包括呈階梯型面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(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及井下鉆井工具，且更特定來說涉及包括呈階梯型面配置的切割元件的 多級力平衡井下鉆井工具。
【背景技術(shù)】
[0002] 可使用各種類型的井下鉆井工具，包括(但不限于)旋轉(zhuǎn)鉆頭、擴(kuò)孔器、巖心鉆頭、 穩(wěn)定器和其它井下工具，在相關(guān)聯(lián)井下地層中形成井筒。旋轉(zhuǎn)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(fù)合片(PDC)鉆頭、矩陣鉆頭、牙輪鉆頭、旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭和巖石鉆頭。與這些鉆頭相關(guān)聯(lián)的 切割動作一般需要與進(jìn)入井下地層的鄰近部分中的切割元件相關(guān)聯(lián)的鉆壓(W0B)和旋轉(zhuǎn)。
[0003] 旋轉(zhuǎn)鉆頭可以形成為具有從鉆頭本體延伸的若干葉片，其中葉片的外側(cè)部分上安 置有切割元件。已使用各種技術(shù)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(xiàn)有技術(shù)假定所有切割元件與基本均勻的井下地層接合。然而，在典型鉆井應(yīng)用 中，地層可基本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(qiáng)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(qiáng)度。
【附圖說明】
[0004] 通過參考以下結(jié)合附圖做出的描述可以獲得各種實施方案及其優(yōu)點(diǎn)的更完整且 詳盡的理解，在附圖中相同參考標(biāo)號指示相同特征，且其中：
[0005] 圖1說明根據(jù)本公開的一些實施方案的鉆井系統(tǒng)的實施例實施方案的立面圖；
[0006] 圖2A說明根據(jù)本公開的一些實施方案的以經(jīng)常用以建?；蛟O(shè)計鉆頭的方式向上 定向的旋轉(zhuǎn)鉆頭的等距視圖；
[0007] 圖2B說明根據(jù)本公開的一些實施方案的示出圖2A的旋轉(zhuǎn)鉆頭鉆制井筒穿過第一 井下地層且進(jìn)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；
[0008] 圖3A說明根據(jù)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；
[0009] 圖3B說明根據(jù)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；
[0010] 圖3C說明根據(jù)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；
[0011] 圖3D說明根據(jù)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；
[0012] 圖3E說明根據(jù)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；
[0013] 圖3F說明根據(jù)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；
[0014]圖3G說明根據(jù)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；
[0015]圖3H說明根據(jù)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；
[0016] 圖4A和圖4B說明根據(jù)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；
[0017] 圖5說明根據(jù)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(shè)計期 間主葉片、切割元件組、葉片組以及切割元件集合的優(yōu)選匹配的實施例的表；
[0018] 圖6說明根據(jù)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；
[0019] 圖7A和圖7B說明根據(jù)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；
[0020] 圖8A說明根據(jù)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；
[0021] 圖8B說明根據(jù)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；
[0022] 圖8C說明根據(jù)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；
[0023]圖8D說明根據(jù)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；
[0024]圖8E說明根據(jù)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；
[0025]圖8F說明根據(jù)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；
[0026]圖8G說明根據(jù)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；
[0027]圖8H說明根據(jù)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；
[0028]圖81說明根據(jù)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；
[0029]圖8J說明根據(jù)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；
[0030] 圖9A說明根據(jù)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；
[0031] 圖9B說明根據(jù)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；
[0032] 圖9C說明根據(jù)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；
[0033]圖9D說明根據(jù)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；
[0034]圖9E說明根據(jù)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；
[0035]圖9F說明根據(jù)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；
[0036]圖9G說明根據(jù)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；
[0037]圖9H說明根據(jù)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；
[0038]圖91說明根據(jù)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；
[0039]圖9J說明根據(jù)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；
[0040] 圖10A說明根據(jù)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；
[0041] 圖10B說明根據(jù)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；
[0042] 圖10C說明根據(jù)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；
[0043] 圖10D說明根據(jù)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；
[0044] 圖10E說明根據(jù)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；
[0045] 圖10F說明根據(jù)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；
[0046] 圖10G說明根據(jù)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；
[0047] 圖10H說明根據(jù)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；
[0048] 圖101說明根據(jù)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；
[0049] 圖10J說明根據(jù)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；
[0050] 圖11A說明根據(jù)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；
[0051]圖11B說明根據(jù)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(jié)果的透視圖的圖形用戶界面；
[0052]圖12A和圖12B說明根據(jù)本公開的一些實施方案的用于在井下鉆井工具的外側(cè)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 [0053]圖13說明根據(jù)本公開的一些實施方案的用于設(shè)計井下鉆井工具的實施例方法的 流程圖。
【具體實施方式】
[0054]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(yōu)點(diǎn)，其中相似的標(biāo)號用 于指示相似及對應(yīng)的部分。
[0055] 圖1說明根據(jù)本公開的一些實施方案的鉆井系統(tǒng)100的實施例實施方案的立面圖。 鉆井系統(tǒng)1 〇〇可包括井表面或井場106。例如旋轉(zhuǎn)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(shè)備可位于井表面或井場106處。舉例來說，井場106可包括鉆機(jī)102， 其可具有與"陸地鉆機(jī)"相關(guān)聯(lián)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(shè)備一起使用。
[0056] 鉆井系統(tǒng)100還可包括與鉆頭101相關(guān)聯(lián)的鉆柱103,其可用以形成廣泛多種井筒 和鉆孔，例如基本豎直的井筒114a或基本水平的井筒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(shù)和相關(guān)聯(lián)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(cè)向力以形成從基本豎直井筒114a延伸的基本水 平井筒114b。術(shù)語"定向鉆井"可用以描述以相對于豎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豎直井筒相關(guān)聯(lián)的正常變換。也可將方向鉆井描述為鉆 制偏離豎直的井筒。術(shù)語"水平鉆井"可用以包括在與豎直成大約九十度(90°)的方向上鉆 井。
[0057] BHA 120可由被構(gòu)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(huán)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工 具、定向鉆井工具、井下鉆井馬達(dá)、擴(kuò)孔器、孔增大器或穩(wěn)定器。BHA 120中包括的組件122的 數(shù)目和類型可取決于預(yù)期井下鉆井條件以及通過鉆柱103和旋轉(zhuǎn)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(guān)聯(lián)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(xué)、種子、伽瑪 射線、密度、光電、核磁共振、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和/或任何其它市售的井工具。
[0058]可通過套管柱110，該套管柱可從井表面106延伸到選定井下位置，來部分地界定 井筒114?？蓪⑷鐖D1所示的不包括套管柱110的井筒114的部分描述為"裸眼井"?？蓪⒏鞣N 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?？梢龑?dǎo)鉆井流體以從鉆 柱103流動到通過旋轉(zhuǎn)鉆頭101的相應(yīng)噴嘴（圖2A中描繪為噴嘴156)。鉆井流體可通過環(huán)空 108循環(huán)回到井表面106,所述環(huán)空由鉆柱103的外徑112和井筒114a的內(nèi)徑118部分地界定。 內(nèi)徑118可稱為井筒114a的"側(cè)壁"。環(huán)空108還可由鉆柱103的外徑112和套管柱110的內(nèi)徑 111界定。裸眼井環(huán)空116可經(jīng)界定為側(cè)壁118和外徑112。
[0059] 鉆井系統(tǒng)100還可包括旋轉(zhuǎn)鉆頭（"鉆頭"）101。在圖2A中更詳細(xì)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(zhuǎn)鉆頭本體124的外側(cè)部分向外安置。旋轉(zhuǎn)鉆 頭本體124可為基本圓柱形的，且葉片126可為從旋轉(zhuǎn)鉆頭本體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(zhuǎn)軸線104旋轉(zhuǎn)。葉片 126可包括從每一葉片126的外側(cè)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(gòu)造成控制切割元件128的切割深度。 葉片126可進(jìn)一步包括安置于葉片126上的一個或多個量規(guī)墊(未明確圖示）。鉆頭101可根 據(jù)本公開的教示而設(shè)計和形成，且可根據(jù)鉆頭101的特定應(yīng)用而具有許多不同的設(shè)計、配置 和/或尺寸。
[0060] 在鉆井系統(tǒng)100的操作期間，當(dāng)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(shè)備和井場106處的鉆井設(shè)備。作用于井下鉆井工具上的不平衡力還 可在從第一基本軟地層進(jìn)入第二基本較硬井下地層的過渡鉆井期間產(chǎn)生。作用于井下鉆井 工具的不平衡力可進(jìn)一步由于從第一井下地層進(jìn)入第二井下地層的鉆井而產(chǎn)生，其中所述 第二井下地層可按照并非垂直于井下鉆井工具所形成的井筒的角度傾斜。
[0061] 因此，在執(zhí)行定向鉆井或進(jìn)入不同類型的地質(zhì)地層中的鉆井時，有利的是提供力 平衡(例如，鉆頭側(cè)向力經(jīng)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(cè)向穩(wěn)定性鉆井。在一些實施方案中，鉆井工具可被多級力平衡，使得當(dāng)鉆井工具正在關(guān) 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(cè)向力經(jīng)平衡。多級力平衡可 基本包括相應(yīng)切割元件組和切割元件集合的使用，且可不限于與基本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。
[0062] 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(xiàn)于鉆頭的穩(wěn)定 性和鉆井效率。切割元件128可根據(jù)兩個一般原理來布設(shè):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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)的切 割元件的鉆頭可比具有單集合配置的鉆頭更穩(wěn)定。
[0063] 因此，可修改鉆井工具以改善性能且增強(qiáng)穩(wěn)定性和鉆井效率。在一些實施方案中， 鉆頭101可根據(jù)本公開的教示而設(shè)計和制造，且可根據(jù)鉆頭101的特定應(yīng)用而具有許多不同 的設(shè)計、配置和/或尺寸。如下文相對于圖3到13且根據(jù)本公開的一些實施方案更詳細(xì)公開， 鉆頭101的切割元件128可經(jīng)布設(shè)以使得相鄰切割元件或相鄰組的切割元件被力平衡以最 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(jīng)下 方暴露以增加鉆頭101的穩(wěn)定性。在一些實施方案中，鉆頭101的切割元件128可經(jīng)布設(shè)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(guān)聯(lián)鉆頭面型面上緊鄰于彼此(例如，連續(xù)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(shè)，使得一些切割元件 經(jīng)下方暴露且在鉆頭101的相關(guān)聯(lián)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(qiáng)鉆頭穩(wěn)定性而不影響鉆頭101的效率。
[0064] 圖2A說明根據(jù)本公開的一些實施方案的以經(jīng)常用以建?；蛟O(shè)計固定切割器鉆頭 的方式向上定向的旋轉(zhuǎn)鉆頭1 〇 1的等距視圖。鉆頭1 〇 1可為各種類型的旋轉(zhuǎn)鉆頭中的任一 者，