鉆頭臂凹座的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)大體涉及地下鉆井設(shè)備，并且更具體地說(shuō)，涉及鉆頭臂凹座。
[0002] 背景
[0003] 烴類(lèi)，諸如油和氣體，常見(jiàn)地從可以位于陸上或者海上的地下地層獲得。涉及將烴 類(lèi)從地下地層移除的地下操作和過(guò)程的發(fā)展是復(fù)雜的。通常，地下操作涉及許多不同步驟， 例如像在所希望的井現(xiàn)場(chǎng)處鉆探鉆孔，處理所述鉆孔以便優(yōu)化烴類(lèi)的生產(chǎn)，以及執(zhí)行必要 步驟以便生產(chǎn)并處理來(lái)自地下地層的烴類(lèi)。
[0004] 用于鉆探井孔的鉆頭(諸如旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭)通常通過(guò)鍛造和/或鑄造過(guò)程以生產(chǎn)半 制品，之后進(jìn)行機(jī)械加工和/或表面處理以獲得所需幾何形狀以及表面精加工而制成。鉆頭 可以包括支撐構(gòu)件，所述支撐構(gòu)件包括用于在鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)鉆井液提供向上壓力的提升表 面。鉆井液還可以用來(lái)清潔、冷卻以及潤(rùn)滑切割元件、切割結(jié)構(gòu)和與牙輪鉆頭相關(guān)聯(lián)的其他 部件。鉆井液可以輔助井下地層的相鄰部分的斷裂、磨損和/或腐蝕。支撐構(gòu)件還可以支撐 旋轉(zhuǎn)錐形切割器，所述切割器的齒在操作期間碾碎地層。
[0005] 附圖
[0006] 通過(guò)部分地參考以下描述和附圖可理解本公開(kāi)的一些具體的示例性實(shí)施方案。 [0007]圖1是示例鉆井系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的選定元件的方框圖；
[0008] 圖2示出顯示凹座可以包括在其中的鉆頭臂的一個(gè)實(shí)施方案的選定元件；
[0009] 圖3示出在其中具有凹座的鉆頭臂的一個(gè)實(shí)施方案的選定元件;并且
[0010] 圖4示出在其中具有凹座的鉆頭臂的一個(gè)實(shí)施方案的選定元件。
[0011] 雖然本公開(kāi)的實(shí)施方案已經(jīng)得以描繪和描述并且通過(guò)參考本公開(kāi)的示例性實(shí)施 方案來(lái)加以限定，但是所述參考并不暗示對(duì)本公開(kāi)的限制，并且不能推斷出這樣的限制。如 本領(lǐng)域中的技術(shù)人員以及受益于本公開(kāi)的人員將想到，所公開(kāi)的主題能夠在形式和功能上 存在許多修改、變更和等效形式。所描繪和描述的本公開(kāi)的實(shí)施方案僅為示例性的，并且并 非詳盡說(shuō)明本公開(kāi)的范圍。
[0012] 具體實(shí)施方案的描述
[0013] 本公開(kāi)大體涉及鉆井設(shè)備，并且更具體地說(shuō)，涉及鉆頭臂凹座。這些鉆頭臂凹座可 以在保留由鉆頭臂的其他特征提供的所希望的流體流動(dòng)特性的同時(shí)用來(lái)減輕鉆頭并減少 用于鉆頭的材料的量。
[0014] 為了促進(jìn)更好理解本公開(kāi)，給出某些實(shí)施方案的以下實(shí)施例。以下實(shí)施例決不應(yīng) 被理解為限制或限定本公開(kāi)的范圍。本公開(kāi)的實(shí)施方案可適用于任何類(lèi)型地層中的水平、 垂直、偏斜、多邊、u形管連接、交叉、繞開(kāi)(鉆探被卡住的中深落物周?chē)⑶曳祷鼐拢┗蚱?他非線性鉆孔。實(shí)施方案可以應(yīng)用到注入井以及生產(chǎn)井，包括自然資源生產(chǎn)井，諸如硫化 氫、烴類(lèi)或地?zé)峋８鶕?jù)本文所描述的實(shí)施方案的裝置和方法可以在鋼纜、纜繩、隨鉆測(cè)量 (MWD)和隨鉆測(cè)井(LWD)操作中的一個(gè)或多個(gè)中使用。下文參照一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式(諸如鋼纜)描 述的實(shí)施方案不旨在限制。實(shí)施方案可以在適于沿著地層的區(qū)段進(jìn)行測(cè)量、數(shù)據(jù)獲取和/或 記錄數(shù)據(jù)的各種地層工具中實(shí)現(xiàn)，所述地層工具例如，可以通過(guò)管柱中的流體通道或使用 鋼纜、纜繩、牽引機(jī)、活塞、活塞牽引機(jī)、復(fù)繞管、井下機(jī)器人或等等傳送。實(shí)施方案可以在各 種大小的鉆頭(諸如但不限于表1中列出的鉆頭的大小）中實(shí)現(xiàn)。
[0015]
[0016] 表1:鉆頭指稱(chēng)和大小。
[0017]現(xiàn)轉(zhuǎn)向附圖，圖1示出鉆井系統(tǒng)100的實(shí)施方案的選定元件。如圖所示，鉆井系統(tǒng) 100包括安裝在地面122處的鉆塔102,其定位在地下地層106內(nèi)的鉆孔104的上方。圖1中，鉆 塔102可以經(jīng)由頂部驅(qū)動(dòng)器126連接到多個(gè)鉆管118和120。鉆井系統(tǒng)100可以包括管中管鉆 井系統(tǒng)，其中內(nèi)管120可以設(shè)置在外管118內(nèi)。鉆井泥衆(zhòng)例如可以在由外管118內(nèi)的內(nèi)管120 限定的環(huán)形物內(nèi)栗送到鉆孔104中。鉆井泥漿可以在井下通過(guò)井底組件(BHA)IOS栗送到鉆 頭110 AHA 108可以包括各種井下工具和/或另一個(gè)LWD/MWD元件112,其可以聯(lián)接到外管 118和內(nèi)管120上。在某些實(shí)施方案中，鉆井液可以在環(huán)形物116內(nèi)返回至地面122或轉(zhuǎn)移到 內(nèi)管120中。地面122處的控制單元124可以控制鉆井設(shè)備中的至少一些的操作。
[0018]圖1中，鉆頭110可以是旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭，并且可以具有許多鉆頭臂，其各自具有用于 分別支撐旋轉(zhuǎn)錐形切割器的錐形件。盡管可以使用不同數(shù)量的鉆頭臂和相關(guān)聯(lián)的錐形件， 但是圖1中描繪的實(shí)施方案通過(guò)示例的方式包括三個(gè)鉆頭臂，其各自支撐在相應(yīng)錐形件上。 當(dāng)組裝時(shí)，錐形切割器可以相互配對(duì)以便產(chǎn)生用于在鉆頭110在鉆柱的末端處旋轉(zhuǎn)時(shí)在地 質(zhì)地層中鉆孔的有效切割工具。鉆頭110的鉆頭臂可以包括提升表面，其向圍繞鉆頭110循 環(huán)的鉆井液提供向上的壓力。在操作中，鉆頭110的鉆頭臂各自支撐相應(yīng)旋轉(zhuǎn)錐形件并保持 旋轉(zhuǎn)錐形件附接到鉆柱。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)鉆頭臂還可以為鉆井液提供提升表面。
[0019] 牙輪鉆頭的鉆頭臂可以多種方法中的任何一種制造。通常，盡管非排他地，鉆頭臂 由單個(gè)工件鍛造(或鑄造)并且隨后進(jìn)行后續(xù)機(jī)械加工，這涉及一定量的工件材料和機(jī)械加 工的時(shí)間，這兩者都表示形成鉆頭的費(fèi)用。在某些實(shí)例中，用于鉆頭臂的機(jī)械加工時(shí)間可能 與鉆頭臂的部分的總的外部表面積有關(guān)。如將進(jìn)一步詳細(xì)描述的，鉆頭110可以使用具有凹 座（圖1中未示出，參見(jiàn)圖3和圖4)的鉆頭臂，所述凹座在鍛造、鑄造和/或另一個(gè)形成過(guò)程期 間在鉆頭臂內(nèi)形成。鉆頭110的鉆頭臂中的凹座可以表示相對(duì)于用于鉆頭臂的常規(guī)形成過(guò) 程已經(jīng)消除的工件材料。當(dāng)相比于常規(guī)鉆頭時(shí)，凹座可以作用于減少鉆頭110中的材料的 量，這可以節(jié)約材料成本。當(dāng)相比于常規(guī)鉆頭時(shí)，凹座可以導(dǎo)致減少用于形成鉆頭110的機(jī) 械加工的時(shí)間和努力，這可以進(jìn)一步減少制造成本。然而，凹座仍然可以在鉆頭110的操作 期間為旋轉(zhuǎn)錐形件提供充分的強(qiáng)度和支撐，旋轉(zhuǎn)錐形切割器可以安裝在所述旋轉(zhuǎn)錐形件 上。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)鉆頭110設(shè)計(jì)具有總體上涉及在鉆頭110的鉆頭臂處的另外的工 件材料的提升表面時(shí)，凹座的上述特征在優(yōu)化工件材料的量和生產(chǎn)鉆頭110的制造努力上 可以尤其地有益。
[0020] 現(xiàn)轉(zhuǎn)向圖2,其示出鉆頭臂200。圖2中，鉆頭臂200示為包括上部分206、具有提升表 面204的外表面202、前緣208、后緣210以及下部分212,后者包括用于支撐旋轉(zhuǎn)錐形切割器 (未示出）的旋轉(zhuǎn)錐形件214。鉆頭臂200示為120°幾何區(qū)段，3個(gè)此類(lèi)區(qū)段可以配合以便形成 具有3個(gè)切割元件的鉆頭。外表面202可以表示鉆頭臂200的支撐構(gòu)件216的表面，其接合上 部分206和下部分212。鉆頭臂200的支撐構(gòu)件216和下部分212可以由上部分206掛起并保持 在適當(dāng)位置。在鉆頭臂200中，支撐構(gòu)件216包括外表面202,其可以具有相對(duì)大的面積，所述 面積可以在鉆頭臂200鍛造和/或鑄造后機(jī)械加工。
[0021]也在圖2中示出的是凹座輪廓220,其描繪支撐構(gòu)件216的區(qū)域，材料可以從所述區(qū) 域移除以便形成凹座，如下文關(guān)于圖3和圖4所描述。凹座輪廓220的凹座深度可以如所需改 變。在某些實(shí)施方案中，凹座輪廓220可以表示用于材料移除的最大線，這樣使得當(dāng)形成鉆 頭臂200時(shí)，可以移除比由凹座輪廓220給定的更小量的材料?？梢詾殂@頭臂200的給定實(shí)例 確定凹座輪廓220的精確位置，例如，通過(guò)使用幾何材料模擬以便在預(yù)期的荷載條件下，諸 如在鉆井操作期間計(jì)算和/或估算鉆頭臂200內(nèi)的應(yīng)力集中。因此，凹座輪廓220的精確定位 可以根據(jù)鉆頭臂200的設(shè)計(jì)和/或尺寸、用于鉆頭臂200的預(yù)期使用條件以及鉆頭臂200的所 需強(qiáng)度和/或韌性，如示例標(biāo)準(zhǔn)等等改變。在某些實(shí)施方案中，在鉆頭臂200的現(xiàn)存實(shí)例中需 要由凹座輪廓220給定的凹座的情況下，可以從鉆頭臂200移除材料以便形成凹座。材料移 除過(guò)程可以包括機(jī)械加工、鍛造和/或切割操作。在使用本文所描述的各種方式中的任何并 如由凹座輪廓220給定來(lái)形成凹座后，熱處理可以應(yīng)用到鉆頭臂200以便釋放應(yīng)力和/或達(dá) 到所需冶金條件。
[0022]在圖2的實(shí)施方案中，鉆頭臂200包括提升表面204以便在鉆井操作期間改善鉆井 液(未示出）的向上循環(huán)。如圖所示，提升表面204可以表示傾斜水平面，其可以在相對(duì)于鉆 頭臂200的所需旋轉(zhuǎn)方向的向上方向上彎曲。提升表面204的向上的彎曲部分可以給予(或 增加）向上力或壓力，其在鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)施加到鉆井液。提升表面204可以具有相對(duì)于相應(yīng)支 撐構(gòu)件216的外表面202并且相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線(未示出）總體上向上的傾斜?？梢赃x擇每 個(gè)提升表面204的構(gòu)型和尺寸以便輔助形成相應(yīng)液流(未示出），其具有在鉆孔中總體上向 上的螺旋。由于提升表面204的形成可以通過(guò)向鉆頭臂200添加另外的材料實(shí)現(xiàn)，凹座輪廓 220處的凹座的形成在實(shí)現(xiàn)用來(lái)形成鉆頭臂200的一些材料之間最佳平衡和鉆頭臂200的所 需強(qiáng)度中可以尤其地有益。
[0023]在操作中，鉆頭臂200被設(shè)計(jì)來(lái)在引起前緣208引導(dǎo)、后緣210追隨以及引起提升表 面204在鉆井液上在鉆頭臂200可以附接的鉆柱（見(jiàn)圖1)的方向上生成提升力的方向上旋 轉(zhuǎn)。當(dāng)由凹座輪廓220給定的凹座包括在其中時(shí)，鉆頭臂200可以進(jìn)一步以所需方式操作。凹 座可以減少鉆頭的總重，在所述鉆頭中鉆頭臂200的3個(gè)實(shí)例例如已經(jīng)接合。凹座可以減少 鉆頭在鉆孔中的外阻力或摩擦。凹座可以通過(guò)減少與鉆孔接觸的相關(guān)面積來(lái)減少鉆頭臂上 的總磨損。
[0024]現(xiàn)轉(zhuǎn)向圖3，其示出鉆頭臂300的一個(gè)實(shí)施方案的選定元件。圖3中，鉆頭臂300以正 視圖示出，其示出上部分306、具有提升表面304、前緣308、后緣310的外表面302以及下部分 312,后者包括用于支撐旋轉(zhuǎn)錐形切割器(未示出）的旋轉(zhuǎn)錐形件314。鉆頭臂300示為120°幾 何區(qū)段，3個(gè)此類(lèi)區(qū)段配合以便形成具有3個(gè)切割元件的鉆頭。外表面302可以表示鉆頭臂 300的支撐構(gòu)件316的表面，其接合上部分306和下部分312。鉆頭臂300的支撐構(gòu)件316和下 部分312可以由上部分306掛起并保持在適當(dāng)位置。
[0025]圖3中，鉆頭臂300示為包括凹座320,其表示工件材料已經(jīng)選擇性地移除以便形成 支撐構(gòu)件316的空孔。凹座320可以具有各種形狀并具有各種邊緣。凹座320的形狀和/或大 小可以基于用來(lái)形成鉆頭臂300的至少支撐構(gòu)件316的材料定尺寸。支撐構(gòu)件316的某些邊 緣和角可以具