優(yōu)先權(quán)要求

本申請(qǐng)要求于2015年9月24日提交的有關(guān)“drillbitwithself-adjustingpads”的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)14/864,436的申請(qǐng)日利益，所述美國專利申請(qǐng)是于2014年10月16日提交的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)14/516,340的繼續(xù)申請(qǐng)，所述美國專利申請(qǐng)是于2013年4月17日提交的美國非臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/864,926的部分繼續(xù)申請(qǐng)，所述專利申請(qǐng)中的每一個(gè)以引用的方式整體并入本文中。

本公開大體上涉及鉆頭和利用所述鉆頭鉆井筒的系統(tǒng)。

發(fā)明背景

油井(也稱作“井筒”或“井孔”)使用鉆柱鉆孔，所述鉆柱包括具有鉆井組件(也稱作“井底鉆具組件”或“bha”)的管狀構(gòu)件。bha通常包括提供信息的裝置和傳感器，所述信息涉及與鉆井操作(“鉆井參數(shù)”)、bha的特性(“bha參數(shù)”)有關(guān)的多種參數(shù)以及與井筒周圍的地層有關(guān)的參數(shù)(“地層參數(shù)”)。附接至bha的底部端的鉆頭通過旋轉(zhuǎn)鉆柱和/或通過旋轉(zhuǎn)bha中的鉆井馬達(dá)(也稱作“泥漿馬達(dá)”)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以使巖層碎裂從而鉆井筒。大量的井筒是沿波狀外形的軌跡鉆井的。例如，單個(gè)井筒可能包括穿過不同類型的巖層的一個(gè)或多個(gè)垂直區(qū)段、傾斜區(qū)段和水平區(qū)段。當(dāng)鉆井從諸如沙地等軟地層進(jìn)行至諸如頁巖等硬地層或從諸如頁巖等硬地層進(jìn)行至諸如沙地等軟地層時(shí)，鉆井的鉆進(jìn)速度(rop)改變，并且可能會(huì)引起(減少或增加)鉆頭中的過度波動(dòng)或振動(dòng)(側(cè)向或扭轉(zhuǎn))。通常通過控制鉆頭的鉆壓(wob)和旋轉(zhuǎn)速度(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)或“rpm”)以便控制鉆頭波動(dòng)來對(duì)rop進(jìn)行控制。通過控制表面處的起吊載荷對(duì)wob進(jìn)行控制，并且通過控制表面處的鉆柱旋轉(zhuǎn)和/或通過控制bha中的鉆井馬達(dá)速度對(duì)rpm進(jìn)行控制。通過所述方法控制鉆頭波動(dòng)和rop需要鉆井系統(tǒng)或操作人員在表面處采取行動(dòng)。所述表面操作對(duì)鉆頭波動(dòng)的影響并非大致上立即的。鉆頭磨蝕引起針對(duì)給定wob和鉆頭旋轉(zhuǎn)速度的振動(dòng)、回旋和滯塞。鉆頭的“切削深度”(doc)通常被定義成“鉆頭的一次旋轉(zhuǎn)軸向前進(jìn)到地層中的距離”，它是有關(guān)鉆頭磨蝕的影響因素。對(duì)doc進(jìn)行控制可以提供更平滑的井孔，避免切割機(jī)的過早損壞，并延長鉆頭的操作壽命。

本文的公開內(nèi)容提供鉆頭和使用鉆頭的鉆井系統(tǒng)，所述鉆井系統(tǒng)被配置以在鉆井筒期間控制鉆頭的即時(shí)doc的變化速度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)方面中，公開鉆頭，其包括：鉆頭體；與鉆頭體相關(guān)聯(lián)的襯墊；耦接至襯墊的速度控制裝置，所述襯墊以第一速度從鉆頭表面展開并且響應(yīng)于施加到所述襯墊上的外部力以第二速度從展開的位置回縮到回縮位置，所述速度控制裝置包括：用于在襯墊上施加力的活塞，在活塞上施加力從而以第一速度展開襯墊的偏置構(gòu)件，與活塞相關(guān)聯(lián)的流體腔室，以及用于控制流體腔室內(nèi)的流體壓力的壓力管理裝置。

在另一方面中，公開鉆井筒的方法，所述方法包括：提供包括鉆頭體的鉆頭，與所述鉆頭體相關(guān)聯(lián)的襯墊以及速度控制裝置；傳送鉆柱到地層中，所述鉆柱在其末端處具有鉆頭；經(jīng)由速度控制裝置以第一速度選擇性地從鉆頭表面展開襯墊；經(jīng)由速度控制裝置響應(yīng)于施加到襯墊上的外部力以第二速度選擇性地從展開的位置回縮到回縮的位置，所述速度控制裝置包括：用于在襯墊上施加力的活塞，在活塞上施加力從而以第一速度展開襯墊的偏置構(gòu)件，與活塞相關(guān)聯(lián)的流體腔室；以及經(jīng)由壓力管理裝置控制流體腔室內(nèi)的流體壓力；以及使用鉆柱鉆井筒。

在另一方面中，公開用于鉆井筒的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：具有鉆頭的鉆井組件，所述鉆頭包括：鉆頭體；與鉆頭體相關(guān)聯(lián)的襯墊；耦接至襯墊的速度控制裝置，所述襯墊以第一速度從鉆頭表面展開并且響應(yīng)于施加到所述襯墊上的外部力以第二速度從展開的位置回縮到回縮的位置，所述速度控制裝置包括：用于在襯墊上施加力的活塞，在活塞上施加力從而以第一速度展開襯墊的偏置構(gòu)件，與活塞相關(guān)聯(lián)的流體腔室，以及用于控制流體腔室內(nèi)的流體壓力的壓力管理裝置。

在另一方面中，公開鉆頭，所述鉆頭包括：鉆頭體；與鉆頭體相關(guān)聯(lián)的襯墊；耦接至襯墊的速度控制裝置，所述襯墊以第一速度從鉆頭表面展開并且響應(yīng)于施加的外部力以第二速度從展開的位置回縮到回縮的位置，所述速度控制裝置包括：用于在襯墊上施加力的活塞，在活塞上施加力從而以第一速度暴露襯墊的偏置構(gòu)件，以及在活塞上施加力從而以第二速度隱藏襯墊的旋轉(zhuǎn)裝置。

本文所公開的設(shè)備和方法的某些特征的實(shí)例被相當(dāng)寬泛地概述，以使得可以更好地理解其在下面的詳述。當(dāng)然，下文中所公開的設(shè)備和方法的額外特征將構(gòu)成此處所附的權(quán)利要求的主題。

附圖簡述

參考附圖最好地理解本文的公開內(nèi)容，其中相同數(shù)字已大體分配給相同的要素，并且其中：

圖1是包括具有根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案制作的鉆頭的鉆柱的示例性鉆井系統(tǒng)的示意圖；

圖2示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案的具有襯墊和速度控制裝置的示例性鉆頭的部分橫截面視圖，所述速度控制裝置用于控制從鉆頭表面展開和回縮襯墊的速度；

圖3示出經(jīng)由液壓管線操作襯墊的速度控制裝置的可選實(shí)施方案；

圖4示出被配置以操作多個(gè)襯墊的速度控制裝置的實(shí)施方案；

圖5示出圖3的在鉆頭的冠部區(qū)段中的速度控制裝置的布置；

圖6示出鉆頭的流體通道或流徑中的速度控制裝置的布置；

圖7示出鉆頭，其中速度控制裝置和襯墊放置在鉆頭的外表面上；

圖8a示出具有多級(jí)孔口的速度控制裝置的實(shí)施方案；

圖8b示出與圖8a中圖示的速度控制裝置一起使用的多級(jí)孔口的實(shí)施方案；

圖9示出具有高精度間隙的速度控制裝置的實(shí)施方案；

圖10示出被配置以操作多個(gè)襯墊的速度控制裝置的實(shí)施方案；

圖11示出被配置以從鉆頭的中心操作展開的速度控制裝置的實(shí)施方案；

圖12示出具有多重壁腔室的速度控制裝置的實(shí)施方案；

圖13示出具有補(bǔ)償活塞的速度控制裝置的實(shí)施方案；

圖14示出具有旋轉(zhuǎn)裝置的速度控制裝置的實(shí)施方案；并且

圖15示出速度控制裝置的可選實(shí)施方案。

具體實(shí)施方式

圖1是可以利用根據(jù)本文的公開內(nèi)容制作的鉆頭的示例性鉆井系統(tǒng)100的示意圖。圖1示出井筒110，所述井筒110具有其中安裝有殼體112的上部區(qū)段111和使用鉆柱118鉆的下部區(qū)段114。鉆柱118被示出包括管狀構(gòu)件116，所述管狀構(gòu)件116具有附接于其底部端處的bha130。管狀構(gòu)件116可能由連接的鉆管區(qū)段組成，或者其可能是連續(xù)油管。鉆頭150被示出附接至bha130的底部端，以便使巖層119碎裂從而鉆出具有選擇的直徑的井筒110。

鉆柱118被示出在表面167處從鉆機(jī)180傳送到井筒110中。為了便于解釋，示出的示例性鉆機(jī)180是陸上鉆機(jī)。本文所公開的設(shè)備和方法還可以與用于在水下鉆井筒的海上鉆機(jī)一起利用?？梢岳民罱又零@柱118的旋轉(zhuǎn)臺(tái)169或頂部驅(qū)動(dòng)器(未圖示)，以旋轉(zhuǎn)鉆柱118從而旋轉(zhuǎn)bha130，并且因此旋轉(zhuǎn)鉆頭150來鉆井筒110。鉆井馬達(dá)155(也稱作“泥漿馬達(dá)”)可以提供在bha130中以旋轉(zhuǎn)鉆頭150?？梢詥为?dú)使用鉆井馬達(dá)155以旋轉(zhuǎn)鉆頭150，或者疊加鉆柱118對(duì)鉆頭的旋轉(zhuǎn)?？赡苁腔谟?jì)算機(jī)的單元的控制單元(或控制器)190可能放置在表面167處，以接收和處理由鉆頭150中的傳感器和bha130中的傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以及控制bha130中的各種裝置和傳感器的選擇的操作。在一個(gè)實(shí)施方案中，表面控制器190可能包括處理器192；用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、算法的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置(或計(jì)算機(jī)可讀媒體)194以及計(jì)算機(jī)程序196。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置194可能是任何合適的裝置，包括但不限于：只讀存儲(chǔ)器(rom)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)、閃存存儲(chǔ)器、磁帶、硬盤和光盤。在鉆井期間，來自其中的源的鉆井流體179被加壓泵送到管狀構(gòu)件116中。鉆井流體在鉆頭150的底部處排出，并且經(jīng)由鉆柱118與井筒110的內(nèi)壁142之間的環(huán)形空間(也稱作“環(huán)空”)返回至表面。

bha130可能進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)井下傳感器(共同地由數(shù)字175指定)。傳感器175可能包括任何數(shù)量和任何類型的傳感器，包括但不限于：一般稱為隨鉆測量(mwd)傳感器或隨鉆測井(lwd)傳感器的傳感器；以及提供與bha130的特性有關(guān)的信息的傳感器，所述信息諸如鉆頭旋轉(zhuǎn)(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)或“rpm”)、工具面、壓力、振動(dòng)、回旋、彎曲度和滯塞。bha130可能進(jìn)一步包括控制單元(或控制器)170，所述控制單元170控制bha130中的一個(gè)或多個(gè)裝置和傳感器的操作?？刂破?70可能尤其包括：用于處理來自傳感器175的信號(hào)的電路；用于處理數(shù)字信號(hào)的處理器172(諸如微處理器)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置174(諸如固態(tài)存儲(chǔ)器)；以及計(jì)算機(jī)程序176。處理器172可以處理數(shù)字信號(hào)以及控制井下裝置和傳感器，以及經(jīng)由雙向遙測單元188與控制器190傳達(dá)數(shù)據(jù)信息。

仍然參考圖1，鉆頭150包括面區(qū)段(或底部區(qū)段)152。面區(qū)段152或其一部分在鉆井期間面向鉆頭前方的地層或井筒底部。在一個(gè)方面中，鉆頭150包括一個(gè)或多個(gè)襯墊160，所述襯墊160可以從鉆頭150的選擇的表面展開和回縮。襯墊160在本文中也稱作“可延長襯墊”、“可展開襯墊”或“可調(diào)節(jié)襯墊”?？梢岳勉@頭150中的合適致動(dòng)裝置(或致動(dòng)單元)165以在鉆井筒110期間從鉆頭表面展開和回縮一個(gè)或多個(gè)襯墊。在一個(gè)方面中，致動(dòng)裝置165可以控制襯墊160的展開和回縮速度。致動(dòng)裝置也稱作“速度控制裝置”或“速度控制器”。在另一方面中，致動(dòng)裝置是在鉆井期間基于或響應(yīng)于施加至襯墊160的力或壓力自動(dòng)地調(diào)整或自調(diào)整襯墊160的展開和回縮的無源裝置。在某些實(shí)施方案中，致動(dòng)裝置165和襯墊160通過與地層接觸被致動(dòng)。另外，當(dāng)鉆頭150的切割深度快速改變時(shí)，襯墊160上經(jīng)受相當(dāng)大的力。因此，期望的是致動(dòng)機(jī)構(gòu)165來抵抗切割深度的改變。在某些實(shí)施方案中，致動(dòng)機(jī)構(gòu)165將提高給定切割深度處的鉆壓。在其它實(shí)施方案中，致動(dòng)機(jī)構(gòu)165將減小給定鉆壓的切割深度。可以如參考圖2至圖4更加詳細(xì)地描述來預(yù)設(shè)襯墊的展開和回縮速度。

圖2示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案制作的示例性鉆頭200。在示例性實(shí)施方案中，鉆頭200是具有鉆頭體201的聚晶金剛石復(fù)合片(pdc)鉆頭，所述鉆頭體201包括頸部或頸部區(qū)段210、柄220和冠部或冠部區(qū)段230。在其它實(shí)施方案中，鉆頭200是在地層中使用的任何合適的鉆頭或地層移除裝置。在其它實(shí)施方案中，鉆頭200是任何合適的井下旋轉(zhuǎn)工具。頸部210具有錐形上部端212，所述錐形上部端212上具有用于將鉆頭200連接至鉆井組件130(圖1)的箱形端的螺紋212a。柄220具有在接頭224處固定地連接至冠部230的下部垂直或筆直區(qū)段222。冠部230包括在鉆井期間面向地層的面或面區(qū)段232。冠部230包括若干葉片，諸如葉片234a、234b等。典型的pdc鉆頭包括3至7個(gè)葉片。每一葉片具有面(也稱作“面區(qū)段”)和邊(也稱作“邊區(qū)段”)。例如，葉片234a具有面232a和邊236a，而葉片234b具有面232b和邊236b。邊236a和236b沿鉆頭200的縱向軸線或垂直軸線202延伸。每一葉片進(jìn)一步包括若干切割機(jī)。在圖2的特定實(shí)施方案中，示出葉片234a包括位于邊236a的一部分上的切割機(jī)238a和沿面232a的切割機(jī)238b，同時(shí)示出葉片234b包括邊239a上的切割機(jī)239a和面232b上的切割機(jī)239b。

仍然參考圖2，鉆頭200包括從鉆頭200的表面252展開和回縮的一個(gè)或多個(gè)元件或構(gòu)件(本文中也稱作襯墊)。圖2示出可移動(dòng)地放置在冠部區(qū)段230中的空腔或凹部254中的襯墊250。激活裝置260可能耦接至襯墊250，以從鉆頭表面位置252展開和回縮襯墊250。在一個(gè)方面中，激活裝置260控制襯墊250的展開和回縮速度。在另一方面中，裝置260以第一速度展開襯墊并且以第二速度回縮襯墊。在實(shí)施方案中，第一速度和第二速度可能是相同速度或不同速度。在另一方面中，襯墊250的展開速度可能高于回縮速度。如上面所指出，裝置260在本文中也被稱作“速度控制裝置”或“速度控制器”。在裝置260的特定實(shí)施方案中，襯墊250經(jīng)由機(jī)械連接或連接構(gòu)件256直接耦接至裝置260。在一個(gè)方面中，裝置260包括封裝諸如活塞280等雙動(dòng)式往復(fù)構(gòu)件的腔室270，所述雙動(dòng)式往復(fù)構(gòu)件密封地將腔室270劃分成第一腔室272和第二腔室或貯存器274。兩個(gè)腔室272和274填充有諸如油等適合于井下使用的液壓流體278。第一腔室272中諸如彈簧284等偏置構(gòu)件在活塞280上施加選擇的力，以引起其向外移動(dòng)。因?yàn)榛钊?80連接至襯墊250，所以將活塞向外移動(dòng)引起襯墊250從鉆頭200的表面252展開。在一個(gè)方面中，腔室272和274經(jīng)由第一流體流路徑或流管線282以及第二流體流路徑或流管線286彼此流體連通?？梢岳梅胖迷诹黧w流管線282中的諸如止回閥285等流控制裝置，以控制流體從腔室274至腔室272的流動(dòng)速度。類似地，可以利用放置在流體流管線286中的諸如止回閥287等另一流控制裝置，以控制流體278從腔室272至腔室274的流動(dòng)速度。流控制裝置285和287可以在表面處進(jìn)行配置，以分別設(shè)置流動(dòng)通過流體流管線282和286的速度。在另一方面中，可以借助于有源裝置設(shè)置或動(dòng)態(tài)地調(diào)整速度，諸如通過借助于以有源方式控制的閥來控制腔室之間的流體流。在某些實(shí)施方案中，通過調(diào)整流體性質(zhì)來有源地控制流體流，做法是使用電流變或磁流變流體和控制器。在其它實(shí)施方案中，壓電式電子裝置被利用以控制流體流。在一個(gè)方面中，一個(gè)或兩個(gè)流控制裝置285和287可能包括諸如彈簧等可變控制偏置裝置，以提供從一個(gè)腔室到另一個(gè)腔室的恒定流速度。腔室272與274之間的恒定流體流速度交換為活塞280的擴(kuò)展提供第一恒定速度，并且為活塞280的回縮提供第二恒定速度，并且因此為襯墊250的展開和回縮提供對(duì)應(yīng)恒定速度。流控制管線282和286的大小以及其對(duì)應(yīng)偏置裝置285和287的設(shè)置分別定義通過管線282和286的流速度，并且因此定義襯墊250的對(duì)應(yīng)展開和回縮速度。在一個(gè)方面中，流體流管線282及其對(duì)應(yīng)流控制裝置285可以被設(shè)置，以使得當(dāng)鉆頭250不使用時(shí)，即襯墊250上未施加外部力時(shí)，偏置構(gòu)件280將使襯墊250展開至最大展開位置。在一個(gè)方面中，流控制管線282可以被配置，以使得偏置構(gòu)件280相對(duì)快速或突然地展開襯墊250。當(dāng)鉆頭在操作中時(shí)，諸如在鉆井筒期間，施加至鉆頭的鉆壓在襯墊250上施加外部力。該外部力引起襯墊250在活塞280上并且因此在偏置構(gòu)件284上施加力或壓力。

在一個(gè)方面中，流體流管線286可以被配置，以允許流體從腔室272到腔室或貯存器274中的相對(duì)緩慢的流速度，由此引起襯墊相對(duì)緩慢地回縮。舉例來說，襯墊250的展開速度可以被設(shè)置，以使得襯墊250在幾秒鐘內(nèi)從完全回縮的位置展開至完全展開的位置，而在一或幾分鐘或更長的時(shí)間內(nèi)(諸如在2分鐘至5分鐘之間)從完全展開的位置回縮至完全回縮的位置。應(yīng)指出的是，可以為襯墊250的展開和回縮設(shè)置任何合適的速度。在一個(gè)方面中，裝置260是基于或響應(yīng)于施加在襯墊250上的力或壓力調(diào)整襯墊的展開和回縮的無源裝置。在示例性實(shí)施方案中，襯墊250是耐磨損元件，諸如切割機(jī)、卵形體、滾動(dòng)接觸的元件或降低與地球地層的摩擦的其它元件。在某些實(shí)施方案中，襯墊250直接在前方，并且在與切割機(jī)239a、238b相同的切割槽中。在示例性實(shí)施方案中，裝置260被定向成逆旋轉(zhuǎn)方向傾斜，以將活塞280所經(jīng)受的摩擦力的切向分量降至最低。在某些實(shí)施方案中，裝置260定位在由鉆頭體201支撐的葉片234a、234b等的內(nèi)側(cè)，在靠近鉆頭200的面232a處具有壓配合，且在靠近側(cè)面部分234a、234b的頂端處具有螺紋蓋或固定器或扣環(huán)。

圖3示出可選速度控制裝置300。裝置300包括被雙動(dòng)式活塞380劃分成第一腔室372和第二腔室或貯存器374的流體腔室370。腔室372和374填充有液壓流體378。第一流體流管線382和相關(guān)聯(lián)的流控制裝置385允許流體378以第一流速度從腔室374流動(dòng)至腔室372，并且流體流管線386和相關(guān)聯(lián)的流控制裝置387允許流體378以第二速度從腔室372流動(dòng)至腔室374。活塞380連接至力傳遞裝置390，所述力傳遞裝置390包括腔室394中的活塞392。腔室394包含與襯墊350流體連通的液壓流體395。在一個(gè)方面中，襯墊350可以放置在腔室352中，所述腔室與腔室394中的流體395流體連通。當(dāng)偏置裝置384將活塞380向外移動(dòng)時(shí)，其將活塞392向外移動(dòng)，并且移動(dòng)到腔室394中?；钊?92將流體395從腔室394排出到腔室352中，這樣展開襯墊350。當(dāng)在襯墊350上施加力時(shí)，其將腔室352中的流體擠壓到腔室394中，這樣在活塞380上施加力。借助于通過流體流管線386和流控制裝置387的流體的流量來控制活塞380的移動(dòng)速度。在圖3中示出的特定構(gòu)造中，速度控制裝置300并非直接連接至襯墊350，這使得裝置300能夠與襯墊350隔離，并且允許其定位在鉆頭中的任何所需的位置處，如參考圖5至圖6所描述。在另一方面中，襯墊350可能直接連接至切割機(jī)399，或者襯墊350的末端可能被制作成切割機(jī)。在該構(gòu)造中，切割機(jī)399既充當(dāng)切割機(jī)也充當(dāng)可展開且可回縮襯墊。

圖4示出被配置以操作諸如襯墊350a、350b…350n等一個(gè)以上襯墊的常見速度控制裝置400。速度控制裝置400與圖2中所示出和描述的相同，不同之處在于所述速度控制裝置400被示出經(jīng)由中間裝置390施加力到襯墊350a、350b…350n上，如參考圖3所示出和描述。在圖4的實(shí)施方案中，襯墊350a、350b…350n中的每一個(gè)分別封裝在單獨(dú)腔室352a、352b…352n中。來自腔室394的流體395被供應(yīng)至所有腔室，由此基于鉆井期間施加至每一所述襯墊的外部力自動(dòng)地且同時(shí)地展開和回縮襯墊350a、350b…350n中的每一個(gè)。在數(shù)個(gè)方面中，速度控制裝置400可能包括在井下使用的合適的壓力補(bǔ)償器499。類似地，根據(jù)實(shí)施方案中的任何一個(gè)制作的速度控制器中的任何一個(gè)可以采用合適的壓力補(bǔ)償器。

圖5示出鉆頭500的等距視圖，其中速度控制裝置560放置在鉆頭500的冠部區(qū)段530中。速度控制裝置560與圖2中所示出的相同，但是經(jīng)由液壓連接540和流體管線542耦接至襯墊550。速度控制裝置560被示出放置在從冠部區(qū)段530的外表面582可進(jìn)入的凹口580中。襯墊550被示出放置在鉆頭面532上的面位置區(qū)段552處，而液壓連接540被示出放置在襯墊550與速度控制裝置560之間的冠部530中。應(yīng)指出的是，速度控制裝置560可以放置在鉆頭中的任何所需的位置處，包括放置在柄520和頸部區(qū)段510中，并且液壓管線542可以任何所需的方式從速度控制裝置560路由到襯墊550。此種構(gòu)造為將速度控制裝置放置在鉆頭中的大致任何位置處提供靈活性。

圖6示出鉆頭600的等距視圖，其中速度控制裝置660放置在鉆頭600的流體通道625中。在圖6的特定鉆頭構(gòu)造中，液壓連接640被放置成接近速度控制裝置660。液壓管線670從液壓連接640經(jīng)過柄620和鉆頭600的冠部630延伸至襯墊650。在鉆井期間，鉆井流體流動(dòng)通過通道625。為了使得鉆井流體能夠自由流動(dòng)通過通道625，速度控制裝置660可能設(shè)有貫通孔徑或通道655，且液壓連接裝置640可能設(shè)有流通道645。

圖7示出鉆頭700，其中成一體的襯墊和速度控制裝置750放置在鉆頭700的外表面上。在一個(gè)方面中，裝置750包括連接至襯墊755的速度控制裝置760。在一個(gè)方面中，裝置750是可以附接至鉆頭700的任何外表面的密封單元。速度控制裝置760可能與本文中參考圖2至圖6所描述的速度控制裝置相同或不同。在圖7的特定實(shí)施方案中，襯墊被示出連接至鉆頭700的葉片720的邊720a。裝置750可能附接在或放置在鉆頭700中的任何其它合適的位置處?？蛇x地或除此以外，裝置750可以集成到葉片中，以使得襯墊將從鉆頭朝向所需的方向展開。

圖8a示出成一體的速度控制裝置800。在示例性實(shí)施方案中，速度控制裝置800是將設(shè)置在鉆頭的葉片內(nèi)側(cè)的獨(dú)立自含式圓筒，諸如先前所描述的鉆頭。在該實(shí)施方案中，速度控制功能性通過諸如多級(jí)孔口899等壓力管理裝置實(shí)現(xiàn)。圖8b示出具有多個(gè)孔口898的多級(jí)孔口899，所述多個(gè)孔口898在上部腔室872與下部腔室874之間提供用于流體878的彎曲路徑。在示例性實(shí)施方案中，上部腔室872經(jīng)受比下部腔室874更高的壓力。在某些實(shí)施方案中，下部腔室874接近井下壓力。因此，在示例性實(shí)施方案中，多級(jí)孔口899通過控制其中的流體878的流量來連同偏置構(gòu)件884控制速度控制裝置800內(nèi)的移動(dòng)和壓力。因此，通過調(diào)整孔口899的性質(zhì)有效地控制襯墊850的速度。在某些實(shí)施方案中，下部腔室874是壓力補(bǔ)償式的。在示例性實(shí)施方案中，使用井下壓力對(duì)下部腔室874進(jìn)行壓力補(bǔ)償，以將跨鉆頭面處的泥-油密封875的壓差降至最低。

圖9示出成一體的速度控制裝置900。在示例性實(shí)施方案中，速度控制裝置900是將設(shè)置在鉆頭的葉片內(nèi)側(cè)的獨(dú)立自含式圓筒，諸如先前所描述的鉆頭。在該實(shí)施方案中，速度控制功能性通過諸如活塞980與液缸994之間的高精度間隙999等壓力管理裝置實(shí)現(xiàn)。高精度間隙999允許預(yù)確定量的流體978以給定的壓差在上部腔室972與下部腔室974之間傳遞，從而有效地控制活塞980的移動(dòng)速度。在某些實(shí)施方案中，高精度間隙999還充當(dāng)兩個(gè)腔室972、974之間的高壓力密封。在某些實(shí)施方案中，腔室972、974分別包含高壓流體和低壓流體。在示例性實(shí)施方案中，使用井下壓力對(duì)下部腔室974(低壓腔室)進(jìn)行壓力補(bǔ)償，以將跨鉆頭面處的泥-油密封(未圖示)的壓差降至最低。在示例性實(shí)施方案中，壓力補(bǔ)償利用與井下地層壓力連通的風(fēng)箱實(shí)現(xiàn)。

圖10示出鉆頭1000，其具有定位在鉆頭1000的鉆頭柄1091中的速度控制器1090。在示例性實(shí)施方案中，速度控制裝置1090經(jīng)由液壓通道1092液壓連接至多個(gè)活塞1080，所述液壓通道1092允許流體1078通過以充當(dāng)鏈接1056a。有利地，速度控制裝置1090的中心位置允許大空間用于速度控制裝置1090，同時(shí)允許利用多個(gè)活塞1080并且在鉆頭操作期間分?jǐn)傒d荷。在某些實(shí)施方案中，利用跨鉆頭1000的壓降以產(chǎn)生向下的力。在這些實(shí)施方案中，低壓腔室1074被補(bǔ)償以具有與鉆頭內(nèi)側(cè)的鉆井流體壓力相同的壓力，同時(shí)補(bǔ)償?shù)幕钊?080的頂部桿或腔室1072暴露于鉆頭1000內(nèi)側(cè)的壓力從而引起凈向下的力。在某些實(shí)施方案中，輔助鏈接1056b液壓地或機(jī)械地鏈接至襯墊1050。

圖11示出鉆頭1100，其具有定位在鉆頭1100中的中心處的速度控制器1190。在示例性實(shí)施方案中，速度控制裝置1190定位在中心處，并且機(jī)械地或液壓地連接至多個(gè)襯墊1150。有利地，這允許減小速度控制器1190內(nèi)側(cè)的峰值壓力，并且還因?yàn)橐r墊1150如圖4中所示在中心處致動(dòng)而減少部件的數(shù)量。

圖12示出利用三重壁液缸1298的速度控制裝置1200，壁1298a、1298b、1298c之間具有環(huán)形間隙1299。在示例性實(shí)施方案中，環(huán)形間隙1299是壓力管理裝置，諸如用于限制流體1278的流動(dòng)以控制活塞1280的移動(dòng)的高精度間隙。在示例性實(shí)施方案中，流體流1278移動(dòng)通過端口1299a和1299b，以與活塞1280的兩側(cè)對(duì)接。在某些實(shí)施方案中，端口1299a和1299b具有止回閥以限制流體流1278。在操作期間，流體1278被間隙1299限制以控制流體1278的流動(dòng)，從而產(chǎn)生活塞1280的受控的移動(dòng)。在某些實(shí)施方案中，利用壓力補(bǔ)償器1297以將下部腔室1274的壓力補(bǔ)償為井下流體壓力。

圖13示出具有補(bǔ)償?shù)幕钊?380的速度控制裝置1300。在示例性實(shí)施方案中，具有大致等同桿大小的雙動(dòng)式活塞1380暴露于上部腔室1372和下部腔室1374二者。在示例性實(shí)施方案中，活塞1380的兩端暴露于井底壓力，以使得由于鉆井流體壓力的活塞1380上的凈力接近零。在某些實(shí)施方案中，液壓蓄能器1399可能與補(bǔ)償?shù)幕钊?380一起使用，以適應(yīng)隨溫度、夾帶空氣和泄漏而改變的流體體積。在某些實(shí)施方案中，利用偏置構(gòu)件1378以提供向下的力。有利地，兩個(gè)腔室1372、1374被補(bǔ)償以將速度控制裝置1300與井筒之間的壓差降至最低。

圖14示出速度控制裝置1400，所述速度控制裝置1400當(dāng)被設(shè)置在鉆頭(示意性地圖示成1401)內(nèi)時(shí)利用泥-油接口處的旋轉(zhuǎn)密封1496。在示例性實(shí)施方案中，凸輪1492定位在鉆頭1401的外側(cè)，并且旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)由軸1491利用旋轉(zhuǎn)密封1496傳輸?shù)姐@頭體中。使用第二凸輪1493和附接至活塞1480的隨動(dòng)裝置1494將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成鉆頭體內(nèi)側(cè)的平移運(yùn)動(dòng)。在某些實(shí)施方案中，諸如當(dāng)需要低深度的切割時(shí)，第一凸輪1492暴露所附接的自適應(yīng)元件1450。因?yàn)榈谝煌馆?492經(jīng)受外部載荷，所以所述載荷旋轉(zhuǎn)第一凸輪1492，并且又旋轉(zhuǎn)第二凸輪1493，這又引起活塞1480的向內(nèi)運(yùn)動(dòng)(隱藏)。當(dāng)釋放外部載荷時(shí)，活塞1480由于彈簧1484力而擴(kuò)展，并且又旋轉(zhuǎn)凸輪1492、1493并暴露自適應(yīng)元件1450。因此，接觸元件1450以受凸輪1492、1493剖面和偏置構(gòu)件1484特征控制的不同速度展開(暴露)和回縮(隱藏)。

圖15示出利用固定壓力管理裝置1599的速度控制裝置1500。在示例性實(shí)施方案中，壓力管理裝置1599相對(duì)于移動(dòng)的活塞1580是靜止的。在示例性實(shí)施方案中，井下流體壓力1575施加在分離器1597上，以補(bǔ)償貯存器1574的壓力。流體1587可以經(jīng)由壓力管理裝置1599在流體腔室1572與貯存器1574之間流動(dòng)。在一個(gè)方面中，腔室1572和貯存器1574經(jīng)由第一流體流路徑或流管線1582以及第二流體流路徑或流管線1586彼此流體連通?？梢岳梅胖迷诹黧w流管線1582中的諸如止回閥1585等流控制裝置，以控制流體從貯存器1574至腔室1572的流動(dòng)速度。類似地，可以利用放置在流體流管線1586中的諸如止回閥1587等另一流控制裝置，以控制流體1578從腔室1572至貯存器1574的流動(dòng)速度。流控制裝置1585和1587可以在表面處進(jìn)行配置，以分別設(shè)置流動(dòng)通過流體流管線1582和1586的速度。在某些實(shí)施方案中，從井下流體1575施加的壓力將活塞1580向下偏置。

因此在一個(gè)方面中，公開鉆頭，其包括：鉆頭體；與鉆頭體相關(guān)聯(lián)的襯墊；耦接至襯墊的速度控制裝置，所述襯墊以第一速度從鉆頭表面展開并且響應(yīng)于施加到所述襯墊上的外部力以第二速度從展開的位置回縮到回縮的位置，所述速度控制裝置包括：用于在襯墊上施加力的活塞，在活塞上施加力從而以第一速度展開襯墊的偏置構(gòu)件，與活塞相關(guān)聯(lián)的流體腔室，以及用于控制流體腔室內(nèi)的流體壓力的壓力管理裝置。在某些實(shí)施方案中，第二速度小于第一速度。在某些實(shí)施方案中，流體腔室被活塞劃分成第一流體腔室和第二流體腔室。在某些實(shí)施方案中，壓力管理裝置是多級(jí)孔口。在某些實(shí)施方案中，壓力管理裝置是設(shè)置在活塞與流體腔室之間的高精度間隙。在某些實(shí)施方案中，流體腔室是具有第一壁、第二壁和第三壁的三重壁液缸，并且所述第一壁、第二壁和第三壁中的至少一個(gè)包括高精度間隙。在某些實(shí)施方案中，活塞是雙動(dòng)式活塞，其中作用在活塞的第一側(cè)上的流體至少部分控制第一速度，且作用在活塞的第二側(cè)上的流體至少部分控制第二速度，且壓力管理裝置包括具有第一端和第二端二者的至少一個(gè)桿，所述兩端均暴露于井底壓力。在某些實(shí)施方案中，速度控制裝置包括與活塞的第一側(cè)和活塞的第二側(cè)相關(guān)聯(lián)的蓄能器。在某些實(shí)施方案中，活塞是多個(gè)液壓聯(lián)動(dòng)的活塞。在某些實(shí)施方案中，襯墊是從速度控制裝置展開的多個(gè)襯墊，其中所述速度控制裝置設(shè)置在中心處。在某些實(shí)施方案中，速度控制裝置被定向成逆鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向傾斜。在某些實(shí)施方案中，速度控制裝置是自含式圓筒。在某些實(shí)施方案中，自含式圓筒經(jīng)由壓配合或固定器與鉆頭相關(guān)聯(lián)。

在另一方面中，公開鉆井筒的方法，所述方法包括：提供包括鉆頭體的鉆頭，與所述鉆頭體相關(guān)聯(lián)的襯墊以及速度控制裝置；傳送鉆柱到地層中，所述鉆柱在其末端處具有鉆頭；經(jīng)由速度控制裝置以第一速度選擇性地從鉆頭表面展開襯墊；經(jīng)由速度控制裝置響應(yīng)于施加到襯墊上的外部力以第二速度選擇性地從展開的位置回縮到回縮的位置，所述速度控制裝置包括：用于在襯墊上施加力的活塞，在活塞上施加力從而以第一速度展開襯墊的偏置構(gòu)件，與活塞相關(guān)聯(lián)的流體腔室；以及經(jīng)由壓力管理裝置控制流體腔室內(nèi)的流體壓力；以及使用鉆柱鉆井筒。在某些實(shí)施方案中，第二速度小于第一速度。在某些實(shí)施方案中，流體腔室被活塞劃分成第一流體腔室和第二流體腔室。在某些實(shí)施方案中，壓力管理裝置是多級(jí)孔口。在某些實(shí)施方案中，壓力管理裝置是設(shè)置在活塞與流體腔室之間的高精度間隙。在某些實(shí)施方案中，流體腔室是具有第一壁、第二壁和第三壁的三重壁液缸，并且所述第一壁、第二壁和第三壁中的至少一個(gè)包括高精度間隙。在某些實(shí)施方案中，活塞是雙動(dòng)式活塞，其中作用在活塞的第一側(cè)上的流體至少部分控制第一速度，且作用在活塞的第二側(cè)上的流體至少部分控制第二速度，且壓力管理裝置包括具有第一端和第二端二者的至少一個(gè)桿，所述兩端均暴露于井底壓力。在某些實(shí)施方案中，速度控制裝置進(jìn)一步包括與活塞的第一側(cè)和活塞的第二側(cè)相關(guān)聯(lián)的蓄能器。在某些實(shí)施方案中，活塞是多個(gè)液壓聯(lián)動(dòng)的活塞。在某些實(shí)施方案中，襯墊是從速度控制裝置展開的多個(gè)襯墊，其中所述速度控制裝置設(shè)置在中心處。

在另一方面中，公開用于鉆井筒的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：具有鉆頭的鉆井組件，所述鉆頭包括：鉆頭體；與鉆頭體相關(guān)聯(lián)的襯墊；耦接至襯墊的速度控制裝置，所述襯墊以第一速度從鉆頭表面展開并且響應(yīng)于施加到所述襯墊上的外部力以第二速度從展開的位置回縮到回縮的位置，所述速度控制裝置包括：用于在襯墊上施加力的活塞，在活塞上施加力從而以第一速度展開襯墊的偏置構(gòu)件，與活塞相關(guān)聯(lián)的流體腔室，以及用于控制流體腔室內(nèi)的流體壓力的壓力管理裝置。在某些實(shí)施方案中，第二速度小于第一速度。在某些實(shí)施方案中，流體腔室被活塞劃分成第一流體腔室和第二流體腔室。在某些實(shí)施方案中，壓力管理裝置是多級(jí)孔口。在某些實(shí)施方案中，壓力管理裝置是設(shè)置在活塞與流體腔室之間的高精度間隙。

在另一方面中，公開鉆頭，所述鉆頭包括：鉆頭體；與鉆頭體相關(guān)聯(lián)的襯墊；耦接至襯墊的速度控制裝置，所述襯墊以第一速度從鉆頭表面展開并且響應(yīng)于施加的外部力以第二速度從展開的位置回縮到回縮的位置，所述速度控制裝置包括：用于在襯墊上施加力的活塞，在活塞上施加力從而以第一速度暴露襯墊的偏置構(gòu)件，以及在活塞上施加力從而以第二速度隱藏襯墊的旋轉(zhuǎn)裝置。在某些實(shí)施方案中，第二速度小于第一速度。

為了便于解釋，前述公開內(nèi)容涉及某些具體實(shí)施方案。然而，對(duì)所述實(shí)施方案的各種變更和修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是明顯的。在所附權(quán)利要求的范圍和精神內(nèi)的所有所述變更旨在被本文的公開內(nèi)容所涵蓋。