CN104769207A - 用于控制钻头扭矩的钻头装置 - Google Patents

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Abstract

根据本公开的一些实施例，一种用于在地下地层中钻探井眼的钻头包括设置在所述钻头的接触面处的多个切刀。所述切刀中的每一个具有切削面，所述切削面被布置成当所述钻头在钻探所述井眼期间围绕穿过所述接触面的旋转轴线旋转时切入所述地层中。位于所述钻头的量具部分内的切刀中的至少一个被机械加工以形成大致平坦表面，所述大致平坦表面与所述切刀的所述切削面相交并且限定所述切刀的所述切削面的切削刃。

Description

用于控制钻头扭矩的钻头装置
外国优先权
本申请要求2012年10月11日提交的英国申请号1218304.2的外国优先权，所述申请的内容以引用方式整体并入本文。
发明领域
本发明涉及一种用于在地下地层中钻探井眼的钻头，涉及一种用于设计这种钻头的方法，并且涉及一种在地下地层中钻探井眼的相关联方法。
背景技术
众所周知的是，通过定向钻探来提供非线性地下井眼。在进行定向钻探时，钻压(WOB)波动和随之产生的钻头扭矩(TOB)波动可能引起钻头和/或相关联的转向组件的取向发生改变，从而使井眼脱离其预期路径。因此，必须进行纠正性转向以使井眼返回到预期路径。这种偏离和纠正性转向发生得越频繁，井眼变得越不笔直且越曲折。越曲折的井眼使得越难以有效地将施加在地表处的明显WOB沿钻柱传递到钻头(由于钻柱与井眼的侧壁之间的接合或相互作用)，并且使得随后越难以进行进一步钻探或沿井眼延伸工具、套管等。
用于定向钻探的可转向井底钻具组件(BHA)通常与转向组件结合地采用固定切刀式钻头(也被称为切削型钻头)。BHA或转向组件还可以包括用于检测和测量工具位置和取向的设备，诸如随钻测量(MWD)工具。还常常在转向组件与钻头之间采用井下马达，诸如所谓的Moineau马达，所述马达是由在钻探操作中使用的钻探泥浆的流动驱动的。
固定切刀式钻头通常包括：钻头体，由围绕钻头体的纵向轴线布置的若干刀片形成；以及多个超研磨切刀，诸如多晶金刚石压块(PDC)或热稳定的PCD(TSP)切刀，所述切刀安装在刀片上以便在钻头体旋转时与正被钻探的岩石地层接合并且切入其中。PDC切刀最通常形成为圆盘形金刚石台面以充当切削面，并且被支撑在圆柱形碳化钨(WC)基底上。切刀最常见地通过将切刀钎焊到形成于刀片中的凹窝中来安装在钻头体的刀片上。
在刀片之间形成排屑槽，并且在每个排屑槽的顶端附近形成喷嘴，以使得钻探泥浆可以从地表、沿钻柱中的通道离开喷嘴，并且沿钻柱与井眼的侧壁之间的环空向上循环回到地表。这种循环流使钻头和切刀冷却，并且将由旋转的切刀切削的岩屑向上运送到地表，在地表处钻探泥浆被过滤以去除切屑并且进行再循环。
在钻探井眼时，通常合乎期望的是实现高钻速(ROP)，即，每单位时间钻入岩石中的距离。为了获得高钻速，合乎期望的是增加钻头的旋转速度以及随着钻头的每次旋转所切削和去除的岩石的体积。因此，固定切刀式钻头设计寻求增加切刀的切削面与岩石地层之间的接合部的总面积，以便增加随着钻头的每次旋转所去除的岩石的体积，并且采用喷嘴、刀片和排屑槽的先进液压设计以确保所循环的流体足以冷却切刀并将切屑运送走。
切刀通常是沿刀片的前缘和外缘分布，以使得切刀在若干刀片上的径向位置在每个刀片之间变化，从而使得由多个切刀限定的回转体积在刀片旋转时重叠。以这种方式，每个切刀与每个其它切刀偏离，以使得其在旋转时将切削原生岩石而不仅仅是在相同的径向位置追踪另一个切刀，并且在若干刀片上的多个切刀在它们之间获得大致对正被钻探的井眼底部处的岩石面的完整覆盖。
此类设计的一个特征是每个切刀预期切入岩石面中且与岩石面接合的深度。通过增加钻压(WOB)，将切刀更深地推入岩石面中，从而增加切削深度(DOC)；然而，在切刀进入岩石面中的接合增加的情况下，存在TOB的伴随性增加，所述TOB必须施加以使钻头旋转，从而克服在切削齿与岩石面接合时岩石面施加于钻头的反扭矩。类似地，增加DOC使每个切刀必须要做的功的增加，使切刀生成的热的量增加，并且使必须运送走的切削的体积增加。
以这种方式，可以理解，切刀进入岩石地层中的接合深度的增加将导致反扭矩的相应增加。切刀进入岩石地层中的接合深度的增加可以发生，例如由于WOB的增加或由于钻土在岩石面处遭遇的地层的岩石抗压强度减小，诸如当移动到不同岩石类型区中时。(除非由上下文另外说明或规定，否则本文对岩石抗压强度的参考是指岩石侧限抗压强度。)
如上文指出的，随之产生的TOB波动容易引起钻头的接触面(工具面)跳跃或扭转偏离正确的取向和与岩石面的接合，并且因此使钻头和/或相关联的可转向BHA相对于井眼的预期路径不对准。同样，如果切刀与正被钻探的岩石地层过度接合，那么被去除的切屑的体积可能超过用于从切刀和排屑槽清除切屑的循环钻探泥浆的容量，从而导致所谓的钻头球化。或者，钻头反扭矩可简单地变得对相关联的井下马达而言太大而不能继续使钻头转动，从而引起钻头停转，或甚至大的以致于损坏切刀、钻头或BHA的其它部件。
正被钻探的岩石地层的抗压强度的变化自然地发生，并且钻探操作员可能试图通过对WOB进行相应调整来补偿这些变化。然而，这些调整通常将使钻头从一种岩石类型到下一种岩石类型的实际过渡延迟。
此外，在实践中，在定向钻探过程中一直将在地表处施加的明显WOB全部转移到钻头通常是不可能的，这是由于钻柱与井眼侧壁之间发生接触。这可能导致已知为“粘滑”的现象，其中钻柱的某个部分、诸如稳定器在其通过井眼的弯曲路径时被卡在井眼的侧壁上，从而导致钻柱粘附在原地并且部分地抵抗所施加的WOB。于是，工具面处存在明显的WOB降低。当钻柱的粘附部分随后被移开时，例如在稳定器清除在井眼中的弯曲时，对所施加的WOB的阻力突然下降，并且工具面处的明显WOB经历相应的突然增加。除此之外，这个问题还可能由于钻柱反弹而加剧，钻柱反弹是与钻柱的弹性引起施加到钻头的明显WOB不规则变化类似的现象，其结果导致切刀的过度接合。
过去已采取各种方法以试图缓解上述问题，具体地通过限制或控制切刀进入地层中的切削深度(DOC)。更确切地，已使用各种技术以试图在WOB趋向于促使切刀过深地进入正被钻探的地层中时防止切刀与岩石面过度接合。
一种技术是使用多个切削深度控制(DOCC)特征来将DOC限制于标称最大值。三种主要类型的DOCC特征可概括如下。
第一类型的DOCC特征是紧邻PDC切刀后端或前端(相对于钻头旋转的预期方向)以保护所述切刀或它们的安装结构的多个结构或突出部。旋转地在PDC切刀后端的结构例如在美国专利号4,889,017、4,991,670、5,244,039和5,303,785中进行公开。旋转地在PDC切刀前端的结构例如在美国专利号3,153,458、4,554,986、5,199,511和5,595,252中进行公开。这些结构试图通过与在切刀后方的岩石面接触来限制相关联的PDC切刀的暴露度，从而将最大DOC限制于切刀延伸到突出部之外的高度。然而，在单独使用时，在DOCC结构或切刀本身由于抵靠岩石面的磨耗而发生磨损的情况下，这些DOCC特征可能易于经受最大DOC的相对大的变化。当DOCC结构相对于切刀是磨损的时，DOC将增加，同时具有以上指出的伴随性问题。当切刀相对于DOCC结构是磨损的时，最大DOC减小，这可能导致切刀的ROP降低。
第二类型的DOCC特征是相对深的切刀凹窝，所述切刀凹窝形成于钻头体上，以便在切刀固定到切刀凹窝中时有效地部分掩盖切刀，从而限制切刀的暴露度。这可具有与提供第一DOCC特征类型的后端或前端结构类似的效果，但是可能致使钻头对具有不同的、相对坚硬或松软的岩石类型的钻探地层的适应性较差，并且将趋向于限制关于切刀在钻头体上的取向和放置的设计自由度。
第三种类型的DOCC特征如在美国专利申请公开号US2006/0278436Al所公开的是支承表面结构，所述支承表面结构旋转地位于PDC切刀的前部并且被布置成一旦相关联的切刀已接合高达最大DOC就将WOB直接传递到岩石面。于是，切刀将不会超过最大DOC，除非通过支承表面施加的WOB足以超过地层的岩石抗压强度。为了防止这种情况，必须将支承表面的总面积设计成足够大以便在不超过预期进行钻探的地层的岩石抗压强度的情况下分布WOB。然而，对于提供足够大的支承表面面积的需要可能对钻头设计(包括刀片和切刀放置的设计)产生不利的约束，并且还可能对排屑槽中的以及钻头与正被钻探的岩石面之间的界面处的钻头流体的液压行为造成负面影响。这些约束可能由于钻头意图钻探相对松软的(低抗压强度)岩石地层或由于相对小直径的钻头而加剧。
用于控制DOC的另一种相关技术是将一些或所有切刀以在钻头旋转时相对于切刀的切削方向成较小侵入角度或取向的方式安装到钻头体。切刀侵入性是切刀将趋向于刺入岩石面中(与在钻头旋转时趋向于远离岩石面相反)的程度的量度。通过安装切刀以使得它们具有正倾角或前倾角，所述切刀将趋向于插入岩石面中(在切刀切削岩石时有效地牵拉钻头进入岩石中)，从而趋向于去除更多的地层材料并且生成更高的反扭矩。因此，以正倾角安装的切刀具有较大的侵入性。以负倾角或后倾角安装的切刀趋向于远离地层，从而试图在地层上滑动而不是切穿它，因此具有较小的侵入性。
很显然，以侵入的正倾角安装的切刀将更易于由于WOB的突然增加而生成大的反扭矩，而以后倾角安装的切刀将趋向于经受由于WOB的波动而产生的较小反扭矩变化。因此，具有后倾角的切刀已特定地用于可转向钻头，以使得钻头不太容易受WOB波动影响。然而，已经发现，具有显著后倾角的切刀对于钻透较松软的(低抗压强度)岩石地层并非有效。为了试图实现ROP与钻头在WOB波动下的行为之间的平衡，例如在美国专利号5,314,033中已提出使用具有正、负和/或中性后倾角的混合物的切刀的钻头。
如从前述内容可以理解，将合乎期望的是，提供一种具体地用于定向钻探的钻头设计解决方案，所述解决方案将缓解钻头对WOB波动的不合乎期望的响应趋势，同时保留设计自由度且维持可接受的WOB、ROP和钻头的液压性能能力。
前述公开的专利和专利申请中的每一个据此整体并入本文。
发明概述
根据本发明，提供一种用于在地下地层中钻探井眼的钻头，所述钻头包括：设置在所述钻头的接触面处的多个切刀，每个切刀具有被布置成当所述钻头在钻探井眼期间围绕穿过所述接触面的旋转轴线旋转时切入地层中的切削面，其中位于所述钻头的量具部分内的至少一个切刀被机械加工以形成大致平台表面，所述大致平台表面与所述切刀的切削面相交并且限定所述切刀的切削面的切削刃。
在所述钻头的实施例中，具有所述大致平坦表面的所述至少一个切刀位于所述接触面的中央区域中、邻近所述轴线穿过所述接触面的位置。
所述钻头的实施例可以包括钻头体，所述钻头体具有被布置成围绕所述旋转轴线旋转的一个或多个刀片，所述多个切刀被设置在所述一个或多个刀片上。此处，所述一个或多个刀片的肩部可以从所述钻头的径向最外侧量具部分在所述轴线的方向上向前延伸，以便限定所述一个或多个刀片的最前端的鼻部，其中内锥形部分从所述鼻部向后延伸。在这种情况下，具有所述大致平坦表面的所述至少一个切刀可以位于至少所述内锥形部分中。此外，在所述刀片中的至少一个的至少鼻部或肩部中的至少一个或多个切刀还可以被机械加工以形成所述大致平坦表面，所述大致平坦表面限定所述一个或多个切刀的切削面的切削刃。
在所述钻头的另外的实施例中，具有所述大致平坦表面的所述至少一个切刀安装在所述钻头上，其中所述大致平坦表面大致朝向沿所述旋转轴线的前向钻探方向。
在所述钻头的另外的实施例中，具有所述大致平坦表面的所述至少一个切刀安装在所述钻头上，其中所述大致平坦表面与所述钻头的所述接触面大致平行。
在钻头的另外的实施例中，所述至少一个切刀的所述大致平坦表面限定所述钻头的接触面。
在所述钻头的另外的实施例中，所述钻头的接触面是所述钻头的表面的一部分，所述部分在正被钻探的井眼的未钻探底表面处与地下地层的岩石面接触。
在所述钻头的另外的实施例中，每个所述至少一个切刀的所述大致平坦表面被布置成充当支承表面，用于控制在钻探期间所述切刀在地下岩石地层中的切削深度。
在所述钻头的另外的实施例中，所述至少一个切刀包括两个或更多个切刀，每个切刀被机械加工以具有相应的大致平坦表面，所述大致平坦表面与所述切刀的切削面相交并且限定所述两个或更多个切刀的切削面的切削刃。此处，所述两个或更多个切刀的所述大致平坦表面可以被布置成协作来充当用于控制在钻探期间那些切刀在地下岩石地层中的切削深度的支承表面。另外，所述两个或更多个切刀的大致平坦表面可以相对于所述两个或更多个切刀的相应切削面以不同的倾斜角度形成。此外，所述两个或更多个切刀的大致平坦表面可以具有不同的表面积。另外，具有所述大致平坦表面的两个或更多个切刀可以设置在所述钻头的接触表面处，以便所述钻头在钻探期间旋转时，所述切刀的相应切削面在正被钻探的井眼的未钻探底表面处、以相对于每个切刀的切削方向的不同倾斜角度与地下地层的岩石面接合。
在所述钻头的另外的实施例中，所述机械加工的大致平坦表面是通过用切刀磨削或切削材料形成的，所述切刀选自由以下各项组成的组：PDC切刀、TSP切刀、以及其它超研磨切刀。
在钻头的另外的实施例中，所述多个切刀中的至少一个另外的切刀位于所述接触面的量具部分内并且形成为不具有限定所述切刀的切削面的切削刃的机械加工的大致平坦表面。此处，所述至少一个另外的切刀以相对于所述另外的切刀的切削方向成倾斜角度的方式设置在所述接触面的量具部分内，以便当所述钻头在钻探期间旋转时，表现出比具有所述大致平坦表面的至少一个切刀更具侵入性的切削行为。
前述钻头中的任何一个的实施例都可以包括形成于所述钻头的接触面处的一个或多个切削深度控制特征，所述切削深度控制特征选自由以下各项组成的组：一个或多个突出部，其位于所述接触面处、沿切刀的切削方向旋转地在多个切刀中的一个或多个之前或之后，以便限制切刀的暴露度并且从而限制在正被钻探的井眼的未钻探底表面处切刀进入地下地层的岩石面中的切削深度；一个或多个支承表面，其位于所述接触面处，并且被布置成邻近一个或多个切刀，以便在钻压引起与多个切刀中的一个或多个相关联的切刀的切削深度超过针对那些切刀进入岩石面的预先确定的最大切削深度的情况下，将钻压直接传送到在正被钻探的井眼的未钻探底表面处的地下地层的岩石面；以及多个切刀中的一个或多个，其设置在所述钻头的接触面处的凹进的凹窝中，以便限制切刀越过形成凹窝的材料的暴露度，并且从而限制在正被钻探的井眼的未钻探底表面处切刀进入地下地层的岩石面中的切削深度。
在所述钻头的额外的实施例中，被机械加工以形成限定切刀的切削面的切削刃的大致平坦表面的所述至少一个切刀是大致圆柱形形状，除了所述机械加工的大致平坦表面之外。
在所述钻头的再额外的实施例中，所述多个切刀中的每一个设置在钻头的接触面处，所述钻头的切削面被布置成在所述钻头围绕旋转轴线旋转以便将预先确定的WOB施加在具有预先确定的岩石抗压强度的地层中时切入地层中达到标称或最大深度，所述切刀被布置成使得所述标称或最大切削深度对于大致居中位于接触面上、邻近所述轴线穿过所述接触面的位置处的切刀而言是相对小的，并且对于位于所述接触面的环绕居中定位的切刀的区域中且在所述钻头的量具部分内的切刀而言是相对大的。
在所述钻头的又额外的实施例中，具有所述大致平坦表面的至少一个切刀设置在所述接触面处、作为主要切削结构和次要切削结构中的一个或两个的一部分。
根据本发明的第二方面，提供一种用于进行定向钻探的可转向井底钻具组件，所述可转向井底钻具组件包括根据本发明的第一方面所述的钻头。
根据本发明的第三方面，提供一种定向钻探装置，所述定向钻探装置包括钻柱和根据本发明的第二方面所述的可转向井底钻具组件。
根据本发明的第四方面，提供一种设计用于在地下地层中钻探井眼的钻头的方法，所述方法包括：指定对应于所述钻头的接触面的至少一个等高线并且使所述钻头的旋转轴线穿过所述至少一个等高线；指定多个切刀在接触面处的部署；以及将位于所述钻头的量具部分内的切刀中的至少一个指定为形成有大致平坦表面，所述大致平坦表面与所述切刀的切削面相交并且限定所述切刀的切削面的切削刃。
在所述方法的实施例中，具有所述大致平坦表面的至少一个切刀位于所述接触面的中央区域中、邻近所述轴线穿过所述接触面的位置。
在所述方法的另外的实施例中，所述大致平坦表面的取向被指定为与所述钻头的所述接触面大致平行和/或大致朝向沿所述旋转轴线的前向钻探方向。
在所述方法的另外的实施例中，指定所述切刀中的至少一个包括将所述切刀中的两个或更多个指定为形成有大致平坦表面，所述大致平坦表面与所述切刀的切削面相交并且限定所述切刀的切削面的切削刃，其中所述两个或更多个切刀相应位于钻头的量具部分内。
所述方法的另外的实施例包括计算在沿所述钻头在钻探井眼时的预期路径的一个或多个点处作用于钻头上的反扭矩。此处，计算反扭矩可以至少部分地基于所述平坦表面的表面积或形成具有所述大致平坦表面的至少一个切刀中的每一个的切削刃的长度。另外，这种方法还可以包括提供对应于将要在其中钻探的井眼的地层的地层特性数据，其中所述地层特性数据包括或用于确定在沿所述钻头在钻探井眼时的预期路径的一个或多个点处的地层的至少岩石抗压强度。在这种情况下，地层特性数据可以用于至少部分地确定针对多个切刀在沿井眼的所述一个或多个点处的切削深度。这种方法还可以包括：在确定所述切削深度超过指定用于所述多个切刀在沿井眼的所述一个或多个点处的切削深度的最大值的情况下，增加形成具有大致平坦表面的至少一个切刀中的一个或多个的大致平坦表面的表面积。
所述方法的另外的实施例还包括指定一个或多个参数，所述参数选自由以下各项组成的组：所述至少一个切刀的大致平坦表面的表面积；所述至少一个切刀的所有大致平坦表面的总表面积；所述大致平坦表面相对于所述至少一个切刀的切削面的倾斜角度；在所述钻头围绕旋转轴线旋转时所述至少一个切刀的切削面相对于所述至少一个切刀的切削方向的角度；所述至少一个切刀的大致平坦表面相对于所述钻头的轴向前向方向的取向；指示所述至少一个切刀的切削刃的相对锋利度的迟钝分级值；所述至少一个切刀的数量；以及所述至少一个切刀在接触面的位置。此处，所述方法还可以包括调整所述一个或多个参数中的至少一个、以及将指示已调整的钻头设计的至少一个性能特性的值与指示未调整的钻头设计的至少一个性能特性的值直接或间接地进行比较。另外，所述至少一个性能特性可以包括选自由以下各项组成的组的一个或多个：在沿所述钻头在钻探井眼时的预期路径的一个或多个点处生成的钻头反扭矩；所述钻头在沿所述钻头在钻探井眼时的预期路径的一个或多个点处进入地层的钻速；在沿所述钻头在钻探井眼时的预期路径的一个或多个点处的钻头扭矩与钻压的比率；所述钻头扭矩随在沿钻头在钻探井眼时的预期路径的一个或多个点处的明显钻压变化的变化；以及指示这些性能特性中的任何一个的最大值、最小值或平均值，或基于这些性能特性中的一个或多个的性能因子。
这种方法的实施例还可以包括：基于所述比较来选择已调整的钻头设计或未调整的钻头设计；或者进一步调整所述一个或多个参数中的至少一个以及将指示进一步调整的钻头设计的至少一个性能特性的值与指示前面的钻头设计中的一种或多种的至少一个性能特性的值直接或间接地进行比较，以及选择可用的设计或重复进一步调整和比较的过程直至选定一种设计。
在所述方法的另外的实施例中，所述方法包括使用所述钻头设计来模拟在地下地层中钻探井眼。
根据本发明的第五方面，提供一种设计用于在地下地层中钻探井眼的钻头的方法，所述方法包括：指定对应于所述钻头的接触面的至少一个等高线并且使所述钻头的旋转轴线穿过所述至少一个等高线；指定多个切刀在所述接触面处的部署；以及将在所述接触面上的不同位置处的至少两个切刀指定为形成有大致平坦表面，所述大致平坦表面与所述切刀的切削面相交并且限定所述切刀的切削面的切削刃。
这种方法的实施例还包括评估形成具有所述大致平坦表面的至少两个切刀的锋利度和/或侵入性、以及通过调整所述至少两个切刀中的一个或多个的一个或多个切刀参数来调整所述至少两个切刀的锋利度和/或侵入性，所述切刀参数选自由以下各项组成的组：所述大致平坦表面的表面积；所述大致平坦表面相对于所述切刀的切削面的倾斜角度；在所述钻头围绕旋转轴线旋转时所述切刀的切削面相对于切刀的切削方向的角度；所述切刀的大致平坦表面相对于所述钻头的轴向前向方向的取向；指示所述至少一个切刀的切削刃的相对锋利度的迟钝分级值；所述切刀的切削刃的长度；所述切刀在所述接触面处的位置。此处，所述方法还可以包括评估多个切刀的锋利度和/或侵入性在接触面上的分布、以及调整所述至少两个切刀中的一个或多个的一个或多个切刀参数以获得所述切刀的锋利度和/或侵入性在所述接触面上的所期望分布。
在所述方法的另外的实施例中，所期望的分布包括使在所述接触面的中央区域附近的切刀具有较低的锋利度和/或侵入性、以及使在所述接触面的中央区域之外的切刀具有较高的锋利度和/或侵入性。
本发明的第四或第五方面的实施例还可以包括指定在钻头的接触面处提供一个或多个切削深度控制特征，所述一个或多个切削深度控制特征选自由以下各项组成的组：一个或多个突出部，其位于所述接触面处、沿切刀的切削方向旋转地在多个切刀中的一个或多个之前或之后，以便限制切刀的暴露度并且从而限制在正被钻探的井眼的未钻探底表面处切刀进入地下地层的岩石面中的切削深度；一个或多个支承表面，其位于所述接触面处，并且被布置成邻近所述切刀中的一个或多个，以便在钻压引起与多个切刀中的一个或多个相关联的切刀的切削深度超过针对那些切刀进入岩石面的预先确定的最大切削深度的情况下，将钻压直接传送到在正被钻探的井眼的未钻探底表面处的地下地层的岩石面；以及多个切刀中的一个或多个，其设置在钻头的接触面处的凹进的凹窝中，以便限制切刀越过形成凹窝的材料的暴露度，并且从而限制在正被钻探的井眼的未钻探底表面处切刀进入地下地层的岩石面中的切削深度。因此，一个或多个切削深度控制特征可以被布置成控制在所述钻头的接触面处的多个切刀的切削深度，以便提供针对多个切刀的最大容许切削深度在所述接触面上的所期望分布。在这种情况下，针对所述多个切刀的最大切削深度的所期望分布可以包括从所述钻头的旋转轴线沿接触面径向向外移动的最大容许切削深度的增加。此外，针对所述多个切刀的最大切削深度的所期望分布可以包括从所述钻头的最外侧量具部分沿接触面径向向内移动的最大容许切削深度的增加。
根据本发明的第六方面，提供一种制造钻头的方法，所述方法包括：形成钻头体，所述钻头体具有所述钻头的接触面，所述接触面包括量具部分和穿过所述接触面的所述钻头的旋转轴线；以及将至少一个切刀在接触面、量具部分的径向内部处安装到钻头体，所述至少一个切刀具有大致平坦表面，所述大致平坦表面与所述切刀的切削面相交并且限定所述切刀的切削面的切削刃。
在所述方法的实施例中，所述至少一个切刀选自由PDC切刀、TSP切刀、以及其它超研磨切刀组成的组，其中所述大致平坦表面是通过在将超研磨切刀安装到钻头体之前从原始超研磨切刀去除材料而形成的。此处，可能的是，所述超研磨切刀是由于使用已经磨损而形成所述大致平坦表面，或者所述材料已通过磨削或切削机来械加工原始超研磨材料而去除。
所述方法的另外的实施例还包括在将至少一个切刀安装到钻头体之前，机械加工原始切刀以形成具有所述大致平坦表面的至少一个切刀。
所述方法的另外的实施例还可以包括选择迟钝切刀作为所述至少一个切刀并且将所选择的迟钝切刀安装到钻头。
本发明的实施例可以提供一种钻头，所述钻头抵抗切刀与岩石面由于所述钻头处的明显WOB波动而过度接合的趋势。所述钻头的实施例包括具有机械加工的平坦表面的切刀，所述平坦表面抵抗所施加的WOB推动切刀更深地进入岩石面中的趋势。
本发明的实施例可以显示针对WOB波动或正被钻探的地层的岩石抗压强度的改变的降低的TOB响应。所述钻头的实施例包括具有较小侵入性的切刀布置，从而降低切刀在负载下刺入岩石面中的趋势。
本发明的实施例能够对TOB波动显示大的阻力，因为没有或仅很少的最大ROP的降低是在WOB的可接受水平。这允许维持稳定的ROP，即使是在WOB的波动或正被钻探的地层的岩石抗压强度的改变发生的情况下。
本发明的实施例能够提供一种可以在松软的(低抗压强度)岩石地层中维持可接受的ROP的钻头。
本发明的实施例可以提供一种具有改进的可转向性的钻头。所述钻头的实施例在维持工具面的所期望取向及其与岩石面的接合度方面更稳定，以便将定向井眼的钻探维持在其预期路径上或更接近其预期路径。
本发明的实施例提供一种适于在定向钻探中使用的钻头。所述钻头的实施例将锋利度和/或侵入性较小的切刀、或具有相对浅的DOC的切刀用在钻头的量具部分内，且优选地用在工具面的中央区域内，从而降低所述钻头对WOB波动的敏感性并且改进可转向性和定向稳定性。
本发明的实施例能够抵抗WOB增加的趋势，以便在不牺牲设计自由度或损害液压性能的情况下增加切刀的在标称或最大值之上的DOC。所述钻头的实施例具有机械加工的平坦表面，这降低或消除了以下需要：将工具面的可用表面积的大部分分配用于提供DOCC特征，诸如支承表面，从而保留了最大可用面积和用于所述钻头(诸如用于形成刀片和排屑槽以及将固定切刀式钻头的喷嘴定位)的设计自由度。
本发明的实施例能够设计一种专门定制用于在将要在其中钻探井眼的地下地层中使用的钻头。所述钻头可以被设计成能够在所述钻头处的明显WOB变化的影响下钻透表现出岩石地层的抗压强度改变的地层，而不会经受以上指出的钻头性能的退化或具有显著降低的退化。所述钻头还可以被设计成实现指定的性能目标，诸如将DOC或ROP维持在针对所讨论的地下地层的预先确定的极限内。
本发明的实施例还能够提供一种针对轴向振动展示出降低的响应的钻头。所述钻头的实施例展示出用于切刀的切削深度的最大值或截止值，所述最大值或截止值是由一个或多个DOCC特征控制的并且防止切刀过深地接合到岩石面中，尽管在所述钻头处的明显WOB由于振动轴向负载而增加，从而抑制切刀对此类振动的响应。
附图简述
为了能够更好地理解本发明，并且示出可以如何实施本发明，现在将仅通过实例对附图进行参照，在附图中：-
图1示出根据本发明的钻头的一个实施例的透视图；
图2示出在根据本发明的钻头的另一个实施例的工具面处观察到的轴向端视图；
图3A和图3B分别示出在切削刃处未形成任何平坦表面的锋利切刀，以及具有研磨和机械加工成与切刀的切削面在切削刃处相交的平坦表面的迟钝切刀；
图4A示出多个切刀在钻头的接触面上的分布的示意图，其中表示接触面处的刀片几何形状的一个等高线使所有刀片上的切刀叠加在彼此顶上，以示出他们是如何布置在将要分布在切削面上的若干刀片上的，并且将如何协作以便在钻头旋转时基本上将其整个表面积钻入岩石面中；
图4B示出锋利切刀和迟钝切刀在钻头的接触面上的混合分布的类似于图4A的简化示意图，其中表示接触面处的刀片几何形状的一个等高线使不同刀片上的多个、但(为了清晰起见)非全部切刀叠加在彼此顶上，以示出不同类型的切刀可以如何分布在切削面上；
图5示出多个迟钝切刀，每个迟钝切刀被形成为具有形成于其一侧上的大致平坦表面，所述大致平坦表面与每个切刀的切削面相交以限定切削刃，并且示出三个切刀中的每一个的平坦面如何具有不同的表面积；并且
图6以图形方式示出使用一个或多个特征来控制或限制切刀的切削深度如何能够抑制或减少钻头对轴向振动的振动响应。
详述
现在将参照附图描述本发明的具体实施例。
图1示出根据本发明的固定切刀式钻头10的实施例。
钻头10的这个特定实施例包括在一端的钻头体12，并且具有在相对端的螺纹连接部14，用于将钻头10连接在井底钻具组件(BHA)、钻柱等的端部处。
钻头体12形成为具有多个刀片20，每个刀片20从量具部分向上延伸以限定弯曲的肩部和最前端的鼻部。可以看出，刀片20中的三个终止于刀片的鼻部处或附近，而其余两个刀片径向向内延续并且会合，从而在钻头的正面或接触面(工具面)的中央区域中限定刀片的内锥形。
排屑槽30形成于每对相邻的刀片20之间，以便限定在钻探井眼期间可以沿其将钻探泥浆从钻头10的接触面运送走的流体通道。喷嘴40设置在钻头体12上，以便提供沿钻柱离开喷嘴40并且沿环绕钻柱的、在钻柱与井眼侧壁之间的环空向上返回到地表水平面的钻探泥浆流动。钻探泥浆的这种流动将由钻头10去除的岩屑经由排屑槽30从钻头的接触面运送走，并且将它们沿环空向上运送到地表，在地表处钻探泥浆在进行再循环之前被过滤以去除岩屑。
可以看出，多个切刀50和60安装到在钻头10的接触面处的、所述钻头的刀片20上。虽然图1中未明确示出，但是如果需要的话，这些切刀50和60可以沿刀片的侧缘进一步向下延伸到量具部分中。
如图1中示例性地示出，切刀50和60是超研磨切刀，形成有安装到诸如包含碳化钨(WC)的支撑基底上的金刚石台面或类似结构。此类切刀包括例如以上提及的PCD切刀和TSP切刀。
切刀50形成为完整圆柱形切刀，横截面为圆形并且安装到形成于钻头10的刀片20上的凹窝中。PCD切刀和TSP切刀通常形成为圆柱形切刀，以便管理置于切削结构上、并且具体地说置于基底与金刚石台面之间的结合部上的应力，因此需要高压和高温制造技术来生产此类切刀。然而，最近，用于在高压和高温下形成金刚石台面和基底的先进技术已经成为可用的，所述先进技术允许获得多种形状，尽管这些技术尚未广泛地投入使用。
与切刀50相比，每个切刀60并非形成为完整的规则圆柱体，而是形成为圆柱形楔块从金刚石台面所附着的端部去除的圆柱体。因此，所得的切刀60形成为斜截圆柱体的形状，如图5中更容易看出的。圆柱形楔块的去除导致大致平坦表面62形成于切刀60的一侧上，所述平坦表面朝向由在其相应切刀凹窝中的切刀60的取向决定的方向。如图1中所示，大致(或实际)平坦表面62的朝向大致平行于每个切刀60安装在其上的刀片的接触面的局部方向。同样，可以选择切刀60的不同取向，例如以便将平坦表面62取向成朝向钻头10的轴向前向方向(钻探方向)。
图2中示出轴向端视图，其示出根据本发明的钻头10的类似实施例的接触面。在这种情况下，钻头体12是由仅四个刀片20形成，所述四个刀片20带有四个相应的排屑槽30和喷嘴40。另外，在图2的钻头10的情况下，仅刀片20中的仅两个延伸到接触面的中央区域中，而其余两个刀片仅延伸到每个刀片20的鼻部或稍微超过鼻部。
此外，刀片20是由具有完全圆形横截面的“锋利”切刀50和具有斜截圆柱形状的“迟钝”切刀60的混合物形成，所述斜截圆柱形状即，已在每个切刀60的切削面端部处从其去除圆柱形楔块以便形成大致朝向钻头10的前向轴向钻探方向的平坦或大致平坦表面62的圆柱形状。
切刀60在本文中被称为“迟钝”切刀，因为去除圆柱形楔块以形成每个大致平坦表面62限定了每个切刀60的切削面上的相对迟钝的切削刃。与“锋利”切刀50中的带有圆形切削面的完全圆柱形切刀的切削刃相比，以这种方式在切削面(金刚石台面)和大致平坦表面62的交叉部处形成的延伸的平坦切削刃是相对较不锋利的。
图1的实施例与图2的实施例中间的主要差别是，图2的钻头10在每个刀片20上具有多个突出部70，所述突出部70充当切削深度控制(DOCC)特征，用于限制切刀50和60中的每一个在切削期间将钻入岩石面中的程度。虽然已在图2中示出突出部70的具体实例，但是应当理解，前述DOCC特征中的任何一个都可以应用于本发明的实施例，包括提供在切刀50和60的前端和/或后端的突出部、提供在切刀50和60附近和/或在它们之间的支承表面、以及使用深的切刀凹窝来限制切刀50和60的切削面的暴露度(和切削深度)。在图2的实施例的情况下，可以看出钻头10形成为以逆时针方向旋转，如在图2中观察到的，并且突出部70形成为相对于相关联的切刀50和60可旋转地跟随。
图1和图2的实施例的共同点是提供了迟钝切刀60。如从这些图可以理解，迟钝切刀60提供在钻头的量具部分内，主要地是在邻近钻头的旋转轴线的接触面的中央区域中，这对应于刀片结构的内锥形。
在这方面，本发明的发明人已经认识到，钻头10的稳定性和可转向性受在所述钻头的量具部分内的接触面处的切刀的锋利度和/或侵入性影响，并且受在内锥形区域中的切刀50和60的行为影响最严重。
更确切地说，已经发现，钻头响应于钻压(WOB)的变化和波动的行为对内锥形中的切刀50和60的行为特别敏感。具体地说，当内锥形中的切刀50和60设置有高水平的侵入性时，可转向钻头对WOB的波动敏感。相比之下，较不锋利的切刀或形成有后倾角的那些切刀已被识别为不太容易受WOB波动影响。虽然过去已提出对这种敏感性的解决方案，所述解决方案是使内锥形中的切刀具有中性或负倾角(后倾角)，这可以实现降低钻头对WOB波动的敏感性的目的，但是此类布置通常不能够提供所期望的钻速(ROP)，特别是在较松软的岩石地层中。因此，本发明的实施例采用一种用于降低钻头10对WOB波动的敏感性的不同技术。代替降低部署在内锥形中的切刀的侵入性，反而将内锥形中的切刀的至少一部分提供为迟钝切刀60、具有预形成的大致平坦表面62，所述大致平坦表面62限定在与切刀60的切削面的交叉点处的切刀60的切削刃。这具有双重效应，首先，使切刀钝化，因此与具有圆形切削面的完全圆柱形切刀50相比所述切刀的锋利度较小，其次，提供大致平坦表面62，所述大致平坦表面62本身充当用于在WOB增加时抑制迟钝切刀60更深地刺入岩石面中的趋势的支承表面。
使用此类切刀的效果在图3A和图3B中示例性地示出，在这些图中可以看出的是，针对具有基本上相同的后倾角(即，设置有相同的侵入性)的两个切刀50和60，与具有较浅的切削深度(DOC2)的迟钝切刀60相比，锋利切刀50将趋向于更深地刺入岩石面中，具有更大的切削深度(DOC1)。
迟钝切刀60更深地刺入岩石中的趋势在增加的钻压下受到抑制，其结果是，通常相应增加的钻头反扭矩反而减少，通常将出现这种情况是由于切刀更深地切入地层中以及钻头10的每次旋转去除了更大体积的岩石。
因此，据信，可以遍及钻头10的大致上所有工具面使用迟钝切刀60，以改变和控制钻头10的接触面上的切刀行为。
图4A示出用于获得由切刀50在将要钻探的岩石面上实现的不间断覆盖的一种可能的钻头设计的实例。在实践中，需要大量的切刀50(在图4A的情况下，86个切刀)来获得钻头的接触面上的这种不间断覆盖。
图4A示出等高线80，所述等高线80示意性地表示如由例如固定切刀式钻头的多个刀片20限定的钻头10的接触面。在图4A的图像中，等高线80表示公共接触面，其描述越过每个刀片20的脊线的接触面并且将描述回转表面，在围绕轴线82旋转情况下，所述回转表面等于通过使例如图1和图2的钻头10的刀片20旋转所限定的回转表面。
因此，在图4A中，等高线80表示针对所有刀片20的公共接触面。用于整个钻头10的所有多个切刀50的位置都叠加在等高线80的顶上。在实践中，切刀50将分布在钻头10的多个刀片20上。然而，在图4A中，切刀50全部被示出为好像定位在单个刀片上，它们的刃被示出为重叠且叠加在彼此顶上，以使得可以理解切刀50在钻头10的接触面上的分布。以这种方式，可以看出不同刀片20上的切刀50如何协作来确保对将由钻头10的旋转进行切削的岩石面的完全覆盖。
如图4A中所示，表示刀片20的脊线的等高线80限定对应于钻头10的径向最外侧区段的量具部分，所述量具部分向前延伸到从量具部分径向向内弯曲的肩部中。鼻部表示在肩部的径向内部的刀片20和接触面的最前端的程度。随后，等高线80从鼻部径向向内且轴向向后延伸以限定内锥形，所述内锥形是最靠近旋转轴线82的等高线80部分。
虽然图4A表示在CAD程序中可容易操纵的现实的钻头设计，但是出于本发明的目的，以重叠关系设置的大量切刀使得各个特征不太容易辨别和理解。
因此，将参照图4B进一步讨论，读者将理解图4B是与图4A的设计类似的设计的简化实例。
为此，图4B示出一种可能的钻头设计的实例，所述钻头设计利用迟钝切刀60和锋利切刀50的混合物来获得由切刀50和60在将要进行钻探的岩石面上实现的不间断覆盖。在实践中，仍然需要大量的切刀50和60以获得在钻头的接触面上的不间断覆盖，但是此处已减少了此类切刀的数量以便允许更容易地观察图4B的其余特征。
图4B类似地示出等高线80，所述等高线80示意性地示出如由例如固定切刀式钻头的多个刀片20限定的钻头10的接触面。在图4B的图像中，轮廓80表示公共接触面，其描述越过每个刀片20的脊线的接触面并且将描述回转表面，在围绕轴线82旋转情况下，所述回转表面等于通过使例如图1和图2的钻头10的刀片20旋转所限定的回转表面。
因此，在图4B中，等高线80表示针对所有刀片20的公共接触面。用于整个钻头10的所有多个切刀50和60的位置叠加在等高线80的顶上。在实践中，切刀50和60将分布在钻头10的多个刀片20上。然而，在图4B中，切刀50和60全部被示出为好像定位在单个刀片上，它们的刃被示出为重叠且叠加在彼此顶上，以使得可以理解切刀50和60在钻头10的接触面上的分布。以这种方式，可以看出不同刀片20上的切刀50和60如何协作来确保对将由钻头10的旋转进行切削的岩石面的完全覆盖，尽管应当理解这种形式的实际钻头设计可以包括更多的切刀，类似于针对图4A所述的。
另外，如图4B中所示，表示刀片20的脊线的等高线80同样限定对应于钻头10的径向最外侧区段的量具部分，所述量具部分向前延伸到从量具部分径向向内弯曲的肩部中。鼻部表示在肩部的径向内部的刀片20和接触面的最前端的程度。随后，等高线80从鼻部径向向内且轴向向后延伸以限定内锥形，所述内锥形是最靠近旋转轴线82的等高线80部分。
在图4B中，锋利切刀50是由完整圆形指示，而迟钝切刀60是由以下圆形指示：已沿弦线从所述圆形去除圆形节段，以使得迟钝切刀60的切削面由所述弦线指示。这些形状不必对应于切刀60的实际横截面形状或它们的切削面，具体地当在包括如图4B中的旋转轴线82的平面中进行观察时并且应注意所述切刀通常将相对于这种平面以倾斜的切削角度设置，而是仅仅指示切刀的切削刃相对于这种平面的取向。可以看出，在图4B的实施例中，迟钝切刀60形成以具有切削刃，并且相应地，每个切刀60的大致平坦表面62沿表示接触面的等高线80对齐。也就是说，切刀60被取向成使得大致平坦表面62朝向钻头10的接触面。作为替代方案，为了提供对所施加的钻压的增加的阻力，可以将切刀60取向成使大致平坦表面62朝向平行于轴线82的方向，从而直接抵抗轴向钻压。
可以看出，在图4B的实施例中，迟钝切刀60仅提供在接触面的内锥形内，其余的切刀被提供为锋利切刀50。然而，这种布置纯粹是示例性的，并且迟钝切刀可以遍及内锥形、鼻部和肩部中的任何一个或全部提供，并且另外，如果需要还可以提供在量具部分中。
通过使用锋利切刀50和迟钝切刀60的混合物，可以调整钻头10的行为和特性，如对于不同类型的岩石地层将是适当的。
具体地，可以遍及接触面的内锥形、鼻部和肩部提供锋利切刀50和迟钝切刀60的混合物，例如以便提供钻头10的可转向性和稳定性与钻头10进入岩石地层中的钻速(ROP)之间的平衡。同样，或除此之外，可以改变或变化迟钝切刀60的钝化程度。也就是说，可以通过改变大致平坦表面62的尺寸来使迟钝切刀60的迟钝等级发生变化。
参照图5，示出三个不同的迟钝切刀60的实例，每个迟钝切刀60具有形成于其一侧上的相应大致平坦表面62。大致平坦表面62全部形成为具有不同的尺寸，从而从左向右增加尺寸。以这种方式，每个切刀的切削刃的长度如图5中所示从左边的切刀到右边的切刀增加，以使得左侧的切刀是最锋利的，而右侧的切刀是最迟钝的。
如同改变大致平坦表面62的尺寸，还可以改变切刀的侵入性以实现切刀的锋利度与侵入性之间的所期望平衡。通常，大致平坦表面62将相对于每个切刀60的切削面取向，以便将大致平坦表面62的取向维持成平行于钻头10的接触面。以这种方式，大致平坦表面62相对于切刀60的切削面的倾斜角度如在切刀60之间将根据它们的相应侵入性(即，在钻头10旋转时，钻头10上的切刀60相对于接触面的部署角度和切刀60的相关联切削方向)而发生改变。
再次参照图4A和图4B，可以看出在内锥形区域中、具体地在最靠近轴线82的区域中提供的切刀50和60较少，同时在这个区域中的切刀50和60具有最少的重叠量。如参照图1和图2将理解的，这是由于在接触面的最内侧部分处缺乏可用的表面积，从而使得在这个区域中通常仅可以提供两个刀片20。因此，在接触面(工具面)的这个区域中，可以提供、在刀片20上承载较少的切刀50和60。结果是，在内锥形中的切刀，除了由于具有径向最内侧位置而具有最慢的切削速度之外，还可能具有钻头10上的切刀的最高特定负载，这是因为存在需要用于在其间分担切削岩石体积的任务以实现所期望钻速(ROP)的较少的切刀。这可以解释可转向钻头的可转向性和稳定性对内锥形中的切削齿(切刀)的行为特别敏感的原因。锋利切刀50和迟钝切刀60的分布的设计可以相应地被适配成考虑这种行为，例如通过将大部分迟钝切刀60提供在切削面的中央区域中，具体地内锥形中。在接触面的这个部分中的切刀还可以安装有或以其它方式具有相关联的DOCC特征，以便具有与在钻头10的鼻部、肩部或量具部分中的切刀相比减少的、有限的切削深度。
以这种方式，钻头10的设计以及切刀50和60在接触面处的部署可容易地进行适配以适应正被钻探的地层类型，具体地提供可转向性和转向稳定性、对钻压波动的降低的敏感性、以及必要的钻速。同时，因为迟钝切刀60还提供对增加的切削深度的阻力，所以可以减少必须专用于提供DOCC特征的接触面的表面积，从而允许在钻头设计方面更大的自由度，并且具体地用于针对喷嘴40和排屑槽30的大致自由的液压设计，以确保所有地层切屑都可以从接触面和钻头10运送走。以这种方式，可以使对钻头泥包的改变最小化。
使用迟钝切刀60以及使钻头10对钻压变化的响应性最小化的另一个益处是降低钻头10对轴向变化的敏感度。如图6中所示，可以看出使用各种切削深度控制特征、包括迟钝切刀60的大致平坦表面62可以如何减弱钻头10对轴向纵向振动的响应性。因此，可以维持钻头10的切削面与将要钻探的岩石表面的更恒定接触，从而允许维持大致更恒定的且潜在地更高的平均钻速。
通过阅读以上内容，技术人员将容易理解预形成的迟钝切刀60的使用可以如何与其它设计元件配合使用以便优化钻头10的设计，从而能够钻入任何特定岩石地层中。一旦已规划出一项钻井操作，并且已确定针对井眼的预期路径，钻头设计者就能够评估钻头10在钻探期间可能遭遇的不同类型的岩石地层，如通过平常的钻探前调查将识别到的。因此，通过提供钻头10及其相关联的切削结构50和60的初始设计，技术人员可以分别调整迟钝切刀和锋利切刀50的数量，并且调整它们相应的和共同的侵入性、以及每个迟钝切刀60的迟钝等级。与这种方式结合，技术人员可以适配接触面上的切刀的位置，并且甚至可以适配切削面的登高线的形状，以适应切刀50和60的特定选择以及正被钻探的岩石地层。除此之外，技术人员仍然可以利用所有类型的已知切削深度控制特征，结合迟钝切刀60的使用，以便得出用于特定地层中的特定井眼的最佳设计解决方案。
本发明的钻头10特别适合于定向钻探应用。在所规划的狗腿严重度(DLS)高的应用中和/或在发生井底钻具组件(BHA)悬置的情况下(其中钻柱卡在井眼的侧壁上以使得BHA悬置而全部钻压都未施加到其上)，使用迟钝切刀60可为特别有利的，并且在这些情况下，可以将切刀(60)磨削成具有最大的可能切削刃和大致平坦表面62。同样，在正钻探松软岩石地层的情况下，本发明的实施例可以特别有用，因为大致平坦表面62充当支承表面并且可以与另外的切削深度控制(DOCC)特征结合用于抵抗钻压超过正被钻探的地层的岩石抗压强度的趋势。
预期的是，在用于设计这种钻头10的任何设计方法中，技术人员都将利用计算机化优化例程，以便改变和调整提供用于钻头10的迟钝切刀60的尺寸、部署、取向和迟钝等级、以及数量和位置。钻头设计的这种变化是除其它已知设计特征之外的，其它已知设计特征的变化当然也可以同时发生或与迟钝切刀60布置的改变一前一后地发生。
预形成的迟钝切刀60的使用的一个独特特征是钻头10的扭矩响应将受大致平坦表面62的提供的影响。具体地，作用在钻头上的反扭矩是切削力(即，去除特定体积的岩石所需的力)和摩擦力(即，当接触面在正被钻探的岩石面上滑动时所表现出的拖拽力)的组合。在迟钝切刀60的情况下，必须计算反扭矩以便考虑大致平坦表面62的表面积，所述表面积促成摩擦力。同时，迟钝切刀60具有不太锋利的切削刃，因此通常将去除较小体积的岩石，从而减小相关联的切削力。然而，对于已知的类型，这些切刀的针对已知侵入性角度的行为是众所周知的或根据常规测试可以容易地确定。以这种方式，可以简单地根据大致平坦表面62的总表面积的计算来将钻头10的合成行为至少确定为某个近似值。以这种方式，可以将迟钝切刀60的各个大致平坦表面62的表面积以及大致平坦表面62的总表面积用作设计方法、例如计算机化优化例程中的设计变量或输出特性。
为了提供迟钝切刀60，所设想的是，简单地以完全圆柱形锋利切刀50开始，并且将这些切刀机械加工以形成迟钝切刀60。确切地，预期的是，迟钝切刀60可以通过磨削锋利切刀50以便在所述切刀的一侧上以所期望的取向形成大致平坦表面62来形成。其它机械加工技术也可用于从锋利切刀50形成大致平坦表面62，例如通过使用放电机械加工(EDM)来切削切刀50。
然而，作为替代方案，还设想的是，可以从用过的钻头中提取用过的或磨损的切刀，在用过的钻头中原始提供的锋利切刀50已经由于抵靠已使用它们进行钻探的岩石面的磨耗而被磨损。在这种情况下，可以从用过的钻头收集磨损的或损坏的切刀并且根据它们已服从的迟钝等级水平来对它们进行分级。通过对所提取的迟钝切刀的适当分类和选择，可以对这些迟钝切刀60进行适当地选择以用于根据本发明的教义新形成的钻头10上。同样，为了提供针对所期望性能特性的更好的匹配，还可以通过对所提取的迟钝切刀进行机械加工、例如通过磨削或EDM等来修复或更新它们，从而通过进一步去除其中切刀已由于磨耗或以其它方式损坏而发生磨损的区域中的材料来提供新的大致平坦表面62和限定的切削刃。
通过阅读本公开，针对所示实施例中示出的设计的许多变化和替代方案对于技术人员而言将变得明显。本发明并不受本发明所公开的实施例限制，并且在随附权利要求书中进行限定。
例如，虽然图1和图2的实施例两者均示出钻头在每个刀片上仅具有单行切刀，但是本领域的技术人员将容易理解，前述描述同样适用于在每个刀片上具有形成为主要切削结构和次要切削结构的两行或更多行切刀的钻头。在每个刀片上具有多行切刀的钻头对于本发明的技术领域中的普通技术人员而言是众所周知的。在此类情况下，可以将其上形成有用于限定切刀的切削刃的大致平坦表面的迟钝切刀提供在主要切削结构和次要切削结构中的一个或两个中。

Claims (57)

1.一种用于在地下地层中钻探井眼的钻头，所述钻头包括：
多个切刀，所述多个切刀设置在所述钻头的接触面处，所述切刀中的每一个具有切削面，所述切削面被布置成当所述钻头在钻探所述井眼期间围绕穿过所述接触面的旋转轴线旋转时切入所述地层中，
其中位于所述钻头的量具部分内的切刀中的至少一个被机械加工以形成大致平坦表面，所述大致平坦表面与所述切刀的所述切削面相交并且限定所述切刀的所述切削面的切削刃。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中具有所述大致平坦表面的至少一个切刀位于所述接触面的中央区域中、邻近所述轴线穿过所述接触面的位置。
3.根据权利要求1或2所述的钻头，其中所述钻头包括钻头体，所述钻头体具有被布置成围绕所述旋转轴线旋转的一个或多个刀片，所述多个切刀被设置在所述一个或多个刀片上。
4.根据权利要求3所述的钻头，其中所述一个或多个刀片的肩部从所述钻头的所述径向最外侧量具部分沿所述轴线的方向向前延伸，从而限定所述一个或多个刀片的最向前的鼻部，其中内锥形部分从所述鼻部向后延伸。
5.根据权利要求4所述的钻头，其中具有所述大致平坦表面的所述至少一个切刀位于至少所述内锥形部分中。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在至少一个所述刀片的至少鼻部或肩部中的切刀中的至少一个或多个也被机械加工以形成大致平坦表面，所述大致平坦表面限定所述一个或多个切刀的所述切削面的切削刃。
7.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中具有所述大致平坦表面的所述至少一个切刀安装在所述钻头上，其中所述大致平坦表面大致朝向沿所述旋转轴线的前向钻探方向。
8.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中具有所述大致平坦表面的所述至少一个切刀安装在所述钻头上，其中所述大致平坦表面与所述钻头的所述接触面大致平行。
9.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中所述至少一个切刀的所述大致平坦表面局部地限定所述钻头的所述接触面。
10.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中所述钻头的所述接触面是所述钻头的表面的一部分，所述部分在正被钻探的井眼的未钻探底表面处与所述地下地层的岩石面接触。
11.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中每个所述至少一个切刀的所述大致平坦表面被布置成充当用于控制在钻探期间所述切刀在地下岩石地层中的切削深度的支承表面。
12.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中所述至少一个切刀包括两个或更多个切刀，每个切刀被机械加工以具有相应的大致平坦表面，所述大致平坦表面与所述切刀的所述切削面相交并且限定所述两个或更多个切刀的所述切削面的所述切削刃。
13.根据权利要求12所述的钻头，其中所述两个或更多个切刀的所述大致平坦表面被布置成协作来充当用于控制在钻探期间那些切刀在地下岩石地层中的切削深度的支承表面。
14.根据权利要求12或13所述的钻头，其中所述两个或更多个切刀的所述大致平坦表面相对于所述两个或更多个切刀的相应切削面以不同的倾斜角度形成。
15.根据权利要求12、13或14所述的钻头，其中所述两个或更多个切刀的所述大致平坦表面具有不同的表面积。
16.根据权利要求12、13、14或15所述的钻头，其中具有所述大致平坦表面的所述两个或更多个切刀设置在所述钻头的所述接触表面处，以便在所述钻头在钻探期间旋转时，所述切刀的所述相应切削面在正被钻探的井眼的未钻探底表面处、以相对于每个切刀的切削方向的不同倾斜角度与所述地下地层的岩石面接合。
17.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中所述机械加工的大致平坦表面是通过从切刀磨削或切削材料形成的，所述切刀选自由以下各项组成的组：PDC切刀、TSP切刀、以及其它超研磨切刀。
18.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中所述多个切刀中的至少一个另外的切刀位于所述接触面的所述量具部分内并且形成为不具有限定所述切刀的所述切削面的所述切削刃的机械加工的大致平坦表面。
19.根据权利要求18所述的钻头，其中所述至少一个另外的切刀以相对于所述另外的切刀的切削方向成倾斜角度的方式设置在所述接触面的所述量具部分内，以便当所述钻头在钻探期间旋转时，表现出比具有所述大致平坦表面的至少一个切刀更具侵入性的切削行为。
20.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其还包括形成于所述钻头的所述接触面处的一个或多个切削深度控制特征，所述切削深度控制特征选自由以下各项组成的组：
一个或多个突出部，其位于所述接触面处、沿所述切刀的切削方向旋转地在所述多个切刀中的一个或多个之前或之后，以便限制所述切刀的暴露度并且从而限制在正被钻探的井眼的未钻探底表面处所述切刀进入所述地下地层的岩石面中的切削深度；
一个或多个支承表面，其位于所述接触面处，并且被布置成邻近所述切刀中一个或多个，以便在所述钻压引起与所述多个切刀中的一个或多个相关联的切刀的切削深度超过针对那些切刀进入所述岩石面的预先确定的最大切削深度的情况下，将所述钻压直接传送到在正被钻探的井眼的未钻探底表面处的地下地层的岩石面；以及
所述多个切刀中的一个或多个，其被设置在所述钻头的所述接触面处的凹进的凹窝中，以便限制所述切刀越过形成所述凹窝的材料的暴露度，并且从而限制在正被钻探的井眼的未钻探底表面处所述切刀进入所述地下地层的岩石面中的切削深度。
21.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中被机械加工以形成大致平坦表面的所述至少一个切刀的形状是大致圆柱形的，除了所述机械加工的大致平坦表面之外，所述大致平坦表面限定所述切刀的所述切削面的切削刃。
22.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中所述多个切刀中的每一个设置在所述钻头的所述接触面处，所述每个切刀的切削面被布置成当所述钻头围绕所述旋转轴线旋转以便将预先确定的WOB施加在具有预先确定的岩石抗压强度的地层中时切入所述地层中达到标称或最大深度，所述切刀被布置成使得所述标称或最大切削深度对于居中位于所述接触面上、大致邻近所述轴线穿过所述接触面的位置的切刀而言是相对小的，并且对于位于所述接触面的环绕所述居中定位的切刀的区域中且在所述钻头的所述量具部分内的切刀而言是相对大的。
23.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中具有所述大致平坦表面的至少一个切刀设置在所述接触面处、作为主要切削结构和次要切削结构中的一个或两个的一部分。
24.一种用于定向钻探的可转向井底钻具组件，其包括根据前述权利要求中任一项所述的钻头。
25.一种定向钻探装置，其包括钻柱和根据权利要求24所述的可转向井底钻具组件。
26.一种设计用于在地下地层中钻探井眼的钻头的方法，所述方法包括：
指定对应于所述钻头的接触面的至少一个等高线并且使所述钻头的旋转轴线穿过所述至少一个等高线；
指定多个切刀在所述接触面处的部署；以及
将位于所述钻头的量具部分内的切刀中的至少一个指定为形成有大致平坦表面，所述大致平坦表面与所述切刀的所述切削面相交并且限定所述切刀的所述切削面的切削刃。
27.根据权利要求26所述的方法，其中具有所述大致平坦表面的所述至少一个切刀位于所述接触面的中央区域中、邻近所述轴线穿过所述接触面的位置。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其中所述大致平坦表面的取向被指定为与所述钻头的所述接触面大致平行和/或大致朝向沿所述旋转轴线的前向钻探方向。
29.根据权利要求26、27或28所述的方法，其中指定所述切刀中的至少一个包括将所述切刀中的两个或更多个指定为形成有大致平坦表面，所述大致平坦表面与所述切刀的所述切削面相交并且限定所述切刀的所述切削面的切削刃，其中所述两个或更多个切刀相应位于所述钻头的所述量具部分内。
30.根据权利要求26、27、28或29中任一项所述的方法，其还包括计算在钻探所述井眼时将在沿所述钻头的预期路径的一个或多个点处作用于所述钻头上的反扭矩。
31.根据权利要求30所述的方法，其中计算所述反扭矩是至少部分地基于所述大致平坦表面的表面面积或形成具有所述大致平坦表面的所述至少一个切刀中的每一个的所述切削刃的长度。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其还包括提供对应于将要在其中钻探所述井眼的地层的地层特性数据，其中所述地层特性数据至少包括或用于确定在沿所述钻头在钻探所述井眼时的预期路径的所述一个或多个点处的地层的岩石抗压强度。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述地层特性数据用于至少部分地确定所述多个切刀在沿所述井眼的所述一个或多个点处的切削深度。
34.根据权利要求33所述的方法，其还包括：在确定所述切削深度超过指定用于在沿所述井眼的所述一个或多个点处的所述多个切刀中的任何一个的切削深度的最大值的情况下，增加形成具有大致平坦表面的所述至少一个切刀中的一个或多个的所述大致平坦表面的表面积。
35.根据权利要求26至34中任一项所述的方法，其还包括指定选自由以下各项组成的组的参数中的一个或多个：
所述至少一个切刀的所述大致平坦表面的表面积；
所述至少一个切刀的所有所述大致平坦表面的总表面积；
所述大致平坦表面相对于所述至少一个切刀的所述切削面的倾斜角度；
在所述钻头围绕所述旋转轴线旋转时所述至少一个切刀的所述切削面相对于所述至少一个切刀的切削方向的角度；
所述至少一个切刀的所述大致平坦表面相对于所述钻头的轴向前向方向的取向；
指示所述至少一个切刀的所述切削刃的相对锋利度的迟钝分级值；
所述至少一个切刀的数量；以及
所述至少一个切刀在所述接触面处的位置。
36.根据权利要求35所述的方法，其还包括调整所述一个或多个参数中的至少一个、以及将指示所述已调整的钻头设计的至少一个性能特性的值与指示所述未调整的钻头设计的至少一个性能特性的值直接或间接地进行比较。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述至少一个性能特性包括选自由以下各项组成的组的一个或多个：
在沿所述钻头在钻探所述井眼时的预期路径的一个或多个点处生成的钻头反扭矩；
所述钻头在沿所述钻头在钻探所述井眼时的预期路径的一个或多个点处进入所述地层的钻速；
在沿所述钻头在钻探所述井眼时的预期路径的一个或多个点处的钻头扭矩与钻压的比率；
钻头扭矩随在沿所述钻头在钻探所述井眼时的预期路径的一个或多个点处的明显钻压变化的变化；以及
指示这些性能特性中的任何一个的值的最大值、最小值或平均值，
或基于这些性能特性中的一个或多个的性能因子。
38.根据权利要求36或37所述的方法，其还包括：
基于所述比较来选择所述已调整的钻头设计或所述未调整的钻头设计；
或者进一步调整所述一个或多个参数中的至少一个以及将指示所述进一步调整的钻头设计的所述至少一个性能特性的值与指示前面的钻头设计中的一种或多种的至少一个性能特性的值直接或间接地进行比较，以及在所述可用的设计之间进行选择或重复进一步调整和比较的过程直至选定一种设计。
39.根据权利要求26至38中的任一项所述的方法，其中所述方法包括使用所述钻头设计来模拟在所述地下地层中钻探所述井眼。
40.一种设计用于在地下地层中钻探井眼的钻头的方法，所述方法包括：
指定对应于所述钻头的接触面的至少一个等高线并且使所述钻头的旋转轴线穿过所述至少一个等高线；
指定多个切刀在所述接触面处的部署；以及
将位于所述接触面上的不同位置处的切刀中的至少两个指定为相应形成有大致平坦表面，所述大致平坦表面与所述切刀的所述切削面相交并且限定所述切刀的所述切削面的切削刃。
41.根据权利要求40所述的方法，其包括评估形成有大致平坦表面的所述至少两个切刀的锋利度和/或侵入性、以及通过调整所述至少两个切刀中的一个或多个的一个或多个切刀参数来调整所述至少两个切刀的相对锋利度和/或侵入性，所述切刀参数选自由以下各项组成的组：
所述大致平坦表面的表面积；
所述大致平坦表面相对于所述切刀的所述切削面的倾斜角度；
在所述钻头围绕所述旋转轴线旋转时所述切刀的所述切削面相对于所述切刀的切削方向的角度；
所述切刀的所述大致平坦表面相对于所述钻头的轴向前向方向的取向；
指示所述至少一个切刀的所述切削刃的相对锋利度的迟钝分级值；
所述切刀的所述切削刃的长度；
所述切刀在所述接触面处的位置。
42.根据权利要求41所述的方法，其还包括评估所述多个切刀的锋利度和/或侵入性在所述接触面上的分布、以及调整所述至少两个切刀中的一个或多个的所述切刀参数中一个或多个以获得所述切刀的锋利度和/或侵入性在所述接触面上的所期望分布。
43.根据权利要求40、41或42所述的方法，其中所期望分布包括使在所述接触面的中央区域附近的切刀具有较低的锋利度和/或侵入性、以及使在所述接触面的中央区域之外的切刀具有较高的锋利度和/或侵入性。
44.根据权利要求26至43中的任一项所述的方法，其还包括指定在所述钻头的所述接触面处提供一个或多个切削深度控制特征，所述一个或多个切削深度控制特征选自由以下各项组成的组：
一个或多个突出部，其位于所述接触面处、沿所述切刀的切削方向旋转地在所述多个切刀中的一个或多个之前或之后，以便限制所述切刀的暴露度并且从而限制在正被钻探的井眼的未钻探底表面处所述切刀进入所述地下地层的岩石面中的切削深度；
一个或多个支承表面，其位于所述接触面处，并且被布置成邻近所述切刀中一个或多个，以便在所述钻压引起与所述多个切刀中的一个或多个相关联的切刀的切削深度超过针对那些切刀进入所述岩石面的预先确定的最大切削深度的情况下，将所述钻压直接传送到在正被钻探的井眼的未钻探底表面处的地下地层的岩石面；以及
所述多个切刀中的一个或多个，其被设置在所述钻头的所述接触面处的凹进的凹窝中，以便限制所述切刀越过形成所述凹窝的材料的暴露度，并且从而限制在正被钻探的井眼的未钻探底表面处所述切刀进入所述地下地层的岩石面中的切削深度。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述一个或多个切削深度控制特征被布置成控制在所述钻头的所述接触面处的多个切刀的切削深度，以便提供针对所述多个切刀的最大容许切削深度在所述接触面上的所期望分布。
46.根据权利要求45所述的方法，其中针对所述多个切刀的最大切削深度的所期望分布包括从所述钻头的所述旋转轴线沿所述接触面径向向外移动的最大容许切削深度的增加。
47.根据权利要求45或46所述的方法，其中针对所述多个切刀的最大切削深度的所期望分布包括从所述钻头的所述最外侧量具部分沿所述接触面径向向内移动的最大容许切削深度的增加。
48.一种制造钻头的方法，其包括：
形成钻头体，所述钻头体具有所述钻头的接触面，所述接触面包括量具部分和穿过所述接触面的所述钻头的旋转轴线；以及
将至少一个切刀在接触面、所述量具部分的径向内部处安装到所述钻头体，所述至少一个切刀具有大致平坦表面，所述大致平坦表面与所述切刀的所述切削面相交并且限定所述切刀的所述切削面的切削刃。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述至少一个切刀选自由PDC切刀、TSP切刀、以及其它超研磨切刀组成的组，其中所述大致平坦表面是通过在将超研磨切刀安装到所述钻头体之前从原始超研磨切刀去除材料而形成的。
50.根据权利要求49所述的方法，其中任一所述超研磨切刀是由于使用已经磨损而形成所述大致平坦表面的迟钝切刀，或者所述材料已通过磨削或切削机来械加工所述原始超研磨材料而去除。
51.根据权利要求48、49或50所述的方法，其还包括在将所述至少一个切刀安装到所述钻头体之前，机械加工原始切刀以形成具有所述大致平坦表面的所述至少一个切刀。
52.根据权利要求48、49或50所述的方法，其还包括选择迟钝切刀作为所述至少一个切刀以及将所选择的迟钝切刀安装到所述钻头。
53.一种大致根据如上文参照附图所描述的实施例中的任何一个所述的钻头。
54.一种大致根据如上文参照附图所描述的实施例中的任何一个所述的用于进行定向钻探的可转向井底钻具组件。
55.一种定向钻探装置，其包括钻柱和大致根据如上文参照附图所描述的实施例中的任何一个所述的可转向井底钻具组件。
56.一种设计大致根据如上文参照附图所描述的实施例中的任何一个所述的钻头的方法。
57.一种制造大致根据如上文参照附图所描述的实施例中的任何一个所述的钻头的方法。
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