包括呈阶梯型面配置的切割元件的多级力平衡井下钻井工具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及井下钻井工具，且更特定来说涉及包括呈阶梯型面配置的切割元件的 多级力平衡井下钻井工具。
【背景技术】
[0002] 可使用各种类型的井下钻井工具，包括(但不限于)旋转钻头、扩孔器、岩心钻头、 稳定器和其它井下工具，在相关联井下地层中形成井筒。旋转钻头的实施例包括(但不限 于)用以形成延伸穿过一个或多个井下地层的井筒的固定切割器钻头、刮刀钻头、多晶金刚 石复合片(PDC)钻头、矩阵钻头、牙轮钻头、旋转锥形钻头和岩石钻头。与这些钻头相关联的 切割动作一般需要与进入井下地层的邻近部分中的切割元件相关联的钻压(W0B)和旋转。
[0003] 旋转钻头可以形成为具有从钻头本体延伸的若干叶片，其中叶片的外侧部分上安 置有切割元件。已使用各种技术和程序来选择用于在井下钻井工具上安装切割元件的位 置。这些现有技术假定所有切割元件与基本均匀的井下地层接合。然而，在典型钻井应用 中，地层可基本具有在地层的上部部分(例如，较浅的钻井深度）中的相对低的压缩强度以 及在地层的下部部分(例如，较深的钻井深度）中的相对高的压缩强度。
【附图说明】
[0004] 通过参考以下结合附图做出的描述可以获得各种实施方案及其优点的更完整且 详尽的理解，在附图中相同参考标号指示相同特征，且其中：
[0005] 图1说明根据本公开的一些实施方案的钻井系统的实施例实施方案的立面图；
[0006] 图2A说明根据本公开的一些实施方案的以经常用以建模或设计钻头的方式向上 定向的旋转钻头的等距视图；
[0007] 图2B说明根据本公开的一些实施方案的示出图2A的旋转钻头钻制井筒穿过第一 井下地层且进入邻近的第二井下地层的截面和立面示意图，其中若干部分被分解开；
[0008] 图3A说明根据本公开的一些实施方案的用于井下钻井工具的钻头面的示意图，所 述井下钻井工具包括用于多级力平衡所述井下钻井工具的两切割元件组；
[0009] 图3B说明根据本公开的一些实施方案的图3A的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0010] 图3C说明根据本公开的一些实施方案的用于井下钻井工具的钻头面的示意图，所 述井下钻井工具包括用于多级力平衡所述井下钻井工具的三切割元件组；
[0011] 图3D说明根据本公开的一些实施方案的图3C的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0012] 图3E说明根据本公开的一些实施方案的用于井下钻井工具的钻头面的示意图，所 述井下钻井工具包括用于多级力平衡所述井下钻井工具的四切割元件组；
[0013] 图3F说明根据本公开的一些实施方案的图3E的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0014]图3G说明根据本公开的一些实施方案的用于井下钻井工具的钻头面的示意图，所 述井下钻井工具包括用于多级力平衡所述井下钻井工具的五切割元件组；
[0015]图3H说明根据本公开的一些实施方案的图3G的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0016] 图4A和图4B说明根据本公开的一些实施方案的示出匹配主叶片、切割元件组、叶 片组以及切割元件集合以用于井下钻井工具的多级力平衡的实施例的表；
[0017] 图5说明根据本公开的一些实施方案的示出在多级力平衡井下钻井工具的设计期 间主叶片、切割元件组、叶片组以及切割元件集合的优选匹配的实施例的表；
[0018] 图6说明根据本公开的一些实施方案的用于具有五个叶片的井下钻井工具的钻头 面的示意图，包括用以基于用于多级力平衡所述井下钻井工具的叶片组和切割元件集合而 安装切割元件的示范性位置；
[0019] 图7A和图7B说明根据本公开的一些实施方案的用于具有八个叶片的井下钻井工 具的钻头面的示意图，包括用以基于用于多级力平衡所述井下钻井工具的叶片组和切割元 件集合而安装切割元件的示范性位置；
[0020] 图8A说明根据本公开的一些实施方案的用于具有五个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的单集合和轨道集合配置的 组合而安装切割元件的示范性位置；
[0021] 图8B说明根据本公开的一些实施方案的图8A的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0022] 图8C说明根据本公开的一些实施方案的用于具有六个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的单集合和轨道集合配置的 组合而安装切割元件的示范性位置；
[0023]图8D说明根据本公开的一些实施方案的图8C的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0024]图8E说明根据本公开的一些实施方案的用于具有七个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的单集合和轨道集合配置的 组合而安装切割元件的示范性位置；
[0025]图8F说明根据本公开的一些实施方案的图8E的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0026]图8G说明根据本公开的一些实施方案的用于具有八个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的单集合和轨道集合配置的 组合而安装切割元件的示范性位置；
[0027]图8H说明根据本公开的一些实施方案的图8G的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0028]图81说明根据本公开的一些实施方案的用于具有九个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的单集合和轨道集合配置的 组合而安装切割元件的示范性位置；
[0029]图8J说明根据本公开的一些实施方案的图81的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0030] 图9A说明根据本公开的一些实施方案的用于具有五个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的轨道集合配置而安装切割 元件的示范性位置；
[0031] 图9B说明根据本公开的一些实施方案的图9A的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0032] 图9C说明根据本公开的一些实施方案的用于具有六个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的轨道集合配置而安装切割 元件的示范性位置；
[0033]图9D说明根据本公开的一些实施方案的图9C的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0034]图9E说明根据本公开的一些实施方案的用于具有七个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的轨道集合配置而安装切割 元件的示范性位置；
[0035]图9F说明根据本公开的一些实施方案的图9E的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0036]图9G说明根据本公开的一些实施方案的用于具有八个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的轨道集合配置而安装切割 元件的示范性位置；
[0037]图9H说明根据本公开的一些实施方案的图9G的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0038]图91说明根据本公开的一些实施方案的用于具有九个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以按用于多级力平衡所述井下钻井工具的轨道集合配置而安装切割 元件的示范性位置；
[0039]图9J说明根据本公开的一些实施方案的图91的井下钻井工具的钻头面型面的示 意图；
[0040] 图10A说明根据本公开的一些实施方案的用于具有五个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以安装用于多级力平衡所述井下钻井工具的切割元件的多个层的示 范性位置；
[0041] 图10B说明根据本公开的一些实施方案的包括下方暴露的基本型面的图10A的井 下钻井工具的钻头面型面的示意图；
[0042] 图10C说明根据本公开的一些实施方案的用于具有六个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以安装用于多级力平衡所述井下钻井工具的切割元件的多个层的示 范性位置；
[0043] 图10D说明根据本公开的一些实施方案的包括下方暴露的基本型面的图10C的井 下钻井工具的钻头面型面的示意图；
[0044] 图10E说明根据本公开的一些实施方案的用于具有八个叶片的实施例井下钻井工 具的钻头面的示意图，包括用以安装用于多级力平衡所述井下钻井工具的切割元件的多个 层的示范性位置；
[0045] 图10F说明根据本公开的一些实施方案的包括下方暴露的基本型面的图10E的井 下钻井工具的钻头面型面的示意图；
[0046] 图10G说明根据本公开的一些实施方案的用于具有八个叶片的另一实施例井下钻 井工具的钻头面的示意图，包括用以安装用于多级力平衡所述井下钻井工具的切割元件的 多个层的示范性位置；
[0047] 图10H说明根据本公开的一些实施方案的包括下方暴露的基本型面的图10G的井 下钻井工具的钻头面型面的示意图；
[0048] 图101说明根据本公开的一些实施方案的用于具有九个叶片的井下钻井工具的钻 头面的示意图，包括用以安装用于多级力平衡所述井下钻井工具的切割元件的多个层的示 范性位置；
[0049] 图10J说明根据本公开的一些实施方案的包括下方暴露的基本型面的图101的井 下钻井工具的钻头面型面的示意图；
[0050] 图11A说明根据本公开的一些实施方案的包括具有下方暴露的切割元件的多个层 的井下钻井工具的钻头面型面的示意图；
[0051]图11B说明根据本公开的一些实施方案的显示使用包括下方暴露的切割元件的力 平衡井下钻井工具钻制井筒的模拟的结果的透视图的图形用户界面；
[0052]图12A和图12B说明根据本公开的一些实施方案的用于在井下钻井工具的外侧部 分上安装切割元件且多级力平衡所述井下钻井工具的实施例方法的流程图；以及 [0053]图13说明根据本公开的一些实施方案的用于设计井下钻井工具的实施例方法的 流程图。
【具体实施方式】
[0054]通过参考图1到13可最好地理解本公开的实施方案及其优点，其中相似的标号用 于指示相似及对应的部分。
[0055] 图1说明根据本公开的一些实施方案的钻井系统100的实施例实施方案的立面图。 钻井系统1 〇〇可包括井表面或井场106。例如旋转台、钻井流体栗和钻井流体罐(未明确图 示)等各种类型的钻井设备可位于井表面或井场106处。举例来说，井场106可包括钻机102， 其可具有与"陆地钻机"相关联的各种特性和特征。然而，融合了本公开的教示的井下钻井 工具可令人满意地与位于离岸平台、钻井船、半潜式钻井台和钻井驳船(未明确图示)上的 钻井设备一起使用。
[0056] 钻井系统100还可包括与钻头101相关联的钻柱103,其可用以形成广泛多种井筒 和钻孔，例如基本竖直的井筒114a或基本水平的井筒114b或其任一组合。钻柱103的井底钻 具组合件(BHAH20的各种定向钻井技术和相关联组件可用以形成水平井筒114b。举例来 说，可接近于造斜位置113对BHA 120施加侧向力以形成从基本竖直井筒114a延伸的基本水 平井筒114b。术语"定向钻井"可用以描述以相对于竖直的所需角度或多个角度钻制井筒或 井筒的部分。所需的角度可大于与竖直井筒相关联的正常变换。也可将方向钻井描述为钻 制偏离竖直的井筒。术语"水平钻井"可用以包括在与竖直成大约九十度(90°)的方向上钻 井。
[0057] BHA 120可由被构造成形成井筒114的广泛多种组件形成。举例来说，BHA 120的组 件122a、122b和122c可包括(但不限于)钻头(例如，钻头101)、取心钻头、钻环、旋转导向工 具、定向钻井工具、井下钻井马达、扩孔器、孔增大器或稳定器。BHA 120中包括的组件122的 数目和类型可取决于预期井下钻井条件以及通过钻柱103和旋转钻头101将形成的井筒的 类型。BHA 120还可包括各种类型的测井工具（未明确图示）和与井筒的定向钻井相关联的 其它井下工具。测井工具和/或定向钻井工具的实施例可包括(但不限于)声学、种子、伽玛 射线、密度、光电、核磁共振、旋转导向工具和/或任何其它市售的井工具。
[0058]可通过套管柱110，该套管柱可从井表面106延伸到选定井下位置，来部分地界定 井筒114。可将如图1所示的不包括套管柱110的井筒114的部分描述为"裸眼井"。可将各种 类型的钻井流体从井表面106通过钻柱103栗送到附接的钻头101。可引导钻井流体以从钻 柱103流动到通过旋转钻头101的相应喷嘴（图2A中描绘为喷嘴156)。钻井流体可通过环空 108循环回到井表面106,所述环空由钻柱103的外径112和井筒114a的内径118部分地界定。 内径118可称为井筒114a的"侧壁"。环空108还可由钻柱103的外径112和套管柱110的内径 111界定。裸眼井环空116可经界定为侧壁118和外径112。
[0059] 钻井系统100还可包括旋转钻头（"钻头"）101。在图2A中更详细论述的钻头101可 包括一个或多个叶片126,其可从钻头101的旋转钻头本体124的外侧部分向外安置。旋转钻 头本体124可为基本圆柱形的，且叶片126可为从旋转钻头本体124向外延伸的任何合适类 型的突起。钻头101可在由方向箭头105界定的方向上相对于钻头旋转轴线104旋转。叶片 126可包括从每一叶片126的外侧部分向外安置的一个或多个切割元件128。叶片126还可包 括一个或多个深度的切割控制器(未明确图示），其被构造成控制切割元件128的切割深度。 叶片126可进一步包括安置于叶片126上的一个或多个量规垫(未明确图示）。钻头101可根 据本公开的教示而设计和形成，且可根据钻头101的特定应用而具有许多不同的设计、配置 和/或尺寸。
[0060] 在钻井系统100的操作期间，当钻头101初始接触井筒114a的底部或水平井筒114b 的末端时，钻头不平衡力可造成钻柱103的振动。此振动可从钻头101延伸钻柱103的整个长 度，且可损坏井下钻井设备和井场106处的钻井设备。作用于井下钻井工具上的不平衡力还 可在从第一基本软地层进入第二基本较硬井下地层的过渡钻井期间产生。作用于井下钻井 工具的不平衡力可进一步由于从第一井下地层进入第二井下地层的钻井而产生，其中所述 第二井下地层可按照并非垂直于井下钻井工具所形成的井筒的角度倾斜。
[0061] 因此，在执行定向钻井或进入不同类型的地质地层中的钻井时，有利的是提供力 平衡(例如，钻头侧向力经平衡或最小化）的钻井工具，使得所述钻井工具更高效且以较高 的侧向稳定性钻井。在一些实施方案中，钻井工具可被多级力平衡，使得当钻井工具正在关 于不均匀的井下钻井地层形成井筒时，作用于钻井工具上的侧向力经平衡。多级力平衡可 基本包括相应切割元件组和切割元件集合的使用，且可不限于与基本均匀井下地层接合的 井下钻井工具的所有切割元件的单个集合。多级力平衡还可包括评估随着钻井深度而变的 钻头不平衡力。
[0062] 钻头101上的切割元件128和/或其它井下钻井工具的配置也可贡献于钻头的稳定 性和钻井效率。切割元件128可根据两个一般原理来布设:单集合和轨道集合。在单集合配 置中，钻头101上的切割元件128中的每一个可具有相对于钻头旋转轴线104的唯一径向位 置。在轨道集合配置中，钻头101上的切割元件128中的至少两者可具有相对于钻头旋转轴 线104的相同径向位置。在一些实施方案中，轨道集合切割元件可位于钻头的不同叶片上。 在其它实施方案中，轨道集合切割元件可位于同一叶片上。具有以单集合配置布设的切割 元件的钻头可比具有轨道集合配置的钻头更高效地钻井，而具有以轨道集合配置布设的切 割元件的钻头可比具有单集合配置的钻头更稳定。
[0063] 因此，可修改钻井工具以改善性能且增强稳定性和钻井效率。在一些实施方案中， 钻头101可根据本公开的教示而设计和制造，且可根据钻头101的特定应用而具有许多不同 的设计、配置和/或尺寸。如下文相对于图3到13且根据本公开的一些实施方案更详细公开， 钻头101的切割元件128可经布设以使得相邻切割元件或相邻组的切割元件被力平衡以最 小化振动，且切割元件128中的至少一些为轨道集合和/或切割元件128中的至少一些经下 方暴露以增加钻头101的稳定性。在一些实施方案中，钻头101的切割元件128可经布设以使 得单集合切割元件组和轨道集合元件组沿着钻头面型面混合，且形成相邻切割元件或切割 元件组。相邻切割元件可为在相关联钻头面型面上紧邻于彼此(例如，连续编号）安置的切 割元件。在其它实施方案中，钻头101的切割元件128可在多个层中布设，使得一些切割元件 经下方暴露且在钻头101的相关联钻头型面上形成阶梯型面。通过使切割元件128中的一些 下方暴露，钻头101可在钻井操作期间在井筒114a的底部或井筒114b的末端处形成凹槽。这 些凹槽可增强钻头稳定性而不影响钻头101的效率。
[0064] 图2A说明根据本公开的一些实施方案的以经常用以建模或设计固定切割器钻头 的方式向上定向的旋转钻头1 〇 1的等距视图。钻头1 〇 1可为各种类型的旋转钻头中的任一 者，