CN110678622A - 阶梯式井下工具和使用方法 - Google Patents

Abstract

一种井下工具，包括至少导向部分、第一扩张部分和第二扩张部分。所述导向部分具有多个切割元件以切割导向孔。所述扩张部分中的每一者具有多个切割元件以连续地扩张所述导向孔以实现最终井筒半径。所述导向部分、所述第一扩张部分和所述第二扩张部分各自在相应的基准上具有一个或多个稳定器垫以在井筒创建期间使所述井下工具稳定。

Description

阶梯式井下工具和使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年5月5日提交的美国专利号62/501,841的优先权和权益，所述申请的全部内容明确地以引用方式并入本文。

背景技术

出于多种勘探或开采目的，可将井筒钻探到地表位置或海床中。例如，可钻探井筒以获取储存在地下地层中的流体，诸如液态和气态烃，并且从地层提取流体。用于生产或提取流体的井筒可围绕井筒的壁内衬有套管。部分地取决于钻探井筒所穿过的地层的特性，可利用多种钻井方法。

在井筒的形成、维护和封闭期间，可通过井下工具来移除各种材料以延伸、加宽或重新导向井筒。例如，井下工具移除土质材料以延伸或加宽井筒。较大半径的井筒常常比较小半径的井筒需要更多的时间和资源。此外，相对于较小半径的井下工具，较大半径的井下工具可需要对于不同几何形状、排屑槽、切割元件放置和冷却的考虑。

发明内容

根据本公开的一些实施方案，井下工具包括导向部分、在导向部分的纵向井上方向上的第一扩张部分和在第一扩张部分的纵向井上方向上的第二扩张部分。导向部分包括导向切割元件，以及具有在导向半径下的至少一个导向稳定器垫的导向基准(pilotgage)。第一扩张部分包括第一扩张切割元件，以及具有在大于导向半径的第一扩张半径下的第一扩张稳定器垫的第一扩张基准。第二扩张部分包括第二扩张切割元件，以及具有在大于第一扩张半径半径的第二扩张半径下的第二扩张稳定器垫的第二扩张基准。

在相同或其他实施方案中，钻头包括导向部分、第一扩张部分和第二扩张部分，其中第二扩张部分联接到导向部分和第一扩张部分使得第一扩张部分纵向地在导向部分与第二扩张部分之间。导向部分包括具有导向切割半径的导向稳定器垫和导向切割元件。第一扩张部分具有第一扩张稳定器垫，以及在第一扩张表面上的第一扩张切割元件。第一扩张切割元件限定大于导向切割半径的第一扩张切割半径。第二扩张部分具有在第二扩张表面上的第二扩张切割元件，其限定大于第一扩张切割半径的第二扩张切割半径。

根据一个或多个实施方案，使用井下工具移除材料的方法包括使用井下工具的导向部分移除地层中的材料以创建具有导向半径的导向孔。使用定位于导向部分的导向基准上的导向稳定器垫来使井下工具稳定在导向孔中。使用井下工具的第一扩张部分将导向孔扩张至第一扩张半径，并且使用定位于第一扩张部分的第一扩张基准上的第一扩张稳定器垫来使井下工具稳定。使用井下工具的第二扩张部分将孔进一步从第一扩张半径扩张至第二扩张半径，并且使得导向半径介于第二扩张半径的50％与95％之间、65％与95％之间、75％与95％之间或80％与90％之间。

在一些实施方案中，钻头或井下工具的导向部分包括椎体、鼻部、肩部和基准区域。根据相同或其他实施方案，导向半径或导向切割半径介于第二扩张半径或第二扩张切割半径的70％与95％之间或85％与90％之间。在可与本文的任何其他方面结合的一个或多个方面中，第二扩张部分还可包括第二扩张稳定垫，和/或导向稳定垫、第一扩张稳定垫或第二扩张稳定垫中的任何一者或多者可以是锥形的。导向部分、第一扩张部分、第二扩张部分、第三扩张部分或第四扩张部分或上述中的任何者的切割元件可包括平面切割元件、非平面切割元件或平面与非平面切割元件的组合。

提供本发明内容来介绍一系列概念，这些概念将在以下具体实施方式中进一步描述。本发明内容既不意图识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用来帮助限制所要求保护的主题的范围。相反，本公开的实施方案的其他特征将在以下描述中阐明，并且部分地将从描述中显而易见，或可通过此类实施方案的实践得以领会。可借助于所附权利要求中具体指出的仪器和组合来实现和获得此类实施方案的一些特征和方面。这些和其他特征将从以下描述和所附权利要求中变得更完全地显而易见，或者可通过如在下文中阐明的此类实施方案的实践得以领会。

附图说明

为了描述可获得本公开的上述特征和其他特征的方式，将通过参考在附图中示出的本发明的特定实施方案来给出更具体的描述。为了更好的理解，贯穿各种附图，相似元件由相似附图标号指定。虽然一些附图可以是概念的示意性或夸大的表示，但是其他附图应视为是按比例绘制以用于一些例示性实施方案的，而不是按比例绘制以用于其他实施方案的。应当理解，附图描绘一些示例性实施方案，这些实施方案将通过使用附图来另外具体和详细地描述并解释，在附图中：

图1是根据本公开的至少一个实施方案的包括井下工具的钻井系统的示意图；

图2是根据本公开的至少一个实施方案的井下工具的侧视图；

图3是根据本公开的至少一个实施方案的图2的井下工具的复合切割轮廓；

图4是根据本公开的至少另一个实施方案的井下工具的复合切割轮廓；

图5是根据本公开的至少另一个实施方案的从地层的非支撑区域移除材料的井下工具的示意性表示；

图6是根据本公开的至少一个实施方案的在地层中推进的图5的井下工具的示意性表示；

图7是根据本公开的至少一个实施方案的具有装卸槽的井下工具的复合切割轮廓，其中装卸槽在装卸槽的井下方向上；

图8至图10是根据本公开的至少一个实施方案的非平面切割元件的局部剖视图；

图11-1是根据本公开的至少一个实施方案的脊状切割元件的透视图；

图11-2是图11-1的脊状切割元件的侧视图；

图12是根据本公开的至少一个实施方案的另一个脊状切割元件的透视图；

图13-1至图13-3是根据本公开的至少一个实施方案的在变化的背前角下的切割元件的侧视图；

图14是根据本公开的至少一个实施方案的具有走向角的切割元件的侧视图；

图15-1至图16-3是根据本公开的至少一个实施方案的具有变化的侧前角的切割元件的各种视图；并且

图17是根据本公开的至少一个实施方案的示出使用井下工具移除材料的方法的流程图。

具体实施方式

本公开的实施方案总体涉及用于在土地地层中创建井筒的装置、系统和方法。更具体地，本公开的一些实施方案涉及具有导向部分和井筒半径依次增大的多个扩张部分的钻头。在一些实施方案中，通过降低钻头的侧向和/或轴向振动或其组合，钻头可以增大钻头在地层内的穿透速率、降低切割元件和/或钻头主体失效的可能性、提高钻头稳定性。虽然本文描述一种用于切割穿过土地地层的钻头，但是应当理解，本公开可适用于其他切割钻头，诸如铣削钻头、固定和可扩张的扩孔钻、开眼钻头和其他切割钻头，并且适用于用于切割穿过诸如水泥、混凝土、金属的其他材料或包括此类材料的地层的其他切割钻头。

图1示出一种用于钻探土地地层11以形成井筒12的钻井系统5的一个实例。钻井系统5包括用于使钻井工具总成14转向的钻机13，其向下延伸到井筒12中。图1中的钻井工具总成14包括钻柱15、井底总成(“BHA”)16和附接到钻柱15的井下端部的钻头11。

钻柱15可包括钻杆18a的若干接头，这些接头通过工具接头19端对端连接。钻柱15可选地通过中心孔传输钻井液，并且可将转动功率从钻机13传输到BHA 16，或从井下马达传输到全部或部分BHA 16。钻杆18提供藉以从地表泵送钻井液的液压通道。钻井液通过钻头10中选定尺寸的喷嘴、喷射口或其他孔口排出，以用于冷却钻头10以及其上的切割结构，以及用于在钻井时将岩屑提升出井筒12。在一些实施方案中，钻柱15还包括一个或多个附加部件，诸如短节、短钻杆、钻铤、震击器、测量或测井工具、振动运送工具等。在另外的实施方案中，除钻杆18之外，钻柱15包括连续油管、电缆工具或其他部件。

BHA 16可包括钻头10或其他部件。实例BHA 16包括附加部件或其他部件(例如，联接在钻柱15与钻头10之间的部件)。附加BHA部件的实例包括：钻铤；稳定器；随钻测量(“MWD”)工具、随钻测井(“LWD”)工具、井下马达、扩孔器、截面磨机、液压断开装置、震击器、振动或阻尼工具、其他部件、或前述各项的组合。

通常，钻井系统5可包括其他钻井部件和附件，诸如专用阀(例如，方钻杆旋塞、防喷器和安全阀)。钻井系统5中所包括的附加部件可视为钻井工具总成14、钻柱15或BHA 16的一部分，这取决于它们在钻井系统5中的位置或功能。

BHA 16中的钻头10可以是适用于降解井下材料的任何类型的钻头。例如，钻头10可以是适用于钻探土地地层11的钻头。用于钻探土地地层的钻头的实例类型为固定切割器或刮刀钻头。在其他实施方案中，钻头10可以是用于移除金属、复合物、弹性体、其他井下材料或其组合的磨机。例如，钻头10可与造斜器或其他转向器一起使用以磨入内衬井筒12的套管17中。钻头10还可以是用于磨除井筒12内的工具、堵塞物、水泥、其他材料或其组合的碎磨机。使用磨机所形成的尘屑或其他岩屑可被提升到地表或可被允许掉落到井下。

在一些实施方案中，钻头10穿透土地地层11并且形成尺寸一般等于或大于钻头10的基准直径的井筒12。在一些实施方案中，当钻头10推进穿过地层11时，钻头10分阶级地使井筒12的直径扩张。图2示出根据本公开的一些实施方案的可在图1的钻井系统5中或在其他钻井系统中使用的钻头110的实施方案。

在一些实施方案中，钻头110在钻头110的末端(即，钻头110的离井筒表面最远的端部)具有导向部分112。钻头110包括顺序地在导向部分112与连接器118之间的井上方向上的第一扩张部分114和第二扩张部分116。连接器118可以是销或承插式连接，从而允许钻头110接合到诸如关于图1所描述的BHA 16或钻柱15的BHA或钻柱。在其他实施方案中，连接器118可省略，并且钻头110可以是可转向系统的一部分。例如，弯曲马达短节或旋转可转向工具可包括钻头110作为其一体的部件。在一些实施方案中，钻头110可包括转向能力。例如，图2中的虚线圆圈示意性地示出实例转向垫，所述转向垫可选择性地扩张或回缩以用类似于旋转可转向工具的方式推动钻头110。虽然垫可以在钻头110的基准上，但是在其他实施方案中垫可以在柄或连接器(例如，连接器118)上，或可完全省略。

在一些实施方案中，钻头110具有位于导向部分112与连接器118之间的多于两个的扩张部分。例如，钻头110可具有三个、四个、五个、六个、七个或更多个扩张部分，其中每个连续部分被配置为使井筒扩张。在一些实施方案中，扩张部分(例如，部分114、116)可阶梯式地提供钻头直径的阶梯式增加。因此，钻头110在本文中可称为阶梯式钻头。此类术语不旨在指示每个部分的扩张必须以逐步的方式发生。例如，扩张部分可逐渐扩张或连续渐缩，或者可存在充当台阶的扩张部分，而钻头的其他扩张部分可连续渐缩。在一些实施方案中，钻头110上包括有利于钻头110的组装或拆卸的一个或多个装卸槽121或其他特征件。例如，在图2中，可选的装卸槽121定位于第二扩张部分116与连接器118之间。

在一些实施方案中，导向部分112、第一扩张部分114、第二扩张部分116或其组合彼此一体形成。例如，导向部分112、第一扩张部分114和第二扩张部分116可以是整体的，并且通过将导向部分112、第一扩张部分114和第二扩张部分116铸造在一起而形成。在其他实例中，导向部分112、第一扩张部分114和第二扩张部分116可以从单个整片材料(诸如，处于绿色状态的金属或陶瓷粉末)加工而成。在其他实例中，导向部分112、第一扩张部分114和第二扩张部分116(或其部分)可以叠加地制造并且烧结在一起以形成整体。

在其他实施方案中，导向部分112、第一扩张部分114或第二扩张部分116中的至少一者可通过摩擦配合、卡扣配合、压缩配合、机械联锁(诸如螺纹连接器、燕尾连接器、扭锁、柱等)、机械紧固件(例如，销、杆、夹具、夹钳、螺栓、螺钉、铆钉等)、粘合剂、焊接、钎焊或其组合来联接到另一部分。在一些实施方案中，导向部分112的一部分(例如，切割元件、刀片区段等)可单独地形成并且联接到导向部分112的预成形部分。类似地，第一扩张部分114和第二扩张部分116的部分可单独地形成并扩张且联接到第一扩张部分114和第二扩张部分116的预成形部分。

在一些实施方案中，导向部分112具有大致常规的钻头几何形状。例如，导向部分112可包括在固定刀片或牙轮结构上的一个或多个切割元件。在固定切割器或刮刀钻头的实施方案中，导向部分112可包括椎体119、鼻部120、肩部122和导向基准124。鼻部120可以是最初穿透土地地层的导向部分112(和阶梯式钻头110)的先导部分，而肩部122更积极地从土地地层移除材料。导向基准124可平滑化并且设置由导向部分112切割的井筒半径。椎体119可包括在钻头110的末端处的凹槽或凹陷(并且可大体沿钻头110的轴线居中并在钻头110的一些或可能每个刀片之间)。椎体119可包括在刀片的部分或钻头110的主体上的切割元件。在一些实施方案中，钻头110包括完全延伸以超过或接近钻头110的轴线的刀片(例如，一级刀片)，使得椎体在钻头110的末端处可具有减小的凹陷或可能无凹陷。

在一些实施方案中，导向部分112包括(例如，在对应于导向部分112的钻头110的刀片的一部分上的)多个切割元件126-1、126-2。在一些实施方案中，导向部分112包括至少一个非平面切割元件126-1和/或至少一个平面切割元件126-2。如本文所用，非平面切割元件126-1是具有非平面的切割面或表面的切割元件。例如，非平面切割元件126-1可具有锥形切割面、脊状切割面、凸形切割面(诸如，“子弹”切割元件)、凹形切割面(诸如，具有断屑特征的切割元件)、波浪或勺形切割面，或在切割面中具有至少一个顶点、脊部或最低点的任何其他切割元件。如本文所使用，平面切割元件126-2是具有平面切割面的切割元件。在至少一些实施方案中，平面切割面的取向大体垂直于切割元件(诸如，剪切切割器)的侧壁。切割元件126-1、126-2可以任何合适的方式联接到或安装在钻头110的刀片或其他部分上。例如，切割元件126-1、126-2可以钎焊、按压配合、机械联锁或与钻头110的刀片一体成形。在一些实施方案中，切割元件126-1、126-2是滚动切割元件。例如，可将套筒安装(例如，钎焊)到钻头110，并且可将切割元件机械地安装在套筒内以允许切割元件围绕其中心轴线旋转；然而，在其他实施方案中，可在没有套筒的情况下将滚动切割元件直接安装在钻头主体中。

在一些实施方案中，导向部分112具有一个或多个平面切割元件126-2、一个或多个非平面切割元件126-1或前述组合。例如，一个或多个平面切割元件126-2可选地定位在椎体119、鼻部120、肩部122或其组合上，而一个或多个非平面切割元件126-1可选地定位在导向基准124上。在其他实施方案中，导向部分112具有在椎体119、鼻部120、肩部122或其组合上的一个或多个非平面切割元件126-1，而一个或多个平面切割元件126-2位于导向基准124上。在其他实施方案中，导向部分112具有分布在混合位置中(包括在钻头轮廓的一个或多个相同区域中)的一个或多个非平面切割元件126-1和一个或多个平面切割元件126-2。例如，椎体119、鼻部120、肩部122和导向基准124中的任何者或甚至每一者可具有至少一个非平面切割元件126-1和至少一个平面切割元件126-2。当阶梯式钻头110包括多个非平面切割元件126-1时，每个切割元件可具有相同类型或形状，或可使用不同尺寸、形状或类型的非平面切割元件的组合。可在阶梯式钻头110的相同或不同区域中使用不同类型(例如，不同的形状、尺寸等)的非平面切割元件126-1。

导向部分112可创建井筒的导向孔并且阶梯式钻头110的每个连续扩张部分114、116可使井筒的半径扩张以具有阶梯式钻头110的全径。当导向部分112创建井筒的导向孔时，刀片的导向部分112的导向基准124上的一个或多个导向稳定器垫128可使阶梯式钻头110稳定。在一些实施方案中，一个或多个稳定器垫128可在导向部分112的切割元件126-1、126-2中的一些或每一者的纵向井上方向上。

在一些实施方案中，在钻头110的刀片上的第一扩张部分114在导向部分112的纵向井上方向上(且在轴向上更接近连接器118)并且具有多个第一扩张切割元件130。第一扩张切割元件130可包括在任何合适的取向或位置处的平面或非平面切割元件。例如，在图2中，第一扩张切割元件130包括相对于阶梯式钻头110的纵向轴线148取向成处于切割元件角度(参见图4)的非平面切割元件。当施加重量并且阶梯式钻头110围绕纵向轴线148旋转时，第一扩张切割元件130可剪切、集中载重、圆凿、断裂、疏松或以其他方式移除材料以使井筒从导向半径扩张到第一扩张半径。在一些实施方案中，第一扩张部分114具有定位在第一扩张切割元件130中的一者或多者的井上方向上(并且可能紧接井上方向)的多个第一扩张稳定器垫132。第一扩张稳定器垫132可使阶梯式钻头110在通过第一扩张切割元件130使井筒扩张之后稳定。在一些实施方案中，相较于第一扩张切割元件中的一些或每一者，一个或多个第一稳定器垫132可在连接器118的纵向井上方向上并且在轴向上更接近连接器118。

在一些实施方案中，钻头110的刀片上的第二扩张部分116具有多个第二扩张切割元件136。第二扩张切割元件136可包括在任何合适的取向或位置处的平面或非平面切割元件。例如，第二扩张切割元件136可相对于阶梯式钻头110的纵向轴线148取向成处于切割元件角度(参见图4)。第二扩张切割元件136可断裂、疏松或以其他方式移除材料以使井筒从第一扩张半径扩张到第二扩张半径。在一些实施方案中，第二扩张部分116具有在第二扩张基准140上的多个第二扩张稳定器垫138，并且定位在第二扩张切割元件136中的一者或多者的井上方向上(并且可能紧接井上方向)。第二扩张稳定器垫138可使阶梯式钻头110在通过第二扩张切割元件136使井筒扩张之后稳定。在一些实施方案中，相较于第二扩张切割元件中的一些或每一者，所述一个或多个第二稳定器垫138可在连接器118的纵向井上方向上并且在轴向上更接近连接器118。

在一些实施方案中，稳定器垫128、132、138可被配置为在接触其他工件的构形时保持基准。例如，稳定器垫128、132、138可包括耐磨表面或由耐磨表面制成。在一些实施方案中，稳定器垫128、132、138可由包括金属碳化物材料的金属基质材料形成，或具有施加于其上的堆焊层。在相同或其他实施方案中，由金属碳化物、金刚石或其他超硬材料制成的基准保护元件可用于保持稳定器垫128、132、138的基准直径/半径。

在一些实施方案中，导向部分上的切割元件126-1、126-2中的至少一者可取向成处于正背前角(参见图13-1)，其中切割端的角朝向相应刀片的前面，并且因此朝向阶梯式钻头110的旋转方向。例如，导向部分112上的切割元件126中的至少一者可取向成处于正背前角。在另一个实例中，第一扩张部分114上的切割元件126中的至少一者可取向成处于正背前角。在又一实例中，第二扩张部分116上的切割元件126中的至少一者可取向成处于正背前角。

在一些实施方案中，第一扩张切割元件130中的至少一者具有介于0°与60°之间的背前角。例如，这样的背前角可具有下限值、上限值或下限值和上限值，所述下限值和上限值包括0°、2.5°、5°、7.5°、10°、12.5°、15°、17.5°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、60°中的任何者或其间任何值。在一些实例中，第一扩张切割元件130中的至少一者具有大于1°的背前角。在相同或其他实例中，第一扩张切割元件130中的至少一者具有小于45°的背前角。在更进一步的相同或其他实例中，第一扩张切割元件130中的至少一者具有介于1°与45°之间、介于2°与35°之间、介于5°与30°之间或介于7.5°与20°之间的背前角。在仍然其他实施方案中，第一扩张切割元件130中的一者或多者的背前角可为负。

在一些实施方案中，第二扩张切割元件136中的至少一者具有介于0°与60°之间的背前角。例如，这样的背前角可具有下限值、上限值或下限值和上限值，所述下限值和上限值包括0°、2.5°、5°、7.5°、10°、12.5°、15°、17.5°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、60°中的任何者或其间任何值。在一些实例中，第二扩张切割元件136中的至少一者具有大于1°的背前角。在相同或其他实例中，第二扩张切割元件136中的至少一者具有小于45°的背前角。在更进一步的相同或其他实例中，第二扩张切割元件136中的至少一者具有介于1°与45°之间、介于2°与35°之间、介于5°与30°之间或介于7.5°与20°之间的背前角。在仍然其他实施方案中，第二扩张切割元件136中的一个或多个的背前角可为负。

钻头110的刀片可包括面向钻头110的旋转方向的前表面152和相对的后表面153。面向地层或顶部表面155可在前表面152与后表面153之间延伸。顶部表面155可向稳定器垫提供接触区域。在一些实施方案中，顶部表面155还可提供可在其上安装切割元件的扩张肩部。例如，图2的非平面切割元件126-1显示为安装在阶梯式钻头110的刀片的顶部表面155上的凹坑中。然而，在相同或其他实施方案中，切割元件可定位在刀片或钻头的其他区域中。例如，也如图2所示，平面切割元件126-2可定位在至少部分地形成在阶梯式钻头110的一些刀片的前表面152中的凹坑中。在其他实施方案中，平面切割元件126-2可安装在顶部表面155上或其中，或者非平面切割元件126-1可至少部分地安装在前表面152中。

在一些实施方案中，刀片的先导部分112、第一扩张部分114或第二扩张部分116(或前述组合)的至少一部分可朝向纵向轴线148渐缩和/或底切以提供用于移除材料的间隙(即，冲走切割材料)，以增强阶梯式钻头110的可转向性或稳定性，或用于其他目的。例如，如图3所示，虽然钻头110的刀片的顶部表面155的导向基准124和/或导向稳定器垫128、第一扩张基准134和/或第一扩张稳定器垫132、或第二扩张基准140和/或第二扩张稳定器138可与纵向轴线148大致平行，但是在其他实施方案中，基准130、134、140和/或稳定器垫128、132、138(或其部分)可相对于纵向轴线148取向成处于稳定器垫锥角(参见关于图7所讨论的稳定器垫428、432、438和锥角433)。例如，稳定器垫128、132、138中的一个或多个可径向向内渐缩，使得半径在纵向井上方向(即，远离先导部分112的纵向方向)上减小。在其他实施方案中，稳定器垫锥角可为负，使得稳定器垫128、132、138可径向向外渐缩，使得半径在纵向井上方向上增加。此外，一个稳定器垫128、132、138可具有一个正或负锥角，而另一个稳定器垫128、132、138可具有不同的正或负锥角。

在一些实施方案中，刀片或其他钻头结构包括扩张部分，其中一些或甚至每一个扩张部分具有切割元件可定位在/安装到的扩张表面(例如，扩张肩部)。例如，第一扩张切割元件130中的至少一些可定位在诸如第一扩张肩部150的第一扩张表面上和/或其中(例如，在钻头110的刀片中的第一扩张肩部的顶部表面155中或其上)。在一些实施方案中，第一扩张肩部150可在垂直于纵向轴线148的方向上轴向延伸。在其他实施方案中，第一扩张肩部150可以相对于纵向轴线148的非垂直角度的角度轴向和/或径向延伸。第一扩张肩部150的至少一部分可相对于纵向轴线148取向成处于一定角度，使得径向位置在接近导向部分112的第一扩张肩部150的部分处比接近第二扩张部分116或连接器118的第一扩张肩部150的部分处少。在此类实施方案中，第一扩张肩部150可视为在井下方向上向内渐缩。第一扩张肩部的角度可在具有下限值、上限值或上限值和下限值的范围内，所述上限值和下限值包括0°、5°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、75°、80°、85°、90°中的任何者或其间任何值。在一些实例中，第一扩张肩部150的至少一部分可相对于纵向轴线148°取向成处于大于30°的角度。在其他实例中，第一扩张肩部150的至少一部分可相对于纵向轴线148取向成处于小于90°的角度。在其他实例中，第一扩张肩部150的至少一部分可相对于纵向轴线148取向成处于介于30°与90°之间的角度。在另外的实例中，第一扩张肩部150的至少一部分可相对于纵向轴线148取向成处于介于40°与80°之间的角度。

图3是图2的阶梯式钻头110的复合切割和稳定轮廓，示出由切割元件126-1、126-2和稳定器垫128、132、138所创建的轮廓。导向部分112可具有导向半径142，第一扩张部分114可具有第一扩张半径144，并且第二扩张部分116可具有第二扩张半径146。导向半径142可以是纵向轴线148与导向部分112的导向稳定垫128的径向最远部分之间的距离。第一扩张半径144可以是纵向轴线148与第一扩张稳定垫132的径向最远部分之间的距离，并且第二扩张半径146可以是纵向轴线148与第二扩张稳定垫138的径向最远部分之间的距离。

导向部分112还可具有导向切割半径143，第一扩张部分114可具有第一扩张切割半径145，并且第二扩张部分116可具有第二扩张切割半径147。导向切割半径143可以是纵向轴线148与导向部分112的切割元件的径向最远切割顶端或顶点之间的距离。第一扩张切割半径145可以是纵向轴线148与第一扩张部分114的切割元件的径向最远切割顶端或顶点之间的距离，并且第二扩张切割半径147可以是纵向轴线148与第二扩张部分116的切割元件的径向最远切割顶端或顶点之间的距离。在图3中，导向切割半径143可由最接近导向稳定器垫128或第一扩张部分114的非平面切割元件126-1限定。第一扩张切割半径145可由最接近第一扩张稳定器垫132或第二扩张部分116的非平面切割元件126-1(即，在纵向位置131-3处的切割元件)限定。第二扩张切割半径147可由最接近第二扩张稳定器垫138或最远离导向部分112或第一扩张部分114的非平面切割元件126-1限定。在其他实施方案中，径向最远切割顶端或切割顶点可在平面切割元件上，或者可在并不最接近对应的稳定器垫或随后的扩张部分的纵向位置。

在一些实施方案中，导向半径142可在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，所述下限值和上限值包括1.0英寸(2.54厘米)、2.0英寸(5.08厘米)、3.0英寸(7.62厘米)、4.0英寸(10.2厘米)、5.0英寸(12.7厘米)、6.0英寸(15.2厘米)、7.0英寸(17.8厘米)、8.0英寸(20.8厘米)、9.0英寸(22.9厘米)、10.0英寸(25.4厘米)、12英寸(30.5厘米)、15英寸(38.1厘米)、20英寸(50.8厘米)中的任何者或其间任何值。例如，导向半径142可大于1.0英寸(2.54厘米)。在相同或其他实例中，导向半径142可小于20英寸(50.8厘米)。在其他实例中，导向半径142可介于1.0英寸(2.54厘米)与15英寸(38.1厘米)之间。在另外的实例中，导向半径142可介于2.0英寸(5.08厘米)与12英寸(33.5厘米)之间。在另外的实例中，导向半径142可介于3.0英寸(7.62厘米)与10.0英寸(25.4厘米)之间。在至少一个实例中，导向半径142可介于3.5英寸(8.89厘米)与6.0英寸(15.2厘米)之间。

在一些实施方案中，第一扩张半径144可大于导向半径142。例如，第一扩张半径144可比导向半径142大导向半径142的某个百分比或比例。在其他实例中，第一扩张半径144可比导向半径142大某个标称值。

在一些实施方案中，第一扩张半径144可比导向半径142大的导向半径142的百分比在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，所述下限值和上限值包括2％、4％、6％、8％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％中的任何者或其间任何值。例如，第一扩张半径144可比导向半径142大超过2％。在其他实例中，第一扩张半径144可比导向半径142大低于100％。在其他实例中，第一扩张半径144可比导向半径142大介于2％与100％之间。在另外的实例中，第一扩张半径144可比导向半径142大介于3％与80％之间。在至少一个实例中，第一扩张半径144可比导向半径142大介于3％与50％之间、介于5％与25％之间或介于5％与10％之间。

在一些实施方案中，第二扩张半径146可比第一扩张半径144大的第一扩张半径144的百分比在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，所述下限值和上限值包括2％、4％、6％、8％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％中的任何者或其间任何值。例如，第二扩张半径146可比第一扩张半径144大超过2％。在其他实例中，第二扩张半径146可比第一扩张半径144大低于100％。在其他实例中，第二扩张半径146可比第一扩张半径144大介于2％与100％之间。在另外的实例中，第二扩张半径146可比第一扩张半径144大介于3％与80％之间。在至少一个实例中，第二扩张半径146可比第一扩张半径144大介于3％与50％之间、介于5％与25％之间或介于5％与10％之间。

在相同或其他实施方案中，第二扩张半径146可因此大于第一扩张半径142。例如，在一些实施方案中，导向半径142可介于第二扩张半径146的50％与95％之间。在更多具体的实施方案中，导向半径142可以是第二扩张部分146的某个百分比，所述百分比在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，所述限值和上限值包括50％、60％、70％、75％、80％、85％、90％、95％中的任何者及其间值。以举例的方式，导向半径142可介于第二扩张半径146的60％与95％之间、70％与92.5％之间、70％与95％之间、80％与90％之间或85％与90％之间。在其他实施方案中，导向半径142可为第二扩张半径146的小于50％或大于95％。在一些实施方案中，补充或替代确定导向半径142与第二扩张半径146的百分比或比，还可通过使用导向切割半径143和第二扩张切割半径147来进行所述确定，其百分比或比可在所描述的相同范围内。

在一些实施方案中，导向切割半径143可等于稳定器垫128处的导向半径142。然而，在其他实施方案中，导向切割半径143可大于或小于导向半径142。例如，在一些实施方案中，导向半径142可被底切以小于导向切割半径143。例如，导向半径142可比导向切割半径143小的量最高至0.050英寸(1.27毫米)、最高至0.030英寸(0.76毫米)、最高至0.020英寸(0.51毫米)、最高至0.015英寸(0.38毫米)、最高至0.010英寸(0.25毫米)、最高至0.005英寸(0.13毫米)，或最高至0.002英寸(0.05毫米)。在其他实施方案中，导向半径142可比导向切割半径143小的量大于0.050英寸(1.27毫米)或小于0.002英寸(0.05毫米)。例如，导向半径142可大于或等于导向切割半径143。

在相同或其他实施方案中，第一扩张切割半径145可等于或不同于第一扩张半径144，第二扩张切割半径147可等于或不同于第二扩张半径146，或前述组合。例如，第一扩张半径144可比第一扩张切割半径145小的量最高至0.050英寸(1.27毫米)、最高至0.030英寸(0.76毫米)、最高至0.020英寸(0.51毫米)、最高至0.015英寸(0.38毫米)、最高至0.010英寸(0.25毫米)、最高至0.005英寸(0.13毫米)或最高至0.002英寸(0.05毫米)。相似地，第二扩张半径146可比第二扩张切割半径147小的量最高至0.050英寸(1.27毫米)、最高至0.030英寸(0.76毫米)、最高至0.020英寸(0.51毫米)、最高至0.015英寸(0.38毫米)、最高至0.010英寸(0.25毫米)、最高至0.005英寸(0.13毫米)或最高至0.002英寸(0.05毫米)。在其他实施方案中，第一扩张半径144或第二扩张半径146可比对应的第一扩张切割半径145或第二扩张切割半径147小的量大于0.050英寸(1.27毫米)或小于0.002英寸(0.05毫米)。例如，第一扩张半径144可大于或等于第一扩张切割半径145，或者第二扩张半径146可大于或等于第二扩张切割半径147。

在一些实施方案中，第一扩张切割元件130中的至少一者可定位在与另一个第一扩张切割元件130不同的纵向位置。在其他实施方案中，第二扩张切割元件136中的至少一者可定位在与另一个第二扩张切割元件136不同的纵向位置。例如，第一扩张切割元件130可定位在第一纵向位置131-1、第二纵向位置131-2、第三纵向位置131-3或更多纵向位置。单个第一扩张切割元件130可定位在纵向位置131-1、131-2、131-3中的任何者或每一者处，或者多于一个第一扩张切割元件130可定位在纵向位置131-1、131-2、131-3的任何者或每一者处。

在一些实施方案中，第一扩张切割元件130中的至少一者可定位在与另一个第一扩张切割元件130不同的径向位置。在其他实施方案中，第二扩张切割元件136中的至少一者可定位在与另一个第二扩张切割元件136不同的径向位置。例如，在第一纵向位置131-1处的第一扩张切割元件130可比在第二纵向位置131-2处的第一扩张切割元件130在纵向上更接近导向部分112并且在径向上更接近纵向轴线148。在第二纵向位置131-2处的第一扩张切割元件130也可比在第三纵向位置131-2处的第一扩张切割元件130在纵向上更接近导向部分112并且在径向上更接近纵向轴线148。在其他实施方案中，第一扩张切割元件130可在相同纵向位置以及在不同径向位置。所述系列的纵向和/或径向位置可允许从导向部分112到第一扩张部分114的增量扩张。在一些实施方案中，第一扩张切割元件130中的至少两者可定位在相同纵向位置。相同或不同的所述至少两个第一扩张切割元件可定位在相同径向位置。在其他实施方案中，第一扩张切割元件130中的每一者可定位在不同的纵向位置。在一些实施方案中，第一纵向位置131-1与第二纵向位置131-2之间的轴向距离可小于1英寸(2.54厘米)、小于0.75英寸(1.9厘米)、小于0.5英寸(1.27厘米)，或小于0.25英寸(0.64厘米)。在相同或其他实施方案中，在相邻的径向位置处的第一扩张切割元件130的顶点之间的径向距离可小于1英寸(2.54厘米)、小于0.75英寸(1.9厘米)、小于0.5英寸(1.27厘米)、小于0.25英寸(0.64厘米)，或小于0.125英寸(0.32厘米)。第二扩张切割元件136可以与本文所描述的针对第一扩张切割元件130的类似的方式来定位在相同或不同的径向或纵向位置。

图4示出根据本公开的其他实施方案的阶梯式钻头210的复合切割轮廓。阶梯式钻头210可具有至少导向部分212、第一扩张部分214和第二扩张部分216。图4示出具有包括第三扩张部分217和第四扩张部分221的附加扩张部分的阶梯式钻头210的实施方案。在一些实施方案中，导向部分212具有一致类型的切割元件226，诸如所有平面切割元件或所有非平面切割元件。在其他实施方案中，扩张部分214、216、217、221中的至少一者具有混合切割元件，诸如平面和非平面第一扩张切割元件230或平面和非平面第二扩张切割元件236。

在一些实施方案中，第一扩张切割元件230中的至少一者和/或第二扩张切割元件236中的至少一者的纵向轴线可相对于纵向轴线248取向成处于切割元件角度241。例如，第一扩张切割元件230、第二扩张切割元件236(或其他扩张部分的切割元件)中的至少一者可相对于纵向轴线248取向成处于切割元件角度241，其中切割元件角度241在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，所述下限值和上限值包括0°、1°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°、18°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、75°中的任何者或其间任何值。在一些实例中，第一扩张切割元件230或第二扩张切割元件236中的至少一者的切割元件角度241可大于1°。在其他实例中，第一扩张切割元件230或第二扩张切割元件236中的至少一者的切割元件角度241可小于65°、介于1°与65°之间、介于5°与60°之间、介于10°与55°之间、介于25°与65°之间、介于40°与60°之间或介于45°与55°之间。

在具有非平面切割元件的实施方案中，切割元件具有切割表面夹角243(相对于图4中的第二扩张切割元件236示出)。第二扩张切割元件236显示为具有锥形或脊状配置，其中切割表面夹角243为第二扩张切割元件236的轮廓或剖视图中的相对边缘之间的角度。在一些实施方案中，切割表面夹角243可在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，所述上限值和下限值包括45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°中的任何者或其间任何值。例如，切割表面角度243可大于60°。在其他实例中，切割表面角度243可小于165°。在其他实例中，切割表面角度243可介于60°与165°之间、介于75°与150°之间、介于80°与110°之间、介于60°与100°之间或介于90°与120°之间。

切割表面夹角243可选地与此切割元件的切割元件角度241相关，并且可用于将切割元件的切割端的外侧径向侧面相对于纵向方向取向成处于对准角度245。在一些实施方案中，对准角度245可在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，所述下限值和上限值包括0°、0.2°、0.5°、1°、1.5°、2°、3°、4°、5°、7.5°、10°中的任何者或其间任何值。例如，对准角度245可大于0.2°。在其他实例中，对准角度245可小于5°。在其他实例中，对准角度245可介于0.2°与10°之间、介于0.5°与5°之间或介于1°与3°之间。

在创建导向孔之后，本公开的钻头的扩张部分可通过移除邻近导向孔或邻近先前扩张部分的无支撑材料来逐级使导向孔扩张。图5和图6是示出根据本公开的一些实施方案的使用阶梯式钻头来移除材料的过程的放大图。图5是在土地地层301中创建井筒的阶梯式钻头310的实施方案的放大表示。阶梯式钻头310具有在围绕旋转轴线348旋转并且组合到单个平面中时的阶梯式钻头310的切割元件的复合切割轮廓354(参见例如图3和图4)。切割轮廓限定具有导向半径362的导向孔356。当导向部分312钻探并且创建导向孔356时，导向孔356的壁创建地层301的无支撑区域358。无支撑区域358在内表面上无约束(靠近导向部分312)。平行于无约束面的剪切力可致使无支撑区域358失效并且以比地层301的支撑部分少的力和/或能量破碎成片360。例如，第一扩张部分314可接触地层301并且将力和/或能量施加到无支撑区域358，以使无支撑区域朝向阶梯式钻头310的纵向轴线348失效，其使导向孔356从导向孔半径362扩张到第一扩张半径364。

图6示出第一扩张半径364到第二扩张半径366的扩张。在一些实施方案中，第一扩张第二部分314可使由导向部分312创建的第一无支撑区域358-1朝向阶梯式钻头310的纵向轴线348失效，从而使井筒扩张并且暴露第二无支撑区域358-2。第二扩张部分316可使第二无支撑区域358-2朝向纵向轴线348失效，以使井筒扩张并且潜在地暴露附加的无支撑区域。在一些实施方案中，第一扩张稳定器/基准垫334和/或第二扩张稳定器/基准垫340的全部或部分的部分可被底切和/或朝向纵向轴线348渐缩。在一些实施方案中，底切和/或渐缩的第一扩张稳定器/基准垫334和/或第二扩张稳定器/基准垫340可向无支撑区域358-1、358-2提供间隙以朝向纵向轴线348失效。在其他实施方案中，底切和/或渐缩的第一扩张稳定器/基准垫334和/或第二扩张稳定器/基准垫340可向来自失效的无支撑区域358-1、358-2的地层301碎屑提供间隙以供被钻井液冲走。

图7示出根据本公开的一些实施方案的可在图1的钻井系统5中或在其他钻井系统中使用的钻头410的另一个实施方案。钻头410可包括在钻头410的末端处的导向部分412。钻头410还可包括顺序地在导向部分112与连接器(例如，图1的连接器118)之间的井上方向上的第一扩张部分414和第二扩张部分416。在一些实施方案中，钻头410还可包括钻头装卸部分417，所述钻头装卸部分417包括一个或多个装卸槽421或其他特征件，以有利于钻头410与钻铤、BHA、工具串或其他部件拆卸或组装。在所示的实施方案中，钻头装卸部分417显示为纵向地定位在第一扩张部分414与第二扩张部分416之间。然而，在其他实施方案中，钻头装卸部分417可定位在其他位置。例如，钻头装卸部分417可定位在导向部分412与第一扩张部分414之间，或者纵向地在第二扩张部分416与第二扩张部分416的井上方向上的一个或多个其他扩张部分之间(例如，在第二扩张部分与第三扩张部分之间，在第三扩张部分与第四扩张部分之间等)。在一些实施方案中，装卸部分417可在扩张部分内。例如，虽然图7示出第一扩张部分414为具有第一扩张切割元件430-1、430-2和第一扩张稳定器垫432(在导向部分412的井方向上并且相较于钻头装卸部分更接近导向部分412)，但是在其他实施方案中，钻头装卸部分417可在第一扩张稳定器垫432上、其内或其井下方向上，或者甚至纵向地在第一扩张部分414内的第一扩张切割元件430-1、430-2的不同纵向位置之间。

一个或多个附加扩张部分(未示出)还可包括在第二扩张部分416的井上方向上。在一些实施方案中，扩张部分414、416或附加扩张部分中的一者或多者包括切割元件而无任何对应的稳定器垫。例如，第三扩张部分416可包括切割结构，但不包括稳定器垫，使得切割元件比任何稳定器垫都更接近井上。

除钻头装卸部分417的位置之外，钻头410可与钻头10、110、210和310或本文所描述或要求保护的其他钻头类似或相同。例如，钻头410可在导向部分412的锥体、鼻部、肩部和基准部分中的任何者或每一者处包括导向切割元件426。虽然导向切割元件426中的每一者显示为非平面，但是导向切割元件426可包括平面或非平面切割元件的任何组合。

导向部分412可使用使井筒的半径扩张以具有钻头410的全径的钻头410的连续扩张部分414、416来创建井筒的导向孔。当导向部分412创建井筒的导向孔时，在切割轮廓的导向部分412处或其附近的一个或多个导向稳定器垫428可使阶梯式钻头410稳定。在一些实施方案中，一个或多个稳定器垫428可在导向部分412的切割元件426中的一些或每一者的纵向井上方向上。

在钻头410的刀片和切割轮廓上的第一扩张部分414可在导向部分412的纵向井上方向上并且可具有多个第一扩张切割元件430-1、430-2(统称第一扩张切割元件430)。第一扩张切割元件430可包括在任何合适的取向或位置(例如，径向位置、轴向位置、切割元件角度等)上的非平面切割元件430-1或平面切割元件430-2。当施加重量并且阶梯式钻头410围绕纵向轴线448旋转时，第一扩张切割元件430可剪切、集中载重、圆凿、断裂、疏松或以其他方式移除材料以使井筒从导向半径扩张到第一扩张半径。

在一些实施方案中，第一扩张部分414具有定位在第一扩张切割元件430中的一者或多者的井上方向上(并且可能紧接井上方向)的多个第一扩张稳定器垫432。第一扩张稳定器垫432可在钻头410内的刀片或浮动稳定器垫上，并且可将钻头410稳定在由第一扩张切割元件430扩张的井筒的部分中。

在一些实施方案中，钻头410的刀片和切割轮廓上的第二扩张部分416具有多个第二扩张切割元件436。类似于第一扩张切割元件430，第二扩张切割元件436可包括在任何合适的取向、位置或位置的平面或非平面切割元件。第二扩张切割元件436可断裂、疏松或以其他方式移除材料以使井筒从第一扩张半径扩张到第二扩张半径。

在一些实施方案中，第二扩张部分416具有定位在第二扩张切割元件436中的一者或多者的井上方向上(并且可能紧接井上方向)的多个第二扩张稳定器垫438。第二扩张稳定器垫138可在钻头410内的刀片或浮动稳定器垫上，并且可将钻头410稳定在由第二扩张切割元件436扩张的井筒的部分中。

在一些实施方案中，稳定器垫428、432、438可被配置为在接触其他工件的构形时保持基准。在一些实施方案中，稳定器垫428、432、438中的至少一部分可朝向纵向轴线448渐缩或底切以提供移除材料的间隙(即，冲走切割材料)，以增强钻头410的可转向性或稳定性，或用于其他目的。例如，在图7中，第一扩张稳定器垫432的最大半径显示为小于第一扩张切割元件430的最大半径。径向位置的差异显示为底切距离431。或者相反，导向稳定器垫428或第二扩张稳定器垫438中的一者或多者也可以由底切距离431底切。在一些例示性实施方案中，底切距离431可最高至0.050英寸(1.27毫米)、最高至0.030英寸(0.76毫米)、最高至0.020英寸(0.51毫米)、最高至0.015英寸(0.38毫米)、最高至0.010英寸(0.25毫米)、最高至0.005英寸(0.13毫米)或最高至0.002英寸(0.05毫米)。在多个稳定器垫428、432、438由底切距离底切的情况下，一个或多个(并且可能每一个)稳定器垫428、432、438的距离可相同，或者一个或多个(并且可能每一个)稳定器垫428、432、438可使用不同的底切距离。

无论是否底切稳定器垫428、432、438，稳定器垫428、432、438可与纵向轴线448大致平行(如图3中的稳定器垫128、132、138所示)。在其他实施方案(并且在有或没有底切的情况下)中，稳定器垫428、432、438中的一个或多个可相对于纵向轴线448取向成处于一定角度。例如，图7示出稳定器垫428、432、438为每一个都相对于纵向轴线448取向成处于一定角度。具体地，在图7中参考稳定器垫428示出稳定器垫锥角433，但是相同或不同的锥角可用于钻头410的任何或彼此的稳定器垫。在所示的实施方案中，示出切割轮廓，并且可在最初延伸远离纵向轴线448(向右延伸，在图7所示的取向的逆时针方向)并且朝向与钻头410的纵向轴线448平行的线的方向上测量锥角。与钻头平行的线可穿过具有最大径向位置的稳定器垫中的一点。在图7中，稳定器垫428、432、438径向向外渐缩，使得半径在纵向井上方向上减小。在其他实施方案中，稳定器垫可径向向外渐缩，使得半径在纵向井上方向上增加。

在一些实施方案中，稳定器垫428、432、438的稳定器垫锥角433可在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，所述下限值和上限值包括0.2°、0.5°、1°、1.5°、2°、3°、4°、5°、10°、15°中的任何者或其间任何值。例如，稳定器垫锥角433可大于0.2°。在其他实例中，稳定器垫锥角433可小于15°。在其他实例中，稳定器垫锥角433可介于0.2°与5°之间。在另外的实例中，稳定器垫锥角433可介于0.5°与4°之间。在另外的实例中，稳定器垫锥角433可介于1°与3°之间。在其他实施方案中，稳定器垫锥角433的角度可大于15°。当渐缩向外时，稳定器垫锥角433可视为是负的，所以半径在纵向井上方向上增加。负稳定器垫锥角的大小可落在本文所讨论的正稳定器垫锥角的范围内。

如参考本文的公开所应当理解的，稳定器垫可具有多种不同的取向和配置，并且可基于多种不同的标准(例如，可转向性、横向振动公差、轴向振动公差、扭转振动公差、穿透目标率、扭转公差)而变化。在一些实施方案中，钻头的导向和/或扩张部分的稳定器垫配置可根据数量(例如，扩张部分的数量)、取向(例如，锥角)、位置(例如，底切)等等而变化。在相同或其他实施方案中，稳定器垫的尺寸(例如，宽度或长度)也可变化。例如，稳定器垫428、432、438(以及钻头110、210、310的稳定器垫)中的任何一者或多者可具有介于0.1英寸(0.25厘米)与10.0英寸(25.4厘米)之间的长度，在一些实施方案中，例如，稳定器垫428、432、438的长度可在具有下限、上限或下限和上限的范围内，所述下限和上限包括0.1英寸(0.25厘米)、0.25英寸(0.64厘米)、0.4英寸(1.02厘米)、0.45英寸(1.14厘米)、0.5英寸(1.27厘米)、0.55英寸(1.40厘米)、0.6英寸(1.52厘米)、0.75英寸(1.91厘米)、1.0英寸(2.54厘米)、2.5英寸(6.35厘米)、5.0英寸(12.7厘米)、10厘米(25.4厘米)中的任何值或其间值。例如，稳定器垫428、432、438可具有介于0.25英寸(0.64厘米)与2.5英寸(6.35厘米)之间的长度、介于0.4英寸(1.02厘米)与2.0英寸(5.08厘米)之间的长度或介于0.45英寸(1.14厘米)与1.0英寸(2.54厘米)之间的长度。在相同或其他实施方案中，稳定器垫428、432、438可为至少0.4英寸(1.02厘米)或至少0.5英寸(1.27厘米)。在其他实施方案中，稳定器垫428、432、438可具有小于0.1英寸(0.25厘米)或大于10.0英寸(25.4厘米)的长度。此外，由于切割元件可定位在钻头410的不同刀片上的不同轴向和/或径向位置，所以在一些实施方案中，即使在稳定器垫处于相同导向部分412、第一扩张部分416、第二扩张部分416、第三扩张部分或第四扩张部分等中时，一个刀片上的稳定器垫可为不同于另一个刀片上的稳定器的纵向长度。

稳定器垫的长度还可根据所述部分而变化。例如，第二扩张稳定器垫438显示为比导向稳定器垫428长并且比第一扩张稳定器垫432长。在一些实施方案中，第二扩张稳定器垫438(或可能是最上面的稳定器垫)与导向或第一扩张稳定器垫428、432的长度的比可在包括下限、上限或下限和上限的范围内，所述下限和上限包括1:10、1:5、1:4、1:3、1:2、1:1、2:1、3:1、4:1、5:1或10:1中的任何者。

在一些实施方案中，诸如图3、图4和图7中所示的切割轮廓图中的稳定器垫的长度(或稳定器垫的组合长度)可限定为稳定器垫(2)的长度与钻头切割结构的总长度/高度(即，导向部分和所有扩张部分的组合长度)的比。在一些实施方案中，任何单个稳定器垫可介于钻头切割结构高度的2％与15％之间。例如，由单个稳定器垫构成的钻头切割结构高度的百分比可在包括下限、上限或下限和上限的范围内，所述下限和上限包括2％、2.5％、3％、4％、5％、7.5％、10％、12.5％、15％中的任何者或其间任何值。在其他实施方案中，所述百分比可小于2％或大于15％。在一些实施方案中，稳定器垫的组合高度(例如，在切割轮廓图中平行于轴448所测量的稳定器垫428、432、438的高度)可介于钻头切割结构高度的4％与60％之间。例如，由组合稳定器垫构成的钻头切割结构高度的百分比可在包括下限、上限或下限和上限的范围内，所述下限和上限包括4％、5％、7.5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、37.5％、40％、45％、50％、55％、60％中的任何者或其间值。在其他实施方案中，所述百分比可小于4％或大于60％。

除非另外指明，否则如本文所用，术语“切割元件”一般是指任何类型的切割元件。切割元件可具有多种配置，并且在一些实施方案中可具有平面切割面(例如，类似于图2的切割元件126-2)。例如，其他切割元件可具有非平面切割面或端部，诸如大体尖的切割端、大体锥形切割端(例如，图2的切割元件126-1)、具有延伸穿过切割元件(例如，图11-1和图11-2的切割元件1135)的全直径或部分直径的脊部(例如，峰或顶点)的大体锥形切割端、子弹切割端(例如，图9的切割元件935)或其他非平面形状。

如本文所用，术语“锥形切割元件”是指具有大体锥形切割端的切割元件。例如，图8示出具有大体锥形切割端860(包括右锥或斜锥)的锥形切割元件835，即终止于圆形顶点862的锥形侧壁861。不同于终止于尖锐点顶点的几何锥体，本公开的一些实施方案的锥形切割元件具有顶点862，所述顶点862在锥形侧壁861与顶点862之间具有曲率。如本文所讨论的，侧壁861的侧端之间的角度可视为是切割面夹角。

此外，在一个或多个实施方案中，可使用子弹切割元件935。术语“子弹切割元件”是指具有终止于圆形或尖的顶点962的大体凸状侧面963而不是大体锥形侧面的切割元件，诸如图9中所示的例示性切割元件935。在一个或多个实施方案中，顶点962是圆形的，并且具有基本上比凸侧表面963小的曲率半径。锥形切割元件和子弹切割元件两者是具有可以是陡峭/尖锐或圆形的尖端的“尖的切割元件”。还预期，本公开的非平面切割元件还可包括其他形状，包括，例如，如图10的切割元件1035所示，尖的切割元件可具有终止于圆形或顶点的凹形侧表面。

术语“脊状切割元件”是指具有在基板(例如，图11-1的圆柱形基板1164)上方延伸高度的切割峰(例如，脊部或顶点)和横向延伸远离峰的至少一个凹入区域的切割元件。图11-1和图11-2示出脊状切割元件1135的实施方案，其中切割元件顶部表面1165具有抛物线圆柱体形状并且联接到基板1164。也可以使用脊状切割元件的变型，并且例如，虽然所述一个或多个凹入区域可显示为基本上是平面的，但是所述一个或多个凹入区域可相反地为凸起的或凹入的。虽然峰显示为沿其长度基本上线性延伸，但是所述峰也可以是凸起的或凹入的，并且可包括一个或多个波峰和/或谷，包括一个或多个凹入或凸起区域(例如，脊部中的凹陷)，或者可具有沿小于切割元件的全宽延伸的峰。在一些实施方案中，脊状切割元件可具有在两个切割边缘部分之间高度减小的顶部表面，从而形成基本上鞍形或双曲抛物面(例如，图12的切割元件1235的顶部表面1265)。

钻头上的平面切割元件(或剪切切割元件)的取向可使用诸如“侧斜角”和“背斜角”的术语来参考。虽然非平面切割元件可被描述为以与平面切割元件类似的方式具有背斜角和侧斜角，但是非平面切割元件可以不具有切割面或可以取向不同(例如，远离地层面向或顶部表面，而不是朝向前缘/表面)，并且因此应以不同方式限定非平面切割元件的取向。当考虑非平面切割元件的取向时，除切割元件主体的垂直或横向取向之外，切割端的非平面几何结构也影响非平面切割元件冲击地层的方式和角度。具体地，除影响非平面切割元件与地层的相互作用的侵略性的背斜角之外，切割端几何形状(具体地说，顶点角度和曲率半径)还可影响非平面切割元件冲击地层的侵略性。在尖的切割元件的上下文中，如图13-1至图13-3(统称图13)所示，背斜角被限定为在尖的切割元件1335的轴线(具体地，尖的切割端的轴线)与垂直于被切割的地层或其他材料的线之间所形成的角度1366。如图13-2所示，其中尖的切割元件1335具有零背斜角，尖的切割元件1335的轴线基本上正交或垂直于地层材料。如图13-3所示，具有负背前角1366的尖的切割元件1335具有在由地层材料测量时与地层材料以小于的90°的角度1367接合的轴线。类似地，具有如图13-1所示的正背前角1366的尖的切割元件1335具有在由地层材料测量时与地层材料以大于90°的角度1367接合的轴线。在一些实施方案中，尖的切割元件的背前角1366可为零，或者在一些实施方案中可为负。在一些实施方案中，尖的切割元件1335的背前角可介于-20°与20°、-10°与10°、0°与10°或-5°与5°之间。

除相对于地层的轴线的取向之外，尖的或其他非平面切割元件的侵略性还可取决于顶点角度，或具体地，非平面切割元件的地层与先导部分之间的角度。由于非平面切割元件的切割端形状，在平面/剪切切割元件中不存在前缘；然而，当附接主体(例如，钻头的刀片)围绕工具轴线旋转时，可将非平面切割表面的先导线确定为非平面切割元件沿非平面切割端表面的每个轴向尖点的第一尖点。换言之，如图14所示，可沿工具的旋转方向的平面来截取非平面切割元件的横截面。在此类平面中的尖的切割元件1435的先导线1468可考虑为与地层相关。尖的切割元件1435的走向角被限定为在尖的切割元件1435的先导线1468与被切割的地层(或其他工件)之间形成的角1469。角1469可受切割元件1435的几何形状、背前角1466、切割元件在刀片上的取向或其他因素的影响。

对于聚晶金刚石致密切割元件(例如，剪切切割器)，侧斜角通常限定为在切割面与井下工具的径向平面(x-z平面)之间的角度。非平面切割元件不具有平面切割面，并且因此应以不同方式限定尖的切割元件的取向。在图15-1至图16-3中所示的非平面切割元件(诸如尖的切割元件1535)的上下文中，侧斜角被限定为在切割元件1535的轴线(具体地，在图示的实施方案中的锥形切割端的轴线)与正交于工具中心线的线之间所形成的角度1570。可以其他方式限定侧斜角。例如，侧斜角可被限定为在切割元件1535的轴线与在切割元件的位置正交于刀片轮廓的切线之间所形成的角度。在图15-1至图16-3中，z轴线可表示正交于工具中心线或正交于刀片轮廓的切线的线的线。

如图15-2和图16-2所示，其中尖的切割元件1535具有零侧斜角，尖的切割元件1535的轴线基本上平行于z轴线。如图15-1和图16-1所示，具有负侧前角1570的尖的切割元件1535具有尖点远离工具中心线的方向的轴线。相反地，如图15-3和图16-3所示，具有正侧前角1570的尖的切割元件1535具有尖点朝向工具中心线的方向的轴线。在一些实施方案中，尖的切割元件1535的侧斜角可在介于-60°与60°之间、介于-30°与30°之间、介于-10°与10°之间或介于-5°与5°之间的范围内。此外，在本公开的实施方案中，可从这些或其他范围中选择非平面切割元件的侧前角1570。在一些实施方案中，在不同刀片上或在不同位置(例如，前位置或后位置，或在扩张部分中的不同纵向位置)的切割元件可具有相同或不同的侧前角和/或背前角。

应当理解，虽然本文所述的元件与所描述的实施方案相关，但是每个元件可与其他实施方案的其他元件组合。例如，图2至图7的平面切割元件中的任何者或每一者可由非平面切割元件替代，或者图2至图7的非平面切割元件中的任何者或每一者可由平面切割元件或其他非平面切割元件替代。

图17是根据本公开的实施方案的使用钻头移除材料的方法1768的流程图。在一些实施方案中，方法1768包括在1770使用阶梯式钻头的导向部分移除材料。导向部分可创建具有导向直径的导向孔。导向直径可以是由具有如本文所描述的导向半径的钻头创建的井筒基准。方法1768还可包括在1772使用导向部分上的一个或多个导向稳定垫来使钻头稳定。在1772的稳定可在1774的使用第一扩张部分来使井筒的一部分从导向直径(或导向半径)扩张到第一扩张直径(或第一扩张半径)之前、期间或之后发生。在一些实施方案中，使井筒扩张包括使具有第一扩张部分的无支撑区域朝向导向部分失效。

方法1768还可包括在1776使用第一扩张稳定垫使阶梯式钻头稳定。在1776使阶梯式钻头稳定可在1778的使用第二扩张部分来将井筒的一部分从第一扩张直径/基准(或第一扩张半径)扩张到第二扩张直径/基准(或第二扩张半径)之前、期间或之后发生。在一些实施方案中，方法1768还可包括使用附加扩张部分将井筒扩张超过第二扩张半径，和/或使用一个或多个扩张稳定垫使钻头稳定。

根据本公开的阶梯式钻头的至少一个实施方案，允许在还使钻头稳定以减少横向和/或轴向振动的情况下，通过创建阶梯式钻头移动所穿过的地层的无支撑区域并且随后使其失效来创建相较于可比较半径的刮刀钻头的具有降低的能量的井筒。

因此，在至少一个实施方案中，导向部分和随后的扩张部分上的一系列基准垫减少和/或限制钻井期间的振动。较低的振动可降低损坏钻头和/或BHA或钻井总成的其他部件的风险。在一些实施方案中，增加的稳定性改善在地层中的可转向性。在其他实施方案中，增加的稳定性改善穿过地层界面的可转向性。在一些实施方案中，一个或多个导向或扩张基准或稳定器垫(以及在钻头的每个刀片上可能的导向或扩张基准或稳定器垫)包括一个或多个传感器、振动管理致动器、或转向垫或其他致动器。

已参考井筒钻井操作主要描述了钻头的实施方案；然而，本公开的钻头可在除钻探井筒之外的应用中使用。在其他实施方案中，根据本公开的阶梯式钻头可在井筒或用于天然资源的勘探和生产的其他井下环境外使用。例如，本公开的阶梯式钻头可在用于放置公用设施线路的井眼中使用。因此，术语“井筒”、“井眼”等不应被解释为将本公开的工具、系统、总成或方法限制于任何具体的工业、场地或环境。

冠词“一”、“一个”和“所述”意图意指先前描述中存在所述元件中的一者或多者。如本文所用，术语“可以”与一个或多个特征相关，所述特征表明此类要素包括在一些实施方案中，但对于本公开范围内的其他实施方案是可选的。术语“包含”、“包括”和“具有”意图是包括性的，并且表示除了所列元件之外，可能存在另外的元件。另外，应当理解，对本公开的“一个实施方案”或“一项实施方案”的参考并不意图解释为排除也涵盖所列举特征的其他实施方案的存在。例如，关于本文的实施方案所描述的任何元件可能够与本文所描述的任何其他实施方案的任何元件结合。本文所述的数字、百分比、比或其他值意图包括所述值并且还包括“约”为或“近似”为所述值的其他值，如本公开的实施方案所涵盖的领域中的普通技术人员将理解的。所述值因此应广泛地解释为足以涵盖至少足够接近所述值以执行所需要的功能或实现所需要的结果的值。所述值至少包括在合适的制造或生产过程中的预期的变化。

本领域普通技术人员应鉴于本公开认识到，等效构造不偏离本公开的精神和范围，并且可对本文所公开的实施方案进行各种变化、取代和更改而不背离本公开的精神和范围。包括功能的“手段加功能”条款的等效构造意图覆盖本文所述的执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等效物和提供相同功能的等效结构两者。申请人的表达意图是对于除了词语“用于……的装置”与相关联功能一起出现的权利要求外的任何权利要求不调用手段加功能或其他功能权利要求。对实施方案的落入权利要求的含义和范围内的每个添加、删除和修改应由权利要求涵盖。

如本文所用，术语“近似”、“约”以及“基本上”表示仍然执行所需功能或实现所需结果的接近所述量的量。例如，术语“近似”、“约”以及“基本上”是指差异小于所述量的5％的量。此外，应当理解，先前描述中的任何方向或参考坐标系仅仅是相对方向或移动。例如，对“上”和“下”或“以上”或“以下”的任何参考仅仅是相关元件的相对位置或移动的描述。

本公开可在不背离其精神或特性的情况下以其他特定形式体现。所描述的实施方案应视为是说明性的而不是限制性的。本公开的范围因此由所附权利要求而不是由前述描述来指示。在权利要求的等效物的含义和范围内的变化都将涵盖在权利要求的范围内。

Claims (29)

1.一种井下工具，所述井下工具包括：

导向部分，所述导向部分包括多个导向切割元件和导向基准，所述导向基准包括在导向半径下的至少一个导向稳定器垫；

第一扩张部分，所述第一扩张部分定位在相对于所述导向部分的井上纵向方向上，所述第一扩张部分包括多个第一扩张切割元件和第一扩张基准，所述第一扩张基准包括在大于所述导向半径的第一扩张半径下的至少一个第一扩张稳定器垫；以及

第二扩张部分，所述第二扩张部分定位在相对于所述第一扩张部分的所述井上纵向方向上，所述第二扩张部分包括多个第二扩张切割元件和具有大于所述第一扩张半径的第二扩张半径的第二扩张基准。

2.如权利要求1所述的井下工具，所述导向半径介于所述第二扩张半径的70％与95％之间。

3.如前述权利要求中任一项所述的井下工具，所述导向半径介于所述第二扩张半径的85％与90％之间。

4.如权利要求1或权利要求2所述的井下工具，所述第二扩张半径包括在所述第二扩张半径下的至少一个第二扩张稳定器垫。

5.如权利要求1或权利要求2所述的井下工具，所述第一扩张切割元件或所述第二扩张切割元件中的至少一者是非平面切割元件。

6.如权利要求1或权利要求2所述的井下工具，所述第一扩张切割元件或所述第二扩张切割元件中的至少一者具有相对于所述井下工具的纵向轴线取向介于35°与65°之间的切割元件纵向轴线。

7.如权利要求1或权利要求2所述的井下工具，所述第一扩张切割元件或所述第二扩张切割元件中的至少一者具有介于65°与100°之间的切割元件夹角。

8.如权利要求1或权利要求2所述的井下工具，所述第一扩张切割元件或所述第二扩张切割元件中的至少一者包括切割端，所述切割端的外径向侧表面相对于所述井上纵向方向取向成处于0.2°至5°的对准角度。

9.如权利要求1或权利要求2所述的井下工具，所述第一扩张半径比所述导向半径大介于5％与25％之间。

10.如权利要求1或权利要求2所述的井下工具，所述第二扩张半径比所述第一扩张半径大介于5％与25％之间。

11.如权利要求1或权利要求2所述的井下工具，所述井下工具还包括纵向地介于所述第一扩张部分与所述第二扩张部分之间的钻头装卸部分。

12.一种钻头，所述钻头包括：

导向部分，所述导向部分包括具有导向切割半径的多个导向切割元件，所述导向部分还包括至少一个导向稳定器垫；

第一扩张部分，所述第一扩张部分具有在第一扩张表面上并且限定大于所述导向切割半径的第一扩张切割半径的多个第一扩张切割元件，所述第一扩张部分还包括至少一个第一扩张稳定器垫；以及

第二扩张部分，所述第二扩张部分具有在第二扩张表面上并且限定大于所述第一扩张切割半径的第二扩张切割半径的多个第二扩张切割元件，所述第二扩张部分联接到所述第一扩张部分和所述导向部分，使得所述第一扩张部分纵向地介于所述导向部分与所述第二扩张部分之间。

13.如权利要求12所述的钻头，所述钻头切割半径介于所述第一扩张切割半径的85％与97.5％之间并且介于述第二扩张切割半径的70％与95％之间。

14.如权利要求12或权利要求13所述的钻头，所述至少一个导向稳定器垫或所述至少一个第一扩张稳定器垫中的至少一部分是与所述钻头的纵向轴线不平行的。

15.如权利要求12或权利要求13所述的钻头，所述第二扩张部分包括至少一个第二扩张稳定器垫。

16.如权利要求15所述的钻头，所述第二扩张稳定器垫是与所述钻头的纵向轴线不平行的。

17.如权利要求12或权利要求13所述的钻头，所述多个第一扩张切割元件、所述多个第二扩张切割元件、或者所述多个第一扩张切割元件和所述多个第二扩张切割元件两者包括至少一个平面切割元件和至少一个非平面切割元件。

18.如权利要求12或权利要求13所述的钻头，所述多个第一扩张切割元件或所述多个第二扩张切割元件中的至少一个切割元件具有与所述钻头的纵向轴线成介于25°与65°之间的角度的夹角的轴线。

19.如权利要求12或权利要求13中任一项所述的钻头，所述多个第一扩张切割元件或所述多个第二扩张切割元件中的至少一个切割元件具有介于1°与45°之间的正背前角。

20.如权利要求12或权利要求13中任一项所述的钻头，所述多个第一扩张切割元件或所述多个第二扩张切割元件中的至少一个切割元件具有非平面切割端，所述非平面切割端具有相对于井上纵向方向取向成处于介于0°与5°之间的对准角度的外径向侧表面。

21.如权利要求12或权利要求13中任一项所述的钻头，所述多个第一扩张切割元件中的至少两个切割元件或所述多个第二扩张切割元件中的至少两个切割元件在不同径向位置处具有切割顶端。

22.如权利要求21所述的钻头，所述不同径向位置为相邻径向位置并且所述切割顶端之间的径向距离小于0.75英寸(1.9厘米)。

23.如权利要求12或权利要求13所述的钻头，所述多个第一扩张切割元件中的至少两个切割元件或所述多个第二扩张切割元件中的至少两个切割元件在不同纵向位置处具有切割顶端。

24.如权利要求23所述的钻头，所述不同纵向位置为相邻纵向位置并且所述切割顶端之间的纵向距离小于0.75英寸(1.9厘米)。

25.一种使用井下工具来移除材料的方法，所述方法包括：

使用所述井下工具的导向部分来移除地层中的材料以创建具有导向半径的导向孔；

使用定位在所述导向部分的导向基准上的至少一个导向稳定器垫来使所述井下工具在所述导向孔中稳定；

使用所述井下工具的第一扩张部分来将所述导向孔扩张到第一扩张半径；

使用定位在所述第一扩张部分的第一扩张基准上的至少一个第一扩张稳定器垫来使所述井下工具稳定；以及

使用所述井下工具的第二扩张部分来将所述第一扩张半径扩张到第二扩张半径，所述导向半径介于所述第二扩张半径的75％与95％之间。

26.如权利要求25所述的方法，所述方法还包括：

使用定位在所述第二扩张部分的第二扩张基准上的至少一个第二扩张稳定器垫来使所述井下工具稳定。

27.如权利要求25或权利要求26所述的方法，扩张所述导向孔包括使所述地层的无支撑区域朝向所述井下工具的纵向轴线失效。

28.如权利要求25或权利要求26所述的方法，扩张所述第一扩张半径包括使所述地层的无支撑区域朝向所述井下工具的纵向轴线失效。

29.如权利要求25或权利要求26所述的方法，所述方法还包括以下中的至少一者：

使用所述稳定器垫中的至少一者中的一个或多个致动器来使所述钻头转向；

使用所述稳定器垫中的至少一者中的一个或多个致动器来管理所述钻头的振动；或

使用所述稳定器垫中的至少一者中的一个或多个传感器来感知所述井下工具、所述地层、所述导向孔或所述导向孔内的材料的一个或多个参数。

Images