專(zhuān)利名稱(chēng)：低摩擦力地下鉆頭及有關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如用于地下采礦和鉆地下油井和氣井的那些地下鉆頭以及制造和使用這種地下鉆頭的方法。
在如勘探烴的地下鉆探中，使用一種旋轉(zhuǎn)鉆頭，以打出穿過(guò)地下土層結(jié)構(gòu)的鉆孔。雖然在現(xiàn)有技術(shù)中已知有多種地下鉆頭結(jié)構(gòu)，但這些結(jié)構(gòu)大致可歸納為兩種(1)滾柱錐形鉆頭，和(2)固定切割齒鉆頭。本發(fā)明主要屬于固定切割齒鉆頭。在本文件中所用的名詞“固定切割齒鉆頭”，是指其切割件或切割齒的切割表面的位置相對(duì)于鉆頭體是固定的地下鉆頭，雖然固定切割齒鉆頭的具體設(shè)計(jì)和外形有相當(dāng)大的變化，但這種鉆頭具有一些共同的特點(diǎn)。國(guó)際鉆探承包商協(xié)會(huì)(IADC)最近采用了一種以這些共同特點(diǎn)為基礎(chǔ)的固定切割齒鉆頭分類(lèi)系統(tǒng)。有關(guān)這方面請(qǐng)參閱例如由W.J.Winters和H.H.Doiron于1987年3月15至18日在路易斯安那州新奧爾良召開(kāi)的1987年石油工程師學(xué)會(huì)(SPE/IADC)鉆探會(huì)議上發(fā)表的“1987年IADC固定切割齒鉆頭分類(lèi)系統(tǒng)”一文。
在最近幾年里，使用金剛石材料作為切割媒質(zhì)的固定切割齒地下鉆頭結(jié)構(gòu)(設(shè)計(jì))在石油和氣體工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是用于具有較軟到中等硬度的地層結(jié)構(gòu)。在這些固定切割齒金剛石鉆頭中的切割媒質(zhì)通常包括天然金剛石，多晶金剛石壓實(shí)材料或熱穩(wěn)定多晶金剛石材料。固定切割齒金剛石鉆頭通常包括多個(gè)分布在鉆頭體上的金剛石切割齒。雖然固定切割齒金剛石鉆頭較昂貴，但它們的較高的鉆進(jìn)速度(ROP)(鉆頭鉆過(guò)地下地殼材料的速度)提高了人們對(duì)它的需求，并且在有些用途中是必不可少的。
盡管固定切割齒地下鉆頭普遍地被采用，由于它們較易斷裂，所以在工業(yè)界引起較大的關(guān)注。鉆頭的使用者和鉆頭制造商發(fā)現(xiàn)較精確地控制加在鉆頭上的重量(Weight-on-bit)(WOB)并提高其旋轉(zhuǎn)速度(RPM)，能提高鉆進(jìn)速度。但是轉(zhuǎn)速提高后，由于鉆頭上的諸切割齒受磨損破壞并有時(shí)從鉆頭體上猛裂地?cái)嚅_(kāi)，鉆頭的有效壽命大大地降低。隨著切割齒的斷裂，鉆頭的鉆進(jìn)速度顯著降低。當(dāng)鉆進(jìn)速度降低到不能接受的程度時(shí)，必須從鉆孔中提起鉆頭加以更換。鉆頭也會(huì)發(fā)生災(zāi)難性故障，這也要求更換鉆頭，鉆頭的壽命的變化非常大。嶄新的鉆頭發(fā)生災(zāi)難性故障也時(shí)有所聞。地下鉆探的經(jīng)濟(jì)效益直接取決于是否能保持良好的鉆進(jìn)速度和長(zhǎng)的鉆頭壽命。更換鉆頭是一個(gè)耗費(fèi)錢(qián)和時(shí)間的過(guò)程，除了要支付開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)的開(kāi)支，要化費(fèi)從鉆孔中提出鉆頭，將它換掉，再插入新的鉆頭所需的時(shí)間，還要再加上鉆頭本身的費(fèi)用。
以前改進(jìn)固定切割齒地下鉆頭耐用性的努力是和流行的切割件磨損和鉆頭故障理論緊密相連的。在十九世紀(jì)七十年代和八十年代初期，流行的切割齒磨損和鉆頭故障理論主要集中在切割件的熱積聚問(wèn)題上。人們認(rèn)為熱積聚是造成切割件加速磨損的原因。因此，在該時(shí)期內(nèi)，改進(jìn)鉆頭耐用性的努力集中在例如利用改善鉆頭的液力(壓)設(shè)計(jì)，以較好地冷卻切割件的方法來(lái)降低在切割件上的熱積累。
在十九世紀(jì)七十年代和八十年代早期流行的另一種切割齒磨損和鉆頭故障理論涉及在鉆頭中固有的平衡度。更具體地說(shuō)，研究結(jié)果表明，鉆頭故障伴隨著切割件的損壞，從而使金剛石材料從它們的碳化物支架上碎裂掉一塊或斷開(kāi)。在鉆頭體上切割齒的數(shù)目和位置給定的情況下，人們認(rèn)為這些切割件(齒)的損壞在鉆頭上造成了不平衡的橫向或徑向力，這些力使鉆頭體撞擊鉆孔壁，從而進(jìn)一步損害鉆頭。所以，改善鉆頭耐用性的努力也包括平衡鉆頭，使鉆孔中鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)在鉆頭上的合成的或凈橫向力得以平衡。
還使用了種種方法，例如使用斜角、圓頂或大后傾角的切割齒;使用切割齒用的較大的螺栓支撐材料;使用切割齒后面的柱子;以及使用提高在每個(gè)切割件上的金剛石材料的量等方法來(lái)增強(qiáng)切割件。
雖然從這些方面的努力中使鉆頭耐用性有所改善，但迄未找到解決切割齒斷裂問(wèn)題的滿(mǎn)意的辦法。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有改善的耐用性和使用壽命的地下鉆頭。
本發(fā)明的另一目的是提供一種制造具有改善的耐用性和使用壽命的地下鉆頭的方法。
本發(fā)明的再一目的是提供一種使用具有改善的耐用性和使用壽命的地下鉆頭的方法。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)一部分將在下面的描述部分中一一提出，一部分將通過(guò)描述部分而變得顯而易見(jiàn)，或通過(guò)實(shí)踐本發(fā)明而得以加深理解。利用特別在所附的權(quán)利要求書(shū)中所指出的諸要素及其組合，就能實(shí)現(xiàn)和達(dá)到本發(fā)明的諸目的和優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明是從諸發(fā)明人針對(duì)上述鉆頭耐用性問(wèn)題所作的大量研究產(chǎn)生的。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了一種稱(chēng)作為逆向鉆頭渦動(dòng)的有關(guān)鉆頭破碎的新理論，據(jù)以提出設(shè)計(jì)一種利用新理論的地下鉆頭和有關(guān)方法。
因此，為了達(dá)到上述諸目的并根據(jù)在本文件中具體化和概述的本發(fā)明的用途，本發(fā)明包括一地下鉆頭，該鉆頭靠一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源轉(zhuǎn)動(dòng)，以在地下地層材料中鉆孔而形成一具有一鉆孔壁的鉆孔。該鉆頭包括一鉆頭體，它具有一圍繞一縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置用于容納旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的基部;一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從基部延伸的定徑部分;以及一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從定徑部分延伸的工作面部分。該鉆頭還包括多個(gè)固定設(shè)置于工作面部分、從工作面部分突出并互相間隔開(kāi)的金剛石切割件。諸切割件的設(shè)置得使在鉆孔期間沿著一近似垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)的凈徑向非平衡力向量形成一凈徑向非平衡力。該鉆頭還包括一設(shè)置在定徑部分和工作面部分上的連續(xù)的切割齒空缺區(qū)，該空缺區(qū)與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)和凈徑向非平衡力向量形成的力平面相交;以及圍繞力平面設(shè)置在切割齒空缺區(qū)的支承裝置，用以在鉆孔期間基本上始終接觸鉆孔壁。按照本發(fā)明，諸切割件的位置要使得在鉆孔期間凈徑向非平衡力基本上保持支承裝置與鉆孔壁接觸，同時(shí)使凈徑向非平衡力向量有一均衡方向，還要使凈徑向非平衡力向量在遇到擾動(dòng)位移時(shí)基本上能返回到該均衡方向。
現(xiàn)有技術(shù)理論認(rèn)為鉆頭應(yīng)包括諸圍繞鉆頭體的定徑部分和工作面部分設(shè)置的切割齒，以及認(rèn)為在鉆頭體上的諸徑向力應(yīng)平衡。與上述現(xiàn)有技術(shù)的這一理論相反，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)利用故意提供一非零凈徑向非平衡力向量的方法能提高鉆頭的耐用性。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)利用設(shè)計(jì)鉆頭以控制凈徑向非平衡力向量的大小和方向，以及在鉆頭體上的一對(duì)應(yīng)于凈徑向非平衡力向量的方向的、經(jīng)選擇的位置上設(shè)置一切割齒空缺區(qū)和支承裝置的方法，能使鉆頭穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)并加長(zhǎng)鉆頭壽命。在鉆孔期間，鉆頭的旋轉(zhuǎn)中心保持在鉆頭體的一基本固定的位置上，并能避免逆向渦動(dòng)及其有害作用。
按照本發(fā)明的鉆頭的結(jié)構(gòu)，鉆頭不僅在穩(wěn)定而均勻的鉆進(jìn)條件時(shí)能保持平穩(wěn)，而且即使在有擾動(dòng)位移的情況下也能保持動(dòng)態(tài)平穩(wěn)。即使在產(chǎn)生這種擾動(dòng)位移的情況下，凈徑向非平衡力向量的方向也基本上能返回到與支承裝置的位置相應(yīng)的位置上。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，支承裝置包括一圍繞力平面設(shè)置在切割齒空缺區(qū)的基本上平滑而耐磨的滑動(dòng)表面，用以在鉆孔期間滑動(dòng)接觸鉆孔壁。該滑動(dòng)表面可由多個(gè)間隔開(kāi)的滑動(dòng)表面區(qū)組成。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，支承裝置可包括一旋轉(zhuǎn)安裝在鉆頭體中的滾柱，使該滾柱的邊圍繞著力平面延伸超出鉆頭體。
凈徑向非平衡力向量能用幾種方式加以控制，但最好利用正確選擇諸切割件的設(shè)置方案而加以控制。這樣，按照本發(fā)明的另一方面，多個(gè)金剛石切割件固定設(shè)置于工作面部分和從工作面表面突出，并彼此間隔開(kāi)。諸切割件要設(shè)置得使其在鉆孔期間沿著一基本垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)的凈徑向非平衡力向量，形成一凈徑向非平衡力。該凈徑向非平衡力向量相應(yīng)于一圓周非平衡力向量與一徑向非平衡力向量的合成。按照這一構(gòu)思，諸切割件最好設(shè)置得使圓周非平衡力向量和/或徑向非平衡力向量指向一對(duì)應(yīng)于支承裝置的位置。
本發(fā)明還包括一制造靠一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源轉(zhuǎn)動(dòng)以在地下地層材料中鉆孔而形成一具有一鉆孔壁的鉆孔的地下鉆頭的方法。本發(fā)明的該制造方法包括選擇一摸擬鉆頭體，它具有一圍繞一縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置，以容納該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的基部;一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從基部延伸的定徑部分;以及一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置而從定徑部分延伸的工作面部分。該方法還包括一個(gè)選擇一摸擬的切割件設(shè)置方案，其中多個(gè)金剛石切割件固定設(shè)置于工作面部分和從工作面部分突出，并彼此間隔開(kāi)的這樣一步驟;以及，一個(gè)為所選擇的摸擬切割件設(shè)置方案確定一凈徑向非平衡力向量，以獲得一凈徑向非平衡力向量的均衡方向的步驟。該方法還包括一在定徑部分和工作面部分上設(shè)置一摸擬的、基本連續(xù)的以及與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)和凈徑向非平衡力向量形成的力平面相交的切割齒空缺區(qū)的步驟;以及一在切割齒空缺區(qū)中圍繞力平面設(shè)置一摸擬支承裝置，以在鉆孔期間基本上始終接觸鉆孔壁的步驟。本方法還包括一為鉆頭擾動(dòng)位移的預(yù)定范圍確定一凈徑向非平衡力向量的位置的步驟;以及一在必要時(shí)修改先前選擇的摸擬切割件設(shè)置方案，以使該經(jīng)修改的切割件設(shè)置方案能使凈徑向非平衡力在鉆孔期間基本上保持支承裝置和鉆孔壁的接觸，且使凈徑向非平衡力向量在發(fā)生擾動(dòng)位移后基本上返回到均衡方向的步驟。本發(fā)明的制造方法還進(jìn)一步包括一按照修改的摸擬切割件設(shè)置方案、摸擬的切割齒空缺區(qū)和摸擬的支承裝置在一鉆頭體上設(shè)置多個(gè)切割件、一切割齒空缺區(qū)和一支承裝置的步驟。諸切割件可利用多種已知方法，如螺栓連接，釬焊，壓配合，加熱收縮或粘結(jié)中任一種方法設(shè)置在鉆頭上。
本發(fā)明還包括一在地下地層材料中打孔，以形成一有一鉆孔壁的鉆孔的方法。本發(fā)明的鉆孔方法包括將一地下鉆頭與一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源相連接。用于該步驟的鉆頭包括一鉆頭體，它具有一圍繞一縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置用以容納旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的基部;一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置且從基部延伸的定徑部分;以及一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置且從定徑部分延伸的工作面部分。該鉆頭還包括多個(gè)固定設(shè)置于工作面部分和從工作面部分突出，且彼此間隔開(kāi)的金剛石切割件。諸切割件設(shè)置得能使在鉆孔期間沿著一基本垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)的凈徑向非平衡力向量形成一凈徑向非平衡力。該鉆頭還包括一設(shè)置在定徑部分上和工作面部分上，以及與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)和凈徑向非平衡力向量形成的力平面相交的基本上連續(xù)的切割齒空缺區(qū);以及一圍繞力平面設(shè)置在切割齒空缺區(qū)中，以在鉆孔期間基本上始終接觸鉆孔壁的支承裝置。本發(fā)明的鉆孔方法還包括將鉆頭邊旋轉(zhuǎn)邊下降到鉆孔中，以接觸地下地層材料，使得在鉆孔期間凈徑向非平衡力向量基本上保持支承裝置與鉆孔壁相接觸，該凈徑向非平衡力向量有一均衡方向，在遇到一擾動(dòng)位移后，該凈徑向非平衡力向量基本上返回到該均衡方向。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)將部分在下面的描述部分中提出，部分從描述部分變得顯而易見(jiàn)，或通過(guò)實(shí)踐本發(fā)明而加深理解。利用特別在所附的權(quán)利要求書(shū)中所指出的諸手段及其組合就能實(shí)現(xiàn)和達(dá)到本發(fā)明的諸目的和優(yōu)點(diǎn)。
各包括在本說(shuō)明書(shū)內(nèi)且組成本說(shuō)明書(shū)的一部分的附圖描繪了本發(fā)明的諸最佳實(shí)施例及諸方法，所述附圖結(jié)合描述部分說(shuō)明了本發(fā)明的原理。


圖1A是按照本發(fā)明第一最佳實(shí)施例的地下鉆頭的側(cè)視圖;
圖1B是圖1A所示的地下鉆頭的正視或縱向視圖;
圖2A是一具有一內(nèi)凹的輪廓的地下鉆頭的側(cè)視圖;
圖2B是圖2A所示的地下鉆頭的正視或縱向視圖;
圖3A是一具有葉片狀結(jié)構(gòu)的地下鉆頭的側(cè)視圖;
圖3B是圖3A所示的地下鉆頭的正視或縱向視圖;
圖4A表示一切割件的透視圖;
圖4B表示圖4A所示的切割件裝在圖1A和1B所示的鉆頭工作面部分上的情況;
圖5表示一地下鉆頭的正視或縱向視圖，其中諸切割件不均勻地被裝在工作面部分上;
圖6A表示圖1A和1B所示的鉆頭上的滑動(dòng)表面，其上有一耐磨涂層;
圖6B表示圖1A和1B所示的鉆頭的滑動(dòng)表面，其上裝有多個(gè)金剛石柱狀嵌件;
圖6C表示圖1A和1B所示的鉆頭的滑動(dòng)表面，其上裝有多個(gè)薄金剛石墊;
圖7A表示圖1A所示的地下鉆頭，其滑動(dòng)表面位于一標(biāo)準(zhǔn)的徑向位置;
圖7B表示圖1A所示的地下鉆頭，其滑動(dòng)表面位于一欠標(biāo)準(zhǔn)的徑向位置;
圖7C表示圖1A所示的地下鉆頭，其滑動(dòng)表面位于一超標(biāo)準(zhǔn)的徑向位置;
圖8A表示按照修改的本發(fā)明第一最佳實(shí)施例的地下鉆頭，它包括多個(gè)間隔開(kāi)的滑動(dòng)區(qū);
圖8B表示圖8A所示的地下鉆頭的正視或縱向視圖;
圖9A表示地下鉆頭的側(cè)視圖;
圖9B表示地下鉆頭的正視或縱向視圖，該鉆頭正在一鉆孔中旋轉(zhuǎn)，用以示出作用于該鉆頭上的諸力;
圖9C表示地下鉆頭的正視或縱向視圖，用以示出作用于該鉆頭上的圓周非平衡力;
圖9D表示正在一鉆孔中旋轉(zhuǎn)的地下鉆頭的正視或縱向視圖，用以說(shuō)明鉆頭的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性;
圖10表示圖1A和1B所示的地下鉆頭的正視或縱向視圖，其中滑動(dòng)表面分為一前面的半部和一后面的半部;
圖11A表示按照一已知設(shè)計(jì)制作的地下鉆頭的正視或縱向視圖;
圖11B是表示圖11A所示的鉆頭上的凈徑向非平衡力向量Fi的圖;
圖12A表示按照本發(fā)明的地下鉆頭的正視或縱向視圖;
圖12B是表示圖12A所示的鉆頭上的凈徑向非平衡力向量的圖;
圖13A表示按照本發(fā)明第二最佳實(shí)施例的地下鉆頭的側(cè)視圖;
圖13B表示圖13A所示的地下鉆頭的正視或縱向視圖;
圖14表示一種用于本發(fā)明最佳地下鉆頭制造方法中的、市場(chǎng)上可購(gòu)得的座標(biāo)測(cè)量機(jī);
圖15A和15B表示單個(gè)切割件，并說(shuō)明按照本發(fā)明最佳地下鉆頭的制造方法測(cè)量這些切割件的幾何尺寸的方法;
圖16表示按照本發(fā)明最佳鉆頭制造方法制造的地下鉆頭(部分(part way))的正視或縱向視圖;
圖17A是一表示本發(fā)明最佳鉆頭制造方法的流程圖;
圖17B是一用于本發(fā)明最佳鉆頭制造方法的模型或計(jì)算機(jī)程序的流程圖;
圖18A表示一切割件的視圖，用以圖示該切割件的側(cè)斜角(度)(siderake);
圖18B表示一切割件的視圖，用以圖示該切割件的后斜角(度)(backrake);
圖19A表示在圖16所示的鉆頭上的所有切割齒轉(zhuǎn)入一基準(zhǔn)面時(shí)的圖;
圖19B是一與圖19A相似的圖，其中每一螺旋線(xiàn)上的切割齒分開(kāi)，以更清晰圖示它們的位置;以及圖20A-20C表示地下鉆頭的切割件和在鉆孔期間作用在該切割件上的諸力。
現(xiàn)在結(jié)合參閱諸附圖描述本發(fā)明的諸最佳實(shí)施例和諸方法，在所有附圖中相同的參考號(hào)(編號(hào))均指相同或相當(dāng)?shù)牧悴考?br> 本發(fā)明提供一種用于諸如地下鉆油井和氣井或地下采礦的地下鉆頭。該地下鉆頭可依靠一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源(圖中未畫(huà)出)旋轉(zhuǎn)，以在地下地層材料中鉆孔，形成一具有一鉆孔壁的鉆孔。該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置可以包括一可在市場(chǎng)上購(gòu)得的鉆機(jī)，該鉆機(jī)帶有一適用于連接到市場(chǎng)上可購(gòu)得的諸地下鉆頭的鉆井工具或井底電動(dòng)機(jī)。
按照本發(fā)明，地下鉆頭包括一鉆頭體，它具有一圍繞一縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置以容納旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的基部;一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置且從基部延伸的定徑部分;以及一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置且從定徑部分延伸的工作面部分。該基部，定徑部分和工作面部分最好組成一整體的鉆頭體。
按照本發(fā)明的地下鉆頭的第一最佳實(shí)施例(圖中編號(hào)為“10”)示于圖1A和1B。圖1A是一側(cè)視圖，圖1B是一縱向視圖，相應(yīng)于從鉆孔底部看到的鉆頭。鉆頭10包括一鉆頭體12，它具有一圍繞一縱向鉆頭軸線(xiàn)16設(shè)置的基部14，用以容納旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源。該基部14包括一螺紋銷(xiāo)14a，該銷(xiāo)可以已知方式連接于一構(gòu)成旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的一部分的鉆井工具。圖中的縱向鉆頭軸線(xiàn)16主要是作為理論上的參考線(xiàn)和為了便于說(shuō)明之用，它穿過(guò)基部14的中心而基本上平行于鉆井工具。作為在本說(shuō)明書(shū)中使用的名詞“徑向尺寸”，是指例如圖1B中所示的從縱向鉆頭軸線(xiàn)16向外沿垂直于該軸線(xiàn)方向至某一處的或測(cè)得的位置尺寸。
鉆頭體12有一圍繞鉆頭軸線(xiàn)16設(shè)置并從基部14延伸的、基本上呈圓柱形的定徑部分18，它包括一基本上平行于鉆頭軸線(xiàn)16的圓柱形壁。由于定徑部分18基本上是圓柱形的，所以，如圖1B所示，該定徑部分有一恒定的標(biāo)準(zhǔn)半徑Rg，該半徑值是從縱向鉆頭軸線(xiàn)16沿徑向垂直向外到定徑部分表面所測(cè)得的值。該定徑部分18最好包括多個(gè)平行于鉆頭軸線(xiàn)16的凹槽18a，以利于除去碎石、鉆出的泥和巖屑。
鉆頭體12還包括一圍繞鉆頭軸線(xiàn)16設(shè)置而從定徑部分18延伸的工作面部分20。定徑部分18和工作面部分20可認(rèn)為在線(xiàn)22處相遇(見(jiàn)圖1A)。在22處，鉆頭體的半徑從恒定的直徑部分的標(biāo)準(zhǔn)半徑逐漸過(guò)渡變化。所以，線(xiàn)條22表示定徑部分的圓周。
圖1A所示的鉆頭體有一曲面的輪廓，即從垂直于鉆頭軸線(xiàn)的側(cè)面看(如圖1A所示)，工作面部分20的橫截面形狀是一冠狀的表面。當(dāng)用透視的角度看去，該工作面部分可具有一球形，拋物面的或其它曲線(xiàn)形狀。但是，并不一定限于這些形狀的輪廓，例如，工作面部分可是平的?；蛘撸鐖D3A和3B所示，工作面部分可有一內(nèi)凹的輪廓，其中的工作面部分包括一圍繞鉆頭軸線(xiàn)16設(shè)置的內(nèi)凹區(qū)20a。該工作面部分還可包括多個(gè)彎曲的葉片20b(如圖2A和2B所示)。
按照本發(fā)明，地下鉆頭還包括多個(gè)固定設(shè)置在工作面部份上和從工作面部分突出、且彼此間隔開(kāi)的金剛石切割件。最好是，本發(fā)明還要包括多個(gè)與工作面部分切割件間隔開(kāi)且固定設(shè)置于定徑部分和從定徑部分突出、且又彼此間隔開(kāi)的金剛石切割件，如定徑切割件或定徑修整件。
圖1A和1B的最佳實(shí)施例中所用的鉆頭10包括多個(gè)固定設(shè)置在工作面部分20和從工作面部分20突出、且又彼此間隔開(kāi)的一個(gè)個(gè)切割件或切割齒24。圖4A示出了一個(gè)切割齒24，而圖4B示出了設(shè)置在工作面部分20上且接觸巖石結(jié)構(gòu)的切割件。每個(gè)切割件最好包括一種裝在一支座24b，如一碳化物支座上的多晶金剛石壓實(shí)材料24a。當(dāng)然，諸切割件也可包括其它材料，如天然金剛石和熱穩(wěn)定性多晶金剛石材料。每個(gè)切割件以其底部24c設(shè)置在工作面部分20上。每個(gè)切割件有一切割刃24d，用以接觸待鉆去的地下地層材料。
如圖1B所示，諸切割件24沿著徑向以直線(xiàn)形式設(shè)置在工作面部分20上。但是，這種方式只是用作說(shuō)明，并不限于這種形式。例如，如圖2B所示，諸切割件可沿著工作面部分的徑向以一非直線(xiàn)形式設(shè)置，以形成多個(gè)彎曲的葉片，或者，如圖5所示，它們可以以一不均勻方式設(shè)置在工作面部分上。
在圖1A所示的鉆頭中，定徑切割件包括與切割件24類(lèi)似或相同的切割件26。如圖1B所示，切割件26設(shè)置在定徑部分18上，它們的切割刃位于一離鉆頭軸線(xiàn)16為相等的半徑距離處，以形成標(biāo)準(zhǔn)半徑Rg。諸切割件26與諸切割件24間隔開(kāi)，并且它們彼此分開(kāi)。如圖1A所示，切割件26最好與相應(yīng)的切割件24對(duì)準(zhǔn)，并且，兩個(gè)或多個(gè)切割件26最好在定徑部分上沿著鉆頭的軸向成直線(xiàn)延伸。這些定徑切割齒形成了鉆孔壁的標(biāo)準(zhǔn)的徑向尺寸，并用作對(duì)鉆孔壁精加工。由于較接近于工作面部分20的那些定徑切割齒比離工作面部分較遠(yuǎn)的那些定徑切割齒磨損快，所以，定徑切割齒的磨損有先有后而不是同時(shí)磨壞，因此這些定徑切割齒能延長(zhǎng)鉆頭壽命。
切割齒24和26的切割刃的長(zhǎng)度和幾何形狀取決于具體的設(shè)計(jì)和用途。切割刃通常是曲面的，如為圓形橫截面，但也可是平的，鑿子形或斜角形的。切割齒24和26一般是圓形或基本上圓形的切割齒，其直徑在0.25-2.0英寸范圍內(nèi)，多半是0.5英寸。在多數(shù)用途中，切割齒26的尺寸與上面所述的切割齒24的相同，但并非所有用途都如此。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，鉆頭上的切割齒的數(shù)目可以有很大的變化，這取決于具體結(jié)構(gòu)及其具體用途。鉆頭10最好包括至少15個(gè)切割齒，但并不限于此數(shù)目。例如，一個(gè)外徑為8.5英寸的鉆頭通常有25-40個(gè)切割齒，大致有17至28個(gè)裝在工作面部分上，8至12個(gè)裝在定徑部分上。一個(gè)直徑為17.5英寸的鉆頭可以有100個(gè)以上的切割齒。市場(chǎng)上可購(gòu)得的現(xiàn)有的用于鉆孔的鉆頭，鉆孔的孔徑范圍從2至25英寸，而用得最廣泛的尺寸在6.5至12.25英寸范圍內(nèi)。
按照本發(fā)明，諸切割齒應(yīng)設(shè)置得使在鉆孔期間沿著一大致垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)的凈徑向非平衡力向量Fi(見(jiàn)圖1B)形成一凈徑向非平衡力。凈徑向非平衡力向量Fi的大小和方向決定于諸切割齒的分布(位置)和取向，例如，諸切割齒24和26在鉆頭10上的具體分布，以及鉆頭的形狀，因?yàn)樾螤钣绊懬懈铨X的位置。取向包括后斜角(度)和側(cè)斜角(度)。力向量Fi的大小和方向也受到多個(gè)因素如單個(gè)切割齒的具體設(shè)計(jì)，施加于鉆頭上的鉆頭重量負(fù)荷，旋轉(zhuǎn)速度以及待鉆探的材料的物理性質(zhì)的影響。
鉆頭10包括一內(nèi)部流體流動(dòng)通道27，如鉆井管道孔，和多個(gè)設(shè)置在工作面部分20上且與流動(dòng)通道27連通的，例如已知結(jié)構(gòu)的噴嘴27a。在鉆頭鉆孔期間流動(dòng)通道27和諸噴嘴27a為鉆頭工作面部分20提供一種潤(rùn)滑流體，如鉆出的泥漿，以潤(rùn)滑鉆頭和除去石屑。
本發(fā)明還包括一設(shè)置在定徑部分上和工作面部分上并與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)和凈徑向非平衡力向量Fi形成的力平面Pf相交的基本上連續(xù)的切割齒空缺區(qū)。
在第一最佳實(shí)施例中應(yīng)用的鉆頭10包括一設(shè)置在定徑部分18上和工作面部分20上的基本連續(xù)的切割齒空缺區(qū)30。切割齒空缺區(qū)30包括一定徑部分18和工作面部分20的基本上連續(xù)的區(qū)，該區(qū)是除去切割齒和研磨表面的。切割齒空缺區(qū)與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)16和凈徑向非平衡力向量Fi形成的力平面Pf相交并圍繞該力平面Pf設(shè)置。力平面Pf是一用于作參考基準(zhǔn)和說(shuō)明目的的理論力平面，用以指明對(duì)應(yīng)于凈徑向非平衡力向量Fi的鉆頭體上的位置，例如，指明定徑部分的位置。例如參閱附圖，該力平面Pf位于圖1A的畫(huà)面所在平面內(nèi)并從縱向鉆頭軸線(xiàn)16向外延伸通過(guò)切割齒空缺區(qū)30的中心。如圖1B所示，當(dāng)沿縱向看鉆頭時(shí)，該力平面Pf垂直于圖面引出，而其投影對(duì)應(yīng)于凈徑向非平衡力向量Fi。力平面Pf是重要的，因?yàn)閮魪较蚍瞧胶饬ο蛄縁i不總是與定徑部分18相交的。在有些情況下，力向量Fi可在工作面部分20或在工作面部分20處附近，從鉆頭軸線(xiàn)16沿徑向向外延伸，直接指向鉆孔壁而不通過(guò)定徑部分18。但是，即使在這些情況時(shí)，力向量Fi的方向?qū)?duì)應(yīng)于定徑部分18上凈徑向非平衡力指向的一點(diǎn)或一線(xiàn)(從圖1B的縱向投影可看出)，定徑部分18上的這個(gè)點(diǎn)或直線(xiàn)位于平面Pf中。
切割齒空缺區(qū)30延伸通過(guò)定徑部分18的全部縱向長(zhǎng)度，再沿圓周方向和徑向延伸到工作面部分20上。切割齒空缺區(qū)30最好沿圓周方向沿著最大為90%標(biāo)準(zhǔn)圓周長(zhǎng)延伸，而對(duì)于許多用途，則沿著約20%至70%的標(biāo)準(zhǔn)圓周長(zhǎng)延伸?？蓪⑦x定的切割齒24和26，例如切割齒24e和26e設(shè)置在鄰近切割齒空缺區(qū)30之處，以增加在鉆頭上的切割齒的數(shù)量，從而提高其切割效率。
本發(fā)明還包括圍繞力平面而設(shè)置在切割齒空缺區(qū)內(nèi)的支承裝置，以在鉆孔期間始終接觸于鉆孔，該支承裝置最好包括一前面部分，切割件設(shè)置得使在鉆孔期間凈徑向非平衡力向量Fi指向一與前面部分相應(yīng)的位置。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，該支承裝置包括一圍繞力平面而設(shè)在切割齒空缺區(qū)內(nèi)的基本上平滑而耐磨的滑動(dòng)表面，以在鉆孔期間滑動(dòng)接觸鉆孔壁。該滑動(dòng)表面與由縱向鉆頭軸線(xiàn)和凈徑向非平衡力向量形成的力平面相交。
在第一最佳實(shí)施例中應(yīng)用的支承裝置包括一圍繞力平面Pf設(shè)在切割齒空缺區(qū)30內(nèi)的基本上平滑的滑動(dòng)表面32，該滑動(dòng)表面32組成一其尺寸等于或小于切割齒空缺區(qū)30的基本上連續(xù)的區(qū)。該滑動(dòng)表面32設(shè)置在定徑部分18上，可由與鉆頭體12其它部位相同的材料，或一種較硬的材料，如碳化物材料組成。此外，該滑動(dòng)表面32可包括一耐磨涂層或金剛石浸漬物34(如圖6A所示)，多個(gè)金剛石柱狀嵌件36(如圖6B所示)，多個(gè)薄金剛石墊38(如圖6C所示)，或類(lèi)似嵌件或浸漬物，以增強(qiáng)滑動(dòng)表面32并提高其耐用性。
該滑動(dòng)表面32的具體尺寸和形狀取決于鉆頭的具體的結(jié)構(gòu)及用途。一般說(shuō)來(lái)，該滑動(dòng)表面32應(yīng)有一彎曲度(曲率)，以與待鉆孔的孔的彎曲度(曲率)相配。最好是，該滑動(dòng)表面基本上沿著定徑部分18的整個(gè)縱向長(zhǎng)度延伸，而在圓周方向則沿著不大于90%的標(biāo)準(zhǔn)圓周長(zhǎng)延伸。對(duì)于大多數(shù)用途而言，該滑動(dòng)表面沿約20%至70%的標(biāo)準(zhǔn)圓周長(zhǎng)延伸，但事實(shí)上在所有用途中，該滑動(dòng)表面沿著最少約20%的標(biāo)準(zhǔn)圓周長(zhǎng)延伸。
該滑動(dòng)表面32有足夠的表面積，這樣，當(dāng)它壓在鉆孔壁時(shí)，其每平方英寸所受的力將明顯小于地下地層材料的壓縮強(qiáng)度。這使該滑動(dòng)表面不會(huì)插進(jìn)和壓碎鉆孔壁，否則會(huì)造成一種不希望的鉆頭的渦動(dòng)(這在下面將詳細(xì)描述)。該滑動(dòng)表面32也有一足夠大的尺寸，足能當(dāng)隨著地下地層材料的硬度發(fā)生變化凈徑向非平衡力向量Fi移動(dòng)時(shí)，照樣包圍住該向量和其它擾動(dòng)力。該滑動(dòng)表面的尺寸要選擇得使隨著鉆頭磨損凈徑向非平衡力向量指向一與該滑動(dòng)表面相應(yīng)的位置。
滑動(dòng)表面32可能有幾種徑向位置。例如，如圖1B和7A所示，滑動(dòng)表面32基本上是圓形的，處于一離鉆頭軸線(xiàn)16的徑向距離大致等于標(biāo)準(zhǔn)半徑的位置上，即該滑動(dòng)表面是標(biāo)準(zhǔn)的。該滑動(dòng)表面也可處在一離縱向鉆頭軸線(xiàn)的徑向距離小于標(biāo)準(zhǔn)半徑的位置上，即如圖7B所示，該滑動(dòng)表面是低于標(biāo)準(zhǔn)的?；蛘?，該滑動(dòng)表面可處在一離縱向鉆頭軸線(xiàn)的距離大于標(biāo)準(zhǔn)半徑的位置上，即該滑動(dòng)表面是超標(biāo)準(zhǔn)的(如圖7C所示)。
圖1A和1B所示的滑動(dòng)表面由一連續(xù)的表面組成。但是，如圖8A和8B所示，它也可由多個(gè)間隔開(kāi)的小滑動(dòng)表面區(qū)組成。這樣有利于流體圍繞鉆頭體流動(dòng)，可改善鉆孔效率并促進(jìn)鉆頭的冷卻。對(duì)于某些鉆孔用途，這種結(jié)構(gòu)是最好的。
進(jìn)一步按照本發(fā)明，諸切割齒設(shè)置得使在鉆孔期間凈徑向非平衡力向量Fi能基本上保持支承裝置與鉆孔壁相接觸，使凈徑向非平衡力向量Fi有一均衡方向，以及使凈徑向非平衡力向量Fi在遇到擾動(dòng)位移后基本上能返回到該均衡方向。如上面指出的，產(chǎn)生上述這些結(jié)果的諸切割齒的分布和取向，可通過(guò)諸切割齒的大小、它們?cè)阢@頭體上的位置以及設(shè)置諸切割齒的鉆頭體的形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)。合適的選擇每個(gè)切割齒也和控制力向量Fi有關(guān)。本發(fā)明的這些方面和鉆頭體上的諸有關(guān)的力將在下面更詳細(xì)討論。
通過(guò)對(duì)鉆孔期間作用在鉆頭上的各種力的理解，以及對(duì)本發(fā)明諸發(fā)明人最近發(fā)現(xiàn)的這些作用力與固定切割齒地下鉆頭故障與逆向鉆頭渦動(dòng)有關(guān)的一種新理論的關(guān)系的理解，將有利于對(duì)本發(fā)明其相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)的理解。
當(dāng)鉆頭鉆過(guò)地下地層材料時(shí)作用在一地下鉆頭上的主要的一些力，包括一鉆矩，加在鉆頭上的重量，一徑向非平衡力Fri，一圓周方向非平衡力Fci，及一徑向恢復(fù)力。參閱圖9A，加在鉆頭上的重量是由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源(鉆井工具)施加的縱向或軸向力，該力指向鉆頭的工作面部分。地下鉆孔常常受到10，000磅或更大的加在鉆頭上的負(fù)荷，圓周方向的非平衡力Fci和徑向非平衡力Fri是在一垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)的徑向平面內(nèi)，即沿鉆頭體的徑向或橫向上的徑向力。一個(gè)徑向平面的例子就是圖1B和9B至9D的畫(huà)面所在的平面。
徑向非平衡力分量或向量Fri是當(dāng)鉆頭沿軸向受到負(fù)載時(shí)在鉆頭體上形成的力的徑向分量。力向量Fri的大小和方向與鉆頭的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，而是鉆頭的形狀、諸切割齒的位置、取向和形狀、待鉆孔的地下地層結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)以及加在鉆頭上的重量的函數(shù)。但是，諸切割齒的位置、取向和形狀通常是最能控制的因素。如圖9B所示，力向量Fri垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)，并與標(biāo)準(zhǔn)圓周長(zhǎng)的縱向投影于點(diǎn)R處相交。如鉆頭和其諸切割齒相對(duì)于縱向鉆頭軸線(xiàn)是嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)的，且如果加在鉆頭上的重量是沿著鉆頭軸線(xiàn)直接施加的，則徑向非平衡力Fri為零。但是，在最佳實(shí)施例中，鉆頭和諸切割齒的形狀和分布(位置)使當(dāng)鉆頭軸向受力時(shí)在鉆頭上受到一非零力Fri。該力Fri可高達(dá)數(shù)千磅。
圓周方向非平衡力分量或向量Fci是在徑向平面內(nèi)的凈徑向分量，該分量是通過(guò)將當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆頭主要是它的諸切割齒與鉆孔底和壁的相互作用造成的諸力進(jìn)行向量相加而獲得的，該圓周向非平衡力能用向量Fci代表(如圖9B和9C所示)，它通過(guò)縱向鉆頭軸線(xiàn)，并與標(biāo)準(zhǔn)圓周的縱向投影相交于圖9B的縱向投影上的點(diǎn)C。下面要說(shuō)明，圓周向非平衡力Fci能變化，它取決于鉆頭的結(jié)構(gòu)(設(shè)計(jì))(鉆頭形狀和諸切割齒的形狀和分布(位置))，鉆頭的運(yùn)轉(zhuǎn)和待鉆孔的地層材料。
例如，圖9C示出了一鉆頭40的縱向視圖，該鉆頭具有多個(gè)設(shè)置在鉆頭體的工作面部分上的切割齒，以形成一對(duì)彼此對(duì)稱(chēng)的長(zhǎng)條(直線(xiàn))狀切割片40a和40b。如這樣一個(gè)鉆頭圍繞鉆頭軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，以及如切割片40a和40b切割一種均勻地層材料因而受到諸對(duì)稱(chēng)的力，則切割片將相應(yīng)于一力偶或力矩，零凈力離開(kāi)鉆頭線(xiàn)軸方向。但是，如切割片40a和40b不是嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)的，或如它們切割的是不均勻的材料故它們經(jīng)受到不同的或不對(duì)稱(chēng)力，則相應(yīng)的兩切割片將產(chǎn)生一圍繞一偏離鉆頭軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)中心的力矩和一沿徑向指向鉆頭投影上的C點(diǎn)的非零凈圓周向非平衡力Fci。地下鉆頭通常產(chǎn)生一非零圓周向非平衡力Fci。下面要更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明正是提供一種故意要產(chǎn)生具有一基本上沿圓周方向的非平衡力Fci的鉆頭。
圓周向非平衡力向量Fci和徑向非平衡力向量Fri合成后形成了凈徑向力向量Fi，該向量基本上垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)，并與標(biāo)準(zhǔn)圓周的縱向投影相交于N點(diǎn)(見(jiàn)圖9B)。該力點(diǎn)N表明在標(biāo)準(zhǔn)圓周的投影上的點(diǎn)和小區(qū)相應(yīng)于在某一時(shí)刻響應(yīng)凈徑向非平衡力向量Fi而和鉆孔壁相接觸的鉆頭體部分。給定了鉆頭體和鉆孔壁的幾何形狀后，鉆頭體的定徑部分將接觸鉆孔壁。支承裝置設(shè)置在鉆頭體上的一位置上，該位置總的相應(yīng)于鉆頭體的該接觸部分，以提供平衡力向量Fi所需的徑向恢復(fù)力。
通過(guò)對(duì)按照本發(fā)明用于低摩擦力鉆頭上的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性概念的理解，將會(huì)進(jìn)一步有助于對(duì)本發(fā)明的理解。用在本說(shuō)明書(shū)中的名詞“靜態(tài)穩(wěn)定的鉆頭旋轉(zhuǎn)”可定義為一種狀態(tài)，在該狀態(tài)中，當(dāng)沒(méi)有擾動(dòng)力或土地結(jié)構(gòu)非均勻性時(shí)，鉆頭旋轉(zhuǎn)中心停留在一鉆頭表面上的固定點(diǎn)。例如，圖9D表示了一個(gè)具有一與鉆頭軸線(xiàn)16類(lèi)似的縱向鉆頭軸線(xiàn)42的鉆頭40。該鉆頭40在一具有一圓柱狀鉆孔壁46的鉆孔44中旋轉(zhuǎn)。圖中鉆孔中心以參考號(hào)(編號(hào))48表示。由于鉆頭40繞著一鉆頭表面上的固定旋轉(zhuǎn)中心，即縱向鉆頭軸線(xiàn)42旋轉(zhuǎn)，故旋轉(zhuǎn)是靜態(tài)穩(wěn)定的。鉆頭40繞著一鉆頭表面上的固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，但鉆頭上的這個(gè)旋轉(zhuǎn)中心并不與鉆孔中心48吻合的這種情況也認(rèn)為是靜態(tài)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的。靜態(tài)穩(wěn)定的鉆頭的旋轉(zhuǎn)常常伴隨著一具有相對(duì)于鉆頭體基本上為恒定大小和恒定方向的凈徑向非平衡力向量Fi。該恒定力向量Fi的方向可認(rèn)為是一均衡方向。
作為用在有關(guān)按照本發(fā)明的低摩擦力地下鉆頭中的名詞“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性”是這樣一種狀態(tài)，在該狀態(tài)中，凈徑向非平衡力向量Fi響應(yīng)擾動(dòng)位移而返回到一均衡方向。有多種因素會(huì)造成擾動(dòng)位移，如地下地層材料硬度有變化，鉆頭本身的偏離軸線(xiàn)移動(dòng)，以及鉆井工具振動(dòng)等。
地下鉆頭可具有靜態(tài)穩(wěn)定性，即凈徑向非平衡力向量Fi可指向一均衡方向，但卻沒(méi)有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，即擾動(dòng)位移將使力向量Fi移離均衡方向，且當(dāng)松弛時(shí)力向量Fi不再返回到均衡方向。對(duì)此下面要更詳細(xì)說(shuō)明。
上面提到的有關(guān)地下鉆頭故障的新理論稱(chēng)作逆向鉆頭渦動(dòng)理論，下面對(duì)此加以論述。J.F.Brett，T.M.Warren和S.M.Behr于1989年10月8日至11日在得克薩斯州圣安東尼奧召開(kāi)的第64屆SPE(石油工程師協(xié)會(huì))技術(shù)年會(huì)上發(fā)表了題為“鉆頭PDC鉆頭故障的新理論”的論文，其中有關(guān)于此理論的較完整的論述。
人們很早就知道而且被研究工作繼續(xù)支持的論點(diǎn)是當(dāng)鉆頭繞著縱向鉆頭軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)是靜態(tài)穩(wěn)定的，以及當(dāng)諸切割齒的切割刃未劈碎或破裂時(shí)，就能達(dá)到最佳穿透速度和鉆頭壽命。盡管切割齒的一些碎裂和磨損是難免的，在穩(wěn)定的鉆頭旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，它們?nèi)院苣陀茫?，金剛石切割刃能隨著繼續(xù)鉆孔在一定程度上再生，這是因?yàn)槌霰慌榈那懈铨X的切割刃的碳化物支座將比金剛石更快地受磨損的緣故。但是，一旦金剛石被劈碎，鉆頭的性能就明顯下降。
經(jīng)過(guò)大量的研究，本發(fā)明的諸發(fā)明人發(fā)現(xiàn)切割齒受損和相應(yīng)的鉆頭故障明顯是由撞擊損傷造成的，而撞擊損傷則歸因于稱(chēng)作為“逆向渦動(dòng)”(Backwards whirl)的一種地下鉆孔現(xiàn)象。逆向渦動(dòng)是這樣一種狀態(tài)當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)鉆頭的旋轉(zhuǎn)中心在鉆頭表面上移動(dòng)。該種逆向渦動(dòng)現(xiàn)象可參閱圖9B和9D加以解釋。
圖9B圖示了一種狀態(tài)，其中鉆頭40被沿徑向在鉆頭上的凈徑向非平衡力向量Fi推移到一位置，在此位置鉆頭在一對(duì)應(yīng)于力點(diǎn)N的接觸點(diǎn)50與鉆孔壁46相接觸。如凈徑向非平衡力向量Fi變大到足以將鉆頭體表面抵住鉆孔壁，以及，如摩擦力或切割力使與鉆孔壁相接觸的鉆頭表面在鉆孔壁上不能基本上無(wú)摩擦地滑動(dòng)，則接觸點(diǎn)50成為鉆頭的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心。例如，鉆頭的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心可在鉆頭體的定徑部分或該部分的附近處從縱向鉆頭軸線(xiàn)朝著接觸點(diǎn)50移動(dòng)。這種在鉆頭體表面與鉆孔壁之間的新的摩擦力在傳統(tǒng)的地下鉆頭中由鉆頭的定徑部分四周的諸定徑切割齒引起或增強(qiáng)的，當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，這種新的摩擦力使鉆頭的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心繼續(xù)在鉆頭工作面部分四周移動(dòng)，離開(kāi)縱向鉆頭軸線(xiàn)并朝向鉆孔壁。
當(dāng)一鉆頭開(kāi)始渦動(dòng)，諸切割齒能向后，向側(cè)面等移動(dòng)。比起那些處于一穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的鉆頭上的切割齒，它們每轉(zhuǎn)一圈移動(dòng)得更遠(yuǎn)，也更快。其結(jié)果，當(dāng)鉆頭撞擊鉆孔壁時(shí)，諸切割齒受到了高沖擊負(fù)荷，對(duì)于一渦動(dòng)鉆頭來(lái)說(shuō)，鉆頭每轉(zhuǎn)一圈要出現(xiàn)幾次這種情況。這些撞擊力劈碎和斷裂切割齒。一呈逆向渦動(dòng)開(kāi)始，它本身就會(huì)再生。
本發(fā)明之一目的是提供一種鉆頭，它能克服地下鉆頭的逆向渦動(dòng)所產(chǎn)生的問(wèn)題。本發(fā)明的地下鉆頭能克服不希望的逆向渦動(dòng)問(wèn)題，其辦法是提供一種切割齒排列方案和相應(yīng)的鉆頭體形狀，使在鉆孔期間，將凈徑向非平衡力向量Fi指向支承裝置，并基本上以一穩(wěn)定方式使力向量Fi保持在支承裝置上。這樣，支承裝置提供一以較低摩擦力接觸鉆孔壁的低摩擦力支承區(qū)。切割齒空缺區(qū)也減小摩擦力，如由于定徑切割齒產(chǎn)生的那些摩擦力，不讓鉆頭抓住或挖入鉆孔壁以及移動(dòng)鉆頭的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心。
按照本發(fā)明，諸切割件設(shè)置得使在鉆孔期間凈徑向非平衡力向量Fi能基本上維持支承裝置與鉆孔壁接觸，但該力小到足以能避免形成會(huì)使鉆頭嚙合或挖入鉆孔壁并在鉆頭上移動(dòng)鉆頭瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心的摩擦力或切割力。理想的話(huà)，該情況能保持于鉆頭工作的始終。再按照本發(fā)明，諸切割件設(shè)置得使凈徑向非平衡力向量Fi有一均衡方向。本發(fā)明的諸特點(diǎn)，即諸切割件設(shè)置得使凈徑向非平衡力向量有一在鉆孔期間基本上能保持支承裝置接觸鉆孔壁所需的大小和方向，并使凈徑向非平衡力向量有一均衡方向，都與鉆頭的靜態(tài)穩(wěn)定性有關(guān)。
通過(guò)研究和試驗(yàn)，本發(fā)明諸發(fā)明人發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的鉆頭最好應(yīng)設(shè)計(jì)得對(duì)于假定的穩(wěn)態(tài)條件，力點(diǎn)N位于支承裝置的前面部分或一半中的一點(diǎn)。圖10示出了這一關(guān)系，圖中示出了一滑動(dòng)表面32的前半部32a和一后半部32b，而鉆頭系逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖中箭頭所示。采用這種安排后，如鉆頭遇到較硬的地層材料或暫時(shí)被“掛住”在鉆孔壁上，變化的力向量Fci不會(huì)將凈徑向非平衡力向量Fi向后移出滑動(dòng)表面32的后邊沿。由于力向量Fci比Fri更易變化，諸發(fā)明人還得出這樣的結(jié)論在諸最佳實(shí)施例中，穩(wěn)態(tài)情況的力向量Fri大于力向量Fci。該關(guān)系提高了鉆頭的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
凈徑向非平衡力向量Fi最好在所加的“鉆頭上的重量負(fù)荷”的約3%至4%的范圍內(nèi)。例如，如加在鉆頭上的重量負(fù)荷為10，000磅，則Fi應(yīng)在300至4000磅范圍內(nèi)，如鉆頭用于較低的“加在鉆頭上的重量”時(shí)，力向量Fi的大小就應(yīng)較大，否則相反。如鉆頭設(shè)計(jì)用于較高轉(zhuǎn)速，力向量Fi的量就多少要大些。如使用較大的鉆頭，力向量Fi的值要減小。當(dāng)然，一般說(shuō)來(lái)，力向量Fi愈大，支承裝置上的磨損就愈大。
滑動(dòng)表面30直接接觸于鉆孔壁而不用流體動(dòng)力潤(rùn)滑。鉆出的泥漿泵過(guò)噴嘴27a被泵加壓經(jīng)過(guò)鉆頭體在鉆孔中向上循環(huán)，從而為滑動(dòng)表面30提供一些潤(rùn)滑。但是，這種潤(rùn)滑不是流體動(dòng)力的。滑動(dòng)表面與鉆孔壁有較緊的接觸。因此，例如，如圖6A-6C所示，需要對(duì)滑動(dòng)表面作些處理。
諸發(fā)明人發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的鉆頭能加以進(jìn)一步改進(jìn)，其辦法是將諸切割件專(zhuān)門(mén)設(shè)置(包括選擇鉆頭體形狀和結(jié)構(gòu))，使不僅控制凈徑向非平衡力向量Fi的大小和方向，而且能控制諸形成力向量Fi的分力的大小和方向，即圓周向非平衡力向量Fci和徑向非平衡力向量Fri。更具體地說(shuō)，通過(guò)設(shè)置工作面切割件和定徑切割件，使在鉆頭工作中的任何時(shí)間，力向量Fci和Fri中的至少一個(gè)指向?qū)?yīng)于支承裝置的位置這一方法，使鉆頭性能得以改善。通過(guò)設(shè)計(jì)鉆頭形狀和設(shè)置工作面切割件和定徑切割件，使力向量Fci和Fri大致互相對(duì)準(zhǔn)，并使這兩向量對(duì)準(zhǔn)最終產(chǎn)生的凈徑向非平衡力向量Fi這一辦法，可以再增加一定的穩(wěn)定性。
進(jìn)一步按照本發(fā)明，諸切割件設(shè)置得使凈徑向非平衡力向量Fi在遇到擾動(dòng)位移后基本上返回到均衡位置，最好能在遇到千分之七十五英寸的擾動(dòng)位移或偏移后能基本上返回到均衡位置。本發(fā)明的該特點(diǎn)涉及鉆頭的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
對(duì)于一個(gè)地下鉆頭，凈徑向非平衡力向量Fi的大小和方向在鉆頭運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是改變的。這種變動(dòng)是由上述諸因素，如待鉆孔的地下地層材料的不均勻性等造成的。沒(méi)有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性使力向量Fi在遇到擾動(dòng)后移離支承裝置，或者集中于一支承裝置以外的新的均衡位置，或者變得動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定，在此情況下，隨著進(jìn)一步鉆孔的進(jìn)行，力向量Fi能繼續(xù)移動(dòng)。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，圖11A示出了一按照已知結(jié)構(gòu)(設(shè)計(jì))制作的地下鉆頭的縱向視圖;圖12A示出了一鉆向地下的鉆頭的縱向視圖，其中的切割齒8，10和11被除去，以提供一按本發(fā)明的低摩擦力鉆頭。表1給出了圖11A的鉆頭的偏移，偏移方向，非平衡力方向，凈徑向非平衡力方向和凈徑向力不平衡量。表2給出了圖12A所示的底摩擦力鉆頭的相應(yīng)數(shù)據(jù)。在此，“偏移”是指在鉆孔期間對(duì)應(yīng)于擾動(dòng)位移的鉆頭旋轉(zhuǎn)中心移動(dòng)的徑向距離;“偏移方向”是指擾動(dòng)位移的徑向方向。圖11B和12B分別是表1和2中的凈徑向非平衡力向量Fi(方向和大小)的圖。
表1.凈徑向非平衡力向量和動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定鉆頭的偏移偏移 初始偏移方向 非平衡力方向 非平衡量(磅)0″ 0° 56° 1300.030″ 56 83 174683 91 141291 94 130294 87 110187 93 135293 94 1302.050″ 56° 85° 207085 108 1600108 126 946126 149 607149 192 453192 292 630292 22 248022 66 226766 92 202892 114 1459114 134 857134 164 542164 231 428231 352 968
352 48 255248 82 210182 106 1789表2.凈徑向非平衡力向量和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定鉆頭的偏移偏移 初始偏移方向 非平衡力方向 非平衡量(磅)0″ 0° 204° 11890.030″ 204° 227° 1753227 236 1405236 235 1322235 235 13220.050″ 204° 229 2111229 224 1733244 250 1224250 252 1124252 252 1031圖11A的鉆頭顯示出在偏移距離為0.030英寸和初始偏移方向?yàn)?6°時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。凈徑向非平衡力向量Fi有一穩(wěn)定的方向和量(大小)。但是，圖11A的鉆頭在偏移0.050英寸和初始偏移方向同樣為56°時(shí)變得不穩(wěn)定。
相反，圖12A所示的鉆頭在位移為0.030英寸和0.050英寸，初始偏移方向?yàn)?04°時(shí)，保持著靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。雖然在每種情況下，在擾動(dòng)位移后凈徑向非平衡力向量Fi都改變，但力向量Fi的方向基本上指向一均衡方向，且還指向一與支承裝置對(duì)應(yīng)的位置。
第一最佳實(shí)施例的鉆頭通過(guò)使滑動(dòng)表面32足夠大，以當(dāng)遇到地下地層材料硬度變化而凈徑向非平衡力向量發(fā)生移動(dòng)時(shí)，包圍住該凈徑向非平衡力向量的辦法，以及將諸切割件設(shè)置得能減小力向量Fi方向的變化的辦法，提供了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。如滑動(dòng)表面不夠大不能形成這種條件，就產(chǎn)生逆向渦動(dòng)。通過(guò)試驗(yàn)，諸發(fā)明人發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)表面最好至少延伸20%的標(biāo)準(zhǔn)圓周長(zhǎng)，最好延伸50%至60%的標(biāo)準(zhǔn)圓周長(zhǎng)?；瑒?dòng)表面能延伸得多至90%的標(biāo)準(zhǔn)圓周長(zhǎng)，而不會(huì)對(duì)鉆頭有效鉆孔的能力產(chǎn)生不利影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，滑動(dòng)表面的圓周長(zhǎng)度要對(duì)應(yīng)于所預(yù)期的力向量Fi的移動(dòng)范圍，再在任一側(cè)加上約20%的移動(dòng)范圍裕量。
如按照本發(fā)明的鉆頭在高轉(zhuǎn)速下工作，例如在500轉(zhuǎn)/分鐘或更高轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，凈徑向非平衡分力Fi將有一與離心力有關(guān)的相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)分量。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，利用將鉆頭設(shè)計(jì)得使一部分切割齒空缺區(qū)有一第一密度，而鉆頭體的除切割齒空缺區(qū)之外的部分有一與第一密度不同的第二密度的辦法，能增大力向量Fi的大小。達(dá)到類(lèi)似的結(jié)果的另一辦法是將鉆頭設(shè)計(jì)得使支承裝置有一第一密度，而鉆頭體的除支承裝置之外的部分有一與第一密度不同的第二密度。這樣一個(gè)鉆頭最好能設(shè)計(jì)得使鄰近支承裝置的一側(cè)的質(zhì)量較大，這樣，離心力就推動(dòng)支承裝置而低住鉆孔壁。在一旋轉(zhuǎn)體中質(zhì)量分布如不對(duì)稱(chēng)，就會(huì)成形一有利于凈徑向非平衡力的力。
鉆頭10的操作將在下面結(jié)合按照本發(fā)明鉆探地下地層材料的方法描述。
下面參照?qǐng)D13A和13B描述本發(fā)明的第二最佳實(shí)施例。以參考號(hào)(編號(hào))“110”表示的第二實(shí)施例的地下鉆頭與第一實(shí)施例的鉆頭10相似，其區(qū)別在于支承裝置由一滾柱組件而不是一滑動(dòng)表面組成。與鉆頭10情況一樣，鉆頭110也靠一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源(未畫(huà)出)旋轉(zhuǎn)，以在地下地層材料中鉆孔而形成一具有鉆孔壁的鉆孔。鉆頭110包括一具有一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)116設(shè)置，以容納旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的基部114的鉆頭體112。鉆頭110還包括一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)116設(shè)置而從基部114延伸的定徑部118。鉆頭體112還包括一圍繞縱向軸線(xiàn)116設(shè)置而從定徑部分118延伸的工作面部分120。
鉆頭110還包括多個(gè)固定設(shè)置在工作面部分120和從工作面部分120突出且彼此間隔開(kāi)的金剛石切割件124;以及多個(gè)與工作面部分切割件124間隔開(kāi)、固定設(shè)置在定徑部分和從定徑部分118突出且彼此間隔開(kāi)的金剛石定徑切割件126。如上面對(duì)第一最佳實(shí)施例的鉆頭所描述的一樣，諸切割件設(shè)置得使在鉆孔期間，沿著一大致垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)116的凈徑向非平衡力向量Fi，形成一凈徑向非平衡力(見(jiàn)圖13B)。
鉆頭110還包括一設(shè)置在定徑部分118上和工作面部分120上，并與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)116和凈徑向非平衡力向量Fi形成的力平面Pf相交的、基本連續(xù)的切割齒空缺區(qū)130，這和上面鉆頭10的情況基本一樣。
鉆頭110還包括一圍繞力平面設(shè)置在切割齒空缺區(qū)130內(nèi)的支承裝置，以在鉆孔期間基本連續(xù)接觸鉆孔壁。
第二最佳實(shí)施例的支承裝置由一可旋轉(zhuǎn)安裝在鉆頭體112中的滾柱132組成，并使該滾柱132的邊132a圍繞著力平面且延伸出鉆頭體之外。滾柱132用一軸承組件132b可旋轉(zhuǎn)地裝在鉆頭體112中。另設(shè)有一內(nèi)部流體管道和噴嘴裝置127，并使流體管道通過(guò)軸承組件132b的中心，這樣，可使流體諸如鉆出的泥漿以例如已知的方式沿著工作面部分120分布。軸承組件132b包括與流體管道127的流動(dòng)通道連通的通道132C，以提供流體如鉆出的泥漿去清洗、潤(rùn)滑和冷卻軸承組件132b。
最好，在鉆頭體的幾何空間內(nèi)使?jié)L柱132盡可能大，以容納盡可能最大的軸承組件。滾柱132最好有一至少是標(biāo)準(zhǔn)半徑的75%的半徑。滾柱132可有一彈性的或耐磨涂料132d;并且在其外面設(shè)置突出的銷(xiāo)軸，以和鉆孔壁相接觸，從而確保當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)滾柱可旋轉(zhuǎn)。
下面將結(jié)合按照本發(fā)明鉆探地下地層材料的方法描述鉆頭110的操作。
描述了本發(fā)明的兩最佳實(shí)施例后，下面要描述按照本發(fā)明制造一種鉆向地下的鉆頭的最佳方法。在描述最佳方法時(shí)，要參考上述本發(fā)明的兩個(gè)最佳實(shí)施例。但是，對(duì)兩最佳實(shí)施例的參考只是為了清晰理解和易于說(shuō)明，而并不限制本發(fā)明的方法。
本發(fā)明提供了一種制造一種鉆向地下的鉆頭的方法，該鉆向地下的鉆頭靠一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源轉(zhuǎn)動(dòng)，以在地下地層材料中打出一有一鉆孔壁的鉆孔。
本發(fā)明的方法包括選擇一摸擬的鉆頭體，它具有一圍繞一縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置，以容納一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的基部;一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從基部延伸的定徑部分;以及，一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從定徑部分延伸的工作面部分。
按照最佳方法，摸擬鉆頭體選擇步驟包括選擇一種鉆頭體結(jié)構(gòu)(設(shè)計(jì))，如鉆頭體10或110。用于本方法的具體的鉆頭體并不受限制，許多種鉆頭體結(jié)構(gòu)，包括在現(xiàn)有技術(shù)中的那些，都可用于實(shí)施本最佳方法。一種摸擬鉆頭體的選擇可以包括選擇一實(shí)際的鉆頭，或選擇一理論上用于摸擬用途的鉆頭結(jié)構(gòu)(設(shè)計(jì))。
進(jìn)一步按照本發(fā)明，該方法包括選擇一摸擬的切割件排列方案，其中多個(gè)金剛石切割件固定設(shè)置于工作面部分并從工作面部分突出且彼此間隔開(kāi)。
最佳方法的摸擬切割件排列方案選擇步驟包括選擇一諸切割件，如鉆頭10的切割件24或鉆頭110的切割件124的排列方式;以及，選擇諸切割件在鉆頭體的工作面部分上的排列方式或定位和取向。此外，最佳方法的選擇的摸擬切割件排列方式可包括固定設(shè)置定徑切割件，如鉆頭10的切割件26或鉆頭110的切割件126。有幾種方法可用于選擇具體的摸擬切割件排列方式。例如，此步驟可包括選擇一已知的或市場(chǎng)上可購(gòu)得的、在鉆頭體上已設(shè)置好金剛石切割件的鉆頭(最佳方法的鉆頭體選擇步驟)。或者，該步驟可包括理論選擇一切割件排列方式，例如，其中的諸切割件按照一預(yù)先就有的結(jié)構(gòu)(設(shè)計(jì))、一隨機(jī)或任選的結(jié)構(gòu)(設(shè)計(jì))或一從一摸擬或體現(xiàn)一套設(shè)計(jì)判據(jù)的算法產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)(設(shè)計(jì))方案而排列。這樣，該摸擬切割件排列方式選擇步驟可包括選擇一已知的鉆頭和切割件排列方式，或產(chǎn)生一來(lái)自設(shè)計(jì)者的新設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的方法還包括測(cè)定一為選擇的切割件排列方式所需的凈徑向非平衡力向量，以獲得一凈徑向非平衡力向量的均衡方向。該凈徑向非平衡力向量測(cè)定步驟可包括一為選擇的摸擬切割件排列方式測(cè)定一圓周向非平衡力向量Fci和一徑向非平衡力向量Fri。
按照最佳方法，凈徑向非平衡力向量測(cè)定步驟包括使用一鉆頭上的諸切割表面的幾何模型或切割表面的摸擬，以計(jì)算作用在每個(gè)切割表面上的力。也就是使用一計(jì)算機(jī)模型以摸擬一鉆頭和作用在鉆頭上的力。該計(jì)算機(jī)模型可采用與揭示于美國(guó)專(zhuān)利4815342(發(fā)明人J.F.Bertt等;頒發(fā)于1989年3月28日)中的相應(yīng)的模型。
有關(guān)鉆頭設(shè)計(jì)、用作該模型的輸入的信息源取決于在摸擬鉆頭體和切割件排列方式的選擇步驟。例如，如依靠選擇一現(xiàn)有的鉆頭結(jié)構(gòu)以作修改或改型的辦法進(jìn)行這些選擇步驟，則輸入信息可通過(guò)對(duì)該鉆頭體和切割件尺寸進(jìn)行測(cè)量的辦法獲得(這將在下面更充分描述)。如利用選擇一地下鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的辦法進(jìn)行摸擬鉆頭體和切割件排列方式選擇步驟，則凈徑向非平衡力向量測(cè)定步驟可包括計(jì)算作用在選取的切割件排列方式的諸切割件上的各種作用力。這樣，凈徑向非平衡力向量測(cè)定步驟就包括用設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行的計(jì)算。
為了說(shuō)明該最佳方法，現(xiàn)假設(shè)摸擬鉆頭體和切割件排列方式選擇步驟是利用選擇一市場(chǎng)上可購(gòu)得的現(xiàn)有的地下鉆頭的辦法進(jìn)行的。在此假設(shè)下，凈徑向非平衡力向量測(cè)定步驟能按下述方式進(jìn)行。
由于諸切割件是預(yù)先安裝在鉆頭上的，它們的具體尺寸、排列方式、取向和其他有關(guān)參數(shù)可實(shí)地測(cè)量。諸測(cè)得的參數(shù)能用作模型的輸入，以有效地摸擬出鉆頭和作用在鉆頭上的諸作用力?，F(xiàn)在描述一按照最佳方法對(duì)鉆頭進(jìn)行測(cè)量的方法。
圖14示出了一從市場(chǎng)上可購(gòu)得的現(xiàn)有的座標(biāo)測(cè)量機(jī)，圖中在它的旁邊是一已知結(jié)構(gòu)的地下鉆頭40。該座標(biāo)測(cè)量機(jī)64包括一固定裝在一可旋轉(zhuǎn)臂68上的指針66。該指針66的下端形成為一相對(duì)于臂68固定的點(diǎn)。臂68裝在一可橫向滑動(dòng)的支架70上。支架70包括平行桿71，73，支架70可沿著它們的軸線(xiàn)滑動(dòng)。一儀表72指明支架70相對(duì)于一直立基座74的橫向位置。支架70也可沿平行桿76，78垂直移動(dòng)，而支架所處的高度由一儀表80指明。平行桿82，84裝在一下方固定底部86上。桿82，84支撐直立基座74使該基座可沿桿82，84的軸線(xiàn)滑動(dòng)。一儀表(圖中看不到)顯示出基座74在桿82，84上的相對(duì)位置。桿82、84在空間方向上垂直于桿76，78和桿71，73。同樣，桿76，78和桿71，73也各自垂直。
諸儀表上的讀數(shù)指出桿的相對(duì)位置，用以確定指針66的尖端在空間中占有的一點(diǎn)的位置。這樣，指針上的該點(diǎn)的位置可以作為由線(xiàn)性X，Y和Z軸線(xiàn)形成的三維座標(biāo)系的基準(zhǔn)或參考點(diǎn)，每一只儀表代表沿著一根軸線(xiàn)上的一個(gè)相對(duì)位置。一數(shù)字儀表88提供指針66上該點(diǎn)的X，Y和Z座標(biāo)讀數(shù)，并將這些座標(biāo)值在操作者給指令時(shí)送到一市場(chǎng)可購(gòu)得的計(jì)算機(jī)的貯存器(圖中未畫(huà)出)中。
鉆頭40裝在一轉(zhuǎn)臺(tái)90上，其角位置由手柄92控制。一角尺(圖中看不到)指示出轉(zhuǎn)臺(tái)和鉆頭40的角位置，鉆頭40由轉(zhuǎn)臺(tái)支撐著，其軸線(xiàn)與轉(zhuǎn)臺(tái)軸線(xiàn)對(duì)齊。
按照最佳方法，將指針66置于鉆頭表面上的多個(gè)點(diǎn)上，而每個(gè)特定點(diǎn)的座標(biāo)被貯存在計(jì)算機(jī)中。從這數(shù)據(jù)，就可以作出一計(jì)算機(jī)模型或鉆頭的模型。在測(cè)量中，圍繞著鉆頭的干部或基部進(jìn)行第一組測(cè)量，這樣，計(jì)算機(jī)就有了賴(lài)以能確定鉆頭的縱向軸線(xiàn)的數(shù)據(jù)。第二組測(cè)量是在每個(gè)切割件面的周長(zhǎng)上進(jìn)行的。在測(cè)量中，記下旋轉(zhuǎn)臺(tái)的角度位置及其三個(gè)座標(biāo)值，測(cè)量機(jī)64對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的那一特定角度進(jìn)行的所有測(cè)量都提供(產(chǎn)生)這些座標(biāo)值。這樣使所有測(cè)量值對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都基本上是標(biāo)準(zhǔn)化的，從而提高了測(cè)量過(guò)程的精度。在測(cè)定了縱向鉆頭軸線(xiàn)后，就測(cè)量諸切割件上的每個(gè)切割面。
為了描述進(jìn)行這些測(cè)量的方法，請(qǐng)看圖15A和15B。每個(gè)切割面包括一垂直軸線(xiàn)94，它基本上平行于切割面并從其最上部分延伸至最下部分。還包括一水平軸線(xiàn)96，它從切割面的最左部分延伸至最右部分并與切割面平行。在利用座標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，圖14中的指針66的端點(diǎn)先置于軸線(xiàn)94與切割面62的圓周的交點(diǎn)上，這樣就確定了第一測(cè)量點(diǎn)98。第二測(cè)量點(diǎn)100位于軸線(xiàn)94與切割面62的下方邊的交點(diǎn)上。第三測(cè)量點(diǎn)102位于軸線(xiàn)96與切割面62的圓周的左側(cè)交點(diǎn)上，而第四測(cè)量點(diǎn)104位于軸線(xiàn)96與切割面62的圓周的右側(cè)交點(diǎn)上。
在圖15A和15B中的切割面62的中央部位上所示的箭頭和數(shù)字表明在鉆頭上的每個(gè)切割面上進(jìn)行最初四個(gè)測(cè)量時(shí)的次序，即首先沿著切割面垂直軸線(xiàn)測(cè)量，然后沿著切割面水平軸線(xiàn)測(cè)量。當(dāng)指針66上的端點(diǎn)置于點(diǎn)98時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)的座標(biāo)和角位就提供給計(jì)算機(jī)，對(duì)其它幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)也作同樣的工作。
圖15B是鉆頭用于鉆孔后的切割面62的視圖，所以，由于在鉆孔期間切割齒緊貼在巖石結(jié)構(gòu)上，在切割齒的一側(cè)有了一個(gè)磨損平面105。當(dāng)在切割面的圓周上發(fā)生這樣的不規(guī)則性(如圖15B所示的情況)時(shí)，就對(duì)第五和第六測(cè)量點(diǎn)106和108進(jìn)行測(cè)量，以完全確定切割面的圓周。
當(dāng)每個(gè)測(cè)量值輸入計(jì)算機(jī)時(shí)，連帶著有一個(gè)表明進(jìn)行測(cè)量的次序的數(shù)字輸入計(jì)算機(jī)。在圖15A中，在點(diǎn)98，100，102和104處的測(cè)量分別給以序號(hào)1，2，3和4，而在圖15B中106和108處的測(cè)量點(diǎn)也同樣標(biāo)了號(hào)，它們分別標(biāo)為5和6。每個(gè)切割面部在轉(zhuǎn)臺(tái)的同一角度進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)這一個(gè)角度也作了記錄。除了前面所述的以外，還記錄了一個(gè)表明在相鄰兩次測(cè)量之間的切割面的邊的大概形狀的值。如該形狀大致是條直線(xiàn)，就記錄“0”;如該形狀大致是條圓弧，就記下“1”。這樣，就有一個(gè)數(shù)字提供給計(jì)算機(jī)存貯器，以表明圖15A中每?jī)蓚€(gè)相鄰測(cè)量點(diǎn)之間的總的形狀。
在圖15B中，在第一和第四測(cè)量點(diǎn)之間，在第四和第二測(cè)量點(diǎn)之間，在第二與第三測(cè)量點(diǎn)之間，在第三與第五測(cè)量點(diǎn)之間，以及在第六與第一測(cè)量點(diǎn)之間，均記下了“1”，而在第五與第六測(cè)量點(diǎn)之間記下了“0”，以表明由磨損部分105形成的基本上為直線(xiàn)的邊。這樣，每個(gè)記錄下的測(cè)量點(diǎn)就形成了一具有一相對(duì)于鉆頭縱向軸線(xiàn)的固定的角度方位的切割面的外周邊。此外，每相鄰點(diǎn)之間的連綴性也貯存在計(jì)算機(jī)存貯器中。所謂連綴性就是對(duì)在相鄰的兩測(cè)量點(diǎn)之間的切割面周邊形狀的說(shuō)明。后面將更清楚地說(shuō)明，相鄰測(cè)量點(diǎn)之間的連綴性值是用于插入附加座標(biāo)的，當(dāng)連綴性是“1”時(shí)，用圓插入，當(dāng)連綴性是“0”時(shí)，則使用線(xiàn)性插入。
現(xiàn)在參看圖16，所表示的鉆頭40是部分經(jīng)過(guò)制造工藝的。從圖中可見(jiàn)，除切割齒8外，所有切割齒均裝在鉆頭體上。鉆頭體上形成一孔114以裝進(jìn)切割齒8的桿部。其它每個(gè)切割齒也有各自的壓配進(jìn)入鉆頭體上的相應(yīng)孔中的桿部。在將切割齒8裝在鉆頭體上之前，先記錄下圍繞鉆頭體圓周的鉆頭體尺寸以及裝在鉆頭體上的每個(gè)切割齒的切割面的尺寸，并如前所述輸入計(jì)算機(jī)存貯器。這樣，計(jì)算機(jī)就貯存了有關(guān)鉆頭體圓周的數(shù)據(jù)(從該數(shù)據(jù)可確定縱向鉆頭軸線(xiàn))和有關(guān)每個(gè)切割面在空間中相對(duì)于鉆頭軸線(xiàn)的位置的數(shù)據(jù)(當(dāng)然，尚未安裝的切割齒8除外)。
圖17A是表示本發(fā)明最佳制造方法的流程圖;圖17B是一計(jì)算機(jī)程序或模型的流程圖，它是在最佳制造方法的凈徑向非平衡力向量測(cè)量步驟時(shí)使用的。盡管整個(gè)流程圖涉及鉆頭的制造，而相當(dāng)大部分的計(jì)算機(jī)程序僅僅涉及鉆頭的模型或摸擬的產(chǎn)生。后面將更為清楚，有關(guān)建立鉆頭模型的那部分程序是在框210，即“給鉆頭中心定位”這一步驟處開(kāi)始，而在框212，即“以?xún)删S陣列寫(xiě)入測(cè)得的和插入的座標(biāo)植”步驟處結(jié)束。
開(kāi)始該程序時(shí)，先提供有關(guān)鉆頭要鉆探的巖石的強(qiáng)度，鉆頭轉(zhuǎn)速和穿透(鉆進(jìn))速度，即鉆孔的速度的各數(shù)據(jù)。另外，要從計(jì)算機(jī)存貯中讀出鉆頭體座標(biāo)(即圍繞鉆頭體的圓周獲得的座標(biāo)值)。
此后，利用最小二乘方回歸方法，使用鉆頭體座標(biāo)確定縱向鉆頭軸線(xiàn)的位置。此任務(wù)的子程序只要一名普通熟悉該技術(shù)的人員就可以編寫(xiě)出來(lái)。
上面說(shuō)過(guò)，鉆頭體上每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的三座標(biāo)中的每個(gè)座標(biāo)都是以座標(biāo)測(cè)量機(jī)為基準(zhǔn)，而不是根據(jù)鉆頭體的縱向軸線(xiàn)得到的。在鉆頭體縱向軸線(xiàn)在作測(cè)量的座標(biāo)系中定位后，該座標(biāo)系可轉(zhuǎn)移以使垂直軸線(xiàn)或Z軸線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)鉆頭中心。接著，從計(jì)算機(jī)存貯器中讀出在某一特定切割齒號(hào)和旋轉(zhuǎn)角下所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息。此后，每個(gè)測(cè)量號(hào)，例如表明諸次測(cè)量的測(cè)量次序的一系列序列號(hào)中的一個(gè)，連同與那測(cè)量號(hào)有關(guān)的座標(biāo)值一起讀出。然后，可讀出相鄰測(cè)量(點(diǎn))之間的連綴性，正如上面所述，該連綴性確定了相鄰測(cè)量(點(diǎn))之間的大致的形狀，即是直線(xiàn)或還是大致的圓弧。
接著，計(jì)算出每個(gè)切割面的側(cè)斜角(side rake)。該側(cè)斜角是相對(duì)于一包含軸線(xiàn)144，146的垂直參考平面的斜角。該平面通過(guò)鉆頭體中心并劃分為兩相等的半部分。確定一特定切割齒的水平切割面軸線(xiàn)的諸座標(biāo)，即15A中的測(cè)量點(diǎn)102，104的座標(biāo)，沿著在鉆頭實(shí)際旋轉(zhuǎn)期間通過(guò)的路徑繞鉆頭中心的圓周旋轉(zhuǎn)。當(dāng)切割面的中心點(diǎn)與垂直基準(zhǔn)面相交時(shí)，在軸線(xiàn)96、水平軸線(xiàn)和垂直基準(zhǔn)平面之間的角度確定了側(cè)斜角?？梢钥闯?，位于每個(gè)切割面中心點(diǎn)的諸座標(biāo)能容易算出，因?yàn)樵撟鶚?biāo)是由軸線(xiàn)94，96的交點(diǎn)確定的，而它們的位置是已知的。
與此類(lèi)似，后斜角是在確定水平軸線(xiàn)和垂直軸線(xiàn)的座標(biāo)旋轉(zhuǎn)到它們的交點(diǎn)與基準(zhǔn)面相交之后，基準(zhǔn)面116和垂直軸線(xiàn)94之間的夾角。換言之，為計(jì)算側(cè)斜角與后斜角，確定切割面的座標(biāo)首先旋轉(zhuǎn)到軸線(xiàn)94，96的交點(diǎn)落在垂直基準(zhǔn)面內(nèi)。此后，測(cè)出水平軸線(xiàn)96與基準(zhǔn)面之間的夾角(側(cè)斜角)和垂直軸線(xiàn)94與基準(zhǔn)面之間的夾角(后斜角)。順便提一下一位熟悉該領(lǐng)域的普通人員很容易寫(xiě)出如上述能旋轉(zhuǎn)座標(biāo)和測(cè)量角的子程序。
舉例說(shuō)，圖18A是一鉆頭體的正視或縱向視圖，其中的垂直基準(zhǔn)面116包含了縱向鉆頭軸線(xiàn)和軸線(xiàn)146。代表鉆頭40上諸切割表面之一的切割表面62已旋轉(zhuǎn)到切割齒中心與平面116相交(如圖所示)?？梢钥闯鲇捎谠摫砻?2平行于縱向鉆頭體軸線(xiàn)，所以其后斜角為0°。這樣，圖18A中所示的夾角就是側(cè)斜角。
圖18B是從鉆頭側(cè)面看的切割表面的視圖。切割表面62已旋轉(zhuǎn)到其中心與平面116相交。由于圖18B中的表面62平行于軸線(xiàn)142，該表面62的側(cè)斜角為0°，圖中所示是后斜角。
應(yīng)予理解的是在多數(shù)情況下，切割表面部包括微量的后斜角和側(cè)斜角。圖18A和18B是用于圖解說(shuō)明測(cè)量后斜角和側(cè)斜角的方法的。
再回過(guò)來(lái)看圖17B，在計(jì)算一具體切割表面的側(cè)斜角和后斜角之后，程序選擇一在切割表面的圓周上的測(cè)量點(diǎn)并核查位于該點(diǎn)與按順時(shí)針?lè)较虻南乱粋€(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的連綴性。如該連綴性為“0”，則在相鄰座標(biāo)之間進(jìn)行線(xiàn)性插入，以在相鄰測(cè)量點(diǎn)之間沿著一直線(xiàn)建立一系列座標(biāo)。該程序繼續(xù)到按順時(shí)針?lè)较虻南乱粋€(gè)測(cè)量點(diǎn)，核查相鄰點(diǎn)之間的連綴性，如連綴性為“1”，就在相鄰點(diǎn)之間用圓弧插入法以形成一系列座標(biāo)。圍繞該切割面沿順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行該程序，直到通過(guò)在形成該切割面的外周的諸相鄰測(cè)量點(diǎn)之間進(jìn)行插入以產(chǎn)生多個(gè)座標(biāo)為止。循環(huán)218繼續(xù)到在所有相鄰測(cè)量點(diǎn)之間都插入了座標(biāo)，從而形成切割面外周為止。
接著，該程序?qū)y(cè)得的和插入的諸座標(biāo)投影到基準(zhǔn)面116上。這樣，被投影的切割面輪廓中的每個(gè)座標(biāo)能由兩個(gè)數(shù)字標(biāo)明，形成切割面的外周的測(cè)得和插入的諸座標(biāo)以一個(gè)兩維陣列的形式儲(chǔ)存起來(lái)。作為舉例，諸參見(jiàn)圖19A，這是一個(gè)表示圖16的鉆頭40上的每個(gè)切割面投影到基準(zhǔn)面116后的情況的圖。由于垂直軸線(xiàn)與縱向鉆頭體軸線(xiàn)相對(duì)應(yīng)(重合)，切割面輪廓的周邊上的每個(gè)座標(biāo)都可用一沿著徑向軸線(xiàn)的距離和一在基準(zhǔn)面以上的距離值標(biāo)明。例如，在水平軸線(xiàn)上，在鉆頭體的中心是“0”，在鉆頭體的圓周上是4.25英寸，這是因?yàn)樵搶?shí)施例中的鉆頭是一8.5英寸鉆頭。
為了更清楚地看出三條螺旋線(xiàn)中每一條螺旋線(xiàn)的切割面，圖19B示出了每條螺旋線(xiàn)在基準(zhǔn)面上的投影。可從螺旋線(xiàn)1中看出，由于切割齒8沒(méi)有裝上，所以沒(méi)有該切割齒的輪廓。
再返回來(lái)看流程圖17B，如上述，在切割齒1-7和9-36中的每個(gè)切割面用兩維陣列表示后，程序進(jìn)行到框219，進(jìn)行計(jì)算作用在每個(gè)切割齒上的力的步驟?，F(xiàn)在看圖20A和20B，一般說(shuō)來(lái)，作用在鉆頭上的單個(gè)切割齒上的力可為一法向力或穿透力，即圖20A和20B中以Fn標(biāo)明的力，以及一切割力，如圖20A中以向量Fc表示的力。該法向力是使切割齒穿透到巖石中所需的力，它由下面公式給出
Fn＝ (Cos(α-EBR))/(1-Sin(α-EBR)) dw·Bf·Rs·dce·C1+Aw·Rs·C2在上面公式中，α是巖石的摩擦角;EBR是有效后斜角，它是實(shí)際的后斜角、實(shí)際的側(cè)斜角(前面討論過(guò)這兩個(gè)角)以及力Fn作用處的角度的函數(shù)。
參閱圖20C，圖中示意性地表示切割表面62已嵌入了巖石結(jié)構(gòu)120中。盡管在圖20C中沒(méi)有畫(huà)出，鉆頭體上的大部分其他切割表面也這樣或那樣程度地嵌入了巖石結(jié)構(gòu)120中。有效后斜角(EBR)可以認(rèn)為是切割齒的切割面62與切割平面122之間的夾角。切割面122平行于一在切割面62上的兩點(diǎn)124和126之間形成的軸線(xiàn)，并垂直于向量Fn。點(diǎn)124和126是巖石結(jié)構(gòu)120的表面與切割面62的相交的點(diǎn)。換言之，切割面62上的陰影區(qū)是切割面62切入巖石120中的橫截面。
關(guān)于切割平面122的方向，還可以加上這一點(diǎn)平面122的垂直軸線(xiàn)128通過(guò)鉆孔的縱向軸線(xiàn)。當(dāng)然，當(dāng)鉆孔期間鉆頭不擺動(dòng)時(shí)，孔的縱向軸線(xiàn)與鉆頭的縱向軸線(xiàn)是重合的。
概言之，如圖20C所示，有效后斜角是切割面62與切割平面122之間的夾角。當(dāng)實(shí)際側(cè)斜角和實(shí)際后斜角為已知時(shí)可以計(jì)算出有效后斜角;而當(dāng)切割平面122的位置已知時(shí)，利用程序可計(jì)算有效后斜角。切割平面122的位置取決于割入的深度，而該深度又取決于穿透速度和鉆頭旋轉(zhuǎn)速度。前面說(shuō)過(guò)，這些數(shù)值被輸入程序中作為預(yù)選的、表示鉆頭使用時(shí)行將處于什么鉆孔狀態(tài)的參數(shù)。
Bf是鉆頭系數(shù)，一個(gè)在約0.75與約1.22范圍內(nèi)可變的變量，按照最佳方法，該系數(shù)是選來(lái)補(bǔ)償對(duì)一給定的鉆頭磨損在計(jì)算機(jī)模型上的摸擬與在真實(shí)條件下鉆頭磨損之間存在的稍許差異的。該鉆頭系數(shù)Bf考慮了對(duì)一具體鉆頭的無(wú)法解釋的影響。如該系數(shù)大于1，則表明鉆頭鉆得比預(yù)期的慢些;如小于1，則表明鉆得比預(yù)期的快些。一位熟悉該領(lǐng)域的普通人員能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定所選用的鉆頭的Bf的值。
切割齒造成的切割寬度用dw表示。按照最佳方法，計(jì)算機(jī)模型在每切割面上產(chǎn)生由若干平行垂直線(xiàn)組成的網(wǎng)格，dw等于相鄰兩條線(xiàn)之間的寬度。然后針對(duì)每個(gè)網(wǎng)格計(jì)算該等式，以產(chǎn)生切割齒的總的力。
切割有效深度以dce表示，C1是一無(wú)量綱常數(shù)，按照最佳方法，此常數(shù)等于1100。確定C1的方法將在下面描述，dce會(huì)與實(shí)際切割深度略有上下。選擇dce的方法為一熟悉該領(lǐng)域的普通人員所熟知。
現(xiàn)在考慮計(jì)算Fn的等式的第二項(xiàng)。Aw是磨損平面積;Rs是一涉及巖石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的常數(shù);C2是一常數(shù)，等于2150。
計(jì)算Fn的等式中的第一部分等于防止在一選擇的切割深度和寬度下，切割面脫出切割所需的力的大小。計(jì)算Fn的等式的第二部分包括一鈍切割齒的系數(shù)，該切割齒上具有一面積為Aw的磨損平面，這部分法向力是將巖石壓在一鈍切割齒之下，以使該切割齒穿透巖石所需的力。C1和C2能按經(jīng)驗(yàn)確定先使用一新的鉆頭，這樣，就使Aw為“0”，也使整個(gè)第二項(xiàng)為0。加上一已知的法向力，當(dāng)每個(gè)其它因素已知時(shí)，就能確定C1。此后，將在最佳方法中值為1100的C1插入到等式中，使用該鉆頭直至出現(xiàn)磨損平面。此后，測(cè)量磨損的平面積，再將它插入到等式中，求解等式得出C2，在最佳方法中，C2等于2150。
圓周向切割力Fc是在法向力將切割齒嵌入巖石結(jié)構(gòu)中后沿著切口推進(jìn)切割齒所需的力。圖20A中也用箭頭示出了Fc的方向。該圓周向切割力取決于切割齒與巖石之間的滑動(dòng)摩擦力和破碎巖石所需的力。下列公式能用于計(jì)算圓周向切割力Fc＝ (Sin(α-BR))/(1-Sin(α-BR)) ·C3·Rs·dw+C4·FN
該圓周向切割力等式的第一項(xiàng)是切割力，即粉碎巖石所需的力;第二項(xiàng)是在一切割齒磨損平面上產(chǎn)生的無(wú)用(生產(chǎn)力)的摩擦力。等式中的諸變量如上所述，此外，dcm是平均割口深度。在最佳方法中，無(wú)量綱常數(shù)C3和C4分別等于3000和0.3。C3和C4能根據(jù)試驗(yàn)確定，即在鉆頭上加兩個(gè)已知的圓周力進(jìn)行鉆孔，再在每個(gè)圓周力值情況下將所有已知的變量插到圓周向切割力等式中，最后將等式解開(kāi)求出C3和C4。
在所考慮的實(shí)施例中，即圖16的鉆頭40中，計(jì)算了如圖20A所示的在每個(gè)切割齒的諸圓周力和法向力值。如上所述，作為穿透速度和鉆頭轉(zhuǎn)速的函數(shù)的割口深度作為預(yù)選值提供給計(jì)算機(jī)。因?yàn)殂@頭上的諸切割齒在一相對(duì)于垂直方向傾斜一β角的表面上切割(如圖20C所示)，法向力能分解為一垂直分力和一徑向分力，圓周力能分解為徑向分力和一繞著鉆頭中心的力矩。圖20C中以Fr表示的法向力的徑向分力等于Fn·Sinβ。
作用在鉆頭上且位于垂直鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的平面內(nèi)的法向力和圓周力能分解為一作用于鉆頭中心上的單個(gè)力和一單個(gè)力偶，它們均位于法向平面內(nèi)。該力偶是旋轉(zhuǎn)鉆頭所需的力矩，該力是徑向非平衡力，即趨向于將鉆頭推到鉆孔側(cè)面之力。
在計(jì)算非平衡力的大小和方向時(shí)將諸切割力分解為沿X和Y方向的諸分力是有幫助的(圖16)。如已提過(guò)的，這些軸線(xiàn)是任意選擇的，但相對(duì)于任何在鉆頭上的具體確定的特征是固定的。在這些方向上垂直穿透力Fv無(wú)分力。利用下式可將法向力Fn的徑向穿透力Fr分解為沿X和Y軸的分力Fxr＝Fr·CosωFyr＝Fr·Sinω由于每個(gè)切割齒上的圓周力垂直作用于徑向力，它能用下列公式分解為沿X和Y方向的分力
Fxc＝Fc·Cos(ω-90)Fyc＝Fc·Sin(ω-90)應(yīng)予注意的是在每個(gè)切割齒處無(wú)Fc的徑向分力。但是，如圖16所示，當(dāng)每個(gè)切割齒的Fc的值分解為沿X和Y軸線(xiàn)的分力，并將這些分力向量加起來(lái)時(shí)，就成為一圓周力的總的徑向分力。然后將諸切割齒的諸分力加起來(lái)，就可得到非平衡力的總的X和Y分力如下Fxt＝Fxr+FxcFyt＝Fyr+Fyc在有些情況下，諸切割齒可以具有較大的側(cè)斜角，以引出一第三徑向力源。在這些情況下，由于每個(gè)切割齒的側(cè)斜角造成的一徑向分力也以與上面討論的類(lèi)似的方式被包括在內(nèi)。
在這樣相加以后，徑向非平衡力的大小可由下式給出F1=Fxt2+Fyt2]]>再回到圖17B的流程圖，從中可以看到在框130中標(biāo)明的步驟是這樣進(jìn)行的，將在一垂直于鉆頭軸線(xiàn)的平面內(nèi)切割力分解為一單個(gè)凈徑向非平衡力Fi(如上述)。該力向量的值(大小和方向)代表一均衡值。類(lèi)似的，可計(jì)算一在一平行于中心軸線(xiàn)的平面內(nèi)傾向于將鉆頭傾斜的力矩。
按照本發(fā)明，制造一地下鉆頭的方法還包括設(shè)置一位于定徑部分上和工作面部分上且與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)和凈徑向非平衡力向量形成的力平面相交的摸擬的、基本上連續(xù)的切割齒空缺區(qū)。
用于最佳方法的該摸擬的切割齒空缺區(qū)設(shè)置步驟包括在鉆頭體上設(shè)置一基本上如上面對(duì)諸最佳實(shí)施例的切割齒空缺區(qū)30和130所描述的、摸擬的、基本上連續(xù)的切割齒空缺區(qū)。
按照本發(fā)明，該方法還包括在切割齒空缺區(qū)內(nèi)圍繞力平面設(shè)置一摸擬支承支架，以使它在鉆孔期間基本上始終接觸鉆孔壁。
應(yīng)用于最佳方法的該摸擬支承支架設(shè)置步驟包括基本上如上面對(duì)諸最佳實(shí)施例描述的，在切割齒空缺區(qū)內(nèi)圍繞力平面Pf設(shè)置一支承支架，即支承裝置，諸如滑動(dòng)表面32(圖1A和1B)或滾柱132(圖13A和13B)或它們的同等物，以使它接觸鉆孔壁。
按照本發(fā)明，該方法還包括確定一相應(yīng)于一預(yù)選的鉆頭體的擾動(dòng)位移范圍的凈徑向非平衡力向量的位置。
應(yīng)用于最佳方法的、測(cè)量適應(yīng)擾動(dòng)位移的凈徑向非平衡力向量步驟包括將鉆頭體旋轉(zhuǎn)中心移向獲得的凈徑向非平衡力向量的均衡方向以外的某一方向;以及在松弛階段中鉆頭響應(yīng)擾動(dòng)力時(shí)，動(dòng)態(tài)地計(jì)算凈徑向非平衡力向量的值。該擾動(dòng)力最好包括一對(duì)于時(shí)間而言的脈沖力而不是加上擴(kuò)大或延長(zhǎng)的擾動(dòng)力。該擾動(dòng)力將使鉆頭旋轉(zhuǎn)中心偏移，該偏移是鉆頭旋轉(zhuǎn)中心與相對(duì)于當(dāng)凈徑向非平衡力向量最初是在其均衡方向時(shí)最初鉆頭旋轉(zhuǎn)中心之間的瞬時(shí)距離量。在預(yù)選的一組鉆頭體發(fā)生擾動(dòng)位移的時(shí)間內(nèi)測(cè)量?jī)魪较蚍瞧胶饬ο蛄康奈恢茫瑢a(chǎn)生如在表1和表2以及圖11B和12B上列出的數(shù)據(jù)。按照最佳方法，擾動(dòng)位移最大為一英寸的75/1000。例如，該方法可包括確定鉆頭對(duì)擾動(dòng)位移的反應(yīng)，其中擾動(dòng)位移取2個(gè)(種)偏移量和8個(gè)45°間隔的方向。
按照本發(fā)明，該方法還包括必要時(shí)修改前面選擇的摸擬切割件排列方式，使修改的摸擬切割件排列方式能使凈徑向非平衡力在鉆孔期間基本上保持支承裝置接觸鉆孔壁，并能使凈徑向非平衡力向量在遇到擾動(dòng)位移時(shí)，基本返回到均衡位置。
用于最佳方法的該摸擬切割件排列方式修改步驟可使用上述結(jié)合圖17A和17B中所描述的模型和計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行。圖17B中的整個(gè)流程圖包括在圖17A所示的、標(biāo)明“計(jì)算Fi，F(xiàn)ci和Fri”的步驟中。諸發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在圖17A中概述且在下面要進(jìn)一步描述的過(guò)程(程序)可用于設(shè)計(jì)和制作一種抗逆向渦動(dòng)的鉆頭。
前面所述的最佳方法的幾個(gè)步驟導(dǎo)致展開(kāi)了設(shè)計(jì)的(從一理想或摸擬的鉆頭)或?qū)嶋H的(從一測(cè)得的鉆頭)切割件、切割齒空缺區(qū)和支承裝置的位置。然后，圖17B概述的程序用于計(jì)算非平衡力Fi，F(xiàn)ci和Fri的方向和大小。如圖17A中的循環(huán)320所示的該程序的下一步驟包括重新排列諸切割件，使按本文所述的判據(jù)來(lái)看，諸力的大小和方向，支承裝置和切割齒空缺區(qū)的位置是可接受的。如力的方向，支承裝置和切割齒空缺區(qū)的位置不能接受，則要重新安排切割件和/或支承裝置和切割齒空缺區(qū)的位置，以得出一可以接受的設(shè)計(jì)，當(dāng)然也要重新計(jì)算力的方向和大小。
一旦成功地完成了循環(huán)320，進(jìn)入第二循環(huán)321，以確保鉆頭是如本文說(shuō)述的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的。圖17A中所示的“迭代計(jì)數(shù)”設(shè)定得足夠高，以確保不會(huì)錯(cuò)過(guò)好的鉆頭但同時(shí)又足夠低以免浪費(fèi)計(jì)算時(shí)間。通常，20次迭代將是可以接受的。另外，如早先的和新的諸非平衡力方向相差在約10°以?xún)?nèi)，則認(rèn)為這些方向是相同的。如所得的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，則重新設(shè)置切割件、支承裝置或切割齒空缺區(qū)的位置，以獲得一較穩(wěn)定的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，從而重新進(jìn)入循環(huán)320。
如成功完成了循環(huán)321，則將切割齒空缺區(qū)和支承裝置的范圍及位置與非平衡力方向的偏移范圍作比較，以確保符合本文所述的判據(jù)。如不符合，重新設(shè)定切割件位置、支承裝置和切割齒空缺區(qū)的位置，以產(chǎn)生一可接受的鉆頭結(jié)構(gòu)，從而重新進(jìn)入循環(huán)320。
如關(guān)于切割齒空缺區(qū)和支承裝置的范圍和位置的判據(jù)與非平衡力方向的偏移比較后確信是符合判據(jù)的，則利用為熟悉該領(lǐng)域的人所熟知的方法檢查切割件負(fù)荷，看負(fù)荷是否太大或造成的磨損是否太多。如果認(rèn)為負(fù)荷和/或磨損速度是不無(wú)法接受的，則重新設(shè)定切割件、支承裝置和切割齒空缺區(qū)的位置，以產(chǎn)生一較能被接受的鉆頭結(jié)構(gòu)，從而重新進(jìn)入循環(huán)320。如果是可接受的，就可將切割件、支承裝置和切割齒空缺區(qū)的位置用到實(shí)際的鉆頭上去，即以此為基礎(chǔ)把它們安排在實(shí)際的鉆頭上。
有時(shí)檢查鉆頭圍繞工作面部分多個(gè)方向上(如每隔45°)的偏移的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，以確保穩(wěn)定性，以及，檢查在發(fā)生擾動(dòng)位移的情況下切割齒空缺區(qū)和支承裝置的位置是否恰當(dāng)是很有益的。這步驟在圖17A中未畫(huà)出，但是，如果圍繞工作面部分的移動(dòng)量很小(如0.100″)而鉆頭卻不能達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，則重新設(shè)定切割齒的位置，以獲得一動(dòng)態(tài)較穩(wěn)定的鉆頭是可取的。
例如，來(lái)考慮一個(gè)如圖16所示的實(shí)際的鉆頭。在該實(shí)例中，只有一個(gè)切割齒，切割齒8尚待裝到鉆頭體上。可使用一迭代法來(lái)計(jì)算切割齒8的位置，使凈徑向非平衡力向量指向支承區(qū)。首先，可以看出，切割齒能繞著孔114中的切割齒桿部的縱向軸線(xiàn)沿徑向設(shè)置，并還能安裝在不同深度處從完全座落(即切割齒桿部抵達(dá)孔的下端)狀態(tài)變化到處在該孔中的某些高度的位置。最初，賦予切割齒8以在預(yù)選范圍內(nèi)的一任意的后斜角和側(cè)斜角和切割面的垂直位置，在給定的位置對(duì)切割齒8重新運(yùn)行摸擬鉆頭和計(jì)算切割力的程序。該程序?qū)呄蛴谝粋€(gè)會(huì)增大和恰當(dāng)改變非平衡力的方向而一次次重新設(shè)置的切割齒8的切割面方向重復(fù)運(yùn)行。該程序最終產(chǎn)生出一組確定切割齒8的切割面的位置的座標(biāo)。
本發(fā)明的鉆頭制造方法還包括按照修改的摸擬切割件排列方式、摸擬切割齒空缺區(qū)和摸擬支承裝置，在一鉆頭體上設(shè)置多個(gè)切割件、一切割齒空缺區(qū)和一支承裝置。
按照最佳方法，這個(gè)切割件設(shè)置步驟包括按照上面確定的相應(yīng)的摸擬配位，在該鉆頭上設(shè)置諸切割件、一切割齒空缺區(qū)和一支承裝置。在所考慮的實(shí)例中，除切割齒8外所有切割齒已實(shí)地安裝于鉆頭體。在該最佳方法的這一步驟中，切割齒8按照如上所述計(jì)算出的定位方案設(shè)置和固定安裝于鉆頭體。
作為落實(shí)措施，重復(fù)凈徑向非平衡力向量測(cè)定步驟和發(fā)生擾動(dòng)位移時(shí)的凈徑向非平衡力向量測(cè)定步驟，以確認(rèn)按照最佳方法，上面確定的結(jié)構(gòu)是有效的。計(jì)算所得的值包括每個(gè)切割齒的切割量(轉(zhuǎn)一圈挖去的量)和速度。磨損平面面積是用已知方法按鉆孔5小時(shí)條件計(jì)算的。百分比非平衡力表示為加在鉆頭上的重量的百分比的非平衡力，它是每個(gè)切割齒向量Fyt之和。
應(yīng)予理解的是上述方法并不限于在一預(yù)先鉆好的孔中簡(jiǎn)單地定位一切割齒。例如，利用在如上所述安裝了一預(yù)定數(shù)量的切割齒后，選擇一個(gè)或多個(gè)切割齒在鉆頭體上的諸孔的位置，以及運(yùn)行該程序以確定該凈徑向非平衡力Fi的辦法來(lái)實(shí)施該方法。如在研究的實(shí)例中的情況一樣，用一個(gè)類(lèi)似于上述的迭代方法來(lái)在預(yù)先鉆好的孔中設(shè)置兩或多個(gè)余下的切割齒。該程序還能用來(lái)確定要鉆的孔的位置。
另外，該方法不必限于具有裝在鉆頭體上的孔中、從切割齒延伸的桿部的這類(lèi)切割齒。該方法，包括計(jì)算機(jī)程序，能用于確定利用釬焊或其他已知技術(shù)直接固定于一鉆頭體上的切割齒的位置。
此外，該方法能容易地用來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的鉆頭，以在一正確位置安裝所述支承裝置。實(shí)現(xiàn)這種改進(jìn)的辦法是如上所述，確定凈徑向非平衡力向量的方向，然后除去在一凈徑向非平衡力向量所指向的區(qū)域內(nèi)的諸切割齒。用一如上述的那種支承裝置取代除去的諸切割齒。為此，可以進(jìn)行多次這樣的迭代運(yùn)算步驟，以確保凈徑向非平衡力向量Fi的量是可接受的，且該向量指向合適的位置。這些迭代步驟能包括替換、除去和重新排列諸切割齒，以達(dá)到所需結(jié)果。
盡管上面的討論是針對(duì)一種現(xiàn)有的鉆頭設(shè)計(jì)的修改或改型以及包括對(duì)一已有的鉆頭的結(jié)構(gòu)的修改，該方法不必限于這種情況。如上所述，通過(guò)摸擬鉆頭體和切割齒排列設(shè)計(jì);例如通過(guò)迭代法計(jì)算最佳鉆頭體設(shè)計(jì)以及切割件排列方式;以及利用摸擬結(jié)果制造一地下鉆頭。這個(gè)“根本或基礎(chǔ)”性方法可以和一計(jì)算機(jī)程序，如上面聯(lián)系最佳制造方法所述的一種程序一起使用。
現(xiàn)在描述在地下地層材料中鉆孔的方法。該方法可用于在地下地層材料中鉆孔，以打出一個(gè)具有一鉆孔壁的鉆孔。
本發(fā)明的鉆孔方法包括將一地下鉆頭連接于一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源，如上述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源。該方法的地下鉆頭包括一鉆頭體，它有一圍繞一縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置，以容納一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的基部;一圍繞該縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置且從該基部延伸的定徑部分;以及一圍繞該縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置且從該定徑部分延伸的工作面部分。該鉆孔方法的該鉆頭還包括多個(gè)固定設(shè)置于工作面部分并從工作面部分突出且彼此間隔開(kāi)的金剛石切割件。諸切割件設(shè)置得使在鉆孔期間沿著一基本上垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)的凈徑向非平衡力向量形成一凈徑向非平衡力。該鉆孔方法的鉆頭進(jìn)一步包括一設(shè)置在定徑部分上和工作面部分上且與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)和凈徑向非平衡力向量形成的力平面相交的基本上連續(xù)的切割齒空缺區(qū)。該鉆孔方法的鉆頭還進(jìn)一步包括一設(shè)置在切割齒空缺區(qū)內(nèi)、圍繞力平面的支承裝置，以使它在鉆孔期間基本上始終接觸鉆孔壁。
按照最佳鉆孔方法，該鉆頭提供步驟包括提供一如上面聯(lián)系本發(fā)明第一和第二最佳實(shí)施例所描述的鉆頭10或110的鉆頭。實(shí)施最佳鉆孔方法用的鉆頭的諸切割件和切割齒空缺區(qū)可相當(dāng)于上面聯(lián)系本發(fā)明的第一和第二最佳實(shí)施例所描述的諸切割件和切割齒空缺區(qū)。在最佳鉆孔方法中使用的鉆頭的諸切割件在鉆頭上設(shè)置得使能控制圓周非平衡力向量Fci和徑向非平衡力向量Fri中的一個(gè)或兩個(gè)。最佳鉆孔方法的鉆頭的支承裝置可包括一滑動(dòng)表面，如鉆頭10的滑動(dòng)表面32;一滾柱，如鉆頭110的滾柱132，或它們的同等物。
根據(jù)本發(fā)明，該鉆孔方法還包括旋轉(zhuǎn)和下放鉆頭到鉆孔中，以接觸地下地層材料，使在鉆孔期間凈徑向非平衡力向量Fi基本能保持支承裝置與鉆孔壁相接觸，該凈徑向非平衡力向量有一均衡方向并在遇到擾動(dòng)位移時(shí)基本返回到該均衡方向。
用于最佳鉆孔方法的該鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)和下放步驟可包括旋轉(zhuǎn)和下放鉆頭10或鉆頭110到鉆孔中，以接觸和鉆地下地層材料。
第一最佳實(shí)施例的鉆頭10能用來(lái)按最佳鉆孔方法以下面方式鉆孔。鉆頭10可以連接到一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源，如上述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源，并能旋轉(zhuǎn)和下放到一鉆孔中。在該鉆孔操作中，諸發(fā)明人發(fā)現(xiàn)一特定的操作次序能提供最有利的結(jié)果。一旦鉆頭被下放到鉆孔中，該鉆頭首先以一低轉(zhuǎn)速如30轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。然后，加在鉆頭上的“鉆頭上的重量負(fù)荷”慢慢增加到大致為工作負(fù)荷的一半。再將鉆頭的轉(zhuǎn)速提高到其工作速度(通常為120轉(zhuǎn)/分鐘)。然后，將滿(mǎn)負(fù)荷逐步加到鉆頭上。當(dāng)停止鉆孔時(shí)，將該程序倒過(guò)來(lái)進(jìn)行。該操作程序能提高鉆頭的耐用性和壽命。
當(dāng)鉆頭接觸到鉆孔底部并開(kāi)始鉆孔時(shí)，凈徑向非平衡力向量Fi將有一非零的量和一相應(yīng)于一均衡方向的方向。這個(gè)力向量Fi的均衡方向如上所述對(duì)應(yīng)于諸切割件在鉆頭體上的位置。該均衡方向能例如以上述方法計(jì)算出來(lái)。在鉆較均勻的地下地層材料時(shí)，諸切割件的排列方式和位置將使凈徑向非平衡力向量Fi移動(dòng)滑動(dòng)表面32，以使它接觸鉆孔壁。當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)表面32將以較低摩擦力接觸和滑動(dòng)于鉆孔壁上。由于滑動(dòng)表面32和切割齒空缺區(qū)30中無(wú)切割件或研磨表面，該鉆頭就在鉆孔壁上滑動(dòng)，從而避免激起任何逆向渦動(dòng)。該鉆頭繞著一在鉆頭體上的基本固定的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，因此處于靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。
當(dāng)遇有一擾動(dòng)位移時(shí)，鉆頭的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心將改變。鉆頭10的諸切割件設(shè)置得使由這個(gè)擾動(dòng)位移引起的力的變化將凈徑向非平衡力向量Fi基本上返回到初始均衡方向。這樣，該鉆頭保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。
第二最佳實(shí)施例的鉆頭110用來(lái)按照最佳鉆孔方法以下述方式鉆孔。鉆頭110能連接一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源，如上述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源，并能旋轉(zhuǎn)和下放到一鉆孔中。一旦鉆頭被下放到鉆孔中，該鉆頭就按上述程序旋轉(zhuǎn)和下放。
當(dāng)鉆頭接觸到鉆孔底部并開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)，凈徑向非平衡力向量Fi將有一非零的量和一與一均衡方向相應(yīng)的方向。這個(gè)力向量Fi的均衡方向如上所述對(duì)應(yīng)于諸切割件在鉆頭體的位置。該均衡方向能例如以上述方法計(jì)算出來(lái)。在鉆較均勻的地下地層材料時(shí)，諸切割件的排列方式和位置將使凈徑向非平衡力向量Fi移動(dòng)滾柱132，以使它接觸鉆孔壁。當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾柱132將以較低摩擦力滾動(dòng)于鉆孔壁之上。由于滾柱132和切割齒區(qū)130中無(wú)切割件或研磨表面，該鉆鉆頭體就不會(huì)咬住鉆孔壁，從而避免激發(fā)起任何逆向渦動(dòng)。該鉆頭繞著一在鉆頭體上的基本上固定的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，因此處于靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。
當(dāng)遇有一擾動(dòng)位移時(shí)，鉆頭的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心將改變。鉆頭110的諸切割件設(shè)置得使由這個(gè)擾動(dòng)位移引起的力的變化將凈徑向非平衡力向量Fi基本上返回到初始的均衡方向。這樣，該鉆頭保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。
在本文描述了諸最佳實(shí)施例和方法之后，那些熟悉該領(lǐng)域的人很易理解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)，也能方便地作些修改。例如，本發(fā)明原理適用于空心鉆頭和類(lèi)似形式的鉆頭。所以，本發(fā)明的主要方面并不限于特定具體細(xì)節(jié)或代表性裝置，也不限于用以舉例說(shuō)明和圖示的實(shí)施例。因此，只要不脫離所附的權(quán)利要求書(shū)和它的同等物所闡述的總的發(fā)明構(gòu)思的精神或范圍，可對(duì)具體細(xì)節(jié)作些改動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種地下鉆頭，它靠一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源帶動(dòng)而工作，以在地下地層材料中鉆孔從而形成一有一鉆孔壁的鉆孔，該鉆頭包括一鉆頭體，它具有一圍繞一縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置以容納旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的基部；一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從基部延伸的定徑部分(gaugeporfion)；以及一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從定徑部分延伸的工作面部分(face porfion)；多個(gè)固定設(shè)置于工作面部分和從工作面部分突出彼此間隔開(kāi)的金剛石切割件，諸切割件設(shè)置得使在鉆孔期間沿著一基本上垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)的凈徑向非平衡力向量形成一凈徑向非平衡力；一設(shè)置在定徑部分上和工作面部分上，并與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)和凈徑向非平衡力向量組成的力平面相交的基本上連續(xù)的切割齒空缺區(qū)；以及圍繞力平面設(shè)置在切割齒空缺區(qū)內(nèi)的支承裝置(bearing means)，用于在鉆孔期間使它基本上始終接觸鉆孔壁；諸切割件設(shè)置得使在鉆孔期間凈徑向非平衡力能基本上保持支承裝置接觸鉆孔壁；使凈徑向非平衡力向量有一均衡方向；以及，使凈徑向非平衡力向量在遇到擾動(dòng)位移時(shí)能基本上返回到該均衡方向。
2.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭，其特征在于，還包括多個(gè)與工作面部分上的諸切割件間隔開(kāi)、固定設(shè)置在定徑部分和從定徑部分突出且彼此間隔開(kāi)的金剛石切割件。
3.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭，其特征在于，諸切割件在工作面部分上沿著徑向以一非直線(xiàn)形方式分布。
4.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭，其特征在于，諸切割件在工作面部分上以一不均勻方式分布。
5.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭，其特征在于，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源轉(zhuǎn)動(dòng)并施加一軸向負(fù)荷于鉆頭上，凈徑向非平衡力向量的大小在軸向負(fù)荷的3%至40%范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭，其特征在于，定徑部分相對(duì)于縱向鉆頭軸線(xiàn)有一標(biāo)準(zhǔn)圓周(gauge circumference)，切割齒空缺區(qū)沿著約20%至70%的標(biāo)準(zhǔn)圓周延伸。
7.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭，其特征在于，支承裝置包括一前面部分(leading portion)，諸切割件設(shè)置得使在鉆孔期間凈徑向非平衡力向量指向一與該前面部分相應(yīng)的位置。
8.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭，其特征在于，支承裝置包括一圍繞力平面、設(shè)置在切割齒空缺區(qū)內(nèi)的基本上平滑的耐磨滑動(dòng)表面，用以在鉆孔期間使它滑動(dòng)接觸于鉆孔壁。
9.如權(quán)利要求8所述的地下鉆頭，其特征在于，滑動(dòng)表面在無(wú)流體動(dòng)力學(xué)潤(rùn)滑的情況下接觸鉆孔壁。
10.如權(quán)利要求8所述的地下鉆頭，其特征在于，滑動(dòng)表面包括一耐磨涂層。
11.如權(quán)利要求8所述的地下鉆頭，其特征在于，滑動(dòng)表面包括一浸漬過(guò)金剛石的材料。
12.如權(quán)利要求8所述的地下鉆頭，其特征在于，滑動(dòng)表面的尺寸足以當(dāng)因地下地層材料硬度變化而使凈徑向非平衡力向量移動(dòng)時(shí)，包圍住凈徑向非平衡力向量。
13.如權(quán)利要求8所述的地下鉆頭，其特征在于，定徑部分相對(duì)于縱向鉆頭軸線(xiàn)有一標(biāo)準(zhǔn)圓周，滑動(dòng)表面沿著至少20%的標(biāo)準(zhǔn)圓周連續(xù)地延伸。
14.如權(quán)利要求8所述的地下鉆頭，其特征在于，定徑部分相對(duì)于縱向鉆頭軸線(xiàn)有一標(biāo)準(zhǔn)半徑(gauge radius)，一部分滑動(dòng)表面比起該標(biāo)準(zhǔn)半徑更接近縱向鉆頭軸線(xiàn)。
15.如權(quán)利要求8所述的地下鉆頭，其特征在于，定徑部分相對(duì)于縱向鉆頭軸線(xiàn)有一標(biāo)準(zhǔn)半徑，一部分滑動(dòng)表面比起該標(biāo)準(zhǔn)半徑更遠(yuǎn)離縱向鉆頭軸線(xiàn)。
16.如權(quán)利要求8所述的地下鉆頭，其特征在于，滑動(dòng)表面有一第一密度，滑動(dòng)表面以外的部分鉆頭體有一與第一密度不同的第二密度。
17.如權(quán)利要求8所述的地下鉆頭，其特征在于，滑動(dòng)表面由多個(gè)間隔開(kāi)的滑動(dòng)表面區(qū)組成。
18.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭，其特征在于，支承裝置包括一旋轉(zhuǎn)安裝在鉆頭體內(nèi)的滾柱，該滾柱的一邊延伸超出鉆頭體之外。
19.如權(quán)利要求18所述的地下鉆頭，其特征在于，定徑部分相對(duì)于縱向鉆頭軸線(xiàn)有一標(biāo)準(zhǔn)半徑，滾柱半徑至少是標(biāo)準(zhǔn)半徑的75%。
20.一種地下鉆頭，它靠一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源帶動(dòng)而工作，用以在地下地層材料中鉆孔從而形成一有一鉆孔壁的鉆孔，該鉆頭包括一鉆頭體，它具有一圍繞一縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置，以容納旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的基部;一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從基部延伸的定徑部分，以及一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從定徑部分延伸的工作面部分;多個(gè)固定設(shè)置于工作面部分和從工作面部分突出并彼此間隔開(kāi)的金剛石切割件，諸切割件設(shè)置得使在鉆孔期間沿著一基本上垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)的凈徑向非平衡力向量形成一凈徑向非平衡力，該凈徑向非平衡力向量對(duì)應(yīng)于一由一圓周非平衡力向量和一徑向非平衡力向量合成的合成向量;一設(shè)置在定徑部分上和工作面部分上，并與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)和凈徑向非平衡力向量組成的力平面相交的基本上連續(xù)的切割齒空缺區(qū);以及圍繞力平面設(shè)置在切割齒空缺區(qū)內(nèi)的支承裝置，用于在鉆孔期間使它基本上始終接觸鉆孔壁;諸切割件設(shè)置得使在鉆孔期間凈徑向非平衡力能基本上保持支承裝置接觸鉆孔壁;使凈徑向非平衡力向量有一均衡方向;以及，使凈徑向非平衡力向量在遇到擾動(dòng)移位時(shí)能基本上返回到該均衡方向。
21.如權(quán)利要求20所述的地下鉆頭，其特征在于，諸切割件設(shè)置得使圓周非平衡力向量指向一與支承裝置相應(yīng)的位置。
22.如權(quán)利要求20所述的地下鉆頭，其特征在于，諸切割件設(shè)置得使凈徑向非平衡力向量指向一與支承裝置相應(yīng)的位置。
23.如權(quán)利要求20所述的地下鉆頭，其特征在于，諸切割件設(shè)置得使圓周非平衡力向量和徑向非平衡力向量指向一與支承裝置相應(yīng)的位置。
24.如權(quán)利要求20所述的地下鉆頭，其特征在于，諸切割件設(shè)置得使圓周非平衡力向量的大小小于徑向非平衡力向量的大小。
25.一種地下鉆頭的制造方法，該鉆頭靠一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源帶動(dòng)而工作，以在地下地層材料中鉆孔從而形成一具有一鉆孔壁的鉆孔，該方法包括選擇一摸擬的鉆頭體，該鉆頭體有一圍繞一縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置，以容納旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的基部;一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從基部延伸的定徑部分;以及，一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從定徑部分延伸的工作面部分;選擇一摸擬的切割件排列方式，其中的多個(gè)金剛石切割件固定設(shè)置于工作面部分和從工作面部分突出并彼此間隔開(kāi);確定一適應(yīng)于選擇的摸擬的切割件排列方式的凈徑向非平衡力向量，以獲得一凈徑向非平衡力向量的均衡方向;設(shè)置一位于定徑部分上和工作面部分上且與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)和凈徑向非平衡力向量組成的力平面相交的摸擬的、基本上連續(xù)的切割齒空缺區(qū);設(shè)置一位于切割齒空缺區(qū)內(nèi)圍繞力平面的摸擬的支承裝置，以使它在鉆孔期間基本上始終接觸鉆孔壁;確定一凈徑向非平衡力向量的位置，以適應(yīng)一預(yù)選的鉆頭擾動(dòng)位移范圍;必要時(shí)修改前面選擇的摸擬切割件排列方式，以便經(jīng)修改的摸擬切割件排列方式使在鉆孔期間凈徑向非平衡力基本上保持支承裝置接觸鉆孔壁，并使凈徑向非平衡力向量在遇到擾動(dòng)位移后，基本返回到均衡方向，以及按照修改的摸擬切割件排列方式、摸擬切割齒空缺區(qū)和摸擬支承裝置，在一鉆頭體上設(shè)置多個(gè)切割件、一切割齒空缺區(qū)和一支承裝置。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，摸擬切割件排列方式用來(lái)選擇至少一個(gè)要從鉆頭體上移去的切割件。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，支承裝置設(shè)置步驟包括設(shè)置該支承裝置，使它有一前面部分，切割件排列方式修改步驟包括修改諸切割件，使在鉆孔期間凈徑向非平衡力向量指向與該前面部分相應(yīng)的位置。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，支承裝置設(shè)置步驟包括設(shè)置該支承裝置，使它的尺寸足以使在鉆孔期間由于地下地層材料硬度的變化而引起凈徑向非平衡力向量移動(dòng)時(shí)圍住該凈徑向非平衡力向量。
29.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，凈徑向非平衡力向量確定步驟包括確定一圓周非平衡力向量和一徑向非平衡力向量。
30.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，凈徑向非平衡力向量確定步驟中的預(yù)選的擾動(dòng)位移范圍，包括多至75/1000英寸的擾動(dòng)位移。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，切割件排列方式修改步驟包括修改該切割件排列方式，以使圓周非平衡力向量指向一與支承裝置相應(yīng)的位置。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，切割件排列方式修改步驟包括修改該切割件排列方式，以使徑向非平衡力向量指向一與支承裝置相應(yīng)的位置。
33.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，切割件排列方式修改步驟包括修改該切割件排列方式，以使圓周非平衡力向量和徑向非平衡力向量指向一與支承裝置相應(yīng)的位置。
34.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，切割件排列方式修改步驟包括修改切割件排列方式，以使圓周非平衡力向量的值小于徑向非平衡力向量的值。
35.一種在地下地層材料中鉆孔，以形成一有一鉆孔壁的鉆孔的方法，該方法包括(a)將一地下鉆頭連接于一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源，該鉆頭包括一鉆頭體，它具有一圍繞一縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置，以容納該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的基部;一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從基部延伸的定徑部;以及，一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從定徑部分延伸的工作面部分;多個(gè)固定設(shè)置于工作面部分和從該工作面部分突出并彼此間隔開(kāi)的金剛石切割件，諸切割件設(shè)置得使在鉆孔期間沿著一基本上垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)的凈徑向非平衡力向量形成一凈徑向非平衡力;一設(shè)置在定徑部分上和工作面部分上并與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)和凈徑向非平衡力向量組成的力平面相交的基本上連續(xù)的切割齒空缺區(qū);以及一圍繞該力平面設(shè)置在切割齒空缺區(qū)內(nèi)的支承裝置，在鉆孔期間它基本上始終接觸鉆孔壁;以及(b)旋轉(zhuǎn)和下放鉆頭到鉆孔中，以接觸地下地層材料，使在鉆孔期間凈徑向非平衡力向量基本上能保持支承裝置接觸鉆孔壁，該凈徑向非平衡力向量有一均衡方向并在遇到一擾動(dòng)位移后基本上返回到該均衡方向。
36.一種在地下地層材料中鉆孔，以形成一有一鉆孔壁的鉆孔的方法，該方法包括(a)將一地下鉆頭連接于一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源，該鉆頭包括一鉆頭體，它具有一圍繞一縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置，以容納該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源的基部;一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從基部延伸的定徑部;以及，一圍繞縱向鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置并從定徑部分延伸的工作面部分;多個(gè)固定設(shè)置于工作面部分和從該工作面部分突出并彼此間隔開(kāi)的金剛石切割件，諸切割件設(shè)置得使在鉆孔期間沿著一基本上垂直于縱向鉆頭軸線(xiàn)的凈徑向非平衡力向量形成一凈徑向非平衡力，該凈徑向非平衡力向量對(duì)應(yīng)于一由一圓周非平衡力向量和一徑向非平衡力向量合成的合成向量;一設(shè)置在定徑部分上和工作面部分上并與一由縱向鉆頭軸線(xiàn)和凈徑向非平衡力向量組成的力平面相交的基本上連續(xù)的切割齒空缺區(qū);以及一圍繞該力平面設(shè)置在切割齒空缺區(qū)內(nèi)的支承裝置，在鉆孔期間它基本上始終接觸鉆孔壁;以及(b)旋轉(zhuǎn)和下放鉆頭到鉆孔中，以接觸地下地層材料，使在鉆孔期間凈徑向非平衡力基本上能保持支承裝置接觸鉆孔壁，凈徑向非平衡力向量有一均衡方向并在遇到擾動(dòng)位移后能基本上返回到該均衡方向。
全文摘要
一種靠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源帶動(dòng)在地下鉆孔用的地下鉆頭包括一鉆頭體，它具有繞鉆頭軸線(xiàn)設(shè)置的基部、定徑部分和工作面部分。在定徑部分上圍繞力點(diǎn)設(shè)置了基本連續(xù)的切割齒空缺區(qū)，在該區(qū)內(nèi)圍繞力點(diǎn)設(shè)置支承裝置。多個(gè)在工作面上的金剛石切割件設(shè)置得使在鉆孔期間沿基本垂直于鉆頭軸線(xiàn)的凈徑向非平衡力向量形成一凈徑向非平衡力，并使該非平衡力基本保持支承裝置接觸鉆孔壁，以及，使凈徑向非平衡力向量有一均衡方向，在遇到擾動(dòng)位移后該向量能基本回到該均衡方向。
文檔編號(hào)E21B10/26GK1058824SQ9110479
公開(kāi)日1992年2月19日 申請(qǐng)日期1991年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1990年7月10日
發(fā)明者詹姆斯·福特·布雷特, 湯米·梅爾文·沃綸, 勞倫斯·艾倫·辛納, 蘇珊娜·瑪格麗特·貝爾 申請(qǐng)人:阿莫科公司