钻头上的滚动元件的优化的制作方法
背景技术：
在油气工业的井筒钻井中，可以将钻头安装在钻柱的端部上并且进行旋转以破碎地质地层。可以通过例如在地面位置处进行顶部驱动来转动整个钻柱而使钻头旋转，且/或可以使用井下设备，例如安装在钻柱内的泥浆马达，来使钻头旋转。当钻井时，将钻井流体泵送穿过所述钻柱并且从所述钻头排出以移除钻屑和岩屑。可以使用循环的钻井流体对泥浆马达(在存在于所述钻柱中的情况下)选择性地供应动力。
一种常见类型的钻头是“固定切削齿”钻头，其中切削齿(还称为切削齿元件、切削元件或嵌件)在固定位置紧固到钻头主体。所述钻头主体可以由高强度材料形成，例如碳化钨、钢或复合材料/基体材料，并且所述切削齿可以包括由碳化物(例如，碳化钨)制成的基底或者支撑螺柱，以及由沉积到所述基底上或以其他方式结合到所述基底的多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成的超硬切削表面层或“平台”。所述切削齿通常被称作多晶金刚石复合片(“pdc”)切削齿。
一些切削齿沿着在钻头主体上界定的刀片的前缘战略性地定位，使得所述切削齿在钻井期间接合地层。在使用中，向切削齿施加高力，并且每个切削齿的工作表面或切削边缘随时间最终磨损或失效。固定切削齿的切削边缘可能会连续地暴露于地层，同时滚动元件的暴露表面可能会连续地暴露于地层并且在所述滚动元件在钻头上旋转时从地层退回。在一些情况下，滚动元件可以向固定切削齿提供切削深度控制。
附图说明
包括以下各图来说明本公开的某些方面，并且这些图不应被视为穷举实施例。在不脱离本公开的范围的情况下，所公开的主题能够在形式和功能方面有大量变体、变型、组合和等效形式。
图1是说明固定切削齿和固定在其钻头主体上的滚动元件组件的旋转钻头的透视图。
图2a是具有界定大体上圆柱形主体的滚动元件的滚动元件组件的示意性侧视图，其中所述圆柱形主体处于大体上不平衡的操作负荷。
图2b是说明圆柱形主体的大体上平衡的负荷的图2a的滚动元件组件的示意性侧视图。
图3是说明钻头的钻头面上的固定切削齿和三个滚动元件的位置的钻头的示意性俯视图，其可以被布置成提供滚动元件的提高的操作使用期限以及对钻头的切削深度控制。图3说明在特定径向坐标处与滚动元件中的一者的顶表面相交以及在所述径向坐标处与多个固定切削齿相交的圆。
图4是说明与圆相交的滚动元件和固定切削齿的轴向位置和径向位置的图3的钻头面的示意性轮廓视图。
图4a是在径向坐标处的图4的滚动元件的顶表面和在固定切削齿与圆相交处所界定的交叉点的相对轴向位置的示意性图形视图，其说明径向坐标处的固定切削齿中的每一者的轴向暴露不足。
图4b是图4a的交叉点中的一者以及图4的滚动元件中的每一者的顶表面的相对轴向位置的示意性图形视图。
图5是说明固定切削齿和滚动元件的定向、轴向位置和径向位置的图3的钻头面的示意性轮廓视图。
图6是说明滚动元件的旋转定向的图3的滚动元件中的一者的示意性俯视图。
图7a是说明用于选择钻头面上的滚动元件的位置和定向以平衡所述滚动元件上的操作力的程序的流程图。
图7b是说明用于计算如图7a的程序中指定的临界切削深度的程序的流程图。
图7c是说明用于计算如图7a的程序中指定的作用于滚动元件的力和力矩的程序的流程图。
图8a和图8b分别是图3的滚动元件的侧视图和端视图，其说明如图7c的程序中所指定的作用于滚动元件的操作负荷。
图9a是图3的三个滚动元件的示意图，其说明在执行图7a的程序之前的示例性操作负荷，其中操作负荷在三个滚动元件中的第一者上是平衡的，并且在第二滚动元件和第三滚动元件上不平衡。
图9b是图9a的第二滚动元件和第三滚动元件的示意图，其说明在执行7a的程序之后的示例性操作负荷，其中操作负荷在第二滚动元件和第三滚动元件上是平衡的。
图10是针对图3的所有三个滚动元件在图7a的程序中计算的临界切削深度的图解视图，其中相对于钻头的径向部分的钻头半径来绘制临界切削深度。
具体实施方式
本公开涉及钻地钻头，并且更特定来说，涉及可用于钻头中的滚动类型切削或切削深度控制(docc)元件。滚动docc元件可以包括大体上圆柱形主体，所述大体上圆柱形主体战略性地定位并且紧固到钻头，使得滚动元件能够在钻井期间接合地层。响应于钻头旋转，并且依据滚动元件相对于钻头主体的选定定向，所述滚动元件可以与下伏地层相抵地滚动、切削所述地层或者可以与所述地层相抵地滚动并且切削所述地层两者。本公开的实施例针对于用于选择钻头上的滚动元件的位置和定向以使得滚动元件的外表面维持与地质地层的多个接触区来平衡作用于圆柱形主体的力的方法。进而可以防止损坏钻头。在一些实施例中，所述方法包括计算沿着滚动元件的滚动元件长度的每个点的临界切削深度；改变至少一个设计变量；以及重新计算切削深度，直到存在沿着滚动元件的至少三个接触点为止。
图1是说明钻头主体102上的固定切削齿和滚动元件的示例性钻头100的透视图。本教导的钻头100可以应用于任何固定切削齿钻头种类，包括多晶金刚石复合片(pdc)钻头、刮刀钻头、基体钻头，和/或钢主体钻头。虽然在图1中将钻头100描绘为固定切削齿钻头，但本公开的原理同样适用于可操作以形成井筒的其他类型的钻头，包括(但不限于)固定切削齿取芯钻头、孕镶金刚石钻头和牙轮钻头。
钻头的钻头主体102包括具有前导面106的沿径向和纵向延伸的刀片104。钻头主体102可以由钢或更硬材料(例如，碳化钨)的基体制成。钻头主体102围绕纵向钻头轴线107旋转以在所施加的钻压下钻进下伏地层中。在周向邻近的刀片104之间界定对应的排屑槽112，并且可以在排屑槽112内布置多个喷嘴或端口114以便喷射钻井流体，所述钻井流体会冷却钻头100并且另外冲洗掉在钻孔期间产生的钻屑和岩屑。
钻头主体102还包括多个固定切削齿116，其紧固在大小和形状被设计成接纳切削齿116的对应多个切削齿凹穴内。每个切削齿116在此示例中包括固定切削齿，所述固定切削齿经由钎焊、旋拧、收缩配合、压配合、扣环或其任何组合而被紧固在其对应的切削齿凹穴内。所述固定切削齿116以预定角度定向和径向位置被固持在刀片104和相应的切削齿凹穴中，以便使所述固定切削齿116相对于穿透的地层呈现所要的角度。当使钻头100旋转时，通过在钻头100处经受的钻压和扭矩的组合力驱使固定切削齿116穿过岩石。在钻井期间，固定切削齿116可能会由于在钻头100旋转时与钻进的下伏地层相互作用而经受多种力，例如拖拽力、轴向力、作用力矩力等。
每个固定切削齿116可以包括由例如碳化钨等极硬材料制成的大体上圆柱形基底，以及紧固到所述基底的切削面。所述切削面可以包括超硬材料的一个或多个层，所述超硬材料例如为多晶金刚石、多晶立方氮化硼、孕镶金刚石等，所述一个或多个层大体上形成每个固定切削齿116的切削边缘和工作表面。所述工作表面通常是平坦或平面的，但还可以展现弯曲暴露表面，所述弯曲暴露表面在切割边缘处与侧表面汇合。
一般来说，可以使用碳化钨作为基底来制造每个固定切削齿116。虽然可以将圆柱形碳化钨“坯体”用作基底，所述基底充分长以充当切削面的安装螺柱，但所述基底同样可以包括在另一界面处结合到另一金属安装螺柱的中间层。为了形成所述切削面，可以将所述基底放置成邻近于超硬材料颗粒(例如，金刚石或立方氮化硼颗粒)的层，并且所述组合在超硬材料颗粒是热力稳定的压力下承受高温。这导致多晶超硬材料层(例如，多晶金刚石或多晶立方氮化硼层)直接重结晶和形成于所述基底的上表面上。当将多晶金刚石用作超硬材料时，可以将固定切削齿116称作多晶金刚石复合片切削齿或“pdc切削齿”，并且使用此类pdc固定切削齿116制成的钻头一般被称为pdc钻头。
如所说明，钻头100可以还包括多个滚动元件组件118，每个滚动元件组件包括滚动元件120。滚动元件120可以包括大体上圆柱形主体，所述大体上圆柱形主体在钻头主体102上以预定位置和定向战略性地定位，使得滚动元件120能够在钻井期间接合地层。每个滚动元件120的旋转轴线a0(图2a)相对于刀片104的外表面的切线的定向可以指示特定滚动元件120是仅操作为滚动docc元件、仅操作为滚动切削元件，还是以上两者的混合物。本文使用术语“滚动元件”和“滚动docc元件”来描述呈任何定向的滚动元件120，无论其仅用作docc元件、仅用作切削元件还是以上两者的混合物。滚动元件120可以在以下方面证实是有利的：允许额外的钻压(wob)来增强定向钻井应用而没有固定切削齿116的过接合。有效的docc还限制了扭矩的波动并且使粘滑最小化，所述波动和粘滑可能会导致固定切削齿116损坏。可以选择滚动元件120的优化的三维位置和三维定向以延长滚动元件组件的使用期限，并且进而提高钻头100在其操作使用期限内的效率。如本文所描述，可以依据具有沿着纵轴线107定位的y轴线的笛卡儿坐标系统以及具有沿着笛卡儿坐标系统的x轴线的极轴的极坐标系来表达所述三维位置和定向。
图2a是滚动元件组件118的示意性侧视图，所述滚动元件组件具有经受大体上不平衡的操作负荷的滚动元件120。如所说明，滚动元件120界定被布置成围绕框架124内的旋转轴线a0旋转的大体上圆柱形主体。在其他实施例中，在不脱离本公开的方面的情况下，可以提供具有替代性轮廓(例如，凸轮廓、凹轮廓或不规则轮廓)的滚动元件(未示出)以在框架124内旋转。框架124在其中支持滚动元件120，使得滚动元件120的整个滚动元件长度lr从框架124突出。在操作中，滚动元件120因此可以沿着其整个滚动元件长度lr接触地质地层。所述滚动元件的滚动元件直径dr的一部分大体上设置在框架124内，使得框架124使滚动元件120保持在其中。
在操作中，滚动元件120可以经由沿着滚动元件长度lr的单个接触区域e0接触地质地层。滚动元件120进而可以在滚动元件120的顶表面128处经受所得的操作负荷p0。其中所得的力p0相对于滚动元件的中心线cl横向偏移，力p0产生力矩m0。力矩m0可能会使框架124变形或损坏，并且潜在地导致框架124损失滚动元件120。
图2b是滚动元件组件118的示意性侧视图，所述滚动元件组件具有经受大体上平衡的操作负荷的滚动元件120。如图2b中说明，其中滚动元件120被布置成经由沿着滚动元件长度lr的至少三个接触区域e1、e2、e3接触地层，由所施加的力p3引发的力矩可以至少部分地由在中心线cl的相对侧上施加的力p1和p2平衡。以此方式，可以减小所得的力矩m1，滚动元件120的外部滚动表面上的磨损可以在滚动元件长度lr上相对均匀，并且将提高滚动元件组件118的耐用性。在理想状况下，维持滚动元件120的整个滚动元件长度lr在临界切削深度下与地层接触，并且作用于滚动元件组件118的力矩m1非常接近零。
图3是说明钻头200的钻头面202上的固定切削齿116和滚动元件组件118的设计位置的示例性钻头200的示意性俯视图。可以在钻头主体102(图1)的前端处界定钻头面202，并且所述钻头面在所说明的示例性实施例中包括十二个固定切削齿116(编号为1到12)和三个滚动元件120a、120b和120c(统称为或一般称为120)，所述三个滚动元件在上面具有控制点(分别编号为f1到f3)。钻头200表示可以考虑以根据本公开的原理确定滚动元件120的优化的位置和定向的切削齿116和滚动元件120的一个示例性布置。可以在布置成各种其他配置的更多或更少的切削齿116和或滚动元件120的情况下实践本公开的方面。
一旦确定固定切削齿116的位置，并且选择滚动元件120的初始位置和定向，便可以界定与滚动元件120的位置和定向相关联的设计变量。如图3中说明，可以大体上在x轴线与延伸穿过y轴线和部件的平面之间界定钻头面202上的部件的角位置θ。举例来说，大体上通过坐标θf1表示滚动元件120a上的控制点f1的角位置。可以大体上通过半径“r”表示与y轴线相距的径向间距。举例来说，可以通过半径rf表示滚动元件120a的控制点f1(和滚动中心“o”)的径向偏移。
具有半径rf的圆204在编号为6、7、8和9的固定切削齿116的前导面处分别在交叉点p6、p7、p8和p9处与切削边缘206相交。交叉点p6、p7、p8和p9可以具有与控制点f1、f2和f3相同的旋转路径，并且因此可以具有可能受到滚动元件120的控制点影响的切削深度。大体上通过坐标θp表示与圆204相交的点“p”的角位置。举例来说，θp8表示在x轴线与从y轴线延伸到交叉点“p8”的线之间界定的角度。因为滚动元件120a、120b和120c的径向位置不一定相同，所以滚动元件120a、120b和120c的滚动中心“o”可能不全部落在同一圆上。
图4是说明具有被布置成控制固定切削齿116(6、7、8和9)的切削深度的控制点f1的滚动元件120a的轴向位置和径向位置的图3的钻头面202的示意图。滚动元件120a和固定切削齿116(8)都紧固于在y-r平面中具有轮廓208的同一刀片104(图1)上，而滚动元件120a和固定切削齿(6、7和9)紧固在不同的刀片104上。轴向暴露不足δ(图4a)大体上界定滚动元件120a上的控制点f1设置在轮廓208上的固定切削齿116中的每一者下方的轴向距离。对于特定径向坐标dr，例如rf，将轴向暴露不足δ界定为滚动元件120的顶表面128的轴向坐标yf与交叉点“p”中的每一者的轴向坐标之间的轴向距离。举例来说，δ8表示径向坐标rf处的滚动元件120(f1)的顶表面128与径向坐标rf处(例如，点p8处)的固定切削齿116(8)的顶部之间的轴向距离。将轴向暴露不足δ6说明为大体上为负，因为交叉点p6沿轴向设置在径向坐标rf处的顶表面128下方。
如图4b中说明，在每个交叉点“p”与滚动元件120中的每一者之间界定轴向暴露不足δ(沿着y轴线测量)。因为滚动元件120中的每一者(f1、f2、f3)可以设置在不同的轴向坐标yf(yff1，yff2，yff3)处，所以可以相对于滚动元件120(f1、f2、f3)中的每一者界定轴向暴露不足δ8(例如，δ8f1、δ8f2、δ8f3)。
图5是大体上说明滚动元件120在由轴向轴线(y)和径向轴线(r)界定的y-r平面中的定向的图3的钻头面的示意性轮廓视图。滚动元件120界定如上文描述的滚动中心“o”，以及沿着顶表面128的至少三个控制点a、b和c。控制点a和b大体上位于顶表面128的端部处并且界定钻头面202上的滚动元件120的径向间隔。控制点c位于控制点a和b之间。控制点a、b、c大体上表示可以进行评估以便在钻井操作期间接触地层的沿着顶表面128的位置。可以评估更多或更少的控制点，并且在一些实施例中，可以在实践中评估数十个或数百个控制点。
轴线a1在y-r平面中与滚动轴线a0垂直地延伸，并且延伸穿过控制点c和滚动中心o。在轴线a1与垂直线或y轴线之间界定齿廓角
图6是大体上说明滚动元件120在由水平轴线z和x界定的z-x平面中的定向的图3的钻头面的示意性轮廓视图。可以在x轴线与穿过y轴线和滚动元件120的滚动中心“o”的径向平面rp之间界定滚动元件120的角位置θ。将滚动元件120的经过调整的角位置dθ界定为径向平面rp与滚动元件120的滚动轴线a0之间对向的角度。滚动元件120的经过调整的角位置dθ进而界定滚动元件120在z-x平面中的定向。
沿着径向平面rp界定控制点a和b。滚动元件120可以控制在控制点a和b之间界定的径向间隔内的切削深度。
图7a是说明用于选择钻头面上的滚动元件120的位置和定向以平衡所述滚动元件120上的操作力的程序的流程图。可以通过被配置成模拟和设计钻井系统、设备和装置的各种计算机程序、模型或其任何组合来执行方法300的步骤。所述程序和模型可以包括指令，所述指令存储在计算机可读介质上并且可操作以在被执行时执行在下文描述的步骤中的一者或多者。所述计算机可读介质可以包括被配置成存储和检索程序或指令的任何系统、设备或装置，例如硬盘驱动器、压缩光盘、快闪存储器或任何其他合适的装置。所述程序和模型可以被配置成引导处理器或其他合适的单元从计算机可读介质检索指令并且执行所述指令。总的来说，用于模拟和设计钻井系统的计算机程序和模型可以称为“钻井工程设计工具”或“工程设计工具”。
起初在步骤302处，可以将多个固定切削齿116和滚动元件组件118放置在钻头主体上以实现期望的一组设计目的。可以选择滚动元件组件118的初始位置和定向，使得滚动元件120提供特定切削深度控制特性和切削特性。一旦选择了滚动元件120的初始位置和定向，便确立初始一组设计变量。将由至少以下变量界定每个滚动元件120：
1)δ＝暴露不足，即，距固定切削齿116的顶部的距离
2)
3)
4)θ＝相对于x轴线的角位置
5)dθ＝经过调整的角位置
6)dr＝相对于y轴线(例如，钻头旋转轴线)的径向偏移
7)dr＝滚动元件直径
8)lr＝滚动元件长度
一般来说，圆柱形滚动元件的滚动元件直径dr和滚动元件长度lr界定滚动元件120的形状，径向偏移dr、角位置θ和暴露不足δ界定滚动元件120的位置，并且齿廓角
在步骤304处，使用所述一组设计变量，确定沿着滚动元件120的顶表面128的每个控制点(例如，a、b、c)(图5)的临界切削深度。可以按照英寸/转为单位来表达临界切削深度，并且所述临界切削深度大体上指示沿着滚动元件120的滚动元件长度lr的每个点将在操作中穿透地质地层的程度。可以使用临界切削深度计算来评估在滚动元件长度lr上的切削深度有多均匀。可以选择任何数目的控制点，并且在一些实施例中，选择至少三个控制点。在一些实施例中，工程设计工具可以计算沿着滚动元件120的顶表面128均匀间隔的数百个控制点处的临界切削深度。本文在下文关于图7b描述用于计算临界切削深度的具体步骤。
在决策306处，确定临界切削深度计算是否显露其中滚动元件与地质地层接触的至少预定数目个接触区。所述接触区表示其中滚动元件120控制由固定切削齿116在相同径向距离dr下实现的切削深度的径向距离dr。在一些实施例中，所述预定数目个接触区是位于滚动中心o的相对的横向侧上的两个不同的接触区。此布置准许作用于滚动元件120的力在某一程度上彼此平衡。在一些实施例中，所述预定数目个接触区是至少三个接触区。如果沿着滚动元件120的滚动元件长度lr识别的若干接触区少于所述预定数目个接触区，那么程序可以前进到步骤308。
在步骤308处，可以改变至少一个设计变量以建立经过调整的一组设计变量。举例来说，可以增加或减小暴露不足δ。可以改变经过调整的齿廓角
一旦已经改变了至少一个设计变量，便可以使用经过调整的一组设计变量来重新计算沿着滚动元件120的滚动元件长度的每个控制点的临界切削深度δ。程序300随后可以返回到决策306，其中再次确定在给定临界切削深度下是否存在预定数目个接触区。可以迭代地重复决策306和步骤308，直到发现在给定临界切削深度下存在预定数目个接触区为止。随后，程序300可以前进到步骤310。
在步骤310处，计算接合面积af以及作用于滚动元件120的所得的操作负荷p。所述接合面积af表示在操作中穿透到地质地层中的滚动元件120的横截面面积(参见图8b)。所得的操作负荷p可以各自包括相对于滚动元件120的切向分量ptan和径向分量prad(参见图8a和图8b)。可以根据操作负荷p的径向分量prad的量值和位置来计算作用于滚动元件120的力矩m。在图7c的程序中指定用于计算接合面积af、所得的操作负荷p和力矩m的具体步骤。
在决策312处，工程设计工具可以确定操作负荷p和力矩m是否在可接受的预定范围内。如果滚动元件120不满足所有设计要求，那么操作负荷p和力矩m中的至少一者可能会落在可接受的预定范围之外。程序300随后可以返回到步骤308，其中改变至少一个设计变量。可以重复并迭代步骤和决策308、306、310和312，至少直到操作负荷p和力矩m落在可接受的预定范围内为止。程序300随后可以前进到步骤314。
在步骤314处，可以将产生落在预定范围内的操作负荷p和力矩m的经过调整的一组设计变量记录为最终一组设计变量。在一些实施例中，可以将钻头构建成具有根据所述最终一组设计变量而定位和定向的滚动元件120。
图7b是说明用于计算在图7a的程序300的步骤304和308中指定的临界切削深度δ的程序400的流程图。程序400准许针对包括rodcc的钻头上的每个径向位置rf计算临界切削深度δ。因为可以在其中建立初始一组设计变量的程序300的步骤302(图7a)之后执行程序400，所以可以在程序400的步骤402之前已经建立位于穿过钻头轴线107(y轴线)和滚动元件120的中心的径向平面上的点f的坐标xf、yf和zf。
在步骤402处，在给定径向位置rfi处，具有半径rfi的圆204(图3)与切削齿116的边缘相交的点pj以及所述圆与滚动元件120的中心相交的点fk的坐标。此处，指数“i”表示沿着穿过滚动元件120中的一者的径向平面rp的特定控制点，例如a到c(参见图6)，指数“j”表示与圆204相交的固定切削齿116的编号，例如6、7、8和9，并且指数“k”表示滚动元件120的编号，例如，1、2和3。一旦编译了给定径向位置的点pj，fk的笛卡儿坐标，程序400便可以前进到步骤404。
在步骤404处，计算点fk(例如，f1-f3)的角位置θfk。在角位置θfk被界定于0°-360°内的情况下，可以通过以下等式给出角位置θfk：
θfk＝arctan2(zfk，xfk)·180.0/π。
在步骤406处，类似地计算点pj(例如，p6-p9)的角位置θpj。在角位置θpj被界定于0°-360°内的情况下，可以通过以下等式给出角位置θpj：
θpj＝arctan2(zpj，xpj)·180.0/π。
在步骤408处，可以计算由每个fk提供给每个点pj的临界切削深度δj。可以通过以下等式给出临界切削深度δj：
δj＝δj·360/(360-δθj)。
为了使用以上等式计算临界切削深度δj，必须确定点pj与点fk之间的角度偏移δθj以及相对于点fk的点pj的轴向暴露不足δj。可以通过以下等式给出角度偏移δθj(界定于0°-360°内)以及轴向暴露不足δj。
δθj＝θfk-θpj
δj＝ypj-yfk
在步骤410处，一旦计算出临界切削深度δj，可以通过以下给出的等式将由点fk中的每一者提供的临界切削深度计算为临界切削深度δj中的最大值。
δfk＝max[δj]。
举例来说，由点f1提供的临界切削深度是在图3中说明的钻头面202的δ6、δ7、δ8和δ9中的最大值。一旦计算出由点fk中的每一者提供的临界切削深度，程序400便可以前进到步骤412。
在步骤412处，确定给定半径rfi下的钻头临界切削深度δi。通过以下等式给出半径rfi下的钻头临界切削深度。
δi＝min[δfk]。
一旦确定了给定半径rfi下的钻头临界切削深度δi，所述程序可以前进到步骤414，其中更新指数“i”，并且针对另一不同的半径rfi重复程序400的步骤。指数“i”的范围可以是零(0)到钻头面202的半径，使得可以依据钻头面的径向位置来绘制临界切削深度δi(例如，参见图10)。
图7c是说明用于计算如图7a的程序300的步骤310中指定的作用于滚动元件120的操作负荷p和力矩“m”的程序500的流程图。图8a和图8b分别是滚动元件120的侧视图和端视图，其说明如图7c的程序500中所指定的作用于滚动元件120的操作负荷。
在步骤502处，在横截面平面中确定滚动元件120的顶表面128上的任何点fl的切削深度δfl(参见图8a)。在已经确定给定半径rfi下的钻头临界切削深度δi的情况下，可以确定切削深度δ或所述切削深度可以基于上文描述的程序400的步骤412的结果。在步骤504处，根据切削深度δfl和滚动元件120的特定几何形状来确定在滚动元件120与地质地层之间界定的相关联的接合面积af。
在步骤504处，可以应用力模型来确定在滚动元件120的特定点fl处施加的点操作负荷p的径向分量prad。所述力模型可以依据在上文确定的切削深度δfl和接合面积af以及其他已知的可确定的或可估计的变量(例如，岩石强度)来界定径向分量prad。随后可以通过以下等式根据径向分量prad和滚动摩擦系数μ来确定特定点fl处的操作负荷ptan的切向分量ptan。
ptan＝μprad。
在步骤506处，可以确定由于特定点fl处的径向分量prad而引起的围绕滚动中心“o”的力矩“m”。在步骤508处，可以更新指数l，并且可以针对滚动元件120的顶表面128上的另一点fl确定操作负荷prad、ptan和“m”。可以重复和迭代步骤502到508，直到考虑到沿着滚动元件120的顶表面128的所有点为止。
程序500随后可以前进到步骤510。可以将所有点负荷prad、ptan和力矩“m”概括和简化为中心“o’以获得滚动元件120的组合负荷prad、ptan和力矩m。在步骤512处，可以将组合力prad、ptan投影到钻头坐标系统中以获得从滚动元件120贡献的钻头力。在步骤514处，可以将组合力prad、ptan投影到钻孔或井筒坐标系统中以获得滚动元件120的引导力和行进力。在步骤516处，可以更新指数
图9a是说明在执行图7a的程序300中的任何优化之前的示例性操作负荷的图3的三个滚动元件120的示意图。一般来说，操作负荷p在三个滚动元件120中的第一滚动元件120a上是平衡的，并且在滚动元件120中的第二滚动元件120b和第三滚动元件120c上是不平衡的。基于120rpm的钻头旋转速率和120英尺/小时的钻进速度(rop)来确定在图9a中说明的操作负荷p。基于在实施对界定滚动元件120的设计变量中的任一者的任何优化或改变之前的钻头面202的初始布局(参见图7a上的程序300的步骤302)来选择滚动元件120的位置和定向。
滚动元件120a、120b和120c上的操作负荷p4到p9表示跨越沿着滚动元件120的滚动元件长度存在的特定接触区z4到z9的点负荷的组合径向分量prad。可以根据相对于钻头半径所绘制的滚动元件120中的每一者的临界切削深度控制曲线的曲线图来识别接触区z4到z9。
举例来说，沿着第一滚动元件120a识别三个不同的接触区z4、z5和z6，其中第一滚动元件120a的临界切削深度曲线指示在阈值“t”下方的临界切削深度控制。阈值“t”可以表示针对含有滚动元件120a的钻头面202上的径向间隔所要维持生效的期望的最小切削深度。在图9a中说明的曲线的临界深度的上部阴影区表示临界切削深度δ，其中滚动元件120将接合地质地层，并且临界切削深度曲线的下部无阴影区表示不受控制的区域。因此，在阈值“t”下方延伸的阴影区的部分表示当使最小切削深度维持生效时在滚动元件120的上表面128与地质地层之间的接触区。在一些实施例中，可以由钻头设计者预先确定阈值“t”。举例来说，如果钻头设计者期望仅在rpm等于120时在rop超过120英尺/小时的情况下滚动元件将接触地层，那么阈值“t”可以是0.2英寸/转。
因为沿着第一滚动元件120a识别三个不同的接触区z4、z5和z6，所以可以发现此滚动元件120a提供上文参考程序300的决策306所描述的预定数目个接触点(参见图7a)。因为沿着第二滚动元件120b仅识别两个不同的接触区z7、z8，所以操作负荷p7和p8可能在第二滚动元件120b上仅部分地彼此平衡。举例来说，在操作负荷p7和p8的量值基本上不同的情况下，负荷p7和p8可以在第二滚动元件120b上产生力矩。因为沿着第三滚动元件120c仅识别一个不同的接触区z9，所以没有操作负荷可用于平衡第三滚动元件120c上的操作负荷p9。因此，如果不执行优化，那么可以估计第三滚动元件120c在操作中首先出故障。
图9b是说明在执行7a的程序中的优化之后的示例性操作负荷的图9a的第二滚动元件120b和第三滚动元件120c的示意图。通过改变程序300的步骤308(图7a)中指定的至少一个设计变量以重新设计、重新定位和/或重新定向钻头面202上的第二滚动元件和第三滚动元件(图3)，可以在第二滚动元件120b上识别至少三个接触区z10、z11和z12，并且可以在第三滚动元件120c上识别至少三个接触区z13、z14和z15。可以通过第二滚动元件120b上的操作负荷p12平衡操作负荷p10和p11，并且可以通过第三滚动元件上的操作负荷p15平衡操作负荷p13和p14。通过平衡所有三个滚动元件上的操作负荷，可以延长滚动元件120以及因此上面放置有滚动元件120的钻头200(图3)的操作使用期限。
图10是针对图3的所有三个滚动元件120而在图7a的程序中计算的优化的临界切削深度曲线的图解视图。在相对于包括滚动元件120的钻头的径向部分的钻头半径绘制临界切削深度的情况下，评估由滚动元件提供的受控的切削深度。
提供在下文描述的本公开的方面以通过简化的形式描述在下文更详细地描述的概念的选择。此部分无意识别所要求保护的主题的关键特征或实质特征，并且无意用作确定所要求保护的主题的范围的辅助。
在一个方面，本公开针对于一种配置钻头的滚动切削深度控制器(rdocc)的方法。所述方法包括：(a)选择钻头的钻头面上的rdocc的第一滚动元件的位置和定向，所述第一滚动元件沿着其大体上圆柱形主体界定顶表面；(b)建立与所述第一滚动元件的所述位置、所述定向和形状相关联的一组设计变量；(c)使用所述设计变量计算沿着所述第一滚动元件的所述顶表面的多个控制点的临界切削深度；(d)根据所计算的所述临界切削深度来识别沿着所述滚动元件的所述顶表面存在的若干接触区；(e)针对所识别的所述接触区中的每一者确定接合面积和作用于所述滚动元件的操作力的相关联的力量值；(f)根据所确定的所述力量值来断定作用于所述滚动元件的力矩；以及(g)将所述力量值和所述力矩与预定限制进行比较。
在一个或多个示例性实施例中，识别沿着所述滚动元件的所述滚动元件长度存在的若干接触区包括识别所述第一滚动元件的滚动中心的相对的横向侧上的至少两个不同的接触区。识别所述若干接触区可以包括识别至少三个不同的接触区。
在一些实施例中，所述方法还包括：识别沿着所述第一滚动元件的所述顶表面存在的包括不到三个不同的接触区的若干接触区；改变所述设计变量中的至少一者以建立经过调整的一组设计变量；以及使用所述经过调整的一组设计变量来重新计算沿着所述第一滚动元件的所述顶表面的所述多个控制点的所述临界切削深度。改变所述设计变量中的至少一者可以包括改变界定所述钻头上的所述第一滚动元件的定向的所述第一滚动元件的经过调整的齿廓角和经过调整的角位置中的至少一者。
在示例性实施例中，所述方法还包括决定所述力量值和所述力矩中的至少一者在所述预定限制之外，并且改变所述设计变量中的至少一者以建立经过调整的一组设计变量。所述方法还可以还包括：确定与所述钻头面上的固定切削齿的切削边缘相关联的多个交叉点，所述多个交叉点中的每一者具有与所述控制点中的一者基本上相同的径向位置；以及基于在所述控制点与所述交叉点之间界定的位置上的差异来计算由所述控制点中的每一者提供给所述交叉点中的每一者的临界切削深度。所述方法可以还包括将所述控制点中的每一者的临界切削深度确定为由所述控制点中的每一者提供给所述交叉点中的每一者的所述切削深度中的最大值。在一些实施例中，所述方法还包括：确定在至少第二滚动元件上界定的具有与交叉点中的一者基本上相同的径向位置的多个控制点中的每一者的临界切削深度；以及将所述交叉点的所述径向位置处的钻头临界深度确定为第一滚动元件和第二滚动元件中的每一者上的控制点中的每一者的提供给交叉点中的每一者的临界切削深度中的最小值。所述多个交叉点可以包括在位于钻头面上的所有固定切削齿上界定的交叉点，每个所述固定切削齿在与对应的控制点相同的径向位置处包括它们的切削边缘的至少一部分。在一些实施例中，所述方法还包括将所述操作力投影到钻头坐标系统和钻孔坐标系统中的至少一者中。
根据另一方面，本公开针对于一种包括钻头主体的钻头，所述钻头主体界定旋转轴线，所述钻头主体围绕所述旋转轴线旋转。在所述钻头主体的前端处界定钻头面，并且第一滚动元件设置在所述钻头面上。所述第一滚动元件沿着其大体上圆柱形主体界定顶表面，并且所述顶表面界定所述钻头面的第一径向间隔。在所述钻头面上界定第一切削元件，并且所述第一切削元件具有至少部分地延伸到所述钻头面上的所述第一径向间隔中的切削边缘。所述钻头面上的所述第一滚动元件的位置和定向被配置成维持所述顶表面与地质地层之间的至少三个不同的接触区以控制与所述第一切削元件相关联的切削深度。
在一些示例性实施例中，所述钻头还包括具有至少部分地延伸到所述第一径向间隔中的切削边缘的至少第二切削齿，并且由所述第一滚动元件控制的所述切削深度是基于至少所述第一切削齿和第二切削齿。所述钻头可以还包括所述钻头面上的第二滚动元件，并且所述第二滚动元件可以界定与所述第一切削元件的所述切削边缘延伸到其中的所述第一径向间隔的一部分重叠的第二径向间隔。在一个或多个示例性实施例中，所述第一切削元件可以是所述钻头面上的固定切削元件。
在另一方面，本公开针对于一种配置钻头的滚动切削深度控制器(rdoc)的方法。所述方法包括：(a)确定在所述钻头的钻头面上界定的径向间隔的期望的最小切削深度；(b)识别位于所述钻头面上的所有切削元件，每个切削元件包括至少部分地界定于所述径向间隔内的切削边缘；(c)确定所述径向间隔内的所述切削深度控制器的滚动元件的径向位置，所述滚动元件界定圆柱形主体；(d)基于所述期望的最小切削深度和至少部分地界定于所述径向间隔内的所述切削边缘中的每一者，识别沿着处于初始位置和定向的所述滚动元件的顶表面存在的若干接触区；以及(e)基于所识别的所述若干接触区来确定所述滚动元件的最终轴向位置、角位置和定向。
在一些示例性实施例中，沿着所述滚动元件的所述顶表面存在的所述若干接触区是至少三个接触区。在一个或多个示例性实施例中，所述方法还包括基于由于在所述接触区处施加到所述滚动元件的操作力而作用于所述滚动元件的力矩来确定所述滚动元件的所述最终轴向位置、角位置和定向。
因此，所公开的系统和方法非常适于得到所提到的优点以及其中固有的优点。上文公开的特定实施例仅是说明性的，因为本公开的教导可以按受益于本文教导的益处的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式加以修改和实践。此外，除了所附权利要求书中所描述的内容之外，不希望对本文示出的构造或设计的细节进行限制。因此显然的是，可更改、组合或修改上文所公开的特定说明性实施例，并且所有此类变化都被视为在本公开的范围内。可以在不存在本文具体公开的任何要素和/或本文公开的任何任选要素的情况下合适地实践本文说明性公开的系统和方法。虽然依据“包括”、“含有”或“包括”各种部件或步骤来描述组合物和方法，但所述组合物和方法还可以由各种部件和步骤“实质上组成或”组成。上文公开的所有数字和范围可改变某一量。每当公开具有下限和上限的数字范围时，具体地公开属于所述范围内的任何数字和任何所包括的范围。具体来说，本文公开的值的每个范围(形式为“从大约a到大约b”，或等效地“从约a到b”，或等效地“从约a-b”)将被理解为陈述在值的更广范围内包括的每个数字和范围。而且，权利要求书中的术语具有它们普通平常的含义，除非专利权所有人另外明确且清楚地界定。另外，在本文界定在权利要求书中使用的不定冠词“一”以指所述不定冠词所引入的要素中的一者或一者以上。如果在本说明书以及以引用的方式并入本文的一个或多个专利或其他文献中在词或术语的使用方面存在任何冲突，那么应采用与此说明书一致的定义。
如本文所使用，在一连串项目之前的短语“中的至少一者”(其中使用术语“和”或“或”分开所述项目中的任一者)会整体地修饰列表，而不是所述列表的每个成员(即，每个项目)。短语“中的至少一者”允许以下含义：包括项目中的任一者中的至少一者，和/或项目的任何组合中的至少一者，和/或项目中的每一者中的至少一者。举例来说，短语“a、b和c中的至少一者”或“a、b或c中的至少一者”各自是指仅有a、仅有b或仅有c；a、b和c的任何组合；和/或a、b和c中的每一者中的至少一者。
本公开的摘要仅用于向美国专利商标局和广大公众提供用于通过粗略地阅读来快速地确定技术公开内容的性质和要旨的方式，并且摘要仅表示一个或多个示例。
虽然已经详细地说明了各种示例，但本公开不限于所示出的示例。本领域技术人员可能会想到对以上示例的修改和改写。此修改和改写处于本公开的范围内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！