CN111971448B - 具有跟随刀片的旋转前导面的凹坑并具有设置在其中的切削元件的钻地工具及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钻地工具，该钻地工具可包括从主体轴向和径向延伸的多个刀片。第一多个切削元件可沿着多个刀片的旋转前导面设置。凹坑可在刀片内形成，并且凹坑可在刀片的肩部区域内从刀片的旋转前导面成角度地延伸到刀片中。第二多个切削元件可设置在至少一个凹坑内。该钻地工具的切削轮廓高度与该钻地工具的直径的比率可在约0.15至约0.25的范围内。第二多个切削元件中的至少一个切削元件的旋转路径可与第一多个切削元件中的至少一个切削元件的另一个旋转路径至少部分地重叠。

Description

具有跟随刀片的旋转前导面的凹坑并具有设置在其中的切削 元件的钻地工具及相关方法
优先权声明
根据35U.S.C.§119(e)，本专利申请要求2018年3月2日提交的美国临时专利申请序列号62/637,924的权益，该专利的公开内容据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及钻地工具，该钻地工具具有限定在钻地工具的一个或多个刀片中的凹坑。
背景技术
通常用钻杆柱来钻削油井(井筒)。钻杆柱包括管状构件，该管状构件具有在其底端处包括单个钻头的钻井组件。钻井组件还可包括设备和传感器，该设备和传感器提供涉及与钻井操作相关的各种参数(“钻井参数”)、与钻井组件的行为相关的参数(“钻井组件参数”)以及与井筒所穿透的地层相关的参数(“地层参数”)的信息。通过从钻机旋转钻杆柱和/或通过井底钻具组合(“BHA”)中的钻井电机(也称为“泥浆电机”)来旋转附接到钻井组件的底端的钻头和/或扩孔钻，以移除地层材料来钻削井筒。
发明内容
本公开的一些实施方案包括钻地工具。该钻地工具可包括主体，该主体包括多个刀片，该多个刀片中的每个刀片相对于主体的中心纵向轴线轴向和径向延伸，该多个刀片中的至少一个刀片具有凹坑，该凹坑在至少一个刀片的至少肩部区域中从至少一个刀片的旋转前导面延伸到至少一个刀片中。该钻地工具还可包括第一多个切削元件，该第一多个切削元件沿着多个刀片的旋转前导面固定；和第二多个切削元件，该第二多个切削元件靠近至少一个凹坑的背表面固定到多个刀片中的至少一个刀片，其中钻地工具的切削轮廓高度与钻地工具的直径的比率在约0.15至约0.25的范围内。
在附加的实施方案中，该钻地工具可包括主体，该主体包括多个刀片，该多个刀片中的每个刀片相对于主体的中心纵向轴线轴向和径向延伸，该多个刀片中的至少一个刀片具有凹坑，该凹坑在至少一个刀片的至少肩部区域中从至少一个刀片的旋转前导面延伸到至少一个刀片中。该钻地工具还可包括第一多个切削元件，该第一多个切削元件沿着多个刀片的旋转前导面固定；以及第二多个切削元件，该第二多个切削元件靠近至少一个凹坑的背表面固定到多个刀片中的至少一个刀片，其中第二多个切削元件中的由钻地工具的完整旋转限定的至少一个切削元件的旋转路径与第一多个切削元件中的至少一个切削元件的另一个旋转路径至少部分地重叠。
本公开的一些实施方案包括形成钻地工具的方法。该方法可包括：形成钻地工具的主体，该主体包括多个刀片并且在多个刀片中的至少一个刀片中具有至少一个凹坑，该至少一个凹坑在至少一个刀片的肩部区域内从至少一个刀片的旋转前导面延伸到至少一个刀片中；沿着多个刀片的旋转前导面固定第一多个切削元件；以及靠近至少一个刀片的背表面将第二多个切削元件固定到至少一个刀片，其中第二多个切削元件中的由钻地工具的完整旋转限定的至少一个切削元件的旋转路径与第一多个切削元件中的至少一个切削元件的另一个旋转路径至少部分地重叠。
附图说明
为了详细地理解本公开，应结合附图参考以下详细描述，在附图中，相似的元件已经大体用相似的数字指定，并且其中：
图1是根据本公开的一个或多个实施方案的包括钻杆柱的井筒系统的示意图，该钻杆柱包括钻地工具；
图2A是根据本公开的一个或多个实施方案的钻地工具的侧透视图；
图2B是根据本公开的一个或多个实施方案的钻地工具的底视图；
图3是根据本公开的一个或多个实施方案的具有在其中形成的凹坑的钻地工具的刀片的局部透视图；
图4是根据本公开的一个或多个实施方案的具有在其中形成的凹坑的钻地工具的刀片的局部透视图；
图5是根据本公开的实施方案的刀片轮廓的局部示意图；
图6是根据本公开的一个或多个实施方案的由钻地工具的切削元件限定的切削轮廓的示意图；并且
图7是示出根据本公开的一个或多个实施方案的钻地工具的切削元件的工作速率的曲线图。
具体实施方式
本文所呈现的图示不是任何钻头或其任何部件的实际视图，而仅仅是用于描述本发明的实施方案的理想化表示。
如本文所用，术语“钻地工具”意指并包括用于形成、扩大、或形成和扩大钻孔的钻地工具。钻头的非限制性示例包括固定切削器(阻力)钻头、固定切削器取心钻头、固定切削器偏心钻头、固定切削器双中心钻头、固定切削器扩孔钻、具有承载固定切削器的刀片的可扩展扩孔钻，以及包括固定切削器和可旋转切削结构(牙轮)两者的混合钻头。
如本文所用，术语“切削结构”意指并包括被构造用于在钻地工具上使用以及用于在钻地工具的操作期间从井筒内的地层中移除地层材料的任何元件或特征。
如本文所用，术语“切削元件”意指并包括例如用作固定切削元件的超硬磨料(例如，聚晶金刚石复合片或“PDC”)切削元件，以及用作安装到钻地工具的主体的切削元件的碳化钨插件和超硬磨料插件。
如本文所用，“一个”、“一种”和“该”后的单数形式旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。
如本文所用，相对于材料、结构、特征或方法动作而言的术语“可”指示这被设想用于实现本公开的实施方案，并且与更具限制性的术语“是”相比优先使用此术语以便避免可与之组合使用的其他兼容材料、结构、特征和方法应当或必须被排除的任何暗示。
如本文所用，诸如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“上”、“下”等的任何关系术语为了清楚和方便地理解本公开和附图而使用，并且除非上下文另有明确说明，否则不暗示或取决于任何特定的偏好或顺序。例如，这些术语可以指在以常规方式设置在钻孔内时的钻地工具的元件的取向。此外，这些术语可指如附图所示时的钻地工具的元件的取向。
如本文所用，参考给定参数、特性或状况的术语“基本上”在某种程度上意味着并且包括本领域技术人员将理解以小差异程度(诸如在可接受的制造公差内)满足给定参数、特性或状况。作为示例，根据基本上满足的特定参数、特性或条件，该参数、特性或条件可为至少90.0％满足的，至少95.0％满足的，至少99.0％满足的，或甚至至少99.9％满足的。
如本文所用，关于给定参数使用的术语“约”包含所陈述的值并且具有由上下文决定的含义(例如，其包括与给定参数的测量相关联的误差度，以及由于制造公差导致的变化等)。
如本文所用，术语“切削轮廓”是指钻地工具的切削元件的轮廓的二维表示，其是通过使钻地工具的所有切削元件围绕钻地工具的中心纵向轴线旋转并旋转到工具主体的一半上的共用平面中来限定的。
如本文所用，术语“切削轮廓高度”是指在钻地工具主体的鼻部区域的底部与刀片的隔距区域的底部(即，肩部区域和隔距区域的界面)之间的轴向长度(例如，沿着钻地工具的轴向长度的长度)。
本公开的一些实施方案可包括钻地工具。钻地工具可包括多个刀片。多个刀片可包括第一多个切削元件，该第一多个切削元件沿多个刀片的旋转前导面固定到刀片。多个刀片中的至少一个刀片可包括凹坑，该凹坑在至少一个刀片的肩部区域内形成在至少一个刀片中。凹坑可容纳第二多个切削元件。此外，在一个或多个实施方案中，第二多个切削元件中的一个或多个切削元件可以跟随(例如，在钻地工具的旋转方向上跟随)设置在刀片的旋转前导面处的第一多个切削元件中的一个或多个切削元件。此外，凹坑内的第二多个切削元件中的至少一个切削元件的旋转路径(由钻地工具的旋转限定)可与设置在其中限定有凹坑的刀片的旋转前导面处的第一多个切削元件中的切削元件的旋转路径至少部分地重叠。
本公开的一个或多个实施方案可包括钻地工具，该钻地工具所具有的切削轮廓比具有类似数量的切削元件的钻地工具的切削轮廓相对更短。例如，钻地工具的切削轮廓高度与钻地工具的钻头直径的比率可在约0.15至约0.35的范围内。
图1是可利用本文所公开的装置和方法以钻削钻孔的钻井系统100的示例的示意图。图1示出了钻孔102，该钻孔包括其中安装有套管106的上区段104以及用钻杆柱110钻削的下区段108。钻杆柱110可包括管状构件112，该管状构件在其底端处承载钻井组件114。例如，管状构件112可通过接合钻管区段来构成或者其可以是一串盘绕管线。钻头116可附接到钻井组件114的底端以用于在地层118中钻削具有选定直径的钻孔102。
钻杆柱110可在表面122处延伸到钻机120。为了便于解释，所示的钻机120是陆上钻机120。然而，当海上钻机120用于在水下钻削钻孔时，本发明所公开的装置和方法同样适用。旋转台124或顶部驱动器可联接到钻杆柱110，并且可用于旋转钻杆柱110并旋转钻井组件114，并且从而旋转钻头116以钻削钻孔102。钻井电机126可设置在钻井组件114中以旋转钻头116。钻井电机126可单独使用以旋转钻头116或通过钻杆柱110叠加钻头116的旋转。钻机120还可包括常规装备，诸如在钻削钻孔102时将附加区段添加到管状构件112的机构。表面控制单元128(其可为基于计算机的单元)可放置在表面122处，以用于接收并处理钻头116中的传感器140和钻井组件114中的传感器140所传输的井下数据并且用于控制钻井组件114中的各种设备和传感器140的选定操作。传感器140可包括确定加速度、钻压、扭矩、压力、切削元件位置、穿透速率、倾斜度、方位角地层/岩性等的传感器140中的一个或多个传感器。在一些实施方案中，表面控制单元128可包括处理器130和用于存储数据、算法和计算机程序134的数据存储设备132(或计算机可读介质)。数据存储设备132可以是任何合适的设备，包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存存储器、磁带、硬盘和光盘。在钻井期间，来自其来源136的钻井流体可在压力下泵送穿过管状构件112，该钻井流体在钻头116的底部处排放并且经由钻杆柱110与钻孔102的侧壁138之间的环形空间(也被称为“环带”)返回到表面122。
钻井组件114还可包括一个或多个井下传感器140(由数字140共同指定)。传感器140可包括任何数量和类型的传感器140，包括但不限于通常称为随钻测量(MWD)传感器或随钻测井(LWD)传感器的传感器，以及提供与钻井组件114的行为(诸如钻头旋转(每分钟转数或“RPM”)、工具面、压力、振动、涡流、弯曲和粘滑)相关的信息的传感器140。钻井组件114还可包括控制器单元142，该控制器单元控制钻井组件114中的一个或多个设备和传感器140的操作。例如，控制器单元142可设置在钻头116内(例如，在钻头116的钻头主体的柄部208和/或冠部210内)。除了别的以外，控制器单元142可包括用以处理来自传感器140的信号的电路、用以处理数字化信号的处理器144(诸如微处理器)、数据存储设备146(诸如固态存储器)和计算机程序148。处理器144可处理数字化信号，并且控制井下设备和传感器140，并且经由双向遥测单元150与表面控制单元128传送数据信息。
图2A是根据本公开的一个或多个实施方案的可与图1的钻井组件114一起使用的钻地工具200的侧视图。图2B是图2A的钻地工具200的底视图。参见图2A和图2B，在一些实施方案中，钻地工具200可包括具有多个刀片的钻头。在附加的实施方案中，钻地工具200可包括具有呈牙轮形式的至少一个可旋转切削结构和多个刀片的钻头。例如，钻地工具200可以是混合钻头(例如，具有牙轮和刀片两者的钻头)。此外，钻地工具200可包括具有可旋转切削结构和/或刀片的任何其他合适钻头或钻地工具200，该可旋转切削结构和/或刀片用于在地层118中钻削和/或扩大钻孔102(图1)。
钻地工具200可包括主体202，该主体包括颈部206、柄部208和冠部210。在一些实施方案中，主体202的本体可由钢或陶瓷-金属复合材料构造，该陶瓷-金属复合材料包括在金属基质材料内烧结的硬质材料(例如，碳化钨)的颗粒。钻地工具200的主体202可具有限定中心纵向轴线205的轴向中心，该中心纵向轴线可与钻地工具200的旋转轴线大致重合。主体202的中心纵向轴线205可在下文中称为“轴向方向”的方向上延伸。
主体202能够连接到钻杆柱110(图1)。例如，主体202的颈部206可具有渐缩上端，该渐缩上端在其上具有螺纹以用于将钻地工具200连接到钻井组件114(图1)的箱体端。柄部208可包括在接头处固定地连接到冠部210的下直区段。在一些实施方案中，冠部210可包括多个刀片214。
钻地工具200的多个刀片214中的每个刀片214可包括固定到其的第一多个切削元件230。每个刀片214的多个切削元件230可靠近刀片214的旋转前导面232沿着刀片214的轮廓定位成行。在一些实施方案中，多个刀片214的第一多个切削元件230可包括PDC切削元件230。此外，多个刀片214的第一多个切削元件230可包括用于钻削和/或扩大钻孔的任何合适的切削元件构型和材料。
多个刀片214可从主体202的与颈部206相对的端部延伸，并且可在轴向方向和径向方向两者上延伸。每个刀片214可具有本领域已知的多个轮廓区域(锥部、鼻部、肩部、隔距)。
流体流道234可以形成在多个刀片214中的相邻刀片214之间，并且可以通过位于通道端部处的端口而被设置有钻井流体，该通道从内部流体增压室引导，该内部流体增压室从钻地工具200的上端处的管状柄部208延伸通过主体202。喷嘴238可固定在端口内以用于增强流体流的方向并控制钻井流体的流速。流体流道234延伸到废物狭槽240，该废物狭槽沿着钻地工具200的纵向侧在多个刀片214中的刀片214之间轴向延伸。
如将在下文中参照图3更详细地讨论，多个刀片214中的至少一个刀片可包括凹坑215，该凹坑在至少一个刀片的肩部区域内形成在至少一个刀片中。凹坑215可容纳第二多个切削元件231。此外，在一个或多个实施方案中，第二多个切削元件231中的一个或多个切削元件可以跟随(例如，在钻地工具的旋转方向上跟随)设置在刀片214的旋转前导面232处的第一多个切削元件230中的一个或多个切削元件。例如，在由设置在刀片214的旋转前导面232处的第一多个切削元件230以及形成在至少一个刀片中的凹坑215所容纳的第二多个切削元件231限定的钻地工具200的切削轮廓内，第二多个切削元件231中的至少一个切削元件231可与至少一个刀片214的第一多个切削元件230中的切削元件至少部分地重叠。例如，在一些实施方案中，第二多个切削元件231中的至少一个切削元件231的单个切削器轮廓的约60％至约100％可与至少一个刀片214的第一多个切削元件230中的切削元件的切削器轮廓重叠。在一些实施方案中，第二多个切削元件231中的至少一个切削元件231的单个切削器轮廓的约80％至约100％可与至少一个刀片214的第一多个切削元件230中的切削元件的切削器轮廓重叠。在另外的实施方案中，第二多个切削元件231中的至少一个切削元件231的单个切削器轮廓的约90％至约100％可与至少一个刀片214的第一多个切削元件230中的切削元件的切削器轮廓重叠。在又一些另外的实施方案中，第二多个切削元件231中的至少一个切削元件231的单个切削器轮廓的约95％至约100％可与至少一个刀片214的第一多个切削元件230中的切削元件的切削器轮廓重叠。参照图3和图6更详细地描述凹坑215和第二多个切削元件230、231。
图3是根据本公开的一个或多个实施方案的在钻地工具200的刀片214内形成的凹坑215的透视图。在一些实施方案中，凹坑215可在刀片214的肩部区域内从刀片214的旋转前导面232成角度地延伸到刀片214中。如本文所用，刀片214的肩部区域可包括落入一定角度内的刀片的一部分，该角度限定在延伸通过隔距区域和肩部区域的边界的水平轴线与刀片的肩部区域和鼻部区域之间的界面之间并且围绕钻地工具200的水平轴线和纵向轴线的交点。在一些实施方案中，角度可在约5°至约25°的范围内。例如，角度可以是约15°。此外，凹坑215可在与钻地工具200的旋转方向相反的方向上成角度地延伸到刀片214中。此外，凹坑可在刀片214的肩部区域内从刀片214的径向最外表面303径向向内(例如，朝向钻地工具200的中心纵向轴线205)延伸。
在一些实施方案中，凹坑215可包括背表面302和至少一个侧表面304。例如，凹坑215可从刀片214的旋转前导面232延伸并且可在凹坑215的背表面302处成角度地终止。此外，凹坑215可从刀片214的径向最外表面303径向向内延伸，并且可在至少一个侧表面304处径向终止。在一个或多个实施方案中，至少一个侧表面304可包括从刀片214的旋转前导面232延伸到凹坑215的背表面302的两个侧表面。此外，两个侧表面可在其间限定小于180°的角度。例如，两个侧表面可在其间限定约150°的角度。无论如何，凹坑215的背表面302和至少一个侧表面304可暴露于围绕钻地工具200的环境。换句话讲，凹坑215可以是开放的。
在一个或多个实施方案中，至少一个侧面304的表面可与刀片的旋转前导面232限定约45°至约60°的角度。此外，背表面302可与刀片214的旋转前导面232限定约30°至约50°的角度。例如，背表面302可与刀片214的旋转前导面232限定约40°的角度。
在一些实施方案中，凹坑215可围绕钻地工具200的中心纵向轴线205(图2B)成角度地(即，围绕纵向轴线成角度地)延伸约15°至约25°。换句话讲，在从钻地工具200的中心纵向轴线205(图2B)并沿着刀片214的旋转前导面232延伸的平面，与从钻地工具200的中心纵向轴线205(图2B)延伸到凹坑的侧表面304和背表面302之间的界面的平面之间的角度可为约15°至约25°。再换句话讲，凹坑215的侧表面304和背表面302的界面可沿着钻地工具200的旋转方向以约15°至约25°跟随刀片214的旋转前导面232。
在一些实施方案中，凹坑215的一部分可沿着在钻地工具200的旋转期间由至少一个切削元件230限定的旋转路径，至少部分地在沿刀片214的旋转前导面232设置的第一多个切削元件230中的至少一个切削元件230后面延伸。此外，如上文结合图2A和图2B所述，凹坑215可容纳第二多个切削元件231。此外，凹坑215内的第二多个切削元件231中的至少一个切削元件231的旋转路径(由钻地工具的旋转限定)可与设置在其中限定有凹坑215的刀片214的旋转前导面232处的第一多个切削元件230中的切削元件230的旋转路径至少部分地重叠。例如，至少一个切削元件231的旋转路径可能以上述量中的任何量与切削元件230的旋转路径重叠。换句话讲，在钻地工具200的完整旋转期间由第一多个切削元件230和第二多个切削元件231限定的钻地工具200的切削轮廓内，凹坑215所容纳的至少一个切削元件231可与设置在其内形成有凹坑215的刀片214的旋转前导面232处的切削元件230至少部分地重叠。第二多个切削元件231中的与第一多个切削元件230中的切削元件重叠的切削元件231在下文中被称为“阴影切削元件233”。在一些实施方案中，钻地工具200可在单个刀片214的单个凹坑215内包括两个或更多个阴影切削元件233。
在一些实施方案中，设置在凹坑215内的第二多个切削元件231中的至少一个切削元件231可设置在刀片214的肩部区域内，并且第二多个切削元件231中的至少一个其他切削元件231可设置在刀片214的隔距区域内。此外，在一个或多个实施方案中，第二多个切削元件231的切削面可至少基本上平行于凹坑215的背表面302。例如，背表面302(例如，背表面302相对于刀片214的旋转前导面232的角度)可基于容纳在凹坑215内的第二多个切削元件231的切削面的倾角来确定(例如，形成)。在一些实施方案中，凹坑215内的第二多个切削元件231可具有在约30°至约50°范围内的后倾角。例如，凹坑215内的第二多个切削元件231可具有约40°的后倾角。沿着刀片214的旋转前导面232设置的第一多个切削元件230可具有在约25°至约35°范围内的后倾角。例如，沿着刀片214的旋转前导面232设置的第一多个切削元件230可具有约30°的后倾角。
参见图2A至图3一起，在一个或多个实施方案中，钻地工具200可在钻地工具200的多个刀片214中的每个刀片中包括凹坑215(如上所述)。另外地，在一些实施方案中，钻地工具200可包括形成在两个或更多个刀片214中的凹坑215。在一些情况下，钻地工具200可包括形成在两个、三个、四个、五个或六个连续刀片214中的凹坑215。在另外的实施方案中，钻地工具200可包括形成在钻地工具200的总共六个刀片214中的三个连续刀片214中的凹坑215。例如，钻地工具200可包括形成在三个连续(并排式)刀片214中的凹坑215，该连续刀片具有设置在刀片214的肩部区域内的第一多个切削元件230中的最上(例如，轴向最上)切削元件230。在附加的实施方案中，钻地工具200可包括形成在钻地工具200的交替刀片214(例如，每隔一个刀片214)中的凹坑215。如下文参照图5和图6更详细地讨论，如本文所述，凹坑215可使得钻地工具200能够在钻地工具200的肩部区域内包括更多数量的切削元件，同时维持相对较短的切削轮廓高度以在不牺牲耐久性的情况下维持定向钻井的稳定性和方向响应性。
图4示出了根据本公开的另一个实施方案的形成在钻地工具200的刀片214中的凹坑215。例如，凹坑215可包括上文参照图2A至图3所述的凹坑215中的任一者；然而，凹坑215可包括延伸通过钻头主体并与凹坑215的至少一部分相交的至少一个端口402，并且喷嘴238可固定在至少一个端口402内以用于增强对流体流的引导并控制钻井流体的流速。
鉴于上述情况，具有延伸通过钻头主体并与刀片214的凹坑215相交的端口可在钻地工具200的刀片214的肩部区域内改善钻地工具200的液压和冷却。在刀片214的肩部区域内具有改善的液压和冷却可改善刀片214的肩部区域中的切削元件的耐久性，这可导致增加的寿命和成本节省。
图5示出了根据本公开的实施方案的钻地工具200(图2A)的刀片214的轮廓500的一部分的简化示意图。轮廓500可包括锥部线502、鼻部弧504、肩部弧506和隔距线508。如本领域的普通技术人员将会理解，锥部线502可延伸通过刀片214的锥部区域，鼻部弧504可延伸通过刀片214的整个鼻部区域，肩部弧506可延伸通过刀片214的肩部区域，并且隔距线508可沿着刀片214的隔距区域延伸。
如图5所示，由钻地工具200的刀片214的切削元件限定的切削轮廓510的切削轮廓高度可包括刀片214的鼻部弧504的底部与刀片214的隔距线508的底部(即，肩部弧506和隔距线508的界面)之间的轴向长度(例如，沿着钻地工具200的轴向长度的长度)。
在一些实施方案中，钻地工具200(图2B)的切削轮廓高度与钻地工具200(图2B)的钻头直径的比率可在约0.15至约0.35的范围内。在一些实施方案中，钻地工具的切削轮廓高度与钻地工具的直径的比率大于约0.15。例如，比率可在约0.15至0.25的范围内。作为非限制性示例，比率可为约0.18。作为非限制性示例，在一些实施方案中，切削轮廓高度可为约1.56英寸(3.96cm)，并且钻头直径可为约8.5英寸(21.59cm)。
图6示出了根据本公开的一个或多个实施方案的由钻地工具200(图2A)的多个刀片214(图2A)的第一多个切削元件230和第二多个切削元件231(图2A)限定的切削轮廓600的示意图。参见图2B和图6一起，出于本公开的目的，图2B中描绘的钻地工具200的多个刀片214将被编号并参考这些数字进行描述以便有助于描述钻地工具200的某些方面。例如，钻地工具200可包括六个编号的刀片。
参考图2B，编号为1的刀片可被取向在大致3:00点钟位置。围绕钻地工具200顺时针移动，编号为2的刀片可包括与编号为1的刀片旋转相邻的下一个刀片。另外地，编号为3的刀片可包括顺时针方向上的下一个旋转相邻刀片。此外，编号为4的刀片可包括顺时针方向上的下一个旋转相邻刀片。同样，编号为5的刀片可包括顺时针方向上的下一个旋转相邻刀片。编号为6的刀片可包括顺时针方向上的下一个旋转相邻刀片。
如图2B、图3和图6中表示的，阴影切削元件233可设置在钻地工具200的总共六个刀片214中的三个刀片214的凹坑215内。此外，在一些实施方案中，阴影切削元件233可设置成相对切缝构型(例如，设置在与相对刀片上的切削元件相同的径向位置)。例如，如图6所示并且参考图2B，编号为37的阴影切削元件可设置在编号为1的刀片的凹坑内，并且可与编号为4的刀片的肩部区域的编号为38的切削元件设置成相对切缝构型。此外，编号为35的阴影切削元件可设置在编号为2的刀片的凹坑内，并且可与编号为5的刀片的肩部区域的编号为36的切削元件设置成相对切缝构型。此外，编号为32的阴影切削元件可设置在编号为3的刀片的凹坑内，并且可与编号为6的刀片的肩部区域的编号为33的切削元件设置成相对切缝构型。在另选实施方案中，阴影切削元件233可设置成非相对切缝构型。此外，阴影切削元件233可以是磨削的或未磨削的，如本领域的普通技术人员将理解的。
鉴于上述情况，如本文所述，凹坑215提供优于常规钻地工具的优点。例如，与具有较长(例如，较高)切削轮廓的钻地工具相比，本公开的钻地工具200可通过增加切削元件密度来增加肩部耐久性，而不牺牲方向控制、积聚速率潜能和振动水平。例如，本公开的钻地工具200增加相对较短轮廓的钻地工具的稳定性和方向响应性，同时改善肩部区域耐久性。此外，当根据可调整启动子(“AKO”)钻井时，本公开的钻地工具200通过减少钻头主体摩擦来提高钻井效率。例如，本公开的钻地工具200使得钻地工具200能够在侧壁中以更高的渗透率(“ROP”)钻井。
此外，本公开的钻地工具200可对于每单位切削轮廓高度包括更高数量的面切削元件，如上所定义。如本文所用，术语“面切削元件”是指设置在刀片的前导边缘和/或凹坑上的切削元件，并且不是指设置在刀片的隔距区域内的切削元件。例如，与对于每英寸切削轮廓高度包括约15个切削元件的常规较长轮廓钻地工具相比，本公开的钻地工具200可对于每英寸切削轮廓高度包括约18个至20个面切削元件。例如，本公开的钻地工具200可对于每英寸切削轮廓高度包括约18个切削元件。如本领域的普通技术人员将理解，本文所述的凹坑215可使得钻地工具200与常规钻地工具相比能够具有更高的切削元件密度，这导致改善的耐久性而不牺牲稳定性或方向响应性。此外，切削元件的数量可根据切削元件尺寸、钻头尺寸等而变化。
图7为曲线图700，示出了具有相对较短切削轮廓的钻地工具(例如，钻地工具200)的切削元件的工作速率(W)，以及在新状态下对中心进行钻井并且具有相对较高切削轮廓的常规钻地工具的切削元件的工作速率的比较。如曲线图700所示，相关切削元件的工作率基本上相同。因此，本公开的钻地工具的性能与具有较高切削轮廓的钻地工具的性能在工作速率方面基本相同，但其具有改善的稳定性、改善的方向响应性、减小的振动和更好的累积速率潜能。因此，本公开的钻地工具可节省成本并且实现更耐用的钻地工具。
参见图2A和图7一起，在一些实施方案中，钻地工具200可包括沿着钻地工具的半径与钻地工具的中心纵向轴线相距0至1英寸(2.54cm)的四个切削元件。另外地，钻地工具200可包括沿着钻地工具的半径与钻地工具的中心纵向轴线相距1英寸(2.54cm)和2英寸(5.08cm)之间的四个面切削元件，该面切削元件在新状态下对中心执行钻井作业。此外，钻地工具200可包括沿着钻地工具的半径与钻地工具的中心纵向轴线相距2英寸(5.08cm)和3英寸(7.62cm)之间的七个切削元件，该切削元件在新状态下对中心执行钻井作业。此外，钻地工具200可包括沿着钻地工具的半径与钻地工具的中心纵向轴线相距3英寸(7.62cm)和4英寸(10.16cm)之间的十二个切削元件，该切削元件在新状态下对中心执行钻井作业。而且，钻地工具可包括沿着钻地工具的半径与钻地工具的中心纵向轴线相距4英寸(10.16cm)和4.5英寸(11.43cm)之间的约7个切削元件，该切削元件在新状态下对中心执行钻井作业。
本公开还包括以下实施方案：
实施方案1.一种钻地工具，包括：主体，该主体包括多个刀片，该多个刀片中的每个刀片相对于主体的中心纵向轴线轴向和径向延伸，该多个刀片中的至少一个刀片具有凹坑，该凹坑在至少一个刀片的至少肩部区域中从至少一个刀片的旋转前导面延伸到至少一个刀片中；第一多个切削元件，该第一多个切削元件沿着多个刀片的旋转前导面固定；和第二多个切削元件，该第二多个切削元件靠近至少一个凹坑的背表面固定到多个刀片中的至少一个刀片，其中钻地工具的切削轮廓高度与钻地工具的直径的比率在约0.15至约0.25的范围内。
实施方案2.根据实施方案1所述的钻地工具，其中钻地工具具有约8.75英寸(22.225cm)的标距直径，并且包括与钻地工具的中心纵向轴线相距4.0英寸(10.16cm)和4.5英寸(11.43cm)之间的至少7个切削元件。
实施方案3.根据实施方案1和2所述的钻地工具，其中凹坑包括至少一个侧表面，该至少一个侧表面从至少一个刀片的旋转前导面延伸到至少一个凹坑的背表面。
实施方案4.根据实施方案3所述的钻地工具，其中第二多个切削元件的切削面至少基本上平行于凹坑的背表面。
实施方案5.根据实施方案1至4所述的钻地工具，其中多个刀片中的至少一个刀片包括两个或更多个刀片，并且该两个或更多个刀片并排定位，或者与多个刀片中的缺少凹坑的其他刀片交替定位。
实施方案6.根据实施方案1至5所述的钻地工具，其中凹坑分别成角度地延伸到刀片中的两个或更多个刀片中的每个刀片中，从旋转前导面延伸到两个或更多个刀片中的每个刀片的至少肩部区域。
实施方案7.根据实施方案1至6所述的钻地工具，其中第二多个切削元件中的至少一个切削元件与设置在钻地工具的相对刀片的肩部区域内的至少一个切削元件以相对切缝构型取向。
实施方案8.根据实施方案1至7所述的钻地工具，其中切削轮廓高度与钻地工具的直径的比率为约0.18。
实施方案9.一种钻地工具，包括：主体，该主体包括多个刀片，该多个刀片中的每个刀片相对于主体的中心纵向轴线轴向和径向延伸，该多个刀片中的至少一个刀片具有凹坑，该凹坑在至少一个刀片的至少肩部区域中从至少一个刀片的旋转前导面延伸到至少一个刀片中；第一多个切削元件，该第一多个切削元件沿着多个刀片的旋转前导面固定；以及第二多个切削元件，该第二多个切削元件靠近至少一个凹坑的背表面固定到多个刀片中的至少一个刀片；其中第二多个切削元件中的由钻地工具的完整旋转限定的至少一个切削元件的旋转路径与第一多个切削元件中的至少一个切削元件的另一个旋转路径至少部分地重叠。
实施方案10.根据实施方案9所述的钻地工具，其中第二多个切削元件中的至少一个切削元件和第一多个切削元件中的至少一个切削元件设置在多个刀片中的相同刀片上。
实施方案11.根据实施方案9和10所述的钻地工具，其中钻地工具的切削轮廓高度与钻地工具的直径的比率在约0.15至约0.25的范围内。
实施方案12.根据实施方案9至11所述的钻地工具，其中凹坑包括至少一个侧表面，该至少一个侧表面从至少一个刀片的旋转前导面延伸到至少一个凹坑的背表面。
实施方案13.根据实施方案12所述的钻地工具，其中第二多个切削元件的切削面至少基本上平行于凹坑的背表面。
实施方案14.根据实施方案9至13所述的钻地工具，其中第二多个切削元件中的至少两个切削元件的旋转路径与第一多个切削元件中的至少两个切削元件的相应旋转路径至少部分地重叠。
实施方案15.根据实施方案9至14所述的钻地工具，还包括：端口，该端口延伸通过钻头主体并与凹坑相交；以及喷嘴，该喷嘴固定在端口内。
实施方案16.根据实施方案9至15所述的钻地工具，其中第二多个切削元件中的每个切削元件具有至少约30°的后倾角。
实施方案17.根据实施方案9至16所述的钻地工具，其中多个刀片中的至少一个刀片包括两个或更多个刀片，并且该两个或更多个刀片并排定位，或者与多个刀片中的缺少凹坑的其他刀片交替定位。
实施方案18.一种形成钻地工具的方法，包括：形成钻地工具的主体，该主体包括多个刀片并且在多个刀片中的至少一个刀片中具有至少一个凹坑，该至少一个凹坑在至少一个刀片的肩部区域内从至少一个刀片的旋转前导面延伸该至少一个刀片中；沿着多个刀片的旋转前导面固定第一多个切削元件；以及靠近至少一个凹坑的背表面将第二多个切削元件固定到至少一个刀片，其中固定第一多个切削元件和第二多个切削元件还包括定位第二多个切削元件中的至少一个切削元件和第一多个切削元件中的至少一个切削元件，使得第二多个切削元件中的由钻地工具的完整旋转限定的至少一个切削元件的旋转路径与第一多个切削元件中的至少一个切削元件的另一个旋转路径至少部分地重叠。
实施方案19.根据实施方案18所述的方法，其中形成钻地工具的主体还包括将主体形成为具有切削轮廓高度，其中钻地工具的切削轮廓高度与钻地工具的直径的比率在约0.15至约0.25的范围内。
实施方案20.根据实施方案18和19所述的方法，还包括将第二多个切削元件中的至少一个切削元件固定为与设置在相对刀片的肩部区域内的至少一个切削元件成相对切缝构型。
实施方案21：一种钻地工具，包括：主体，该主体包括多个刀片，该多个刀片中的每个刀片相对于主体的中心纵向轴线轴向和径向延伸，该多个刀片中的至少一个刀片具有凹坑，该凹坑在至少一个刀片的至少肩部区域中从至少一个刀片的旋转前导面延伸到至少一个刀片中；第一多个切削元件，该第一多个切削元件沿着多个刀片的旋转前导面固定；和第二多个切削元件，该第二多个切削元件靠近至少一个凹坑的背表面固定到多个刀片中的至少一个刀片，其中钻地工具的切削轮廓高度与钻地工具的直径的比率在约0.15至约0.25的范围内。
实施方案22.根据实施方案21所述的钻地工具，其中钻地工具具有约8.75英寸(22.225cm)的标距直径，并且包括与钻地工具的中心纵向轴线相距4.0英寸(10.16cm)至4.5英寸(11.43cm)之间的至少7个切削元件。
实施方案23.根据实施方案21和22所述的钻地工具，其中凹坑包括至少一个侧表面，该至少一个侧表面从至少一个刀片的旋转前导面延伸到至少一个凹坑的背表面。
实施方案24.根据实施方案23所述的钻地工具，其中第二多个切削元件的切削面至少基本上平行于凹坑的背表面。
实施方案25.根据实施方案21至24所述的钻地工具，其中多个刀片中的至少一个刀片包括两个或更多个刀片，并且该两个或更多个刀片并排定位，或者与多个刀片中的缺少凹坑的其他刀片交替定位。
实施方案26.根据实施方案21至25所述的钻地工具，其中凹坑分别成角度地延伸到刀片中的两个或更多个刀片中的每个刀片中，从旋转前导面延伸到两个或更多个刀片中的每个刀片的至少肩部区域。
实施方案27.根据实施方案21至26所述的钻地工具，其中第二多个切削元件中的至少一个切削元件与设置在钻地工具的相对刀片的肩部区域内的至少一个切削元件以相对切缝构型取向。
实施方案28.根据实施方案21至27所述的钻地工具，其中切削轮廓高度与钻地工具的直径的比率为约0.18。
实施方案29.根据实施方案21至28所述的钻地工具，其中第二多个切削元件中的由钻地工具的完整旋转限定的至少一个切削元件的旋转路径与第一多个切削元件中的至少一个切削元件的另一个旋转路径至少部分地重叠。
实施方案30.根据实施方案29所述的钻地工具，其中第二多个切削元件中的至少一个切削元件和第一多个切削元件中的至少一个切削元件设置在多个刀片中的相同刀片上。
实施方案31.根据实施方案29所述的钻地工具，其中钻地工具的切削轮廓高度与钻地工具的直径的比率在约0.15至约0.25的范围内。
实施方案32.根据实施方案29所述的钻地工具，其中凹坑包括至少一个侧表面，该至少一个侧表面从至少一个刀片的旋转前导面延伸到至少一个凹坑的背表面。
上文所述和附图所示的本公开的实施方案并不限制本公开的范围，本公开的范围由所附权利要求及其法律等同物的范围涵盖。任何等效实施方案都落在本公开的范围内。实际上，根据描述，本文示出和描述的那些修改之外的本公开的各种修改(诸如所描述的元件的替代有用组合)对于本领域技术人员来说将变得显而易见。此类修改和实施方案也落入所附权利要求和等同物的范围内。

Claims (14)

1.一种钻地工具，所述钻地工具包括：
主体，所述主体包括多个刀片，所述多个刀片中的每个刀片相对于所述主体的中心纵向轴线轴向和径向延伸，所述多个刀片中的至少一个刀片具有凹坑，所述凹坑在所述至少一个刀片的至少肩部区域中从所述至少一个刀片的旋转前导面延伸到所述至少一个刀片中，其中所述凹坑包括背表面和至少一个侧表面，所述至少一个侧表面从所述至少一个刀片的所述旋转前导面延伸到所述凹坑的所述背表面，并且所述凹坑从所述至少一个刀片的径向最外表面径向向内延伸且径向地终止于所述至少一个侧表面；
第一多个切削元件，所述第一多个切削元件沿着所述多个刀片的旋转前导面固定；和
第二多个切削元件，所述第二多个切削元件固定到所述多个刀片中的所述至少一个刀片，并且所述第二多个切削元件从所述凹坑的所述背表面延伸并穿过所述背表面，
其中所述钻地工具的切削轮廓高度与所述钻地工具的直径的比率在约0.15至约0.25的范围内。
2.根据权利要求1所述的钻地工具，其中所述钻地工具具有约8.75英寸(22.225cm)的标距直径，并且包括与所述钻地工具的所述中心纵向轴线相距4.0英寸(10.16cm)和4.5英寸(11.43cm)之间的至少7个切削元件。
3.根据权利要求1所述的钻地工具，其中所述第二多个切削元件的切削面至少基本上平行于所述凹坑的所述背表面。
4.根据权利要求1所述的钻地工具，其中所述多个刀片中的所述至少一个刀片包括两个或更多个刀片，并且所述两个或更多个刀片并排定位，或者与所述多个刀片中的缺少凹坑的其他刀片交替定位。
5.根据权利要求1所述的钻地工具，其中凹坑分别成角度地延伸到所述刀片中的两个或更多个刀片中的每个刀片中，从旋转前导面延伸到所述两个或更多个刀片中的每个刀片的至少肩部区域。
6.根据权利要求1所述的钻地工具，其中所述第二多个切削元件中的至少一个切削元件与设置在所述钻地工具的相对刀片的肩部区域内的至少一个切削元件以相对切缝构型取向。
7.根据权利要求1所述的钻地工具，其中所述切削轮廓高度与所述钻地工具的所述直径的所述比率为约0.18。
8.根据权利要求1所述的钻地工具，其中所述第二多个切削元件中的由所述钻地工具的完整旋转限定的至少一个切削元件的旋转路径与所述第一多个切削元件中的至少一个切削元件的另一个旋转路径至少部分地重叠。
9.根据权利要求8所述的钻地工具，其中所述第二多个切削元件中的所述至少一个切削元件和所述第一多个切削元件中的所述至少一个切削元件设置在所述多个刀片中的相同刀片上。
10.根据权利要求8所述的钻地工具，其中所述钻地工具的切削轮廓高度与所述钻地工具的直径的比率在约0.15至约0.25的范围内。
11.根据权利要求8所述的钻地工具，其中所述凹坑包括至少一个侧表面，所述至少一个侧表面从所述至少一个刀片的所述旋转前导面延伸到所述至少一个凹坑的所述背表面。
12.一种形成钻地工具的方法，包括：
形成钻地工具的主体，所述钻地工具的主体包括多个刀片并且在所述多个刀片中的至少一个刀片中具有至少一个凹坑，所述至少一个凹坑在所述至少一个刀片的肩部区域内从所述至少一个刀片的旋转前导面延伸到所述至少一个刀片中，其中所述凹坑包括背表面和至少一个侧表面，所述至少一个侧表面从所述至少一个刀片的所述旋转前导面延伸到所述至少一个凹坑的所述背表面，并且所述凹坑从所述至少一个刀片的径向最外表面径向向内延伸且径向地终止于所述至少一个侧表面；
沿着所述多个刀片的旋转前导面固定第一多个切削元件；以及
将第二多个切削元件固定到所述至少一个刀片，所述第二多个切削元件从所述凹坑的所述背表面延伸并穿过所述背表面，
其中固定第一多个切削元件和第二多个切削元件还包括定位所述第二多个切削元件中的至少一个切削元件和所述第一多个切削元件中的至少一个切削元件，使得所述第二多个切削元件中的由所述钻地工具的完整旋转限定的所述至少一个切削元件的旋转路径与所述第一多个切削元件中的所述至少一个切削元件的另一个旋转路径至少部分地重叠。
13.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述钻地工具的所述主体还包括将所述主体形成为具有切削轮廓高度，其中所述钻地工具的所述切削轮廓高度与所述钻地工具的直径的比率在约0.15至约0.25的范围内。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括将所述第二多个切削元件中的至少一个切削元件固定为与设置在相对刀片的肩部区域内的至少一个切削元件成相对切缝构型。
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