CN108368728A - 包括可被动调节的冲击性改动构件的钻地工具及相关方法 - Google Patents

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Abstract

钻地工具可以包括主体和固定到所述主体的可被动调节的冲击性改动构件。所述可被动调节的冲击性改动构件可响应于作用在所述可被动调节的冲击性改动构件上的力而在其中所述钻地工具呈现第一冲击性的第一位置和其中所述钻地工具呈现第二不同冲击性的第二位置之间移动。

Description

包括可被动调节的冲击性改动构件的钻地工具及相关方法
优先权要求
本申请要求2015年12月17日提交的名称为“Earth-Boring Tools IncludingPassively Adjustable,Aggressiveness-Modifying Members and Related Methods”的美国专利申请序列号14/973,282的申请日的权益，其公开内容通过此引用整体并入本文。
领域
本公开一般涉及钻地工具和使用所述钻地工具在地层中钻井眼的系统。更具体地，所公开的实施例涉及可以包括一个或多个可被动调节的冲击性改动构件的钻地工具，所述可被动调节的冲击性改动构件配置成响应于作用在可被动调节的冲击性改动构件上的力来改动钻地工具的冲击性。
背景
油井(也称为“井筒”或“井眼”)用包括具有钻凿组件(也称为“井底组件(bottomhole assembly)”或“BHA”)的管状构件的钻柱来钻凿。BHA通常包括提供与各种参数相关的信息的装置和传感器，这些参数涉及钻凿操作(“钻凿参数”)、BHA的行为(“BHA参数”)以及与井筒周围的地层相关的参数(“地层参数”)。通过旋转钻柱和/或通过BHA中的钻凿马达(也称为“泥浆马达”)旋转诸如附接到BHA底端的钻头之类的钻地工具，以分解岩层以钻凿井筒。大量井筒是沿着轮廓轨迹钻凿的。例如，单个井筒可包括穿过不同类型岩层的一个或多个垂直段、偏斜段和水平段。当钻凿从诸如沙子的软地层前进到诸如页岩的硬地层或者反之时，钻机的钻速(rate of penetration，ROP)改变，并且可能导致(减少或增加)钻地工具中的过度波动或振动(横向或扭转)。ROP通常通过控制钻头的钻压(weight-on-bit，WOB)和转速(每分钟转数或“RPM”)来控制，以便控制钻头波动。WOB通过控制地面上的大钩负载(hook load)来控制，并且RPM通过控制地面上的钻柱旋转和/或通过控制BHA中的钻凿马达速度来控制。通过这种方法控制钻头波动和ROP要求钻凿系统或操作人员在地面采取行动。这种地面行动对钻头波动的影响基本上不是立即的。对于给定的WOB和钻头转速，钻头的冲击性(aggressiveness)有助于振动、回旋(whirl)和粘滑(stick-slip)。钻头的“切削深度”(Depth of Cut，DOC)，通常定义为“钻头在一次回转内轴向前进到地层中的距离”，是与钻头冲击性相关的辅助因素。控制DOC、切削元件暴露度和其它冲击性影响参数可以提供更平滑的井眼，避免刀具过早损坏，并且延长钻地工具的操作寿命。
发明内容
这里公开的内容提供了一种钻头和使用所述钻头的钻凿系统，所述钻头和钻凿系统配置成在钻凿井筒期间控制钻地工具的瞬时冲击性的变化速率。
在一些实施例中，钻地工具可以包括主体和固定到主体的可被动调节的冲击性改动构件。可被动调节的冲击性改动构件可响应于作用在可被动调节的冲击性改动构件上的力而在其中钻地工具呈现第一冲击性的第一位置和其中钻地工具呈现第二不同冲击性的第二位置之间移动。
在其它实施例中，被动调节钻地工具的冲击性的方法可以包括使力施加在固定到主体的可被动调节的冲击性改动构件上。可被动调节的冲击性改动构件可响应于作用在可被动调节的冲击性改动构件上的力而从其中钻地工具呈现第一冲击性的第一位置移动到其中钻地工具呈现第二不同冲击性的第二位置。
附图说明
虽然本公开以特别指出并清楚要求保护特定实施例的权利要求书结束，但是当结合附图阅读时，可以从以下描述更容易地确定本公开范围内的实施例的各种特征和优点，其中：
图1是包括具有根据本公开的一个实施例制造的钻地工具的钻柱的说明性钻凿系统的示意图；
图2示出了根据本公开的一个实施例的说明性钻地工具的局部剖开侧视图，所述钻地工具配置成具有可被动调节的冲击性改动构件和用于控制可被动调节的冲击性改动构件从钻地工具的表面伸出和缩回的速率的速率控制装置的固定刀具钻头；
图3示出了经由液压管线操作可被动调节的冲击性改动构件的速率控制装置的替代性实施例；
图4示出了配置成操作多个可被动调节的冲击性改动构件的速率控制装置的实施例；
图5示出了图4的速率控制装置在钻地工具的冠部中的放置；
图6示出了速率控制装置在钻地工具的流体通道或流动路径中的放置；
图7示出了钻头，其中速率控制装置和可被动调节的冲击性改动构件放置在钻地工具的外表面上；
图8是配置成包括可被动调节的冲击性改动构件的滚锥钻头的钻地工具的另一个实施例的横截面图；和
图9是配置成包括可被动调节的冲击性改动构件的可膨胀扩孔锥的钻地工具的另一个实施例的一部分的横截面图。
具体实施方式
本公开中呈现的图示并不意味着是任何特定钻柱、钻地工具或其部件的实际视图，而仅仅是用于描述说明性实施例的理想化表示。因此，附图未必按比例绘制。
所公开的实施例总体上涉及钻地工具，其可以包括一个或多个可被动调节的冲击性改动构件，所述冲击性改动构件配置成响应于作用在可被动调节的冲击性改动构件上的力来改动钻地工具的冲击性。更具体地说，公开了一些钻地工具的实施例，所述钻地工具的实施例可以使得能够利用作用在固定到钻地工具上的可被动调节的冲击性改动构件上的力和其相应的响应移动来选择性地增加和减少钻地工具的冲击性。
尽管本公开中的可被动调节的冲击性改动构件的一些实施例被描述为被使用和利用在钻地钻头(例如固定刀具钻地旋转钻头，有时被称为“刮刀”钻头(drag bit)和滚锥钻头(rolling-cone drill bit)，以及钻地扩孔锥(earth-boring reamer)，例如可膨胀扩孔锥)中，但是根据本公开的可被动调节的冲击性改动构件可以用于具有对其冲击性的被动调节敏感的切削结构的任何钻地工具中。因此，本公开中使用的术语“钻地工具”和“钻地钻头”意指并包括在地下地层中的井筒形成或扩大期间用于钻凿的任何类型的钻头或工具，并且包括例如固定刀具钻头、滚锥钻头、冲击钻头、岩心钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔锥、铣刀、混合钻头以及本领域已知的其它钻头和工具。
如在本公开中所使用的，术语“被动”当用于冲击性改动构件的调节的上下文中时，意指并且包括其中不需要任何特殊用途的专用电或机电致动部件来实现调节就能实现调节的实施例。例如，可被动调节的冲击性改动构件可能缺少电子和机电致动机构，并且可能不需要专用的操作人员触发器(例如，改变循环流体的流率、改变钻柱的旋转速率、以预定模式进行这种改变)来完成或启动调节。作为另外的示例，可被动调节的冲击性改动构件可以利用机械或液压致动机构来致动，并且可以响应于在使用期间固有地作用在可被动调节的冲击性改动构件上的力而自动地致动、去致动和以其它方式改动冲击性。
在本公开中使用的钻地工具的术语“冲击性”(μ)是根据以下公式计算的：
其中T是施加到钻地工具上的扭矩，D是钻地工具的直径，并且W是施加到钻地工具上的重量(例如钻压(WOB))。冲击性是一个没有单位的数字。冲击性可能受到诸如振动、刀片或锥体的数量、切削元件尺寸、类型和配置、地下地层的硬度等因素的影响。这些因素可能通过改变在特定施加重量下传递的扭矩而影响冲击性。不同类型的钻地工具可能呈现不同的冲击性。作为说明性示例，常规滚锥钻头可具有约0.10至约0.25的钻头冲击性，浸渍钻头可具有约0.12至约0.40的钻头冲击性，并且固定刀具钻头可具有约0.40至约1.50的钻头冲击性(在每种情况下，假设钻头的每个刀片或滚锥上具有相似的切削元件类型，并且在每个刀片或滚锥之间稍微均匀地分布施加的重量)。混合钻头(具有滚锥和固定刀具刀片组合的钻头)可具有介于滚锥钻头和固定刀具钻头的钻头冲击性之间的钻头冲击性。
图1是可利用根据本文公开内容制造的钻地工具的说明性钻凿系统100的示意图。图1示出了井筒110，井筒110具有上部111和下部114，上部111中安装有套管112，下部114在被钻柱118钻凿。钻柱118示出为包括管状构件116，管状构件116的底端附接有BHA 130。管状构件116可以通过连接钻杆部分来构成，或者它可以是挠性管。钻地工具150示出为附接到BHA 130的底端，用于分解岩层119以钻凿选定直径的井筒110。
钻柱118示出为由地面167处的钻机180输送到井筒110中。为了便于说明，所示的说明性钻机180是陆地钻机。这里公开的设备和方法也可以与用于在水下钻凿井筒的海上钻机一起使用。联接到钻柱118的旋转台169或顶部驱动器(未示出)可用于旋转钻柱118以旋转BHA 130，并因此旋转钻地工具150以钻凿井筒110。钻凿马达155(也称为“泥浆马达”)可设置在BHA 130中以旋转钻地工具150。钻凿马达155可单单用于旋转钻地工具150或叠加通过钻柱118对钻地工具150的旋转。可以是基于计算机的单元的控制单元(或控制器)190可以放置在地面167处，以接收和处理由钻地工具150中的传感器和BHA 130中的传感器传输的数据，并且控制BHA 130中的各种装置和传感器的选定操作。在一个实施例中，地面控制器190可以包括处理器192、用于存储数据、算法的数据存储装置(或计算机可读介质)194和计算机程序196。数据存储装置194可以是任何合适的装置，包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、磁带、硬盘和光盘。在钻凿期间，来自其来源的钻凿流体179在压力下被泵送到管状构件116中。钻凿流体在钻地工具150的底部排出，并经由钻柱118和井筒110的内壁142之间的环形空间(也称为“环带”)返回地面。
BHA 130还可以包括一个或多个井下传感器(统一由数字175表示)。传感器175可以包括任何数量和类型的传感器，包括但不限于通常称为随钻测量(measurement-while-drilling，MWD)传感器或随钻录井(logging-while-drilling，LWD)传感器的传感器，以及提供例如钻头旋转(每分钟转数或“RPM”)、工具面、压力、振动、回旋、弯曲和粘滑的与BHA130的行为相关的信息的传感器。BHA 130还可以包括控制BHA 130中的一个或多个装置和传感器的操作的控制单元(或控制器)170。控制器170尤其可以包括处理来自传感器175的信号的电路、处理数字化信号的处理器172(例如微处理器)、数据存储装置174(例如固态存储器)和计算机程序176。处理器172可以处理数字化信号，并且控制井下装置和传感器，并通过双向遥测单元188与控制器190通信数据信息。
仍然参照图1，钻地工具150可以包括面部(或底部)152。在钻凿过程中，面部152或其一部分面向钻地工具150前方的地层或井筒底部。在一个方面，钻地工具150包括一个或多个可被动调节的冲击性改动构件160，其可以从钻地工具150的选定表面伸出和缩回，以被动地调节钻地工具150的冲击性。可被动调节的冲击性改动构件160还可以被称为“垫”、“可伸出垫”、“可延伸垫”、“可调节垫”、“可调节量规垫”、“可调节切削元件”、“可调节刀具”、“可调节嵌件”、“可调节卵形体”、“可调节支腿”和“可调节切削深度控制装置”，这取决于它们位于何处、它们固定到哪种类型的钻地工具以及它们使用的特定配置。钻地工具150中的合适的致动装置(或致动单元)165可用于在井筒110的钻凿(例如，形成或扩大)过程中从钻地工具150的表面伸出和缩回一个或多个可被动调节的冲击性改动构件160。在一个方面，致动装置165可以控制可被动调节的冲击性改动构件160的伸出和缩回速率。致动装置也称为“速率控制装置”或“速率控制器”。在另一方面，致动装置是被动装置，其基于或响应于在钻凿过程中施加到可被动调节的冲击性改动构件160上的力或压力，自动调节或自我调节可被动调节的冲击性改动构件160的伸出和缩回。可被动调节的冲击性改动构件160的伸出和缩回速率可以被预置，如参考图2至图4更详细描述的。
图2示出了根据本公开的一个实施例制造的说明性钻地工具200。钻地工具200是多晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact，PDC)固定刀具钻头，其具有主体201，主体201包括颈或颈部210、柄220和冠或冠部230。颈210具有锥形上端212，其上具有螺纹212，用于将钻地工具200连接到钻凿组件130(图1)的箱端。柄220具有在接头224处固定连接到冠230的下垂直部分或直部222。冠230包括在钻凿过程中面向地层的面或面部232。冠230包括多个刀片，例如刀片234a、234b等。典型的PDC钻头可以包括例如3至7个刀片。每个刀片具有一个面(也称为“面部”)和一个侧(也称为“侧部”)。例如，刀片234a具有面232a和侧236a，而刀片234b具有面232b和侧236b。侧236a和236b沿着钻地工具200的纵向或垂直轴202(例如旋转轴)延伸。每个刀片还可以包括固定在其上的多个刀具。在图2的特定实施例中，刀片234a示出为包括在侧236a的一部分上的刀具238a和沿着面232a的刀具238b，而刀片234b示出为包括在侧239a上的刀具239a和在面232b上的刀具239b。
仍然参照图2，钻地工具200包括一个或多个可被动调节的冲击性改动构件250，其从钻地工具200的表面252伸出和缩回。图2示出了可移动地放置在冠部230中的空腔或凹部254中的可被动调节的冲击性改动构件250。如图2所示，可被动调节的冲击性改动构件250可以配置成例如配置成改动刀具238的切削深度的垫或切削深度控制装置。激活装置260可以联接到可被动调节的冲击性改动构件250，以从钻地工具200上的表面位置252伸出和缩回可被动调节的冲击性改动构件250。
在一个方面，激活装置260控制可被动调节的冲击性改动构件250的伸出和缩回速率。在另一个方面，装置260以第一速率伸出可被动调节的冲击性改动构件250，并以第二速率缩回可被动调节的冲击性改动构件250。在实施例中，第一速率和第二速率可以是相同或不同的速率。在另一个方面，可被动调节的冲击性改动构件250的伸出速率可以大于缩回速率。如上所述，装置260在此也称为“速率控制装置”或“速率控制器”。在装置260的特定实施例中，可被动调节的冲击性改动构件250经由机械连接或连接构件256直接联接到装置260。
在一个方面，装置260包括容纳双作用往复构件(例如活塞280)的腔室270，所述双作用往复构件将腔室270密封地分成第一腔室272和第二腔室274。两个腔室272和274都填充有适于井下使用的液压流体278，例如油。第一腔室272中的偏置构件(例如弹簧284)在活塞280上施加选定的力以使活塞280向外移动。因为活塞280连接到可被动调节的冲击性改动构件250，所以向外移动活塞使得可被动调节的冲击性改动构件250从钻地工具200的表面252伸出。在一个方面，腔室272和274经由第一流体流动路径或流动管线282和第二流体流动路径或流动管线286彼此流体连通。放置在流体流动管线282中的流动控制装置，例如限流器285(例如孔板)、止回阀或限流器285和止回阀，可用于控制流体从腔室274到腔室272的流率。类似地，放置在流体流动管线286中的另一流动控制装置，例如止回阀287、限流器或止回阀287和限流器，可用于控制流体278从腔室272到腔室274的流率。流动控制装置285和287可以配置在地面上，以分别设置通过流体流动管线282和286的流率。
在一个方面，流动控制装置285和287中的一个或两个可以包括可变控制偏置装置，例如弹簧，以提供从一个腔室到另一个腔室的恒定流率。腔室272和274之间的恒定流体流率交换为活塞280的伸出提供了第一恒定速率，并且为活塞280的缩回提供了第二恒定速率，并且因而为可被动调节的冲击性改动构件250的伸出和缩回提供了相应的恒定速率。流动控制管线282和286的尺寸以及它们相应的偏置装置285和287的设置分别限定了通过管线282和286的流率，并因此限定了可被动调节的冲击性改动构件250的相应的伸出和缩回速率。在一个方面，流体流动管线282及其相应的流动控制装置285可以被设置成使得当钻地工具200不使用时，即没有外力施加到可被动调节的冲击性改动构件250上时，偏置构件280将可被动调节的冲击性改动构件250伸出到最大伸出位置。在一个方面，流动控制管线282可以配置成使得偏置构件280相对快速或突然地伸出可被动调节的冲击性改动构件250。当钻地工具200在操作时，例如在钻凿井筒过程中，施加到钻地工具200上的重量可以在可被动调节的冲击性改动构件250上施加外力。这个外力可使得可被动调节的冲击性改动构件250在活塞280上并因此在偏置构件284上施加力或压力。
在一个方面，流体流动管线286可以配置成允许流体从腔室272进入腔室274的相对较慢的流率，从而使得可被动调节的冲击性改动构件250相对较慢地缩回。作为示例，可被动调节的冲击性改动构件250的伸出速率可以被设置成使得可被动调节的冲击性改动构件250在几秒钟内从完全缩回位置伸出到完全伸出位置，而在一分钟或几分钟或更长时间内(比如，例如，在两分钟和五分钟之间)从完全伸出位置缩回到完全缩回位置。应当注意，可以为可被动调节的冲击性改动构件250的伸出和缩回设置任何合适的速率。在一个方面，装置260是被动装置，其基于或响应于施加在可被动调节的冲击性改动构件250上的力或压力来调节可被动调节的冲击性改动构件250的伸出和缩回。
当可被动调节的冲击性改动构件250处于第一状态时，钻地工具200可以呈现第一冲击性，并且当可被动调节的冲击性改动构件250处于第二状态时，钻地工具200可以呈现第二不同冲击性。例如，当可被动调节的冲击性改动构件250处于完全伸出位置时，钻地工具200可以呈现最小冲击性，并且当可被动调节的冲击性改动构件250处于完全缩回位置时，钻地工具可以呈现最大冲击性。此外，可被动调节的冲击性改动构件250可以响应于固有地作用在可被动调节的冲击性改动构件250上的力(例如，施加的重量、振动力、来自地层的反作用力、施加的扭矩)而自动地将钻地工具200的冲击性调适到最大冲击性和最小冲击性之间，使得钻地工具200能够自适应地对钻凿条件作出反应，而不需要操作人员的主动干预或复杂的主动调节控制机构。
可被动调节的冲击性改动构件250可使钻地工具200能够在给定施加重量(例如钻压(WOB))下以较低施加扭矩有效地钻凿地层。例如，对于给定的施加重量或更大，可被动调节的冲击性改动可以使得施加扭矩减小5％。更具体地说，对于给定的施加重量或更大，可被动调节的冲击性改动可以例如使得施加扭矩减小10％。作为具体的非限制性示例，对于给定的施加重量或更大，可被动调节的冲击性改动可以使得施加扭矩减小15％、25％、30％、50％或60％。
图3示出了速率控制装置300的另一个实施例。装置300包括流体腔室370，其由双作用活塞380分成第一腔室372和第二腔室374。腔室372和374填充有液压流体378。第一流体流动管线382和相关联的流动控制装置385允许流体378以第一流率从腔室374流到腔室372，并且流体流动管线386和相关联的流动控制装置387允许流体378以第二流率从腔室372流到腔室374。活塞380连接到传力装置390，传力装置390包括腔室394中的活塞392。腔室394容纳液压流体395，所述液压流体395与可被动调节的冲击性改动构件350流体连通。在一个方面，可被动调节的冲击性改动构件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向外移动活塞380时，它向外移动活塞392并使其进入腔室394。活塞392将流体395从腔室394排出到腔室352中，这使可被动调节的冲击性改动构件350伸出。当力施加到可被动调节的冲击性改动构件350上时，它将流体从腔室352推入腔室394，这将力施加到活塞380上。活塞380的移动速率由通过流体流动管线386和流动控制装置387的流体流动控制。
在图3所示的特定配置中，速率控制装置300不直接连接到可被动调节的冲击性改动构件350，这使得装置300能够与可被动调节的冲击性改动构件350隔离，并且允许其位于钻地工具中的任何期望位置，如结合图5和图6所描述的。在另一方面，可被动调节的冲击性改动构件350可以直接连接到刀具399，或者可被动调节的冲击性改动构件350的端部可以制成刀具。在这种配置中，刀具399既用作刀具，又用作可伸出和可缩回的可被动调节的冲击性改动构件350。
图4示出了共用速率控制装置400，其配置成操作多于一个可被动调节的冲击性改动构件，例如可被动调节的冲击性改动构件350a、350b、…350n。速率控制装置400与图2所示和所述的相同，不同之处在于，如参照图3所示和所述，速率控制装置400被示出为通过中间装置390将力施加到可被动调节的冲击性改动构件350a、350b、…350n上。在图4的实施例中，每个可被动调节的冲击性改动构件350a、350b…350n分别容纳在单独的腔室352a、352b…352n中。来自腔室394的流体395被供应到所有腔室352a、352b…352n，从而基于在钻凿过程中施加到每个这种可被动调节的冲击性改动构件350a、350b…350n的外力，自动且同时地伸出和缩回每个可被动调节的冲击性改动构件350a、350b…350n。在各方面，速率控制装置400可以包括用于井下使用的合适的压力补偿器499。类似地，根据任何实施例制造的任何速率控制器可以采用合适的压力补偿器。
图5示出了钻地工具500的等距视图，其中速率控制装置560放置在钻地工具500的冠部530中。速率控制装置560与图2中所示的相同，但是经由液压连接540和流体管线542联接到可被动调节的冲击性改动构件550。速率控制装置560示出为放置在可从冠部530的外表面582接近的凹部580中。可被动调节的冲击性改动构件550示出为放置在面532上的面定位部552处，而液压连接540示出为放置在可被动调节的冲击性改动构件550和速率控制装置560之间的冠530中。应当注意，速率控制装置560可以放置在钻地工具500中的任何期望位置处，包括在柄520和颈部510中，并且液压管线542可以用任何期望的方式从速率控制装置560布置到可被动调节的冲击性改动构件550。这种配置提供了将速率控制装置放置在钻地工具500中的基本上任何地方的灵活性。
图6示出了钻地工具600的等距视图，其中速率控制装置660放置在钻地工具600的流体通道625中。在图6的特定工具配置中，液压连接640靠近速率控制装置660放置。液压管线670从液压连接640穿过钻地工具600的柄620和冠630延伸到可被动调节的冲击性改动构件650。在钻凿过程中，钻凿流体流过通道625。为了使钻凿流体能够自由地流过通道625，速率控制装置660可设置有通孔或通道655，并且液压连接装置640可设置有流动通道645。
图7示出了钻地工具700，其中集成的可被动调节的冲击性改动构件755和速率控制装置750放置在钻地工具700的外表面上。在一个方面，装置750包括连接到可被动调节的冲击性改动构件755的速率控制装置760。在一个方面，装置750是密封的单元，所述密封的单元可以附接到钻地工具700的任何外表面。速率控制装置760可以与结合图2至图6在此描述的速率控制装置相同或不同。在图7的特定实施例中，可被动调节的冲击性改动构件755示出为连接到钻地工具700的刀片720的侧720a。装置750可以附接或放置在钻地工具700中的任何其它合适的位置。可替代地或另外地，装置750可以集成到刀片中，使得可被动调节的冲击性改动构件755将从钻地工具700朝着期望的方向伸出。
图8是包括可被动调节的冲击性改动构件850的钻地工具800的另一个实施例的横截面图。被描绘为滚锥钻头的钻地工具800包括主体802，所述主体802具有从主体802悬垂的三个支腿804。滚锥806可旋转地安装在每个支腿804上的轴承销816上。每个滚锥806可以在其上包括多个刀具808(例如齿或嵌件)。钻地工具800在其上端包括螺纹部分810，用于连接钻柱118(参见图1)。钻地工具800可以包括穿过主体802延伸到流体通道814的内部气室(internal plenum)812，流体通道814从气室812延伸到轴承系统828，使得滚锥106能够在它们与下面的地层接合时围绕轴承销816旋转。
可被动调节的冲击性改动构件850可以集成到钻地工具800的一个或多个支腿804中，使得包括可被动调节的冲击性改动构件850的每个支腿804可以相对于主体802移动。例如，可被动调节的冲击性改动构件850可包括支腿804的底部820，靠近轴承销816并通过支腿804的上部822与主体802分离。支腿804的底部820可以在至少基本上平行于钻地工具800的纵轴824(例如旋转轴)的方向D上移动。支腿804的上部822可以包括朝向主体802延伸到支腿804中的凹部826，凹部826的尺寸和形状被设计成在其中接收速率控制装置860。速率控制装置860可以与结合图2至图7在此描述的速率控制装置相同或不同。
当钻地工具800部署在井眼中时，可被动调节的冲击性改动构件850可响应于作用在可被动调节的冲击性改动构件850上的力而在第一完全伸出状态和第二完全缩回状态之间移动。例如，可被动调节的冲击性改动构件850可以通过在沿着纵轴824的第一最低纵向位置和沿着纵轴824的第二最高纵向位置之间移动来阻尼钻地工具850经历的振动，从而阻尼钻地工具800经历的振动。
图9是包括可被动调节的冲击性改动构件950的钻地工具900的另一个实施例的一部分的横截面图。在图9中描绘为可膨胀扩孔锥的钻地工具900可以包括滑动刀片904，滑动刀片904以周向间隔的关系被限位在钻地工具的大致圆柱形管状主体902中。每个刀片904可包括固定到其上的刀具908，刀具908配置成与井眼的侧壁接合并从井眼的侧壁移除土壤材料。在钻地工具200使用过程中，刀片904可响应于液压的施加而相对于管状主体902在缩回位置和伸出位置之间移动。
可被动调节的冲击性改动构件950可配置成钻地工具900的一个或多个刀具908(例如PDC切削元件、浸渍嵌件或耐磨材料(例如金属基体黏合碳化钨)嵌件)。在一些实施例中，在每个刀片904上可以包括可被动调节的冲击性改动构件950。在其它实施例中，可被动调节的冲击性改动构件可以固定到钻地工具900的少于所有刀片904上。可被动调节的冲击性改动构件950可以在垂直于钻地工具900的纵轴924(例如旋转轴)或相对于钻地工具900的纵轴924(例如旋转轴)以斜角定向的方向D上移动。刀片904可以包括朝向主体902延伸到刀片904中的凹部926，凹部926的尺寸和形状被设计成在其中接收速率控制装置960。速率控制装置960可以与结合图2至图8在此描述的速率控制装置相同或不同。
当钻地工具900部署在井眼中时，可被动调节的冲击性改动构件950可响应于作用在可被动调节的冲击性改动构件950上的力而在第一完全伸出状态和第二完全缩回状态之间移动。例如，可被动调节的冲击性改动构件950可以响应于来自井眼侧壁的侧向力，通过在距纵轴924的第一最外侧径向位置和距纵轴924的第二最内侧径向位置之间移动，而相对于其它刀具908在过度暴露和欠暴露状态之间转换。
因此，在各种实施例中，速率控制器可以是液压致动装置，并且可以放置在钻地工具中或钻地工具外部的任何期望位置处，以基于或响应在钻凿井筒过程中施加在可被动调节的冲击性改动构件上的外力，自我调节一个或多个可被动调节的冲击性改动构件的伸出和缩回。可被动调节的冲击性改动构件可以独立于钻地工具中的速率控制器的位置和/或定向而定位和定向。多个可被动调节的冲击性改动构件可以相互连接和同时激活。多个可被动调节的冲击性改动构件也可以连接到共用速率控制器。
在各种实施例中，在粘滑过程中，当刀具的切削深度(DOC)较低时，可被动调节的冲击性改动构件可以在钻地工具的高转速(RPM)下相对快速地伸出。然而，在低RPM下，当DOC突然开始增加时，垫抵抗突然的向内运动，并产生大接触(摩擦)力，从而防止高DOC。在粘滑过程中限制高DOC会减少高扭矩积累并减轻粘滑。在各种实施例中，速率控制器可以允许可被动调节的冲击性改动构件的突然或基本上突然的伸出(向外运动)，并且限制可被动调节的冲击性改动构件的突然缩回(向内运动)。这种机构可以防止钻凿过程中刀具切削深度的突然增加。可以提供压力补偿器来平衡速率控制器的缸内和缸外的压力。
在本公开范围内的另外的非限制性实施例如下：
实施例1：一种钻地工具，其包括：主体；以及固定到所述主体的可被动调节的冲击性改动构件，所述可被动调节的冲击性改动构件可响应于作用在所述可被动调节的冲击性改动构件上的力而在其中所述钻地工具呈现第一冲击性的第一位置和其中所述钻地工具呈现第二不同冲击性的第二位置之间移动。
实施例2：根据实施例1所述的钻地工具，其中，所述可被动调节的冲击性改动构件包括切削深度限制装置、切削元件、垫、卵形体和支腿中的一个，所述支腿具有固定到所述支腿的端部的滚锥，并且其中，所述可被动调节的冲击性改动构件可从相对于所述主体的外表面的第一纵向和径向位置处的所述第一位置移动到相对于所述主体的所述外表面的第二不同的纵向位置、径向位置或者纵向和径向两者位置处的所述第二位置。
实施例3：根据实施例1或实施例2所述的钻地工具，其中，所述第一位置对应于伸出状态，所述第二位置对应于缩回状态，所述可被动调节的冲击性改动构件可用第一速率朝向所述第一位置移动，并且所述可被动调节的冲击性改动构件可用第二更慢的速率朝向所述第二位置移动。
实施例4：根据实施例3所述的钻地工具，其中，所述可被动调节的冲击性改动构件朝向所述第一位置偏置。
实施例5：根据实施例3或实施例4所述的钻地工具，其中，所述可被动调节的冲击性改动构件包括：地层接合结构；活塞，其操作性地连接到所述地层接合结构，所述活塞被定位来在所述垫上施加力；偏置构件，其在所述活塞上朝向所述第一位置施加力；流体腔室，其由所述活塞分成第一流体腔室和第二流体腔室；以及第一流体流动路径和第二流体流动路径，所述第一流体流动路径是从所述第一流体腔室到所述第二流体腔室，其以所述第一速率控制所述活塞朝向所述第一位置的移动，所述第二流体流动路径是从所述第二腔室到所述第一腔室，其以所述第二速率控制所述活塞朝向所述第二位置的移动。
实施例6：根据实施例5所述的钻地工具，其中，所述第一流体流动路径中的第一止回阀、第一限流器或第一止回阀和第一限流器限定所述第一速率，并且所述第二流体流动路径中的第二止回阀、第二限流器或第二止回阀和第二限流器限定所述第二速率。
实施例7：根据实施例5或实施例6所述的钻地工具，其中，所述活塞包括双作用活塞，并且作用在所述双作用活塞的第一侧上的流体至少部分地控制所述第一速率，并且作用在所述双作用活塞的第二相反侧上的流体至少部分地控制所述第二速率。
实施例8：根据实施例5至7中任一项所述的钻地工具，其中，所述活塞通过直接机械连接和经由流体中的一种操作性地联接到所述地层接合结构。
实施例9：根据实施例1至8中任一项所述的钻地工具，其中，所述钻地工具是滚锥钻头或混合钻头，并且所述可被动调节的冲击性改动构件位于支腿上，所述支腿从所述滚锥钻头或混合钻头的主体朝向固定到所述支腿的端部的滚锥延伸，所述可被动调节的冲击性改动构件使得所述支腿能够在所述滚锥与下面的地层接合时阻尼振动。
实施例10：根据实施例9所述的钻地工具，其还包括在从所述滚锥钻头或混合钻头的所述主体伸出的其他每个支腿上的附加的可被动调节的冲击性改动构件。
实施例11：根据实施例1至8中任一项所述的钻地工具，其中，所述钻地工具是扩孔锥，并且所述可被动调节的冲击性改动构件位于所述扩孔锥的刀片上，所述可被动调节的冲击性改动构件被配置来响应于当固定到所述扩孔锥的所述刀片的切削元件与地层接合时施加到所述可被动调节的冲击性改动构件上的力来改动所述切削元件的切削深度。
实施例12：根据实施例11所述的钻地工具，其还包括在所述扩孔锥的其他每个刀片上的附加的可被动调节的冲击性改动构件。
实施例13：一种被动调节钻地工具的冲击性的方法，其包括：使得力施加在固定到主体的可被动调节的冲击性改动构件上；以及响应于使所述力作用在所述可被动调节的冲击性改动构件上，将所述可被动调节的冲击性改动构件从其中所述钻地工具呈现第一冲击性的第一位置移动到其中所述钻地工具呈现第二不同冲击性的第二位置。
实施例14：根据实施例13所述的方法，其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述第一位置移动到所述第二位置包括通过将所述可被动调节的冲击性改动构件从伸出位置朝向所述主体缩回到缩回位置来增加所述钻地工具的冲击性。
实施例15：根据实施例14所述的方法，其还包括随后通过将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述缩回位置背离所述主体伸出到所述伸出位置来减少所述钻地工具的冲击性。
实施例16：根据实施例15所述的方法，其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述伸出位置缩回到所述缩回位置包括以第一速率将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述伸出位置缩回到所述缩回位置，并且其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述缩回位置伸出到所述伸出位置包括以第二更快的速率将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述缩回位置伸出到所述伸出位置。
实施例17：根据实施例15或实施例16所述的方法，其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述缩回位置伸出到所述伸出位置包括使得将所述可被动调节的冲击性改动构件朝向所述伸出位置偏置的偏置构件能够将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述缩回位置伸出到所述伸出位置。
实施例18：根据实施例13至17中任一项所述的方法，其中，所述可被动调节的冲击性改动构件包括切削深度限制装置、切削元件、垫、卵形体和支腿中的一个，所述支腿具有固定到所述支腿的端部的滚锥，并且其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述第一位置移动到所述第二位置包括将所述可被动调节的冲击性改动构件从相对于所述主体的外表面的第一纵向和径向位置移动到相对于所述主体的所述外表面的第二不同的纵向位置、径向位置或者纵向和径向两者位置。
实施例19：根据实施例13至18中任一项所述的方法，其中，所述钻地工具是滚锥钻头或混合钻头，并且所述可被动调节的冲击性改动构件位于支腿上，所述支腿从所述滚锥钻头或混合钻头的所述主体朝向固定到所述支腿的端部的滚锥延伸，并且其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述第一位置移动到所述第二位置包括当所述滚锥与下面的地层接合时阻尼所述支腿经受的振动。
实施例20：根据实施例13至18中任一项所述的方法，其中，所述钻地工具是扩孔锥，并且所述可被动调节的冲击性改动构件位于所述扩孔锥的刀片上，并且其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述第一位置移动到所述第二位置包括响应于当固定到所述扩孔锥的所述刀片的切削元件与地层接合时施加到所述可被动调节的冲击性改动构件上的力来改动所述切削元件的切削深度。
尽管结合附图描述了某些说明性实施例，但是本领域普通技术人员将认识到并理解，本公开的范围不限于在本公开中明确示出和描述的那些实施例。相反，可以对本公开中描述的实施例进行许多添加、删除和改动，以产生在本公开范围内的实施例，例如具体要求保护的实施例，包括法律等效物。另外，来自一个公开实施例的特征可以与另一个公开实施例的特征组合，同时仍在发明人所预期的本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种钻地工具，其包括：
主体；以及
固定到所述主体的可被动调节的冲击性改动构件，所述可被动调节的冲击性改动构件可响应于作用在所述可被动调节的冲击性改动构件上的力而在其中所述钻地工具呈现第一冲击性的第一位置和其中所述钻地工具呈现第二不同冲击性的第二位置之间移动。
2.根据权利要求1所述的钻地工具，其中，所述可被动调节的冲击性改动构件包括切削深度限制装置、切削元件、垫、卵形体和支腿中的一个，所述支腿具有固定到所述支腿的端部的滚锥，并且其中，所述可被动调节的冲击性改动构件可从相对于所述主体的外表面的第一纵向和径向位置处的所述第一位置移动到相对于所述主体的所述外表面的第二不同的纵向位置、径向位置或者纵向和径向两者位置处的所述第二位置。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的钻地工具，其中，所述第一位置对应于伸出状态，所述第二位置对应于缩回状态，所述可被动调节的冲击性改动构件可用第一速率朝向所述第一位置移动，并且所述可被动调节的冲击性改动构件可用第二更慢的速率朝向所述第二位置移动。
4.根据权利要求3所述的钻地工具，其中，所述可被动调节的冲击性改动构件朝向所述第一位置偏置。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的钻地工具，其中，所述可被动调节的冲击性改动构件包括：
地层接合结构；
活塞，其操作性地连接到所述地层接合结构，所述活塞被定位来在所述垫上施加力；
偏置构件，其在所述活塞上朝向所述第一位置施加力；
流体腔室，其由所述活塞分成第一流体腔室和第二流体腔室；以及
第一流体流动路径和第二流体流动路径，所述第一流体流动路径是从所述第一流体腔室到所述第二流体腔室，其以所述第一速率控制所述活塞朝向所述第一位置的移动，所述第二流体流动路径是从所述第二腔室到所述第一腔室，其以所述第二速率控制所述活塞朝向所述第二位置的移动。
6.根据权利要求5所述的钻地工具，其中，所述第一流体流动路径中的第一止回阀、第一限流器或第一止回阀和第一限流器限定所述第一速率，并且所述第二流体流动路径中的第二止回阀、第二限流器或第二止回阀和第二限流器限定所述第二速率。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的钻地工具，其中，所述活塞包括双作用活塞，并且作用在所述双作用活塞的第一侧上的流体至少部分地控制所述第一速率，并且作用在所述双作用活塞的第二相反侧上的流体至少部分地控制所述第二速率。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的钻地工具，其中，所述活塞通过直接机械连接和经由流体中的一种操作性地联接到所述地层接合结构。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的钻地工具，其中，所述钻地工具是滚锥钻头或混合钻头，并且所述可被动调节的冲击性改动构件位于支腿上，所述支腿从所述滚锥钻头或混合钻头的主体朝向固定到所述支腿的端部的滚锥延伸，所述可被动调节的冲击性改动构件使得所述支腿能够在所述滚锥与下面的地层接合时阻尼振动。
10.根据权利要求9所述的钻地工具，其还包括在从所述滚锥钻头或混合钻头的所述主体伸出的其他每个支腿上的附加的可被动调节的冲击性改动构件。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的钻地工具，其中，所述钻地工具是扩孔锥，并且所述可被动调节的冲击性改动构件位于所述扩孔锥的刀片上，所述可被动调节的冲击性改动构件被配置来响应于当固定到所述扩孔锥的所述刀片的切削元件与地层接合时施加到所述可被动调节的冲击性改动构件上的力来改动所述切削元件的切削深度。
12.根据权利要求11所述的钻地工具，其还包括在所述扩孔锥的其他每个刀片上的附加的可被动调节的冲击性改动构件。
13.一种被动调节钻地工具的冲击性的方法，其包括：
使得力施加在固定到主体的可被动调节的冲击性改动构件上；以及
响应于使所述力作用在所述可被动调节的冲击性改动构件上，将所述可被动调节的冲击性改动构件从其中所述钻地工具呈现第一冲击性的第一位置移动到其中所述钻地工具呈现第二不同冲击性的第二位置。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述第一位置移动到所述第二位置包括通过将所述可被动调节的冲击性改动构件从伸出位置朝向所述主体缩回到缩回位置来增加所述钻地工具的冲击性。
15.根据权利要求14所述的方法，其还包括随后通过将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述缩回位置背离所述主体伸出到所述伸出位置来减少所述钻地工具的冲击性。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述伸出位置缩回到所述缩回位置包括以第一速率将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述伸出位置缩回到所述缩回位置，并且其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述缩回位置伸出到所述伸出位置包括以第二更快的速率将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述缩回位置伸出到所述伸出位置。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法，其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述缩回位置伸出到所述伸出位置包括使得将所述可被动调节的冲击性改动构件朝向所述伸出位置偏置的偏置构件能够将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述缩回位置伸出到所述伸出位置。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中，所述可被动调节的冲击性改动构件包括切削深度限制装置、切削元件、垫、卵形体和支腿中的一个，所述支腿具有固定到所述支腿的端部的滚锥，并且其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述第一位置移动到所述第二位置包括将所述可被动调节的冲击性改动构件从相对于所述主体的外表面的第一纵向和径向位置移动到相对于所述主体的所述外表面的第二不同的纵向位置、径向位置或者纵向和径向两者位置。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，所述钻地工具是滚锥钻头或混合钻头，并且所述可被动调节的冲击性改动构件位于支腿上，所述支腿从所述滚锥钻头或混合钻头的所述主体朝向固定到所述支腿的端部的滚锥延伸，并且其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述第一位置移动到所述第二位置包括当所述滚锥与下面的地层接合时阻尼所述支腿经受的振动。
20.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，所述钻地工具是扩孔锥，并且所述可被动调节的冲击性改动构件位于所述扩孔锥的刀片上，并且其中，将所述可被动调节的冲击性改动构件从所述第一位置移动到所述第二位置包括响应于当固定到所述扩孔锥的所述刀片的切削元件与地层接合时施加到所述可被动调节的冲击性改动构件上的力来改动所述切削元件的切削深度。
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