力自平衡鉆頭的制作方法

本公開涉及用于在地層中鉆探井筒的鉆頭，并且更具體地，涉及具有可移動切割結構的鉆頭。

鉆頭可用來在地層中通過使鉆頭繞縱向軸線旋轉來鉆探井筒。鉆頭通常包括處于切割結構(例如，刀片、牙輪、圓盤)上的切割元件(例如，固定刀具、銑鋼齒、碳化物插入件)。在鉆頭旋轉期間，切割元件和切割結構通過對地層的各部分進行剪切、壓裂、粉碎或者組合進行剪切、壓裂、粉碎來在地下地層中形成井筒。在同一鉆頭上不同位置處的切割結構在它們與地層相互作用時暴露于不同的負載下。

附圖簡述

圖1是示例性井系統的示意性部分截面圖。

圖2是示例性鉆頭的示意性透視圖。

圖3A是示例性鉆頭的示意性部分端視圖。

圖3B是示例性鉆頭的示意性部分端視圖。

圖4A和圖4B是示例性鉆頭的示意性部分截面側視圖。

在各圖中，類似的參考符號指示類似的元件。

具體實施方式

圖1是示例性井系統10的示意性部分截面圖，所述井系統10通常包括大致圓柱形井筒12，所述大致圓柱形井筒12從表面16處的井口14向下延伸到地面中從而進入一個或多個感興趣的地下區(示出一個感興趣的地下區18)。地下區18可以對應于由井系統10進入的單一地層、地層的一部分或多于一種地層，并且給定的井系統10可以進入一個或多于一個地下區18。在井筒12的一些或全部被鉆探之后，井筒12的從井口14延伸到地下區18的部分與管件(稱為套管20)的長度對齊。所描繪的井系統10是垂直井，并且井筒12從地面16大致垂直地延伸至地下區18。然而，本文中的概念適用于井的許多其他不同構型，包括水平井、傾斜井或以其他方式偏斜的井以及具有從入口井偏斜的支腿的多分支井。

鉆柱22被示出為已經從地面16下放到井筒12中。在一些實例中，鉆柱22是端對端耦接在一起的一系列聯結長度的管件和/或連續的(即，不是聯結的)復繞管件。鉆柱22包括一個或多個井工具，包括井底總成24。井底總成24可例如包括鉆頭。在所示實例中，井筒12正在被鉆探。井筒12可被分段鉆探，并且可將套管20安裝在各段之間。

圖2是示例性鉆頭100的示意性透視圖，所述示例性鉆頭100可以用于圖1的井系統10的井底總成24中。示例性鉆頭100包括鉆頭主體組件102，所述鉆頭主體組件102具有處于鉆頭主體組件102的一個縱向端上的銷端104，處于鉆頭主體組件102的與銷端104相對的另一個縱向端上的鉆探端106以及中心鉆頭主體軸線A-A。所述中心鉆頭主體軸線A-A通過鉆頭主體組件102的中心限定中心縱向軸線。鉆頭100在鉆探時繞中心鉆頭主體軸線A-A旋轉。在一些實例中，銷端104是凸形的并且具有螺紋以與鉆柱管件端處的凹形箱配合。鉆頭主體組件102包括處于鉆頭主體組件102內的液壓回路(如在下文結合圖4A和圖4B進一步描述)。示例性鉆頭100包括位于刀片110上的呈刀具112形式的可單獨移動的切割元件108，所述可單獨移動的切割元件108由鉆頭主體組件102承載，可(大致或直接地)平行于中心鉆頭主體軸線A-A移動并且由液壓回路中的流體支撐。在圖2的示例性鉆頭100中，切割元件108(即，刀片110的刀具112)可沿著中心鉆頭主體軸線A-A縱向移動。刀片110從鉆頭主體組件102的鉆探端106向前縱向延伸，并且刀具112部分地嵌入在刀片110中。盡管圖2將切割元件108描繪為位于刀片110上的刀具112，但是切割元件108可以包括另外的或不同的特征部和部件。例如，切割元件108可以包括位于滾柱牙輪、圓盤和/或其他切割結構上的由鉆頭主體組件102承載并且由液壓回路中的流體支撐或不由所述流體支撐的銑齒、PDC插入件、碳化物插入件和/或其他。切割元件108繞中心鉆頭主體軸線A-A對稱地布置在示例性鉆頭100的鉆探端106上。在一些實例中，切割元件108繞中心鉆頭主體軸線A-A不對稱地布置在鉆頭100上。

圖3A是示例性鉆頭100的部分示意性端視圖，其示出位于兩個刀片110上的呈刀具112形式的切割元件108，所述兩個刀片110附連到公共可移動翼瓣114。圖3B示出圖3A的切割元件108，并且畫出示例性鉆頭100的外周的輪廓。所述外周示出包括三個可單獨移動的翼瓣114的示例性鉆頭100，每個翼瓣114具有位于兩個刀片110上的呈刀具112形式的、在示例性鉆頭100上均勻間隔開的切割元件108。在一些實例中，翼瓣114的數量是不同的，設置在鉆頭100上的可移動切割元件108的總數量是不同的，被承載以一起移動的切割結構(例如，刀片110)的數量是不同的(例如，每個翼瓣114一個或三個或更多個刀片110)，切割結構的類型是不同的(例如，刀片110、滾柱牙輪、圓盤和/或其他切割結構)，和/或切割元件108的類型是不同的(例如，銑鋼齒、PDC插入件、碳化物插入件和/或其他)。例如，示例性鉆頭100可以包括兩個或更多個可單獨移動的翼瓣114，每個翼瓣114具有一個或多個切割元件108和/或切割結構。在一些實例中，在一個或多個翼瓣或每個翼瓣上的切割結構包括一個或多個刀片、一個或多個圓盤、一個或多個滾柱牙輪和/或這些的組合，其中所述切割結構包括切割元件108。在某些實例中，切割結構和/或切割元件108在示例性鉆頭100上不均勻地間隔開。

圖4A和圖4B是處于第一位置中(圖4A)和第二位置中(圖4B)的示例性鉆頭100的示意性部分截面側視圖。圖4A中示出的鉆頭100的第一位置與翼瓣114的軸向延伸位置關聯，并且因此與切割元件108關聯。圖4B中示出的鉆頭100的第二位置與翼瓣114的軸向壓縮位置關聯，并且因此與切割元件108關聯。液壓回路116包括被接收在液壓互連的圓柱體120(示出一個)中的多個活塞118(示出一個)，所述液壓互連的圓柱體120由鉆柱主體組件102的環狀翼瓣座122限定。活塞118和圓柱體120設置在翼瓣114中的每一個處。因此，液壓互連的圓柱體120繞環狀翼瓣座122均勻或不均勻地周向地間隔開。環狀翼瓣座122附連到環狀鉆頭主體124，所述環狀鉆頭主體124限定鉆頭主體組件102的螺紋銷端104。示例性鉆頭100包括多個翼瓣114(示出一個)，所述多個翼瓣114各自包括具有切割元件108(例如，刀具112)的切割結構(即，刀片110)并且各自耦接到不同的活塞118。在某些實例中，翼瓣114中的一個或多個各自連接到多于一個的活塞118，例如以便用相應活塞118冗余支撐翼瓣114。活塞118中的每一個包括活塞銷126和活塞主體128。活塞銷126(例如，通過螺紋、粘合劑、緊固件、焊接和/或其他連接)耦接到翼瓣114中的一個。在圖4A和圖4B中，活塞銷126是圓柱形的并且部分地嵌入翼瓣114中，從翼瓣114延伸到瓣片座122的液壓互連的圓柱體120中。活塞主體128具有大致與液壓互連的圓柱體120的內徑匹配的外徑。在某些實例中，活塞主體128包括抵靠液壓互連圓柱體120的內徑的密封件(例如，o形環130)，以例如(大致或完全地)抵抗經過活塞118的活塞主體128的流體泄露。活塞主體128的相對于活塞銷126的較大直徑在鄰近液壓互連的圓柱體120的翼瓣座122中產生肩臺區域。在一些實例中，翼瓣座122的肩臺區域作為翼瓣114抵靠肩臺區域的機械止動件(例如，如圖4B描繪)，和/或作為活塞118的活塞主體128抵靠肩臺區域的機械止動件(例如，如圖4A描繪)起作用。在某些實例中，翼瓣座122的肩臺區域部分地起作用，以將翼瓣114側向地對準翼瓣座122，并且以將翼瓣114可滑動地耦接到翼瓣座122以便進行相對縱向移動。在一些實例中，諸如圖4A和圖4B中所描述，翼瓣座122的肩臺區域包括繞活塞銷126的一部分的襯套132，以例如在縱向移動切割元件108期間可滑動地與活塞銷126嚙合。在一些實例中，襯套132吸收示例性鉆頭100在翼瓣114與翼瓣座122之間的旋轉和/側向振動。在某些實例中，襯套132包括具有強的耐熱性和/或抗疲勞性的材料。

在一些實例中，液壓互連的圓柱體120是圓柱形腔室，其通過通道134連接到鉆頭主體組件102中的其他液壓互連的圓柱體。通道134流體地連接鉆頭主體組件的液壓互連的圓柱體120，使得(例如，由于可移動切割元件108撞擊地層)活塞主體128在液壓互連圓柱體120中的縱向移動使流體移位到液壓回路116中，以作用于液壓回路116中的其他活塞。換句話說，液壓回路116將兩個或更多個翼瓣114液壓地連接在一起并且支撐所述兩個或更多個翼瓣114，使得一個翼瓣的移動通過液壓回路中的流體對相同液壓回路中的另一個翼瓣引起壓力變化。例如，在鉆探期間，示例性鉆頭100壓靠地層，使得切割元件108壓裂、刮磨、粉碎和/或以其他方式嚙合地層。在一些實例中，地層對鉆頭100施加不均勻的縱向壓力，使得切割元件108中的一個比其他切割元件108中的一個或多個經歷更大的縱向壓力。施加的壓力可以引起切割元件108受迫平移(即，使活塞118平移)，從而使液壓回路116中的流體移位到其他液壓互連圓柱體120中的每一個。在一些實例中，切割元件響應于切割元件嚙合地層而在一個方向上軸向地移動。例如，由于液壓回路中移位的流體對另一個切割元件起作用或推擠所述另一個切割元件，響應于切割元件的軸向移動，另一個切割元件在相對方向上軸向地移動。換句話說，軸向地移動鉆頭的切割結構的切割元件增加液壓回路中對另一個切割結構的另一個切割元件的流體壓力，以使所述另一個切割元件在相對方向上移動。在一些實例中，具有其嚙合堅硬巖石的可移動切割元件的翼瓣使其相應活塞比液壓回路中的其他活塞經受更大壓力，但是所述更大壓力然后通過液壓回路中的流體被傳遞到其他活塞(即，其他翼瓣和相應的切割元件)上以接近自調整的壓力平衡。在鉆頭100鉆探期間，液壓回路116可以通過經由通道134在液壓互連的圓柱體120之間的流體傳送來連續地接近液壓回路116中流體的壓力平衡，以例如大致對液壓回路116中的活塞118維持壓力均等。液壓回路116允許在翼瓣114以及其相應的可移動切割元件108之間具有自可調整的力平衡。

在一些實例中，液壓回路116使示例性鉆頭100內的切割力保持平衡，以例如在鉆探期間更好地引導鉆頭100和/或減小正被鉆探的井筒的偏心率。在某些實例中，切割元件在鉆頭上的對稱布置促進鉆頭主體組件的自可調整的力平衡。在一些實例中，例如由于鉆頭的自調整能力，鉆頭主體組件102減小了歸因于在不同切割結構(例如，刀片、牙輪、圓盤和/或其他)或切割元件108之間的不平衡切割力的鉆頭生成的振動。在某些實例中，例如，由于鉆頭自調整能力，鉆頭主體組件102減小對可移動切割元件的沖擊損傷，這可減小刀具磨損和/或使刀具磨損在鉆頭上更加均等。在一些實例中，鉆頭主體組件102抑制鉆頭生成的高頻振動傳播到鉆柱，和/或抑制鉆柱生成的高頻振動傳播到鉆頭，這可使鉆探過程穩定并且提高鉆探效率。

圖4A和圖4B的示例性鉆頭100包括液壓回路116，所述液壓回路116用液壓回路116中的流體支撐可單獨移動的切割元件108中的每一個。在某些實例中，液壓回路116在不平行于中心鉆頭主體軸線A-A的方向上支撐可單獨移動的切割元件108。例如，鉆頭主體組件的液壓回路中的流體可支撐多個可移動切割元件，所述多個可移動切割元件側向地移動以嚙合井筒的側壁，相對于中心鉆頭主體軸線A-A對角地移動和/或在不平行于中心鉆頭主體軸線A-A的另外的不同方向上移動。

在一些實例中，諸如圖4A和圖4B中描繪，鉆頭主體組件102包括處于翼瓣座122中的插塞136，所述插塞136與處于翼瓣114中的對應的縱向狹槽138配合。在一些實例中，例如，當活塞118的活塞銷126脫離翼瓣114時，插塞136和狹槽138可以起作用來將翼瓣114固定到翼瓣座122。在某些實例中，狹槽138具有縱向長度，所述縱向長度大致等于處于可移動切割元件108和/或翼瓣114的第一位置(圖4A)與可移動切割元件108和/或翼瓣114的第二位置(圖4B)之間的差量。例如，插塞136和狹槽138可以作為區別于翼瓣座122的肩臺區域或除所述肩臺區域之外的機械止動件起作用，以使翼瓣114處于或第一位置(圖4A)與第二位置(圖4B)處或在所述第一位置(圖4A)與所述第二位置(圖4B)之間。對于鉆頭主體組件102的每個翼瓣114，鉆頭主體組件102可以包括一個或多個插塞和一個或多個對應的狹槽。

在一些實例中，示例性鉆頭100包括處于鉆頭主體組件102中的沿著中心鉆頭主體軸線A-A的中心孔140，以例如在鉆探期間將鉆頭泥漿供應到鉆頭100的鉆探端106。在一些實例中，鉆頭主體組件102包括沿著中心孔140的內支撐管142。內支撐管142耦接到環狀鉆頭主體124和翼瓣座122并且壓靠翼瓣114。內支撐管142可以各種方式(例如，利用螺紋、通過將內支撐管142收縮配合在中心孔140中、通過焊接和/或以另一種方式)耦接到環狀鉆頭主體124和翼瓣座122。內支撐管142壓靠翼瓣114，以例如使翼瓣114與翼瓣座122部分對準，同時允許翼瓣114沿著內支撐管142縱向移動。在一些實例中，內支撐管142包括抵靠翼瓣114的密封件(例如，o形環144)。內支撐管142向鉆頭主體組件102提供側向支撐，例如對翼瓣114的側向支撐。

在一些實例中，諸如圖2、圖4A和圖4B中所描繪，鉆頭主體組件102包括位于鉆探端106處的噴嘴146，以在鉆探期間將鉆井液(即，鉆探泥漿)提供給鉆頭100前面的地層。

鑒于以上討論，某些方面包括一種地面鉆頭，所述地面鉆頭包括鉆頭主體組件和多個可單獨移動的切割元件。所述鉆頭主體組件繞中心鉆頭主體軸線布置并且包括液壓回路。所述可單獨移動的切割元件由所述鉆頭主體組件承載并且在平行于中心鉆頭主體軸線的方向上由液壓回路中的流體支撐。

某些方面包括一種方法，所述方法包括：當切割元件切割地面時，將鉆頭的多個切割元件支撐在公共液壓回路上；以及響應于在一個方向上軸向地移動一個切割元件，在相對方向上軸向地移動鉆頭的另一個切割元件。

某些方面包括一種鉆井鉆頭，所述鉆井鉆頭包括用于附接到繞中心鉆頭主體軸線布置的鉆柱的鉆頭主體，以及被液壓地支撐在公共液壓回路上以相對于鉆頭主體移動的多個可單獨移動的切割元件。

上文所述的方面可包括以下特征中的一些、零個或全部。液壓回路包括被接收在液壓互連圓柱體中的多個活塞，并且所述可單獨移動的切割元件由所述活塞和所述圓柱體支撐，每個活塞和圓柱體與至少一個切割元件相關聯。所述鉆頭主體組件包括附連到環狀鉆頭主體的環狀翼瓣座，所述翼瓣座限定多個液壓互連的圓柱體，每個液壓互連的圓柱體繞環狀翼瓣座環周向地間隔開。所述鉆頭主體組件包括多個翼瓣，所述多個翼瓣各自包括至少一個切割元件并且各自耦接到不同的活塞。所述鉆頭包括內支撐管，所述內支撐管位于鉆頭的中心孔中并且抵靠多個翼瓣以側向地支撐所述多個翼瓣。所述鉆頭包括位于翼瓣座中的插塞，所述插塞與翼瓣中的狹槽配合以將所述翼瓣可移動地固定到所述翼瓣座。所述鉆頭包括處于每個翼瓣處的至少一個切割結構，每個切割結構包括所述多個可單獨移動的切割元件中的至少一個切割元件。所述可單獨移動的切割元件繞中心鉆頭主體軸線對稱地布置在鉆頭主體組件上。所述地面鉆頭包括多個可單獨移動的刀片，所述刀片包括切割元件并且由液壓回路中的流體支撐。在相對方向上軸向地移動(例如，推擠)鉆頭的另一個切割元件包括增加液壓回路中對所述另一個切割元件的流體壓力，以使所述另一個切割元件在相對方向上移動。所述一個切割元件和所述另一個切割元件在平行方向上移動。所述一個切割元件和所述另一個切割元件在非平行方向上移動。所述方法包括使液壓回路中的對多個切割元件的流體壓力保持平衡。所述多個可單獨移動的切割元件平行于中心鉆頭主體軸線移動。所述可單獨移動的切割元件繞中心鉆頭主體軸線對稱地布置在鉆頭主體上。

已描述了多個實施方案。然而，應理解，可做出各種修改。因此，其他實施方案均處于所附權利要求書的范圍內。