包括可縮回墊的鉆土工具、包括用于這種工具的可縮回墊的筒、及相關(guān)方法
【專利摘要】一種鉆土工具，其可包括形成在其工作面中的至少一個腔。位于該至少一個腔中的至少一個可縮回墊可聯(lián)接到活塞上，該活塞至少部分地位于該至少一個腔內(nèi)。另外，閥可定位于鉆土工具內(nèi)并被構(gòu)造成調(diào)節(jié)通過貯存器的開口并與活塞接觸的不可壓縮的流體流。筒組件可包括筒壁和活塞，筒壁界定第一孔，活塞包括至少部分地位于第一孔內(nèi)的至少一個可縮回墊。筒壁和活塞可界定第一孔內(nèi)的第一貯存器，閥被定位和配置成調(diào)節(jié)通過開口流到第一貯存器的流動。還公開了相關(guān)方法和裝置。
【專利說明】包括可縮回墊的鉆土工具、包括用于這種工具的可縮回墊
的筒、及相關(guān)方法
[0001]優(yōu)先權(quán)請求
[0002]本申請請求享有美國專利申請序列N0.13/160，015號的權(quán)益，該美國專利申請?zhí)峤挥?011年6月14日、目前在審，名稱為“包括可縮回墊的鉆土工具、包括用于這種工具的可縮回墊的筒組件、以及相關(guān)方法”。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明公開的實(shí)施例通常涉及包括可縮回墊的鉆土工具。一些實(shí)施例還涉及用于這類鉆土工具的部件(如，包括可縮回墊的筒組件)以及相關(guān)方法。
【背景技術(shù)】
[0004]在美國，陸地和其他非常規(guī)油氣勘探傾向于油氣井的水平開發(fā)，在該水平開發(fā)中，先鉆進(jìn)井眼，然后橫向跟隨烴開采地層。這種油氣井的水平開發(fā)通常要求定向鉆井，其中，首先鉆豎直井眼部分，然后鉆彎曲井眼部分，彎曲井眼部分進(jìn)而過渡到水平井眼部分或橫向延伸跟隨地層的其它井眼部分。通常，彎曲井眼部分通過攻擊性較低的鉆頭來鉆，以使工具工作面穩(wěn)定并提供對工作面的控制。在形成橫向或水平井眼部分的過程中，操作者可能想使鉆速(ROP)最優(yōu)。在使用傳統(tǒng)鉆頭時，為了使整體ROP最優(yōu)，操作者可使用圓形路徑，以相對較小的攻擊性起出鉆頭，并以較高的攻擊性下入另一個鉆頭。這種圓形路徑由于浪費(fèi)了鉆井時間以及必須使用兩種不同的鉆頭，因此耗時且成本高。
[0005]根據(jù)上述內(nèi)容，需要改進(jìn)的鉆土工具、改進(jìn)的鉆土工具部件以及改進(jìn)的鉆探方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在某些實(shí)施例中，鉆土工具包括至少一個形成在其工作面上的腔?？煽s回墊可靠近該工作面定位在該至少一個腔中并聯(lián)接到活塞上，該活塞至少部分地位于該至少一個腔內(nèi)。另外，基本上不可壓縮的流體可接觸活塞并容納在第一貯存器內(nèi)。閥可定位在鉆土工具內(nèi)，并被構(gòu)造成調(diào)節(jié)流過第一貯存器的開口的液流。
[0007]在其他實(shí)施例中，用于鉆土工具的筒組件可包括筒壁和活塞，筒壁界定了第一孔，活塞包括至少一個可縮回墊，該可縮回墊至少部分地位于第一孔內(nèi)。另外，筒組件可包括第一貯存器、開口和閥，第一貯存器靠近活塞位于第一孔內(nèi)，開口通向第一貯存器，閥被定位和配置成調(diào)節(jié)流過開口的液流。
[0008]在其他實(shí)施例中，鉆土鉆頭可包括可縮回墊和位于鉆土鉆頭的工作面上的多個腔，可縮回墊聯(lián)接到第一活塞上，第一活塞至少部分地位于所述多個腔中的每個腔內(nèi)。鉆土鉆頭可另外地包括基本上不可壓縮的流體以及多個孔，該基本上不可壓縮的流體接觸活塞并被容納在第一貯存器內(nèi)，所述多個孔與所述多個腔流體連通并接觸所述基本上不可壓縮的流體。另外，第二活塞至少部分地位于所述多個孔中的每個孔內(nèi)；旋轉(zhuǎn)斜盤可操作地聯(lián)接到每個第二活塞上。[0009]在又一另外的實(shí)施例中，一種操作鉆土工具的方法可包括:通過具有至少一個可縮回墊的鉆土工具鉆探井眼，該可縮回墊從鉆土工具的靠近至少一個切削結(jié)構(gòu)的工作面突出。該方法還包括:打開鉆土工具內(nèi)的閥，以使流體從位于該至少一個可縮回墊之下的第一貯存器釋放，并且在位于井眼內(nèi)時，減小該至少一個可縮回墊從鉆土工具的工作面的突出量，以及減小了該至少一個可縮回墊從鉆土工具的工作面的突出量之后，重新開始鉆進(jìn)。
[0010]在又一進(jìn)一步的實(shí)施例中，一種形成彎曲井眼的方法包括:鉆進(jìn)時，使位于鉆頭工作面內(nèi)的至少一個可縮回墊在井眼的第一側(cè)伸展；以及，鉆進(jìn)時，使該至少一個可縮回墊在井眼的第二側(cè)縮回。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1示出了鉆機(jī)的示意圖，該鉆機(jī)包括根據(jù)本發(fā)明公開的一實(shí)施例的鉆頭；
[0012]圖2示出了鉆頭的等軸測視圖，該鉆頭包括根據(jù)本發(fā)明公開的一實(shí)施例的可縮回墊；
[0013]圖3示出了圖2所示的鉆頭的底視圖；
[0014]圖4A示出了圖2中的鉆頭的一部分示意圖，示出了經(jīng)過鉆頭的鉆頭體的流體通道以及示出了位于伸展位置中的可縮回墊；
[0015]圖4B示出了圖4A所示的鉆頭的所述部分的示意圖，此時可縮回墊處于縮回位置中；
[0016]圖5A示出了包括可縮回墊的筒組件，該筒組件用于例如圖2所示的鉆頭中，所示出的該可縮回墊處于伸展位置中；
[0017]圖5B示出了圖5A中的筒組件,所示出的可縮回墊處于縮回位置中；
[0018]圖6A示出了包括可縮回墊和第二活塞的筒組件，該筒組件用于例如圖2所示的鉆頭上，所示出的可縮回墊處于伸展位置中；
[0019]圖6B示出了圖6A中的筒組件，所示出可縮回墊處于縮回位置中；
[0020]圖7A示出了包括可縮回墊和膜片的筒組件，該筒組件用于例如圖2所示的鉆頭上，所示出的可縮回墊處于伸展位置中；
[0021]圖7B示出圖7A中的筒組件，所示出的可縮回墊處于縮回位置中；
[0022]圖8示出了圖2中的鉆頭的鉆柄和電子模塊的分解圖；
[0023]圖9示出了圖8中的鉆柄的截面圖；
[0024]圖10示出了圖8中的電子模塊的透視圖；
[0025]圖11示出了圖8中的電子模塊的示意圖；
[0026]圖12示出了根據(jù)本發(fā)明公開的一實(shí)施例的包括旋轉(zhuǎn)斜盤的鉆頭的局部截面圖；
[0027]圖13示出了根據(jù)本發(fā)明公開的一實(shí)施例的包括閥的鉆頭的局部截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]文中的視圖不是任何具體裝置或相關(guān)方法的實(shí)際視圖，而僅是用于描述本發(fā)明的實(shí)施例的理想化代表圖。另外，圖中的共同元件用相同附圖標(biāo)記表示。
[0029]盡管本發(fā)明公開的某些實(shí)施例被描述為用于刮刀鉆頭，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能理解到，本發(fā)明公開的實(shí)施例可用于混合式鉆頭或其他鉆頭結(jié)構(gòu)中。因此，文中使用的術(shù)語“鉆土工具”表示和包括用于在地層中鉆進(jìn)或擴(kuò)大井眼或井的任何類型的鉆頭或其它鉆地裝置。
[0030]圖1示出了用于執(zhí)行地下鉆井作業(yè)的裝置的實(shí)例。鉆機(jī)10可包括井架12、鉆臺
14、絞車16、鉤18、龍頭20、方鉆桿接頭22和轉(zhuǎn)盤24。鉆柱30可包括鉆管部分32和鉆環(huán)部分34，所述鉆柱從鉆機(jī)10向下伸展到井眼40中。鉆管部分32包括多個連接在一起的管狀鉆管構(gòu)件或束，鉆環(huán)部分34同樣可包括多個鉆環(huán)?？蛇x地，鉆柱30可包括隨鉆測量(MWD)記錄子組件和相互配合的漿體脈沖遙測數(shù)據(jù)傳輸子組件(它們整體稱為MWD通訊系統(tǒng)50)、以及對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說公知的其他通訊系統(tǒng)。
[0031] 鉆井作業(yè)期間，鉆井流體可從漿體池60通過漿體泵62、通過波動消除器64并通過漿體供給管線66循環(huán)到龍頭20中。鉆井漿體(也稱之為鉆井流體)流過方鉆桿接頭22、進(jìn)入鉆柱30的軸向中心孔中。最終，鉆井衆(zhòng)體通過位于鉆頭100中的嗔嘴或孔口排出，所述鉆頭100連接到鉆柱30的最低端部分上。鉆井漿體通過鉆柱30的外表面和井眼40的內(nèi)表面之間的環(huán)形空間42向上流回，循環(huán)到地面，在地面該鉆井漿體通過漿體回流管線68返回到漿體池60中。
[0032]在鉆井漿體返回到漿體池60之前，振動篩(未示出)可用于將地層切屑從鉆井漿體中分離出來。在進(jìn)行鉆井作業(yè)時，可選的MWD通訊系統(tǒng)50可利用漿體脈沖遙測技術(shù)將數(shù)據(jù)從井下位置傳輸?shù)降孛?。為了在地面接收?shù)據(jù)，設(shè)置有與漿體供給管線66通訊的漿體脈沖傳感器70。該漿體脈沖傳感器70響應(yīng)于漿體供給管線66中的鉆井漿體的壓力變化而產(chǎn)生電信號。這些電信號通過地面導(dǎo)體72被傳遞到地面電子處理系統(tǒng)80中，地面電子處理系統(tǒng)通常是一種具有中央處理單元的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述中央處理單元用于執(zhí)行程序指令、并用于對通過鍵盤或圖形指點(diǎn)裝置輸入的用戶指令作出響應(yīng)。漿體脈沖遙測系統(tǒng)被設(shè)置成用于將數(shù)據(jù)傳輸給地面，這些數(shù)據(jù)涉及由通常位于MWD通訊系統(tǒng)50內(nèi)的井記錄和測量系統(tǒng)檢測到的各種井下狀況。通常位于MWD通訊系統(tǒng)50內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生漿體脈沖，漿體脈沖限定了傳播到地面上的數(shù)據(jù)。這種設(shè)備通常包括壓力脈沖發(fā)生器，該壓力脈沖發(fā)生器在被容納在控制儀表殼體內(nèi)的電子器件的控制下運(yùn)行，以使鉆井漿體通過貫穿鉆環(huán)壁的孔口排出。每次壓力脈沖發(fā)生器引起這種排出情況時，負(fù)壓脈沖被傳遞以便通過漿體脈沖傳感器70被接收。替代性的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生并傳遞正壓脈沖。通常，循環(huán)的鉆井漿體也可以為可以位于底部鉆具組合(BHA)附近的渦輪驅(qū)動發(fā)馬達(dá)子組件(未示出)提供能源。渦輪驅(qū)動發(fā)馬達(dá)可以為壓力脈沖發(fā)生器和各種電路(包括形成隨鉆測量工具的操作部件的那些電路)產(chǎn)生電能。可提供電池作為替代或補(bǔ)充電力源，尤其是作為渦輪驅(qū)動發(fā)馬達(dá)的備用裝置。
[0033]對于定向鉆井而言，鉆柱30可包括漿體馬達(dá)90以及位于鉆頭100附近位置上的彎接頭和/或轉(zhuǎn)向接頭92。當(dāng)鉆探直的井眼部分時，轉(zhuǎn)向接頭92和鉆頭100 二者可都相對于井眼40旋轉(zhuǎn)。鑒于此，由于轉(zhuǎn)向接頭92旋轉(zhuǎn)并沿井眼壁摩擦，因此鉆頭100可偏心旋轉(zhuǎn)并可鉆出稍微過大的井眼?？蛇x地，轉(zhuǎn)向接頭92上的轉(zhuǎn)向墊可運(yùn)動到縮回位置中，這可使得鉆頭100在鉆探直的井眼部分時能在中心上旋轉(zhuǎn)。
[0034]在鉆探彎曲的井眼部分的過程中，可利用漿體馬達(dá)90使鉆頭100相對于井眼40旋轉(zhuǎn)，同時位于漿體馬達(dá)90上方的鉆柱30不相對于井眼40旋轉(zhuǎn)。因此，鉆頭100可在中心上旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向接頭92可不相對于井眼40旋轉(zhuǎn)并可連續(xù)地將側(cè)向力施加在井眼40的一側(cè)上，這可使得鉆頭100沿彎曲路徑穿過地層。如果轉(zhuǎn)向接頭92包括可運(yùn)動的轉(zhuǎn)向墊，那么，在形成彎曲的井眼部分時，轉(zhuǎn)向墊可位于伸展位置中。
[0035]但是，在某些實(shí)施例中，對于定向鉆井而言，可以不包括彎接頭和/或轉(zhuǎn)向接頭92。在這樣的實(shí)施例中，不使用彎接頭和/或轉(zhuǎn)向接頭92，而是使用根據(jù)本發(fā)明公開的裝置和方法來幫助形成彎曲的井眼部分，例如，本文參照圖12和圖13進(jìn)行的描述。
[0036]如圖2所示，鉆頭100可包括鉆頭體110和鉆柄112。鉆頭體110包括多個刀片114和位于刀片114之間的流體通道116，它們界定了鉆頭體110的外表面。鉆頭體110還另外包括多個噴嘴118 (圖3)，所述噴嘴位于鉆頭體110上以引導(dǎo)流體通過所述流體通道116。刀片114可包括多個切削結(jié)構(gòu)122 (例如，聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)刀具)，所述切削結(jié)構(gòu)例如位于鉆頭體110的冠部或工作面區(qū)域中，刀片114可包括耐磨結(jié)構(gòu)124 (例如，碳化鎢耐磨扣狀物)，該耐磨結(jié)構(gòu)例如位于鉆頭100的保徑區(qū)域中。
[0037]如圖2和圖3所示，鉆頭100的鉆頭體110包括位于鉆頭工作面上的多個可縮回墊128。鉆頭工作面如圖3所示，其是鉆頭100的前端區(qū)域，該前端區(qū)域在鉆井作業(yè)期間接合井眼底部，即，其是鉆頭中與鉆柄112相反的部分。例如，每個可縮回墊128可位于鉆頭體110的刀片114上的旋轉(zhuǎn)地尾隨一排切削結(jié)構(gòu)122的位置上。在其他實(shí)施例中，每個可縮回墊128可以旋轉(zhuǎn)地領(lǐng)先于一排切削結(jié)構(gòu)122。
[0038]如圖4A和圖4B所示，鉆頭體110可另外地包括位于鉆頭體110內(nèi)的流體通道130，所述流體通道可從中央流體通道132延伸到噴嘴118并延伸到鉆頭體110中容納可縮回墊128的腔136。中央流體通道132可通過鉆柄112中的開口(圖8)向鉆頭體100外部延伸。
[0039]在某些實(shí)施例中，每個可調(diào)節(jié)墊128可包含在筒組件140、180、200中(例如，如圖5A、5B、6A、6B、7A和圖7B所示)，筒組件140、180、200可定位在鉆頭體110的刀片114中的腔136內(nèi)。
[0040]如圖5A和5B所示，筒組件140可包括筒壁142和活塞144，筒壁界定了孔，活塞位于該孔內(nèi)，活塞144的周界密封抵靠筒壁142。活塞144可包括托架146 (如，鋼托架)，該托架包括裝配有密封件148的密封套，以防止流體流過活塞144的密封周界和筒壁142之間，托架還可裝配有支承件或耐磨環(huán)。活塞144還包括可縮回墊128，該可縮回墊可聯(lián)接到托架146上或與托架146 —體形成。例如，可縮回墊128可包含碳化物或其他耐磨材料，并可焊接或釬焊到托架146上。一旦插入到孔中，活塞144的表面150和筒壁142可界定出流體貯存器152。筒140還可包括開口 154和閥156(如壓電閥)，所述開口 154通向貯存器152，所述閥156被定位和配置成控制流體通過開口 154向流體貯存器152的流過。由于貯存器152由筒壁142和活塞144的表面150界定，因此，貯存器152的尺寸可根據(jù)活塞144在井眼中的位置改變?；旧喜豢蓧嚎s的流體可充分填充貯存器152，并接觸活塞144的表面150。因此，一旦通過閥156關(guān)閉開口 154，不可壓縮的流體就可容納在貯存器152內(nèi)，活塞144可通過液壓保持就位。可使用的基本上不可壓縮的流體的非限制性實(shí)例包括礦物油、植物油、硅油和水。
[0041]筒組件140的尺寸可被設(shè)定為用于插入鉆頭體110的腔136(圖4A和4B)中，筒組件140可包括凸緣160，所述凸緣可用于將筒組件140定位在腔136內(nèi)的預(yù)定深度位置處，也可用于將筒組件140連接到鉆頭體110上。例如，凸緣160可焊接到鉆頭體100的工作面(圖2)上，從而可將筒組件140保持在鉆頭體110內(nèi)，還可提供筒組件140和鉆頭體110之間的流體密封。另外，可提供接線162并使其穿過鉆頭體110，以提供閥156和電子模塊310之間的電通訊(文中將參照圖8至圖11對此進(jìn)行更詳細(xì)描述)。
[0042]在另一實(shí)施例中，如圖6A和圖6B所不,筒組件180可包括第一筒壁182和第一活塞184，第一筒壁182界定第一孔，第一活塞184位于該第一孔內(nèi)，第一活塞184的周界密封抵靠第一筒壁182。另外，筒組件180可包括第二活塞186和閥187，閥187分別定位在第一活塞184和第二活塞186之間，并被構(gòu)造成調(diào)節(jié)第一貯存器189和第二貯存器191之間的流動。
[0043]與圖5A和圖5B所示的筒組件140的活塞144類似，筒組件180的第一活塞184可包括托架188 (如，鋼托架)，該托架188可包括裝配有密封件190的密封套，以防止流體流過第一活塞184的周界和第一筒壁182之間，該托架還可裝配有支承件或耐磨環(huán)。第一活塞184還可包括可縮回墊192，可縮回墊192可聯(lián)接到托架188上或與托架188 —體形成。
[0044]第二活塞186可定位在由第二筒壁194界定的第二孔內(nèi)，第二活塞186的周界密封抵靠第二筒壁194。第二活塞186還可包括密封件196，例如，一個或多個0形環(huán)、X形圈、方形環(huán)、刮子、墊圈和其它填料，其可提供第二活塞196和第二筒壁194之間的密封。
[0045]盡管在圖6A和圖6B所不的實(shí)施例中，不出了分別暴露于不可壓縮的流體和鉆井流體的具有相同尺寸的第一活塞184的表面和第二活塞186的表面，但是，第二活塞186的相對的表面的表面區(qū)域的尺寸可以不同，以便提供壓力放大器，從而相對于由鉆井流體施加的壓力而言增加不可壓縮的流體的壓力。另外，第一活塞184的尺寸和表面積可以與第二活塞186的尺寸和表面積不同。
[0046]在又一實(shí)施例中，筒組件200可包括柔性膜片202以提供可膨脹的貯存器204，如圖7A和圖7B所示。例如，彈性體構(gòu)件可定位在筒組件200的端部之上并提供流體屏障，但仍能讓流體壓力從鉆頭體110內(nèi)的鉆井流體(見圖2)通過閥206連通到活塞210 (其包括可縮回墊212)后面的第一貯存器208。
[0047]如圖4A和圖4B示意性所示，鉆頭體110中的流體通道130可將鉆頭體100的中央流體通道132連接到容納有可縮回墊128的腔136中。因此，流體通道130可提供鉆頭體100的中央流體通道132與定位在腔136內(nèi)的筒140、180、200 (如圖5A、5B、6A、6B、7A和7B所示)之間的流體流通。閥可以選擇性地使中央流體通道132與可縮回墊128之間流體流通。例如，閥(例如，參照筒140、180、200所述的閥156、187、206)可用于選擇性地使中央流體通道和可縮回墊128、192、212之間流體連通。閥156、187、206(如，壓電閥)可被電動致動，并可與可以位于鉆頭體100的鉆柄112中的電子模塊310電通訊，并受該電子模塊310操控，這例如在美國專利申請12/367，433和12/901，172號以及美國專利7，497，276,7, 506，695、7，510, 026,7, 604, 072和7，849，934號中，這些專利文獻(xiàn)的發(fā)明人均為Pastusek等，名稱均為 “METHOD AND APPARATUS FOR COLLECTING DRILL BIT PERFORMANCE DATA (用于采集鉆頭性能數(shù)據(jù)的方法和裝置)”，這些專利文獻(xiàn)均被受讓給本申請的 申請人:，這些文獻(xiàn)的全部內(nèi)容引入文中作為參考。
[0048]如圖8所示，鉆柄112包括穿過鉆柄112的縱軸Z形成的中心孔300。在傳統(tǒng)鉆頭中，中心孔被構(gòu)造成允許鉆井衆(zhòng)體流過該中心孔。在該實(shí)施例中，鉆柄112的中心孔300的至少一部分的直徑足夠大，以足以接受電子模塊310，電子模塊310被構(gòu)造成基本為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。因此，電子模塊310可圍繞端蓋312布置在中心孔300內(nèi)，端蓋312延伸穿過電子模塊310的圓環(huán)的內(nèi)徑部分，以通過中心孔300的壁形成液密環(huán)形腔，并使電子模塊310在鉆柄112內(nèi)密封就位。
[0049]端蓋312包括穿過該端蓋的蓋孔314，以使鉆井漿體流過端蓋312、流過鉆柄112的中心孔300并流到鉆柄112的另一側(cè)，然后流入鉆頭100的中央流體通道132中。圖9示出了設(shè)置在鉆柄112中不帶電子模塊310的端蓋312的截面圖，示出了形成在端蓋312和鉆柄112的中心孔300的壁之間的環(huán)形腔320。第一密封環(huán)322和第二密封環(huán)324在端蓋312和中心孔300的壁之間形成保護(hù)性液密密封，以防止電子模塊310 (圖8)受到不利環(huán)境條件影響。由第一密封環(huán)322和第二密封環(huán)324形成的保護(hù)性密封也可被構(gòu)造成使環(huán)形腔320大致保持在大氣壓。
[0050]在某些實(shí)施例中，第一密封環(huán)322和第二密封環(huán)324可由適用于高壓高溫環(huán)境的材料形成，例如，氫化丁腈橡膠(HNBR)O形環(huán)與PEEK墊圈的組合件。另外，端蓋312可通過多個連接機(jī)構(gòu)(如，利用密封環(huán)322和324安全壓配合、螺紋連接、環(huán)氧樹脂連接、形狀記憶保持器、焊接以及釬焊)固定到鉆柄112上。
[0051]電子模塊310可被構(gòu)造成柔性電路板，如圖10的平面結(jié)構(gòu)所示。柔性電路板結(jié)構(gòu)可便于使電子模塊310彎曲和變形為圖8所示的基本上圓環(huán)形的結(jié)構(gòu)，并適于圍繞端蓋312布置并布置到中心孔300中。柔性電路板可包括高強(qiáng)度加固基干部分(未示出)，以便于將加速力可靠地傳遞給電子模塊的傳感器(如，加速計)。另外，柔性電路板的可支撐非傳感器電子部件的其他區(qū)域可以以合適方式聯(lián)接到端蓋312上，以至少部分地減小由于使用例如粘彈性粘結(jié)劑材料進(jìn)行鉆井作業(yè)所產(chǎn)生的加速力。
[0052]除了操作閥156、187、206以控制中央流體通道132和可縮回墊128、192、212之間的流體連通以外，電子模塊310還可被構(gòu)造成執(zhí)行各種數(shù)據(jù)采集和/或數(shù)據(jù)分析功能。
[0053]在某些實(shí)施例中，如圖11所示，電子模塊310可包括電源340 (如，電池)、處理器342 (如，微處理器)以及存儲設(shè)備344 (如，隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM))。電子模塊310還可包括至少一個被構(gòu)造成用于測量與鉆頭相關(guān)的物理參數(shù)的傳感器346，348，350，該物理參數(shù)可包括鉆頭狀況、鉆井作業(yè)狀況以及靠近鉆頭處的環(huán)境狀況。在其它實(shí)施例中，傳感器346、348、350可包括加速度傳感器346、磁場傳感器348和溫度傳感器 350。
[0054]加速度傳感器346可包括正交布置的三個加速計(即，每個加速計相對于每個其他加速計成直角布置)。類似地，磁場傳感器348可包括三個正交布置的磁強(qiáng)計(S卩，每個磁強(qiáng)計相對于每個其他磁強(qiáng)計可成直角布置)。盡管文中描述了采用三個傳感器成正交布置的結(jié)構(gòu)(如，笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng))，但是，也可采用其他數(shù)量的傳感器和布置。
[0055]通訊端口 352也可包含在電子模塊310中，以與例如MWD通訊系統(tǒng)50和遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)354的外部設(shè)備通訊。通訊端口 352可被構(gòu)造成用于使用直接有線連接或無線通信協(xié)議(例如，僅作為示例的紅夕卜、藍(lán)牙_?和SO2, lla/b/g協(xié)議)與遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)354建立直接通訊連接356。當(dāng)鉆頭100不在井下時，使用直接通訊連接356，電子模塊310可被構(gòu)造成與遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)354 (如，計算機(jī)、便攜式計算機(jī)以及個人數(shù)字助理(PDA))通訊。從而，直接通訊連接356可用于各種功能，如，下載軟件和軟件升級，以通過下載配置數(shù)據(jù)來安裝電子模塊310、以及上傳樣本數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)。通訊端口 352也可用于從電子模塊310查詢涉及鉆頭100的信息，如鉆頭序列號、電子模塊序列號、軟件版本、鉆頭操作總運(yùn)行時間、以及其它長期的鉆頭數(shù)據(jù)，這些信息可存儲在存儲設(shè)備344中。[0056]當(dāng)閥156、187、206可位于鉆頭100的鉆頭體110內(nèi)并且對閥156、187、206進(jìn)行操作的電子模塊310可位于鉆頭100的鉆柄112中時，用于可縮回墊128、192、212的控制系統(tǒng)可完全被包含在鉆頭100內(nèi)。
[0057]在鉆頭100的某些操作方法中，鉆頭100的可縮回墊128、192、212最初可定位在伸展位置中，例如，圖5A、6A、7A所示的完全伸展位置。由于可縮回墊128、192、212位于伸展位置中，可采用定向鉆井技術(shù)通過鉆頭形成彎曲的井眼部分，以便從豎直井眼部分過渡到水平方向。在伸展位置中，可縮回墊128、192、212可提供切削深度限制結(jié)構(gòu)，所述切削深度限制結(jié)構(gòu)可使鉆頭100的攻擊性降低，這通過限制靠近可縮回墊128、192、212的切削結(jié)構(gòu)122的有效暴露而便于鉆探彎曲的井眼。在一個實(shí)施例中，可縮回墊基本上位于鉆頭的錐形區(qū)域C內(nèi)(圖3)，靠近鉆頭100的中心線CL (圖3)。在地層內(nèi)鉆探了彎曲的井眼部分之后，可縮回墊128、192、212可縮回到鉆頭體110中，通過增加靠近可縮回墊128、192、212的切削結(jié)構(gòu)122的有效暴露而增加了鉆頭100的切削深度和攻擊性。增加的攻擊性通過增加對于鉆頭100的給定轉(zhuǎn)速的ROP可有利于基本上直的井眼部分(例如，水平的井眼部分)的有效形成。
[0058]為了使收縮墊128、192、212縮回，可提供信號給電子模塊310。在某些實(shí)施例中，鉆頭100的加速度可用于提供信號給電子模塊310。例如，鉆頭100可以以各種速度旋轉(zhuǎn)，這可通過加速度傳感器346的加速計檢測。預(yù)定轉(zhuǎn)速、或給定時間段內(nèi)的各種轉(zhuǎn)速的預(yù)定序列(如，模式)可用于向電子模塊310發(fā)出信號，以使可縮回墊128、192、212縮回。為了便于通過電子模塊310可靠地檢測與預(yù)定轉(zhuǎn)速信號或信號模式相關(guān)的加速度，可降低鉆壓(W0B)，例如將WOB降低至基本上為0磅(OKg)。
[0059]在其他實(shí)施例中，作用在鉆頭100上的另外的作用力可用于提供信號給電子模塊310。例如，鉆頭100可包括應(yīng)變計，應(yīng)變計與可檢測WOB的電子模塊310通訊。預(yù)定W0B、或WOB的預(yù)定序列(如，模式)可用于向電子模塊310發(fā)出信號，以使可縮回墊128、193、212縮回。為了便于通過電子模塊310可靠地檢測與預(yù)定WOB信號相關(guān)的W0B，可將鉆頭100的轉(zhuǎn)速保持在不變轉(zhuǎn)速下(即，每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)不變)。在某些實(shí)施例中，檢測WOB信號時，鉆頭100的轉(zhuǎn)速可基本上保持為0RPM。
[0060]電子模塊310檢測出用于使可縮回墊128、192、212縮回的信號(例如用，與預(yù)定轉(zhuǎn)速信號相關(guān)的加速度、或通過應(yīng)變計檢測到的與預(yù)定WOB信號相關(guān)的應(yīng)變)之后，電流可被提供給對應(yīng)于可縮回墊128、192、212的閥156、187、206，閥156、187、206可打開從而允許流體通過該閥。例如，當(dāng)閥156、187、206可需要相對較少的電能運(yùn)行時(例如，閥156、187、206可以是可處于常閉模式的壓電閥，每個閥利用大約5瓦的電力打開)，電路可提供在電子模塊310的電源340 (如，電池)和閥156、187、206之間。
[0061]在發(fā)送用于使可縮回墊128、192、212縮回的一個信號或多個信號之后，重力可通過鉆柱30施加到鉆頭100上，可將作用力通過下面的地層施加到可縮回墊128、192、212上。閥156、187、206 —旦打開，通過作用在鉆頭100前面尚未鉆進(jìn)的地層上的鉆壓而施加給可縮回墊128、192、212的作用力就可引起相關(guān)聯(lián)的貯存器152、189、208內(nèi)的基本上不可壓縮的流體通過閥156、187、206從貯存器152、189、208流出，并導(dǎo)致可縮回墊128、192、212縮回到鉆頭體110中，如圖5B、6B和圖7B所示。在使用開口的筒組件140的實(shí)施例中，不可壓縮的流體可從貯存器152流出，并與鉆頭體110中的鉆井流體混合。在使用具有第二貯存器191、204的筒組件180、200的實(shí)施例中，不可壓縮的流體可從第一貯存器189、208流出，并進(jìn)入第二貯存器191、204中，使第二貯存器191、204的體積膨脹，如圖6B和圖7B所
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[0062]在某些實(shí)施例中，可縮回墊128、192、212在已經(jīng)縮回之后可在井眼內(nèi)伸展。為了使可縮回墊129、192、212在井眼內(nèi)伸展，其他信號(例如，與用于使可縮回墊128、192、212縮回的信號類似或相同的信號)可提供給電子模塊310。一接收到信號，電流就可提供給對應(yīng)于可縮回墊128、192、212的閥156、187、206，閥156、187、206可打開以允許流體通過該閥。鉆頭100可定位在離開井眼底部，鉆井流體可被泵送到鉆頭100的中央流體通道132中。鉆頭100的中央流體通道132內(nèi)的流體壓力然后可使流體流過閥156、187、206并流入相關(guān)聯(lián)的貯存器152、189、208中，從而導(dǎo)致貯存器152、189、208的體積膨脹，并且可縮回墊128、192、212從鉆頭工作面伸展?？煽s回墊128、192、212已經(jīng)移動到伸展位置(如圖5A、6A和圖7A所示)之后，閥156、187、206可關(guān)閉以保持貯存器152、189、208的膨脹了的體積，從而使可縮回墊128、192、212保持在伸展位置中，這樣就開始鉆井。
[0063]在包括第二貯存器191、204(例如，如圖6A、6B、7A和7B所示)的實(shí)施例中，在鉆頭100的中央流體通道132內(nèi)的流體的作用下，例如可通過第二活塞186或通過柔性膜片202將壓力施加給第二貯存器191、204中的流體，第二貯存器191、204內(nèi)的流體可流入第一貯存器189、208中。在不具有第二貯存器191、204的實(shí)施例中，鉆井流體可引導(dǎo)不可壓縮的流體流入貯存器152中(圖5A)。在不具有第二貯存器191、204的其他實(shí)施例中，可使用鉆井流體作為不可壓縮的流體。在這樣的實(shí)施例中，鉆井流體用作不可壓縮的流體，篩或其他過濾介質(zhì)(未示出)可用于防止固體碎屑穿過閥156。
[0064]在另外的實(shí)施例中，包括可縮回墊410、510的鉆頭400、500可被構(gòu)造成分別使鉆頭400、500的各可縮回墊410、510選擇性地縮回和伸展，如圖12和圖13所示。在這樣的實(shí)施例中，可利用鉆井時可縮回墊410、510的伸展和縮回通過改變鉆頭工作面上的不同位置中的切削結(jié)構(gòu)122 (圖2)的攻擊性來鉆探彎曲的井眼部分。
[0065]在某些實(shí)施例中，鉆頭400可包括與各個可縮回墊410流體連通的活塞402，每個活塞402可聯(lián)接到旋轉(zhuǎn)斜盤420上，如圖12所示。旋轉(zhuǎn)斜盤420可包括上板422和下板424，它們在交界面426處相對于彼此旋轉(zhuǎn)。上板422可不相對于井眼旋轉(zhuǎn)，下板424可與鉆頭400 —起旋轉(zhuǎn)。例如，上板422可附接到防止上板422相對于井眼旋轉(zhuǎn)的一個或多個桿430上。多個活塞402可通過鉸接連接件(如，球窩連接件440)聯(lián)接到下板424上，使得下板424可與鉆頭400和活塞402 —起相對于上板422旋轉(zhuǎn)?；钊?02可伸展到鉆頭體452上的孔450中并與可縮回墊410保持流體連通。
[0066]運(yùn)行中，例如,通過操縱一個或多個附接到上板422上的桿430,上板422和下板424可相對于鉆頭400的主縱軸線傾斜，這可導(dǎo)致活塞402在鉆頭400旋轉(zhuǎn)時在鉆頭體452上的孔450內(nèi)往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)鉆頭400在井眼內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，由于往復(fù)運(yùn)動的活塞402產(chǎn)生的液壓力作用在可縮回墊410上，因此往復(fù)運(yùn)動的活塞402可引起可縮回墊410相對于鉆頭工作面向內(nèi)和向外運(yùn)動。可縮回墊410經(jīng)過井眼第一側(cè)時，旋轉(zhuǎn)斜盤420可使活塞402向下移動并引起可縮回墊410伸展；可縮回墊410經(jīng)過井眼第二側(cè)時，旋轉(zhuǎn)斜盤420可使活塞402向上移動并引起可縮回墊410縮回。因此，鉆頭400在井眼第二側(cè)的切削深度可大于在井眼第一側(cè)的切削深度，鉆頭400可從井眼第二側(cè)去除掉更多材料，從而可實(shí)現(xiàn)定向鉆井操作。另外，獲得的方向(如，偏離直的通道的程度)可由旋轉(zhuǎn)斜盤420相對于鉆頭400的主縱軸線的定位角度決定。
[0067]在其他實(shí)施例中，例如，如圖13所示，鉆頭500的每個可縮回墊510可與閥520流體連通，閥520例如與參照美國專利5，553，678號描述的閥類似，該美國專利的發(fā)明人為Barr 等、名稱為“MODULATED BIAS UNITS FOR STEERABLE ROTARY DRILING SYSTEMS (用于可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)式鉆井系統(tǒng)的調(diào)制偏置單元)”，該美國專利文獻(xiàn)的全部內(nèi)容引入文中作為參考。閥520可聯(lián)接到桿522上，所述桿可防止閥520在鉆井作業(yè)期間相對于井眼旋轉(zhuǎn)。鉆頭體530中可包括流體通道532以提供閥520和可縮回墊510之間的流體連通。另外，鉆頭體530可包括流體通道534，所述流體通道534提供了閥520和鉆頭500的外部之間的流體連通。如圖13所示，流體通道534可在鉆頭500的保徑區(qū)域處或保徑區(qū)域附近的位置處提供到鉆頭500的外部的流體連通。在另外的實(shí)施例中，流體通道534可朝下穿過鉆頭體530，并提供通過位于鉆頭500的工作面區(qū)域中的噴嘴118到鉆頭500的外部的流體連通。穿過鉆頭體530形成的流體通道532、534在鉆井作業(yè)期間將與鉆頭500 —起旋轉(zhuǎn)，從而流體通道532、534將相對于閥520旋轉(zhuǎn)。閥520可配置有至少兩個不同的周圍區(qū)域540、542。當(dāng)阻塞相應(yīng)流體通道534之間中央流體通道544與鉆頭500外部之間的流體流通時，第一周圍區(qū)域540可提供鉆頭體530中的中央流體通道544和通向可縮回墊510的流體通道532之間的流體連通。當(dāng)阻止中央流體通道544與流體通道532或流體通道534 (其與可縮回墊510對應(yīng))之間的流體連通時，閥520的第二周圍區(qū)域542可提供可縮回墊510和鉆頭500的外部之間的流體連通。
[0068]運(yùn)行過程中，鉆頭500的中央流體通道544可相對于鉆頭500外部周圍的流體被加壓。當(dāng)對應(yīng)于可縮回墊510的流體通道532和流體通道534經(jīng)過閥520的第一周圍區(qū)域540時，可縮回墊510可被加壓。在加壓過程中(例如，在流體通道532經(jīng)過閥520的第一周圍區(qū)域540時)，通向可縮回墊510的流體通道532可向鉆頭500的中央流體通道544內(nèi)的加壓流體敞開，可縮回墊510響應(yīng)于流體壓力而伸展。當(dāng)鉆頭500旋轉(zhuǎn)時，對應(yīng)于可縮回墊510的流體通道532和流體通道534經(jīng)過閥520的第二周圍區(qū)域542，通過閥520提供流體通道532和流體通道534之間的流體連通，從而進(jìn)行排放。在排放過程中(例如，流體通道經(jīng)過閥520的第二周圍區(qū)域542時)，提供了可縮回墊510和鉆頭500外部之間的流體連通，從而可進(jìn)行排放，使與可縮回墊連通的流體壓力減小，并使可縮回墊510縮回。當(dāng)鉆頭500在井眼內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，閥520可相對于井眼定位成引起可縮回墊510在對應(yīng)于井眼第一側(cè)的位置處向內(nèi)運(yùn)動以及相對于井眼第二側(cè)向外運(yùn)動。因此，鉆頭500在井眼第二側(cè)的切削深度大于在井眼第一側(cè)的切削深度，鉆頭500可從井眼第二側(cè)去除掉更多材料，從而實(shí)現(xiàn)定向鉆井。另外，所獲得的方向(如，偏離直的通道的程度)可由閥520相對于井眼的位置以及供應(yīng)給鉆頭500的中央流體通道544中的流體壓力決定。
[0069]盡管已經(jīng)參照某些實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能意識和理解到，本發(fā)明并不局限于此。在不脫離下述權(quán)利要求書請求的本發(fā)明保護(hù)范圍的情況下，可對文中所述的實(shí)施例進(jìn)行許多補(bǔ)充、刪除和改進(jìn)。另外，一個實(shí)施例中的特征可與其他實(shí)施例中的特征組合，但是仍落入到發(fā)明人所構(gòu)思的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鉆土工具，包括: 至少一個腔，所述至少一個腔位于鉆土工具的工作面中； 可縮回墊，所述可縮回墊靠近所述工作面位于所述至少一個腔中并聯(lián)接到至少部分地定位于所述至少一個腔內(nèi)的活塞上； 基本上不可壓縮的流體，所述基本上不可壓縮的流體接觸活塞并被容納在第一貯存器內(nèi)；以及， 閥，所述閥定位于鉆土工具內(nèi)，并被構(gòu)造成調(diào)節(jié)通過第一貯存器的開口的流動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鉆土工具，還包括控制器，所述控制器定位在鉆土工具內(nèi)并被構(gòu)造成選擇性地打開閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的鉆土工具，其中，控制器定位于鉆土工具的鉆柄內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的鉆土工具，還包括筒組件，該筒組件包括所述活塞和位于所述至少一個腔內(nèi)的所述閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的鉆土工具，其中，筒組件還包括另一活塞。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的鉆土工具，其中，筒組件還包括另一貯存器，所述另一貯存器容納基本上不可壓縮的流體，所述基本上不可壓縮的流體接觸所述另一活塞，所述閥被定位和配置為調(diào)節(jié)所述基本上 不可壓縮的流體在所述至少一個貯存器和所述另一貯存器之間的流動。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的鉆土工具，其中，所述閥被定位和配置成調(diào)節(jié)所述一個貯存器和鉆土工具內(nèi)的鉆井流體通道之間的流動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的鉆土工具，其中，所述閥包括壓電閥。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的鉆土工具，其中，筒組件通過靠近工作面的焊接部固定到鉆土工具上。
10.根據(jù)權(quán)利要求4的鉆土工具，其中，所述閥裝設(shè)有電線以便與電子模塊電通訊，該電子模塊包括位于鉆土工具內(nèi)的至少一個傳感器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的鉆土工具，其中，所述至少一個傳感器包括至少一個加速計。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的鉆土工具，其中，所述至少一個傳感器包括至少一個應(yīng)變儀。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的鉆土工具，其中，所述閥被構(gòu)造成通過所述電子模塊的電源被供電。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的鉆土工具，其中，所述活塞包括聯(lián)接到可縮回墊上的鋼托架，所述可縮回墊包括碳化物，所述鋼托架包括密封套。
15.一種用于鉆土工具的筒組件，該筒組件包括: 筒壁，所述筒壁界定了第一孔； 活塞，所述活塞包括至少一個可縮回墊，所述至少一個可縮回墊至少部分地位于第一孔內(nèi)； 第一貯存器，所述第一貯存器靠近所述活塞位于所述第一孔內(nèi)； 開口，所述開口通向所述第一貯存器；以及 閥，所述閥被定位和配置成調(diào)節(jié)流過該開口的液流。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的筒組件，還包括: 另一筒壁，所述另一筒壁界定了第二孔，所述另一筒壁中具有第二貯存器，所述第二貯存器被定位成用于通過所述閥與第一貯存器流體連通。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的筒組件，還包括: 第二活塞，所述第二活塞靠近第二貯存器位于所述第二孔內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的筒組件，還包括: 膜片，所述膜片靠近第二貯存器封閉所述第二孔的至少一部分。
19.一種地鉆鉆頭,包括: 多個腔，所述多個腔位于地鉆鉆頭工作面中； 可縮回墊，所述可縮回墊聯(lián)接到第一活塞上，第一活塞至少部分地位于所述多個腔的每個腔內(nèi)； 基本上不可壓縮的流體，所述基本上不可壓縮的流體接觸第一活塞并被容納在第一貯存器內(nèi)； 多個孔，所述多個孔與所述多個腔流體連通并接觸基本上不可壓縮的流體； 第二活塞，所述第二活塞至少部分地位于所述多個孔的每個孔內(nèi)；以及 旋轉(zhuǎn)斜盤，所述旋轉(zhuǎn)斜盤操作地連接到每個第二活塞上。
20.一種操作鉆土工具的方法，該方法包括以下步驟: 通過鉆土工具鉆井眼，該鉆土工具具有至少一個可縮回墊，該可縮回墊從鉆土工具的靠近至少一個切削結(jié)構(gòu)的工作面突出； 打開鉆土工具內(nèi)的閥，以使流體從位于所述至少一個可縮回墊下方的第一貯存器中釋放，在鉆土工具處于井眼內(nèi)時減小所述至少一個可縮回墊從鉆土工具工作面的突出量；以及 減小了所述至少一個可縮回墊從鉆土工具工作面的突出量之后，重新開始鉆進(jìn)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括以下步驟:檢測鉆土工具轉(zhuǎn)速的至少一種變化，并響應(yīng)于檢測到的鉆土工具轉(zhuǎn)速的變化而打開閥。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括以下步驟:檢測作用在鉆土工具上的重力的至少一種變化，并響應(yīng)于檢測到的作用在鉆土工具上的重力的變化而打開閥。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，還包括以下步驟:當(dāng)檢測出作用在鉆土工具上的重力的至少一種變化時，保持鉆土工具的轉(zhuǎn)速。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中，保持鉆土工具的轉(zhuǎn)速包括，保持轉(zhuǎn)速基本上為每分鐘零轉(zhuǎn)。
25.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括以下步驟:一打開閥，就將流體從第一貯存器釋放到鉆土工具的鉆井流體通道中。
26.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括以下步驟:一打開閥，就將流體從第一貯存器釋放到第二貯存器中。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，還包括以下步驟:響應(yīng)于流體從第一貯存器的釋放而使第二活塞在鉆土工具內(nèi)運(yùn)動。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法， 還包括以下步驟:響應(yīng)于流體從第一貯存器的釋放而使膜片在鉆土工具內(nèi)彎曲。
29.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括以下步驟: 當(dāng)鉆土工具離開井底定位時，對鉆土工具內(nèi)的流體加壓；打開閥；以及使所述至少一個可縮回墊伸展。
30.一種形成彎曲的井眼的方法，該方法包括:鉆進(jìn)時，使定位在鉆頭工作面內(nèi)的至少一個可縮回墊在井眼第一側(cè)伸展；以及鉆進(jìn)時，使所述至少 一個可縮回墊在井眼第二側(cè)縮回。
【文檔編號】E21B10/62GK103703209SQ201280035241
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月14日
【發(fā)明者】M·奧斯特伯格 申請人:貝克休斯公司