阅读说明：本技术 具有同轨设置的初级切削齿和备用切削齿的固定切削齿钻头 (Fixed cutter drill bit with co-orbital primary and backup cutters ) 是由 陈世林 于 2018-07-13 设计创作，主要内容包括：本公开涉及具有同轨设置的初级切削齿和备用切削齿的固定切削齿钻头、设计这种钻头的方法、实现这种方法的系统以及使用这种固定切削齿钻头在地质地层中钻取井眼的系统。(The present disclosure relates to fixed cutter drill bits having primary and backup cutters in co-orbital arrangement, methods of designing such drill bits, systems for performing such methods, and systems for drilling wellbores in geological formations using such fixed cutter drill bits.)

具有同轨设置的初级切削齿和备用切削齿的固定切削齿钻头

优先权要求

本申请要求2017年7月25日提交的标题为“FIXED-CUTTER DRILL BITS WITHTRACK-SET PRIMARY CUTTERS AND BACKUP CUTTERS”的美国临时专利申请序列号62/536,863的优先权，其全部内容通过引用方式并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及具有同轨设置的初级切削齿和备用切削齿的固定切削齿钻头、设计这种钻头的方法、实现这种方法的系统，以及使用这种固定切削齿钻头在地质地层中钻取井眼的系统。

背景技术

井眼最经常是使用钻地钻头在地质地层中形成的。存在各种类型的这种钻头，但是它们都会由于使用而经历某种类型的磨损或疲劳，这限制了钻头的总寿命或在返回地面之前在井眼中于井下所使用的时间。钻头中使用的材料及其随着井眼推进有效切削遇到的不同类型地层的能力有时也使得从井眼中取出钻头、更换钻头或钻头的部件、然后将其返回井下以恢复切削成为必需。

特别地，随着井眼达到更大的长度，取出和返回钻头的过程变得费时且昂贵。另外，钻头和钻头部件本身很昂贵并且制造或更换非常耗时。因此，那些参与设计、制造和操作钻地钻头及其部件的人员花费大量时间来开发限制在井眼中取出和返回钻头的方法以及提高钻头及其部件寿命的方法。然而，由于钻地钻头及其部件和操作往往非常复杂，致使这些尝试变得复杂，从而导致一些改进被发现是不切实际的。

具体实施方式

本公开涉及具有初级切削齿和同轨设置的备用切削齿的固定切削齿钻头。特别地，本公开涉及设计这样的钻头以确定同轨设置的备用切削齿的合适位置的方法。本公开还涉及用于实现钻头设计方法的系统、使用这种方法设计的固定切削齿钻头以及用于使用这种钻头在地质地层中形成井眼的系统。

本公开的方法可以用于设计在不牺牲进尺速度的情况下延长钻头寿命的钻头。所述方法还可用于设计可用于钻探软地层和硬地层两者的钻头，而无需从井眼取出钻头、用不同的钻头更换所述钻头或用不同的切削齿更换所述切削齿，然后将钻头返回到井眼。

通过参考图1至图22，可以进一步理解本公开，其中相同的数字用于指示相同和对应的部分。

图1是被配置成钻入一个或多个地质地层以形成井眼的钻井系统100的示意图。钻井系统100可以包括根据本公开的固定切削齿钻头101。

钻井系统100可以包括井表面或井场106。各种类型的钻井设备诸如转盘、泥浆泵和泥浆罐(未明确示出)可定位在井表面或井场106。例如，井场106可以包括钻机102，所述钻机可以具有与“陆地钻机”相关联的各种特性和特征。然而，根据本公开的固定切削齿钻头可以令人满意地与定位在海上平台、钻井船、半潜式钻井平台和钻井驳船(未明确示出)上的钻井设备一起使用。

钻井系统100可包括与固定切削齿钻头101相关联的钻柱103，所述固定切削齿钻头可用于形成多种井眼或钻孔，诸如大致垂直井眼114a或大致水平井眼114b，如图1中所示。各种定向钻井技术和钻柱103的井底钻具(BHA)120的相关联部件可用于形成大致水平井眼114b。例如，可在造斜位置113附近将侧向力施加至钻头101以形成从大致垂直井眼114a延伸的大致水平井眼114b。钻取井眼114至某个钻进距离，该钻进距离是井表面与井眼114的最远范围之间的距离，并且随着钻进的进行而增加。

BHA 120可由被配置成形成井眼114的多种部件形成。例如，BHA 120的部件122a、122b和122c可包括但不限于钻头(诸如，固定切削齿钻头101)、钻铤、旋转导向工具、定向钻井工具、井下钻井马达、扩眼器、扩孔器或稳定器。诸如被包括在BHA 120中的钻挺和不同类型的部件122的部件的数量可取决于所预测的井下钻井条件和将由钻柱103和固定切削齿钻头101形成的井眼的类型。

井眼114可部分地由套管柱110限定，所述套管柱可从井场106延伸到所选择的井下位置。如图1所示，井眼114的不包括套管柱110的部分可被描述为“裸井”。各种类型的钻井液可从井场106通过钻柱103泵送到附接的钻头101。这些钻井液可被导向以从钻柱103流动至包括在固定切削齿钻头101中的相应喷嘴(图2A中示出的项目156)。钻井液可以经由部分地由钻柱103的外径112和井眼114的内径118a限定的环空108循环回到井表面106。内径118a可以被称作井眼114的“侧壁”。环空108还可以由钻柱103的外径112和套管柱110的内径111限定。

图2是以经常用于建模或者设计固定切削齿钻头的方式向上取向的固定切削齿钻头101的等距视图；固定切削齿钻头101可以根据本公开的教导内容来设计和成型，并且可以具有根据钻头101的特定应用的许多不同的设计、配置和/或尺寸。

固定切削齿钻头101的井上端部150可包括钻头柄152，所述钻头柄上形成有钻杆螺纹155。螺纹155可用于使固定切削齿钻头101与BHA 120可释放地接合(如图1所示)，由此固定切削齿钻头101可相对于钻头旋转轴104旋转。固定切削齿钻头101的井下端部151可包括多个刀片126a–126g，所述多个刀片之间设置有相应排屑槽或液体流动路径。另外，钻井液可被传送到一个或多个喷嘴156。

所述多个刀片126(例如，刀片126a–126g)可以从固定切削齿钻头101的旋转钻头体124的外部部分向外设置。钻头体124可以是大致圆柱形的，并且刀片126可以是从钻头体124向外延伸的任何合适类型的突出部。例如，刀片126的一部分可直接地或间接地联接至钻头体124的外部部分，而刀片126的另一部分远离钻头体124的外部部分突出。刀片126可具有多种配置，包括但不限于基本拱形、螺旋状、盘旋状、锥形、会聚式、发散式、对称的和/或非对称的。

在一些情况下，一个或多个刀片126可具有从固定切削齿钻头101的邻近钻头旋转轴104延伸的基本拱形配置。拱形配置可部分地由从邻近钻头旋转轴104处延伸的大致凹陷的、凹入成形的部分限定。拱形配置还可部分地由设置在凹陷的、凹入部分与每个刀片的外部部分之间的大致凸出的、向外弯曲部分限定，所述外部部分大体上与旋转钻头的外径相对应。

刀片126a–126g可包括围绕钻头旋转轴设置的初级刀片。例如，在图2中，刀片126a、126c和126e可以是初级刀片或主刀片，因为刀片126a、126c和126e中的每一个的相应第一端部141可被设置成紧邻相关联的钻头旋转轴104。刀片126a–126g还可包括设置在初级刀片之间的至少一个副刀片。在图2中示出的位于固定切削齿钻头101上的刀片126b、126d、126f和126g可以是副刀片或次刀片，因为相应的第一端部141可被设置在井下端部151上与相关联钻头旋转轴104相距一定距离。副刀片和初级刀片的数量和位置可以改变，使得固定切削齿钻头101包括比图2所示更少或更多的副刀片和初级刀片。刀片126可相对于彼此和钻头旋转轴104对称地或者非对称地设置，其中所述设置可基于钻井环境的井下钻井条件。

在一些情况下，刀片126和固定切削齿钻头101可在由方向箭头105限定的方向上围绕旋转轴104旋转。每个刀片126可具有在固定切削齿钻头101的旋转方向上设置在刀片一侧上的前导(或者前)表面，和远离固定切削齿钻头101的旋转方向设置在刀片相对侧上的尾随(或者后)表面。刀片126可沿着钻头体124定位以使得它们具有相对于旋转轴104的螺旋形配置。或者，刀片126可沿着钻头体124相对于彼此和钻头旋转轴104以大体上平行的配置来定位。

刀片126包括从每个刀片126的外部部分向外设置的一个或多个切削齿128。例如，切削齿128的一部分可直接或间接地联接至刀片126的外部部分，而切削齿128的另一部分可远离刀片126的外部部分突出。切削齿128可以是被配置成切削地层的任何合适的装置，诸如满足与各种固定切削齿钻头101一起使用的各种类型的硬质合金齿、球齿、镶齿和保径齿。

一个或多个切削齿128可以包括基体，其中在基体的一个端部上设置有一层硬质切削材料。该层硬质切削材料可以是复合片，诸如聚晶金刚石复合片。该层硬质切削材料可提供切削齿128的切削表面130，该切削表面可以接合地层的相邻部分以形成井眼114。切削表面130与地层的接触可形成与切削齿128中的每一个相关联的切削区域。切削表面130的定位切削区域内的刃可被称为切削齿128的切削刃。切削齿128还可包括侧表面132。

通常，井眼诸如井眼114将钻穿具有不同性质(诸如不同硬度)的地层。代替使用两种不同的钻头来钻所述两种地层，可以使用具有初级切削齿和备用切削齿两者的固定切削齿钻头101。这种固定切削齿钻头101通常包括称为初级切削齿的第一组切削齿128A，当固定切削齿钻头101首先用于在地层中钻取井眼时，所述第一组切削齿可以充当主切削齿。固定切削齿钻头101还包括称为备用切削齿的第二组切削齿128B，当固定切削齿钻头101首先用于在地层中钻取井眼时，所述第二组切削齿可以充当次切削齿。尽管本说明书讨论了多个初级切削齿128A和备用切削齿128B(因为许多固定切削齿钻头101将包括多个两种类型的切削齿128)，但是包括单个初级切削齿128A和备用切削齿128B的固定切削齿钻头101以及用于设计和使用这种钻头的方法和系统也包括在本公开中。

当设计包括初级切削齿128A和备用切削齿128B的固定切削齿钻头101时，存在至少两个挑战，其中一个目标通常是避免备用切削齿128B在初级切削齿128A充分磨损之前切削地层。另一个目标是确保在初级切削齿128A充分磨损之后，备用切削齿128B确实切削地层或充当主切削齿。

在钻井期间，固定切削齿钻头101沿方向105围绕钻头旋转轴104旋转，以破除地层并产生井眼114。在固定切削齿钻头旋转时破除地层的速率称为进尺速度(ROP)，并且通常以长度单位/时间单位(诸如英尺/小时)进行测量。固定切削齿钻头101沿方向105围绕钻头旋转轴104旋转的速率称为钻头的旋转速度，通常表示为转数/单位时间诸如转数/分钟(RPM)。固定切削齿钻头101围绕钻头旋转轴104的每转的轴向进尺被称为钻头的切削深度(DOC)。切削深度通常以长度单位/转(诸如英寸/转)进行测量。

对于给定的以英尺/小时为单位的进尺速度和每分钟转数，固定切削齿钻头101的以英寸/转为单位的切削深度由以下等式给出：

DOC＝ROP/(5xRPM) (1a)。

等式(1a)中的DOC以钻头水平定义。然而，DOC可以由固定切削齿钻头101上的切削齿128分享，使得每个切削齿可以具有其本身的DOC。切削齿的DOC取决于固定切削齿钻头101的钻头轮廓上与相邻切削齿的重叠量。图3示出了用于双切削齿固定切削齿钻头101的该原理。初级切削齿128A和备用切削齿128B是同轨设置的，这意味着它们定位在固定切削齿钻头101上的相同径向位置并且具有相同的高度。使用点Pa和点Pb示出了相同的径向位置，点Pa和点Pb分别对应于初级切削齿128A和备用切削齿128B的圆柱轴。两个点Pa和Pb距钻头旋转轴104相同的半径R。

在固定切削齿钻头101的一次旋转期间，初级切削齿128A上的点Pa和备用切削齿128B上的点Pb分享钻头的切削深度(DOC)。在旋转期间占钻头切削深度(DOC)50％或更大份额的切削齿称为主切削齿。在旋转期间占钻头切削深度(DOC)小于50％份额的切削齿称为次切削齿。可以从特定切削齿的接合面积推断切削深度(DOC)，因为这两个特性成比例地变化。接合面积是切削齿在钻井期间与地层接触的面积。对于磨损的切削齿，接合面积是钻头中的切削齿的后倾角以及磨损(w)的函数。

点Pb的以英寸/转为单位的切削深度(DOC)可以计算为角度θ的函数，角度θ是相对于钻头旋转轴104测量的点Pa和点Pb之间的角度：

DOC_b＝DOCθ/360 (1b)。

点Pa的切削深度可以以英寸/转计算为：

DOC_a＝DOC-DOC_b (1c.)

在设计用于钻取井眼的固定切削齿钻头101的示例方法中，其中钻头具有100英尺/小时的进尺速度(ROP)和120的每分钟转数(RPM)，则钻头的切削深度(DOC)为0.16666英寸/转。图4示出了作为角度θ的函数的点Pa的切削深度(DOC_a)和点Pb的切削深度(DOC P_b)。

如图4所示，当备用切削齿128B以180.0度的角度θ落后于初级切削齿128A时，初级切削齿128A和备用切削齿128B均等地分享固定切削齿钻头101的切削深度(DOC)，因为初级切削齿128A和备用切削齿128B具有相同的接合面积。初级切削齿128A和备用切削齿128B两者可以被认为是主切削齿。

当备用切削齿128B以小于180.0度的角度θ旋转地落后于初级切削齿128A时，初级切削齿128A比备用切削齿128B分享更大的切削深度(DOC)，因为初级切削齿128A比备用切削齿128B更深地接合地层。在这种情况下，初级切削齿128A为主切削齿，并且备用切削齿128B为次切削齿。

当备用切削齿128B以大于180.0度的角度θ旋转地落后于初级切削齿128A时，备用切削齿128B比初级切削齿128A分享更大的切削深度(DOC)，因为备用切削齿128B比初级切削齿128A更深地接合地层。在这种情况下，备用切削齿128B为主切削齿，并且初级切削齿128A为次切削齿。

更普遍地应用该实例的原理，对于一对同轨设置的切削齿，哪个切削齿是主切削齿以及哪个切削齿是次切削齿取决于所述切削齿相对于切削齿所在的固定切削齿钻头的钻头旋转轴测量的角度位置。

在设计用于钻取井眼的固定切削齿钻头101的方法的另一个实例中，如图5所示，固定切削齿钻头101可具有六个刀片。为了清楚起见，在图5(左)中仅示出了这些刀片上的切削齿。刀片编号为1到6。图5(右)还提供了切削齿128的轨迹图。

固定切削齿钻头101上的切削齿128包括两个同轨设置的切削齿、初级切削齿128A和备用切削齿128B。图5示出了位于相同刀片(刀片1)上的初级切削齿128A和备用切削齿128B，但是备用切削齿128B也可以位于刀片2至6中的任何其他刀片上。一般来讲，本文公开的原理可以应用于具有任何数量的刀片的固定切削齿钻头上的任何同轨设置的切削齿，其中初级切削齿和备用切削齿定位在任何刀片上。

使用图5的固定切削齿钻头101或刀片2至6上的备用切削齿128B的变型，如果同轨设置的初级切削齿128A和备用切削齿128B具有相同的尺寸并且以相同的后倾角安置在固定切削齿钻头101中，并且固定切削齿钻头101具有100英尺/小时的进尺速度(ROP)和120的每分钟转数(RPM)，则针对初级切削齿128A和备用切削齿128B(具有变化的角度θ)所计算的接合面积如图6所示。

具体地讲，在图6A中，备用切削齿128B以23.69度的角度θ旋转地落后于初级切削齿128A(备用切削齿128B在刀片1上)。初级切削齿128A的接合面积是备用切削齿128B的8.8倍，使得初级切削齿128A为主切削齿，并且备用切削齿128B为次切削齿。备用切削齿128B的切削效率非常低，因为切削齿B的切削深度(DOC_b)过低而无法在备用切削齿128B的前部形成任何岩石碎片。

在图6B中，备用切削齿128B以83.38度的角度θ旋转地落后于初级切削齿128A(备用切削齿128B在刀片6上)。初级切削齿128A的接合面积仍然大于备用切削齿128B的接合面积，使得初级切削齿128A仍然为主切削齿，而备用切削齿128B为次切削齿，但备用切削齿128B的接合面积与备用切削齿128B在刀片1上时相比是增加的。备用切削齿128B的切削效率仍然较低，但是也比备用切削齿128B在刀片1上时更高。

在图6C中，备用切削齿128B以148.72度的角度θ旋转地落后于初级切削齿128A(备用切削齿128B在刀片5上)。初级切削齿128A的接合面积为0.03036in²，并且备用切削齿128B的接合面积为0.024916in²。尽管两个切削齿具有几乎相同的接合面积，但是初级切削齿128A仍然为主切削齿，而备用切削齿128B仍然为次切削齿。

在图6D中，备用切削齿128B以197.29度的角度θ旋转地落后于初级切削齿128A(备用切削齿128B在刀片4上)。初级切削齿128A的接合面积为0.02475in²，并且备用切削齿128B的接合面积为0.03314in²。尽管两个切削齿同样具有几乎相同的接合面积，但是备用切削齿128B在该配置中为主切削齿，而初级切削齿128A为次切削齿。

在图6E中，备用切削齿128B以257.12度的角度θ旋转地落后于初级切削齿128A(备用切削齿128B在刀片3上)。初级切削齿128A的接合面积为0.01648in²，并且备用切削齿128B的接合面积为0.025514in²。备用切削齿128B具有比初级切削齿128A更大的接合面积，使得备用切削齿128B为主切削齿，并且初级切削齿128A为次切削齿。

在图6F中，备用切削齿128B以319.97度的角度θ旋转地落后于初级切削齿128A(备用切削齿128B在刀片3上)。初级切削齿128A的接合面积为0.00621in²，并且备用切削齿128B的接合面积为0.035785in²。备用切削齿128B具有比初级切削齿128A显著更大的接合面积，使得备用切削齿128B为主切削齿，并且初级切削齿128A为次切削齿。

以上实例说明了切削齿之间的角度θ(甚至是在两个切削齿是同轨设置时)在其与地层的相对接合面积中如何发挥重要作用。该实例的原理可以应用于固定切削齿钻头的设计中。

特别地，为了使备用切削齿128B具有比初级切削齿128A更小的接合面积，备用切削齿128B可以被定位成以小于180度的角度θ旋转地落后于切削齿A。在固定切削齿钻头101中，由于备用切削齿128B定位在刀片上，该角度θ通常在10至150度之间变化。备用切削齿128B的切削效率低于初级切削齿128A的切削效率，因此不适合使用备用切削齿128B作为备用切削齿。

为了使备用切削齿128B和初级切削齿128A具有相似的接合面积，备用切削齿128B可以被定位成以180度或接近180度的角度θ旋转地落后于初级切削齿128A。在固定切削齿钻头101中，由于备用切削齿128B定位在刀片上，该角度θ通常在150至210度之间变化。备用切削齿128B和初级切削齿128A的切削效率相似，因此适合使用备用切削齿128B作为备用切削齿。

为了使备用切削齿128B具有比初级切削齿128A更大的接合面积，备用切削齿128B可以被定位成以大于180度，通常典型地210至330度的角度θ旋转地落后于初级切削齿128A。在固定切削齿钻头101中，由于备用切削齿128B定位在刀片上，该角度通常在210至250度之间变化。备用切削齿128B的切削效率高于初级切削齿128A的切削效率，使得如果初级切削齿128A经历严重磨损，则适合将备用切削齿128B用作备用切削齿。

为了使备用切削齿128B成为主切削齿，所述备用切削齿应被定位成以180度或更大的角度θ旋转地落后于初级切削齿128A。

角度θ对初级切削齿128A和备用切削齿128B的接合面积的影响的上述实例假定固定切削齿钻头101上的两个切削齿呈现出相同的高度。然而，如图3所示另外定位的备用切削齿128B也可以轴向定位在初级切削齿128A的下方，如图7(左图)所示，其中点Pa和Pb之间具有距离δ。距离δ称为备用切削齿128B相对于初级切削齿128A的暴露不足。

由于暴露不足，对于固定切削齿钻头101的给定切削深度(DOC)，取决于暴露不足δ和角度θ，备用切削齿128B可能会也可能不会接合地层。备用切削齿128B开始接合地层的单位为英寸/转的临界切削深度(CDOC_b)可以计算如下：

CDOC_b＝(δx360)/θ (2a)。

如果固定切削齿钻头101的切削深度(COD)大于CDOC_b，则备用切削齿128B将接合地层。否则，备用切削齿128B将不接合地层。可以仅基于备用切削齿相对于初级切削齿128A的位置来计算CDOC_b，从而计算备用切削齿128B是否将接合地层。特别地，可以仅基于角度θ和暴露不足δ来计算CDOC_b。

对于一些固定切削齿钻头，CDOC_b可以是恒定的。因此，以英寸为单位的暴露不足δ可以是θ的线性函数，如以下等式所描述的：

δ＝(CDOC_bxθ)/360 (2b)。

因此，对于给定CDOC_b，取决于初级切削齿128A和备用切削齿128B之间的角度θ，可以设计具有暴露不足的各种距离δ的固定切削齿钻头。

在这种钻头中，如果初级切削齿128A从未经历过任何磨损，则初级切削齿128A将始终保持为主切削齿，而备用切削齿128B将始终保持为次切削齿。然而，通常而言，包括备用切削齿的目的是在初级切削齿经历磨损时分担切削责任。因此，设计固定切削齿钻头的方法通常除切削齿安置之外还考虑切削齿磨损。

可以结合本公开使用建模切削齿磨损的各种方法中的任何一种。例如，在基于单切削齿测试的聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿的模型中，切削齿磨损与切削齿负载、切削速度和温度成比例。此类模型可以进一步结合到钻头水平模型中，所述钻头水平模型进一步考虑了切削齿在固定切削齿钻头上的位置。通常，已经通过实验室测试验证了结合本公开使用的切削齿磨损模型。

例如，可以使用模型确定切削齿磨损。可以使用考虑切削齿在固定切削齿钻头上的位置的其他模型来确定切削齿磨损。图8中提供了使用切削齿磨损模型计算的沿固定切削齿钻头的钻头轮廓的切削齿磨损的示例曲线图。该钻头轮廓中的平均钻头变钝是8个中的2个。在图9中提供了使用切削齿磨损模型计算的固定切削齿钻头上的切削齿磨损期间切削刃变化的示例曲线图。描绘了锋利和磨损的切削刃两者。

CDOC_b作为初级切削齿128A的磨损w的函数改变。可以在类似于以上公式2a的修改的公式中考虑此效应：

CDOC_b＝((δ-w)x360)/θ (2c)。

图7中的右图还示出了初级切削齿128A的磨损w。当初级切削齿128A的磨损w等于备用切削齿128B的暴露不足δ时，则CDOC_b为零，并且备用切削齿128B用作有效切削齿。因此，可以设计固定切削齿钻头101，使得备用切削齿128B在初级切削齿128A的给定磨损w处开始充当有效切削齿。

由于相邻切削齿的重叠，CDOC_b的计算可能比等式2c更加复杂。可以使用通常由计算机实现的各种模型来计算CDOC_b。具体地讲，可以使用切削齿磨损模型来根据钻井信息进行切削元件磨损的预测。

通常，将具有同轨设置的初级切削齿128A和备用切削齿128B的固定切削齿钻头101设计成使得当初级切削齿128A未经历任何磨损或仅经历极小磨损时，或者当固定切削齿钻头101的切削深度(DOC)未超过某个值时，备用切削齿128B不接合地层。这种钻头通常还被设计成使得当初级切削齿128A经历等于备用切削齿128B的暴露不足δ的磨损w时，备用切削齿B成为主切削齿，以允许使用其更锋利的切削刃。为了使切削齿128B成为主切削齿，角度θ为180度或更大。

在设计用于钻取井眼的固定切削齿钻头101的另一个实例中，在图10中描绘了类似图5的钻头。该钻头可以是例如具有6个刀片和16mm初级切削齿的8 3/4PDC钻头。在此实例中使用的初级切削齿128A定位在固定切削齿钻头101的井下端部151处的刀片4上。示例参数可用于引导备用切削齿128B的安置。当固定切削齿钻头101的切削深度(DOC)小于0.1666英寸/转、进尺速度(ROP)为100英尺/小时以及每分钟转数(RPM)为120时，备用切削齿128B可不接合地层。因此，CDOC_b为0.16666英寸/转。然而，当初级切削齿128A经历0.1英寸的磨损w时，备用切削齿128B应接合地层。初级切削齿128A和备用切削齿128B是同轨设置的，并且具有相同的尺寸。

如果备用切削齿128B定位在刀片4上，刚好以18.86度的角度θ落后于也定位在刀片4上的初级切削齿128A，则其暴露不足δ为0.0087英寸。因此，在初级切削齿128A经历0.1英寸的磨损之前，备用切削齿128B将过早开始接合地层。另外，备用切削齿128B将永远不充当主切削齿。考虑钻头设计参数，这不是备用切削齿128B的优化安置。

如果备用切削齿128B被定位成以77.79度的角度θ落后于初级切削齿一个刀片而在刀片3上，则其暴露不足δ为0.0036英寸。因此，在初级切削齿128A经历0.1英寸的磨损之前，备用切削齿128B将过早开始接合地层。另外，备用切削齿128B将永远不充当主切削齿。考虑钻头设计参数，这不是备用切削齿128B的优化安置。

如果备用切削齿128B被定位成落后于初级切削齿两个刀片而在刀片2上，则其暴露不足δ为0.0665英寸。因此，在初级切削齿128A经历0.1英寸的磨损之前，备用切削齿128B将过早开始接合地层。另外，备用切削齿128B将永远不充当主切削齿。考虑钻头设计参数，这不是备用切削齿128B的优化安置。

如果备用切削齿128B被定位成以203.77度的角度θ落后于初级切削齿三个刀片而在刀片1上，则其暴露不足δ为0.0943英寸。因此，在初级切削齿128A经历0.1英寸的磨损之前，备用切削齿128B将稍微过早开始接合地层，但是由于在这种情况下δ接近w，因此稍微过早地接合是可接受的。另外，由于备用切削齿128B的角度θ，当初级切削齿128A经历0.0943英寸的磨损w时，备用切削齿将充当主切削齿。考虑钻头设计参数，这可能是备用切削齿128B的优化安置，条件是当初级切削齿128A经历比所选择的稍微少的磨损时备用切削齿128B接合地层是可接受的。

如果备用切削齿128B被定位成以265.14度的角度θ落后于初级切削齿四个刀片而在刀片6上，则其暴露不足δ为0.1227英寸。因此，当初级切削齿128A经历0.1227英寸的磨损时，备用切削齿128B将开始接合地层，但是由于在这种情况下δ接近w，因此稍迟于所选择的接合是可接受的。另外，由于备用切削齿128B的角度θ，当初级切削齿128A经历0.1227英寸的磨损w时，备用切削齿将充当主切削齿。考虑钻头设计参数，这可能是备用切削齿128B的优化安置，条件是当初级切削齿128A经历比所选择的稍微多的磨损时备用切削齿128B接合地层是可接受的。

如果备用切削齿128B被定位成以329.23度的角度θ落后于初级切削齿五个刀片而在刀片5上，则其暴露不足δ为0.1524英寸。因此，备用切削齿128B仅在初级切削齿128A经历0.1524英寸的磨损(这与所选择的0.1英寸的磨损相比过大)时才开始接合地层。由于备用切削齿128B的角度θ，当初级切削齿128A经历0.1524英寸的磨损w时，备用切削齿将充当主切削齿。考虑钻头设计参数，这仍然不是备用切削齿128B的优化安置，因为暴露不足δ过大。

可以进一步评估备用切削齿128B的最佳安置。图11是作为切削齿磨损和钻进距离的函数的临界切削深度的曲线图，并且可用于该进一步评估。

如果备用切削齿128B被安置成落后于初级切削齿三个刀片，则CDOC_b将遵循图11中的CDOC_b线1。从钻进距离0到到钻进距离S1，没有切削齿磨损，因此备用切削齿128B将不接合地层。从钻进距离S1到钻进距离S2，CDOC_b减小到CDOC_b线2，并且备用切削齿128B将逐渐接合地层。在钻进距离S2处，备用切削齿128B成为主切削齿并完全接合地层。在钻进距离S2之后，由于初级切削齿128A和备用切削齿128B之间的角度θ为203.77度(接近180度)，因此磨损的初级切削齿128A和备用切削齿128B两者将具有几乎相等的接合面积。在钻进距离S2之后，初级切削齿128A和备用切削齿128B两者将用作主切削齿，并且两个切削齿的钻井效率将得到提高。在w较小的情况下，钻井效率将得到特别提高。

如果备用切削齿128B被安置成落后于初级切削齿四个刀片，则CDOC_b将遵循图11中的CDOC_b线2。从钻进距离0到到钻进距离S1，没有切削齿磨损，因此备用切削齿128B将不接合地层。从钻进距离S1到钻进距离S3，CDOC_b减小到CDOC_b线3，并且备用切削齿128B将逐渐接合地层。在钻进距离S3处，备用切削齿128B成为主切削齿并完全接合地层。在钻进距离S3之后，由于初级切削齿128A和备用切削齿128B之间的角度θ为265度，因此备用切削齿128B将成为主切削齿，并且初级切削齿128A将成为次切削齿。在w较大的情况下，这种钻头设计将特别提高钻井效率。

本文描述的原理可以应用于设计固定切削齿钻头101的方法200中，该固定切削齿钻头用于在地层中钻取井眼114。该方法的流程图在图12中提供。为了说明的目的，相对于固定切削齿钻头101描述方法200；然而，方法200可用于设计任何固定切削齿钻头。

固定切削齿钻头101包含被标识为初级切削齿128A和备用切削齿128B的至少一对同轨设置的切削齿。具有多对同轨设置的切削齿128的固定切削齿钻头101可以通过如下方式来设计：针对每一对同轨设置的切削齿重复该方法200，或者将一对切削齿128的设计应用于受相似设计参数约束的类似定位的切削齿128。

可以根据本文描述的原理和方法设计固定切削齿钻头101，以延长钻头寿命并提高ROP。例如，固定切削齿钻头101可具有定位在第一刀片126上的初级切削齿128A，以及与初级切削齿128A同轨设置并定位在第二刀片126上的备用切削齿128B。备用切削齿128B可以以角度θ定位在第二刀片126上，该角度θ是相对于钻头104的钻头旋转轴在与使用期间钻头的旋转方向105相反的方向上测得的。θ可以大于或等于150度、180度或240度。备用切削齿128B可沿初级切削齿128A的齿廓角具有暴露不足δ。

暴露不足δ可以为零，在这种情况下，θ可以大于或等于180度或240度。

还可以选择固定切削齿钻头101的其他参数以延长钻头寿命并提高ROP。

例如，备用切削齿128B可在切削表面130与侧表面132之间具有倒角，该倒角可具有小于初级切削齿128A的倒角的长度。特别地，备用切削齿128B的倒角可具有小于或等于初级切削齿128A的倒角的60％、55％或50％的长度。

此外，可以减小初级切削齿128A和备用切削齿128B两者的倒角长度，以提高钻头寿命和ROP两者。例如，倒角长度可以是0.010英寸或更小，在0.005英寸与0.015英寸之间，在0.0075与0.0125英寸之间，或在0.001英寸与0.010英寸之间，而不是更典型的0.020英寸。

另外，备用切削齿128B可具有小于初级切削齿128A的后倾角的后倾角。特别地，备用切削齿128B的后倾角可以比初级切削齿128A的后倾角小至少2度、至少5度或至少10度。

此外，可以限制初级切削齿128A和备用切削齿128B两者的后倾角，以提高钻头寿命和ROP两者。例如，可以使用15度或更小、10度或更小或5度或更小的后倾角，特别是如果不考虑对切削齿的冲击损坏。

其他设计参数可以进一步提高钻头寿命和ROP。这些包括使用减少数量的刀片诸如5个或更少或6个或更少的刀片、更小的切削齿、多级力平衡切削齿布局(特别是成对切削齿)，以及同轨设置的相对切削齿布局，而不是同轨设置的前导或尾随切削齿布局。

可以对固定切削齿钻头101的不完整钻头设计执行方法200。不完整的钻头设计可包括钻头体124，该钻头体具有至少两个刀片126并且具有钻头旋转轴104，该钻头在使用期间围绕该钻头旋转轴沿着方向105旋转。钻头设计还可包括定位在第一刀片126上并具有齿廓角的初级切削齿128A。初级切削齿128A在钻头开始使用时是主切削齿。其位置将被确定的备用切削齿128B可以与初级切削齿128A同轨设置，并且可以沿着初级切削齿的齿廓角具有暴露不足δ。备用切削齿128B可以以角度θ定位在第二刀片126上，该角度θ是相对于钻头104的钻头旋转轴在与使用期间钻头的旋转方向105相反的方向上测得的。θ可以大于或等于150度。

在步骤202中，选择固定切削齿钻头101的刀片126上的初级切削齿128A作为将备用切削齿128B安置在固定切削齿钻头101的不同刀片上的基准。

在步骤204中，确定初级切削齿128A的齿廓角。齿廓角可以构成用于稍后进行磨损计算和暴露不足计算的基础。

在步骤206中，确定备用切削齿128B的所选择的目标临界切削深度，即所选择的目标CDOC_b。所选择的目标CDOC_b使得当初级切削齿128A的切削深度(DOC)小于所选择的目标CDOC_b时，备用切削齿128B不接合地层。

在步骤208中，选择初级切削齿128A的磨损w。选择磨损w，以便在初级切削齿经历到深度w的磨损时，备用切削齿接合地层并开始充当主切削齿。此时，备用切削齿可能是唯一的主切削齿，而初级切削齿变成次切削齿，或者备用切削齿和初级切削齿两者可以为主切削齿。

在步骤210中，针对备用切削齿128B选择刀片，初级切削齿128A上的点Pa和备用切削齿128B上的点Pb之间的这样的角度θ大于或等于150度或180度，所述角度θ是相对于固定切削齿钻头101的钻头旋转轴104并沿着与钻头的旋转方向105相反的方向测得的。因此，备用切削齿128B以150度或180度或更大角度旋转地落后于初级切削齿128A。

在步骤212中，选择备用切削齿128B的暴露不足δ。暴露不足是沿着在步骤204中确定的初级切削齿128A的齿廓角。

在步骤214中，确定备用切削齿128B相对于固定切削齿钻头101的其余部分的尺寸和位置和/或取向。

在步骤216中，使用等式2a或等式2c计算备用切削齿128B的实际临界切削深度，即实际CDOC_b。

在步骤218中，将实际CDOC_b与步骤206的所选择的目标CDOC_b进行比较。如果步骤216的实际CDOC_b不大于或等于步骤206的所选择的目标CDOC_b，则重复步骤212，其中选择备用切削齿128B的不同的暴露不足δ。如果步骤216的实际CDOC_b大于或等于步骤206的所选择的目标CDOC_b，则该方法进行到步骤218。

在步骤218中，将步骤212的所选择的暴露不足δ与步骤208的所选择的磨损w进行比较。如果步骤212的所选择的暴露不足δ不大于或等于步骤208的所选择的磨损w，则重复步骤210，其中针对备用切削齿128B选择不同刀片，并且改变角度θ。如果步骤212的所选择的暴露不足δ大于或等于步骤208的所选择的磨损w，则在步骤220中，备用切削齿128B以角度θ(也由步骤210指示)安置在步骤210中选择的刀片上，所述备用切削齿位于与初级切削齿128A同轨设置的位置，并且相对于初级切削齿128A的齿廓角具有暴露不足δ(如步骤212中选择的)。

方法200可以使用上面标识的钻头和切削齿信息来完成。可以使用附加方法设计固定切削齿钻头101的其他方面，包括切削齿128标识、尺寸和相对安置的其他方面。这些其他方法可以与方法200单独组合，也可以任何和所有彼此组合的可能方式与方法200相结合。另外，这些方法可以在方法200之前或之后执行，或者在方法200的步骤之间执行。

例如，除了方法200的步骤之外，可以确定和比较初级切削齿128A和备用切削齿128B的倒角的长度，以确定备用切削齿128B的倒角的长度是否小于初级切削齿128A的倒角的长度。如果不是，则可以更换初级切削齿128A、备用切削齿128B或两者，以使备用切削齿128B的倒角小于初级切削齿128A的倒角。

而且，除了方法200的步骤之外，可以确定和比较初级切削齿128A和备用切削齿128B的后倾角，以确定备用切削齿128B的后倾角是否小于初级切削齿128A的后倾角。如果不是，则可以调节初级切削齿128A、备用切削齿128B或两者的后倾角，以使备用切削齿128B的后倾角小于初级切削齿128A的后倾角。这种调节可能会影响CDOD，使得可以在方法200之前或在方法200中有关CDOC的步骤(诸如步骤206、214或216)之前执行此方法。

方法200的步骤可通过被配置成模拟和设计钻井系统、设备和装置的各种计算机程序、模型或其任何组合进行。程序和模型可包括存储在计算机可读介质上并且可操作来在被执行时进行如下所述的步骤中的一个或多个的指令。计算机可读介质可包括被配置成存储和检索程序或指令的任何系统、设备或装置，诸如硬盘驱动器、光盘、闪速存储器或任何其他合适装置。程序与模型可被配置成引导处理器或其他适合的单元检索和执行来自计算机可读介质的指令。

总体上，用于模拟和设计钻井系统的计算机程序和模型可以被称为“钻井工程工具”或“工程工具”。由于与用于设计固定切削齿钻头101的相同或相似方面的其他方法相比，方法200相对简单，可以例如通过允许在更短的时间或使用更少复杂的硬件进行钻头设计，从而改善这种钻井工程工具的性能。

在实施方案A中，本公开提供了一种固定切削齿钻头，该固定切削齿钻头包括：钻头体，该钻头体包括至少两个或至少三个刀片并且具有钻头旋转轴，该钻头在使用期间围绕该钻头旋转轴在一定的方向上旋转；初级切削齿，该初级切削齿定位在第一刀片上并且具有齿廓角，其中该初级切削齿在钻头开始使用时是主切削齿；以及备用切削齿，该备用切削齿与该初级切削齿同轨设置，并且沿着该初级切削齿的齿廓角具有暴露不足δ，该备用切削齿以角度θ定位在第二刀片上，该角度θ是从该初级切削齿相对于钻头的钻头旋转轴在与钻头在使用期间旋转的方向相反的方向上测得的，其中θ大于或等于150度。

在实施方案B中，本公开还提供了一种用于在地层中钻取井眼的系统，其中该系统包括：钻柱；如实施方案A中所述的附接到钻柱的固定切削齿钻头；以及在使用钻头在地层中钻取井眼期间旋转钻头和钻柱的地面组件。

在第三实施方案C中，本公开提供了一种方法，该方法包括提供不完整的钻头设计，该不完整的钻头设计包括：钻头体，该钻头体包括至少两个或至少三个刀片并且具有钻头旋转轴，该钻头在使用期间围绕该钻头旋转轴在一定的方向上旋转；初级切削齿，该初级切削齿定位在第一刀片上并且具有齿廓角，其中该初级切削齿在钻头开始使用时是主切削齿；以及确定备用切削齿的位置，该备用切削齿与初级切削齿同轨设置，并且沿着初级切削齿的齿廓角具有暴露不足δ，该备用切削齿以角度θ定位在第二刀片上，该角度θ是从初级切削齿相对于钻头的钻头旋转轴在与钻头在使用期间旋转的方向相反的方向上测得的，其中θ大于或等于150度。确定备用切削齿的位置包括：选择第一刀片上的初级切削齿；确定初级切削齿的齿廓角；选择备用切削齿的所选择的目标临界切削深度(CDOC_b)；选择初级切削齿的磨损w，在达到该磨损w时，所述备用切削齿将在钻头使用期间接合地层；针对备用切削齿选择第二刀片，使得基于该选择的角度θ大于或等于150度；沿着初级切削齿的齿廓角选择备用切削齿的暴露不足δ；使用以下等式之一计算备用切削齿的实际CDOC_b：CDOC_b＝((δ-w)x360)/θ或CDOC_b＝(wx360)/θ；以及将实际CDOC_b与所选择的目标CDOC_b进行比较，并且如果实际CDOC_b不大于或等于所选择的目标CDOC_b，则重复选择暴露不足δ的步骤并且以不同的暴露不足δ继续后续步骤，或者如果实际CDOC_b大于或等于目标CDOC_b，则将所选择的暴露不足δ与所选择的磨损w进行比较，并且如果所选择的暴露不足δ不大于或等于所选择的磨损w，则重复选择第二刀片的步骤并且以不同的第二刀片继续后续步骤，或者如果所选择的暴露不足δ大于或等于所选择的磨损w，则将备用切削齿以角度θ和暴露不足δ定位在第二刀片上。

在实施方案D中，本公开提供了一种钻井工程工具，其包括指令，所述指令存储在计算机可读介质上，并且在被执行时可操作以执行设计实施方案C的固定切削齿钻头的方法。

实施方案A、B、C和D的特征还在于以下附加特征，这些附加特征除非明显相互排斥，否则可以彼此组合：

i)在实施方案A和B中，备用切削齿在钻头上的位置可以通过以下方式确定：选择第一刀片上的初级切削齿；确定初级切削齿的齿廓角；选择备用切削齿的所选择的目标临界切削深度(CDOC_b)；选择初级切削齿的磨损w，在达到该磨损w时，所述备用切削齿将在钻头使用期间接合地层；针对备用切削齿选择第二刀片，使得基于该选择的角度θ大于或等于150度；以及沿着初级切削齿的齿廓角选择备用切削齿的暴露不足δ；

ii)在实施方案A和B中，备用切削齿在钻头上的位置也可以通过以下方式确定：通过使用以下等式之一计算备用切削齿的实际CDOC_b：CDOC_b＝((δ-w)x360)/θ或CDOC_b＝(wx360)/θ；并且将实际CDOC_b与所选择的目标CDOC_b进行比较，并且如果实际CDOC_b不大于或等于所选择的目标CDOC_b，则重复选择暴露不足δ的步骤并且以不同的暴露不足δ继续后续步骤，或者如果实际CDOC_b大于或等于目标CDOC_b，则将所选择的暴露不足δ与所选择的磨损w进行比较，并且如果所选择的暴露不足δ不大于或等于所选择的磨损w，则重复选择第二刀片的步骤并且以不同的第二刀片继续后续步骤，或者如果所选择的暴露不足δ大于或等于所述所选择的磨损w，则将备用切削齿以角度θ和暴露不足δ定位在第二刀片上；

iii)角度θ可在150度至210度之间，并且在使用钻头期间备用切削齿可成为主切削齿，并且在备用切削齿也为主切削齿时初级切削齿可保持为主切削齿；

iv)角度θ可以为180度或更大；

v)角度θ可在180度至210度之间，并且在使用钻头期间备用切削齿可成为主切削齿，并且在备用切削齿也为主切削齿时初级切削齿可保持为主切削齿；

vi)角度θ可在210度至330度之间，在使用钻头期间备用切削齿可成为主切削齿，并且在备用切削齿为主切削齿时初级切削齿可成为次切削齿；

vii)角度θ在210度至250度之间，在使用钻头期间备用切削齿可成为主切削齿，并且在备用切削齿为主切削齿时初级切削齿可成为次切削齿；

viii)钻井工程工具可操作以执行该方法，从而比钻井工程工具可操作以执行定位备用切削齿的另一种方法更快地定位备用切削齿，其中所述另一种方法包括附加步骤；

ix)该方法可包括根据不完整的钻头设计来制造钻头，其中将备用切削齿以角度θ和暴露不足δ定位在第二刀片上。

实施例

以下实施例显示了根据本文呈现的原理设计的固定切削齿钻头的现场使用数据。该实施例不旨在且不应解释为涵盖本公开的全部内容。

在West Kuwait的Rahaya油田，在Zubair磨砂岩(约1,100英尺)、Ratawi页岩和Ratawi石灰岩地层中钻取9 1/4英寸的垂直井眼，总层段长度为2,160英尺(从9,490到11,650英尺)。历史上，需要至少两个固定切削齿PDC钻头来钻取该具有挑战性的层段；一个非常耐用的钻头钻穿Zubair砂岩，另一个更强劲的钻头钻穿Ratawi页岩和Ratawi石灰岩。

对来自补偿井的钻头性能的详细研究表明，钻穿Zubair砂岩的第一钻头的鼻区和肩区内的切削齿出现磨损。正确设计了钻穿Ratawi页岩Ratawi石灰岩的第二钻头的切削结构。为了降低成本，根据本公开设计了一种具有备用切削齿的固定切削齿PDC钻头。

所有备用切削齿的CDOC_b被设置为0.045英寸/转。在120转/分钟(RPM)下，如果钻头进尺速度小于或等于27英尺/小时，则备用切削齿将不会接合地层。当初级切削齿磨损w在0.023和0.026英寸之间时，固定切削齿钻头的鼻区和肩区中的备用切削齿被设计成接合地层。

如图13所示，固定切削齿钻头101包含七个刀片，其中所有备用切削齿被定位成旋转地落后于其初级切削齿四个刀片。图13中标记了一对切削齿，即初级切削齿128A和备用切削齿128B，以示出相应的安置。计算备用切削齿的CDOC_b，并且在图14中绘制成曲线图。如图14所示，几乎所有备用切削齿具有相同的0.045英寸/转的临界切削深度，因此几乎所有备用切削齿同时接合地层。

图15示出了图13的固定切削齿钻头与用于钻进相同地层的其他钻头的比较。钻头钻进的总距离为2923英尺，该距离是在West Kuwait的Rahaya油田获得的最长进尺。钻头钻穿Zubair磨砂岩地层、Ratawi页岩地层、Ratawi石灰岩地层和整个Minagish地层，平均进尺速度(ROP)为19.84英尺/小时，比同样测试的大多数偏心钻头要快。图16示出了固定切削齿钻头在钻井之后的钝态。

使用具有六个刀片126、第一刀片126上的初级切削齿128A和第二刀片126上的同轨设置的备用切削齿128B(具有为零的暴露不足δ)的固定切削齿钻头101钻进地层。在图17中示出了备用切削齿128B的刀片位置对ROP的影响。在图18中示出了备用切削齿128B的刀片位置对钻进距离的影响。在两种情况下，将备用切削齿安置成旋转地落后于初级切削齿四个刀片(对应于大约240度的角度θ)提供最佳结果。对于五个刀片以达到300度的角度θ旋转地落后于初级切削齿的安置而言，也观察到了改进的结果。

使用具有六个刀片126、第一刀片126上的初级切削齿128A和第二刀片126上的同轨设置的备用切削齿128B(具有为零的暴露不足δ和240度的角度θ)的固定切削齿钻头101钻进地层。初级切削齿128A具有0.018英寸的倒角，而辅助切削齿128B具有0.010英寸的倒角。在图19中示出了对ROP的影响。在图20中示出了对钻进距离的影响。

使用具有六个刀片126、第一刀片126上的初级切削齿128A和第二刀片126上的同轨设置的备用切削齿128B(具有为零的暴露不足δ和240度的角度θ)的固定切削齿钻头101钻进地层。初级切削齿128A具有20度的后倾角，而备用切削齿128B具有15度的后倾角。在图21中示出了对ROP的影响。在图22中示出了对钻进距离的影响。

虽然已详细描述本公开和其优点，但应理解，可以在不脱离如由所附权利要求书限定的本公开的精神和范围的情况下，在本文中进行各种改变、替代和更改。例如，尽管本公开描述刀片和切削元件相对于钻头的配置，但相同原理可用来控制根据本公开的任何适合的钻井工具的切削深度。本公开意图涵盖落入随附权利要求的范围内的此类变化和修改。