專利名稱：巖層的水平定向鉆井鉆頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及地層鉆井，特別涉及水平定向鉆井。
本發明涉及定向鉆井裝置。這些裝置主要用于水平定向鉆井，特別用于地層和巖層鉆孔。鉆頭體中有低壓、大水量管道用于潤滑鉆頭和浮起鉆屑。
本發明裝置用于橫向或水平定向鉆井，此時必須在可定向的同時鉆透土層中的巖石之類巖層。有時稱為“無溝槽挖掘”的這一行業在路面、河流和/或湖泊之類固定體周圍埋設公用事業設備。現有鉆孔技術通常使用一鉆孔裝置或鉆孔機推進和/或轉動一由一連串互相連接的鉆管和一定向鉆頭構成的鉆具而鉆出一埋設一管或公用事業設施的地下通道。當鉆頭在管的上方或下方推進時一探頭緊隨其后。探頭把定位電子信號發給工人的接受裝置。
現有鉆井方法包括一鉆頭體和通常為同心的一鉆頭刀刃而鉆出直徑與鉆頭刀刃大致相同的一圓柱形孔。該現有方法和裝置通常使用高壓高速射流引導和冷卻鉆頭體和刀刃。本發明如鉆油井時常見的，把液體用作潤滑和浮起鉆屑，而不是通過噴射液體而進行引導。
所以現有水平定向鉆井裝置的一個重大缺點是無法鉆透巖石。在本發明之前，普遍認為大多數巖層由于巖石太硬而無法鉆透。而本發明裝置有革命性的進展而證明可鉆透所有巖層，包括花崗巖。此外，本裝置更容易對土層或沙層之類較容易鉆孔的地層鉆孔。
在臟物、沙、巖石或任何組合地層中鉆孔的本定向鉆孔裝置使用其上有固定和半浮動切削點的一鉆頭體和一個或多個用于潤滑和擴散鉆屑的液體管道。
與現有鉆頭裝置比較，本發明鉆頭裝到鉆頭體上的方法可生成一隨機的橢圓軌道運動，從而與鉆具的推動和轉動配合而造成一高沖力的破碎作用。
本裝置與鉆機的所有部件的大小和重量以及所使用的鉆孔方法直接有關。即，由于鉆透混合地層的新技術或操作程序日新月異，因此本鉆頭裝置的能力的確切上限現在還是未知數。
鉆頭體中的一凹槽用來在引導時減小鉆頭表面的橫截面密度以及在鉆孔過程中對齊引導件。
從結合附圖的下述詳細說明中可更充分理解本發明及其優點，附圖中
圖1為本發明鉆頭和探頭座的分解立體圖；圖2為本發明鉆頭和探頭座的俯視圖；圖3為鉆頭的放大分解立體圖；圖4為鉆頭和探頭座前部的部分零件剖視圖；圖5為沿圖4中5-5線的剖視圖；圖6是用于鉆頭的端柱的立體圖。
首先參看圖1-6，其中，相同部件用同一標號表示，使用本發明鉆頭的鉆井裝置是一種在巖石中進行水平定向鉆孔的裝置。該裝置使一鉆具104的一端上的一特殊形狀的鉆頭102邊掘進邊間斷性地轉動、停止轉動直到巖石破碎，然后在破碎后以隨機、間斷性的軌道運動移動。鉆具104最好在該鉆具的另一端用現有定向鉆孔機以大致不變的轉速在壓力下轉動。一液體(未示出)可泵入鉆具104中后從鉆頭102流出而潤滑該孔和擴散鉆屑。
按照本發明的另一個方面，在巖石中進行水平定向鉆孔的特殊形狀的非對稱鉆頭102包括一裝在一探頭座110的一端108上的鉆頭體106。從圖4可看得最清楚，鉆頭體106與探頭座110斜交，兩者所成角度較小，即約為15°。
鉆頭體106中裝有三個從一前部平面114(圖6)伸出的表面向前的端柱112。從一圓柱形側面118上伸出許多表面在徑向上的鉆頭體柱116。
每一個端柱112包括一個硬質合金頭117a、柱體117b和抓緊環117c，如圖3所示。多個抓緊環117c由分別位于柱體117b和圓柱形套117f的互補的半環形槽117d和117e固定住。從圖2可看得最清楚，三個表面向前的端柱112互相稍成角度，中間端柱112的縱向軸向與鉆具共平面，另兩個端柱向外張開。許多碎石護柱120從前部表面114與一引導凹面124的交線122(圖2)上伸出。鉆頭102在橫向引導面124中有一引導凹槽125。非對稱鉆頭102和探頭座110用螺紋連接件126連接。
工作時，可鉆透臟物、沙、巖石和/或任何混合地層的該定向鉆孔裝置使用其上有固定和半浮動切削點的鉆頭和一個或多個用于潤滑和擴散鉆屑的液體管道。清除高密度巖石或巖層的高沖力點破碎方法在鉆透更軟、密度較低的地層時還生成一高速軌道結點。本發明的主要特征是鉆頭102掘進時，時而停時而工作而破碎巖石，然后跳到一新位置。
鉆頭中的斜切凹座用來在所有地層中引導鉆頭。鉆頭體用可承受橫向載荷的凸緣-凹槽連接裝在其中有一個或多個液體管道的鉆具上。該非對稱連接法造成由鉆機的輸入轉矩和推力造成的鉆桿和鉆具的反作用而在鉆孔時生成隨機的橢圓運動而鉆出比現有同心鉆具大的孔。
本發明在堅硬巖層中的鉆孔是一種破碎過程，而不是現有鉆孔方法所使用的切削和剪切作業。水平定向鉆孔的公知方法是組合使用切削或剪切和射流。射流方法使用一高壓、高速液體，其目的是生成地層鉆屑的懸浮液或溶液后流入周圍地層或流出鉆孔。切削或剪切裝置使用液體潤滑鉆孔以及排走鉆屑。巖層不容易切削或剪切成碎屑，并且不溶解，或不含有容易用水溶劑或射流的水力溶解的粘接成分。
現有鉆頭或鉆孔方法尚未見結合巖石破碎的作業參數和大夾角偏置以便在軟土層中引導方向。
用于巖石和硬地層的本新穎非對稱定向鉆孔點組合使用巖石的點接觸破碎技術和用于硬土和軟土的大沖角技術。由于鉆頭的非對稱形狀因轉動和推動的組合而作偏心轉動，因此硬質合金點依靠隨機橢圓轉矩矢量完成破碎。一般被認為壓固成非常緊密的頁巖之類的巖石和干粘土也因鉆頭的非常尖的形狀而可鉆透。
該非對稱形狀因主鉆孔點的扭轉力矩而提高破碎效果，從而提高了鉆架的性能。鉆頭轉動時偏置的鉆孔點作為轉動中心點隨機地進行破碎而把橫向轉矩提高到同一直徑、形狀對稱從而直徑不變的鉆頭所能生成的實際橫向轉矩的3-8倍。
穩定帶有可更換、半永久硬質合金球齒的后管鞋上的向前切削點即可確定和調節鉆孔大小，這些硬質合金球齒破碎不規則表面，使鉆孔光滑并減小鉆頭體的磨損。
使用一種部分轉動鉆孔方法就實現了巖石或硬土的引導。這一方法是以預定轉位把鉆頭推入鉆孔面后轉動到同樣預定的轉動終位，然后拉回鉆頭。然后反復進行這一順序而形成所需轉數的鉆孔。
使用“部分轉動鉆孔方法”已成功地穿透堅硬頁巖、沙石、石灰石、Austin白堊和有鋼筋和無鋼筋的混凝土而成功地進行了許多鉆孔試驗。
使用常與平槳形鉆頭一起使用的標準非轉動推-引導方法可容易地引導軟地層。引鞋中的半橢圓形凹槽引導鉆頭而使它的路徑與由引導鉆頭所生成的弧面保持平行。
該“引導凹槽”還使坯體前表面面積減小50％以上，從而減小發生“地層堆積”的可能性。從而提高了推-引導性能，在筆直鉆孔時便于鉆屑在鉆頭下方流動。
該鉆頭不使用射流或定向液體提高鉆孔性能。液體用來清洗鉆頭以及把鉆屑排出鉆孔。鉆頭在正常鉆孔時不產生高壓。
使用了獨特的剪切卸載構件減小把鉆頭裝到探頭座上的連接件上的載荷。該剪切卸載構件包括一長方形橫截面的縱向凹槽和鉆頭背面上的一相配凸緣。該凸緣伸展在鉆頭背面的整個長度上而與該凹槽全部嚙合。工作時，該剪切卸載構件消除把鉆頭固定到探頭座上的連接件上的所有剪切載荷。這些連接件只形成夾緊力，而該剪切卸載構件消除作用在鉆頭上的巨大剪切力。
盡管上面結合一特定實施例說明了本發明，但應看到，本領域普通技術人員可在后附權利要求的范圍內作出種種改動和修正。
權利要求
1，一種在巖石中水平定向鉆孔的鉆頭，其特征在于，該鉆頭包括一裝在一探頭座的一端上的鉆頭體；所述鉆頭體與探頭座斜交；所述鉆頭體中裝有多個從一前部平面伸出的表面向前的端柱。
2，如權利要求1所述的鉆頭，其特征在于，從一側面上伸出多個表面在徑向上的鉆頭體柱。
3，如權利要求1所述的鉆頭，其特征在于，所述鉆頭包括三個表面向前的端柱。
4，如權利要求2所述的鉆頭，其特征在于，三個表面向前的端柱互相稍成角度。
5，如權利要求3所述的鉆頭，其特征在于，多個碎石護柱從前部平面與一引導面的交線上伸出。
6，如權利要求5所述的鉆頭，其特征在于，所述鉆頭帶有一引導凹面。
7，一種在巖石中水平定向鉆孔的鉆頭，其特征在于，該鉆頭包括一裝在一探頭座的一端上的鉆頭體；所述鉆頭體與探頭座斜交；所述鉆頭體中裝有三個從一前部平面伸出的表面向前的端柱；從一側面上伸出多個表面在徑向上的鉆頭體柱；所述三個表面向前的端柱互相稍成角度；多個碎石護柱從前部表面與一引導面的交線上伸出。
全文摘要
一種在臟物、沙、巖石或任何混合地層中定向鉆孔的鉆頭,使用其上有固定和半浮動切削點的一鉆頭體和一個或多個用于潤滑和擴散鉆屑的液體管道。
文檔編號E21B3/00GK1190150SQ9810020
公開日1998年8月12日 申請日期1998年1月5日 優先權日1997年2月5日
發明者戴維·M·考克斯 申請人:瑞爾海德地下產品有限責任公司