井下定向钻井工具的制作方法

井下定向钻井工具
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年2月15日提交的美国专利申请号62/805,977的权益和优先权，该申请的全部内容通过引用并入于此。


背景技术：

3.为了各种勘探或开采目的，井眼可以钻到地表位置或海底。例如，可以钻出井眼以获取存储在地下地层中的流体，例如液态和气态烃，并从地层中开采流体。用于生产或开采流体的井眼可在井眼壁周围衬有套管。可以使用多种钻井方法，部分取决于井眼所钻穿的地层的特性。
4.钻孔可以通过从地面向下钻透泥土材料的钻井系统进行。一些井眼是垂直向下钻的，一些井眼在井眼中有一条或多条曲线，以遵循理想的地质地层，避免有问题的地质地层，或两者的结合。


技术实现要素：

5.在一些方面，一种井下工具包括定向垫，该定向垫被配置为在垫接触位置接触井眼壁，以及具有至少一个主动(active)切割元件的钻头。至少一个主动切割元件在切割元件接触位置处接触井眼壁，并且垫接触位置和切割元件接触位置之间的接触距离为3英寸(7.6厘米)或更小。
6.根据一些方面，一种井下工具包括被配置为在垫接触位置接触井眼壁的定向垫和具有至少一个主动切割元件的钻头。钻头直径与垫接触位置和至少一个主动切割元件之间的接触长度之间的接触比大于3:1。
7.根据另外的方面，一种井下工具包括定向垫和钻头，该定向垫被配置为在垫接触位置接触井眼壁，并且所述钻头具有至少一个主动切割元件。接触位置和至少一个主动切割元件之间相对于纵向轴线的定向垫角度大于0
°
且小于或等于5
°
。
8.另外的方面包括一种井下工具，该井下工具具有定向垫和钻头，该定向垫被配置为在垫接触位置接触井眼壁，该钻头具有第一主动切割元件和第二主动切割元件。第一主动切割元件位于比任何其他切割元件更远的井上，并且第二主动切割元件比除第一主动切割元件之外的任何其他切割元件位于更远的井上。第一主动切割元件和第二主动切割元件之间的角度大于0
°
且小于或等于5
°
。
9.提供该概述以介绍在以下详细描述中进一步描述的构思的选择。本概述无意确定要求保护的主题的关键或基本特征，也无意用作限制要求保护的主题的范围的辅助工具。相反，本公开的实施例的附加特征和方面将在随后的描述中阐述，并且部分地从描述中将是显而易见的，或者可以通过这样的实施例的实践而获知。这些实施例的特征和方面可以通过在所附权利要求中特别指出的仪器和组合来实现和获得。这些和其他特征将从以下描述和所附权利要求中变得更加明显，或者可以通过如下文阐述的此类实施例的实践而获悉。
附图说明
10.为了描述可以获得本公开的上述和其他特征的方式，将通过参考附图中示出的其特定实施例进行更具体的描述。为了更好地理解，在各个附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。虽然一些附图可能是构思的示意性或夸大的表示，但是至少一些附图可以按比例绘制。应当理解，附图描绘了一些示例性实施例，将通过使用附图以额外的特性和细节来描述和解释实施例，在附图中:
11.图1是根据本公开的至少一个实施例的钻井系统的示意图；
12.图2是现有技术定向钻井系统的示意图；
13.图3是根据本公开的至少一个实施例的定向钻井系统的示意图；
14.图4是根据本公开的至少一个实施例的定向钻井系统的截面图；
15.图5是根据本公开的至少一个实施例的定向钻井系统的另一横截面视图；
16.图6是根据本公开的至少一个实施例的钻头的局部侧视图；
17.图7是根据本公开的至少一个实施例的钻头的另一局部侧视图；
18.图8是根据本公开的至少一个实施例的钻头的侧视图；
19.图9是根据本公开的至少一个实施例的复合切割轮廓的示意图；
20.图10是根据本公开的至少一个实施例的复合切割轮廓的另一种表示；
21.图11是根据本公开的至少一个实施例的可用于将驱动轴连接到钻头的组装工具的侧视图；
22.图12
‑
1是根据本公开的至少一个实施例的可用于将驱动轴连接到钻头的另一组装工具的透视图；和
23.图12
‑
2是图12
‑
1的装配工具的透视图，其中钻头被移除。
具体实施方式
24.本公开总体上涉及用于井下定向钻井工具的装置、系统和方法。
25.图1示出了用于钻探地层101以形成井眼102的钻井系统100的一个示例。钻井系统100包括用于转动向下延伸到井眼102中的钻井工具组件104的钻机103。钻井工具组件104可以包括钻柱105、井底组件(“bha”)106和钻头110，其附接到钻柱105的井下端。
26.钻柱105可包括钻杆108的若干接头，其通过工具接头109首尾相连。钻柱105通过中心孔传输钻井液并将旋转动力从钻机103传输到bha 106。在一些实施例中，钻柱105还可包括附加部件，例如短节、短接头等。钻杆108提供液压通道，通过该液压通道从地面泵送钻井液。钻井液通过钻头110中的选定尺寸的喷嘴、喷口或其他孔口泵出，目的是冷却钻头110和其上的切割结构，并在钻井时将钻屑提升出井眼102。
27.bha 106可以包括钻头110或其他部件。示例bha 106可以包括附加或其他部件(例如，联接在钻柱105和钻头110之间)。附加bha部件的示例包括钻铤、稳定器、随钻测量(“mwd”)工具、随钻测井(“lwd”)工具、井下马达、扩眼器、段磨机、液压断开装置、震击器、振动或阻尼工具、其他组件或上述的组合。
28.一般而言，钻井系统100可包括其他钻井部件和附件，例如特殊阀门(例如方钻杆旋塞、防喷器和安全阀)。包括在钻井系统100中的附加部件可被认为是钻井工具组件104、钻柱105或bha 106的一部分，这取决于它们在钻井系统100中的位置。
29.bha 106中的钻头110可以是适合于降解井下材料的任何类型的钻头。例如，钻头110可以是适合于钻探地层101的钻头。用于钻探地层的钻头的示例类型是固定切割器或刮刀钻头。使用磨机形成的切屑或其他钻屑可能会被提升到地面，或者可能会落入井下。钻头110可由定向钻井组件112引导。
30.图2是包括钻头210的现有技术定向钻井组件212的示意图。钻头210可以连接到定向钻井短节214，该定向钻井短节具有一个或多个选择性定向垫216，该定向垫216被配置为接触井眼202的壁218。定向垫可以是可扩展的，例如在定向钻井短节214是旋转导向系统的情况下。当定向垫216选择性地扩展并接触壁218时，钻头210在壁218的相对侧上的钻头接触位置224处受到更大的力，从而迫使井眼202径向偏转或双向弯折(dog leg)。钻头210通过稳定器220与壁218在稳定器接触位置处的接触而稳定，从而促进一致的径向偏转或双向弯折严重度(dls)。定向垫216越靠近钻头接触位置224，dls就越大。在所示的定向钻井组件212(例如，包括旋转导向系统)中，选择性地延伸定向垫216的内部结构力学限制了定向垫216可以放置在钻头210附近的程度。如所示，定向垫216和钻头接触位置224之间的距离很大。例如，如所示，定向垫216和钻头接触位置224之间的距离大于12英寸(30.5厘米)。
31.图3是定向钻井组件312的实施例的示意图。钻头310可以通过钻头连接件328连接到定向钻井短节314。定向垫316可以连接到定向钻井短节314的井下端。定向垫316可以位于或容纳在位于定向钻井短节314上的定向垫壳体330中。在一些实施例中，定向垫316(以及可选地支撑定向垫316的定向垫壳体330的部分)可以位于或朝向定向钻井短节314的下端，并且可以延伸经过定向垫壳体330和/或定向钻井短节314的井下端332。特别地，被称为悬垂的距离334被示为定向垫316(和/或定向垫壳体330的相关部分)延伸超过或悬垂定向垫壳体330的另一部分的井下端332。
32.如图3所示，定向垫壳体330的井下端332所在的部分可以直接与定向垫316相对；然而，这不是限制性的。在相同或其他实施例中，井下端332可以是定向垫壳体330的支撑第二垫317的一部分的井下端。在一些实施例中，第二垫317不像定向垫316那样在井下轴向延伸得那么远。在相同或其他实施例中，第二垫317也可以从定向垫壳体330的部分径向延伸。第二垫317的径向延伸量可以变化，并且在一些实施例中，定向垫壳体330的纵向轴线和第二垫317的外表面之间的距离小于定向垫壳体330的纵向轴线和定向垫316的外表面之间的距离。在进一步的示例性实施例中，定向垫壳体330的纵向轴线和第二垫317的外表面之间的距离可以小于或等于最终切割元件接触位置338处的切割元件半径。
33.在一些实施例中，第二垫317是附接到定向垫壳体330的分立部件。在其他实施例中，第二垫317与定向垫壳体330一体形成(见图4)。此外，可以使用任何数量的第二垫317。例如，在至少一些实施例中，定向垫壳体330包括或附接到一个定向垫316和两个、三个、四个或更多个第二垫317。
34.定向垫316可以在垫接触位置336处接合或接触井眼302的壁318。位于钻头310上的切割元件337可以接合地层301，降解或切割地层301以形成井眼302。一些切割元件337是主动切割元件337，意味着它们主动地接合和移除地层301，或者切割穿过地层301的路径。至少一个主动切割元件337可以位于限定最终主动切割元件接触位置338的位置处。在一些实施例中，垫接触位置336和最终切割元件接触位置338之间的接触长度340可直接影响使用定向钻井组件312可实现的dls。换句话说，较短的接触长度340可以增加dls，较长的接触
长度340可以减少dls。
35.在一些实施例中，钻头310可以独立于定向垫壳体330或相对于定向垫壳体330旋转。换句话说，钻头310可以由井下马达(未示出)驱动，例如泥浆涡轮或莫伊尼奥(moineau)泵。定向垫316可以保持绝对角度取向(例如，相对于重力和/或诸如磁北的基本方向)。随着井眼302前进，定向垫316可沿着井眼壁318滑动，持续推动钻头310与垫接触位置336相对。因此，定向钻井组件312可以通过滑动钻井形成双向弯折。双向弯折的方向可以通过旋转定向垫壳体330来改变。此外，dls的大小可以通过在从滑动到旋转的钻井模式之间切换来调节而被调节。
36.井下工具(例如井下马达驱动轴，未示出)的至少一部分从定向垫壳体330的井下端332延伸，以形成钻头连接件328。钻头连接件328可以延伸连接长度342，从而移动(例如，延伸)定向垫壳体330，并且潜在地移动定向垫316，远离钻头310。在一些实施例中，包括延伸或突出超过定向垫壳体330的另一部分的井下端332的悬垂334可以允许定向垫316更靠近钻头310定位，而不干扰钻头连接件328。以这种方式，接触长度340可以减小，从而增加dls。
37.图4是定向钻井组件412的一部分的实施例的截面图。在一些实施例中，定向钻井组件412可以是图3的定向钻井组件312的一部分的放大视图。
38.在图4中，钻头410在钻头连接件428处连接到井下工具444。定向垫416可附接到定向垫壳体430，并且定向垫416可在一个或多个垫接触位置436处接触井眼402的壁418。在一些实施例中，定向垫416在单个位置，或者在点位置，或者沿着单个线，接触壁418。在其他实施例中，定向垫416可以在定向垫416的区域上接触壁418。在一些实施例中，存在显著的接触面积，例如定向垫416的外表面面积的一半、大部分或全部。垫接触位置436可以是定向垫416接触壁418的最井下位置。
39.钻头410可以包括多个切割元件437。一些切割元件437可以是主动切割元件437。主动切割元件437是当钻头410旋转并且钻头上的重量施加到井下时主动降解和移除一定体积的地层401的切割元件。因此，在更大或相等的径向距离处位于切割元件的井上的切割元件可以不被认为是主动切割元件437，因为可以被切割元件移除的体积可以在切割元件移动时被移除到所移除的岩石的位置。相反，这样的切割元件可替代地用于保护规格(gauge)、稳定钻头或用于回扩孔，而不是用于在推进钻头410的同时进行主动切割。
40.最终主动切割元件437
‑
1可以是最井上的主动切割元件437。因此，最终主动切割元件437
‑
1可以比多个切割元件437中的每个其他(every other)主动切割元件437位于更靠井上的位置。在一些示例中，最终主动切割元件437
‑
1元件可以是最远的井上切割元件437。在其他示例中，一个或多个非主动的切割元件437可以位于最终主动切割元件437的井上。例如，当钻头410从钻孔移除时，一个或多个切割元件437可用于后扩孔。
41.最终主动切割元件437
‑
1可以在最终切割元件接触位置438处接合地层401，并且从地层401移除一定体积的岩石。最终切割元件接触位置438可以大致在最终主动切割元件437
‑
1的中心(例如，圆柱形切割器的纵向中心)，其沿着定向钻井组件412的纵向轴线446纵向向下测量。因此，接触长度440可以是垫接触位置436和最终切割元件接触位置438之间的距离。在所示实施例中，接触长度440可以是定向垫416接触壁418的最井下位置和最终主动切割元件437
‑
1的中心之间的距离。
42.在一些实施例中，接触长度440可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括0.25英寸(0.6厘米)、0.5英寸(1.3厘米)、0.75英寸(1.9厘米)、1.0英寸(2.5厘米)、1.25英寸(3.2厘米)、1.5英寸(3.8厘米)、1.75英寸(4.4厘米)、2.0英寸(5.1厘米)、2.25英寸(5.7厘米)、2.5(6.4厘米)、2.75英寸(7.0厘米)、3.0英寸(7.6厘米)、4.0英寸(10.2厘米)、5.0英寸(12.7厘米)、6.0英寸(15.2厘米)、7.0英寸(17.8厘米)、8.0英寸(20.3厘米)中的任一个或它们之间的任何值。例如，接触长度440可以大于0.25英寸(0.6厘米)。在其他示例中，接触长度440可以小于8.0英寸(2.3厘米)。在其他示例中，接触长度440可以是在0.25英寸(0.6厘米)和8.0英寸(2.3厘米)之间的范围内的任何值。在其他示例中，接触长度440可以小于6.0英寸(15.2厘米)。在其他示例中，接触长度440可以小于3.0英寸(7.6厘米)。在至少一些实施例中，小于3.0英寸(7.6厘米)的接触长度440对于实现定向钻井组件412的期望dls增加可能是关键的。
43.在一些实施例中，定向钻井组件412可实现的最大dls可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括每100英尺(30米)1
°
、每100英尺(30米)2
°
，每100英尺(30米)3
°
，每100英尺(30米)4
°
，每100英尺(30米)5
°
，每100英尺(30米)6
°
、每100英尺(30米)7
°
、每100英尺(30米)8
°
、每100英尺(30米)9
°
、每100英尺(30米)10
°
中的任一个，或它们之间的任何值。进一步进行了一些分析以表明定向组件412可实现的最大dls甚至可能超过每100英尺(30米)10
°
，甚至可能高达每100英尺(30米)20
°
，高达每100英尺(30米)25
°
，高达每100英尺(30米)40
°
，甚至高达每100英尺(30米)60
°
。
44.因此，最大dls可以大于每100英尺(30米)1
°
、大于每100英尺(30米)10
°
、大于每100英尺(30米)20
°
、大于每100英尺(30米)小于30
°
，或每100英尺(30米)大于40
°
。在相同或其他示例中，最大dls可以小于每100英尺(30米)60
°
、小于每100英尺(30米)50
°
、小于每100英尺(30米)40
°
，小于每100英尺(30米)25
°
，小于每100英尺(30米)20
°
，或小于每100英尺(30米)10
°
。在其他示例中，最大dls可以是每100英尺(30米)1
°
和每100英尺(30米)25
°
之间范围内的任何值，或者每100英尺(30米)1
°
和每100英尺(30米)60
°
之间范围内的任何值。
45.与图3的定向钻井组件312类似，定向钻井组件412可包括定向垫416，该定向垫416延伸一段距离以具有相对于并超出定向垫壳体430的一部分的井下端432的悬垂434。井下端432被示为定向垫壳体430的一部分的井下端，该定向垫壳体430的一部分与第二垫417的一部分对准、支撑该第二垫417的一部分。第二垫417可以与定向垫416相对(即，在所示实施例中成角度地偏移180
°
)；然而，在其他实施例中，第二垫417可以从定向垫416偏移小于180
°
(例如，90
°
或120
°
)。
46.在一些实施例中，定向垫416的井下端和定向垫壳体430的其他部分的井下端432之间的悬垂距离448可以等于或小于井下端432和钻头410的井上端之间的距离442。例如，悬垂434可以延伸跨过钻头连接件428的整个柄部。当制造时，钻头连接件428的柄部可以在上扣到如本文所述的钻头410时保持在钻头410的外面。在这些或其他实施例中，接触长度440可以为零或接近于零(例如，小于最终主动切割元件437
‑
1的直径)。在一些实施例中，接触长度440可以是连接距离442的百分比。连接距离442可以是定向垫壳体430的另一部分的井下端432与钻头410的井上端之间的距离。在一些实施例中，连接长度442对应于钻头连接件428的柄部的长度。
47.悬垂距离448可以通过悬垂百分比与连接长度442相关。在一些实施例中，悬垂百
分比(即悬垂距离448与连接长度442的百分比)可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括10％、25％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％、100％中的任一个或它们之间的任何值。例如，悬垂百分比可能大于10％。在其他示例中，悬垂百分比可以小于100％。在其他示例中，悬垂百分比可以是在10％和100％之间的范围内的任何值。
48.钻头410具有钻头直径，其也可被称为规格直径。钻头直径是图4中所示的钻头半径450的两倍。在一些实施例中，钻头直径可以是钻井井眼中使用的任何直径，包括4英寸(10.2厘米)和24英寸(61.0厘米)之间的钻头直径。在一些实施例中，钻头直径在6英寸(15.2厘米)和13英寸(33.0厘米)之间或在8英寸(20.3厘米)和9英寸(22.9厘米)之间。接触比可以定义为钻头直径与接触长度440的比值。例如，接触比可以大于3:1。在其他示例中，接触比可以是4:1。在其他示例中，接触比可以在20:1和2:1之间。例如，接触比可以是33:2、10:1、9:1、17:2、8:1、35:6、5:1、9:2；8:3，或钻头直径与接触长度440的任何其他组合。在一些情况下，更高的接触比可以增加定向钻井组件412的最大dls。
49.图4的定向垫416具有从定向钻井组件412的纵向轴线446测量的垫半径452。在一些实施例中，垫半径452等于或大于钻头半径450。例如，垫半径452可以等于钻头半径450。在其他实施例中，垫半径452可以大于钻头半径450。例如，钻头半径450可以是最终主动切割元件半径，并且垫半径452可以大于最终主动切割元件半径。在一些实施例中，垫半径452在钻头半径450的100％和150％之间、100％和120％之间、101％和115％之间、或101％和110％之间。增加垫半径可以增加使用期间施加到井眼402的壁418的力，并且施加到壁418的更大的力可以增加定向钻井组件412的dls。在一些实施例中，定向垫416可以相对于纵向轴线446径向地固定。例如，定向垫416可以是不延伸、扩展或以其他方式致动的固定垫，使得垫半径452保持恒定。在相同或其他实施例中，第二垫417也可以是固定垫而不是可延伸或可致动垫。
50.在一些实施例中，钻头410通过井下工具444相对于定向垫壳体430旋转。例如，井下工具444可以包括驱动轴，例如来自井下马达的驱动轴，例如涡轮机或容积式马达(例如，moineau泵)。定向垫壳体430可以在钻井期间保持期望的旋转取向，包括相对于重力的取向和/或相对于磁北或真北的取向。例如，定向垫壳体430可用于滑动钻井。在一些实施例中，定向垫壳体430和定向垫416可以相对于纵向轴线446旋转固定。在其他实施例中，定向垫壳体430可以旋转，从而改变定向钻井组件412的双向弯折。在一些实施例中，定向垫416可以是单个定向垫416。换言之，定向垫壳体430可以具有单个(例如，仅一个)定向垫416。其中定向垫壳体430具有一个或多个定向垫416，定向垫壳体430可以包括一个或多个具有不同配置的其他或第二垫417。第二垫417可能对定向垫壳体430的定向趋势没有实质性贡献。例如，第二垫417可以具有相对于定向垫416的径向延伸(并且可选地减小轴向延伸)，使得第二垫417在定向垫416操纵定向钻井组件412时可以更像稳定器。
51.在一些实施例中，钻头410可以包括盒连接件454。盒连接件454可以是钻头410内部的中空部分，该中空部分被配置为在联接到钻头连接件428的销连接件处连接到井下工具444。在一些示例中，盒连接件454和钻头连接件428可以通过螺纹456连接，其中盒连接件454具有螺纹连接件456的阴端，而钻头连接件428具有螺纹连接件456的阳端。螺纹连接件可以是单肩连接件，例如api连接件。在一些实施例中，螺纹连接件是双肩连接件或高级连接件，例如专有连接件或许可连接件。当钻头410上扣到井下工具444时，流过井下工具444
的中心孔458(例如，在驱动轴中)的流体可流入钻头410并通过钻头410的主体中的一个或多个端口或喷嘴。螺纹连接件456可以在钻头主体中允许足够的空间以允许端口或喷嘴将提供足以在钻地层时清洁和冷却钻头410的切割结构的总流量。
52.图5是定向钻井组件512的一实施例的另一个截面图。在一些实施例中，定向垫516可以在垫接触位置536处接触或接合井眼502的壁518。钻头510具有多个切割元件537，其中一些是接合并移除地层501的主动切割元件537。最终主动切割元件537
‑
1可以是最井上主动切割元件537。换言之，最终主动切割元件537
‑
1可以是所有主动切割元件537中最远的井上主动切割元件537。如图5所示，在至少一些实施例中，最终主动切割元件537
‑
1可以不是最远的井上切割元件537。一个或多个非主动切割元件537
‑
2可位于最终主动切割元件537
‑
1的井上。在一些实施例中，一个或多个非主动切割元件537
‑
2可以与最终主动切割元件537
‑
1位于同一刀片上。在其他实施例中，一个或多个非主动切割元件537
‑
2可位于与最终主动切割元件537
‑
1不同的刀片上。因此，如上所述，可以从垫接触位置536到最终主动切割元件接触位置538测量接触长度540。
53.图6是根据本公开的至少一个实施例的定向钻井组件612的一部分的示意图。定向垫616可以位于包括多个切割元件的钻头610的井上。在一些实施例中，多个切割元件包括主动规格切割元件638和主动邻近规格切割元件637。定向垫616可选地具有在相对于钻头610的纵向轴线646测量的在垫半径652处的最外表面，垫半径652大于主动规格切割元件638的最外切割尖端处的规格半径660。因此，相对于纵向轴线646，在垫接触位置636和主动规格切割元件638的最终切割元件接触位置之间可以存在定向垫角度662。在一些实施例中，定向垫角度662可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括0.0
°
、0.1
°
、0.5
°
、1.0
°
、1.5
°
、2.0
°
、2.5
°
、3.0
°
、3.5
°
、4.0
°
、4.5
°
、5.0
°
中的任一个，或它们之间的任何值。例如，定向垫角度662以大于0.0
°
和/或小于5.0
°
的角度从定向垫616到主动规格切割元件638径向向内逐渐变细。在其他示例中，定向垫角度662可以是在0.0
°
和5.0
°
之间和/或0.0
°
和5.0
°
之间并包括0.0
°
和5.0
°
的范围内的任何值。在其他实施例中，该角度可以大于5.0
°
。在一些实施例中，与可以减小dls的相对较小的定向垫角度662相比，相对较高的定向垫角度662可以增加dls。
54.在一些实施例中，接触长度640可以小于3英寸(7.6厘米)，并且定向垫角度662可以在0.0
°
和5.0
°
之间或在0.5
°
和3.5
°
之间。接触长度640和定向垫角度662的组合可以进一步增加dls和/或改进对dls的准确度或精确度的控制。
55.图7是根据本公开的至少一个实施例的钻头710的一部分的示意图。钻头710可包括多个切割元件，包括主动规格切割元件737
‑
1和主动相邻规格切割元件737
‑
2。在图7中，切割元件737
‑
1、737
‑
2示出了复合切割轮廓中的切割元件位置，其中所有切割元件在同一刀片中对准。因此，多个分立的切割元件可以位于相同的切割元件位置并且将示出为单个切割元件。如果多个切割元件在切割轮廓视图中示出为单个切割元件，则切割元件位置被认为具有冗余。
56.在一些实施例中，主动规格切割元件737
‑
1位于比多个切割元件中的每个其他切割元件更远的井上(或比多个切割元件中的每个其他主动切割元件更远的井上)，包括主动邻近规格切割元件737
‑
2。主动相邻规格切割元件737
‑
2比多个切割元件中除了主动规格切割元件737
‑
1之外的每个其他切割元件位于井上更远的位置。在一些实施例中，主动规格切
割元件737
‑
1和主动邻近规格切割元件737
‑
2位于钻头710的同一刀片上。在其他实施例中，刀片可包括一个但不是两个的主动规格切割元件737
‑
1和主动相邻规格切割元件737
‑
2。
57.主动规格切割元件737
‑
1具有相对于钻头710的纵向轴线746的第一切割元件半径764
‑
1。主动相邻规格切割元件737
‑
2具有相对于纵向轴线746的第二切割元件半径764
‑
2。在一些实施例中，第二切割元件半径764
‑
2可以不同于第一切割元件半径764
‑
1。以此方式，在第一切割元件737
‑
1和第二切割元件737
‑
2之间形成切割元件角度766。在一些实施例中，切割元件角度766可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括0.05
°
、0.1
°
、0.5
°
、1.0
°
、1.5
°
、2.0
°
、2.5
°
、3.0
°
、3.5
°
、4.0
°
、4.5
°
、5.0
°
中的任一个，或它们之间的任何值。例如，切割元件角度766可以大于0.05
°
。在其他示例中，切割元件角度766可以小于5.0
°
。在其他示例中，切割元件角度766可以是在0.0
°
和5.0
°
之间、0.1
°
和4
°
之间或1
°
和3
°
之间的范围内的任何值。
58.在一些实施例中，第二切割元件半径764
‑
2可小于第一切割元件半径764
‑
1。因此，形成负切割元件角度766。换句话说，钻头的规格可以在井下方向上具有负的或向内的锥度。当定向垫(例如，图3的定向垫316)导致对钻头710一侧的力增加时，负切割元件角度766可以使得在钻头的规格上的上切割元件能够更完全地接合地层(例如，图3的地层301)。
59.在一些实施例中，切割元件角度766可以与定向垫角度(例如，图6的定向垫角度662)相同。当钻头710被定向垫推动时，这可以进一步实现跨多个主动切割元件737
‑
1、737
‑
2的均匀力分布或切割体积。在其他实施例中，切割元件角度766可大于或小于定向垫角度。
60.图8是钻头810的实施例的示意图。钻头810可以包括具有盒长度868的盒连接件854。在一些实施例中，盒长度868可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，包括0.5英寸(1.3厘米)、0.75英寸(1.9厘米)、1.0英寸(2.5厘米)、1.25英寸(3.2厘米)、1.5英寸(3.8厘米)、1.75英寸(4.5厘米)、2.0英寸(5.1厘米)、2.25英寸(5.7厘米)、2.5英寸(6.4厘米)、2.75英寸(7.0厘米)、3.0英寸(7.6厘米)、5.0英寸(12.7厘米)中的任一个或它们之间的任何值。例如，盒长度868可以大于0.5英寸(1.3厘米)。在其他示例中，盒长度868可以小于3.0英寸(7.6厘米)。在其他示例中，盒长度868可以是在0.5英寸(1.3厘米)和5.0英寸(12.6厘米)之间或在1.0英寸(2.5厘米)和3.0英寸(7.6厘米)之间的范围内的任何值。
61.钻头810具有钻头直径850。在一些实施例中，钻头比可以是钻头直径850与盒长度868的比值。在一些实施例中，钻头比可以在2.5和5之间。例如，钻头比可以是钻头直径850与盒长度868之比的8.5:2(17:4)、8:2.5(16:5)、8.75:2.75(35:11)、8.5:2.75(34:11)、3:1或任何其他比率。在一些实施例中，钻头比可大于3:1或小于4.5:1。在一些实施例中，盒长度868可以至少部分地取决于钻头直径850。更长的盒长度868可能更坚固，并且更大的钻头直径850可以在盒连接件854上产生更大的力，从而影响钻头比率。然而，在一些实施例中，要钻通的地层(例如，图3的地层301)的类型可能影响钻头比。在一些实施例中，钻头810的至少一个切割元件837(例如，主动切割元件)可以轴向地与盒连接件854重叠。换言之，一部分的主体连接件854和至少一个切割元件837二者可以被定位在沿着钻头810的纵向轴线的轴向位置处。因此，延伸穿过至少一个切割元件837的半径可以延伸穿过盒连接件854的一部分。虽然钻头直径850是相对于钻头体示出的，但在其他实施例中，钻头直径850是相对于钻头的规格直径(即，基于切割元件837的切割尖端)测量的。
62.图9是根据本公开的至少一个实施例的复合切割轮廓970的示意图。复合切割轮廓
970可用于本文描述的任何钻头，特别是关于参考图3至图8描述的钻头。复合切割轮廓970是在钻头上(图3的钻头310)的每个切割元件937的径向和轴向切割位置的示意图。复合切割轮廓970可包括位于钻头的规格区域中的最终主动切割元件937
‑
1。在一些实施例中，最终主动切割元件937
‑
1可以在井眼(例如，图3的井眼302)正在井下方向推进时在穿过地层(例如，图3的地层301)的路径上接合并移除一定体积的材料。最终主动切割元件937
‑
1(或在最终主动切割元件位置处的切割元件937
‑
1)可以比切割轮廓970上的任何其他切割元件位置处的切割元件937位于更远的井上。因此，最终主动切割元件(s)937
‑
1可以位于任何切割元件937中最远的井上。最终主动切割元件937
‑
1可以不是回扩切割元件，或者被配置为主要在钻头被拉出井眼时进行切割，或仅保持由位于更远井下位置的切割元件切割的规格直径。相反，最终主动切割元件937
‑
1可以被配置为在井眼前进的同时接合并切割一定体积的地层。
63.在一些实施例中，钻头可包括冗余的或备用的最终主动切割元件937
‑
1。在一些实施例中，具有多个刀片的钻头可具有位于两个或更多个不同刀片中的每一个上的相同径向和纵向位置的多个冗余切割元件937。位于不同刀片上相同纵向位置的切割元件937是冗余的，因为它们切割相同的旋转路径。以这种方式，将多个最终主动切割元件937
‑
1放置在多个刀片上的相同径向和纵向位置提供了冗余，这可以帮助提高最终主动切割元件937
‑
1的寿命，最终主动切割元件937
‑
1可能比其他切割元件经历更大的磨损，因为它们每个都可以主动移除减少的总体积。
64.如在复合切割轮廓970中可以看到的，如果冗余或备用的最终主动切割元件937
‑
1被放置在钻头的每个刀片上(并且如果刀片不包括在其他位置的后切割器)，则没有其他切割元件937可以在切割轮廓970中的与最终主动切割元件937
‑
1的位置重叠的位置处。将冗余的或备用的最终主动切割元件937
‑
1放置在一些但少于每个刀片(例如，一半、三分之一、四分之一、每个其他刀片等)上，可以允许主动切割元件与切割轮廓970上的最终主动切割元件937
‑
1的位置的一些重叠。
65.图10是根据本公开的至少一个实施例的复合切割轮廓1070的示意图。复合切割轮廓1070可用于本文所述的任何钻头，特别是关于参考图3至图8描述的钻头。复合切割轮廓1070是每个切割元件1037在钻头(例如，图3的钻头310)上的切割路径的示意图。复合切割轮廓1070可包括位于钻头的规格区域中的第一最终主动切割元件1037
‑
1。第一最终主动切割元件1037
‑
1可以是最井上的主动切割元件1037(或多个第一最终主动切割元件1037
‑
1)。第二最终主动切割元件1037
‑
2主动地接合并移除比除了第一最终主动切割元件1037
‑
1之外的任何其他切割元件1037更远的井上地层。
66.第一最终主动切割元件1037
‑
1和第二最终主动切割元件1037
‑
2可以在切割轮廓1070中重叠并且因此可以位于钻头的不同刀片上，或者位于单个刀片的前部和后部位置处。因此，在至少一些实施例中，第一最终主动切割元件1037
‑
1和第二最终主动切割元件1037
‑
2可具有重叠切割路径。以此方式，切割元件角度(例如，切割元件角度766)可沿着钻头的长度微调。
67.图11示出了根据本公开的至少一个实施例的示例组装工具1171。马达、驱动轴或偏置单元连接件1128可以包括连接肩部1172和多个带键的特征1174。在一些实施例中，连接件1128可以包括围绕连接件1128的外表面间隔开的八个平坦部，这些平坦部共同限定表
面或连接特征允许组装工具1171将连接件1128保持就位，同时钻头(例如，钻头310、410、510、610、710、810)可以旋转并固定到其上。在其他实施例中，组装工具1171可用于旋转连接件1128，而另一合适的装置将钻头保持在适当位置。
68.虽然连接件1128被示为具有限定键特征1174的八个平坦部，但是马达、驱动轴或偏置单元的连接件1128可以具有任何合适的特征。在其他实施例中，例如，钻头连接件1128可包括1、2、3、4、5、6、7或多于8个平坦部或其他带键特征1174。在一些实施例中，带键特征可包括突起、凹部、槽或可由组装工具接合的孔。任何合适的带键特征1174可以围绕连接件1128的圆周均匀地间隔开。在其他实施例中，带键特征1174可以围绕连接件1128的圆周不均匀地间隔开。例如，更大的槽或平坦部可以对应于组装工具1171上的特定位置，从而将连接件1128与组装工具1171对准。
69.连接件1128可以是联接到钻头(例如，图4的钻头410)的盒连接件(例如，图4的盒连接件454)的销连接件。连接件1128可以附接到井下工具或井下工具的一部分，例如来自井下马达的驱动轴，例如涡轮机或容积式马达(例如，moineau泵)。井下工具可选地位于定向垫壳体1130的内部并且可相对于定向垫壳体1130旋转。定向垫1116(以及可选地支撑定向垫1116的定向垫壳体1130的部分)可以延伸超过或悬垂定向垫壳体1130的井下端(例如，图4的井下端432)。在一些实施例中，定向垫1116(以及可选地支撑定向垫1116的定向垫壳体1130的部分)可以在多个带键特征1174和/或连接肩部1172中的一个或多个之上延伸。连接件1128可以包括螺纹连接件1156，其可以连接到钻头上的相应螺纹。
70.为了经由螺纹连接件1156将钻头牢固地紧固到连接件1128，钻头相对于钻头连接件1128旋转(或反之亦然)。组装工具1171可夹在连接件1128上以在钻头紧固到连接件1128时限制或甚至防止驱动轴或其他井下工具旋转。在所示实施例中，组装工具具有上部1176和下部1178。上部1176和下部1178可具有大致u形径向横截面区域以夹在连接件1128周围。上部1176可具有上切口1180，该上切口1180与定向垫1116、定向垫壳体1130或带键特征1174中的一个或多个的一部分配合。例如，上切口1180的尺寸可设计为越过连接件1128和定向垫1116。当如图11所示定位时，切口1180的一个或多个部分的尺寸和位置可以限制定向垫1116或定向垫壳体1130的旋转。下部1178可以具有下切口1182，该下切口的尺寸被设计为在多个带键特征1174处连接到连接件1128。下切口1182可以包括一个或多个突起或接合表面，其尺寸被设计为与多个带键特征1174中的一个或多个配合、接合或互锁。在一些实施例中，下切口1182可包括用于可由定向垫壳体1130支撑的第二垫(例如，图4的第二垫417)的凹口。
71.上部1176和下部1178可在接口1184处连接。接口1184可用于将上部1176和下部1178夹紧或以其他方式固定在一起(例如，利用压缩力)。接口1184可以是螺栓连接、螺纹连接或在图11所示的闭合配置中将上部1176对准或固定到下部1178的任何其他连接或接口。换言之，当接口1184用于将上部1176固定到下部1178时，组装工具1171在定向垫1116上夹到连接件1128。以这种方式，通过下部1178的一个或多个接合表面与一个或多个带键特征1174配合或互锁，以及上切口1180的表面可能限制定向垫1116旋转，连接件1128相对于组装工具1171旋转固定。因此，钻头可以使用组装工具1171附接到并拧紧到连接件1128以提供反向旋转力。
72.图12
‑
1和12
‑
2示出了根据本公开的至少一个实施例的另一示例组装工具1271。马
达、驱动轴或偏置单元连接件1228可以包括多个带键特征1274。肩部还可以被包括，如图11所示，但是是可选的并且可以不包括在一些实施例中。
73.在一些实施例中，连接件1228包括围绕连接件1228的外表面间隔开的两个槽，这些槽协作地限定表面或连接特征以允许组装工具1271将连接件1228保持就位，同时钻头1210可以旋转并固定到其上，或在钻头1210保持就位的同时围绕钻头1210旋转。与图11所示的平坦部1174相比，槽1274可以更深，并且允许施加更高的扭矩。此外，在一些实施例中，还可以在连接件1228上连同槽1274一起提供一个或多个平坦部或其他表面。例如，在图12
‑
2中，可以看到两个槽和四个平坦部，但是任何合适数量的槽、平坦部等可以使用。因此，如本文所述，可以使用任何合适的带键特征1274，并且可以包括一个带键特征，或围绕连接件1228的圆周均匀地或不均匀地间隔开的多个带键特征。
74.连接件1228可以是联接到钻头1210的盒连接件(例如，图4的盒连接件454)的销连接件。连接件1228可以附接到井下工具，或作为井下工具的一部分，例如来自井下马达(例如涡轮机或容积式马达)的驱动轴。井下工具可选地位于定向垫壳体1230的内部并且可相对于定向垫壳体1230旋转。定向垫1216(以及可选地支撑定向垫1216的定向垫壳体1230的部分)可以延伸超过或悬垂于定向垫壳体1230的井下端(例如，图4的井下端432)，如本文所述的。在一些实施例中，定向垫1216(以及可选地支撑定向垫1216的定向垫壳体1230的部分)至少部分地在多个带键特征1274、平坦部和/或连接件1228的连接肩部或销连接件中的一个或多个上延伸，并且与其轴向对准。连接件1228可以包括螺纹连接件，该螺纹连接件可以连接到钻头1210上的相应螺纹。
75.为了经由螺纹连接件将钻头1210牢固地紧固至连接件1228，钻头1210相对于钻头连接件1228旋转(或反之亦然)。组装工具1271可以装配在连接件1228周围，并且可选地装配到带键特征1274中，以在钻头1210紧固到连接件1228时限制或甚至防止驱动轴或其他井下工具旋转。在所示的实施例中，组装工具具有外部1276和内部1278。内部1278可以装配在外部1276内，并且可选地使用一个或多个销1279或其他紧固件旋转地固定在其中。在一些实施例中，可以存在单个部分，而不是分开的内部和外部1276、1278。如进一步所示的，一个或多个开口1280可以形成在外部1276中并且可选地形成在内部1278中。这些开口可以是用作夹具，以便可以将组装工具1271保持到位。当然，可以使用诸如夹具、带键特征等的其他机构以另外的方式将组装工具1271保持就位。
76.内部1278可具有切口1280，其与定向垫1216、定向垫壳体1230或甚至连接件1228的带键特征(例如，平坦部)中的一个或多个的一部分配合。例如，切口1280的尺寸可以设计为越过连接件1228和定向垫1216。然后，切口1280的一个或多个部分的尺寸和位置可以设计为当位于如图12
‑
2所示的位置时限制定向垫1216或定向垫壳体1230的旋转。内部1278还可以具有尺寸设计成在多个槽1274处连接到连接件1228的接合部1282。接合部1282可以包括一个或多个突起或接合表面，其尺寸设计成与多个带键特征1274中的一个或多个配合，接合，装配在其内或互锁。在一些实施例中，内部1278可以是对称的，或者以其他方式包括第二切口1280。第二切口1280可以提供用于第二垫的开口，该第二垫可以是由定向垫壳体1230支撑。以这种方式，通过内部1278的一个或多个接合特征1282(例如，突片)与一个或多个带键特征1274配合或互锁，并且可能与限制定向垫1216的旋转的切口1280的表面配合或互锁，连接件1228相对于组装工具1271旋转地固定。因此，钻头1210可以使用组装工具1271
附接到连接件1228并紧固到连接件1228以提供反向旋转力。
77.已经主要参考井眼钻井操作描述了井下定向钻井工具的实施例；此外，本文所述的井下定向钻井工具可用于除钻井眼之外的应用中。在其他实施例中，根据本公开的井下定向钻井工具可以在用于勘探或生产自然资源的井眼或其他井下环境之外使用。例如，本公开的井下定向钻井工具可用于用于放置公用事业管线的钻孔中。因此，术语“井眼”、“钻孔”等不应被解释为将本公开的工具、系统、组件或方法限制于任何特定行业、领域或环境。
78.本文描述了本公开的一个或多个具体实施例。这些描述的实施例是当前公开的技术的示例。此外，为了提供对这些实施例的简明描述，在说明书中可能并未描述实际实施例的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方式的开发中，如同在任何工程或设计项目中一样，将做出许多特定于实施例的决定以实现开发人员的特定目标，例如遵守与系统相关和与业务相关的约束，这可能因实施例而异。此外，应当理解，这样的开发工作可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员而言，它仍然是设计、制作和制造的例行工作。
79.冠词“一”、“一个”和“该”旨在表示存在前述描述中的一个或多个元件。应当理解，对本公开的“一个实施例”或“一实施例”的引用并不意在被解释为排除也结合了所述特征的附加实施例的存在。例如，为了简化这里的讨论，关于特定实施例描述了一些特征。但是，任何不相互排斥的特征都可以组合或互换。例如，图3
‑
5的特征是可互换的。此外，关于这里的实施例描述的任何其他元件可以与这里描述的任何其他实施例的任何元件组合。例如，图6、7、9和10中任一个的切割轮廓可由图3
‑
5或8的任何钻头限定。类似地，图8的钻头可用于图3
‑
5的任何井下工具。
80.如本领域普通技术人员将理解的，本文所述的数字、百分比、比率或其他值旨在包括该值，以及“约”或“大约”所述值的其他值包括在本公开的实施例中。因此，所述值应被足够广泛地解释为包括至少足够接近所述值以执行所需功能或实现所需结果的值。所述值至少包括在合适的制造或生产过程中预期的变化，并且可以包括在所述值的5％以内、1％以内、0.1％以内或0.01％以内的值。
81.鉴于本公开内容，本领域普通技术人员应当认识到，等效构造并不脱离本公开内容的精神和范围，并且可以对公开的实施例进行各种变化、替换和变更而不脱离本公开的精神和范围。包括功能性“装置加功能”语句在内的等效结构旨在涵盖在此描述的执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等效物和提供相同功能的等效结构。申请人的明确意图是不为任何权利要求援引装置加功能或其他功能性权利要求，但“用于...装置”一词与相关功能一起出现的权利要求除外。落入权利要求的含义和范围内的对实施例的每一个增加、删除和修改都包含在权利要求中。
82.如本文所用的术语“大约”、“约”和“基本上”表示接近于仍然执行所需功能或实现所需结果的所述量的量。例如，术语“大约”、“约”和“基本上”可以指在小于所述量的5％内、小于1％内、小于0.1％内和小于0.01％内的量。进一步地，应当理解，前述描述中的任何方向或参考系仅仅是相对的方向或运动。例如，任何对“上”和“下”或“上方”或“下方”的引用仅是对相关元件的相对位置或移动的描述。
83.本公开可以在不脱离其精神或特征的情况下以其他特定形式实施。所描述的实施例被认为是说明性的而非限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求而不是由前述描
述指示。在权利要求的等效含义和范围内的变化应包含在其范围内。