鑽頭量規伸縮片控制器的製作方法

2023-08-06 00:55:36

專利名稱：鑽頭量規伸縮片控制器的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及鑽井，但不以限制性的方式，本發明的實施例涉及控制在地球地 層中鑽進的井眼的方向。
背景技術：
在許多行業中，通常期望的是通過地球地層定向鑽進一口井眼或者在地下地層中 的井中取心，以便井眼和/或取心可以包圍和/或通過地層內的沉積物和/或儲層，以到達 地層和/或類似地層內的預定目標。當在地下地層中鑽井或取心時，有時期望能夠改變和 控制鑽進方向，以例如朝向期望的靶心引導井眼，或者一旦已經到達靶心則水平控制在含 有油氣的區域內的方向。還期望的是當鑽直井時可對偏離期望方向的井斜進行校正，或者 控制井的方向以避免障礙物。 例如，在油氣行業中，可以進行鑽井以截取具體位置處具體的地下地層。在一些鑽 井過程中，為了鑽期望的井眼，可以預先設計通過地球地層的鑽井軌跡，並且可以控制鑽井 系統以與軌跡一致。在其它過程中，或者在與前述過程的結合中，在鑽井過程期間，可以確 定用於井眼的目標並可以監測正在地球地層內鑽進井眼的進程，並且可以採用用於確保井 眼到達靶區目標的步驟。此外，可以控制鑽井系統的操作以提供經濟鑽井，所述經濟鑽井可 以包括進行鑽進以儘快鑽通地球地層，進行鑽進以減小鑽頭磨損，進行鑽進以獲得通過地 球地層的最佳鑽井和最佳鑽頭磨損和/或類似結果。 鑽井的一個方面被稱作"定向鑽井"。定向鑽井是有意使井眼偏離所述井眼本身所 通過的路徑。換句話說，定向鑽井是對鑽柱進行導向，使得所述鑽柱沿期望的方向移動。
因為定向鑽井能夠從單個平臺鑽多口井，因此定向鑽井的優勢在於海上鑽井。定向鑽井還能夠通過儲層進行水平鑽井。水平鑽井能夠使更長的井筒穿過儲層，這增加了井 的生產率。 定向鑽井系統同樣也可以用於垂直鑽井操作中。通常，鑽頭由於被穿過的地層的 不可預測的特性或鑽頭受到的變化力而離開設計好的鑽井軌跡。當這種井斜發生時，定向 鑽井系統可以用於將鑽頭放回在規定的軌跡上。 用於井眼的定向鑽進的監測過程可以包括確定鑽頭在地球地層內的位置、確定鑽 頭在地球地層中的方位、確定鑽井系統的鑽壓、確定通過地球地層的鑽井速度、確定正在被 鑽進的地球地層的特性、確定包圍鑽頭的地層的特性、期望確定鑽頭前面的地層的特性、對 地球地層進行地震分析、確定鄰近鑽頭的儲層等的特性、測量井眼內和/或井眼或類似物 周圍的地層的壓力、溫度和/或類似參數。在用於井眼的定向鑽進的任一過程中，不管是否 在預先設計的軌跡之後、是否監測鑽井過程和/或鑽井條件和/或類似操作，必需能夠對鑽 井系統進行導向。 在鑽井操作期間作用在鑽頭上的力包括重力、由鑽頭產生的扭矩、施加到鑽頭的 端部載荷、和來自鑽柱組合的彎矩。這些力與正在被鑽進的地層類型和地層相對於井眼的 傾角一起可以在鑽井過程期間產生複雜的相互作用的力系。 定向鑽井公知的方法包括使用旋轉鑽井系統(RSS)。在RSS中，鑽柱從地面旋轉， 並且井下裝置使鑽頭沿期望的方向鑽進。旋轉鑽柱大大減少了鑽井期間鑽柱的懸空或卡鑽 的發生。 用於將斜井鑽進到地球內的旋轉導向鑽井系統可以大致分類為"面向鑽頭"系統 或"推進鑽頭"系統。在面向鑽頭系統中，鑽頭的旋轉軸線沿新井的大致方向偏離底部鑽 具組合("BHA")的局部軸線。根據由上下穩定器接觸點和鑽頭限定的常規三點幾何尺 寸擴展井。與鑽頭和下穩定器之間的有限距離相關聯的鑽頭軸線的偏斜角產生要生成的 彎曲所需的非共線條件。有許多方法可以實現此，包括在BHA中靠近下穩定器的點處的固 定彎曲或在上穩定器與下穩定器之間分布的鑽頭驅動軸的撓曲。在鑽頭的理想形式中，因 為鑽頭軸線沿彎曲井的方向連續旋轉，因此，鑽頭不需要進行側向鑽切。美國專利申請出 版物No. 2002/0011359 ;2001/0052428和美國專利No. 6， 394， 193 ;6， 364， 034 ;6， 244， 361 ; 6， 158， 529 ;6， 092， 610 ;和5， 113,953中說明了面向鑽頭型旋轉導向系統的示例和所述面 向鑽頭型旋轉導向系統是如何操作的，所有這些申請通過引用在此併入。
在推進鑽頭旋轉導向系統中，通過使上下穩定器中的一個或兩個或者另外的機構 在相對於井擴展的方向被優選定向的方向上施加偏心力或產生位移來實現所需的非共線 條件。此外，有許多方法可以實現此，包括不旋轉(相對於井)偏心穩定器(基於位移的 方法)和沿期望的導向方向將力施加到鑽頭的偏心致動器。此外，通過在鑽頭與至少兩個 其它接觸點之間產生非共線性來實現導向。在鑽頭的理想形式中，鑽頭需要進行側向鑽切 以生成彎曲井。美國專利No. 5， 265， 682 ;5， 553， 678 ;5， 803， 185 ;6， 089， 332 ;5， 695， 015 ; 5， 685， 379 ;5， 706， 905 ;5， 553， 679 ;5， 673， 763 ;5， 520， 255 ;5， 603， 385 ;5， 582， 259 ; 5， 778,992 ;5， 971， 085中說明了推進鑽頭型旋轉導向系統的示例和所述推進鑽頭型旋轉 導向系統是如何操作的，這些申請通過引用在此併入。 RSS的公知形式設置有在與鑽柱旋轉相反的方向上旋轉的"反向旋轉"機構。通常， 反向旋轉在與鑽柱旋轉相同的速度下發生，使得反向旋轉部分相對於井眼的內部保持相同的角位置。因為反向旋轉部分相對於井眼不旋轉，因此通常被本領域的技術人員稱作為"對 地靜止"。在此公開中，術語"反向旋轉"和"對地靜止"之間沒有區別。 推進鑽頭系統通常在反向旋轉穩定器的內部或外部使用。反向旋轉穩定器相對於 井壁保持固定角度(或對地靜止)。當要使井眼偏斜時，致動器從期望的井斜在相反方向上 將推力塊(pad，又可稱之為伸縮片)壓靠在井壁上。產生的結果是鑽頭在期望的方向上被 推動。 通過用於彎曲底部鑽具組合的力可平衡由致動器/推力塊生成的力，並且所述力 通過致動器/推力塊反作用在底部鑽具組合的相對側，並且反作用力作用在鑽頭的牙輪 上，從而對井進行導向。在一些情況下，來自推力塊/致動器的力可以足夠大以磨蝕應用系 統的地層。 例如，SchlurnbergerTMpowerdriveTM系統鑽杆使用三個推力塊，所述三個推力塊
繞底部鑽具組合的截面布置以從底部鑽具組合被同步部署，從而沿一方向推動鑽頭並且對
正在被鑽進的井眼進行導向。在所述系統中，推力塊在鑽頭後面卜4ft的範圍內緊密安裝，
並且通過從循環流體所取的泥漿流給所述推力塊供電或致動所述推力塊。在其它系統中，
由鑽井系統或楔形物或類似物提供的鑽壓可以用於將鑽井系統定向在井眼中。 雖然用於將力施加在井壁上並且使用反作用力沿一方向推動鑽頭或使鑽頭移動
以沿期望的方向鑽井的系統和方法可以與包括旋轉鑽井系統的鑽井系統一起使用，但是所
述系統和方法可能具有缺陷。例如，這種系統和方法可能需要將較大的力施加在井壁上以
彎曲鑽柱或將鑽頭定向在井眼中；這種力可能大約為5kN或更大，5kN或更大的力可能需要
較大/複雜的井下發動機或類似物來生成。另外，許多系統和方法可以重複使用當底部鑽
具組合旋轉時的推力塊/致動器向外推入到井壁中的推力以產生推動鑽頭的反作用力，這
可能需要複雜/昂貴/高維護的同步系統、複雜的控制系統和/或類似系統。 鑽頭被公知為以不可預測或甚至隨機的方式在井眼內周圍"跳動"或產生咔嗒聲。
鑽頭可以涉及鑽頭在井眼內的運動和/或鑽頭與井眼的內壁之間的反作用力的隨機變化。
這種隨機運動和/或隨機反作用力相互作用大致是不確定的原因在於當前的狀態不能完
全確定下一個狀態。面向鑽頭和推進鑽頭技術用於迫使鑽頭進入具體方向並且克服鑽頭
產生隨機咔嗒聲的趨勢。這些技朮忽視了鑽頭在沒有定向力的情況下很可能產生的隨機跳動。

發明內容
在一個實施例中，提供了一種用於鑽進孔洞/井眼的鑽頭。鑽頭可以包括框架或 類似物、多組量規伸縮片、和至少一個量規伸縮片結構。框架可以被構造成繞著軸線旋轉。 多組量規伸縮片每一組都可以包括至少一個量規伸縮片。至少一個量規伸縮片結構可以將 多組量規伸縮片中的至少一組中的量規伸縮片中的至少一個與框架可移動地連接。
在另一個實施例中，提供了一種用於鑽進孔洞/井眼的方法。所述方法可以包括 以下步驟使框架繞著軸線旋轉，其中框架可以包括多個牙輪和多組量規伸縮片，且每一組 都包括至少一個量規伸縮片。所述方法還包括以下步驟使多組量規伸縮片中的至少一組 中的量規伸縮片中的至少一個朝向或遠離軸線移動。
在另一個實施例中，提供了一種用於鑽進孔洞/井眼的系統。所述系統可以包括
6第一裝置、多組量規伸縮片、和第二裝置。第一裝置可以用於接收和傳遞旋轉運動。第一裝 置可以包括框架。多個量規伸縮片組每一個都可以包括至少一個量規伸縮片。第二裝置可 以用於將多組量規伸縮片中的至少一組中的量規伸縮片中的至少一個與第一裝置可移動 地連接。第二裝置可以包括量規伸縮片結構。


以下參照

本發明，其中 圖1A是本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭或系統的實施例的示意性截面圖，其中每 一組量規伸縮片的位置作為整體被控制； 圖1B是來自圖1A的鑽頭或系統的示意性截面圖，其中示出了處於新位置的每一 組量規伸縮片； 圖2A是本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭或系統的實施例的示意性截面圖，其中，每 一組量規伸縮片內的每一個單獨的量規伸縮片被單獨控制； 圖2B是來自圖2A的鑽頭或系統的示意性截面圖，其中示出了每一組量規伸縮片 處於新位置； 圖2C是來自圖2A的鑽頭或系統的示意性截面圖，其中示出了每一組量規伸縮片 中的最後一個量規伸縮片縮進，從而縮短每一組量規伸縮片的長度； 圖2D是來自圖2A的鑽頭或系統的示意性截面圖，其中示出了處於交錯位置的每 一組量規伸縮片中的量規伸縮片； 圖3是本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭或系統的實施例的示意性截面圖，其中，每 一組量規伸縮片中的一些量規伸縮片的位置作為整體被控制，而在所述量規伸縮片組中的 其它量規伸縮片被單獨控制； 圖4是本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭或系統的實施例的示意性截面圖，其中，每 一組量規伸縮片中的一些量規伸縮片的位置作為整體被控制，而在所述每一組量規伸縮片 中的其它量規伸縮片是固定的(stationary); 圖5是本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭或系統的實施例的示意性截面圖，其中，每 一組量規伸縮片中的一些量規伸縮片的位置被單獨控制，而在所述每一組量規伸縮片中的 其它量規伸縮片是固定的； 圖6是本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭或系統的實施例的示意性截面圖，其中，每 一組量規伸縮片中的一些量規伸縮片的位置被單獨控制，在所述組中的其它量規伸縮片的 位置整體被控制，而每一組量規伸縮片中的其它量規伸縮片是固定的； 圖7是本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭或系統的實施例的示意性截面圖；其中第一 組量規伸縮片的位置作為整體被控制，而第二組量規伸縮片的位置自動響應第一組量規伸 縮片的位置的變化； 圖8是本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭或系統的實施例的示意性截面圖，其中，第
一組量規伸縮片中的每一個單獨的量規伸縮片的位置被單獨控制，而第二組量規伸縮片中 的單個量規伸縮片的位置自動響應第一組中的量規伸縮片的位置的變化； 圖9是本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭或系統的實施例的示意性截面圖，其中，第
一組量規伸縮片中的一些量規伸縮片的位置作為整體被控制，而第一組量規伸縮片中的其
7它量規伸縮片的位置被單獨控制，以及第二組量規伸縮片中的一些相對應的量規伸縮片的 位置自動響應第一組中的量規伸縮片的位置的變化； 圖10A-10D是在鑽井操作期間隨著時間的過去量規伸縮片的位置的對地靜止的 順序的示意圖；以及 圖11是圖10A-10D中所示的鑽井操作的可能結果的剖視圖。 在附圖中，類似的部件和/或特徵可以具有相同的附圖標記。此外，相同類型的各 種部件可以通過在附圖標記之後具有在類似部件和/或特徵中進行區別的字母的附圖標 記來進行區別。只要在說明書中使用第一附圖標記，則不管字母後綴，說明適用於具有相同 的第一附圖標記的類似部件和/或特徵中的任一個。
具體實施例方式
隨後的說明僅提供了示例性實施例，並且目的不是限制本公開的保護範圍、適用 性或結構。相反，示例性實施例的隨後說明將為本領域的技術人員提供用於能夠實施一個 或多個示例性實施例的說明。要理解的是在不背離如所附權利要求所述的精神和保護範圍 的情況下可以對元件的功能和布置做各種改變。 以下說明中給出了具體細節以提供對實施例的徹底理解。然而，要理解的是在沒 有這些具體細節的情況下可以實施所述實施例。例如，可以在方框圖中顯示本發明的線路、 系統、網絡、過程和其它元件，從而以不必要的細節的方式使實施例清楚。在其它情況下，可 以顯示公知的線路、過程、算法、結構和技術，而無需不必要的詳細以免使所述實施例不清楚。 此外，要注意的是單個實施例可以被說明為流程圖、流程圖解、數據流程圖、結構
圖、或方框圖的過程。雖然流程圖可以說明作為連續過程的操作，但是可以並行或同時執行
多個操作。此外，可以重新布置操作的順序。當過程的操作完成時結束所述過程，但是可以
具有沒有包括在附圖中的另外的步驟。此外，不是任意具體說明的過程中的所有操作可以
在所有實施例中發生。過程可以與方法、函數、程序、子例程、子程序等相對應。當過程與函
數相對應時，所述過程的終止與函數到調用函數能或主函數的返回相對應。 此外，可以至少部分地手動或自動實施本發明的實施例。可以通過使用機器、硬
件、軟體、固件、中間件、微碼、硬體描述語言，或所述機器、硬體、軟體、固件、中間件、微碼、
硬體描述語言的任意組合實施實施例。當在軟體、固件、中間件、或微碼中實施時，執行必要
任務的程序代碼或代碼段可以存儲在機器可讀介質中。 一個處理器或多個處理器可以執行
至少一些必要任務。 在本發明的一個實施例中，提供了一種用於鑽進孔洞/井眼的鑽頭。鑽頭可以包 括框架、多組量規伸縮片、和至少一個量規伸縮片結構。框架可以被構造成繞著軸線旋轉。 多組量規伸縮片每一組都可以包括至少一個量規伸縮片。至少一個量規伸縮片結構可以將 多組量規伸縮片中的至少一組中的量規伸縮片中的至少一個與框架可移動地連接。
在一些實施例中，鑽頭可以是聚晶金剛石複合片("PDC")鑽頭，所述鑽頭具有靠 近鑽頭的端部的牙輪、和在鑽頭的側部上的PDC量規伸縮片。量規伸縮片可以被分組成量 規伸縮片組，且每一組大致沿著沿鑽頭的側部的長度的線延伸。每一組量規伸縮片可以包 括至少一個量規伸縮片，但是在多個實施例中將包括任意數量的多個量規伸縮片。每一組量規伸縮片可以大致與鑽頭的端部上的牙輪或牙輪組相對應。在給定的實施例中可以具有 任意數量的牙輪組和量規伸縮片組。在一些實施例中，一個或多個牙輪和/或量規伸縮片 可以與框架剛性連接。 在一些實施例中，量規伸縮片結構可以包括用於將相關量規伸縮片(一個或多 個)與框架可移動地連接的任意一個或多個系統。在一些實施例中，量規伸縮片結構因此 可以包括液壓活塞(一個或多個)、彈簧(一個或多個)、磁流變流體活塞(一個或多個)、 電流變流體活塞(一個或多個)、電活性聚合物活塞(一個或多個)、機械致動器(例如，螺 旋千斤頂和旋轉致動器)、和/或電致動器(例如、電磁致動器、靜電致動器、磁致伸縮致動 器和壓電致動器)。在一些實施例中，量規伸縮片結構可以由泥漿系統或通過鋼纜提供動 力。在一些實施例中，鑽頭的泥漿系統可以直接給量規伸縮片結構(一個或多個)提供動 力。 在其它實施例中，泥漿系統可以用於給另一個系統提供動力，所述另一個系統又 給量規伸縮片結構(一個或多個)提供動力。僅以示例的方式，泥漿系統、在鑽井系統內的 泥漿的流動等可以給液壓迴路、磁流變流體迴路、電流變流體迴路、電活性聚合物迴路、或 本身給量規伸縮片結構的運動提供動力的其它系統提供動力。 在一些實施例中，量規伸縮片結構(一個或多個)可以使量規伸縮片(一個或多 個)相對於鑽頭的軸線在徑向方向上移動。僅以示例的方式，在一些實施例中，量規伸縮片 (一個或多個)可以沿垂直於鑽頭的軸線的矢量移動。在其它實施例中，量規伸縮片(一個 或多個)可以在鑽頭的端部的方向上沿鈍角或銳角的矢量移動到沿軸線的矢量。
在一些實施例中，量規伸縮片結構可以直接移動第一量規伸縮片或第一組量規伸 縮片，並且第二量規伸縮片或第二組量規伸縮片可以被構造成通過成比例或不成比例的連 杆連接以當第一量規伸縮片或第一組量規伸縮片移動時自動移動。在一些實施例中，這種 連結系統的多種布置可以存在於單個鑽頭中。 在一些實施例中，牙輪的完全縮進位置(朝向鑽頭的軸線向內)與牙輪的完全伸 出位置之間的直徑差可以為毫米數量級並且可以僅僅為大約1毫米。在這些或其它實施例 中，由量規伸縮片在鑽頭上確立的直徑可以在比由牙輪建立的直徑小大約一毫米與比由牙 輪建立的直徑大大約一毫米之間變化。在其它實施例中，量規伸縮片還可以進行明顯較大 的位移，包括數十毫米並且更大的範圍。 在一些實施例中，牙輪在鑽頭上的位置還可以變化。2007年10月24日提出申請的 題為"MORPHIBLE (DIRECTIONAL) BIT BY SMARTMATERIALS"的美國專利申請No. 11/923， 160 中說明了與這種可變化位置的牙輪有關的系統和方法，該申請如這裡完全所述地通過引用 在此併入。 在一些實施例中，鑽頭、和/或相關聯的系統還可以包括被構造成控制量規伸縮 片的位置的控制系統。僅以示例的方式，控制系統可以被構造成至少部分地根據當框架旋 轉時所述框架的旋轉位置和/或轉速獨立或者通過來自用戶或其它系統的指令/命令控制 一個或多個量規伸縮片的位置。 在這些或其它實施例中，控制系統還可以至少部分地根據框架是否存在隨機運動 來控制一個或多個量規伸縮片的位置。與本申請同一天提出申請的題為"STOCHASTIC BIT NOISE CONTROL"(代理人案號暫時為No. 57. 0825U. S. CIP)並因此如這裡完全所述地通過引用在此併入的美國專利—_/—，—說明了與關於鑽井系統的隨機運動的這種鑽井系統的控制有關的系統和方法。僅以示例的方式，量規伸縮片可以伸出或縮進以產生隨機運動，或利用(harness)這種運動的能量。 在一些實施例中，控制系統可以控制量規伸縮片結構以影響穩定性和對鑽頭上的側向力的響應。在一些實施例中，控制系統可以被構造成將隨機運動引入到鑽頭內，這然後可以通過進一步控制量規伸縮片結構或通過其它裝置而被利用。在其它實施例中，控制系統可以被構造成控制量規伸縮片以控制/偏置鑽頭的隨機運動，從而提供對井眼進行定向鑽井。 在一些實施例中，控制系統可以控制量規伸縮片結構以改變鑽頭的整個量規伸縮片的直徑；量規伸縮片組的輪廓，包括將錐度引入到一個或多組量規伸縮片；量規伸縮片組的長度；和/或量規伸縮片組的幾何結構的任何其它方面。 在一些實施例中，這種技術可以通過其它裝置優化鑽頭的導向。在這些或其它實施例中，量規伸縮片控制器可以控制鑽頭的鑽切深度、鑽頭的進展速度、和/或有助於調節粘滑發生量。 在一些實施例中，量規伸縮片結構可以接收控制系統的指令，和/或所述量規伸縮片結構可以被構造成通過改變量規伸縮片的剛度和/或定位而進行響應。在這些或其它實施例中，可以從系統對具體的振動影響進行解調，或偏置/調諧所述振動影響以通過量規伸縮片定位和/或加強而產生期望的振動。僅以示例的方式，還可以通過量規伸縮片位置的可變控制(量規伸縮片的伸出)減小迴轉趨勢。以同樣的方式，當期望時，還可以通過量規伸縮片控制器鑽進大於標準尺度(over gauge)的孔洞。 在一些實施例中，控制系統還可以與監測系統或可以測量當鑽頭轉向時到井壁的徑向間隙的系統進行通信。僅以示例的方式，這種監測系統可以包括超聲波脈衝反射系統或類似系統。這些監測系統可以用於估計每一圈的平均側向移動，從而通知控制系統量規伸縮片的位置。 在本發明的另一個實施例中，提供了一種用於鑽進孔洞的方法。 一些方法可以包括使用這裡所述的系統。在一個實施例中，所述方法可以包括使框架繞著軸線旋轉的步驟，其中，框架可以包括多個牙輪和多組量規伸縮片，且每一組都包括至少一個量規伸縮片。所述方法還可以包括使多組量規伸縮片中的至少一組中的量規伸縮片中的至少一個朝向軸線或遠離軸線移動。 在一些實施例中，移動多組量規伸縮片中的至少一組中的量規伸縮片中的至少一個的步驟可以包括使多組量規伸縮片中的一組中的所有量規伸縮片朝向軸線移動，而使多組量規伸縮片中的另一組中的所有量規伸縮片遠離軸線移動。僅以示例的方式，在鑽頭的一側的一組量規伸縮片可以從軸線向外伸出，而在鑽頭的大致相對側的另一組量規伸縮片可以朝向軸線向內縮進。在另一個示例中，鑽頭的一組量規伸縮片可以從軸線向外伸出，而鄰近於所述量規伸縮片組的另一組量規伸縮片可以朝向軸線向內縮進。 在本發明的另一個實施例中，提供了一種用於鑽進孔洞的系統。所述系統可以包括第一裝置、多組量規伸縮片、和第二裝置。 第一裝置可以用於接收和傳遞旋轉運動。僅以示例的方式，第一裝置可以包括框架或這裡所述的其它部件、或本領域目前或將來所公知的用於此目的其它裝置。
第二裝置可以用於將多組量規伸縮片中的至少一組中的量規伸縮片中的至少一個與第一裝置可移動地連接。僅以示例的方式，第二裝置可以包括量規伸縮片結構或這裡所述的任何其它部件、或本領域目前或將來公知的用於此目的的其它裝置。
以下參照圖1A，顯示了本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭100或系統的實施例的示意性截面圖，其中，每一組量規伸縮片110的位置作為整體被控制。在此示例性實施例中，每一組量規伸縮片包括三個單獨的量規伸縮片111。鑽頭100可以與底部鑽具組合120連接，鑽頭100通過所述底部鑽具組合旋轉通過介質。牙輪130可以旋轉通過介質，從而移除介質的多個部分以限定孔洞。雖然在圖1中僅示出了兩組牙輪130和兩組量規伸縮片，但是應該理解的是在給定的實施例中對於每一個可以具有多個組，並且為了清楚起見這裡僅示出了兩個，並且因為圖1A是截面圖，因此僅示出了相對組。 量規伸縮片結構140將每一組量規伸縮片110與鑽頭100的框架150可移動地連接。虛線160表示量規伸縮片結構140和/或量規伸縮片組110可以移動的範圍。控制系統170與量規伸縮片結構140通信，並且可以根據內部指令或從遙控源接收的指令引導量規伸縮片組110的運動。 圖1B顯示了來自圖1A的鑽頭100的示意性截面圖，其中示出了處於新位置的每一組量規伸縮片110。在此示例中，一組量規伸縮片IIOA遠離軸線180伸出，而另一組量規伸縮片110B朝向軸線180縮進。鑽頭100的量規伸縮片組110的其它可能位置包括兩組量規伸縮片IIO都縮進，和兩組量規伸縮片IIO都伸出。 圖2A顯示本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭200或系統的實施例的示意性截面圖，其中，每一個單獨量規伸縮片111在每一組量規伸縮片110中的位置被單獨控制。在此實施例中，控制器170可以以獨立於所有其它量規伸縮片111的方式來引導每一個量規伸縮片111的位置。 圖2B顯示來自圖2A的鑽頭200的示意性截面圖，其中，顯示了處於新位置的每一組量規伸縮片110。在此示例中，一組量規伸縮片IIOA遠離軸線180伸出，而另一組量規伸縮片IIOB朝向軸線180縮進。 圖2C顯示來自圖2A的鑽頭200的示意性截面圖，其中示出了每一組量規伸縮片IIO中最後的量規伸縮片111A、111D縮進，從而縮短每一組量規伸縮片IIO的長度。在每一組量規伸縮片IIO具有更多量規伸縮片111的系統中，在這種實施例，量規伸縮片組110的長度可以基本上完全改變。 圖2D顯示來自圖2A的鑽頭200的示意性截面圖，其中示出了處於交錯位置的每一組量規伸縮片110中的量規伸縮片111。 圖3顯示本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭300或系統的實施例的示意性截面圖，其
中每一組量規伸縮片IIO中的一些量規伸縮片111B、111C、111E、111F的位置作為整體被控
制，而在所述量規伸縮片組110中的其它量規伸縮片111A、111D被單獨控制。 圖4顯示本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭400或系統的實施例的示意性截面圖，其
中，每一組量規伸縮片IIO中的一些量規伸縮片11A、111B 111C、111D、111E、111F的位置作
為整體被控制，而每一組量規伸縮片中的其它量規伸縮片112是固定的並且與框架150剛
性連接。 圖5顯示本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭500或系統的實施例的示意性截面圖，其中，每一組量規伸縮片110中的一些量規伸縮片11A、111B 111C、111D、111E、111F的位置被
單獨控制，而每一組量規伸縮片110中的其它量規伸縮片112是固定的。 圖6顯示本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭或系統的實施例的示意性截面圖，其中，
每一組量規伸縮片110中的一些量規伸縮片111A、111D的位置被單獨控制，所述組110中
的其它量規伸縮片111B、111C、111E、111F的位置整體被控制，而每一組量規伸縮片110中
的其它量規伸縮片是固定的。 圖7顯示本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭700或系統的實施例的示意性截面圖；其中第一組量規伸縮片110A的位置作為整體被控制，而第二組量規伸縮片110B的位置自動響應第一組量規伸縮片110A的位置的變化。在一些實施例中，機械連杆190可以使第二量規伸縮片組110B響應於第一組量規伸縮片組110A的位置的變化。在其它實施例中，可以使用任意其它裝置以使第二量規伸縮片組110B的位置對應於第一量規伸縮片組110A的位置，其中包括通過控制控制系統170進行的自動控制。 圖8顯示本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭800或系統的實施例的示意性截面圖，其中，第一組量規伸縮片110A中的每一個單獨的量規伸縮片111的位置被單獨控制，而第二組量規伸縮片110B中的單個量規伸縮片111的位置自動響應第一組量規伸縮片110A中的量規伸縮片111的位置的變化。這種鑽頭800可以以類似於鑽頭700的操作的方式操作。
圖9顯示本發明的用於鑽進孔洞的鑽頭900或系統的實施例的示意性截面圖，其中，第一組量規伸縮片110A中的一些量規伸縮片111B、111C的位置作為整體被控制，而第一組量規伸縮片110A中的其它量規伸縮片111A的位置被單獨控制，以及第二組量規伸縮片110B中的相對應的量規伸縮片111的位置自動響應第一組110A中的量規伸縮片111的位置的變化。 圖10A-10D顯示在鑽井操作期間隨著時間的過去量規伸縮片111的位置的對地靜止的順序的示意圖。在此實施例中，框架150具有四個量規基板111(為了說明的目的，所述四個量規伸縮片也可以是量規伸縮片組110，或者量規伸縮片組110的位置)，且每一個由字母A、B、C或D限定。圖ll顯示了在定向鑽井時圖10A-10D中的系統1100的側視截面圖。 在圖10A中，框架150正在沿由箭頭1001所示的方向旋轉。量規伸縮片A在由箭頭1005表示的絕對徑向方向上伸出。量規伸縮片C同時完全縮進。量規伸縮片B處於正在伸出的過程中，而量規伸縮片D處於正在縮進的過程中。 在圖10B中，框架150已經在由箭頭1001所示的方向上從圖IOA旋轉九十度。當量規伸縮片B面對由箭頭1005表示的絕對徑向方向時，所述量規伸縮片B完全伸出。量規伸縮片D同時完全縮進。量規伸縮片C處於正在伸出的過程中，而量規伸縮片A處於正在縮進的過程中。 在圖10C中，框架150已經從圖IOB沿由箭頭1001所示的方向旋轉九十度。此時，當量規伸縮片C面對由箭頭1005表示的絕對徑向方向時，所述量規伸縮片完全伸出。量規伸縮片A同時完全縮進。量規伸縮片D處於正在伸出的過程中，而量規伸縮片B處於正在縮進的過程中。 在圖10D中，框架150已經從圖IOC沿由箭頭1001所示的方向旋轉九十度。此時，當量規伸縮片D面對由箭頭1005表示的絕對徑向方向時，所述量規伸縮片完全伸出。量規
12伸縮片B同時完全縮進。量規伸縮片A處於正在伸出的過程中，而量規伸縮片C處於正在縮進的過程中。當框架150旋轉另一個90度時，從而使得量規伸縮片A朝向由箭頭1005表示的絕對徑向方向，則可以重複該過程。這種系統和方法可以與任意數量的量規伸縮片一起使用以引導在與箭頭1005相反的方向上進行鑽進，甚至可以在改變深度的多個不同的方向上引導鑽進。 要注意的是量規伸縮片lll伸出的角位置在實際應用中可能沒有表現得如圖10A-10D中所示的理想。在實際應用中，可能具有一些導向工具面偏移。在這些情況下，在圖10A-10D中所示的位置之前或之後，量規伸縮片可以伸出/縮進以實現遠離由箭頭1005所示的方向的運動。諸如控制系統170的自動化系統可以確定實現期望的定向鑽井所需的導向工具面偏移，並且修改用於量規伸縮片結構的指令，從而根據所述指令控制量規伸縮片111的移動。這種自動化系統可以監測所確定的工具面偏移的效果，並且根據需要進行調節以繼續定向鑽井。這些系統也可以能夠在"噪點"波動與實際變化之間進行區分。
在圖11中，將要認識重複上面詳細說明的過程是如何可以產生定向鑽井。還可以認識的是當井筒由於定向鑽井變化時絕對徑向方向是如何可以慢慢變化。如果繼續進行定向操作，則井筒可以延伸成"彎曲井筒"。可選地，一旦已經實現了井筒的某一角度，則可以通過允許框架中的量規伸縮片結構使得所有量規伸縮片的伸出範圍相等而重新開始鑽直井，這有助於在後來的當前方向上繞框架的周邊和直井筒進行大致對稱鑽進。另外，尤其是當不同地球地層(具體地陡峭傾斜地層)之間的邊界交叉時，量規伸縮片的循環變化還可以允許進行直線鑽進。 還可以在本發明的保護範圍內對本發明做許多變化和修改。例如，在鑽柱內位於鑽頭上方的穩定器可以利用本發明的系統和方法以在鑽柱的相關部分處提供可變尺度(variable gauge)穩定性。這種偏置將還會至少有助於對鑽柱和/或鑽頭進行導向。另外，標準鑽頭可以與在標準鑽頭"後面"使用的可變量規伸縮片子部件一起使用以提供本發明在用於傳統的鑽頭的後繼市場工具方面的優點。 為了清楚和了解的目的，已經詳細說明了本發明。然而，要認識的是在所附權利要求的保護範圍內可以進行一些改變和修改。
權利要求
一種用於鑽進孔洞的鑽頭，其中所述鑽頭包括框架，所述框架被構造成繞著軸線旋轉；多組量規伸縮片，每一組包括至少一個量規伸縮片；和至少一個量規伸縮片結構，所述至少一個量規伸縮片結構將所述多組量規伸縮片中的至少一組中的量規伸縮片中的至少一個與所述框架能夠移動地連接。
2. 根據權利要求1所述的用於鑽進孔洞的鑽頭，其中，包括至少一個量規伸縮片的每 一組量規伸縮片都包括具有多個量規伸縮片的每一組量規伸縮片。
3. 根據權利要求1所述的用於鑽進孔洞的鑽頭，其中包括至少一個量規伸縮片的每一組量規伸縮片包括具有多個量規伸縮片的每一組量 規伸縮片；以及每多個量規伸縮片包括沿所述鑽頭的側部的長度大致直線布置的量規伸縮片。
4. 根據權利要求1所述的用於鑽進孔洞的鑽頭，其中，將所述多組量規伸縮片中的至 少一組中的量規伸縮片中的至少一個與所述框架能夠移動地連接的所述至少一個量規伸 縮片結構包括所述多組量規伸縮片中的至少一組中的相對於所述軸線能夠沿徑向方向移 動的量規伸縮片中的至少一個。
5. 根據權利要求1所述的用於鑽進孔洞的鑽頭，其中，將所述多組量規伸縮片中的至 少一組中的量規伸縮片中的至少一個與所述框架能夠移動地連接的所述至少一個量規伸 縮片結構包括所述多組量規伸縮片中的至少一組中的與所述多組量規伸縮片中的至少另 一組中的量規伸縮片中的至少一個量規伸縮片連接的量規伸縮片中的至少一個。
6. 根據權利要求1所述的用於鑽進孔洞的鑽頭，其中，所述鑽頭還包括與所述框架剛 性連接的至少一個量規伸縮片。
7. 根據權利要求l所述的用於鑽進孔洞的鑽頭，其中，所述鑽頭還包括多個牙輪，其 中，所述牙輪的位置限定所述鑽頭的鑽切直徑，並且其中將所述多組量規伸縮片中的至少 一組中的量規伸縮片中的至少一個與所述框架能夠移動地連接的所述至少一個量規伸縮 片結構包括限定第一直徑與第二直徑之間的可變尺度直徑的量規伸縮片。
8. 根據權利要求7所述的用於鑽進孔洞的鑽頭，其中 所述第一直徑比所述鑽切直徑小大約1毫米；而 所述第二直徑比所述鑽切直徑大大約1毫米。
9. 根據權利要求1所述的用於鑽進孔洞的鑽頭，其中，所述量規伸縮片結構包括從下 列構成的組的選擇液壓活塞； 彈簧；磁流變流體活塞； 電流變流體活塞； 電活性聚合物活塞； 機械致動器；禾口 電致動器。
10. 根據權利要求1所述的用於鑽進孔洞的鑽頭，其中，所述鑽頭還包括控制系統，所 述控制系統被構造成至少部分地根據所述框架的旋轉位置控制至少一個量規伸縮片的位置。
11. 根據權利要求1所述的用於鑽進孔洞的鑽頭，其中，所述鑽頭還包括控制系統，所 述控制系統被構造成至少部分地根據所述框架是否存在隨機運動來控制至少一個量規伸 縮片的位置。
12. —種用於鑽進孔洞的方法，其中，所述方法包括以下步驟 使框架繞著軸線旋轉，其中，所述框架包括多個牙輪；禾口多組量規伸縮片，每一組都包括至少一個量規伸縮片；以及使所述多組量規伸縮片中的至少一組中的量規伸縮片中的至少一個朝向或遠離所述 軸線移動。
13. 根據權利要求12所述的用於鑽進孔洞的方法，其中，移動所述多組量規伸縮片中 的至少一組中的量規伸縮片中的至少一個的步驟包括以下步驟使所述多組量規伸縮片中的一組中的所有量規伸縮片朝向所述軸線移動；以及 將所述多組量規伸縮片中的另一組中的所有量規伸縮片遠離所述軸線移動。
14. 根據權利要求12所述的用於鑽進孔洞的方法，其中，所述方法還包括以下步驟 不移動具體量規伸縮片組中的量規伸縮片中的至少一個，並且其中所述移動多組量規伸縮片中的至少一組中的量規伸縮片中的至少一個的步驟包 括以下步驟移動所述具體量規伸縮片組中的量規伸縮片中的至少一個。
15. 根據權利要求12所述的用於鑽進孔洞的方法，其中，所述方法還包括以下步驟 至少部分地根據所述框架的旋轉位置控制至少一個量規伸縮片的位置。
16. 根據權利要求12所述的用於鑽進孔洞的方法，其中，所述方法還包括以下步驟 至少部分地根據所述框架是否存在隨機運動來控制至少一個量規伸縮片的位置。
17. —種用於鑽進孔洞的系統，其中，所述系統包括 第一裝置，所述第一裝置用於接收和傳遞旋轉運動； 多組量規伸縮片，每一組都包括至少一個量規伸縮片；禾口第二裝置，所述第二裝置用於將所述多組量規伸縮片中的至少一組中的量規伸縮片中 的至少一個與所述第一裝置能夠移動地連接。
18. 根據權利要求17所述的用於鑽進孔洞的系統，其中，所述第一裝置包括框架。
19. 根據權利要求17所述的用於鑽進孔洞的系統，其中，所述第二裝置包括量規伸縮 片結構。
20. 根據權利要求17所述的用於鑽進孔洞的系統，其中，所述系統還包括控制器，所述 控制器被構造成至少部分地根據所述框架的旋轉位置控制至少一個量規伸縮片的位置。
全文摘要
本發明公開了一種用於鑽進孔洞的鑽頭，所述鑽頭可以包括框架或類似物、多組量規伸縮片、和至少一個量規伸縮片結構。框架可以被構造成繞著軸線旋轉。多組量規伸縮片每一組都可以包括至少一個量規伸縮片。至少一個量規伸縮片結構可以將多組量規伸縮片中的至少一組中的量規伸縮片中的至少一個與框架可移動地連接。本發明還公開了一種用於鑽進孔洞的方法和系統。
文檔編號E21B10/62GK101778992SQ200880103169
公開日2010年7月14日 申請日期2008年8月12日 優先權日2007年8月15日
發明者傑弗裡·當頓, 麥可·謝帕德, 阿什利·詹森 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司