在偏心旋轉期間對旋轉鉆頭中的弱區域的識別制造技術

本文公開一種設計鉆頭的方法。所述方法包括：確定鉆頭坐標系統在井筒坐標系統中的位置；以及基于圍繞井筒的井筒軸的角坐標和所述鉆頭坐標系統的所述位置產生鉆頭輪廓。所述鉆頭輪廓基于第一刀片的外部部分上的第一切削元件的切削邊緣。所述方法還包括：基于所述鉆頭輪廓確定切削層體積；以及基于小于預定最小切削層體積的所述切削層體積來識別弱區域。所述方法包括：基于所述弱區域確定第二刀片的所述外部部分上的第二切削元件的位置。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本公開總體上涉及井下鉆井工具，并且更具體來說涉及在偏心旋轉期間對旋轉鉆頭中的弱區域的識別。專利技術背景各種類型的工具用來在地下巖層中形成井筒以用于回收烴，例如處于地表下方的油氣。這類工具的實例包括旋轉鉆頭、開孔器、擴孔器和取心鉆頭。旋轉鉆頭包括但不限于固定刀具鉆頭，例如聚晶金剛石復合片(PDC)鉆頭、刮刀鉆頭、基體鉆頭、鑿巖鉆頭和牙輪鉆頭。固定刀具鉆頭通常包括多個刀片，所述多個刀片各具有多個切削元件，例如PDC鉆頭上的PDC切削元件。在典型鉆井應用中，鉆頭旋轉以形成井筒。由鉆頭形成的井筒的直徑可由設置在鉆頭的最大外徑處的切削元件限定。鉆頭直接或間接耦接至“鉆柱”，所述鉆柱包括端對端連接的一系列細長管狀分段。部件的被稱為“底部鉆具組合”(BHA)的組件可連接至鉆柱的井下端。當BHA的軸與鉆頭的軸不處于對準中時，鉆頭可作為整體圍繞BHA軸旋轉。這被稱作鉆頭的偏心旋轉。附圖簡述結合附圖參考以下描述可獲得對本公開的特征和其優點的更完整的理解，在附圖中相同的參考數字指示相同的特征，并且其中：圖1示出根據本公開的一些實施方案的鉆井系統的示例性實施方案的立視圖；圖2A示出根據本公開的一些實施方案的以通常用來建模或者設計固定刀具鉆頭的方式向上定向鉆頭的等距圖；圖2B示出根據本公開的一些實施方案的被配置來形成井筒的鉆頭的鉆頭面輪廓；圖3A示出根據本公開的一些實施方案的具有與井筒(或BHA)軸未對準的鉆頭軸的鉆頭的示意性圖式；圖3B示出根據本公開的一些實施方案的具有從井筒軸偏心的鉆頭軸的鉆頭的鉆頭面的示意性圖式；圖4A和4B示出根據本公開的一些實施方案的圖3B的鉆頭的鉆頭面輪廓的示意性圖式；圖5示出根據本公開的一些實施方案的具有變化角坐標θ的圖3B的鉆頭的鉆頭面輪廓的示意性圖式；圖6A和6B示出根據本公開的一些實施方案的與徑向坐標有關的切削層體積的曲線圖；圖7示出根據本公開的一些實施方案的基于如參考圖5討論的圍繞井筒軸的各種角坐標(θ)的切削層體積的曲線圖；圖8示出根據本公開的一些實施方案的基于在具有補償弱區域的額外切削元件的情況下的圍繞井筒軸的各種角坐標(θ)的切削層體積的曲線圖；圖9示出根據本公開的一些實施方案的示例性井下鉆井工具建模系統的方框圖；以及圖10示出根據本公開的一些實施方案的用于在偏心旋轉期間對旋轉鉆頭中的弱區域的識別的示例性方法的流程圖。具體實施方式公開一種鉆頭模型和相關系統和方法，涉及對鉆頭中的可在偏心旋轉期間出現的弱區域的識別。在廣義的術語中，所公開的模型的一個方面考慮到確定井筒坐標系統中的鉆頭坐標的位置。多個鉆頭輪廓基于圍繞井筒的軸的各種角度產生。基于鉆頭輪廓，計算切削層材料體積并識別鉆頭上的弱區域。弱區域是其中個別切削元件的切削層可被磨損以使得切削層體積小于預定最小切削層體積的區域。為了補償弱區域，可在鉆頭上配置額外切削元件。因此，通過參考圖1至圖10最好地理解本公開的實施方案和其優點，各圖中相同編號用于指示相同和對應部分。圖1示出根據本公開的一些實施方案的鉆井系統100的示例性實施方案的立視圖。鉆井系統100被配置來根據本公開的一些實施方案提供進入一個或多個地質地層中的鉆井。鉆井系統100可包括井表面，有時被稱為“井場”106。各種類型的鉆井裝備，例如旋轉臺、泥漿泵和泥漿罐(未明確示出)可定位在井表面或井場106。例如，井場106可包括鉆機102，所述鉆機102可具有與“陸地鉆機”相關聯的各種特性和特征。然而，并入有本公開的教導的井下鉆井工具可令人滿意地與鉆井裝備一起使用，所述鉆井裝備定位在海上平臺、鉆井船、半潛式裝置和鉆井駁船(未明確示出)上。鉆井系統100可包括與鉆頭101相關聯的鉆柱103，所述鉆頭101可用來形成多種井筒或井眼，例如大體豎直的井筒、大體水平的井筒和/或豎直下降并且隨后以如圖1所示的預定角度下降的井筒。各種定向鉆井技術和鉆柱103的井底鉆具組件(BHA)120的相關聯部件可用來形成井筒114。例如，側向力可在鄰近造斜位置113處施加于鉆頭101以形成井筒114的從井筒114的大體豎直部分延伸的成角部分。術語“定向鉆井”可用來描述鉆出相對于豎直面以一個或多個所需角度延伸的井筒或井筒的一部分。這類角度可大于與豎直井筒相關聯的標準變化。定向鉆井還可被描述為鉆出偏離豎直面的井筒。術語“水平鉆井”可用來包括在與豎直面成約九十度(90°)的方向上鉆井。BHA120可由被配置來形成井筒114的多種部件形成。例如，BHA120的部件122a、122b和122c可包括但不限于，鉆頭(例如，鉆頭101)，鉆挺，旋轉導向工具，定向鉆井工具，井下鉆井馬達，用于鉆柱的重量、扭矩、彎曲和彎曲方向測量的鉆井參數傳感器以及其他振動和旋轉相關傳感器，例如擴孔器、管下擴孔器或開孔器的孔放大器，穩定器，含有井筒測量裝備的隨鉆測量(MWD)部件，用于測量地層參數的隨鉆測井(LWD)傳感器，用于通信的短途和長距離遙測系統，和/或任何其他適合的井下裝備。例如被包括在BHA120中的鉆挺和不同類型的部件122的部件數量可取決于所預測的井下鉆井條件和將由鉆柱103和旋轉鉆頭101形成的井筒的類型。BHA120還可包括各種類型的測井工具(未明確示出)和與井筒的定向鉆井相關聯的其他井下工具。這類測井工具和/或定向鉆井工具的實例可包括但不限于聲學、中子、γ射線、密度、光電、核磁共振、旋轉導向工具和/或任何其他可商購的井工具。井筒114可部分地由套管柱110限定，所述套管柱110可從井表面106延伸至所選井下位置。如在圖1中所示，井筒114的不包括套管柱110的部分可被描述為“裸井”。此外，襯管部分(未明確示出)可存在并且可與鄰近套管或襯管部分相連接。襯管部分(未明確示出)可不延伸至井場106。襯管部分可從先前襯管或套管定位成鄰近底部、或井下。襯管部分可延伸至井筒114的末端。術語“井上”和“井下”可用來描述鉆井系統100的各種部件相對于井筒114的底部或末端的位置。例如，被描述為從第二部件井上的第一部件可比第二部件更加遠離井筒114的末端。類似地，被描述為從第二部件井下的第一部件可定位成比第二部件更加靠近井筒114的末端。各種類型的鉆井液可通過鉆柱103至附接的鉆頭101從井表面106泵出。這類鉆井液可被引導來從鉆柱103流至被包括在旋轉鉆頭101中的相應噴嘴(圖2中所示的物件256)。鉆井液可通過部分地由鉆柱103的外徑112和井筒114的內徑118限定的環空108循環返回到井表面106。內徑118可被稱為井筒114的“側壁”或者“孔壁”。環空108也可由鉆柱103的外徑112和套管柱110的內徑111限定。裸井環空116可被限定為側壁118和外徑112。鉆井系統100還可包括旋轉鉆頭(“鉆頭”)101。在圖2A中進一步詳細討論的鉆頭101可包括一個或多個刀片126，所述刀片126可從鉆頭101的旋轉鉆頭體124的外部部分向外設置。旋轉鉆頭體124可具有大體圓柱形的主體并且刀片126可以是從旋轉鉆頭體124向外延伸的任何合適類型的突出。刀片126可包括從每一刀片126的外部部分向外設置的一個或多個切削元件128。刀片126可包括被配置來控制切削元件128的切削深度的一個或多個切削深度控制器(未明本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種設計鉆頭的方法，所述方法包括：確定鉆頭坐標系統在井筒坐標系統中的位置；基于圍繞井筒的井筒軸的角坐標和所述鉆頭坐標系統的所述位置產生鉆頭的鉆頭輪廓，所述鉆頭輪廓基于所述鉆頭上的第一刀片的外部部分上的第一切削元件的切削邊緣；基于所述鉆頭輪廓確定切削層體積；基于小于預定最小切削層體積的所述切削層體積來識別弱區域；以及基于所述弱區域確定第二刀片的所述外部部分上的第二切削元件的位置。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種設計鉆頭的方法，所述方法包括：確定鉆頭坐標系統在井筒坐標系統中的位置；基于圍繞井筒的井筒軸的角坐標和所述鉆頭坐標系統的所述位置產生鉆頭的鉆頭輪廓，所述鉆頭輪廓基于所述鉆頭上的第一刀片的外部部分上的第一切削元件的切削邊緣；基于所述鉆頭輪廓確定切削層體積；基于小于預定最小切削層體積的所述切削層體積來識別弱區域；以及基于所述弱區域確定第二刀片的所述外部部分上的第二切削元件的位置。2.如權利要求1所述的方法，其進一步包括：基于所述弱區域的所述井筒軸來獲得徑向坐標。3.如權利要求2所述的方法，其進一步包括：基于所述鉆頭軸調整所述徑向坐標。4.如權利要求3所述的方法，其中定位所述第二切削元件是基于所述被調整的徑向坐標。5.如權利要求1所述的方法，其中所述弱區域的所述位置位于所述第一刀片的錐體區域中。6.如權利要求1所述的方法，其中所述第二切削元件與所述第一切削元件是分軌布置。7.一種用于設計鉆頭的系統，所述系統包括：存儲器；以及處理器，其通信耦接至所述存儲器，所述處理器被配置來訪問非暫態計算機可讀媒體，所述非暫態計算機可讀媒體包括存儲在其中的指令，所述指令在通過所述處理器執行時致使所述處理器來：確定鉆頭坐標系統在井筒坐標系統中的位置；基于圍繞井筒的井筒軸的角坐標和所述鉆頭坐標系統的所述位置產生鉆頭的鉆頭輪廓，所述鉆頭輪廓基于第一刀片的外部部分上的第一切削元件的切削邊緣；基于所述鉆頭輪廓確定切削層體積；基于小于預定最小切削層體積的所述切削層體積來識別弱區域；以及基于所述弱區域確定第二刀片的所述外部部分上的第二切削元件的位置。8.如權利要求7...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳世林，
申請(專利權)人：哈里伯頓能源服務公司，
類型：發明
國別省市：美國;US