帶有用于控制扭轉波動的液壓可調(diào)軸向墊的鉆頭的制作方法
【專利摘要】在一個方面，公開了一種鉆頭，在一個構造中，所述鉆頭包括：在鉆頭上的表面上的構造成穿入地層中的一個或多個刀具；在所述表面上的至少一個墊；構造成向該墊供給壓力下的流體以使該墊從該表面伸出的致動裝置；和構造成在施加于所述至少一個墊的力超過選定極限值時排放供給到墊的流體以減少所述至少一個墊上的壓力的釋放裝置。
【專利說明】帶有用于控制扭轉波動的液壓可調(diào)軸向墊的鉆頭
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是2008年10月9日提交的序列價).12/248,801的部分繼續(xù)美國申請，其是2008年9月25日提交的美國專利申請序列如.12/237，569的部分繼續(xù)申請，該美國專利申請序列如.12/237，569被公告為美國專利價).7，971，662，每個專利的全部內(nèi)容都被包含在此。
[0003]背景信息

【技術領域】
[0004]本公開內(nèi)容概括來說涉及鉆頭以及利用所述鉆頭鉆進井眼的系統(tǒng)。

【背景技術】
[0005]油井(也被稱作“井眼”或“鉆孔”)利用鉆柱鉆進，所述鉆柱包括具有鉆進組件(也被稱作“底部鉆具組合”或“8撤”)的管狀部件。8撤典型包括提供關于與鉆進作業(yè)有關的各種參數(shù)(“鉆進參數(shù)”)、8撤性能(“8撤參數(shù)”)以及與井眼周圍的地層有關的參數(shù)(“地層參數(shù)”)的信息的裝置和傳感器。鉆頭附接于8撤的底端。通過旋轉鉆柱和/或通過8撤中的鉆進馬達(也被稱作“泥漿馬達”)使鉆頭旋轉，以便破碎巖層從而鉆進井眼。很多井眼都是沿著起伏狀軌跡鉆進。例如，單個井眼可以包括穿過不同類型的巖層的一個或多個豎直區(qū)段、偏斜區(qū)段和水平區(qū)段。當從諸如砂的軟地層向諸如頁巖的硬地層進行鉆進或反之時，鉆頭的鉆進速度(如?)發(fā)生變化，并可能導致(減小或增大)鉆頭中過大的波動或振動(側向或扭轉通常通過控制鉆頭的鉆壓(108)和轉速(每分鐘轉數(shù)或“!--,’)來控制如?，以便控制鉆頭波動。通過控制地面上的起吊載荷來控制108，并通過控制地面上的鉆柱旋轉和/或通過控制8撤中的鉆進馬達速度來控制即1。利用這些方法控制鉆頭波動和如？需要鉆進系統(tǒng)或操作者在地面上的采取動作。這樣的地面動作對鉆頭波動的影響明顯不是即刻的。根據(jù)井眼深度，其在一時間段后才出現(xiàn)。
[0006]所以，需要提供一種改進的鉆頭和用于使用這種鉆頭的系統(tǒng)，以便在鉆進井眼期間控制鉆頭波動和鉆頭的80？。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一個方面，公開了一種鉆頭，在一個構造中，所述鉆頭包括:在鉆頭上的表面上的一個或多個刀具，所述刀具構造成穿入地層中；在所述表面上的至少一個墊；構造成向該墊供給壓力下的流體以使該墊從該表面伸出的致動裝置；和構造成在施加于所述至少一個墊的力超過選定極限值時排放供給到墊的流體以減少所述至少一個墊上的壓力的釋放
目.0
[0008]在另一個方面，公開了一種制造鉆頭的方法，所述方法可以包括:在鉆頭的表面上提供刀具和至少一個墊，其中，所述至少一個墊構造成從一選定位置伸出以及從伸出位置縮回，以在鉆進井眼期間控制鉆頭的波動；和提供釋放裝置，所述釋放裝置構造成在施加于所述至少一個墊的力超過一選定極限值時排放供給到所述至少一個墊的流體。
[0009]在另一個方面，提供了一種鉆進井眼的方法，所述方法可以包括:(1)將附接于底部鉆具組合的鉆頭輸送到井眼中，所述鉆頭包括:在鉆頭的表面上的墊；構造成向該墊供給壓力下的流體以對該墊施加力從而使墊從所述表面伸出的致動單元；和構造成在施加于所述墊的力超過一選定極限值時傳送供給到墊的流體以減少所述墊上的壓力的釋放裝置；(11)用底部鉆具組合鉆井眼；和(111)在鉆井眼期間，使墊從鉆頭表面伸出，以在鉆井眼期間控制鉆頭的波動。
[0010]在又一個方面，公開了一種在鉆井眼時使用的設備，在一個構造中，所述設備可以包括:附接于底部鉆具組合的底端的鉆頭，所述鉆頭包括墊、構造成向該墊供給壓力下的流體以對該墊施加力從而使墊從所述表面伸出的致動裝置、和構造成在施加于所述墊的力超過一選定極限值時傳送供給到墊的流體以減少所述墊上的壓力的釋放裝置。
[0011]在此公開的設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文對其的詳細說明。當然，下文公開的設備和方法還具有附加特征，其將形成附加于此的權利要求的主題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]參照附圖能最佳地理解本文公開的內(nèi)容，其中，同樣的數(shù)字基本上被分配給同樣的元件，其中:
[0013]圖1是示例性鉆進系統(tǒng)的示意圖，所述鉆進系統(tǒng)包括具有根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例制成的鉆頭的鉆柱；
[0014]圖2八是示例性鉆頭的立體圖，顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的鉆頭上的一個或多個可調(diào)墊的放置；
[0015]圖28顯示了圖2八的鉆頭的底部部分的立體圖，顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個方法的墊的放置；
[0016]圖3八顯示了圖2八的鉆頭的一部分，該部分包括根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的位于鉆頭的面部分上的與可伸出的墊連通的流體通道和用于致動可伸出的墊的致動裝置；
[0017]圖38顯示了圖2八的鉆頭的一部分，該部分包括根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的位于鉆頭的側面上的與可伸出的墊連通的流體通道和用于致動可伸出的墊的致動裝置；
[0018]圖3(:顯示了帶有釋放機構的示例性止回閥，所述釋放機構可用作圖3八和圖38所示的系統(tǒng)中的流體流量控制裝置；和
[0019]圖4是在圖2八的鉆頭的面部分上的相對于切削元件處于伸出位置的可伸出的墊的示意圖。
[0020]實施例的詳細說明
[0021]圖1是示例性鉆進系統(tǒng)100的示意圖，所述鉆進系統(tǒng)100可以使用根據(jù)在此的本公開內(nèi)容制成的鉆頭。圖1顯示了井眼110，所述井眼110具有上區(qū)段111和下區(qū)段114，所述上區(qū)段111帶有安裝在該上區(qū)段中的套管112，所述下區(qū)段114被鉆柱118鉆進。鉆柱118顯示為包括管狀部件116，所述管狀部件具有附接于其底端的8撤130。管狀部件116可以通過聯(lián)接鉆管區(qū)段構成，或者其可以是撓性管。鉆頭150顯示為附接于8撤130的底端，用于破碎巖層119，以鉆進具有選定直徑的井眼110。
[0022]鉆柱118顯示為被從地面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。在此公開的設備和方法也可以與用于在水下鉆進井眼的離岸鉆機一起使用?？梢允褂寐?lián)接到鉆柱118的轉盤169或上驅動(未顯示)上的旋轉鉆柱118，從而使8撤130旋轉，并因而帶動鉆頭150旋轉以鉆進井眼110。鉆進馬達155(也稱作“泥漿馬達”)可以設置在8撤130中以旋轉鉆頭150?？梢詥为毷褂勉@進馬達155來旋轉鉆頭150或通過鉆柱118疊加鉆頭的旋轉?？刂茊卧?或控制器)190可以是基于計算機的單元，其可以放置在地面167上，以接收并處理由鉆頭150中的傳感器和8撤130中的傳感器傳送的數(shù)據(jù)，并控制8撤130中各種裝置和傳感器的選定操作。在一個實施例，地面控制器190可以包括處理器192、用于存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲裝置(或計算機可讀介質)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￠01)、隨機存取存儲器(狀的、閃存、磁帶、硬盤和光盤。在鉆進期間，鉆進流體179從其源在壓力下被泵送到管狀部件116中。鉆進流體在鉆頭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(也被稱作“環(huán)空”)返回至地面。
[0023]仍然參照圖1，鉆頭150包括面部分(或底部部分)152。面部分152或其一部分在鉆進期間面對鉆頭前面的地層或井眼底部。在一個方面，鉆頭150在面部分152包括一個或多個墊160，所述墊160在鉆進期間可以可調(diào)地(也被稱作“可選擇地”或“可控地”)從面部分152伸出。墊160在此也被稱作“可伸長的墊”、“可伸出的墊”或“可調(diào)墊”?？衫?撤130和/或鉆頭150中適合的致動裝置(或致動單元)155在鉆進井眼110期間激活墊160。與墊160相關聯(lián)的或與致動單元155相管聯(lián)的適合的傳感器178提供了對應于施加在墊上的力或確定墊伸出量的信號。8撤130還可以包括一個或多個井下傳感器(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(^0)傳感器或隨鉆測井([10)傳感器的傳感器、和提供有關8撤130的行為的信息的傳感器，所述行為例如鉆頭旋轉(每分鐘轉數(shù)或“即^’)、刀面、壓力、振動、渦旋、彎曲和粘滑運動。8撤130還可以包括控制單元(或控制器)170,所述控制單元(或控制器)構造成控制墊160的操作并用于至少部分地處理接收自傳感器175和178的數(shù)據(jù)?？刂破?70可以包括用于處理傳感器178信號(例如，放大和數(shù)字化信號)的電路、用于處理數(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及其它器件。處理器172可以處理數(shù)字化信號，控制墊160的操作，處理來自其它井下傳感器的數(shù)據(jù)，控制其它井下裝置和傳感器，并經(jīng)由雙向遙測單元188與控制器190通訊數(shù)據(jù)信息。在一個方面，控制器170可以調(diào)節(jié)墊160的伸出量，以控制鉆頭波動或如?，從而提高鉆進效率并延長鉆頭150的壽命。增大墊的伸出量可以減少刀具暴露于地層或減少刀具的切削深度。減少刀具暴露則可導致扭轉或側向波動、如?、渦旋、粘滑運動、彎曲力矩、振動等的降低，這反過來又可以導致鉆出更光滑的孔以及減少鉆頭150和8撤130上的應力，從而延長8撤和鉆頭壽命。對于相同的108和1？？1，鉆進諸如砂的軟地層時的如？通常高于鉆進諸如頁巖的硬地層時的如?。從軟地層鉆到硬地層的過渡由于如？的下降可導致鉆頭中過大的側向波動，而從硬地層鉆到軟地層的過渡由于如？的升高可導致鉆頭中過大的扭轉波動。所以，當從軟地層過渡到硬地層或者從硬地層過渡到軟地層時，需要控制鉆頭的波動。墊伸出量可以根據(jù)一個或多個參數(shù)進行控制，所述參數(shù)包括但不限于:壓力、刀面、如?、渦旋、振動、扭矩、彎曲力矩、粘滑運動和巖石類型。自動地和選擇性地調(diào)節(jié)墊伸出量可使系統(tǒng)100能夠控制扭轉和側向鉆頭波動、如？及其它鉆頭和8撤物理參數(shù)，而不用在地面上改變鉆壓或鉆頭即1。進一步參照圖2八、3八和38描述墊160的控制。
[0024]圖2八顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例制作的鉆頭150的立體圖。所示的鉆頭150為聚晶金剛石復合片$00鉆頭，其具有鉆頭本體212，所述鉆頭本體212包括一部分2123和接頭部分212比所述部分2123包括切削元件，所述接頭部分2126連接于8撤。該部分2123包括面部分21?(在此也被稱作“底部部分”)。為本公開內(nèi)容的目的，面部分21&1可以包括如圖3八所示的鼻部、錐形部和肩部。該部分2123顯示為包括多個刀片輪廓214^21413、……21? (也被稱作“輪廓”)。每個刀片輪廓包括位于面部分21?上的刀具。每個刀片輪廓緊鄰鉆頭中心215終止。在鉆進井眼期間，中心215面對鉆頭150前面的井眼110的底部(或在井眼110的底部的前面鉆頭150的側面部分15?基本上平行于鉆頭150的縱向軸線222。多個間隔開的刀具沿著各個刀片輪廓設置。例如，刀片輪廓21?顯示為包含刀具2163-2161每個刀具具有切削表面或切削元件，例如刀具2163的切削元件2163’，其在鉆頭150在鉆進井眼期間旋轉時接合巖層。每個刀具2163-216111具有后傾角和側傾角，兩者組合限定了刀具進入到巖層中的切削深度。每個刀具還具有最大地層切削深度。
[0025]仍然參照圖2八，多個可伸出的墊(例如墊240)可以設置在鉆頭150的面部分2183上。在一個構造中，墊240可以設置成緊鄰著刀片輪廓(2143-21?)的刀具。每個墊240可以設置在相關聯(lián)的空腔242中。墊可以可控地從面部分21&!伸出以及縮回到空腔242中。墊240的伸出量取決于施加于墊240的力。當該力被從墊240釋放或減小時，墊240朝著空腔242縮回。在一個構造中，致動裝置元件350’(圖3幻可以將壓力下的流體經(jīng)由與墊240相關聯(lián)的流體通道244供給到墊240以使墊240從面部分21?伸出。參照圖3，更加詳細地描述了特定的致動裝置。適合的偏壓部件可以聯(lián)接到墊240以使墊240縮回。
[0026]圖28顯示了示例性鉆頭250的面部分252的立體圖。鉆頭250顯示為包括六個刀片輪廓2603-260？，每個刀片輪廓包括多個刀具，例如對于刀片輪廓2603，包括刀具262^-2621110間隔交替的刀片輪廓260^,2600和2606顯示為朝著鉆頭250的中心215會聚，而剩下的刀片輪廓2601260(1和260？顯示為分別終止于刀片輪廓260。、2606和2603的側面。流體通道2783-278？將鉆進流體179排出到鉆頭底部(圖1)。圖3的特定構造顯示了在鉆頭250的面部分252上的三個可調(diào)墊，每一個沿著相關聯(lián)的刀片輪廓:墊2703沿著刀片輪廓2603 ；墊270。沿著刀片輪廓260。；墊2706沿著刀片輪廓2606。墊270^270(3和2706顯示為設置在它們相應的空腔272^272。和2726中。如參照圖2八的描述，每個墊272^2720和2726借助施加在其上的選定的力可以選擇性地從面部分252伸出一所需的距離。在一個構造中，所有墊270^270(3和2706可以繞中心215以對稱方式設置，并且可以構造成從鉆頭面部分252伸出相同的距離，以便控制鉆頭波動或如？。雖然顯示了六個刀片輪廓(2603-2600和三個墊，但是鉆頭250可以包括任何適合數(shù)量的刀片輪廓和墊(27(^,2700,270^)。此外，在此所示和所述的構思同樣適用于非鉆頭。
[0027]圖3八顯示了鉆頭250(圖28)的示例性刀片輪廓310的局部側視圖300。刀片輪廓310顯示為包括設置在鉆頭本體315內(nèi)的示例性刀具316’。刀具316’具有切削元件或切削表面318’。刀具316’從刀片輪廓310的面部分320’伸出一選定距離。刀片輪廓310還顯示為包括緊鄰刀具316’的可伸出的墊340’。墊340’可以設置在刀片輪廓310中的配合凹部或支座342’中?？梢栽O置密封件348以對凹部342’中的液壓流體形成密封。在一個實施例中，來自其源的壓力下的流體可以經(jīng)由在刀片輪廓310中制成的或在鉆頭本體的另一適合部位上制成的流體線路或流體通道344’供給到墊340’。到墊340’的流體可以由位于鉆頭250內(nèi)部或外部的致動裝置或動力裝置350’供給。流體可以是儲存在貯槽352’中的清潔流體，或者可以是在鉆進井眼110期間供給到鉆頭250(圖1)的鉆進流體179(圖1)。在另一個方面，來自致動裝置或致動單元350’的流體可以供給到活塞346’，活塞346’在室349中移動以使可調(diào)墊340’向外移動(遠離表面部分320’)。致動裝置350’可以是任何適合的裝置，包括但不限于:電氣裝置，例如馬達；機電或液壓裝置，例如由馬達驅動的泵；液壓裝置，例如由流體驅動渦輪機驅動的泵；和機械裝置，例如選擇性地允許流體流到墊340’的環(huán)式裝置。供給到墊340’的流體可以保持在壓力下，以使墊保持所要求的伸出量。在一個構造中，可以通過將致動裝置350’保持在工作模式而使墊340’保持在所要求的伸出位置。在另一個方面，流體流量控制裝置354’(例如閥)可以與可伸出的墊340’相關聯(lián)，以控制流體向墊的供給。在一個構造中，可利用共用的致動裝置350’經(jīng)由共用的控制閥將流體供給到每個墊。在另一個構造中，可利用共用的致動裝置通過用于每個墊的單獨的控制閥來控制流體向每個墊的供給。在又一個構造中，可以對每個墊使用帶有獨立控制閥的獨立致動裝置。在另一個構造中，可以利用電致動單元移動一線性部件而伸出和縮回墊340’。緊鄰墊340’的傳感器345’可用來提供表示墊伸出量大小的信號。該傳感器可以是線性運動傳感器、壓力傳感器或任何其它適合的傳感器345’。8撤130中的處理器172(圖1)可以構造成響應于井下測量參數(shù)、存儲在存儲裝置174中的指令或從地面控制器190或地面上的操作者發(fā)出的指令來控制致動裝置350’的運行?？梢栽诘孛嫔闲士缮斐龅膲|340’相對于供給到該可伸出的墊340’的流體的運動，校準數(shù)據(jù)可以存儲在數(shù)據(jù)存儲裝置174中，以便被處理器172使用。當使用電馬達激活線性裝置以移動墊340’時，可使用旋轉量控制墊伸出量。在另一個方面，可以使用在施加激勵信號時變形的裝置(諸如壓電裝置)來伸出和縮回墊340’。激勵信號的大小決定致動裝置的變形，因而決定墊伸出和縮回。墊340’在激勵信號解除時縮回。在另一個方面，一止回閥370可以借助于流體線路372’設置在室349和貯槽352’之間。止回閥370可以構造成在一選定高壓下打開以便當施加給墊340’的壓力超過一選定極限值時把被供給到墊340’的流體排放或泄放到|&槽，從而避免損壞墊340’。
[0028]圖38顯示了示例性刀片輪廓314的局部側視圖300。刀片輪廓314顯示為包括設置在刀片本體315的側面部分320上的刀具316。刀具316具有切削元件或切削表面318。刀具316從刀片輪廓314的側面320伸出一選定距離。刀片輪廓314還顯示為包括緊鄰刀具316的可伸出的墊340?？缮斐龅膲|340可以設置在刀片輪廓本體315中的配合凹部或支座342中。在一個實施例中，來自其源的壓力下的流體可以經(jīng)由在刀片輪廓315中制成的或在鉆頭本體的另一適合部位上制成的流體線路或流體通道344供給到可伸出的墊340。到可伸出的墊340的流體可以由位于鉆頭150內(nèi)部或外部的致動裝置或動力裝置350供給。流體可以是儲存在貯槽352中的清潔流體，或者可以是在鉆進井眼110期間被供給到鉆頭150(圖1)的鉆進流體179(圖1)。在另一個方面，來自致動單元350的流體可以被供給到活塞346，活塞346使可伸出的墊或可調(diào)墊340向外移動(遠離刀片輪廓315)。致動裝置350可以任何適合的裝置，包括但不限于:電氣裝置，例如電機；機電裝置，例如由馬達驅動的泵；液壓裝置，例如由通過在8撤中流動的流體操作的渦輪機驅動的泵；和機械裝置，例如選擇性地允許流體流到墊340的環(huán)式裝置。供給到可伸出的墊340的流體保持在一定壓力下，而可伸出的墊340在井眼110的下側上。在一個構造中，可以通過將致動裝置350保持在工作模式而使可伸出的墊340保持在所要求的伸出位置。在另一個方面，流體流量控制裝置354(例如閥)可以與每個可調(diào)墊340相關聯(lián)，以控制流體向其相關聯(lián)的墊的供給。在這樣的構造中，可利用共用的致動裝置350向所有的控制閥供給流體。在另一個構造中，可利用獨立的致動裝置來控制流體向每個墊340的供給。8撤中的處理器172(圖1)可以構造成響應于井下測量參數(shù)、存儲在存儲裝置174中的指令或從地面控制器190發(fā)出的指令控制致動裝置350的運行?？梢栽诘孛嫔闲士烧{(diào)墊340相對于供給到該可調(diào)墊的流體的運動，校準數(shù)據(jù)可以存儲在數(shù)據(jù)存儲裝置174中，以便被處理器172使用。在一個方面，用于激活刀片側面上的墊340以及面部分上的墊340’的一些部件中的有些部件可以是共用的。例如，可利用帶有不同控制閥的共用的致動裝置來激活側面墊340和底部墊340’。因而，在一個實施例中，可以利用位于刀片輪廓的側面上的可調(diào)墊(例如墊340)和位于鉆頭的面部分上的一個或多個墊(例如墊340’側面墊340可用來改變鉆頭150的方向，而面部分320上的墊340’可用來控制井下如？。在另一個方面，一止回閥3703可以借助于流體線路3723設置在室34如和貯槽352之間。止回閥3703可以構造成在一選定高壓下打開以便當施加給墊340的壓力超過一選定極限值時把被供給到墊340的流體排放到|&槽，從而避免損壞墊340。在圖3八和38中所示的任一構造中，流量控制裝置354或354’可以是帶有液壓釋放部的止回閥，例如如圖3(:所示的閥35如。當壓力下的流體沿著進入路徑356被供給到閥35?時，閥打開并允許流體從出口路徑357排出。當進入路徑356處的壓力被釋放時，流體從路徑357進入閥35如，并經(jīng)由釋放路徑或旁路358排出。這種閥可控地允許墊從鉆頭表面伸出和縮回。如前所述，鉆頭中、底部鉆具組合中和/或地面上的控制器可以被編程以根據(jù)一個或多個選定標準或參數(shù)控制墊的伸出和縮回。
[0029]圖4顯示了處于伸出位置的可伸出的墊440?？梢酝ㄟ^施加于墊440的力的大小調(diào)節(jié)墊440的伸出量。可伸出的墊440顯示為伸出一段距離“01”，并且可以伸出至如虛線444所示的最大或完全伸出位置。墊440保持在其選定或要求的伸出位置，直到施加于墊440的力通過致動裝置減小或移除。例如，在圖3八所示的構造中，關閉閥354’或者以防止供給到墊440的流體返回流體儲存裝置352’的方式保持致動裝置350’，這將使墊440’保持在選定的伸出位置。當閥354’打開或致動裝置350’停用時，幾乎沒有力或者沒有力施加于可伸出的墊340’。力的缺少使墊340’縮回或從伸出位置退回。還可以為每個墊440設置一偏壓元件460’，以使墊440在墊440上的力減小或移除時縮回。
[0030]參照圖1-4，在運行時，可以根據(jù)對鉆頭在泥土地層中的鉆進速度和/或鉆頭150或8撤130的屬性的所要求的影響，控制墊伸出量。墊伸出量可以根據(jù)任何一個或多個所要求的參數(shù)進行控制，所述參數(shù)包括但不限于:振動、鉆頭側向或扭轉波動、00？、壓力、刀面、巖石類型、振動、渦旋、彎曲力矩、粘滑運動、扭矩和鉆進方向。但是，一般而言，墊伸出量越大，鉆頭在地層中的如？下降越多?？梢圆捎酶鶕?jù)在此所述的任意實施例制成的鉆頭減小鉆頭的面部分上的刀具切削深度，這反過來又影響鉆頭波動和如?。鉆頭波動(扭轉或側向)的減少可以影響鉆頭和/或8撤物理參數(shù)中的一個或多個。所施加的力和墊伸出量之間的關系可以在實驗室試驗中獲取。所施加的力、墊伸出量、鉆頭波動的相應變化、1？0？以及對任何其它參數(shù)的影響之間的所計算的或以其它方式(例如通過模擬)確定的關系可以存儲在井下數(shù)據(jù)存儲裝置274和/或地面數(shù)據(jù)存儲裝置194中。這樣的信息可以以任何適合的形式存儲，包括但不限于:一個或多個算法，曲線，矩陣和表格。墊伸出量可以由井下控制器270和丨或地面控制器190控制。在此提供的系統(tǒng)100可以在鉆進井眼110期間自動地、動態(tài)地控制墊伸出量，并從而控制鉆頭波動、卩0？及其它參數(shù)，而不改變某些其它參數(shù)，例如肌)8和即1。并且可以以與面部分上的墊340’(圖3八)相同的方式、基于任何所要求的參數(shù)來控制鉆頭的側面上的墊340 (^38)的伸出量，以改變鉆進方向。可以同時激活側面墊(例如墊340)和面部分上的墊(例如墊340’)以便大體上同時地改變鉆進方向和尺0？。
[0031]因而，在一個方面，公開了一種鉆頭，在一個構造中，所述鉆頭可以包括面部分或底部部分，所述面部分或底部部分包括:位于所述面部分或底部部分上的一個或多個刀具，所述刀具構造成穿入泥土地層中；以及多個可選擇性地伸出的墊，所述墊用以在鉆進井眼期間控制鉆頭波動或鉆頭鉆進泥土地層中的如?。在一個方面，每個墊可以構造成當在該墊上施加力時從面部分伸出。當力減小或移除時，墊朝著面部分縮回。每個墊可以設置在鉆頭中的相關聯(lián)的空腔中?？梢詾槊總€墊設置一偏壓部件，所述偏壓部件使墊在施加在墊上的力減小或移除時縮回。偏壓部件可以直接聯(lián)接到或附接于墊?？梢允褂萌魏芜m合的偏壓部件，包括但不限于彈簧。施加于每個墊的力可以由任何適合的致動裝置提供，包括但不限于:向墊或向移動墊的活塞供給壓力下的流體的裝置，和響應于激勵信號改變形狀或變形的形狀改變裝置或形狀改變材料。形狀改變裝置在激勵移除時回復到其原始形狀。形狀改變的大小取決于激勵信號的大小。供給壓力下的流體的裝置可以是由電馬達操作的泵或由鉆進流體操作的渦輪機操作的泵。流體可以是儲存在8撤中的儲存室中的清潔流體(例如，油)，或者可以是鉆進流體。流體可以被供給到從泵到各個墊的流體通道。在另一個構造中，流體可以供給到附接于墊的活塞。由此引起的活塞運動使墊伸出?？梢栽O置控制閥來控制進入流體通道或流到活塞的流體。在一個方面，所有的墊可以從底部部分伸出相同的伸出量或距離?？梢允褂霉灿玫闹聞友b置和控制閥。
[0032]在另一個方面，公開了一種制造鉆頭的方法，所述方法包括:提供終止于鉆頭的底部部分上的多個刀片輪廓，每個刀片輪廓上具有至少一個刀具；和在鉆頭的底部部分上設置多個可伸出的墊，其中，每個可伸出的墊構造成在施加力時從底部部分伸出一選定距離，并且在可伸出的墊上的力被移除時朝著底部部分縮回。該方法還可以包括:將每個可伸出的墊設置在鉆頭底部部分中的相關聯(lián)的空腔中。該方法還可以包括:將一偏壓部件聯(lián)接到每個可伸出的墊。所述偏壓部件構造成在施加于墊的力被移除時使其相關聯(lián)的墊縮回。一個或多個流體通道可以向墊供給壓力下的流體，以使墊伸出至相應的選定位置。該方法還可以包括:提供向多個墊中的每個墊供給力的致動裝置。致動裝置可以包括下列中的至少一個:向每個墊供給壓力下的流體的裝置；和響應于激勵信號變形的形狀改變裝置或材料。
[0033]在另一個方面，公開了一種在鉆進井眼時使用的8撤，在一個構造中，所述8撤可以包括附接于8撤的底端的鉆頭，所述鉆頭包括底部部分，所述底部部分包括在其上的構造成穿入地層中的一個或多個刀具。鉆頭還可以包括:在底部部分上的多個可伸出的墊；和構造成對每個墊施加力以使每個墊伸出一選定伸出量的致動單元。該伸出量導致鉆進井眼期間的鉆頭波動和鉆頭進入泥土地層中的如？發(fā)生改變。致動單元可以是下列之一:向每個墊供給壓力下的流體的動力單元；和形狀改變材料，所述形狀改變材料在激活信號施加到該形狀改變材料時在每個墊上供給選定的力。8撤還可以包括傳感器，所述傳感器提供有關每個墊的伸出量或致動裝置在每個墊上所施加的力的信號。在另一個方面，8撤還可以包括構造成處理來自傳感器的信號以控制墊的伸出量的控制器?？刂破骺梢愿鶕?jù)一個或多個參數(shù)控制墊伸出量，所述參數(shù)可以包括但不限于:鉆頭波動(側向和/或扭轉)、鉆壓、壓力、如？(所要求的或實際的〉、渦旋、振動、彎曲力矩和粘滑運動?？梢岳玫孛婵刂破飨?撤中的控制器提供信息和指令。
[0034]在又一個方面，一種形成井眼的方法，其可以包括:將附接于底部鉆具組合的鉆頭輸送到井眼中，所述鉆頭具有至少一個刀具和位于鉆頭的面部分上的至少一個墊；通過旋轉鉆頭而鉆進井眼；在所述至少一個墊上施加力，以使所述至少一個墊從縮回位置移動到選定的伸出位置；和減小施加在所述至少一個墊上的選定力，以使所述至少一個墊從選定的伸出位置縮回，從而控制鉆頭在鉆進井眼期間的波動。
[0035]為了便于解釋，以上公開內(nèi)容用于某些具體實施例。但是，這些實施例的各種改變和修改對本領域技術人員來說都是顯而易見的。意圖是，在所附權利要求的范圍和精神之內(nèi)的所有改變和修改都由在此的公開內(nèi)容涵蓋。
【權利要求】
1.一種鉆頭，包括: 表面，所述表面包括在該表面上的一個或多個構造成穿入地層中的刀具； 在所述表面上的至少一個墊； 致動單元，所述致動單元構造成將壓力下的流體供給到所述至少一個墊以使所述至少一個墊從該表面伸出；和 釋放裝置，所述釋放裝置構造成在施加于所述至少一個墊的力超過一選定極限值時傳送供給到所述至少一個墊的流體以減少所述至少一個墊上的壓力。
2.如權利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少一個墊包括多個可伸出的墊，并且其中，所述致動單元使每個可伸出的墊伸出大體上相同的伸出量。
3.如權利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少一個墊設置在鉆頭中的空腔中。
4.如權利要求2所述的鉆頭，還包括聯(lián)接到所述至少一個可伸出的墊的偏壓部件，所述偏壓部件在施加于墊的力減小時使所述至少一個墊縮回。
5.如權利要求1所述的鉆頭，還包括構造成供給壓力下的流體以使所述至少一個墊伸出至選定位置的流體通道。
6.如權利要求1所述的鉆頭，其中，致動單元包括動力單元和控制器中的至少一個，所述動力單元將壓力下的流體供給到所述至少一個墊，所述控制器控制流體的供給。
7.如權利要求1所述的鉆頭，還包括位于致動裝置和所述至少一個墊之間的帶液壓釋放部的止回閥，所述止回閥用于控制流體向所述至少一個墊的供給。
8.如權利要求1所述的鉆頭，其中，所述流體通道位于下列位置中的一個位置處:鉆頭中的主流體通道的外部；和至少部分地位于鉆頭中的主流體通道的內(nèi)部。
9.一種鉆井眼的方法，包括: 將附接于底部鉆具組合的鉆頭輸送到井眼中，所述鉆頭包括:在鉆頭的表面上的至少一個墊；致動裝置，所述致動裝置構造成將壓力下的流體供給到所述至少一個墊以對所述至少一個墊施加力從而使所述至少一個墊從所述表面伸出；和釋放裝置，所述釋放裝置構造成在施加于所述至少一個墊的力超過一選定極限值時傳送供給到所述至少一個墊的流體以減少所述墊上的壓力；和 用底部鉆具組合鉆所述井眼；和 在鉆所述井眼期間，使所述至少一個墊從鉆頭的表面伸出，以控制鉆頭在鉆所述井眼期間的波動。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述至少一個墊包括多個墊，并且其中，所述方法還包括:使每個墊伸出大體上相同的伸出量。
11.如權利要求9所述的方法，還包括:使一偏壓部件聯(lián)接到所述至少一個墊，以在所施加的力減小時使所述至少一個墊縮回。
12.如權利要求9所述的方法，其中，施加力包括使用致動裝置，所述致動裝置包括動力單元和控制器中的至少一個，所述動力單元將壓力下的流體供給到所述至少一個墊，所述控制單元控制流體向所述至少一個墊的供給。
13.如權利要求9所述的方法，還包括:響應于與井眼的鉆進有關的選定參數(shù)，控制所施加的力。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述選定參數(shù)選自下列參數(shù)構成的組:(i)振動；(ii)粘滑運動;(iii)鉆壓;(iv)鉆頭的鉆進速度；(V)彎曲力矩；(vi)軸向加速度；(vii)徑向加速度；和(viii)鉆頭波動。
15.如權利要求9所述的方法，還包括:當鉆進從軟地層過渡到硬地層時或從硬地層過渡到軟地層時，使所述至少一個墊伸出。
16.一種在鉆井眼時使用的設備，包括: 附接于底部鉆具組合的底端的鉆頭，所述鉆頭具有:表面，所述表面包括一個或多個刀具和至少一個墊；和致動單元，所述致動單元構造成將壓力下的流體供給到所述至少一個墊以對所述至少一個墊施加力從而使所述至少一個墊從所述表面伸出；和 釋放裝置，所述釋放裝置構造成在施加于所述至少一個墊的力超過一選定極限值時傳送供給到所述至少一個墊的流體以減少所述至少一個墊上的壓力。
17.如權利要求16所述的設備，還包括控制器，所述控制器構造成控制所述致動裝置，以控制墊的選定伸出量，從而控制鉆頭在鉆進井眼期間的波動。
18.如權利要求17所述的設備，其中，所述控制器還構造成響應于選自下列參數(shù)構成的組中的參數(shù)控制致動裝置:⑴振動；(ii)粘滑運動；(iii)鉆壓；(iv)鉆頭的鉆進速度；(V)彎曲力矩；(vi)軸向加速度；(vii)徑向加速度；和(viii)鉆頭波動。
19.如權利要求16所述的設備，其中，致動裝置包括動力單元，所述動力單元供給壓力下的流體以使所述至少一個墊伸出。
20.如權利要求16所述的設備，還包括傳感器，所述傳感器提供與由致動裝置施加在所述至少一個墊上的力相關的信號。
21.如權利要求16所述的設備，其中，所述至少一個墊包括多個墊，并且其中，所述致動裝置向所述多個墊中的每個墊施加大體上相同的力。
【文檔編號】E21B10/26GK104508230SQ201380039524
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年6月6日 優(yōu)先權日:2012年6月6日
【發(fā)明者】T·施韋費, C·J·博伊爾豪森 申請人:貝克休斯公司