CN106460461A - 用于防止切削元件的衬底接触地层的方法和钻头设计 - Google Patents

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CN106460461A CN201480078947.2A CN201480078947A CN106460461A CN 106460461 A CN106460461 A CN 106460461A CN 201480078947 A CN201480078947 A CN 201480078947A CN 106460461 A CN106460461 A CN 106460461A
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Abstract

根据本公开的一些实施方案，一种设计钻头的方法包括：确定所述钻头的多个径向坐标处的多个切削元件在钻头上的放置。所述方法进一步包括：针对每一切削元件的衬底确定基于衬底的临界切削深度；以及基于每一径向坐标处的所述基于衬底的临界切削深度来产生基于衬底的临界切削深度控制曲线。所述方法还包括：比较所述基于衬底的临界切削深度控制曲线与所述阈值临界切削深度控制曲线；以及在所述基于衬底的临界切削深度控制曲线小于或等于所述阈值临界切削深度控制曲线的情况下在径向坐标处调整钻头设计参数。

Description

用于防止切削元件的衬底接触地层的方法和钻头设计
技术领域
本公开总体上涉及井下钻井工具，并且更具体来说涉及设计钻井工具以防止切削元件的衬底在钻井期间接触地下底层的系统和方法。
发明背景
各种类型的工具用来在地下底层中形成井筒以用于回收烃，例如处于地表下方的油气。这类工具的实例包括旋转钻头、开孔器、扩孔器和取心钻头。旋转钻头包括但不限于固定刀具钻头，例如聚晶金刚石复合片(PDC)钻头、刮刀钻头、基体钻头、凿岩钻头和牙轮钻头。固定刀具钻头通常包括多个刀片，所述多个刀片各具有多个切削元件，例如PDC钻头上的PDC切削元件。
钻头的切削元件可被配置来切进地下地层中并可包括主切削元件、备用切削元件、辅助切削元件或其任何组合。切削元件可包括衬底，其中一层硬切削材料被设置在每一衬底的一端上。切削元件的硬切削层可提供可与地下地层的邻近部分接合的切削表面以在钻井期间形成井筒。钻井工具还可包括一个或多个切削深度控制器(DOCC)，所述一个或多个切削深度控制器被配置来控制钻井工具的切削元件切进地下地层中的量。
附图简述
为了更完全地理解本公开和其特征与优点，现结合附图来参考以下描述，在附图中：
图1示出根据本公开的一些实施方案的钻井系统的示例性实施方案的立视图；
图2示出根据本公开的一些实施方案的以通常用来建模或设计固定刀具钻头的方式向上定向的旋转钻头的等距视图；
图3A以截面图和立视图示出其中局部剖视的图式，其示出根据本公开的一些实施方案的穿过第一井下地层并去往邻近第二井下地层中钻出井筒的图2的钻头；
图3B示出表示根据本公开的一些实施方案的钻头的刀片的截面视图的刀片轮廓；
图4A-图4D示出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示出根据本公开的一些实施方案的可被设计和制造以提供改善的切削深度控制的钻头的面；
图5B示出根据本公开的一些实施方案的图5A的钻头的切削元件的沿钻头的钻头轮廓的位置；
图6A示出具有切削区域的切削元件的钻头面轮廓的曲线图，所述切削区域具有可受根据本公开的一些实施方案设计的切削深度控制器(DOCC)控制的切削深度；
图6B示出根据本公开的一些实施方案的在图6A的钻头面轮廓中示出的钻头面的曲线图；
图6C示出根据本公开的一些实施方案设计的图6A的DOCC；
图7示出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的示例性方法的流程图；
图8A示出根据本公开的一些实施方案配置的具有DOCC的钻头的面；
图8B示出根据本公开的一些实施方案的在图8A中示出的钻头面的钻头面轮廓的曲线图；
图8C示出根据本公开的一些实施方案的被配置以使得DOCC可将钻头的切削深度控制为所需切削深度的截面线的轴向坐标和曲率的实例；
图8D示出根据本公开的一些实施方案的图8A-图8C的钻头的临界切削深度控制曲线；
图9A和图9B示出根据本公开的一些实施方案的用于配置DOCC的示例性方法的流程图；
图10A示出根据本公开的一些实施方案的钻头的面，针对其可确定临界切削深度控制曲线(CDCCC)；
图10B示出根据本公开的一些实施方案的在图10A中描绘的钻头的钻头面轮廓；
图10C示出根据本公开的一些实施方案的用于钻头的临界切削深度控制曲线；以及
图11示出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性方法；
图12A示出根据本公开的一些实施方案的钻头的刀片上的切削元件的示例性定向；
图12B示出根据本公开的一些实施方案的在图12A中描绘的切削元件的侧视图；
图12C示出根据本公开的一些实施方案的在图12A中描绘的切削元件的底视图；
图13示出根据本公开的一些实施方案的具有衬底的切削元件的轮廓；
图14A示出根据本公开的一些实施方案的钻头的面，针对其可确定基于衬底的临界切削深度控制曲线(SCDCCC)；
图14B示出根据本公开的一些实施方案的在图14A中描绘的钻头的钻头面轮廓；以及
图15示出根据本公开的一些实施方案的用于确定和产生临界切削深度控制曲线的示例性方法。
具体实施方式
本公开的系统和方法涉及计算钻头的基于衬底的临界切削深度以便确保钻头上的切削元件的衬底在井筒的钻井期间不接触地层(包括但不限于岩石、泥土、砂和/或页岩)。在本公开中，公开一种用于计算基于衬底的临界切削深度的方法，其中切削元件的衬底将在所述基于衬底的临界切削深度处在钻井期间接触地层。这个基于衬底的临界切削深度可例如与基于DOCC的临界切削深度比较以确定切削元件的衬底是否可在DOCC之前接触地层。根据对钻头上的任何径向位置的确定，其中切削元件的衬底可在所述任何径向位置处在钻井期间接触地层，各种钻头设计参数(例如，刀具密度、DOCC密度和切削元件的后倾角和/或侧倾角)可被修改以防止切削元件的衬底在井筒的钻井期间接触地层。
通过参考图1至图15最好地理解本公开的实施方案和其优点，各图中相同编号用于指示相同和对应部分。
图1示出根据本公开的一些实施方案的钻井系统100的示例性实施方案的立视图。钻井系统100可包括井表面或井场106。各种类型的钻井设备，例如旋转台、钻井液泵和钻井液罐(未明确示出)可定位于井表面或井场106。例如，井场106可包括钻机102，所述钻机102可具有与“陆地钻机”相关联的各种特性和特征。然而，并入有本公开的教导的井下钻井工具可令人满意地与钻井装备一起使用，所述钻井装备定位在海上平台、钻井船、半潜式装置和钻井驳船(未明确示出)上。
钻井系统100还可包括与钻头101相关联的钻柱103，钻柱103可用来形成多种井筒或井眼，例如大体竖直的井筒114a或大体水平的井筒114b或其任何组合。各种定向钻井技术和钻柱103的井底钻具组件(BHA)120的相关联部件可用来形成水平井筒114b。例如，侧向力可在邻近造斜位置113处施加于BHA 120以形成从大体竖直的井筒114a延伸的大体水平的井筒114b。术语“定向钻井”可用来描述钻出相对于竖直面以一个或多个所需角度延伸的井筒或井筒的一部分。所需角度可大于与竖直井筒相关联的标准变化。定向钻井还可被描述为钻出偏离竖直面的井筒。术语“水平钻井”可用来包括在与竖直面成约九十度(90°)的方向上钻井。
BHA 120可由被配置来形成井筒114的多种部件形成。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)，取心钻头、钻铤、旋转导向工具、定向钻井工具、井下钻井马达、扩孔器、井眼扩大器或稳定器。被包括在BHA 120中的部件122的数量和类型可取决于所预测的井下钻井条件和将由钻柱103和旋转钻头101形成的井筒的类型。BHA 120还可包括各种类型的测井工具(未明确示出)和与井筒的定向钻井相关联的其他井下工具。测井工具和/或定向钻井工具的实例可包括但不限于声学、中子、γ射线、密度、光电、核磁共振、旋转导向工具和/或任何其他可商购的井工具。此外，BHA 120还可包括旋转驱动(未明确示出)，所述旋转驱动连接至部件122a、122b和122c并与部件122a、122b和122c一起旋转钻柱103的至少一部分。
井筒114可部分地由套管柱110限定，所述套管柱110可从井表面106延伸至所选井下位置。如在图1中所示，井筒114的不包括套管柱110的部分可被描述为“裸井”。各种类型的钻井液可通过钻柱103至附接的钻头101从井表面106泵出。钻井液可被引导来从钻柱103流至穿过旋转钻头101的相应喷嘴(在图2中描绘为喷嘴156)。钻井液可通过部分地由钻柱103的外径112与井筒114a的内径118限定的环空108循环返回到井表面106。内径118可被称为井筒114a的“侧壁”。环空108也可由钻柱103的外径112与套管柱110的内径111限定。裸井环空116可被限定为侧壁118和外径112。
钻井系统100还可包括旋转钻头(“钻头”)101。在图2中进一步详细讨论的钻头101可包括一个或多个刀片126，所述刀片126可从钻头101的旋转钻头体124的外部部分向外设置。刀片126可以是从旋转钻头体124向外延伸的任何适合类型的突出。钻头101可在由方向箭头105限定的方向上相对于钻头旋转轴104旋转。刀片126可包括从每一刀片126的外部部分向外设置的一个或多个切削元件128。刀片126还可包括被配置来控制切削元件128的切削深度的一个或多个切削深度控制器(未明确示出)。刀片126可进一步包括设置在刀片126上的一个或多个保径垫(未明确示出)。钻头101可根据本公开的教导来设计和形成，并可根据钻头101的特定应用而具有许多不同设计、配置和/或尺寸。
切削元件128在钻头101和/或其他井下钻井工具上的配置也可有助于钻头的钻井效率。切削元件128可根据两个一般原理布局：单一布置(single-set)和分轨布置(track-set)。在单一布置配置中，钻头101上的切削元件128中的每一者可具有相对于钻头旋转轴104的唯一径向位置。在分轨布置配置中，钻头101的切削元件128中的至少两者可具有相对于钻头旋转轴104的相同径向位置。在一些实施方案中，分轨布置切削元件可定位在钻头的不同刀片上。在其他实施方案中，分轨布置切削元件可定位在同一刀片上。具有布局在单一布置配置中的切削元件的钻头可比具有分轨布置配置的钻头更有效率地钻井，而具有布局在分轨布置配置中的切削元件的钻头可比具有单一布置配置的钻头更稳定。
在钻进不同类型的地质地层中的同时，可能有利的是控制钻头切进地质地层中的量，以便减少在钻头的切削元件上的磨损，防止不均匀切进地层中，增强对机械钻速的控制，减少工具振动，等等。同样可能有利的是控制钻头的设计以防止切削元件的衬底而非切削元件的硬切削层在钻井期间接触地层。
如下文进一步详细公开的并且根据本公开的一些实施方案，钻头上的切削元件和其他元件(例如，DOCC)可被配置为以使得钻头的切削元件的衬底不在钻井期间接触地层。因此，根据本公开所设计的钻头可防止与钻头设计相关联的过量摩擦、刀具损失和不稳定的钻头行进，由此切削元件的一个或多个衬底在井筒的钻井期间接触地层。
图2示出根据本公开的一些实施方案的以通常用来建模或设计固定刀具钻头的方式向上定向的旋转钻头101的等距视图。钻头101可以是可操作来形成延伸穿过一个或多个井下地层的井筒(例如，图1所示井筒114)的各种类型的旋转钻头中的任何者，包括固定刀具钻头、聚晶金刚石复合片(PDC)钻头、刮刀钻头、基体钻头和/或钢体钻头。钻头101可根据本公开的教导来设计和形成，并可根据钻头101的特定应用而具有许多不同设计、配置和/或尺寸。
钻头101可包括一个或多个刀片126(例如，刀片126a-126g)，所述刀片126可从钻头101的旋转钻头体124的外部部分向外设置。刀片126可以是从旋转钻头体124向外延伸的任何适合类型的突出。例如，刀片126的一部分可直接地或间接地耦接至钻头主体124的外部部分，而刀片126的另一部分可远离钻头主体124的外部部分突出。根据本公开的一些实施方案形成的刀片126可具有多种配置，包括但不限于基本拱形、大体螺旋状、盘旋状、锥形、会聚式、发散式、对称的和/或非对称的。在一些实施方案中，一个或多个刀片126可具有从钻头101的邻近旋转轴104延伸的基本拱形配置。拱形配置可部分地由从接近钻头旋转轴104延伸的大体凹陷的、凹入成形的部分限定。拱形配置还可部分地由设置在每一刀片的凹陷的、凹入部分与外部部分之间的大体凸出的、向外弯曲的部分限定，所述外部部分大体上与旋转钻头的外径相对应。
刀片126中的每一者可包括邻近或朝向钻头旋转轴104设置的第一末端以及邻近或朝向钻头101的外部部分设置(例如，大体远离钻头旋转轴104并且朝向钻头101的井上部分设置)的第二末端。术语“井上”和“井下”可用来描述图1中示出的钻探系统100的各种部件相对于井筒114的底部或末端的位置。例如，被描述为从第二部件井上的第一部件可比第二部件更加远离井筒114的末端。类似地，被描述为从第二部件井下的第一部件可定位成比第二部件更加靠近井筒114的末端。
刀片126a-126g可包括围绕钻头旋转轴设置的主刀片。例如，刀片126a、126c和126e可以是主刀片或主要刀片，因为刀片126a、126c和126e中的每一者的相应第一末端141可紧密相邻于钻头101的钻头旋转轴104设置。在一些实施方案中，刀片126a-126g还可包括设置在主刀片之间的至少一个辅助刀片。在所例示的实施方案中，钻头101上的刀片126b、126d、126f和126g可以是辅助刀片或次要刀片，因为相应第一末端141可距离相关联的钻头旋转轴104一段距离地设置在钻头101的井下末端151上。主刀片和辅助刀片的数量和位置可变化以使得钻头101包括更多或者更少的主刀片和辅助刀片。刀片126可相对于彼此和钻头旋转轴104对称地或非对称地设置，其中刀片126的位置可基于钻井环境的井下钻井条件。在一些实施方案中，刀片126和钻头101可在由方向箭头105限定的方向上围绕旋转轴104旋转。
刀片126中的每一者可具有位于钻头101的旋转方向上的相应引导表面或前表面130以及远离钻头101的旋转方向与引导表面130相对定位的尾随表面或背表面132。在一些实施方案中，刀片126可沿钻头体124定位以使得它们具有相对于钻头转动轴104的盘旋状配置。在其他实施方案中，刀片126可以大体平行的配置相对于彼此和钻头旋转轴104沿钻头体124定位。
刀片126可包括从每一刀片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的一部分可直接或间接耦接至刀片126的外部部分，而切削元件128的另一部分可远离刀片126的外部部分突出。通过实例的方式而非进行限制，切削元件128可以是适用于与多种钻头101一起使用的各种类型的刀具、压缩件、按钮、插入件和保径刀具。尽管图2示出刀片126上的两行切削元件128，但根据本公开的一些实施方案设计和制造的钻头可具有一行切削元件或多于两行的切削元件。
切削元件128可以是被配置来切进地层中的任何适合的装置，包括但不限于主切削元件、备用切削元件、辅助切削元件或其任何组合。切削元件128可包括相应衬底164，其中一层硬切削材料(例如，切削台162)设置在每一相应衬底164的一端上。切削元件128的硬层可提供可与井下地层的邻近部分接合的切削表面以形成井筒114，如图1所示。切削表面与地层的接触可形成与切削元件128中的每一者相关联的切削区域，如相对于图4A-图4D进一步详细描述的。切削表面的定位在切削区域内的边缘可被称为切削元件128的切削边缘。
切削元件128的每一衬底164可具有各种配置，并可由与形成用于旋转钻头的切削元件相关联的碳化钨或其他适合材料形成。碳化钨可包括但不限于碳化一钨(WC)、碳化二钨(W2C)、大结晶碳化钨和凝结或烧结碳化钨。衬底也可使用其他硬材料形成，所述硬材料可包括各种金属合金和水泥，例如金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物和金属氮化物。对于一些应用来说，硬切削层可由与衬底实质上相同的材料形成。在其他应用中，硬切削层可由与衬底不同的材料形成。用来形成硬切削层的材料的实例可包括多晶金刚石材料，包括合成的多晶金刚石。刀片126可包括可被配置来接收切削元件128的凹部或钻头凹窝166。例如，钻头凹窝166可以是位于刀片126上的凹形切口。
在一些实施方案中，刀片126还可包括被配置来控制切削元件128的切削深度的一个或多个切削深度控制器(DOCC)(未明确示出)。DOCC可包括冲击制动器、备用或第二层切削元件和/或改性金刚石加强(MDR)。刀片126、切削元件128和DOCC(未明确示出)的外部部分可形成钻头面的部分。
刀片126可进一步包括设置在刀片126上的一个或多个保径垫(未明确示出)。保径垫可以是设置在刀片126的外部部分上的保径、保径分段或保径部分。保径垫可接触由钻头101形成的井筒(例如，如图1所示井筒114)的邻近部分。刀片126的外部部分和/或相关联的保径垫可以相对于大体竖直的井筒114a的邻近部分的各种角度(例如，正、负和/或平行)设置。保径垫可包括一或多层的表面硬化材料。
钻头101的井上末端150可包括具有形成在其上的钻杆螺纹155的柄部152。螺纹155可用来使钻头101与BHA 120可释放地接合，由此钻头101可相对于钻头旋转轴104旋转。钻头101的井下末端151可包括具有设置在其间的相应排屑槽或流体流动路径140的多个刀片126a-126g。另外，钻探液可连通至一个或多个喷嘴156。
钻头操作可以与钻孔深度有关的每转的切削深度来表示。每转的切削深度，或“切削深度”可通过机械钻速(ROP)和每分钟转数(RPM)确定。ROP可表示在钻头101旋转时移除的地层量并可用ft/hr的单位表示。此外，RPM可表示钻头101的转速。例如，用来钻地层的钻头101可以约120RPM旋转。实际切削深度(Δ)可表示切削元件在钻头101旋转期间切进地层中的深度的量度。因此，实际切削深度可使用以下方程式表示为实际ROP与RPM的函数：
Δ＝ROP/(5*RPM)。
实际切削深度可具有in/rev的单位。
钻头101的机械钻速(ROP)通常是钻压(WOB)与每分钟转数(RPM)两者的函数。钻柱103可将重量施加于钻头101并还可围绕旋转轴104旋转钻头101以形成井筒114(例如，井筒114a或井筒114b)。对于一些应用而言，井下马达(未明确示出)可被提供为BHA 120的一部分以便也旋转钻头101。在一些实施方案中，钻头101的钻井效率可取决于切削元件128或刀片126的位置或配置。因此，井下钻井工具模型可考虑到钻头101的切削元件128、刀片126或其他部件的位置、定向和配置以便建模井下钻井工具与地层的相互作用。
图3A以截面图和立视图示出其中局部剖视的图式，其示出根据本公开的一些实施方案的穿过第一井下地层并去往邻近第二井下地层中钻出井筒的图2的钻头101。刀片的外部部分(未明确示出)和切削元件128可以可旋转地突出到径向平面上以便形成钻头面轮廓200。在所示出的实施方案中，在与井下地层层面204相比较时，地层层面202可被描述为“较松软”或“硬度较小”。如在图3A中所示，钻头101的与井下地层的邻近部分接触的外部部分可被描述为“钻头面”。钻头101的钻头面轮廓200可包括各种区域或分段。由于钻头面轮廓200的旋转突出，钻头面轮廓200可围绕钻头旋转轴104基本对称，以使得旋转轴104的一侧上的区域或分段可实质上类似于位于旋转轴104的相对侧上的区域或分段。
例如，钻头面轮廓200可包括相对保径区域206b定位的保径区域206a、相对肩状区域208b定位的肩状区域208a、相对鼻状区域210b定位的鼻状区域210a和相对椎体区域212b定位的椎体区域212a。包括在每一区域中的切削元件128可被称为那个区域的切削元件。例如，包括在保径区域206中的切削元件128g可被称为保径切削元件，包括在肩状区域208中的切削元件128s可被称为肩状切削元件，包括在鼻状区域210中的切削元件128n可被称为鼻状切削元件，并且包括在锥体区域212中的切削元件128c可被称为锥体切削元件。
锥体区域212可在钻头101的每一刀片(例如，如图1所示刀片126)的外部部分上相邻于钻头旋转轴104并且从钻头转动轴104延伸出来形成。鼻状区域210可以是大体凸出的并且可在钻头101的每一刀片的外部部分上相邻于每一锥体区域212并且从每一锥体区域212延伸形成。肩状区域208可在每一刀片126的外部部分上从相应鼻状区域210延伸形成并且可邻近于相应保径区域206终止。如图3A所示，钻头面轮廓200的面积可取决于与钻头面轮廓200的区域或分段相关联的截面积而不取决于切削元件总数、刀片总数或每个切削元件的切削面积。
图3B示出表示根据本公开的一些实施方案的钻头101的刀片126的截面视图的刀片轮廓300。刀片轮廓300包括椎体区域212、鼻状区域210、肩状区域208及保径区域206，如上文相对于图2描述的。椎体区域212、鼻状区域210、肩状区域208及保径区域206可相对于旋转轴104和水平参考线301基于它们沿刀片126的位置，水平参考线301在垂直于旋转轴104的平面中指示与旋转轴104的一段距离。图3A与图3B的比较示出图3B的刀片轮廓300相对于图3A的钻头面轮廓200颠倒。
刀片轮廓300可包括内区302和外区304。内区302可从旋转轴104向外延伸至鼻状点311。外区304可从鼻状点311延伸至刀片126的末端。鼻状点311可在刀片轮廓300上定位在鼻状区域210内，鼻状点311具有如通过钻头旋转轴104(竖直轴)从参考线301(水平轴)测量的最大高程。图3B中的曲线图上的对应于旋转轴104的坐标可被称为轴向坐标或位置。图3B中的曲线图上的对应于参考线301的坐标可被称为径向坐标或径向位置，所述径向坐标或径向位置可指示在通过旋转轴104的径向平面中从旋转轴104正交延伸的距离。例如，在图3B中，旋转轴104可沿z轴置位，并且参考线301可指示从旋转轴104正交延伸至可被定义为ZR平面的径向平面上的点的距离(R)。
图3A和图3B仅用于例示性目的，并且可在不脱离本公开范围的情况下对图3A和图3B做出修改、添加或省略。例如，各种区域的相对于钻头面轮廓的实际位置可变化并且可能不完全如所描绘的一样。
图4A-图4D示出沿刀片400设置的各种切削元件402的切削边缘406和切削区域404，如通过井下钻井工具模型所建模的。切削区域404的位置和尺寸(因此以及切削边缘406的位置和尺寸)可取决于以下因素，包括：钻头的ROP和RPM、切削元件402的尺寸和切削元件402的沿刀片400的刀片轮廓的位置和定向，因此以及钻头的钻头面轮廓。
图4A示出刀片400轮廓的曲线图，其指示切削元件402a-402j的沿刀片400的径向和轴向位置。竖直轴(“Z”)描绘刀片400的沿钻头旋转轴的轴向位置，并且水平轴(“R”)描绘刀片400在通过钻头旋转轴的径向平面中的与钻头旋转轴的径向位置。刀片400可大体类似于相对于图1-图3描述的刀片126中的一者，并且切削元件402可大体类似于相对于图1-图3描述的切削元件128。在所示出的实施方案中，切削元件402a-402d可定位在刀片400的椎体区域412内，并且切削元件402e-402g可定位在刀片400的鼻状区域410内。另外，切削元件402h-402i可定位在刀片400的肩状区域408内，并且切削元件402j可定位在刀片400的保径区域414内。椎体区域412、鼻状区域410、肩状区域408和保径区域414可分别大体类似于相对于图3A和图3B描述的椎体区域212、鼻状区域210、肩状区域208和保径区域206。
图4A示出切削区域404a-404j，其中每一切削区域404符合于相应切削元件402。如上所述，每一切削元件402可具有定位在切削区域404内的切削边缘(未明确示出)。从图4A可见，每一切削元件402的切削区域404可基于切削元件402在刀片400上的可与刀片400的各种区域相关的轴向和径向位置。
图4B示出图4A的切削元件402b的分解曲线图以进一步详细描述与切削元件402b相关联的切削区域404b和切削边缘406b。从图4A可见，切削元件402b可定位在椎体区域412中。切削区域404b可至少部分地基于切削元件402b，所述切削元件402b定位在椎体区域412中并具有符合于椎体区域412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的切削表面的定位在切削区域404b内的边缘。
图4C示出图4A的切削元件402f的分解曲线图以进一步详细描述与切削元件402f相关联的切削区域404f和切削边缘406f。从图4A可见，切削元件402f可定位在鼻状区域410中。切削区域404f可至少部分地基于切削元件402f，所述切削元件402f定位在鼻状区域410中并具有符合于鼻状区域410的轴向和径向位置。
图4D示出图4A的切削元件402h的分解曲线图以进一步详细描述与切削元件402h相关联的切削区域404h和切削边缘406h。从图4A可见，切削元件402h可定位在肩状区域408中。切削区域404h可部分基于切削元件402h，所述切削元件402h定位在肩状区域408中并具有符合于肩状区域408的轴向和径向位置。
对图4A的分析和图4B-图4D的比较显示出，切削元件402的切削区域404的位置可至少部分地在切削元件402的相对于旋转轴104的轴向和径向位置上变化。因此，井下钻井工具模型可考虑到钻头的位置、定向和配置切削元件402以便并入有井下钻井工具与地层的相互作用。
图5A示出可根据本公开设计和制造以提供改善的切削深度控制的钻头101的面。图5B示出钻头101的切削元件128和129的沿钻头101的钻头轮廓的位置。如下文进一步详细讨论的，钻头101可包括DOCC 502，所述DOCC 502可被配置来根据切削区域的位置和相关联的切削元件的切削边缘控制切削元件的切削深度。另外，DOCC 502可被配置来控制切削元件的与DOCC 502的旋转路径重叠的切削深度。在相同或替代实施方案中，DOCC 502可基于切削元件的与DOCC 502的旋转路径重叠的切削区域被配置。
为提供参考系，图5A包括x轴和y轴，并且图5B包括可与钻头101的旋转轴104相关联的z轴和在xy平面中指示与钻头101中心的正交距离的径向轴(R)。因此，对应于z轴的坐标或位置可被称为钻头面轮廓的轴向坐标或轴向位置。另外，可通过xy平面的大体垂直于z轴的x和y坐标描述沿钻头面的位置。从钻头101的中心(例如，旋转轴104)至钻头面的xy平面中一点的距离可指示所述点在钻头101的钻头面轮廓上的径向坐标或径向位置。例如，可通过以下以下方程式表达具有x坐标x和y坐标y的xy平面中的一点的径向坐标r：
另外，xy平面中的一点可具有角坐标，所述角坐标可以是从钻头101中心(例如，旋转轴104)延伸至所述点的线与x轴之间的角度。例如，可通过以下方程式表达具有x坐标x和y坐标y的xy平面中的一点的角坐标(θ)：
θ＝arctan(y/x)
作为另一实例，定位在切削元件128a的切削边缘上的点504(如在图5A和图5B中描绘的)可在xy平面中具有x坐标(X504)和y坐标(Y504)，所述x坐标和y坐标可用来计算点504的径向坐标(R504)(例如，R504可等于X504的平方加Y504的平方的平方根)。R504可因此指示点504与旋转轴104的正交距离。另外，点504可具有可以是x轴与从旋转轴104延伸至点504的线之间的角度的角坐标(θ504)(例如，θ504可等于arctan((X504/Y504))。此外，如在图5B中所描绘的，点504可具有轴向坐标(Z504)，轴向坐标(Z504)可表示沿z轴的可对应于点504的位置。应理解，坐标仅用于例示性目的，并且任何其他适合的坐标系统或配置可用来提供点的沿钻头101的钻头面和钻头面轮廓的参考系。另外，可使用任何适合的单元。例如，可在度数中或在弧度中表达角度位置。
钻头101可包括具有沿钻头体124定位的多个刀片126的钻头体124。在所示出的实施方案中，钻头101可包括刀片126a-126c，然而应理解，在其他实施方案中，钻头101可包括更多或更少的刀片126。刀片126可包括沿刀片126设置的外部切削元件128和内部切削元件129。例如，刀片126a可包括外部切削元件128a和内部切削元件129a，刀片126b可包括外部切削元件128b和内部切削元件129b，并且刀片126c可包括外部切削元件128c和内部切削元件129c。
如上所述，钻头101可包括一个或多个DOCC 502。在本图中，仅描绘一个DOCC 502，然而钻头101可包括更多DOCC 502。钻头101可围绕旋转轴104在方向506上旋转。因此，DOCC502可相对于旋转方向506在刀片126a上放置在切削元件128a后面。然而，在替代实施方案中，DOCC 502可放置在切削元件128a前面(例如，放置在刀片126b上)以使得DOCC 502相对于旋转方向506位于切削元件128a前面。
当钻头101旋转时，DOCC 502可跟随通过钻头101的径向割刈地带508指示的旋转路径。径向割刈地带508可由径向坐标R1与R2限定。R1可指示从旋转轴104至DOCC 502的内侧边缘(相对于钻头101的中心)的正交距离。R2可指示从旋转轴104至DOCC 502的外侧边缘的正交距离(相对于钻头101的中心)。
如图5A和图5B所示，切削元件128和129可各包括切削区域505。在所示出的实施方案中，切削元件128和129的切削区域505可能不在特定切削深度处重叠。重叠的这种缺少可在小切削深度处出现于具有少量刀片和少量切削元件的一些钻头。切削区域之间的重叠的缺少也可出现于定位在固定刀具钻头的锥体区域内的切削元件，因为锥体区域内的刀片数量通常很小。在这类情况中，根据切削区域505的位置和切削元件128或129的切削边缘设计和配置的DOCC 502或刀片126的一部分，所述切削元件128或129具有可受DOCC 502或刀片126控制的切削深度。
例如，切削元件128a可包括切削区域505和与DOCC 502的旋转路径重叠的相关联的切削边缘，以使得DOCC 502可根据切削元件128a的切削边缘的位置配置，如相对于图6和图7所详细描述的。在相同或替代实施方案中，刀片126的表面(例如，刀片126b的表面)也可根据切削元件128a的切削边缘的位置配置以控制切削元件128a的切削深度，如相对于图8和图9详细描述的。
因此，如下文进一步讨论的，DOCC 502可被配置来控制切削元件128a的可与径向割刈地带508相交或重叠的切削深度。另外，如下文详细描述的，在相同或替代实施方案中，一个或多个刀片126在径向割刈地带508内的表面可被配置来控制定位在径向割刈地带508内的切削元件128a的切削深度。此外，DOCC 502和一个或多个刀片126的表面可根据切削区域和相关联的切削元件128a的切削边缘的位置来配置，所述切削元件128a可定位在径向割刈地带508内。
在不脱离本公开范围的情况下，可对图5A和图5B做出修改、添加或省略。例如，刀片126、切削元件128和DOCC 502的数量可根据钻头101的各种设计约束条件和考虑因素而变化。另外，径向割刈地带508可大于或小于所描绘的或可位于不同径向位置，或其任何组合。
图6A-图6C示出DOCC 612，所述DOCC 612可根据例如图5A和图5B中描绘的钻头的切削元件600的切削区域602位置被设计。图6A-图6C中所用的坐标系统可大体类似于相对于图5A和图5B描述的坐标系统。因此，钻头的符合于图6A-图6C的旋转轴可与笛卡尔座标系统的z轴相关联以限定相对于钻头的轴向位置。另外，坐标系统的xy平面可符合于钻头的钻头面的大体垂直于旋转轴的平面。xy平面上的坐标可用来限定与图6A-图6C的钻头相关联的径向坐标和角坐标。
图6A示出切削元件600的钻头面轮廓的曲线图，所述钻头面轮廓可受定位在刀片604上的切削深度控制器(DOCC)612控制并根据本公开的一些实施方案被设计。图6A示出切削元件600的轴向和径向坐标，并且DOCC 612被配置来基于切削元件600的切削区域602(和其相关联的切削边缘603)位置来控制切削元件600的切削深度。在一些实施方案中，DOCC612可定位在与切削元件600相同的刀片604上，并且在其他实施方案中，DOCC 612可定位在与切削元件600不同的刀片604上。切削元件600的符合于切削区域602的切削边缘603可根据具有径向和轴向位置的切片606a-606e划分，如图6A中所描绘的。另外，图6A示出控制点608a-608e的可符合于DOCC 612的后边缘616的径向和轴向位置，如相对于图6B进一步详细描述的。
如图6A中所描绘的，控制点608a-608e的径向坐标可基于切片606a-606e的径向坐标确定，以使得控制点608a-608e中的每一者分别可具有与切片606a-606e大体相同的径向坐标。通过使控制点608a-608e的径向坐标基于切片606a-606e的径向坐标，DOCC 612可被配置以使得其径向割刈地带与切削区域602的径向割刈地带大体重叠以控制切削元件600的切削深度。另外，如下文进一步详细讨论的，控制点608a-608e的轴向坐标可基于切削元件600的所需切削深度Δ和控制点608a-608e相对于切片606a-606e的对应所需轴向曝光不足δ607i来确定。因此，DOCC 612可根据切削区域602和切削边缘603的位置被配置。
图6B示出在图6A的钻头面轮廓中示出的钻头面的曲线图。DOCC 612可根据所计算的符合于DOCC 612的截面的截面线610的坐标被设计。例如，DOCC 612的后边缘616的轴向、径向和角坐标可根据截面线610a的所确定的轴向、径向和角坐标被确定和设计。在本公开中，术语“后边缘”可指代部件的边缘，其中在与部件相关联的钻头旋转时，所述边缘为部件的尾随边缘。在本公开中，术语“前边缘”可指代部件的边缘，其中在与钻头相关联的钻头旋转时，所述边缘为部件的引导边缘。截面线610a的轴向、径向和角坐标可根据与切削元件600的切削区域602相关联的切削边缘603被确定，如下所述。
如上所述，切削边缘603可被分成可具有限定切削区域602的径向割刈地带的各种径向坐标的切片606a-606e。截面线610a在xy平面中的位置可被选择以使得截面线610a与其中可设置有DOCC 612的刀片604相关联。截面线610a的位置也可被选择以使得截面线610a与切削边缘603的径向割刈地带相交。截面线610a可被分成控制点608a-608e，所述控制点608a-608e分别具有与切片606a-606e大体相同的径向坐标。因此，在所示出的实施方案中，切片606a-606e和控制点608a-608e的径向割刈地带可分别大体相同。在切片606a-606e和控制点608a-608e的径向割刈地带大体相同的情况下，可以确定DOCC 612的后边缘616处的控制点608a-608e的轴向坐标，以使截面线610a分别更好地获得对切片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，DOCC 612在后边缘616处的轴向、径向和角坐标可基于截面线610a的所计算的轴向、径向和角坐标被设计，以使得DOCC 612可更好地控制切削元件600在切削边缘603处的切削深度。
截面线610a的每一控制点608的轴向坐标可基于每一控制点608与其相应切片606之间的所需轴向曝光不足δ607i被确定。所需轴向曝光不足δ607i可基于控制点608与其相应切片点606的角坐标和切削元件600的所需切削深度Δ。例如，控制点608a相对于切片606a的所需轴向曝光不足δ607a(在图6A中描绘)可基于控制点608a的角坐标(θ608a)、切片606a的角坐标(θ606a)和切削元件600的所需切削深度Δ。可通过以下方程式表达控制点608a的所需轴向曝光不足δ607a：
δ607a＝Δ*(360-(θ608a-θ606a))/360
在这个方程式中，所需切削深度Δ可通过以下方程式表示为机械钻速(ROP,ft/hr)与钻头转速(RPM)的函数：
Δ＝ROP/(5*RPM)
所需切削深度Δ可具有英寸/钻头旋转的单位。可类似地确定控制点608b-608e的所需轴向曝光不足(分别为(δ607b-δ607e)。在以上方程式中，θ606a和θ608a可在度数中表达，并且“360”可表示约360度的一个整转。因此，在其中θ606a和、θ608a可在弧度中表达的情况中，“360”可由“2π”替代。此外，在以上方程式中，“(θ608a-θ606a)”的最终角(Δθ)可被限定为始终为正。因此，如果最终角Δθ为负，那么可通过将360度(或2π弧度)加至Δθ来将Δθ变为正。
另外，所需切削深度(Δ)可基于用于钻头的给定RPM的所需ROP，以使得DOCC 612可被设计来以所需ROP和RPM接触地层，并且从而以所需ROP和RPM控制切削元件600的切削深度。所需切削深度Δ也可基于切削元件600的沿刀片604的位置。例如，在一些实施方案中，所需切削深度Δ对于钻头轮廓部分的椎体部分、鼻状部分、肩状部分、保径部分或其任何组合而言可为不同的。在相同或替代实施方案中，所需切削深度Δ也可变化用于沿刀片604的所提及区域中的一者或多者的子集。
在一些情况下，钻头的椎体部分内的切削元件可比鼻状部分和保径部分内的切削元件的磨损程度小得多。因此，用于椎体部分的所需切削深可小于用于鼻状部分和保径部分的所需切削深度度Δ。因此，在一些实施方案中，当鼻状部分和/或保径部分内的切削元件磨损到某一程度时，然后位于鼻状部分和/或保径部分中的DOCC 612可开始控制钻头的切削深度。
一旦确定每一控制点608的所需曝光不足δ607i，可基于控制点608相对于其对应切片606的轴向坐标(Z606i)的所需曝光不足δi来确定每一控制点608的轴向坐标(Z608i)(如图6A所示)。例如，可基于控制点608a相对于切片606的轴向坐标(Z606a)的所需曝光不足(δ607a)来确定控制点608a的轴向坐标(Z608a)，其可通过以下方程式表达：
Z608a＝Z606a-δ607a
一旦控制点608的轴向、径向和角坐标被确定来用于截面线610a，DOCC 612的后边缘616可根据这些点被设计，以使得后边缘616具有与截面线610a的轴向、径向和角坐标近乎相同的轴向、径向和角坐标。在一些实施方案中，截面线610a的控制点608的轴向坐标可通过曲线拟合技术而平滑化。例如，如果MDR基于控制点608的所计算的坐标被设计，那么控制点608的轴向坐标可由一个或多个环形线配合。环形线中的每一者可具有可用来设计MDR的中心和半径。可基于分别确定截面线610b、610c和610d的径向坐标、角坐标和轴向坐标来类似地设计DOCC 612在中间截面618和620处以及在前边缘622处的表面。
因此，可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DOCC 612的表面以改善切削元件600的切削深度控制。另外，可基于截面线610来配置DOCC 612的高度和宽度和其在钻头的径向平面中的放置，如相对于图6C进一步详细描述的。因此，DOCC 612的轴向、径向和角坐标可为如此以使得切削元件600的所需切削深度控制得以改善。如图6A和图6B所示，基于切削区域602和切削边缘603的位置来配置DOCC 612可致使DOCC 612与切削区域602的径向割刈地带径向对准，但也可导致DOCC 612从切削元件600的中心径向偏移的可不同于传统DOCC放置方法。
图6C示出根据本公开设计的DOCC 612。DOCC 612可包括具有后边缘616的表面614、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讨论的，后边缘616可符合于截面线610a。另外，第一中间截面618可符合于截面线610b，第二中间截面620可符合于截面线610c，并且前边缘622可符合于截面线610d。
如上所述，可根据由截面线610的所确定的轴向坐标产生的轴向曲率来设计表面614的曲率。因此，表面614沿后边缘616的曲率可具有近似截面线610a的轴向曲率的曲率；表面614沿第一中间截面618的曲率可近似截面线610b的轴向曲率；表面614沿第二中间截面620的曲率可近似截面线610c的轴向曲率；并且表面614沿前边缘622的曲率可近似截面线610d的轴向曲率。在所示出的实施方案中并且如图6A和图6C所描绘的，截面线610a的轴向曲率可通过具有半径“R”的圆的曲率来进行近似，以使得后边缘616的轴向曲率可与具有半径“R”的圆大体相同。
截面线610a-610d的轴向曲率可能或可能不相同，并且因此表面614沿后边缘616、中间截面618和620和前边缘622的曲率可能或可能不相同。在其中曲率不相同的一些情况中，表面614沿后边缘616、中间截面618和620和前边缘622的近似曲率可为平均的，以使得表面614的总曲率为所算出的平均曲率。因此，表面614的所确定的曲率可以是大体恒定的以有助于表面614的制造。另外，尽管被示为由单个圆的曲率大体适合，但应理解，一个或多个截面线610的轴向曲率可取决于轴向曲率的形状由多个圆适合。
DOCC 612可具有的宽度W足够大以覆盖切削区域602的宽度并且可对应于截面线610的长度。另外，DOCC 612的高度H，如图6C所示，可被配置以使得当DOCC 612放置在刀片604上时，表面614的轴向位置足以符合于截面线的用来设计表面614的所计算的轴向位置。高度H可符合于表面614的曲率的符合于截面线的峰值点。例如，DOCC 612在后边缘616处的高度H可符合于DOCC 612在后边缘616处的曲率的峰值点。另外，后边缘616处的高度H可被配置以使得当DOCC 612放置在刀片604上的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可具有与被计算用于截面线610a的控制点608a-608e近乎相同的轴向位置、角位置和径向位置。
在其中表面614的曲率根据截面线的不同曲率而变化的一些实施方案中，DOCC612的高度H可根据与不同截面线相关联的曲率而变化。例如，相对于后边缘616的高度可不同于相对于前边缘622的高度。在其中截面线的曲率为平均的以计算表面614的曲率的其他实施方案中，DOCC 612的高度H可符合于整个表面614的曲率的峰值点。
在一些实施方案中，DOCC 612的表面可使用所有截面线的控制点的三维坐标被设计。轴向坐标可利用二维插值方法被平滑化，所述二维插值方法例如被称为interp2的函数。
在不脱离本公开范围的情况下，可对图6A-图6C做出修改、添加或省略。尽管描述了特定数量的截面线、沿截面线和切片的点，但应理解，任何适当的数量可用来配置DOCC612以获得所需切削深度控制。在一个实施方案中，可通过DOCC的尺寸和形状来确定截面线的数量。例如，如果半球形部件被用作DOCC，(例如，MDR)，那么可需要仅一个截面线。如果使用冲击制动器(类似半筒状的)，那么可使用更多截面线(例如，至少两个)。另外，尽管DOCC612的表面的曲率被描绘为大体圆形和均匀的，但应理解，所述表面可取决于用于所需切削深度的所计算的表面曲率而具有可能或可能不均匀的任何适合的形状。此外，尽管以上描述涉及根据一个切削元件的切削区域被设计的DOCC，但DOCC可根据多个切削元件的切削区域被设计以控制多于一个切削元件的切削深度，如下文进一步详细描述的。
图7示出用于根据切削区域的位置和其相关联的切削元件的切削边缘来设计一个或多个DOCC(例如，图6A-图6C的DOCC 612)的示例性方法700的流程图。在所示出的实施方案中，钻头的切削结构(包括所有切削元件的至少位置和定向)可已经在先前被设计。然而在其他实施方案中，方法700可包括用于设计钻头的切削结构的步骤。
方法700的步骤可通过被配置来模拟和设计钻井系统、设备和装置的各种计算机程序、模型或其任何组合进行。程序和模型可包括存储在计算机可读媒体上并且可操作来在被执行时进行下述步骤中的一者或多者的指令。计算机可读媒体可包括被配置来存储和检索程序或指令的任何系统、设备或装置，例如硬盘驱动器、光盘、闪速存储器或任何其他适合的装置。程序与模型可被配置来引导处理器或其他适合的单元检索和执行来自计算机可读媒体的指令。共同地，用来模拟和/或设计钻井系统的计算机程序和模型可被称为“钻井工程设计系统”或“工程设计系统”。此外，由工程设计系统进行的任何模拟和/或计算的设计参数和/或结果可输出至工程设计系统的视觉显示器。
方法700可开始，并且在步骤702处，工程设计系统可在沿钻头轮廓的所选区域处确定所需切削深度(“Δ”)。如上所述，所需切削深度Δ可基于用于给定RPM的所需ROP，以使得钻头轮廓区域(例如，锥体区域、肩状区域等)内的DOCC可被设计来以所需ROP和RPM与地层接触，并且由此以所需ROP和RPM在切削区域中控制切削元件的切削深度。
在步骤704处，可确定所选区域内的切削元件的位置和定向。在步骤706处，工程设计系统可产生3D刀具/地层相互作用模型，所述3D刀具/地层相互作用模型可至少部分地基于每一切削元件的预期切削深度Δ来确定设计中每一切削元件的切削区域。如上所述，每一切削元件的切削区域和切削边缘可基于切削元件的轴向和径向坐标。
在步骤708处，使用工程设计系统，切削元件中的每一者的切削区域内的切削边缘可被分成钻头面轮廓的切削点(“切片”)。出于例示性目的，相对于设计相对于切削元件中的一者的DOCC来描述剩余步骤，但应理解，所述步骤可同时地或依序地被遵循用于钻头的每一DOCC。
在步骤710处，可相对于钻头面计算每一切片沿与DOCC相关联的所选切削元件的切削边缘的轴向和径向坐标(例如，可确定图6A和图6B的切片606的轴向和径向坐标)。另外，在步骤712处，可在钻头面的径向平面中计算每一切片的角坐标。
在步骤714处，可确定径向平面中对应于与切削元件相关联的DOCC的放置和设计的若干截面线(例如，与图6A-图6C的DOCC 612相关联的截面线610)的位置。截面线可放置在切削元件的切削区域的径向割刈地带内，以使得所述截面线与切削区域的径向割刈地带相交，并且由此具有大体覆盖切削区域的径向割刈地带的径向割刈地带。在一些实施方案中，截面线的长度可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割刈地带通过截面线大体相交。因此，如上所述，截面线可用来建模DOCC的形状、尺寸和配置，以使得DOCC在切削元件的切削边缘处控制切削元件的切削深度。
此外，截面线的数量可基于DOCC的将被设计的所需尺寸以及在设计DOCC中的所需精度被确定。例如，DOCC越大，越多的截面线便可用来充分设计切削区域的径向割刈地带内的DOCC，并且因此提供用于切削区域的越多的一致的切削深度控制。
在步骤716处，可以确定设置在刀片上的截面线位置(例如，图6B中截面线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割刈地带大体相交。在步骤717处，每一截面线(例如，被分成图6A-图6C的点608的截面线610a)可被分成具有径向坐标的点，所述径向坐标大体符合于在步骤708中确定的切片的径向坐标。在步骤718处，工程设计系统可用来确定大体垂直于钻头转动轴的平面(例如，图6A-图6C的xy平面)中的每一截面线的每一点的角坐标。在步骤720处，也可通过确定切削元件的切片与符合于切片的截面线的每一相应点之间的所需轴向曝光不足来确定每一截面线上的每一点的轴向坐标，如上文相对于图6A-图6C所描述的。在确定每一截面线的每一点的轴向曝光不足之后，可通过将每一点的曝光不足施加于与点相关联的切片的轴向坐标来确定每一点的轴向坐标，同样如上文相对于图6A-图6C所描述的。
在步骤720处基于相关联的切削元件的切削区域的切片计算每一截面线的每一点的轴向坐标(例如，基于图6A-图6C的切片606a-606e的截面线610a的点608a-608e的轴向坐标)之后，方法700可进行至步骤724和726，其中DOCC可根据截面线的轴向坐标、角坐标和径向坐标被设计。
在一些实施方案中，在步骤724处，对于每一截面线来说，由截面线的点的轴向坐标产生的曲线可适于圆的一部分。因此每一截面线的轴向曲率可通过圆的曲率来进行近似。因此，与每一截面线相关联的每一圆的曲率可用来设计DOCC的三维表面以近似用于DOCC的可改善切削深度控制的曲率。在一些实施方案中，DOCC的表面可通过使用二维插值方法平滑化表面的轴向坐标来进行近似，所述二维插值方法例如被称为interp2的函数。
在步骤726中，DOCC的宽度也可被配置。在一些实施方案中，DOCC的宽度可被配置来与对应切削元件的切削区域的径向割刈地带一样宽。因此，切削元件的切削区域可定位在DOCC的旋转路径内，以使得DOCC可提供用于切削元件的适当的切削深度控制。此外，在步骤726处，DOCC的高度可被设计以使得DOCC的表面大约处于与截面线的点的所计算的轴向坐标相同的轴向位置处。因此，工程设计系统可用来根据切削元件的切削区域和切削边缘的位置来设计DOCC。
在步骤726处确定DOCC的位置、定向和尺寸之后，方法700可进行至步骤728。在步骤728处，可确定是否所有DOCC已被设计。如果全部DOCC未被设计，那么方法700可重复步骤708-726以基于一个或多个其他切削元件的切削区域来设计另一DOCC。
在步骤730处，一旦全部DOCC被设计，可使用工程设计系统来计算那么临界切削深度控制曲线(CDCCC)。CDCCC可用来确定在整个所需区域中切削深度有多平均。在步骤732处，使用工程设计系统，可确定CDCCC是否指示出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可结束。相对于图10A-图10C和图11进一步详细描述CDCCC的计算。
如果切削深度控制不满足设计要求，那么方法700可返回至步骤714，其中设计参数可被改变。例如，截面线的数量可被增加以根据切削区域和切削边缘的位置更好地设计DOCC的表面。此外，截面线的角坐标可被改变。在其他实施方案中，如果切削深度控制不满足设计要求，那么方法700可返回至步骤708以确定用于划分切削边缘的更大数量的切片，并且因此更好地近似切削边缘。另外，如下文进一步描述的，可根据多于一个切削元件的切削区域和切削边缘的位置来设计DOCC，所述位置可位于DOCC的径向割刈地带内。
另外，可以重复方法700以用于配置一个或多个DOCC，以通过在步骤702处输入另一预期切削深度Δ来控制定位在沿钻头轮廓的另一区域内的切削元件的切削深度。因此，一个或多个DOCC可根据切削元件的切削边缘的位置被配置用于沿钻头的钻头轮廓的一个或多个区域内的钻头以改善钻头的切削深度控制。
在不脱离本公开范围的情况下，可对方法700做出修改、添加或省略。另外，可改变步骤顺序。另外，在一些情况中，可相对于个别DOCC和切削元件进行每一步骤，直至该DOCC被设计用于切削元件为止，并且接着可针对其他DOCC或切削元件重复这些步骤。在其他情况中，可在移至下一步骤之前相对于每一DOCC和切削元件进行每一步骤。类似地，针对一个截面线，可以完成步骤716至724，并且接着针对另一截面线重复这些步骤，或者针对每一截面线或其任何组合可同时进行步骤716至724。此外，方法700的步骤可同时地执行或分解为比所描述的那些步骤更多的步骤。另外，可添加更多步骤，或者可在不脱离本公开的范围的情况下移除步骤。
一旦使用方法700设计一个或多个DOCC，那么钻头可根据所计算的设计约束条件被制造以提供钻头的更恒定和平均的切削深度控制。恒定的切削深度控制可相对于切削元件的切削区域和切削边缘在径向和轴向位置两者中基于例如冲击制动器的DOCC的放置、尺寸和定向。在相同或替代实施方案中，可通过刀片来控制切削元件的切削深度。
图8A-图8C示出DOCC 802，所述DOCC 802被配置来控制定位在钻头801的割刈地带808内的切削元件828和829的切削深度。图8A示出钻头801的面，所述面可包括刀片826、设置在刀片826上的外部切削元件828和内部切削元件829。在所示出的实施方案中，DOCC 802定位在刀片826a上并被配置来控制定位在钻头801的割刈地带808内的所有切削元件828和829的切削深度。
针对钻头801的径向割刈地带808内的切削元件828和829，可以确定每转的所需临界切削深度Δ1(在图8D中示出)。径向割刈地带808可定位在第一径向坐标RA与第二径向坐标RB之间。可基于可用于DOCC 802的可用尺寸来确定RA和RB。例如，如果MDR被用作DOCC802，那么径向割刈地带808的宽度(例如，RB-RA)可等于MDR的直径。作为另一实例，如果冲击制动器被选为DOCC 802，那么径向割刈地带808的宽度可等于冲击制动器的宽度。也可基于先前钻头行进的迟钝状态来确定RA和RB。在一些情况中，径向割刈地带808可大体包括整个钻头面,以使得RA约等于零并且RB约等于钻头801的半径。
一旦确定径向割刈地带808，那么可确定径向割刈地带808内的DOCC 802的角位置。在所示出的其中仅一个DOCC 802被描绘的实施方案中，DOCC 802可基于刀片上用于放置DOCC 802的可用空间被放置在任何刀片(例如，刀片826a)上。在替代实施方案中，如果多于一个DOCC用来提供定位在割刈地带808(例如，定位在割刈地带808内的所有切削元件828和829)内的切削元件828和829的切削深度控制，那么可基于“可旋转对称规则”来确定DOCC的角坐标以便减小摩擦不平衡力。例如，如果使用两个DOCC，那么一个DOCC可放置在刀片826a上并且另一DOCC可放置在刀片826d上。如果使用三个DOCC，那么第一DOCC可放置在刀片826a上，第二DOCC可放置在刀片826c上，并且第三DOCC可放置在刀片826e上。下文相对于各种实施方案描述DOCC的角位置的确定。
返回至图8A，一旦确定DOCC 802的径向位置和角位置，也可确定DOCC 802上的任何点的x和y坐标。例如，图8A的xy平面中的DOCC 802的表面可啮合至小网格中。图8A的xy平面中的DOCC 802的表面也可通过若干截面线表示。为简单起见，每一截面线可被选择来穿过钻头轴或坐标系统的起端。每一截面线可进一步被分成若干点。在选择DOCC 802的刀片826a上的位置的情况下，与DOCC 802相关联的任何截面线上的任何点的x和y坐标可容易地被确定，并且下一步骤可能来计算截面线上的任何点的轴向坐标z。
在所示出的实施方案中，DOCC 802可放置在刀片826a上并被配置来具有对应于径向割刈地带808的宽度。另外，与DOCC 802相关联的截面线810可被选择并且在所示出的实施方案中可通过线“AB”表示。在一些实施方案中，截面线810可被选择以使得沿截面线810的所有点具有相同角坐标。截面线810的内部末端“A”可距离钻头801在xy平面中的中心具有由径向坐标RA指示的一段距离，并且截面线810的外部末端“B”可距离钻头801的中心具有由径向坐标RB指示的一段距离，以使得截面线810的径向位置可由RA与RB限定。截面线810可被分成内部末端“A”与外部末端“B”之间的一系列点，并且可基于每一点与切削元件828和829的一个或多个切削边缘径向交集来确定每一点的轴向坐标，如下文详细描述的。在所示出的实施方案中，描述沿截面线810的控制点“f”的轴向坐标的确定。然而，应理解，相同程序可被应用以确定沿截面线810的其他点的轴向坐标并同时确定可与DOCC 802相关联的其他截面线的其他点的轴向坐标。
可基于xy平面中的控制点“f”的径向和角坐标来确定控制点“f”的轴向坐标。例如，控制点“f”的径向坐标可以是控制点“f”与钻头801的中心的如由径向坐标Rf指示的距离。一旦确定Rf，可确定具有径向坐标Rf的与一个或多个切削元件828和/或829的切削边缘相关联的交点830。因此，切削元件的交点830可具有与控制点“f”相同的旋转路径，并且因此，可具有可受DOCC 802的控制点“f”影响的切削深度。在所示出的实施方案中，控制点“f”的旋转路径可在交点830a处与切削元件828a的切削边缘相交，在交点830b处与切削元件828b的切削边缘相交，在交点830e处与切削元件829e的切削边缘相交，并且在交点830f处与切削元件828f的切削边缘相交。
可根据控制点“f”相对于每一交点830的所需曝光不足(δ807i)来确定控制点“f”的轴向坐标。图8B描绘控制点“f”相对于每一交点830的所需曝光不足δ807i。可基于所需临界切削深度Δ1和控制点“f”的角坐标(θf)与每一点830的角坐标(θ830i)来确定控制点“f”相对于每一交点830的所需曝光不足δ807i。例如，可通过以下方程式表达控制点“f”相对于交点830a的所需曝光不足：
δ807a＝Δ1*(360-(θf-θ830a))/360
在以上方程式中，θf和θ830a可在度数中表达，并且“360”可表示约360度的一个整转。因此，在其中θf和θ830a可在弧度中表达的情况中，“360”可由“2π”替代。此外，在以上方程式中，“(θf-θ830a)”的最终角Δθ可被限定为始终为正。因此，如果最终角Δθ为负，那么可通过将360度(或2π弧度)加至Δθ来将Δθ变为正。可类似地确定控制点“f”相对于点830b、830e和830f的所需曝光不足(分别为δ807b、δ807e、δ807f)。
一旦确定控制点“f”相对于每一交点的所需曝光不足(δ807i)，可确定控制点“f”的轴向坐标。可基于每一交点830的轴向坐标与相对于每一交点830的所需曝光不足之间的差值来确定控制点“f”的轴向坐标。例如，在图8B中，每一点830的轴向定位可对应于z轴上的坐标并可被表示为z坐标(Z830i)。为了确定控制点“f”的对应z坐标(Zf)，可确定z坐标Z830i与用于每一交点830的对应所需曝光不足δ807i之间的差值。Z830i与δ807i之间的差值的最大值可以是控制点“f”的轴向坐标或z坐标(Zf)。对于当前实例来说，可通过以下方程式表达Zf：
Zf＝max[(Z830a-δ807a),(Z830b-δ807b),(Z830e-δ807e),(Z830f-δ807f)]
因此，可基于切削元件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的其他点(未明确示出)的轴向坐标可类似地被确定以确定截面线810的轴向曲率和坐标。图8C示出截面线810的轴向坐标和曲率的实例以使得DOCC 802可将钻头801的切削深度控制到由RA与RB限定的径向割刈地带内的所需临界切削深度Δ1。
可重复上述过程以确定与DOCC 802相关联的其他截面线的轴向坐标和曲率以使得DOCC 802可根据截面线的坐标被设计。至少一个截面线可用来设计DOCC 802的三维表面。另外，在一些实施方案中，截面线可被选择以使得截面线上的所有点具有相同角坐标。因此，DOCC 802可提供切削深度控制以实质上获得由RA与RB限定的径向割刈地带内的所需临界切削深度Δ1。
为了更容易制造DOCC 802，在一些情况中，截面线810和任何其他截面线的轴向坐标可通过曲线拟合技术被平滑化。例如，如果DOCC 802基于所计算的截面线810被设计为MDR，那么截面线810可由一个或多个环形线适合。环形线中的每一者可具有可用来设计MDR的中心和半径。作为另一实例，如果DOCC 802被设计为冲击制动器，那么可使用多个截面线810。截面线中的每一者可由一个或多个环形线适合。两个适合的截面线可形成冲击制动器的两端，类似图6C中示出的。
图8D示出钻头801的临界切削深度控制曲线(下文进一步详细描述)。临界切削深度控制曲线指示出径向坐标RA与RB之间的径向割刈地带808的临界切削深度可以是大体平均或恒定的。因此，图8D指示出通过考虑到所有切削元件具有可受DOCC 802影响的切削深度并因此设计DOCC 802，钻头801的如受DOCC 802控制的所需临界切削深度(Δ1)可以是大体恒定的。
在不脱离本公开范围的情况下，可对图8A-图8D做出修改、添加或省略。例如，尽管DOCC 802被描绘为具有特定形状，但DOCC 802可具有任何适当形状。另外，应理解，任何数量的截面线和沿截面线的点可被选择以确定DOCC 802的所需轴向曲率。此外，如下文相对于图12-图14和图16-图17所公开的，尽管仅一个DOCC 802被描绘在钻头801上，但钻头801可包括任何数量的DOCC，所述DOCC被配置来控制与钻头801的任何数量的径向割刈地带相关联的切削元件的切削深度。此外，钻头801的所需临界切削深度可根据径向坐标(与钻头801在径向平面中的中心的距离)变化。
图9A和图9B示出根据具有可受DOCC影响的切削深度的一个或多个切削元件的切削区域来设计DOCC(例如，图8A-图8B的DOCC 802)的示例性方法900的流程图。可通过工程设计系统进行方法900的步骤。在所示出的实施方案中，钻头的切削结构(包括所有切削元件的至少位置和定向)可已经在先前被设计。然而在其他实施方案中，方法900可包括用于设计钻头的切削结构的步骤。
方法900的步骤可通过被配置来模拟和设计钻井系统、设备和装置的各种计算机程序、模型或其任何组合进行。程序和模型可包括存储在计算机可读媒体上并且可操作来在被执行时进行下述步骤中的一者或多者的指令。计算机可读媒体可包括被配置来存储和检索程序或指令的任何系统、设备或装置，例如硬盘驱动器、光盘、闪速存储器或任何其他适合的装置。程序与模型可被配置来引导处理器或其他适合的单元检索和执行来自计算机可读媒体的指令。共同地，用来模拟和设计钻井系统的计算机程序和模型可被称为“钻井工程设计系统”或“工程设计系统”。此外，通过工程设计系统进行的任何模拟和/或计算的设计参数和/或结果可输出至工程设计系统的视觉显示器。
方法900可开始，并且在步骤902处，工程设计系统可在沿钻头轮廓的所选区域(例如，锥体区域、鼻状区域、肩状区域、保径区域等)处确定所需临界切削深度控制(Δ)。所述区域可与钻头的径向割刈地带相关联。在步骤904处，可确定定位在割刈地带内的切削元件的位置和定向。另外，在步骤906处，工程设计系统可产生3D刀具/地层交互作用模型，所述3D刀具/地层相互作用模型可确定用于每一切削元件的切削区域和切削边缘。
在步骤908处，工程设计系统可选择可与可被配置来控制钻头的径向割刈地带(例如，图8A-图8B的径向割刈地带808)的切削深度的DOCC相关联的截面线(例如，截面线810)。在步骤910处，可确定在垂直于钻头的旋转轴的平面(例如，图8A的xy平面)中的截面线的位置。截面线的位置可被选择以使得截面线与径向割刈地带相交并定位在刀片上(例如，在图8A中，截面线810与径向割刈地带808相交并定位在刀片826a上)。
在步骤911处，可选择沿截面线的控制点“f”。控制点“f”可以是沿截面线置位的任何点并可定位在径向割刈地带内。在步骤912处，可确定控制点“f”的径向坐标Rf。Rf可指示控制点“f”与钻头在径向平面中的中心的距离。在步骤914处，可确定一个或多个切削元件的切削边缘的具有径向坐标Rf的交点pi。在步骤916处，可确定控制点“f”的角坐标(θf)，并且在步骤918处，可确定每一交点pi的角坐标(θpi)。
在步骤920处，工程设计系统可确定相对于控制点“f”的每一点pi的所需曝光不足(δpi)。如上文相对于图8解释的，可基于钻头在点“f”中的旋转路径的所需临界切削深度Δ来确定每一交点pi的曝光不足δpi。每一交点pi的曝光不足δpi也可基于角坐标θf相对于相应角坐标θpi的关系。
在步骤922处，可确定每一交点pi的轴向坐标(Zpi)，并且在924处可确定Zpi与相应曝光不足δpi之间的差值，类似于上文在图8中描述的(例如，Zpi-δpi)。在一个实施方案中，在步骤926处，工程设计系统可确定被算出用于每一交点pi的Zpi与δpi之间的差值的最大值。在步骤928处，可基于最大计算差值来确定控制点“f”的轴向坐标(Zf)，类似于上文在图8中描述的。
在步骤930处，工程设计系统可确定截面线的足够的控制点(例如，控制点“f”)的轴向坐标是否已被确定来充分限定截面线的轴向坐标。如果需要更多控制点的轴向坐标，那么方法900可返回至其中工程设计系统可选择沿截面线的另一控制点的步骤911，否则，方法900可进行至步骤932。可通过两个相邻控制点之间的所需距离(dr)和截面线的长度(Lc)来确定沿截面线的控制点的数量。例如，如果Lc是1英寸，并且dr是0.1”，那么控制点的数量可以是Lc/dr+1＝11。在一些实施方案中，dr可介于0.01”与0.2”之间。
如果已确定足够的截面线的轴向坐标，那么工程设计系统可进行至步骤932，否则，工程设计系统可返回至步骤911。在步骤932处，针对DOCC，工程设计系统可确定足够数量的截面线的轴向、径向和角坐标是否已被确定，以充分限定DOCC。可通过DOCC的尺寸和形状来确定截面线的数量。例如，如果半球形部件(例如，MDR)被选为DOCC，那么可使用仅一个截面线。如果选择冲击制动器(类似半柱状)，那么可使用多个截面线。如果已确定足够的数量，那么方法900可进行至步骤934，否则方法900可返回至步骤908以选择与DOCC相关联的另一截面线。
在步骤934处，工程设计系统可使用截面线的轴向坐标、角坐标和径向坐标来配置DOCC以使得DOCC具有与截面线大体相同的轴向坐标、角坐标和径向坐标。在一些情况中，可通过使用二维插值方法平滑化表面的轴向坐标来设计DOCC的可对应于截面线的轴向曲率的三维表面，所述二维插值方法例如被称为interp2的函数。
在步骤936处，工程设计系统可确定是否已设计用于钻头的全部所需DOCC。如果否，那么方法900可返回至步骤908以选择用于将被设计的另一DOCC的截面线；如果是，那么方法900可进行至步骤938，其中工程设计系统可计算用于钻头的临界切削深度控制曲线CDCCC，如下文更详细解释的。
在步骤940处，工程设计系统可确定CDCCC是否指示出钻头满足设计要求。如果否，那么方法900可返回至步骤908，并且可对钻头的一个或多个DOCC的设计做出各种改变。例如，控制点“f”的数量可增加，用于DOCC的截面线数量可增加，或其任何组合。截面线的角位置也可被改变。另外，可添加更多DOCC以改善CDCCC。如果CDCCC指示出钻头满足设计要求，那么方法900可结束。因此，方法900可用来根据钻头的径向割刈地带内的所有切削元件的切削边缘来设计和配置DOCC，以使得钻头可在受DOCC控制时具有大体恒定的切削深度。
方法900可被重复以用于设计和配置始于步骤908在相同预期切削深度处在相同径向割刈地带内的另一DOCC。方法900也可被重复以用于通过在步骤902处输入另一预期切削深度Δ来设计和配置钻头的另一径向割刈地带内的另一DOCC。在不脱离本公开范围的情况下，可对方法900做出修改、添加或省略。例如，每一步骤可包括附加步骤。另外，如所描述的步骤顺序可改变。例如，尽管已依次顺序描述步骤，但应理解，可同时进行一个或多个步骤。
如上所述，可通过计算用于钻头的如通过定位在径向割刈地带内的DOCC、刀片或其任何组合提供的径向割刈地带的临界切削深度控制曲线(CDCCC)来分析钻头的切削深度。CDCCC可基于与多个径向坐标相关联的临界切削深度。
图10A示出根据本公开的一些实施方案的钻头1001的面，针对其可以确定临界切削深度控制曲线(CDCCC)。图10B示出图10A的钻头1001的钻头面轮廓。
钻头1001可包括多个刀片1026，所述多个刀片1026可包括切削元件1028和1029。另外，刀片1026b、1026d和1026f可分别包括可被配置来控制钻头1001的切削深度的DOCC1002b、DOCC 1002d和DOCC 1002f。可根据与DOCC 1002b、1002d和1002f相交的径向割刈地带内的钻头1001的所需临界切削深度来配置和设计DOCC 1002b、1002d和1002f，如上文详细描述的。
如上所述，针对沿钻头1001的径向位置，可以确定钻头1001的临界切削深度。例如，钻头1001可包括径向坐标RF，径向坐标RF可与DOCC 1002b在控制点P1002b处相交，与DOCC1002d在控制点P1002d处相交，并且与DOCC 1002f在控制点P1002f处相交。另外，径向坐标RF可分别与切削元件1028a、1028b、1028c和1029f分别在切削元件1028a、1028b、1028c和1029f的切削边缘的切片点1030a、1030b、1030c和1030f处相交。
控制点P1002b、P1002d和P1002f的角坐标(分别为θP1002b、θP1002d和θP1002f)可与切片点1030a、1030b、1030c和1030f的角坐标(分别为θ1030a、θ1030b、θ1030c和θ1030f)一起被确定。可确定通过相对于切片点1030a、1030b、1030c和1030f中的每一者的控制点P1002b、P1002d和P1002f中的每一者所提供的切削深度控制。通过控制点P1002b、P1002d和P1002f中的每一者提供的切削深度控制可基于相对于切片点1030中的每一者的点P1002i中的每一者的曝光不足(图10B中描绘的δ1007i)和相对于切片点1030的点P1002i的角坐标。
例如，可使用图10A中描绘的点P1002b与切片点1030b的角坐标(分别为θP1002b和θ1030b)来确定受DOCC 1002b的点P1002b控制的切片点1030b处的切削元件1028b的切削深度(Δ1030b)。另外，Δ1030b可基于点P1002b的轴向坐标(ZP1002b)的轴向曝光不足(δ1007b)，所述轴向坐标相对于交点1030b的轴向坐标(Z1030b)，如图10B中描绘的。在一些实施方案中，可使用以下方程式确定Δ1030b：
Δ1030b＝δ1007b*360/(360-(θP1002b-θ1030b))；以及
δ1007b＝Z1030b-ZP1002b。
在以上方程式中的第一者中，θP1002b和θ1030b可在度数中表达，并且“360”可表示围绕钻头1001的面的整转。因此，在其中θP1002b和θ1030b在弧度中表达的情况中，以上方程式中的第一者中的数字“360”可变为“2π”。此外，在以上方程式中，“(θP1002b-θ1030b)”的最终角(Δθ)可被限定为始终为正。因此，如果最终角Δθ为负，那么可通过将360度(或2π弧度)加至Δθ来将Δθ变为正。相似方程式可用来分别确定切削元件1028a、1028c和1029f在受切片点1030a、1030c和1030f处的控制点P1002b控制时的切削深度(分别为Δ1030a、Δ1030c和Δ1030f)。
通过点P1002b提供的临界切削深度(ΔP1002b)可以是Δ1030a、Δ1030b、Δ1030c和Δ1030f的最大值并可通过以下方程式表达：
ΔP1002b＝max[Δ1030a,Δ1030b,Δ1030c,Δ1030f]。
可类似地确定通过径向坐标RF处的点P1002d和P1002f提供的临界切削深度(分别为ΔP1002d和ΔP1002f)。钻头1001在径向坐标RF处的总临界切削深度(ΔRF)可基于ΔP1002b、ΔP1002d和ΔP1002f的最小值并可通过以下方程式表达：
ΔRF＝min[ΔP1002b,ΔP1002d,ΔP1002f]。
因此，可基于其中DOCC 1002与切削元件1028/1029相交的点RF来确定钻头1001在径向坐标RF处的总临界切削深度(ΔRF)。尽管未在此明确示出，但应理解，钻头1001在径向坐标RF处的总临界切削深度(ΔRF)也可受影响于可与刀片1026相关联的控制点P1026i(未在图10A和图10B中明确示出)，所述刀片1026被配置来控制钻头1001在径向坐标RF处的切削深度。在这类情况中，可确定通过每一控制点P1026i提供的临界切削深度(ΔP1026i)。每一控制点ΔP1026i的每一临界切削深度P1026i可在确定RF处的最小临界切削深度中被包括具有临界切削深度ΔP1002i，以计算径向位置RF处的总临界切削深度ΔRF。
为了确定钻头1001的临界切削深度控制曲线，可以确定在一系列径向位置Rf处的从钻头1001的中心至钻头1001的边缘的任何位置处的总临界切削深度(ΔRf)，以产生表示与钻头1001的半径有关的临界切削深度的曲线。在所示出的实施方案中，DOCC 1002b、1002d和1002f可被配置来控制钻头1001用于径向割刈地带1008的切削深度，所述径向割刈地带1008被限定为定位在第一径向坐标RA与第二径向坐标RB之间。因此，针对位于径向割刈地带1008内并定位在RA与RB之间的一系列径向坐标Rf，可以确定总临界切削深度，如以上所公开的。一旦确定用于足够数量的径向坐标Rf的总临界切削深度，总临界切削深度可以是与径向坐标Rf有关的曲线图。
图10C示出根据本公开的一些实施方案的用于钻头1001的临界切削深度控制曲线。图10C示出径向坐标RA与RB之间的临界切削深度可以是大体均匀的，指示出DOCC 1002b、1002d和1002f可足以被配置来在RA与RB之间提供大体平均的切削深度控制。
在不脱离本公开范围的情况下，可对图10A-图10C做出修改、添加或省略。例如，如以上所讨论，刀片1026、DOCC 1002或其任何组合可影响一个或多个径向坐标处的临界切削深度，并且临界切削深度可因此被确定。
图11示出根据本公开的一些实施方案的确定和产生CDCCC的示例性方法1100。在所示出的实施方案中，钻头的切削结构(包括所有切削元件和DOCC的至少位置和定向)可已经在先前被设计。然而在其他实施方案中，方法1100可包括用于设计钻头的切削结构的步骤。出于例示性目的，相对于图10A-图10C的钻头1001描述方法1100；然而，方法1100可用来确定任何适合钻头的CDCCC。
方法1100的步骤可通过被配置来模拟和设计钻井系统、设备和装置的各种计算机程序、模型或其任何组合进行。程序和模型可包括存储在计算机可读媒体上并且可操作来在被执行时进行下述步骤中的一者或多者的指令。计算机可读媒体可包括被配置来存储和检索程序或指令的任何系统、设备或装置，例如硬盘驱动器、光盘、闪速存储器或任何其他适合的装置。程序与模型可被配置来引导处理器或其他适合的单元检索和执行来自计算机可读媒体的指令。共同地，用来模拟和设计钻井系统的计算机程序和模型可被称为“钻井工程设计系统”或“工程设计系统”。此外，通过工程设计系统进行的任何模拟和/或计算的设计参数和/或结果可输出至工程设计系统的视觉显示器。
方法1100可开始，并且在步骤1102处，工程设计系统可选择钻头1001的径向割刈地带以用于分析所选径向割刈地带内的临界切削深度。在一些情况中，所选径向割刈地带可包括钻头1001的整个面，并且在其他情况中，所选径向割刈地带可以是钻头1001的面的一部分。例如，工程设计系统可选择如在径向坐标RA与RB之间限定并受DOCC 1002b、1002d和1002f控制的径向割刈地带1008，如在图10A-图10C中示出的。
在步骤1104处，工程设计系统可将所选径向割刈地带(例如，径向割刈地带1008)划分为数量Nb的径向坐标(Rf)，例如图10A和图10B中描述的径向坐标RF。例如，径向割刈地带1008可被分成九个径向坐标以使得用于径向割刈地带1008的Nb可等于九。对于径向割刈地带内的每一径向坐标，变量“f”可表示从一到Nb的数字。例如，“R1”可表示径向割刈地带的内侧边缘的径向坐标。因此，对于径向割刈地带1008来说，“R1”可约等于RA。作为其他实例，“RNb”可表示径向割刈地带的外侧边缘的径向坐标。因此，对于径向割刈地带1008来说，“RNb”可约等于RB。
在步骤1106处，工程设计系统可选择径向坐标Rf并可识别控制点(Pi)，所述控制点(Pi)可位于所选径向坐标Rf处并与DOCC和/或刀片相关联。例如，工程设计系统可选择径向坐标RF并可识别与DOCC1002和/或刀片1026相关联并位于径向坐标RF处的控制点P1002i和P1026i，如上文相对于图10A和图10B所描述的。
在步骤1108处，对于在步骤1106中选择的径向坐标Rf来说，工程设计系统可识别切片点(Cj)，所述切片(Cj)各位于所选径向坐标Rf处并与切削元件的切削边缘相关联。例如，工程设计系统可分别识别位于径向坐标RF处并与切削元件1028a、1028b、1028c和1029f的切削边缘相关联的切片点1030a、1030b、1030c和1030f，如相对于图10A和图10B所述和所示的。
在步骤1110处，工程设计系统可选择控制点Pi并可计算用于每一切片Cj的如受所选定的控制点Pi控制的切削深度(ΔCj)，如上文相对于图10A和图10B所描述的。例如，工程设计系统可通过使用以下方程式来确定切片点1030a、1030b、1030c和1030f的如受控制点P1002b控制的切削深度(分别为Δ1030a、Δ1030b、Δ1030c和Δ1030f)：
Δ1030a＝δ1007a*360/(360-(θP1002b-θ1030a))；
δ1007a＝Z1030a-ZP1002b；
Δ1030b＝δ1007b*360/(360-(θP1002b-θ1030b))；
δ1007b＝Z1030b-ZP1002b；
Δ1030c＝δ1007c*360/(360-(θP1002b-θ1030c))；
δ1007c＝Z1030c-ZP1002b；
Δ1030f＝δ1007f*360/(360-(θP1002b-θ1030f))；以及
δ1007f＝Z1030f-ZP1002b。
在步骤1112处，通过确定切片Cj的如受所选定的控制点Pi控制并在步骤1110中被算出的切削深度(ΔCj)的最大值，工程设计系统可计算通过所选定的控制点提供的临界切削深度(ΔPi)。这个确定可通过以下方程式表达：
ΔPi＝max{ΔCj}。
例如，控制点P1002b可在步骤1110中被选择，并且切片1030a、1030b、1030c和1030f的如受控制点P1002b控制的切削深度(分别为Δ1030a、Δ1030b、Δ1030c和Δ1030f)也可在步骤1110中被确定，如上所示。因此，可使用以下方程式在步骤1112处计算通过控制点P1002b提供的临界切削深度(ΔP1002b)：
ΔP1002b＝max[Δ1030a,Δ1030b,Δ1030c,Δ1030f]。
针对在步骤1106中识别的全部控制点Pi，工程设计系统可重复步骤1110和1112，以确定通过位于径向坐标Rf处的所有控制点Pi提供的临界切削深度。例如，工程设计系统可进行相对于控制点P1002d和P1002f的步骤1110和1112，以确定通过控制点P1002d和P1002f相对于图10A和图10B中示出的径向坐标RF处的切片1030a、1030b、1030c和1030f提供的临界切削深度(例如，分别为ΔP1002d和ΔP1002f)。
在步骤1114处，工程设计系统可计算在步骤1106中选择的径向坐标Rf处的总临界切削深度(ΔRf)。通过确定在步骤1110和1112中确定的控制点Pi的临界切削深度(ΔPi)的最小值，工程设计系统可计算所选径向坐标Rf处的总临界切削深度(ΔRf)。这个确定可通过以下方程式表达：
ΔRf＝min{ΔPi}。
例如，工程设计系统可通过使用以下方程式来确定图10A和图10B的径向坐标RF处的总临界切削深度：
ΔRF＝min[ΔP1002b,ΔP1002d,ΔP1002f]。
工程设计系统可重复步骤1106至1114以确定在步骤1104处产生的所有径向坐标Rf处的总临界切削深度。
在步骤1116处，工程设计系统可绘制与每一径向坐标Rf有关的用于每一径向坐标Rf的总临界切削深度(ΔRf)。因此，针对与径向坐标Rf相关联的径向割刈地带，可以算出并绘出临界切削深度控制曲线。例如，工程设计系统可绘制定位在径向割刈地带1008内的每一径向坐标Rf的总临界切削深度，以使得能够确定和绘制割刈地带1008的临界切削深度控制曲线，如图10C中所描绘的。跟随步骤1116，方法1100可结束。因此，方法1100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提供对钻头的切削深度的大体平均的控制。因此，临界切削深度控制曲线可用来修改钻头的DOCC和/或刀片，所述DOCC和/或刀片被配置来控制钻头的切削深度。
在不脱离本公开范围的情况下，可对方法1100做出修改、添加或省略。例如，可以不同于所描述的方式进行步骤的顺序，并且可同时进行一些步骤。另外，每一个别步骤可在不脱离本公开范围的情况下包括另外步骤。
如上文相对于图10A-图10C和图11所描述的，临界切削深度控制曲线可用来修改钻头的DOCC和/或刀片，所述DOCC和/或刀片被配置来控制钻头的切削深度。如下文进一步详细描述的，基于DOCC的临界切削深度控制曲线也可与相关于切削元件的衬底的基于衬底的切削深度控制曲线(SCDCCC)相比，以确定切削元件的衬底是否可以给定ROP和RPM在钻井期间接触到地层。
图12A示出根据本公开的一些实施方案的钻头的刀片上的切削元件的示例性定向。例如，外部切削元件1228和内部切削元件1229可设置在刀片1226上。外部切削元件1228可包括硬切削层1243、形成切削元件1228的主体的衬底1242，以及凹窝延伸部1241，其中切削元件1228可通过凹窝延伸部1241适于刀片1226内的凹窝。同样地，内部切削元件1229可包括硬切削层1248、形成切削元件1229的主体的衬底1247，以及凹窝延伸部1246，其中切削元件1229可通过凹窝延伸部1246适于刀片1226内的凹窝。
如图12A所示，硬切削层1243和衬底1242可被暴露以部分取决于刀片1226上的切削元件1228相对于钻头旋转方向的定向在井筒的钻井期间与地层接触。例如，当切削元件1228a在由x轴和y轴形成的xy平面上围绕z轴(即，钻头旋转轴)旋转时，衬底1242a和硬切削层1243a可在井筒的钻井期间各接触地层。可由具有高等级硬度和抗磨力的材料(例如，多晶金刚石材料)形成硬切削层1243，由此使硬切削层1243适用于在井筒的钻井期间的切削地层。在一些实施方案中，衬底1242可比硬切削层1243硬度更小并且抗磨损性更弱。为了防止切削元件的由于在钻井操作期间衬底接触地层所造成的潜在损失，防止由于衬底接触地层造成的过量摩擦热，以及防止钻头的最大ROP的减小，可以防止衬底1242在钻井期间接触地层的方式调整钻头设计中的切削元件1228的放置。
如下文参考图14A-图14B和图15更详细解释的，钻头可被设计来通过确保钻头上的给定径向位置的临界切削深度小于基于衬底的临界切削深度而防止一个或多个切削元件的衬底接触地层，所述基于衬底的临界切削深度部分取决于衬底1242相对于切削元件1228的切削边缘的对应分段的曝光不足。例如，例如切削元件1228的后倾角和侧倾角的钻头设计参数可被调整以增加衬底1242相对于切削元件1228的切削边缘的曝光不足，由此增大基于衬底的临界切削深度。其他设计参数，包括但不限于DOCC的放置、切削元件的密度、备用切削元件的密度和/或那些备用切削元件的曝光不足，可被设计来达成用于给定径向位置的所需临界切削深度，由此设定可允许用于给定径向位置的最小基于衬底的临界切削深度。
图12B示出在图12A中描绘的切削元件1228的侧视图。如图12B所示，切削元件1228的后倾角(β)为切削元件1228与z轴(即，钻头旋转轴)相比时以其定向的角度。图12C示出在图12A中描绘的切削元件1228的底视图。如图12C所示，切削元件1228的侧倾角(α)为切削元件1228与xy平面的x轴或y轴相比时以其定向的角度。
图13示出根据本公开的一些实施方案的具有衬底的切削元件的轮廓。可通过计算用于钻头的基于衬底的切削深度控制曲线(SCDCCC)来分析钻头的基于衬底的切削深度。为了有助于SCDCCC的计算，切削元件的衬底的表面可被啮合以便识别衬底上的表面点，其中基于衬底的切削深度控制曲线可根据所述表面点被算出。如图13所示，切削元件1300可具有硬切削层1343和衬底1342。衬底1342的表面可被啮合以便识别衬底表面点(例如，衬底表面控制点1302)，所述衬底表面点对应于硬切削层1343的切削边缘1303上的切片1306a-1306i。
如下文参考图14A-图14B和图15详细解释的，衬底表面点(例如，衬底表面控制点1302)的轴向和径向坐标可用来计算基于衬底的切削深度控制曲线(SCDCCC)，所述基于衬底的切削深度控制曲线可继而与阈值临界切削深度控制曲线(CDCCC)相比以确定径向位置，其中切削元件的衬底可在所述径向位置处在钻井期间接触地层。控制曲线的阈值临界深度可以是基于所需临界切削深度的给定临界切削深度控制曲线或分别被计算的基于DOCC的临界切削深度控制曲线。根据钻头上的任何径向位置的确定，其中切削元件的衬底可在所述任何径向位置处在钻井期间接触地层，钻头的设计可被调整以防止衬底接触地层。例如，切削元件的后倾角和/或侧倾角可被调整。作为另一实例，现有DOCC的设计可被调整或其他DOCC可添加至钻头。
图14A示出根据本公开的一些实施方案的钻头1401的面，针对其可确定基于衬底的临界切削深度控制曲线(SCDCCC)。图14B示出图14A的钻头1401的钻头面轮廓。
钻头1401可包括多个刀片1426，所述多个刀片1426可包括切削元件1428和1429。切削元件1428和1429中的每一者可包括衬底和切削边缘，但出于简化图14A的目的，仅示出了某些切削元件的衬底。例如，切削元件1428b、1428d和1428f可分别包括衬底1402b、衬底1402d和衬底1402f。
对于沿钻头1401的径向位置，可以确定钻头1401的基于衬底的临界切削深度。例如，钻头1401可包括径向坐标RF，径向坐标RF可与衬底1402b在控制点P1402b处相交，与衬底1402d在控制点P1402d处相交，并且与衬底1402f在控制点P1402f处相交。另外，径向坐标RF可分别与切削元件1428a、1428b、1428c和1429f分别在切削元件1428a、1428b、1428c和1429f的切削边缘的切片点1430a、1430b、1430c和1430f处相交。
尽管切削元件的衬底可不以与切削深度控制器(DOCC)相同的方式物理地控制切削深度，但钻头1401可被设计以使得切削元件的衬底不在钻井期间接触地层。因此，定位在衬底上的控制点可以与上文参考图10A、图10B、图10C和图11描述的DOCC上的控制点被描述为控制切削元件的切削深度相同的方式在此被描述为控制切削元件的切削深度。
控制点P1402b、P1402d和P1402f的角坐标(分别为θP1402b、θP1402d和θP1402f)可与切片点1430a、1430b、1430c和1430f的角坐标(分别为θ1430a、θ1430b、θ1430c和θ1430f)一起被确定。可确定通过相对于切片点1430a、1430b、1430c和1430f中的每一者的控制点P1402b、P1402d和P1402f中的每一者提供的基于衬底的切削深度。控制点P1402b、P1402d和P1402f中的每一者处的基于衬底的切削深度可基于相对于切片点1430中的每一者的点P1402i中的每一者的曝光不足(图14B中描绘的δ1407i)和相对于切片点1430的点P1402i的角坐标。
例如，可使用图14A中描绘的点P1402b与切片点1430b的角坐标(分别为θP1402b和θ1430b)来确定切片点1430b处的切削元件1428b的如受衬底1402b的点P1402b控制的切削深度(Δ1430b)。另外，Δ1430b可基于点P1402b的轴向坐标(ZP1402b)的轴向曝光不足(δ1407b)，所述轴向坐标相对于交点1430b的轴向坐标(Z1430b)，如图14B中描绘的。在一些实施方案中，可使用以下方程式确定Δ1430b：
Δ1430b＝δ1407b*360/(360-(θP1402b-θ1430b))；以及
δ1407b＝Z1430b-ZP1402b。
在以上方程式中的第一者中，θP1402b和θ1430b可在度数中表达，并且“360”可表示围绕钻头1401的面的整转。因此，在其中θP1402b和θ1430b在弧度中表达的情况中，以上方程式中的第一者中的数字“360”可变为“2π”。此外，在以上方程式中，“(θP1402b-θ1430b)”的最终角(Δθ)可被限定为始终为正。因此，如果最终角Δθ为负，那么可通过将360度(或2π弧度)加至Δθ来将Δθ变为正。相似方程式可用来分别确定切削元件1428a、1428c和1429f的如受切片点1430a、1430c和1430f处的控制点P1402b控制的切削深度(分别为Δ1430a、Δ1430c和Δ1430f)。
点P1402b处的基于衬底的临界切削深度(ΔP1402b)可以是Δ1430a、Δ1430b、Δ1430c和Δ1430f的最大值并可通过以下方程式表达：
ΔP1402b＝max[Δ1430a,Δ1430b,Δ1430c,Δ1430f]。
可类似地确定在径向坐标RF处的点P1402d和P1402f处的基于衬底的临界切削深度(分别为ΔP1402d和ΔP1402f)。钻头1401在径向坐标RF处的总临界切削深度(ΔRF)可基于ΔP1402b、ΔP1402d和ΔP1402f的最小值并可通过以下方程式表达：
ΔRF＝min[ΔP1402b,ΔP1402d,ΔP1402f]。
因此，可基于其中衬底1402与切削元件1428/1429相交的点RF来确定钻头1401在径向坐标RF处的总临界切削深度(ΔRF)。用于每一控制点P1426i的每一基于衬底的临界切削深度ΔP1426i可在确定RF处的最小基于衬底的临界切削深度中被包括具有基于衬底的临界切削深度ΔP1402i，以计算径向位置RF处的基于衬底的总临界切削深度ΔRF。
为了确定钻头1401的基于衬底的临界切削深度控制曲线，可以确定在一系列径向位置Rf处的从钻头1401的中心至钻头1401的边缘的任何位置处的基于衬底的总临界切削深度(ΔRf)，以产生表示与钻头1401的半径有关的基于衬底的临界切削深度。一旦确定用于足够数量的径向坐标Rf的基于衬底的总临界切削深度，总临界切削深度可以是与径向坐标Rf有关的曲线图。
在不脱离本公开范围的情况下，可对图14A-图14B做出修改、添加或省略。例如，如以上所讨论，刀片1426、衬底1402或其任何组合可影响一个或多个径向坐标处的基于衬底的基于衬底的临界切削深度，并且基于衬底的临界切削深度可因此被确定。
图15示出根据本公开的一些实施方案的确定和产生SCDCCC的示例性方法1500。在所示出的实施方案中，钻头的切削结构(包括所有切削元件和衬底的至少位置和定向)可已经在先前被设计。然而在其他实施方案中，方法1500可包括用于设计钻头的切削结构的步骤。出于例示性目的，相对于图14A-图14B的钻头1401描述方法1500；然而，方法1500可用来确定任何适合钻头的SCDCCC。
方法1500的步骤可通过被配置来模拟和设计钻井系统、设备和装置的各种计算机程序、模型或其任何组合进行。程序和模型可包括存储在计算机可读媒体上并且可操作来在被执行时进行下述步骤中的一者或多者的指令。计算机可读媒体可包括被配置来存储和检索程序或指令的任何系统、设备或装置，例如硬盘驱动器、光盘、闪速存储器或任何其他适合的装置。程序与模型可被配置来引导处理器或其他适合的单元检索和执行来自计算机可读媒体的指令。共同地，用来模拟和设计钻井系统的计算机程序和模型可被称为“钻井工程设计系统”或“工程设计系统”。此外，通过工程设计系统进行的任何模拟和/或计算的设计参数和/或结果可输出至工程设计系统的视觉显示器。
方法1500可开始，并且在步骤1504处，工程设计系统可将钻头半径划分为数量Nb的径向坐标(Rf)，例如图14A和图14B中描述的径向坐标RF。例如，钻头半径(Rb)可除以dr，(例如，dr＝0.01”)以使得Nb是(Rb/dr)的整数。对于钻头半径内的每一径向坐标，变量“f”可表示从一到Nb的数字。例如，“R1”可表示钻头半径的内侧边缘的径向坐标。作为其他实例，“RNb”可表示钻头半径的外侧边缘的径向坐标。
在步骤1506处，工程设计系统可选择径向坐标Rf并可识别控制点(Pi)，所述控制点(Pi)可位于所选径向坐标Rf处并与衬底相关联。例如，工程设计系统可选择径向坐标RF并可识别与衬底1402相关联并且位于径向坐标RF处的控制点P1402i，如上文相对于图14A和图14B描述的。
在步骤1508处，对于在步骤1506中选择的径向坐标Rf来说，工程设计系统可识别切片点(Cj)，所述切片点(Cj)各位于所选径向坐标Rf处并与切削元件的切削边缘相关联。例如，工程设计系统可分别识别位于径向坐标RF处和与切削元件1428a、1428b、1428c和1429f的切削边缘相关联的切片点1430a、1430b、1430c和1430f，如相对于图14A和图14B所述和所示的。
在步骤1510处，工程设计系统可选择控制点Pi并可计算用于每一切片Cj的如受所选定的控制点Pi控制的切削深度(ΔCj)，如上文相对于图14A和图14B所描述的。例如，工程设计系统可通过使用以下方程式来确定切片1430a、1430b、1430c和1430f的如受控制点P1402b控制的切削深度(分别为Δ1430a、Δ1430b、Δ1430c和Δ1430f)：
Δ1430a＝δ1407a*360/(360-(θP1402b-θ1430a))；
δ1407a＝Z1430a-ZP1402b；
Δ1430b＝δ1407b*360/(360-(θP1402b-θ1430b))；
δ1407b＝Z1430b-ZP1402b；
Δ1430c＝δ1407c*360/(360-(θP1402b-θ1430c))；
δ1407c＝Z1430c-ZP1402b；
Δ1430f＝δ1407f*360/(360-(θP1402b-θ1430f))；以及
δ1407f＝Z1430f-ZP1402b。
在步骤1512处，通过确定切片Cj的如受所选定的控制点Pi控制并在步骤1510中算出的切削深度(ΔCj)的最大值，工程设计系统可计算通过所选定的控制点提供的临界切削深度(ΔPi)。这个确定可通过以下方程式表达：
ΔPi＝max{ΔCj}。
例如，控制点P1402b可在步骤1510中被选择，并且切片1430a、1430b、1430c和1430f的如受控制点P1402b控制的切削深度(分别为Δ1430a、Δ1430b、Δ1430c和Δ1430f)也可在步骤1510中被确定，如上所示。因此，可在步骤1512处使用以下方程式计算控制点P1402b处的基于衬底的临界切削深度(ΔP1402b)：
ΔP1402b＝max[Δ1430a,Δ1430b,Δ1430c,Δ1430f]。
针对在步骤1506中识别的全部控制点Pi，工程设计系统可重复步骤1510和1512，以确定位于径向坐标Rf的所有控制点Pi处的基于衬底的临界切削深度。例如，工程设计系统可相对于控制点P1402d和P1402f进行步骤1510和1512以确定相对于图14A和图14B中示出的径向坐标RF处的切片1430a、1430b、1430c和1430f的控制点P1402d和P1402f处的基于衬底的临界切削深度(例如，分别为ΔP1402d和ΔP1402f)。
在步骤1514处，工程设计系统可计算在步骤1506中选择的径向坐标Rf处的基于衬底的总临界切削深度(ΔRf)。通过确定在步骤1510和1512中确定的控制点Pi的基于衬底的临界切削深度(ΔPi)的最小值，工程设计系统可计算所选径向坐标Rf处的基于衬底的总临界切削深度(ΔRf)。这个确定可通过以下方程式表达：
ΔRf＝min{ΔPi}。
例如，工程设计系统可通过使用以下方程式来确定图14A和图14B的径向坐标RF处的基于衬底的总临界切削深度：
ΔRF＝min[ΔP1402b,ΔP1402d,ΔP1402f]。
工程设计系统可重复步骤1506至1514以确定在步骤1504处产生的所有径向坐标Rf处的基于衬底的总临界切削深度。
在步骤1516处，工程设计系统可绘制与每一径向坐标Rf有关的用于每一径向坐标Rf的基于衬底的总临界切削深度(ΔRf)。因此，可计算和绘制用于钻头半径的基于衬底的临界切削深度控制曲线。
在步骤1518处，基于衬底的临界切削深度控制曲线(SCDCCC)可与阈值临界切削深度控制曲线(CDCCC)相比。控制曲线的阈值临界深度可以是基于所需临界切削深度的给定临界切削深度控制曲线或分别被计算的基于DOCC的临界切削深度控制曲线。例如，在方法1500的步骤1504-1516中产生的基于衬底的临界切削深度控制曲线可与在方法1100中计算的基于阈值DOCC的临界切削深度控制曲线相比。基于衬底的临界切削深度在其处小于阈值临界切削深度的任何径向位置可表示一个径向位置，其中切削元件的衬底在所述径向位置处可在钻井期间接触到地层。
跟随步骤1518，方法1500可结束。因此，方法1500可用来计算和绘制钻头的基于衬底的临界切削深度控制曲线。如上所述，基于衬底的临界切削深度控制曲线可用来确定任何切削元件的衬底是否在钻井期间接触地层。
在不脱离本公开范围的情况下，可对方法1500做出修改、添加或省略。例如，可以不同于所描述的方式进行步骤的顺序，并且可同时进行一些步骤。另外，每一个别步骤可在不脱离本公开范围的情况下包括另外步骤。
如上所述，根据任何径向位置的确定，其中切削元件的衬底可在所述任何径向位置处在钻井期间接触地层，钻头的设计可被调整以防止这种衬底接触。例如，其他DOCC可添加至钻头，或现有DOCC的设计可被调整，以便减小给定径向位置处的阈值临界切削深度，以使得阈值临界切削深度小于那个位置处的基于衬底的临界切削深度。在一些实施方案中，额外切削元件和/或备用切削元件可添加至钻头的设计以类似地减小阈值临界切削深度。因此，DOCC、额外切削元件和/或额外的备用切削元件可在切削元件的衬底之前接触地层，并且由此防止任何切削元件的衬底在钻井期间接触地层。
作为另一实例，切削元件的后倾角和/或侧倾角可被调整以便增大给定径向位置的基于衬底的临界切削深度。例如，切削元件的侧倾角可减小(例如，从10度至5度)和/或切削元件的后倾角可增大(例如，从14.5度至25度)。因此，给定径向位置的基于衬底的临界切削深度可增大到大于阈值临界切削深度的程度，由此防止那个径向位置处的任何切削元件的衬底在钻井期间接触地层。
尽管本公开已使用若干实施方案描述，但可向本领域技术人员建议各种变化和修改。例如，尽管本公开描述刀片、切削元件和DOCC相对于钻头的配置，但相同原理可用来控制根据本公开的任何适合的钻井工具的切削深度。本公开旨在涵盖落入随附权利要求书范围的这类变化和修改。

Claims (20)

1.一种设计钻头的方法，所述方法包括：
确定钻头的多个径向坐标处的多个切削元件中的每一者在所述钻头上的位置；
在所述多个径向坐标中的每一者处，针对所述多个切削元件中的每一者的衬底，确定基于衬底的临界切削深度；
基于所述多个径向坐标中的每一者处的所述基于衬底的临界切削深度产生基于衬底的临界切削深度控制曲线；
将所述基于衬底的临界切削深度控制曲线与阈值临界切削深度控制曲线比较；以及
响应于所述基于衬底的临界切削深度控制曲线小于或等于径向坐标处的所述阈值临界切削深度控制曲线来调整钻头设计参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中调整所述钻头设计参数包括：在所述钻头的所述被识别的径向坐标处调整切削元件的后倾角和侧倾角中的至少一者。
3.如权利要求1所述的方法，其中调整所述钻头设计参数包括：通过减小受所述钻头的所述被识别的径向坐标处的切削深度控制器(DOCC)控制的切削元件的切削深度来减小所述被识别的径向位置处的所述阈值临界切削深度控制曲线。
4.如权利要求1所述的方法，其中调整所述钻头设计参数包括：增大所述钻头上的切削深度控制器(DOCC)的数量。
5.如权利要求1所述的方法，其中调整所述钻头设计参数包括：增加所述钻头上的若干切削元件和若干备用刀具中的一者。
6.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：在视觉显示器上显示所述基于衬底的临界切削深度控制曲线。
7.一种确定基于衬底的临界切削深度的方法，所述方法包括：
识别设置在钻头的钻头面上的在所述钻头上与径向坐标相交的多个切削元件，所述多个切削元件中的每一者具有衬底；
识别在所述钻头上与所述径向坐标相交的所述多个切削元件的一个切削元件的所述衬底；以及
基于与相交于所述径向坐标的所述多个切削元件的每一部分相关联并且受所述一个切削元件的所述被识别的衬底控制的切削深度来计算与所述径向坐标相关联的基于衬底的临界切削深度。
8.如权利要求7所述的方法，其进一步包括：将所述基于衬底的临界切削深度与阈值临界切削深度比较。
9.如权利要求8所述的方法，其进一步包括：
识别被设置在所述钻头的所述钻头面上的切削深度控制器(DOCC)；以及
基于与相交于所述径向坐标的所述多个切削元件的每一部分相关联并且受所述DOCC控制的DOCC控制的切削深度来计算所述阈值临界切削深度。
10.如权利要求7所述的方法，其进一步包括：
计算所述被识别的衬底与相交于所述径向坐标的所述多个切削元件中的每一者之间的轴向曝光不足；以及
基于所述被识别的衬底与所述多个切削元件中的每一者之间的所述轴向曝光不足来计算与相交于所述径向坐标的所述多个切削元件的每一部分相关联并且受所述被识别的衬底控制的所述切削深度。
11.如权利要求7所述的方法，其进一步包括：
识别与所述被识别的衬底和所述径向坐标相关联的控制点；
确定与所述控制点相关联的控制点角坐标，所述控制点角坐标和所述径向坐标被限定在大体垂直于钻头转动轴的平面中；
确定与所述多个切削元件相关联的切片点，所述切片点具有与所述控制点近乎相同的所述径向坐标；
确定与所述切片点中的每一者相关联的切片点角坐标；以及
基于所述控制点角坐标和所述切片点角坐标来计算与每一切片点相关联并且受所述衬底的所述控制点控制的切片点切削深度。
12.如权利要求11所述的方法，其进一步包括：
基于与每一相应切片点相关联的所述切片点切削深度来确定最大切片点切削深度值；以及
基于所述最大切片点切削深度值来确定控制点基于衬底的临界切削深度。
13.如权利要求7所述的方法，其进一步包括：
识别与所述径向坐标相交的多个衬底；以及
计算多个基于衬底的临界切削深度，所述多个基于衬底的临界切削深度中的每一者与所述多个被识别的衬底中的一者相关联，并且基于与相交于所述径向坐标的所述多个切削元件的每一部分相关联并且受所述多个衬底中的所述一者控制的所述切削深度。
14.如权利要求13所述的方法，其进一步包括：
确定所述多个基于衬底的临界切削深度的最小值；以及
基于所述多个基于衬底的临界切削深度的所述最小值来计算与所述径向坐标相关联的基于衬底的总临界切削深度。
15.如权利要求14所述的方法，其进一步包括：将所述基于衬底的总临界切削深度与阈值临界切削深度比较。
16.一种钻头，其包括：
钻头体；
多个刀片，其位于所述钻头体上，形成钻头面；
多个切削元件，其位于所述多个刀片上，所述多个切削元件中的每一者包括与所述钻头面的径向坐标相交的衬底，所述衬底控制与所述径向坐标相关联的基于衬底的临界切削深度；以及
切削深度控制器(DOCC)，其设置在所述多个刀片中的一者上并被配置来控制与所述径向坐标相关联的阈值临界切削深度，与所述径向坐标相关联的所述阈值临界切削深度小于与所述径向坐标相关联的所述基于衬底的临界切削深度。
17.如权利要求16所述的钻头，其中所述阈值临界切削深度基于与相交于所述径向坐标的所述多个切削元件的每一部分相关联并且受所述DOCC控制的切削深度。
18.如权利要求16所述的钻头，其中所述基于衬底的临界切削深度基于与相交于所述径向坐标的所述多个切削元件的每一部分相关联并且受所述多个切削元件中的一者的所述衬底控制的切削深度。
19.如权利要求18所述的钻头，其中所述基于衬底的临界切削深度进一步基于所述衬底与相交于所述径向坐标的所述多个切削元件的所述部分中的每一者之间的轴向曝光不足。
20.如权利要求19所述的钻头，其中所述轴向曝光不足基于所述多个切削元件中的所述一者的后倾角和侧倾角。
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