128d的徑向距離R4大于從鉆 頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第三切割元件128c的徑向距離R3。另外，從鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第三切割 元件128c的徑向距離R 3大于從鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第二切割元件128b的徑向距離R2。此外， 從鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第二切割元件128b的徑向距離R 2大于從鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第一切 割元件128a的徑向距離。在其它實(shí)施方案中，徑向距離心、徑向距離R2、徑向距離R 3和徑向 距離R4可大約相等，使得切割元件128&、12813、128(：和128(1相對(duì)于彼此為軌道集合。切割元 件128a與128b之間的角度仇可大約等于切割元件128c與128d之間的角度β 3。另外，切割元件 128b與128c之間的角度β2可大約等于切割元件128d與128a之間的角度β 4。如圖3F中所示，切 割元件128a、128b、128c和128d是相鄰切割元件，因?yàn)榍懈钤?28a、128b、128c和128d在復(fù) 合鉆頭面型面304c上鄰近于彼此安置。
[0096] 圖3G和3H說(shuō)明由切割元件128&、12813、128(：、128(1和1286表示的"五切割元件組"的 一個(gè)實(shí)施例，其可安置于相應(yīng)葉片(例如，如圖1和2A到2B中說(shuō)明的葉片126)的外部部分上。 五切割元件組可為安置于相關(guān)聯(lián)鉆頭面的外部部分上的五個(gè)切割元件128,其彼此徑向隔 開(kāi)且每一切割元件之間的分隔角度為大約72°加減20°。切割元件128a、128b、128c、128c^P 128e表示在使用多級(jí)力平衡技術(shù)進(jìn)行等級(jí)一力平衡相關(guān)聯(lián)井下鉆井工具時(shí)令人滿意的五 切割元件組的僅一個(gè)實(shí)施例。
[0097]如圖3G中所示，從鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第五切割元件128e的徑向距離他大于從鉆 頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第四切割元件128d的徑向距離R4。另外，從鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第四切割 元件128d的徑向距離R 4大于從鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第三切割元件128c的徑向距離R3。此外， 從鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第三切割元件128c的徑向距離R 3大于從鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第二切 割元件128b的徑向距離R2。而且，從鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第二切割元件128b的徑向距離R 2大 于從鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104到第一切割元件128a的徑向距離心。在其它實(shí)施方案中，徑向距離心、 徑向距離R 2、徑向距離R3、徑向距離R4和徑向距離R5可大約相等，使得切割元件128a、128b、 128c、128d和128e相對(duì)于彼此為軌道集合。角度仏到說(shuō)可為大約72°。如圖3H中所示，切割元 件128a、128b、128c、128d和128e是相鄰切割元件，因?yàn)榍懈钤?28a、128b、128c、128d和 128e在復(fù)合鉆頭面型面304d上鄰近于彼此安置。
[0098]圖4A和4B說(shuō)明根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的包括用于鉆頭101或其它井下鉆井工 具的多級(jí)力平衡的參數(shù)的實(shí)施例的表401。在所說(shuō)明實(shí)施方案中，表401列出用于相關(guān)聯(lián)井 下鉆井工具的給定數(shù)目的葉片和葉片組的一些可能的切割元件集合。在其它實(shí)施方案中， 給定葉片的數(shù)目和葉片組的配置，其它切割元件集合可為可能的。下文相對(duì)于圖6和7進(jìn)一 步描述用于葉片組和切割元件集合的各種配置的選擇。雖然表401包括用于井下鉆井工具 (例如，如圖1和圖2A到2B中說(shuō)明的鉆頭101)的各種配置，但多級(jí)力平衡技術(shù)可應(yīng)用于具有 少于四個(gè)葉片或大于十五個(gè)葉片的井下鉆井工具，且可使用其它算法來(lái)確定葉片組和相應(yīng) 切割元件集合。
[0099]圖5說(shuō)明根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的包括用于鉆頭101或其它井下鉆井工具的 實(shí)施例等級(jí)四力平衡切割元件集合的表501。如所說(shuō)明，存在具有五個(gè)與十五個(gè)葉片之間的 井下鉆井工具的至少一個(gè)配置，其提供等級(jí)四力平衡。然而，可存在提供等級(jí)四力平衡的其 它配置。雖然表501包括用于井下鉆井工具(例如，如圖1和圖2A到2B中說(shuō)明的鉆頭101)的各 種配置，但多級(jí)力平衡技術(shù)可應(yīng)用于具有少于四個(gè)葉片或大于十五個(gè)葉片的井下鉆井工 具，且可使用其它算法來(lái)確定葉片組以提供等級(jí)四力平衡切割元件集合。
[0100] 表401和501可通過(guò)使用各種計(jì)算機(jī)程序、模型或其任一組合來(lái)產(chǎn)生。所述程序和/ 或模型可包括指令，所述指令存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)可讀媒體上且可操作以當(dāng)被執(zhí)行時(shí)實(shí)行用于產(chǎn) 生表401和501中包括的信息的一個(gè)或多個(gè)步驟。所述計(jì)算機(jī)可讀媒體可包括經(jīng)配置以存儲(chǔ) 和檢索程序或指令的任何系統(tǒng)、設(shè)備或裝置，例如硬盤驅(qū)動(dòng)器、壓縮光盤、快閃存儲(chǔ)器或任 何其它合適裝置。所述程序和模型可經(jīng)配置以引導(dǎo)處理器或其它合適處理裝置以從計(jì)算機(jī) 可讀媒體檢索和執(zhí)行指令。在一些實(shí)施方案中，處理器和計(jì)算機(jī)可讀媒體可包括于計(jì)算機(jī) 或包括處理能力的其它裝置中。計(jì)算機(jī)可進(jìn)一步包括存儲(chǔ)器和通信端口以用于與外部裝置 和各種輸入和輸出（I/O)裝置通信，例如鍵盤、鼠標(biāo)和/或視頻顯示器。
[0101] 圖6說(shuō)明根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的用于具有五個(gè)葉片的井下鉆井工具的鉆頭 面602的示意圖，包括用以基于用于多級(jí)力平衡所述井下鉆井工具的葉片組和切割元件集 合而安裝切割元件的示范性位置。相對(duì)于圖6論述的葉片和相關(guān)聯(lián)切割元件可安置于如圖1 和2A到2B中說(shuō)明的鉆頭101的外部部分上。
[0102] 井下鉆井工具上的葉片的數(shù)目可取決于用于等級(jí)一力平衡的切割元件組的類型 而劃分為若干組，如圖4A和4B的表401中說(shuō)明。如圖4A中說(shuō)明，五葉片井下鉆井工具可劃分 為具有兩個(gè)不同配置中的一者的兩葉片組。圖6說(shuō)明用于在具有配置（1，3,5)(2,4)的兩葉 片組中安裝切割元件的示范性位置。葉片604、606和608可為主要葉片且可形成第一葉片 組。葉片605和607可為次要葉片且可形成第二葉片組。在所說(shuō)明實(shí)施方案中，可在第一葉片 組（1，3,5)上布設(shè)三切割元件組，且可平衡或最小化由所述三切割元件組產(chǎn)生的不平衡力。 可在第二葉片組(2,4)上布設(shè)兩切割元件組，且可平衡或最小化由所述兩切割元件組產(chǎn)生 的不平衡力。通過(guò)調(diào)整相應(yīng)切割元件位置、例如后傾角、側(cè)傾角等切割元件定向、切割元件 大小和相位角，可平衡或最小化由每一切割元件組中的相應(yīng)切割元件產(chǎn)生的不平衡力。此 外，可平衡與兩個(gè)相鄰切割元件組相關(guān)聯(lián)的不平衡力，使得包括具有配置（1，3,5)(2,4)的 兩葉片組的五葉片井下鉆井工具可被等級(jí)二力平衡。
[0103] 切割元件集合包括至少兩個(gè)力平衡相鄰切割元件組。在一些實(shí)施方案中，一個(gè)切 割元件集合中的切割元件的數(shù)目可等于井下鉆井工具上的葉片的數(shù)目。如圖6中說(shuō)明的切 割元件集合[(1，3,5) (2,4)]可包括兩個(gè)切割元件組。第一切割元件組可包括安裝于主要葉 片604、606和608上的切割元件1、2和3,且第二切割元件組可包括安裝于次要葉片605和607 上的切割元件4和5。由切割元件集合[(1，3,5)(2,4)]中的所有切割元件產(chǎn)生的不平衡力可 經(jīng)平衡，使得切割元件集合[(1，3,5)(2,4)]可為等級(jí)三力平衡切割元件集合。此外，如圖4A 的表401中說(shuō)明，切割元件集合[(1，3,5)(2,4)]可為用于五葉片井下鉆井工具的優(yōu)選匹配， 使得切割元件集合[(1，3,5)(2,4)]也可為等級(jí)四力平衡切割元件集合。
[0104] 圖7A和7B說(shuō)明根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的用于具有八個(gè)葉片的井下鉆井工具 的鉆頭面702a和702b的示意圖，包括用以基于用于多級(jí)力平衡所述井下鉆井工具的葉片組 和切割元件集合而安裝切割元件的示范性位置。相對(duì)于圖7A和7B論述的葉片和相關(guān)聯(lián)切割 元件可安置于如圖1和2A到2B中說(shuō)明的鉆頭101的外部部分上。
[0105]如圖4A的表401中說(shuō)明，八葉片井下鉆井工具可劃分為兩葉片組、成對(duì)葉片組或三 葉片組。圖7A和7B說(shuō)明用于使用成對(duì)葉片組算法安裝切割元件的示范性位置，使得葉片劃 分為兩個(gè)不同對(duì)葉片組：（1，5)、（2,6)、（3,7)、（4,8)和（1，5)、（3,7)、（2,6)、（4,8)。葉片 704、706、708和710可為主要葉片，且葉片705、707、709和711可為次要葉片。在圖7A中，葉片 704和708可形成第一葉片組，葉片705和709可形成第二葉片組，葉片706和710可形成第三 葉片組，且葉片707和711可形成第四葉片組。在圖7B中，葉片704和708可形成第一葉片組， 葉片706和710可形成第二葉片組，葉片705和709可形成第三葉片組，且葉片707和711可形 成第四葉片組。
[0106] 在所說(shuō)明實(shí)施方案中，可在相應(yīng)成對(duì)組上布設(shè)四個(gè)兩切割元件組，且可平衡或最 小化由所述兩切割元件組中的每一個(gè)產(chǎn)生的不平衡力。類似于相對(duì)于圖6論述的切割元件 組，通過(guò)調(diào)整相應(yīng)切割元件位置、例如后傾角、側(cè)傾角等切割元件定向、切割元件大小和相 位角，可平衡或最小化由每一切割元件組中的相應(yīng)切割元件產(chǎn)生的不平衡力。此外，可平衡 與兩個(gè)相鄰切割元件組相關(guān)聯(lián)的不平衡力，使得包括具有配置（1，5)、（2,6)、（3,7)、（4,8) 和(1，5)、（3,7)、（2,6)、（4,8)的兩葉片組的八葉片井下鉆井工具可被等級(jí)二力平衡。
[0107] 如圖7A中說(shuō)明的切割元件集合[(1，5)(2,6)(3,7)(4,8)]可包括四個(gè)兩切割元件 組。第一切割元件組可包括安裝于主要葉片704和708上的切割元件1和2,第二切割元件組 可包括安裝于次要葉片705和709上的切割元件3和4,第三切割元件組可包括安裝于主要葉 片706和710上的切割元件5和6,且第四切割元件組可包括安裝于次要葉片707和711上的切 割元件7和8。由切割元件集合[(1，5)(2,6)(3,7)(4,8)]中的所有切割元件產(chǎn)生的不平衡力 可經(jīng)平衡，使得切割元件集合[(1，5)(2,6)(3,7)(4,8)]可為等級(jí)三力平衡切割元件集合。
[0108] 如圖7B中說(shuō)明的切割元件集合[(1，5)(3,7)(2,6)(4,8)]也可包括四個(gè)兩切割元 件組，但安裝切割元件的次序可不同。類似于圖7A，第一切割元件組可包括安裝于主要葉片 704和708上的切割元件1和2,且第四切割元件組可包括安裝于次要葉片707和711上的切割 元件7和8。然而，第二切割元件組可包括安裝于主要葉片706和710上的切割元件3和4,且第 三切割元件組可包括安裝于次要葉片705和709上的切割元件5和6。由切割元件集合[(1，5) (3.7) (2,6)(4,8)]中的所有切割元件產(chǎn)生的不平衡力可經(jīng)平衡，使得切割元件集合[(1，5) (3.7) (2,6)(4,8)]也為等級(jí)三力平衡切割元件集合。此外，如圖4六的表401中說(shuō)明，切割元 件集合[(1，5)(3,7)(2,6)(4,8)]可為用于八葉片井下鉆井工具的優(yōu)選匹配，使得切割元件 集合[(1，5)(3,7)(2,6)(4,8)]也可為等級(jí)四力平衡切割元件集合。
[0109] 圖8A、8C、8E、8G和8I說(shuō)明根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的示出安置于鉆頭101或其 它井下鉆井工具上的相應(yīng)鉆頭面或切割面802 &、80213、802(：、802(1和8026的各種組件的示意 圖。圖8B、8D、8F、8H和8J說(shuō)明根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的示出與相應(yīng)圖8A、8C、8E、8G和81 中所示的組件對(duì)應(yīng)的復(fù)合鉆頭面型面或復(fù)合切割面型面的部分的示意圖。為了提供參照 系，圖8B、8D、8F、8H和8 J中的每一個(gè)包括表示鉆頭101的鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104的z軸線以及指示 距鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104的正交距離的徑向軸線106。相對(duì)于圖8A到8J論述的葉片和相關(guān)聯(lián)切割 元件可安置于如圖1和2A到2B中說(shuō)明的鉆頭101的外部部分上。圖8A到8 J示出根據(jù)本公開(kāi)的 一些實(shí)施方案使用多級(jí)力平衡技術(shù)在井下鉆井工具上以單集合或軌道集合配置的組合布 設(shè)切割元件的各種實(shí)施例。
[0110] 圖8A和8B說(shuō)明包括根據(jù)多級(jí)力平衡技術(shù)布設(shè)的單集合和軌道集合切割元件的五 葉片井下鉆井工具的一個(gè)實(shí)施例。如圖8A中所示，所述井下鉆井工具的葉片可劃分為具有 配置（1，3,5)(2,4)的兩葉片組。葉片804、806和808可為主要葉片且可形成第一葉片組。葉 片805和807可為次要葉片且可形成第二葉片組。在所說(shuō)明實(shí)施方案中，切割元件1、2和3可 分別布設(shè)于主要葉片804、806和808上的三切割元件組中，且所述一組中的每一切割元件可 為單集合。切割元件4和5可分別以兩切割元件組布設(shè)于次要葉片805和807上，且所述一組 中的切割元件可為軌道集合。這些切割元件組可形成切割元件集合[(1，3,5) (2,4)]。第一 葉片組的單集合切割元件可以較高效率鉆入地層，而第二葉片組的軌道集合切割元件可在 井下鉆井工具鉆入地層時(shí)提供穩(wěn)定性。
[0111] 如圖8B中所示，切割元件集合[(1，3,5)(2,4)]中的切割元件是相鄰切割元件，因 為個(gè)別切割元件1、2和3以及包括軌道集合切割元件4和5的兩切割元件組在鉆頭面型面 824a上緊鄰于彼此安置。另外，如圖4A的表401和圖5的表501中說(shuō)明，切割元件集合[(1，3， 5)(2,4)]可經(jīng)等級(jí)一到四力平衡。
[0112] 圖8C和8D說(shuō)明包括根據(jù)多級(jí)力平衡技術(shù)布設(shè)的單集合和軌道集合切割元件的六 葉片井下鉆井工具的一個(gè)實(shí)施例。如圖8C中所示，所述井下鉆井工具的葉片可劃分為具有 配置（1，3,5)(2,4,6)的兩葉片組。葉片804、806和808可為主要葉片且可形成第一葉片組。 葉片805、807和809可為次要葉片且可形成第二葉片組。在所說(shuō)明實(shí)施方案中，切割元件1、2 和3可分別布設(shè)于主要葉片804、806和808上的三切割元件組中，且所述一組中的每一切割 元件可為單集合。切割元件4、5和6可分別以三切割元件組布設(shè)于次要葉片805、807和809 上，且所述一組中的切割元件可為軌道集合。這些切割元件組可形成切割元件集合[(1，3， 5)(2,4,6)]。第一葉片組的單集合切割元件可以較高效率鉆入地層，而第二葉片組的軌道 集合切割元件可在井下鉆井工具鉆入地層時(shí)提供穩(wěn)定性。
[0113] 如圖8D中所示，切割元件集合[(1，3,5)(2,4,6)]中的切割元件是相鄰切割元件， 因?yàn)閭€(gè)別切割元件1、2和3以及包括軌道集合切割元件4、5和6的三切割元件組在鉆頭面型 面824b上緊鄰于彼此安置。另外，如圖4A的表401和圖5的表501中說(shuō)明，切割元件集合[(1， 3,5)(2,4,6)]可經(jīng)等級(jí)一到四力平衡。
[0114] 圖8E和8F說(shuō)明包括根據(jù)多級(jí)力平衡技術(shù)布設(shè)的單集合和軌道集合切割元件的七 葉片井下鉆井工具的一個(gè)實(shí)施例。如圖8E中所示，所述井下鉆井工具的葉片可劃分為具有 配置（1，4,6)(2,5)(3,7)的三葉片組。葉片804、807和809可為主要葉片且可形成第一葉片 組。葉片805、806、808和810可為次要葉片，使得葉片805和808形成第二葉片組且葉片806和 810形成第三葉片組。在所說(shuō)明實(shí)施方案中，切割元件1、2和3可分別布設(shè)于主要葉片804、 807和809上的三切割元件組中，且所述一組中的每一切割元件可為單集合。切割元件4和5 可分別以兩切割元件組布設(shè)于次要葉片805和808上，且所述一組中的切割元件可為軌道集 合。切割元件6和7可分別以兩切割元件組布設(shè)于次要葉片806和810上，且所述一組中的切 割元件可為軌道集合。這些切割元件組可形成切割元件集合[(1，4,6)(2,5)(3,7)]。第一葉 片組的單集合切割元件可以較高效率鉆入地層，而第二和第三葉片組的軌道集合切割元件 可在井下鉆井工具鉆入地層時(shí)提供穩(wěn)定性。
[0115] 如圖8F中所示，切割元件集合[(1，4,6)(2,5)(3,7)]中的切割元件是相鄰切割元 件，因?yàn)閭€(gè)別切割元件1、2和3、包括軌道集合切割元件4和5的兩切割元件組以及包括軌道 集合切割元件6和7的兩切割元件組在鉆頭面型面824c上緊鄰于彼此安置。
[0116]圖8G和8H說(shuō)明包括根據(jù)多級(jí)力平衡技術(shù)布設(shè)的單集合和軌道集合切割元件的八 葉片井下鉆井工具的一個(gè)實(shí)施例。如圖8G中所示，所述井下鉆井工具的葉片可劃分為具有 配置（1，5)(3,7)(2,6)(4,8)的成對(duì)或四葉片組。葉片804、806、808和810可為主要葉片，使 得葉片804和808形成第一葉片組且葉片806和810形成第二葉片組。葉片805、807、809和811 可為次要葉片，使得葉片805和809形成第三葉片組且葉片807和811形成第四葉片組。在所 說(shuō)明實(shí)施方案中，切割元件1和2可分別布設(shè)于主要葉片804和808上的兩切割元件組中，且 所述一組中的每一切割元件可為單集合。切割元件3和4可分別布設(shè)于主要葉片806和810上 的兩切割元件組中，且所述一組中的每一切割元件可為單集合。切割元件5和6可分別以兩 切割元件組布設(shè)于次要葉片805和809上，且所述一組中的切割元件可為軌道集合。切割元 件7和8可分別以兩切割元件組布設(shè)于次要葉片807和811上，且所述一組中的切割元件可為 軌道集合。這些切割元件組可形成切割元件集合[(1，5)(3,7)(2,6)(4,8)]。第一和第二葉 片組的單集合切割元件可以較高效率鉆入地層，而第三和第四葉片組的軌道集合切割元件 可在井下鉆井工具鉆入地層時(shí)提供穩(wěn)定性。
[0117]如圖8H中所示，切割元件集合[(1，5)(3,7)(2,6)(4,8)]中的切割元件是相鄰切割 元件，因?yàn)閭€(gè)別切割元件1、2、3和4、包括軌道集合切割元件5和6的兩切割元件組以及包括 軌道集合切割元件7和8的兩切割元件組在鉆頭面型面824d上緊鄰于彼此安置。另外，如圖 4A的表401和圖5的表501中說(shuō)明，切割元件集合[(1，5)(3,7)(2,6)