專利名稱：：帶有用于減少刀具露出量的支承元件的鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于地下地層鉆井的旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭，及這樣鉆頭的操作。更具體地，本發(fā)明涉及改進(jìn)鉆頭的設(shè)計(jì)以包括支承元件，以便將切削元件或刀具在鉆頭冠部上的露出量有效減小可容易地預(yù)測(cè)的量，以及在控制刀具加栽或切削深度方面用于優(yōu)化鉆頭性能。
背景技術(shù)：
：帶有聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)切削元件或刀具的鉆頭已經(jīng)證明在具有低到中壓縮強(qiáng)度的地下地層鉆井中獲得高鉆井速度(ROP)方面非常有效。PDC刀具通常包括在高壓和高溫情況下形成在支撐基底上并結(jié)合至支撐基底的圓盤狀金剛石Atable@，其可由碳化鎢硬質(zhì)合金(WC)形成，但是其他刀具結(jié)構(gòu)和基底材料在本領(lǐng)域也是公知的。最近在關(guān)于鉆頭面和、刀具設(shè)計(jì)和鉆井液(drillingfluid)配方的液壓流動(dòng)方式設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)通過(guò)增加可能在超過(guò)鉆頭能力之前切削的地層材料及其用于將鉆屑從鉆頭面清除的相關(guān)鉆井液的體積，而減小了這種鉆頭現(xiàn)有的值得注意的到Aball(^的趨勢(shì)。旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭體可通過(guò)在石墨或其他材料塊中銑制空腔并且將插入物或刀具置換物引入銑制空腔中而制造。模具空腔表面形成在鉆頭表面的區(qū)域，而刀具置換物和其他插入物可在鉆頭體表面上形成凹部，在鉆頭主體內(nèi)形成空腔。一旦任何插入物和置換物已經(jīng)設(shè)置在模具空腔內(nèi)，例如碳化鎢等微粒材料可引入模具的空腔中。之后，滲透劑或粘結(jié)劑材料可引入空腔中以將微粒彼此固定。刀具置換物和其他插入物可在滲透工藝后從鉆頭體去除，其后，例如刀具和液壓噴嘴等其他元件可與鉆頭體裝配在一起并且固定到鉆頭體。鉆頭扭矩(TOB)與鉆壓(WOB)的關(guān)系可用作刀具切削能力指標(biāo)，TOB與WOB的比率對(duì)應(yīng)于刀具相對(duì)于鉆頭冠部或冠部錐形露出或定向而具有的切削性。當(dāng)?shù)毒叻胖迷谝呀?jīng)利用標(biāo)準(zhǔn)刀具置換物形成的空腔中時(shí)，其可露出足夠的切削距離，以至于可能發(fā)生本領(lǐng)域中稱為"過(guò)載，，的現(xiàn)象，甚至當(dāng)?shù)蚖OB施加到安裝鉆頭的鉆柱時(shí)也會(huì)如此。該現(xiàn)象隨著刀具的露出和定向出更多而更可能發(fā)生。過(guò)載在低壓縮強(qiáng)度地層中特別顯著，在在低壓縮強(qiáng)度地層中，在非常低的WOB下可獲得較大的切削深度(DOC)。過(guò)載也可由于鉆柱反彈而產(chǎn)生或加劇，其中鉆柱的彈性造成對(duì)鉆頭施加不穩(wěn)定或不一致的WOB。而且，當(dāng)具有由空腔承載的刀具的鉆頭在非常高的DOC下操作時(shí)，可能產(chǎn)生太多鉆屑，多于能從鉆頭面連續(xù)清除并且通過(guò)鉆頭面上的排屑槽沿著井眼環(huán)面向后引導(dǎo)的鉆屑，這可能導(dǎo)致鉆頭泥包。當(dāng)從較高地層壓縮強(qiáng)度區(qū)或?qū)拥?較軟"的低壓縮強(qiáng)度區(qū)鉆井時(shí)，可能發(fā)生另一個(gè)問(wèn)題，該問(wèn)題可能由設(shè)置在旋轉(zhuǎn)鉆孔鉆頭冠部上的刀具過(guò)多露出時(shí)造成。當(dāng)鉆頭從較硬的地層鉆入較軟的地層而沒(méi)有改變施加的WOB時(shí)，或在定向鉆頭可能改變WOB之前，PDC刀具的鉆入進(jìn)而鉆頭上的合成扭矩(TOB)幾乎瞬間增加，并且增加相當(dāng)大的值。突然變高的扭矩又可造成對(duì)刀具和/或鉆頭體的損壞。在定向鉆井中，這樣的變化造成定向組件(隨鉆測(cè)量或MWD或?qū)蚬ぞ?的工具表面方向(TFO)變動(dòng)，使得定向鉆孔機(jī)很難沿著計(jì)劃的用于鉆頭的定向路徑。因而，可能需要定向鉆孔機(jī)從鉆井底部退出鉆頭來(lái)重新設(shè)置或重新定向工具表面，這可能花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(例如達(dá)一小時(shí))。另外，井下馬達(dá)，例如通常結(jié)合可操縱井下組件的用于定向鉆井操作的鉆井液驅(qū)動(dòng)Moineau式馬達(dá)可能在突然扭矩增加的情況下完全停機(jī)，可能造成馬達(dá)損壞。即，鉆頭可能停止旋轉(zhuǎn)，由此停止鉆井操作，并且迫使鉆頭從井底撤回以重新建立鉆井液流和馬達(dá)輸出。在鉆井中的這樣的中斷可能耗費(fèi)時(shí)間，并且代價(jià)高，特別是在離岸鉆井情況下。所謂的"抗磨結(jié)"已經(jīng)嘗試配置在旋轉(zhuǎn)式鉆土刮刀鉆頭表面上的刀具后面，以在一些地層中，特別是在夾層軟、中和硬巖石中提供提高的穩(wěn)定性。由于這樣的地層與刀具接合造成的作用在鉆頭上的合力的寬范圍和持續(xù)變化，鉆頭鉆這樣的地層容易變得側(cè)向不穩(wěn)定?？鼓ソY(jié)包括從鉆頭表面突出的支承元件形式的結(jié)構(gòu)。通常，抗磨結(jié)將在基本上與刀具相同的徑向位置沿旋轉(zhuǎn)方向尾隨某些刀具，通常在從延伸到肩部下的鉆頭鼻部的位置到靠近計(jì)量器的位置。傳統(tǒng)的抗磨結(jié)可包括沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向具有弧形(例如半球形、部分橢圓形等)前端的細(xì)長(zhǎng)部分?？鼓ソY(jié)從鉆頭面突出的距離比其相關(guān)刀具突出或露出更小，并且通常具有小于其沿旋轉(zhuǎn)方向前方的刀具的寬度的寬度，并且因此寬度小于由刀具切入地層中的凹槽的寬度。一種值得注意的與這樣的設(shè)計(jì)方法不同的方法公開(kāi)在美國(guó)專利No.5，090，492中，其中，所謂的"穩(wěn)定突起"在鉆頭面上沿旋轉(zhuǎn)方向尾隨特定PDC刀具，并且尺寸制成與其相關(guān)刀具相關(guān)，以便據(jù)稱以摩擦方式貼合地進(jìn)入由相關(guān)的前刀具切削的凹槽中，并且沿該凹槽移動(dòng)，但是據(jù)稱與凹槽的側(cè)壁為非切削關(guān)系。呈抗磨結(jié)形式的支承元件的存在，盡管良好用于提高旋轉(zhuǎn)式刮刀鉆頭穩(wěn)定性，但由于鉆頭制造商缺乏精確定位并定向抗磨結(jié)的能力而通常不足以實(shí)際使用。要注意的是，不是完全位于由其相關(guān)旋轉(zhuǎn)前刀具或其部分切削的凹槽中，傳統(tǒng)的抗磨結(jié)設(shè)計(jì)和放置方式可在抗磨結(jié)在其中行進(jìn)的槽壁處接觸未切削的巖石，這可能導(dǎo)致而不是減小鉆頭側(cè)向震動(dòng)。另外，抗磨結(jié)支承表面的面積(即抗磨結(jié)的沿旋轉(zhuǎn)方向在給定DOC處刀具后方接觸正在鉆的地層的部分的表面積)通常很難計(jì)算，因?yàn)槠渫ǔ槠浒肭蚧虿糠謾E圓的一半。而且，由表面硬化形成而且由手應(yīng)用的抗磨結(jié)的尺寸和形狀通常從一個(gè)抗磨結(jié)到另一個(gè)并不一致。如果鉆頭相對(duì)兩側(cè)上的抗磨結(jié)的支承表面并非幾乎完全相同，則鉆頭可能受到不均勻的力，這可導(dǎo)致振動(dòng)、不均勻磨損或可能的刀具或鉆頭損壞。已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給BakerHughesIncorporated的幾個(gè)專利致力于解決一些與DOC、抗磨結(jié)等相關(guān)的問(wèn)題。包括在這些專利中的有美國(guó)專利No.6,200,514、美國(guó)專利No,6,209,420、美國(guó)專利No.6,298,930、美國(guó)專利No.6,659,199、美國(guó)專利No.6，779，613和美國(guó)專利No.6,935,441，其每一個(gè)的公開(kāi)內(nèi)容全部在此引入作為參考。雖然一些前述專利意識(shí)到期望限制刀具穿入深度或DOC或以其它方式限制應(yīng)用到井眼表面上的力，但是所公開(kāi)的方法沒(méi)有提供以容易且廉價(jià)的方式適于各種生產(chǎn)線和應(yīng)用的用于控制DOC的方法或設(shè)備。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明包括用于旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭的支承元件、包括在其冠部上刀具后面的支承元件的鉆頭、用于設(shè)計(jì)和制造支承元件和鉆頭的方法和應(yīng)用支承元件來(lái)有效減小DOC的鉆進(jìn)方法。結(jié)合本發(fā)明教導(dǎo)的支承元件限制DOC或PDC刀具或其他類型刀具或切削元件(其在后文都稱為"刀具")在旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭面上露出的有效范圍。支承元件可靠近相關(guān)的刀具設(shè)置，除了別的位置以外，刀具可設(shè)置在鉆頭的冠部中或鼻部區(qū)域中，包括但是不限于在冠部的錐形內(nèi)和在冠部的表面上。支承元件可基本上在其整個(gè)區(qū)域上具有基本上均勻的厚度。支承元件的厚度或高度為支承元件從鉆頭面(例如其上設(shè)置支承元件的刀刃)突出的距離，可直接對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)相鄰刀具露出量或突出量的有效減小，并且因此對(duì)應(yīng)于DOC的有效減小。支承元件可構(gòu)造用于將由于WOB造成的載荷分布在井底處接觸地層表面的鉆頭面、刀刃或其他鉆頭體結(jié)構(gòu)上的足夠的表面積上(例如在鉆頭冠部處刀刃表面的至少30%)，以4吏施加的WOB不超過(guò)或大約小于地層壓縮強(qiáng)度。結(jié)果，鉆頭基本上不使地層巖石凹進(jìn)或損壞。由支承元件減小DOC，支承元件還可限制鉆頭每次旋轉(zhuǎn)由刀具去除的地層材料(巖石)的單位體積，以防止地層材料過(guò)切削、鉆頭泥包和損壞刀具這些情況中的一個(gè)或多個(gè)。如果鉆頭用于定向鉆孔操作中，則工具表面損耗或馬達(dá)停機(jī)的可能性也可由于位于鉆頭冠部上刀具后面的本發(fā)明支承元件的存在而減小。用于制造鉆頭的方法也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這樣的方法可如上述考慮待鉆的特定地層的壓縮強(qiáng)度，并且在將為鉆頭或其刀具提供一種或多種期望特性的位置處包括一個(gè)或多個(gè)支承元件結(jié)構(gòu)。盡管各種技術(shù)可用于制造支承元件或具有支承元件的鉆頭，這樣的方法可包括制造用于形成鉆頭的模具。模具通過(guò)銑制包括具有較小空腔或凹部的冠部形成區(qū)的空腔形成，所述較小空腔或凹部構(gòu)造用于容納標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)成形件或置換物。其他插入物也可放置在模具空腔中。銑制空腔以便在冠部形成區(qū)(例如在其錐形中或冠部形成區(qū)中的某處，與較小的置換物容納空腔的尾端連通)形成槽或凹槽。這些槽基本上在其整個(gè)區(qū)域上可具有基本均勻的厚度。每一個(gè)槽限定待形成在鉆頭冠部上的支承元件的位置，并且具有一定深度，該深度對(duì)應(yīng)于在冠部相鄰區(qū)域處的刀具露出量將被有效減小的距離，以有效控制每一個(gè)相鄰刀具可獲得的DOC。槽的面積可足夠支撐預(yù)期的軸向負(fù)載或WOB，以防止刀具挖入超出其所設(shè)計(jì)DOC的地層，或不超過(guò)待鉆的期望地層的壓縮強(qiáng)度。模腔和在模腔內(nèi)的置換物和任何其他插入物一起形成鉆頭體。一旦模腔已經(jīng)形成，并且包括期望特征，并且刀具置換物和任何其他插入物已經(jīng)設(shè)置在其中，則可形成鉆頭體，如本領(lǐng)域已知(例如通過(guò)將微粒材料和滲透劑引入模腔中)。然后可從鉆頭體去除置換物，留下構(gòu)造用于容納刀具的凹窩，所述刀具隨后與鉆頭體裝配并且固定到鉆頭體。根據(jù)另一方面，本發(fā)明包括用于地下地層鉆井的方法，所述方法包括使用具有有效減小鉆頭冠部上或錐形中的刀具露出量的支承墊的鉆頭。用于設(shè)計(jì)支承元件的方法包括選擇待鉆的地層，計(jì)算地層的期望DOC和強(qiáng)度和計(jì)算將限制DOC和施加到地層的單位力的支承元件的高度和厚度。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)考慮接下來(lái)進(jìn)行的描述、附圖和權(quán)利要求而對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員變得顯而易見(jiàn)。圖1是包括結(jié)合本發(fā)明教導(dǎo)的支承墊的旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭的示例的透視圖，所述鉆頭相對(duì)于其鉆入地層中的方向處于倒轉(zhuǎn)方向；圖2是用于形成旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭的模具的冠部形成表面的示意圖，所述模具包括用于容納鉆地刮刀鉆頭的刀具的預(yù)成形件的銑制空腔或凹部；圖3是圖2中所示的模具的冠部形成表面的示意圖，具有用于安裝在銑制空腔中的刀具的預(yù)成形件或插入物；圖4是模具的冠部形成表面的示意圖，其具有設(shè)置在用于容納預(yù)成形件或插入物的至少一些銑制空腔的尾邊緣處的模制槽；圖5是圖4模具的冠部形成表面的示意圖，其中預(yù)成形件或插入物位于銑制空腔中；圖6是包括圖4中所示特征的模具冠部形成表面的透視圖；圖7是圖6中示出的鉆頭的部分的銑制空腔和銑制槽的特寫圖；圖8是旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭的冠部的示意圖，示出了DOC、冠部輪廓和刀具輪廓之間的關(guān)系；圖9是旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭的刀刃的一部分的特寫后透視圖，其設(shè)置在鉆頭的冠部的錐體中并且其包括刀具和鄰近在刀刃錐形部上至少一些刀具的尾邊緣設(shè)置以便有效減少每一個(gè)相鄰刀具的露出量的支承元件；和圖IO是圖9中所示旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭的部分的特寫前透視圖。具體實(shí)施方式附圖的圖1圖示了包括多個(gè)刀具24(例如PDC刀具)的旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭10，所述多個(gè)刀具24由其基底(為了清楚沒(méi)有分別顯示金剛石臺(tái)和基底)如通過(guò)釬焊結(jié)合到刀刃18中的凹窩22(也參見(jiàn)圖2)內(nèi)，這見(jiàn)于本領(lǐng)域關(guān)于所謂浸漬基體或更簡(jiǎn)單的"基體"式鉆頭的制造。這樣的鉆頭包括大量由熔化并隨后可硬化的粘結(jié)劑(例如銅基合金)滲透的微粒材料(例如，碳化鎢等金屬粉末)。但是應(yīng)理解，本發(fā)明不限于基體式鉆頭，并且根據(jù)本發(fā)明也可構(gòu)造鋼體鉆頭和其他制造的鉆頭。沿鉆頭10的縱軸40或旋轉(zhuǎn)軸的鉆頭徑向橫截面的外部形狀限定所謂的"鉆頭輪廓"或"冠部輪廓"。還參見(jiàn)圖8。鉆頭IO的端部可包括固定到"基體"鉆頭體的桿14。如本領(lǐng)域已知，桿14可與API銷接頭16以螺紋連接在一起，以便于將鉆頭10附裝到鉆柱。鉆頭10的內(nèi)部流體通道從鉆頭10的上端或尾端處的管狀桿通到延伸到鉆頭主體內(nèi)的空間(plenum),通到噴嘴孔38。固定在噴嘴孔38中的噴嘴36為位于刀刃18之間的流路30提供鉆井液。流路30延伸到排屑槽32，排屑槽32沿鉆頭10的側(cè)面在刀刃18之間向上延伸。由噴嘴36排出的鉆井液將鉆屑從刀具24上掃除，鉆井液通常經(jīng)過(guò)流路30徑向向外移動(dòng)，然后向上經(jīng)過(guò)排屑槽32到達(dá)懸掛鉆頭10的鉆柱之間的環(huán)面，并且繼續(xù)向上直到井外的地面。多個(gè)支承元件42可位于設(shè)置在鉆頭10冠部或鼻部處的刀刃18的部分上。通過(guò)非限制性示例，支承元件42可至少部分設(shè)置在刀刃18的位于鉆頭10冠部錐體內(nèi)的部分上。支承元件42可以是任何最適合特定應(yīng)用需要的尺寸、形狀和/或厚度，其可基本上與一個(gè)或多個(gè)其他支承元件42沿離軸40的相同半徑設(shè)置。支承元件或表面可提供足夠的表面積來(lái)承受軸向或縱向WOB而不超過(guò)所鉆的地層的壓縮強(qiáng)度，以使巖石不過(guò)度凹進(jìn)或損壞，并且PDC刀具24穿入巖石中的情況基本上受到控制。作為示例，如圖1中所示構(gòu)造的8.5英寸(約21.5cm)直徑鉆頭的支承元件42的總支承面積可以是約12平方英寸(約77.5cm2)。如果例如由鉆頭10所鉆的較軟地層的無(wú)限制的壓縮強(qiáng)度為2000英鎊每平方英寸(psi)(約175kg/cm)，則至少約24000lbs.(約10900kg)WOB可被施加到地層而不使其損壞或凹進(jìn)。這樣的WOB遠(yuǎn)超過(guò)通常在不會(huì)由于過(guò)大DOC和超過(guò)鉆頭液壓清除鉆屑能力的相應(yīng)鉆屑體積而導(dǎo)致形成鉆頭泥包的情況下可施加到這樣的地層中的鉆頭的WOB(侈'J:ft口，小達(dá)1000lbs.(約450kg)至'J3000lbs.(約1360kg)，直至'J約5000lbs.(約2270kg)等)。在具有例如20000psi(約1400kg/cm)到40000psi(約2800kg/cm)壓縮強(qiáng)度的較硬地層中，鉆頭的支承元件的總表面積可顯著減小，同時(shí)仍適應(yīng)為將鉆頭牢固地保持在井底上所施加的相當(dāng)大的WOB。當(dāng)使用較舊的較不精密的鉆機(jī)時(shí)，或在定向鉆井過(guò)程中，這兩種情況都導(dǎo)致很難以任何高精度控制WOB，使WOB超載而無(wú)不利后果的能力進(jìn)一步顯示出包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)支承元件42的鉆頭的超高性能。應(yīng)注意，地層巖石的無(wú)限制的壓縮強(qiáng)度的使用為用于鉆頭的支承元件42的所需支承面積的計(jì)算提供了相當(dāng)大的余量，因?yàn)樗@的地下地層的原處受限制的壓縮強(qiáng)度高得多。因而，如果需要，可利用所選地層的受限制的壓縮強(qiáng)度值來(lái)設(shè)計(jì)具有總支承面積的支承元件和鉆頭總支承面積，以產(chǎn)生較小的所需支承面積，但是考慮到地層的連續(xù)壓縮強(qiáng)度的變化，這仍有意提供過(guò)多支承面積的足夠"余量"，以排除地層向下鉆進(jìn)的大的凹進(jìn)和損壞。除了用作支承表面，支承元件42的厚度或高度或其從刀刃18的表面突出的距離可確定DOC的范圍，或者刀具24的有效露出量關(guān)于所鉆地層減小。僅通過(guò)示例，每一個(gè)支承元件42可構(gòu)造為與其相關(guān)刀具或多個(gè)刀具24的期望DOC有關(guān)的特定高度。即，當(dāng)支承元件42的高度相對(duì)于刀刃18的表面增加時(shí)，其相關(guān)刀具或多個(gè)刀具24的DOC減小。例如，刀具24可能具有0.75英寸(約1.9cm)的標(biāo)稱直徑，當(dāng)釬焊到刀刃18中的凹窩22中時(shí)，在沒(méi)有相鄰的支承元件42的情況下，可具有0.375英寸(約0.95cm)的標(biāo)稱DOC。通過(guò)包括支承元件42，0.75英寸(約1.9cm)直徑PDC刀具的DOC可減小到約零(0)英寸(0cm)。當(dāng)然，DOC可根據(jù)支承元件42的高度或支承元件42從鉆頭10的冠部表面突出的距離在各種范圍內(nèi)選擇。因而，支承元件42消除了對(duì)改變形成在用于鉆頭體的模具中的刀具置換物容納空腔深度的需要，這允許使用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)置換物。因而，在鉆頭10冠部處的刀具24的DOC和因此鉆頭10的切削性可快速改變到特定地層的需要，而無(wú)需采取刀刃幾何形狀或輪廓的再設(shè)計(jì)，而這通?；ㄙM(fèi)大量的時(shí)間和金錢來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的鉆頭可由任何適當(dāng)?shù)囊阎夹g(shù)制造。例如，鉆頭可通過(guò)使用模具形成。置換物或其他插入物可定位在模具的空腔內(nèi)的精確位置處，以確保在使用模具形成的鉆頭體中適當(dāng)定位切削元件、噴嘴、排屑槽等。因此，當(dāng)微粒材料和滲透劑引入模腔中時(shí)，加工為模具冠部形成區(qū)的刀具置換物容納空腔可具有足夠的深度來(lái)將置換物支撐并且保持在位。圖2是鉆頭模具46從直接看入模具46的空腔45中的角度看到的圖示。模具46可被認(rèn)為是要使用其形成的鉆頭(例如鉆頭10)的負(fù)片。模具46的圖2中顯示的部分為其空腔的冠部形成區(qū)。所示的小的空腔22，具有已經(jīng)銑制過(guò)以固定用于隨后形成的凹窩的置換物，將要放置在鉆頭表面錐形中的刀具最終插入并且固定在所述凹窩中。圖3為來(lái)自相同視點(diǎn)的模具46的圖示，只是在該例子中，僅置換物44插入小的空腔22，中。如圖4、6和7中所示，隨后形成支承元件42(圖1)的槽或凹槽48、48，可例如通過(guò)將其銑制在模具46的空腔的表面中來(lái)形成在模具46中。通過(guò)非限制性示例，可通過(guò)手工銑制或通過(guò)計(jì)算機(jī)控制下的多軸(例如五或七軸)銑床來(lái)形成凹槽48、48，和小的空腔22，。僅出于示例目的，在其他因素中，可選擇每一個(gè)凹槽48、48，的尺寸、形狀、表面積和深度以獲得前述用于指定應(yīng)用或地層的期望的DOC(即切削性)和支承元件面積。每一個(gè)凹槽48、48，基本上在其整個(gè)區(qū)域上具有基本一致的深度，而與其中形成凹槽48、48，的表面的外形無(wú)關(guān)。每一個(gè)凹槽48、48，可例如具有稍大于模具46中小的空腔22，的寬度，而且在相鄰的小的空腔22，之間稍微延伸。與鉆頭10沒(méi)有這樣的特征的可能情況相比，這樣的結(jié)構(gòu)可提供更大的支承表面積，并且可支撐施加的更高WOB?？蛇x地，每一個(gè)凹槽48、48，可具有略小于小的空腔22，的寬度，在該例子中，約為小空腔22，的總寬度的三分之二(2/3)。另外，凹槽48、48，可不基本在相鄰的小的空腔22，之間延伸。因此，具有這些特征的任一種或其組合的凹槽48、48，將形成具有較小表面積的支承元件42，并且因而支承元件42可支撐比具有較大表面積的支承元件42相對(duì)較小的所施加WOB。模具46可包括一個(gè)凹槽48、48，，或多個(gè)凹槽48、48，。如果模具46包括多個(gè)凹槽48、48，，則單個(gè)的凹槽48、48，可具有彼此相同的尺寸，或單個(gè)的凹槽48、48，可具有至少一個(gè)與另一個(gè)凹槽48、48，相應(yīng)尺寸不同的尺寸。例如，模具46可包括具有上面說(shuō)明的較大直徑和表面積的第一凹槽48，而另一個(gè)凹槽48，可如上說(shuō)明包括較小的尺寸。另外，凹槽48、48，的深度可以相同或從一個(gè)凹槽48到另一個(gè)凹槽48，彼此不同。而且，盡管僅出于示例說(shuō)明目的，所示的模具46在特定位置包括槽48、48，時(shí)，但凹槽48、48，可在模具46中在別處形成而不偏離本發(fā)明的范圍。圖5顯示了置換物44已經(jīng)安裝在小的空腔22，中之后的模具46，具有相關(guān)的凹槽48、48，的實(shí)例。一旦插入物44已經(jīng)安裝在小的空腔22，中，則鉆頭10可使用模具46通過(guò)任何本領(lǐng)域已知的適當(dāng)工藝形成，包括在模具46的空腔45中引入微粒材料和引入粘結(jié)劑或粘合劑或滲透齊寸。圖8示出根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)設(shè)計(jì)的示例性鉆頭10的輪廓視圖56。冠部輪廓52為如圖1中所示的描繪從軸40到測(cè)量半徑12的刀刃18的輪廓的線。當(dāng)鉆頭圍繞軸40旋轉(zhuǎn)并且刀具24經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)于圖8中顯示的頁(yè)面的平面時(shí)，刀具輪廓54描繪刀具24的邊緣。在無(wú)支承元件48的情況下，冠部輪廓52和刀具輪廓54之間的距離為標(biāo)稱切削深度(DOC)，以D標(biāo)示。但是，如上所述的由模具46的槽或凹槽48形成的支承元件42可改進(jìn)刀具24的DOC。在該例子中，支承元件42延伸超過(guò)冠部輪廓52達(dá)設(shè)定距離H，并且刀具24的DOC為支承元件48和刀具輪廓54之間的距離，由D，標(biāo)示。當(dāng)然，可使用其他方法形成具有一個(gè)或多個(gè)支承元件的鉆頭。例如，鉆頭體或其一部分可由固態(tài)坯料加工形成；由編程的材料固結(jié)(例如"分層制造"等)和滲透工藝形成，例如美國(guó)專利No.6,581,671、6，209，420、6,089,123、6，073，518、5，957，006、5,839,329、5,544,550、5,433,280中公開(kāi)的那些，其每一個(gè)都已轉(zhuǎn)讓給BackerHughesIncorporated,其每一個(gè)的公開(kāi)內(nèi)容在此全部引入作為參考；或通過(guò)任何其他適當(dāng)?shù)你@頭制造工藝。體現(xiàn)本發(fā)明教導(dǎo)的鉆頭10顯示在圖9和10中。圖9提供了鉆頭10的支承元件42的特寫圖。刀具24在圖9中也可見(jiàn)。類似的特征在圖10中可見(jiàn)。支承元件42從不同的角度可見(jiàn)，刀具24也一樣。返回參照?qǐng)D1和圖8-10，用于地下地層鉆井的方法包括使地層與至少一個(gè)刀具24接合，刀具24的露出量由至少一個(gè)支承元件42限制，支承元件42也限制每一個(gè)刀具24的DOC。具有由一個(gè)或多個(gè)支承元件42限制的DOC的一個(gè)或多個(gè)刀具24可設(shè)置在至少一個(gè)刀刃18的至少一部分或一個(gè)區(qū)域的面向地層的表面上，以提供刀具24的間隔和刀具輪廓54的露出量，其使鉆頭能夠在不產(chǎn)生過(guò)量TOB的情況下，在寬WOB范圍內(nèi)甚至在提高的WOB下接合地層，以得到鉆頭提供的瞬時(shí)ROP。即，如上所述，扭矩與施加的WOB直接相關(guān)。由于使用的鉆頭10具的支承元件42以預(yù)定的可容易預(yù)測(cè)的量限制DOC并且因此限制施加到鉆頭10的扭矩，就減小了扭矩可能造成向下鉆進(jìn)馬達(dá)停機(jī)或工具面臨不期望變化的可能性。鉆井可主要使用刀具24進(jìn)行，其具有由一個(gè)或多個(gè)支承元件42限定的DOC，在選擇的WOB范圍內(nèi)接合相對(duì)較硬的地層。當(dāng)遇到較軟的地層和/或當(dāng)將增加量的WOB施加到鉆頭10時(shí)，靠近至少一個(gè)相關(guān)刀具24的至少一個(gè)支承元件42限制相關(guān)刀具24的DOC，同時(shí)允許鉆頭IO在支承元件42上沖擊地層，而不管施加到鉆頭10的WOB如何，并且對(duì)于當(dāng)前ROP，不產(chǎn)生不可接受的高的、可能的損壞鉆頭的TOB。雖然以上描述包括很多細(xì)節(jié)和實(shí)例，但是這些不應(yīng)解釋為限制本發(fā)明的范圍，而是僅作為提供某些當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的示例。類似地，可設(shè)計(jì)本發(fā)明的其他實(shí)施例，其不偏離本發(fā)明的精神或范圍。本發(fā)明的范圍因此僅由所附權(quán)利要求及其法律等同物說(shuō)明和限定，而不是由前述描述說(shuō)明和限定。所有對(duì)本文公開(kāi)的并且落入權(quán)利要求范圍的本發(fā)明的增加、刪除和改進(jìn)都包括在其范圍中。權(quán)利要求1.一種旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭，包括鉆頭體，包括在其前端的冠部；至少一個(gè)在所述冠部處的刀具；和支承元件，包括從所述冠部表面的一部分突出并且沿旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置在所述至少一個(gè)刀具后面的一定材料量，所述支承元件構(gòu)造成有效地減小所述至少一個(gè)刀具的露出量，所述支承元件設(shè)置在所述至少一個(gè)刀具后面而沒(méi)有不利地影響鉆頭的液壓。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭，其中，所述支承元件具有基本上均勻的厚度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭，其中，所述支承元件從所述冠部表面突出基本上均勻的距離。4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭，其中，所述支承元件沿旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置在多個(gè)刀具后面。5.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭，其中，所述支承元件設(shè)置在所述冠部的錐形中。6.—種用于制造權(quán)利要求1中所述的旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭的模具，包括模具體；空腔，形成在所述模具體中，用于形成至少一個(gè)肩部和所述冠部；至少一個(gè)凹部，用于容納用來(lái)在所述冠部中形成刀具凹窩的標(biāo)準(zhǔn)置換物，所述刀具凹窩用于容納所述至少一個(gè)刀具，所述至少一個(gè)凹部包括具有便于容易更換其中的標(biāo)準(zhǔn)置換物并且容易從形成在所述空腔中的冠部去除所述置換物的深度的前邊緣；和至少一個(gè)淺凹槽，用于形成支承表面，所述至少一個(gè)淺凹槽與所述至少一個(gè)凹部的尾邊緣連通，所述淺凹槽在其基本上整個(gè)區(qū)域上具有基本上均勻的深度。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模具，包括多個(gè)淺凹槽。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模具，還包括多個(gè)凹部，用于形成所述旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭的刀刃，用于形成刀刃的每一個(gè)凹部中包括至少一個(gè)用于容納用來(lái)形成刀具凹窩的標(biāo)準(zhǔn)置換物的凹部。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的模具，包括多個(gè)淺凹槽。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模具，其中，至少一個(gè)淺凹槽與多個(gè)用于容納標(biāo)準(zhǔn)置換物的凹部的尾邊緣連通。11.根據(jù)權(quán)利要求6到10中任一項(xiàng)所述的模具，其中，所述至少一個(gè)淺凹槽至少部分設(shè)置在用于形成所述旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭錐形的空腔表面中。12.—種用于形成權(quán)利要求6的模具的方法，包括在模具坯料中形成所述空腔，所述空腔包括冠部形成區(qū)，包括至少一個(gè)表面，具有所述用于容納標(biāo)準(zhǔn)刀具置換物的至少一個(gè)凹部；和所述凹槽。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，形成所述空腔的步驟包括形成所述空腔以包括在其表面中具有多個(gè)刀刃形成凹部的冠部形成區(qū)、所述至少一個(gè)用于容納標(biāo)準(zhǔn)刀具置換物的凹部和所述至少一個(gè)設(shè)置在多個(gè)刀刃形成凹部的至少一個(gè)刀刃形成凹部的表面中的凹槽。14.根據(jù)權(quán)利要求12或權(quán)利要求13所述的方法，還包括將置換物放置在所述至少一個(gè)凹部中。15.根據(jù)權(quán)利要求12或權(quán)利要求13所述的方法，其中，形成所述空腔的步驟包括形成所述空腔的冠部形成區(qū)以包括錐形形成區(qū)，其中所述至少一個(gè)凹部和所述至少一個(gè)凹槽至少部分地設(shè)置于錐形形成區(qū)中。16.根據(jù)權(quán)利要求12或權(quán)利要求13所述的方法，其中，形成所述空腔的步驟包括形成多個(gè)用于容納標(biāo)準(zhǔn)刀具置換物的凹部。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，形成所述空腔的步驟包括形成至少一個(gè)凹槽來(lái)與所述多個(gè)凹部的尾邊緣連通。18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，形成所述空腔的步驟包括形成多個(gè)凹槽來(lái)與所述多個(gè)凹部的尾邊緣連通。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種用于旋轉(zhuǎn)式鉆地刮刀鉆頭(10)的支承元件(42)，其將至少一個(gè)相鄰刀具(24)的露出量有效地減小可容易預(yù)測(cè)的量和有效地減小刀具的切削深度(DOC)。支承元件在其基本整個(gè)區(qū)域上具有基本上均勻的厚度。支承元件還限制施加到地層的單位力的大小，以使地層不損壞。支承元件可防止損壞與其相關(guān)的刀具，也可能限制與鉆頭泥包、馬達(dá)停機(jī)和相關(guān)的鉆井難題有關(guān)的問(wèn)題。設(shè)計(jì)和鉆井方法包括選擇待鉆的地層、計(jì)算期望的DOC和地層強(qiáng)度和計(jì)算可限制DOC和施加到地層的單位力的支承元件的高度或厚度。文檔編號(hào)E21B10/42GK101336331SQ200680052362公開(kāi)日2008年12月31日申請(qǐng)日期2006年12月14日優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日發(fā)明者T·甘茨申請(qǐng)人:貝克休斯公司