具有可伸展保径垫的钻头的制作方法

优先权声明

本申请要求于2014年10月6日提交的“drillbitwithextendablegaugepads”的美国临时专利申请序列号14/506,730的申请目的权益。

背景信息

1.发明领域

本公开总体涉及钻头和利用所述钻头来钻探井筒的系统。

2.技术背景

油井(又称为“井筒”或“钻孔”)利用钻柱来钻探，所述钻柱包括在管件的底端处具有钻探组件(又称为“井底组件”或“bha”)的管状构件。bha通常包括提供与以下各项相关的信息的装置和传感器：与钻井操作相关的各种参数(“钻井参数”)、与bha的行为相关的参数(“bha参数”)和与井筒周围的地层相关的参数(“地层参数”)。附接至bha底端的钻头通过使钻柱旋转和/或通过bha中的钻井马达(又称为“泥浆马达”)来旋转以崩解岩层，从而钻探井筒。大量井筒都是沿带轮廓的轨迹钻探的。例如，单一井筒可以包括不同类型的岩层中的一个或多个垂直部段、偏斜部段、弯曲部段以及水平部段。钻井条件根据井筒轮廓、岩层和井筒深度而不同。通常希望具有以下这样的钻头：在垂直井部段的钻探过程中，在钻头周围具有较长的垂直或纵向部段(又称为保径垫)，以提高钻头稳定性和井筒品质；以及在钻探偏斜井部段、弯曲井部段和水平井部段中具有相对较短的保径垫以实现更好的偏转和钻头控制。

本文的公开内容提供一种包括可调节纵向部段或保径垫的钻头和使用所述钻头的钻井系统。

技术实现要素：

一方面，公开了一种用于井筒中的钻头，所述钻头包括钻头主体，所述钻头主体具有纵向轴线；以及至少一个可移动构件，所述至少一个可移动构件与钻头主体的横向延度相关联，其中至少一个可移动构件被配置成沿着基本上呈纵向的构件轴线平移。

另一方面，公开了一种钻探井筒的方法，所述方法包括提供钻头，所述钻头包括钻头主体，所述钻头主体具有纵向轴线；以及至少一个可移动构件，所述至少一个可移动构件与钻头主体的横向延度相关联；将钻柱运送到地层中，所述钻柱在其端部处具有钻头；使用钻柱来钻探井筒；以及选择性地使至少一个可移动构件沿着基本上呈纵向的构件轴线平移。

另一个方面，公开了一种用于钻探井筒的系统，所述系统包括钻探组件，所述钻探组件具有钻头，所述钻头被配置来钻探井筒，所述钻头包括：钻头主体，所述钻头主体具有纵向轴线；以及至少一个可移动构件，所述至少一个可移动构件与钻头主体的横向延度相关联，其中至少一个可移动构件被配置成沿着基本上呈纵向的构件轴线平移。

为了可以更好地理解以下具体实施方式，相当广泛地总结了本文公开的设备和方法的某些特征的实例。当然，存在本文之后公开的将形成随附权利要求书的主题的设备和方法的附加特征。

附图简述

为了详细了解本文公开的设备和方法，应当参考附图及其具体实施方式，其中相同元件通常具有相同编号，并且在其中：

图1是包括具有根据本公开的一个实施方案制造的钻头的钻柱的示例性钻井系统的示意图；

图2a示出根据本公开的一个实施方案的处于缩回位置的在钻头主体上具有可调节构件的示例性钻头的截面图；

图2b示出可调节构件被示出处于伸展位置的图2a的钻头的截面图；

图2c示出图2a所示的钻头的实施方案的部分截面图；

图2d示出图2a所示的钻头的另一个实施方案的另一个部分截面图；

图3a示出根据本公开的另一个实施方案的处于缩回位置的在钻头主体上具有可调节构件的示例性钻头的截面图；

图3b示出可调节构件被示出处于伸展位置的图3a的钻头的截面图；

图4a示出根据本公开的另一个实施方案的处于缩回位置的在钻头主体上具有可调节构件的示例性钻头的截面图；并且

图4b示出可调节构件被示出处于伸展位置的图4a的钻头的截面图。

具体实施方式

图1是可以利用根据本文的公开内容制造的钻头的示例性钻井系统100的示意图。图1示出井筒110，所述井筒110具有其中安装了外壳112的上部部段111和用钻柱118钻探出的下部部段114。钻柱118被示出包括在其底端附接了bha130的管状构件116。管状构件116可以通过连接钻杆部段来组装或者它可以是连续油管。钻头150被示出附接至bha130的底端以用于崩解岩层119，从而钻探具有选定直径的井筒110。

钻柱118被示出由地面167处的钻机180运送到井筒110中。为了便于解释，所示的示例性钻机180是陆上钻机。本文公开的设备和方法也可以与用于在水下钻探井筒的海上钻机一起使用。联接至钻柱118的转台169或顶部驱动器(未示出)可以被利用来使钻柱118旋转以使bha130旋转并且因此使钻头150旋转，从而钻探井筒110。钻井马达155(又称为“泥浆马达”)可以提供在bha130中来使钻头150旋转。钻井马达155可以单独使用来使钻头150旋转或通过钻柱118来叠加钻头150的旋转。可以为基于计算机的单元的控制单元(或控制器)190可以置于地面167处以接收和处理由钻头150中的传感器和bha130中的传感器传输的数据，并且控制bha130中的各个装置和传感器的选定操作。地面控制器190在一个实施方案中可以包括处理器192、用于存储数据的数据存储装置(或计算机可读介质)194、算法和计算机程序196。数据存储装置194可以是任何合适的装置，包括但不限于：只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、闪存、磁带、硬盘以及光盘。在钻井期间，钻井液179在压力下从其来源泵运到管状构件116中。钻井液在钻头150的底部处排放并且经由介于钻柱118与井筒110的内壁142之间的环形空间(又称为“环空”)而返回至地面。

仍然参考图1，钻头150包括刃面部段(或底部部段)151。刃面部段151或其一部分在钻井期间面向钻头或井筒底部前侧的地层。钻头150在一方面包括沿着钻头150的纵向侧162的一个或多个可调节纵向构件或衬垫160。构件160是“可伸展构件”或“可调节构件”。bha130中的合适的致动装置(或致动单元)155或钻头150中的装置185或者其组合可以被利用来在井筒110的钻探过程中致动构件160。对应于构件160的伸展状态的信号可以由与构件160相关联或与致动装置155或185相关联的一个或多个合适的传感器178提供。

bha130还可以包括一个或多个井下传感器(共同表示为编号175)。传感器175可以包括任何数目和类型的传感器，包括但不限于：通常称为随钻测量(mwd)传感器或随钻测井(lwd)传感器的传感器，以及提供与bha130的行为相关的信息，诸如钻头旋转(每分钟转数或“rpm”)、工具面、压力、振动、涡动、弯曲以及粘滑运动的传感器。bha130还可以包括控制单元(或控制器)170，所述控制单元170被配置来控制构件160的操作并且被配置用于至少部分处理从传感器175和178接收的数据。控制器170尤其可以包括用于处理传感器175和178的信号(例如，将所述信号放大并数字化)的电路、用于处理数字化信号的处理器172(诸如，微处理器)、数据存储装置174(诸如，固态存储器)以及计算机程序176。处理器172可以处理数字化信号，控制衬垫160的操作，处理来自其他井下传感器的数据，控制其他井下装置和传感器并且经由双向遥测单元188而向控制器190传达数据信息。一方面，bha中的控制器170或钻头150中的控制器185或地面处的控制器190或其任何组合可以调节衬垫构件160的伸展状态以控制钻头晃动和/或钻井参数，从而提高钻井效率并且延长钻头150和bha的寿命。增大纵向保径垫伸展范围沿着钻头提供了更长的垂直部段或保径垫部段并且充当稳定器，所述稳定器可以有效地减少振动、涡动、粘滑运动等。这些属性的减少可以提高钻孔品质。类似地，在产生钻孔的偏斜(包括弯曲和水平)部分时，使衬垫缩回来提供更短的垂直部段可以增强偏转、可操纵性和钻孔品质。有利的是，具有调节可调节保径垫160的伸展状态的能力在各种各样情况下都能实现增强的性能和钻孔品质。

图2a示出根据本公开的一个实施方案制造的示例性钻头200。钻头200是具有钻头主体201的钻头，所述钻头主体201包括销或销部段210、柄部220、一个或多个冠状部段230以及可移动构件260a。在示例性实施方案中，钻头200是任何合适的钻头，包括但不限于：牙轮钻头、混合钻头和聚晶金刚石复合片(pdc)。

在示例性实施方案中，销210具有上面具有螺纹212a的用于将钻头200连接至钻探组件130(图1)的母端的锥形螺纹上端212。柄部220具有下部垂直或伸直部段222。冠部230包括在钻井期间面向地层的刃面或刃面部段232。

在示例性实施方案中，冠部230包括刃面部段232上的切削刃238以及冠部230的横向延度。这类切削刃238允许移除地层中的材料。

在示例性实施方案中，钻头主体201的横向延度包括静态保径垫234。静态保径垫234可以被提供用来对抗粘滑运动、振动和涡动，并且提高钻孔品质。如前文所预期，保径垫的最佳长度取决于操作条件，以及需要的是垂直、水平、偏斜还是弯曲井筒路径。在某些条件下，出于钻头稳定性目的需要较长的总保径垫长度，而为了提高侧部切削或导向能力，需要较短的总保径垫长度。如前文所预期，对于其中要求或需要偏斜、弯曲和非偏斜部分的井筒而言，可以针对某一组参数和特征优化静态保径垫。在某些实施方案中，静态保径垫234可以与本文论述的可移动构件260a一起使用。

在示例性实施方案中，钻头200还可以包括轴向延伸和缩回(或平移)的一个或多个可移动构件260a。一方面，可移动构件260a(本文中又称为“可移动衬垫”)可以与钻头主体201的横向延度相关联。在示例性实施方案中，可移动构件260a邻近于静态保径垫234设置以加强或增强静态保径垫234的特征。在某些实施方案中，无需静态保径垫234就可利用可移动构件260a。

在示例性实施方案中，通过将可移动构件260a置于钻头主体201的横向延度附近，可以改变保径垫(包括保径垫234)的有效长度和宽度，从而提高钻头200的稳定性或增加所述钻头200的侧部切削。

在示例性实施方案中，可移动构件260在空腔或凹部250中平移。在某些实施方案中，凹部250邻近于静态保径垫234设置。可移动构件260a可以沿着轴线203延伸和缩回。在示例性实施方案中，可移动构件的轴线203平行于钻头的纵向轴线202。在其他实施方案中，轴线203通常基本上是纵向的。因此，可移动构件260a通常可以具有纵向行程分量，但是也可以相对于钻头主体201在径向方向上移动。

在某些实施方案中，可移动构件260a可以选择性地从缩回位置延伸至伸展位置。图2a示出处于完全缩回位置的可移动构件260a，而图2b示出处于完全伸展位置的可移动构件260b。在示例性实施方案中，构件260a可以延伸至多6英寸。在其他实施方案中，构件可以延伸任何其他合适的距离。在某些实施方案中，可以为可移动构件260a、260b选择默认位置。默认位置可以是完全缩回的、完全伸展的或其间的某一位置。因此，可移动构件260a、260b可以相对于默认位置移动。

有利的是，可移动构件260a、260b可以被定位来促进或限制钻头200和所得井筒的偏转(倾斜)。可以在钻头200内或从外部传感器测量这种倾斜或歪斜以提供有关可移动构件260a、260b的位置的反馈。可移动构件260a、260b可以结合偏转工具一起使用来促进井筒的轮廓化和偏转。类似地，可移动构件260a、260b的延伸、缩回和一般定位操作可以用来增加或减少钻头200所执行的侧部切削的量。

如可以了解到，可移动构件260a、260b可以通过钻头200中的装置，诸如致动器270而延伸至介于缩回位置与完全伸展位置之间的任何位置。在示例性实施方案中，致动器270是任何合适的致动器，包括但不限于：液压、电气、机械以及远程致动器。另外，在某些实施方案中，致动器270和相关联的可移动构件260a、260b经由反馈系统、传感器和集中控制器来进行自主控制。在其他实施方案中，致动器270由位于地面位置处或来自其他井下工具的控制器控制。在某些实施方案中，致动器270可以具有通信线路以促进有关可移动构件260a的控制和反馈，从而确保所需操作和钻孔品质。

通常，静态保径垫234在钻头200钻探穿过地层时在井筒内会经受载荷力。类似地，可移动构件260a、260b在操作期间可能会经受载荷力。有利的是，在大致径向方向上经受可移动构件260a、260b的载荷。因此，在某些实施方案中，可移动构件260a、260b的运动通常不会受到阻碍或经受操作期间所经受的载荷力。因此，需要一定量的非线性力来相对于可移动构件260a、260b的位移和位置来定位和维持可移动构件260a、260b的位置。因此，与常规设计相比较，致动器270并不需要提供同样的力来维持保径垫长度。

图2c和图2b示出钻头200的部分截面。在图2c中，可移动构件260c利用钻头主体201作为支承表面。另外，在某些实施方案中，可移动构件260c与固持件261维持滑动关系以支撑和捕获可移动构件260c。类似地，凹部250(未示出)可以结合这些支承表面一起使用来为可移动构件260c提供支撑和滑动表面。类似地，图2d示出用于固持和支撑可移动构件260d的替代固持件261。有利的是，固持件261的使用允许固持可移动构件260c、260d，同时提供操作期间所经受的载荷力。

图3a和图3b示出钻头300的替代性实施方案。在某些实施方案中，可移动构件360a、360b沿着向钻头300的中心纵向轴线302歪斜的轴线303移动。因此，在可移动构件360a、360b移动至伸展位置时，可移动构件360a、360b纵向地且朝向轴线302径向向内移动。类似地，在可移动构件360a、360b缩回时，构件360a、360b移动离开轴线302。

图4a和图4b示出钻头400的替代性实施方案。在某些实施方案中，可移动构件460a、460b沿着歪斜着离开钻头400的中心纵向轴线402的轴线403移动。因此，在可移动构件460a、460b移动至伸展位置时，可移动构件460a、460b纵向地且径向向外移动离开轴线402。类似地，在可移动构件460a、460b缩回时，构件460a、460b朝向轴线402径向向内移动。

因此，一方面，公开了一种用于井筒中的钻头，所述钻头包括钻头主体，所述钻头主体具有纵向轴线；以及至少一个可移动构件，所述至少一个可移动构件与钻头主体的横向延度相关联，其中至少一个可移动构件被配置成沿着基本上呈纵向的构件轴线平移。在某些实施方案中，构件轴线平行于纵向轴线。在某些实施方案中，所述构件轴线被设置来将至少一个可移动构件配置成朝向纵向轴线延伸。在某些实施方案中，所述构件轴线被设置来将至少一个可移动构件配置成远离纵向轴线延伸。在某些实施方案中，钻头包括至少一个静态构件，所述至少一个静态构件与钻头主体的横向延度相关联。在某些实施方案中，至少一个可移动构件与钻头主体具有滑动关系。在某些实施方案中，钻头包括钻头主体的至少一个支承表面，所述至少一个支承表面与至少一个可移动构件相关联。在某些实施方案中，至少一个可移动构件由钻头主体固持。

另一方面，公开了一种钻探井筒的方法，所述方法包括提供钻头，所述钻头包括钻头主体，所述钻头主体具有纵向轴线；以及至少一个可移动构件，所述至少一个可移动构件与钻头主体的横向延度相关联；将钻柱运送到地层中，所述钻柱在其端部处具有钻头；使用钻柱来钻探井筒；以及选择性地使至少一个可移动构件沿着基本上呈纵向的构件轴线平移。在某些实施方案中，所述方法还包括使用钻柱来钻探井筒的垂直部段；选择性地使至少一个可移动构件延伸。在某些实施方案中，所述方法还包括使用钻柱来钻探井筒的偏斜部段；选择性地使至少一个可移动构件缩回。在某些实施方案中，所述方法还包括设置构件轴线以将至少一个可移动构件配置成朝向纵向轴线延伸。在某些实施方案中，所述方法还包括设置构件轴线以将至少一个可移动构件配置成远离纵向轴线延伸。在某些实施方案中，所述方法还包括使至少一个可移动构件靠着钻头主体滑动。

另一个方面，公开了一种用于钻探井筒的系统，所述系统包括钻探组件，所述钻探组件具有钻头，所述钻头被配置来钻探井筒，所述钻头包括：钻头主体，所述钻头主体具有纵向轴线；至少一个可移动构件，所述至少一个可移动构件与钻头主体的横向延度相关联，其中至少一个可移动构件被配置成沿着基本上呈纵向的构件轴线平移。在某些实施方案中，至少一个可移动构件被配置成是自主控制的。在某些实施方案中，至少一个可移动构件被配置成经由控制器来控制。在某些实施方案中，控制器是井下工具的控制器。在某些实施方案中，所述构件轴线被设置来将至少一个可移动构件配置成朝向纵向轴线延伸。在某些实施方案中，所述构件轴线被设置来将至少一个可移动构件配置成远离纵向轴线延伸。