用于固定刀具钻头的受控刀片挠曲

申请号 CN201380080706.7 申请日 2013-12-11 公开(公告)号 CN105683485A 公开(公告)日 2016-06-15
申请人 哈利伯顿能源服务公司; 发明人 J·G·托马斯; C·A·欧恩比;
摘要 一种示例性 钻头 可包括钻头体和 定位 在所述钻头体上的可挠曲刀片。所述钻头还可包括切削元件,所述切削元件耦接到所述可挠曲刀片的面上并且延伸超过所述可挠曲刀片的面一定距离。所述切削元件可具有后倾 角 和侧倾角。所述距离、后倾角和侧倾角中的至少一个可取决于所述可挠曲刀片的挠曲 位置 。
权利要求

1.一种用于地下钻探操作的钻头,其包括:
钻头体;
可挠曲刀片,其定位在所述钻头体上;以及
切削元件,其耦接到所述可挠曲刀片的面上并且延伸超过所述可挠曲刀片的面一定距离,并且包括后倾和侧倾角,所述距离、后倾角和侧倾角中的至少一个取决于所述可挠曲刀片的挠曲位置
2.如权利要求1所述的钻头,其中所述可挠曲刀片包括以下至少一种:
选择性地保持所述挠曲位置的材料;以及
具有随温度、压磁场电能中的至少一种而变化的弹性模量的材料。
3.如权利要求1所述的钻头,其中所述可挠曲刀片包括至少一个机械、液压和/或电气元件。
4.如权利要求3所述的钻头,其中:
所述可挠曲刀片包括耦接至第二部分的第一部分;并且
所述至少一个机械、液压和/或电气元件包括:
铰接件或挠曲点,所述铰接件或挠曲点定位在所述第一部分与所述第二部分之间;以及
可压缩构件和流体驱动活塞中的至少一个,所述可压缩构件和流体驱动活塞定位在所述第一部分与所述第二部分之间。
5.如权利要求3所述的钻头,其中:
所述刀片包括耦接至第二部分的第一部分;并且
所述第一部分包括第一弹性模量并且所述第二部分包括第二弹性模量。
6.如权利要求5所述的钻头,其中至少一个机械、液压和/或电气元件更改所述第一部分和所述第二部分的相对位置。
7.如权利要求5所述的钻头,其中:
所述可挠曲刀片还包括第三部分,所述第三部分具有小于所述第一弹性模量和所述第二弹性模量的第三弹性模量;并且
所述第三部分至少部分地设置在所述第一部分和所述第二部分中的至少一个内。
8.如权利要求1至7中任一项所述的钻头,其还包括设置在所述刀片的表面上的耐磨材料。
9.如权利要求1至8中任一项所述的钻头,其还包括耦接至所述刀片的辅助力传送机构。
10.一种用于在地下地层中进行钻探操作的方法,其包括:
将钻头耦接至钻探组件,
所述钻头包括可挠曲刀片和耦接到所述可挠曲刀片的面并且延伸超过所述可挠曲刀片的面一定距离的切削元件,并且
所述切削元件包括后倾角和侧倾角;
将所述钻头放置在所述地下地层内的钻孔中;以及
在将所述钻头定位在所述钻孔内时改变所述距离、后倾角和侧倾角中的至少一个。
11.如权利要求10所述的方法,其中在将所述钻头定位在所述钻孔内时改变所述距离、后倾角和侧倾角中的至少一个包括改变所述可挠曲刀片的钻探参数和有效弹性模量中的至少一个。
12.如权利要求11所述的方法,其中改变所述钻探参数包括改变钻压和钻头扭矩中的至少一个。
13.如权利要求11所述的方法,其中所述可挠曲刀片包括以下至少一种:
选择性地保持挠曲位置的材料;以及
具有随温度、压力、磁场和电能中的至少一个而变化的弹性模量的材料。
14.如权利要求10所述的方法,其中在将所述钻头定位在所述钻孔内时改变所述距离、后倾角和侧倾角中的至少一个包括更改所述可挠曲刀片的机械、液压和/或电气元件中的至少一个。
15.如权利要求14所述的方法,其中更改所述刀片的机械、液压和/或电气元件中的至少一个包括致使所述可挠曲刀片在定位在所述刀片的第一位置与第二位置之间的铰接件或挠曲点处弯曲。
16.如权利要求15所述的方法,其中更改所述刀片的机械、液压和/或电气元件中的至少一个还包括更改定位在所述第一部分与所述第二部分之间的可压缩构件和流体驱动活塞中的至少一个。
17.如权利要求11所述的方法,其中:
所述刀片包括耦接至第二部分的第一部分;并且
所述第一部分包括第一弹性模量并且所述第二部分包括第二弹性模量。
18.如权利要求17所述的方法,其中改变所述可挠曲刀片的所述有效弹性模量包括更改所述第一部分和所述第二部分的相对位置。
19.如权利要求18所述的方法,其中所述刀片还包括第三部分,所述第三部分具有小于所述第一弹性模量和所述第二弹性模量的第三弹性模量。
20.如权利要求19所述的方法,改变所述可挠曲刀片的所述有效弹性模量包括更改所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分的相对位置。

说明书全文

用于固定刀具钻头的受控刀片挠曲

技术领域

[0001] 本公开大体上涉及井钻探操作,并且更具体地,涉及用于固定刀具钻头的受控刀片挠曲。

背景技术

[0002] 回收钻探操作通常需要延伸到地球中数百和数千米的钻孔。钻探操作本身可以是复杂的、费时的和昂贵的。可钻探钻孔的速率取决于许多因素,诸如地层的地质类型、钻探扭矩、在钻探操作期间的在钻头上的重量和钻头的特性。一个示例性钻头特性是钻头的切削元件与地层啮合的深度。更大的深度可更快地切削地层,但也引起钻头/切削元件更快地磨损。相反地,更小的深度可更慢地切削地层,但增加钻头的寿命。附图说明
[0003] 通过部分地参考以下描述和附图可理解本公开的一些具体的示例性实施方案。
[0004] 图1是示出根据本公开的各方面的示例性钻探系统的图。
[0005] 图2A-图2E是示出根据本公开的各方面的示例性固定刀具钻头的图。
[0006] 图3是示出根据本公开的各方面的固定刀具钻头的示例性刀片的图。
[0007] 图4是示出根据本公开的各方面的固定刀具钻头的另一个示例性刀片的图。
[0008] 图5是示出根据本公开的各方面的固定刀具钻头的另一个示例性刀片的图。
[0009] 图6是示出根据本公开的各方面的固定刀具钻头的另一个示例性刀片的图。
[0010] 图7是示出根据本公开的各方面的固定刀具钻头的另一个示例性刀片的图。
[0011] 图8是示出根据本公开的各方面的具有双流体路径钻探组件的示例性钻头的图。
[0012] 图9是示出根据本公开的各方面的固定刀具钻头的另一个示例性刀片的图。
[0013] 虽然本公开的实施方案已经得以描绘和描述并且通过参考本公开的示例性实施方案来加以限定,但是所述参考并不暗示对本公开的限制,并且不应推断出这样的限制。如本领域中的技术人员以及受益于本公开的人员将想到,所公开的主题能够在形式和功能上存在许多修改、变更和等效形式。所描绘和描述的本公开的实施方案仅为示例性的,并非详尽说明本公开的范围。

具体实施方式

[0014] 本公开大体上涉及井钻探操作,并且更具体地,涉及用于固定刀具钻头的受控刀片挠曲。
[0015] 为了本公开的目的,信息处理系统可能包括为了商业、科学、控制或其他目的而可操作用来计算、分类、处理、传输、接收、检索、创立、切换、存储、显示、表现、检测、记录、再生、处理、或利用任何形式的信息、情报、或数据的任一工具或工具的集合。例如,信息处理系统可以是个人计算机、网络存储装置、或任何其他合适的装置,并且可以在尺寸、形状、性能、功能和价格上变化。所述信息处理系统可包括随机存取存储器(RAM)、诸如中央处理单元(CPU)或硬件软件控制逻辑的一个或多个处理资源、ROM、和/或其他类型的非易失存储器。信息处理系统的附加部件可以包括一个或多个盘驱动器、用于与外部装置进行通信的一个或多个网络端口以及各种输入和输出(I/O)装置,诸如键盘鼠标和视频显示器。所述信息处理系统还可包括可操作用来在各种的硬件部件之间传输通信的一个或多个总线。所述信息处理系统还可包括能够将一个或多个信号传输至控制器致动器或类似装置的一个或多个接口单元。
[0016] 为了本公开的目的,计算机可读介质可包括可保持数据和/或指令持续一个时间段的任一工具或工具的集合。计算机可读介质例如可包括但不限于:存储装置,诸如直接存取存储装置(例如,硬盘驱动器或软盘驱动器)、按序存取存储装置(例如,磁带驱动器)、高密度磁盘、CD-ROM、DVD、RAM、ROM、电擦除可编程只读存储器(EEPROM)和/或闪存存储器;以及通信介质,诸如电线、光纤、微波无线电波以及其他电磁和/或光学载体;和/或上述内容的任何组合。
[0017] 本文详细描述本公开的说明性实施方案。为了清晰起见,并非实际实现方式的所有特征都在本说明书中进行描述。当然应该理解的是,在任何这种实施方案的开发中,必须做出许多实现特定的决定以获得特定的实现目标,这些目标因不同的实现而不同。此外,应该理解的是,这种开发努可能是复杂的且耗时的,但是仍将是受益于本公开的本领域一般技术人员的常规任务。
[0018] 为了促进更好理解本公开,给出某些实施方案的以下实施例。以下实施例决不应被理解为限制或限定本公开的范围。本公开的实施方案可适用于钻探操作,所述钻探操作包括但不限于:目标(诸如相邻井)跟踪、目标相交、目标定位、诸如在SAGD(蒸汽辅助重力泄油法)井结构中的孪生井钻取、针对井喷钻探减压井、跨河测量、构建隧道以及平的、竖直的、偏斜的、多边的、u形管连接、相交、迂回(围绕中间深度被卡落鱼钻探和回到以下井中)、或者在任何类型的地下地层中的另外的非线性井筒。实施方案可以适用于注入井生产井,包括自然资源生产井例如硫化氢、烃类或地热井;以及用于过河隧道的钻孔建设和其他用于接近表面建设目的或用于流体比如烃类输送的u形管的管道的其他这样的隧道钻孔。下面关于一种实现描述的实施方案不欲具有限制性。
[0019] 现代石油钻探和生产操作需要与井下参数和条件相关的信息。存在几种用于井下信息收集的方法,包括随钻测井(“LWD”)和随钻测量(“MWD”)。在LWD中,数据通常在钻探过程期间收集,从而避免移除钻探组件以插入电缆测井工具的任何需要。因此LWD允许钻机做出精确实时的修改或更正以优化性能同时最小化停机时间。MWD是用于当钻探继续时,测量井下关于钻探组件的运动和位置条件的术语。LWD更注重于地层参数测量。虽然在MWD和LWD之间可能存在区别,但是术语MWD和LWD经常交换地使用。为了本公开的目的,使用术语LWD时应理解这个术语包含地层参数的收集和与钻探组件运动和位置相关的信息的收集。
[0020] 如本文所用,术语“耦接”旨在意指间接或直接连接。因此,如果第一装置耦接到第二装置上,所述连接可以是通过直接连接或通过借由其他装置和连接进行的间接机械或电子连接。类似地,如本文使用的术语“通信地耦接”旨在表示直接或间接通信连接。此类连接可以是有线或无线连接,例如像以太网或LAN。除本公开的教义之外,此类有线或无线连接对本领域中技术人员是众所周知的,并且因此在本文中不作详细论述。因此,如果第一装置通信地耦接至第二装置,所述连接可以是通过直接连接或通过借由其他装置和连接进行的间接通信连接。如权利要求书中使用的不定冠词“一个(a/an)”在本文中定义为意为其引入的一个或一个以上元件。
[0021] 图1示出根据本公开的各方面的示例性钻探系统100。钻探系统100包括钻塔101,其安装在地面102处并且定位在地下地层104内的钻孔105的上方。在某些实施方案中,地面102可包括用于海上钻探应用的钻塔平台,并且地下地层104可以是通过一定体积的水与地面102分离的海床。在所示的实施方案中,钻探组件106可定位在钻孔105内并且耦接到钻塔
101。钻探组件106可以包括钻柱107和底孔组件(BHA)108。钻柱107可包括用螺纹连结相连接的多个钻杆节段。BHA 108可包括钻头110、随钻测量(MWD)/随钻测井(LWD)区段109和遥测系统111。
[0022] MWD/LWD区段109可包括用来测量和勘测地层104和钻孔105的多个传感器和电子器件。在某些实施方案中,BHA 108可包括其他区段,包括电力系统、遥测系统和转向系统。钻头110可以是牙轮钻头、固定刀具钻头或本领域的普通技术人员将根据本公开理解的另一钻头类型。尽管钻头110被示出耦接到常规钻探组件106,但是其他钻探组件是可能的,包括电缆钻探组件或缆钻探组件。
[0023] 在某些实施方案中,钻探系统100还可包括定位在地面102处的控制单元103。控制单元103可包括信息处理系统,所述信息处理系统可通信地耦接到至少一个井下元件上,诸如在MWD/LWD区段109中的传感器。控制单元103可经由至少一个通信通道与MWD/LWD区段109通信。所述通信通道可包括无线通信、有线通信、光纤、泥浆脉冲通信等。在某些实施方案中,遥测系统111可包括泥浆脉冲发生器,并且控制单元103可通过在钻井液中产生的泥浆脉冲与井下元件通信,在钻柱107内所述钻井液在井下送。
[0024] 图2A-图2E是示出根据本公开的各方面的示例性固定刀具钻头200的图。钻头200包括钻头体201以及至少一个刀片202。钻头体201例如可以由钢制造,或由在钢坯核心周围的金属基质制造。刀片202可与钻头体201集成一体,或可单独形成并且附接到钻头体201。刀片202可绕钻头体201的外表面,以及向外突出、远离钻头体201定位。例如,在刀片202定位在钻头200的一侧的情况下,刀片202可从钻头200的纵向轴线206径向向外突出。类似地,在刀片202定位在钻头200的底部上的情况下,刀片202可向下突出。刀片202的外表面可包括当钻头200进行钻探时邻近于地层的面206。
[0025] 在某些实施方案中,切削元件203可附接到刀片202上。在图2B示出的实施方案中,切削元件203在邻近于面206的刀片202中附接在袋205内。切削元件203例如可包括多晶金刚石复合片(PDC)刀具。切削元件203可包括切削表面204,所述切削表面204接触地层中的岩石并且当钻头200旋转时将其移除。切削表面204可以至少部分地由金刚石制成。例如,切削表面204可部分地由人造金刚石粉末制成,诸如:多晶金刚石或热稳定多晶金刚石;天然金刚石;或浸渍在粘合剂中的人造金刚石。
[0026] 在钻探操作期间,切削元件203并且具体地切削元件203的切削表面204可切削或“啮合”地层,从而将岩石移除。如在图2B中可见,切削元件203被定位以使得切削表面204的边缘超过面206延伸距离207,所述面206可包括将在下文所述的控制元件208。距离207可至少部分地限定可由给定切削元件203获得的最大切削深度。具体地,一旦切削元件203开始切削,面206就将接触地层并且防止切削元件203切削比距离207更深的任何深度。距离207还可被称为“刀具啮合”,其指示给定的切削元件203将与地层啮合的程度。
[0027] 在某些实施方案中,切削元件203的特征可在于其相对于刀片202的位置和切削元件203将接触的表面。一个角位置可称之为切削元件203的“后倾”角,标识为角290。另一个角位置可称之为“侧倾”角。在图2D中,例如,多个单独的刀具260-264和203被定位成分别具有侧倾角277-279和291。侧倾角277-279和291是通过测量假想线272-275与位于刀具的中心处的切线272之间的夹角来确定的,测量假想线272-275分别通过中心和垂直于刀具260-264和203的切削面来绘制,其中当钻头旋转时,切线272平行于刀具的切削方向。
[0028] 通常,在设计和制造过程期间,例如通过选择袋205的深度和角、切削元件203的尺寸、以及定位在刀片202的面206上的控制元件208的存在/尺寸,来设定用于给定刀具的刀具啮合、后倾角和侧倾角。如可见,控制元件208可包括部分地限定距离207的面206的向外突出。刀座205、切削元件203和控制元件208可被配置来建立特定的刀具啮合、后倾角和侧倾角。取决于切削元件在钻头的刀片上的位置,刀具啮合、后倾角和侧倾角可能在切削元件与切削元件之间不同。然而,在典型的钻头中,距离、后倾角和侧倾角在钻头被制造时得以固定。
[0029] 根据本公开的各方面,切削元件203的距离207、后倾角290和侧倾角278在将钻头200定位在井下时可以是可控制的和可变化的。在某些实施方案中,刀片202可以是可挠曲的,从而允许切削元件203的距离207、后倾角290和侧倾角278在刀片处于挠曲位置中时进行改变。如本文中所使用,挠曲位置可指从刀片的正常的、不挠曲位置偏离的位置范围。
[0030] 钻探操作需要对钻头200施加扭矩力以致使其旋转。当施加扭矩力并且钻头200旋转时,地层在刀片202上施加反向力。图2B包括箭头250,其指示施加给刀片202的扭矩力,并且箭头289指示施加给刀片202的反向力。类似地,图2D包括箭头268,其指示施加给刀片202的扭矩力,并且箭头269指示施加给刀片202的反向力。在示出的实施方案中,反向力269和289在切削元件203处被接收并且传送给刀片202。
[0031] 如在图2C和图2E中可见,如果将足够的扭矩力施加给钻头200,那么被传送给刀片202的反向力弹性地拉紧刀片,从而迫使它从其正常位置进入挠曲位置。参考图2C,挠曲位置包括在刀片中远离箭头250的方向的弯曲。参考图2E,挠曲位置包括沿刀片202的长度的扭曲。在某些实施方案中,刀片202可包括具有弹性模量的第一材料,所述弹性模量在典型的井下钻探条件下提供挠曲,所述典型的井下钻探条件包括但不限于将如本领域技术人员将根据本公开所理解的温度、压力、钻压和钻头扭矩。在某些实施方案中,刀片202可以至少部分地由第一材料制造。在其他实施方案中,第一材料可被并入刀片202中作为独立式插入。
[0032] 当刀片202挠曲时,距离207随着切削元件203的后倾角290和侧倾角278而改变,同时改变的量取决于反向力269和289的强度和刀片207的弹性模量。通过改变距离207、后倾角290和/或侧倾角278,可在每次旋转钻头200期间改变由切削元件203切削的深度、以及从地层移除的岩石的量。使井下距离207改变可允许实时或接近实时控制切削的深度。使后倾角290和侧倾角278改变相反可提供动力和能量平衡,因为切削元件203的后倾角290和侧倾角278以及切削元件203啮合地层所产生的角改变在刀片202处接收的反向力260的大小。
[0033] 可为许多目的控制距离207、后倾角290和侧倾角278。例如,当遇到软地层时,距离207可增加,从而增加切削的深度并且减少整体钻探时间。同样地,在较硬的地层中,距离
207可被优化来平衡钻头的穿透性与钻头的使用寿命的比。
[0034] 根据本公开的各方面,在将钻头定位在钻孔内的同时改变距离207、后倾角290和/或侧倾角278可包括迫使刀片进入挠曲位置。在某些实施方案中,迫使可挠曲刀片进入挠曲位置可包括改变钻探参数,诸如施加至钻头200的扭矩或重量。改变钻探参数例如可改变施加至刀片202的反向力269和289,并且因此改变在刀片202中挠曲的量、以及距离207、后倾角290和侧倾角278。施加至钻头200的扭矩力可以是施加至钻头200的重量的函数。因为挠曲的量可以是施加至钻头200的扭矩力的函数,所以挠曲的量可通过修改施加至钻头200的重量加以控制。在某些实施方案中,在刀片202中挠曲的量可能与施加给钻头200的重量的量呈正相关—例如,在钻头200上的重量的增加导致刀片202的挠曲的增加,并且在钻头200上的重量的减少导致刀片202的挠曲的减少。例如可使用定位在地面或井下的设备来修改施加至钻头200的重量。
[0035] 在某些实施方案中,钻头200可包括辅助力传送机构,所述辅助力传送机构可接收反向力289并且将反向力289传送至刀片202。示例性辅助力传送机构可包括虚设切削元件、撞击止动装置或修改的控制元件208。示例性虚设切削元件可类似于切削元件203,但旨在将反向力289传送至刀片202而不是有意义地有助于地层中的岩石的移除。例如,虚设切削元件可基本上与切削元件203相同,但被定位以使得在制造钻头200时其具有更大的刀具啮合。因此,当地层被钻探时,虚设切削元件可首先接触地层并且比切削元件203传送更多的反向力至刀片202。在虚设切削元件与地层之间增加的啮合可增加虚设切削元件的切削表面上的磨损;然而,如果所述啮合减少了剩余的切削元件上的磨损,那么该增加的磨损可以是可接受的。
[0036] 在某些实施方案中,刀片202可包括具有弹性模量的第一材料,所述弹性模量随至少一个次级条件而变化。与具有相对稳定的弹性模量的材料相反,具有可变的弹性模量的材料可允许刀片的挠曲性增加、受到限制或以其他方式受到控制,从而当将反向力269和289施加至刀片202时,增加、限制或以其他方式控制距离207、后倾角290和侧倾角278中的改变量。这些次级条件可包括但不限于温度、压力、磁场电能等。这些次级条件可在将钻头
200定位在井下时自然地遇到,或可使用在钻头200内的或在靠近钻头200的BHA内的机构引起,以便改变刀片202的弹性模量。例如,电磁体、电极或其他可控的电磁(EM)能的源可并入在钻头200处或靠近钻头200的钻探组件中。当EM能量的源被触发时,其可减少可挠曲刀片
202中的第一材料的弹性模量,从而提供可挠曲刀片202中的增加的挠曲性和刀具啮合中的增加。相反地,EM能量的源可用来增加第一材料的弹性模量,并且防止或以其他方式限制可挠曲刀片202的挠曲性。在某些实施方案中,EM源可由位于钻头处或靠近钻头的控制单元触发。所述控制单元可包括信息处理系统,所述信息处理系统产生对EM源的命令或对来自地面控制单元(类似于图1的控制单元103)的命令作出响应。
[0037] 在某些实施方案中,刀片202可包括选择性地保持挠曲位置的第一材料。例如,第一材料可包括形状记忆合金(SMA),所述形状记忆合金(SMA)还可被称为智能金属、记忆金属、记忆合金、肌肉线或智能合金。在某些实例中,施加至刀片202的反向力269和289可克服刀片202的屈服点,从而导致塑性变形。在某些实例中,塑性变形可以是有用的;在已经将重量从钻头200移除之后,允许切削元件203保持更改的距离207、后倾角290和/或侧倾角278。然而,在某些实例中,缓解塑性变形可以是有用的,这样使得切削啮合可被选择性地控制和设定用于新的地层岩层。SMA可“记住”其原始形状并且当被加热时返回预变形形状。
[0038] 根据本公开的各方面,可挠曲刀片可包括可被更改以改变刀具的距离的至少一个机械、液压和/或电气机构。图3是示出定位在钻头体301上的示例性可挠曲刀片302的截面的图。可挠曲刀片302可包括附接至钻头体301或与其集成一体的下部分303。可挠曲刀片302还可包括耦接至下部分303的上部分304。上部分304可通过至少一个机械、液压和/或电气机构耦接至下部部分。在所示的实施方案中,所述至少一个机械、液压和/或电气机构包括铰接件或挠曲点305和可压缩构件306。可将可压缩构件306至少部分地设置在刀片302的上部分304与下部分303之间。
[0039] 不像在钻压与刀具啮合之间使用了正相关的图2A-图2E中示出的实施方案,可挠曲刀片302使用负相关。具体地,当钻压增加时,在切削元件307和面308处与地层的接触可迫使刀片302的上部分304朝向刀片302的下部分304,从而更改铰接件或挠曲点305和可压缩构件306的状态和/或相对位置。在上部分304与下部分303之间的距离可在铰接件点305处保持基本相同,但由于可压缩构件306而可在别处可减少,从而致使切削元件307的刀具啮合减少。在某些实施方案中,可压缩构件306可以是有弹性的,以使得当钻压被移除或减少时,可压缩构件306可扩展至其原始大小和形状,从而增加刀具啮合。
[0040] 在某些其他实施方案中,代替图3所示的配置中的可压缩构件306或除其之外,可使用其他材料或机构。例如,还可使用响应于某些温度、磁场和电场随时间扩展的材料。在又一些其他实施方案中,可使用流体驱动活塞。图4是示出定位在钻头体401上的示例性刀片402的截面的图。如可见,刀片402包括与刀片302类似的配置,其具有附接至钻头体401或与其集成一体的下部分402和使用铰接件405耦接到下部分的上部分404。然而,刀片402代替可压缩构件并入流体驱动活塞406。流体驱动活塞406可在一个端部处耦接至刀片402的上部分404,并且至少部分地设置在下部分403中的腔407内。泵408可控制进入腔407中的流体,以在腔内控制活塞406的位置。更改活塞406的位置可迫使刀片402进入挠曲位置,并且可根据活塞406在腔407内的移动的范围来增加或减少切削元件410的刀具啮合。在某些实施方案中,泵408可从诸如电池组的井下电源(未示出)接收电力,并且可耦接至可通过控制活塞406的位置来控制刀具啮合的井下控制器409。
[0041] 在某些实施方案中,可挠曲刀片可包括具有两个或更多个不同弹性模量的单独地或者与机械、液压和/或电气机构组合的材料。图5是示出根据本公开的各方面的示例性刀片500的截面的图。在示出的实施方案中,由具有第一弹性模量的材料组成的元件503附接至钻头体504上或与其集成一体。在某些实施方案中,类似于钻头体505,元件503可由钢组成。可将元件503至少部分地设置在由在低于第一弹性模量的第二弹性模量内的材料组成的刀片体502内。刀片体502可相对于元件503移动,以使得设置在刀片体502内的元件503的量是可变化的。在某些实施方案中,在刀片体502内的元件的位置可规定刀片500的挠曲位置。具体地,元件503在刀片体502内设置的越多,刀片500在经受反向力时将挠曲的越少,因为刀片的有效弹性模量将改变。因此,对刀片体502相对于元件503的位置的控制可用来控制刀片500的挠曲位置。在替代的环境中,元件503可相对于刀片体502移动,不如说刀片体502相对于元件503移动。
[0042] 在某些实施方案中,在钻孔中使用对应的钻头之前,可在地面处手动地设置刀片体502相对于元件503的位置。在其他实施方案中,电或流体控制系统可用来控制刀片体502的位置,从而在将刀片定位在井下时迫使刀片502进入挠曲位置。例如,元件503可设置在刀片体502的密封腔505中。刀片体502的位置可通过将流体泵送到腔505中加以控制。例如,可将流体导管506包括在元件503内,以使得可将流体从定位在钻头体504内的泵(未示出)泵送到腔505中。刀片500还可包括弹簧元件(未示出),所述弹簧元件可在流体泵未被致动时促使刀片体502朝向钻头体504。同样地,刀片的位置可使用一次性触发器(诸如落球机构)加以设定。
[0043] 用于使用具有两个或更多个不同的弹性模量的与机械、液压和/或电气机构组合以迫使刀片进入挠曲位置的材料的其他实施方案是可能的。例如,图6是示出示例性刀片600的截面的图,所述示例性刀片600包括刀片体601和至少部分地设置在刀片体602内的元件602。与图5中的刀片相似,刀片体601可至少部分地由具有第一弹性模量的材料组成,并且元件602可至少部分地由具有大于第一弹性模量的第二弹性模量的材料组成。然而,不像图5中的刀片,刀片体601可附接至钻头体603或与其集成一体,并且元件602可以是相对于刀片体602可移动的。在示出的实施方案中,元件602包括板602a,其定位在刀片体601的外侧;活塞602b,其定位在钻头体601的流体腔605内;以及连接器602c,其连接至板602a和活塞602b两者并且部分设置在刀片体601内以及部分设置在刀片体601的外。板602a相对于刀片体601的位置可通过将流体泵送到腔605中并且移动活塞602b加以控制。例如,可通过流体通道604泵送流体,所述通道604可连接至钻头体603中的流体泵(未示出)。当板602a与刀片体601接触时,由于其比刀片体601更高的弹性模量,其可减少刀片600的挠曲性。然而,当板602a不接触刀片体601时,刀片体601的更低的弹性模量可允许更大的挠曲量。然而,刀片
600中的挠曲的量仍可使用一个或多个钻探参数加以控制,如上文所述。
[0044] 图7是示出示例性刀片700的截面的图,所述刀片700包括三部分:具有第一弹性模量的第一部分701、具有第二弹性模量的第二部分702、以及具有第三弹性模量的第三部分703。第一部分701可耦接至钻头体704或集成地与其形成为一体。第二部分702可至少部分地设置在第一部分701内并且可从第一部分701延伸。同样地,第三部分703可至少部分地设置在第二部分702内并且可从第二部分702延伸。在示出的实施方案中,可将第二部分702的一部分密封在设置在第一部分701内的流体腔705内。可通过在第一部分701中的流体通道
706将流体泵送至腔705中。当压力在腔706内累积时,第二部分702可进一步从第一部分701进一步延伸。当压力超过阈值时,流体可开始填充设置在第二部分702中的第二流体腔707。
流体可行进通过第二部分内的第二流体通道708。第三部分703可至少部分地设置在第二腔
703内,并且当压力在第二腔708内累积时可从第二部分702延伸。
[0045] 在某些实施方案中,第一弹性模量可大于第二弹性模量,所述第二弹性模量继而可大于第三弹性模量。在某些实施方案中,弹性模量可通过选择不同部分的区段大小加以设置。所述部分的相对位置可确定刀片的有效弹性模量,并且因此确定刀片的挠曲性。当流体未被引入刀片700中时,第一弹性模量可支配并提供第一挠曲性。当第二部分702从第一部分701延伸时,将在第二弹性模量下的第二部分702暴露于钻探力可提供大于第一挠曲性的第二挠曲性。同样地,当第三部分703从第二部分702延伸时,将在第三弹性模量下的第三部分703暴露于钻探力可提供大于第一和第二挠曲性的第三挠曲性。因此,刀片的挠曲量可通过在刀片700的腔和通道内的流体压力而受到控制。如将由本领域的普通技术人员根据本公开所理解,其他控制机构是可能的。
[0046] 在某些实施方案中,在刀片的腔内的流体压力可受位于钻头内的流体泵控制,如上文所述。然而,在其他实施方案中,流体压力可从地面控制。图8是示出示例性钻头800和将双向流体路径提供给钻头800的钻探组件801的图。第一路径802可以在内部管或管具803的孔内。可使用第一路径通过钻头800从地面输送钻井液。第二路径804可包括在内部管803与耦接到钻头800上的外部管或管具805之间的环形体。第二路径可与在钻头800内的集成的流体路径806流体连通。行进通过第二路径804的流体可流进在刀片808内的至少一个流体腔807中,类似于图7所述的流体腔和刀片。
[0047] 在本文所述的实施方案中的任一个中,可将至少一个耐磨材料设置在刀片的表面上。图9是示出根据本公开的各方面的具有耐磨材料的示例性刀片900的图。一个示例性耐磨材料包括布置在刀片900的表面上的联的耐磨面板901。在示出的实施方案中,刀片900在方向902上经受扭矩力。可将联锁的耐磨面板布置在面向扭矩力的方向903的刀片900的表面904上。在某些实例中,表面904可接收与地层的直接接触或来自地层的切削。联锁的面板901可在刀片900挠曲时独立地移动,从而提供来自地层的研磨材料的保护。虽然联锁的面板901被示出为覆盖表面904,但是它们可在刀片900上的许多位置和布置中使用,包括覆盖刀片900的所有暴露的表面和仅覆盖刀片的暴露的表面部分或一些。
[0048] 在某些实施方案中,耐磨材料可包括纳米纤维涂层903。所述纳米纤维涂层可类似于联锁的面板901起作用,但在较小规模上。在某些实例中,可对纳米纤维进行调整以在刀片900的面905上耐磨。类似地,可将纳米纤维调整以使得它们贴着刀片900的表面敷设以对其进行保护。在一些实施方案中,纳米纤维涂层903可以是牺牲性的,以在其切入地层时保护刀片900。纳米纤维涂层903可代替联锁的面板901或除联锁的面板901之外使用[0049] 根据本公开的各方面,示例性钻头可包括钻头体和定位在钻头体上的可挠曲刀片。所述钻头还可包括切削元件,所述切削元件耦接到所述可挠曲刀片的面上并且延伸超过所述可挠曲刀片的面一定距离。所述切削元件可具有后倾角和侧倾角。所述距离、后倾角和侧倾角中的至少一个可取决于所述可挠曲刀片的挠曲位置。
[0050] 在某些实施方案中,可挠曲刀片可包括选择性地保持挠曲位置的材料和具有随温度、压力、磁场和电能中的至少一个而变化的弹性模量的材料中的至少一种。所述可挠曲刀片还可包括至少一个机械、液压和/或电气元件。在某些实施方案中,可挠曲刀片可包括耦接到第二部分的第一部分,并且至少一个机械、液压和/或电气元件可包括定位在第一部分与第二部分之间的铰接件或挠曲点,以及定位在第一部分与第二部分之间的可压缩构件和流体驱动活塞中的至少一个。
[0051] 在某些实施方案中,刀片可包括耦接到第二部分的第一部分。第一部分可具有第一弹性模量并且第二部分可具有第二弹性模量。机械、液压和/或电气元件可更改第一部分和第二部分的相对位置。在某些实施方案中,可挠曲刀片还可具有第三部分,所述第三部分具有小于第一弹性模量和第二弹性模量的第三弹性模量,并且所述第三部分可以至少部分地在第一部分和第二部分中的至少一个内。
[0052] 根据本公开的各方面,用于在地下地层中进行钻探操作的示例性方法可包括将钻头耦接到钻探组件上。钻头可具有可挠曲刀片和耦接到可挠曲刀片的面上并且延伸超过可挠曲刀片的面一定距离的切削元件。所述切削元件可具有后倾角和侧倾角。可将钻头放置在地下地层中的钻孔中。距离、后倾角和侧倾角中的至少一个可在将钻头定位在钻孔内时改变。
[0053] 在某些实施方案中,在将钻头定位在钻孔内时改变距离、后倾角和侧倾角中的至少一个可包括改变可挠曲刀片的钻探参数和有效弹性模量中的至少一个。改变钻探参数可包括改变钻压和钻头扭矩中的至少一个。可挠曲刀片可包括选择性地保持挠曲位置的材料和具有随温度、压力、磁场和电能中的至少一个而变化的弹性模量的材料。
[0054] 在将钻头定位在钻孔内时改变距离、后倾角和侧倾角中的至少一个可包括更改可挠曲刀片的机械、液压和/或电气元件中的至少一个。更改刀片的机械、液压和/或电气元件中的至少一个可包括致使可挠曲刀片在定位在刀片的第一部分与第二部分之间的铰接件或挠曲点处弯曲。更改刀片的机械、液压和/或电气元件中的至少一个还可包括更改定位在第一部分与第二部分之间的可压缩构件和流体驱动活塞中的至少一个。
[0055] 在某些实施方案中,所述刀片可包括耦接到第二部分的第一部分,所述第一部分可具有第一弹性模量,并且所述第二部分可具有第二弹性模量。改变可挠曲刀片的有效弹性模量可包括更改第一部分和第二部分的相对位置。在某些实施方案中,所述刀片还可包括第三部分,所述第三部分具有小于第一弹性模量和第二弹性模量的第三弹性模量。改变可挠曲刀片的有效弹性模量可包括更改第一部分、第二部分和第三部分的相对位置。
[0056] 因此,本公开非常适合于达到所提及的目的和优势以及自身固有的目的和优势。上文所公开的具体实施方案仅仅是说明性的,因为本公开可以以对受益于本文教义的本领域技术人员来说显而易见的不同但等效的方式进行修改和实践。此外,旨在不限制本文所示的构造或设计的细节,除非所附权利要求书中另有描述。因此显然,可对上文所公开的具体说明性实施方案做出更改或修改,并且所有这些变化都被认为是在本公开的范围和精神内。另外,除非专利权所有人另外明确地并且清楚地定义,否则权利要求书中的术语具有其普通、常见的含义。如权利要求书中使用的不定冠词“一”在本文中定义为意指其所修饰引介的一个或一个以上元件。
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