CN105765153A - 用于钻井设备组件的不平衡力标识符和平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种井底组件，其包括：布置在钻柱的远端且可围绕第一中心轴旋转的钻头，所述钻头展现以第一角定向横向作用于所述钻头上的第一不平衡力；物理施加到所述钻头上并且对应于所述第一不平衡力的第一不平衡力标记；从所述钻头轴向布置的工具，所述工具展现以第二角定向横向作用于所述工具上的第二不平衡力；以及物理施加到所述工具上并且对应于所述第二不平衡力的第二不平衡力标记，其中所述第一和第二不平衡力标记之间的角偏移能够被操纵以获得最小化的或所需的串联合成不平衡力。

Description

用于钻井设备组件的不平衡力标识符和平衡方法

发明背景

本公开涉及钻地钻井设备，并且更具体地说，涉及以物理方式标记钻井设备和钻井设备组件，以使得串联钻井组件可以智能地耦合。

在地层中形成井眼以用于各种目的，包括例如石油和天然气的开采和地热的开采。这类井眼通常是利用一种或多种钻头形成，例如固定刀具钻头(即拖动钻头)、牙轮钻头(即岩石钻头)、孕镶金刚石钻头和混合钻头(其可以包括例如固定刀具和滚动刀具二者)。钻头直接或间接与钻柱的末端耦合，所述钻柱包括从表面位置延伸到井眼中的一系列首尾相连的细长管状部分。各种工具和组件(包括钻头)通常被布置于或以其它方式耦合于在井眼底部的钻柱的远端。这种工具和组件的组件通常被称为井底组件(BHA)。

为了形成井眼，钻头旋转并且其相关刀具或研磨结构切削、挤压、剪切和/或研磨掉地层材料，从而便于钻头的前进至地层中。在一些情况下，通过从表面旋转钻柱使钻头在井眼内旋转，同时将钻井液从表面泵送至钻头。钻井液在钻头处离开钻柱并且用于冷却钻头和将钻井颗粒冲回表面。然而，在其它情况下，钻头可以利用井下马达(例如，泥浆马达)旋转，所述马达由从表面泵送的钻井液供电。

为了扩大井眼的直径，铰刀装置(也称为扩眼装置或扩眼器)可以作为BHA的部分与钻头一起使用。铰刀通常沿BHA的长度在井眼上方轴向偏离钻头，并且展现大于钻头直径的直径。虽然通常被布置成与钻头同心，但一些铰刀可以径向偏离钻头。铰刀还可以具有固定或可变的几何形状。在操作中，钻头作为领眼钻头操作以在地层中形成导孔，而铰刀跟随钻头通过导孔以随着BHA推进到地层中扩大井眼的直径。

这些钻井组件(即钻头和铰刀)中的每一个可以被设计成具有尽可能小的切削和质量不平衡力，因为这种不平衡会导致低效的钻井以及在钻井期间通过钻柱传播的非所需振动。这些不平衡力包括在钻井期间横向驱迫每个钻井组件的分力，由此导致横向振动。虽然每个钻井组件的设计努力使这些不平衡力最小化，但这种不平衡存在于几乎所有的钻头和铰刀中。当这些钻井组件沿BHA串联使用时，它们各自的不平衡力可以协同放大钻柱中的振动，从而进一步降低钻井效率并且可能增加设备损坏。

附图简述

以下图示被包括来说明本公开的某些方面，并且不应该被看作是排他性实施方案。如受益于本公开的本领域技术人员将想到，公开的标的物能够在形式和功能上具有大量修改、改动、组合和等效物。

图1是根据一个或多个实施方案的下降到代表性井眼中的示例性井底组件的正视图。

图2A说明了根据一个或多个实施方案的钻头的端视图，其示出了不平衡力分量以及所产生的与其相关的不平衡力。

图2B说明了根据一个或多个实施方案的铰刀的侧视图，其示出了不平衡力分量以及所产生的与其相关的不平衡力。

图3说明了根据一个或多个实施方案的图1的井底组件的正视图，其展现出钻头和铰刀上的不平衡力和角标记。

图4A和图4B说明了根据一个或多个实施方案的图1的井底组件的正视图，其展现出钻头和铰刀不平衡力的不同的相对角定向。

图5是根据一个或多个实施方案的可以采用本公开的原理的另一个示例性井底组件的正视图。

具体实施方式

本公开涉及钻地钻井设备，并且更具体地说，涉及以物理方式标记钻井设备和钻井设备组件，以使得串联钻井组件可以智能地耦合。

本公开使得油井操作人员能够在现场迅速识别对应于沿着井底组件串联布置的至少两个钻井工具或钻井组件的不平衡力的角定向。了解这些角定向将允许油井操作人员适当地定向钻井工具或组件，以使得作用于井底组件上的串联不平衡力可以按照角度定向或以其它方式最小化。可以使用物理施加到钻井工具或组件的外表面上的对应不平衡力标记在每个钻井工具或组件上指示不平衡力。因此，现场的油井操作人员可以能够根据由不平衡力标记所指示的其相应不平衡力来选择性配对钻井工具和/或组件。因此，油井操作人员可以能够明智地选择哪个钻井工具和/或组件将在井底组件中以串联布置最好地操作并且使它们相对于彼此定向，从而允许串联平衡并改善钻井性能。

图1是根据一个或多个实施方案的下降到代表性井眼102中的示例性井底组件(BHA)100的正视图。如图所示，BHA100可以包括一个或更多个钻井组件或切削工具，它们示为钻头104和铰刀106。钻头104和铰刀106可以被布置成沿钻柱108彼此轴向隔开的串联关系，所述钻柱108从表面位置(未示出)延伸。钻头104和铰刀106可以被构造来钻入或者切入地层110以形成井眼102，由此从地层110中提取烃类。

当钻柱108推进BHA100至地层110中时，钻头104可以形成具有第一直径的井眼102，并且铰刀106可以跟随在钻头104的后面以扩大井眼的大小至第二直径，其中第二直径大于第一直径。BHA100可以通过例如从表面旋转钻柱108而在井眼内转动。因此，钻头104可以被构造来围绕其中心轴112a转动，并且铰刀可以被构造来围绕其中心轴112b转动。然而，在其它实施方案中，BHA内的井下马达(未示出)可以另外用于旋转BHA100，而不脱离本公开的范围。

虽然未明确示出或在本文中描述，但BHA100可以进一步包括各种其它类型的钻井工具或组件，例如但不限于：转向单元、一个或多个稳定器、一个或多个力学和动力学工具、一个或多个钻铤、一个或多个加速器、一个或多个震击器、一个或多个传感器或传感器子件以及一个或多个加重钻管部分。

钻头104可以是本领域技术人员已知的任何类型的钻头。在一些实施方案中，例如，钻头104可以是具有多个多晶金刚石刀具(PDC)的固定刀具钻头。同样地，铰刀106可以是本领域技术人员已知的任何类型的铰刀，例如固定大小同心绞刀、可变几何同心或偏心铰刀、双中心铰刀或牙轮铰刀。当钻头104和铰刀106在钻井操作期间旋转时，它们各自以给定的轴向力和转矩撞击地层110的下垫岩石。因此，可以产生包括横向分量的不平衡切削反作用力(针对钻头104和铰刀106分别示出为切削横向反作用力114a和114b)并且作用于相应的切削工具上。更具体地说，切削反作用力114a,b的横向分量可以是不平衡的，从而在相应的横向方向上以相对于钻头104和铰刀106的相应中心轴112a,b的特定角定向分别驱迫钻头104和铰刀106。在一些实施方案中，如将在下文参照图2A和图2B所描述，横向切削反作用不平衡力114a,b可以被表征为在钻头104和/或铰刀106上的不平衡力。然而，在其它实施方案中，横向切削不平衡力114a,b可以来自与每个切削工具相关的质量不平衡。由于这样的横向不平衡力114a,b(切削和/或质量)，不想要的振动或其它低效率可以被引入BHA100中，从而降低钻井操作的有效性并且可能破坏钻柱108的元件。

现在参照图2A并继续参照图1，示出了钻头104的端视图。如图所示，钻头104可以包括多个叶片202，其中每个叶片202耦合或另外固定有几个刀具204。在操作期间，钻头104围绕其中心轴112a旋转并且刀具204被构造来接触并切削地层110(图1)的岩石，以便推进钻头104穿过其中。当钻头104切削通过岩石时，切削反作用不平衡力可以产生横向分量(此处示出为反作用力114a)，其使得钻头失衡并垂直于钻头中心轴112a而作用。可以在钻头104的设计阶段中计算或另外估算不平衡力114a。

例如，在设计钻头104期间，将各种设计参数输入到被配置来生成钻头104的设计模型的设计软件程序中。所述设计软件程序可以是存储在非暂时性计算机可读介质上的计算机程序，其包含被配置来由计算机系统(未示出)的一个或多个处理器执行的程序指令。可以通过考虑钻头104的设计参数来计算钻头104的不平衡力114a。这类设计参数可以包括但不限于：钻头104的几何形状(例如，叶片202的直径、轮廓、数量和形状等)；刀具204的数量、尺寸、角度和放置；以及用于制造钻头104的材料的类型。一旦所有的设计参数被输入设计软件计算机程序中，就会产生钻头104的设计模型并且可以从该模型测定不平衡力114a。

更明确地说，可以根据输入的设计参数测定或另外量化钻头104的两个分力矢量(示出为径向力206和拖曳力208)。径向力208是在旋转期间作用于钻头104上的横向力，而拖曳力210是地层110(图1)的下垫岩石的反作用力，其通常抵消钻头104的旋转。所得不平衡力114a可以通过组合这两个力矢量206,208来获得，并且可以表示以垂直于中心轴112a的特定角定向作用于钻头104上的合成横向力。在操作期间，不平衡力114a将具有在特定角方向上横向驱迫钻头104的倾向。

在一些实施方案中，如上所讨论，可以分别计算每个刀具的径向和拖曳力206,208，并且随后相加以得到作用于整体钻头104的总的径向和拖曳力206,208，并且可以从其确定不平衡力114a。更明确地说，对于每个刀具204而言，具有从岩石施加到相应刀具204上的可测定的反作用力。为了针对每个刀具204测定这些反作用力，设计软件可以考虑到刀具204的各种参数，例如直径、与钻头104有关的角定向、用于制造刀具204的材料和其它参数。然后可以针对每个刀具204计算个别径向力和拖曳力，并且这些力可以相加或以其它方式组合以针对钻头104获得总的径向和拖曳力206,208，然后可以从钻头104测定横向分量不平衡力114a。

参照图2B，可以针对铰刀106进行类似的计算，以使得也可以针对铰刀106测定切削反作用不平衡力(在此示出为反作用力114b)。具体来说，示出了铰刀106，其可以包括一个或多个径向延伸的叶片或刀具210。铰刀106被设计来围绕其中心轴112b旋转，并且在操作期间，刀具210被构造来接触和切削含在地层110(图1)内的岩石，以便推进铰刀106以大于钻头104(图2A)的直径穿过其中。当铰刀106切削通过岩石时，切削反作用不平衡力114b可以生成并以垂直于中心轴112b的特定方向作用于铰刀106上。

在铰刀106的设计阶段中，可以计算或以其它方式估算切削反作用不平衡力114b的角定向和强度。更具体地说，设计软件可以被配置来考虑到铰刀106的各种设计参数并产生相应的设计模型，从该设计模型可以测定切削反作用不平衡力114b。更明确地说，可以根据输入的设计参数测定或另外量化铰刀106的两个分力矢量(示出为径向力212和拖曳力214)。在旋转期间，径向和拖曳力212,214可以按照与径向和拖曳力208,210如何作用于钻头104的类似方式作用于铰刀106上，并且可以通过组合这两个力矢量212,214获得切削反作用不平衡力114b。切削反作用不平衡力114b的横向分量表示以垂直于中心轴112b的特定角定向作用于铰刀106上的合成横向力。在操作期间，切削反作用不平衡力114b将倾向于在由径向和拖曳力212,214的组合产生的特定角方向上横向驱迫铰刀106。

再次参照图1，钻头104和铰刀106沿BHA100按串联关系耦合在一起。这通常是利用互补的螺纹连接件或接合件而完成，其中钻头104和铰刀106各自可以螺纹耦合至BHA100上的相应位置。一旦停止扭转每个切削工具的螺纹接合件，相应的不平衡力114a,b(例如，切削反作用不平衡力、质量不平衡力等)相对于BHA100的角定向就被确定。在一些情况下，例如，不平衡力114a,b的角定一般向可以是彼此相对的，由此产生由BHA100感受到的两种不平衡力114a,b之间的稍许抵消作用。然而，在其它实施方案中，不平衡力114a,b的角定向可以是大体上对齐的，这可以具有由BHA100感受到的组合或以其它方式累加不平衡力114a,b的作用。在BHA中的这种类型的不平衡力对齐可以例如对定向钻井控制有益。

在图1的图解说明的实施方案中，不平衡力114a,b的角定向既不是对齐的，也不是彼此相对的。相反地，第一不平衡力114a成角度地偏离第二不平衡力114b。应该了解的是，第一和第二不平衡力114a,b之间的角偏移可以在0°至180°的范围内。根据第一和第二不平衡力114a,b之间的角偏移以及它们的相应强度，BHA100可以经历增加或减少的振动或低效率。

根据本公开，来自不平衡力114a,b成角度偏移的不利影响可以通过在将切削工具耦合(即螺纹接合)至BHA100之后或同时操纵这些角定向来减轻或以其它方式最小化。为了做到这一点，在至少一个实施方案中，钻头104和铰刀106中的一个或两个可以被布置在自由锁定系统(未示出)上或另外包括该自由锁定系统。简要地说，所述自由锁定系统允许特定切削刀具(即钻头104或铰刀106)简单地从钻柱108脱离，以使得该切削刀具可以围绕其中心轴112a,b成角度地旋转，直到定位至所需的角方向或定向。一旦获得这种所需的角定向，然后可以致动自由锁定系统以使切削刀具再接合回到钻柱108，这样使得能够再次同时旋转。

在一个实施方案中，例如，自由锁定系统可以包含或以其它方式包括凹槽/花键传动系统，其中配合的凹槽和花键被限定在切削工具的相对的内/外表面上。通过使凹槽/花键界面轴向脱离，切削工具可以成角度地旋转至所需定向，并且然后轴向再接合，以使凹槽/花键界面可以再次将旋转能量传输通过切削刀具。在其它实施方案中，自由锁定系统可以包括离合器系统，例如楔式或摩擦锥系统。在此类实施方案中，配合楔可以被限定在切削工具的相对的内/外表面上。一旦切削工具成角度旋转到所需定向，相对的楔形件可以被迫使成摩擦接合，以使得楔式接合界面能够将旋转能量传输通过切削刀具。

在其它实施方案中，BHA100可以进一步包括致动机构或装置116，其根据一个或多个实施方案通常布置在钻头104和铰刀106之间的钻柱108中。致动装置116可以是任何机械、机电、液压或气动致动器或马达，其被构造来调整钻头104相对于铰刀106的角定向。在至少一个实施方案中，致动装置116可以是一种棘轮装置，其被构造来接合和脱离钻柱108，这样使得可以操纵钻头104的角定向。在其它实施方案中，致动装置116可以类似于一般如上所述的凹槽/花键传动系统或离合器系统(例如，楔式或摩擦锥系统)。在其中致动装置116是离合器系统的实施方案中，可以例如通过电子元件控制离合动作，以使得可以实现精确的角定向。或者，或另外，所述离合器系统可以包含或以其它方式包括锥形固持器系统，例如在铣床中使用的那些，其中配合楔或锥体通过电子装置或机械系统彼此挤压。

现在参照图3，并且继续参照图1和图2A-2B，根据一个或多个实施方案，示出了展现钻头104和铰刀106的不同角定向的示例性BHA100。为了能够在现场快速识别相应不平衡力114a,b(例如，切削和/或质量不平衡力)的特定角定向，钻头104和铰刀106各自可以包括物理安置在其上的相应力标记(示出为不平衡力定向标记302a和302b)。第一不平衡力标记302a对应于钻头104的不平衡力114a的角定向，并且第二不平衡力标记302b对应于铰刀106的不平衡力114b的角定向。如上所讨论，可以在每个切削工具的设计阶段中确定不平衡力114a,b的这种角定向，并且不平衡力标记302a,b可以在制造阶段中物理施加到每个切削工具上。

在一些实施方案中，不平衡力标记302a,b可以被加工至钻头104和铰刀106中的一个或两个的外表面中。在其它实施方案中，不平衡力标记302a,b可以被焊接到钻头104和铰刀106各自的主体上或以其它方式铸造至其中。仍在其它实施方案中，不平衡力标记302a,b可以采取可以分别物理粘附、耦合或以其它方式附接到钻头104和铰刀106各自的外表面上的标签、塑料或金属信息牌或另一标识符的形式。

应该了解，不平衡力标记302a,b的设计或构造可以采取几种不同的形式。在图解说明的实施方案中，不平衡力标记302a,b可以包括例如至少一个目标圆圈，其可以代表不平衡力114a,b的特定角定向。换句话说，目标圆圈指示不平衡力114a,b的横向分量分别从中心轴112a,b垂直延伸并且径向延伸到目标圆圈的中心外的方向。这是不平衡力114a,b将倾向于在操作期间横向驱迫其相应的切削工具的角方向。不平衡力标记302a,b的角定向允许操作人员使用目标圆圈使切削工具成角度对齐(或不对齐)，以使所得的每个不平衡力114a,b的累加最小化或最大化。

在一些实施方案中，不平衡力标记302a,b可以具有书写在其上的文本，例如在目标圆圈内或外。所述文本可以确定或以其它方式指示不平衡力标记302a,b代表的内容。例如，在一些实施方案中，不平衡力标记302a,b可以具有书写在其上的“CUF”，这指示不平衡力标记302a,b对应于相应的切削工具的切削不平衡力的角定向。在其它实施方案中，不平衡力标记302a,b可以具有书写入其上的“MUF”，这指示不平衡力标记302a,b对应于相应的切削或非切削工具的质量不平衡力的角定向。应该理解的是，不平衡力标记302a,b可以具有位于其上的任何文本或标记，以使得油井操作人员能够容易地确定特定不平衡力标记302a,b对应于哪个不平衡力114a,b。

仍在其它实施方案中，不平衡力标记302a,b可以进一步包括提供不平衡力114a,b的计算强度或相对值的文本。在切削反作用不平衡力的情况下，这可以采取钻头上重量或铰刀上重量的百分比的形式。在其它实施方案中，例如当不平衡力114a,b对应于质量不平衡时，不平衡力标记302a,b可以包括与给定转速下的离心力有关的文本。

现在参照图4A和图4B，示出了井底组件100的正视图，其根据一个或多个实施方案展现分别对应于钻头104和铰刀106的不平衡力114a,b的不同的相对角定向。应该理解的是，不平衡力标记302a,b可以证明可用于允许油井操作人员在现场迅速确定不平衡力114a,b分别针对钻头104和铰刀106的角定向。了解这些角定向将进一步允许油井操作人员在钻头104和铰刀106一旦附接到钻柱108上后确定钻头104相对于铰刀106的方向，并由此调整作用于整体BHA100上的串联不平衡力304。如上所述，操纵不平衡力114a,b的角定向可以使用与钻头104和铰刀106中的一个或两个或与致动装置116相关联的相应自由锁定系统来进行。

例如，如图4A中所示，钻头104和铰刀106的不平衡力114a,b可以总体上对齐。为了描述的说明性目的，不平衡力114a,b被示出为正交延伸至中心轴112a,b的左侧。然而，如上所述，这样的不平衡力114a,b实际上正交延伸出页面。通过成角度对齐(或大体上对齐)不平衡力114a,b，作用在BHA100上的串联反作用力304可以被最大化为不平衡力114a,b的总和。这种实施方案可以证明在定向钻探应用中是有用的，其中最大化的串联不平衡力304在可以支持用在BHA100中的定向切削工具的钻柱108中提供诱导的弯矩。

然而，在其它实施方案中，可以期望将不平衡力114a,b安置为成角度地彼此相对，例如图4B中所示出。如图所示，第二不平衡力114b与第一不平衡力114b成角度地彼此相对(即180°的角偏移)，如由对应于第二不平衡力114b的假想第二不平衡力标记302b所指示。另外，为了描述的说明性目的，不平衡力114a,b被示出为分别正交延伸至中心轴112a,b的左侧和右侧。然而，如上所述，这样的不平衡力114a,b实际上分别正交延伸出页面和进入页面内。这种实施方案可以证明可用于使作用于BHA100上的串联反作用力304最小化。更具体地说，当不平衡力114a,b在相对的角方向上作用时，它们可以有效地互相抵消或中和，从而使作用于BHA100上的串联不平衡力304变小。

在其它实施方案中，可以期望将不平衡力114a,b安置成彼此成角度偏移，所述成角度偏移处于成角度对齐和成角度相对之间。更明确地说，油井操作人员可以期望将不平衡力114a,b安置成落在0°与180°之间的特定角度下的角偏移，而不脱离本公开的范围。

因此，在现场，油井操作人员可以根据如相应不平衡力标记302a,b所指示的相应不平衡力114a,b来选择钻头104和铰刀106并配对在一起。因此，油井操作人员可以能够明智地选择哪个钻头104和铰刀106将在BHA100中以串联布置最好地操作，以便实现期望的目的。此外，如上文简要地提到，不平衡力114a,b可以指示可以作用于切削工具上的几种类型的诱导横向不平衡力。例如，本公开的实施方案可以用于使源自于切削工具上的质量不平衡或切削反作用不平衡力和质量不平衡力的组合的串联不平衡力304最小化。

现在参照图5，示出了根据一个或多个实施方案的可以采用本公开的原理的另一个示例性BHA400的正视图。BHA400可以在一些方面与图1、图3和图4A-4B的BHA100相似，且因此参照这些图将得到最好的理解，其中类似的数字代表不再详细描述的类似组件。如图所示，BHA400可以下降到钻柱108上的井眼102中，并且包括布置在其远端的钻头104。BHA400可以进一步包括从钻头104轴向布置并且另外与其呈串联关系的钻井组件402。钻井组件402可以是在钻井操作中使用的任何工具或装置，包括但不限于：转向单元、一个或多个稳定器(同心或偏心的)、力学和动力学工具、震击工具、传感器子件、随钻测量子件(MWD)、随钻测井子件(LWD)、涡轮(有或没有弯曲)、泥浆马达(有或没有弯曲)、其组合等。在至少一个实施方案中，钻井组件402可以是铰刀，例如图1的铰刀106。

当钻柱108推进BHA100进入地层110中时，钻头104和钻井组件402分别围绕相应的中心轴404a和404b同步旋转。在钻井操作和旋转期间，钻头104和钻井组件402可以进一步生成横向不平衡力，示出为钻头104的切削反作用不平衡力406a和钻井组件402的质量不平衡力406b。与图1的切削反作用不平衡力114a,b一样，不平衡力406a,b可以被生成并且在分别远离各中心轴404a,b的方向上作用于相应的钻头104和钻井组件402。

不平衡力406a,b可以在相应的横向方向上以相对于钻头104和钻井组件402的相应中心轴404a,b的特定角定向分别驱迫钻头104和钻井组件402。由于这样的反作用力406a,b，非所要的振动、低效率或损坏可以被引入BHA400中，从而降低钻井操作的有效性。

根据本公开，来自不平衡力406a,b彼此成角度偏移的不利影响可以通过在将钻头104和钻井组件402各自耦合(即螺纹接合)至BHA400之后操纵其中一者或二者的角定向来减轻或以其它方式最小化。为了做到这一点，在至少一个实施方案中，钻头104和钻井组件402中的一个或两个可以被布置在自由锁系统(未示出)上或另外包括该自由锁定系统，如上文参考图1所一般描述。一旦对于钻头104和钻井组件402中的每个获得所需的角定向，则自由锁定系统可以被致动以再接合钻柱108，从而使得再次允许同时旋转。然而，在其它实施方案中，致动装置116可以被用于接合和脱离钻柱108，以使得可以操纵钻头104的角定向。

还可以将不平衡力标记408a和408b分别物理施加到钻头104和钻井组件402的外表面上。更具体地说，第一不平衡力标记408a对应于钻头104的切削反作用不平衡力406a的角定向，并且第二不平衡力标记408b对应于钻井组件402的质量不平衡力406b的角定向。如上所讨论，可以在每个工具的设计阶段中确定这样的角定向，并且不平衡力标记408a,b可以在制造阶段中物理施加到每个组件上。不平衡力标记408a,b可以在性质和内容上类似于图3的不平衡力标记302a,b，并且因此将不再详细描述。

不平衡力标记408a,b可以证明可用于允许油井操作人员在现场迅速确定不平衡力406a,b分别针对钻头104和钻井组件402的角定向。了解这些角定向将进一步允许油井操作人员在钻头104和钻井组件402一旦附接到钻柱108上后确定钻头104相对于钻井组件402的方向，并由此调整作用于整体BHA400上的所需串联不平衡力410。例如，在一些实施方案中，钻头104和钻井组件402的不平衡力406a,b可以总体上成角度对齐。

然而，在其它实施方案中，例如图5中所描绘，不平衡力406a,b被布置成彼此成角度地相对。如图所示，第二不平衡力406b被布置成与第一不平衡力406b成角度地彼此相对(即180°的角偏移)，如由对应于第二不平衡力406b的假想第二不平衡力标记302b所指示。另外，为了描述的说明性目的，不平衡力406a,b被示出为分别正交延伸至中心轴404a,b的左侧和右侧。然而，这样的不平衡力406a,b实际上分别正交延伸出页面和进入页面内。这样的实施方案可以证明可用于使作用于BHA400上的串联不平衡力410最小化。更具体地说，当不平衡力406a,b在相对的角方向上作用时，它们可以有效地互相抵消或大体上中和，从而使作用于BHA400上的串联不平衡力410变小。

在其它实施方案中，可以期望将不平衡力406a,b安置成彼此成角度偏移，所述成角度偏移处于彼此成角度对齐和成角度相对之间。更明确地说，油井操作人员可以期望将不平衡力406a,b安置成落在0°与180°之间的特定角度下的角偏移，而不脱离本公开的范围。

因此，在现场，油井操作人员可以根据如相应不平衡力标记408a,b上指示的相应不平衡力406a,b将钻头104和钻井组件402选择性配对在一起。因此，油井操作人员可以能够明智地选择哪个钻头104和钻井组件402将在BHA400中以串联布置最好地操作。

本文公开的实施方案包括：

A.一种井底组件，其包括：布置在钻柱的远端且可围绕第一中心轴旋转的钻头，所述钻头展现横向作用于钻头上并且以第一角定向垂直于第一中心轴的第一不平衡力分量；物理施加到所述钻头上并且对应于第一不平衡力分量的第一角定向的第一不平衡力标记；从所述钻头轴向布置且可围绕第二中心轴旋转的工具，所述工具展现横向作用于工具上并且以第二角定向垂直于第二中心轴的第二不平衡力分量；以及物理施加到所述工具上并且对应于第二不平衡力分量的第二角定向的第二不平衡力标记，其中第一和第二不平衡力标记之间的角偏移能够被操纵以获得第一和第二不平衡力分量之间的所需串联不平衡力。

B.一种方法，其包括确定钻头的第一不平衡力分量，所述第一不平衡力分量横向作用于钻头上并且以第一角定向垂直于钻头的中心轴；将第一不平衡力标记施加到对应于所述第一不平衡力分量的第一角定向的所述钻头上；确定工具的第二不平衡力分量，所述第二不平衡力分量横向作用于工具上并且以第二角定向垂直于工具的中心轴；将第二不平衡力标记施加到对应于所述第二不平衡力分量的第二角定向的所述工具上；将所述钻头和工具按串联关系布置在井底组件上；以及操纵第一和第二不平衡力标记之间的角偏移以便获得第一和第二不平衡力分量之间的所需串联不平衡力。

实施方案A和B各自可以具有以下额外要素中的一个或多个的任何组合：要素1：其中所述钻头的不平衡力分量包括切削反作用不平衡力。要素2：其中所述第一不平衡力分量进一步包括切削反作用不平衡力和质量不平衡力的组合。要素3：其中所述工具包括选自由以下各项组成的组的工具：铰刀、转向单元、稳定器、力学和动力学工具、震击工具、传感器子件、随钻测量子件、随钻测井子件、涡轮和泥浆马达。要素4：其中所述第二不平衡力至少包括质量不平衡力。要素5：其中所述工具是铰刀且所述第二不平衡力分量包括切削反作用力和质量不平衡力的组合。要素6：其中第一和第二不平衡力分量中的至少一个是通过组合分别作用于所述钻头和工具上的径向力矢量和拖曳力矢量来确定。要素7：其中第一和第二不平衡力标记之间的角偏移被最小化以获得最大化的串联不平衡力。要素8：其中第一和第二不平衡力标记之间的角偏移被最大化以获得最小化的串联不平衡力。要素9：进一步包括与所述钻头和工具中的至少一个相关联的自由锁定系统，所述自由锁定系统被构造来使所述钻头或工具从钻柱脱离，以使得第一或第二不平衡力标记可以成角度地旋转，直到定位至所需的角定向。要素10：进一步包括致动装置，其被布置在钻头和工具之间的钻柱中并且被构造来调节所述第一不平衡力标记相对于所述第二不平衡力标记的角定向。要素11：其中第一和第二不平衡力标记为机械加工、焊接或铸造至所述钻头和所述工具的外表面中的至少一个。要素12：其中第一和第二不平衡力标记是物理附接到所述钻头和工具的外表面上的标签和信息牌中的至少一个。要素13：其中第一和第二不平衡力标记包括分别用于识别第一和第二不平衡力分量的文本。

要素14：其中所述工具包括选自由以下各项组成的组的工具：铰刀、转向单元、稳定器、力学和动力学工具、震击工具、传感器子件、随钻测量子件、随钻测井子件、涡轮和泥浆马达。要素15：其中第一和第二不平衡力分量包括切削反作用不平衡力和质量不平衡力的组合。要素16：其中确定第一不平衡力分量包括计算钻头的径向力矢量，计算钻头的拖曳力矢量以及组合径向和拖曳力矢量。要素17：进一步包括成角度地对齐第一和第二不平衡力标记以获得最小化的串联不平衡力。要素18：其中操纵第一和第二不平衡力标记之间的角偏移包括使与钻头和工具中的至少一个相关联的自由锁定系统脱离，并且由此旋转释放钻头和工具中的至少一个，成角度地转动钻头和工具中的至少一个直到获得第一和第二不平衡力标记之间的所需角定向，并且一旦获得所需的角度就再接合自由锁定系统，并且由此旋转固定钻头和工具中的至少一个用于串联旋转。要素19：其中操纵第一和第二不平衡力标记之间的角偏移包括使用布置在井底组件上的钻头和工具之间的致动装置调节第一不平衡力标记相对于第二不平衡力标记的角定向。要素20：其中施加第一和第二不平衡力标记包括将第一和第二不平衡力标记分别机械加工、焊接或铸造至钻头和工具的外表面中的至少一个，或将标签和信息牌中的至少一个物理附接到钻头和工具的外表面上。

因此，所公开的系统和方法非常适合于实现所提及的目的和优点以及其中固有的那些目的和优点。上文公开的特定实施方案仅为说明性的，因为本公开的教导可以以对于受益于本文教导的本领域技术人员显而易见的不同但是等效的方式进行修改和实施。此外，除了所附权利要求书中描述的之外，无意限制本文示出的结构或设计的细节。因此显然的是，上文公开的特定说明性实施方案可以进行改变、组合或修改，并且所有这些变型被认为在本公开的范围和精神之内。本文说明性公开的系统和方法可以合适地在不存在本文未具体公开的任何要素和/或本文公开的任何可选要素的情况下实施。虽然描述组合物和方法“包括”、“含有”或“包含”多个组分或步骤，但是所述组合物和方法还可以包括“基本上由多个组分和步骤组成”或“由多个组分和步骤组成”。上文公开的所有数值和范围可以以一定的量进行变化。所有公开的具有下限和上限的数值范围，都具体公开落在该范围内的任何数值和任何所包括的范围。具体来说，本文公开的每个数值范围(形式为“约a至约b”，或等效地为“约a至b”，或等效地为“约a-b”)应该被理解为列出了涵盖在较宽广的数值范围内的每个数字和范围。此外，权利要求书中的术语具有其平常、普通的含义，除非专利权人另外明确和清楚地进行了定义。此外，权利要求书中使用的不定冠词“一(a/an)”在本文中的定义为意指一个或大于一个其引入的要素。如果本说明书和可以通过引用并入本文的一个或多个专利或其它文献中的词语或术语的使用存在任何冲突，则应当采用与本说明书一致的定义。

Claims (22)

1.一种井底组件，其包括：

布置在钻柱的远端且可围绕第一中心轴旋转的钻头，所述钻头展现横向作用于所述钻头上并且以第一角定向垂直于所述第一中心轴的第一不平衡力分量；

物理施加到所述钻头上且对应于所述第一不平衡力分量的所述第一角定向的第一不平衡力标记；

从所述钻头轴向布置且可围绕第二中心轴旋转的工具，所述工具展现横向作用于所述工具上并且以第二角定向垂直于所述第二中心轴的第二不平衡力分量；以及

物理施加到所述工具上并且对应于所述第二不平衡力分量的所述第二角定向的第二不平衡力标记，其中所述第一和第二不平衡力标记之间的角偏移能够被操纵以获得所述第一和第二不平衡力分量之间的所需串联不平衡力。

2.根据权利要求1所述的井底组件，其中所述钻头的所述不平衡力分量包括切削反作用不平衡力。

3.根据权利要求2所述的井底组件，其中所述第一不平衡力分量进一步包括切削反作用不平衡力和质量不平衡力的组合。

4.根据权利要求1所述的井底组件，其中所述工具包括选自由以下各项组成的组的工具：铰刀、转向单元、稳定器、力学和动力学工具、震击工具、传感器子件、随钻测量子件、随钻测井子件、涡轮和泥浆马达。

5.根据权利要求4所述的井底组件，其中所述第二不平衡力至少包括质量不平衡力。

6.根据权利要求1所述的井底组件，其中所述工具是铰刀且所述第二不平衡力分量包括切削反作用力和质量不平衡力的组合。

7.根据权利要求1所述的井底组件，其中所述第一和第二不平衡力分量中的至少一个是通过组合分别作用于所述钻头和所述工具上的径向力矢量和拖曳力矢量来确定。

8.根据权利要求1所述的井底组件，其中所述第一和第二不平衡力标记之间的所述角偏移被最小化以获得最大化的串联不平衡力。

9.根据权利要求1所述的井底组件，其中所述第一和第二不平衡力标记之间的所述角偏移被最大化以获得最小化的串联不平衡力。

10.根据权利要求1所述的井底组件，其进一步包括与所述钻头和所述工具中的至少一个相关联的自由锁定系统，所述自由锁定系统被构造来使所述钻头或所述工具从所述钻柱脱离，以使得所述第一或第二不平衡力标记可以成角度地旋转，直到定位至所需的角定向。

11.根据权利要求1所述的井底组件，其进一步包括致动装置，所述致动装置被布置在所述钻头和所述工具之间的钻柱中并且被构造来调节所述第一不平衡力标记相对于所述第二不平衡力标记的角定向。

12.根据权利要求1所述的井底组件，其中所述第一和第二不平衡力标记为机械加工、焊接或铸造至所述钻头和所述工具的外表面中的至少一种。

13.根据权利要求1所述的井底组件，其中所述第一和第二不平衡力标记是物理附接到所述钻头和所述工具的外表面上的标签和信息牌中的至少一个。

14.根据权利要求1所述的井底组件，其中所述第一和第二不平衡力标记包括分别用于识别所述第一和第二不平衡力分量的文本。

15.一种方法，其包括：

确定钻头的第一不平衡力分量，所述第一不平衡力分量横向作用于所述钻头上并且以第一角定向垂直于所述钻头的中心轴；

将第一不平衡力标记施加到对应于所述第一不平衡力分量的所述第一角定向的所述钻头上；

确定工具的第二不平衡力分量，所述第二不平衡力分量横向作用于所述工具上并且以第二角定向垂直于所述工具的中心轴；

将第二不平衡力标记施加到对应于所述第二不平衡力分量的所述第二角定向的所述工具上；

将所述钻头和所述工具按串联关系布置在井底组件上；以及

操纵所述第一和第二不平衡力标记之间的角偏移以便获得所述第一和第二不平衡力分量之间的所需串联不平衡力。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述工具包括选自由以下各项组成的组的工具：铰刀、转向单元、稳定器、力学和动力学工具、震击工具、传感器子件、随钻测量子件、随钻测井子件、涡轮和泥浆马达。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一和第二不平衡力分量包括切削反作用不平衡力和质量不平衡力的组合。

18.根据权利要求15所述的方法，其中确定所述第一不平衡力分量包括：

计算所述钻头的径向力矢量；

计算所述钻头的拖曳力矢量；以及

组合所述径向和拖曳力矢量。

19.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括成角度地对齐所述第一和第二不平衡力标记以获得最小化的串联不平衡力。

20.根据权利要求15所述的方法，其中操纵所述第一和第二不平衡力标记之间的所述角偏移包括：

使与所述钻头和所述工具中的至少一个相关联的自由锁定系统脱离，并且由此旋转释放所述钻头和所述工具中的至少一个；

成角度地转动所述钻头和所述工具中的至少一个直到获得所述第一和第二不平衡力标记之间的所需角定向；以及

一旦获得所述的所需角度就再接合所述自由锁定系统，并且由此旋转固定所述钻头和所述工具中的至少一个用于串联旋转。

21.根据权利要求15所述的方法，其中操纵所述第一和第二不平衡力标记之间的所述角偏移包括使用布置在所述井底组件上的所述钻头和所述工具之间的致动装置调节所述第一不平衡力标记相对于所述第二不平衡力标记的角定向。

22.根据权利要求15所述的方法，其中施加所述第一和第二不平衡力标记包括将所述第一和第二不平衡力标记分别机械加工、焊接或铸造至所述钻头和所述工具的外表面中的至少一种，或将标签和信息牌中的至少一个物理附接到所述钻头和所述工具的外表面上。