專利名稱：用于優(yōu)化旋轉(zhuǎn)牽引式鉆頭的效率和持久性的方法以及具有最佳效率和持久性的旋轉(zhuǎn)牽引 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明設(shè)計(jì)用于鉆鑿地下巖層的旋轉(zhuǎn)牽引式鉆頭 及其操作。更具體而言，本發(fā)明涉及一種設(shè)計(jì)這種鉆頭的方法，通過 評(píng)價(jià)鉆頭上的切削元件的作用力的功(work-force rate)和滑動(dòng)磨損 率來獲得最佳性能，并使該切削元件定位從而提高鉆頭的整體持久性 和效率。
背景技術(shù)：
鉆鑿工業(yè)使用旋轉(zhuǎn)牽引鉆頭已經(jīng)近百年，并且從那時(shí)起已經(jīng)經(jīng)歷 了顯著的變化。今天最常見的旋轉(zhuǎn)牽引式鉆頭是孕鑲金剛石鉆頭和帶 有聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)切削元件或"刀具，，的鉆頭。孕鑲金剛石 鉆頭，不是具有單獨(dú)刀具的鉆頭，由許多嵌在整個(gè)鉆頭表面和頂部的 碳化鴒基體中的相對(duì)較小的金剛石或金剛石微粒組成。孕鑲金剛石鉆 頭在不易碎的塑性地層、研磨性地層中以及高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)鑿中表現(xiàn)最佳。 PDC切削元件通常包括形成在支撐基底上的盤形金剛石"臺(tái)面"(如燒 結(jié)碳化鎢(WC)基底等)并在高溫高壓條件下粘結(jié)于該基底。許多 單獨(dú)的PDC切削元件插入并固定(例如銅焊等)在鉆頭表面的凹槽中 并形成從表面伸出的刀片，或者安裝為立插在鉆頭主體內(nèi)。承載著 PDC切削元件的鉆頭已被證明在鉆鑿地下巖層時(shí)在實(shí)現(xiàn)高的鉆速 (ROP)方面非常有效，同時(shí)表現(xiàn)出低到中等的壓縮強(qiáng)度。
旋轉(zhuǎn)牽引式鉆頭位于一長串空心鐵管或鉆井管的端部，用于鉆井。
鉆井管的單根管或接頭大約30英尺(約10米)，并且每三根鉆井管螺 接在一起形成單個(gè)90英尺(30米)的支架。管子的各個(gè)支架螺接在 一起形成整個(gè)鉆柱，到達(dá)井底，井鉆得越深需要增加越多的支架。鉆 柱可到達(dá)數(shù)百或數(shù)千英尺的長度，甚至可以數(shù)英里或公里長。然后， 附接有鉆頭的鉆柱從帶有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的表面轉(zhuǎn)動(dòng)；在一些情況下， 井下馬達(dá)位于鉆管和鉆頭之間，附加轉(zhuǎn)動(dòng)該鉆頭。為了鉆出具有指定 形狀的井，結(jié)合有彎套或潛艇的井下馬達(dá)或輪機(jī)可用于使鉆頭單獨(dú)轉(zhuǎn) 動(dòng)而鉆管保持固定。
鉆井的經(jīng)濟(jì)成本強(qiáng)烈依賴于鉆速(ROP)或鉆頭鉆入地層的速率， 它們通常以英尺每小時(shí)(或米每小時(shí))來計(jì)量。因此，根據(jù)幾個(gè)約束 條件，例如受限于特定鉆塔、地層特性、鉆井流體特性及其他，鉆井 承包商設(shè)法使鉆速(ROP)最大化，使每鉆一英尺(或一米)的費(fèi)用 最小化。
除了特定鉆頭的鉆井速度之外，影響鉆井經(jīng)濟(jì)效率的另一重要因 素是鉆頭持久性或切削元件磨損率。也就是說，希望具有一種鉆頭， 在它由于切削元件變鈍或破壞之前壽命盡可能長。正如提到的，該鉆 頭位于一串鉆管的端部。為了替換磨鈍的鉆頭，整個(gè)鉆柱必須被該單 個(gè)接頭或被該支架或拉或"桿"出鉆井，總之耗時(shí)步驟更多，從而當(dāng)該 鉆柱延伸幾英里進(jìn)入地球時(shí)要花超過一天的時(shí)間將其從井中去除。因 此，期望具有一種鉆頭，在鉆給定量地層時(shí)磨損更少。
鉆頭的設(shè)計(jì)方法存在一種未曾滿足的需要，即相對(duì)于切削元件的 體積和位置，作用力的功和滑動(dòng)磨損率。其它因素也可通過優(yōu)化結(jié)合 于本發(fā)明。鉆頭設(shè)計(jì)的其他因素包括但不限于后傾角和側(cè)傾角、刀刃 形狀(如倒角等)、鉆頭輪廓或其它，它們可進(jìn)一步個(gè)個(gè)進(jìn)行優(yōu)化或組 合。整體上而非分別檢查上述這些因素提供了新的解決方案，用于增 加鉆頭的壽命(鉆鑿距離)、鋒利度(ROP)和效率(鉆頭磨損的速 率或方式)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括用于設(shè)計(jì)鉆頭的方法，包括評(píng)價(jià)各因素的組合以使鉆 頭的持久性和效率最優(yōu)化。
該方法包括多個(gè)動(dòng)作，其次序可采用最適合于人們實(shí)踐本發(fā)明所 需的方式。鉆頭鉆鑿地層可發(fā)生在計(jì)算機(jī)模擬、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或油田鉆 塔場所中。切削元件評(píng)價(jià)指標(biāo)包括作用力的功和滑動(dòng)磨損率。"作用 力的功"是切削元件上的力與作用力施加距離的計(jì)算值，該距離可相
對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)規(guī)格化，尤其可包括鉆鑿距離或鉆速(ROP)。"滑動(dòng)磨損率 "評(píng)價(jià)切削元件的鈍化狀況，可包括切削元件在其鉆鑿期間穿過地層 給定距離時(shí)磨掉的面積。
鉆頭設(shè)計(jì)可結(jié)合鉆鑿期間收集的信息。鉆頭設(shè)計(jì)可包括鉆頭上切 削元件數(shù)目的調(diào)整、鉆頭上一個(gè)或多個(gè)切削元件位置的調(diào)整、鉆頭上 一個(gè)或多個(gè)切削元件定向的調(diào)整、鉆頭上刀刃數(shù)量的變化、鉆頭的外 形或長度的變化、鉆頭水力特性的更改或上述各參數(shù)的組合。這些變 化可提高鉆頭的持久性或效率。例如，切削元件可增加到現(xiàn)有鉆頭設(shè) 計(jì)的位置或從那里刪除或移走。這些變化減少了經(jīng)受低作用力或滑動(dòng) 磨損率的切削元件的數(shù)量，同時(shí)增加了處于新鉆頭設(shè)計(jì)中經(jīng)受較大作 用力或磨損的位置之中的切削元件的數(shù)量。此外，切削元件的總數(shù)可 保持與原有鉆頭相同，也可增加或減少。最后，該程序可包括選擇特 定旋轉(zhuǎn)牽引式鉆頭以鉆鑿給定地層，以及使旋轉(zhuǎn)牽引式鉆頭最優(yōu)化以 鉆鑿給定地層。
可選地，新的鉆頭設(shè)計(jì)可通過鉆鑿地層來測(cè)試，類似于實(shí)施在前 述鉆頭設(shè)計(jì)的那種測(cè)試方式或通過其他方法測(cè)試。新的鉆頭設(shè)計(jì)可用 作用力的功、滑動(dòng)磨損率和/或其他重要特征評(píng)價(jià)。新的鉆頭設(shè)計(jì)還可 改變以修改或提高所需特性，這些特性可包括切削元件的鋒利性、持 久性/冗余性、效率或其他特性中的個(gè)別特性或其組合。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)設(shè)計(jì)出來的鉆頭也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。這種 鉆頭可包括例如切削元件的特征，這些切削元件設(shè)置并定向以使獲得 的鉆速(ROP)最優(yōu)化同時(shí)通過在那些先前表現(xiàn)出不利的作用力和滑
動(dòng)磨損率的位置放置足夠多的切削元件數(shù)量來使切削元件的磨損最小 化。
通過考慮下面的描述、所附附圖和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的其他 特征和益處對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言將是顯而易見的。


圖l是描述了本發(fā)明的鉆頭設(shè)計(jì)方法的實(shí)施例的流程圖； 圖2是描述了本發(fā)明的鉆頭設(shè)計(jì)方法的另一實(shí)施例的流程圖； 圖3是包括對(duì)于現(xiàn)有的和新設(shè)計(jì)的鉆頭而言鉆速(ROP)相對(duì)于
鉆鑿距離的曲線圖的圖表；
圖4描繪了現(xiàn)有鉆頭設(shè)計(jì)的軸向視圖和切削元件輪廓；
圖5描述了另一現(xiàn)有鉆頭設(shè)計(jì)的切削元件輪廓；
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)設(shè)計(jì)的鉆頭的軸向視圖和切削元件
輪廓；
圖7是比較相應(yīng)鉆頭上切削元件的去除部分與切削元件的徑向位 置的圖表，既包括現(xiàn)有鉆頭設(shè)計(jì)也包括根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)設(shè)計(jì)出的鉆
頭；
圖8包括了另一現(xiàn)有鉆頭設(shè)計(jì)的軸向視圖和切削元件輪廓； 圖9提供了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)設(shè)計(jì)的另 一鉆頭的軸向視圖和切削 元件輪廓；
圖10是在三個(gè)未磨損的現(xiàn)有鉆頭和一個(gè)未磨損的用本發(fā)明的方
其相應(yīng)鉆頭的轉(zhuǎn)i軸線算起的徑向位置制成的曲線圖；，
圖11是圖10中表示的鉆頭的每個(gè)切削元件的作用力的功相對(duì)于
每個(gè)切削元件的徑向位置制成的曲線圖12是圖lO和ll中表示的鉆頭的每個(gè)切削元件上去除的部分相
對(duì)于切削元件在其相應(yīng)鉆頭上的徑向位置制成的曲線圖；以及
圖13描述了切削元件從現(xiàn)有設(shè)計(jì)的鉆頭和從根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)
設(shè)計(jì)的鉆頭磨平的情況。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例包括一系列動(dòng)作，這些動(dòng)作在此 以特別的順序并在圖1中進(jìn)行描述，這些動(dòng)作可采用對(duì)實(shí)踐本發(fā)明的 人而言最有用的方式執(zhí)行。在附圖標(biāo)記11中，鉆鑿地層的鉆頭的一個(gè) 或多個(gè)特征可被評(píng)價(jià)或記錄。被鉆鑿的地層可包括實(shí)際井、在地表上 或模擬井眼條件下的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)裝置、計(jì)算機(jī)模擬，或者"鉆鑿"可用 其他任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)施。
在鉆鑿期間或之后評(píng)價(jià)的特征可包括但不僅限于切削元件的尺
寸、形狀和磨平方向；切削元件、鉆頭主體的狀況，或鉆頭的其他特 征；鉆鑿地層的特征，包括但不陷于研磨性和壓縮強(qiáng)度；所用的鉆井 流體；工作參數(shù)，例如鉆頭載重(WOB)或扭矩；或前述各項(xiàng)的組合。
在附圖標(biāo)記12處，鉆頭的算法模型(例如基于計(jì)算機(jī)的)或物理 模型用本領(lǐng)域已知的方式建立。作為算法模型的非限制性例舉，體現(xiàn) 在計(jì)算機(jī)程序或其他的PDCWEAR計(jì)算機(jī)代碼或其他適當(dāng)?shù)乃惴ɑ?算法組可以使用。D.A.Glowka的"在PDC鉆頭設(shè)計(jì)中使用單一刀刃 數(shù)據(jù)"，第二部分-"PDCWEAR計(jì)算機(jī)代碼的發(fā)展和使用"， J.Petroleum Tech., 850， SPE論文編號(hào)19309 ( 1989年8月)，其整 個(gè)公開在此結(jié)合作為參考，這是可用的PDCWEAR程序的一個(gè)例子。
該模型可包括作用力模型、滑動(dòng)磨損模型或其他任何模型或各模 型的組合，用于確定鉆鑿期間 一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的切削元件的磨損或作 用力。該模型可說明一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)切削元件的位置、水力學(xué)參數(shù)或 其他重要參數(shù)。該模型可在附圖標(biāo)記13處校準(zhǔn)，從而它與鉆頭鉆鑿地 層期間或之后記錄的那些特征相互關(guān)聯(lián)。鉆鑿地層的鉆頭模型可用作 新鉆頭的模板或創(chuàng)造出的全新鉆頭設(shè)計(jì)，如圖1中附圖標(biāo)記14指示。
影響鉆頭工作性能的各種因素可進(jìn)行改進(jìn)，同先前的鉆頭設(shè)計(jì)的 一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)切削元件的位置或體積相比，包括但不僅限于一個(gè)或 多個(gè)切削元件的位置或體積。例如， 一個(gè)或多個(gè)切削元件的位置可從 鉆頭上它們經(jīng)受相對(duì)較小作用力或滑動(dòng)磨損率或二者同時(shí)兼?zhèn)涞奈恢?br> 移動(dòng)到它們經(jīng)受相對(duì)較大作用力或滑動(dòng)磨損率或二者同時(shí)兼?zhèn)涞奈?置。其他可單獨(dú)或一起進(jìn)行調(diào)整的元素包括但不僅限于刀刃數(shù)量或"
刀刃計(jì)數(shù)"；鉆頭輪廓的長度和形狀；鉆頭的水力特性，包括但不僅 限于噴嘴的尺寸、位置或方向以及流路的尺寸、數(shù)量或路徑；切削元 件的尺寸、形狀或數(shù)量；以及例如鉆頭載重、轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)。
鉆頭的虛擬模型可在預(yù)先建立的計(jì)算機(jī)模型中試運(yùn)行以模擬鉆鑿 地層或者鉆頭的物理模型可在鉆井或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)裝置中試運(yùn)行，如附 圖標(biāo)記15所指示。用新鉆頭實(shí)現(xiàn)的結(jié)果可與原鉆頭相比，如附圖標(biāo)記 16，與經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)改進(jìn)后的相比，如附圖標(biāo)記17，必要時(shí)直到獲得 最佳設(shè)計(jì)，這可包括優(yōu)化鉆頭以在特定區(qū)域、地層、應(yīng)用或其他需要 中鉆鑿。因此，該程序可用于選擇最佳的鉆頭設(shè)計(jì)以鉆鑿地層，可包 括為了特定的地層或油田使用現(xiàn)有鉆頭設(shè)計(jì)或研究出 一種優(yōu)化的新的 鉆頭設(shè)計(jì)。
在另一實(shí)施例中，現(xiàn)有鉆頭在鉆鑿地層時(shí)磨損的方式被記錄下來， 如圖2的附圖標(biāo)記21指示。被鉆鑿地層可從實(shí)際鉆井而來，或者它可 從計(jì)算機(jī)模擬或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)裝置所鉆地層而來。現(xiàn)有鉆頭的計(jì)算機(jī)模 型和它或它的切削元件磨損的方式可在附圖標(biāo)記22處產(chǎn)生。該模型可 在附圖標(biāo)記23處被校準(zhǔn)到觀察到的磨損。新的鉆頭在附圖標(biāo)記24處 可使用來自現(xiàn)有鉆頭鉆鑿的信息進(jìn)行設(shè)計(jì)，使現(xiàn)有鉆頭形成新的鉆頭
區(qū)域中的切削元件的體積百分比和/或增加位于不利磨損區(qū)域中的切 削元件的數(shù)目，如附圖標(biāo)記25所指示。
各個(gè)切削元件的后傾角和側(cè)傾角或它們?nèi)羞叺膸缀涡螒B(tài)(如倒角 等)可在附圖標(biāo)記26處改變，這些可改變這些切削元件鉆削地層的鋒 利性以及鉆頭整體的鋒利性。通過在鉆頭的切削元件表現(xiàn)出過度不利 作用力或磨損的一個(gè)或多個(gè)位置(例如，徑向位置)上增加切削元件 的體積或數(shù)量， 一個(gè)或多個(gè)切削元件的刀面角可改變以改變切削元件 鉆削地層的鋒利性。側(cè)傾角影響著切削元件如何將鉆屑推向切削元件 側(cè)面，很像犁的作用。后傾角是切削元件的表面相對(duì)于與被鉆鑿地層
表面垂直的垂直線的角度，并通常表示為負(fù)角，雖然正的后傾角或前 傾的切削元件指向已經(jīng)有人建議。因此，切削元件的切削面是從鉆頭
的轉(zhuǎn)動(dòng)方向向后傾斜或偏傾。o度的后傾角將表示切削元件是垂直的，
或垂直于地層，并可稱為"中性"后傾角。后傾角越小，即近似于零或 垂直的后傾角，切削元件鉆削地層就越鋒利。刃邊幾何形態(tài)也可適于 提供理想效果。
一個(gè)或多個(gè)切削元件的后傾角和側(cè)傾角和/或刃邊幾4可形態(tài)可匹 配于所鉆地層，更鋒利的角(接近零度)適合于較軟的地層而不太鋒 利的角適合于較硬的地層。通常，更鋒利的后傾角和側(cè)傾角對(duì)應(yīng)于較 大的切削元件和鉆頭磨損比率。因此，鉆頭設(shè)計(jì)關(guān)注的鉆頭持久性和
鉆速(ROP)可根據(jù)需要或希望用于特定應(yīng)用而進(jìn)行優(yōu)化，如附圖標(biāo) 記27所指示。
舉例來說，鉆頭的鋒利性可以磨損狀況為代價(jià)而最大化，可特別 用于成本特別高的短鉆環(huán)境，例如近海。在其他情況下，持久性與鋒
利性相比可能是最重要的，例如在鉆頭運(yùn)行預(yù)計(jì)相當(dāng)長并且下鉆或從 井中出鉆所需的時(shí)間很長的情況。持久性和鋒利性之間的最佳平衡可 以實(shí)現(xiàn)。
其他可被調(diào)整的元素包括但不僅限于鉆頭輪廓；切削元件的尺寸、 形狀和數(shù)量；鉆頭的水力特性，包括噴嘴和流路的設(shè)置、定向和大?。?穩(wěn)定性；及其他因素。
術(shù)語"穩(wěn)定性"指鉆頭，特別是PDC鉆頭出現(xiàn)振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)， 它們都將對(duì)鉆頭的持久性產(chǎn)生負(fù)面影響?，F(xiàn)有技術(shù)中已知的幾種描述 模型穩(wěn)定性的嘗試，例如包括CJ丄angeveld， "PDC鉆頭動(dòng)力學(xué)"， SPE/IADC論文編號(hào)23867 ( 1992 )(發(fā)表在1992年2月18-21日召 開的New Orleans，La.的IADC/SPE鉆鑿會(huì)議上)以及Thomas M.Warren等人的"防止偏心轉(zhuǎn)動(dòng)的鉆頭的發(fā)展，，，SPE鉆鑿工程，297 (1990年12月)，其全部公開在此結(jié)合作為參考。
另一可能要評(píng)價(jià)或改變的因素是鉆頭的水力特性，這在本領(lǐng)域也 是已知的，其中一個(gè)例子是M.R.Taylor，"通過改變的水力學(xué)和機(jī)械
設(shè)計(jì)在PDC鉆頭發(fā)展中獲得高鉆速和延長的鉆頭壽命"，SPE論文編 號(hào)36435 ( 1996 )(發(fā)表在1996年10月6-9日在Danver，Colo.召開的 SPE年度技術(shù)會(huì)議和展覽)，其全部公開在此結(jié)合作為參考。
示例1
幾種鉆頭根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
圖3是用現(xiàn)有鉆頭設(shè)計(jì)在油田中收集的數(shù)據(jù)和從新鉆頭設(shè)計(jì)的計(jì) 算機(jī)模擬所得數(shù)據(jù)的集合塊?，F(xiàn)有的鉆頭鉆鑿給定的地層并收集數(shù)據(jù)， 包括鉆速(ROP)和鉆鑿距離。Y軸31表示平均鉆速(ROP)，單位 是英尺/小時(shí)，而X軸32表示鉆鑿地層的距離，單位是英尺。X軸32 開始于0英尺鉆鑿距離，它表示鉆頭未鉆鑿地層，即鉆頭是新的。鉆 頭鉆鑿的距離沿X軸32向右線性增加。圖上施加的是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，鉆 頭的工作性能與此相較。垂直的虛線33表示1060英尺(323米)的 鉆鑿總距離，是已經(jīng)由先前鉆鑿地層的鉆頭代表組鉆鑿的距離。為了 試驗(yàn)的目的，而不是限制本發(fā)明范圍的目的，水平虛線34表示15英 尺/小時(shí)(大約5米/小時(shí))的鉆速(ROP)，這是一個(gè)可用于確定何時(shí) 停止鉆鑿和從鉆井中取出來以置換磨鈍的鉆頭的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)給定的鉆頭 平均鉆速(ROP)降至15英尺/小時(shí)(大約5米/小時(shí))或任何其他預(yù) 定的最小鉆速(ROP)時(shí)，可以認(rèn)為鉆頭的切削元件已經(jīng)磨損超過了 其使用壽命，并且該鉆柱可從鉆井中拔出從而鉆頭可被替換。
現(xiàn)有的鉆頭設(shè)計(jì)用附圖標(biāo)記41和51表示，而根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo) 設(shè)計(jì)出來的鉆頭用附圖標(biāo)記61和61 '表示。
由鉆鑿實(shí)際地層的第一現(xiàn)有鉆頭41(圖4)和第二現(xiàn)有鉆頭51(圖 5)提取的數(shù)據(jù)被繪制成圖。數(shù)據(jù)顯示，第一現(xiàn)有鉆頭41最初以大約 35英尺/小時(shí)(大約11米/小時(shí))(圖3)的平均鉆速(ROP)鉆鑿， 隨著鉆頭的持續(xù)運(yùn)行和鉆鑿距離的增加而降低，直到到達(dá)最后的15 英尺/小時(shí)的平均鉆速(ROP)，鉆頭在到達(dá)大約IOOO英尺(大約305 米)的深度后被取出鉆井。來自鉆頭51的數(shù)據(jù)顯示，該鉆頭最初以大 約40英尺/小時(shí)(大約12米/小時(shí))的平均鉆速(ROP)鉆鑿地層，
鉆頭的鉆速(ROP)在到達(dá)稍大于1000英尺(大約305米)的深度 時(shí)降低到15英尺/小時(shí)(大約5米/小時(shí))。
如果使用鉆頭的計(jì)算機(jī)模型，現(xiàn)有鉆頭的計(jì)算機(jī)模型和被鉆鑿地 層可通過包括各種參數(shù)而形成，例如地層或多個(gè)地層特征；鉆井設(shè)備， 例如泥漿泵尺寸或旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩的極限；井眼參數(shù)，例如殼體或井眼 尺寸，或其他因素。鉆頭的參數(shù)可包括而不限于鉆頭輪廓(半徑和高 度)、刀刃尺寸(高度、厚度、定向、數(shù)量)、切削元件(數(shù)量、類型 (PDC、碳化鎢、天然金剛石)、后傾角和側(cè)傾角、徑向和軸向位置、 刃邊幾何形態(tài)等)、或水力學(xué)數(shù)據(jù)(允許鉆井流體流出鉆頭進(jìn)入井眼空 間的液力噴口的數(shù)目和大小)或其他因素中的單個(gè)或其組合。
圖4提供鉆頭41的軸向視圖和輪廓圖，模型HC509Z可從 Woodlands, Texas的Hughes Christensen公司、Baker Hughes公司 的操作單位、本發(fā)明的受讓人獲得。鉆頭的軸向視圖是這樣一種視圖 表示，如果從鉆頭頂端或鉆頭41鉆鑿時(shí)的前端垂直看去，人們將看到 該視圖。位于多個(gè)刀刃43上的多個(gè)切削元件42在鉆頭41的軸向視圖 中是可見的，多個(gè)噴嘴44同樣可見。在鉆頭41的中心是圓錐體45 而在鉆頭的徑向最外側(cè)是量規(guī)距離46或徑向距離。鄰近鉆頭41的軸 向視圖的是鉆頭41的切削元件輪廓47的示意圖，顯示了當(dāng)鉆頭41 繞其轉(zhuǎn)動(dòng)軸線旋轉(zhuǎn)以及切削元件42穿過與圖4所在紙面相應(yīng)平面時(shí)鉆 頭41的每個(gè)切削元件42的徑向和軸向定位。兩才艮豎向直線48和49 分別表示在地層鉆鑿過程中經(jīng)受最大磨損的切削元件42，其通過計(jì)算 機(jī)模擬經(jīng)驗(yàn)或觀察確定。存在于豎向直線48和49之間的切削元件42 如圖4所示，可位于從鉆頭41的旋轉(zhuǎn)軸算起的徑向距離的特定范圍內(nèi)， 或者處于鉆頭41上的"徑向位置"的特定范圍內(nèi)。如圖所示，鉆頭41 具有九(9)個(gè)位于由直線48和49限定的徑向位置中的切削元件42。
圖5是鉆頭51的切削元件輪廓的視圖，是當(dāng)鉆頭51旋轉(zhuǎn)以及每 個(gè)切削元件52穿過與圖5所在紙面相應(yīng)的平面時(shí)每個(gè)切削元件52的 徑向和軸向位置的表達(dá)。鉆頭51還具有幾個(gè)備用切削元件52'，輪廓 圖中表示為七個(gè)(7)碳化鴒合金刀片(TCI)52'。區(qū)域55對(duì)應(yīng)于鉆頭的圓錐體而區(qū)域56對(duì)應(yīng)于鉆頭的量規(guī)或半徑。此外，兩根豎向直線 58和59分別表示切削元件52中在鉆鑿地層期間經(jīng)受最大磨損的大概 位置，這是通過計(jì)算機(jī)模擬的經(jīng)驗(yàn)或觀察確定的。
圖4中鉆頭41的輪廓圖47與圖5中鉆頭51的輪廓圖57的比較 產(chǎn)生了幾個(gè)關(guān)于切削元件42和52的分布和數(shù)目的觀察結(jié)果。例如， 鉆頭51具有總數(shù)比鉆頭41更多的切削元件52，四十七(47)個(gè)切削 元件52比之四十四(44)個(gè)切削元件42，加上鉆頭41所不具有的另 外七個(gè)TCI52'。
圖3中示為鉆頭61并稱為Hughes Cristensen鉆頭模型HC506ZX 的新鉆頭設(shè)計(jì)沒有單獨(dú)描述，但其特征顯示在圖6中，該圖描述了另 一種新的鉆頭設(shè)計(jì)。
圖6中顯示了鉆頭61'的軸向視圖，它是帶有備用切削元件的 Hughes Christensen HC506ZX的改進(jìn)版本。位于多個(gè)刀刃63上的多 個(gè)切削元件62在鉆頭的軸向視圖中是可見的，多個(gè)噴口 64同樣可見。 還可見的是一系列備用切削元件62'。主要切削元件62具有5/8英寸 的直徑，而備用切削元件62'具有1/2英寸的直徑。在鉆頭的中心是圓 錐體65而在鉆頭的徑向最外側(cè)是量規(guī)距離66或徑向距離。鄰近鉆頭 61'的軸向視圖的是輪廓圖67。每個(gè)主要切削元件62和備用切削元件 62'的徑向和軸向定位表示為它穿過與圖6所在紙面相應(yīng)的平面。兩根 豎向直線68和69分別表示在地層鉆鑿過程中經(jīng)受最大磨損的切削元 件62的位置，其通過計(jì)算機(jī)模擬經(jīng)驗(yàn)或觀察確定。設(shè)置在直線68和 69限定的區(qū)域之間，鉆頭61'具有六(6)個(gè)主要切削元件62和六(6) 個(gè)備用切削元件62'。鉆頭61 (圖3)在各個(gè)方面都與鉆頭61'相應(yīng)， 除了它沒有鉆頭61'的備用切削元件62'以外。
當(dāng)與鉆鑿地層并且其結(jié)果顯示在圖3中的鉆頭51(圖5)相比時(shí)， 鉆頭61和61'(圖6)具有比鉆頭51的輪廓更為平坦的輪廓，是稍微 錐形的圓錐體65,鉆頭61和61'介于直線68和69之間的輪廓的曲率 半徑大于鉆頭51的相應(yīng)特征的曲率半徑。最終結(jié)果是鉆頭61和61' 的輪廓拉長；具體而言，在這個(gè)非限制性舉例中，鉆頭61和61'的輪 廓長度已經(jīng)相對(duì)于鉆頭51的輪廓延長了 0.76英寸(1.9厘米)。其他 變化包括切削元件的位置。每個(gè)鉆頭61和61'具有五(5 )個(gè)位于接近 鉆頭61、 61'中圍繞圓錐體65的區(qū)域的范圍中的切削元件62,相比而 言有七(7 )個(gè)切削元件位于鉆頭51上接近圓錐體55的區(qū)域的范圍中。 同時(shí)鉆頭61和61'在圓錐體65的區(qū)域內(nèi)具有比鉆頭51更少的切削元 件62'，它們?cè)谄淝邢髟喞?7中與豎向直線68和69分別相應(yīng)的 區(qū)域內(nèi)具有增加數(shù)量的切削元件62。例如，在圓錐體65和半徑68之 間的區(qū)域內(nèi)，鉆頭61和61'每個(gè)都具有十五(15)個(gè)切削元件62，相 比而言，鉆頭51在相應(yīng)的位置具有十二 (12)個(gè)切削元件52。在直 線68和69之間的徑向區(qū)域內(nèi)，鉆頭61和61'每個(gè)都具有十三(13) 個(gè)切削元件62，相比而言，鉆頭51在相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)具有十二 (12) 個(gè)切削元件52。此外，在直線69和量規(guī)66之間的區(qū)域內(nèi)，鉆頭61 和61'每個(gè)都具有二十(20)個(gè)切削元件62，相比而言，鉆頭51在相 應(yīng)的位置內(nèi)具有十六(16)個(gè)切削元件52。因此可見，鉆頭61和61' 的切削元件62已經(jīng)從圓錐體區(qū)域65移到遠(yuǎn)離鉆頭61、61'的中心的區(qū) 域去，最小的作用力和磨損發(fā)生在所述圓錐體區(qū)域65中，。鉆頭61 上的切削元件62的總數(shù)保持與鉆頭51的切削元件52的數(shù)量相同，與 此同時(shí)附加的備用切削元件62'已經(jīng)追加到鉆頭61'上，相對(duì)于鉆頭51 的切削元件52而言增加了其上切削元件62、 62'的總體數(shù)量。
一旦新的鉆頭61和61'設(shè)計(jì)出來并創(chuàng)建出其計(jì)算機(jī)模型，每種新 鉆頭61、 61'切削模型中的地層的模擬得以建立，模擬的鉆鑿在計(jì)算機(jī) 模型中實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果數(shù)據(jù)得以收集。再參見圖3，圖中畫出了用新設(shè) 計(jì)的鉆頭61和61'模擬鉆鑿的結(jié)果相對(duì)于用現(xiàn)有鉆頭41和51鉆鑿的 結(jié)果的曲線。對(duì)比圖1中的不同可能尺寸，鉆頭61和61'在給定參數(shù) 設(shè)定下與鉆頭41和51相比執(zhí)行狀況明顯較好。比對(duì)由水平虛線34 表示的15英尺/小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，它是鉆頭被假定磨損并從鉆井中去除并 替換時(shí)的平均鉆速，鉆頭61和61'比現(xiàn)有鉆頭41和51鉆得深得多。 在這種情況下，在鉆速(ROP)降至15英尺/小時(shí)(大約5米/小時(shí)) 之前，鉆頭61鉆鑿了大約1359英尺Ul4米)并且鉆頭61'鉆鑿大約
1379英尺(420米)，相比較而言，鉆頭51鉆鑿了大約1060英尺(323 米)。這表現(xiàn)出總的鉆井深度增加了大約28%。此外，鉆頭61和61' 在整個(gè)運(yùn)行過程中的平均鉆速為大約3英尺/小時(shí)(大約l米/小時(shí))， 比鉆頭51這一點(diǎn)更快，或者說提高了超過10%。
比較數(shù)據(jù)的另一種方法涉及到達(dá)特定深度的平均鉆速(ROP)， 在這種情況下1060英尺(323米)的停止深度由圖3中的豎向虛線33 表示，它對(duì)應(yīng)于鉆頭41和51的鉆速減慢到15英尺/小時(shí)(大約5米/ 小時(shí))的深度。就此而言，在整個(gè)鉆鑿深度(1060英尺或323米)上 鉆頭51的鉆速(ROP)大約為29.0英尺/小時(shí)(大約9米/小時(shí))，而 在相同深度情況下鉆頭61和61'能達(dá)到39英尺/小時(shí)(大約12米/小 時(shí))的平均鉆速(ROP)。這顯示了相對(duì)于現(xiàn)有鉆頭41和51的鉆井 深度而言大約33%的提高。
每個(gè)切削元件在相對(duì)于其從鉆頭中心算起的徑向位置經(jīng)受的磨損 可與在一個(gè)或多個(gè)其他鉆頭的相應(yīng)徑向位置上的切削元件磨損相比 較。鉆頭肩角上的那些切削元件，圓錐體與鉆頭量規(guī)之間的區(qū)域會(huì)比 其他區(qū)域的切削元件磨損更快，這依賴于鉆頭的幾何形狀；特別是因 為肩角的元件距鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸向具有最大的徑向距離，因此穿過更長 的距離、遇到被鉆鑿的較大量地層并受到比鉆頭上位于徑向接近旋轉(zhuǎn) 軸之處的切削元件更大的作用力。圖7是一張圖，其中鉆頭51和61' 的每個(gè)切削元件的徑向位置畫成鉆鑿給定距離，在這種情況下為1060 英尺(323米)，相當(dāng)于鉆頭41和51鉆鑿的近似距離。在圖7的Y軸 71上，畫出了每個(gè)切削元件的平方英寸面積上的去除或磨損部分。X 軸72畫出了從每個(gè)切削元件的鉆頭中心算起的徑向位置。圖7顯示了 鉆頭51的切削元件52比鉆頭61'上相應(yīng)徑向位置上的切削元件62磨 損更為嚴(yán)重。按百分比計(jì)，在鉆頭上切削元件受到最大作用力的地方， 鉆頭61和61'的切削元件62大約比位于大致相同徑向位置的鉆頭51 上的切削元件少磨損約33%。
示例2
在該方法的另一示例中，圖4和8提供了代表性示例，顯示了兩 個(gè)鉆頭的切削元件的軸向視圖和輪廓圖，為它們建立了計(jì)算機(jī)模型， 圖5顯示了第三個(gè)鉆頭的輪廓圖。圖4和5如上所述。圖8是Hughes Christensen鉆頭模型HC511Z的圖解表示。鉆頭81具有位于多個(gè)刀 刃83上的多個(gè)切削元件82,在鉆頭的軸向視圖中可見，多個(gè)噴口 84 同樣可見。鉆頭的中心是圓錐體85并且鉆頭的徑向最外側(cè)是量規(guī)距離 86或徑向距離。鄰近鉆頭81的軸向視圖的是輪廓圖87。每個(gè)主要切 削元件82的徑向和軸向定位表示為它穿過與圖8所在紙面相應(yīng)的平 面。兩根豎向直線88和89分別表示在地層鉆鑿過程中經(jīng)受最大磨損 的切削元件82的位置，其通過計(jì)算機(jī)模擬經(jīng)驗(yàn)或觀察確定。設(shè)置在由 直線88和89限定的區(qū)域之間，鉆頭81具有大約十一 (11)個(gè)切削元 件82。這可與鉆頭41中位于直線48和49之間相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的九(9) 個(gè)切削元件，以及鉆頭51中位于直線58和59之間相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的十二 (12)個(gè)切削元件52相比較。鉆頭41、 51和81中的每一個(gè)已經(jīng)預(yù)先 鉆鑿地層，性能特征被記錄下來，鉆頭41、 51和81中每一個(gè)的計(jì)算 機(jī)模型得以創(chuàng)建。
用鉆頭41、 51和81鉆鑿獲得的數(shù)據(jù)與從鉆頭另一示例性實(shí)施例 91的鉆鑿數(shù)據(jù)相比較，鉆頭91顯示在圖9中。鉆頭91根據(jù)用鉆頭41、 51和81鉆鑿至少一種地層所得結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。鉆頭91包括多個(gè)切削 元件92。鉆頭91不具有與圖4和8所示的常規(guī)結(jié)構(gòu)刀刃43和83 — 樣的刀刃。而是，鉆頭91具有被稱為"全面(full-face)"設(shè)計(jì)的刀 刃，其中當(dāng)軸向觀察時(shí)，鉆頭91的表面包括由淺U形缺口分離的區(qū) 域93或切口93';因此，鉆頭91不包括常規(guī)結(jié)構(gòu)的刀刃。切口93'允 許鉆井流體繞鉆頭91流過并向上流向井眼環(huán)狀空間。鉆頭91還包括 多個(gè)噴嘴94、接近鉆頭91的中心和量規(guī)96的圓錐體區(qū)域95。
在鉆頭91的切削元件輪廓97中，鉆頭91相對(duì)于鉆頭41、 51和 81(分別見圖4、 5和8),以及切削元件92的徑向和軸向位置相對(duì)于 鉆頭41、 51、 81上的切削元件42、 52、 82的徑向和軸向位置的幾個(gè) 改變很容易看到。例如，鉆頭91形狀更平坦，而鉆頭41、 51和81
更趨于圓錐(或圓形)形狀。此外，輪廓97的高度或長度與鉆頭41、 51和81的輪廓47、 57和87相比有所增加。并且，在由位于圓錐體 95和量規(guī)96之間的豎向直線98和99限定的區(qū)域中，鉆頭91已經(jīng)將 切削元件92的數(shù)目從圖4所示的鉆頭41的相應(yīng)區(qū)域中的最少的九(9) 個(gè)切削元件42增加到總共十三(13)個(gè)。
新設(shè)計(jì)的鉆頭91隨后被輸入計(jì)算機(jī)模型，然后運(yùn)行這四種鉆頭中 的每一個(gè)以模擬地層鉆鑿。在這種情況下，每個(gè)切削元件在地層鉆鑿 過程中經(jīng)歷的作用力的功輸出在圖中被描繪出來，如圖10所示。圖 10顯示了每個(gè)鉆頭在鉆頭最初開始鉆鑿地層時(shí)即當(dāng)鉆頭是新的且切 削元件未曾磨損時(shí)經(jīng)歷的作用力的功。圖10的Y軸101表示每個(gè)鉆 頭經(jīng)歷的作用力的功并且X軸102表示在每個(gè)鉆頭41、 51、 81、 91 中切削元件42、 52、 82、 92從每個(gè)鉆頭41、 51、 81、 91的中心算起 的相應(yīng)徑向位置(以英寸計(jì))。
可以觀察到，切削元件在從鉆頭中心算起的大約二又二分之一英 寸(大約六又二分之一厘米)和三又二分之一英寸(大約9厘米)徑 向距離之間的區(qū)域中承受最大的作用力的功，它們分別大約對(duì)應(yīng)于徑 向直線48、 58、 88、 98和49、 59、 89和99。圖ll的圖總體上顯示 出切削元件離鉆頭中心越遠(yuǎn)，則切削元件受到的作用力的功越高。這 可能是因?yàn)榍邢髟?2、 52、 82、 92越是徑向遠(yuǎn)離鉆頭41、 51、 81、 91的旋轉(zhuǎn)軸線，在鉆頭41、 51、 81、 91旋轉(zhuǎn)時(shí)它克服地層穿過的越 遠(yuǎn)。雖然定位在從鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線算起徑向距離最遠(yuǎn)處的切削元件通 常沿鉆頭的量規(guī)定位，它們不在軸向上積極地切割地層，因此不必然 遵循隨著徑向距離從鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線增加作用力的功增加的趨勢(shì)。可 以觀察到，切削元件在從鉆頭中心算起的大約二又二分之一英寸(大 約六又二分之一厘米)和三又二分之一英寸(大約9厘米)徑向距離 之間的區(qū)域中承受最大的作用力的功，它們分別大約對(duì)應(yīng)于徑向直線 48、 58、 88、 98和直線49、 59、 89和99。
新設(shè)計(jì)的鉆頭91的切削元件92承受的作用力的功明顯小于其他 鉆頭41、 51、 81的切削元件42、 52、 82承受的作用力的功，如數(shù)據(jù)
指示的那樣。在設(shè)計(jì)鉆頭91時(shí)，在其他鉆頭上位于別處的許多切削元 件已經(jīng)被移動(dòng)到限定于直線98和99之間的區(qū)域中，該區(qū)域承受著最 大作用力的功。這一區(qū)域中更多的切削元件92的存在降低了任何單個(gè) 切削元件92必須經(jīng)受的作用力的功。這一點(diǎn)的益處在于，對(duì)于給定的 地層，切削元件92將已經(jīng)增加持久性，它將允許鉆井操作者運(yùn)行鉆頭 更長一段時(shí)間并在不得不在鉆頭磨損時(shí)移除它之前鉆鑿更大的距離。
鉆頭51的數(shù)據(jù)指示出大致位于距鉆頭51的旋轉(zhuǎn)軸二又二分之一 英寸(大約六又二分之一厘米)和三又二分之一英寸(大約9厘米) 徑向距離之間的多個(gè)切削元件承受很小的作用力或不承受任何作用 力。這些切削元件相應(yīng)于TCI(和/或PDC)備用切削元件52'。 TCI(和 /或PDC)備用切削元件52'上沒有作用力或磨損的一個(gè)原因可能是當(dāng) 鉆頭51是新的時(shí)主切削元件52承受了全部的最初切削地層的作用力， 并且由于備用切削元件52，可能不接合地層因此它們幾乎不經(jīng)受任何 作用力。
圖ll是類似于圖IO的圖，數(shù)據(jù)在相同的鉆頭經(jīng)過代表性地層鉆 鑿之后提取。這種情況下，數(shù)據(jù)不是來自新鉆頭，數(shù)據(jù)曲線來自已經(jīng) 磨損的鉆頭。具體而言，數(shù)據(jù)曲線來自在鉆速(ROP)降至15英尺/ 小時(shí)之后的鉆頭41、 51、 81和91，如圖3中顯示的示例所示。此外， Y軸111表示作用力的功和X軸112表示每個(gè)鉆頭的切削元件的徑向 位置。數(shù)據(jù)表示出均勻磨損，鉆頭91的切削元件92承受了相對(duì)于切 削元件42、 52和82承受的作用力的功而言明顯減少的作用力的功。 此外，該圖顯示出鉆頭51的輔助切削元件52，現(xiàn)在承受著鉆鑿地層的 一些負(fù)載。這種情況發(fā)生是因?yàn)橹鞯毒?2也許已經(jīng)磨損到足以使輔助 切削元件52'接合于地層。因此，鉆頭51現(xiàn)在具有更多的接合于地層 的切削元件，這可以解釋為什么每個(gè)單個(gè)主切削元件52上的作用力的 功得以減少。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，主切削元件52的作用力的功接近于 鉆頭41的切削元件42的作用力的功。這進(jìn)一步意味著，通過在鉆頭 區(qū)域內(nèi)增加預(yù)先承受大部分作用力的切削元件的數(shù)量或體積，則各個(gè) 切削元件上的作用力的功便會(huì)減少，導(dǎo)致更長的鉆頭壽命。 由于新設(shè)計(jì)的鉆頭91的切削元件92承受與其他鉆頭41、 51和 81的切削元件42、 52和82的作用力的功相比更少的作用力的功，之 后鉆頭91的其他特征可得到優(yōu)化。例如，切削元件92可定向?yàn)楦h 利地切割地層，換句話說，切削元件92的后傾角和/或側(cè)傾角可得以 減小從而他們更為直接地鉆削地層。這可提高鉆頭在運(yùn)行期間達(dá)到的 鉆速(ROP)。其他因素也可變化，或作為可選變化，或與切削元件 中變化的方向一起變化。
圖12是一幅圖，其中關(guān)于單個(gè)切削元件42、 52、 52'、 82和92 的滑動(dòng)磨損率的數(shù)據(jù)被繪成曲線，該數(shù)據(jù)在地層模擬鉆鑿期間獲得。 Y軸121表示每個(gè)切削元件在地層鉆鑿期間磨掉的面積，它以平方英 寸為單位。X軸122表示每個(gè)切削元件以英寸為單位的徑向位置。數(shù) 據(jù)曲線來自在模擬鉆鑿將每個(gè)鉆頭的鉆速(ROP)降到15英尺/小時(shí) (大約5米/小時(shí))之后的切削元件42、 52、 52'、 82和92。數(shù)據(jù)表示 出，位于從其各自鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線算起大約3英寸(大約七又二分之 一厘米)到三又二分之一英寸(大約9厘米)的徑向距離處的那些切 削元件已經(jīng)比那些位于從每個(gè)鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線算起其他徑向距離處的 切削元件磨損得更多。鉆頭51的輔助的備用切削單元52'相對(duì)于主切 削元件52而言幾乎不經(jīng)受磨損，但這種情況是因?yàn)閭溆们邢髟?2' 不與地層接合才出現(xiàn)，到主切削元件52磨損到足以使備用切削元件 52'暴露出來為止。
從已經(jīng)在圖12中繪成曲線的數(shù)據(jù)可見，鉆頭91的切削元件92 不受到像鉆頭41、 51和81的切削元件42、 52和82那么多的滑動(dòng)磨 損。實(shí)際上，位于由切削元件輪廓97中的直線98和99限定的區(qū)域內(nèi) 的切削元件92的滑動(dòng)磨損，該磨損大約分別是鉆頭41和51的切削元 件42和52中相同位置的一半，并且大約是鉆頭81的切削元件82中 相同位置的三分之一，所述直線98、 99對(duì)應(yīng)于從其鉆頭91的旋轉(zhuǎn)軸 線算起大約3英寸(大約七又二分之一厘米)到三又二分之一英寸(大 約9厘米)的徑向距離。這意味著在其他條件相同的情況下，帶有位 于由圖9中直線98和99限定的臨界區(qū)域中的增大數(shù)量的切削元件92
的鉆頭91有可能比鉆頭41、 51和81更遠(yuǎn)的鉆鑿距離。
與圖12相關(guān)的是位于從鉆頭算起的給定徑向距離處的各個(gè)切削 元件去除掉的實(shí)際面積的示意圖，如圖13所示，切削元件134是鉆頭 41的單個(gè)切削元件42的表示，它位于從鉆頭41的中心算起大約3.26 英寸(大約8.28厘米)的徑向距離處。陰影面積134'表示切削元件134 在鉆鑿地層期間被磨掉的面積，它先前在圖12中圖示。在這種情況下， 地層模擬鉆鑿磨掉大約0.032平方英寸(大約0.21平方厘米)的面積， 與之不同的是，切削元件139是新設(shè)計(jì)的鉆頭91的單個(gè)切削元件92 位于從鉆頭91的中心算起大約3.25英寸(大約8.25厘米)的徑向距 離處的表現(xiàn)。因此，切削元件139位于從鉆頭91的中心算起的某徑向 距離處，該徑向距離與切削元件134從鉆頭41的中心算起的徑向距離 相同，兩個(gè)元件均落在切削元件中接受大部分磨損的從3英寸(大約 七又二分之一厘米)到三又二分之一英寸(大約9厘米)的徑向距離 內(nèi)?？梢钥吹降氖牵貙鱼@鑿已經(jīng)磨除了切削元件139的陰影面積 139'，大約0.016平方英寸(大約0.10平方厘米)，或是鉆鑿相同距離 后從切削元件134磨掉的面積134'的二分之一。這圖解顯示出，通過 將切削元件從經(jīng)受低滑動(dòng)磨損率的區(qū)域移動(dòng)到經(jīng)受高滑動(dòng)磨損率的區(qū) 域，就像對(duì)鉆頭91所做的那樣，各個(gè)切削元件的滑動(dòng)磨損率可得到改 善。
因此，如前述的實(shí)施例表示的那樣，記錄觀察到的現(xiàn)有鉆頭在鉆 鑿地層之前、期間和之后的特征可有助于設(shè)計(jì)新鉆頭，在每種情況下， 現(xiàn)有鉆頭的性能(鉆鑿距離，鉆速)和切削元件在地層鉆鑿期間所受 作用力的功和滑動(dòng)磨損率可觀察得到。由此，切削元件可從那些承受 低作用力和滑動(dòng)磨損率的位置移動(dòng)到切削元件受到較高作用力和滑動(dòng) 磨損率的區(qū)域。這樣做之后，新的鉆頭可相對(duì)于現(xiàn)有鉆頭的性能和比 較結(jié)果進(jìn)行測(cè)試。然后可進(jìn)行進(jìn)一步改善。例如，切削元件的位置、 數(shù)量或體積可被優(yōu)化以獲得較佳的持久性并減少磨損。這尤其可包括 將切削元件的體積保持不變，或減少或增加體積，此外，鉆頭本身的 輪廓可變更為調(diào)節(jié)切削元件的新位置。這可能必然伴有增加、減少或
去除現(xiàn)有設(shè)計(jì)的刀片，調(diào)節(jié)輪廓的高度或?qū)︺@頭進(jìn)行其他修改以提高 水力特性、穩(wěn)定性或其他本領(lǐng)域已知的參數(shù)。
此外，各個(gè)切削元件的后傾角和/或側(cè)傾角或刃邊幾何形態(tài)可直接 響應(yīng)于切削元件的變化的位置和體積進(jìn)行改變。更具體而言，后傾角 和/或側(cè)傾角或刃邊幾何形狀例如可進(jìn)行改變從而使得用于增加持久 性和效率的鉆頭的一個(gè)或多個(gè)切削元件以更為鋒利的方式鉆削地層， 例如通過減小負(fù)后傾角從而使得切削元件更趨向于相對(duì)鉆鑿地層垂直 定位。由于先前用這種方法無法對(duì)切削元件的位置和體積進(jìn)行優(yōu)化， 因此不太可能用這種方法增大切削元件的鋒利性。在這種方式中，新 的鉆頭設(shè)計(jì)可能已經(jīng)增加了持久性(鉆鑿距離)和效率(磨損特性)， 而且用先前未實(shí)現(xiàn)的方式提高鋒利性(鉆速)。
前述實(shí)施例和描述僅提供各種實(shí)施例的示例。例如，雖然這里公
開的實(shí)施例設(shè)計(jì)帶有PDC刀具的鉆頭，但這種方法同樣可執(zhí)行于具有 天然金剛石刀具的鉆頭。因此，公開的實(shí)施例不限于本發(fā)明的范圍或 其等同物，該范圍僅由權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1、一種用于設(shè)計(jì)地球鉆孔的鉆頭的方法，該方法包括用包括多個(gè)第一切削元件的第一鉆頭鉆鑿地層；在鉆鑿地層后記錄該第一鉆頭的至少一個(gè)特征；生成第一鉆頭的模型，包括評(píng)價(jià)從鉆鑿地層起該多個(gè)第一切削元件中的至少一個(gè)切削元件經(jīng)受的作用力和滑動(dòng)磨損中的至少一個(gè)；設(shè)計(jì)包括多個(gè)第二切削元件的第二鉆頭，包括將至少一個(gè)附加切削元件定位到接近該第二鉆頭設(shè)計(jì)上的位置，所述第一鉆頭的至少一個(gè)切削元件在所述位置受到磨損。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，鉆鑿地層包括在油田中或在 鉆井設(shè)備中鉆鑿地層或鉆鑿實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)裝置。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，鉆鑿地層包括計(jì)算機(jī)模擬鉆鑿。
4、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，定位至少一個(gè)附加切削元件 包括將切削元件增加到第二鉆頭的設(shè)計(jì)中。
5、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述定位包括將所述至少一 個(gè)切削元件從第二鉆頭設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)于第 一鉆頭中大致未磨損的至少一 個(gè)切削元件對(duì)應(yīng)的位置移除，并將該至少一個(gè)切削元件重新放置到第 二鉆頭設(shè)計(jì)中該第 一鉆頭的所述至少 一個(gè)切削元件受到磨損所在的位 置附近。
6、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，設(shè)計(jì)還包括 將至少一個(gè)切削元件從第二鉆頭設(shè)計(jì)中的位置去除，該位置對(duì)應(yīng) 于該第一鉆頭中基本未受磨損的切削元件位置。
7、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，設(shè)計(jì)包括優(yōu)化第二鉆頭的設(shè) 計(jì)以包括位于一些位置的切削元件，這些位置對(duì)應(yīng)于第一鉆頭中經(jīng)受 最大量磨損作用力或滑動(dòng)磨損的切削元件位置。
8、 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括用第二鉆頭鉆鑿地層以檢驗(yàn)所述第二鉆頭上切削元件放置情況的 所需效果。
9、 如權(quán)利要求8所述的方法，還包括如果第二鉆頭上的切削元件設(shè)置未產(chǎn)生所需效果，則重復(fù)進(jìn)行產(chǎn) 生、評(píng)價(jià)和i殳計(jì)行為。
10、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，設(shè)計(jì)包括 將所述至少一個(gè)切削元件定位以與其他切削元件冗余；以及 使該至少 一個(gè)切削元件和所述其他切削元件中的至少一個(gè)定向或成形以更為鋒利地切削地層。
11、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，設(shè)計(jì)還包括 從第一鉆頭的相應(yīng)特征調(diào)整第二鉆頭設(shè)計(jì)的至少以下特征之一刀刃計(jì)數(shù)；刀具結(jié)構(gòu)；長度；輪廓；水力特性以及操作參數(shù)。
12、 一種用于設(shè)計(jì)地球鉆孔的鉆頭的方法，該方法包括 鉆鑿地層；記錄帶有多個(gè)第一切削元件和多個(gè)第一刀片的第一鉆頭在鉆鑿地 層時(shí)磨損的方式；建立對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有鉆頭磨損的方式的計(jì)算機(jī)模型；并且 設(shè)計(jì)帶有多個(gè)第二切削元件的第二鉆頭，包括 增加位于第二鉆頭設(shè)計(jì)中區(qū)域內(nèi)的所述多個(gè)第二切削元件的體積 和數(shù)量中的至少一種，該區(qū)域?qū)?yīng)于第一鉆頭中比第二區(qū)域受到更大磨損的第一區(qū)域；以及相對(duì)于多個(gè)第一切削元件中的至少一個(gè)的后傾角和側(cè)傾角來改變 所述第二組切削元件中的至少 一個(gè)切削元件的后傾角、側(cè)傾角和刃邊 幾何形態(tài)中的至少一個(gè)。
13、 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，鉆鑿地層包括在油田中或在鉆井設(shè)備中鉆鑿地層或鉆鑿實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)裝置。
14、 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，鉆鑿地層包括計(jì)算機(jī)模擬 鉆鑿。
15、 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述增加包括將至少一個(gè) 切削元件從第二鉆頭設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)于第一鉆頭的第二區(qū)域的區(qū)域移除并 且將所述至少一個(gè)切削元件重新放置到第二鉆頭設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)于第一鉆 頭的第一區(qū)域的區(qū)域內(nèi)。
16、 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括用第二鉆頭鉆鑿地層以 檢驗(yàn)所述第二鉆頭上切削元件放置情況的所需效果。
17、 如權(quán)利要求16所述的方法，還包括如果第二鉆頭上的切削 元件設(shè)置未曾產(chǎn)生所需效果，則重復(fù)進(jìn)行產(chǎn)生、評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)行為。
18、 如權(quán)利要求12所述的方法，其中設(shè)計(jì)包括將至少一個(gè)切削 元件定位以與其他切削元件冗余。
19、 如權(quán)利要求12所述的方法，其中設(shè)計(jì)還包括從第一鉆頭的 相應(yīng)特征調(diào)整第二鉆頭設(shè)計(jì)的至少以下特征之一刀刃計(jì)數(shù)；刀具結(jié) 構(gòu)，長度；輪廓；水力特性以及操作參數(shù)。
20、 一種地球鉆孔鉆頭，包括主體，包括切削元件經(jīng)受磨損的至少 一個(gè)位置和切削元件經(jīng)受很 小磨損或不經(jīng)受磨損的至少一個(gè)位置；以及位于主體上切削元件經(jīng)受磨損的至少 一個(gè)位置的多個(gè)切削元件， 從而使地球鉆孔鉆頭的壽命和地球鉆孔鉆頭的鉆速中的至少一個(gè)最優(yōu) 化。
21、 如權(quán)利要求20所述的地球鉆孔鉆頭，其中，所述多個(gè)切削元 件定位成使得該地球鉆孔鉆頭的壽命和鉆速中的至少一個(gè)在特定地層 或地層類型中最優(yōu)化。
22、 如權(quán)利要求20所述的地球鉆孔鉆頭，其中，沒有切削元件存 在于主體上切削元件經(jīng)受很少磨損或不經(jīng)受磨損的所述至少一個(gè)位 置。
23、 如權(quán)利要求20所述的地球鉆孔鉆頭，其中，在切削元件經(jīng)受 磨損的至少一個(gè)位置中的至少一個(gè)切削元件被定向成能鋒利地鉆削地 層。
24、 如權(quán)利要求20所述的地球鉆孔鉆頭，其中，至少下列特征之一適合于提供所需的鉆鑿特性刀刃計(jì)數(shù)；刀具結(jié)構(gòu)，長度；輪廓； 水力學(xué)特性和操作參數(shù)。
全文摘要
用于評(píng)價(jià)現(xiàn)有鉆頭和鉆頭設(shè)計(jì)的方法，包括測(cè)量鉆頭的幾個(gè)理想特征，包括在鉆鑿某地層過程中產(chǎn)生的磨損，如實(shí)際地層或模擬地層或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)裝置。計(jì)算機(jī)模型可用于評(píng)價(jià)相對(duì)于鉆頭的鉆速和/或持久性而言鉆頭的切削元件的作用力和/或滑動(dòng)磨損率。這一信息可用于設(shè)計(jì)新鉆頭，它可包括切削元件的改變(如移動(dòng)位置、體積(大小和形狀))或從鉆頭接受較小作用力和滑動(dòng)磨損率的區(qū)域到那些承受相對(duì)較大作用力和滑動(dòng)磨損率的區(qū)域切削元件數(shù)量的改變。這可使得切削元件相對(duì)于要鉆鑿的地層而言更為鋒利。其它可進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)包括鉆頭形狀、刀刃計(jì)數(shù)、水力特性等。
文檔編號(hào)E21B10/00GK101351615SQ200680050290
公開日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2006年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月8日
發(fā)明者D·加維亞, J·T·奧爾德姆, M·L·多斯特, M·喬治 申請(qǐng)人:貝克休斯公司