钻井工具 【技术领域】
本发明涉及一种适用于钻井眼的钻井工具， 例如后续使用于石油和 / 或天然气开 采中。本发明特别涉及一种钻井工具， 借助该工具， 能够形成增大的导向器的井眼区域。背景技术
在进行钻井或完成井眼时， 有时需要提供直径扩大的区域。 显然， 用于形成井眼的 直径扩大的区域的工具必须能够通过位于较大直径区域要形成处上方的任何较小的井眼 直径区域。这对在该用途中使用的工具形成相当的设计限制。
已知使用具有多个可动部件的钻井工具， 这些部件可以移动从而改变所钻井眼的 直径。然而， 可动部件多会导致该工具变得较为复杂， 容易由于其部件的堵塞而失效， 并且 还需要具有相应的控制系统以控制其操作。
另一种熟知的适用于该用途的工具为双中心工具。 该工具可包括导向或中间扩眼 区和相对中间扩眼区偏心定位的主扩眼区。在这样的布置中， 当工具需要形成直径相对较 大的区域时， 它就会绕中间扩眼区的旋转轴旋转， 同时施加钻压载荷。 中间扩眼区形成或完 成直径相对较小的钻孔区域， 随后通过偏心主扩眼区扩大该区域， 中间扩眼区挤靠孔壁用 于引导工具， 对由于主扩眼区的偏心定位而施加的侧面载荷作出反应。在需要较小的直径 区域时， 该工具由相对井眼中心偏心定位的中间扩眼区的旋转轴支撑， 工具尺寸使其能够 通过孔的较小直径区域。例如， 在 US5678644 和 US 2002/0104688 中描述了这种通用类型 的工具。
正如在双中心工具中是必要的一样， 主扩眼区的偏心位置导致工具在使用中会以 上文所描述的方式不平衡。例如， 由于工具不平衡造成的侧面载荷可能会导致工具易于倾 斜， 并且导致工具推进的方向与需要扩大井眼的方向不同。不平衡力还可能导致工具易于 绕与想要其围绕旋转的中间扩眼区的旋转轴不同的旋转轴旋转， 这将导致主扩眼区所钻的 井眼的一部分与希望的不同， 例如具有较小的直径。 而且， 不平衡力可能会导致工具的某些 部件遭受过度磨损或导致那里在使用中损坏。 显然， 这些效应是不利的， 且本发明的目标在 于提供一种能够克服或减小上文所述的不利效应的钻井工具。
在 US5678644 的布置中， 钻井工具的设计方式为 ： 包括穿透限制装置， 该装置可操 作地限制工具上的至少某些刀头的穿透深度。人们认为， 用这种方式限制穿透深度能够减 小钻头的倾斜和旋转。但是， 用这种方式限制穿透深度仅仅是解决了由过量的穿透引发的 问题， 并没有解决由其它因素引发的不稳定问题。 US5678644 进一步地描述了钻头的导向部 分和扩眼部分产生的切削力能够基本平衡的设计技术， 这两个切削力基本是方向相反并基 本大小相等。 发明内容 根据本发明， 提供一种双中心钻井工具， 其包括相对于工具旋转轴偏心定位的主 扩眼区和位于主扩眼区之前的不平衡前导切削结构， 在钻井方向， 前导切削结构的定位应
能对钻井工具施加侧面载荷， 侧面载荷的作用方向应能抵消在使用中由于主扩眼区偏心于 旋转轴所施加的侧面载荷。
前导切削结构优选包括至少一个设有刀头的前导刀片。方便地， 提供单个这类前 导刀片。
优选地， 中间扩眼区位于主扩眼区域和前导切削结构之间。
优选地， 主扩眼区以与中间扩眼区在导向方向上的转动轴间隔开的轴线为中心， 前导刀片沿与第一方向相反的第二方向、 延伸离开中间扩眼区的旋转轴。
前导刀片具有外表面， 该外表面优选设有耐磨损层， 例如采用 TSP 保护的形式。前 导刀片优选包括多个刀头， 这些刀头的设计和 / 或取向应能提高可由此获得的侧面载荷的 大小。这种布置的优点在于 ： 其允许平衡或补偿在提供较大或更偏心的主钻井区域时施加 的侧面载荷， 从而允许钻出直径较大的井眼区域。 因此， 其可以使通常难以保持平衡的直径 较大的工具保持平衡。通过提供实现平衡或改善平衡的钻井工具， 将克服或减少上文中提 到的缺点。 例如， 将减小形成尺寸过小的孔区域的风险， 还将减小在井眼中发生不希望的偏 差的风险。 附图说明
结合附图， 通过例子对本发明进行进一步说明， 其中 ： 图 1 为根据本发明的一个实施例， 钻井工具的示意侧视图 ； 图 2 为图 1 所示的工具的端视图 ； 图 3a 和 3b 为图 1 所示的工具在使用中的示意图示。具体实施方式
参照附图， 对双中心钻井工具 10 进行说明。工具 10 包括意欲沿着钻管组中途安 装的扩眼器， 并且可操作地允许完成需要扩大的井眼区域。 尽管所说明的工具为扩眼器， 但 是应理解， 本发明也适用于其它类型的钻井工具。
钻井工具 10 包括例如铸钢形式的工具主体 12。但是， 工具主体也可以用其它材 料。工具主体 12 由定义为主扩眼区 14 和中间扩眼区 16 的区域来形成。每一区 14， 16 均 在钻头主体 12 上包括一系列竖直刀片 18， 每个刀片 18 都携带一系列呈多晶金刚石复合切 削器形式的切削元件 20。 一种使切削元件 20 在刀片 18 上固定就位的方式为将切削元件钎 焊到形成于刀片上的凹口或其它结构上。 但是， 这可能要使用很多其它的固定或安装技术。 同样， 本发明也涵盖其它类型的切削元件的使用。
如图 2 所示， 中间扩眼区 16 的多数刀片 18 基本上延伸至直径 23 的导向标准圆周 22， 该圆周以钻井工具 10 的旋转轴 24 为中心。主扩眼区 14 的刀片 18 基本上延伸到穿过 偏心于导向标准圆周 22 的直径 27 的圆周 26 的轨道。导向标准圆周 22 的一部分凸出到穿 过圆周 26 的轨道的外侧， 且在工具的这部分中， 中间扩眼区 16 的刀片 18 仅径向向外延伸 穿过圆周 26 的轨道那么远， 而不是导向标准圆周 22 那么远。
当井眼需要相对较大的直径区域， 工具 10 支撑成绕旋转轴 24 旋转同时在那里施 加合适的钻压载荷。该旋转导致中间扩眼区 16 靠顶井眼壁， 刮削、 研磨或以其它方式去除 地层材料， 从而钻出或增加导向孔 50 的直径 ( 参见图 3a)。该旋转还导致偏心主扩眼区 14的旋转， 扫过直径 29 的圆周 28， 位于主扩眼区 14 的刀片 18 上的刀头 20 刮削、 研磨或以其 它方式去除地层材料， 扩展导向孔 50 的直径以基本形成直径 29 的井眼 52。
在钻井工具 10 上述操作中， 应理解， 主扩眼区 14 的偏心定位导致施加相对较大的 侧面载荷或施加其它不平衡力。为了抵消这些力， 根据本发明， 工具 10 设有前导刀片 30 的 形式的附加前导切削结构， 前导刀片 30 位于主扩眼区 14 之前， 在所示的实施例中， 在钻井 的方向上， 位于中间扩眼区 16 之前的位置。前导刀片 30 在与主扩眼区 14 最偏心于旋转轴 24 的位置径向相反的位置上位于工具 10 上。 尽管前导刀片 30 延伸到其它径向位置可以获 得一些本发明的益处， 但在该实施例中， 前导刀片 30 延伸到一个大体上位于穿过圆周 26 的 轨道上的径向位置。
前导刀片 30 设有例如多晶金刚石复合刀头形式的切削元件 32， 切削元件优选定 位成实现施加相对较大的侧面或不平衡载荷。 这可以通过使用具有适当后倾角的大倒角刀 头来实现。相似地， 前导刀片 30 的形状优选是使获得相对陡峭的切削轮廓， 这将也会加强 能够由前导刀片 30 施加的平衡力的大小。前导刀片 30 的外表面优选抗磨损， 例如通过在 外表面应用 TSP 保护 ( 未显示 )。另一种选择或附加地， 前导刀片 30 具有 PDC 或碳化钨镶 齿或其它材料的部件， 例如与刀头 ( 例如或者在刀头之后或在刀头之间 ) 相结合以共同承 担冲击载荷， 控制钻井扭矩， 增强持久性和 / 或产生附加的钻井力。
提供前导刀片 30 在使用过程中导致， 当工具 10 用于增加井眼直径时， 施加最先或 早期的不平衡的侧面载荷给钻井工具 10， 作用方向与主扩眼区 14 的作用方向相反。 如上文 所描述的， 作用在钻井工具 10 上的净不平衡载荷的平衡或降低程度是有益的， 因为降低了 钻出尺寸过小孔区域的风险。 此外， 可以降低在井眼中钻井工具的倾斜以及偏差的形成。 它 也允许平衡相对较大的偏心扩眼器或其它钻井工具， 如果需要， 可以让其具有另外的刀片。
当需要井眼的相对较小的直径区域， 通过定位工具使该工具能够穿过井眼的那些 区域以便轴 24 偏心于所述井眼区域的轴线。 在这种方式下， 尽管该工具能够钻即直径为 29 的相当大的井眼区域， 但是工具还能够穿过像直径 27 那么小直径的井眼区域。
尽管上文所示出和描述的装置仅具有一个前导刀片 30， 但是可以采用设有两个或 更多这类刀片的结构， 前导刀片的位置和设计应使得施加在钻井工具上的净不平衡载荷作 用方向与由主钻井区域的操作引起的不平衡力作用方向大体相反。而且， 需要时也可以在 与前导切削结构大体相同的轴位置处具有一个或更多的支承垫。
在不脱离本发明范围的情况下， 可以对上文描述的结构作出各种改进和替代。