采用副刀具方法的切削結(jié)構(gòu)設(shè)計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于地下鉆探操作的鉆頭。所述鉆頭包括具有一個或多個刀片的鉆頭體。所述鉆頭還包括多個主刀具，每個主刀具設(shè)置在至少一個刀片上；和多個副刀具，每個副刀具設(shè)置在與上面設(shè)置所述主刀具的所述刀片不同的至少一個刀片上。
【專利說明】采用副刀具方法的切削結(jié)構(gòu)設(shè)計
[0001]發(fā)明背景
[0002]本公開總體上涉及鉆探操作，并且更具體地涉及鉆頭切削結(jié)構(gòu)。
[0003]烴類開采鉆探操作通常需要延伸數(shù)百米或數(shù)千米到達地下的鉆孔。鉆探操作自身可能是復雜的、耗時的并且昂貴的。增加到鉆探操作的開銷的一個因數(shù)是用于鉆入地層的鉆頭的使用壽命。通常，當鉆頭磨損時，必須從鉆孔移除整個鉆柱，替換鉆頭，并且隨后重新開始鉆探。相應(yīng)地，鉆頭磨損越快，鉆柱必須被移除的次數(shù)越多，這延遲鉆探進展。
[0004]在使用固定刀具鉆頭的情況下，一種優(yōu)化鉆頭及其刀具的使用壽命的常用方法是通過使用較小的刀具、增加刀具密度或增加刀片以容納額外刀具來增加更多的刀具。然而，刀具的增加通過需要更大的鉆壓(Weight On Bit，“W0B”)和鉆頭扭矩(Torque On Bit,“TOB”)導致巖石破裂而影響鉆探效率。
【附圖說明】
[0005]通過至少部分參考以下描述和附圖來理解本公開的一些具體的示例性實施方案。
[0006]圖1是根據(jù)本公開的各方面的示例性鉆探系統(tǒng)的示意圖。
[0007]圖2是根據(jù)本公開的各方面的示例性固定刀具鉆頭的示意圖。
[0008]圖3A和圖3B是根據(jù)本公開的各方面的鉆頭上的副刀具相對于鉆頭上的主刀具的示例性放置的示意圖。
[0009]圖4A和圖4B是根據(jù)本公開的各方面的示例性接合面積的示意圖。
[0010]圖4C和圖4D是與圖4A和圖4B中的示例性接合面積對應(yīng)的示例性負載繪圖。
[0011]圖5A-5C是根據(jù)本公開的各方面的示例性磨損標識，其中某些鉆頭和/或鉆探特性被繪制成鉆頭上的刀具分布的函數(shù)。
[0012]雖然已參考本公開的示例性實施方案描繪并描述以及定義本公開的實施方案，但是此類參考不暗含對本公開的限制，并且不推斷出此類限制。所公開的主題能夠進行大量修改、變更、以及形式和功能上的等同物，如受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到的。本公開的所描繪和描述的實施方案僅作為實例，而不是對本公開的范圍的詳盡說明。
【具體實施方式】
[0013]本公開總體上涉及鉆探操作，并且更具體地涉及鉆頭切削結(jié)構(gòu)。
[0014]在本文中詳細描述了本公開的說明性實施方案。為了清晰起見，在本說明書中并非描述實際實施方式的全部特征。當然，將明白，在任何這種實際實施方案的研發(fā)中，必須做出許多特定于實施方式的決定，以實現(xiàn)特定的實施目標，這將隨實施方式而有所不同。此夕卜，將明白，雖然研發(fā)工作可能是復雜且耗時的，但是這對于本領(lǐng)域中具有本公開的權(quán)益的普通技術(shù)人員而言是常規(guī)任務(wù)。
[0015]為了促進對本公開的更好理解，給出某些實施方案的某些實例。以下實例絕不應(yīng)被解讀為限制或定義本公開的范圍。本公開的實施方案可適用于任何類型的地層中的水平、垂直、偏離、多邊、交叉、繞流(在中等深度的被卡落物周圍，并回到井下面)或另外非線性的井筒。實施方案可適用于注入井和生產(chǎn)井，包括天然資源生產(chǎn)井，諸如硫化氫、烴類井或地熱井；以及用于跨河隧道的鉆孔構(gòu)造和用于近地表構(gòu)造目的的其它此類隧道鉆孔或用于流體(諸如碳氫化合物)的輸送的鉆孔U型管道。下文關(guān)于一個實施方式描述的實施方案不意圖為限制性的。
[0016]本文中使用的術(shù)語“耦接”意圖指間接或直接連接。因此，如果第一設(shè)備耦接到第二設(shè)備，則連接可能是通過直接連接或經(jīng)由其它設(shè)備和連接的通過間接的機械或電氣連接。
[0017]現(xiàn)在參考附圖，圖1示出根據(jù)本公開的各方面的示例性鉆探系統(tǒng)100。鉆探系統(tǒng)100包括鉆機101，其安裝在表面102處并定位在地層104內(nèi)的鉆孔105上方。在所示出的實施方案中，鉆探組件106可定位在鉆孔105內(nèi)，并可耦接到鉆機101。鉆探組件106可包括鉆柱107和底部鉆具組件(BHA)108。鉆柱107可包括螺紋連接的多個節(jié)段。BHA 108可包括鉆頭110、隨鉆測量(MffD)/隨鉆測井部分109。鉆頭110可為固定刀具鉆頭或?qū)⒂杀绢I(lǐng)域的普通技術(shù)人員鑒于本公開所理解的任何其它鉆頭類型。雖然鉆頭110被示出為耦接到常規(guī)的鉆探組件106，但是其它鉆探組件是可能的，包括電纜或鋼絲繩鉆探組件。當進行鉆探操作且鉆頭110旋轉(zhuǎn)以移除地層104在鉆頭前面的部分時，來自移除過程的摩擦和熱導致鉆頭磨損。在一定的磨損量之后，必須替換鉆頭110，這意味著從鉆孔105移除整個鉆柱107，替換鉆頭110，并且使鉆柱107運行回鉆孔105中。這樣做可能是昂貴且耗時的。相應(yīng)地，在不被更換的情況下，鉆頭可進行有效鉆探的時間越長減少了鉆探井的時間和成本。
[0018]圖2圖示根據(jù)本公開的各方面的用于地下鉆探操作的實例鉆頭200。在所示出的實施方案中，鉆頭200包括固定刀具鉆頭。鉆頭200包括體203、一個或多個刀片202和被放置在刀片202的切削表面上的多個主刀具201。刀片202的數(shù)量和定向可根據(jù)將由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員鑒于本公開理解的設(shè)計參數(shù)進行更改。鉆頭體203可支撐一個或多個刀片202，且可例如完全由鋼制造或由鋼坯周圍的金屬基復合材料制成。多個主刀具201可接觸地層中的巖石，并在鉆頭200旋轉(zhuǎn)時移除巖石。多個主刀具201通?？捎山饎偸瞥?。例如，多個主刀具201可由人造金剛石粉制成，諸如多晶金剛石復合體或熱穩(wěn)定多晶金剛石;天然金剛石或孕鑲金剛石。多個主刀具201可從鉆頭的縱軸徑向向外延伸。
[0019]鉆頭200還可包括多個副刀具209，其被放置在一個或多個刀片202的切削表面上。多個副刀具209可接觸地層中的巖石，并在鉆頭200旋轉(zhuǎn)時移除巖石。多個副刀具209的每一個可設(shè)置在與上面緊隨主刀具201的刀片不同的至少一個刀片202上。在優(yōu)選實施方案中，副刀具209可被放置在兩個位置的一個中:(I)離多個主刀具201的至少一個接近180度，以在切削的臨界深度導致副刀具201被接合時對力進行平衡，或(2)在直接設(shè)置在多個主刀具201的至少一個前面的刀片20 2上，以最小化與來自其它刀具的切削路徑接合的交互作用。如將由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員明白，出于各種原因，包括但不限于欠暴露容差、刀具力的分布和刀具接合，副刀具209未放置在與主刀具201相同的刀片202上。
[0020]在某些實施方案中，多個副刀具209可用于基于以下項來僅移除少量的受限巖石:每個副刀具209的暴露程度和每個副刀具209相對于其緊隨的主刀具201的徑向位置，與副刀具209的圓周位置無關(guān)。在根據(jù)本公開的某些實施方案中，可調(diào)整多個副刀具209的暴露(即，副刀具209被暴露以便接觸巖石的程度)，以便定制多個主刀具201上的負載，防止磨損，并最小化對鉆頭效率的影響。根據(jù)本公開，多個副刀具209的準確暴露在需要時可根據(jù)本文中討論的與各種鉆頭和/或鉆探特性、刀具的接合面積、接合的弧長等有關(guān)的某些視覺觀察和輸出來進行改變，以定制主刀具201上的負載。例如，在某些實施方案中，每個副刀具209可具有不同的暴露。在其它實施方案中，多個副刀具209的暴露可被構(gòu)造，使得副刀具209不同時全部接觸巖石。如將由本領(lǐng)域中具有本公開的權(quán)益的普通技術(shù)人員理解，通過改變和/或調(diào)整多個副刀具209的暴露，可減少多個主刀具201所經(jīng)歷的負載，同時僅可稍微增加多個副刀具209上的負載。此外，可調(diào)整后傾角和副前角，以最小化副刀具209上的負載，且因此最小化對WOB和TOB的影響。
[0021]在某些實施方案中，多個副刀具209可設(shè)置在與多個主刀具201相同的路徑中，這意味著每個副刀具209可被放置在相對于其緊隨的主刀具201的相等徑向位置處。在其它實施方案中，多個副刀具209可能不設(shè)置在與多個主刀具201相同的路徑中。相反，多個副刀具209可從主刀具201徑向向內(nèi)或向外設(shè)置。如將由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解，刀具接合的形狀還可影響刀具的負載。徑向向內(nèi)或向外移動副刀具209可允許副刀具209切削不同形狀的巖石，所述巖石由于多個主刀具201和多個副刀具209生成的底孔圖案而不同程度受限。例如，在一些情況下，巖石與刀具接合的等效面積可能需要不同的負載來使巖石破裂。這可能由于改變破裂巖石所需的負載的接合的幾何結(jié)構(gòu)和受限弧長而導致的。
[0022]在根據(jù)本公開的某些實施方案中，副刀具209可小于主刀具201、大于主刀具或成形元件(諸如劃線刀具)。在比更大刀具可允許的分辨率高的分辨率下，更小刀具元件尺寸可用于定制接合圖案。
[0023]如在圖2中進一步示出，至少一個袋體205可存在于刀片202中的一個上，并且可將主刀具201和副刀具209至少部分地放置在袋體205內(nèi)。如將在下文進行詳細描述，袋體205可包括位于刀片202的外表面上的凹口或凹陷區(qū)域。在所示出的實施方案中，刀片202的每一個可包括沿鉆頭200的切削結(jié)構(gòu)204隔開的多個袋體。鉆頭200的切削結(jié)構(gòu)204可包括在鉆探操作期間從地層移除巖石的鉆頭200的一部分。袋體205可在形成刀片202的制造過程期間形成或可在稍后加工。與刀片202的數(shù)量和定向類似，刀片202上的袋體205和刀具201、209的數(shù)量和定向可根據(jù)將由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員鑒于本公開理解的設(shè)計參數(shù)而被更改。
[0024]圖3A和圖3B是圖示根據(jù)本公開的各方面的多個副刀具(圖2中的參考標號209)相對于多個主刀具(圖2中的參考標號201)的替代放置的實例的圖示。圖3A圖示多個副刀具(圖2中的參考標號209)的放置，其設(shè)置在與多個主刀具(圖2中的參考標號201)相同的路徑中，并且設(shè)置在與上面設(shè)置主刀具(圖2中的參考標號201)的刀片不同的任何刀片上，優(yōu)選地在直接設(shè)置在主刀具(圖2中的參考標號201)前面或180度左右的刀片上。使用參考標號309表不的部分圖不了副刀具(圖2中的參考標號209)的接合面積。使用參考標號301表不的部分圖示了主刀具(圖2中的參考標號201)的接合面積。使用參考標號307表示的接合的弧長。如在圖3A中示出，副刀具(圖2中的參考標號209)的中心線與主刀具(圖2中的參考標號201)的中心線對齊。在該構(gòu)造中，副刀具(圖2中的參考標號209)移除位于中心線處的巖石。如在圖3A中示出，由副刀具309接合的巖石部分具有高的接合面積與受限的接合弧長比率且因此可被移除，其中每個區(qū)域具有相對低的負載。在該構(gòu)造中，副刀具(圖2中的參考標號209)可容易接合以移除副刀具(圖2中的參考標號209)的中心線和主刀具(圖2張的參考標號201)的中心線附近的巖石。
[0025]圖3B圖不多個副刀具(圖2中的參考標號209)的放置，其從主刀具(圖2中的參考標號201)徑向偏移，并設(shè)置在與上面設(shè)置主刀具(圖2中的參考標號201)的刀片不同的任何刀片上，優(yōu)選地直接設(shè)置在主刀具(圖2中的參考標號201)前面或180度左右的刀片上。如圖3A，使用參考標號309表示的部分圖示副刀具(圖2中的參考標號209)的接合面積，以及使用參考標號301表示的部分圖示主刀具(圖2中的參考標號201)的接合面積。使用參考標號307表示的接合的弧長。如在圖3B中示出，副刀具(圖2中的參考標號209)的中心線與主刀具(圖2中的參考標號201)的中心線彼此偏移，并且不對齊。在該構(gòu)造中，由副刀具(圖2中的參考標號209)接合的巖石部分具有低的接合面積與受限的接合弧長比率，且因此該面積可能需相對大的負載以使巖石破裂。在該構(gòu)造中，多個副刀具(圖2中的參考標號209)可接合多個副刀具(圖2中的參考標號209)的中心線附近的更多受限巖石。
[0026]圖4A和圖4B是圖示具有圖3A和圖3B中圖示的副刀具接合309的兩個示例性替代區(qū)域?qū)?yīng)的以平方英寸計算的相同接合面積的示例性接合面積的圖示。在該實例中，副刀具接合面積是.0115平方英寸。雖然副刀具接合面積可相同，但是圖4B中的接合的弧長(大約.360英寸)大于圖4A中示出的接合的弧長(.272英寸)。圖4C和圖4D繪制兩個示例性接合面積的峰值軸向負載和峰值切削負載。如上文所述并如圖4C和圖4D中圖示，與圖4A中的說明性實施方案(大約7501bs軸向負載和7501bs拖曳負載)相比，在圖4B的說明性實施方案中，
需要更高的軸向負載和切削負載(大約I，2501bs軸向負載和I，0001bs拖曳負載)使巖石破
m
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[0027]參考圖2，根據(jù)本公開的方面，鉆頭200的有效壽命部分地取決于鉆頭上的刀具的分布和數(shù)量以及鉆頭上的某個最大磨損區(qū)域中的副刀具的放置，所述最大磨損區(qū)域通常將承受最大的刀具磨損和/或刀具損壞，且因此比鉆頭切削結(jié)構(gòu)的剩余部分磨損更快。根據(jù)本公開的某些方面，鉆頭上的這些“最大磨損”區(qū)域可包括但不限于主刀具201經(jīng)歷最大能量、最大負載、最大扭矩、最大速度、最大接合和/或最大體積的區(qū)域。如將由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員鑒于本公開理解，一旦鉆頭的區(qū)域已被磨損，則必須從鉆孔移除鉆頭，即使鉆頭的剩余部分具有可用的金剛石。在一個示例性實施方案中，如下文將在本公開的上下文內(nèi)進行描述，固定刀具的區(qū)域可被表征為刀具磨損/刀具損壞處于其最大值(g卩，“最大能量”)之前刀具所承受的能量所在的地點處的“最大磨損”。雖然本公開在經(jīng)歷“最大能量”的區(qū)域的上下文中討論“最大磨損”，但是本公開不意圖為限制性的。根據(jù)本公開的各方面的鉆頭設(shè)計方法可通過在策略上將多個副刀具209放置在鉆頭的“最大磨損”區(qū)域來延長鉆頭的壽命，從而延長鉆頭200的使用壽命，并維持或甚至增加鉆探效率。如由本領(lǐng)域中具有權(quán)益的普通技術(shù)人員所理解，多個副刀具209相對于多個主刀具201的放置(如圖3A和圖3B中圖示)以及接合面積和接合的弧長(如在圖4A和圖4B中圖示)可用于在策略上將多個副刀具209放置在某些位置中，以從刀具磨損和刀具負載角度方面提供最大權(quán)益。具體而言，可在策略上將副刀具放置在鉆頭上，以便減少刀具磨損和刀具負載。
[0028]刀具磨損和/或刀具損壞可為各種鉆頭和/或鉆探特性(S卩，參數(shù))的函數(shù)，包括但不限于刀具的速度(即，切削速度)、拖曳負載、軸向負載、徑向負載、總負載、接合的巖石面積、刀具所移除的巖石體積、接合的弧長、扭矩、能量、功率、功、溫度、摩擦力、巖石特性(諸如硬度、磨蝕性、孔隙度、抗壓強度、均勻性等)或這種參數(shù)的任何組合。巖石特性難以預測并測量，但是上述列出的刀具的速度和任何其它測量參數(shù)可用于大致估計刀具磨損和/或刀具損壞。根據(jù)本公開的某些方面，刀具磨損和/或刀具損壞可使用上述列出的參數(shù)中的任何一個來大致估計，包括動能(“KE”)和機械比能(“MSE” )，這可被計算成上述枚舉參數(shù)的函數(shù)。在某些實施方案中，以下KE和MSE方程式可用于大致估計刀具磨損和刀具損壞:
[0029]KE = l/2*I*w2 (I)
[0030]MSE=(t*RPM)/(R0P*A)+W0B/A (2)；
[0031 ]其中I是轉(zhuǎn)動慣量，w是角速度，τ是扭矩，以及A是切削路徑的表面積。ROP是鉆頭的鉆速，RPM是每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，以及WOB是鉆壓。
[0032]在一些實施方案中，模擬或模型可基于參數(shù)來進行，以大致估計刀具磨損和/或刀具損壞，并確定鉆頭的“最大磨損”區(qū)域?？衫眯畔⑻幚硐到y(tǒng)來進行模擬或模型。如將由本領(lǐng)域中具有本公開的權(quán)益的普通技術(shù)人員所理解，任何合適的模擬軟件可由信息處理系統(tǒng)用于該目的，包括但不限于，由Hal liburton Company (Houston，TX)設(shè)計并制造的iBitS?設(shè)計軟件。具體而言，可利用iBitS? Grapher(—種以Matlab編寫的圖形界面)Jatlab可從iBitS?(CAD)讀取數(shù)據(jù)，并可求解可嵌入系統(tǒng)中的方程式以預測上述信息并通過iBitS?Grapher將這些信息呈現(xiàn)給設(shè)計者。
[0033]在某些示例性實施方案中，可使用將參數(shù)中的任何一個或多個圖示為鉆頭上的刀具分布的函數(shù)的磨損標識來確定鉆頭的“最大磨損”區(qū)域。在一個示例性實施方案中，磨損標識可使用固定刀具鉆頭模型來生成，所述固定刀具鉆頭模型通過鉆頭上的主刀具的分布來建立任何特定參數(shù)。
[0034]在根據(jù)本公開的某些實施方案中，可觀察并測量鈍鉆頭(未示出)，并且記錄具體的刀具磨損(即，哪個刀具元件經(jīng)歷磨損)和磨損量。如由本領(lǐng)域中具有本公開的權(quán)益的普通技術(shù)人員將理解，鈍鉆頭是已被運行并經(jīng)歷磨損的鉆頭。根據(jù)本公開的某些實施方案中，在沒有模擬或模型的幫助下，可通過觀察鈍鉆頭來大致估計刀具磨損和/或刀具損壞。在根據(jù)本公開的其它實施方案中，以下參數(shù)可被輸入iBitS?軟件工具中或由iBitS?計算，從而生成若干輸出:包括但不限于刀具速度(即，切削速度)、拖曳負載、軸向負載、徑向負載、總負載、接合的巖石面積、刀具所移除的巖石體積、切削長度、接合的弧長、扭矩、能量、功率、功、溫度、摩擦力、巖石特性(諸如硬度、磨蝕性、孔隙度、抗壓強度、均勻性等)或這種參數(shù)的任何組合。輸出可包括上述列出的參數(shù)中的任何一個或多個，并且可被檢查以識別哪個輸出或計算最好地匹配鈍鉆頭特性。一旦制定關(guān)聯(lián)性，則可將多個副刀具(圖2中的參考標號209)放置在特定位置中，以直接或間接地將輸出減少到刀具磨損在與鈍鉆頭關(guān)聯(lián)時可忽略的水平。例如，可將副刀具(圖2中的參考標號209)放置在特定位置中，以減少接合面積。減少接合面積可進而減少切削速度對刀具磨損的影響。
[0035]如將由本領(lǐng)域中具有本公開的權(quán)益的普通技術(shù)人員所理解，最好地關(guān)聯(lián)到刀具磨損的多個參數(shù)和對應(yīng)輸出提供可用于將副刀具(圖2中的參考標號209)最優(yōu)地放置在鉆頭上的磨損模型。如將由本領(lǐng)域中具有本公開的權(quán)益的技術(shù)人員所理解，鉆頭構(gòu)造的選擇和刀具分布，尤其副刀具(圖2中的參考標號209)的位置可基于過去的模擬結(jié)果、域結(jié)果、計算參數(shù)和/或任何其它合適的標準。如由本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所理解，可使用任何合適的模擬軟件將與刀具分布相關(guān)的參數(shù)輸入到信息處理設(shè)備中。
[0036]圖5A和圖5B圖示示例性的“最大磨損”表示，其中扭矩和徑向負載分別被圖示為鉆頭上的主刀具分布的函數(shù)。圖5A和圖5B繪制了與扭矩和徑向負載分別對于多個主刀具(圖2中的參考標號201)而言為最高所在的點對應(yīng)的預測刀具磨損和/或刀具損壞，并且繪制與扭矩和徑向負載分別對于包括主刀具和副刀具(在圖2中分別為參考標號201和209) 二者的經(jīng)修正的刀具分布而言為最高所在的點對應(yīng)的預測刀具磨損和/或刀具損壞。具體而言，圖5A和圖5B圖示了副刀具(圖2中的參考標號209)可分別用于最小化扭矩和徑向負載分別為最高的特定位置中的扭矩和徑向負載。
[0037]圖5C圖示示例性“最大磨損”表示，其中動能被圖示為鉆頭上的主刀具分布的函數(shù)。圖5C繪制與動能對多個主刀具(圖2中的參考標號201)而言為最高所在的點對應(yīng)的預測刀具磨損和/或刀具損壞，以及與動能對包括主刀具和副刀具(圖2中分別為參考標號201和209) 二者的經(jīng)修正的刀具分布而言為最高所在的點對應(yīng)的預測刀具磨損和/或刀具損壞。具體而言，圖5C圖示副刀具(圖2中的參考標號209)可用于最小化動能為最高的特定位置中的能量。鉆頭的刀具上的動能分布可由刀具的速度、刀具在巖石上的拖曳力和/或刀具所接合的巖石面積和特定的巖石特性來表征。在某些實施方案中，鉆頭的平均ROP和RPM可被輸入采用例如iBitS?軟件工具的信息處理系統(tǒng)中，并用于計算在每個主刀具(圖2中的參考標號201)處承受的動能。
[0038]根據(jù)本公開，磨損標識可針對各種不同的主刀具構(gòu)造而生成，以確定副刀具的放置并因此最大化鉆頭的有用壽命。磨損標識可包括圖形的三維表示，其可在具有處理器和至少一個存儲設(shè)備的信息處理系統(tǒng)內(nèi)生成。存儲設(shè)備可包含指令，所述指令在被執(zhí)行時導致處理器基于某些預選擇的條件而生成磨損標識。指令組可被包括為現(xiàn)有軟件或建模程序的一部分。例如，磨損標識可被生成為設(shè)計軟件的一部分，包括iBitS?設(shè)計軟件和CAD軟件，并考慮所產(chǎn)生的刀具分布的有效性。
[0039]用于本公開的目的，信息處理系統(tǒng)可包括任何工具或工具的集成，其可操作來計算、分類、處理、傳輸、接收、檢索、引起、切換、存儲、顯示、標識、檢測、記錄、復制、處置或利用用于商業(yè)、科學、控制或其它目的任何形式的信息、智能或數(shù)據(jù)。例如，信息處理系統(tǒng)可為個人計算機、網(wǎng)絡(luò)計算機、網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備或任何其它合適的設(shè)備，并且可在大小、形狀、性能、功能和價格方面有所不同。信息處理系統(tǒng)可包括隨機存取存儲器(RAM)、一個或多個處理資源(諸如中央處理單元(CPU)、或硬件或軟件控制邏輯、只讀存儲器(ROM)和/或其它類型的非易失性存儲器。處理資源可包括其它處理器，諸如圖形處理單元(GPU)。信息處理系統(tǒng)的額外部件可包括用于與外部設(shè)備以及各種輸入和輸出(I/O)設(shè)備，諸如鍵盤、鼠標和視頻顯示器通信的一個或多個磁盤驅(qū)動器、一個或多個網(wǎng)絡(luò)端口。信息處理系統(tǒng)還可包括一個或多個總線，其可操作以在各種硬件部件之間傳輸通信。
[0040]如將由本領(lǐng)域中具有本公開的權(quán)益的普通技術(shù)人員所理解，一個或多個信息處理系統(tǒng)可用于實施本文中所公開的方法。具體而言，一個或多個信息處理系統(tǒng)可包括機器可讀指令以執(zhí)行本文中公開的方法。在某些實施方案中，不同的信息處理系統(tǒng)可通過有線或無線系統(tǒng)通信地耦接，以促進在不同子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。此類有線或無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和操作對本領(lǐng)域中具有本公開的權(quán)益的普通技術(shù)人員已知，且因此將不在本文中進行詳細討論。此外，每個信息處理系統(tǒng)可包括存儲介質(zhì)和/或存儲器，并且可為永久或暫時地存儲數(shù)據(jù)的任何計算機可讀介質(zhì)。
[0041]為了本公開的目的，存儲介質(zhì)和/或存儲器可包括適于存儲信息的易失性或非易失性的本地或遠程設(shè)備中的任何一個或組合。例如，存儲介質(zhì)和/或存儲器可包括直接存取存儲設(shè)備(例如，硬盤驅(qū)動器或軟盤驅(qū)動器)、序列存取存儲設(shè)備(例如，磁帶盤驅(qū)動器)、光盤、⑶-ROM、DVD、RAM、ROM、電可擦除可編程只讀存儲器(“EEPROM”)、固態(tài)驅(qū)動器(“SSD”)、閃存、磁盤存儲設(shè)備、光存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備、云存儲設(shè)備或任何其它合適的信息存儲設(shè)備或這些設(shè)備的組合。
[0042]根據(jù)本公開的方面，一種用于鉆頭上的多個副刀具(圖2中的參考標號209)的放置的實例方法可包括在信息處理系統(tǒng)的處理器處接收鉆頭特性。鉆頭特性可包括刀具的速度(即，切削速度)、拖曳負載、軸向負載、徑向負載、總負載、接合的巖石面積、刀具所移除的巖石體積、切削長度、接合的弧長、扭矩、能量、功率、功、溫度、摩擦力、巖石特性(諸如硬度、磨蝕性、孔隙度、抗壓強度、均勻性等)或這些參數(shù)的任何組合，并且可通過信息處理系統(tǒng)的用戶輸入作為設(shè)計程序的一部分。方法可還包括:至少部分基于鉆頭特性生成鉆頭的輸出。輸出可為磨損標識。磨損標識隨后可被顯示。
[0043]根據(jù)本公開的方面，一種用于鉆頭上的多個副刀具(圖2中的參考標號209)的放置的實例系統(tǒng)可包括耦接到處理器的存儲設(shè)備。系統(tǒng)可還包括信息處理系統(tǒng)。存儲設(shè)備可包括指令組，所述指令組被處理器執(zhí)行時導致處理器接收鉆頭特性。鉆頭特性可由系統(tǒng)的用戶輸入或確定。指令組可進一步導致處理器至少部分基于鉆頭特性而生成鉆頭的磨損標識。
[0044]如將由本領(lǐng)域中具有本公開的權(quán)益的普通技術(shù)人員所理解，使用多個副刀具可能對鉆探效率有影響。具體而言，其可影響WOB和TOB。如將由本領(lǐng)域中具有本公開的權(quán)益的技術(shù)人員所理解，切削效率可高度依賴刀具磨損的幅度。例如，如果刀具保持鋒利(意指磨損很少)，則更有效地進行鉆探，這需要較小的WOB和TOB來移除給定的巖石體積。當?shù)毒吣p時，更大的軸向表面積被暴露，這需要更多WOB和更多TOB來克服額外的摩擦。雖然增加副刀具可稍微減少最初的切削效率，但是副刀具可用于保持主刀具鋒利更持久，從而提供總的效率。此外，切削效率可與如何有效地通過刀具傳送WOB以使巖石破裂相關(guān)。例如，最有效的切削可朝WOB的方向發(fā)生?？蓪⒍鄠€副刀具放置在鉆頭上，使得最有效地使用WOB的方向，以便消除移除主刀具最難以移除的巖石的困難，因此允許主刀具增加總效率。
[0045]本公開的實施方案是用于地下鉆探操作的鉆頭。鉆頭包括具有一個或多個刀片的鉆頭。鉆頭還包括多個主刀具，并且每個主刀具設(shè)置在至少一個刀片上。鉆頭還包括多個副刀具，并且每個副刀具設(shè)置在與上面設(shè)置主刀具的刀片不同的至少一個刀片上。
[0046]可選地，多個副刀具的至少一個設(shè)置為離多個主刀具的至少一個接近180度。可選地，多個副刀具的至少一個直接設(shè)置在多個主刀具的至少一個的前面?？蛇x地，多個副刀具的至少一個從多個主刀具的至少一個徑向偏移?？蛇x地，多個副刀具的至少一個設(shè)置在與多個主刀具的至少一個相同的路徑中?？蛇x地，多個副刀具的至少一個從主刀具徑向向內(nèi)或向外設(shè)置。可選地，將多個副刀具放置在鉆頭的經(jīng)歷多個主刀具上的最大磨損量的區(qū)域中?？蛇x地，多個副刀具的每一個具有暴露度，并且每個副刀具的暴露度基于鉆頭的輸出來選擇，其中鉆頭的輸出至少部分基于鉆頭特性。可選地，鉆頭可為固定刀具鉆頭。
[0047]本公開的另一實施方案是一種用于確定鉆頭上的多個副刀具的放置的方法。方法包括在信息處理系統(tǒng)的處理器處接收與多個主刀具相關(guān)的鉆頭特性。方法還包括至少部分基于鉆頭特性而生成鉆頭的輸出。
[0048]可選地，鉆頭為固定刀具鉆頭，并且鉆頭特性選自由下列項選擇的群組:刀具的速度、拖曳負載、軸向負載、徑向負載、總負載、接合的巖石面積、刀具所移除的巖石體積、切削長度、接合的弧長、扭矩、能量、功率、功、溫度、摩擦力、巖石硬度、巖石磨蝕性、巖石孔隙度、巖石抗壓強度、巖石均勻性及其任何組合。可選地，輸出包括磨損標識，其中磨損標識至少部分基于鉆頭特性?？蛇x地，磨損標識包括二維的視覺標識。可選地，方法還包括顯示磨損標識?？蛇x地，方法還包括檢查磨損標識，以確定鉆頭上的多個副刀具的放置?？蛇x地，方法還包括將多個副刀具的每一個放置在與上面設(shè)置多個主刀具的刀片不同的至少一個刀片上。
[0049]本公開的另一實施方案是一種用于確定鉆頭上的多個副刀具的放置的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括處理器和耦接到處理器的存儲設(shè)備。存儲設(shè)備包括指令組，指令組在被處理器執(zhí)行時導致處理器接收鉆頭特性并生成鉆頭的磨損標識。可選地，鉆頭為固定刀具鉆頭，并且鉆頭特性選自由下列項選擇的群組:刀具的速度、拖曳負載、軸向負載、徑向負載、總負載、接合的巖石面積、刀具所移除的巖石體積、切削長度、接合的弧長、扭矩、能量、功率、功、溫度、摩擦力、巖石硬度、巖石磨蝕性、巖石孔隙度、巖石抗壓強度、巖石均勻性及其任何組合?？蛇x地，鉆頭的磨損標識至少部分基于鉆頭特性?？蛇x地，磨損標識是二維視覺標識。
[0050]因此，本公開很好地適于獲得所提及的目的和優(yōu)點，以及其中所固有的那些目的和優(yōu)點。上文公開的特定實施方案僅僅是說明性的，因為對于受益于本發(fā)明教示的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明可以以不同但等效的方式被修改并實踐。此外，除了下文的權(quán)利要求書中所描述的以外，對本文所示的構(gòu)造或設(shè)計的細節(jié)沒有任何限制。因此，顯而易見的是，上文公開的特定說明性實施方案可被更改或修改，并且所有這樣的變化都被認為在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。另外，除非專利權(quán)人另外明確地且清楚地定義，否則權(quán)利要求中的術(shù)語具有其平常普通的含義。權(quán)利要求中使用的不定冠詞“一”或“一個”在本文被定義為意指其引入的一個或多于一個要素。
【主權(quán)項】
1.一種用于地下鉆探操作的鉆頭，其包括: 鉆頭體，其具有一個或多個刀片； 多個主刀具，每個主刀具設(shè)置在至少一個刀片上;和 多個副刀具，每個副刀具設(shè)置在與上面設(shè)置所述主刀具的所述刀片不同的至少一個刀片上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述多個副刀具的至少一個設(shè)置為離所述多個主刀具的至少一個接近180度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述多個副刀具的至少一個直接設(shè)置在所述多個副刀具的至少一個的前面。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述多個副刀具的至少一個從所述多個主刀具的至少一個徑向偏移。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述多個副刀具的至少一個設(shè)置在與所述多個主刀具的至少一個相同的路徑中。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述多個副刀具的至少一個從所述主刀具徑向向內(nèi)或向外設(shè)置。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的鉆頭，其中將多個副刀具放置在鉆頭的在所述多個主刀具上經(jīng)歷最大磨損量的區(qū)域中。8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的鉆頭，其中所述多個副刀具的每一個還包括暴露度，且其中每個副刀具的所述暴露度基于所述鉆頭的輸出來選擇，其中所述鉆頭的所述輸出至少部分基于鉆頭特性。9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的鉆頭，其中所述鉆頭包括固定刀具鉆頭。10.—種用于確定鉆頭上的多個副刀具的放置的方法，其包括: 在信息處理系統(tǒng)的處理器處接收與多個主刀具有關(guān)的鉆頭特性；以及 至少部分基于所述鉆頭特性生成所述鉆頭的輸出。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述鉆頭包括固定刀具鉆頭，并且所述鉆頭特性選自由下列項組成的組:所述刀具的速度、拖曳負載、軸向負載、徑向負載、總負載、接合的巖石面積、刀具所移除的巖石體積、切削長度、接合的弧長、扭矩、能量、功率、功、溫度、摩擦力、巖石硬度、巖石磨蝕性、巖石孔隙度、巖石抗壓強度、巖石均勻性及其組合。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述輸出包括磨損標識，且其中所述磨損標識至少部分基于所述鉆頭特性。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述磨損標識包括二維視覺標識。14.根據(jù)權(quán)利要求12-13中任一項所述的方法，其還包括顯示所述磨損標識。15.根據(jù)權(quán)利要求12-13中任一項所述的方法，其還包括檢查所述磨損標識以確定所述鉆頭上的所述多個副刀具的放置。16.根據(jù)權(quán)利要求10-15中任一項所述的方法，其還包括將所述多個副刀具的每一個放置在與上面設(shè)置所述多個主刀具的所述刀片不同的至少一個刀片上。17.—種用于確定鉆頭上的多個副刀具的放置的系統(tǒng)，其包括: 處理器;和 存儲設(shè)備，其耦接到所述處理器，所述存儲設(shè)備包括指令組，所述指令組在被所述處理器執(zhí)行時導致所述處理器接收鉆頭特性并生成所述鉆頭的磨損標識。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述鉆頭包括固定刀具鉆頭，并且所述鉆頭特性選自由下列項組成的組:所述刀具的速度、拖曳負載、軸向負載、徑向負載、總負載、接合的巖石面積、刀具所移除的巖石體積、切削長度、接合的弧長、扭矩、能量、功率、功、溫度、摩擦力、巖石硬度、巖石磨蝕性、巖石孔隙度、巖石抗壓強度、巖石均勻性及其組合。19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述鉆頭的磨損標識至少部分基于所述鉆頭特性。20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述磨損標識包括二維視覺標識。
【文檔編號】E21B10/46GK105849355SQ201380080390
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2013年12月18日
【發(fā)明人】S·G·安德烈, R·W·阿弗里
【申請人】哈里伯頓能源服務(wù)公司