1909年，Howard R.Hughes发明了牙轮岩钻头(rolling cutter rock bit)， 其改革了油井和气井的勘探和钻探。自此以后，已对Hughes的基本设计 进行了无数的改进。所存在要解决的一个问题为“追踪(tracking)”。 当切割元件(碳化钨插入件(insert)或钢齿)落在与先前由相同或另外 的切割元件所产生的印痕相同的印痕中时，出现追踪。由于刀具和地层间 接触的主要模式为刀具的表面和地层间，而不是切割元件和地层间，因此 其导致钻探效率损失。这导致钻头磨损增加，以及每小时几英尺的降低即 钻入速度的降低。
传统的对追踪的解决方案包括增加钻压(WOB)，但是如所预料的， 由于钻头部件附加的应变，这降低了钻头的使用期限。可能，特别是对于 硬岩层，降低追踪和震动的最普遍的方式为减少相邻切割元件间的间距 (pitch)或增加切割元件的总数，其在美国专利No.6,161,634和 No.3,726,350中示出。这种解决方案的缺点在于，没有使用超挖效果，比 能增加，且转头成本增加。
通过调整钻头的几何形状来增加井底(bottom hole)上切割元件的滑 动和切削，还可部分地降低追踪。此方法的缺点在于，当没有完全消除追 踪时，正在滑行和切削的切割元件会更快磨损。
对于追踪问题的另一解决方案为例如美国专利No.4,248,314、 No.4,187,922和No.3,726,350中所提到的切割元件间的变化间距(中心线 间的角距)的使用。相等间距的任何偏离都可显著地增加钻头震动，再次 引起过早钻头磨损。此外，仅任意地改变间距，钻头可正如相等间距的钻 头一样多地追踪。
通过多种结构的切割元件或齿，也可降低追踪，其包括用于附加的耐 磨性的具有“T”形顶部的齿，其中齿/插入件压碎(crush)地岩层以降低 追踪(例如参见专利号为3,326,307的英国专利)。因为切割元件以较低 的钻入速度压碎地岩层，因此此方法有助于降低钻探速度和增加比能(每 单位破裂的地岩层所用的能量)。另一变形为，用组间变化的间距分组和 隔开切割元件，同时改变对于各组的切割元件顶部的方向。这些方法可降 低追踪，然而其增加了制造成本。参见美国专利No 2,333,746。没有刀具 表面上的最佳布置的、如专利号为4,393,948的美国专利所示的切割元件 方向的改变仅能降低但不能完全消除追踪。
美国专利No 6,213,225、No 6,095,262、6,516,293和所公布的专利申 请20,030,051,917、20,030,051,918、20,010,037,902中说明了使用模拟和 其它统计数据改善钻头性能参数来最佳化钻头性能的方法。在缺乏足够的 理论的情况下最大限度地实施专门的模拟方法；然而，统计最佳化结果受 到最佳化过程开始所采用的假设和偏差的限制。此外，现有技术的模拟方 法已过分夸大了最佳钻地层所需要的切割元件的总数。
因此，需要一种具有防追踪特征的地钻头，其避免过多的震动且可被 经济地生产出。所有现有技术的解决方案的一个共同缺点为，在岩层钻探 期间缺乏超挖最佳化。超挖效果为，与金属例如铁相比，岩石具有强压缩 性质，且具有弱的弯曲和膨胀性质。所有现有技术的解决方案的另一共同 缺点为本领域的知识渊博人员错误理解了钻岩期间钻头的有害轴向共振 频率震动的真实原因。发明人找到了对牙轮钻头的有害轴向共振频率震动 的原因。

本发明的主要目的在于产生地钻牙轮钻探工具设计，与目前在全球制 造的传统地钻牙轮钻探工具相比，其同时增加了所钻探的进尺、耐久性和 钻入速度，而降低了切割元件的总数，在一实施例中该切割元件为碳化钨 插入件。
本发明的另一目的在于牙轮钻头传统设计的改造，与目前在全球制造 的传统地钻滚刀钻探工具相比，其同时增加了所钻探的进尺、耐久性和钻 入速度，而降低了切割元件的总数。
根据所提出的发明，凭借数学确定的在每一刀具的表面上的切割元件 的最佳位置，通过同时使用下列步骤，可实现上述的目的，所述刀具可旋 转地安装在钻孔工具或钻头上，所述下列步骤为：
1.通过独立牙轮钻头，使用相邻切割元件间的变化间距，在井底钻 探期间完全消除追踪。
2.由于考虑要钻探的岩石性质和切割元件的几何形状以及切割元件 中心线相对于刀具表面的方向，通过连续的钻入之间的最佳间隔使超挖最 佳化而导致的破裂的地岩层体积的最大化。
3.通过切割元件沿刀具母线的最佳放置，钻头或工具的有害轴向共 振频率震动的基本降低，所述共振频率震动限制钻地岩层的过程。
附图说明
图1是现有技术的滚锥钻头的透视图，其为本发明所构思的普通类 型。
图2显示根据本发明的教导所设计的刀具的侧视图。
图3是示意图，其示出了根据本发明的教导切割构件的表面上的碳化 钨插入件的优选布置。
图4示意性布置图，其显示包括铣齿(milled teeth)的切割元件的优 选布置；
图5显示没有超挖最佳化的破裂的地岩层体积(现有技术)；
图6显示由于岩石中切割元件在岩石中先前和随后的钻入间的最佳 间隔而导致的具有超挖的破裂的地岩层体积。
图7示出所破裂的地岩层体积，其为对给定地岩层切割元件先前和随 后钻入间的间隔的一般凸函数的；
图8是示意性布置图，其显示根据本发明的教导的数学上确定的环形 排(circumferential row)中间距对的布置；
图9是示意性布置图，其显示包括切割元件的表面上的碳化钨插入件 和铣齿组合的切割元件的优选布置；
图10示意性布置图，其显示根据本发明的教导以组排列的切割元件 的优选布置；
图11是例如由铰刀类型的钻头使用的、根据本发明的教导所构造的 切割构件的透视图，其实际上用于开挖隧道、采矿和凿井。
图12是示意性布置图和透视图，其显示用于具有一个环形排的可旋 转刀具的、根据本发明的教导的切割元件的优选布置。
本发明的详细描述
现在参照附图，具体地参照图1，示出了传统的牙轮(也称滚锥或三 锥)钻头50，其传统上用于在地层钻孔。钻头50是本发明所构思的典型 钻头。钻头50包括钻头主体51，其上部区域52带螺纹，用于连接到钻 柱。钻头50可选地可设置有滑润剂补偿件53。钻管(nozzle)55设置在 钻头主体51中，以在钻孔期间冷却和润滑钻头。轴承销和臂54以悬臂、 向下悬置的方式自钻头主体延伸。至少一个刀具101安装在钻头臂54上， 且被其上具有多个切割元件107的钻头主体的每一部分承载以旋转，该切 割元件107以大体环形排。碳化钨插入件107通过过盈配合安装在刀具 101中形成的孔和开口中，以界定该切割元件。该切割元件也可由图4所 示的刀具173(刚齿钻头)的材料形成。当连接到钻柱时，钻头50围绕 其轴115沿方向226旋转，以碎裂地层。
参照图2，示出了根据本发明的教导的多锥牙轮刀具101。刀具101 包括许多切割元件，在一实施例中为碳化钨插入件107，其嵌入插入孔中， 该插入孔在锥体的主体上形成，且围绕该刀具的轴114以大体环形排102 -106布置。在形状、尺寸和顶部的方向方面，切割元件107的几何参数 可以不同。
每一切割元件107具有其中心线500；中心线500同时与该刀具的表 面和该切割元件所位于的环形排相交。间距定义为对于沿环形排的相邻切 割元件，在刀具101表面上环形排曲线和中心线500的相交点间，环形排 中的弧长，或可选地定义为，对于每一环形排，相邻切割元件轴线500间 的角度。
每一环形排的半径r1-r5定义为，自刀具轴线114到刀具101的表面 上环形排102-106的任何点的最短距离。半径R1-R5为，垂直于钻头50 的轴线115所测量的，在环形排的选择点到钻头50的轴线115的最大距 离。传统上已知，为降低追踪，定义为Ri除以ri的比Kv不应等于整数， 其中i＝1、2、3...，在Kv等于整数的情况下，不管切割元件107间的间 距选择，都达到100％的追踪。为了以变化的间距避免追踪和最佳化地层 的超挖，Kv的小数部分优选地处于0.3-0.7的范围。
根据本发明的教导的刀具101的超挖最佳化数学上确定沿环形排布 置的切割元件107的最佳间距，以产生对所选刀具101和要钻的地岩层的 可能的最大削片。削片越大，每单位能所去掉的岩层越多，且成本降低、 时间和能源节省越大。切割元件107的位置比此最佳距离近导致每单位能 所破碎的体积较小；比此最佳距离远的随后钻入导致增加的能量消耗，这 是因为切削被凹槽(indentation)取代。
刀具101安装在钻头臂54上，且沿方向206围绕钻头轴线115旋转。 多数情况，母线400定义为刀具101的表面上的几何轨迹，当包括刀具 101的中心轴线114的平面与至少一个所选的切割元件107的中心线500 和刀具101的几何表面相交叉时形成其。换言之，母线为当刀具绕刀具的 轴线旋转时形成刀具的表面的曲线。在钻孔期间的每个时刻，刀具101和 正碎裂的地岩层间的主要力相互作用沿母线400出现。因此，沿母线切割 元件与其密度有关的最佳位置对有害震动的降低是极其重要的。
现在参照图3，其描绘了向上看切割结构的视角(view)A，切割元件 107间的间距定义为每一环形排上的相邻切割元件轴线500间的角度，其 渐进地从最小间距108增加到最大间距109，此外，所有间距不同，且最 小间距108和最大间距109彼此相邻。另外，所有环形排102-106上的 最小间距108沿旋转切割构件101的任意选择的母线113开始；此外，自 母线113的偏差不能超过45度，且优选的小于最小间距的一半110。自 沿所述母线113开始的所述最小间距108和增加到最大间距109，对于所 述切割构件101的所有环形排，保持相同的方向111。
在所述切割构件101的所有环形排102-106中的最小间距108可以 相等或不同。所述锥体101的所有环形排上的最大间距109可以相等或不 同。自最小间距108到最大间距109的增加可定义为算术、几何、指数、 对数或任何其它数学函数或其组合。
出于示例性目的，示出了若干母线400，沿着其，排列各环形排102 -106中的切割元件107成行，其自母线400的偏差不到切割元件107所 在的环形排的所选的最大间距109的一半。
为了示出根据本发明的教导、对于超挖最佳化的最佳变化的间距的选 择，对于环形排103，选择间距203，且按下所述计算其配对的变化的间 距204。短划线示出的弧450为环形排103的一部分。自点A沿方向208 测量弧450，该点A定义为环形排103上的所选的间距203的中点，该方 向208与刀具101旋转的方向205相反。方向208的起点为线207，其在 中点A与间距203相交。弧450的终点落在某一间距，标记为所计算的 间距204内。为了本发明的目的，弧450表示为L，其等于所述环形排103 的长度(2*π*r2)乘以Kv的小数部分，该Kv的小数部分表示为KvD。 例如，对于r＝5个单位，且R＝7个单位，Kv等于7除以5即1.4。表示 Kv的小数部分表示为KvD，其等于0.4。
                 L＝KvD*(2*π*r2)
KvD可不等于零以避免追踪，且可以处于自0.15到0.85的范围内。KvD 优选地处于0.3-0.7的范围。当所选的间距203和其所计算的配对变化的 间距204间的绝对差大于，对于环形排203所选择的最大间距109和最小 间距108间的绝对差的10％时，出现钻孔期间的岩层超挖效果。上述对 环形排103的定义可以以数学形式重新表示为：
                   |203-204|＞0.1*|109-108|
在根据本发明的原理的一类实施例中，按形式“最小间距”+D*n的 算术级数计算间距，其中D为常数，其确定为最大化超挖效果的最佳值， 且n为连续的正整数(n＝1、2、3...)。
然而在根据本发明的原理的另一类实施例中，D可改变，以允许切割 元件的最佳位置，以降低震动。
现在参照图4，示出了根据本发明教导的刀具。除了在本发明的此实 施例中，切割元件由与刀具或铣齿173相同的材料制成外，使用与图3的 注解相似的注解。出于示例性目的，与图3的环形排103相对，对于环形 排105，示出了所选的间距203和其配对的计算的变化间距204。当所选 的间距203和其所计算的配对变化的间距204间的绝对差大于，对于环形 排205所选择的最大间距109和最小间距108间的绝对差的10％时，出 现钻孔期间的岩层超挖效果。上述对环形排105的定义可以以数学形式重 新表示为：
                    |203-204|＞0.1*|109-108|
为了示出根据本发明的教导、对于超挖最佳化的最佳变化的间距的选 择，对于环形排105，选择间距203，且计算其配对的变化的间距204。 短划线示出的弧450为环形排105的一部分。自点A沿方向208测量弧 450，该点A定义为环形排105上的所选的间距203的中点，该方向208 与刀具101旋转的方向205相反。弧450的终点落在某一间距，标记为所 计算的间距204内。弧450表示为L，其等于所述环形排105的长度(2* π*r2)乘以Kv的小数部分，该Kv的小数部分表示为KvD。
                  L＝KvD*(2*π*r4)
图5示出没有超挖最佳化的破裂的地岩层体积(现有技术)。如果切 割元件先前和随后钻入间的间隔没有最佳化，那么缺乏超挖效果，破裂的 地岩层体积和钻入深度小。基于根据本发明的教导的超挖定义，用传统地 在现有技术的牙轮钻头中使用的不变间距产生超挖是不可能的。
现在参照图6，显示出由于切割元件的先前和随后钻入间的最佳间隔 的、具有超挖的破裂的地岩层体积。对于给定的环形排，当至少20％的间 距具有数学方法确定的对时，超挖被最佳化，其符合根据本发明的教导的 超挖的定义。在一优选实施例中，给定的环形排的所有间距具有符合根据 本发明的教导的超挖定义的对。
图7示出对于给定地岩层，作为切割元件先前和随后钻入间的间隔的 一般凸函数的破裂的地岩层体积。对于给定类型的切割元件和钻孔条件， 每一类型的地岩层都有其自己的空间体积曲线(软、中等或硬)，其依赖 于地岩层的物理和机械性质。当破裂的地岩层体积最大化时，超挖被最佳 化。
现在参照图8，根据本发明的教导，如图1-3所描述的，示出了单 牙轮101和关于环形排106的所选的间距203数学确定的间距204的位置 的示意性布置图。
刀具101的环形排106的切割元件107沿路径300与井底相作用，由 于在钻孔过程期间切割元件的钻入，在井底产生了印痕。在具有半径R5 的圆形路径300上的相邻印痕间的距离等于环形排106上的相应的相邻切 割元件107间的距离。如果根据本发明的教导，计算环形排106上的间距 对203、204，则对于沿路径300的任意部分340，通过定义间距204的切 割元件在井底的钻入会跟随定义间距203的切割元件的钻入，在钻孔期 间，最佳间距差会产生超挖效果和消除追踪。与不变间距的钻头相比较， 在地岩层钻孔期间，变化的间距改善了切削效率，因此即使以滑动方式对 完全钻入啮合的那些切割元件也有助于更好的地岩层碎裂。在本发明的一 实施例中，刀具101的所有环形排上的切割元件107都沿母线400对齐， 具有的自母线400的偏差不到对于切割元件107所在的各环形排选择的最 小间距108的51％，导致钻头50的有害轴向115共振频率震动的基本消 除。
根据本发明的教导，如果切割元件107没有沿所述母线400对齐，那 么钻头50的有害轴向共振抵销了超挖效果的益处；因此不能实现本发明 的目的。
图9显示根据本发明的教导所设计的刀具101的另一实施例。切割元 件包括碳化钨插入件107和铣齿173，如所示，环形排104具有所选的间 距203和所计算的其配对的变化的间距204。对于刀具101的所有环形排， 两种切割元件107和173的最小间距108的起点沿一母线113开始。所有 环形排上间距沿一方向渐进增加，且对于所有环形排的最大和最小间距彼 此相邻。对于每一环形排，自母线的最大偏差不到对此环形排所选的相应 的最小间距的0.51。
图10示出了另一类优选实施例，其中切割元件107以若干组112布 置，其中在一组内的间距是不变的，且若干组间的间距变化。变化的间距 增加的方向111对所有的组保持相似；此外，最小间距108沿刀具101的 所选的母线113与最大间距109相邻，其偏差小于45度，且优选地，其 偏差不到所选的最小间距108的51％。
图11是示意性透视图，其绘出了如图2、图3、图8所述的、根据本 发明的教导所构造的截锥体101，其一般用于开挖隧道、采矿和凿井，例 如为铰刀类型的钻头。出于示例性目的，环形排320显示所选的间距203 和所计算的其配对的变化的间距204。
图12是如图3所示的、根据本发明的教导的、具有一个环形排的刀 具101的正视图和侧视图。其是根据本发明的教导的另一实施例。