CN101999027B - 用于岩芯取样的声波钻头 - Google Patents

Abstract

一种用于岩芯取样的钻头，包括：本体，其具有中心轴线和第一端部，第一端部具有锥形外表面和与中心轴线横交的半径；以及钻刀，其具有以相对于半径成一定轴向角在第一端部上定向的刀刃面，以将钻探过程中的已移动材料移离第一端部。

Description

用于岩芯取样的声波钻头

技术领域

本申请总体涉及钻头以及制造和使用这种钻头的方法。特别地，本申请涉及用于采集芯样的声波钻头以及用于制造和使用这种钻头的方法。

背景技术

钻探工艺经常用于从地表面下取出所需材料的样本。在传统钻探工艺中，开式钻头附接到岩芯管的底部或前边缘。岩芯管附接到钻柱，钻柱是随着岩芯管移入地岩层内更深处时，逐个部分地组装在一起的一系列带螺纹并且连接在一起的钻杆。岩芯管旋入和/或推入所需地岩层内，以获取所需材料的样本（常称作芯样）。当获取芯样时，取出包含芯样的岩芯管。然后，可从岩芯管取出芯样。

具有比岩芯管直径大的直径的外套管可用于保持敞开的钻孔。与岩芯管相似，套管可包括开式钻头，该开式钻头连接到钻柱，但同样具有比岩芯管宽大的直径。通过将钻杆的各部分降下和提出钻孔，外套管以与岩芯管相同的方式钻进和移出。

在绳索钻探工艺中，岩芯管可下降到外套管内，然后在期望位置锁定到位。外套管可具有连接到钻柱的钻头，并钻进地岩层。其后，岩芯管和套管钻进地岩层，由此迫使芯样进入岩芯管。当获取芯样时，利用绳索系统撤出岩芯管，移出芯样，以及利用绳索系统将岩芯管降回到套管内。

当岩芯管钻进时，位于钻头刃面处和前面处的材料被移动。该移动的材料将选择具有最小阻力的路径行进，这可使已移动的材料进入岩芯管。该已移动材料可产生被扰动的、长形的、紧凑的、以及在某些情况下为加热的芯样。另外，该已移动材料经常被朝外推入地岩层内，这可使地岩层压紧并改变地岩层的原来状态。

此外，已移动材料也可进入外套管和钻孔壁之间的环形空隙内，致使摩擦和热量增大，以及致使套管变粘并粘附于钻孔内。当套管变粘或粘滞时，由于需要拉出套管并扩整和清除钻孔，钻探工艺减慢或甚至停止。

并且，变粘或粘滞的套管也可需要使用水、泥浆、或空气移除过量材料并清除外套管。附加的流体也可扰动样本，并且污染钻孔。

当钻探坚硬和/或干质地岩层时，可产生附加的困难。特别地，当钻探坚硬和/或干质地岩层时，已移动材料可难于移动。结果，经常多次重新钻探材料，从而产生热、低效以及粘附套管。

发明内容

一种用于岩芯取样的钻头，包括：本体，其具有中心轴线和第一端部，第一端部具有锥形外表面和与中心轴线横交的半径；以及钻刀，其具有以相对于半径成轴向角定向在第一端部上的刀刃面，以将钻探过程中的已移动材料移离第一端部。因此，这些钻头将已移动材料移离第一端部和岩芯管的入口。该设计容许采集具有高度代表性的、被最小程度地扰动的芯样。

附图说明

结合附图可更好地理解以下描述，其中：

图1A图示根据一个示例的钻探系统的地表部分；

图1B图示钻探系统的孔下部分；

图1C图示根据一个示例的钻探系统的孔下部分；

图2A图示根据一个示例的提升式钻头；

图2B图示根据一个示例的提升式钻头；

图3A图示根据一个示例的提升式钻头的立体图；

图3B图示根据一个示例的提升式钻头的主视图；以及

图3C图示根据一个示例的提升式钻头的平面图。

附图与下述一起显示和解释该设备以及使用该钻头的方法的原理。在附图中，为了清楚起见可放大部件的厚度和构造。不同附图中的同一参考标号表示同一部件。

具体实施方式

下述给出特定细节以便于能透彻理解。然而，本领域技术人员可理解，可在不利用这些特定细节的情况下实施和使用这些设备以及利用这些设备的方法。事实上，可通过修改图示的设备及其关联方法来实施这些设备及其关联方法，且这些设备及其关联方法可结合产业中传统使用的其它任何设备和技术一起使用。例如，尽管以下描述集中于用于获取芯样的声波钻头，但这些设备及其关联方法可同样应用于其它钻探设备和工艺，例如金刚石钻头以及其它振动和/或转动钻探系统。

图1A至1C图示根据一个示例的钻探系统100。特别地，图1A图示钻探系统100的地表部分，而图1B图示钻探系统的地下部分。因此，图1A图示示出了钻机头组件105的钻探系统100的地表部分。钻机头组件105可耦接到桅杆110，桅杆110转而耦接到钻机115。钻机头组件105构造成具有耦接到钻机头组件105的钻杆120。

如图1A和1B所示，钻杆120可转而与另外的钻杆耦接到一起以形成外套管125。外套管125可耦接到第一钻头130，第一钻头130构造成与诸如地岩层135的待钻探材料相界接。钻机头组件105可构造成转动外套管125。特别地，在钻探过程中外套管125的转速可根据需要而改变。此外，钻机头组件105可构造成在钻探过程中相对于桅杆110平移，以将轴向力施加到外套管125，从而将钻头130促动进地岩层135。钻机头组件105也可产生传递到钻杆120的振荡力。这些力从钻杆120通过外套管125传递到钻头130。

钻探系统100也包括位于外套管125内的岩芯管组件140。岩芯管组件140可包括绳索145、岩芯管150、打捞筒组件155、以及头组件160。在图示示例中，岩芯管150可耦接到头组件160，头组件160转而可以能移除方式耦接到打捞筒组件155。因此，当组装时，绳索145可用于将岩芯管150、打捞筒组件155、以及头组件160降下到外套管125内部的合适位置。

头组件160包括锁位机构，锁位机构构造成将头组件160以及因此还有岩芯管150锁定在外套管125内的期望位置。特别地，当岩芯管组件140下降到期望位置时，可利用关联头组件160的锁位机构将头组件160锁定到相对于外套管125的合适位置。也可致动打捞筒组件155以使头组件160脱离。其后，由于岩芯管150与头组件160耦接、以及头组件160与外套管125耦接，因此岩芯管150可与外套管125一起转动。

有时，诸如为了取出芯样，可能期望将岩芯管150提至地表。为了撤回岩芯管150，可使用绳索145以降下打捞筒组件155使打捞筒组件155与头组件160接合。然后，头组件160可通过将锁位装置拉入头组件160内，而与外套管125脱离。其后，打捞筒组件155、头组件160、以及岩芯管150可提至地表。

在至少一个示例中，诸如声波轴径向提升式钻头（sonic axial radial liftbit）200（后文称作提升式钻头200）耦接到岩芯管150。如上所讨论的，岩芯管150可固定到外套管125。因此，提升式钻头200与岩芯管150和外套管125一起转动。在这种示例中，当岩芯管150和外套管125钻进地岩层135时，提升式钻头200扫除进入岩芯管150和外套管125之间环形空隙内的已钻取材料。以此方式移除材料，可通过辅助减少被重新钻探的材料的量、以及减小在钻探系统端部处或附近被压缩的材料所引起的摩擦，提高钻探系统的钻探效率。此外，这种构造可有助于减小岩芯管150和外套管125之间的材料的压紧度，这转而可减小摩擦和/或减少对所得样本的污染。

在图示示例中，钻探系统是绳索型系统，其中岩芯管150在末端设置有提升式钻头。在至少一个示例中，如图1C所示，提升式钻头200可耦接到外套管125。这种构造可容许提升式钻头200将已钻取材料扫离钻探界面并引入地岩层和外套管125之间的环形空隙内。在另外的其它示例中，在绳索系统中，两个提升式钻头可耦接到外套管125和岩芯管150中的每一个。

尽管在图1B和1C中图示了绳索型系统，但可以理解，钻探系统可包括耦接到一起以形成外套管的多个钻杆和耦接到一起以形成内钻柱的多个内钻杆。提升式钻头200可耦接到外套管和/或内钻柱的端部。在图示示例中，提升式钻头耦接到内钻柱，并构造成扫除进入内钻柱和外套管之间环形空隙内的已钻取材料。可以理解，提升式钻头200可与任何数量的钻柱构造一起使用。

本文所述的提升式钻头可具有与本文所述提升式钻头的操作相一致的任何构造。图2A和2B图示根据一个示例的提升式钻头200。如图2A所示，提升式钻头200包括具有第一端部204的本体202。第一端部204的宽度可从末端处的约1/16英寸到约1/8英寸的范围到较宽部的约1/2英寸到约3/4英寸的范围。本体202也包括相对于第一端部204位于本体202相对端部的后部206。后部206构造成位于岩芯管邻近处和/或耦接到岩芯管。本体202也包括外表面208和内表面210。尽管提升式钻头200的外表面208的外径可改变以获得任何所需的芯样尺寸，但该外径典型地介于约2至约12英寸的范围内。

在至少一个示例中，本体202的内表面210具有变化的内径，虽然如此，但芯样可从切割芯样的第一端部204进入、并从提升式钻头200的后部206出来、并且进入岩芯管。尽管本体202的任何尺寸和构造均可使用，但在图示示例中，本体202具有大体圆筒形形状。此外，提升式钻头200可构造成使得当提升式钻头200耦接到岩芯管时，本体202的内径可从第一端部204附近的较小内径逐渐变粗为较大内径。这种构造可有助于保持芯样。

提升式钻头200的第一端部204可具有多种构造。在至少一个示例中，第一端部204具有从窄部214开始逐渐过渡到较宽部216的锥形形状。可根据需要而改变从窄部214到较宽部216的锥形的锥度角。

提升式钻头200也可包括耦接到本体202的钻刀220。钻刀220可用于将钻探作用过程中的已移动材料从第一端部204移离或扫离。并且，钻刀220也可提供期望的钻探作用。因此，可使钻刀220具有任何期望的构造，例如大体矩形、圆形、平行四边形、三角形形状和/或上述形状的结合形状。

在图2A图示的示例中，钻刀220可具有大体截头锥体端部的形状，其包括引导面221和刀刃面222。此外，钻刀220的刀刃面222可设置为具有大体矩形形状的非连续表面。作为非连续表面的刀刃面222的构造可在声波切割作用中有效地起作用。也可以理解，这些表面的形状可为实现功能的任何非矩形形状。在其它示例中，刀刃面可为大体连续的。此外，尽管在图2A中绘示了四个不连续的刀刃面，但可以理解，可利用任何数量的刀刃面，从单个连续表面到多达八个、十二个或更多个。

在图2A示出的示例中，钻刀220可为大体平面形。如图2B所示，提升式钻头200’可具有耦接到钻刀220的扣形物224。扣形物224可嵌入或另外固定到刀刃面222。无论构造如何，钻刀220可由钻探领域中任何已知的材料制成。这些材料中的一些示例包括硬化工具钢、碳化钨等。

参见图2A和2B，选定的钻刀220的数量可改变，并且可根据包括待钻探地岩层的材料在内的很多因素而定。用于单一钻头中的多个钻刀220可形成为相同的形状，或者可形成为不同的形状。

提升式钻头200还包括耦接到本体202外表面208的螺旋圈部230。如图2A和2B所示，螺旋圈部230可与钻刀220对准，使得螺旋圈部230与钻刀220联合工作以将已移动材料移离本体202的第一端部204。但在其它示例中，螺旋圈部230并不与钻刀对准。此外，可提供任何数量的螺旋圈部230。

例如，图2A和2B图示出螺旋圈部230的数量与钻刀220的数量可相等。在其它示例中，螺旋圈部230的数量可大于或小于钻刀220的数量。螺旋圈部230的数量可根据提升式钻头200、200’的直径而定。例如，螺旋圈部230的数量可介于从一个到大约八个或更多的范围内，例如介于大约四个和六个之间的数量。

此外，如图2A和2B所示，可在任何两个相邻螺旋圈部230之间形成沟槽232。由于螺旋圈部的外表面通常距离钻孔最近，因此沟槽232可用于容纳已移动材料，并引导材料沿着提升式钻头200、200’的本体202沿轴向向上的运动。

螺旋圈部以及因此还有沟槽可以在位置、深度以及角度方面不同的多种构造形式位于表面208上。在一些实施方式中，螺旋圈部230沿着提升式钻头的侧面、以从螺旋圈部上的一个点到下一个螺旋圈部的对应位置相距约0.5至约6英寸的距离而定位。在其它实施方式中，该距离可介于约3至约5英寸的范围内。

沟槽（凹槽）232可具有将沿着提升式钻头的长度移动已移动材料的任何宽度和深度。在一些实施方式中，沟槽232可具有介于从约1/2至约11/2英寸范围内的宽度、以及约1/8至约3/8英寸的深度。在其它实施方式中，沟槽232可具有介于约3/4至约11/4英寸范围内的宽度、以及约3/16至约5/16英寸的深度。

沟槽232也可相对于中心轴线成一定角度地定向，这也有助于沿着外套管的长度向上移动已移动材料。在至少一个示例中，螺旋圈部230可以介于约1至约89度范围内的倾角定向，例如该倾角介于约5至约60度范围内。

使用上述钻头，可迫使从被钻探的地岩层移动来的材料远离钻头刃面。初始，由于硬质合金刀齿和第一端部204上的向外逐渐变粗的锥形，已移动的材料可从岩芯管入口处被推离。然后，螺旋圈部230和沟槽232将已移动材料沿着外套管的长度向上进一步推离钻头刃面。该运动减少或防止了重新钻探已移动材料，重新钻探材料可产生热。该运动也减少或防止了已移动材料被迫移出进入位于外套管或岩芯管的侧面上的地岩层，被迫移出进入位于外套管或岩芯管的侧面上的地岩层的已移动材料可紧压和改变地岩层的特性。已移动材料的这种运动也减少或防止了已移动材料在岩芯管或外套管的外径与钻孔壁之间的环形空隙内积累，已移动材料在岩芯管或外套管的外径与钻孔壁之间的环形空隙内积累可产生热并致使套管粘滞。

图3A图示了提升式钻头300，提升式钻头300包括具有有刀刃构造的钻刀320。在这种构造中，各钻刀320均包括基部330和刀头340。在图示示例中，刀头340随着其远离基部330而逐渐变细。在图3B中更详细图示了刀头的锥度和角度。

图3B图示了提升式钻头300的主视图。可相对于中心轴线C描述刀头340表面的方向。刀头340的表面包括引导边缘321和顶部边缘或刀刃面322。如图3B所示，攻角（angle of attack）AT可描述为沿第一表面和平行于中心轴线C的线所夹而形成。在上述图示示例中，可相对于引导面221测量钻刀220的攻角。

声波钻头通过利用各种转动、压力以及振动的结合形式切割地岩层。在一些方面，提升式钻头200、200’、300的钻刀220、320可具有这样的攻角AT，该攻角AT设计成用于抵抗或抵消由于地岩层对施加在钻头上的振动和压力的阻力而在钻刀上产生的向上的轴向力。可选择攻角AT的度数，以提供钻刀220、320所需的支撑、以及从地岩层削除材料并沿轴向移动已削除材料的能力。因此，攻角度数将变化。例如，攻角AT可在约－60至约160度之间变化。

在一些示例中，钻刀220、320也可以轴向角（axial angle）AX插入钻头刃面内。可相对于半径R测量轴向角AX。半径R与中心轴线C垂直。这种构造可减小施加到钻刀220、320的转动力的作用。在至少一个示例中，轴向角AX可介于约60度和约150度之间，例如介于约60度和约120度之间。在又一示例中，轴向角AX可介于约5度和约35度之间。

在一些示例中，钻刀220、320也可如下定向，使得刀刃面322的端部之间的线相对于半径R成一扫除角（sweep angle）S的方式定向。在图3C中图示出钻刀320相对于提升式钻头300的扫除角S。扫除角S也可有助于将已移动材料从钻刀320移离或扫离，辅助获得更好的样本，并减少刀具重新钻探，以及由此提高钻探工艺的效率。扫除角S可具有任何合适角度。例如，扫除角S可介于约1度和约89度之间。在至少一个示例中，扫除角的度数可介于从约5度至约35度的范围内。在其它示例中，扫除角S可介于从约15度至约25度的范围内。在另外的其它实施方式中，扫除角S可为约20度。

上述钻头可通过给它们提供上述构造的任何方法制成。在一个示例性方法中，获得具有期望外径的钢管。接下来，按照传统方法加工。然后，在钢管内加工出沟槽，由此也在同一工艺中产生螺旋圈部。然后，通过将碳化钨烧结成期望形状而产生钻刀。当使用工具钢钻刀时，可将它们加工成期望形状。然后，将钻刀焊接和/或压配合到经过加工的钢管。当钻刀为工具钢时，可通过形成用于整个钻头的模具并利用熔模铸造工艺形成钻头，来替代地制成钻头。沟槽可通过加工杆外径而制成，或可通过将螺旋圈部焊接或紧固到杆外径上而制成。螺旋圈部可由比钻杆硬或软的材料制成。

上述钻头可用作能用于获取芯样的声波钻探系统的部分。提升式钻头200、200’、300可连接到声波（或振动）套管和/或岩芯管。高频共振能量用于将岩芯管和/或外套管钻入所需地岩层。在钻探过程中，共振能量以多种声频沿钻柱向下传递到岩芯管和/或外套管至钻头刃面。典型地，所产生的共振能量超过了所碰到的岩层的阻力，以获得最大钻探生产率。然后，通过声波钻探作用移动的材料借助于钻刀和沟槽/螺旋圈部的结合形式的作用而远离钻头刃面并朝钻柱移动。

这种构造可产生一种能够有助于确保有效和高效地移除钻头刃面处的已移动材料的提升式钻头。与如下已移动材料可消耗的被浪费时间和能量相对照，即重新钻探、压紧、和/或以另外方式强制已移动材料不应该位处的地方（位于岩芯管内）的已移动材料、已移动材料不需要去（进入岩层）的地方的已移动材料、或者已移动材料不应该进入的环形空隙内——在环形空隙内，已移动材料可产生摩擦和热，并且可使岩芯管和外套管变粘滞——的已移动材料，在本发明的构造中，因为已移动材料被简单地推出并然后被提升远离钻头刃面，这种移除不仅使扰动减少或最小化，而且因此它也使钻探变得快得多并更加有效。

除了任何前述修改外，本领域技术人员在不脱离以上描述的主旨和范围的情况下可设计很多其它变型和替代性配置，且所附权利要求意图涵盖这些修改和配置。因此，尽管关联了目前认为是最实用和最优选的方面并借助于特性和细节阐述了上述信息，但本领域技术人员清楚，在不脱离本文阐述的原理和概念的情况下可进行很多修改，包括但不限于形式、功能、操作方式和用途等修改。并且，如本文所用的，这些示例仅是示例性的，并且不应该理解为以任何方式加以限制。

Claims (19)

1.一种用于岩芯取样的钻头，包括：

本体，所述本体具有中心轴线、内表面以及外表面，且所述本体还包括第一端部和第二端部，所述第二端部相对于第一端部位于本体的相对端部，并且构造成耦接到岩芯管，所述第一端部具有从所述本体的外表面朝所述中心轴线锥形化的外表面；以及

钻刀，所述钻刀具有刀刃面并固定到所述本体的第一端部，所述刀刃面以相对于与所述中心轴线相垂直地延伸的平面成轴向角的方式从所述内表面向外沿径向延伸，使得钻探过程中的已移动材料移离所述第一端部。

2.如权利要求1所述的钻头，其中，所述刀刃面的轴向角介于约5度和约35度之间。

3.如权利要求1所述的钻头，其中，所述钻刀包括引导面，所述引导面以相对于所述中心轴线成约-60度和约160度之间的攻角定向。

4.如权利要求1所述的钻头，其中，所述钻刀以如下方式定向：即使得所述刀刃面的端部之间的线相对于半径成一扫除角，其中所述扫除角介于约5度和约35度之间。

5.如权利要求1所述的钻头，其中，所述第一端部的宽度从末端处的约1/16英寸到约1/8英寸的范围到较宽部的约1/2英寸到约3/4英寸的范围。

6.如权利要求1所述的钻头，其中，所述钻刀包括基部和延伸离开所述基部的具有刀刃的刀刃面。

7.如权利要求1所述的钻头，还包括多个耦接到所述本体的外表面的螺旋圈部。

8.如权利要求7所述的钻头，还包括位于相邻螺旋圈部之间的沟槽。

9.如权利要求8所述的钻头，其中，所述钻头包括多个钻刀，所述螺旋圈部与所述钻刀对准。

10.如权利要求1所述的钻头，其中，所述本体限定构造成接收芯样的内部空间。

11.如权利要求1所述的钻头，还包括位于所述钻刀上的扣形物。

12.如权利要求1所述的钻头，其中，所述钻刀，以如下方式定向：即使得所述刀刃面的端部之间的线相对于半径成一扫除角，其中所述扫除角介于约15度和约25度之间。

13.如权利要求1所述的钻头，其中，所述钻头是提升式钻头。

14.如权利要求1所述的钻头，其中，所述本体的内径从所述第一端部附近的相对较小内径到所述第二端部附近的相对较大内径逐渐变化。

15.如权利要求7所述的钻头，其中，所述螺旋圈部与所述钻刀对准。

16.一种用于钻探的方法，包括：

使用如权利要求1至15中任一项所述的钻头钻进地岩层内。

17.一种钻探系统，包括：

钻机；

桅杆，桅杆构造成耦接到所述钻机；

钻机头组件，所述钻机头组件构造成耦接到所述桅杆；

外套管，外套管构造成耦接到所述钻机头组件；以及

如权利要求1至15中任一项所述的钻头，钻头构造成耦接到所述外套管。

18.如权利要求17所述的钻探系统，还包括构造成位于所述外套管内部的岩芯管组件。

19.如权利要求18所述的钻探系统，其中所述岩芯管组件包括：

头组件；

岩芯管，岩芯管构造成耦接到所述头组件；以及

打捞筒组件；

其中所述头组件构造成以能移除方式耦接到所述打捞筒组件。

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