聚晶金刚石复合片钻头
优先权声明
本申请要求2018年9月28日提交的美国申请第16/147,318号和2018年3月16日提交的美国临时申请第62/644,379号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明大体涉及用于空气钻探地层的钻头。更具体地，本发明涉及适用于地层的空气钻探的聚晶金刚石复合片钻头。本发明还涉及使用适于空气钻探的聚晶金刚石复合片钻头对地层进行空气钻探的方法。
背景技术
聚晶金刚石复合片(PDC)钻头是钻头是一种旋转式阻力钻头，用于在钻探石油和天然气井时钻穿地层。当转动PDC钻头时，固定在钻头面上的离散切割结构会拖拽井底，从而刮擦或剪切地层。PDC钻头使用被称为“切割器”的切割结构，每个切割结构具有由聚晶金刚石复合片(PDC)组成的切割面或磨损面，因此命名为“PDC钻头”。通过将有时称为冠部或金刚石台的聚晶金刚石层啮合到基底，将每个PDC切割器制造为与钻头分开的离散的零件。PDC，尽管非常硬和耐磨，往往是易脆的。基底虽然仍然是非常硬的，是增韧的，因此提高了切割器的抗冲击性。基底通常被制成足够长以充当安装螺柱，其一部分装配到形成在钻头的主体中的凹穴或凹部中。然而，PDC和基底结构可附接到金属安装螺柱。由于用于制造PDC切割器的工艺，耐磨层和基底通常具有圆柱形形状，其中相对薄的金刚石台啮合到基底材料的较高或较长的圆柱体。所得到的复合材料可以被机加工或铣削以改变其形状。然而，PDC层和基底最常用在制造它们的圆柱形形式的PDC钻头上。
旋转式阻力钻头的每个PDC切割器可以被定位和定向在牵引钻头的面上，使得当钻头转动时，磨损表面的至少部分与地层啮合。PDC切割器在钻头的主体的外部切割表面或面上间隔开。PDC切割器通常沿着多个刀片中的每个排列，这些刀片是从钻头的中心轴线大致径向地朝向面的周边延伸的凸起的脊。沿每个刀片的PDC切割器向地层呈现预定的切割轮廓，在钻头转动时剪切地层。可将诸如钻探液的循环介质抽吸到钻柱中，进入形成在钻头中心的中心通道中，然后通过形成在钻头的面中的端口排出，以冷却切割器并帮助从刀片之间移除和携带切屑。当采用PDC钻头时，因侵蚀问题，常规方法使用通常不可压缩的液体钻探液。
也已经使用基于空气的流体作为循环介质钻探油气井。这种能力是通过稳定、合格的地层和相对较低的地层压力相结合而提供的。与传统的液体钻探液相比，使用低密度循环介质(例如，基于空气的流体)可产生明显更低的井下压力。所产生的较低的限制应力使地层更容易破裂，从而产生较高的穿透率。然而，在空气钻探环境中应用PDC钻头的先前尝试已经证明主要是由于过度的快速切割器磨损而不成功。例如，例如，将空气用作钻探液会降低流体的润滑性，从而对PDC刀具造成热量和振动结构损坏。更具体地，基体主体上的振动和热应力可导致在PDC切割器的切割面上的裂纹的引发和生长。裂纹可导致切割面的一部分与基地的分开，使PDC切割器无效或导致PDC切割器失效。当发生这种情况时，钻探操作可能必须停止，以允许修复钻头和更换无效或失效的切割元件。振动和热应力还可导致超硬层在界面处的分层。
因此，需要能够减少钻探期间施加的振动和热应力的PDC钻头以提高工作寿命。另外，需要在空气钻探环境中在设计的速度和负载条件下高效切割的PDC钻头，以调节在变化的地层中的切割负荷的量。还需要改善空气钻探环境中的钻头稳定性。
发明内容
在各个实施例中，提供了一种聚晶金刚石复合片(PDC)钻头，其包括：主体，该主体由耐磨复合材料制成并且包括中心轴线，钻头在钻探时旨在围绕该中心轴线转动，该主体包括用于啮合被钻探的井孔的底端的面部和用于啮合被钻探的井孔的侧面的保径部，该面部包括中心轴线延伸穿过的锥形区域、围绕中心轴线设置在锥形区域的外侧的鼻部区域、围绕中心轴线设置在鼻部区域的外侧并且在保径部的内侧的肩部区域；以及多个通道，其形成在钻头的面部，全部彼此分开，从锥形区域延伸到保径部，并且限定多个刀片，多个刀片中的每个包括前缘，在前缘上安装有多个PDC切割器，多个PDC切割器被布置成当钻头围绕中心轴线转动时剪切井孔的底端。多个通道中的一个或多个通道包括在所述一个或多个通道中的每个通道的至少部分内基本上恒定的宽度、深度、所述宽度和所述深度的组合或横截面面积。该部分沿着一个或多个通道的长度限定在第一点和第二点之间，并且第一点位于锥形区域或鼻部区域中，并且第二点位于肩部区域或保径部中。
在一些实施例中，一个或多个通道中的每个的宽度从第一点到第二点基本恒定。
在一些实施例中，一个或多个通道中的每个通道的宽度、深度或宽度和深度的组合从第一点到第二点基本恒定，并且第一点位于锥形区域中并且第二点位于保径部中。
在一些实施例中，一个或多个通道中的每个的横截面面积从第一点到第二点基本恒定，并且第一点位于锥形区域中并且第二点位于保径部中。
在一些实施例中，该部分进一步由沿着长度的第一点和第二点之间的距离XI限定，其中距离XI在2厘米至25厘米的范围内。
在一些实施例中，一个或多个通道还包括在靠近中心轴线的锥形区域内的封闭端和保径部内的开口端，并且其中一个或多个通道限定在两个相对的侧壁、底壁、封闭端和开口端之间。可选地，PDC钻头还包括安装在一个或多个通道中的每个通道的封闭端处或靠近一个或多个通道中的每个通道的封闭端的气动喷嘴，其中第一点位于气动喷嘴的下游，并且第二点位于保径部中或靠近肩部区域与保径部之间的过渡部。可选地，PDC钻头还包括安装在一个或多个通道中的每个通道的封闭端处或靠近一个或多个通道中的每个通道的封闭端的气动喷嘴，其中第一点位于封闭端处，并且第二点位于保径部内的开口端处或靠近保径部内的开口端。
在一些实施例中，部分进一步由在第一点和第二点之间的径向距离Rl限定，并且其中径向距离Rl在2厘米至20厘米的范围内。
在一些实施例中，该部分进一步由钻头的最大直径的百分比限定，并且其中部分在钻头的最大直径的5％到25％的范围内。
在各个实施例中，提供了一种聚晶金刚石复合片(PDC)钻头，其包括：主体，该主体具有中心轴线，在钻探时该钻头旨在围绕该中心轴线转动，该主体包括用于啮合被钻探的井孔的侧面的保径部以及用于啮合被钻探的井孔的底部的面，该面包括：锥形区域，该中心轴线延伸穿过该锥形区域；设置在该锥形区域的外侧的鼻部区域；和设置在鼻部区域的外侧的肩部区域。PDC钻头还包括：多个通道，其形成在钻头的面的至少部分中并且沿面径向延伸，其中多个通道中的每个包括位于保径部的径向向内的区域内的封闭端和位于保径部内的开口端，其中多个通道限定在两个相对的侧壁、底壁、封闭端和开口端之间。其中多个通道中的每个通道与多个通道中的其他通道流体隔离，并且其中多个通道中的每个通道包括在所述多个通道中的每个通道的至少部分内基本上恒定的宽度、深度、所述宽度和所述深度的组合或横截面面积；形成在多个通道之间的多个刀片，多个刀片中的每个具有前缘，在前缘上安装有多个PDC切割器，多个PDC切割器布置成当钻头围绕中心轴线转动时剪切井孔的底部；以及气动喷嘴，其安装在锥形区域或鼻部区域内的多个通道中的每个的底壁中。
在一些实施例中，多个通道中的每个通道的宽度和深度在多个通道中的每个通道的部分内保持基本恒定。
在一些实施例中，多个通道中的每个通道的横截面面积在多个通道中的每个通道的部分内保持基本恒定。
在一些实施例中，PDC钻头进一步包括定位在多个刀片中的至少一个上的一排或多排多个插入件，其中两个或更多个插入件接近多个刀片中的至少一个刀片中的每个的后缘。
在一些实施例中，PDC钻头还包括在多个刀片上的多个插入件，其中多个插入件中的至少一些插入件定位在多个刀片中的每个的前缘和后缘之间的多个PDC切割器后面。
在各个实施例中，提供了一种用于穿过地层钻探井孔的系统，系统包括：聚晶金刚石复合片(PDC)钻头，钻头包括：主体，主体由耐磨复合材料制成并且具有中心轴线，在钻探时钻头旨在围绕中心轴线转动，主体包括用于啮合被钻探的井孔的底部的面和用于啮合被钻探的井孔的侧面的保径部，面包括中心转动轴线延伸穿过的锥形区域、围绕中心轴线设置在锥形区域的外侧的鼻部区域、围绕中心轴线设置在鼻部区域的外侧并且在保径部的内侧的肩部区域；多个通道，其形成在钻头的面的至少部分中并且从位于保径部的径向向内的区域内沿着面径向延伸。其中多个通道中的每个包括在所述多个通道中的每个的至少部分内基本上恒定的宽度、深度、宽度和深度的组合或横截面面积，并且其中该部分限定在位于保径部的径向内侧的第一点和位于肩部区域或保径部中的第二点之间；以及气动喷嘴，其安装在多个通道中的每个中，其中气动喷嘴位于锥形区域或鼻部区域中，并且指向多个通道中的每个的下游；以及气动流体源，气动流体源被配置为向安装在多个通道中的每个通道中的气动喷嘴提供气动流体。
在一些实施例中，可压缩气动流体包括氮气。
在一些实施例中，钻头进一步包括：形成在多个通道之间的多个刀片；以及在多个刀片中的每个上的多个插入件，其中插入件中的至少一些靠近多个刀片中的每个的后缘。
在一些实施例中，PDC钻头进一步包括：形成在多个通道之间的多个刀片，其中多个刀片中的每个具有安装多个PDC切割器的前缘；以及多个刀片上的多个插入件，其中多个插入件中的至少一些定位在多个PDC切割器的后面、位于多个刀片中的每个的前缘和后缘之间。可选地，多个刀片的前缘上的多个PDC切割器在彼此的距离C内安装，从而减少前缘暴露于面与地层之间的气动流体的流动，并且其中距离C小于0.01米。可选地，多个刀片的前缘上的多个PDC切割器以均匀间隔的布置安装，使得多个PDC切割器之间的距离C的平均偏差小于0.002米。
在各个实施例中，提供了一种用于穿过地层钻探井孔的聚晶金刚石复合片(PDC)钻头，PDC钻头包括：具有中心轴线的主体，在钻探时，钻头旨在围绕该中心轴线转动，主体包括用于啮合被钻探的井孔的侧面的保径部以及用于啮合被钻探的井孔的底部的面，该面包括中心轴线延伸穿过的锥形区域、设置在锥形区域的外侧的鼻部区域以及设置在鼻部区域的外侧的肩部区域。PDC钻头还包括：多个通道，其形成在钻头的面的至少部分中并且沿着面从锥形区域内沿径向延伸，其中多个通道中的一个或多个通道包包括位于靠近所述中心轴线的所述锥形区域内的封闭端以及位于所述保径部内的开口端，其中一个或多个通道限定在两个相对的侧壁、底壁、封闭端和开口端之间，并且其中一个或多个通道中的每个包括在所述一个或多个通道中的每个的至少部分内基本上恒定的宽度、深度、所述宽度和所述深度的组合或者横截面面积。PDC钻头还包括形成在多个通道之间的多个刀片，多个刀片中的每个具有前缘和后缘，所述多个PDC切割器安装在所述前缘上并且被布置成当所述钻头围绕所述中心轴线转动时用于剪切所述井孔的底部，其中至少锥形区域的前缘上的多个PDC切割器以紧密间隔的布置安装，其中剪切井孔形成岩屑。PDC钻头还包括安装在锥形区域或鼻部区域内的多个通道中的每个的底壁中的气动喷嘴，气动喷嘴指向多个通道中的每个通道的下游，气动喷嘴配置成将可压缩的气动流体插入到多个通道中的每个通道中以排出岩屑。可选地，多个PDC切割器以均匀间隔的布置安装，使得多个PDC切割器之间的距离C的平均偏差小于0.002米，从而减少前缘暴露于可压缩的气动流体的流动。
在各个实施例中，提供了一种利用聚晶金刚石复合片(PDC)钻头穿过地层钻探井孔的方法，方法包括：(a)使PDC钻头在井孔中邻近井孔的底部转动以用于钻穿地层，其中钻头包括：(i)主体，主体由耐磨复合材料制成并且包括中心轴线，钻头围绕中心轴线转动，主体包括用于啮合井孔的底端的面部和用于啮合井孔的侧面的保径部，所述面部包括所述中心轴线延伸穿过的锥形区域、围绕所述中心轴线设置在所述锥形区域的外侧的鼻部区域、围绕所述中心轴线设置在所述鼻部区域的外侧并且在所述保径部的内侧的肩部区域；(ii)形成在钻头的面部中的多个通道，多个通道从锥形区域到保径部延伸，并且限定多个刀片，多个刀片中的每个包括前缘，前缘上安装有多个PDC切割器，多个PDC切割器布置成当钻头围绕中心轴线转动时剪切井孔的底端，其中多个通道中的一个或多个通道包括在一个或多个通道中的每个的至少部分内基本上恒定的宽度、深度、宽度和深度组合，或横截面面积，该部分限定在沿着长度的第一点和第二点之间，并且第一点位于锥形区域或鼻部区域中，并且第二点位于肩部区域或保径部中；以及(iii)气动喷嘴，其安装在多个通道中的每个中，其中气动喷嘴位于锥形区域或鼻部区域中，并且指向多个通道的每个的下游；(b)将井孔的底部和侧面与多个PDC切割器啮合以形成岩屑，其中岩屑落入多个通道中；以及(c)通过安装在多个通道中的每个中的气动喷嘴泵送气动流体以从多个通道排出岩屑，其中井孔的底部和侧面干扰沿多个通道的长度逸出的气动流体。
在各个实施例中，提供了一种用于穿过地层钻探井孔的方法，方法包括：(a)使聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在井孔中邻近井孔的底部转动以用于钻穿岩石，PDC钻头围绕其中心轴线转动。其中PDC钻头包括：用于啮合井孔的侧面的保径部；用于啮合井孔的底部的主体，主体由耐磨复合材料制成并且包括面，其中面具有围绕中心轴线的锥形区域、在锥形区域外侧的鼻部区域以及在鼻部区域外侧的肩部区域；形成在主体中的多个通道，多个通道中的至少一些形成在主体的面中，多个通道从锥形区域内至少延伸到肩部区域内，其中多个通道中的一个或多个由长度、宽度和深度限定，其中一个或多个通道的宽度和深度从位于所述保径部的径向内侧的所述长度上的第一点到位于所述肩部区域或所述保径部内的所述长度上的第二点基本上恒定；全部连接在一起的多个刀片，多个刀片中的每个具有具有前缘，在所述前缘上安装有多个PDC切割器；以及气动喷嘴，其安装在位于锥形区域或鼻部区域内的多个通道中的每个的底壁中；(b)剪切地层以形成岩屑；以及(c)通过安装在多个通道中的每个中的气动喷嘴泵送气动流体以排出从多个通道落下的岩屑。
在各个实施例中，提供了一种聚晶金刚石复合片(PDC)钻头，其包括：主体，主体包括中心轴线、面部和计量区域，其中所述面部包括所述中心轴线延伸穿过的锥形区域、围绕所述中心轴线设置在所述锥形区域的外侧的鼻部区域、围绕所述中心轴线设置在所述鼻部区域的外侧并且在所述计量区域的内侧的肩部区域；形成在钻头的面部中的多个通道，其中多个通道中的每个通道从锥形区域延伸到计量区域，多个通道中的每个通道包括在一个或多个通道中的每个的至少部分内基本上恒定的宽度、深度或横截面面积，该部分限定在沿着每个通道的长度的第一点和第二点之间，以及第一点位于保径部的径向向内的区域中，第二点位于肩部区域或保径部区域中；多个刀片，其形成在钻头的面部中，其中，多个刀片中的每个刀片由多个通道中的一对通道限定以包括前缘和后缘；以及多个PDC切割器，其设置在多个刀片中的每个刀片的前缘上。
在一些实施例中，多个通道中的每个通道的宽度和深度的组合从第一点到第二点基本恒定。
在一些实施例中，第一点位于锥形区域中，并且第二点位于肩部区域中。
在一些实施例中，PDC钻头还包括设置在多个通道中的每个通道中的气动喷嘴，其中气动喷嘴设置在锥形区域或鼻部区域中。
在一些实施例中，第一点位于锥形区域内、位于气动喷嘴下游的位置处。
在一些实施例中，多个通道中的每个通道包括锥形区域中的封闭端，并且第一点位于封闭端处或靠近封闭端。
在一些实施例中，第一点位于鼻部区域中，并且第二点位于保径部中。
在一些实施例中，第一点位于鼻部区域中，并且第二点位于肩部区域中。
在一些实施例中，第一点位于肩部区域中，并且第二点位于保径部中。
附图说明
参考以下非限制性附图将更好地理解本发明，其中：
图1是根据各个实施例的空气钻探操作的示意图。
图2是根据各个实施例的用于空气钻探的PDC钻头的透视图。
图3是根据各个实施例的图2的PDC钻头的侧视图。
图4是根据各个实施例的图2的PDC钻头的横截面图。
图5是根据各个实施例的图2的PDC钻头的顶视图。
图6示出了根据各个实施例的不同类型的喷嘴。
图7A是根据各个实施例的用于示出通道几何形状的PDC钻头的示意性顶视图。
图7B是根据各个实施例的图6A的PDC钻头的示意性透视图。
具体实施方式
1.引言
本发明描述了适于地层的空气钻探的PDC钻头。在以下描述中，相同的附图标记表示相同的元件。空气钻探在压力下使用气动流体作为循环介质，而不是常规的液压流体-钻井液或泥-以将岩屑排出或抬到表面。气动和液压都是流体动力的应用。气动使用易于压缩的气体，例如，空气或氮气；而液压装置使用相对不可压缩的液体，例如，油。如本文所用，"气动"是指使用诸如压缩空气或压缩惰性气体的加压气体。如本文中所使用的，"空气"是指任何可压缩气体，可压缩气体的组合，或一种或多种气体与一种或多种液体(混合相)的组合，当在地层中钻探井孔时该"空气"用作循环介质，特别是但不限于钻探油气井。术语"空气钻探钻探"或"空气钻探操作"是指以空气为循环介质的井孔的这种钻探。在钻探操作期间，循环介质可沿钻柱泵入形成在PDC钻头中心的中心通道中，然后通过形成在PDC钻头的面中的端口或喷嘴排出。循环介质既冷却切割器又有助于将切屑从刀片之间移除并运送到表面。当采用PDC钻头时，常规方法使用通常不可压缩的液压流体。
液体钻探和空气钻探操作存在许多优点和缺点。例如，液体钻探可用于将地层水排除在钻孔之外。在钻探到地下目标深度时通常遇到地层水，并且环中的液压流体柱的流体静压力足以防止水从在钻孔中暴露的岩层流出。此外，液体钻探可用于控制通常在石油、天然气和地热钻探操作中遇到的高孔隙压力。环中的较重的液压流体柱提供了平衡(或过度平衡)来自诸如油或气体的天然资源的沉积物的高孔隙压力所需的高底部孔压力。然而，较重的液压流体柱可能是不利的，因为其增加了岩石钻头切割面上的围压，这减慢了钻探穿透率。为了克服该缺点和其他缺点，开发PDC钻头以作为改进许多液体钻探应用中的渗透率的手段。
与液体钻探相比，空气钻探的最早识别的优点是提高钻探穿透率的能力。在环(带有夹带的岩屑)中的柱的流体越轻，岩石钻头切割面上的围压越低。较低的围压允许更容易地从切割面移除来自岩石钻头的岩屑。空气钻探也可以避免地层损坏，这是流体回收中的重要问题，并且避免了循环的损失，该损失会导致钻柱和钻头的毁灭性的后果。然而，与在液体钻探中使用的常规液压流体不同，在空气钻探中使用的气动流体是可压缩的，但是，与在液体钻探中使用的常规液压油不同，在空气钻探中使用的气动流体是可压缩的，并且在防止过高的温度和振动应力(其可能会使切割器退化)方面不如液压流体有效。具体地，在空气钻探环境中应用PDC技术的先前尝试已经证明主要是由于切割器磨损过快而不成功。因此，因此，空气钻孔对PDC钻头，尤其是用基体制成的钻头，提出了一系列独特的问题和挑战。
为了解决这些限制和问题，下文的适于空气钻探的PDC钻头的代表性实施例具有许多特征，与液体循环介质一起使用的常规PDC钻头相比，这些特征单独地和以各种组合解决了一个或多个问题，包括例如，过度腐蚀，特别是在基底上，以及切割器基底；以及当使用气动流体时，可改善切屑从工作面到井孔的运动。一个说明性实施例包括在PDC钻头的面上形成的用于排出切屑的一个或多个适用的PDC钻头通道。一个或多个适用的PDC钻头通道中的每个沿着通道的长度的至少部分具有基本恒定的横截面面积，或者具有一个或多个基本上恒定的尺寸(例如，宽度)。这样的通道几何与传统的教学方法相反，即“排屑槽”的横截面积或尺寸应尽可能大，通常增加横截面积、宽度、深度，或两者的组合，因为通道从钻头中心径向延伸，以容纳更多的钻屑并降低堵塞的风险。如本文所使用的，术语“基本上”、“大约”和“关于”被定义为基本上但不一定完全是本领域技术人员所理解的所规定的内容(并且完全包括所指定的内容)。在任何公开的实施例中，术语“基本上”、“大约”或“大约”可以替换为“在规定的内容的[百分比]内，其中百分比包括0.1、1、5和10％。
保持一个或多个通道的基本上均匀或恒定的横截面面积或尺寸(例如，宽度，深度或其组合)抑制从通道中的气动喷嘴排出的空气的体积膨胀。抑制或减小空气(其为气体或可压缩流体)的体积膨胀将倾向于减小压力损失并因此增加流速。保持多个通道中的一个或多个通道的基本上均匀或恒定的横截面面积或尺寸还可以减少在钻探操作期间在刀片与井孔的底部之间流动的空气的涡流和趋势。
在另一代表性实施例中，适用于空气钻探的PDC钻头的代表性实施例的面上的每个通道具有靠近中心轴线的封闭端，封闭端不与面上的其他通道或槽连接。通道的封闭端迫使从靠近每个通道中的封闭端定位的喷嘴排出的加压空气向下并流向保径部。
在另一个代表性实施例中，沿着刀片的前缘邻近通道安装的PDC切割器比典型的更紧密地间隔开，以形成具有它们的磨损表面的壁，该壁干扰空气溢出的通道(在刀片的形成之间)的趋势。此外，可以在PDC切割器之后添加插入件，以干扰从邻近刀片的后缘的通道溢出的空气。
II.钻机
图1是用于空气钻探操作的钻机100的示意图。钻机100的示意图中示出的每个组件都旨在大体上代表该组件，并且具体示例旨在是如何设置钻机以用于空气钻探的非限制性的、代表性的实例。在各个实施例中，钻机100包括将钻柱104保持在形成在岩石112中的孔或井孔106内的刻痕101。在钻探操作期间，PDC钻头102可连接到钻柱104的下端。在一些实施例中，PDC钻头102包括一个或多个PDC切割器，PDC切割器包括呈现金刚石-金刚石结合的烧结的聚晶金刚石(天然的或合成的)、多晶立方氮化硼、纤锌矿氮化硼、聚集的金刚石纳米棒(ADN)、其他可替代金刚石的硬质结晶材料，或它们的组合。
钻柱104可以是几英里长的并且类似于井孔106，从表面118在竖直方向和水平方向上延伸。在该示例中，在该示例中，钻柱104由螺纹管的段形成，当钻柱104下降到井孔106中时，这些螺纹管的段在表面处拧在一起。然而，钻柱104也可以包括连续油管。钻柱104还可以包括除了管或管道之外的部件。例如，底孔组件(BHA)105可以在PDC钻头102之前连接到钻柱104的下端。取决于特定应用，BHA105可包括以下部件中的一个或多个：钻头接头、井下发动机、稳定器、钻铤钻具、定向钻探和测量设备、随钻测量工具、随钻测井工具和其他设备。BHA 105组件的特征有助于确定PDC钻头102的钻探穿透率以及井孔106的形状、方向和其他几何特征。
在钻探操作期间，PDC钻头102转动以剪切岩石112并推进井孔106。PDC钻头102可以以多种方式转动。例如，PDC钻头102可通过使钻柱104与顶部驱动器116或台驱动器(未示出)或与作为BHA105的一部分的井下电动机一起转动来转动。PDC钻头102可被井孔106的侧壁110围绕。当PDC钻头102经由钻柱104在井孔106内转动时，循环介质(例如，钻井液)可沿钻柱104向下泵送，通过PDC钻头102内的内部流体增压室和流体通道，以及通过喷嘴或孔从PDC钻头102排出。由PDC钻头102的一个或多个PDC切割器产生的地层钻屑126可被循环介质携带通过PDC钻头102周围的通道，并通过位于钻柱104外部的孔106内的环形空间127返回井孔106。
在各个实施例中，加压空气(例如，一种或多种气体)用作循环介质并且从空气源120输送到井柱104，如箭头128所示。在一些实施例中，空气是大气空气(大气气体的组合)。在其他实施例中，空气是来自储罐(例如，液氮)的一种或多种气体，气体随后被气化以产生高压气体，高压气体可以被进一步压缩或者可以不被进一步压缩。在其他实施例中，空气是大气气体和诸如惰性气体(例如，氩气或氦气)的附加气体的组合。加压空气可以以多种方式产生，其中的任一种方式可与PDC钻头102一起使用，如本文。例如，空气源120可包括压缩空气的一个或多个高压泵。空气源120旨在是产生循环介质的任何可能方式的非限制性表示，因为PDC钻头102可与它们中的任一个一起使用。空气通过使其流过钻柱104而沿井孔106向下循环到PDC钻头102，在PDC钻头102处，空气通过喷嘴或孔离开以将切屑从PDC钻头102的面带走并进入井孔环，其中切屑携带至收集点122。收集点122内的空气可在清除钻屑后再循环。
III.钻头和使用钻头的方法
图2、图3、图4和图5示出了根据本发明的实施例的在结构上适于空气钻探的PDC钻头200(例如，如结合图1所描述的PDC钻头104)。PDC钻头200旨在是用于地层的空气钻探的钻头(例如，牵引钻头)的代表性示例。PDC钻头200在结构上和机械上被设计成围绕其中心轴线202转动。如图2所示，PDC钻头200包括连接到柄部205的钻头主体204，柄部205具有用于将PDC钻头200连接到钻柱(图2中未示出，但结合图1)的锥形螺纹连接器206。PDC钻头200可以进一步包括钻头破碎器表面207，该钻头破碎器表面207用于与扳手配合以拧紧和松开与钻柱的连接。钻头主体204不限于任何特定材料。在一些实施例中，钻头主体204由耐磨复合材料或基质材料制成，包括例如，由金属粘结剂粘结的粉末碳化钨。
在各个实施例中，钻头主体204围绕中心轴线202径向布置，钻头主体204旨在在钻探过程期间围绕中心轴线202转动。如图3、4和5所示，钻头主体204包括外表面，该外表面旨在啮合被钻探的井孔的底端并且被称为钻头面或面部210。钻头面210基本上位于垂直于PDC钻头200的中心轴线202的平面中。如图4所示，钻头面210包括：锥形区域214，中心轴线202延伸穿过该锥形区域214；鼻部区域216，其围绕中心轴线202设置在锥形区域214的外侧；以及肩部区域218，其围绕中心轴线202设置在鼻部区域216的外侧并且在保径部或保径部区域212的内侧(钻头的最大钻探直径)。钻头主体204还可以包括另一外表面，其旨在大致面向井孔的侧壁的方向，并且被称为环形面220。
如图2、3和5所示，钻头主体204还包括形成在钻头面210中的多个通道208，形成或定位在多个通道208(例如，由多个通道208限定)之间的多个刀片211，以及定位在多个通道208中的每个中的气动喷嘴246。在一些实施例中，多个通道208中的每个通道沿着面210从位于保径部212的径向向内的区域径向地延伸。可选地，多个通道208中的一个或多个通道沿着面210从位于保径部212的径向向内的区域径向延伸到保径部212。在一些实施例中，多个通道208中的每个通道从锥形区域214延伸到保径部212。在某些实施例中，多个通道208中的每个通道从锥形区域214内，靠近中心轴线202，至少延伸到优选地在保径部212内或者通过保径部212，并且优选地在规212内或通过，钻探期间在保径部212处通道与井孔的环(例如，如结合图1所描述的环128)连通。如本文所用，“靠近中心轴线”是指组件或组件的部分(例如，通道的端部)在中心轴线202的小于0.03米的径向距离内，例如，小于0.2米、小于0.1米或小于0.08米。在一些实施例中，多个通道208包括在图5中示出的围绕中心轴线202等距地间隔开的七个通道。在其他实施例中，多个通道208包括两个或更多个通道，例如，多于或少于此处的七个通道，并且通道围绕中心轴线202等距地或不等距地间隔开。在具有多于七个通道的实施例中，至少与常规PDC钻头相比，通道的宽度可相对较窄；然而，此处描述的通道的结构特征足以保持排出切屑的能力。
在各个实施例中，多个通道208中的每个通道包括在靠近中心轴线202的锥形区域214内的封闭端232，以及在保径部212或环形面220内的开口端233。封闭端232可被称为通道的开始。这样的通道特征(即，封闭端)与常规的教导相反，常规的教导是“排屑槽”的两端都应该是开放的并且彼此流体连通，以便容纳更多的钻屑并降低堵塞的风险。开口端233可被称为通道的终止。在一些实施例中，多个通道208中的每个通道不与面210上的多个通道208中的任何其他通道连接(参见例如，图2和图5)。因此，多个通道208中的每个通道与多个通道208中的其他通道分开，并且多个通道208不彼此直接流体连通(流体隔离)。因此，从位于通道内的封闭端232处或靠近通道内的封闭端232的气动喷嘴246的孔口排出的空气将趋向于朝向通道的开口端233向下引导。在其他实施例中，多个通道208中的单个通道或两个通道(但不是所有通道)不与面210上的多个通道208中的其他通道中的任何通道连接，以实现这种分开配置的至少一些优点。
在一些实施例中，多个通道208中的一个或多个通道限定在两个相对的侧壁222、底壁224、封闭端232和开口端233之间。一个或多个通道可以是所有的多个通道208。可选的，一个或多个通道可以是多个通道208中的单个通道或多个通道，但不是所有通道(例如，多个通道的子集)。如图2所示，一个或多个通道包括长度Ll、宽度Wl和深度Dl。在一些实施例中，长度Ll是一个或多个通道的从封闭端232到开口端233的平均长度。在一些实施例中，长度Ll在0.5米到5米的范围内，例如，从0.8米到4米，从1.0米到3.0米，或从1.0米到4.5米。在一些实施例中，宽度Wl是一个或多个通道的在两个相对的侧壁222之间测量的平均宽度，其中在侧壁222的顶部、侧壁222的底部或侧壁222的顶部和底部之间的一个或多个位置进行测量。在一些实施例中，宽度Wl的范围从0.05米到1.5米，例如，从0.08米至1.1米，从0.3至0.9米，或0.3至0.6米。在一些实施例中，深度Dl是一个或多个通道的从由多个切割元件的切割边缘限定的切割轮廓到通道的底壁224测量的平均深度。在一些实施例中，深度Dl从0.02米至1.0米，例如，从0.05米至0.7米，从0.09至0.5米，或从0.1至0.4米。
在一些实施例中，多个通道208中的一个或多个通道包括在沿着长度Ll的给定位置处的横截面面积。横截面面积可以由在与底壁224垂直的平面在给定位置处与通道相交的平面的相交处的通道形状的面积限定。例如，当与垂直于底壁224的平面交叉时，矩形或方形通道将具有由宽度Wl和深度Dl限定的正方形或矩形的横截面面积。在一些实施例中，在沿着长度Ll的给定位置处的宽度Wl和深度Dl限定通道的横截面面积(例如，正方形或矩形横截面面积)。在一些实施例中，在沿着长度Ll的给定位置处的在两个相对侧壁222的顶部处的第一宽度Wl和在两个相对侧壁222的底部处的第二宽度Wl和深度Dl的总和限定通道的横截面面积(例如，梯形横截面面积)。可选地，横截面面积可以由在与给定位置处的与横穿通道的底壁224垂直的方向偏离给定角度(例如，5°或10°)的平面的相交处的通道形状的面积限定。在这种情况下，横截面面积变得更大，但是考虑了在给定位置沿着通道的长度通道中的一些尺寸变化。在一些实施例中，横截面面积在0.08平方米至3.5平方米的范围内，例如，从0.09平方米至3.0平方米，从0.3平方米至1.5平方米，或从0.5平方米至1.0平方米。
在各个实施例中，多个通道208中的一个或多个通道的宽度Wl、深度Dl或其组合(宽度Wl和深度Dl)在多个通道208中的一个或多个通道的至少部分内基本恒定。如本文，术语“基本上”可以被所指定的“在[百分比内]”代替，其中该百分比包括0.1％、1％、5％和10％；并且因此，“基本上恒定”是指一个或多个通道的宽度W1、深度D1或其组合在通道的整个该部分中保持在0.1％、1％、5％或10％之内(例如，宽度W1和/或深度D1在通道的整个该部分中的变化永远不会超过0.1％、1％、5％或10％)。在一些实施例中，一个或多个通道中的每个通道的宽度Wl、深度Dl或其组合在其中宽度Wl、深度Dl或其组合保持基本恒定的部分内相同或不同。例如，一个或多个通道的第一子集可以具有在一个或多个通道的第一子集的至少部分内保持基本恒定的第一宽度Wl、第一深度Dl或其组合，并且一个或多个通道的第二子集可以具有在一个或多个通道的第二子集的至少部分内保持基本恒定的第二宽度Wl、第二深度Dl或其组合，其中，第一宽度Wl与第二宽度Wl相同或不同，第一深度Dl与第二深度Dl相同或不同，或其组合。在一些实施例中，宽度Wl或深度Dl在多个通道208的一个或多个通道的至少部分内是基本恒定的。在其他实施例中，宽度Wl和深度Dl在多个通道208的一个或多个通道的至少部分内基本恒定。
在各个实施例中，多个通道208中的一个或多个通道的横截面面积在多个通道208中的一个或多个通道的至少部分内是基本恒定的。如本文，术语“基本上”可以被所指定的“在[百分比内]”代替，其中该百分比包括0.1％、1％、5％和10％；并且因此，“基本上恒定”是指一个或多个通道的横截面面积在通道的整个该部分中保持在0.1％、1％、5％或10％之内(例如，横截面面积在通道的整个该部分中的变化永远不会超过0.1％、1％、5％或10％)。在一些实施例中，一个或多个通道中的每个通道的横截面面积在一个或多个通道的横截面面积保持基本恒定的部分内相同或不同。例如，一个或多个通道的第一子集可以具有在一个或多个通道的第一子集的至少部分内保持基本恒定的第一横截面面积，并且一个或多个通道的第二子集可以具有在一个或多个通道的第二子集的至少部分内保持基本恒定的第二横截面面积，其中第一横截面面积与第二横截面面积相同或不同。
在一些实施例中，多个通道208的一个或多个通道的具有基本上恒定的宽度Wl、深度Dl、宽度Wl和深度Dl的组合或横截面面积的部分由沿着长度Ll的两个点之间的距离XI限定。如图2、4和5所示，在一些实施例中，第一点226位于锥形区域214内并且第二点228位于肩部区域218内。然而，在另一实施例中，替代地，第一点226位于封闭端232处或靠近封闭端232，刚好位于气动喷嘴246的下游(即，在气动喷嘴246的0.01至0.05米内)，或更靠近锥形区域214与鼻部区域216之间的过渡部(即，在过渡部的0.01至0.05米内)，在鼻部区域216中，在肩部区域218中，或位于保径部212的径向向内的区域中(例如，锥形区域214、鼻部区域216或肩部区域218)；在其他实施例中，替代地，第二点228位于鼻部区域216内(例如，如果第一点位于锥形区域214中)。在其他实施例中，第二点228位于保径部212内。在其他实施例中，第二点228替代地位于开口端233处或靠近开口端233，正好位于开口端233的上游(即，在开口端233的0.01米到0.05米内)，或者更靠近肩部区域218与保径部212之间的过渡部(即，在过渡部的0.01至0.05米内)。在一些实施例中，第一点226和第二点228之间的距离XI在0.05米到5米的范围内，例如，从0.09米到3.0米，从0.1米到2.7米，或从0.2米到1.5米。
在一些实施例中，多个通道208的一个或多个通道的具有基本上恒定的宽度Wl、深度Dl、宽度Wl和深度Dl的组合或横截面面积的部分由沿着长度Ll的两个点之间的距离Yl限定。如图所示2、4和5，在一些实施例中，第一点226位于沿长度Ll距封闭端232的距离Al处，并且第二点228位于沿着长度Ll距开口端233的距离Bl处。在某些实施例中，第一点226和第二点228之间的距离Yl在0.05米至5米的范围内，例如，从0.09米至3.0米，从0.1米至2.7米，或从0.2米至1.5米。在某些实施例中，距离Al的范围为0.00米至0.8米，例如，从0.01米至0.5米，从0.03米至0.1米，或从0.01米至0.07米。在某些实施例中，距离Bl的范围为从0.00米至0.8米，例如，从0.01米至0.5米，从0.03米至0.1米，或从0.01米至0.07米。
在一些实施例中，多个通道208的一个或多个通道的具有基本上恒定的宽度Wl、深度Dl、宽度Wl和深度Dl的组合或横截面面积的部分由沿着长度Ll的两个点之间的径向距离Rl限定。如图3、4和5所示，在一些实施例中，第一点226位于锥形区域214内并且第二点228位于肩部区域218内。然而，在另一实施例中，替代地，第一点226位于封闭端232处或靠近封闭端232，刚好位于气动喷嘴246的下游(即，在气动喷嘴246的0.01至0.05米内)，或者更靠近锥形区域214与鼻部区域216之间的过渡部(即，在过渡部的0.01至0.05米内)，在鼻部区域216中，在肩部区域218中，或者位于保径部212的径向内侧。在其他实施例中，替代地，第二点228位于鼻部区域216内(例如，如果第一点位于锥形区域214中)。在其他实施例中，第二点228位于保径部212内，在其他实施例中，第二点228替代地位于开口端233处或靠近开口端233，正好在开口端233的上游(即，在开口端233的0.01至0.05米内)，或者更靠近肩部区域218与保径部212之间的过渡部(即，在过渡部的0.01至0.05米内)。在一些实施例中，第一点226与第二点228之间的距离Rl的范围为从0.01米至1.0米，例如，从0.01米至0.5米，从0.01米至0.3米，从2厘米至20厘米，或从3厘米至12厘米。
在一些实施例中，多个通道208的一个或多个通道的具有基本上恒定的宽度Wl、深度Dl、宽度Wl和深度Dl的组合或横截面面积的部分由PDC钻头的最大直径或半径(在测量仪212处测量的最大直径或半径)的百分比限定。如图3、4和5所示，在一些实施例中，一个或多个通道的该部分的范围为PDC钻头200的最大直径(在保径部212处测得的最大直径)的1％至49％，例如，2％至35％，5％至25％，或5％至15％。在其他实施例中，一个或多个通道的该部分的范围为PDC钻头200的最大直径(在保径部212处测得的最大直径)的1％至99％，例如，5％至65％，10％至45％，或15％至35％。在一些实施例中，多个通道208中的一个或多个通道的具有基本上恒定的宽度Wl、深度Dl、宽度Wl和深度Dl的组合或横截面面积的部分由钻头主体204的最大长度的百分比限定(沿着中心轴线202从钻头面210到钻头主体204和柄部208之间的连接点测量的最大长度)。如图3、4和5所示，在一些实施例中，一个或多个通道的该部分的范围为钻头主体204的最大长度的1％至60％，例如，5％至50％，10％至35％，或15％至25％(沿着中心轴线202从钻头面210到钻头主体204和柄部208之间的连接点测量的最大长度)。
有利地，保持多个通道208中的一个或多个通道的宽度Wl、深度Dl、宽度Wl和深度Dl的组合或横截面面积基本上均匀或恒定抑制从通道中的气动喷嘴246排出的空气的体积膨胀。抑制或减小空气(其为气体或可压缩流体)的体积膨胀将倾向于减小压力损失，并且因此减小流量。保持或多个通道208中的一个或多个通道的宽度Wl、深度Dl或其组合或横截面面积基本上均匀或恒定还可减少在使用期间在刀片与井孔的底部之间流动的空气的涡流和趋势。
如图2-5所示，钻头主体204包括从钻头主体204的面延伸的多个凸起刀片211。在各个实施例中，刀片211全部连接在一起(例如，共享公共面而不完全被通道208分开)。在一些实施例中，多个刀片211沿钻头面210径向延伸，并且是沿钻头主体204的前端或地层啮合部延伸的周向间隔开的结构。每个刀片211可大致沿径向方向，向外延伸至钻头主体204的周边。例如，刀片211通常可从接近PDC钻头200的中心轴线202的锥形区域214向上延伸至保径部212。在一些实施例中，刀片211围绕PDC钻头200的中心轴线202大致等距地间隔开。由多个通道208中的两个通道限定或分开的每个刀片211包括：(i)前缘238，前缘238由刀片211的前方或前面的通道的侧壁222和刀片211的顶表面的相交处形成；以及(ii)后缘240，后缘240由在刀片211后方或后面的通道的侧壁222和刀片211的顶表面的相交处形成。箭头234指示PDC钻头200围绕中心轴线202的转动方向，并且刀片208的在转动方向前方的边缘是前缘238，并且在转动方向上后面或后方随的刀片208的边缘是后缘240。
如图2-5所示，钻头主体204还包括多个超级研料切割元件241，例如，PDC切割元件，其设置在每个刀片211的径向向外的表面上。例如，多个离散切割元件241可以安装在每个刀片211上。每个离散切割元件241可以设置在每个刀片211中的凹部或凹穴内。切割元件241可以通过将切割元件241的螺柱(例如，切割元件的基板部分)压入配合或以其他方式锁定到钻头主体204上的接收器中，或者通过将切割元件241的一部分直接钎焊到钻头主体204的面上的预先形成的凹穴、插口或其他接收器中来安装到钻头主体204。在各个实施例中，PDC钻头200中使用的切割元件241是PDC切割器或切割元件。在一些实施例中，切割元件241包括PDC切割器或切割元件。在其他实施例中，所有切割元件241是PDC切割器或切割元件。然而，在其他实施例中，并非所有切割元件241的切割器或切割元件都需要是PDC切割器或切割元件。
可以通过在高温和高压条件下在催化剂材料的存在下将小金刚石晶粒(例如，金刚石晶体)烧结并结合在一起来形成用于切割元件241的聚晶金刚石材料。虽然PDC切割器的磨损表面通常包括展现金刚石-金刚石结合的烧结聚晶金刚石(天然的或合成的)、多晶立方氮化硼、纤锌矿氮化硼、聚集的金刚石纳米棒(ADN)或其他在有些应用中可替代金刚石的硬质结晶材料，以用于本文中的PDC钻头200，可替代金刚石的硬质结晶材料被认为是聚晶金刚石复合片的等效物。除非另有说明，否则对"PDC"的引用应当被理解为是指聚晶金刚石、立方氮化硼、纤锌矿氮化硼和类似材料的烧结压块。“PDC”也应理解为是指这些材料与可用于改善其性能和切割性能的其他材料或结构元素以及烧结后金属催化剂已部分或全部去除的热稳定性品种的烧结体。用于支撑PDC耐磨表面或层的基底至少部分地由烧结金属碳化物制成，其中碳化钨是最常见的，并且还可以例如，包括过渡层，其中金属碳化物和金刚石与其他元素混合以改善PDC与基底之间的啮合和减小PDC与基底之间的应力。
在PDC钻头200中，切割元件241可以沿着刀片211的前(沿预期转动的方向)侧放置，其中当PDC钻头200围绕其中心轴线202转动时，它们的工作表面大致面向前方向以用于剪切地层。在一些实施例中，刀片211可以具有设置在刀片211上的一排或多排切割元件241。在一些实施例中，PDC钻头200具有第一排PDC切割器242(即，切割元件241的子集)和安装在刀片211的每个上的第二排PDC切割器243(即，切割元件241的另一子集)。第一排PDC切割器242可以是主切割器，并且第二排PDC切割器可以是副切割器或备用切割器。此外，主切割器可以是单组或多组(例如，多排切割器)。第一排PDC切割器242安装在每个刀片211的前缘238上，第二排PDC切割器243位于第一排PDC切割器242的后方，朝向后缘240。在某些实施例中，第二排PDC切割器243的至少大部分(即，大于50％)位于PDC钻头200的肩部区域218中。在其他实施例中，在第二实施例中，第二排PDC切割器243可以从PDC钻头200中省略。在其他实施例中，第二排PDC切割243的至少大部分位于PDC钻头200的锥形区域214或鼻部区域216中。在一些实施例中，PDC钻头200还包括以主动切割地层并因此主要用作磨损表面的方式安装在量规212上的PDC切割器245(即，切割元件241的另一子集)。
如图4和5所示，第一排PDC切割器242可以沿着前缘238以紧密间隔的布置安装，以减小PDC切割器之间的间隙。紧密间隔的布置意味着第一排PDC切割器242的每个切割器之间的距离C小于0.03米，例如，小于0.01米，从0.0米至0.02米，或从0.001米至0.01米。额外地或可选地，第一排PDC切割器242可以沿着前缘238以均匀间隔的布置安装，以进一步减小PDC切割器之间的间隙。均匀间隔的布置意味着：
第一排PDC切割器242的切割器之间的间隔(提供为距离C)的平均偏差小于0.003米，例如，从0.0米到0.001米或小于0.002米。为了计算第一排PDC切割器242的切割器之间的间隔的平均偏差，首先计算每个切割器之间的距离C的平均值，并且随后在每个切割器之间的距离C和该平均值被指定为绝对值，而不考虑距离C是否高于或低于平均值。平均偏差被定义为绝对值的平均值。有利地，通过减小PDC切割器之间的间隙，较少的前缘238暴露于可从通道泄漏并在刀片与井孔的底部之间流动的空气流动。当主切割器将啮合地层时，紧密间隔的布置也趋于阻塞这种流动。
在一些实施例中，切割元件241中的一些或全部(例如，第一排PDC切割器242、第二排PDC切割器243、PDC切割器245或它们的组合)设置在形成在PDC钻头200的钻头面210中的凹部或凹穴(未示出)内。此外，在可选实施例中，第一排PDC切割器242可以成形为使得第一排PDC切割器242内的每个切割器与第一排PDC切割器242(例如，并排布置)的至少两个其他切割器以形成复合切割结构的方式邻接。在一些实施例中，保径部212包括热稳定的烧结聚晶金刚石(TSP)的一个或多个插入件244。在附加或可选实施例中，锥形区域214、鼻部区域216、肩部区域218、保径部212或其组合包括一个或多个插入件244。插入件244可以安装在切割元件241的排后面的刀片211上。插入件可以布置为一排或多排。在图2、3和5中示出多排，然而，可以不存在排或存在单排。插入件244的至少一些也可接近每个刀片211的后缘240放置。有利地，插入件244倾向于阻挡加压空气流过刀片211的后缘240，并阻止其直接冲击第一排和第二排PDC切割器242和243的基底。
在一些实施例中，多个通道208中的一个或多个通道包括凸块247，如图2和5所示。凸块247可以由与制成钻头主体204的材料相同的材料制成，或侧壁凸块由不同的材料制成，例如，如碳化钨的硬质合金。在一些实施例中，凸块247设置在相对的侧壁222中的一个或两个上。在其他实施例中，凸块247设置在底壁224上。在其他实施例中，凸块247设置在相对的侧壁222的一个或两个上和底壁224上。凸块247可以布置为一排或多排。在图4中示出了多排，然而，可以不存在排、单排或随机图案。在各个实施例中，锥形区域214、鼻部区域216、肩部区域218、保径部212或其组合中的一个或多个通道的一个或多个部分包括凸块247。有利地，凸块247可以改善沿一个或多个通道的气流。
如图4和5所示，气动喷嘴246安装在至少一个通道中、两个或更多个通道中，或在一些实施例中，安装在一个或多个通道中的每个中。气动喷嘴246可安装在锥形区域214或鼻部区域216内的多个通道208中的每个的底壁224中。每个气动喷嘴包括收缩点(未示出)和孔口258。在钻探操作期间，PDC钻头200的面部210啮合被钻探的井孔的底端以推进井孔。PDC钻头200的保径部212啮合被钻探的井孔的侧面。诸如空气的液压流体沿钻柱向下泵送，进入增压室249，增压室249将加压空气传送到气动喷嘴246，气动喷嘴246可定位在通道208的封闭端232处或靠近通道208的封闭端232。如本文中所使用的“靠近封闭端”或“靠近开口端”是组件或组件的部分(例如，喷嘴或第一点)位于封闭端部232或开口端233的小于0.2米的径向距离内，例如，小于0.1米，小于0.08米或小于0.05米。每个气动喷嘴246的收缩点形成离开相孔口258的高速射流。在一些实施例中，气动喷嘴246的每个定位为靠近中心轴线202并且定向成在其所处的通道中排出高压气动流体的流，但是定位在不直接冲击沿着通道的顶部边缘安装的切割元件241的方向上。在某些实施例中，喷嘴246被定位成将气动流体从多个通道208中的每个通道的封闭端232引导到下游，以将岩屑通过多个通道208以及随后从多个通道208中排出。在一些实施例中，气动喷嘴246定向成引导气动流体远离定位在刀片208的前缘238上的多个PDC切割器242并且朝向沿着通道208的长度Ll的下游路径。在一些实施例中，从每个气动喷嘴246排出的空气的流速为约550加仑每分钟(GPM)至约1200GPM，例如，从约600GPM至约1000GPM，从约700GPM至约800GPM或约750GPM。
图6示出了根据各个实施例的各种类型的气动喷嘴600(例如，如结合图2-5所描述的气动喷嘴246)。气动喷嘴600被设计成控制流体流(例如，空气)的方向或特性，尤其是为了提高流体通过通道的速度。在一些实施例中，改进气动喷嘴600以控制流体的流动速率、速度、方向、质量、形状和/或压力。在某些实施例中，改进孔口的横截面以产生从气动喷嘴600流出的流体，该流体以凸形605或扁平610的扁平扇形分布，凸形615或均匀620的全锥形分布，凹形625的空心锥形分布或直线单点630的方式从气动喷嘴600流出。在某些实施例中，气动喷嘴600是汇聚发散喷嘴，其中流体离开增压室，进入喷嘴，并且向下汇聚到喷嘴的最小区域或喉部。选择喉部尺寸以阻塞流动并设置通过系统的质量流率。在喉部的下游，几何形状发散以及流体流等熵地膨胀到设定速度，该速度取决于出口与喉咙的面积比。流体流的膨胀导致静压和温度从喉部到出口降低，因此膨胀量还确定出口压力和温度。出口温度确定出口速度。通过喷嘴的出口速度、出口压力和质量流率确定由气动喷嘴600产生的力以用于将切屑从PDC钻头的面带走并进入井孔环内，其中，在井孔环内钻屑可以被携带到收集点。
图7A和7B是没有切割元件的PDC钻头700(例如，图1-5的PDC钻头200)的主体的示意图，以更好地示出上文结合图2至图6所描述的钻头的通道和操作。图7A是示意性示出的PDC钻头700的顶视图，并且图7B是图7A的PDC钻头700的透视图。在一些实施例中，钻头700包括由耐磨复合材料制成的钻头主体704并且包括中心轴线702，钻头700在钻探时旨在围绕该中心轴线转动。钻头主体704可以包括用于啮合被钻探的井孔的底端的面部710和用于啮合被钻探的井孔的侧面的保径部712。面部710可以包括锥形区域714(中心轴线702延伸穿过该锥形区域714)，围绕中心轴线702布置在锥形区域714的外侧的鼻部区域716，围绕中心轴线702设置在鼻部区域716的外侧并且在保径部712的内侧的肩部区域718。钻头700还可以包括形成在钻头700的面部710中的多个通道708，多个通道708从锥形区域714延伸到保径部712，并且限定由多个通道708分开的多个刀片711，多个刀片711中的每个包括前缘738，在前缘738上安装有多个PDC切割器741，多个PDC切割器741布置成当钻头700围绕中心轴线702转动时用于剪切井孔的底端。
如图7A和7B所示，多个通道708中的一个或多个通道可以包括位于靠近中心轴线702的锥形区域714内的封闭端732，以及在保径部712或环形面720内的开口端733。多个通道308中的一个或多个通道可以包括沿着长度Ll的给定位置处的长度Ll、宽度Wl、深度Dl和横截面面积。宽度Wl、深度Dl、宽度Wl和深度Dl的组合，或者横截面面积在一个或多个通道708中的每个的至少部分内基本恒定。在一些实施例中，该部分沿着长度Ll限定在第一点726和第二点728之间。在一些实施例中，一个或多个的该部分进一步由沿着长度Ll的两个点之间的距离XI限定。在一些实施例中，第一点726位于锥形区域714内并且第二点728位于肩部区域718内。然而，在另一实施例中，第一点326替代地位于封闭端732处或靠近封闭端732，刚好位于气动喷嘴的下游(即，在气动喷嘴的0.01至0.05米内)，或更靠近在锥形区域714和鼻部区域716之间的过渡部(即，在过渡部的0.01至0.05米内)，在鼻部区域716中，在肩部区域718中，或位于保径部的径向内侧。其他实施例中，第二点728替代地位于鼻部区域716内(例如，如果第一点位于锥形区域714中)。在其他实施例中，第二点728位于保径部712内。在其他实施例中，第二点728替代地位于开口端733处或靠近开口端733，刚好位于开口端733的上游(即，在开口端733的0.01至0.05米内)，或者更靠近肩部区域718与保径部712之间的过渡部(即，在过渡部的0.01至0.05米内)。在一些实施例中，第一点726与第二点728之间的距离XI在0.01米至2米的范围内，例如，从0.02米至1.0米，从2厘米至25厘米，或从3厘米至15厘米。
在钻探操作期间，PDC钻头700转动以剪切地层并推进井孔。在一些实施例中，PDC钻头700邻近井孔的底部转动以用于钻穿地层。PDC钻头700包括：(i)由耐磨复合材料制成的主体704，并且包括中心轴线702，钻头700围绕该中心轴线转动，主体704包括用于啮合井孔的底端的面部710和用于啮合井孔的侧面的保径部712，面部710包括锥形区域714(中心轴线702延伸穿过锥形区域714)，围绕中心轴线702设置在锥形区域714的外侧的鼻部区域716，围绕中心轴线702设置在鼻部区域716的外侧并且在保径部712的内侧的肩部区域718；(ii)在钻头700的面部710中形成的多个通道708，其从锥形区域714延伸到保径部712，并且限定由多个通道708分开的多个刀片711，多个刀片711中的每个包括前缘738，前缘738上安装有多个PDC切割器(图7A和7B中未示出)，多个PDC切割器布置为当钻头绕中心轴线702转动时用于剪切井孔的底端，其中多个通道708中的一个或多个通道包括在一个或多个通道中的每个的至少部分内基本上恒定的宽度Wl、深度Dl、宽度Wl和深度Dl组合，或者横截面面积，该部分限定在沿着长度Ll的第一点726和第二点728之间，并且第一点726位于锥形区域714中，并且第二点728位于肩部区域718或保径部712中；以及(iii)安装在多个通道708中的每个中的气动喷嘴(图7A和7B中未示出)，其中气动喷嘴位于锥形区域714或鼻部区域716中，并且指向多个通道708中的每个的下游。
在一些实施例中，钻探操作还包括使井孔的底部和侧面与多个PDC切割器啮合以形成岩屑，其中岩屑落入多个通道708中。钻探操作还可以包括通过安装在多个通道708中的每个中的气动喷嘴泵送气动流体，以从多个通道708排出岩屑，其中，井孔的底部和侧面干扰沿多个通道708的长度L1逸出的气动流体。在一些实施例中，气动流体源可以配置为向安装在多个通道708中的每个中的气动喷嘴提供气动流体。
虽然已经详细描述了本发明，但是在本发明的精神和范围内的修改对本领域技术人员是显而易见的。应当理解，本发明的方面和各个实施例的部分以及上文和/或所附权利要求中的各种特征可以全部或部分地组合或互换。在各个实施例的前述描述中，参考另一实施例的那些实施例可与本领域技术人员将理解的其他实施例适当地组合。此外，本领域技术人员将理解，前述描述仅作为示例，并不旨在限制本发明。
