孔底切削工具的制作方法

孔底切削工具的制作方法
【專利摘要】一種用于對鉆孔擴孔的工具，包括具有中心軸線的管狀本體(101)、被安裝至所述本體的孔口擴孔鉆段(110)以及被安裝至所述本體的孔底擴孔鉆段(130)。每個擴孔鉆段都包括從所述本體徑向延伸的第一刀片。每個刀片都具有孔口端、與所述孔口端相反的孔底端以及面對地層表面。所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的所述面對地層表面被布置在半徑R1處，其中，當從所述孔口端至所述孔底端移動時，所述半徑R1增大。所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片的所述面對地層表面被布置在半徑R1’處，其中，當從所述孔口端至所述孔底端移動時，所述半徑R1’減小。所述工具還包括被安裝至每個擴孔鉆段的所述第一刀片的所述面對地層表面的切削元件。
【專利說明】孔底切削工具
[0001]【技術領域】相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2011年12月27日提交的題為“孔底切削工具”的美國臨時專利申請序列號61/580，443的權益，其公開內容在此通過引用以其整體并入。
[0003]關于聯邦資助研究或開發的聲明
[0004]不適用。

【技術領域】
[0005]本申請主要涉及孔底鉆鑿操作。更具體地，本發明涉及用于鉆鑿鉆孔的工具。仍更具體地，本發明涉及用于在鉆鑿操作期間擴大鉆孔的擴孔鉆工具。

【背景技術】
[0006]鉆土鉆頭被連接至鉆柱的下端，且通過從地面旋轉鉆柱，通過孔底馬達，或以這兩種方式，旋轉該鉆頭。通過施加的鉆壓(WOB)，旋轉的鉆頭接合地層，并且繼續沿預定路徑朝著目標區域形成鉆孔。
[0007]在鉆鑿操作中，成本通常與將鉆孔鉆至期望深度和位置所耗費的時間長度成比例。繼而，鉆鑿鉆井所需的時間主要受必須將鉆孔工具改變或添加至鉆柱以便完成鉆孔的次數影響。這確實如此，這是因為每次改變或添加工具，必須一段一段地從鉆孔中收回可能有幾英里長的鉆管的整個鉆柱。一旦鉆柱已經收回，并且已經改變或添加工具，則鉆柱必須被一段一段地構造且降回至鉆孔中。被稱為鉆柱的“起下鉆(trip)”的該過程需要很多的時間、工作和成本。因為鉆鑿成本通常約為每小時幾千美元，所以期望減少必須對鉆柱起下鉆以完成鉆孔的次數。
[0008]在油和氣鉆鑿操作中，也期望實現良好的鉆孔質量。然而，當鉆鑿長的水平鉆孔時，實現良好的鉆孔質量能夠特別有挑戰性。特別地，為了保持鉆孔路徑盡可能地接近水平，鉆機可能必須定期改變鉆孔路徑的方向，這是因為重力趨向于導致鉆頭下降至稍微低于水平。因此，鉆機必須通過方向馬達或可旋轉操縱組件做出修正，從而將鉆頭重新提回水平。不幸地，這些重復修正能夠導致在鉆孔中形成突起和/或尖銳角部，它們干涉隨后經過的工具的通道。
[0009]可使用擴孔鉆，以去除鉆孔中的突起和尖銳角部。對于非膨脹式擴孔鉆，擴孔鉆的直徑受鉆頭和擴孔鉆必須穿過的鉆孔中的套管直徑的限制。如果與鉆頭一起使用具有相同或小于鉆頭直徑的同心非膨脹式擴孔鉆，則擴孔鉆將大體沿鉆頭的路徑，并且可能在去除突起和/或尖銳角部時無效。偏心擴孔鉆將鉆孔擴大為大于鉆頭直徑的直徑，并且通常有效地去除突起和尖銳角。大多數傳統的偏心擴孔鉆都具有多個筆直的周向間隔的刀片，該刀片襯有被設計成接合并剪切鉆孔側壁的切削元件。刀片繞工具不均勻地分布，且因而占用的空間小于工具的總周長，由此使擴孔鉆偏心。
[0010]傳統實施是當鉆出新一段鉆孔時，不與鉆頭一起使用偏心擴孔鉆，這是因為擔心導致損傷套管和/或擴孔鉆刀片上的切削元件。因此，在鉆鑿新一段鉆孔之后，鉆機將做出專門的鉆孔起鉆，以將偏心擴孔鉆聯接至鉆頭，并且然后將鉆頭和擴孔鉆一起下鉆回到鉆孔中，以便對先前產生的鉆孔段擴孔。替代地，鉆機可單獨以鉆頭鉆出新一段，對鉆孔起鉆，并且然后通過偏心擴孔鉆回到鉆孔中，以對鉆孔擴孔。然而，在兩種情況下，都需要附加的對鉆柱起下鉆，以對鉆孔擴孔。
[0011]在鉆孔操作期間，可從地面(例如，通過頂驅動裝置或轉盤)，和/或通過孔底泥漿馬達來旋轉鉆頭。在僅通過孔底泥漿馬達旋轉鉆頭的鉆鑿操作中(即，當滑動時)，通常在泥漿馬達之后不使用偏心擴孔鉆。特別地，當滑動時，偏心擴孔鉆不旋轉，并且因而不打開鉆孔。此外，由于偏心擴孔鉆通常與下列鉆頭一起使用，該鉆頭所具有的直徑小于套管柱的內徑(以允許擴孔鉆穿過)，不旋轉的偏心擴孔鉆不能穿過這種鉆頭形成的鉆孔。
[0012]因此，本領域中仍存在一種對改進偏心擴孔鉆的需求，以在鉆鑿操作期間，通過沿鉆孔側壁去除突起和尖銳角部而使鉆孔的輪廓平滑。如果這種改進的偏心擴孔鉆適合用于結合鉆鑿新一段鉆孔的鉆頭一起使用，以及用于結合僅通過孔底馬達旋轉的鉆頭一起使用，則這種改進的偏心擴孔鉆將特別受歡迎。


【發明內容】

[0013]在一個實施例中，通過一種用于對鉆孔擴孔的工具解決了本領域的這些和其它需要。在實施例中，該工具包括管狀本體，該管狀本體具有中心軸線、第一端和相對第一端的第二端。另外，該工具包括被安裝至本體的孔口擴孔鉆段，和被安裝至本體且軸向布置在孔口擴孔鉆段的下方的孔底擴孔鉆段。每個擴孔鉆段都包括從本體徑向延伸的第一刀片。每個刀片都具有:孔口端；與孔口端相反的孔底端；從孔口端延伸至孔底端的面對地層表面；和從本體徑向延伸至面對地層表面的向前面對表面。孔口擴孔鉆段的第一刀片的面對地層表面被布置在垂直于中心軸線測量的半徑Rl處，其中，當從孔口擴孔鉆段的第一刀片的孔口端至孔底端移動時，半徑Rl增大。孔底擴孔鉆段的第一刀片的面對地層表面被布置在垂直于中心軸線測量的半徑R1’處，其中，當從孔底擴孔鉆段的孔口端至孔底端移動時，半徑R1’減小。此外，該工具包括被安裝至每個擴孔鉆段的第一刀片的面對地層表面的切削元件。被安裝至孔口擴孔鉆段的第一刀片的切削元件延伸至相對于中心軸線的下列半徑，該半徑小于或等于孔口擴孔鉆段的第一刀片的孔底端處的半徑Rl，并且被安裝至孔底擴孔鉆段的第一刀片的切削元件延伸至相對于中心軸線的下列半徑，該半徑小于或等于孔底擴孔鉆段的第一刀片的孔口端處的半徑R1’。
[0014]在另一實施例中，通過一種用于在大地地層中鉆鑿鉆孔的系統解決了本領域的這些和其它需要。在實施例中，該系統包括鉆柱，該鉆柱具有中心軸線、孔口端和孔底端。另夕卜，該系統包括被布置在鉆柱的孔底端處與鉆柱同軸對準的鉆頭。鉆頭被構造成在切削方向上繞中心軸線旋轉，從而將鉆孔鉆鑿至直徑Dl。此外，該系統包括在鉆頭和孔口端之間安裝至鉆柱的第一擴孔鉆段。第一擴孔鉆段被構造成在切削方向上繞中心軸線旋轉，從而將鉆孔擴孔至大于直徑Dl的直徑D2。第一擴孔鉆段包括一對第一刀片和一對第二刀片，其中，第一擴孔鉆段的刀片均勻地周向間隔，其中第一刀片彼此周向相鄰并且第二刀片彼此周向相鄰。每個刀片都具有:孔口端；與孔口端相反的孔底端；和從孔口端延伸至孔底端的面對地層表面。每個第一刀片的面對地層表面都被布置在相對于中心軸線的半徑Rl處，其中，當從孔口端至孔底端移動時，每個第一刀片的面對地層表面的半徑Rl都減小。每個第二刀片都徑向延伸至相對于擴孔鉆軸線的最大半徑R2，該半徑R2平行于中心軸線且從中心軸線徑向偏移，其中，小于半徑Rl的最大半徑R2處于每個第一刀片的孔底端處。又進一步地，該系統包括被安裝至每個第一刀片的面對地層表面的多個切削元件，其中每個切削元件都延伸至相對于中心軸線的下列半徑，該半徑小于或等于第一擴孔鉆段的每個第一刀片的孔口端處的第一半徑R1。每個切削元件都具有相對于切削方向的向前面對的切削面。
[0015]在另一實施例中，通過一種用于鉆鑿鉆孔的方法解決了本領域的這些和其它需要。在實施例中，該方法包括將鉆頭聯接至鉆柱的下端。另外，該方法包括在鉆頭和鉆柱的孔口端之間將擴孔工具聯接至鉆柱，其中，該擴孔工具包括具有中心軸線的管狀本體、以及從本體徑向延伸的孔底偏心擴孔鉆段；其中，該孔底偏心擴孔鉆段具有穿過直徑D1’。孔底擴孔鉆段被構造成，在切削方向上繞管狀本體的中心軸線旋轉，從而將鉆孔擴孔至直徑D2。孔底偏心擴孔鉆段進一步包括從管狀本體徑向延伸的切削刀片，該切削刀片具有孔口端、孔底端和被布置在從中心軸線徑向測量的半徑Rl處的面對地層表面，其中，當從孔口端至孔底端移動時，半徑Rl減小。另外，孔底偏心段包括被安裝至切削刀片的面對地層表面的多個切削元件，其中，每個切削元件都延伸至相對于中心軸線的下列半徑，該半徑小于或等于切削刀片的孔口端處的面對地層表面的半徑R1。此外，該方法還包括，穿過套管降低孔底偏心擴孔鉆段，該套管具有中心軸線以及內徑Di，內徑Di小于或等于穿過直徑D1’。內徑Di小于直徑D2。更進一步，該方法包括使管狀本體的中心軸線從套管的中心軸線偏移，同時穿過套管降低孔底偏心擴孔鉆段。
[0016]本文所述的實施例包括有意解決與某些現有技術的裝置、系統和方法的各種缺點的特征和優點的組合。上文已經較寬地概括地勾畫了本發明的特征和技術優點，以便可更好地理解本發明下文的詳細說明。通過閱讀下文詳細說明并且通過參考附圖，本領域技術人員應易于明白上述各種特征以及其他特點。本領域技術人員應明白，所公開的概念和特定實施例可易于被用作改進或設計其它結構的基礎，以執行本發明的相同目的。本領域技術人員也應明白，這些等效構造不脫離本發明的附加權利要求中提出的精神和范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了詳細地說明本發明的優選實施例，現在將參考附圖，在附圖中:
[0018]圖1是根據本文所述的原理的鉆鑿系統實施例的示意圖；
[0019]圖2是圖1的孔底切削工具的前側視圖；
[0020]圖3是圖1的孔底切削工具的后側視圖；
[0021]圖4是沿圖2的截面IV-1V截取的孔底切削工具并且例示孔口擴孔鉆段的橫截面頂視圖；
[0022]圖5是沿圖2的截面V-V截取的孔底切削工具并且例示下擴孔鉆段的橫截面頂視圖；
[0023]圖6是圖1的鉆頭和孔底切削工具的底視圖；
[0024]圖7是例示鉆頭和切削工具穿過處于鉆孔的上端處的套管降低的圖1的系統的放大局部視圖；和
[0025]圖8是套管中的圖7的下擴孔鉆段的底視圖。

【具體實施方式】
[0026]下文討論涉及各種例證性實施例。然而，本領域技術人員應理解，本文公開的實例具有廣泛應用，并且任何實施例的討論都不是旨在僅例證該實施例，并且不是旨在暗示，本公開的包括權利要求的范圍受限于該實施例。
[0027]遍及下文說明書和權利要求使用特定術語，以表示特殊部件或組件。本領域技術人員應明白，不同的人可能將相同的部件或組件稱為不同名稱。本文件不是旨在區分名稱而非功能不同的組件或部件。附圖不必按比例。比例夸大地，并且以稍微示意性的形式示出本文的特定部件和組件，并且為了清晰和簡明，可能不示出傳統元件的一些細節。
[0028]在下文討論和權利要求中，以開放形式使用術語“包括”和“包含”，并且因而應將其解釋為意思是“包括，但不限于…”。同樣地，術語“聯接”旨在意指間接或直接連接。因而，如果第一裝置聯接至第二裝置，該連接可以是通過直接連接，或者通過經其它裝置、組件和連接的間接連接。另外，本文使用的術語“軸向的”和“軸向地”大致意思是沿著或平行于中心軸線(例如，本體或端口的中心軸線)，而術語“徑向的”和“徑向地”大致意思是垂直于中心軸線。例如，軸向距離涉及沿著或平行于中心軸線測量的距離，并且徑向距離意思是垂直于中心軸線測量的距離。在說明書和權利要求中，任何對上或下的表示都是為了明晰，其中“上”、“上部”、“向上地”、“孔口”或“上游”意思是朝著鉆孔的地面，并且“下”、“下部”、“向下地”、“孔底”或“下游”意思是朝著鉆孔的終端，與鉆孔的取向無關。
[0029]現在參考圖1，其中示意性示出鉆鑿系統10的實施例。在該實施例中，鉆鑿系統10包括:鉆機20，其被設置在穿透地下地層12的鉆孔11上；套管14，其從地面延伸到鉆孔11的上部部分中；和鉆柱30，其從鉆機20的鉆塔21懸置在鉆孔11中。套管14具有中心軸線或縱向軸線15以及內徑D14。鉆柱30具有中心軸線或縱向軸線31、聯接至鉆塔21的第一或孔口端30a以及相對第一端30a的第二或孔底端30b。另外，鉆柱30包括處于孔底端30b處的鉆頭40、孔底切削工具100、軸向相鄰的鉆頭40和從切削工具100延伸至孔口端30a的多個管接頭33。管接頭33首尾連接，并且工具100與最下的管接頭33和鉆頭40首尾連接。井底組件(BHA)能夠被布置在鉆柱30中，接近鉆頭40(例如，在軸向上處于鉆頭40和工具100之間)。
[0030]在該實施例中，通過從地面旋轉鉆柱30來旋轉鉆頭40。特別地，鉆柱30被轉盤22旋轉，轉盤22接合被聯接至鉆柱30的孔口端30a的凱氏方鉆桿(Kelly) 23。凱氏方鉆桿23，以及因此鉆柱30通過允許鉆柱30相對于鉆塔21旋轉的轉體25，從附接至游車(未示出)的鉤子24懸置。雖然在該實施例中，通過鉆桿30從地面使鉆頭40旋轉，但是大體上，能夠以被布置在BHA中的孔底泥漿馬達而被旋轉的轉盤或頂驅動裝置，或其組合(例如，通過經鉆柱的轉盤和泥漿馬達兩者而被旋轉，通過頂驅動裝置和泥漿馬達兩者而被旋轉等)，來旋轉鉆頭(例如鉆頭4 0)。例如，可采用經孔底馬達旋轉，以視需要，補充轉盤22的旋轉動力，和/或在鉆孔過程中改變效果。因而，應明白，本文公開的各個方面適于對這些鉆孔構造中的每一種而改變，并且各個方面不限于傳統旋轉鉆鑿操作。
[0031]在鉆孔操作中，地面處的泥漿泵通過轉體25中的端口，將鉆鑿流體或泥漿向下泵送至鉆柱30的內部。鉆鑿流體通過鉆頭40端面中的端口或噴嘴離開鉆柱30，并且然后通過鉆柱30和鉆孔11側壁之間的環形空間13循環回至地面。鉆鑿流體的作用是潤滑和冷卻鉆頭40，并且將地層切削物輸送至地面。
[0032]現在參考圖2和3，其中示出孔底切削工具100。如下文更詳細描述的，隨著鉆頭40鉆出鉆孔11，工具100起擴大鉆孔11的作用。在該實施例中，孔底切削工具100包括細長管狀本體101、第一或孔口偏心擴孔鉆段110、以及在孔口擴孔鉆段110的下方軸向間隔的第二或孔底偏心擴孔鉆段130。管狀本體101具有與鉆柱軸線31 (圖2和3中未示出)一致的中心或縱向軸線105、第一或孔口端101a、與孔口端1la相反的第二或孔底端101b、在端部101a、b之間軸向延伸的大體圓柱形外表面102,以及在端部101a、b之間軸向延伸的內部通孔103。孔103允許鉆鑿流體穿過工具100至鉆頭40(圖2和3中未示出)。在鉆鑿操作期間，工具100在切削方向106上繞軸線105旋轉。
[0033]本體101的外表面102包括軸向布置在端部101a、b之間的環狀圓柱形凹部104。因而，外表面102的直徑在凹部104中減小。在該實施例中，凹部104離每個端部101a、b在軸向上等距。在該實施例中，孔底端1lb包括凸出銷端108，凸出銷端10連接至鉆頭40的匹配凹入槽端，并且孔口端1la包括凹入槽端107，凹入槽端107連接至處于最下管接頭33的下端處的匹配凸出銷端。
[0034]現在參考圖2-5，每個擴孔鉆段110、130都分別包括從凹部104徑向向外延伸的多個周向間隔的螺旋形刀片111、112和131、132。在該實施例中，刀片111、112、131、132—體形成為工具本體101的一部分。換句話說，刀片111、112、131、132和本體101是整體的一體。如下文更詳細描述的，刀片111、131被設計成切削和剪切鉆孔11的側壁，而刀片112、132主要是在套管14內部旋轉期間，起穩定支承表面的作用。
[0035]如圖4和5中最佳示出的，在該實施例中，孔口擴孔鉆段110包括四個平行刀片一一對刀片111和一對刀片112 ;并且孔底擴孔鉆段130包括四個平行刀片一一對刀片131和一對刀片132。在該實施例中，孔口擴孔鉆段110的刀片111、112繞本體101均勻地周向間隔，并且孔底擴孔鉆段130的刀片131、132繞本體101均勻地周向間隔。因而，總共四個刀片111、112繞軸線105成90°角地間隔隔開，并且總共四個刀片131、132繞軸線105成90°角地間隔隔開。另外，刀片111、112被布置成，刀片111彼此周向相鄰并且刀片112彼此周向相鄰。因而，每個刀片111都與一個刀片112成180°角地間隔隔開。同樣地，刀片131、132被布置成，刀片131彼此周向相鄰并且刀片132彼此周向相鄰。因而，每個刀片131都與一個刀片132成180°角地間隔隔開。
[0036]再次參考圖2和3，每個刀片111、112、131、132都具有第一或孔口端140a、第二或孔底端140b、面對地層表面141、向前面對或前表面142和大體向后面對或后表面143。每個表面141、142、143都在相應刀片111、112、131、132的端部140a、b之間延伸。表面141與外表面102徑向間隔且在鉆鑿操作期間面對鉆孔11的側壁，并且表面142、143從外表面102徑向延伸至表面141。表面142被命名為“向前面對”或“前”，這是因為它們相對于旋轉切削方向106引導相應的刀片111、112、131、132 ;并且表面143被命名為“向后面對”或“后”，這是因為它們相對于旋轉切削方向106尾隨相應的刀片111、112、131、132。另外，刀片111、131大體周向對齊，并且刀片112、132大體周向對齊。更特別地，每個刀片111、112的孔底端140b都分別與一個刀片131、132的孔口端140a周向對齊，并且每個刀片111、112的孔口端140a都分別與一個刀片131、132的孔底端140b周向對齊。
[0037]仍參考圖2和3，刀片111、112、131、132大體繞工具本體101螺旋形延伸，并且如上所述的，刀片111、112彼此平行并且刀片131、132彼此平行。然而，刀片111、112不平行于刀片131、132——刀片111、112和刀片131、132在繞工具本體101的相對方向上螺旋形延伸。特別地，孔口擴孔鉆段110的每個刀片111、112的孔底端140b相對于旋轉切削方向106引導相應的刀片111、112，而孔底擴孔鉆段130的每個刀片131、132的孔口端140a相對于旋轉切削方向106尾隨相應的刀片131、132。
[0038]如圖4和5中最佳示出的，每個刀片111、131的面對地層表面141都分別被布置在從軸線105徑向測量的離面對地層表面141的外半徑R111和R131處。此外，每個刀片112、132的面對地層表面141都分別被布置在從軸線105’徑向測量的離面對地層表面141的外半徑R112和R132處，軸線105’平行于中心軸線105且從工具100的中心軸線105徑向偏移。另外，孔口擴孔鉆段110的刀片111、112在從孔底端140b至孔口端140a移動時漸縮或徑向向內傾斜，并且孔底擴孔鉆段130的刀片131、132在從孔口端140a至孔底端140b移動時漸縮或徑向向內傾斜。因而，在從孔底端140b至孔口端140a移動時，每個刀片111、112的面對地層表面141的半徑Rm、R112分別減小，并且在從孔口端140a至孔底端140b移動時，每個刀片131、132的面對地層表面141的半徑Rm、R132分別減小。因此，每個刀片111、112的面對地層表面141的半徑R111、R112分別在孔底端140b處最大而在孔口端140a處最小，因而每個刀片131、132的面對地層表面141的半徑R131、R132分別在孔口端140a處最大而在最小孔底端140b處最小。
[0039]為了清晰和進一步解釋，將每個刀片111、112的面對地層表面141的最大半徑Rm、R112 ( 即，每個孔底端140b處的半徑Rm、R112)分別稱為Rlllmax、R112max ;并且將每個刀片131,132的面對地層表面141的最大半徑Rm、R132 (即，每個孔口端140a處的半徑Rm、R132)分別稱為 ^131max Λ ^132max ° 在該實施例中，每個半徑Rlllmax和每個半徑R131max都相同，并且每個半徑R112max和每個半徑 R132max都相同。更進一步，每個半徑Rlllmax、R131max都大于每個半徑Rll2max、^132παχ° 因為每個半徑Rlllmax都大于每個半徑R112max,并且刀片111、112被布置成，刀片111周向相鄰并且刀片112周向相鄰，所以孔口擴孔鉆段相對于軸線105偏心；并且因為每個半徑R131max都大于每個半徑R132max,并且刀片131、132被布置成，刀片111周向相鄰并且刀片112周向相鄰，所以孔底擴孔鉆段也相對于軸線105偏心。
[0040]再次參考圖2-5，每個擴孔鉆段110、130都包括被安裝至每個刀片111、131的面對地層表面141的多個切削元件150。特別地，在每個刀片111、131上，切削元件150被布置成沿刀片111、131的前緣(即，沿表面141、142的交叉線)成行地彼此相鄰。在孔口擴孔鉆段110的刀片111上，切削元件150被設置成接近孔口端140a ;并且在孔底擴孔鉆段130的刀片131上，切削元件150被設置成接近孔底端140b。特別地，刀片111上的切削元件150沿每個刀片111的上半部分軸向并排設置，并且刀片131上的切削元件150沿每個刀片131的下半部分軸向并排設置。
[0041]通常，每個切削元件150都能夠為現有技術已知的任何適當類型的切削元件。在該實施例中，每個切削元件150都包括細長圓柱形碳化鎢支撐構件151、以及粘結至支撐構件151端部的硬質多晶金剛石(PD)切削層152。每個切削元件150的支撐構件151都被接收和固定在相應的刀片111、131的表面141中形成的凹口中，其中切削層152在一端上暴露。每個切削層152都具有相對于旋轉切削方向106的大體向前面對的切削面153。在該實施例中，切削面153大致是平的，但是在其它實施例中可能凸起或凹入。
[0042]每個切削面153都延伸至從相應的面對地層表面141至切削面153的徑向最外尖端徑向測量的延伸高度。在該實施例中，每個切削面153的延伸高度都相同。然而，由于當從孔底端140b至孔口端140a移動時，刀片111的面對地層表面141的半徑R111減小，所以在朝著孔口端140a移動時，被安裝至刀片111的切削面153相對于軸線105’延伸的半徑逐漸減小。同樣地，由于當從孔口端140a至孔底端140b移動時，刀片131的面對地層表面141的半徑R131減小，所以在朝著孔底端140b移動時，被安裝至刀片131的切削面153相對于軸線105’延伸的半徑逐漸減小。在該實施例中，被安裝至每個刀片111的最低切削面153延伸至等于半SRlllmax的半徑，在朝著孔口端140a移動時，被安裝至每個刀片111的其余切削面153延伸至逐漸減小的半徑；并且被安裝至每個刀片131的最高切削面153延伸至等于半徑R131max的半徑，其中在朝著孔底端140b移動時，被安裝至每個刀片131的其余切削面153延伸至逐漸減小的半徑。
[0043]如上所述，刀片111、131的半徑Rlllmax、R131max分別大于刀片112、132的半徑R112max、R132max，并且進一步地，刀片111、131包括對其安裝的切削元件150，以對鉆孔11的側壁擴孔。因而，刀片111、131也可被稱為“切削”刀片。刀片112、132的半徑R112max、R132max分別小于刀片111、131的半徑Rlllmax、R131max，刀片112、132不包括任何切削元件(例如，切削元件150)，并且刀片112、132大致作用是在套管的內側旋轉期間，作為穩定支承表面。因而，刀片112、132也可被稱為“穩定”刀片。
[0044]如圖4中最佳示出的，孔口擴孔鉆段110具有最小穿過直徑Dlltl，最小穿過直徑Dlltl代表孔口擴孔鉆段110能夠被起下鉆的最小直徑孔或鉆孔，并且如圖5中最佳示出的，孔底擴孔鉆段130具有最小穿過直徑D13tl,最小穿過直徑D13tl代表孔底擴孔鉆段130能夠被起下鉆的最小直徑孔或鉆孔。再次參考圖2-5，在該實施例中，由于刀片111、112、131、132(例如，刀片111、131周向對齊；刀片112、132周向對齊；半徑Rlllmax、R131max相同，且相對相同軸線105測量；并且半徑R112max、R132max相同，且相對相同軸線105’測量)以及關聯的切削元件150的定位、取向和構造，孔口擴孔鉆段110和孔底擴孔鉆段130橫跨下列基準平面120彼此為鏡像，該基準平面120被設置在擴孔鉆段110、130中間，且垂直于軸線105、105’地取向。因此，穿過直徑D11(l、D13tl相同，且同心對齊，以便擴孔鉆段110、130能夠同時穿過套管14，套管14具有的內徑D14等于或大于穿過直徑D11(l、D1300換句話說，如果套管14的內徑D14等于或大于穿過直徑D11(1、D13(i，擴孔鉆段110、130就分別能夠穿過其中。然而，如果套管14的內徑D14小于穿過直徑D11(l、D13tl，擴孔鉆段110、130就分別不能夠穿過其中。
[0045]再次參考圖4和5，當孔口擴孔鉆段110在繞軸線105的切削方向106上旋轉時，孔口擴孔鉆段110將孔切削或擴大為擴孔直徑Dlltl，，并且當下擴孔鉆段130在繞軸線105的切削方向106上旋轉時，下擴孔鉆段130將孔切削或擴大為擴孔直徑D13tl,。擴孔直徑Dlltl,大于穿過直徑Dlltl,由此，使得孔口擴孔鉆段110能夠將鉆孔11擴大為大于穿過直徑Dlltl的直徑Dlltl.。類似地，擴孔直徑D13tl，大于穿過直徑D13tl,由此，使得孔底擴孔鉆段130能夠將鉆孔11擴大為大于穿過直徑D13tl的直徑D13(i，。在本文所述的實施例中，優選地，每個擴孔直徑D11(1，、D13tl，分別大于每個穿過直徑D11(l、D130 ;更優選地，每個擴孔直徑Dlltl.、D13tl，分別大于每個穿過直徑D11(l、D13tl，且分別小于每個穿過直徑D11(l、D13tl的112% ;并且甚至更優選地，每個擴孔直徑D11(l，、D13(I，分別大于每個穿過直徑D11(1、D13(i，且分別小于每個穿過直徑D11(1、D13(i的105%。
[0046]雖然在該實施例中，穩定刀片112、132不包括任何切削元件150，但是在其它實施例中，一個或更多個切削元件150能夠被安裝至一個或更多個穩定刀片112的面對地層表面141且接近孔口端140a，并且一個或更多個切削元件150能夠被安裝至一個或更多個穩定刀片132的面對地層表面141且接近孔底端140b。然而，被安裝至刀片112、132的這種切削元件150分別不在徑向上延伸超過刀片112、132的半徑R112max、R132max。
[0047]雖然已經示出和描述了每個擴孔鉆段110、130都具有四個刀片(即，孔口擴孔鉆段I1包括兩個切削刀片111和兩個穩定刀片112 ;并且孔底擴孔鉆段130包括兩個切削刀片131和兩個穩定刀片132)，但是通常，每個擴孔鉆段(例如，擴孔鉆段110、130)上的刀片(例如，刀片111、112、131、132)的總數目能夠大于或小于四。例如，在一些實施例中，每個擴孔鉆段都包括五個或六個螺旋形刀片，而非四個。然而，與每個擴孔鉆段上的刀片總數目無關地，優選地，每個擴孔鉆段上的刀片都均勻地周向間隔。另外，在擴孔鉆段上的總刀片為奇數的實施例中，優選地，切削刀片至少比穩定刀片多一個。
[0048]現在參考圖6和7，鉆頭40被連接至工具本體101的孔底端101b，且具有與軸線105、鉆頭本體41和柄部42同軸對準的中心軸線45。在鉆孔操作期間，鉆頭40在上述切削方向46上繞軸線45旋轉。在該實施例中，鉆頭40是固定的切削鉆頭，其包括沿本體41的外部延伸的多個刀片43。如上所述的多個切削元件150被沿每個刀片43的前緣并排布置，以便每個切削面153都相對于旋轉切削方向106大體向前面對。鉆頭40具有由刀片43和切削元件150的徑向最外范圍限定的最大或全規格直徑D4(i。在該實施例中，鉆頭40的全規格直徑D4tl分別大于每個擴孔鉆段110、130的穿過直徑D11(l、D13tl,且分別小于每個擴孔鉆段110、130的擴孔直徑D11(i，、D13(i，。多個端口或噴嘴44被布置在本體41中，且被構造成在鉆鑿操作期間允許鉆鑿流體(例如，鉆鑿泥漿)流過其中，以潤滑和冷卻鉆頭40，并且將地層切削物攜帶至地面。
[0049]現在參考圖7，在鉆孔操作期間，工具100和鉆頭40在切削方向106上旋轉。通過施加W0B，鉆頭40接合并切削地層。隨著地層的碎屑被破碎，并通過鉆鑿泥漿運輸至地面，鉆頭40沿預定軌跡前進，從而延長鉆孔11。在直接在套管14的下方鉆鑿的最初階段期間，工具100被布置在套管14內，且工具100隨著鉆柱30旋轉，從而旋轉鉆頭40。在大多數傳統的偏心擴孔鉆中，通常都不鼓勵擴孔鉆在套管(例如，套管14)內旋轉，這是因為擴孔鉆可能不利地切削和損傷套管，潛在地威脅鉆井的整體性。特別地，大多數偏心擴孔鉆的尺寸都被設計成，使得它們能夠軸向前進穿過套管，且然后將鉆孔直徑擴孔至大于套管直徑。為了最大化被擴孔的鉆孔直徑，傳統的擴孔鉆的尺寸都被設計成盡可能地大，同時能夠前進穿過套管。因此，當這種偏心擴孔鉆在套管內旋轉時，其可能將套管內部擴大為大于套管本身的內徑的直徑，由此潛在地損傷套管。然而，在本文所述的實施例中，擴孔鉆段110、130被構造成，使得它們能夠在套管14內旋轉，而沒有造成損傷套管14的明顯風險。
[0050]如圖8中最佳示出的，擴孔鉆段110、130的尺寸盡可能地大，同時仍能夠穿過套管14——穿過直徑D11(l、D130等于或稍微小于套管14的內徑D14。應明白，雖然圖8僅示出套管14中的上擴孔鉆段110，但是下擴孔鉆段130以相同的方式起作用。由于擴孔鉆段110、130偏心，所以當工具100被布置在套管14中時，工具100的中心軸線105從套管14的中心軸線15軸線偏移，并且軸線105’與套管14的軸線15同軸對準。如上所述，如果允許工具100繞工具軸線105在切削方向106上旋轉，擴孔鉆段110、130就將套管14的內部擴大為直徑D11(l、D13tlt5然而，在套管14中，擴孔鉆段110、130不繞軸線105旋轉；在套管14中，迫使擴孔鉆段110、130繞對準的軸線15、105’旋轉。更特別地，切削元件150被安裝至被布置在半徑Rlllniax處的刀片111的遠側前端140b，并且切削元件150被安裝至被布置在半徑R131-處的刀片131的遠側前端140a。被布置在前端140a、140b處的半徑Rlllmax' R131max處的平滑面對地層表面141分別與套管14的平滑內圓柱形表面的接合，連續地迫使擴孔鉆段110、130繞軸線15、105’旋轉，且防止切削面153切入套管14中。由于迫使偏心擴孔鉆段110、130繞套管14的軸線15旋轉，所以套管14內的擴孔鉆段110、130的旋轉直徑等于穿過直徑D11(1、D13(i，由此使得工具100和擴孔鉆段110、130能夠在旋轉的同時軸向穿過套管14，而不擴大或損傷套管14。
[0051]現在參考圖1和7，一旦鉆頭40已經充分前進，工具100就離開套管14的下端。一旦工具100不接觸套管14，刀片111、131的前端140b、140a上的面對地層表面141就分別不再滑動接合套管14的平滑圓柱形內表面，并且因而，不再迫使擴孔鉆段110、130繞套管軸線15、105’旋轉。相反，一旦工具100不接觸套管14，擴孔鉆段110、130就繞工具軸線105旋轉，由此使得擴孔鉆段110、130能夠將鉆孔11擴大為大于直徑D14、D110, D130的直徑D11(l，、D⑶，。當鉆鑿新一段鉆孔11時(即，在工具100穿過鉆孔11前進期間)，孔底擴孔鉆段130就引導孔口擴孔鉆段110并起主擴孔鉆的作用，而當將工具100從鉆孔11起鉆時(即，從鉆孔11縮回工具100期間)，孔口擴孔鉆段110引導孔底擴孔鉆段130并起主擴孔鉆的作用。孔底擴孔鉆段130的切削元件150被布置成接近刀片131的下端140b，并且當從刀片131的孔底端140b朝著孔口端140a軸向移動時，切削元件150延伸至逐漸增大的半徑；并且孔口擴孔鉆段110的切削元件150被布置成接近刀片111的孔口端140a，并且當從孔口端140a朝著刀片111的孔底端140b軸向移動時，延伸至逐漸增大的半徑。因而，當鉆鑿新段的鉆孔11時，工具100繞軸線105在切削方向106上旋轉，并且孔底擴孔鉆段130引導孔口擴孔鉆段110，并且更特別地，隨著工具100穿過鉆孔11軸向前進，孔底端140b引導刀片131，由此隨著孔底擴孔鉆段130穿過鉆孔11軸向前進，使得被安裝至刀片131的切削元件150能夠將鉆孔11的直徑逐漸增大至直徑D13cr。當從鉆孔11對工具100起鉆時，工具100在繞軸線105的切削方向106上旋轉，并且孔口擴孔鉆段110引導孔底擴孔鉆段130，并且更特別地，隨著工具100穿過鉆孔11軸向前進，孔口端140a引導刀片111，由此使得隨著孔口擴孔鉆段110穿過鉆孔11前進，被安裝至刀片111的切削元件150能夠將鉆孔11的直徑逐漸增大至直徑Dlltl,。通過上述方式，工具100和擴孔鉆段110、130能夠在套管14內旋轉，而不切削或損傷套管14，且將鉆孔11擴大為大于套管的內徑D14的直徑Dlltl,、D13tl,。在套管14內，迫使擴孔鉆段110、130繞套管14的軸線15旋轉，然而，一旦擴孔鉆段110、130不接觸套管14，擴孔鉆段110、130就繞工具100的軸線105旋轉。另外，工具100和擴孔鉆段110、130能夠在鉆鑿新段的鉆孔11的同時，以及在從鉆孔11對工具100起鉆的同時，對鉆孔11擴孔。此外，擴孔鉆段110、130能夠結合下列鉆頭(例如，鉆頭40)使用，該鉆頭被泥漿馬達單獨旋轉。特別地，由于擴孔鉆段110、130的穿過直徑D11(1、D13(i分別稍微小于鉆頭的直徑(例如，鉆頭40的直徑D4tl),該鉆頭直徑等于或稍微小于套管直徑(例如，直徑D14),所以擴孔鉆段110、130能夠穿過被鉆頭(例如，鉆頭40)鉆鑿的鉆孔(例如，鉆孔11)，也不在其中旋轉。
[0052]在上文示出和描述的工具100的實施例中，擴孔鉆段110、130沿一體件101軸向間隔隔開。然而，在其它實施例中，擴孔鉆段(例如，擴孔鉆段110、130)能夠被布置在不同的管狀件、工具或本體上。例如，下擴孔鉆段(例如，擴孔鉆段130)能夠被布置在與鉆頭(例如，鉆頭40)軸向相鄰的第一管狀本體上，并且上擴孔鉆段(例如，擴孔鉆段130)能夠被布置在軸向相鄰并聯接至第一管狀本體的第二管狀本體上。更進一步，在上文所示和所述的鉆柱30中，鉆頭40是下列單獨組件，其被以可移除的方式聯接至包括擴孔鉆段110、130的工具100。然而,在其它實施例中，鉆頭(例如,鉆頭40)和一個或兩個擴孔鉆段(例如，下擴孔鉆段110或擴孔鉆段110、130)能夠一體形成為單個組件或工具。此外，雖然聯接至擴孔鉆段110、130的鉆頭40是固定的切削鉆頭，但是在其它實施例中，擴孔鉆段(例如，擴孔鉆段110、130)能夠結合不同類型的鉆頭使用，諸如滾錐鉆頭。而且，在上文所示和所述的工具100的實施例中，擴孔鉆段110、130被布置在沿本體101的外表面102設置的凹部104中。然而，在其它實施例中，可不包括這種凹部104。此外，在其它實施例中，能夠沿本體101的外表面102包括凹部104，但是凹部104可不相對于端部101a、1lb等距。更進一步，雖然已經示出和描述了工具100的本體101的上端1la具有凹入槽端107，并且已經示出和描述了下端1lb具有凸出銷端108，但是在其它實施例中，上端1la可具有凸出銷端，和/或下端1lb可具有凹入槽端。此外，在一些實施例中，鉆頭40可具有凸出銷端式連接器。
[0053]雖然已經示出和描述了優選實施例，但是不脫離本發明的范圍或教導的情況下，本領域技術人員能夠做出其變型。本文所述的實施例僅為例證性而非限制性的。可能存在本文所述的系統、設備和過程的許多變體和變型，并且它們都在本發明的范圍內。例如，各種零件的相對尺寸、各種零件由其做成的材料以及其它參數都能夠變化。因此，保護范圍不限于本文所述的實施例，而是由所附權利要求限定，本發明的范圍應包括權利要求主旨的所有等效物。除非另外明確說明，否則可以任何次序執行方法權利要求中的步驟。在方法權利要求中的步驟之前的標識符，諸如(a)、(b)、(c)或(I)、(2)、(3)不是旨在指定并且不指定步驟的具體次序，而是用于簡化對這些步驟的提及。
【權利要求】
1.一種用于對鉆孔進行擴孔的工具，所述工具包括: 管狀本體，所述管狀本體具有中心軸線、第一端和與所述第一端相反的第二端； 孔口擴孔鉆段，所述孔口擴孔鉆段被安裝至所述本體；和 孔底擴孔鉆段，所述孔底擴孔鉆段被安裝至所述本體，且沿軸向位于所述孔口擴孔鉆段的下方； 其中，每個擴孔鉆段均包括從所述本體徑向延伸的第一刀片； 其中，每個刀片均具有孔口端、與所述孔口端相反的孔底端、從所述孔口端延伸至所述孔底端的面對地層表面、和從所述本體徑向延伸至所述面對地層表面的向前面對表面； 其中，所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的所述面對地層表面被布置在垂直于所述中心軸線測量的半徑Rl處，其中，當從所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的孔口端至孔底端移動時，所述半徑Rl增大； 其中，所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片的所述面對地層表面被布置在垂直于所述中心軸線測量的半徑R1’處，其中，當從所述孔底擴孔鉆段的孔口端至孔底端移動時，所述半徑R1’減小； 切削元件，所述切削元件被安裝至每個擴孔鉆段的所述第一刀片的所述面對地層表面，其中，安裝至所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的所述切削元件延伸至相對于所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小于或等于所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的所述孔底端處的半徑R1，并且安裝至所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片的所述切削元件延伸至相對于所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小于或等于所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片的所述孔口端處的半徑R1’。
2.根據權利要求1所述的工具，進一步包括被安裝至每個擴孔鉆段的所述第一刀片的所述面對地層表面的多個切削元件； 其中，安裝至所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的所述多個切削元件被布置成行，且靠近所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的所述孔口端； 其中，安裝至所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片的所述多個切削元件被布置成行，且靠近所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片的所述孔底端； 其中，安裝至所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的每個切削元件均延伸至相對于所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小于或等于所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的所述孔底端處的半徑R1，并且安裝至所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片的每個切削元件均延伸至相對于所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小于或等于所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片的所述孔口端處的半徑R1’。
3.根據權利要求2所述的工具，其中，所述孔口擴孔鉆段包括與所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片周向間隔開的第二刀片； 其中，所述孔底擴孔鉆段包括與所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片周向間隔開的第二刀片； 其中，所述孔口擴孔鉆段的所述第二刀片徑向延伸至垂直于擴孔鉆軸線測量的最大半徑R2，所述擴孔鉆軸線平行于所述中心軸線且從所述中心軸線偏移，其中，所述最大半徑R2小于所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的所述孔底端處的所述半徑Rl ;并且 其中，所述孔底擴孔鉆段的所述第二刀片徑向延伸至垂直于所述擴孔鉆軸線測量的最大半徑R2’，其中，所述最大半徑R2’小于所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片的所述孔口端處的所述半徑R1’。
4.根據權利要求3所述的工具，其中，所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片和所述第二刀片繞所述中心軸線均勻地周向間隔開； 其中，所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片和所述第二刀片繞所述中心軸線均勻地周向間隔開； 其中，所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片和所述第二刀片彼此平行地取向；并且 其中，所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片和所述第二刀片彼此平行地取向。
5.根據權利要求4所述的工具，其中，每個刀片均繞所述本體成螺旋形地延伸； 其中，所述孔口擴孔鉆段的每個刀片的所述孔底端相對于切削方向而引導所述孔口擴孔鉆段的相應刀片的孔口端； 其中，所述孔底擴孔鉆段的每個刀片的所述孔口端相對于所述切削方向而引導所述孔底擴孔鉆段的相應刀片的孔底端。
6.根據權利要求1所述的工具，其中，每個刀片均繞所述本體成螺旋形地延伸； 其中，所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的所述孔底端相對于切削方向而引導所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的孔口端； 其中，所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片的所述孔口端相對于所述切削方向而引導所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片的孔底端。
7.根據權利要求3所述的工具，其中，所述孔口擴孔鉆段包括一對周向相鄰的第一刀片以及一對周向相鄰的第二刀片； 其中，所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片和所述第二刀片均勻地周向間隔開； 其中，所述孔口擴孔鉆段的每個第一刀片的所述面對地層表面均被布置在垂直于所述中心軸線測量的半徑Rl處，其中，當從所述孔口擴孔鉆段的所述第一刀片的孔口端至孔底端移動時，每個半徑Rl均增大； 其中，所述孔口擴孔鉆段的每個第二刀片均徑向延伸至垂直于所述擴孔鉆軸線測量的最大半徑R2，其中，每個最大半徑R2均小于所述孔口擴孔鉆段的每個第一刀片的所述孔底端處的所述半徑Rl ； 其中，所述孔底擴孔鉆段包括一對周向相鄰的第一刀片以及一對周向相鄰的第二刀片; 其中，所述孔底擴孔鉆段的所述第一刀片和所述第二刀片均勻地周向間隔開； 其中，所述孔底擴孔鉆段的每個第一刀片的所述面對地層表面被布置在垂直于所述中心軸線測量的半徑R1’處，其中，當從所述孔底端至所述孔口端移動時，每個半徑R1’均增大； 其中，所述孔底擴孔鉆段的每個第二刀片均徑向延伸至垂直于所述擴孔鉆軸線測量的最大半徑R2’，其中，每個最大半徑R2’均小于所述孔底擴孔鉆段的每個第一刀片的所述孔口端處的所述半徑R1’。
8.一種用于在大地地層中鉆出鉆孔的系統，所述系統包括: 鉆柱，所述鉆柱具有中心軸線、孔口端和孔底端； 鉆頭，所述鉆頭被布置在所述鉆柱的所述孔底端處且與所述鉆柱同軸對準，其中，所述鉆頭被構造成繞所述中心軸線在切削方向上旋轉，從而將所述鉆孔鉆至直徑Dl ； 第一擴孔鉆段，所述第一擴孔鉆段在所述鉆頭和所述孔口端之間安裝至所述鉆柱，其中，所述第一擴孔鉆段被構造成繞所述中心軸線在所述切削方向上旋轉，從而將所述鉆孔擴大至大于直徑Dl的直徑D2; 其中，所述第一擴孔鉆段包括一對第一刀片和一對第二刀片，其中，所述第一擴孔鉆段的刀片均勻地周向間隔開，所述第一刀片彼此周向相鄰，并且所述第二刀片彼此周向相鄰; 其中，每個刀片都具有孔口端、與所述孔口端相反的孔底端、和從所述孔口端延伸至所述孔底端的面對地層表面； 其中，每個第一刀片的所述面對地層表面均被布置在相對于所述中心軸線的半徑Rl處，其中，當從所述孔口端至所述孔底端移動時，每個第一刀片的所述面對地層表面的半徑Rl均減小； 其中，每個第二刀片均徑 向延伸至相對于擴孔鉆軸線的最大半徑R2，所述擴孔鉆軸線平行于所述中心軸線且從所述中心軸線徑向偏移，其中，所述最大半徑R2小于在每個第一刀片的所述孔底端處的所述半徑Rl ； 多個切削元件，所述多個切削元件被安裝至所述第一刀片中的每一個的所述面對地層表面，其中，每個切削元件均延伸至相對于所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小于或等于在所述第一擴孔鉆段的所述第一刀片中的每一個第一刀片的所述孔口端處的所述半徑Rl ； 其中，每個切削元件均具有相對于所述切削方向的向前面對的切削面。
9.根據權利要求8所述的系統，進一步包括: 第二擴孔鉆段，所述第二擴孔鉆段在所述第一擴孔鉆段和所述鉆柱的所述孔口端之間安裝至所述鉆柱，其中，所述第二擴孔鉆段被構造成繞所述中心軸線在所述切削方向上旋轉，從而將所述鉆孔擴大至大于直徑Dl的直徑D3 ； 其中，所述第二擴孔鉆段包括一對第一刀片和一對第二刀片，其中，所述第二擴孔鉆段的刀片均勻地周向間隔開，所述第一刀片彼此周向相鄰，并且所述第二刀片彼此周向相鄰; 其中，所述第二擴孔鉆段的每個刀片均具有孔口端、孔底端、和從所述孔口端延伸至所述孔底端的面對地層表面； 其中，所述第二擴孔鉆段的每個第一刀片的所述面對地層表面均被布置在相對于所述中心軸線的半徑R1’處，其中，當從所述孔口端至所述孔底端移動時，所述第二擴孔鉆段的每個第一刀片的所述面對地層表面的半徑R1’均減小； 其中，所述第二擴孔鉆段的每個第二刀片均徑向延伸至相對于所述擴孔鉆軸線的最大半徑R2’，所述半徑R2’小于所述第二擴孔鉆段的每個第一刀片的所述孔口端處的所述半徑 R1’ ; 多個切削元件，所述多個切削元件被安裝至所述第二擴孔鉆段的每個所述第一刀片的所述面對地層表面，其中，每個切削元件都延伸至相對于所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小于或等于所述第二擴孔鉆段的每個第一刀片的所述孔底端處的所述半徑R1’。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，所述第二擴孔鉆段是所述第一擴孔鉆段橫跨下列基準平面的鏡像，所述基準平面位于所述第一擴孔鉆段和所述第二擴孔鉆段之間且面垂直于所述中心軸線取向。
11.根據權利要求9所述的系統，其中，每個刀片均成螺旋形地延伸； 其中，所述第一擴孔鉆段的每個第一刀片的所述孔口端與所述第二擴孔鉆段的一個第一刀片的所述孔底端周向對齊；并且 其中，所述第一擴孔鉆段的每個第一刀片的所述孔底端與所述第二擴孔鉆段的一個第一刀片的所述孔口端周向對齊。
12.根據權利要求11所述的系統，其中，所述第一擴孔鉆段的每個第二刀片的所述孔口端與所述第二擴孔鉆段的一個第二刀片的所述孔底端周向對齊；并且 其中，所述第一擴孔鉆段的每個第二刀片的所述孔底端與所述第二擴孔鉆段的一個第一刀片的所述孔口端周向對齊。
13.根據權利要求12所述的系統，其中，所述第一擴孔鉆段的每個刀片的所述孔口端均相對于所述切削方向而引導所述第一擴孔鉆段的相應刀片的所述孔底端；并且 其中，所述第二擴孔鉆段的每個刀片的所述孔底端均相對于所述切削方向而引導所述第二擴孔鉆段的相應刀片的所述孔口端。
14.根據權利要求8所述的系統，其中，所述第一擴孔鉆段的刀片彼此平行地取向； 其中，所述第一擴孔鉆段的每個刀片均繞所述中心軸線從所述孔口端成螺旋形地延伸至所述孔底端； 其中，所述第一擴孔鉆段的每個刀片的孔口端都相對于所述切削方向而引導所述第一擴孔鉆段的相應刀片的所述孔底端。
15.根據權利要求8所述的系統，其中，所述第一擴孔鉆段具有穿過直徑D1’； 其中，所述直徑D2大于所述穿過直徑D1’。
16.根據權利要求15所述的系統，其中，所述直徑D2小于所述穿過直徑D1’的112%。
17.一種用于鉆出鉆孔的方法，所述方法包括: (a)將鉆頭聯接至鉆柱的下端； (b)在所述鉆頭和所述鉆柱的孔口端之間將擴孔工具聯接至所述鉆柱，其中，所述擴孔工具包括具有中心軸線的管狀本體以及從所述本體徑向延伸的孔底偏心擴孔鉆段； 其中，所述孔底偏心擴孔鉆段具有穿過直徑D1’ ； 其中，所述孔底擴孔鉆段被構造成繞所述管狀本體的所述中心軸線在切削方向上旋轉，從而將所述鉆孔擴孔至直徑D2 ； 其中，所述孔底偏心擴孔鉆段包括: 從所述管狀本體徑向延伸的切削刀片，所述切削刀片具有孔口端、孔底端和被布置在從所述中心軸線測量的半徑Rl處的面對地層表面，其中，當從所述孔口端至所述孔底端移動時，所述半徑Rl減小； 多個切削元件，所述多個切削元件被安裝至所述切削刀片的所述面對地層表面，其中，每個切削元件都延伸至相對于所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小于或等于所述切削刀片的所述孔口端處的所述面對地層表面的所述半徑Rl ； (c)穿過套管降低所述孔底偏心擴孔鉆段，所述套管具有中心軸線以及內徑Di,所述內SDi小于或等于所述穿過直徑D1’ ；其中，所述內徑Di小于所述直徑D2 ;以及(d)在(c)期間，使所述管狀本體的所述中心軸線從所述套管的所述中心軸線偏移。
18.根據權利要求17所述的方法，進一步包括: (d)使所述鉆頭在切削方向上旋轉，以將所述鉆孔鉆至直徑Dl； (e)在所述套管內，使所述孔底偏心擴孔鉆段繞所述套管的所述中心軸線在所述切削方向上旋轉； (f)將所述孔底偏心擴孔鉆段降低到所述套管的下方的所述鉆孔內； (g)在(f)之后，使所述孔底偏心擴孔鉆段繞所述管狀本體的所述中心軸線旋轉，從而將所述鉆孔擴孔為直徑D2，所述直徑D2大于所述直徑Dl、所述穿過直徑D1’和所述直徑Di。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述切削刀片的所述孔口端相對于所述切削方向而引導所述切削刀片的所述孔 底端；并且 其中，(e)進一步包括使所述套管在所述切削刀片的所述孔口端處接合所述面對地層表面。
20.根據權利要求18所述的方法，其中，被安裝至所述切削刀片的所述面對地層表面的所述多個切削元件被布置成行，且靠近所述孔底端。
21.根據權利要求18所述的方法，其中，所述擴孔工具包括孔口偏心擴孔鉆段，所述孔口偏心擴孔鉆段從所述本體徑向延伸且位于所述孔底偏心擴孔鉆段和所述鉆柱的孔口端之間； 其中，所述孔口偏心擴孔鉆段具有與所述直徑D1’相同的穿過直徑D2’ ； 其中，所述孔口偏心擴孔鉆段包括: 從所述管狀本體徑向延伸的切削刀片，所述切削刀片具有遠離所述鉆頭的孔口端、靠近所述鉆頭的孔底端、以及面對地層表面，當從所述孔底端至所述孔口端移動時，所述面對地層表面徑向向內漸縮； 多個切削元件，所述多個切削元件被安裝至所述切削刀片的所述面對地層表面，其中，每個切削元件均延伸至下列半徑，所述半徑小于或等于所述切削刀片的所述孔底端處的所述面對地層表面的半徑R1’。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，(c)進一步包括穿過套管降低所述孔口偏心擴孔鉆段； 其中，(e)進一步包括在所述套管內使所述孔口偏心擴孔鉆段在所述切削方向上繞所述套管的所述中心軸線旋轉； 其中，所述孔口偏心擴孔鉆段的所述切削刀片的所述孔底端相對于所述切削方向而引導所述切削刀片的孔口端；并且 其中，(e)進一步包括在所述孔口擴孔鉆段的所述切削刀片的所述孔底端處，使所述套管與所述面對地層表面滑動接合。
23.根據權利要求22所述的方法，其中，安裝至所述孔口擴孔鉆段的所述切削刀片的所述面對地層表面的所述多個切削元件被布置成行，且靠近所述孔口端。
24.根據權利要求22所述的方法，進一步包括: (h)從所述鉆孔對所述鉆柱起鉆； (i)在(h)期間，使所述孔口偏心擴孔鉆段繞所述管狀本體的所述中心軸線旋轉，從而將所述鉆孔擴孔為直徑D3，所述直徑D3大于所述直徑Dl、所述穿過直徑D2’和所述直徑Di。
【文檔編號】E21B17/10GK104053850SQ201280065251
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2012年12月27日 優先權日:2011年12月27日
【發明者】羅杰·H·西爾瓦 申請人:國民油井Dht有限公司