[发明专利]具有自调整衬垫的钻头

说明书

在一个方面中，本文公开一种钻头，其包括：钻头体；与所述钻头体相关联的衬垫；耦接至所述衬垫的速度控制装置，所述衬垫以第一速度从钻头表面展开并且响应于施加到所述衬垫上的外部力以第二速度从展开的位置回缩到回缩的位置，所述速度控制装置包括：用于在所述衬垫上施加力的活塞；在所述活塞上施加力从而以所述第一速度展开所述衬垫的偏置构件；与所述活塞相关联的流体腔室；以及用于控制所述流体腔室内的流体压力的压力管理装置。

优先权要求

本申请要求于2015年9月24日提交的有关“DRILL BIT WITH SELF-ADJUSTINGPADS”的美国专利申请序列号14/864,436的申请日利益，所述美国专利申请是于2014年10月16日提交的美国专利申请序列号14/516,340的继续申请，所述美国专利申请是于2013年4月17日提交的美国非临时专利申请序列号13/864,926的部分继续申请，所述专利申请中的每一个以引用的方式整体并入本文中。

技术领域

本公开大体上涉及钻头和利用所述钻头钻井筒的系统。

发明背景

油井(也称作“井筒”或“井孔”)使用钻柱钻孔，所述钻柱包括具有钻井组件(也称作“井底钻具组件”或“BHA”)的管状构件。BHA通常包括提供信息的装置和传感器，所述信息涉及与钻井操作(“钻井参数”)、BHA的特性(“BHA参数”)有关的多种参数以及与井筒周围的地层有关的参数(“地层参数”)。附接至BHA的底部端的钻头通过旋转钻柱和/或通过旋转BHA中的钻井马达(也称作“泥浆马达”)进行旋转，以使岩层碎裂从而钻井筒。大量的井筒是沿波状外形的轨迹钻井的。例如，单个井筒可能包括穿过不同类型的岩层的一个或多个垂直区段、倾斜区段和水平区段。当钻井从诸如沙地等软地层进行至诸如页岩等硬地层或从诸如页岩等硬地层进行至诸如沙地等软地层时，钻井的钻进速度(ROP)改变，并且可能会引起(减少或增加)钻头中的过度波动或振动(侧向或扭转)。通常通过控制钻头的钻压(WOB)和旋转速度(每分钟转数或“RPM”)以便控制钻头波动来对ROP进行控制。通过控制表面处的起吊载荷对WOB进行控制，并且通过控制表面处的钻柱旋转和/或通过控制BHA中的钻井马达速度对RPM进行控制。通过所述方法控制钻头波动和ROP需要钻井系统或操作人员在表面处采取行动。所述表面操作对钻头波动的影响并非大致上立即的。钻头磨蚀引起针对给定WOB和钻头旋转速度的振动、回旋和滞塞。钻头的“切削深度”(DOC)通常被定义成“钻头的一次旋转轴向前进到地层中的距离”，它是有关钻头磨蚀的影响因素。对DOC进行控制可以提供更平滑的井孔，避免切割机的过早损坏，并延长钻头的操作寿命。

本文的公开内容提供钻头和使用钻头的钻井系统，所述钻井系统被配置以在钻井筒期间控制钻头的即时DOC的变化速度。

发明内容

在一个方面中，公开钻头，其包括：钻头体；与钻头体相关联的衬垫；耦接至衬垫的速度控制装置，所述衬垫以第一速度从钻头表面展开并且响应于施加到所述衬垫上的外部力以第二速度从展开的位置回缩到回缩位置，所述速度控制装置包括：用于在衬垫上施加力的活塞，在活塞上施加力从而以第一速度展开衬垫的偏置构件，与活塞相关联的流体腔室，以及用于控制流体腔室内的流体压力的压力管理装置。

在另一方面中，公开钻井筒的方法，所述方法包括：提供包括钻头体的钻头，与所述钻头体相关联的衬垫以及速度控制装置；传送钻柱到地层中，所述钻柱在其末端处具有钻头；经由速度控制装置以第一速度选择性地从钻头表面展开衬垫；经由速度控制装置响应于施加到衬垫上的外部力以第二速度选择性地从展开的位置回缩到回缩的位置，所述速度控制装置包括：用于在衬垫上施加力的活塞，在活塞上施加力从而以第一速度展开衬垫的偏置构件，与活塞相关联的流体腔室；以及经由压力管理装置控制流体腔室内的流体压力；以及使用钻柱钻井筒。