CN112714819A - 具有用于减少钻头游动的选择性定制的保径区域的钻地工具以及利用该钻地工具的钻探方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种钻头，该钻头包括：钻头体，该钻头体具有纵向轴线；以及刀片，该刀片沿着面区域从纵向轴线径向向外延伸并且沿着保径区域轴向延伸。该保径区域包括：保径特征；以及第一凹陷区域和第二凹陷区域，该第一凹陷区域和该第二凹陷区域分别在保径特征的上方和下方轴向延伸。保径特征的最外表面径向延伸超过刀片在凹陷区域中的外表面。一种钻探钻孔的方法包括：使钻头围绕纵向轴线旋转；使地层与安装到面区域的切削元件接合；以及增大基本上垂直于纵向轴线施加的侧向力，使得保径区域中的径向外表面接合地层并且使得钻头表现出的侧切削最初最小且基本上恒定并且随后随着侧向力的增大而以基本上线性的方式增大。

Description

具有用于减少钻头游动的选择性定制的保径区域的钻地工具 以及利用该钻地工具的钻探方法
优先权声明
根据35U.S.C.§119(e)，本专利申请要求2017年9月29日提交的美国临时专利申请序列号62/565,375的权益，该专利的公开内容据此全文以引用方式并入本文。本专利申请的主题也涉及与其在同一日期提交的标题为“Earth-boring Tools Having a GaugeRegion Configured for Reduced Bit Walk and Method ofDrilling with Same(具有被配置用于减少钻头游动的保径区域的钻地工具以及利用该钻地工具的钻探方法)”的美国申请_______(代理人案卷号1684-14412US)的主题。本专利申请的主题进一步涉及与其在同一日期提交的标题为“Earth-Boring Tools Having a Gauge Insert Configured forReduced Bit Walk and Method of Drilling with Same(具有被配置用于减少钻头游动的保径插件的钻地工具以及利用该钻地工具的钻探方法)”的美国申请序列号________(代理人案卷号1684-P14415US)的主题。
技术领域
在各种实施方案中，本公开整体涉及具有径向延伸的刀片和轴向延伸的刀片的钻地工具诸如钻头。刀片在钻头的保径区域中的外表面的形状和外形被配置为在钻探钻孔的基本上笔直部分时限制钻头的侧切削，而在钻探钻孔的弯曲(例如，偏斜)部分时不限制钻头的侧切削。
背景技术
旋转钻头通常用于在地层中钻探钻孔或井筒。一种类型的旋转钻头为固定刀具钻头(通常称为“刮刀”钻头)。图1是此常规固定刀具钻头10的示意性剖视图。钻头10通常包括固定到钻头体12的面区域11的多个切削元件(未示出)。一般来讲，钻头10的切削元件具有盘形或基本上圆柱形的形状。可在每个切削元件的基本上圆形端面上设置切削表面，该切削表面包括超硬磨料，诸如相互粘结的金刚石颗粒。此类切削元件通常被称为“多晶金刚石复合片”(PDC)切削元件。通常，切削元件与钻头体12分开制造并且固定在形成于钻头体12的外表面16中的凹坑14内。可使用诸如粘合剂或(更典型地)钎焊合金的粘结材料来将切削元件固定到钻头体12。可将钻头10置于钻孔中，使得切削元件邻近待钻探的地层。随着钻头10的旋转，切削元件刮擦并剪切下伏地层的表面。
通常将钻头10的钻头体12固定到硬化钢柄部18，该硬化钢柄部具有美国石油学会(API)螺纹连接，以用于将钻头10附接到钻柱。钻柱包括管状管段和设备段，这些段端对端地联接在钻头与地面上的其他钻探设备之间。可使用诸如旋转台或顶驱的设备来使钻柱和钻头10在钻孔内旋转。另选地，钻头18的柄部10可直接联接到井下马达的驱动轴，该井下马达随后可用于使钻头10单独地或与旋转台或顶驱一起旋转。
钻头10的钻头体12可由钢形成。另选地，钻头体12可由颗粒-基质复合材料形成。通常通过将钢坯嵌入碳化物颗粒材料体积(诸如碳化钨(WC)颗粒)中并用液态金属材料(通常称为“粘结剂”材料)诸如铜合金渗入颗粒碳化物材料中以提供基本上由颗粒-基质复合材料形成的钻头体来形成此类钻头体。具有由此颗粒-基质复合材料形成的钻头体的钻头相对于具有钢钻头体的钻头可表现出增大的抗蚀性和耐磨性。
钻探地层的过程可视化为三维过程，因为钻头10不仅可沿着竖直轴线线性地穿透地层，而且可有意地或无意地沿着弯曲路径钻探或者相对于理论竖直轴线成角度钻探以及相对于理论竖直轴线沿特定侧向方向钻探，该理论竖直轴线沿基本上平行于地球重力场的方向延伸到地层中。如本文所用，术语“定向钻探”是指以下两个过程：将钻头沿着某个期望轨迹穿过地层引导到预定目标位置以形成钻孔；以及将钻头沿着预定义轨迹在除沿基本上平行于地球重力场的方向直接向下进入地层之外的方向引导到已知目标或未知目标。
已开发出用于定向钻探的若干方法。例如，容积(Moineau)式马达以及涡轮已与偏转装置(诸如弯壳体、弯接头、偏心稳定器以及它们的组合)结合使用，以在钻头10仅由马达驱动轴旋转时实现取向的非线性钻探，以及在钻头10通过马达轴和钻柱的叠加旋转而旋转时实现线性钻探。
其他可导向井底钻具组合件是已知的，包括其中可通过一个或多个接触焊盘或构件相对于钻孔壁的选择性侧向延伸和回缩来改变钻柱的挠曲或取向的井底钻具组合件。一种这样的系统为本发明的受让人贝克休斯公司(通用电气公司)(Baker Hughes，a GEcompany，LLC)的INTEQ操作单元开发AutoTrakTM钻探系统。AutoTrakTM钻探系统的井底钻具组合件采用非旋转套筒，旋转驱动轴延伸穿过该非旋转套筒以驱动钻头10，因此套筒与钻柱旋转分离。套筒在其外部承载可单独控制的、可膨胀的、周向间隔开的转向肋，由肋施加在套筒上的侧向力由活塞控制，这些活塞通过容纳在贮存器内的液压流体操作，该贮存器定位在套筒内。闭环电子器件测量套筒的相对位置并且基本上连续地调整每个转向肋的位置，以便在钻头处沿期望方向提供稳定的侧向力。此外，可导向井底钻具组合件包括在钻头10和马达之间放置弯的可调造斜(AKO)接头。在其他情况下，可省略AKO，并且可向钻柱/钻头施加侧向载荷(例如，侧向力)，以致使钻头10随着其向下降而侧向行进。
定向钻探和偏斜控制的过程由于钻头10与钻孔周围的地层壁之间的力的复杂相互作用而变得复杂。在用旋转钻头，特别是用固定刀具型旋转钻头10钻探时，已知的是如果向钻头10施加了侧向力(箭头28所示)，则钻头10可能会从与钻孔的预期纵向轴线平行的笔直路径“游动”或“漂移”。许多因素或变量可至少部分地有助于由周围地层向钻头10施加反作用力和扭矩。此类因素和变量可包括例如：“钻压”(WOB)；钻头的旋转速度；正钻探的地层的物理特性和特征；钻探液的流体动力学；钻头10安装到其上的井底钻具组合件(BHA)的长度和构造；以及钻头的各种设计因素，包括切削元件尺寸、径向放置、后倾角(或前倾角)、侧倾角等。
当向钻头10施加了侧向力28以使钻头10转向或引导钻头远离钻孔的基本上竖直部分的线性路径时，定位在钻头10的保径区域20中的保径焊盘22可接合钻孔侧壁并移除地层材料。钻头10切削钻孔侧壁(而不是钻孔底部)的能力在本领域中被称为“侧切削”。游动或漂移的量可取决于相对于预期侧切削速率，钻头10侧切削钻孔侧壁的速率。钻头10的保径区域20还可包括邻近保径焊盘22的凹陷区域24。通过在保径区域20的顶部(例如，邻近柄部18并且在钻头10的面区域11的远侧)提供凹陷区域24，可减少保径区域20与地层之间的接触量，这使得钻头10能够在较短的距离内从钻孔的竖直部分向基本上水平部分偏斜。如图1所示，凹陷区域24内的保径区域20的外表面26可相对于保径区域20的外表面26沿着保径焊盘22凹陷约0.03英寸(0.0762cm)。
图2为线30的曲线图，其示出了随施加到钻头10的侧向力28的增大而变化的钻头10的侧切削量。如图2所示，在低侧向力(诸如小于约500磅(226.7kg)的侧向力)的情况下，侧切削量随侧向力的增大而迅速增大。因此，线30的该区域在本文可被称为“敏感区域”，因为钻头10对侧向力的最小施加高度响应(例如，高度敏感)。在适度侧向力(诸如大于500磅(226.7kg)且最多约1500磅(680.2kg)的侧向力)的情况下，侧切削量比在敏感区域中以更低的速率增大。线30的该区域在本文可被称为“线性区域”，因为侧切削量随侧向力的增大而以基本上恒定的线性方式增大。在高侧向力(诸如大于约1500磅(680.2kg)的侧向力)的情况下，钻头的侧切削能力最大并且用于增大侧向力的侧切削量达到稳定水平或封顶。因此，线30的该区域在本文可被称为“封顶区域”。
发明内容
在一些实施方案中，一种用于移除钻孔中的地下地层材料的钻头包括：钻头体，该钻头体包括纵向轴线；以及刀片，该刀片沿着钻头体的面区域从纵向轴线径向向外延伸并且沿着钻头体的保径区域轴向延伸。保径特征在保径区域中设置在刀片上。第一凹陷区域在保径特征的上方轴向延伸，并且第二凹陷区域在保径特征的下方轴向延伸。保径特征的最外表面径向延伸超过刀片在第一凹陷区域和第二凹陷区域中的外表面。
在其他实施方案中，一种用于移除钻孔中的地下地层材料的钻头包括：钻头体，该钻头体包括纵向轴线；以及刀片，该刀片沿着钻头体的面区域从纵向轴线径向向外延伸并且沿着钻头体的保径区域轴向延伸。保径特征在保径区域中邻近钻头体的冠部倒角设置在刀片上。保径特征包括保径区域的最外表面，该最外表面径向延伸超过保径区域的剩余外表面。保径区域的剩余外表面在保径特征和邻近钻头体的面区域设置在保径区域中的保径调整器之间延伸。
在另外的实施方案中，一种用于移除钻孔中的地下地层材料的钻头包括：钻头体，该钻头体包括纵向轴线；以及刀片，该刀片沿着钻头体的面区域从纵向轴线径向向外延伸并且沿着钻头体的保径区域轴向延伸。保径特征在保径区域中以及在保径特征的下方轴向延伸的凹陷区域中设置在刀片上。保径特征的最外表面径向延伸超过刀片在凹陷区域中的外表面。保径特征的最外表面和刀片在凹陷区域中的外表面中的至少一个相对于钻头的外径径向凹陷。
在又其他实施方案中，一种在地下地层中钻探钻孔的方法包括：使钻头围绕其纵向轴线旋转；使地下地层与安装到钻头的面的多个切削元件接合；以及增大沿基本上垂直于纵向轴线的方向施加在钻头上的侧向力，使得刀片在钻头的保径区域中的径向外表面接合地下地层并且使得钻头表现出的侧切削最初最小且基本上恒定并且随后随着侧向力的增大而以基本上线性的方式增大。
在又附加的实施方案中，一种在地下地层中钻探钻孔的方法包括：使钻头围绕其纵向轴线旋转；以及使地下地层与钻头的刀片的保径区域的至少一部分接合。保径区域包括：至少一个凹陷区域，该至少一个凹陷区域包括刀片的径向外表面；以及至少一个保径特征，该至少一个保径特征的径向最外表面径向延伸超过刀片在至少一个凹陷区域中的径向外表面。该方法还包括增大钻头的倾斜角，使得随着倾斜角的增大，至少一个保径特征的径向最外表面和至少一个凹陷区域的径向外表面与地下地层连续地接合。
附图说明
虽然说明书最后附有特别指出并清楚地要求保护被视为本公开的实施方案的权利要求书，但在结合附图阅读时，从本公开的示例性实施方案的下列描述中可以容易地确定本公开的实施方案的各种特征和优点，其中：
图1为常规钻头的钻头的剖视图；
图2为示出了随施加到钻头的侧向力而变化的图1的钻头的侧切削之间的关系的曲线图；
图3为根据本公开的实施方案的钻头的侧视图；
图4为图3的钻头的保径区域的对应的侧视图和轮廓图；
图5A为示出了随施加到钻头的侧向力而变化的图3的钻头的侧切削之间的关系的曲线图；
图5B为图2和图5A的对比曲线图；
图6为示出了随钻头倾斜角而变化的图3的保径特征的表面积接合之间的关系的曲线图；
图7至图12为根据本公开的附加的实施方案的保径区域的对应的侧视图和轮廓图；
图13A至图20B为根据本公开的又其他实施方案的保径区域的对应的轮廓图和透视图；
图21至图23和图25为根据本公开的另外的实施方案的保径区域的对应的侧视图和轮廓图；
图24、图26和图27为根据本公开的保径区域的轮廓图；
图28A至图29B为根据本公开的实施方案的保径区域的对应的轮廓图和侧视图：并且
图30和图31为根据本公开的可旋转保径特征的图示。
具体实施方式
本文所呈现的图示并不意味着是任何特定切削结构、钻头或其部件的实际视图，而仅仅是用于描述本公开的实施方案的理想化表示。为了描述清楚，可用相同或相似的附图标记来引用各实施方案之间共有的各种特征和元件。
如本文所用，方向术语诸如“上方”、“下方”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“最顶部”、“最底部”等将在附图的取向上相对于钻地工具或其部件进行解释。
如本文所用，术语“井下”和“井上”是指在钻地工具(诸如本文所述的钻头)上，相对于工具的与井筒底部接合以移除地层材料的表面的位置。因此，与在钻探操作期间更接近钻头的与井筒底部接合的表面定位的“井下”部分相比，工具的“井上”部分更接近(例如，靠近、邻近)钻头的柄部或相关联的钻柱或井底钻具组合件定位。
如本文所用，术语“纵向”、“纵向地”、“轴向”或“轴向地”是指平行于本文所述的钻头的纵向轴线(例如，旋转轴线)的方向。例如，“纵向尺寸”或“轴向尺寸”是沿基本上平行于本文所述的钻头的纵向轴线的方向测量的尺寸。
如本文所用，术语“径向”或“径向地”是指横向于本文所述的钻头的纵向轴线的方向，并且更具体地是指与本文所述的钻头的半径相关的方向。例如，如下文进一步详细描述的，“径向尺寸”是沿基本上横向(例如，垂直)于如本文所述的钻头的纵向轴线的方向测量的尺寸。
如本文所用，术语“周向”或“周向地”是指相对于本文所述的钻头的圆周(例如，周边)的方向，该圆周可包括但不限于钻头的外径。
如本文所用，关于给定参数、特性或条件的术语“基本上”在一定程度上意指并包括：本领域的普通技术人员将理解给定参数、特性或条件是在一定方差度的情况下(诸如在可接受的制造公差内)满足的。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)。
如本文所用，术语“具有”、“包括”、“包含”、“以…为特征”及其语法等同物是包含性或开放式术语，这些术语不排除附加未叙述的元素或方法步骤，而是还包括更具限制性的术语“由…组成”和“基本上由…组成”及其语法等同物。
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，术语“被构造”是指以预定方式促进至少一个结构和至少一个装置中的一者或多者的操作的、该结构和该装置中的一者或多者的尺寸、形状、材料组成和布置。
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，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一者或多者的任何和所有组合。
如本文所用，术语“钻地工具”是指并且包括用于移除地层材料并通过地层材料的移除而形成穿过地层的孔(例如，钻孔)的任何工具。钻地工具包括例如旋转钻头(例如，固定刀具钻头或“刮刀”钻头以及牙轮钻头或“岩石”钻头)、混合式钻头(包括固定刀具和滚子元件两者)、取芯钻头、冲击钻头、双中心钻头、扩眼器(包括膨胀扩眼器和固定翼扩眼器)以及其他所谓的“开孔”工具。
如本文所用，术语“切削元件”是指并且包括由钻地工具独立地形成并安装到钻地工具的元件，该钻地工具用于接合地球(例如地下)地层以在钻地工具的操作期间从地层移除地层材料，从而在地层中形成或扩大钻孔。作为非限制性示例，术语“切削元件”包括碳化钨插件和包括如本文所述的超硬磨料的插件。
如本文所用，术语“超硬磨料”是指并且包括努普硬度值为约3，000Kgf/mm2(29，420MPa)或更大的任何材料，诸如但不限于天然和合成金刚石、立方氮化硼和类金刚石碳材料。
如本文所用，术语“多晶材料”是指并且包括含有通过晶粒间键直接键合在一起的多个材料晶粒或晶体的任何材料。单独材料晶粒的晶体结构可在多晶材料内的空间中随机地取向。
如本文所用，术语“多晶复合片”是指并且包括含有通过涉及向用于形成多晶材料的一种或多种前体材料施加压力(例如，压实)的过程而形成的多晶材料的任何结构。
图3和图4分别示出了根据本公开的实施方案的固定刀具钻地旋转钻头100的刀片104的侧视图和对应的轮廓图。钻头100包括具有中心轴线101的钻头体102，钻头100在操作中围绕中心轴线旋转。钻头体102包括多个刀片104，该多个刀片从中心轴线101朝刀片104的保径区域106径向向外延伸并且沿着保径区域106轴向延伸。刀片104的外表面可限定钻头100的面108和保径区域106的至少一部分。
可将一排切削元件110安装到钻头100的每个刀片104。例如，可在刀片104中形成切削元件凹坑，并且可将切削元件110定位在切削元件凹坑中并粘结(例如，钎焊、粘结等)到刀片104。如先前参考常规钻头10所述，切削元件110可包括例如多晶复合片，该多晶复合片为硬多晶材料层的形式，在本领域中也称为多晶台，设置在(例如，形成在或随后附接到)支撑衬底上，在它们之间具有界面。在一些实施方案中，切削元件110可包括多晶金刚石复合片(PDC)切削元件，这些切削元件各自包括设置在陶瓷-金属复合材料衬底上的一定体积的多晶金刚石材料，如本领域已知的那样。尽管图3中所描绘的实施方案中的切削元件110为圆柱形或盘形，但切削元件110可具有任何期望的形状，诸如圆顶状、圆锥形、凿状等。在操作中，钻头100可围绕中心轴线101旋转。随着钻头100在所施加的WOB下的旋转，切削元件110可在钻头的面108中接合地下地层，使得切削元件110超过地下地层的抗压强度并穿透地层以在剪切切削动作中从地下地层移除地层材料。
可将切削元件110中的至少一个安装在保径区域106内，而不是安装在钻头100的面108上。此类切削元件在本领域中被称为保径调整器114，因为此切削元件限定了钻头100的最外保径尺寸或直径。可将保径调整器114设置在保径区域106的底部103处。保径调整器114可包括切削元件，该切削元件具有基本上平行于钻头100的中心轴线101对准的线性切削刃115。可通过磨削、铣削或以其他方式移除形成在多晶台的平面切削面和周边侧表面的交点处的锋利切削刃的至少一部分来形成保径调整器114的线性切削刃115。可将保径调整器114安装在刀片104上，并且可将其定位在距钻头100的中心轴线101最远的径向距离处(例如，钻头100的外周边)，并且由于钻头100接合、切削和移除钻孔中的地层材料而形成钻孔的最终直径。更具体地，保径调整器114的线性切削刃115可为保径调整器114的径向最外表面、可限定钻头100的外径、并且可限定由于保径调整器114接合、切削和移除钻孔中的地层材料而形成的钻孔的最终直径。在图3以及后续图中示出了虚线，以便示出钻头100的外径，并且以便将刀片104在保径区域中的径向延伸相对于钻头100的外径进行比较。
保径区域106可由保径特征112、凹陷区域116以及它们之间的过渡区域120组成。在一些实施方案中，保径特征112可包括径向最外表面118，该径向最外表面定位在距钻头100的中心轴线最远的径向距离处，并且可与保径调整器114一起限定由于保径特征112接合、切削和移除钻孔中的地层材料而形成的钻孔的最终直径。因此，保径特征112的最外表面118可与保径调整器114的线性切削刃115径向共延(例如，与之对准)。最外表面118可径向延伸超过刀片104的任何剩余外表面，诸如在凹陷区域116和过渡区域120中在保径特征112和保径调整器114之间延伸的外表面。
如图3和图4所示，保径特征112可在钻头100的柄部111的近侧以及在钻头100的面108的远侧，邻近钻头100的冠部倒角107定位在保径区域106的顶部105(例如，井上端)。保径特征112可包括保径焊盘。保径特征112的最外表面118可包括用于接触地层的基本上钝的或平坦的表面。保径特征112可具有宽度或围绕钻头100的周边至少部分地周向测量的尺寸、以及长度或沿着钻头100的保径区域106至少部分地轴向测量的轴向尺寸。在一些实施方案中，保径特征112的宽度可与其上设置有保径特征的刀片104的宽度共延。在其他实施方案中，保径特征112的宽度可小于其上设置有保径特征的刀片104的宽度。保径特征112的长度可小于其上设置有保径特征112的刀片104的保径区域106的长度。
最外表面118可具有足够量的承载表面积以接触钻孔的侧壁，以便提供承载表面来大体上分配由地层抵靠钻头100施加的重量(例如，力)，包括在本文先前所述的侧向力。在低侧向力(诸如小于约500磅(226.7kg)的力，其至少取决于地层材料及其抗压强度以及钻头100的尺寸)的情况下，保径特征112可能会跨坐、刮擦或以其他方式接合钻孔侧壁，而基本上不会使侧壁的地层材料失效(例如，不会超过地层的抗压强度)。换句话讲，在低侧向力的情况下，保径特征112不提供实质性的侧切削动作。
凹陷区域116可占据并限定保径区域106的大部分表面积。凹陷区域116内的刀片104的外表面可相对于保径特征112凹陷(例如，径向尺寸过小)，使得凹陷区域116的表面117不延伸到最外保径尺寸。最外表面118可径向延伸超过凹陷区域116的表面117达距离d。换句话讲，凹陷区域116的表面117可相对于最外表面118径向凹陷距离d。在一些实施方案中，距离d可介于约0.02英寸(0.0508cm)和0.15英寸(0.381cm)之间。
如图4所示，可沿着保径区域106在保径特征112和凹陷区域116之间设置过渡区域120。刀片104在过渡区域120中的外表面可为渐缩的，以便使刀片104在保径区域106中的径向延伸在保径特征112和凹陷区域116之间逐渐变化。在其他实施方案中，诸如图7所示，过渡区域126可为阶梯状的，其具有以下交替的表面：倾斜表面，刀片104的外表面的径向延伸沿着该倾斜表面减小；以及水平表面，刀片104在保径区域106中的外表面的径向延伸沿着该水平表面保持基本上恒定。
刀片104在保径区域106中的外表面中的一个或多个可设置有耐磨插件124，以防止刀片104的过度磨损。耐磨插件124可包括由耐磨材料形成的涂层、盘、砖或其他插件，其可联接、粘结、至少部分地嵌入或以其他方式附接到刀片104的径向外表面。耐磨插件124可包括碳化钨、金刚石砂砾填充的碳化钨、类金刚石碳材料、多晶金刚石材料、热稳定产品诸如热稳定多晶金刚石、耐磨堆焊材料以及其他耐磨材料。如图4所示，保径特征112、过渡区域126和凹陷区域116中的一个或多个可设置有多个离散的耐磨插件124。
图5A为线128的曲线图，其示出了在钻头的操作期间，随施加到钻头100的侧向力的增大而变化的钻头100的侧切削量。图5B为图2和图5A的各自的线30和线128的对比曲线图。如图5A所示，在低侧向力(诸如小于约500磅(226.7kg)的侧向力，其至少取决于地层材料及其抗压强度以及钻头100的尺寸)的情况下，钻头100表现出的侧切削量最小并且相对恒定。线128的该区域被称为“非敏感区域”，因为钻头100对侧向力的最小施加最小地响应(例如，不敏感)。在钻头100正形成钻孔的笔直部分(诸如钻孔的竖直部分或水平(例如，侧向)部分)时，一般来讲会向钻头100无意地施加此类低侧向力。可基本上避免在钻探钻孔的笔直部分的同时进行侧切削，因为在形成钻孔的笔直部分的同时进行侧切削会引起钻头100的游动或漂移并致使钻孔从其预期路径偏斜。此外，在钻探钻孔的笔直部分的同时进行侧切削也可能会导致不期望的曲折、扭矩和阻力问题，这可能会降低钻孔的质量并限制可形成的钻孔的笔直部分的长度。因此，钻头100对低侧向力不敏感是所期望的，这与先前参考图1和图2所描述的常规钻头10的敏感性相反，因为在钻孔的笔直部分中限制侧切削将减少钻头100的潜在游动或漂移并改善钻孔的笔直部分的质量和长度。
虽然侧切削在如前所述的低侧向力下可能是不期望的，但在更大的侧向载荷下，侧切削可能是期望的。此侧切削使得钻头100能够定向钻孔，以便以有效的方式形成钻孔的偏斜部分或弯曲部分。因此，在适度的侧向力(诸如大于500磅(226.7kg)且最多约1500磅(680.2kg)的侧向力，其至少取决于地层材料和其抗压强度以及钻头100的尺寸)的情况下，钻头100的保径区域106所表现出的侧切削量开始以基本上恒定的线性方式增大。线128的该区域被称为“线性区域”。在高侧向力(诸如大于约1500磅(680.2kg)的侧向力，其至少取决于地层材料及其抗压强度以及钻头100的尺寸)的情况下，钻头100表现出的侧切削量最大并且达到稳定水平或封顶。因此，线128的该区域被称为“封顶区域”。鉴于前述内容，刀片104在钻头100的保径区域106中的外表面的形状和外形可被配置为在钻探钻孔的基本上笔直部分时限制钻头100的侧切削，而在钻探钻孔的弯曲(例如，偏斜)部分时不限制钻头100的侧切削。总体来讲，如图5A所示，当施加在钻头100上的侧向力增大，使得刀片104在钻头100的保径区域106中的径向外表面接合地下地层时，钻头100所表现出的侧切削最初可能最小且基本上恒定，随后可能随侧向力的增大而以基本上线性的方式增大，并且随后可能最大且基本上恒定。
不受任何具体理论的约束，由刀片104的保径区域106执行的侧切削的量可至少部分地随保径区域106的在给定侧向力下与地层材料接触的表面积而变化。因此，根据本公开的实施方案，钻头100(并且更具体地，保径区域106和本文所述的其他保径区域)的设计和外形被配置为选择性地控制随钻头100的钻头倾斜角和/或施加到钻头100的侧向力而变化的保径区域106的与钻孔侧壁接触的表面积。如本文所用，术语“钻头倾斜角”是指在钻头100的中心轴线101和居中延伸穿过钻孔的钻孔轴线之间测量的角度。当操作钻头100以形成钻孔的笔直部分时，钻头100一般被取向成使得钻头100的中心轴线101与钻孔轴线基本上同轴。钻头100的钻头倾斜角可至少部分地随施加到钻头100的侧向力而变化，使得当施加到钻头100的侧向力的量增大时，钻头100的钻头倾斜角相应地增大。当钻头倾斜角为零时(例如，当中心轴线101与钻孔轴线基本上同轴时)，保径区域106(并且更具体地，保径特征112)可与地层接触，也可不与地层接触。当钻头倾斜角大于零时，在施加了足够的侧向力时，保径区域106的至少一部分可与钻孔侧壁接触并移除地层材料。钻头100的保径区域106可被设计成使得在给定侧向力下保径区域106的接触地层的预期表面积和/或给定的钻头倾斜角被选择性地控制和/或定制。
图6为线129的曲线图，其示出了保径区域106的与钻孔侧壁的地层材料接触的表面积；以及线127的曲线图，其示出了随钻头倾斜角的增大而变化的钻头10的保径区域20的与钻孔侧壁的地层材料接触的表面积。当向钻头100施加了侧向力并且钻头100的中心轴线101相对于钻孔轴线倾斜时，保径特征112的径向最外表面118可接触地层材料，然后保径区域106的剩余区域(包括过渡区域120和凹陷区域116)再接触地层材料。此外，可选择径向最外表面118的表面积，使得当钻头倾斜角如本文先前所述那样在施加了低侧向力的情况下增大时，保径区域106的与地层接触的表面积保持最小且基本上恒定。因此，在低侧向力的范围内，由保径区域106执行的侧切削的量可受到限制且基本上恒定，如先前关于图5A的线128的非敏感区域所描述的。此外，可通过分别减小或增大保径特征112的径向最外表面118的表面积来减小或延伸非敏感区域的尺寸或侧向力的范围，在该范围内，侧切削量最小且相对恒定。
比较线127与线129，当钻头倾斜角开始增大时，保径区域20的与地层材料接触的表面积迅速增大，而保径区域106的与地层材料接触的表面积保持最小且基本上恒定。虽然保径区域106的表面积随后以更大的钻头倾斜角增大，但保径区域106与地层材料接触的表面积可保持小于保径区域20与地层接触的表面积，直到钻头倾斜角足够高，以至于保径区域106的几乎所有表面积都与地层接触。
此外，可选择性地控制刀片104在过渡区域120和凹陷区域116中的外表面的表面积，使得当钻头倾斜角在施加了适度的侧向力和/或高的侧向力的情况下增大时，如先前关于图5A的线128的线性区域和封顶区域所述，可根据钻头100的钻头倾斜角来控制保径区域106的附加表面积接合钻孔侧壁的速率。因此，除了径向最外表面118的表面积之外，还可选择性地定制以下一项或多项以当侧向力的量和/或钻头倾斜角增大时，控制线性区域的斜率、或钻头100侧切削地层的速率：过渡区域的包含物、表面积和/或形状；凹陷区域的表面积和/或形状；凹陷区域从保径特征的最外表面径向凹陷的距离d；保径特征相对于保径区域的顶部和底部的放置；以及保径特征的切削刃几何形状，如本文所述和所示。
关于过渡区域120的表面积和/或形状，在一些实施方案中，过渡区域120可相对于钻头100的中心轴线101渐缩，如图4所示。在此类实施方案中，保径区域106(包括保径特征112和过渡区域120)的与地层接触的表面积随着侧向力的增大而不断地且逐渐地增大，直到凹陷区域116接触地层。在其他实施方案中，过渡区域120可为阶梯状的，以便在相对于中心轴线101渐缩的表面和平行于中心轴线101延伸的表面之间交替，如图7所示。在此类实施方案中，保径区域106(包括保径特征112和过渡区域120)的与地层接触的表面积随着侧向力的增大而间歇地增大。在下文所述的又其他实施方案中，保径区域可能不具有过渡区域。在下文所述的又另外的实施方案中，保径区域可包括一个或多个过渡区域。
关于保径区域106的切削刃几何形状，可选择保径特征的尺寸和/或形状，以调整保径区域106侧切削钻孔侧壁的侵蚀性。如本文所用，保径区域106的侵蚀性是指通过在钻头100每次旋转时将刀片104的保径区域106与地层材料接合而被移除的地层材料的相对体积(其随施加在钻头100上的力而变化)。此外，如先前参考图5A所解释的，可选择保径特征的尺寸和/或形状以调整线128的非敏感区域的尺寸。
图8示出了根据本公开的实施方案的包括保径特征130的保径区域131的侧视图和对应的轮廓图。保径特征130可包括本领域已知为“卵形”的至少一个圆顶形或半球形特征。与图4的保径特征112类似，保径特征130的径向最外表面132可与保径调整器114的线性切削刃115共延。因此，保径特征130的最外表面132、115和保径调整器114可限定钻头100的外径。与图4的保径特征112不同，保径区域131可能不具有过渡区域。因此，凹陷区域116可在保径特征130和保径区域131的底部之间延伸。
图9示出了根据本公开的实施方案的包括保径特征134的保径区域133的侧视图和对应的轮廓图。在一些实施方案中，保径特征134可包括至少一个凿状元件。以举例而非限制的方式，凿状元件可包括由本发明的受让人贝克休斯公司(通用电气公司)开发和分配的StayTrueTM元件。在其他实施方案中，凿状元件可包括如2014年8月5日发布的标题为“Shaped Cutting Elements on Drill Bits and Other Earth-Boring Tools，andMethods of Forming Same(钻头和其他钻地工具上的成形切削元件及其形成方法)”的美国专利8,794,356和/或2016年12月9日提交的标题为“Cutting Elements，Earth-BoringTools Including the Cutting Elements，and Methods of Forming the CuttingElements(切削元件、包括切削元件的钻地工具和形成切削元件的方法)”的美国专利申请15/374,891中所述的凿状元件，这些专利中的每一个的全部内容以引用的方式并入本文。与保径区域131类似，保径区域133可能不具有过渡区域。因此，凹陷区域116可在保径特征134和保径区域133的底部之间延伸。
图10示出了根据本公开的实施方案的包括保径特征138的保径区域136的侧视图和对应的轮廓图。保径特征138可包括至少一个半圆柱形或半盘形切削元件，诸如保径调整器114。保径特征138可包括具有线性切削刃140的切削元件。可通过磨削、铣削或以其他方式移除形成在多晶台的平面切削面和周边侧表面的交点处的锋利切削刃的至少一部分来形成线性切削刃140。在其他实施方案中，不同于采用如图10所示的切削元件的线性切削刃，而是切削元件的切削面以及因此切削刃可为弓形的，并且切削元件以高的后倾角(诸如介于约35°至约75°之间(包括端值)的后倾角)安装在保径区域106上。
图11示出了根据本公开的另外的实施方案的包括保径特征142的保径区域141的侧视图和对应的轮廓图。保径特征142可包括至少一个圆柱形或盘形切削元件，该至少一个切削元具有由多个倒角限定的切削刃143。保径特征142可包括多个倒角切削元件，诸如在1995年8月1日发布的标题为“Diamond Cutters Having Modified Cutting EdgeGeometry and Drill Bit Mounting Arrangement Therefor(具有改进的切削刃几何形状和钻头安装布置的金刚石刀具)”的美国专利5,437,343、2005年8月30日发布的标题为“Superabrasive Cutting Elements with Cutting Edge Geometry Having EnhancedDurability，Method of Producing Same，and Drill Bits So Equipped(具有增强的耐用性的切削刃几何形状的超硬磨料切削元件、其制造方法以及如此配备的钻头)”的美国专利6,935,444或2011年11月22日发布的标题为“Chamfered Edge Gauge Cutters and DrillBits So Equipped(如此配备的倒角刃保径刀具和钻头)”的美国专利8,061,456中描述的切削元件，这些专利中的每一个的全部公开内容以引用方式并入本文。在一些实施方案中，可将多倒角保径特征142安装在刀片104上，使得保径特征142的较大倒角限定保径特征142的径向最外表面。
在参考图3、图4、和图7至图11所述的前述实施方案中的每一个中，保径特征的径向最外表面和刀片104在凹陷区域中的外表面中的每一个可在刀片104的前边缘和后边缘之间延伸到距钻头100的中心轴线101基本上相同的径向距离。此外，在参考图3、图4、和图7至图11所述的前述实施方案中的每一个中，保径特征、过渡区域和/或凹陷区域沿着保径区域定位，使得每一个都沿着保径区域的长度形成离散区域。换句话讲，保径特征、过渡区域和/或凹陷区域可形成轴向相邻区域，但可能不沿着保径区域的长度轴向并排延伸。然而，保径特征、过渡区域和凹陷区域的表面和位置不受此限制。如图12中的保径区域144的侧视图和对应的轮廓图所示，保径特征148的凸起表面和凹陷区域150的相对凹陷表面可沿着保径区域144的长度至少部分地轴向并排延伸。保径特征148的外表面和/或凹陷区域150内的外表面可相对于钻头100的中心轴线101成一定角度延伸。
在一些实施方案中，保径特征148可包括径向最外表面152，该径向最外表面限定钻头的整个直径。保径特征148还可包括凸起表面154，该凸起表面径向向外延伸超过凹陷区域150的凹陷表面156。如图12的轮廓图所示，当保径特征148和凹陷区域150沿着保径区域144的长度延伸时，凸起表面154和/或凹陷表面156的高度可渐缩，该高度指的是沿横向于中心轴线101的径向方向测量的尺寸。
在保径区域144的顶部，保径特征148的宽度可与刀片104的宽度共延。当保径特征148沿着保径区域144的长度延伸时，保径特征148的宽度可渐缩。因此，当保径特征148沿着保径区域144的长度延伸，凹陷区域150的宽度可增大。当保径特征148和凹陷区域150沿着保径区域144的长度并排延伸时，保径特征148和凹陷区域150之间的边界158可为线性的和/或弯曲的。
在参考图3、图4、和图7至图12所述的前述实施方案中的每一个中，安装在钻头上的保径特征已设置在保径区域的顶部，使得保径特征邻近冠部倒角107并且在钻头100的面区域108的远侧定位。然而，本文先前所述的保径特征的放置不受此限制。例如，如图13A的透视图和图13B的对应的轮廓图所示，保径特征160可在保径区域162的顶部和底部之间居中定位。
继续参考图13A和图13B，保径特征160可包括钻头的径向最外表面164，并且可基本上类似于先前参考图3和图4所描述的保径特征112。保径区域162还可包括上部凹陷区域165和下部凹陷区域166，该上部凹陷区域和该下部凹陷区域分别在保径特征160的上方和下方轴向定位。如图13A和图13B所示，上部凹陷区域165可定位在保径区域162的顶部处，并且下部凹陷区域166可定位在保径区域162的底部处。
凹陷区域165、166可基本上类似于先前参考图4所述的凹陷区域116。如图13B的轮廓图所示，上部凹陷区域165和下部凹陷区域166可相对于保径特征160的最外表面164凹陷。在一些实施方案中，上部凹陷区域165和下部凹陷区域166可相对于最外表面凹陷基本上相同的距离d。保径区域162还可包括定位在保径特征160与凹陷区域165、166中的每一个之间的过渡区域168。如图13B所示，过渡区域168可基本上类似于图4的过渡区域120。在其他实施方案中，过渡区域168可如先前参考图7所描述的那样成阶梯状。在其他实施方案中，诸如先前参考图8至图11所述，保径区域162可能不具有过渡区域。
图14A和图14B示出了根据本公开的实施方案的保径区域170。与图13的保径区域162类似，保径区域170包括保径特征172，该保径特征在保径区域170的顶部和底部之间居中定位。保径特征172可基本上类似于先前参考图3和图4所示的保径特征112，使得保径特征172的径向最外表面174与刀片104的宽度共延。上部凹陷区域175和下部凹陷区域176可分别在保径特征172的上方和下方轴向定位。过渡区域178可在上部凹陷区域175和下部凹陷区域176中的一个或多个之间延伸。如图14A所示，过渡区域178可为渐缩的，以便使刀片104在保径区域170中的径向延伸在保径特征172和凹陷区域175之间逐渐变化(例如，减小)。下部凹陷区域176可邻近保径特征172设置，使得保径区域170在保径特征172和下部凹陷区域176之间基本上不具有过渡区域。
图15A和图15B示出了根据本公开的实施方案的包括保径特征182的保径区域180。保径特征182可在保径区域180的顶部和底部之间居中定位。保径特征182可基本上类似于先前参考图3和图4所示的保径特征112，使得保径特征182的径向最外表面184与刀片104的宽度共延。上部凹陷区域185和下部凹陷区域186可分别在保径特征182的上方和下方定位。过渡区域188、189可分别在上部凹陷区域185和下部凹陷区域186中的每一个与保径特征182之间延伸。如图15A所示，每个过渡区域188、189可为渐缩的，以便使刀片104在保径区域180中在保径特征182和上部凹陷区域185之间以及在保径特征182和下部凹陷区域186之间的径向延伸逐渐减小。在一些实施方案中，每个过渡区域188、189都可表现出基本上相同的锥度，如图13A和图13B所示，使得刀片104在保径区域180中的径向延伸在基本上相同的轴向距离内减小。在其他实施方案中，并且如图14A所示，在保径特征182和上部凹陷区域185之间的过渡区域188可提供比在保径特征182和下部凹陷区域186之间的过渡区域189更陡的锥度。
如图15A中进一步所示，刀片104在凹陷区域185、186中的外表面可相对于中心轴线101成一定角度延伸。刀片104在上部凹陷区域185中的外表面可在过渡区域188和保径区域180的顶部之间向外渐缩(例如，径向向外延伸)，使得刀片104在上部凹陷区域185中的外表面可相对于保径特征182的径向最外表面184凹陷的距离在过渡区域188和保径区域180的顶部之间减小。刀片104在下部凹陷区域186中的外表面可在过渡区域189和保径区域180的底部之间向内渐缩(例如，径向向内延伸)，使得刀片104在下部凹陷区域186中的外表面可相对于保径特征182的径向最外表面184凹陷的距离在过渡区域189和保径区域180的底部之间增大。
图16A和图16B示出了根据本公开的实施方案的包括保径特征192的保径区域190。保径特征192可在保径区域190的顶部和底部之间居中定位，并且包括上部凹陷区域194和下部凹陷区域195。上部凹陷区域194和下部凹陷区域195可邻近保径特征192设置，使得保径区域190不具有在保径特征192和相应的凹陷区域194、195之间延伸的锥形区域。保径特征192可包括如本文先前所述的两个或更多个保径特征的组合。保径特征192可为基本上如参考图13A和图13B所描述的保径特征160和基本上如参考图10所述的保径特征138的组合。因此，保径特征192可包括跨刀片104的整个宽度延伸的基本上钝的凸起表面，使得保径特征192从上面设置有该保径特征的刀片104的旋转前边缘191和旋转后边缘193延伸。在一些实施方案中，保径特征192还可包括具有线性切削刃197的切削元件196。线性切削刃197可与保径特征192的径向最外表面198共延。切削元件196可邻近刀片104的旋转前边缘191定位。在其他实施方案中，切削元件196可包括多倒角切削元件，如先前关于图11的保径特征142所述。在又其他实施方案中，刀片104的旋转前边缘191可设置有：卵形，如先前关于图8的保径特征130所描述；或凿状元件，如先前关于图9的保径特征134所描述。
在一些实施方案中，切削元件196可包括径向最外表面，该径向最外表面可与保径特征192的径向最外表面198基本上径向共延，使得切削元件196不会径向延伸超过保径特征192的径向最外表面198。在其他实施方案中，切削元件196的径向最外表面198可相对于保径特征192的径向最外表面198径向凹陷，或者可径向延伸超过保径特征192的径向最外表面198。切削元件196的径向最外表面可由线性切削刃197或多倒角切削元件的一个倒角限定。
图17A和图17B示出了根据本公开的实施方案的包括保径特征202的保径区域200。保径特征202可在保径区域200的顶部和底部之间基本上居中定位。保径特征202的宽度可与刀片104的宽度基本上共延，使得保径特征202从刀片104的旋转前边缘204和旋转后边缘206延伸。当保径特征202在旋转前边缘204和旋转后边缘206之间周向延伸时，保径特征202可螺旋地延伸。保径特征202可包括切削元件208，该切削元件邻近刀片104的旋转前边缘204设置。在一些实施方案中，切削元件208可包括切削元件，诸如形成设置在图10的实施方案的保径区域136中的保径特征138的切削元件。在其他实施方案中，切削元件208可包括多倒角切削元件，如先前关于图11的保径特征142所述。在又其他实施方案中，刀片104的旋转前边缘204可设置有：卵形，如先前关于图8的保径特征130所描述；或凿状元件，如先前关于图9的保径特征134所描述。
图18A和图18B示出了根据本公开的实施方案的可包括至少一个保径特征212的保径区域210。在一些实施方案中，保径区域210可包括多个保径特征212，该多个保径特征在刀片104的旋转前边缘214和旋转后边缘216之间延伸。保径特征212可在保径区域210的顶部和底部之间居中定位。保径特征212可包括本领域已知为“卵形”的圆顶形或半球形特征，如本文先前关于图8的保径特征130所述。保径特征212的最外表面217可径向延伸超过刀片104在凹陷区域218中的外表面，该凹陷区域可限定保径区域210的大部分表面积。
图19A和图19B示出了根据本公开的实施方案的可包括至少一个保径特征222的保径区域220。在一些实施方案中，保径区域220可包括多个保径特征222，该多个保径特征在刀片104的旋转前边缘224和旋转后边缘226之间延伸。保径特征222可在保径区域220的顶部和底部之间居中定位。保径特征222可包括如本文先前关于图9的保径特征134所述的凿状特征。保径特征222的径向最外表面227可径向延伸超过刀片104在凹陷区域218中的外表面，该凹陷区域可限定保径区域220的大部分表面积。
图20A和图20B示出了可包括具有棱锥形状的保径特征232的保径区域230。在一些实施方案中，保径特征232可具有正方形棱锥形状。保径特征232可包括截头锥体233，该截头锥体限定保径特征232的径向最外表面234，该径向最外表面在保径区域230的凹陷区域236的上方延伸。棱锥保径特征232的面235可共同限定保径区域230的过渡区域238。在一些实施方案中，凹陷区域236可邻近保径特征232的每个面235设置，使得凹陷区域236可在保径特征232的上方、下方和/或旁边延伸。如图20B所示，棱锥形保径特征232的边缘可在相邻面235之间以及在截头锥体233与每个面235之间倒圆。
图21示出了包括至少一个保径特征242的保径区域240的对应的侧视图和轮廓图。保径特征242可在保径区域240的顶部和底部之间居中定位。保径特征242的径向最外表面245的形状可为基本上矩形的。保径区域240还可包括上部凹陷区域244和下部凹陷区域246，该上部凹陷区域和该下部凹陷区域分别在保径特征242的上方和下方轴向延伸。在一些实施方案中，上部过渡区域247和下部过渡区域248可分别在保径特征242的最外表面245与上部凹陷区域244和下部凹陷区域246之间延伸。如图21所示，过渡区域247、248可为基本上v形的，使得上部过渡区域247和下部过渡区域248的长度(例如，沿着保径区域240至少部分地轴向测量的尺寸)随着过渡区域跨刀片104的宽度的延伸而变化。换句话讲，上部过渡区域247和下部过渡区域248可成形为使得在刀片104的旋转前边缘241和刀片104的旋转后边缘249之间，锥度变化。上部过渡区域247和下部过渡区域248在刀片104的旋转前边缘241和旋转后边缘243之间的中间位置处可具有最大长度。
图22示出了包括至少一个保径特征252、上部凹陷区域254和下部凹陷区域256以及上部过渡区域257和下部过渡区域258的保径区域250的对应的侧视图和轮廓图。保径特征252、上部凹陷区域254和下部凹陷区域256以及上部过渡区域257和下部过渡区域258可基本上分别类似于图21的保径特征242、上部凹陷区域244和下部凹陷区域246以及上部过渡区域247和下部过渡区域248，不同的是，在侧视图中，保径特征252的径向最外表面253可为六边形。在一些实施方案中，最外表面253可具有不规则的六边形形状。在又其他实施方案中，最外表面253可具有圆形、椭圆形、不规则多边形或规则的多边形形状。
图23示出了包括至少一个保径特征262、上部凹陷区域264和下部凹陷区域266以及上部过渡区域267和下部过渡区域268的保径区域260的对应的侧视图和轮廓图。在侧视图中，保径特征262的径向最外表面263的形状可为六边形。在一些实施方案中，最外表面263可具有不规则的六边形形状。上部过渡区域267和下部过渡区域268可具有不同的锥度。如图23所示，上部过渡区域267可相对于下部过渡区域268的锥度具有更陡的锥度。在一些实施方案中，上部过渡区域267可使刀片104的外表面的径向延伸在保径特征262和上部过渡区域267之间逐渐变化。上部过渡区域267可成形为使得在保径特征262和上部凹陷区域254之间，锥度可基本上恒定，并且在刀片104的旋转前边缘261和刀片104的旋转后边缘269之间，锥度可能不会变化。下部过渡区域268可成形为使得在刀片104的旋转前边缘261和刀片104的旋转后边缘269之间，锥度变化，如先前参考图21的过渡区域所述。
虽然这里先前所述的保径区域的过渡区域可能已被描述或示出为具有恒定的锥度，但这些过渡区域的锥度不受此限制。如图24所示，根据本文先前所述的实施方案中的任一个的保径区域可包括具有变化的锥度的至少一个过渡区域。图24所示的保径区域270包括保径特征272、上部凹陷区域274和下部凹陷区域276、以及上部过渡区域277和下部过渡区域278。上部过渡区域277和下部过渡区域278中的至少一个可具有第一锥度和不同于第一锥度的第二锥度。在一些实施方案中，第二锥度可比第一锥度更陡，如关于图24中的上部过渡区域277所示。在其他实施方案中，第一锥度可比第二锥度更陡。
虽然本文先前所述的保径特征的径向外表面可能已被描述为限定或延伸到钻头100的外径，但本文先前所述的保径特征的径向最外表面的径向延伸不受此限制。在一些实施方案中，如本文所述的保径特征的径向外表面可相对于钻头100的外径径向凹陷。如图25所示，保径区域284中的保径特征282的外表面280可相对于由保径调整器114的线性切削刃115限定的钻头100的外径径向凹陷，并且可径向延伸超过刀片104在过渡区域286和凹陷区域288中的外表面。
虽然本文先前所述的保径区域的保径特征可能先前已被描述成使得保径区域包括单个保径特征，但如本文先前所述的保径区域不受此限制。如图26和图27所示，保径区域可具有多个保径特征291、292，该多个保径特征彼此轴向间隔开并设置在共同刀片104上。在一些实施方案中，第一凹陷区域294可在保径特征291、292之间延伸，上部凹陷区域295可在保径特征291的上方轴向延伸，并且下部凹陷区域296可在保径特征292的下方轴向延伸。在一些实施方案中，第一凹陷区域294、上部凹陷区域295和下部凹陷区域296中的至少一个可相对于保径特征291的外表面293凹陷基本上相同的距离，如图27所示。在其他实施方案中，第一凹陷区域294、上部凹陷区域295和下部凹陷区域296中的至少一个可相对于保径特征291的外表面凹陷不同的距离，如图26所示。在又其他实施方案中，第一凹陷区域294、上部凹陷区域295和下部凹陷区域296中的每一个可相对于保径特征291的外表面凹陷不同的距离。因此，可在共同刀片104上设置根据前述实施方案中的任何一个或多个的保径特征。
图28A和图28B示出了包括保径特征302的保径区域300，该保径特征邻近冠部倒角107定位在保径区域300的顶部。保径特征302可包括从刀片104的旋转前边缘306延伸到旋转后边缘308的基本上钝的径向最外表面304。当保径特征302在旋转前边缘306和旋转后边缘308之间延伸时，保径特征302的径向延伸(例如，最外表面304相对于中心轴线101延伸的径向距离)基本上恒定。在一些实施方案中，保径特征302的径向延伸可与包括保径区域300的钻头100的径向延伸基本上共延。换句话讲，径向最外表面304与钻头100的外径共延。在其他实施方案中，最外表面304可相对于钻头100直径凹陷在约0.005英寸(0.127mm)至约0.020英寸(0.508mm)、约0.005英寸(0.127mm)至约0.010英寸(0.254mm)的范围内的径向距离，并且更具体地可为约0.010英寸(0.254mm)或约0.005英寸(0.127mm)的径向距离。
当保径特征302在刀片104的旋转前边缘306和旋转后边缘308之间周向延伸时，保径特征302的长度可渐缩。如图28A所示，保径特征302可为渐缩的，使得当保径特征302在旋转前边缘306和旋转后边缘308之间周向延伸时，保径特征302的井下边缘310朝井上边缘312倾斜。当保径特征302在旋转前边缘306和旋转后边缘308之间周向延伸时，保径特征302的井上边缘312可为基本上笔直的(例如，平面的)。
至少一个切削元件314可安装在保径特征302上。在一些实施方案中，保径特征302可包括两个切削元件314。切削元件314中的一个可邻近旋转前边缘306定位，而另一个切削元件314可邻近旋转后边缘308定位。
切削元件314可安装在形成于刀片104中的凹坑中。切削元件314可以高的后倾角(诸如在约85度至约90度或约87度至约90度的范围内的后倾角)安装。在一些实施方案中，切削元件314可安装在凹坑中，使得其径向最外表面316与保径特征302的径向最外表面304基本上径向共延。换句话讲，切削元件314可安装在凹坑中，使得其径向最外表面316(例如，切削面)不径向延伸超过保径特征302的径向最外表面316。切削元件314可包括多晶金刚石复合片(PDC)切削元件，这些切削元件各自包括设置在陶瓷-金属复合材料衬底上的一定体积的多晶金刚石材料。
在一些实施方案中，切削元件314的切削面可为基本上平面的。在其他实施方案中，切削元件312的切削面可包括弓形表面(例如，弯曲表面)。在此类实施方案中，切削面可被磨削成使得切削元件312的切削面的曲率与刀片104在保径区域300中的曲率基本上相同。
保径区域300还可包括凹陷区域318，该凹陷区域在保径特征302的下方轴向定位。刀片104在凹陷区域318中的外表面320可相对于保径特征302的径向最外表面304以及钻头100的外径凹陷。外表面320可相对于钻头100的外径凹陷在约0.005英寸(0.127mm)至约0.360英寸(9.144mm)、约0.010英寸(0.254mm)至约0.180英寸(4.572mm)、或约0.030英寸(0.762mm)至约0.090英寸(4.572mm)的范围内并且更具体地约0.090英寸(2.286mm)的径向距离。
过渡区域322可在保径特征302和凹陷区域318之间轴向和径向延伸。在一些实施方案中，当保径特征302在旋转前边缘306和旋转后边缘308之间周向延伸时，随着保径特征302的长度的渐缩，过渡区域322可螺旋地延伸。
如在图28B中的刀片104的侧剖视图中最佳地示出，保径特征302的径向最外表面304、过渡区域322的外表面和凹陷区域中的外表面320中的一个或多个(例如，每一个)可相对于钻头100的外径凹陷，如图28B中的虚线所示。在一些实施方案中，刀片104的邻近钻头100的面108(例如，相邻的保径调整器)的表面321可相对于钻头100的外径凹陷。表面321可相对于钻头体102的外径径向地凹陷在约0.010英寸(0.254mm)至约0.030英寸(0.762mm)的范围内并且可为约0.030英寸(0.762mm)或约0.015英寸(0.381mm)的距离。因此，刀片104在保径区域300中的基本上整个外表面相对于钻头100的外径凹陷。
图29A和图29B示出了包括与图28A和图28B的保径特征302基本上类似的保径特征332的保径区域330。保径区域330包括位于轴向定位在保径特征332上方的第一凹陷区域334与轴向定位在保径特征332下方的第二凹陷区域336之间的保径特征332。第一凹陷区域334可邻近冠部倒角107定位在保径区域330的顶部。保径特征332可包括从刀片104的旋转前边缘340延伸到旋转后边缘342的基本上钝的径向最外表面338。当保径特征332在旋转前边缘340和旋转后边缘342之间延伸时，保径特征332的径向延伸基本上恒定。在一些实施方案中，最外表面338与钻头100的外径共延。在其他实施方案中，最外表面338可相对于钻头100直径凹陷在约0.005英寸(0.127mm)至约0.020英寸(0.508mm)、约0.005英寸(0.127mm)至约0.010英寸(0.254mm)的范围内的径向距离，并且更具体地可为约0.010英寸(0.254mm)或约0.005英寸(0.127mm)的径向距离。
当保径特征332在刀片104的旋转前边缘340和旋转后边缘342之间周向延伸时，保径特征332的长度可渐缩。如图29A所示，保径特征332可为渐缩的，使得当保径特征332在旋转前边缘340和旋转后边缘342之间周向延伸时，保径特征332的井下边缘347朝井上边缘346倾斜。当保径特征332在旋转前边缘340和旋转后边缘342之间周向延伸时，保径特征332的井上边缘346可为基本上笔直的(例如，平面的)。
保径特征332可具有安装在其中的切削元件314，如参考图28A和图28B所示。刀片104在第一凹陷区域334和第二凹陷区域336中的外表面344可相对于保径特征332的径向最外表面338凹陷。第一凹陷区域334和第二凹陷区域336可相对于保径特征332的径向最外表面338凹陷基本上相同的距离或不同的距离，如先前参考图13A和图13B所述。外表面344可相对于钻头100的外径凹陷在约0.005英寸(0.127mm)至约0.360英寸(9.144mm)、约0.010英寸(0.254mm)至约0.180英寸(4.572mm)、或约0.030英寸(0.762mm)至约0.090英寸(4.572mm)的范围内并且更具体地约0.090英寸(2.286mm)的径向距离。在一些实施方案中，第一凹陷区域334和第二凹陷区域336可相对于保径特征332的径向最外表面338凹陷不同的距离或相同的距离。
第一过渡区域348可在保径特征332和第一凹陷区域334之间轴向和径向延伸，并且第二过渡区域349可在保径特征332和第二凹陷区域336之间轴向和径向延伸。在一些实施方案中，当保径特征332在旋转前边缘340和旋转后边缘342之间周向延伸时，随着保径特征332的长度的渐缩，第二过渡区域349可螺旋地延伸并且第一过渡区域348可基本上笔直地延伸。
如在图29B中的刀片104的侧剖视图中最佳地示出，保径特征332的径向最外表面338、第一过渡区域348和第二过渡区域349的外表面和凹陷区域334、336中的外表面344中的一个或多个(例如，每一个)可相对于钻头100的外径凹陷，如图29B中的虚线所示。在一些实施方案中，刀片104的邻近钻头100的面108(例如，相邻的保径调整器)的表面361可相对于钻头100的外径凹陷。表面341可相对于钻头100的外径径向地凹陷在约0.010英寸(0.254mm)至约0.030英寸(0.762mm)的范围内并且可为约0.030英寸(0.762mm)或约0.015英寸(0.381mm)的距离。因此，刀片104在保径区域330中的基本上整个外表面相对于钻头100的外径凹陷。
在前述实施方案中，保径特征可固定到刀片104，使得保径特征为静止的。在此类实施方案中，保径特征、凹陷区域和/或过渡区域可与钻头体一体地形成，使得保径特征、凹陷区域和/或过渡区域在保径区域中形成刀片104的一部分。在其他实施方案中，保径特征的一个或多个元件可单独形成并联接到刀片104。在又另外的实施方案中，保径特征的一个或多个元件可为可移动的。图30示出了包括安装在刀片104上的可旋转保径特征352的保径区域350的实施方案。凹陷区域351可在刀片104上设置在保径特征352的上方和/或下方。保径特征352可基本上类似于在2017年8月3日提交的标题为“Earth-Boring ToolsIncluding Rotatable Bearing Elements and Related Methods(包括可旋转轴承元件的钻地工具和相关方法)”的美国专利申请序列号15/668,474中所描述的可旋转轴承元件，该专利申请的全部公开内容据此以引用方式并入本文。保径特征352可包括壳体，该壳体包括下部保持构件354和上部保持构件356。下部保持构件354和上部保持构件356在其中保持滚动元件358。在一些实施方案中，滚动元件358可包括球形本体或球。滚动元件358可延伸穿过形成在上部保持构件356中的孔360，并且在上部保持构件356的上表面362的上方延伸。上部保持构件356的上表面362可设置有耐磨材料诸如本文先前描述的耐磨插件124，以防止刀片104和上部保持构件356的过度磨损。
下部保持构件354可包括空腔364，阻尼元件366可设置在空腔中。阻尼元件366可包括一个或多个弹簧、流体和/或诸如橡胶的可弹性变形的材料。阻尼元件366可设置在空腔364的基座与支撑板368之间。支撑板368可包括凹陷部367，该凹陷部的尺寸和形状被设定成抵靠滚动元件358的外表面邻接而不妨碍其旋转。滚动元件358可围绕三个旋转轴中的任一个旋转，使得滚动元件358表现出三个旋转自由度。
在一些实施方案中，可在钻头体102内设置润滑剂室374，并且可将该润滑剂室填充润滑剂。润滑剂室374可设置有柱塞376，该柱塞在图30中示出为处于未安装位置。润滑流体可在滚动元件358和支撑板368之间流动，以促进滚动元件358的旋转。在其他实施方案中，轴承球372可设置在支撑板368上并且围绕滚动元件358，以促进滚动元件358的旋转，如图31所示，该图示出了与刀片104隔离的保径特征352的实施方案。保径特征352可通过O形环或其他机构(诸如焊接或钎焊)保持在刀片104上。
另外，滚动元件358可沿着居中地延伸穿过上部保持构件的孔360的轴线平移，使得滚动元件358可表现出一个平移自由度。因此，滚动元件358(其可沿着保径区域350限定径向最外表面)可在伸出位置和缩回位置之间可调。如图30所示，滚动元件358处于伸出位置。在一些实施方案中，滚动元件358可延伸超过保径调整器114的线性切削刃115，使得滚动元件358延伸超过钻头100的外径。在其他实施方案中，滚动元件358可与保径调整器114的线性切削刃115共延，使得滚动元件358限定钻头100的外径。在又其他实施方案中，滚动元件358可相对于保径调整器114的线性切削刃115凹陷。
根据前述实施方案中任一项所述的具有保径区域构造的钻头可联接到钻柱，该钻柱包括可导向井底钻具组合件，该可导向井底钻具组合件被构造成定向钻探钻孔。在一些实施方案中，可导向井底钻具组合件可包括容积(Moineau)式马达以及涡轮，这些马达以及涡轮已与偏转装置(诸如弯壳体、弯接头、偏心稳定器以及它们的组合)结合使用，以在钻头仅由马达驱动轴旋转时实现取向的非线性钻探、以及在钻头通过马达轴和钻柱的叠加旋转而旋转时实现线性钻探。在其他实施方案中，可导向井底钻具组合件可包括弯的可调造斜(AKO)接头。
在操作中，根据前述实施方案中任一项所述的具有保径区域构造的钻头可表现出随侧向力的增大而变化的侧切削量和/或随随钻头倾斜角而变化的表面积接合，如先前参考图5B和图6所述。因此，根据前述实施方案中任一项所述的钻头可表现出游动或漂移的减小的可能性，因为钻头用于定向钻探钻孔并且可改善钻孔的笔直部分的质量和长度。
下面描述本公开的附加非限制性示例性实施方案。
实施方案1：一种用于移除钻孔中的地下地层材料的钻头，该钻头包括：钻头体，该钻头体包括纵向轴线；刀片，该刀片沿着钻头体的面区域从纵向轴线径向向外延伸并且沿着钻头体的保径区域轴向延伸；保径特征，该保径特征设置在刀片的保径区域中；以及凹陷区域，该凹陷区域在刀片的保径区域中在保径特征的下方轴向延伸。保径特征的最外表面径向延伸超过刀片在凹陷区域中的外表面。保径特征的最外表面和刀片在凹陷区域中的外表面中的至少一个相对于钻头的外径径向凹陷。
实施方案2：根据实施方案1所述的钻头，其中保径特征的最外表面和刀片在凹陷区域中的外表面中的每一个相对于钻头的外径径向凹陷。
实施方案3：根据实施方案1或2中任一项所述的钻头，其中保径特征的最外表面和刀片在凹陷区域中的外表面中的至少一个的径向距离在约0.005英寸(0.127mm)至约0.020英寸(0.508mm)的范围内。
实施方案4：根据实施方案1至3中任一项所述的钻头，还包括安装在保径特征上的切削元件。
实施方案5：根据实施方案1至4中任一项所述的钻头，其中切削元件以在约87度至约90度的范围内的后倾角安装。
实施方案6：根据实施方案1至5中任一项所述的钻头，其中切削元件的径向最外表面与保径特征的径向最外表面共延。
实施方案7：根据实施方案1至6中任一项所述的钻头，其中保径特征从刀片的旋转前边缘延伸到旋转后边缘，使得保径特征的宽度与刀片的宽度共延。
实施方案8：根据实施方案1至7中任一项所述的钻头，其中当保径特征在刀片的旋转前边缘和旋转后边缘之间延伸时，保径特征的径向最外表面相对于纵向轴线的径向延伸是基本上恒定的。
实施方案9：根据实施方案1至8中任一项所述的钻头，其中沿平行于钻头的纵向轴线的方向测量的保径特征的长度在刀片的旋转前边缘和旋转后边缘之间渐缩。
实施方案10：根据实施方案1至9中任一项所述的钻头，其中保径特征的外表面相对于钻头的外径凹陷约0.010英寸(0.254mm)至约0.180英寸(4.572mm)的范围内的径向距离。
实施方案11：一种包括可操作地联接到根据实施方案1至10中任一项所述的钻头的可导向井底钻具组合件的定向钻探系统。
实施方案12：一种用于移除钻孔中的地下地层材料的钻头，该钻头包括：钻头体，该钻头体包括纵向轴线；刀片，该刀片沿着工具本体的面区域从纵向轴线径向向外延伸并且沿着钻头体的保径区域轴向延伸；保径特征，该保径特征在刀片的保径区域中；第一凹陷区域，该第一凹陷区域在保径特征的上方轴向延伸；以及第二凹陷特征，该第二凹陷特征在保径特征的下方轴向延伸。保径特征的径向最外表面径向延伸超过刀片在第一凹陷区域和第二凹陷区域中的外表面。
实施方案13：根据实施方案12所述的钻头，其中保径特征的最外表面、刀片在第一凹陷区域中的外表面以及刀片在第二凹陷区域中的外表面中的至少一个相对于钻头的外径径向凹陷。
实施方案14：根据实施方案12或13所述的钻头，其中保径特征的最外表面、刀片在第一凹陷区域中的外表面以及刀片在第二凹陷区域中的外表面中的每一个相对于钻头的外径径向凹陷。
实施方案15：根据实施方案12至14中任一项所述的钻头，还包括安装在其上的切削元件或耐磨插件。
实施方案16：一种在地下地层中钻探钻孔的方法，该方法包括：使钻头围绕其纵向轴线旋转；使地下地层与钻头的刀片的保径区域的至少一部分接合。保径区域包括：凹陷区域，该凹陷区域包括刀片的径向外表面；以及保径特征，该保径特征的径向最外表面径向延伸超过刀片在至少一个凹陷区域中的径向外表面。该方法还包括增大钻头的倾斜角，使得随着倾斜角的增大，保径特征的径向最外表面和凹陷区域的径向外表面与地下地层连续地接合。
实施方案17：根据实施方案16所述的方法，其中增大钻头的倾斜角包括增大沿基本上垂直于纵向轴线的方向施加在钻头上的侧向力，使得保径特征接合地下地层并且使得钻头表现出的侧切削最初最小且基本上恒定，并且随后随着侧向力的增大而以基本上线性的方式增大。
实施方案18：根据实施方案17所述的方法，其中增大施加在钻头上的侧向力使得钻头表现出的侧切削最初最小且基本上恒定包括随着施加的侧向力的增大，保持保径特征的与地下地层接触的基本上恒定的表面积。
实施方案19：根据实施方案17或18中任一项所述的方法，其中增大施加在钻头上的侧向力使得随着侧向力的增大，钻头表现出的侧切削为基本上线性的包括随着施加的侧向力的增大，增大保径区域的与地下地层接触的表面积。
实施方案20：根据实施方案16至19中任一项所述的方法，还包括增大沿基本上垂直于纵向轴线的方向施加在钻头上的侧向力，使得在钻头表现出的侧切削以基本上线性的方式增大后，钻头表现出的侧切削随后最大且基本上恒定。
虽然本发明所公开的结构和方法在其具体实施中易于进行各种修改和替代形式，但在附图中已通过示例的方式示出了具体实施方案，并且已在本文对其进行了详细描述。然而，应当理解，本公开不限于所公开的具体形式。相反，本发明涵盖落入由以下所附权利要求及其法律等同物限定的本公开范围内的所有修改形式、组合、等同形式、变型形式和替代形式。

Claims (20)

1.一种用于移除钻孔中的地下地层材料的钻头，所述钻头包括：
钻头体，所述钻头体包括纵向轴线；
刀片，所述刀片沿着所述钻头体的面区域从所述纵向轴线径向向外延伸并且沿着所述钻头体的保径区域轴向延伸；
保径特征，所述保径特征设置在所述刀片的所述保径区域中；
和
凹陷区域，所述凹陷区域在所述刀片的所述保径区域中在所述保径特征的下方轴向延伸；
其中所述保径特征的最外表面径向延伸超过所述刀片在所述凹陷区域中的外表面，并且其中所述保径特征的所述最外表面和所述刀片在所述凹陷区域中的所述外表面中的至少一个相对于所述钻头的外径径向凹陷。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中所述保径特征的所述最外表面和所述刀片在所述凹陷区域中的所述外表面中的每一个相对于所述钻头的所述外径径向凹陷。
3.根据权利要求1所述的钻头，其中所述保径特征的所述最外表面和所述刀片在所述凹陷区域中的所述外表面中的至少一个的径向距离在约0.005英寸(0.127mm)至约0.020英寸(0.508mm)的范围内。
4.根据权利要求1所述的钻头，还包括安装在所述保径特征上的切削元件。
5.根据权利要求4所述的钻头，其中所述切削元件以在约87度至约90度的范围内的后倾角安装。
6.根据权利要求4所述的钻头，其中所述切削元件的径向最外表面与所述保径特征的径向最外表面共延。
7.根据权利要求1所述的钻头，其中所述保径特征从所述刀片的旋转前边缘延伸到旋转后边缘，使得所述保径特征的宽度与所述刀片的宽度共延。
8.根据权利要求7所述的钻头，其中当所述保径特征在所述刀片的旋转前边缘和旋转后边缘之间延伸时，所述保径特征的所述径向最外表面相对于所述纵向轴线的径向延伸是基本上恒定的。
9.根据权利要求7所述的钻头，其中沿平行于所述钻头的所述纵向轴线的方向测量的所述保径特征的长度在所述刀片的所述旋转前边缘和所述旋转后边缘之间渐缩。
10.根据权利要求1所述的钻头，其中所述保径特征的所述外表面相对于所述钻头的所述外径凹陷约0.010英寸(0.254mm)至约0.180英寸(4.572mm)的范围内的径向距离。
11.一种包括可操作地联接到根据权利要求1所述的钻头的可导向井底钻具组合件的定向钻探系统。
12.一种用于移除钻孔中的地下地层材料的钻头，所述钻头包括：
钻头体，所述钻头体包括纵向轴线；
刀片，所述刀片沿着工具本体的面区域从所述纵向轴线径向向外延伸并且沿着所述钻头体的保径区域轴向延伸；
保径特征，所述保径特征设置在所述保径区域中的所述刀片上：
第一凹陷区域，所述第一凹陷区域在所述保径特征的上方轴向延伸；和
第二凹陷区域，所述第二凹陷区域在所述保径特征的下方轴向延伸；
其中所述保径特征的径向最外表面径向延伸超过所述刀片在所述第一凹陷区域和所述第二凹陷区域中的外表面。
13.根据权利要求12所述的钻头，其中所述保径特征的所述最外表面、所述刀片在所述第一凹陷区域中的所述外表面以及所述刀片在所述第二凹陷区域中的所述外表面中的至少一个相对于所述钻头的外径径向凹陷。
14.根据权利要求13所述的钻头，其中所述保径特征的所述最外表面、所述刀片在所述第一凹陷区域中的所述外表面以及所述刀片在所述第二凹陷区域中的所述外表面中的每一个相对于所述钻头的所述外径径向凹陷。
15.根据权利要求12所述的钻头，还包括安装在其上的切削元件或耐磨插件。
16.一种在地下地层中钻探钻孔的方法，所述方法包括：
使钻头围绕其纵向轴线旋转；
使地下地层与所述钻头的刀片的保径区域的至少一部分接合，
所述保径区域包括：
凹陷区域，所述凹陷区域包括所述刀片的径向外表面；和
保径特征，所述保径特征的径向最外表面径向延伸超过所述刀片在至少一个凹陷区域中的所述径向外表面；以及
增大所述钻头的倾斜角，使得随着倾斜角的增大，所述保径特征的所述径向最外表面和所述凹陷区域的所述径向外表面与所述地下地层连续地接合。
17.根据权利要求16所述的方法，其中增大所述钻头的所述倾斜角包括增大沿基本上垂直于所述纵向轴线的方向施加在所述钻头上的侧向力，使得所述保径特征接合所述地下地层并且使得所述钻头表现出的侧切削最初最小且基本上恒定，并且随后随着侧向力的增大而以基本上线性的方式增大。
18.根据权利要求17所述的方法，其中增大施加在所述钻头上的所述侧向力使得所述钻头表现出的侧切削最初最小且基本上恒定包括随着施加的侧向力的增大，保持所述保径特征的与所述地下地层接触的基本上恒定的表面积。
19.根据权利要求17所述的方法，其中增大施加在所述钻头上的所述侧向力使得随着侧向力的增大，所述钻头表现出的侧切削为基本上线性的包括随着施加的侧向力的增大，增大所述保径区域的与所述地下地层接触的表面积。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括增大沿基本上垂直于所述纵向轴线的方向施加在所述钻头上的侧向力，使得在所述钻头表现出的侧切削以所述基本上线性的方式增大后，所述钻头表现出的侧切削随后最大且基本上恒定。
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