本公開(kāi)大體上涉及鉆井工具，并且更具體地涉及被設(shè)計(jì)來(lái)控制和減少作用于巖石的巖心上的切削力和摩擦力的取芯鉆頭。

發(fā)明背景

各種類型的鉆井工具已經(jīng)用來(lái)在相關(guān)聯(lián)的井下地層中形成鉆孔，所述鉆井工具包括但不限于：旋轉(zhuǎn)鉆頭尖、擴(kuò)孔器、取芯鉆頭、管下擴(kuò)孔器、打孔器、穩(wěn)定器和其他井下工具。此類旋轉(zhuǎn)鉆頭或取芯鉆頭的實(shí)例包括但不限于：固定銑刀鉆頭或取芯鉆頭、刮刀鉆頭、多晶金剛石復(fù)合(pdc)鉆頭、熱穩(wěn)定性金剛石(tsd)鉆頭、天然金剛石鉆頭、或者嵌有金剛石的鉆頭或取芯鉆頭、以及與形成延伸穿過(guò)一個(gè)或多個(gè)井下地層的油氣井相關(guān)聯(lián)的基體或鋼體鉆頭或取芯鉆頭。諸如pdc鉆頭尖或取芯鉆頭的固定銑刀鉆頭尖或取芯鉆頭可包括各自包括多個(gè)切削元件的多個(gè)刀片。

諸如石油和天然氣的烴常常以各種形式駐留在地下地質(zhì)地層內(nèi)。常常，取芯鉆頭用來(lái)獲取從感興趣地層取得的巖石的代表樣本。這些巖石樣本通常被稱為“巖心樣本”。巖心樣本的分析和研究使工程師和地質(zhì)學(xué)家能夠評(píng)估地層參數(shù)，諸如儲(chǔ)層存儲(chǔ)容量、形成地層的巖石的流動(dòng)潛力、駐留在地層中的可恢復(fù)烴或礦物質(zhì)的組分以及巖石的束縛水飽和水平。例如，關(guān)于流體的量的信息可用于完井項(xiàng)目的隨后設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，所述完井項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)基于從巖心樣本獲取的數(shù)據(jù)被確定為在經(jīng)濟(jì)上有吸引力的被選擇的地層和區(qū)域的生產(chǎn)。

附圖簡(jiǎn)述

為了更完全地理解本發(fā)明及其特征與優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)結(jié)合附圖來(lái)參考以下描述，在附圖中：

圖1是取芯系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案的正視圖；

圖2是以常常用來(lái)建?；蛟O(shè)計(jì)固定銑刀鉆頭和取芯鉆頭的方式向上取向的旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭的等距圖；

圖3a示出包括多個(gè)切削元件的取芯鉆頭的俯視圖以及由每個(gè)切削元件在取芯操作過(guò)程中產(chǎn)生的力矢量分布，其在垂直于取芯鉆頭軸線的平面中示出；

圖3b示出包括多個(gè)切削元件的取芯鉆頭的一個(gè)刀片的俯視圖以及由每個(gè)切削元件在取芯操作過(guò)程中產(chǎn)生的切削力所得矢量，其在垂直于取芯鉆頭軸線的平面中示出；

圖4a和4b示出穿過(guò)一個(gè)刀片截取的取芯鉆頭、巖層和由取芯鉆頭中的每一個(gè)獲取的巖心樣本的剖視圖；

圖5a和5b示出穿過(guò)一個(gè)刀片截取的取芯鉆頭、巖層、由取芯鉆頭中的每一個(gè)獲取的巖心樣本的剖視圖，以及在穿過(guò)取芯鉆頭軸線的平面中的每個(gè)切削元件的力矢量分布；

圖6a和6b示出穿過(guò)一個(gè)刀片截取的取芯鉆頭、巖層、由取芯鉆頭中的每一個(gè)獲取的巖心樣本的剖視圖，以及在穿過(guò)取芯鉆頭軸線的平面中的每個(gè)切削元件的力所得矢量；

圖7示出示例性取芯鉆頭建模系統(tǒng)的框圖；并且

圖8示出用于設(shè)計(jì)取芯鉆頭以減少作用于巖心上的力的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

取芯鉆頭可被設(shè)計(jì)成最小化施加在巖心樣本和/或地層區(qū)域(統(tǒng)稱“巖心”)上的力，巖心樣本將由取芯鉆頭上的一個(gè)或多個(gè)切削元件從所述地層區(qū)域切削。被設(shè)計(jì)成最小化施加在巖心上的力的取芯鉆頭可最小化巖心的磨損和/或斷裂。另外，取芯鉆頭可減少取芯操作過(guò)程中的堵塞的發(fā)生，在堵塞發(fā)生時(shí)沒(méi)有額外的巖心長(zhǎng)度可進(jìn)入取芯管道。因此，可根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)來(lái)設(shè)計(jì)工具和方法，并且可根據(jù)特定應(yīng)用而具有不同設(shè)計(jì)、配置和/或參數(shù)。通過(guò)參考圖1至圖8最好地理解本公開(kāi)的實(shí)施方案和其優(yōu)點(diǎn)，各圖中相同編號(hào)用于指示相同和對(duì)應(yīng)部分。

圖1是鉆井系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案的正視圖。鉆井系統(tǒng)100可包括位于地質(zhì)地層106上方的表面或場(chǎng)地104。諸如旋轉(zhuǎn)臺(tái)、鉆井液泵和鉆井液槽(未明確地示出)的各種類型的鉆井裝備可位于表面104處。例如，表面104可包括鉆機(jī)102，所述鉆機(jī)102可具有與“陸地鉆機(jī)”相關(guān)聯(lián)的各種特性和特征。然而，并入本公開(kāi)的教導(dǎo)的井下鉆井工具可令人滿意地與位于海上平臺(tái)、鉆探船、半潛式裝置和鉆井駁船(未明確地示出)上的鉆井裝備一起使用。

鉆井系統(tǒng)100還可包括與取芯鉆頭124相關(guān)聯(lián)的鉆柱112，所述鉆柱112可用來(lái)形成多種多樣的鉆孔,諸如鉆孔132。鉆機(jī)102可耦接到鉆井組件108，所述鉆井組件108在地層106中的鉆孔132內(nèi)。鉆井組件108可包括鉆柱112和井底組件(bha)114。如下文將描述的，鉆柱112可包括多個(gè)管狀節(jié)段，所述多個(gè)管狀節(jié)段串聯(lián)地耦接以便限定內(nèi)孔，鉆井液可穿過(guò)所述內(nèi)孔被泵送。鉆孔110可由鐵殼110部分地覆蓋。

bha114可由被構(gòu)造來(lái)形成鉆孔132的多種多樣的部件形成。例如，bha114的部件可包括但不限于:取芯鉆頭(例如，取芯鉆頭124)，鉆鋌，井下鉆井或取芯電動(dòng)機(jī)，用于鉆柱112的重量、扭矩、旋轉(zhuǎn)速度、傾斜角和方向測(cè)量的鉆井或取芯參數(shù)傳感器以及其他加速度相關(guān)的傳感器、穩(wěn)定器、包括鉆孔勘測(cè)裝備的隨鉆測(cè)量(mwd)部件、用于測(cè)量地層參數(shù)的隨鉆測(cè)井(lwd)傳感器、用于通信的短途和長(zhǎng)途遙測(cè)系統(tǒng)，和/或任何其他合適的井下裝備。諸如鉆鋌和被包括在bha114中的不同類型的部件的部件的數(shù)量可取決于所預(yù)期的井下取芯條件和將由鉆柱112和取芯鉆頭124形成的鉆孔的類型。bha114還可包括各種類型的鉆孔測(cè)井工具(未明確地示出)。此類測(cè)井工具的實(shí)例可包括但不限于：聲學(xué)、中子、伽馬射線、密度、孔隙率、聲波、光電、核磁共振和/或任何其他可商購(gòu)的測(cè)井工具。

bha114還可包括遙測(cè)系統(tǒng)116、記錄模塊118、井下控制器120、取芯組件筒122和取芯鉆頭124。取芯組件筒122可包括用來(lái)接收巖心144的內(nèi)筒管道140。遙測(cè)系統(tǒng)116可通過(guò)泥漿脈沖、有線通信或無(wú)線通信與表面控制單元126通信。表面控制單元126可包括例如耦接到存儲(chǔ)器裝置的微處理器或控制器，所述存儲(chǔ)器裝置包括一組指令。所述組指令在由處理器執(zhí)行時(shí)可致使處理器進(jìn)行某些動(dòng)作，諸如將命令發(fā)送至bha114以便控制bha114的操作。表面控制單元126可使用泥漿脈沖或由遙測(cè)系統(tǒng)116接收的其他通信介質(zhì)向bha114的元件傳遞命令。同樣地，遙測(cè)系統(tǒng)116可從bha114中的元件向表面控制單元126傳遞信息。例如，在bha114內(nèi)取得的地層106和鉆孔132的測(cè)量可通過(guò)遙測(cè)系統(tǒng)116傳遞至表面控制單元126。傳遞至表面控制單元126的測(cè)量可包括鉆孔132中的溫度和壓力。

類似于表面控制單元126，井下控制器120可包括耦接到存儲(chǔ)器裝置的微處理器或控制器，所述存儲(chǔ)器裝置包括存儲(chǔ)在其中的指令。井下控制器120可響應(yīng)于來(lái)自表面控制單元126的命令向bha114內(nèi)的元件發(fā)出命令，或井下控制器120可在未由表面控制單元126提示的情況下發(fā)出所述命令。

在取芯操作過(guò)程中，鉆井液可穿過(guò)管道130從表面儲(chǔ)層128被泵送入鉆柱112。鉆井液可流動(dòng)通過(guò)鉆柱112并且從取芯鉆頭124退出，從而潤(rùn)滑并冷卻取芯鉆頭124的切削面并且將鉆屑從取芯鉆頭124攜帶到表面104。鉆井液可通過(guò)在bha114和鉆柱112與鉆孔132的壁之間的環(huán)149回到表面104。鉆井液可通過(guò)與環(huán)149流體連通的流動(dòng)管道134回到表面儲(chǔ)層128。

如圖2中進(jìn)一步詳細(xì)論述的，取芯鉆頭124可以是具有中心開(kāi)口的取芯鉆頭尖，并且可包括一個(gè)或多個(gè)刀片，所述一個(gè)或多個(gè)刀片可從取芯鉆頭124的鉆頭體的外部部分向外設(shè)置。鉆頭體可以是大體上彎曲的，并且一個(gè)或多個(gè)刀片可以是從鉆頭體向外延伸的任何合適類型的突起。取芯鉆頭124可在由方向箭頭148限定的方向上相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線146旋轉(zhuǎn)。刀片可包括從每個(gè)刀片的外部部分向外設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)切削元件。刀片還可包括一個(gè)或多個(gè)保徑墊(未明確地示出)。取芯鉆頭124可根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)來(lái)設(shè)計(jì)和形成，并可根據(jù)取芯鉆頭124的特定應(yīng)用而具有許多不同設(shè)計(jì)、配置和/或尺寸。

當(dāng)取芯鉆頭124旋轉(zhuǎn)并且切入地層106中時(shí)，所述取芯鉆頭124可通過(guò)切削圍繞取芯鉆頭124的中心開(kāi)口的地層106而形成大體上圓柱形的巖心樣本144。地層106在中心開(kāi)口中可保持完整并且?guī)r心樣本144可由位于中心開(kāi)口中的完整地層形成。根據(jù)本公開(kāi)的方面，巖心樣本144可在內(nèi)筒140中被捕捉。取芯組件筒122可耦接到bha114內(nèi)的其他元件，諸如遙測(cè)系統(tǒng)116或井下控制器120。在其他實(shí)施方案中，取芯組件筒122可耦接到鉆柱112。內(nèi)筒140可以是靜止的，而取芯組件筒122可與鉆柱112一起旋轉(zhuǎn)。在某些實(shí)施方案中，巖心樣本144可在表面104從內(nèi)筒140收回以便執(zhí)行不能在井下執(zhí)行的測(cè)試。

在從地層106切削巖心樣本144的過(guò)程中，巖心樣本144和/或地層106的可變成巖心樣本144的一部分的部分(下文稱為“未來(lái)巖心”)可受到可能損壞巖心樣本144和/或未來(lái)巖心的各種應(yīng)力。例如，當(dāng)取芯鉆頭124切入地層106中時(shí)，由位于取芯鉆頭124的刀片上的切削元件施加的切削力的一部分可指向地層106的區(qū)域，巖心樣本144來(lái)自所述區(qū)域或?qū)乃鰠^(qū)域被切削。施加在巖心樣本144和/或未來(lái)巖心上的力可能磨損和/或削弱巖心樣本144和/或未來(lái)巖心并且可能使所述巖心樣本144和/或未來(lái)巖心斷裂。因此，可對(duì)取芯鉆頭124進(jìn)行建模以預(yù)測(cè)由取芯鉆頭124在取芯操作過(guò)程中在巖心樣本144和/或未來(lái)巖心上生成的力的效果，以便允許將取芯鉆頭124設(shè)計(jì)成使得作用于巖心樣本144和/或未來(lái)巖心上的力可減少。使用根據(jù)本公開(kāi)設(shè)計(jì)的取芯鉆頭可防止巖心樣本144和/或未來(lái)巖心在取芯操作過(guò)程中破裂或磨損。在一個(gè)實(shí)施方案中，交互模型可用來(lái)預(yù)測(cè)由取芯鉆頭124產(chǎn)生的力以及那些力與巖心樣本144和/或未來(lái)巖心的交互。

圖2示出以常常用來(lái)建?；蛘咴O(shè)計(jì)固定銑刀鉆頭和取芯鉆頭的方式向上取向的旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭的等距視圖。取芯鉆頭124可以是任何類型的固定銑刀取芯鉆頭，包括pdc取芯鉆頭、熱穩(wěn)定性多晶(tsp)取芯鉆頭、嵌有金剛石的取芯鉆頭、和/或切削結(jié)構(gòu)組合取芯鉆頭，所述切削結(jié)構(gòu)組合取芯鉆頭包括被構(gòu)造來(lái)形成延伸穿過(guò)一個(gè)或多個(gè)地下地層106的鉆孔132(如圖1中所示)的切削元件。取芯鉆頭124可根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)來(lái)設(shè)計(jì)和形成，并可根據(jù)取芯鉆頭124的特定應(yīng)用而具有許多不同設(shè)計(jì)、配置和/或尺寸。

取芯鉆頭124可包括一個(gè)或多個(gè)刀片150a–150g(“刀片150”)，所述一個(gè)或多個(gè)刀片150a–150g可從鉆頭體174的外部部分向外設(shè)置。鉆頭體174可以是大體上彎曲的，并且刀片150可以是從鉆頭體174向外延伸的任何合適類型的突起。例如，刀片150的一部分可直接地或間接地耦接到鉆頭體174的外部部分，而刀片150的另一部分可遠(yuǎn)離鉆頭體174的外部部分突出。根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)形成的刀片150可具有多種多樣的構(gòu)造，包括但不限于：基本上直線形、拱形、螺旋狀、螺旋形、錐形、會(huì)聚式、發(fā)散式、對(duì)稱的和/或非對(duì)稱的。

刀片150中的每一個(gè)可包括朝向鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線146設(shè)置的第一端部和接近或朝向取芯鉆頭124的外部部分設(shè)置(例如，大體上遠(yuǎn)離鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線146并且朝向取芯鉆頭124的井上部分設(shè)置)的第二端部。在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)“井下”和“井上”可用來(lái)描述鉆井系統(tǒng)100的各種部件相對(duì)于鉆孔的底部或端部的位置。例如，描述為第二部件“井上”的第一部件可比第二部件更遠(yuǎn)離鉆孔132的遠(yuǎn)端。類似地，描述為第二部件“井下”的第一部件可被定位成比第二部件更靠近鉆孔132的遠(yuǎn)端。

在一些情況下，刀片150可具有基本上拱形的構(gòu)造、大體上螺旋狀的構(gòu)造、螺旋形構(gòu)造或者適于與取芯鉆頭124一起使用的任何其他構(gòu)造。一個(gè)或多個(gè)刀片150可具有從鄰近取芯鉆頭124的旋轉(zhuǎn)軸線146處延伸的基本上拱形的構(gòu)造。拱形構(gòu)造可部分地由從鄰近鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線146處延伸的大體上凹入的凹陷形部分限定。拱形構(gòu)造還可部分地由設(shè)置在凹入的凹陷部分與每個(gè)刀片的外部部分之間的大體上凸出的向外彎曲部分限定，所述外部部分大體上與取芯鉆頭124的外徑相對(duì)應(yīng)。

刀片150可具有從旋轉(zhuǎn)軸線146徑向延伸的大體弓形構(gòu)造。刀片150的弓形構(gòu)造可彼此配合以便部分地限定鄰近鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置并且從所述鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線徑向向外延伸的大體上錐形或凹陷部分。刀片150的外部部分、切削元件158和其他合適的元件可被描述為取芯鉆頭面的形成部分。

刀片150的數(shù)量和位置可改變，使得取芯鉆頭124包括更多或者更少的刀片150。刀片150可相對(duì)于彼此和鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線146對(duì)稱地或者非對(duì)稱地設(shè)置，其中所述設(shè)置可基于取芯環(huán)境的井下條件。在一些情況下，刀片150和鉆頭體174可在由方向箭頭148限定的方向上圍繞旋轉(zhuǎn)軸線146旋轉(zhuǎn)。

每個(gè)刀片可具有在鉆頭體174的旋轉(zhuǎn)方向上設(shè)置在刀片一側(cè)上的前導(dǎo)(或前)表面154，和遠(yuǎn)離取芯鉆頭124的旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置在刀片相反側(cè)上的尾隨(或后)表面156。刀片150可沿著鉆頭體174定位，使得它們具有相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線146的螺旋形構(gòu)造。在其他實(shí)施方案中，刀片150可沿著鉆頭體174相對(duì)于彼此和相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線146以大體上平行構(gòu)造來(lái)定位。

刀片150可包括從每個(gè)刀片150的外部部分向外設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)切削元件158。例如，切削元件158的一部分可直接地或間接地耦接到刀片150的外部部分，而切削元件158的另一部分可遠(yuǎn)離刀片150的外部部分突出。切削元件158可以是被構(gòu)造來(lái)切入地層中的任何合適的裝置，包括但不限于：主切削元件、備用切削元件、副切削元件或其任何組合。舉例而非限制地來(lái)說(shuō)，切削元件158可以是適用于與多種多樣的取芯鉆頭124一起使用的各種類型的切削機(jī)、壓縮件、按鈕件、插入件和保徑切削機(jī)。

切削元件158可包括相應(yīng)襯底162，其中一層硬質(zhì)切削材料(例如，切削臺(tái)160)設(shè)置在每個(gè)相應(yīng)襯底162的一端上。每個(gè)切削元件158的切削臺(tái)160可提供切削表面，所述切削表面可接合地層106的相鄰部分以便形成鉆孔132。切削元件158的每個(gè)襯底162可具有各種構(gòu)造，并且可利用粘合劑由碳化鎢來(lái)形成，所述粘合劑諸如鈷或與用于形成旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭的切削元件相關(guān)聯(lián)的其他材料。碳化鎢可包括但不限于：碳化一鎢(wc)、碳化二鎢(w2c)、大結(jié)晶碳化鎢和凝結(jié)或燒結(jié)碳化鎢。襯底162還可使用其他硬質(zhì)材料形成，所述硬質(zhì)材料可包括各種金屬合金和水泥，諸如金屬硼化物、金屬碳化物、金屬氧化物以及金屬氮化物。對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，切削臺(tái)160可由與襯底162基本上相同的材料形成。在其他應(yīng)用中，切削臺(tái)160可由不同于襯底162的材料形成。用于形成切削臺(tái)160的材料的實(shí)例可包括多晶金剛石材料，包括合成的多晶金剛石。刀片150可包括可被構(gòu)造來(lái)接收切削元件158的凹陷或鉆頭凹窩164。

刀片150還可包括一個(gè)或多個(gè)保徑墊152。保徑墊可以是設(shè)置在刀片150的外部部分上的圓柱形區(qū)。保徑墊可常常接觸鉆孔132的由取芯鉆頭124形成的相鄰部分。刀片150的外部部分和/或相關(guān)聯(lián)的保徑墊可相對(duì)于鉆孔132的大體上垂直部分的相鄰部分以各種角度(正、負(fù)和/或平行)設(shè)置。保徑墊可包括加強(qiáng)元件和/或一層或多層的表面硬化材料。

取芯鉆頭124的井上端部166可包括柄部168，所述柄部168上形成有螺紋170。在圖1中示出，螺紋170可用來(lái)使取芯鉆頭124與bha114可釋放地接合，由此取芯鉆頭124可相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線146旋轉(zhuǎn)。取芯鉆頭124的井下端部172可包括多個(gè)刀片150a–150g，所述多個(gè)刀片150a–150g之間設(shè)置有相應(yīng)排屑槽或流體流動(dòng)路徑173。另外，鉆井液可從一個(gè)或多個(gè)端口和/或噴嘴176退出。

在鉆井操作過(guò)程中，取芯鉆頭124上的切削元件158將在巖心樣本(例如，圖1中所示的巖心樣本144)或地層的部分上施加力，巖心樣本可從所述地層部分切削。力可能會(huì)對(duì)巖心造成破壞，諸如磨損、削弱、破裂、和/或斷裂，并且與地層的原來(lái)特性相比可修改其特性。因?yàn)楸黄茐牡膸r心可能不代表原始地層，所以所述巖心對(duì)于分析來(lái)說(shuō)可能不太有用。另外，當(dāng)巖心破裂和/或斷裂時(shí)，可能發(fā)生堵塞，在堵塞時(shí)多個(gè)巖心片之間的摩擦防止任何其他巖心進(jìn)入取芯內(nèi)筒管道(例如，圖1中所示的內(nèi)筒管道140)。當(dāng)發(fā)生堵塞時(shí)，取芯操作可能不得不停止，并且?guī)r心可能不得不在取芯操作重新開(kāi)始之前被移除。堵塞發(fā)生可能降低效率并增加取芯操作的成本。另外，磨損的、破裂的或斷裂的巖心可產(chǎn)生可能不可使用的巖心樣本或者可能無(wú)法精確地代表地層和/或儲(chǔ)層(例如，地層106)的特性的巖心樣本，并且可能減少對(duì)巖心樣本進(jìn)行的分析的精確度。

取芯鉆頭124可根據(jù)本公開(kāi)來(lái)設(shè)計(jì)，使得可減少由切削元件158產(chǎn)生的作用于巖心上的力。當(dāng)取芯鉆頭124被設(shè)計(jì)成減少作用于巖心上的力時(shí)，可降低巖心可能被損壞的可能性或者可能發(fā)生堵塞發(fā)生的可能性。取芯鉆頭124可被修改來(lái)通過(guò)以下方式減少作用于巖心上的力：修改取芯鉆頭124的切削結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面，諸如修改切削元件大小、切削結(jié)構(gòu)輪廓，刀片或不同刀片上的全部切削元件的混合切削元件大小、切削元件取向(例如，縱向前角和/或副前角)、切削元件倒角、刀片上的全部切削元件的混合切削元件倒角、切削元件幾何結(jié)構(gòu)、刀片數(shù)、沿著輪廓的切削元件對(duì)齊或不對(duì)齊，以及不同刀片的切削元件對(duì)齊或不對(duì)齊(例如，軌跡設(shè)定)。

圖3a示出包括多個(gè)切削元件的取芯鉆頭的俯視圖和由每個(gè)切削元件在取芯操作過(guò)程中產(chǎn)生的力矢量分布，其在垂直于取芯鉆頭軸線的平面中示出。切削力矢量分布379可各自包括多個(gè)拖曳力矢量或者可由切削元件產(chǎn)生的任何其他力。在取芯操作過(guò)程中，包括在每個(gè)力矢量分布379中的切削力矢量中的一些可指向巖心，諸如占據(jù)取芯鉆頭324的中心區(qū)380的巖心。

由切削元件358生成的力矢量分布379可用來(lái)計(jì)算作用于巖心樣本上的力。可合計(jì)針對(duì)每個(gè)切削元件358的力矢量分布379以便確定由每個(gè)切削元件產(chǎn)生的作用于巖心上的所得切削力矢量。圖3b示出包括多個(gè)切削元件的取芯鉆頭的一個(gè)刀片的俯視圖和由每個(gè)切削元件在取芯操作過(guò)程中產(chǎn)生的所得切削力矢量，其在垂直于取芯鉆頭軸線的平面中示出?？珊嫌?jì)圖3a中示出的作用于每個(gè)切削元件358a–358e(“切削元件358”)上的切削力分布379以便為每個(gè)切削元件358確定所得切削力矢量378a–378e(“所得切削力矢量378”)。所得切削力矢量378可代表由切削元件358生成的各個(gè)力的方向和大小的總和。當(dāng)來(lái)自力矢量分布379和/或所得切削力矢量378的力指向取芯鉆頭324的巖心或中心區(qū)380時(shí)，來(lái)自力矢量分布379和/或所得切削力矢量378的力可能導(dǎo)致中心區(qū)380中的巖心磨損或破壞。因此，取芯鉆頭324可被設(shè)計(jì)成減少指向中心區(qū)380的力矢量分布379和/或所得切削力矢量378的大小，和/或改變力矢量分布379和/或所得切削力矢量378的方向，使得力矢量分布379和/或所得切削力矢量378可遠(yuǎn)離中心區(qū)380，并且因此降低巖心磨損、斷裂或破裂的可能性。

取芯鉆頭324的設(shè)計(jì)可包括限定取芯操作的一個(gè)或多個(gè)要求，諸如巖心樣本的直徑、地質(zhì)地層的特性或者操作的取芯速度。例如，硬質(zhì)地層可能夠比較軟的地層承受更多力。因此，在地層是柔軟的實(shí)施方案中，指向中心區(qū)380的可接受力矢量分布379和/或所得切削力矢量378可小于在地層是硬質(zhì)的實(shí)施方案中的可接受力矢量分布379和/或所得切削力矢量378。另外，地質(zhì)地層可能是易碎的或可能已經(jīng)具有現(xiàn)有原來(lái)的斷裂，并且因此在取芯操作過(guò)程中更易于破裂，并且可接受的力矢量分布379和/或所得切削力矢量378對(duì)于易碎的或斷裂的地層可甚至進(jìn)一步減少。

一旦限定取芯操作的要求，可生成取芯鉆頭324的初始設(shè)計(jì)。取芯鉆頭324的初始設(shè)計(jì)可基于用于取芯鉆頭的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)或基于可滿足取芯操作的要求的取芯鉆頭。取芯鉆頭324的初始設(shè)計(jì)可不包括所生成的力矢量分布379和/或所得切削力矢量378的考慮，或力矢量分布379和/或所得切削力矢量378與巖心交互的方式。

取芯鉆頭324的初始設(shè)計(jì)可用來(lái)計(jì)算由切削元件358生成的力。在一些實(shí)施方案中，可針對(duì)單獨(dú)的切削元件358計(jì)算力。在其他實(shí)施方案中，可根據(jù)刀片基礎(chǔ)針對(duì)刀片上的切削元件358或者針對(duì)取芯鉆頭324上的全部切削元件358作為整體計(jì)算力。計(jì)算出的力可包括可用來(lái)確定鉆頭扭矩(tob)的拖曳力和可用來(lái)確定鉆頭上的輻向合力的橫向力。

在一些實(shí)施方案中，由切削元件358生成的力矢量分布379和/或所得切削力矢量378可在整個(gè)刀片326上改變。例如，由切削元件358a–358b生成的切削力矢量378a–378b可高于由切削元件358e生成的切削力矢量378e，其中切削元件358e比切削元件358a和358b更靠近中心區(qū)380。由于切削元件358a和358b被定位成比切削元件358e更深地切入地層中，所以切削力矢量378a和378b可高于切削力矢量378e。

還可計(jì)算出取芯鉆頭324與巖心樣本之間的摩擦力。例如，當(dāng)取芯鉆頭324旋轉(zhuǎn)時(shí)，巖心樣本可以是靜止的。取芯鉆頭324的內(nèi)徑382可在巖心樣本的周長(zhǎng)上產(chǎn)生摩擦力，所述摩擦力可導(dǎo)致巖心樣本上的磨損和/或過(guò)熱。因此，力矢量分布379和/或所得切削力矢量378和摩擦力可用來(lái)確定潛在作用于巖心樣本上的力。

基于使用初始設(shè)計(jì)潛在作用于巖心上的力，取芯鉆頭324可被重新設(shè)計(jì)成最小化力，從而減少切削力矢量的大小和/或使切削力矢量遠(yuǎn)離巖心向外重新取向。在一些實(shí)施方案中，可修改切削元件358以及取芯鉆頭324的位于取芯鉆頭324上的任一點(diǎn)處的部分。在其他實(shí)施方案中，修改可主要集中在切削元件358以及取芯鉆頭324的最接近中心區(qū)380的圓周的部分上。例如，取芯鉆頭324可具有大約八英寸的直徑并且中心380的內(nèi)徑可以是大約四英寸。設(shè)計(jì)過(guò)程可集中于取芯鉆頭的內(nèi)部部分，諸如最接近中心380的圓周的大約二分之一英寸。切削元件358以及取芯鉆頭324的最接近中心380的圓周的部分可生成可作用于巖心上的最大切削力矢量378，并且因此重新設(shè)計(jì)過(guò)程可集中于取芯鉆頭324的這些部分。

取芯鉆頭324的重新設(shè)計(jì)可包括修改取芯鉆頭324和/或切削元件358的屬性，諸如切削元件大小、切削結(jié)構(gòu)輪廓、刀片上的全部切削元件的混合切削元件大小、切削元件取向(例如，縱向前角和/或副前角)、切削元件倒角、刀片上的全部切削元件的混合切削元件倒角，以及切削元件幾何結(jié)構(gòu)(例如，如參考圖4a和4b進(jìn)一步詳細(xì)論述的圓切或預(yù)切)。例如，較高的縱向前角可不太深地切削地質(zhì)地層。因此，由具有較高縱向前角的切削元件生成的力可低于由具有較低縱向前角的切削元件生成的力。因此，在一些實(shí)施方案中，為了減少作用于巖心上的力的大小，可增大接近取芯鉆頭的內(nèi)徑的切削元件的縱向前角。

一旦取芯鉆頭324的設(shè)計(jì)被修改，可重新計(jì)算由切削元件358生成的力和作用于巖心上的力。可將作用于巖心上的力與閾值比較，并且如果所述力低于閾值，取芯鉆頭324的設(shè)計(jì)可以是完整的。如果作用于巖心上的力高于閾值，可進(jìn)一步修改取芯鉆頭324以減少所述力。對(duì)應(yīng)于巖心在不磨損和/或斷裂的情況下能夠承受的力的量的閾值可基于地質(zhì)地層的特性，諸如巖層強(qiáng)度、脆性、斷裂水平和/或斷裂取向。

圖4a和4b示出穿過(guò)一個(gè)刀片截取的取芯鉆頭、巖層和由取芯鉆頭中的每一個(gè)獲取的巖心樣本的剖視圖。圖4a示出示例性取芯鉆頭424a。切削元件458可在巖心樣本484a和未來(lái)巖心488(統(tǒng)稱為“巖心490”)上施加力。未來(lái)巖心488可以是巖層406的一部分，巖心樣本484a將從所述部分切削。切削元件458a可以是預(yù)切式切削元件，其中切削元件458a可具有平坦表面，切削元件458a在所述平坦平面中接觸巖心490。內(nèi)部保徑墊486a也可與巖心490相接觸。切削元件458a和/或內(nèi)部保徑墊486a可產(chǎn)生可作用于巖心490上的切削力和/或摩擦力。在一些實(shí)施方案中，為了減少摩擦力，可修改最接近巖心490的切削元件458(例如，切削元件458a)的幾何結(jié)構(gòu)以最小化切削元件458的與巖心490相接觸的表面積的量。例如，可優(yōu)化切削元件458a的與巖心490相接觸的線長(zhǎng)以最小化作用于巖心490上的力。優(yōu)化可將巖層406的特性(例如，硬度、脆性和/或斷裂水平)考慮在內(nèi)。另外，可修改切削元件458a的特性，諸如切削元件458a的倒角和/或半徑大小，以減少作用于巖心490上的力。

在圖4b中示出優(yōu)化切削元件458a的結(jié)果的一個(gè)實(shí)例，與巖心490相接觸的切削元件458a被可具有大體上圓形形狀的切削元件458b替代。切削元件458b的周長(zhǎng)的與巖心490相接觸的部分可小于切削元件458a的周長(zhǎng)的與巖心490相接觸的部分。因此，由切削元件458b施加在巖心490上的摩擦力可小于由切削元件458a施加在巖心490上的摩擦力。

圖5a和5b示出穿過(guò)一個(gè)刀片截取的取芯鉆頭、巖層、由取芯鉆頭中的每一個(gè)獲取的巖心樣本的剖視圖，以及在穿過(guò)取芯鉆頭軸線的平面中的每個(gè)切削元件的力矢量分布。圖5a和5b示出將切削元件458a變?yōu)榍邢髟?58b的效果。切削元件458a的力矢量分布579a示出指向巖心490的力矢量的部分。在圖5b中，在切削元件458a被切削元件458b替代之后，力矢量分布579b示出指向巖心490的力矢量的數(shù)量和/或大小可減少。

圖6a和6b示出穿過(guò)一個(gè)刀片截取的取芯鉆頭、巖層、由取芯鉆頭中的每一個(gè)獲取的巖心樣本的剖視圖，以及在穿過(guò)取芯鉆頭軸線的平面中的每個(gè)切削元件的所得力矢量。圖6a和6b示出基于分別由切削元件458a和458b生成的每銑刀578a和578b的所得力矢量、基于圖5和圖5b中所示的力矢量分布將切削元件458a變成切削元件458b的效果?？珊嫌?jì)力矢量分布579a和579b以便分別產(chǎn)生所得力矢量678a和678b。在切削元件458a被圖6b中的切削元件458b替代之后，當(dāng)與圖6a所示的所得力矢量678a相比時(shí)，所得力矢量678b示出指向巖心490的所得力矢量678b的大小和/或方向減少。

圖7示出示例性取芯鉆頭建模系統(tǒng)的框圖。建模系統(tǒng)700可被配置來(lái)對(duì)由取芯鉆頭的切削元件生成的力和所述力對(duì)巖心樣本的影響進(jìn)行建模，諸如圖1和圖2中所示的取芯鉆頭124和巖心樣本144。在一些實(shí)施方案中，建模系統(tǒng)700可包括建模模塊702。建模模塊702可用來(lái)執(zhí)行方法800的步驟，如參考圖8所描述的。建模模塊702可包括任何合適的部件。例如，在一些實(shí)施方案中，建模模塊702可包括處理器704。處理器704可包括例如微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)、專用集成電路(asic)或者配置來(lái)解釋和/或執(zhí)行程序指令和/或處理數(shù)據(jù)的任何其他數(shù)字或模擬電路。在一些實(shí)施方案中，處理器704可通信地耦接到存儲(chǔ)器706。處理器704可被配置來(lái)解釋和/或執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器706中的程序指令和/或數(shù)據(jù)。程序指令或數(shù)據(jù)可構(gòu)成用于執(zhí)行取芯鉆頭的設(shè)計(jì)的軟件的部分，所述取芯鉆頭在巖心樣本上施加最小力或低于給定閾值的力，如本文所描述。存儲(chǔ)器706可包括被配置來(lái)保持和/或容納一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器模塊的任何系統(tǒng)、裝置或設(shè)備；例如，存儲(chǔ)器706可包括只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、固態(tài)存儲(chǔ)器或基于磁盤的存儲(chǔ)器。每個(gè)存儲(chǔ)器模塊可包括被配置來(lái)保持程序指令和/或數(shù)據(jù)達(dá)一段時(shí)間的任何系統(tǒng)、裝置或設(shè)備(例如，計(jì)算機(jī)可讀非暫態(tài)介質(zhì))。

建模系統(tǒng)700還可包括地質(zhì)地層數(shù)據(jù)庫(kù)708。地質(zhì)地層數(shù)據(jù)庫(kù)708可通信地耦接到建模模塊702，并且可響應(yīng)于由建模模塊702發(fā)出的查詢或調(diào)用提供可用來(lái)設(shè)計(jì)取芯鉆頭的值。地質(zhì)地層數(shù)據(jù)庫(kù)708可以任何合適的方式實(shí)現(xiàn)，諸如通過(guò)功能、指令、邏輯或者代碼，并且可存儲(chǔ)在例如關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、文件、應(yīng)用編程接口、圖書館、共享圖書館、檔案、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、服務(wù)、軟件作為服務(wù)或任何其他合適的機(jī)構(gòu)中。地質(zhì)地層數(shù)據(jù)庫(kù)708可包括用于控制其操作的代碼，諸如功能、指令或邏輯。地質(zhì)地層數(shù)據(jù)庫(kù)708可指定可用來(lái)設(shè)計(jì)取芯鉆頭的任何合適的參數(shù)，諸如地層的硬度或脆性、地層中存在的斷裂的數(shù)量和/或地層中任何斷裂的取向。

建模系統(tǒng)700還可包括切削元件數(shù)據(jù)庫(kù)712。切削元件數(shù)據(jù)庫(kù)712可通信地耦接到建模模塊702，并且可響應(yīng)于由建模模塊702發(fā)出的查詢或調(diào)用提供用于設(shè)計(jì)切削元件的參數(shù)。切削元件數(shù)據(jù)庫(kù)712可以任何合適的方式實(shí)現(xiàn)，諸如通過(guò)功能、指令、邏輯或者代碼，并且可存儲(chǔ)在例如關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、文件、應(yīng)用編程接口、圖書館、共享圖書館、檔案、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、服務(wù)、軟件作為服務(wù)或者任何其他合適的機(jī)構(gòu)中。切削元件數(shù)據(jù)庫(kù)712可包括用于控制其操作的代碼，諸如功能、指令或邏輯。切削元件數(shù)據(jù)庫(kù)712可指定可用于取芯鉆頭上的切削元件的任何合適的特性，諸如切削元件的大小、取向、倒角、角度和/或幾何結(jié)構(gòu)。盡管建模系統(tǒng)700被示為包括兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，但建模系統(tǒng)700可包括任何合適數(shù)量的數(shù)據(jù)庫(kù)。

在一些實(shí)施方案中，建模模塊702可被配置來(lái)設(shè)計(jì)最小化巖心樣本上的力的取芯鉆頭。例如，建模模塊702可被配置來(lái)導(dǎo)入地質(zhì)地層數(shù)據(jù)庫(kù)708的一個(gè)或多個(gè)實(shí)例和/或切削元件數(shù)據(jù)庫(kù)712的一個(gè)或多個(gè)實(shí)例。來(lái)自地質(zhì)地層數(shù)據(jù)庫(kù)708和/或切削元件數(shù)據(jù)庫(kù)712的值可存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器706中。建模模塊702可進(jìn)一步被配置來(lái)致使處理器704執(zhí)行可操作以生成用于取芯鉆頭的設(shè)計(jì)并最小化由取芯鉆頭上的切削元件施加在巖心樣本上的力的程序指令。例如，處理器704可基于地質(zhì)地層數(shù)據(jù)庫(kù)708和切削元件數(shù)據(jù)庫(kù)712中的值計(jì)算由取芯鉆頭上的切削元件生成的力、計(jì)算巖心樣本上的力、以及修改取芯鉆頭的設(shè)計(jì)以便最小化作用于所述巖心樣本上的力，如參考圖8進(jìn)一步詳細(xì)論述的。

建模系統(tǒng)700可通信地耦接到一個(gè)或多個(gè)顯示器716，使得由建模模塊702處理的信息(例如，用于取芯鉆頭的設(shè)計(jì))可傳達(dá)或顯示給取芯鉆頭的設(shè)計(jì)者。

在不脫離本公開(kāi)的范圍的情況下，可對(duì)圖7做出修改、增加或省略。例如，圖7示出用于建模系統(tǒng)700的部件的特定配置。然而，可使用部件的任何合適的配置。例如，建模系統(tǒng)700的部件可實(shí)現(xiàn)為物理或邏輯部件。此外，在一些實(shí)施方案中，與建模系統(tǒng)700的部件相關(guān)聯(lián)的功能性可在專用電路或部件中實(shí)現(xiàn)。在其他實(shí)施方案中，與建模系統(tǒng)700的部件相關(guān)聯(lián)的功能性可在通用電路或通用電路的部件中實(shí)現(xiàn)。例如，建模系統(tǒng)700的部件可由計(jì)算機(jī)程序指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖8示出用于設(shè)計(jì)取芯鉆頭以減少或最小化作用于巖心上的力的方法的流程圖。方法800的步驟可由被配置來(lái)模擬和設(shè)計(jì)鉆井系統(tǒng)、設(shè)備和裝置(諸如圖7中所示的建模系統(tǒng))的各種計(jì)算機(jī)程序、模型或其任何組合執(zhí)行。出于說(shuō)明的目的，方法800參考如先前圖示中所示的取芯系統(tǒng)來(lái)描述；然而，方法800可用來(lái)設(shè)計(jì)用于任何地下操作的取芯鉆頭。

方法800可從步驟802處開(kāi)始，在所述步驟802處建模系統(tǒng)可輸入取芯操作的一個(gè)或多個(gè)要求。在一些實(shí)施方案中，取芯操作的要求可基于對(duì)巖心樣本執(zhí)行的分析的要求，諸如巖心樣本的大小和/或巖心樣本中的斷裂在不影響分析精度的情況下的可接受數(shù)量。在其他實(shí)施方案中，取芯操作的要求可基于目標(biāo)儲(chǔ)層的屬性，諸如儲(chǔ)層的深度和/或到達(dá)儲(chǔ)層的操作時(shí)間。在其他實(shí)施方案中，取芯操作的要求可基于地質(zhì)地層的特性，諸如地層中的斷裂的硬度、脆性、存在和/或地層中的斷裂的取向。

在步驟804中，建模系統(tǒng)可生成取芯鉆頭的初始設(shè)計(jì)。在一些實(shí)施方案中，初始設(shè)計(jì)可基于取芯鉆頭的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在其他實(shí)施方案中，初始設(shè)計(jì)可基于取芯操作的要求中的至少一個(gè)，如步驟802中的輸入。例如，巖心復(fù)原難度可用來(lái)確定可接受力閾值。取芯鉆頭的初始設(shè)計(jì)可或可不將由取芯鉆頭的切削元件生成的力和所述力作用于巖心上的方式考慮在內(nèi)。

在步驟806中，建模系統(tǒng)可計(jì)算由在步驟804中設(shè)計(jì)的取芯鉆頭的切削元件生成的作用于巖心上的力。經(jīng)計(jì)算的力可包括拖曳力(例如，tob)和/或徑向力?？筛鶕?jù)切削元件基礎(chǔ)計(jì)算切削元件上的沿著與巖層相接觸的表面的力，以便確定由單獨(dú)的切削元件生成的力和所述力跨取芯鉆頭的刀片改變的方式。例如，由更遠(yuǎn)離取芯鉆頭的中心定位的切削元件生成的力可高于由更靠近巖心的切削元件生成的力。在一些實(shí)施方案中，建模系統(tǒng)可作為整體為取芯鉆頭計(jì)算總的所得力。

在步驟808中，建模系統(tǒng)可計(jì)算作用于巖心上的力。作用于巖心(例如，巖心樣本和/或地層的將被切削以形成巖心樣本的部分)上的力可以是由取芯鉆頭的切削元件生成的力(如在步驟806所計(jì)算)，或可以是由取芯鉆頭的旋轉(zhuǎn)內(nèi)徑與靜止巖心之間的摩擦所導(dǎo)致的摩擦力?？珊嫌?jì)由切削元件生成的力以便確定作用于巖心上的總切削力矢量。建模系統(tǒng)可計(jì)算作用于巖心上的每個(gè)切削元件的有效力，將力矢量的長(zhǎng)度和取向、巖層的特性以及切削元件力作用點(diǎn)與巖心之間的距離考慮在內(nèi)。

建模系統(tǒng)可生動(dòng)地顯示由切削元件生成的力以便協(xié)助確定對(duì)取芯鉆頭設(shè)計(jì)作出的修改。例如，建模系統(tǒng)可顯示跨取芯鉆頭的刀片的切削元件的切削力矢量以便示出跨刀片的力的變化，并且指示哪些切削元件具有指向巖心的最大切削力矢量。圖形可視化還可顯示每個(gè)切削元件的扭矩分布、作用于巖心上的所得力矢量、施加在巖心上的時(shí)刻和/或任何其他合適的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

在步驟810中，建模系統(tǒng)可確定作用于巖心上的力是否低于閾值。閾值標(biāo)準(zhǔn)可基于地質(zhì)地層的特性(諸如地層的硬度)，并且可指示巖心在不斷裂、破裂和/或磨損的情況下可能夠承受的力的量。如果作用于巖心上的力低于閾值，取芯鉆頭可被充分地設(shè)計(jì)成最小化作用于巖心上的力，并且方法800可行進(jìn)到步驟814以便完成取芯鉆頭設(shè)計(jì)。然而，如果作用于巖心上的力高于閾值，方法800可行進(jìn)到步驟812。

在步驟812中，建模系統(tǒng)可修改取芯鉆頭的設(shè)計(jì)。對(duì)取芯鉆頭作出的修改可減少作用于巖心上的力。例如，建模系統(tǒng)可修改取芯鉆頭的可減少作用于巖心上的力的任何屬性，諸如切削元件大小、切削結(jié)構(gòu)輪廓、跨取芯鉆頭的混合切削元件大小、切削元件取向(例如，縱向前角和/或副前角)、切削元件倒角或半徑、跨取芯鉆頭的混合切削元件倒角和/或切削原價(jià)幾何結(jié)構(gòu)(例如，圓切或預(yù)切)。建模系統(tǒng)可修改任何數(shù)量的切削元件和/或取芯鉆頭的部分。例如，建模系統(tǒng)可修改接近取芯鉆頭的內(nèi)徑的切削元件和/或可修改沿著取芯鉆頭的切削結(jié)構(gòu)輪廓的任何切削元件。

修改還可包括平衡跨取芯鉆頭面的切削力和/或平衡與巖心相接觸的切削元件上的切削力。在力已平衡的實(shí)施方案中，一些切削元件可在巖心上施加力矢量并且其他切削元件可在相等和相反方向上施加力矢量，使得施加在巖心上的總所得切削力最小。

一旦取芯鉆頭設(shè)計(jì)在步驟812中已經(jīng)被修改，方法800可返回至步驟802，以便計(jì)算由修改過(guò)的取芯鉆頭的切削元件在巖心上生成的力。然后，方法800可計(jì)算由修改過(guò)的取芯鉆頭作用于巖心上的力并確定所述力是否低于閾值。方法800可反復(fù)地修改取芯鉆頭的設(shè)計(jì)，直到作用于巖心上的力低于閾值為止。

在步驟814中，建模系統(tǒng)可輸出取芯鉆頭的設(shè)計(jì)。取芯鉆頭設(shè)計(jì)輸出可用來(lái)制造具有取芯鉆頭的設(shè)計(jì)的特性的取芯鉆頭和/或可用來(lái)產(chǎn)生由取芯鉆頭生成的力和所述力與巖心交互的額外可視化。

在不脫離本公開(kāi)的范圍的情況下，可對(duì)方法800做出修改、增加或省略。例如，可以不同于所描述的方式執(zhí)行步驟的次序，并且可同時(shí)執(zhí)行一些步驟。另外，每個(gè)步驟可在不脫離本公開(kāi)的范圍的情況下包括另外步驟。

本文所公開(kāi)的實(shí)施方案包括：

a.一種用于設(shè)計(jì)取芯鉆頭的方法，所述方法包括：生成包括多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件的取芯鉆頭的模型；利用所述取芯鉆頭的模型模擬取芯操作；計(jì)算由所述取芯鉆頭的模型上的多個(gè)切削元件中的至少一個(gè)在取芯操作過(guò)程中生成的至少一個(gè)力矢量；基于所述至少一個(gè)力矢量確定作用于所述取芯鉆頭的模型中的巖心上的至少一個(gè)力；以及基于作用于所述巖心上的至少一個(gè)力生成所述取芯鉆頭的設(shè)計(jì)。

b.一種非暫態(tài)機(jī)器可讀介質(zhì)，其包括存儲(chǔ)在其中的指令，所述指令由一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行以促進(jìn)執(zhí)行用于減少作用于巖心上的力的方法，所述方法包括：生成包括多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件的取芯鉆頭的模型；利用所述取芯鉆頭的模型模擬取芯操作；計(jì)算由所述取芯鉆頭的模型上的多個(gè)切削元件中的至少一個(gè)在取芯操作過(guò)程中生成的至少一個(gè)力矢量；基于所述至少一個(gè)力矢量確定作用于所述取芯鉆頭的模型中的巖心上的至少一個(gè)力；以及基于作用于所述巖心上的至少一個(gè)力生成所述取芯鉆頭的設(shè)計(jì)。

c.一種取芯系統(tǒng)，其包括鉆柱和耦接到所述鉆柱的取芯鉆頭。取芯鉆頭包括含有多個(gè)刀片的鉆頭體、所述多個(gè)刀片中的一個(gè)上的多個(gè)切削元件以及取芯鉆頭的中心中的用來(lái)接收巖心的容器。通過(guò)以下方式來(lái)估計(jì)取芯鉆頭在巖心上的交互：生成包括多個(gè)刀片上的多個(gè)切削元件的取芯鉆頭的模型；利用所述取芯鉆頭的模型模擬取芯操作；計(jì)算由所述取芯鉆頭的模型上的多個(gè)切削元件中的至少一個(gè)在取芯操作過(guò)程中生成的至少一個(gè)力矢量；基于所述至少一個(gè)力矢量確定作用于所述取芯鉆頭的模型中的巖心上的至少一個(gè)力；以及基于作用于所述巖心上的至少一個(gè)力生成所述取芯鉆頭的設(shè)計(jì)。

實(shí)施方案a、b和c中的每一個(gè)可具有任意組合的以下另外的要素中的一個(gè)或多個(gè)：要素1：還包括計(jì)算由與巖心相接觸的至少一個(gè)內(nèi)部保徑墊在取芯操作過(guò)程中生成的至少一個(gè)第二力矢量。要素2：還包括顯示由所述多個(gè)切削元件中的至少一個(gè)生成的力矢量中的至少一個(gè)和作用于巖心上的力。要素3：其中作用于巖心上的力包括摩擦力。要素4：其中生成取芯鉆頭的設(shè)計(jì)包括修改所述多個(gè)切削元件中的至少一個(gè)的切削結(jié)構(gòu)輪廓、大小、取向、倒角、半徑和幾何結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)。要素5：其中生成取芯鉆頭的設(shè)計(jì)包括：如果至少一個(gè)力高于預(yù)定的閾值，修改取芯鉆頭的設(shè)計(jì)，以便減少在取芯操作過(guò)程中作用于巖心上的力。要素6：其中所述預(yù)定的閾值基于地質(zhì)地層的特性。要素7：其中生成取芯鉆頭的設(shè)計(jì)包括考慮取芯操作的要求。

盡管已詳細(xì)描述本公開(kāi)及其優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)理解，可在不脫離如由所附權(quán)利要求書限定的本公開(kāi)的精神和范圍的情況下，在本文中進(jìn)行各種改變、替代和更改。