CN101460701A

CN101460701A - 设计和制造具有可预测漂移特征的钻地旋转钻头的方法以及构造为具有预测漂移特征的钻头

Info

Publication number: CN101460701A
Application number: CNA2007800204064A
Authority: CN
Inventors: B·斯托弗; W·霍伊泽尔; J·L·雅各布森
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2009-06-17
Also published as: CA2648192A1; US20070240904A1; EP2007969A1; RU2008144801A; WO2007120786A1; US7866413B2; WO2007120786B1

Abstract

通过测量钻头的切削元件的位置和朝向以及利用所获得的测量值计算钻头的不平衡力的大小和方向可以预测钻地旋转钻头的漂移特征。计算的不平衡力可以与具有计算不平衡力和观测漂移特征的至少一个其它钻头的不平衡力进行比较。通过构建包括用于多个钻头的计算不平衡力的大小和方向以及观测漂移特征在内的数据库可以设计钻地旋转钻头。选择希望的漂移特征，访问数据库，并且可以将钻头构造为具有选定不平衡力以给钻头赋予希望的漂移特征。钻头构造为沿与钻头刀片相关的预定方向具有不平衡力。一种系统可用于监视操作钻头的不平衡力以及提供或实现希望的工作参数以对其实现补偿。

Description

设计和制造具有可预测漂移特征的钻地旋转钻头的方法以及构造为具有预测漂移特征的钻头

技术领域

本发明通常涉及用于钻探地下地层的钻地钻头及其它工具，并且涉及设计和制造这种钻地钻头的方法。更具体地，本发明涉及具有可预测漂移特征的用于钻探地下地层的钻地钻头及其它工具，并且涉及设计和制造这种钻地钻头的方法。而且，本发明涉及用于采集与用于钻探地下地层的钻地钻头及其它工具的不平衡作用力和漂移特征相关的数据的系统和方法。

背景技术

技术现状：旋转钻头通常用于在地层中钻孔或钻井。一类旋转钻头是固定牙轮式钻头(通常称作“刮刀”钻头)，其典型地包括固定到钻头体表面区域上的多个切削元件。通常，固定牙轮式钻头的切削元件具有盘形或大体圆柱形状。包括硬质超耐磨材料(例如，相互粘结的金刚石颗粒)的切削表面可以设置在每一切削元件的大体圆形端面上。这种切削元件通常称作“聚晶金刚石复合片”(PDC)切削件。典型地，切削元件与钻头体分开制造并且固定在形成于钻头体外表面上的凹窝中。可以使用例如粘结剂的粘结材料(更典型地，硬钎焊合金)将切削元件固定到钻头体上。固定牙轮式钻头可以放入钻孔中，使得切削元件临近要钻进的地层。当钻头旋转时，切削元件横向刮削和切削下伏地层的表面。

旋转钻头的钻头体典型地固定到硬化钢杆上，所述硬化钢杆具有用于将钻头附接到钻柱上的美国石油学会标准(API)螺纹接头。钻柱包括在钻头和位于地面的其它钻井设备之间首尾相连的管状管件和设备段(segments)。可以使用例如回转工作台或顶部驱动装置的设备使钻柱和钻头在钻孔内旋转。可选地，钻头杆可以直接联接到井下马达的驱动轴上，因此，可以使用所述驱动轴使钻头旋转。

旋转钻头的钻头体可由钢制成。可选地，钻头体可以由颗粒基体复合材料制成。典型地，通过将钢坯包埋在例如碳化钨(WC)颗粒的碳化物颗粒材料中，并且将粒状碳化物材料利用例如铜合金的液化金属材料(通常称作“粘结”材料)渗透而形成这种钻头体，以提供大体上由颗粒基体复合材料制成的钻头体。相对于具有钢制钻头体的钻头而言，具有由这种颗粒基体复合材料制成的钻头体的钻头可以具有增强的耐腐蚀性和耐磨损性。

钻探地下地层的过程通常是三维过程，也就是说，钻头不仅沿竖向轴线线性钻透地层，而且有目的地或者非有意地沿弯曲路径或者相对于沿大体上与地球重力场平行的方向延伸到地下地层中的理论竖直轴线成一定角度地进行钻探。在这里使用的术语“定向钻进”是指引导钻头沿一些希望轨迹穿过地下地层到达预定目标位置以形成钻孔的过程，以及引导钻头沿除了沿与地球的重力场大体上平行的方向直接向下钻入地下地层到达已知或未知目标之外方向的预定轨迹钻进的过程。参考图1，利用延伸到地下并与地球重力场平行的理论竖直轴线2和大体上垂直于理论竖直轴线2的水平面4可以将钻头和/或钻孔的朝向描述为“倾斜角”和“方向角”。倾斜角可以定义为延伸穿过钻头和/或钻孔的纵向轴线6和理论竖直轴线2之间的最小角度。方向角可以定义为在水平面4内从参考方向(例如，北)沿顺时针方向延伸到贯穿钻头和/或钻孔的纵向轴线6在水平面4上的投影8的角度。方向角在本领域中通常称作“方位”或“方位角”。

举例来说，当钻孔大体上竖直地向下延伸到地下地层中时，倾斜角为零并且不存在方向角。而且，当钻孔沿横向方向在地下地层内大体上水平地延伸时，倾斜角为大约90°，方位角可以是0和360°之间的任何角度。

已经研制出了用于定向钻进的几个方法。例如，人们已知使用井底钻具组合(BHA)，其包括由沿钻杆柱泵送给马达的钻井流体或“泥浆”流驱动的马达，当钻头安装到使钻头与钻孔成一定角度的弯接头或弯外壳上时，所述马达使所述钻头旋转。其他方法包括例如使用“造斜器”，其可以包括定位在井孔底部，定向成使钻头与钻孔的纵向轴线倾斜成一定角度并钻穿其侧壁的楔形刀具。用于定向钻进的另一种方法涉及使用“喷射钻头”，其可以包括至少一个钻井流体喷嘴，该钻井流体喷嘴构造为使流体射流沿相对于钻头面的预定方向射出。钻头可以沿希望的朝向定位在钻孔底部，从喷嘴射出的流体射流用于在钻头不旋转时从围绕钻孔的地层材料中腐蚀出凹窝。钻头随后前进到被腐蚀的凹窝中，恢复钻头的旋转，钻头相对于在先轨迹成一定角度地前进。

在识别出地下地层内的目标之后，可以预先确定钻头和由此生产的钻孔的轨迹。在此处使用的术语“井斜控制(deviation control)”是指将钻头和钻孔相对于预定轨迹保持在预定限制范围内的过程。

定向钻进和井斜控制方法由于钻头和围绕钻孔的地下地层壁之间作用力的复杂关系而变得复杂。

在利用钻头，尤其是固定牙轮式旋转钻头钻进时，人们知道，如果给钻头施加横向力(通常称作侧向力或径向力)，钻头可能从与钻孔的预定纵向轴线平行的直线路径发生“漂移”或“偏移”。当钻头以使方向角增大(增大方位角)的方式漂移时，钻头可以向右漂移或呈现“右移”。类似地，当钻头以使方向角减小(减小方位角)的方式漂移时，钻头可以向左漂移或呈现“左移”。当位于钻孔底部的钻头不漂移或偏移远离与钻孔的纵向轴线平行的直线轨迹时，钻头可以称作“无漂移”钻头和呈现“不漂移”。

以类似的方式，当钻头以使倾斜角增大的方向偏移时，钻头呈现“增斜(build)”趋势，当钻头沿使倾斜角减小的方向偏移时，钻头呈现“降斜(drop)”趋势。然而，与呈现增斜或降斜趋势相比，钻头更通常地呈现向右或向左漂移的趋势。

许多因素或变量可以至少部分地影响由周围地下地层施加给钻头的反作用力和扭矩。这样的因素和变量可以包括例如“钻压”(WOB)，钻头的旋转速度，被钻地下地层的物理性能和特征，钻井流体的流体力学，其上安装有钻头的井底钻具组合(BHA)的长度和构造，以及包括切削元件大小、径向布置、后(前)倾角、侧前角等的钻头的各种设计因素。可以使用本领域已知的各种复杂建模和计算方法来计算在预定情况和参数下作用在钻头上的作用力和扭矩。

鉴于上述情况，本领域提议利用这些复杂的建模和计算方法设计具有预定漂移特征(即，向左漂移，向右漂移，或不漂移)的固定牙轮式旋转钻头。例如，可以利用三维模拟软件生成钻头设计。随后可以通过计算软件使用设计变量(连同与例如上述所列参数的预期钻进条件相关的其他变量)利用数学计算估计在钻进期间由周围地下地层施加给钻头的反作用力和扭矩，并且可以使用这些作用力和扭矩估计钻头穿过地下地层的轨迹。

这种努力获得有限的成功。这至少部分地由于不能根据钻头设计中规定的精确尺寸制造钻头。例如，固定牙轮式旋转刮刀钻头的切削元件通常手动铜焊到位于钻头表面上的切削件凹窝中，甚至切削件位置的微小变化(后倾角，侧倾角等)可能使钻头具有不希望的漂移性质。例如，钻头设计可以产生和构造为具有预定漂移特征。可以根据单钻头设计在制造公差内制造一些钻头。然而，在本领域，一些钻头可能呈现向左漂移，其它的钻头可能呈现向右漂移，还有一些钻头呈现不漂移。

鉴于上述情况，本领域需要用于设计和制造钻进下伏地层的具有可预测漂移特征的旋转钻头的方法。

发明内容

在一个方面，本发明包括一种预测钻地旋转钻头的漂移特征的方法。可以测量钻地旋转钻头上的至少一部分切削元件(也称作“切削件”)的纵向和横向(径向)位置、朝向(包括侧倾角和后倾角)，可以利用所获得测量值中的至少一部分测量值计算钻头的不平衡力的大小和方向。所计算的不平衡力的大小和方向可以与具有计算不平衡力和已知漂移特征的至少一个其它钻头的不平衡力的大小和方向进行比较以预测钻头的漂移特征。

在另一个方面，本发明包括设计具有预测漂移特征的钻地旋转钻头的方法。所述方法包括构建数据库，其包括计算不平衡力的大小和方向以及多个实际钻头中每一个的观测漂移特征。可以选择待制造钻头所呈现的希望漂移特征，并且可以访问数据库。钻头可以制造和构造为呈现具有已经选定的预定大小和方向的不平衡力，从而给钻头提供希望的漂移特征。

在另一个方面，本发明包括制造具有预测漂移特征的钻地旋转钻头的方法。钻头具有钻头体，该钻头体包括多个纵向延伸刀片，所述刀片界定了位于其间的排屑槽，所述钻头构造为具有沿与钻头刀片相关的预定方向的不平衡力。

在另一方面，本发明包括具有钻头体的钻地旋转钻头，所述钻头体包括多个纵向延伸刀片，所述刀片界定了位于其间的排屑槽。多个刀片中的每个刀片具有安装于其上的多个切削元件。钻头构造为具有沿与多个刀片中的刀片相关的预定方向的不平衡力。例如，钻头可以构造为具有朝向钻头刀片的不平衡力，从而给钻头提供不漂移特征。作为另一实例，钻头可以构造为具有朝向位于钻头的两个刀片之间的排屑槽的不平衡力，从而给钻头提供向左漂移特征。

在另一个方面，本发明包括用于采集与钻进至少一个地下地层的旋转钻头的不平衡力相关的数据的系统。所述系统包括钻具和安装到所述钻具上的电子装置。电子装置包括至少一个电子信号处理器，与所述至少一个电子信号处理器形成电气通讯的至少一个存储装置以及与所述至少一个电子信号处理器形成电气通讯的至少一个输入装置。电子装置可以配置为计算用于钻进至少一个地下地层的旋转钻头的不平衡力和将计算不平衡力记录在至少一个存储装置中。

通过结合附图阅读下列详细说明，本发明的特征、优点和可选方案对于本领域的技术人员来说变得显而易见。

附图说明

尽管说明书末尾的权利要求特别指出和清楚声明了本发明的范围，但是在结合附图阅读本发明的下列说明的情况下，本发明的各种特征和优点将变得易于确定，其中：

图1显示了延伸穿过地下地层的井孔的方向角和倾斜角；

图2是钻地旋转钻头的侧视图；

图3是用于从例如图2所示钻头获得测量值的坐标测量机的透视图；

图4是图2所示钻头的端视图；

图5A是与图4所示类似的端视图，显示了朝向图2所示钻头刀片的不平衡力矢量；

图5B是与图4所示类似的端视图，显示了朝向图2所示钻头排屑槽的不平衡力矢量；

图6A是在钻进速度范围内三种不同钻头的计算不平衡力方向的图表；

图6B是在钻进速度范围内三种不同钻头的计算不平衡力大小的图表；

图7显示了图2所示钻头的切削件轮廓；

图8A显示了位于图2所示钻头表面上的切削元件的后倾角；

图8B显示了位于图2所示钻头表面上的切削元件的侧倾角；

图9是体现本发明教导并可用于采集数据的电子装置的示意图，所述数据与输入数据库中的钻头的不平衡力和钻头的漂移特征相关；

图10是显示操作顺序的流程图，所述操作顺序可以由图9所示电子装置执行；和

图11是显示另一个操作顺序的另一个流程图，所述操作顺序可以由图9所示电子装置执行。

具体实施方式

这里显示的示例不表示任何特殊材料、设备、系统或方法的实际视图，而仅是用于描述本发明的理想化表示。另外，附图之间共有的元件可以保持相同的数字编号。

图2显示了固定牙轮式旋转钻头10。如图所示，钻头10可以包括钻头体12，其可以固定到钢杆16上。钢杆16可以包括用于将钻头10附接到钻杆柱(未显示)上的API螺纹连接部分(未显示)。钻头体12可以包括颗粒基体复合材料。颗粒基体复合材料可以包括随机散布在基体材料中的多个硬质颗粒。

硬质颗粒可以包括金刚石或陶瓷材料，例如碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B₄C))。更具体地，硬质颗粒可以包括由例如W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si的元素组成的碳化物和硼化物。作为实例并且非限制性的，用于形成硬质颗粒的材料包括碳化钨(WC、W₂C)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、二硼化钛(TiB₂)、碳化铬、氮化钛(TiN)、碳化钒(VC)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)和碳化硅(SiC)。而且，不同硬质颗粒的组合可用于调整颗粒基体复合材料的物理性能和特征。

颗粒基体复合材料的基体材料例如可以包括钴基、铁基、镍基、铁镍基、钴镍基、铁钴基、铝基、铜基、镁基和钛基合金。基体材料还可以选择工业纯元素，例如，钴、铝、铜、镁、钛、铁和镍。

如本领域已知的那样，例如，通过形成具有大体上界定钻头体12的希望形状的内部空间的耐火模型，用硬质颗粒充满所述内部空间以及将硬质颗粒渗入熔融基体材料中来制造钻头体12。

在附加实施例中，钻头体12可以大体上包括例如钢的金属或金属合金，并且可以通过利用传统加工方法(例如，铣削、车削、钻削等)加工这种材料坯材而制成。

不管制造钻头体12的材料如何，钻头体12可以包括刀翼或刀片20，其中，排屑槽22位于相邻刀片20之间。喷嘴24可以设置在钻头10的表面18上并且构造为使钻井流体从内部纵向孔或充气间(未显示)流向钻头表面18，所述内部纵向孔或充气间可以延伸穿过钢杆16并部分地穿过钻头体12。内部流体通道(未显示)可以在钻头体12的表面18和内部纵向孔或充气间之间延伸，喷嘴24可以构造为可拆卸和可更换插入件，其定位在通向钻头面18的内部流体通道的开口内。

多个切削件28可以设置在钻头体12的表面18上。切削件28可以沿刀片20设置在形成于钻头体12的表面18上的凹窝30内，并且由支肋32从后面支撑，所述支肋可以与钻头体12一体形成。至少一个保径垫(gage pad)34可以设置在每个刀片20上，如本领域已知的那样。作为实例并且非限制性的，切削件28可以为或者包括PDC切削件。

在钻进操作期间，钻头10可以定位在钻孔底部并且在钻井流体沿钻杆柱通过喷嘴24泵送到钻头体12的表面18时旋转，钻头10悬挂在所述钻杆柱上。当PDC切削件28切断或刮落下伏地层时，地层岩屑与钻井流体混合并悬浮于其中，钻井流体通过排屑槽22向上流入钻孔壁和钻杆柱外部之间的环形空间中，并且通过所述环形空间流向地下地层的表面。

在制造钻头，例如图2所示钻头10之后，对钻头10的特定钻进速度(ROP)和转速而言，有可能以一定精度计算作用在与具有已知物理性能的地下地层相接合的每个切削件28上的反作用力。这些反作用力可以分解成三个轴向分量，作为其中两个的切向力(通常称作“切削力”或“切向力”)和径向力(通常称作“穿透力”或“法向力”)构成作用在钻头10上的总横向力。作用在位于钻头10的表面18上的每个切削件28上的切向应力和径向力之和限定了在与钻头10的纵向轴线40垂直的平面内由于通过地层作用在切削件28上的反作用力的原因而作用在钻头10上的净侧向力或横向力的大小和方向。这个净侧向力在这里指钻头10的不平衡力，并且可以表示为钻压(WOB)的百分比。授权给Brett等的美国专利No.4,815,342中描述了一种典型方式的非常详细地解释，以这种方式，可以对作用在钻头10的单个切削件28上的单个反作用力进行计算和求和以确定钻头10的不平衡力。

如这里在先所述，人们很难根据为特定钻头设计指定的精确尺寸制造钻头，例如图2所示钻头10。例如，钻头10的切削件28可以手动铜焊到位于钻头10的表面18上的切削件凹窝30内，后倾角或侧倾角方面小至1°的均匀变化可以改变钻头10的不平衡力的大小和方向中的至少一个。因此，人们非常希望在钻头10已经制造之后从钻头10直接精确测量每个切削件28的尺寸、位置和朝向，以精确地确定钻头10的不平衡力的大小和方向。作为实例并且非限制性的，可以利用坐标测量机(CMM)获得这种精确测量。当在此使用时，术语“坐标测量机”是指能够识别位于预定三维空间内的三维对象表面上的点位置的任何机器。坐标测量机可以利用例如接触探针、电磁辐射(例如，激光、光学探针等)、或者超声波振动来识别预定三维空间内的三维对象表面上的点位置。

在先前提到的授权给Brett等的美国专利No.4,815,342中描述了这种市售坐标测量机的细节和使用这种坐标测量机构建钻头10的计算机模型的特定方式，因此，不必在此详细描述。这种坐标测量机可从例如Sheffield Measurement Incorporated of Fond du Lac，Wisconsin处购得。

简要地，图3显示了可用于从钻头10直接获得测量值的市售接触探针型坐标测量机44。坐标测量机44可以包括附接到可漂移框架组件50上的尖针46。尖端48设置在尖针46的端部。坐标测量机44可以包括仪表或传感器，其用于识别和记录尖针46的端部上的尖端48相对于由X、Y和Z轴限定的三维坐标系中的预定原点的精确位置。可以使用计算机54提供尖针46上的尖端48的X、Y和Z坐标读数。还可以使用计算机54将X、Y和Z坐标记录在计算机54的存储器中，远程服务器或电脑的存储器中或者例如高密度磁盘、软盘驱动器、外部硬盘等的可移动记录介质的存储器中。尖针46可以定位或安装在位于钻头10的表面上的多个点上，尤其是位于钻头10的每个切削件28周围或上面的多个点上，每个特定点的X、Y和Z坐标可以识别并记录。通过该数据，可以确定至少一部分切削件28的尺寸、位置和朝向，可以建立钻头10的计算机模型。

利用如上所述的方法，可以提供用于预测钻地旋转钻头的漂移特征的新颖方法，用于设计和制造钻地旋转钻头的方法以及新颖的钻地旋转钻头，如下文更详细描述的那样。

可以制造或以其他方式提供多个大体上类似的钻地旋转钻头。作为实例并且非限制性的，每个钻头与图2所示的前述钻地旋转钻头10大体上类似。每个钻头10可以根据单个尺寸和设计规范提供或制造。

在提供每一钻头10之后，与每个钻头10的几何结构相关的测量值，尤其是位于每个钻头10的表面18上的至少一部分切削件28的尺寸、位置和朝向可以利用如前所述的坐标测量机44从每个钻头10直接获得，并且可以建立每个钻头10的计算机模型。

随后可以使用每个钻头10在下伏地层中(或实验室中的试验地层中)钻孔。在钻进过程中，地下地层的硬度和/或抗压强度(预先已知或者在钻进期间或之后确定)、钻进速度(ROP)、施加钻压(WOB)和每个钻头10的转速可以连同每个钻井过程期间使用的特定钻头10的相应观测漂移特征或性能一起记录。漂移特征可以包括例如钻头10是否呈现左移或右移，以及钻头向左移或向右移的速率。例如，钻头10向左移或向右移的速率可以表示为钻入地层中的每单位深度的方向角变化，可以用度/100英尺的单位表示。换句话说，如果方向角在利用特定钻头10钻穿大约100英尺地层之后从大约60°变化到大约58°(即，2°的变化量)，在使用特定钻进参数的情况下，钻头10可以按大约2.0度/100英尺的速率左移。

作为实例并且非限制性的，与例如地下地层的硬度和/或抗压强度、钻进速度(ROP)、施加钻压(WOB)、钻头10的转速、以及在每个钻进过程期间使用的特定钻头10的漂移特征或性能相关的数据可以由工作人员在利用钻头10钻孔时手动采集和记录。另外或作为可选方案，这种数据可以利用布置在钻柱、钻头10或两者中的加速度计、磁力计以及其他传感器连同相关的电子器件和设备(即，处理器、存储器、电源供给等)自动采集和记录。在提交于2005年6月7日、标题为“Method And Apparatus For Collecting Drill Bit PerformanceData(用于采集钻头工作特性的方法和设备)”并且受让给本发明受让人的美国专利申请序列No.11/146,934中描述了可以在钻进过程期间使用布置在钻柱和/或钻头10中的加速度计、磁力计和/或其它传感器采集此类数据的方法和相关设备。

在每个钻进过程期间采集的与影响钻头10的不平衡力相关的变量或参数(例如，地下地层的硬度和/或抗压强度、钻进速度、钻压、钻头转速等)相关的数据可以连同观测钻头漂移特征一起记录在数据库中。当在此使用时，术语“数据库”是指记录在介质中的任何数据集合，包括例如电子数据库以及电子和手写的电子数据表、目录、列表等。

随后可以使用先前用坐标测量机44从每一钻头10直接获得的测量值以及结合每个钻进操作获得的与影响钻头10的不平衡力相关的记录信息通过使用例如授权给Brett等的美国专利No.4,815,342中详细描述的那些方法来计算钻进操作期间作用在每一钻头10上的不平衡力的大小和方向。不平衡力的计算大小和方向可以记录在数据库中并且与每个相应钻头10的观测漂移特征相关联。

在这种数据库已经生成并且包括不平衡力的计算大小和方向、多个钻头中每个钻头10的观测漂移特征连同与其在钻进期间使用相关的钻进参数(例如，地层性质、钻进速度、钻压、钻头转速等)之后，数据库可以访问并使用以预测在设计方面与构造数据库的那些钻头类似的其他钻地旋转钻头10的漂移特征。

例如，可以制造或以其他方式提供具有未知漂移特征的钻头10。钻头10可以按照与构造数据库的每个钻头10大体上相同的方法测量和建模。作为实例并且非限制性的，可以利用坐标测量机44至少部分地通过测量位于钻头10的表面18上的每个切削件28的尺寸、位置和朝向对钻头10进行测量和建模，就如在前面参照附图2所描述的那样。当已经对钻头10进行测量和建模时，可以在预定钻进参数组的情况下计算钻头10的不平衡力，人们预期在所述钻进参数下利用钻头10进行钻井。计算不平衡力的大小和方向可以与用于特定钻进参数的数据库内的不平衡力进行比较，并且可以使用记录在数据库中的预先观测漂移特征预测具有未知漂移特征的钻头10的漂移特征。

在已经预测特定钻头10的漂移特征之后，可以利用预测漂移特征计算经过待钻地下地层到达预定目标区域的钻头轨迹。用于计算经过地下地层到达预定目标的钻头轨迹的方法对于本领域普通技术人员来说显而易见。

作为实例并且非限制性的，数据库可以包括电子数据库，例如市售桌上或膝上型计算机的计算机系统(未显示)可以配置为在计算机程序的控制下执行算法，所述算法配置为电子访问电子数据库并使具有未知漂移特征的钻头10的计算不平衡力的大小和方向与具有已知观测漂移特征(它们用于构造数据库)的每一钻头10的计算不平衡力的大小和方向进行比较。

还可以使用使多个钻头10的计算不平衡力与观测漂移特征相关的数据库设计和制造具有预测漂移特征的钻地旋转钻头10。作为实例并且非限制性的，可以选择待制造钻头10所呈现的希望漂移特征。可以访问数据库来识别观察到具有希望漂移特征的钻头10，并且可以从数据库中识别观察到具有希望漂移特征的钻头10的不平衡力的计算大小和方向。钻头10可以制造和构造为呈现具有已经选定的预定大小和方向的不平衡力，从而给钻头10提供希望的漂移特征。

钻头(例如图1所示钻头10)的计算不平衡力的方向和大小可以通过将不平衡力矢量放置在钻头表面端视图上方来表示。图4是图2所示钻头10的表面的端视图。每个切削件28用表示每一单个切削件28相对于钻头10的纵向轴线40(图2)的相对径向位置的1到19间的数字进行标号，标有“1”的切削件28径向最为靠近纵向轴线40，标有“19”的切削件径向最为远离纵向轴线40。还是如图4所示，钻头10可以包括第一刀片20A、第二刀片20B、第三刀片20C和第四刀片20D。其上安装有“1”号切削件的刀片20A可以称作“第一刀片”。

通过例如在钻头10的端视图上限定笛卡尔座标系可以描述与钻头10相关的计算不平衡力的大小和方向，如图4所示。作为实例并且非限制性的，可以限定XY平面，使得X轴和Y轴的交点位于钻头10的中心并且定向成使X轴沿通常沿着第一刀片20A的前缘21A的方向延伸。至少部分地沿径向作用在钻头10上的任何作用力可以分解成沿与X轴平行的方向作用在钻头10上的第一分量，和沿与Y轴平行的方向作用在钻头10上的第二分量。X分量和Y分量可以求和以确定作用在钻头10上的合力。可以使用例如从正向X轴沿逆时针方向延伸到合力矢量的角度表征合力矢量的方向。这样，至少部分地沿径向作用在钻头10上的任何作用力的方向可以表征为具有0到360°的方向。

图5A是图2所示钻头10的端视图。使用预先描述的方法，可以计算用于给定工作参数组(如前所述)的作用于钻头10的每个切削件28上的径向力和切向力。作用在每一切削件28上的径向力可以求和以提供图5A所示的总径向力矢量56，其以X分量和Y分量(未显示)表征。类似地，作用在每一切削件28上的切向力可以求和以提供图5A所示的总切向力矢量58，其同样以X分量和Y分量(未显示)表征。总径向力矢量56和总切向力矢量58之和可以限定总不平衡力矢量60，其同样以X分量和Y分量(未显示)表征。总不平衡力矢量60可以定位成从钻头10的中心沿径向向外方向延伸，如图5A所示。如图所示，不平衡力矢量60沿大体上朝向第一刀片20A的中心定向，并且具有大约330°的方向。如图5B所示，不平衡力矢量60可以沿朝向第一刀片20A和刀片20D之间的排屑槽22的方向定向，并且可以具有大约45°的方向。

图6A是显示了在从125英尺/小时到250英尺/小时的钻进速度范围内，三个钻头10的计算不平衡力方向的图表。图6B是显示了在相同的钻进速度范围内，相同三个钻头10的计算不平衡力大小(表示为钻压(WOB)百分比)的图表。作为实例并且非限制性的，钻头10的不平衡力的大小可以处于钻压(WOB)的大约0％到大约20％的范围内，如图6B所示。在钻头10的不平衡力以可预见方式影响钻头10的漂移特征之前，钻头10的不平衡力大小有必要超过临界值。而且，如果不平衡力方向导致钻头10向右或向左漂移时，增大不平衡力大小会导致钻头10向右或向左的漂移速率也增加。

计算出多个钻头的不平衡力的大小和方向，每个钻头具有与图1所示钻头10类似的设计。根据每个钻头的不平衡力的大小和方向以及每个钻头的观测漂移特征形成几个观察结果。首先，具有计算不平衡力矢量的钻头10可以具有呈现不漂移的趋势，所述计算不平衡力矢量沿径向从钻头10的中心指向刀片20A、20B、20C和20D。更特别地，具有计算不平衡力矢量的钻头10可以具有呈现不漂移的趋势，所述计算不平衡力矢量沿径向从钻头10的中心指向第一刀片20A的中心(如图5A所示)。其次，具有计算不平衡力矢量的钻头10可以具有向左漂移的趋势，所述计算不平衡力矢量沿径向从钻头10的中心指向刀片20A、20B、20C和20D的前缘21A，或者指向排屑槽22。更特别地，具有计算不平衡力矢量的钻头10可以具有向左漂移的趋势，所述计算不平衡力矢量沿径向从钻头10的中心指向第一刀片20A的前缘21，或者指向第一刀片20A和刀片20D之间的排屑槽22(如图5B所示)。人们相信，具有计算不平衡力矢量的钻头10可以具有向右漂移的趋势，所述计算不平衡力矢量沿径向从钻头10的中心指向第一刀片20A的后缘21B，或者指向第一刀片20A和刀片20D之间的排屑槽22。

如上所述，许多因素和变量影响钻头10的不平衡力的大小和/或方向。这类因素和变量包括但不限于位于钻头10的表面18上的每一单个切削件28的尺寸、位置和朝向，钻进速度，钻头10的转速，钻压等。一部分变量与钻头10本身相关(例如，每一单个切削件28的尺寸、位置和朝向)，并且可以改变以使钻头10构造为具有不平衡力，所述不平衡力对于具有预定值的给定其他变量组(例如，钻进速度，钻头10的转速，钻压)而言具有预定大小和方向。下面更详细地描述与钻头10相关的一部分变量。

图7显示了本领域已知的图2所示钻头10的“切削件轮廓”，并且显示了一个刀片，例如第一刀片20A的横截面。每个重叠圆圈表示如果每个切削件28围绕钻头10的纵向轴线40周向旋转到第一刀片20A上的位置的话，将在刀片20A上被切削件28占据的位置。如图7所示，切削件28的切削刃29可以界定切削件轮廓，其大致由图6中的线64表示。切削件轮廓典型地具有平滑曲线，与由图6所示线64表示的轨迹类似。

由被钻的周围地下地层作用在单个切削件28上的反作用力可以通过使单个切削件28移出轮廓而改变。换句话说，一个或多个切削件28的位置可以相对于切削件轮廓64漂移，从而改变作用在钻头10上的总不平衡力。因此，可以通过使一个或多个切削件28的位置相对于切削件轮廓64有选择地漂移而有选择地调节作用在钻头10上的总不平衡力。例如，一个或多个切削件28可以更深地安装在凹窝30(图2)中，使得切削件28的切削刃29的暴露减少并且不径向向外延伸到沿切削件轮廓64的点。作为另一实例，一个或多个切削件28可以更浅地安装在切削件凹窝30中，使得切削件28的切削刃29的暴露增多并且径向向外延伸超过切削件轮廓64。

还可以通过例如调节切削件28的后倾角或侧倾角来改变由被钻的周围地下地层作用在单个切削件28上的反作用力。图8A显示了切削件28的后倾角74，图8B显示了切削件28的侧倾角76A、76B。

图8A是位于钻头10(图2)的刀片20上的切削件28的横截面视图。切削方向由方向箭头72表示。切削件28可以沿这样的朝向安装到刀片20上，使得切削件28的切削面27与直线80成后倾角74。直线80可以定义为从钻头10的表面18沿在该位置与其大体上垂直的方向径向向外延伸(在图8A的平面内)的直线。另外或可选地，直线80可以定义为从钻头10的表面18沿与切削方向72大体上垂直的方向径向向外延伸(在图8A的平面内)的直线。可以相对于直线80测量后倾角74，沿逆时针方向测量正角，沿顺时针方向测量负角。

图8A显示了切削件28具有大约20°的负后倾角，从而具有“后倾角”。在其他实施方式中，切削件28具有正后倾角。在这种构造中，切削件28可以具有“前倾角”。作为实例并且非限制性的，位于图2所示钻头10的表面18上的每个切削件28可以(通常)具有大约-5°到-30°的后倾角。

图8B是安装在位于图2所示钻头10的表面18处的刀片20上的切削件28的局部放大侧视图。切削方向由方向箭头72表示。切削件28可以沿这样的朝向安装到刀片20上，使得切削件28的切削面27与切削方向72大体上垂直。在这种构造中，切削件28不呈现侧倾角。切削件28的侧倾角可以定义为大体上垂直于切削方向72的直线82和切削件28的切削面29(在图8B的平面内)之间的角度，正角沿逆时针方向测量，负角沿顺时针方向测量。在附加实施例中，切削件28可以沿由虚线78A表示的朝向安装。在这个构造中，切削件28可以具有负侧倾角76A。而且，切削件28可以沿由虚线78B表示的朝向安装。在这个构造中，切削件28可以具有正侧倾角76B。作为实例并且非限制性的，位于图2所示钻头10的表面18上的每个切削件28可以具有大约-30°到30°的侧倾角。

作为实例并且非限制性的，通过有选择地改变或配置钻头10的一个或多个切削件28的后倾角74和/或侧倾角76A、76B可以使钻头10构造为具有选定的预定不平衡力矢量。通过改变钻头10的一个或多个切削件28的后倾角74和/或侧倾角76A、76B，可以改变由被钻的周围地下地层作用在单个切削件28上的反作用力，从而改变作用在钻头10上的总不平衡力。

作为另一实例，通过有选择地改变或配置钻头10的一个或多个切削件28的尺寸或形状可以使钻头10构造为具有选定的预定不平衡力矢量。

除了改变钻头10的一个或多个切削件28的尺寸、形状、位置和朝向，通过在无限制情况下有选择地改变或配置钻头10的其他元件或特征可以使钻头10构造为具有选定的、预定不平衡力矢量。再次参考图2，可以有选择地改变或配置一个或多个保径垫34(例如，表面面积，形状，位置，有或没有切削件例如“保径修整器”或表面镶嵌金刚石，有或没有磨损元件例如耐磨堆焊，WC“磨块”，表面粗糙度，硬度等)，使得钻头10具有选定的预定不平衡力。而且，可以在钻头体12的选定的预定区域内有选择地改变钻头体12的质量，使得钻头10的质量中心不沿钻头10的纵向轴线40布置。这还可以影响钻头10的不平衡力，并且可以有选择地构造以在钻进期间给钻头10施加希望的不平衡力。

这里描述的方法能够制造具有可预测漂移特征的钻头。这种钻头可以制造和构造为向右漂移、向左漂移或不漂移。因此，钻头可以构造为以预定方式漂移，这种钻头可以在定向钻进应用中使用。而且，钻头可以构造为不漂移，并且这种钻头可用于促进方向控制和钻头稳定性。例如，有选择地配置钻头以具有不漂移特征可以防止钻头在钻进操作期间摆动或将其减至最小，从而对钻孔尺寸实现更好地控制以及使由于钻孔内钻头摆动引起的对钻头及其上切削件造成的损坏减到最少。而且，这里描述的方法通过提供在钻压稳定增大或减小时具有相对稳定的钻压-扭矩比的钻头可以促进钻头稳定性。换言之，当钻压以大体上连续或平滑方式增大时，扭矩也可以以大体上连续或平滑方式(无迅速增大或减小)增大。

而且，钻头具有沿与下伏地层中的断层(fault)相关的特定方向漂移的趋势。如果不希望产生这种漂移的话，钻头可以利用这里描述的方法构造为具有预测的、希望的漂移特征以抵消由断层导致的钻头的漂移趋势。例如，钻头可以构造为沿与由地层中的断层使钻头趋于漂移的方向大体上相反的方向漂移。

而且，还可以使用这里描述的方法以与这里描述的用于预测钻头向右移或向左移的趋势大体上相似的方式预测钻头增斜或降斜的趋势，从而能够制造具有可预测增斜/降斜特征的钻头。

图9是示例性电子装置90的示意图，可以使用所述电子装置从钻头10采集与钻头10的不平衡力和钻头10的漂移特征相关的数据。电子装置90可以包括至少一个电子信号处理器92、至少一个存储装置94和至少一个输入装置96。选择性地，电子装置90可以包括输出装置(未显示)，其配置为允许由电子装置90采集的数据与另一装置(例如，电脑，个人数字助理(PDA)，图形显示装置，打印机等)通讯。作为实例并且非限制性的，至少一个输入装置96可以包括加速度计、磁力计或任何其他传感器装置。而且，所述至少一个输入装置96可以包括多个输入装置，并且可以包括加速度计、磁力计及其它传感器装置的组合。而且，电子装置90可以用提交于2005年6月7日、名称为“Method And Apparatus For Collecting Drill Bit Performance Data(用于采集钻头性能数据的方法和设备)”的美国专利申请序列No.11/146,934中描述的任何方式配置。在这种构造中，电子装置90可以整合在钻头10、连接到钻头10的钻杆或者井底钻具组合(BHA)或钻柱的任何其他部件中，并且可以构造为在钻进操作期间实时采集与钻头10的漂移特征和钻头10的不平衡力矢量相关的数据，以便随后存入到如前所述的数据库中。

作为实例并且非限制性的，电子装置90可以在程序控制下配置为执行至少图10所示流程图中显示的操作顺序。如这里所示，电子装置90可以配置为利用电子装置90的至少一个输入装置96对钻进条件(例如，被钻地下地层的强度)采样和对工作参数(例如，钻压(WOB)，钻进速度(ROP)等)采样以及将所采样的钻进条件和工作参数记录在电子装置90的至少一个存储装置94的存储器中。另外，如果一个或多个钻进条件和/或工作参数在钻进下伏地层之前已知或估计，这些钻进条件和/或工作参数可以预先编程到电子装置90中作为固定变量，或者作为至少部分地由其他变量(钻进条件和/或工作参数)限定的功能。

选择性地，如果所述至少一个输入装置96包括能够确定钻头10的位置和/或朝向的装置，电子装置90可以在程序控制下配置为利用所述至少一个输入装置96额外地确定钻头10的位置和朝向以及将钻头10的位置和朝向记录在电子装置90的至少一个存储装置94中。而且，电子装置90可以配置为通过使识别出的钻头10的位置和朝向与预先记录的钻头10的位置和朝向进行比较来确定钻头10的漂移特征。钻头10的漂移特征随后还可以记录在电子装置90的至少一个存储装置94的存储器中。

另外，如果位于钻头10的表面上的切削件28的构造(即，尺寸，形状，位置和朝向)已经预先确定(利用例如如前所述的坐标测量机(CMM))，切削件28的构造可以预先编程到电子装置90的所述至少一个存储装置94的存储器中。在这种构造中，电子装置90可以在程序控制下利用切削件构造、钻进条件和工作参数另外计算钻头10的总不平衡力，利用至少一个输入装置96记录钻头10的总不平衡力以及将钻头10的位置和朝向记录在至少一个存储装置94中。作为实例并且非限制性的，电子装置90可以构造为利用授权给Brett等的美国专利No.4,815,342中描述的方法计算钻头10的总不平衡力。

在执行上述操作顺序之后，电子装置90可以配置为在重复操作顺序之前使定时器运行预定时间，如图10的流程图所示。这样，电子装置90可用于在利用钻头进行钻进操作期间采集和记录与钻头10的不平衡力和钻头10的漂移特征相关的数据。电子装置90随后在钻头10从井孔中取出之后从钻头10(或者钻杆，井底钻具组合，钻柱等)中取出，并且由电子装置90采集的数据随后可以从电子装置90中取出并且存入到如前所述的数据库中。可选地，电子装置90可以配置为在钻进操作期间与例如位于被钻头10钻进地层的表面处的计算机系统的电子设备连续或定期通讯，从而允许所采集的数据实时存入到数据库中。可以通过在电子装置90和地层表面之间延伸的传导性导线或电缆，使用无线技术(例如，电磁辐射)或者用于将井孔内的信息传递给被钻地层表面的本领域已知的任何其他装置实现这种通讯。

在附加实施例中，电子装置90可以包括闭环系统并且可以配置为执行如图11所示流程图中显示的操作顺序。如流程图被图11中虚线100包围的那部分所示，电子装置90可以配置为在程序控制下执行与参照图10所示大体上相同的操作顺序。然而，如图11所示，电子装置90可以进一步配置为在程序控制下预测钻头10穿过被钻地下地层的钻进轨迹。

例如，使钻头的不平衡力与漂移特征相关联的预先构建的数据库，或者从这种数据库导出的能够根据计算不平衡力预测钻头10的漂移特征的数学算法可以预先编程到电子装置90的至少一个存储装置94中(图9)。而且，希望利用钻头10钻进的地层内的预定目标区域的坐标还可以预先编程到电子装置90的至少一个存储装置94中(图9)。在预测钻头10穿过地下地层的钻进轨迹之后，电子装置90可以配置为确定预测轨迹是否与地层内的预定目标区域相交。

如果预测轨迹不与预定目标区域相交，电子装置90可以配置为在程序控制下计算所需的工作参数，所述工作参数将导致钻头10的漂移特征以这样的方式改变以使钻头10的预测钻进轨迹与地层内的预定目标区域相交。随后可以调节一个或多个工作参数以便使钻头10的预测钻进轨迹与地层内的预定目标区域相交。作为实例并且非限制性的，电子装置90可以包括一个或多个输出，其配置为自动调节一个或多个工作参数。另外，或者作为可选方案，电子装置90可以包括一个或多个输出，其配置为使与一个或多个工作参数相关的数据和被钻地层的表面进行通讯，从而允许位于地层地面上的工作人员手动调节一个或多个工作参数。

如果由电子装置90预测的钻头10的轨迹将与地层内的预定目标区域相交，电子装置90可以配置为在重复上述操作顺序之前使定时器运行预定时间。

这样，电子装置90可用于采集与钻头10的不平衡力和钻头10的漂移特征相关的数据，或者可选择地，利用这些数据预测钻头穿过下伏地层的轨迹以及确定钻头10的预测轨迹是否与地层内的预定目标区域相交，从而有利于定向钻进和/或井斜控制。

尽管这里已经相对于特定的优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的普通技术人员应当考虑和认识到本发明不限于此。相反，在不脱离如下文要求保护的本发明范围的情况下，可以对优选实施例进行多种增加、删除和改变。另外，一个实施例的特征可以与另一个实施例的特征结合，但仍然处于由本发明人考虑的发明范围内。另外，本发明在具有不同和各种钻头外形及切削件类型的钻头和取芯钻头中具有实用性。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种在钻进至少一个地下地层中使用的方法，该方法包括：

构建包括多个参考钻头的信息的数据库，所述信息包括与多个参考钻头中每个相应参考钻头的多个不同钻进速度相对应的漂移特征和多个不同的计算不平衡力矢量；

设计另一个旋转钻头，包括：

访问数据库中的信息以识别产生所述另一个旋转钻头的希望漂移特征的至少一个不平衡力矢量和钻进速度；

计算所述另一个旋转钻头的不平衡力矢量；和

利用数据库中的信息预测所述另一个旋转钻头的至少一个漂移特征；和

形成所述另一个旋转钻头，形成所述另一个旋转钻头包括构造安装在所述所述另一个旋转钻头表面上的多个切削元件以使所述另一个旋转钻头呈现所述另一个旋转钻头的计算不平衡力矢量。

2.如权利要求1所述的方法，其中，形成所述另一个旋转钻头包括：

在所述另一个旋转钻头的表面上形成多个纵向延伸刀片，所述多个纵向延伸刀片界定了位于其间的排屑槽；和

将所述多个切削元件中的至少一个切削元件安装在所述多个纵向延伸刀片中的每个刀片上。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：

使所述另一个旋转钻头构造为沿与所述多个刀片中的刀片相关的预定方向具有计算不平衡力矢量以给所述另一个旋转钻头赋予预测的至少一个漂移特征；

至少部分地考虑所述另一个旋转钻头的预测的至少一个漂移特征以界定穿过地下地层的钻头轨迹；和

利用另一个旋转钻头沿穿过至少一个地下地层的界定的钻头轨迹进行钻孔。

4.如权利要求3所述的方法，其中，使所述另一个旋转钻头构造为具有计算不平衡力矢量包括将多个切削元件中的每个切削元件在计算的位置和以计算的朝向固定到所述多个刀片中的刀片上以使所述另一个旋转钻头具有计算的不平衡力矢量。

5.如权利要求3或4所述的方法，其中，构造安装在所述另一个旋转钻头表面上的所述多个切削元件以使所述另一个旋转钻头具有计算的不平衡力矢量包括选择尺寸、相对于所述另一个旋转钻头的径向位置、相对于所述另一个旋转钻头的纵向位置、后倾角和所述多个切削元件中至少一个切削元件的侧倾角中的至少一个。

6.如权利要求3-5中任意一项所述的方法，其中，使所述另一个旋转钻头构造为具有计算的不平衡力矢量包括下列之一，使所述另一个旋转钻头构造为沿朝向所述多个纵向延伸刀片中的刀片延伸的方向具有计算不平衡力矢量以使所述另一个旋转钻头向左漂移，以及使所述另一个旋转钻头构造为沿朝向界定在所述多个纵向延伸刀片中的两个刀片之间的排屑槽延伸的方向具有计算不平衡力矢量。

7.如权利要求1所述的方法，还包括使所述另一个旋转钻头具有与至少一个参考旋转钻头的至少一个不平衡力矢量大体上匹配的不平衡力矢量。

8.如权利要求7所述的方法，其中，使另一个旋转钻头具有不平衡力矢量还包括将所述多个切削元件在预定位置和以预定朝向固定在所述另一个旋转钻头的表面上。

9.如权利要求7或8所述的方法，其中，构建数据库包括：

制造多个参考旋转钻头，每个参考钻头包括固定安装在其表面上的多个切削元件；

测量位于所述多个参考旋转钻头的每个参考旋转钻头表面上的多个切削元件的至少一部分切削元件的位置和朝向；

利用至少一部分切削元件的测量位置和朝向计算多个参考旋转钻头中每个参考旋转钻头的不平衡力矢量；和

将多个参考旋转钻头中每个参考旋转钻头的不平衡力矢量添加到数据库中。

10.如权利要求9所述的方法，其中，构建数据库还包括：

利用多个参考旋转钻头的每个参考旋转钻头钻进至少一个地下地层；

确定一个或多个钻进速度下的多个参考旋转钻头的每个参考旋转钻头的漂移特征；和

将与每个参考旋转钻头的漂移特征和一个或多个钻进速度相关的信息添加到数据库中。

11.如权利要求9或10所述的方法，其中，测量位于多个参考旋转钻头的每个参考旋转钻头表面上的多个切削元件的至少一部分切削元件的位置和朝向包括测量相对于每个相应参考旋转钻头的纵向轴线的纵向位置、相对于每个相应参考旋转钻头的纵向轴线的径向位置、后倾角、以及位于每个参考旋转钻头表面上的至少一部分切削元件中每一个的侧倾角。

12.如权利要求9-11中任意一项所述的方法，其中，计算多个参考旋转钻头中每个参考旋转钻头的不平衡力矢量还包括计算在至少一个选定钻进速度下多个参考旋转钻头中每个参考旋转钻头的不平衡力矢量。

13.如权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，访问数据库包括利用计算机系统执行算法，以便电子访问数据库和使所述另一个旋转钻头的计算不平衡力矢量与多个参考旋转钻头中至少一部分参考旋转钻头的计算不平衡力矢量进行比较以预测旋转钻头的漂移特征。

14.一种设备，包括：

钻地旋转钻头；和

用于采集与钻头的不平衡力相关数据的数据采集系统，所述数据采集系统包括布置在钻地旋转钻头内的电子装置，所述电子装置配置为计算和记录钻头的不平衡力。

15.如权利要求14所述多个设备，其中，所述钻头构造为具有朝向钻头的多个纵向延伸刀片中两个刀片之间的排屑槽的不平衡力，从而使钻头具有向左漂移特征。

16.如权利要求14或15所述的装置，其中，所述电子装置包括：

至少一个电子信号处理器；

与所述至少一个电子信号处理器形成电气通讯的至少一个存储装置；和

与所述至少一个电子信号处理器形成电气通讯的至少一个输入装置。

17.如权利要求14所述的设备，其中，所述钻头构造为沿预定方向具有不平衡力以使钻头具有至少一个漂移特征。

18.如权利要求16所述的设备，其中，所述至少一个输入装置包括加速度计和磁力计中的至少一个。

19.如权利要求16或18中任意一项所述的设备，其中，地下地层中的预定目标区域的位置编程到至少一个存储装置的存储器中。

20.如权利要求19所述的设备，其中，所述电子装置在程序控制下配置为使钻头位置与地下地层内的预定目标区域的位置进行比较。

Claims

提供具有钻头体的旋转钻头，所述钻头体包括安装于其上的多个切削元件；和

预测旋转钻头的至少一个漂移特征，包括：

测量旋转钻头上的多个切削元件中的至少一部分切削元件的位置和朝向；

利用通过测量至少一部分切削元件的位置和朝向获得的至少一部分测量值计算旋转钻头的不平衡力的大小和方向；和

将旋转钻头的不平衡力的计算大小和方向与具有计算不平衡力和已知漂移特征的至少一个其它旋转钻头的不平衡力的大小和方向进行比较以预测旋转钻头的漂移特征。

2.如权利要求1所述的方法，其中，提供旋转钻头包括：

在旋转钻头的表面上提供多个纵向延伸的刀片，所述刀片界定了位于其间的排屑槽；和

将多个切削元件中的至少一个切削元件安装在多个纵向延伸刀片中的每个刀片上。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：

使旋转钻头构造为沿与所述多个刀片中的刀片相关的预定方向具有计算不平衡力以给旋转钻头赋予所述至少一个漂移特征；

至少部分地考虑钻头的所述至少一个漂移特征以界定穿过下伏地层的钻头轨迹；和

利用旋转钻头沿穿过所述至少一个地下地层的界定的钻头轨迹进行钻孔。

4.如权利要求3所述的方法，其中，使旋转钻头构造为具有计算不平衡力包括将多个切削元件中的每个切削元件在计算的位置和以计算的朝向固定到所述多个刀片中的刀片上以使旋转钻头产生不平衡力。

5.如权利要求3或4所述的方法，其中，使旋转钻头构造为具有计算的不平衡力包括选择尺寸、相对于旋转钻头的径向位置，、相对于旋转钻头的纵向位置、后倾角和多个切削元件中至少一个切削元件的侧倾角中的至少一个。

6.如权利要求3-5中任意一项所述的方法，其中，使旋转钻头构造为具有计算的不平衡力包括下列之一，使旋转钻头构造为沿朝向多个纵向延伸刀片中的刀片延伸的方向具有计算不平衡力以使旋转钻头向左漂移，以及使旋转钻头构造为沿朝向界定在所述多个纵向延伸刀片中的两个刀片之间的排屑槽延伸的方向具有计算不平衡力。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，提供旋转钻头包括设计旋转钻头以具有所述至少一个漂移特征，设计旋转钻头包括：

构建数据库，其包括计算不平衡力的大小和方向以及多个参考旋转钻头中每一个的观测漂移特征；

选择旋转钻头具有的所述至少一个漂移特征；

对于具有与旋转钻头要呈现的所述至少一个选定漂移特征类似的观测漂移特征的多个参考旋转钻头中的至少一个参考旋转钻头，访问数据库以识别计算不平衡力的大小和方向；和

使旋转钻头呈现不平衡力，该不平衡力具有与所述至少一个参考旋转钻头的计算不平衡力的大小和方向大体上匹配的大小和方向。

8.如权利要求7所述的方法，其中，访问数据库还包括确定旋转钻头中的多个切削元件的至少一部分切削元件的位置和朝向，以使旋转钻头产生不平衡力的计算大小和方向，导致旋转钻头具有至少一个漂移特征；并且其中，使旋转钻头呈现不平衡力还包括根据多个切削元件的至少一部分切削元件的确定位置和朝向制造旋转钻头。

9.如权利要求7或8所述的方法，其中，构建数据库包括：

制造多个参考旋转钻头，每个钻头包括固定安装在其表面上的多个切削元件；

测量位于多个参考旋转钻头的每个参考旋转钻头表面上的多个切削元件的至少一部分切削元件的位置和朝向；

利用至少一部分切削元件的测量的位置和朝向计算多个参考旋转钻头的每个参考旋转钻头的不平衡力的大小和方向；和

将多个参考旋转钻头的每个参考旋转钻头的不平衡力的计算大小和方向添加到数据库中。

10.如权利要求9所述的方法，其中，构建数据库还包括：

确定多个参考旋转钻头的每个参考旋转钻头的漂移特征；和

将与每个参考旋转钻头的漂移特征相关的信息添加到数据库中。

11.如权利要求9或10所述的方法，其中，测量位于多个参考旋转钻头的每个参考旋转钻头表面上的多个切削元件的至少一部分切削元件的位置和朝向包括测量相对于每个相应参考旋转钻头的纵向轴线的纵向位置、相对于每个相应参考旋转钻头的纵向轴线的径向位置、后倾角，以及位于每个参考旋转钻头表面上的至少一部分切削元件中每一个的侧倾角。

12.如权利要求9-11中任意一项所述的方法，其中，计算多个参考旋转钻头中每个参考旋转钻头的不平衡力的大小和方向还包括在至少一个选定钻进速度下计算多个参考旋转钻头中每个参考旋转钻头的不平衡力的大小和方向。

13.如权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，使旋转钻头的不平衡力的计算大小和方向与具有计算不平衡力和已知漂移特征的至少一个其它旋转钻头的不平衡力的大小和方向进行比较以预测旋转钻头的漂移特征包括使用计算机系统执行算法，以电子访问数据库并使旋转钻头的不平衡力的计算大小和方向与多个参考旋转钻头中每一个参考旋转钻头的计算不平衡力的大小和方向进行比较以预测旋转钻头的漂移特征。

14.一种包括具有钻头体的钻地旋转钻头的设备，所述钻头体包括多个纵向延伸刀片，所述刀片界定了位于其间的排屑槽，多个刀片中的每一个刀片具有安装于其上的多个切削元件，其中，所述钻头构造为具有沿与多个纵向延伸刀片中的刀片相关的预定方向的不平衡力，从而使钻头具有至少一个选定漂移特征。

15.如权利要求14所述的设备，其中，所述钻头构造为具有朝向多个纵向延伸刀片中两个刀片之间的排屑槽的不平衡力，从而使钻头具有向左漂移特征。

16.如权利要求14或15所述的设备，还包括用于采集与钻头的不平衡力有关的数据的数据采集系统，所述数据采集系统包括电子装置，所述电子装置包括：

至少一个电子信号处理器；

与所述至少一个电子信号处理器形成电气通讯的至少一个存储装置；

与所述至少一个电子信号处理器形成电气通讯的至少一个输入装置；并且

其中，所述电子装置配置为计算钻头的不平衡力和将计算不平衡力记录在至少一个存储装置中。

17.如权利要求16所述的设备，其中，所述电子装置布置在钻头内部。

18.如权利要求16或17所述的设备，其中，至少一个输入装置包括加速度计和磁力计中的至少一个。

19.如权利要求16-18中任意一项所述的设备，其中，下伏地层中的预定目标区域的位置编程到所述至少一个存储装置的存储器中。

20.如权利要求19所述的设备，其中，所述电子装置在程序控制下配置为使钻具位置与下伏地层内的预定目标区域的位置进行比较。