CN101778992A - 钻头量规伸缩片控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于钻进孔洞的钻头，所述钻头可以包括框架或类似物、多组量规伸缩片、和至少一个量规伸缩片结构。框架可以被构造成绕着轴线旋转。多组量规伸缩片每一组都可以包括至少一个量规伸缩片。至少一个量规伸缩片结构可以将多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个与框架可移动地连接。本发明还公开了一种用于钻进孔洞的方法和系统。
Description
相关申请的交叉引用
本申请主张2007年8月15日提出申请的题目为“SYSTEM ANDMETHOD FOR CONTROLLING A DRILLING SYSTEM FOR DRILLINGA BOREWELL IN AN EARTH FORMATION”的待审美国申请No.11/839,381的权益，并且是所述申请的继续申请，该申请通过引用在此全文并入。
本申请涉及与本申请同一天提出申请的题为“STOCHASTIC BITNOISE CONTROL”的美国专利申请No./(代理人案号暂时为No.57.0825U.S.CIP)，该申请通过引用在此全文并入。
本申请涉及与本申请同一天提出申请的题为“SYSTEM ANDMETHOD FOR DIRECTIONALLY DRILLING A BOREHOLE WITH AROTARY DRILLING SYSTEM”的美国专利申请No./(代理人案号暂时为No.57.0834 U.S.CIP)，该申请的内容通过引用在此全文并入。
本申请涉及与本申请同一天提出申请的题为“METHOD ANDSUSTEM FOR STEERING A DIRECTIONAL DRILLING SYSTEM”的美国专利申请No./，(代理人案号暂时为No.57.0853 U.S.CIP)，该申请的内容通过引用在此全文并入。
技术领域
本发明总体涉及钻井，但不以限制性的方式，本发明的实施例涉及控制在地球地层中钻进的井眼的方向。
背景技术
在许多行业中，通常期望的是通过地球地层定向钻进一口井眼或者在地下地层中的井中取心，以便井眼和/或取心可以包围和/或通过地层内的沉积物和/或储层，以到达地层和/或类似地层内的预定目标。当在地下地层中钻井或取心时，有时期望能够改变和控制钻进方向，以例如朝向期望的靶心引导井眼，或者一旦已经到达靶心则水平控制在含有油气的区域内的方向。还期望的是当钻直井时可对偏离期望方向的井斜进行校正，或者控制井的方向以避免障碍物。
例如，在油气行业中，可以进行钻井以截取具体位置处具体的地下地层。在一些钻井过程中，为了钻期望的井眼，可以预先设计通过地球地层的钻井轨迹，并且可以控制钻井系统以与轨迹一致。在其它过程中，或者在与前述过程的结合中，在钻井过程期间，可以确定用于井眼的目标并可以监测正在地球地层内钻进井眼的进程，并且可以采用用于确保井眼到达靶区目标的步骤。此外，可以控制钻井系统的操作以提供经济钻井，所述经济钻井可以包括进行钻进以尽快钻通地球地层，进行钻进以减小钻头磨损，进行钻进以获得通过地球地层的最佳钻井和最佳钻头磨损和/或类似结果。
钻井的一个方面被称作“定向钻井”。定向钻井是有意使井眼偏离所述井眼本身所通过的路径。换句话说，定向钻井是对钻柱进行导向，使得所述钻柱沿期望的方向移动。
因为定向钻井能够从单个平台钻多口井，因此定向钻井的优势在于海上钻井。定向钻井还能够通过储层进行水平钻井。水平钻井能够使更长的井筒穿过储层，这增加了井的生产率。
定向钻井系统同样也可以用于垂直钻井操作中。通常，钻头由于被穿过的地层的不可预测的特性或钻头受到的变化力而离开设计好的钻井轨迹。当这种井斜发生时，定向钻井系统可以用于将钻头放回在规定的轨迹上。
用于井眼的定向钻进的监测过程可以包括确定钻头在地球地层内的位置、确定钻头在地球地层中的方位、确定钻井系统的钻压、确定通过地球地层的钻井速度、确定正在被钻进的地球地层的特性、确定包围钻头的地层的特性、期望确定钻头前面的地层的特性、对地球地层进行地震分析、确定邻近钻头的储层等的特性、测量井眼内和/或井眼或类似物周围的地层的压力、温度和/或类似参数。在用于井眼的定向钻进的任一过程中，不管是否在预先设计的轨迹之后、是否监测钻井过程和/或钻井条件和/或类似操作，必需能够对钻井系统进行导向。
在钻井操作期间作用在钻头上的力包括重力、由钻头产生的扭矩、施加到钻头的端部载荷、和来自钻柱组合的弯矩。这些力与正在被钻进的地层类型和地层相对于井眼的倾角一起可以在钻井过程期间产生复杂的相互作用的力系。
定向钻井公知的方法包括使用旋转钻井系统(RSS)。在RSS中，钻柱从地面旋转，并且井下装置使钻头沿期望的方向钻进。旋转钻柱大大减少了钻井期间钻柱的悬空或卡钻的发生。
用于将斜井钻进到地球内的旋转导向钻井系统可以大致分类为“面向钻头”系统或“推进钻头”系统。在面向钻头系统中，钻头的旋转轴线沿新井的大致方向偏离底部钻具组合(“BHA”)的局部轴线。根据由上下稳定器接触点和钻头限定的常规三点几何尺寸扩展井。与钻头和下稳定器之间的有限距离相关联的钻头轴线的偏斜角产生要生成的弯曲所需的非共线条件。有许多方法可以实现此，包括在BHA中靠近下稳定器的点处的固定弯曲或在上稳定器与下稳定器之间分布的钻头驱动轴的挠曲。在钻头的理想形式中，因为钻头轴线沿弯曲井的方向连续旋转，因此，钻头不需要进行侧向钻切。美国专利申请出版物No.2002/0011359；2001/0052428和美国专利No.6,394,193；6,364,034；6,244,361；6,158,529；6,092,610；和5,113,953中说明了面向钻头型旋转导向系统的示例和所述面向钻头型旋转导向系统是如何操作的，所有这些申请通过引用在此并入。
在推进钻头旋转导向系统中，通过使上下稳定器中的一个或两个或者另外的机构在相对于井扩展的方向被优选定向的方向上施加偏心力或产生位移来实现所需的非共线条件。此外，有许多方法可以实现此，包括不旋转(相对于井)偏心稳定器(基于位移的方法)和沿期望的导向方向将力施加到钻头的偏心致动器。此外，通过在钻头与至少两个其它接触点之间产生非共线性来实现导向。在钻头的理想形式中，钻头需要进行侧向钻切以生成弯曲井。美国专利No.5,265,682；5,553,678；5,803,185；6,089,332；5,695,015；5,685,379；5,706,905；5,553,679；5,673,763；5,520,255；5,603,385；5,582,259；5,778,992；5,971,085中说明了推进钻头型旋转导向系统的示例和所述推进钻头型旋转导向系统是如何操作的，这些申请通过引用在此并入。
RSS的公知形式设置有在与钻柱旋转相反的方向上旋转的“反向旋转”机构。通常，反向旋转在与钻柱旋转相同的速度下发生，使得反向旋转部分相对于井眼的内部保持相同的角位置。因为反向旋转部分相对于井眼不旋转，因此通常被本领域的技术人员称作为“对地静止”。在此公开中，术语“反向旋转”和“对地静止”之间没有区别。
推进钻头系统通常在反向旋转稳定器的内部或外部使用。反向旋转稳定器相对于井壁保持固定角度(或对地静止)。当要使井眼偏斜时，致动器从期望的井斜在相反方向上将推力块(pad，又可称之为伸缩片)压靠在井壁上。产生的结果是钻头在期望的方向上被推动。
通过用于弯曲底部钻具组合的力可平衡由致动器/推力块生成的力，并且所述力通过致动器/推力块反作用在底部钻具组合的相对侧，并且反作用力作用在钻头的牙轮上，从而对井进行导向。在一些情况下，来自推力块/致动器的力可以足够大以磨蚀应用系统的地层。
例如，SchlurnbergerTMpowerdriveTM系统钻杆使用三个推力块，所述三个推力块绕底部钻具组合的截面布置以从底部钻具组合被同步部署，从而沿一方向推动钻头并且对正在被钻进的井眼进行导向。在所述系统中，推力块在钻头后面1-4ft的范围内紧密安装，并且通过从循环流体所取的泥浆流给所述推力块供电或致动所述推力块。在其它系统中，由钻井系统或楔形物或类似物提供的钻压可以用于将钻井系统定向在井眼中。
虽然用于将力施加在井壁上并且使用反作用力沿一方向推动钻头或使钻头移动以沿期望的方向钻井的系统和方法可以与包括旋转钻井系统的钻井系统一起使用，但是所述系统和方法可能具有缺陷。例如，这种系统和方法可能需要将较大的力施加在井壁上以弯曲钻柱或将钻头定向在井眼中；这种力可能大约为5kN或更大，5kN或更大的力可能需要较大/复杂的井下发动机或类似物来生成。另外，许多系统和方法可以重复使用当底部钻具组合旋转时的推力块/致动器向外推入到井壁中的推力以产生推动钻头的反作用力，这可能需要复杂/昂贵/高维护的同步系统、复杂的控制系统和/或类似系统。
钻头被公知为以不可预测或甚至随机的方式在井眼内周围“跳动”或产生咔嗒声。钻头可以涉及钻头在井眼内的运动和/或钻头与井眼的内壁之间的反作用力的随机变化。这种随机运动和/或随机反作用力相互作用大致是不确定的原因在于当前的状态不能完全确定下一个状态。面向钻头和推进钻头技术用于迫使钻头进入具体方向并且克服钻头产生随机咔嗒声的趋势。这些技术忽视了钻头在没有定向力的情况下很可能产生的随机跳动。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于钻进孔洞/井眼的钻头。钻头可以包括框架或类似物、多组量规伸缩片、和至少一个量规伸缩片结构。框架可以被构造成绕着轴线旋转。多组量规伸缩片每一组都可以包括至少一个量规伸缩片。至少一个量规伸缩片结构可以将多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个与框架可移动地连接。
在另一个实施例中，提供了一种用于钻进孔洞/井眼的方法。所述方法可以包括以下步骤：使框架绕着轴线旋转，其中框架可以包括多个牙轮和多组量规伸缩片，且每一组都包括至少一个量规伸缩片。所述方法还包括以下步骤：使多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个朝向或远离轴线移动。
在另一个实施例中，提供了一种用于钻进孔洞/井眼的系统。所述系统可以包括第一装置、多组量规伸缩片、和第二装置。第一装置可以用于接收和传递旋转运动。第一装置可以包括框架。多个量规伸缩片组每一个都可以包括至少一个量规伸缩片。第二装置可以用于将多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个与第一装置可移动地连接。第二装置可以包括量规伸缩片结构。
附图说明
以下参照附图说明本发明，其中：
图1A是本发明的用于钻进孔洞的钻头或系统的实施例的示意性截面图，其中每一组量规伸缩片的位置作为整体被控制；
图1B是来自图1A的钻头或系统的示意性截面图，其中示出了处于新位置的每一组量规伸缩片；
图2A是本发明的用于钻进孔洞的钻头或系统的实施例的示意性截面图，其中，每一组量规伸缩片内的每一个单独的量规伸缩片被单独控制；
图2B是来自图2A的钻头或系统的示意性截面图，其中示出了每一组量规伸缩片处于新位置；
图2C是来自图2A的钻头或系统的示意性截面图，其中示出了每一组量规伸缩片中的最后一个量规伸缩片缩进，从而缩短每一组量规伸缩片的长度；
图2D是来自图2A的钻头或系统的示意性截面图，其中示出了处于交错位置的每一组量规伸缩片中的量规伸缩片；
图3是本发明的用于钻进孔洞的钻头或系统的实施例的示意性截面图，其中，每一组量规伸缩片中的一些量规伸缩片的位置作为整体被控制，而在所述量规伸缩片组中的其它量规伸缩片被单独控制；
图4是本发明的用于钻进孔洞的钻头或系统的实施例的示意性截面图，其中，每一组量规伸缩片中的一些量规伸缩片的位置作为整体被控制，而在所述每一组量规伸缩片中的其它量规伸缩片是固定的(stationary)；
图5是本发明的用于钻进孔洞的钻头或系统的实施例的示意性截面图，其中，每一组量规伸缩片中的一些量规伸缩片的位置被单独控制，而在所述每一组量规伸缩片中的其它量规伸缩片是固定的；
图6是本发明的用于钻进孔洞的钻头或系统的实施例的示意性截面图，其中，每一组量规伸缩片中的一些量规伸缩片的位置被单独控制，在所述组中的其它量规伸缩片的位置整体被控制，而每一组量规伸缩片中的其它量规伸缩片是固定的；
图7是本发明的用于钻进孔洞的钻头或系统的实施例的示意性截面图；其中第一组量规伸缩片的位置作为整体被控制，而第二组量规伸缩片的位置自动响应第一组量规伸缩片的位置的变化；
图8是本发明的用于钻进孔洞的钻头或系统的实施例的示意性截面图，其中，第一组量规伸缩片中的每一个单独的量规伸缩片的位置被单独控制，而第二组量规伸缩片中的单个量规伸缩片的位置自动响应第一组中的量规伸缩片的位置的变化；
图9是本发明的用于钻进孔洞的钻头或系统的实施例的示意性截面图，其中，第一组量规伸缩片中的一些量规伸缩片的位置作为整体被控制，而第一组量规伸缩片中的其它量规伸缩片的位置被单独控制，以及第二组量规伸缩片中的一些相对应的量规伸缩片的位置自动响应第一组中的量规伸缩片的位置的变化；
图10A-10D是在钻井操作期间随着时间的过去量规伸缩片的位置的对地静止的顺序的示意图；以及
图11是图10A-10D中所示的钻井操作的可能结果的剖视图。
在附图中，类似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，相同类型的各种部件可以通过在附图标记之后具有在类似部件和/或特征中进行区别的字母的附图标记来进行区别。只要在说明书中使用第一附图标记，则不管字母后缀，说明适用于具有相同的第一附图标记的类似部件和/或特征中的任一个。
具体实施方式
随后的说明仅提供了示例性实施例，并且目的不是限制本公开的保护范围、适用性或结构。相反，示例性实施例的随后说明将为本领域的技术人员提供用于能够实施一个或多个示例性实施例的说明。要理解的是在不背离如所附权利要求所述的精神和保护范围的情况下可以对元件的功能和布置做各种改变。
以下说明中给出了具体细节以提供对实施例的彻底理解。然而，要理解的是在没有这些具体细节的情况下可以实施所述实施例。例如，可以在方框图中显示本发明的线路、系统、网络、过程和其它元件，从而以不必要的细节的方式使实施例清楚。在其它情况下，可以显示公知的线路、过程、算法、结构和技术，而无需不必要的详细以免使所述实施例不清楚。
此外，要注意的是单个实施例可以被说明为流程图、流程图解、数据流程图、结构图、或方框图的过程。虽然流程图可以说明作为连续过程的操作，但是可以并行或同时执行多个操作。此外，可以重新布置操作的顺序。当过程的操作完成时结束所述过程，但是可以具有没有包括在附图中的另外的步骤。此外，不是任意具体说明的过程中的所有操作可以在所有实施例中发生。过程可以与方法、函数、程序、子例程、子程序等相对应。当过程与函数相对应时，所述过程的终止与函数到调用函数能或主函数的返回相对应。
此外，可以至少部分地手动或自动实施本发明的实施例。可以通过使用机器、硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言，或所述机器、硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言的任意组合实施实施例。当在软件、固件、中间件、或微码中实施时，执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在机器可读介质中。一个处理器或多个处理器可以执行至少一些必要任务。
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于钻进孔洞/井眼的钻头。钻头可以包括框架、多组量规伸缩片、和至少一个量规伸缩片结构。框架可以被构造成绕着轴线旋转。多组量规伸缩片每一组都可以包括至少一个量规伸缩片。至少一个量规伸缩片结构可以将多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个与框架可移动地连接。
在一些实施例中，钻头可以是聚晶金刚石复合片(“PDC”)钻头，所述钻头具有靠近钻头的端部的牙轮、和在钻头的侧部上的PDC量规伸缩片。量规伸缩片可以被分组成量规伸缩片组，且每一组大致沿着沿钻头的侧部的长度的线延伸。每一组量规伸缩片可以包括至少一个量规伸缩片，但是在多个实施例中将包括任意数量的多个量规伸缩片。每一组量规伸缩片可以大致与钻头的端部上的牙轮或牙轮组相对应。在给定的实施例中可以具有任意数量的牙轮组和量规伸缩片组。在一些实施例中，一个或多个牙轮和/或量规伸缩片可以与框架刚性连接。
在一些实施例中，量规伸缩片结构可以包括用于将相关量规伸缩片(一个或多个)与框架可移动地连接的任意一个或多个系统。在一些实施例中，量规伸缩片结构因此可以包括液压活塞(一个或多个)、弹簧(一个或多个)、磁流变流体活塞(一个或多个)、电流变流体活塞(一个或多个)、电活性聚合物活塞(一个或多个)、机械致动器(例如，螺旋千斤顶和旋转致动器)、和/或电致动器(例如、电磁致动器、静电致动器、磁致伸缩致动器和压电致动器)。在一些实施例中，量规伸缩片结构可以由泥浆系统或通过钢缆提供动力。在一些实施例中，钻头的泥浆系统可以直接给量规伸缩片结构(一个或多个)提供动力。
在其它实施例中，泥浆系统可以用于给另一个系统提供动力，所述另一个系统又给量规伸缩片结构(一个或多个)提供动力。仅以示例的方式，泥浆系统、在钻井系统内的泥浆的流动等可以给液压回路、磁流变流体回路、电流变流体回路、电活性聚合物回路、或本身给量规伸缩片结构的运动提供动力的其它系统提供动力。
在一些实施例中，量规伸缩片结构(一个或多个)可以使量规伸缩片(一个或多个)相对于钻头的轴线在径向方向上移动。仅以示例的方式，在一些实施例中，量规伸缩片(一个或多个)可以沿垂直于钻头的轴线的矢量移动。在其它实施例中，量规伸缩片(一个或多个)可以在钻头的端部的方向上沿钝角或锐角的矢量移动到沿轴线的矢量。
在一些实施例中，量规伸缩片结构可以直接移动第一量规伸缩片或第一组量规伸缩片，并且第二量规伸缩片或第二组量规伸缩片可以被构造成通过成比例或不成比例的连杆连接以当第一量规伸缩片或第一组量规伸缩片移动时自动移动。在一些实施例中，这种链接系统的多种布置可以存在于单个钻头中。
在一些实施例中，牙轮的完全缩进位置(朝向钻头的轴线向内)与牙轮的完全伸出位置之间的直径差可以为毫米数量级并且可以仅仅为大约1毫米。在这些或其它实施例中，由量规伸缩片在钻头上确立的直径可以在比由牙轮建立的直径小大约一毫米与比由牙轮建立的直径大大约一毫米之间变化。在其它实施例中，量规伸缩片还可以进行明显较大的位移，包括数十毫米并且更大的范围。
在一些实施例中，牙轮在钻头上的位置还可以变化。2007年10月24日提出申请的题为“MORPHIBLE(DIRECTIONAL)BIT BY SMARTMATERIALS”的美国专利申请No.11/923,160中说明了与这种可变化位置的牙轮有关的系统和方法，该申请如这里完全所述地通过引用在此并入。
在一些实施例中，钻头、和/或相关联的系统还可以包括被构造成控制量规伸缩片的位置的控制系统。仅以示例的方式，控制系统可以被构造成至少部分地根据当框架旋转时所述框架的旋转位置和/或转速独立或者通过来自用户或其它系统的指令/命令控制一个或多个量规伸缩片的位置。
在这些或其它实施例中，控制系统还可以至少部分地根据框架是否存在随机运动来控制一个或多个量规伸缩片的位置。与本申请同一天提出申请的题为“STOCHASTIC BIT NOISE CONTROL”(代理人案号暂时为No.57.0825U.S.CIP)并因此如这里完全所述地通过引用在此并入的美国专利____/____,____说明了与关于钻井系统的随机运动的这种钻井系统的控制有关的系统和方法。仅以示例的方式，量规伸缩片可以伸出或缩进以产生随机运动，或利用(harness)这种运动的能量。
在一些实施例中，控制系统可以控制量规伸缩片结构以影响稳定性和对钻头上的侧向力的响应。在一些实施例中，控制系统可以被构造成将随机运动引入到钻头内，这然后可以通过进一步控制量规伸缩片结构或通过其它装置而被利用。在其它实施例中，控制系统可以被构造成控制量规伸缩片以控制/偏置钻头的随机运动，从而提供对井眼进行定向钻井。
在一些实施例中，控制系统可以控制量规伸缩片结构以改变：钻头的整个量规伸缩片的直径；量规伸缩片组的轮廓，包括将锥度引入到一个或多组量规伸缩片；量规伸缩片组的长度；和/或量规伸缩片组的几何结构的任何其它方面。
在一些实施例中，这种技术可以通过其它装置优化钻头的导向。在这些或其它实施例中，量规伸缩片控制器可以控制钻头的钻切深度、钻头的进展速度、和/或有助于调节粘滑发生量。
在一些实施例中，量规伸缩片结构可以接收控制系统的指令，和/或所述量规伸缩片结构可以被构造成通过改变量规伸缩片的刚度和/或定位而进行响应。在这些或其它实施例中，可以从系统对具体的振动影响进行解调，或偏置/调谐所述振动影响以通过量规伸缩片定位和/或加强而产生期望的振动。仅以示例的方式，还可以通过量规伸缩片位置的可变控制(量规伸缩片的伸出)减小回转趋势。以同样的方式，当期望时，还可以通过量规伸缩片控制器钻进大于标准尺度(over gauge)的孔洞。
在一些实施例中，控制系统还可以与监测系统或可以测量当钻头转向时到井壁的径向间隙的系统进行通信。仅以示例的方式，这种监测系统可以包括超声波脉冲反射系统或类似系统。这些监测系统可以用于估计每一圈的平均侧向移动，从而通知控制系统量规伸缩片的位置。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于钻进孔洞的方法。一些方法可以包括使用这里所述的系统。在一个实施例中，所述方法可以包括使框架绕着轴线旋转的步骤，其中，框架可以包括多个牙轮和多组量规伸缩片，且每一组都包括至少一个量规伸缩片。所述方法还可以包括使多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个朝向轴线或远离轴线移动。
在一些实施例中，移动多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个的步骤可以包括使多组量规伸缩片中的一组中的所有量规伸缩片朝向轴线移动，而使多组量规伸缩片中的另一组中的所有量规伸缩片远离轴线移动。仅以示例的方式，在钻头的一侧的一组量规伸缩片可以从轴线向外伸出，而在钻头的大致相对侧的另一组量规伸缩片可以朝向轴线向内缩进。在另一个示例中，钻头的一组量规伸缩片可以从轴线向外伸出，而邻近于所述量规伸缩片组的另一组量规伸缩片可以朝向轴线向内缩进。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于钻进孔洞的系统。所述系统可以包括第一装置、多组量规伸缩片、和第二装置。
第一装置可以用于接收和传递旋转运动。仅以示例的方式，第一装置可以包括框架或这里所述的其它部件、或本领域目前或将来所公知的用于此目的其它装置。
第二装置可以用于将多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个与第一装置可移动地连接。仅以示例的方式，第二装置可以包括量规伸缩片结构或这里所述的任何其它部件、或本领域目前或将来公知的用于此目的的其它装置。
以下参照图1A，显示了本发明的用于钻进孔洞的钻头100或系统的实施例的示意性截面图，其中，每一组量规伸缩片110的位置作为整体被控制。在此示例性实施例中，每一组量规伸缩片包括三个单独的量规伸缩片111。钻头100可以与底部钻具组合120连接，钻头100通过所述底部钻具组合旋转通过介质。牙轮130可以旋转通过介质，从而移除介质的多个部分以限定孔洞。虽然在图1中仅示出了两组牙轮130和两组量规伸缩片，但是应该理解的是在给定的实施例中对于每一个可以具有多个组，并且为了清楚起见这里仅示出了两个，并且因为图1A是截面图，因此仅示出了相对组。
量规伸缩片结构140将每一组量规伸缩片110与钻头100的框架150可移动地连接。虚线160表示量规伸缩片结构140和/或量规伸缩片组110可以移动的范围。控制系统170与量规伸缩片结构140通信，并且可以根据内部指令或从遥控源接收的指令引导量规伸缩片组110的运动。
图1B显示了来自图1A的钻头100的示意性截面图，其中示出了处于新位置的每一组量规伸缩片110。在此示例中，一组量规伸缩片110A远离轴线180伸出，而另一组量规伸缩片110B朝向轴线180缩进。钻头100的量规伸缩片组110的其它可能位置包括两组量规伸缩片110都缩进，和两组量规伸缩片110都伸出。
图2A显示本发明的用于钻进孔洞的钻头200或系统的实施例的示意性截面图，其中，每一个单独量规伸缩片111在每一组量规伸缩片110中的位置被单独控制。在此实施例中，控制器170可以以独立于所有其它量规伸缩片111的方式来引导每一个量规伸缩片111的位置。
图2B显示来自图2A的钻头200的示意性截面图，其中，显示了处于新位置的每一组量规伸缩片110。在此示例中，一组量规伸缩片110A远离轴线180伸出，而另一组量规伸缩片110B朝向轴线180缩进。
图2C显示来自图2A的钻头200的示意性截面图，其中示出了每一组量规伸缩片110中最后的量规伸缩片111A、111D缩进，从而缩短每一组量规伸缩片110的长度。在每一组量规伸缩片110具有更多量规伸缩片111的系统中，在这种实施例，量规伸缩片组110的长度可以基本上完全改变。
图2D显示来自图2A的钻头200的示意性截面图，其中示出了处于交错位置的每一组量规伸缩片110中的量规伸缩片111。
图3显示本发明的用于钻进孔洞的钻头300或系统的实施例的示意性截面图，其中每一组量规伸缩片110中的一些量规伸缩片111B、111C、111E、111F的位置作为整体被控制，而在所述量规伸缩片组110中的其它量规伸缩片111A、111D被单独控制。
图4显示本发明的用于钻进孔洞的钻头400或系统的实施例的示意性截面图，其中，每一组量规伸缩片110中的一些量规伸缩片11A、111B 111C、111D、111E、111F的位置作为整体被控制，而每一组量规伸缩片中的其它量规伸缩片112是固定的并且与框架150刚性连接。
图5显示本发明的用于钻进孔洞的钻头500或系统的实施例的示意性截面图，其中，每一组量规伸缩片110中的一些量规伸缩片11A、111B 111C、111D、111E、111F的位置被单独控制，而每一组量规伸缩片110中的其它量规伸缩片112是固定的。
图6显示本发明的用于钻进孔洞的钻头或系统的实施例的示意性截面图，其中，每一组量规伸缩片110中的一些量规伸缩片111A、111D的位置被单独控制，所述组110中的其它量规伸缩片111B、111C、111E、111F的位置整体被控制，而每一组量规伸缩片110中的其它量规伸缩片是固定的。
图7显示本发明的用于钻进孔洞的钻头700或系统的实施例的示意性截面图；其中第一组量规伸缩片110A的位置作为整体被控制，而第二组量规伸缩片110B的位置自动响应第一组量规伸缩片110A的位置的变化。在一些实施例中，机械连杆190可以使第二量规伸缩片组110B响应于第一组量规伸缩片组110A的位置的变化。在其它实施例中，可以使用任意其它装置以使第二量规伸缩片组110B的位置对应于第一量规伸缩片组110A的位置，其中包括通过控制控制系统170进行的自动控制。
图8显示本发明的用于钻进孔洞的钻头800或系统的实施例的示意性截面图，其中，第一组量规伸缩片110A中的每一个单独的量规伸缩片111的位置被单独控制，而第二组量规伸缩片110B中的单个量规伸缩片111的位置自动响应第一组量规伸缩片110A中的量规伸缩片111的位置的变化。这种钻头800可以以类似于钻头700的操作的方式操作。
图9显示本发明的用于钻进孔洞的钻头900或系统的实施例的示意性截面图，其中，第一组量规伸缩片110A中的一些量规伸缩片111B、111C的位置作为整体被控制，而第一组量规伸缩片110A中的其它量规伸缩片111A的位置被单独控制，以及第二组量规伸缩片110B中的相对应的量规伸缩片111的位置自动响应第一组110A中的量规伸缩片111的位置的变化。
图10A-10D显示在钻井操作期间随着时间的过去量规伸缩片111的位置的对地静止的顺序的示意图。在此实施例中，框架150具有四个量规基板111(为了说明的目的，所述四个量规伸缩片也可以是量规伸缩片组110，或者量规伸缩片组110的位置)，且每一个由字母A、B、C或D限定。图11显示了在定向钻井时图10A-10D中的系统1100的侧视截面图。
在图10A中，框架150正在沿由箭头1001所示的方向旋转。量规伸缩片A在由箭头1005表示的绝对径向方向上伸出。量规伸缩片C同时完全缩进。量规伸缩片B处于正在伸出的过程中，而量规伸缩片D处于正在缩进的过程中。
在图10B中，框架150已经在由箭头1001所示的方向上从图10A旋转九十度。当量规伸缩片B面对由箭头1005表示的绝对径向方向时，所述量规伸缩片B完全伸出。量规伸缩片D同时完全缩进。量规伸缩片C处于正在伸出的过程中，而量规伸缩片A处于正在缩进的过程中。
在图10C中，框架150已经从图10B沿由箭头1001所示的方向旋转九十度。此时，当量规伸缩片C面对由箭头1005表示的绝对径向方向时，所述量规伸缩片完全伸出。量规伸缩片A同时完全缩进。量规伸缩片D处于正在伸出的过程中，而量规伸缩片B处于正在缩进的过程中。
在图10D中，框架150已经从图10C沿由箭头1001所示的方向旋转九十度。此时，当量规伸缩片D面对由箭头1005表示的绝对径向方向时，所述量规伸缩片完全伸出。量规伸缩片B同时完全缩进。量规伸缩片A处于正在伸出的过程中，而量规伸缩片C处于正在缩进的过程中。当框架150旋转另一个90度时，从而使得量规伸缩片A朝向由箭头1005表示的绝对径向方向，则可以重复该过程。这种系统和方法可以与任意数量的量规伸缩片一起使用以引导在与箭头1005相反的方向上进行钻进，甚至可以在改变深度的多个不同的方向上引导钻进。
要注意的是量规伸缩片111伸出的角位置在实际应用中可能没有表现得如图10A-10D中所示的理想。在实际应用中，可能具有一些导向工具面偏移。在这些情况下，在图10A-10D中所示的位置之前或之后，量规伸缩片可以伸出/缩进以实现远离由箭头1005所示的方向的运动。诸如控制系统170的自动化系统可以确定实现期望的定向钻井所需的导向工具面偏移，并且修改用于量规伸缩片结构的指令，从而根据所述指令控制量规伸缩片111的移动。这种自动化系统可以监测所确定的工具面偏移的效果，并且根据需要进行调节以继续定向钻井。这些系统也可以能够在“噪点”波动与实际变化之间进行区分。
在图11中，将要认识重复上面详细说明的过程是如何可以产生定向钻井。还可以认识的是当井筒由于定向钻井变化时绝对径向方向是如何可以慢慢变化。如果继续进行定向操作，则井筒可以延伸成“弯曲井筒”。可选地，一旦已经实现了井筒的某一角度，则可以通过允许框架中的量规伸缩片结构使得所有量规伸缩片的伸出范围相等而重新开始钻直井，这有助于在后来的当前方向上绕框架的周边和直井筒进行大致对称钻进。另外，尤其是当不同地球地层(具体地陡峭倾斜地层)之间的边界交叉时，量规伸缩片的循环变化还可以允许进行直线钻进。
还可以在本发明的保护范围内对本发明做许多变化和修改。例如，在钻柱内位于钻头上方的稳定器可以利用本发明的系统和方法以在钻柱的相关部分处提供可变尺度(variable gauge)稳定性。这种偏置将还会至少有助于对钻柱和/或钻头进行导向。另外，标准钻头可以与在标准钻头“后面”使用的可变量规伸缩片子部件一起使用以提供本发明在用于传统的钻头的后继市场工具方面的优点。
为了清楚和了解的目的，已经详细说明了本发明。然而，要认识的是在所附权利要求的保护范围内可以进行一些改变和修改。
Claims (20)
1.一种用于钻进孔洞的钻头，其中所述钻头包括：
框架，所述框架被构造成绕着轴线旋转；
多组量规伸缩片，每一组包括至少一个量规伸缩片；和
至少一个量规伸缩片结构，所述至少一个量规伸缩片结构将所述多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个与所述框架能够移动地连接。
2.根据权利要求1所述的用于钻进孔洞的钻头，其中，包括至少一个量规伸缩片的每一组量规伸缩片都包括具有多个量规伸缩片的每一组量规伸缩片。
3.根据权利要求1所述的用于钻进孔洞的钻头，其中：
包括至少一个量规伸缩片的每一组量规伸缩片包括具有多个量规伸缩片的每一组量规伸缩片；以及
每多个量规伸缩片包括沿所述钻头的侧部的长度大致直线布置的量规伸缩片。
4.根据权利要求1所述的用于钻进孔洞的钻头，其中，将所述多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个与所述框架能够移动地连接的所述至少一个量规伸缩片结构包括所述多组量规伸缩片中的至少一组中的相对于所述轴线能够沿径向方向移动的量规伸缩片中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的用于钻进孔洞的钻头，其中，将所述多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个与所述框架能够移动地连接的所述至少一个量规伸缩片结构包括所述多组量规伸缩片中的至少一组中的与所述多组量规伸缩片中的至少另一组中的量规伸缩片中的至少一个量规伸缩片连接的量规伸缩片中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的用于钻进孔洞的钻头，其中，所述钻头还包括与所述框架刚性连接的至少一个量规伸缩片。
7.根据权利要求1所述的用于钻进孔洞的钻头，其中，所述钻头还包括多个牙轮，其中，所述牙轮的位置限定所述钻头的钻切直径，并且其中将所述多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个与所述框架能够移动地连接的所述至少一个量规伸缩片结构包括限定第一直径与第二直径之间的可变尺度直径的量规伸缩片。
8.根据权利要求7所述的用于钻进孔洞的钻头，其中：
所述第一直径比所述钻切直径小大约1毫米；而
所述第二直径比所述钻切直径大大约1毫米。
9.根据权利要求1所述的用于钻进孔洞的钻头，其中，所述量规伸缩片结构包括从下列构成的组的选择：
液压活塞；
弹簧；
磁流变流体活塞；
电流变流体活塞；
电活性聚合物活塞；
机械致动器；和
电致动器。
10.根据权利要求1所述的用于钻进孔洞的钻头，其中，所述钻头还包括控制系统，所述控制系统被构造成至少部分地根据所述框架的旋转位置控制至少一个量规伸缩片的位置。
11.根据权利要求1所述的用于钻进孔洞的钻头，其中，所述钻头还包括控制系统，所述控制系统被构造成至少部分地根据所述框架是否存在随机运动来控制至少一个量规伸缩片的位置。
12.一种用于钻进孔洞的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
使框架绕着轴线旋转，其中，所述框架包括：
多个牙轮；和
多组量规伸缩片，每一组都包括至少一个量规伸缩片；以及
使所述多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个朝向或远离所述轴线移动。
13.根据权利要求12所述的用于钻进孔洞的方法，其中，移动所述多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个的步骤包括以下步骤：
使所述多组量规伸缩片中的一组中的所有量规伸缩片朝向所述轴线移动；以及
将所述多组量规伸缩片中的另一组中的所有量规伸缩片远离所述轴线移动。
14.根据权利要求12所述的用于钻进孔洞的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
不移动具体量规伸缩片组中的量规伸缩片中的至少一个，并且
其中所述移动多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个的步骤包括以下步骤：
移动所述具体量规伸缩片组中的量规伸缩片中的至少一个。
15.根据权利要求12所述的用于钻进孔洞的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
至少部分地根据所述框架的旋转位置控制至少一个量规伸缩片的位置。
16.根据权利要求12所述的用于钻进孔洞的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
至少部分地根据所述框架是否存在随机运动来控制至少一个量规伸缩片的位置。
17.一种用于钻进孔洞的系统，其中，所述系统包括：
第一装置，所述第一装置用于接收和传递旋转运动；
多组量规伸缩片，每一组都包括至少一个量规伸缩片；和
第二装置，所述第二装置用于将所述多组量规伸缩片中的至少一组中的量规伸缩片中的至少一个与所述第一装置能够移动地连接。
18.根据权利要求17所述的用于钻进孔洞的系统，其中，所述第一装置包括框架。
19.根据权利要求17所述的用于钻进孔洞的系统，其中，所述第二装置包括量规伸缩片结构。
20.根据权利要求17所述的用于钻进孔洞的系统，其中，所述系统还包括控制器，所述控制器被构造成至少部分地根据所述框架的旋转位置控制至少一个量规伸缩片的位置。
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