CN107075918A - 被设计来控制和减少作用于岩石的岩心上的切削力的取芯钻头 - Google Patents

Abstract

本文公开一种用于设计取芯钻头以便控制和减少作用于岩石的岩心上的切削力的方法。所述方法包括生成包括多个刀片上的多个切削元件的取芯钻头的模型。所述方法可另外包括利用所述取芯钻头的所述模型模拟取芯操作。所述方法还可包括计算由所述取芯钻头的所述模型上的所述多个切削元件中的至少一个在所述取芯操作过程中生成的至少一个力矢量。所述方法还可包括基于所述至少一个力矢量确定作用于所述取芯钻头的所述模型中的岩心上的至少一个力，以及基于作用于所述岩心上的所述至少一个力生成所述取芯钻头的设计。

Description

被设计来控制和减少作用于岩石的岩心上的切削力的取芯 钻头

技术领域

本公开大体上涉及钻井工具，并且更具体地涉及被设计来控制和减少作用于岩石的岩心上的切削力和摩擦力的取芯钻头。

发明背景

各种类型的钻井工具已经用来在相关联的井下地层中形成钻孔，所述钻井工具包括但不限于：旋转钻头尖、扩孔器、取芯钻头、管下扩孔器、打孔器、稳定器和其他井下工具。此类旋转钻头或取芯钻头的实例包括但不限于：固定铣刀钻头或取芯钻头、刮刀钻头、多晶金刚石复合(PDC)钻头、热稳定性金刚石(TSD)钻头、天然金刚石钻头、或者嵌有金刚石的钻头或取芯钻头、以及与形成延伸穿过一个或多个井下地层的油气井相关联的基体或钢体钻头或取芯钻头。诸如PDC钻头尖或取芯钻头的固定铣刀钻头尖或取芯钻头可包括各自包括多个切削元件的多个刀片。

诸如石油和天然气的烃常常以各种形式驻留在地下地质地层内。常常，取芯钻头用来获取从感兴趣地层取得的岩石的代表样本。这些岩石样本通常被称为“岩心样本”。岩心样本的分析和研究使工程师和地质学家能够评估地层参数，诸如储层存储容量、形成地层的岩石的流动潜力、驻留在地层中的可恢复烃或矿物质的组分以及岩石的束缚水饱和水平。例如，关于流体的量的信息可用于完井项目的随后设计和实现中，所述完井项目实现基于从岩心样本获取的数据被确定为在经济上有吸引力的被选择的地层和区域的生产。

附图简述

为了更完全地理解本发明及其特征与优点，现结合附图来参考以下描述，在附图中：

图1是取芯系统的示例性实施方案的正视图；

图2是以常常用来建模或设计固定铣刀钻头和取芯钻头的方式向上取向的旋转取芯钻头的等距图；

图3A示出包括多个切削元件的取芯钻头的俯视图以及由每个切削元件在取芯操作过程中产生的力矢量分布，其在垂直于取芯钻头轴线的平面中示出；

图3B示出包括多个切削元件的取芯钻头的一个刀片的俯视图以及由每个切削元件在取芯操作过程中产生的切削力所得矢量，其在垂直于取芯钻头轴线的平面中示出；

图4A和4B示出穿过一个刀片截取的取芯钻头、岩层和由取芯钻头中的每一个获取的岩心样本的剖视图；

图5A和5B示出穿过一个刀片截取的取芯钻头、岩层、由取芯钻头中的每一个获取的岩心样本的剖视图，以及在穿过取芯钻头轴线的平面中的每个切削元件的力矢量分布；

图6A和6B示出穿过一个刀片截取的取芯钻头、岩层、由取芯钻头中的每一个获取的岩心样本的剖视图，以及在穿过取芯钻头轴线的平面中的每个切削元件的力所得矢量；

图7示出示例性取芯钻头建模系统的框图；并且

图8示出用于设计取芯钻头以减少作用于岩心上的力的方法的流程图。

具体实施方式

取芯钻头可被设计成最小化施加在岩心样本和/或地层区域(统称“岩心”)上的力，岩心样本将由取芯钻头上的一个或多个切削元件从所述地层区域切削。被设计成最小化施加在岩心上的力的取芯钻头可最小化岩心的磨损和/或断裂。另外，取芯钻头可减少取芯操作过程中的堵塞的发生，在堵塞发生时没有额外的岩心长度可进入取芯管道。因此，可根据本公开的教导来设计工具和方法，并且可根据特定应用而具有不同设计、配置和/或参数。通过参考图1至图8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是钻井系统的示例性实施方案的正视图。钻井系统100可包括位于地质地层106上方的表面或场地104。诸如旋转台、钻井液泵和钻井液槽(未明确地示出)的各种类型的钻井装备可位于表面104处。例如，表面104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，并入本公开的教导的井下钻井工具可令人满意地与位于海上平台、钻探船、半潜式装置和钻井驳船(未明确地示出)上的钻井装备一起使用。

钻井系统100还可包括与取芯钻头124相关联的钻柱112，所述钻柱112可用来形成多种多样的钻孔,诸如钻孔132。钻机102可耦接到钻井组件108，所述钻井组件108在地层106中的钻孔132内。钻井组件108可包括钻柱112和井底组件(BHA)114。如下文将描述的，钻柱112可包括多个管状节段，所述多个管状节段串联地耦接以便限定内孔，钻井液可穿过所述内孔被泵送。钻孔110可由铁壳110部分地覆盖。

BHA 114可由被构造来形成钻孔132的多种多样的部件形成。例如，BHA 114的部件可包括但不限于:取芯钻头(例如，取芯钻头124)，钻铤，井下钻井或取芯电动机，用于钻柱112的重量、扭矩、旋转速度、倾斜角和方向测量的钻井或取芯参数传感器以及其他加速度相关的传感器、稳定器、包括钻孔勘测装备的随钻测量(MWD)部件、用于测量地层参数的随钻测井(LWD)传感器、用于通信的短途和长途遥测系统，和/或任何其他合适的井下装备。诸如钻铤和被包括在BHA114中的不同类型的部件的部件的数量可取决于所预期的井下取芯条件和将由钻柱112和取芯钻头124形成的钻孔的类型。BHA 114还可包括各种类型的钻孔测井工具(未明确地示出)。此类测井工具的实例可包括但不限于：声学、中子、伽马射线、密度、孔隙率、声波、光电、核磁共振和/或任何其他可商购的测井工具。

BHA 114还可包括遥测系统116、记录模块118、井下控制器120、取芯组件筒122和取芯钻头124。取芯组件筒122可包括用来接收岩心144的内筒管道140。遥测系统116可通过泥浆脉冲、有线通信或无线通信与表面控制单元126通信。表面控制单元126可包括例如耦接到存储器装置的微处理器或控制器，所述存储器装置包括一组指令。所述组指令在由处理器执行时可致使处理器进行某些动作，诸如将命令发送至BHA 114以便控制BHA 114的操作。表面控制单元126可使用泥浆脉冲或由遥测系统116接收的其他通信介质向BHA 114的元件传递命令。同样地，遥测系统116可从BHA 114中的元件向表面控制单元126传递信息。例如，在BHA 114内取得的地层106和钻孔132的测量可通过遥测系统116传递至表面控制单元126。传递至表面控制单元126的测量可包括钻孔132中的温度和压力。

类似于表面控制单元126，井下控制器120可包括耦接到存储器装置的微处理器或控制器，所述存储器装置包括存储在其中的指令。井下控制器120可响应于来自表面控制单元126的命令向BHA 114内的元件发出命令，或井下控制器120可在未由表面控制单元126提示的情况下发出所述命令。

在取芯操作过程中，钻井液可穿过管道130从表面储层128被泵送入钻柱112。钻井液可流动通过钻柱112并且从取芯钻头124退出，从而润滑并冷却取芯钻头124的切削面并且将钻屑从取芯钻头124携带到表面104。钻井液可通过在BHA 114和钻柱112与钻孔132的壁之间的环149回到表面104。钻井液可通过与环149流体连通的流动管道134回到表面储层128。

如图2中进一步详细论述的，取芯钻头124可以是具有中心开口的取芯钻头尖，并且可包括一个或多个刀片，所述一个或多个刀片可从取芯钻头124的钻头体的外部部分向外设置。钻头体可以是大体上弯曲的，并且一个或多个刀片可以是从钻头体向外延伸的任何合适类型的突起。取芯钻头124可在由方向箭头148限定的方向上相对于钻头旋转轴线146旋转。刀片可包括从每个刀片的外部部分向外设置的一个或多个切削元件。刀片还可包括一个或多个保径垫(未明确地示出)。取芯钻头124可根据本公开的教导来设计和形成，并可根据取芯钻头124的特定应用而具有许多不同设计、配置和/或尺寸。

当取芯钻头124旋转并且切入地层106中时，所述取芯钻头124可通过切削围绕取芯钻头124的中心开口的地层106而形成大体上圆柱形的岩心样本144。地层106在中心开口中可保持完整并且岩心样本144可由位于中心开口中的完整地层形成。根据本公开的方面，岩心样本144可在内筒140中被捕捉。取芯组件筒122可耦接到BHA 114内的其他元件，诸如遥测系统116或井下控制器120。在其他实施方案中，取芯组件筒122可耦接到钻柱112。内筒140可以是静止的，而取芯组件筒122可与钻柱112一起旋转。在某些实施方案中，岩心样本144可在表面104从内筒140收回以便执行不能在井下执行的测试。

在从地层106切削岩心样本144的过程中，岩心样本144和/或地层106的可变成岩心样本144的一部分的部分(下文称为“未来岩心”)可受到可能损坏岩心样本144和/或未来岩心的各种应力。例如，当取芯钻头124切入地层106中时，由位于取芯钻头124的刀片上的切削元件施加的切削力的一部分可指向地层106的区域，岩心样本144来自所述区域或将从所述区域被切削。施加在岩心样本144和/或未来岩心上的力可能磨损和/或削弱岩心样本144和/或未来岩心并且可能使所述岩心样本144和/或未来岩心断裂。因此，可对取芯钻头124进行建模以预测由取芯钻头124在取芯操作过程中在岩心样本144和/或未来岩心上生成的力的效果，以便允许将取芯钻头124设计成使得作用于岩心样本144和/或未来岩心上的力可减少。使用根据本公开设计的取芯钻头可防止岩心样本144和/或未来岩心在取芯操作过程中破裂或磨损。在一个实施方案中，交互模型可用来预测由取芯钻头124产生的力以及那些力与岩心样本144和/或未来岩心的交互。

图2示出以常常用来建模或者设计固定铣刀钻头和取芯钻头的方式向上取向的旋转取芯钻头的等距视图。取芯钻头124可以是任何类型的固定铣刀取芯钻头，包括PDC取芯钻头、热稳定性多晶(TSP)取芯钻头、嵌有金刚石的取芯钻头、和/或切削结构组合取芯钻头，所述切削结构组合取芯钻头包括被构造来形成延伸穿过一个或多个地下地层106的钻孔132(如图1中所示)的切削元件。取芯钻头124可根据本公开的教导来设计和形成，并可根据取芯钻头124的特定应用而具有许多不同设计、配置和/或尺寸。

取芯钻头124可包括一个或多个刀片150a–150g(“刀片150”)，所述一个或多个刀片150a–150g可从钻头体174的外部部分向外设置。钻头体174可以是大体上弯曲的，并且刀片150可以是从钻头体174向外延伸的任何合适类型的突起。例如，刀片150的一部分可直接地或间接地耦接到钻头体174的外部部分，而刀片150的另一部分可远离钻头体174的外部部分突出。根据本公开的教导形成的刀片150可具有多种多样的构造，包括但不限于：基本上直线形、拱形、螺旋状、螺旋形、锥形、会聚式、发散式、对称的和/或非对称的。

刀片150中的每一个可包括朝向钻头旋转轴线146设置的第一端部和接近或朝向取芯钻头124的外部部分设置(例如，大体上远离钻头旋转轴线146并且朝向取芯钻头124的井上部分设置)的第二端部。在本申请中，术语“井下”和“井上”可用来描述钻井系统100的各种部件相对于钻孔的底部或端部的位置。例如，描述为第二部件“井上”的第一部件可比第二部件更远离钻孔132的远端。类似地，描述为第二部件“井下”的第一部件可被定位成比第二部件更靠近钻孔132的远端。

在一些情况下，刀片150可具有基本上拱形的构造、大体上螺旋状的构造、螺旋形构造或者适于与取芯钻头124一起使用的任何其他构造。一个或多个刀片150可具有从邻近取芯钻头124的旋转轴线146处延伸的基本上拱形的构造。拱形构造可部分地由从邻近钻头旋转轴线146处延伸的大体上凹入的凹陷形部分限定。拱形构造还可部分地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上凸出的向外弯曲部分限定，所述外部部分大体上与取芯钻头124的外径相对应。

刀片150可具有从旋转轴线146径向延伸的大体弓形构造。刀片150的弓形构造可彼此配合以便部分地限定邻近钻头旋转轴线设置并且从所述钻头旋转轴线径向向外延伸的大体上锥形或凹陷部分。刀片150的外部部分、切削元件158和其他合适的元件可被描述为取芯钻头面的形成部分。

刀片150的数量和位置可改变，使得取芯钻头124包括更多或者更少的刀片150。刀片150可相对于彼此和钻头旋转轴线146对称地或者非对称地设置，其中所述设置可基于取芯环境的井下条件。在一些情况下，刀片150和钻头体174可在由方向箭头148限定的方向上围绕旋转轴线146旋转。

每个刀片可具有在钻头体174的旋转方向上设置在刀片一侧上的前导(或前)表面154，和远离取芯钻头124的旋转方向设置在刀片相反侧上的尾随(或后)表面156。刀片150可沿着钻头体174定位，使得它们具有相对于旋转轴线146的螺旋形构造。在其他实施方案中，刀片150可沿着钻头体174相对于彼此和相对于钻头旋转轴线146以大体上平行构造来定位。

刀片150可包括从每个刀片150的外部部分向外设置的一个或多个切削元件158。例如，切削元件158的一部分可直接地或间接地耦接到刀片150的外部部分，而切削元件158的另一部分可远离刀片150的外部部分突出。切削元件158可以是被构造来切入地层中的任何合适的装置，包括但不限于：主切削元件、备用切削元件、副切削元件或其任何组合。举例而非限制地来说，切削元件158可以是适用于与多种多样的取芯钻头124一起使用的各种类型的切削机、压缩件、按钮件、插入件和保径切削机。

切削元件158可包括相应衬底162，其中一层硬质切削材料(例如，切削台160)设置在每个相应衬底162的一端上。每个切削元件158的切削台160可提供切削表面，所述切削表面可接合地层106的相邻部分以便形成钻孔132。切削元件158的每个衬底162可具有各种构造，并且可利用粘合剂由碳化钨来形成，所述粘合剂诸如钴或与用于形成旋转取芯钻头的切削元件相关联的其他材料。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162还可使用其他硬质材料形成，所述硬质材料可包括各种金属合金和水泥，诸如金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物以及金属氮化物。对于一些应用来说，切削台160可由与衬底162基本上相同的材料形成。在其他应用中，切削台160可由不同于衬底162的材料形成。用于形成切削台160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150可包括可被构造来接收切削元件158的凹陷或钻头凹窝164。

刀片150还可包括一个或多个保径垫152。保径垫可以是设置在刀片150的外部部分上的圆柱形区。保径垫可常常接触钻孔132的由取芯钻头124形成的相邻部分。刀片150的外部部分和/或相关联的保径垫可相对于钻孔132的大体上垂直部分的相邻部分以各种角度(正、负和/或平行)设置。保径垫可包括加强元件和/或一层或多层的表面硬化材料。

取芯钻头124的井上端部166可包括柄部168，所述柄部168上形成有螺纹170。在图1中示出，螺纹170可用来使取芯钻头124与BHA 114可释放地接合，由此取芯钻头124可相对于钻头旋转轴线146旋转。取芯钻头124的井下端部172可包括多个刀片150a–150g，所述多个刀片150a–150g之间设置有相应排屑槽或流体流动路径173。另外，钻井液可从一个或多个端口和/或喷嘴176退出。

在钻井操作过程中，取芯钻头124上的切削元件158将在岩心样本(例如，图1中所示的岩心样本144)或地层的部分上施加力，岩心样本可从所述地层部分切削。力可能会对岩心造成破坏，诸如磨损、削弱、破裂、和/或断裂，并且与地层的原来特性相比可修改其特性。因为被破坏的岩心可能不代表原始地层，所以所述岩心对于分析来说可能不太有用。另外，当岩心破裂和/或断裂时，可能发生堵塞，在堵塞时多个岩心片之间的摩擦防止任何其他岩心进入取芯内筒管道(例如，图1中所示的内筒管道140)。当发生堵塞时，取芯操作可能不得不停止，并且岩心可能不得不在取芯操作重新开始之前被移除。堵塞发生可能降低效率并增加取芯操作的成本。另外，磨损的、破裂的或断裂的岩心可产生可能不可使用的岩心样本或者可能无法精确地代表地层和/或储层(例如，地层106)的特性的岩心样本，并且可能减少对岩心样本进行的分析的精确度。

取芯钻头124可根据本公开来设计，使得可减少由切削元件158产生的作用于岩心上的力。当取芯钻头124被设计成减少作用于岩心上的力时，可降低岩心可能被损坏的可能性或者可能发生堵塞发生的可能性。取芯钻头124可被修改来通过以下方式减少作用于岩心上的力：修改取芯钻头124的切削结构的各个方面，诸如修改切削元件大小、切削结构轮廓，刀片或不同刀片上的全部切削元件的混合切削元件大小、切削元件取向(例如，纵向前角和/或副前角)、切削元件倒角、刀片上的全部切削元件的混合切削元件倒角、切削元件几何结构、刀片数、沿着轮廓的切削元件对齐或不对齐，以及不同刀片的切削元件对齐或不对齐(例如，轨迹设定)。

图3A示出包括多个切削元件的取芯钻头的俯视图和由每个切削元件在取芯操作过程中产生的力矢量分布，其在垂直于取芯钻头轴线的平面中示出。切削力矢量分布379可各自包括多个拖曳力矢量或者可由切削元件产生的任何其他力。在取芯操作过程中，包括在每个力矢量分布379中的切削力矢量中的一些可指向岩心，诸如占据取芯钻头324的中心区380的岩心。

由切削元件358生成的力矢量分布379可用来计算作用于岩心样本上的力。可合计针对每个切削元件358的力矢量分布379以便确定由每个切削元件产生的作用于岩心上的所得切削力矢量。图3B示出包括多个切削元件的取芯钻头的一个刀片的俯视图和由每个切削元件在取芯操作过程中产生的所得切削力矢量，其在垂直于取芯钻头轴线的平面中示出。可合计图3A中示出的作用于每个切削元件358a–358e(“切削元件358”)上的切削力分布379以便为每个切削元件358确定所得切削力矢量378a–378e(“所得切削力矢量378”)。所得切削力矢量378可代表由切削元件358生成的各个力的方向和大小的总和。当来自力矢量分布379和/或所得切削力矢量378的力指向取芯钻头324的岩心或中心区380时，来自力矢量分布379和/或所得切削力矢量378的力可能导致中心区380中的岩心磨损或破坏。因此，取芯钻头324可被设计成减少指向中心区380的力矢量分布379和/或所得切削力矢量378的大小，和/或改变力矢量分布379和/或所得切削力矢量378的方向，使得力矢量分布379和/或所得切削力矢量378可远离中心区380，并且因此降低岩心磨损、断裂或破裂的可能性。

取芯钻头324的设计可包括限定取芯操作的一个或多个要求，诸如岩心样本的直径、地质地层的特性或者操作的取芯速度。例如，硬质地层可能够比较软的地层承受更多力。因此，在地层是柔软的实施方案中，指向中心区380的可接受力矢量分布379和/或所得切削力矢量378可小于在地层是硬质的实施方案中的可接受力矢量分布379和/或所得切削力矢量378。另外，地质地层可能是易碎的或可能已经具有现有原来的断裂，并且因此在取芯操作过程中更易于破裂，并且可接受的力矢量分布379和/或所得切削力矢量378对于易碎的或断裂的地层可甚至进一步减少。

一旦限定取芯操作的要求，可生成取芯钻头324的初始设计。取芯钻头324的初始设计可基于用于取芯钻头的基准设计或基于可满足取芯操作的要求的取芯钻头。取芯钻头324的初始设计可不包括所生成的力矢量分布379和/或所得切削力矢量378的考虑，或力矢量分布379和/或所得切削力矢量378与岩心交互的方式。

取芯钻头324的初始设计可用来计算由切削元件358生成的力。在一些实施方案中，可针对单独的切削元件358计算力。在其他实施方案中，可根据刀片基础针对刀片上的切削元件358或者针对取芯钻头324上的全部切削元件358作为整体计算力。计算出的力可包括可用来确定钻头扭矩(TOB)的拖曳力和可用来确定钻头上的辐向合力的横向力。

在一些实施方案中，由切削元件358生成的力矢量分布379和/或所得切削力矢量378可在整个刀片326上改变。例如，由切削元件358a–358b生成的切削力矢量378a–378b可高于由切削元件358e生成的切削力矢量378e，其中切削元件358e比切削元件358a和358b更靠近中心区380。由于切削元件358a和358b被定位成比切削元件358e更深地切入地层中，所以切削力矢量378a和378b可高于切削力矢量378e。

还可计算出取芯钻头324与岩心样本之间的摩擦力。例如，当取芯钻头324旋转时，岩心样本可以是静止的。取芯钻头324的内径382可在岩心样本的周长上产生摩擦力，所述摩擦力可导致岩心样本上的磨损和/或过热。因此，力矢量分布379和/或所得切削力矢量378和摩擦力可用来确定潜在作用于岩心样本上的力。

基于使用初始设计潜在作用于岩心上的力，取芯钻头324可被重新设计成最小化力，从而减少切削力矢量的大小和/或使切削力矢量远离岩心向外重新取向。在一些实施方案中，可修改切削元件358以及取芯钻头324的位于取芯钻头324上的任一点处的部分。在其他实施方案中，修改可主要集中在切削元件358以及取芯钻头324的最接近中心区380的圆周的部分上。例如，取芯钻头324可具有大约八英寸的直径并且中心380的内径可以是大约四英寸。设计过程可集中于取芯钻头的内部部分，诸如最接近中心380的圆周的大约二分之一英寸。切削元件358以及取芯钻头324的最接近中心380的圆周的部分可生成可作用于岩心上的最大切削力矢量378，并且因此重新设计过程可集中于取芯钻头324的这些部分。

取芯钻头324的重新设计可包括修改取芯钻头324和/或切削元件358的属性，诸如切削元件大小、切削结构轮廓、刀片上的全部切削元件的混合切削元件大小、切削元件取向(例如，纵向前角和/或副前角)、切削元件倒角、刀片上的全部切削元件的混合切削元件倒角，以及切削元件几何结构(例如，如参考图4A和4B进一步详细论述的圆切或预切)。例如，较高的纵向前角可不太深地切削地质地层。因此，由具有较高纵向前角的切削元件生成的力可低于由具有较低纵向前角的切削元件生成的力。因此，在一些实施方案中，为了减少作用于岩心上的力的大小，可增大接近取芯钻头的内径的切削元件的纵向前角。

一旦取芯钻头324的设计被修改，可重新计算由切削元件358生成的力和作用于岩心上的力。可将作用于岩心上的力与阈值比较，并且如果所述力低于阈值，取芯钻头324的设计可以是完整的。如果作用于岩心上的力高于阈值，可进一步修改取芯钻头324以减少所述力。对应于岩心在不磨损和/或断裂的情况下能够承受的力的量的阈值可基于地质地层的特性，诸如岩层强度、脆性、断裂水平和/或断裂取向。

图4A和4B示出穿过一个刀片截取的取芯钻头、岩层和由取芯钻头中的每一个获取的岩心样本的剖视图。图4A示出示例性取芯钻头424a。切削元件458可在岩心样本484a和未来岩心488(统称为“岩心490”)上施加力。未来岩心488可以是岩层406的一部分，岩心样本484a将从所述部分切削。切削元件458a可以是预切式切削元件，其中切削元件458a可具有平坦表面，切削元件458a在所述平坦平面中接触岩心490。内部保径垫486a也可与岩心490相接触。切削元件458a和/或内部保径垫486a可产生可作用于岩心490上的切削力和/或摩擦力。在一些实施方案中，为了减少摩擦力，可修改最接近岩心490的切削元件458(例如，切削元件458a)的几何结构以最小化切削元件458的与岩心490相接触的表面积的量。例如，可优化切削元件458a的与岩心490相接触的线长以最小化作用于岩心490上的力。优化可将岩层406的特性(例如，硬度、脆性和/或断裂水平)考虑在内。另外，可修改切削元件458a的特性，诸如切削元件458a的倒角和/或半径大小，以减少作用于岩心490上的力。

在图4B中示出优化切削元件458a的结果的一个实例，与岩心490相接触的切削元件458a被可具有大体上圆形形状的切削元件458b替代。切削元件458b的周长的与岩心490相接触的部分可小于切削元件458a的周长的与岩心490相接触的部分。因此，由切削元件458b施加在岩心490上的摩擦力可小于由切削元件458a施加在岩心490上的摩擦力。

图5A和5B示出穿过一个刀片截取的取芯钻头、岩层、由取芯钻头中的每一个获取的岩心样本的剖视图，以及在穿过取芯钻头轴线的平面中的每个切削元件的力矢量分布。图5A和5B示出将切削元件458a变为切削元件458b的效果。切削元件458a的力矢量分布579a示出指向岩心490的力矢量的部分。在图5B中，在切削元件458a被切削元件458b替代之后，力矢量分布579b示出指向岩心490的力矢量的数量和/或大小可减少。

图6A和6B示出穿过一个刀片截取的取芯钻头、岩层、由取芯钻头中的每一个获取的岩心样本的剖视图，以及在穿过取芯钻头轴线的平面中的每个切削元件的所得力矢量。图6A和6B示出基于分别由切削元件458a和458b生成的每铣刀578a和578b的所得力矢量、基于图5和图5B中所示的力矢量分布将切削元件458a变成切削元件458b的效果。可合计力矢量分布579a和579b以便分别产生所得力矢量678a和678b。在切削元件458a被图6B中的切削元件458b替代之后，当与图6A所示的所得力矢量678a相比时，所得力矢量678b示出指向岩心490的所得力矢量678b的大小和/或方向减少。

图7示出示例性取芯钻头建模系统的框图。建模系统700可被配置来对由取芯钻头的切削元件生成的力和所述力对岩心样本的影响进行建模，诸如图1和图2中所示的取芯钻头124和岩心样本144。在一些实施方案中，建模系统700可包括建模模块702。建模模块702可用来执行方法800的步骤，如参考图8所描述的。建模模块702可包括任何合适的部件。例如，在一些实施方案中，建模模块702可包括处理器704。处理器704可包括例如微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或者配置来解释和/或执行程序指令和/或处理数据的任何其他数字或模拟电路。在一些实施方案中，处理器704可通信地耦接到存储器706。处理器704可被配置来解释和/或执行存储在存储器706中的程序指令和/或数据。程序指令或数据可构成用于执行取芯钻头的设计的软件的部分，所述取芯钻头在岩心样本上施加最小力或低于给定阈值的力，如本文所描述。存储器706可包括被配置来保持和/或容纳一个或多个存储器模块的任何系统、装置或设备；例如，存储器706可包括只读存储器、随机存取存储器、固态存储器或基于磁盘的存储器。每个存储器模块可包括被配置来保持程序指令和/或数据达一段时间的任何系统、装置或设备(例如，计算机可读非暂态介质)。

建模系统700还可包括地质地层数据库708。地质地层数据库708可通信地耦接到建模模块702，并且可响应于由建模模块702发出的查询或调用提供可用来设计取芯钻头的值。地质地层数据库708可以任何合适的方式实现，诸如通过功能、指令、逻辑或者代码，并且可存储在例如关系数据库、文件、应用编程接口、图书馆、共享图书馆、档案、数据结构、服务、软件作为服务或任何其他合适的机构中。地质地层数据库708可包括用于控制其操作的代码，诸如功能、指令或逻辑。地质地层数据库708可指定可用来设计取芯钻头的任何合适的参数，诸如地层的硬度或脆性、地层中存在的断裂的数量和/或地层中任何断裂的取向。

建模系统700还可包括切削元件数据库712。切削元件数据库712可通信地耦接到建模模块702，并且可响应于由建模模块702发出的查询或调用提供用于设计切削元件的参数。切削元件数据库712可以任何合适的方式实现，诸如通过功能、指令、逻辑或者代码，并且可存储在例如关系数据库、文件、应用编程接口、图书馆、共享图书馆、档案、数据结构、服务、软件作为服务或者任何其他合适的机构中。切削元件数据库712可包括用于控制其操作的代码，诸如功能、指令或逻辑。切削元件数据库712可指定可用于取芯钻头上的切削元件的任何合适的特性，诸如切削元件的大小、取向、倒角、角度和/或几何结构。尽管建模系统700被示为包括两个数据库，但建模系统700可包括任何合适数量的数据库。

在一些实施方案中，建模模块702可被配置来设计最小化岩心样本上的力的取芯钻头。例如，建模模块702可被配置来导入地质地层数据库708的一个或多个实例和/或切削元件数据库712的一个或多个实例。来自地质地层数据库708和/或切削元件数据库712的值可存储在存储器706中。建模模块702可进一步被配置来致使处理器704执行可操作以生成用于取芯钻头的设计并最小化由取芯钻头上的切削元件施加在岩心样本上的力的程序指令。例如，处理器704可基于地质地层数据库708和切削元件数据库712中的值计算由取芯钻头上的切削元件生成的力、计算岩心样本上的力、以及修改取芯钻头的设计以便最小化作用于所述岩心样本上的力，如参考图8进一步详细论述的。

建模系统700可通信地耦接到一个或多个显示器716，使得由建模模块702处理的信息(例如，用于取芯钻头的设计)可传达或显示给取芯钻头的设计者。

在不脱离本公开的范围的情况下，可对图7做出修改、增加或省略。例如，图7示出用于建模系统700的部件的特定配置。然而，可使用部件的任何合适的配置。例如，建模系统700的部件可实现为物理或逻辑部件。此外，在一些实施方案中，与建模系统700的部件相关联的功能性可在专用电路或部件中实现。在其他实施方案中，与建模系统700的部件相关联的功能性可在通用电路或通用电路的部件中实现。例如，建模系统700的部件可由计算机程序指令来实现。

图8示出用于设计取芯钻头以减少或最小化作用于岩心上的力的方法的流程图。方法800的步骤可由被配置来模拟和设计钻井系统、设备和装置(诸如图7中所示的建模系统)的各种计算机程序、模型或其任何组合执行。出于说明的目的，方法800参考如先前图示中所示的取芯系统来描述；然而，方法800可用来设计用于任何地下操作的取芯钻头。

方法800可从步骤802处开始，在所述步骤802处建模系统可输入取芯操作的一个或多个要求。在一些实施方案中，取芯操作的要求可基于对岩心样本执行的分析的要求，诸如岩心样本的大小和/或岩心样本中的断裂在不影响分析精度的情况下的可接受数量。在其他实施方案中，取芯操作的要求可基于目标储层的属性，诸如储层的深度和/或到达储层的操作时间。在其他实施方案中，取芯操作的要求可基于地质地层的特性，诸如地层中的断裂的硬度、脆性、存在和/或地层中的断裂的取向。

在步骤804中，建模系统可生成取芯钻头的初始设计。在一些实施方案中，初始设计可基于取芯钻头的基准设计。在其他实施方案中，初始设计可基于取芯操作的要求中的至少一个，如步骤802中的输入。例如，岩心复原难度可用来确定可接受力阈值。取芯钻头的初始设计可或可不将由取芯钻头的切削元件生成的力和所述力作用于岩心上的方式考虑在内。

在步骤806中，建模系统可计算由在步骤804中设计的取芯钻头的切削元件生成的作用于岩心上的力。经计算的力可包括拖曳力(例如，TOB)和/或径向力。可根据切削元件基础计算切削元件上的沿着与岩层相接触的表面的力，以便确定由单独的切削元件生成的力和所述力跨取芯钻头的刀片改变的方式。例如，由更远离取芯钻头的中心定位的切削元件生成的力可高于由更靠近岩心的切削元件生成的力。在一些实施方案中，建模系统可作为整体为取芯钻头计算总的所得力。

在步骤808中，建模系统可计算作用于岩心上的力。作用于岩心(例如，岩心样本和/或地层的将被切削以形成岩心样本的部分)上的力可以是由取芯钻头的切削元件生成的力(如在步骤806所计算)，或可以是由取芯钻头的旋转内径与静止岩心之间的摩擦所导致的摩擦力。可合计由切削元件生成的力以便确定作用于岩心上的总切削力矢量。建模系统可计算作用于岩心上的每个切削元件的有效力，将力矢量的长度和取向、岩层的特性以及切削元件力作用点与岩心之间的距离考虑在内。

建模系统可生动地显示由切削元件生成的力以便协助确定对取芯钻头设计作出的修改。例如，建模系统可显示跨取芯钻头的刀片的切削元件的切削力矢量以便示出跨刀片的力的变化，并且指示哪些切削元件具有指向岩心的最大切削力矢量。图形可视化还可显示每个切削元件的扭矩分布、作用于岩心上的所得力矢量、施加在岩心上的时刻和/或任何其他合适的数据点。

在步骤810中，建模系统可确定作用于岩心上的力是否低于阈值。阈值标准可基于地质地层的特性(诸如地层的硬度)，并且可指示岩心在不断裂、破裂和/或磨损的情况下可能够承受的力的量。如果作用于岩心上的力低于阈值，取芯钻头可被充分地设计成最小化作用于岩心上的力，并且方法800可行进到步骤814以便完成取芯钻头设计。然而，如果作用于岩心上的力高于阈值，方法800可行进到步骤812。

在步骤812中，建模系统可修改取芯钻头的设计。对取芯钻头作出的修改可减少作用于岩心上的力。例如，建模系统可修改取芯钻头的可减少作用于岩心上的力的任何属性，诸如切削元件大小、切削结构轮廓、跨取芯钻头的混合切削元件大小、切削元件取向(例如，纵向前角和/或副前角)、切削元件倒角或半径、跨取芯钻头的混合切削元件倒角和/或切削原价几何结构(例如，圆切或预切)。建模系统可修改任何数量的切削元件和/或取芯钻头的部分。例如，建模系统可修改接近取芯钻头的内径的切削元件和/或可修改沿着取芯钻头的切削结构轮廓的任何切削元件。

修改还可包括平衡跨取芯钻头面的切削力和/或平衡与岩心相接触的切削元件上的切削力。在力已平衡的实施方案中，一些切削元件可在岩心上施加力矢量并且其他切削元件可在相等和相反方向上施加力矢量，使得施加在岩心上的总所得切削力最小。

一旦取芯钻头设计在步骤812中已经被修改，方法800可返回至步骤802，以便计算由修改过的取芯钻头的切削元件在岩心上生成的力。然后，方法800可计算由修改过的取芯钻头作用于岩心上的力并确定所述力是否低于阈值。方法800可反复地修改取芯钻头的设计，直到作用于岩心上的力低于阈值为止。

在步骤814中，建模系统可输出取芯钻头的设计。取芯钻头设计输出可用来制造具有取芯钻头的设计的特性的取芯钻头和/或可用来产生由取芯钻头生成的力和所述力与岩心交互的额外可视化。

在不脱离本公开的范围的情况下，可对方法800做出修改、增加或省略。例如，可以不同于所描述的方式执行步骤的次序，并且可同时执行一些步骤。另外，每个步骤可在不脱离本公开的范围的情况下包括另外步骤。

本文所公开的实施方案包括：

A.一种用于设计取芯钻头的方法，所述方法包括：生成包括多个刀片上的多个切削元件的取芯钻头的模型；利用所述取芯钻头的模型模拟取芯操作；计算由所述取芯钻头的模型上的多个切削元件中的至少一个在取芯操作过程中生成的至少一个力矢量；基于所述至少一个力矢量确定作用于所述取芯钻头的模型中的岩心上的至少一个力；以及基于作用于所述岩心上的至少一个力生成所述取芯钻头的设计。

B.一种非暂态机器可读介质，其包括存储在其中的指令，所述指令由一个或多个处理器执行以促进执行用于减少作用于岩心上的力的方法，所述方法包括：生成包括多个刀片上的多个切削元件的取芯钻头的模型；利用所述取芯钻头的模型模拟取芯操作；计算由所述取芯钻头的模型上的多个切削元件中的至少一个在取芯操作过程中生成的至少一个力矢量；基于所述至少一个力矢量确定作用于所述取芯钻头的模型中的岩心上的至少一个力；以及基于作用于所述岩心上的至少一个力生成所述取芯钻头的设计。

C.一种取芯系统，其包括钻柱和耦接到所述钻柱的取芯钻头。取芯钻头包括含有多个刀片的钻头体、所述多个刀片中的一个上的多个切削元件以及取芯钻头的中心中的用来接收岩心的容器。通过以下方式来估计取芯钻头在岩心上的交互：生成包括多个刀片上的多个切削元件的取芯钻头的模型；利用所述取芯钻头的模型模拟取芯操作；计算由所述取芯钻头的模型上的多个切削元件中的至少一个在取芯操作过程中生成的至少一个力矢量；基于所述至少一个力矢量确定作用于所述取芯钻头的模型中的岩心上的至少一个力；以及基于作用于所述岩心上的至少一个力生成所述取芯钻头的设计。

实施方案A、B和C中的每一个可具有任意组合的以下另外的要素中的一个或多个：要素1：还包括计算由与岩心相接触的至少一个内部保径垫在取芯操作过程中生成的至少一个第二力矢量。要素2：还包括显示由所述多个切削元件中的至少一个生成的力矢量中的至少一个和作用于岩心上的力。要素3：其中作用于岩心上的力包括摩擦力。要素4：其中生成取芯钻头的设计包括修改所述多个切削元件中的至少一个的切削结构轮廓、大小、取向、倒角、半径和几何结构中的至少一个。要素5：其中生成取芯钻头的设计包括：如果至少一个力高于预定的阈值，修改取芯钻头的设计，以便减少在取芯操作过程中作用于岩心上的力。要素6：其中所述预定的阈值基于地质地层的特性。要素7：其中生成取芯钻头的设计包括考虑取芯操作的要求。

尽管已详细描述本公开及其优点，但应理解，可在不脱离如由所附权利要求书限定的本公开的精神和范围的情况下，在本文中进行各种改变、替代和更改。

Claims (20)

1.一种用于设计取芯钻头的方法，其包括：

生成包括多个刀片上的多个切削元件的取芯钻头的模型；

利用所述取芯钻头的所述模型模拟取芯操作；

计算由所述取芯钻头的所述模型上的所述多个切削元件中的至少一个在所述取芯操作过程中生成的至少一个力矢量；

基于所述至少一个力矢量确定作用于所述取芯钻头的所述模型中的岩心上的至少一个力；以及

基于作用于所述岩心上的所述力生成所述取芯钻头的设计。

2.如权利要求1所述的方法，其还包括计算由与所述岩心相接触的至少一个内部保径垫在所述取芯操作过程中生成的至少一个第二力矢量。

3.如权利要求1所述的方法，其还包括显示由所述多个切削元件中的至少一个生成的所述力矢量中的至少一个和作用于所述岩心上的所述力。

4.如权利要求1所述的方法，其中作用于所述岩心上的所述力包括摩擦力。

5.如权利要求1所述的方法，其中生成所述取芯钻头的所述设计包括修改所述多个切削元件中的至少一个的切削结构轮廓、大小、取向、倒角、半径和几何结构中的至少一个。

6.如权利要求1所述的方法，其中生成所述取芯钻头的所述设计包括如果所述至少一个力高于预定的阈值，修改所述取芯钻头的设计，以便减少在所述取芯操作过程中作用于所述岩心上的所述力。

7.如权利要求5所述的方法，其中所述预定的阈值基于地质地层的特性。

8.如权利要求1所述的方法，其中生成所述取芯钻头的所述设计包括考虑取芯操作的要求。

9.一种非暂态机器可读介质，其包括存储在其中的指令，所述指令可由一个或多个处理器执行以促进执行用于减少作用于岩心上的所述力的方法，所述方法包括：

生成包括多个刀片上的多个切削元件的取芯钻头的模型；

利用所述取芯钻头的所述模型模拟取芯操作；

计算由所述取芯钻头的所述模型上的所述多个切削元件中的至少一个在所述取芯操作过程中生成的至少一个力矢量；

基于所述至少一个力矢量确定作用于所述取芯钻头的所述模型中的岩心上的至少一个力；以及

基于作用于所述岩心上的所述至少一个力生成所述取芯钻头的设计。

10.如权利要求8所述的非暂态机器可读介质，所述方法还包括计算由与所述岩心相接触的至少一个内部保径垫在所述取芯操作过程中生成的至少一个第二力矢量。

11.如权利要求8所述的非暂态机器可读介质，所述方法还包括显示由所述多个切削元件中的至少一个生成的所述力矢量中的至少一个和作用于所述岩心上的所述力。

12.如权利要求8所述的非暂态机器可读介质，其中作用于所述岩心上的所述力包括摩擦力。

13.如权利要求8所述的非暂态机器可读介质，其中生成所述取芯钻头的所述设计包括修改所述多个切削元件中的至少一个的切削结构轮廓、大小、取向、倒角、半径和几何结构中的至少一个。

14.如权利要求8所述的非暂态机器可读介质，其中生成所述取芯钻头的所述设计包括如果所述至少一个力高于预定的阈值，修改所述取芯钻头的设计，以便减少在所述取芯操作过程中作用于所述岩心上的所述力。

15.一种取芯系统，其包括：

钻柱；以及

取芯钻头，其耦接到所述钻柱，所述取芯钻头包括：

钻头体，其包括多个刀片；

多个切削元件，其位于所述多个刀片中的一个上；以及

容器，其位于所述取芯钻头的中心中用来接收岩心；

其中所述取芯钻头在所述岩心上的交互通过以下方式进行估计：

生成包括多个刀片上的多个切削元件的取芯钻头的模型；

利用所述取芯钻头的所述模型模拟取芯操作；

计算由所述取芯钻头的所述模型上的所述多个切削元件中的至少一个在所述取芯操作过程中生成的至少一个力矢量；

基于所述至少一个力矢量确定作用于所述取芯钻头的所述模型中的岩心上的至少一个力；以及

基于作用于所述岩心上的所述至少一个力生成所述取芯钻头的设计。

16.如权利要求15所述的取芯系统，其中估计所述取芯钻头在所述岩心样本上的所述交互还包括计算由与所述岩心相接触的至少一个内部保径垫在所述取芯操作过程中生成的至少一个第二力矢量。

17.如权利要求15所述的取芯系统，其中通过以下方式进一步估计所述取芯钻头在所述岩心上的所述交互：显示由所述多个切削元件中的至少一个生成的所述力矢量中的至少一个和作用于所述岩心上的所述力。

18.如权利要求15所述的取芯系统，其中作用于所述岩心上的所述力包括摩擦力。

19.如权利要求15所述的取芯系统，其中生成所述取芯钻头的所述设计包括修改所述多个切削元件中的至少一个的切削结构轮廓、大小、取向、倒角、半径和几何结构中的至少一个。

20.如权利要求15所述的取芯系统，其中生成所述取芯钻头的所述设计包括如果所述至少一个力高于预定的阈值，修改所述取芯钻头的设计，以便减少在所述取芯操作过程中作用于所述岩心上的所述力。