CN104428483A - 旋转钻头和设计用于定向和水平钻探的旋转钻头的方法 - Google Patents

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CN104428483A CN201280074423.7A CN201280074423A CN104428483A CN 104428483 A CN104428483 A CN 104428483A CN 201280074423 A CN201280074423 A CN 201280074423A CN 104428483 A CN104428483 A CN 104428483A
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    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/42—Rotary drag type drill bits with teeth, blades or like cutting elements, e.g. fork-type bits, fish tail bits
    • E21B10/43—Rotary drag type drill bits with teeth, blades or like cutting elements, e.g. fork-type bits, fish tail bits characterised by the arrangement of teeth or other cutting elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/28—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass cutting tools
    • B23P15/32—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass cutting tools twist-drills

Abstract

披露了一种设计用于定向和水平钻探的多层井下的钻探工具。该钻探工具包括：具有延伸通过其中的旋转轴线的钻头体。多个主刀片设置在钻头体的外部上，以及多个次级刀片于钻头体的外部设置在主刀片之间。钻探工具还包括多个设置在主刀片的外部上第一层切削元件，以及多个设置在次级刀片的外部上的第二层切削元件。第二层切削元件是按反向轨迹式设置构造与第一层切削元件呈轨迹式设置。

Description

旋转钻头和设计用于定向和水平钻探的旋转钻头的方法
技术领域
本发明总的涉及井下钻探工具，具体来说，涉及旋转钻头和设计用于定向和水平钻探的旋转钻头的方法。
背景技术
各种类型的井下钻探工具包括但不限于：旋转钻头、钻孔器、岩心钻头以及其它的井下工具，在相关的井下地层中，这些钻探工具已经被用来形成井筒。此类旋转钻头的实例包括但不限于：固定刀具的钻头、拖曳钻头、多晶金刚石致密(PDC)钻头，以及与形成延伸通过一个或多个井下地层的油井和气井相关的基质钻头。诸如PDC钻头的固定刀具钻头包括多个刀片，它们各包括多个切割元件。
在典型的钻探应用场合中，钻头可用在定向和水平钻探中。通常在定向和水平钻探中，钻头将垂直地钻探到某一开始部位，在该开始部位处，钻头将开始弯曲到地层中，且在某一点处，钻头将开始水平钻探。定向和水平钻探的目的之一是增大蓄库排放到井筒中的排量并提高井的产量。
当钻探垂直井筒时，位于钻头上方的钻具组和各种其它的物件在钻头上提供要求的力，这通常被称作钻压(WOB)。该WOB能使钻头充分地配合地层，达到足够的穿透率(ROP)和切削深度。然而，当井筒开始从垂直改变到水平时，钻具组借助于重力保持抵靠着井筒的下壁。在这种情况下，钻具组处于井筒开始部位和水平部分中的部分可能在钻头上不作用任何的重力，因为钻具组的重量作用在井筒的下壁上。这导致非常小的WOB和低的ROP。因此，在定向和水平钻探中，用于使钻头转向的任何力必须克服钻具组和井筒下壁之间的摩擦力。此外，在某些定向和水平钻探中使钻头转向所需的转矩仅由井下马达提供的，因此是非常有限的。如果钻头切削的即时深度非常深，使得马达所产生的转矩和每分钟转数(RPM)不足以有效地转动该钻头，则该有限的转矩可导致“马达停转”。
发明内容
根据本发明的介绍，与使用旋转钻头进行定向和水平钻探有关的缺点和问题已经基本上减少或消除。在特别的实施例中，披露了设计用于定向和水平钻探中的多层井下的钻探工具。该钻探工具包括钻头体，其包括延伸通过其中的旋转轴线。多个主刀片设置在钻头体的外部上，而多个次级刀片设置在钻头体的外部上主刀片之间。多个第一层切削元件设置在主刀片的外部上，且多个第二层的切削元件设置在次级刀片的外部上。第二层的切削元件按反向轨迹式设置(opposite track set)构造与第一层的切削元件呈轨迹式设置。
根据本发明一实施例，披露了设计用于定向和水平钻探中的多层井下钻探工具。该钻探工具包括钻头体，其包括延伸通过其中的旋转轴线。多个主刀片设置在钻头体的外部上，而多个次级刀片设置在钻头体的外部上主刀片之间。多个第一层切削元件设置在主刀片的外部上，且多个第二层的切削元件设置在次级刀片的外部上。第二层的切削元件按前轨迹式设置构造(front track set)而与第一层切削元件呈轨迹式设置。
根据本发明另一实施例，披露了设计多外形层的钻头以提供定向和水平钻探的方法。该方法包括：将多个第一层切削元件放置在设置于钻头体外部上的多个主刀片上；以及由前轨迹式设置构造或反向轨迹式设置构造形成切削元件构造。在钻探过程中，根据井筒的地层特征和与钻头相关的马达转速，来估计第二层切削元件与地层相配合处的钻压。确定第二层的切削元件和第一层的切削元件之间的未露出量，并根据切削元件构造和所确定的未露出量，将第二层的切削元件放置在多个次级刀片上，以防止在滑动模式钻探过程中马达停转。
附图说明
为了更完整地理解本发明和其特征和优点，现结合附图，参照以下的描述，附图中：
图1示出根据本发明某些实施例的钻探系统的示例实施例；
图2A示出根据本发明某些实施例的旋转钻头的立体图，该钻头以经常用于对固定刀具的钻头进行模型确定或设计的方式而向上定向；
图2B示出根据本发明某些实施例的作为转速、流体速度和压差的函数的马达的输出转矩图；
图3示出根据本发明某些实施例设计的钻头每转切削深度和钻压的关系图；
图4A示出根据本发明某些实施例的钻头的钻头面，其包括设置在呈前轨迹式设置构造的刀片上的切削元件；
图4B示出根据本发明某些实施例设计的图4A的钻头的钻压对穿透率的曲线图；
图5A示出根据本发明某些实施例的钻头的钻头面，其包括设置在呈反向轨迹式设置构造的刀片上的切削元件；
图5B示出根据本发明某些实施例设计的图5A的钻头的钻压对穿透率的曲线图；
图6A示出根据本发明某些实施例的钻头的钻头面，对该钻头面可确定切削控制曲线的临界深度(CDCCC)；
图6B示出根据本发明某些实施例的图6A的钻头的钻头面外形；
图7示出根据本发明某些实施例的确定和产生切削控制曲线的临界深度的示例方法；
图8是示出根据本发明某些实施例的切削曲线的临界深度，其中，切削的临界深度绘制为钻头半径的函数；
图9示出一种曲线图，该图示出根据本发明某些实施例设计的钻头在滑动模式钻探过程中各个刀具的切削面积；
图10示出一种曲线图，该图示出根据本发明某些实施例设计的钻头在转动模式钻探过程中各个刀具的切削面积；
图11示出一种曲线图，该图示出根据本发明某些实施例设计的钻头的穿透率和钻压的关系，该钻头的第二层切削元件相对于第一层切削元件处于不同程度的不充分暴露状态(under-exposure)；
图12示出一种曲线图，该图示出根据本发明某些实施例设计的钻头的钻头扭矩和钻压的关系，该钻头的第二层切削元件相对于第一层切削元件处于不同的不充分暴露状态；
图13示出一个流程图，该流程图用于设计根据本发明某些实施例的多外形层的钻头，以提供定向和水平钻探。
具体实施方式
参照附图1-13，本发明的实施例及其优点可得到最好的理解，附图中，相同的附图标记用来表示相同的和对应的零件。
图1示出根据本发明各种实施例的钻探系统100的示例性实施例，该系统100构造成提供钻探到一种或多种地质地层内的定向钻探。在定向或水平钻探时，有利地是控制井下钻探工具切削入地质地层内的量，以在从垂直钻探过渡到水平钻探时防止马达停转。如以下进一步要详细披露的，并根据本发明的某些实施例，钻探系统100可包括井下钻探工具(例如，钻头、钻孔器、开孔器等)，其可包括一个或多个切削元件，切削元件在工具刀片上布置成多层，以在较低钻压(WOB)的情况下提供较高的钻探效率和切削控制深度，以及在较高WOB的情况下提供正常的钻探效率。在某些实施例中，钻探工具可具有第一层的切削元件和第二层的切削元件，第一层切削元件在主刀片上布置成单一设置，第二层切削元件在次级刀片上布置成轨迹式设置且相对于第一层切削元件为不充分暴露次级刀片。在某些实施例中，不充分暴露的量对于各个第二层切削元件是相同的。在其它的实施例中，第二层切削元件的不充分暴露的量可根据预期的临界切削深度进行计算，在该临界切削深度上，第二层切削元件预计切削入地层内。在这些实施例中，不充分暴露的量对于各个第二层切削元件可以是不同的。在某些实施例中，临界切削深度对于各个第二层切削元件可以相同的。
钻探系统100可包括钻井表面或井场106。诸如旋转台、泥浆泵和泥浆罐(未示出)之类的各种类型的钻探设备可定位在钻井表面或井场106处。例如，井场106可包括钻探台架102，其可具有与“陆上钻探台架”相关的各种特征和特点。然而，根据本发明的井下钻探工具可满意地用于位于离岸平台、钻探船、半潜入水中的船以及钻探驳船(未清楚地显示)上的钻探设备。
钻探系统100可包括与钻头101相关联的钻具组103，其用来形成各种井筒或钻孔，诸如是如图1所示的大致垂直的井筒114a或大致水平的井筒114b。各种定向钻探技术和钻具组103的井底钻具组合(BHA)120的相关部件可用来形成大致水平的井筒114b。例如，侧向力可施加到靠近开始部位113的钻头101上，以形成从大致垂直的井筒114a延伸的大致水平的井筒114b。术语“定向钻探”可用来描述钻探以相对于垂直方向倾斜成要求角度延伸的井筒或部分井筒。如此的角度可大于与直孔相关的正常变化。定向钻探有时可被描述为钻探偏离垂直方向的井筒。术语“水平钻探”可用来包括沿近似与垂直方向成90度的方向进行的钻探。术语“定向数据”可包括为确定钻头应该钻入到地层内的半径和/或方向所提供的任何信息。
BHA 120可由各种构造用来形成井筒114的部件来形成。例如，BHA 120的部件122a、122b和122c可包括但不限于：钻头(例如，钻头101)、钻探轴环、旋转控制工具、定向钻探工具、井下钻探马达、钻孔器、孔扩大器或稳定器。诸如钻探轴环和包括在BHA120内的不同类型的部件122那样的部件的数量可取决于所期望的井下的钻探条件以及由钻具组103和旋转钻头101形成的井筒类型。
井筒114可部分地由套管柱110形成，该套管柱110可从钻井表面106延伸到选定的井下部位。如图1所示的不包括套管柱110的井筒114的部分可被描述为“敞开孔”。各种类型的钻探流体可从钻井表面106通过钻具组103泵送到所附连的钻头101。如此的钻探流体可被引导，而从钻具组103流到包括在旋转钻头101内的相应的喷嘴(图2中所示的物件156)。钻探流体可通过部分地由钻具组103的外直径112和井筒114a的内直径118a形成的环腔108而循环回到钻井表面106。内直径118a可被称作井筒114a的“侧壁”。环腔108也可由钻具组103的外直径112和套管柱110的内直径111形成。
图2示出根据本发明某些实施例的旋转钻头的立体图，该钻头以经常用于对钻头进行模型确定或设计的方式向上定向。钻头101可以是各种类型的固定刀具的钻头的任意一种，包括PDC钻头、拖曳钻头、基质钻头和/或钢体钻头，它们可操作而形成延伸通过一个或多个井下地层的井筒114。钻头101可根据本发明的描述进行设计和形成，并根据钻头101的特定应用而具有许多不同的设计、构造，和/或尺寸。钻头101可包括一个或多个刀片126(例如，刀片126a-126g)，它们可从钻头101的旋转钻头体124的外部向外设置。旋转钻头体124可具有大致圆柱形的本体，而刀片126可以是任何合适类型的从旋转钻头体124向外延伸的突出部。例如，刀片126的一部分可直接或间接地偶联到旋转钻头体124的外部，而刀片126的另一部分则远离钻头体124的外部突出。根据本发明的教示而形成的刀片126可具有各种构造，包括但不限于：大致弓形的、螺旋形的、螺线形的、锥形的、会聚的、发散的、对称的和/或非对称的。
在某些情形中，刀片126可具有大致的弓形构造、大致的螺旋形构造、螺线形的构造，或可满意地用于各种井下的钻探工具的任何其它构造。一个或多个刀片126可具有从钻头101的近端旋转轴线104延伸的大致弓形构造。该弓形的构造可部分地由从近端的钻头旋转轴线104延伸的大致凹形、凹陷形部分形成。弓形构造还可部分地由大致凸出的、向外弧形部分形成，该弧形部分设置在凹形的凹陷部分和大致对应于旋转钻头的外直径的各个刀片的外部之间。
每个刀片126可包括第一端和第二端，第一端靠近或朝向钻头旋转轴线104设置，而第二端靠近或朝向钻头101外部设置(例如，大致远离钻头旋转轴线104并朝向钻头101的井上部分设置)。术语“井上”和“井下”可用来描述钻探系统100各种部件相对于图1中所示井筒114的底部或端部的位置。例如，被描述为从第二部件向着井上方向的第一部件可比第二部件进一步远离井筒114的端部。同样地，被描述为从第二部件向着井下方向的第一部件可比第二部件更靠近井筒114的端部定位。
刀片126a-126g可包括围绕钻头旋转轴线设置的主刀片。例如，在图2中，刀片126a、126c和126e可以是主刀片或主要刀片，因为各个刀片126a、126c和126e的相应第一端141可紧密地邻近相关钻头旋转轴线104设置。在某些实施例中，刀片126a-126g还可包括设置在主刀片之间的至少一个次级刀片。图2中显示在钻头101上的刀片126b、126d和126f和126g可以是次级刀片或副刀片，因为相应的第一端141可设置在井下端151上的离开相关钻头旋转轴线104一定的距离处。次级刀片和主刀片的数量和位置可以变化，以使钻头101包括或多或少的次级刀片和主刀片。刀片126相对于彼此和钻头旋转轴线104对称地或非对称地设置，其中，该部署可以基于钻探环境的的井下钻探条件。在某些情形中，刀片126和钻头101可沿着方向箭头105所限定的方向围绕钻头旋转轴线104转动。
每个刀片沿钻头101的转动方向可具有设置在刀片一侧上的前导(或前)表面，以及与钻头101的转动方向向背地设置在刀片相对侧上的尾端(或背)表面。刀片126可沿着钻头体124定位，使得刀片具有相对于钻头旋转轴线104的螺旋形构造。在其它的实施例中，刀片126可沿着钻头体124相对于彼此和钻头旋转轴线104而定位在大致平行的构造中。
刀片126可包括一个或多个切削元件128，它们从各个刀片126的外部向外设置。例如，一部分的切削元件128可直接或间接地偶联到刀片126的外部，而另一部分的切削元件128可远离刀片126的外部突出出来。切削元件128可以是构造成切削入地层内的任何合适的装置，包括但不限于：主切削元件、备用切削元件、次级切削元件或它们的组合。举例来说但无限制，切削元件128可以是满意地用于各种钻头101的各种类型的刀具、压块、钮形物、插入件以及标准刀具。
切削元件128可包括带有一层硬质切削材料的相应基底，切削材料设置在各个相应基底的一端上。切削元件128的硬质层可提供切削表面，该切削表面可配合井下地层的邻近部分以形成井筒114。切削表面与地层的接触可形成与各个切削元件128相关联的切削区域。位于切削区域内的切削表面的边缘可被称作切削元件128的切削刃。
切削元件128的每个基底可具有各种构造，并可由碳化钨或其它与形成用于旋转钻头的切削元件相关的材料形成。碳化钨可包括但不限于：碳化一钨(WC)、碳化二钨(W2C)、粗晶碳化钨以及粘合或烧结的碳化钨。基底也可以使用其它硬质材料形成，其可包括各种金属合金和诸如金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物和金属氮化物之类的粘合剂。对于某些应用来说，硬质切削层可由基本上与基底相同的材料形成。在其它的应用中，硬质切削层可由不同于基底的材料形成。用来形成硬质切削层的材料实例可包括多晶金刚石材料，包括合成的多晶的金刚石。
在某些实施例中，刀片126还可包括一个或多个切削深度控制器(DOCC)(未清楚地示出)，其构造成控制切削元件128的切削深度。DOCC可包括压实擒获器、备用刀具和/或MDR(修正的金刚石加强)。刀片126、切削元件128和DOCC(未清楚地示出)的外部可形成钻头面的部分。
刀片126还可包括设置在刀片126上的一个或多个计量垫(未清楚地示出)。计量垫可以是设置在刀片126外部上的计量块、计量段或计量部分。计量垫经常可接触由钻头101形成的井筒114的邻近部分。刀片126的外部和/或相关计量垫可相对于大致垂直的井筒的邻近部分设置成不同的角度、正向、负向和/或平行。计量垫可包括一个或多个硬质材料层。
钻头101的井上端150可包括带有形成在其上的钻管螺纹155的柄152。螺纹155可用来可释放地使钻头101与BHA120配合，这将在下面详细描述，由此，钻头101可相对于钻头旋转轴线104转动。钻头101的井下端151可包括多个刀片126a-126g，相应的碎片狭槽或流体流动路径240设置在其间。此外，钻探流体可连通到一个或多个喷嘴156。
钻头101的穿透率(ROP)通常是钻压(WOB)和每分钟转数(RPM)的函数。回过来参照图1，钻具组103在钻头101上施加重力，并还可围绕旋转轴线104转动钻头101，以形成井筒114(例如，井筒114a或井筒14b)。每转的切削深度(或“切削深度”)也可根据特殊钻头的ROP和RPM，并指示钻头切削元件128配合地层有多深。
对于某些应用来说，井下马达或“马达”(未清楚地示出)可作为BHA120的一部分来提供，以便也转动钻头101，从而提供定向和水平的钻探，以形成通过开始部位113的井筒114b。在使用马达进行定向和水平钻探的过程中存在着两种钻探模式。第一种模式可被称作“滑动模式”钻探。在该模式中，马达(未清楚地示出)上方的钻具组103不转动，以使钻头101形成/下落一角度和钻入到曲线形。滑动模式钻探可主要用来改变钻探方向。第二种模式可被称作“转动模式”钻探。在该模式中，钻具组103和马达(未清楚地示出)两者都在转动。转动模式钻探可用来钻探侧向部分或直的孔，如大致水平井筒114b中所示。
当在滑动模式中钻透井筒的弧形部分时，由于钻具组103和开始的井下壁118b之间存在轴向摩擦力，可能难于将轴向力传递到钻头101。当井筒114的角度从大致垂直方向通过开始部位113转变到大致水平方向时，钻具组103借助于重力保持抵靠住井筒的下部壁，例如，开始的井下壁118b。在该情形中，从开始部位113到大致水平的井筒114b的钻具组103会不施加太大的力或WOB，因为钻具组103的大部分重量作用在井筒的下部壁上。作用在钻头101上的力或WOB必须克服钻具组103和井筒114的开始井下壁118b之间的摩擦力。在滑动模式中，除了较低的ROP和每转深度之外，该情形可导致较小的力或WOB。
此外，在滑动模式钻探中，钻头扭矩(TOB)，即用于转动钻头101的转矩，是可以有限的，因为转矩可只由马达(未清楚地示出)提供，而不是由钻探台架102提供。来自井下马达(未清楚地示出)的最大输出转矩可以是以下的函数：以每分钟转数(RPM)来表示的转速、以每分钟加仑(GPM)来表示的流体速度，以及以每平方英寸磅(psi)来表示的横跨马达的运行压差。因此，图2B示出了作为转速、流体速度和压差函数的马达输出转矩的曲线图200。图2B可以是可由马达制造商提供的技术说明书的一部分。井下马达的一个实例是或马达(哈里伯顿公司的斯佩礼钻井服务公司(Sperry Drilling Services at Halliburton Company)德克萨斯州)。从图2B中可见，对于给定的RPM、GPM和压差，可确定最大输出转矩。例如，如点210所示，对于具有图2B的曲线图200中所示特征的马达来说，在近似130RPM、近似450GPM以及近似470psi处，输出转矩可近似为4000ft-lb。如果TOB大于近似4000ft-lb，则马达可停下，从而马达停止转动。如果钻头101的瞬时切削深度足够大，使得由马达产生的TOB和RPM的组合不足以转动钻头101，那么便可发生马达停转。为了限制切削深度，并由此限制马达停转，第一种类型的DOCC元件(未清楚地示出)可安装在钻头101上，以防止切削元件128太深地切入地层内。然而，为了让DOCC在滑动模式钻探中发生效力，第一种类型的DOCC元件(未清楚地示出)可设计成在小的切削深度处接触地层。在滑动模式钻探中使用DOCC，可在可供更大WOB和TOB的转动模式钻探中减小钻头101的ROP。
转动模式钻探中，由于钻具组103和马达(未清楚地示出)都在转动，可向钻头101提供更大的WOB和TOB。因为钻头101在转动模式钻探中可在较高的WOB和TOB之下运行，所以，存在着涉及钻头101耐用性或使用寿命的关注。第二种类型的DOCC元件(未清楚地示出)可安装在钻头101上，以防止切削元件128太深地切入地层内。为了让DOCC在转动模式钻探中发生效力，第二种类型的DOCC元件可设计成在比第一种类型DOCC元件提供的切削深度更大的切削深度处接触地层。
由于第一种类型DOCC元件可在较小切削深度处接触地层，并在转动模式钻探中始终接触地层，该第一种类型DOCC元件不仅可在滑动模式钻探中而且还可在转动模式钻探中限制钻削深度。因此，即使第一种类型DOCC元件可有助于避免马达在滑动模式钻探中停转，它们也可在转动模式钻探中限制切削深度。在下面要进一步详细描述的某些实施例中，为了改进钻头设计，切削元件128可被分为第一层切削元件和第二层切削元件。第二层切削元件可构造成在滑动模式钻探中起作第一种类型DOCC元件，并还可构造成在转动模式钻探中起作主切削元件。
因此，如下面要进一步详细描述的，切削元件128的构造可部分地基于特定钻头101的WOB和理想的ROP，或每转的切削深度。根据本发明设计的钻头101可对定向和水平钻探提供理想的ROP或每转的切削深度和WOB的关系，使得根据本发明设计的钻头可按照设计发挥功能。
图3示出曲线图300，该曲线图是根据本发明某些实施例设计的钻头101在开始部位113处从滑动模式钻探过渡到水平井筒114b中的转动模式钻探过程中每转切削深度(或特定RPM处的ROP)和WOB之间的理想关系。区域A的开始处对应于进入滑动模式钻探的钻头101。随着WOB在区域A中增大，每转切削深度可线性地增加，如曲线310所示。如果每转切削深度在区域B中继续以如其在区域A中同样速率增加，则马达会停转，因为马达提供的转矩可能不足以在大的切削深度处转动钻头。
因此，当WOB增大而通过WOB1并进入区域B时，如参照图4B和5B详细描述的，钻头101可被设计为减小每转切削深度的斜度，如曲线310所示，以防止马达停转。可根据马达的最大输出转矩、第一层切削元件以及钻探井筒的地层类型来确定WOB1值。可根据马达的最大载荷(轴向力)、弯曲剧烈程度(DLS)以及所要利用的BHA(例如，图1中所示的BHA 120)来确定WOB2，其中的弯曲剧烈程度可用每100英尺钻探的度数来表达。
区域C可对应于钻头101进入转动模式钻探以钻探基本上直的井筒或水平井筒114b。在钻具组103再次配合和开始转动钻头101的WOB2处，形成从滑动模式钻探到转动模式钻探的过渡。钻具组103提供的附加转矩可允许每转切削深度以较高速率增大，而没有高马达停转风险。最后在区域D中，当WOB大于WOB3时，根据本文披露的实施例设计的钻头101可获益于每转切削深度的控制能力，从而避免过度切入地层内。
根据本发明实施例构造的钻头101可包括刀片126、切削元件128和DOCC(未清楚地示出)，DOCC能够使得有效地从滑动模式钻探过渡到转动模式钻探。为在滑动和转动模式中钻探而被优化的钻头101可包括：
(a)主刀片上的第一层切削元件，其可配合在WOB所有层次上；
(b)次级刀片上的第二层切削元件，其可在比WOB1大的WOB处开始配合地层；以及
(c)DOCC元件，其可设计成在比WOB3大的WOB处控制切削深度。
如图3中垂直轴线所示，每转切削深度(Δ)可使用以下公式表达为穿透率(ROP)和钻头转速(RPM)的函数：
Δ＝ROP/(5*RPM)
每转切削深度可以英寸每钻头转数为单位，而ROP可以英尺每小时为单位。可根据本发明的某些实施例来进行模拟，以对钻头101的特定构造生成ROP和WOP的曲线图。这些曲线图可用来构造切削元件128，使得ROP和WOP的曲线类似于目标的每转切削深度和图3所示的WOB曲线。如上所述，如此的构造可用来限制马达停转。
图4A示出根据本发明某些实施例的钻头的钻头面，该钻头包括设置在刀片上呈前轨迹式设置构造的切削元件。轨迹式设置是指将切削元件在钻头面上放置成，随着钻头转动，切削元件具有相同的径向对应和径向条带中的交迭。在前轨迹式设置构造中，第二切削元件可相对于钻头的转动而放置在第一切削元件的前面。
在所示的实施例中，钻头401的刀片126可被分为包括主刀片(1、3、5)和次级刀片(2、4、6)的组群。第一层切削元件128a可放置在主刀片(1、3、5)上，而对应的第二层切削元件128b可放置在次级刀片(2、4、6)上，相对于如转动箭头105所示的围绕钻头旋转轴线104转动的方向，次级刀片(2、4、6)相应地位于主刀片(1、3、5)前面。对应的第二层切削元件128b可以对于对应的第一层切削元件128a的轨迹式设置，例如，第一层切削元件128a放置在离钻头旋转轴线104相同的径向位置中，以使钻头401设计有前轨迹式设置构造。此外，主刀片(1、3、5)上的第一层切削元件128a可以是单一设置，使得它们具有相对于钻头旋转轴线104独有的径向位置。此外，钻头401可包括设置在主刀片(1、3、5)或次级刀片(2、4、6)上的DOCC 410。
在所示的构造中，次级刀片(2)上的第二层切削元件128b可与主刀片(1)上的第一层切削元件128a形成轨迹式设置以构成组(2、1)。次级刀片(4)上的第二层切削元件128b可与主刀片(3)上的第一层切削元件形成轨迹式设置以构成组(4、3)。同样地，次级刀片(6)上的第二层切削元件128b可与主刀片(5)上的第一层切削元件形成轨迹式设置以形成组(6、5)。主刀片(1、3、5)上的第一层切削元件128a可形成第一层外形，而次级刀片(6、2、4)上的第二层切削元件128b可相对于第一层切削元件128a不充分暴露以形成第二层外形。
作为本发明的示例实施例，图4A示出六个刀片钻头401，而第二层切削元件128b显示为放置在次级刀片(2、4、6)上，一个刀片在主刀片(1、3、5)上对应第一层切削元件128a的前面。然而，钻头401可包括比图4A中所示的多或少的刀片。例如，七刀片钻头可包括主刀片(1、4、6)以及次级刀片(2、3、5、7)。第二层切削元件128b可放置在次级刀片(2)上，而对应的第一层切削元件128a可放置在主刀片(1)上。次级刀片(2)上的第二层切削元件128b可以与主刀片(1)上的第一层切削元件形成轨迹式设置，以构成组(2、1)，并可被称作“一刀片式前轨迹式设置”。七刀片的前轨迹式设置构造的其它组可包括(3、1)、(5、4)和(7、6)。此外，第一层切削元件可以相对于刀片(1、4、6)上的其它第一层切削元件是单一组。在另一实例中，九刀片钻头可包括主刀片(1、4、7)和次级刀片(2、3、5、6、8、9)。第二层切削元件128b可放置在次级刀片(2)上，而对应的第一层切削元件128a可放置在主刀片(1)上。此外，第三层切削元件(未清楚地示出)可放置在次级刀片(3)上。次级刀片(2)上的第二层切削元件128b和次级刀片(3)上的第三层切削元件可与主刀片(1)上的第一层切削元件形成轨迹式设置，以构成组(3、2、1)。九刀片的前轨迹式设置构造中的其它组可包括(9、8、7)和(6、5、4)。此外，第一层切削元件128a可以相对于刀片(1、4、7)上的其它第一层切削元件是单一组。在某些实施例中，第二层切削元件128b和第三层切削元件(未清楚地示出)可放置在对应第一层切削元件128a前面的一个或多个刀片上。因此，本发明可应用于带有可变刀片数和可变切削元件放置的多种钻头构造。
图4B示出根据本发明某些实施例的包括图4A中所示前轨迹式设置构造的钻头401的WOB对ROP的曲线图400。在所示实施例中，对于钻头401，基于使用近似为120RPM转速、具有近似为18000psi的无约束的岩石强度的地层、近似为9.875英寸的钻头尺寸，以及近似为0.045英寸的第二层切削元件的不充分暴露的模拟，来产生曲线图400。该曲线图示出两条曲线：曲线412和曲线414，曲线412对应于钻头401，切削元件128设置为如图4A所示的前轨迹式设置构造，曲线414对应于传统的单一组的钻头。
如图4B所示，在滑动模式钻探过程中，前轨迹式设置的钻头(例如，图4A中所示的钻头401)在从区域A移动到区域B时显现一拐点(在WOB1处近似等于14000lbs)，而在从滑动模式钻探过渡到转动模式钻探的过程中，在从区域B移动到区域C时显现另一拐点(在WOB2处近似等于17500lbs)。曲线412的这些拐点可表明：次级刀片(2、4、6)上的第二层切削元件128b在区域A中可不接触地层，因此，钻头401可在区域A中更快地钻探。在区域B中，第二层切削元件128b可开始切削地层，且可减小曲线412的斜率。因此，第二层切削元件128b可起作区域B中的切削深度控制器。因此，图4A中所示的切削元件128的构造可在滑动模式钻探过程中，在比曲线414所示的传统单一组设计要低的WOB范围内更快地钻探。在区域B中，第二层切削元件128b可开始移离地层，因此防止马达停转。一旦WOB到达区域C，所有切削元件128可移离地层。因此，包括如图4A所示的前轨迹式设置构造的钻头401可在滑动模式钻探和转动模式钻探过程中呈现每转切削深度(或特定RPM时的ROP)和WOB(例如，如图3所示)之间理想的关系。
图5A示出根据本发明某些实施例的包括以反向轨迹式设置构造设置在刀片上的切削元件的钻头的钻头面。在反向轨迹式设置构造中，第二层切削元件可相对于钻头的旋转基本上与主切削元件相背地(例如，近似为180度)放置。
在所示的构造中，次级刀片(4)上的第二层切削元件128b可与主刀片(1)上的第一层切削元件128a形成轨迹式设置，以构成组(4、1)。次级刀片(6)上的第二层切削元件128b可与主刀片(3)上的第一层切削元件128a形成轨迹式设置，以构成组(6、3)。同样地，次级刀片(2)上的第二层切削元件128b可与主刀片(5)上的第一层切削元件128a形成轨迹式设置，以构成组(2、5)。主刀片(1、3、5)上的第一层切削元件128a可形成第一层外形，而次级刀片(4、6、2)上的第二层切削元件128b可相对于第一层切削元件128a不充分暴露，以形成第二层外形。此外，钻头501可包括设置在主刀片(1、3、5)或次级刀片(4、6、2)上的DOCC 410。
作为本发明的示例实施例，图5A示出六刀片的钻头501，而第二层切削元件128b可放置在对应第一层切削元件128a前面的三个刀片上。然而，钻头501可包括比图5A中所示的要多或要少的刀片。例如，七刀片的钻头可包括主刀片(1、4、6)以及次级刀片(2、3、5、7)。第二层切削元件128b可放置在次级刀片(5)上，而对应的第一层切削元件128a可放置在主刀片(1)上。次级刀片(5)上的第二层切削元件128b可以与主刀片(1)上的第一层切削元件128a形成轨迹式设置，以构成组(5、1)。七刀片的反向轨迹式设置构造中的其它组可包括(3、6)和(7、4)。此外，第一层切削元件128a可以相对于刀片(1、4、6)上的其它第一层切削元件128a是单一组。在另一实例中，九刀片钻头可包括主刀片(1、4、7)和次级刀片(2、3、5、6、8、9)。第二层切削元件128b可放置在次级刀片(5)上，而对应的第一层切削元件128a可放置在主刀片(1)上。次级刀片(5)上的第二层切削元件128b可与主刀片(1)上的第一层切削元件128a形成轨迹式设置，以构成组(5、1)。九刀片的反向轨迹式设置构造中的其它组可包括(6、1)、(2、7)、(3、7)、(8、4)以及(9、4)。此外，第一层切削元件128a可以相对于刀片(1、4、7)上的其它第一层切削元件128a是单一组。因此，本发明可应用于带有可变刀片数和可变切削元件放置的多种钻头构造。
图5B示出根据本发明某些实施例的图5A中所示反向轨迹式设置构造的钻头501的WOB对ROP的曲线图500。在所示实施例中，对于钻头501，基于使用近似为120RPM转速、具有近似为18000psi的无约束的岩石强度的地层、近似为9.875英寸的钻头尺寸、以及近似为0.045英寸的第二层切削元件的不充分暴露的模拟，来产生曲线图500。该曲线图示出两条曲线：曲线512和曲线514，曲线512对应于钻头501，令切削元件128设置成如图5A所示的反向轨迹式设置构造，曲线514对应于传统的单一组的钻头。
如图5B所示，在滑动模式钻探过程中，反向轨迹式设置的钻头(例如，图5A中所示的钻头501)在从区域A移动到区域B时显现一拐点(在WOB1处近似等于20000lbs)，而在从滑动模式钻探过渡到转动模式钻探的过程中，在从区域B移动到区域C时显现另一拐点(在WOB2处近似等于23000lbs)。曲线512的这些拐点可表明：次级刀片(2、4、6)上的第二层切削元件128b在区域A中可不接触地层，因此，钻头501可在区域A中更快地钻探。在区域B中，第二层切削元件128b可开始切削地层，且可曲线512的斜率减小。因此，第二层切削元件128b可起作区域B中的切削深度控制器。因此，图5A中所示的切削元件128的构造可在滑动模式钻探过程中、在比曲线514所示的传统单一组设计要低的WOB范围(例如，区域A)内更快地钻探。在区域B中，第二层切削元件128b可开始移离地层，因此防止马达停转。一旦WOB到达区域C，所有切削元件128可移离地层。包括如图5A所示的反向轨迹式设置构造的钻头501可在滑动模式钻探和转动模式钻探过程中显现每转切削深度(或特定RPM时的ROP)和WOB(例如，如图3所示)之间理想的关系。
如前所示例的，位于次级刀片上的第二层切削元件128b可起作备用或第二切削元件(例如，在图3的区域B中)。然而，相对于第一层切削元件，将第二层切削元件128b构造成前轨迹式设置或反向轨迹式设置，这可在第二层切削元件需要时允许第二层切削元件128b变为主要的或第一切削元件(例如，在图3的区域C中)。每个第二层切削元件128b的不充分暴露的量确定了每转临界切削深度。计算每转临界切削深度可参照图6-8描述。
图6A示出根据本发明某些实施例的钻头601的钻头面，可对该钻头面确定临界切削深度控制曲线(CDCCC)。图6B示出图6A的钻头601的钻头面外形。
为了提供参考框架，图6B包括代表钻头601旋转轴线的z轴。因此，对应于图6B中的z轴的坐标或位置可被称作图6B中所示钻头面外形的轴向坐标或轴向位置。图6B还包括径向轴线(R)，其表示离钻头601的旋转轴线的正交距离。
此外，沿着图6A中所示的钻头601的钻头面的某一部位可用图6A中的xy平面的x和y坐标来描述。图6A中的xy平面可基本上垂直于图6B中的z轴，这样，图6A中的xy平面可基本上垂直于钻头601的旋转轴线。此外，图6A中的x轴和y轴可彼此相交于图6B中的z轴，这样，x轴和y轴可彼此相交于钻头601的旋转轴线。
从钻头601的旋转轴线到图6A中钻头面的xy平面内的一个点的距离可表示图6B中所示的钻头面外形上的该点径向坐标或径向位置。例如，xy平面内具有x坐标x和y坐标y的某一点的径向坐标r，可用下式来表达：
r = x 2 + y 2
此外，(图6A)的xy平面中的某一点可具有角坐标，其可以是从钻头601的旋转轴线正交地延伸到该点的直线和x轴之间的角度。例如，(图6B)的xy平面内具有x坐标x和y坐标y的某一点的角坐标θ，可用下式来表达：
θ＝arctan(y/x)
作为另一实例，如图6A所示，与第一层切削元件628a的切削刃相关的切割点630a(在下面进一步详细描述)可具有xy平面内的x坐标(X630a)和y坐标(Y630a)。X630a和Y630a可用来计算切割点630a的径向坐标RF(例如，RF可等于X630a的平方加上Y630a的平方之和的平方根)。RF因此可表示切割点630a离钻头601的旋转轴线的正交距离。
此外，切割点630a可具有角坐标(θ630a)，其可以是x轴和从钻头601的旋转轴线正交地延伸到切割点630a的直线之间的角度(例如，θ630a可等于arctan(X630a/Y630a))。此外，如图6B所示，切割点630a可具有轴向坐标(Z630a)，其可代表切割点630a沿着钻头601的旋转轴线的某一点。
所引用的坐标和坐标系的使用只是为了说明的目的，也可采用任何其它合适的坐标系或构造来提供沿着钻头面外形和与图6A和6B相关的钻头的钻头面的点的参考框架，而不会脱离本发明的范围。此外，可采用任何合适的单位。例如，角度位置可用度数或弧度来表示。
返回到图6A，钻头601可包括多个刀片626，它们可包括切削元件628。在所示的实施例中，钻头601的刀片626可分为多个组，它们包括主刀片626a、626c和626e以及次级刀片626b、626d和626f。第一层切削元件628a、628c和628e可放置在主刀片626a、626c和626e上，而对应的第二层切削元件628b、628d和628f可放置在次级刀片626b、626d和626f上。对应的第二层切削元件628b、628d和628f可以与对应的第一层切削元件628a、628c和628e形成轨迹式设置，例如，放置在离钻头的旋转轴线相同的径向位置处。
在所示的实施例中，钻头601设计成有类似于图5A中所示构造的反向轨迹式设置构造。例如，第二层切削元件628b可以是与第一层切削元件628e形成轨迹式设置，第二层切削元件628d可与第一层切削元件628a形成轨迹式设置，同样地，第二层切削元件628f可与第一层切削元件628c形成轨迹式设置。在其它实施例中，第二层切削元件628b、628d和628f的角度位置可以是这样：第二层切削元件628b、628d和628f分别放置在第一层切削元件628a、628c和628e的切削区域的前面(相对于钻头601的旋转轴线)，使得钻头601设计有类似于图4A所示的前轨迹式设置构造。
如上所述，由第二层切削元件628b、628d和628f提供的钻头601临界切削深度可针对沿着钻头601的径向部位来确定。例如，钻头601可包括径向坐标RF，其可分别与第二层切削元件628b、628d和628f的切削刃相交于控制点P640b、P640d、P640f。同样地，径向坐标RF可分别与第一层切削元件628a、628c和628e的切削刃相交于切割点630a、630c和630e。
可确定切割点630a、630c和630e的角坐标(分别为θ630a、θ630c和θ630e)以及控制点的角坐标P640b、P640d、P640f(分别为θ640b、θ640d和θ640f)。可确定相对于各个切割点630a、630c和630e由各个控制点P640b、P640d、P640f提供的切削深度控制。由各个控制点P640b、P640d、P640f提供的切削深度控制可基于各个控制点P640b、P640d、P640f相对于各个切割点630a、630c和630e的不充分暴露(图6B中所示的δ650i)以及控制点P640b、P640d、P640f相对于切割点630a、630c和630e的角坐标。
例如，由控制点P640b处的第二层切削元件628b控制的切割点630e处的第一层切削元件628e的切削深度(Δ630e)可使用切割点630e和控制点P640b的角坐标(分别为θ630e和θp640b)予以确定，它们显示在图6A中。此外，Δ630e可基于控制点P640b的轴向坐标(Zp640b)相对于切割点630e的轴向坐标(Z630e)的轴向不充分暴露(δ650e)，如图6B所示。在某些实施例中，Δ630e可使用下式来确定：
Δ630e＝δ650e*360/(360－(θp640b－θ630e))；以及
δ650e＝Z630e－Zp640b
在上述的第一公式中，θp640b和θ630e可用度数来表达，而“360”可代表围绕钻头601的面的完整一周。因此，在θp640b和θ630e用弧度来表达的情形中，上述的第一公式中的数字“360”可改为“2π”。此外，在上述的公式中，“θp640b和θ630e”的合成角(Δθ)可定义为始终为正。因此，如果合成角Δθ为负值，则Δθ可通过将360度(2π弧度)加到Δθ上让其变为正值。类似的公式可用来确定分别在切割点630a和630c处由控制点P640b控制的第一层切削元件628a和628c的切削深度(分别为Δ630a和ΔP640b)。
由控制点P640b提供的临界切削深度(ΔP640b)可以是Δ630a、Δ630c和Δ630e中的最大值，并且可由下式来表示：
P640b＝max[Δ630a,Δ630c,Δ630e]
可同样地确定由径向坐标RF处的控制点P640b和P640f提供的临界切削深度(分别为ΔP640d和ΔP640f)。钻头601在径向坐标RF处的总的临界切削深度可基于ΔP640b、ΔP640d和ΔP640f中的最小值，并可用下式表达：
ΔRF＝min[ΔP640b、ΔP640d、ΔP640f]。
因此，在径向坐标RF处的钻头601总的临界钻削深度(ΔRF)可基于第一层和第二层切削元件628相交于RF的交点来确定。尽管这里未清楚地示出，但应该理解到，径向坐标RF处的钻头601总的临界钻削深度(ΔRF)也可受控制点P626i影响(图6A和6B中未清楚地示出)，该控制点可与构造成控制径向坐标RF处的钻头601临界钻削深度的刀片626相关。在如此的情形中，可确定由各个控制点P626i提供的临界切削深度(ΔP626i)。各个控制点P626i的每个临界切削深度ΔP626i可被纳入有确定RF处的最小临界切削深度中的临界切削深度ΔP626i，以计算径向坐标RF处的总的临界钻削深度ΔRF。
为了确定钻头601的切削控制曲线的临界深度，可确定从钻头601中心到钻头601切削刃的任何地方的一系列径向部位Rf处的总的临界切削深度(ΔRf)，以产生代表作为钻头601半径的函数的临界切削深度的曲线。在所示的实施例中，第二层切削元件628b、628d和628f可以构造成控制径向条带608的钻头601钻削深度(显示在图6A上)，该径向条带608限定为位于第一径向坐标RA和第二径向坐标RB之间。因此，如上所披露的，可针对径向条带608内且位于RA和RB之间的一系列径向坐标Rf，确定总的临界切削深度。一旦对足够数量的径向坐标Rf确定了总的临界切削深度，则总的临界切削深度可根据径向坐标Rf绘成曲线，作为临界切削深度控制曲线(CDCCC)。
可对图6A和6B作出修改、添加或省略，这不会脱离本发明的范围。例如，如上所讨论的，切削元件628、DOCC(未清楚地示出)或它们的任何组合可影响一个或多个径向坐标处的临界切削深度，而可因此确定CDCCC。此外，CDCCC可类似地用来确定备用切削元件的所要求的轴向位置。此外，以上描述的对CDCCC的计算可用来确定任何合适钻头的CDCCC。
图7示出确定和产生根据本发明某些实施例的CDCCC的示例方法700。方法700的步骤可通过各种计算机程序、模型或它们的任何组合来执行，它们构造成模拟和设计钻探系统、设备和装置。程序和模型可包括储存在计算机可读介质上的指令，当执行该指令时，运行这些指令来执行下述的一个或多个步骤。计算机可读介质可包括构造成储存和重现程序或指令的任何系统、设备或装置，诸如是硬盘驱动器、光盘、闪存或任何其它合适的装置。程序和模型可构造成指挥处理器或其它合适的单元来重现和执行来自计算机可读介质的指令。总体上讲，用来模拟和设计钻探系统的计算机程序和模型可被称作“钻探工程工具”或“工程工具”。
在所示的实施例中，钻头的切削结构至少包括所有第一层切削元件和DOCC的部位和定向，该切削结构可预先设计好。然而，在其它的实施例中，方法700可包括设计钻头的切削结构的诸步骤。为说明该方法起见，将参照图6A和6B的钻头601来描述方法700；然而，该方法700可用来确定任何合适钻头的CDCCC。
方法700可在步骤702开始，工程工具可选择钻头601的径向条带，用以分析所选径向条带内的临界切削深度。在某些情形中，所选泽的径向条带可包括钻头601的整个面，而在其它情形中，所选径向条带可以是钻头601的一部分面。例如，工程工具可选择如下的径向条带608，其形成在径向坐标RA和RB之间，并受第二层切削元件628b、628d和628f控制，如图6A和6B中所示。
在步骤704中，工程工具可将所选径向条带(例如，径向条带608)分为多个(Nb)径向坐标(Rf)，诸如是图6A和6B中所述的径向坐标RF。例如，径向条带608可被分为九个径向坐标，这样，对于径向条带608来说，Nb可等于9。对于径向条带内的每个径向坐标，变量“f”可代表从1至Nb的数字。例如，“R1”可代表径向条带的内边缘的径向坐标。因此，对于径向条带608来说“R1”可近似地等于RA。作为另一个实例，“RNb”可代表径向条带外边缘的径向坐标。因此，对于径向条带608，“RNb”可近似地等于RB。
在步骤706，工程工具可选择径向坐标Rf，并可识别位于所选的径向坐标Rf处且与DOCC、切削元件和/或刀片相关的控制点(Pi)。例如，工程工具可选择径向坐标RF，并可识别与刀片626和/或第二层切削元件628b、628d和628f相关并位于径向坐标RF处的控制点P640b、P640d和P640f，如以上参照图6A和6B所描述的。
在步骤708，对于步骤706中所选的径向坐标Rf，工程工具可设别位于所选的径向坐标Rf处并与切削元件的切削刃相关的切割点(Cj)。例如，工程工具可设别位于径向坐标RF处并与第一层切削元件628a、628c和628e的切削刃相关的切割点630a、630c和630e，如参照图6A和6B所述和所示的。
在步骤710，工程工具可选择控制点Pi，并可计算由所选控制点Pi控制的各个切割点Cj的切削深度(ΔCj)。例如，通过使用下式，工程工具可确定由控制点P640b控制的切割点630a、630c和630e的切削深度(分别为Δ630a、Δ630c和Δ630e)：
Δ630a＝δ650a*360/(360－(θp640b－θ630a))；
δ650a＝Z630a－Zp640b；
Δ630c＝δ650c*360/(360－(θp640b－θ630c))；
δ650c＝Z630c－Zp640b；
Δ630e＝δ650e*360/(360－(θp640b－θ630e))；以及
δ650e＝Z630e－Zp640b。
在步骤712，通过确定由所选控制点Pi控制的切割点Cj的切削深度的最大值(ΔCj)并在步骤710中计算，工程工具可计算由所选控制点提供的临界切削深度(Δpi)。该确定过程可用下式来表达：
Δpi＝max{ΔCj}。
例如，控制点P640b可在步骤710中选择，而由控制点P640b控制的切割点630a、630c和630e的切削深度(分别为Δ630a、Δ630c和Δ630e)也可在步骤710中确定，如上所示。因此，由控制点P640b提供的临界切削深度(Δp640b)可在步骤712处使用下式计算：
Δp640b＝max[Δ630a、Δ630c、Δ630e]。
工程工具可对步骤706中识别出的所有控制点Pi重复步骤710和712，以确定由位于径向坐标Rf处的所有控制点Pi提供的临界切削深度。例如，工程工具可关于控制点P640d和P640f执行步骤710和712，以对于图6A和6B所示的径向坐标RF处的切割点630a、630c和630e确定由控制点P640d和P640f提供的临界切削深度。
在步骤714，工程工具可计算步骤706中选出的径向坐标Rf处的总的临界切削深度(ΔRf)。通过确定步骤710和712中所确定的控制点Pi的临界切削深度的最小值(ΔRf)，工程工具便可计算选出的径向坐标Rf处的总的临界切削深度(ΔRf)。该确定过程可用下式来表达：
ΔRf＝min{Δpi}。
例如，使用下式，工程工具可确定图6A和6B的径向坐标RF处的总的临界切削深度：
ΔRF＝min[Δp640b、Δp640d、Δp640f]。
工程工具可重复步骤706至714，以确定步骤704中产生的所有径向坐标Rf处的总的临界切削深度。
在步骤716，工程工具可对每个径向坐标Rf就总的临界切削深度(ΔRf)绘制曲线，其是每个径向坐标Rf的函数。因此，可对与径向坐标Rf相关的径向条带计算和绘制临界切削深度控制曲线。例如，工程工具可对位于径向条带608内的每个径向坐标Rf就总的临界切削深度绘制曲线，这样，如图8所示，可确定和绘制对于条带608的临界切削深度控制曲线。在步骤716之后，可结束方法700。因此，方法700可用来计算和绘制钻头的临界切削深度控制曲线。临界切削深度控制曲线可用来确定钻头是否对钻头的切削深度提供基本上均匀的控制。因此，临界切削深度控制曲线可用来修改被构造成控制钻头切削深度的DOCC、第二层切削元件，和/或钻头刀片。
对于方法700可作出各种修改、添加或省略，而不会脱离本发明的范围。例如，步骤的顺序可以不同于所述的方式进行，且某些步骤可同时进行。此外，各个个别的步骤还可包括附加的步骤，而不会脱离本发明的范围。
图8示出根据本发明某些实施例的临界切削深度控制曲线(CDCCC)，其中，临界切削深度以钻头半径的函数绘制曲线。如上所述，临界切削深度控制曲线可用来确定由DOCC、第二层切削元件和/或钻头刀片所提供的最小临界切削深度控制。例如，图8示出介于径向坐标RA和RB之间的钻头601的临界切削深度控制曲线。在图6A所示的实施例中，钻头601可具有近似为2.5英寸的第一径向坐标RA以及近似为4.5英寸的第二径向坐标RB，因此，径向条带608在大约2.5英寸和4.5英寸之间。图8中的z轴可代表钻头601的旋转轴线，而径向(R)轴可代表离钻头601的旋转轴线的径向距离。
使用图7所示的方法700，利用示例的反向轨迹式设置钻头(例如，图5A的钻头501)，同时改变第二层切削元件(例如，图5A的第二层切削元件128b)相对于第一层切削元件(例如，图5A的第一层切削元件128a)不充分未暴露δi，便可运行该模拟过程。在RPM近似为120的一种模拟中，对于所有的第二层切削元件，不充分暴露δ128可设置在近似为0.030英寸。使用该构造和在产生最终的CDCCC(例如，图7中的步骤716)之后，每转的最小临界切削深度(CDOC)(Δc)可近似为0.05342英寸/转。如上所述，每转的切削深度(Δ)可使用如下公式计算：
Δ＝ROP/(5*RPM)  (英寸/转(in/rev))
以及，ROP可对任何的CDOC(Δc)计算如下：
ROP＝Δc*5*RPM  (英尺/小时(ft/hr))因此，目前实例的临界ROP可近似为32ft/hr。换句话说，当钻头501的穿透率(ROP)低于约32ft/hr时，仅第一层切削元件128a可配合地层。仅当钻头501具有大于约32ft/hr的ROP时，第二层切削元件128b才可开始配合地层。
在RPM近似为120的另一模拟中，对于所有第二层切削元件128b，不充分暴露δ128可设定为近似0.045英寸。使用该构造并在产生最终的CDCCC(例如，图7中的步骤716)之后，每转的最小临界切削深度(CDOC)(Δc)可近似为0.0789英寸/转。因此，目前实例的临界ROP可近似为47.3ft/hr。换句话说，当钻头501的穿透率(ROP)低于约47.3ft/hr时，仅第一层切削元件128a可配合地层。仅当钻头501具有大于约47.3ft/hr的ROP时，第二层切削元件128b才可开始配合地层。
此外，切削元件配合分析可进一步有助于确定第二层切削元件128b在钻头(例如，图1和2的钻头101，图4A的钻头401，图5A的钻头501，以及图6A的钻头601)上的合适的不充分暴露。切削元件配合分析可在设定的ROP和RPM下的定向和水平钻探过程中模拟钻头101、401、501和601的运行，以提供不同切削元件与地层的配合。例如，钻头501可构造成反向轨迹式设置(例如，图5A)，特定数量的放置在主刀片(1、3、5)上的第一层切削元件128a以及特定数量的第二层切削元件128b与对应的第一层切削元件128a形成轨迹式设置并放置在次级刀片(2、4、6)上。在模拟之后，生成的曲线形成作为切削元件数量的函数的切削面积(平方英寸(in2))。
图9示出曲线图900，该图示出根据本发明某些实施例而设计的在滑动模式钻探过程中的钻头的个别刀具的切削面积。使用示例的反向轨迹式设置构造钻头(构造上类似于图5A的钻头501)，由模拟生成的所示实施例在RPM近似为120且第二层切削元件128b的不充分暴露近似为0.045英寸时，ROP近似为40ft/hr(对应于图5B中的区域A)。如参照图8所讨论的，该构造的临界切削深度(CDOC)近似为0.0789in/rev。如上所述，每转的切削深度(Δ)可使用下式进行计算：
Δ＝ROP/(5*RPM)。
因此，在ROP为40ft/hr时，每转的切削深度(Δ)近似为0.0667in/rev，其低于0.0789in/rev的CDOC。这表明第二层切削元件128b不可切入地层内。如图9所示，只有第二层切削元件38和40可接触地层。因此，图9所示的切削元件配合分析确定第二层切削元件128b在区域A内不可切入地层。因此，如果可提供低的WOB(例如，图5B中的区域A)，则构造为反向轨迹式设置(类似于图中的钻头501)的钻头可非常有效地进行钻探。
同样地，图10示出曲线1000，其示出根据本发明某些实施例设计的钻头转动模式钻探的个别刀具的切削面积。所示实施例由一种模拟来生成，该模拟具有近似为120ft/hr的ROP，其是图5B中的区域C；RPM近似为120，以及第二层切削元件128b的不充分暴露约为0.045英寸。如参照图8所讨论的，该构造的临界切削深度近似为0.0789in/rev。如上所述，ROP为120ft/hr时的每转切削深度(Δ)可以进行计算，且近似为0.2in/rev，其大于CDOC的0.0789in/rev。这表明第二层切削元件128b可切入到地层内。如图10中的模拟所生成的曲线所示，第二层切削元件128b开始于切削元件10，通过切削元件40接触地层。因此，图10所示的切削元件配合分析确认第二层切削元件128b可切削区域C中的地层(图5B中示出)。因此，如果可提供高的WOB(例如，区域C)，则钻头501可非常有效地钻探。
图11示出根据本发明某些实施例设计的钻头穿透率和钻压关系的曲线图1100，该钻头带有相对于第一层切削元件处于不同的不充分暴露的第二层切削元件。因此，图11示出ROP和WOB上不同的不充分暴露的量关系的效果。曲线图1100是基于以下的模拟：近似为120RPM的转速、无约束岩石强度约为18000psi的地层、钻头尺寸近似为9.875英寸、以及示例性的反向轨迹式设置钻头，诸如图5A中的钻头501，其带有第一层切削元件128a和第二层切削元件128b。对第二层切削元件128b模拟两种不充分暴露：显示在曲线1120中的0.03英寸，以及显示在曲线1110中的0.045英寸。此外，曲线1130对应于使用传统单一组钻头的模拟而得到的结果。如从该结果中可见，不充分暴露越高，则可经历越高的ROP，以及因此越高的每转切削深度Δ。
图12示出曲线图1200，该图代表第二层切削元件的钻头扭矩和钻压的关系，第二层切削元件处于相对于根据本发明某些实施例设计的钻头上的第一层切削元件不同的不充分暴露的情形。因此，图12示出在图11中使用的相同钻头构造内不同水平的不充分暴露下的钻头钻探效率。例如，曲线1210对应于类似于图11中的曲线1110的0.045英寸的不充分暴露。同样地，曲线1220对应于类似于图11中的曲线1120的0.03英寸的不充分暴露。此外，曲线1230对应于使用统单一组钻头的模拟造成的结果。钻头钻探效率可通过ROB与WOB的比较来显示。从曲线图中可见，较大的不充分暴露可导致任何特定WOB处的较高TOB，因此，导致较高的钻探效率。
简要地回到图8，每个第二层切削元件的不充分暴露可这样来设计：由各个第二层切削元件提供的临界切削深度可基本上与图8中所示的相同。换句话说，所有第二层切削元件可在给定的RPM下以大致相同的ROP来配合地层。
图13示出设计多层钻头(例如，图1和2的钻头101，图4A的钻头401，图5A的钻头501，以及图6A的钻头601)的流程图，以提供根据本发明某些实施例的定向和水平钻探。方法1300的步骤可由各种计算机程序、模型或它们的组合来执行，它们构造成模拟和设计钻探系统、设备和装置。程序和方法可包括储存在计算机可读介质上的指令，运行该指令可在期望时执行下面所述的一个或多个步骤。计算机可读介质可包括构造成储存和重现程序或指令的任何系统、设备或装置，诸如是硬盘驱动器、光盘、闪存或任何其它合适的装置。程序和模型可构造成指挥处理器或其它合适的单元来重现和执行来自计算机可读介质的指令。总体上讲，用来模拟和设计钻探系统的计算机程序和模型可被称作“钻探工程工具”或“工程工具”。
在所示的实施例中，钻头的切削结构至少包括所有切削元件和任何DOCC的各部位和定向，该切削结构可预先设计好。然而，在其它的实施例中，方法1300可包括设计钻头的切削结构的诸步骤。为说明该方法起见，将参照图5A的钻头501来描述方法1300；然而，该方法1300可用来确定任何合适钻头的定向和水平钻探的合适布局，包括图1和2的钻头101，图4A的钻头401，以及图6A的钻头601。
方法1300可在步骤1302开始，工程工具可从井设计图获得钻探数据，包括井路径、开始部位、DLS、地层类型、孔尺寸、BHA尺寸、井下马达和/或其它特征。在步骤1304，工程工具可从马达制造商提供的马达技术说明书中评估马达运行数据(例如，如图2B中所示的马达数据)。所评估的诸方面可包括最大运行载荷、马达上的压差、流体速度以及马达转速RPM1下的最大输出转矩(TOB1)。例如，图2B示出由哈里伯顿公司的斯佩礼钻井服务公司制造的示例的井下马达的马达特征，如图2B所示，在近似为470psi的压差和近似为450GPM流速下，TOB1在近似为130RPM的RPM1下可近似为4000ft-lb。
在步骤1306，工程工具可确定滑动模式钻探和转动模式钻探过程中的钻头501的钻头尺寸和刀片数量。在某些情形中，刀片数量可基于所要切削地层的类型、可被采用的BHA 120和/或所要切削地层的方向数据，诸如是开始部位、待要切削的半径以及钻头501将钻入地层内的方向。在一个实施例中，工程工具可将刀片126形成为主刀片(1、3、5)和次级刀片(2、4、6)。工程工具然后可确定每个刀片126的角位置。在某些情形中，确定刀片126的角位置可取决于诸多特征中的刀片126的数量和类型。对主刀片(1、3、5)和次级刀片(2、4、6)的指定也可取决于刀片数量、对应角位置以及其它因素。
在步骤1308，工程工具可使用预定的刀具密度、后倾角、侧倾角和其它几何形状来产生主刀片(1、3、5)上第一层切削元件128a的初步布局。对于该初步信息，在步骤1310，工程工具可用第一层切削元件128a的确定布局，对钻头501运行多个钻探模拟。作为钻探模拟的一部分且使用至少钻头马达转速RPM1和地层强度，工程工具可形成作为WOB函数的ROP曲线以及作为WOB函数的TOB曲线。地层强度可根据试验或其它类似的钻探操作来评估。例如，图11示出类似于图5A中所示的钻头501的钻头的ROP曲线1100，其是WOB的函数。图12示出类似于图5A中所示的钻头501的钻头的TOB曲线1200，其是WOB的函数。
在步骤1312，工程工具可评估WOB1，其是第二层切削元件128b可开始切入地层内的点。首先，TOB1处的WOB1(标识在步骤1304中)可由图12所示作为WOB的函数的TOB曲线确定。然后，WOB1处的ROP1可根据确定的WOB1和图11所示作为WOB的函数的ROP曲线来定义。
在步骤1314，工程工具可确定第一层切削元件128a布局是否达到钻头501的理想的设计要求。设计要求可包括但不限于：力平衡条件和刀具力的分布。设计要求还可包括给定钻探条件下作为WOB函数的ROP的斜度。如果钻头501不满足理想的设计要求，则可通过调整第一层切削元件128a的位置、密度、后倾角、侧倾角和其它特征来重复步骤1308至步骤1312。
一旦第一层切削元件128a的布局被确定为满足理想的设计要求，则工程工具可使用RPM1和ROP1在步骤1316计算临界的切削深度。第二层切削元件128b的临界切削深度可以是第二层切削元件128b相对于第一层切削元件128a的不充分暴露量的函数。临界的切削深度Δ1可用来评估第二层切削元件的不充分暴露量。
在步骤1318，使用选定的轨迹式设置构造(例如，前轨迹式设置或反向的轨迹式设置)以及几何形状，几何形状包括但不限于预定的刀具密度、后倾角和侧倾角，工程工具可产生次级刀片(2、4、6)上第二层切削元件128b的初步布局。可根据对于带有选定刀具构造(例如，反向轨迹式设置或前轨迹式设置)的钻头501的过去的模拟，来作出初步的不充分暴露的评估。例如，如图5A所示的钻头501的不充分暴露δ128可被评估为近似0.045英寸，就如在产生图5B中所使用的。在某些情形中，构造可依据待要切削地层的特征、可被使用的BHA 120和/或待要切削地层的方向数据，诸如是开始位置、待要切削的半径，以及钻头501将钻探地层的方向。
在步骤1320，工程工具可根据第一层切削元件128a和第二层切削元件128b的构造并使用图7中定义的方法700来计算CDCCC。例如，CDCCC可类似于图8中所示的曲线。此外，CDCCC可通过调整第二层切削元件128b以增大曲线的光滑度来进行细化。如以上参照图8所讨论的，工程工具根据CDCCC可限定最小临界切削深度(Δ2)。然后，使用以上参照图9讨论的公式和准则，工程工具可计算最小临界的ROP。
在步骤1322，工程工具可比较在步骤1316中确定的临界切削深度Δ1与最小临界切削深度Δ2。工程工具可确定Δ1和Δ2的绝对差值是否小于预定量。如果Δ1和Δ2之间的差大于预定量，则通过调整某些第二层切削元件128b的至少不充分暴露来重复步骤1318和1320，直到Δ1和Δ2之间的差小于预定量为止。此外，工程工具可比较在步骤1320中计算得到的最小临界ROP与第二层切削元件128b配合地层处的ROP，即ROP1。工程工具可确定最小临界ROP和ROP1之间的绝对差值是否小于预定量。如果最小临界ROP和ROP1之间的差值大于预定量，则通过调整某些第二层切削元件128b的至少不充分暴露来重复步骤1318和1320，直到最小临界ROP和ROP1之间的差值小于预定量为止。
在步骤1324，工程工具可对第一和第二层切削元件来运行多个钻探模拟。作为钻探模拟的一部分且使用至少马达转速RPM1和地层强度，工程工具可产生作为WOB函数的ROP曲线以及作为WOB函数的TOB曲线。地层强度可根据试验或其它类似钻探操作进行评估。
在步骤1326，工程工具可计算各种钻探条件下的切削面积、各个切削元件的力。在该步骤，也可获得WOB2和WOB3。在步骤1328，工程工具可确定附加的DOCC元件是否可理想地控制图3的区域D内的切削深度。如果附加的DOCC元件是理想的，则在步骤1330，工程工具可确定位置并放置附加的DOCC元件。然后，工程工具可返回到步骤1324，并运行钻探模拟以获得作为WOB函数的新的ROP曲线和作为WOB函数的新的TOB曲线。
在步骤1332，工程工具可执行最后的核查，以确定设计要求是否满足。设计要求可包括确定作为WOB函数的ROP的形状是否接近图3所示的曲线。如果设计要求未得到满足，则可重复步骤1306和1330。步骤1332之后，可结束该方法1300。
可对方法1300作出各种修改、添加或省略，而不会脱离本发明的范围。例如，各步骤的顺序可以不同于所描述的方式进行，某些步骤可同时进行。此外，每个个别的步骤可包括附加的步骤，而不会脱离本发明的范围。
尽管本发明用若干个实施例进行了描述，但对本技术领域内技术人员可建议各种变化和修改。例如，尽管本发明描述了刀片构造和关于钻头的切削元件，但同样的原理可用来优化根据本发明的任何合适钻探工具的定向和水平钻探。本发明意欲包括落入附后权利要求书范围内的如此的变化和修改。

Claims (27)

1.一种设计用于定向和水平钻探的多层井下钻探工具，该钻探工具包括：
钻头体，所述钻头体具有延伸通过其中的旋转轴线；
设置在所述钻头体的外部上的多个主刀片；
设置在所述主刀片的外部上的多个第一层切削元件；
在所述钻头体的外部上设置于所述主刀片之间的多个次级刀片；以及
设置在所述次级刀片的外部上的多个第二层切削元件，所述第二层切削元件按反向轨迹式设置构造与所述第一层的切削元件呈轨迹式设置。
2.如权利要求1所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件相对于所述第一层切削元件为不充分暴露。
3.如权利要求2所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件和所述第一层切削元件之间的不充分暴露的量是基于的临界切削深度控制曲线。
4.如权利要求2所述的钻探工具，其特征在于，还包括设置在所述次级刀片的外部上的多个第三层切削元件，所述第三层切削元件按反向轨迹式设置构造与所述第一层切削元件和所述第二层切削元件中的至少一个呈轨迹式设置。
5.如权利要求4所述的钻探工具，其特征在于，所述第三层切削元件相对于所述第二层切削元件为不充分暴露。
6.如权利要求1所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件构造成控制穿透率，这样，在钻探过程中，所述第二层切削元件以所需的钻压配合地层。
7.如权利要求1所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件构造成控制切削深度，这样，在钻探过程中，所述第二层切削元件以所需的钻压配合地层。
8.如权利要求1所述的钻探工具，其特征在于，还包括多个切削深度控制器，所述切削深度控制器设置在所述主刀片或所述次级刀片中至少一个上，并构造成控制切削深度。
9.一种设计用于定向和水平钻探的多层井下钻探工具，该钻探工具包括：
钻头体，所述钻头体具有延伸通过其中的旋转轴线；
设置在所述钻头体的外部上的多个主刀片；
设置在所述主刀片的外部上的多个第一层切削元件；
在所述钻头体的外部上设置于所述主刀片之间的多个次级刀片；以及
设置在所述次级刀片的外部上的多个第二层切削元件，所述第二层切削元件按前轨迹式设置构造与所述第一层切削元件呈轨迹式设置。
10.如权利要求9所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件相对于所述第一层切削元件为不充分暴露。
11.如权利要求10所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件和所述第一层切削元件之间的不充分暴露的量是基于临界切削深度控制曲线。
12.如权利要求10所述的钻探工具，其特征在于，还包括多个设置在所述次级刀片的外部上的第三层切削元件，所述第三层切削元件按前轨迹式设置构造与所述第一层切削元件和所述第二层切削元件中的至少一个呈轨迹式设置。
13.如权利要求12所述的钻探工具，其特征在于，所述第三层切削元件相对于所述第二层切削元件为不充分暴露。
14.如权利要求9所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件构造成控制穿透率，这样，在钻探过程中，所述第二层切削元件以所需的钻压配合地层。
15.如权利要求9所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件构造成控制切削深度，这样，在钻探过程中，所述第二层切削元件以所需的钻压配合地层。
16.如权利要求9所述的钻探工具，其特征在于，还包括多个切削深度控制器，所述切削深度控制器设置在所述主刀片或所述次级刀片中至少一个上，并构造成控制切削的深度。
17.一种设计多外形层的钻头以提供定向和水平钻探的方法，该方法包括：
将多个第一层切削元件放置在设置在钻头体的外部上的多个主刀片上；
形成切削元件构造，该构造选自以下的组群：前轨迹式设置构造和反向轨迹式设置构造；
在钻探过程中，根据井筒的地层特征和与钻头相关的马达转速，来估计第二层切削元件配合地层的钻压；
确定所述第二层切削元件和所述第一层切削元件之间的不充分暴露的量；以及
根据所确定的切削元件构造和所确定的不充分暴露，将所述第二层切削元件放置在多个次级刀片上，以防止在滑动模式钻探过程中马达停转。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述地层特征包括地层强度。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述第一层切削元件放置在所述主刀片上包括调整以下中的至少一个：位置、密度、后倾角和侧倾角。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述第二层切削元件放置在所述次级刀片上是至少基于由与所述钻头相关的马达所提供的转矩。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述第二层切削元件生成临界切削深度控制曲线；
根据所述临界切削深度控制曲线，计算最小临界穿透率；以及
如果在钻探过程中所述最小临界穿透率不近似等于所述第二层切削元件配合地层的穿透率，则重构所述次级刀片上的所述第二层的切削元件。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，重构所述第二层切削元件包括调整所述第二层切削元件和所述第一层切削元件之间的所确定的不充分暴露。
23.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述前轨迹式设置构造包括：所述第二层切削元件相对于所述钻头的转动方向位于所述第一层切削元件的前面。
24.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述反向轨迹式设置构造包括：所述第二层的切削元件相对于所述钻头的转动方向位于所述第一层的切削元件的反向。
25.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二层切削元件构造成控制穿透率，这样，在钻探过程中，所述第二层切削元件以所需的钻压配合地层。
26.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二层切削元件构造成控制切削深度，这样，在钻探过程中，所述第二层切削元件以所需的钻压配合地层。
27.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括多个切削深度控制器，所述切削深度控制器设置在所述主刀片或所述次级刀片中至少一个上，并构造成控制切削的深度。
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