專利名稱：具有用于提高鉆井壽命的最佳切削區(qū)、負載區(qū)、應力區(qū)和磨損區(qū)的滾錐鉆頭及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在地下地層中形成井眼的滾錐鉆頭(rollercone drill bit)，更具體涉及提高鉆井性能并延長相關鉆頭的鉆井壽命的布置和設計。
背景技術：
從前已經(jīng)使用多種滾錐鉆頭來在地下地層中形成井眼。這種鉆頭也被稱為“旋轉”錐鉆頭。通常滾錐鉆頭包括具有從其延伸的三個支撐臂的頭體。一般將各錐組件可旋轉地安裝在與頭體相對的每個支撐臂上。這種鉆頭也稱為“巖石鉆頭”。
滿足形成井眼的滾錐鉆頭的例子包括只有一個支撐臂和一個錐、兩個支撐臂和可旋轉地安裝在每個臂上的各錐組件以及在相關頭體上可旋轉地安裝的四個或更多的錐的滾錐鉆頭。在相關的滾錐鉆頭中也已使用各種切削元件和切削結構，例如嵌入件(compact)、插入件、銑齒和焊接嵌入件。
通常通過剪切和粉碎地層臨近部分的組合，與滾錐鉆頭有關的切削元件和切削結構在地下地層中形成井眼。剪切運動也可以描述為在相關錐的旋轉期間每個切削元件剪碎部分地層。粉碎運動也可描述為在相關錐的旋轉期間每個切削元件穿透或鑿開部分地層。
具有通過銑削鋼齒而形成的切削結構的滾錐鉆頭經(jīng)常用于鉆井軟的地層和一些較硬的地層。具有由多個硬質金屬插入或嵌入件形成的切削元件和切削結構的滾錐鉆頭通常用于鉆井中等和硬的地層。與相同地層的粉碎或穿透相比，在通過剪切或粉碎而除去給定量的地層上，滾錐鉆頭通常更有效。在滾錐鉆頭中已經(jīng)公知，通過改變在相關錐組件上設置的切削元件和切削結構的方向，可以提高鉆井性能。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明內容的教導，提供一種具有設計上顯著提高鉆井效率并增加井下鉆井壽命的切削元件和切削結構的滾錐鉆頭。根據(jù)本發(fā)明的教導，通過確定各切削區(qū)、負載區(qū)、應力區(qū)和/或磨損區(qū)的位置，可以優(yōu)化切削元件和切削結構的設計。本發(fā)明包括使用與各種井下環(huán)境和各種鉆頭設計參數(shù)有關的鉆井參數(shù)來優(yōu)化切削元件、切削結構、滾錐和相關鉆頭的設計。
每個切削元件的切削區(qū)、負載區(qū)、應力區(qū)和磨損區(qū)的位置將根據(jù)相關鉆頭設計參數(shù)而變化，例如在保徑排中或內排中的每個切削元件的位置，并且在滾錐一、二或三之間變化。而且，每個切削元件的切削區(qū)、負載區(qū)、應力區(qū)和磨損區(qū)的位置將根據(jù)相關鉆井參數(shù)而變化。通過模擬在每個切削元件和井下地層之間的相互作用，本發(fā)明使每個切削元件、切削結構、滾錐和相關鉆頭的井下鉆井性能得到優(yōu)化。
本發(fā)明的技術優(yōu)勢包括通過確定井下鉆井參數(shù)對其最有有影響的每個切削元件的部分(切削區(qū)、負載區(qū)、應力區(qū)和磨損區(qū))，減小在切削元件和切削結構中的應力值，還包括修改各切削元件的設計。
滾錐鉆頭的鉆井效率和井下鉆井壽命通常取決于相關切削元件、切削結構和滾錐的設計。根據(jù)本發(fā)明教導確定與每個切削元件和切削結構有關的切削區(qū)、負載區(qū)、應力區(qū)和磨損區(qū)，使切削元件和切削結構設計得到優(yōu)化，并提高了相關滾錐鉆頭的鉆井效率和井下鉆井壽命。本發(fā)明還提供了在傾斜和水平井眼的鉆井期間滾錐鉆頭的改善的方向控制和調整能力。
本發(fā)明進一步的技術優(yōu)勢包括在對應于相關切削區(qū)和負載區(qū)的每個切削元件的外部上的最佳位置設置硬質材料。硬質材料也可以設置在對應于相關切削區(qū)和負載區(qū)的每個切削元件的部分內。根據(jù)本發(fā)明的教導，基于在相關滾錐組件上的每個切削元件的各自位置，可以改變硬質材料的種類、硬質材料的位置和硬質材料的形狀或幾何形狀。硬質材料的種類、位置和形狀或幾何形狀也可以根據(jù)其它的鉆頭設計參數(shù)而改變。硬質材料的種類、位置和形狀或幾何形狀可以根據(jù)井下鉆井參數(shù)而改變。
通過確定在井下鉆井期間切削元件或切削結構的哪一部分(中心切削區(qū))切削最多的時間，本發(fā)明使應力值減小。本發(fā)明包括確定在中心切削區(qū)上分布的力，它可以用于確定切削元件的相關負載區(qū)。然后有限元件分析可以用于確定相關應力區(qū)。可以修改切削元件的設計以減小應力值。根據(jù)本發(fā)明的教導，通過設計切削元件和切削結構可以顯著降低殘余應力和施加應力。
本發(fā)明使得設計鉆頭的概率提高，即當制造鉆頭時每個鉆頭將滿足最佳鉆井性能的標準。本發(fā)明可以大大減小或消除為確認新鉆頭設計的實際井下鉆井性能而進行的大量樣品鉆頭的現(xiàn)場實驗。


通過參考下面的說明并結合附圖，可以對本實施方式及其優(yōu)點獲得更全面和透徹的理解，其中相同的參考數(shù)字代表相同的結構，并且其中圖1是示出包含本發(fā)明教導的滾錐鉆頭一個例子的立體圖的示意圖；圖2是具有剖開部分的剖視和正視的示意圖，示出具有根據(jù)本發(fā)明教導而設計的切削結構的支撐臂和相關滾錐的一個例子；圖3是具有剖開部分的剖視和正視的示意圖，示出具有根據(jù)本發(fā)明教導而設計的切削結構的支撐臂和相關滾錐的另一個例子；圖4是示出切削元件和通常在井下地層的撞擊期間作用在切削元件上的力的一個例子的立體圖的示意圖，其中沿切削區(qū)所分配的力可以簡化成在如本圖4中所示的局部坐標系中的相關切削元件的脊點；圖5是示出鑿形切削元件的三維網(wǎng)格(mesh)模型的示意圖；圖6是示出錐形或矛形切削元件的三維網(wǎng)格模型的示意圖；圖7是示出在模擬鉆井選擇的時間間隔之前底孔的三維網(wǎng)格模型的示意圖；圖8是示出在模擬鉆井選擇的時間間隔之后底孔的三維網(wǎng)格模型的示意圖；
圖9是用于在滾錐的保徑排中設置的切削元件的切削區(qū)和中心切削區(qū)的三維網(wǎng)格模型的示意圖；圖10是示出用于圖9切削元件的負載區(qū)和中心負載區(qū)的三維網(wǎng)格圖的示意圖；圖11是示出設置在滾錐內排(inner row)的用于圖9切削元件的切削區(qū)和中心切削區(qū)的三維網(wǎng)格模型的示意圖；圖12是示出設置在滾錐內排的用于圖9切削元件的負載區(qū)和中心負載區(qū)的三維網(wǎng)格模型的示意圖；圖13是示出設置在滾錐上的用于另一切削元件切削區(qū)和中心切削區(qū)三維網(wǎng)格模型的示意圖；圖14是示出用于圖13的切削元件的負載區(qū)和中心負載區(qū)的三維網(wǎng)格模型的示意圖；圖15A是示出在包含本發(fā)明教導的鉆頭上與第一滾錐相關的插入的各切削區(qū)立體圖的示意圖；圖15B是示出在包含本發(fā)明教導的鉆頭上與第二滾錐相關的插入的各切削區(qū)立體圖的示意圖；圖15C是示出在包含本發(fā)明教導的鉆頭上與第三滾錐相關的插入的各切削區(qū)立體圖的示意圖；圖16A是示出在包含本發(fā)明教導的鉆頭上與第一滾錐相關的銑削齒的各切削區(qū)立體圖的示意圖；圖16B是示出在包含本發(fā)明教導的鉆頭上與第二滾錐相關的銑削齒的各切削區(qū)立體圖的示意圖；圖16C是示出在包含本發(fā)明教導的鉆頭上與第三滾錐相關的銑削齒的各切削區(qū)立體圖的示意圖；圖17是示出根據(jù)本發(fā)明教導確定的插入和用于切削區(qū)、負載區(qū)和/或磨損區(qū)的相關位置和尺寸的立體圖的示意圖；圖18是示出根據(jù)本發(fā)明教導并基于相關切削區(qū)、負載區(qū)和/或磨損區(qū)分析的在圖17的插入上設置的硬質材料層的立體圖的示意圖；圖19是示出根據(jù)本發(fā)明教導確定的插入和用于切削區(qū)、負載區(qū)和/或磨損區(qū)的相關位置和尺寸的立體圖的示意圖；圖20是示出根據(jù)本發(fā)明教導并基于圖19中的插入的相關切削區(qū)、負載區(qū)和/或磨損區(qū)分析的具有硬質材料柱或桿的復合插入的立體圖的示意圖；以及圖21A是示出根據(jù)本發(fā)明教導確定的具有中心負載區(qū)的插入的立體圖和三維受力曲線的示意圖；圖21B是示出硬質材料的立體圖的示意圖，它設置在圖21A的插入內以形成根據(jù)本發(fā)明教導的復合插入；圖22是具有剖開部分的剖面示意圖，示出根據(jù)本發(fā)明教導確定的在錐組件上形成的銑削齒型切削元件和相關應力區(qū)；圖23是具有剖開部分的剖面示意圖，示出對根據(jù)本發(fā)明教導的圖22的銑削齒型切削元件結構所進行的修改；以及圖24是示出根據(jù)本發(fā)明教導設計滾錐鉆頭的方法的一個例子的方框圖。
具體實施例方式
通過參考圖1-21，更容易理解優(yōu)選實施方式及其優(yōu)點，其中相同的數(shù)字表示一樣和相同的零件。
術語“切削元件”和“多個切削元件”可以用于本應用，包括各種滿足滾錐鉆頭使用的嵌入件、插入、銑削齒和焊接嵌入件。術語“切削結構”和“多個切削結構”可以用于本應用，包括在一個或多個滾錐鉆頭的錐組件上或連接到一個或多個滾錐鉆頭的錐組件而形成的切削元件的各種組合和布置。本發(fā)明的教導可以用于設計具有插入、嵌入件和/或銑削齒的滾錐鉆頭。本發(fā)明也可以用于設計具有焊接到相關錐組件的切削元件(未明確示出)的滾錐鉆頭。
根據(jù)本發(fā)明的教導而形成的一些切削元件通?？梢跃哂邢鄬τ谙嚓P縱軸或幾何軸對稱的結構。對于其它的應用，根據(jù)本發(fā)明的教導形成的切削元件可以具有相對于相關縱軸或幾何軸對稱或非對稱的結構。根據(jù)本發(fā)明的教導形成的切削元件和切削結構可以具有多種設計和結構。
術語“脊”(crest)和“縱向脊”可以用在本申請中，用來描述在井眼鉆井期間與地層最初接觸的切削元件或切削結構的部分。在滾錐鉆頭和相關錐組件旋轉期間切削元件的脊通常接合和脫離井眼底部。根據(jù)特定設計和相關切削元件與切削結構的尺寸，脊的幾何結構和尺寸可以具有很大的變化。
術語“錐曲線”可以定義為凸出在通過相關錐旋轉軸的垂直平面上的錐組件和所有與錐組件相關的切削元件的外表面的輪廓。與滾錐鉆頭相關的錐組件一般具有曲線、錐形的外表面。每個錐形曲線的物理尺寸和形狀取決于各種因素，例如相關鉆頭的尺寸、錐旋轉角、每個錐組件的誤差和尺寸、相關切削元件的結構和數(shù)量。
滾錐鉆頭通常具有“復合錐曲線”，其通過每個相關錐曲線和凸出到通過所有相關錐組件旋轉軸的垂直平面上的所有切削元件的脊分部分限定。滾錐鉆頭的復合錐曲線和每個錐曲線通常包括每個相關切削元件的脊點。
術語“網(wǎng)格”和“網(wǎng)格分析”可以用于描述用于評價和研究諸如切削元件、切削結構、滾錐和在相關地層中鉆井的井眼的底孔結構的復雜結構。
切削元件通常包括相應的“切削區(qū)”，它一般可以限定為當鉆井井眼時接觸井下地層的每個切削元件表面區(qū)域的部分。每個切削元件的表面區(qū)域可以被精細地分成許多部分，以有助于確定相關切削區(qū)和相對于相關切削區(qū)的力的分布和受力曲線。接觸數(shù)量的分布和作用在每個切削元件上的相關力的分布可以通過使用網(wǎng)格分析模擬選擇時間間隔的鉆井來確定。每個切削區(qū)的位置和尺寸以及力的分布部分取決于在相關錐組件上的每個切削元件。每個切削元件的尺寸和結構也確定了相關切削區(qū)的位置和尺寸和力的分布。有時切削區(qū)可以位于切削元件脊的附近。
切削元件和切削結構還包括相應的“負載區(qū)”、“應力區(qū)”和“磨損區(qū)”?；谙嚓P切削區(qū)的位置和尺寸和在模擬井下鉆井期間在各切削區(qū)上的力的分布，根據(jù)本發(fā)明的教導可以確定負載區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的教導，使用有限元件分析技術來分析與每個切削元件有關的各切削區(qū)和負載區(qū)可以確定應力區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的教導，基于在模擬井下鉆井期間各切削元件或切削結構的力的分布與各切削元件或切削結構的滑動速度分布的組合可以確定磨損曲線。然后分析所得磨損曲線來確定每個切削元件的各磨損區(qū)。
通常可以將“滑動速度”描述為切削元件相對于底孔地層或地層移動的絕對速度。
在滾錐鉆頭上的每個切削元件的各切削區(qū)、負載區(qū)、應力區(qū)和磨損區(qū)取決于各滾錐組件上的切削元件的位置和相關滾錐鉆頭設計參數(shù)。對于具有完全相同的幾何形狀的切削元件，在保徑排和內排之間切削區(qū)可以基本上不同。參見圖9和11。各負載區(qū)的位置和尺寸也可以基本不同。參見圖10和12。
在比較和評價滾錐鉆頭的鉆井性能上可以考慮各種因素和標準。這些因素和標準可以包括、但不限于，當接受基本相同的鉆井參數(shù)-鉆頭重量、旋轉速率、井下地層、井眼直接等的時候，不同鉆頭設計的底孔的孔鉆井壽命和/或穿透速率的比較。鉆井性能還可以基于所要求鉆井選擇底孔地層間隔的總成本和/或時間的比較。本發(fā)明允許選擇多種標準，它們可以用于設計具有最佳鉆井性能的滾錐鉆頭。參見圖24。
在滾錐上可以設置各種類型的切削元件和切削結構。將在稍后更具體地討論的嵌入件40、插入60和銑削齒360，僅是這些切削元件和切削結構的一些例子。
可以將具有插入60的滾錐鉆頭設計用于鉆井相對堅硬的井下地層。具有銑削齒360的旋轉錐鉆頭經(jīng)常用于在具有合適或中等硬度的井下地層中形成井眼。
出于描述本發(fā)明各種結構的目的，可以將錐組件30看作30a、30b和30c?？梢詫㈠F組件330看作330a、330b和330c。錐組件30和330有時可以稱為“滾錐”、“旋轉錐切刀”、“滾錐切刀”、“切刀錐組件”或“滾錐組件”。
對于一些應用，在包含本發(fā)明教導的錐組件和滾錐鉆頭內有關的切削元件可以具有基本相同的尺寸和結構。作為選擇，一些錐組件和相關的滾錐頭可以包括在相關的切削元件和切削結構的結構和尺寸上具有很大變化的切削元件和切削結構。本發(fā)明不限于具有切削元件40、60和360的滾錐鉆頭。而且，本發(fā)明也不限于具有滾錐30和330的滾錐鉆頭。
圖1示出具有包含本發(fā)明教導的切削元件和切削結構的一個或多個錐組件的滾錐鉆頭的一個例子。滾錐鉆頭20可以用于在地下地層或井下地層(未明確示出)中形成井眼(未明確示出)。滾錐鉆頭20一般通過粉碎或穿透地層以及刮擦或剪切來自井眼底部的地層材料并使用切削元件60，來形成井眼。術語“切削”可以用于描述通過包含本發(fā)明教導的切削元件和切削結構來粉碎、穿透、刮擦和/或剪切地層材料的各種組合。
鉆柱(未明確示出)可以連接到鉆頭20的螺紋部分22，以便隨著它們繞井眼底部轉動使相關滾錐組件30旋轉并將重量或力施加給相關滾錐組件30。對于一些應用，各種井下馬達(未明確示出)也可以用于使包含本發(fā)明教導的滾錐鉆頭旋轉。本發(fā)明不限于于常規(guī)鉆柱相關的滾錐鉆頭。
滾錐鉆頭20優(yōu)選包括具有錐度的頭體24、適于安裝到鉆柱一端的外螺紋部分22。頭體24優(yōu)選包括通道(未明確示出)，以便通過連接到鉆頭20的鉆柱將鉆井泥漿或其它液體從井表面導出。鉆井泥漿和其它液體可以從管口26排出。地層切削物和其它碎末可以通過從管口26排出的鉆井液從井眼底部攜帶出去。鉆井液通常在滾錐鉆頭的下側和相關井眼底部之間徑向向外流動。然后一般通過環(huán)狀空間(未明確示出)，鉆井液向上流到井表面，該環(huán)狀空間由滾錐鉆頭20和相關鉆柱的外部以及井眼內徑部分限定。
來自管口26的鉆井液的流動還可以幫助井眼底部地層材料的切削和/或剪切。與井眼底部鉆井液和/或地層液體有關的液壓力也可以產生與滾錐鉆頭有關的切削元件和切削結構的腐蝕。出于本發(fā)明不同結構的描述目的，一般不考慮井眼底部的地層材料的液體切削或剪切和/或切削元件與切削結構的可能的腐蝕。
由鉆頭20、頭體24表示的本發(fā)明的實施例可以具有三(3)個從其延伸的支撐臂32。與頭體24相對的每個支撐臂32的下部優(yōu)選包括各主軸或軸34。參見圖2。主軸34還可以稱為“樞軸”或“軸承滾柱”。每個錐組件30a、30b和30c優(yōu)選包括從背面146延伸的各腔體48。優(yōu)選將每個腔體48的尺寸和結構選擇為接收相關主軸34。
錐組件30a、30b和30c優(yōu)選可以旋轉連接到從支撐臂32延伸的各主軸34。錐組件30a、30b和30c包括各旋轉軸36(有時稱為“錐旋轉軸”)。錐組件的旋轉軸經(jīng)常與相關主軸的縱向中心線相對應。當切刀錐組件30a、30b和30c繞井眼底部轉動時，發(fā)生與鉆頭20相關的切削或鉆井作用。所得井眼的直徑基本上對應于與保徑(gauge)面和切刀錐組件30a、30b和30c相關的組合外徑或保徑直徑。
可以在每個錐組件30a、30b和30c的保徑面42中設置多個嵌入件40。嵌入件40可以用于“修整”井眼內徑以阻止保徑面42和/或背面146接觸附近的地層。根據(jù)本發(fā)明的教導，在每個錐組件30a、30b和30c的外部也可以設置多個切削元件60。
嵌入件40和切削元件60可以由多種諸如碳化鎢的硬質材料形成。術語“碳化鎢”包括碳化鎢(WC)、碳化二鎢(W2C)、粗晶碳化鎢、膠合(cement)或燒結碳化鎢。可以滿足用于形成嵌入件40和切削元件60的硬質材料的例子包括各種金屬合金和燒結物，例如金屬硼化物、金屬碳化物、金屬氧化物和金屬氮化物。根據(jù)本發(fā)明的教導，多種硬質材料可以滿足用于形成切削元件和切削結構。本發(fā)明允許比較具有切削元件和切削結構的鉆頭設計，而切削元件和切削結構由多種材料形成以獲得最佳的鉆井性能。參見圖24。
錐組件30a、30b和30c的旋轉軸36優(yōu)選和滾錐頭20相關的旋轉軸38彼此偏移。軸38有時可以稱為“頭旋轉軸”。相關鉆柱的重量(有時稱為頭上的重量)通常沿頭旋轉軸38被施加到鉆頭20。對于一些應用，沿頭旋轉軸38作用的頭上重量有時稱為“向下的力”。然而，許多井經(jīng)常是沿某個角度而不是垂直地鉆井。井經(jīng)常被鉆井成具有水平部分(有時稱為“水平井眼”)。通過鉆柱和/或井下鉆井馬達施加到鉆頭20上的力通常沿頭旋轉軸38作用在鉆頭20上，而不考慮相關井眼的垂直或水平方向。作用在鉆頭20和每個切削元件60的力還取決于被鉆井的井下地層的類型。作用在每個切削元件60上的力可以隨著鉆頭20穿透與井眼相關的不同地層而具有很大變化。
圖2示出具有旋轉安裝到主軸34的錐組件30a的支撐臂34的部分。錐組件30a可以繞錐旋轉軸36旋轉，錐旋轉軸36可以相對于頭旋轉軸38以某個角度向下或向內傾斜。在主軸34的外部和圓柱形腔體48的內部之間可以設置密封46。密封46在主軸34的外部和圓柱形腔體48的內部之間形成液體阻擋以在腔體48和軸承50與52內保持潤滑。密封46也阻止地層切削滲透到腔體48中。密封46保護軸承50和52失去潤滑和防止碎屑的污染，并因此延長鉆頭20的井下壽命。
軸承50支撐與錐組件30a相對于主軸34的旋轉有關的徑向負載。軸承54支撐與錐組件30a相對于主軸34的有限縱向移動有關的推力負載。軸承50有時可以稱為樞軸軸承。軸承54有時可以稱為止推軸承。軸承52可以用于旋轉接合具有主軸34的錐組件30a。
對于例如圖2所示的實施方式，切削元件60可以設置在每個錐組件30a、30b和30c外部的排72、72a和72b中。排72有時可以稱為“保徑排”。排72a和72b有時可以稱為“內排”。
與切削元件60相比，設置在錐組件30a端部或頂部的插入件60a可以是不同的結構和尺寸。關于切削元件60的設計，本發(fā)明將描述多種方案。然而，相同的技術和過程也可以用于設計切削元件40和60a的位置、結構和尺寸。
圖3示出了具有設置在錐組件330外部上的多個銑削齒的支撐臂334的部分。根據(jù)本發(fā)明的教導，銑削齒360可以設置在保徑排370和內排372a與372b中。根據(jù)本發(fā)明的教導，可以選擇銑削齒360的尺寸和結構。根據(jù)本發(fā)明的教導也可以選擇在銑削齒360上設置的一層或多層表面硬化材料的位置和尺寸以及表面硬化材料的類型。名稱為“Gage Surface And Method For Milled Tooth Cutting Structure”的美國專利5579856示出了銑削齒和表面硬化材料相關層的各種例子。
錐組件330可以安裝在主軸334上并繞縱軸336旋轉。主軸334可以相對于相關的頭旋轉軸以某個角度向下或向內傾斜。在主軸334的外部和圓柱形腔體348之間可以設置密封46。密封46和軸承50與52和前面描述的關于錐組件30和錐組件30a以及滾錐鉆頭20執(zhí)行類似的功能。
各軸的偏移和與錐組件30和330相關的一般彎曲的錐曲線可以因粉碎或穿透運動和刮擦或剪切運動造成切削元件60和360碰撞地層。圖4是示出在碰撞地層和來自地層材料的切削期間通常作用在切削元件60上的力的示意圖。力包括法向力Fn，徑向力Fa和切向力Ft。類似的力可以作用在切削元件360上。
如圖4所示的切削元件60通?？梢园ň哂袕钠溲由斓难由?4的圓柱體62。圓柱體62的底座部分66可以設計成裝配在錐組件30a、30b和30c中相應的凹孔或開口58中。對于一些應用，圓柱體62和延伸部64可以由基本相同的硬質材料混合物作為整體零件形成。對于一些應用，圓柱體62和延伸部64可以由基本不同的硬質材料混合物形成。參見圖18和19的例子。
延伸部64可以具有包括脊的各種結構。各種壓力配合技術可以滿足用于每個切削元件60與各凹孔或開口58的牢固接合。對于一些應用，切削元件60可以通常描述為插入件。
通過相關的鉆柱和/或由井下鉆井馬達施加的力，法向力Fn通常由置于滾錐鉆頭的重力產生。在鉆頭上的相關重力和/或鉆井馬達的力主要負責每個切削元件穿透或粉碎地層。徑向力Fa和切向力Ft取決于與每個切削元件有關的刮擦或剪切運動的幅度。剪切或刮擦的量取決于各種鉆頭設計參數(shù)，例如每個切削元件的方向、相關錐組件的偏移和相關錐組件曲線。每個切削元件的設計、結構和尺寸也確定了徑向力Fa和切向力Ft的值。對于許多井下鉆井應用，法向力Fn通常大大高于徑向力Fa或切向力Ft的數(shù)量。
法向力Fn通常沿法向力矢量或從相關切削區(qū)的中心延伸的軸作用。對于一些應用，法向力矢量可以近似對應于相關切削元件的縱向軸或幾何軸。對于另一些應用，法向力軸可以與幾何軸偏移，該幾何軸取決于相對于有關的切削區(qū)和錐旋轉軸的每個切削元件的結構和方向。
各種計算機模擬可以滿足用于確定在用鉆頭20鉆井期間每個切削元件60何時碰撞臨近地層部分。合力或置于每個錐組件30a、30b和30c的負載可以總結為作用在各錐組件的嵌入件40和切削元件60上的所有力的最終結果?？梢詫⒚總€錐組件30a、30b和30c看作剛性體，它允許將錐力簡化為三個正交的線性力和三個正交的力矩，如圖1所示。
正交線性力(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z)和正交力矩(Mx，My，Mz)可以使用由沿相關錐旋轉軸延伸的Z軸部分限定的錐坐標系分析。對于錐組件30a、30b和30c，優(yōu)選X軸和Y軸彼此和Z軸交叉，Z軸接近于錐旋轉軸36和相關支撐臂32的外表面的交叉。Z軸通常對應于錐旋轉軸36。參見圖1。
相對于錐旋轉軸36測量的力矩Mz對應于相關錐組件30的扭矩。通常力矩Mz被相關錐組件的旋轉平衡。力矩Mx和My經(jīng)常使每個錐組件30相對于相關主軸34而擺動。與每個錐組件30相關的軸承系統(tǒng)必須平衡或吸收力矩Mx和My。對于大多數(shù)的滾錐鉆頭，來自相關切削元件的法向力Fn經(jīng)常是對力矩Mx和My的最重要的貢獻者。
法向力Fn通常由沿頭旋轉軸38施加到鉆頭20的合力引起。法向力Fn的值取決于下面的因素，例如相關錐旋轉軸36的角度、相關錐組件相對于頭旋轉軸38的偏移以及相關的錐曲線。對于一些實施方式，法向力Fn可以沿法向力軸68作用，法向力軸68通?？梢耘c切削元件60的縱向軸或幾何軸70對齊。參見圖4。
也可以使用鉆頭坐標系(未明確示出)來分析作用在滾錐鉆頭20上的力和力矩，該坐標系由通常沿相關頭旋轉軸38延伸的Z軸部分限定。相關X軸和Y軸彼此優(yōu)選和Z軸相交。由X軸和Y軸限定的平面垂直于Z軸。
與滾錐鉆頭有關的切削元件和切削結構上的各切削區(qū)的位置和尺寸(面積)一般取決于相關鉆頭設計參數(shù)和有關鉆井參數(shù)。所以，包含本發(fā)明教導的計算機模擬或計算機模型可以用于確定根據(jù)本發(fā)明的教導的相關切削元件的切削區(qū)、負載區(qū)、應力區(qū)和磨損區(qū)。題目為“Roller-cone bits，systems，drilling methods，and design methods withoptimization of tooth orientation”的美國專利和題目為“Force-balanced roller-cone bits system，drilling methods，and designmethods”的美國專利示出了計算機模型或計算機模擬的例子，它可以用于確定在切削元件和井下地層之間的相互作用。這種計算機模型和/或模擬可以用于提供鉆頭設計和井下地層的三維模型。
包含本發(fā)明教導的計算機模擬可以滿足用于優(yōu)化滾錐鉆頭的設計，包括優(yōu)化用于形成相關切削元件和切削結構的類型、尺寸、方向和材料，以提高與切削結構有關的穿透速率、能量平衡、力平衡或工作平衡。計算機模擬的一個方面包括開發(fā)相關切削元件和切削結構的三維網(wǎng)格模擬。切削元件的三維網(wǎng)格模擬和井下地層的三維網(wǎng)格模擬可以用于確定每個切削元件和井下地層的相互作用。例如，在相關滾錐鉆頭的一轉期間由每個切削元件除去的井下地層量可以用于計算作用在每個切削元件上的力，并可以用于更新相關底孔的結構和模式。
每個切削元件的各切削區(qū)的位置和尺寸可以取決于鉆井參數(shù)和鉆頭設計參數(shù)。一些影響切削區(qū)位置和尺寸的鉆井參數(shù)可以包括，但不限于，鉆頭上的重量，穿透速率、鉆頭旋轉速率、鉆孔深度、底孔溫度、底孔壓力、井眼和垂直方向的偏差、距相關井表面的距離、地層的類型、地層的硬度和井眼的直徑。例如，用于給定切削元件設計的切削區(qū)的位置和尺寸通常隨著穿透速率的增加和鉆頭上的重量的增加而增加。
一些影響切削區(qū)位置和尺寸的鉆頭設計參數(shù)可以包括，但不限于，切削元件的類型、尺寸、結構和切削元件的數(shù)量、每個滾錐的偏移、相關的滾錐曲線、滾錐的數(shù)量、每個滾錐上切削元件的排的數(shù)量、每個排中切削元件的數(shù)量、每個切削元件的位置、每個切削元件的方向和與每個滾錐相關的主軸或軸承滾柱的角度。
由于切削區(qū)的位置和尺寸取決于鉆頭設計參數(shù)和鉆井參數(shù)，所以用于切削元件60和360的各切削區(qū)的位置和尺寸可以具有很大變化，即使每個切削元件60具有基本相同的尺寸和結構，并且每個切削元件360具有基本相同的尺寸和結構。在保徑排和內排中的切削元件之間可以發(fā)生變化，或者在第一錐上的切削元件與第二和第三錐上的切削元件相比可以變化。參見圖15A、15B、15C、16A、16B和16C。
圖5示出由三個矩陣Xt、Yt和Zt表示的通常為鑿形切削元件的三維網(wǎng)格80。網(wǎng)格80可以表示一些類型的銑削齒。然而，根據(jù)本發(fā)明的教導，也可以將插入形成為鑿形結構。圖5所示的每個網(wǎng)格部分的普通結構和尺寸可以通常描述為具有0.5毫米邊的方塊。然而，每個網(wǎng)格部分82的實際結構和尺寸可以由于相關切削元件的復雜幾何形狀而具有很大變化。
包含本發(fā)明教導的計算機模擬技術可以用于定位或確定相關切削區(qū)和在對應于網(wǎng)格80的切削元件的切削區(qū)上的力曲線或力分布。涉及切削區(qū)和有關力曲線的信息可以用于確定相關負載區(qū)。也可以確定相關負載區(qū)和磨損區(qū)來用于設計每個切削元件、滾錐和相關鉆頭。例如，在切削元件的外部上設置的表面硬化材料的厚度和位置可以根據(jù)由這種計算機模擬確定的應力區(qū)和磨損區(qū)修改。確定應力區(qū)和磨損區(qū)的位置也可以用于預見相關切削元件的失效模式。
根據(jù)所選擇的鉆頭設計參數(shù)和所選擇的鉆井參數(shù)，包含本發(fā)明教導的計算機模擬表明在網(wǎng)格80的部分84中的網(wǎng)格區(qū)段(segment)82和分為網(wǎng)格的地層部分之間具有相對大量的接觸。參見圖7和8。相同的計算機模擬表明，與部分86中的網(wǎng)格區(qū)段82具有相對小量的接觸，在部分88中的網(wǎng)格區(qū)段82和地層之間基本上為零或沒有接觸。結果，網(wǎng)格80的部分84可以對應于用于所選擇的鉆頭設計參數(shù)和所選擇的鉆井參數(shù)的相關切削元件的切削區(qū)。
圖6示出基本上為穹頂形或矛形切削元件的三維網(wǎng)格110。網(wǎng)格110可以由三個矩陣Xt、Yt和Zt表示。網(wǎng)格110可以是一些種類的插入的特征。然而，根據(jù)本發(fā)明的教導，銑削齒也可以形成為穹頂形或矛形結構。網(wǎng)格110可以包括和所描述的網(wǎng)格區(qū)段82相同的普通結構和尺寸的區(qū)段112。然而，由于相關切削元件的復雜幾何形狀，每個網(wǎng)格區(qū)段112的實際結構和尺寸可以具有很大的變化。
包含本發(fā)明教導的計算機模擬技術可以用于定位或確定相關切削區(qū)和與網(wǎng)格110相關的切削元件的切削區(qū)上的力曲線。涉及切削區(qū)和相關力曲線的信息可以用于確定相關負載區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的教導也可以確定相關負載區(qū)和磨損區(qū)來用于設計每個切削元件、滾錐和相關鉆頭。
根據(jù)所選擇的鉆頭設計參數(shù)和所選擇的鉆井參數(shù)，包含本發(fā)明教導的計算機模擬表明在網(wǎng)格110的部分114中的網(wǎng)格區(qū)段112和地層的網(wǎng)格模擬之間具有相對大量的接觸。相同的計算機模擬表明與部分116中的網(wǎng)格區(qū)段112具有相對小量的接觸，在部分118中的網(wǎng)格區(qū)段112和地層之間基本上為零或沒有接觸。結果，網(wǎng)格110的部分114可以對應于用于所選擇的鉆頭設計參數(shù)和所選擇的鉆井參數(shù)的相關切削元件的切削區(qū)。
網(wǎng)格80的切削區(qū)84和網(wǎng)格110的切削區(qū)114表明所選擇的穿透速率和/或頭上的重力足夠大，以至于切削區(qū)84和114基本上覆蓋了相應切削元件的各端。然而，如果選擇了小的穿透速率和/或頭上的重力，那么網(wǎng)格80的切削區(qū)84和網(wǎng)格110的切削區(qū)114的面積可以更小。
圖7是具有拋開部分的截面和立體示意圖，示出在其中形成底孔212的井下地層210。底孔212可以對應于從井表面(未明確示出)到各種地層延伸的井眼端部。通過根據(jù)本發(fā)明教導設計的滾錐鉆頭，可以形成底孔212。例如，具有對應于網(wǎng)格80的切削元件或對應于網(wǎng)格110的切削元件的滾錐鉆頭可以用于形成底孔212。井眼(未明確示出)和底孔212的直徑可以近似對應于用于形成井眼和相關底孔212的保徑直徑。
圖7還示出了對應于底孔212的三維網(wǎng)格220。網(wǎng)格區(qū)段222可以具有和所描述的網(wǎng)格區(qū)段82相同的普通結構和尺寸。然而，由于底孔212的復雜幾何形狀，每個網(wǎng)格區(qū)段222的實際結構和尺寸可以具有很大的變化。
網(wǎng)格220可以由三個矩陣Xh、Yh和Zh表示。對于一些應用，可以將圖7所示的網(wǎng)格220看作在模擬與各鉆頭設計的相互作用之前底孔212的初始狀態(tài)和初始條件。所以，如圖7所示的區(qū)段222可以具有值Xh0、Yh0和Zh0。
用于各切削元件、錐組件和/或鉆頭設計的矩陣Xt、Yt和Zt可以數(shù)學轉換到與在考慮各切削元件、錐組件和/或鉆頭設計和底孔臨近部分之間的相互作用之前的各底孔網(wǎng)格相同的坐標系。例如，用于網(wǎng)格80或網(wǎng)格110的矩陣Xt、Yt和Zt可以數(shù)學轉換到和網(wǎng)格220相同的坐標系上。
圖8是具有拋開部分的截面和立體示意圖，示出相關滾錐鉆頭設計的切削元件和底孔212臨近部分之間的相互作用之后的底孔212。例如，與滾錐鉆頭20相關的切削元件60可以被分為各網(wǎng)格區(qū)段82。然后計算機模擬可以用于模擬銑削通過地層或井下地層210的另外一段距離，其開始于如圖7所示的初始狀態(tài)的鉆孔212。
可以將具有錐組件30a、30b、30c和相關切削元件40和60的滾錐鉆頭20模擬為繞井下地層210的臨近部分轉動或與其結合時間間隔或時間增量t。每個切削元件60的網(wǎng)格區(qū)段82和網(wǎng)格220的網(wǎng)格區(qū)段222之間的相互作用可以用于模擬切削元件60切入或除去底孔212的臨近部分。
可以根據(jù)網(wǎng)格區(qū)段82和網(wǎng)格區(qū)段222之間的各個接觸來確定時間間隔t內的每個切削元件的切削區(qū)?？梢杂勺鴺它cXti、Yti和Zti表示接觸，其中i＝n1～n2。在時間t+Δt，可以確定相同切削元件的切削區(qū)，并由Xtj、Ytj和Ztj表示，其中j＝n3～n4。在后來的時間t+kΔt，每個切削元件的一部分將切入底孔地層的臨近部分。可以為時間間隔t+Δt確定相關切削區(qū)，并由相同的三個矩陣表示。在每個時間間隔，可以為相關切削元件確定各切削區(qū)并由三個矩陣表示。然后的分析用于確定在所選擇的時間間隔內各切削區(qū)中與每個網(wǎng)格區(qū)段82接觸的數(shù)量。可以確定至少與最小數(shù)量的接觸相關的網(wǎng)格區(qū)段。這些網(wǎng)格區(qū)段形成用于相關切削元件的切削區(qū)。例如參見圖5中的切削區(qū)84和圖6中的切削區(qū)114。
根據(jù)本發(fā)明的教導，模擬在所選擇的時間間隔內的井下地層的鉆井可以用于確定每個切削元件的各切削區(qū)的位置和尺寸，其在與切削元件、錐組件和/或鉆頭相關的坐標系中表示?？梢杂膳c井下地層的部分至少具有最小數(shù)量接觸的網(wǎng)格區(qū)段表示每個切削區(qū)?？梢詾槊總€切削元件確定總接觸數(shù)量或給定時間間隔內的切削。在小量的時間間隔內，僅一些網(wǎng)格區(qū)段可以切削或接觸井下地層。在大量的時間間隔內，另一些網(wǎng)格區(qū)段可以切削或接觸井下地層。在大多數(shù)時間接觸井下地層的網(wǎng)格區(qū)段在整體切削區(qū)形成“中心切削區(qū)”。例如，模擬在與如圖5所示的網(wǎng)格80相關的切削元件和具有如圖7和8所示的網(wǎng)格220的底孔212之間的相互作用表明，當相關切削元件設置在滾錐的保徑排中時，相關切削區(qū)84包括中心切削區(qū)84a。參見圖9。
采用多個鉆頭設計和多個鉆井參數(shù)的銑削的模擬表明，一般切削元件的中心切削區(qū)隨相關鉆井參數(shù)的變化保持相對恒定。結果，在設計切削元件和相關鉆頭之后，每個切削元件的各中心切削區(qū)可以保持相對恒定，盡管鉆井參數(shù)變化。
根據(jù)本發(fā)明的教導，使用類似于那些用于確定切削區(qū)的過程和技術可以確定在每個切削元件的每個切削區(qū)上的各個力的曲線。在每個時間間隔或時間增量的末期，可以由六個矩陣Xt、Yt、Zt、Fn、Ft和Fr表示作用在各切削區(qū)上的力。前三個矩陣代表各切削區(qū)的位置和尺寸。后三個矩陣表示法向力、切向力和徑向力，它們作用在設置在切削區(qū)內的網(wǎng)格區(qū)段上。至于Fn、Ft和Fr的方向，參見圖4。
根據(jù)本發(fā)明的教導，模擬在所選擇的時間間隔內的井下地層的鉆井可以用于確定作用在幾個時間間隔內各切削區(qū)中設置的每個網(wǎng)格區(qū)段上的平均力。作用在每個網(wǎng)格區(qū)段上的平均力在各切削區(qū)上形成受力曲線?？梢詫⑾嚓P切削元件各負載區(qū)的位置和尺寸表示在與切削元件、各錐組件和/或鉆頭相關的坐標系中。例如參見圖10中的負載區(qū)90。
通過具有等于或大于所選擇的最小值的網(wǎng)格區(qū)段，可以限定每個負載區(qū)。在小量時間間隔內僅一些網(wǎng)格區(qū)段受到最小的平均力。在大多數(shù)的時間間隔內另一些網(wǎng)格區(qū)段可以受到至少最小的平均力。在整個負載區(qū)內這些網(wǎng)格區(qū)段形成“中心負載區(qū)”。例如參見圖10中的中心負載區(qū)90a。
圖9是示出用于具有例如圖5所示的網(wǎng)格80的切削元件的切削區(qū)和中心切削區(qū)的三維模型的示意圖。對于該實施方式，可以在滾錐的保徑排中設置切削元件。如前所述，網(wǎng)格80的部分86具有相對小量的接觸，部分88與臨近的底孔212具有基本為零的接觸。
如圖所示的網(wǎng)格80a是作用在每個網(wǎng)格區(qū)段82的平均力的分布。所以，網(wǎng)格80a的結構基本上不同于網(wǎng)格80的結構。在如圖9所示的網(wǎng)格80和具有如圖7和8所示的網(wǎng)格220的底孔220之間的模擬相互作用表明，當相關切削元件設置在滾錐的保徑排中時，相應的切削元件可以具有負載區(qū)90和中心負載區(qū)90a。
具有多個鉆頭設計和多個鉆井參數(shù)的銑削模擬表明，一般切削元件的中心負載區(qū)隨相關鉆井參數(shù)的變化保持相對恒定。結果，在設計切削元件和相關鉆頭之后，每個切削元件的各中心負載區(qū)可以保持相對恒定，盡管井下鉆井參數(shù)變化。
圖11和12示出與在相關滾錐組件上的切削元件的位置的改變有關的切削區(qū)和負載區(qū)的變化。無論是否設置在相關滾錐的保徑排或內排中，相同的三維網(wǎng)格通常可以用于切削元件。圖11包括用于如圖5所示的相同的切削元件的基本相同的網(wǎng)格80。
使用相同的鉆井參數(shù)和相同的鉆頭設計參數(shù)，除了改變從保徑排到內排的切削元件的位置，包含本發(fā)明教導的計算機模擬可以表明在網(wǎng)格80的部分184中的網(wǎng)格區(qū)段82和地層部分之間的相對大量的接觸。相同的計算機模擬可以表明在部分188中的網(wǎng)格區(qū)段82和地層部分之間基本上為零或無接觸。結果，與設置在保徑排中的相同切削元件相比，當相關切削元件設置在用于相同鉆頭設計參數(shù)和鉆井參數(shù)的內排中時，如圖11所示的網(wǎng)格80的所得部分184可以對應于切削區(qū)。比較圖9和圖11。
如圖12所示的網(wǎng)格80b是作用在每個網(wǎng)格區(qū)段82的平均力分布。所以，網(wǎng)格80b的結構基本上不同于網(wǎng)格80的結構。在如圖11所示的網(wǎng)格80和具有如圖7和8所示的網(wǎng)格220的底孔212之間的模擬相互作用表明當相關切削元件設置在滾錐內排中時，網(wǎng)格80b包括負載區(qū)290和中心負載區(qū)290a。
圖13和14是示出切削區(qū)、中心切削區(qū)、負載區(qū)和中心負載區(qū)的三維網(wǎng)格模型的示意圖，根據(jù)本發(fā)明的教導它可以被計算或確定出來。
圖13示出了對應于在滾錐外部形成的銑削齒的三維網(wǎng)格380。例如參見圖3中的滾錐330和切削元件360。網(wǎng)格380可以包括具有和所描述的網(wǎng)格區(qū)段82相同的普通結構和尺寸的區(qū)段382。然而，由于相關銑削齒的復雜特性，每個網(wǎng)格區(qū)段382的實際結構和尺寸可以具有很大變化。
根據(jù)網(wǎng)格部分382和地層部分的接觸數(shù)量，包含本發(fā)明教導的計算機模擬可以用于定位或確定相關切削區(qū)384和中心區(qū)384a。相同的計算機模擬可以表明和部分386中的網(wǎng)格區(qū)段382為相對小量的接觸，在部分388中的網(wǎng)格區(qū)段382和地層部分之間基本上為零或無接觸。
如圖14所示的網(wǎng)格380a是作用在每個網(wǎng)格區(qū)段382的平均力分布。所以，網(wǎng)格380a的結構基本上不同于網(wǎng)格380的結構。在如圖13所示的網(wǎng)格380和底孔的網(wǎng)格模型之間的模擬相互作用可以表明相關的銑削齒將具有負載區(qū)390和中心負載區(qū)390a。
類似的過程和技術可以用于確定與根據(jù)本發(fā)明教導的銑削齒相關的切削區(qū)384上的各受力曲線。在每個時間間隔或時間增量的末期，可以由矩陣Xt、Yt、Zt、Fn、Ft和Fr表示作用在各切削區(qū)384上的力。
根據(jù)本發(fā)明的教導，在選擇的時間間隔內的井下地層的模擬銑削可以用于確定作用在切削區(qū)384內設置的每個網(wǎng)格區(qū)段382上的平均力。作用在每個網(wǎng)格區(qū)段382上的平均力形成切削區(qū)384的力曲線?？梢杂膳c切削元件、各錐組件和/或鉆頭相關的坐標表示各負載區(qū)390a的位置和尺寸。
通過具有等于或大于所選擇的最小值的網(wǎng)格區(qū)段382，可以限定負載區(qū)390。在小量時間間隔內僅一些網(wǎng)格區(qū)段382受到最小的力。在大多數(shù)的時間間隔內另一些網(wǎng)格區(qū)段382可以受到至少最小的平均力。在載區(qū)內390內這些網(wǎng)格區(qū)段382形成中心負載區(qū)390。參見圖14。
圖15A、15B和15C為滾錐30a、30b和30c的示意圖。根據(jù)所選擇的鉆頭時間參數(shù)和所選擇的鉆井參數(shù)，包含本發(fā)明教導的計算機模擬可以表明在各切削元件60上的每個切削區(qū)84的位置。根據(jù)鉆井模擬的結果，并比較相關鉆井性能，可以將切削元件60和/或相關滾錐30a、30b和30c的設計修改成使相關滾錐鉆頭20獲得最佳鉆井性能?？梢赃M行類似的計算和確定以示出與每個切削元件60相關的負載區(qū)、磨損區(qū)和/或應力區(qū)。
圖16A、16B和16C為錐組件330a、330b和330c的示意圖。每個錐組件330a、330b和330c包括在其外部上的各排內設置的多個銑削齒切削元件360。包含本發(fā)明教導的計算機模型和計算機模擬可以用于確定在每個切削元件360上的各切削區(qū)384。如圖16A、16B和16C所示，在每個切削元件360上的切削區(qū)384可以具有不同的結構和位置。根據(jù)本發(fā)明的教導，可以將每個切削區(qū)384的方向、間隔和尺寸選擇成使一個或多個鉆井性能標準最優(yōu)化。也可以在每個切削區(qū)384上沉積一層或多層表面硬化材料(未明確示出)，以便使相關銑削齒360的不期望的磨損最小化?？梢愿鶕?jù)本發(fā)明的教導確定每層硬化材料的位置尺寸和結構。
在為相關滾錐鉆頭的每個切削元件確定切削區(qū)和負載區(qū)(在切削區(qū)上的受力曲線)之后，可以進行有限的元件分析以確定在每個切削元件上的應力分布。然后可以計算與每個網(wǎng)格區(qū)段相關的應力量或值，并可以確定每個切削元件的各應力區(qū)。如圖22和23所示，應力區(qū)的位置經(jīng)常與相關切削區(qū)或負載區(qū)不同。每個應力區(qū)的位置取決于各種鉆頭設計參數(shù)，它們包括但不限于相關負載區(qū)的位置和相關切削元件的幾何形狀。
切削元件或切削結構的失效模式通常取決于作用在每個切削元件或切削結構上的應力值?？梢詫е虑邢髟颓邢鹘Y構失效的兩種應力包括在切削元件或切削結構的制造期間產生的殘余應力和在井下鉆井期間產生的施加應力。
通常形成(銑削)為相關滾錐整體零件的銑削齒僅當將表面硬化材料施加到每個銑削齒外部時具有殘余應力。銑削齒的失效模式主要由在井下鉆井期間與施加應力相關的磨損和斷裂引起。
通常通過壓制和/或燒結硬質材料形成為單個零件的插入件和嵌入件一般由相關制造工藝產生殘余應力。與滾錐鉆頭相關的插入件可以被分成三組-碳化鎢插入件(TCI)、金剛石加強插入件(DEI)和復合插入件(CI)。
題目為“Diamond Enhanced Insert for Rolling Cutter Bit”的美國專利6105694、題目為”Superhard Enhanced Inserts for Earth-BoringBits”的美國專利6241035、題目為“Drill Bit Having DiamondImpregnated Inserts Primary Cutting Structure”的美國專利6394202以及題目為“Drill Bit Having Diamond Impregnated Inserts PrimaryCutting Structure”的美國專利6725953中公開了金剛石加強插入件和復合插入件的例子。題目為“Roller Cone Gage Surface CuttingElements With Multiple Hard Cutting Surfaces”的美國專利5722497和題目為“Hardfacing With Coated Diamond Particles”的美國專利5755298也公開了可以滿足用于形成根據(jù)本發(fā)明教導的切削元件和切削結構的另外的硬質材料。
在一般的碳化鎢插入件中，殘余應力經(jīng)常大大低于施加應力。在一般的金剛石加強插入件中，殘余應力大大高于施加應力。根據(jù)本發(fā)明的教導，通過設計在每個金剛石層和相關碳化鎢襯底之間的界面可以顯著減小金剛石加強插入件的殘余應力。根據(jù)本發(fā)明的教導，通過設計復合插入件也可以減小與復合插入件制造相關的殘余應力。
與插入和銑削齒相關的失效模式之一是引起裂紋的疲勞。這種失效或裂紋經(jīng)常在每個應力區(qū)的最高應力部分開始。隨著在切削元件和地層臨近部分之間的經(jīng)?；蚺鲎矓?shù)量的增加，各切削元件上的任何表面裂紋可以快速傳播到切削元件的其它區(qū)段。引起裂紋的疲勞繼續(xù)傳播，一直到裂紋長度足夠使一部分切削元件掉片或使相關切削元件完全斷裂。確定滾錐鉆頭每個切削元件上的切削區(qū)和應力區(qū)的位置可以用于預測每個切削元件從疲勞引起裂紋的掉片或斷裂。本發(fā)明允許在發(fā)生各切削元件掉片和/或斷裂之前，高可能性地確定疲勞引起裂紋的初始位置和井下鉆井壽命或時間。
切削元件的磨損直接與作用在各切削元件上的力或應力、每個切削元件的滑動速度、每個切削元件的各個溫度、每個切削元件暴露到高溫和力或應力下的時間量有關。和與固定切刀或PDC鉆頭相比，與滾錐鉆頭相關的切削元件通常經(jīng)歷基本上不同的磨損模式。
在固定切刀鉆頭中，相關切削元件幾乎一直與井下地層接觸。結果，與固定切刀鉆頭相關的切削元件的磨損通常與鉆井時間成正比。然而，與滾錐鉆頭相關的切削元件在相關鉆頭的每轉期間通常與底孔地層的臨近部分僅接觸相對短的時期?；旧显诟鹘佑|時期內，每個切削元件的溫度升高。在每個切削元件離開井下地層后，通過鉆井液的流動，通常在接觸時期內產生的溫度將顯著降低。參見圖1中的管口26。所以，在與臨近地層接觸的短時期內，一般很難估計由滾錐鉆頭的切削元件產生的溫度。
可以使用下面的通式來預測切削元件的磨損w＝(k)×(f)×(v)×(t)。
“w”是磨損高度?！発”對應于與用于形成每個切削元件相關的常數(shù)?！癴”是作用在每個切削元件上的力?！皏”是切削元件的滑動速度。“t”對應于在切削元件和相鄰地層之間的接觸時間。
通過計算在底孔部分上的每個切削元件的距離或軌跡和滑動速度來確定接觸時間t。根據(jù)本發(fā)明的教導使切削元件網(wǎng)格化并計算切削區(qū)、負載區(qū)、應力區(qū)和磨損區(qū)，在滾錐鉆頭的每個切削元件與地層的相鄰部分結合時，可以導致對接觸時間和相關溫度的更好預測。
圖17-23示出在滾錐鉆頭和底孔地層臨近部分之間的相互作用的計算機模擬如何用于修改或改變切削元件設計的例子。相同的技術和過程也可以用于修改錐組件和/或滾錐鉆頭的設計。圖17是示出由圓柱體62和延伸部64部分限定的切削元件或插入件60的示意圖。
在切削元件60和具有底孔212的臨近部分的相關滾錐鉆頭之間的相互作用表示區(qū)域74a對應于取決于計算機模擬和相關計算類型的相關中心切削區(qū)、中心負載區(qū)和/或中心應力區(qū)。對于一些應用，根據(jù)本發(fā)明的教導，可以在各磨損區(qū)的切削元件中設置硬質材料。參見圖18、20、21A和21B。有時可以將所得切削元件描述為“復合插入”。根據(jù)本發(fā)明的教導，也可以將硬質材料設置在各磨損區(qū)的切削元件的外部。
根據(jù)每個區(qū)域74a的位置和尺寸，對切削元件60的設計和/或結構可以進行各種變化，以確定那種設計改變可以優(yōu)化相關滾錐鉆頭的性能。對于一些應用，諸如應力區(qū)和/或磨損區(qū)的設計分析和比較表明具有提高硬度的材料的相對大的區(qū)段應該被插入或設置在延伸64內。所得的切削元件60a在圖18中示出，插入件76a由在延伸64a內設置的很硬的材料形成?？梢曰诟鶕?jù)本發(fā)明教導進行的鉆井模擬選擇硬質材料插入件76a的位置、尺寸和方向。對于該實施方式，硬質材料插入件76a可以大于區(qū)域74a。
如前所述，滾錐組件上切削元件的位置可以改變用于相同鉆頭設計和相同鉆井參數(shù)的相關切削區(qū)、負載區(qū)、應力區(qū)和/或磨損區(qū)的位置。圖19示出當切削元件60置于相關滾錐組件上的不同位置時，與區(qū)域74a的位置和尺寸相比，區(qū)域74b將改變。一系列根據(jù)本發(fā)明教導的鉆井模擬表明由設置在延伸64b內的相對硬的材料形成的插入76b將優(yōu)化相關鉆頭設計的鉆井性能。對于該實施方式，復合插入76b可以具有普通結構的具有端面的圓柱，其與延伸64b的外部結構相對應。
圖21A是示出切削元件或插入件60的示意圖。根據(jù)本發(fā)明的教導，在切削元件60和具有底孔212的臨近部分的相關滾錐鉆頭之間的相互作用的計算機模擬可以用于確定中心負載區(qū)90c和由網(wǎng)格80c表示的相關三維力曲線。根據(jù)三維力曲線80c的結構和尺寸，硬質材料插入件76c可以用相應的受到贊揚的(complimentary)或鏡像尺寸和結構來設計。硬質材料插入件76c的結構和尺寸通常和三維力曲線80c是對稱的。參見圖21B。
硬質材料插入件76c可以設置在與中心負載區(qū)90c相關的三維力曲線80c相對的錐60的延伸部64中。錐負載區(qū)90c的周長通常對應于在和插入件60的延伸部64相交的網(wǎng)格80c的周長。中心負載區(qū)90c的周長也通常對應于和延伸部64的外部臨近的硬質材料插入件76c的周長。
圖22是示出在錐組件330的外部上設置的切削元件或銑削齒360a的示意圖。在銑削齒360a和具有底孔212的臨近部分的相關滾錐鉆頭之間的相互作用的計算機模擬可以用于確定相關中心負載區(qū)90d和中心應力區(qū)78c和78d。根據(jù)計算機模擬的結果，可以修改銑削齒360a的設計以便通過形成在錐組件330的外部和銑削齒360b之間延伸的半徑部分362而形成如圖23所示的銑削齒360b。根據(jù)包含本發(fā)明教導的計算機模擬，可以修改半徑部分362的尺寸和位置，以便優(yōu)化所得切削元件或銑削齒360b和相關滾錐鉆頭的井下鉆井性能。例如與銑削齒360a的中心應力區(qū)78c和78d相比，雖然中心負載區(qū)90d相同，但中心應力區(qū)78e和78f卻大大減小。
圖24是一個方框圖，示出與具有包含本發(fā)明教導的切削元件和切削結構的滾錐鉆頭的一個設計方法相關的各個步驟。方法170從步驟172開始，為了所得滾錐鉆頭設計的最佳鉆井性能，選擇一個或多個標準。最佳鉆井性能的一個標準是鉆頭模擬穿透速率或模擬鉆頭鉆井壽命。在步驟174可以選擇各種鉆井參數(shù)。在步驟176可以選擇各種滾錐鉆頭設計參數(shù)，例如被Independent Association of DrillingContractors(IADC)確認的編碼(code)和在本應用中所討論的。
然后在步驟178進行滾錐鉆頭的初始設計。包括切削元件、滾錐組件和滾錐鉆頭的各種零件可以放置在切削元件、滾錐和頭坐標系中，作為設計工藝的部分。在步驟180，每個切削元件可以被劃分成網(wǎng)格，地層底孔部分也可以被分為網(wǎng)格。在步驟182可以進行滾錐鉆頭和所選擇的地層的模擬鉆井。
在步驟184，可以根據(jù)在每個切削元件的網(wǎng)格區(qū)段和地層的網(wǎng)格區(qū)段之間的接觸數(shù)量確定在每個切削元件上的各切削區(qū)和各中心切削區(qū)。在步驟186，在每個切削區(qū)上可以確定力曲線或力分布。在步驟188，在每個切削區(qū)上可以確定磨損曲線。在步驟190，為每個切削元件確定每個負載區(qū)、應力區(qū)和磨損區(qū)。
在步驟192可以評價模擬的結果，以便根據(jù)在步驟172確定初始鉆頭設計是否優(yōu)化了鉆井性能。如果答案是否定的，那么進行改變以優(yōu)化鉆井性能標準，或者重復步驟174到190直到接下來的鉆頭設計在方法結束的時候提供最佳的鉆井性能。
盡管已經(jīng)具體描述了本發(fā)明及其優(yōu)點，但應該理解，在不脫離由下面的權利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對其進行各種修改、替換和選擇。
權利要求
1.一種用于設計在地層中形成井眼的滾錐鉆頭的方法，包括采用從一組參數(shù)中選擇出的至少一個鉆頭設計參數(shù)初始設計鉆頭，該組參數(shù)由下列參數(shù)構成切削元件的種類、尺寸、切削元件的結構和數(shù)量、每個滾錐的各個偏移、各滾錐的型面、滾錐的數(shù)量、在每個滾錐上切削元件的排的數(shù)量、每個排中切削元件的數(shù)量、每個切削元件的位置和每個切削元件的方向；采用所述初始鉆頭設計和從一組參數(shù)中選擇出的至少一個鉆井參數(shù)模擬鉆井一部分地層，該組參數(shù)由下列參數(shù)構成鉆頭上的重量、穿透速率、鉆頭旋轉速率、鉆孔深度、底孔溫度、底孔壓力、井眼與垂直方向的偏離、與相關井表面的距離、地層類型、地層硬度和井眼直徑；以及基于采用所述至少一個初始鉆頭設計參數(shù)和所述至少一個鉆井參數(shù)的所述鉆井模擬，確定從一組特征中選擇出的用于每個切削元件的至少一個特征，該組特征由如下特征構成切削區(qū)、負載區(qū)、應力區(qū)和磨損區(qū)。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括修改至少一個用于鉆頭的鉆頭設計參數(shù)；采用修改后的鉆頭設計參數(shù)和所述至少一個鉆井參數(shù)模擬鉆通地層；以及比較在修改所述至少一個鉆頭設計參數(shù)之前的鉆頭設計的模擬鉆井性能和在修改所述至少一個鉆頭設計參數(shù)之后的鉆頭設計的模擬鉆井性能。
3.如權利要求2所述的方法，進一步包括重復模擬和修改鉆頭設計，直到一個鉆頭設計的模擬鉆井性能的變化小于在修改之前的鉆頭設計的模擬鉆井性能和至少另一個先前的鉆頭設計的之間的變化。
4.如權利要求1所述的方法，其中，修改至少一個鉆頭設計參數(shù)包括改變在至少一個錐上的切削元件的數(shù)量。
5.如權利要求1所述的方法，其中，修改至少一個鉆頭設計參數(shù)包括改變在至少一個滾錐上的至少一個切削元件的位置。
6.如權利要求1所述的方法，其中，修改至少一個鉆頭設計參數(shù)包括改變至少一個切削元件的方向。
7.如權利要求1所述的方法，進一步包括重復模擬和修改至少一個鉆頭設計參數(shù)，直到修改后的鉆頭設計的模擬穿透速率比先前的鉆頭設計的提高。
8.如權利要求1所述的方法，進一步包括重復模擬和修改至少一個鉆頭設計參數(shù)，直到修改后的鉆頭設計的模擬井下鉆井壽命比先前的鉆頭設計的提高。
9.如權利要求1所述的方法，進一步包括基于從一組中選擇的鉆井性能評價每個鉆頭設計的性能，該組由下列構成穿透速率、施加到每個切削元件的力，由每個切削元件除去的地層材料的量、由每個切削元件執(zhí)行的工作、由每個滾錐執(zhí)行的工作、由各鉆頭設計執(zhí)行的工作和井下鉆井壽命。
10.如權利要求1所述的方法，進一步包括計算用于每個切削元件的三維網(wǎng)格；計算用在模擬鉆井中的地層部分的三維網(wǎng)格；模擬每個切削元件和地層部分在選擇的鉆井時間間隔中的相互作用；確定在選擇的鉆井時間間隔期間每個切削元件的每個網(wǎng)格區(qū)段和地層的網(wǎng)格區(qū)段之間的接觸；計算在選擇的鉆井時間間隔期間作用在每個切削元件的每個網(wǎng)格區(qū)段上的力；以及確定每個切削元件的切削區(qū)和各個力曲線。
11.如權利要求1所述的方法，進一步包括計算具有用于每個切削元件的大量小區(qū)段的三維網(wǎng)格；確定每個切削元件的網(wǎng)格區(qū)段，該切削元件在所選擇的模擬鉆井時間間隔內切入地層部分；在所選擇的模擬鉆井時間間隔內，根據(jù)具有與地層部分接觸的網(wǎng)格區(qū)段的數(shù)量，確定每個切削元件的切削區(qū)；確定每個網(wǎng)格區(qū)段的位置，在另外的模擬鉆井時間間隔內該區(qū)段與地層部分相互作用；以及通過確定每個切削元件的網(wǎng)格區(qū)段來確定每個切削元件的中心切削區(qū)，該切削元件在每個模擬鉆井時間間隔內接合地層部分，而不考慮井下鉆井參數(shù)的變化。
12.如權利要求1所述的方法，進一步包括在選擇的鉆井時間間隔內確定用于每個切削元件的力曲線。
13.如權利要求12所述的方法，進一步包括在所選擇的鉆井時間間隔內在各切削區(qū)中確定作用在切削元件的每個網(wǎng)格區(qū)段上的平均力；根據(jù)作用在切削區(qū)的每個網(wǎng)格區(qū)段的平均力確定力曲線；以及在切削區(qū)上應用力曲線以確定相關負載區(qū)。
14.如權利要求13所述的方法，進一步包括使用有限元件技術，根據(jù)各切削區(qū)和負載區(qū)，確定每個切削元件的應力區(qū)；以及確定在每個切削元件上的最高應力的位置。
15.如權利要求14所述的方法，進一步包括根據(jù)相關應力區(qū)計算每個切削元件的預見的齒失效模式。
16.如權利要求14所述的方法，進一步包括根據(jù)各個力曲線和各切削元件的滑動速度、底孔溫度和各切削元件接觸地層的時間長度，計算每個切削元件的相應磨損區(qū)。
17.如權利要求14所述的方法，進一步包括使用一個通式來確定每個切削元件的磨損區(qū)，其中通式為磨損高度等于與用于形成每個切削元件的材料相關的常數(shù)乘以作用在每個切削元件上的力乘以各切削元件相對于地層的滑動速度乘以各切削元件和地層之間的接觸時間。
18.如權利要求14所述的方法，進一步包括通過計算每個切削元件相對于井眼底孔的軌跡的距離和各切削元件的滑動速度來確定在每個切削元件和地層之間的接觸時間。
19.如權利要求1所述的方法，其中，鉆井參數(shù)包括鉆頭的總鉆井壽命。
20.如權利要求1所述的方法，進一步包括修改至少一個鉆頭設計參數(shù)以優(yōu)化鉆頭設計的鉆井性能。
21.如權利要求1所述的方法，進一步包括修改至少一個鉆頭設計參數(shù)以優(yōu)化鉆頭壽命上的穿透速率。
22.如權利要求1所述的方法，進一步包括修改至少一個鉆頭設計參數(shù)以優(yōu)化穿透速率并使總的鉆頭鉆井壽命最大化。
23.一種滾錐鉆頭，包括具有至少一個從其延伸的支撐臂的頭體；相應的錐組件，其可旋轉地安裝在每個支撐臂上，用于與地下地層接合以形成井眼；每個錐組件具有從相關支撐臂延伸的相應旋轉軸；每個錐組件具有至少一排切削元件；以及根據(jù)各切削元件和地下地層部分的模擬相互作用，每個切削元件被設計成在各切削元件的最佳位置具有相應的切削區(qū)和相應的負載區(qū)。
24.如權利要求23所述的鉆頭，其中，切削元件包括多個連接到錐組件上的插入件。
25.如權利要求23所述的鉆頭，其中，切削元件包括多個形成為錐組件部分的銑削齒。
26.一種用于設計滾錐鉆頭的方法，包括選擇鉆井參數(shù)；選擇鉆頭設計參數(shù)；根據(jù)選擇的鉆頭設計參數(shù)和選擇的鉆井參數(shù)初始設計鉆頭和相關切削元件；模擬在鉆頭設計的每個切削元件和地層部分之間的相互作用；確定每個切削元件的各切削區(qū)；確定每個切削區(qū)的各個力曲線和各個磨損曲線；以及重復上述步驟以獲得所需的鉆頭的鉆井性能標準。
27.如權利要求26所述的方法，進一步包括選擇至少一個鉆頭設計參數(shù)以使相關切削元件的磨損最小化。
28.如權利要求26所述的方法，進一步包括選擇用于形成每個切削元件的材料。
29.如權利要求26所述的方法，進一步包括選擇用于每個切削元件的尺寸、幾何形狀和方向。
30.如權利要求26所述的方法，進一步包括初始設計具有銑削齒類型的切削元件的鉆頭；根據(jù)各個力曲線確定每個切削元件的相關負載區(qū)；根據(jù)各個磨損曲線確定每個切削元件的相關磨損區(qū)；以及根據(jù)相關的切削區(qū)、負載區(qū)和磨損區(qū)的位置確定設置在每個銑削齒外部上的硬質材料層的最佳位置、厚度和分布。
31.如權利要求26所述的方法，進一步包括初始設計具有插入型切削元件的鉆頭；以及根據(jù)相關中心負載區(qū)的位置和與每個中心負載區(qū)相關的各三維力曲線確定設置在每個切削元件內的硬質材料的最佳位置和形狀。
32.一種滾錐鉆頭，包括具有三個從其延伸的支撐臂的頭體；相應的錐組件，其可旋轉地安裝在每個支撐臂上，用于與地下地層接合以形成井眼；每個錐組件具有相應的多排切削元件；以及根據(jù)鉆頭與各切削元件和地下地層部分的模擬相互作用，每個切削元件被設計成在各切削元件的最佳位置處具有相應的切削區(qū)和相應的負載區(qū)。
33.如權利要求32所述的鉆頭，其中，切削元件包括多個連接到錐組件的插入件。
34.如權利要求32所述的鉆頭，其中，切削元件包括多個形成為錐組件部分的銑削齒。
35.如權利要求32所述的鉆頭，其中，每個切削元件包括相應的磨損區(qū)以優(yōu)化鉆頭的鉆井壽命。
36.如權利要求32所述的鉆頭，其中，每個切削元件包括相應的應力區(qū)以優(yōu)化鉆頭的鉆井壽命。
37.如權利要求32所述的鉆頭，進一步包括設計成優(yōu)化通過地下地層的鉆頭穿透速率的每個切削元件的相應的切削區(qū)。
38.如權利要求32所述的鉆頭，進一步包括設計成優(yōu)化通過地下地層的鉆頭穿透速率的每個切削元件的相應的負載區(qū)。
39.一種用于設計具有最佳鉆頭設計參數(shù)以在地層中形成井眼的滾錐鉆頭的方法，包括采用從一組參數(shù)中選擇出的至少一個鉆頭設計參數(shù)初始設計鉆頭，該組參數(shù)由下列參數(shù)構成切削元件的種類、尺寸、切削元件的結構和數(shù)量、每個滾錐的各個偏移、各滾錐的型面、滾錐的數(shù)量、在每個滾錐上的切削元件的排的數(shù)量、每個排中切削元件的數(shù)量、每個切削元件的位置和每個切削元件的方向；采用所述初始鉆頭設計和從一組參數(shù)中選擇的至少一個鉆井參數(shù)模擬鉆井地層部分，該組參數(shù)由下列參數(shù)構成鉆頭上的重量、穿透速率、鉆頭旋轉速率、鉆孔深度、底孔溫度、底孔壓力、井眼與垂直方向的偏離、與相關井表面的距離、地層類型、地層硬度和井眼直徑；基于采用所述至少一個初始鉆頭設計參數(shù)和所述至少一個鉆井參數(shù)的所述鉆井模擬，確定從一組特征中選擇的用于每個切削元件的至少一個特征，該組特征由如下特征構成切削區(qū)、負載區(qū)、應力區(qū)和磨損區(qū)；修改用于鉆頭的至少一個鉆頭設計參數(shù)；采用修改后的鉆頭設計參數(shù)和所述至少一個鉆井參數(shù)模擬鉆井地層部分；以及比較在修改至少一個鉆頭設計參數(shù)之前的鉆頭設計的模擬鉆井性能和在修改至少一個鉆頭設計參數(shù)之后的鉆頭設計的模擬鉆井性能。
40.如權利要求39所述的方法，進一步包括重復模擬和修改鉆頭設計參數(shù)，直到一個鉆頭設計的模擬鉆井性能的變化小于在修改之前的鉆頭設計的模擬鉆井性能和至少另一個先前的鉆頭設計的之間的變化。
41.如權利要求39所述的方法，進一步包括重復模擬和修改至少一個鉆頭設計參數(shù)，直到修改后的鉆頭設計的模擬穿透速率比先前的鉆頭設計的提高。
42.如權利要求39所述的方法，進一步包括重復模擬和修改至少一個鉆頭設計參數(shù)，直到修改后的鉆頭設計的模擬井下鉆井壽命比先前的鉆頭設計的提高。
43.如權利要求39所述的方法，進一步包括根據(jù)從一組中選擇出的鉆井性能評價每個鉆頭設計的性能，該組由下列構成穿透速率、施加到每個切削元件上的力，由每個切削元件除去的地層材料的量、由每個切削元件執(zhí)行的工作、由每個滾錐執(zhí)行的工作、由各鉆頭設計執(zhí)行的工作和井下鉆井壽命。
44.如權利要求39所述的方法，進一步包括計算用于每個切削元件的三維網(wǎng)格；計算用在模擬鉆井中的地層的每部分的三維網(wǎng)格；模擬每個切削元件和地層的每部分在選擇鉆井時間間隔內的相互作用；確定在選擇的鉆井時間間隔內每個切削元件的每個網(wǎng)格區(qū)段和地層的網(wǎng)格區(qū)段之間的接觸；計算在選擇的鉆井時間間隔內作用在每個切削元件的每個網(wǎng)格區(qū)段上的力；以及確定每個切削元件的切削區(qū)和相應的力曲線。
45.如權利要求39所述的方法，進一步包括計算具有用于每個切削元件的大量小區(qū)段的三維網(wǎng)格；確定每個切削元件的網(wǎng)格區(qū)段，該切削元件在所選擇的模擬鉆井時間間隔內切入地層的相鄰部分；在所選擇的模擬鉆井時間間隔內，根據(jù)具有與地層的相應部分接觸的網(wǎng)格區(qū)段的數(shù)量，確定每個切削元件的切削區(qū)；確定每個網(wǎng)格區(qū)段的位置，在另外的模擬鉆井時間間隔內該區(qū)段與地層部分相互作用；以及通過確定每個切削元件的網(wǎng)格區(qū)段來確定每個切削元件的中心切削區(qū)，該切削元件在每個模擬鉆井時間間隔內接合地層部分，而不考慮井下鉆井參數(shù)的變化。
全文摘要
形成具有優(yōu)化以提高相關鉆頭的井下鉆井壽命的切削元件和切削結構的滾錐鉆頭?？梢酝ㄟ^將每個切削元件用網(wǎng)格精細地分成許多小區(qū)段來分析每個切削元件的切削區(qū)、負載區(qū)和磨損區(qū)。在不連續(xù)的鉆井時期可以確定在每個網(wǎng)格區(qū)段和井下地層部分之間的接觸數(shù)量。在不連續(xù)的鉆井時期也可以確定每個區(qū)段相對于井下地層部分的滑動速度分布。每個切削區(qū)的力曲線可以用于確定相關負載區(qū)。通過相關力曲線與相關滑動速度分布的結合可以估計每個切削元件的磨損曲線。
文檔編號E21B10/16GK1782321SQ20051012860
公開日2006年6月7日 申請日期2005年11月22日 優(yōu)先權日2004年11月22日
發(fā)明者陳世林 申請人:霍利貝頓能源服務公司