专利名称：用于套管或衬管的扩眼工具及扩眼方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种适用于在套管或衬管上操作的扩眼工 具，以及一种扩井眼的方法。
背景技术：
在将套管或衬管插入预先钻好的井眼时，希望的是井眼已经以预 定的圆柱度钻到其设计的直径，并且沿着其路径没有显著的偏差(比 如狗腿)。不幸的是，由于地层间的转变，地层内比如脉道的不规则性、 超过容许限度的钻头的使用、插入井眼后钻头的破坏、钻孔机使用的
井底钻具组合(BHA)的外形以及各种其他原因，很少得到理想的井 眼。
因此，希望为插入现有井眼中的套管或衬管提供在其前端的切削 结构以便根据需要使井眼部分能够扩大，使得套管或衬管以完全预定 的程度插入井眼中。过去已经尝试了多种方法来提供具有扩眼能力的 套管柱或衬管柱，结果不一。
发明内容
本发明的扩眼工具包括具有凹入的头部的基本上管状的主体，所 述头部通过基本上弧形的台肩过渡区延伸至侧壁。扩眼工具还包括切 削结构，用于通过与井眼侧壁接触而扩大井眼(也称作"扩眼")。在此 使用的术语"工具"是一个非限制性的含义，本发明的实施例的装置也 可以具有扩眼钻头或扩眼鞋的特征。
在一些实施例中，扩眼工具的凹入头部可以具有至少一个贯穿其 中而且延伸到主体内部的出口。在一些实施例中，多个沿圆周间隔开 的、螺旋状构造的刀片可以从接近台肩过渡区域处在主体的外部上延伸并且在其间限定了排屑槽。每个刀片的轴向前端与管状体基本上无
距离地开始；并且沿径向向外倾斜到与管状体基本上恒定距离的部分； 然后径向向内延伸至倾斜的轴向后端，多个切削元件可以布置成靠近 多个刀片中的每一个的轴向前端并沿着所述多个刀片中的每一个的旋 转布置的前缘放置。
本发明的另 一个实施例包含一种钻出扩眼工具的方法，所述扩眼 工具构造成具有在其轴向前端处的头部和沿轴向延伸到其后部的侧壁 的鞋。该方法包括最初将接近其中心部分的头部与钻头接合，使扩眼 工具内部的钻头旋转，从其中心部分径向向外朝向其周边和主体的侧 壁钻出头部。
图l是根据本发明的扩眼工具的一个实施例的透视图2是根据本发明的扩眼工具的另一个实施例的透视图3是朝向图1和图2的扩眼工具的头部方向看到的正视图4是描述了卵形端插入件的放大侧剖面图，该卵形端插入件放
置在图l和图2的扩眼工具的刀片中并伸出超过了所述工具的主直径；
以及
图5A至5C是本发明的扩眼工具的四分之一截面的示意图，如图 l和图2所描述的，作为传统的PDC旋转刮刀靠近并钻通头部，描述 了从扩眼工具的头部的中心线朝向主体的侧壁的钻出是如何实现的。
具体实施例方式
本发明的一个实施例包括扩眼工具，所述扩眼工具构造成适用于 在套管柱或衬管柱上操作的扩眼钻头或扩眼鞋(在下文中，为方便起
见，指"套管柱"以便包括这种一般类型的管状柱)。扩眼工具包括管状 主体，所述管状主体在其后端具有用于将主体连接到套管柱的前端上 并且在其前端朝向头部延伸的结构。
头部构造有围绕其中心的浅圆锥形轮廓，多个刀片从头部的外周以较大斜度的螺旋结构从与主体基本上没有距离的前端处开始朝向主 体的后端延伸。刀片从头部的周边沿轴向和径向向外倾斜至与主体基 本恒定距离的更大部分，直至接近其轴向后端的位置，并且在其间限 定了排屑槽。头部的中心包括在其中的出口，钻井液(以及，后来的 水泥)通过该出口向下循环穿过套管柱，流出到头部的面上并且进入 排屑槽，该循环可以通过使用从主体内部穿过头部外周的其他侧出口 而增强。
每个刀片的旋转的前缘(当预期进行旋转扩眼时，从预定的通常 顺时针的方向看套管柱所看到的那一边缘)在刀片头部和刀片达到最 大直径的 一 点之间设有多个超研磨的切削元件，其可以包含面向预定
旋转方向的聚晶金刚石复合片(PDC)的切削元件。PDC切削元件在 穿过钻头直径的通道的外面，所述钻头备用于随后插入用于钻出眼的 扩眼工具，以促进钻出过程。如果遇到合适一个或多个地层，也可能 使用其他材料的切削元件，例如碳化鵠(WC)，再将这些切削元件放 在穿过直径的通道外面。沿所述刀片倾斜部分的刀片的径向外表面设 有相对较厚的碎碳化鴒层，该碎碳化鵠层旋转布置地设置于PDC切削 元件之后。支承元件以比如碳化鴒或PDC卵形体的形式设在刀片外表 面中的凹陷中，在其倾斜部分中，卵形体比PDC切削元件暴露面积大 (因为更远离刀片的径向外表面延伸)并且位于旋转布置在PDC切削 元件后面的位置。支承元件及它们的相关暴露度防止了 PDC切削元件 与较大的管状管道的内部之间的潜在的破坏性接触，套管柱在遇到敞 开的、预先钻好的井眼之前会穿过该管状管道插入。轴向拖曳在有 PDC切削元件的倾斜部分后面的刀片的径向外表面至少沿所述刀片 的旋转布置的前缘和后缘设有碳化鵠层。刀片的纵向后端可以朝向主 体轴向和径向地向内渐缩，并且设有较厚的碎碳化鴒层。
主体的内部轮廓构造成通过传统的旋转钻头来优化钻出，而不会 将剩余的工具头部的大材料段留在井眼中。
现在参照图1至4，扩眼工具10 (如图1和图2分别描述了两个 稍微不同的实施例)包括管状主体12，它可能由单一材料制成，比如钢、铝、青铜或其他合适的硬质金属或合金，但是该材料通过传统的
PDC或牙轮钻头可容易地钻出孔。主体12包括头部14，其可以构造 有一个朝向扩眼工具10的中心凹陷的浅的、凹入轮廓。这个凹入轮廓 可以是一个浅圆锥，或其他合适的凹入轮廓。头部14过渡到侧壁16， 其朝向扩眼工具10的后端沿轴向和径向向外倾斜，其设有比如内螺紋 (未示出)的结构，用于将扩眼工具IO连接到套管柱的前端上。头部 14和侧壁16之间的过渡包括基本上弧状横截面的过渡台肩壁18,而 且其可以或不可以呈现恒定的曲率半径。中心孔P从主体12的内部 通向头部外面，其他侧孔P从主体12的外部穿过过渡台肩壁18延伸 到主体12的内部。
多个刀片20设在管状主体12的外部，从靠近过渡台肩壁18后边 缘的位置与其没有距离地延伸，由于刀片朝向各自的轴向后端延伸， 刀片沿径向向外倾斜，距离增大，从而提供了直径增大的径向外表面。 刀片20的轴向后端包括一个直径减小的倾斜表面或倒角表面22，延 伸至主体12的外部。刀片20在主体12的外部上构造成较大斜度的螺 旋形结构，每个刀片20的圆周度足够大以保证多个刀片20完全地、 360°覆盖在主体12的外部。排屑槽24限定在侧壁16的外部，从靠近 过渡台肩壁18的位置，每个排屑槽24圆周地排列有一个侧出口 P。 排屑槽24的深度随着刀片20的距离增大最初从它们的各自前端增加， 并且所述排屑槽被限定在刀片侧边缘之间。
PDC切削元件30形式的超研磨切削元件沿着每个刀片20的旋转 布置的前缘设置。PDC切削元件30可以包括任何合适的PDC切削元 件结构。已经受让给本发明的受让人的美国专利5,435,403中公开了一 个合适的PDC切削元件的非限制性实例。如上述应注意的，PDC切 削元件30放置在穿过钻头直径的通道外面，所述钻头备用于随后插入 用于钻出眼的扩眼工具中，以促进钻出眼的过程。也预期在实施本发 明的过程中使用除了 PDC切削元件之外的超研磨切削元件，以及其它 材料的切削元件。例如，考虑到正在扩眼的一个或多个地层的特征以 及地层特征允许情况下使用较价廉的切削工具的能力，可以使用热稳定产品(TSP)的金刚石切削元件、孕镶金刚石的切削元件、立方氮 化硼(CBN)切削元件以及碳化钨(WC)切削元件。
刀片20的径向外表面32沿其倾斜部分设有较厚的碎碳化钨34 层，该碎碳化钨层34旋转布置地放置在PDC切削元件30后面。在图 l的实施例中，碎碳化钨层34周向较宽，轴向短，并且从PDC切削 元件30排的大约中点上沿轴向开始，而在图l的实施例中，它放置在 至少沿PDC切削元件30的整个轴向范围轴向伸展的细长槽内。例如， 支承元件36以碳化鴒卵形体的形式放置在PDC切削件30和较厚的碎 碳化鵠层34之间的外周上的倾斜部分中且在刀片20的外表面中的凹 陷中。也考虑使用其他类型和结构的支承元件，例如，比如带有半球 形头的PDC支承元件或其他合适材料制成的支承元件。PDC切削元 件30的轴向后面的刀片20的径向外表面32设有一层或多层碳化鴒 38。在图l的实施例中，碳化钨层38基本上在每个刀片20的整个径 向外表面上延伸，而图2的实施例中，碳化鴒基本上设在沿刀片20 的前缘和后缘旋转设置地延伸的槽中的两个细长的层38中。旋转设置 的后层38朝向头部14轴向延伸，以便在较厚的碳化鴒层34后面旋转 设置地延伸，所述碳化钨层具有沿外周位于其间的支承元件36。在刀 片20的末端处的轴向后斜面22设有较厚的碳化鵠层40。
扩眼工具10的头部构造成具有解析推导出的壳(壁)厚度，所述 壳厚度的选择用于便于钻出眼。最小厚度通过对施加在使用过程中的 扩眼工具IO上的预定重量和扭矩进行有限元分析(FEA )来进行设计。 该厚度被优化使得在希望负载参数之上，该设计提供一个2到3的安 全系数，扩眼工具IO在该负载参数下被插入。
头部14凹度的程度可以是变化的，为扩眼工具IO提供在穿过地 层时能引导自己的能力，同时允许钻出头部部分而在井眼中不留下大 碎屑块。特别是在头部的面之上伸出的头部区域中没有刀片20允许头 部中的主体壳材料的连续切削，使扩眼工具PDC的钻头可钻孔。
如前面所注意到的，包括碳化鴒卵形端部的插入件或由其他合适 材料形成的支承元件36相对于PDC切削元件30以及碳化鵠层的暴露
9量大，从而阻止了刀片20所承载的超研磨切削元件和套管或衬管内部 之间的破坏性接触，扩眼工具IO可以在套管或衬管中操作。
PDC切削元件30以及碳化鴒层34、 38和40使能够进行旋转扩 眼或往复扩眼。碳化钨层34、 38和40的完全外周覆盖使能够进行往 复扩眼。PDC切削元件30使能够沿传统的顺时针方向进行攻击性旋 转扩眼。碳化钨层34和38延伸至位于刀片20旋转布置的前缘与后缘 上的保径面的顶部，允许扩眼工具IO也能沿逆时针方向旋转扩眼。刀 片20还包括倾斜的旋转布置的前缘以减少反扭矩和减少侧向切削供 给性。在刀片20的轴向后端上的厚碎碳化鵠层提供了向上扩眼的能 力。
现在参照图5A-5C，图5A描述了一种传统的PDC旋转刮刀钻头 D的外表面牙轮轮廓，在刮刀钻头D与头部14的内表面IS接合之前， 所述刮刀钻头D放置在扩眼工具10的主体12内。为了清楚起见省略 了旋转刮刀钻头D表面上所承载的PDC切削元件，以及与所述PDC 切削元件一起显示的与其上所暴露的表面轮廓基本上相同的牙轮轮廓 CP。在图5B中，旋转刮刀钻头D与头部14的内表面IS接合并且已 经部分地钻通其中。如可以看到的，头部14的中间凹入部分的内表面 S呈现出与牙轮轮廓CP的锥角相似的锥角，而其外表面OS呈现了较 陡的锥角，造成扩眼工具10的中心线L附近的壁较薄，并且确保头部 14将从中心线L朝向过渡台肩壁18钻出(最后钻出过渡台肩壁)，并 且确保头部14没有任何大碎屑。如前面所注意到的，PDC切削元件 30(图5A-5C没有示出)沿旋转刮刀钻头D的钻出直径径向向外地完 全移出。图5C描述了头部14的凹入部分的完全钻出和过渡台肩壁18 的部分钻出，径向从内向外的钻出方式确保了在钻出之后头部不保留 没有切到的部分。
虽然在说明性的具体实施例的内容中已经描述了本发明，但是所 述领域的技术人员将承认本发明不限于此。对所属领域的技术人员来 说，在本发明范围内对所描述 的实施例进行补充、修改和删减是显而 易见的。
权利要求
1. 扩眼工具，包括基本上管状的主体，所述主体具有凹入的头部，所述头部经过基本上弧形的台肩过渡区域延伸至侧壁；以及切削结构，所述切削结构被构造并位于基本上管状的主体的侧壁上，用于与井眼侧壁接触。
2. 根据权利要求l所述的扩眼工具，其中凹入的头部包括延伸至 主体内部、贯穿其中的至少一个出口。
3. 根据权利要求1所述的扩眼工具，还包括 沿周向间隔开的、螺旋构造的多个刀片，所述多个刀片在所述主体的外部上，从靠近台肩过渡区域处延伸并且在其间形成了排屑槽， 每个刀片的轴向前端与所述主体基本上无距离地开始、并且沿径向向 外倾斜到与所述主体基本上恒定距离的部分、然后径向向内延伸至倾 斜的轴向后端；以及多个切削元件，所述多个切削元件布置成靠近多个刀片中的每一 个的轴向前端并沿着所述多个刀片中的每一个的旋转布置的前缘放 置。
4. 根据权利要求3所述的扩眼工具，还包括所述多个刀片中的每 一个上的至少一个支承元件，所述支承元件位于靠近所述刀片轴向前 端并且旋转布置在所述多个刀片上的所述多个切削元件的后面。
5. 根据权利要求3所述的扩眼工具，还包括碳化鵠层，所述碳化 钨层靠近每个刀片的轴向前端并且旋转布置地拖戋在所述至少一个支 承元件的后面。
6. 根据权利要求3所述的扩眼工具，还包括多个附加出口，所述 附加出口延伸经过所述弧形台肩过渡区域，延伸到所述主体内部，每 一个出口基本上沿周向对准排屑槽。
7. 根据权利要求3所述的扩眼工具，其中所述多个刀片中的每一 个的倾斜的轴向后端上承载碎碳化鵠层。
8. 根据权利要求3所述的扩眼工具，其中轴向拖曳在所述多个切 削元件后面的所述多个刀片中的每一个的旋转布置的前缘是倾斜的并 且相对不具有进攻性。
9. 根据权利要求3所述的扩眼工具，每一个刀片的径向外表面之 一的至少一部分、每一个刀片的邻近旋转布置的前缘的部分和每一个 刀片的邻近旋转布置的后缘的部分覆盖着碳化鵠。
10. 根据权利要求3所述的扩眼工具，其中所述多个刀片的螺旋 结构的斜度足够陡以便提供绕所述主体的至少基本上整个外周覆盖的 刀片。
11. 根据权利要求3所述的扩眼工具，其中所述多个切削元件包 括从聚晶金刚石复合片切削元件、热稳定产品的金刚石切削元件、孕 镶金刚石的切削元件、立方氮化硼切削元件、碳化鵠切削元件中选取 的一种切削元件。
12. 根据权利要求1所述的扩眼工具，其中头部的中心部分具有 比头部的周边部分薄的壁。
13. 根据权利要求12所述的扩眼工具，其中，所述头部的至少中 心部分的壁厚从其中心径向向外朝向周边部分逐渐增加。
14. 根据权利要求1所述的扩眼工具，其中所述头部的内表面的 横截面构造成初始与传统聚晶金刚石复合片钻头的牙轮轮廓接合并且 在聚晶金刚石复合片钻头放置在靠近所述内表面的中心部分的扩眼工 具内时对中聚晶金刚石复合片钻头。
15. 根据权利要求14所述的扩眼工具，其中所述头部在靠近其中 心部分处具有比靠近其周边的壁厚更大的壁厚。
16. —种钻出扩眼工具的方法，所述扩眼工具构造成扩眼鞋，所 述扩眼鞋具有在其轴向前端的头部和轴向延伸至其后部的侧壁。所述 方法包括最初使靠近其中心部分的头部的内表面与钻头接合； 旋转扩眼工具内部的钻头；以及从所述头部的中心部分径向向外朝向其周边部分钻出头部。
17. 根据权利要求16所述的方法，还包括通过使钻头与所迷内表 面的中心部分接触而使钻头在所述头部内对中。
18. 根据权利要求16所述的方法，还包括使用带有聚晶金刚石复 合片切削元件的钻头钻出扩眼工具，并且避免钻头的聚晶金刚石复合 片切削元件与扩眼工具的侧壁上的切削结构的接触。
19. 根据权利要求16所述的方法，其中，从头部中心部分径向向 外朝向其周边部分钻出头部包括在钻出相对薄壁的周边部分之前先钻 出相对薄壁的中心部分。
20. 根据权利要求16所述的方法，还包括钻出头部之后留下侧壁 的主要部分是完好无损的。
全文摘要
一种扩眼工具(10)包括具有中心凹入的头部(14)的管状主体(12)。在其间形成了排屑槽(24)的多个刀片(20)轴向延伸到头部(14)的后面并且从管状主体的外部向外倾斜。刀片(20)的旋转布置的前缘从轴向前端承载多个切削元件(30)。选定的表面和边缘承载有碳化钨，所述碳化钨可能是碎碳化钨。头部(14)的壳的设计构造成确保从其中心线朝向管状主体的侧壁(16)钻出。本发明也提出了一种钻出扩眼工具的方法。
文档编号E21B10/26GK101479439SQ200780023968
公开日2009年7月8日 申请日期2007年5月14日 优先权日2006年5月15日
发明者E·E·麦克莱恩, J·B·伦德, J·C·托马斯, L·I·克拉克 申请人:贝克休斯公司