CN101160445A - 装配有改进切削元件布置以便降低穿过地层变化时对切削齿的损害的钻具，钻具设计的方法和钻进方法 - Google Patents

Abstract

一种钻具包括至少两个切削元件(212B)(例如重复的或在选择的轮廓区域上)，所述切削元件具有某一尺寸、位置和结构，以便沿着预期的钻进轨迹在其上的其它切削元件之前接触或遇到地下地层(260)的至少一个钻进特征方面的变化(261)。还公开了一种设计钻具的方法，包括将这种切削元件(212B)设置在相对于所预测的边界面(261)的沿着预期的钻进轨迹的切削元件轮廓内。公开了一种操作钻具的方法，以便首次至少两个切削元件接触所钻的地下地层的两个不同区域之间的边界面。设置在钻具上的切削元件和本发明的方法用于在钻进期间限制侧向力或产生具有所需方向的侧向力。

Description

装配有改进切削元件布置以便降低穿过地层变化时对切削齿的损害的钻具，钻具设计的方法和钻进方法

技术领域

本发明一般地涉及一种旋转钻具上的切削元件的布置，所述旋转钻具用于钻进地下地层或设置在地下地层内的其它硬物质，如钻柱、套管部件等。尤其是，本发明涉及在钻具上的两个或更多个重复的切削元件的布置，以便在钻具上的其它切削元件之前，所述重复的切削元件接触不同地下区域之间的地层特征变化，所述不同地下区域位于地层与设置在其内的另一构件之间或者位于井筒内的两个构件之间。

背景技术

一般来说，众所周知，钻头表面不同位置上的切削元件可经历大量不同的负载情况，不同的磨损特征，或者经历上述两种情况。通过改变切削元件的尺寸、几何形状和与二者相联系的结构，负载和磨损的影响已经被常规的旋转钻头所适应。然而，将切削元件设置在旋转钻头上的常规方法没有考虑在两个相邻的地下地层之间进行钻进期间开始遇到过渡区时对切削元件的影响和情况以及受力和与之相关的扭矩，所述两个相邻地下地层具有至少一个不同的特征。此外，将切削元件设置在旋转钻头上的常规方法没有完全解决在钻穿井下设备(如套管鞋，套管鞋周围的水泥和其下的地层)时出现的过渡区情况。

已经发展了多种适应旋转钻头表面不同位置处出现的各种负载情况的方法。例如，分别授权给Tibbitts等的US6,021,859，US5,950,747，US5,787,022和US5,605,198专利，其中每一篇都受让给本发明的受让人，并将不同的金刚石台到基体(table-to-substrate)接触面设计的切削元件设置在钻头表面上的不同位置，以便解决不同的预期或期望的负载情况。

在改进旋转钻头的钻进性能的常规方法中，授权给Mensa-Wilmot等的US6,164,394，US6,564,886专利中的每一篇都公开了包括设置在大致相同的径向位置上的切削元件的旋转钻头，其中旋转的前切削元件以正的后倾角定向排列，而旋转的后切削元件以负的后倾角定向排列并比旋转的前切削元件暴露量少。

同样，授权给Mensa-Wilmot等的US5,549,171专利公开了一种旋转钻头，该旋转钻头包括多套固定在其上的切削元件，其中每套切削元件包括至少两个固定在不同刀翼上的切削元件，所述切削元件具有大致相同的径向位置而具有不同的后倾角角度和暴露量。

此外，授权给Williamson的US4,429,755专利公开了一种旋转钻头，该旋转钻头包括连续多套切削元件，每一套切削元件以与旋转钻头的旋转轴线相同的半径设置并关于旋转钻头的旋转轴线穿过相同的弧度，以便每套中的每一切削元件意图经过相同的轨迹，所述轨迹与其它套相邻的切削元件或多套切削元件的轨迹重叠。

此外，授权给Glass等的美国专利申请US2002/0157869A1公开了一种固定式切削齿钻头，其声称对所述钻头进行了优化以便切削齿扭矩在钻均质岩层及过渡地层期间均匀分布。该专利还公开了利用预测数学钻进力模型的方法。

旋转钻头，尤其是固定式切削齿或“刮刀”钻头，还通常被设计为所谓的“反旋转”钻头。这种钻头利用通常由钻头的切削齿产生的故意非平衡和定向侧向或径向力矢量来使钻头结构的一侧产生扩大的无切削齿承载区域(cutter-devoid bearing area)，所述区域包括一个或多个保径垫圈连续跨靠在井筒侧壁上以防止钻头起始“旋转”，这是一种广泛认知的现象，其中钻头进入井筒周围并以与钻头旋转方向相反的方向靠在所述侧壁上。旋转可产生扩大(过大)尺寸的非圆形井眼并会对切削元件和钻头本身产生损害。

授权给Brett等的US5,010,789和US5,042,596专利公开了反旋转钻头。授权给Hansen等的US5,873,422专利(受让给本发明的受让人)公开了设置在常规无切削齿区内用于稳定钻头的支承结构。

在钻井时稳定旋转钻头的其它方法中，选择性地将切削元件设置在旋转钻头上和形成稳定沟槽、切口或脊。如果具有足够的垂向力或钻头上的重力施加在旋转钻头上，这种结构用于机械地抑制侧向振动。

例如，授权给Warren等的US4,932,484专利公开了通过使一个切削元件偏离沿着一个切削元件的轮廓设置的其它切削元件而形成沟槽。此外，授权给Keith等的US5,607,024专利公开了具有不同抗磨区域的切削元件。由于随着切削元件的磨损可形成径向交替的沟槽或脊，因此这种结构用于使旋转钻头侧向地稳定在井筒内。

然而，尽管上述的常规方法通过构造钻具上的切削元件的布置和设计改进了旋转钻头或其它钻具的钻进性能，但是仍然存在着对利用旋转钻头钻进具有不同性质的不同物质或地层区域之间的改进的装置和方法的需求。

发明内容

本发明提供一种钻具，如旋转钻头，其包括至少两个设置在所述钻具上的基本重复的切削元件，所述重复的切削元件用于遇到所要钻穿相邻物质的至少一个物理特征的变化。尤其是，所要钻穿相邻物质的示例可包括套管部件、硬化水泥、和地下地层、两个相邻地下地层或具有至少一个不同特征的地下地层的两个区域。所述至少两个重复的切削元件可具有某一尺寸、位置并可设置在钻具上以便在其它切削元件之前接触或遇到至少一个物质特征的变化。另一方面，所述至少两个重复的切削元件可定位在钻具与所预测的边界面首次接触的预期位置。这种结构抑制了当单个切削元件遇到所钻物质内的变化时出现的损害。因此，这里所用的术语“重复(redundant)”意思是指至少两个切削元件基本上经过相同的螺旋钻进轨迹。

本发明还包括设计钻具(如旋转钻头)的方法。特别是，选择切削元件的轮廓、所要钻的地下地层、和地下地层中预期的钻进轨迹。此外，对所要钻穿构造的两个区域之间的至少一个边界面进行预测。多个切削元件被设置在所述轮廓上，其包括将一组切削元件中至少两个重复的切削元件设置在钻具与所预测的边界面首次接触的预期位置上，所述切削元件设置在切削元件轮廓上。

本发明还包括一种操作钻具(如旋转钻头)的方法。因此，设置包括多个切削元件的钻具，其中切削元件中的至少两个是重复的。预测边界面，其中所述边界面限定在地下地层的两个相邻区域之间，所述两个相邻区域具有至少一个不同的钻进特征。进一步，确定钻进轨迹，所述钻进轨迹被定位，以便在基本上沿着定位的方向进行钻进时使所述重复的切削元件位于钻具与预测边界面首次接触的预期位置上。此外，基本上沿着预期钻进轨迹的定位方向钻入所预测的边界面。

本发明的另一方面，应当认识到，遇到通过重复的切削元件所要钻穿相邻物质的至少一个物理特征内的变化可改变钻具上的侧向不平衡力或扭矩大小，这可不利地影响钻具的稳定性。因此，本发明中重复的切削元件的净侧向力或净扭矩的大小可在具有不同特征的物质区域之间进行钻进期间降低或最小。在一个实施例中，所述重复的切削元件的尺寸和结构适于产生在组合时基本上相互抵消的各个侧向力。可选择地是，重复的切削元件的尺寸和结构适于产生各个侧向力，所述各个侧向力相对于由钻具上的其它切削元件产生的净侧向力的大小具有较小的量值。在另一实施例中，区域内多个切削元件的不平衡力的净方向可在当在均质地层中钻进时钻头(即所有的切削元件)的净不平衡力方向的±70°范围内。

本发明提供一种钻具，如旋转钻头，其包括具有设置在其上的多个切削元件的轮廓，其中至少部分轮廓用于在其上的多个切削元件与地下地层的预测边界面之间产生首次接触。

此外，本发明还提供一种设计钻具的方法，其包括选择切削元件轮廓和选择所要钻的地下地层。另外，选择用于钻穿地下地层的预期钻进轨迹并预测地下地层的两个区域之间的边界面，其中所述两个区域具有至少一个不同的钻进特征。多个切削元件可被设置在轮廓的所述区域内，并且所述区域内的多个切削元件可被定位在钻具与预测的边界面首次接触的预期位置。

本发明的另一方面公开了一种操作钻具的方法。尤其是，提供一种包括多个切削元件的钻具，所述多个切削元件位于钻具的轮廓区域内。此外，预测限定在地下地层的两个相邻区域之间的边界面，所述两个相邻区域具有至少一个不同的钻进特征。另外，确定钻进轨迹，所述钻进轨迹被定位，以便在基本上沿着定位的方向进行钻进时使所述多个重复的切削元件位于钻具与所测的边界面首次接触的预期位置上。此外，多个切削元件可被设置在钻具与所预测的边界面首次接触的预期位置处的轮廓的所述区域内。钻入所预测的边界面的钻进基本沿着预期钻进轨迹的定位方向进行。

因此，在本发明中，所述区域内的多个切削元件产生的净侧向力的大小在钻进期间降低或最小，所述钻进是在具有不同特征的物质区域之间进行的。在一个实施例中，所述区域内的多个切削元件的尺寸和结构适于产生各个侧向力，所述各个侧向力在相互组合时基本上相互抵消。可选择地是，所述区域内的多个切削元件的尺寸和结构适于产生各个侧向力，所述各个侧向力具有比由钻具上的其它切削元件所产生的净侧向力的大小较小的量值。另外，与边界面结合的(所述区域内的)多个切削元件的不平衡力的净方向可在当在均质地层中钻进时钻头(即所有的切削元件)的净不平衡力方向的±70°范围内。

钻具，如旋转钻头、下套管用钻头、扩眼钻头、双中心旋转钻头、扩眼钻头刮刀片、双中心钻头或其它本领域公知的使用切削元件的钻具，可得益于本发明，并且这里使用的术语“旋转钻头”包括任意和所有这些装置。

附图说明

结合下面的详细说明和附图，本发明的上述和其它优点将变得明显，所述附图示出本发明的各个实施例，附图中没有必要引入比例，其中

图1A为本发明示例性旋转钻头的侧透视图；

图1B为图1A所示旋转钻头的局部侧视剖视图，其中每一切削元件旋转到单个刀翼；

图1C为图1A所示旋转钻头的局部顶部正视切削齿布置图；

图1D为由图1C所示切削元件所形成的螺旋形切削轨迹的侧视剖视图；

图1E为在地层中进行钻井期间的本发明的图1A-1D所示旋转钻头的示意性侧视图；

图2A为本发明的示例性旋转钻头的局部侧视剖视图，其中每一切削元件旋转到单个刀翼；

图2B为图2A所示旋转钻头的局部顶部正视切削齿布置图；

图2C为具有两个重复的切削元件的本发明的局部顶部正视切削齿布置图；

图3A为布置在水泥套管鞋内的本发明示例性旋转钻头的侧视局部剖视图；

图3B为图3A所示旋转钻头的局部侧视剖视图，其中每一切削元件旋转到单个刀翼；

图3C为图3A所示旋转钻头的另一局部侧视剖视图，其中每一切削元件旋转到单个刀翼；

图3D为图3A所示旋转钻头的又一局部侧视剖视图，其中每一切削元件旋转到单个刀翼；

图3E为图3C和3D所示旋转钻头的局部侧视剖视图，其中每一切削元件旋转到单个刀翼；

图3F为本发明旋转钻头的局部侧视剖视图；

图3G为设置在本发明旋转钻头上的重复的切削元件的示意性剖视图；

图4A-1为本发明的示例性旋转钻头的局部侧视剖视图，其中每一切削元件旋转到单个刀翼；

图4A-2为本发明的另一示例性旋转钻头的局部侧视剖视图，其中每一切削元件旋转到单个刀翼；

图4A-3为本发明的又一示例性旋转钻头的局部侧视剖视图，其中每一切削元件旋转到单个刀翼；

图4B为在地层中钻井期间的本发明的示例性旋转钻头的示意性侧视图；

图4C为图4B所示旋转钻头的局部视剖视图，其中每一切削元件旋转到单个刀翼；

图5A为在地层中在钻第一深度的井眼期间的本发明的示例性旋转钻头的示意性侧视图；

图5B为在图5A所示地层中在钻第二深度的井眼期间的本发明的示例性旋转钻头的示意性侧视图；

图5C为在图5A和5B所示地层中在钻第三深度的井眼期间的本发明的示例性旋转钻头的示意性侧视图；

图6A为本发明旋转钻头的一个实施例的局部顶部正视切削齿布置图；

图6B为本发明旋转钻头的另一实施例的局部顶部正视切削齿布置图。

具体实施方式

本发明的多个示例性实施例示出了以多种组合结合到旋转钻头中的各种结构。如下面进一步详细说明中所述，本发明涉及提供位于钻具上的重复的切削元件，所述重复的切削元件在位于旋转钻头上的其它切削元件之前遭遇钻入或钻穿区域或区域内不同物质所需的结构变化。这种结构可降低当在其它元件接触构造的物质和区域之前单个切削元件接触同一物质和区域时所出现的负载和损害。

图1A示出了本发明典型旋转钻头10的侧透视图。旋转钻头10包括固定到径向和纵向延伸的刀翼14上的大致圆柱状的切削元件12、使钻井液从旋转钻头10内部流到切削元件12的喷嘴腔16、面18和用于将旋转钻头10连接到钻柱上的阳螺纹连接件20，这在本领域是公知的。切削元件12可包括聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿，这在本领域是公知的。可选择地是，切削元件12可包括碳化钨切削元件，其可用在钻穿套管设备或其它构件中。切削元件12可显示出大致平面状的切削面24，如图1A所示。此外，刀翼14可限定周向上的相邻刀翼14之间的流体流道25，所述流体流道25延伸到周向上相邻的保径垫圈26之间的排屑槽22。

图1B示出了旋转钻头10的局部侧视剖视图，其中设置在其上的切削元件12旋转到突出于钻头体13上的单个刀翼14上。这一视图通常被称作“切削齿布置”图或“切削元件布置”图，并且可用于设计旋转钻头，这在本领域是公知的。尤其是，其中示出了每一切削元件12与纵向轴线11的关系和两者的距离相应于切削元件在旋转钻头10上的径向位置。切削元件12可沿着选择的轮廓30布置，这在本领域是公知的。如图1B所示，径向相邻的切削元件12可相互重叠。此外，根据本发明，旋转钻头10的两个或多个切削元件12可设置在基本相同的径向和纵向位置。

进一步说明，图1C示出了切削齿布置视图40的顶部视图，其中示出了由井眼(未示出)底部伸出的旋转钻头10，所述旋转钻头10正在井眼中钻进，旋转钻头10的切削元件12和重复的切削元件12B，分别关于参考圆15A，15B，15C设置。每一切削元件12和每一重复的切削元件12B可包括固定到基体27上的特级研磨台29。例如，每一切削元件12和每一重复的切削元件12B可包括PDC切削齿，这在本领域是公知的。当然，参考圆15A，15B，15C增加了关于纵向轴线11的直径，因而相应增加了关于切削元件12和设置在其上的重复的切削元件12B的径向位置。钻进期间，如果旋转钻头10围绕纵向轴线11在方向42上旋转，切削元件12和重复的切削元件12B可移动、平移，或分别沿着参考圆15A，15B和15C穿行。

如同能理解的，三个重复的切削元件12B以相对于纵向轴线11的大致相同的径向和纵向位置设置。然而，重复的切削元件12B在周向上分隔开，因而可被设置在旋转钻头10的不同的刀翼14上。重复的切削元件12B可关于纵向轴线11周向对称的间隔开，或者可选择地是，按照需要周向不对称地间隔开。另外，切削元件12和重复的切削元件12B可具有侧倾角和后倾角排列方向，这在本领域是公知的。

重复的切削元件12B可经过大致相同的钻进轨迹。正如本领域所公知的一样，切削元件12和重复的切削元件12B所经过的轨迹在本质上是螺旋形的，这在授权给Tibbitts并受让给本发明的受让人的专利US5,314,033中进行了更为详细的描述。尤其是，由于旋转钻头10在钻进期间同时旋转并向下移入所要切削的井眼处的地层，设置在旋转钻头10上的各个切削齿所跟进的切削轨迹为大致螺旋形的轨迹，这在图1D中概念性的示出。重复的切削元件12B所经过的螺旋形的切削轨迹由实线15B示出，其同样为图1C中所示的参考圆15B，但是未卷绕或未缠绕地示出它的侧视图，并且所述轨迹沿着地层60的上表面延伸。因此，重复的切削元件12B的纵向最下端切削刃28形成了向下的螺旋形轨迹，其一般由线15B示出(如上所述，所述轨迹在页面上是未卷绕的)，但是，当然，重复的切削元件12B可穿入地层60，其上的切削面24剪切或切削入所述地层60。

当然，至少是，两个重复的切削元件12B彼此之间是重复的。可选择地是，在多于两个重复的切削元件12B的情况下，每一重复的切削元件12B对于每一其它重复的切削元件来说是重复的。

因此，可以理解，旋转钻头10的切削元件12和重复的切削元件12B可在旋转钻头10钻穿地层从而形成井眼106时遇到地下地层的不同区域、层或岩层，如图1E所示。尤其是，图1E示出了具有设置在其上的切削元件12在地层100中钻进的旋转钻头10的示意性侧视图。地层100包括区域102和区域104，它们沿着边界115彼此相邻。区域102和区域104对于钻进来说具有一种或更多种不同的性质。进一步解释，地下地层100的区域102和区域104可包括不同的地下构造。例如，区域102可包括页岩，而区域104可包括砂岩，反之亦然。因此，区域102和区域104响应于对它们的钻进具有不同的钻进特征。

对旋转钻头的一个或多个切削元件产生损害的一种特殊情况可出现在从相对较软的地层区域钻入相对较硬的区域时。“软”和“硬”一般分别与物质的较低和较高的压缩强度相关，但是还可分别与从较低到较高的所钻物质的弹性、磨蚀度或真实硬度相关。包括一个首次遇到或接触到较硬区域的切削元件的常规的旋转钻头可受到这种接触的损害。进一步解释，常规的旋转钻头可相当快地穿过较软的地层，而切削元件与相对硬的区域的相对快的隔离结合可在其上产生过度的力，这种力会对切削元件造成损害。

因此，根据本发明，至少两个重复的切削元件12B位于旋转钻头10上，在与地层的两个区域之间的预期、所测或预测的变化的预期初始结合区域内，以便减少或分散钻进过程中所遇到的力。回到图1C并结合图1E，重复的切削元件12B的位置(即参考圆15B的位置)可被调整到基本相应于与地下地层100的区域104初始结合的预期位置，该位置是相对于不同区域102和104之间的过渡区域而言的。另一方面，根据钻进轨迹相对于地层区域102和104之间的边界面115外形的方位，两个或多个重复的切削元件12B被定位成在旋转钻头10上的其它切削元件12之前起始接合地层变化。

具有多种不同的结构，在所述结构中，重复的切削元件可用于首次接触所钻物质的变化。一般来说，重复的切削元件可被设置在与预期首次接触点相应的旋转钻头上的任意位置，所述接触点为所钻构造的钻进情况的变化点。与利用一个切削元件相比，通过在重复的切削元件之间分散力、分散损害或者分散二者，这种结构可降低对旋转钻头上的一个或更多个切削元件的损害。

应当认识到，由于生产的限制或其他原因，与地层初始结合的切削元件的位置是可变化的。因此，重复的切削元件的实际位置可在理想布置位置的约±0.051厘米范围内。因此，根据本发明，重复的切削元件可大致被布置在与地层初始结合的理想位置处。

在图2A所示的本发明的旋转钻头的一个实施例中，重复的切削元件212B可依据纵向最低切削元件的位置或相应于所述切削元件的布置或轮廓的最低点的切削元件进行定位。图2A示出了旋转钻头210的侧视剖视图，其中每一切削元件212相对于纵向轴线211并沿着轮廓230旋转到从钻头体213伸出的单个刀翼214。图2A还示出了具有上部表面261的地层260，所述上部表面261基本垂直于纵向轴线211。重复的切削元件212B可沿着任意切削元件212的纵向最低切削元件位置定位，相对于纵向轴线211，所述切削元件的径向位置标记为“R”。因此，正如所理解的那样，大致同时并在任意其它切削元件212结合地层之前，重复的切削元件212B可结合具有基本垂直于纵向轴线211的上部表面261的地层260。

如果其上设置有重复的切削元件的旋转钻头钻入关于钻进轴线(即纵向轴线)大致对称的边界面，钻进使构造的不同区域之间的初始结合可对于重复的切削元件相互之间大致同时地出现。旋转钻头210的钻进面(未示出)将成形为轮廓230的形状并关于纵向轴线211旋转。

由于旋转钻头210的钻进面可关于纵向轴线211大致对称，关于纵向轴线211大致对称的边界面(即地层260的上表面261)的结合可在重复的切削元件212B与边界面(即地层260的上表面261)之间产生初始结合以便彼此大致同时出现。可选择地是，与边界面(未示出)的初始结合可由重复的切削元件212B顺序结合，这对于降低或分散存在的损害是有益的，所述边界面关于钻进轴线或旋转钻头210的纵向轴线211大致对称。

因此，根据本发明，旋转钻头210可包括两个或更多个重复的切削元件212B。如图2B，其示出了图2A中所示的旋转钻头的局部顶部正视切削齿布置视图，三个重复的切削元件212B被定位以便在钻进期间围绕纵向轴线211沿着参考圆215旋转，所述参考圆具有大致等于R的半径。当然，如图2C所示，可选择地是，两个重复的切削元件212B2可被定位以便在钻进期间围绕纵向轴线211沿着参考圆215旋转。在另一可选择的实施例中，多于三个的重复的切削元件(未示出)可用于在钻进期间围绕纵向轴线211沿着参考圆215无限制地旋转。因此，本发明旨在提供一种钻具，如旋转钻头210，本发明的钻具可包括至少两个设置在其上的重复的切削元件。

这种重复的切削元件212B(其定位在纵向最低切削元件位置)的重复可对过渡到地层内的变化是有益的，所述地层与所述重复的切削元件初始结合。另一方面，通过抑制对如此定位的切削元件的损害，多于一个的大致径向和纵向地相同设置以便初始结合地层内的变化的切削元件对分散与钻入这一地层内的变化相关的力是有益的。

本发明的另一方面，本发明的旋转钻头具有有益的结构并用于钻穿井下套管组件或其一部分，如套管、套管鞋和其附近的水泥。如图3A所示，其为侧视局部剖视图，固定到套管鞋406上的套管段404设置在井眼402内，所述井眼通常由钻入地层440的旋转钻头(未示出)的作业而形成。为了稳定地层和其它原因，套管段404和套管鞋406可被水泥胶结在井眼402内，这在本领域是公知的。随后，常常需要钻穿套管鞋402和其下方的水泥420，并继续钻入地层440。因此，本发明的旋转钻头410可被设置在套管段404内以便钻穿套管鞋406和其下方的水泥420，并钻入地层440。

众所周知，在地层440中钻成全尺寸井眼之前，旋转钻头410(如图3A所示)必需钻穿过渡区或套管鞋406、水泥420和地层440之间的边界面。首先，钻柱408末端的旋转钻头410遇到并钻进套管鞋406的内轮廓409，所述套管鞋通常由铝或其它相对可延展的金属或合金制成。然后，旋转钻头410遇到水泥420的上边界面，所述上边界面基本上与套管鞋406的外轮廓407一致。水泥420可包括硬化材料，例如混凝土，其具有胶结物(如水泥)和聚结物(如砂石或砾石)，这在本领域是公知的。另外，旋转钻头410可沿着边界面403结合地层440，所述边界面的外形可由用于形成井眼402的钻具(未示出)决定。此外，通过选择用于形成井眼402的钻具(未示出)、套管鞋406或选择二者，显然上述过渡区或边界面的几何形状是已知的，或者在某种程度上是可预测的。进一步，套管鞋406、水泥420和地层440可具有不同区域的特征，所述不同区域显示出一种或多种不同钻进特征。由于套管鞋406、水泥420和地层440中的每一个的构成和机械性能不同或具有差别，所以每一个内的钻进具有独特的力或状态。

因此，如图3B所示，旋转钻头410可包括重复的切削元件412B。图3B示出了旋转钻头410的局部示意性侧视剖视图，其中每一切削元件412相对于纵向轴线411沿着轮廓430旋转到从钻头体413伸出的单个刀翼414。重复的切削元件412B可被定位在任意切削元件412的纵向最低的切削元件位置，如图3B所示。因此，在任意其它切削元件412结合相同区域之前，重复的切削元件412B可结合套管鞋406的内轮廓409、由套管鞋406的外轮廓407所限定的水泥420的上表面、和地层440的边界面403，这些都在图3A中示出。这种结构可抑制如果仅有一个切削元件412被设置在旋转钻头410上的纵向最底端切削元件位置上时所出现的损害。

可选择地是，应当注意，相对于套管鞋406、水泥420和地层440之间的每一过渡区，旋转钻头410的初始结合的切削元件的位置可具有不同的定位。另一方面，根据它们的形状分别相对于轮廓430的形状，不同的切削位置可首次接触套管鞋406与水泥420之间的过渡区和水泥420与地层440之间的过渡区。因此，本发明的旋转钻头410可包括多于一组或一套的处于不同径向位置的重复的切削元件。

如图3C所示，其示出了旋转钻头410的局部侧视剖视图，其中的每一切削元件412沿着轮廓430旋转到单个刀翼414。图3C还示出了具有相对于纵向轴线411的内轮廓409的套管鞋406。显然，从图中可以看出，由于在钻进时重复的切削元件412B1的位置可在其它切削元件412接触之前起始接触套管鞋406的内轮廓409，所以关于钻进到套管鞋406的内轮廓409中，重复的切削元件412B1是有益的。当然，套管鞋406的外轮廓407关于内轮廓409基本适合地形成，通过重复的切削元件412B1，其使水泥420的上表面被首次接触。可选择的是，外轮廓407可与内轮廓409具有不同的形状。在这种结构中，另外的重复的切削元件(未示出)可设置在旋转钻头410上以便首次接触外轮廓与水泥420之间的边界面。

类似地是，形成地层440的边界面403的现有钻具可具有独特的形状，这种形状不可通过重复的切削元件412B1而被首次接触。图3D示出了旋转钻头410的局部侧视剖视图，其中每一切削元件412相对于纵向轴线411沿着轮廓430旋转到单个刀翼414上。图3D还示出了相对于纵向轴线411的地层440的边界面403。由于重复的切削元件412B1不可与地层440的边界面403首次接触，因此可以理解，重复的切削元件412B2对于钻入地层440的边界面403是有益的，这是因为在钻进时，重复的切削元件412B2的切削元件位置会在其它切削元件412或412B1之前起始接触地层440的边界面403。

因此，旋转钻头410可包括重复的切削元件412B1和412B2，以避免在钻进套管鞋406、水泥420和地层403时损害。图3E示出了旋转钻头410的局部侧视剖视图，其中每一切削元件412相对于纵向轴线411沿着轮廓430旋转到单个刀翼414，所述旋转钻头包括重复的切削元件412B1和412B2。旋转钻头410上的这种切削元件结构对于依次钻入套管鞋406、地层440是有益的，分别如图3C和3D所示。

可选择地是，轮廓430的连续区域可包括两个或更多个径向相邻的重复的切削元件。例如，如图3F，其示出了本发明旋转钻头的局部侧视剖视图，其中，重复的切削元件412B1、412B2、412B3、412B4和412B5分别彼此径向相邻设置在轮廓430上。这种结构在具有不同性质的物质区域之间钻进时使区域R1免受损害是有效的。这种结构对于免受相对于所钻物质的不同区域之间所遇到的各种边界面方向和位置的过度损害是理想的。尤其是，本发明的旋转钻头可包括一个或更多个区域，每一区域包括两个或更多个重复的切削元件，这个没有限制。

应当指出，本发明设置在旋转钻头上的任一重复切削元件相对于其上的其它切削元件可显示出增强了的耐用性。例如，重复的切削元件可比设置在旋转钻头上的其它切削元件具有更高的后倾角。

如图3G，其示出了重复的切削元件412B(图3B)的侧视剖视图，所述重复的切削元件在钻进地下地层440期间设置在旋转钻头410内。切削元件412B包括烧结到基体444上的超磨蚀性台442。所述超磨蚀性台442可包括斜面(chamfer)或倾斜台446，这在下面将进行更详细地描述。因此切削元件412B可包括切削面460、倾斜台446和下端的切削刃452，所述切削面460沿着切削面切削与其接触的地层440。当具有切削元件412B的旋转钻头410大致在箭头448所示的方向上作旋转和纵向平移运动时(这在本领域是公知的)，所述切削元件412B切入地下地层440，并产生滑过切削面460的颗粒或至少部分地连续的岩屑454。如图3G所示，切削元件412B以相对于垂直参考线461的后倾角θ设置。这种结构称作“负后倾角”，这在本领域是公知的。重复的切削元件412B的负后倾角θ的度数大于旋转钻头410的其它切削元件412的负后倾角的度数。相对于旋转钻头410的切削元件412，这种结构可向重复的切削元件412B提供更大的耐用性。

替换地或附加地，重复的切削元件的结构可不同于设置在旋转钻头上的其它切削元件。例如，重复的切削元件可具有斜面、倾斜台，或者二者都具有，其用于改善它们的耐用性。一种用于重复的切削元件的特殊结构在授权给Cooley并受让给本发明的受让人的专利US5,881,830中公开。另一种重复的切削元件412B的特殊实施例在授权给Jurewicz等并受让给本发明的受让人的专利US5,706,906中公开。因此，重复的切削元件412B具有约0.178到0.381厘米厚的超磨蚀性台442，这一厚度是沿着切削元件412B的纵向轴线在切削面460的前部与超磨蚀性台442/基体444界面之间所测的。此外，超磨蚀性台442的外围可包括以倾斜台角γ设置的倾斜台466以便结合并钻进地下地层。倾斜台角可在30°到60°的范围内，并且倾斜台的长度至少为0.127厘米，这一长度是沿着或平行于(例如以相同的角度)倾斜台446的实际表面从倾斜台446的内径向伸长(或切削面460的中心，如果倾斜台446延伸到倾斜面460)到切削元件412B的侧面466所测的长度。

本发明的另一方面，如果旋转钻头结合或遇到所述边界，旋转钻头的切削元件与地下地层或其它物质的性质的变化之间的初始结合可根据地下地层、不同地下地层或旋转钻头轨迹内的其它物质的区域之间的边界面的方向和形状以及旋转钻头的方向进行定位。

图4A-1示出了旋转钻头310的局部侧视剖视图，其中每一切削元件312相对于纵向轴线311沿着轮廓330旋转到从钻头体313伸出的单个刀翼314。地层区域360同样具有边界面361，所述边界面基本为平面并关于纵向轴线311成某一角度。在这种设置中，如果旋转钻头沿着纵向轴线311钻进，重复的切削元件312可有益地接触地层区域360，这是因为在钻进时重复的切削元件312B1的切削元件位置在旋转钻头310的其它切削元件312之前起始接触边界面361。

尽管不同钻进性质的区域之间的过渡区边界面的上述实施例通常被描述为关于钻入所述区域的旋转钻头的纵向轴线对称，通过本发明实现所述优点的这种对称不是必须的。尤其是，虽然重复的切削元件在基本上同时与边界面接触时可有效地剪切或分散所述接触，但是，如果与边界面的首次接触顺序发生，那么重复的切削元件的优点还可出现。

例如，依次接触不同性质区域之间的边界面的重复的切削元件可降低在给定切削元件位置出现的对单个切削元件的总体损害，因为这些损害可被分散到多于一个的其它切削元件上。此外，重复的切削元件与比其上区域更硬的地层区域之间的多于一个的接触倾向于逐渐变慢地与其接触，这可降低与硬质地层非接触期间累积的切入深度，并相应地降低或分散对所述重复的切削元件的损害。当然，可考虑切削元件的周向位置，其它切削元件位置可设置为重复以便防止旋转钻头310的任一切削元件(重复或不重复)的过度加载。

本发明的另一方面，相对于地层变化的初始结合的预期位置，旋转钻头可包括处于多于一个位置的重复的切削元件，其中与地层变化首次接触的至少一个预期位置可大致同时出现，而首次接触的至少另一个预期位置可大致依次出现。

本发明的又一方面，旋转钻头可构造为用于遇到地层变化。特别是，轮廓区域可被构造为其上的切削元件大致同时接触相邻地下地层之间的边界面。更一般的来说，根据本发明，至少一部分旋转钻头的轮廓可构造为用于在设置在旋转钻头上的多个切削元件与地下地层的期望边界面之间产生首次接触。此外，根据本发明，至少一部分旋转钻头的轮廓可构造为用于在设置在旋转钻头上的多个切削元件与地下地层的期望边界面之间大致同时地产生首次接触。

例如，图4A-2示出了具有轮廓330B的旋转钻头310B，所述轮廓包括区域331B，其用于接触地层区域360的边界面361。因此，在使用期间，旋转钻头310B钻入地下地层，从而包括多个切削元件312的区域331B首次接触边界面361。进一步解释，所述区域331B内的多个切削元件312可大致同时地接触边界面361。这种结构可分散与区域331B内的多个切削元件312B之间的边界面361首次接触相关的力。应当指出的是，区域331B内的多个切削元件312中的至少一些可设置在旋转钻头310的不同刀翼上。当然，区域331B内所述多个切削元件312中的至少一些可设置在旋转钻头310的一个刀翼上。此外，区域331B内的多个切削元件312中的一些可是重复的，或者可选择地是，区域331B内多个切削元件中没有一个是重复的。

在另一示例中，图4A-3示出了具有轮廓330C的旋转钻头310C，所述轮廓包括区域331C，其用于接触地层区域360的边界面361。因此，在使用期间，旋转钻头310C钻入地下地层，以便区域331C内的多个切削元件312首次接触边界面361。区域331C内的多个切削元件可相对于地下地层360的边界面361以结合图4A-2所述的方式进行构造和定位。尤其是，区域331C内的多个切削元件312可大致同时地接触边界面361。这种结构可分散与区域331C内的多个切削元件312之间的边界面361首次接触相关的力。应当理解，虽然区域331B和331C(图4A-2和4A-3)被描述为相应于部分地下地层360的大致平面形(在横截面上)的边界面361，但是本发明并不局限于此。另外，根据本发明，旋转钻头的区域可具有多个切削元件以便大致同时地接触部分地下地层的弧形(在横截面上)(如圆形、卵形、椭圆形、半球形、环绕形等)边界面361。

应当认识到，由于生产的限制或其他原因，用于与边界面首次接触的切削元件312的位置是可变化的。因此，切削元件312的实际位置(如在区域331B和331C内)可在所需位置的约±0.051厘米的范围内(即基本上为平面或沿着弧形轮廓)。因此，根据本发明切削元件312可大致设置在用于初始结合地层的位置。

本发明的旋转钻头对于钻入具有不同区域或性质的地下地层是有益的。例如，图4B示出了在地层372内钻出井眼370的旋转钻头310的示意性侧视图。地层372包括区域374、区域360、区域376，其中区域374和区域360沿着边界面361彼此相邻，而区域360和区域376沿着边界面375彼此相邻。旋转钻头310可被配置成以具有不同径向位置的重复的切削元件结合每一边界面361和375。为此，图4C示出了旋转钻头310的局部侧视剖视图，其中每一切削元件312相对于纵向轴线311沿着轮廓330旋转到单个刀翼314。重复的切削元件312B1对于钻入区域374与区域360之间的边界面361是有益的，而重复的切削元件312B2对于钻入区域360与区域376之间的边界面375是有益的。可选择地是，旋转钻头310的至少一部分轮廓(未示出)按照上述的方式进行构造(如相对于图4A-2和4A-3)，其中所述轮廓包括具有多个切削元件的区域，所述切削元件用于大致同时地接触地层区域360的边界面361。

如上所述，由于边界面361不关于纵向轴线311对称，因此重复的切削元件312B1(或者结合图4A-2和4A-3所述的具有多个切削元件的区域)与边界面361所产生的首次接触可大致依次产生，而重复的切削元件312B2与边界面375的首次接触可大致同时产生，所述边界面375关于纵向轴线311大致对称。当然，多种选择是可能的，其仅由旋转钻头的钻进轮廓几何形状和钻进的方向、以及与之相交的边界面的几何形状所限制。

现在回到本发明的旋转钻头310的设计方面，地层372的区域374，360和376的存在和钻进特征在钻入所述区域之前是已知的，在这种情况下，根据所述区域的排列方向和钻进的预期方向，旋转钻头310可专门设计为在与所述区域初始结合位置包括重复的切削元件312B1和312B2。可选择地是，根据所选轮廓区域的排列方向和钻进其中的预期方向，旋转钻头可专门设计为在所述选择轮廓区域内(如图4A-2和4A-3所示)在与边界面初始结合位置包括切削元件312。尤其是，地层372的不同区域374，360和376之间的边界面361和375可通过测井、地震测量或其它本领域公知的方式进行确定。此外，可对预期的钻进轨迹(未示出)进行选择以便钻入并钻穿地层372的不同区域374，360和376之间的边界面361和375。

分析关于地层372的不同区域374，360和376之间的边界面361和375的所述预期钻进轨迹(未示出)可显示出至少一个切削元件位置，所述钻进轨迹还进一步与所选择的切削元件轮廓330相关，所述切削元件的位置在其它切削元件312之前接触边界面361和373中的至少一个。因此，根据所选择的钻进结构内的预测或假设边界面，重复的切削元件312B1或312B2或其它重复的切削元件可通过设计设置在所显示的切削元件位置。可选择地是，设置在旋转钻头310的至少部分轮廓(未示出)上的多个切削元件按照上述方式(例如结合图4A-2和4A-3)进行构造，以用于大致同时地接触地层区域360的边界面361。当然，切削元件轮廓和各个切削元件位置可在设计步骤期间按照需要进行修改。一种类似的设计步骤还可用于设计旋转钻头，如上所述，所述旋转钻头用于钻穿套管鞋、与其相关的水泥，并钻入地下地层，这些并没有限制。

可选择地是，本发明的另一方面，本发明的旋转钻头可定向地钻入具有不同区域(其具有不同的方向)的地层，以便使地层变化或边界面与重复的切削元件接触。理想地是，减少或至少限制旋转钻头所包含的重复切削元件。限制旋转钻头上的切削元件的重复度的一个原因只是考虑与刀翼数量、刀翼之间的间距以及旋转钻头的尺寸相关的空间。限制重复的切削元件的其它原因可为：重复的切削元件可降低钻进效率或降低钻进强度。因此，本发明提供一种在地下地层中钻进的方法，所述方法包括改变钻进方向以便结合地层区域之间的边界面，从而产生与重复的切削元件的初始结合或接触。这种钻进的方法可减少所述重复的切削元件，所述重复的切削元件对有效地钻入具有不同区域的地层是必需的。

尤其是，图5A-5C示出了本发明的旋转钻头510，所述旋转钻头正在钻入地层500，并且当其逐渐穿过区域502，504和506时在所述地层内形成井眼512。区域502和504沿着边界面503彼此相邻，而区域504和506沿着边界面505彼此相邻。旋转钻头510可包括切削元件212和重复的切削元件212B，所述重复的切削元件按照上述的方式相对于旋转钻头210进行设置和构造，如图2B和2C所示，以便如果在与边界面接触时旋转钻头510的纵向轴线511(钻进轴线)大致垂直于边界面，重复的切削元件212B可初始结合边界面503和505。可选择地是，设置在旋转钻头510的至少部分轮廓(未示出)上的多个切削元件212可按照上述的方式进行构造(如结合图4A-2和4A-3)以便大致同时地接触地层区域360的边界面361。

因此，结合图5B，从中可以看出，旋转钻头510的纵向轴线511的方位可在钻井眼512期间改变或变化，以便旋转钻头上的重复的切削元件212B初始结合边界面503。此外，如图5C所示，旋转钻头510的钻进方向或纵向轴线511的方位可在钻井眼512期间改变或变化，以便旋转钻头上的重复的切削元件212B初始结合边界面505。旋转钻头510的方位或钻进方向的改变可通过本领域所公知的定向钻进方法和装置来完成。这种钻进方法对于在钻穿地层500的区域502，504和506之间的边界面期间保护旋转钻头510上的切削元件212是有益的，同时还有助于增强地层500的区域502，504和506内钻进性能。

参看图5A-5C，为了选择性地定向钻进的方向，必须至少部分地确定边界面503和505的走向、位置或者走向和位置。具有多种方法来至少部分地确定边界面503和505的走向、位置或者走向和位置。例如，在本领域众所周知，通过在钻穿地层区域的另一井眼中进行测井、通过地震测量、通过随钻测量，或者通过上述技术的结合，可至少部分地确定边界面503和505。在利用钻头510进行钻进操作期间可考虑这些系统的确定，并且可相应地改变钻进的方向(纵向轴线511的方位)。

本发明的另一方面，本发明的重复的切削元件可构造成用于维持或保持区域的初始钻进结合期间旋转钻头的稳定特征。

一般来说，已经实践了三种用于实现钻进稳定的方法。第一、第二种稳定方法包括构造具有经选择的侧向不平衡力结构的旋转钻头。尤其是，一种称作反旋转设计或高度不平衡的概念通常用于产生朝向与井壁滑动接合的保径垫圈或轴承垫圈的定向净侧向力(即，所述净侧向力为由旋转钻头上的每一切削元件所产生侧向钻进力之和)。此外，一种称作低度不平衡设计的概念用于显著降低(如果未消除)由切削元件产生的净侧向力，以便由每一切削元件产生的侧向力大致互相抵消。在另一种稳定方法中，通过选择性的将切削元件径向间隔设置在旋转钻头上，可在地层内形成沟槽。因此，所述沟槽或切口倾向于在钻进期间机械地抑制旋转钻头振动或晃动。当然，如果净侧向力的大小变得足够大或者如果扭矩波动变得足够大，沟槽或切口并不能有效的稳定旋转钻头。应当指出的是，前述的稳定方法通常是关于钻进均质物质或均质地下地层而发展和分析出的。

不管所使用的稳定方法是什么，通过本发明应当认识到，过渡到具有不同钻进特征的区域可不利地影响所使用的稳定方法。尤其是，当本发明旋转钻头的选择区域内的重复的切削元件比旋转钻头上的其余切削元件首先结合具有不同钻进特征的区域时，所述净侧向力和扭矩改变，这将有害地影响旋转钻头的稳定特征，所述旋转钻头通常是依照对待钻物质的均质性的假设而设计的。

因此，根据本发明，一组重复的切削元件的净侧向力可以最小化或定向在给定的方向范围内上。在一个实施例中，轮廓的选择区域内的重复的切削元件的尺寸和结构适于产生各个侧向力，所述侧向力至少部分地相互抵消。换言之，轮廓的选择区域内的至少两个重复的切削元件的每一侧向力的矢量和可小于每一侧向力大小的数学总和。可选择地是，轮廓的选择区域内的重复的切削元件的尺寸和结构适于产生各个侧向力，所述侧向力相对于旋转钻头上的其它切削元件所产生的净侧向力相对较小。同样，对轮廓的区域内的重复的切削元件进行定位和构造以便在选择方向范围内或给定方向上产生净侧向不平衡的力。

本领域熟知，旋转钻头上切削元件的几何形状、后倾角、侧倾角、暴露量、尺寸和位置可影响钻进时所产生的力和扭矩。本领域还熟知，相对于所选择的旋转钻头设计和所要钻的物质，可利用预测模型和模拟方法来估计或预算这种力和扭矩的数值或大小。

因此，现在参看图6A，其示出了本发明旋转钻头(未示出)的局部顶部正视切削齿布置图，重复的切削元件522，524和526的尺寸、位置和结构适于最小化或降低钻进时产生的净侧向力、净扭矩或二者的结合。特别是通过与钻进构造的区域初始结合，如地下地层的不同区域或套管组件的不同区域。更为详细地是，由相关的重复的切削元件522，524和526所产生的力分别被标识为侧向(或径向)力522L，524L和526L，而切向力分别被标识为522T，524T和526T。当然，应当理解，所述切向和径向力都会影响总的侧向不平衡力，这在本领域是公知的。

因此，重复的切削元件522，524和526的尺寸和结构适于使侧向力522L，524L，526L，522T，524T和526T在彼此结合时基本相互抵消(借助矢量和)。换言之，通过每一重复的切削元件522，524和526所产生力的矢量和，所述净侧向力具有较小的量值或基本上没有量值。可选择地是，重复的切削元件522，524和526的尺寸和结构适于产生各个力，所述各个力至少部分地相互抵消或具有与旋转钻头上的其它切削元件所产生的净侧向力的大小相比较小的量值。尤其是，相对于在均质区域钻进时所呈现的侧向不平衡力的大小，在通过旋转钻头结构的不同区域上的重复的切削元件522，524和526初始结合期间，旋转钻头的总侧向不平衡力的大小(当在均质地层区域内钻进时)变化约低于20％。

可选择地是，重复的切削元件522，524和526的不平衡力的大小可受到限制。然而，如下所述，如果重复的切削元件522，524和526的净不平衡力被定向在所需的方向上，优选保持由所述钻头显示出的所选择的不平衡力方向以便保持所述钻头的稳定性。

本发明的另一方面，重复的切削元件522，524和526的不平衡力的总方向可在关于所述钻头在均质区域钻进时显示出的净不平衡力方向的±70°的范围内。这种结构对于保持钻入具有不同区域的地下地层期间钻头所显示出的不平衡力的所需方向是有益的。例如，如图6A所示，净侧向不平衡力L1可在钻头在均质地层钻进时产生。此外，(重复的切削元件522，524和526的)净不平衡力L2可在重复的切削元件522，524和526结合地下地层的两个不同区域之间的边界面时产生，并且L2具有L1方向的±70°范围内的方向，如参考线601和603所示。

可选择地是，切削元件522，524和526可以是不重复的并可设置在上述结构(如结合图4A-2合4A-3)的旋转钻头510的至少部分轮廓(未示出)上。进一步解释，切削元件522，524和526可设置在不同径向位置R，R1，R2上，如图6B所示。

例如，切削元件522，524和526的尺寸和结构适于使侧向力522L，524L，526L，522T，524T和526T在彼此结合时基本相互抵消(借助矢量和)。换言之，通过侧向力522L，524L，526L，522T，524T和526T的矢量和，所述净侧向力具有较小的量值或基本上没有量值。可选择地是，切削元件522，524和526的尺寸和结构适于产生各个侧向力，所述各个侧向力至少部分地相互抵消或具有与旋转钻头上的其它切削元件所产生的净侧向力的大小相比较小的量值。尤其是，相对于在均质区域钻进时所呈现的侧向不平衡力的大小，在通过旋转钻头结构的不同区域上的切削元件522，524和526初始结合期间，旋转钻头的总侧向不平衡力的大小变化低于约20％。另一方面，可选择的是，如果重复的切削元件522，524和526的净不平衡力定向在所需的方向上，优选保持所述钻头的所选择的不平衡力以便保持所述钻头的稳定性。

因此，根据本发明的另一方面，切削元件522，524和526不平衡力的总方向可在关于所述钻头在均质区域钻进时显示出的净不平衡力方向的±70°的范围内。这种结构对于保持钻入不同的地下地层期间钻头的不平衡力的所需方向是有益的。例如，如图6B所示，净侧向不平衡力L1可在钻头钻入均质地层时产生。此外，(切削元件522，524和526的)净不平衡力L2可在切削元件522，524和526结合地下地层的两个不同区域之间的边界面时产生，并且L2具有L1方向的±70°范围内的方向，如参考线601和603所示。

尽管通过附图中的示例展示了专门的实施例并对其进行了详细的描述，但是，本发明易于作各种变化、结合和替换形式。因此，应当理解，本发明并不局限于所公开的特定形式。相反，本发明包括落在本发明的精神和保护范围内的所有变化、等同物、结合和替换物，本发明的保护范围由所附的权利要求书进行限定。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于在地下地层中钻进的钻具，包括：

纵向轴线；

具有面的钻具体，所述面包括一轮廓，所述轮廓具有设置在其上的多个切削元件；以及

其中所述多个切削元件中的至少两个在所述轮廓上距离所述纵向轴线为选择半径处是重复的；

其特征在于：在所述轮廓上距离所述纵向轴线的所述选择半径包括一预定位置，该预定位置即钻具与沿着钻进轨迹的钻具前面的地下地层的一区域首次接触的位置。

2.如权利要求1所述的钻具，其特征在于：所述至少两个重复的切削元件具有后倾角，该后倾角的角度大于钻具上其余多个切削元件中每一个的后倾角角度。

3.如权利要求1或2所述的钻具，其特征在于还包括至少两个其它的重复的切削元件，它们被定位成接触另一预定位置，该另一预定位置即钻具与沿着钻进轨迹的钻具前面的地层的另一不同区域首次接触的位置；其中所述至少两个其它的重复的切削元件与所述至少两个重复的切削元件位于所述轮廓上距离所述纵向轴线的不同选择半径处。

4.如权利要求1或2所述的钻具，其特征在于：所述至少两个重复的切削元件中的每一个的尺寸和构造适于产生侧向力，所述至少两个重复的切削元件的每一侧向力的矢量和小于所述至少两个重复的切削元件的每一侧向力的数学加和。

5.如权利要求1或2所述的钻具，其特征在于：所述至少两个重复的切削元件中的每一个包括至少一个倾斜台或斜面。

6.如权利要求2-5中任一所述的钻具，其特征在于：所述距纵向轴线的选择半径用于使所述至少两个重复的切削元件大致同时地接触所述区域。

7.如权利要求1所述的钻具，其特征在于：至少部分所述轮廓被构造成使得钻具与所述区域的首次接触出现在所述至少部分轮廓上的多个切削元件与位于钻具前面并沿着钻进轨迹的地下地层的所述区域之间。

8.如权利要求7所述的钻具，其特征在于：至少部分所述轮廓上的所述多个切削元件被定位成大致同时地接触所述区域。

9.如权利要求7或8所述的钻具，其特征在于：所述部分轮廓上的所述多个切削元件中的每一切削元件具有后倾角，该后倾角的角度大于钻具上的其余多个切削元件中的每一个的后倾角的角度。

10.如权利要求1所述的钻具，其特征在于：所述多个切削元件中的至少一个切削元件包括聚晶金刚石复合片。

11.一种使用钻具的方法，其包括：

提供钻具，所述钻具具有位于钻具轮廓的一区域内的多个切削元件；

预测限定在所要钻的地下地层的两个相邻区域之间的边界面，所述两个相邻的区域具有至少一个不同的钻进特征；

确定一预期的钻进轨迹，所述预期的钻进轨迹被定方位，以便使所述多个切削元件位于在大体沿着所述钻进轨迹钻进时与所述预测的边界面首次接触的钻具的一预期位置上；

使所述轮廓的所述区域内的多个切削元件定位在与所述预测的边界面首次接触的钻具的一预期位置处；以及

大体沿着所述预期钻进轨迹的所述方位钻入所述预测的边界面。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：提供钻具包括提供具有至少两个重复的切削元件的钻具；确定预期的钻进轨迹包括确定预期的钻进轨迹的方位，以便使所述至少两个重复的切削元件位于在大体沿着所述钻进轨迹钻进时与所述预测的边界面首次接触的钻具的一预期位置上。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：钻入所述预测的边界面包括使所述边界面大致同时地接触所述至少两个重复的切削元件。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于：钻入所述预测的边界面包括使所述边界面大致同时地接触所述轮廓的所述区域内的所述多个切削元件。

15.如权利要求11-14中任一所述的方法，其特征在于：钻入所述预测的边界面使钻具的侧向不平衡力的大小变化约低于20％。

16.如权利要求11-15中任一所述的方法，其特征在于：钻入所述边界面产生一与钻具相关的净侧向力，所述净侧向力被定方位成其方向在当在均质地层中钻进时所述钻具的总不平衡力的方向的±70°范围内。

17.如权利要求11-16中任一所述的方法，其特征在于：钻入所述预测的边界面包括钻入不同地下构造之间的一边界面。

18.一种设计钻具的方法，其包括：

选择用于钻具的轮廓；

选择所要钻的地下地层；

选择利用钻具钻穿所述地下地层的一预期钻进轨迹；以及

将多个切削元件设置在所述轮廓上，包括在距钻具的纵向轴线为选择半径处设置至少两个重复的切削元件，以使钻具与沿着所述预期的钻进轨迹的钻具前面的地下地层区域的首次接触出现在所述至少两个重复的切削元件上。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：选择所述轮廓包括构造至少部分所述轮廓以便在所述至少部分轮廓内的多个切削元件与地下地层的一区域之间产生首次接触。

Claims (20)

1.一种用于在地下地层中钻进的钻具，其包括：

纵向轴线；

具有面的钻具体，所述面包括一轮廓，所述轮廓具有设置在其上的多个切削元件；以及

其中所述多个切削元件中的至少两个是重复的并设置在钻具与一预测边界面首次接触的预期位置，所述预测的边界面限定在具有至少一个不同的钻进特征的地下地层的两个区域之间。

2.如权利要求1所述的钻具，其特征在于：所述至少两个重复的切削元件具有后倾角，该后倾角的角度大于钻具上其余多个切削元件中每一个的后倾角角度。

3.如权利要求1或2所述的钻具，其特征在于：还包括至少两个其它的重复的切削元件，它们被定位以接触钻具与另一预测的边界面首次接触的另一预期位置；其中所述另一预测的边界面限定在地下地层的两个其它区域之间，所述地下地层具有至少一个不同的钻进特征；所述至少两个其它重复的切削元件与所述至少两个重复的切削元件具有不同的径向位置。

4.如权利要求1或2所述的钻具，其特征在于：所述至少两个重复的切削元件中的每一个的尺寸和构造适于产生一侧向力，所述至少两个重复的切削元件的每一侧向力的矢量和小于所述至少两个重复的切削元件的每一侧向力的数学加和。

5.如权利要求1或2所述的钻具，其特征在于：所述至少两个重复的切削元件中的每一个包括倾斜台和斜面中的至少一个。

6.如权利要求2-5中任一所述的钻具，其特征在于：所述至少两个重复的切削元件被定位成大致同时地接触所述预测的边界面。

7.如权利要求1所述的钻具，其特征在于：至少部分所述轮廓被构造用于在所述部分轮廓内的多个切削元件和地下地层的所述预测的边界面之间产生首次接触。

8.如权利要求7所述的钻具，其特征在于：至少部分所述轮廓上的所述多个切削元件被定位成大致同时地接触所述预测的边界面。

9.如权利要求7或8所述的钻具，其特征在于：至少部分所述轮廓内的所述多个切削元件中的每一切削元件具有后倾角，该后倾角的角度大于钻具上的其余多个切削元件中每一切削元件的后倾角的角度。

10.如权利要求1所述的钻具，其特征在于：所述多个切削元件中的至少一个切削元件包括聚晶金刚石复合片。

11.一种使用钻具的方法，包括：

提供钻具，所述钻具包括位于钻具轮廓的一区域内的多个切削元件；

预测限定在所要钻的地下地层的两个相邻区域之间的边界面，所述两个相邻的区域具有至少一个不同的钻进特征；

确定一预期的钻进轨迹，所述预期的钻进轨迹被定方位，以便使所述多个切削元件位于在大体沿着所述钻进轨迹钻进时与所述预测的边界面首次接触的钻具的一预期位置上；

使所述轮廓的所述区域内的多个切削元件定位在与所述预测的边界面首次接触的钻具的一预期位置处；以及

大体沿着所述预期钻进轨迹的所述方位钻入所述预测的边界面。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：提供钻具包括提供具有至少两个重复的切削元件的钻具；确定预期的钻进轨迹包括确定预期的钻进轨迹的方位，以便使所述至少两个重复的切削元件位于在大体沿着所述钻进轨迹钻进时与所述预测的边界面首次接触的钻具的一预期位置上。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：钻入所述预测的边界面包括使所述边界面大致同时地接触所述至少两个重复的切削元件。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于：钻入所述预测的边界面包括使所述边界面大致同时地接触所述轮廓的所述区域内的所述多个切削元件。

15.如权利要求11-14中任一所述的方法，其特征在于：钻入所述预测的边界面使钻具的侧向不平衡力的大小变化约低于20％。

16.如权利要求11-15中任一所述的方法，其特征在于：钻入所述边界面产生一与钻具相关的净侧向力，所述净侧向力被定方位成其方向在当在均质地层中钻进时所述钻具的总不平衡力的方向的±70°范围内。

17.如权利要求11-16中任一所述的方法，其特征在于：钻入所述预测的边界面包括钻入不同地下构造之间的边界面。

18.如权利要求11所述的方法，其特征在于：提供钻具包括设计钻具，其中设计钻具包括：

选择所述轮廓；

选择所要钻的地下地层；

选择钻穿地下地层的预期钻进轨迹；以及

将所述多个定位的切削元件设置在所述轮廓的所述区域内。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：其中设置所述多个切削元件包括将两个或更多个重复的切削元件设置在钻具与所述预测的边界面首次接触的预期位置上。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于：选择切削元件轮廓包括构造至少部分轮廓以便在所述部分轮廓内的多个不重复的切削元件与地下地层的预测边界面之间产生首次接触。

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