對井下鑽井工具的可調節式切割深度控制的製作方法

2023-12-09 21:05:21

本公開大體上涉及井下鑽井工具，並且更具體地，涉及對井下鑽井工具的可調節式切割深度控制。

背景技術：

使用各種類型的工具在地下地層中形成井筒，以用於回收位於地面下方的烴類(諸如石油和天然氣)。此類工具的示例包括旋轉鑽頭、擴眼器、擴孔鑽和取心鑽頭。旋轉鑽頭包括但不限於固定刀具鑽頭，諸如聚晶金剛石複合片(pdc)鑽頭、刮刀鑽頭、基體鑽頭、鑿巖鑽頭和牙輪鑽頭。固定刀具鑽頭通常包括多個刀片，每個刀片具有多個切割元件(諸如pdc鑽頭上的pdc切割元件)。

在典型的鑽井應用中，使鑽頭(固定刀具或旋轉錐體)旋轉以形成井筒。鑽頭直接或間接地耦接到「鑽柱」，所述「鑽柱」包括端對端連接的一系列細長管狀段。部件的組件(被稱為「井底鑽具組件」(bha))可連接到鑽柱的井下端。在固定刀具鑽頭的情況下，由鑽頭形成的井筒的直徑可由安置在鑽頭的最大外徑處的切割元件來限定。鑽井工具可包括一個或多個切割深度控制器(docc)。docc是被配置來(例如，根據它們的形狀和在鑽井工具上的相對定位)控制鑽井工具的切割元件切入地質地層中或嚙合地質地層的量的物理結構。docc可提供足夠的表面積以在不超過地層的抗壓強度的情況下與地下地層嚙合，以便使負載離開或遠離pdc切割元件，從而限制其深度或嚙合。常規的docc通過焊接、釺焊或任何其他合適的附接方法固定在鑽井工具上，並且被配置來與地層嚙合以保持基於rop和rpm所確定的預定切割深度，所述rop和rpm是基於給定地層的抗壓強度。

附圖說明

為了更完整地理解本公開以及本公開的特徵和優點，現結合附圖來參考以下描述，在附圖中：

圖1示出了鑽井系統的示例性實施方案的正視圖；

圖2示出了以常用來設計固定刀具鑽頭的方式向上定向的旋轉鑽頭的等距視圖；

圖3a示出示意圖，這個示意圖示出了安置在鑽頭或其他井下鑽井工具上的鑽頭面或切割面的各種部件；

圖3b和圖3c示出了從docc到主切割元件的角距離與docc的切割深度控制量之間的關係；

圖4a示出了安置在可定位在向下定向的鑽頭上的刀片的一部分上的可調節式docc的仰視圖；

圖4b示出了安置在刀片的一部分上的可調節式docc的側面剖視圖；

圖5a示出了安置在可定位在向下定向的鑽頭上的刀片的一部分上的docc的仰視圖；

圖5b示出了安置在刀片的一部分上的docc的側面剖視圖；

圖6a示出了安置在可定位在向下定向的鑽頭上的刀片的一部分上的docc的仰視圖；

圖6b示出了安置在刀片的一部分上的docc的側面剖視圖；

圖7示出了安置在刀片的一部分上的docc的側面剖視圖；

圖8示出了安置在可定位在向下定向的鑽頭上的刀片的一部分上的docc的仰視圖；

圖9示出了用於調節docc的位置的示例性方法的流程圖。

具體實施方式

根據本公開，鑽頭可包括可調節式切割深度控制器(docc)，所述可調節式docc可被設計來與地下地層嚙合並且控制鑽頭上的切割元件的切割深度。可調節式docc可針對井筒中的各種條件提供可調節式切割深度控制。例如，鑽頭可在鑽井操作期間鑽探通過具有不同抗壓強度的地質層，這可能導致不同的力基於地層的不同抗壓強度作用於切割元件上。docc相對於一個或多個切割元件的位置可在鑽井操作期間和/或之間進行調節。docc的位置的調節可改變docc元件與地下地層嚙合的表面積，並且可對對應的切割元件提供不同的切割深度控制量。通過參考圖1至圖9最好地理解本公開的實施方案和本公開的優點，其中相同的數字用於指示相同且對應的零件。

圖1示出了鑽井系統100的示例性實施方案的正視圖。鑽井系統100可包括井表面或井場106。諸如轉盤、鑽井液泵和鑽井液罐(未明確地示出)的各種類型的鑽井設備可定位在井表面或井場106處。例如，井場106可包括鑽機102，所述鑽機102可具有與「陸地鑽機」相關聯的各種特性和特徵。然而，併入有本公開的教示內容的井下鑽井工具可令人滿意地與定位在海上平臺、鑽井船、半潛式平臺和鑽井駁船(未明確地示出)上的鑽井設備一起使用。

鑽井系統100還可包括與鑽頭101相關聯的鑽柱103，所述鑽頭101可用來形成多種多樣的井筒或井眼(諸如大致垂直的井筒114a或大致水平的井筒114b或者它們的任何組合)。各種定向鑽井技術和鑽柱103的井底鑽具組件(bha)120的相關聯部件可用來形成水平井筒114b。例如，可在開始位置113附近向bha120施加橫向力以形成從大致垂直的井筒114a延伸的大致水平的井筒114b。術語「定向鑽井」可用來描述鑽探井筒或者井筒的相對於垂直方向成一個或多個期望角度延伸的部分。期望角度可大於與垂直井筒相關聯的正常變化。定向鑽井還可被描述為鑽探偏離垂直方向的井筒。術語「水平鑽井」可用來包括在與垂直方向大約九十度(90°)的方向上進行的鑽探。

bha120可包括被配置來形成井筒114的多種多樣的部件。例如，bha120的部件122a、122b以及122c可包括但不限於：鑽頭(例如，鑽頭101)、取心鑽頭、鑽環、旋轉轉向工具、定向鑽井工具、井下鑽井電機、擴孔鑽、擴孔器或穩定器。bha120中所包括的部件122的數量和類型可取決於預期的井下鑽井條件以及將由鑽柱103和旋轉鑽頭101形成的井筒的類型。bha120還可包括各種類型的測井工具(未明確地示出)以及與井筒的定向鑽井相關聯的其他井下工具。測井工具和/或定向鑽井工具的示例可包括但不限於：聲學工具、中子工具、伽馬射線工具、密度工具、光電工具、核磁共振工具、旋轉轉向工具和/或任何其他可商購獲得的井工具。此外，bha120還可包括旋轉驅動器(未明確地示出)，所述旋轉驅動器連接到部件122a、122b和122c並且使鑽柱103的至少一部分與部件122a、122b和122c一起旋轉。

井筒114可部分地由套管柱110限定，所述套管柱110可從井表面106延伸到選定的井下位置。如圖1中所示，井筒114的不包括套管柱110的部分可被描述為「裸井」。各種類型的鑽井液可從井表面106通過鑽柱103泵送到附接的鑽頭101。鑽井液可被引導來從鑽柱103流到穿過旋轉鑽頭101的相應噴嘴(在圖2中描繪為噴嘴156)。鑽井液可通過環圈108循環回到井表面106，所述環圈108部分地由鑽柱103的外徑112和井筒114a的內徑118限定。內徑118可被稱為井筒114a的「側壁」。環圈108還可由鑽柱103的外徑112和套管柱110的內徑111限定。裸井環圈116可由側壁118和外徑112限定。

鑽井系統100可還包括旋轉鑽頭(「鑽頭」)101。如圖2中更詳細論述的，鑽頭101可包括一個或多個刀片126，所述刀片126可從鑽頭101的旋轉鑽頭本體124的外部部分向外安置。刀片126可以是從旋轉鑽頭本體124向外延伸的任何合適類型的突出部。鑽頭101可在由方向箭頭105限定的方向上相對於鑽頭旋轉軸104旋轉。刀片126可包括從每個刀片126的外部部分向外安置的一個或多個切割元件128。刀片126還可包括被配置來控制切割元件128的切割深度的一個或多個切割深度控制器(未明確地示出)。刀片126還可包括安置在刀片126上的一個或多個量規墊(未明確地示出)。鑽頭101可根據本公開的教示內容來設計和形成，並且可根據鑽頭101的具體應用而具有許多不同的設計、配置和/或尺寸。

圖2示出了以常用來設計固定刀具鑽頭的方式向上定向的旋轉鑽頭的等距視圖。鑽頭101可以是各種類型的旋轉鑽頭中的任何一個，包括可操作來形成延伸穿過一個或多個井下地層的井筒(例如，圖1中示出的井筒114)的固定刀具鑽頭、聚晶金剛石複合片(pdc)鑽頭、刮刀鑽頭、基體鑽頭和/或鋼體鑽頭。鑽頭101可根據本公開的教示內容來設計和形成，並且可根據鑽頭101的具體應用而具有許多不同的設計、配置和/或尺寸。

鑽頭101可包括一個或多個刀片126(例如，刀片126a-126g)，所述刀片126可從鑽頭101的鑽頭本體124的外部部分向外安置。刀片126可以是從鑽頭本體124向外延伸的任何合適類型的突出部。例如，刀片126的一部分可直接或間接地耦接到鑽頭本體124的外部部分，而刀片126的另一部分可從鑽頭本體124的外部部分突出。根據本公開的教示內容所形成的刀片126可具有多種多樣的配置，包括但不限於：大體拱形的、大致螺旋狀的、螺旋形的、錐形的、會聚式、發散式、對稱的和/或不對稱的。在一些實施方案中，一個或多個刀片126可具有從鑽頭101的旋轉軸104附近延伸的大體拱形的配置。拱形配置可部分地由從鑽頭旋轉軸104附近延伸的大致凹狀的凹陷形部分限定。拱形配置還可部分地由安置在凹狀的凹陷部分與每個刀片的外部部分之間的大致凸狀的向外彎曲部分限定，所述外部部分與旋轉鑽頭的外徑大致對應。

刀片126中的每一個可包括鄰近或朝向鑽頭旋轉軸104安置的第一端以及鄰近或朝向鑽頭101的外部部分安置(例如，大致遠離鑽頭旋轉軸104並且朝向鑽頭101的井上部分安置)的第二端。術語「井下」和「井上」可用來描述鑽井系統100的各種部件相對於圖1中示出的井筒114的底部或末端的位置。例如，被描述為在第二部件的井上的第一部件可比第二部件更遠離井筒114的末端。類似地，被描述為在第二部件的井下的第一部件可定位成比第二部件更接近井筒114的末端。

刀片126a-126g可包括圍繞鑽頭旋轉軸安置的主刀片。例如，刀片126a、126c和126e可以是主刀片或主要刀片，因為刀片126a、126c和126e中的每一個的相應第一端141可緊鄰鑽頭101的鑽頭旋轉軸104來進行安置。刀片126a–126g還可包括安置在主刀片之間的至少一個次刀片。在所示出的實施方案中，鑽頭101上的刀片126b、126d、126f和126g可以是次刀片或次要刀片，因為相應的第一端141可在鑽頭101的井下端151上安置成離相關聯的鑽頭旋轉軸104有一定距離。主刀片和次刀片的數量和位置可變化，使得鑽頭101包括更多或更少的主刀片和次刀片。刀片126可相對於彼此和鑽頭旋轉軸104對稱或不對稱地安置，其中刀片126的位置可以基於鑽井環境的井下鑽井條件。刀片126和鑽頭101可在由方向箭頭105限定的方向上圍繞旋轉軸104旋轉。

刀片126中的每一個可具有在鑽頭101的旋轉方向上的相應前表面或正表面130，以及背對鑽頭101的旋轉方向的與前表面130相對定位的後表面或背表面132。刀片126可沿著鑽頭本體124定位，以使得它們具有相對於鑽頭旋轉軸104的螺旋形配置。刀片126可沿著鑽頭本體124以相對於彼此和鑽頭旋轉軸104大致平行的配置來定位。

刀片126可包括從每個刀片126的外部部分向外安置的一個或多個切割元件128。例如，切割元件128的一部分可直接或間接地耦接到刀片126的外部部分，而切割元件128的另一部分可從刀片126的外部部分突出。作為示例而非限制，切割元件128可以是令人滿意地與多種多樣的鑽頭101一起使用的各種類型的刀具、複合片、按鈕件、插入件和量規刀具。儘管圖2示出了刀片126上的兩排切割元件128，但是根據本公開的教示內容所設計並製造的鑽頭可具有一排切割元件或超過兩排切割元件。

切割元件128可以是被配置來切入地層中的任何合適的設備，包括但不限於：主切割元件、備用切割元件、次切割元件或其任何組合。切割元件128可包括相應襯底164，其中硬質切割材料層(例如，切割臺162)安置在每個相應襯底164的一端上。如圖1中所示，切割元件128的硬質層可提供切割表面，所述切割表面可嚙合井下地層的相鄰部分以形成圖1中示出的井筒114。切割表面與地層的接觸可形成與每個切割元件128相關聯的切割區(未在圖1和2中明確地示出)。例如，切割區可由切割元件的與地層形成接觸並切入地層中的面上的二維區域形成。切割元件128的定位在切割區內的部分的邊緣可被稱為切割元件128的切割邊緣。

切割元件128的每個襯底164可具有各種配置，並且可由與形成旋轉鑽頭的切割元件相關聯的碳化鎢或其他合適的材料形成。碳化鎢可包括但不限於：碳化一鎢(wc)、碳化二鎢(w2c)、粗晶碳化鎢以及膠結或燒結碳化鎢。襯底還可使用其他硬質材料來形成，所述硬質材料可包括各種金屬合金和膠結物(諸如金屬硼化物、金屬碳化物、金屬氧化物和金屬氮化物)。對於一些應用，硬質切割層可由與襯底大體相同的材料形成。在其它應用中，硬質切割層可由與襯底不同的材料形成。用於形成硬質切割層的材料的示例可包括聚晶金剛石材料(包括人造的聚晶金剛石)。刀片126可包括可被配置來接收切割元件128的凹部或鑽頭凹窩166。例如，鑽頭凹窩166可以是刀片126上的凹狀切口。

刀片126還可包括被配置來控制切割元件128的切割深度的一個或多個切割深度控制器(docc)(未明確地示出)。docc可包括防撞件、備用或第二層切割元件和/或改性金剛石加固件(mdr)。刀片126的外部部分、切割元件128和docc(未明確地示出)可形成鑽頭面的部分。如以下參考圖3至圖9更詳細描述的，docc相對於一個或多個切割元件的位置可在鑽井操作期間和/或之間進行調節。docc的位置的調節可改變docc在給定切割深度處與地下地層嚙合的表面積，並且可對對應的切割元件提供不同的切割深度控制量。刀片126還可包括安置在刀片126上的一個或多個量規墊(未明確地示出)。量規墊可以是安置在刀片126的外部部分上的量規、量規段或量規部分。量規墊可接觸由鑽頭101形成的井筒(例如，圖1中示出的井筒114)的相鄰部分。刀片126的外部部分和/或相關聯的量規墊可相對於大致垂直的井筒114a的相鄰部分成各種角度(例如，正、負和/或平行)來安置。量規墊可包括一個或多個堆焊材料層。

鑽頭101的井上端150可包括柄部152，所述柄部152上形成有鑽杆螺紋155。螺紋155可用來使鑽頭101與bha120可釋放地嚙合，由此可使鑽頭101相對於鑽頭旋轉軸104旋轉。鑽頭101的井下端151可包括多個刀片126a-126g，所述刀片126a-126g之間安置有相應的排屑槽或液體流動路徑140。另外，鑽井液可被傳送到一個或多個噴嘴156。

可用隨鑽井深度而變的每轉切割深度來表示鑽頭操作。每轉切割深度或「切割深度」可由鑽進速度(rop)和每分鐘轉數(rpm)確定。rop可表示在鑽頭101旋轉時被移除的地層的量，並且可以英尺/小時為單位進行表示。此外，rpm可表示鑽頭101的旋轉速度。實際切割深度(δ)可表示切割元件在鑽頭101的旋轉期間切入地層中的深度的度量。因此，實際切割深度可使用以下方程式表示為實際rop和rpm的函數：

δ＝rop/(5*rpm)

實際切割深度的單位可為英寸/轉。

鑽頭101的rop常常隨鑽壓(wob)和rpm二者而變。參考圖1，鑽柱103可在鑽頭101上施加重量，並且還可使鑽頭101圍繞旋轉軸104旋轉以形成井筒114(例如，井筒114a或井筒114b)。對於一些應用，還可提供井下電機(未明確地示出)作為bha120的一部分來使鑽頭101旋轉。

圖3a示出了鑽頭面的仰視圖，這個仰視圖示出了安置在鑽頭或其他井下鑽井工具上的鑽頭面的各種部件。鑽頭301包括docc302(例如，docc302a、302c和302e)，所述docc302被配置來控制安置在鑽頭301的刀片326(例如，刀片326a-326f)上的切割元件328和329(例如，切割元件328a-328f和329a-329f)的切割深度。

為了提供參照系，圖3a包括表示鑽頭301的旋轉軸的z軸353。對應於z軸的坐標或位置可被稱為軸向坐標或軸向位置。圖3a還包括表示鑽頭301的徑向軸的x軸351。對應於x軸的坐標或位置可被稱為徑向坐標或位置。另外，沿著圖3a中所示鑽頭301的鑽頭面的位置可由x軸351和y軸352所示出的xy平面的x坐標和y坐標來描述。xy平面可大體垂直於z軸353，使得圖3a的xy平面可大體垂直於鑽頭301的旋轉軸。

docc302可被配置來使得docc302在刀片326a上的位置可被調節。如圖3a中所示，docc302a可在刀片326a上具有可在任何合適方向上進行調節的位置。例如，可通過在刀片326a上沿著x軸351移動docc302a來調節docc302a的位置。同樣，可通過在刀片326a上在沿著平行於y軸352的方向上移動docc302a來調節docc302a的位置，所述方向可與鑽頭的旋轉路徑的弧線相切。此外，可通過在刀片326a上在沿著旋轉路徑354的方向上移動docc302a來調節docc302a的位置，所述方向可遵循當鑽頭301圍繞旋轉軸353旋轉時切割元件328a的路徑。雖然docc302a被示出為定位在與切割元件328a相同的刀片上，但是可調節式docc(諸如docc302a)也可對定位在鑽頭301的一個或多個不同刀片上的一個或多個切割元件提供切割深度控制。

由docc302a提供的切割深度控制量可部分地取決於切割元件328a與docc302a之間的角距離(θ)。例如沿著旋轉路徑354或在平行於y軸352的方向上調節docc302a的位置可改變切割元件328a與docc302a之間的角距離(θ)。因此，如圖3b和圖3c所示，以這種方式調節docc302a的位置可改變由docc302a提供的切割深度控制量。

圖3b和圖3c示出了從docc(例如，docc302a)到主切割元件(例如，切割元件328a)的角距離(θ)與所述docc的切割深度控制量(即，臨界切割深度(cdoc))之間的關係。例如，如圖3b中所示，與切割元件相比，實現給定cdoc所需的針對docc的暴露不足量隨著切割元件與docc之間的角距離(θ)增加而增加。此外，如圖3c中所示，與切割元件相比，針對docc的給定暴露不足量的cdoc隨著切割元件與docc之間的角距離(θ)增加而以逆指數方式減少。雖然圖3b和3c針對單個切割元件和單個docc示出了角距離(θ)與cdoc之間的關係，但是docc可與多個切割元件的旋轉路徑重疊，並且因此可能會影響多個切割元件中的每一個的cdoc。

例如沿著x軸351調節docc302a的徑向位置也可能影響docc302a對切割元件328a和/或其他切割元件(諸如切割元件329a)提供的切割深度控制量。例如，docc302a可在切割元件328a的旋轉路徑中定位在切割元件328a後面，以對切割元件328a提供切割深度控制。可選地，docc302a可在切割元件329a的旋轉路徑中定位在切割元件329a後面，以對切割元件329a提供切割深度控制。docc302a還可被定位成與鑽頭301的一個或多個刀片上的多個切割元件的旋轉路徑重疊，從而對多個切割元件中的每一個提供切割深度控制。例如，docc302a的大小和位置可被安置成與切割元件328a和329a二者的旋轉路徑至少部分地重疊，以便對切割元件328a和329a中的每一個提供切割深度控制。

在不脫離本公開的範圍的情況下，可對圖3a做出修改、添加或省略。例如，儘管docc302被描繪為大體圓形的，但是根據docc302的設計約束和考慮因素，docc302可被配置成具有任何合適的形狀。另外，儘管鑽頭301包括特定數量的docc302以及特定數量的刀片326，但是鑽頭301可包括更多或更少的docc302以及更多或更少的刀片326。根據docc302的設計約束和考慮因素，docc302可由任何合適的材料製成。此外，任何合適的docc(例如，docc302c、docc302e)可具有可如上文參考docc302a所描述來調節的位置。以下將參考圖4a至圖9詳細描述可調節一個或多個docc(諸如docc302a)的相應位置的示例性機構。

圖4a示出了安置在刀片426的一部分上的可調節式docc402的仰視圖，所述刀片426可定位在向下定向的鑽頭上。圖4b示出了安置在刀片426的一部分上的可調節式docc402的側面剖視圖。

如圖4a中所示，切割元件427、428和429可安置在刀片426上。刀片426可包括開槽開口412，docc402可穿過所述開槽開口412伸出。開槽開口412可延伸跨過刀片426的徑向寬度，所述徑向寬度跨越多個切割元件的徑向位置。此外，docc402可定位在沿著開槽開口412的任何位置處。例如，開口412可延伸跨過刀片426的寬度，使得可調節式docc402可定位在切割元件427、428和429中的任何一個後面。

如圖4b中所示，docc402可包括延伸到刀片426中的基底部分410。基底部分410可裝配在刀片426的內腔408內。基底部分410和內腔408可具有大於開槽開口412的寬度，可調節式docc402可穿過所述開槽開口412伸出。因此，基底部分410可保持在內腔408內，並且可調節式docc402可以可調節的方式耦接到刀片426。

重新參考圖4a，可通過杆414調節可調節式docc402的位置。例如，杆414可耦接到docc402的基底部分410。定位單元416a和416b可各自包括液壓電機，所述液壓電機被配置來在杆414的相應側上施加液壓力。例如，定位單元416a中的第一液壓電機可在杆414的一端上施加液壓力，以將可調節式docc從在切割元件428後面的位置推動到在切割元件427後面的位置。同樣，定位單元416b中的第二液壓電機可在杆414的相對端上施加液壓力，以將docc從在切割元件428後面的位置推動到在切割元件429後面的位置。

在另一個示例中，代替一個或多個液壓電機或除了一個或多個液壓電機之外，可通過任何其他合適類型的電機向杆414施加力。例如，代替液壓電機或除了液壓電機之外，定位單元416a和416b可包括機電電機。

在定位單元416內利用電機的示例性實現方式中，杆414可以帶有螺紋並且可延伸穿過docc402的螺紋通道。例如，如圖4b中所示，杆414的螺紋實現方式可延伸穿過docc402的基底部分410的螺紋通道406。螺紋通道406的螺紋可與杆414的螺紋嚙合。因此，當定位單元416a和/或416b中的一個或多個電機使杆414旋轉時，docc402沿著x軸的位置可被調節。

雖然圖4b示出了兩個定位單元416a和416b，但是單個定位單元416可被放置在刀片426上的任何合適位置處，並且可以允許單個定位單元416調節可調節式docc402的位置的方式直接或間接地耦接到可調節式docc402。此外，一個或多個位置單元416可從諸如獨立機電電機或獨立液壓電機的獨立設備汲取功率，或者可從鑽頭和/或鑽柱內的單獨子系統汲取功率。

在操作中，可在作用中的鑽井運行之間調節可調節式docc402的位置。可調節式docc402在每次鑽井操作期間的位置可基於所述鑽井操作的期望切割深度控制來確定。例如，在鑽頭切割穿過地下地層中的第一類型的巖石層的第一鑽井操作期間，第一切割深度控制量可能是最佳的。因此，在第一鑽井操作之前，可將docc402的位置設定到第一位置(例如，在切割元件428後面)，以在第一鑽井操作期間提供期望的第一切割深度控制量。在第一鑽井操作已完成並且上面定位有刀片426的鑽頭已停止旋轉之後，可調節式docc402的位置可被調節。例如，在鑽頭可切割穿過地下地層中的第二類型的巖石層的第二鑽井操作期間，第二切割深度控制量可能是最佳的。因此，在第二鑽井操作之前，可將可調節式docc402的位置設定到第二位置(例如，在切割元件429後面)，以在第二鑽井操作期間提供期望的第二切割深度控制量。可調節式docc402的位置的調節可隨後重複任何合適的次數，以對任何合適數量的鑽井操作提供期望的切割深度控制量。例如，docc402的位置可被設定到第三位置(例如，在切割元件427後面，或者沿著開槽開口412的任何其他位置處)。此外，雖然可調節式docc402的位置可被設定到在與docc402相同的刀片上的切割元件(例如，切割元件427、428或429)後面的位置，但是可調節式docc402的位置也可被設定到徑向位置，所述徑向位置可與可定位在鑽頭的另一個刀片(例如，前刀片或後刀片)上的一個或多個切割元件的徑向位置對齊或以其他方式重疊。

如圖4a中所示，定位單元416a和416b可定位在刀片426內部，與內腔408的相應端相鄰。定位單元416a和416b可從控制單元接收用於設定可調節式docc402的位置的控制信號，所述控制單元遠離上面安置有刀片426的鑽頭定位。例如，控制單元可定位在鑽機(例如，如圖1中所示的鑽機102)的表面處，並且可通過鑽柱將控制信號傳輸到上面安置有刀片426的鑽頭。因此，可在不從井筒移除鑽頭的情況下在鑽井運行期間或之間調節可調節式docc402的位置。可選地，在鑽井運行之間，可從井筒移除上面安置有刀片426的鑽頭，並且將所述鑽頭耦接到控制單元，以設定可調節式docc402的位置。定位單元416a和416b還可從位於鑽頭中的控制單元接收控制信號。鑽頭中的這種控制單元可控制一個或多個定位單元以在鑽井運行期間和/或鑽井運行之間調節可調節式docc402的位置。

雖然圖4a示出了可沿著大致平行於x軸或者大致垂直於y軸或鑽頭旋轉方向的軸線調節可調節式docc402的位置的配置，但是與可調節式docc402相關聯的特徵結構可在刀片426上以任何合適的角度定向，以允許沿著任何合適的軸線調節可調節式docc的位置。例如，定位單元416a-b、內腔408、杆414、開槽開口412可一起旋轉大約九十度。在這種示例性實現方式中，可調節式docc402可被配置成具有可沿著大致平行於y軸的軸線進行調節的位置，所述軸線可與鑽頭的旋轉路徑的弧線相切。

圖5a示出了安置在刀片526的一部分上的docc502的仰視圖，所述刀片526可定位在向下定向的鑽頭上。圖5b示出了安置在刀片526的一部分上的docc502的側面剖視圖。

如圖5a中所示，切割元件527、528和529可安置在刀片526上。刀片526可包括開槽開口512，docc502可穿過所述開槽開口512伸出。開槽開口512可跨越在切割元件528後面的一系列位置。此外，docc502可定位在沿著開槽開口512的任何位置處。

如圖5b中所示，docc502可包括延伸到刀片526中的基底部分510。基底部分510可裝配在刀片526的內腔508內。基底部分510和內腔508的寬度可大於開槽開口512，docc502可穿過所述開槽開口512伸出。因此，基底部分510可保持在內腔508內，並且docc502可以可調節式方式耦接到刀片526。

docc502可耦接到彈簧520，所述彈簧520可被定向來向docc502提供偏置力。在鑽井操作期間，由於docc502與被鑽探的井筒相互作用，摩擦力可作用在docc502上。出於本公開的目的，作用在docc上的摩擦力也可被稱為docc引起的摩擦力。作用在docc502上的摩擦力可操作以抵抗彈簧520的偏置力來推動docc502。在鑽井操作期間作用在docc502上的摩擦力的量可隨著docc502與切割元件528的尖端之間的距離(d)531增加而增加。此外，當彈簧520壓縮時，由彈簧520提供的偏置力的量可增加。因此，在鑽井操作期間，docc502可沿著大致平行於y軸的軸線移動到平衡點，在這個平衡點處，由於鑽井造成的作用在docc502上的摩擦力等於來自彈簧520的偏置力。

docc502對切割元件528提供的切割深度控制量可隨在鑽井操作期間作用在docc502上的摩擦量而變。例如，docc502可沿著平行於y軸的軸線定位在平衡點處，在這個平衡點處，在鑽井期間作用在docc502上的摩擦量可等於由彈簧520提供的偏置力。因此，由docc502提供的切割深度控制量可隨彈簧520的彈簧常數而變。彈簧520可用任何合適的彈簧來實現，以提供期望的彈簧常數，並且因此提供期望的切割深度控制。彈簧520可例如由螺旋彈簧、碟形彈簧、波形彈簧、液壓元件或低模量材料或可在負載下變形的具有高彈性的材料(例如，橡膠)來實現。

圖6a示出了安置在刀片626的一部分上的docc602的仰視圖，所述刀片626可定位在向下定向的鑽頭上。圖6b示出了安置在刀片626的一部分上的docc602的側面剖視圖。

如圖6a中所示，切割元件627、628和629可安置在刀片626上。刀片626可包括開槽開口612，docc602可穿過所述開槽開口612伸出。開槽開口612可跨越在切割元件628後面的一系列位置。此外，docc602可定位在沿著開槽開口612的任何位置處。

如圖6b中所示，docc602可包括延伸到刀片626中的基底部分610。基底部分610可裝配在刀片626的內腔608內。基底部分610和內腔608的寬度可大於開槽開口612，docc602可穿過所述開槽開口612伸出。因此，基底部分610可保持在內腔608內，並且docc602可以可調節式方式耦接到刀片626。

docc602可耦接到彈簧620，所述彈簧620可繼而耦接到內腔608。彈簧620可以是扭轉彈簧，並且可耦接到docc602以向docc602提供扭轉偏置力。彈簧620可提供扭轉偏置以使基底部分610圍繞中心點615旋轉，並且朝向開槽開口612的最接近切割元件628的末端推動docc602。在鑽井操作期間，由於docc602與被鑽探的井筒相互作用，摩擦力可作用在docc602上。作用在docc602上的摩擦力可操作以抵抗彈簧620的扭轉偏置力來推動docc602。在鑽井期間作用在docc602上的摩擦量可隨著docc602與切割元件628的尖端之間的距離(d)631增加而增加。此外，當通過摩擦力將docc602推回去時，由彈簧620提供的扭轉力的量可增加。因此，在鑽井操作期間，docc602可從切割元件628移開並且沿著開槽開口612的路徑移動到平衡點，在這個平衡點處，由於鑽井造成的作用在docc602上的摩擦力等於來自彈簧620的偏置力。如圖6a中所示，開槽開口612的路徑可以是彎曲的。因此，當docc602響應於摩擦鑽井力從切割元件628移開時，docc602可沿著彎曲路徑移動，所述彎曲路徑與在切割元件628後面的直線路徑相比可更接近地遵循鑽頭旋轉的曲率。

類似於以上參考圖5a至圖5b的描述，由docc602提供的切割深度控制量可隨彈簧620的彈簧常數而變。彈簧620可用任何合適的扭轉彈簧來實現，以提供期望的彈簧常數，並且因此提供期望的切割深度控制。彈簧620可例如由機械彈簧、由液壓元件或者由低模量材料或可在壓力下變形的具有高彈性的材料(例如，橡膠)來實現。

圖7示出了安置在刀片726的一部分上的docc702的側面剖視圖。刀片726可包括開槽開口712，docc702穿過所述開槽開口712伸出。開槽開口712可跨越在切割元件728後面的一系列位置。此外，docc702可定位在沿著開槽開口712的任何位置處。

如圖7中所示，docc702可包括延伸到刀片726中的基底部分710。基底部分710可裝配在刀片726的內腔708內。基底部分710和內腔708的直徑可大於開槽開口712，docc702可穿過所述開槽開口712伸出。因此，基底部分710可保持在內腔708內，並且docc702可以可調節式方式耦接到刀片726。

docc702可耦接到彈簧(未在圖7中明確地示出)，所述彈簧可繼而耦接到內腔708。彈簧可以是扭轉彈簧，並且可向docc702提供扭轉偏置力。彈簧可提供扭轉偏置以使基底部分710圍繞中心點715旋轉，並且朝向開槽開口712的可能最接近切割元件728的前端推動docc702。在鑽井操作期間，由於docc702與被鑽探的井筒相互作用，摩擦力可作用在docc702上。作用在docc702上的摩擦力可致使docc702抵抗彈簧的扭轉偏置力推動。在鑽井期間作用在docc702上的摩擦量可隨著docc702與切割元件728的尖端之間的距離(d)731增加而增加。此外，當通過摩擦力將docc702推回去時，由彈簧提供的扭轉力的量可增加。因此，在鑽井操作期間，docc702可從切割元件728移開並且沿著路徑730移動到平衡點，在這個平衡點處，由於鑽井造成的作用在docc702上的摩擦力等於來自彈簧的偏置力。

類似於以上參考圖5a至圖5b和圖6a至圖6b的描述，由docc702提供的切割深度控制量可隨彈簧的彈簧常數而變。與docc702一起使用的彈簧可用任何合適的扭轉彈簧來實現，以提供期望的彈簧常數，並且因此提供期望的切割深度控制。例如，彈簧可由機械彈簧、由液壓元件或者由低模量材料或可在壓力下變形的具有高彈性的材料(例如，橡膠)來實現。

圖8示出了安置在刀片826的一部分上的docc802的仰視圖，所述刀片826可定位在向下定向的鑽頭上。刀片826可包括開槽開口812，docc802穿過所述開槽開口812伸出。開槽開口812可跨越一系列位置，這些位置跨過刀片826的寬度。此外，docc802可定位在沿著開槽開口812的任何位置處。

如圖8中所示，docc802可包括延伸到刀片826中的基底部分810。基底部分810可裝配在刀片826的內腔808內。基底部分810和內腔808的直徑可大於開槽開口812，docc802可穿過所述開槽開口812伸出。因此，基底部分810可保持在內腔808內，並且docc802可以可調節式方式耦接到刀片826。

docc802可耦接到彈簧820，所述彈簧820可被定向來向docc802提供偏置力。在鑽井操作期間，由於docc802與被鑽探的井筒相互作用，摩擦力可作用在docc802上。作用在docc802上的摩擦力可致使docc802抵抗彈簧820的偏置力推動。例如，如圖8中所示，docc802可以側傾角(α)830安置在刀片826上。由於docc802的側傾，作用在docc802的面803上的摩擦力的一部分可被傳遞來抵抗由彈簧820提供的偏置力推動。此外，當彈簧820壓縮時，由彈簧820提供的偏置力的量可增加。因此，在鑽井操作期間，docc802可沿著平行於x軸的軸線移動到平衡點，在這個平衡點處，由於鑽井造成的作用在docc802上的、並且因docc802的側傾而被傳遞到平行於x軸的方向中的摩擦力的一部分等於來自彈簧820的偏置力。

類似於以上參考圖5a至圖5b、圖6a至圖6b和圖7的描述，由docc802提供的切割深度控制量可隨彈簧820的彈簧常數而變。彈簧820可用任何合適的彈簧來實現，以提供期望的彈簧常數，並且因此提供期望的切割深度控制。例如，彈簧820可由螺旋彈簧、碟形彈簧、波形彈簧、液壓元件或低模量材料或可在壓力下變形的具有高彈性的材料(例如，橡膠)來實現。

圖9示出了用於調節可調節式docc的位置的示例性方法的流程圖。

方法900可以在步驟910處開始，並且可將docc設定到鑽頭的刀片上的第一位置。如圖4a中所示，可將docc402設定到第一位置，所述第一位置例如在切割元件427、428或429中的任何一個後面。可通過杆414和定位單元416a和416b來調節可調節式docc402的位置。例如，杆414可連接到docc402的基底部分410。定位單元416a和416b可各自包括液壓腔室，所述液壓腔室可被配置來在杆414的相應側上施加液壓力以將docc402移動到刀片426上的期望位置。作為另一個示例，定位單元416a和416b可包括電機。杆414可以帶有螺紋並且可延伸穿過docc402的螺紋通道。例如，如圖4b中所示，杆414的螺紋實現方式可延伸穿過docc402的基底部分410的螺紋通道406。螺紋通道406的螺紋可與杆414的螺紋嚙合。因此，當定位單元416a和/或416b中的一個或多個電機使杆414旋轉時，docc402的沿著x軸的位置可被調節。

在步驟915處，可在docc處於鑽頭的刀片上的第一位置中的情況下鑽探地下地層。在鑽頭切割穿過地下地層中的第一類型的巖石層的第一鑽井運行期間，第一切割深度控制量可能是最佳的。因此，可在docc402的位置被設定到第一位置(例如，在切割元件428後面)的情況下執行第一鑽井運行，以在第一鑽井運行期間提供期望的第一切割深度控制量。

在步驟920處，可將docc設定到鑽頭的刀片上的第二位置。例如，當鑽頭的旋轉可能已經停止時，將docc402設定到第二位置(例如，在切割元件429後面)可能發生在兩次鑽井運行之間。定位單元416a和416b可從控制單元接收控制信號，以用於設定可調節式docc402的位置。這種控制單元可定位在(例如)鑽機(例如，如圖1中所示的鑽機102)的表面處，並且可沿著鑽柱將控制信號向下傳輸到上面可安置有刀片426的鑽頭。控制信號可命令定位單元416a和416b將docc402設定到第二位置，所述第二位置可對應於第二切割深度控制量，所述第二切割深度控制量可能是切割穿過地下地層中的第二類型的巖石層所期望的。

在步驟925處，可在docc處於鑽頭的刀片上的第二位置中的情況下鑽探地下地層。如上文參考步驟920所述，第二位置可對應於第二切割深度控制量，所述第二切割深度控制量可能是切割穿過地下地層中的第二類型的巖石層所期望的。

隨後，方法900可結束。在不脫離本公開的範圍的情況下，可對方法900做出修改、添加或省略。例如，可以不同於所描述方式的方式執行步驟的次序，並且可同時執行一些步驟。另外，在不脫離本公開的範圍的情況下，每個單獨的步驟可包括附加的步驟。

本文中的實施方案可包括：

a.一種鑽頭，其包括：鑽頭本體；多個刀片，所述多個刀片位於所述鑽頭本體上；多個切割元件，所述多個切割元件位於所述多個刀片上；可調節式切割深度控制器(docc)，所述可調節式docc定位在刀片上以對所述多個切割元件中的至少一者提供切割深度控制；以及定位單元，所述定位單元耦接到所述可調節式docc並且被配置來基於來自控制單元的控制信號來調節所述docc相對於所述切割元件的位置。

b.一種鑽頭，其包括：鑽頭本體；刀片，所述刀片位於所述鑽頭本體上；切割元件，所述切割元件位於所述刀片上；切割深度控制器(docc)，所述docc定位在所述刀片上以控制所述切割元件的切割深度；以及彈簧，所述彈簧耦接到所述docc以向所述docc提供偏置力。

c.一種方法，其包括：將切割深度控制器(docc)設定到鑽頭的刀片上的第一位置；在docc處於所述鑽頭的所述刀片上的所述第一位置中的情況下鑽探地下地層；將所述docc設定到所述鑽頭的所述刀片上的第二位置；以及在docc處於所述鑽頭的所述刀片上的所述第二位置中的情況下鑽探所述地下地層。

實施方案a、b和c中的每一者可具有任何組合方式的以下附加要素中的一者或多者：

要素1：其中所述定位單元包括杆，所述杆耦接到所述可調節式docc的基底部分。要素2：所述鑽頭還包括所述可調節式docc中的螺紋通道，以及與所述螺紋通道嚙合的螺紋杆。要素3：其中所述定位單元包括電動機。要素4：其中所述定位單元包括液壓泵。要素5：所述刀片包括開槽開口，所述開槽開口包括多個docc位置，所述多個docc位置中的第一位置與所述多個切割元件中的第一切割元件的徑向位置重疊，並且所述多個docc位置中的第二位置與所述多個切割元件中的第二切割元件的徑向位置重疊。要素6：其中所述定位單元在所述刀片上被定向來沿著大致垂直於鑽頭旋轉方向的軸線調節所述可調節式docc的位置。要素7：其中所述定位單元在所述刀片上被定向來沿著與所述鑽頭的旋轉路徑的弧線大致相切的軸線調節所述可調節式docc的位置。要素8：其中所述docc在鑽井操作期間的平衡位置是基於所述彈簧的所述偏置力以及由所述docc引起的摩擦力。要素9：其中所述彈簧的所述偏置力和所述摩擦力在所述平衡位置處大致相等。要素10：其中所述彈簧被定向來在與所述docc在鑽井期間引起的摩擦力的方向大致相反的方向上向所述docc提供偏置力。要素11：其中所述彈簧包括螺旋彈簧、碟形彈簧、波形彈簧、液壓元件或低模量材料中的一者。要素12：其中所述彈簧耦接到所述docc以向所述docc提供扭轉偏置力。要素13：其中所述彈簧包括扭轉彈簧、液壓元件或低模量材料中的一者。要素14：其中所述docc側傾地安置在所述刀片上，所述彈簧被定向來提供大致垂直於鑽頭旋轉方向的偏置力，並且所述docc在鑽井操作期間沿著大致垂直於所述鑽頭旋轉方向的路徑的平衡位置是基於所述偏置力，以及所述摩擦力在所述docc的大致垂直於所述鑽頭旋轉方向的面處的分量。要素15：所述方法還包括將控制信號傳輸到所述鑽頭的定位單元，以及基於所述控制信號將所述docc的位置從所述第一位置調節到所述第二位置。要素16：其中當所述docc被設定到所述第一位置時，所述docc提供第一切割深度控制量，並且當所述docc被設定到所述第二位置時，所述docc提供第二切割深度控制量。要素17：其中所述第一切割深度控制量是基於當所述docc處於所述第一位置中時要鑽探的所述地下地層中的第一巖石類型，並且所述第二切割深度控制量是基於當所述docc處於所述第二位置中時要鑽探的所述地下地層中的第二巖石類型。

雖然已用若干實施方案描述了本公開，但是可向本領域技術人員建議各種改變和修改。例如，雖然本公開關於鑽頭描述了切割深度控制器的配置，但是相同的原理可用於根據本公開的任何合適的鑽井工具上的切割深度控制器。本公開打算涵蓋歸屬於所附權利要求書的範圍內的此類改變和修改。