包括呈軌道集合配置的切割元件的多級力平衡井下鉆井工具的制作方法
【技術領域】
[0001] 本公開涉及井下鉆井工具，且更特定來說涉及包括呈軌道集合配置的切割元件的 多級力平衡井下鉆井工具。
[0002] 發明背景
[0003] 可使用各種類型的井下鉆井工具，包括(但不限于)旋轉鉆頭、擴孔器、巖心鉆頭、 穩定器和其它井下工具，在相關聯井下地層中形成井筒。旋轉鉆頭的實施例包括(但不限 于)用以形成延伸穿過一個或多個井下地層的井筒的固定切割器鉆頭、刮刀鉆頭、多晶金剛 石復合片(PDC)鉆頭、矩陣鉆頭、牙輪鉆頭、旋轉錐體鉆頭和巖石鉆頭。與這些鉆頭相關聯的 切割動作一般需要與進入井下地層的鄰近部分中的切割元件相關聯的鉆壓(W0B)和旋轉。
[0004] 旋轉鉆頭可以形成為具有從鉆頭主體延伸的若干葉片，其中葉片的外部部分上安 置有切割元件。已使用各種技術和程序來選擇用于在井下鉆井工具上安裝切割元件的位 置。這些現有技術假定所有切割元件與大體上均勻的井下地層接合。然而，在典型鉆井應用 中，地層可大體上具有在地層的上部部分(例如，較淺的鉆井深度）中的相對低的壓縮強度 以及在地層的下部部分(例如，較深的鉆井深度）中的相對高的壓縮強度。
【附圖說明】
[0005] 通過參考以下結合附圖做出的描述可以獲得各種實施方案及其優點的更完整且 詳盡的理解，在附圖中相同參考標號指示相同特征，且其中：
[0006] 圖1說明根據本公開的一些實施方案的鉆井系統的實施例實施方案的立面圖；
[0007] 圖2A說明根據本公開的一些實施方案的以經常用以建模或設計鉆頭的方式向上 定向的旋轉鉆頭的等距視圖；
[0008] 圖2B說明根據本公開的一些實施方案的示出圖2A的旋轉鉆頭鉆制井筒穿過第一 井下地層且進入鄰近的第二井下地層的截面和立面示意圖，其中若干部分被分解開；
[0009] 圖3A說明根據本公開的一些實施方案的用于井下鉆井工具的鉆頭面的示意圖，所 述井下鉆井工具包括用于多級力平衡所述井下鉆井工具的兩切割元件組；
[0010]圖3B說明根據本公開的一些實施方案的圖3A的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0011] 圖3C說明根據本公開的一些實施方案的用于井下鉆井工具的鉆頭面的示意圖，所 述井下鉆井工具包括用于多級力平衡所述井下鉆井工具的三切割元件組；
[0012] 圖3D說明根據本公開的一些實施方案的圖3C的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0013] 圖3E說明根據本公開的一些實施方案的用于井下鉆井工具的鉆頭面的示意圖，所 述井下鉆井工具包括用于多級力平衡所述井下鉆井工具的四切割元件組；
[0014] 圖3F說明根據本公開的一些實施方案的圖3E的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0015] 圖3G說明根據本公開的一些實施方案的用于井下鉆井工具的鉆頭面的示意圖，所 述井下鉆井工具包括用于多級力平衡所述井下鉆井工具的五切割元件組；
[0016]圖3H說明根據本公開的一些實施方案的圖3G的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0017]圖4A和4B說明根據本公開的一些實施方案的示出匹配主葉片、切割元件組、葉片 組以及切割元件集合以用于井下鉆井工具的多級力平衡的實施例的表；
[0018]圖5說明根據本公開的一些實施方案的示出在多級力平衡井下鉆井工具的設計期 間主葉片、切割元件組、葉片組以及切割元件集合的優選匹配的實施例的表；
[0019] 圖6說明根據本公開的一些實施方案的用于具有五個葉片的井下鉆井工具的鉆頭 面的示意圖，包括用以基于用于多級力平衡所述井下鉆井工具的葉片組和切割元件集合而 安裝切割元件的示范性位置；
[0020] 圖7A和7B說明根據本公開的一些實施方案的用于具有八個葉片的井下鉆井工具 的鉆頭面的示意圖，包括用以基于用于多級力平衡所述井下鉆井工具的葉片組和切割元件 集合而安裝切割元件的示范性位置；
[0021] 圖8A說明根據本公開的一些實施方案的用于具有五個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以按用于多級力平衡所述井下鉆井工具的單集合和軌道集合配置的 組合而安裝切割元件的示范性位置；
[0022]圖8B說明根據本公開的一些實施方案的圖8A的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0023]圖8C說明根據本公開的一些實施方案的用于具有六個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以按用于多級力平衡所述井下鉆井工具的單集合和軌道集合配置的 組合而安裝切割元件的示范性位置；
[0024]圖8D說明根據本公開的一些實施方案的圖8C的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0025]圖8E說明根據本公開的一些實施方案的用于具有七個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以按用于多級力平衡所述井下鉆井工具的單集合和軌道集合配置的 組合而安裝切割元件的示范性位置；
[0026]圖8F說明根據本公開的一些實施方案的圖8E的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0027]圖8G說明根據本公開的一些實施方案的用于具有八個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以按用于多級力平衡所述井下鉆井工具的單集合和軌道集合配置的 組合而安裝切割元件的示范性位置；
[0028]圖8H說明根據本公開的一些實施方案的圖8G的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0029] 圖81說明根據本公開的一些實施方案的用于具有九個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以按用于多級力平衡所述井下鉆井工具的單集合和軌道集合配置的 組合而安裝切割元件的示范性位置；
[0030] 圖8J說明根據本公開的一些實施方案的圖81的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0031] 圖9A說明根據本公開的一些實施方案的用于具有五個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以按用于多級力平衡所述井下鉆井工具的軌道集合配置而安裝切割 元件的示范性位置；
[0032] 圖9B說明根據本公開的一些實施方案的圖9A的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0033] 圖9C說明根據本公開的一些實施方案的用于具有六個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以按用于多級力平衡所述井下鉆井工具的軌道集合配置而安裝切割 元件的示范性位置；
[0034]圖9D說明根據本公開的一些實施方案的圖9C的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0035]圖9E說明根據本公開的一些實施方案的用于具有七個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以按用于多級力平衡所述井下鉆井工具的軌道集合配置而安裝切割 元件的示范性位置；
[0036]圖9F說明根據本公開的一些實施方案的圖9E的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0037]圖9G說明根據本公開的一些實施方案的用于具有八個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以按用于多級力平衡所述井下鉆井工具的軌道集合配置而安裝切割 元件的示范性位置；
[0038]圖9H說明根據本公開的一些實施方案的圖9G的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0039] 圖91說明根據本公開的一些實施方案的用于具有九個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以按用于多級力平衡所述井下鉆井工具的軌道集合配置而安裝切割 元件的示范性位置；
[0040] 圖9J說明根據本公開的一些實施方案的圖91的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示 意圖；
[0041] 圖10A說明根據本公開的一些實施方案的用于具有五個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以安裝用于多級力平衡所述井下鉆井工具的切割元件的多個層的示 范性位置；
[0042] 圖10B說明根據本公開的一些實施方案的包括下方暴露的基本型面的圖10A的井 下鉆井工具的鉆頭面型面的示意圖；
[0043] 圖10C說明根據本公開的一些實施方案的用于具有六個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以安裝用于多級力平衡所述井下鉆井工具的切割元件的多個層的示 范性位置；
[0044] 圖10D說明根據本公開的一些實施方案的包括下方暴露的基本型面的圖10C的井 下鉆井工具的鉆頭面型面的示意圖；
[0045] 圖10E說明根據本公開的一些實施方案的用于具有八個葉片的實施例井下鉆井工 具的鉆頭面的示意圖，包括用以安裝用于多級力平衡所述井下鉆井工具的切割元件的多個 層的示范性位置；
[0046] 圖10F說明根據本公開的一些實施方案的包括下方暴露的基本型面的圖10E的井 下鉆井工具的鉆頭面型面的示意圖；
[0047] 圖10G說明根據本公開的一些實施方案的用于具有八個葉片的另一實施例井下鉆 井工具的鉆頭面的示意圖，包括用以安裝用于多級力平衡所述井下鉆井工具的切割元件的 多個層的示范性位置；
[0048] 圖10H說明根據本公開的一些實施方案的包括下方暴露的基本型面的圖10G的井 下鉆井工具的鉆頭面型面的示意圖；
[0049] 圖101說明根據本公開的一些實施方案的用于具有九個葉片的井下鉆井工具的鉆 頭面的示意圖，包括用以安裝用于多級力平衡所述井下鉆井工具的切割元件的多個層的示 范性位置；
[0050] 圖10J說明根據本公開的一些實施方案的包括下方暴露的基本型面的圖101的井 下鉆井工具的鉆頭面型面的示意圖；
[0051] 圖11A說明根據本公開的一些實施方案的包括具有下方暴露的切割元件的多個層 的井下鉆井工具的鉆頭面型面的示意圖；
[0052]圖11B說明根據本公開的一些實施方案的顯示使用包括下方暴露的切割元件的力 平衡井下鉆井工具鉆制井筒的模擬的結果的透視圖的圖形用戶界面；
[0053]圖12A和12B說明根據本公開的一些實施方案的用于在井下鉆井工具的外部部分 上安裝切割元件且多級力平衡所述井下鉆井工具的實施例方法的流程圖；以及
[0054] 圖13說明根據本公開的一些實施方案的用于設計井下鉆井工具的實施例方法的 流程圖。
【具體實施方式】
[0055] 通過參考圖1到13可最好地理解本公開的實施方案及其優點，其中相似的標號用 于指示相似及對應的部分。
[0056] 圖1說明根據本公開的一些實施方案的鉆井系統100的實施例實施方案的立面圖。 鉆井系統1 〇〇可包括井表面或井場106。例如旋轉臺、鉆井流體栗和鉆井流體罐(未明確圖 示)等各種類型的鉆井設備可位于井表面或井場106處。舉例來說，井場106可包括鉆機102， 其可具有與"陸地鉆機"相關聯的各種特性和特征。然而，融合了本公開的教示的井下鉆井 工具可令人滿意地與位于離岸平臺、鉆井船、半潛式鉆井臺和鉆井駁船(未明確圖示)上的 鉆井設備一起使用。
[0057] 鉆井系統100還可包括與鉆頭101相關聯的鉆柱103,其可用以形成廣泛多種井筒 和鉆孔，例如大體上垂直的井筒114a或大體上水平的井筒114b或其任一組合。鉆柱103的井 底鉆具組合件(BHAH20的各種定向鉆井技術和相關聯組件可用以形成水平井筒114b。舉例 來說，可接近于造斜位置113對BHA 120施加側向力以形成從大體上垂直井筒114a延伸的大 體上水平井筒114b。術語"定向鉆井"可用以描述以相對于垂直的所需角度或多個角度鉆制 井筒或井筒的部分。所需的角度可大于與垂直井筒相關聯的正常變換。也可將方向鉆井描 述為鉆制偏離垂直的井筒。術語"水平鉆井"可用以包括在與垂直成大約九十度(90°)的方 向上鉆井。
[0058] BHA 120可由被構造成形成井筒114的廣泛多種組件形成。舉例來說，BHA 120的組 件122a、122b和122c可包括(但不限于)鉆頭(例如，鉆頭101)、取心鉆頭、鉆環、旋轉導向工 具、定向鉆井工具、井下鉆井馬達、擴孔器、孔增大器或穩定器。BHA 120中包括的組件122的 數目和類型可取決于預期井下鉆井條件以及通過鉆柱103和旋轉鉆頭101將形成的井筒的 類型。BHA 120還可包括各種類型的測井工具（未明確圖示）和與井筒的定向鉆井相關聯的 其它井下工具。測井工具和/或定向鉆井工具的實施例可包括(但不限于)聲學、種子、伽瑪 射線、密度、光電、核磁共振、旋轉導向工具和/或任何其它市售的井工具。
[0059] 可通過可從井表面106延伸到選定井下位置的套管柱110來部分地界定井筒114。 可將如圖1所示的不包括套管柱110的井筒114的部分描述為"裸眼井"。可將各種類型的鉆 井流體從井表面106通過鉆柱103栗送到附接的鉆頭101。可引導鉆井流體以從鉆柱103流動 到通過旋轉鉆頭101的相應噴嘴（圖2A中描繪為噴嘴156)。鉆井流體可通過環面108循環回 到井表面106,所述環面由鉆柱103的外部直徑112和井筒114a的內部直徑118部分地界定。 內部直徑118可稱為井筒114a的"側壁"。環面108還可由鉆柱103的外部直徑112和套管柱 110的內部直徑111界定。裸眼井環面116可經界定為側壁118和外部直徑112。
[0060] 鉆井系統100還可包括旋轉鉆頭（"鉆頭"）1〇1。在圖2A中更詳細論述的鉆頭101可 包括一個或多個葉片126,其可從鉆頭101的旋轉鉆頭主體124的外部部分向外安置。旋轉鉆 頭主體124可為大體上圓柱形的，且葉片126可為從旋轉鉆頭主體124向外延伸的任何合適 類型的突起。鉆頭101可在由方向箭頭105界定的方向上相對于鉆頭旋轉軸線104旋轉。葉片 126可包括從每一葉片126的外部部分向外安置的一個或多個切割元件128。葉片126還可包 括一個或多個深度的切割控制器(未明確圖示），其被構造成控制切割元件128的切割深度。 葉片126可進一步包括安置于葉片126上的一個或多個量規墊(未明確圖示）。鉆頭101可根 據本公開的教示而設計和形成，且可根據鉆頭101的特定應用而具有許多不同的設計、配置 和/或尺寸。
[0061 ]在鉆井系統100的操作期間，當鉆頭101初始接觸井筒114a的底部或水平井筒114b 的末端時，鉆頭不平衡力可造成鉆柱103的振動。此振動可從鉆頭101延伸鉆柱103的整個長 度，且可損壞井下鉆井設備和井場106處的鉆井設備。作用于井下鉆井工具上的不平衡力還 可在從第一大體上軟地層進入第二大體上較硬井下地層的過渡鉆井期間產生。作用于井下 鉆井工具的不平衡力可進一步由于從第一井下地層進入第二井下地層的鉆井而產生，其中 所述第二井下地層可以與由井下鉆井工具形成的井筒垂直除外的角度傾斜。
[0062] 因此，在執行定向鉆井或進入不同類型的地質地層中的鉆井時，可有利的是提供 力平衡(例如，鉆頭側向力經平衡或最小化）的鉆井工具，使得所述鉆井工具更高效且以較 高的側向穩定性鉆井。在一些實施方案中，鉆井工具可經多級力平衡，使得當鉆井工具正在 關于不均勻的井下鉆井地層形成井筒時，作用于鉆井工具上的側向力經平衡。多級力平衡 可大體上包括相應切割元件組和切割元件集合的使用，且可不限于與大體上均勻井下地層 接合的井下鉆井工具的所有切割元件的單個集合。多級力平衡還可包括評估隨著鉆井深度 而變的鉆頭不平衡力。
[0063] 鉆頭101上的切割元件128和/或其它井下鉆井工具的配置也可貢獻于鉆頭的穩定 性和鉆井效率。切割元件128可根據兩個一般原理來布設:單集合和軌道集合。在單集合配 置中，鉆頭101上的切割元件128中的每一個可具有相對于鉆頭旋轉軸線104的唯一徑向位 置。在軌道集合配置中，鉆頭101上的切割元件128中的至少兩者可具有相對于鉆頭旋轉軸 線104的相同徑向位置。在一些實施方案中，軌道集合切割元件可位于鉆頭的不同葉片上。 在其它實施方案中，軌道集合切割元件可位于同一葉片上。具有以單集合配置布設的切割 元件的鉆頭可比具有軌道集合配置的鉆頭更高效地鉆井，而具有以軌道集合配置布設的切 割元件的鉆頭可比具有單集合配置的鉆頭更穩定。
[0064] 因此，可修改鉆井工具以改善性能且增強穩定性和鉆井效率。在一些實施方案中， 鉆頭101可根據本公開的教示而設計和制造，且可根據鉆頭101的特定應用而具有許多不同 的設計、配置和/或尺寸。如下文相對于圖3到13且根據本公開的一些實施方案更詳細公開， 鉆頭101的切割元件128可經布設以使得相鄰切割元件或相鄰組的切割元件力平衡以最小 化振動，且切割元件128中的至少一些為軌道集合和/或切割元件128中的至少一些經下方 暴露以增加鉆頭101的穩定性。在一些實施方案中，鉆頭101的切割元件128可經布設以使得 單集合切割元件組和軌道集合元件組沿著鉆頭面型面混合，且形成相鄰切割元件或切割元 件組。相鄰切割元件可為在相關聯鉆頭面型面上緊鄰于彼此(例如，連續編號）安置的切割 元件。在其它實施方案中，鉆頭101的切割元件128可在多個層中布設，使得一些切割元件經 下方暴露且在鉆頭101的相關聯鉆頭型面上形成階梯型面。通過使切割元件128中的一些下 方暴露，鉆頭101可在鉆井操作期間在井筒114a的底部或井筒114b的末端處形成凹槽。這些 凹槽可增強鉆頭穩定性而不影響鉆頭101的效率。
[0065] 圖2A說明根據本公開的一些實施方案的以經常用以建模或設計固定切割器鉆頭 的方式向上定向的旋轉鉆頭1 〇 1的等距視圖。鉆頭1 〇 1可為各種類型的旋轉鉆頭中的任一 者，包括固定切割器鉆頭、多晶金剛石復合片(PDC)鉆頭、刮