带有具有改进的可操纵性和降低的磨损的保径垫的旋转钻头.pdf

一种旋转钻头，其具有刀片，该刀片具有布置在它的外部部分上的保径垫，以便提高旋转钻头在形成定向井眼时的可操纵性，同时不牺牲横向稳定性。一个或多个保径垫可以包括径向锥形外部部分和/或切除部分，以便帮助减小相关保径垫的磨损。对于某些用途，旋转钻头可以形成有刀片，该刀片有具有相对均匀外表面的保径垫。硬的表面硬化材料和/或金属镶齿可以布置在保径垫的外部部分上，以便形成径向锥形部分，从而提高可操纵性、减小保径垫的磨损和/或提高旋转钻头形成具有大致均匀内径的井眼的能力，特别是在定向钻井井眼时。

1.  一种可操作以形成井眼的旋转钻头，包括：
钻头本体，该钻头本体具有可操作以安装在钻柱上的一端；
钻头旋转轴线，该钻头旋转轴线延伸穿过钻头本体；
多个刀片，这些刀片布置在钻头本体的外部部分上；
所述刀片中的至少一个具有保径垫，该保径垫具有外表面，该外表面可操作以与由该旋转钻头形成的井眼的相邻部分接触；
保径垫的外表面具有井口边缘，前边缘和后边缘从该井口边缘向井下延伸；
保径垫的前边缘部分地由从钻头旋转轴线延伸至井口边缘的第一半径限定；
保径垫的后边缘部分地由从钻头旋转轴线延伸至井口边缘的第二半径限定；以及
第一半径大于第二半径。

2.  根据权利要求1所述的旋转钻头，其中：所述至少一个刀片的保径垫上的外表面还包括大致连续的径向锥形表面，该径向锥形表面从保径垫的前边缘附近延伸至保径垫的后边缘附近。

3.  根据权利要求1所述的旋转钻头，其中：所述至少一个刀片上的保径垫的外部部分还包括：
大致弯曲的表面，该大致弯曲的表面从保径垫的前边缘朝着保径垫的后边缘延伸；
大致平坦、非弯曲的表面，该大致平坦、非弯曲的表面从保径垫的后边缘朝着保径垫的前边缘延伸；以及
所述大致平坦、非弯曲的表面与所述大致弯曲的表面相交。

4.  根据权利要求3所述的旋转钻头，还包括：该大致弯曲表面具有近似等于在钻头旋转轴线和保径垫的前边缘之间延伸的第一半径的半径。

5.  一种可操作以形成井眼的旋转钻头，包括：
钻头本体，该钻头本体具有可操作以安装在钻柱上的一端；
钻头旋转轴线，该钻头旋转轴线延伸穿过钻头本体；
多个刀片，这些刀片布置在钻头本体的外部部分上；
所述刀片中的至少一个具有保径垫，该保径垫具有外表面，该外表面可操作以与由该旋转钻头形成的井眼的相邻部分接触；
保径垫的外表面具有井口边缘，前边缘和后边缘从该井口边缘向井下延伸；
保径垫的前边缘部分由从钻头旋转轴线延伸至井口边缘的第一半径限定；
保径垫的后边缘部分由从钻头旋转轴线延伸至井口边缘的第二半径限定；以及
第二半径大于第一半径。

6.  根据权利要求5所述的旋转钻头，其中：所述至少一个刀片的保径垫上的外表面还包括大致连续的径向锥形表面，该径向锥形表面从保径垫的前边缘附近延伸至保径垫的后边缘附近。

7.  根据权利要求5所述的旋转钻头，其中：所述至少一个刀片上的保径垫的外部部分还包括：
大致弯曲的表面，该大致弯曲的表面从保径垫的后边缘朝着保径垫的前边缘延伸；
大致平坦、非弯曲的表面，该大致平坦、非弯曲的表面从保径垫的前边缘朝着保径垫的后边缘延伸；以及
所述大致平坦、非弯曲的表面与所述大致弯曲的表面相交。

8.  根据权利要求7所述的旋转钻头，还包括：该大致弯曲表面具有近似等于在钻头旋转轴线和保径垫的后边缘之间延伸的第二半径的半径。

9.  一种可操作以形成井眼的旋转钻头，包括：
钻头本体，该钻头本体具有可操作以安装在钻柱上的一端；
钻头旋转轴线，该钻头旋转轴线延伸穿过钻头本体；
多个刀片，这些刀片布置在钻头本体的外部部分上；
所述刀片中的至少一个具有保径垫，该保径垫可操作以与由该旋转钻头形成的井眼的相邻部分接触；
保径垫的外表面具有井口边缘，前边缘和后边缘从该井口边缘向井下延伸；
多个硬质合金齿，这些硬质合金齿布置在保径垫的外表面上并从该外表面延伸；
每个硬质合金齿具有各自的外表面，所述外表面布置成离钻头旋转轴线相应的径向距离；
所述各硬质合金齿中的至少一个邻近保径垫的前边缘布置；
所述各硬质合金齿中的至少一个邻近保径垫的后边缘布置；以及
所述硬质合金齿的各自外表面布置成从保径垫的前边缘附近朝着保径垫的后边缘延伸的大致径向锥形结构。

10.  根据权利要求9所述的旋转钻头，还包括：与邻近保径垫的后边缘布置的至少一个硬质合金齿相比，邻近保径垫的前边缘布置的所述至少一个硬质合金齿的外表面从钻头旋转轴线延伸更大的径向距离。

11.  根据权利要求9所述的旋转钻头，还包括：与布置在保径垫的前边缘附近的至少一个硬质合金齿相比，布置成接近保径垫的后边缘的该至少一个硬质合金齿的外表面从钻头旋转轴线伸出更大径向距离。

12.  根据权利要求9所述的旋转钻头，还包括：每个刀片具有相应的保径垫，所述保径垫具有相应的布置在每个保径垫上并从该每个保径垫上延伸的多个硬质合金齿。

13.  一种可操作以形成井眼的固定切刀旋转钻头，包括：
钻头本体，该钻头本体具有延伸穿过钻头本体的钻头旋转轴线；
多个刀片，这些刀片布置在钻头本体上并从该钻头本体上延伸；
每个刀片具有相应的保径垫，该保径垫可操作以与由该固定切刀旋转钻头形成的井眼的相邻部分接触；
每个保径垫具有相应的井口边缘，前边缘和后边缘从该井口边缘向井下延伸；
每个保径垫的相应前边缘部分由从钻头旋转轴线延伸至相应井口边缘附近的位置的第一半径限定；
每个保径垫的相应后边缘部分由从钻头旋转轴线延伸至相应井口边缘附近的位置的相应第二半径限定；以及
每个保径垫的相应外部部分具有大致连续的径向锥形表面，该径向锥形表面从每个保径垫的相应前边缘附近延伸至每个保径垫的相应后边缘附近。

14.  根据权利要求13所述的旋转钻头，还包括：每个保径垫的相应第二半径小于每个保径垫的相应第一半径。

15.  根据权利要求13所述的旋转钻头，还包括：每个保径垫的相应第二半径大于每个保径垫的相应第一半径。

16.  一种可操作以形成井眼的旋转钻头，包括：
钻头本体，该钻头本体有延伸穿过钻头本体的钻头旋转轴线；
多个切割元件，这些切割元件从钻头本体延伸；
至少一个保径部分，该保径部分由外表面部分地限定；
该至少一个保径部分有相应前边缘和相应后边缘；以及
凹入部分，该凹入部分形成于该至少一个保径部分的外表面中。

17.  根据权利要求16所述的旋转钻头，还包括：
凹入部分邻近相应后边缘布置；以及
凹入部分从至少一个保径部分的相应井口边缘朝着至少一个保径部分的相应井下边缘延伸。

18.  根据权利要求16所述的旋转钻头，还包括：
凹入部分邻近相应后边缘布置；以及
凹入部分从至少一个保径部分的相应井口边缘朝着至少一个保径部分的相应井下边缘延伸。

19.  根据权利要求16所述的旋转钻头，还包括：
该至少一个保径垫的外表面邻近相应前边缘布置，该外表面具有大致均匀的半径，该半径近似对应于在钻头旋转轴线和至少一个保径垫的前边缘之间延伸的大致均匀半径；以及
凹入部分由从钻头旋转轴线延伸至该凹入部分的半径部分地限定，该半径小于在至少一个保径垫的前边缘处的大致均匀半径。

20.  根据权利要求16所述的旋转钻头，还包括：固定切刀钻头。

21.  根据权利要求16所述的旋转钻头，还包括：牙轮钻头。

22.  一种可操作以形成井眼的固定切刀旋转钻头，包括：
钻头本体，该钻头本体具有可操作以安装在钻柱上的一端；
钻头旋转轴线，该钻头旋转轴线延伸穿过钻头本体；
多个刀片，这些刀片布置在钻头本体的外部部分上；
所述刀片中的每一个具有相应的保径部分，该保径部分可操作以与由该旋转钻头形成的井眼的相邻部分接触；
每个刀片的保径部分具有相应前边缘和相应后边缘；以及
形成于每个保径部分中的邻近相应后边缘的相应切除部分。

23.  根据权利要求22所述的旋转钻头，还包括：各切除部分从各保径部分的相应井口边缘朝着各保径部分的相应井下边缘延伸。

24.  根据权利要求22所述的旋转钻头，还包括：
各保径部分的、邻近相应前边缘的外表面具有从钻头旋转轴线延伸的大致均匀半径；以及
所述相应切除部分布置在各保径部分中并邻近相应后边缘。

25.  一种可操作以形成井眼的旋转钻头，包括：
钻头本体，该钻头本体具有延伸穿过钻头本体的钻头旋转轴线；
多个刀片，这些刀片布置在钻头本体上并从该钻头本体上延伸；
所述刀片中的至少一个具有保径垫，该保径垫部分由井口边缘限定，前边缘和后边缘从该井口边缘向井下延伸；
保径垫的前边缘布置在从钻头旋转轴线延伸的第一大致均匀径向距离处；
保径垫的后边缘布置在离钻头旋转轴线的变化径向距离处；
从钻头旋转轴线至前边缘附近的保径垫的井下边缘的径向距离大致等于从钻头旋转轴线至后边缘附近的保径垫的井下边缘的径向距离；以及
在钻头旋转轴线和保径垫的井口边缘之间的径向距离在前边缘和后边缘之间减小。

26.  根据权利要求25所述的旋转钻头，还包括：切除部分，该切除部分形成于保径垫中并靠近后边缘。

27.  根据权利要求25所述的旋转钻头，还包括：
锥形外表面，该锥形外表面邻近保径垫的后边缘布置；
该锥形表面从保径垫的井口边缘延伸至保径垫的井下边缘；以及
保径垫具有大致均匀表面，而没有布置在前边缘附近的任何锥度。

28.  根据权利要求25所述的旋转钻头，还包括：
保径垫具有大致与第一平行四边形相对应的周边；
锥形表面具有与第一平行四边形的大约一半相对应的相应周边；以及
大致均匀表面具有与第一平行四边形的大约一半相对应的周边。

29.  根据权利要求25所述的旋转钻头，还包括：
大致非锥形表面，该大致非锥形表面从至少一个保径垫的前边缘朝着该至少一个保径垫的后边缘延伸；
大致锥形表面，该大致锥形表面从该至少一个保径垫的后边缘延伸；以及
该大致锥形表面与从该至少一个保径垫的前边缘延伸的非锥形表面相交。

30.  一种可操作以在井下岩层中形成井眼的固定切刀旋转钻头，包括：
钻头本体，该钻头本体具有可操作以使得钻头与钻柱可释放地啮合的一端；
钻头旋转轴线，该钻头旋转轴线延伸穿过钻头本体；
钻头端面型面，该钻头端面型面部分地由布置在钻头本体的外部部分上的多个刀片限定；
各刀片具有保径垫；
各刀片和相应保径垫具有前边缘和后边缘；
所述保径垫中的至少一个具有外部部分，该外部部分部分地由第一锥形表面和第二锥形表面限定；
第一锥形表面邻近该至少一个保径垫的前边缘布置；以及
该第二锥形表面邻近该至少一个保径垫的后边缘布置。

31.  根据权利要求30所述的钻头，还包括：切除部分，该切除部分形成于第二锥形表面中并邻近该至少一个保径垫的后边缘。

32.  根据权利要求30所述的钻头，还包括：该切除部分从保径垫的井口边缘朝着该至少一个保径垫的井下边缘延伸。

33.  一种在用于形成井眼的旋转钻柱的至少一个部件上形成至少一个保径垫的方法，包括：
使该至少一个保径垫形成有外部部分，该外部部分具有井口边缘，前边缘和后边缘从该井口边缘向井下延伸；
将多个硬质合金齿布置在该至少一个保径垫的外部部分上，其中，各硬质合金齿具有相应外表面，该外表面布置在离相关旋转轴线相应的径向距离处；
将各硬质合金齿中的至少一个靠近保径垫的前边缘布置；
将各硬质合金齿中的至少一个靠近该至少一个保径垫的后边缘布置；以及
将硬质合金齿的相应外表面布置成从保径垫的前边缘附近延伸至保径垫的后边缘附近的大致径向锥形结构。

34.  根据权利要求33所述的方法，还包括：在与固定切刀旋转钻头相关的至少一个刀片上形成该至少一个保径垫。

35.  根据权利要求33所述的方法，还包括：在与牙轮钻头相关的支承臂的外部部分上形成该至少一个保径垫。

36.  一种在用于形成井眼的旋转钻柱的至少一个部件上形成至少一个保径垫的方法，包括：
使该至少一个保径垫形成有外表面，该外表面可操作以与井眼的相邻部分接触；
使该至少一个保径垫的外表面形成有井口边缘，前边缘和后边缘从该井口边缘向井下延伸；
使前边缘形成有从相关旋转轴线延伸至井口边缘的第一半径；
使后边缘形成有从相关旋转轴线延伸至井口边缘的第二半径；以及
使第一半径和第二半径形成有不相等的相应值。

37.  根据权利要求36所述的方法，还包括：在该至少一个保径垫上形成大致连续的径向锥形表面，该径向锥形表面从保径垫的前边缘附近延伸至保径垫的后边缘附近。

38.  根据权利要求36所述的方法，还包括：形成大致弯曲表面，该大致弯曲表面从该至少一个保径垫的后边缘朝着该至少一个保径垫的前边缘延伸；
形成大致平坦的非弯曲表面，该大致平坦的非弯曲表面从该至少一个保径垫的前边缘朝着该至少一个保径垫的后边缘延伸；以及
在该至少一个保径垫的前边缘和后边缘的中间，形成该大致平坦的非弯曲表面和大致弯曲表面之间的相交。

带有具有改进的可操纵性和降低的磨损的保径垫的旋转钻头
相关申请
本申请要求标题为“Rotary Drill Bit with Gage Pads HavingImproved Steerability and Reduced Wear”的临时专利申请的优先权，该临时专利申请的系列号为60/940906，递交日为2007年5月30日。该申请的内容通过参考整体上结合到本文中。
技术领域
本发明涉及旋转钻头，特别是涉及具有刀片的固定切刀钻头，该刀片具有切割元件以及布置于其内的保径垫，本发明还涉及牙轮钻头。
背景技术
多种旋转钻头、铰刀、稳定器和其它井下工具可以用于在地层中形成井眼。这些旋转钻头的实例包括但不局限于：固定切刀钻头、翼状钻头、PDC钻头、基质(matrix)钻头、牙轮钻头、旋转牙轮钻头和凿岩钻头，用于钻油井和气井。与这些钻头相关联的切割动作通常需要钻压(WOB)以及使相关切割元件旋转进入到井下岩层的相邻部分中。还可以提供有钻井液，以便实现多个功能，包括从井眼的底部冲走岩层材料和其它井下碎屑，清洁相关切割元件和切割结构，以及将岩层切屑和其它井下碎屑向上运送至相关井表面。
一些现有技术的旋转钻头形成有刀片，该刀片从钻头本体伸出，具有布置在各刀片的井口边缘附近的相应的保径垫。保径垫相对于相关旋转钻头的旋转轴线布置成正角度或正锥形。保径垫也相对于相关旋转钻头的旋转轴线布置成负角度或负锥形。这些保径垫有时可以称为具有正“轴向”锥形或负“轴向”锥形。例如见美国专利5967247。旋转钻头的旋转轴线通常布置在穿过由相关旋转钻头形成的井眼的平直部分而延伸的纵向轴线上，并与该纵向轴线对齐。因此，相关保径垫的轴向锥形也可以称为“纵向”锥形。
形成有正轴向锥形的保径垫可以增加相关旋转钻头的可操纵性。阻力矩也可以由于使保径垫形成有正轴向锥度而降低。不过，相关旋转钻头相对于穿过由相关旋转钻头形成的井眼而延伸的纵向轴线的横向稳定性可能降低。还有，相关旋转钻头使得井眼保持大致均匀内径的能力也可能降低。
对于其它用途，保径垫偏离由相关旋转钻头形成的井眼的相邻部分相对均匀的径向距离。该保径垫的外部部分可以大致布置成与相关钻头旋转轴线和平直井眼的相邻部分近似平行。在这些保径垫的外部部分和平直井眼的相邻部分之间的偏离量通常相对均匀。对于某些用途，保径垫形成有相对均匀的径向偏离，或者在大约1/64英寸至4/64英寸之间均匀减小的外径(与相关旋转钻头的标称直径相比)。
使保径垫偏离相关标称钻头直径或者使得保径垫过小可以增加相关旋转钻头的可操纵性。不过，相对于相关井眼的纵向轴线的横向稳定性以及旋转钻头绞孔或形成具有大致均匀内径的井眼的能力可能降低。
发明内容
根据本发明的教导，旋转钻头可以形成有多个刀片，这些刀片具有布置在各刀片上的相应保径部分或保径垫。至少一个保径垫可以具有包含本发明的教导的外部锥形部分和/或外部凹入部分。根据本发明教导设计的保径垫可以在形成井眼时受到减小的磨损和腐蚀，特别是形成非垂直和非平直井眼时。
包含本发明教导的保径垫可以提高相关旋转钻头的可操纵性，同时使旋转钻头保持合适的横向稳定性。包含本发明教导的保径垫还可以提高相关旋转钻头形成具有更均匀内径的井眼的能力。根据本发明教导而形成的旋转钻头通常可以形成具有相对均匀内径的井眼，该内径可以大致与旋转钻头的相关标称直径相等。本发明的一个方面可以包括设计根据本发明教导的旋转钻头，该旋转钻头具有布置在固定切刀旋转钻头的刀片上或在牙轮钻头的支承臂上的保径垫，以便优化井下钻孔性能。对于某些用途，这些保径垫可以有与相关旋转钻头的其它特征配合的外部结构，以便提高可操纵性，特别是在形成非垂直或非平直的井眼时，同时不会牺牲旋转钻头的横向稳定性。对于其它用途，这些保径垫可以提高相关旋转钻头绞孔或形成具有更均匀内径的井眼的能力，特别是在形成非垂直或非平直的井眼时。
附图说明
通过下面的说明并结合附图，可以更完全和完整地理解本发明实施例及其优点，附图中，相同标号表示相同特征，且附图中：
图1A是表示井眼实例的局部示意剖视正视图，该井眼可以由包含本发明教导的旋转钻头来形成；
图1B是表示包含本发明教导的旋转钻头的另一实例的局部示意剖视正视图；
图2是表示旋转钻头的局部示意轴测图；
图3是表示旋转钻头的另一实例的示意轴测图；
图4是表示旋转钻头的又一实例的局部示意剖视图；
图5是表示在图4所示的旋转钻头上的一个刀片的保径部分的局部示意放大剖视图；
图6A是表示在旋转钻头上的现有技术刀片和相关保径垫的一个实例的示意剖视图；
图6B是表示图6A的保径垫的示意轴测侧视图；
图7A是表示布置在根据本发明教导的旋转钻头上的刀片和相关保径垫的一个实例的局部示意剖视图，该保径垫有正径向锥度角度；
图7B是表示布置在根据本发明教导的旋转钻头上的刀片和相关保径垫的另一实例的局部示意剖视图，该保径垫有正径向锥度角度；
图7C是表示布置在根据本发明教导的旋转钻头上的刀片和相关保径垫的又一实例的局部示意剖视图，该保径垫有负径向锥度角度；
图7D是表示布置在根据本发明教导的旋转钻头上的刀片和相关保径垫的又一实例的局部示意剖视图，该保径垫有负径向锥度角度；
图8A是表示布置在根据本发明教导的旋转钻头上的刀片和相关保径垫的一个实例的局部示意剖视图；
图8B是表示布置在根据本发明教导的旋转钻头上的刀片和相关保径垫的另一实例的局部示意剖视图；
图9A是表示包含本发明教导的保径垫的一个实例的示意侧视图；
图9B是沿图9A中的线9B-9B的示意剖视图；
图9C是表示包含本发明教导的保径垫的另一实例的示意侧视图；
图9D是沿图9C中的线9D-9D的示意剖视图；
图10A是表示包含本发明教导的保径垫的一个实例的示意侧视图，该保径垫有大致正径向锥度角度和大致正轴向锥度角度；
图10B是沿图10A中的线10B-10B的示意剖视图；
图10C是沿图10A中的线10C-10C的示意剖视图；
图10D是沿图10A中的线10D-10D的示意剖视图；
图10E是沿图10A中的线10E-10E的示意剖视图；
图10F是表示包含本发明教导的保径垫的一个实例的示意侧视图，该保径垫有大致负径向锥度角度和大致负轴向锥度角度；
图10G是沿图10F中的线10G-10G的示意剖视图；
图10H是沿图10F中的线10H-10H的示意剖视图；
图10I是沿图10F中的线10I-10I的示意剖视图；
图10J是沿图10F中的线10J-10J的示意剖视图；
图11A是包含本发明的教导的保径垫的一个实例的示意侧视图；
图11B是沿图11A中的线11B-11B的示意剖视图；
图11C是沿图11A中的线11C-11C的示意剖视图；
图11D是包含本发明的教导的保径垫的另一实例的示意侧视图；
图11E是沿图11D中的线11E-11E的示意剖视图；
图11F是沿图11D中的线11F-11F的示意剖视图；
图12A是包含本发明的教导的保径垫的又一实例的示意侧视图；
图12B是沿图12A中的线12B-12B的示意剖视图；
图12C是沿图12A中的线12C-12C的示意剖视图；
图12D是包含本发明的教导的保径垫的又一实例的示意侧视图；
图12E是沿图12D中的线12E-12E的示意剖视图；以及
图12F是沿图12D中的线12F-12F的示意剖视图。
具体实施方式
通过参考图1-12F，可以更好地理解本发明的优选实施例和它的优点，附图中，相同标号表示相同和相似部件。
在本申请中使用的术语“底部钻具组合”或“BHA”表示布置在钻柱的井下端处在旋转钻头附近的各种部件和组件。可以包含在底部钻具组合或BHA中的部件和组件的实例(没有特意表示)包括但不局限于：弯接头、井下钻井马达、邻近的扩眼钻头、稳定器和井下仪器。底部钻具组合还可以包括各种测井工具(没有特意表示)和与井眼的定向钻井相关的其它井下工具。这些测井工具和/或定向钻井工具的实例可以包括但不局限于：声学、中子、伽玛射线、密度、光电、核磁共振、旋转操纵工具和/或其它市场上可获得的井下工具。
在本申请中使用的术语“切割元件”可以包括但不局限于：很好地用于各种旋转钻头的各种类型切刀、硬质合金齿(compacts)、金属镶齿(button)、插入件和保径切刀。在某些类型的旋转钻头上，冲击制止器可以被包含为切割结构的一部分，且有时可以用作切割元件，以便从井眼的相邻部分中除去岩层材料。多晶金刚石复合钻头(PDC)和碳化钨插入件通常用于形成切割元件。各种类型的其它坚硬、耐磨材料也可以很好地用于形成切割元件。
在本申请中使用的术语“切割结构”可以包括形成于旋转钻头的外部部分上的切割元件、冲击制止器和/或保径切刀的各种组合和结构。一些旋转钻头可以包括一个或多个刀片，这些刀片从相关钻头本体伸出，该钻头本体具有布置了刀片的切刀。这些刀片也可以称为“切刀刀片”。刀片和切刀的各种结构可以用于形成旋转钻头的切割结构。
在本申请中使用的术语“井下”和“井口”表示旋转钻头的各个部件相对于旋转钻头的、与井眼的底部或端部啮合以便除去相邻岩层材料的部分的位置。例如，“井口”部件可以定位成与“井下”部件相比更靠近相关钻柱或底部钻具组合，该“井下”部件可以定位成更靠近井眼的底部或端部。
在本申请中使用的术语“保径垫”可以包括包含本发明教导的旋转钻头的保径件、保径段、保径部分或任意其它部分。保径垫可以用于确定或建立由相关旋转钻头形成的井眼的大致均匀内径。保径件、保径段、保径部分或保径垫可以包括一层或多层表面硬化材料。根据本发明教导，一个或多个保径切刀、保径插入件、保径硬质合金齿或保径金属镶齿可以布置在保径件、保径段、保径部分或保径垫上或附近。包含本发明教导的保径垫可以布置在底部钻具组合和/或钻柱的多种旋转钻头和其它部件上。与定向钻井系统相关的旋转和非旋转套筒也可以包括这些保径垫。
在本申请中使用的术语“旋转钻头”包括各种固定切刀钻头、翼状钻头、基体钻头、钢体钻头、牙轮钻头、旋转牙轮钻头和凿岩钻头，它们可用于形成穿过一个或多个井下岩层延伸的井眼。根据本发明教导形成的旋转钻头和相关部件可以有多种不同设计、结构和/或尺寸。
在本申请中使用的术语“轴向锥度”或“轴向锥度的”表示保径垫的各个部分相对于相关钻头旋转轴线布置成一定角度。在钻平直、垂直井眼时，有时轴向锥度可以描述为“纵向”锥形。保径垫的轴向锥形部分也可以布置成相对于平直井眼的相邻部分以一定角度纵向延伸。
现有技术的轴向锥度保径垫通常具有：井口边缘，该井口边缘布置成从相关钻头旋转轴线伸出的第一大致均匀半径；以及井下边缘，该井下边缘布置成从相关钻头旋转轴线伸出的第二大致均匀半径。根据本发明教导形成的轴向锥度保径垫可以包括井口边缘和/或井下边缘，该井口边缘和/或井下边缘并不包括从相关钻头旋转轴线伸出的大致均匀半径。如后面更详细所述，对于某些实施例，保径垫的井口边缘和/或井下边缘可以形成有从相关钻头旋转轴线伸出的可变半径或非均匀半径。
保径垫的正轴向锥度可以至少部分由于保径垫的井口边缘的第一半径小于保径垫的井下边缘的第二半径而形成。保径垫的负轴向锥度可以至少部分由于保径垫的井口边缘的第一半径大于保径垫的井下边缘的第二半径而形成。例如见图4和5。图10D和10E中表示了具有大致正轴向锥度角度的保径垫的附加实例。图10I和10J中显示了具有大致负轴向锥度角度的保径垫的附加实例。
现有技术保径垫的外部部分可以相对于平直井眼的相邻部分布置成大致均匀角度(正的、负的或平行)。具有正轴向锥度的这些现有技术保径垫的井口边缘通常将定位成更远离平直井眼的相邻部分。具有正轴向锥度的这些现有技术保径垫的井口边缘通常将定位成更靠近平直井眼的相邻部分。具有负轴向锥度的这些现有技术保径垫的井口边缘通常将定位成更靠近平直井眼的相邻部分。具有负轴向锥度的这些现有技术保径垫的井口边缘通常将定位成离平直井眼的相邻部分更远距离。
在本申请中使用的术语“径向锥度的”、“径向锥度”和/或“切向锥度”表示保径垫的外部部分布置在离相关钻头旋转轴线变化径向距离处。与保径垫的径向锥度或切向锥度外部部分相关的各半径可以在与相关钻头旋转轴线大致垂直延伸和与保径垫的径向锥度或切向锥度外部部分交叉的平面中进行测量。图7A和7B中表示了具有大致正径向锥度角度的保径垫的实例。图7C和7D中显示了具有大致负径向锥度角度的保径垫的实例。
本发明的教导可以用于优化旋转钻头的各种特征的设计，这些特征包括但不局限于：刀片或切刀刀片的数目、各切刀刀片的尺寸和结构、牙轮钻头的一个或多个支承臂的结构和尺寸、切割元件的结构和尺寸、切割元件的数目、位置、方位和类型、保径件(主动或被动)、一个或多个保径垫的长度、一个或多个保径垫的方位和/或一个或多个保径垫的结构。
根据本发明教导形成的旋转钻头可以有“被动保径件”和“主动保径件”。主动保径件可以从相关井眼或井眼的相邻部分或侧壁局部切入和除去岩层材料。被动保径件通常并不从相关井眼或井眼的侧壁除去岩层材料。在井眼的定向钻孔过程中，主动保径件频繁地从非平直井眼的相邻部分除去一些岩层材料。被动保径件可以使得侧壁中的岩层材料塑性或弹性变形，特别是在相关井眼的定向钻井过程中。
根据本发明的教导，各种计算机程序和计算机模型可以用于设计保径垫、硬质合金齿、切割元件、刀片和/或相关旋转钻头。可以用于设计包含本发明教导的切割元件和旋转钻头以及评估其性能的这些方法和系统的实例在标题为“Methods and Systems for Designing and/orSelecting Drilling Equipment Using Predictions of Rotary Drill BitWalk”的共同待审美国专利申请(申请号为No.11/462898，申请日为2006年8月7日)、标题为“Methods and Systems of Rotary Drill BitSteerability Prediction，Rotary Drill Bit Design and Operation”的共同待审美国专利申请(申请号为No.11/462918，申请日为2006年8月7日)和标题为“Methods and Systems for Design and/or Selection ofDrilling Equipment Based on Wellbore Simulations”的共同待审美国专利申请(申请号为.11/462929，申请日为2006年8月7日)中表示。前述共同待审专利申请和任意产生的美国专利都由本申请参引。
本发明的多个方面可以参考图1-5中所示的旋转钻头100和100a来描述。旋转钻头100和100a也可以描述为固定切刀钻头。本发明的多个方面也可以用于设计牙轮或旋转牙轮钻头，用于优化井下钻井性能。
旋转钻头100和/或100a可以进行变化，以便包括各种类型的、包含本发明教导的保径件、保径段、保径部分和/或保径垫。还有，多种旋转钻头可以形成有包含本发明教导的保径件、保径垫、保径段和/或保径部分。本发明的范围并不局限于旋转钻头100或100a。本发明的范围也不局限于如图7A-12F所示的保径垫。
图1A是显示可以通过包含本发明教导的旋转钻头形成的井眼或井眼的实例的局部示意正剖图。本发明的各种方面可以通过钻机20来描述，该钻机20使得钻柱24和安装的旋转钻头100旋转，以便形成井眼。
各种类型的钻井设备例如旋转台、泥浆泵和泥浆罐(没有特意表示)可以定位在井表面或井部位22处。钻机20可以具有与“陆地钻机”相关的各种特征和特性。不过，包括本发明教导的旋转钻头可以令人满意地与位于海上平台、钻探船、半潜平台和钻井驳船(没有特意示出)的钻井设备一起使用。
对于某些用途，旋转钻头100可以在钻柱24的末端处安装在底部钻具组合26上。钻柱24可以由大致空心的管形钻杆(没有特意示出)的部分或接头形成。底部钻具组合26的外径大致与钻柱24的外部部分相容。
底部钻具组合26可以由多种部件形成。例如，部件26a、26b和26c可以从以下组中选择，该组包括但不局限于：钻环、旋转操纵工具、定向钻井工具和/或井下钻井马达。部件例如钻环的数目和包含在底部钻具组合中的不同类型部件将取决于预期井下钻井状态以及将由钻柱24和旋转钻头100形成的井眼的类型。
钻柱24和旋转钻头100可以用于形成多种井眼和/或井眼，例如大致垂直的井眼30和/或大致水平的井眼30a，如图1A中所示。底部钻具组合26的各种定向钻井技术和相关部件可以用于形成水平井眼30a。例如，横向力可以在靠近造斜位置37处施加在旋转钻头100上，以便形成从大致垂直井眼30伸出的水平井眼30a。旋转钻头100的这种横向运动可以称为“建立”或形成相对于垂直方向增大角度的井眼。钻头还可以在形成水平井眼30a的过程中产生倾斜，特别是在造斜位置37附近。
井眼30可以部分由从井表面22延伸至选定井下位置的套管柱32来限定。如图1A中所示的、不包括套管柱32的井眼30部分可以称为“开放孔”。各种类型的钻井液可以通过钻柱24而从井表面22泵送至安装的旋转钻头100。钻井液可以通过部分由钻柱24的外径25和井眼30的内径31确定的环形通路34而流回井表面22。环形通路34也可以由钻柱24的外径25和套管柱32的内径31来限定。
内径31有时也可以称为井眼30的“侧壁”。内径31通常可以对应于与旋转钻头100相关的标称直径或标称外径。不过，根据井下钻孔情况、旋转钻头的一个或多个部件的磨损量以及在标称直径钻头与旋转钻头的建造尺寸之间的变化，由旋转钻头形成的井眼可能具有比相应标称钻头直径更大或更小的内径。因此，与根据本发明教导形成的保径垫相关的各个直径和其它尺寸可以相对于相关钻头旋转轴线来确定，而不是相对于由相关旋转钻头形成的井眼的内径。
标称钻头直径有时称为“标称钻头尺寸”或“钻头尺寸”。美国石油协会(API)出版了与标称钻头尺寸、间隙直径和套管尺寸相关的各种标准。
岩层切屑可以由与井眼30端部36附近的岩层材料啮合的旋转钻头100来形成。钻井液可以用于将岩层切屑和其它井下碎屑(没有特意表示)从井眼30的端部36移出至井表面22。端部36有时可以称为“井底”36。岩层切屑也可以由与水平井眼30a的端部36a啮合的旋转钻头100而形成。
如图1A中所示，钻柱24可以向旋转钻头100施加重力和使得旋转钻头100旋转，以便形成井眼30。井眼30的内径或侧壁31可以近似对应于于从旋转钻头100伸出的相关保径垫150和刀片130的组合外径。旋转钻头的穿透速率(ROP)通常是钻压(WOB)和每分钟转数(RPM)的函数。对于某些用途，井下马达(没有特意表示)可以提供为底部钻具组合26的一部分，以便也使得旋转钻头100旋转。旋转钻头的穿透速率通常以英尺每小时来表示。
除了使旋转钻头100旋转和向它施加重力，钻柱24还可以提供导管，用于使钻井液和其它流体从井表面22通向在井眼30端部36处的钻头100。这些钻井液可以引导成从钻柱24流向布置在旋转钻头100中的各喷嘴。例如见图3中的喷嘴56。
当钻柱24使得旋转钻头100旋转时，钻头本体120通常将基本由钻井液、岩层切屑和其它井下碎屑的混合物覆盖。从一个或多个喷嘴排出的钻井液可以引导成在相邻刀片130之间大致向下流动，并在钻头本体120的下部部分的下面和周围流动。
在本申请中使用的术语“牙轮钻头”可以表示具有至少一个支承臂的任意类型旋转钻头，该支承臂有可旋转地安装在它上面的牙轮组件。牙轮钻头有时可以称为“旋转牙轮钻头”、“切刀牙轮钻头”或“旋转凿岩钻头”。牙轮钻头通常包括钻头本体，该钻头本体有从它伸出的三个支承臂以及可旋转地安装在各支承臂上的各牙轮组件。不过，本发明的教导可以令人满意地用于具有一个支承臂、两个支承臂或任意其它数目的支承臂以及相关牙轮组件的旋转钻头。
图1B是布置在井眼中的、包含本发明教导的牙轮钻头的一个实例的局部示意正剖图。如图1B中所示，牙轮钻头40可以安装在从井表面22伸出的钻柱24的端部。牙轮钻头例如旋转钻头40通常通过粉碎或穿透岩层以及利用切割元件从井眼底部刮除或剪切岩层材料而形成井眼，该切割元件通常产生高浓度的细小研磨颗粒。
钻头本体61可以由三部分形成，这三部分包括从它们伸出的相应支承臂50。这些部分可以利用普通技术而相互焊接，以便形成钻头本体61。图1B中只显示了两个支承臂50。
各支承臂50可以大致描述为具有从钻头本体61伸出的细长结构。各支承臂可以包括相应心轴(没有特意示出)，各心轴有可旋转地焊接在它上面的各牙轮组件80。各支承臂50可以包括相应前边缘131a和后边缘132a。各支承臂150还可以包括根据本发明教导形成的相应保径垫150a。
牙轮组件80可以具有大致与相关心轴和相应支承臂50的成角度形状关系对应的旋转轴线。各牙轮组件80的旋转轴线可以大致对应于相关心轴的纵向轴线。各牙轮组件80的旋转轴线可以相对于与牙轮钻头40相关的纵向轴线或钻头旋转轴线偏离。
对于某些用途，多个硬质合金齿95可以布置在各牙轮组件90的背面94上。硬质合金齿95可以减小背面94的磨损。
各牙轮组件80可以包括多个切割元件98，这些切割元件98成排地布置在各牙轮组件80的外部部分上。硬质合金齿95和切割元件98可以由多种材料形成，例如很好地用于形成牙轮钻头的碳化钨或其它硬材料。对于某些用途，硬质合金齿95和/或插入件96可以至少部分由多晶金刚石类型材料和/或其它硬和耐磨的材料来形成。
图2和3是显示旋转钻头100的附加细节的示意图，该旋转钻头100可以包括包含本发明教导的至少一个保径件、保径部分、保径段或保径垫。旋转钻头100可以包括钻头本体120，该钻头本体120有从它伸出的多个刀片130。对于某些用途，钻头本体120可以局部由与旋转钻头相关的非常硬材料的基体形成。对于其它用途，钻头本体120可以由很好地用于在井下岩层中钻井眼的各种金属合金而机械加工形成。基体类型钻头的实例在美国专利US4696354和US5099929中表示。
钻头本体120还可以包括上部部分或柄42，该上部部分或柄42上形成有美国石油协会(API)钻杆螺纹44。API螺纹44可以用于使得旋转钻头100可释放地与底部钻具组合26啮合，从而使得旋转钻头100可以响应钻柱24的旋转而相对于钻头旋转轴线104旋转。钻头装卸器狭槽46也可以形成于上部部分或柄42的外部部分上，用于使旋转钻头100与相关钻柱啮合和脱开。
扩大的孔或空腔(没有特意示出)可以从端部41穿过上部部分42伸入钻头本体120中。扩大的孔可以用于使钻井液从钻柱24通向一个或多个喷嘴56。多个相应排屑槽或流体流动通路140可以形成于各对刀片130之间。刀片130可以相对于相关钻头旋转轴线104以一定角度盘旋或延伸。
本发明的一个优点是可以包括根据参数设计的至少一个保径垫，该参数例如刀片长度、刀片宽度、刀片螺旋、轴向锥度、径向锥度和/或与旋转钻头相关的其它参数。该保径垫的各种特征可以相对于相关旋转钻头的钻头旋转轴线来确定，而不是相对于由相关旋转钻头形成的井眼的内径。包含本发明教导的保径垫可以布置在旋转钻柱的多个部件上，例如但不局限于：套筒、铰刀、底部钻具组合和其它井下工具。该保径垫的各种特性也可以相对于相关旋转轴线或纵向轴线来限定。
多个切割元件60可以布置在各刀片130的外部部分上。对于某些用途，各切割元件60可以布置在形成于相关刀片的外部部分上的各插座或凹穴中。冲击制止器和/或辅助切刀70也可以布置在各刀片130上。例如见图3。
切割元件60可以包括相应基质(没有特意示出)，该基质有布置在各基质的一端上的相应硬切割材料层62。硬切割材料层62也可以称为“切割层”62。各基质可以有各种结构，并可以由与形成用于旋转钻头的切割元件相关的碳化钨或其它材料而形成。对于某些用途，切割层62可以基本由相同硬切割材料而形成。对于其它用途，切割层62可以由不同材料形成。
与旋转钻头100相关的各种参数包括但不局限于：刀片130、排屑槽140和切割元件60的位置和结构。各刀片130可以包括相应保径部分或保径垫150。对于某些用途，保径切刀也可以布置在各刀片130上。例如见保径切刀60g。关于保径切刀和硬切割材料的附加信息可以在美国专利US7083010、US6845828和US6302224中找到。关于冲击制止器的附加信息可以在美国专利US6003623、US5595252和US4889017中找到。
旋转钻头通常在形成井眼时向右旋转。见图2、3、4、6A、7A-7D、8A和8B。切割元件和/或刀片通常可以相对于布置在相关旋转钻头的外部部分上的其它切割元件和/或刀片称为“前侧”或“后侧”。例如，如图2中所示，刀片130a可以大致称为刀片130b的前侧刀片，并可以大致称为刀片130e的后侧刀片。同样，布置在刀片130a上的切割元件60可以称为布置在刀片130b上的相应切割元件60的前侧切割元件。布置在刀片130a上的切割元件60可以描述为布置在刀片130e上的相应切割元件60的后侧切割元件。
如图4和5中所示，旋转钻头100a可以描述为具有多个刀片130a，这些刀片130a具有布置在各刀片130a的外部部分上的多个切割元件60。对于某些用途，切割元件60可以有基本相同的结构和设计。对于其它用途，多种类型的切割元件和冲击制止器(没有特意示出)也可以布置在刀片130a的外部部分上。
刀片130a的外部部分和相关切割元件60可以描述为形成用于旋转钻头100a的“钻头端面型面”。如图4中所示，旋转钻头100a的钻头端面型面134可以包括形成于旋转钻头100a上的、与柄42a相对的凹入部分或圆锥形部分134c。各刀片130a可以包括相应前端部分134n，该前端部分134n将局部确定旋转钻头100a的、与柄42a相对的末端。圆锥形部分134c可以从各前端部分134n朝着钻头旋转轴线104径向向内延伸。多个切割元件60c可以布置在各刀片130a的凹入部分或圆锥形部分134c上并在各前端部分134n和旋转轴线104a之间。多个切割元件60n可以布置在前端部分134n上。
各刀片130a也可以描述为具有从各前端部分134n向外延伸的各凸肩部分134s。多个切割元件60s可以布置在各凸肩部分134s上。切割元件60s有时可以称为“凸肩切刀”。凸肩部分134s和相关凸肩切刀60s可以相互配合以便形成旋转钻头100a的、从前端部分134n向外伸出的钻头端面型面134部分。
多个保径切刀60g也可以布置在各刀片130a的外部部分上并靠近相应保径垫150a。保径切刀60g可以用于剪切或铰大井眼30的内径或侧壁31。
如图4和5中所示，各刀片130a可以包括相应保径垫150a。各种类型的表面硬化材料和/或其它硬材料(没有特意表示)可以布置在各保径垫150a的外部部分上。各保径垫150a可以包括大致正轴向锥度146或大致负轴向锥度148，如图5中所示。
各种类型的保径垫可以布置在旋转钻头100和100a的一个或多个刀片上。图6A和6B表示了可以形成于刀片130或130a上的现有技术保径垫的一个实例。图7A-12F表示了包含本发明教导的刀片和保径垫的实例，该刀片和保径垫可以布置在旋转钻头100、旋转钻头100a或合适的其它旋转钻头上，以便提高该钻头的性能。根据本发明的教导，保径垫可以形成于旋转钻头100、旋转钻头100a或其它旋转钻头上。
保径垫大致包括相应的井口边缘151，该井口边缘151大致布置成靠近相关上部部分或柄。例如见图3中的上部部分42或图4中的上部部分42a。保径垫大致包括相应的井下边缘152。对于某些用途，井下边缘152可以被清楚地限定为诸如在图5中所示的刀片130a的井下边缘152，对于其它用途，与保径垫150相关的井下边缘152可以从大致非弯曲表面变化成布置在各刀片130外部部分上的弯曲表面。见图3中的点划线152。
保径垫还可以包括从相应井口边缘151向井下延伸的前边缘131和后边缘132。各保径垫150或150a的前边缘131可以从相关刀片130或130a的相应前边缘131伸出。各保径垫150或150a的后边缘132可以从相关刀片130或130a的相应后边缘132伸出。
为了描述保径垫的各个特征，可以参考布置在保径垫的外部部分上的四个点或位置(51、52、53和54)。点51可以大致与各井口边缘151和前边缘131的相应部分的相交点相对应。点53可以大致与各井口边缘151和后边缘132的相应部分的相交点相对应。点52可以大致与各井下边缘152和前边缘131的相应部分的相交点相对应。点54可以大致与各井下边缘152和后边缘132的相应部分的相交点相对应。
图6A和6B是可以用于描述具有布置在各刀片130上的普通或现有技术保径垫150的旋转钻头(包括但不局限于旋转钻头100)的示意图。保径垫150可以形成为基本没有轴向锥度、没有径向锥度和相对于钻头旋转轴线104和由旋转钻头100形成的平直井眼的相邻部分没有径向偏离。保径垫150的外表面154可以由从相关钻头旋转轴线104伸出的半径161来限定。
如图6A中所示，圆31a可以表示旋转钻头100相对于钻头旋转轴线104的标称钻头尺寸或标称钻头直径(Db)。箭头28可以表示旋转钻头100在井眼形成过程中的旋转方向。如图6A中所示，圆31a通常可以大致与邻近造斜位置37的井眼30内径31相对应。见图1A。如图6A、7A、7B、7C、7D、8A和8B中所示，圆31a通常可以表示相关旋转钻头的、相对于相应钻头旋转轴线104测量的标称钻头直径。如前所述，由旋转钻头形成的井眼的内径有时可以具有比旋转钻头的标称直径或标称尺寸更大或更小的内径。
在底部钻具组合26中的一个或多个部件可以引导旋转钻头100，以便形成在造斜位置37附近从井眼30横向延伸的水平井眼30a。箭头38可以表示形成从造斜位置37伸出的井眼30a所需的、旋转钻头100的横向穿透方向。如图6A中所示，虚线31a可以表示在旋转钻头100转一圈时的增量横向运动，以便形成井眼30a的非平直或弯曲部分。旋转钻头100的这种横向运动通常导致在后边缘132附近在保径垫150的外部部分154之间增加接触(与在前边缘131处发生的接触相比)。
对于某些用途，保径垫154在前边缘131处的穿透量可以假设为近似等于零。在井眼的横向穿透过程中，保径垫150的、邻近后边缘132处的外部部分154在旋转钻头100每转一圈时可以穿透井眼的相邻部分的距离90，如图6A中所示。横过保径垫150的外部部分154的、这种增大的横向穿透可能经常增加井口边缘151和后边缘132附近的、保径垫150的外部部分154的磨损。例如见图6B中的磨损区域154w。
下面的公式可以用于估计由相关旋转钻头对井眼的侧切或横向穿透而产生的保径垫的啮合深度。对于给定的横向穿透速率(ROP_lat)、每分钟转数(RPM)、钻头尺寸或标称钻头直径(D_b)和保径垫宽度(W)，可以使用以下公式来计算在与井眼31啮合和脱开的过程中在保径垫150的井下边缘152上的点54的估计啮合深度。见图6A和6B。
Δ＝ROP_lat×dt
dt＝(1/(6×RPM))×(W/(πD_b))
在相关旋转钻头转一圈的过程中，保径垫150插入井眼的侧壁的相邻部分内的深度的更精确估计值可以通过使用相对于相应钻头旋转轴线104测量的、外部154的实际尺寸来获得。
当ROP_lat等于15ft/hr时，标称钻头直径(D_b)等于12.5英寸，保径垫的宽度等于2.5英寸，啮合深度P_B可以等于0.0032英寸或0.0081mm。对具有普通保径垫的旋转钻头的观察通常显示在与磨损区域154w相对应的位置处增加了磨损，该磨损区域154w从点53以及井下边缘152和后边缘132的相邻部分伸出。见图6B。
保径垫的宽度(W)可以近似对应于相对于与相关钻头旋转轴线垂直延伸和与相关保径垫的外部部分相交的平面测量的、在保径垫的前边缘和后边缘之间的距离。例如，如图2和3中所示，保径垫150的、沿井下边缘152的宽度可以大致对应于在相关点52和54之间的距离。
对于某些用途，相对于相关井下边缘和相关井口边缘测量的、保径垫的相应宽度可以彼此大致相等。对于其它用途，根据本发明教导形成的保径垫的宽度可以在沿相关井下边缘测量时与沿相关井口边缘测量的宽度相比发生变化。
旋转钻头100沿箭头38方向的横向运动可以在前边缘131和后边缘132之间横过保径垫150的外部部分154逐渐增加。因此，具有近似零锥度的现有技术保径垫(例如保径垫150，如图2、3、6A和6B中所示)也可能在后边缘132附近受到增大的磨损。
相关旋转钻头在形成定向或非平直井眼过程中的倾转也可能导致后边缘132和井口边缘151附近的外表面部分154w与定向或非平直井眼的相邻部分的接触增加(与前边缘131附近的外表面154部分相比)。根据本发明教导使得旋转钻头形成有具有一个或多个锥形表面和/或凹入部分的保径垫可以大大减小和/或减少相关保径垫的外部部分上的磨损。
对于例如图7A-12F中所示的实施例，井口边缘151、井下边缘152、前边缘131和后边缘132可以大致描述为形成平行四边形。不过，根据本发明教导形成的保径垫可以具有多种形状的周边，包括但不局限于：正方形、矩形或梯形。本发明并不局限于具有例如如图7A-12F中所示构形的保径垫。
对于某些用途，包含本发明教导的保径垫可以包括前边缘131，该前边缘131具有在相关井口边缘和井下边缘(没有特意表示)之间从钻头旋转轴线104伸出的、相对均匀的第一半径161。这些保径垫的后边缘132也可以有在相关井口边缘和井下边缘(没有特意示出)之间从钻头旋转轴线104伸出的、相对均匀的第二半径162。对于其它用途，包含本发明教导的保径垫的前边缘131和/或后边缘132部分可以具有从钻头旋转轴线104伸出的变化半径。例如见图7A、7B、7C、7D、8A、8B、10B、10C、10G和10H。
根据本发明教导形成的保径垫可以是合适的主动保径垫或被动保径垫，以便优化相关旋转钻头的性能。对于某些用途，保径垫可以形成有相应前边缘，该前边缘具有可操作成接触和从井眼的相邻部分除去岩层材料的保径切刀、硬质合金齿、金属镶齿和/或插入件。这样的保径垫有时可以称为“主动保径件”。这样的主动保径垫的实例在图7C、7D、8A、8B、10F-10G、11D、11E、12D和12E中表示。具有保径垫(该保径垫有主动前边缘)的旋转钻头的可操纵性可以通过在该保径垫的外部部分上形成相应负径向锥形部分和/或负轴向锥形部分而提高，同时不会明显降低旋转钻头的横向稳定性。
对于某些用途，与各保径垫150a-150k相关的相应井口边缘和相应井下边缘相对于相关钻头旋转轴线104可以有基本相同的构型和尺寸。因此，保径垫150a-150k可以有基本零轴向锥度。对于其它用途，保径垫150a-150k可以形成有大致正轴向锥度或大致负轴向锥度，例如如图5中所示。
本发明的各种特征可以相对从相关钻头旋转轴线104伸出的第一半径161和第二半径162来描述。根据相关旋转钻头、保径垫和/或切割元件和切割机构的各种设计细节，第一半径161可以对应于相关旋转钻头的标称钻头直径(Db)的大约一半。第二半径162可以帮助说明根据本发明教导形成的相应保径垫的各种锥形部分。第二半径162的长度可以大致比相关第一半径161的长度更短。
对于某些用途，在第一半径161和第二半径162之间的差异可以至少部分基于在井眼的横向穿透过程中由相关保径垫的外部部分受到的增大啮合的计算。见图6A和6B。这些计算可以用于确定最佳的轴向和/或径向锥度角度，以便减小这些保径垫的磨损，特别是当相关旋转钻头形成井眼的非平直部分时。将根据本发明教导的保径垫的外部部分设计成具有更短的第二半径162可以增大保径垫的相关外部部分的径向锥度角度。增加第二半径162的长度可能导致相关径向锥度角度减小。
图7A-7D显示了包含本发明教导的保径垫的相应实例。刀片130b、130c、130d和130e可以包括局部由各前边缘131和后边缘132确定的相应保径垫150b、150c、150d和150e。与各保径垫150b、150c、150d和150e相关的各井口边缘和井下边缘并没有特意表示。各保径垫150b、150c、150d和150e可以大致描述为具有相应外部径向锥形部分或切向锥形部分。各径向锥形部分或切向锥形部分还可以描述为具有相应正径向锥度角度(图7A和7B)或相应负径向锥度角度(图7C和7D)。
如图7A中所示，保径垫150b的外部部分154b可以大致描述为在相关前边缘131和后边缘132之间延伸的连续弯曲表面。外部部分154b可以包括第一弯曲部分156a，该第一弯曲部分156a具有从相关钻头旋转轴线104伸出的相对均匀半径161。外部部分154b可以包括第二弯曲部分156b，该第二弯曲部分156b部分地由从相关钻头旋转轴线104伸出的变化半径来限定。
对于例如图7A中所示的实施例，第二弯曲部分156b的半径可以与第一弯曲部分156a附近的第一半径161近似相等。第二弯曲部分156b的半径可以与相关后边缘132附近的第二半径162近似相等。第二弯曲部分156b可以大致描述为径向锥形部分，该径向锥形部分相对于从相关钻头旋转轴线104伸出的半径具有正切向锥度角度。对于某些用途，保径垫可以形成于外部部分，该外部部分具有由在保径垫的前边缘至保径垫的后边缘(没有特意示出)之间的变化半径(当从相关钻头旋转轴线测量时)部分地限定的连续弯曲部分。
如图7B中所示，保径垫150c的外部部分154c可以大致描述为包括从前边缘131朝着后边缘132延伸的大致弯曲部分156c。保径垫150c的外部部分154c也可以大致描述为具有从后边缘132朝着前边缘131延伸的非弯曲平直部分158c。大致弯曲部分156c可以与在前边缘131和后边缘132之间的非弯曲平直部分158c相交。
对于例如图7B中所示的实施例，大致弯曲部分156c可以布置在相对均匀的半径处，该半径对应于从相关钻头旋转轴线104伸出的半径161。对于其它用途(没有特意示出)，大致弯曲部分156c可以包括与前述径向锥形部分156b类似的径向锥形结构。
如图7C中所示，保径垫150d的外部部分154d可以大致描述为在相关前边缘131和后边缘132之间延伸的连续弯曲表面。外部部分154c可以包括从前边缘131伸出的第一弯曲部分156d。第一弯曲部分156d可以局部由从相关钻头旋转轴线104伸出的连续变化半径来确定。对于例如图7C中所示的实施例，第一弯曲部分156d的半径可以与前边缘131附近的半径162近似相等。第一弯曲部分156d的半径可以增加至近似等于半径161。
第一弯曲部分156d也可以称为径向锥形部分。径向锥形部分156d还可以描述为相对于从相关钻头旋转轴线104伸出的半径具有大致负切向锥度角度的连续弯曲表面。
外部部分154d还可以包括第二弯曲部分157，该第二弯曲部分157有近似与半径161相等的相等均匀半径。第二弯曲部分157可以从各后边缘132朝着前边缘131延伸。第一弯曲部分156d和第二弯曲部分157可以在前边缘131和后边缘132的中间彼此相交。
如图7D中所示的保径垫150e的外部部分154e可以大致描述为包括从后边缘132朝着前边缘131伸出的弯曲部分156e。保径垫150e的外部部分154e也可以大致描述为具有从前边缘131朝着后边缘132伸出的非弯曲平直部分158e。大致弯曲部分156e可以在相应前边缘131和后边缘132之间与非弯曲平直部分158e相交。
对于如图7D中所示的实施例，大致弯曲部分156e可以布置在相对均匀的半径处，该半径对应于从相关钻头旋转轴线104伸出的半径161。对于其它用途(没有特意示出)，弯曲部分156e可以包括与前述径向锥形部分156d类似的负径向锥形结构。
图8A和8B显示了包含本发明教导的刀片和相关保径垫的相应实例。在图8A和8B中表示了单排硬质合金齿或金属镶齿在保径垫的外部部分上。不过，多排或一组硬质合金齿或金属镶齿可以布置在包含本发明教导的保径垫的外部部分上。
刀片130f和130g可以包括局部由相应前边缘131和后边缘132确定的相应保径垫150f和150g。与各保径垫150f和150g相关的相应井口边缘和井下边缘并没有特意表示。对于由保径垫150f和1 50g表示的实施例，相应的前边缘131和后边缘132可以布置在离相关钻头旋转轴线104基本相同的径向距离(第二半径162)处。
为了描述本发明的各种特征，图8A中的硬质合金齿170的外表面172表示为172a-172f，图8B中的硬质合金齿170的外表面172表示为172g-172l。对于某些用途，外表面172a-172f和/或172g-172l可以有近似相同的总体结构和尺寸。对于其它用途，外表面172a-172f和/或172g-172l的尺寸、尺度和/或结构可以至少部分根据在形成井眼的非平直部分时的预期磨损而变化。
多个硬质合金齿或金属镶齿170可以布置在保径垫150f的外部部分154f中，如图8A中所示。各硬质合金齿170可以包括从保径垫150f的外部部分154f伸出的相应外表面172a-172f。对于例如图8A中所示的实施例，外表面172a可以布置在离相关钻头旋转轴线104最长径向距离处。对于某些钻头设计，第一半径161也可以对应于相关旋转钻头的标称钻头直径(Db)的大约一半。
外表面172f可以布置在离相关钻头旋转轴线104最短径向距离处。外表面172f可以近似对应于第二半径162或者从钻头旋转轴线104至在保径垫150f的后边缘132附近的外部部分154f的径向距离。对于某些用途，前边缘131和后边缘132都可以布置成离相关钻头旋转轴线104近似相同的径向距离(第二半径162)处。
外表面172b和172c可以布置在与外表面172a离相关钻头旋转轴线104的径向距离近似相同的、离相关钻头旋转轴线104的径向距离处。与外表面172a、172b和172c相比，外表面172d可以相对于相关钻头旋转轴线104布置在减小半径处。外表面172e可以布置在小于外表面172d但大于外表面172g的半径处。
外表面172a、172b和172c可以相互配合以便形成具有相对均匀半径的弯曲部分。相对于相关钻头旋转轴线104具有相应减小半径的外表面172d、172e和172f可以形成正径向锥形部分。因此，布置在保径垫150f上的硬质合金齿170的外表面172a-172e可以描述为形成与图7A的前述外部部分154b类似的外部结构。对于其它实施例(没有特意示出)，外表面172a-172e可以布置成具有相应半径，所述半径形成在前边缘131和后边缘132之间的连续正切向锥度。
多个硬质合金齿或金属镶齿170可以布置在保径垫150g的外部部分154g中，如图8B中所示。硬质合金齿170可以包括从保径垫150g的外部部分154g伸出的相应外表面172g-172l。
对于例如图8B中所示的实施例，外表面172g可以布置在离相关钻头旋转轴线104最短径向距离处。外表面172g可以近似对应于第二半径162或近似对应于从钻头旋转轴线104至保径垫150g的前边缘131和后边缘132附近的外部部分154g的径向距离。外表面172l可以布置在离相关钻头旋转轴线104最长距离处。外表面172l可以近似对应于第一半径161。对于某些钻头设计，半径161可以近似为相关旋转钻头的标称钻头直径(Db)的一半。
与外表面172g相比，外表面172h可以布置在离相关钻头旋转轴线104更长径向距离处。与外表面172h相比，外表面172i可以布置在离相关钻头旋转轴线104更长的径向距离处，但是该径向距离小于外表面172j的径向距离。外表面172j和172k可以布置在与外表面172l离相关钻头旋转轴线104的径向距离近似相同的、离相关钻头旋转轴线104的径向距离处。
具有相对于相关钻头旋转轴线104的半径增大的外表面172g、172h和172i可以相互配合，以便形成负径向锥形部分。外表面172j、172k和172l可以相互配合，以便形成具有相对均匀半径的弯曲部分。因此，布置在保径垫150g上的硬质合金齿170的外表面172j-172l可以描述为具有与图7D中的前述径向锥形部分156d类似的径向锥形外部结构。对于其它实施例(没有特意示出)，外表面172g-172l可以布置成具有相应半径，从而形成在前边缘131和后边缘132之间的负径向切向锥度。
图9A-9D显示了包含本发明教导的保径垫的相应实例。保径垫150h和150i可以部分由相应前边缘131、后边缘132、井口边缘151和井下边缘152来确定。对于某些用途，保径垫150h和150i的外部部分可以没有轴向锥度和/或没有径向锥度。对于其它用途，保径垫150h和/或保径垫150i的外部部分可以有相应轴向锥度和/或径向锥度，例如在图5、7A-7D个10A-10J中所示。
如图9A和9B中所示，保径垫150h的外部部分154h可以包括第一部分163h和第二部分或凹入部分164h。第二部分164h可以大致描述为形成于保径垫150h的外部部分154h中的凹口或切除部分。与第一部分163h相比，第二部分164h可以相对于相关钻头旋转轴线布置在减小半径处。见图9B。与第一部分163h相比，第二部分164h也可以描述为更少地暴露于由相关旋转钻头形成的井眼的相邻部分。
对于图9A和9B中所示的实施例，第一部分163h可以有大致“L”形结构，该L形结构从顶边缘151伸向前边缘131附近的井下边缘152，并从前边缘131延伸至井下边缘152附近的后边缘132。凹入部分164h可以有平行四边形总体结构，它类似但小于保径垫150h的外部部分154h的总体结构。
凹入部分164h可以从点53朝着前边缘131和井下边缘152延伸。与凹入部分164h相关的位置和/或尺寸可以选择成使得保径垫150h的外部部分154h的磨损最小，特别是在形成非平直井眼时。例如，凹入部分164h的尺寸和结构可以选择成容纳磨损区域154w的结构和尺寸，如图6B中所示。
如图9C和9D中所示，保径垫150i的外部部分154i可以包括前边缘131，该前边缘131具有一个或多个主动部件或切割元件(没有特意表示)。外部部分154i可以包括第一部分163i和第二部分或凹入部分164i。第二部分164i可以大致描述为形成于保径垫150i的外部部分154i中的凹口或切除部分。与第一部分163i相比，第二部分164i可以相对于相关钻头旋转轴线布置在减小半径处。见图9D。与第一部分163i相比，第二部分164i也可以描述为更少地暴露于由相关旋转钻头形成的井眼的相邻部分。
对于例如图9C中所示的实施例，第一部分163i可以描述为具有大致“L”形结构，该L形结构从前边缘131伸向井口边缘151附近的后边缘132，并从井口边缘151延伸至后边缘132附近的井下边缘152。凹入部分164i可以有平行四边形总体结构，它类似但小于保径垫150i的外部部分154i的总体结构。
凹入部分164i可以从点51朝着后边缘132和井下边缘152延伸。与凹入部分164i相关的位置和/或尺寸可以选择成使得保径垫151的、邻近前边缘131的外部部分154i上的磨损最小，特别是在形成非平直井眼时。例如，如果保径垫150i与第一部分163i类似地具有在前边缘131附近的更均匀外部部分，则凹入部分164i的尺寸和结构可以选择成容纳从点52伸出的模拟磨损区域。
图10A-10J显示了包含本发明教导的刀片和相关保径垫的相应实例。保径垫150j和150k可以局部由相应前边缘131、后边缘132、井口边缘151和井下边缘152来确定。保径垫150j和150k可以有相应外部部分154j和154k，根据本发明的教导，它们可以是径向锥形和轴向锥形。
保径垫150j的外部部分154j可以有变化的正径向锥度角度(见图10B和10C)和变化的正轴向锥度角度(见图10D和10E)。保径垫150k的外部部分154k可以有变化的负径向锥度角度(见图10G和10E)和变化的负轴向锥度角度(见图10I和10J)。
保径垫150的外部部分154还可以有变化的正径向锥度角度和变化的负轴向锥度角度，或者变化的负径向锥度角度和变化的正轴向锥度角度(未示出)。
对于例如图10A-10E中所示的实施例，保径垫150j的外部部分154j可以大致描述为局部由从相关钻头旋转轴线伸出的变化半径确定的复杂表面。对于包含本发明教导的某些设计，保径垫150j的井下边缘152可以有从相关钻头旋转轴线伸出的相对均匀半径，并可以近似对应于相关旋转钻头的标称总体直径(Db)的一半。见图10C和10D。因此，在保径垫150j的前边缘131处的井下边缘152可以大致布置成接近相关钻头的标称直径或者具有保径垫150的其它井下工具的相应直径。
从相关钻头旋转轴线至保径垫150j的前边缘131的径向距离可以大致从井下边缘152向井口边缘151减小。见图10B、10D和10E。因此，与前边缘131相比，后边缘132将大致与相关钻头的标称直径或具有保径垫150的其它井下工具的相应直径间隔开更大的距离。
当从相关钻头旋转轴线测量时，井口边缘151可以在前边缘131和后边缘132之间大致有减小的半径。因此，邻近井口边缘151的前边缘131可以与相关钻头的标称直径或具有保径垫150的其它井下工具的相应直径间隔开近似第一距离91，见图10B。后边缘132可以与相关钻头的标称直径或具有保径垫150的其它井下工具的相应直径间开第二距离92。邻近井下边缘152的后边缘132可以与相关钻头的标称直径或具有保径垫150的其它井下工具的相应直径间开近似第三距离93。第二距离92可以大于第三距离93。
因此，外部部分154j可以在前边缘131和后边缘132之间有变化的负轴向锥度角度。前边缘131附近的第一轴向锥度角度81j可以小于后边缘132附近的第二轴向锥度角度82j。见图10D和10E。在外部部分154j上的正径向锥度角度可以在前边缘131和后边缘132之间保持相对均匀，或者可以增加后边缘132附近的值(与前边缘131附近的径向切向锥度角度相比)
对于例如图10F-10J中所示的实施例，保径垫150k的外部部分154k可以大致描述为局部由从相关钻头旋转轴线伸出的变化半径确定的复杂表面。保径垫150k的前边缘131可以有一个或多个主动部件或切割元件(没有特意示出)。保径垫150k的井口边缘151可以沿从相关钻头旋转轴线伸出的相对均匀半径161布置，该半径161也可以近似对应于相关旋转钻头的标称直径(Db)的一半。因此，保径垫150k的井口边缘151可以大致布置成接近相关钻头的标称直径。见图10I和10J。
从相关钻头旋转轴线至保径垫150k的前边缘131的径向距离可以大致从井口边缘151向井下边缘152减小。因此，与后边缘132相比，前边缘131与相关井眼的相邻部分间开更大距离。
当从相关钻头旋转轴线测量时，井下边缘152可以大致有从后边缘132开始朝着前边缘131运动的减小半径。因此，在点53处邻近井口边缘151的后边缘131可以布置成邻近相关钻头的标称直径或上面布置有保径垫150k的另外井下工具的相应直径。见图10G和10J。
邻近井下边缘152的后边缘132可以与井口边缘151处的半径161间隔开第一距离91。见图10H。接近井下边缘152的前边缘131可以与井口边缘151处的半径161间隔开近似第二距离92。见图10H。前边缘131可以相对于沿井口边缘151的半径161间隔开近似第三距离93。见图10G。
因此，外部部分154k可以在前边缘131和后边缘132之间有变化的负轴向锥度角度。接近后边缘132的第一负轴向锥度角度81k可以小于前边缘131附近的第二负轴向锥度角度82k。见图10I和10J。负径向锥度角度可以在前边缘131和后边缘132之间保持相对均匀，或者与后边缘132附近的径向锥度角度相比，前边缘131附近的值可以增大。
图11A-11F显示了包含本发明教导的保径垫的相应实例。保径垫150l和150m可以大致描述为具有外部部分，该外部部分形成有至少第一部分和第二部分(根据本发明教导)。对于某些用途，第一部分和第二部分可以有近似相同的总体结构和尺寸(除了各自的锥度角度)。对于其它用途(没有特意示出)，第一部分可以大于或小于相关第二部分。保径垫150l和150m可以有形成有近似零(0)径向锥度的外部部分。
如图11A中所示，保径垫150l可以包括外部部分154l，该外部部分154l部分由第一部分161l限定，该第一部分161l近似与相关钻头旋转轴线和由相关旋转钻头形成的平直井眼的相邻部分平行对齐。见图11B。第一部分161l可以近似没有轴向锥度和径向锥度。外部部分154l的第二部分162l可以相对于相关钻头的旋转轴线布置于正轴向锥度861。见图11C。
如图11D中所示，保径垫150m可以包括外部部分154m，该外部部分154m具有第一部分161m和第二部分162m。第一部分161m可以相对于相关钻头的旋转轴线布置于负轴向锥度86m。见图11E。角度86m可以变化，以便优化具有布置在各保径垫150m的前边缘131附近的主动部件或切割元件(没有特意表示)的相关旋转钻头的性能。第二部分162m可以与相关钻头旋转轴线和由相关旋转钻头形成的平直井眼的相邻部分近似平行对齐。见图11F。第二部分162n可以近似没有轴向锥度和径向锥度。
图12A-12F显示了包含本发明教导的保径垫的相应实例。保径垫150n和150o可以大致描述为具有相应外部部分，该外部部分至少形成有第一轴向锥形部分和第二轴向锥形部分(根据本发明教导)。对于某些用途，第一轴向锥形部分和第二轴向锥形部分可以有近似相同的总体结构和尺寸(除了相应的锥度角度)。对于其他用途(没有特意示出)，第一轴向锥形部分可以大于或小于相关第二轴向锥形部分。
如图12A、12B和12C中所示，保径垫150n可以包括部分由第一部分161n和第二部分162n限定的外部部分154n。第一部分161n可以相对于相关钻头的旋转轴线布置为形成第一正轴向锥度角度111n。第二部分162n可以相对于相关钻头旋转轴线布置为形成第二正轴向锥度角度112n。对于例如图12A-12C中所示的实施例，第一正轴向锥度角度111n可以小于第二正锥度角度112n。见图12B和12C。
如图12D、12E和12F中所示，保径垫150o可以包括局部由第一部分161o和第二部分162o确定的外部部分154o。第一部分161o可以相对于相关钻头的旋转轴线布置为形成第一负轴向锥度角度111o。第二部分162o可以相对于相关钻头旋转轴线布置为形成第二负轴向锥度角度112o。对于例如图12D-12F中所示的实施例，第一负轴向锥度角度111o可以大于第二负锥度角度112o。见图12E和12D。
尽管已经详细描述了本发明和它的优点，但是应当知道，在不脱离由下面的权利要求确定的本发明精神和范围的情况下可以进行各种变化、代替和改变。