带有用于控制扭转波动的液压可调轴向垫的钻头

申请号 CN201380039524.5 申请日 2013-06-06 公开(公告)号 CN104508230A 公开(公告)日 2015-04-08
申请人 贝克休斯公司; 发明人 T·施韦费; C·J·博伊尔豪森;
摘要 在一个方面,公开了一种 钻头 ,在一个构造中,所述钻头包括:在钻头上的表面上的构造成穿入 地层 中的一个或多个刀具;在所述表面上的至少一个垫;构造成向该垫供给压 力 下的 流体 以使该垫从该表面伸出的致动装置;和构造成在施加于所述至少一个垫的力超过 选定 极限值时排放供给到垫的流体以减少所述至少一个垫上的压力的释放装置。
权利要求

1.一种钻头,包括:
表面,所述表面包括在该表面上的一个或多个构造成穿入地层中的刀具;
在所述表面上的至少一个垫;
致动单元,所述致动单元构造成将压下的流体供给到所述至少一个垫以使所述至少一个垫从该表面伸出;和
释放装置,所述释放装置构造成在施加于所述至少一个垫的力超过一选定极限值时传送供给到所述至少一个垫的流体以减少所述至少一个垫上的压力。
2.如权利要求1所述的钻头,其中,所述至少一个垫包括多个可伸出的垫,并且其中,所述致动单元使每个可伸出的垫伸出大体上相同的伸出量。
3.如权利要求1所述的钻头,其中,所述至少一个垫设置在钻头中的空腔中。
4.如权利要求2所述的钻头,还包括联接到所述至少一个可伸出的垫的偏压部件,所述偏压部件在施加于垫的力减小时使所述至少一个垫缩回。
5.如权利要求1所述的钻头,还包括构造成供给压力下的流体以使所述至少一个垫伸出至选定位置的流体通道。
6.如权利要求1所述的钻头,其中,致动单元包括动力单元和控制器中的至少一个,所述动力单元将压力下的流体供给到所述至少一个垫,所述控制器控制流体的供给。
7.如权利要求1所述的钻头,还包括位于致动装置和所述至少一个垫之间的带液压释放部的止回,所述止回阀用于控制流体向所述至少一个垫的供给。
8.如权利要求1所述的钻头,其中,所述流体通道位于下列位置中的一个位置处:钻头中的主流体通道的外部;和至少部分地位于钻头中的主流体通道的内部。
9.一种钻井眼的方法,包括:
将附接于底部钻具组合的钻头输送到井眼中,所述钻头包括:在钻头的表面上的至少一个垫;致动装置,所述致动装置构造成将压力下的流体供给到所述至少一个垫以对所述至少一个垫施加力从而使所述至少一个垫从所述表面伸出;和释放装置,所述释放装置构造成在施加于所述至少一个垫的力超过一选定极限值时传送供给到所述至少一个垫的流体以减少所述垫上的压力;和
用底部钻具组合钻所述井眼;和
在钻所述井眼期间,使所述至少一个垫从钻头的表面伸出,以控制钻头在钻所述井眼期间的波动
10.如权利要求9所述的方法,其中,所述至少一个垫包括多个垫,并且其中,所述方法还包括:使每个垫伸出大体上相同的伸出量。
11.如权利要求9所述的方法,还包括:使一偏压部件联接到所述至少一个垫,以在所施加的力减小时使所述至少一个垫缩回。
12.如权利要求9所述的方法,其中,施加力包括使用致动装置,所述致动装置包括动力单元和控制器中的至少一个,所述动力单元将压力下的流体供给到所述至少一个垫,所述控制单元控制流体向所述至少一个垫的供给。
13.如权利要求9所述的方法,还包括:响应于与井眼的钻进有关的选定参数,控制所施加的力。
14.如权利要求13所述的方法,其中,所述选定参数选自下列参数构成的组:(i)振动;
(ii)粘滑运动;(iii)钻压;(iv)钻头的钻进速度;(v)弯曲力矩;(vi)轴向加速度;(vii)径向加速度;和(viii)钻头波动。
15.如权利要求9所述的方法,还包括:当钻进从软地层过渡到硬地层时或从硬地层过渡到软地层时,使所述至少一个垫伸出。
16.一种在钻井眼时使用的设备,包括:
附接于底部钻具组合的底端的钻头,所述钻头具有:表面,所述表面包括一个或多个刀具和至少一个垫;和致动单元,所述致动单元构造成将压力下的流体供给到所述至少一个垫以对所述至少一个垫施加力从而使所述至少一个垫从所述表面伸出;和释放装置,所述释放装置构造成在施加于所述至少一个垫的力超过一选定极限值时传送供给到所述至少一个垫的流体以减少所述至少一个垫上的压力。
17.如权利要求16所述的设备,还包括控制器,所述控制器构造成控制所述致动装置,以控制垫的选定伸出量,从而控制钻头在钻进井眼期间的波动。
18.如权利要求17所述的设备,其中,所述控制器还构造成响应于选自下列参数构成的组中的参数控制致动装置:(i)振动;(ii)粘滑运动;(iii)钻压;(iv)钻头的钻进速度;
(v)弯曲力矩;(vi)轴向加速度;(vii)径向加速度;和(viii)钻头波动。
19.如权利要求16所述的设备,其中,致动装置包括动力单元,所述动力单元供给压力下的流体以使所述至少一个垫伸出。
20.如权利要求16所述的设备,还包括传感器,所述传感器提供与由致动装置施加在所述至少一个垫上的力相关的信号
21.如权利要求16所述的设备,其中,所述至少一个垫包括多个垫,并且其中,所述致动装置向所述多个垫中的每个垫施加大体上相同的力。

说明书全文

带有用于控制扭转波动的液压可调轴向垫的钻头

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请是2008年10月9日提交的序列No.12/248,801的部分继续美国申请,其是2008年9月25日提交的美国专利申请序列No.12/237,569的部分继续申请,该美国专利申请序列No.12/237,569被公告为美国专利No.7,971,662,每个专利的全部内容都被包含在此。
[0003] 背景信息

技术领域

[0004] 本公开内容概括来说涉及钻头以及利用所述钻头钻进井眼的系统。

背景技术

[0005] 油井(也被称作“井眼”或“钻孔”)利用钻柱钻进,所述钻柱包括具有钻进组件(也被称作“底部钻具组合”或“BHA”)的管状部件。BHA典型包括提供关于与钻进作业有关的各种参数(“钻进参数”)、BHA性能(“BHA参数”)以及与井眼周围的地层有关的参数(“地层参数”)的信息的装置和传感器。钻头附接于BHA的底端。通过旋转钻柱和/或通过BHA中的钻进达(也被称作“泥浆马达”)使钻头旋转,以便破碎岩层从而钻进井眼。很多井眼都是沿着起伏状轨迹钻进。例如,单个井眼可以包括穿过不同类型的岩层的一个或多个竖直区段、偏斜区段和平区段。当从诸如砂的软地层向诸如页岩的硬地层进行钻进或反之时,钻头的钻进速度(ROP)发生变化,并可能导致(减小或增大)钻头中过大的波动或振动(侧向或扭转)。通常通过控制钻头的钻压(WOB)和转速(每分钟转数或“RPM”)来控制ROP,以便控制钻头波动。通过控制地面上的起吊载荷来控制WOB,并通过控制地面上的钻柱旋转和/或通过控制BHA中的钻进马达速度来控制RPM。利用这些方法控制钻头波动和ROP需要钻进系统或操作者在地面上的采取动作。这样的地面动作对钻头波动的影响明显不是即刻的。根据井眼深度,其在一时间段后才出现。
[0006] 所以,需要提供一种改进的钻头和用于使用这种钻头的系统,以便在钻进井眼期间控制钻头波动和钻头的ROP。发明内容
[0007] 在一个方面,公开了一种钻头,在一个构造中,所述钻头包括:在钻头上的表面上的一个或多个刀具,所述刀具构造成穿入地层中;在所述表面上的至少一个垫;构造成向该垫供给压下的流体以使该垫从该表面伸出的致动装置;和构造成在施加于所述至少一个垫的力超过选定极限值时排放供给到垫的流体以减少所述至少一个垫上的压力的释放装置。
[0008] 在另一个方面,公开了一种制造钻头的方法,所述方法可以包括:在钻头的表面上提供刀具和至少一个垫,其中,所述至少一个垫构造成从一选定位置伸出以及从伸出位置缩回,以在钻进井眼期间控制钻头的波动;和提供释放装置,所述释放装置构造成在施加于所述至少一个垫的力超过一选定极限值时排放供给到所述至少一个垫的流体。
[0009] 在另一个方面,提供了一种钻进井眼的方法,所述方法可以包括:(i)将附接于底部钻具组合的钻头输送到井眼中,所述钻头包括:在钻头的表面上的垫;构造成向该垫供给压力下的流体以对该垫施加力从而使垫从所述表面伸出的致动单元;和构造成在施加于所述垫的力超过一选定极限值时传送供给到垫的流体以减少所述垫上的压力的释放装置;(ii)用底部钻具组合钻井眼;和(iii)在钻井眼期间,使垫从钻头表面伸出,以在钻井眼期间控制钻头的波动。
[0010] 在又一个方面,公开了一种在钻井眼时使用的设备,在一个构造中,所述设备可以包括:附接于底部钻具组合的底端的钻头,所述钻头包括垫、构造成向该垫供给压力下的流体以对该垫施加力从而使垫从所述表面伸出的致动装置、和构造成在施加于所述垫的力超过一选定极限值时传送供给到垫的流体以减少所述垫上的压力的释放装置。
[0011] 在此公开的设备和方法的某些特征的例子概述得相当宽泛,以便可以更好地理解下文对其的详细说明。当然,下文公开的设备和方法还具有附加特征,其将形成附加于此的权利要求的主题。附图说明
[0012] 参照附图能最佳地理解本文公开的内容,其中,同样的数字基本上被分配给同样的元件,其中:
[0013] 图1是示例性钻进系统的示意图,所述钻进系统包括具有根据本公开内容的一个实施例制成的钻头的钻柱;
[0014] 图2A是示例性钻头的立体图,显示了根据本公开内容的一个实施例的钻头上的一个或多个可调垫的放置;
[0015] 图2B显示了图2A的钻头的底部部分的立体图,显示了根据本公开内容的一个方法的垫的放置;
[0016] 图3A显示了图2A的钻头的一部分,该部分包括根据本公开内容的一个实施例的位于钻头的面部分上的与可伸出的垫连通的流体通道和用于致动可伸出的垫的致动装置;
[0017] 图3B显示了图2A的钻头的一部分,该部分包括根据本公开内容的一个实施例的位于钻头的侧面上的与可伸出的垫连通的流体通道和用于致动可伸出的垫的致动装置;
[0018] 图3C显示了带有释放机构的示例性止回,所述释放机构可用作图3A和图3B所示的系统中的流体流量控制装置;和
[0019] 图4是在图2A的钻头的面部分上的相对于切削元件处于伸出位置的可伸出的垫的示意图。
[0020] 实施例的详细说明
[0021] 图1是示例性钻进系统100的示意图,所述钻进系统100可以使用根据在此的本公开内容制成的钻头。图1显示了井眼110,所述井眼110具有上区段111和下区段114,所述上区段111带有安装在该上区段中的套管112,所述下区段114被钻柱118钻进。钻柱118显示为包括管状部件116,所述管状部件具有附接于其底端的BHA130。管状部件116可以通过联接钻管区段构成,或者其可以是挠性管。钻头150显示为附接于BHA130的底端,用于破碎岩层119,以钻进具有选定直径的井眼110。
[0022] 钻柱118显示为被从地面167上的钻机180输送到井眼110中。为便于说明,所示的示例性钻机180为陆上钻机。在此公开的设备和方法也可以与用于在水下钻进井眼的离岸钻机一起使用。可以使用联接到钻柱118的转盘169或上驱动(未显示)上的旋转钻柱118,从而使BHA130旋转,并因而带动钻头150旋转以钻进井眼110。钻进马达155(也称作“泥浆马达”)可以设置在BHA130中以旋转钻头150。可以单独使用钻进马达155来旋转钻头150或通过钻柱118叠加钻头的旋转。控制单元(或控制器)190可以是基于计算机的单元,其可以放置在地面167上,以接收并处理由钻头150中的传感器和BHA130中的传感器传送的数据,并控制BHA130中各种装置和传感器的选定操作。在一个实施例,地面控制器190可以包括处理器192、用于存储数据的数据存储装置(或计算机可读介质)194、算法计算机程序196。数据存储装置194可以是任何适合的装置,包括但不限于:只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、磁带、硬盘和光盘。在钻进期间,钻进流体179从其源在压力下被送到管状部件116中。钻进流体在钻头150的底部排出,然后经由钻柱118与井眼110的内壁142之间的环形空间(也被称作“环空”)返回至地面。
[0023] 仍然参照图1,钻头150包括面部分(或底部部分)152。面部分152或其一部分在钻进期间面对钻头前面的地层或井眼底部。在一个方面,钻头150在面部分152包括一个或多个垫160,所述垫160在钻进期间可以可调地(也被称作“可选择地”或“可控地”)从面部分152伸出。垫160在此也被称作“可伸长的垫”、“可伸出的垫”或“可调垫”。可利用BHA130和/或钻头150中适合的致动装置(或致动单元)155在钻进井眼110期间激活垫160。与垫160相关联的或与致动单元155相管联的适合的传感器178提供了对应于施加在垫上的力或确定垫伸出量的信号。BHA130还可以包括一个或多个井下传感器(共同用数字175标记)。传感器175可以包括任意数量和类型的传感器,包括但不限于:通常被称为随钻测量(MWD)传感器或随钻测井(LWD)传感器的传感器、和提供有关BHA130的行为的信息的传感器,所述行为例如钻头旋转(每分钟转数或“RPM”)、刀面、压力、振动、涡旋、弯曲和粘滑运动。BHA130还可以包括控制单元(或控制器)170,所述控制单元(或控制器)构造成控制垫160的操作并用于至少部分地处理接收自传感器175和178的数据。控制器170可以包括用于处理传感器178信号(例如,放大和数字化信号)的电路、用于处理数字化信号的处理器172(例如,微处理器)、数据存储装置174(例如,固态存储器)和计算机程序176及其它器件。处理器172可以处理数字化信号,控制垫160的操作,处理来自其它井下传感器的数据,控制其它井下装置和传感器,并经由双向遥测单元188与控制器190通讯数据信息。在一个方面,控制器170可以调节垫160的伸出量,以控制钻头波动或ROP,从而提高钻进效率并延长钻头150的寿命。增大垫的伸出量可以减少刀具暴露于地层或减少刀具的切削深度。减少刀具暴露则可导致扭转或侧向波动、ROP、涡旋、粘滑运动、弯曲力矩、振动等的降低,这反过来又可以导致钻出更光滑的孔以及减少钻头150和BHA130上的应力,从而延长BHA和钻头寿命。对于相同的WOB和RPM,钻进诸如砂的软地层时的ROP通常高于钻进诸如页岩的硬地层时的ROP。从软地层钻到硬地层的过渡由于ROP的下降可导致钻头中过大的侧向波动,而从硬地层钻到软地层的过渡由于ROP的升高可导致钻头中过大的扭转波动。所以,当从软地层过渡到硬地层或者从硬地层过渡到软地层时,需要控制钻头的波动。垫伸出量可以根据一个或多个参数进行控制,所述参数包括但不限于:压力、刀面、ROP、涡旋、振动、扭矩、弯曲力矩、粘滑运动和岩石类型。自动地和选择性地调节垫伸出量可使系统100能够控制扭转和侧向钻头波动、ROP及其它钻头和BHA物理参数,而不用在地面上改变钻压或钻头RPM。进一步参照图2A、3A和3B描述垫160的控制。
[0024] 图2A显示了根据本公开内容的一个实施例制作的钻头150的立体图。所示的钻头150为聚晶金刚石复合片(PDC)钻头,其具有钻头本体212,所述钻头本体212包括一部分212a和接头部分212b,所述部分212a包括切削元件,所述接头部分212b连接于BHA。该部分212a包括面部分218a(在此也被称作“底部部分”)。为本公开内容的目的,面部分
218a可以包括如图3A所示的鼻部、锥形部和肩部。该部分212a显示为包括多个刀片轮廓
214a、214b、……214n(也被称作“轮廓”)。每个刀片轮廓包括位于面部分218a上的刀具。
每个刀片轮廓紧邻钻头中心215终止。在钻进井眼期间,中心215面对钻头150前面的井眼110的底部(或在井眼110的底部的前面)。钻头150的侧面部分154a基本上平行于钻头150的纵向轴线222。多个间隔开的刀具沿着各个刀片轮廓设置。例如,刀片轮廓214n显示为包含刀具216a-216m。每个刀具具有切削表面或切削元件,例如刀具216a的切削元件216a',其在钻头150在钻进井眼期间旋转时接合岩层。每个刀具216a-216m具有后倾和侧倾角,两者组合限定了刀具进入到岩层中的切削深度。每个刀具还具有最大地层切削深度。
[0025] 仍然参照图2A,多个可伸出的垫(例如垫240)可以设置在钻头150的面部分218a上。在一个构造中,垫240可以设置成紧邻着刀片轮廓(214a-214n)的刀具。每个垫240可以设置在相关联的空腔242中。垫可以可控地从面部分218a伸出以及缩回到空腔242中。垫240的伸出量取决于施加于垫240的力。当该力被从垫240释放或减小时,垫240朝着空腔242缩回。在一个构造中,致动装置元件350'(图3A)可以将压力下的流体经由与垫
240相关联的流体通道244供给到垫240以使垫240从面部分218a伸出。参照图3,更加详细地描述了特定的致动装置。适合的偏压部件可以联接到垫240以使垫240缩回。
[0026] 图2B显示了示例性PDC钻头250的面部分252的立体图。钻头250显示为包括六个刀片轮廓260a-260f,每个刀片轮廓包括多个刀具,例如对于刀片轮廓260a,包括刀具262a-262m。间隔交替的刀片轮廓260a、260c和260e显示为朝着钻头250的中心215会聚,而剩下的刀片轮廓260b、260d和260f显示为分别终止于刀片轮廓260c、260e和260a的侧面。流体通道278a-278f将钻进流体179排出到钻头底部(图1)。图3的特定构造显示了在钻头250的面部分252上的三个可调垫,每一个沿着相关联的刀片轮廓:垫270a沿着刀片轮廓260a;垫270c沿着刀片轮廓260c;垫270e沿着刀片轮廓260e。垫270a、270c和270e显示为设置在它们相应的空腔272a、272c和272e中。如参照图2A的描述,每个垫
272a、272c和272e借助施加在其上的选定的力可以选择性地从面部分252伸出一所需的距离。在一个构造中,所有垫270a、270c和270e可以绕中心215以对称方式设置,并且可以构造成从钻头面部分252伸出相同的距离,以便控制钻头波动或ROP。虽然显示了六个刀片轮廓(260a-260f)和三个垫,但是钻头250可以包括任何适合数量的刀片轮廓和垫(270a,
270c,270f)。此外,在此所示和所述的构思同样适用于非PDC钻头。
[0027] 图3A显示了钻头250(图2B)的示例性刀片轮廓310的局部侧视图300。刀片轮廓310显示为包括设置在钻头本体315内的示例性刀具316'。刀具316'具有切削元件或切削表面318'。刀具316'从刀片轮廓310的面部分320'伸出一选定距离。刀片轮廓310还显示为包括紧邻刀具316'的可伸出的垫340'。垫340'可以设置在刀片轮廓310中的配合凹部或支座342'中。可以设置密封件348以对凹部342'中的液压流体形成密封。在一个实施例中,来自其源的压力下的流体可以经由在刀片轮廓310中制成的或在钻头本体的另一适合部位上制成的流体线路或流体通道344'供给到垫340'。到垫340'的流体可以由位于钻头250内部或外部的致动装置或动力装置350'供给。流体可以是储存在贮槽352'中的清洁流体,或者可以是在钻进井眼110期间供给到钻头250(图1)的钻进流体179(图1)。在另一个方面,来自致动装置或致动单元350'的流体可以供给到活塞346',活塞346'在室349中移动以使可调垫340'向外移动(远离表面部分320')。致动装置350'可以是任何适合的装置,包括但不限于:电气装置,例如马达;机电或液压装置,例如由马达驱动的泵;液压装置,例如由流体驱动涡轮机驱动的泵;和机械装置,例如选择性地允许流体流到垫340'的环式装置。供给到垫340'的流体可以保持在压力下,以使垫保持所要求的伸出量。在一个构造中,可以通过将致动装置350'保持在工作模式而使垫340'保持在所要求的伸出位置。在另一个方面,流体流量控制装置354'(例如阀)可以与可伸出的垫340'相关联,以控制流体向垫的供给。在一个构造中,可利用共用的致动装置350'经由共用的控制阀将流体供给到每个垫。在另一个构造中,可利用共用的致动装置通过用于每个垫的单独的控制阀来控制流体向每个垫的供给。在又一个构造中,可以对每个垫使用带有独立控制阀的独立致动装置。在另一个构造中,可以利用电致动单元移动一线性部件而伸出和缩回垫340'。紧邻垫340'的传感器345'可用来提供表示垫伸出量大小的信号。该传感器可以是线性运动传感器、压力传感器或任何其它适合的传感器345'。BHA130中的处理器
172(图1)可以构造成响应于井下测量参数、存储在存储装置174中的指令或从地面控制器190或地面上的操作者发出的指令来控制致动装置350'的运行。可以在地面上校准可伸出的垫340'相对于供给到该可伸出的垫340'的流体的运动,校准数据可以存储在数据存储装置174中,以便被处理器172使用。当使用电马达激活线性装置以移动垫340'时,可使用旋转量控制垫伸出量。在另一个方面,可以使用在施加激励信号变形的装置(诸如压电装置)来伸出和缩回垫340'。激励信号的大小决定致动装置的变形,因而决定垫伸出和缩回。垫340'在激励信号解除时缩回。在另一个方面,一止回阀370可以借助于流体线路372'设置在室349和贮槽352'之间。止回阀370可以构造成在一选定高压下打开以便当施加给垫340'的压力超过一选定极限值时把被供给到垫340'的流体排放或泄放到贮槽,从而避免损坏垫340'。
[0028] 图3B显示了示例性刀片轮廓314的局部侧视图300。刀片轮廓314显示为包括设置在刀片本体315的侧面部分320上的刀具316。刀具316具有切削元件或切削表面318。刀具316从刀片轮廓314的侧面320伸出一选定距离。刀片轮廓314还显示为包括紧邻刀具316的可伸出的垫340。可伸出的垫340可以设置在刀片轮廓本体315中的配合凹部或支座342中。在一个实施例中,来自其源的压力下的流体可以经由在刀片轮廓315中制成的或在钻头本体的另一适合部位上制成的流体线路或流体通道344供给到可伸出的垫340。到可伸出的垫340的流体可以由位于钻头150内部或外部的致动装置或动力装置350供给。
流体可以是储存在贮槽352中的清洁流体,或者可以是在钻进井眼110期间被供给到钻头
150(图1)的钻进流体179(图1)。在另一个方面,来自致动单元350的流体可以被供给到活塞346,活塞346使可伸出的垫或可调垫340向外移动(远离刀片轮廓315)。致动装置
350可以任何适合的装置,包括但不限于:电气装置,例如电机;机电装置,例如由马达驱动的泵;液压装置,例如由通过在BHA中流动的流体操作的涡轮机驱动的泵;和机械装置,例如选择性地允许流体流到垫340的环式装置。供给到可伸出的垫340的流体保持在一定压力下,而可伸出的垫340在井眼110的下侧上。在一个构造中,可以通过将致动装置350保持在工作模式而使可伸出的垫340保持在所要求的伸出位置。在另一个方面,流体流量控制装置354(例如阀)可以与每个可调垫340相关联,以控制流体向其相关联的垫的供给。
在这样的构造中,可利用共用的致动装置350向所有的控制阀供给流体。在另一个构造中,可利用独立的致动装置来控制流体向每个垫340的供给。BHA中的处理器172(图1)可以构造成响应于井下测量参数、存储在存储装置174中的指令或从地面控制器190发出的指令控制致动装置350的运行。可以在地面上校准可调垫340相对于供给到该可调垫的流体的运动,校准数据可以存储在数据存储装置174中,以便被处理器172使用。在一个方面,用于激活刀片侧面上的垫340以及面部分上的垫340'的一些部件中的有些部件可以是共用的。例如,可利用带有不同控制阀的共用的致动装置来激活侧面垫340和底部垫340'。因而,在一个实施例中,可以利用位于刀片轮廓的侧面上的可调垫(例如垫340)和位于钻头的面部分上的一个或多个垫(例如垫340')。侧面垫340可用来改变钻头150的方向,而面部分320上的垫340'可用来控制井下ROP。在另一个方面,一止回阀370a可以借助于流体线路372a设置在室349a和贮槽352之间。止回阀370a可以构造成在一选定高压下打开以便当施加给垫340的压力超过一选定极限值时把被供给到垫340的流体排放到贮槽,从而避免损坏垫340。在图3A和3B中所示的任一构造中,流量控制装置354或354'可以是带有液压释放部的止回阀,例如如图3C所示的阀354a。当压力下的流体沿着进入路径356被供给到阀354a时,阀打开并允许流体从出口路径357排出。当进入路径356处的压力被释放时,流体从路径357进入阀354a,并经由释放路径或旁路358排出。这种阀可控地允许垫从钻头表面伸出和缩回。如前所述,钻头中、底部钻具组合中和/或地面上的控制器可以被编程以根据一个或多个选定标准或参数控制垫的伸出和缩回。
[0029] 图4显示了处于伸出位置的可伸出的垫440。可以通过施加于垫440的力的大小调节垫440的伸出量。可伸出的垫440显示为伸出一段距离“d”,并且可以伸出至如虚线444所示的最大或完全伸出位置。垫440保持在其选定或要求的伸出位置,直到施加于垫
440的力通过致动装置减小或移除。例如,在图3A所示的构造中,关闭阀354'或者以防止供给到垫440的流体返回流体储存装置352'的方式保持致动装置350',这将使垫440'保持在选定的伸出位置。当阀354'打开或致动装置350'停用时,几乎没有力或者没有力施加于可伸出的垫340'。力的缺少使垫340'缩回或从伸出位置退回。还可以为每个垫440设置一偏压元件460',以使垫440在垫440上的力减小或移除时缩回。
[0030] 参照图1-4,在运行时,可以根据对钻头在泥土地层中的钻进速度和/或钻头150或BHA130的属性的所要求的影响,控制垫伸出量。垫伸出量可以根据任何一个或多个所要求的参数进行控制,所述参数包括但不限于:振动、钻头侧向或扭转波动、ROP、压力、刀面、岩石类型、振动、涡旋、弯曲力矩、粘滑运动、扭矩和钻进方向。但是,一般而言,垫伸出量越大,钻头在地层中的ROP下降越多。可以采用根据在此所述的任意实施例制成的钻头减小钻头的面部分上的刀具切削深度,这反过来又影响钻头波动和ROP。钻头波动(扭转或侧向)的减少可以影响钻头和/或BHA物理参数中的一个或多个。所施加的力和垫伸出量之间的关系可以在实验室试验中获取。所施加的力、垫伸出量、钻头波动的相应变化、ROP以及对任何其它参数的影响之间的所计算的或以其它方式(例如通过模拟)确定的关系可以存储在井下数据存储装置274和/或地面数据存储装置194中。这样的信息可以以任何适合的形式存储,包括但不限于:一个或多个算法,曲线,矩阵和表格。垫伸出量可以由井下控制器270和/或地面控制器190控制。在此提供的系统100可以在钻进井眼110期间自动地、动态地控制垫伸出量,并从而控制钻头波动、ROP及其它参数,而不改变某些其它参数,例如WOB和RPM。并且可以以与面部分上的垫340'(图3A)相同的方式、基于任何所要求的参数来控制钻头的侧面上的垫340(图3B)的伸出量,以改变钻进方向。可以同时激活侧面垫(例如垫340)和面部分上的垫(例如垫340')以便大体上同时地改变钻进方向和ROP。
[0031] 因而,在一个方面,公开了一种钻头,在一个构造中,所述钻头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个或多个刀具,所述刀具构造成穿入泥土地层中;以及多个可选择性地伸出的垫,所述垫用以在钻进井眼期间控制钻头波动或钻头钻进泥土地层中的ROP。在一个方面,每个垫可以构造成当在该垫上施加力时从面部分伸出。当力减小或移除时,垫朝着面部分缩回。每个垫可以设置在钻头中的相关联的空腔中。可以为每个垫设置一偏压部件,所述偏压部件使垫在施加在垫上的力减小或移除时缩回。偏压部件可以直接联接到或附接于垫。可以使用任何适合的偏压部件,包括但不限于弹簧。施加于每个垫的力可以由任何适合的致动装置提供,包括但不限于:向垫或向移动垫的活塞供给压力下的流体的装置,和响应于激励信号改变形状或变形的形状改变装置或形状改变材料。形状改变装置在激励移除时回复到其原始形状。形状改变的大小取决于激励信号的大小。供给压力下的流体的装置可以是由电马达操作的泵或由钻进流体操作的涡轮机操作的泵。流体可以是储存在BHA中的储存室中的清洁流体(例如,油),或者可以是钻进流体。流体可以被供给到从泵到各个垫的流体通道。在另一个构造中,流体可以供给到附接于垫的活塞。由此引起的活塞运动使垫伸出。可以设置控制阀来控制进入流体通道或流到活塞的流体。在一个方面,所有的垫可以从底部部分伸出相同的伸出量或距离。可以使用共用的致动装置和控制阀。
[0032] 在另一个方面,公开了一种制造钻头的方法,所述方法包括:提供终止于钻头的底部部分上的多个刀片轮廓,每个刀片轮廓上具有至少一个刀具;和在钻头的底部部分上设置多个可伸出的垫,其中,每个可伸出的垫构造成在施加力时从底部部分伸出一选定距离,并且在可伸出的垫上的力被移除时朝着底部部分缩回。该方法还可以包括:将每个可伸出的垫设置在钻头底部部分中的相关联的空腔中。该方法还可以包括:将一偏压部件联接到每个可伸出的垫。所述偏压部件构造成在施加于垫的力被移除时使其相关联的垫缩回。一个或多个流体通道可以向垫供给压力下的流体,以使垫伸出至相应的选定位置。该方法还可以包括:提供向多个垫中的每个垫供给力的致动装置。致动装置可以包括下列中的至少一个:向每个垫供给压力下的流体的装置;和响应于激励信号变形的形状改变装置或材料。
[0033] 在另一个方面,公开了一种在钻进井眼时使用的BHA,在一个构造中,所述BHA可以包括附接于BHA的底端的钻头,所述钻头包括底部部分,所述底部部分包括在其上的构造成穿入地层中的一个或多个刀具。钻头还可以包括:在底部部分上的多个可伸出的垫;和构造成对每个垫施加力以使每个垫伸出一选定伸出量的致动单元。该伸出量导致钻进井眼期间的钻头波动和钻头进入泥土地层中的ROP发生改变。致动单元可以是下列之一:向每个垫供给压力下的流体的动力单元;和形状改变材料,所述形状改变材料在激活信号施加到该形状改变材料时在每个垫上供给选定的力。BHA还可以包括传感器,所述传感器提供有关每个垫的伸出量或致动装置在每个垫上所施加的力的信号。在另一个方面,BHA还可以包括构造成处理来自传感器的信号以控制垫的伸出量的控制器。控制器可以根据一个或多个参数控制垫伸出量,所述参数可以包括但不限于:钻头波动(侧向和/或扭转)、钻压、压力、ROP(所要求的或实际的)、涡旋、振动、弯曲力矩和粘滑运动。可以利用地面控制器向BHA中的控制器提供信息和指令。
[0034] 在又一个方面,一种形成井眼的方法,其可以包括:将附接于底部钻具组合的钻头输送到井眼中,所述钻头具有至少一个刀具和位于钻头的面部分上的至少一个垫;通过旋转钻头而钻进井眼;在所述至少一个垫上施加力,以使所述至少一个垫从缩回位置移动到选定的伸出位置;和减小施加在所述至少一个垫上的选定力,以使所述至少一个垫从选定的伸出位置缩回,从而控制钻头在钻进井眼期间的波动。
[0035] 为了便于解释,以上公开内容用于某些具体实施例。但是,这些实施例的各种改变和修改对本领域技术人员来说都是显而易见的。意图是,在所附权利要求的范围和精神之内的所有改变和修改都由在此的公开内容涵盖。
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