CN1045147A - 不平衡力补偿钻头 - Google Patents

Abstract

公开了一种不平衡力补偿钻头，可利用非所需的并具破坏性的不平衡力以防止钻头回转。也公开了设计及制造这种钻头的方法，由此钻头体有至少一个切削区，其上有多个伸展的切削部件，并有至少一个支承区，支承区有较为光滑的面，并放置在一个净不衡力(从切削部件)所指向的位置。钻头旋转时，不平衡力将支承区压在钻孔壁上，该支承区沿井壁滑动，从而防止旋转中心偏移和防止产生破坏性回转。

Description

本发明一般涉及在一种地层岩石中钻孔用的钻头，更具体地说涉及用于烃类的勘探与生产的这类钻头。

在烃类的勘探与生产中，用旋转钻头钻凿大地地下岩层的井眼。钻头使用者及制造商发现通过较准确控制钻头压力（WOB）并增高转速（RPM），便可取得高钻进速度。但是随转速的增高，由于钻头上的切削部件发生断裂及甚至偶尔从钻头上剧烈破损，使钻头的有效寿命严重缩短。

已有许多研究工作探讨切削部件的这种损坏的原因。本发明人等过去发现，一个相当部分的破坏力产生于径向不平衡力，该力使钻头围绕一个偏离钻头体几何圆心的中心旋转，以这样的方式使钻头倾向于围绕井眼中心向后回转。当钻头围绕井眼中心向后回转时，这种回转使旋转中心动态地变化。于是切削刃加速向侧边并向后的运动，并承受增大的冲击载荷，从而损坏该切削刃。

进一步讲，在每一个钻头上都有某种程度的切向不平衡钻进力，这些力倾向于将钻头推向钻孔侧边上。假如钻头有正常的切削刃结构，保径齿排则设计成用以切削钻孔边缘。在切削过程中，在保径区附近的各切削刃之间的有效摩擦增大，于是瞬时旋转中心变为不同于钻头几何圆心的某一点。发生这种情况时，一般的结果是钻头开始围绕设计的钻孔中心回转。由于钻头迅速加速所产生的离心力，不论钻头的定向如何，使钻头保径区与钻头孔壁之间一定产生相当大的摩擦，故回转过程便本身自已再生。

已有人提出各种方法及设备，以便消除或减少这种不平衡力，包括利用动态平衡的下部钻杆柱组合件并将切削刃重新校正以减少不平衡力。

本发明的目的是克服上述的缺点，以达到上述的要求。通过本发明，可检测并测定钻头上存在的不平衡力。对钻头作出的改进其目的不不在于必须减少不平衡力，而不在于利用这些力。具体而言，现有的钻头或待完工中的钻头，都是用空间坐标系测量不平衡力。该些不平衡力分解以在钻头体上产生一个单一力的作用方向上的一个点或一个区域，该点或区域将永远被移动向钻孔壁。在这区域中不设置切削刃从而限定着一个相对平滑的支承区。当旋转如此改进的钻头时，不平衡力将支承区推靠到钻孔壁上，但由于支承区中没有切削刃切入钻孔壁以产生回转力，也就是说支承区永远沿钻孔壁滑动，故不产生回转现象。

图1为实施本发明的钻头的透视图。

图2A，2B及2C示出其上带有耐磨表面的各种实施例的钻头支承区的一部分的透视图。

图3A及3B为钻头的仰视图，及在时间t（图3A）与时间t+△（图3B）时的合力。

图4为坐标测量机及钻头透视图。

图5为未磨损PDC（多晶金钢石组合物，下同）钻头切削表面的一个视图。

图6为与图5相似的视图，示出一个磨损的PDC钻头切削表面。

图7为带有选定切削面尚未安装的钻头的俯视图。

图8为实施本发明方法的一个较佳模式的流程图。

图9为刃角的PDC钻头切削面示意图。

图10为PDC铅头切削面的示意图，示出后刃面角。

图11所示为一个钻头的为钻头切削刃表面投影坐标图。

图12所示为切入岩层的切削刃的侧视图。

图13所示为PDC钻头沿在图12平面上垂直于13-13线的方向的视图。

图14所示为切入岩层的钻头切削面示意图。

图15所示为钻头的仰视图，该图示出行将除去的切削刃以限定支承区。

图16所示为无支承区钻头钻入石灰岩层的转矩及振动输出相对于时间的曲线图。

图17为16中钻头钻入白云岩层的转矩及振动输出相对于时间的曲线图。

图18为在增大钻头压力下图16中的钻头钻进石灰岩层的转矩转及振动输出相对于时间的曲线图。

图19所示为使用图16但除去某些切削刃以限定支承区的钻头的预测井底图样与实际测量图样比较的侧视图。

图20所示为图16中钻头在高转速下钻进石灰岩层的转矩及振动输出相对于时间的曲线图。

图21所示为在与图20相同条件下图16中的钻头但除去某些切削刃以限定支承区钻进时，该钻头转矩及振动输出相对于时间的曲线图。

图22，23及24为本发明钻头与未改进钻头试验结果比较的曲线图，以证实钻进速度有所提高。

本发明涉及不平衡力补偿钻头及用原始材料制作或用现有钻头改制该类钻头的方法。该钻头有一个可与驱动源相互连接的钻头体。该钻头体在其一个侧边部分上至少有一个限定的支承区并至少有一个限定的切削区。有多个切削部件从至少一个切削区上伸出，布置在围绕一个与钻头体几何圆心相隔开的预定旋转中心。该切削部件使该至少一个支承区被推向钻孔壁。由于该至少一个支承区较为平滑，故可沿钻孔壁上滑动，而不切入地底岩层而不致造成破坏性的回转。

本发明的钻头的设计与其后的制作方法可简述如下。产生代表在钻头体上的与在安装在其上的切削刃上的选定的表面点的空间坐标的一个阵列，该阵列是用以计算每一切削刃相对于钻头体纵轴线的位置，并确定钻头纵轴线所处的垂直参考平面。将确定每一切削刃表面的坐标绕钻头体纵轴线旋转，并在参考平面上投影，从而限定一个投影的切削刃外形。在制作该钻头时，将预定数目的或全部切削刃安装在钻头体上。按上述产生该钻头体的一个几何模型。然后计算将在钻头体（在限定的钻进参数下的）上发生的不平衡力。用这不平衡力与模型计算额外的一个或多个切削刃的位置，当将这个或这些切削刃安装在钻头上的那个或那些计算位置上时，将导致不平衡力被指向该钻头上的该至少一个限定的支承区。于是将切削刃安装在这样计算出的位置上。并且，由于在开始设计时，该钻头已设计成有不平衡力，于是在钻头上安装切削刃时，便可有所需要的不平衡力。在改制现有的钻头的情况下，则从这样计算出的位置上除去切削刃以限定至少一个支承区，而该支承区则具有指向其本身的不平衡力。

下面的讨论分为三个部分，即钻头本身，制造钻头的方法与钻岩试验结果。

如图1所示，钻头10包括一个一般为圆柱形主体12并可为Stratapac，PDC，全钢石钻头基体，锥形滚柱，或其他类似的钻头设计与构形。在图1所示的实施例中，钻头体12包括一个螺纹销杆14用以与旋转驱动源相互连接，该驱动源如众所周知可为诸如井底发动机或旋转钻杆柱等，在一个实施例中，多个切削刀刃件16从钻头体12上伸出，并包括以任何常规方法安装在该钻头体上面的多个切削刃18。切削刀刃件16与切削刃18限定钻头体12上至少一个切削区。在钻头体12上提供以至少一个比较平滑的硬化衬垫区20，并可从钻头体上伸出，净不平衡力则指向这个区。如图2A，2B及2C所示，衬垫区20包括一个耐磨覆盖层22、多个金钢石钮销镶件24或薄金钢石粉垫片26。此外，衬垫区20以有足够的表面面积为较好，使得当该衬垫区20压在钻孔壁上时，所施加的每平方英寸的力比地底岩的抗压强度小很多。这种可取的要求是为避免衬垫区20切入钻孔壁并将钻孔壁破坏，而这种切入并破坏钻孔壁的现象可造成不利的回转动作。

限定支承区的衬垫区20可以是围绕侧向力的中线等距布置的两个或以上的衬垫。这种实施例之一可包含两个从钻头体12的两侧边稍微突出的比较平滑的部分，该两部分则被侧向力的中线等距分隔。限定支承区的衬垫区20可包含与切削区中的切削刃在尺寸、构形、切削深度和/或刃角上不同的切削刃。这些不同的切削刃可产生比切削区中的切削刃小的切削力，从而不同切削刃仍可考虑成比切削区而言较为平滑的区域。另一种可供选择的实施例可包括一个或多个圆柱形辊或罩盖滚球轴承，其一个滚动表面从钻头体12上伸出，使支承区更易滚过钻孔壁。

支承区可按需要在钻头体上伸展一个长的或小的区域，以切削区中有足够的切削刃与切削刃装置以便有效切削岩石为其限制条件。此外，有需要时，支承区可在横过钻头体侧边部分上伸展，并可向下伸展至钻头体的圆角表面部分上。

钻头体12可包括一个一般称为“导向部分”的小直径切削区从一个大直径切削同心向外伸出。在小直径切削区或大直径切削区或两者上可设置一个或多个支承区或衬垫20。以衬垫区20邻近小直径切削区较好，因为衬垫区20将会尽可能靠近钻头体12的中心，这样便可减少倾向于使钻头在切削区上滚动因而导致发生回转的扭矩。

运转时，衬垫区20按下列方式防止回转的发生。如图3A所示，一个钻头体12在一个钻孔28中旋转。多个切削刃18间隔围地绕钻头体12造成指向一个已除去切削刃的和/或用比较平滑支承区代替的区域的不平衡力。如3B所示在在时间t+△时，钻头体12已转到的一个新位置。由于有衬垫区20，大大减少钻头体12切入钻孔壁28中而造成回转的次数或甚至使钻头体12无法切入钻孔壁28中以致避免造成回转，这是因为衬垫区20在钻孔壁上滑动而没有造成足以影响钻头旋转中心的力所致。注意，合力箭到头出发于同一点，即旋转中心，而不是钻头的几何中心。因此，钻头的旋转中心在钻孔圆心与支承区之间。

利用衬垫区20的优点在于对钻头磨损、岩层非均质性及运转条件等相对地说不敏感。切削刃所产生的不平衡力随磨损，岩层及运转条件等的变化而变化;但是不平衡力的方向没有明显的变化。因此，这种安排形式在大多数钻头构形上可用以防止发生钻头回转。

钻头可设计成使之在衬垫区20的侧邻有较大的质量，从而使离心力推向衬垫区20上，甚至在钻头绕其轴线旋转时，也是如此。另一优点为，在钻头钻出超过规定尺寸的孔（孔的直径大于钻头本身外径）时，该旋转的不平衡质量所产生的离心力将起稳定力的作用。诸如岩层的不均匀性质那样的任意扰动可能倾向于抵销将衬垫20推向钻孔壁的不平衡力，那种扰动将受到一般钻孔作业中产生的离心力的抑制。

本发明的方法，利用钻头上切削面的几何模型来计算作用在每一切削面上的力。本发明的一个方面中，用一个模型制造一个钻头。这样做时，在钻头上安装大部分切削刃，生成钻头的几何模型，并在给定钻孔条件下，计算出作用在每一切削刃上的力。然后，以计算出的位置使作用在切削刃上的力的径向分量减至最小的情况下，计算出待安装的其余切削刃的准确位置。于是将其余的切削刃安装在该计算出的位置上。

参看图4，用总标号64表示示于钻头40附近的市售坐标测量机。坐标测量机包括一个指示器66，该指示器66固定安装在滑臂68上。指示器60下端形成一个尖头，指示器本身则相对固定于臂68上。

臂68安装在一个可横向滑动的支架70上。支架70包括平行杆71、73，支架70可沿该平行杆的轴线移动。一个仪表72指示支架70相对于竖立基板74的横向位置。

支架70还可沿平行杆76、78垂直移动，以仪表80指示支架的高度。

平行杆82、84安装在下固定基部86上。杆82、84支持竖立基板74，供该竖立基板沿杆82、84的轴线的滑动。一个仪表（未示）指示基板74在杆82、84上的相对位置。杆82、84在空间中的方向垂直于杆76、78及杆71、73的方向。同样杆76、78及杆71、73中的每一条杆都与其他两组杆中的每一条杆相互垂直。

仪表上的读数表示杆的相对位置用以确定由指示器66的尖头所占据的空间中一个点的位置。于是指示器尖头的位置可用轴X、Y和Z轴构成的三维坐标系统表示，以每个仪表表示该指示器66的尖头沿一条轴线的相对位置。数字仪表88提供指示器66尖头的X、Y和Z坐标的读数，并在操作员指令后，将该坐标提供给一般市售的计算机（未示）的储存器中。

钻头40安装在转台90上，其角位置用手柄92控制。一个图中未示出出的量角尺现示出转台的角位置，于是也现示出放置在转台上的钻头40的角位置，而该钻头的轴线与转台的轴线重合。

在实施本发明方法的本方式中，将指示器66放置在钻头表面的多个点上，将每一特定点的坐标存储在计算机中。利用这些数据可构成钻头的计算机模型。在进行测量时，先取得围绕钻头侧边的第一组测量数据，使得计算机有可用以确定钻头的纵向轴线的数据。再取得每一切削刃表面的周界的第二组测量数据。进行测量时，记录转台90的角位置，将其与测量机64产生的关于在转台那特定角度上取得的全部测量的三个数值相配合。这样便能使待取得的全部测量基本上垂直于每一测量点，从而提高测量过程的精度。

将钻头旋转360℃后，测量围绕钻头圆周的多个点并记录之，并测量各切削刃上的每一切削面。

参看图5及6以说明这些测量的进行方法。每一切削刃面包括一个垂直轴线94，该轴线94基本上平行于切削刃面，并从其最高部延伸到最低部。又包括一水平轴线96，该轴线从切削刃面的最左部延伸到最右部，并平行于该切削刃面。用坐标测量机进行测量时，首先将图4中的指示器66的尖头放置在轴线94与切削刃面62周界的交点上，这样确定了第一测量点98。第二测量点100位于轴线94与切削刃面62下缘的交点上。第三测量点102的位置在轴线96与切削刃面62外周界的左侧交点上，而第四测量点104则位于轴线96与切削刃面62周界的右侧交点上。

在图5及6中切削刃面62中尖部分所示的数字与箭头，表示在钻头的每一切削面上所取得的前四个测量的顺序，即：先沿切削面的垂直轴线，然后沿切削面的水平轴线。当首先将指示器66的尖头放置在点98上时，向计算机提供转台的坐标和角位置，至于其他四个测量点的每一个测量点也以同样的方法进行。

图6所示为钻头用以钻孔后的切削面62的视图，因此，在其一侧上包括一个因钻孔时切削刃被推靠向岩层结构而产生的磨平面105。切削面外周上发生这种不规则性时，如图6所示为完全限定切削面的外周界，需分别取得第五及第六测量点106及108。

当将每一测量数据输入计算机后，都和一个表示进行测量的次序的数字相配合。在图5中，在点98、100、102及104上的测量分别编号为1、2、3及4，在图6中，在测量点106及108上的测量分别额外地编号为5及6。每一切削面在转台的一个单一的角位置上测量，也加以记录。除上述外，还记录在相邻测量间表示切削面边缘的一般形状的测量值。假如一般为直线形则记录为0，如形状大致为圆弧则记录为1。因此供给计算机储存器一个数字以说明图5中相邻测量点间的一般形状。

在图6中，在第一与第四测量之间，第四与第二测量之间，第二与第三测量间，第三与第五测量之间，以及第六与第一测量之间被记录的数值均为1，而在第五及第六测量被之间记录的数值则为零以表示由磨损部分105所形成基本上为直线的边缘。于是，每一个被记录的测量点限定相对于钻头纵轴线而言具有固定角定向的切削面周界。此外，还将相邻点之间的连接性存储在计算机的储存器内。连接性只是表示相邻测量之间的切削面周界形状。从下文将会完全了解，相邻测量之间的连接性值是用来内插额外坐标，当连接性值为1时用圆内插法，为零时用线性内插法。

现参看图7，该图示出钻头40在制造过程中的中间过程。如可见到的那样，除切削刃8外，各切削刃全安装在钻头体41上。在钻头体41上制成一个孔114用以容纳切削刃8的钮销。每一其他切削刃的钮销压配合在钻头体的相关孔中。在钻头体上安装切削刃8前，围绕钻头体圆周的钻头体的尺寸与安装在钻头体上的每一切削刃的切削尺寸如上所述都经记录并输入计算机储存器内。于是，计算机中存有关于钻头体圆周（可藉以测定钻头的轴线42）与每一切削刃面（当然，尚未安装的切削刃8除外）在空间中相对于钻头轴线的位置的数据。

现参看图8，其中包括有关钻头制造的一个计算机程序流程图。虽然整个流程图有关钻头制造，但计算机程序的相当大的部分仅与生成钻头模型相关。从下文将可更完全了解，有关产生成钻头模型相关的程序的部分，从方框110的“定位钻头中心”开始，以方框112的“写：二维阵列中的测量坐标与内插坐标”结束。

为启动程序，提供以有关待用该钻头钻入的岩石强度、钻头转速及钻进速度即钻孔的速度等的数据。此外还从计算机储存器读出钻头体坐标（那些围绕钻头体圆周记录的坐标数据）。

然后，用最小二乘方回归法藉钻头体坐标求出轴线42的位置。完成此任务的子程序可由对本领域的普通技术人员写出。

从上文可知，在钻头体上测量的每一个点的三维坐标的每个坐标是以坐标测量机作为对照，而不是以钻头体的纵轴线作为对照。在用以进行测量的坐标系中确定了钻头体纵轴线的位置后，可将坐标系变换，以将垂直轴或Z轴设定成与钻头的中心重合。其次，从计算机储存器读出产生那数据的一个特定切削刃数目和旋转转角的数据文件。其后，读出例如标志在该次序中进行测量的次序的一系列顺序数值之一的测量数值连同与那特定测量数值相关的坐标。然后读出相邻测量之间的连接性，从上文可知，该连接特性确定相邻测量之间的一般形状，即为直线或大致为圆弧。

其后，计算每一切削刃面的测刃角。侧刃角相对于轴线44，46所处的垂直参考平面确定。该平面通过钻头体的中心并将其分为两等分。在实际的钻头旋转过程中，将确定特定切削刃水平切削面轴线如为图5中的测量点102、104的各坐标围绕钻头中心的圆周沿该坐标可能运动的路径旋转。当切削刃面的中心点与垂直参考平面相交时，水平轴线即轴线96与垂直参考平面的交角，限定侧刃角。可以看到，定位于每一切削刃面的中心点的各坐标可容易地计算出来，因为该坐标由轴线94、96的交点确定，而该两轴线的位置为已知。

按相似方式，在将确定水平及垂直轴线的坐标旋转直到其交点与参考平面相交后，后刃角被限定成参考平面116与垂直轴线94的交角。也就是：为计算侧刃角与后刃角，须先将确定切削刃面的各坐标旋转，直至轴线94、96的交点容纳在垂直参考平面内。然后，测量水平轴线96与参考平面的交角（即侧刃角）和垂直轴94与参考平面的交角（即后刃角）。应当理解到，如上所述能将各坐标旋转并测量各刃角的子程序，可由本领域的普通技术人员轻易地写出。

作为实例，图9为钻头体的俯视图，示出包含轴线42，46的垂直参考平面116。代表钻头40上的切削刃面之一的切削刃面62已被旋转，直至其中点与平面116相交，如图所示。可以看到，因表面62与钻头体纵轴线42平行，故后刃角为零度。因此，图9所示之角为侧刃角。

图10为从钻头侧面的切削刃面的视图。切削刃面62已被旋转，直至其中点与平面116相交。图10中之刃面62的侧刃角为零度，因为该表面与轴线42平行，故所示角为后刃角。

应当理解到，在多数情况下，切削刃面包括稍小的后刃角与侧刃角。图9与10之视图，其目的是为说明测量后刃角与侧刃角的方法。

再参看图8之流程图，计算特定切削刃面的侧刃角与后刃角后，该程序在切削刃面的圆周上选择一个测量点，并检查该点与顺时针方向上的下一个测量点之间的连接性。如连接性为零，则在相邻坐标间进行直线性内插法以便沿相邻测量点之间的一直线确定一系列坐标。程序继续依顺时针方向向下一测量点进行，检查相邻点之间的连接性;如为1，则在相邻点之间进行圆弧内插法以产生一系列坐标。程序继续依顺时针方向的方式绕切削刃面进行，直至确定切削刃面周界的相邻测量点间通过内插法产生多个坐标。继续进行回线118，直至如上限定的切削刃面周界的全部测量点之间的各坐标都已被内插过。紧接着程序将测得的和内插的坐标投影到参考平面116上。于是在投影的切削刃面外形中的每一坐标可用两个号码标志，再将确定切削刃面周界的测得坐标与内插坐标存储在二维阵列中。作为实例，请注意图11，该图为图7中钻头40的每一切削刃面在参考平面116上的投影坐标图。以垂直轴线对应于钻头体轴线42，切削刃面外形周界中的每一坐标可用沿径向轴线上的距离与径向轴线上的距离标志。例如，在水平轴上，钻头体的中心为零，由于本例中的钻头40为8.5英寸钻头，故在钻头体的圆周到零点的距离为4.25英寸。

用“全部切削刃”作标题的图11中的外形包括一个上部外形说明每一切削刃面如何呈现投影在参考平面上。为了更清楚地识别在三个螺旋形之一螺旋形中的各切削刃面，在全部切削刃投影之下，示出每一螺旋在参考平面上的一个投影。在第一号螺旋形中可见到，没有切削刃8的投影，因为尚未将该切削刃8安装上去。

再注意图8之流程图，如上所述，将切削刃1-7和9-36的每一切削刃面表达在二维阵列中后，程序进入到方框119，并着手进行对作用在每一切削刃上的力的计算步骤。现考虑图12及13，一般讲，可将作用在钻头上一个个别切削刃上的力确定为法向力或钻进力，图12及13中将之标为Fn，而切削力在图12中则表示为Fc。法向力是使切削刃钻入岩石所要求的力，用以下公式求出：

·F_n＝ (Cos（α-EBR）)/(1-Sin（α-EBR）) ·d_w

·B_f·RS.d_ce·C₁+A_w·RS·C₂

在上列公式中，α为在图7中所示的切削刃与X轴线的夹角，该X轴线起任意参考轴线的作用，该参考轴线与轴线46平行，并与轴线46一样，同处于平面116中。EBR为有效后刃角的英文简写，是实际后刃角与实际侧刃角的函数，两者前面已讨论过，是Fn作用所处的角度。

参看图14，该图示意地说明切削面62切入岩层的情况。虽然未示于图14中，钻头体上的大多数其他切削面都以不同程序切入岩层120内。可将有效后刃角（EBR）设想为切削刃切削面62与切削平面122之间的夹角。切削平面122平行于切削面上的点124及126之间形成的轴线并垂直于F_n。点124及126都是岩层表面120与切削面62相交的点。也就是说，面62上的阴影部分限定切削面62在岩石层120中造成的切入部分的剖面。

还可使平面122定向在使与该平面122垂直的轴线128通过被钻进的钻孔的纵轴线。当然，在钻孔时，如钻头无晃动，则钻孔纵轴线与钻头轴线重合。

综上所述如图14所示的有效后刃角为切削面62与切削平面122之间的夹角。当实际侧刃角与后刃角已知时及当切削平面122的位置已知时，便可计算有效后刃角，由上文可知该实际侧刃角与后刃角则可用程序计算出来。切削平面122的位置决定于切削深度，切削深度又决定于钻进速度与钻头转速。从上文可知，可将这些数值作为表示钻孔条件的预选参数输入程序中，而该钻头则将在该钻孔条件下使用。

B_f是钻头系数，是在约0.75至约1.22间范围内变化的变数，在实施本发明的本方式中该钻头系数被选定作为说明对给定的一钻头的计算机模式模拟的钻头磨损与实际情况下实际的钻头磨损之间存在细微差异。钻头系数B_f说明一特定钻头的未曾解释过的作用。这系数的值大于1.0时，表示钻进速度低于预期的速度，而小于1.0则表示钻进速度大于预期的速度。对于本技术领域的普通技术人员来说，可凭经验测定选定钻头的B_f值。

切削刃切口宽度以d_w表示。在实施本发明的本方式中，计算机模型产生横越每一切削刃面上的相互的平行的垂直线的栅格，而d_w等于相邻线间的宽度。然后，对每一栅格计算该公式以产生切削刃的总力。

有效切削深度标为d_ce，其C₁为无量纲常数，在实施本发明本的本方式中等于1，100。测定C₁的方法将在下文中叙述，d_ce可略偏离实际切削深度。选定d_ce值的方法对本领域的普通技术人员而言是已知的。

现考虑求F值公式的第二项，A_w为磨平区域，RS也是与岩层强度有关的常数，C₂为等于2，150的常数。

求F_n公式中的第一分量等于对一个选定的切削深度与宽度来说所需要的为防止切削刃面滑出切口的向下的力的大小。F_n公式中的第二分量包括在其上面形成有磨平区A_w的钝切削刃的一个因数。这法向力部分是所要求的压迫在钝切削刃下岩石的力以使该钝切削刃钻入岩石中。C₁及C₂可通过实验测定，首先用一新钻头，于是便设定A_w为零，从而使整个第二项为零。可施加已知的法向力，当每一其他因数已知时，便可计算C₁。然后，将C₁值代入公式，在实施本发明本的本方式中C₁为1，100，使用钻头直至出现磨平区。然后，测量磨平区，代入公式，求出C₂的值，在实施本发明的本方式中该值等于2，150。

在图12中F_c为切向切削刃力，该力是在法向力使钻头钻入岩层后使切削刃沿切口前进所要求的力。图7中也示出表示F_c的方向的箭头。切向切削刃力决定于切削刃与岩石间的滑动摩擦，还决定于破碎岩石所要求的力。下列公式可用于计算切向切削刃力：

F_c＝ (Sin（α-BR）)/(1-Sin（α-BR）) ·C₃·RS·d_w+C₄·F_N

切向切削刃力公式的第一项为切削力，即破碎岩石所要求的力，第二项为承受在切削刃磨平面上的非生产性摩擦力。公式中的变数与以上所述相同，此外，d_w为平均切削深度。在实施本发明的本方式中，无量纲常数C₃及C₄分别等于3，000及0.3。

通过在钻头上施加两已知切向力下进行钻凿便可决定C₃和C₄的经验值，其作法为在各值切向力下将全部已知变数代切向力公式中，解该方程式，以求C₃及C₄。

在本实例中，即图7中所示的钻头40，计算如图12示出的每一切削刃的切向力及法向力的数值。如上文已注意到的那样，切口深度为钻进速度与钻头转速的函数，此两数值都作为预选数值提供给计算机。由于钻头切削刃可在与垂直方向倾斜成β角的表面上进行切削，如图14所示，故法向力可分解成垂直与径向分力，而切向力可分解为径向分力与围绕钻头中心的力矩。法向力的径向分力在图14中标为F_r，等于F_n·Sin（β）。

作用于在垂直于钻头旋转轴线的平面中的钻头上的法向力与切线力的分力，可分解成作用于在垂直平面中的钻头中心的一个单一的力和一个单一的力耦。该力耦是使钻头旋转新需的转矩而这力则为不平衡力，也就是说倾向于将钻头推靠向孔壁的力。

计算不平衡力的大小和方向时，将切削刃力分解成参照图7中的X和Y方向的分力是有益的。如上所述，这些轴线为任意选取的轴线，但相对于钻头上的某一特定识别特点是固定的。在这些方向上垂直钻进力F没有分力。法向力（F）的径向钻进力（F），可用下列公式分解为X及Y方向上的分力：

F_x-r＝F_r÷cos（α）

F_y-r＝F_r÷sin（α）

由于每一切削刃而言，切向力作用于垂直径向力，故可用下列公式分解为X及Y方向上的分力：

F_x-c＝F_c÷cos（α-90°）

F_y-c＝F_c÷sin（α-90°）

应当理解到，在每一切削刃上，F没有径向分力，但是，当将每一切削刃的F值分解为图7中X及Y轴方向上的分力并对那些矢量求和时，便可有切向力的总径向分力。于是可按下式对各独立切削刃的分力求和，便可求得不平衡力的总的X和Y分力：

F_xt＝F_x-r+F_x-c

F_yt＝F_x-r+F_y-c

求和之后，便可用下式表示径向不平衡力的大小：

$F_i=\sqrt{F^2{}_{\mathrm{x\; t}}\mathrm{+F}{}^2{}_{\mathrm{yt}}}$

再参照图8中的流程图，可以看到，在方框130所标示的步骤是通过将垂直于钻头轴线的平面中的切削力按上所述分解成一个单一的不平衡力。按相同的方法，可计算倾向于将钻头倾侧在一个平行于中心轴线的平面中的力矩。

流程图的最后步骤称之为“计算切削刃位置”。在本实例中，有待安装在钻头上的仅有一个切削刃8。可用一种迭代法计算将不平衡力指向支承区的切削刃8的位置。首先，可以看到，可将切削刃径向放置在围绕切削刃钮销的纵轴线处的孔114中，此外，可将该钮销的装配在从完全埋入即将钮销放入孔中抵靠孔114的下端处的位置到高出该下端的某个位置处的不同深度上变化。开始时，在预选范围内，将该切削面的任意一个后刃角、侧刃角与垂直位置设定到切削刃8上，并以切削刃8在设定的位置上的情况下，将制作钻头模型与计算切削的力的程序再运行。然后在倾向于增大不平衡力并正确指定不平衡力的方向上改变切削刃8的刃面的位置，不断重复该程序的再运行。该程序最后产生一组识别切削刃8切削面的一个位置的坐标。然后，小心安装切削刃以将其切削面放置在计算出的位置上。

下列表1列出配置切削刃后产生的输出。计算值包括切削量（每一次周转中移除的量）和每一切削刃的速度。该表之下方示出给定的转速与钻进速度。磨平区是在钻凿5小时后按已知方法计算出的。不平衡百分数是用钻头压力百分率表示的不平衡力，钻头压力是各切削刃的F_yt的总和。

注：各方程式中均改用矢量计表式计算。

奥斯曼方程式    阿莫科方程式

式中 _s＝在衬垫区上的合力矢量

_i＝在刀刃件i上的切削力矢量

_n＝在刀刃件i的推力矢量

β＝切削面倾斜角

n＝刀刃件数

利用在附图中所示的实例钻头外形，应用奥斯曼等人的力计算公式与本申请人等公开的计算公式设计两种钻头。如在附属的计算机输出所示，奥斯曼等人仅利用两个分力，而本申请人等则利用四个分力，从而使制成的钻头的支承区相距约180°。

应当理解到，本发明的方法不限于仅将切削刃在一个预钻的孔眼中定位。在预定数目的切削刃被安装后，该程序可用来选择在钻头体上一个或多个切削刃孔眼位置，而该程序可运行以确定不平衡力。一种与上文所述相似的迭代法可用以将两个或多个其余切削刃定位，无论是否在如本实例预钻的孔眼内，或该程序可用以决定待钻凿的孔眼的位置。

此外，该程序不一定局限于定位那种具有接纳在钻头体上的孔眼且从中延伸的钮销类型的切削刃。同一程序可用以定位采用铜焊或其他已知技术直接固定在钻头体上的切削刃。

可以看到，该程序容许钻头的制造以其初始切削刃组的安装带有较大的关于切削刃面的位置的总制造公差。然后，在决定正确支配不平衡力的平衡切削刃的位置时，应非常小心地处理安装最后的切削刃的位置，以取得所需要的结果。因此，本发明的方法可在有相当大的总公差的情况下，能够实现大多数的切削刃的安装，从而可在制造过程中节省时间和降低成本。此外，该程序还可产生安装最后的切削刃的位置，该位置如终如一地正确支配这样制造的钻头中的不平衡力始。因此，这样制造的钻头的正常品质大为超过用先有技术方法制造的钻头的正常品质。

此外，本发明可便利地用以改进现有的钻头，使之在适当位置上能包括限定的支承区。这种改进可通过如上所述的测定不平衡力的方向实现，然后消除不平衡力所指向的区域中的切削刃。被除去的切削刃可用组装衬垫、多个钮销或衬垫取代。为保证不平衡力的大小合格并指向正确位置，便需要进行多次迭代步骤。这种迭代步骤可包括切削刃的更替、移除及重行安排，以取得所需要的结果。

选用一种市售的PDC钻头，因其设计非常不平衡，钻孔能力极差。为肯定这种低性能无代表性，用了同厂、同型号的及同尺寸的三个钻头进行试验，全部性能都相似。低性能的主因是钻头回转，使钻头钻出叶形的井底图样。为测试本发明的方法，将选用的PDC钻头之一修改成为含有低摩擦支承区。改成的钻头适合用以测试低摩擦规格概念，但并非最佳设计。

图15示出钻头切削刃的布局并示出计算出的约为2100磅的不平衡力的方向。这不平衡力的大小与方向用上面已详述的计算机的PDC钻头模型程序计算。为限定支承区，如所示在钻头边侧除去切削刃以形成比较光滑的滑动表面以取代切削面。虽然支承区被称为低摩擦，但这钻头的具体几何形状仍有相当高的摩擦。

为评价移除切削刃的优点，在除去切削刃前，首先检查PDC钻头的性能非常有利。井底的图样表明有回转。图16及17示出钻头在120转/分下钻入石灰岩及白云岩时，发生振动的典型曲线图。图18更示出PDC钻头在120转/分和钻头压力为1800磅下发生回转。

将选定的切削刃除去以限定位于不平衡力所指向的支承区后，在与以往除去切削刃前相同的试验条件下，又用该钻头再钻入石灰岩及白动岩。在石灰岩及白云岩中的试验，井底图样极为平整。在石灰岩钻井完全合乎孔径规格，在白云岩中孔径仅超出规格1/16英寸。图19示出根据上面详述的计算机程序预测的井底图样与在石灰岩中测得的井底图样的比较。预测与实际结果间十分相符表明钻头已被加载成如模型所预测且应能提供极长的耐磨寿命。

相同的PDC钻头在除去切削刃前在涡轮机驱动的高转速下试验。在石灰岩试验中显示井底图样有非常确定的回转图样而图20示出在这些试验中记录得的振动数据。图21示出除去切削刃后的钻头振动数据大为降低。此外，钻孔的仅超出规格尺寸1/8英寸，并绝对没有回转图样的迹象。

在“低摩擦”表面上的切削刃处设置的圆角碳化物耐磨圆钮状物将岩粉犁起。在白云岩试验中（软岩石）累积的岩粉多于石灰岩试验中的岩粉。仅在除去切削刃的区域中的圆角钮状物上才可看到有岩粉的事实，进一步表明为提供低摩擦支承区而除去切削刃所选择的钻头上的位置是正确的。

使用PDC钻头时，对在除去切削刃以前及以后所取得的钻进速度都不易进行量化，因为不能用在原始状态下的钻头进行正常的性能试验，这是由于高振动所至。图22示在形成低摩擦支承区之前和之后，钻头转速为120转/分时，钻进速度大体相同，但在第一试验中（不除去切削刃），42个切削刃中有23个有缺口。这些有缺口的切削刃在以后的试验中造成钻进速度下降。图23示出两个在石灰岩中的试验，表明在低摩擦支承区形成前，钻进速度可能略高，但原始试验在切削刃在白云岩中形成缺口以前进行。通过在这些试验，低摩擦支承区可能没有大大提高钻进速度，但肯定没有损害该速度。

图24示出钻头形成低摩擦支承区后以1050转/分转速取得的钻进速度与支承区形成前以60转/分转速取得的钻进速度的比较。开始时，由于高振动而将转速限制于60转/分转速下运行。事实上，在1050转/分的振动小于钻头改进前在60转/分的振动。用粗略改进的钻头取得的高钻进速度与低振动的结合，显示本发明构思作为一种提供合格的高速而没有出现破坏性的回转的钻头的措施的巨大潜力。

本发明已参照附图叙述如上，应当理解到，除已经本文说明或建议者外，还可作其他的改进，然而仍属本发明的范围与精神。

表1（续2）

转速＝120，转/分

钻进速度＝30，英尺/小时

旋转时间＝5，小时

不平衡力＝1056，磅

不平衡百分率＝7，钻头压力的%

不平衡力角＝71，度

径向不平衡力＝249，磅

切向不平衡力＝1156，磅

钻头压力＝14576，磅

钻头转矩＝2247，英尺-磅

总磨平区域＝0.643    英寸

Claims (32)

1、一种用以钻凿地层岩石钻孔的钻头，其特征在于包括：

一个可与一旋转动力源相互连接的钻头体，该钻头体至少有一个尺寸不足的支承区及至少一个固定的切削区；

多个切削部件，从至少一个固定切削区中伸展，安排在围绕偏离钻头体几何圆心的该钻头的预定旋转中心；

该至少一个尺寸不足的支承区位于钻头体一个侧边部分上切削部件的切削力总和与施加在钻头体上垂直于钻头体纵轴线方向上的推力的合力作用处。

2、如权利要求1所述之钻头，其特征在于其中该旋转中心在钻孔中心与至少一个支承区之间的间隔位置处，而该钻头体包括一个与该至少一个支承区相邻的配重，以使该钻头与钻孔壁的一个表面接触。

3、一种用以钻凿地层岩石的钻孔钻头，其特征在于包括：

一个可与旋转动力源相互连接的钻头体，该钻头体至少有一个在其一个侧部上的支承区和至少一个切削区;

多个切削部件从至少一个切削区伸展;

该至少一个支承区位于切削部件的切削力总和与施加在钻头体上垂直于钻头体纵轴线的方向上的推力的合力作用处。

4、如权利要求3所述之钻头，其特征在于其中至少一个支承区伸展在横越钻头体一个刃面部分的一部分上。

5、如权利要求3所述之钻头，其特征在于其中至少一个支承区有足够的表面面积，使得作用在其上面的切削力小于岩石的抗压强度。

6、如权利要求3的所述之钻头，其特征在于其中至少一个支承区包含一个基本上平滑的硬化表面。

7、如权利要求3所述之钻头，其特征在于其中该支承区包括多个耐磨部件。

8、制造在钻头体一个侧边上有一个支承区和带有多个安装在该钻头体上的切削刃的一个切削区的一种类型钻头的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

在钻头体上的切削范围内安装预定数目的切削刃;

产生钻头体与安装在其上面的切削刃的一个几何模型;

计算在限定的钻进参数下可能在该钻头体上出现的不平衡力;

用不平衡力与模型计算至少一个额外切削刃的位置，当在钻头体的切削区中的该计算出的位置上安装该额外的切削刃时，将造成一个指向该支承区的一个净不平衡力;

在该钻头体的切削区中经这样计算的位置上安装一个额外的切削刃。

9、如权利要求8所述之方法，其特征在于产生钻头体与安装在其上面的切削刃的几何模型的步骤，包括确定该钻头体及安装在其上面的各切削刃上的多个点的空间坐标的步骤。

10、如权利要求9所述之方法，其特征在于该方法还包括用该空间坐标计算安装在该钻头体上的各切削刃的切削面的刃角的步骤。

11、如权利要求10所述之方法，其特征在于该方法还包括通过在该切削刃上决定的空间坐标间进行内插运算而产生各切削面的补充空间坐标的步骤。

12、如权利要求8所述之方法，其特征在于其中每一该切削刃有一个切削面，且对一预先选定的钻头转速、钻进速度及岩石强度计算将在该钻头体中出现的不平衡力的步骤中还包括如下步骤：

计算切削刃上切削面的相对位置;

计算在预定的钻头转速、钻进速度与岩不强度下作用在各切削刃上的力;

对作用在各切削刃上的径向力求和，以决定不平衡力的大小。

13、制造在钻头体一个侧边上有一个支承区和带有多个安装在该钻头体上的切削刃的一个切削区的一种类型钻头的方法，其特征在于包括如下步骤：

在钻头体上的切削区中安装预定数目的切削刃，每一切削刃限定一个切削面;

确定包括该钻头体的一个三给坐标系;

确定在该钻头体及安装在其上的各切削刃上的多个点的坐标;

将这样确定的坐标存储在储存器中;

用存储的坐标计算各切削面相对于钻头体纵轴线的位置;

以各切削面位置的计算为基础计算作用在安装在该钻头体上的各切削刃上的力，以确定钻进参数;

将切削刃的各径向分力分解成其和为一个单一的径向不平衡力;

利用不平衡力计算至少一个额外切削面的坐标，这切削刃如存在便可能造成指向支承区的净不平衡力;

在钻头上安装该额外的切削刃，其安装位置使其切削面处在这样计算出的坐标上。

14、制造在钻头体一个侧边上有至少一个支承区和带有多个安装在钻头体上的切削刃的切削区的一种类型钻头的方法，其特征在于包括如下步骤：

形成代表具有多个安装在其上面的切削刃的钻头体上的选定表面点的空间坐标阵列;

利用该阵列计算各切削面相对于钻头体纵轴线的位置;

预定代表钻头待使用的条件的选定钻进参数的数值;

利用切削面位置及预选数值计算作用在安装在该钻头体上的各切削刃上的力;

将如此计算出的各径向分力分解成其和为一个单一的径向不平衡力;

在钻头体上定位该径向不平衡力所指向的一个区域;

从该区中除去切削刃以限定钻头体上的至少一个支承区。

15、如权利要求14所述之方法，其特征在于其中利用切削面位置及预选数值计算作用在安装在该钻头体上的各切削刃上的力的步骤包括如下步骤：

计算钻进力;

计算切削力。

16、如权利要求14所述之方法，其特征在于其中利用阵列计算各切削面相对于钻头体的位置的步骤包括如下步骤：

计算切削刃切削面的后刃角;

计算切削刃切削面的侧刃角。

17、如权利要求3所述之钻头，其特征在于其中该至少一个支承区包括多个切削部件，其切削效率低于从至少一个切削区伸展的切削部件。

18、钻凿地层岩石钻井的一种方法，包括如下步骤：

a）在钻杆柱下端上安装一个钻头;

b）在钻头旋转时下放钻杆柱，使之与地层岩石接触以在其中钻凿钻井，

其特征在于该钻头至少有一个切削区，其上面有多个切削部件伸展，和至少一个支承区位于钻头的一个侧边部分，在切削部件的切削力总和与加在钻头上垂直于钻头纵轴线的推力的合力作用处。

19、钻凿地层岩石钻井的方法，包括如下步骤：

a）将安装在钻杆柱下端的钻头旋转;

b）在钻头上施加垂直于钻头纵轴线的推力，同时使旋转的钻头与地层岩石接触，压迫钻头一个侧边部分上的支承区与钻井周围的地层岩石滑动接触，其特征在于其中该支承区位于钻头上切削部件的切削力总和与推力的合力作用处。

20、用以在地层岩石中钻成钻孔并有稳定旋转中心的一种钻头，其特征在于该钻头包括一钻头体，该钻头体包括一装置用以在钻孔时将切削力的合力矢量指向用以连续地接触钻孔壁的装置。

21、如权利要求20所述之钻头，其特征在于其中在钻凿地层岩石时，该合力矢量的大小足以维持钻头旋转的稳定中心。

22、如权利要求20所述之钻头，其特征在于其中用以连续接触的装置沿钻孔壁相对于孔壁恒速移动。

23、如权利要求20所述之钻头，其特征在于其中该合力矢量的大小大于产生于钻头的外向的侧向力。

24、如权利要求20所述之钻头，其特征在于其中该用以连续接触的装置包含用以与钻孔壁滑动接触的衬垫装置。

25、如权利要求20所述之钻头，其特征在于其中该用以连续接触的装置包含用以与钻孔壁滚动接触的滚动装置。

26、如权利要求20所述之钻头，其特征在于该用以连续接触的装置包括钻头体的一个侧边部分。

27、用以钻凿地层岩石钻孔并有稳定旋转中心的钻头，其特征在于包括用以在钻孔时压迫钻头侧边部分与钻孔壁连续接触的装置。

28、用钻凿地层岩石钻孔的一种钻头，其特征在于包含一个钻头体可和旋转动力源相互连接，该钻头体具有至少一个用以与钻孔壁连续接触的区及至少一个切削区，构造成在该钻头旋转以钻凿钻孔的过程中该钻头将有一个稳定的旋转中心。

29、用以钻凿地层岩石钻孔的一种钻头，其特征在于包含一个钻头体可和旋转动力源相互连接，该钻头体至少有一个切削区该切削区包含多个切削刃被安排成当钻头钻孔时，该多个切削刃产生的合成矢量力指向一个用以连续接触钻孔壁的装置。

30、如权利要求29之钻头，其特征在于其中用以连续接触的装置位于该钻头上。

31、钻凿地层岩石钻孔的一种方法，其特征在于钻孔时由钻头产生的合成矢量力，通过钻头上的一个接触装置指向该钻孔的侧壁上以便提供一个具有稳定的旋转中心的钻头。

32、钻凿地层岩石钻孔的一种方法，其特征在于包括如下步骤：

a）将安装在钻杆柱下端的钻头旋转;

b）将旋转钻头与地层岩石接触以使钻头上的装置将钻头的一个侧边部分。压向钻孔的一个壁使之连续接触。

Images