CN110546345A - 具有减小的振动响应的钻地工具以及相关方法 - Google Patents

Abstract

钻地工具，可以包括：主体；刀片，所述刀片从所述主体向外延伸；以及切削元件，所述切削元件固定到所述刀片。第一刀片的整体可以呈现与第二刀片的至少另一部分的第二恒定或连续可变曲率半径不同的第一恒定或连续可变曲率半径。制作钻地工具的方法可以涉及形成从主体向外延伸的第一刀片的至少一部分以呈现第一曲率半径。可以形成从所述主体向外延伸的第二刀片的整体以呈现第二不同的恒定或连续可变曲率半径。可以将切削元件固定到所述第一刀片和所述第二刀片。

Description

具有减小的振动响应的钻地工具以及相关方法

优先权声明

本申请依据35U.S.C.§119(e)要求2017年3月17日提交的美国临时专利申请序列号62/473,114的权益，该申请的公开内容全文以引用的方式并入本文。

技术领域

本公开总体涉及用于在地下地层中钻出钻孔的工具。更具体地，所公开的实施方案涉及可以在钻井期间增加钻柱的稳定性的钻地工具。

背景技术

诸如像固定切削齿钻头、混合钻头和扩孔器的钻地工具可以包括主体，该主体具有从主体向外延伸的刀片。切削元件可以固定到刀片并定位成响应于钻地工具的旋转而与地下地层接合并移除地下地层。当使用此类钻地工具来钻出钻孔时，钻地工具和附接钻地工具的钻柱可以响应于在所施加的钻压(WOB)和通过钻柱(在一些情况下包括多部件井底组件)施加的扭矩下与地层接合而振动。

发明内容

在一些实施方案中，钻地工具可以包括：主体；刀片，所述刀片从所述主体向外延伸；以及切削元件，所述切削元件固定到所述刀片。第一刀片的整体可以呈现与第二刀片的整体的第二恒定或连续可变曲率半径不同的第一恒定或连续可变曲率半径。

在其他实施方案中，制作钻地工具的方法可以涉及形成从主体向外延伸的第一刀片的整体以呈现第一恒定或连续可变曲率半径。可以形成从所述主体向外延伸的第二刀片的整体以呈现第二不同的恒定或连续可变曲率半径。可以将切削元件固定到所述第一刀片和所述第二刀片。

在另外的其他实施方案中，利用钻地工具对土地地层进行钻井的方法可以涉及将钻地工具放入所述土地地层中的钻孔中，所述钻地工具包括主体、从所述主体向外延伸的刀片以及固定到所述刀片的切削元件。第一刀片的整体可以呈现与第二刀片的整体的第二恒定或连续可变曲率半径不同的第一恒定或连续可变曲率半径。可以利用所述钻地工具移除地下地层，同时维持所述钻地工具以对应于n*rpm/60Hz(其中n是刀片计数)的倍数的频率振动的峰值振幅为包括由具有相同曲率半径的刀片构成的钻地工具的钻柱以对应于n*rpm/60Hz的倍数的频率振动的峰值振幅的约75％或更小。

附图说明

尽管本公开以特别指出并明确要求保护特定实施方案的权利要求为结论，但是当结合附图阅读时，可以从以下描述中更容易地断定在本公开的范围内的实施方案的各种特征和优点，其中：

图1是钻地工具的透视图；

图2是图1的钻地工具的一部分的局部剖面侧视图；

图3是图1的钻地工具的冠部的端视图；

图4是根据本公开的钻地工具的另一个实施方案的冠部的端视图。

图5是根据本公开的钻地工具的又一个实施方案的冠部的端视图；

图6是根据本公开的钻地工具的又一个实施方案的冠部的端视图；

图7是根据本公开的钻地工具的又一个实施方案的示意性端视图；

图8是描绘根据本公开的钻地工具的实施方案的在周向地相邻的刀片上的切削元件之间的角距离的曲线图；

图9是描绘在常规钻地工具的周向地相邻的刀片上的切削元件之间的角距离组的条形图；

图10是描绘根据本公开的钻地工具的实施方案的在周向地相邻的刀片上的切削元件之间的角距离的条形图；

图11是在钻井期间常规钻地工具的测得的振动响应的曲线图；以及

图12是在钻井期间根据本公开的钻地工具的测得的振动响应的曲线图。

具体实施方式

在本公开中呈现的图示不意图是任何特定钻地工具或其部件的实际视图，而仅是用于描述说明性实施方案的理想表示。因此，附图不必按比例绘制。

所公开的实施方案总体涉及可以在钻井期间增加钻柱的稳定性的钻地工具。更具体地，公开了钻地工具的实施方案，该钻地工具可以包括至少一个刀片，该至少一个刀片具有与钻地工具的至少另一个刀片的曲率半径不同的曲率半径。

如本公开所使用，术语“钻地工具”表示并包括具有固定到工具的刀片的切削元件的任何类型的工具，并且被配置为用于在形成或扩大地下地层中的井筒期间进行钻井。例如，钻地工具包括固定切削齿钻头、偏心钻头、双中心钻头、铣刀、刮刀钻头、混合式钻头、扩孔器以及本领域中已知的其他钻头和工具。

参考图1，示出了钻地工具100的透视图。图1中所示的钻地工具100可以被配置为固定切削齿钻头，但是本文所述的钻地工具100的特征中的许多特征可以结合到其他类型的钻地工具中。钻地工具100可以包括具有前端104和后端106的主体102。在后端106处，主体102可以包括连接构件108(例如，美国石油学会(API)螺纹连接)，该连接构件被配置为将钻地工具100连接到钻柱。在前端104处，主体102可以包括刀片110，所述刀片从主体102的其余部分轴向向外并跨前端104相对于主体102的旋转轴线112径向向外延伸，该旋转轴线也可以是中心轴线。钻地工具100的主体102的冠部114可以包括由刀片110和主体102的其余部分在主体102的前端104处限定的外部冠面。排屑槽118可以周向地定位在相邻的刀片110之间，以使得由钻地工具100产生的切屑能够通过使钻井液流动而被移除。切削元件116可以靠近刀片110的按旋转方向的前冠面固定到刀片110，使得切削元件116可以定位成与地下地层接合并移除地下地层。

图2是图1的钻地工具100的部分120的局部剖面侧视图。每个刀片110可以包括径向地位于旋转轴线112与钻地工具100的周边之间的若干区域(参见图1)。例如，至少一些刀片110可以包括紧密地围绕旋转轴线112定位的锥形区域122。锥形区域122可以由倾斜冠面表征，所述倾斜冠面以至少基本上恒定的斜率远离后端106朝向地下地层延伸。鼻部区域124可以在锥形区域122的与旋转轴线112相对的一侧上与锥形区域122相邻地定位。鼻部区域124可以由在鼻部区域的斜坡至少基本上垂直于旋转轴线112时终止的逐渐地变化的斜坡表征。肩部区域126可以在鼻部区域124的与锥形区域122相对的一侧上与鼻部区域124相邻地定位。肩部区域126可以由开始从垂直于旋转轴线112朝向后端106延伸的逐渐地变化的斜坡表征。保径区域128可以在肩部区域126的与鼻部区域124相对的一侧上与肩部区域126相邻地定位。保径区域128可以位于钻地工具100的周边处。切削元件116可以位于给定刀片110的前述区域122至128中的至少一个并直至全部区域中。排屑槽118(参见图1)可以从保径区域128穿过肩部区域126和鼻部区域124延伸到锥形区域122，使得每个相邻的刀片100之间保留周向空间。

图3是图1的钻地工具100的冠部114的透视图。如图3所示，钻地工具100可以包括至少一个第一刀片130，该至少一个第一刀片的至少一部分可以具有第一曲率半径R1，该第一曲率半径R1可以如下面在解释如何计算钻地工具的刀片的曲率半径的段落中阐述的那样限定。更具体地，该第一刀片130或多个第一刀片130的至少一部分可以具有第一曲率半径R1，至少在相关部分的径向范围内，该第一曲率半径R1可以是恒定的(例如，形成圆的一部分)或连续可变的(例如，具有达其曲率的平滑弧)。换句话说，该第一刀片130或多个第一刀片130的具有第一曲率半径R1的部分可以至少基本上没有或缺乏其曲率的不连续性(例如，在两条线或平滑曲线、参差不齐的过渡或锯齿形峰之间可以不具有任何交点)。作为一个具体的非限制性示例，该第一刀片130或多个第一刀片130可以包括跨越锥形区域122、鼻部区域124、肩部区域126和保径区域128中的至少一个(参见图2)的至少一部分，该部分具有恒定或连续可变的第一曲率半径R1。在一些实施方案(诸如图3中示出)中，钻地工具100可以包括例如一组第一刀片130，第一刀片130中的每个在每个第一刀片130的至少基本上整个径向范围内呈现第一曲率半径R1。作为一个具体的非限制性示例，钻地工具100的主刀片130可以全部呈现恒定的第一曲率半径R1。主刀片130可以在冠部114上从锥形区域122(参见图2)径向向外延伸到保径区域128(参见图2)。主刀片130可以包括切削元件116，所述切削元件在从锥形区域122(参见图2)至保径区域128(参见图2)的区域中的每个中固定到主刀片130。

钻地工具100可以包括至少一个第二刀片132，该至少一个第二刀片的至少一部分可以具有第二不同曲率半径R2。更具体地，该第二刀片132或多个第二刀片132的至少一部分可以具有第二曲率半径R2，至少在相关部分的径向范围内，该第二曲率半径R2也可以是恒定的(例如，形成圆的一部分)或连续可变的(例如，具有达其曲率的平滑弧)，并且在幅度上是不同的。换句话说，该第二刀片132或多个第二刀片132的具有第二不同曲率半径R2的部分可以至少基本上没有或缺乏其曲率的不连续性(例如，在两条线或平滑曲线、参差不齐的过渡或锯齿形峰之间可以不具有任何交点)。作为一个具体的非限制性示例，该第二刀片132或多个第二刀片132可以包括跨越锥形区域122、鼻部区域124、肩部区域126和保径区域128中的至少一个(参见图2)的至少一部分，该部分具有恒定或连续可变的第二不同曲率半径R2。在一些实施方案(诸如图3中示出)中，钻地工具100可以包括例如一组第二刀片132，第二刀片132中的每个在每个第二刀片132的至少基本上整个径向范围内呈现第二曲率半径R2。作为一个具体的非限制性示例，钻地工具100的副刀片132可以全部呈现恒定的第二曲率R2。第二刀片132可以不包括锥形区域122，但是可以在冠部114上从鼻部区域124(参见图2)或肩部区域126(参见图2)径向向外延伸到保径区域128(参见图2)。副刀片132可以包括切削元件116，所述切削元件在从鼻部区域124(参见图2)或肩部区域126(参见图2)至保径区域128(参见图2)的区域中的每个中固定到副刀片132。

如图3所示，第一刀片130可以比第二刀片132更直。同样如图3所示，第一刀片130和第二刀片132可以从相应刀片130或132的最靠近旋转轴线112的部分到保径区域128(参见图2)呈现至少基本上恒定的曲率半径例如，第一刀片130的第一曲率半径R1可以大于第二刀片132的第二曲率半径R2。第一曲率半径R1可以例如在第二曲率半径R2的约125％至约无穷％(即，在第一刀片130是直的实施方案中)之间。更具体地，第一曲率半径R1可以例如在第二曲率半径R2的约200％与约7,500％之间。作为一个具体的非限制性示例，第一曲率半径R1可以在第二曲率半径R2的约830％与约6,250％之间(例如，约1,000％、2,500％或5,000％)。作为附加的示例，第一曲率半径R1可以例如在约15英寸与约无穷(即，直的)之间。更具体地，第一曲率半径R1可以例如在约25英寸与约150英寸之间。作为一个具体的非限制性示例，第一曲率半径R1可以在约50英寸与约125英寸之间(例如，约100英寸)。第二曲率半径R2可以例如在约1英寸与约12英寸之间。更具体地，第二曲率半径R2可以例如在约2英寸与约10英寸之间。作为一个具体的非限制性示例，第二曲率半径R2可以在约3英寸与约6英寸之间(例如，约4英寸)。

在其他实施方案中，第一刀片130可以不如第二刀片132直。例如，第一刀片130的第一曲率半径R1可以小于第二刀片132的第二曲率半径R2。第一曲率半径R1可以例如在第二曲率半径R2的约0％(即，在第一刀片130是直的实施方案中)与约80％之间。更具体地，第一曲率半径R1可以例如在第二曲率半径R2的约1％与约40％之间。作为一个具体的非限制性示例，第一曲率半径R1可以在第二曲率半径R2的约2％与约25％之间(例如，约4％、5％、10％或15％)。作为附加的示例，第一曲率半径R1可以例如在约1英寸与约12英寸之间。更具体地，第一曲率半径R1可以例如在约2英寸与约10英寸之间。作为一个具体的非限制性示例，第一曲率半径R1可以在约3英寸与约6英寸之间(例如，约4英寸或5英寸)。第二曲率半径R2可以例如在约15英寸与约无穷(即，直的)之间。更具体地，第二曲率半径R2可以例如在约25英寸与约150英寸之间。作为一个具体的非限制性示例，第二曲率半径R2可以在约50英寸与约125英寸之间(例如，约75英寸或100英寸)。

第一刀片130的相关部分的第一曲率半径R1和第二刀片132的相关部分的第二曲率半径R2可以例如通过贯穿相关区域122至128(参见图2)在垂直于旋转轴线112的平面中形成在给定的第一刀片130或第二刀片132的按旋转方向的前表面172处等距地定位的一系列点的最小二乘拟合曲线来计算。由于图3中所示的第一刀片130的第一曲率半径R1和第二刀片132的第二曲率半径R2可以是至少基本上恒定的，因此可以从锥形区域122(参见图2)到保径区域128(参见图2)计算第一刀片130的第一曲率半径R1，并且可以从鼻部区域124(见图2)或肩部区域126(参见图2)到保径区域128(参见图2)计算第二刀片132的第二曲率半径R2。在其他实施方案中，第一刀片130和第二刀片132可以在某些部分(例如，区域122至128(参见图2))中具有相同的曲率半径，而在其他部分中具有不同的曲率半径R1和R2。在此类实施方案中，可以仅在其中第一刀片130和第二刀片132具有不同的曲率半径并且第一刀片130和第二刀片132的平滑曲率上不存在不连续性的那些径向距离上计算第一曲率半径R1和第二曲率半径R2。例如，此类实施方案中的相关部分可以是在前端104的相同的径向范围内(例如，在区域122至128(参见图2)中的特定多个、区域122至128(参见图2)的组合、区域122至128(参见图2)中的一个或多个区域的一个或多个子区段、或区域122至128(参见图2)中的一个或多个区域与其他区域122至128(参见图2)中的一个或多个区域的一个或多个子区段的组合内)的在那些径向范围内具有不同的曲率半径并呈现恒定或连续弧的那些部分。

在一些实施方案(诸如在图3中示出)中，第一刀片130的数量可以等于第二刀片132的数量。在其他实施方案中，第一刀片130的数量可以大于或小于第二刀片132的数量。例如，第一刀片130的数量可以在从一贯穿其他可能性的总数至除一以外的全部数值的范围内，而对于第二刀片132，反之亦然。

在附加的实施方案中，可以存在具有不同的曲率半径的多于两个刀片组。例如，钻地工具上的每个刀片的至少一部分可以呈现与每个其他刀片的每个其他曲率半径的至少一部分不同的曲率半径。作为另一个示例，钻地工具可以包括具有呈现第一曲率半径的至少一部分的第一刀片或第一组刀片、具有呈现第二不同曲率半径的至少一部分的第二刀片或第二组刀片、具有呈现第三仍不同的曲率半径的至少一部分的任选的第三刀片或第三组刀片、具有呈现第四仍不同的曲率半径的至少一部分的任选的第四刀片或第四组刀片等。

图4是根据本公开的钻地工具140的另一个实施方案的冠部144的透视图。钻地工具140的第一刀片130也可以是主刀片，并且钻地工具140的第二刀片132也可以是副刀片。另外，第一刀片130的数量可以等于第二刀片132的数量。

如图4所示，在一些实施方案中，第一刀片130可以比第二刀片132更弯曲。更具体地，第一刀片130的第一曲率半径R1可以例如小于第二刀片132的第二曲率半径R2。第一曲率半径R1可以例如在约1英寸与约12英寸之间。更具体地，第一曲率半径R1可以例如在约2英寸与约10英寸之间。作为一个具体的非限制性示例，第一曲率半径R1可以在约3英寸与约6英寸之间(例如，约4英寸)。第二曲率半径R2可以例如在约15英寸与约无穷(即，直的)之间。更具体地，第二曲率半径R2可以例如在约25英寸与约150英寸之间。作为一个具体的非限制性示例，第二曲率半径R2可以在约50英寸与约125英寸之间(例如，约100英寸)。

图5是根据本公开的钻地工具150的又一个实施方案的冠部154的透视图。钻地工具150可以以至少基本上类似于图1至图3的方式进行配置。如图5所示，第一刀片130可以直接地延伸到按旋转方向在后面的第二刀片132。换句话说，排屑槽118可以从保径区域128(参见图2)穿过肩部区域126(参见图2)延伸到鼻部区域124(参见图2)或锥形区域122(参见图2)，使得冠部154在相应的第一刀片130与其按旋转方向在后面的第二刀片132之间周向地延伸。

图6是根据本公开的钻地工具160的又一个实施方案的冠部164的透视图。在一些实施方案(诸如在图6中示出)中，第一刀片130的数量可以不与第二刀片132的数量相同。例如，第二刀片132的数量可以大于第一刀片130的数量，如图6所示。在其他示例实施方案中，第二刀片132的数量可以小于第一刀片130的数量。

图7是根据本公开的钻地工具170的又一个实施方案的示意性端视图。在一些实施方案(诸如图7中示出)中，在第一刀片130与第二刀片132之间的曲率半径的差异可以仅存在于冠部174的某些部分(例如，区域122至128(参见图2)中的多个、区域122至128(参见图2)的组合、区域122至128(参见图2)中的一个或多个区域的一个或多个子区段、或区域122至128(参见图2)中的一个或多个区域与其他区域122至128(参见图2)中的一个或多个区域的一个或多个子区段的组合)。例如，第二刀片132的延伸到锥形区域122(参见图2)中的部分的曲率半径可以至少基本上等于第一刀片130的位于锥形区域122(参见图2)中的部分的曲率半径。换句话说，第一刀片130和第二刀片132在区域122至128(参见图2)中的一个或多个中可以都具有第一曲率半径R1。然而，第二刀片132的位于鼻部区域124(参见图2)至保径区域128(参见图2)中或位于肩部区域126(参见图2)和保径区域128(参见图2)中的部分可以具有与第一刀片130在相同区域中的第一曲率半径R1不同的第二曲率半径R2。

图8是描绘根据本公开的钻地工具的实施方案的周向地相邻的刀片的按旋转方向的前表面172(参见图3)之间的角距离Dθ(参见图3)的曲线图。如图3和图8所示，改变钻地工具的刀片100中的至少一个的曲率半径可以增加在距旋转轴线112的给定径向距离DR(参见图3)处刀片100的按旋转方向的前表面172之间的距离的变化。例如，当相对于在相邻的按旋转方向的前表面172之间的角距离Dθ绘制从旋转轴线112沿按旋转方向的前表面172的径向距离DR(参见图3)时，可以看出在按旋转方向相邻的刀片之间的平均距离可以显著地不同并且在一个区域122至128内的切削元件116之间的绝对距离也可能与在其他区域122至128中的切削元件116之间的距离显著地不同。可以通过在垂直于旋转轴线112的平面中确定从旋转轴线112到给定刀片100的按旋转方向的前表面172的距离的大小来测量径向距离DR。可以通过确定在按旋转方向的前刀片100的按旋转方向的前表面172与相邻的按旋转方向在后面的刀片100的按旋转方向的前表面之间的夹角来测量角距离Dθ。

图9是示出在常规钻地工具的周向地相邻的刀片的按旋转方向的前表面之间的角距离的条形图。钻地工具可以包括刀片，所述刀片的曲率半径在刀片之间至少基本上没有差异。如图9所示，尽管在刀片间的间距方面可能存在一定程度的变化，但是在按旋转方向相邻的刀片的按旋转方向的前表面之间的角间距可以是至少基本上一致的。例如，常规钻地工具的按旋转方向相邻的刀片的按旋转方向的前表面的变化指数可能低。可以根据以下公式计算变化指数：

在前述等式中，i可以表示在其内执行操作的离散径向范围(例如，在区域122至128(参见图2)中的一个、区域122至128(参见图2)的组合、区域122至128(参见图2)中的一个或多个区域的一个或多个子区段、或区域122到128(参见图2)中的一个或多个区域与其他区域122至128(参见图2)中的一个或多个区域的一个或多个子区段的组合内)，n可以表示在其内进行测量的径向范围的总数，σ可以表示在给定离散径向范围内的按旋转方向相邻的刀片的按旋转方向的前表面之间的角距离的标准偏差，并且μ可以表示在给定离散径向范围内的按旋转方向相邻的刀片的按旋转方向的前表面之间的角距离的平均值。所得数值可以是无单位数值，其表示在各个刀片的按旋转方向重叠的部分内的按旋转方向相邻的刀片的按旋转方向的前表面之间的角距离的平均百分比变化。

常规钻地工具的变化指数可以例如小于5％。更具体地，常规钻地工具的变化指数可以例如在约1％与约4％之间。作为一个具体的非限制性示例，常规钻地工具的变化指数可以在约2％与约3％之间(例如，约3％)。

图10是描绘根据本公开的钻地工具的实施方案的在周向地相邻的刀片上的切削元件之间的角距离的条形图。如图10所示，按旋转方向相邻的切削元件之间的角距离可能存在更大变化，这至少部分地由各个刀片的曲率半径的差异引起。例如，根据本公开的钻地工具的切削元件的变化指数可能高。根据本公开的钻地工具的变化指数可以例如大于或等于5％。更具体地，根据本公开的钻地工具的变化指数可以例如在5％与约30％之间。作为一个具体的非限制性示例，根据本公开的钻地工具的变化指数可以在约10％与约20％之间(例如，约15％)。尽管公开了关于变化指数的上限的一些具体细节，但是变化指数的唯一真实上限可以是排屑槽的尺寸。例如，刀片的曲率半径的非常大的差异可以减小排屑槽的尺寸，可能地达到切屑堵塞在排屑槽中的程度而不是从中清除。

图11是在钻井期间常规钻地工具的测得的振动响应的曲线图。例如，常规钻地工具可能已经用于在地下地层中钻井，并且一个或多个振动传感器可能已经用于检测钻柱的振动的振幅和频率。更具体地，当钻地工具用于在钻孔中钻井时，可以使用加速度计或激光器在地面上测量钻柱的加速度或位置。如图11所示，常规钻地钻头使钻柱以高振幅振动，其中强烈的谐波振动响应聚集在若干不同的频率周围。

图12是在钻井期间根据本公开的钻地工具的测得的振动响应的曲线图。例如，根据本公开的钻地工具可能已经用于在地下地层中钻井，并且振动传感器可能已经用于检测钻柱的振动的振幅和频率。如图12所示，根据本公开的钻地工具呈现较低峰值振幅振动以及减小的谐波响应。可以相信，至少部分地由刀片之间的曲率半径的差异引起的按旋转方向相邻的切削元件之间的角距离的变化的增加可能是减弱钻柱的振动响应的重要因素。除了更好地控制钻井方向之外，振动响应的这种减小还可以在钻柱及其部件上产生减小的冲击和动力，它们都会增加钻地工具的使用寿命和效率。

例如，包括根据本公开的钻地工具的钻柱可以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅可以是包括常规钻地工具的钻柱可以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅的约75％或更小。更具体地，包括根据本公开的钻地工具的钻柱可以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅可以在包括常规钻地工具的钻柱可以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅的约50％与约60％之间。作为一个具体的非限制性示例，包括根据本公开的钻地工具的钻柱可以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅可以是包括常规钻地工具的钻柱可以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅的约55％。

在本公开的范围内的附加的非限制性实施方案包括以下：

实施方案1：一种钻地工具，所述钻地工具包括：主体；刀片，所述刀片从所述主体向外延伸；以及切削元件，所述切削元件固定到所述刀片；其中第一刀片的整体呈现与第二刀片的整体的第二恒定或连续可变曲率半径不同的第一恒定或连续可变曲率半径。

实施方案2：如实施方案1的钻地工具，其中呈现所述第一曲率半径的第一刀片的数量等于呈现所述第二曲率半径的第二刀片的数量。

实施方案3：如实施方案1的钻地工具，其中呈现所述第一曲率半径的第一刀片的数量与呈现所述第二曲率半径的第二刀片的数量不同。

实施方案4：如实施方案1至4中任一项的钻地工具，其中所述第一刀片包括主刀片，并且所述第二刀片包括副刀片。

实施方案5：如实施方案4的钻地工具，其中所述第一曲率半径在所述第二曲率半径的约125％与约7,500％之间。

实施方案6：如实施方案4的钻地工具，其中所述第一曲率半径在所述第二曲率半径的约0％与约80％之间。

实施方案7：如实施方案4的钻地工具，其中所述第一曲率半径大于约15英寸，并且所述第二曲率半径在约1英寸与约12英寸之间。

实施方案8：如实施方案4的钻地工具，其中所述第一曲率半径在约1英寸与约12英寸之间，并且所述第二曲率半径在约25英寸与约150英寸之间。

实施方案9：如实施方案1至8中任一项的钻地工具，其中所述钻地工具的变化指数在5％与约30％之间。

实施方案10：如实施方案1至9中任一项的钻地工具，其中所述钻地工具以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅是包括由具有相同曲率半径的刀片构成的钻地工具的钻柱以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅的约75％或更小。

实施方案11：一种制作钻地工具的方法，所述方法包括：形成从主体向外延伸的第一刀片的整体以呈现第一恒定或连续可变曲率半径；形成从所述主体向外延伸的第二刀片的整体以呈现第二不同的恒定或连续可变曲率半径；以及将切削元件固定到所述第一刀片和所述第二刀片。

实施方案12：如实施方案11的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括形成在数量上等于包括呈现所述第二曲率半径的部分的第二刀片的数量的包括呈现所述第一曲率半径的部分的第一刀片。

实施方案13：如实施方案11的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的所述至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括形成在数量上与包括呈现所述第二曲率半径的部分的第二刀片的数量不同的包括呈现所述第一曲率半径的部分的第一刀片。

实施方案14：如实施方案11至13中任一项的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的所述至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括将所述第一刀片形成为主刀片和将所述第二刀片形成为副刀片。

实施方案15：如实施方案14的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的所述至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括将所述第一曲率半径形成为在所述第二曲率半径的约125％与约7,500％之间。

实施方案16：如权利要求14的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的所述至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括将所述第一曲率半径形成为在所述第二曲率半径的约0％与约80％之间。

实施方案17：如实施方案14的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的所述至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括将所述第一曲率半径形成为大于约15英寸和将所述第二曲率半径形成为在约1英寸与约12英寸之间。

实施方案18：如实施方案14的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的所述至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括将所述第一曲率半径形成为在约1英寸与约12英寸之间和将所述第二曲率半径形成为大于约15英寸。

实施方案19：如实施方案11至18中任一项的方法，其中将所述切削元件固定到所述刀片包括使所述钻地工具的变化指数在5％与约30％之间。

实施方案20：一种利用钻地工具对土地地层进行钻井的方法，所述方法包括：将钻地工具放入所述土地地层中的钻孔中，所述钻地工具包括主体、从所述主体向外延伸的刀片以及固定到所述刀片的切削元件，其中第一刀片的整体呈现与第二刀片的整体的第二恒定或连续可变曲率半径不同的第一恒定或连续可变曲率半径；以及利用所述钻地工具移除地下地层，同时维持所述钻地工具以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅为包括由具有相同曲率半径的刀片构成的钻地工具的钻柱以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅的约75％或更小。

实施方案21：一种钻地工具，所述钻地工具包括：主体；刀片，所述刀片从所述主体向外延伸；以及切削元件，所述切削元件固定到所述刀片；其中第一刀片的整体呈现与第二刀片的整体的第二恒定或连续可变曲率半径不同的第一恒定或连续可变曲率半径。

实施方案22，如实施方案21的钻地工具，其中第三刀片的整体呈现与所述第一曲率半径和所述第二曲率半径不同的第三恒定或连续可变曲率半径。

实施方案23，如实施方案22的钻地工具，其中第四刀片的整体呈现与所述第一曲率半径、所述第二曲率半径和所述第三曲率半径不同的第四恒定或连续可变曲率半径。

实施方案24，如实施方案21的钻地工具，其中每个刀片的整体呈现与每个其他刀片的曲率半径不同的曲率半径。

尽管已经结合附图描述了某些说明性实施方案，但是本领域的普通技术人员将认识到并了解，本公开的范围不限于在本公开中明确地示出和描述的那些实施方案。而是，可以对本公开中描述的实施方案进行许多添加、删除和修改，以产生在本公开的范围内的实施方案，诸如特别地要求保护的那些，包括合法的等同物。另外，如本发明人所设想，来自一个所公开的实施方案的特征可以与另一个所公开的实施方案的特征组合，同时仍在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种钻地工具，所述钻地工具包括：

主体；

刀片，所述刀片从所述主体向外延伸；以及

切削元件，所述切削元件固定到所述刀片；

其中第一刀片的整体呈现与第二刀片的整体的第二恒定或连续可变曲率半径不同的第一恒定或连续可变曲率半径。

2.如权利要求1所述的钻地工具，其中呈现所述第一曲率半径的第一刀片的数量等于呈现所述第二曲率半径的第二刀片的数量。

3.如权利要求1所述的钻地工具，其中呈现所述第一曲率半径的第一刀片的数量与呈现所述第二曲率半径的第二刀片的数量不同。

4.如权利要求1所述的钻地工具，其中所述第一刀片包括主刀片，并且所述第二刀片包括副刀片。

5.如权利要求4所述的钻地工具，其中所述第一曲率半径在所述第二曲率半径的约125％与约7,500％之间。

6.如权利要求4所述的钻地工具，其中所述第一曲率半径在所述第二曲率半径的约0％与约80％之间。

7.如权利要求4所述的钻地工具，其中所述第一曲率半径大于约15英寸，并且所述第二曲率半径在约1英寸与约12英寸之间。

8.如权利要求4所述的钻地工具，其中所述第一曲率半径在约1英寸与约12英寸之间，并且所述第二曲率半径在约25英寸与约150英寸之间。

9.如权利要求1所述的钻地工具，其中所述钻地工具的变化指数在5％与约30％之间。

10.如权利要求1所述的钻地工具，其中所述钻地工具以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅是包括由具有相同曲率半径的刀片构成的钻地工具的钻柱以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅的约75％或更小。

11.一种制作钻地工具的方法，所述方法包括：

形成从主体向外延伸的第一刀片的整体以呈现第一恒定或连续可变曲率半径；

形成从所述主体向外延伸的第二刀片的整体以呈现第二不同的恒定或连续可变曲率半径；以及

将切削元件固定到所述第一刀片和所述第二刀片。

12.如权利要求11所述的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括形成在数量上等于包括呈现所述第二曲率半径的部分的第二刀片的数量的包括呈现所述第一曲率半径的部分的第一刀片。

13.如权利要求11所述的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的所述至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括形成在数量上与包括呈现所述第二曲率半径的部分的第二刀片的数量不同的包括呈现所述第一曲率半径的部分的第一刀片。

14.如权利要求11所述的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的所述至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括将所述第一刀片形成为主刀片和将所述第二刀片形成为副刀片。

15.如权利要求14所述的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的所述至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括将所述第一曲率半径形成为在所述第二曲率半径的约125％与约7,500％之间。

16.如权利要求14所述的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的所述至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括将所述第一曲率半径形成为在所述第二曲率半径的约0％与约80％之间。

17.如权利要求14所述的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的所述至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括将所述第一曲率半径形成为大于约15英寸和将所述第二曲率半径形成为在约1英寸与约12英寸之间。

18.如权利要求14所述的方法，其中形成所述第一刀片的所述整体以呈现所述第一曲率半径和形成所述第二刀片的所述至少另一部分以呈现所述第二不同的曲率半径包括将所述第一曲率半径形成为在约1英寸与约12英寸之间和将所述第二曲率半径形成为大于约15英寸。

19.如权利要求11所述的方法，其中将所述切削元件固定到所述刀片包括使所述钻地工具的变化指数在5％与约30％之间。

20.一种利用钻地工具对土地地层进行钻井的方法，所述方法包括：

将钻地工具放入所述土地地层中的钻孔中，所述钻地工具包括主体、从所述主体向外延伸的刀片以及固定到所述刀片的切削元件，其中第一刀片的整体呈现与第二刀片的整体的第二恒定或连续可变曲率半径不同的第一恒定或连续可变曲率半径；以及

利用所述钻地工具移除地下地层，同时维持所述钻地工具以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅为包括由具有相同曲率半径的刀片构成的钻地工具的钻柱以成n个刀片乘以rpm/60的倍数的以Hz计的频率振动的峰值振幅的约75％或更小。