钻头的制作方法

本技术大体上涉及用于接合地下地层、移除岩石和钻探井孔的具有固定切割器的井下工具的领域。更具体地，本技术涉及适合于平滑扭矩并最小化操作期间的振动的钻头(例如，聚晶金刚石复合片钻头)。

背景技术：

1、聚晶金刚石复合片(pdc)钻头是一种旋转钻头，用于钻穿地下地层，例如在钻石油和/或天然气井孔以及采矿和各种附加应用时。当pdc钻头旋转时，固定在钻头的面的离散切割元件与井底部的岩壁接合，刮擦或剪切地层。pdc钻头使用被称为“切割器”的切割元件，每个切割元件具有由聚晶金刚石组成的切割表面或磨损表面，因此被称为“pdc钻头”。每个pdc切割器都是一个分离的部件，与钻头分开，并通过将一层聚晶金刚石(有时称为冠或金刚石台)粘合到基材上而制成。旋转刮刀钻头的每个pdc切割器可定位和定向在刮刀钻头的面上，使得当钻头旋转时，切割表面的至少部分接合地下地层。pdc切割器在钻头主体的外部切割表面或面上间隔开。pdc切割器通常沿着若干刀片中的每个排列，若干刀片是大致从钻头的中心轴线向面的周边径向延伸的凸起脊。沿着每个刀片的pdc切割器对地下地层呈现预定的切割轮廓，当钻头旋转时剪切地层。

2、在典型的钻井操作中，钻头绕中心轴线旋转，同时前进到地下地层中，并且pdc切割器通过刮擦、剪切、压碎或以其他方式破坏井底部的岩壁来进一步钻进钻孔。然而，在操作过程中，钻头容易受到振动的影响。这种振动可能是轴向、横向或扭转的(或三者的某种组合)。这些振动水平过高可能会导致切割结构过早损坏，从而降低性能。振动可能是由于钻头上扭矩不均匀或不一致引起的。例如，某些地下地层，诸如那些具有脆性或不一致岩石强度的地下地层(例如，二叠纪盆地、石灰岩、白云岩和碳酸盐岩)，可能会由于推进钻孔所需的可变力而引起大的扭矩峰值。这些扭矩峰值会导致钻头振动。

3、操作过程中钻头的振动会导致钻头或钻柱过早失效并降低钻速。pdc虽然坚硬且耐磨，但往往很脆。钻头的振动会对钻头主体施加应力，这会导致钻头损坏的发生和扩大。当这种情况发生时，钻井作业可能会不必要地减慢，甚至被迫完全停止，以便更换钻头。

4、因此，需要能够以最小化的振动敏感性来操作的钻头。具体地，需要用于以平滑扭矩(例如，具有最小化的扭矩峰值)钻穿地下井孔的钻头。

技术实现思路

1、在一个方面，本技术描述了一种用于推进钻孔的钻头，包括：钻头主体，该钻头主体包括中心轴线和第一刀片，钻头旨在绕中心轴线旋转，第一刀片从面延伸；以及位于第一刀片上的多个聚晶金刚石复合片(“pdc”)切割器。在这个方面，钻头的第一刀片具有从中心轴线附近到钻头主体的外边缘限定的第一波形图案。第一波形图案可选地具有正弦形状。在一些情况下，钻头主体还包括从面延伸的第二刀片，并且第一刀片和第二刀片由通道分开。在一些方面，第一刀片和第二刀片可旋转相邻。在一些情况下，第二刀片具有从中心轴线附近到外边缘限定的线性图案。在其他情况下，第二刀片具有从中心轴线附近到外边缘限定的曲线图案。在又一些情况下，第二刀片具有从中心轴线附近到外边缘限定的第二波形图案。可选地，第一波形图案和第二波形图案具有不同的形状、振幅、频率和/或相位。在一些方面，第一波形图案和第二波形图案至少部分异相。在某些情况下，例如，第一波形图案和第二波形图案呈现从0°到180°的相移。

2、另一方面，本技术描述了一种用于推进钻孔的钻头，包括：钻头主体，该钻头主体具有中心轴线和面，钻头旨在绕中心轴线旋转，面上限定有多个刀片，多个刀片由刀片之间的通道分开；以及位于多个刀片上的多个pdc切割器。在这方面，每个刀片的图案在形状或定向上不同于其他刀片。在一些情况下，多个刀片中的第一刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。在一些情况下，多个刀片中的第二刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案，并且第一刀片和第二刀片具有不同的图案。可选地，第一刀片可具有从钻头主体的中心轴线到外边缘限定的第一波形图案。在一些方面，多个刀片中的第二刀片具有从钻头主体的非中心轴线到外边缘限定的第二波形图案。在一些情况下，多个刀片中的第二刀片具有从钻头主体的中心轴线到外边缘限定的第二波形图案，并且第一波形图案和第二波形图案具有不同的形状、振幅、频率和/或相位。在一些情况下，第一刀片具有从钻头主体的中心轴线到外边缘限定的线性图案，并且第二刀片具有从钻头主体的非中心轴线到外边缘限定的线性图案。在其他情况下，第一刀片具有从钻头主体的中心轴线到外边缘限定的线性图案，并且第二刀片具有从中心轴线到外边缘限定的曲线图案。在又一些情况下，第一刀片具有从钻头主体的中心轴线到外边缘限定的曲线图案，并且第二刀片具有从非中心轴线到外边缘限定的曲线图案。

3、另一方面，本技术描述了一种用于推进钻孔的钻头，包括：具有中心轴线和面的钻头主体，钻头旨在绕该中心轴线旋转；至少部分地设置在该面上的第一刀片；至少部分地设置在该面上的第二刀片，第一刀片和第二刀片由第一通道分开；以及位于第一刀片和第二刀片的每个上的多个pdc切割器。在这个方面，第一刀片从中心轴线延伸至钻头主体的外边缘，并且第二刀片从第一非中心轴线延伸至外边缘。在一些情况下，第一刀片具有选自由线性图案、曲线图案、和波形图案组成的组的图案。例如，第一刀片可具有线性图案。在一些情况下，第二刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。例如，第二刀片可以具有线性图案。在一些方面，钻头还包括第三刀片，该第三刀片至少部分地设置在该面上并且从第二非中心轴线延伸至外边缘。在一些情况下，第三刀片具有选自由线性图案、曲线图案和波形图案组成的组的图案。例如，第三刀片可以具有线性图案。

4、另一方面，本技术描述了一种钻头，包括：钻头主体，钻头主体具有中心轴线、第一刀片和第二刀片，钻头旨在围绕该中心轴线旋转，第一刀片和第二刀片由通道分开；由第一刀片支撑的第一多个pdc切割器；以及由第二刀片支撑的第二多个pdc切割器。在该实施例中，第一多个pdc切割器沿着从钻头主体的第一轴线延伸的第一线对齐，并且第二多个pdc切割器沿着从钻头主体的第二轴线延伸的第二线对齐。在某些情况下，第一线是线性的、沿弧线弯曲的或波形的。在一些情况下，第二线是线性的、沿弧线弯曲的或波形的。在一些方面，第一线和第二线具有不同的形状或定向。第一轴线和第二轴线可以是钻头旨在围绕其旋转的中心轴线，并且第一线和第二线可以具有不同的形状。在一些情况下，第一轴线是中心轴线，第二轴线是非中心轴线，并且第一线和第二线是可叠加的。第一轴线可选地平行于第二轴线。

5、另一方面，本技术描述了一种钻头，包括：具有第一刀片和第二刀片的钻头主体，第一刀片和第二刀片由通道分开；由第一刀片支撑的第一多个pdc切割器，第一多个pdc切割器沿第一线对齐；由第二刀片支撑的第二多个pdc切割器，第二多个pdc切割器沿第二线对齐。在这方面，第一线相对于中心轴线具有正偏移，并且第二线具有负偏移。

6、在另一方面，本技术描述了一种用钻头推进钻孔穿过岩石的方法。在这个方面，钻头包括：钻头主体，该钻头主体具有中心轴线、面以及多个pdc切割器，钻头旨在绕中心轴线旋转，在该面上限定有多个刀片，多个刀片从该面延伸并由刀片之间的通道分开；以及位于多个刀片上的多个pdc切割器。每个刀片的图案与其他刀片的图案在形状或定向上不同。该方法包括使钻头在钻孔内绕中心轴线旋转以使多个pdc切割器剪切岩石。