CN112513404B - 具有为减少钻头游走而构造的保径区域的钻地工具及其钻探方法 - Google Patents

具有为减少钻头游走而构造的保径区域的钻地工具及其钻探方法 Download PDF

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Abstract

一种钻头包括：钻头体，该钻头体具有纵向轴线；刀片，该刀片沿面区域从纵向轴线径向向外延伸并且沿保径区域轴向延伸。保径区域包括切削元件，该切削元件定位成靠近保径区域中的刀片的井口边缘。保径区域的剩余部分没有安装在其上的切削元件。一种钻探钻孔的方法包括：围绕纵向轴线使钻头旋转；将地层与安装到面区域的切削元件接合；以及增加基本上垂直于纵向轴线施加的侧向力，使得切削元件接合地层，并且使得工具展现出的侧切削最初最小并且基本上恒定，并且随后随着增加侧向力而以基本上线性的方式增加。

Description

具有为减少钻头游走而构造的保径区域的钻地工具及其钻探 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。本申请的主题还涉及于同日提交的题为“具有为减少钻头游走的选择性调整保径区域的钻地工具及其钻探方法(Earth-Boring Tools Having a Selectively Tailored Gauge Region forReduced Bit Walk and Method of Drilling with Same)”的美国申请号__(代理人案卷号1684-13916.1US)的主题。本申请的主题还与同日提交的题为“具有为减少钻头游走而构造的保径镶齿的钻地工具及其钻探方法(Earth-Boring Tools Having a Gauge InsertConfigured for Reduced Bit Walk and Method of Drilling with Same)”的美国申请序列号__(代理人案卷号1684-14415US)的主题相关。
技术领域
在各种实施方案中，本公开总体上涉及钻地工具，诸如具有径向和轴向延伸刀片的钻头。更具体地，本公开涉及包括安装在其保径区域中的切削元件的钻头，以在钻探钻孔的笔直部分时降低钻头的偏差。
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是固定刀具钻头(通常称为“牵引”钻头)。钻探地层的过程可以被可视化为三维过程，因为钻头不仅可以沿着垂直轴线线性地穿透地层，而且可以有目的地或者无意地沿着弯曲路径或者相对于理论垂直轴线成角度地钻探，该理论垂直轴线在基本上平行于地球重力场的方向上延伸到地层中，并且在相对于理论垂直轴线的特定侧向方向上延伸。如本文使用的术语“定向钻探”指的是以下两个过程：将钻头沿着穿过地层的某一期望轨迹导引到预定目标位置以形成钻孔的过程，以及沿着预定轨迹在并非沿着基本上平行于地球重力场的方向直接向下导引到地层中的方向将钻头导引到已知或未知目标的过程。
已经开发了几种用于定向钻探的方法。例如，正位移(Moineau)型马达以及涡轮已经与诸如弯曲壳体、弯曲接头、偏心稳定器及其组合的偏转装置结合使用，以在钻头仅通过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。
其他可导向井底钻具组合件是已知的，包括其中钻柱的偏转或取向可以通过一个或多个接触垫或构件抵靠钻孔壁的选择性侧向延伸和缩回来改变的井底钻具组合件。一种这样的***是由本发明的受让人GE公司Baker Hughes的INTEQ操作单元开发的AutoTrakTM钻探***。AutoTrakTM钻探***的井底钻具组合件采用非旋转套筒，旋转驱动轴通过该套筒延伸以驱动钻头，因此套筒与钻柱旋转脱离耦接。套筒在其外部上带有可单独控制的、可膨胀的、周向间隔的导向肋部，该肋部施加在套筒上的侧向力由活塞控制，该活塞由位于套筒内的贮存器内的液压流体操作。闭环电子装置测量套筒的相对位置，并且基本上连续地调节每个导向肋部的位置，以便在钻头处沿所需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和马达之间放置可调弯启动(AKO)接头。在其他情况下，可以省略AKO，并且向钻柱/钻头施加侧载荷(例如，侧向力)，以使钻头在其向下下降时侧向行进。
由于钻头和钻孔周围地层壁之间复杂的相互作用力，定向钻探和偏差控制的过程是复杂的。在用旋转钻头进行钻探时，尤其是用固定刀具型旋转钻头进行钻探时，众所周知，如果侧向力被施加到钻头，则钻头可能从平行于钻孔的期望纵向轴线的直线路径“游走”或“漂移”。许多因素或变量可能至少部分地影响由周围地层施加到钻头的反作用力和扭矩。这些因素和变量可以包括例如“钻头重量”(WOB)、钻头的转速、被钻地层的物理特性和特征、钻探液的流体动力学、安装有钻头的井底钻具组合件(BHA)的长度和构造以及钻头的各种设计因素。
发明内容
在一些实施方案中，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；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；以及切削元件，该切削元件位于保径区域中的刀片上，该切削元件定位成靠近井口边缘。保径区域的剩余部分没有安装在其上的切削元件。
在进一步的实施方案中，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；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；以及至少一个切削元件，该至少一个切削元件在保径区域中的刀片上。至少一个切削元件位于保径区域中的至少一个刀片的上四分之一中，使得超过上四分之一的保径区域的剩余部分没有安装在其上的切削元件。
在其他实施方案中，一种在地下地层中钻探钻孔的方法包括围绕其纵向轴线使钻头旋转，并且将地下地层与钻头的刀片的保径区域的至少一部分接合。保径区域包括在保径区域中的刀片上的切削元件，该切削元件定位成靠近保径区域中的刀片的井口边缘，并且保径区域的剩余部分没有安装在其上的切削元件。该方法还包括增加钻头的倾斜角，使得切削元件和保径区域的剩余部分随着增加的倾斜角连续地与地下地层接合。
附图说明
虽然说明书最后附有特别指出并且清楚地要求保护被视为本公开的实施方案的权利要求书，但是在结合附图阅读时，从本公开的某些示例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是根据本公开的实施方案的钻头的透视图；
图2是图1的钻头的保径区域的放大侧视图；
图3是图2的保径区域的一部分的横截面视图；并且
图4是示出根据施加到钻头的侧向力由图1的钻头展现出的侧切削之间的关系的曲线图。
图5是示出根据钻头倾斜角图1的钻头的接合体积之间的关系的曲线图。
具体实施方式
本文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，实施方案中共同的各种特征和元件可以用相同或相似的附图标号来参考。
如本文所使用，方向术语诸如“以上”、“以下”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“最顶部”、“最底部”等，将相对于钻地工具或其部件在附图的取向上进行解释。
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”是在基本平行于本文所述钻头的纵向轴线的方向上测量的尺寸。
如本文所用，术语“径向”或“径向地”是指横向于本文所述钻头的纵向轴线的方向，更具体地说，是指与本文所述钻头的半径相关的方向。例如，如下面进一步详细描述，“径向尺寸”是在基本上横向于(例如，垂直于)本文描述的钻头的纵向轴线的方向上测量的尺寸。
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，参考给定参数的术语“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，但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、特征或方法行为而言的术语“可”指示这是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。
如本文所使用，术语“钻地工具”意指并且包括用于移除地层材料并且通过移除地层材料来形成穿过地层的井孔(例如钻孔)的任何工具。钻地工具包括例如旋转钻头(例如，固定刀具或“牵引”钻头和牙轮或“岩石”钻头)、包括固定刀具和牙轮元件的混合钻头、取芯钻头、冲击钻头、双中心钻头、铰刀(包括可膨胀铰刀和固定翼铰刀)以及其他所谓的“开孔”工具。
如本文所使用，术语“切削元件”意指并且包括与钻地工具分开形成并且安装到钻地工具的元件，该钻地工具被构造和定位在钻地工具上，以接合地球(例如，地下)地层，从而在钻地工具的操作期间从地层移除地层材料，以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”包括碳化钨刀片和包含如本文所述的超硬磨料材料的刀片。
如本文所用，术语“超硬磨料材料”意指并且包括具有约3,000Kgf/mm2(29，420Mpa)或更高的努普硬度值的任何材料，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”意指并且包括包括由晶粒间键直接键合在一起的材料的多个晶粒或晶体的任何材料。单独材料晶粒的晶体结构可以在多晶材料内的空间中随机取向。
如本文所用，术语“多晶压实块”意指并且包括任何包含多晶材料的结构，该多晶材料由包括对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)的工艺形成。
图1是根据本公开的实施方案的钻头100的透视图。钻头100包括具有纵向轴线101的钻头体102，钻头100在操作中围绕该纵向轴线旋转。钻头体102包括多个刀片104，该刀片从纵向轴线101朝向刀片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的外表面可以限定钻头100的面区域108和保径区域106的至少一部分。
钻头100的钻头体102通常固定到硬化钢柄111上，该硬化钢柄具有美国石油学会(API)螺纹连接，用于将钻头100连接到钻柱。钻柱包括管状管和设备段，它们在钻头和地面上的其他钻探设备之间首尾相连。诸如转盘或顶部驱动器的设备可用于在钻孔内旋转钻柱和钻头100。可选地，钻头100的柄111可以直接耦接到井下马达的驱动轴，该驱动轴然后可以用于单独地旋转钻头100或者与旋转台或者顶部驱动器结合地旋转钻头100。
钻头100的钻头体102可以由钢形成。可选地，钻头体102可以由颗粒基体复合材料形成。这种钻头体可以通过将钢坯嵌入诸如碳化钨(WC)颗粒的碳化物颗粒材料体积中，并且用液化金属材料(通常称为“粘结剂”材料)诸如铜合金渗透颗粒碳化物材料，以提供基本上由颗粒基体复合材料形成的钻头体来形成。
一排切削元件110可以安装到钻头100的每个刀片104。例如，切削元件凹坑可以形成在刀片104中，并且切削元件110可以定位在切削元件凹坑中并且被结合(例如，钎焊、结合等)到刀片104。切削元件110可以包括例如硬质多晶材料层形式的多晶压实块(在本领域中称为多晶台)，该多晶压实块被设置在其间具有界面的支撑基底上(例如，形成在支撑基底上或随后附接到支撑基底)。在一些实施方案中，切削元件110可以包括多晶金刚石压实块(PDC)切削元件，每个切削元件包括支撑在陶瓷-金属复合材料基底上的一定体积的超硬磨料材料，诸如多晶金刚石材料。尽管图1所示实施方案中的切削元件110是圆柱形或盘形，但是切削元件110可以具有任何期望的形状，诸如圆顶、圆锥、凿子等。在操作中，钻头100可以围绕纵向轴线101旋转。当钻头100在所施加的WOB下旋转时，切削元件110可以接合安装在钻头的表面108中的地下地层，使得切削元件110超过地下地层的压缩强度，并且穿透地层以在剪切切削动作中从地层移除地层材料。
每个刀片104的保径区域106可以是每个刀片104的轴向延伸区域。保径区域106可以由与旋转后边缘114相对的旋转前边缘112和与井下边缘118相对的井口边缘116限定。井口边缘116邻近钻头100的冠部倒角107，该冠部倒角靠近钻头100的柄111并且远离钻头100的面区域108。如本文所使用，术语“井下”和“井口”指的是在保径区域内相对于钻头100诸如钻头100的面108的部分的位置，该部分接合井筒的底部以移除地层材料。与定位成更接近(例如，靠近、邻近)钻头100的面108的井下边缘118相比，井口边缘116被定位成更接近(例如，靠近、邻近)钻头100的柄111或相关联钻柱或井底钻具组合件。
保径区域106可以被分成(例如，一分为二)第一区域和第二区域，分别包括井口区域120和井下区域121。由于井口区域120相对于保径区域106的井下区域121径向凹陷，所以井口区域120在本文中可被称为“凹陷区域”，这在图3中由虚线示出，并且相对于钻头100的外径。井口区120可以定位成靠近保径区域106的井口边缘116。在一些实施方案中，凹陷区域120中的刀片104的外表面可以相对于钻头体102的外径凹陷径向距离d120，该径向距离d120在从约0.005英寸(0.127mm)到约0.100英寸(2.54mm)的范围内。因此，钻头100的直径由凹陷区域120中的刀片104的外表面限定，可以相对于钻头体102的外径凹陷约0.010英寸(0.254mm)到约0.200英寸(5.08mm)范围内的直径距离。刀片104的井下区域121也可以相对于钻头体102的外径凹陷径向距离d121，该径向距离d121在从约0.005英寸(0.127mm)到约0.100英寸(0.254mm)的范围内。因此，基本上整个保径区域106可以相对于钻头体102的外径凹陷。
至少一个切削元件122可以安装在保径区域106中的刀片104上。如图1所示，单个切削元件122可以安装在刀片104上，使得保径区域106的剩余部分可以没有(例如缺乏)切削元件。切削元件122可以被安装成靠近井口边缘116。在一些实施方案中，切削元件122可以安装在保径区域106的井口一半内。在其他实施方案中，切削元件122可以安装在保径区域106的上四分之一内。作为非限制性示例，切削元件122可以安装在从切削元件122的中心测量的井口边缘116的约1.000英寸(2.54mm)或约0.500英寸(12.7mm)的范围内。因此，切削元件122可以安装在井口区域120中。在一些实施方案中，切削元件122可以安装在保径区域106的前四分之一处。作为非限制性示例，切削元件122可以安装在距离旋转前边缘112约0.500英寸(12.7mm)或约0.270英寸(6.858mm)的范围内。
在其他实施方案中，如图2所示，多个切削元件122(例如，两个、三个或更多)可以安装在刀片104上。切削元件122可以被安装成靠近井口边缘116，诸如在保径区域106的井口一半或保径区域106的上四分之一内。超过保径区域106的上四分之一的保径区域106的剩余部分可以没有切削元件。在这样的实施方案中，第一切削元件122可以定位成靠近(例如邻近)旋转前边缘112，并且第二切削元件122可以定位成靠近旋转后边缘114。作为非限制性示例，切削元件122可以安装在距离每个切削元件被定位成靠近其位于的相应旋转前边缘112或后边缘114约0.500英寸(12.7mm)或约0.270英寸(6.858mm)的范围内。
切削元件122可以包括设置在基底126上的一定体积的超硬磨料材料124，诸如金刚石台。超硬磨料材料124的体积可以包括其上限定有切削面128的多晶金刚石(PCD)材料。此外，界面130可以限定在基底126和一定体积的超硬磨料材料124之间。基底126可以包括烧结碳化物材料，诸如烧结碳化钨材料，其中碳化钨颗粒在金属粘合剂材料中烧结在一起。金属粘合剂材料可以包括例如钴、镍、铁或合金及其混合物。切削面128可以是基本平坦的表面，并且可以提供与地层接触的基本上钝的表面。切削元件122的直径可以选择成在从约0.39英寸(10mm)到约0.75英寸(19mm)更具体地，可以是约0.43英寸(11mm)或约0.63英寸(16mm)的范围内延伸。
在一些实施方案中，超硬磨料材料124的体积可以包括至少一个倒角表面。如图3所示，超硬磨料材料124的体积包括多倒角边缘。第一倒角表面132可以设置在一定体积的超硬磨料材料124的径向***(诸如在切削面128的径向周围)处。第二倒角表面134可以环绕第一倒角表面132(例如，相对于第一倒角表面132径向向外延伸)。
在其他实施方案中，切削元件122可以包括锋利的切削元件，或者在切削面128周围没有倒角表面的切削元件。在进一步的实施方案中，诸如如授予DiGovanni等人且题为“用于钻地工具的切削元件、包括这种切削元件的钻地工具以及相关方法(CuttingElements for Earth-boring Tools,Earth-boring Tools Including Such CuttingElements,and Related Methods)”的美国专利9,482,057所述，切削元件122可以具有在切削面中形成的一个或多个凹陷，该专利的公开内容通过引用整体并入本文。在其他实施方案中，切削元件122可以包括圆顶形或在本领域中称为“卵形”的半球形特征。
如在图3的横截面视图中最佳示出，切削元件122可以设置在保径区域106中的刀片104中形成的凹坑136中。切削元件122可被安装成使得基底126相对于刀片104的外表面径向凹陷并且被封闭在凹坑136内，并且使得超硬磨料材料124的至少一部分径向延伸超过刀片104的外表面。更具体地，第一倒角表面132径向延伸超过刀片104的外表面，而第二倒角表面134相对于刀片104的外表面径向凹陷。
切削元件122可以以大的后倾角范围安装在凹坑136中，使得切削面128可以基本上面向钻头100在其中旋转的钻孔的侧壁。在一些实施方案中，切削元件122可以以大于80度的后倾角安装，诸如在从约85度到约90度、从约87度到约90度的范围内，或者以约89度的后倾角安装。
切削元件122可以在保径区域106中安装在刀片104上，使得其切削面128相对于钻头体102的外径径向凹陷。在一些实施方案中，钻头100的外径可以由被安装成邻近保径区域106的井下边缘118的修边齿117限定。切削面128可以相对于钻头100的外径凹陷径向距离d128，该径向距离d128在从约0.005英寸(0.127mm)延伸到约0.100英寸(0.254mm)的范围内，在从约0.005英寸(0.127mm)延伸到约0.050英寸(1.27mm)的范围内，并且更具体地，可以凹陷约0.025英寸(0.635mm)的距离。因此，切削面128可以相对于钻头100的外径凹陷直径距离(例如，径向距离的两倍)，该直径距离在从约0.010英寸(0.254mm)延伸到约0.200英寸(0.508mm)的范围内、在从约0.010英寸(0.254mm)延伸到约0.100英寸(2.54mm)的范围内，并且更具体地，可以凹陷约0.050英寸(1.27mm)的距离。切削面128可以在井口区域120和/或井下区域121中径向延伸超过刀片104的外表面。在一些实施方案中，切削元件122的切削面128可以限定保径区域106的径向最外表面。
钻头100可以耦接到钻柱，该钻柱包括被构造成定向钻探钻孔的可导向井底钻具组合件。在一些实施方案中，可导向井底钻具组合件可以包括正位移(Moineau)型马达，并且涡轮机已经与诸如弯曲壳体、弯曲接头、偏心稳定器以及它们的组合的偏转装置结合使用，以在钻头仅通过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以包括可调弯启动(AKO)接头。
图4是线200的曲线图，其示出了钻头100根据增加在其操作期间施加到钻头100的侧向力(例如，在基本上横向或垂直于纵向轴线101的方向上施加的力)的侧切削量。钻头100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”。游走或漂移的量可以取决于钻头100在其下相对于期望的侧切削速率侧切削钻孔侧壁的速率。如图4所示，在低侧向力下，诸如在侧向力至少取决于地层材料及其压缩强度并且取决于钻头100的尺寸而小于约500磅(226.7千克)下，钻头100展现出的侧切削量最小并且相对恒定。因此，线200的该区域202被称为“不敏感区域”，因为钻头100对侧向力的最小施加响应最小(例如，不敏感)。当钻头100正形成钻孔的笔直部分，诸如钻孔的垂直部分或水平(例如，侧向)部分时，这种低侧向力通常被无意地施加到钻头100。当钻探钻孔的笔直部分时，可以基本上避免侧切削，因为当形成钻孔的笔直部分时，侧切削导致钻头100的游走或漂移，并且导致钻孔偏离其预期路径。此外，在钻探钻孔的笔直部分时侧切削也可能导致不期望的弯曲、扭矩和牵引问题，这可能降低钻孔的质量并且限制其可形成的笔直部分的长度。因此，钻头100对低侧向力的不敏感性是所期望的，因为限制在钻孔的笔直部分中的侧切削将降低钻头100的潜在游走或漂移，并且改善钻孔的笔直部分的质量和长度。
尽管如上所述，当钻探钻孔的笔直部分时，在低侧向力下侧切削可能是不期望的，但是当钻探钻孔的弯曲部分时，在更大的侧载荷下侧切削可能是期望的。这种侧切削使得钻头100能够定向钻孔，以便以有效的方式形成钻孔的偏离或弯曲部分。因此，在中等侧向力下，诸如在侧向力至少取决于层材料及其压缩强度并且取决于钻头100的尺寸而大于500磅(226.7千克)且高达约1500磅(680.2千克)下，钻头100的保径区域106展现出的侧切削量开始以基本上恒定的线性方式增加。线200的该区域204被称为“线性区域”。在高侧向力下，诸如在侧向力至少取决于地层材料及其压缩强度并且取决于钻头100的大小而大于约1500磅(680.2千克)下，钻头100展现出的侧切削量最大并且平稳或达到上限。因此，线200的该区206被称为“上限区域”。鉴于以上所述，钻头100的保径区域106可以诸如通过使保径区域106相对于钻头100的外径凹陷而被成形和在地形上构造以限制钻头100在钻探钻孔的基本上笔直的部分时的侧切削，而不限制钻头100在钻探钻孔的弯曲(例如，偏离)部分时的侧切削。总的来说，如图4所示，随着施加在钻头100上的侧向力增加，钻头100的保径区域106中的切削元件122接合地下地层，并且随后保径区域106中的刀片104的外表面的剩余部分接合地下地层，钻头100展现出的侧切削最初可以是最小的并且基本上恒定，随后可以随着增加侧向力而以基本上线性的方式增加，并且随后可以最大化并且基本上恒定。
不受任何特定理论的约束，由刀片104的保径区域106执行的侧切削的量可以至少部分是给定侧向力下与地层材料接触的保径区域106的表面积和/或体积的函数。因此，根据本公开的实施方案，钻头100，更具体地，保径区域106被设计且在地形上构造成根据钻头100的钻头倾斜角和/或施加到钻头100的侧向力，选择性地控制与钻孔的侧壁接触的保径区域106的表面积和/或体积。如本文使用，术语“钻头倾斜角”是指在钻头100的纵向轴线101和穿过钻孔中心延伸的钻孔轴线之间测量的角度。当钻头100***作以形成钻孔的笔直部分时，钻头100通常取向成使得钻头100的纵向轴线101基本上与钻孔轴线同轴。钻头100的钻头倾斜角可以至少部分地根据施加到钻头100的侧向力，使得随着施加到钻头100的侧向力的量增加，钻头100的钻头倾斜角对应地增加。当钻头倾斜角为零时(例如，当纵向轴线101基本上与钻孔轴线同轴时)，保径区域106，更具体地，切削元件122可以不与地层接触。当钻头倾斜角大于零时，保径区域106的至少一部分，更具体地，切削元件122可以与钻孔侧壁接触，并且当在保径区域106的剩余部分接触钻孔侧壁之前施加足够的侧向力时移除地层材料。钻头100的保径区域106可以被设计成使得在给定侧向力和/或给定钻头倾斜角下接触地层的保径区域106的预期表面积和/或体积被选择性地控制和/或调整。
图5是线300的曲线图，其示出了根据增强钻头倾斜角与钻孔侧壁的地层材料接触的保径区域106的体积。当侧向力施加到钻头100上并且钻头100的纵向轴线101相对于钻孔轴线倾斜时，切削元件122可以在包括井口区域120和井下区域121中的刀片104的外表面的保径区域106的剩余部分之前接触钻孔壁的地层材料。此外，保径区域106被定大小并且构造成使得当钻头倾斜角随着施加如本文先前所述的低侧向力而增加时，与地层接触的保径区域106的体积(如果有的话)保持最小并且基本上恒定。结果，如先前关于图4的线200的不敏感区所述，在低侧向力的范围内，由保径区域106执行的侧切削的量可以是有限的并且基本上是恒定。此外，不敏感区域的大小或侧向力的范围(在该范围内侧切削的量最小并且相对恒定)可以通过调整包括切削元件122、井口区域120和井下区域121的保径区域106的形状和地形来减小或延伸。例如，切削元件122相对于钻头100的外径凹陷的距离、切削元件122延伸超过刀片104的外表面的距离、切削元件122在其下安装的后倾角中的一个或多个，以及切削元件122的超硬磨料材料124的一个或多个尺寸，包括但不限于切削元件122的直径和倒角132、134在其下形成的角度可以被修改或以其他方式调整，以调节将接触钻孔的侧壁的保径区域106的体积。
在低侧向力下，诸如力至少取决于地层材料及其压缩强度并且取决于钻头100的大小而小于约500磅(226.7千克)下，切削元件122可以跨接、摩擦或以其他方式接合钻孔的侧壁，而不会使侧壁的地层材料基本上失效(例如，不会超过地层的压缩强度)。换句话说，在低侧向力下，切削元件122不提供实质的侧切削动作。
随着钻头倾斜角增加，以便将钻头100导向或导引远离钻孔的基本上垂直部分的线性路径，钻头100的保径区域106中的切削元件122可接合钻孔侧壁并且穿透其地层材料，以便移除地层材料。随着钻头倾斜角增加，井口区域120和井下区域121中的刀片104的外表面可以增加与地层的接合，并且增加与地层材料接触的保径区域106的体积，直到钻头倾斜角足够高，使得保径区域106的基本上所有体积都与地层接触。此外，如前所述，钻头100的保径区域106包括凹陷的井口区域120。通过在保径区域106的顶部提供凹陷区域，保径区域106和地层之间的接触量可以减少，这使得钻头100能够在更短的距离上从垂直部分朝向钻孔的基本水平部分偏离，称为“累积速率”。
因此，在操作中，如先前参考图4和图5所述，钻头100可以根据增加侧向力展现出增加的量和/或根据钻头倾斜角展现出保径区域106接合。通过构造钻头100的保径区域106，使得在给定侧向力和/或给定钻头倾斜角下接触地层的保径区域106的预期体积被选择性地控制和/或调整，并且特别是使得在低侧向力和小钻头倾斜角下，保径区域106基本上不接合钻孔侧壁的地层材料，当钻头100用于定向钻探钻孔时，钻头100展现出降低的游走或漂移的可能性，并且可以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；至少一个刀片，该至少一个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向延伸；和单个切削元件，该单个切削元件在保径区域中的至少一个刀片上。切削元件定位成靠近保径区域中的至少一个刀片的井口边缘，并且至少一个刀片的保径区域的剩余部分没有安装在其上的切削元件。
实施方案2：根据实施方案1所述的钻头，其中切削元件以后倾角安装在至少一个刀片上，该后倾角在从约85度到约90度的范围内。
实施方案3：根据实施方案1或2所述的钻头，其中切削元件相对于钻头的外径径向凹陷。
实施方案4：根据实施方案1至3中任一项所述的钻头，其中削元件相对于钻头的外径径向凹陷约0.010英寸(0.254mm)到约0.100英寸(2.54mm)范围内的距离。
实施方案5：根据实施方案1至4中任一项所述的钻头，其中切削元件相对于钻头的外径径向凹陷约0.025英寸(0.635mm)的距离。
实施方案6：根据实施方案1至5中任一项所述的钻头，其中切削元件包括位于基底上的超硬磨料台，并且其中切削元件安装在至少一个刀片上，使得切削元件的超硬磨料台的至少一部分径向延伸超过保径区域中的至少一个刀片的外表面。
实施方案7：根据实施方案1至6中任一项所述的钻头，其中超硬磨料台包括倒角边缘，并且其中倒角边缘径向延伸超过保径区域中的至少一个刀片的外表面。
实施方案8：根据实施方案1至7中任一项所述的钻头，其中超硬磨料台包括多个倒角边缘，并且其中多个倒角边缘中的一个倒角边缘径向延伸超过保径区域中的至少一个刀片的外表面，并且多个倒角边缘中的至少另一个倒角边缘径向延伸低于保径区域中的至少一个刀片的外表面。
实施方案9：根据实施方案1至8中任一项所述的钻头，其中保径区域中的刀片的至少第一部分相对于保径区域中的至少一个刀片的第二部分凹陷，第一部分相对于第二部分位于井口，并且其中切削元件安装在至少一个刀片的第一部分中。
实施方案10：根据实施方案1至9中任一项所述的钻头，其中切削元件被安装成邻近至少一个刀片的旋转前边缘。
实施方案11：一种包括可操作地耦接到实施方案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***。
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；至少一个刀片，该至少一个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；和至少一个切削元件，该至少一个切削元件在保径区域中的至少一个刀片上。至少一个切削元件位于保径区域中的至少一个刀片的上四分之一中，使得超过上四分之一的保径区域的剩余部分没有安装在其上的切削元件。
实施方案13：根据实施方案12所述的钻头，其中至少一个切削元件相对于钻头体的外径径向凹陷。
实施方案14：根据实施方案12或13中的任一项所述的钻头，其中至少一个切削元件包括在基底上的超硬磨料台，并且其中切削元件安装在至少一个刀片上，使得切削元件的超硬磨料台的至少一部分径向延伸超过保径区域中的至少一个刀片的外表面。
实施方案15：根据实施方案12至14中任一项所述的钻头，其中至少一个切削元件的切削面径向延伸超过保径区域的刀片的外表面。
实施方案16：一种在地下地层中钻探钻孔的方法包括在钻孔内围绕其纵向轴线使钻头旋转，并且将钻孔的侧壁与钻头的至少一个刀片的保径区域的至少一部分接合。保径区域包括切削元件，该切削元件在保径区域中的至少一个刀片上，并且定位成靠近保径区域中的至少一个刀片的井口边缘。保径区域的剩余部分没有安装在其上的切削元件。该方法还包括增加钻头的倾斜角，使得切削元件和保径区域的剩余部分随着增加倾斜角而连续地与钻孔的侧壁接合。
实施方案17：根据实施方案16所述的方法，其中增加钻头的倾斜角包括增加在基本上垂直于纵向轴线的方向上施加在钻头上的侧向力，使得切削元件和保径区域的剩余部分连续地接合钻孔的侧壁，并且使得钻头展现出的侧切削最初最小并且基本上恒定，并且随后随着切削元件的增加的体积接合钻孔的侧壁，随着增加侧向力而以基本上线性的方式增加。
实施方案18：根据实施方案16或17所述的方法，其中增加施加在钻头上的侧向力，使得钻头展现出的侧切削最初最小且基本上恒定，包括随着增加施加的侧向力保持切削元件与钻孔的侧壁接触的基本上恒定的体积。
实施方案19：根据实施方案16至18中任一项所述的方法，其中增加施加在钻头上的侧向力，使得钻头展现出的侧切削随着增加侧向力而以基本上线性的方式增加，包括随着增加施加的侧向力而增加穿透钻孔的侧壁的切削元件的体积。
实施方案20：根据实施方案16至19中任一实施方案所述的方法，还包括增加在基本上垂直于纵向轴线的方向上施加在钻头上的侧向力，使得在以基本上线性的方式增加钻头展现出的侧切削之后，钻头展现出的侧切削随后被最大化并且基本上恒定，并且使得保径区域的基本上整个体积接合钻孔的侧壁。
尽管所公开的结构和方法在其具体实施中容易受到各种修改和替代形式的影响，但是在附图中已经通过示例的方式示出了特定的实施方案，并且已经在本文进行了详细描述。然而，应当理解，本公开不限于所公开的特定形式。相反，本发明包括落入由所附权利要求及其合法等同物所限定的本公开范围内的所有修改、组合、等同物、变化和替代。

Claims (19)

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；
至少一个刀片，所述至少一个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，所述至少一个刀片在所述保径区域中包括：
第一部分，该第一部分包括第一外表面，该第一外表面至少部分地限定所述钻头体的第一直径；和第二部分，该第二部分包括第二外表面，该第二外表面至少部分地限定所述钻头体的第二直径，其中，所述第一直径小于所述第二直径；以及
单个切削元件，所述单个切削元件在所述保径区域中位于所述至少一个刀片的所述第一部分上，所述单个切削元件定位成在所述保径区域中靠近所述至少一个刀片的井口边缘，
所述单个切削元件的切削面相对于所述钻头的外径径向凹陷，但径向延伸超过所述第一外表面；
其中,所述至少一个刀片的所述保径区域的剩余部分没有安装在其上的切削元件；
其中,所述单个切削元件以后倾角安装在所述至少一个刀片上，所述后倾角在从85度到90度的范围内。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中,所述至少一个刀片在所述保径区域中的所述第二部分相对于所述钻头的外径径向凹陷。
3.根据权利要求1所述的钻头，其中,所述单个切削元件相对于所述钻头的所述外径径向凹陷0.254mm到2.54mm范围内的距离。
4.根据权利要求1所述的钻头，其中所述单个切削元件相对于所述钻头的所述外径径向凹陷约0.635mm的距离。
5.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述单个切削元件包括位于基底上的超硬磨料台，并且其中,所述单个切削元件在所述至少一个刀片上安装成使得所述单个切削元件的所述超硬磨料台的至少一部分径向延伸超过所述至少一个刀片的在所述保径区域中的所述第一部分的所述第一外表面。
6.根据权利要求5所述的钻头，其中,所述超硬磨料台包括倒角表面，并且其中,所述倒角表面径向延伸超过所述第一外表面。
7.根据权利要求5所述的钻头，其中,所述超硬磨料台包括多个倒角表面，并且其中,所述多个倒角表面中的一个倒角表面径向延伸超过所述至少一个刀片的在所述保径区域中的所述第一部分的所述第一外表面，并且所述多个倒角表面中的至少另一个倒角表面径向延伸得达不到所述第一外表面。
8.根据权利要求1所述的钻头，其中,所述至少一个刀片的在所述保径区域中的所述第一部分相对于所述第二部分位于井口。
9.根据权利要求1所述的钻头，其中,所述单个切削元件被安装成邻近所述至少一个刀片的旋转前边缘。
10.一种定向钻探***，该定向钻探***包括根据权利要求1所述的钻头以及可操作地耦接到所述钻头的可导向井底钻具组合件。
11.一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；
至少一个刀片，所述至少一个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，所述至少一个刀片在所述保径区域中包括：
第一部分，该第一部分包括第一外表面，该第一外表面至少部分地限定所述钻头体的第一直径；和第二部分，该第二部分包括第二外表面，该第二外表面至少部分地限定所述钻头体的第二直径，其中，所述第一直径小于所述第二直径；和
至少一个切削元件，所述至少一个切削元件在所述保径区域中位于所述至少一个刀片的所述第一部分上，所述至少一个切削元件在所述保径区域中位于所述至少一个刀片的上四分之一中，使得所述保径区域的超过所述上四分之一的剩余部分没有安装在其上的切削元件，所述至少一个切削元件的切削面相对于所述钻头的外径径向凹陷，但径向延伸超过在所述保径区域中位于所述至少一个刀片的上四分之一中的所述第一外表面，其中,所述至少一个切削元件以后倾角安装在所述至少一个刀片上，所述后倾角在从85度到90度的范围内。
12.根据权利要求11所述的钻头，其中所述至少一个刀片在所述保径区域中的所述第二部分相对于钻头的外径径向凹陷。
13.根据权利要求11所述的钻头，其中所述至少一个切削元件包括位于基底上的超硬磨料台。
14.根据权利要求13所述的钻头，其中所述至少一个切削元件的切削面径向延伸超过所述至少一个刀片的在所述保径区域中的所述第二部分的所述第二外表面。
15.一种通过使用根据权利要求1－9之一所述的钻头而在地下地层中钻探钻孔的方法，所述方法包括：
在所述钻孔内围绕所述钻头的纵向轴线使所述钻头旋转；
将所述钻孔的侧壁与在所述钻头的至少一个刀片处的保径区域的至少一部分接合；
增加所述钻头的倾斜角，使得所述单个切削元件和所述保径区域的所述剩余部分随着增加倾斜角而连续地与所述钻孔的所述侧壁接合；以及
增加在基本上垂直于所述纵向轴线的方向上施加在所述钻头上的侧向力，使得所述单个切削元件和所述保径区域的所述剩余部分连续地接合所述钻孔的所述侧壁，并且使得所述钻头展现出的侧切削最初最小并且基本上恒定，并且随后随着所述单个切削元件的增加的体积接合所述钻孔的所述侧壁，随着增加侧向力而以基本上线性的方式增加。
16.根据权利要求15所述的方法，其中增加施加在所述钻头上的所述侧向力，使得所述钻头展现出的侧切削最初最小且基本上恒定，包括随着增加施加的侧向力保持所述单个切削元件与所述钻孔的所述侧壁接触的基本上恒定的体积。
17.根据权利要求15所述的方法，其中增加施加在所述钻头上的所述侧向力，使得所述钻头展现出的侧切削随着增加侧向力而以基本上线性的方式增加，包括随着增加施加的侧向力而增加穿透所述钻孔的所述侧壁的所述单个切削元件的体积。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括增加在基本上垂直于所述纵向轴线的方向上施加在所述钻头上的侧向力，使得在以基本上线性的方式增加所述钻头展现出的侧切削之后，所述钻头展现出的侧切削随后被最大化并且基本上恒定，并且使得所述保径区域的基本上整个体积接合所述钻孔的所述侧壁。
19.根据权利要求15所述的方法，将所述钻孔的侧壁与在所述钻头的至少一个刀片处的保径区域的至少一部分接合包括使所述钻孔的侧壁与所述单个切削元件的切削面相接合，所述切削面相对于所述钻头的外径径向凹陷，但径向延伸超过所述至少一个刀片在所述保径区域中的外表面。
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