CN107075922B - 用于制造井下工具部件的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于由多个层来制造钻柱(诸如，管状工具)的区段的方法。所述方法包括基于所述区段的选择长度来布置多个层。所述多个层中的每个包括被接纳在对齐特征上方的孔口，所述对齐特征将所述多个层的移动限制在两个或更少自由度。执行接合过程以将所述多个层接合，所述多个层可以包括至少一个更换层。

Description

用于制造井下工具部件的系统和方法

技术领域

本公开总体涉及钻井系统，确切地说，涉及用于油气勘探和生产操作的钻井系统。更具体地说，本公开描述用于使用渐进式构造技术和减材制造技术来制造井下工具部件的技术。

背景技术

钻柱用于油气勘探和生产，以到达地下目的地或地层。在钻井作业期间通过接合管状节段来组装钻柱，所述管状节段包括钻管、过渡管和底部钻具组合(“BHA”)。钻管的单个节段在本领域中可以被称为接合部。预先组装的两个或更多接合部的组在本领域中可以被称为架。在钻井时，从地面将接合部或架添加到钻柱，直到达到所需的深度为止。BHA通常包括钻头、钻铤和钻具稳定器。钻铤可以包括井下工具。钻管和钻铤可以使用螺纹连接接合在一起。接头(Sub)可以用来连接具有不同螺纹的节段。

钻铤的长度可以是大约6到10英尺(1.8m到3m)，并且可以包括诸如井下电动机、旋转式可操纵或定向钻井系统、随钻测量(“MWD”)设备、随钻测井(“LWD”)设备和遥测系统等工具。接合部通常长约30英尺(9.1m)，并且具有较小的直径和相对较长的长度，诸如，深度与钻孔直径之比大于10:1。例如，每个接合部可以包括范围在1.5到5英寸的直径和30英尺的长度。

钻柱内的部件或模块可以包括形成用于布线或引导流体穿过钻柱的导管的复杂内孔特征。所形成的钻孔特征可以与轴向穿过钻柱的中心线平行、成一定角度和/或垂直。

现有的制造技术采用复杂设备诸如“枪钻”，以便对轴向穿过各节段的狭长通道进行钻孔。现有的制造技术必须满足特定角度公差、轮廓公差或位置公差，以精确地形成穿过各节段的导管或通道。因此，归因于设计容错，可能需要丢弃并重新制造部分完成的节段部分。

附图说明

现在将参考附图仅仅通过实例的方式来描述本技术的实施方式，在附图中：

图1A是示出用于利用根据本公开的原理配置的钻井系统来钻出钻井孔的钻机的实施例的局部截面图；

图1B是示出根据本公开的包住由多个层构造的区段的钻管的透视截面图；

图2是根据本公开的与图5中示出的区段对应的单层的一个实施例的透视图；

图3是根据本公开的与用来形成区段的夹具对应的一个实施例的透视图；

图4是根据本公开的与安装有区段的夹具对应的一个实施例的透视图，该区段由多个层构造而成；

图5是根据本公开的由多个融合层构造的区段的一个实施例的透视图，该区段包括狭长的钻孔特征；

图6是根据本公开的与图9中示出的区段对应的单层的另一实施例的透视图；

图7是根据本公开的与用来形成区段的夹具对应的另一实施例的透视图；

图8是根据本公开的与安装有区段的夹具对应的另一实施例的透视图，该区段由多个层构造而成；

图9是根据本公开的由多个融合层构造的区段的一个实施例的透视图，该区段包括狭长的钻孔特征；

图10是根据本公开的示例方法的流程图。

具体实施方式

应理解，为简单且清楚地说明，在适当的情况下，不同的图之中重复参考编号以指示对应或类似的元件。此外列出了许多具体细节，以便提供对本文中描述的实施例的全面理解。然而，本领域的一般技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文中描述的实施例。在其他情况下，没有详细地描述方法、过程和部件，以免模糊所描述的相关特征。另外，描述内容不应被视作限制本文中描述的实施例的范围。附图未必按比例绘制，并且某些部分的比例经过放大以更好地示出本公开的细节和特征。

在下列描述中，本文中使用的诸如“上部”、“向上”、“下部”、“向下”、“上方”、“下方”、“井下”、“向上钻孔”、“纵向”、“侧向”等术语是指与周围钻井孔的底部或最大程度相关，即使钻井孔或其部分可能偏离或水平。相应地，横向、轴向、侧向、纵向、径向等取向是指相对于钻井孔或工具的取向的位置。此外，描述所示实施例，以便取向成使得与左手边相比，右手边是井下的。

现在将介绍本公开中应用的若干定义。术语“耦合”被定义为连接，无论是直接连接还是通过中介部件间接地连接，并且不必限于物理连接。连接可以使得物体永久地连接或可释放地连接。术语“以通信方式耦合”被定义为连接，无论是直接连接还是通过中介部件间接地连接，并且连接不必限于物理连接，而是适应在所描述的部件之间传输数据、流体或其他物质的连接。术语“外部”指的是超出物体的最外面界限的区域。术语“内部”表明区域的至少一部分被部分地包含在由物体形成的边界内。术语“大体上”被定义成基本符合“大体上”修饰的特定尺寸、形状或其他事物，使得部件无需确切。例如，大体成圆柱形是指物体类似于圆柱，但可以与真正的圆柱有一个或多个偏差。术语“包括”、“包含”和“具有”在本公开中可互换地使用。术语“包括”、“包含”和“具有”是指包括，但未必限于所描述的事物。

术语“径向”和/或“径向地”是指大体上在沿着物体的半径的方向上，或者在沿着物体的半径的方向上具有方向部件，即使物体不是准确的圆形或圆柱形。术语“轴向地”是指大体上沿着物体的轴的方向。如果没有指定，那么术语轴向地使得它指的是物体的较长轴。

各种实施例中的任一实施例中描述的钻柱可以包括限定流体导管的各种设备，该流体导管向井下延伸以支持钻井作业。钻柱可以包括，例如，钻管、过渡管和BHA，所述BHA具有钻头、钻铤和钻具稳定器。钻柱可以包括由单个接合部、连续线圈管路或者向井下延伸以支持钻井或修井作业的任何其他导管形成的钻管。用于特定工作或地点的每个钻柱通常是唯一的，这是因为基于井或该地点特有的因素来选择它的工具，诸如，地质学(例如，地层的组成，包括岩石类型、密度、磨蚀等)、限制哪种设备合适的预算和其他考虑，以及本领域的一般技术人员熟悉的其他因素。钻管的单个节段在本领域中可以被称为接合部。

本文中使用的“处理器”是可以基于输入来做决定的电子电路，并且可与术语“控制器”互换。处理器可以包括微处理器、微控制器和中央处理单元等等。尽管可以使用单个处理器，但可以经由多个处理器来实施本公开，包括设在工具中的本地控制器或沿着钻管设置的传感器。

根据一个实例，在井建设期间使用开孔作业。开孔作业通常包括形成套管柱，诸如，表层套管和中间套管。如果确定井可行，那么完井可以包括形成用于套管井作业的生产套管。

由于钻柱可以含有多种管状部件和针对特定工作或地点而定制选择的其他设备中的任一个，因此，术语“区段”在本公开中通常用来指代钻柱的任何部分。例如，区段可以指的是井下油田工具，包括井下电动机、旋转式可操纵或定向钻井系统的部件、随钻测量(“MWD”)设备的部件、随钻测井(“LWD”)设备的部件以及遥测系统的部件。特定区段可以具有较小的直径和相对较长的长度，诸如，深度与钻孔直径之比大于10:1。根据一个实例，区段或其部分可以包括大体成圆柱形的外部形状，并且可以包括复杂的内部特征和形状。内部特征可以取向成与轴向穿过区段的中心线平行、垂直或者成一定角度。本领域的一般技术人员将易于了解，区段的内部和外部特征可以设有任何形状。

本公开描述设计和制造钻柱的区段以便降低制造成本和制造复杂性的新颖系统和方法。本公开描述用多个薄片或层来生产区段。根据一个实例，层可以在垂直于区段的轴向的方向上切片。在制造过程期间，多个层按预先选择的顺序布置，并且可以经历焊接过程，所述焊接过程将多个层融合在一起，以形成如下文更详细地描述的实心区段。制造过程可以在标准环境中执行，诸如，工厂、仓库等。换言之，制造过程不需要真空条件、温度控制等。

本公开提供使用渐进式构造技术(诸如，允许在生产期间渐进式监测设计公差的层制造)来制造区段的系统和方法。此外，本公开提供在生产期间重新制造部分组装的区段的部分的系统和方法。根据一个实例，区段包括具有复杂内部特征的较长部分。例如，内部特征可以包括形成狭窄线路以引导和传递导线等的狭长钻孔。作为替代或补充，内部特征可以包括形成狭窄液压通道以引导和传递液压流体、井内流体、地层流体等的狭长钻孔。作为替代或补充，内部特征可以包括接纳诸如控制阀、连接器、计量器、传感器等部件的腔。本领域的一般技术人员将易于了解，钻柱中可以设置其他内部特征。

图1A是用于利用钻井系统100来钻出钻井孔的钻机的局部截面图。根据一个实例，钻井系统100利用具有本文所述的井下工具的钻柱112，以形成地下井。通过使用设置在钻柱112上的钻头110从地面106钻到土地104中的钻井孔102，示出地下井。出于说明的目的，钻井孔102的顶部部分包括限定钻井孔102并且在钻出该钻井孔之后使其稳固的表层套筒107，所述表层套筒用水泥粘牢在适当位置。钻井孔102也可以包括中间套管(未示出)，所述中间套管可以用水泥稳固。套管107执行若干功能，包括防止钻井孔倒塌、维持土层之间的物理分隔、提供屏障以防止流体移动、加强安全性，以及保护土层免受任何污染物等。

钻头110位于钻柱112的底部远端。在钻井作业期间，由钻机120通常通过从地面旋转钻柱112来将带有钻头110的包括BHA的钻柱112推进到土地104中。钻机120可以直接支撑在陆地上，如图所示，或者如果处于海上则支撑在中间平台上。

示为向井下延伸到土层中的钻井孔102以及钻井孔102内部的任何部件都经受源于地下目的地或地层的流体静压力。

钻柱112的下端部分可以包括接近钻头110设置的钻铤。钻头110可以是牙轮钻头、固定切削刃钻头，或者本领域中已知的任何其他类型的钻头。出于完整性的目的，图1A示出本公开支持连续油管150和钢丝绳152的部署，该部署预期并且在本公开的背景内。

图1B是包住区段180的钻井112的节段的透视截面图，所述区段由下文更详细地描述的多个融合层181a到181n构造而成。尽管将钻柱112和区段180示为直接接触，但本领域的一般技术人员将易于了解，中间部件可以设置在钻柱112与区段180之间。例如，密封件、轴承、抗磨衬套以及其他中间部件可以设置在钻柱112与区段180之间。

图2是单层200的透视图，所述单层在与其他单层200融合时产生具有融合层181a到181n的区段180，诸如，通过图5中的实例示出。根据一个实例，单层200可以包括大孔口202和小孔口204。尽管将单层200示为包括孔口202、204，但本领域的一般技术人员将易于了解，单层200可以包括任何数量的孔口、任何尺寸的孔口、任何形状的孔口，以满足所需的设计目标。

根据一个实例，可以使用已知的加工技术，诸如，车削、铣削、锻造、电火花加工(“EDM”)以及其他减材制造技术来形成单层200。例如，可以使用板料成形或冲压过程来形成单层200。在创建单层200之后，可以使用额外的减材制造技术来限定单层200内的特征。本领域的一般技术人员将易于了解，用于形成和创建单层200的适当技术的选择可以基于下列因素，诸如，单层200的所需厚度、单层200的所需尺寸、单层200内的特征的所需尺寸，以及尺寸的所需公差等。

进一步参考图2，单层200的各种表面205、207、209、211在融合到具有融合层181a到181n的区段180中之前暴露于大气。因此，在融合到区段180中之前，可以易于接近这些各种表面205、207、209、211。例如，这些各种表面205、207、209、211可以使用传统喷涂技术来接近，并且可以进行喷涂，以便保护免受与热量、腐蚀流体等有害接触。对这些表面进行喷涂可以提供有益的品质，诸如，增加耐磨性、增加耐蚀性等。此外，可以在融合之前迅速地检查单层200，以便确认执行了所需的处理。相比之下，由深度与钻孔直径之比大于10:1的材料加工成的传统区段经过尺寸调整以需要专用设备来接近区段的内部特征。假设专用设备可用于执行所需操作，那么任何所需的检查也将需要专用设备。因此，本文中描述的单层结构提供比使用深度与钻孔直径之比大于10:1的材料的现有技术好的优点，以制造井下工具部件。

如本文所述的由多个单融合层181组装成区段180的另一优点在于：在制造期间可以将诸如传感器、天线和电线等部件嵌入在部分组装的区段180的任何部分内。因此，区段180内的部件放置约束便被放松，这是因为在制造期间，部件可以分布在区段180的整个体积内。因此，工具或区段180内的部件分隔距离可以增加，以便减少部件干扰。此外，本文中描述的制造技术允许在制造期间沿着轴向进行部件堆叠。相比之下，现有制造技术将部件放置限制在使用减材制造技术进行制造之后容易达到的外围区域。因此，现有制造技术通过将制造之后的部件放置限制在接近区段表面的区域来提供更高密度的配置。

返回图1A，在井的套管部分内示出传感器子单元130、132，并且所述传感器子单元可以使用本文中描述的技术嵌入到对应区段180中。传感器子单元130、132可以是能够感测钻柱、地层流体、套管和周围地层等的附近特征和条件的MWD和LWD工具的部件。与所感测的条件和特征对应的数据可以在井下记录，以便之后下载，诸如，在可以使用本文中描述的技术嵌入到对应区段180中的处理器(未示出)处下载。或者，数据可以通过转发器134、136直到表面电线138有线地传送到地面，或者使用经由本文中描述的技术嵌入到对应区段180中的部件无线地传送到地面。如果无线传送，那么井下收发器(天线)134可以用来经由地面收发器(天线)142将数据发送到本地处理器140。这些部件可以使用本文中描述的技术嵌入到对应区段180中。数据可以在处理器140处进行处理，或者进一步经由电线146或经由天线142和148无线地传输到远程处理器144。可以设置地面设施170，以经由转发器134、136将数据发送到井和从井接收数据。数据可以包括井条件，诸如，地层流体静压力、背压流体静压力、井深度、温度等。

至于嵌入穿过区段180的整个体积的部件的适用性，可以制造这些低密度区段180，以便更换而非修理。换言之，可以制造具有轴向堆叠的部件以提供较低部件密度的任何区段180，以便更换而非修理。例如，这些区段180可以具有较小尺寸，并且可以定位成易于从钻柱接近和移除。此外，如果以较低成本和提高的可靠性来生产具有轴向堆叠的部件的这些区段180，那么可以按照预先确定的时间表在出故障之前更换这些区段180。另外，这些区段180可以发送到回收设施，并且选择的部分可以在本文中描述的组装过程期间合并到新区段中。

根据另一实例，当被设计成固持对应部件的腔大体上完成以支撑该部件时，部件可以嵌入到区段180中。因此，在构造期间可以检查和测试部件，例如，以提高质量控制。相比之下，现有技术并不支持在组装期间将部件嵌入到区段中。例如，利用增材制造以使用多个单层来构造区段的现有技术并不能够在构造期间检查和测试部件。通常，现有系统需要减材制造技术，诸如，钻井，以接近被设计成固持部件的预先形成的腔。如上文论述，现有制造技术将部件放置限制在使用减材制造技术进行制造之后可达到的区域。此外，与本文中的公开相比，现有系统需要用于将部件放置在预先形成的腔中的额外步骤。

图3是可以用来使用图2中示出的多个未融合单层200组装区段的夹具300的透视图。夹具300包括基座302，所述基座支撑对齐特征，诸如，大杆304和小杆306。大杆304可以经过尺寸调整以对应于孔口202。小杆306可以经过尺寸调整以对应于孔口204。另外，大杆304和小杆306可以在基座302上取向，以与单层200上的孔口202、204的相对位置对齐。

根据一个实例，可以提供管子或嵌件，以适配在大杆304和/或小杆306的上方。例如，如果多个未融合单层200的孔口204用来形成流体通道，诸如，液压通道，那么实心管310可以插入在小杆306的上方，以在孔口204的内部上提供连续衬里。在这种情况下，孔口204可以加工成具有适配在管子310的外径上方的圆周。管子310可以使用压配合紧固在通道内。或者，管子310可以通过焊接紧固在通道内。在操作中，如果单个融合层181中的任一个没有形成不透液通道，那么管子310可以防止流体从流体通道泄漏。例如，如果没有十分接近孔口204形成的狭窄钻孔来执行焊接操作，那么单个融合层181可不形成不透液通道。根据一个实例，可以不接近孔口204来执行焊接操作，以便避免孔口204变形。

图4是安装有多个未融合单层200a到200n(下文称为200)的夹具300的透视图。如图所示，大杆304由多个未融合单层200的孔口202接纳，并且小杆306由多个未融合单层200的孔口204接纳。根据一个实例，夹具300被设计成允许多个未融合单层200只在两个自由度上移动。在这种情况下，夹具300被设计成允许多个未融合单层200在纵向或轴向(y方向)上移动。换言之，夹具300被设计成限制多个未融合单层200在x方向和z方向上移动。

如果在组装期间，未融合单层200中的任一个被识别为有缺陷，那么在组装期间可以丢弃损坏的单层200并且用另一单层200更换。换言之，如果损坏，则可以丢弃未融合单层200或多个未融合单层200。然而，当未融合单层200中的一个或多个被识别为损坏时，并不丢弃整个未融合区段。因此，与传统的井下工具制造技术相比，本文中描述的制造过程产生较少的浪费。

根据一个实例，夹具300可以进行分段，以便可以同时制造区段180的不同部分。例如，如果由电气技术人员检查区段180的一个部分并且由机械技术人员检查同一区段180的另一部分，那么电气技术人员检查的部分可以与机械技术人员检查的部分分开构造。在认可每个部分之后，单独部分可以接合或融合在一起，以形成完整的区段180。这样，通过以并行方式而非串行方式进行操作，可以加快制造过程。例如，在串行操作中，电气技术人员或机械技术人员中的一个将首先检查装置，随后电气技术人员或机械技术人员中的另一个将检查同一装置。通过允许同时制造区段的不同部分，可以加快制造过程。

或者，如果将被嵌入在区段180中的部件中的一个缺少库存，那么腔可以保持开放，并且区段180的剩余部分可以完整。一旦部件返回到库存，部件便可以插入到部件腔中，并且区段180可以融合在一起。因此，通过允许区段180的某些部分融合，而区段180的其他部分保持未融合直到合适部件可用为止，可以加速制造过程。

根据一个实例，夹具300包括维持区段180的设计公差的对齐特征。例如，对齐特征可以维持设计公差，诸如，角度公差、轮廓公差和位置公差等。维持设计公差以便精确地形成穿过区段180的导管或通道。参考图4，对齐特征可以包括大杆304和小杆306。这些对齐特征维持角度公差、轮廓公差和位置公差，以及其他公差，以便精确地形成穿过区段180的导管或通道。本领域的一般技术人员将易于了解，其他对齐特征可以设在夹具300处，以维持区段180的所需设计公差。

图5是由本文中描述的制造过程生产的深度与钻孔直径之比大于10:1的融合区段180的透视图。根据一个实例，融合区段180可以包括100:1的深度与钻孔直径之比。在使用如图4所示的夹具300将未融合单层200对齐之后，利用合适的金属接合过程，以将未融合单层200接合在一起。例如，可以利用电子束焊接将未融合单层200接合在一起。根据一个实例，电子束焊接可以用来焊接超过4英寸(100mm)厚的工件。在一个实例中，电子束焊接在一次处理期间可以穿透多达2.36英寸(60mm)的深度。电子束焊接提供各种益处，诸如，在焊接之后产生最小变形、允许精确的计算机数控，以及在深宽比较高的工件上产生良好结果。本领域的一般技术人员将易于了解，可以使用其他金属接合过程，包括激光烧结、粘合剂粘接等。本领域的一般技术人员将了解，金属接合过程的选择将取决于若干因素，包括最终产品的所需强度、成本，以及完整的融合区段的预期用途。根据一个实例，融合区段180可以由适合并且与旋转钻井兼容的任何材料形成，诸如，高强度不锈钢。

根据一个实例，区段180可以由使用金属接合过程融合在一起的多个融合层181a到181n构造而成。在执行金属接合过程之前，多个融合层181a到181n可以按照预先选择的顺序进行布置，并且使用如图4所示的夹具300的对齐特征进行对齐。在执行金属接合过程之后，未融合单层200a到200n融合在一起，以形成实心区段180。此外，多个融合层181a到181n内限定的孔口融合在一起，以形成轴向延伸穿过区段180的钻孔184、186。如上文论述，管子310可以在组装过程期间插入到任何流体通道中，以防止流体从流体通道泄漏。

根据另一实例，融合区段180可以经受额外的加工或第二过程。例如，融合区段180可以经历表层硬化或应用涂层。额外加工可以用来形成多个复杂截面轮廓，诸如，具有多个液压和电气通路的嵌件。本领域的一般技术人员将易于了解，所选择的特征可以在执行金属接合过程之前构造，而其他特征可以在执行金属接合过程之后构造。例如，轴向穿过融合区段180的狭长通道可以在执行金属接合过程之前构造。相比之下，充油端口的钻孔可以在金属接合过程执行之后加工而成。

再次参考图1A，钻井流体(泥)160可以以相对不受限制且畅通无阻的方式循环穿过钻井部件，以执行诸如防止爆裂和防止钻井孔102倒塌等功能。根据一个实例，钻井流体160可以在钻井作业期间循环穿过钻柱112、钻头110和环形部分109。根据一个实例，钻孔184可以穿过钻柱112延伸到钻头110，所述钻头包括引导钻井流体160的流的喷嘴。在穿过钻井部件之后，钻井流体160可以循环到地面106，其中它穿过过滤器(未示出)，以去除任何钻井碎片，诸如，切屑等。根据一个实例，过滤器可以包括泥浆振动筛等。过滤后的钻井流体160可以收集在罐162中，以便重新循环穿过钻井部件。钻井流体160可以定制成执行其他功能，包括润滑钻头110、冷却钻头110、将诸如岩石等钻井碎片冲洗远离钻头110并且通过在钻井孔102与钻柱112之间形成的环形部分109向上冲洗到地面106，以及减小钻柱112与钻井孔102之间的摩擦等。

图1A示出示例性旋转式可操纵钻井装置111，该钻井装置也可以被称为钻井方向控制装置或系统。旋转式钻井装置111放置在具有钻头110的钻柱112上。然而，本领域的技术人员将认识到，旋转式可操纵钻井装置111在钻柱112上并且相对于钻柱112上的其他部件的放置可以在本公开的范围内进行更改。旋转式可操纵钻井装置111可以包括在钻井作业期间耦合或附接到旋转式钻头110和旋转式钻柱112的可旋转钻杆。

图6是单层600的第二实例的透视图，所述单层在与其他单层600融合时产生如图9所示的区段900。根据一个实例，单层600可以包括具有圆角的正方形孔口602。尽管将单层600示为包括正方形孔口602，但本领域的一般技术人员将易于了解，单层600可以包括任何数量的孔口、任何尺寸的孔口、任何形状的孔口，以满足所需的设计目标。

根据一个实例，可以使用已知的加工技术，诸如，车削、铣削、锻造、电火花加工(“EDM”)以及其他减材制造技术来形成单层600。例如，可以使用板料成形或冲压过程来形成单层600。在创建单层600之后，可以使用额外的减材制造技术来限定单层600内的特征。本领域的一般技术人员将易于了解，用于形成和创建单层600的适当技术的选择可以基于下列因素，诸如，单层600的所需厚度、单层600的所需尺寸、单层600内的特征的所需尺寸，以及尺寸的所需公差等。

图7是可以用来使用图6中示出的多个未融合单层600组装区段900的夹具700的透视图。夹具700限定螺旋形对齐特征。夹具700可以经过尺寸调整以对应于正方形孔口602。

图8是安装有多个未融合单层600a到600n的夹具700的透视图。如图所示，夹具700由多个未融合单层600a到600n的正方形孔口602接纳。根据一个实例，夹具700被设计成允许多个未融合单层600a到600n只在两个自由度上移动。在这种情况下，夹具700被设计成允许多个未融合单层600a到600n在纵向或轴向(y方向)上移动。换言之，夹具700被设计成限制多个未融合单层600a到600n在x方向和z方向上移动。

如果在组装期间，未融合单层600a到600n中的任一个被识别为有缺陷，那么在组装期间可以丢弃损坏的未融合单层600并且由另一未融合单层600更换。换言之，如果损坏，则可以丢弃未融合单层600或多个未融合单层600。然而，当未融合单层600a到600n中的一个或多个被识别为损坏时，并不丢弃整个区段900。因此，与传统的制造技术相比，本文中描述的制造过程产生较少的浪费。

根据一个实例，夹具700限定维持区段的设计公差的螺旋形对齐特征。例如，螺旋形对齐特征可以维持设计公差，诸如，角度公差、轮廓公差和位置公差，以便精确地形成穿过区段的导管或通道。本领域的一般技术人员将易于了解，夹具700可以限定其他对齐特征，以维持区段的所需设计公差。

图9是由本文中描述的制造过程生产的深度与钻孔直径之比大于10:1的融合区段900的透视图。在使用如图8所示的夹具700将未融合单层600a到600n对齐之后，利用合适的金属接合过程，以将单层600a到600n接合在一起。如上文所述，可以利用电子束焊接将未融合单层600a到600n接合在一起。本领域的一般技术人员将易于了解，可以使用其他金属接合过程，包括激光烧结、粘合剂粘接等。本领域的一般技术人员将了解，金属接合过程的选择将取决于若干因素，包括最终产品的所需强度、成本，以及完整的融合区段900的预期用途。根据一个实例，区段900可以由适合并且与旋转钻井兼容的任何材料形成，诸如，高强度不锈钢。

根据一个实例，区段900可以由使用金属接合过程融合在一起的多个融合层901a到901n构造而成。在执行金属接合过程之前，多个未融合层600a到600n可以按照预先选择的顺序进行布置，并且使用如图8所示的夹具700的对齐特征进行对齐。在执行金属接合过程之后，单独的未融合层600a到600n融合在一起，以形成实心区段900。此外，多个融合层901a到901n内限定的正方形孔口融合在一起，以形成轴向延伸穿过区段900的钻孔902。如上文论述，管子310可以在组装过程期间插入到任何流体通道中，以防止流体从流体通道泄漏。

根据另一实例，所构造的融合区段900可以经受额外的加工或第二过程。例如，所构造的融合区段900可以经历表层硬化或应用涂层。额外加工可以用来形成多个复杂截面轮廓，诸如，具有多个液压和电气通路的嵌件。本领域的一般技术人员将易于了解，所选择的特征可以在执行金属接合过程之前构造，而其他特征可以在执行金属接合过程之后构造。例如，轴向穿过融合区段900的狭长通道可以在执行金属接合过程之前构造。相比之下，充油端口的钻孔可以在金属接合过程执行之后加工而成。

设计和制造区段的方法包括利用诸如计算机辅助设计(“CAD”)软件等计算机文件来限定区段的三维结构。CAD软件经过编程以将区段或井下工具切成多个层。根据一个实例，多个层中的每个可以具有相等的厚度。或者，多个层中的每个可以具有不同的厚度。例如，层厚度可以小于1mm；小于10mm；小于100mm；以及其他层厚度。

根据一个实例，计算机算法可以用来选择层厚度。可以基于与对应层相关联的内部特征的复杂性来选择层厚度。例如，可以基于下列标准来选择层厚度，诸如，层中设置的孔口的数量、由层中设置的孔口开口限定的区域、层中的最小孔口尺寸小于预先选择的尺寸、层中的最大孔口尺寸大于预先选择的尺寸等。此外，可以基于用来形成区段的材料的类型、所选择的接合过程的类型等来选择层厚度。本领域的一般技术人员将易于了解，可以使用其他标准来确定层厚度。

根据一个实例，CAD软件可以利用切片功能来确定多个层的几何形状。在确定几何形状之后，可以使用本文中描述的各种技术来制造多个层。将要制造的层的数量将取决于每个层的厚度和区段的整体长度。在制造多个层之后，将对齐特征插入到多个层的对应孔口中，以便将多个层堆叠在夹具上。如本文中描述，夹具被设计成允许多个层只在两个自由度上移动，诸如，纵向或轴向(y方向)。在将多个层适当放置在对齐特征上并且嵌入任何内部部件之后，便可以执行接合过程，以将多个层融合在一起。

图10是根据本公开的示例方法1000的流程图。可以使用上述部件中的一个或多个来实施方法1000。例如，可以使用夹具来实施方法1000。夹具可以包括将多个层的移动限制到两个或更少自由度的对齐特征。

方法1000可以包括基于区段的选择长度来获取多个层，其中多个层中的每个中形成有孔口(框1002)。例如，可以获取五百(500)个单独层，以形成所需区段。方法1000还可以包括将来自多个层中的每个的孔口接纳在对齐特征上方(框1004)。例如，500个单独层中的每个可以包括插入在对齐特征上方的孔口，以便使500个单独层相对于彼此适当对齐。对齐特征可以被配置成如上文所述。方法1000还可以包括将多个层的移动限制到两个或更少自由度(框1006)。例如，具有对齐特征的夹具被设计成允许500个单独层在纵向或轴向(y方向)移动。此外，所述方法可以包括执行接合过程，以接合多个层(框1008)。这样，500个单独层融合在一起，以形成牢固融合的区段。

本文中提供很多实例以增强对本公开的理解。提供具体组的实例，如下。在第一实例中，公开一种用于组装由多个层构造的钻柱的区段的方法，所述方法包括：基于所述区段的选择长度来获取多个层，所述多个层中的每个中形成有孔口；将来自所述多个层中的每个的所述孔口接纳在对齐特征上方；将所述多个层的移动限制到两个或更少自由度；以及将所述多个层接合。

在第二实例中，本文中公开根据前述第一实例所述的方法，其中将所述多个层中的每个中形成的所述孔口接纳在所述对齐特征的上方包括按照预先选择的顺序接纳所述多个层。

在第三实例中，本文中公开根据前述第一到第二实例中的任一个所述的方法，其还包括在识别至少一个层中的缺陷后，将所述至少一个层从所述对齐特征中移除。

在第四实例中，本文中公开根据前述第一到第三实例中的任一个所述的方法，其还包括用至少一个更换层来更换被移除的至少一个层，所述至少一个更换层中的每个包括被接纳在所述对齐特征上方的孔口。

在第五实例中，本文中公开根据前述第一到第四实例中的任一个所述的方法，其中在将所述至少一个更换层接纳在所述对齐特征上方之后，执行将所述多个层接合。

在第六实例中，本文中公开根据前述第一到第五实例中的任一个所述的方法，其中所述多个层中的被选择层包括用来在井下工具中形成腔的腔孔口。

在第七实例中，本文中公开根据前述第一到第六实例中的任一个所述的方法，其中在所述区段的组装期间，所述腔孔口中接纳部件。

在第八实例中，本文中公开根据前述第一到第七实例中的任一个所述的方法，其中使用电子束焊接、激光烧结和粘合剂粘接中的至少一个来接合所述多个层。

在第九实例中，公开一种用于组装由多个层构造的钻柱的区段的方法，所述方法包括：基于所述区段的选择长度来获取多个层，所述多个层中的每个中形成有孔口；将来自所述多个层中的每个的所述孔口接纳在对齐特征上方；将所述多个层的移动限制在两个或更少自由度；在识别至少一个层中的缺陷后，将所述至少一个层从所述对齐特征中移除；用至少一个更换层来更换被移除的至少一个层，所述至少一个更换层中的每个包括被接纳在所述对齐特征上方的孔口；以及将所述多个层和所述至少一个更换层接合。

在第十实例中，本文中公开根据第九实例所述的方法，其中将所述多个层中的每个中形成的所述孔口接纳在所述对齐特征的上方包括按照预先选择的顺序接纳所述多个层。

在第十一实例中，本文中公开根据第九和第十实例所述的方法，其中所述多个层中的被选择层包括用来在所述区段内形成腔的腔孔口。

在第十二实例中，本文中公开根据第九和第十一实例所述的方法，其中在所述区段的组装期间，所述腔孔口中接纳部件。

在第十三实例中，本文中公开根据第九和第十二实例所述的方法，其中所述部件包括传感器、天线和电线中的至少一个。

在第十四实例中，提供一种用于形成钻柱的区段的系统，所述系统包括：多个层，所述多个层中的每个中形成有孔口；对齐特征，其接纳所述多个层，所述对齐特征将所述多个层的移动限制在两个或更少自由度；以及紧固装置，其将所述多个层接合，以形成融合区段。

在第十五实例中，本文中公开根据前述第十四实例所述的接合部，其中所述对齐特征按照预先选择的顺序接纳所述多个层。

在第十六实例中，本文中公开根据前述第十四和第十五实例所述的接合部，其中所述对齐特征允许在识别至少一个层中的缺陷后移除所述至少一个层。

在第十七实例中，本文中公开根据前述第十四和第十六实例所述的接合部，其中所述对齐特征允许用至少一个更换层来更换所述至少一个层，所述至少一个更换层中的每个包括被接纳在所述对齐特征上方的孔口。

在第十八实例中，本文中公开根据前述第十四和第十七实例所述的接合部，其中所述紧固装置包括电子束焊接机、激光烧结机和粘合剂粘接器中的至少一个。

在第十九实例中，本文中公开根据前述第十四和第十八实例所述的接合部，其中所述多个层中的被选择层包括用来在所述区段内形成腔的腔孔口。

在第二十实例中，本文中公开根据前述第十四和第十九实例所述的接合部，其中所述腔孔口中接纳部件。

上文示出和描述的实施例仅仅是实例。尽管上述描述中已经列出了本技术的很多特征和优点，以及本公开的结构和功能的细节，但本公开仅仅是说明性的，并且在本公开的原理到由所附权利要求书中使用的术语的广泛一般含义所指示的完整范围内，可以对细节作出改变，尤其是部件的形状、尺寸和布置。因此，将了解，在所附权利要求书的范围内可以更改上述实施例。

Claims (16)

1.一种用于组装由多个层构造的钻柱的区段的方法，所述方法包括：

基于所述区段的选择长度来布置多个层，所述多个层中的每个中形成有第一孔口和第二孔口；

将来自所述多个层中的每个的所述孔口接纳在对齐特征上方，所述对齐特征包括被支撑在基座上的第一杆和第二杆，所述第一杆经过尺寸调整以对应于所述第一孔口，所述第二杆经过尺寸调整以对应于所述第二孔口；

将所述多个层的移动限制在两个或更少自由度；

在识别至少一个层中的缺陷后，将所述至少一个层从所述对齐特征中移除；

用至少一个更换层来更换被移除的至少一个层，所述至少一个更换层中的每个包括被接纳在所述对齐特征上方的孔口；以及

将所述多个层接合。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述多个层中的每个中形成的所述孔口接纳在所述对齐特征上方包括按照预先选择的顺序接纳所述多个层。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述至少一个更换层接纳在所述对齐特征上方之后，执行将所述多个层接合。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个层中的被选择层包括用来在井下工具中形成腔的腔孔口。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述区段的组装期间，所述腔孔口接纳部件。

6.根据权利要求1所述的方法，其中使用电子束焊接、激光烧结和粘合剂粘接中的至少一个将所述多个层接合。

7.一种用于组装由多个层构造的钻柱的区段的方法，所述方法包括：

基于所述区段的选择长度来获取多个层，所述多个层中的每个中形成有第一孔口和第二孔口；

将来自所述多个层中的每个的所述孔口接纳在对齐特征上方，所述对齐特征包括被支撑在基座上的第一杆和第二杆，所述第一杆经过尺寸调整以对应于所述第一孔口，所述第二杆经过尺寸调整以对应于所述第二孔口；

将所述多个层的移动限制在两个或更少自由度；

在识别至少一个层中的缺陷后，将所述至少一个层从所述对齐特征中移除；

用至少一个更换层来更换被移除的至少一个层，所述至少一个更换层中的每个包括被接纳在所述对齐特征上方的孔口；以及

将所述多个层和所述至少一个更换层接合。

8.根据权利要求7所述的方法，其中将所述多个层中的每个中形成的所述孔口接纳在所述对齐特征上方包括按照预先选择的顺序接纳所述多个层。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个层中的被选择层包括用来在所述区段内形成腔的腔孔口。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述区段的组装期间，所述腔孔口接纳部件。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述部件包括传感器、天线和电线中的至少一个。

12.一种用于形成钻柱的区段的系统，所述系统包括：

多个层，所述多个层中的每个中形成有第一孔口和第二孔口；

对齐特征，其接纳所述多个层，所述对齐特征将所述多个层的移动限制在两个或更少自由度，所述对齐特征包括被支撑在基座上的第一杆和第二杆，所述第一杆经过尺寸调整以对应于所述第一孔口，所述第二杆经过尺寸调整以对应于所述第二孔口；以及

紧固装置，其将所述多个层接合，以形成融合区段；

其中所述对齐特征允许在识别至少一个层中的缺陷后移除所述至少一个层；

其中所述对齐特征允许用至少一个更换层来更换所述至少一个层，所述至少一个更换层中的每个包括被接纳在所述对齐特征上方的孔口。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述对齐特征按照预先选择的顺序接纳所述多个层。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述紧固装置包括电子束焊接机、激光烧结机和粘合剂粘接器中的至少一个。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述多个层中的被选择层包括用来在所述区段内形成腔的腔孔口。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述腔孔口中接纳部件。

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