CN101351615A - 用于优化旋转牵引式钻头的效率和持久性的方法以及具有最佳效率和持久性的旋转牵引式钻头 - Google Patents

Abstract

用于评价现有钻头和钻头设计的方法，包括测量钻头的几个理想特征，包括在钻凿某地层过程中产生的磨损，如实际地层或模拟地层或实验室试验装置。计算机模型可用于评价相对于钻头的钻速和/或持久性而言钻头的切削元件的作用力和/或滑动磨损率。这一信息可用于设计新钻头，它可包括切削元件的改变(如移动位置、体积(大小和形状))或从钻头接受较小作用力和滑动磨损率的区域到那些承受相对较大作用力和滑动磨损率的区域切削元件数量的改变。这可使得切削元件相对于要钻凿的地层而言更为锋利。其它可进行优化的参数包括钻头形状、刀刃计数、水力特性等。

Description

用于优化旋转牵引式钻头的效率和持久性的方法以及具有最佳效率和持久性的旋转牵引式钻头

相关申请

本申请要求享有递交于2005年11月8日的美国临时申请60/734571的优先权，其全部公开在此结合作为参考。

技术领域

本发明的领域：本发明设计用于钻凿地下岩层的旋转牵引式钻头及其操作。更具体而言，本发明涉及一种设计这种钻头的方法，通过评价钻头上的切削元件的作用力的功(work-force rate)和滑动磨损率来获得最佳性能，并使该切削元件定位从而提高钻头的整体持久性和效率。

背景技术

钻凿工业使用旋转牵引钻头已经近百年，并且从那时起已经经历了显著的变化。今天最常见的旋转牵引式钻头是孕镶金刚石钻头和带有聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件或″刀具″的钻头。孕镶金刚石钻头，不是具有单独刀具的钻头，由许多嵌在整个钻头表面和顶部的碳化钨基体中的相对较小的金刚石或金刚石微粒组成。孕镶金刚石钻头在不易碎的塑性地层、研磨性地层中以及高转速转凿中表现最佳。PDC切削元件通常包括形成在支撑基底上的盘形金刚石″台面″(如烧结碳化钨(WC)基底等)并在高温高压条件下粘结于该基底。许多单独的PDC切削元件插入并固定(例如铜焊等)在钻头表面的凹槽中并形成从表面伸出的刀片，或者安装为立插在钻头主体内。承载着PDC切削元件的钻头已被证明在钻凿地下岩层时在实现高的钻速(ROP)方面非常有效，同时表现出低到中等的压缩强度。

旋转牵引式钻头位于一长串空心铁管或钻井管的端部，用于钻井。钻井管的单根管或接头大约30英尺(约10米)，并且每三根钻井管螺接在一起形成单个90英尺(30米)的支架。管子的各个支架螺接在一起形成整个钻柱，到达井底，井钻得越深需要增加越多的支架。钻柱可到达数百或数千英尺的长度，甚至可以数英里或公里长。然后，附接有钻头的钻柱从带有旋转驱动机构的表面转动；在一些情况下，井下马达位于钻管和钻头之间，附加转动该钻头。为了钻出具有指定形状的井，结合有弯套或潜艇的井下马达或轮机可用于使钻头单独转动而钻管保持固定。

钻井的经济成本强烈依赖于钻速(ROP)或钻头钻入地层的速率，它们通常以英尺每小时(或米每小时)来计量。因此，根据几个约束条件，例如受限于特定钻塔、地层特性、钻井流体特性及其他，钻井承包商设法使钻速(ROP)最大化，使每钻一英尺(或一米)的费用最小化。

除了特定钻头的钻井速度之外，影响钻井经济效率的另一重要因素是钻头持久性或切削元件磨损率。也就是说，希望具有一种钻头，在它由于切削元件变钝或破坏之前寿命尽可能长。正如提到的，该钻头位于一串钻管的端部。为了替换磨钝的钻头，整个钻柱必须被该单个接头或被该支架或拉或″杵″出钻井，总之耗时步骤更多，从而当该钻柱延伸几英里进入地球时要花超过一天的时间将其从井中去除。因此，期望具有一种钻头，在钻给定量地层时磨损更少。

钻头的设计方法存在一种未曾满足的需要，即相对于切削元件的体积和位置，作用力的功和滑动磨损率。其它因素也可通过优化结合于本发明。钻头设计的其他因素包括但不限于后倾角和侧倾角、刀刃形状(如倒角等)、钻头轮廓或其它，它们可进一步个个进行优化或组合。整体上而非分别检查上述这些因素提供了新的解决方案，用于增加钻头的寿命(钻凿距离)、锋利度(ROP)和效率(钻头磨损的速率或方式)。

发明内容

本发明包括用于设计钻头的方法，包括评价各因素的组合以使钻头的持久性和效率最优化。

该方法包括多个动作，其次序可采用最适合于人们实践本发明所需的方式。钻头钻凿地层可发生在计算机模拟、实验室试验或油田钻塔场所中。切削元件评价指标包括作用力的功和滑动磨损率。″作用力的功″是切削元件上的力与作用力施加距离的计算值，该距离可相对基准点规格化，尤其可包括钻凿距离或钻速(ROP)。″滑动磨损率″评价切削元件的钝化状况，可包括切削元件在其钻凿期间穿过地层给定距离时磨掉的面积。

钻头设计可结合钻凿期间收集的信息。钻头设计可包括钻头上切削元件数目的调整、钻头上一个或多个切削元件位置的调整、钻头上一个或多个切削元件定向的调整、钻头上刀刃数量的变化、钻头的外形或长度的变化、钻头水力特性的更改或上述各参数的组合。这些变化可提高钻头的持久性或效率。例如，切削元件可增加到现有钻头设计的位置或从那里删除或移走。这些变化减少了经受低作用力或滑动磨损率的切削元件的数量，同时增加了处于新钻头设计中经受较大作用力或磨损的位置之中的切削元件的数量。此外，切削元件的总数可保持与原有钻头相同，也可增加或减少。最后，该程序可包括选择特定旋转牵引式钻头以钻凿给定地层，以及使旋转牵引式钻头最优化以钻凿给定地层。

可选地，新的钻头设计可通过钻凿地层来测试，类似于实施在前述钻头设计的那种测试方式或通过其他方法测试。新的钻头设计可用作用力的功、滑动磨损率和/或其他重要特征评价。新的钻头设计还可改变以修改或提高所需特性，这些特性可包括切削元件的锋利性、持久性/冗余性、效率或其他特性中的个别特性或其组合。

根据本发明的教导设计出来的钻头也在本发明的范围之内。这种钻头可包括例如切削元件的特征，这些切削元件设置并定向以使获得的钻速(ROP)最优化同时通过在那些先前表现出不利的作用力和滑动磨损率的位置放置足够多的切削元件数量来使切削元件的磨损最小化。

通过考虑下面的描述、所附附图和所附权利要求，本发明的其他特征和益处对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。

附图说明

图1是描述了本发明的钻头设计方法的实施例的流程图；

图2是描述了本发明的钻头设计方法的另一实施例的流程图；

图3是包括对于现有的和新设计的钻头而言钻速(ROP)相对于钻凿距离的曲线图的图表；

图4描绘了现有钻头设计的轴向视图和切削元件轮廓；

图5描述了另一现有钻头设计的切削元件轮廓；

图6显示了根据本发明的教导设计的钻头的轴向视图和切削元件轮廓；

图7是比较相应钻头上切削元件的去除部分与切削元件的径向位置的图表，既包括现有钻头设计也包括根据本发明的教导设计出的钻头；

图8包括了另一现有钻头设计的轴向视图和切削元件轮廓；

图9提供了根据本发明的教导设计的另一钻头的轴向视图和切削元件轮廓；

图10是在三个未磨损的现有钻头和一个未磨损的用本发明的方法设计出来的钻头上每个切削元件的作用力的功相对于该切削元件从其相应钻头的转动轴线算起的径向位置制成的曲线图；

图11是图10中表示的钻头的每个切削元件的作用力的功相对于每个切削元件的径向位置制成的曲线图；

图12是图10和11中表示的钻头的每个切削元件上去除的部分相对于切削元件在其相应钻头上的径向位置制成的曲线图；以及

图13描述了切削元件从现有设计的钻头和从根据本发明的教导设计的钻头磨平的情况。

具体实施方式

根据本发明的方法的一个实施例包括一系列动作，这些动作在此以特别的顺序并在图1中进行描述，这些动作可采用对实践本发明的人而言最有用的方式执行。在附图标记11中，钻凿地层的钻头的一个或多个特征可被评价或记录。被钻凿的地层可包括实际井、在地表上或模拟井眼条件下的实验室试验装置、计算机模拟，或者″钻凿″可用其他任何适当的方式实施。

在钻凿期间或之后评价的特征可包括但不仅限于切削元件的尺寸、形状和磨平方向；切削元件、钻头主体的状况，或钻头的其他特征；钻凿地层的特征，包括但不陷于研磨性和压缩强度；所用的钻井流体；工作参数，例如钻头载重(WOB)或扭矩；或前述各项的组合。

在附图标记12处，钻头的算法模型(例如基于计算机的)或物理模型用本领域已知的方式建立。作为算法模型的非限制性例举，体现在计算机程序或其他的PDCWEAR计算机代码或其他适当的算法或算法组可以使用。D.A.Glowka的“在PDC钻头设计中使用单一刀刃数据”，第二部分-“PDCWEAR计算机代码的发展和使用”，J.Petroleum Tech.，850，SPE论文编号19309(1989年8月)，其整个公开在此结合作为参考，这是可用的PDCWEAR程序的一个例子。

该模型可包括作用力模型、滑动磨损模型或其他任何模型或各模型的组合，用于确定钻凿期间一个或多个单独的切削元件的磨损或作用力。该模型可说明一个或多个单独切削元件的位置、水力学参数或其他重要参数。该模型可在附图标记13处校准，从而它与钻头钻凿地层期间或之后记录的那些特征相互关联。钻凿地层的钻头模型可用作新钻头的模板或创造出的全新钻头设计，如图1中附图标记14指示。

影响钻头工作性能的各种因素可进行改进，同先前的钻头设计的一个或多个相应切削元件的位置或体积相比，包括但不仅限于一个或多个切削元件的位置或体积。例如，一个或多个切削元件的位置可从钻头上它们经受相对较小作用力或滑动磨损率或二者同时兼备的位置移动到它们经受相对较大作用力或滑动磨损率或二者同时兼备的位置。其他可单独或一起进行调整的元素包括但不仅限于刀刃数量或″刀刃计数″；钻头轮廓的长度和形状；钻头的水力特性，包括但不仅限于喷嘴的尺寸、位置或方向以及流路的尺寸、数量或路径；切削元件的尺寸、形状或数量；以及例如钻头载重、转速等工作参数。

钻头的虚拟模型可在预先建立的计算机模型中试运行以模拟钻凿地层或者钻头的物理模型可在钻井或实验室试验装置中试运行，如附图标记15所指示。用新钻头实现的结果可与原钻头相比，如附图标记16，与经过反复试验改进后的相比，如附图标记17，必要时直到获得最佳设计，这可包括优化钻头以在特定区域、地层、应用或其他需要中钻凿。因此，该程序可用于选择最佳的钻头设计以钻凿地层，可包括为了特定的地层或油田使用现有钻头设计或研究出一种优化的新的钻头设计。

在另一实施例中，现有钻头在钻凿地层时磨损的方式被记录下来，如图2的附图标记21指示。被钻凿地层可从实际钻井而来，或者它可从计算机模拟或实验室试验装置所钻地层而来。现有钻头的计算机模型和它或它的切削元件磨损的方式可在附图标记22处产生。该模型可在附图标记23处被校准到观察到的磨损。新的钻头在附图标记24处可使用来自现有钻头钻凿的信息进行设计，使现有钻头形成新的钻头的变化可包括增加位于现有钻头中磨损相对于钻头其他区域更不利的区域中的切削元件的体积百分比和/或增加位于不利磨损区域中的切削元件的数目，如附图标记25所指示。

各个切削元件的后倾角和侧倾角或它们刃边的几何形态(如倒角等)可在附图标记26处改变，这些可改变这些切削元件钻削地层的锋利性以及钻头整体的锋利性。通过在钻头的切削元件表现出过度不利作用力或磨损的一个或多个位置(例如，径向位置)上增加切削元件的体积或数量，一个或多个切削元件的刀面角可改变以改变切削元件钻削地层的锋利性。侧倾角影响着切削元件如何将钻屑推向切削元件侧面，很像犁的作用。后倾角是切削元件的表面相对于与被钻凿地层表面垂直的垂直线的角度，并通常表示为负角，虽然正的后倾角或前倾的切削元件指向已经有人建议。因此，切削元件的切削面是从钻头的转动方向向后倾斜或偏倾。0度的后倾角将表示切削元件是垂直的，或垂直于地层，并可称为″中性″后倾角。后倾角越小，即近似于零或垂直的后倾角，切削元件钻削地层就越锋利。刃边几何形态也可适于提供理想效果。

一个或多个切削元件的后倾角和侧倾角和/或刃边几何形态可匹配于所钻地层，更锋利的角(接近零度)适合于较软的地层而不太锋利的角适合于较硬的地层。通常，更锋利的后倾角和侧倾角对应于较大的切削元件和钻头磨损比率。因此，钻头设计关注的钻头持久性和钻速(ROP)可根据需要或希望用于特定应用而进行优化，如附图标记27所指示。

举例来说，钻头的锋利性可以磨损状况为代价而最大化，可特别用于成本特别高的短钻环境，例如近海。在其他情况下，持久性与锋利性相比可能是最重要的，例如在钻头运行预计相当长并且下钻或从井中出钻所需的时间很长的情况。持久性和锋利性之间的最佳平衡可以实现。

其他可被调整的元素包括但不仅限于钻头轮廓；切削元件的尺寸、形状和数量；钻头的水力特性，包括喷嘴和流路的设置、定向和大小；稳定性；及其他因素。

术语″稳定性″指钻头，特别是PDC钻头出现振动和旋转的趋势，它们都将对钻头的持久性产生负面影响。现有技术中已知的几种描述模型稳定性的尝试，例如包括CJ.Langeveld，“PDC钻头动力学”，SPE/IADC论文编号23867(1992)(发表在1992年2月18-21日召开的New Orleans，La.的IADC/SPE钻凿会议上)以及ThomasM.Warren等人的“防止偏心转动的钻头的发展”，SPE钻凿工程，297(1990年12月)，其全部公开在此结合作为参考。

另一可能要评价或改变的因素是钻头的水力特性，这在本领域也是已知的，其中一个例子是M.R.Taylor，“通过改变的水力学和机械设计在PDC钻头发展中获得高钻速和延长的钻头寿命”，SPE论文编号36435(1996)(发表在1996年10月6-9日在Danver，Colo.召开的SPE年度技术会议和展览)，其全部公开在此结合作为参考。

示例1

几种钻头根据本发明的教导进行了评价。

图3是用现有钻头设计在油田中收集的数据和从新钻头设计的计算机模拟所得数据的集合块。现有的钻头钻凿给定的地层并收集数据，包括钻速(ROP)和钻凿距离。Y轴31表示平均钻速(ROP)，单位是英尺/小时，而X轴32表示钻凿地层的距离，单位是英尺。X轴32开始于0英尺钻凿距离，它表示钻头未钻凿地层，即钻头是新的。钻头钻凿的距离沿X轴32向右线性增加。图上施加的是两个标准，钻头的工作性能与此相较。垂直的虚线33表示1060英尺(323米)的钻凿总距离，是已经由先前钻凿地层的钻头代表组钻凿的距离。为了试验的目的，而不是限制本发明范围的目的，水平虚线34表示15英尺/小时(大约5米/小时)的钻速(ROP)，这是一个可用于确定何时停止钻凿和从钻井中取出来以置换磨钝的钻头的标准。当给定的钻头平均钻速(ROP)降至15英尺/小时(大约5米/小时)或任何其他预定的最小钻速(ROP)时，可以认为钻头的切削元件已经磨损超过了其使用寿命，并且该钻柱可从钻井中拔出从而钻头可被替换。

现有的钻头设计用附图标记41和51表示，而根据本发明的教导设计出来的钻头用附图标记61和61′表示。

由钻凿实际地层的第一现有钻头41(图4)和第二现有钻头51(图5)提取的数据被绘制成图。数据显示，第一现有钻头41最初以大约35英尺/小时(大约11米/小时)(图3)的平均钻速(ROP)钻凿，随着钻头的持续运行和钻凿距离的增加而降低，直到到达最后的15英尺/小时的平均钻速(ROP)，钻头在到达大约1000英尺(大约305米)的深度后被取出钻井。来自钻头51的数据显示，该钻头最初以大约40英尺/小时(大约12米/小时)的平均钻速(ROP)钻凿地层，钻头的钻速(ROP)在到达稍大于1000英尺(大约305米)的深度时降低到15英尺/小时(大约5米/小时)。

如果使用钻头的计算机模型，现有钻头的计算机模型和被钻凿地层可通过包括各种参数而形成，例如地层或多个地层特征；钻井设备，例如泥浆泵尺寸或旋转驱动力矩的极限；井眼参数，例如壳体或井眼尺寸，或其他因素。钻头的参数可包括而不限于钻头轮廓(半径和高度)、刀刃尺寸(高度、厚度、定向、数量)、切削元件(数量、类型(PDC、碳化钨、天然金刚石)、后倾角和侧倾角、径向和轴向位置、刃边几何形态等)、或水力学数据(允许钻井流体流出钻头进入井眼空间的液力喷口的数目和大小)或其他因素中的单个或其组合。

图4提供钻头41的轴向视图和轮廓图，模型HC509Z可从Woodlands，Texas的Hughes Christensen公司、Baker Hughes公司的操作单位、本发明的受让人获得。钻头的轴向视图是这样一种视图表示，如果从钻头顶端或钻头41钻凿时的前端垂直看去，人们将看到该视图。位于多个刀刃43上的多个切削元件42在钻头41的轴向视图中是可见的，多个喷嘴44同样可见。在钻头41的中心是圆锥体45而在钻头的径向最外侧是量规距离46或径向距离。邻近钻头41的轴向视图的是钻头41的切削元件轮廓47的示意图，显示了当钻头41绕其转动轴线旋转以及切削元件42穿过与图4所在纸面相应平面时钻头41的每个切削元件42的径向和轴向定位。两根竖向直线48和49分别表示在地层钻凿过程中经受最大磨损的切削元件42，其通过计算机模拟经验或观察确定。存在于竖向直线48和49之间的切削元件42如图4所示，可位于从钻头41的旋转轴算起的径向距离的特定范围内，或者处于钻头41上的″径向位置″的特定范围内。如图所示，钻头41具有九(9)个位于由直线48和49限定的径向位置中的切削元件42。

图5是钻头51的切削元件轮廓的视图，是当钻头51旋转以及每个切削元件52穿过与图5所在纸面相应的平面时每个切削元件52的径向和轴向位置的表达。钻头51还具有几个备用切削元件52′，轮廓图中表示为七个(7)碳化钨合金刀片(TCI)52′。区域55对应于钻头的圆锥体而区域56对应于钻头的量规或半径。此外，两根竖向直线58和59分别表示切削元件52中在钻凿地层期间经受最大磨损的大概位置，这是通过计算机模拟的经验或观察确定的。

图4中钻头41的轮廓图47与图5中钻头51的轮廓图57的比较产生了几个关于切削元件42和52的分布和数目的观察结果。例如，钻头51具有总数比钻头41更多的切削元件52，四十七(47)个切削元件52比之四十四(44)个切削元件42，加上钻头41所不具有的另外七个TCI52′。

图3中示为钻头61并称为Hughes Cristensen钻头模型HC506ZX的新钻头设计没有单独描述，但其特征显示在图6中，该图描述了另一种新的钻头设计。

图6中显示了钻头61′的轴向视图，它是带有备用切削元件的Hughes Christensen HC506ZX的改进版本。位于多个刀刃63上的多个切削元件62在钻头的轴向视图中是可见的，多个喷口64同样可见。还可见的是一系列备用切削元件62′。主要切削元件62具有5/8英寸的直径，而备用切削元件62′具有1/2英寸的直径。在钻头的中心是圆锥体65而在钻头的径向最外侧是量规距离66或径向距离。邻近钻头61′的轴向视图的是轮廓图67。每个主要切削元件62和备用切削元件62′的径向和轴向定位表示为它穿过与图6所在纸面相应的平面。两根竖向直线68和69分别表示在地层钻凿过程中经受最大磨损的切削元件62的位置，其通过计算机模拟经验或观察确定。设置在直线68和69限定的区域之间，钻头61′具有六(6)个主要切削元件62和六(6)个备用切削元件62′。钻头61(图3)在各个方面都与钻头61′相应，除了它没有钻头61′的备用切削元件62′以外。

当与钻凿地层并且其结果显示在图3中的钻头51(图5)相比时，钻头61和61′(图6)具有比钻头51的轮廓更为平坦的轮廓，是稍微锥形的圆锥体65，钻头61和61′介于直线68和69之间的轮廓的曲率半径大于钻头51的相应特征的曲率半径。最终结果是钻头61和61′的轮廓拉长；具体而言，在这个非限制性举例中，钻头61和61′的轮廓长度已经相对于钻头51的轮廓延长了0.76英寸(1.9厘米)。其他变化包括切削元件的位置。每个钻头61和61′具有五(5)个位于接近钻头61、61′中围绕圆锥体65的区域的范围中的切削元件62，相比而言有七(7)个切削元件位于钻头51上接近圆锥体55的区域的范围中。同时钻头61和61′在圆锥体65的区域内具有比钻头51更少的切削元件62′，它们在其切削元件轮廓67中与竖向直线68和69分别相应的区域内具有增加数量的切削元件62。例如，在圆锥体65和半径68之间的区域内，钻头61和61′每个都具有十五(15)个切削元件62，相比而言，钻头51在相应的位置具有十二(12)个切削元件52。在直线68和69之间的径向区域内，钻头61和61′每个都具有十三(13)个切削元件62，相比而言，钻头51在相应的区域内具有十二(12)个切削元件52。此外，在直线69和量规66之间的区域内，钻头61和61′每个都具有二十(20)个切削元件62，相比而言，钻头51在相应的位置内具有十六(16)个切削元件52。因此可见，钻头61和61′的切削元件62已经从圆锥体区域65移到远离钻头61、61′的中心的区域去，最小的作用力和磨损发生在所述圆锥体区域65中，。钻头61上的切削元件62的总数保持与钻头51的切削元件52的数量相同，与此同时附加的备用切削元件62′已经追加到钻头61′上，相对于钻头51的切削元件52而言增加了其上切削元件62、62′的总体数量。

一旦新的钻头61和61′设计出来并创建出其计算机模型，每种新钻头61、61′切削模型中的地层的模拟得以建立，模拟的钻凿在计算机模型中实现，其结果数据得以收集。再参见图3，图中画出了用新设计的钻头61和61′模拟钻凿的结果相对于用现有钻头41和51钻凿的结果的曲线。对比图1中的不同可能尺寸，钻头61和61′在给定参数设定下与钻头41和51相比执行状况明显较好。比对由水平虚线34表示的15英尺/小时的标准，它是钻头被假定磨损并从钻井中去除并替换时的平均钻速，钻头61和61′比现有钻头41和51钻得深得多。在这种情况下，在钻速(ROP)降至15英尺/小时(大约5米/小时)之前，钻头61钻凿了大约1359英尺(414米)并且钻头61′钻凿大约1379英尺(420米)，相比较而言，钻头51钻凿了大约1060英尺(323米)。这表现出总的钻井深度增加了大约28％。此外，钻头61和61′在整个运行过程中的平均钻速为大约3英尺/小时(大约1米/小时)，比钻头51这一点更快，或者说提高了超过10％。

比较数据的另一种方法涉及到达特定深度的平均钻速(ROP)，在这种情况下1060英尺(323米)的停止深度由图3中的竖向虚线33表示，它对应于钻头41和51的钻速减慢到15英尺/小时(大约5米/小时)的深度。就此而言，在整个钻凿深度(1060英尺或323米)上钻头51的钻速(ROP)大约为29.0英尺/小时(大约9米/小时)，而在相同深度情况下钻头61和61′能达到39英尺/小时(大约12米/小时)的平均钻速(ROP)。这显示了相对于现有钻头41和51的钻井深度而言大约33％的提高。

每个切削元件在相对于其从钻头中心算起的径向位置经受的磨损可与在一个或多个其他钻头的相应径向位置上的切削元件磨损相比较。钻头肩角上的那些切削元件，圆锥体与钻头量规之间的区域会比其他区域的切削元件磨损更快，这依赖于钻头的几何形状；特别是因为肩角的元件距钻头的旋转轴向具有最大的径向距离，因此穿过更长的距离、遇到被钻凿的较大量地层并受到比钻头上位于径向接近旋转轴之处的切削元件更大的作用力。图7是一张图，其中钻头51和61′的每个切削元件的径向位置画成钻凿给定距离，在这种情况下为1060英尺(323米)，相当于钻头41和51钻凿的近似距离。在图7的Y轴71上，画出了每个切削元件的平方英寸面积上的去除或磨损部分。X轴72画出了从每个切削元件的钻头中心算起的径向位置。图7显示了钻头51的切削元件52比钻头61′上相应径向位置上的切削元件62磨损更为严重。按百分比计，在钻头上切削元件受到最大作用力的地方，钻头61和61′的切削元件62大约比位于大致相同径向位置的钻头51上的切削元件少磨损约33％。

示例2

在该方法的另一示例中，图4和8提供了代表性示例，显示了两个钻头的切削元件的轴向视图和轮廓图，为它们建立了计算机模型，图5显示了第三个钻头的轮廓图。图4和5如上所述。图8是HughesChristensen钻头模型HC511Z的图解表示。钻头81具有位于多个刀刃83上的多个切削元件82，在钻头的轴向视图中可见，多个喷口84同样可见。钻头的中心是圆锥体85并且钻头的径向最外侧是量规距离86或径向距离。邻近钻头81的轴向视图的是轮廓图87。每个主要切削元件82的径向和轴向定位表示为它穿过与图8所在纸面相应的平面。两根竖向直线88和89分别表示在地层钻凿过程中经受最大磨损的切削元件82的位置，其通过计算机模拟经验或观察确定。设置在由直线88和89限定的区域之间，钻头81具有大约十一(11)个切削元件82。这可与钻头41中位于直线48和49之间相应区域内的九(9)个切削元件，以及钻头51中位于直线58和59之间相应区域内的十二(12)个切削元件52相比较。钻头41、51和81中的每一个已经预先钻凿地层，性能特征被记录下来，钻头41、51和81中每一个的计算机模型得以创建。

用钻头41、51和81钻凿获得的数据与从钻头另一示例性实施例91的钻凿数据相比较，钻头91显示在图9中。钻头91根据用钻头41、51和81钻凿至少一种地层所得结果进行设计。钻头91包括多个切削元件92。钻头91不具有与图4和8所示的常规结构刀刃43和83一样的刀刃。而是，钻头91具有被称为″全面(full-face)″设计的刀刃，其中当轴向观察时，钻头91的表面包括由浅U形缺口分离的区域93或切口93′；因此，钻头91不包括常规结构的刀刃。切口93′允许钻井流体绕钻头91流过并向上流向井眼环状空间。钻头91还包括多个喷嘴94、接近钻头91的中心和量规96的圆锥体区域95。

在钻头91的切削元件轮廓97中，钻头91相对于钻头41、51和81(分别见图4、5和8)，以及切削元件92的径向和轴向位置相对于钻头41、51、81上的切削元件42、52、82的径向和轴向位置的几个改变很容易看到。例如，钻头91形状更平坦，而钻头41、51和81更趋于圆锥(或圆形)形状。此外，轮廓97的高度或长度与钻头41、51和81的轮廓47、57和87相比有所增加。并且，在由位于圆锥体95和量规96之间的竖向直线98和99限定的区域中，钻头91已经将切削元件92的数目从图4所示的钻头41的相应区域中的最少的九(9)个切削元件42增加到总共十三(13)个。

新设计的钻头91随后被输入计算机模型，然后运行这四种钻头中的每一个以模拟地层钻凿。在这种情况下，每个切削元件在地层钻凿过程中经历的作用力的功输出在图中被描绘出来，如图10所示。图10显示了每个钻头在钻头最初开始钻凿地层时即当钻头是新的且切削元件未曾磨损时经历的作用力的功。图10的Y轴101表示每个钻头经历的作用力的功并且X轴102表示在每个钻头41、51、81、91中切削元件42、52、82、92从每个钻头41、51、81、91的中心算起的相应径向位置(以英寸计)。

可以观察到，切削元件在从钻头中心算起的大约二又二分之一英寸(大约六又二分之一厘米)和三又二分之一英寸(大约9厘米)径向距离之间的区域中承受最大的作用力的功，它们分别大约对应于径向直线48、58、88、98和49、59、89和99。图11的图总体上显示出切削元件离钻头中心越远，则切削元件受到的作用力的功越高。这可能是因为切削元件42、52、82、92越是径向远离钻头41、51、81、91的旋转轴线，在钻头41、51、81、91旋转时它克服地层穿过的越远。虽然定位在从钻头的旋转轴线算起径向距离最远处的切削元件通常沿钻头的量规定位，它们不在轴向上积极地切割地层，因此不必然遵循随着径向距离从钻头的旋转轴线增加作用力的功增加的趋势。可以观察到，切削元件在从钻头中心算起的大约二又二分之一英寸(大约六又二分之一厘米)和三又二分之一英寸(大约9厘米)径向距离之间的区域中承受最大的作用力的功，它们分别大约对应于径向直线48、58、88、98和直线49、59、89和99。

新设计的钻头91的切削元件92承受的作用力的功明显小于其他钻头41、51、81的切削元件42、52、82承受的作用力的功，如数据指示的那样。在设计钻头91时，在其他钻头上位于别处的许多切削元件已经被移动到限定于直线98和99之间的区域中，该区域承受着最大作用力的功。这一区域中更多的切削元件92的存在降低了任何单个切削元件92必须经受的作用力的功。这一点的益处在于，对于给定的地层，切削元件92将已经增加持久性，它将允许钻井操作者运行钻头更长一段时间并在不得不在钻头磨损时移除它之前钻凿更大的距离。

钻头51的数据指示出大致位于距钻头51的旋转轴二又二分之一英寸(大约六又二分之一厘米)和三又二分之一英寸(大约9厘米)径向距离之间的多个切削元件承受很小的作用力或不承受任何作用力。这些切削元件相应于TCI(和/或PDC)备用切削元件52′。TCI(和/或PDC)备用切削元件52′上没有作用力或磨损的一个原因可能是当钻头51是新的时主切削元件52承受了全部的最初切削地层的作用力，并且由于备用切削元件52′可能不接合地层因此它们几乎不经受任何作用力。

图11是类似于图10的图，数据在相同的钻头经过代表性地层钻凿之后提取。这种情况下，数据不是来自新钻头，数据曲线来自已经磨损的钻头。具体而言，数据曲线来自在钻速(ROP)降至15英尺/小时之后的钻头41、51、81和91，如图3中显示的示例所示。此外，Y轴111表示作用力的功和X轴112表示每个钻头的切削元件的径向位置。数据表示出均匀磨损，钻头91的切削元件92承受了相对于切削元件42、52和82承受的作用力的功而言明显减少的作用力的功。此外，该图显示出钻头51的辅助切削元件52′现在承受着钻凿地层的一些负载。这种情况发生是因为主刀具52也许已经磨损到足以使辅助切削元件52′接合于地层。因此，钻头51现在具有更多的接合于地层的切削元件，这可以解释为什么每个单个主切削元件52上的作用力的功得以减少。当这种情况发生时，主切削元件52的作用力的功接近于钻头41的切削元件42的作用力的功。这进一步意味着，通过在钻头区域内增加预先承受大部分作用力的切削元件的数量或体积，则各个切削元件上的作用力的功便会减少，导致更长的钻头寿命。

由于新设计的钻头91的切削元件92承受与其他钻头41、51和81的切削元件42、52和82的作用力的功相比更少的作用力的功，之后钻头91的其他特征可得到优化。例如，切削元件92可定向为更锋利地切割地层，换句话说，切削元件92的后倾角和/或侧倾角可得以减小从而他们更为直接地钻削地层。这可提高钻头在运行期间达到的钻速(ROP)。其他因素也可变化，或作为可选变化，或与切削元件中变化的方向一起变化。

图12是一幅图，其中关于单个切削元件42、52、52′、82和92的滑动磨损率的数据被绘成曲线，该数据在地层模拟钻凿期间获得。Y轴121表示每个切削元件在地层钻凿期间磨掉的面积，它以平方英寸为单位。X轴122表示每个切削元件以英寸为单位的径向位置。数据曲线来自在模拟钻凿将每个钻头的钻速(ROP)降到15英尺/小时(大约5米/小时)之后的切削元件42、52、52′、82和92。数据表示出，位于从其各自钻头的旋转轴线算起大约3英寸(大约七又二分之一厘米)到三又二分之一英寸(大约9厘米)的径向距离处的那些切削元件已经比那些位于从每个钻头的旋转轴线算起其他径向距离处的切削元件磨损得更多。钻头51的辅助的备用切削单元52′相对于主切削元件52而言几乎不经受磨损，但这种情况是因为备用切削元件52′不与地层接合才出现，到主切削元件52磨损到足以使备用切削元件52′暴露出来为止。

从已经在图12中绘成曲线的数据可见，钻头91的切削元件92不受到像钻头41、51和81的切削元件42、52和82那么多的滑动磨损。实际上，位于由切削元件轮廓97中的直线98和99限定的区域内的切削元件92的滑动磨损，该磨损大约分别是钻头41和51的切削元件42和52中相同位置的一半，并且大约是钻头81的切削元件82中相同位置的三分之一，所述直线98、99对应于从其钻头91的旋转轴线算起大约3英寸(大约七又二分之一厘米)到三又二分之一英寸(大约9厘米)的径向距离。这意味着在其他条件相同的情况下，带有位于由图9中直线98和99限定的临界区域中的增大数量的切削元件92的钻头91有可能比钻头41、51和81更远的钻凿距离。

与图12相关的是位于从钻头算起的给定径向距离处的各个切削元件去除掉的实际面积的示意图，如图13所示，切削元件134是钻头41的单个切削元件42的表示，它位于从钻头41的中心算起大约3.26英寸(大约8.28厘米)的径向距离处。阴影面积134′表示切削元件134在钻凿地层期间被磨掉的面积，它先前在图12中图示。在这种情况下，地层模拟钻凿磨掉大约0.032平方英寸(大约0.21平方厘米)的面积，与之不同的是，切削元件139是新设计的钻头91的单个切削元件92位于从钻头91的中心算起大约3.25英寸(大约8.25厘米)的径向距离处的表现。因此，切削元件139位于从钻头91的中心算起的某径向距离处，该径向距离与切削元件134从钻头41的中心算起的径向距离相同，两个元件均落在切削元件中接受大部分磨损的从3英寸(大约七又二分之一厘米)到三又二分之一英寸(大约9厘米)的径向距离内。可以看到的是，地层钻凿已经磨除了切削元件139的阴影面积139′，大约0.016平方英寸(大约0.10平方厘米)，或是钻凿相同距离后从切削元件134磨掉的面积134′的二分之一。这图解显示出，通过将切削元件从经受低滑动磨损率的区域移动到经受高滑动磨损率的区域，就像对钻头91所做的那样，各个切削元件的滑动磨损率可得到改善。

因此，如前述的实施例表示的那样，记录观察到的现有钻头在钻凿地层之前、期间和之后的特征可有助于设计新钻头，在每种情况下，现有钻头的性能(钻凿距离，钻速)和切削元件在地层钻凿期间所受作用力的功和滑动磨损率可观察得到。由此，切削元件可从那些承受低作用力和滑动磨损率的位置移动到切削元件受到较高作用力和滑动磨损率的区域。这样做之后，新的钻头可相对于现有钻头的性能和比较结果进行测试。然后可进行进一步改善。例如，切削元件的位置、数量或体积可被优化以获得较佳的持久性并减少磨损。这尤其可包括将切削元件的体积保持不变，或减少或增加体积，此外，钻头本身的轮廓可变更为调节切削元件的新位置。这可能必然伴有增加、减少或去除现有设计的刀片，调节轮廓的高度或对钻头进行其他修改以提高水力特性、稳定性或其他本领域已知的参数。

此外，各个切削元件的后倾角和/或侧倾角或刃边几何形态可直接响应于切削元件的变化的位置和体积进行改变。更具体而言，后倾角和/或侧倾角或刃边几何形状例如可进行改变从而使得用于增加持久性和效率的钻头的一个或多个切削元件以更为锋利的方式钻削地层，例如通过减小负后倾角从而使得切削元件更趋向于相对钻凿地层垂直定位。由于先前用这种方法无法对切削元件的位置和体积进行优化，因此不太可能用这种方法增大切削元件的锋利性。在这种方式中，新的钻头设计可能已经增加了持久性(钻凿距离)和效率(磨损特性)，而且用先前未实现的方式提高锋利性(钻速)。

前述实施例和描述仅提供各种实施例的示例。例如，虽然这里公开的实施例设计带有PDC刀具的钻头，但这种方法同样可执行于具有天然金刚石刀具的钻头。因此，公开的实施例不限于本发明的范围或其等同物，该范围仅由权利要求确定。

Claims (24)

1、一种用于设计地球钻孔的钻头的方法，该方法包括：

用包括多个第一切削元件的第一钻头钻凿地层；

在钻凿地层后记录该第一钻头的至少一个特征；

生成第一钻头的模型，包括：

评价从钻凿地层起该多个第一切削元件中的至少一个切削元件经受的作用力和滑动磨损中的至少一个；

设计包括多个第二切削元件的第二钻头，包括：

将至少一个附加切削元件定位到接近该第二钻头设计上的位置，所述第一钻头的至少一个切削元件在所述位置受到磨损。

2、如权利要求1所述的方法，其中，钻凿地层包括在油田中或在钻井设备中钻凿地层或钻凿实验室试验装置。

3、如权利要求1所述的方法，其中，钻凿地层包括计算机模拟钻凿。

4、如权利要求1所述的方法，其中，定位至少一个附加切削元件包括将切削元件增加到第二钻头的设计中。

5、如权利要求1所述的方法，其中，所述定位包括将所述至少一个切削元件从第二钻头设计中对应于第一钻头中大致未磨损的至少一个切削元件对应的位置移除，并将该至少一个切削元件重新放置到第二钻头设计中该第一钻头的所述至少一个切削元件受到磨损所在的位置附近。

6、如权利要求1所述的方法，其中，设计还包括：

将至少一个切削元件从第二钻头设计中的位置去除，该位置对应于该第一钻头中基本未受磨损的切削元件位置。

7、如权利要求1所述的方法，其中，设计包括优化第二钻头的设计以包括位于一些位置的切削元件，这些位置对应于第一钻头中经受最大量磨损作用力或滑动磨损的切削元件位置。

8、如权利要求1所述的方法，还包括：

用第二钻头钻凿地层以检验所述第二钻头上切削元件放置情况的所需效果。

9、如权利要求8所述的方法，还包括：

如果第二钻头上的切削元件设置未产生所需效果，则重复进行产生、评价和设计行为。

10、如权利要求1所述的方法，其中，设计包括：

将所述至少一个切削元件定位以与其他切削元件冗余；以及

使该至少一个切削元件和所述其他切削元件中的至少一个定向或成形以更为锋利地切削地层。

11、如权利要求1所述的方法，其中，设计还包括：

从第一钻头的相应特征调整第二钻头设计的至少以下特征之一：刀刃计数；刀具结构；长度；轮廓；水力特性以及操作参数。

12、一种用于设计地球钻孔的钻头的方法，该方法包括：

钻凿地层；

记录带有多个第一切削元件和多个第一刀片的第一钻头在钻凿地层时磨损的方式；

建立对应于现有钻头磨损的方式的计算机模型；并且

设计带有多个第二切削元件的第二钻头，包括

增加位于第二钻头设计中区域内的所述多个第二切削元件的体积和数量中的至少一种，该区域对应于第一钻头中比第二区域受到更大磨损的第一区域；以及

相对于多个第一切削元件中的至少一个的后倾角和侧倾角来改变所述第二组切削元件中的至少一个切削元件的后倾角、侧倾角和刃边几何形态中的至少一个。

13、如权利要求12所述的方法，其中，钻凿地层包括在油田中或在钻井设备中钻凿地层或钻凿实验室试验装置。

14、如权利要求12所述的方法，其中，钻凿地层包括计算机模拟钻凿。

15、如权利要求12所述的方法，其中，所述增加包括将至少一个切削元件从第二钻头设计中对应于第一钻头的第二区域的区域移除并且将所述至少一个切削元件重新放置到第二钻头设计中对应于第一钻头的第一区域的区域内。

16、如权利要求12所述的方法，还包括：用第二钻头钻凿地层以检验所述第二钻头上切削元件放置情况的所需效果。

17、如权利要求16所述的方法，还包括：如果第二钻头上的切削元件设置未曾产生所需效果，则重复进行产生、评价和设计行为。

18、如权利要求12所述的方法，其中设计包括：将至少一个切削元件定位以与其他切削元件冗余。

19、如权利要求12所述的方法，其中设计还包括：从第一钻头的相应特征调整第二钻头设计的至少以下特征之一：刀刃计数；刀具结构，长度；轮廓；水力特性以及操作参数。

20、一种地球钻孔钻头，包括：

主体，包括切削元件经受磨损的至少一个位置和切削元件经受很小磨损或不经受磨损的至少一个位置；以及

位于主体上切削元件经受磨损的至少一个位置的多个切削元件，从而使地球钻孔钻头的寿命和地球钻孔钻头的钻速中的至少一个最优化。

21、如权利要求20所述的地球钻孔钻头，其中，所述多个切削元件定位成使得该地球钻孔钻头的寿命和钻速中的至少一个在特定地层或地层类型中最优化。

22、如权利要求20所述的地球钻孔钻头，其中，没有切削元件存在于主体上切削元件经受很少磨损或不经受磨损的所述至少一个位置。

23、如权利要求20所述的地球钻孔钻头，其中，在切削元件经受磨损的至少一个位置中的至少一个切削元件被定向成能锋利地钻削地层。

24、如权利要求20所述的地球钻孔钻头，其中，至少下列特征之一适合于提供所需的钻凿特性：刀刃计数；刀具结构，长度；轮廓；水力学特性和操作参数。

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