改进井具的设计、制造、性能和/或使用的方法和系统

摘要

本发明涉及改进井具的设计、制造、性能和/或使用的方法和系统。该方法包括：用3D扫描系统扫描井具，以得到所制造的井具的3D图像；将井具的3D图像转换成竣工3D数据文件；将竣工3D数据文件和用于井具的初始设计3D数据文件相比较；评估在初始设计3D数据文件和竣工3D数据文件之间的变化；和基于在初始设计3D数据文件和竣工3D数据文件之间的变化，修改与井具相关联的设计参数或制造过程。

说明书

本申请是国际申请日为2008年11月26日、国际申请号为 PCT/US2008/084783、进入中国国家阶段的申请号为200880125538.8、名称为 “改进井具的设计、制造、性能和/或使用的方法和设备”的发明专利申请的分 案申请。

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 3505Cadillac 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。