CN101999028A - 具有聚晶金刚石复合嵌入物的扩孔器 - Google Patents

Abstract

本申请记载了用于岩心样品钻取的具有PDC嵌入物的扩孔器和使用该具体PDC嵌入物的扩孔器的方法。具有PDC嵌入物的扩孔器可用于保持钻孔的直径，减小偏离，和/或稳定用于岩心样品钻取的钻柱。所述PDC嵌入物可为不同的尺寸和形状，并可围绕扩孔器以不同的方式布置。

Description

具有聚晶金刚石复合嵌入物的扩孔器

技术领域

本申请主要涉及钻井方法和用于岩心钻探的设备。具体地，本发明涉及一种在扩孔器和其它岩心钻探装置中使用聚晶金刚石复合片的方法和装置。

背景技术

目前许多钻井工艺为公知并被使用。钻探是钻井工艺的一种，其通常包括从地表以下取回所需材料的样品。在钻探所使用的一些工艺中，开放的钻头与用于取回所需样品的岩心筒的底边或边缘相连接。然后岩心筒与钻柱连接，钻柱为一系列相连接的钻杆，随着岩心筒向所需的地下地层更深地移动，钻杆被一部分接着一部分的安装起来。岩心筒被转动、推动和/或振动进入到上述地层中，以取得所需材料的样品(通常被称为岩心样品)。一旦获得所述岩心样品，含有该岩心样品的岩心筒通过拆除(或取出)岩心筒被取回。然后从岩心筒中取走岩心样品。

扩孔器有时在钻柱中使用，以保持所需的钻孔直径并从钻孔壁除去松散或不均匀的材料。扩孔器有时也用于保持钻孔中钻柱的直线排列，因为扩孔器具有与钻孔内径相似的外径，而钻柱的直径通常比钻孔小。通常使用钢管制造扩孔器，该钢管可与钻柱同一线安装。所述钢管可具有围绕该钢管延伸的研磨垫或研磨环，从而实现所需的钻柱稳定性，和/或保持钻孔的直径。

从钻孔的顶部至其底部保持一致的直径，和对钻孔壁与钻柱之间清理，有助于钻柱的取出和更换，并为钻孔切屑的清理留出了空间。因此，扩孔器确保了钻孔不会压在钻柱上，如果压在钻柱上，将需要额外的动力使与钻孔相当大部分的表面接触的钻柱转动。在保持钻柱的侧向支撑和降低转动和推进钻柱所需的能量的同时，扩孔器还可以使与钻孔壁摩擦接触的钻柱的表面积最小化。在一些应用中，为了维修或更换新的扩孔器，破损或磨损的扩孔器需要取出整根钻柱。

发明内容

本申请记载了在岩心钻探中使用的扩孔器、锁紧联接器和适配联接器中使用聚晶金刚石复合片(PDC)嵌入物的方法和装置。扩孔器、锁紧联接器和适配联接器在此有时被统称为“扩孔器”。所述扩孔器可以包括一个或多个PDC嵌入物，这些嵌入物以围绕圆柱形本体的方式安装。所述扩孔器可用于岩心样品钻取，并且可以为了便于实现特定的目的，而选取和/或安装所述PDC嵌入物。例如，可以为了在钻芯样品钻取操作时稳定钻柱，而选择扩孔器上的嵌入物并将其安装在扩孔器上，从而降低钻柱的偏移，并保持钻孔从顶至底的固定直径而不扩大钻孔。类似地，可使用直径比钻孔更大的扩孔器来扩大钻孔。除在扩孔器上使用PDC嵌入物之外，它们还可用于锁紧联接器和适配联接器，以降低它们的偏移，稳定钻柱，并保持钻孔从顶至底的固定直径。

所述PDC嵌入物可包括在碳化钨基体上的聚晶金刚石层。所述PDC嵌入物可从扩孔器上被选择性的拆除，从而允许根据需要更换磨损或破坏的PDC嵌入物。类似的，其它类型的嵌入物可以与PDC嵌入物结合使用，从而减小或增大摩擦力，实现所需的切削参数，保持所需的孔径，保持钻柱的线性等。当土地状况为较低磨蚀性时，PDC嵌入物可由类似几何形状的碳化钨块补充或代替，以降低成本。可将所述PDC嵌入物以特定的方式安装到沿扩孔器本体的位置上，从而使所需的效果最大化。根据特定的需求，还可将所述PDC嵌入物生产为各种不同的形状，例如平面，圆形，穹顶形，尖形，凿子形(chiseled)，方形，长方形等，从而使具有PDC嵌入物的扩孔器与传统扩孔器相比适应性更强。所述PDC复合片也可被形成为与扩孔器杆身轮廓相配合的形状。

与具有许多研磨垫和圈的传统扩孔器相比，所述具有PDC嵌入物的扩孔器的制造更容易。此外，代替了环或垫已破坏或磨损的扩孔器的废弃，通过更换PDC嵌入物可使具有PDC嵌入物的扩孔器得以再利用。

本发明实施例的其它特征和优点通过之后的记载说明，部分通过所述记载将显而易见，或可通过实施这些实施例而被认识到。通过所附属权利要求书中特别指出的装置和组合，可以认识和获得这些实施例的特征和优点。通过下述记载和所附属权利要求书，这些和其它特征将更加充分显现，或者可通过之后记载的这些实施例的实施而被认识到。

附图说明

为了进一步阐明本发明的上述及其它方面，参照附图公开中的具体实施方式，对本发明进行了更具体的描述。值得注意的是这些附图公开了本发明的仅仅一些实施例的方面，因此不能被认为是对其范围的限定。通过结合使用附图，将具体详细的记载和解释了本发明实施方式，它们为：

图1是揭示一个具有PDC嵌入物的扩孔器实施例的各方面的透视图；

图2A是揭示一个PDC嵌入物实施例的各方面的截面图；

图2B是揭示一个PDC嵌入物实施例的各方面的截面图；

图2C是揭示一个PDC嵌入物实施例的各方面的截面图；

图2D是揭示一个PDC嵌入物实施例的各方面的截面图；

图3是揭示一个包括PDC嵌入物的扩孔器实施例的各方面的透视图；

图4是一个包括PDC嵌入物的扩孔器实施例的透视图；

图5是一个钻柱实施例的分解视图，其中钻柱包括扩孔器、锁紧联接器和适配联接器，并具有PDC嵌入物。

具体实施方式

为了提供透彻的理解，下述的描述提供了具体的细节。然而，技术人员应当明白，所述装置和使用该装置的相关方法可无需应用这些具体细节而被实施和应用。事实上，可以通过修改所说明的装置和相关的方法，来实施所述装置和相关的方法，并所述装置和相关的方法可以与该工业中常规应用的任何其它装置和工艺结合使用。例如，当下述描述重点在于岩心样品作业时，所述装置和相关的方法同样适用于其它钻井工艺，例如应用于传统的钻孔钻取，并可与其它任何数量或种类的钻井系统一起使用，例如旋转钻井系统、冲击钻系统等。

一个用于岩心样品钻探的扩孔器实施例的一些方面为：在图1中，图示了具有聚晶金刚石复合嵌入物110的扩孔器100。扩孔器100具有本体120，该本体120具有第一接头140和第二接头150。所述本体120可由任何可用于岩心钻探作业扩孔器的，或对于本领域普通技术人员来说适合用于岩心钻探作业的材料制成。例如，所述本体120可由各种不同等级的钢、碳化钨、其它合金或耐磨材料制成。

扩孔器100的本体120可包括任何特定应用所需的形状。例如，如图1所示，本体120可为通常的圆柱形，该形状具有基本一致的外表面。然而，应当认识到根据具体应用的需要，本体120可包括多个的不同形状和表面特征。例如，扩孔器100的本体120可包括多个的背脊、沟槽、齿、缺口、螺旋槽、切割器等。此外，本体120的形状可为通常的锥形、椭圆形、凹形、圆形、多角形等。具体地，本体120可包括任何本领域公知的或使用的用于扩孔器和联接器的形状或构造。

如图1所示，扩孔器100的所述第一接头140和第二接头150可为螺纹联接器，其用于螺纹连接钻柱中的不同部件。第一接头140可为内螺纹，其与第一钻杆的外螺纹配合工作，从而使扩孔器100与第一钻杆的部分相连接。类似的，第二接头150可为外螺纹，其与第二钻杆的内螺纹配合工作，从而使扩孔器100与第二钻杆的部分相连接。以这种构造，扩孔器100可被安装于钻柱上。

所述第一接头140和第二接头150也可为任何其它本领域公知或使用的用于连接扩孔器和钻杆的接头。在某些情况中，第一接头140和第二接头150每个均可为盒接头、销接头，螺纹接头，滑动接头或任何其它本领域公知的用于将扩孔器连接到钻柱上的接头。第一接头140和第二接头150可为相同或不同类型的接头。在另一实施方式中，扩孔器100在第一接头140焊接到管的一部分上，然后在第二接头150使用例如螺纹连接的不同连接方式与管的另一部分连接。

如图2A-2D所揭示，PDC嵌入物110可含有结合在背衬基体(或背衬112)上的聚晶金刚石复合(PDC)层114。所述包括背衬112和所述层114的PDC嵌入物110，可制造成不同的形状和构造。例如，所述PDC嵌入物110可为圆形、方形、矩形或任何其它几何构造。PDC嵌入物110可具有任何相应于扩孔器的长度、直径和壁厚的尺寸。在一些实施方式中，PDC嵌入物110的尺寸可为直径在大约0.1mm和大约50mm之间。

特别是，PDC层114其本身可结合为不同的尺寸和形状构造。PDC嵌入物110的聚晶金刚石层114的一些形状和构造的实施例可为拱形、角形、尖形或任何其它所需的构造。例如，PDC层114可具有如图2A所示的基本上平的表面，如图2B所示的穹顶形表面，如图2C所示的尖形或凿子形的中心部分，和/或如图2D所示的角形表面。

图2A揭示了具有PDC层114的PDC嵌入物110的一个实施例，其中PDC层114具有基本上平的表面，所述层114与背衬112连结。基本上平的层114可配置为便于与相接合的表面接触并使其磨损。在一个实施例中，所述层114可具有基本上平的表面、圆的边缘和圆形的形状。所述背衬可具有任何相应于所述层114和其在扩孔器本体120上的位置所必需的形状和尺寸。具体地，在至少一个实施例中，背衬可具有通常的圆柱形形状，该圆柱形具有一个基本上平的连结表面。然而，应当认识到，所述层114和背衬112在其它的实施方式中可被重新构造成另外的形状。具体地，所述层114可具有略微凹或凸的表面、角形的边缘，并且所述层114和背衬112的总体尺寸和形状可根据需要变化。

图2B揭示了PDC嵌入物110’的一个实施例，其具有与背衬112’连结的穹顶形层114’。所述穹顶形层114’可被配置为便于与相接合的表面接触并使其磨损。在一个实施例中，PDC嵌入物110’的所述层114’可为通常的圆形，且其在层114的表面中心凸起。在其它实施例中，为了特定应用所述层114’的形状和构造可根据需要变化。具体地，在其它的实施例中，所述层114’表面的曲率半径、穹顶形的高度、边缘的圆角和所述层114’和背衬112’的整体尺寸和形状均可根据需要变化。

图2C揭示了PDC嵌入物110”的一个实施例，其具有与背衬112”连结的通常的尖形层114”。所述通常的尖形层114”可被配置为便于与相接合的表面接触并使其磨损。在至少一个实施例中，PDC嵌入物110”的所述层114”可具有这样的表面，其通常从外部边缘向中心逐渐变细，因而形成通常的尖形中心。在其它实施例中，为了特定应用所述层114”的形状和构造可根据需要变化。特别是，应当认识到，在其它实施例中，尖的高度、锥形表面的角度或斜度、边缘的圆角和所述层114”和背衬112”的整体尺寸和形状均可根据需要变化。

图2D揭示了PDC嵌入物110”’的一个实施方式，其具有与背衬112”’连结的角形层114”’。所述角形层114”’可被配置为便于与相接合的表面接触并使其磨损。图2D中所述层114”’表面的倾角α可为任何本领域普通技术人员所需要的角度。例如，在一些实施方式中，该角度α可在大约0度至大约90度之间。在另外的实施方式中，该角度α可在大约0度至大约25度之间。此外，对于不同的应用，所述角度α的方向和朝向可根据需要变化。具体地，为了特定的应用，所述角度α根据需要可为前角或后角。另外，从一个PDC嵌入物110到下一个，每个PDC嵌入物110的朝向可以变化。

现在参照图2A-2D，背衬可具有补充的形状，以支撑所需的PDC层的表面形状，或者说为其提供基体。图2A-2D中描绘了这些形状中的一些实施例，其具有基本上为圆形的底部和变形为基本上与所述层114相配合的顶部。所述背衬112可由任何公知的适合用于支撑PDC层的材料制成。在一些实施例中，背衬可含有碳化钨。

所述PDC嵌入物110-110”’可使用任何公知的技术连接在扩孔器100-100”’的本体120-120”’上。在至少一个实施例中，所述本体120-120”’可包括多个为特定的形状和尺寸的嵌入物110-110”’准备的用于安装PDC嵌入物110-110”’的位置，其中的PDC嵌入物110-110”’已被制造成特定的尺寸和形状。在另外的实施例中，所述PDC嵌入物110-110”’的背衬112-112”’与扩孔器本体120-120”’或者松散配合或过盈配合(压入)。在插入后，然后调整PDC嵌入物110-110”’，以提供扩孔器100所需的外部直径和朝向，之后对PDC嵌入物110-110”’进行机械固定，软钎焊，硬钎焊，或以其它方式结合到扩孔器100-100”’的本体120-120”’上。

在另外的实施例(未示出)中，PDC嵌入物可螺旋安装到本体的位置上，或放置在本体上并使用一组螺钉或其它螺纹固定技术进行固定。例如，本体的位置上可包括内螺纹，而PDC嵌入物的背衬包括互补的外螺纹。因此，为了容易的交换或更换扩孔器的嵌入物，可将PDC嵌入物旋进本体的位置中或从中旋出。可以认识到，带螺纹的PDC嵌入物可进一步通过焊接、钎焊等连结在本体上。

在至少一个实施例中，当所述PDC嵌入物磨损后，可容易的将其从扩孔器100中更换。例如，当PDC嵌入物的磨损达到一定水平时，可拆除磨损的嵌入物，并更换为新的嵌入物，以延长扩孔器的寿命并避免更换扩孔器的成本和时间。在一些实施例中，PDC嵌入物可为非螺旋安装和更换的，或者为加热，拆除，然后使用新PDC嵌入物110更换。在一些实施例中，依据沿扩孔器100的不同PDC嵌入物110的磨损方式和损坏，选择性的拆除和更换单独的PDC嵌入物110。此外，一些嵌入物110可更换不同尺寸的新PDC嵌入物，以达到不同钻孔直径和/或钻柱和钻孔之间不同的稳定性和摩擦力数值。

如图3和4所示，PDC嵌入物110可具有多种尺寸，并且可以多种方式围绕扩孔器100的外围安装。在一些实施例中，一种特定尺寸和形状的PDC嵌入物110可以以螺旋方式分布，且另外一种尺寸和/或形状的PDC嵌入物110设置在第一PDC嵌入物110之间，或至围绕其设置。在另外的实施例中，不同尺寸和形状的PDC嵌入物110以一系列环或列的方式围绕本体120布置。此外，所述PDC嵌入物110可以任何方式布置，或根据需要变化。

在一些实施例中，扩孔器100可包括不同数量的嵌入物110。具体地，扩孔器100可包括多个的PDC嵌入物110，该数量与嵌入物110的尺寸和本体120的尺寸相符合。例如，所述嵌入物110可沿本体120的整个表面延伸，或可仅沿本体120的一部分延伸。本体120可包括更大数量的相对较小嵌入物110，或可以包括较小数量的较大嵌入物110，或大小嵌入物110的任何组合。因此，可以实现PDC嵌入物110围绕扩孔器100的任何数量的覆盖和设计。

为实施特定的任务，可选择任何具体的扩孔器100使用的具体PDC嵌入物110，例如进一步打开钻孔，稳定钻孔中的钻柱，最小化钻孔中钻柱的摩擦力，稳定安装在钻柱上的岩心筒，保持钻孔的笔直，或这些所需任务的任意组合。在一些实施方式中，PDC嵌入物110可与其它类型的嵌入物结合使用，例如陶瓷、碳化钨或本领域公知的任何其它嵌入物或纽块。

在一些实施方式中，为了主要稳定钻孔中的钻柱，这样选择PDC嵌入物110，以使得可以以稳定的扩孔壳的方式操作扩孔器100。例如，扩孔器100可具有钻柱中标准管的长度，同时PDC嵌入物沿扩孔器100的本体120设置，从而在最小化钻柱与钻孔间的总体摩擦力的同时稳定钻柱。在另外的实施例中，多个扩孔器100可在钻柱上移连续方式一端接一端的布置，从而实现稳定或任何其它所需的功能。例如，当钻柱向钻孔内推进时，扩孔器100可沿钻柱依次增加外部直径，以小增量扩大钻孔。在又一个实施例中，扩孔器100可分布在沿整个钻柱长度而变化的位置上，从而保持钻孔，并稳定钻柱的整个长度。

如图5所示，PDC设计可延伸到其它的钻井部件。例如，PDC嵌入物可连结到锁定联接器300的本体上。类似的适配联接器350也可沿其外表面包括PDC嵌入物。结果，锁定联接器300和适配联接器350可有助于稳定钻孔和保持钻柱和岩心筒部件的合适方向。另外，PDC嵌入物可连结到不同的其它钻井部件上，这些部件用于岩心样品或其它类型的钻井。

在岩心样品钻取中，扩孔器PDC嵌入物的使用需要更少的维护，提高了生产率，使钻孔直径得到更好的维护，简化了生产，可在线维护，降低了总成本，并延长了钻井部件的寿命。另外，能够更换PDC嵌入物110，及使用其它类型的嵌入物，使得在具体环境中可更灵活的提供和使用钻井部件，而无需购买其它钻井部件或等待特定钻井部件的向钻井位置的运送。

在不偏离本发明的精神和本质特征的情况下，本发明可以以其它具体形式实施。所述的具体实施方式在各个方面应当被认为是示意性的，而非限制性的。因此，通过附属权利要求书指出了本发明的范围，而不是通过前述描述。在权利要求等价变形的内涵及范围内得出的所有改变都应当包括在其范围内。

Claims (28)

1.一种钻井扩孔器包括：

一配置为用于岩心样品钻取的本体；

一配置为连结本体和另一钻井部件的接头；和

多个聚晶金刚石复合(PDC)嵌入物，其连结在本体之上且围绕本体布置。

2.如权利要求1所述的扩孔器，其中所述PDC嵌入物可拆卸的连接在本体上。

3.如权利要求2所述的扩孔器，其中所述PDC嵌入物软钎焊或硬钎焊在本体上。

4.如权利要求1所述的扩孔器，其中所述本体包括多个凹进部分，所述凹进部分限定为其中可收纳PDC嵌入物的至少一部分。

5.如权利要求1所述的扩孔器，其中接头为螺纹接头。

6.如权利要求1所述的扩孔器，其中所述PDC嵌入物中的一个与其它PDC嵌入物在尺寸、材料、大小或形状中的至少一个方面不同。

7.如权利要求所述1所述的扩孔器，其中所述PDC嵌入物包括结合在背衬基体上的聚集金刚石复合层。

8.如权利要求所述7所述的扩孔器，其中背衬基体包括陶瓷、钢或碳化钨中的至少一种。

9.如权利要求1所述的扩孔器，其中一个或更多个PDC嵌入物的外表面具有选自穹顶形、角形、凿子形、尖形、或平面中的任一种的形状。

10.一种包括有钻井部件的岩心钻探系统，其中钻井部件包括：

一配置为用于岩心样品钻取的本体；

一配置为连结本体和另一钻井部件的接头；和

多个聚晶金刚石复合(PDC)嵌入物，其连结在本体之上且围绕本体布置，以便于岩心样品钻取。

11.如权利要求10所述的系统，其中钻井部件为适配联接器、锁定联接器或扩孔器中的一个。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述PDC嵌入物为可拆卸的和可重新连结的。

13.如权利要求11所述的系统，其中扩孔器被布置在岩心筒中。

14.如权利要求11所述的系统，其中所述PDC嵌入物中的一个与其它PDC嵌入物在尺寸、材料、大小或形状中的至少一个方面不同。

15.如权利要求11所述的系统，其中所述PDC嵌入物包括结合在背衬基体上的聚集金刚石复合层。

16.如权利要求15所述的系统，其中背衬基体包括陶瓷、钢或碳化钨中的至少一种。

17.如权利要求11所述的系统，其中一个或更多个PDC嵌入物的外表面具有选自穹顶形、角形、凿子形、尖形、或平面中的任一种的形状。

18.一种钻井方法，包括：

在配置为用于岩心样品钻取的钻柱上安装钻井部件，该钻井部件包括：

一配置为用于岩心样品钻取的本体，一配置为连结本体和另外的钻井部件的接头，和多个聚晶金刚石复合(PDC)嵌入物，该嵌入物连结在本体之上且围绕本体布置，以便于钻取；和

取回岩心样品。

19.如权利要求18所述的方法，还包括监视所述多个PDC嵌入物的状态，并当所述嵌入物被磨损时，更换所述PDC嵌入物中的至少一个。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述多个PDC嵌入物被配置为可从所述本体上选择性的拆除。

21.如权利要求18所述的方法，其中所述钻井部件被布置在岩心筒中。

22.如权利要求18所述的方法，其中所述PDC嵌入物包括结合在背衬基体上的聚集金刚石复合层。

23.如权利要求22所述的方法，其中背衬基体包括陶瓷、钢或碳化钨中的至少一种。

24.如权利要求23的方法，其中一个或更多个PDC嵌入物的外表面具有选自穹顶形、角形、凿子形、尖形、或平面中的任一种的形状。

25.一种钻井方法，包括：

在钻柱上安装钻井部件，该钻井部件包括：

一配置为用于岩心样品钻取的本体，一配置为连结本体和另外的钻井部件的接头，和多个聚晶金刚石复合(PDC)嵌入物，该嵌入物连结在本体之上且围绕本体布置，以便于钻取；和

使用钻柱钻井。

26.如权利要求25的方法，其中钻井部件为适配或锁定联接器。

27.如权利要求25的方法，其中钻井部件为扩孔器。

28.如权利要求25的方法，其中所述多个PDC嵌入物被配置为从所述本体上选择性的拆卸。

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