CN116867951A - 钻头 - Google Patents

Abstract

本申请提供了用于接合地下地层、移除岩石和钻探井孔的具有固定切割器的井下工具。更具体地，本申请涉及用于在操作期间平滑扭矩并最小化振动的钻头(例如，聚晶金刚石致密钻头)。本申请的钻头具有交替布置或设计的刀片。在一些情况下，本申请的钻头的一个或多个刀片具有波形刀片。在一些情况下，本申请的钻头具有多个刀片，这些刀片具有在形状或定向上彼此不同的图案。

Description

钻头

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年2月2日提交的共同未决的美国临时申请第63/144,664号的权益，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本申请大体上涉及用于接合地下地层、移除岩石和钻探井孔的具有固定切割器的井下工具的领域。更具体地，本申请涉及适合于平滑扭矩并最小化操作期间的振动的钻头(例如，聚晶金刚石复合片钻头)。

背景技术

聚晶金刚石复合片(PDC)钻头是一种旋转钻头，用于钻穿地下地层，例如在钻石油和/或天然气井孔以及采矿和各种附加应用时。当PDC钻头旋转时，固定在钻头的面的离散切割元件与井底部的岩壁接合，刮擦或剪切地层。PDC钻头使用被称为“切割器”的切割元件，每个切割元件具有由聚晶金刚石组成的切割表面或磨损表面，因此被称为“PDC钻头”。每个PDC切割器都是一个分离的部件，与钻头分开，并通过将一层聚晶金刚石(有时称为冠或金刚石台)粘合到基材上而制成。旋转刮刀钻头的每个PDC切割器可定位和定向在刮刀钻头的面上，使得当钻头旋转时，切割表面的至少部分接合地下地层。PDC切割器在钻头主体的外部切割表面或面上间隔开。PDC切割器通常沿着若干刀片中的每个排列，若干刀片是大致从钻头的中心轴线向面的周边径向延伸的凸起脊。沿着每个刀片的PDC切割器对地下地层呈现预定的切割轮廓，当钻头旋转时剪切地层。

在典型的钻井操作中，钻头绕中心轴线旋转，同时前进到地下地层中，并且PDC切割器通过刮擦、剪切、压碎或以其他方式破坏井底部的岩壁来进一步钻进钻孔。然而，在操作过程中，钻头容易受到振动的影响。这种振动可能是轴向、横向或扭转的(或三者的某种组合)。这些振动水平过高可能会导致切割结构过早损坏，从而降低性能。振动可能是由于钻头上扭矩不均匀或不一致引起的。例如，某些地下地层，诸如那些具有脆性或不一致岩石强度的地下地层(例如，二叠纪盆地、石灰岩、白云岩和碳酸盐岩)，可能会由于推进钻孔所需的可变力而引起大的扭矩峰值。这些扭矩峰值会导致钻头振动。

操作过程中钻头的振动会导致钻头或钻柱过早失效并降低钻速。PDC虽然坚硬且耐磨，但往往很脆。钻头的振动会对钻头主体施加应力，这会导致钻头损坏的发生和扩大。当这种情况发生时，钻井作业可能会不必要地减慢，甚至被迫完全停止，以便更换钻头。

因此，需要能够以最小化的振动敏感性来操作的钻头。具体地，需要用于以平滑扭矩(例如，具有最小化的扭矩峰值)钻穿地下井孔的钻头。

发明内容

在一个方面，本申请描述了一种用于推进钻孔的钻头，包括：钻头主体，该钻头主体包括中心轴线和第一刀片，钻头旨在绕中心轴线旋转，第一刀片从面延伸；以及位于第一刀片上的多个聚晶金刚石复合片(“PDC”)切割器。在这个方面，钻头的第一刀片具有从中心轴线附近到钻头主体的外边缘限定的第一波形图案。第一波形图案可选地具有正弦形状。在一些情况下，钻头主体还包括从面延伸的第二刀片，并且第一刀片和第二刀片由通道分开。在一些方面，第一刀片和第二刀片可旋转相邻。在一些情况下，第二刀片具有从中心轴线附近到外边缘限定的线性图案。在其他情况下，第二刀片具有从中心轴线附近到外边缘限定的曲线图案。在又一些情况下，第二刀片具有从中心轴线附近到外边缘限定的第二波形图案。可选地，第一波形图案和第二波形图案具有不同的形状、振幅、频率和/或相位。在一些方面，第一波形图案和第二波形图案至少部分异相。在某些情况下，例如，第一波形图案和第二波形图案呈现从0°到180°的相移。

另一方面，本申请描述了一种用于推进钻孔的钻头，包括：钻头主体，该钻头主体具有中心轴线和面，钻头旨在绕中心轴线旋转，面上限定有多个刀片，多个刀片由刀片之间的通道分开；以及位于多个刀片上的多个PDC切割器。在这方面，每个刀片的图案在形状或定向上不同于其他刀片。在一些情况下，多个刀片中的第一刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。在一些情况下，多个刀片中的第二刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案，并且第一刀片和第二刀片具有不同的图案。可选地，第一刀片可具有从钻头主体的中心轴线到外边缘限定的第一波形图案。在一些方面，多个刀片中的第二刀片具有从钻头主体的非中心轴线到外边缘限定的第二波形图案。在一些情况下，多个刀片中的第二刀片具有从钻头主体的中心轴线到外边缘限定的第二波形图案，并且第一波形图案和第二波形图案具有不同的形状、振幅、频率和/或相位。在一些情况下，第一刀片具有从钻头主体的中心轴线到外边缘限定的线性图案，并且第二刀片具有从钻头主体的非中心轴线到外边缘限定的线性图案。在其他情况下，第一刀片具有从钻头主体的中心轴线到外边缘限定的线性图案，并且第二刀片具有从中心轴线到外边缘限定的曲线图案。在又一些情况下，第一刀片具有从钻头主体的中心轴线到外边缘限定的曲线图案，并且第二刀片具有从非中心轴线到外边缘限定的曲线图案。

另一方面，本申请描述了一种用于推进钻孔的钻头，包括：具有中心轴线和面的钻头主体，钻头旨在绕该中心轴线旋转；至少部分地设置在该面上的第一刀片；至少部分地设置在该面上的第二刀片，第一刀片和第二刀片由第一通道分开；以及位于第一刀片和第二刀片的每个上的多个PDC切割器。在这个方面，第一刀片从中心轴线延伸至钻头主体的外边缘，并且第二刀片从第一非中心轴线延伸至外边缘。在一些情况下，第一刀片具有选自由线性图案、曲线图案、和波形图案组成的组的图案。例如，第一刀片可具有线性图案。在一些情况下，第二刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。例如，第二刀片可以具有线性图案。在一些方面，钻头还包括第三刀片，该第三刀片至少部分地设置在该面上并且从第二非中心轴线延伸至外边缘。在一些情况下，第三刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。例如，第三刀片可以具有线性图案。

另一方面，本申请描述了一种钻头，包括：钻头主体，钻头主体具有中心轴线、第一刀片和第二刀片，钻头旨在围绕该中心轴线旋转，第一刀片和第二刀片由通道分开；由第一刀片支撑的第一多个PDC切割器；以及由第二刀片支撑的第二多个PDC切割器。在该实施例中，第一多个PDC切割器沿着从钻头主体的第一轴线延伸的第一线对齐，并且第二多个PDC切割器沿着从钻头主体的第二轴线延伸的第二线对齐。在某些情况下，第一线是线性的、沿弧线弯曲的或波形的。在一些情况下，第二线是线性的、沿弧线弯曲的或波形的。在一些方面，第一线和第二线具有不同的形状或定向。第一轴线和第二轴线可以是钻头旨在围绕其旋转的中心轴线，并且第一线和第二线可以具有不同的形状。在一些情况下，第一轴线是中心轴线，第二轴线是非中心轴线，并且第一线和第二线是可叠加的。第一轴线可选地平行于第二轴线。

另一方面，本申请描述了一种钻头，包括：具有第一刀片和第二刀片的钻头主体，第一刀片和第二刀片由通道分开；由第一刀片支撑的第一多个PDC切割器，第一多个PDC切割器沿第一线对齐；由第二刀片支撑的第二多个PDC切割器，第二多个PDC切割器沿第二线对齐。在这方面，第一线相对于中心轴线具有正偏移，并且第二线具有负偏移。

在另一方面，本申请描述了一种用钻头推进钻孔穿过岩石的方法。在这个方面，钻头包括：钻头主体，该钻头主体具有中心轴线、面以及多个PDC切割器，钻头旨在绕中心轴线旋转，在该面上限定有多个刀片，多个刀片从该面延伸并由刀片之间的通道分开；以及位于多个刀片上的多个PDC切割器。每个刀片的图案与其他刀片的图案在形状或定向上不同。该方法包括使钻头在钻孔内绕中心轴线旋转以使多个PDC切割器剪切岩石。

附图说明

下面参考附图详细描述本申请，其中相同的附图标记表示相似的部件。

图1是根据本申请的各个实施例的钻头的主视图。

图1A是根据本申请的各个实施例的钻头的主视图。

图2是根据本申请的各个实施例的钻头的主视图。

图3是根据本申请的各个实施例的钻头的主视图。

图3A是示出图3的钻头的切割器位置的图。

图3B是示出图3的钻头的切割器重叠的图。

图4是根据本申请的各个实施例的钻头的主视图，其被标记以指示钻头的某些部件。

图5是根据各种实施例的井下钻井操作的示意图。

具体实施方式

本申请提供了用于以最小化的振动敏感性来操作的钻头。具体地，本文描述的钻头包括已被设计或改进以减轻扭矩峰值的一个或多个刀片。

传统的钻孔操作使用具有多个刀片的钻头(例如，PDC钻头)，每个刀片具有相同或大致相似的形状和定向。这些传统钻头具有多个刀片，这些刀片通常从钻头主体的面延伸并且沿着从钻头主体的中心(例如，中心轴线)附近到外边缘的直线或曲线。刀片通常具有基本相似的形状和定向。例如，传统的PDC钻头可包括三个刀片，每个刀片具有相同的弯曲形状并且每个刀片具有与钻头主体的中心轴线相同的偏移。传统的钻头可以包括主刀片和副刀片两者，它们尺寸或形状可以不同。在这方面，副刀片通常比主刀片短并且不从靠近中心轴线的位置延伸。尽管主刀片和副刀片之间存在差异，但是主刀片中的每个可选地彼此基本相同，并且副刀片中的每个可选地彼此基本相同。

传统钻头的设计会在地下地层中产生缺陷。这些缺陷可能表现为例如在大体圆锥形或圆形钻孔的表面上的一系列台阶或脊。这些缺陷导致钻头和钻柱振动，从而使钻头、特别是钻头的切割齿受到损坏。

相反，本申请提供了具有交替布置或设计的刀片的钻头。在一些实施例中，本申请的钻头包括刀片，该刀片具有从钻头主体的中心轴线附近到外边缘限定的波形图案。在一些情况下，钻头可选地还包括具有不同形状或定向的附加刀片。在一些实施例中，本申请提供了一种包括多个刀片的钻头，其中每个刀片的图案在形状或定向上不同于其他刀片的图案。在一些实施例中，钻头包括PDC切割器，每个PDC切割器均支撑在第一刀片和/或第二刀片上，其中刀片从钻头主体的不同轴线延伸。在一些实施例中，钻头的每个PDC切割器支撑在第一刀片和/或第二刀片上，第一刀片和/或第二刀片分别具有正偏移和负偏移。

在本文描述的每个实施例中，钻头不易受到不均匀或不一致扭矩的影响。这是由于钻头刀片的新颖设计和定向。特别地，钻头的刀片被设计成更逐渐地满足地下地层中的缺陷和/或不一致的情况。如上所述，岩石中的缺陷和不一致导致钻头在操作期间振动。这部分归因于钻头刀片的传统设计。通常，钻头设计有具有相同或基本相似形状的刀片。结果，距钻头中心轴线给定径向距离处的切割器相对于旋转的间隔通常是均匀的。当传统钻头在地下地层中旋转时，一个刀片上的切割器和相邻刀片的径向对应切割器接合岩壁之间的时滞对于两个刀片之间的所有切割器对来说是相同的。换句话说，切割器周期性地接合岩石中的缺陷和不一致，这可能会震动钻头并引起振动。

然而，在目前描述的钻头中，刀片被设计成具有不同的形状或定向。这种设计改变了刀片的形状或定向，允许每个单独的切割器逐渐地接合缺陷。与传统切割器不同，刀片被设计成使得在距钻头中心轴线给定径向距离处的切割器相对于旋转的间隔不均匀。一个刀片上的切割器与相邻刀片的径向对应切割器接合岩壁之间的时滞对于两个刀片之间的所有切割器对来说是不相同的。因此，切割器不定期地接合给定位置处的缺陷或不一致。因此，本申请的钻头可以以最小化的振动敏感性进行操作。特别是，新型钻头可以以平滑扭矩(例如，最小化扭矩峰值)钻穿地下井孔。

钻头

本申请涉及一种结构改进的钻头，以平滑扭矩并最小化操作期间钻头(和钻柱)的振动。具体地，本申请涉及具有至少一个刀片的PDC钻头，所述刀片具有改进的形状和/或定向。在一些实施例中，钻头包括(第一)刀片，该(第一)刀片具有从中心轴线附近到钻头主体的外边缘限定的(第一)波形图案。在一些实施例中，钻头包括多个刀片，每个刀片的图案在形状或定向上不同于其他刀片。如本文所述，相对于其他刀片改变刀片的形状可以使操作期间钻头上的扭矩平滑。

本申请的钻头包括钻头主体，该钻头主体具有钻头旨在绕其旋转的中心轴线。钻头主体包括从钻头主体的面延伸的一个或多个刀片。刀片可从中心轴线和/或靠近中心轴线的点延伸至钻头主体的外边缘。一个或多个刀片的形状和变化可以变化，如下详述。当钻头包括多个刀片时，刀片由一个或多个通道分开。钻头还包括多个PDC切割器，其定位和/或布置在一个或多个刀片上。

图1示出了根据本申请的钻头的实施例。特别地，图1示出了结构上用于平滑扭矩的钻头100。钻头100旨在作为用于钻探地下地层的钻头例如PDC刮刀钻头的代表性实施例。钻头100在结构上和机械上设计成绕其中心轴线102旋转。如图所示，钻头100包括钻头主体104。钻头主体104不限于任何特定材料。在一些实施例中，钻头主体104由耐磨复合材料或“基体”制成，其包括例如由金属粘合剂胶结的粉末状碳化钨。

如图1所示，钻头主体104围绕中心轴线102径向设置，钻头主体104旨在在钻井过程中围绕中心轴线102旋转。特别地，图1的透视图示出了钻头主体104的面，其旨在接合正在钻探的井孔的底端。在所示的实施例中，该面基本上位于垂直于钻头100的中心轴线102的平面中。钻头100还包括形成在钻头主体104中、从面延伸的多个主刀片108。在图1所示的实施例中，多个主刀片108中的每个都具有与其他主刀片108异相的波形图案，如下文详细描述的。另外，如图所示，钻头100可包括副刀片110，副刀片110定位在多个主刀片108之间，例如定位在两个相邻的主刀片108之间。尽管多个主刀片108从大致靠近钻头主体104的中心轴线102的点延伸至钻头主体104的外边缘，但副刀片110从距中心轴线102一定径向距离开始并延伸至钻头主体104的外边缘。通道112形成在多个刀片108中的每个与副刀片110之间。在其他实施例中，钻头可包括主刀片但不包括副刀片，或者包括副刀片但不包括主刀片。

在图1所示的钻头100中，如图1所示，多个切割器120沿着主刀片108和/或副刀片110的前缘设置。当钻头100绕其中心轴线102旋转时，切割器120的工作表面大体面向旋转向前的方向以剪切地下地层。在一些实施例中，每个切割器120可与相应刀片的前缘大致对齐。在其他实施例中，多个切割器120中的一个或多个的侧倾角可被调节，使得相应的切割器120不与刀片的前缘对齐。例如，一个或多个切割器120的侧倾角使得暴露出小于约0.060英寸、小于约0.050英寸、小于约0.040英寸、小于约0.030英寸、小于约0.020英寸、小于约0.010英寸或更少的切割器凹穴。侧倾角可以在任何实施例中进行调节，然而，侧倾角调节对于其波形具有特别高振幅的刀片可能特别有用，因为在没有这种侧倾角调节的情况下，这样的波形更有可能暴露切割器凹穴的较大部分。减少切割器凹穴的暴露可以有助于防止切屑滞留在暴露的切割器凹穴内。在一些实施例中，一个或多个刀片108可包括设置在其上的一排或多排切割器120。例如，钻头可包括安装在一个或多个刀片上的第一排PDC切割器和第二排PDC切割器。在一个实施例中，第一排PDC切割器可以是主切割器，第二排PDC切割器可以是副切割器或备用切割器。此外，主切割器可以是单组或多组(例如，多排切割器)。另外，钻头100可包括位于PDC切割器120后面的多个承载元件115。

虽然图1所示的每个主刀片上的波形图案包括凹入区域和凸出区域，但是应当理解，在一些实施例中，主刀片和/或副刀片的波形图案可以仅包括单个凹入区域或单个凸出区域。例如，如图1A所示，钻头100a可包括多个主刀片108a和多个副刀片110a，其中至少一些刀片包括至少一排切割器120a。主刀片108a和/或副刀片110a中的一个或多个可包括限定相应刀片的前缘的形状的波形图案。如图所示，每个刀片上的波形图案仅包括单个凹入部分或单个凸出部分，如线150a所示。例如，如图所示，主刀片108a中的一个或多个可仅包括波形图案的凸出部分，而副刀片110a的一个或多个可仅包括波形图案的凹入部分。应当理解，在其他实施例中，主刀片108a可具有凹入部分，并且副刀片110a可具有凸出部分。在一些实施例中，旋转相邻的刀片的波形的形状可以交替。例如，在副刀片110a设置在相邻主刀片108a之间(如图1A中所示)的情况下，相邻刀片可在具有在凸波形部分和凹波形部分之间交替。

通过利用具有图1和图1A所描述的波形图案的刀片，如图1和1A所示，一个刀片上的切割器和相邻刀片的径向对应切割器接合岩壁之间的时滞对于两个刀片之间的所有切割器对来说是不相同的。因此，给定位置处的缺陷或不一致被切割器非周期性地接合。因此，可以以最小化的振动敏感性来操作本申请的钻头。特别是，新型钻头可以以平滑扭矩(例如，最小化扭矩峰值)钻穿地下井孔。

图2示出了根据本申请的钻头的另一个实施例。图2所示的钻头200在结构上也用于平滑扭矩。钻头200在结构上和机械上被设计成绕其中心轴线202a旋转。和图1和图1A所示的实施例一样，图2的钻头200包括围绕中心轴线202a径向设置的主体204。图2的透视图类似地示出了钻头主体204的面，其旨在接合正在钻探的井孔的底端并且基本上位于垂直于中心轴线202a的平面中。

图2所示的钻头200与图1的不同之处在于其刀片208a、208b、208c的形状和定向，刀片208a、208b、208c形成在钻头主体204中并从面延伸。在图2所示的实施例中，多个刀片208a、208b、208c中的每个都具有线性图案，但是每个刀片的定向不同。特别地，钻头200的刀片208a、208b、208c可具有相对于中心轴线的不同偏移，如下文详细描述的。例如，如图所示，第一刀片208a没有偏移并且从中心轴线202a延伸至钻头主体204的外边缘。第二刀片208b具有负偏移并且从非中心轴线202b延伸至钻头主体204的外边缘。第三刀片208c具有正偏移并从中心轴线202c延伸至钻头主体204的外边缘。另外，钻头200包括副刀片210。通道212形成在多个刀片208a、208b、208c中的每个和副刀片210之间。值得注意的是，刀片的各种组合可以一起使用，并且本申请不限于图中所示的具体构造。

与图1和图1A的钻头一样，图2所示的钻头200包括沿着刀片208a、208b、208c和副刀片210的前缘设置的多个切割器220。钻头200可类似地包括设置在一个或多个刀片上的一排或多排切割器220。另外，钻头200可包括位于PDC切割器220后面的多个承载元件215。

图3示出了可类似于钻头200的钻头300。例如，钻头300可包括主刀片308a、308b、308c，其形成在钻头主体304中并从面延伸，每个刀片308包括多个切割器320和/或承载元件。虽然仅示出了主刀片308，但是应当理解，除了主刀片308之外或者代替主刀片308，钻头可以包括一个或多个副刀片。在图3所示的实施例中，多个刀片308a、308b、308c中的每个都具有线性图案(具有轻微的曲率)，但是每个刀片的定向不同。例如，第一刀片308a可具有相对于中心轴线302a到钻头主体304的外边缘的正偏移。第二刀片308b没有偏移并且从非中心轴线302b延伸至钻头主体204的外边缘。第三刀片308c具有正偏移并从中心轴线302c延伸至钻头主体304的外边缘。值得注意的是，刀片的各种组合可以一起使用，并且本申请不限于图中所示的具体构造。

图3A是示出钻头300的切割器320的相对定位的图。如图3B所示，当每个刀片的切割器320旋转到相同的角位置时，每个刀片308一次仅一个切割器320(或切割器320的其他小子集)可以重叠。这可以确保由每个刀片产生的井孔中的缺陷将逐渐地而不是一次性地与周围的刀片相互作用。这可能有助于平滑扭矩并减少振动。

刀片

本申请的钻头包括一个或多个刀片。如图1、1A、2和3所示，钻头的刀片从钻头主体的面延伸。主刀片通常从面的内部(例如，钻头中心轴线处或附近的点)径向延伸至钻头主体的外边缘。钻头的每个刀片可通过形成在钻头主体的面中的通道而彼此分开。刀片支撑多个PDC切割器，多个PDC切割可以沿着刀片的前缘和/或前面安装，以便当钻头绕其中心轴线旋转时限定切割轮廓。当钻井液流过钻柱、流出钻头的面中的开口、穿过通道并返回到在钻柱和钻孔侧壁之间形成的环空内的表面时，通道可以有利于去除切屑。

钻头可以包括多个刀片，并且刀片的数量不受限制。在一些实施例中，钻头可包括至少一个刀片，例如至少两个刀片、至少三个刀片或至少四个刀片。在一个实施例中，例如，钻头包括两个刀片，两个刀片的每个在形状和/或定向上彼此不同。在另一个实施例中，钻头包括三个刀片。然而，可以预期的是，刀片的一些可以被配置为使得它们在形状和/或定向方面没有不同(相同)，只要刀片的至少两个在形状或定向上确实彼此不同。

在一些情况下，除了主刀片之外或代替主刀片，钻头可包括一个或多个副刀片。换句话说，钻头的一些实施例包括上述多个刀片(其可被称为“主”刀片)以及一个或多个副刀片。主刀片和副刀片的长度通常不同。主刀片通常被定义为从面的内部(例如，钻头中心轴线处或附近的点)径向延伸至钻头主体的外边缘的刀片。副刀片通常被定义为在主刀片之间间隔开并且与钻头的中心轴线径向间隔开的刀片。即，副刀片通常从距中心轴线径向距离D处开始并延伸至外边缘。主刀片和副刀片均可支撑一个或多个PDC切割器。值得注意的是，如本文所使用的术语“刀片”，在没有形容词“主”或“副”的情况下，指的是这些类型中的任一种或者甚至其他类型的刀片。

在本申请的钻头中，从钻头主体延伸的刀片可在形状和/或定向方面变化，如下文详述。在一些情况下，刀片的形状和定向是相对于刀片本身来限定的。例如，刀片的形状可由刀片的前缘限定。在一些情况下，形状和定向是相对于前线来限定的，PDC切割器的切割面沿着该前线对齐。例如，由钻头的第一刀片支撑的多个PDC切割器可以沿着从钻头面的内部延伸至钻头主体的外边缘的第一线对齐。下面详细描述的形状和定向可以指的是第一线(或其他刀片上的相应线)的形状和定向。

形状

钻头的每个刀片可具有多种形状中的任一种。在一些情况下，钻头的一个或多个刀片可具有线性图案。如本文所使用的，术语“线性”不限于完美的直线。相反，具有线性图案的刀片可以具有轻微的弯曲或弯折，只要其不具有波形图案即可。

在一些情况下，钻头的一个或多个刀片具有曲线图案。如本文所使用的，曲线图案是指具有超过轻微弯曲或弯折的任何弯曲形状。曲线图案的形状没有特别限制。例如，曲线图案可以是圆、椭圆、抛物线或任何其他有理代数曲线的一段。在一些实施例中，曲线图案可具有-90°至90°、例如-80°至80°、-70°至70°、-60°至60°、-50°至50°或-45°至45°的弯曲度。

在一些情况下，钻头的一个或多个刀片具有波形图案。如本文所使用的，波形图案是指周期性变化的形状。在一些情况下，例如，波形图案可以以大体正弦、方形、三角形或锯齿形状周期性地变化。应当理解，正弦波形图案不需要被形成数学上定义的正弦函数；相反，正弦波形图案是指由平滑、周期性振荡定义的波形图案。在一些实施例中，波形图案可包括至少一个凹部和至少一个凸部，然而在一些实施例中，波形图案可仅包括单个凸段或单个凹段。类似地，方形波形图案不需要形成完美的方形；相反，方波波形图案是指由在固定最小值和最大值之间以稳定频率交替的振幅定义的波形图案。

在一些实施例中，波形图案可以完全从刀片的内(径向)边缘延伸至刀片的外边缘。在其他实施例中，波形图案可以仅延伸跨过刀片长度的部分。例如，波形图案可以提供在刀片的内部10％、内部15％、内部20％、内部25％、内部30％、内部35％、内部40％、内部45％、内部50％、内部55％、内部60％、内部65％、内部70％、内部75％、内部80％、内部85％、内部90％、内部95％或更多，而其余外部部分具有不同的图案(例如线性和/或曲线的)。具体地，在一些实施例中，波形图案可以存在于至少钻头主体的锥体部和鼻部上，而肩部和/或保径内的刀片的全部或部分可以具有不同的图案。

在一些实施例中，给定钻头上的每个刀片可具有波形图案。每个刀片上的波形图案可以与旋转相邻的刀片异相。在一些实施例中，旋转相邻刀片可指钻头上的任何刀片(例如，主刀片和/或副刀片)，而在其他实施例中，旋转相邻刀片可指钻头锥体部内的旋转相邻刀片(即，旋转相邻主刀片)。相邻刀片可以具有相同的振幅、频率和/或波长，同时具有不同的相位。例如，如图所示，第一刀片(例如，如图所示右侧的刀片)可以以接近波形图案的波谷的坡度开始，而第二刀片(例如，如图所示的顶侧的刀片)以接近波形图案的波峰的坡度开始，以及第三刀片(例如，左下方的刀片)具有紧接在波形图案的波谷之后开始的坡度。虽然示出每个刀片具有相似或相同振幅和波长的波形，但是一些钻头可包括具有不同振幅和/或波长的波形的刀片。在一些实施例中，单个刀片的振幅、波长和/或频率可以在刀片的长度上变化(即，随着距中心轴线的径向距离增加)。例如，波形图案的振幅在刀片的内部区域处可以比在外部区域处更大。

在一些实施例中，钻头包括多个刀片，并且每个刀片具有彼此不同的形状。在一些情况下，刀片的形状的不同之处在于每个刀片具有不同类型的图案。例如，钻头可包括两个刀片：具有波形图案的第一刀片和具有线性或曲线图案的第二刀片。在另一实施例中，钻头包括三个刀片：具有波形图案的第一刀片、具有线性图案的第二刀片以及具有曲线图案的第三刀片。

在某些情况下，尽管图案类型重叠，但刀片的形状不同。在一些实施例中，例如，钻头可包括两个刀片：具有第一波形图案的第一刀片和具有第二波形图案的第二刀片。第一波形图案和第二波形图案的不同之处在于它们具有不同的振荡图案。例如，第一波形图案可以是正弦的，以及第二波形可以是方形的。不同的振荡图案可以例如在振幅、频率或波长中的一个或多个方面不同，如下文详述。

在一些情况下，钻头可包括具有上述形状的任意组合的三个或更多个刀片。在一个实施例中，例如，钻头包括三个刀片，分别包括第一波形图案、第二波形图案和线性图案。在该实施例中，第一波形图案和第二波形图案可以具有不同的形状。当然，其他组合也是可能的。

定向

在一些实施例中，钻头上的多个刀片可以在定向方面不同。如本文所使用的，刀片的“定向”是指在钻头主体的面上的刀片的位置的各方面。在一些情况下，例如，钻头主体的两个或更多个刀片可以具有相同(或大致相同)的形状，但是在定向方面仍然可以不同。

在一些方面，刀片的定向是指点，刀片从此点径向延伸。如上所述，钻头的刀片从钻头面的内部的点延伸至钻头主体的外边缘。如本文所使用的，钻头面的内部指的是由为钻头面的总半径的三分之一的半径限定的面的圆形区域。在一些实施例中，一个或多个刀片可从基本上靠近钻头主体的中心轴线的任何点延伸。在一些情况下，例如，刀片可以从钻头主体的中心轴线延伸。

在一些实施例中，一个或多个刀片可从不在钻头主体的中心轴线处或附近但仍然在钻头面的内部内的另一点延伸。在一些情况下，该点可能是钻头的非中心轴线。非中心轴线可以是钻头主体的任何其他轴线。在一些情况下，非中心轴线可以是与钻头主体的中心轴线分开但平行的轴线。在本文中，术语非中心轴线是指平行于中心轴线的假想线。

在一些方面，刀片的定向是指刀片相对于中心轴线的偏移。如本文所用，术语“偏移”是指给定刀片原点距刀片钻头的中心轴线的垂直距离。刀片的偏移可以变化，而与刀片的形状无关。换句话说，以下对偏移的讨论用于具有根据以上描述的任何形状的刀片。

参考图4，通常将会更好地理解偏移，图4示出了钻头400的面。钻头400具有中心轴线402，钻头400被设计成围绕中心轴线402旋转。如图所示，钻头400包括多个刀片404。图4中示出了一个刀片404的前缘405来说明偏移。另外，图4示出了钻头的半径R。如图所示，刀片404从半径R上的点延伸至钻头400的外边缘。偏移410是钻头400的前缘405和中心轴线402之间的沿半径R的轴向距离。在图4所示的实施例中。如图4所示，刀片404的偏移为正，这表明刀片404的前缘405从中心轴线402向前移动(在图4的透视图中向上)。相反，未示出的“负偏移”指的是从中心轴线向后偏移的前缘。

本文描述的钻头的给定刀片的偏移不受特别限制。任何给定的刀片可以具有正偏移、负偏移或根本没有偏移。

在一些实施例中，刀片的(正或负)偏移范围可以是从0”到1”，例如从0”至0.8”、从0”至0.6”、从0”至0.4”、从0.01”至1”、从0.01”至0.8”、从0.01”至0.6”、从0.01”至0.4”、从0.05”至1”、从0.05”至0.8”、从0.05”至0.6”、从0.05”至0.4”、从0.08”至1”、从0.08”至0.8”、从0.08”至0.6”、从0.08”至0.4”、从0.1”至1”、从0.1”至0.8”、从0.1”至0.6”或从0.1”至0.4”。就上限而言，偏移可以小于1”，例如小于0.8”、小于0.6”或小于0.4”。就下限而言，偏移可以大于0”，例如大于0.01”、大于0.05”、大于0.08”或大于0.1”。在一些情况下，例如，钻头可包括具有大约0.15”的偏移的刀片。

在一些实施例中，刀片的偏移与钻头主体的半径的比率可以在0至0.5的范围内，例如，从0至0.4、从0至0.3、从0至0.2、从0.01至0.1、从0.01至0.5、从0.01至0.4、从0.01至0.3、从0.01至0.2、从0.01到0.1、从0.02到0.1、从0.02到0.5、从0.02到0.4、从0.02到0.3、从0.02到0.2、从0.02到0.1、从0.03到0.1、从0.03到0.5、从0.03到0.4、从0.03至0.3、从0.03至0.2、从0.03至0.1、从0.04至0.1、从0.04至0.5、从0.04至0.4、从0.04至0.3、从0.04至0.2、从0.04至0.1、从0.05至0.1、从0.05至0.5、从0.05至0.4、从0.05至0.3、从0.05至0.2、或从0.05至0.1。就下限而言，刀片的偏移与钻头主体的半径的比率可以大于0，例如大于0.01、大于0.02、大于0.03、大于0.04或大于0.05。就上限而言，刀片的偏移与钻头主体的半径的比率可以小于0.5，例如小于0.4、小于0.3、小于0.2或小于0.1。

在一些实施例中，钻头的两个或更多个刀片可在偏移方面不同。在一些实施例中，例如，第一刀片可具有正偏移，而第二刀片可具有负偏移。在一些实施例中，第一刀片可具有正偏移，而第二刀片可不具有偏移。在一些实施例中，第一刀片可具有负偏移，而第二刀片可不具有偏移。

在一些实施例中，钻头的刀片可在偏移的尺寸或程度方面不同。例如，第一刀片可具有正偏移，而第二刀片可具有更大的正偏移。在另一实施例中，第一刀片可具有正偏移，而第二刀片可具有更大的负偏移。

在一些实施例中，钻头的两个刀片之间的最大偏移差可以在从-0.5”至0.5”的范围内，例如从-0.5”至0.4”、从-0.5”至0.2”、从-0.5”至0.1”、从-0.4”至0.5”、从-0.4”至0.4”、从-0.4”至0.2”、从-0.4”至0.1”、从-0.2”到0.5”、从-0.2”到0.4”、从-0.2”到0.2”、从-0.2”到0.1”、从-0.1”到0.5”、从-0.1”到0.4”、从-0.1”到0.2”或从-0.1”到0.1”。从上限来看，钻头的两个刀片之间的最大偏移差可以小于0.5”，例如小于0.4”、小于0.2”或小于0.1”。就下限而言，钻头的两个刀片之间的最大偏移差可以大于-0.5”，例如大于-0.4”、大于-0.2”或大于-0.1”。

本申请设想了一种钻头，钻头具有带有任意可行的偏移组合的刀片。在一个实施例中，例如，钻头可包括五个刀片：没有偏移的第一刀片、具有正偏移的第二刀片、具有较大正偏移(相对于第二刀片的偏移)的第三刀片、具有负偏移的第四刀片以及具有较大负偏移(相对于第四刀片的偏移)的第五刀片。钻头的其他实施例可以具有带有不同偏移的类似组合的更少的刀片(例如，三个或四个刀片)。

在一些方面，刀片的定向指的是波形图案的衡量指标。如上所述，钻头的一个或多个刀片可具有波形图案。在一些实施例中，钻头包括具有第一波形图案的第一刀片和具有第二波形图案的第二刀片，并且根据本文描述的一个或多个衡量指标第一波形图案和第二波形图案不同。

给定刀片的波形图案可以在振幅方面不同。波形图案的振幅是指从中心线到波峰顶部(或波峰底部)的距离。刀片的波形图案的振幅没有特别限制。在一些实施例中，钻头主体的半径与波形图案的振幅的比率可以在从5至75的范围内，例如，从5至70、从5至65、从5至60、从5至55、从5至50、从8至75、从8至70、从8至65、从8至60、从8至55、从8至50、从10到75、从10到70、从10到65、从10到60、从10到55、从10到50、从12到75、从12到70、从12到65、从12到60、从12到55、从12到50、从15到75、从15到70、从15至65、从15至60、从15至55、或从15至50。就下限而言，钻头主体的半径与波形图案的振幅的比率可以大于5，例如大于8、大于10、大于12或大于15。就上限而言，钻头主体的半径与波形图案的振幅的比率可以小于75，例如小于70、小于65、小于60、小于55或小于50。

另外或替代地，给定刀片的波形图案可以在波长方面不同。波形图案的波长是指一个完整周期的波的的长度。刀片的波形图案的波长没有特别限制。在一些实施方案中，钻头主体的半径与波形图案的波长的比率可以在0.5到50的范围内，例如，从0.5至49、从0.5至48、从0.5至47、从0.5至46、从0.5到45、从0.6到50、从0.6至49、从0.6到48、从0.6到47、从0.6到46、从0.6到45、从0.7到50、从0.7到49、从0.7到48,从0.7到47、从0.7到46、从0.7到45、从0.8到50、从0.8到49、从0.8到48,从0.8到47、从0.8到46、从0.8到45、从0.9到50、从0.9到49、从0.9到48、从0.9至47、从0.9至46、或从0.9至45。就下限而言，钻头主体的半径与波形图案的波长的比率可以大于0.5，例如大于0.6、大于0.7、大于0.8或大于0.9。就上限而言，钻头主体的半径与波形图案的波长的比率可以小于50，例如小于49、小于48、小于47、小于46或小于45。

另外或替代地，给定刀片的波形图案可以在频率方面变化。波形图案的频率是指在刀片上完成的波的周期数。刀片的波形图案的频率没有特别限制。在一些实施例中，波形图案的频率范围可以在从0.6至30的范围内、例如、从0.6至28、从0.6至26、从0.6至24、从0.6至22、从0.6至20、从0.7至30、从0.7至28、从0.7至26、从0.7至24、从0.7到22、从0.7到20、从0.8到30、从0.8到28、从0.8到26、从0.8到24、从0.8到22、从0.8到20、从0.9到30、从0.9到28、从0.9到26、从0.9到24、从0.9到22、从0.9到20、从1到32、从1到28、从1到26、从1到24、从1到22、或从1到20。就下限而言，钻头主体的半径与波形图案的波长的比率可以大于0.6，例如，大于0.7、大于0.8、大于0.9或大于1。就上限而言，钻头主体的半径与波形图案的波长的比率可以小于30，例如，小于28、小于26、小于24、小于22或小于20。

另外或替代地，给定刀片的波形图案可以在相位方面变化。波形图案的相位是指波形的单个周期内的点的位置。例如，给定刀片的波形图案可以开始于波形的波峰、波形的波谷或它们之间的任何点。在一些方面，相位可以用度作为角度单位来定义，使得波形在360°内完成一个完整周期。在此方法中，波形位于0°、180°和360°处的中心线、90°处的波峰和270°处的波谷。当在此定义时以此方式，给定刀片的波形图案可以从0°到360°的任何相位开始(例如，在中心轴线处或附近的点处)。

在一些实施例中，钻头的两个或更多个刀片可以在上述波衡量指标中的任何一个或多个方面不同。在一些实施例中，例如，第一刀片可具有具有第一较小振幅的波形图案，并且第二刀片可具有具有第二较大振幅的波形图案。在一些实施例中，例如，第一刀片可具有具有第一较短波长的波形图案，并且第二刀片可具有具有第二较长振幅的波形图案。在一些实施例中，例如，第一刀片可具有第一较低频率的波形图案，第二刀片可具有第二较高频率的波形图案。

两个刀片的波形图案之间的相位差可以用相移来表征。相移是指两个波形图案开始处的相位之间的差异(例如，中心轴或非中心轴，刀片从该中心轴或非中心轴延伸)。例如，如果第一刀片的波形图案以90°的相位开始，而第二刀片的波形图案以180°的相位开始，则两者之间的相移为差值，即90°。当相移为零时，两个信号被称为同相，否则它们彼此异相。

在一些实施例中，第一刀片的波形和第二刀片的波形之间的相移可以是从0°到180°，例如，从0°到165°、从0°到150°、从0°到135°、从0°到120°、从15°到180°、从15°到165°、从15°到150°、从15°至135°、从15°至120°、从30°至180°、从30°至165°、从30°至150°、从30°至135°、从30°至120°、从45°至180°、从45°至165°、从45°至150°、从45°至135°、从45°至120°、从60°至180°、从60°至165°、从60°至150°、从60°至135°、或从60°至120°。就下限而言，相移可以大于0°，例如，大于15°、大于30°、大于45°或大于60°。就上限而言，相移可以小于180°，例如，小于165°、小于150°、小于135°或小于120°。

本申请设想了一种具有刀片的钻头，该刀片具有基于任何一个或多个以上波浪衡量指标的变化而不同的波形图案。在一个实施例中，例如，钻头可包括五个刀片，每个刀片具有独特的波形图案：第一刀片可具有正弦波形图案，第二刀片的波形图案可具有较小的振幅(相对于第一刀片)，第三刀片的波形图案可具有较长的波长(相对于第一刀片)，第四刀片的波形图案可具有90°的相移(相对于第一刀片)以及第五刀片的波形图案可具有180°的相移(相对于第一刀片)。钻头的其他实施例可以具有带有不同偏移的类似组合的更少的刀片(例如，三个或四个刀片)。

使用钻头的方法和系统

在相同方面，本申请还涉及用于使用本文描述的新颖钻头的方法和系统。具体地，本申请的一些实施例涉及钻头(根据以上描述)在推进钻孔穿过岩石中的使用。

图5是用于钻井操作的钻机500的示意图。在钻机500的示意性表示中示出的每个部件旨在大体上代表该部件，并且特定实施例旨在作为如何设置钻机以使用本文所述的钻头进行钻探的非限制性代表性实施例。在各种实施例中，钻机500包括井架501，井架501将钻头502定位在形成于地下地层512中的孔或井孔506内的钻柱504的端部处。在钻井操作期间，钻头502可连接至钻柱504的下端。

钻柱504可以有几英里长，并且像井孔506一样，从地面518沿垂直和水平方向延伸。在所示实施例中，钻柱504由螺纹管段形成，当钻柱504下降到井孔506中时，螺纹管段在地面处拧紧在一起。然而，钻柱504还可以包括连续管道。钻柱504还可以包括除管或管道之外的部件。例如，底部钻具组件(BHA)505可在钻头502之前连接至钻柱504的下端。根据具体应用，BHA505可以包括一个或多个以下部件：钻头接头、井下马达、稳定器、钻铤、震击装置、定向钻井和测量设备、随钻测量工具、随钻测井工具和其他装置。BHA505的部件的特性有助于确定钻头502的钻进速度以及井孔506的形状、方向和其他几何特性。

在钻井期间，钻头502旋转以剪切地下地层512并推进井孔506。钻头502可以以多种方式旋转。例如，可通过用顶部驱动器516或工作台驱动器(未示出)或用作为BHA505的部分的井下马达旋转钻柱504来旋转钻头502。钻头502可以被井孔506的侧壁510围绕。当钻头502经由钻柱504在井孔506内旋转时，钻井液可以沿着钻柱504向下泵送，穿过钻头502内的内部通道，并且通过开口、喷嘴或端口从钻头502流出。由钻头502的一个或多个PDC切割器产生的地层切屑526可以被钻井液携带通过通道(围绕钻头502)，并且通过钻柱504外部的井孔506内的环空527返回井孔506。

可以使用常规装置(例如泵)将钻井液沿钻柱504向下泵送。图5示出了流体源520，其旨在作为产生钻井液(例如，液压或气动流体)的任何可能方式的非限制性表示，因为钻头502可以与它们中的任何一种一起使用。钻井液通过使其流经钻柱504而沿井孔506向下循环，到达钻头502，在钻头502处，钻井液通过开口、喷嘴或端口离开，以携带切屑离开钻头502的面并进入环空527，在环空527中，切屑可被携带至收集点522。一旦清除了切屑，收集点522内的钻井液就可以再循环。

在各种实施例中，钻井液包括液体钻井泥浆。各种常规液体钻井泥浆是已知的，并且这些泥浆中的每种与本文描述的钻头和钻井系统一起使用都是可接受的。在一些实施例中，例如，液体钻井泥浆可仅包含水或与其他组分组合的水。在一些实施例中，液体钻井泥浆可包含与粘土(例如，膨润土)或其他化学品(例如，甲酸钾)组合的水。在一些实施例中，液体钻井泥浆可以是油基混合物，例如，包含石油产品。在一些实施例中，液体钻井泥浆可包含合成油。

诸如钻井泥浆或气动流体之类的钻井液可沿钻柱向下泵送至形成于钻头中心中的中心通道内，然后通过形成在钻头的面中的开口流出。钻井液有多种用途。例如，钻井液可用于冷却、润滑或以其他方式冷却、润滑钻柱的切割器或其他部件，以从井中移除和携带切屑，悬浮和释放切屑，密封地层，将液压能传输至工具，将测量值传送至地面，控制腐蚀，和/或促进固井。

实施例

如下文所使用的，对一系列实施例的任何引用应理解为分离地引用这些实施例中的每个(例如，“实施例1-4”应理解为“实施例1、2、3或4”)。

实施例1是一种用于推进钻孔的钻头，包括：钻头主体，钻头主体包括钻头旨在围绕其旋转的中心轴线和从面延伸的第一刀片，第一刀片具有从中心轴线附近到钻头主体的外边缘限定的第一波形图案；以及位于第一刀片上的多个聚晶金刚石复合片(“PDC”)切割器。

实施例2是实施例1的钻头，其中第一波形图案具有正弦形状。

实施例3是实施例1-2的钻头，其中钻头主体还包括从面延伸的第二刀片，并且其中第一刀片和第二刀片通过通道分开。

实施例4是实施例3的钻头，其中第一刀片和第二刀片旋转相邻。

实施例5是实施例3-4的钻头，其中第二刀片具有从中心轴线附近到外边缘限定的线性图案。

实施例6是实施例3-4的钻头，其中第二刀片具有从中心轴线附近到外边缘限定的曲线图案。

实施例7是实施例3-4的钻头，其中第二刀片具有从中心轴线附近到外边缘限定的第二波形图案。

实施例8是实施例7的钻头，其中第一波形图案和第二波形图案具有不同的形状、振幅、频率和/或相位。

实施例9是实施例7-8的钻头，其中第一波形图案和第二波形图案至少部分异相。

实施例10是实施例7-9的钻头，其中第一波形图案和第二波形图案呈现0°至180°的相移。

实施例11是一种用于推进钻孔的钻头，包括：钻头主体，附近具有中心轴线和面，钻头旨在围绕中心轴线旋转，在该表面上限定有多个刀片，多个刀片由刀片之间的通道分开；以及位于多个刀片上的多个PDC切割器；其中每个刀片的图案在形状或定向上不同于其他刀片。

实施例12是实施例11的钻头，其中多个刀片中的第一刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。

实施例13是实施例12的钻头，其中多个刀片中的第二刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案，其中第一刀片和第二刀片具有不同的图案。

实施例14是实施例11-13的钻头，其中多个刀片中的第一刀片具有从中心轴线到钻头主体的外边缘限定的第一波形图案。

实施例15是实施例14的钻头，其中多个刀片中的第二刀片具有从钻头主体的非中心轴线到外边缘限定的第二波形图案。

实施例16是实施例14的钻头，其中多个刀片中的第二刀片具有从钻头主体的中心轴线到外边缘限定的第二波形图案，并且其中第一波形图案和第二波形图案具有不同的形状、振幅、频率和/或相位。

实施例17是实施例11-16的钻头，其中多个刀片中的第一刀片具有从中心轴线到钻头主体的外边缘限定的线性图案，并且其中多个刀片中的第二刀片具有从钻头主体的非中心轴线到外边缘限定的线性图案。

实施例18是实施例11-16的钻头，其中多个刀片中的第一刀片具有从中心轴线到钻头主体的外边缘限定的线性图案，并且其中多个刀片中的第二刀片具有从中心轴线到外边缘限定的曲线图案。

实施例19为实施例11-16的钻头，其中多个刀片中的第一刀片具有从中心轴线到钻头主体的外边缘限定的曲线图案，并且其中多个刀片中的第二刀片具有从非中心轴线到外边缘限定的曲线图案。

实施例20是一种用于推进钻孔的钻头，包括：钻头主体，钻头主体具有中心轴线和面，钻头旨在绕中心轴线旋转；第一刀片，至少部分设置在面上并且从中心轴线延伸至钻头主体的外边缘；第二刀片，至少部分地设置在面上并且从第一非中心轴线延伸至外边缘，第一刀片和第二刀片由第一通道分开；以及多个PDC切割器，位于第一刀片和第二刀片的每个上。

实施例21为实施例20的钻头，其中第一刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。

实施例22是实施例20-21的钻头，其中第一刀片具有线性图案。

实施例23是实施例20-22的钻头，其中第二刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。

实施例24是实施例20-23的钻头，其中第二刀片具有线性图案。

实施例25是实施例20-24的钻头，还包括至少部分地设置在所述面上并且从第二非中心轴线延伸至外边缘的第三刀片。

实施例26是实施例25的钻头，其中第三刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。

实施例27是实施例25-26的钻头，其中第三刀片具有线性图案。

实施例28是一种钻头，包括：钻头主体，钻头主体具有钻头旨在绕其旋转的中心轴线、第一刀片和第二刀片，第一刀片和第二刀片由通道分开；由第一刀片支撑的第一多个PDC切割器，第一多个PDC切割器沿从钻头主体的第一轴线延伸的第一线对齐；以及由第二刀片支撑的第二多个PDC切割器，第二多个PDC切割器沿从钻头主体的第二轴线延伸的第二线对齐。

实施例29是实施例28的钻头，其中第一线是线性的、沿弧线弯曲的或波形的。

实施例30是实施例28-29的钻头，其中第二线是线性的、沿弧线弯曲的或波形的。

实施例31是实施例28-30的钻头，其中第一线和第二线具有不同的形状或定向。

实施例32是实施例28-31的钻头，其中第一轴线和第二轴线是钻头旨在围绕其旋转的中心轴线，并且其中第一线和第二线具有不同的形状。

实施例33是实施例28-32的钻头，其中第一轴线是钻头旨在围绕其旋转的中心轴线，其中第二轴线是非中心轴线，并且其中第一线和第二线是可重叠的。

实施例34是实施例33的钻头，其中第一轴线平行于第二轴线。

实施例35是一种钻头，包括：钻头主体，钻头主体具有第一刀片和第二刀片，第一刀片和第二刀片由通道分开；由第一刀片支撑的第一多个PDC切割器，第一多个PDC切割器沿第一线对齐，第一线相对于中心轴线具有正偏移；以及由第二刀片支撑的第二多个PDC切割器，该第二多个PDC切割器沿着第二线对齐，该第二线相对于中心轴线具有负偏移。

实施例36是用钻头推进钻孔穿过岩石的方法，该钻头包括：钻头主体，该钻头主体具有中心轴线和面，钻头旨在绕中心轴线旋转，在面上限定有从面延伸并由刀片之间的通道分开的多个刀片；以及多个刀片上的多个PDC切割器，其中每个刀片的图案在形状或定向上与其他刀片不同，该方法包括：在钻孔内绕中心轴线旋转钻头以使多个PDC切割器剪切岩石。

Claims (36)

1.一种用于推进钻孔的钻头，包括：

钻头主体，包括中心轴线和第一刀片，所述钻头旨在绕所述中心轴线旋转，所述第一刀片从所述钻头主体的面延伸，所述第一刀片具有从所述中心轴线附近到所述钻头主体的外边缘限定的第一波形图案；以及

位于所述第一刀片上的多个聚晶金刚石复合片(“PDC”)切割器。

2.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述第一波形图案具有正弦形状。

3.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述钻头主体还包括从所述面延伸的第二刀片，并且其中，所述第一刀片和所述第二刀片由通道分开。

4.根据权利要求3所述的钻头，其中，所述第一刀片和所述第二刀片旋转相邻。

5.根据权利要求3所述的钻头，其中，所述第二刀片具有从所述中心轴线附近到所述外边缘限定的线性图案。

6.根据权利要求3所述的钻头，其中，所述第二刀片具有从所述中心轴线附近到所述外边缘限定的曲线图案。

7.根据权利要求3所述的钻头，其中，所述第二刀片具有从所述中心轴线附近到所述外边缘限定的第二波形图案。

8.根据权利要求7所述的钻头，其中，所述第一波形图案和所述第二波形图案至少具有选自形状、振幅、频率和相位中的不同特征。

9.根据权利要求7所述的钻头，其中，所述第一波形图案和所述第二波形图案至少部分异相。

10.根据权利要求7所述的钻头，其中，所述第一波形图案和所述第二波形图案呈现从0°到180°的相移。

11.一种用于推进钻孔的钻头，包括：

钻头主体，具有中心轴线和面，所述钻头旨在绕所述中心轴线旋转，所述面上限定有多个刀片，所述多个刀片由刀片之间的通道分开；以及

位于所述多个刀片上的多个PDC切割器；

其中，每个刀片的图案在形状和定向中的一个或两个方面与其他刀片不同。

12.根据权利要求11所述的钻头，其中，所述多个刀片中的第一刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。

13.根据权利要求12所述的钻头，其中，所述多个刀片中的第二刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案，其中，所述第一刀片和所述第二刀片具有不同的图案。

14.根据权利要求11所述的钻头，其中，所述多个刀片中的第一刀片具有从所述中心轴线到所述钻头主体的外边缘限定的第一波形图案。

15.根据权利要求14所述的钻头，其中，所述多个刀片中的第二刀片具有从所述钻头主体的非中心轴线到所述外边缘限定的第二波形图案。

16.根据权利要求14所述的钻头，其中，所述多个刀片中的第二刀片具有从所述钻头主体的中心轴线到所述外边缘限定的第二波形图案，并且其中，所述第一波形图案和所述第二波形图案具有不同的形状、振幅、频率和/或相位。

17.根据权利要求11所述的钻头，其中，所述多个刀片中的第一刀片具有从所述中心轴线到所述钻头主体的外边缘限定的线性图案，并且其中，所述多个刀片中的第二刀片具有从所述钻头主体的非中心轴线到所述外边缘限定的线性图案。

18.根据权利要求11所述的钻头，其中，所述多个刀片中的第一刀片具有从所述中心轴线到所述钻头主体的外边缘限定的线性图案，并且其中，所述多个刀片中的第二刀片具有从所述中心轴线到所述外边缘限定的曲线图案。

19.根据权利要求11所述的钻头，其中，所述多个刀片中的第一刀片具有从所述中心轴线到所述钻头主体的外边缘限定的曲线图案，并且其中，所述多个刀片中的第二刀片具有从非中心轴线到所述外边缘限定的曲线图案。

20.一种用于推进钻孔的钻头，包括：

钻头主体，具有中心轴线和面，所述钻头旨在围绕所述中心轴线旋转；

第一刀片，至少部分地设置在所述面上并且从所述中心轴线延伸至所述钻头主体的外边缘；

第二刀片，至少部分地设置在所述面上并且从第一非中心轴线延伸至所述外边缘，所述第一刀片和所述第二刀片由第一通道分开；以及

多个PDC切割器，位于所述第一刀片和所述第二刀片的每个上。

21.根据权利要求20所述的钻头，其中，所述第一刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。

22.根据权利要求20所述的钻头，其中，所述第一刀片具有线性图案。

23.根据权利要求20所述的钻头，其中，所述第二刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。

24.根据权利要求20所述的钻头，其中，所述第二刀片具有线性图案。

25.根据权利要求20所述的钻头，还包括第三刀片，所述第三刀片至少部分地设置在所述面上并且从第二非中心轴线延伸至所述外边缘。

26.根据权利要求25所述的钻头，其中，所述第三刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。

27.根据权利要求25所述的钻头，其中，所述第三刀片具有线性图案。

28.一种钻头，包括：

钻头主体，具有中心轴线、第一刀片和第二刀片，所述钻头旨在绕所述中心轴线旋转，所述第一刀片和所述第二刀片由通道分开；

由所述第一刀片支撑的第一多个PDC切割器，所述第一多个PDC切割器沿着从所述钻头主体的第一轴线延伸的第一线对齐；

由所述第二刀片支撑的第二多个PDC切割器，所述第二多个PDC切割器沿着从所述钻头主体的第二轴线延伸的第二线对齐。

29.根据权利要求28所述的钻头，其中，所述第一线是线性的、沿弧线弯曲的、或波形的。

30.根据权利要求28所述的钻头，其中，所述第二线是线性的、沿弧线弯曲的、或波形的。

31.根据权利要求28所述的钻头，其中，所述第一线和所述第二线具有不同的形状或定向。

32.根据权利要求28所述的钻头，其中，所述第一轴线和所述第二轴线是中心轴线，所述钻头旨在绕所述中心轴线旋转，并且其中，所述第一线和所述第二线具有不同的形状。

33.根据权利要求28所述的钻头，其中，所述第一轴线是中心轴线，所述钻头旨在绕所述中心轴线旋转，其中所述第二轴线是非中心轴线，并且其中所述第一线和所述第二线是可重叠的。

34.根据权利要求33所述的钻头，其中，所述第一轴线平行于所述第二轴线。

35.一种钻头，包括：

钻头主体，具有第一刀片和第二刀片，所述第一刀片和所述第二刀片由通道分开；

由所述第一刀片支撑的第一多个PDC切割器，所述第一多个PDC切割器沿着第一线对齐，所述第一线相对于所述钻头主体的中心轴线具有正偏移；以及

由所述第二刀片支撑的第二多个PDC切割器，所述第二多个PDC切割器沿着第二线对齐，所述第二线相对于所述中心轴线具有负偏移。

36.一种用钻头推进钻孔穿过岩石的方法，所述钻头包括：钻头主体，所述钻头主体具有中心轴线和面，所述钻头旨在绕所述中心轴线旋转，并且所述面上限定有多个刀片，所述多个刀片从所述面延伸并由刀片之间的通道分开；以及位于所述多个刀片上的多个PDC切割器，其中，每个刀片的图案在形状或定向上不同于其他刀片，所述方法包括：

使所述钻头在钻孔内绕所述中心轴线旋转以使所述多个PDC切割器剪切岩石。