CN105612304A

CN105612304A - 包括多步式切削深度控制的钻井工具

Info

Publication number: CN105612304A
Application number: CN201380078512.3A
Authority: CN
Inventors: 陈世林; R·W·阿弗里
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: GB2536537A; DE112013007395T5; US10267093B2; US20160215568A1; WO2015034465A1; CA2920155A1; CN105612304B; GB201600556D0; CA2920155C; AR097402A1

Abstract

根据本公开的一些实施方案，配置钻头的切削深度控制器(DOCC)的方法包括确定第一径向幅区的主切削深度。所述第一径向幅区与所述钻头端面的第一区域相关。所述方法还包括基于所述主切削深度来将主DOCC配置成放置在所述钻头端面上在所述第一径向幅区内。另外，所述方法包括确定第二径向幅区的备用切削深度。所述第二径向幅区与所述钻头端面的第二区域相关，所述第二区域与所述钻头端面的与所述第一径向幅区相关的所述第一区域重叠。所述方法还包括基于所述备用切削深度来将备用DOCC配置成放置在所述钻头端面上在所述第二径向幅区内。

Description

包括多步式切削深度控制的钻井工具

技术领域

本公开大体涉及井下钻井工具，且更具体来说，涉及包括多步式削深度控制的钻井工具。

背景

各种类型的井下钻井工具包括但不限于旋转钻头、钻孔器、岩芯钻头，并且其它井下工具已用于在相关井下岩层中形成井筒。这样的旋转钻头的示例包括但不限于固定切削齿钻头、刮刀钻头、聚晶金刚石复合片(PDC)钻头和与延伸穿过一个或多个井下岩层的油气井相关的胎体钻头。固定切削齿钻头诸如PDC钻头可以包括多个刀片，该多个刀片各自包括多个切削元件。

在典型的钻井应用中，PDC钻头可以用于钻过各种水平或各种类型的地质岩层，其中钻头寿命比非PDC钻头的寿命更长。典型岩层可以大体在岩层的上部部分(例如，较小的钻探深度)中具有相对低的抗压强度以及在岩层的下部部分(例如，较大的钻井深度)中具有相对高的抗压强度。因此，在越来越大的深度处钻井可能会变得越来越难。另外，用于在任何特定深度处钻井的理想钻头通常是处于该深度的岩层的抗压强度的函数。因此，用于钻井的理想钻头根据钻井深度发生变化。

钻井工具诸如PDC钻头可以包括一个或多个切削深度控制器(DOCC)。可以将刀片、切削元件和DOCC的外部部分描述为形成钻头端面的各部分。这些DOCC为被配置成(例如，根据它们的形状以及在PDC钻头上的相对安置)控制钻井工具的切削元件切入地质岩层中的量的物理结构。然而，DOCC的常规配置可以引起钻井工具的切削元件的不均匀的切削深度控制。这种不均匀的切削深度控制可以允许DOCC的各部分不均匀地磨损。此外，不均匀的切削深度控制还可以导致钻井工具振动，这可能会损坏钻柱的零件或减缓钻井过程。

附图简述

为了更完整地理解本发明及其特征和优点，现在参考以下结合附图的描述，附图中：

图1图示了根据本公开的一些实施方案的钻井系统的示例实施方案；

图2图示了根据本公开的一些实施方案的形成井筒的钻头的钻头端面轮廓；

图3图示了根据本公开的一些实施方案的可以表示钻头刀片的截面图的刀片轮廓；

图4A-4D图示了根据本公开的一些实施方案的沿刀片设置的各种切削元件的切削区域；

图5A图示了根据本公开的一些实施方案的可以被设计和制造成提供改进的切削深度控制的钻头的端面；

图5B图示了根据本公开的一些实施方案的图5A的钻头的切削元件沿钻头的钻头轮廓的位置；

图6A图示了切削元件的钻头端面轮廓，该切削元件所具有的切削区域的切削深度可由根据本公开的一些实施方案所设计的切削深度控制器(DOCC)来控制；

图6B图示了根据本公开的一些实施方案的图6A的钻头端面轮廓中图示的钻头端面的曲线图；

图6C图示了根据本公开的一些实施方案所设计的图6A的DOCC；

图7图示了根据本公开的一些实施方案的用于根据一个或多个切削元件的切削区域来设计一个或多个DOCC的示例方法的流程图；

图8A图示了其中DOCC根据本公开的一些实施方案来配置的钻头的端面；

图8B图示了根据本公开的一些实施方案的图8A所示的钻头端面的钻头端面轮廓的曲线图；

图8C图示了根据本公开的一些实施方案的被配置成使得DOCC可以将钻头的切削深度控制到所需切削深度的截面线的轴向坐标和曲率的示例；

图8D图示了根据本公开的一些实施方案的图8A-8C的钻头的临界切削深度控制曲线；

图9A和9B图示了根据本公开的一些实施方案的用于配置DOCC的示例方法的流程图；

图10A图示了根据本公开的一些实施方案的可以确定临界切削深度控制曲线(CDCCC)的钻头的端面；

图10B图示了根据本公开的一些实施方案的图10A所示钻头的钻头端面轮廓；

图10C图示了根据本公开的一些实施方案的钻头的临界切削深度控制曲线；以及

图11图示了根据本公开的一些实施方案的确定和产生临界切削深度控制曲线的示例方法；

图12A图示了根据本公开的一些实施方案的包括被配置成控制钻头的切削深度的多个DOCC的钻头；

图12B图示了根据本公开的一些实施方案的图12A的钻头的临界切削深度控制曲线；

图13A图示了根据本公开的一些实施方案的包括被配置成控制钻头的切削深度的多个DOCC的钻头的另一示例；

图13B-13E图示了根据本公开的一些实施方案的图13A的钻头的临界切削深度控制曲线；

图14A图示了根据本公开的一些实施方案的包括被配置成控制钻头的切削深度的多个DOCC的钻头的另一示例；

图14B-14D图示了根据本公开的一些实施方案的图14A的钻头的临界切削深度控制曲线；

图15A图示了根据本公开的一些实施方案的可以包括被配置成控制钻头切削深度的DOCC的多个刀片的钻头；

图15B-15F图示了根据本公开的一些实施方案的位于第一径向坐标与第二径向坐标之间的截面线的轴向坐标和径向坐标；

图16A图示了根据本公开的一些实施方案的包括被配置成控制钻头的切削深度的多个DOCC的钻头的另一示例；

图16B-16C图示了根据本公开的一些实施方案的图16A的钻头的临界切削深度控制曲线；

图17A图示了根据本公开的一些实施方案的包括被配置成控制钻头切削深度的多个DOCC的钻头的另一示例；以及

图17B-17D图示了根据本公开的一些实施方案的图17A的钻头的临界切削深度控制曲线。

详述

通过参考图1至图17，可以最好地了解本公开的实施方案及其优点，图中的相同数字用于表示相同和相应的部分。

图1图示了根据本公开的一些实施方案的被配置成钻入一个或多个地质岩层的钻井系统100的示例实施方案。当钻入不同类型的地质岩层时，可能有利的是控制井下钻井工具切入地质岩层的侧面的量，以便减少对钻井工具的切削元件的磨损，防止不均匀地切入岩层，增大对机械钻速的控制，减少工具振动等。如以下进一步详细公开，钻井系统100可以包括井下钻井工具(例如，钻头、钻孔器、开孔器等)，这些井下钻井工具可以包括一个或多个切削元件，该一个或多个切削元件的切削深度可由一个或多个切削深度控制器(DOCC)控制。

如以下进一步详细公开并且根据本公开的一些实施方案，DOCC可以被配置成根据切削区域的位置和切削元件(有时称为“切削齿”)的切削边缘来控制切削元件的切削深度。另外，根据本公开的一些实施方案，DOCC可以根据多个切削元件来配置，该多个切削元件可以与钻头的与DOCC的旋转路径相关的径向幅区重叠，如以下进一步详细公开。在相同或替代实施方案中，DOCC可以被配置成根据多个切削元件的切削区域的位置来控制这些切削元件的切削深度。相比之下，根据传统方法来配置的DOCC可能并不根据与DOCC的旋转路径重叠的多个切削元件、切削元件的切削区域的位置或它们的任意组合来配置。因此，与使用常规方法来设计的DOCC相比，根据本公开来设计的DOCC可以更为恒定且更为均匀地控制钻井工具的切削深度。

钻井系统100可以包括井表面或井位106。各种类型的钻井设备诸如旋转台、泥浆泵和泥浆罐(未明确示出)可以位于井表面或井位106处。例如，井位106可以包括钻机102，该钻机可以具有与“陆地钻机”相关的各种特性和特征。然而，结合了本公开的教义的井下钻井工具可以令人满意地用于位于海上平台、钻井船、半潜式平台和钻井驳船上的钻井设备(未明确示出)。

钻井系统100可以包括与钻头101相关的钻柱103，该钻柱可以用于形成广泛多种井筒或钻孔诸如大体垂直井筒114a或大体水平井筒114b，如图1所示。钻柱103的底部钻具组合件(BHA)120的各种定向钻井技术和相关组件可以用于形成水平井筒114b。例如，可以向钻头101在造斜位置113附近施加侧向力以形成从大体垂直井筒114a延伸出来的水平井筒114b。

BHA120可由被配置成形成井筒114的广泛多种组件形成。例如，BHA120的组件122a、122b和122c可以包括但不限于钻头(例如，钻头101)、钻环、旋转导向工具、定向钻井工具、井下钻井马达、钻孔器、扩孔器或稳定器。BHA120中所包含的组件诸如钻环和不同类型的组件122的数量可以取决于预期的井下钻井条件和由钻柱103和旋转钻头100所形成的井筒的类型。

井筒114可由套管柱110部分地界定，该套管柱可以从井表面106延伸到所选择的井下位置。可以将井筒114(如图1所示)的不包括管柱110的部分描述为“裸眼井”。可以将各种类型的钻井流体从井表面106通过钻柱103泵抽到所附接的钻头101。可以引导这样的钻进流体流体从钻柱103流到旋转钻头101中所包含的相应喷嘴(未明确示出)。可以使钻井流体通过由钻柱103的外径112和井筒114a的内径118部分界定的环形物108循环回到井表面106。可以将内径118称为井筒114a的“侧壁”。环形物108还可由钻柱103的外径112和套管柱110的内径111界定。

钻头101的机械钻速(ROP)通常是钻压(WOB)和每分钟转数(RPM)二者的函数。钻柱103可以在钻头101上施加重量并且还可以围绕旋转轴线104旋转钻头101以形成井筒114(例如，井筒114a或井筒114b)。对于某些应用来说，可以将井下马达(未明确示出)提供作为BHA120的一部分以便也使钻头101旋转。由DOCC(图1中未明确示出)和刀片126控制的切削深度还可以基于特定钻头的ROP和RPM。因此，如以下进一步详细描述，DOCC和刀片126为了提供切削元件128的恒定切削深度而进行的配置可以部分基于特定钻头101的所需ROP和RPM。

钻井系统100可以包括旋转钻头(“钻头”)101。钻头101可以是各种类型的固定切削齿钻头中的任一种，包括PDC钻头、刮刀钻头、胎体钻头和/或可操作用于形成延伸穿过一个或多个井下岩层的井筒114的钢体钻头。钻头101可以根据本公开的教义设计和成形并且可以具有取决于钻头101的特定应用的许多不同的设计、配置和/或尺寸。

钻头101可以包括一个或多个刀片126(例如，刀片126a-126i)，该一个或多个刀片可以从钻头101的旋转钻头本体124的外部部分向外设置。旋转钻头本体124可以具有大体圆柱体并且刀片126可以是从旋转钻头本体124向外延伸出来的任何合适类型的突出部。例如，刀片126的一部分可以直接或间接地联接到钻头本体124的外部部分，而刀片126的另一部分远离钻头本体124的外部部分突出。根据本公开的教义形成的刀片126可以具有广泛多种配置，包括但不限于基本拱形配置、螺旋形配置、盘旋形配置、锥形配置、圆锥形配置、分叉形配置、对称配置和/或非对称配置。可以使用刀片126的各种配置并将其设计成形成用于钻头101的切削结构，这些切削结构可以提供结合了本公开的教义的更为恒定的切削深度控制，如以下进一步阐述。例如，在一些实施方案中，一个或多个刀片126可以被配置成控制可以与刀片126的至少一部分的旋转路径重叠的切削元件128的切削深度，如以下详细阐述。

在某些情况下，刀片126可以具有基本拱形配置、大体螺旋形配置、盘旋形配置或令人满意地用于每个井下钻井工具的任何其它配置。一个或多个刀片126可以具有从钻头101的旋转轴线104附近延伸出来的基本拱形配置。该拱形配置可以由从钻头旋转轴线104附近延伸出来的大体凹入的凹陷形部分部分地界定。拱形配置也可以由设置在凹入的凹陷部分与每个刀片的外部部分之间的大体凸出的向外弯曲部分部分地界定，该刀片与旋转钻头的外径大体一致。

在钻头101的实施方案中，刀片126可以包括围绕钻头旋转轴线大体对称设置的主刀片。例如，一个实施方案可以包括关于钻头旋转轴线104相对于彼此以大约120度取向的三个主刀片，以便为钻头101提供稳定性。在一些实施方案中，刀片126还可以包括设置在这些主刀片之间的至少一个二级刀片。为了本公开的目的，也可以将二级刀片称为次要刀片。二级刀片和主刀片的数量和位置可以显著地变化。可以使刀片126相对于彼此以及相对于钻头旋转轴线104对称地或非对称地设置，其中所述设置可以基于钻井环境的井下钻井条件。

刀片126中的每一者可以包括邻近或朝向钻头旋转轴线104设置的第一端和邻近或朝向钻头101的外部部分设置的第二端(即，大体远离钻头旋转轴线104并且朝向钻头101的井上部分设置)。在本申请中，可以使用术语“井下”和“井上”来描述钻井系统100的各种组件相对于井筒的底部或端部的位置。例如，描述为位于第二组件的“井上”的第一组件与第二组件相比，可以进一步远离井筒的端部。类似地，描述为位于第二组件的“井下”的第一组件与第二组件相比，可以更靠近井筒的端部定位。

每个刀片都可以包括在钻头101的旋转方向上设置在刀片的一侧上的前沿(或前)表面和远离钻头101的旋转方向设置在刀片的相对侧上的后沿(或后)表面。刀片126可以沿钻头本体124设置，以使得它们具有相对于旋转轴线104的盘旋形配置。在其它实施方案中，刀片126可以相对于彼此以及相对于钻头旋转轴线104以大体平行配置沿钻头本体124定位。

刀片126可以具有从旋转轴线104径向延伸出来的大体拱形配置。刀片126的拱形配置可以彼此协作以部分地界定邻近钻头旋转轴线设置并从钻头旋转轴线径向向外延伸出来的大体锥形或凹陷部分。可以将刀片126、切削元件128和DOCC(图1中未明确示出)的外部部分描述为形成钻头端面的各部分。

刀片126可以包括从每个刀片126的外部部分向外设置的一个或多个切削元件128。例如，切削元件128的一部分可以直接或间接地联接到刀片126的外部部分，而切削元件128的另一部分可以远离刀片126的外部部分突出。切削元件128可以是被配置成切入岩层的任何合适装置，包括但不限于主切削元件、备用切削元件或它们的任意组合。通过举例而非限制性的方式，切削元件128可以是各种类型的切削齿、复合片、铅粒、镶块和令人满意地用于广泛多种钻头101的保径切削齿。

切削元件128可以包括相应的基底，其中硬切削材料层设置在每个相应基底的一端上。切削元件128的硬层可以提供切削表面，该切削表面可以与井下岩层的相邻部分接合以形成井筒114。切削表面与岩层的接触可以形成与切削元件128中的每一者相关的切削区域，如相对于图4A-4D进一步详细描述。可以将切削表面的位于切削区域内的边缘称为切削元件128的切削边缘。

切削元件128的每个基底可以具有各种配置并且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。碳化钨可以包括但不限于碳化一钨(WC)、碳化二钨(W₂C)、粗晶碳化钨和胶结或烧结碳化钨。基底也可以使用其它硬质材料形成，这些硬质材料可以包括各种金属合金和胶结物诸如金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物和金属氮化物。对于某些应用来说，硬切削层可由与基底基本相同的材料形成。在其它应用中，硬切削层可由与基底不同的材料形成。用于形成应切削层的材料示例可以包括多晶金刚石材料，包括合成多晶金刚石。

刀片126还可以包括一个或多个DOCC(图1中未明确示出)，该一个或多个DOCC被配置成控制切削元件128的切削深度。DOCC可以包括冲击制动器、备用切削齿和/或MDR(改性金刚石增强件)。如上所述，在本公开中，DOCC可以根据与切削元件的切削边缘相关的切削区域的位置来设计和配置。在相同或替代实施方案中，一个或多个DOCC可以根据与DOCC的旋转路径重叠的多个切削元件来配置。因此，钻头的一个或多个DOCC可以根据本公开来配置以提供切削元件128的恒定的切削深度。另外，如以下进一步详细公开，刀片126中的一个或多个也可以类似地配置以控制切削元件128的切削深度。

刀片126可以还包括设置在刀片126上的一个或多个保径衬垫(图1中未明确示出)。保径衬垫可以是设置在刀片126的外部部分上的保径结构、保径段或保径部分。保径衬垫通常可以接触由钻头101形成的井筒114的相邻部分。刀片126的外部部分和/或相关保径衬垫可以相对于直井筒(例如，井筒114a)的相邻部分以各种角度(例如，正角、负角和/或平行)设置。保径衬垫可以包括一个或多个耐磨堆焊材料层。

图2图示了根据本公开的一些实施方案的被配置成形成穿过第一岩层202进入第二岩层204的井筒的钻头101的钻头端面轮廓200。刀片(未明确示出)、切削元件128和DOCC(图2中未明确示出)的外部部分可以旋转地突出到径向平面上以形成钻头端面轮廓200。在所示实施方案中，当与井下岩层204相比时，岩层202可被描述为“较软”或“不那么硬”。如图2所示，可以将钻头101的与井下岩层的相邻部分接触的外部部分描述为“钻头端面”。钻头101的钻头端面200可以包括各个区域或各个段。钻头端面轮廓200可以是由于钻头端面轮廓200的旋转突出而围绕钻头旋转轴线104基本对称的，以使得旋转轴线104的一侧上的区域或段可以与旋转轴线104的相对侧上的区域或段基本类似。

例如，钻头端面轮廓200可以包括与保径区域206b相对定位的保径区域206a、与肩部区域208b相对定位的肩部区域208a、与鼻部区域210b相对定位的鼻部区域210a和与锥形区域212b相对定位的锥形区域212a。可以将每个区域中所包含的切削元件128称为该区域的切削元件。例如，可以将保径区域206中所包含的切削元件128_g称为保径切削元件，可以将肩部区域208中所包含的切削元件128_s称为肩部切削元件，可以将鼻部区域210中所包含的切削元件128_n称为鼻部切削元件，并且可以将锥形区域212中所包含的切削元件128_c称为锥形切削元件。如以下相对于图3和4进一步详细论述，沿钻头端面轮廓200的每个区域或段均可由相关刀片126的相应部分部分地界定。

锥形区域212可以是大体凸状的并且可以形成在钻头101的每个刀片(例如，如图1所示的刀片126)的外部部分上，邻近钻头旋转轴线104并且从钻头旋转轴线104延伸出来。鼻部区域210可以是大体凸状的并且可以形成在钻头101的每个刀片的外部部分上，邻近每个锥形区域212并且从锥形区域212延伸出来。肩部区域208可以形成在每个刀片126的从相应鼻部区域210延伸出来的外部部分上并且可以在相应保径区域206附近终止。

根据本公开，DOCC(图2中未明确示出)可以沿钻头端面轮廓200来配置以提供对切削元件128的基本恒定的切削深度控制。另外，在相同或替代实施方案中，刀片126的刀片表面可以在钻头端面轮廓200上的各个点处配置以提供基本恒定的切削深度控制。被配置成控制切削深度的每个DOCC和刀片表面的设计可以至少部分地基于每个切削元件128相对于钻头端面轮廓200的特定区域(例如，保径区域206、肩部区域208、鼻部区域210或锥形区域212)的位置。另外，如上所述，钻头端面轮廓200的各个区域可以基于钻头101的刀片126的轮廓。

图3图示了表示钻头101的刀片126的横截面图的刀片轮廓300。刀片轮廓300包括以上相对于图2所述的锥形区域212、鼻部区域210、肩部区域208和保径区域206。锥形区域212、鼻部区域210、肩部区域208和保径区域206可以基于它们相对于旋转轴线104和水平参考线301沿刀片126的位置，该位置可以指示在垂直于旋转轴线104的平面上离旋转轴线104的距离。图2和图3的比较表明，图3的刀片轮廓300相对于图2的钻头端面轮廓200倒置。

刀片轮廓300可以包括内部区域302和外部区域304。内部区域302可以从旋转轴线104向外延伸到鼻尖311。外部区域304可以从鼻尖311延伸到刀片126的端部。鼻尖311可以是在刀片轮廓300上在鼻部区域210内具有如由钻头旋转轴线104(垂直轴线)从参考线301(水平轴线)所测得的最大高程的位置。可以将图3的曲线图上与旋转轴线104相对应的坐标称为轴向坐标或位置。可以将图3的曲线图上与参考线301相对应的坐标称为径向坐标或径向位置，该径向坐标或径向位置可以指示在穿过旋转轴线104的径向平面上从旋转轴线104正交延伸出来的距离。例如，在图3中，可以将旋转轴线沿z轴放置并且参考线301可以指示距离(R)，该距离从旋转轴线104正交延伸到可以定义为ZR平面的径向平面上的点。

图2和3仅用于说明的目的并且可以对图2和3作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，各个区域相对于钻头端面轮廓的实际位置可以变化并且可以可能并不精确地如图所示。

图4A-4D图示了沿刀片400所设置的各种切削元件402的切削边缘406(如图4A中未明确标示)和切削区域404，如钻头模拟器所建模。切削区域404的位置和大小(以及因此切削边缘406的位置和大小)可以取决于多个因素，包括钻头的ROP和RPM、切削元件402的大小、和切削元件402沿刀片400的刀片轮廓的位置和取向以及因此钻头的端面轮廓。

图4A图示了指示切削元件402a-402j沿刀片400的径向和轴向位置的刀片400轮廓的曲线图。纵轴显示了刀片400沿钻头旋转轴线的轴向位置，横轴显示了在穿过并且垂直于钻头旋转轴线的方向上刀片400离钻头旋转轴线的径向位置。刀片400可以与相对于图1-3所述的刀片126之一基本类似，并且切削元件402可以与相对于图1-3所述的切削元件128类似。在所示实施方案中，可以将切削元件402a-402d定位在刀片400的锥形区域412内并且可以将切削元件402e-402g定位在刀片400的鼻部区域410内。另外，可以将切削元件402h-402i定位在刀片400的肩部区域408内并且可以将切削元件402j定位在刀片400的保径区域406内。锥形区域412、鼻部区域410、肩部区域408和保径区域406可以分别与相对于图2和3所述的锥形区域212、鼻部区域210、肩部区域208和保径区域206基本类似。

图4A图示了切削区域404a-404j，其中每个切削区域404均与相应的切削元件402一致。如上所述，每个切削元件202均可具有位于切削区域404内的切削边缘(未明确示出)。从图4A中可以看出，每个切削元件402的切削区域404均可基于切削元件402在刀片400上的轴向和径向位置，这些轴向和径向位置可以与刀片400的各个区域相关。

图4B图示了图4A的切削元件402b的分解曲线图，以更好地图示与切削元件402b相关的切削区域404b和切削边缘406b。从图4A中可以看出，可以将切削元件402b定位在锥形区域412中。切削区域404b可以至少部分地基于切削元件402b，该切削元件被定位在锥形区域412中并且具有与锥形区域412一致的轴向和径向位置。如上所述，切削边缘406b可以是切削元件402b位于切削区域404b内的切削表面的边缘。

图4C图示了图4A的切削元件402f的分解曲线图，以更好地图示与切削元件402f相关的切削区域404f和切削边缘406f。从图4A中可以看出，可以将切削元件402f定位在鼻部区域410中。切削区域404f可以至少部分地基于切削元件402f，该切削元件被定位在鼻部区域410中并且具有与鼻部区域410一致的轴向和径向位置。

图4D图示了图4A的切削元件402h的分解曲线图，以更好地图示与切削元件402h相关的切削区域404h和切削边缘406h。从图4A中可以看出，可以将切削元件402h定位在肩部区域408中。切削区域404h可以至少部分地基于切削元件402h，该切削元件被定位在肩部区域408中并且具有与肩部区域408一致的轴向和径向位置。

图4A的分析和图4B-4D比较表明，切削元件402的切削区域404的位置可以至少部分基于切削元件402相对于旋转轴线104的轴向和径向位置发生变化。因此，用于钻头的DOCC(或被配置成控制切削深度的刀片)的取向和配置可以考虑可以与DOCC(或被配置成控制切削深度的刀片)的旋转路径重叠的切削元件的切削区域(及其相关切削边缘)的位置。

图5A图示了可以根据本公开来设计和制造以提供改进的切削深度控制的钻头101的端面。图5B图示了钻头101的切削元件128和129沿钻头101的钻头轮廓的位置。如以下进一步详细论述，钻头101可以包括DOCC502，DOCC502可以被配置成根据切削元件的切削区域和相关切削边缘的位置来控制切削元件的切削深度。另外，DOCC502可以被配置成控制与DOCC502的旋转路径重叠的切削元件的切削深度。在相同或替代实施方案中，DOCC502可以基于与DOCC502的旋转路径重叠的切削元件的切削区域来配置。

为了提供参照系，图5A包括x轴和y轴，图5B包括可以与钻头101的旋转轴线104相关的z轴和指示在xy平面上离钻头101中心的正交距离的辐射轴(R)。因此，可以将与z轴相对应的坐标或位置称为钻头端面轮廓的轴向坐标或轴向位置。另外，可以将沿钻头端面的位置描述为基本垂直于z轴的xy平面的x坐标和y坐标。从钻头101中心(例如，旋转轴线104)到钻头端面的xy平面上的点的距离可以指示钻头101的钻头端面上的点的径向坐标或径向位置。例如，xy平面上具有x坐标x和y坐标y的点的径向坐标r可以表示如下：

r = \sqrt{x^{2} + y^{2}}

另外，xy平面上的点还可以具有角坐标，该角坐标可以是从钻头101中心(例如，旋转轴线104)延伸到该点的线与x轴之间的角。例如，xy平面上具有x坐标x和y坐标y的点的角坐标(θ)可以表示如下：

θ＝arctan(y/x)

作为进一步示例，位于切削元件128a的切削边缘上的点504(如图5A和5B所示)在xy平面上可以具有x坐标(X₅₀₄)和y坐标(Y₅₀₄)，这些坐标可以用于计算点504的径向坐标(R₅₀₄)(例如，R₅₀₄可以等于X₅₀₄的平方加上Y₅₀₄的平方的平方根)。R₅₀₄可以相应地指示点504离旋转轴线104的正交距离。另外，点504还可以具有角坐标(θ₅₀₄)，该角坐标可以是x轴与从旋转轴线104延伸到点504的线之间的角(例如，θ₅₀₄可以等于arctan(X₅₀₄/Y₅₀₄))。另外，如图5B所示，点504可以具有轴向坐标(Z₅₀₄)，该轴向坐标可以表示沿z轴的可以与点504相对应的位置。应理解，这些坐标仅用于说明的目的，并且可以使用任何其它合适的坐标系或配置以提供沿钻头101的钻头端面和钻头端面轮廓的参考系。另外，还可以使用任何合适的单元。例如，角位置可以用度或弧度来表示。

钻头101可以包括钻头本体124，其中多个刀片126沿钻头本体124定位。在所示实施方案中，钻头101可以包括刀片126a-126c，然而应当理解，在其它实施方案中，钻头101可以包括或多或少的刀片126。刀片126可以包括沿刀片126设置的外部切削元件128和内部切削元件129。例如，刀片126a可以包括外部切削元件128a和内部切削元件129a，刀片126b可以包括外部切削元件128b和内部切削元件129b，并且刀片126c可以包括外部切削元件128c和内部切削元件129c。

如上所述，钻头101可以包括一个或多个DOCC502。在本发明的图示中，仅显示了一个DOCC502，然而，钻头101可以包括多个DOCC502。钻头101可以围绕旋转轴线104在方向506上旋转。因此，可以将DOCC502在刀片126a上相对于旋转方向506放置在切削元件128a后面。然而，在替代实施方案中，可以将DOCC502放置在切削元件128a的前面(例如，放置在刀片126b上)，以使得DOCC502相对于旋转方向506位于切削元件128a的前面。

当钻头101旋转时，DOCC502可以遵循由钻头101的径向幅区508所指示的旋转路径。径向幅区508可由径向坐标R₁和R₂界定。R₁可以指示从旋转轴线104到DOCC502的内边的正交距离(相对于钻头101的中心)。R₂可以指示从旋转轴线104到DOCC502的外边的正交距离(相对于钻头101的中心)。

如图5A和5B所示，切削元件128和129可以各自包括切削区域505。在所示实施方案中，切削元件128和129的切削区域505可能并不在特定的切削深度重叠。对于具有较少数量的刀片和较少数量的切削元件的某些钻头来说，在较小的切削深度处可能会发生这种缺少重叠的情况。对于位于固定切削齿钻头的锥形区域内的切削元件来说，也可能发生在切削区域之间缺少重叠的情况，因为锥形区域内刀片的数量通常较少。在这样的情况下，DOCC502或刀片126的一部分可以根据切削元件128或129的切削区域505和切削边缘的位置来设计和配置，该切削元件的切削深度可由DOCC502或刀片126控制。

例如，切削元件128a可以包括切削区域505和与DOCC502的旋转路径重叠的相关切削边缘，以使得DOCC502可以根据切削元件128a的切削边缘的位置来配置，如相对于图6和7详细描述。

因此，如以下进一步论述，DOCC502可以被配置成控制可以与径向幅区508相交或重叠的切削元件128a的切削深度。另外，如以下详细描述，在相同或替代实施方案中，径向幅区508内的一个或多个刀片126的表面可以被配置成控制位于径向幅区508内的切削元件128a的切削深度。另外，DOCC502和一个或多个刀片126的表面可以根据可以定位在径向幅区508内的切削元件128a的切削区域和相关切削边缘的位置来配置。

可以对图5A和5B作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，刀片126、切削元件128和DOCC502的数量可以根据钻头101的各种设计约束和考虑发生变化。另外，径向幅区508可比所示更大或更小，或可以定位在不同的径向位置，或它们的任意组合。

另外，在替代实施方案中，切削元件128和129的切削区域505可以重叠并且DOCC502或刀片126的一部分可以根据可以定位在DOCC502的旋转路径内的多个切削元件128和/或129来设计和配置，如图8-17所示。然而，相对于图6-7所述的原理和概念(根据切削区域和切削边缘来配置DOCC)可以相对于图8-17的原理和概念(根据可以与DOCC的旋转路径重叠的多个切削元件来配置DOCC)来实现，反之亦然。

图6A-6C图示了可以根据钻头(诸如图5A和5B所示)的切削元件600的切削区域602的位置来设计的DOCC612。图6A-6C中所使用的坐标系可以与相对于图5A和5B所述的坐标系类似。因此，可以使与图6A-6C一致的钻头的旋转轴线与笛卡儿坐标系的z轴相关，以定义相对于钻头的轴向位置。另外，该坐标系的xy平面可以与基本垂直于旋转轴线的钻头的钻头端面的平面一致。xy平面上的坐标可以用于定义与图6A-6C的钻头相关的径向坐标和角坐标。

图6A图示了可以由定位在刀片604上并且根据本公开的一些实施方案所设计的切削深度控制器(DOCC)612来控制的切削元件600的钻头端面轮廓的曲线图。图6A图示了被配置成基于切削元件600的切削区域602(及其相关切削边缘603)的位置来控制切削元件600的切削深度的切削元件600和DOCC612的轴向和径向坐标。在一些实施方案中，DOCC612可以位于与切削元件600相同的刀片604上，并且在其它实施方案中，DOCC612可以位于与切削元件600不同的刀片604上。切削元件600的与切削区域602一致的切削边缘603可以根据具有图6A所示的径向和轴向位置的片段606a-606e来划分。另外，图6A图示了可以与DOCC612的后边缘616一致的控制点608a-608e的径向和轴向位置，如相对于图6B进一步详细描述。

如图6A所示，控制点608a-608e的径向坐标可以基于片段606a-606e的径向坐标来确定，以使得控制点608a-608e中的每一个可以分别具有与片段606a-606e基本相同的径向坐标。通过使控制点608a-608e的径向坐标基于片段606a-606e的径向坐标，DOCC612可以被配置成使得它的径向幅区与切削区域602的径向幅区基本重叠以控制切削元件600的切削深度。另外，如以下进一步详细论述，可以基于切削元件600的所需切削深度Δ和控制点608a-608e相对于片段606a-606e的对应所需轴向曝光不足度值δ_607i来确定控制点608a-608e的轴向坐标。因此，DOCC612可以根据切削区域602和切削边缘603的位置来配置。

图6B图示了图6A的钻头端面轮廓中所示的钻头端面的曲线图。DOCC612可以根据可以与DOCC612的横截面一致的截面线610的所计算的坐标来设计。例如，DOCC612的后边缘616的轴向坐标、径向坐标和角坐标可以根据截面线610a的所确定的轴向坐标、径向坐标和角坐标来确定和设计。在本公开中，术语“后边缘”可以指的是组件的边缘，该边缘为当与钻头相关的钻头旋转时，该组件的后沿边缘。术语“前边缘”可以指的是组件的边缘，该边缘为当与组件相关的钻头旋转时，该组件的前沿边缘。截面线610a的轴向坐标、径向坐标和角坐标可以根据与切削元件600的切削区域602相关的切削边缘603来确定，如下所述。

如上所述，可以将切削边缘603分成片段606a-606e，这些片段可以具有界定切削区域602的径向幅区的各种径向坐标。xy平面上的截面线610a的位置可以被选择成使得截面线610a与可以将DOCC612设置在其中的刀片604相关。截面线610a的位置还可以被选择成使得截面线610a与切削边缘603的径向幅区相交。可以将截面线610a分成控制点608a-608e，这些控制点分别具有与片段606a-606e相同的径向坐标。因此，在所示实施方案中，片段606a-606e和控制点608a-608e各自的径向幅区可以基本相同。在片段606a-606e和控制点608a-608的径向幅区基本相同的情况下，对于截面线610a来说，可以确定DOCC612的后边缘616处的控制点608a-608e的轴向坐标，以更好地获得分别位于片段606a-606e处的切削边缘603的所需切削深度控制。因此，在一些实施方案中，位于后边缘616处的DOCC612的径向坐标和角坐标可以基于截面线610a的所计算的轴向坐标、径向坐标和角坐标来设计，以使得DOCC612可以更好地控制位于切削边缘603处的切削元件600的切削深度。

可以基于每个控制点608与其相应片段606之间的所需轴向曝光不足度值δ_607i来确定截面线610a的每个控制点608的轴向坐标。所需轴向曝光不足度值δ_607i可以基于控制点608及其相应片段606的角坐标和切削元件600的所需临界切削深度Δ。例如，控制点608a相对于片段606a(如图6A所示)的所需轴向曝光不足度值δ_607a可以基于控制点608a的角坐标(θ_608a)、片段606a的角坐标(θ_606a)和切削元件600的所需临界切削深度Δ。控制点608a的所需轴向曝光不足度值δ_607a可以用以下等式表示：

δ_607a＝Δ*(360-(θ_608a-θ_606a))/360

在这个等式中，所需临界切削深度Δ可以表示为机械钻速(ROP，ft/hr)和钻头旋转速度(RPM)的函数，用以下等式表示：

Δ＝ROP/(5*RPM)

所需临界切削深度Δ可以具有英寸钻头每转的单位。控制点608b-608e的所需轴向曝光不足度值(分别为δ_607b-δ_607e)可以类似地确定。在以上等式中，θ_606a和θ_608a可以用度来表示，并且“360”可以表示大约360度的一次完整旋转。因此，在其中θ_606a和θ_608a可以用幅度来表示的情况下，“360”可以由“2π”代替。另外，在以上等式中，合力角“(θ_608a-θ_606a)”(Δ_θ)可以被定义为始终为正。因此，如果合力角Δ_θ为负，那么可以通过为Δ_θ添加360度(或2π幅度)来使Δ_θ为正。

另外，所需临界切削深度(Δ)可以基于钻头的给定RPM的所需ROP，以使得DOCC612可以被设计成以所需ROP和RPM与岩层接触，并且因此以所需ROP和RPM控制切削元件600的切削深度。所需临界切削深度Δ还可以基于切削元件600沿刀片604的位置。例如，在一些实施方案中，对于钻头轮廓部分的锥形部分、鼻部部分、肩部部分、保径部分或它们的任意组合来说，所需临界切削深度Δ可以不同。在相同或替代实施方案中，对于沿刀片604的所提及区域中的一个或多个的子组来说，所需临界切削深度Δ也可以变化。

在某些情况下，钻头的锥形部分内的切削元件与鼻部部分和保径部分内的切削元件相比，可能磨损不那么严重。因此，锥形部分的所需临界切削深度Δ可以小于鼻部部分和保径部分的切削深度。因此，在某些实施方案中，当鼻部部分和/或保径部分内的切削元件在一定程度上磨损时，那么位于鼻部部分和/或保径部分中的DOCC612可以开始控制钻头的切削深度。

一旦每个控制点608的所需曝光不足度值δ_607i得到确定，那么可以基于控制点608相对于其相应片段606的轴向坐标(Z_606i)的所需曝光不足度值δ_i来确定如图6A所示每个控制点608的轴向坐标(Z_608i)。例如，可以基于控制点608a相对于片段606的轴向坐标(Z_606a)的所需曝光不足度值(δ_607a)来确定控制点608a的轴向坐标(Z_608a)，这可以用以下等式来表示：

Z_608a＝Z_606a-δ_607a

一旦针对截面线610a的控制点608的轴向坐标、径向坐标和角坐标得到确定，那么DOCC612的后边缘616可以根据这些点来设计以使得后边缘616具有截面线610a的近似相同的轴向坐标、径向坐标和角坐标。在一些实施方案中，可以通过曲线拟合技术来使截面线610a的控制点608的轴向坐标平滑。例如，如果MDR基于控制点608的所计算的坐标来设计，那么可以由一条或多条环形线来拟合控制点608的轴向坐标。这些环形线中的每一条均可具有可以用于设计MDR的中心和半径。位于中间截面618和620处的和位于前边缘622处的DOCC612的表面可以基于截面线610b、610c和610d分别确定的径向坐标、角坐标和轴向坐标来类似地设计。

因此，DOCC612的表面可以至少部分地基于切削元件600的切削区域602和切削边缘603的位置来配置以改进切削元件600的切削深度控制。另外，DOCC612的高度和宽度及其在钻头的径向平面上的放置可以基于截面线610来配置，如相对于图6C进一步详细描述。因此，DOCC612的轴向坐标、径向坐标和角坐标可以是这样的以使得切削元件600的所需临界切削深度控制得到改进。如图6A和6B所示，基于切削区域602和切削边缘603的位置来配置DOCC612可以导致DOCC612与切削区域602的径向幅区径向对齐，但还可以导致DOCC612径向偏离切削元件600的中心，这可能不同于传统的DOCC放置法。

图6C图示了根据本公开的一些实施方案所设计的DOCC612。DOCC612可以包括表面614，该表面具有后边缘616、第一中间截面618、第二中间截面620和前边缘622。如相对于图6B所述，后边缘616可以与截面线610a一致。另外，第一中间截面618可以与截面线610b一致，第二中间截面620可以与截面线610c一致，并且前边缘622可以与截面线610d一致。

如上所述，表面614的曲率可以根据由截面线610的所确定轴向坐标形成的轴向坐标来设计。因此，表面614沿后边缘616的曲率可以具有与截面线610a的轴向曲率近似的曲率；表面614沿第一中间截面618的曲率可以与截面线610b的轴向曲率近似；表面614沿第二中间截面620到的曲率可以与截面线610c的轴向曲率近似；并且表面614沿前边缘622的曲率可以与截面线610d的轴向曲率近似。在所示实施方案中并且如图6A和6C所示，截面线610a的轴向曲率可以通过半径为“R”的圆的曲率来近似，以使得后边缘616的轴向曲率可以与半径为“R”的圆基本相同。

截面线610a-610d的轴向曲率可以相同也可以不同，并且因此表面614沿后边缘616、中间截面618和620以及前边缘622的曲率可以相同也可以不同。在其中曲率不相同的某些情况下，可以对表面614沿后边缘616、中间截面618和620以及前边缘622的近似曲率求平均以使得表面614的整体曲率为所计算的平均曲率。因此，表面614的所确定曲率可以基本恒定以便于制造表面614。另外，虽然示为由单个圆的曲率基本拟合，但应当理解，一条或多条截面线610的轴向曲率可以由多个圆拟合，这取决于轴向曲率的形状。

DOCC612可以具有宽度W，该宽度可以充分大以覆盖切削区域602的宽度并且可以与截面线610的长度相对应。另外，DOCC612的高度(如图6C所示)可以被配置成使得当DOCC612被放置在刀片604上时，表面614的轴向位置与用于设计表面614的截面线的所计算的轴向位置充分一致。高度H可以与表面614的与截面线一致的曲率峰值点一致。例如，DOCC612的位于后边缘616处的高度H可以与DOCC612的位于后边缘616处的曲率峰值点一致。另外，位于后边缘616处的高度H可以被配置成使得当DOCC612被放置在刀片604上位于所计算的径向位置和角位置处时(如图6B所示)，沿后边缘616的表面614可以具有与针对截面线610a所计算的控制点608a-608e近似相同的轴向位置、角位置和径向位置。

在其中表面614曲率根据截面线的不同曲率发生变化的一些实施方案中，DOCC612的高度H可以根据与不同截面线相关的曲率发生变化。例如，相对于后边缘616的高度可以不同于相对于前边缘622的高度。在其中对截面线曲率求平均以计算表面614曲率的其它实施方案中，DOCC612的高度H可以与整个表面614的曲率峰值点一致。

在一些实施方案中，DOCC612的表面可以使用全部截面线的控制点的三维坐标来设计。可以使用二维插值法诸如称为interp2的函数来使这些轴向坐标平滑。

可以对图6A-6C作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。虽然描述了特定数量的截面线、沿这些截面线的点和片段，但应当理解，可以使用任何适当的数量以配置DOCC612，从而获得所需临界切削深度控制。在一个实施方案中，截面线的数量可以由DOCC的大小和形状确定。例如，如果半球形组件用作DOCC(例如，MDR)，那么可能仅需要一条截面线。如果使用了冲击制动器(半圆柱体形状)，那么可以使用更多的截面线(例如，至少两条截面线)。另外，虽然DOCC612的表面曲率示为是基本圆形和均匀的，但应当理解，该表面可以具有可以均匀也可以不均匀的任何合适形状，这取决于所需切削深度的所计算表面曲率。另外，虽然以上描述涉及根据一个切削元件的切削区域所设计的DOCC，但DOCC可以根据多个切削元件的切削区域来设计以控制超过一个切削元件的切削深度，如以下进一步详细描述。

图7图示了用于根据切削元件的切削区域及其切削边缘的位置设计一个或多个DOCC(例如，图6A-6C的DOCC612)的示例方法700的流程图。在所示实施方案中，可能先前已设计了钻头的切削结构，这些切削结构包括所有切削元件的位置和取向。然而，在其它实施方案中，方法700可以包括用于设计所有钻头的切削结构的步骤。

方法700的步骤可以由各种计算机程序、模型或它们的任意组合执行，被配置成模拟和设计钻井系统、设备和装置。这些程序和模型可以包括存储在计算机可读介质上并且可操作用于当被实行时，执行下述步骤中的一个或多个的指令。计算机可读介质可以包括被配置成存储和检索程序或指令的任何系统、设备或装置，诸如硬盘驱动器、光盘、快闪存储器或任何其它合适装置。这些程序和模型可以被配置成引导处理器或其它合适单元检索和实行来自计算机可读介质的指令。总的来说，可以将用于模拟和设计钻井系统的计算机程序和模型称为“钻井工程工具”或“工程工具”。

方法700可以开始并且在步骤702中，该工程工具可以确定位于沿钻头轮廓的所选择区域处的所需切削深度(“Δ”)。如上所述，所需临界切削深度Δ可以基于给定RPM的所需ROP，以使得钻头轮廓区域(例如，锥形区域、肩部区域等)内的DOCC可以被设计成以所需ROP和RPM与岩层接触，并且因此以所需ROP和RPM控制切削区域中的切削元件的切削深度。

在步骤704中，可以确定位于所选择区域内的切削元件的位置和取向。在步骤706中，工程工具可以形成3D切削齿/岩石相互作用模型，该模型可以至少部分基于每个切削元件的预期切削深度Δ来确定设计中的每个切削元件的切削区域。如上所述，每个切削元件的切削区域和切削边缘可以基于切削元件的轴向坐标和径向坐标。

在步骤708中，通过使用工程工具，可以将切削元件的每一者的切削区域内的切削边缘分成钻头端面轮廓的切削点(“片段”)。为了说明的目的，相对于关于切削元件之一设计DOCC来描述剩余步骤，但应当理解，钻头的每个DOCC可以同时或顺序地遵循这些步骤。

在步骤710中，可以相对于钻头端面来计算沿与DOCC相关的所选择切削元件的切削边缘的每个片段的轴向坐标和径向坐标(例如，可以确定图6A和6B的片段606的轴向坐标和径向坐标)。另外，在步骤712中，可以在钻头端面的径向平面上计算每个片段的角坐标。

在步骤714中，可以确定与切削元件相关的DOCC的放置和设计相对应的径向平面上的多条截面线的位置(例如，与图6A-6C的DOCC612相关的截面线610)。可以将截面线放置在切削元件的切削区域的径向幅区内，以使得它们与切削区域的径向幅区相交，并且因此具有基本覆盖切削区域的径向幅区的径向幅区。在一些实施方案中，截面线的长度可以基于切削区域和切削边缘的宽度，以使得切削区域和切削边缘的径向幅区与这些截面线基本相交。因此，如上所述，截面线可以用于对DOCC的形状、大小和配置建模，以使得DOCC控制位于切削元件的切削边缘处的切削元件的切削深度。

另外，截面线的数量可以基于将设计的DOCC的所需大小以及设计DOCC过程中的所需精确度来确定。例如，DOCC越大，可以用于在切削区域的径向幅区内充分设计DOCC并且因此对切削区域提供更为恒定的切削深度控制的截面线越多。

在步骤716中，可以确定设置在刀片上的截面线的位置(例如，图6B中的截面线610的位置)，以使得截面线的径向坐标与切削元件的切削区域的径向幅区基本相交。在步骤717中，可以将每条截面线分成径向坐标与步骤708中所确定的片段的径向坐标基本一致的点(例如，将截面线610a分成图6A-6C的点608)。在步骤718中，工程工具可以用于在基本垂直于钻头旋转轴线的平面(例如，图6A-6C的xy平面)上确定每条截面线的每个点的角坐标。在步骤720中，还可以通过确定切削元件的片段与和片段一致的截面线的每个相应点之间的所需轴向曝光不足度值来确定每条截面线上的每个点的轴向坐标，如以上相对于图6A-6C所述。在确定了每条截面线的每个点的轴向曝光不足度值后，可以通过向与点相关的片段的轴向坐标施加每个点的曝光不足度值来确定每个点的轴向坐标，也如以上相对于图6A-6C所述。

在步骤720中基于相关切削元件的切削区域的片段计算了每条截面线的每个点的轴向坐标后(例如，基于图6A-6C的片段606a-606e计算截面线610a的点608a-608e的轴向坐标)，方法700可以前进到步骤724和726，在步骤724和726中，DOCC可以根据这些截面线的轴向坐标、角坐标和径向坐标来设计。

在一些实施方案中，在步骤724中，对于每条截面线来说，可以使由截面线的点的轴向坐标所形成的曲线拟合到圆的一部分。因此，每条截面线的轴向曲率可以通过圆的曲率来近似。因此，与每条截面线相关的每个圆的曲率可以用于设计DOCC的三维表面以使其近似于DOCC的曲率，这可以改进切削深度控制。在一些实施方案中，DOCC的表面可以通过使用二维插值法诸如称为interp2的函数使表面的轴向坐标平滑来近似。

在步骤726中，还可以配置DOCC的宽度。在一些实施方案中，DOCC的宽度可以被配置成与对应切削元件的切削区域的径向幅区一样宽。因此，可以将切削元件的切削区域定位在DOCC的旋转路径内，以使得DOCC可以提供对切削元件的适当深度控制。另外，在步骤726中，DOCC的高度可以被设计成使得DOCC的表面与截面线的点的所计算轴向坐标位于近似相同的轴向位置。因此，工程工具可以用于根据切削元件的切削区域和切削边缘的位置来设计DOCC。

在方法726中确定了DOCC的位置、取向和尺寸后，方法700可以前进到步骤728。在步骤728中，可以确定是否已经设计了所有DOCC。如果尚未设计所有DOCC，那么方法700可以重复步骤708-726以基于一个或多个其它切削元件的切削区域来设计另一个DOCC。

在步骤730中，一旦所有DOCC均被设计，那么可以使用工程工具计算临界切削深度控制曲线(CDCCC)。CDCCC可以用于确定贯穿所需区域的切削深度的均匀程度。在步骤732中，通过使用工程工具，可以确定CDCCC是否表明切削深度控制满足设计要求。如果切削深度控制满足设计要求，那么方法700可以结束。

如果切削深度控制不满足设计要求，那么方法700可以返回到步骤714，在步骤714中，可以改变设计参数。例如，可以使得截面线的数量增加以根据切削区域和切削边缘的位置来更好地设计DOCC的表面。另外，还可以改变截面线的角坐标。在其它实施方案中，如果切削深度控制不满足设计要求，那么方法700可以返回到步骤708以确定用于划分切削边缘的大量片段，并且因此更好地接近于切削边缘。另外，如以下进一步所述，DOCC可以根据超过一个切削元件的切削区域和切削边缘的可以位于DOCC的径向幅区内的位置来设计。

另外，方法700可以重复进行以配置一个或多个DOCC，从而通过在步骤702中输入另一个预期切削深度Δ来控制沿钻头轮廓定位在另一个区域内的切削元件的切削深度。因此，可以根据切削元件的切削边缘的位置在沿钻头的钻头轮廓的一个或多个区域内配置用于钻头的一个或多个DOCC以改进钻头的切削深度控制。

可以对方法700作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，可以改变步骤顺序。另外，在某些情况下，可以相对于单独DOCC和切削元件来执行每个步骤直到DOCC被设计用于切削元件并且随后可以针对其它DOCC或切削元件重复这些步骤。在其它情况下，可以在移动到下一个步骤之前相对于每个DOCC和切削元件执行每个步骤。类似地，可以针对一条截面线完成步骤716至724并且随后针对另一条截面线重复这些步骤，或可以针对每条截面线同时执行步骤716至724，或以上情况的任意组合。另外，可以使方法700的步骤同时执行，或分解成比所述更多的步骤。另外，可以增加更多的步骤也可以删除步骤，而不脱离本公开的范围。

一旦施用方法700设计了一个或多个DOCC，那么可以根据所计算的设计约束来制造钻头以提供钻头的更为恒定和均匀的切削深度控制。恒定的切削深度控制可以基于DOCC诸如冲击制动器在相对于切削元件的切削区域和切削边缘的径向位置和轴向位置二者中的放置、尺寸和取向。在相同或替代实施方案中，可以由刀片控制切削元件的切削深度。

如上所述，相对于其中切削元件的切削区域可能并不与另一切削元件的切削区域重叠的情况来描述方法700(和相关的图6-7)。如先前所述，可能在刀片数量较少、切削齿数量较少并且切削深度也较少时出现这样一种情况。这样一种情况也可以相对于固定切削齿钻头的锥形区域内的切削元件而出现，这是因为锥形区域内的刀片的数量通常较少。另外，当DOCC紧靠在切削元件之后定位并且DOCC的径向长度完全位于切削元件的切削区域内时，可以使用方法700(和相关的图6-7)。

然而，在其它情况下，与DOCC相关的径向幅区可以与和多个切削元件相关的多个切削区域相关。因此，DOCC可以影响超过一个切削元件而不仅仅是单个切削元件的深度，该单个切削元件可以最接近DOCC或被配置成充当DOCC的刀片的一部分定位。因此，在本公开的一些实施方案中，钻头的DOCC可以被配置成基于多个切削元件的切削区域来控制钻头的切削深度。

图8A-8C图示了被配置成控制位于钻头801的幅区808内的切削元件828和829的切削深度的DOCC802。图8A图示了钻头801的可以包括刀片826、设置在刀片826上的外部切削元件828和内部切削元件829的端面。在所示实施方案中，DOCC802位于刀片826a上并且被配置成控制位于钻头801的幅区808内的所有切削元件828和829的切削深度。

可以确定位于钻头801的径向幅区808内的切削元件828和829每旋转一次的所需临界切削深度Δ₁(如图8D所示)。可以使径向幅区808定位在第一径向坐标R_A与第二径向坐标R_B之间。可以基于可以用于DOCC802的可用大小来确定R_A和R_B。例如，如果MDR用作DOCC802，那么径向幅区808的宽度(例如，R_B-R_A)可以等于MDR的直径。再例如，如果将冲击制动器选为DOCC802，那么径向幅区808的宽度可以等于冲击制动器的宽度。也可以基于先前钻头行程的钝的条件来确定R_A和R_B。在某些情况下，径向幅区808可以基本包括整个钻头端面以使得R_A近似等于零并且R_B近似等于钻头801的半径。

一旦径向幅区808得到确定，那么可以确定DOCC802在径向幅区808内的角位置。在其中仅显示了一个DOCC802的所示实施方案中，可以基于用于放置DOCC802的任何刀片(例如，刀片826a)上的可用空间来将DOCC802放置在该刀片上。在替代实施方案中，如果超过一个DOCC用于为定位在幅区808内的切削元件828和829(例如，位于幅区808内的所有切削元件828和829)提供切削深度控制，那么可以基于“旋转对称规则”来确定DOCC的角坐标，以减少摩擦不平衡力。例如，如果使用了两个DOCC，那么可以将一个DOCC放置在刀片826a上并且可以将另一个DOCC放置在刀片826d上。如果使用了三个DOCC，那么可以将第一DOCC放置在刀片826a上，可以将第二DOCC放置在刀片826c上，并且可以将第三DOCC放置在刀片826e上。以下相对于各种实施方案来描述DOCC的角位置的确定。

返回到图8A，一旦DOCC802的径向位置和角位置得到确定，那么还可以确定DOCC802上的任一点的x坐标和y坐标。例如，可以将DOCC802在图8A的xy平面上的表面划分为小网格。DOCC802在图8A的xy平面上的表面还可以通过若干截面线来表示。为了简单起见，每条截面线可以被选择成穿过钻头轴线和坐标系的原点。可以将每条截面线进一步分成若干点。当在刀片826a上选择了DOCC802的位置时，可以很容易确定与DOCC802相关的任何截面线上的任一点的x坐标和y坐标并且下一步骤可以是计算截面线上的任一点的轴向坐标z。

在所示实施方案中，DOCC802可以被放置在刀片826a上并且被配置成具有与径向幅区808一致的宽度。另外，可以选择与DOCC802相关的截面线810，并且在所示实施方案中可以用线“AB”表示该截面线。在一些实施方案中，截面线810可以被选择成使得沿截面线810的所有点都具有相同的角坐标。截面线810的内端“A”可以在xy平面上距离钻头801中心具有由径向坐标R_A所指示的距离并且截面线810的外端“B”可以距离钻头801中心具有由径向坐标R_B所指示的距离，以使得截面线810的径向位置可以由R_A和R_B定义。可以将截面线810分成内端“A”与外端“B”之间的一系列点并且可以基于每个点与切削元件828和829的一个或多个切削边缘的径向相交来确定每个点的轴向坐标，如以下详细描述。在所示实施方案中，描述了沿截面线810的控制点“f”的轴向坐标的确定。然而，应当理解，可以应用相同过程以确定沿截面线810的其它点的轴向坐标并且还用于确定可以与DOCC802相关的其它截面线的其它点的轴向坐标。

可以基于控制点“f”在xy平面上的径向坐标和角坐标来确定控制点“f”的轴向坐标。例如，控制点“f”的径向坐标可为控制点“f”距离钻头801中心的距离，如径向坐标R_f所示。一旦R_f得到确定，那么可以确定与一个或多个切削元件828和/或829的切削边缘相关的具有径向坐标R_f的相交点830。因此，这些切削元件的相交点830可以具有与控制点“f”相同的旋转路径，并且因此可以具有可能受到DOCC802的控制点“f”影响的切削深度。在所示实施方案中，控制点“f”的旋转路径可以与切削元件828a的切削边缘在相交点830a处相交，与切削元件828b的切削边缘在相交点830b处相交，与切削元件829e的切削边缘在相交点830e处相交，并且与切削元件828f的切削边缘在相交点830f处相交。

可以根据控制点“f”相对于每个相交点830的所需曝光不足度值(δ_807i)来确定控制点“f”的轴向坐标。图8B显示了控制点“f”相对于每个相交点830的所需曝光不足度值δ_807i。可以基于所需临界切削深度Δ₁和控制点“f”的角坐标(θ_f)和每个点830(θ_830i)来确定控制点“f”相对于每个相交点830的所需曝光不足度值δ_807i。例如，控制点“f”相对于相交点830a的所需曝光不足度值可以通过以下等式来表示：

δ_807a＝Δ₁*(360-(θ_f-θ_830a))/360

在以上等式中，θ_f和θ_830a可以用度表示，并且“360”可以表示大约360度的一次完整旋转。因此，在其中θ_f和θ_830a可以用幅度来表示的情况下，“360”可以由“2π”代替。另外，在以上等式中，合力角“(θ_f-θ_830a)”(Δ_θ)可以被定义为始终为正。因此，如果合力角Δ_θ为负，那么可以通过为Δ_θ添加360度(或2π幅度)来使Δ_θ为正。控制点“f”相对于点830b、830e和830f的所需曝光不足度值(分别为δ_807b、δ_807e、δ_807f)可以类似地确定。

一旦控制点“f”相对于每个相交点的所需曝光不足度值得到确定(δ_807i)，那么可以确定控制点“f”的轴向坐标。可以基于每个相交点830的轴向坐标与相对于每个相交点830的所需曝光不足度值之间的差来确定控制点“f”的轴向坐标。例如，在图8B中，每个点830的轴向位置可以与z轴上的坐标相对应，并且可以表示为z坐标(Z_830i)。为了确定控制点“f”的对应z坐标(Z_f)，可以确定每个相交点830的z坐标Z_830i与对应的所需曝光不足度值δ_807i之间的差。Z_830i与δ_807i之间的差的最大值可以是控制点“f”的轴向坐标或z坐标(Z_f)。对于当前示例，Z_f可以用以下等式表示：

Z_f＝max[(Z_830a-δ_807a)，(Z_830b-δ_807b)，(Z_830e-δ_807e)，(Z_830f-δ_807f)]

因此，可以基于切削元件828a、828b、829e和828f的切削边缘来确定控制点“f”的轴向坐标。沿截面线810的其它点(未明确示出)的轴向坐标可以类似地确定以确定截面线810的轴向曲率和轴向坐标。图8C图示了截面线810的轴向坐标和轴向曲率的示例，以使得DOCC802可以将钻头801的切削深度控制到由R_A和R_B所界定的径向幅区内的所需临界切削深度Δ₁。

上述过程可以重复进行以确定与DOCC802相关的其它截面线的轴向坐标和轴向曲率，以使得DOCC802可以根据这些截面线的坐标来设计。至少一条截面线可以用于设计DOCC802的三维表面。另外，在某些实施方案中，截面线可以被选择成使得截面线上的所有点都具有相同的角坐标。因此，DOCC802可以提供切削深度控制以基本获得由R_A和R_B所界定的径向幅区内的所需临界切削深度Δ₁。

在某些情况下，为了更容易制造DOCC802，可以通过曲线拟合技术来使截面线810和任何其它截面线的轴向坐标平滑。例如，如果DOCC802基于所计算的截面线810设计为MDR，那么截面线810可以由一条或多条环形线拟合。这些环形线中的每一条均可具有用于设计MDR的中心和半径。再如，如果DOCC802被设计为冲击制动器，那么可以使用多条截面线810。这些截面线中的每一条均可由一条或多条环形线拟合。两条拟合截面线可以形成与图6C所示类似的冲击制动器的两端。

图8D图示了钻头801的临界切削深度控制曲线(如以下进一步详细描述)。该临界切削深度控制曲线表明，径向坐标R_A与R_B之间的径向幅区808的临界切削深度可以是基本均匀和恒定的。因此，图8D表明，钻头801的所需临界切削深度(Δ₁)(如DOCC802所控制)可以通过考虑切削深度可能受到DOCC802影响的所有切削元件而基本恒定并且相应地设计DOCC802。

可以对图8A-8D作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，虽然DOCC802示为具有特定形状，但DOCC802可以具有任何适当形状。另外，应当理解，可以选择任何数量的截面线和沿这些截面线的点以确定DOCC802的所需轴向曲率。另外，如以下相对于图12-14和16-17所公开，虽然在钻头801上仅显示一个DOCC802，但钻头801可以包括任何数量的DOCC，这些DOCC被配置成控制与钻头801的任何数量的径向幅区相关的切削元件的切削深度。另外，钻头801的所需临界切削深度可以根据径向坐标(在径向平面上离钻头801中心的距离)来变化。

图9A和9B图示了用于根据切削深度可能受到DOCC(例如，图8A-8B的DOCC802)影响的一个或多个切削元件的切削区域来设计DOCC的示例方法900的流程图。方法900的步骤可以由工程工具执行。在所示实施方案中，可能先前已设计了钻头的切削结构，这些切削结构包括所有切削元件的位置和取向。然而，在其它实施方案中，方法900可以包括用于设计钻头的切削结构的步骤。

方法900的步骤可以由各种计算机程序、模型或它们的任意组合执行，被配置成模拟和设计钻井系统、设备和装置。这些程序和模型可以包括存储在计算机可读介质上并且可操作用于当被实行时，执行下述步骤中的一个或多个的指令。计算机可读介质可以包括被配置成存储和检索程序或指令的任何系统、设备或装置，诸如硬盘驱动器、光盘、快闪存储器或任何其它合适装置。这些程序和模型可以被配置成引导处理器或其它合适单元检索和实行来自计算机可读介质的指令。总的来说，可以将用于模拟和设计钻井系统的计算机程序和模型称为“钻井工程工具”或“工程工具”。

方法900可以开始并且在步骤902中，该工程工具可以确定位于沿钻头轮廓的所选择区域(例如，锥形区域、鼻部区域、肩部区域、保径区域等)处的所需切削深度(Δ)。该区域可以与钻头的径向幅区相关。在步骤904中，可以确定位于该幅区内的切削元件的位置和取向。另外，在步骤906中，工程工具可以形成3D切削齿/岩石相互作用模型，该模型可以确定每个切削元件的切削区域和切削边缘。

在步骤908中，工程工具可以选择可以与DOCC相关的截面线(例如，截面线810)，该DOCC可以被配置成控制钻头的径向幅区(例如，图8A-8B的径向幅区808)的切削深度。在步骤910中，可以在垂直于钻头旋转轴线的平面(例如，图8A的xy平面)上确定截面线的位置。截面线的位置可以被选择成使得截面线与径向幅区相交并且被定位在刀片上(例如，在图8A中，截面线810与径向幅区808相交并且被定位在刀片826a上)。

在步骤911中，可以沿截面线选择控制点“f“。控制点“f”可以是沿截面线定位的并且可以定位在径向幅区内的任一点。在步骤912中，可以确定控制点“f”的径向坐标R_f。R_f可以表明控制点“f”在径向平面上离钻头中心的距离。在步骤914中，可以确定一个或多个切削元件的切削边缘的具有径向坐标R_f的相交点pi。在步骤916中，可以确定控制点“f”的角坐标(θ_f)，并且在步骤918中，可以确定每个相交点pi的角坐标(θ_pi)。

在步骤920中，工程工具可以确定每个点pi相对于控制点“f”的所需曝光不足度值(δ_pi)。如以上相对于图8所阐释，可以基于点“f”的旋转路径中钻头的所需临界切削深度Δ来确定每个相交点pi的曝光不足度值δ_pi。每个相交点pi的曝光不足度值δ_pi也可以基于角坐标θ_f相对于相应角坐标θ_pi的关系。

在步骤922中，可以确定每个相交点pi的轴向坐标(Z_pi)，并且在步骤924中，可以确定Z_pi与相应曝光不足度值δ_pi之间的差，这与上文在图8中所示类似(例如，Z_pi-δ_pi)。在一个实施方案中，在步骤926中，工程工具可以确定针对每个相交点pi所计算的Z_pi与δ_pi之间的差的最大值。在步骤928中，可以基于最大计算差来确定控制点“f”的轴向坐标(Z_f)，这与上文在图8中所述类似。

在步骤930中，工程工具可以确定截面线的充足控制点(例如，控制点“f”)的轴向坐标是否已得到确定，从而充分定义截面线的轴向坐标。如果需要更多控制点的轴向坐标，那么方法900可以返回到步骤911，在步骤911中，工程工具可以沿截面线选择另一个控制点，否则，方法900可以前进到步骤932。可以通过相邻控制点之间的所需距离(dr)和截面线的长度(Lc)确定沿截面线的控制点的数量。例如，如果Lc为1英寸，并且dr为0.1”，那么控制点的数量可为Lc/dr+1＝11。在某些实施方案中，dr可以介于0.01”至0.2”之间。

如果充足截面线的轴向坐标已得到确定，那么工程工具可以前进到步骤932，否则，工程工具可以返回到步骤911。在步骤932中，工程工具可以确定是否已针对DOCC确定了足够数量的截面线的径向坐标和角坐标，从而充分地界定DOCC。可以通过DOCC的大小和形状确定截面线的数量。例如，如果半球形组件(例如，MDR)被选择作为DOCC，那么可能仅可以使用一条截面线。如果选择冲击制动器(半圆柱体形状)，那么可以使用多条截面线。如果已确定了足够数量，那么方法900可以前进到步骤934，否则方法900可以返回到步骤908以选择与DOCC相关的另一条截面线。

在步骤934中，工程工具可以使用截面线的轴向坐标、角坐标和径向坐标以将DOCC配置成使得DOCC具有与这些截面线基本相同的轴向坐标、角坐标和径向坐标。在某些情况下，DOCC的可以与截面线的轴向曲率相对应的三维表面可以通过使用二维插值法诸如称为interp2的函数使该表面的轴向坐标平滑来设计。

在步骤936中，工程工具可以确定是否已设计了钻头的所有所需DOCC。如果否，方法900可以返回到步骤908以便为将被设计的另一个DOCC选择截面线；如果是，方法900可以前进到步骤938，在步骤938中，工程工具可以计算钻头的临界切削深度控制曲线CDCCC，如以下更详细阐述。

在步骤940中，工程工具可以确定CDCCC是否表明钻头满足设计要求。如果否，方法900可以返回到步骤908并且可以对钻头的一个或多个DOCC的设计作出各种改变。例如，控制点“f”的数量可以增加，DOCC的截面线的数量可以增加，或以上两种情况的任意组合。还可以改变截面线的角位置。另外，还可以添加更多的DOCC以改进CDCCC。如果CDCCC表明钻头满足设计要求，那么方法900可以结束。因此，方法900可以用于根据钻头的径向幅区内的所有切削元件的切削边缘来设计和配置DOCC，以使得钻头可以具有如由DOCC所控制的基本恒定的切削深度。

方法900可以重复进行用于从步骤908开始以相同的预期切削深度在相同的幅区内设计和配置另一个DOCC。方法900还可以重复进行用于在步骤902中通过输入另一个预期切削深度Δ来在钻头的另一个径向幅区内配置另一个DOCC。可以对方法900作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，每个步骤均可包括附加步骤。另外，还可以改变如所述步骤的顺序。例如，虽然这些步骤已经按顺序进行了描述，但应当理解，可以同时执行一个或多个步骤。

如上所述，可以通过计算如由位于钻头的径向幅区内的DOCC、刀片或它们的任意组合所提供的该径向幅区的临界切削深度控制曲线(CDCCC)来分析钻头的切削深度。CDCCC可以基于与多个径向坐标相关的临界切削深度。

图10A图示了根据本公开的一些实施方案的可以确定临界切削深度控制曲线(CDCCC)的钻头1001的端面。图10B图示了图10A的钻头1001的钻头端面轮廓。

钻头1001可以包括多个刀片1026，该多个刀片可以包括切削元件1028和1029。另外，刀片1026b、1026d和1026f还可以分别包括DOCC1002b、DOCC1002d和DOCC1002f，这些DOCC可以被配置成控制钻头1001的切削深度。DOCC1002b、1002d和1002f可以根据与DOCC1002b、1002d和1002f相交的径向幅区内的钻头1001的所需临界切削深度来配置和设计，如以上详细描述。

如上所述，对于沿钻头1001的径向位置来说，可以确定钻头1001的临界切削深度。例如，钻头1001可以包括可以与DOCC1002b在控制点P_1002b处相交、与DOCC1002d在控制点P_1002d处于相交、以及与DOCC1002f在控制点P_1002f处相交的径向坐标R_F。另外，径向坐标R_F还可以分别与切削元件1028a、1028b、1028c和1029f在切削元件1028a、1028b、1028c和1029f的切削边缘各自的片段点1030a、1030b、1030c和1030f处相交。

可以连同片段点1030a、1030b、1030c和1030f的角坐标(分别为θ_1030a、θ_1030b、θ_1030c和θ_1030f)一起确定控制点P_1002b、P_1002d和P_1002f的角坐标(分别为θ_P1002b、θ_P1002d和θ_P1002f)。可以确定由控制点P_1002b、P_1002d和P_1002f中的每一者相对于片段点1030a、1030b、1030c和1030f中的每一者所提供的且切削深度控制。由控制点P_1002b、P_1002d和P_1002f中的每一者所提供的切削深度控制可以基于点P_1002i中的每一者相对于片段点1030中的每一者的曝光不足度值(图10B中所显示的δ_1007i)和点P_1002i相对于片段点1030的角坐标。

例如，可以使用图10A中所显示的点P_1002b和片段点1030b的角坐标(分别为θ_P1002b和θ_1030b)来确定由DOCC1002b的点P_1002b所控制的片段点1030b处的切削元件1028b的切削深度(Δ_1030b)。另外，Δ_1030b可以基于点P_1002b的轴向坐标(Z_P1002b)相对于相交点1030b的轴向坐标(Z_1030b)的轴向曝光不足度值(δ_1007b)，如图10B所示。在一些实施方案中，Δ_1030b可以使用以下等式来确定：

Δ_1030b＝δ_1007b*360/(360-(θ_P1002b-θ_1030b))；以及

δ_1007b＝Z_1030b-Z_P1002b。

在以上等式的第一等式中，θ_P1002b和θ_1030b可以用度来表示，并且“360”可以表示围绕钻头1001端面的完整旋转。因此，在其中θ_P1002b和θ_1030b用幅度来表示的情况下，可以使以上等式的第一等式中的数字“360”变为“2π”。另外，在以上等式中，合力角“(θ_P1002b-θ_1030b)”(Δ_θ)可以被定义为始终为正。因此，如果合力角Δ_θ为负，那么可以通过为可以通过为添加360度(或2π幅度)来使Δ_θ为正。类似等式可以用于确定分别由片段点1030a、1030c和1030f处的控制点P_1002b所控制的切削元件1028a、1028c和1029f的切削深度(分别为Δ_1030a、Δ_1030c和Δ_1030f)。

由点P_1002b所提供的临界切削深度(Δ_P1002b)可为Δ_1030a、Δ_1030b、Δ_1030c和Δ_1030f的最大值并且可以由以下等式表示：

Δ_P1002b＝max[Δ_1030a，Δ_1030b，Δ_1030c，Δ_1030f]。

由径向坐标R_F处的点P_1002d和P_1002f所提供的临界切削深度(分别为Δ_P1002d和Δ_P1002f)可以类似地确定。位于径向坐标R_F处的钻头1001的整体临界切削深度(Δ_RF)可以基于Δ_P1002b、Δ_P1002d和Δ_P1002f的最大值并且可以由以下等式表示：

Δ_RF＝min[Δ_P1002b，Δ_P1002d，Δ_P1002f]。

因此，切削钻头1001在径向整体临界深度坐标R_F(Δ_RF)可以基于所述点来确定，其中DOCC1002和切削元件一千零二十九分之一千零二十八相交R_F。虽然没有明确示出这里，可以理解的是切削钻头1001处径向整体临界深度坐标R_F(Δ_RF)也可受控制点P_1026i可与被配置为控制切削钻头1001的深度在径向坐标R_F叶片1026相关联(未明确在图10A和10B示出)。在这样的情况下，可以确定由每个控制点P_1026i所提供的临界切削深度(Δ_P1026i)。在确定R_F处的最小临界切削深度时，可以将每个控制点P_1026i的每个临界切削深度Δ_P1026i包含在临界切削深度Δ_P1002i中，以计算径向位置R_F处的真题临界切削深度Δ_RF。

为了确定钻头1001的临界切削深度控制曲线，可以确定从钻头1001中心到钻头1001边缘任何地方的一系列径向位置R_f处的整体临界切削深度(Δ_Rf)，以产生表示随钻头1001半径的变化而变化的临界切削深度的曲线。在所示实施方案中，DOCC1002b、1002d和1002f可以被配置成控制对于界定成定位在第一径向坐标R_A与第二径向坐标R_B之间的径向幅区1008来说，钻头1001的切削深度。因此，可以确定位于径向幅区1008内并且位于R_A与R_B之间的一系列坐标R_f的整体临界切削深度，如上所述。一旦足够数量的径向坐标R_f的整体临界切削深度得到确定，那么可以将该整体临界切削深度根据径向坐标R_f用曲线图表示。

图10C图示了根据本公开的一些实施方案的钻头1001的临界切削深度控制曲线。图10C说明，径向坐标R_A与R_B之间的临界切削深度可以基本均匀，表明DOCC1002b、1002d和1002f可以被充分配置成在R_A与R_B之间提供基本均匀的切削深度控制。

可以对图10A-10C作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，如上所述，刀片1026、DOCC1002或它们的任意组合可以影响一个或多个径向坐标处的临界切削深度并且该临界切削深度可以相应地得到确定。

图11图示了根据本公开的一些实施方案的确定和产生CDCCC的示例方法1100。与方法700和900类似，方法1100可以由任何合适的工程工具执行。在所示实施方案中，先前已设计了钻头的切削结构，包括所有切削元件和DOCC的至少位置和取向。然而，在其它实施方案中，方法1100可以包括用于设计钻头的切削结构的步骤。为了说明的目的，方法1100相对于图10A-10C的钻头1001进行描述；然而，方法1100可以用于确定任何合适钻头的CDCCC。

方法1100可以开始并且在步骤1102中，工程工具可以选择钻头1001的径向幅区以分析所选择径向幅区内的临界切削深度。在某些情况下，所选择的径向幅区可以包括钻头1001的整个端面并且在其它情况下，所选择的径向幅区可为钻头1001的端面的一部分。例如，工程工具可以选择界定在径向坐标R_A与R_B之间并且由图10A-10C所示的DOCC1002b、1002d和1002f控制的径向幅区1008。

在步骤1104中，工程工具可以将所选择的径向幅区(例如，径向幅区1008)分成多个(Nb个)径向坐标(R_f)诸如图10A和10B所述的径向坐标R_F。例如，可以将径向幅区1008分成九个径向坐标，以使得径向幅区1008的Nb等于九。变量“f”可以表示位于径向幅区内的每个径向坐标的从一到Nb的数字。例如，“R₁”可以表示径向幅区的内边缘的径向坐标。因此，对于径向幅区1008来说，“R₁”可以近似等于R_A。再例如，“R_Nb”可以表示径向幅区的外边缘的径向坐标。因此，对于径向幅区1008来说，“R_Nb”可以近似等于R_B。

在步骤1106中，工程工具可以选择径向坐标R_f并且可以识别控制点(P_i)，这些控制点可以位于所选择的径向坐标R_f处并且与DOCC和/或刀片相关。例如，工程工具可以选择径向坐标R_F并且可以识别控制点P_1002i和P_1026i，这些控制点与DOCC1002和/或刀片1026相关并且位于径向坐标R_F处，如以上相对于图10A和10B所述。

在步骤1108中，对于步骤1106中所选择的径向坐标R_f来说，工程工具可以识别各自位于所选择的径向坐标R_f处并且与切削元件的切削边缘相关的片段点(C_j)。例如，工程工具可以识别位于径向坐标R_F处并且分别与切削元件1028a、1028b、1028c和1029f的切削边缘相关的片段点1030a、1030b、1030c和1030f，如相对于图10A和10B所述和所示。

在步骤1110中，工程工具可以选择控制点P_i并且可以计算由所选择控制点P_i所控制的每个片段C_j的切削深度(Δ_Cj)，如以上相对于图10A和10B所述。例如，工程工具可以通过使用以下等式来确定由控制点P_1002b所控制的片段1030a、1030b、1030c和1030f的切削深度(分别为Δ_1030a、Δ_1030b、Δ_1030c和Δ_1030f)：

Δ_1030a＝δ_1007a*360/(360-(θ_P1002b-θ_1030a))；

δ_1007a＝Z_1030a-Z_P1002b；

Δ_1030b＝δ_1007b*360/(360-(θ_P1002b-θ_1030b))；

δ_1007b＝Z_1030b-Z_P1002b；

Δ_1030c＝δ_1007c*360/(360-(θ_P1002b-θ_1030c))；

δ_1007c＝Z_1030c-Z_P1002b；

Δ_1030f＝δ_1007f*360/(360-(θ_P1002b-θ_1030f))；以及

δ_1007f＝Z_1030f-Z_P1002b.

在步骤1112，该工程工具可以计算由所选择控制点所提供的临界切削深度(Δ_Pi)，方式是通过确定由所选择控制点P_i所控制并在步骤1110计算的每个片段C_j的切削深度(Δ_Cj)。这一确定可以由以下等式表示：

Δ_Pi＝max{Δ_Cj}。

例如，可以在步骤1110中选择控制点P_1002b并且也可以在步骤1110中确定由控制点P_1002b所控制的片段1030a、1030b、1030c和1030f的切削深度(分别为Δ_1030a、Δ_1030b、Δ_1030c和Δ_1030f)，如上所述。因此，可以在步骤1112中使用以下等式计算由控制点P_1002b所提供的临界切削深度(Δ_P1002b)：

Δ_P1002b＝max[Δ_1030a，Δ_1030b，Δ_1030c，Δ_1030f]。

工程工具可以针对步骤1106中所识别的所有控制点P_i重复步骤1110和1112，以确定由位于径向坐标R_f处的所有控制点P_i所提供的临界切削深度。例如，工程工具可以相对于控制点P_1002d和P_1002f执行步骤1110和1112，以确定由控制点P_1002d和P_1002f相对于片段1030a、1030b、1030c和1030f在图10A和10B所示的径向坐标R_F处所提供的临界切削深度(例如，分别为Δ_P1002d和Δ_P1002f)。

在步骤1114中，工程工具可以计算步骤1106中所选择的径向坐标R_f处的整体临界切削深度(Δ_Rf)。该工程设计工具可以计算切削整体临界深度在选定的径向坐标R_f(Δ_Rf)通过确定切削控制点的临界深处的最小值P_i(Δ_Pi)在步骤1110和1112确定的。这一确定可以由以下等式表示：

Δ_Rf＝min{Δ_Pi}。

例如，工程工具可以通过使用以下等式来确定图10A和10B径向坐标R_F处的整体临界切削深度：

Δ_RF＝min[Δ_P1002b，Δ_P1002d，Δ_P1002f]。

工程工具可以重复步骤1106至1114以确定步骤1104中所产生的所有径向坐标R_f处的整体临界切削深度。

在步骤1116中，工程工具可以将每个径向坐标R_f的整体临界切削深度(Δ_Rf)根据每个径向坐标R_f绘制成图。因此，可以针对与径向坐标R_f相关的径向幅区来将临界切削深度控制曲线计算和绘制成图。例如，工程工具可以将位于径向幅区1008内的每个径向坐标R_f的整体临界切削深度绘制成图，以使得可以将幅区1008的临界切削深度控制曲线确定和绘制成图，如图10C所示。在步骤1116后，方法1100可以结束。因此，方法1100可以用于将钻头的临界切削深度控制曲线计算和绘制成图。临界切削深度控制曲线可以用于确定钻头是否提供对钻头的切削深度的基本均匀控制。因此，临界切削深度控制曲线可以用于修改被配置成控制钻头的切削深度的DOCC和/或刀片。

可以对方法1100作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，这些步骤的顺序可以以与所述不同的方式来执行并且某些步骤可以同时执行。另外，每个单独步骤均可包括附加步骤，而不脱离本公开的范围。

如上所述，DOCC可以被配置成控制钻头的某个径向幅区(例如，图5的旋转路径508)内的多个切削元件的切削深度。另外，如上所述，钻头可以包括超过一个DOCC，该DOCC可以被配置成控制钻头的径向幅区内的相同切削元件的切削深度，控制位于钻头不同径向幅区内的多个切削元件的切削深度，或以上情况的任意组合。当DOCC与岩层接触时，多个DOCC还可以用于减少不平衡力。图12-14和16-17图示了包括多个DOCC的钻头的示例配置。

图12A图示了包括被配置成控制钻头1201的切削深度的DOCC1202a、1202c和1202e的钻头1201的钻头端面。在所示实施方案中，DOCC1202可以各自被配置成使得钻头1201在径向幅区1208内具有Δ₁的临界切削深度，如图12B所示。可以将径向幅区1208界定成位于第一径向坐标R₁与第二径向坐标R₂之间。每个DOCC1202均可基于切削元件1228和1229的与径向幅区1208相交的切削边缘来配置，这与以上相对于图8A-8D的DOCC802所公开类似。

图12B图示了钻头1201的临界切削深度控制曲线(如以下进一步详细描述)。该临界切削深度控制曲线表明，径向坐标R₁与R₂之间的径向幅区1208的临界切削深度可以是基本均匀和恒定的。因此，图12B表明，DOCC1202可以被配置成为处于径向幅区1208处的钻头1201提供基本恒定的切削深度。

另外，可以将DOCC1202设置在刀片1226上以使得当钻头1201在处于或高于临界切削深度Δ₁处钻井时，由DOCC1202形成的侧向力可以基本平衡。在所示实施方案中，可以将DOCC1202a设置在刀片1226a上，可以将DOCC1202c设置在刀片1226c上，并且可以将DOCC1202e设置在刀片1226e上。可以将DOCC1202放置在相应刀片1226上，以使得DOCC1202以近似120度间隔开，从而使得由钻头1201的DOCC1202形成的侧向力更加均匀地平衡。因此，DOCC1202可以被配置成为位于径向幅区1208处并且可以改进钻头1201的力平衡条件的钻头1201提供基本恒定的切削深度控制。

可以对图12作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，虽然DOCC1202示为是基本圆形的，但DOCC1202可以被配置成具有任何合适形状，这取决于DOCC1202的设计约束和设计考虑。另外，虽然每个DOCC1202被配置成控制处于径向幅区1208处的钻头1208的切削深度，但每个DOCC1202也可被配置成控制处于不同径向幅区的钻头1208的切削深度，如下面在图13A-13E中相对于DOCC1302所述。

图13A图示了包括被配置成控制钻头1301的切削深度的DOCC1302a、1302c和1302e的钻头1301的钻头端面。在所示实施方案中，DOCC1302a可以被配置成使得钻头1301在界定成定位在第一径向坐标R₁与第二径向坐标R₂之间的径向幅区1308内具有临界切削深度Δ₁，如图13A和13B所示。在所示实施方案中，DOCC1302a的内边缘和外边缘可以分别与径向坐标R₁和R₂相关，如图13A所示。DOCC1302c可以被配置成使得钻头1301在界定成定位在第三径向坐标R₃与第四径向坐标R₄之间(图13A中未明确示出)的径向幅区(图13A中未明确示出)内具有临界切削深度Δ₁，如图13C所示。在所示实施方案中，DOCC1302b的内边缘和外边缘可以分别与径向坐标R₃和R₄相关。另外，DOCC1302e可以被配置成使得钻头1301在界定成定位在第五坐标R₅与第六坐标R₆之间(图13A中未明确示出)的径向幅区(图13A中未明确示出)内具有临界切削深度Δ₁，如图13D所示。在所示实施方案中，DOCC1302e的内边缘和外边缘可以分别与径向坐标R₅和R₆相关。

每个DOCC1302均可基于切削元件1328和1329的切削边缘来配置，这些切削边缘可以与和每个DOCC1302相关的相应径向幅区相交，如以上相对于图8的DOCC802所公开。图13B-13E图示了钻头1301的临界切削深度控制曲线(如以下进一步详细描述)。临界切削深度控制曲线表明，由径向坐标R₁、R₂、R₃、R₄、R₅和R₆所界定的径向幅区的临界切削深度可以是基本均匀和恒定的。因此，图13B-13E表明，DOCC1302a、1302c和1302e可以对由半径R₁和半径R₆所界定的径向幅区提供组合切削深度控制，如图13E所示。

另外，与图12A的DOCC1202类似，可以将DOCC1302设置在刀片1326上以使得当钻头1301在处于或高于临界切削深度Δ₁处钻井时，由DOCC1302形成的侧向力可以基本平衡。在所示实施方案中，可以将DOCC1302a设置在刀片1326a上，可以将DOCC1302c设置在刀片1326c上，并且可以将DOCC1302e设置在刀片1326e上。可以将DOCC1302放置在相应刀片1326上，以使得DOCC1302以近似120度间隔开，从而使得由钻头1301的DOCC1302形成的侧向力更加均匀地平衡。因此，DOCC1302可以被配置成为位于界定成定位在径向坐标R₁与径向坐标R₆之间并且可以改进钻头1301的力平衡条件的径向幅区处的钻头1301提供基本恒定的切削深度控制。

可以对图13A-13E作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，虽然DOCC1302示为是基本圆形的，但DOCC1302可以被配置成具有任何合适形状，这取决于DOCC1302的设计约束和设计考虑。另外，虽然钻头1302包括特定数量的DOCC1302，但钻头1301可以包括或多或少的DOCC1302。例如，钻头1301可以包括以180度隔开的两个DOCC1302。另外，钻头1302可以包括被配置成为钻头1301的不同径向幅区提供不同临界切削深度的其它DOCC，如以下相对于图14A-14D中的DOCC1402所述。

图14A图示了包括被配置成控制钻头1401的切削深度的DOCC1402a、1402b、1402c、1402d、1402e和1402f的钻头1401的钻头端面。在所示实施方案中，DOCC1402a、1402c和1402e可以被配置成使得钻头1401在界定成位于第一径向坐标R₁与第二径向坐标R₂之间的径向幅区1408a内具有临界切削深度Δ₁，如图14A和14B所示。

另外，DOCC1402b、1402d和1402f可以被配置成使得钻头1401在界定成位于第三径向坐标R₃与第四径向坐标R₄之间的径向幅区1408b内具有临界切削深度Δ₂，如图14A和14C所示。因此，DOCC1402可以被配置成使得钻头1401对于径向幅区1408a具有第一临界切削深度Δ₁并且对于径向幅区1408b具有第二临界切削深度Δ₂，如图14A和14D所示。每个DOCC1402均可基于切削元件1428和1429的可以与相应径向幅区1408相交的切削边缘来配置，这些径向幅区与每个DOCC1402相关，如上所公开。另外，与图12A的DOCC1202和图13A的DOCC1302类似，可以将DOCC1402设置在刀片1426上以使得当钻头1401在处于或高于临界切削深度Δ1处钻井时，由DOCC1402形成的侧向力可以基本平衡。

因此，钻头1401可以包括DOCC1402，DOCC1402根据切削元件1428和1429的切削区域来配置。另外，如图14B-14D所示的临界切削深度控制曲线所示，DOCC1402a、1402c和1402e可以被配置成基于径向幅区1408a的第一所需临界切削深度来为径向幅区1408a处的钻头1401提供基本恒定的切削深度控制。另外的DOCC1402b、1402d和1402f可以被配置成基于径向幅区1408b的第二所需临界切削深度来为径向幅区1408b处的钻头1401提供基本恒定的切削深度控制。而且，还可以将DOCC1402定位在刀片1426上以改进钻头1401的力平衡条件。

可以对图14A-14D作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，虽然DOCC1402示为是基本圆形的，但DOCC1402可以被配置成具有任何合适形状，这取决于DOCC1402的设计约束和设计考虑。另外，虽然钻头1401包括特定数量的DOCC1402，但钻头1401可以包括或多或少的DOCC1402。

如上所述，可以将DOCC放置在钻头的多个刀片之一上以便为钻头的特定径向幅区提供恒定的切削深度控制。因此，可以实现用于放置DOCC的多个刀片之一的选择。图15A-15F图示了根据本公开的一些实施方案的可以用于选择用于放置DOCC的刀片的设计过程。

图15A图示了钻头1501的包括多个刀片1526的钻头端面，这些刀片可以包括被配置成对于径向幅区1508来说控制钻头1501的切削深度的DOCC。可以看出，刀片1526a、1526c、1526d、1526e和1526f可以各自与径向幅区1508相交以使得DOCC可以被放置在刀片1526a、1526c、1526d、1526e和1526f的任一者上以控制径向幅区1508处钻头1501的切削深度。然而，在某些情况下，并不是所有刀片都可以包括DOCC，因此可以确定在刀片1526a、1526c、1526d、1526e和1526f的哪一个上放置DOCC。

为了确定在刀片1526a、1526c、1526d、1526e和1526f的哪一个上放置DOCC，可以针对刀片1526a、1526c、1526d、1526e和1526f中的每一者确定截面线1510的轴向坐标、径向坐标和角坐标。可以基于位于径向幅区1508内的切削元件(未明确示出)的切削边缘和径向幅区1508的所需临界切削深度来确定每条截面线的坐标，这与相对于图8所述的截面线的坐标的确定(例如，确定截面线810的坐标)类似。例如，可以确定分别位于刀片1526a、1526c、1526d、1526e和1526f上的截面线1510a、1510c、1510d、1510e和1510f的轴向坐标、径向坐标和角坐标。

图15B-15F图示了分别介于界定径向幅区1508的第一径向坐标R₁与第二径向坐标R₂之间的截面线1510a、1510c、1510d、1510e和1510f的示例轴向坐标和径向坐标。图15B表明，截面线1510a的轴向曲率可以使用三个圆的曲率来近似。因此，放置在刀片1526a上的DOCC可以具有曲率可以利用适于截面线1510a的三条环形线来近似的表面。因此，可以使用三个半球形以形成这个DOCC。图15C表明，截面线1510c的轴向曲率可以使用两个圆来近似。因此，放置在刀片1526c上的DOCC可以具有曲率可以利用适于截面线1510c的三条环形线来近似的表面。因此，可以使用两个半球形以形成这个DOCC。图15D表明，截面线1510d的轴向曲率可以利用一个圆来近似。因此，放置在刀片1526d上的DOCC可以具有曲率可以利用适于截面线1510d的一条环形线来近似的表面。因此，可以使用一个半球形以形成这个DOCC。图15E表明，截面线1510e的轴向曲率可以利用两个圆来近似。因此，放置在刀片1526e上的DOCC可以具有曲率可以利用适于截面线1510e的三条环形线来近似的表面。因此，可以使用两个半球形以形成这个DOCC。另外，图15F表明，截面线1510f可以使用三条环形线来近似。因此，放置在刀片1526f上的DOCC可以具有曲率可以利用适于截面线1510f的三条环形线来近似的表面。

如图15B-15F所示，在某些情况下，可能有利的是将DOCC放置在刀片1526d上，因为放置在刀片1526d上的DOCC可以具有与放置在其它刀片1526上的DOCC相比可能更易于制造的简单表面。另外，在某些实施方案中，截面线1510d可以与可以紧靠在也位于刀片1526d上的切削元件(图15A中未明确示出)之后放置的DOCC(图15A中未明确示出)相关。另外，可以使截面线1510d的径向长度(在所示实施方案中，该径向长度可以等于R₂-R₁)完全定位在位于刀片1526d上的切削元件的切削区域内。在这样一种情况下，与截面线1526d相关的DOCC可以基于位于DOCC正前方的切削元件的切削边缘使用上述方法700来配置，这还可以简化钻头1501的设计。

然而，如果由DOCC形成的侧向不平衡力成为问题，那么在其它情况下可能希望将DOCC放置在刀片1526a、1526c和1526e的每一者上以使得DOCC以近似120度间隔开。因此，图15图示了可以如何确定DOCC在径向幅区1508内的位置以控制钻头1501沿径向幅区1508的切削深度，这取决于各个设计考虑。

可以对图15作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，刀片1526的数量、幅区1508的大小、可以与幅区1508基本相交的刀片的数量等可以根据本公开的其它实施方案发生变化。另外，截面线1510的轴向曲率可以根据钻头1501的各个设计约束和设计考虑发生变化。

图16A图示了钻头1601的包括DOCC1602a-i和DOCC1603a-f的钻头端面，这些DOCC被配置成控制钻头1601的切削深度。在所示实施方案中，DOCC1602a-i可以被配置成使得钻头1601在界定成位于第一径向坐标R₁与第二径向坐标R₂之间的径向幅区内具有临界切削深度Δ₁，如图16A和16B所示。另外，DOCC1603a-f可以被配置成使得钻头1601在界定成位于第三径向坐标R₃与第四径向坐标R₄之间的径向幅区内具有临界切削深度Δ₂，如图16A和16C所示。因此，DOCC1602和1603可以被配置成使得钻头1601对于第一径向幅区具有第一临界切削深度Δ₁并且对于第二径向幅区具有第二临界切削深度Δ₂。如图16B和16C所示，第二临界切削深度Δ₂可以大于第一临界切削深度Δ₁。DOCC1602和1603中的每一者可以基于切削元件1628和1629的可以与相应的第一径向幅区和第二径向幅区相交的切削边缘来配置，这些径向幅区与DOCC1602和1603中的每一者相关。与图12A的DOCC1202和图13A的DOCC1302类似，可以将DOCC1602和1603设置在刀片1626上以使得当钻头1601在处于或高于临界切削深度Δ1处钻井时，由DOCC1602和1603形成的侧向力可以基本平衡。

DOCC1602和1603可以进一步根据切削元件1628和1629的切削元件来配置。另外，如图16B所示的临界切削深度控制曲线所示，DOCC1602a-i可以被配置成基于由R₁和R₂所界定的第一径向幅区的第一所需临界切削深度来在该第一径向幅区处提供对钻头1601的基本恒定的切削深度控制。另外，如图16C所示的临界切削深度控制曲线所示，DOCC1603a-f可以被配置成基于由R₃和R₄所界定的第二径向幅区的第二所需临界切削深度来在该第二径向幅区处提供对钻头1601的基本恒定的切削深度控制。而且，还可以将DOCC1602和1603定位在刀片1626上以改进钻头1601的力平衡条件。例如，可以将DOCC1602定位在主刀片1626a、1626c和1626e上，可以使这些主刀片彼此隔开120度放置在钻头1601上。同样，可以将DOCC1603定位在次要刀片1626b、1626d和1626f上，可以使这些次要刀片彼此隔开120度放置在钻头1601上。这样，DOCC1602和1603可以遵循如以上参照图8A所述的“旋转对称规则”。

可以将DOCC1602定位在第一径向幅区内由R₁和R₂所界定的径向坐标处。同样，可以将DOCC1603定位在第二径向幅区内由R₃和R₄所界定的径向坐标处。如图16A-16C所示，由R₁和R₂所界定的径向幅区可以与由R₃和R₄所界定的径向幅区重叠。因此，DOCC1603的径向位置可以与DOCC1602的位置重叠。因此，DOCC1602和DOCC1603可以提供两步式切削深度控制，其中主要切削深度控制由DOCC1602提供并且备用切削深度控制由DOCC1603控制。这样的两步式切削深度控制可以通过在DOCC失效和/或切削元件磨损的情况下防止切削齿1628和1629过度接合来改进钻头1601的可靠性。例如，DOCC1603(其可提供临界切削深度Δ₂)可以在DOCC1602中的一者或多者失效的情况下充当DOCC1602(其可提供临界切削深度Δ₁)的备用物。初始备用临界切削深度Δ₂可以大于临界切削深度Δ₁，但当由R₃和R₄所界定的第二径向幅区内的切削元件开始磨损时，该第二径向幅区内的备用DOCC1603可以提供小于Δ₂的临界切削深度。

由R₁和R₂所界定的第一径向幅区(包括DOCC1602)和由R₃和R₄所界定的第二径向幅区(包括DOCC1603)可以以任何合适的量重叠，从而在DOCC失效的情况下可靠地维持钻头1601的稳定性。例如，第一径向幅区(由R₁和R₂界定)的重叠部分可以包括第一径向幅区的少数、多数或全部。另外，第二径向幅区(由R₃和R₄界定)的重叠部分可以包括第二径向幅区的少数、多数或全部。

可以对图16A-16C作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，虽然DOCC1602和DOCC1603示为是基本圆形的，但DOCC1602和DOCC1603可以被配置成具有任何合适形状，这取决于DOCC1602和DOCC1603的设计约束和设计考虑。另外，虽然钻头1601包括特定数量的DOCC1602和特定数量的DOCC1603，但钻头1601可以包括或多或少的DOCC1602和DOCC1603。

图17A图示了钻头1701的包括DOCC1702a-i、DOCC1703a-f和DOCC1704a-f的钻头端面，这些DOCC被配置成控制钻头1701的切削深度。在所示实施方案中，DOCC1702a-i可以被配置成使得钻头1701在界定成位于第一径向坐标R₁与第二径向坐标R₂之间的径向幅区内具有临界切削深度Δ₁，如图17A和17B所示。另外，DOCC1703a-f可以被配置成使得钻头1701在界定成位于第三径向坐标R₃与第四径向坐标R₄之间的径向幅区内具有临界切削深度Δ₂，如图17A和17C所示。另外，DOCC1704a-f可以被配置成使得钻头1701在界定成位于第五径向坐标R₅与第六径向坐标R₆之间的径向幅区内具有临界切削深度Δ₃，如图17A和17D所示。因此，DOCC1702、1703和1704可以被配置成使得钻头1701对于第一径向幅区具有第一临界切削深度Δ₁，对于第二径向幅区具有第二临界切削深度Δ₂，并且对于第三径向幅区具有第三临界切削深度Δ₃。如图17B-17D所示，第三临界切削深度Δ₃可以大于第二临界切削深度Δ₂，并且第二临界切削深度Δ₂可以大于第一临界切削深度Δ₁。每个DOCC1702、每个DOCC1703和每个DOCC1704均可基于切削元件1728和1729的可以与相应的第一、第二和第三径向幅区相交的切削边缘来配置，这些径向幅区可以与每个DOCC1702、每个DOCC1703和每个DOCC1704相关，如上所公开。与图12A的DOCC1202、图13A的DOCC1302类似，可以将DOCC1702、1703和1704设置在刀片1726上以使得当钻头1701分别在处于或高于临界切削深度Δ1、Δ2和Δ3处钻井时，由DOCC1702、1703和1704形成的侧向力可以基本平衡。

钻头1701可以包括根据切削元件1728和1729的切削区域来配置的DOCC1702、DOCC1703和DOCC1704。另外，如图17B-17D所示的临界切削深度控制曲线所示，DOCC1702a-i可以被配置成基于由R₁和R₂所界定的第一径向幅区的第一所需临界切削深度来在该第一径向幅区处提供对钻头1701的基本恒定的切削深度控制。另外，DOCC1703a-f可以被配置成基于由R₃和R₄所界定的第二径向幅区的第二所需临界切削深度来在该第二径向幅区处提供对钻头1701的基本恒定的切削深度控制。另外，DOCC1704a-f可以被配置成基于由R₅和R₆所界定的第三径向幅区的第三所需临界切削深度来在该第三径向幅区处提供对钻头1701的基本恒定的切削深度控制。而且，还可以将DOCC1702、1703和1704定位在刀片1726上以改进钻头1701的力平衡条件。例如，可以将DOCC1702定位在主刀片1726a、1726d和1726g上，可以使这些主刀片彼此隔开120度放置在钻头1701上。另外，可以将DOCC1703定位在次要刀片1726b、1726e和726h上，可以使这些次要刀片彼此隔开120度放置在钻头1701上。同样，可以将DOCC1704定位在次要刀片1726c、1726f和1726i上，可以使这些次要刀片彼此隔开120度放置在钻头1701上。这样，DOCC1702、1703和1604可以遵循如以上相对于图8A所述的“旋转对称规则”。

可以将DOCC1702定位在第一径向幅区内由R₁和R₂所界定的径向坐标处。另外，可以将DOCC1703定位在第二径向幅区内由R₃和R₄所界定的径向坐标处。同样，可以将DOCC1704定位在第三径向幅区内由R₅和R₆所界定的径向坐标处。如图17A-17D所示，第一径向幅区、第二径向幅区和/或第三径向幅区可以彼此重叠。因此，DOCC1702的径向位置可以与DOCC1703和DOCC1704的相应径向位置重叠。因此，DOCC1702、DOCC1703和DOCC1704可以提供三步式切削深度控制，其中主要切削深度控制由DOCC1702提供，备用切削深度控制由DOCC1703控制，并且另一个备用切削深度控制由DOCC1704提供。这样的三步式切削深度控制可以通过在DOCC失效和/或切削元件磨损的情况下防止切削齿1728和1729过度接合来改进钻头1701的可靠性。例如，DOCC1703(其可提供临界切削深度Δ₂)可以在一个或多个DOCC1702失效的情况下充当DOCC1702(其可提供临界切削深度Δ₁)的备用物。初始备用临界切削深度Δ₂可以大于临界切削深度Δ₁，但当第二径向幅区开始磨损时，由R₃和R₄所界定的第二径向幅区内的备用DOCC1703可以提供小于Δ₂的临界切削深度。另外，DOCC1704(其可提供临界切削深度Δ₃)可以在DOCC1702和/或DOCC1703中的一者或多者失效的情况下充当DOCC1702和DOCC1703二者的备用物。初始备用临界切削深度Δ₃可以大于备用临界切削深度Δ₂，但当第三径向幅区内的切削元件开始磨损时，由R₅和R₆所界定的第三径向幅区内的备用DOCC1704可以提供小于Δ₃的临界切削深度。

由R₁和R₂界定的第一径向幅区(包括DOCC1702)、由R₃和R₄界定的第二径向幅区(包括DOCC1703)和由R₅和R₆界定的第三径向幅区(包括DOCC1704)可以以任何合适的量重叠，从而在DOCC失效的情况下可靠地维持钻头1701的稳定性。例如，第一径向幅区(由R₁和R₂界定)与第二径向幅区(由R₃和R₄界定)和/或第三径向幅区(由R₅和R₆界定)重叠的部分可以包括第一径向幅区的少数、多数或全部。此外，第二径向幅区与第一径向幅区和/或第三径向幅区重叠的部分可以包括第二径向幅区的少数、多数或全部。另外，第三径向幅区与第一径向幅区和/或第二径向幅区重叠的部分可以包括第三径向幅区的少数、多数或全部。

可以对图17A-17C作出修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，虽然DOCC1702和DOCC1703示为是基本圆形的，但DOCC1702和DOCC1703可以被配置成具有任何合适形状，这取决于DOCC1702和DOCC1703的设计约束和设计考虑。另外，虽然钻头1701包括特定数量的DOCC1702和特定数量的DOCC1703，但钻头1701可以包括或多或少的DOCC1702和DOCC1703。

虽然本公开已通过若干实施方案进行了描述，但本领域技术人员建议进行各种变化和修改。例如，虽然本公开描述了刀片和DOCC相对于钻头的配置，但可以使用相同的原理以控制根据本公开的任何合适钻井工具的切削深度。本公开意欲包含落在所附权利要求的范围内的此类变化和修改。

Claims

1.一种配置钻头的切削深度控制器(DOCC)的方法，所述方法包括：

确定与钻头的钻头端面相关的第一径向幅区的主切削深度，所述第一径向幅区与所述钻头端面的第一区域相关；

基于所述第一径向幅区的所述主切削深度来将主切削深度控制器(DOCC)配置成放置在所述钻头端面上在所述第一径向幅区内；

确定与所述钻头的所述钻头端面相关的第二径向幅区的备用切削深度，所述第二径向幅区与所述钻头端面的第二区域相关，所述第二区域与所述钻头端面的与所述第一径向幅区相关的所述第一区域重叠；以及

基于所述第二径向幅区的所述备用切削深度来将备用DOCC配置成放置在所述钻头端面上在所述第二径向幅区内。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

基于所述第一径向幅区的所述第一主切削深度来将多个主DOCC配置成放置在所述钻头的所述钻头端面上在所述第一径向幅区内；以及

基于所述第二径向幅区的所述第二切削深度来将多个备用DOCC配置成放置在所述钻头的所述钻头端面上在所述第二径向幅区内。

3.如权利要求2所述的方法，其中：

将所述多个主DOCC配置成放置在所述钻头端面上在多个主刀片上的第一多个位置处；以及

将所述多个备用DOCC配置成放置在所述钻头端面上在多个次要刀片上的第二多个位置处。

4.如权利要求2所述的方法，所述方法还包括将所述多个主DOCC配置成使得与所述多个主DOCC相关的所述钻头的侧向力基本平衡。

5.如权利要求4所述的方法，所述方法还包括将所述多个备用DOCC配置成使得与所述多个备用DOCC相关的所述钻头的侧向力基本平衡。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述备用切削深度大于所述主切削深度。

7.一种配置钻头的切削深度控制器(DOCC)的方法，所述方法包括：

确定与所述钻头的所述钻头端面相关的第二径向幅区的第一备用切削深度，所述第二径向幅区与所述钻头端面的第二区域相关，所述第二区域与所述钻头端面的与所述第一径向幅区相关的所述第一区域重叠；

基于所述第二径向幅区的所述备用切削深度来将第一备用DOCC配置成放置在所述钻头端面上在所述第二径向幅区内；

确定与所述钻头的所述钻头端面相关的第三径向幅区的第二备用切削深度，所述第三径向幅区与所述钻头端面的第三区域相关，所述第三区域与所述钻头端面的与所述第一径向幅区相关的所述第一区域以及与所述钻头端面的与所述第二径向幅区相关的所述第二区域重叠；以及

基于所述第三径向幅区的所述备用切削深度来将第二备用DOCC配置成放置在所述钻头端面上在所述第三径向幅区内。

8.如权利要求7所述的方法，所述方法还包括：

基于所述第二径向幅区的所述第二切削深度来将第一多个备用DOCC配置成放置在所述钻头的所述钻头端面上在所述第二径向幅区内；

基于所述第三径向幅区的所述第三切削深度来将第二多个备用DOCC配置成放置在所述钻头的所述钻头端面上在所述第三径向幅区内。

9.如权利要求8所述的方法，所述方法还包括：

将所述多个主DOCC配置成放置在所述钻头的多个主刀片上；

将所述第一多个备用DOCC配置成放置在所述钻头的第一多个次要刀片上；以及

将所述第二多个备用DOCC配置成放置在所述钻头的第二多个次要刀片上。

10.如权利要求8所述的方法，所述方法还包括将所述多个主DOCC配置成使得与所述多个主DOCC相关的所述钻头的侧向力基本平衡。

11.如权利要求10所述的方法，所述方法还包括将所述第一多个备用DOCC配置成使得与所述多个备用DOCC相关的所述钻头的侧向力基本平衡。

12.如权利要求10所述的方法，所述方法还包括将所述第二多个备用DOCC配置成使得与所述第二多个备用DOCC相关的所述钻头的侧向力基本平衡。

13.如权利要求8所述的方法，其中：

所述第一备用切削深度大于所述主切削深度。

所述第二备用切削深度大于所述第一备用切削深度。

14.一种钻头，所述钻头包括：

钻头本体，所述钻头本体具有延伸穿过其中的旋转轴线；

多个刀片，所述多个刀片设置在所述钻头本体上以形成钻头端面；

多个切削元件，所述多个切削元件各自设置在所述多个刀片之一上；

设置在所述多个刀片之一上的主切削深度控制器(DOCC)，所述主DOCC被配置成控制与所述钻头的所述钻头端面相关的第一径向幅区的主切削深度，所述第一径向幅区与所述钻头端面的第一区域相关；以及

设置在所述多个刀片的第二刀片上的备用DOCC，所述备用DOCC被配置成控制与所述钻头的所述钻头端面相关的第二径向幅区的备用切削深度，所述第二径向幅区与所述钻头端面的所述钻头端面区域的第二区域相关，所述第二区域与所述钻头端面的与所述第一径向幅区相关的所述第一区域重叠。

15.如权利要求14所述的钻头，其中所述备用切削深度大于所述主切削深度。

16.如权利要求14所述的钻头，其中：

所述多个刀片包括多个主刀片和多个次要刀片；

多个主DOCC设置在所述多个主刀片上；以及

多个备用DOCC设置在所述多个次要刀片上。

17.如权利要求14所述的钻头，其中：

多个主DOCC基于所述第一径向幅区的所述主切削深度设置在所述第一径向幅区内；以及

多个备用DOCC基于所述第二径向幅区的所述第二切削深度设置在所述第二径向幅区内。

18.如权利要求17所述的钻头，其中：

所述多个主DOCC被配置成使得与所述多个主DOCC相关的所述钻头的侧向力基本平衡；以及

所述多个备用DOCC被配置成使得与所述多个备用DOCC相关的所述钻头的侧向力基本平衡。

19.一种钻头，所述钻头包括：

钻头本体，所述钻头本体具有延伸穿过其中的旋转轴线；

多个切削元件，所述多个切削元件各自设置在所述多个刀片之一上

设置在所述多个刀片之一上的主切削深度控制器(DOCC)，所述第一DOCC被配置成控制与所述钻头的所述钻头端面相关的第一径向幅区的主切削深度，所述第一径向幅区与所述钻头端面的第一区域相关；以及

设置在所述多个刀片的第二刀片上的第一备用DOCC，所述第一备用DOCC被配置成控制与所述钻头的所述钻头端面相关的第二径向幅区的第一备用切削深度，所述第二径向幅区与所述钻头端面的第二区域相关，所述第二区域与所述钻头端面的与所述第一径向幅区相关的所述第一区域重叠；

设置在所述多个刀片的第三刀片上的第二备用DOCC，所述第二备用DOCC被配置成控制与所述钻头的所述钻头端面相关的第三径向幅区的第二备用切削深度，所述第三径向幅区与所述钻头端面的第三区域相关，所述第三区域与所述钻头端面的与所述第一径向幅区相关的第一区域和所述钻头端面的与所述第二径向幅区相关的所述第二区域重叠。

20.如权利要求19所述的钻头，其中：

所述第二备用切削深度大于所述第一备用切削深度；以及

所述第一备用切削深度大于所述主切削深度。

21.如权利要求19所述的钻头，其中：

所述多个刀片包括多个主刀片、第一多个次要刀片和第二多个次要刀片；

多个主DOCC设置在所述多个主刀片上；

第一多个备用DOCC设置在所述第一多个次要刀片上；以及

第二多个备用DOCC设置在所述第二多个次要刀片上。

22.如权利要求19所述的钻头，其中：

多个主DOCC基于所述第一径向幅区的所述主切削深度设置在所述第一径向幅区内；

第一多个备用DOCC基于所述第二径向幅区的所述第一备用切削深度设置在所述第二径向幅区内；以及

第二多个备用DOCC基于所述第三径向幅区的所述第二备用切削深度设置在所述第三径向幅区内。

23.如权利要求22所述的钻头，其中：

所述多个主DOCC被配置成使得与所述多个主DOCC相关的所述钻头的侧向力基本平衡；

所述多个备用DOCC被配置成使得与所述多个备用DOCC相关的所述钻头的侧向力基本平衡；以及

所述第二多个备用DOCC被配置成使得与所述第二多个备用DOCC相关的所述钻头的侧向力基本平衡。