專利名稱：用于套管或襯管的擴眼工具及擴眼方法
技術領域：
本發明的實施例涉及一種適用于在套管或襯管上操作的擴眼工 具，以及一種擴井眼的方法。
背景技術：
在將套管或襯管插入預先鉆好的井眼時，希望的是井眼已經以預 定的圓柱度鉆到其設計的直徑，并且沿著其路徑沒有顯著的偏差(比 如狗腿)。不幸的是，由于地層間的轉變，地層內比如脈道的不規則性、 超過容許限度的鉆頭的使用、插入井眼后鉆頭的破壞、鉆孔機使用的
井底鉆具組合(BHA)的外形以及各種其他原因，很少得到理想的井 眼。
因此，希望為插入現有井眼中的套管或襯管提供在其前端的切削 結構以便根據需要使井眼部分能夠擴大，使得套管或襯管以完全預定 的程度插入井眼中。過去已經嘗試了多種方法來提供具有擴眼能力的 套管柱或襯管柱，結果不一。

發明內容
本發明的擴眼工具包括具有凹入的頭部的基本上管狀的主體，所 述頭部通過基本上弧形的臺肩過渡區延伸至側壁。擴眼工具還包括切 削結構，用于通過與井眼側壁接觸而擴大井眼(也稱作"擴眼")。在此 使用的術語"工具"是一個非限制性的含義，本發明的實施例的裝置也 可以具有擴眼鉆頭或擴眼鞋的特征。
在一些實施例中，擴眼工具的凹入頭部可以具有至少一個貫穿其 中而且延伸到主體內部的出口。在一些實施例中，多個沿圓周間隔開 的、螺旋狀構造的刀片可以從接近臺肩過渡區域處在主體的外部上延伸并且在其間限定了排屑槽。每個刀片的軸向前端與管狀體基本上無
距離地開始；并且沿徑向向外傾斜到與管狀體基本上恒定距離的部分； 然后徑向向內延伸至傾斜的軸向后端，多個切削元件可以布置成靠近 多個刀片中的每一個的軸向前端并沿著所述多個刀片中的每一個的旋 轉布置的前緣放置。
本發明的另 一個實施例包含一種鉆出擴眼工具的方法，所述擴眼 工具構造成具有在其軸向前端處的頭部和沿軸向延伸到其后部的側壁 的鞋。該方法包括最初將接近其中心部分的頭部與鉆頭接合，使擴眼 工具內部的鉆頭旋轉，從其中心部分徑向向外朝向其周邊和主體的側 壁鉆出頭部。


圖l是根據本發明的擴眼工具的一個實施例的透視圖2是根據本發明的擴眼工具的另一個實施例的透視圖3是朝向圖1和圖2的擴眼工具的頭部方向看到的正視圖4是描述了卵形端插入件的放大側剖面圖，該卵形端插入件放
置在圖l和圖2的擴眼工具的刀片中并伸出超過了所述工具的主直徑；
以及
圖5A至5C是本發明的擴眼工具的四分之一截面的示意圖，如圖 l和圖2所描述的，作為傳統的PDC旋轉刮刀靠近并鉆通頭部，描述 了從擴眼工具的頭部的中心線朝向主體的側壁的鉆出是如何實現的。
具體實施例方式
本發明的一個實施例包括擴眼工具，所述擴眼工具構造成適用于 在套管柱或襯管柱上操作的擴眼鉆頭或擴眼鞋(在下文中，為方便起
見，指"套管柱"以便包括這種一般類型的管狀柱)。擴眼工具包括管狀 主體，所述管狀主體在其后端具有用于將主體連接到套管柱的前端上 并且在其前端朝向頭部延伸的結構。
頭部構造有圍繞其中心的淺圓錐形輪廓，多個刀片從頭部的外周以較大斜度的螺旋結構從與主體基本上沒有距離的前端處開始朝向主 體的后端延伸。刀片從頭部的周邊沿軸向和徑向向外傾斜至與主體基 本恒定距離的更大部分，直至接近其軸向后端的位置，并且在其間限 定了排屑槽。頭部的中心包括在其中的出口，鉆井液(以及，后來的 水泥)通過該出口向下循環穿過套管柱，流出到頭部的面上并且進入 排屑槽，該循環可以通過使用從主體內部穿過頭部外周的其他側出口 而增強。
每個刀片的旋轉的前緣(當預期進行旋轉擴眼時，從預定的通常 順時針的方向看套管柱所看到的那一邊緣)在刀片頭部和刀片達到最 大直徑的 一 點之間設有多個超研磨的切削元件，其可以包含面向預定
旋轉方向的聚晶金剛石復合片(PDC)的切削元件。PDC切削元件在 穿過鉆頭直徑的通道的外面，所述鉆頭備用于隨后插入用于鉆出眼的 擴眼工具，以促進鉆出過程。如果遇到合適一個或多個地層，也可能 使用其他材料的切削元件，例如碳化鵠(WC)，再將這些切削元件放 在穿過直徑的通道外面。沿所述刀片傾斜部分的刀片的徑向外表面設 有相對較厚的碎碳化鴒層，該碎碳化鵠層旋轉布置地設置于PDC切削 元件之后。支承元件以比如碳化鴒或PDC卵形體的形式設在刀片外表 面中的凹陷中，在其傾斜部分中，卵形體比PDC切削元件暴露面積大 (因為更遠離刀片的徑向外表面延伸)并且位于旋轉布置在PDC切削 元件后面的位置。支承元件及它們的相關暴露度防止了 PDC切削元件 與較大的管狀管道的內部之間的潛在的破壞性接觸，套管柱在遇到敞 開的、預先鉆好的井眼之前會穿過該管狀管道插入。軸向拖曳在有 PDC切削元件的傾斜部分后面的刀片的徑向外表面至少沿所述刀片 的旋轉布置的前緣和后緣設有碳化鵠層。刀片的縱向后端可以朝向主 體軸向和徑向地向內漸縮，并且設有較厚的碎碳化鴒層。
主體的內部輪廓構造成通過傳統的旋轉鉆頭來優化鉆出，而不會 將剩余的工具頭部的大材料段留在井眼中。
現在參照圖1至4，擴眼工具10 (如圖1和圖2分別描述了兩個 稍微不同的實施例)包括管狀主體12，它可能由單一材料制成，比如鋼、鋁、青銅或其他合適的硬質金屬或合金，但是該材料通過傳統的
PDC或牙輪鉆頭可容易地鉆出孔。主體12包括頭部14，其可以構造 有一個朝向擴眼工具10的中心凹陷的淺的、凹入輪廓。這個凹入輪廓 可以是一個淺圓錐，或其他合適的凹入輪廓。頭部14過渡到側壁16， 其朝向擴眼工具10的后端沿軸向和徑向向外傾斜，其設有比如內螺紋 (未示出)的結構，用于將擴眼工具IO連接到套管柱的前端上。頭部 14和側壁16之間的過渡包括基本上弧狀橫截面的過渡臺肩壁18,而 且其可以或不可以呈現恒定的曲率半徑。中心孔P從主體12的內部 通向頭部外面，其他側孔P從主體12的外部穿過過渡臺肩壁18延伸 到主體12的內部。
多個刀片20設在管狀主體12的外部，從靠近過渡臺肩壁18后邊 緣的位置與其沒有距離地延伸，由于刀片朝向各自的軸向后端延伸， 刀片沿徑向向外傾斜，距離增大，從而提供了直徑增大的徑向外表面。 刀片20的軸向后端包括一個直徑減小的傾斜表面或倒角表面22，延 伸至主體12的外部。刀片20在主體12的外部上構造成較大斜度的螺 旋形結構，每個刀片20的圓周度足夠大以保證多個刀片20完全地、 360°覆蓋在主體12的外部。排屑槽24限定在側壁16的外部，從靠近 過渡臺肩壁18的位置，每個排屑槽24圓周地排列有一個側出口 P。 排屑槽24的深度隨著刀片20的距離增大最初從它們的各自前端增加， 并且所述排屑槽被限定在刀片側邊緣之間。
PDC切削元件30形式的超研磨切削元件沿著每個刀片20的旋轉 布置的前緣設置。PDC切削元件30可以包括任何合適的PDC切削元 件結構。已經受讓給本發明的受讓人的美國專利5,435,403中公開了一 個合適的PDC切削元件的非限制性實例。如上述應注意的，PDC切 削元件30放置在穿過鉆頭直徑的通道外面，所述鉆頭備用于隨后插入 用于鉆出眼的擴眼工具中，以促進鉆出眼的過程。也預期在實施本發 明的過程中使用除了 PDC切削元件之外的超研磨切削元件，以及其它 材料的切削元件。例如，考慮到正在擴眼的一個或多個地層的特征以 及地層特征允許情況下使用較價廉的切削工具的能力，可以使用熱穩定產品(TSP)的金剛石切削元件、孕鑲金剛石的切削元件、立方氮 化硼(CBN)切削元件以及碳化鎢(WC)切削元件。
刀片20的徑向外表面32沿其傾斜部分設有較厚的碎碳化鎢34 層，該碎碳化鎢層34旋轉布置地放置在PDC切削元件30后面。在圖 l的實施例中，碎碳化鎢層34周向較寬，軸向短，并且從PDC切削 元件30排的大約中點上沿軸向開始，而在圖l的實施例中，它放置在 至少沿PDC切削元件30的整個軸向范圍軸向伸展的細長槽內。例如， 支承元件36以碳化鴒卵形體的形式放置在PDC切削件30和較厚的碎 碳化鵠層34之間的外周上的傾斜部分中且在刀片20的外表面中的凹 陷中。也考慮使用其他類型和結構的支承元件，例如，比如帶有半球 形頭的PDC支承元件或其他合適材料制成的支承元件。PDC切削元 件30的軸向后面的刀片20的徑向外表面32設有一層或多層碳化鴒 38。在圖l的實施例中，碳化鎢層38基本上在每個刀片20的整個徑 向外表面上延伸，而圖2的實施例中，碳化鴒基本上設在沿刀片20 的前緣和后緣旋轉設置地延伸的槽中的兩個細長的層38中。旋轉設置 的后層38朝向頭部14軸向延伸，以便在較厚的碳化鴒層34后面旋轉 設置地延伸，所述碳化鎢層具有沿外周位于其間的支承元件36。在刀 片20的末端處的軸向后斜面22設有較厚的碳化鵠層40。
擴眼工具10的頭部構造成具有解析推導出的殼(壁)厚度，所述 殼厚度的選擇用于便于鉆出眼。最小厚度通過對施加在使用過程中的 擴眼工具IO上的預定重量和扭矩進行有限元分析(FEA )來進行設計。 該厚度被優化使得在希望負載參數之上，該設計提供一個2到3的安 全系數，擴眼工具IO在該負載參數下被插入。
頭部14凹度的程度可以是變化的，為擴眼工具IO提供在穿過地 層時能引導自己的能力，同時允許鉆出頭部部分而在井眼中不留下大 碎屑塊。特別是在頭部的面之上伸出的頭部區域中沒有刀片20允許頭 部中的主體殼材料的連續切削，使擴眼工具PDC的鉆頭可鉆孔。
如前面所注意到的，包括碳化鴒卵形端部的插入件或由其他合適 材料形成的支承元件36相對于PDC切削元件30以及碳化鵠層的暴露
9量大，從而阻止了刀片20所承載的超研磨切削元件和套管或襯管內部 之間的破壞性接觸，擴眼工具IO可以在套管或襯管中操作。
PDC切削元件30以及碳化鴒層34、 38和40使能夠進行旋轉擴 眼或往復擴眼。碳化鎢層34、 38和40的完全外周覆蓋使能夠進行往 復擴眼。PDC切削元件30使能夠沿傳統的順時針方向進行攻擊性旋 轉擴眼。碳化鎢層34和38延伸至位于刀片20旋轉布置的前緣與后緣 上的保徑面的頂部，允許擴眼工具IO也能沿逆時針方向旋轉擴眼。刀 片20還包括傾斜的旋轉布置的前緣以減少反扭矩和減少側向切削供 給性。在刀片20的軸向后端上的厚碎碳化鵠層提供了向上擴眼的能 力。
現在參照圖5A-5C，圖5A描述了一種傳統的PDC旋轉刮刀鉆頭 D的外表面牙輪輪廓，在刮刀鉆頭D與頭部14的內表面IS接合之前， 所述刮刀鉆頭D放置在擴眼工具10的主體12內。為了清楚起見省略 了旋轉刮刀鉆頭D表面上所承載的PDC切削元件，以及與所述PDC 切削元件一起顯示的與其上所暴露的表面輪廓基本上相同的牙輪輪廓 CP。在圖5B中，旋轉刮刀鉆頭D與頭部14的內表面IS接合并且已 經部分地鉆通其中。如可以看到的，頭部14的中間凹入部分的內表面 S呈現出與牙輪輪廓CP的錐角相似的錐角，而其外表面OS呈現了較 陡的錐角，造成擴眼工具10的中心線L附近的壁較薄，并且確保頭部 14將從中心線L朝向過渡臺肩壁18鉆出(最后鉆出過渡臺肩壁)，并 且確保頭部14沒有任何大碎屑。如前面所注意到的，PDC切削元件 30(圖5A-5C沒有示出)沿旋轉刮刀鉆頭D的鉆出直徑徑向向外地完 全移出。圖5C描述了頭部14的凹入部分的完全鉆出和過渡臺肩壁18 的部分鉆出，徑向從內向外的鉆出方式確保了在鉆出之后頭部不保留 沒有切到的部分。
雖然在說明性的具體實施例的內容中已經描述了本發明，但是所 述領域的技術人員將承認本發明不限于此。對所屬領域的技術人員來 說，在本發明范圍內對所描述 的實施例進行補充、修改和刪減是顯而 易見的。
權利要求
1. 擴眼工具，包括基本上管狀的主體，所述主體具有凹入的頭部，所述頭部經過基本上弧形的臺肩過渡區域延伸至側壁；以及切削結構，所述切削結構被構造并位于基本上管狀的主體的側壁上，用于與井眼側壁接觸。
2. 根據權利要求l所述的擴眼工具，其中凹入的頭部包括延伸至 主體內部、貫穿其中的至少一個出口。
3. 根據權利要求1所述的擴眼工具，還包括 沿周向間隔開的、螺旋構造的多個刀片，所述多個刀片在所述主體的外部上，從靠近臺肩過渡區域處延伸并且在其間形成了排屑槽， 每個刀片的軸向前端與所述主體基本上無距離地開始、并且沿徑向向 外傾斜到與所述主體基本上恒定距離的部分、然后徑向向內延伸至傾 斜的軸向后端；以及多個切削元件，所述多個切削元件布置成靠近多個刀片中的每一 個的軸向前端并沿著所述多個刀片中的每一個的旋轉布置的前緣放 置。
4. 根據權利要求3所述的擴眼工具，還包括所述多個刀片中的每 一個上的至少一個支承元件，所述支承元件位于靠近所述刀片軸向前 端并且旋轉布置在所述多個刀片上的所述多個切削元件的后面。
5. 根據權利要求3所述的擴眼工具，還包括碳化鵠層，所述碳化 鎢層靠近每個刀片的軸向前端并且旋轉布置地拖戔在所述至少一個支 承元件的后面。
6. 根據權利要求3所述的擴眼工具，還包括多個附加出口，所述 附加出口延伸經過所述弧形臺肩過渡區域，延伸到所述主體內部，每 一個出口基本上沿周向對準排屑槽。
7. 根據權利要求3所述的擴眼工具，其中所述多個刀片中的每一 個的傾斜的軸向后端上承載碎碳化鵠層。
8. 根據權利要求3所述的擴眼工具，其中軸向拖曳在所述多個切 削元件后面的所述多個刀片中的每一個的旋轉布置的前緣是傾斜的并 且相對不具有進攻性。
9. 根據權利要求3所述的擴眼工具，每一個刀片的徑向外表面之 一的至少一部分、每一個刀片的鄰近旋轉布置的前緣的部分和每一個 刀片的鄰近旋轉布置的后緣的部分覆蓋著碳化鵠。
10. 根據權利要求3所述的擴眼工具，其中所述多個刀片的螺旋 結構的斜度足夠陡以便提供繞所述主體的至少基本上整個外周覆蓋的 刀片。
11. 根據權利要求3所述的擴眼工具，其中所述多個切削元件包 括從聚晶金剛石復合片切削元件、熱穩定產品的金剛石切削元件、孕 鑲金剛石的切削元件、立方氮化硼切削元件、碳化鵠切削元件中選取 的一種切削元件。
12. 根據權利要求1所述的擴眼工具，其中頭部的中心部分具有 比頭部的周邊部分薄的壁。
13. 根據權利要求12所述的擴眼工具，其中，所述頭部的至少中 心部分的壁厚從其中心徑向向外朝向周邊部分逐漸增加。
14. 根據權利要求1所述的擴眼工具，其中所述頭部的內表面的 橫截面構造成初始與傳統聚晶金剛石復合片鉆頭的牙輪輪廓接合并且 在聚晶金剛石復合片鉆頭放置在靠近所述內表面的中心部分的擴眼工 具內時對中聚晶金剛石復合片鉆頭。
15. 根據權利要求14所述的擴眼工具，其中所述頭部在靠近其中 心部分處具有比靠近其周邊的壁厚更大的壁厚。
16. —種鉆出擴眼工具的方法，所述擴眼工具構造成擴眼鞋，所 述擴眼鞋具有在其軸向前端的頭部和軸向延伸至其后部的側壁。所述 方法包括最初使靠近其中心部分的頭部的內表面與鉆頭接合； 旋轉擴眼工具內部的鉆頭；以及從所述頭部的中心部分徑向向外朝向其周邊部分鉆出頭部。
17. 根據權利要求16所述的方法，還包括通過使鉆頭與所迷內表 面的中心部分接觸而使鉆頭在所述頭部內對中。
18. 根據權利要求16所述的方法，還包括使用帶有聚晶金剛石復 合片切削元件的鉆頭鉆出擴眼工具，并且避免鉆頭的聚晶金剛石復合 片切削元件與擴眼工具的側壁上的切削結構的接觸。
19. 根據權利要求16所述的方法，其中，從頭部中心部分徑向向 外朝向其周邊部分鉆出頭部包括在鉆出相對薄壁的周邊部分之前先鉆 出相對薄壁的中心部分。
20. 根據權利要求16所述的方法，還包括鉆出頭部之后留下側壁 的主要部分是完好無損的。
全文摘要
一種擴眼工具(10)包括具有中心凹入的頭部(14)的管狀主體(12)。在其間形成了排屑槽(24)的多個刀片(20)軸向延伸到頭部(14)的后面并且從管狀主體的外部向外傾斜。刀片(20)的旋轉布置的前緣從軸向前端承載多個切削元件(30)。選定的表面和邊緣承載有碳化鎢，所述碳化鎢可能是碎碳化鎢。頭部(14)的殼的設計構造成確保從其中心線朝向管狀主體的側壁(16)鉆出。本發明也提出了一種鉆出擴眼工具的方法。
文檔編號E21B10/26GK101479439SQ200780023968
公開日2009年7月8日 申請日期2007年5月14日 優先權日2006年5月15日
發明者E·E·麥克萊恩, J·B·倫德, J·C·托馬斯, L·I·克拉克 申請人:貝克休斯公司