铝易于被钻出，但是对腐蚀和磨损的抵抗力低，并且不能承担钢能够承受的负载水平。可替换地，钢比铝更坚固，但是更难以被钻出。如果套管设备能够被PDC钻头钻出，那么这已要求使用特殊设计的PDC钻出钻头，该钻头折中钻出后遭遇的岩石地层中的钻头性能。
所需的是套管末端工具(包括套管钻头和铰孔器鞋、钻头中的衬管钻子、衬管铰孔器、以及衬管或套管泥浆马达驱动铰孔器或磨铣头)，它们有效地工作，同时在钻孔或扩眼时对腐蚀、磨损和冲击损害有抵抗力，并且能够使用标准PDC钻头或切割器保护PDC钻头而有效并一致地将其钻出。
发明内容
提出用于套管钻孔和铰除或衬管钻孔或铰除的套管末端工具，其克服许多上述现有技术的不足。这些工具使用目前未应用于套管末端工具上的改进设计和制造技术。描述套管钻头的优选但非限制性实施例。也描述套管铰孔器的实施例。
在套管末端工具的超硬磨料切割元件的构造中包含几种方法。这些切割器元件构造有意降低碳化钨基底材料的总体积，该材料需要被压碎、推开或填满作为套管末端工具的一部分钻出的孔。在典型的超硬磨料切割元件中，其大部分长度都由碳化钨制造。在套管末端工具的优选实施例中，所包括的切割器使用短基底。可替换实施例使用短碳化钨基底，其结合另外长度的可替换基底材料，例如钢或碳化钒。这允许这样的套管末端工具，该工具被设计为绕传统总长度的切割器，同时降低钻出期间经历的硬烧结碳化钨材料的总量。
在优选实施例中，PDC或其他超硬磨料切割元件切割结构被设计为被力平衡到小于10％、或小于7％、或小于5％或小于2％的范围内。
在一个实施例中，套管末端工具使用部分浅沥滤或部分深沥滤PDC切割器。在一个实施例中，套管末端工具使用完全沥滤切割器，其已通过第二高压和高温(HP/HT)压力循环而重附着至金属基底。
在一个实施例中，套管末端工具使用的切割器布置具有后缘或前缘冗余、轨道或多切割器。这些切割器可以作为一套主切割器被安装在相同的刀片上，或者可以安装在单独的不同的刀片或几个刀片上。
在一个实施例中，套管末端工具使用切割器后备结构。这些切割器后备结构可以由母体主体材料铸造，或单独制造并压制、粘合或铜焊。这些结构可以由钢、碳化钨、碳化钒、碳化钨基体、带圆顶的超硬磨料制成，或可以是金刚石孕镶段。切割器后备结构与其对应的主切割器相比，可稍微过曝、等曝或欠曝。切割器后备结构与其对应的主切割器相比，离钻头中心线的距离可以为相同的径向距离、或者稍微更长距离或者稍微更短的距离。
在一个实施例中，套管末端工具使用很多端口或套筒端口。如果使用套筒，其可以由薄壁碳化钨、碳化钒、陶瓷或钢制成。本发明的套管末端工具有目的地不使用可代替或带螺纹的喷嘴来阻塞流动并在每平方英寸上产生更大的水压马力，而是依靠通过许多相对大内直径的套筒端口的流速来清洁并有效钻孔，而同时降低钻头主体腐蚀的出现。在一个实施例中，端口套筒高度延伸进套管末端工具的内部空间，从而使腐蚀的有效面积远离工具的内部凹表面。
在一个实施例中，套管末端工具不具有规则的轴对称内部剖面，而是非对称图案的凸起凸出或台肩，其产生不平坦、波浪形和不规则表面(应理解，“轴对称”意思是“绕轴呈现对称；或者呈现柱形对称”)。这里的要点是增加钻出期间的(轴对称磨铣头/钻头的)中断的切割量，从而对钻头主体的中心部分施压，并且提高钻出期间的破碎性。如果使用高度延伸的端口套筒，至少一些凸起凸出或台肩有意提供更多接触和支持区域。在一个实施例中，凸起台肩与铸进或加工进套管末端工具前端或正面的沟道相符。在带刀片的钻头上，内部台肩通常从中心向外发散，并且与内部沟道交替。每个内部台肩被设置为大致对应于外部表面流体沟道，而内部沟道被设置为大致对应于外部表面刀片。即使在该情况下，优选实施例的高度也非轴对称，并且内部台肩径向/发散布置。钻出期间，首先对台肩进行钻凿，因而当钻出时，增加套管末端工具的前端或表面上的对应凸出表面部件的破碎和破碎的可能性。
在任何带刀片的实施例中，可以在一些切割器套之间切割或铸造切口，从而增加钻出期间的破碎率。在任何实施例中，可以将盲孔钻进或铸进套管末端工具的表面。这些孔不侵占工具的空间。孔的目的是增加在套管末端工具表面上的中断切削和破裂点，从而加快钻出期间末端工具表面的破碎和破裂。
在可替换实施例中，内部凹表面是轴对称内部剖面。
用作铰孔器的套管末端工具的实施例可以具有或不具有这样的切割器，该切割器布置在工具的全部前端或表面范围内。用作铰孔器的套管末端工具的实施例可以具有偏心前端或对称前端。如果同心，前端或表面可以具有凹的“锥”部分。有意用作铰孔器的套管末端工具的可替换实施例可以使用带圆顶的超硬磨料切割元件或碳化钨圆顶，而非平坦表面切割元件。带圆顶的元件产生的扭矩较小，并且较不可能刺入孔洞壁。在一个实施例中，使用铝、酚醛树脂或类似材料的中心内部卡圈，从而在钻出套管末端工具期间稳定钻出钻头。
在优选实施例中，用于制造套管末端工具的主体的主要材料由等温淬火球墨铸铁(ADI)材料制成。
在一个实施例中，使用铝或铝合金材料制造套管末端工具。
在可替换实施例中，使用铜、黄铜、锌合金、钢或钛材料制造套管末端工具主要主体。
在另一实施例中，用黄铜粘合剂浸润的晶钨铸造套管末端工具主要主体。在该实施例中，可以碳化钨粉或糊的体积按照将母体主体材料“分级”，该碳化钨粉或糊布置在最外部表面上，然后是一层或多层混合碳化钨和晶钨，最后以纯晶钨覆盖到套管末端工具的内部凹表面的距离而结束。分级粉末层的目的是提高工具的前端或表面的抗腐蚀性，而同时使用可高度加工的晶钨作为工具主体铸造中的主要粉末混合物。通过将材料分级，避免钻出期间从软材料到硬材料的突然转换。在该浸润实施例中，外部柱形壳通常由钢制成。该钢柱体用作本领域已知的坯件(blank)或铸造心轴。通常坯件组成浸润钻头的中心主体。在本发明的情形中，坯件是这样的柱体，其被设置为绕石墨铸模中的磨铣过的表面部件的外围。钢柱体可以配合模子中的经加工的凹槽，从而相对于表面部件将其准确定位。当模子装有碳化钨或晶钨或两种浸润金属时，通常镍铜合金被设置为在炉期内向下浸润进粉末。优选，钢坯柱体的下端带有沟道和/或凹槽，从而与工具的铸造表面产生强制联锁。在铸造表面下突出的任何柱体的多余的钢都可以被削除。本实施例的主要优点在于，其能够采用制造碳化钨基体钻头中使用的现有材料、设计软件、铸造方法和加工工具。
在一个可替换实施例中，套管末端工具包含一种在水泥灌浆操作中使用的浮阀。在一个可替换实施例中，套管末端工具使用这样的浮阀，其偏移中心，从而提高浮阀的可钻性。
在一个实施例中，套管末端工具包含一个或多于一个易碎区域或旁路端口，从而在套管的水泥灌浆期间为水泥流出套管末端工具提供额外的通路区域。
在一个实施例中，套管末端工具的主体被氮化处理，从而改变表面电荷，以便提高钻头清洁性。
在一个实施例中，套管末端工具的钻规段在上孔方向比在下孔方向更窄。
在一个实施例中，成对布置套管末端工具上的切割器，从而产生更多但是更短的刀片段。这些刀片段更可能在钻出期间破裂为更小的片，从而使其更易于冲出孔。
在一个实施例中，通过将柱体，优选为母体主体材料的柱体激光切割或电火花加工成多个件而制成套管末端工具的中心部分。然后，将这些件紧密地夹在一起并加工，用于刀片、套和内部表面。然后使外部直径带螺纹，以便能够将中心件以顺时针方式转入主工具主体表面上的匹配螺纹中，优选止于内部肩台。当钻向下的孔时，切割器表面的力将中心保持锁止在工具中。一旦钻头开始将套管末端工具的内部表面车除而由随后的钻头钻出，其将对插入的带螺纹的表面施加扭矩，从而以逆时针方向将其旋松，并且允许其裂为更易于破裂和冲出的件。
在一个实施例中，本发明的套管末端工具结合非旋转式铸造扶正器操作，从而提高对套管末端工具的重量和扭矩传送。
在一个实施例中，套管末端工具的切割器带有保护帽。在该情况下，套管末端工具具有更好的能力来通过浮动设备或以前运行并且水泥灌浆的套管末端工具或两者执行钻出。
在一个实施例中，套管末端工具的上部钻规段具有上钻PDC切割器或其他坚硬或超硬磨料上钻切割结构。
附图说明
图1示出套管钻头形式的套管末端工具的简化示意性横截面图示说明；
图2A示出用于使用图1的工具的切割器的一个实施例的侧视图；
图2B示出用于使用图1的工具的切割器的另一个实施例的侧视图：
图3示出的简化示意性横截面图中一些凸起凸出(raised boss)/台肩(land)的位置与套管末端工具前端或表面的沟道相符；
图4示出图1的套管钻头的内部表面的平面图；
图5示出图1的套管末端工具的平面图；
图6A示出类似于图4所示的图1的套管末端工具的平面图；
图6B示出图6A的部分分离截面图；
图7示出套管铰孔器；
图8示出进一步包括内部卡圈(collar)的套管钻头(例如，图1所示)的简化示意性横截面图；
图9示出套管钻头的另一实施例的简化示意性横截面图；
图10示出图9所示的钻头的表面的平面图；以及
图11示出依照另一实施例的切割器的侧视图。
具体实施方式
现在参考图1，其示出依照本发明实施例的套管钻头100形式的套管末端工具。套管钻头100具有碗状或杯状构造，该构造具有限定中心高压区域的内部凹表面102和外部凸表面104。内部表面和外部表面限定围绕中心高压区域的壁的相反两侧。在套管钻头100的外部凸表面104上形成许多刀片106。每个刀片106都支持多个切割器108。图中的黑色阴影切割器110在第一刀片106上被定向，切割器110的金刚石切面面向观察者，而图中的浅色切割器112在另一刀片106上被定向(例如，与第一刀片径向相对)，切割器112的金刚石切面背向观察者。刀片106从套管钻头100的中心旋转轴线114向外延伸，从而限定钻头的钻规116。用于套管钻头的排屑槽118被定位在刀片106之间。
在优选实施例中，用于制造套管末端工具主体的主要材料是等温淬火球墨铸铁(ADI)。在一个实施例中，使用铝或铝合金材料制造套管末端工具。在可替换实施例中，使用铜、黄铜、锌合金、钢或钛材料制造套管末端工具主要主体。
在另一实施例中，由被黄铜粘合剂浸润的晶钨铸造套管末端工具的主要主体。在该实施例中，根据包含的碳化钨粉或糊剂的体积对母体主体材料“分级”，其中该碳化钨粉或糊剂布置在最外部表面上，然后是一层或多层混合碳化钨和晶钨，最后以纯晶钨覆盖到套管末端工具的内部凹表面的距离而结束。分级粉末层的目的是提高工具的前端或表面的抗腐蚀性，而同时使用可高度加工的晶钨用于工具主体铸造中的主要粉末混合物。通过将材料分级，避免钻出工具壁期间从软材料到硬材料的突然转换。
在该浸润实施例中，钻头的外部柱形壳通常由钢制成。该钢的柱体用作本领域已知的坯件(blank)或铸造心轴。通常，坯件组成浸润的钻头的中心主体。在该情形中，坯件为这样的柱体，其绕石墨铸模中磨铣的表面部件的外围放置。钢的柱体可以装配到模子中的经加工的凹槽中，从而相对于表面部件将其精确定位。当模子中装有碳化钨或晶钨或其两种浸润金属时，通常定位镍黄铜合金，从而在炉期内向下浸润进粉末。优选，钢坯柱体的下端刻有沟道和/或凹槽，从而与工具的铸造面产生强制联锁。在铸造面下突出的柱体的任何多余的钢都可以被削除。本实施例的主要优点在于其能够利用制造碳化钨基体钻头中使用的现有材料、设计软件、铸造方法和加工工具。
在一个可替换实施例中，套管钻头包含在水泥灌浆操作中使用的浮阀。在一个可替换实施例中，套管末端工具使用这样的浮阀，该浮阀从中心偏移从而提高浮阀的可钻性。例如参考公开的美国专利申请No.2007/0246224，该公开并入本文作为参考。
在图1所示的套管末端工具的超硬磨料的(superabrasive)切割元件的构造中包含几种方法。这些切割器元件构造有意降低碳化钨基底材料的总体积，该基底材料需要被压碎、推开或填满作为套管末端工具的钻出部分的孔。典型的超硬磨料的切割元件为直径13mm、长度13mm。长度13mm的大部分都为碳化钨。
图2A示出用于使用图1所示的工具的切割器108的一个实施例的侧视图。该切割器例如具有8-19mm的直径，使用短碳化钨基底200(例如，导致8mm或5mm或3mm的总切割器长度)。切割器进一步包括金刚石层(切面)202。
图2B示出用于使用图1所示的工具的切割器108的另一实施例的侧视图。该切割器也具有短碳化钨基底200。然而，如果需要较长的切割器，就将短碳化钨基底200粘接额外长度的可替换基底材料204，例如钢或碳化钒。这考虑套管末端工具被设计为环绕传统总长度的切割器以使用切割器，其降低钻出期间遇到的硬烧结碳化钨材料的总量。
图2A和图2B中的切割器可以使用这样的金刚石层202，其经部分浅沥滤(leach)或部分深沥滤(例如，参考美国专利号6,861,098、6,861,137、6,878,447、6,601,662、6,544,308、6,562,462、6,585,064、6,589,640、6,592,985、6,739,214、6,749,033和6,797,326，这些公开并入本文作为参考)。在一个可替换实施例中，图2A和图2B中的切割器使用经完全沥滤的金刚石切面202，其已经通过第二高压/高温(HP/HT)压力循环而重附着至基底200(例如，参考美国专利No.5,127,923，该公开并入本文作为参考)。
再次参考图1。套管末端工具包括很多端口130。视需要，每个端口都可以包含带套筒的端口132。如果对给定的端口130使用端口套筒132，该套筒可由薄壁碳化钨、碳化钒、陶瓷或钢制成。套管末端工具有目的地不使用可代替或带螺纹的喷嘴，其能够阻塞流动并在每平方英寸上产生更大的水压马力。而工具依靠通过许多相对大内径的端口130(带套筒的端口132)的流速来清洁并有效钻孔，而同时减少钻头主体腐蚀的发生。在一个实施例中，端口套筒132高度延伸进套管末端工具的内部空间134，从而使腐蚀流的有效区域远离工具的内部凹表面102。
在一个实施例中，套管末端工具不具有规则的或轴对称的内部凹表面102剖面，而是具有带凸起凸出140或台肩的非对称图案的内部凹表面102。这产生不平坦、波浪形内部凹表面，并且因而产生不规则内部剖面。该特征的要点是增加钻出期间由磨铣头/钻头产生的总钻头主体中的中断的切割量，该磨铣头/钻头将呈现与内部凹表面102接触的轴对称表面。这将对工具钻头主体的中心部分施压，并且提高钻出期间套管末端工具的破碎性。因而这将更易于完成钻出操作。相反，工具的外部凸表面104限定轴对称形状。
在一个可替换实施例中，套管末端工具的内部凹表面102可以具有轴对称内部剖面，该轴对称内部剖面优选地不匹配磨铣头/钻头的轴对称表面。
至少一些凸起凸出140或台肩提供这样的额外功能，即它们增加端口130处和其周围的套管末端工具结构的厚度。如果使用高度延伸的端口套筒132，这对于提供更多接触和支持区域很重要。端口套筒132例如从环绕的凸起凸出140或台肩延伸至少1/4″(英寸)。
在一个实施例中，套管末端工具的主体经氮化处理，从而改变表面电荷，以便提高钻头清洁性。例如，参考美国专利No.5,330,016，该公开并入本文作为参考。
在一个实施例中，套管末端工具的钻规段116具有在上孔方向比在下孔方向更窄的宽度。例如，参考美国专利No.4,696,354，该公开并入本文作为参考。其未在图1中明确示出。
套管末端工具可以包含一个或多于一个易碎区域或旁路端口，从而在套管水泥灌浆期间为水泥流出套管末端工具提供额外的通路区域。
在一个实施例中，本发明的套管末端工具结合非旋转式套管扶正器操作，从而提高对套管末端工具的重量和扭矩的传送。例如，参考美国专利No.5,797,455，该公开并入本文作为参考。
在一个实施例中，一些凸起的凸出/台肩140的位置与外部表面104中的沟道150相符，其被铸造到或加工到套管末端工具前端或表面152中。其在图3的横截面中示出。为了清晰的原因而从图3中省略端口和端口套筒。提供具有相应的沟道150的凸起的凸出/台肩140，从而产生不平坦、波浪形的内部凹表面102(具有不规则内部剖面)，以便增加钻出期间主体的中断的切削量，并且在钻出期间支持更高的套管末端工具破碎性。在外部凸表面104上形成沟道150，而在内部凹表面102上形成沟道154。优选，当在两个表面都包括沟道时，如图所示偏移沟道150和154的位置。
现在参考图4，其示出图1的套管钻头100的平面图。图4中的视线是朝着内部凹表面102看向碗状或杯状构造。凸起凸出140通常示出具有圆形/卵形形状，其为方便起见而非限于此，凸起能够呈现支持内部凹表面上非轴对称图案形成的任何期望形状。提供相对于圆形的卵形图示，从而指出感兴趣的凸起部件与位于工具的底部内侧表面相比，更多的位于工具的侧面内侧表面上。图4进一步示出凸起140如何与每个高度延伸端口套筒132的位置相关。
现在参考图5，其示出图1的套管末端工具的平面图。图5中的视线看向钻头100的表面(外部凸表面104)。钻头包括多个刀片106，每个刀片106都具有螺旋形构造。应注意，刀片106能够可替换地是本领域已知的直刀片。刀片106的布置不对称，但是应理解，能够可替换地使用对称刀片。
在一个实施例中，如图5所示，套管钻头100使用一个或多于一个刀片上的切割器布置，该切割器具有后缘或前缘冗余、轨道或多个切割器160。例如，参考美国专利号5,549,171、5,551,522、5,582,261和5,651,421，该公开并入本文作为参考。这些切割器160可以作为一套主切割器108安装在相同的刀片上，或者可以安装在单独的不同刀片106或几个刀片上。
在一个实施例中，成对布置套管钻头上的切割器108，导致更多但是更短的刀片段。例如，参考美国专利No.4,714,120，该公开并入本文作为参考。这些刀片段更可能在钻出期间破裂为更小的片，从而使其更易于冲出孔。
在一个实施例中，如图5所示，套管钻头100至少在一个叶片上包括一套切割器后备结构170。例如，参考美国专利No.5,090,492、5,244,039、4,889,017和4,823,892，该公开并入本文作为参考。这些切割器后备结构170可以由母体主体材料铸造，或单独制造并压制、粘合或钎焊。这些结构可由钢、ADI、碳化钨、碳化钒、碳化钨基体、晶钨基体、带圆顶的超硬磨料制成，或为金刚石孕镶段。切割器后备结构170与其相应的主切割器相比，可稍微过曝、等曝或欠曝。切割器后备结构170与其相应的主切割器108相比，离钻头中心线的距离可为相同的径向距离、或者稍微更长距离或者稍微更短的距离。
在一个实施例中，套管末端工具的上部钻规116段设置有上钻PDC切割器或其他坚硬或超硬磨料上钻切割结构。
在优选实施例中，套管钻头100包括PDC或其他超硬磨料切割元件切割结构，该切割结构被设计为力平衡的。例如，参考美国专利No.4,815,342和5,042,596，这些公开并入本文作为参考。该力平衡优选设计在小于10％、或小于7％、或小于5％或小于2％的范围内。
可关于钻头，在几种不同的切割条件下(或者在切割条件范围内)实施力平衡。
在一个实施例中，其中套管末端工具为用于现有井孔的铰孔器，通过假设渐增的构造直径而实现力平衡。例如，通过假设原始孔直径的0.125英寸渐缩而执行铰孔器的模拟工具运行，并且工具力被平衡，从而反映以假设构造直径的切割完成。然后，假设原始孔尺寸缩小更多而执行进一步模拟工具运行，而在每个步骤都执行力平衡。最后，铰孔器设计在期望的孔直径范围内被力平衡，以便在应用实际的铰孔器时，将对已存在于井孔中的实际构造直径进行力平衡。例如，参考美国专利申请No.2010/0051349，该公开并入本文作为参考。
现在参考图6A，其示出类似于图4所示的图1的套管末端工具的平面图。图6A中的视线类似于图4的视线，是朝着内部凹表面102看向碗状或杯状构造内。在带刀片的钻头上，提供的内部凸出/台肩140的组180从中心向外发散。这些台肩140的组与在钻头的内部凹表面102上形成的内部沟道182交替。在该构造中，内部凸出/台肩的组180大致对应于外部表面流体沟道(排屑槽)。每个所包括的内部沟道182都大致对应于外部表面刀片106。即使在该情况下，优选实施例的高度也不轴对称，并且内部台肩径向排列。钻出期间，首先由磨铣头/钻头的轴对称表面对台肩进行钻孔，因而增加套管末端工具前端或表面上的对应凸起表面部件的破碎和碎裂的可能性。在图6B中提供图6A的部分分离截面图。
在上述任何带刀片的实施例中，都可以如图5所示在一些切割器套之间的刀片106上切割或铸造切口190，从而增加钻出期间的套管钻头的破碎率。也参考图3以及作为切口190的实施的图示沟道150。
在上述任何实施例中，一个或多于一个孔200可以被钻入或铸造进套管钻头的表面(如图5所示)。重要的是，这些是不侵占工具的空间的盲孔。这些盲孔200的目的是增加穿过末端工具表面的中断的切削和破裂点，从而加快钻出期间末端工具表面的破碎和破裂。可替换地，能够在内部凹表面上提供盲孔。
现在参考图7，其示出套管铰孔器300。依照在此提供的说明的套管末端工具实施例可以包含铰孔器。铰孔器300可以具有或不具有在工具的全部前端304或表面306范围上布置的切割器302。将用作铰孔器的套管末端工具的实施例可以具有离心前端308或对称前端。如果同心，则前端304或表面306可以具有凹“锥”部分310(见图1)。有意用作铰孔器的套管末端工具的可替换实施例可以使用带圆顶的超硬磨料切割元件或碳化钨圆顶，而非平坦表面切割元件。带圆顶的元件产生的扭矩较小，并且较不可能刺入孔洞壁。
现在参考图8，其示出进一步包括内部卡圈330的套管钻头100(例如，图1所示)的横截面图。内部卡圈330可以由铝、酚醛树脂或类似材料制成。内部卡圈330具有与钻头轴线和带斜坡侧334对齐的中心开口332，从而在套管末端工具的钻出期间起稳定钻出钻头的作用(例如，磨铣钻头)。
现在参考图9，其示出套管钻头100的另一实施例的横截面图。图10示出图9所示的钻头表面的平面图。在该实施例中，套管钻头100由圆柱侧壁部分400和多段前端部分402形成。圆柱侧壁部分400在用于连接套管的顶部末端的内部壁表面上带螺纹404。圆柱侧壁部分400进一步在用于连接多段前端部分402的底部末端的内部壁表面上带螺纹406。多段前端部分402由多个前端件410组合。前端件410的组件具有的外部直径带螺纹，从而匹配圆柱侧壁部分的底部末端上的螺纹406。前端部分组件402作为整体以第一方向被拧入圆柱侧壁部分400，当接合地层时，第一方向与套管钻头100的旋转方向相反。因而在地层钻孔期间，套管钻头100的旋转将加强前端部分组件402和圆柱侧壁部分400之间的螺纹接合。
图9和图10中的点画线430表示前端部分组件402的一个前端件410终止而另一前端件410开始在横截面图和平面图中的位置。前端部分组件402的螺纹连接起类似夹钳的作用，从而将前端部分组件的各个件410固定在一起。在径向向内的方向形成夹钳效果。不同前端部分件410的组装必须精确。在优选实现方式中，使用电火花加工(EDM)来限定每个件410关于其他件的边缘(430)。然而应理解，能够可替换地使用任何其他精密加工技术(例如激光切割)，从而形成前端组件402的件410。
前端组件402也可以从单个母体主体材料分割成多个件。然后这些件410被夹紧在一起并且被加工，从而形成套管钻头的刀片、套以及内部表面(如本文所述)。然后使外部直径带螺纹，以便中心件能够以第一方向(例如，顺时针)旋转进入圆柱形侧壁部分400的内部表面上的匹配螺纹406。优选，在组装期间以第一方向的转动由内部肩台450终止。当执行向下钻孔时，切割器表面上的力加强第一方向上的转动，并且将前端组件402保持锁止在工具中。
当必须随后钻出套管钻头100时，就能体现提供多段(件410)前端部分组件402的优势。当该情况发生时，降至钻孔并转动的磨铣头/钻头将不仅开始车去用于套管钻头的内部表面102前端组件，而且该内部表面102上的磨铣头/钻头切割器的接合将以第二方向(例如，逆时针)对前端组件402施加扭矩，其中第二方向与加强螺纹接合使用的方向相反。然后，前端组件402将从圆柱侧壁部分400拧下。在没有螺纹的夹钳接合的情况下，前端组件402将分为多个件410，并且更易于破裂并从井孔冲出，从而完成套管钻头100的钻出。
现在参考图11，其示出切割器500的侧视图。图11中的切割器500能够在用于套管末端工具的任何一个或多个切割器位置处使用，例如在此示出的套管钻头100或套管铰孔器。切割器500装配有更适合磨铣操作的材料(例如碳化钨或CBN)制成的保护帽502。在该情况下，套管末端工具具有这样的增强能力，即通过浮动设备或上述水泥灌浆套管末端工具，或两者的执行钻出。
在图11中，PDC切割器500包含金刚石切面层504(或金刚石表面)以及底层基底506，底层基底506可以由碳化钨材料制成。底层基底506也可以可替换地具有如图2A和图2B中所示的形式。根据需要，金刚石切面层504可以非沥滤、浅沥滤、深沥滤或再做基底(resubstrated)完全沥滤。
应理解，在第一实现方式中，能够在已将PDC切割器固定于钻头主体的切割器套之后，将帽502安装在PDC切割器500上。可替换地，在第二实现方式中，能够在将组合的切割器帽组件固定于钻头主体的切割器套之前，将帽502安装在PDC切割器500上。因而，第一实现方式代表例如制造PDC套管钻头的改进，从而包括所含PDC切割器中期望切割器的帽。相反，第二实现方式代表例如新PDC套管钻头的制作，从而在选择位置包括带帽的PDC切割器。
图11特别示出碳化钨帽(即由碳化钨材料制成的帽)502的使用。用于帽502的材料可以包含高韧性、低抗磨损性碳化钨材料，例如包含14-18％钴的碳化钨材料。帽502可以具有任何期望的形状，以及在此讨论的几种不同形状和构造。可替换地，下文将更详细讨论，帽502可以可替换地由金属(或金属合金)材料制成。此外，金属/金属合金帽502可以包括碳化钨或CBN尖端。帽502可以可替换地由另外的合适材料选择制成(用于帽的非限制性材料示例包括：钢、钛、镍和钼)。
通过帽和PDC切割器500的基底506之间的粘合作用而将帽502保持在PDC切割器上的适当位置。更特别地，帽的一部分粘合到暴露在套管钻头主体的外部(即切割器套的外部)的安装的PDC切割器的基底506的一部分或大部分。帽502附连到PDC切割器，在一个实现方式中，使用铜焊508将(例如，碳化钨)其附连到基底506。图11中示出的铜焊材料508的厚度尺寸放大，以便使其位置和出现都清晰。
优选地，帽502不被铜焊(即不连接)至PDC切割器500的金刚石切面层504。相反，PDC切割器500的金刚石切面层504的前表面上的第一部分510仅邻近依靠于该表面，而基底506上的帽的第二部分512通过粘合剂固定于该基底。在本文中认为PDC金刚石不可被标准铜焊材料附着。以下这点很重要，即PDC切割器500的金刚石切面504由帽502保护，而帽不直接粘合到该表面。邻近PDC基底506的帽502的第二部分512被铜焊并且被连接到基底材料，并且可以进一步通过铜焊而连接切割器套背部区域的钻头主体。帽502的第一部分510也可以通过铜焊而连接到切割器套(更特别地，连接到PDC切割器表面下的切割器套的底部)。在有些实施例中，使用更短的基底PDC切割器，从而增加切割器套底部的帽的粘接区域。在有些实施例中，套底部被配置为增加在相同位置处可用于帽的粘接区域。
有些铜焊材料508可有利地存在于帽502和PDC切割器金刚石切面层504的前表面之间，但是该材料不用于将帽固定于金刚石切面层。在优选实施例中，用于将帽铜焊至切割器基底的铜焊材料粘接至帽的内部表面，帽的内部表面邻近金刚石切面表面以及PDC金刚石层的外围。该铜焊材料提供薄缓冲层，从而限制冲击负载向金刚石层的转移，同时帽用于磨铣套管或套管相关设备。不将帽粘接至金刚石切面表面的优选构造是优选的，因为其允许不再需要帽时(例如，一旦完成磨铣操作)，将帽从切割器自由分离。
在可替换实施例中，能够在本领域已知的LS粘合器中使用高温铜焊材料将帽预装在PDC切割器上。然后，能够使用已知的将切割器铜焊至钻头的铜焊方法和温度，将预戴帽PDC切割器铜焊进钻头的切割器套。
本发明的套管末端工具被设计为平衡对可钻性的需求以及用套管的有效和经济钻孔所需的期望钻孔性能特性。为了该目的，本发明包含了新技术以及从其他钻孔工具衍生的技术，但是经改进和提高从而满足在套管上安装钻孔工具的独特外形、清除区域和需求所提出的挑战。本发明的套管末端工具包括一些特征，从而提高套管钻孔性能、提高铰除度、提高可钻性、降低主体腐蚀，并且提高钻出碎片的破碎性和冲除性。
上文已描述并图是说明本发明的实施例。本发明不限于公开的实施例。
Claims (49)
1.一种套管末端工具，其包含：
碗状主体，其由具有外部凸表面和内部凹表面的壁限定，所述内部凹表面在所述壁的与所述外部凸表面相对的一侧上，所述碗状主体具有中心轴线，所述内部凹表面关于所述中心轴线非轴对称，并且所述外部凸表面关于所述中心轴线轴对称。
2.根据权利要求1所述的工具，其中所述非轴对称的内部凹表面由所述壁的多个较厚区域限定。
3.根据权利要求2所述的工具，其进一步包括在所述壁的外部凸表面上的多个刀片，其中所述内部凹表面上的所述较厚区域被设置在与成对刀片之间形成的排屑槽相对的位置。
4.根据权利要求2所述的工具，其进一步包括通过所述壁形成的多个端口，每个端口都具有在所述内部凹表面上的所述壁的较厚围绕区域。
5.根据权利要求4所述的工具，其进一步包括用于每个端口的端口套筒，所述端口套筒延伸超过所述较厚围绕区域。
6.根据权利要求2所述的工具，其中所述较厚区域包含凸起的凸出结构或凸起的台肩结构。
7.根据权利要求1所述的工具，其中所述非轴对称的内部凹表面由在所述壁上形成的多个沟道区域限定。
8.根据权利要求7所述的工具，其进一步包括在所述壁的所述外部凸表面上的多个刀片，其中所述内部凹表面上的所述沟道区域设置在与所述刀片相对的位置。
9.根据权利要求1所述的工具，其进一步包括在所述壁的所述外部凸表面上的多个刀片，每个刀片都支持多个切割器元件，并且进一步包括在所述切割器元件中的相邻元件之间形成的沟道。
10.根据权利要求1所述的工具，其进一步包括限定钻头导向器的内部卡圈环。
11.根据权利要求1所述的工具，其中所述碗状主体的所述壁包含：
具有底部末端的柱形侧壁部分；以及
在所述底部末端附连到所述柱形侧壁部分的表面壁部分。
12.根据权利要求11所述的工具，其中在所述底部末端使用螺纹耦合将所述表面壁部分附连到所述柱形侧壁部分。
13.根据权利要求12所述的工具，其中所述表面壁部分包含通过用螺纹耦合以第一旋转方向接合而夹紧在一起的多个件，其中所述第一旋转方向与所述工具的切割操作的第二旋转方向相反。
14.根据权利要求1所述的工具，其中所述工具是套管钻头或套管铰孔器其中之一。
15.根据权利要求1所述的工具，其进一步包括在所述壁的所述外部凸表面上的多个刀片，每个刀片都支持多个切割器元件，并且每个切割器元件都包含安装至第一材料基底的金刚石切面，其中所述基底具有的长度提供小于8mm的切割器长度。
16.根据权利要求15所述的工具，其进一步包括与第一材料不同的第二材料的额外基底，其中所述额外基底安装至与所述金刚石切面相对的切割器一端。
17.根据权利要求15所述的工具，其进一步包括安装至所述第一材料基底的帽，其中所述帽至少部分覆盖而不附连到所述金刚石切面。
18.根据权利要求17所述的工具，其中所述帽由碳化钨制造或者带有碳化钨尖端。
19.根据权利要求17所述的工具，其中所述帽由碳化钨制造并且带有立方氮化硼尖端。
20.根据权利要求1所述的工具，其进一步包含布置在所述工具的表面上的切割结构，所述切割结构被力平衡至小于10％。
21.根据权利要求1所述的工具，其进一步包含布置在所述工具的表面上的切割结构，所述切割结构被力平衡至小于5％。
22.根据权利要求1所述的工具，其进一步包含在所述内部表面或所述外部表面上形成的多个盲孔开口。
23.根据权利要求1所述的工具，其中所述碗状主体由从以下材料组成的组中选择的一种或多于一种材料制造：等温淬火球墨铸铁、锌合金、钛、铝、钢、晶钨、分级碳化钨和晶钨、铜或黄铜。
24.根据权利要求23所述的工具，其中等温淬火球墨铸铁或钢制的碗状主体包含氮化等温淬火球墨铸铁或氮化钢。
25.根据权利要求1所述的工具，其中所述碗状主体由这样的材料制成，该材料的硬度被分级为从更接近所述内部凹表面的较小硬度到更接近所述外部凸表面的较大硬度。
26.根据权利要求1所述的工具，其进一步包括延伸至所述工具的钻规区域的在所述壁的所述外部凸表面上的多个刀片，所述刀片的钻规区域具有的宽度在朝所述工具的后方延伸的方向上变窄。
27.根据权利要求1所述的工具，其进一步包括浮阀。
28.根据权利要求1所述的工具，其进一步包括易碎旁路端口。
29.一种套管末端工具，其包含：
碗状主体，其包括内部空间并且由具有外部凸表面和与所述外部凸表面相对的内部凹表面的壁限定，所述碗状主体具有中心轴线，所述内部凹表面包括由所述壁的间隔开的部分限定的多个非轴对称区域，所述多个非轴对称区域比所述间隔开的部分之间的所述壁的区域具有更大的厚度。
30.根据权利要求29所述的工具，其进一步包括在所述壁的所述外部凸表面上的多个刀片，其中所述内部凹表面上的较厚部分被设置在与成对刀片之间形成的排屑槽相对的位置。
31.根据权利要求30所述的工具，其中所述较厚区域包含凸起的凸出结构或凸起的台肩结构。
32.根据权利要求29所述的工具，其进一步包括在所述壁的所述外部凸表面上的多个刀片，每个刀片都支持多个切割器元件，并且进一步包括在所述切割器元件中的相邻元件之间形成的沟道。
33.根据权利要求29所述的工具，其中所述碗状主体的所述壁包含：
具有底部末端的柱形侧壁部分；以及
在所述底部末端附连到所述柱形侧壁部分的表面壁部分。
34.根据权利要求33所述的工具，其中在所述底部末端使用螺纹耦合将所述表面壁部分连接到所述柱形侧壁部分。
35.根据权利要求34所述的工具，其中所述表面壁部分包含通过用螺纹耦合以第一旋转方向接合而夹紧在一起的多个件，其中所述第一旋转方向与所述工具的切割操作的第二旋转方向相反。
36.根据权利要求29所述的工具，其中所述碗状主体由这样的材料制成，该材料的硬度被分级为从更接近所述内部凹表面的较小硬度到更接近所述外部凸表面的较大硬度。
37.根据权利要求29所述的工具，其进一步包括延伸至所述工具的钻规区域的在所述壁的所述外部凸表面上的多个刀片，所述刀片的钻规区域具有的宽度在朝所述工具的后方延伸的方向上变窄。
38.根据权利要求29所述的工具，其进一步包括浮阀。
39.根据权利要求29所述的工具，其进一步包括易碎旁路端口。
40.一种套管末端工具，其包含：
碗状主体，其包括内部空间并且由具有外部凸表面和与所述外部凸表面相对的内部凹表面的壁限定，所述碗状主体具有中心轴线，所述内部凹表面是非轴对称内部凹表面并且包括在所述壁中形成的沟道区域。
41.根据权利要求40所述的工具，其进一步包括在所述壁的所述外部凸表面上的多个刀片，其中所述内部凹表面上的所述沟道区域被设置在与所述刀片相对的位置。
42.根据权利要求40所述的工具，其进一步包括在所述壁的所述外部凸表面上的多个刀片，每个刀片都支持多个切割器元件，并且进一步包括在所述切割器元件中的相邻元件之间形成的沟道。
43.根据权利要求40所述的工具，其中所述碗状主体的所述壁包含：
具有底部末端的柱形侧壁部分；以及
在所述底部末端附连到所述柱形侧壁部分的表面壁部分。
44.根据权利要求43所述的工具，其中在所述底部末端使用螺纹耦合将所述表面壁部分附连到所述柱形侧壁部分。
45.根据权利要求44所述的工具，其中所述表面壁部分包含通过用螺纹耦合以第一旋转方向接合而夹紧在一起的多个件，其中所述第一旋转方向与所述工具的切割操作的第二旋转方向相反。
46.根据权利要求40所述的工具，其中所述碗状主体由这样的材料制成，该材料的硬度被分级为从更接近所述内部凹表面的较小硬度到更接近所述外部凸表面的较大硬度。
47.根据权利要求40所述的工具，其进一步包括延伸至所述工具的钻规区域的在所述壁的所述外部凸表面上的多个刀片，所述刀片的钻规区域具有的宽度在朝所述工具的后方延伸的方向上变窄。
48.根据权利要求40所述的工具，其进一步包括浮阀。
49.根据权利要求40所述的工具，其进一步包括易碎旁路端口。
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