裝配有改進切削元件布置以便降低穿過地層變化時對切削齒的損害的鑽具，鑽具設計的...的製作方法

2023-06-04 15:45:46

專利名稱：：裝配有改進切削元件布置以便降低穿過地層變化時對切削齒的損害的鑽具，鑽具設計的...的製作方法
技術領域：
：本發明一般地涉及一種旋轉鑽具上的切削元件的布置，所述旋轉鑽具用於鑽進地下地層或設置在地下地層內的其它硬物質，如鑽柱、套管部件等。尤其是，本發明涉及在鑽具上的兩個或更多個重複的切削元件的布置，以便在鑽具上的其它切削元件之前，所述重複的切削元件接觸不同地下區域之間的地層特徵變化，所述不同地下區域位於地層與設置在其內的另一構件之間或者位於井筒內的兩個構件之間。
背景技術：
：一般來說，眾所周知，鑽頭表面不同位置上的切削元件可經歷大量不同的負載情況，不同的磨損特徵，或者經歷上述兩種情況。通過改變切削元件的尺寸、幾何形狀和與二者相聯繫的結構，負載和磨損的影響已經被常規的旋轉鑽頭所適應。然而，將切削元件設置在旋轉鑽頭上的常規方法沒有考慮在兩個相鄰的地下地層之間進行鑽進期間開始遇到過渡區時對切削元件的影響和情況以及受力和與之相關的扭矩，所述兩個相鄰地下地層具有至少一個不同的特徵。此外，將切削元件設置在旋轉鑽頭上的常規方法沒有完全解決在鑽穿井下設備(如套管鞋，套管鞋周圍的水泥和其下的地層)時出現的過渡區情況。已經發展了多種適應旋轉鑽頭表面不同位置處出現的各種負栽情況的方法。例如，分別授權給Tibbitts等的US6，021，859，US5，950，747，US5，787，022和US5,605，198專利，其中每一篇都受讓給本發明的受讓人，並將不同的金剛石臺到基體(table-to-substrate)接觸面設計的切削元件設置在鑽頭表面上的不同位置，以便解決不同的預期或期望的負載情況。在改進旋轉鑽頭的鑽進性能的常規方法中，授權給Mensa-Wilmot等的US6，164,394,US6，564，886專利中的每一篇都公開了包括設置在大致相同的徑向位置上的切削元件的旋轉鑽頭，其中旋轉的前切削元件以正的後傾角定向排列，而旋轉的後切削元件以負的後傾角定向排列並比旋轉的前切削元件暴露量少。同樣，授權給Mensa-Wilmot等的US5，549，171專利公開了一種旋轉鑽頭，該旋轉鑽頭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兩個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徑向位置而具有不同的後傾角角度和暴露量。此外，授權給Williamson的US4，429，755專利公開了一種旋轉鑽頭，該旋轉鑽頭包括連續多套切削元件，每一套切削元件以與旋轉鑽頭的旋轉軸線相同的半徑設置並關於旋轉鑽頭的旋轉軸線穿過相同的弧度，以便每套中的每一切削元件意圖經過相同的軌跡，所述軌跡與其它套相鄰的切削元件或多套切削元件的軌跡重疊。此外，授權給Glass等的美國專利申請US2002/0157869A1公開了一種固定式切削齒鑽頭，其聲稱對所述鑽頭進行了優化以便切削齒扭矩在鑽均質巖層及過渡地層期間均勻分布。該專利還公開了利用預測數學鑽進力模型的方法。旋轉鑽頭，尤其是固定式切削齒或"刮刀"鑽頭，還通常被設計為所謂的"反旋轉"鑽頭。這種鑽頭利用通常由鑽頭的切削齒產生的故意非平衡和定向側向或徑向力矢量來使鑽頭結構的一側產生擴大的無切削齒承載區域(cutter-devoidbearingarea),所述區域包括一個或多個保徑墊圏連續跨靠在井筒側壁上以防止鑽頭起始"旋轉"，這是一種廣泛認知的現象，其中鑽頭進入井筒周圍並以與鑽頭旋轉方向相反的方向靠在所述側壁上。旋轉可產生擴大(過大)尺寸的非圓形井眼並會對切削元件和鑽頭本身產生損害。授權給Brett等的US5，010，789和US5，042，596專利公開了反旋轉鑽頭。授權給Hansen等的US5，873，422專利(受讓給本發明的受讓人)公開了設置在常規無切削齒區內用於穩定鑽頭的支承結構。在鑽井時穩定旋轉鑽頭的其它方法中，選擇性地將切削元件設置在旋轉鑽頭上和形成穩定溝槽、切口或脊。如果具有足夠的垂向力或鑽頭上的重力施加在旋轉鑽頭上，這種結構用於機械地抑制側向振動。例如，授權給Warren等的US4，932，484專利公開了通過使一個切削元件偏離沿著一個切削元件的輪廓設置的其它切削元件而形成溝槽。此外，授權給Keith等的US5，607，024專利公開了具有不同抗磨區域的切削元件。由於隨著切削元件的磨損可形成徑向交替的溝槽或脊，因此這種結構用於使旋轉鑽頭側向地穩定在井筒內。然而，儘管上述的常規方法通過構造鑽具上的切削元件的布置和設計改進了旋轉鑽頭或其它鑽具的鑽進性能，但是仍然存在著對利用旋轉鑽頭鑽進具有不同性質的不同物質或地層區域之間的改進的裝置和方法的需求。
發明內容本發明提供一種鑽具，如旋轉鑽頭，其包括至少兩個設置在所述鑽具上的基本重複的切削元件，所述重複的切削元件用於遇到所要鑽穿相鄰物質的至少一個物理特徵的變化。尤其是，所要鑽穿相鄰物質的示例可包括套管部件、硬化水泥、和地下地層、兩個相鄰地下地層或具有至少一個不同特徵的地下地層的兩個區域。所述至少兩個重複的切削元件可具有某一尺寸、位置並可設置在鑽具上以便在其它切削元件之前接觸或遇到至少一個物質特徵的變化。另一方面，所述至少兩個重複的切削元件可定位在鑽具與所預測的邊界面首次接觸的預期位置。這種結構抑制了當單個切削元件遇到所鑽物質內的變化時出現的損害。因此，這裡所用的術語"重複(redundant)"意思是指至少兩個切削元件基本上經過相同的螺旋鑽進軌跡。本發明還包括設計鑽具(如旋轉鑽頭)的方法。特別是，選擇切削元件的輪廓、所要鑽的地下地層、和地下地層中預期的鑽進軌跡。此外，對所要鑽穿構造的兩個區域之間的至少一個邊界面進行預測。多個切削元件被設置在所述輪廓上，其包括將一組切削元件中至少兩個重複的切削元件設置在鑽具與所預測的邊界面首次接觸的預期位置上，所述切削元件設置在切削元件輪廓上。本發明還包括一種操作鑽具(如旋轉鑽頭)的方法。因此，設置包括多個切削元件的鑽具，其中切削元件中的至少兩個是重複的。預測邊界面，其中所述邊界面限定在地下地層的兩個相鄰區域之間，所述兩個相鄰區域具有至少一個不同的鑽進特徵。進一步，確定鑽進軌跡，所述鑽進軌跡被定位，以便在基本上沿著定位的方向進行鑽進時使所述重複的切削元件位於鑽具與預測邊界面首次接觸的預期位置上。此外，基本上沿著預期鑽進軌跡的定位方向鑽入所預測的邊界面。本發明的另一方面，應當認識到，遇到通過重複的切削元件所要鑽穿相鄰物質的至少一個物理特徵內的變化可改變鑽具上的側向不平衡力或扭矩大小，這可不利地影響鑽具的穩定性。因此，本發明中重複的切削元件的淨側向力或淨扭矩的大小可在具有不同特徵的物質區域之間進行鑽進期間降低或最小。在一個實施例中，所述重複的切削元件的尺寸和結構適於產生在組合時基本上相互抵消的各個側向力。可選擇地是，重複的切削元件的尺寸和結構適於產生各個側向力，所具有較小的量值。在另一實施例中，區域內多個切削元件的不平衡力的淨方向可在當在均質地層中鑽進時鑽頭(即所有的切削元件)的淨不平衡力方向的士70。範圍內。本發明提供一種鑽具，如旋轉鑽頭，其包括具有設置在其上的多個切削元件的輪廓，其中至少部分輪廓用於在其上的多個切削元件與地下地層的預測邊界面之間產生首次接觸。此外，本發明還提供一種設計鑽具的方法，其包括選擇切削元件輪廓和選擇所要鑽的地下地層。另外，選擇用於鑽穿地下地層的預期鑽進軌跡並預測地下地層的兩個區域之間的邊界面，其中所述兩個區域具有至少一個不同的鑽進特徵。多個切削元件可被設置在輪廓的所述區域內，並且所述區域內的多個切削元件可被定位在鑽具與預測的邊界面首次接觸的預期位置。本發明的另一方面公開了一種操作鑽具的方法。尤其是，提供一種包括多個切削元件的鑽具，所述多個切削元件位於鑽具的輪廓區域內。此外，預測限定在地下地層的兩個相鄰區域之間的邊界面，所述兩個相鄰區域具有至少一個不同的鑽進特徵。另外，確定鑽進軌跡，所述鑽進軌跡被定位，以便在基本上沿著定位的方向進行鑽進時使所述多個重複的切削元件位於鑽具與所測的邊界面首次接觸的預期位置上。此外，多個切削元件可被設置在鑽具與所預測的邊界面首次接觸的預期位置處的輪廓的所述區域內。鑽入所預測的邊界面的鑽進基本沿著預期鑽進軌跡的定位方向進行。因此，在本發明中，所述區域內的多個切削元件產生的淨側向力的大小在鑽進期間降低或最小，所述鑽進是在具有不同特徵的物質區域之間進行的。在一個實施例中，所述區域內的多個切削元件的尺寸和結構適於產生各個側向力，所述各個側向力在相互組合時基本上相互抵消。可選擇地是，所述區域內的多個切削元件的尺寸和結構適於產生各個側向力，所述各個側向力具有比由鑽具上的其它切削元件所產生的淨側向力的大小較小的量值。另外，與邊界面結合的(所述區域內的)多個切削元件的不平衡力的淨方向可在當在均質地層中鑽進時鑽頭(即所有的切削元件)的淨不平衡力方向的士70。範圍內。鑽具，如旋轉鑽頭、下套管用鑽頭、擴眼鑽頭、雙中心旋轉鑽頭、擴眼鑽頭刮刀片、雙中心鑽頭或其它本領域公知的使用切削無件的鑽具，可得益於本發明，並且這裡使用的術語"旋轉鑽頭"包括任意和所有這些裝置。結合下面的詳細說明和附圖，本發明的上述和其它優點將變得明顯，所迷附圖示出本發明的各個實施例，附圖中沒有必要引入比例，其中圖1A為本發明示例性旋轉鑽頭的側透視圖1B為圖1A所示旋轉鑽頭的局部側視剖視圖，其中每一切削元件旋轉到單個刀翼；圖1C為圖1A所示旋轉鑽頭的局部頂部正視切削齒布置圖；圖1D為由圖1C所示切削元件所形成的螺旋形切削軌跡的側視剖視圖；圖IE為在地層中進行鑽井期間的本發明的圖1A-1D所示旋轉鑽頭的示意性側視圖；圖2A為本發明的示例性旋轉鑽頭的局部側視剖視圖，其中每一切削元件旋轉到單個刀翼；圖2B為圖2A所示旋轉鑽頭的局部頂部正視切削齒布置圖；圖2C為具有兩個重複的切削元件的本發明的局部頂部正視切削齒布置圖；圖3A為布置在水泥套管鞋內的本發明示例性旋轉鑽頭的側視局部剖視圖；圖3B為圖3A所示旋轉鑽頭的局部側視剖視圖，其中每一切削元件旋轉到單個刀翼；圖3C為圖3A所示旋轉鑽頭的另一局部側視剖視圖，其中每一切削元件旋轉到單個刀翼；圖3D為圖3A所示旋轉鑽頭的又一局部側視剖視圖，其中每一切削元件旋轉到單個刀翼；圖3E為圖3C和3D所示旋轉鑽頭的局部側視剖視圖，其中每一切削元件旋轉到單個刀翼；圖3F為本發明旋轉鑽頭的局部側視剖視圖；圖3G為設置在本發明旋轉鑽頭上的重複的切削元件的示意性剖視圖；圖4A-1為本發明的示例性旋轉鑽頭的局部側視剖視圖，其中每一切削元件旋轉到單個刀翼；圖4A-2為本發明的另一示例性旋轉鑽頭的局部側視剖視圖，其中每一切削元件旋轉到單個刀翼；圖4A-3為本發明的又一示例性旋轉鑽頭的局部側視剖視圖，其中每一切削元件旋轉到單個刀翼；圖4B為在地層中鑽井期間的本發明的示例性旋轉鑽頭的示意性側一見圖；圖4C為圖4B所示旋轉鑽頭的局部視剖視圖，其中每一切削元件旋轉到單個刀翼；圖5A為在地層中在鑽第一深度的井眼期間的本發明的示例性旋轉鑽頭的示意性側視圖；圖5B為在圖5A所示地層中在鑽第二深度的井眼期間的本發明的示例性旋轉鑽頭的示意性側視圖；圖5C為在圖5A和5B所示地層中在鑽第三深度的井眼期間的本發明的示例性旋轉鑽頭的示意性側視圖；圖6A為本發明旋轉鑽頭的一個實施例的局部頂部正視切削齒布置圖；圖6B為本發明旋轉鑽頭的另一實施例的局部頂部正視切削齒布置圖。具體實施方式的各種結構。如下面進一步詳細說明中所述，本發明涉及提供位於鑽具上的重複的切削元件，所述重複的切削元件在位於旋轉鑽頭上的其化。這種結構可降低當在其它元件接觸構造的物質和區域之前單個切削元件接觸同一物質和區域時所出現的負載和損害。圖1A示出了本發明典型旋轉鑽頭10的側透視圖。旋轉鑽頭10包括固定到徑向和縱向延伸的刀翼14上的大致圓柱狀的切削元件12、使鑽井液從旋轉鑽頭10內部流到切削元件12的噴嘴腔16、面18和用於將旋轉鑽頭10連接到鑽柱上的陽螺紋連接件20，這在本領域是公知的。切削元件12可包括聚晶金剛石複合片(PDC)切削齒，這在本領域是公知的。可選擇地是，切削元件12可包括碳化鴒切削元件，其可用在鑽穿套管設備或其它構件中。切削元件12可顯示出大致平面狀的切削麵24，如圖1A所示。此外，刀翼14可限定周向上的相鄰刀翼14之間的流體流道25，所述流體流道25延伸到周向上相鄰的保徑墊圏26之間的排屑槽22。圖1B示出了旋轉鑽頭IO的局部側視剖視圖，其中設置在其上的切削元件12旋轉到突出於鑽頭體13上的單個刀翼14上。這一視圖通常被稱作"切削齒布置"圖或"切削元件布置"圖，並且可用於設計旋轉鑽頭，這在本領域是公知的。尤其是，其中示出了每一切削元件12與縱向軸線11的關係和兩者的距離相應於切削元件在旋轉鑽頭10上的徑向位置。切削元件12可沿著選擇的輪廓30布置，這在本領域是公知的。如圖1B所示，徑向相鄰的切削元件12可相互重疊。此外，根據本發明，旋轉鑽頭10的兩個或多個切削元件12可設置在基本相同的徑向和縱向位置。進一步說明，圖1C示出了切削齒布置視圖40的頂部視圖，其中示出了由井眼(未示出)底部伸出的旋轉鑽頭10，所述旋轉鑽頭10正在井眼中鑽進，旋轉鑽頭10的切削元件12和重複的切削元件12B，分別關於參考圓15A，15B,15C設置。每一切削元件12和每一重複的切削元件12B可包括固定到基體27上的特級研磨臺29。例如，每一切削元件12和每一重複的切削元件12B可包括PDC切削齒，這在本領域是公知的。當然，參考圓15A，15B，15C增加了關於縱向軸線11的直徑，因而相應增加了關於切削元件12和設置在其上的重複的切削元件12B的徑向位置。鑽進期間，如果旋轉鑽頭10圍繞縱向軸線11在方向42上旋轉，切削元件12和重複的切削元件12B可移動、平移，或分別沿著參考圓15A，15B和15C穿行。如同能理解的，三個重複的切削元件12B以相對於縱向軸線11的大致相同的徑向和縱向位置設置。然而，重複的切削元件12B在周向上分隔開，因而可被設置在旋轉鑽頭10的不同的刀翼14上。重複的切削元件12B可關於縱向軸線11周向對稱的間隔開，或者可選擇地是，按照需要周向不對稱地間隔開。另外，切削元件12和重複的切削元件12B可具有側傾角和後傾角排列方向，這在本領域是公知的。重複的切削元件12B可經過大致相同的鑽進軌跡。正如本領域所公知的一樣，切削元件12和重複的切削元件12B所經過的軌跡在本質上是螺旋形的，這在授權給Tibbitts並受讓給本發明的受讓人的專利US5，314,033中進行了更為詳細的描述。尤其是，由於旋轉鑽頭10在鑽進期間同時旋轉並向下移入所要切削的井眼處的地層，設置在旋轉鑽頭10上的各個切削齒所跟進的切削軌跡為大致螺旋形的軌跡，這在圖1D中概念性的示出。重複的切削元件12B所經過的螺旋形的切削軌跡由實線15B示出，其同樣為圖1C中所示的參考圓15B,但是未巻繞或未纏繞地示出它的側視圖，並且所述軌跡沿著地層60的上表面延伸。因此，重複的切削元件12B的縱向最下端切削刃28形成了向下的螺旋形軌跡，其一般由線15B示出(如上所述，所述軌跡在頁面上是未巻繞的)，但是，當然，重複的切削元件12B可穿入地層60，其上的切削麵24剪切或切削入所述地層60。當然，至少是，兩個重複的切削元件12B彼此之間是重複的。可選擇地是，在多於兩個重複的切削元件12B的情況下，每一重複的切削元件12B對於每一其它重複的切削元件來說是重複的。因此，可以理解，旋轉鑽頭10的切削元件12和重複的切削元件12B可在旋轉鑽頭10鑽穿地層從而形成井眼106時遇到地下地層的不同區域、層或巖層，如圖1E所示。尤其是，圖1E示出了具有設置在其上的切削元件12在地層100中鑽進的旋轉鑽頭10的示意性側視圖。地層100包括區域102和區域104，它們沿著邊界115彼此相鄰。區域102和區域104對於鑽進來說具有一種或更多種不同的性質。進一步解釋，地下地層100的區域102和區域104可包括不同的地下構造。例如，區域102可包括頁巖，而區域104可包括砂巖，反之亦然。因此，區域102和區域104響應於對它們的鑽進具有不同的鑽進特徵。對旋轉鑽頭的一個或多個切削元件產生損害的一種特殊情況可出現在從相對較軟的地層區域鑽入相對較硬的區域時。"軟"和"硬，，一般分別與物質的較低和較高的壓縮強度相關，但是還可分別與從較低到較高的所鑽物質的彈性、磨蝕度或真實硬度相關。包括一個首次遇到或接觸到較硬區域的切削元件的常規的旋轉鑽頭可受到這種接觸的損害。進一步解釋，常規的旋轉鑽頭可相當快地穿過較軟的地層，而切削元件與相對硬的區域的相對快的隔離結合可在其上產生過度的力，這種力會對切削元件造成損害。因此，根據本發明，至少兩個重複的切削元件12B位於旋轉鑽頭10上，在與地層的兩個區域之間的預期、所測或預測的變化的預期初始結合區域內，以便減少或分散鑽進過程中所遇到的力。回到圖1C並結合圖1E，重複的切削元件12B的位置(即參考圓15B的位置)可:f皮調整到基本相應於與地下地層100的區域104初始結合的預期位置，該位置是相對於不同區域102和104之間的過渡區域而言的。另一方面，才艮據鑽進軌跡相對於地層區域102和104之間的邊界面115外形的方位，兩個或多個重複的切削元件12B被定位成在旋轉鑽頭10上的其它切削元件12之前起始接合地層變化。具有多種不同的結構，在所述結構中，重複的切削元件可用於首次接觸所鑽物質的變化。一般來說，重複的切削元件可被設置在與預期首次接觸點相應的旋轉鑽頭上的任意位置，所述接觸點為所鑽構造的鑽進情況的變化點。與利用一個切削元件相比，通過在重複的切削元件之間分散力、分散損害或者分散二者，這種結構可降低對旋轉鑽頭上的一個或更多個切削元件的損害。應當認識到，由於生產的限制或其他原因，與地層初始結合的切削元件的位置是可變化的。因此，重複的切削元件的實際位置可在理想布置位置的約土0.051釐米範圍內。因此，根據本發明，重複的切削元件可大致被布置在與地層初始結合的理想位置處。在圖2A所示的本發明的旋轉鑽頭的一個實施例中，重複的切削元件212B可依據縱向最低切削元件的位置或相應於所述切削元件的布置或輪廓的最低點的切削元件進行定位。圖2A示出了旋轉鑽頭210的側視剖視圖，其中每一切削元件212相對於縱向軸線211並沿著輪廓230旋轉到從鑽頭體213伸出的單個刀翼214。圖2A還示出了具有上部表面261的地層260，所述上部表面261基本垂直於縱向軸線211。重複的切削元件212B可沿著任意切削元件212的縱向最低切削元件位置定位，相對於縱向軸線211，所述切削元件的徑向位置標記為"R"。因此，正如所理解的那樣，大致同時並在任意其它切削元件212結合地層之前，重複的切削元件212B可結合具有基本垂直於縱向軸線211的上部表面261的地層260。如果其上設置有重複的切削元件的旋轉鑽頭鑽入關於鑽進軸線(即縱向軸線)大致對稱的邊界面，鑽進使構造的不同區域之間的初始結合可對於重複的切削元件相互之間大致同時地出現。旋轉鑽頭210的鑽進面(未示出)將成形為輪廓230的形狀並關於縱向軸線211旋轉。由於旋轉鑽頭210的鑽進面可關於縱向軸線211大致對稱，關於縱向軸線211大致對稱的邊界面(即地層260的上表面261)的結合可在重複的切削元件212B與邊界面(即地層260的上表面261)之間產生初始結合以便彼此大致同時出現。可選擇地是，與邊界面(未示出)的初始結合可由重複的切削元件212B順序結合，這對於降低或分散存在的損害是有益的，所述邊界面關於鑽進軸線或旋轉鑽頭210的縱向軸線211大致對稱。因此，根據本發明，旋轉鑽頭210可包括兩個或更多個重複的切削元件212B。如圖2B，其示出了圖2A中所示的旋轉鑽頭的局部頂部正視切削齒布置視圖，三個重複的切削元件212B被定位以便在鑽進期間圍繞縱向軸線211沿著參考圓215旋轉，所述參考圓具有大致等於R的半徑。當然，如圖2C所示，可選擇地是，兩個重複的切削元件212B2可被定位以便在鑽進期間圍繞縱向軸線211沿著參考圓215旋轉。在另一可選擇的實施例中，多於三個的重複的切削元件(未示出)可用於在鑽進期間圍繞縱向軸線211沿著參考圓215無限制地旋轉。因此，本發明旨在提供一種鑽具，如旋轉鑽頭210，本發明的鑽具可包括至少兩個設置在其上的重複的切削元件。這種重複的切削元件212B(其定位在縱向最低切削元件位置)的重複可對過渡到地層內的變化是有益的，所述地層與所述重複的切削元件初始結合。另一方面，通過抑制對如此定位的切削元件的損害，多於一個的大致徑向和縱向地相同設置以便初始結合地層內的變化的切削元件對分散與鑽入這一地層內的變化相關的力是有益的。本發明的另一方面，本發明的旋轉鑽頭具有有益的結構並用於鑽穿井下套管組件或其一部分，如套管、套管鞋和其附近的水泥。如圖3A所示，其為側視局部剖視圖，固定到套管鞋406上的套管段404設置在井眼402內，所述井眼通常由鑽入地層440的旋轉鑽頭(未示出)的作業而形成。為了穩定地層和其它原因，套管段404和套管鞋406可被水泥膠結在井眼402內，這在本領域是公知的。隨後，常常需要鑽穿套管鞋402和其下方的水泥420，並繼續鑽入地層440。因此，本發明的旋轉鑽頭410可被設置在套管段404內以便鑽穿套管鞋406和其下方的水泥420，並鑽入地層440。眾所周知，在地層440中鑽成全尺寸井眼之前，旋轉鑽頭410(如圖3A所示)必需鑽穿過渡區或套管鞋406、水泥420和地層440之間的邊界面。首先，鑽柱408末端的旋轉鑽頭410遇到並鑽進套管鞋406的內輪廓409，所述套管鞋通常由鋁或其它相對可延展的金屬或合金製成。然後，旋轉鑽頭410遇到水泥420的上邊界面，所述上邊界面基本上與套管鞋406的外輪廓407—致。水泥420可包括硬化材料，例如混凝土，其具有膠結物(如水泥)和聚結物(如砂石或礫石)，這在本領域是公知的。另外，旋轉鑽頭410可沿著邊界面403結合地層440，所述邊界面的外形可由用於形成井眼402的鑽具(未示出)決定。此外，通過選擇用於形成井眼402的鑽具(未示出)、套管鞋406或選擇二者，顯然上述過渡區或邊界面的幾何形狀是已知的，或者在某種程度上是可預測的。進一步，套管鞋406、水泥420和地層440可具有不同區域的特徵，所述不同區域顯示出一種或多種不同鑽進特徵。由於套管鞋406、水泥420和地層440中的每一個的構成和機械性能不同或具有差別，所以每一個內的鑽進具有獨特的力或狀態。因此，如圖3B所示，旋轉鑽頭410可包括重複的切削元件412B。圖3B示出了旋轉鑽頭410的局部示意性側視剖視圖，其中每一切削元件412相對於縱向軸線411沿著輪廓430旋轉到從鑽頭體413伸出的單個刀翼414。重複的切削元件412B可被定位在任意切削元件412的縱向最低的切削元件位置，如圖3B所示。因此，在任意其它切削元件412結合相同區域之前，重複的切削元件412B可結合套管鞋406的內輪廓409、由套管鞋406的外輪廓407所限定的水泥420的上表面、和地層440的邊界面403,這些都在圖3A中示出。這種結構可抑制如果僅有一個切削元件412被設置在旋轉鑽頭410上的縱向最底端切削元件位置上時所出現的損害。可選擇地是，應當注意，相對於套管鞋406、水泥420和地層440之間的每一過渡區，旋轉鑽頭410的初始結合的切削元件的位置可具有不同的定位。另一方面，根據它們的形狀分別相對於輪廓430的形狀，不同的切削位置可首次接觸套管鞋406與水泥420之間的過渡區和水泥420與地層440之間的過渡區。因此，本發明的旋轉鑽頭410可包括多於一組或一套的處於不同徑向位置的重複的切削元件。如圖3C所示，其示出了旋轉鑽頭410的局部側視剖視圖，其中的每一切削元件412沿著輪廓430旋轉到單個刀翼414。圖3C還示出了具有相對於縱向軸線411的內輪廓409的套管鞋406。顯然，從圖中可以看出，由於在鑽進時重複的切削元件412B1的位置可在其它切削元件412接觸之前起始接觸套管鞋406的內輪廓409，所以關於鑽進到套管鞋406的內輪廓409中，重複的切削元件412B1是有益的。當然，套管鞋406的外輪廓407關於內輪廓409基本適合地形成，通過重複的切削元件412B1,其使水泥420的上表面被首次接觸。可選擇的是，外輪廓407可與內輪廓409具有不同的形狀。在這種結構中，另外的重複的切削元件(未示出)可設置在旋轉鑽頭410上以便首次接觸外輪廓與水泥420之間的邊界面。類似地是，形成地層440的邊界面403的現有鑽具可具有獨特的形狀，這種形狀不可通過重複的切削元件412B1而被首次接觸。圖3D示出了旋轉鑽頭410的局部側視剖視圖，其中每一切削元件412相對於縱向軸線411沿著輪廓430旋轉到單個刀翼414上。圖3D還示出了相對於縱向軸線411的地層440的邊界面403。由於重複的切削元件412B1不可與地層440的邊界面403首次接觸，因此可以理解，重複的切削元件412B2對於鑽入地層440的邊界面403是有益的，這是因為在鑽進時，重複的切削元件412B2的切削元件位置會在其它切削元件412或412B1之前起始接觸地層440的邊界面403。因此，旋轉鑽頭410可包括重複的切削元件412B1和412B2，以避免在鑽進套管鞋406、水泥420和地層403時損害。圖3E示出了旋轉鑽頭410的局部側視剖視圖，其中每一切削元件412相對於縱向軸線411沿著輪廓430旋轉到單個刀翼414，所述旋轉鑽頭包括重複的切削元件412B1和412B2。旋轉鑽頭410上的這種切削元件結構對於依次鑽入套管鞋406、地層440是有益的，分別如圖3C和3D所示。可選擇地是，輪廓430的連續區域可包括兩個或更多個徑向相鄰的重複的切削元件。例如，如圖3F，其示出了本發明旋轉鑽頭的局部側視剖視圖，其中，重複的切削元件412B1、412B2、412B3、412B4和412B5分別彼此徑向相鄰設置在輪廓430上。這種結構在具有不同性質的物質區域之間鑽進時使區域Rl免受損害是有效的。這種結構對於免受相對於所鑽物質的不同區域之間所遇到的各種邊界面方向和位置的過度損害是理想的。尤其是，本發明的旋轉鑽頭可包括一個或更多個區域，每一區域包括兩個或更多個重複的切削元件，這個沒有限制。應當指出，本發明設置在旋轉鑽頭上的任一重複切削元件相對於其上的其它切削元件可顯示出增強了的耐用性。例如，重複的切削元件可比設置在旋轉鑽頭上的其它切削元件具有更高的後傾角。如圖3G，其示出了重複的切削元件412B(圖3B)的側視剖視圖，所述重複的切削元件在鑽進地下地層440期間設置在旋轉鑽頭410內。切削元件412B包括燒結到基體444上的超磨蝕性臺442。所述超磨蝕性臺442可包括斜面(chamfer)或傾斜臺446，這在下面將進行更詳細地描述。因此切削元件412B可包括切削麵460、傾斜臺446和下端的切削刃452，所述切削麵460沿著切削麵切削與其接觸的地層440。當具有切削元件412B的旋轉鑽頭410大致在箭頭448所示的方向上作旋轉和縱向平移運動時(這在本領域是公知的)，所述切削元件412B切入地下地層440，並產生滑過切削麵460的顆粒或至少部分地連續的巖屑454。如圖3G所示，切削元件412B以相對於垂直參考線461的後傾角e設置。這種結構稱作"負後傾角"，這在本領域是公知的。重複的切削元件412B的負後傾角0的度數大於旋轉鑽頭410的其它切削元件412的負後傾角的度數。相對於旋轉鑽頭410的切削元件412，這種結構可向重複的切削元件412B提供更大的耐用性。替換地或附加地，重複的切削元件的結構可不同於設置在旋轉鑽頭上的其它切削元件。例如，重複的切削元件可具有斜面、傾斜臺，或者二者都具有，其用於改善它們的耐用性。一種用於重複的切削元件的特殊結構在授權給Cooley並受讓給本發明的受讓人的專利US5，881，830中公開。另一種重複的切削元件412B的特殊實施例在授權給Jurewicz等並受讓給本發明的受讓人的專利US5，706,卯6中公開。因此，重複的切削元件412B具有約0.178到0.381釐米厚的超磨蝕性臺442，這一厚度是沿著切削元件412B的縱向軸線在切削麵460的前部與超磨蝕性臺442/基體444界面之間所測的。此外，超磨蝕性臺442的外圍可包括以傾斜臺角Y設置的傾斜臺466以便結合併鑽進地下地層。傾斜臺角可在30°到60。的範圍內，並且傾斜臺的長度至少為0.127釐米，這一長度是沿著或平行於(例如以相同的角度)傾斜臺446的實際表面從傾斜臺446的內徑向伸長(或切削麵460的中心，如果傾斜臺446延伸到傾斜面460)到切削元件412B的側面466所測的長度。本發明的另一方面，如果旋轉鑽頭結合或遇到所述邊界，旋轉鑽根據地下地層、不同地下地層或旋轉鑽頭軌跡內的其它物質的區域之間的邊界面的方向和形狀以及旋轉鑽頭的方向進行定位。圖4A-1示出了旋轉鑽頭310的局部側視剖視圖，其中每一切削元件312相對於縱向軸線311沿著輪廓330旋轉到從鑽頭體313伸出的單個刀翼314。地層區域360同樣具有邊界面361,所述邊界面基本為平面並關於縱向軸線311成某一角度。在這種設置中，如果旋轉鑽頭沿著縱向軸線311鑽進，重複的切削元件312可有益地接觸地層區域360，這是因為在鑽進時重複的切削元件312B1的切削元件位置在旋轉鑽頭310的其它切削元件312之前起始接觸邊界面361。儘管不同鑽進性質的區域之間的過渡區邊界面的上述實施例通常被描述為關於鑽入所述區域的旋轉鑽頭的縱向軸線對稱，通過本發明實現所述優點的這種對稱不是必須的。尤其是，雖然重複的切削元件在基本上同時與邊界面接觸時可有效地剪切或分散所述接觸，但是，如果與邊界面的首次接觸順序發生，那麼重複的切削元件的優點還可出現。例如，依次接觸不同性質區域之間的邊界面的重複的切削元件可降低在給定切削元件位置出現的對單個切削元件的總體損害，因為這些損害可被分散到多於一個的其它切削元件上。此外，重複的切削元件與比其上區域更硬的地層區域之間的多於一個的接觸傾向於逐漸變慢地與其接觸，這可降低與硬質地層非接觸期間累積的切入深度，並相應地降低或分散對所述重複的切削元件的損害。當然，可考慮切削元件的周向位置，其它切削元件位置可設置為重複以便防止旋轉鑽頭310的任一切削元件(重複或不重複)的過度加載。本發明的另一方面，相對於地層變化的初始結合的預期位置，旋轉鑽頭可包括處於多於一個位置的重複的切削元件，其中與地層變化首次接觸的至少一個預期位置可大致同時出現，而首次接觸的至少另一個預期位置可大致依次出現。本發明的又一方面，旋轉鑽頭可構造為用於遇到地層變化。特別之間的邊界面。更一般的來說，根據本發明，至少一部分旋轉鑽頭的輪廓可構造為用於在設置在旋轉鑽頭上的多個切削元件與地下地層的期望邊界面之間產生首次接觸。此外，根據本發明，至少一部分旋轉鑽頭的輪廓可構造為用於在設置在旋轉鑽頭上的多個切削元件與地下地層的期望邊界面之間大致同時地產生首次接觸。例如，圖4A-2示出了具有輪廓330B的旋轉鑽頭310B，所述輪廓包括區域331B,其用於接觸地層區域360的邊界面361。因此，在使用期間，旋轉鑽頭310B鑽入地下地層，從而包括多個切削元件312的區域331B首次接觸邊界面361。進一步解釋，所述區域331B內的多個切削元件312可大致同時地接觸邊界面361。這種結構可分散與區域331B內的多個切削元件312B之間的邊界面361首次接觸相關的力。應當指出的是，區域331B內的多個切削元件312中的至少一些可設置在旋轉鑽頭310的不同刀翼上。當然，區域331B內所述多個切削元件312中的至少一些可設置在旋轉鑽頭310的一個刀翼上。此外，區域331B內的多個切削元件312中的一些可是重複的，或者可選擇地是，區域331B內多個切削元件中沒有一個是重複的。在另一示例中，圖4A-3示出了具有輪廓330C的旋轉鑽頭310C，所述輪廓包括區域331C，其用於接觸地層區域360的邊界面361。因此，在使用期間，旋轉鑽頭310C鑽入地下地層，以便區域331C內的多個切削元件312首次接觸邊界面361。區域331C內的多個切削元件可相對於地下地層360的邊界面361以結合圖4A-2所述的方式進行構造和定位。尤其是，區域331C內的多個切削元件312可大致同時地接觸邊界面361。這種結構可分散與區域331C內的多個切削元件312之間的邊界面361首次接觸相關的力。應當理解，雖然區域331B和331C(圖4A-2和4A-3);故描述為相應於部分地下地層360的大致平面形(在橫截面上)的邊界面361,但是本發明並不局限於此。另外，根據本發明，旋轉鑽頭的區域可具有多個切刺元件以便大致同時地接觸部分地下地層的弧形(在橫截面上)(如圓形、卵形、橢圓形、半球形、環繞形等)邊界面361。應當認識到，由於生產的限制或其他原因，用於與邊界面首次接觸的切削元件312的位置是可變化的。因此，切削元件312的實際位置(如在區域331B和331C內)可在所需位置的約土0.051釐米的範圍內(即基本上為平面或沿著弧形輪廓)。因此，根據本發明切削元件312可大致設置在用於初始結合地層的位置。本發明的旋轉鑽頭對於鑽入具有不同區域或性質的地下地層是有益的。例如，圖4B示出了在地層372內鑽出井眼370的旋轉鑽頭310的示意性側視圖。地層372包括區域374、區域360、區域376,其中區域374和區域360沿著邊界面361彼此相鄰，而區域360和區域376沿著邊界面375彼此相鄰。旋轉鑽頭310可被配置成以具有不同徑向位置的重複的切削元件結合每一邊界面361和375。為此，圖4C示出了旋轉鑽頭310的局部側視剖視圖，其中每一切削元件312相對於縱向軸線311沿著輪廓330旋轉到單個刀翼314。重複的切削元件312B1對於鑽入區域374與區域360之間的邊界面361是有益的，而重複的切削元件312B2對於鑽入區域360與區域376之間的邊界面375是有益的。可選擇地是，旋轉鑽頭310的至少一部分輪廓(未示出)按照上述的方式進行構造(如相對於圖4A-2和4A-3)，其中所述輪廓包括具有多個切削元件的區域，所述切削元件用於大致同時地接觸地層區域360的邊界面361。如上所述，由於邊界面361不關於縱向軸線311對稱，因此重複的切削元件312B1(或者結合圖4A-2和4A-3所述的具有多個切削元件的區域)與邊界面361所產生的首次接觸可大致依次產生，而重複的切削元件312B2與邊界面375的首次接觸可大致同時產生，所述邊界面375關於縱向軸線311大致對稱。當然，多種選擇是可能的，其僅由旋轉鑽頭的鑽進輪廓幾何形狀和鑽進的方向、以及與之相交的邊界面的幾何形狀所限制。現在回到本發明的旋轉鑽頭310的設計方面，地層372的區域374，360和376的存在和鑽進特徵在鑽入所述區域之前是已知的，在這種情況下，根據所述區域的排列方向和鑽進的預期方向，旋轉鑽頭310可專門設計為在與所述區域初始結合位置包括重複的切削元件312B1和312B2。可選擇地是，根據所選輪廓區域的排列方向和鑽進其中的預期方向，旋轉鑽頭可專門設計為在所述選擇輪廓區域內(如圖4A-2和4A-3所示)在與邊界面初始結合位置包括切削元件312。尤其是，地層372的不同區域374，360和376之間的邊界面361和375可通過測井、地震測量或其它本領域公知的方式進行確定。此外，可對預期的鑽進軌跡(未示出)進行選擇以便鑽入並鑽穿地層372的不同區域374，360和376之間的邊界面361和375。分析關於地層372的不同區域374，360和376之間的邊界面361和375的所述預期鑽進軌跡(未示出)可顯示出至少一個切削元件位置，所述鑽進軌跡還進一步與所選擇的切削元件輪廓330相關，所述切削元件的位置在其它切削元件312之前接觸邊界面361和373中的至少一個。因此，根據所選擇的鑽進結構內的預測或假設邊界面，重複的切削元件312B1或312B2或其它重複的切削元件可通過設計i殳置在所顯示的切削元件位置。可選擇地是，設置在旋轉鑽頭310的至少部分輪廓(未示出)上的多個切削元件按照上述方式(例如結合圖4A-2和4A-3)進行構造，以用於大致同時地接觸地層區域360的邊界面361。當然，切削元件輪廓和各個切削元件位置可在設計步驟期間按照需要進行修改。一種類似的設計步驟還可用於設計旋轉鑽頭，如上所述，所述旋轉鑽頭用於鑽穿套管鞋、與其相關的水泥，並鑽入地下地層，這些並沒有限制。可選擇地是，本發明的另一方面，本發明的旋轉鑽頭可定向地鑽入具有不同區域(其具有不同的方向)的地層，以便使地層變化或邊界面與重複的切削元件接觸。理想地是，減少或至少限制旋轉鑽頭所包含的重複切削元件。限制旋轉鑽頭上的切削元件的重複度的一個原因只是考慮與刀翼數量、刀翼之間的間距以及旋轉鑽頭的尺寸相關的空間。限制重複的切削元件的其它原因可為重複的切削元件可降低鑽進效率或降低鑽進強度。因此，本發明提供一種在地下地層中鑽進的方法，所述方法包括改變鑽進方向以便結合地層區域之間的邊界面，從而產生與重複的切削元件的初始結合或接觸。這種鑽進的方法可減少所述重複的切削元件，所述重複的切削元件對有效地鑽入具有不同區域的地層是必需的。尤其是，圖5A-5C示出了本發明的旋轉鑽頭510，所述旋轉鑽頭正在鑽入地層500，並且當其逐漸穿過區域502，504和506時在所述地層內形成井眼512。區域502和504沿著邊界面503彼此相鄰，而區域504和506沿著邊界面505彼此相鄰。旋轉鑽頭510可包括切削元件212和重複的切削元件212B，所述重複的切削元件按照上述的方式相對於旋轉鑽頭210進行設置和構造，如圖2B和2C所示，以便如果在與邊界面接觸時旋轉鑽頭510的縱向軸線511(鑽進軸線)大致垂直於邊界面，重複的切削元件212B可初始結合邊界面503和505。可選擇地是，設置在旋轉鑽頭510的至少部分輪廓(未示出)上的多個切削元件212可按照上述的方式進行構造(如結合圖4A-2和4A-3)以便大致同時地接觸地層區域360的邊界面361。因此，結合圖5B,從中可以看出，旋轉鑽頭510的縱向軸線511的方位可在鑽井眼512期間改變或變化，以便旋轉鑽頭上的重複的切削元件212B初始結合邊界面503。此外，如圖5C所示，旋轉鑽頭510的鑽進方向或縱向軸線511的方位可在鑽井眼512期間改變或變化，以便旋轉鑽頭上的重複的切削元件212B初始結合邊界面505。旋轉鑽頭510的方位或鑽進方向的改變可通過本領域所公知的定向鑽進方法和裝置來完成。這種鑽進方法對於在鑽穿地層500的區域502,504和506之間的邊界面期間保護旋轉鑽頭510上的切削元件212是有益的，同時還有助於增強地層500的區域502，504和506內鑽進性能。參看圖5A-5C，為了選擇性地定向鑽進的方向，必須至少部分地確定邊界面503和505的走向、位置或者走向和位置。具有多種方法來至少部分地確定邊界面503和505的走向、位置或者走向和位置。例如，在本領域眾所周知，通過在鑽穿地層區域的另一井眼中進行測井、通過地震測量、通過隨鑽測量，或者通過上述技術的結合，可至少部分地確定邊界面503和505。在利用鑽頭510進行鑽進操作期間可考慮這些系統的確定，並且可相應地改變鑽進的方向(縱向軸線511的方位)。本發明的另一方面，本發明的重複的切削元件可構造成用於維持或保持區域的初始鑽進結合期間旋轉鑽頭的穩定特徵。一般來說，已經實踐了三種用於實現鑽進穩定的方法。第一、第二種穩定方法包括構造具有經選擇的側向不平衡力結構的旋轉鑽頭。尤其是，一種稱作反旋轉設計或高度不平衡的概念通常用於產生朝向與井壁滑動接合的保徑墊團或軸承墊團的定向淨側向力(即，所述淨側向力為由旋轉鑽頭上的每一切削元件所產生側向鑽進力之和)。此外，一種稱作低度不平衡設計的概念用於顯著降低(如果未消除)由切削元件產生的淨側向力，以便由每一切削元件產生的側向力大致互相抵消。在另一種穩定方法中，通過選擇性的將切削元件徑向間隔設置在旋轉鑽頭上，可在地層內形成溝槽。因此，所述溝槽或切口傾向於在鑽進期間機械地抑制旋轉鑽頭振動或晃動。當然，如果淨側向力的大小變得足夠大或者如果扭矩波動變得足夠大，溝槽或切口並不能有效的穩定旋轉鑽頭。應當指出的是，前述的穩定方法通常是關於鑽進均質物質或均質地下地層而發展和分析出的。不管所使用的穩定方法是什麼，通過本發明應當認識到，過渡到具有不同鑽進特徵的區域可不利地影響所使用的穩定方法。尤其是，當本發明旋轉鑽頭的選擇區域內的重複的切削元件比旋轉鑽頭上的其餘切削元件首先結合具有不同鑽進特徵的區域時，所述淨側向力和扭矩改變，這將有害地影響旋轉鑽頭的穩定特徵，所述旋轉鑽頭通常是依照對待鑽物質的均質性的假設而設計的。因此，根據本發明，一組重複的切削元件的淨側向力可以最小化或定向在給定的方向範圍內上。在一個實施例中，輪廓的選擇區域內的重複的切削元件的尺寸和結構適於產生各個側向力，所述側向力至少部分地相互抵消。換言之，輪廓的選擇區域內的至少兩個重複的切削元件的每一側向力的矢量和可小於每一側向力大小的數學總和。可選擇地是，輪廓的選擇區域內的重複的切削元件的尺寸和結構適於產生各個側向力，所述側向力相對於旋轉鑽頭上的其它切削元件所產生的淨側向力相對較小。同樣，對輪廓的區域內的重複的切削元件進行定位和構造以便在選擇方向範圍內或給定方向上產生淨側向不平衡的力。本領域熟知，旋轉鑽頭上切削元件的幾何形狀、後傾角、側傾角、暴露量、尺寸和位置可影響鑽進時所產生的力和扭矩。本領域還熟知，相對於所選擇的旋轉鑽頭設計和所要鑽的物質，可利用預測模型和模擬方法來估計或預算這種力和扭矩的數值或大小。因此，現在參看圖6A，其示出了本發明旋轉鑽頭(未示出)的局部頂部正視切削齒布置圖，重複的切削元件522，524和526的尺寸、位置和結構適於最小化或降低鑽進時產生的淨側向力、淨扭矩或二者的結合。特別是通過與鑽進構造的區域初始結合，如地下地層的不同區域或套管組件的不同區域。更為詳細地是，由相關的重複的切削元件522,524和526所產生的力分別被標識為側向(或徑向)力522L，524L和526L,而切向力分別;故標識為522T，524T和526T。當然，應當理解，所述切向和徑向力都會影響總的側向不平衡力，這在本領域是公知的。因此，重複的切削元件522，524和526的尺寸和結構適於4吏側向力522L，524L，526L，522T,524T和526T在彼此結合時基本相互抵消(藉助矢量和)。換言之，通過每一重複的切削元件522,524和526所產生力的矢量和，所述淨側向力具有較小的量值或基本上沒有量值。可選擇地是，重複的切削元件522，524和526的尺寸和結構適於產生各個力，所述各個力至少部分地相互抵消或具有與旋轉鑽頭上的其它切削元件所產生的淨側向力的大小相比較小的量值。尤其是，相對於在均質區域鑽進時所呈現的側向不平衡力的大小，在通過旋轉鑽頭結構的不同區域上的重複的切削元件522，524和526初始結合期間，旋轉鑽頭的總側向不平衡力的大小(當在均質地層區域內鑽進時)變化約低於20%。可選擇地是，重複的切削元件522,524和526的不平衡力的大小可受到限制。然而，如下所述，如果重複的切削元件522，524和526的淨不平衡力被定向在所需的方向上，優選保持由所述鑽頭顯示出的所選擇的不平衡力方向以便保持所述鑽頭的穩定性。本發明的另一方面，重複的切削元件522，524和526的不平衡力的總方向可在關於所述鑽頭在均質區域鑽進時顯示出的淨不平衡力方向的士70。的範圍內。這種結構對於保持鑽入具有不同區域的地下地層期間鑽頭所顯示出的不平衡力的所需方向是有益的。例如，如圖6A所示，淨側向不平衡力Ll可在鑽頭在均質地層鑽進時產生。此外，(重複的切削元件522，524和526的)淨不平衡力L2可在重複的切削元件522，524和526結合地下地層的兩個不同區域之間的邊界面時產生，並且L2具有Ll方向的士70。範圍內的方向，如參考線601和603所示。可選擇地是，切削元件522,524和526可以是不重複的並可設置在上述結構(如結合圖4A-2合4A-3)的旋轉鑽頭510的至少部分輪廓(未示出)上。進一步解釋，切削元件522,524和526可設置在不同徑向位置R，Rl，R2上，如圖6B所示。例如，切削元件522,524和526的尺寸和結構適於使側向力522L，524L，526L,522T，524T和526T在彼此結合時基本相互抵消(藉助矢量和)。換言之，通過側向力522L，524L，526L，522T，524T和526T的矢量和，所述淨側向力具有較小的量值或基本上沒有量值。可選擇地是，切削元件522，524和526的尺寸和結構適於產生各個側向力，所述各個側向力至少部分地相互抵消或具有與旋轉鑽頭上的其它切削元件所產生的淨側向力的大小相比較小的量值。尤其是，相對於在均質區域鑽進時所呈現的側向不平衡力的大小，在通過旋轉鑽頭結構的不同區域上的切削元件522，524和526初始結合期間，旋轉鑽頭的總側向不平衡力的大小變化低於約20%。另一方面，可選擇的是，如果重複的切削元件522，524和526的淨不平衡力定向在所需的方向上，優選保持所述鑽頭的所選擇的不平衡力以便保持所述鑽頭的穩定性。因此，才艮據本發明的另一方面，切削元件522，524和526不平衡力的總方向可在關於所述鑽頭在均質區域鑽進時顯示出的淨不平衡力方向的士70。的範圍內。這種結構對於保持鑽入不同的地下地層期間鑽頭的不平衡力的所需方向是有益的。例如，如圖6B所示，淨側向不平衡力Ll可在鑽頭鑽入均質地層時產生。此外，(切削元件522，524和526的)淨不平衡力L2可在切削元件522，524和526結合地下地層的兩個不同區域之間的邊界面時產生，並且L2具有Ll方向的±70。範圍內的方向，如參考線601和603所示。儘管通過附圖中的示例展示了專門的實施例並對其進行了詳細的描述，但是，本發明易於作各種變化、結合和替換形式。因此，應當理解，本發明並不局限於所公開的特定形式。相反，本發明包括落在本發明的精神和保護範圍內的所有變化、等同物、結合和替換物，本發明的保護範圍由所附的權利要求書進行限定。權利要求1.一種用於在地下地層中鑽進的鑽具，其包括縱向軸線；具有面的鑽具體，所述面包括一輪廓，所述輪廓具有設置在其上的多個切削元件；以及其中所述多個切削元件中的至少兩個是重複的並設置在鑽具與一預測邊界面首次接觸的預期位置，所述預測的邊界面限定在具有至少一個不同的鑽進特徵的地下地層的兩個區域之間。2.如權利要求l所述的鑽具，其特徵在於所述至少兩個重複的切削元件具有後傾角，該後傾角的角度大於鑽具上其餘多個切削元件中每一個的後傾角角度。3.如權利要求1或2所述的鑽具，其特徵在於還包括至少兩個其它的重複的切削元件，它們被定位以接觸鑽具與另一預測的邊界面首次接觸的另一預期位置；其中所述另一預測的邊界面限定在地下地層的兩個其它區域之間，所述地下地層具有至少一個不同的鑽進特徵；所述至少兩個其它重複的切削元件與所述至少兩個重複的切削元件具有不同的徑向位置。4.如權利要求1或2所述的鑽具，其特徵在於所述至少兩個重複的切削元件中的每一個的尺寸和構造適於產生一側向力，所述至少兩個重複的切削元件的每一側向力的矢量和小於所述至少兩個重複的切削元件的每一側向力的數學加和。5.如權利要求1或2所述的鑽具，其特徵在於所述至少兩個重複的切削元件中的每一個包括傾斜臺和斜面中的至少一個。6.如權利要求2-5中任一所述的鑽具，其特徵在於所述至少兩個重複的切削元件被定位成大致同時地接觸所述預測的邊界面。7.如權利要求l所述的鑽具，其特徵在於至少部分所述輪廓被構造用於在所述部分輪廓內的多個切削元件和地下地層的所述預測的邊界面之間產生首次接觸。8.如權利要求7所述的鑽具，其特徵在於至少部分所述輪廓上的所述多個切削元件被定位成大致同時地接觸所述預測的邊界面。9.如權利要求7或8所述的鑽具，其特徵在於至少部分所述輪廓內的所述多個切削元件中的每一切削元件具有後傾角，該後傾角的角度大於鑽具上的其餘多個切削元件中每一切削元件的後傾角的角度。10.如權利要求l所述的鑽具，其特徵在於所述多個切削元件中的至少一個切削元件包括聚晶金剛石複合片。11.一種使用鑽具的方法，包括提供鑽具，所述鑽具包括位於鑽具輪廓的一區域內的多個切削元件；預測限定在所要鑽的地下地層的兩個相鄰區域之間的邊界面，所述兩個相鄰的區域具有至少一個不同的鑽進特徵；確定一預期的鑽進軌跡，所述預期的鑽進軌跡被定方位，以便使所述多個切削元件位於在大體沿著所ii鑽進軌跡鑽進時與所述預測的邊界面首次接觸的鑽具的一預期位置上；使所述輪廓的所述區域內的多個切削元件定位在與所述預測的邊界面首次接觸的鑽具的一預期位置處；以及大體沿著所述預期鑽進軌跡的所述方位鑽入所述預測的邊界面。12.如權利要求ll所述的方法，其特徵在於提供鑽具包括提供具有至少兩個重複的切削元件的鑽具；確定預期的鑽進軌跡包括確定預期的鑽進軌跡的方位，以便使所述至少兩個重複的切削元件位於在大體沿著所述鑽進軌跡鑽進時與所述預測的邊界面首次接觸的鑽具的一預期位置上。13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於鑽入所述預測的邊界面包括使所述邊界面大致同時地接觸所述至少兩個重複的切削元件。14.如權利要求11所述的方法，其特徵在於鑽入所述預測的邊多個切削元件。15.如權利要求11-14中任一所述的方法，其特徵在於鑽入所述預測的邊界面使鑽具的側向不平衡力的大小變化約低於20%。16.如權利要求11-15中任一所述的方法，其特徵在於鑽入所述邊界面產生一與鑽具相關的淨側向力，所述淨側向力被定方位成其方向在當在均質地層中鑽進時所述鑽具的總不平衡力的方向的土70。範圍內。17.如權利要求11-16中任一所述的方法，其特徵在於鑽入所述預測的邊界面包括鑽入不同地下構造之間的邊界面。18.如權利要求11所述的方法，其特徵在於提供鑽具包括設計鑽具，其中設計鑽具包括選擇所述輪廓；選擇所要鑽的地下地層；選擇鑽穿地下地層的預期鑽進軌跡；以及將所述多個定位的切削元件設置在所述輪廓的所述區域內。19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於其中設置所述多個切削元件包括將兩個或更多個重複的切削元件設置在鑽具與所述預測的邊界面首次接觸的預期位置上。20.如權利要求18所述的方法，其特徵在於選擇切削元件輪廓包括構造至少部分輪廓以便在所述部分輪廓內的多個不重複的切削元件與地下地層的預測邊界面之間產生首次接觸。全文摘要一種鑽具包括至少兩個切削元件(212B)(例如重複的或在選擇的輪廓區域上)，所述切削元件具有某一尺寸、位置和結構，以便沿著預期的鑽進軌跡在其上的其它切削元件之前接觸或遇到地下地層(260)的至少一個鑽進特徵方面的變化(261)。還公開了一種設計鑽具的方法，包括將這種切削元件(212B)設置在相對於所預測的邊界面(261)的沿著預期的鑽進軌跡的切削元件輪廓內。公開了一種操作鑽具的方法，以便首次至少兩個切削元件接觸所鑽的地下地層的兩個不同區域之間的邊界面。設置在鑽具上的切削元件和本發明的方法用於在鑽進期間限制側向力或產生具有所需方向的側向力。文檔編號E21B10/42GK101160445SQ200680012478公開日2008年4月9日申請日期2006年2月22日優先權日2005年2月22日發明者J·T·奧爾德姆,L·A·西諾申請人:貝克休斯公司