不平衡力補償鑽頭的製作方法

2023-12-09 12:22:46 1

專利名稱：不平衡力補償鑽頭的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及在一種地層巖石中鑽孔用的鑽頭，更具體地說涉及用於烴類的勘探與生產的這類鑽頭。
在烴類的勘探與生產中，用旋轉鑽頭鑽鑿大地地下巖層的井眼。鑽頭使用者及製造商發現通過較準確控制鑽頭壓力(WOB)並增高轉速(RPM)，便可取得高鑽進速度。但是隨轉速的增高，由於鑽頭上的切削部件發生斷裂及甚至偶爾從鑽頭上劇烈破損，使鑽頭的有效壽命嚴重縮短。
已有許多研究工作探討切削部件的這種損壞的原因。本發明人等過去發現，一個相當部分的破壞力產生於徑向不平衡力，該力使鑽頭圍繞一個偏離鑽頭體幾何圓心的中心旋轉，以這樣的方式使鑽頭傾向於圍繞井眼中心向後迴轉。當鑽頭圍繞井眼中心向後迴轉時，這種迴轉使旋轉中心動態地變化。於是切削刃加速向側邊並向後的運動，並承受增大的衝擊載荷，從而損壞該切削刃。
進一步講，在每一個鑽頭上都有某種程度的切向不平衡鑽進力，這些力傾向於將鑽頭推向鑽孔側邊上。假如鑽頭有正常的切削刃結構，保徑齒排則設計成用以切削鑽孔邊緣。在切削過程中，在保徑區附近的各切削刃之間的有效摩擦增大，於是瞬時旋轉中心變為不同於鑽頭幾何圓心的某一點。發生這種情況時，一般的結果是鑽頭開始圍繞設計的鑽孔中心迴轉。由於鑽頭迅速加速所產生的離心力，不論鑽頭的定向如何，使鑽頭保徑區與鑽頭孔壁之間一定產生相當大的摩擦，故迴轉過程便本身自已再生。
已有人提出各種方法及設備，以便消除或減少這種不平衡力，包括利用動態平衡的下部鑽杆柱組合件並將切削刃重新校正以減少不平衡力。
本發明的目的是克服上述的缺點，以達到上述的要求。通過本發明，可檢測並測定鑽頭上存在的不平衡力。對鑽頭作出的改進其目的不不在於必須減少不平衡力，而不在於利用這些力。具體而言，現有的鑽頭或待完工中的鑽頭，都是用空間坐標系測量不平衡力。該些不平衡力分解以在鑽頭體上產生一個單一力的作用方向上的一個點或一個區域，該點或區域將永遠被移動向鑽孔壁。在這區域中不設置切削刃從而限定著一個相對平滑的支承區。當旋轉如此改進的鑽頭時，不平衡力將支承區推靠到鑽孔壁上，但由於支承區中沒有切削刃切入鑽孔壁以產生迴轉力，也就是說支承區永遠沿鑽孔壁滑動，故不產生迴轉現象。


圖1為實施本發明的鑽頭的透視圖。
圖2A，2B及2C示出其上帶有耐磨表面的各種實施例的鑽頭支承區的一部分的透視圖。
圖3A及3B為鑽頭的仰視圖，及在時間t(圖3A)與時間t+△(圖3B)時的合力。
圖4為坐標測量機及鑽頭透視圖。
圖5為未磨損PDC(多晶金鋼石組合物，下同)鑽頭切削表面的一個視圖。
圖6為與圖5相似的視圖，示出一個磨損的PDC鑽頭切削表面。
圖7為帶有選定切削麵尚未安裝的鑽頭的俯視圖。
圖8為實施本發明方法的一個較佳模式的流程圖。
圖9為刃角的PDC鑽頭切削麵示意圖。
圖10為PDC鉛頭切削麵的示意圖，示出後刃面角。
圖11所示為一個鑽頭的為鑽頭切削刃表面投影坐標圖。
圖12所示為切入巖層的切削刃的側視圖。
圖13所示為PDC鑽頭沿在圖12平面上垂直於13-13線的方向的視圖。
圖14所示為切入巖層的鑽頭切削麵示意圖。
圖15所示為鑽頭的仰視圖，該圖示出行將除去的切削刃以限定支承區。
圖16所示為無支承區鑽頭鑽入石灰巖層的轉矩及振動輸出相對於時間的曲線圖。
圖17為16中鑽頭鑽入白雲巖層的轉矩及振動輸出相對於時間的曲線圖。
圖18為在增大鑽頭壓力下圖16中的鑽頭鑽進石灰巖層的轉矩轉及振動輸出相對於時間的曲線圖。
圖19所示為使用圖16但除去某些切削刃以限定支承區的鑽頭的預測井底圖樣與實際測量圖樣比較的側視圖。
圖20所示為圖16中鑽頭在高轉速下鑽進石灰巖層的轉矩及振動輸出相對於時間的曲線圖。
圖21所示為在與圖20相同條件下圖16中的鑽頭但除去某些切削刃以限定支承區鑽進時，該鑽頭轉矩及振動輸出相對於時間的曲線圖。
圖22，23及24為本發明鑽頭與未改進鑽頭試驗結果比較的曲線圖，以證實鑽進速度有所提高。
本發明涉及不平衡力補償鑽頭及用原始材料製作或用現有鑽頭改制該類鑽頭的方法。該鑽頭有一個可與驅動源相互連接的鑽頭體。該鑽頭體在其一個側邊部分上至少有一個限定的支承區並至少有一個限定的切削區。有多個切削部件從至少一個切削區上伸出，布置在圍繞一個與鑽頭體幾何圓心相隔開的預定旋轉中心。該切削部件使該至少一個支承區被推向鑽孔壁。由於該至少一個支承區較為平滑，故可沿鑽孔壁上滑動，而不切入地底巖層而不致造成破壞性的迴轉。
本發明的鑽頭的設計與其後的製作方法可簡述如下。產生代表在鑽頭體上的與在安裝在其上的切削刃上的選定的表面點的空間坐標的一個陣列，該陣列是用以計算每一切削刃相對於鑽頭體縱軸線的位置，並確定鑽頭縱軸線所處的垂直參考平面。將確定每一切削刃表面的坐標繞鑽頭體縱軸線旋轉，並在參考平面上投影，從而限定一個投影的切削刃外形。在製作該鑽頭時，將預定數目的或全部切削刃安裝在鑽頭體上。按上述產生該鑽頭體的一個幾何模型。然後計算將在鑽頭體(在限定的鑽進參數下的)上發生的不平衡力。用這不平衡力與模型計算額外的一個或多個切削刃的位置，當將這個或這些切削刃安裝在鑽頭上的那個或那些計算位置上時，將導致不平衡力被指向該鑽頭上的該至少一個限定的支承區。於是將切削刃安裝在這樣計算出的位置上。並且，由於在開始設計時，該鑽頭已設計成有不平衡力，於是在鑽頭上安裝切削刃時，便可有所需要的不平衡力。在改制現有的鑽頭的情況下，則從這樣計算出的位置上除去切削刃以限定至少一個支承區，而該支承區則具有指向其本身的不平衡力。
下面的討論分為三個部分，即鑽頭本身，製造鑽頭的方法與鑽巖試驗結果。
如圖1所示，鑽頭10包括一個一般為圓柱形主體12並可為Stratapac，PDC，全鋼石鑽頭基體，錐形滾柱，或其他類似的鑽頭設計與構形。在圖1所示的實施例中，鑽頭體12包括一個螺紋銷杆14用以與旋轉驅動源相互連接，該驅動源如眾所周知可為諸如井底發動機或旋轉鑽杆柱等，在一個實施例中，多個切削刀刃件16從鑽頭體12上伸出，並包括以任何常規方法安裝在該鑽頭體上面的多個切削刃18。切削刀刃件16與切削刃18限定鑽頭體12上至少一個切削區。在鑽頭體12上提供以至少一個比較平滑的硬化襯墊區20，並可從鑽頭體上伸出，淨不平衡力則指向這個區。如圖2A，2B及2C所示，襯墊區20包括一個耐磨覆蓋層22、多個金鋼石鈕銷鑲件24或薄金鋼石粉墊片26。此外，襯墊區20以有足夠的表面面積為較好，使得當該襯墊區20壓在鑽孔壁上時，所施加的每平方英寸的力比地底巖的抗壓強度小很多。這種可取的要求是為避免襯墊區20切入鑽孔壁並將鑽孔壁破壞，而這種切入並破壞鑽孔壁的現象可造成不利的迴轉動作。
限定支承區的襯墊區20可以是圍繞側向力的中線等距布置的兩個或以上的襯墊。這種實施例之一可包含兩個從鑽頭體12的兩側邊稍微突出的比較平滑的部分，該兩部分則被側向力的中線等距分隔。限定支承區的襯墊區20可包含與切削區中的切削刃在尺寸、構形、切削深度和/或刃角上不同的切削刃。這些不同的切削刃可產生比切削區中的切削刃小的切削力，從而不同切削刃仍可考慮成比切削區而言較為平滑的區域。另一種可供選擇的實施例可包括一個或多個圓柱形輥或罩蓋滾球軸承，其一個滾動表面從鑽頭體12上伸出，使支承區更易滾過鑽孔壁。
支承區可按需要在鑽頭體上伸展一個長的或小的區域，以切削區中有足夠的切削刃與切削刃裝置以便有效切削巖石為其限制條件。此外，有需要時，支承區可在橫過鑽頭體側邊部分上伸展，並可向下伸展至鑽頭體的圓角表面部分上。
鑽頭體12可包括一個一般稱為「導向部分」的小直徑切削區從一個大直徑切削同心向外伸出。在小直徑切削區或大直徑切削區或兩者上可設置一個或多個支承區或襯墊20。以襯墊區20鄰近小直徑切削區較好，因為襯墊區20將會儘可能靠近鑽頭體12的中心，這樣便可減少傾向於使鑽頭在切削區上滾動因而導致發生迴轉的扭矩。
運轉時，襯墊區20按下列方式防止迴轉的發生。如圖3A所示，一個鑽頭體12在一個鑽孔28中旋轉。多個切削刃18間隔圍地繞鑽頭體12造成指向一個已除去切削刃的和/或用比較平滑支承區代替的區域的不平衡力。如3B所示在在時間t+△時，鑽頭體12已轉到的一個新位置。由於有襯墊區20，大大減少鑽頭體12切入鑽孔壁28中而造成迴轉的次數或甚至使鑽頭體12無法切入鑽孔壁28中以致避免造成迴轉，這是因為襯墊區20在鑽孔壁上滑動而沒有造成足以影響鑽頭旋轉中心的力所致。注意，合力箭到頭出發於同一點，即旋轉中心，而不是鑽頭的幾何中心。因此，鑽頭的旋轉中心在鑽孔圓心與支承區之間。
利用襯墊區20的優點在於對鑽頭磨損、巖層非均質性及運轉條件等相對地說不敏感。切削刃所產生的不平衡力隨磨損，巖層及運轉條件等的變化而變化;但是不平衡力的方向沒有明顯的變化。因此，這種安排形式在大多數鑽頭構形上可用以防止發生鑽頭迴轉。
鑽頭可設計成使之在襯墊區20的側鄰有較大的質量，從而使離心力推向襯墊區20上，甚至在鑽頭繞其軸線旋轉時，也是如此。另一優點為，在鑽頭鑽出超過規定尺寸的孔(孔的直徑大於鑽頭本身外徑)時，該旋轉的不平衡質量所產生的離心力將起穩定力的作用。諸如巖層的不均勻性質那樣的任意擾動可能傾向於抵銷將襯墊20推向鑽孔壁的不平衡力，那種擾動將受到一般鑽孔作業中產生的離心力的抑制。
本發明的方法，利用鑽頭上切削麵的幾何模型來計算作用在每一切削麵上的力。本發明的一個方面中，用一個模型製造一個鑽頭。這樣做時，在鑽頭上安裝大部分切削刃，生成鑽頭的幾何模型，並在給定鑽孔條件下，計算出作用在每一切削刃上的力。然後，以計算出的位置使作用在切削刃上的力的徑向分量減至最小的情況下，計算出待安裝的其餘切削刃的準確位置。於是將其餘的切削刃安裝在該計算出的位置上。
參看圖4，用總標號64表示示於鑽頭40附近的市售坐標測量機。坐標測量機包括一個指示器66，該指示器66固定安裝在滑臂68上。指示器60下端形成一個尖頭，指示器本身則相對固定於臂68上。
臂68安裝在一個可橫向滑動的支架70上。支架70包括平行杆71、73，支架70可沿該平行杆的軸線移動。一個儀表72指示支架70相對於豎立基板74的橫向位置。
支架70還可沿平行杆76、78垂直移動，以儀表80指示支架的高度。
平行杆82、84安裝在下固定基部86上。杆82、84支持豎立基板74，供該豎立基板沿杆82、84的軸線的滑動。一個儀表(未示)指示基板74在杆82、84上的相對位置。杆82、84在空間中的方向垂直於杆76、78及杆71、73的方向。同樣杆76、78及杆71、73中的每一條杆都與其他兩組杆中的每一條杆相互垂直。
儀表上的讀數表示杆的相對位置用以確定由指示器66的尖頭所佔據的空間中一個點的位置。於是指示器尖頭的位置可用軸X、Y和Z軸構成的三維坐標系統表示，以每個儀表表示該指示器66的尖頭沿一條軸線的相對位置。數字儀表88提供指示器66尖頭的X、Y和Z坐標的讀數，並在操作員指令後，將該坐標提供給一般市售的計算機(未示)的儲存器中。
鑽頭40安裝在轉臺90上，其角位置用手柄92控制。一個圖中未示出出的量角尺現示出轉臺的角位置，於是也現示出放置在轉臺上的鑽頭40的角位置，而該鑽頭的軸線與轉臺的軸線重合。
在實施本發明方法的本方式中，將指示器66放置在鑽頭表面的多個點上，將每一特定點的坐標存儲在計算機中。利用這些數據可構成鑽頭的計算機模型。在進行測量時，先取得圍繞鑽頭側邊的第一組測量數據，使得計算機有可用以確定鑽頭的縱向軸線的數據。再取得每一切削刃表面的周界的第二組測量數據。進行測量時，記錄轉臺90的角位置，將其與測量機64產生的關於在轉臺那特定角度上取得的全部測量的三個數值相配合。這樣便能使待取得的全部測量基本上垂直於每一測量點，從而提高測量過程的精度。
將鑽頭旋轉360℃後，測量圍繞鑽頭圓周的多個點並記錄之，並測量各切削刃上的每一切削麵。
參看圖5及6以說明這些測量的進行方法。每一切削刃面包括一個垂直軸線94，該軸線94基本上平行於切削刃面，並從其最高部延伸到最低部。又包括一水平軸線96，該軸線從切削刃面的最左部延伸到最右部，並平行於該切削刃面。用坐標測量機進行測量時，首先將圖4中的指示器66的尖頭放置在軸線94與切削刃面62周界的交點上，這樣確定了第一測量點98。第二測量點100位於軸線94與切削刃面62下緣的交點上。第三測量點102的位置在軸線96與切削刃面62外周界的左側交點上，而第四測量點104則位於軸線96與切削刃面62周界的右側交點上。
在圖5及6中切削刃面62中尖部分所示的數字與箭頭，表示在鑽頭的每一切削麵上所取得的前四個測量的順序，即先沿切削麵的垂直軸線，然後沿切削麵的水平軸線。當首先將指示器66的尖頭放置在點98上時，向計算機提供轉臺的坐標和角位置，至於其他四個測量點的每一個測量點也以同樣的方法進行。
圖6所示為鑽頭用以鑽孔後的切削麵62的視圖，因此，在其一側上包括一個因鑽孔時切削刃被推靠向巖層結構而產生的磨平面105。切削麵外周上發生這種不規則性時，如圖6所示為完全限定切削麵的外周界，需分別取得第五及第六測量點106及108。
當將每一測量數據輸入計算機後，都和一個表示進行測量的次序的數字相配合。在圖5中，在點98、100、102及104上的測量分別編號為1、2、3及4，在圖6中，在測量點106及108上的測量分別額外地編號為5及6。每一切削麵在轉臺的一個單一的角位置上測量，也加以記錄。除上述外，還記錄在相鄰測量間表示切削麵邊緣的一般形狀的測量值。假如一般為直線形則記錄為0，如形狀大致為圓弧則記錄為1。因此供給計算機儲存器一個數字以說明圖5中相鄰測量點間的一般形狀。
在圖6中，在第一與第四測量之間，第四與第二測量之間，第二與第三測量間，第三與第五測量之間，以及第六與第一測量之間被記錄的數值均為1，而在第五及第六測量被之間記錄的數值則為零以表示由磨損部分105所形成基本上為直線的邊緣。於是，每一個被記錄的測量點限定相對於鑽頭縱軸線而言具有固定角定向的切削麵周界。此外，還將相鄰點之間的連接性存儲在計算機的儲存器內。連接性只是表示相鄰測量之間的切削麵周界形狀。從下文將會完全了解，相鄰測量之間的連接性值是用來內插額外坐標，當連接性值為1時用圓內插法，為零時用線性內插法。
現參看圖7，該圖示出鑽頭40在製造過程中的中間過程。如可見到的那樣，除切削刃8外，各切削刃全安裝在鑽頭體41上。在鑽頭體41上製成一個孔114用以容納切削刃8的鈕銷。每一其他切削刃的鈕銷壓配合在鑽頭體的相關孔中。在鑽頭體上安裝切削刃8前，圍繞鑽頭體圓周的鑽頭體的尺寸與安裝在鑽頭體上的每一切削刃的切削尺寸如上所述都經記錄並輸入計算機儲存器內。於是，計算機中存有關於鑽頭體圓周(可藉以測定鑽頭的軸線42)與每一切削刃面(當然，尚未安裝的切削刃8除外)在空間中相對於鑽頭軸線的位置的數據。
現參看圖8，其中包括有關鑽頭製造的一個電腦程式流程圖。雖然整個流程圖有關鑽頭製造，但電腦程式的相當大的部分僅與生成鑽頭模型相關。從下文將可更完全了解，有關產生成鑽頭模型相關的程序的部分，從方框110的「定位鑽頭中心」開始，以方框112的「寫二維陣列中的測量坐標與內插坐標」結束。
為啟動程序，提供以有關待用該鑽頭鑽入的巖石強度、鑽頭轉速及鑽進速度即鑽孔的速度等的數據。此外還從計算機儲存器讀出鑽頭體坐標(那些圍繞鑽頭體圓周記錄的坐標數據)。
然後，用最小二乘方回歸法藉鑽頭體坐標求出軸線42的位置。完成此任務的子程序可由對本領域的普通技術人員寫出。
從上文可知，在鑽頭體上測量的每一個點的三維坐標的每個坐標是以坐標測量機作為對照，而不是以鑽頭體的縱軸線作為對照。在用以進行測量的坐標系中確定了鑽頭體縱軸線的位置後，可將坐標系變換，以將垂直軸或Z軸設定成與鑽頭的中心重合。其次，從計算機儲存器讀出產生那數據的一個特定切削刃數目和旋轉轉角的數據文件。其後，讀出例如標誌在該次序中進行測量的次序的一系列順序數值之一的測量數值連同與那特定測量數值相關的坐標。然後讀出相鄰測量之間的連接性，從上文可知，該連接特性確定相鄰測量之間的一般形狀，即為直線或大致為圓弧。
其後，計算每一切削刃面的測刃角。側刃角相對於軸線44，46所處的垂直參考平面確定。該平面通過鑽頭體的中心並將其分為兩等分。在實際的鑽頭旋轉過程中，將確定特定切削刃水平切削麵軸線如為圖5中的測量點102、104的各坐標圍繞鑽頭中心的圓周沿該坐標可能運動的路徑旋轉。當切削刃面的中心點與垂直參考平面相交時，水平軸線即軸線96與垂直參考平面的交角，限定側刃角。可以看到，定位於每一切削刃面的中心點的各坐標可容易地計算出來，因為該坐標由軸線94、96的交點確定，而該兩軸線的位置為已知。
按相似方式，在將確定水平及垂直軸線的坐標旋轉直到其交點與參考平面相交後，後刃角被限定成參考平面116與垂直軸線94的交角。也就是為計算側刃角與後刃角，須先將確定切削刃面的各坐標旋轉，直至軸線94、96的交點容納在垂直參考平面內。然後，測量水平軸線96與參考平面的交角(即側刃角)和垂直軸94與參考平面的交角(即後刃角)。應當理解到，如上所述能將各坐標旋轉並測量各刃角的子程序，可由本領域的普通技術人員輕易地寫出。
作為實例，圖9為鑽頭體的俯視圖，示出包含軸線42，46的垂直參考平面116。代表鑽頭40上的切削刃面之一的切削刃面62已被旋轉，直至其中點與平面116相交，如圖所示。可以看到，因表面62與鑽頭體縱軸線42平行，故後刃角為零度。因此，圖9所示之角為側刃角。
圖10為從鑽頭側面的切削刃面的視圖。切削刃面62已被旋轉，直至其中點與平面116相交。圖10中之刃面62的側刃角為零度，因為該表面與軸線42平行，故所示角為後刃角。
應當理解到，在多數情況下，切削刃面包括稍小的後刃角與側刃角。圖9與10之視圖，其目的是為說明測量後刃角與側刃角的方法。
再參看圖8之流程圖，計算特定切削刃面的側刃角與後刃角後，該程序在切削刃面的圓周上選擇一個測量點，並檢查該點與順時針方向上的下一個測量點之間的連接性。如連接性為零，則在相鄰坐標間進行直線性內插法以便沿相鄰測量點之間的一直線確定一系列坐標。程序繼續依順時針方向向下一測量點進行，檢查相鄰點之間的連接性;如為1，則在相鄰點之間進行圓弧內插法以產生一系列坐標。程序繼續依順時針方向的方式繞切削刃面進行，直至確定切削刃面周界的相鄰測量點間通過內插法產生多個坐標。繼續進行回線118，直至如上限定的切削刃面周界的全部測量點之間的各坐標都已被內插過。緊接著程序將測得的和內插的坐標投影到參考平面116上。於是在投影的切削刃面外形中的每一坐標可用兩個號碼標誌，再將確定切削刃面周界的測得坐標與內插坐標存儲在二維陣列中。作為實例，請注意圖11，該圖為圖7中鑽頭40的每一切削刃面在參考平面116上的投影坐標圖。以垂直軸線對應於鑽頭體軸線42，切削刃面外形周界中的每一坐標可用沿徑向軸線上的距離與徑向軸線上的距離標誌。例如，在水平軸上，鑽頭體的中心為零，由於本例中的鑽頭40為8.5英寸鑽頭，故在鑽頭體的圓周到零點的距離為4.25英寸。
用「全部切削刃」作標題的圖11中的外形包括一個上部外形說明每一切削刃面如何呈現投影在參考平面上。為了更清楚地識別在三個螺旋形之一螺旋形中的各切削刃面，在全部切削刃投影之下，示出每一螺旋在參考平面上的一個投影。在第一號螺旋形中可見到，沒有切削刃8的投影，因為尚未將該切削刃8安裝上去。
再注意圖8之流程圖，如上所述，將切削刃1-7和9-36的每一切削刃面表達在二維陣列中後，程序進入到方框119，並著手進行對作用在每一切削刃上的力的計算步驟。現考慮圖12及13，一般講，可將作用在鑽頭上一個個別切削刃上的力確定為法向力或鑽進力，圖12及13中將之標為Fn，而切削力在圖12中則表示為Fc。法向力是使切削刃鑽入巖石所要求的力，用以下公式求出·Fn＝ (Cos(α-EBR))/(1-Sin(α-EBR)) ·dw·Bf·RS.dce·C1+Aw·RS·C2在上列公式中，α為在圖7中所示的切削刃與X軸線的夾角，該X軸線起任意參考軸線的作用，該參考軸線與軸線46平行，並與軸線46一樣，同處於平面116中。EBR為有效後刃角的英文簡寫，是實際後刃角與實際側刃角的函數，兩者前面已討論過，是Fn作用所處的角度。
參看圖14，該圖示意地說明切削麵62切入巖層的情況。雖然未示於圖14中，鑽頭體上的大多數其他切削麵都以不同程序切入巖層120內。可將有效後刃角(EBR)設想為切削刃切削麵62與切削平面122之間的夾角。切削平面122平行於切削麵上的點124及126之間形成的軸線並垂直於Fn。點124及126都是巖層表面120與切削麵62相交的點。也就是說，面62上的陰影部分限定切削麵62在巖石層120中造成的切入部分的剖面。
還可使平面122定向在使與該平面122垂直的軸線128通過被鑽進的鑽孔的縱軸線。當然，在鑽孔時，如鑽頭無晃動，則鑽孔縱軸線與鑽頭軸線重合。
綜上所述如圖14所示的有效後刃角為切削麵62與切削平面122之間的夾角。當實際側刃角與後刃角已知時及當切削平面122的位置已知時，便可計算有效後刃角，由上文可知該實際側刃角與後刃角則可用程序計算出來。切削平面122的位置決定於切削深度，切削深度又決定於鑽進速度與鑽頭轉速。從上文可知，可將這些數值作為表示鑽孔條件的預選參數輸入程序中，而該鑽頭則將在該鑽孔條件下使用。
Bf是鑽頭係數，是在約0.75至約1.22間範圍內變化的變數，在實施本發明的本方式中該鑽頭係數被選定作為說明對給定的一鑽頭的計算機模式模擬的鑽頭磨損與實際情況下實際的鑽頭磨損之間存在細微差異。鑽頭係數Bf說明一特定鑽頭的未曾解釋過的作用。這係數的值大於1.0時，表示鑽進速度低於預期的速度，而小於1.0則表示鑽進速度大於預期的速度。對於本技術領域的普通技術人員來說，可憑經驗測定選定鑽頭的Bf值。
切削刃切口寬度以dw表示。在實施本發明的本方式中，計算機模型產生橫越每一切削刃面上的相互的平行的垂直線的柵格，而dw等於相鄰線間的寬度。然後，對每一柵格計算該公式以產生切削刃的總力。
有效切削深度標為dce，其C1為無量綱常數，在實施本發明本的本方式中等於1，100。測定C1的方法將在下文中敘述，dce可略偏離實際切削深度。選定dce值的方法對本領域的普通技術人員而言是已知的。
現考慮求F值公式的第二項，Aw為磨平區域，RS也是與巖層強度有關的常數，C2為等於2，150的常數。
求Fn公式中的第一分量等於對一個選定的切削深度與寬度來說所需要的為防止切削刃面滑出切口的向下的力的大小。Fn公式中的第二分量包括在其上面形成有磨平區Aw的鈍切削刃的一個因數。這法向力部分是所要求的壓迫在鈍切削刃下巖石的力以使該鈍切削刃鑽入巖石中。C1及C2可通過實驗測定，首先用一新鑽頭，於是便設定Aw為零，從而使整個第二項為零。可施加已知的法向力，當每一其他因數已知時，便可計算C1。然後，將C1值代入公式，在實施本發明本的本方式中C1為1，100，使用鑽頭直至出現磨平區。然後，測量磨平區，代入公式，求出C2的值，在實施本發明的本方式中該值等於2，150。
在圖12中Fc為切向切削刃力，該力是在法向力使鑽頭鑽入巖層後使切削刃沿切口前進所要求的力。圖7中也示出表示Fc的方向的箭頭。切向切削刃力決定於切削刃與巖石間的滑動摩擦，還決定於破碎巖石所要求的力。下列公式可用於計算切向切削刃力Fc＝ (Sin(α-BR))/(1-Sin(α-BR)) ·C3·RS·dw+C4·FN切向切削刃力公式的第一項為切削力，即破碎巖石所要求的力，第二項為承受在切削刃磨平面上的非生產性摩擦力。公式中的變數與以上所述相同，此外，dw為平均切削深度。在實施本發明的本方式中，無量綱常數C3及C4分別等於3，000及0.3。
通過在鑽頭上施加兩已知切向力下進行鑽鑿便可決定C3和C4的經驗值，其作法為在各值切向力下將全部已知變數代切向力公式中，解該方程式，以求C3及C4。
在本實例中，即圖7中所示的鑽頭40，計算如圖12示出的每一切削刃的切向力及法向力的數值。如上文已注意到的那樣，切口深度為鑽進速度與鑽頭轉速的函數，此兩數值都作為預選數值提供給計算機。由於鑽頭切削刃可在與垂直方向傾斜成β角的表面上進行切削，如圖14所示，故法向力可分解成垂直與徑向分力，而切向力可分解為徑向分力與圍繞鑽頭中心的力矩。法向力的徑向分力在圖14中標為Fr，等於Fn·Sin(β)。
作用於在垂直於鑽頭旋轉軸線的平面中的鑽頭上的法向力與切線力的分力，可分解成作用於在垂直平面中的鑽頭中心的一個單一的力和一個單一的力耦。該力耦是使鑽頭旋轉新需的轉矩而這力則為不平衡力，也就是說傾向於將鑽頭推靠向孔壁的力。
計算不平衡力的大小和方向時，將切削刃力分解成參照圖7中的X和Y方向的分力是有益的。如上所述，這些軸線為任意選取的軸線，但相對於鑽頭上的某一特定識別特點是固定的。在這些方向上垂直鑽進力F沒有分力。法向力(F)的徑向鑽進力(F)，可用下列公式分解為X及Y方向上的分力Fx-r＝Fr÷cos(α)Fy-r＝Fr÷sin(α)由於每一切削刃而言，切向力作用於垂直徑向力，故可用下列公式分解為X及Y方向上的分力Fx-c＝Fc÷cos(α-90°)Fy-c＝Fc÷sin(α-90°)應當理解到，在每一切削刃上，F沒有徑向分力，但是，當將每一切削刃的F值分解為圖7中X及Y軸方向上的分力並對那些矢量求和時，便可有切向力的總徑向分力。於是可按下式對各獨立切削刃的分力求和，便可求得不平衡力的總的X和Y分力Fxt＝Fx-r+Fx-cFyt＝Fx-r+Fy-c求和之後，便可用下式表示徑向不平衡力的大小Fi=F2x t+F2yt]]>再參照圖8中的流程圖，可以看到，在方框130所標示的步驟是通過將垂直於鑽頭軸線的平面中的切削力按上所述分解成一個單一的不平衡力。按相同的方法，可計算傾向於將鑽頭傾側在一個平行於中心軸線的平面中的力矩。
流程圖的最後步驟稱之為「計算切削刃位置」。在本實例中，有待安裝在鑽頭上的僅有一個切削刃8。可用一種迭代法計算將不平衡力指向支承區的切削刃8的位置。首先，可以看到，可將切削刃徑向放置在圍繞切削刃鈕銷的縱軸線處的孔114中，此外，可將該鈕銷的裝配在從完全埋入即將鈕銷放入孔中抵靠孔114的下端處的位置到高出該下端的某個位置處的不同深度上變化。開始時，在預選範圍內，將該切削麵的任意一個後刃角、側刃角與垂直位置設定到切削刃8上，並以切削刃8在設定的位置上的情況下，將製作鑽頭模型與計算切削的力的程序再運行。然後在傾向於增大不平衡力並正確指定不平衡力的方向上改變切削刃8的刃面的位置，不斷重複該程序的再運行。該程序最後產生一組識別切削刃8切削麵的一個位置的坐標。然後，小心安裝切削刃以將其切削麵放置在計算出的位置上。
下列表1列出配置切削刃後產生的輸出。計算值包括切削量(每一次周轉中移除的量)和每一切削刃的速度。該表之下方示出給定的轉速與鑽進速度。磨平區是在鑽鑿5小時後按已知方法計算出的。不平衡百分數是用鑽頭壓力百分率表示的不平衡力，鑽頭壓力是各切削刃的Fyt的總和。
注各方程式中均改用矢量計表式計算。
奧斯曼方程式阿莫科方程式
式中
s＝在襯墊區上的合力矢量
i＝在刀刃件i上的切削力矢量
n＝在刀刃件i的推力矢量β＝切削麵傾斜角n＝刀刃件數利用在附圖中所示的實例鑽頭外形，應用奧斯曼等人的力計算公式與本申請人等公開的計算公式設計兩種鑽頭。如在附屬的計算機輸出所示，奧斯曼等人僅利用兩個分力，而本申請人等則利用四個分力，從而使製成的鑽頭的支承區相距約180°。
應當理解到，本發明的方法不限於僅將切削刃在一個預鑽的孔眼中定位。在預定數目的切削刃被安裝後，該程序可用來選擇在鑽頭體上一個或多個切削刃孔眼位置，而該程序可運行以確定不平衡力。一種與上文所述相似的迭代法可用以將兩個或多個其餘切削刃定位，無論是否在如本實例預鑽的孔眼內，或該程序可用以決定待鑽鑿的孔眼的位置。
此外，該程序不一定局限於定位那種具有接納在鑽頭體上的孔眼且從中延伸的鈕銷類型的切削刃。同一程序可用以定位採用銅焊或其他已知技術直接固定在鑽頭體上的切削刃。
可以看到，該程序容許鑽頭的製造以其初始切削刃組的安裝帶有較大的關於切削刃面的位置的總製造公差。然後，在決定正確支配不平衡力的平衡切削刃的位置時，應非常小心地處理安裝最後的切削刃的位置，以取得所需要的結果。因此，本發明的方法可在有相當大的總公差的情況下，能夠實現大多數的切削刃的安裝，從而可在製造過程中節省時間和降低成本。此外，該程序還可產生安裝最後的切削刃的位置，該位置如終如一地正確支配這樣製造的鑽頭中的不平衡力始。因此，這樣製造的鑽頭的正常品質大為超過用先有技術方法製造的鑽頭的正常品質。
此外，本發明可便利地用以改進現有的鑽頭，使之在適當位置上能包括限定的支承區。這種改進可通過如上所述的測定不平衡力的方向實現，然後消除不平衡力所指向的區域中的切削刃。被除去的切削刃可用組裝襯墊、多個鈕銷或襯墊取代。為保證不平衡力的大小合格並指向正確位置，便需要進行多次迭代步驟。這種迭代步驟可包括切削刃的更替、移除及重行安排，以取得所需要的結果。
選用一種市售的PDC鑽頭，因其設計非常不平衡，鑽孔能力極差。為肯定這種低性能無代表性，用了同廠、同型號的及同尺寸的三個鑽頭進行試驗，全部性能都相似。低性能的主因是鑽頭迴轉，使鑽頭鑽出葉形的井底圖樣。為測試本發明的方法，將選用的PDC鑽頭之一修改成為含有低摩擦支承區。改成的鑽頭適合用以測試低摩擦規格概念，但並非最佳設計。
圖15示出鑽頭切削刃的布局並示出計算出的約為2100磅的不平衡力的方向。這不平衡力的大小與方向用上面已詳述的計算機的PDC鑽頭模型程序計算。為限定支承區，如所示在鑽頭邊側除去切削刃以形成比較光滑的滑動表面以取代切削麵。雖然支承區被稱為低摩擦，但這鑽頭的具體幾何形狀仍有相當高的摩擦。
為評價移除切削刃的優點，在除去切削刃前，首先檢查PDC鑽頭的性能非常有利。井底的圖樣表明有迴轉。圖16及17示出鑽頭在120轉/分下鑽入石灰巖及白雲巖時，發生振動的典型曲線圖。圖18更示出PDC鑽頭在120轉/分和鑽頭壓力為1800磅下發生迴轉。
將選定的切削刃除去以限定位於不平衡力所指向的支承區後，在與以往除去切削刃前相同的試驗條件下，又用該鑽頭再鑽入石灰巖及白動巖。在石灰巖及白雲巖中的試驗，井底圖樣極為平整。在石灰巖鑽井完全合乎孔徑規格，在白雲巖中孔徑僅超出規格1/16英寸。圖19示出根據上面詳述的電腦程式預測的井底圖樣與在石灰巖中測得的井底圖樣的比較。預測與實際結果間十分相符表明鑽頭已被加載成如模型所預測且應能提供極長的耐磨壽命。
相同的PDC鑽頭在除去切削刃前在渦輪機驅動的高轉速下試驗。在石灰巖試驗中顯示井底圖樣有非常確定的迴轉圖樣而圖20示出在這些試驗中記錄得的振動數據。圖21示出除去切削刃後的鑽頭振動數據大為降低。此外，鑽孔的僅超出規格尺寸1/8英寸，並絕對沒有迴轉圖樣的跡象。
在「低摩擦」表面上的切削刃處設置的圓角碳化物耐磨圓鈕狀物將巖粉犁起。在白雲巖試驗中(軟巖石)累積的巖粉多於石灰巖試驗中的巖粉。僅在除去切削刃的區域中的圓角鈕狀物上才可看到有巖粉的事實，進一步表明為提供低摩擦支承區而除去切削刃所選擇的鑽頭上的位置是正確的。
使用PDC鑽頭時，對在除去切削刃以前及以後所取得的鑽進速度都不易進行量化，因為不能用在原始狀態下的鑽頭進行正常的性能試驗，這是由於高振動所至。圖22示在形成低摩擦支承區之前和之後，鑽頭轉速為120轉/分時，鑽進速度大體相同，但在第一試驗中(不除去切削刃)，42個切削刃中有23個有缺口。這些有缺口的切削刃在以後的試驗中造成鑽進速度下降。圖23示出兩個在石灰巖中的試驗，表明在低摩擦支承區形成前，鑽進速度可能略高，但原始試驗在切削刃在白雲巖中形成缺口以前進行。通過在這些試驗，低摩擦支承區可能沒有大大提高鑽進速度，但肯定沒有損害該速度。
圖24示出鑽頭形成低摩擦支承區後以1050轉/分轉速取得的鑽進速度與支承區形成前以60轉/分轉速取得的鑽進速度的比較。開始時，由於高振動而將轉速限制於60轉/分轉速下運行。事實上，在1050轉/分的振動小於鑽頭改進前在60轉/分的振動。用粗略改進的鑽頭取得的高鑽進速度與低振動的結合，顯示本發明構思作為一種提供合格的高速而沒有出現破壞性的迴轉的鑽頭的措施的巨大潛力。
本發明已參照附圖敘述如上，應當理解到，除已經本文說明或建議者外，還可作其他的改進，然而仍屬本發明的範圍與精神。
表1(續2)轉速＝120，轉/分鑽進速度＝30，英尺/小時旋轉時間＝5，小時不平衡力＝1056，磅不平衡百分率＝7，鑽頭壓力的%不平衡力角＝71，度徑向不平衡力＝249，磅切向不平衡力＝1156，磅鑽頭壓力＝14576，磅鑽頭轉矩＝2247，英尺-磅總磨平區域＝0.643英寸
權利要求
1.一種用以鑽鑿地層巖石鑽孔的鑽頭，其特徵在於包括一個可與一旋轉動力源相互連接的鑽頭體，該鑽頭體至少有一個尺寸不足的支承區及至少一個固定的切削區；多個切削部件，從至少一個固定切削區中伸展，安排在圍繞偏離鑽頭體幾何圓心的該鑽頭的預定旋轉中心；該至少一個尺寸不足的支承區位於鑽頭體一個側邊部分上切削部件的切削力總和與施加在鑽頭體上垂直於鑽頭體縱軸線方向上的推力的合力作用處。
2.如權利要求1所述之鑽頭，其特徵在於其中該旋轉中心在鑽孔中心與至少一個支承區之間的間隔位置處，而該鑽頭體包括一個與該至少一個支承區相鄰的配重，以使該鑽頭與鑽孔壁的一個表面接觸。
3.一種用以鑽鑿地層巖石的鑽孔鑽頭，其特徵在於包括一個可與旋轉動力源相互連接的鑽頭體，該鑽頭體至少有一個在其一個側部上的支承區和至少一個切削區;多個切削部件從至少一個切削區伸展;該至少一個支承區位於切削部件的切削力總和與施加在鑽頭體上垂直於鑽頭體縱軸線的方向上的推力的合力作用處。
4.如權利要求3所述之鑽頭，其特徵在於其中至少一個支承區伸展在橫越鑽頭體一個刃面部分的一部分上。
5.如權利要求3所述之鑽頭，其特徵在於其中至少一個支承區有足夠的表面面積，使得作用在其上面的切削力小於巖石的抗壓強度。
6.如權利要求3的所述之鑽頭，其特徵在於其中至少一個支承區包含一個基本上平滑的硬化表面。
7.如權利要求3所述之鑽頭，其特徵在於其中該支承區包括多個耐磨部件。
8.製造在鑽頭體一個側邊上有一個支承區和帶有多個安裝在該鑽頭體上的切削刃的一個切削區的一種類型鑽頭的方法，其特徵在於該方法包括如下步驟在鑽頭體上的切削範圍內安裝預定數目的切削刃;產生鑽頭體與安裝在其上面的切削刃的一個幾何模型;計算在限定的鑽進參數下可能在該鑽頭體上出現的不平衡力;用不平衡力與模型計算至少一個額外切削刃的位置，當在鑽頭體的切削區中的該計算出的位置上安裝該額外的切削刃時，將造成一個指向該支承區的一個淨不平衡力;在該鑽頭體的切削區中經這樣計算的位置上安裝一個額外的切削刃。
9.如權利要求8所述之方法，其特徵在於產生鑽頭體與安裝在其上面的切削刃的幾何模型的步驟，包括確定該鑽頭體及安裝在其上面的各切削刃上的多個點的空間坐標的步驟。
10.如權利要求9所述之方法，其特徵在於該方法還包括用該空間坐標計算安裝在該鑽頭體上的各切削刃的切削麵的刃角的步驟。
11.如權利要求10所述之方法，其特徵在於該方法還包括通過在該切削刃上決定的空間坐標間進行內插運算而產生各切削麵的補充空間坐標的步驟。
12.如權利要求8所述之方法，其特徵在於其中每一該切削刃有一個切削麵，且對一預先選定的鑽頭轉速、鑽進速度及巖石強度計算將在該鑽頭體中出現的不平衡力的步驟中還包括如下步驟計算切削刃上切削麵的相對位置;計算在預定的鑽頭轉速、鑽進速度與巖不強度下作用在各切削刃上的力;對作用在各切削刃上的徑向力求和，以決定不平衡力的大小。
13.製造在鑽頭體一個側邊上有一個支承區和帶有多個安裝在該鑽頭體上的切削刃的一個切削區的一種類型鑽頭的方法，其特徵在於包括如下步驟在鑽頭體上的切削區中安裝預定數目的切削刃，每一切削刃限定一個切削麵;確定包括該鑽頭體的一個三給坐標系;確定在該鑽頭體及安裝在其上的各切削刃上的多個點的坐標;將這樣確定的坐標存儲在儲存器中;用存儲的坐標計算各切削麵相對於鑽頭體縱軸線的位置;以各切削麵位置的計算為基礎計算作用在安裝在該鑽頭體上的各切削刃上的力，以確定鑽進參數;將切削刃的各徑向分力分解成其和為一個單一的徑向不平衡力;利用不平衡力計算至少一個額外切削麵的坐標，這切削刃如存在便可能造成指向支承區的淨不平衡力;在鑽頭上安裝該額外的切削刃，其安裝位置使其切削麵處在這樣計算出的坐標上。
14.製造在鑽頭體一個側邊上有至少一個支承區和帶有多個安裝在鑽頭體上的切削刃的切削區的一種類型鑽頭的方法，其特徵在於包括如下步驟形成代表具有多個安裝在其上面的切削刃的鑽頭體上的選定表面點的空間坐標陣列;利用該陣列計算各切削麵相對於鑽頭體縱軸線的位置;預定代表鑽頭待使用的條件的選定鑽進參數的數值;利用切削麵位置及預選數值計算作用在安裝在該鑽頭體上的各切削刃上的力;將如此計算出的各徑向分力分解成其和為一個單一的徑向不平衡力;在鑽頭體上定位該徑向不平衡力所指向的一個區域;從該區中除去切削刃以限定鑽頭體上的至少一個支承區。
15.如權利要求14所述之方法，其特徵在於其中利用切削麵位置及預選數值計算作用在安裝在該鑽頭體上的各切削刃上的力的步驟包括如下步驟計算鑽進力;計算切削力。
16.如權利要求14所述之方法，其特徵在於其中利用陣列計算各切削麵相對於鑽頭體的位置的步驟包括如下步驟計算切削刃切削麵的後刃角;計算切削刃切削麵的側刃角。
17.如權利要求3所述之鑽頭，其特徵在於其中該至少一個支承區包括多個切削部件，其切削效率低於從至少一個切削區伸展的切削部件。
18.鑽鑿地層巖石鑽井的一種方法，包括如下步驟a)在鑽杆柱下端上安裝一個鑽頭;b)在鑽頭旋轉時下放鑽杆柱，使之與地層巖石接觸以在其中鑽鑿鑽井，其特徵在於該鑽頭至少有一個切削區，其上面有多個切削部件伸展，和至少一個支承區位於鑽頭的一個側邊部分，在切削部件的切削力總和與加在鑽頭上垂直於鑽頭縱軸線的推力的合力作用處。
19.鑽鑿地層巖石鑽井的方法，包括如下步驟a)將安裝在鑽杆柱下端的鑽頭旋轉;b)在鑽頭上施加垂直於鑽頭縱軸線的推力，同時使旋轉的鑽頭與地層巖石接觸，壓迫鑽頭一個側邊部分上的支承區與鑽井周圍的地層巖石滑動接觸，其特徵在於其中該支承區位於鑽頭上切削部件的切削力總和與推力的合力作用處。
20.用以在地層巖石中鑽成鑽孔並有穩定旋轉中心的一種鑽頭，其特徵在於該鑽頭包括一鑽頭體，該鑽頭體包括一裝置用以在鑽孔時將切削力的合力矢量指向用以連續地接觸鑽孔壁的裝置。
21.如權利要求20所述之鑽頭，其特徵在於其中在鑽鑿地層巖石時，該合力矢量的大小足以維持鑽頭旋轉的穩定中心。
22.如權利要求20所述之鑽頭，其特徵在於其中用以連續接觸的裝置沿鑽孔壁相對於孔壁恆速移動。
23.如權利要求20所述之鑽頭，其特徵在於其中該合力矢量的大小大於產生於鑽頭的外向的側向力。
24.如權利要求20所述之鑽頭，其特徵在於其中該用以連續接觸的裝置包含用以與鑽孔壁滑動接觸的襯墊裝置。
25.如權利要求20所述之鑽頭，其特徵在於其中該用以連續接觸的裝置包含用以與鑽孔壁滾動接觸的滾動裝置。
26.如權利要求20所述之鑽頭，其特徵在於該用以連續接觸的裝置包括鑽頭體的一個側邊部分。
27.用以鑽鑿地層巖石鑽孔並有穩定旋轉中心的鑽頭，其特徵在於包括用以在鑽孔時壓迫鑽頭側邊部分與鑽孔壁連續接觸的裝置。
28.用鑽鑿地層巖石鑽孔的一種鑽頭，其特徵在於包含一個鑽頭體可和旋轉動力源相互連接，該鑽頭體具有至少一個用以與鑽孔壁連續接觸的區及至少一個切削區，構造成在該鑽頭旋轉以鑽鑿鑽孔的過程中該鑽頭將有一個穩定的旋轉中心。
29.用以鑽鑿地層巖石鑽孔的一種鑽頭，其特徵在於包含一個鑽頭體可和旋轉動力源相互連接，該鑽頭體至少有一個切削區該切削區包含多個切削刃被安排成當鑽頭鑽孔時，該多個切削刃產生的合成矢量力指向一個用以連續接觸鑽孔壁的裝置。
30.如權利要求29之鑽頭，其特徵在於其中用以連續接觸的裝置位於該鑽頭上。
31.鑽鑿地層巖石鑽孔的一種方法，其特徵在於鑽孔時由鑽頭產生的合成矢量力，通過鑽頭上的一個接觸裝置指向該鑽孔的側壁上以便提供一個具有穩定的旋轉中心的鑽頭。
32.鑽鑿地層巖石鑽孔的一種方法，其特徵在於包括如下步驟a)將安裝在鑽杆柱下端的鑽頭旋轉;b)將旋轉鑽頭與地層巖石接觸以使鑽頭上的裝置將鑽頭的一個側邊部分。壓向鑽孔的一個壁使之連續接觸。
全文摘要
公開了一種不平衡力補償鑽頭，可利用非所需的並具破壞性的不平衡力以防止鑽頭迴轉。也公開了設計及製造這種鑽頭的方法，由此鑽頭體有至少一個切削區，其上有多個伸展的切削部件，並有至少一個支承區，支承區有較為光滑的面，並放置在一個淨不衡力(從切削部件)所指向的位置。鑽頭旋轉時，不平衡力將支承區壓在鑽孔壁上，該支承區沿井壁滑動，從而防止旋轉中心偏移和防止產生破壞性迴轉。
文檔編號E21B10/42GK1045147SQ90100960
公開日1990年9月5日 申請日期1990年2月21日 優先權日1989年2月21日
發明者詹姆斯·福德·布雷特, 湯米·梅爾文·沃倫 申請人:阿莫科公司