带具有设置于其中的拖拽旋转前导面的切割元件的凹座的钻地工具以及相关方法与流程

优先权声明

本申请要求2018年4月11日提交的美国临时专利申请序列62/656096号的权益，其公开内容据此全文以引用方式并入本文。

本公开整体涉及钻地工具，所述钻地工具具有限定在所述钻地工具的一个或多个刀片中的凹座。更具体地讲，本发明涉及钻地工具，其中切割元件至少部分地位于凹座中。

背景技术：

油井(井筒)通常用钻杆柱钻探。所述钻杆柱包括管状构件，所述管状构件具有在其底端处包括单个钻头的钻井组件。钻井组件还可包括装置和传感器，所述装置和传感器提供与下列相关的信息：与钻井操作相关的多种参数(“钻井参数”)、钻井组件的行为(“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”)。通过使钻杆柱从钻机旋转和/或通过底部孔组件(“bha”)中的钻井电机(也称为“泥浆电机”)使附接到钻井组件的底端的钻头和/或扩孔钻旋转，以移除地层材料来钻出井筒。

技术实现要素：

本公开的一些实施方案包括钻地工具。钻地工具可包括具有多个刀片的主体。所述多个刀片中的每个刀片可相对于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可具有在所述至少一个刀片的至少肩部区域中的凹座，所述凹座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。凹座可包括与所述至少一个刀片的前导面形成钝角的至少基本上平坦的后表面、从所述至少一个刀片的旋转前导面延伸至后表面的侧表面、以及从所述至少一个刀片的旋转前导面延伸至后表面的下表面。第一多个切割元件可沿所述多个刀片的旋转前导面固定，并且第二多个切割元件可邻近所述至少一个凹座的后表面固定到所述多个刀片中的所述至少一个刀片。

在另外的实施方案中，钻地工具可包括具有多个刀片的主体。所述多个刀片中的每个刀片可相对于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可具有在所述至少一个刀片的肩部区域和隔距区域中的凹座，所述凹座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，其中凹座的高度的约40％至约80％形成于所述至少一个刀片的隔距区域内。第一多个切割元件可沿所述多个刀片的旋转前导面固定；并且第二多个切割元件可邻近所述至少一个凹座的后表面固定到所述多个刀片中的所述至少一个刀片。

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，所述主体包括多个刀片；在所述多个刀片中的至少一个刀片的肩部区域和隔距区域内形成至少一个凹座，其包括：形成至少一个凹座的至少基本上平坦的后表面，所述至少基本上平坦的后表面与所述至少一个刀片的前导面形成钝角；形成所述至少一个凹座的侧表面以从所述至少一个刀片的旋转前导面延伸到所述至少一个凹座的后表面；以及形成所述至少一个凹座的下表面以从所述至少一个刀片的旋转前导面延伸至所述至少一个凹座的后表面；其中所述至少一个凹座的高度的约40％至约80％形成于所述至少一个刀片的隔距区域内，沿所述多个刀片的旋转前导面固定第一多个切割元件；以及邻近所述至少一个凹座的后表面将第二多个切割元件固定到所述至少一个刀片。

附图说明

为了详细地理解本公开，应结合附图参考以下具体实施方式，在附图中，相似的元件一般由相似的数字表示，并且其中：

图1为包括钻杆柱的井筒系统的示意图，所述钻杆柱包括根据本公开的一个或多个实施方案的钻地工具；

图2a为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为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3a为根据本公开的一个或多个实施方案的具有形成于其中的凹座的钻地工具的刀片的局部透视图；

图3b为根据本公开的一个或多个实施方案的钻地工具的刀片的轮廓的示意图；

图4为根据本公开的一个或多个实施方案的具有形成于其中的凹座的钻地工具的刀片的局部透视图；

图5为根据本公开的实施方案的刀片轮廓的局部示意图；

图6为由根据本公开的一个或多个实施方案的钻地工具的切割元件所限定的切割轮廓的示意图；并且

图7为示出根据本公开的一个或多个实施方案的钻地工具的切割元件的工作效率的曲线图。

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、或形成和扩大井眼的钻地工具。钻头的非限制性示例包括固定切割器(刮刀)钻头、固定切割器取芯钻头、固定切割器偏心钻头、固定切割器双中心钻头、固定切割器扩孔钻、具有带固定切割器的刀片的可扩展扩孔钻、以及包括固定切割器和可旋转切割结构(牙轮)两者的混合钻头。

如本文所用，术语“切割结构”意指并包括被构造用于钻地工具上以及用于在钻地工具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结构。

如本文所用，术语“切割元件”意指并包括例如用作固定切割元件的超硬磨料(例如，多晶金刚石致密物或“pdc”)切割元件，以及用作安装到钻地工具的主体的切割元件的碳化钨刀片和超硬磨料刀片。

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”、“上部”、“下部”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取向。例如，这些术语可指当以常规方式设置在井眼内时钻地工具的元件的取向。此外，当如附图所示时，这些术语可指钻地工具的元件的取向。

如本文所使用的，关于给定参数、特性或状况的术语“基本上”在某种程度上意指并包括：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，以及由制造公差导致的变化等)。

如本文所用，术语“切割轮廓”是指由使钻地工具的所有切割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所限定的钻地工具的切割元件的轮廓的二维示意图。

如本文所用，术语“切割轮廓高度”是指在钻地工具主体的鼻部区域的底部与刀片214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，沿钻地工具的轴向长度的长度)。

图1为可利用本文所公开的设备和方法来钻探井眼的钻井系统100的示例的示意图。图1示出了井眼102，该井眼包括其中安装有套管106的上区段104以及用钻杆柱110钻探的下区段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。管状构件112可通过接合钻管部分来构成，或者其可为例如一串盘绕管材。钻头116可附接到钻井组件114的底端，以用于在地层118中钻探具有选定直径的井眼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用于在水下钻探井眼时，本发明所公开的设备和方法同样适用。旋转工作台124或顶部驱动器可联接到钻杆柱110，并且可用于使钻杆柱110旋转和使钻井组件114旋转，从而使钻头116旋转以钻探井眼102。钻井电机126可设置在钻井组件114中以使钻头116旋转。钻井马达126可单独使用以使钻头116旋转或通过钻杆柱110叠加钻头116的旋转。钻机120还可包括常规设备，诸如在钻探井眼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，以用于接收并处理由钻头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中的各种装置和传感器140的选定操作。传感器140可包括测定加速度、钻压、扭矩、压力、切割元件位置、穿透速率、倾角、方位角形成/岩性等的传感器140中的一个或多个。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的数据存储装置132(或计算机可读介质)。数据存储装置132可以是任何合适的装置，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。钻探期间，来自其来源136的钻井液可在压力下泵送穿过管状构件112，该钻井液在钻头116的底部处排放并且经由钻杆柱110与井眼102的内侧侧壁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统一表示)。传感器140可包括任何数量和类型的传感器140，其包括但不限于一般称为随钻测量(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的行为相关的信息的传感器140，所述信息诸如钻头旋转(每分钟转数或“rpm”)、工具面、压力、振动、涡流、弯曲和粘滑。钻井组件114还可包括控制器单元142，该控制器单元142控制钻井组件114中的一个或多个装置和传感器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的钻头主体的柄部和/或冠部内)。此外，控制器单元142可包括用于处理来自传感器140的信号的电路、用于处理数字化信号的处理器144(诸如微处理器)、数据存储装置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，并且控制井下装置和传感器140，并且经由双向遥测单元150与表面控制单元128通信数据信息。

图2a为根据本公开的一个或多个实施方案，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为图2a的钻地工具200的底视图。参见图2a和图2b一起，在一些实施方案中，钻地工具200可包括具有多个刀片214的钻头。在另外的实施方案中，钻地工具200可包括钻头，该钻头具有呈牙轮形式的至少一个可旋转切割结构和多个刀片214。例如，钻地工具200可以为混合钻头(例如，具有牙轮和刀片214两者的钻头)。此外，钻地工具200可包括具有可旋转切割结构和/或刀片214的任何其他合适的钻头或钻地工具200，以用于在地层118中钻探和/或扩大井眼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-金属复合材料构成，所述陶瓷-金属复合材料包括烧结在金属基质材料内的硬质材料(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，所述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可在下文称为“轴向”的方向上延伸。

主体202可连接到钻杆柱110(图1)。例如，主体202的颈部206可具有其上具有螺纹的锥形上端，以用于将钻地工具200连接到钻井组件114的箱形端(图1)。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可包括固定于其上的第一多个切割元件230。每个刀片214中的第一多个切割元件230可邻近刀片214的旋转前导面232沿刀片214的轮廓呈一排定位。在一些实施方案中，所述多个刀片214中的第一多个切割元件230可包括pdc切割元件230。此外，所述多个刀片214中的第一多个切割元件230可包括用于钻探和/或扩大井眼的任何合适的切割元件构型和材料。

所述多个刀片214可从主体202与颈部206相对的端部延伸，并且可在轴向和径向两者上延伸。每个刀片214可具有本领域已知的多个轮廓区域(锥形、鼻部、肩部、隔距)。

流体通路234可在多个刀片214中的相邻刀片214之间形成，并且可通过位于从内部流体充气室引出的通道端部处的端口239提供有钻井液，该内部流体充气室从钻地工具200的上端处的管状柄部208延伸穿过主体202。喷嘴238可固定在端口239内，以用于增强流体流动的方向并控制钻井液的流量。流体通道234延伸到排屑槽240，所述排屑槽在所述多个刀片214中的刀片214之间沿钻地工具200的纵向侧轴向延伸。

如将在下文参照图3，更详细地讨论的，所述多个刀片214中的至少一个刀片214可包括凹座215，该凹座215形成于至少一个刀片214中，至少部分地在所述至少一个刀片214的肩部区域内。凹座215可容纳第二多个切割元件231。此外，在一个或多个实施方案中，所述第二多个切削元件231中的一个或多个切割元件可拖拽(例如，在钻地工具200的旋转方向上拖拽)设置在刀片214的旋转前导面232处的第一多个切割元件230中的一个或多个切割元件。例如，在由设置在刀片214的旋转前导面232处的第一多个切割元件230和由形成于至少一个刀片214中的凹座215容纳的第二多个切割元件231所限定的钻地工具200的切割轮廓内，第二多个切割元件231的至少一个切割元件231可与所述至少一个刀片214的第一多个切割元件230的切割元件至少部分地重叠。例如，在一些实施方案中，第二多个切割元件231中的至少一个切割元件231的单一切割轮廓的约60％至约100％可与所述至少一个刀片214的第一多个切割元件230的切割元件的切割轮廓重叠。在一些实施方案中，第二多个切割元件231中的至少一个切割元件231的单一切割轮廓的约80％至约100％可与所述至少一个刀片214的第一多个切割元件230的切割元件的切割轮廓重叠。在另外的实施方案中，第二多个切割元件231中的至少一个切割元件231的单一切割轮廓的约90％至约100％可与所述至少一个刀片214的第一多个切割元件230的切割元件的切割轮廓重叠。在另外的实施方案中，第二多个切割元件231中的至少一个切割元件231的单一切割轮廓的约95％至约100％可与所述至少一个刀片214的第一多个切割元件230的切割元件的切割轮廓重叠。凹座215和第二多个切割元件230、231在下文参照图3a、图3b和图6更详细地描述。

图3a为根据本公开的一个或多个实施方案的形成于钻地工具200的刀片214内的凹座215的透视图。图3b示出了根据本公开的一个实施方案的钻地工具200(2a)的刀片214的轮廓350的简化示意图。参见图3a和图3b一起，在一些实施方案中，凹座215可在刀片214的肩部区域352或者肩部区域352和隔距区域354内从刀片214的旋转前导面232成角度地延伸到刀片214中。例如，在一些实施方案中，凹座215可完全形成于刀片214的肩部区域352内。又如，凹座215可形成于刀片214的肩部区域352和隔距区域354内。在另外的实施方案中，凹座215的部分可形成于刀片214的肩部区域352、隔距区域354和鼻部区域356内。

如本文所用，刀片214的肩部区域352可包括位于角度β内的刀片214的一部分，该角度β限定在延伸穿过隔距区域354和肩部区域352的界面的水平轴线与刀片214的肩部区域352和鼻部区域356之间的界面之间并围绕钻地工具200的水平轴线和中心纵向轴线205的交点。在一些实施方案中，角度β可在约5°和约25°的范围内。例如，角度β可为约15°。

仍然参见图3a和图3b，凹座215可在与钻地工具200的旋转方向相对的方向上成角度地延伸到刀片214中。此外，凹座215可在刀片214的肩部区域352或肩部区域352和隔距区域354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，凹座215可包括后表面302、侧表面304和下表面306。例如，凹座215可从刀片214的旋转前导面232延伸并且可在凹座215的后表面302处成角度地终止。例如，后表面302可与刀片214的旋转前导面232相交并且可从刀片214的旋转前导面232延伸。另外，后表面302可与刀片214的旋转前导面232形成钝角。此外，凹座215可从刀片214的径向最外表面303径向向内延伸，并且可在侧表面304处径向终止。

在一个或多个实施方案中，侧表面304可包括从刀片214的旋转前导面232延伸到凹座215的后表面302的单个侧表面。下表面306也可从刀片214的旋转前导面232延伸，并且可在凹座215的后表面302处成角度地终止。在一些实施方案中，侧表面304可以为至少基本上平坦的，并且后表面302可以为至少基本上平坦的。另外，凹座215的下表面306可具有至少基本上平坦的部分307和一个或多个弯曲部分309。下表面306的一个或多个弯曲部分309可靠近(例如，邻近)凹座215的后表面302。如下文更详细地讨论的，下表面306的一个或多个弯曲部分309可使得凹座215能够至少部分地在第一多个切割元件230中的一个或多个切割元件230后面延伸，该第一多个切割元件230相对于钻地工具200的旋转方向设置在刀片214的前导面232处。在一些实施方案中，后表面302、侧表面304和下表面306可限定大致直角三角形形状。换句话讲，凹座215可具有大致直角三角形形状。

在一些实施方案中，侧表面304和下表面306可在两者之间限定在约90°和约130°范围内的角度。例如，侧表面304和下表面306可在两者之间限定约116°的角度。无论如何，凹座215的后表面302、侧表面304和下表面306可暴露于围绕钻地工具200的环境。换句话讲，凹座215可为开放的。在一个或多个实施方案中，侧表面304可与刀片214的旋转前导面232限定约60°至约120°的角度。例如，侧表面304可与刀片214的旋转前导面232限定约96°的角度。此外，后表面302的径向最内边缘可与刀片214的旋转前导面232限定约20°至约40°的角度。例如，后表面302的径向最内边缘可与刀片214的旋转前导面232限定约29°的角度。

另外，后表面302的径向最外边缘可与刀片214的旋转前导面232限定约20°至约40°的角度。例如，后表面302的径向最内边缘可与刀片214的旋转前导面232限定约28°的角度。此外，后表面302的径向最内边缘可与垂直于钻地工具200的中心纵向轴线205的水平面限定约100°至约120°的角度。作为非限制性示例，后表面302的径向最内边缘可与水平面限定约108°的角度。另外，后表面302的径向最外边缘可与水平面限定约100°至约120°的角度。例如，后表面302的径向最外边缘可与水平面限定约108°的角度。

在一些实施方案中，凹座215的下表面306可与刀片214的旋转前导面232限定约60°至约120°的角度。例如，侧表面304可与刀片214的旋转前导面232限定约96°的角度。另外，凹座215的后表面302和侧表面304可限定在约90°至约120°的范围内的角度。例如，凹座215的后表面302和侧表面304可限定约105°的角度。

在一个或多个实施方案中，凹座215可从肩部区域352延伸并且部分地进入刀片214的隔距区域354中。在一些实施方案中，凹座215的总高度(例如，沿凹座215的中心纵向轴线205的凹座215的高度)的约40％至约80％可延伸到刀片214的隔距区域354中。例如，凹座215的总高度的约60％可延伸到刀片214的隔距区域354中。如本文所用，凹座215的“高度”可指在下表面与刀片214的前导面232的相交处的下表面的平面部分与后表面302与刀片214的前导面232的相交处的下表面的平面部分之间的距离。在一个或多个实施方案中，凹座215可具有介于约1.00英寸(2.54cm)和约3.00英寸(7.62cm)之间的高度。因此，介于约0.4英寸(1.02cm)和约2.40英寸(6.10cm)之间的凹座215可延伸到隔距区域354中。例如，介于约0.6英寸(1.52cm)和约1.80英寸(4.57cm)之间的凹座215可延伸到隔距区域354中。在一些实施方案中，仅凹座215的后表面302和侧表面304可延伸到刀片214的隔距区域354中。

在一些实施方案中，凹座215可具有在凹座215的基部处且沿凹座215的下表面306的最大宽度。例如，凹座215的宽度可从凹座215的顶部处的零宽度逐渐增加到凹座215的基部处的最大宽度。在一些实施方案中，在凹座215的基部处，凹座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，介于从钻地工具200的中心纵向轴线205(图2b)并沿刀片214的旋转前导面232延伸的平面，和从钻地工具200的中心纵向轴线205(图2b)延伸到凹座215的基部处介于凹座215的侧表面304和后表面302之间的界面的平面之间的角度可为约15°至约25°。换句话讲，侧表面304与后表面302在凹座215的基部处的界面可沿钻地工具200的旋转方向将刀片214的旋转前导面232拖拽约15°至约25°。如本领域的普通技术人员将理解的，凹座215在凹座215的基部处成角度地延伸的量可基于钻头尺寸、切割器尺寸、刀片214厚度等而变化。

在一些实施方案中，如上所述，在钻地工具200的旋转期间，凹座215的一部分可至少部分地在第一多个切割元件230中的至少一个切割元件230后面延伸，所述第一多个切割元件沿由至少一个切割元件230限定的旋转通路沿刀片214的旋转前导面232设置。此外，如上文参照图2a和图2b所讨论的，凹座215可容纳第二多个切割元件231。另外，凹座215内的第二多个切割元件231中的至少一个切割元件231的旋转通路(由钻地工具200的旋转限定)可至少部分地与第一多个切割元件230中的切割元件230的旋转通路重叠，所述第一多个切割元件设置在其中限定凹座215的刀片214的旋转前导面232处。例如，至少一个切割元件231的旋转通路可与切割元件230的旋转通路重叠上述量中的任一者。换句话讲，在钻地工具200的完全旋转期间，在由第一多个切割元件230和第二多个切割元件231限定的钻地工具200的切割轮廓内，由凹座215容纳的至少一个切割元件231可至少部分地与设置在其中形成凹座215的刀片214的旋转前导面232处的切割元件230重叠。与第一多个切割元件230中的切割元件重叠的第二多个切割元件231中的切割元件231在下文中被称为“阴影切割元件233”。在一些实施方案中，钻地工具200可在单个刀片214的单个凹座215内包括两个或更多个阴影切割元件233。

在一些实施方案中，设置在凹座215内的第二多个切割元件231中的至少一个切割元件231可设置在刀片214的肩部区域352内，并且第二多个切割元件231中的至少一个其他切割元件231可设置在刀片214的隔距区域内。在其他实施方案中，第二多个切割元件231中的所有切割元件231可设置在刀片214的肩部区域352内。此外，在一个或多个实施方案中，第二多个切割元件231的切割面可相对于凹座215的后表面302成角度。例如，凹座215的后表面302可与第二多个切割元件231的切割面限定在约5°和约15°范围内的角度。在一些实施方案中，凹座215的后表面302可限定约10°的角度。此外，后表面302的取向(例如，后表面302相对于刀片214的旋转前导面232的角度)可基于容纳在凹座215内的第二多个切割元件231的切割面的倾角来确定(例如，形成)。在一些实施方案中，凹座215内的第二多个切割元件231可具有在约30°至约50°范围内的后倾角。例如，凹座215内的第二多个切割元件231可具有约40°的后倾角。沿刀片214的旋转前导面232设置的第一多个切割元件230可具有在约25°至约35°范围内的后倾角。例如，沿刀片214的旋转前导面232设置的第一多个切割元件230可具有约30°的后倾角。

参见图2a-图3b一起，在一个或多个实施方案中，钻地工具200可包括在钻地工具200的多个刀片214的每一个中的凹座215(如上所述)。另外，在一些实施方案中，钻地工具200可包括形成于两个或更多个刀片214中的凹座215。在一些情况下，钻地工具200可包括形成于两个、三个、四个、五个或六个连续刀片214中的凹座215。在另外的实施方案中，钻地工具200可包括形成于钻地工具200的总共六个刀片214中的三个连续刀片214中的凹座215。例如，钻地工具200可包括形成于三个连续(并排)刀片214中的凹座215，其具有设置在刀片214的肩部区域内的第一多个切割元件230中的最上(例如，轴向最上)切割元件230。在另外的实施方案中，钻地工具200可包括形成于钻地工具200的交替刀片214(例如，每隔一个刀片214)中的凹座215。如下文参照图5和图6更详细地讨论的，凹座215可使钻地工具200能够包括在钻地工具200的肩部区域352内的数量增加的切割元件，同时保持相对短的切割轮廓高度，以在不牺牲耐久性的情况下在定向钻探时保持稳定性和方向响应性。

在包括多个凹座215(例如，形成于多个不同刀片214中的凹座)的实施方案中，多个凹座215中的每个凹座215可具有相对于多个凹座215中的其他凹座215的不同高度。例如，所述多个凹座215中的给定凹座215的高度可基于第二多个切割元件231中的切割元件231在给定凹座215内的位置和取向来确定。例如，给定凹座215的后表面302与相应刀片214的前导面232的交点可基于切割元件231在给定凹座215内的位置和取向来限定。例如，如上所述，基于切割元件231的切割面的取向来确定后表面302的角度，并因此确定后表面302与前导面232的交点。在另选的实施方案中，多个凹座215中的两个或更多个可具有相同的高度。在另外的实施方案中，多个凹座215中的全部均可具有相同的高度。

根据前述和下述内容，凹座215的高度(例如，凹座215的后表面302与刀片214的前导面232相交的位置)和后表面302与刀片214的前导面232形成的角度可使凹座215能够“自净”。例如，在钻地工具200的典型旋转期间，由钻地工具200和钻探操作产生的切屑(例如，碎片)可自然地进入凹座215，并且后表面302的角度以及凹座215的后表面302与刀片214的前导面232相交的位置可导致钻井液(在行业中一般被称为“泥浆”)自然地进入凹座215并推出凹座215内的切屑和其他碎屑。此外，如下文参照图4更详细地讨论的，喷嘴可邻近凹座215取向，以有助于保持凹座215没有碎屑并正常工作。

图4示出了根据本公开的另一个实施方案的形成于钻地工具200的刀片214中的凹座215。例如，凹座215可包括上文参照图2a-图3b所述的凹座215中的任一个；然而，凹座215可包括延伸穿过钻头主体并与凹座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内以用于增强流体流动的方向并控制钻井液的流量。在一些实施方案中，至少一个端口402可仅与凹座215的侧表面304相交。在另外的实施方案中，至少一个端口402可仅与凹座215的侧表面304和下表面306相交。在另外的实施方案中，至少一个端口402可与凹座215的后表面302、侧表面304和下表面306中的每一者相交。

鉴于前述情况，具有延伸穿过钻头主体并与刀片214的凹座215相交的端口402可改善钻地工具200的刀片214的肩部区域内的钻地工具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的肩部区域中的切割元件的耐久性，这可导致寿命增加和成本节约。

图5示出了根据本公开的一个实施方案的地钻工具200(图2a)的刀片214的轮廓500的一部分的简化示意图。轮廓500可包括锥线502、鼻部弧线504、肩部弧线506和标线508。本领域的普通技术人员将理解，锥线502可延伸穿过刀片214的锥形区域，鼻部弧线504可延伸穿过刀片214的鼻部区域356，肩部弧线506可延伸穿过刀片214的肩部区域352，并且标线508可沿刀片214的隔距区域延伸。

如图5所示，由钻地工具200的刀片214的切割元件限定的切割轮廓510的切割轮廓高度可包括刀片214的鼻部弧线504的底部与刀片214的标线508的底部(即，肩部弧线506和标线508的界面)之间的轴向长度(例如，沿钻地工具200的轴向长度的长度)。

在一些实施方案中，钻地工具200(图2b)的切割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和约0.35的范围内。在一些实施方案中，钻地工具200的切割轮廓高度与钻地工具的直径的比率大于约0.15。例如，该比率可在约0.15至0.25的范围内。作为非限制性示例，该比率可为约0.18。作为非限制性示例，在一些实施方案中，切割轮廓高度可为约1.56英寸(3.96cm)，并且钻头直径可为约8.5英寸(21.6cm)。

图6示出了根据本公开的一个或多个实施方案，由钻地工具200(图2a)的多个刀片214(图2a)的第一切割元件230和第二多个切割元件231(图2a)限定的切割轮廓600的示意图。参见图2b和图6一起，出于本公开的目的，图2b中所示的钻地工具200的多个刀片214将被编号并结合这些数字进行描述，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214。

参考图2b，刀片1号可在大致3:00点钟位置取向。围绕钻地工具200顺时针移动，刀片2号可包括下一个旋转相邻于刀片1号的刀片214。另外，刀片3号可包括在顺时针方向上的下一个旋转相邻的刀片214。此外，刀片4号可包括在顺时针方向上的下一个旋转相邻的刀片214。同样，刀片5号可包括在顺时针方向上的下一个旋转相邻的刀片214。刀片6号可包括在顺时针方向上的下一个旋转相邻的刀片214。

如图2b、图3a、图3b和图6所示，阴影切割元件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的凹座215内。此外，在一些实施方案中，阴影切割元件233可以相对的切缝构型设置(例如，设置在与相对刀片214上的切割元件相同的径向位置)。例如，如图6所示并参见图2b，阴影切割元件47号可设置在刀片5号的凹座215内，并且可以与刀片2号的肩部区域352的切割元件45号相对的切缝构型设置。此外，阴影切割元件46号可设置在刀片6号的凹座215内，并且可以与刀片3号的肩部区域352的切割元件41号相对的切缝构型设置。此外，阴影切割元件43号可设置在刀片1号的凹座215内，并且可以与刀片4号的肩部区域352的切割元件39号相对的切缝构型设置。在另选的实施方案中，阴影切割元件233可以非相对的切缝构型设置。此外，阴影切割元件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，凹座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)切割轮廓的钻地工具相比，本公开的钻地工具200可通过增加切割元件密度来增加肩部耐久性，但不牺牲方向控制、造斜率潜能和振动水平。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，同时改善肩部区域的耐久性。此外，当在可调节造斜接头(“ako”)上钻探时，本公开的钻地工具200通过减少钻头主体摩擦来提高钻探效率。例如，本公开的钻地工具200使得钻地工具200能够在侧壁中以较高的渗透率(“rop”)钻探。

此外，本公开的钻地工具200可包括每单位切割轮廓高度更多数量的面切割元件，如上所定义。如本文所用，术语“面切割元件”是指设置在刀片214和/或凹座215的前缘上的切割元件，而不是指设置在刀片214的隔距区域内的切割元件。例如，与具有相同轮廓但不具有阴影切割元件的常规钻地工具(其包括每英寸(每2.54cm)切割轮廓高度约15个切割元件)相比，本公开的钻地工具200可包括每英寸(每2.54cm)切割轮廓高度约18至20个的面切割元件。例如，本公开的钻地工具200可包括每英寸(每2.54cm)切割轮廓高度约18个切割元件。

作为非限制性示例，参考具有8.75英寸(22.23cm)直径并且具有六个刀片的钻头，本公开的钻地工具200可包括用于具有0.375英寸(0.95cm)直径的切割元件的约33个至37个面切割元件。另外，本公开的钻地工具200可包括用于具有0.500英寸(1.27cm)直径的切割元件的约28个至32个面切割元件。此外，本公开的钻地工具200可包括用于具有0.625英寸(1.59cm)直径的切割元件的约26个至30个面切割元件。此外，本公开的钻地工具200可包括用于具有0.750英寸(1.91cm)直径的切割元件的约21个至25个面切割元件。如本领域的普通技术人员将理解的，切割元件的数量可根据切割元件尺寸、钻头尺寸等而变化。此外，如本领域普通技术人员将理解的，与常规钻地工具相比，本文所述的凹座215可使得钻地工具200能够具有更高的切割元件密度，这导致改善的耐久性但不牺牲稳定性或方向响应性。

图7为曲线图700，其示出了与具有相对较短切割轮廓但不具有阴影切割元件233的常规地钻工具(图2a)的切割元件的工作效率相比，具有相对较短切割轮廓和阴影切割元件233的钻地工具(例如，钻地工具200)(图2a)的切割元件的工作效率(w)。如曲线图700所示，相关切割元件的工作效率基本上相同，不同的是本公开的钻地工具具有更多主动接合地层的面切割元件。此外，应当指出的是，本公开的钻地工具在工作效率方面的表现与具有较高切割轮廓的钻地工具基本上相同，但具有改善的稳定性、改善的方向响应性、减少的振动和更好的造斜率潜能。因此，本公开的钻地工具可导致成本节约并且可提供更耐久的钻地工具。

参见图2a和图7一起，在一些实施方案中，钻地工具200可包括沿钻地工具的半径，距钻地工具的中心纵向轴线2050英寸至1英寸(2.54cm)的四个切割元件。另外，钻地工具200可包括沿钻地工具的半径，距钻地工具的中心纵向轴线2051英寸(2.54cm)至2英寸(5.08cm)的四个面切割元件，其在新状态下执行中心作业钻探。此外，钻地工具200可包括沿钻地工具的半径，距钻地工具的中心纵向轴线2052英寸(5.08cm)至3英寸(7.62cm)的七个切割元件，其在新状态下执行中心作业钻探。此外，钻地工具200可包括沿钻地工具的半径，距钻地工具的中心纵向轴线2053英寸(7.62cm)至4英寸(10.16cm)的十二个切割元件，其在新状态下执行中心作业钻探。另外，钻地工具可包括沿钻地工具的半径，距钻地工具的中心纵向轴线2054英寸(10.16cm)至4.25英寸(10.8cm)的约7个切割元件，其在新状态下执行中心作业钻探。

本公开还包括以下实施方案：

实施方案1。一种钻地工具，其包括：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座，所述凹座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，所述凹座包括：与所述至少一个刀片的前导面形成钝角的至少基本上平坦的后表面；从所述至少一个刀片的所述旋转前导面延伸至后表面的侧表面；以及从所述至少一个刀片的所述旋转前导面延伸至后表面的下表面；第一多个切割元件，所述第一多个切割元件沿所述多个刀片的旋转前导面固定；以及第二多个切割元件，所述第二多个切割元件邻近所述凹座的后表面固定到所述多个刀片中的所述至少一个刀片。

实施方案2。根据实施方案1所述的钻地工具，其中所述钻地工具的切割轮廓高度与所述钻地工具的直径的比率大于约0.15。

实施方案3。根据实施方案1和2中任一项所述的钻地工具，其中所述至少一个刀片的所述前导面、所述凹座的所述后表面、所述凹座的所述侧表面和所述凹座的所述下表面形成大致直角三角形形状。

实施方案4。根据实施方案1-3中任一项所述的钻地工具，其中所述第二多个切割元件的切割面与所述凹座的后表面形成在约5°和约15°的范围内的角度。

实施方案5。根据实施方案1-4中任一项所述的钻地工具，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，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缺少凹座的其他刀片交替定位。

实施方案6。根据实施方案1-5中任一项所述的钻地工具，其中由所述钻地工具的完全旋转限定的所述第二多个切割元件中的至少一个切割元件的旋转通路与所述第一多个切割元件中的至少一个切割元件的另一旋转通路至少部分地重叠。

实施方案7。根据实施方案1-6中任一项所述的钻地工具，其中所述第二多个切割元件中的至少一个切割元件以相对的切缝构型取向，其中至少一个切割元件设置在所述钻地工具的相对刀片的肩部区域内。

实施方案8。根据实施方案1-7中任一项所述的钻地工具，其中所述凹座沿所述钻地工具的旋转方向的宽度从所述凹座的顶部处的约零到所述凹座下表面处的凹座底部处的最大宽度至少基本上线性地增加。

实施方案9。一种钻地工具，其包括：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座，所述凹座在所述至少一个刀片的肩部区域和隔距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，其中所述凹座的高度的约40％至约80％形成于所述至少一个刀片的隔距区域内；第一多个切割元件，所述第一多个切割元件沿所述多个刀片的旋转前导面固定；和第二多个切割元件，所述第二多个切割元件邻近所述至少一个凹座的后表面固定到所述多个刀片的至少一个刀片。

实施方案10。根据实施方案9所述的钻地工具，其中由所述钻地工具的完全旋转限定的所述第二多个切割元件中的至少一个切割元件的旋转通路至少部分地与所述第一多个切割元件中的至少一个切割元件的另一旋转通路重叠。

实施方案11。根据实施方案10所述的钻地工具，其中所述第二多个切割元件中的所述至少一个切割元件和所述第一多个切割元件中的所述至少一个切割元件设置在所述多个刀片中的相同刀片上。

实施方案12。根据实施方案9-11中任一项所述的钻地工具，其中所述钻地工具的切割轮廓高度与所述钻地工具的直径的比率大于约0.15。

实施方案13。根据实施方案12所述的地钻工具，其中所述凹座包括：与所述至少一个刀片的前导面形成钝角的至少基本上平坦的后表面；从所述至少一个刀片的旋转前导面延伸至后表面的侧表面；以及从所述至少一个刀片的旋转前导面延伸至后表面的下表面。

实施方案14。根据实施方案9-13中任一项所述的钻地工具，其中所述凹座的下表面形成所述凹座的最大宽度，并且其中所述凹座的所述后表面从所述下表面延伸到所述至少一个刀片的所述前导面。

实施方案15。根据实施方案9-14中任一项所述的钻地工具，其还包括：延伸穿过所述钻头主体并与所述凹座相交的端口；以及固定在所述端口内的喷嘴。

实施方案16。根据实施方案9-15中任一项所述的钻地工具，其中所述凹座的高度的约60％形成于所述至少一个刀片的所述隔距区域内。

实施方案17。根据实施方案9-16中任一项所述的钻地工具，其中所述多个刀片中的多个刀片各自包括凹座，并且其中所述多个刀片中的每个凹座的高度与所述多个刀片中的其他凹座的高度不同。

实施方案18。一种形成钻地工具的方法，该方法包括：形成钻地工具的主体，所述主体包括多个刀片；在所述多个刀片中的所述至少一个刀片的肩部区域和隔距区域内形成至少一个凹座，其包括：形成所述至少一个凹座的至少基本上平坦的后表面，所述至少基本上平坦的后表面与所述至少一个刀片的前导面形成钝角；形成所述至少一个凹座的侧表面以从所述至少一个刀片的旋转前导面延伸到所述至少一个凹座的后表面；以及形成所述至少一个凹座的下表面以从所述至少一个刀片的旋转前导面延伸至所述至少一个凹座的后表面；其中所述至少一个凹座的高度的约40％至约80％形成于所述至少一个刀片的隔距区域内，沿所述多个刀片的旋转前导面固定第一多个切割元件；以及邻近所述至少一个凹座的后表面将第二多个切割元件固定到所述至少一个刀片。

实施方案19根据实施方案18所述的方法，其中形成所述钻地工具的所述主体还包括形成所述主体以具有切割轮廓高度，其中所述钻地工具的所述切割轮廓高度与所述钻地工具的直径的比率大于约0.15。

实施方案20。根据实施方案18和19中任一项所述的方法，其中固定第一多个切割元件和第二多个切割元件还包括定位所述第二多个切割元件中的至少一个切割元件和所述第一多个切割元件中的至少一个切割元件，使得由所述钻地工具的完全旋转限定的所述第二多个切割元件中的所述至少一个切割元件的旋转通路至少部分地与所述第一多个切割元件中的所述至少一个切割元件的另一旋转通路重叠。

上文所述和附图所示的本公开的实施方案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所涵盖。任何等效实施方案都在本公开的范围内。实际上，根据所述描述，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。这种修改和实施方案也落入所附权利要求书及等同物的范围内。