旋转钻头和设计用于定向和水平钻探的旋转钻头的方法

旋转钻头和设计用于定向和水平钻探的旋转钻头的方法
【专利摘要】披露了一种设计用于定向和水平钻探的多层井下的钻探工具。该钻探工具包括：具有延伸通过其中的旋转轴线的钻头体。多个主刀片设置在钻头体的外部上，以及多个次级刀片于钻头体的外部设置在主刀片之间。钻探工具还包括多个设置在主刀片的外部上第一层切削元件，以及多个设置在次级刀片的外部上的第二层切削元件。第二层切削元件是按反向轨迹式设置构造与第一层切削元件呈轨迹式设置。
【专利说明】旋转钻头和设计用于定向和水平钻探的旋转钻头的方法

【技术领域】
[0001] 本发明总的涉及井下钻探工具，具体来说，涉及旋转钻头和设计用于定向和水平 钻探的旋转钻头的方法。

【背景技术】
[0002] 各种类型的井下钻探工具包括但不限于：旋转钻头、钻孔器、岩心钻头以及其它的 井下工具，在相关的井下地层中，这些钻探工具已经被用来形成井筒。此类旋转钻头的实例 包括但不限于：固定刀具的钻头、拖曳钻头、多晶金刚石致密（roc)钻头，以及与形成延伸 通过一个或多个井下地层的油井和气井相关的基质钻头。诸如PDC钻头的固定刀具钻头包 括多个刀片，它们各包括多个切割元件。
[0003] 在典型的钻探应用场合中，钻头可用在定向和水平钻探中。通常在定向和水平钻 探中，钻头将垂直地钻探到某一开始部位，在该开始部位处，钻头将开始弯曲到地层中，且 在某一点处，钻头将开始水平钻探。定向和水平钻探的目的之一是增大蓄库排放到井筒中 的排量并提高井的产量。
[0004] 当钻探垂直井筒时，位于钻头上方的钻具组和各种其它的物件在钻头上提供要求 的力，这通常被称作钻压（WOB)。该WOB能使钻头充分地配合地层，达到足够的穿透率（ROP) 和切削深度。然而，当井筒开始从垂直改变到水平时，钻具组借助于重力保持抵靠着井筒的 下壁。在这种情况下，钻具组处于井筒开始部位和水平部分中的部分可能在钻头上不作用 任何的重力，因为钻具组的重量作用在井筒的下壁上。这导致非常小的WOB和低的ROP。因 此，在定向和水平钻探中，用于使钻头转向的任何力必须克服钻具组和井筒下壁之间的摩 擦力。此外，在某些定向和水平钻探中使钻头转向所需的转矩仅由井下马达提供的，因此是 非常有限的。如果钻头切削的即时深度非常深，使得马达所产生的转矩和每分钟转数（RPM) 不足以有效地转动该钻头，则该有限的转矩可导致"马达停转"。


【发明内容】

[0005] 根据本发明的介绍，与使用旋转钻头进行定向和水平钻探有关的缺点和问题已经 基本上减少或消除。在特别的实施例中，披露了设计用于定向和水平钻探中的多层井下的 钻探工具。该钻探工具包括钻头体，其包括延伸通过其中的旋转轴线。多个主刀片设置在 钻头体的外部上，而多个次级刀片设置在钻头体的外部上主刀片之间。多个第一层切削元 件设置在主刀片的外部上，且多个第二层的切削元件设置在次级刀片的外部上。第二层的 切削元件按反向轨迹式设置（opposite track set)构造与第一层的切削元件呈轨迹式设 置。
[0006] 根据本发明一实施例，披露了设计用于定向和水平钻探中的多层井下钻探工具。 该钻探工具包括钻头体，其包括延伸通过其中的旋转轴线。多个主刀片设置在钻头体的外 部上，而多个次级刀片设置在钻头体的外部上主刀片之间。多个第一层切削元件设置在主 刀片的外部上，且多个第二层的切削元件设置在次级刀片的外部上。第二层的切削元件按 前轨迹式设置构造（front track set)而与第一层切削元件呈轨迹式设置。
[0007] 根据本发明另一实施例，披露了设计多外形层的钻头以提供定向和水平钻探的方 法。该方法包括：将多个第一层切削元件放置在设置于钻头体外部上的多个主刀片上；以 及由前轨迹式设置构造或反向轨迹式设置构造形成切削元件构造。在钻探过程中，根据井 筒的地层特征和与钻头相关的马达转速，来估计第二层切削元件与地层相配合处的钻压。 确定第二层的切削元件和第一层的切削元件之间的未露出量，并根据切削元件构造和所确 定的未露出量，将第二层的切削元件放置在多个次级刀片上，以防止在滑动模式钻探过程 中马达停转。

【专利附图】

【附图说明】
[0008] 为了更完整地理解本发明和其特征和优点，现结合附图，参照以下的描述，附图 中：
[0009] 图1示出根据本发明某些实施例的钻探系统的示例实施例；
[0010] 图2A示出根据本发明某些实施例的旋转钻头的立体图，该钻头以经常用于对固 定刀具的钻头进行模型确定或设计的方式而向上定向；
[0011] 图2B示出根据本发明某些实施例的作为转速、流体速度和压差的函数的马达的 输出转矩图；
[0012] 图3示出根据本发明某些实施例设计的钻头每转切削深度和钻压的关系图；
[0013] 图4A示出根据本发明某些实施例的钻头的钻头面，其包括设置在呈前轨迹式设 置构造的刀片上的切削元件；
[0014] 图4B示出根据本发明某些实施例设计的图4A的钻头的钻压对穿透率的曲线图；
[0015] 图5A示出根据本发明某些实施例的钻头的钻头面，其包括设置在呈反向轨迹式 设置构造的刀片上的切削元件；
[0016] 图5B示出根据本发明某些实施例设计的图5A的钻头的钻压对穿透率的曲线图；
[0017] 图6A示出根据本发明某些实施例的钻头的钻头面，对该钻头面可确定切削控制 曲线的临界深度（CDCCC);
[0018] 图6B示出根据本发明某些实施例的图6A的钻头的钻头面外形；
[0019] 图7示出根据本发明某些实施例的确定和产生切削控制曲线的临界深度的示例 方法；
[0020] 图8是示出根据本发明某些实施例的切削曲线的临界深度，其中，切削的临界深 度绘制为钻头半径的函数；
[0021] 图9示出一种曲线图，该图示出根据本发明某些实施例设计的钻头在滑动模式钻 探过程中各个刀具的切削面积；
[0022] 图10示出一种曲线图，该图示出根据本发明某些实施例设计的钻头在转动模式 钻探过程中各个刀具的切削面积；
[0023] 图11示出一种曲线图，该图示出根据本发明某些实施例设计的钻头的穿透率和 钻压的关系，该钻头的第二层切削元件相对于第一层切削元件处于不同程度的不充分暴露 状态（under-exposure)；
[0024] 图12示出一种曲线图，该图示出根据本发明某些实施例设计的钻头的钻头扭矩 和钻压的关系，该钻头的第二层切削元件相对于第一层切削元件处于不同的不充分暴露状 态；
[0025] 图13示出一个流程图，该流程图用于设计根据本发明某些实施例的多外形层的 钻头，以提供定向和水平钻探。

【具体实施方式】
[0026] 参照附图1-13,本发明的实施例及其优点可得到最好的理解，附图中，相同的附图 标记用来表示相同的和对应的零件。
[0027] 图1示出根据本发明各种实施例的钻探系统100的示例性实施例，该系统100构 造成提供钻探到一种或多种地质地层内的定向钻探。在定向或水平钻探时，有利地是控制 井下钻探工具切削入地质地层内的量，以在从垂直钻探过渡到水平钻探时防止马达停转。 如以下进一步要详细披露的，并根据本发明的某些实施例，钻探系统100可包括井下钻探 工具（例如，钻头、钻孔器、开孔器等），其可包括一个或多个切削元件，切削元件在工具刀 片上布置成多层，以在较低钻压（WOB)的情况下提供较高的钻探效率和切削控制深度，以 及在较高WOB的情况下提供正常的钻探效率。在某些实施例中，钻探工具可具有第一层的 切削元件和第二层的切削元件，第一层切削元件在主刀片上布置成单一设置，第二层切削 元件在次级刀片上布置成轨迹式设置且相对于第一层切削元件为不充分暴露次级刀片。在 某些实施例中，不充分暴露的量对于各个第二层切削元件是相同的。在其它的实施例中，第 二层切削元件的不充分暴露的量可根据预期的临界切削深度进行计算，在该临界切削深度 上，第二层切削元件预计切削入地层内。在这些实施例中，不充分暴露的量对于各个第二层 切削元件可以是不同的。在某些实施例中，临界切削深度对于各个第二层切削元件可以相 同的。
[0028] 钻探系统100可包括钻井表面或井场106。诸如旋转台、泥浆泵和泥浆罐（未示 出）之类的各种类型的钻探设备可定位在钻井表面或井场106处。例如，井场106可包括 钻探台架102,其可具有与"陆上钻探台架"相关的各种特征和特点。然而，根据本发明的井 下钻探工具可满意地用于位于离岸平台、钻探船、半潜入水中的船以及钻探驳船（未清楚 地显示）上的钻探设备。
[0029] 钻探系统100可包括与钻头101相关联的钻具组103,其用来形成各种井筒或钻 孔，诸如是如图1所示的大致垂直的井筒114a或大致水平的井筒114b。各种定向钻探技术 和钻具组103的井底钻具组合（BHA) 120的相关部件可用来形成大致水平的井筒114b。例 如，侧向力可施加到靠近开始部位113的钻头101上，以形成从大致垂直的井筒114a延伸 的大致水平的井筒114b。术语"定向钻探"可用来描述钻探以相对于垂直方向倾斜成要求 角度延伸的井筒或部分井筒。如此的角度可大于与直孔相关的正常变化。定向钻探有时可 被描述为钻探偏离垂直方向的井筒。术语"水平钻探"可用来包括沿近似与垂直方向成90 度的方向进行的钻探。术语"定向数据"可包括为确定钻头应该钻入到地层内的半径和/或 方向所提供的任何信息。
[0030] BHA 120可由各种构造用来形成井筒114的部件来形成。例如，BHA 120的部件 122a、122b和122c可包括但不限于：钻头（例如，钻头101)、钻探轴环、旋转控制工具、定向 钻探工具、井下钻探马达、钻孔器、孔扩大器或稳定器。诸如钻探轴环和包括在BHA120内的 不同类型的部件122那样的部件的数量可取决于所期望的井下的钻探条件以及由钻具组 103和旋转钻头101形成的井筒类型。
[0031] 井筒114可部分地由套管柱110形成，该套管柱110可从钻井表面106延伸到选 定的井下部位。如图1所示的不包括套管柱110的井筒114的部分可被描述为"敞开孔"。 各种类型的钻探流体可从钻井表面106通过钻具组103泵送到所附连的钻头101。如此的 钻探流体可被引导，而从钻具组103流到包括在旋转钻头101内的相应的喷嘴（图2中所 示的物件156)。钻探流体可通过部分地由钻具组103的外直径112和井筒114a的内直径 118a形成的环腔108而循环回到钻井表面106。内直径118a可被称作井筒114a的"侧壁"。 环腔108也可由钻具组103的外直径112和套管柱110的内直径111形成。
[0032] 图2示出根据本发明某些实施例的旋转钻头的立体图，该钻头以经常用于对钻头 进行模型确定或设计的方式向上定向。钻头101可以是各种类型的固定刀具的钻头的任意 一种，包括PDC钻头、拖曳钻头、基质钻头和/或钢体钻头，它们可操作而形成延伸通过一个 或多个井下地层的井筒114。钻头101可根据本发明的描述进行设计和形成，并根据钻头 101的特定应用而具有许多不同的设计、构造，和/或尺寸。钻头101可包括一个或多个刀 片126 (例如，刀片126a-126g)，它们可从钻头101的旋转钻头体124的外部向外设置。旋 转钻头体124可具有大致圆柱形的本体，而刀片126可以是任何合适类型的从旋转钻头体 124向外延伸的突出部。例如，刀片126的一部分可直接或间接地偶联到旋转钻头体124的 外部，而刀片126的另一部分则远离钻头体124的外部突出。根据本发明的教示而形成的刀 片126可具有各种构造，包括但不限于：大致弓形的、螺旋形的、螺线形的、锥形的、会聚的、 发散的、对称的和/或非对称的。
[0033] 在某些情形中，刀片126可具有大致的弓形构造、大致的螺旋形构造、螺线形的构 造，或可满意地用于各种井下的钻探工具的任何其它构造。一个或多个刀片126可具有从 钻头101的近端旋转轴线104延伸的大致弓形构造。该弓形的构造可部分地由从近端的钻 头旋转轴线104延伸的大致凹形、凹陷形部分形成。弓形构造还可部分地由大致凸出的、向 外弧形部分形成，该弧形部分设置在凹形的凹陷部分和大致对应于旋转钻头的外直径的各 个刀片的外部之间。
[0034] 每个刀片126可包括第一端和第二端，第一端靠近或朝向钻头旋转轴线104设置， 而第二端靠近或朝向钻头101外部设置（例如，大致远离钻头旋转轴线104并朝向钻头101 的井上部分设置）。术语"井上"和"井下"可用来描述钻探系统100各种部件相对于图1 中所示井筒114的底部或端部的位置。例如，被描述为从第二部件向着井上方向的第一部 件可比第二部件进一步远离井筒114的端部。同样地，被描述为从第二部件向着井下方向 的第一部件可比第二部件更靠近井筒114的端部定位。
[0035] 刀片126a_126g可包括围绕钻头旋转轴线设置的主刀片。例如，在图2中，刀片 126a、126c和126e可以是主刀片或主要刀片，因为各个刀片126a、126c和126e的相应第一 端141可紧密地邻近相关钻头旋转轴线104设置。在某些实施例中，刀片126a-126g还可 包括设置在主刀片之间的至少一个次级刀片。图2中显示在钻头101上的刀片126b、126d 和126f和126g可以是次级刀片或副刀片，因为相应的第一端141可设置在井下端151上 的离开相关钻头旋转轴线104-定的距离处。次级刀片和主刀片的数量和位置可以变化， 以使钻头101包括或多或少的次级刀片和主刀片。刀片126相对于彼此和钻头旋转轴线 104对称地或非对称地设置，其中，该部署可以基于钻探环境的的井下钻探条件。在某些情 形中，刀片126和钻头101可沿着方向箭头105所限定的方向围绕钻头旋转轴线104转动。
[0036] 每个刀片沿钻头101的转动方向可具有设置在刀片一侧上的前导（或前）表面， 以及与钻头101的转动方向向背地设置在刀片相对侧上的尾端（或背）表面。刀片126可 沿着钻头体124定位，使得刀片具有相对于钻头旋转轴线104的螺旋形构造。在其它的实 施例中，刀片126可沿着钻头体124相对于彼此和钻头旋转轴线104而定位在大致平行的 构造中。
[0037] 刀片126可包括一个或多个切削元件128,它们从各个刀片126的外部向外设置。 例如，一部分的切削元件128可直接或间接地偶联到刀片126的外部，而另一部分的切削元 件128可远离刀片126的外部突出出来。切削元件128可以是构造成切削入地层内的任何 合适的装置，包括但不限于：主切削元件、备用切削元件、次级切削元件或它们的组合。举例 来说但无限制，切削元件128可以是满意地用于各种钻头101的各种类型的刀具、压块、钮 形物、插入件以及标准刀具。
[0038] 切削元件128可包括带有一层硬质切削材料的相应基底，切削材料设置在各个相 应基底的一端上。切削元件128的硬质层可提供切削表面，该切削表面可配合井下地层的 邻近部分以形成井筒114。切削表面与地层的接触可形成与各个切削元件128相关联的切 削区域。位于切削区域内的切削表面的边缘可被称作切削元件128的切削刃。
[0039] 切削元件128的每个基底可具有各种构造，并可由碳化钨或其它与形成用于旋转 钻头的切削元件相关的材料形成。碳化钨可包括但不限于：碳化一钨（WC)、碳化二钨（W 2C)、 粗晶碳化钨以及粘合或烧结的碳化钨。基底也可以使用其它硬质材料形成，其可包括各种 金属合金和诸如金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物和金属氮化物之类的粘合剂。对于某 些应用来说，硬质切削层可由基本上与基底相同的材料形成。在其它的应用中，硬质切削层 可由不同于基底的材料形成。用来形成硬质切削层的材料实例可包括多晶金刚石材料，包 括合成的多晶的金刚石。
[0040] 在某些实施例中，刀片126还可包括一个或多个切削深度控制器（DOCC)(未清楚 地示出），其构造成控制切削元件128的切削深度。DOCC可包括压实擒获器、备用刀具和/ 或MDR(修正的金刚石加强）。刀片126、切削元件128和DOCC (未清楚地示出）的外部可 形成钻头面的部分。
[0041] 刀片126还可包括设置在刀片126上的一个或多个计量垫（未清楚地示出）。计 量垫可以是设置在刀片126外部上的计量块、计量段或计量部分。计量垫经常可接触由钻 头101形成的井筒114的邻近部分。刀片126的外部和/或相关计量垫可相对于大致垂直 的井筒的邻近部分设置成不同的角度、正向、负向和/或平行。计量垫可包括一个或多个硬 质材料层。
[0042] 钻头101的井上端150可包括带有形成在其上的钻管螺纹155的柄152。螺纹155 可用来可释放地使钻头101与BHA120配合，这将在下面详细描述，由此，钻头101可相对于 钻头旋转轴线104转动。钻头101的井下端151可包括多个刀片126a-126g，相应的碎片狭 槽或流体流动路径240设置在其间。此外，钻探流体可连通到一个或多个喷嘴156。
[0043] 钻头101的穿透率（ROP)通常是钻压（WOB)和每分钟转数（RPM)的函数。回过来 参照图1，钻具组103在钻头101上施加重力，并还可围绕旋转轴线104转动钻头101，以形 成井筒114(例如，井筒114a或井筒14b)。每转的切削深度（或"切削深度"）也可根据特 殊钻头的ROP和RPM，并指示钻头切削元件128配合地层有多深。
[0044] 对于某些应用来说，井下马达或"马达"（未清楚地示出）可作为BHA120的一部分 来提供，以便也转动钻头101，从而提供定向和水平的钻探，以形成通过开始部位113的井 筒114b。在使用马达进行定向和水平钻探的过程中存在着两种钻探模式。第一种模式可被 称作"滑动模式"钻探。在该模式中，马达（未清楚地示出）上方的钻具组103不转动，以使 钻头101形成/下落一角度和钻入到曲线形。滑动模式钻探可主要用来改变钻探方向。第 二种模式可被称作"转动模式"钻探。在该模式中，钻具组103和马达（未清楚地示出）两 者都在转动。转动模式钻探可用来钻探侧向部分或直的孔，如大致水平井筒114b中所示。
[0045] 当在滑动模式中钻透井筒的弧形部分时，由于钻具组103和开始的井下壁118b之 间存在轴向摩擦力，可能难于将轴向力传递到钻头101。当井筒114的角度从大致垂直方向 通过开始部位113转变到大致水平方向时，钻具组103借助于重力保持抵靠住井筒的下部 壁，例如，开始的井下壁118b。在该情形中，从开始部位113到大致水平的井筒114b的钻 具组103会不施加太大的力或WOB，因为钻具组103的大部分重量作用在井筒的下部壁上。 作用在钻头101上的力或WOB必须克服钻具组103和井筒114的开始井下壁118b之间的 摩擦力。在滑动模式中，除了较低的ROP和每转深度之外，该情形可导致较小的力或WOB。
[0046] 此外，在滑动模式钻探中，钻头扭矩（TOB)，S卩用于转动钻头101的转矩，是可以有 限的，因为转矩可只由马达（未清楚地示出）提供，而不是由钻探台架102提供。来自井 下马达（未清楚地示出）的最大输出转矩可以是以下的函数：以每分钟转数（RPM)来表示 的转速、以每分钟加仑（GPM)来表示的流体速度，以及以每平方英寸镑（psi)来表示的横 跨马达的运行压差。因此，图2B示出了作为转速、流体速度和压差函数的马达输出转矩的 曲线图200。图2B可以是可由马达制造商提供的技术说明书的一部分。井下马达的一个 实例是SperryDrill?或 GeoForce?马达（哈里伯顿公司的斯佩礼钻井服务公司（Sperry Drilling Services at Halliburton Company)德克萨斯州）。从图2B中可见，对于给定的 RPM、GPM和压差，可确定最大输出转矩。例如，如点210所示，对于具有图2B的曲线图200 中所示特征的马达来说，在近似130RPM、近似450GPM以及近似470psi处，输出转矩可近似 为4000ft-lb。如果T0B大于近似4000ft-lb，则马达可停下，从而马达停止转动。如果钻 头101的瞬时切削深度足够大，使得由马达产生的T0B和RPM的组合不足以转动钻头101， 那么便可发生马达停转。为了限制切削深度，并由此限制马达停转，第一种类型的D0CC元 件（未清楚地示出）可安装在钻头101上，以防止切削元件128太深地切入地层内。然而， 为了让D0CC在滑动模式钻探中发生效力，第一种类型的D0CC元件（未清楚地示出）可设 计成在小的切削深度处接触地层。在滑动模式钻探中使用D0CC，可在可供更大W0B和T0B 的转动模式钻探中减小钻头101的R0P。
[0047] 转动模式钻探中，由于钻具组103和马达（未清楚地示出）都在转动，可向钻头 101提供更大的W0B和T0B。因为钻头101在转动模式钻探中可在较高的W0B和T0B之下 运行，所以，存在着涉及钻头101耐用性或使用寿命的关注。第二种类型的D0CC元件（未 清楚地示出）可安装在钻头101上，以防止切削元件128太深地切入地层内。为了让D0CC 在转动模式钻探中发生效力，第二种类型的D0CC元件可设计成在比第一种类型D0CC元件 提供的切削深度更大的切削深度处接触地层。
[0048] 由于第一种类型DOCC元件可在较小切削深度处接触地层，并在转动模式钻探中 始终接触地层，该第一种类型D0CC元件不仅可在滑动模式钻探中而且还可在转动模式钻 探中限制钻削深度。因此，即使第一种类型D0CC元件可有助于避免马达在滑动模式钻探中 停转，它们也可在转动模式钻探中限制切削深度。在下面要进一步详细描述的某些实施例 中，为了改进钻头设计，切削元件128可被分为第一层切削元件和第二层切削元件。第二层 切削元件可构造成在滑动模式钻探中起作第一种类型D0CC元件，并还可构造成在转动模 式钻探中起作主切削元件。
[0049] 因此，如下面要进一步详细描述的，切削元件128的构造可部分地基于特定钻头 101的W0B和理想的R0P，或每转的切削深度。根据本发明设计的钻头101可对定向和水平 钻探提供理想的R0P或每转的切削深度和W0B的关系，使得根据本发明设计的钻头可按照 设计发挥功能。
[0050] 图3示出曲线图300,该曲线图是根据本发明某些实施例设计的钻头101在开始 部位113处从滑动模式钻探过渡到水平井筒114b中的转动模式钻探过程中每转切削深度 (或特定RPM处的R0P)和W0B之间的理想关系。区域A的开始处对应于进入滑动模式钻探 的钻头101。随着W0B在区域A中增大，每转切削深度可线性地增加，如曲线310所示。如 果每转切削深度在区域B中继续以如其在区域A中同样速率增加，则马达会停转，因为马达 提供的转矩可能不足以在大的切削深度处转动钻头。
[0051] 因此，当W0B增大而通过W0B1并进入区域B时，如参照图4B和5B详细描述的，钻 头101可被设计为减小每转切削深度的斜度，如曲线310所示，以防止马达停转。可根据马 达的最大输出转矩、第一层切削元件以及钻探井筒的地层类型来确定W0B1值。可根据马达 的最大载荷（轴向力）、弯曲剧烈程度（DLS)以及所要利用的BHA (例如，图1中所示的BHA 120)来确定W0B2,其中的弯曲剧烈程度可用每100英尺钻探的度数来表达。
[0052] 区域C可对应于钻头101进入转动模式钻探以钻探基本上直的井筒或水平井筒 114b。在钻具组103再次配合和开始转动钻头101的W0B2处，形成从滑动模式钻探到转动 模式钻探的过渡。钻具组103提供的附加转矩可允许每转切削深度以较高速率增大，而没 有高马达停转风险。最后在区域D中，当W0B大于W0B3时，根据本文披露的实施例设计的 钻头101可获益于每转切削深度的控制能力，从而避免过度切入地层内。
[0053] 根据本发明实施例构造的钻头101可包括刀片126、切削元件128和D0CC(未清楚 地示出），D0CC能够使得有效地从滑动模式钻探过渡到转动模式钻探。为在滑动和转动模 式中钻探而被优化的钻头101可包括：
[0054] (a)主刀片上的第一层切削元件，其可配合在W0B所有层次上；
[0055] (b)次级刀片上的第二层切削元件，其可在比W0B1大的W0B处开始配合地层；以 及
[0056] (c)DOCC元件，其可设计成在比W0B3大的W0B处控制切削深度。
[0057] 如图3中垂直轴线所示，每转切削深度（A)可使用以下公式表达为穿透率（R0P) 和钻头转速（RPM)的函数：
[0058] A = ROP/ (5*RPM)
[0059] 每转切削深度可以英寸每钻头转数为单位，而ROP可以英尺每小时为单位。可根 据本发明的某些实施例来进行模拟，以对钻头101的特定构造生成R0P和W0P的曲线图。这 些曲线图可用来构造切削元件128,使得ROP和WOP的曲线类似于目标的每转切削深度和图 3所示的W0B曲线。如上所述，如此的构造可用来限制马达停转。
[0060] 图4A示出根据本发明某些实施例的钻头的钻头面，该钻头包括设置在刀片上呈 前轨迹式设置构造的切削元件。轨迹式设置是指将切削元件在钻头面上放置成，随着钻头 转动，切削元件具有相同的径向对应和径向条带中的交迭。在前轨迹式设置构造中，第二切 削元件可相对于钻头的转动而放置在第一切削元件的前面。
[0061] 在所示的实施例中，钻头401的刀片126可被分为包括主刀片（1、3、5)和次级刀 片（2、4、6)的组群。第一层切削元件128a可放置在主刀片（1、3、5)上，而对应的第二层切 削元件128b可放置在次级刀片（2、4、6)上，相对于如转动箭头105所示的围绕钻头旋转 轴线104转动的方向，次级刀片（2、4、6)相应地位于主刀片（1、3、5)前面。对应的第二层 切削元件128b可以对于对应的第一层切削元件128a的轨迹式设置，例如，第一层切削元件 128a放置在离钻头旋转轴线104相同的径向位置中，以使钻头401设计有前轨迹式设置构 造。此外，主刀片（1、3、5)上的第一层切削元件128a可以是单一设置，使得它们具有相对 于钻头旋转轴线104独有的径向位置。此外，钻头401可包括设置在主刀片（1、3、5)或次 级刀片（2、4、6)上的D0CC 410。
[0062] 在所示的构造中，次级刀片（2)上的第二层切削元件128b可与主刀片（1)上的第 一层切削元件128a形成轨迹式设置以构成组（2、1)。次级刀片（4)上的第二层切削元件 128b可与主刀片（3)上的第一层切削元件形成轨迹式设置以构成组（4、3)。同样地，次级 刀片（6)上的第二层切削元件128b可与主刀片（5)上的第一层切削元件形成轨迹式设置 以形成组（6、5)。主刀片（1、3、5)上的第一层切削元件128a可形成第一层外形，而次级刀 片（6、2、4)上的第二层切削元件128b可相对于第一层切削元件128a不充分暴露以形成第 二层外形。
[0063] 作为本发明的示例实施例，图4A示出六个刀片钻头401，而第二层切削元件128b 显示为放置在次级刀片（2、4、6)上，一个刀片在主刀片（1、3、5)上对应第一层切削元件 128a的前面。然而，钻头401可包括比图4A中所示的多或少的刀片。例如，七刀片钻头可 包括主刀片（1、4、6)以及次级刀片（2、3、5、7)。第二层切削元件128b可放置在次级刀片 (2)上，而对应的第一层切削元件128a可放置在主刀片⑴上。次级刀片⑵上的第二层 切削元件128b可以与主刀片（1)上的第一层切削元件形成轨迹式设置，以构成组（2、1)，并 可被称作"一刀片式前轨迹式设置"。七刀片的前轨迹式设置构造的其它组可包括（3、1)、 (5、4)和（7、6)。此外，第一层切削元件可以相对于刀片（1、4、6)上的其它第一层切削元件 是单一组。在另一实例中，九刀片钻头可包括主刀片（1、4、7)和次级刀片（2、3、5、6、8、9)。 第二层切削元件128b可放置在次级刀片（2)上，而对应的第一层切削元件128a可放置在 主刀片（1)上。此外，第三层切削元件（未清楚地示出）可放置在次级刀片（3)上。次级 刀片（2)上的第二层切削元件128b和次级刀片（3)上的第三层切削元件可与主刀片（1) 上的第一层切削元件形成轨迹式设置，以构成组（3、2、1)。九刀片的前轨迹式设置构造中的 其它组可包括（9、8、7)和（6、5、4)。此外，第一层切削元件128a可以相对于刀片（1、4、7) 上的其它第一层切削元件是单一组。在某些实施例中，第二层切削元件128b和第三层切削 元件（未清楚地示出）可放置在对应第一层切削元件128a前面的一个或多个刀片上。因 此，本发明可应用于带有可变刀片数和可变切削元件放置的多种钻头构造。
[0064] 图4B示出根据本发明某些实施例的包括图4A中所示前轨迹式设置构造的钻头 401的WOB对ROP的曲线图400。在所示实施例中，对于钻头401，基于使用近似为120RPM 转速、具有近似为18000psi的无约束的岩石强度的地层、近似为9. 875英寸的钻头尺寸，以 及近似为0. 045英寸的第二层切削元件的不充分暴露的模拟，来产生曲线图400。该曲线 图示出两条曲线：曲线412和曲线414,曲线412对应于钻头401，切削元件128设置为如图 4A所示的前轨迹式设置构造，曲线414对应于传统的单一组的钻头。
[0065] 如图4B所示，在滑动模式钻探过程中，前轨迹式设置的钻头（例如，图4A中所示 的钻头401)在从区域A移动到区域B时显现一拐点（在WOB1处近似等于140001bs)，而 在从滑动模式钻探过渡到转动模式钻探的过程中，在从区域B移动到区域C时显现另一拐 点（在WOB2处近似等于175001bs)。曲线412的这些拐点可表明：次级刀片（2、4、6)上的 第二层切削元件128b在区域A中可不接触地层，因此，钻头401可在区域A中更快地钻探。 在区域B中，第二层切削元件128b可开始切削地层，且可减小曲线412的斜率。因此，第二 层切削元件128b可起作区域B中的切削深度控制器。因此，图4A中所示的切削元件128 的构造可在滑动模式钻探过程中，在比曲线414所示的传统单一组设计要低的WOB范围内 更快地钻探。在区域B中，第二层切削元件128b可开始移离地层，因此防止马达停转。一 旦WOB到达区域C，所有切削元件128可移离地层。因此，包括如图4A所示的前轨迹式设置 构造的钻头401可在滑动模式钻探和转动模式钻探过程中呈现每转切削深度（或特定RPM 时的ROP)和WOB (例如，如图3所示）之间理想的关系。
[0066] 图5A示出根据本发明某些实施例的包括以反向轨迹式设置构造设置在刀片上的 切削元件的钻头的钻头面。在反向轨迹式设置构造中，第二层切削元件可相对于钻头的旋 转基本上与主切削元件相背地（例如，近似为180度）放置。
[0067] 在所示的构造中，次级刀片（4)上的第二层切削元件128b可与主刀片（1)上的第 一层切削元件128a形成轨迹式设置，以构成组（4、1)。次级刀片（6)上的第二层切削元件 128b可与主刀片（3)上的第一层切削元件128a形成轨迹式设置，以构成组（6、3)。同样 地，次级刀片（2)上的第二层切削元件128b可与主刀片（5)上的第一层切削元件128a形 成轨迹式设置，以构成组（2、5)。主刀片（1、3、5)上的第一层切削元件128a可形成第一层 外形，而次级刀片（4、6、2)上的第二层切削元件128b可相对于第一层切削元件128a不充 分暴露，以形成第二层外形。此外，钻头501可包括设置在主刀片（1、3、5)或次级刀片（4、 6、2)上的 DOCC 410。
[0068] 作为本发明的示例实施例，图5A示出六刀片的钻头501，而第二层切削元件128b 可放置在对应第一层切削元件128a前面的三个刀片上。然而，钻头501可包括比图5A中 所示的要多或要少的刀片。例如，七刀片的钻头可包括主刀片（1、4、6)以及次级刀片（2、3、 5、7)。第二层切削元件128b可放置在次级刀片（5)上，而对应的第一层切削元件128a可 放置在主刀片（1)上。次级刀片（5)上的第二层切削元件128b可以与主刀片（1)上的第 一层切削元件128a形成轨迹式设置，以构成组（5、1)。七刀片的反向轨迹式设置构造中的 其它组可包括（3、6)和（7、4)。此外，第一层切削元件128a可以相对于刀片（1、4、6)上的 其它第一层切削元件128a是单一组。在另一实例中，九刀片钻头可包括主刀片（1、4、7)和 次级刀片（2、3、5、6、8、9)。第二层切削元件128b可放置在次级刀片（5)上，而对应的第一 层切削元件128a可放置在主刀片（1)上。次级刀片（5)上的第二层切削元件128b可与主 刀片⑴上的第一层切削元件128a形成轨迹式设置，以构成组（5、1)。九刀片的反向轨迹 式设置构造中的其它组可包括（6、1)、（2、7)、（3、7)、（8、4)以及（9、4)。此外，第一层切削 元件128a可以相对于刀片（1、4、7)上的其它第一层切削元件128a是单一组。因此，本发 明可应用于带有可变刀片数和可变切削元件放置的多种钻头构造。
[0069] 图5B示出根据本发明某些实施例的图5A中所示反向轨迹式设置构造的钻头501 的WOB对ROP的曲线图500。在所示实施例中，对于钻头501，基于使用近似为120RPM转速、 具有近似为18000psi的无约束的岩石强度的地层、近似为9. 875英寸的钻头尺寸、以及近 似为0.045英寸的第二层切削元件的不充分暴露的模拟，来产生曲线图500。该曲线图示出 两条曲线：曲线512和曲线514,曲线512对应于钻头501，令切削元件128设置成如图5A 所示的反向轨迹式设置构造，曲线514对应于传统的单一组的钻头。
[0070] 如图5B所示，在滑动模式钻探过程中，反向轨迹式设置的钻头（例如，图5A中所 示的钻头501)在从区域A移动到区域B时显现一拐点（在W0B1处近似等于200001bs)，而 在从滑动模式钻探过渡到转动模式钻探的过程中，在从区域B移动到区域C时显现另一拐 点（在W0B2处近似等于230001bs)。曲线512的这些拐点可表明：次级刀片（2、4、6)上的 第二层切削元件128b在区域A中可不接触地层，因此，钻头501可在区域A中更快地钻探。 在区域B中，第二层切削元件128b可开始切削地层，且可曲线512的斜率减小。因此，第二 层切削元件128b可起作区域B中的切削深度控制器。因此，图5A中所示的切削元件128的 构造可在滑动模式钻探过程中、在比曲线514所示的传统单一组设计要低的W0B范围（例 如，区域A)内更快地钻探。在区域B中，第二层切削元件128b可开始移离地层，因此防止马 达停转。一旦W0B到达区域C，所有切削元件128可移离地层。包括如图5A所示的反向轨 迹式设置构造的钻头501可在滑动模式钻探和转动模式钻探过程中显现每转切削深度（或 特定RPM时的R0P)和W0B(例如，如图3所示）之间理想的关系。
[0071] 如前所示例的，位于次级刀片上的第二层切削元件128b可起作备用或第二切削 元件（例如，在图3的区域B中）。然而，相对于第一层切削元件，将第二层切削元件128b构 造成前轨迹式设置或反向轨迹式设置，这可在第二层切削元件需要时允许第二层切削元件 128b变为主要的或第一切削元件（例如，在图3的区域C中）。每个第二层切削元件128b 的不充分暴露的量确定了每转临界切削深度。计算每转临界切削深度可参照图6-8描述。
[0072] 图6A示出根据本发明某些实施例的钻头601的钻头面，可对该钻头面确定临界切 削深度控制曲线（CDCCC)。图6B示出图6A的钻头601的钻头面外形。
[0073] 为了提供参考框架，图6B包括代表钻头601旋转轴线的z轴。因此，对应于图6B 中的z轴的坐标或位置可被称作图6B中所示钻头面外形的轴向坐标或轴向位置。图6B还 包括径向轴线（R)，其表示离钻头601的旋转轴线的正交距离。
[0074] 此外，沿着图6A中所示的钻头601的钻头面的某一部位可用图6A中的xy平面的 x和y坐标来描述。图6A中的xy平面可基本上垂直于图6B中的z轴，这样，图6A中的xy 平面可基本上垂直于钻头601的旋转轴线。此外，图6A中的x轴和y轴可彼此相交于图6B 中的z轴，这样，x轴和y轴可彼此相交于钻头601的旋转轴线。
[0075] 从钻头601的旋转轴线到图6A中钻头面的xy平面内的一个点的距离可表示图6B 中所示的钻头面外形上的该点径向坐标或径向位置。例如，xy平面内具有x坐标x和y坐 标y的某一点的径向坐标r，可用下式来表达：

【权利要求】
1. 一种设计用于定向和水平钻探的多层井下钻探工具，该钻探工具包括： 钻头体，所述钻头体具有延伸通过其中的旋转轴线； 设置在所述钻头体的外部上的多个主刀片； 设置在所述主刀片的外部上的多个第一层切削元件； 在所述钻头体的外部上设置于所述主刀片之间的多个次级刀片；以及 设置在所述次级刀片的外部上的多个第二层切削元件，所述第二层切削元件按反向轨 迹式设置构造与所述第一层的切削元件呈轨迹式设置。
2. 如权利要求1所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件相对于所述第一 层切削元件为不充分暴露。
3. 如权利要求2所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件和所述第一层切 削元件之间的不充分暴露的量是基于的临界切削深度控制曲线。
4. 如权利要求2所述的钻探工具，其特征在于，还包括设置在所述次级刀片的外部上 的多个第三层切削元件，所述第三层切削元件按反向轨迹式设置构造与所述第一层切削元 件和所述第二层切削元件中的至少一个呈轨迹式设置。
5. 如权利要求4所述的钻探工具，其特征在于，所述第三层切削元件相对于所述第二 层切削元件为不充分暴露。
6. 如权利要求1所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件构造成控制穿透 率，这样，在钻探过程中，所述第二层切削元件以所需的钻压配合地层。
7. 如权利要求1所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件构造成控制切削 深度，这样，在钻探过程中，所述第二层切削元件以所需的钻压配合地层。
8. 如权利要求1所述的钻探工具，其特征在于，还包括多个切削深度控制器，所述切削 深度控制器设置在所述主刀片或所述次级刀片中至少一个上，并构造成控制切削深度。
9. 一种设计用于定向和水平钻探的多层井下钻探工具，该钻探工具包括： 钻头体，所述钻头体具有延伸通过其中的旋转轴线； 设置在所述钻头体的外部上的多个主刀片； 设置在所述主刀片的外部上的多个第一层切削元件； 在所述钻头体的外部上设置于所述主刀片之间的多个次级刀片；以及 设置在所述次级刀片的外部上的多个第二层切削元件，所述第二层切削元件按前轨迹 式设置构造与所述第一层切削元件呈轨迹式设置。
10. 如权利要求9所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件相对于所述第一 层切削元件为不充分暴露。
11. 如权利要求10所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件和所述第一层 切削元件之间的不充分暴露的量是基于临界切削深度控制曲线。
12. 如权利要求10所述的钻探工具，其特征在于，还包括多个设置在所述次级刀片的 外部上的第三层切削元件，所述第三层切削元件按前轨迹式设置构造与所述第一层切削元 件和所述第二层切削元件中的至少一个呈轨迹式设置。
13. 如权利要求12所述的钻探工具，其特征在于，所述第三层切削元件相对于所述第 二层切削元件为不充分暴露。
14. 如权利要求9所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件构造成控制穿透 率，这样，在钻探过程中，所述第二层切削元件以所需的钻压配合地层。
15. 如权利要求9所述的钻探工具，其特征在于，所述第二层切削元件构造成控制切削 深度，这样，在钻探过程中，所述第二层切削元件以所需的钻压配合地层。
16. 如权利要求9所述的钻探工具，其特征在于，还包括多个切削深度控制器，所述切 削深度控制器设置在所述主刀片或所述次级刀片中至少一个上，并构造成控制切削的深 度。
17. -种设计多外形层的钻头以提供定向和水平钻探的方法，该方法包括： 将多个第一层切削元件放置在设置在钻头体的外部上的多个主刀片上； 形成切削元件构造，该构造选自以下的组群：前轨迹式设置构造和反向轨迹式设置构 造； 在钻探过程中，根据井筒的地层特征和与钻头相关的马达转速，来估计第二层切削元 件配合地层的钻压； 确定所述第二层切削元件和所述第一层切削元件之间的不充分暴露的量；以及 根据所确定的切削元件构造和所确定的不充分暴露，将所述第二层切削元件放置在多 个次级刀片上，以防止在滑动模式钻探过程中马达停转。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述地层特征包括地层强度。
19. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述第一层切削元件放置在所述主刀 片上包括调整以下中的至少一个：位置、密度、后倾角和侧倾角。
20. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述第二层切削元件放置在所述次级 刀片上是至少基于由与所述钻头相关的马达所提供的转矩。
21. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括： 对所述第二层切削元件生成临界切削深度控制曲线； 根据所述临界切削深度控制曲线，计算最小临界穿透率；以及 如果在钻探过程中所述最小临界穿透率不近似等于所述第二层切削元件配合地层的 穿透率，则重构所述次级刀片上的所述第二层的切削元件。
22. 如权利要求21所述的方法，其特征在于，重构所述第二层切削元件包括调整所述 第二层切削元件和所述第一层切削元件之间的所确定的不充分暴露。
23. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述前轨迹式设置构造包括：所述第二层 切削元件相对于所述钻头的转动方向位于所述第一层切削元件的前面。
24. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述反向轨迹式设置构造包括：所述第二 层的切削元件相对于所述钻头的转动方向位于所述第一层的切削元件的反向。
25. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二层切削元件构造成控制穿透率， 这样，在钻探过程中，所述第二层切削元件以所需的钻压配合地层。
26. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二层切削元件构造成控制切削深 度，这样，在钻探过程中，所述第二层切削元件以所需的钻压配合地层。
27. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括多个切削深度控制器，所述切削深 度控制器设置在所述主刀片或所述次级刀片中至少一个上，并构造成控制切削的深度。
【文档编号】E21B10/43GK104428483SQ201280074423
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2012年5月30日 优先权日:2012年5月30日
【发明者】S·陈 申请人:哈里伯顿能源服务公司