孔底切削工具的製作方法

2023-05-14 15:13:16

孔底切削工具的製作方法
【專利摘要】一種用於對鑽孔擴孔的工具，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鑽段(110)以及被安裝至所述本體的孔底擴孔鑽段(130)。每個擴孔鑽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。所述孔口擴孔鑽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。所述孔底擴孔鑽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鑽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]本申請要求於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併入。
[0003]關於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鑽鑿操作。更具體地，本發明涉及用於鑽鑿鑽孔的工具。仍更具體地，本發明涉及用於在鑽鑿操作期間擴大鑽孔的擴孔鑽工具。

【背景技術】
[0006]鑽土鑽頭被連接至鑽柱的下端，且通過從地面旋轉鑽柱，通過孔底馬達，或以這兩種方式，旋轉該鑽頭。通過施加的鑽壓(WOB)，旋轉的鑽頭接合地層，並且繼續沿預定路徑朝著目標區域形成鑽孔。
[0007]在鑽鑿操作中，成本通常與將鑽孔鑽至期望深度和位置所耗費的時間長度成比例。繼而，鑽鑿鑽井所需的時間主要受必須將鑽孔工具改變或添加至鑽柱以便完成鑽孔的次數影響。這確實如此，這是因為每次改變或添加工具，必須一段一段地從鑽孔中收回可能有幾英裡長的鑽管的整個鑽柱。一旦鑽柱已經收回，並且已經改變或添加工具，則鑽柱必須被一段一段地構造且降回至鑽孔中。被稱為鑽柱的「起下鑽(trip)」的該過程需要很多的時間、工作和成本。因為鑽鑿成本通常約為每小時幾千美元，所以期望減少必須對鑽柱起下鑽以完成鑽孔的次數。
[0008]在油和氣鑽鑿操作中，也期望實現良好的鑽孔質量。然而，當鑽鑿長的水平鑽孔時，實現良好的鑽孔質量能夠特別有挑戰性。特別地，為了保持鑽孔路徑儘可能地接近水平，鑽機可能必須定期改變鑽孔路徑的方向，這是因為重力趨向於導致鑽頭下降至稍微低於水平。因此，鑽機必須通過方向馬達或可旋轉操縱組件做出修正，從而將鑽頭重新提回水平。不幸地，這些重複修正能夠導致在鑽孔中形成突起和/或尖銳角部，它們幹涉隨後經過的工具的通道。
[0009]可使用擴孔鑽，以去除鑽孔中的突起和尖銳角部。對於非膨脹式擴孔鑽，擴孔鑽的直徑受鑽頭和擴孔鑽必須穿過的鑽孔中的套管直徑的限制。如果與鑽頭一起使用具有相同或小於鑽頭直徑的同心非膨脹式擴孔鑽，則擴孔鑽將大體沿鑽頭的路徑，並且可能在去除突起和/或尖銳角部時無效。偏心擴孔鑽將鑽孔擴大為大於鑽頭直徑的直徑，並且通常有效地去除突起和尖銳角。大多數傳統的偏心擴孔鑽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併剪切鑽孔側壁的切削元件。刀片繞工具不均勻地分布，且因而佔用的空間小於工具的總周長，由此使擴孔鑽偏心。
[0010]傳統實施是當鑽出新一段鑽孔時，不與鑽頭一起使用偏心擴孔鑽，這是因為擔心導致損傷套管和/或擴孔鑽刀片上的切削元件。因此，在鑽鑿新一段鑽孔之後，鑽機將做出專門的鑽孔起鑽，以將偏心擴孔鑽聯接至鑽頭，並且然後將鑽頭和擴孔鑽一起下鑽回到鑽孔中，以便對先前產生的鑽孔段擴孔。替代地，鑽機可單獨以鑽頭鑽出新一段，對鑽孔起鑽，並且然後通過偏心擴孔鑽回到鑽孔中，以對鑽孔擴孔。然而，在兩種情況下，都需要附加的對鑽柱起下鑽，以對鑽孔擴孔。
[0011]在鑽孔操作期間，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鑽頭。在僅通過孔底泥漿馬達旋轉鑽頭的鑽鑿操作中(即，當滑動時)，通常在泥漿馬達之後不使用偏心擴孔鑽。特別地，當滑動時，偏心擴孔鑽不旋轉，並且因而不打開鑽孔。此外，由於偏心擴孔鑽通常與下列鑽頭一起使用，該鑽頭所具有的直徑小於套管柱的內徑(以允許擴孔鑽穿過)，不旋轉的偏心擴孔鑽不能穿過這種鑽頭形成的鑽孔。
[0012]因此，本領域中仍存在一種對改進偏心擴孔鑽的需求，以在鑽鑿操作期間，通過沿鑽孔側壁去除突起和尖銳角部而使鑽孔的輪廓平滑。如果這種改進的偏心擴孔鑽適合用於結合鑽鑿新一段鑽孔的鑽頭一起使用，以及用於結合僅通過孔底馬達旋轉的鑽頭一起使用，則這種改進的偏心擴孔鑽將特別受歡迎。


【發明內容】

[0013]在一個實施例中，通過一種用於對鑽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鑽段，和被安裝至本體且軸向布置在孔口擴孔鑽段的下方的孔底擴孔鑽段。每個擴孔鑽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。孔口擴孔鑽段的第一刀片的面對地層表面被布置在垂直於中心軸線測量的半徑Rl處，其中，當從孔口擴孔鑽段的第一刀片的孔口端至孔底端移動時，半徑Rl增大。孔底擴孔鑽段的第一刀片的面對地層表面被布置在垂直於中心軸線測量的半徑R1』處，其中，當從孔底擴孔鑽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鑽段的第一刀片的面對地層表面的切削元件。被安裝至孔口擴孔鑽段的第一刀片的切削元件延伸至相對於中心軸線的下列半徑，該半徑小於或等於孔口擴孔鑽段的第一刀片的孔底端處的半徑Rl，並且被安裝至孔底擴孔鑽段的第一刀片的切削元件延伸至相對於中心軸線的下列半徑，該半徑小於或等於孔底擴孔鑽段的第一刀片的孔口端處的半徑R1』。
[0014]在另一實施例中，通過一種用於在大地地層中鑽鑿鑽孔的系統解決了本領域的這些和其它需要。在實施例中，該系統包括鑽柱，該鑽柱具有中心軸線、孔口端和孔底端。另夕卜，該系統包括被布置在鑽柱的孔底端處與鑽柱同軸對準的鑽頭。鑽頭被構造成在切削方向上繞中心軸線旋轉，從而將鑽孔鑽鑿至直徑Dl。此外，該系統包括在鑽頭和孔口端之間安裝至鑽柱的第一擴孔鑽段。第一擴孔鑽段被構造成在切削方向上繞中心軸線旋轉，從而將鑽孔擴孔至大於直徑Dl的直徑D2。第一擴孔鑽段包括一對第一刀片和一對第二刀片，其中，第一擴孔鑽段的刀片均勻地周向間隔，其中第一刀片彼此周向相鄰並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於中心軸線的半徑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於擴孔鑽軸線的最大半徑R2，該半徑R2平行於中心軸線且從中心軸線徑向偏移，其中，小於半徑Rl的最大半徑R2處於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於中心軸線的下列半徑，該半徑小於或等於第一擴孔鑽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於切削方向的向前面對的切削麵。
[0015]在另一實施例中，通過一種用於鑽鑿鑽孔的方法解決了本領域的這些和其它需要。在實施例中，該方法包括將鑽頭聯接至鑽柱的下端。另外，該方法包括在鑽頭和鑽柱的孔口端之間將擴孔工具聯接至鑽柱，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鑽段；其中，該孔底偏心擴孔鑽段具有穿過直徑D1』。孔底擴孔鑽段被構造成，在切削方向上繞管狀本體的中心軸線旋轉，從而將鑽孔擴孔至直徑D2。孔底偏心擴孔鑽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於中心軸線的下列半徑，該半徑小於或等於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鑽段，該套管具有中心軸線以及內徑Di，內徑Di小於或等於穿過直徑D1』。內徑Di小於直徑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鑽段。
[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徵和優點的組合。上文已經較寬地概括地勾畫了本發明的特徵和技術優點，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並且通過參考附圖，本領域技術人員應易於明白上述各種特徵以及其他特點。本領域技術人員應明白，所公開的概念和特定實施例可易於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範圍。

【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鑽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的孔底切削工具的後側視圖；
[0021]圖4是沿圖2的截面IV-1V截取的孔底切削工具並且例示孔口擴孔鑽段的橫截面頂視圖；
[0022]圖5是沿圖2的截面V-V截取的孔底切削工具並且例示下擴孔鑽段的橫截面頂視圖；
[0023]圖6是圖1的鑽頭和孔底切削工具的底視圖；
[0024]圖7是例示鑽頭和切削工具穿過處於鑽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的下擴孔鑽段的底視圖。

【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，並且任何實施例的討論都不是旨在僅例證該實施例，並且不是旨在暗示，本公開的包括權利要求的範圍受限於該實施例。
[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。比例誇大地，並且以稍微示意性的形式示出本文的特定部件和組件，並且為了清晰和簡明，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」，並且因而應將其解釋為意思是「包括，但不限於…」。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於中心軸線(例如，本體或埠的中心軸線)，而術語「徑向的」和「徑向地」大致意思是垂直於中心軸線。例如，軸向距離涉及沿著或平行於中心軸線測量的距離，並且徑向距離意思是垂直於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「上遊」意思是朝著鑽孔的地面，並且「下」、「下部」、「向下地」、「孔底」或「下遊」意思是朝著鑽孔的終端，與鑽孔的取向無關。
[0029]現在參考圖1，其中示意性示出鑽鑿系統10的實施例。在該實施例中，鑽鑿系統10包括:鑽機20，其被設置在穿透地下地層12的鑽孔11上；套管14，其從地面延伸到鑽孔11的上部部分中；和鑽柱30，其從鑽機20的鑽塔21懸置在鑽孔11中。套管14具有中心軸線或縱向軸線15以及內徑D14。鑽柱30具有中心軸線或縱向軸線31、聯接至鑽塔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，鑽柱30包括處於孔底端30b處的鑽頭40、孔底切削工具100、軸向相鄰的鑽頭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，並且工具100與最下的管接頭33和鑽頭40首尾連接。井底組件(BHA)能夠被布置在鑽柱30中，接近鑽頭40(例如，在軸向上處於鑽頭40和工具100之間)。
[0030]在該實施例中，通過從地面旋轉鑽柱30來旋轉鑽頭40。特別地，鑽柱30被轉盤22旋轉，轉盤22接合被聯接至鑽柱30的孔口端30a的凱氏方鑽杆(Kelly) 23。凱氏方鑽杆23，以及因此鑽柱30通過允許鑽柱30相對於鑽塔21旋轉的轉體25，從附接至遊車(未示出)的鉤子24懸置。雖然在該實施例中，通過鑽杆30從地面使鑽頭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，通過經鑽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)，來旋轉鑽頭(例如鑽頭4 0)。例如，可採用經孔底馬達旋轉，以視需要，補充轉盤22的旋轉動力，和/或在鑽孔過程中改變效果。因而，應明白，本文公開的各個方面適於對這些鑽孔構造中的每一種而改變，並且各個方面不限於傳統旋轉鑽鑿操作。
[0031]在鑽孔操作中，地面處的泥漿泵通過轉體25中的埠，將鑽鑿流體或泥漿向下泵送至鑽柱30的內部。鑽鑿流體通過鑽頭40端面中的埠或噴嘴離開鑽柱30，並且然後通過鑽柱30和鑽孔11側壁之間的環形空間13循環回至地面。鑽鑿流體的作用是潤滑和冷卻鑽頭40，並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，隨著鑽頭40鑽出鑽孔11，工具100起擴大鑽孔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鑽段110、以及在孔口擴孔鑽段110的下方軸向間隔的第二或孔底偏心擴孔鑽段130。管狀本體101具有與鑽柱軸線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允許鑽鑿流體穿過工具100至鑽頭40(圖2和3中未示出)。在鑽鑿操作期間，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連接至鑽頭40的匹配凹入槽端，並且孔口端1la包括凹入槽端107，凹入槽端107連接至處於最下管接頭33的下端處的匹配凸出銷端。
[0034]現在參考圖2-5，每個擴孔鑽段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鑽孔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，孔口擴孔鑽段110包括四個平行刀片一一對刀片111和一對刀片112 ;並且孔底擴孔鑽段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，孔口擴孔鑽段110的刀片111、112繞本體101均勻地周向間隔，並且孔底擴孔鑽段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，並且總共四個刀片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彼此周向相鄰並且刀片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彼此周向相鄰並且刀片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和大體向後面對或後表面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徑向間隔且在鑽鑿操作期間面對鑽孔11的側壁，並且表面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」，這是因為它們相對於旋轉切削方向106引導相應的刀片111、112、131、132 ;並且表面143被命名為「向後面對」或「後」，這是因為它們相對於旋轉切削方向106尾隨相應的刀片111、112、131、132。另外，刀片111、131大體周向對齊，並且刀片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，並且每個刀片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，並且如上所述的，刀片111、112彼此平行並且刀片131、132彼此平行。然而，刀片111、112不平行於刀片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，孔口擴孔鑽段110的每個刀片111、112的孔底端140b相對於旋轉切削方向106引導相應的刀片111、112，而孔底擴孔鑽段130的每個刀片131、132的孔口端140a相對於旋轉切削方向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』平行於中心軸線105且從工具100的中心軸線105徑向偏移。另外，孔口擴孔鑽段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，並且孔底擴孔鑽段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，並且在從孔口端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 ;並且將每個刀片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，並且每個半徑R112max和每個半徑 R132max都相同。更進一步，每個半徑Rlllmax、R131max都大於每個半徑Rll2max、^132παχ° 因為每個半徑Rlllmax都大於每個半徑R112max,並且刀片111、112被布置成，刀片111周向相鄰並且刀片112周向相鄰，所以孔口擴孔鑽段相對於軸線105偏心；並且因為每個半徑R131max都大於每個半徑R132max,並且刀片131、132被布置成，刀片111周向相鄰並且刀片112周向相鄰，所以孔底擴孔鑽段也相對於軸線105偏心。
[0040]再次參考圖2-5，每個擴孔鑽段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。在孔口擴孔鑽段110的刀片111上，切削元件150被設置成接近孔口端140a ;並且在孔底擴孔鑽段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的上半部分軸向並排設置，並且刀片131上的切削元件150沿每個刀片131的下半部分軸向並排設置。
[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都具有相對於旋轉切削方向106的大體向前面對的切削麵153。在該實施例中，切削麵153大致是平的，但是在其它實施例中可能凸起或凹入。
[0042]每個切削麵153都延伸至從相應的面對地層表面141至切削麵153的徑向最外尖端徑向測量的延伸高度。在該實施例中，每個切削麵153的延伸高度都相同。然而，由於當從孔底端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的切削麵153相對於軸線105』延伸的半徑逐漸減小。同樣地，由於當從孔口端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的切削麵153相對於軸線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的最低切削麵153延伸至等於半SRlllmax的半徑，在朝著孔口端140a移動時，被安裝至每個刀片111的其餘切削麵153延伸至逐漸減小的半徑；並且被安裝至每個刀片131的最高切削麵153延伸至等於半徑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的其餘切削麵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分別大於刀片112、132的半徑R112max、R132max，並且進一步地，刀片111、131包括對其安裝的切削元件150，以對鑽孔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分別小於刀片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)，並且刀片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，孔口擴孔鑽段110具有最小穿過直徑Dlltl，最小穿過直徑Dlltl代表孔口擴孔鑽段110能夠被起下鑽的最小直徑孔或鑽孔，並且如圖5中最佳示出的，孔底擴孔鑽段130具有最小穿過直徑D13tl,最小穿過直徑D13tl代表孔底擴孔鑽段130能夠被起下鑽的最小直徑孔或鑽孔。再次參考圖2-5，在該實施例中，由於刀片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；並且半徑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，孔口擴孔鑽段110和孔底擴孔鑽段130橫跨下列基準平面120彼此為鏡像，該基準平面120被設置在擴孔鑽段110、130中間，且垂直於軸線105、105』地取向。因此，穿過直徑D11(l、D13tl相同，且同心對齊，以便擴孔鑽段110、130能夠同時穿過套管14，套管14具有的內徑D14等於或大於穿過直徑D11(l、D1300換句話說，如果套管14的內徑D14等於或大於穿過直徑D11(1、D13(i，擴孔鑽段110、130就分別能夠穿過其中。然而，如果套管14的內徑D14小於穿過直徑D11(l、D13tl，擴孔鑽段110、130就分別不能夠穿過其中。
[0045]再次參考圖4和5，當孔口擴孔鑽段110在繞軸線105的切削方向106上旋轉時，孔口擴孔鑽段110將孔切削或擴大為擴孔直徑Dlltl，，並且當下擴孔鑽段130在繞軸線105的切削方向106上旋轉時，下擴孔鑽段130將孔切削或擴大為擴孔直徑D13tl,。擴孔直徑Dlltl,大於穿過直徑Dlltl,由此，使得孔口擴孔鑽段110能夠將鑽孔11擴大為大於穿過直徑Dlltl的直徑Dlltl.。類似地，擴孔直徑D13tl，大於穿過直徑D13tl,由此，使得孔底擴孔鑽段130能夠將鑽孔11擴大為大於穿過直徑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，分別大於每個穿過直徑D11(l、D130 ;更優選地，每個擴孔直徑Dlltl.、D13tl，分別大於每個穿過直徑D11(l、D13tl，且分別小於每個穿過直徑D11(l、D13tl的112% ;並且甚至更優選地，每個擴孔直徑D11(l，、D13(I，分別大於每個穿過直徑D11(1、D13(i，且分別小於每個穿過直徑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，並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鑽段110、130都具有四個刀片(即，孔口擴孔鑽段I1包括兩個切削刀片111和兩個穩定刀片112 ;並且孔底擴孔鑽段130包括兩個切削刀片131和兩個穩定刀片132)，但是通常，每個擴孔鑽段(例如，擴孔鑽段110、130)上的刀片(例如，刀片111、112、131、132)的總數目能夠大於或小於四。例如，在一些實施例中，每個擴孔鑽段都包括五個或六個螺旋形刀片，而非四個。然而，與每個擴孔鑽段上的刀片總數目無關地，優選地，每個擴孔鑽段上的刀片都均勻地周向間隔。另外，在擴孔鑽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，鑽頭40被連接至工具本體101的孔底端101b，且具有與軸線105、鑽頭本體41和柄部42同軸對準的中心軸線45。在鑽孔操作期間，鑽頭40在上述切削方向46上繞軸線45旋轉。在該實施例中，鑽頭40是固定的切削鑽頭，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的前緣並排布置，以便每個切削麵153都相對於旋轉切削方向106大體向前面對。鑽頭40具有由刀片43和切削元件150的徑向最外範圍限定的最大或全規格直徑D4(i。在該實施例中，鑽頭40的全規格直徑D4tl分別大於每個擴孔鑽段110、130的穿過直徑D11(l、D13tl,且分別小於每個擴孔鑽段110、130的擴孔直徑D11(i，、D13(i，。多個埠或噴嘴44被布置在本體41中，且被構造成在鑽鑿操作期間允許鑽鑿流體(例如，鑽鑿泥漿)流過其中，以潤滑和冷卻鑽頭40，並且將地層切削物攜帶至地面。
[0049]現在參考圖7，在鑽孔操作期間，工具100和鑽頭40在切削方向106上旋轉。通過施加W0B，鑽頭40接合併切削地層。隨著地層的碎屑被破碎，並通過鑽鑿泥漿運輸至地面，鑽頭40沿預定軌跡前進，從而延長鑽孔11。在直接在套管14的下方鑽鑿的最初階段期間，工具100被布置在套管14內，且工具100隨著鑽柱30旋轉，從而旋轉鑽頭40。在大多數傳統的偏心擴孔鑽中，通常都不鼓勵擴孔鑽在套管(例如，套管14)內旋轉，這是因為擴孔鑽可能不利地切削和損傷套管，潛在地威脅鑽井的整體性。特別地，大多數偏心擴孔鑽的尺寸都被設計成，使得它們能夠軸向前進穿過套管，且然後將鑽孔直徑擴孔至大於套管直徑。為了最大化被擴孔的鑽孔直徑，傳統的擴孔鑽的尺寸都被設計成儘可能地大，同時能夠前進穿過套管。因此，當這種偏心擴孔鑽在套管內旋轉時，其可能將套管內部擴大為大於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，擴孔鑽段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，擴孔鑽段110、130的尺寸儘可能地大，同時仍能夠穿過套管14——穿過直徑D11(l、D130等於或稍微小於套管14的內徑D14。應明白，雖然圖8僅示出套管14中的上擴孔鑽段110，但是下擴孔鑽段130以相同的方式起作用。由於擴孔鑽段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，並且軸線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，擴孔鑽段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，擴孔鑽段110、130不繞軸線105旋轉；在套管14中，迫使擴孔鑽段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，並且切削元件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，連續地迫使擴孔鑽段110、130繞軸線15、105』旋轉，且防止切削麵153切入套管14中。由於迫使偏心擴孔鑽段110、130繞套管14的軸線15旋轉，所以套管14內的擴孔鑽段110、130的旋轉直徑等於穿過直徑D11(1、D13(i，由此使得工具100和擴孔鑽段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7，一旦鑽頭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，並且因而，不再迫使擴孔鑽段110、130繞套管軸線15、105』旋轉。相反，一旦工具100不接觸套管14，擴孔鑽段110、130就繞工具軸線105旋轉，由此使得擴孔鑽段110、130能夠將鑽孔11擴大為大於直徑D14、D110, D130的直徑D11(l，、D⑶，。當鑽鑿新一段鑽孔11時(即，在工具100穿過鑽孔11前進期間)，孔底擴孔鑽段130就引導孔口擴孔鑽段110並起主擴孔鑽的作用，而當將工具100從鑽孔11起鑽時(即，從鑽孔11縮回工具100期間)，孔口擴孔鑽段110引導孔底擴孔鑽段130並起主擴孔鑽的作用。孔底擴孔鑽段130的切削元件150被布置成接近刀片131的下端140b，並且當從刀片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；並且孔口擴孔鑽段110的切削元件150被布置成接近刀片111的孔口端140a，並且當從孔口端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，當鑽鑿新段的鑽孔11時，工具100繞軸線105在切削方向106上旋轉，並且孔底擴孔鑽段130引導孔口擴孔鑽段110，並且更特別地，隨著工具100穿過鑽孔11軸向前進，孔底端140b引導刀片131，由此隨著孔底擴孔鑽段130穿過鑽孔11軸向前進，使得被安裝至刀片131的切削元件150能夠將鑽孔11的直徑逐漸增大至直徑D13cr。當從鑽孔11對工具100起鑽時，工具100在繞軸線105的切削方向106上旋轉，並且孔口擴孔鑽段110引導孔底擴孔鑽段130，並且更特別地，隨著工具100穿過鑽孔11軸向前進，孔口端140a引導刀片111，由此使得隨著孔口擴孔鑽段110穿過鑽孔11前進，被安裝至刀片111的切削元件150能夠將鑽孔11的直徑逐漸增大至直徑Dlltl,。通過上述方式，工具100和擴孔鑽段110、130能夠在套管14內旋轉，而不切削或損傷套管14，且將鑽孔11擴大為大於套管的內徑D14的直徑Dlltl,、D13tl,。在套管14內，迫使擴孔鑽段110、130繞套管14的軸線15旋轉，然而，一旦擴孔鑽段110、130不接觸套管14，擴孔鑽段110、130就繞工具100的軸線105旋轉。另外，工具100和擴孔鑽段110、130能夠在鑽鑿新段的鑽孔11的同時，以及在從鑽孔11對工具100起鑽的同時，對鑽孔11擴孔。此外，擴孔鑽段110、130能夠結合下列鑽頭(例如，鑽頭40)使用，該鑽頭被泥漿馬達單獨旋轉。特別地，由於擴孔鑽段110、130的穿過直徑D11(1、D13(i分別稍微小於鑽頭的直徑(例如，鑽頭40的直徑D4tl),該鑽頭直徑等於或稍微小於套管直徑(例如，直徑D14),所以擴孔鑽段110、130能夠穿過被鑽頭(例如，鑽頭40)鑽鑿的鑽孔(例如，鑽孔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，擴孔鑽段110、130沿一體件101軸向間隔隔開。然而，在其它實施例中，擴孔鑽段(例如，擴孔鑽段110、130)能夠被布置在不同的管狀件、工具或本體上。例如，下擴孔鑽段(例如，擴孔鑽段130)能夠被布置在與鑽頭(例如，鑽頭40)軸向相鄰的第一管狀本體上，並且上擴孔鑽段(例如，擴孔鑽段130)能夠被布置在軸向相鄰並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鑽柱30中，鑽頭40是下列單獨組件，其被以可移除的方式聯接至包括擴孔鑽段110、130的工具100。然而,在其它實施例中，鑽頭(例如,鑽頭40)和一個或兩個擴孔鑽段(例如，下擴孔鑽段110或擴孔鑽段110、130)能夠一體形成為單個組件或工具。此外，雖然聯接至擴孔鑽段110、130的鑽頭40是固定的切削鑽頭，但是在其它實施例中，擴孔鑽段(例如，擴孔鑽段110、130)能夠結合不同類型的鑽頭使用，諸如滾錐鑽頭。而且，在上文所示和所述的工具100的實施例中，擴孔鑽段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可不相對於端部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，並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，鑽頭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範圍或教導的情況下，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，並且它們都在本發明的範圍內。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，保護範圍不限於本文所述的實施例，而是由所附權利要求限定，本發明的範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)不是旨在指定並且不指定步驟的具體次序，而是用於簡化對這些步驟的提及。
【權利要求】
1.一種用於對鑽孔進行擴孔的工具，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； 孔口擴孔鑽段，所述孔口擴孔鑽段被安裝至所述本體；和 孔底擴孔鑽段，所述孔底擴孔鑽段被安裝至所述本體，且沿軸向位於所述孔口擴孔鑽段的下方； 其中，每個擴孔鑽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，所述孔口擴孔鑽段的所述第一刀片的所述面對地層表面被布置在垂直於所述中心軸線測量的半徑Rl處，其中，當從所述孔口擴孔鑽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，所述孔底擴孔鑽段的所述第一刀片的所述面對地層表面被布置在垂直於所述中心軸線測量的半徑R1』處，其中，當從所述孔底擴孔鑽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鑽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鑽段的所述第一刀片的所述切削元件延伸至相對於所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小於或等於所述孔口擴孔鑽段的所述第一刀片的所述孔底端處的半徑R1，並且安裝至所述孔底擴孔鑽段的所述第一刀片的所述切削元件延伸至相對於所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小於或等於所述孔底擴孔鑽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鑽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鑽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鑽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鑽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鑽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鑽段的所述第一刀片的每個切削元件均延伸至相對於所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小於或等於所述孔口擴孔鑽段的所述第一刀片的所述孔底端處的半徑R1，並且安裝至所述孔底擴孔鑽段的所述第一刀片的每個切削元件均延伸至相對於所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小於或等於所述孔底擴孔鑽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，所述孔口擴孔鑽段包括與所述孔口擴孔鑽段的所述第一刀片周向間隔開的第二刀片； 其中，所述孔底擴孔鑽段包括與所述孔底擴孔鑽段的所述第一刀片周向間隔開的第二刀片； 其中，所述孔口擴孔鑽段的所述第二刀片徑向延伸至垂直於擴孔鑽軸線測量的最大半徑R2，所述擴孔鑽軸線平行於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小於所述孔口擴孔鑽段的所述第一刀片的所述孔底端處的所述半徑Rl ;並且 其中，所述孔底擴孔鑽段的所述第二刀片徑向延伸至垂直於所述擴孔鑽軸線測量的最大半徑R2』，其中，所述最大半徑R2』小於所述孔底擴孔鑽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，所述孔口擴孔鑽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，所述孔底擴孔鑽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，所述孔口擴孔鑽段的所述第一刀片和所述第二刀片彼此平行地取向；並且 其中，所述孔底擴孔鑽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，所述孔口擴孔鑽段的每個刀片的所述孔底端相對於切削方向而引導所述孔口擴孔鑽段的相應刀片的孔口端； 其中，所述孔底擴孔鑽段的每個刀片的所述孔口端相對於所述切削方向而引導所述孔底擴孔鑽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，所述孔口擴孔鑽段的所述第一刀片的所述孔底端相對於切削方向而引導所述孔口擴孔鑽段的所述第一刀片的孔口端； 其中，所述孔底擴孔鑽段的所述第一刀片的所述孔口端相對於所述切削方向而引導所述孔底擴孔鑽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，所述孔口擴孔鑽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，所述孔口擴孔鑽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，所述孔口擴孔鑽段的每個第一刀片的所述面對地層表面均被布置在垂直於所述中心軸線測量的半徑Rl處，其中，當從所述孔口擴孔鑽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，所述孔口擴孔鑽段的每個第二刀片均徑向延伸至垂直於所述擴孔鑽軸線測量的最大半徑R2，其中，每個最大半徑R2均小於所述孔口擴孔鑽段的每個第一刀片的所述孔底端處的所述半徑Rl ； 其中，所述孔底擴孔鑽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，所述孔底擴孔鑽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，所述孔底擴孔鑽段的每個第一刀片的所述面對地層表面被布置在垂直於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，所述孔底擴孔鑽段的每個第二刀片均徑向延伸至垂直於所述擴孔鑽軸線測量的最大半徑R2』，其中，每個最大半徑R2』均小於所述孔底擴孔鑽段的每個第一刀片的所述孔口端處的所述半徑R1』。
8.一種用於在大地地層中鑽出鑽孔的系統，所述系統包括: 鑽柱，所述鑽柱具有中心軸線、孔口端和孔底端； 鑽頭，所述鑽頭被布置在所述鑽柱的所述孔底端處且與所述鑽柱同軸對準，其中，所述鑽頭被構造成繞所述中心軸線在切削方向上旋轉，從而將所述鑽孔鑽至直徑Dl ； 第一擴孔鑽段，所述第一擴孔鑽段在所述鑽頭和所述孔口端之間安裝至所述鑽柱，其中，所述第一擴孔鑽段被構造成繞所述中心軸線在所述切削方向上旋轉，從而將所述鑽孔擴大至大於直徑Dl的直徑D2; 其中，所述第一擴孔鑽段包括一對第一刀片和一對第二刀片，其中，所述第一擴孔鑽段的刀片均勻地周向間隔開，所述第一刀片彼此周向相鄰，並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於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 向延伸至相對於擴孔鑽軸線的最大半徑R2，所述擴孔鑽軸線平行於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小於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於所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小於或等於在所述第一擴孔鑽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於所述切削方向的向前面對的切削麵。
9.根據權利要求8所述的系統，進一步包括: 第二擴孔鑽段，所述第二擴孔鑽段在所述第一擴孔鑽段和所述鑽柱的所述孔口端之間安裝至所述鑽柱，其中，所述第二擴孔鑽段被構造成繞所述中心軸線在所述切削方向上旋轉，從而將所述鑽孔擴大至大於直徑Dl的直徑D3 ； 其中，所述第二擴孔鑽段包括一對第一刀片和一對第二刀片，其中，所述第二擴孔鑽段的刀片均勻地周向間隔開，所述第一刀片彼此周向相鄰，並且所述第二刀片彼此周向相鄰; 其中，所述第二擴孔鑽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，所述第二擴孔鑽段的每個第一刀片的所述面對地層表面均被布置在相對於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，所述第二擴孔鑽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，所述第二擴孔鑽段的每個第二刀片均徑向延伸至相對於所述擴孔鑽軸線的最大半徑R2』，所述半徑R2』小於所述第二擴孔鑽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鑽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於所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小於或等於所述第二擴孔鑽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，所述第二擴孔鑽段是所述第一擴孔鑽段橫跨下列基準平面的鏡像，所述基準平面位於所述第一擴孔鑽段和所述第二擴孔鑽段之間且面垂直於所述中心軸線取向。
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，所述第一擴孔鑽段的每個第一刀片的所述孔口端與所述第二擴孔鑽段的一個第一刀片的所述孔底端周向對齊；並且 其中，所述第一擴孔鑽段的每個第一刀片的所述孔底端與所述第二擴孔鑽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，所述第一擴孔鑽段的每個第二刀片的所述孔口端與所述第二擴孔鑽段的一個第二刀片的所述孔底端周向對齊；並且 其中，所述第一擴孔鑽段的每個第二刀片的所述孔底端與所述第二擴孔鑽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，所述第一擴孔鑽段的每個刀片的所述孔口端均相對於所述切削方向而引導所述第一擴孔鑽段的相應刀片的所述孔底端；並且 其中，所述第二擴孔鑽段的每個刀片的所述孔底端均相對於所述切削方向而引導所述第二擴孔鑽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，所述第一擴孔鑽段的刀片彼此平行地取向； 其中，所述第一擴孔鑽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，所述第一擴孔鑽段的每個刀片的孔口端都相對於所述切削方向而引導所述第一擴孔鑽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，所述第一擴孔鑽段具有穿過直徑D1』； 其中，所述直徑D2大於所述穿過直徑D1』。
16.根據權利要求15所述的系統，其中，所述直徑D2小於所述穿過直徑D1』的112%。
17.一種用於鑽出鑽孔的方法，所述方法包括: (a)將鑽頭聯接至鑽柱的下端； (b)在所述鑽頭和所述鑽柱的孔口端之間將擴孔工具聯接至所述鑽柱，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鑽段； 其中，所述孔底偏心擴孔鑽段具有穿過直徑D1』 ； 其中，所述孔底擴孔鑽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，從而將所述鑽孔擴孔至直徑D2 ； 其中，所述孔底偏心擴孔鑽段包括: 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於所述中心軸線的下列半徑，所述半徑小於或等於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鑽段，所述套管具有中心軸線以及內徑Di,所述內SDi小於或等於所述穿過直徑D1』 ；其中，所述內徑Di小於所述直徑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)使所述鑽頭在切削方向上旋轉，以將所述鑽孔鑽至直徑Dl； (e)在所述套管內，使所述孔底偏心擴孔鑽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鑽段降低到所述套管的下方的所述鑽孔內； (g)在(f)之後，使所述孔底偏心擴孔鑽段繞所述管狀本體的所述中心軸線旋轉，從而將所述鑽孔擴孔為直徑D2，所述直徑D2大於所述直徑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於所述切削方向而引導所述切削刀片的所述孔 底端；並且 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鑽段，所述孔口偏心擴孔鑽段從所述本體徑向延伸且位於所述孔底偏心擴孔鑽段和所述鑽柱的孔口端之間； 其中，所述孔口偏心擴孔鑽段具有與所述直徑D1』相同的穿過直徑D2』 ； 其中，所述孔口偏心擴孔鑽段包括: 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鑽頭的孔口端、靠近所述鑽頭的孔底端、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，所述半徑小於或等於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鑽段； 其中，(e)進一步包括在所述套管內使所述孔口偏心擴孔鑽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，所述孔口偏心擴孔鑽段的所述切削刀片的所述孔底端相對於所述切削方向而引導所述切削刀片的孔口端；並且 其中，(e)進一步包括在所述孔口擴孔鑽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鑽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)從所述鑽孔對所述鑽柱起鑽； (i)在(h)期間，使所述孔口偏心擴孔鑽段繞所述管狀本體的所述中心軸線旋轉，從而將所述鑽孔擴孔為直徑D3，所述直徑D3大於所述直徑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】羅傑·H·西爾瓦 申請人:國民油井Dht有限公司