使用熱膨脹材料控制鉆頭切削深度的設(shè)備的制作方法
【專利摘要】在一方面，提供了一種用于鉆制鉆孔的鉆頭，其包括：一主體，所述主體包括側(cè)部、工作面部；和在主體內(nèi)的通道。鉆頭還包括設(shè)置在工作面部中的研磨部件，所述研磨部件配置成控制鉆頭的切削深度，其中研磨部件包括與通道熱連通的熱響應材料，所述熱響應材料配置成控制研磨部件相對于所述工作面部的位置。
【專利說明】使用熱膨脹材料控制鉆頭切削深度的設(shè)備
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年4月7日提交的美國臨時申請序列號61/472，887的優(yōu)先權(quán)，該申請在此整體引入作為參考。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總的來說涉及用于形成鉆孔的設(shè)備和方法，具體地說，涉及用于控制鉆井時的切削深度的設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]為在地層中形成井眼或鉆孔，將一底端攜帶鉆頭的鉆井組件(也被稱為〃底部鉆具組合〃或"BHA")輸送到井下。井眼可用來存儲地層中的流體或者從地層獲得流體，例如烴。底部鉆具組合通常包括提供有關(guān)鉆井作業(yè)的各種參數(shù)(〃鉆井參數(shù)〃)、有關(guān)底部鉆具組合動作的各種參數(shù)("底部鉆具組合"參數(shù))以及有關(guān)井眼周圍的地層的各種參數(shù)("地層參數(shù)〃)的信息的裝置和傳感器。鉆頭通常附著于底部鉆具組合的底端。通過旋轉(zhuǎn)鉆柱而使鉆頭旋轉(zhuǎn)，和/或由底部鉆具組合中的鉆井馬達(也被稱為"泥漿馬達")帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，以便粉碎地層，鉆出井眼。當鉆井從諸如頁巖的軟地層進行到諸如砂巖的硬地層時，鉆頭的機械鉆速(ROP)發(fā)生變化，從而導致鉆頭部分的磨損和開裂。例如，聚晶金剛石復合片(PDC)刀具在切削硬地層區(qū)域時可能會遭受磨損和開裂，因而需要維修或更換鉆頭。由于為移除鉆頭，需要從鉆孔拉出鉆柱，因此更換鉆頭時間長，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一方面中，提供了一種用于鉆制鉆孔的鉆頭，其包括:主體，所述主體包括側(cè)部、工作面部；和布置在主體內(nèi)的通道。鉆頭還包括設(shè)置在工作面部中的研磨部件(rubbingmember)，所述研磨部件配置成控制鉆頭的切削深度，其中研磨部件包括與通道熱連通的熱響應材料，所述熱響應材料配置成控制研磨部件相對于工作面部的位置。
[0006]在另一方面，提供了一種在地層中鉆制鉆孔的方法，其包括在地層中設(shè)置鉆頭，其中鉆頭包括:主體，所述主體包括側(cè)部、工作面部；和在主體內(nèi)的通道。該方法還包括通過控制通道中的流體流動，控制設(shè)置在工作面部中的研磨部件的位置，其中研磨部件包括與通道熱連通的熱響應材料，并且其中，熱響應材料的形狀控制鉆頭的切削深度。
[0007]在此披露的設(shè)備和方法的某些特征的例子概述得相當寬泛，以便可以更好地理解下述的詳細說明。當然，下文還披露有設(shè)備和方法的附加特征，其形成了附加于此的權(quán)利要求的主題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]參照下列詳細說明書，并結(jié)合附圖，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更容易領(lǐng)悟和更好地理解本發(fā)明的優(yōu)點和其他方面，其中貫穿附圖中所示的幾個視圖，同樣的參考標記一般表示同樣或類似的元件，以及其中:
[0009]圖1是示例性鉆井系統(tǒng)的示意圖，所述鉆井系統(tǒng)包括鉆柱，所述鉆柱具有根據(jù)本發(fā)明的一個實施例制成的鉆頭；
[0010]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例制成的鉆頭的實施例的透視圖；和
[0011]圖3是圖2的鉆頭的一部分的截面?zhèn)纫晥D。
【具體實施方式】
[0012]圖1是可以利用根據(jù)本發(fā)明制成的鉆頭的示例性鉆井系統(tǒng)100的示意圖。圖1顯示了井眼110，該井眼具有其中安裝有殼體112的上部分111和正由鉆柱118鉆進的下部分114。所示的鉆柱118包括管狀部件116，該管狀部件帶有附著于其底端的底部鉆具組合130。通過聯(lián)接多個鉆管節(jié)段可以構(gòu)成管狀部件116，或者管狀部件116可以是盤繞管材。所示的鉆頭150安裝于底部鉆具組合130的底端，用于粉碎巖層119，從而形成選定直徑的井眼110。所示的鉆柱118被從地面167上的鉆機180輸送到井眼110中。為便于說明，所示的示例性鉆機180為陸上鉆機。在此披露的設(shè)備和方法也可以用于在水下鉆井眼的海上鉆機。可利用連接于鉆柱118的轉(zhuǎn)臺169或頂驅(qū)(未顯示)使鉆柱118旋轉(zhuǎn)，從而帶動底部鉆具組合130和鉆頭150旋轉(zhuǎn)，以鉆出井眼110。一鉆井馬達155 (也被稱為〃泥漿馬達")可設(shè)置在底部鉆具組合130中，以旋轉(zhuǎn)鉆頭150?？蓡为毷褂勉@井馬達155來使鉆頭150旋轉(zhuǎn)或者將由鉆井馬達產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)疊加到由鉆柱118帶動的鉆頭旋轉(zhuǎn)上。
[0013]一控制單元(或控制器)190可以放置在地面167上，所述控制單元190可以是基于計算機的單元，用以接收和處理鉆頭150中的傳感器以及底部鉆具組合130中的傳感器傳送的數(shù)據(jù)，并控制底部鉆具組合130中的各種裝置和傳感器的選定操作。在一個實施例中，地面控制器190可以包括處理器192、用于儲存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲裝置(或計算機可讀介質(zhì))194、算法和計算機程序196。數(shù)據(jù)存儲裝置194可以是任何適合的裝置，包括但不限于:只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、閃存、磁帶、硬盤和光盤。在鉆井期間，鉆井流體179從鉆井流體源處在壓力下被泵送到管狀部件116中。鉆井流體179在鉆頭150的底部排出，然后經(jīng)由鉆柱118與井眼110的內(nèi)壁142之間的環(huán)形空間(也被稱為〃環(huán)空〃)返回到地面167。
[0014]仍然參照圖1，鉆頭150包括一工作面部(或底部分)151。工作面部151或其一部分在鉆井期間面對鉆頭前面或井眼底部的地層。在一個方面，鉆頭150包括在工作面部152上的一個或多個研磨部件160(也被稱為〃磨損塊〃)，在鉆井期間，研磨部件160可調(diào)地(或稱為是“可選擇地”或“可控制地”)從工作面部151伸縮，以控制切削深度。研磨部件160在此還被稱為〃研磨塊〃或〃部件〃。在鉆井眼110的過程中，可利用底部鉆具組合130中的和/或鉆頭150中的合適的致動裝置(或致動單元)155致動研磨部件160。合適的傳感器178提供對應于井下鉆井環(huán)境的信號，所述信號可用來確定研磨部件160位置。底部鉆具組合130還可以包括一個或更多個井下傳感器(共同用數(shù)字175標記)。傳感器175可以包括任意數(shù)量和類型的傳感器，包括但不限于:通常被稱為隨鉆測量(MWD)傳感器或隨鉆測井(LWD)傳感器的傳感器，和提供有關(guān)底部鉆具組合130動作的信息的傳感器，例如鉆頭旋轉(zhuǎn)(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)或"RPM")、刀面、壓力、振動、渦動、彎曲和爬行。
[0015]底部鉆具組合130還可以包括配置成控制研磨部件160的操作并用于至少部分地處理來自傳感器175、178的數(shù)據(jù)的控制單元(或控制器)170?？刂破鳎刂破?70，可以包括處理來自傳感器175的信號(例如對信號放大和數(shù)字化處理)的電路、處理數(shù)字化信號的處理器172 (例如微處理器)、數(shù)據(jù)存儲裝置174 (例如固態(tài)存儲器)和計算機程序176。
[0016]在一個方面，致動單元155控制流體流動，以變更或改變研磨部件160的位置，控制切削深度，延長鉆頭150的壽命。通過使研磨部件160伸出，延長了鉆頭壽命，并通過減少相對于地層的刀具出刃度，減少了刀具磨損。對于同樣的鉆頭150的WOB (鉆壓)和RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))，鉆進諸如頁巖的軟地層時，ROP (鉆速)通常比鉆進諸如砂巖的硬地層時高。由于鉆速的降低，鉆井從軟地層到硬地層的過渡可能導致刀具不希望的磨損。通過控制研磨部件160的位置，可以控制地層區(qū)域之間過渡時的切削深度，從而減少鉆頭150的磨損。鉆頭150和研磨部件160的結(jié)構(gòu)參照圖2和3進一步描述。
[0017]圖2是示例性鉆頭150的透視圖，鉆頭150包括布置在鉆頭的工作面部151上的研磨部件160。工作面部151和側(cè)部200為鉆頭主體201的一部分。在一實施例中，刀具202位于工作面部151和側(cè)部200上。一通道204位于鉆頭主體201中，其配置成緊鄰所述研磨部件160而引導來自空腔206的流體。在實施例中，來自空腔206的鉆井流體被引導通過通道204，其中流體降低了研磨部件160的溫度，從而控制研磨部件160的位置。研磨部件160的定位包括使該研磨部件相對于工作面部151的表面伸出或縮回。在一方面，研磨部件160配置成從工作面部的表面沿著基本上平行于鉆頭軸線208的方向伸出或縮回。如圖所描繪的，研磨部件160與通道204熱連通，其中穿過所述通道的流體流動影響研磨部件160的溫度。在一個實施例中，通道204引導流體在流過研磨部件160之后流入井眼或引導流體流過研磨部件之后進入空腔。在一實施例中，通道204中的流體與研磨部件160的一部分相接觸。在另一個實施例中，例如允許進行熱連通的薄膜這樣的材料布置在通道204和研磨部件160之間。
[0018]圖3是示例性鉆頭150的一部分的詳細截面圖。鉆頭150顯示了位于工作面部151上的研磨部件160，其中研磨部件160包括研磨塊300和熱響應材料302。如圖所描繪的，熱響應材料302位于研磨塊300與通道204之間，并配置成基于通道204中的流體狀態(tài)進行膨脹或收縮。通道204可以具有多種狀態(tài)，即:通道204內(nèi)存在冷卻流體、熱流體和/或沒有流體。在一實施例中，通過通道204的流體流動用來冷卻熱響應材料302。在該實施例中，在鉆井過程中，鉆頭150由于與地層的摩擦而受熱，在這里，鉆井流體冷卻鉆頭。流體流動由與合適的控制器306相連的流動控制裝置304控制。控制器306可以位于底部鉆具組合130中或位于井口，如上所述。傳感器組件308連接于控制器306，并配置成測量一個或更多個參數(shù)，控制器306利用所述參數(shù)確定研磨部件160的位置。例如，傳感器組件308可以確定地層構(gòu)造和/或振動，控制器306利用所確定的參數(shù)來確定研磨部件160的位置，由此確定鉆頭150的切削深度。流動控制裝置304可以根據(jù)所要求的研磨部件160的位置，限制或停止流體通過通道204的流動。在一實施例中，當流體流動停止或受到限制時，熱響應材料302被鉆頭進行的鉆井操作加熱。對熱響應材料302的加熱，導致其膨脹，從而改變研磨部件160的位置至伸出位置。研磨部件160配置成基于熱響應材料302的膨脹和收縮而如箭頭310所示在工作面部151中移進和移出。膨脹且受熱的熱響應材料302使研磨部件160移動至伸出位置，從而減少切削深度和鉆頭磨損。同樣，收縮且冷卻的熱響應材料302使研磨部件160移動至縮回位置，從而增加切削深度。在實施例中，由于磨損，可能要移除或更換研磨部件160，從而為鉆頭150提供延長的壽命。此外，更換研磨部件160顯然比更換和/或維修刀具更便宜。示例性的研磨塊300由合適的耐用材料制成，例如碳化鎢或多晶金剛石。在實施例中，研磨塊可以位于鉆頭150上的任何地方，例如位于鉆頭的工作面部151、側(cè)部200或鉆桿上。
[0019]在另一個實施例中，流動控制裝置304引導加熱或冷卻流體進入通道204，以控制研磨部件160的位置。如上所述，熱響應材料302受熱時膨脹，受冷時收縮，從而能夠使流動控制裝置304基于通道204中加熱流體或冷卻流體的流動改變研磨部件160的位置。為保持研磨部件160的位置，根據(jù)熱響應材料302的性質(zhì)和所供給的流體的溫度而使得加熱流體、冷卻流體和/或沒有流體流入通道204。冷卻流體和/或加熱流體可以是"清潔"流體，例如鉆頭150井口供給或存儲在底部鉆具組合130內(nèi)的制冷劑，其中流體可以由鉆頭150的操作而受熱。另外，在鉆井期間，冷卻流體可以與鉆頭的受熱部分隔離，以免溫度升高。在其他實施例中，在通道204中供給鉆井流體來加熱和/或冷卻熱響應材料302。
[0020]熱響應材料302可以是配置成在加熱到第一選定溫度之上時膨脹的任何適合的材料。而且熱響應材料302的實施例在冷卻到第二選定溫度之下時收縮，第二選定溫度可以與第一選定溫度相同或不同。在有些實施例中，研磨部件160只配置成從縮回位置(切削深度更深)變化到伸出位置(切削深度較淺)一次，其中所述研磨部件處于伸出位置的情況下，熱響應材料302膨脹并保持在膨脹位置。在其他實施例中，熱響應材料302配置成基于材料溫度能夠多次膨脹和收縮。
[0021]在許多方面，熱響應材料302可以包括任何能夠承受井下情況而不會老化的材料。在非限制性實施例中，這樣的材料可以由熱塑性或熱固性介質(zhì)制備。這種介質(zhì)可以包含若干種添加劑和/或其他能夠改變或變更由此形成的熱響應材料302的性能的制劑組分。例如，在一些非限制性實施例中，熱響應材料302可以包括具有高熱膨脹系數(shù)的金屬材料。非限制性的例子包括熱響應合金或金屬材料，例如銅、青銅、黃銅、鋁、鉛、鋼合金或其他適合的金屬。在其他實施例中，熱響應材料302包括本質(zhì)上為熱塑性的或熱固性的材料，可以選自下列材料構(gòu)成的組:聚氨酯，聚苯乙烯，聚乙烯，環(huán)氧樹脂，橡膠，氟橡膠，腈，三元乙丙橡膠(EPDM)，其他的聚合物，它們的組合等等。
[0022]在許多方面，熱響應材料302可以描述為具有熱響應性質(zhì)。在此所使用的術(shù)語熱響應指的是材料被加熱到第一選定溫度之上并在其被加熱時能夠從第一收縮位置膨脹到第二膨脹位置的能力。但是，通過冷卻所述材料至第二選定溫度，該材料則可以恢復至原來的形狀和尺寸，即收縮位置。第二選定溫度可以小于第一選定溫度或者為另一溫度，這取決于應用需要和所使用的材料。
[0023]為便于說明和描述，上文的描述針對的是本發(fā)明的特定實施例。但是，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，在沒有背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對上述實施例進行許多修改和變化。
【權(quán)利要求】
1.一種用于鉆制鉆孔的鉆頭，其包括: 主體，其包括側(cè)部和工作面部； 位于主體中的通道；和 設(shè)置在冠部的研磨部件，所述研磨部件配置成控制鉆頭的切削深度，其中研磨部件包括與所述通道熱連通的熱響應材料，所述熱響應材料配置成控制研磨部件相對于所述工作面部的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，通過加熱或冷卻熱響應材料，改變研磨部件的位置。
3.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，熱響應材料基于通道中流體的溫度，使研磨部件從工作面部伸出或縮回。
4.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，當熱響應材料改變研磨部件的位置時，研磨部件在基本上平行于鉆頭軸線的方向上移動。
5.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，研磨部件還包括研磨塊，熱響應材料位于研磨塊和所述通道之間。
6.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，研磨塊配置成基于熱響應材料的狀態(tài)從工作面部的表面伸出或縮回。
7.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，熱響應材料配置成:在流體通過所述通道的流動受到限制而該熱響應材料受熱時膨脹，以及在流體通過所述通道的流動未受到限制時該熱響應材料收縮，由此改變研磨部件`的位置。
8.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，熱響應材料包括形狀記憶材料，所述形狀記憶材料配置成在對該形狀記憶材料加熱時從第一形狀膨脹到第二形狀。
9.如權(quán)利要求8所述的鉆頭，其中，在對所述形狀記憶材料加熱至一大約等于或大于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度時，該形狀記憶材料從所述第一形狀膨脹到所述第二形狀。
10.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，研磨部件位于鉆頭軸線與所述工作面部上的刀具之間。
11.一種用于鉆井眼的設(shè)備，該設(shè)備包括: 鉆井組件，該鉆井組件在其一端部具有鉆頭，所述鉆頭包括:側(cè)部和工作面部；位于鉆頭主體中的通道；和設(shè)置在工作面部中的研磨部件，所述研磨部件配置成控制鉆頭的切削深度，其中，研磨部件包括與所述通道熱連通的熱響應材料，所述熱響應材料配置成控制研磨部件相對于所述工作面部的位置。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，熱響應材料配置成:在流體通過所述通道的流動受到限制而該熱響應材料受熱時膨脹，以及在流體通過所述通道的流動未受到限制時該熱響應材料收縮，由此改變研磨部件的位置。
13.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，研磨部件還包括研磨塊，并且其中，熱響應材料位于研磨塊和所述通道之間。
14.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，熱響應材料包括形狀記憶材料，所述形狀記憶材料配置成在對該形狀記憶材料加熱時從第一形狀膨脹到第二形狀。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，研磨部件位于鉆頭軸線與所述工作面部上的刀具之間。
16.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，還包括控制閥，所述控制閥響應于所需的參數(shù)而被操作，從而控制流體通過所述通道的流動，以控制熱響應材料的溫度。
17.—種鉆井眼的方法，該方法包括: 輸送鉆井組件，該鉆井組件在其一端部具有鉆頭，所述鉆頭包括:主體，所述主體包括側(cè)部、工作面部；位于主體中的通道；和位于所述工作面部中的研磨部件，所述研磨部件配置成控制鉆頭的切削深度，其中研磨部件包括與所述通道熱連通的熱響應材料，所述熱響應材料配置成控制研磨部件相對于所述工作面部的位置； 用鉆頭鉆井眼；和 控制流體通過所述通道的流動，以加熱熱響應材料，從而控制鉆頭的切削深度。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述研磨部件配置成，當熱響應材料改變研磨部件的位置時，該研磨部件在基本上平行于鉆頭軸線的方向上移動。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，研磨部件還包括研磨塊，并且其中，熱響應材料處于研磨塊和所述 通道之間。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，熱響應材料包括形狀記憶材料，所述形狀記憶材料配置成在由通過所述通道的流體流動而對該形狀記憶材料加熱時從第一形狀膨脹到第二形狀。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述研磨部件位于鉆頭軸線與所述工作面部上的至少一個刀具之間。
【文檔編號】E21B7/04GK103459749SQ201280016101
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月7日
【發(fā)明者】R·J·漢福德 申請人:貝克休斯公司