鉆柄上具有負(fù)載傳感器的鉆頭的制作方法
【專利說明】鉆柄上具有負(fù)載傳感器的鉆頭
[0001]優(yōu)先權(quán)聲明
[0002]本申請(qǐng)要求于2013年3月4日申請(qǐng)的、名稱為“Drill Bit With a Load Sensoron the Bit Shank”的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/784，116的申請(qǐng)日的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體上涉及在鉆頭中包括鉆壓和扭矩傳感器的鉆頭以及使用這種鉆頭用于鉆井的設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]使用鉆柱來鉆出油井(井孔)，所述鉆柱包括管狀構(gòu)件，所述管狀構(gòu)件具有鉆進(jìn)組件(也稱作底部鉆具組合或“BHA”)。鉆頭連接到BHA的底部。通過使所述鉆柱旋轉(zhuǎn)或者通過BHA中的電機(jī)來使所述鉆頭旋轉(zhuǎn)以使地層碎裂，從而鉆出井孔。BHA包括用于提供關(guān)于與鉆進(jìn)操作、BHA的行為(也稱作“BHA參數(shù)”)和被鉆進(jìn)的井孔周圍的地層(也稱作“地層參數(shù)”)有關(guān)的多個(gè)參數(shù)的信息的裝置和傳感器。在鉆頭中也安裝傳感器來提供關(guān)于多個(gè)參數(shù)的信息。已經(jīng)提出了在鉆頭中安裝鉆壓和扭矩傳感器。然而，這些傳感器一般安裝成這些傳感器基于施加在鉆頭上的間接力來提供信號(hào)。
[0005]本發(fā)明這里提供了一種鉆頭，其包括負(fù)載傳感器，該負(fù)載傳感器響應(yīng)于施加在這些傳感器上的直接力提供信號(hào)。這里使用的術(shù)語“力”包括鉆頭上的重量、扭矩和壓力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一個(gè)方面中，在一個(gè)實(shí)施方式中披露的鉆頭可以包括:具有切削部的鉆頭本體、連接到切削部的鉆柄以及頸部；與鉆柄表面接觸的感測(cè)元件；以及在感測(cè)元件上的至少一個(gè)傳感器，其中所述至少一個(gè)傳感器響應(yīng)于感測(cè)元件的彎矩和該感測(cè)元件上的鉆壓中的一個(gè)提供信號(hào)。
[0007]在另一個(gè)方面中，在一個(gè)實(shí)施方式中披露了的一種提供鉆頭的方法可以包括:提供鉆頭，所述鉆頭具有鉆頭本體，所述鉆頭本體具有切削部和連接到所述切削部的鉆柄部；在所述鉆柄的外表面上成型一腔體；以及將傳感器組件牢固地放置在所述腔體中，其中所述傳感器組件包括感測(cè)元件和安裝在所述感測(cè)元件上的至少一個(gè)傳感器，所述傳感器提供與用于確定鉆頭上扭矩的所述感測(cè)元件的彎矩相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。
[0008]相當(dāng)概括地總結(jié)了這里所披露的設(shè)備和方法的某些特征的示例以便于可以更好地理解其下面的詳細(xì)描述。當(dāng)然，存在下文中披露的該設(shè)備和方法的另外的特征，這些特征將會(huì)構(gòu)成所附權(quán)利要求的主題。
【附圖說明】
[0009]為了詳細(xì)理解本發(fā)明，結(jié)合附圖參照下面的詳細(xì)描述，其中類似的元件總體上標(biāo)注了類似的數(shù)字，其中:
[0010]圖1是配置成使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式制造的鉆頭的示例性鉆進(jìn)系統(tǒng)的示意圖；
[0011]圖2是結(jié)合有根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式制造的一個(gè)或多個(gè)負(fù)載傳感器的示例性鉆頭的軸測(cè)圖；
[0012]圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的示例性鉆頭的鉆柄中的一個(gè)或多個(gè)預(yù)加載傳感器的布置的軸測(cè)圖；
[0013]圖4示出了連接到根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的鉆頭的鉆柄的負(fù)載傳感器和壓力傳感器；
[0014]圖5示出了用于確定鉆壓和扭矩的布置在電橋上的傳感器，所述電橋可以以不同配置放置在圖4中示出的感測(cè)元件上；以及
[0015]圖6示出了鉆柄上的、配置成提供鉆壓和扭矩測(cè)量結(jié)果的傳感器組件。
【具體實(shí)施方式】
[0016]圖1是可以使用這里所披露的鉆頭以用于鉆進(jìn)井孔的示例性鉆進(jìn)系統(tǒng)100的示意圖。圖1示出了井孔110，其包括上部111和下部114，所述上部111具有安裝其中的套管112，所述下部114正在被鉆柱118鉆進(jìn)。所述鉆柱118包括管狀構(gòu)件116，所述管狀構(gòu)件116在其底端攜帶有底部鉆具組合(BHA) 130。所述管狀構(gòu)件116可以通過將鉆管段連接或者通過連續(xù)油管構(gòu)成。鉆頭150連接到BHA 130的底端以用于將巖層碎裂，以在地層102中鉆出具有選定直徑的井孔110。這里使用的術(shù)語井孔和鉆孔是同義詞。
[0017]示出的鉆柱118被從地表167處的鉆架180輸送到井孔110中。為了便于解釋，圖1中示出的示例性鉆架180是陸上鉆架。這里所披露的設(shè)備和方法還可以與海上鉆架一起使用?？梢允褂眠B接到鉆柱118的轉(zhuǎn)盤169和上驅(qū)動(dòng)器169a來在地表處使鉆柱118旋轉(zhuǎn)以使鉆進(jìn)組件130旋轉(zhuǎn)，從而使鉆頭150旋轉(zhuǎn)以鉆出井孔110。還可以在鉆進(jìn)組件中設(shè)置鉆進(jìn)電機(jī)155(也稱作“井下動(dòng)力鉆具”)以使鉆頭150旋轉(zhuǎn)?？梢允腔谟?jì)算機(jī)的單元的控制單元(或控制器或地表控制器)190可以放置在地表167處以用于接收和處理由鉆頭150中的傳感器和鉆進(jìn)組件130中的其他傳感器傳遞的數(shù)據(jù)并且用于控制鉆進(jìn)組件130中各個(gè)裝置和傳感器的選定的操作。在一個(gè)實(shí)施方式中，地表控制器190可以包括處理器192、用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置(或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì))194以及處理器192可訪問的計(jì)算機(jī)程序196以用于執(zhí)行包含在這些程序中的指令。所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置194可以是任何合適的裝置，包括但不局限于只讀存儲(chǔ)器(R0M)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、閃存、磁帶、硬盤和光盤。為了鉆進(jìn)井孔110，在壓力下將鉆進(jìn)流體179栗送到管狀構(gòu)件116中。所述鉆進(jìn)流體179在鉆頭150的底部排出并且經(jīng)由鉆柱118與井孔110的內(nèi)壁IlOa之間的環(huán)形空間119 (也稱作“環(huán)空”)返回到地表。
[0018]繼續(xù)參見圖1，所述鉆頭150包括用于估測(cè)正如參照?qǐng)D2-4更詳細(xì)描述的鉆頭150的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)或特征的一個(gè)或多個(gè)負(fù)載傳感器160和相關(guān)的電路165。所述鉆進(jìn)組件130還可以包括一個(gè)或多個(gè)井孔傳感器，它們稱作隨鉆測(cè)量(MffD)和隨鉆測(cè)井(LWD)傳感器，它們共同由數(shù)字175表示。所述鉆進(jìn)組件130還包括控制單元(或控制器)170，該控制器170用于處理從鉆頭150與MffD和LWD傳感器175接收到的數(shù)據(jù)。所述控制器170可以包括諸如微處理器之類的處理器172、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置174和程序176，所述處理器使用所述程序來處理井下數(shù)據(jù)并經(jīng)由雙向遙感單元188與地表控制器190傳遞這些數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置174可以是任何合適的存儲(chǔ)裝置，包括但不局限于只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、閃存和磁盤。
[0019]圖2示出了示例性鉆頭150的軸測(cè)圖，該鉆頭150包括傳感器組件240，該傳感器組件240包括至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的負(fù)載傳感器。所述鉆頭150包括鉆頭本體212，該鉆頭本體212包括鉆頭牙輪212a、鉆柄212b和頸部212c。鉆頭牙輪212a包括許多刀片輪廓件(或輪廓件)214a，214b，…，214η。許多切削齒沿著每個(gè)輪廓件放置。例如，示出了輪廓件214a包含切削齒216a-216m。示出的所有輪廓件終止于鉆頭215的底部。每個(gè)切削齒具有切削表面或切削元件，比如切削齒216a的元件216a’，當(dāng)在鉆進(jìn)井孔(比如井孔110(圖1))過程中鉆頭150轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所述切削表面接合巖層。每個(gè)切削齒216a-216m具有后傾角和側(cè)前角，它們共同限定了鉆頭的侵徹性和由這些切削齒形成的切削深度。在一個(gè)方面中，所述傳感器組件240包括一個(gè)或多個(gè)傳感器244，所述傳感器244配置成在井孔鉆進(jìn)過程中提供鉆壓(“W0B”)和鉆頭扭矩(“Τ0Β”)的測(cè)量結(jié)果。諸如壓力傳感器之類的其他傳感器可以包括在所述傳感器組件240中。此外，所述鉆頭150還可以包括用于檢測(cè)振動(dòng)、擺動(dòng)、彎曲、粘滑、渦旋等的傳感器。在一個(gè)方面中，所述負(fù)載傳感器242連接到鉆頭150的鉆柄212c，正如參照?qǐng)D4更詳細(xì)描述的?？梢允褂?