包括可縮回墊的鑽土工具、包括用於這種工具的可縮回墊的筒、及相關方法
2023-08-06 09:37:36 2
包括可縮回墊的鑽土工具、包括用於這種工具的可縮回墊的筒、及相關方法
【專利摘要】一種鑽土工具，其可包括形成在其工作面中的至少一個腔。位於該至少一個腔中的至少一個可縮回墊可聯接到活塞上，該活塞至少部分地位於該至少一個腔內。另外，閥可定位於鑽土工具內並被構造成調節通過貯存器的開口並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於第一孔內的至少一個可縮回墊。筒壁和活塞可界定第一孔內的第一貯存器，閥被定位和配置成調節通過開口流到第一貯存器的流動。還公開了相關方法和裝置。
【專利說明】包括可縮回墊的鑽土工具、包括用於這種工具的可縮回墊
的筒、及相關方法
[0001]優先權請求
[0002]本申請請求享有美國專利申請序列N0.13/160，015號的權益，該美國專利申請提交於2011年6月14日、目前在審，名稱為「包括可縮回墊的鑽土工具、包括用於這種工具的可縮回墊的筒組件、以及相關方法」。
【技術領域】
[0003]本發明公開的實施例通常涉及包括可縮回墊的鑽土工具。一些實施例還涉及用於這類鑽土工具的部件(如，包括可縮回墊的筒組件)以及相關方法。
【背景技術】
[0004]在美國，陸地和其他非常規油氣勘探傾向於油氣井的水平開發，在該水平開發中，先鑽進井眼，然後橫向跟隨烴開採地層。這種油氣井的水平開發通常要求定向鑽井，其中，首先鑽豎直井眼部分，然後鑽彎曲井眼部分，彎曲井眼部分進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鑽頭來鑽，以使工具工作面穩定並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，操作者可能想使鑽速(ROP)最優。在使用傳統鑽頭時，為了使整體ROP最優，操作者可使用圓形路徑，以相對較小的攻擊性起出鑽頭，並以較高的攻擊性下入另一個鑽頭。這種圓形路徑由於浪費了鑽井時間以及必須使用兩種不同的鑽頭，因此耗時且成本高。
[0005]根據上述內容，需要改進的鑽土工具、改進的鑽土工具部件以及改進的鑽探方法。
【發明內容】
[0006]在某些實施例中，鑽土工具包括至少一個形成在其工作面上的腔。可縮回墊可靠近該工作面定位在該至少一個腔中並聯接到活塞上，該活塞至少部分地位於該至少一個腔內。另外，基本上不可壓縮的流體可接觸活塞並容納在第一貯存器內。閥可定位在鑽土工具內，並被構造成調節流過第一貯存器的開口的液流。
[0007]在其他實施例中，用於鑽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於第一孔內。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於第一孔內，開口通向第一貯存器，閥被定位和配置成調節流過開口的液流。
[0008]在其他實施例中，鑽土鑽頭可包括可縮回墊和位於鑽土鑽頭的工作面上的多個腔，可縮回墊聯接到第一活塞上，第一活塞至少部分地位於所述多個腔中的每個腔內。鑽土鑽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並被容納在第一貯存器內，所述多個孔與所述多個腔流體連通並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於所述多個孔中的每個孔內；旋轉斜盤可操作地聯接到每個第二活塞上。[0009]在又一另外的實施例中，一種操作鑽土工具的方法可包括:通過具有至少一個可縮回墊的鑽土工具鑽探井眼，該可縮回墊從鑽土工具的靠近至少一個切削結構的工作面突出。該方法還包括:打開鑽土工具內的閥，以使流體從位於該至少一個可縮回墊之下的第一貯存器釋放，並且在位於井眼內時，減小該至少一個可縮回墊從鑽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鑽土工具的工作面的突出量之後，重新開始鑽進。
[0010]在又一進一步的實施例中，一種形成彎曲井眼的方法包括:鑽進時，使位於鑽頭工作面內的至少一個可縮回墊在井眼的第一側伸展；以及，鑽進時，使該至少一個可縮回墊在井眼的第二側縮回。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1示出了鑽機的示意圖，該鑽機包括根據本發明公開的一實施例的鑽頭；
[0012]圖2示出了鑽頭的等軸測視圖，該鑽頭包括根據本發明公開的一實施例的可縮回墊；
[0013]圖3示出了圖2所示的鑽頭的底視圖；
[0014]圖4A示出了圖2中的鑽頭的一部分示意圖，示出了經過鑽頭的鑽頭體的流體通道以及示出了位於伸展位置中的可縮回墊；
[0015]圖4B示出了圖4A所示的鑽頭的所述部分的示意圖，此時可縮回墊處於縮回位置中；
[0016]圖5A示出了包括可縮回墊的筒組件，該筒組件用於例如圖2所示的鑽頭中，所示出的該可縮回墊處於伸展位置中；
[0017]圖5B示出了圖5A中的筒組件,所示出的可縮回墊處於縮回位置中；
[0018]圖6A示出了包括可縮回墊和第二活塞的筒組件，該筒組件用於例如圖2所示的鑽頭上，所示出的可縮回墊處於伸展位置中；
[0019]圖6B示出了圖6A中的筒組件，所示出可縮回墊處於縮回位置中；
[0020]圖7A示出了包括可縮回墊和膜片的筒組件，該筒組件用於例如圖2所示的鑽頭上，所示出的可縮回墊處於伸展位置中；
[0021]圖7B示出圖7A中的筒組件，所示出的可縮回墊處於縮回位置中；
[0022]圖8示出了圖2中的鑽頭的鑽柄和電子模塊的分解圖；
[0023]圖9示出了圖8中的鑽柄的截面圖；
[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示出了根據本發明公開的一實施例的包括旋轉斜盤的鑽頭的局部截面圖；
[0027]圖13示出了根據本發明公開的一實施例的包括閥的鑽頭的局部截面圖。
【具體實施方式】
[0028]文中的視圖不是任何具體裝置或相關方法的實際視圖，而僅是用於描述本發明的實施例的理想化代表圖。另外，圖中的共同元件用相同附圖標記表示。
[0029]儘管本發明公開的某些實施例被描述為用於刮刀鑽頭，但是，本領域的普通技術人員將能理解到，本發明公開的實施例可用於混合式鑽頭或其他鑽頭結構中。因此，文中使用的術語「鑽土工具」表示和包括用於在地層中鑽進或擴大井眼或井的任何類型的鑽頭或其它鑽地裝置。
[0030]圖1示出了用於執行地下鑽井作業的裝置的實例。鑽機10可包括井架12、鑽臺
14、絞車16、鉤18、龍頭20、方鑽杆接頭22和轉盤24。鑽柱30可包括鑽管部分32和鑽環部分34，所述鑽柱從鑽機10向下伸展到井眼40中。鑽管部分32包括多個連接在一起的管狀鑽管構件或束，鑽環部分34同樣可包括多個鑽環。可選地，鑽柱30可包括隨鑽測量(MWD)記錄子組件和相互配合的漿體脈衝遙測數據傳輸子組件(它們整體稱為MWD通訊系統50)、以及對本領域的普通技術人員來說公知的其他通訊系統。
[0031] 鑽井作業期間，鑽井流體可從漿體池60通過漿體泵62、通過波動消除器64並通過漿體供給管線66循環到龍頭20中。鑽井漿體(也稱之為鑽井流體)流過方鑽杆接頭22、進入鑽柱30的軸向中心孔中。最終，鑽井眾體通過位於鑽頭100中的嗔嘴或孔口排出，所述鑽頭100連接到鑽柱30的最低端部分上。鑽井漿體通過鑽柱30的外表面和井眼40的內表面之間的環形空間42向上流回，循環到地面，在地面該鑽井漿體通過漿體回流管線68返回到漿體池60中。
[0032]在鑽井漿體返回到漿體池60之前，振動篩(未示出)可用於將地層切屑從鑽井漿體中分離出來。在進行鑽井作業時，可選的MWD通訊系統50可利用漿體脈衝遙測技術將數據從井下位置傳輸到地面。為了在地面接收數據，設置有與漿體供給管線66通訊的漿體脈衝傳感器70。該漿體脈衝傳感器70響應於漿體供給管線66中的鑽井漿體的壓力變化而產生電信號。這些電信號通過地面導體72被傳遞到地面電子處理系統80中，地面電子處理系統通常是一種具有中央處理單元的數據處理系統，所述中央處理單元用於執行程序指令、並用於對通過鍵盤或圖形指點裝置輸入的用戶指令作出響應。漿體脈衝遙測系統被設置成用於將數據傳輸給地面，這些數據涉及由通常位於MWD通訊系統50內的井記錄和測量系統檢測到的各種井下狀況。通常位於MWD通訊系統50內的設備產生漿體脈衝，漿體脈衝限定了傳播到地面上的數據。這種設備通常包括壓力脈衝發生器，該壓力脈衝發生器在被容納在控制儀表殼體內的電子器件的控制下運行，以使鑽井漿體通過貫穿鑽環壁的孔口排出。每次壓力脈衝發生器引起這種排出情況時，負壓脈衝被傳遞以便通過漿體脈衝傳感器70被接收。替代性的傳統結構產生並傳遞正壓脈衝。通常，循環的鑽井漿體也可以為可以位於底部鑽具組合(BHA)附近的渦輪驅動發馬達子組件(未示出)提供能源。渦輪驅動發馬達可以為壓力脈衝發生器和各種電路(包括形成隨鑽測量工具的操作部件的那些電路)產生電能。可提供電池作為替代或補充電力源，尤其是作為渦輪驅動發馬達的備用裝置。
[0033]對於定向鑽井而言，鑽柱30可包括漿體馬達90以及位於鑽頭100附近位置上的彎接頭和/或轉向接頭92。當鑽探直的井眼部分時，轉向接頭92和鑽頭100 二者可都相對於井眼40旋轉。鑑於此，由於轉向接頭92旋轉並沿井眼壁摩擦，因此鑽頭100可偏心旋轉並可鑽出稍微過大的井眼。可選地，轉向接頭92上的轉向墊可運動到縮回位置中，這可使得鑽頭100在鑽探直的井眼部分時能在中心上旋轉。
[0034]在鑽探彎曲的井眼部分的過程中，可利用漿體馬達90使鑽頭100相對於井眼40旋轉，同時位於漿體馬達90上方的鑽柱30不相對於井眼40旋轉。因此，鑽頭100可在中心上旋轉，轉向接頭92可不相對於井眼40旋轉並可連續地將側向力施加在井眼40的一側上，這可使得鑽頭100沿彎曲路徑穿過地層。如果轉向接頭92包括可運動的轉向墊，那麼，在形成彎曲的井眼部分時，轉向墊可位於伸展位置中。
[0035]但是，在某些實施例中，對於定向鑽井而言，可以不包括彎接頭和/或轉向接頭92。在這樣的實施例中，不使用彎接頭和/或轉向接頭92，而是使用根據本發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進行的描述。
[0036]如圖2所示，鑽頭100可包括鑽頭體110和鑽柄112。鑽頭體110包括多個刀片114和位於刀片114之間的流體通道116，它們界定了鑽頭體110的外表面。鑽頭體110還另外包括多個噴嘴118 (圖3)，所述噴嘴位於鑽頭體110上以引導流體通過所述流體通道116。刀片114可包括多個切削結構122 (例如，聚晶金剛石複合片(PDC)刀具)，所述切削結構例如位於鑽頭體110的冠部或工作面區域中，刀片114可包括耐磨結構124 (例如，碳化鎢耐磨扣狀物)，該耐磨結構例如位於鑽頭100的保徑區域中。
[0037]如圖2和圖3所示，鑽頭100的鑽頭體110包括位於鑽頭工作面上的多個可縮回墊128。鑽頭工作面如圖3所示，其是鑽頭100的前端區域，該前端區域在鑽井作業期間接合井眼底部，即，其是鑽頭中與鑽柄112相反的部分。例如，每個可縮回墊128可位於鑽頭體110的刀片114上的旋轉地尾隨一排切削結構122的位置上。在其他實施例中，每個可縮回墊128可以旋轉地領先於一排切削結構122。
[0038]如圖4A和圖4B所示，鑽頭體110可另外地包括位於鑽頭體110內的流體通道130，所述流體通道可從中央流體通道132延伸到噴嘴118並延伸到鑽頭體110中容納可縮回墊128的腔136。中央流體通道132可通過鑽柄112中的開口(圖8)向鑽頭體100外部延伸。
[0039]在某些實施例中，每個可調節墊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可定位在鑽頭體110的刀片114中的腔136內。
[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，活塞位於該孔內，活塞144的周界密封抵靠筒壁142。活塞144可包括託架146 (如，鋼託架)，該託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，託架還可裝配有支承件或耐磨環。活塞144還包括可縮回墊128，該可縮回墊可聯接到託架146上或與託架146 —體形成。例如，可縮回墊128可包含碳化物或其他耐磨材料，並可焊接或釺焊到託架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。由於貯存器152由筒壁142和活塞144的表面150界定，因此，貯存器152的尺寸可根據活塞144在井眼中的位置改變。基本上不可壓縮的流體可充分填充貯存器152，並接觸活塞144的表面150。因此，一旦通過閥156關閉開口 154，不可壓縮的流體就可容納在貯存器152內，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例包括礦物油、植物油、矽油和水。
[0041]筒組件140的尺寸可被設定為用於插入鑽頭體110的腔136(圖4A和4B)中，筒組件140可包括凸緣160，所述凸緣可用於將筒組件140定位在腔136內的預定深度位置處，也可用於將筒組件140連接到鑽頭體110上。例如，凸緣160可焊接到鑽頭體100的工作面(圖2)上，從而可將筒組件140保持在鑽頭體110內，還可提供筒組件140和鑽頭體110之間的流體密封。另外，可提供接線162並使其穿過鑽頭體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對此進行更詳細描述)。
[0042]在另一實施例中，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位於該第一孔內，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，並被構造成調節第一貯存器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可包括託架188 (如，鋼託架)，該託架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，該託架還可裝配有支承件或耐磨環。第一活塞184還可包括可縮回墊192，可縮回墊192可聯接到託架188上或與託架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，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、X形圈、方形環、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]儘管在圖6A和圖6B所不的實施例中，不出了分別暴露於不可壓縮的流體和鑽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域的尺寸可以不同，以便提供壓力放大器，從而相對於由鑽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，彈性體構件可定位在筒組件200的端部之上並提供流體屏障，但仍能讓流體壓力從鑽頭體110內的鑽井流體(見圖2)通過閥206連通到活塞210 (其包括可縮回墊212)後面的第一貯存器208。
[0047]如圖4A和圖4B示意性所示，鑽頭體110中的流體通道130可將鑽頭體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可提供鑽頭體100的中央流體通道132與定位在腔136內的筒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)可用於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，並可與可以位於鑽頭體100的鑽柄112中的電子模塊310電通訊，並受該電子模塊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，這些專利文獻的發明人均為Pastusek等，名稱均為 「METHOD AND APPARATUS FOR COLLECTING DRILL BIT PERFORMANCE DATA (用於採集鑽頭性能數據的方法和裝置)」，這些專利文獻均被受讓給本申請的 申請人:，這些文獻的全部內容引入文中作為參考。
[0048]如圖8所示，鑽柄112包括穿過鑽柄112的縱軸Z形成的中心孔300。在傳統鑽頭中，中心孔被構造成允許鑽井眾體流過該中心孔。在該實施例中，鑽柄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被構造成基本為圓環結構。因此，電子模塊310可圍繞端蓋312布置在中心孔300內，端蓋312延伸穿過電子模塊310的圓環的內徑部分，以通過中心孔300的壁形成液密環形腔，並使電子模塊310在鑽柄112內密封就位。
[0049]端蓋312包括穿過該端蓋的蓋孔314，以使鑽井漿體流過端蓋312、流過鑽柄112的中心孔300並流到鑽柄112的另一側，然後流入鑽頭100的中央流體通道132中。圖9示出了設置在鑽柄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和鑽柄112的中心孔300的壁之間的環形腔320。第一密封環322和第二密封環324在端蓋312和中心孔300的壁之間形成保護性液密密封，以防止電子模塊310 (圖8)受到不利環境條件影響。由第一密封環322和第二密封環324形成的保護性密封也可被構造成使環形腔320大致保持在大氣壓。
[0050]在某些實施例中，第一密封環322和第二密封環324可由適用於高壓高溫環境的材料形成，例如，氫化丁腈橡膠(HNBR)O形環與PEEK墊圈的組合件。另外，端蓋312可通過多個連接機構(如，利用密封環322和324安全壓配合、螺紋連接、環氧樹脂連接、形狀記憶保持器、焊接以及釺焊)固定到鑽柄112上。
[0051]電子模塊310可被構造成柔性電路板，如圖10的平面結構所示。柔性電路板結構可便於使電子模塊310彎曲和變形為圖8所示的基本上圓環形的結構，並適於圍繞端蓋312布置並布置到中心孔300中。柔性電路板可包括高強度加固基幹部分(未示出)，以便於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域可以以合適方式聯接到端蓋312上，以至少部分地減小由於使用例如粘彈性粘結劑材料進行鑽井作業所產生的加速力。
[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還可被構造成執行各種數據採集和/或數據分析功能。
[0053]在某些實施例中，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)以及存儲設備344 (如，隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM))。電子模塊310還可包括至少一個被構造成用於測量與鑽頭相關的物理參數的傳感器346，348，350，該物理參數可包括鑽頭狀況、鑽井作業狀況以及靠近鑽頭處的環境狀況。在其它實施例中，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，每個加速計相對於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計(S卩，每個磁強計相對於每個其他磁強計可成直角布置)。儘管文中描述了採用三個傳感器成正交布置的結構(如，笛卡兒坐標系統)，但是，也可採用其他數量的傳感器和布置。
[0055]通訊埠 352也可包含在電子模塊310中，以與例如MWD通訊系統50和遠程處理系統354的外部設備通訊。通訊埠 352可被構造成用於使用直接有線連接或無線通信協議(例如，僅作為示例的紅夕卜、藍牙_?和SO2, lla/b/g協議)與遠程處理系統354建立直接通訊連接356。當鑽頭100不在井下時，使用直接通訊連接356，電子模塊310可被構造成與遠程處理系統354 (如，計算機、可攜式計算機以及個人數字助理(PDA))通訊。從而，直接通訊連接356可用於各種功能，如，下載軟體和軟體升級，以通過下載配置數據來安裝電子模塊310、以及上傳樣本數據和分析數據。通訊埠 352也可用於從電子模塊310查詢涉及鑽頭100的信息，如鑽頭序列號、電子模塊序列號、軟體版本、鑽頭操作總運行時間、以及其它長期的鑽頭數據，這些信息可存儲在存儲設備344中。[0056]當閥156、187、206可位於鑽頭100的鑽頭體110內並且對閥156、187、206進行操作的電子模塊310可位於鑽頭100的鑽柄112中時，用於可縮回墊128、192、212的控制系統可完全被包含在鑽頭100內。
[0057]在鑽頭100的某些操作方法中，鑽頭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。由於可縮回墊128、192、212位於伸展位置中，可採用定向鑽井技術通過鑽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構，所述切削深度限制結構可使鑽頭100的攻擊性降低，這通過限制靠近可縮回墊128、192、212的切削結構122的有效暴露而便於鑽探彎曲的井眼。在一個實施例中，可縮回墊基本上位於鑽頭的錐形區域C內(圖3)，靠近鑽頭100的中心線CL (圖3)。在地層內鑽探了彎曲的井眼部分之後，可縮回墊128、192、212可縮回到鑽頭體110中，通過增加靠近可縮回墊128、192、212的切削結構122的有效暴露而增加了鑽頭100的切削深度和攻擊性。增加的攻擊性通過增加對於鑽頭100的給定轉速的ROP可有利於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。在某些實施例中，鑽頭100的加速度可用於提供信號給電子模塊310。例如，鑽頭100可以以各種速度旋轉，這可通過加速度傳感器346的加速計檢測。預定轉速、或給定時間段內的各種轉速的預定序列(如，模式)可用於向電子模塊310發出信號，以使可縮回墊128、192、212縮回。為了便於通過電子模塊310可靠地檢測與預定轉速信號或信號模式相關的加速度，可降低鑽壓(W0B)，例如將WOB降低至基本上為0磅(OKg)。
[0059]在其他實施例中，作用在鑽頭100上的另外的作用力可用於提供信號給電子模塊310。例如，鑽頭100可包括應變計，應變計與可檢測WOB的電子模塊310通訊。預定W0B、或WOB的預定序列(如，模式)可用於向電子模塊310發出信號，以使可縮回墊128、193、212縮回。為了便於通過電子模塊310可靠地檢測與預定WOB信號相關的W0B，可將鑽頭100的轉速保持在不變轉速下(即，每分鐘的轉數(RPM)不變)。在某些實施例中，檢測WOB信號時，鑽頭100的轉速可基本上保持為0RPM。
[0060]電子模塊310檢測出用於使可縮回墊128、192、212縮回的信號(例如用，與預定轉速信號相關的加速度、或通過應變計檢測到的與預定WOB信號相關的應變)之後，電流可被提供給對應於可縮回墊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，當閥156、187、206可需要相對較少的電能運行時(例如，閥156、187、206可以是可處於常閉模式的壓電閥，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]在發送用於使可縮回墊128、192、212縮回的一個信號或多個信號之後，重力可通過鑽柱30施加到鑽頭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，通過作用在鑽頭100前面尚未鑽進的地層上的鑽壓而施加給可縮回墊128、192、212的作用力就可引起相關聯的貯存器152、189、208內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，並導致可縮回墊128、192、212縮回到鑽頭體110中，如圖5B、6B和圖7B所示。在使用開口的筒組件140的實施例中，不可壓縮的流體可從貯存器152流出，並與鑽頭體110中的鑽井流體混合。在使用具有第二貯存器191、204的筒組件180、200的實施例中，不可壓縮的流體可從第一貯存器189、208流出，並進入第二貯存器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]在某些實施例中，可縮回墊128、192、212在已經縮回之後可在井眼內伸展。為了使可縮回墊129、192、212在井眼內伸展，其他信號(例如，與用於使可縮回墊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於可縮回墊128、192、212的閥156、187、206，閥156、187、206可打開以允許流體通過該閥。鑽頭100可定位在離開井眼底部，鑽井流體可被泵送到鑽頭100的中央流體通道132中。鑽頭100的中央流體通道132內的流體壓力然後可使流體流過閥156、187、206並流入相關聯的貯存器152、189、208中，從而導致貯存器152、189、208的體積膨脹，並且可縮回墊128、192、212從鑽頭工作面伸展。可縮回墊128、192、212已經移動到伸展位置(如圖5A、6A和圖7A所示)之後，閥156、187、206可關閉以保持貯存器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，這樣就開始鑽井。
[0063]在包括第二貯存器191、204(例如，如圖6A、6B、7A和7B所示)的實施例中，在鑽頭100的中央流體通道132內的流體的作用下，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的實施例中，鑽井流體可引導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的其他實施例中，可使用鑽井流體作為不可壓縮的流體。在這樣的實施例中，鑽井流體用作不可壓縮的流體，篩或其他過濾介質(未示出)可用於防止固體碎屑穿過閥156。
[0064]在另外的實施例中，包括可縮回墊410、510的鑽頭400、500可被構造成分別使鑽頭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。在這樣的實施例中，可利用鑽井時可縮回墊410、510的伸展和縮回通過改變鑽頭工作面上的不同位置中的切削結構122 (圖2)的攻擊性來鑽探彎曲的井眼部分。
[0065]在某些實施例中，鑽頭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可聯接到旋轉斜盤420上，如圖12所示。旋轉斜盤420可包括上板422和下板424，它們在交界面426處相對於彼此旋轉。上板422可不相對於井眼旋轉，下板424可與鑽頭400 —起旋轉。例如，上板422可附接到防止上板422相對於井眼旋轉的一個或多個杆430上。多個活塞402可通過鉸接連接件(如，球窩連接件440)聯接到下板424上，使得下板424可與鑽頭400和活塞402 —起相對於上板422旋轉。活塞402可伸展到鑽頭體452上的孔450中並與可縮回墊410保持流體連通。
[0066]運行中，例如,通過操縱一個或多個附接到上板422上的杆430,上板422和下板424可相對於鑽頭400的主縱軸線傾斜，這可導致活塞402在鑽頭400旋轉時在鑽頭體452上的孔450內往復運動。當鑽頭400在井眼內旋轉時，由於往復運動的活塞402產生的液壓力作用在可縮回墊410上，因此往復運動的活塞402可引起可縮回墊410相對於鑽頭工作面向內和向外運動。可縮回墊410經過井眼第一側時，旋轉斜盤420可使活塞402向下移動並引起可縮回墊410伸展；可縮回墊410經過井眼第二側時，旋轉斜盤420可使活塞402向上移動並引起可縮回墊410縮回。因此，鑽頭400在井眼第二側的切削深度可大於在井眼第一側的切削深度，鑽頭400可從井眼第二側去除掉更多材料，從而可實現定向鑽井操作。另外，獲得的方向(如，偏離直的通道的程度)可由旋轉斜盤420相對於鑽頭400的主縱軸線的定位角度決定。
[0067]在其他實施例中，例如，如圖13所示，鑽頭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，該美國專利的發明人為Barr 等、名稱為「MODULATED BIAS UNITS FOR STEERABLE ROTARY DRILING SYSTEMS (用於可轉向的旋轉式鑽井系統的調製偏置單元)」，該美國專利文獻的全部內容引入文中作為參考。閥520可聯接到杆522上，所述杆可防止閥520在鑽井作業期間相對於井眼旋轉。鑽頭體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，鑽頭體530可包括流體通道534，所述流體通道534提供了閥520和鑽頭500的外部之間的流體連通。如圖13所示，流體通道534可在鑽頭500的保徑區域處或保徑區域附近的位置處提供到鑽頭500的外部的流體連通。在另外的實施例中，流體通道534可朝下穿過鑽頭體530，並提供通過位於鑽頭500的工作面區域中的噴嘴118到鑽頭500的外部的流體連通。穿過鑽頭體530形成的流體通道532、534在鑽井作業期間將與鑽頭500 —起旋轉，從而流體通道532、534將相對於閥520旋轉。閥520可配置有至少兩個不同的周圍區域540、542。當阻塞相應流體通道534之間中央流體通道544與鑽頭500外部之間的流體流通時，第一周圍區域540可提供鑽頭體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)之間的流體連通時，閥520的第二周圍區域542可提供可縮回墊510和鑽頭500的外部之間的流體連通。
[0068]運行過程中，鑽頭500的中央流體通道544可相對於鑽頭500外部周圍的流體被加壓。當對應於可縮回墊510的流體通道532和流體通道534經過閥520的第一周圍區域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經過閥520的第一周圍區域540時)，通向可縮回墊510的流體通道532可向鑽頭500的中央流體通道544內的加壓流體敞開，可縮回墊510響應於流體壓力而伸展。當鑽頭500旋轉時，對應於可縮回墊510的流體通道532和流體通道534經過閥520的第二周圍區域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，從而進行排放。在排放過程中(例如，流體通道經過閥520的第二周圍區域542時)，提供了可縮回墊510和鑽頭500外部之間的流體連通，從而可進行排放，使與可縮回墊連通的流體壓力減小，並使可縮回墊510縮回。當鑽頭500在井眼內旋轉時，閥520可相對於井眼定位成引起可縮回墊510在對應於井眼第一側的位置處向內運動以及相對於井眼第二側向外運動。因此，鑽頭500在井眼第二側的切削深度大於在井眼第一側的切削深度，鑽頭500可從井眼第二側去除掉更多材料，從而實現定向鑽井。另外，所獲得的方向(如，偏離直的通道的程度)可由閥520相對於井眼的位置以及供應給鑽頭500的中央流體通道544中的流體壓力決定。
[0069]儘管已經參照某些實施例描述了本發明，但是，本領域的普通技術人員將能意識和理解到，本發明並不局限於此。在不脫離下述權利要求書請求的本發明保護範圍的情況下，可對文中所述的實施例進行許多補充、刪除和改進。另外，一個實施例中的特徵可與其他實施例中的特徵組合，但是仍落入到發明人所構思的本發明的範圍內。
【權利要求】
1.一種鑽土工具，包括: 至少一個腔，所述至少一個腔位於鑽土工具的工作面中； 可縮回墊，所述可縮回墊靠近所述工作面位於所述至少一個腔中並聯接到至少部分地定位於所述至少一個腔內的活塞上； 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並被容納在第一貯存器內；以及， 閥，所述閥定位於鑽土工具內，並被構造成調節通過第一貯存器的開口的流動。
2.根據權利要求1的鑽土工具，還包括控制器，所述控制器定位在鑽土工具內並被構造成選擇性地打開閥。
3.根據權利要求2的鑽土工具，其中，控制器定位於鑽土工具的鑽柄內。
4.根據權利要求1的鑽土工具，還包括筒組件，該筒組件包括所述活塞和位於所述至少一個腔內的所述閥。
5.根據權利要求4的鑽土工具，其中，筒組件還包括另一活塞。
6.根據權利要求5的鑽土工具，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節所述基本上 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.根據權利要求4的鑽土工具，其中，所述閥被定位和配置成調節所述一個貯存器和鑽土工具內的鑽井流體通道之間的流動。
8.根據權利要求7的鑽土工具，其中，所述閥包括壓電閥。
9.根據權利要求4的鑽土工具，其中，筒組件通過靠近工作面的焊接部固定到鑽土工具上。
10.根據權利要求4的鑽土工具，其中，所述閥裝設有電線以便與電子模塊電通訊，該電子模塊包括位於鑽土工具內的至少一個傳感器。
11.根據權利要求10的鑽土工具，其中，所述至少一個傳感器包括至少一個加速計。
12.根據權利要求10的鑽土工具，其中，所述至少一個傳感器包括至少一個應變儀。
13.根據權利要求10的鑽土工具，其中，所述閥被構造成通過所述電子模塊的電源被供電。
14.根據權利要求1的鑽土工具，其中，所述活塞包括聯接到可縮回墊上的鋼託架，所述可縮回墊包括碳化物，所述鋼託架包括密封套。
15.一種用於鑽土工具的筒組件，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於第一孔內； 第一貯存器，所述第一貯存器靠近所述活塞位於所述第一孔內； 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節流過該開口的液流。
16.根據權利要求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於通過所述閥與第一貯存器流體連通。
17.根據權利要求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於所述第二孔內。
18.根據權利要求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。
19.一種地鑽鑽頭,包括: 多個腔，所述多個腔位於地鑽鑽頭工作面中； 可縮回墊，所述可縮回墊聯接到第一活塞上，第一活塞至少部分地位於所述多個腔的每個腔內； 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並被容納在第一貯存器內； 多個孔，所述多個孔與所述多個腔流體連通並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於所述多個孔的每個孔內；以及 旋轉斜盤，所述旋轉斜盤操作地連接到每個第二活塞上。
20.一種操作鑽土工具的方法，該方法包括以下步驟: 通過鑽土工具鑽井眼，該鑽土工具具有至少一個可縮回墊，該可縮回墊從鑽土工具的靠近至少一個切削結構的工作面突出； 打開鑽土工具內的閥，以使流體從位於所述至少一個可縮回墊下方的第一貯存器中釋放，在鑽土工具處於井眼內時減小所述至少一個可縮回墊從鑽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鑽土工具工作面的突出量之後，重新開始鑽進。
21.根據權利要求20的方法，還包括以下步驟:檢測鑽土工具轉速的至少一種變化，並響應於檢測到的鑽土工具轉速的變化而打開閥。
22.根據權利要求20的方法，還包括以下步驟:檢測作用在鑽土工具上的重力的至少一種變化，並響應於檢測到的作用在鑽土工具上的重力的變化而打開閥。
23.根據權利要求21的方法，還包括以下步驟:當檢測出作用在鑽土工具上的重力的至少一種變化時，保持鑽土工具的轉速。
24.根據權利要求23的方法，其中，保持鑽土工具的轉速包括，保持轉速基本上為每分鐘零轉。
25.根據權利要求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鑽土工具的鑽井流體通道中。
26.根據權利要求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.根據權利要求26的方法，還包括以下步驟:響應於流體從第一貯存器的釋放而使第二活塞在鑽土工具內運動。
28.根據權利要求27的方法， 還包括以下步驟:響應於流體從第一貯存器的釋放而使膜片在鑽土工具內彎曲。
29.根據權利要求20的方法，還包括以下步驟: 當鑽土工具離開井底定位時，對鑽土工具內的流體加壓；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:鑽進時，使定位在鑽頭工作面內的至少一個可縮回墊在井眼第一側伸展；以及鑽進時，使所述至少 一個可縮回墊在井眼第二側縮回。
【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 優先權日:2011年6月14日
【發明者】M·奧斯特伯格 申請人:貝克休斯公司