CN107135658A - 具有自调整衬垫的钻头 - Google Patents

Abstract

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。

Description

具有自调整衬垫的钻头

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。

在另一方面中，公开用于钻井筒的系统，所述系统包括：具有钻头的钻井组件，所述钻头包括：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，公开钻头，所述钻头包括：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：用于在衬垫上施加力的活塞，在活塞上施加力从而以第一速度暴露衬垫的偏置构件，以及在活塞上施加力从而以第二速度隐藏衬垫的旋转装置。

本文所公开的设备和方法的某些特征的实例被相当宽泛地概述，以使得可以更好地理解其在下面的详述。当然，下文中所公开的设备和方法的额外特征将构成此处所附的权利要求的主题。

附图简述

参考附图最好地理解本文的公开内容，其中相同数字已大体分配给相同的要素，并且其中：

图1是包括具有根据本公开的一个实施方案制作的钻头的钻柱的示例性钻井系统的示意图；

图2示出根据本公开的一个实施方案的具有衬垫和速度控制装置的示例性钻头的部分横截面视图，所述速度控制装置用于控制从钻头表面展开和回缩衬垫的速度；

图3示出经由液压管线操作衬垫的速度控制装置的可选实施方案；

图4示出被配置以操作多个衬垫的速度控制装置的实施方案；

图5示出图3的在钻头的冠部区段中的速度控制装置的布置；

图6示出钻头的流体通道或流径中的速度控制装置的布置；

图7示出钻头，其中速度控制装置和衬垫放置在钻头的外表面上；

图8A示出具有多级孔口的速度控制装置的实施方案；

图8B示出与图8A中图示的速度控制装置一起使用的多级孔口的实施方案；

图9示出具有高精度间隙的速度控制装置的实施方案；

图10示出被配置以操作多个衬垫的速度控制装置的实施方案；

图11示出被配置以从钻头的中心操作展开的速度控制装置的实施方案；

图12示出具有多重壁腔室的速度控制装置的实施方案；

图13示出具有补偿活塞的速度控制装置的实施方案；

图14示出具有旋转装置的速度控制装置的实施方案；并且

图15示出速度控制装置的可选实施方案。

具体实施方式

图1是可以利用根据本文的公开内容制作的钻头的示例性钻井系统100的示意图。图1示出井筒110，所述井筒110具有其中安装有壳体112的上部区段111和使用钻柱118钻的下部区段114。钻柱118被示出包括管状构件116，所述管状构件116具有附接于其底部端处的BHA 130。管状构件116可能由连接的钻管区段组成，或者其可能是连续油管。钻头150被示出附接至BHA 130的底部端，以便使岩层119碎裂从而钻出具有选择的直径的井筒110。

钻柱118被示出在表面167处从钻机180传送到井筒110中。为了便于解释，示出的示例性钻机180是陆上钻机。本文所公开的设备和方法还可以与用于在水下钻井筒的海上钻机一起利用。可以利用耦接至钻柱118的旋转台169或顶部驱动器(未图示)，以旋转钻柱118从而旋转BHA 130，并且因此旋转钻头150来钻井筒110。钻井马达155(也称作“泥浆马达”)可以提供在BHA 130中以旋转钻头150。可以单独使用钻井马达155以旋转钻头150，或者叠加钻柱118对钻头的旋转。可能是基于计算机的单元的控制单元(或控制器)190可能放置在表面167处，以接收和处理由钻头150中的传感器和BHA 130中的传感器传输的数据，以及控制BHA 130中的各种装置和传感器的选择的操作。在一个实施方案中，表面控制器190可能包括处理器192；用于存储数据、算法的数据存储装置(或计算机可读媒体)194以及计算机程序196。数据存储装置194可能是任何合适的装置，包括但不限于：只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存存储器、磁带、硬盘和光盘。在钻井期间，来自其中的源的钻井流体179被加压泵送到管状构件116中。钻井流体在钻头150的底部处排出，并且经由钻柱118与井筒110的内壁142之间的环形空间(也称作“环空”)返回至表面。

BHA 130可能进一步包括一个或多个井下传感器(共同地由数字175指定)。传感器175可能包括任何数量和任何类型的传感器，包括但不限于：一般称为随钻测量(MWD)传感器或随钻测井(LWD)传感器的传感器；以及提供与BHA 130的特性有关的信息的传感器，所述信息诸如钻头旋转(每分钟转数或“RPM”)、工具面、压力、振动、回旋、弯曲度和滞塞。BHA130可能进一步包括控制单元(或控制器)170，所述控制单元170控制BHA 130中的一个或多个装置和传感器的操作。控制器170可能尤其包括：用于处理来自传感器175的信号的电路；用于处理数字信号的处理器172(诸如微处理器)；数据存储装置174(诸如固态存储器)；以及计算机程序176。处理器172可以处理数字信号以及控制井下装置和传感器，以及经由双向遥测单元188与控制器190传达数据信息。

仍然参考图1，钻头150包括面区段(或底部区段)152。面区段152或其一部分在钻井期间面向钻头前方的地层或井筒底部。在一个方面中，钻头150包括一个或多个衬垫160，所述衬垫160可以从钻头150的选择的表面展开和回缩。衬垫160在本文中也称作“可延长衬垫”、“可展开衬垫”或“可调节衬垫”。可以利用钻头150中的合适致动装置(或致动单元)165以在钻井筒110期间从钻头表面展开和回缩一个或多个衬垫。在一个方面中，致动装置165可以控制衬垫160的展开和回缩速度。致动装置也称作“速度控制装置”或“速度控制器”。在另一方面中，致动装置是在钻井期间基于或响应于施加至衬垫160的力或压力自动地调整或自调整衬垫160的展开和回缩的无源装置。在某些实施方案中，致动装置165和衬垫160通过与地层接触被致动。另外，当钻头150的切割深度快速改变时，衬垫160上经受相当大的力。因此，期望的是致动机构165来抵抗切割深度的改变。在某些实施方案中，致动机构165将提高给定切割深度处的钻压。在其它实施方案中，致动机构165将减小给定钻压的切割深度。可以如参考图2至图4更加详细地描述来预设衬垫的展开和回缩速度。

图2示出根据本公开的一个实施方案制作的示例性钻头200。在示例性实施方案中，钻头200是具有钻头体201的聚晶金刚石复合片(PDC)钻头，所述钻头体201包括颈部或颈部区段210、柄220和冠部或冠部区段230。在其它实施方案中，钻头200是在地层中使用的任何合适的钻头或地层移除装置。在其它实施方案中，钻头200是任何合适的井下旋转工具。颈部210具有锥形上部端212，所述锥形上部端212上具有用于将钻头200连接至钻井组件130(图1)的箱形端的螺纹212a。柄220具有在接头224处固定地连接至冠部230的下部垂直或笔直区段222。冠部230包括在钻井期间面向地层的面或面区段232。冠部230包括若干叶片，诸如叶片234a、234b等。典型的PDC钻头包括3至7个叶片。每一叶片具有面(也称作“面区段”)和边(也称作“边区段”)。例如，叶片234a具有面232a和边236a，而叶片234b具有面232b和边236b。边236a和236b沿钻头200的纵向轴线或垂直轴线202延伸。每一叶片进一步包括若干切割机。在图2的特定实施方案中，示出叶片234a包括位于边236a的一部分上的切割机238a和沿面232a的切割机238b，同时示出叶片234b包括边239a上的切割机239a和面232b上的切割机239b。

仍然参考图2，钻头200包括从钻头200的表面252展开和回缩的一个或多个元件或构件(本文中也称作衬垫)。图2示出可移动地放置在冠部区段230中的空腔或凹部254中的衬垫250。激活装置260可能耦接至衬垫250，以从钻头表面位置252展开和回缩衬垫250。在一个方面中，激活装置260控制衬垫250的展开和回缩速度。在另一方面中，装置260以第一速度展开衬垫并且以第二速度回缩衬垫。在实施方案中，第一速度和第二速度可能是相同速度或不同速度。在另一方面中，衬垫250的展开速度可能高于回缩速度。如上面所指出，装置260在本文中也被称作“速度控制装置”或“速度控制器”。在装置260的特定实施方案中，衬垫250经由机械连接或连接构件256直接耦接至装置260。在一个方面中，装置260包括封装诸如活塞280等双动式往复构件的腔室270，所述双动式往复构件密封地将腔室270划分成第一腔室272和第二腔室或贮存器274。两个腔室272和274填充有诸如油等适合于井下使用的液压流体278。第一腔室272中诸如弹簧284等偏置构件在活塞280上施加选择的力，以引起其向外移动。因为活塞280连接至衬垫250，所以将活塞向外移动引起衬垫250从钻头200的表面252展开。在一个方面中，腔室272和274经由第一流体流路径或流管线282以及第二流体流路径或流管线286彼此流体连通。可以利用放置在流体流管线282中的诸如止回阀285等流控制装置，以控制流体从腔室274至腔室272的流动速度。类似地，可以利用放置在流体流管线286中的诸如止回阀287等另一流控制装置，以控制流体278从腔室272至腔室274的流动速度。流控制装置285和287可以在表面处进行配置，以分别设置流动通过流体流管线282和286的速度。在另一方面中，可以借助于有源装置设置或动态地调整速度，诸如通过借助于以有源方式控制的阀来控制腔室之间的流体流。在某些实施方案中，通过调整流体性质来有源地控制流体流，做法是使用电流变或磁流变流体和控制器。在其它实施方案中，压电式电子装置被利用以控制流体流。在一个方面中，一个或两个流控制装置285和287可能包括诸如弹簧等可变控制偏置装置，以提供从一个腔室到另一个腔室的恒定流速度。腔室272与274之间的恒定流体流速度交换为活塞280的扩展提供第一恒定速度，并且为活塞280的回缩提供第二恒定速度，并且因此为衬垫250的展开和回缩提供对应恒定速度。流控制管线282和286的大小以及其对应偏置装置285和287的设置分别定义通过管线282和286的流速度，并且因此定义衬垫250的对应展开和回缩速度。在一个方面中，流体流管线282及其对应流控制装置285可以被设置，以使得当钻头250不使用时，即衬垫250上未施加外部力时，偏置构件280将使衬垫250展开至最大展开位置。在一个方面中，流控制管线282可以被配置，以使得偏置构件280相对快速或突然地展开衬垫250。当钻头在操作中时，诸如在钻井筒期间，施加至钻头的钻压在衬垫250上施加外部力。该外部力引起衬垫250在活塞280上并且因此在偏置构件284上施加力或压力。

在一个方面中，流体流管线286可以被配置，以允许流体从腔室272到腔室或贮存器274中的相对缓慢的流速度，由此引起衬垫相对缓慢地回缩。举例来说，衬垫250的展开速度可以被设置，以使得衬垫250在几秒钟内从完全回缩的位置展开至完全展开的位置，而在一或几分钟或更长的时间内(诸如在2分钟至5分钟之间)从完全展开的位置回缩至完全回缩的位置。应指出的是，可以为衬垫250的展开和回缩设置任何合适的速度。在一个方面中，装置260是基于或响应于施加在衬垫250上的力或压力调整衬垫的展开和回缩的无源装置。在示例性实施方案中，衬垫250是耐磨损元件，诸如切割机、卵形体、滚动接触的元件或降低与地球地层的摩擦的其它元件。在某些实施方案中，衬垫250直接在前方，并且在与切割机239a、238b相同的切割槽中。在示例性实施方案中，装置260被定向成逆旋转方向倾斜，以将活塞280所经受的摩擦力的切向分量降至最低。在某些实施方案中，装置260定位在由钻头体201支撑的叶片234a、234b等的内侧，在靠近钻头200的面232a处具有压配合，且在靠近侧面部分234a、234b的顶端处具有螺纹盖或固定器或扣环。

图3示出可选速度控制装置300。装置300包括被双动式活塞380划分成第一腔室372和第二腔室或贮存器374的流体腔室370。腔室372和374填充有液压流体378。第一流体流管线382和相关联的流控制装置385允许流体378以第一流速度从腔室374流动至腔室372，并且流体流管线386和相关联的流控制装置387允许流体378以第二速度从腔室372流动至腔室374。活塞380连接至力传递装置390，所述力传递装置390包括腔室394中的活塞392。腔室394包含与衬垫350流体连通的液压流体395。在一个方面中，衬垫350可以放置在腔室352中，所述腔室与腔室394中的流体395流体连通。当偏置装置384将活塞380向外移动时，其将活塞392向外移动，并且移动到腔室394中。活塞392将流体395从腔室394排出到腔室352中，这样展开衬垫350。当在衬垫350上施加力时，其将腔室352中的流体挤压到腔室394中，这样在活塞380上施加力。借助于通过流体流管线386和流控制装置387的流体的流量来控制活塞380的移动速度。在图3中示出的特定构造中，速度控制装置300并非直接连接至衬垫350，这使得装置300能够与衬垫350隔离，并且允许其定位在钻头中的任何所需的位置处，如参考图5至图6所描述。在另一方面中，衬垫350可能直接连接至切割机399，或者衬垫350的末端可能被制作成切割机。在该构造中，切割机399既充当切割机也充当可展开且可回缩衬垫。

图4示出被配置以操作诸如衬垫350a、350b…350n等一个以上衬垫的常见速度控制装置400。速度控制装置400与图2中所示出和描述的相同，不同之处在于所述速度控制装置400被示出经由中间装置390施加力到衬垫350a、350b…350n上，如参考图3所示出和描述。在图4的实施方案中，衬垫350a、350b…350n中的每一个分别封装在单独腔室352a、352b…352n中。来自腔室394的流体395被供应至所有腔室，由此基于钻井期间施加至每一所述衬垫的外部力自动地且同时地展开和回缩衬垫350a、350b…350n中的每一个。在数个方面中，速度控制装置400可能包括在井下使用的合适的压力补偿器499。类似地，根据实施方案中的任何一个制作的速度控制器中的任何一个可以采用合适的压力补偿器。

图5示出钻头500的等距视图，其中速度控制装置560放置在钻头500的冠部区段530中。速度控制装置560与图2中所示出的相同，但是经由液压连接540和流体管线542耦接至衬垫550。速度控制装置560被示出放置在从冠部区段530的外表面582可进入的凹口580中。衬垫550被示出放置在钻头面532上的面位置区段552处，而液压连接540被示出放置在衬垫550与速度控制装置560之间的冠部530中。应指出的是，速度控制装置560可以放置在钻头中的任何所需的位置处，包括放置在柄520和颈部区段510中，并且液压管线542可以任何所需的方式从速度控制装置560路由到衬垫550。此种构造为将速度控制装置放置在钻头中的大致任何位置处提供灵活性。

图6示出钻头600的等距视图，其中速度控制装置660放置在钻头600的流体通道625中。在图6的特定钻头构造中，液压连接640被放置成接近速度控制装置660。液压管线670从液压连接640经过柄620和钻头600的冠部630延伸至衬垫650。在钻井期间，钻井流体流动通过通道625。为了使得钻井流体能够自由流动通过通道625，速度控制装置660可能设有贯通孔径或通道655，且液压连接装置640可能设有流通道645。

图7示出钻头700，其中成一体的衬垫和速度控制装置750放置在钻头700的外表面上。在一个方面中，装置750包括连接至衬垫755的速度控制装置760。在一个方面中，装置750是可以附接至钻头700的任何外表面的密封单元。速度控制装置760可能与本文中参考图2至图6所描述的速度控制装置相同或不同。在图7的特定实施方案中，衬垫被示出连接至钻头700的叶片720的边720a。装置750可能附接在或放置在钻头700中的任何其它合适的位置处。可选地或除此以外，装置750可以集成到叶片中，以使得衬垫将从钻头朝向所需的方向展开。

图8A示出成一体的速度控制装置800。在示例性实施方案中，速度控制装置800是将设置在钻头的叶片内侧的独立自含式圆筒，诸如先前所描述的钻头。在该实施方案中，速度控制功能性通过诸如多级孔口899等压力管理装置实现。图8B示出具有多个孔口898的多级孔口899，所述多个孔口898在上部腔室872与下部腔室874之间提供用于流体878的弯曲路径。在示例性实施方案中，上部腔室872经受比下部腔室874更高的压力。在某些实施方案中，下部腔室874接近井下压力。因此，在示例性实施方案中，多级孔口899通过控制其中的流体878的流量来连同偏置构件884控制速度控制装置800内的移动和压力。因此，通过调整孔口899的性质有效地控制衬垫850的速度。在某些实施方案中，下部腔室874是压力补偿式的。在示例性实施方案中，使用井下压力对下部腔室874进行压力补偿，以将跨钻头面处的泥-油密封875的压差降至最低。

图9示出成一体的速度控制装置900。在示例性实施方案中，速度控制装置900是将设置在钻头的叶片内侧的独立自含式圆筒，诸如先前所描述的钻头。在该实施方案中，速度控制功能性通过诸如活塞980与液缸994之间的高精度间隙999等压力管理装置实现。高精度间隙999允许预确定量的流体978以给定的压差在上部腔室972与下部腔室974之间传递，从而有效地控制活塞980的移动速度。在某些实施方案中，高精度间隙999还充当两个腔室972、974之间的高压力密封。在某些实施方案中，腔室972、974分别包含高压流体和低压流体。在示例性实施方案中，使用井下压力对下部腔室974(低压腔室)进行压力补偿，以将跨钻头面处的泥-油密封(未图示)的压差降至最低。在示例性实施方案中，压力补偿利用与井下地层压力连通的风箱实现。

图10示出钻头1000，其具有定位在钻头1000的钻头柄1091中的速度控制器1090。在示例性实施方案中，速度控制装置1090经由液压通道1092液压连接至多个活塞1080，所述液压通道1092允许流体1078通过以充当链接1056a。有利地，速度控制装置1090的中心位置允许大空间用于速度控制装置1090，同时允许利用多个活塞1080并且在钻头操作期间分摊载荷。在某些实施方案中，利用跨钻头1000的压降以产生向下的力。在这些实施方案中，低压腔室1074被补偿以具有与钻头内侧的钻井流体压力相同的压力，同时补偿的活塞1080的顶部杆或腔室1072暴露于钻头1000内侧的压力从而引起净向下的力。在某些实施方案中，辅助链接1056b液压地或机械地链接至衬垫1050。

图11示出钻头1100，其具有定位在钻头1100中的中心处的速度控制器1190。在示例性实施方案中，速度控制装置1190定位在中心处，并且机械地或液压地连接至多个衬垫1150。有利地，这允许减小速度控制器1190内侧的峰值压力，并且还因为衬垫1150如图4中所示在中心处致动而减少部件的数量。

图12示出利用三重壁液缸1298的速度控制装置1200，壁1298a、1298b、1298c之间具有环形间隙1299。在示例性实施方案中，环形间隙1299是压力管理装置，诸如用于限制流体1278的流动以控制活塞1280的移动的高精度间隙。在示例性实施方案中，流体流1278移动通过端口1299a和1299b，以与活塞1280的两侧对接。在某些实施方案中，端口1299a和1299b具有止回阀以限制流体流1278。在操作期间，流体1278被间隙1299限制以控制流体1278的流动，从而产生活塞1280的受控的移动。在某些实施方案中，利用压力补偿器1297以将下部腔室1274的压力补偿为井下流体压力。

图13示出具有补偿的活塞1380的速度控制装置1300。在示例性实施方案中，具有大致等同杆大小的双动式活塞1380暴露于上部腔室1372和下部腔室1374二者。在示例性实施方案中，活塞1380的两端暴露于井底压力，以使得由于钻井流体压力的活塞1380上的净力接近零。在某些实施方案中，液压蓄能器1399可能与补偿的活塞1380一起使用，以适应随温度、夹带空气和泄漏而改变的流体体积。在某些实施方案中，利用偏置构件1378以提供向下的力。有利地，两个腔室1372、1374被补偿以将速度控制装置1300与井筒之间的压差降至最低。

图14示出速度控制装置1400，所述速度控制装置1400当被设置在钻头(示意性地图示成1401)内时利用泥-油接口处的旋转密封1496。在示例性实施方案中，凸轮1492定位在钻头1401的外侧，并且旋转运动经由轴1491利用旋转密封1496传输到钻头体中。使用第二凸轮1493和附接至活塞1480的随动装置1494将旋转运动转换成钻头体内侧的平移运动。在某些实施方案中，诸如当需要低深度的切割时，第一凸轮1492暴露所附接的自适应元件1450。因为第一凸轮1492经受外部载荷，所以所述载荷旋转第一凸轮1492，并且又旋转第二凸轮1493，这又引起活塞1480的向内运动(隐藏)。当释放外部载荷时，活塞1480由于弹簧1484力而扩展，并且又旋转凸轮1492、1493并暴露自适应元件1450。因此，接触元件1450以受凸轮1492、1493剖面和偏置构件1484特征控制的不同速度展开(暴露)和回缩(隐藏)。

图15示出利用固定压力管理装置1599的速度控制装置1500。在示例性实施方案中，压力管理装置1599相对于移动的活塞1580是静止的。在示例性实施方案中，井下流体压力1575施加在分离器1597上，以补偿贮存器1574的压力。流体1587可以经由压力管理装置1599在流体腔室1572与贮存器1574之间流动。在一个方面中，腔室1572和贮存器1574经由第一流体流路径或流管线1582以及第二流体流路径或流管线1586彼此流体连通。可以利用放置在流体流管线1582中的诸如止回阀1585等流控制装置，以控制流体从贮存器1574至腔室1572的流动速度。类似地，可以利用放置在流体流管线1586中的诸如止回阀1587等另一流控制装置，以控制流体1578从腔室1572至贮存器1574的流动速度。流控制装置1585和1587可以在表面处进行配置，以分别设置流动通过流体流管线1582和1586的速度。在某些实施方案中，从井下流体1575施加的压力将活塞1580向下偏置。

因此在一个方面中，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，以及用于控制流体腔室内的流体压力的压力管理装置。在某些实施方案中，第二速度小于第一速度。在某些实施方案中，流体腔室被活塞划分成第一流体腔室和第二流体腔室。在某些实施方案中，压力管理装置是多级孔口。在某些实施方案中，压力管理装置是设置在活塞与流体腔室之间的高精度间隙。在某些实施方案中，流体腔室是具有第一壁、第二壁和第三壁的三重壁液缸，并且所述第一壁、第二壁和第三壁中的至少一个包括高精度间隙。在某些实施方案中，活塞是双动式活塞，其中作用在活塞的第一侧上的流体至少部分控制第一速度，且作用在活塞的第二侧上的流体至少部分控制第二速度，且压力管理装置包括具有第一端和第二端二者的至少一个杆，所述两端均暴露于井底压力。在某些实施方案中，速度控制装置包括与活塞的第一侧和活塞的第二侧相关联的蓄能器。在某些实施方案中，活塞是多个液压联动的活塞。在某些实施方案中，衬垫是从速度控制装置展开的多个衬垫，其中所述速度控制装置设置在中心处。在某些实施方案中，速度控制装置被定向成逆钻头的旋转方向倾斜。在某些实施方案中，速度控制装置是自含式圆筒。在某些实施方案中，自含式圆筒经由压配合或固定器与钻头相关联。

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。在某些实施方案中，第二速度小于第一速度。在某些实施方案中，流体腔室被活塞划分成第一流体腔室和第二流体腔室。在某些实施方案中，压力管理装置是多级孔口。在某些实施方案中，压力管理装置是设置在活塞与流体腔室之间的高精度间隙。在某些实施方案中，流体腔室是具有第一壁、第二壁和第三壁的三重壁液缸，并且所述第一壁、第二壁和第三壁中的至少一个包括高精度间隙。在某些实施方案中，活塞是双动式活塞，其中作用在活塞的第一侧上的流体至少部分控制第一速度，且作用在活塞的第二侧上的流体至少部分控制第二速度，且压力管理装置包括具有第一端和第二端二者的至少一个杆，所述两端均暴露于井底压力。在某些实施方案中，速度控制装置进一步包括与活塞的第一侧和活塞的第二侧相关联的蓄能器。在某些实施方案中，活塞是多个液压联动的活塞。在某些实施方案中，衬垫是从速度控制装置展开的多个衬垫，其中所述速度控制装置设置在中心处。

在另一方面中，公开用于钻井筒的系统，所述系统包括：具有钻头的钻井组件，所述钻头包括：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，以及用于控制流体腔室内的流体压力的压力管理装置。在某些实施方案中，第二速度小于第一速度。在某些实施方案中，流体腔室被活塞划分成第一流体腔室和第二流体腔室。在某些实施方案中，压力管理装置是多级孔口。在某些实施方案中，压力管理装置是设置在活塞与流体腔室之间的高精度间隙。

在另一方面中，公开钻头，所述钻头包括：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：用于在衬垫上施加力的活塞，在活塞上施加力从而以第一速度暴露衬垫的偏置构件，以及在活塞上施加力从而以第二速度隐藏衬垫的旋转装置。在某些实施方案中，第二速度小于第一速度。

为了便于解释，前述公开内容涉及某些具体实施方案。然而，对所述实施方案的各种变更和修改对于本领域技术人员将是明显的。在所附权利要求的范围和精神内的所有所述变更旨在被本文的公开内容所涵盖。

Claims (20)

1.一种井下旋转钻井工具，其包括：

工具主体；

自调整可展开且可回缩元件，其与所述工具主体相关联并且至少部分从所述工具主体的表面突出；

耦接至所述元件的速度控制装置，所述速度控制装置被配置以在无外部力施加至所述元件的情况下引起所述元件以第一速度相对于所述工具主体从回缩的位置向外展开至展开的位置，所述速度控制装置被配置以响应于施加至所述元件的外部力引起所述元件以第二速度相对于所述工具主体从所述展开的位置向内回缩至所述回缩的位置，所述第二速度与所述第一速度不同，所述速度控制装置包括：

用于在所述元件上施加力的活塞；

在所述活塞上施加力以展开所述元件的偏置构件；

与所述活塞相关联的流体腔室；以及

压力管理装置，其用于控制所述流体腔室内的流体压力。

2.如权利要求1所述的钻井工具，其中所述第二速度小于所述第一速度。

3.如权利要求1所述的钻井工具，其中所述流体腔室被所述活塞划分成第一流体腔室和第二流体腔室。

4.如权利要求1所述的钻井工具，其中所述压力管理装置是多级孔口。

5.如权利要求1所述的钻井工具，其中所述压力管理装置包括设置在所述活塞与所述流体腔室之间的间隙。

6.如权利要求5所述的钻井工具，其中所述流体腔室包括具有第一壁、第二壁和第三壁的三重壁液缸，其中所述第一壁、所述第二壁和所述第三壁中的至少一个包括所述间隙。

7.如权利要求1所述的钻井工具，其中所述活塞包括双动式活塞，并且其中作用在所述活塞的第一侧上的流体至少部分控制所述第一速度，且作用在所述活塞的第二侧上的流体至少部分控制所述第二速度，且所述压力管理装置包括具有第一端和第二端的至少一个杆，所述第一端和所述第二端中的每一个暴露于井底压力。

8.如权利要求7所述的钻井工具，其进一步包括与所述活塞的所述第一侧和所述活塞的所述第二侧相关联的蓄能器。

9.如权利要求1所述的钻井工具，其中所述活塞是多个液压联动活塞中的一个活塞。

10.如权利要求1所述的钻井工具，其中所述元件是衬垫或切割元件。

11.如权利要求1所述的钻井工具，其中所述速度控制装置被定向成相对于所述钻井工具的预期旋转方向成一定角度，以便减小所述活塞所经受的摩擦力(如果有)的切向分量。

12.如权利要求1所述的钻井工具，其中所述速度控制装置是自含式圆筒。

13.如权利要求12所述的钻井工具，其中所述自含式圆筒经由压配合或固定器固定在所述钻井工具内。

14.一种钻井筒的方法，所述方法包括：

在钻柱中并入钻井工具，所述钻井工具包括：工具主体；自调整可展开且可回缩元件，其与所述工具主体相关联并且至少部分从所述工具主体的表面突出；以及速度控制装置，其中所述速度控制装置包括：用于在所述元件上施加力的活塞，在所述活塞上施加朝向所述元件的力的偏置构件，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；

传送所述钻柱到地层中；

允许所述元件在无外部力施加至所述元件的情况下以受所述速度控制装置控制的第一速度相对于所述工具主体从回缩的位置向外展开至展开的位置；

允许所述元件响应于由所述地层施加至所述元件的外部力以受所述速度控制装置控制的第二速度从所述展开的位置回缩至所述回缩的位置，所述第二速度与所述第一速度不同；

经由压力管理装置控制所述流体腔室内的所述流体压力；以及

使用所述钻柱钻所述井筒。

15.如权利要求14所述的方法，其进一步包括使用所述自调整可展开且可回缩元件减少所述钻柱中的振动。

16.如权利要求14所述的方法，其进一步包括使用所述自调整可展开且可回缩元件调整所述钻井工具的操纵性。

17.如权利要求14所述的方法，其中所述第二速度小于所述第一速度。

18.如权利要求14所述的方法，其中所述流体腔室被所述活塞划分成第一流体腔室和第二流体腔室。

19.如权利要求14所述的方法，其中所述压力管理装置是多级孔口。

20.如权利要求14所述的方法，其中所述活塞是多个液压联动活塞中的一个活塞。