带有液压连通以调节其上的载荷的伸出元件的钻头的制作方法
【专利说明】带有液压连通以调节其上的载荷的伸出元件的钻头
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求享有2013年3月12日提交的美国专利申请序列N0.13/796，494的申请日期的权益，该专利申请的发明名称为〃Drill Bit with Extens1n Elements inHydraulic Communicat1ns to Adjust Loads Thereon,,0
技术领域
[0003]本发明总的来说涉及钻头以及利用所述钻头钻进井眼的系统。
【背景技术】
[0004]油井(也被称作〃井眼〃或〃钻孔〃)利用钻柱钻进，所述钻柱包括具有钻进组件(也被称作〃底部钻具组合〃或〃BHA")的管状构件。BHA通常包括提供与关于钻进作业的各种参数(〃钻进参数〃)、BHA性能("BHA参数〃)以及关于井眼周围的地层的各种参数(〃地层参数")有关的信息的装置和传感器。钻头附着于BHA的底端，通过旋转钻柱和/或通过BHA中的钻进马达(也被称作"泥浆马达〃)而使钻头旋转以破碎岩层，钻进井眼。很多井眼都是沿着成形轨迹(contoured trajectories)钻进。例如，单个井眼可以包括穿过不同类型的岩层的一个或多个竖直区段、偏斜区段和水平区段。当从诸如砂的软地层向诸如页岩的硬地层钻进时，或者当从诸如页岩的硬地层向诸如砂的软地层钻进时，钻头的钻速(ROP)发生变化，并可能导致(减小或增大)钻头产生过大的波动或振动(侧向或扭曲)。通常，通过控制钻头的钻压(WOB)和转速(每分钟转数或"RPM")来控制R0P，以便控制钻头波动。通过控制地面上的大钩载荷来控制W0B，并通过在地面上控制钻柱旋转和/或通过控制BHA中的钻进马达速度来控制RPM。利用这样的方法控制钻头波动和ROP需要地面上的钻进系统或操作者采取动作。这样的地面动作对钻头波动的影响基本上不是即刻的。对于给定的WOB和钻头转速，钻头侵入性影响振动、摆动和钻头。钻头的切削深度是与钻头侵入性有关的影响因素。控制切削深度可以提供更平滑的钻孔，避免对切削件的过早损坏，延长钻头的工作寿命。
[0005]在此，本发明提供一种钻头和使用该钻头的钻进系统，其构造成在钻进井眼期间控制钻头的侵入性。
【发明内容】
[0006]在一个方面中，公开了一种钻头，在一个实施例中，所述钻头包括从钻头的表面伸出和缩回的多个元件，其中，所述多个元件中的至少两个元件相互流体连通，以在钻进作业期间补偿施加于这些元件的不同的力。
[0007]在另一个方面中，提供了一种钻进井眼的方法，在一个实施例中，所述方法包括:输送钻柱，所述钻柱在其一端处具有钻头，其中钻头包括从钻头的表面伸出和缩回的多个元件，其中，所述多个元件相互流体连通，以在钻进作业期间补偿施加于这些元件的不同的力；并且利用所述钻柱钻进井眼。
[0008]在此公开的设备和方法的某些特征的例子概述得相当宽泛，以便可以更好地理解下述的详细说明书。当然，下文公开的设备和方法还具有附加特征，其将形成附带于此的权利要求的主题。
【附图说明】
[0009]在此，参照附图可以更好地理解本发明，其中，对同样的元件基本上指定了同样的数字，以及其中:
[0010]图1是示例性钻进系统的示意图，所述钻进系统包括具有根据本发明一个实施例制作的钻头的钻柱；
[0011]图2显示了依照本发明一个实施例的示例性钻头的横截面，所述钻头中带有用于使垫在钻头表面上伸出和缩回的施力单元；
[0012]图3是截面图，显示了位于依照本发明一个实施例制作的示例性钻头的不同表面上的若干个可伸出和可缩回的垫；
[0013]图4是图3的钻头的截面侧视图，显示了依照本发明一实施例的某些示例性液压补偿垫；和
[0014]图5是图3的钻头的截面侧视图，显示了依照本发明另一实施例的某些示例性液压补偿垫和切削件。
【具体实施方式】
[0015]图1是示例性钻进系统100的示意图，该钻进系统包括钻柱120，钻柱具有附接于其底端的钻进组件或底部钻具组合190。所示的钻柱120在形成于地层195中的钻孔126中被输送。钻进系统100包括竖立在平台或底板112上的传统井架111，平台或底板支撑转盘114，该转盘由原动机例如电动马达(未显示)以所期望的转速旋转。管材(例如相连结的钻管)122从地面延伸到钻孔126的底部151，管材具有附接在其底端处的钻进组件190。附接至钻进组件190的钻头150使地质地层195破碎。钻柱120经由方钻杆121、转环128和管路129通过皮带轮联接至绞车130。绞车130被操作以控制钻压("W0B")。钻柱120可以由顶部驱动器114a带动旋转，而不是由原动机和转盘114带动旋转。
[0016]为了钻进井眼126，适合的钻进流体131 (也被称作〃泥浆〃)由泥浆栗134在压力下从钻进流体源132 (例如泥浆池)通过钻柱120循环。钻进流体131从泥浆栗134经由波动消除器136和流体管路138流入钻柱120中。钻进流体131a在钻孔底部151处通过钻头150中的开口排出。回流钻进流体131b通过钻柱120与钻孔126之间的环形空间或环空127循环到井口，并经由回流管路135和筛网185返回到泥浆池132，筛网185从回流钻进流体131b中移除钻肩。管路138中的传感器S1提供与流体131的流体流速相关的信息。地面扭矩传感器$和与钻柱120相联的传感器S 3提供与钻柱120的扭矩和转速相关的信息。钻柱120的钻速可以由传感器S5确定，而传感器S6可以提供钻柱120的大钩载荷。
[0017]在某些应用中，钻头150通过旋转钻管122而旋转。但是，在其它实施例中，设置在钻进组件190中的井下马达155 (泥浆马达)单独带动钻头150旋转或者与钻柱旋转一起带动钻头150旋转。地面控制单元或控制器140经由放置在流体管线138中的传感器143接收来自井下传感器和装置的信号；以及接收来自传感器S1-S6及系统100中所使用的其它传感器的信号，并根据提供给地面控制单元140的程序指令处理这些信号。地面控制单元140在显示器/监视器141上为操作者显示所期望的钻进参数及其它信息。地面控制单元140可以是基于计算机的单元，其可以包括处理器142(例如微处理器)、诸如固态存储器、磁带或硬盘的存储装置144以及在存储装置144中的一个或多个计算机程序146，所述计算机程序可由处理器142访问，以便执行所述计算机程序中包含的指令。地面控制单元140还可以与远程控制单元148通信。地面控制单元140可以处理与钻进作业有关的数据、来自地面上的传感器和装置的数据以及接收自井下装置的数据并可以控制一个或多个钻进操作。
[0018]钻进组件190还可以包含用于提供各种所关心的性能例如阻力、密度、孔隙度、渗透率、声学性质、核磁共振性质、流体或地层的腐蚀性质、盐或盐分含量、及围绕钻进组件190的地层195的其它选定性能的地层评价传感器或装置(也被称作随钻测量(MffD)或随钻测井(LWD)传感器)。这些传感器在本领域中都是众所周知的，为了方便起见，在此共同标记为数字165。钻进组件190还可以包括各种各样的其它传感器和通讯装置159，用于控制和/或确定钻进组件190的一种或多种功能和性能(包括但不限于速度、振动、弯曲力矩、加速度、摆动、涡动和粘滑运动)和钻进作业参数(包括但不限于钻进组件的转速、钻压和流体流速)。
[0019]仍然参照图1，钻柱120还包括动力生成装置178，所述动力生成装置构造成向传感器165、装置159及其它装置提供电力或能量、例如电流。动力生成装置178可以定位在钻进组件190或钻柱120中。钻进组件190还包括转向装置160，转向装置包括转向构件(也被称作施力构件)160a、160b、160c，转向构件可以构造成独立地对钻孔126施加力，以使钻头沿着任何特定方向转向。控制单元170处理来自井下传感器的数据并控制各种井下装置的操作。控制单元包括诸如微处理器的处理器172、诸如固态存储器的数据存储装置174以及存储在数据存储装置174中并可由处理器172访问的程序176。适合的遥测单元179提供控制单元140和170之间的双向信号和数据通信。
[0020]在钻进井眼126期间，所期望的是控制钻头的侵入性，以钻出更平滑的钻孔，避免损坏钻头以及提高钻进效率。为减少钻头150的轴向侵入性，钻头设置有一个或多个垫180，所述垫构造成从钻头面162伸出和缩回。钻头中的施力单元185调节所述一个或多个垫180的伸出长度，所述垫控制切削件在钻头面上的切削深度，从而控制钻头150的轴向侵入性。
[0021]图2显示了根据本发明一个实施例制作的示例性钻头200。钻头200为聚晶金刚石复合片(roc)钻头，其具有钻头本体210，钻头本体包括柄部212和冠部230。柄部212包括具有锥螺纹上端216的颈部或颈部区段214，该锥螺纹上端上具有用于将钻头150连接至位于钻进组件130的端部处的套管端部(box end)(图1)的螺纹216a。柄部212具有下部竖向或笔直区