CN108049818A - 具有防钻头循旧槽结构的钻头 - Google Patents

具有防钻头循旧槽结构的钻头 Download PDF

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Abstract

本发明披露了带有具有不同直径的至少两个牙轮(21)和/或利用不同刀具齿距以便在钻井作业期间减少钻头循旧槽问题的钻头(11)。尤其是，提供钻地钻头，所述钻头具有两个或更多个牙轮以及可任选的一个或更多个刀具刮刀(19)，所述钻头被布置成，通过调节其中一个或更多个牙轮的齿间距、牙轮齿距角和/或直径，减少牙轮齿在作业期间的钻头循旧槽现象。这些配置在钻头作业期间实现了防钻头循旧槽行为，提高了钻井效率。

Description

具有防钻头循旧槽结构的钻头
本申请是国际申请日为2011年6月29日、国际申请号为PCT/US2011/042437、中国国家申请号为201180032259.9的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年6月29日提交的序列号为No.61/359,606的美国临时专利申请的优先权，该专利的内容在此引入作为参考。
有关联邦资助研究或开发的声明
不适用。
附录参考
不适用。
技术领域
在此披露和教导的发明总体上涉及用于钻井的钻地(earth-boring)钻头，更具体地说，涉及改进的钻地钻头，例如那些具有两个或更多个牙轮(roller cones)和带有相联的切削元件的可任意选择的至少一个固定刀具的组合的钻头，其中钻头在钻井作业期间呈现减少的钻头循旧槽(reduced tracking)现象，以及涉及这种钻头在井下环境中的操作。
背景技术
牙轮钻头是公知的，其为具有固定刮刀和牙轮两者的“混合”型钻头。牙轮钻头通常在油气工业中用于钻井。牙轮钻头通常包括在一端带有用于连接至钻柱的螺纹连接部分的钻头本体以及附接在所述钻头本体的相对端并且能够相对于钻头本体旋转的多个牙轮，所述牙轮典型地为3个。在每个牙轮上配置有若干切削元件，所述切削元件通常绕各个牙轮的表面成排布置。切削元件通常可以包括碳化钨硬合金齿、聚晶金刚石复合片、铣制钢齿或它们的组合。
为制作出钻井效率高并且寿命长的钻头，在钻头设计和制造上的花费是巨大的。牙轮钻头可以被认为是在设计上比固定刀具钻头更复杂，因为牙轮钻头的切削表面设置在牙轮上。牙轮钻头上的每个牙轮相对于钻头本体的旋转而绕相对于钻头本体轴线倾斜的轴线独立地旋转。因为牙轮旋转彼此独立，所以各牙轮的转速通常是各不相同的。对于任何给定的牙轮，牙轮转速通常可以由钻头的转速和牙轮的“驱动排(drive row)”的有效半径确定。牙轮的有效半径通常与牙轮上相对于钻头轴线朝着井底轴向延伸最远的切削元件的径向范围有关。这些切削元件通常承载高负荷，可以被认为是通常位于所谓的“驱动排’上。位于牙轮上以钻取钻头的全直径的切削元件被称为“保径排(gage row)”。
位于牙轮钻头的牙轮上的切削元件增加了牙轮钻头设计的复杂性，在钻井期间，切削元件通过压裂作用力和剪切作用力的组合使地层变形。另外，最新的牙轮钻头设计具有布置在每个牙轮上的切削元件，使得相邻牙轮上的切削元件在相邻牙轮之间相互啮合。在整个钻头设计中通常需要牙轮钻头上的相互啮合的切削元件，从而使得牙轮上的相邻同心排的切削元件之间的钻头泥包最小化和/或允许硬合金齿较高地突出以实现有竞争力的钻进速度(“ROP”)，同时保持钻头的使用寿命。然而，牙轮钻头上的相互啮合的切削元件显著地制约了切削元件在钻头上的布置，从而使牙轮钻头的设计更加复杂。
对于当前许多的牙轮钻头设计，一个突出且总是出现的问题是，由此形成的牙轮配置，无论是任意地作出还是使用模拟设计参数，由于问题(例如“钻头循旧槽”和“打滑”)不容易被检测，因此都很少能够提供理想的钻井性能。在钻头旋转期间，当钻头上的切削元件落入由其它切削元件在之前的时刻形成的先前凹槽(impressions)之内时，就会产生钻头循旧槽现象。这种重叠对齿产生侧压力，往往引起牙轮与先前凹槽对齐。当一个牙轮的根部排的齿落入由另一个牙轮的根部排的齿形成的凹槽之内时，也可能产生钻头循旧槽现象。打滑与钻头循旧槽有关，当切削元件碰到先前形成的凹槽的一部分，然后滑入这些先前凹槽，而不是切入还未切削的地层时，会发生打滑，从而降低了钻头的切削效率。
就牙轮钻头来说，在钻井过程中，由于在井眼底部(下文称为"井底")上的动作(例如滑动)，钻头的牙轮通常不呈现纯滚动。因为切削元件在落入或滑入由其它切削元件形成的先前凹槽时不能有效切削，因此应当优选避免发生钻头循旧槽和打滑。尤其是，由于没有任何新岩石被切削，因此钻头循旧槽造成效率低下，并因而浪费能量。理想的情况是，在井底上的每一次冲击都应切削新岩石。另外，打滑也是不希望有的，因为打滑可导致切削元件上发生不均匀磨损，这反过来又可导致钻头或刀具过早失效。已经发现，由于切削元件在钻头上的间隔不是最优的原因，因此经常发生钻头循旧槽和打滑。在许多情况下，通过适当调节切削元件在钻头上的布置，可以显著减少诸如钻头循旧槽和打滑的问题。对牙轮钻头上的牙轮的驱动排上的切削元件来说尤其是这样的，因为通常驱动排是控制牙轮的转速的排。
正如所指出的，钻头牙轮上的切削元件在落入或滑入由其它切削元件形成的先前凹槽时不能有效切削。尤其是，由于没有任何新岩石被切削，因此钻头循旧槽造成效率低下。另外不希望有钻头循旧槽发生是因为钻头循旧槽会导致钻进速度(ROP)变慢、切削结构发生有害磨损以及钻头本身过早失效。打滑也是不希望有的，因为打滑可导致切削元件本身不均匀磨损，这反过来又可导致切削元件过早失效。因而，钻井过程中的钻头循旧槽和打滑会导致钻进速度低，许多情况下会导致切削元件和牙轮壳体的不均匀磨损。通过适当调节切削元件在钻头上的布置，可以显著减少诸如钻头循旧槽和打滑的问题。对牙轮的驱动排上的切削元件来说尤其如此，这是因为通常驱动排控制牙轮的转速。
认识到这些问题的重要性，因此已经着手有关总体钻头设计和刨削-刮削作用程度之间的定量关系的研究，试图设计和选择合适的凿岩钻头用于在给定的地层中钻井。[参见，例如Dekun Ma和J.J.Azar，SPE Paper No.19448(1989)]。现存在若干个用于改变钻头上切削元件的定向以解决这些钻头循旧槽问题的解决方案。例如，美国专利号No.6,401,839披露了改变不同牙轮的一排内或重叠排之间的凿刀型切削元件的牙顶定向，以减少钻头循旧槽问题，并改善钻井性能。美国专利号No.6,527,068和No.6,827,161两者都披露了具体的用于设计钻头的方法，该方法通过用钻头模拟钻井以确定它的钻井性能，然后调节钻头上至少一个非轴对称的切削元件的定向，并重复模拟和确定，直到性能参数确定为最佳值。所描述的方法还需要用户逐步求出各个牙轮的运动，以努力克服钻头实际使用过程中可能出现的钻头循旧槽问题。这样复杂的模拟需要的计算时间相当长，而且不总是能解决可以影响钻头循旧槽和打滑的其它因素(例如正在被钻的岩石类型的硬度)。
美国专利号No.6,942,045披露了一种在一排钻头上使用不同几何形状的切削元件以切出相同的地层径迹并且且有助于减少钻头循旧槽问题的方法。然而，在许多钻井应用(诸如硬地层钻井)中，由于不对称切削元件(例如凿刀型切削元件)在这些地质应用中性能差，因此不希望使用不对称切削元件。
现有技术中还存在在给定的排上使用不同的齿距型式来解决钻头循旧槽问题的方法。例如，美国专利号No.7,234,549和美国专利号No.7,292,967描述了用于评估钻头的切削布置的方法，具体地说，其包括选择用于钻头的切削元件布置，计算用于切削布置的得分。然后这种方法可用来评估各种钻头结构的切削效率。在一个例子中，该方法用来基于用于布置的所期望的井底型式与优选井底型式的比较，计算用于该布置的得分。已有报道，该方法的使用，使得牙轮钻头的设计比此前的钻头呈现出减少的钻头循旧槽现象。
其它方法也已被描述，其涉及切削元件在钻地钻头上的新布置，以减少钻头循旧槽。例如，美国专利No.7,647,991描述了这样的布置，其中第一牙轮的根部排的切削元件的数量至少与其它牙轮的根部排的切削元件的数量相等，第二牙轮的相邻排的切削元件的数量至少为第一牙轮的根部排的切削元件的数量的90％，第三牙轮的根部排的齿距比第一牙轮的根部排的齿距大20-50％。
虽然上述方法被认为对特定应用尤其有用，并且通常旨在解决特定地质构成中的钻井问题，但是，在其它应用中这种改变的切削元件是不受欢迎的，并且采用不同齿距型式难以实施，并从而导致钻头设计和制造的方法比解决钻头循旧槽问题所需的更复杂。所希望的是一种简单的设计方法，其对于特定的应用使钻头循旧槽现象减少，但不会牺牲钻头寿命或者不会需要增加与设计和制造相关的时间或成本。
通常用于阻止钻头循旧槽的一种方法被称为错齿设计。在该设计中，齿沿着牙轮的外周以不等间隔定位。这旨在阻止井底上再现凹槽图案。但是，错齿设计不能防止最外排齿的钻头循旧槽问题，在那里，齿遇到由其它牙轮上的齿在地层中留下的凹槽。错齿结构还具有可能导致牙轮转速波动和钻头振动增大的缺点。例如，Estes的美国专利号No.5,197,555披露了用于岩石钻头的旋转牙轮刀具，这种岩石钻头使用铣制齿牙轮，并具有耐磨硬合金齿的周向排。正如其中详细叙述的，“两最外排的硬合金齿相对于牙轮的轴线以一定角度朝向牙轮前侧或后侧。这样的定向将实现硬合金齿抗断裂性增加和/或钻进速度增加"。
在此披露和教导的本发明旨在一种改进的钻头，其带有设计成能够减少牙轮的钻头循旧槽问题的至少两个牙轮，同时增大了钻头运行期间的钻进速度。
发明内容
本申请描述了具有不同直径的至少两个牙轮和/或利用了不同刀具齿距的钻头，其中，这样的钻头表现为钻头上的刀具在地下钻井作业过程中钻头循旧槽现象和/或打滑减少。
依照本发明的第一个方面，描述了一种钻头，所述钻头包括：具有纵向中心轴线的钻头本体；从钻头本体延伸的至少一个刮刀；从钻头本体延伸的第一臂和第二臂；可旋转地固定于第一臂的第一牙轮；和可旋转地固定于第二臂的第二牙轮，其中，第一牙轮的直径大于第二牙轮。进一步依照本发明的该方面，钻头还可以包括从钻头本体沿轴向向下的方向延伸的一个或更多个固定切削刮刀，切削刮刀包括安装至固定刮刀的多个固定切削元件。
依照本发明另一个方面，描述了一种钻头，所述钻头包括：具有纵向中心轴线的钻头本体；从钻头本体延伸的至少一个刮刀；从钻头本体延伸的第一臂和第二臂；可旋转地固定于第一臂的第一牙轮，所述第一牙轮具有在周向上大体上成排地设置在第一牙轮上的多个切削元件；和可旋转地固定于第二臂的第二牙轮，所述第二牙轮具有在周向上大体上成排地设置在第二牙轮上的多个切削元件，其中，第一牙轮的刀具齿距与第二牙轮的刀具齿距不同。依照该方面的进一步的实施例，第一牙轮的牙轮直径与第二牙轮的牙轮直径不同。进一步依照本发明的该方面，钻头还可包括从钻头本体沿轴向向下的方向延伸的一个或更多个固定切削刮刀，切削刮刀包括安装至固定刮刀的多个固定切削元件。进一步依照本发明的方面，描述了一种钻地钻头，所述钻头包括：钻头本体；从钻头本体悬置的至少两个钻头腿，所述钻头腿具有周向延伸的外表面、前侧和后侧；可旋转地安装在从钻头腿向内悬置的悬臂式支承轴上的第一牙轮和第二牙轮；和多个绕牙轮外表面周向布置的刀具，其中第一牙轮和第二牙轮具有不同的牙轮直径。进一步依照本发明的该方面，与一个或更多个牙轮有关的刀具可以具有视情况而定的变齿距、齿距角、和/或IADC硬度，以便在钻井作业过程中减少钻头循旧槽现象。进一步依照本发明的该方面，钻头可以进一步包括从钻头本体沿轴向向下的方向延伸的一个或更多个固定切削刮刀，切削刮刀包括安装至固定刮刀的多个固定切削元件。
附图说明
下面的附图形成本说明书的一部分，包括这些附图是为了进一步举例说明本发明的某些方面。通过参阅这些附图中的一个或更多个并结合在此提供的具体实施例的详细说明，可以更好地理解本发明。
图1示出了依照本发明的某些方面构造的示例性混合式钻头的底视图；
图2示出了依照本发明的某些方面构造的图1中混合式钻头的侧视图；
图3示出了依照本发明的某些方面构造的图1中混合式钻头的侧视图；
图4示出了依照本发明的某些方面构造的图1中混合式钻头上的牙轮硬合金齿和固定切削元件的组合旋转侧视图，它们与正在被钻的地层相接；
图5示出了依照本发明的某些方面的示例性牙轮钻头的一侧局部剖视图；
图6-图7分别示出了具有良好切削效率的钻头的单圈旋转和多圈旋转的示例性井底型式；
图8示出了具有较差的切削效率的钻头的多圈旋转的示例性井底型式；
图9A示出了重叠的切口(kerf)与陷坑(crater)部分之间的关系的示例性图解，为更容易理解本发明，切口显示为直的；
图9B示出了明显重叠的切口与陷坑部分之间的关系的示例性图解，为更容易理解本发明，切口显示为直的；
图9C示出了基本上重叠的切口与陷坑部分之间的关系的示例性图解，为更容易理解本发明，切口显示为直的；
图9D示出了完全重叠的切口与陷坑部分之间的关系的示例性图解，为更容易理解本发明，切口显示为直的；
图10A示出了由相应刀具排形成的重叠陷坑之间的关系的图解，为更容易理解本发明，图解以直线形式示出；
图10B示出了由相应刀具排形成的明显重叠陷坑之间的关系的图解，为更容易理解本发明，图解以直线形式示出；
图10C示出了由相应刀具排形成的大体上重叠的陷坑之间的关系的图解，为更容易理解本发明，图解以直线形式示出；
图10D示出了由相应刀具排形成的完全重叠的陷坑之间的关系的图解，为更容易理解本发明，图解以直线形式示出；
图11A示出了由具有不同刀具齿距的刀具排形成的两排陷坑的图解，为更容易理解本发明，图解以直线形式示出；
图11B示出了由具有不同刀具齿距的刀具排形成的两排陷坑的另一图解，为更容易理解本发明，图解以直线形式示出；
图11C示出了由刀具排形成的两排陷坑的图解，其中一排刀具具有两种不同刀具齿距，为更容易理解本发明，图解以直线形式示出；
图12A-图12B示出了依照本发明的示例性牙轮的截面视图；
图13示出了相应的两排刀具的截面视图，所述相应的两排刀具具有偏离钻头的中心轴线的至少相似的偏离量，每排均位于分开的牙轮上，两排刀具具有不同的刀具齿距；
图14示出了相应的两排刀具的截面视图，所述相应的两排刀具具有偏离钻头的中心轴线的至少相似的偏离量，每排均位于分开的牙轮上，两排刀具中的一排具有两种不同的刀具齿距；和
图15示出了相应的两排刀具的截面视图，所述相应的两排刀具具有偏离钻头的中心轴线的至少相似的偏离量，每排均位于分开的牙轮上，牙轮具有不同的直径，两排刀具具有不同的刀具齿距。
图16示出了依照本发明实施例的示例性钻地钻头的底视图，其中一个牙轮没有与其它牙轮相啮合；
图17示出了依照本发明实施例的示例性钻地钻头的底视图，其中一个牙轮的直径和硬度与其它牙轮的直径和硬度不同；
图18示出了依照本发明实施例的示例性混合式钻地钻头的底视图，其中一个牙轮具有不同于其它牙轮的直径，并且与其它牙轮相比具有齿距变化的刀具。
图19示出了示例性国际钻井承包商协会(IADC)钻头分类表的局部视图。
虽然在此披露的本发明适合于各种变形和替代方式，但是，仅少数具体实施例以示例性的方式在附图中示出并且在下文中进行了详细描述。这些附图以及这些具体实施例的详细描述并不旨在以任何方式限制发明构思或者附带的权利要求书的范围或外延。相反，提供的附图以及详细的文字描述向本领域普通技术人员示出了发明构思，并且能够使本领域普通技术人员制造和使用发明构思。
具体实施方式
上述附图以及下文具体结构和功能的文字描述不用于限制申请人发明的范围或者所附的权利要求的范围。相反，提供附图和文字描述用于教导本领域普通技术人员去制造和使用寻求专利保护的发明。本领域技术人员应当明白，为清楚和便于理解，没有描述或显示这些发明的商业实施例的所有特征。本领域技术人员还应当领会，包含本发明的方面的实际商业实施例的开发将需要许多依实施方案而定的决定才能实现开发者的最终用于商业实施例的目标。这样的依实施方案而定的决定可包括并且可能不限于，遵从系统相关约束、业务相关约束、政府相关约束及其它约束，其可随具体实施和位置而随时变化。虽然在绝对意义上开发者的工作可能是复杂并且费时的，但是对于本领域普通技术人员来说，在本发明的教导下，这样的工作只不过是常规任务。必须明白，在此披露和教导的发明适合于很多和各种各样的变形和替代形式。最后，单个术语的使用，例如"一"(不局限于此)，并不旨在对物品数量进行限制。而且，在文字描述中使用的关系术语(例如但不限于"顶"、"底"、"左"、"右"、"上"、"下"、"向下"、"向上"、"侧"、"第一"、"第二"等等)的使用，是用于在具体参照附图中清楚起见，不旨在限制本发明或者所附的权利要求的范围。
通常，在运行过程中，钻地钻头上的一个或更多个牙轮将取决于各种各样的参数(包括井底型式、开钻程序、正在被钻的地层的变化和运行参数的变化)而以不同的滚比(roll ratios)旋转。旋转中的这些变化以及其它因素(例如牙轮上的切削齿的布置)，可能导致钻头循旧槽问题。为了减少钻头循旧槽现象，需要一种在运行过程中不局限于单滚比的系统。申请人已经创建了具有不同直径的至少两个牙轮和/或在分开的或相邻的牙轮上利用不同刀具齿距的钻地钻头。
参照图1-图3，显示了依照本发明的示例性钻地混合式钻头11的一个实施例。图1示出了依照本发明的示例性混合式钻头的底视图。图2示出了图1中钻头的示例性侧视图。图3示出了图2所示的钻头被旋转90°的示例性侧视图。图4示出了图1中混合式钻头上的牙轮硬合金齿和固定切削元件的组合旋转侧视图。这些附图将彼此结合进行论述。钻头的所选择的部件可类似于美国专利申请公开No.20080264695、美国专利申请公开No.20080296068和/或美国专利申请公开No.20090126998中所示的那些，每个上述专利申请均特别引入在此作为参考。
如图1-图3所示，钻地钻头11包括具有中心纵向轴线15的钻头本体13，所述中心纵向轴线限定钻头本体13的轴向中心。混合式钻头11包括钻头本体13，钻头本体在其上延伸部分12处具有用于连接至钻柱内的螺纹或其它结构。钻头11可以包括从钻头本体13沿轴向方向延伸的一个或更多个牙轮支撑臂17。支撑臂17可以形成为钻头本体13的一个整体部分，也可以在凹座中(未显示)附接于钻头本体的外部。每一支撑臂均可具有前缘、后缘、设置在前缘和后缘之间的外表面以及下巴掌尖部分，所述下巴掌尖部分远离钻头的上延伸部分12朝着钻头的工作面向下延伸。钻头本体13还可包括沿轴向方向延伸的一个或更多个固定刮刀19。钻头本体13可以由钢或硬金属(例如，碳化钨)基体材料与钢硬合金齿构成。钻头本体13还在钻头内设置有纵向通道(未显示)，以允许钻井流体通过喷射通道以及通过标准喷嘴(未显示)进行流体连通，从而在钻头作业过程中对着井眼和井眼面通过钻头刀具本体13附近的喷嘴端口18排出或喷出。在本发明的一个实施例中，在一变形构造中，牙轮支撑臂17的中心和固定刮刀19的中心围绕轴线15彼此对称地间隔开。在另一个实施例中，在一变形构造中，牙轮支撑臂17和固定刮刀19的中心绕轴线15彼此不对称地间隔开。例如，相对于钻头11的旋转方向，与相应的在后的固定刮刀19相比，牙轮支撑臂17可更靠近相应在前的固定刮刀19。作为选择，相对于钻头11的旋转方向，与相应的在前的固定刮刀19相比，牙轮支撑臂17可更靠近相应的在后的固定刮刀19。
钻头本体13还设置有钻头装卸器槽14，钻头的丝扣部分的相对的两横向侧面上形成有凹槽，以便以工业中众所周知的方式提供用于钻头装卸器槽的相互配合的表面，从而容许钻头与钻柱(DS)组件的接合和脱离。
牙轮21安装至相应的牙轮支撑臂17上。每一牙轮21在长度上都被截断，从而使得牙轮21的远端与轴向中心15(如图1所示)在径向上间隔开一极小的径向距离24。多个牙轮切削硬合金齿或元件25安装至牙轮21上，并与轴向中心15在径向上间隔开一极小的径向距离28。所述极少的径向距离24、28可随应用不同而变化，牙轮与牙轮之间可以不同，和/或切削元件与切削元件之间可以不同。
另外，多个固定切削元件31安装至固定刮刀刀具19、19'。固定切削元件31中的至少一个可位于钻头本体13的轴向中心15处并且适合于切削轴向中心处的地层。也可以在每个固定刮刀刀具19、19'的前缘和后缘之间设置一排或任意所希望的排数的备用刀具33。备用刀具33可以与相应的固定刮刀刀具19、19'上的主要或第一级切削元件31对齐，使得它们在与固定刮刀刀具上的主要或第一级切削元件相同的切削槽或切口或凹槽中切削。作为选择，它们可以与固定刮刀的所述主要切削元件在径向上隔开间隔设置，从使得它们在与由相应的固定刮刀刀具上的主要或第一级切削元件形成的切削槽或切口或凹槽相同的切削槽或切口或凹槽之中或之间切削。另外，备用刀具33提供了钻头11与正在被钻的地层之间的额外的接触位置或接合位置，从而提高了混合式钻头11的稳定性。牙轮切削元件25、27和固定切削元件31、33的例子包括碳化钨硬合金齿、由诸如多晶金刚石的超硬材料制成的刀具、以及本领域技术人员已知的其它方式。
在此使用的术语“牙轮组件”包括可旋转地安装于支撑臂的各种类型和形状的牙轮组件和刀具牙轮组件。所称的牙轮组件也可以等同于“牙轮”或“刀具牙轮”。牙轮组件可以具有大体上圆锥形的外部形状，或者可以具有更接近圆形的外部形状。与牙轮钻头有关的牙轮组件通常朝向彼此地向内指向，或者至少沿钻头的轴向中心的方向向内指向。对于某些应用，诸如仅具有一个牙轮组件的牙轮钻头，牙轮组件可以具有接近大体上为球形构造的外部形状。
在此使用的术语“切削元件”包括适用于牙轮和混合式钻头的各种类型的复合片、硬合金插入物、铣制齿和焊接复合片。术语“切削结构”和“多个切削结构”在本申请中是等同使用的，包括形成在或附接于牙轮钻头的一个或更多个牙轮组件上的切削元件的各种组合和布置。
如图4所示，牙轮切削元件25、27和固定切削元件31、33的结合限定了切削型面41，该切削型面41从轴向中心15延伸至相对于轴线的径向最外周边或保径(gage)部分43。在一个实施例中，只有固定切削元件31在轴向中心15和径向最外周边43形成切削型面41。但是，牙轮切削元件25与固定切削元件31在切削型面41上的轴向中心15与径向最外周边43之间处重叠。牙轮切削元件25被构造成在切削型面41的鼻端45和肩部47处切削，在这里，鼻端45是该型面面向井眼壁并位于保径43附近的前部部分(即，位于轴向中心15与肩部47之间)。
因而，牙轮切削元件25、27和固定切削元件31、33的结合在鼻端45和肩部47限定了共同的切削面51(如图2和图3所示)，鼻端45和肩部47已知是固定刀具钻头型面的最弱的部分。切削面51位于混合式钻头11的轴向远端。各牙轮切削元件25、27和固定切削元件31、33中的至少一个在切削面51的轴向方向上延伸基本上相等的尺寸，并且，在一个实施例中，尽管它们在轴向上对齐，但是它们在径向上彼此偏置。但是，最远端的元件25、31之间的轴向对齐是不需要的，从而在元件25、31的最远端位置，元件25、31可以轴向间隔开一段明显的距离。例如，钻头本体具有至少部分地限定在牙轮支撑臂17与固定刮刀19、19'之间的轴向中心上的分叉处(crotch)53(如图3所示)。
在一个实施例中，固定切削元件31、33只需要相对于分叉处53较远(例如，较低)地在轴向上隔开间隔地设置。在另一个实施例中，牙轮21、23和牙轮切削元件25、27可以延伸超过固定刮刀19、19'和固定切削元件31、33的最远端位置(例如外，超过大约0.060英寸)，以补偿这些部件之间磨损的不同。当型面41从肩部47过渡至混合式钻头11的周边或保径时，牙轮刀具硬合金齿25不再被接合(参见图4)，多排竖向交错(即，轴向)的固定切削元件31对光滑的井壁进行扩孔。牙轮切削元件25在扩孔时效率非常低，将导致不希望的井眼壁损坏。
在牙轮21、23压碎或以其它方式穿过正在被钻的地层作业时，牙轮切削元件排或刀具25、27产生切口或沟槽。这些切口大体上是圆形的，因为钻头11在运行过程中旋转。这些切口还绕正在被钻的井的中心线向外间隔开地设置，就像牙轮刀具25、27排从钻头11的中心轴线15间隔地设置一样。更具体地说，每一刀具25、27通常均沿着刀具25、27所属的那排刀具产生的切口形成一个或更多个陷坑。
参考图5，概括性示出了依照本发明的方面的牙轮类型的示例性钻地钻头111，钻头111具有钻头本体113，钻头本体113具有从钻头本体悬置的一个或更多个钻头腿127。钻头本体113的上端具有用于将钻头连接到钻柱(未显示)中的一组螺纹115。如图所概括性示出的，钻头腿具有大体上周向延伸的外表面、前侧和后侧。钻头本体111具有若干润滑剂补偿器117，所述润滑剂补偿器117用于减少钻头内润滑剂与钻头外部钻井流体压力之间的压差。至少一个喷嘴119设置在钻头本体113中，用于引导加压的钻井流体从钻柱内返回切屑并冷却钻头111。一个或更多个刀具或牙轮121在从钻头腿向内悬置的悬臂式支承轴120上可旋转地固定于钻头本体113。典型地，各牙轮类型的钻头111(也称为"三锥"钻头)具有通过钻头腿127可旋转地安装于钻头本体113的三个牙轮121、123、125，在图5中示出的其中一个牙轮121局部不是很清楚。沿着钻头腿与牙轮相对应的边缘限定了钻头的巴掌尖区域129。钻头腿和/或钻头本体还可以任选地包括一个或更多个保径部分128，所述保径部分具有与井眼(该井眼已经由钻头111钻出)的壁相接触的表面，并且例如在定向式或者径迹式钻井作业期间，优选载置有一个或更多个用于切削井眼侧面的保径刀具137(诸如多晶金刚石复合片刀具)。
各牙轮121具有大体上圆锥形的构造，包含布置成基本上成周向排(例如根部排、内排、保径排等)的多个切削齿或插入物131。依照本发明的某些实施例，切削齿131可以由牙轮121、123、125的支撑金属机加工或铣制而成。作为选择，切削齿131也可以是压配合到牙轮的支撑金属的配合孔中的碳化钨复合片。各牙轮121、123、125还均包括在其基底处的保径表面135，该保径表面限定钻头111的保径或直径，并且可以包括刀具硬合金齿137周向排(被称为保径排刀具或修整器)以及其它切削元件(诸如具有剪切切削斜面(未显示)的保径复合片)。
如图5中概括性示出的，示例性牙轮钻头111的钻头本体113由焊接在一起的三个头部分组成。每个头部分均具有从本体113向下延伸的钻头腿127，钻头腿127支撑牙轮121、123、125中的一个。钻头腿127和头部分具有外表面，该外表面是限定钻头111的外径的圆的一部分。凹进区域129位于各钻头腿127之间，所述凹进区域小于本体113的外径，以便形成用于在钻头作业期间使钻井流体和切屑返回的流道。
例如，图6显示了，示例性钻头(例如图5的钻头111)单圈转动之后，分别由第一牙轮121、第二牙轮123和第三牙轮125上的切削元件形成的初始切口150、153和156。图7概括性示出了，钻头两圈转动之后，由相应牙轮形成的切口151、154、157。钻头可以视情况在大范围的滚比和刀具角上进行模拟，以在更广泛的意义上更好地限定钻头性能。
通过与理论上可能的最大和最小面积相比而对牙轮从井底移除的底部的整个面积进行评估，可以确定牙轮的效率。最小面积定义为钻头以固定滚比进行单圈转动所切削的面积。为了使牙轮切削该最小量的材料，在随后每圈转动中，必须完全沿着先前的切口的轨迹。移除最小面积的牙轮被限定为具有零(0％)效率。仅为了说明起见，在图8中描绘了具有极低效率的钻头的示例性描绘，其表示钻头的三圈转动。在该概略视图中可以看到，由三个相应牙轮在三圈转动中所切削的面积160、163、166仅有少量改变。
最大面积被定义为在每一切削元件都移除理论最大量的材料的情况下所移除的面积。这意味着，在每圈转动中，各切削元件均不会与已经被任何其它切削元件切削的区域重叠。移除最大量材料的牙轮限定为具有100％效率。在图6-图7中描绘了具有较高效率的钻头的例子，其分别表示钻头的一圈转动和三圈转动。
对于任何给定的牙轮，牙轮效率为这两个界限之间的线性函数。具有在一定滚比的范围内效率高的牙轮的钻头钻井时钻头循旧槽的情况较少，因此地层钻进速度(ROP)较高。在一个实施例中，通过改变间隔布置或以其它方式移动切削元件，可以增大牙轮的最低效率，从而实现更高的地层钻进速度。在另一个实施例中，牙轮的平均效率增大，以实现更高的地层钻进速度。
参照图9-图10，钻头循旧槽发生在由其中一个牙轮21上的第一排刀具25产生的第一切口100a与由例如另一个牙轮23上的第二排刀具27产生的第二切口100b重叠的地方。更严重的钻头循旧槽发生在由第二排刀具27的刀具27形成的陷坑102b与由第一排刀具25的刀具25形成的陷坑发生实际重叠的地方。在这种情况下，第二排刀具25以及可能的第二牙轮21提供了减少钻头11的总钻进速度(ROP)的作用。另外，钻头循旧槽可实际上导致牙轮21和23更快速的磨损。
在图9A-图9D中，切口100a、100b(如图6概括性示出的)已经变直，只显示了切口100a、100b的部分，以便更容易地显示两切口100a、100b与两组陷坑102a、102b之间的关系。如图9A所示，切口100a、100b可以只具有一些少量(例如，小于约25％)重叠。这被称为一般性的重叠或正在重叠。在这种情况下，牙轮21、23上形成切口100a、100b的那些排刀具25、27相似地偏离钻头的中心轴线15，因此那些排可以被认为是具有自中心轴线15的相似的偏移量，或者从中心轴线15相似地偏移。如图9B所示，切口可以重叠约50％或更多。这被称为“明显重叠”或明显正在重叠。因为形成切口的那些排偏离钻头的中心轴线15，因此这也可以被认为是距中心轴线15的偏移量大约相等或大约相等地偏离中心轴线15。如图9C所示，示例性切口102a、102b可以重叠约75％或更多。这被称为“基本上重叠”或“基本上正在重叠”。因为形成切口的那些排偏离钻头的中心轴线15，这也可以被认为是距中心轴线15的偏移量基本上相等或基本上相等地偏离中心轴线15。如图9D所示，切口102a、102b也可以重叠约95-100％。这被称为"基本上完全重叠"。因为形成切口的那些排偏离钻头的中心轴线15，这也可以被认为是距钻头的中心轴线15的“偏移量相等”或“相等地偏离”中心轴线15。
也可以同样地叙述由牙轮21、23上的刀具25、27形成的陷坑重叠，即如图10A-图10D所示，重叠约50％或更多被认为是具有距中心轴线大约相等的偏移量的“明显重叠”；重叠大约75％或更多被认为是具有距中心轴线基本上相等的偏移量的“基本上重叠”；以及重叠约95-100％被认为是具有距中心轴线相等的偏移量的“基本上完全重叠”。虽然所示的那些排陷坑102a、102b主要具有横向重叠，但是重叠可以是纵向的或者横向重叠和纵向重叠的组合,正如图11A-图11C中所清楚地显示的那样。
减少一致重叠的一个可行的方法是改变牙轮21中的一个或两个上的刀具25之间齿距或距离。例如，如图11A、图11B和图11C所示，第一牙轮21可以具有带有不同于第二牙轮23或第二牙轮23上的重叠排刀具27的刀具齿距的一排或更多排刀具25。在图11A-图11C中，由那些排刀具25、27形成的那些排陷坑102a、102b已变直了，以便更容易地显示两切口100a、100b与两组或两排陷坑102a、102b之间的关系。任何情况下，由第一牙轮21上的第一排刀具25产生的第一切口或第一排陷坑102a可以与第二牙轮23上的第二排刀具27产生的第二切口或第二排陷坑102b相重叠，但是，由刀具25形成的陷坑没有必要基本上一致地重叠，或者甚至没有必要明显重叠。相反，通过均匀但不同的刀具齿距，重叠是可变的，这样使得一些陷坑102a、102b完全重叠，而其它陷坑102a、120b没有重叠。因而，即使在全部切口中产生循旧槽(即切口完全重叠)的情况下，陷坑也会以某种较小、变化的量发生重叠。在这种情况下，有些陷坑可能完全重叠，而有些陷坑将完全不会重叠。
从上文很明显，改变刀具之间的齿距、齿距角和/或同一钻头上的牙轮的直径，可以减少或消除钻头作业期间不需要的钻头循旧槽问题。参照图12A和图12B，示出了示例性圆锥形牙轮121和示例性截头圆锥形牙轮21的截面视图，显示了依照本发明的若干尺寸特征。例如，牙轮121的直径d1是牙轮基底附近垂直于牙轮的中心轴线α1的跨牙轮的最宽距离。数学上讲，通过测量竖直轴线α1与沿着斜边画的线S1之间的角度(β)，可以确定牙轮121的直径d1。然后根据牙轮121的高度的正切，可以确定牙轮121的半径R1，因此牙轮121的直径的d1在数学上可以表达如下：d1＝2×高度×tan(β)。对于截头圆锥形牙轮21，诸如图1中混合式钻头11所示的，在此所使用的钻头的直径(d2)指的是牙轮本身的最宽外边缘之间的距离。
图12还示出了依照本发明的牙轮21和121上的刀具25和125的齿距。在此定义的齿距是指牙轮面上的一排中切削元件之间的间距。例如，齿距可以定义为相邻切削元件的顶端处中心线之间的直线距离，或作为选择，可以由绕牙轮轴线的大体圆形排中相邻切削元件之间的角度测量值表达。这种角度测量值通常在垂直于在牙轮轴线的平面中获取。当绕牙轮的圆锥表面的排中的切削元件等间距时，该布置被称为具有“均匀齿距”(即，齿距角等于360°除以切削元件的数量)。当绕牙轮的圆锥表面的排中的切削元件不等间距时，该布置被称为具有“不均匀齿距”。依照本发明的某些方面，视情况，术语"齿距"还可以指“环形齿距”或“竖向齿距”。术语"环形齿距"指从牙轮的一排上的一个切削元件的顶端到同一排或差不多同一排上的相邻切削元件的顶端的距离。术语"竖向齿距"指从牙轮(例如牙轮21或121)的一排上的一个切削元件的顶端到该牙轮的竖向间隔开的下一排上的最近的切削元件的顶端的距离，诸如图12中r1和r2所示的。通常牙轮上的齿距是相等的，但是有时遵循大于以及小于等齿距数量的型式。在此所使用的术语"齿距角"是齿冲击进地层的角度，其可以随着齿的不同而变化，以满足正在被钻的地层的类型。
例如，第一刀具齿距可以比第二刀具齿距大25％。换句话说，与第二刀具齿距相比，通过第一刀具齿距而使刀具25的间隔可以远25％。作为选择，第一刀具齿距可以比第二刀具齿距大50％。又作为另一个选择，第一刀具齿距可以比第二刀具齿距大75％。在其它实施例中，第一刀具齿距不同于第二刀具齿距的量可在25％和50％之间、在50％和75％之间、或在25％和75％之间。
当然，第一刀具齿距可以比第二刀具齿距小25％、50％、75％或者其间的某一量，如图11B和图13所示。更具体地说，如图11B和图13所示，第一牙轮21a上的第一排刀具25可以使用第一刀具齿距，第二牙轮23b上的第二排刀具27可以使用更大的第二刀具齿距或更大的刀具27间距。因而，甚至在第一和第二排刀具25、27提供了同样的切口100的地方，这些排刀具25、27形成的陷坑102a、102b也不会一致地重叠，或者重叠一较小、变化的程度。
另外一个例子是，第一牙轮21上的第一排刀具25可以使用第一刀具齿距，第一牙轮21上的第二排刀具25可以使用第二刀具齿距。这里，为进一步避免严重的钻头循旧槽问题，与第一牙轮21上的第一排刀具25相对应的或与第一牙轮21上的第一排刀具25重叠的第二牙轮21上的第一排刀具25可以使用第二刀具齿距。类似地，与第一牙轮21上的第二排刀具25相对应的或与第一牙轮21上的第二排刀具25重叠的第二牙轮21上的第二排刀具25可以使用第一刀具齿距。因而，没有两个相应或重叠的排使用相同的刀具齿距，各牙轮均具有带有第一刀具齿距的至少一排刀具25和带有第二刀具齿距的至少另一排刀具25。
另一个可行的方法是使第一牙轮21上的一排或更多排刀具25具有绕其外周的不同的刀具齿距。例如，如图11C和图14所示，第一或第二排刀具25的一部分可以使用第一刀具齿距，而该排刀具25的剩下的三分之二可以使用第二刀具齿距。在这种情况下，重叠或相应的另一排刀具25可以使用第一刀具齿距、第二刀具齿距或完全不同的第三刀具齿距。当然，这可分解为二等份和/或四等份。
在另一个例子中，第一牙轮21上的第一排刀具25的三分之一可以使用第一刀具齿距，第一排刀具25的另一三分之一可以使用第二刀具齿距，而该第一排刀具25的剩下的三分之一可以使用第三刀具齿距。在这种情况下，重叠或相应的另一排刀具25可以使用第一刀具齿距、第二刀具齿距、第三刀具齿距或完全不同的第四刀具齿距。
因为刀具齿距或刀具25之间的间距/距离可以这样变化，所以由第一牙轮21上的第一排刀具25产生的第一切口可以与第二牙轮21上的第二排刀具25产生的第二切口相重叠，但是，由刀具25形成的陷坑没有必要基本上一致地重叠，或者甚至没有必要明显重叠。显然，如果第一排刀具25具有比第二排刀具更大的刀具齿距，并且第一和第二排或牙轮21具有相同的直径，那么第一排将具有较少的刀具25。因而，假定牙轮21具有均匀的刀具间距和直径，本发明的这个特征可以用刀具齿距和/或给定排中刀具数量来表达。
与钻头循旧槽相关的其中一个问题是，如果刀具25持续地或一致地落入由其它刀具25形成的陷坑中，牙轮21本身则可以接触到正在被钻的地层、土壤或岩石。该接触可能导致牙轮21过早磨损。所以，除上述不同的刀具齿距之外，或作为选择，牙轮21、23中的一个可以具有不同的尺寸或直径，如图15所示。例如，第一牙轮21可以比第二牙轮23大或小5％、10％、25％或者其间的某一量。第一牙轮21上的刀具25和/或刀具齿距也可以比第二牙轮23上的大或小。
参照图16-图18，显示了依照本发明的示例性切削布置，其中，这样的配置起到减少钻头上的第一组切削元件形成“钻头循旧槽”(即落入或滑入由第二组切削元件形成的凹槽中)的趋势的作用，反之亦然。图16示出了依照本发明的方面构造的示例性牙轮布置的俯视图。图17示出了可选的牙轮布置的俯视图，牙轮具有较小的牙轮直径。图18示出了混合式钻地钻头中示例性牙轮布置的俯视图，其中一个牙轮具有较小的直径，并且刀具齿距被改变。这些附图将彼此结合进行论述。
图16示出了依照本发明的方面的牙轮型钻头211的俯视图，例如图5概括性描述的类型。钻头211包括三个牙轮，牙轮221、223和225附接于钻头本体213，并绕中心轴线215布置。每一牙轮均具有从鼻端231延伸至保径排237的多排刀具227，根据情况，还可带有额外的排，例如内排235和根部排239。在一个或更多个牙轮上，牙轮还可以任选地包括紧邻根部排239的修整器233。虽然图16(和图17)中的刀具227大体上显示的是TCI(碳化钨镶齿)插入物型刀具，但是，应该明白，根据情况，它们可以是等同的铣制齿刀具，这取决于正在被钻的地层。如图所示，牙轮221和223具有第一直径(例如，七又八分之七英寸)，而第三牙轮225具有较小的第二直径(即，六又八分之一英寸)，这样，使较小直径牙轮225没有与其它牙轮(221，223)啮合。另外，在同一钻头内可以使用不同硬度的牙轮，使得具有第一直径的牙轮具有第一硬度(例如，IADC 517)，而具有较小的第二直径的牙轮具有小于或大于第一硬度的第二硬度(例如，IADC硬度647)。任选地，并同样可接受的，钻头上的每一牙轮均可以具有独立的直径和独立的硬度，视情况而定。
在图17中，示出了相似的钻头211'，其中钻头211'包括第一、第二和第三牙轮221、223和225，它们绕钻头中心轴线215附接于钻头本体213，每一牙轮具有附接在牙轮上或形成在牙轮上并以周向排布置的多个切削元件或齿227，如参照16所论述的那样。还是如图所示，第三牙轮225的直径不同于(小于)第一和第二牙轮221、223的直径。此外，在第三牙轮225(其没有与绕中心轴线215的其它牙轮221、223相啮合)的至少一排上，一排内的刀具的齿距不同，例如，刀具229与刀具231之间的齿距小于刀具233和刀具231之间的齿距。
图18示出了依照本发明的实施例的示例性混合式钻头311的工作面的俯视图。混合式钻头包括两个或更多个牙轮刀具(显示了三个)和两个或更多个(显示了三个)固定切削刮刀。牙轮刀具329、331、333可旋转地(通常在轴颈轴承上旋转，但是也可使用滚动元件或其它支承件)安装在各个钻头腿317、319、321上。每个牙轮刀具329、331、333均具有大体上以周向排布置在牙轮刀具上的多个切削元件335、337、339。在各钻头腿317、319、321之间，至少一个固定刮刀刀具323、325、327从钻头本体轴向向下悬置。多个切削元件341、343、345成排布置在各固定刮刀刀具323、325、327的前缘上。各切削元件341、343、345为安装至碳化钨或其它硬质金属制柱头螺栓的多晶金刚石圆盘，柱头螺栓则软焊、硬钎焊或以其它方式固定到各固定刮刀刀具的前缘。也可以使用热稳定多晶金刚石(TSP)或其它常规固定刮刀切削元件材料。每个固定刮刀刀具323、325、327上的每排切削元件341、343、345从钻头本体的中心部分延伸至钻头本体的径向最外侧或保径部分或表面。依照本发明的方面，截头圆锥形牙轮刀具之一的刀具333的直径不同于(在这种情况下，小于)其它牙轮刀具的直径。同样，一个或更多个牙轮刀具上的各个周向排切削元件在刀具元件之间具有变化的齿距，如图所示。也就是说，所示的切削元件335和335'之间的齿距大于切削元件335'和335"之间的齿距。
进一步依照本发明的方面，钻地钻头本身，尤其是与钻头(例如钻头11或111)相关并且相对于彼此具有变齿距、变齿距角和/或变牙轮直径(例如，图16、图17或图18的示例性钻头)的至少两个牙轮的牙轮可以被构造成使得其在同一钻头内具有不同硬度的牙轮。例如，参照图16的示例性钻头，牙轮221和223可以具有第一硬度(例如，IADC分类517)，而较小直径的第三牙轮225可以具有第二硬度(例如，IADC分类647),这样在同一钻头内使用不同硬度的牙轮。因而，依照本发明的进一步的方面，同一钻头内的两个或更多个牙轮可以具有按IADC标准测量的不同硬度。例如，牙轮可以具有在54到84范围内变化的IADC硬度分类，或者，具有从系列1到系列8(正如图19中所罗列的)变化的IADC系列分类，该系列分类非遍举性地包括系列1、系列2、系列3、系列4、系列5、系列6、系列7或系列8。本领域技术人员应当明白，国际钻井承包商协会(IADC)已经建立了钻头分类体系，用于识别适合于特定钻井应用的钻头，如1992年2月18-21日提交的由IADC/SPE Paper 23937改编的“IADC牙轮钻头分类体系”中所描述的。根据该体系，各钻头都落入特定的3数字式的IADC钻头分类。IADC分类中的第一个数字指明地层“系列”，其表示在钻头的牙轮上所使用的切削元件的类型以及钻头设计成能钻的地层的硬度。如图19所示，1-3范围内的“系列”代表用于软(1)、中(2)或硬(3)地层的铣制或钢齿钻头，而4-8范围内的“系列”代表用于变化的地层硬度的碳化钨硬合金齿(TCI)钻头，其中4最软，8最硬。所使用的系列编号越高，钻头设计成能钻的地层越硬。进一步如图19所示，“系列”标号4代表TCI钻头设计成能钻较软的压缩强度低的地层。本领域技术人员应当明白，这样的钻头通常最大程度地使用大直径且高凸伸的圆锥形和/或凿刀式硬合金齿以及最大牙轮偏移量这二者的结合，以实现较高的钻进速度和切削元件排的深度的相互啮合，从而防止粘性地层中的钻头泥包。另一方面，还是如图19所示，“系列”标号8代表TCI钻头被设计成能钻非常硬的磨蚀性地层。本领域技术人员应当明白，这样的钻头通常包括在钻头外排中的更耐磨的硬合金齿，以防止钻头保径的损失，以及井底切削排中的最大数量的半球形硬合金齿，以使刀具耐用并延长钻头寿命。
IADC钻头分类中的第二个数字代表给定系列内的地层“类型”，这表示由指明的钻头对待钻的地层类型进行进一步的细分。进一步如图19所示，对于系列4至8中的每一系列，地层“类型”被指明为1至4。在这种情况下，“1”表示对于系列而言的最软地层类型，类型“4”表示对于系列而言的最硬地层类型。例如，与IADC分类的前两个数字为“62”的钻头相比，IADC分类的前两个数字是“63”的钻头将用于钻更硬的地层。另外，正如在此所使用的，应当明白，标示为“54-84”(或“54至84”)的IADC分类范围的意思是钻头的IADC分类在系列5(类型4)、系列6(类型1至4)、系列7(类型1至4)、或系列8(类型1至4)之中或在任何后面采用的IADC分类之中，这些后面采用的IADC分类描述了旨在用于较低压缩强度的中硬度地层至非常硬的磨蚀性地层的TCI钻头。IADC分类代码的第三个数字与特定支撑设计以及保径保护有关，由于通常与本发明的钻头和钻头部件的使用无关，因而这里省略了对该内容的描述。在IADC分类中也可以可选地包括第四个数字字母代码，表示附加的特征，例如中心射流(C)，圆锥形硬合金齿(Y)，额外保径保护(G)，偏差控制(D)，标准钢齿(S)，以及其它特征。但是，由于通常与本发明的中心构思无关，因而为清楚起见，这些标记在此也被省略了。
在不背离申请人的发明的精神的情况下，可以想出运用上面描述的发明的一个或更多个方面的其它和进一步的实施例。例如，钻头11的任何排刀具25、27实际上都可以运用变化的刀具齿距和/或随机的刀具齿距和/或齿距角，以减少钻头循旧槽的发生。另外，具有三个或更多个的牙轮的钻头可以使用不同的直径和/或不同的刀具齿距。进一步地，本发明的各种方法和实施例都可以被归入到产生所披露的方法和实施例的变化的相互组合中。单个元件的叙述可以包括多个元件，反之亦然。
步骤的次序可以以多种顺序发生，除非另外明确限定。在此描述的各种步骤可以结合其它步骤、插入所述步骤和/或分成多个步骤。同样，已经在功能上对这些元件进行了描述，它们可以作为单独的部件实施或者可以组合成具有多个功能的部件。
本发明已经在优选及其它实施例的上下文中进行了描述，但不是本发明的每个实施例都进行了描述。对本领域普通技术人员来说可得到对所述实施例的显而易见的改变和变形。披露和未披露的实施例目的不在于限制或限定申请人构想的本发明的范围或适用性，相反，依照专利法，申请人旨在完全保护落入权利要求的等价物的范围内的全部这样的改变和改进。

Claims (34)

1.一种钻头，包括：
钻头本体，所述钻头本体具有纵向中心轴线；
从钻头本体延伸的至少一个刮刀；
从钻头本体延伸的第一臂和第二臂；
可旋转地固定于第一臂的第一牙轮，所述第一牙轮具有布置在所述第一牙轮上的基本上成周向排的多个刀具；和
可旋转地固定于第二臂的第二牙轮，所述第二牙轮具有布置在所述第二牙轮上的基本上成周向排的多个刀具；
其中，在第一牙轮和第二牙轮中的至少一个上的至少两个刀具具有不同的齿距角。
2.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮和第二牙轮具有不同的牙轮直径。
3.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮具有第一刀具齿距，第二牙轮具有不同的第二刀具齿距。
4.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮包括第一刀具齿距和不同的第二刀具齿距。
5.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮上的一刀具排以第一刀具齿距和不同的第二刀具齿距间隔开。
6.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮上的一刀具排的第一部分以第一刀具齿距间隔开，第一牙轮上的该刀具排的第二部分以不同的第二刀具齿距间隔开。
7.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮上的一刀具排沿该刀具排周向的三分之一以第一刀具齿距间隔开，并且沿该刀具排周向的三分之二以不同的第二刀具齿距间隔开。
8.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮在单个刀具排中包括第一刀具齿距和不同的第二刀具齿距。
9.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮和第二牙轮均具有基本上相等地偏离所述纵向中心轴线的刀具排。
10.如权利要求9所述的钻头，其中，基本上相等地偏离所述纵向中心轴线的那些排具有不同的刀具齿距，所述不同的刀具齿距包括第一刀具齿距和第二刀具齿距。
11.如权利要求9所述的钻头，其中，基本上相等地偏离所述纵向中心轴线的那些排具有不同的直径。
12.如权利要求1所述的钻头，其中，第一牙轮和第二牙轮均具有同样地偏离所述纵向中心轴线的刀具排，从而使得刀具的切口排重叠。
13.如权利要求12所述的钻头，其中，重叠的那些切口排具有不同的刀具齿距，所述不同的刀具齿距包括第一刀具齿距和第二刀具齿距。
14.如权利要求12所述的钻头，其中，重叠的那些切口排具有不同的直径。
15.如权利要求3-8、10、13中任一项所述的钻头，其中，第一刀具齿距比第二刀具齿距大25％，或大50％，或大75％。
16.如权利要求3-8、10、13中任一项所述的钻头，其中，第一刀具齿距不同于第二刀具齿距的量在25％和50％之间、在50％和75％之间、或在25％和75％之间。
17.如权利要求1-14中任一项所述的钻头，其中，第一牙轮的直径比第二牙轮的直径大或小5％、10％、25％或者其间的某一量。
18.如权利要求1-14中任一项所述的钻头，其中，第一牙轮上的刀具具有不同于第二牙轮上的刀具的依据国际钻井承包商协会分类的硬度。
19.如权利要求18所述的钻头，其中，第一牙轮上的刀具具有比第二牙轮上的刀具大的依据国际钻井承包商协会分类的硬度。
20.一种钻地钻头，包括：
钻头本体；
从钻头本体悬置的至少两个钻头腿，所述钻头腿具有周向延伸的外表面、前侧和后侧；
至少两个可旋转地安装在从钻头腿向内悬置的悬臂式支承轴上的牙轮，所述牙轮包括第一牙轮和第二牙轮；以及
绕每个牙轮外表面周向布置的多个刀具，
其中第一牙轮和第二牙轮具有不同的牙轮直径和/或在第一牙轮和第二牙轮中的至少一个上的至少两个刀具具有不同的齿距角。
21.如权利要求20所述的钻地钻头，其中，在第一牙轮和第二牙轮中的至少一个上的至少两个刀具具有不同的齿距。
22.如权利要求20或21所述的钻地钻头，其中，第一牙轮上的刀具具有不同于第二牙轮上的刀具的依据国际钻井承包商协会分类的硬度。
23.如权利要求20或21所述的钻地钻头，所述钻地钻头还包括带有前缘和后缘的固定刮刀刀具，所述固定刮刀刀具具有成排地布置在固定刮刀刀具的前缘上的多个固定切削元件。
24.一种钻地钻头，包括：
钻头本体；
从钻头本体悬置的至少两个钻头腿，所述钻头腿具有周向延伸的外表面、前侧和后侧；
至少两个可旋转地安装在从钻头腿向内悬置的悬臂式支承轴上的牙轮，所述牙轮包括第一牙轮和第二牙轮；以及
绕每个牙轮外表面周向布置的多个刀具，
其中，第一牙轮上的刀具具有不同于第二牙轮上的刀具的依据国际钻井承包商协会分类的硬度。
25.如权利要求24所述的钻地钻头，所述钻地钻头还包括从钻头本体沿轴向向下的方向延伸的一个或多个固定切削刮刀，每个固定切削刮刀包括安装至该固定切削刮刀的多个固定切削元件。
26.如权利要求24所述的钻地钻头，其中，在第一牙轮和第二牙轮中的至少一个上的至少两个刀具具有不同的齿距。
27.如权利要求26所述的钻地钻头，其中，所述至少两个刀具齿距不同的量在25％和50％之间、在50％和75％之间、或在25％和75％之间。
28.如权利要求24-27中任一项所述的钻地钻头，其中，第一牙轮的直径比第二牙轮的直径大或小5％、10％、25％或者其间的某一量。
29.如权利要求24-27中任一项所述的钻地钻头，其中，第一牙轮上的刀具具有比第二牙轮上的刀具大的依据国际钻井承包商协会分类的硬度。
30.一种钻头，包括：
钻头本体，所述钻头本体具有纵向中心轴线，所述纵向中心轴线限定钻头本体的轴向中心；
从钻头本体沿着轴向方向延伸的一个或多个牙轮支撑臂；
从钻头本体沿着轴向向下方向延伸的一个或多个固定切削刮刀；
安装至相应的牙轮支撑臂上的一个或多个牙轮；
其中，多个固定切削元件位于钻头本体的轴向中心处并适于切削轴向中心处的地层。
31.如权利要求30所述的钻头，其中，每个牙轮的远端与轴向中心在径向上间隔开一极小的径向距离。
32.如权利要求30所述的钻头，其中，多个牙轮切削元件安装至牙轮上并且与轴向中心在径向上间隔开一极小的径向距离。
33.如权利要求30所述的钻头，其中，在每个固定刮刀刀具的前缘和后缘之间设置一排或任意所希望的排数的备用刀具。
34.如权利要求33所述的钻头，其中，所述备用刀具与固定刮刀刀具上的固定切削元件对齐或者在径向上间隔开。
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