專利名稱：地層參數(shù)和鉆進(jìn)參數(shù)的“鉆頭處”評(píng)估的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于形成鉆孔的切削設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
井眼通常是使用鉆柱在被關(guān)注地層形成的，所述鉆柱包括底部鉆具組合(“BHA”)，所述底部鉆具組合具有連接到其底端的鉆頭。所述鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)以使地層崩裂來(lái)鉆出井眼。在有效地并節(jié)省成本地構(gòu)建一口井方面，與BHA/鉆頭和正被鉆進(jìn)井眼周圍的地層的狀態(tài)相關(guān)的信息可能是有用的。例如，影響鉆頭的鉆進(jìn)動(dòng)態(tài)特性的獲知可以用于調(diào)節(jié)鉆進(jìn)參數(shù)(例如鉆壓或RPM)或者評(píng)估鉆頭的切削動(dòng)作的有效性。與地層相關(guān)的信息對(duì)于確定地層的巖性或識(shí)別所關(guān)注的特征(例如地層界面)是有用的。本發(fā)明g在獲得與鉆頭和地層相關(guān)的信息，以及可以用于增強(qiáng)鉆進(jìn)操作的其他信·
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發(fā)明內(nèi)容
在各方面中，本發(fā)明提供了一種用于在地層中形成井眼的裝置。該裝置可以包括鉆頭本體和鉆頭本體中的傳感器。所述傳感器可以包括至少ー個(gè)切削元件并且可以配置成當(dāng)鉆頭接合井眼表面時(shí)產(chǎn)生與所關(guān)注參數(shù)相關(guān)的信息。對(duì)本發(fā)明的更重要的特征的示例進(jìn)行了相當(dāng)寬泛地概括，以便于更好地理解接下來(lái)對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述并且可以理解對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)。當(dāng)然，存在本發(fā)明的附加的特征，其將在下文中描述并且將構(gòu)成所附權(quán)利要求的主題。


為了更詳細(xì)地理解本發(fā)明，結(jié)合附圖參照如下的實(shí)施方式的詳細(xì)描述，在附圖中類似的元件被標(biāo)以類似的附圖標(biāo)記，其中圖I圖示了根據(jù)本發(fā)明制造的切削工具的一個(gè)實(shí)施方式的截面視圖；圖2示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的具有感測(cè)元件的切削元件；圖3示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的具有控制電路的切削元件；圖4示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的具有壓カ感測(cè)元件的切削元件；圖5示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的與兩個(gè)切削元件一起使用的電阻率感測(cè)裝置；圖6以軸測(cè)示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的裝備了儀器的PDC鉆頭。
具體實(shí)施例方式在各方面中，本發(fā)明提供了一種評(píng)估正被鉆進(jìn)的地層和/或測(cè)量ー個(gè)或多個(gè)鉆進(jìn)動(dòng)態(tài)參數(shù)的鉆頭。由所述鉆頭所獲得的信息可以用于確定地層的特性、監(jiān)視鉆頭的狀況或狀態(tài)和/或調(diào)節(jié)鉆進(jìn)參數(shù)以優(yōu)化鉆進(jìn)(例如増加鉆進(jìn)速度(ROP)，減小不希望有的振動(dòng)，等等)。僅僅是出于便于解釋的目的，在下面的討論中指的是三牙輪鉆頭。但是，應(yīng)該理解的是術(shù)語(yǔ)“鉆頭”包括所有類型的鉆地鉆頭；例如刮刀鉆頭、PCD鉆頭、混合式鉆頭、取芯鉆頭、擴(kuò)眼鉆頭、擴(kuò)眼器等等。參見(jiàn)圖I,示例性鉆頭10具有本體11,所述本體11具有三個(gè)懸垂巴掌,不過(guò)僅示出了ー個(gè)。鉆頭本體11的每個(gè)巴掌具有向下并向內(nèi)朝向鉆頭10的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線延伸的支承銷
13。牙輪23安裝在支承銷13上并且相對(duì)于支承銷13轉(zhuǎn)動(dòng)。牙輪23具有多個(gè)切削元件25，它們?cè)谠搶?shí)施方式中示出的是壓配合到牙輪23中的配合孔中的碳化鎢插入物。為了便于討論，代表性的切削元件被標(biāo)記為25A-2 。正如下面更詳細(xì)描述的，切削元件25和/或鉆頭本體11可以裝備有傳感器，所述傳感器提供與鉆頭10和/或周圍地層有關(guān)的信息。現(xiàn)參見(jiàn)圖I和2，在一個(gè)實(shí)施方式中，傳感器30可以包括切削元件25A，所述切削元件25A能夠操作性地連接到感測(cè)元件31?！安僮餍缘剡B接”一般意味著與切削元件25A相關(guān)的狀態(tài)、行為或響應(yīng)可以直接或間接地傳遞到所述感測(cè)元件31或者由所述感測(cè)元件31 檢測(cè)到?！安僮餍缘倪B接”可以包括但不局限干其中使用切削元件25A和感測(cè)元件31構(gòu)成電路的電連接；以及其中將切削元件25A的運(yùn)動(dòng)或移動(dòng)以某種形式傳遞到所述感測(cè)元件31的動(dòng)態(tài)連接。在一些實(shí)施方式中，所述感測(cè)元件31可以至少部分地由可以響應(yīng)于切削元件25A的狀態(tài)而產(chǎn)生信號(hào)的材料制成。例如當(dāng)切削元件25A與感測(cè)元件31之間的相互作用或共同作用造成ー個(gè)或多個(gè)材料性能(體積、形狀、偏轉(zhuǎn)、弾性等等)改變時(shí)，構(gòu)成所述感測(cè)元件31的材料可以產(chǎn)生信號(hào)。合適的材料包括但不局限于響應(yīng)電流變化的電流變(ER)材料、響應(yīng)磁場(chǎng)變化的磁流變(MR)材料、響應(yīng)電流變化的壓電材料、電響應(yīng)聚合物、柔性壓電纖維和材料以及磁致伸縮材料。產(chǎn)生的信號(hào)可以對(duì)應(yīng)干與地層15和/或鉆頭11相關(guān)的井下參數(shù)。示例性的井下參數(shù)包括但不局限于應(yīng)力、應(yīng)變、鉆壓(W0B)、振動(dòng)、彎矩、扭矩、壓力、溫度、電阻率、滲透性、孔隙率等等。在圖2中，圖示了傳感器30的一個(gè)實(shí)施方式，其包括切削元件25A，所述切削元件25A可以動(dòng)態(tài)連接到感測(cè)元件31。所述傳感器30可以布置在凹窩26或腔中。在一個(gè)實(shí)施方式中，傳感器30可以包括表現(xiàn)出材料特性變化的材料?？梢詼y(cè)量這種變化以估計(jì)諸如壓力、溫度、應(yīng)變等之類的參數(shù)。在操作期間，切削元件25A接合井眼表面，比如井底17。所述感測(cè)元件31通過(guò)產(chǎn)生代表性的信號(hào)來(lái)響應(yīng)于切削元件25A的移動(dòng)、運(yùn)動(dòng)或狀態(tài)?，F(xiàn)參見(jiàn)圖3，在一些實(shí)施方式中，傳感器30可以包括表現(xiàn)出電特性變化的感測(cè)元件31?？刂齐娐?2與所述感測(cè)元件31操作性地連通?？刂齐娐?2可以配置成估計(jì)與材料30相關(guān)的電參數(shù)(例如電壓、電流、電阻、電容等等)、磁參數(shù)或其他參數(shù)。例如，響應(yīng)于施加的壓力，所述材料可以變形，這可以產(chǎn)生與所述變形對(duì)應(yīng)的電磁信號(hào)形式的信息。所述控制電路32可以將所述信息存儲(chǔ)在合適的井下存儲(chǔ)器(未示出)中和/或?qū)⑺鲂畔魉偷骄稀，F(xiàn)參見(jiàn)圖4，在一個(gè)實(shí)施方式中，切削元件25b可以操作性地連接到感測(cè)元件34，所述感測(cè)元件34產(chǎn)生表示施加到所述切削元件25b的壓カ的信號(hào)。所述壓カ可以是由于鉆壓引起。所述感測(cè)元件34可以與壓カ傳遞材料36連通。所述壓カ傳遞材料36可以是固體(其是切削元件25b的一部分)、凝膠或流體。在一些實(shí)施方式中，所述感測(cè)元件34可以是應(yīng)變傳感器，其產(chǎn)生表示與該應(yīng)變傳感器連接的感測(cè)元件的長(zhǎng)度變化的信號(hào)?？梢詫⑺鰝鞲衅?4校準(zhǔn)以產(chǎn)生可以被處理以用來(lái)估計(jì)切削元件25b與地層之間的壓カ(例如接觸壓力)的信號(hào)?，F(xiàn)參見(jiàn)圖I和5，在一個(gè)實(shí)施方式中，傳感器30可以使用電連接到控制電路32的切削元件25c，d來(lái)估計(jì)比如電阻率之類的地層參數(shù)。例如，每個(gè)切削元件25c，d可以與控制電路32電連接(圖3)，所述控制電路32配置成估計(jì)構(gòu)成與這些切削元件25c，d接觸的地層的材料的電阻。在該實(shí)施方式中，所述切削元件25c，d可以起到電極的作用。在操作期間，電流流過(guò)切削元件25c，d之間的材料。所述控制電路32可以配置成估計(jì)切削元件25c, d之間的材料的電阻率或其他電參數(shù)。在其他實(shí)施方式中，鉆頭10可以包括傳感器30，所述傳感器30包括信號(hào)發(fā)生器40和接收器42。所述信號(hào)發(fā)生器40將信號(hào)導(dǎo)向地層中，所述接收器42檢測(cè)來(lái)自地層的響應(yīng)。該響應(yīng)可以是反射信號(hào)、放射性衰變等等。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述信號(hào)發(fā)生器40可以是聲源。所述信號(hào)發(fā)生器40可以將切削元件25b作為聚焦元件或?qū)Рㄆ魇褂靡詫⒙曇粜盘?hào)或其他形式的能量波引入地層中。所述接收器42可以檢測(cè)所述聲音信號(hào)的反射。在 其他實(shí)施方式中，該信號(hào)可以是放射線、NMR信號(hào)、電磁信號(hào)、微波。許多系統(tǒng)可以用來(lái)將信號(hào)傳輸?shù)絺鞲衅骱蜕厦嫠龅难b置以及從所述傳感器和上面所述的裝置接收信號(hào)。例如，參見(jiàn)圖1，鉆頭10可以包括信息獲取系統(tǒng)50，該信息獲取系統(tǒng)50可以包括用于操作所述傳感器和上面所述的其他裝置的控制器52和通訊裝置54。所述控制器52可以包括信息處理裝置。這里所使用的“信息處理裝置”意思是指?jìng)鬏?、接收、操縱、轉(zhuǎn)換、計(jì)算、調(diào)制、變換、載波處理、存儲(chǔ)或以其他方式利用信息的任何裝置。在本發(fā)明的多個(gè)非限制性方面中，信息處理裝置可以包括執(zhí)行程序化指令的計(jì)算機(jī)或微處理器。所述通訊裝置54可以使用基于RF、聲音、壓カ脈沖、EM等的信號(hào)傳輸介質(zhì)。參見(jiàn)圖6，示出了聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭60。該鉆頭60可以包括一個(gè)或多個(gè)上面結(jié)合圖1-5描述的傳感器及裝置。在該實(shí)施方式中，信息獲取系統(tǒng)62可以包括與鉆頭60中的一個(gè)或多個(gè)傳感器(未示出)通訊的控制器?？梢蕴幚硇畔⒑蛡鬏?接收信號(hào)的該控制器可以使用信號(hào)載波器64來(lái)從所述傳感器傳輸/接收數(shù)據(jù)和/或從BHA (未示出)或地表傳輸/接收數(shù)據(jù)。所述控制器可以包括信息處理器，該信息處理器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)和處理器存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連通。所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)可以是任何標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，比如USB驅(qū)動(dòng)器、記憶棒、硬盤、可移除的RAM、EPROM、EAR0M、閃存和光盤或者對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他常用的記憶存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括基于因特網(wǎng)的存儲(chǔ)。所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)可以存儲(chǔ)ー個(gè)或多個(gè)程序，所述程序在執(zhí)行時(shí)使信息處理器執(zhí)行所披露的方法?！靶畔ⅰ笨梢允侨魏涡问降臄?shù)據(jù)并且可以是“未處理的”和/或“處理過(guò)的”，例如直接的測(cè)量結(jié)果、間接的測(cè)量結(jié)果、模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等等。應(yīng)該理解的是本發(fā)明的教導(dǎo)幾乎可以用在想要估計(jì)切削動(dòng)作動(dòng)態(tài)特性和/或確定切削設(shè)備穿入其中的材料的特性的任何情形中。例如，ー些裝置可以用于擴(kuò)大由主鉆頭(比如圖I和6中示出的鉆頭)形成的鉆孔。這些孔擴(kuò)大裝置包括擴(kuò)大由主鉆頭鉆出的孔的擴(kuò)眼鉆頭和擴(kuò)孔器。此外，本發(fā)明的教導(dǎo)可以適用于其他切削設(shè)備，比如用在襯管鉆進(jìn)系統(tǒng)中的切削設(shè)備和用于切削除了巖石和土壌之外的材料(比如金屬、合成物等等)的切削設(shè)備。雖然前面的描述涉及本發(fā)明的一種模式的實(shí)施方式，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)各種修改是顯而易見(jiàn)的。前面的描述g在包含在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有變型?！?br> 權(quán)利要求
1.一種鉆頭,包括 鉆頭本體；以及 鉆頭本體中的傳感器，該傳感器包括至少ー個(gè)切削元件，該傳感器配置成當(dāng)所述至少ー個(gè)切削元件接合井眼表面時(shí)產(chǎn)生與所關(guān)注參數(shù)相關(guān)的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉆頭，其中所述傳感器產(chǎn)生與如下之一相關(guān)的信息(i)與鉆頭相關(guān)的壓力；(ii)與鉆頭相關(guān)的應(yīng)變；(iii)地層參數(shù)，(iv)鉆頭的溫度，(v)周圍介質(zhì)的溫度，以及(vi)振動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉆頭，其中所述傳感器包括操作性地連接到所述至少ー個(gè)切削元件的感測(cè)元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鉆頭，其中“操作性地連接”是選自如下之ー的連接(i)動(dòng)態(tài)連接，(ii)電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉆頭，其中所述至少ー個(gè)切削元件包括至少兩個(gè)切削元件，其中所述參數(shù)是所述至少兩個(gè)切削元件之間的材料的地層參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉆頭，其中所述傳感器包括傳輸信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器，其中所述傳感器產(chǎn)生表示地層對(duì)所傳輸信號(hào)的響應(yīng)的信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉆頭，還包括在所述鉆頭本體中的電路，所述電路配置成至少部分地處理來(lái)自于所述傳感器的信號(hào)。
8.—種鉆頭,包括 鉆頭本體； 鉆頭本體中的傳感器，所述傳感器包括至少ー個(gè)切削元件和操作性地連接到所述至少ー個(gè)切削元件的感測(cè)元件，所述傳感器配置成當(dāng)所述至少ー個(gè)切削元件接合井眼表面時(shí)產(chǎn)生與所關(guān)注參數(shù)相關(guān)的信息； 配置成操作所述傳感器的控制器；以及 配置成在所述控制器與所述傳感器之間提供信號(hào)連通的連通裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鉆頭，其中所述傳感器產(chǎn)生與如下之一相關(guān)的信息(i)與鉆頭相關(guān)的壓カ；(ii)與鉆頭相關(guān)的應(yīng)變；(iii)地層參數(shù)，(iv)鉆頭的溫度，(V)周圍介質(zhì)的溫度，以及(vi)振動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鉆頭，其中“操作性地連接”是選自如下之ー的連接(i)動(dòng)態(tài)連接，(ii)電連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鉆頭，其中所述至少ー個(gè)切削元件包括至少兩個(gè)切削元件，其中所述參數(shù)是所述至少兩個(gè)切削元件之間的材料的地層參數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鉆頭，其中所述傳感器包括傳輸信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器，其中所述傳感器產(chǎn)生表示地層對(duì)所傳輸信號(hào)的響應(yīng)的信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鉆頭，還包括在所述鉆頭本體中的電路，所述電路配置成至少部分地處理來(lái)自于所述傳感器的信號(hào)。
全文摘要
一種用于在地層中形成井眼的裝置，可以包括鉆頭本體和在鉆頭本體中的傳感器。所述傳感器可以包括至少一個(gè)切削元件并且可以配置成當(dāng)所述鉆頭接合井眼表面時(shí)產(chǎn)生與所關(guān)注參數(shù)相關(guān)的信息。
文檔編號(hào)E21B47/12GK102869849SQ201180020941
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者S·庫(kù)馬爾, H·約翰, D·斯科特, A·迪喬瓦尼 申請(qǐng)人:貝克休斯公司