改进井具的设计、 制造、 性能和 / 或使用的方法和设备 相关申请
本申请要求在 2007 年 12 月 5 日提交的美国临时专利申请 No.60/992,392 的利益， 该临时专利申请的内容通过参考由此全部包括。
技术领域
本发明涉及设备和方法， 这些设备和方法可以用来改进井具的设计、 制造、 性能和 / 或使用， 并且更具体地说， 涉及新井具和用过的井具的数字扫描， 以改进相关联的设计、 制 造过程和 / 或操作过程， 以对于每个井具实现性能目标。背景技术
各种类型的三维 (3D) 测量系统和扫描系统已经用来以各种数字格式， 测量和记 录与各种各样的产品和过程相关联的详细设计参数。三维 (3D) 扫描仪一般可以描述为接 触扫描仪、 激光扫描仪和 / 或光扫描仪。 3D 接触扫描仪典型地使用相应探针， 以确定在工件的外部和 / 或内部表面上的各 个点的坐标。3D 接触扫描仪有时可以称作坐标测量机 (CMM)。CMM 机或接触式测量系统可 以移动相关联的测量探针， 以确定在工件的外部和 / 或内部表面上的多个点的坐标。相关 联的计算机和计算机程序可以用来基于多个点的相应坐标， 创建工件的 3D 图像。
3D 激光扫描仪或 3D 光扫描仪可以使用对着工件的外部和 / 或内部表面投射的激 光束或其它类型的光束。数千个点可以被记录， 并且用来确定每个点的尺寸和位置和准备 工件的详细 3D 图像。
可买到的 3D 扫描仪可以产生复杂 3D 物体或工件的非常准确和精确的 3D 数据文 件。这样的 3D 扫描仪可以充分地与相关联的计算机辅助工程 (CAE) 或计算机辅助设计 (CAD) 应用相集成， 并且可以在相关联的 3D 坐标系统中提供综合测量。 这样的 3D 扫描仪可 以为了质量控制目的、 反向工程、 快速原型化、 快速加工和 / 或实物大模型， 收集高度精确 和详细的数字数据。
发明内容 按照本公开的讲授， 三维 (3D) 扫描技术和一个或多个反馈环路可以用来改进各 种各样的油田工具和 / 或井具的设计、 制造和 / 或性能。本公开的一个方面可以包括将 3D 扫描技术与多个反馈环路相结合， 这可以用来改进旋转钻头和其它油田工具或井具的设 计、 制造、 性能和 / 或使用。本公开的讲授可以用来消除或减少油田工具或井具的制造误差 和 / 或不适当使用。与本公开的讲授相结合的 3D 扫描技术和一个或多个反馈环路， 可以用 来改进与油田设备和 / 或井具的设计、 制造和 / 或使用相关联的过程。
对于某些应用， 井具在初始制造之后可以被数字扫描。生成的 3D 图像可以用来创 建 “竣工 (as built)” 3D 数据文件。竣工 3D 数据文件可以与对应设计数据文件或对应 3D 设计数据文件相比较， 该对应设计数据文件或对应 3D 设计数据文件包括， 但不限于， 工程
图纸、 制造图纸、 制造程序及相关联的规范。在 “竣工” 3D 数据与设计数据文件之间的任何 差别可以用来评估一种或多种制造工艺和程序的性能， 以生产与设计数据文件相对应的工 件或井具。
按照本发明的讲授， 用过的井具也可以被数字扫描， 以创建 “使用后” 3D 数据文件。 在相应设计数据文件与相关联的使用后 3D 数据文件之间的比较， 可以用来评估这样的井 具在油田位置或井场处使用之后的性能。在相应设计数据文件、 竣工 3D 数据文件和 / 或使 用后 3D 数据文件之间的比较， 可以用来改进与这样的井具相关联的关联设计、 制造、 和/或 操作过程。
对于某些实施例， 多个反馈环路可以用来改进井具的相关联设计、 与井具关联的 制造工艺和过程、 和 / 或与井具在油田位置或井场处的使用相关联的过程。例如， 评估井具 的竣工尺寸和构造可以用来改进相关联的制造工艺和过程， 并且 / 或者可以用来修改相关 联的设计数据文件， 以允许改进制造效率和降低制造成本。 对于其它应用， 从用过的井具取 得的详细尺寸和构造可以用来改进相关联的设计数据文件、 相关联的制造过程和工艺、 和/ 或与井具在油田位置或井场处的使用相关联的过程。
使用本公开的 3D 扫描技术和其它讲授， 可以相互比较设计数据文件、 相关联的竣 工数据文件及相关联的使用后数据文件。 生成的比较结果可以用来选择用来制造井具的各 种材料和合金。可以进行这样的材料选择以实现用于井具的希望性能目标。 附图说明 通过参考联系附图所作的如下描述， 可以获得目前实施例和其优点的更完全和彻 底理解， 在附图中， 类似附图标记指示类似特征， 并且其中 ：
图 1 是示意正面图， 表示按照本公开的讲授在敞开贯笼内布置的井具的一个例 子；
图 2 是使部分断开的示意正面图， 表示按照本公开的讲授的系统的一个例子， 该 系统可以用来扫描和记录井具的详细尺寸和构造 ；
图 3A 是示意部件图， 表示按照本公开的讲授的敞开贯笼的一个例子， 该敞开贯笼 用来扫描和数字记录井具的详细尺寸和构造 ；
图 3B 是示意正面图， 表示包括本公开的讲授的敞开贯笼的另一个例子 ；
图 4 是示意图， 表示按照本公开的讲授与扫描井具和修改相关联的设计文件和 / 或制造过程的一个例子相关联的各个步骤 ； 及
图 5 是方框图， 表示按照本公开的讲授的反馈环路的各种例子， 这些反馈环路可 以用来改进井具的设计、 制造和 / 或使用。
具体实施方式
通过参考图 1-5 最好地理解本公开的优选实施例和其优点， 其中， 类似附图标记 指相同和类似部分。
术语 “井底组合件” 或 “BHA” 在本申请中用来描述在钻柱 ( 未特意表示 ) 的井下 端部 ( 未特意表示 ) 处的旋转钻头附近布置的各种元件和组合件。在井底组合件或 BHA 中 可以包括的元件和组合件 ( 未特意表示 ) 的例子包括， 但不限于， 弯接头 (bent sub)、 井下钻进马达、 近钻头扩孔器、 稳定器及井下仪器。 井底组合件也可以包括各种类型的测井工具 ( 未特意表示 ) 和与井眼的定向钻具相关联的其它井下工具。这样的测井工具和 / 或定向 钻具的例子可以包括， 但不限于， 声学、 中子、 γ 射线、 密度、 光电、 核磁共振、 旋转转向工具 和 / 或任何其它可买到井具。
术语 “切削元件 ( 一个或多个 )” 在本申请中可以用来包括， 但不限于， 供各种各样 的旋转钻头的使用满意的各种类型的刀具、 压块、 按钮、 插入物及量测刀具。冲击防止器可 以被包括作为在某些类型的旋转钻头上的切削结构的部分， 并且有时可以起切削元件的作 用， 以从井眼的相邻部分除去岩层材料。多晶金刚石压块 (PDC) 和碳化钨插入物常常用来 形成切削元件。各种类型的其它硬质、 研磨材料也可以满意地用来形成切削元件。
术语 “切削结构” 在本申请中可以用来包括在旋转钻头的外部部分上形成的切削 元件、 冲击防止器和 / 或量测刀具的各种组合和排列。某些旋转钻头可以包括从相关联的 钻头体延伸的一个或多个刀片， 使刀具配置有刀片。这样的刀片也可以称作 “刀具刀片” 。 各种构造的刀片和刀具可以用来形成用于旋转钻头的切削结构。
术语 “设计数据文件” 可以包括， 但不限于， 来自工程图纸、 制造图纸、 制造过程、 相 关联的技术规范及公差的数据。设计数据文件也可以包括适用的工业标准。设计数据文件 可以按各种各样的格式保持。
术语 “3D 设计数据文件” 在本申请中可以用来包括按三维格式保持的设计数据文 件。
各种各样的可买到软件包， 例如， 但不限于， 计算机辅助工程 (CAE) 程序、 计算机 辅助设计 (CAD) 程序、 和 / 或计算机辅助制造 (CAM)， 可以用来准备与初始设计数据文件相 对应的三维 (3D) 设计数据文件。按照本公开的讲授， 这样的软件应用程序也可以用来形成 对于初始 (3D) 设计数据文件的各种改进。这样的软件应用程序也可以用来将井具的扫描 3D 图像转换成对应 3D 数据文件。可买到计算流体动力学 (CFD) 软件程序、 包和 / 或应用程 序、 和有限元分析 (FEA) 软件程序、 包括和 / 或应用程序， 也可以用来完成本公开的各种讲 授。
CAE、 CAD 和 / 或 CAM 应用程序常常需要专用类型工具、 夹具和 / 或模具， 以帮助相 关联的井具和油田设备的制造和组装。 包括本公开的讲授的一个或多个反馈环路可以用来 使这样的工具、 夹具和 / 或模具的满意地运行有效， 以生产具有希望尺寸和构造的工件。使 用包括本公开的讲授的反馈环路和 3D 扫描技术可以定期地检查这样的工具、 夹具和 / 或模 具的性能， 以保证相关联的工具、 夹具和 / 或模具继续满意地运行并且不被损坏或超过公 差。 例如， 与形成矩阵钻头体关联的模具可以被定期地扫描， 并且与相关联的设计数据文件 相比较。基于在相关联的设计数据文件与当前竣工 3D 数据文件之间的比较， 模具可以被刮 削、 重新加工， 相关联的设计数据文件可以修改， 和 / 或相关联的模制过程可以修改。
术语 “性能要求” 和 “性能目标” 可以包括， 但不限于， 油田工具或井具在适当操作 环境或钻进环境下的使用寿命。性能目标的一个例子可以是旋转钻头的井下钻进寿命。用 于旋转钻头的性能目标， 可以关于在旋转钻头的要求更换之前在相应时间段内穿透各种类 型的井下岩层的速率， 来进行定义。转每分 (RPM) 和 / 或钻压 (WOB) 也可以用来定义用于 旋转钻头的性能目标。包括本公开的讲授的井具的性能目标， 关于与井具相关联的制造成 本和 / 或操作成本， 也被描述。为了描述本公开的各种特征和步骤的目的， 术语 “井具 ( 一个和多个 )” 可以用来 描述各种各样的油田设备 ( 地面和地下 )、 钻井设备、 钻井工具、 完井设备、 完井工具、 井维 护工具、 井维护设备、 和 / 或相关联的元件， 按照本公开的讲授至少部分地基于 3D 扫描技术 和反馈环路， 可以设计、 制造和 / 或使用这些设备、 工具及元件。
这样的井具和 / 或相关联的元件 ( 未特意表示 ) 的例子可以包括， 但不限于， 旋 转钻头、 固定刀具钻头、 旋转钻头、 井底组合件的各种元件、 与各种各样的旋转钻头相关联 的钻头体、 钻柱稳定器、 用于牙轮钻头的锥体、 旋转转向工具、 随钻测井仪、 随钻测量工具、 井壁取心工具、 打捞矛、 洗井工具、 造斜器、 生产填塞器元件、 悬浮设备、 套管鞋、 具有切削结 构的套管鞋、 井管罩网体和连接器、 气升心轴、 用来拉动盘管的井下牵引器、 钻具接头、 有线 ( 电气和 / 或光纤 ) 钻具接头、 井管罩网、 用于井下马达的转子、 定子和 / 或壳体、 用于井下 涡轮机的叶片和 / 或壳体、 用于井下工具的锁闩、 及具有与竞争井眼相关联的复杂构造和 / 或几何形状的井下绳索维护工具和其它井下工具、 及与这样的井具和 / 或元件的制造相关 联的模具。
术语 “旋转钻头” 在本申请中可以用来包括各种类型的固定刀具钻头、 刮刀钻头、 矩阵钻头、 钢体钻头、 牙轮钻头、 旋转牙轮钻头及凿岩钻头， 这些钻头是可操作的以形成延 伸过一个或多个井下岩层的井眼。 包括本公开的讲授的旋转钻头和相关联的元件可以具有 多种不同的设计、 构造和 / 或尺寸。 至少部分地基于包括本公开的讲授的 3D 扫描技术和反馈环路， 可以设计、 制造和 / 或使用为形成用于这样的井具的弹性和 / 或橡胶元件使用的模具。至少部分地基于包括 本公开的讲授的 3D 扫描技术和反馈环路， 可以设计、 制造和 / 或使用用于钻头体的模具、 和 锻模， 用来构造各种元件， 如但不限于， 用于牙轮钻头的支撑臂、 用于固定扩孔钻的臂、 用于 可伸展扩孔钻的臂、 与可伸展扩孔钻相关联的内部元件。
三维 (3D) 扫描装置、 设备和 / 或系统可以用来提供复杂 3D 物体的高度详细数字 表示， 这些复杂 3D 物体包括， 但不限于， 如图 1 和 2 所示的旋转钻头 20、 和各种各样的其它 井具。本公开的讲授不限于旋转钻头 20。
3D 扫 描 装 置、 设 备 和 / 或 系 统 可 以 从 Capture 3D， Incorporated- 位 于 3505 Cadillac Avenue， Costa Mesa， California 92626 的 California 公司得到， 这些 3D 扫描 装置、 设备和 / 或系统按照本公开的讲授可以用来改进井具的设计、 制造、 性能和 / 或使用。 3D 扫描系统 100 可以是来自 Capture 3D 的 ATOS 3D 扫描系统或测量系统， 并且按照本公开 的讲授可以用来改进各种各样的井具的设计、 制造、 性能和 / 或使用。来自其它公司的 3D 扫描装置、 设备和 / 或系统也可以满意地用来完成本公开的各种讲授。本公开的讲授不限 于 3D 扫描系统 100。
ATOS 3D 扫描系统一般可以描述成灵活的、 光学测量设备， 该设备是可操作的， 以 提供与复杂物体或工件的尺寸和构造相对应的详细数字数据。 白光可以投射到这样的复杂 物体或工件上。由投射白光生成的干涉条纹图案可以由至少两个摄影机观察或扫描。某些 3D 扫描系统可能使用一个或多个激光束。本公开的讲授不限于白光 3D 扫描系统。
对于某些应用， 工件的外部部分可能涂有显影粉或膜的薄层， 以防止来自在井具 上的任何光泽金属表面的不希望反射。各种类型的可买到显影粉和 / 或膜可以满意地使 用。
基于三角测量的原理， 用于每个摄影机象素的 3D 坐标可以用来按高精度计算被 扫描物体或工件的详细 3D 多边形网格。即使具有复杂构造和尺寸的物体或工件也可以按 高精度扫描。来自 ATOS 3D 扫描系统的 3D 数字信息可以提供用于各种各样物体、 工件及相 关联的表面的详细数据。
图 1 是示意图， 表示按照本公开的讲授使用三维 (3D) 扫描系统在用于井具的扫描 的准备中在支架上布置的井具的等轴测图。对于某些应用， 诸如旋转钻头 20 之类的井具可 以布置在支架 90 的第一端部 91 上， 如图 1 和 2 所示。支架 90 的第二端部 92 可以布置在 地板 94 或任何其它适当表面上。支架 90 可以描述成具有一般圆柱形构造。然而， 按照本 公开的讲授， 具有各种各样其它构造的支架也可以满意地供 3D 扫描系统使用。本公开的讲 授不限于使用支架 90。
旋转钻头 20 可以包括钻头体 22， 该钻头体 22 具有从其延伸的金属钻杆尾 24。金 属钻杆尾 24 可以用来可释放地将钻头 20 与钻柱或井底组合件 ( 未特意表示 ) 的一个端部 相啮合。旋转钻头 20 可以包括从钻头体 22 径向向外延伸的多个刀片 26。多个切削元件或 刀具 28 可以布置在每个刀片 26 上。切削元件 28 可以接合井下岩层的相邻部分， 以形成井 眼 ( 未特意表示 )。一个或多个量测刀具 30 也可以布置在每个刀片 26 的外部部分上。 流体流动路径或排泄槽 32 可以形成在钻头体 22 的外部部分上在相邻刀片 26 之 间。 一个或多个喷嘴 34 也可以布置在钻头体 22 内。 喷嘴 34 可以用来引导来自相关联的钻 柱的钻探泥浆， 以从接近刀片 26 和切削元件 28 的外部部分的钻头体 22 排出。钻探泥浆、 岩层切削及其它井下碎片的混合物 ( 未特意表示 ) 可以从由旋转钻头 20 形成的井眼的端 部， 向上通过相关联的流体流动路径或排泄槽 32， 流动到相关联的井表面。
对于某些实施例， 基准点或小斑点可以放置在井具的外部部分上。基准点或小斑 点可以由相关联的 3D 扫描系统使用， 以产生与井具的相关联的尺寸和构造相对应的详细 3D 图像。对于其它实施例， 各种基准工具或基准装置可以与 3D 扫描系统相结合地使用， 以 产生与井具的相关联的尺寸和构造相对应的详细 3D 图像。
对于如图 1 和 2 所示的实施例， 贯笼或基准装置 70 可以布置在支架 90 的第一端 部 91 上， 围绕旋转钻头 20。贯笼或基准装置 70 可以描述成具有一般空心、 圆柱形构造， 该 构造部分地由第一端部或第一环 71 和第二端部或第二环 72 限定。多个比较细支柱或纵梁 74 可以布置在第一环 71 与第二环 72 之间。每根支柱或纵梁 74 可以相对于相邻支柱或纵 梁 74 隔开最佳距离， 以使与在其中布置的井具的 3D 扫描干涉最小。
多个斑点或基准点 76 可以布置在基准装置 70 的各个部分上。见图 3A。将斑点或 基准点 76 放置在基准装置 70 上， 消除了在用 3D 扫描系统 100 扫描之前将类似斑点或基准 点放置在每个井具上所需要的时间。
如图 2 所示的 3D 扫描系统 100 可以布置在可动支撑组件 120 上。可动支撑组件 120 可以包括平台 122， 该平台 122 具有从其延伸的支柱 124。多个轮子 126 可以布置在平 台 122 上与支柱 124 相对。轮子 126 允许相对于支架 90 和布置在其上的井具将支架 120 定位在任何希望位置处。支撑臂或托架 130 可以可滑动地布置在支柱 124 上。支撑臂 130 可以升高或降低， 以改变 3D 扫描系统 100 相对于支架 90 和布置在其上的井具的位置。
支撑臂或托架 130 可以包括用来将 3D 扫描系统 100 连结到其上的第一位置 131 和第二位置 132。依据相关联的井具的尺寸和 / 或构造， 3D 扫描系统 100 有时可以放置在
第一位置 131 或第二位置 132 处。
本公开的好处之一可以包括相对于支架 90 将支撑组件 120 定位在不同位置处的 能力。 支撑臂 130 相对于支架 90 和布置在其上的井具也可以升高和降低。 3D 扫描系统 100 的位置可以在第一位置 131 与第二位置 132 之间变化。对于某些应用， 基准装置 70 相对于 布置在其中的旋转钻头 20 或任何其它井具可以转动或运动。
3D 扫描系统 100 相对于在支架 90 上布置的井具可以放置在最佳位置处， 并且 / 或 者基准工具 70 可以相对于在支架 90 上布置的井具运动， 以大体适应井具的全部外部部分 的完全 3D 扫描， 该井具包括， 但不限于， 固定刀具旋转钻头和牙轮钻头 ( 未特意表示 )。在 每个扫描过程的开始时和在基准工具 70、 支架 90、 井具 20 和 / 或 3D 扫描系统 100 的任何 运动之后， 3D 扫描系统 100 可以校准或重新校准为适当的。可动支撑组件 120 的任何运动 也可能要求 3D 扫描系统 100 的校准或重新校准。
对于如图 2 所示的实施例， 3D 扫描系统 100 可以包括第一摄影机或定位摄影机 101 和第二摄影机或定位摄影机 102。 第三摄影机或光源 103 可以布置在第一摄影机 101 与 第二摄影机 102 之间。来自第三摄影机 103 的白光可以从基准点 76 和在支架 90 上布置的 井具的各个部分反射。将基准点 76 放置在贯笼 70 上避免将这样的基准点放置在井具上的 需要。 作为结果， 使用同一基准工具 70 可以测量多个井具。 基准点或斑点 76 为布置在其中 的井具的 3D 扫描提供所要求的基准， 以产生与井具的尺寸和构造相对应的详细三维数据。 3D 扫描系统 100 可以由电缆 134 或者可以无线地 ( 未特意表示 ) 与各种类型的计 算系统或计算机网络相连接。对于如图 2 所示的实施例， 通用计算机 140 可以由一根或多 根电缆 134 与 3D 扫描系统 100 相连接。通用计算机 140 也可以是较大计算机网络 ( 未特 意表示 ) 的一个元件。
计算机显示器或计算机监视器 142 可以用来可视地表示扫描在支架 90 上布置的 井具的状态， 并且可视地表示这样的扫描的结果。计算机 140 和监视器 142 允许操作人员 150 保证井具 20 的满意扫描。例如， 井具 20 的图像在扫描之前可以按第一颜色或无色显 示在监视器 142 上。随着井具 20 的各个部分被扫描， 颜色可以变成红色或任何其它适当颜 色。如果井具在扫描之前初始地用无色表示， 则在足够的数据已经被收集以创建扫描部分 的相关联的 3D 图像之后， 被扫描部分可以以诸如红色或绿色之类的相关颜色表示。
操作人员 150 可以将支撑组件 120 相对于支架 90 定位在各个位置处， 以适应井具 20 的全部希望部分的完全扫描。操作人员 150 也可以转动或改变基准装置 70 相对于井具 20 的位置， 以保证井具 20 的所有部分都暴露于 3D 扫描系统 100。对于某些应用， 操作人员 150 可以改变支撑组件 120 相对于支架 90 的位置， 改变扫描系统 100 相对于位置 131 或位 置 132 的方位， 以及也转动或改变基准装置 70 相对于井具 20 的关系， 以保证其完整、 满意 的 3D 扫描。
对于如图 1 和 2 所示的实施例， 基准装置 70 的尺寸和构造可以选择成， 一般与诸 如旋转钻头 20 之类的井具的对应尺寸和构造相兼容。图 3A 表示对于供旋转钻头 20 的使 用满意的基准装置 70。图 3B 表示基准工具 70a， 该基准工具 70a 与基准装置 70 相比具有 较大尺寸的类似构造。基准工具 70a 对于供具有比旋转钻头 20 大的尺寸的井具的使用可 能是适当的。
使用具有一般与布置在基准工具中的井具的尺寸相对应的尺寸的基准工具， 可以
在扫描布置在其中的井具的相邻部分的同时， 允许 3D 扫描系统 100 记录较多基准点。优化 在基准工具上布置的基准点 76 的数量和基准工具的尺寸， 一般将减小扫描和得到在基准 工具内布置的井具的满意 3D 图像需要的时间量。增加在基准工具上布置的基准点的数量 一般可以减小得到满意 3D 图像需要的扫描时间。
对于某些应用， 基准装置 70 可以提供以近似千分之四英寸 (0.004 英寸 ) 的精度 扫描井具。基准装置 70a 可以提供按近似千分之七英寸 (0.007 英寸 ) 精度的井具的 3D 扫 描。本公开的特征之一可以包括使用相对于井具具有最佳尺寸的基准工具， 该井具可以布 置在基准工具内， 并且被利用 3D 扫描系统扫描。
对于某些应用， 3D 扫描系统 100 可以产生旋转钻头 20 的 3D 图像。旋转钻头 20 的 3D 图像可以传输到通用计算机 140 和 / 或连结到通用计算机 140 上的计算机网络。计算 机 140 和 / 或相关联的计算机网络可以将旋转钻头 20 的 3D 图像转换成相关联的 3D 数据 文件。
对于某些应用， 井具可以在制造完成之后并且在井具在井场处使用之前， 放置在 支架 90 上。对于这样的应用， 生成的 3D 数据文件可以称作 “竣工” 3D 数据文件。对于其 它应用， 井具可以在井场处使用之后， 放置在支架 90 上。生成的 3D 数据文件有时可以称作 “使用后” 3D 数据文件。
用过的旋转钻头有时可以称作钝钻头。对于用过的旋转钻头， 生成的使用后 3D 数 据文件也可以称作 “钝钻头” 3D 数据文件。在钝钻头 3D 数据文件与相关联的竣工 3D 数据 文件之间可以进行比较。这样的比较可以用来常常以数字格式量化相关联的切削结构和 切削元件的磨耗、 腐蚀和 / 或磨损的具体量。一个或多个转换表可以用来将磨耗、 腐蚀和 / 或磨损的量化量转化成对应的 IADC 钻头等级。例如， 用于用过的固定刀具旋转钻头的为零 (0) 的 IADC 钻头等级与大体无损失、 无磨损和 / 或无破坏切削结构相对应。用于用过的固 定刀具旋转钻头的为八 (8) 的 IADC 钻头等级与大体 100％的损失、 磨损和 / 或破坏的相关 联的切削结构相对应。关于钻头分级的另外信息从国际钻井承包商协会 (IADC) 是可得到 的。
计算机 140 和 / 或相关联的计算机网络可以将每个 3D 图像 ( 竣工和使用后 ) 转换 成与竣工或使用后的旋转钻头 20 的尺寸和构造相对应的复杂多边形网格。计算机 140 和 / 或相关联的计算机网络可以是可操作的， 以存储与旋转钻头 20 和 / 或各种各样的其它井 具相关联的 3D 设计数据文件、 竣工 3D 数据文件及使用后 3D 数据文件。相应 3D 数据文件 ( 设计、 竣工及使用后 )， 按照本公开的讲授可以用来改进旋转钻头 20 和 / 或各种各样的其 它井具的设计、 制造、 性能和 / 或使用。
本公开的特征之一可以包括在井具的设计、 制造和 / 或使用期间提供多个反馈环 路， 以相对于一个或多个性能目标或性能要求改进井具的性能。本公开的讲授也可以用来 改进制造过程和 / 或制造设备的性能， 该制造设备包括， 但不限于， 模具、 型模、 夹具及其它 类型的工具。按照本公开的讲授， 也可以评估和改进每个制造过程和每件制造设备。例如， 施加在旋转钻头 20 的外部部分上的表面硬化可以在焊机上通过焊机原理评估。按照本公 开的讲授， 表面硬化层 ( 未特意表示 ) 的厚度或质量的评估可以基于竣工 3D 数据与对应 3D 设计数据文件的比较进行。
按照本公开的讲授可以用来扫描井具和改进井具的设计、 制造、 性能和 / 或使用的方法和过程的各个例子表示在图 4 和 5 中。包括本公开的讲授的方法或过程 200 可以在 如图 4 所示的步骤 201 处， 从初始井具设计或初始油田设备设计 ( 下文 “初始设计数据文 件” ) 开始。方法或过程 200 一般可以描述成多个反馈环路， 这些反馈环路是可操作的以改 进井具的设计、 制造、 性能和 / 或使用。
对于由方法或过程 200 代表的实施例， 步骤 201 可以包括得到与旋转钻头 20 相关 联的初始设计数据文件。在步骤 201 处也可以得到 3D 设计数据文件 ( 如果是可得到的 )。 基于在初始设计数据文件中包含的信息， 在步骤 202 处可以构造或形成各种类型的制造设 备和工具， 该制造设备和工具包括， 但不限于模具。在步骤 204 处， 按照本公开的讲授， 各种 类型的制造设备、 夹具和 / 或机床可以用 3D 扫描系统 100 扫描， 以产生对应的三维图像。
例如， 在步骤 204 中所示的三维图像 205 可以通过用 3D 扫描系统 100 扫描对应模 具而形成。三维图像 205 可以转换成对应的竣工 3D 数据文件。在步骤 210 处， 可以将竣工 3D 数据文件与用于模具的初始设计 3D 数据文件相比较。 基于比较结果， 可以修改用于相关 联的模具的设计， 或者可以准备新模具设计。步骤 202、 204 及 210 可以重复， 直到包括任何 需要模具的全部制造设备、 夹具和 / 或机床已经被确认成被满意地设计和制造的， 以供生 产旋转钻头 20 之用。
在步骤 206 处， 基于包括但不限于 3D 设计数据文件的初始设计数据文件， 可以制 造旋转钻头 20 或其它井具。在步骤 208 处， 可以使用 3D 扫描设备 100 扫描旋转钻头 20。 生成的 3D 图像可以转换成竣工 3D 数据文件。竣工 3D 数据文件可以返回或反馈到设计步 骤 210。在设计步骤 210 处， 竣工 3D 数据文件可以与初始设计数据文件相比较。基于比较 结果， 可以修改与旋转钻头 20 相关联的一个或多个设计参数， 并且 / 或者可以修改与旋转 钻头 20 相关联的一个或多个制造过程。步骤 202、 204、 206、 208 及反馈环路或步骤 210 可 以按要求重复多次， 直到竣工旋转钻头 20 满意地与所修改的初始设计数据文件或设计数 据文件相对应。
如以前提到的那样， 按照本公开的讲授， 也可以评估和改进每个制造过程和每件 制造设备和 / 或工具。例如， 在步骤 220 处， 通过除切削元件 28 之外除去与旋转钻头 20 相 关联的全部特征， 可以修改在步骤 208 处准备的竣工 3D 数据文件。见例如在步骤 220 处的 切削元件 28 的三维图像 222a 和 222b。
然后就诸如位置、 朝向、 ( 车刀的 ) 纵向前角等等之类的各种设计参数而论， 可以 评估在相应刀片 26 的外部部分上布置的每个切削元件 28。例如， 将每个切削元件 28 与相 应刀片 26 的相邻部分相连结使用的钎焊的厚度可以被评估， 并且与相关联的 3D 设计数据 文件相比较。
在步骤 230 处， 由数据单或数据页 232a、 232b 及 232c 代表的设计数据文件的各个 部分可以用来评估每个切削元件 28 的朝向和位置。3D 图像 234 和 236 代表辅助信息， 该辅 助信息可以由 3D 扫描系统 100 提供， 以便在步骤 230 处在评估和比较期间使用。这样的评 估或比较的结果可以返回到步骤 210， 以便在修改相关联的设计数据文件和 / 或与切削元 件 28 相关联的一个或多个制造过程时使用。
对于旋转钻的切削结构可以进行各种设计变化， 以改进或优化旋转钻头的井下钻 进性能。基于在与方法或过程 200 相关联的步骤 230 和 / 或其它步骤处进行的评估， 可以 进行一种或多种力平衡模拟， 以改进旋转钻头 20 的切削结构。如果用于旋转钻头 20 的切削元件 28 或任何其它部分的竣工 3D 数据文件不满意地与相关联的设计数据文件相对应， 则可以改变一个或多个制造过程。在由反馈环路 200 代表的过程中的任何点处， 新设计或 修改设计可以被准备， 并且发送到步骤 202 以开始新的评估过程。
制造过程和工艺在由反馈环路 200 代表的过程中的任何点或步骤处可以修改。模 具可以使用 3D 扫描系统 100 扫描， 并且查明是欠尺寸还是过尺寸。模具可以被替换或再磨 光。一个或多个机床可以使用 3D 扫描系统 100 扫描， 并且查明磨损。机床可以被替换或再 磨光。也可以评估与这样的机床相关联的软件应用程序和编程。
使用 3D 扫描系统 100 和本公开的各种讲授可以精确地量化和评估铸造零件的收 缩。相关联的铸造设计可以改变， 以抵消不希望或过分收缩。也可以进行一种或多种材料 变化， 以避免铸造零件的不希望收缩。
过程或方法 300， 如图 5 所示， 代表按照本公开的讲授的 3D 扫描技术和多反馈环 路的另一个例子， 这些 3D 扫描技术和多反馈环路可以用来改进井具和油田设备的设计、 制 造、 性能和 / 或使用。方法或过程 300 可以在步骤 301 处开始。在步骤 302 处， 可以确定用 于相应井具的各种性能要求。在步骤 304 处， 对于井具可以准备初始设计数据文件。在步 骤 306 处， 基于初始设计数据文件可以制造井具。对于某些实施例， 初始设计数据文件可以 是 3D 设计数据文件。 对于某些应用， 在发送供在井场处使用的井具之前， 在步骤 308 处使用 3D 扫描设 备 100 可以扫描最近制造的井具。生成的 3D 图像可以在步骤 310 处用来准备竣工 3D 数据 文件。在步骤 312 处， 竣工 3D 数据文件可以与初始设计数据文件相比较。
在步骤 314 处， 竣工 3D 数据文件可以与设计 3D 数据文件相比较。如果比较是满 意的， 则过程 300 可以终止， 或者井具可以用在井场处。见例如步骤 330。如果在步骤 314 处在竣工 3D 数据文件与初始设计数据文件的比较不是满意的， 则在步骤 316 和 320 处可以 进行进一步评估。
在步骤 316 处， 可以进行考虑修改一个或多个制造过程的判定。也可以修改相关 联的制造设备、 夹具和 / 或机床。如果回答为是， 则在步骤 318 处可以修改包括制造设备、 夹具和 / 或机床的制造过程和工艺， 并且在步骤 306 处可以制造另一个井具。
在步骤 320 处， 可以进行评估， 以确定用于井具的设计数据文件是否应该修改。如 果回答为否， 则方法或过程 300 可以在步骤 321 处结束， 并且井具可以用在井场处。见例如 步骤 330。 如果回答为是， 则在步骤 322 处， 可以修改用于井具的设计数据文件， 并且在步骤 304 处更新井具设计。然后可以重复步骤 304-320。
对于其它应用， 在井具的制造之后， 在步骤 330 处， 井具可以用在遥远位置或井场 处。在步骤 332 处， 用过的井具可以被使用 3D 扫描系统 100 扫描， 以创建用过的井具的 3D 图像。在步骤 334 处， 可以准备井具的使用后 3D 数据文件。在步骤 336 处， 在使用后 3D 数 据文件与相关联的设计数据文件之间可以进行比较， 该相关联的设计数据文件可以包括 3D 设计数据文件。
在步骤 338 处， 基于在步骤 336 中的比较可以进行评估， 以确定是否应该修改对于 井具的性能要求。 如果回答为是， 则可以修改对于井具的性能要求， 并且重复步骤 302-338。 如果回答为否， 则过程可以转到步骤 340。
在步骤 340 处， 基于在步骤 336 中的比较进行评估， 以确定是否应该修改用于井具
的操作过程。 如果回答为是， 则可以修改用于井具的操作过程， 并且对于另一个最近制造的 井具重复步骤 330-340。基于在步骤 336 中的比较对于与旋转钻头相关联的操作过程可以 进行的修改的例子可以包括， 但不限于， 改变钻压 (WOB)、 转每分 (RPM) 和 / 或供给到旋转钻 头的钻探泥浆的流体流速。在形成定向井眼 ( 未特意表示 ) 的同时， 对于相关联的定向钻 进组装件或井底组合件也可以进行各种修改， 以改进相关联的旋转钻头的性能。如果在步 骤 340 处回答为否， 则过程可以转到步骤 342， 并且结束。
对于与旋转钻头相关联的某些应用， 在步骤 336 处使用后 3D 数据文件与相关联的 设计数据文件的比较， 可以用来进行相关联的切削结构的一种或多种力平衡模拟。来自这 样的力平衡模拟的结果， 可以用来修改与旋转钻头 20 的切削结构、 切削元件和 / 或其它元 件相关联的设计和 / 或制造工艺。
基于在步骤 336 处的比较结果， 可以进行一种或多种计算流动动力学 (CFD) 模拟。 CFD 模拟可以提供与具有大流体流速的井具的各个部分相对应的速度向量。一种评估可 以是确定具有高流体速度的旋转钻的外部部分是否与高磨耗、 腐蚀和 / 或磨损的区域相对 应。将竣工 3D 数据文件设计与相关联的使用后 3D 数据文件和相关联的 3D 设计数据文件 相比较， 可以以高精度和准确度表示磨耗、 腐蚀和 / 或磨损的区域。这样的评估和比较可以 导致改变一个或多个喷嘴 34 在旋转钻头 20 上的位置和 / 或朝向。也可以改变与刀片 26 和 / 或排泄槽 32 相关联的几何构造和尺寸。也可以修改相关联的切削元件 28 和其它切削 结构的设计， 以使磨耗、 腐蚀和 / 或磨损最小。 图 4 所示的方法或过程 200 和图 5 所示的方法或过程 300， 仅代表按照本公开的讲 授可以用来改进井具的设计、 制造、 性能和 / 或使用的有限数量的各种方法、 过程及反馈环 路。例如， 在装运到客户或井场之前， 可以建立进行全部井具或代表性数量的井具的 3D 扫 描的过程。生成的竣工 3D 数据文件可以与相关联的设计数据文件相比较。对于与每个 3D 图像相关联的全部数据点， 或者仅对于用于每个 3D 图像的选择数量的数据点， 可以进行这 样的比较。进行井具的 3D 扫描的频率、 和 / 或在竣工 3D 数据文件与相关联的设计数据文 件的比较期间评估的数据点的数量， 可以适当地改变， 以确认相关联的制造过程和技术以 及相关联的制造设备、 夹具和 / 或工具正在要求的设计极限和公差范围内生产井具。
经常地， 在制造之后和在井场处使用之后井具的 3D 扫描可以导致对于相关联的 设计数据文件和 / 或相关联的制造过程和工艺的修改， 以保证每个井具满足相关联的性能 要求。制造设备、 夹具和 / 或机床按照本公开的讲授， 也可以使用 3D 扫描设备被定期地扫 描， 以使得这样制造设备、 夹具和 / 或机床未被损坏或越出公差。
对于某些应用， 在钻进井眼之后对于在旋转钻头 20 上布置的切削元件 28， 可以使 用一系列使用后 3D 数据文件来创建磨损曲线 ( 未特意表示 )。 这样的磨损曲线可以表示磨 耗、 腐蚀和 / 或磨损对切削元件 28 的影响。基于一系列使用后 3D 数据文件， 对于旋转钻头 20 的量测刀具 30 和 / 或其它部分也可以创建磨损曲线。本公开的讲授可以用来准备具体 旋转钻头的切削结构或其它部分的、 或经受磨耗、 腐蚀和 / 或磨损的任何其它井具的选择 部分的磨耗、 腐蚀和 / 或磨损的准确和非常详细的曲线或记录。
尽管已经详细描述了本公开和其优点， 但应该理解， 这里可以进行各种变化、 替代 及变更， 而不脱离由如下权利要求书限定的本公开的精神和范围。