钻头

优先权声明

本申请要求2018年11月12日提交的美国专利申请第16/188,227号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开总体上涉及具有刀片的钻头，刀片具有改进的切割器布置。特别地，本公开涉及一种钻头，其包括在其上具有切割器的刀片，切割器具有交替的后倾角。

背景技术

诸如旋转刮刀钻头、铰刀和类似的用于在地下岩层中钻孔或形成孔的井下工具的钻头是众所周知的。在钻探石油和天然气井时，转刮刀钻头会拖动离散的切割结构(称为“切割器”)，这些切割结构安装在针对地层的工具主体上的固定位置。当切割器通过工具主体的旋转被拖向地层时，切割器通过剪切作用使地层破裂。这种剪切作用形成了小的切屑，这些切屑通过钻井液被液压排空，钻井液通过工具主体中的喷嘴泵送。

一种这样的固定切割器，钻土钻具，通常在石油和天然气勘探行业中称为多晶金刚石复合片或PDC钻头，采用了固定切割器。每个切切割器有由PDC或类似的高度耐磨材料组成的高度耐磨切割或磨损表面。PDC切割器通常是通过在耐腐蚀基底上形成一层多晶金刚石(PCD)(有时称为冠或金刚石台)制成的。PDC磨损表面由表现出金刚石与金刚石的粘结的烧结多晶金刚石(天然或合成)组成。多晶立方氮化硼、纤锌矿氮化硼、聚集的金刚石纳米管(ADN)或其他坚硬的结晶材料是已知的替代品，以及在某些钻井应用中可能有用。通过将粉末形式的金刚石磨料粒材料与一种或多种粉末状金属催化剂和其他材料混合，将混合物形成复合片，然后将其烧结，通常将其与碳化钨基底一起使用高温高压或微波加热进行烧结，从而制成复合片。出于以下描述的目的，多晶立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、ADN和类似材料的烧结复合片等同于多晶金刚石复合片，因此，除非另有说明，否则应解释为在详细说明中使用“PDC”否则，除非另有明确说明或上下文，否则不得提及多晶金刚石、立方氮化硼、纤锌矿氮化硼和其他高耐磨材料的烧结体。对“PDC”的引用还旨在涵盖这些材料与可用于改善其性能和切割性能的其他材料或结构元件的烧结体复合片。此外，PDC涵盖了热稳定的品种，其中金属催化剂在烧结后已被部分或全部去除。

典型地，用于支撑PDC磨损表面或层的基底至少部分地由硬质合金金属碳化物制成，其中碳化钨是最常见的。通过将粉末状的金属碳化物与金属合金粘合剂烧结而形成粘合(cemented)的金属碳化物基底。PDC和基底的复合材料可以多种不同方式制造。例如，它也可以包括过渡层，在过渡层中，金属碳化物和金刚石与其他元素混合在一起，以改善PCD与基底之间的粘结力并降低PCD与基底之间的应力。

每个PDC切割器都被制造成与钻头分开的离散件。由于用于制造它们的工艺，PCD层和基底通常具有圆柱形状，并且相对薄的PCD盘结合到基底材料的更高或更长的圆柱体上。可以将所得复合材料机械加工或研磨以形成所需的形状。然而，PCD层和基底通常以制造它们的圆柱形形式使用。

固定切割器以预定的图案或布局安装在钻土工具的主体的外部。此外，根据特定的应用，切割器通常沿几个刀片中的每个布置，这些刀片由形成在钻土工具的主体上的凸起的脊组成。每个刀片通常包括平行于被切割的地层定向的平坦表面。切割器通常沿这些平坦表面设置在孔或开口中。例如，在PDC钻头中，刀片通常以径向方式围绕钻头的中心钻头轴线(旋转轴线)布置。它们通常但并非总是沿与钻头旋转方向相反的方向弯曲。

当具有固定切割器的钻土工具旋转时，切割器共同对土层呈现一个或多个预定切割轮廓，从而剪切地层。当切割器旋转穿过从钻土工具的旋转轴线向外延伸的平面(例如钻头轴线)时，切割轮廓由与之相关联的每个切割器的位置和定向来限定。切割器沿切割轮廓的位置主要是其相对于钻头轴线(旋转轴线)的横向位移的函数，而不是其所在的特定刀片的函数。在切割轮廓中彼此相邻切割器通常在相同刀片上彼此不相邻。相反，在切割轮廓上彼此相邻切割器通常位于不同的刀片上。

除了在钻头上的位置或定位之外，每个切割器还具有三维定向。通常，将相对于两个坐标系之一来限定该定向：相对于其旋转轴限定的钻头的坐标系；或通常基于切割器本身的坐标系。切割器的定向通常根据切割器的后倾或旋转以及切割器的侧倾或旋转来指定。后倾或“后倾角”根据轴向倾角或后倾角来指定，具体取决于所使用的参考系。侧倾角或“侧倾角”通常以侧倾角或侧倾角的形式指定，具体取决于所使用的参考系。例如在美国专利第9,556,683号中描述了这样的钻头，其全部内容通过引用并入本文。

美国专利第5,549,171号描述了一种固定切割器钻头，其包括安装在钻头表面上的多组切割器元件。每组包括至少两个切割器，这些切割器安装在相对于钻头轴线大体上相同的径向位置但具有不同的后倾角的不同刀片上。可以安装一组切割器元件，使其切割面在轮廓外(out-of-profile)，使得该组中的某些元件比相同组中的其他切割器元件更大程度地暴露于地层材料。一组中的切割器元件可以具有相同的切割面和轮廓，或者它们的大小或形状或两者均可以变化。该钻头显示出增加的稳定性，并且在ROP(钻进速度)方面提供了实质性的改进，而无需过多的WOB(钻头重量)。

美国专利第6,164,394号描述了一种固定切割器钻头，该钻头特别适用于塑料页岩钻探。钻头包括布置多排切割器元件，使得排中的切割器的切割尖端布置在前角位置和后角位置，从而限定锯齿状的切割边缘。通过沿相同刀片安装具有不同程度的正后倾角和负后倾角的切割器，可以改变给定排中的切割器的切割尖端的角位置。优选地，在给定排的一段内，切割器在具有正后倾角和负后倾角之间交替，而安装有正后倾角的切割器比安装有负后倾角的切割器更暴露于地层材料。喷嘴提供有高的侧向位置以用于有效清洁。正后倾角切割器元件具有双半径的切割面，并且被安装为相对于地层材料具有后角(reliefangle)。不同排的切割器元件安装在基本相同的径向位置，但具有不同的暴露高度，具有正后倾角的切割器元件安装得比具有负后倾角的切割器元件更暴露于地层。

尽管已知具有不同配置的切割器的钻头，但是仍然需要具有配置成用于提高地层破坏效率、ROP(钻进速度)和稳定性的切割器的钻头。

发明内容

在一些方面，本公开涉及一种具有刀片和位于刀片上的一排切割器的钻头，该排切割器具有交替的后倾角。

在一些方面，本公开涉及一种钻头，其具有带有面和中心钻头轴线的主体，设置在主体的表面上的刀片以及设置在刀片上的一排切割器。至少一些切割器可具有交替的正后倾角。在一些实施例中，相邻切割器上的大多数后倾角之间的差可以小于20°。

在一些实施例中，两个相邻切割器上的后倾角之间的差可以大于可以进一步径向向外设置的另外两个相邻切割器上的后倾角之间的差。在一些实施例中，两个相邻切割器上的后倾角之间的差可以小于可以进一步径向向外设置的另外两个相邻切割器上的后倾角之间的差。在一些实施例中，每个其他切割器上的后倾角可随着切割器可径向向外进一步设置而逐渐增加。在一些实施例中，每个其他切割器上的后倾角可随着切割器可进一步径向向外设置而逐渐减小。

在一些实施例中，面可以包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部。至少一个切割器的后倾角可小于相邻切割器的后倾角。相邻切割器的一个可以设置在锥体部上。

在一些实施例中，面可包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部和围绕锥体部的鼻部。至少一个切割器的后倾角可小于相邻切割器的后倾角。至少一个切割器可以设置在鼻部上。

在一些实施例中，面可包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部、围绕锥体部的鼻部以及从锥体部和鼻部径向向外设置的肩部。至少一个切割器的后倾角可以大于相邻切割器上的后倾角。至少一个切割器可以设置在肩部上。

在一些实施例中，该排切割器中的每个切割器可具有形成切割表面的切割器表面和穿过该切割器面的纵向切割器轴线。至少一个切割器的切割器面可以相对于至少一个切割器的纵向切割器轴线倾斜。

在一些实施例中，面可以包括锥体部。具有交替的正后倾角的切割器可以设置在锥体部上。在一些实施例中，面可以包括肩部。具有交替的正后倾角的切割器可以设置在肩部上。

在一些实施例中，面可以包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部和从锥体部径向向外设置的肩部。具有交替的正后倾角的切割器可以设置在锥体部和肩部上。在一些实施例中，面可以包括保径部。具有交替的正后倾角的切割器可以设置在保径部上。

在一些实施例中，面可包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部、围绕锥体部的鼻部、从锥体部和鼻部径向向外设置的肩部以及纵向延伸的保径部。该排切割器可以从锥体部延伸到保径部。具有交替的正后倾角的切割器可设置在锥体部、鼻部、肩部或保径部的至少一个上。

在一些实施例中，具有交替的正后倾角的至少一些切割器也可以具有交替的侧倾角。在一些实施例中，当该排切割器可以是一排主切割器时，钻头可以进一步包括一排备用切割器。在一些实施例中，当该排切割器可以是一排备用切割器时，钻头可以进一步包括一排主切割器。

在一些实施例中，刀片可包括内部区域和从内部区域旋转偏移的外部区域。该排切割器可以设置在内部区域、外部区域或其组合的至少一个上。在一些实施例中，该排切割器还可以包括不具有交替的正后倾角的切割器。

在一些方面，本公开涉及一种钻头，其具有具有面和中心钻头轴线的主、设置在主体的面上的刀片以及以交替方式布置在刀片上的多个第一和第二切割器。在一些实施例中，多个第一切割器可各自具有在±9°的第一范围内的正后倾角。多个第二切割器可各自具有在±9°的第二范围内的正后倾角。在一些实施例中，第一范围的平均值与第二范围的平均值之差可以为5至20°。

在一些实施例中，多个第一切割器可各自具有在±9°的第一范围内的正后倾角。多个第二切割器可各自具有在±9°的第二范围内的正后倾角。第一范围的平均值与第二范围的平均值之差可以为5至10°。

在一些实施例中，多个第一切割器可各自具有在±9°的第一范围内的正后倾角。多个第二切割器可各自具有在±9°的第二范围内的正后倾角。第一范围的平均值与第二范围的平均值之差可以为10°至20°。

在一些实施例中，多个第一切割器可各自具有在±5°的第一范围内的正后倾角。多个第二切割器可各自具有在±5°的第二范围内的正后倾角。第一范围的平均值和第二范围的平均值之差可以为5至20°。

在一些实施例中，面可以包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部和从锥体部径向向外设置的肩部。交替的第一切割器和第二切割器的至少一些可设置在锥体部或肩部的至少一个上。

在一些实施例中，面可以包括鼻部和从鼻部径向向外设置的肩部。交替的第一切割器和第二切割器的至少一些可设置在鼻部和肩部上。

在一些实施例中，多个第一切割器的至少一些还具有非零的侧倾角。在一些实施例中，刀片可包括内部区域和从内部区域旋转偏移的外部区域。多个第一切割器和第二切割器的至少一些可以设置在内部区域或外部区域的至少一个上。

在一些方面，本公开涉及一种钻头，其具有主体、设置在主体上的刀片以及在刀片上的至少两对切割器。主体可以具有中心钻头轴线，钻头可以围绕该中心钻头轴线旋转。每对切割器中的切割器可以安装在刀片上的相邻固定位置中。当钻头可以旋转时，切割器可以部分地限定钻头的切割轮廓的至少一部分。每个切割器可基于其距中心钻头轴线的距离而在切割轮廓内具有预定的径向位置。每个切割器可具有用于其切割面的预定方向。预定方向可以在至少两对切割器中的每个切割器上包括不同的非零后倾角。每对切割器中的切割器相对于每对切割器中的另一个切割器具有不同的后倾角。在一些实施例中，每对切割器内的后倾角之间的差可以小于20°。在一些实施例中，每对切割器内的后倾角之间的差可以小于10°。

在一些实施例中，预定方向可以进一步包括非零侧倾角。在一些实施例中，至少两对切割器中的每对切割器可具有彼此汇聚的侧倾角。在一些实施例中，两对切割器的至少一对可以设置在切割轮廓的锥体部中。在一些实施例中，两对切割器的至少一对可以设置在切割轮廓的肩部中。

在一些方面，本公开涉及一种具有主体的钻头。该主体可以具有面，在面上可以限定多个刀片，多个刀片从面延伸并且由刀片之间的通道分开。每个刀片可支撑多个切割器。刀片的至少一个可以是偏移刀片，其可以包括内部区域和外部区域。内部区域可沿偏移刀片的第一前缘部分支撑内切割器组。外部区域可以沿偏移刀片的第二前缘部分支撑外切割器组。第二前缘部分可以从第一前缘部分旋转地偏移。内切割器组或外切割器组的至少一个可以具有交替的正后倾角。在一些实施例中，相邻后倾角之间的差可以小于20°。在一些实施例中，相邻后倾角之间的差可以小于10°。

在一些实施例中，内切割器组可以具有交替的正后倾角。在一些实施例中，外切割器组可以具有交替的正后倾角。在一些实施例中，内切割器组和外切割器组可以具有交替的正后倾角。在一些实施例中，内切割器组或外切割器组的至少一个可具有交替的侧倾角。

在一些方面，本公开涉及使用钻头的方法。该方法可以包括设置钻头以钻孔。该方法可以进一步包括用钻头钻孔。钻头可包括具有面和中心钻头轴线的主体、设置在主体的面上的刀片以及设置在刀片上的一排切割器。切割器的至少一些可具有交替的正后倾角。在一些实施例中，相邻切割器上的大多数后倾角之间的差可以小于20°。

在一些方面，本公开涉及一种钻探地下地层的方法。该方法可以包括使地下地层与钻头的至少一个切割器接合。钻头可包括具有面和中心钻头轴线的主体、设置在主体的面上的刀片以及以交替方式布置在刀片上的多个第一和第二切割器。多个第一切割器可各自具有在±9°的第一范围内的正后倾角。多个第二切割器可各自具有在±9°的第二范围内的正后倾角。在一些实施例中，第一范围的平均值与第二范围的平均值之差可以为5至20°。

在一些方面，本公开涉及一种配置钻头的方法。该方法可以包括配置具有面和中心钻头轴线的钻头主体。该方法还可以包括在主体的面上配置刀片。该方法可以进一步包括在刀片上配置一排切割器。切割器的至少一些可被配置成具有交替的正后倾角。相邻切割器上大多数后倾角之间的差可以小于20°。

在一些方面，本公开涉及一种制造钻头的方法。该方法可以包括提供具有面和位于面上的刀片的钻头主体。该方法可以进一步包括基于预定的后倾角布置在刀片上提供一排切割器，使得切割器的至少一些可以具有交替的正后倾角。相邻切割器上的大多数后倾角之间的差可以小于20°。

在一些方面，本公开涉及一种包括多个切割器的钻头，多个切割器沿切割轮廓具有交替的后倾角。

在一些方面，本公开涉及一种钻头，其包括具有面和中心钻头轴线的主体以及设置在该主体的表面上的多个刀片。多个刀片中的每个可以包括设置在其上的一排切割器。多排切割器可以共同限定钻头的切割轮廓。沿切割轮廓的切割器的至少一些可以具有交替的正后倾角。沿切割轮廓的相邻切割器上的大多数后倾角之间的差可以小于20°。

在一些实施例中，具有交替的正后倾角的沿切割轮廓的至少一些切割器的相邻切割器可以设置在不同的刀片上。

在一些实施例中，设置在多个刀片中的一个刀片上的一排切割器的至少一些切割器可以具有交替的正后倾角。

在一些实施例中，具有交替的正后倾角的沿切割轮廓的至少一些切割器可以包括多个第一切割器和多个第二切割器。多个第一切割器中的每个可具有在第一范围内的正后倾角。多个第二切割器中的每个可以具有在不同于第一范围的第二范围内的正后倾角。在一些实施例中，第一范围的平均值与第二范围的平均值之差可以为5至20°。

在一些实施例中，多个第一切割器的至少一些可设置在多个刀片中的第一刀片上。在一些实施例中，多个第二切割器的至少一些可设置在多个刀片中的第二刀片上。在一些实施例中，第一刀片和第二刀片可以彼此相邻。

在一些实施例中，多个刀片可包括第一组刀片和第二组刀片。设置在第一组刀片上的至少一些切割器可具有在第一范围内的后倾角。设置在第二组刀片上的切割器的至少一些可以具有在第二范围内的后倾角。第一组刀片和第二组刀片可以以交替的方式布置。

在一些实施例中，多个第一切割器可包括沿切割轮廓的第一组至少两个相邻切割器。多个第二切割器可包括沿切割轮廓的第二组至少两个相邻切割器。在一些实施例中，第一组和第二组可以沿切割轮廓以连续的方式布置。

在一些实施例中，两个相邻切割器上的后倾角之间的差可以大于可以进一步径向向外布置的另外两个相邻切割器上的后倾角之间的差。在一些实施例中，两个相邻切割器上的后倾角之间的差可以小于可以进一步径向向外布置的另外两个相邻切割器上的后倾角之间的差。

在一些实施例中，面可以包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部。具有交替的正后倾角的切割器的至少一些可以设置在锥体部上。

在一些实施例中，面可包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部和围绕锥体部的鼻部。具有交替的正后倾角的切割器的至少一些切割器可以设置在锥体部或鼻部的至少一个上。

在一些实施例中，面可包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部、围绕锥体部的鼻部以及从锥体部和鼻部径向向外设置的肩部。具有交替的正后倾角的切割器的至少一些可设置在锥体部、鼻部或肩部的至少一个上。

在一些实施例中，具有交替的正后倾角的切割器的至少一些也具有交替的侧倾角。在一些实施例中，多排切割器可以是多排主切割器，并且多个刀片中的每个刀片可以进一步包括多排备用切割器。在一些实施例中，多排切割器可以是多排备用切割器，并且多个刀片中的每个刀片可以进一步包括一排主切割器。

在一些实施例中，刀片的至少一个可以包括内部区域和从内部区域旋转偏移的外部区域。具有交替的正后倾角的切割器的至少一些可设置在内部区域、外部区域或其组合的至少一个上。

在一些实施例中，多排切割器还包括沿切割轮廓不具有交替的正后倾角的切割器。

在一些方面，本公开涉及使用钻头的方法。在一些实施例中，该方法可以包括用钻头钻孔。钻头可包括具有面和中心钻头轴线的主体，以及设置在该主体的面上的多个刀片。多个刀片中的每个可以包括布置在其上的一排切割器。多排切割器可以共同限定钻头的切割轮廓。沿切割轮廓的切割器的至少一些可具有交替的正后倾角。沿切割轮廓的相邻切割器上的大部分后倾角之间的差可以小于20°。

附图说明

鉴于所附的非限制性附图，将更好地理解本发明，其中：

图1示出了根据本发明的一些实施例的钻头的正面图的示意图；

如图2表示根据本发明的一些实施例的钻头的切割轮廓的示意图；

图3A示出了根据本发明一些实施例的具有正后倾角的切割器的示意图；

图3B示出了根据本发明一些实施例的具有正后倾角的另一切割器的示意图；

图4A和图4B示出了根据本发明的一些实施例的具有共同的正后倾角的两个不同的切割器的示意图；

图4C示出了根据本发明的一些实施例的具有负后倾角的切割器的示意图；

图5示出了根据本发明一些实施例的钻头的侧面透视图；

图6示出了根据本发明的一些实施例的图5的钻头的正面图；

图7A至图7K是示出了根据本发明的一些实施例的用于钻头上的切割器的示例性后倾配置的图；

图8A至图8J是示出根据本发明一些实施例的用于钻头上的切割器的示例性侧倾配置的图；

图9A至图9F示出了根据本发明的一些实施例的图5的钻头的刀片上的切割器的后倾角；

图10A至图10F示出了根据本发明的一些实施例的图5的钻头的刀片上的切割器的侧倾角；

图11示出了根据本发明的一些实施例的另一钻头的正面图。

具体实施方式

本公开涉及一种用于钻头上的切割器的后倾配置。钻头可包括主体，主体具有面、布置在面上的刀片以及布置在该刀片上并具有交替的正后倾角的一排切割器。现已发现，与传统的切割器配置相比，具有交替的正后倾角的钻头出人意料地和出乎意料地可以表现出提高的钻进速度(ROP)和稳定性。

在一些实施例中，该排切割器的相邻切割器上的大多数后倾角之间的差可以小于20°。该排切割器可任选地包括以交替方式布置在刀片上的多个第一和第二切割器。多个第一切割器可各自具有在±9°的第一范围内的正后倾角。多个第二切割器类似地可各自具有在±9°的第二范围内的正后倾角。第一范围的平均值与第二范围的平均值之差可以是5至20°，例如5至15°，5至10°，10至20°或15至20°。

有利地，将切割器布置在刀片上以具有交替的被动和积极(passive andaggressive)的后倾角，可以获得更加积极的钻头。通过以被动和积极的方式从不同的接触点攻击地层，由于以许多不同的角度引发裂纹扩展，因此可以更有效地破坏地层。另外，本文的交替的后倾布置实现了增加的钻头耐用性、减小的振动以及更好的钻头控制。本文的交替的正后倾角布置导致更平滑的扭矩信号(torque signature)，从而导致较小的轴向和/或横向振动损坏以及导致改善的磨损定级(dull grading)。本文的后倾布置在增加的钻速下也要求较少的机械比能，从而实现改进的钻孔效率。通过在每个专用地层中保持ROP(钻进速度)潜能，交替的正后倾角布置对于过渡钻孔特别有利。

切割器的几何形状在行业中变化很大。在一些方面，切割器，例如PDC切割器，具有大体上圆柱形的“基底”，其具有平坦的或大体上平坦的顶部，其上布置有多晶金刚石(PCD)层。PCD层有时被称为冠或金刚石“台”，其用作切割器的主要工作表面。尽管在一些方面，根据本发明使用的切割器是圆柱形的，但是在其他实施例中，切割器可以具有长方形或椭圆形的横截面。

工作刮刀钻头中的每个固定切割器将具有一个或多个工作表面，用于接合和破裂地层。在刮刀钻头上的固定切割器，铰刀和用于钻凿岩石的其他旋转体通常将具有其主要切割面的至少一个主要部分，该主要切割面是相对的或基本上是平面的或平坦的。在其他方面，切割表面是圆形的、锥形的或其他形状。因此，在一些方面，切割器的主切割表面是平坦的或相对平坦的，而在另一些方面，它可以包括隆起、脊、辐条或破坏原本基本上平坦的表面的其他特征。

每个固定切割器包括切割面，该切割面包括旨在面向并接合地层的一个或多个表面，从而实施使地层破裂的工作。这些表面往往会受到来自地层的最大反作用力。对于圆柱形切割器，圆柱体的大致平坦的PCD层用作主切割面。因此，该表面的定向可以用于例如使用垂直于该表面的平面的向量以及该表面的平面中的向量来指定切割器在钻头上的定向。例如，在PDC切割器上，主切割表面可以包括PCD层(台)的顶部相对平坦的表面。切割器表面包括在垂直于切割表面的方向上延伸穿过其中的中心或纵向“表面轴线”。另外，每个切割器包括穿过切割器自身的纵向轴线延伸的“切割器轴线”。

如下，对于纵向对称的切割器(例如，参见图3A和3B的切割器)，表面轴线和切割器轴线将彼此重合。在其他方面，在切割器不是完全纵向对称的情况下，表面轴线和切割器轴线将不对准，例如，如图4A-4C所示。

PCD台的暴露侧可以执行一些工作，并且可以被认为是工作或切割表面或形成切割面的一部分。PDC钻头的外周还可以包括例如有斜面的边缘或倒角。尽管切割表面可以是平坦的或大致平坦的，但是在其他方面，切割表面可以不是完全平坦的，并且可以包括一个或多个脊、凹陷、隆起或其他特征。

切割轮廓、后倾角和侧倾角的概念将参考图1-4进行解释。图1示出了钻头的正面图的示意图。钻头的保径部通常用圆圈10表示，并且通常对应于钻头的最大宽度或直径。为了清楚起见，在图1中仅示出了五个固定切割器12、14、15、17和19。参照图1，尽管可以理解的是，钻头通常包括许多附加的切割器。为了说明的目的，切割器12和14被示出为具有不同的侧倾角，但是没有任何后倾角。切割器15和17示出为具有不同的后倾角，但没有任何侧倾角。切割器19示出为既没有后倾角也没有侧面倾角。尽管未示出，但是可以预期，切割器可以同时具有后倾角和侧倾角。

附图标记18表示钻头的旋转中心或纵向轴线，在本文中称为“钻头轴线”。径向线20是被选择为代表围绕钻头轴线18的零度角旋转的任意径向。固定切割器12和14大体位于相同的径向线22上，以相同的角度旋转，如角度24所示，但是沿径向从钻头轴线18以不同的距离26和28移位。固定切割器15和17大体位于相同的径向线31上，以相同的角度旋转，如角度34所示，但沿径向从钻头轴线18以不同的距离35和37移位。切割器12和14位于一个刀片上，而切割器15和17位于另一刀片上。为了清楚起见，在图1的示意图上未示出刀片。相同刀片上的切割器可以或可以不全部位于相同的径向线上或绕钻头轴线18有相同的角度旋转。例如，切割器可以在给定的刀片上在直线状的径向线上对准，或者可以在沿给定的刀片的弯曲(曲折)路径上对准。

切割器19位于径向线32上，该径向线32的角位置比其他切割器大得多。如图所示，其相对于钻头轴线18的径向位移大于其他四个切割器12、14、15和17的距离。

图2表示钻头的切割轮廓的示意图。为了清楚起见，仅示出了三个固定切割器，各个切割器的外径分别由圆形轮廓44、46和48表示。通过将它们的位置旋转到零度角旋转径向线20(图1)并将它们投影到其中钻头轴线和零度角旋转径向线20所在的平面中来形成切割器的轮廓。代表钻头的切割轮廓的曲线42在一个点上接触每个切割器，并且通常代表钻头穿透地层时在钻头留下的钻孔中的预期横截面形状。为了简化图示，轮廓44、46和48中的每个均假定切割器没有任何后倾角或侧倾角。如果切割器具有任何后倾角(例如切割器15和17)或侧倾角(例如切割器14和16)，则PCD层的外径在通过该切割器的径向线的平面中的投影将是椭圆形的。

图2中的切割器示出“面朝上”并且具有纵向对称性，使得点50(示出了三个，每个切割器一个)代表切割器轴线和表面轴线，它们彼此重合。如图所示，出于示例的目的，在以下描述中，将选择切割器/表面轴线50作为用于限定切割器的侧倾角的参考系的原点。

线52表示“侧倾轴线”，切割器绕其旋转以建立侧倾角的轴。侧倾轴线52在切割器直径44、46、48的投影接触钻头切割轮廓曲线42的点51处垂直于切割轮廓的切线，并延伸到点50。侧倾轴线52也位于切割表面的前表面上。切割器围绕侧倾轴线52的旋转角度(图2中未显示)是其“侧倾角”，其限定为在(1)与给定切割器的旋转圆相切、延伸通过点50的直线以及(2)表面轴线之间的角度。

回到图1中，所示的切割器12和14具有不同量的侧倾角，这分别由角度36和38表示。在切割器12的情况下，侧倾角36限定在(i)直线41(与切割器12的旋转圆相切并延伸通过点50)和(ii)切割器12的表面轴线43之间。切割器14的侧倾角38限定在(i)线45(与切割器14的圆相切、延伸通过点50)和(ii)切割器14的表面轴线47之间。

如图1所示，切割器12绕其侧倾轴线52的旋转与切割器14绕其侧倾轴线52的旋转相反。对于切割器12，其表面轴线43绕侧倾轴线52朝着钻头轴线18旋转，并且其切割器面限定了切割表面，该切割表面朝向钻头的保径圆10成角度。对于切割器14，其表面轴线47围绕侧倾轴线52远离旋转轴线18并且朝着钻头的保径圆10旋转，并且其切割器面限定了朝向钻头轴线18成角度的切割表面。因此，切割器12和14彼此面对并且具有彼此汇聚的侧倾角。

如上，图2中所示的三个切割器和切割器19没有侧倾角或零度侧倾角。按照惯例，切割器从零度侧倾角位置旋转到切割器面朝向钻头的保径部20的角度会建立正侧倾角。切割器从零度侧倾角位置旋转到切割器面朝向钻头的钻头轴线18的的角度会建立负侧倾角。因此，切割器12具有正侧倾角，切割器14具有负侧倾角。

给定切割器的“后倾轴线”被限定为在切割器的投影接触钻头的点51处的切割轮廓曲线42的切线。因此，给定切割器的后倾轴线58与切割器轴线和切割器的侧倾轴线52都正交。图2中的切割器46和48的线58代表每个切割器的后倾轴线。切割器44的后倾轴线58未标记，因为其后倾轴线58和切割轮廓曲线42基本重叠。切割器围绕其后倾角轴线58的旋转(在图2中未示出)建立其“后倾角”，其限定为在(1)在其中切割器直径的投影接触钻头切割轮廓(例如，曲线42)的点(例如，点51)上垂直于切割轮廓的线和且(2)在切割表面的平面中的延伸穿过切割表面的中心点50的线之间的角度。

图1中的切割器15和17示出了具有不同量或程度的后倾角，并且在图3A和3B中也示出了。在切割器15的情况下，后倾角72限定在线74(在接触点51处垂直于切割轮廓(或形成表面))和在切割表面75的平面中延伸穿过其中心的线之间。在切割器17的情况下，后倾角76限定在线78(其在接触点51处垂直于切割轮廓(或形成表面))和在切割表面77的平面中延伸通过其中心点的线之间。在图3A和3B所示，接触点51和每个切割器的后倾轴线58重叠。

当切割器面或表面与垂直于切割轮廓的向量对准时，该切割器被称为具有零后倾角或“零度”后倾角。图2中所示的三个切割器和图1中所示的切割器19具有零度后倾角。当切割器围绕其后倾轴线58的旋转使切割器面沿钻头旋转的方向朝向地层倾斜引导切割器时，围绕后倾轴线58的旋转为切割器建立正后倾角。当切割器围绕其后倾轴线58的旋转使切割器面沿钻头旋转的方向远离地层倾斜引导切割器时，围绕后倾轴线58的旋转被认为对该切割器具有负的后倾角。

切割器15和切割器17围绕它们各自的后倾轴线58的旋转都使各自的切割表面75和77沿钻头旋转的方向朝向地层向前倾斜。因此，切割器15和17各自具有正的后倾角。切割器17的后倾角76大于切割器15的后倾角72。相对而言，具有较小的正后倾角的切割器比具有较大的正后倾角的切割器具有更积极的后倾角。在一对具有不同的正后倾角的切割器中，相对于后倾角较小的切割器可以称为积极切割器，而相对于另一个，后倾角较大的切割器可以称为被动切割器。

在图3A和3B所示的实施例中，表面轴线与切割器轴线对准。在一些实施例中，如上，切割器可能不是纵向对称，导致切割器轴线相对于切割表面倾斜或成角度。图4A和4B示出了切割器，其具有各自切割器的与切割器表面的相应表面轴线94a和94b不对准的切割器轴线92a和92b。此外，切割器轴线92a和92b相对于它们各自的切割表面倾斜或成角度。然而，可以通过以不同的安装角度将切割器安装在钻头主体上来实现相同的后倾角96。使切割器轴线相对于切割表面倾斜或成角度可有助于建立负的后倾角，诸如图4C中所示的负后倾角。

参考图2，侧倾轴线52和线54之间的角度56，其与切割器的切割器轴线交叉并且平行于钻头轴线18，限定了沿顺时针方向测量的“切割轮廓角”。线60表示切割轮廓的零角度。切割轮廓的部分62对应于PDC钻头的锥体。此部分中的轮廓角介于270度和360度(或零)之间。轮廓角从钻头轴线18开始向360度增加，并在线60向零度轮廓角移动。钻头的鼻通常对应于切割轮廓的部分63，并且从锥体部径向向外设置。在鼻部，轮廓角接近零度。轮廓的部分64对应于钻头的肩部，并且从鼻部径向向外设置。在此部分中，轮廓角会迅速增加，直到达到90度为止。切割轮廓的部分66对应于钻头的纵向延伸保径部。保径部中的切割轮廓角约为90度。

参照图5和图6，示出了钻头100的一些实施例，并且更具体地，示出了具有PDC切割器的旋转刮刀钻头。图5和图6分别示出了钻头100的侧面透视图和正面图。如图5所示，钻头100被设计成绕其中心钻头轴线102旋转。

在一些实施例中，钻头100可包括但不限于连接到柄106的钻头主体104和用于将钻头连接到钻柱的锥形螺纹联接器108。钻头主体104的旨在通常面向钻孔的方向的外表面称为钻头100的表面，并通常由附图标记112表示。

设置在钻头面112上的是多个凸起的刀片114a-114f，其由刀片114a-114f之间的通道或“垃圾槽”隔开。每个刀片114大体上沿径向方向向外延伸至钻头100的面112的周边。在该实施例中，有六个刀片114围绕钻头轴线102间隔开，并且每个刀片114相对于旋转方向向后掠过(sweeps)或弯曲。在此特定实施例中，刀片114a、114c和114e具有沿钻头主体104的锥体122定位的段或部分。在该实施例中，所有六个刀片114在钻头主体104的鼻部124上开始，或具有在钻头主体104的鼻部124上的分段或部分(其中切割轮廓的角度接近于零)、沿钻头主体104的肩部126的段(其特征在于增加的轮廓角)和保径部128上的段。钻头主体104包括位于每个刀片114的端部处的多个保径垫115。在各个实施例中，钻头100可具有不同数量的刀片114、刀片长度和/或位置。

设置在每个刀片114上的是一排离散的主要切割元件或主切割器116，它们共同是钻头主要切割轮廓的部分。一排或一组备用切割器118也位于每个刀片114上，它们通常共同形成钻头100的第二切割轮廓。在该实施例中，所有切割器116和118都是PDC切割器，其具有由超硬、多晶金刚石等制成的磨损或切割表面并由基底支撑，该基底形成安装螺柱用于在刀片114中所形成的每个凹穴中的放置。喷嘴120定位在主体中，以沿钻头刀片114引导钻井液以帮助抽空岩屑或碎屑排出并冷却钻头116和118。

在一些实施例中，至少一些主切割器116可具有非零后倾角和/或非零侧倾角。在一些实施例中，至少一些备用切割器118还可具有非零的后倾角和/或非零的侧倾角。在一些实施例中，仅主切割器116可具有非零的后倾角和/或非零的侧倾角，并且任何备用切割器118均可以不具有非零的后倾角和/或非零侧倾角，反之亦然。以下将参照主切割器116对切割器的后倾角配置和侧倾角配置进行讨论。应该理解的是，备用切割器118可以具有相同或相似的后倾角配置和/或侧倾角配置。

参照图5和图6，一个或多个刀片114上的主切割器116的至少一些可具有正后倾角。此外，相同刀片114上的主切割器116的至少一些可具有以交替方式布置的正后倾角。

具体地，一个或多个刀片114可以包括以交替方式布置的第一组主切割器116和第二组主切割器116。第一组主切割器116可以包括一个或多个主切割器116，第二组主切割器116可以包括一个或多个主切割器116。第一组第一切割器116的每个可具有正后倾角，第二组第一切割器116的每个可具有正后倾角。第一组主切割器116的每个的正后倾角可以大于第二组的相邻主切割器116的正后倾角，尽管第一组的主切割器116的正后倾角可以等于或小于第二组的不相邻的主切割器116的正后倾角。相反，第二组的每个主切割器116的正后倾角可以小于第一组的相邻主切割器116的正后倾角，尽管第二组的主切割器116的正后倾角可以等于或大于第一组的不相邻的主切割器116的正后倾角。通过这种配置，在相同刀片114上的至少第一组主切割器116和第二组主切割器116可具有交替的正后倾角。

在一些实施例中，第二组的一个或多个主切割器116可以包括零后倾角。因此，在一些实施例中，具有交替的正后倾角的主切割器116可以仅包括具有正的、非零后倾角的主切割器116，而在一些实施例中，具有交替的正后倾角的主切割器116也可以包括具有零后倾角的一个或多个主切割器116。在后面的实施例中，那些切割器也可以说具有交替的非负后倾角。

在各个实施例中，第一组主切割器116可各自具有在第一预定范围内的正后倾角，在第一预定范围±3°内，在第一预定范围±5°内，或在第一预定范围±9°内。在一些方面，第一预定范围可以是10°至30°，15°至25°或18°至22°。第一预定范围的平均值可以是20±10°、20±9°、20±7°、20±5°、20±3°、20±1°，或大约20°。

在各个实施例中，第二组主切割器116可各自具有在第二预定范围内、在第二预定范围±3°内、在第二预定范围±5°内或在第二预定范围±9°内的正后倾角。在一些方面，第二预定范围可以是从0°到20°，从5°到15°或从8°到12°。第二预定范围的平均值可以是10±10°、10±9°、10±7°、10±5°、10±3°、10±1°，或大约10°。

在各个实施例中，第一组的至少一个主切割器116和第二组的相邻主切割器116之间的差可以小于20°，小于15°，小于10°，或小于5°，小于3°，或小于1°。在一些实施例中，该差可以是20°或大于20°。在一些实施例中，第一组和第二组的相邻主切割器116上的至少大部分后倾角之间的差可以小于20°，小于15°，小于10°或小于5°。在各个实施例中，第一组主切割器116的正后倾角的平均值与第二组主切割器116的正后倾角的平均值之间的差可以是5至20°，5至15°，5°至10°，10°至20°或15°到20°。

除了具有交替的正后倾角的主切割器116之外，一个或多个刀片114还可以包括可以具有正后倾角、负后倾角或零后倾角的一个或多个主切割器116。在一些实施例中，附加的一个或多个主切割器116可以从第一组和第二组主切割器116径向向内设置。在一些实施例中，附加的一个或多个主切割器116可以从第一组和第二组主切割器116径向向外设置。在一些实施例中，附加主切割器116的一个或多个可以设置在第一组主切割器116和第二组主切割器116间或之间。在一些实施例中，一个或多个刀片114或所有刀片114可不包括具有负或零后倾角的主切割器116。所有主切割器116可具有正后倾角。

图9A-9F分别示出了在刀片114a、114b、114c、114d、114e和114f上的主切割器116的后倾角。图10A-10F分别示出了在刀片114a、114b、114c、114d、114e和114f上的主切割器116的侧倾角。

如图5和图6中所示以及图9A-9F的图中所绘，在每个刀片114上，主切割器116的至少一些具有交替的正后倾角。取决于应用，备用切割器118可以具有或可以不具有交替的正后倾角。

具有交替的正后倾角的主切割器116可以设置在锥部、鼻部、肩部或保径区的至少一个上。例如，在刀片114a和114e上具有交替的正后倾角的主切割器116可以设置在锥体部、鼻部和肩部上。在刀片114b和114c上具有交替的正后倾角的主切割器116可以设置在锥体部、鼻部、肩部上并且一直设置在保径部上。在刀片114d和114f上具有交替的正后倾角的主切割器116可以仅设置在鼻部和肩部上。

与没有交替的积极和被动的后倾角的钻头(在相同的测试/钻孔条件下其具有2到8或1到4的磨损定级)相比，具有交替的正向后倾角或可选的交替的被动和积极的后倾角的钻头可以具有改善的磨损定级(例如0-1)。

“磨损定级”表示切割结构的磨损量。通过使用八增量磨损量表报告磨损定级，其中“0”表示无磨损，“8”表示没有可用的切割表面。对于PDC切割器，在切割器的金刚石台上测量磨损量。例如，如果在金刚石台的1/8处发生磨损，则报告该切割器的磨损定级为1。如果在金刚石工作台的2/8处发生磨损，则报告该切割器的磨损定级为2；等等。对于钻头，通常报告磨损定级值的两个：钻头内切割器的平均磨损定级(四舍五入至最接近的整数)和钻头外切割器的平均磨损定级(四舍五入至最接近的整数)。内切割器是设置在钻头直径的内部2/3内的切割器，并且通常包括在钻头的鼻部内部的切割器。外切割器是设置在钻头直径的外部1/3内的切割器，并且通常包括在钻头的鼻部外部的切割器。

在一些实施例中，在相同的测试/钻孔条件下操作，与不具有交替的正后倾角的钻头相比，通过将切割器布置成具有交替的正后倾角，内和/或外切割器的平均磨损定级可降低至少3倍的磨损等级。例如，在相同的测试/钻孔条件下操作，对于没有交替的正后倾角的钻头，可以观察到4或更大、大至8的磨损定级，而对于具有交替的正后倾角的钻头，可以观察到仅0或1的磨损定级。

与使用不具有交替的正后倾角配置的钻头时相比，使用本文的交替的正后倾角配置还可以导致更平稳的扭矩信号，较小的轴向振动损坏和较小的横向振动损坏。

图7A至图7K是示出了用于钻头上的固定切割器(诸如钻头100的主切割器116和/或备用切割器118)的交替的后倾角配置的一些非限制性实施例的图。水平轴表示在钻头的切割轮廓内的刀片的相邻切割器的连续径向位置。沿水平轴更接近原点的位置表示更靠近钻头的旋转轴线(钻头轴线)并且更远离钻头的主体的保径部的切割器位置。沿水平轴远离原点的位置表示更远离旋转轴线(钻头轴线)并且更靠近主体的保径部的切割器位置。这些图旨在示出切割器的相对位置，即，更接近或更远离旋转轴线的切割器位置，并且不应被解释为限制或设置刀片上或切割轮廓内的每个切割器的特定位置。因此，所示的配置或图案可用于刀片的任何部分或切割轮廓的任何部分。垂直轴表示切割器的后倾角。垂直轴在水平轴上方的部分表示正后倾角，垂直轴在水平轴下方的部分表示负后倾角。横穿每个数据点的竖线表示相关切割器可能具有的后倾角范围。

图7A-7K的以下讨论将所示的后倾角称为后倾角的值，但是不应将其解释为将特定的后倾角限制或设置为单个值。而是，所讨论的后倾角的值可以涵盖值的范围。取决于实施例，范围的最大后倾角与最小后倾角之间的差可以是20°、15°、10°或5°。

图7A示出了其中相邻切割器的后倾角在第一正后倾角值和第二正后倾角值之间交替的配置。例如，第一和第三切割器可具有第一后倾角，第二和第四切割器可具有大于第一后倾角的第二后倾角。如上面关于后倾角值所讨论的，第一和第三切割器可以具有或可以不具有完全相同的后倾角，但是可以具有在第一共同范围内的后倾角。

类似地，第二和第四切割器可以具有或可以不具有完全相同的后倾角，但是可以具有在第二共同范围内的后倾角。尽管显示了四个切割器的后倾角，但相似的后倾角配置可用于三个切割器或四个以上的切割器。在三个切割器的情况下，在一些实施例中，中间切割器的后倾角可大于相邻切割器，在其他实施例中，中间切割器的后倾角可小于相邻切割器。在图7A所示的配置中，每隔一个切割器的后倾角可以大致相同或在相同范围内。另外，并非相同排中的所有切割器都需要具有交替的后倾角。例如，在一排八个切割器中，四个切割器可具有交替的后倾角，而其余四个切割器可具有基本相同的后倾角。

图7B示出了交替的正后倾角的另一种配置。图7B中所示的配置与图7A所示的配置不同在于随着切割器被布置成远离钻头轴线，每隔一个切割器的后倾角可以逐渐增大，尽管仍然可以观察到相邻切割器之间的后倾角的交替布置。因此，在一些实施例中，设置成更靠近保径部的切割器与其相邻切割器相比可具有较小的后倾角，但与更靠近钻头轴线设置的切割器相比，其可具有更大的后倾角。例如，在图7B所示的配置中，与第四和第六切割器相比，从钻头轴线的第五切割器可具有较小的后倾角，但与第一、第二和/或第三切割器相比，可具有较大的后倾角。

图7C示出了交替的正后倾角的另一种配置。与图7B所示的配置相比，除了在远离钻头轴线并且朝向钻头主体的保径部的方向上逐渐增加后倾角之外，相邻切割器之间的差也可以增加。

图7D示出了交替的正后倾角的另一种配置。在图7D所示的配置中，后倾角围绕后倾角值交替或振荡。在一些实施例中，后倾角可以在具有交替的正后倾角的切割器的后倾角的平均值附近交替或振荡。此外，在图7D所示的配置中，相邻切割器之间的差可以随着切割器更远离钻头轴线设置而逐渐减小。

图7E示出了交替的正后倾角的另一种配置。图7E中所示的配置类似于图7D所示的配置，除了相邻切割器之间的差可以随着切割器进一步远离钻头轴线布置而逐渐增大。

图7F示出了交替的正后倾角的另一种配置。在该配置中，尽管仍然可以观察到相邻切割器之间的后倾角的交替布置，但是每隔一个切割器的后倾角可以随着切割器更远离钻头轴线布置而逐渐减小。在一些实施例中，随着进一步向外设置的切割器的后倾角减小，一个或多个切割器甚至可能具有负的后倾角，如在图的水平轴下方延伸的一些竖直条所指示的。此外，在一些实施例中，相邻切割器的后倾角之间的差也可以随着切割器进一步径向向外设置而减小，尽管在一些实施例中，相邻切割器的后倾角之间的差可以随着切割器进一步径向向外设置而增大。

图7G和7H示出正后倾角的另外的配置。图7G和7H所示的配置可以类似于图7A至图7F所示的配置，在相同刀片上的多个切割器之间仍可观察到相邻切割器之间的后倾角增加和相邻切割器之间的后倾角减小。图7G和7H所示的配置与图7A至7F所示的的配置不同之处在于增加或减少可能不会立即彼此跟随。在一些实施例中，后倾角可以继续增加或减小。例如，在图7G所示的配置中，第三切割器的后倾角从第二切割器的后倾角增加，而第四切割器的后倾角从第三切割器的后倾角进一步增加。在图7H所示的配置中，第二切割器的后倾角从第一切割器的后倾角增加，而第三切割器的后倾角从第二切割器的后倾角进一步增加。

如以上已经提到的，图7A-7H中所示的配置或图案可用于刀片的任何部分或切割轮廓的任何部分。图7I-7K示出了正后倾角的其他配置。除了切割器的后倾角(在图7I-7K中由实心点表示)之外，图7I-7K还示出了由切割器限定的切割轮廓(在图7I-7K中由空心点或圆所表示)。因此，在图7I-7K中，对于切割器所占据的每个径向位置，实心点表示该切割器在该径向位置的后倾角值，空心点或圆表示该切割器相对于其他切割器的相对垂直位置或高度。限定图7I-7K中的切割轮廓的每个的切割器在一些实施例中可以全部是主切割器，或者在一些实施例中可以全部是备用切割器，或在一些实施例中可以是主切割器和/或备用切割器的组合。一些切割器可能具有交替的正后倾角。一些切割器可能具有可以不交替的正后倾角。

应当注意的是，图7I-7K中所示的配置或图案仅用于说明目的且不限于此。尽管出于说明性目的在每个切割轮廓的锥体部中更显着地展示了交替的后倾角布置，但是交替的后倾角布置可以沿切割轮廓的锥体部、鼻部、肩部和/或保径部中的任何一个存在。随着切割器沿径向进一步向外设置，取决于应用，相邻切割器之间的差可以逐渐减小或增大。此外，尽管在图7I至图7K中示出了三个示例性配置，与以上参考图7A至图7H讨论的那些相同或相似的另外的配置和图案可以沿切割轮廓的任何部分存在。

参考图71，在锥体部的至少一部分中，相邻切割器的后倾角可以在第一正后倾角值和第二正后倾角值之间交替，该第二后倾角可以小于第一正后倾角值。第一正后倾角值可以在10至30°，15至25°或18至22°的范围内。第二正后倾角值的范围可以从0到20°，5到15°或8到12°的范围内。具有第一正后倾角值的每隔一个切割器在一些实施例中可能具有共同的正后倾角值，或在一些实施例中，可能具有不同的正后倾角值。类似地，具有第二正后倾角值的每隔一个切割器可以具有共同的正后倾角值或不同的正后倾角值。在一些实施例中，相邻切割器的后倾角值之间的差可以小于20°，例如，小于15°，小于10°或小于5°。

如前，在切割轮廓中彼此相邻的切割器通常位于不同的刀片上。因此，图71中的在切割轮廓上彼此相邻并且具有交替的后倾角布置的切割器可以不位于相同刀片上，并且可以设置在不同的刀片上。例如，第一切割器702(即，最靠近钻头轴线的径向位置处的切割器)可以设置在第一刀片上，与第一切割器702相邻并从第一切割器702径向向外的第二切割器704可以设置在第二刀片上，与第二切割器704相邻并从第二切割器704径向向外的第三切割器706可设置在第三刀片上，以及第四切割器708和第七切割器714也可以设置在第一刀片上，第五切割器710和第八切割器716也可以设置在第二刀片上，第六切割器712和第九切割器718也可以设置在第三刀片上。因此，在图71所示的实施例中，每三个切割器可以设置在相同刀片上，而相邻切割器可以设置在不同的刀片上。在一些实施例中，第一、第二和/或第三刀片可以彼此相邻。在一些实施例中，第一、第二和/或第三刀片可以不彼此相邻。例如，再次参考图5和图6所示，第一、第二和第三刀片可以分别是刀片114a、刀片114c和刀片114e，因此可以彼此不相邻。

在图71所示的实施例中，不仅沿切割轮廓的切割器的一些具有交替的正后倾角，而且在单个刀片内的切割器的至少一些也可以具有交替的后倾角。例如，第一刀片上的第一切割器702、第四切割器708和第七切割器714可以布置成一个相邻下一个的排，并且可以具有在第一正向后倾角值和第二正向后倾角值之间交替的后倾角值。类似地，第二刀片上的第二切割器704、第五切割器710和第八切割器716可以布置成一个相邻下一个的排，并具有在第一正后倾角值和第二正后倾角值之间交替的后倾角，并且第三刀片上的第三切割器706、第六切割器712和第九切割器718可以布置成一个相邻下一个的排，并具有在第一正后倾角值和第二正后倾角值之间交替的后倾角。

图7J示出了交替的正后倾角的另一种配置。图7J中所示的布置类似于图71所示的布置，除了图71的具有第一正后倾角值的切割器在图7J中具有第二正后倾角值，以及在图71中的具有第二正后倾角值的切割器具有第一正后倾角值。此外，类似于图7I中的布置，在图7J所示的锥体部中的具有交替的后倾角的切割器中的每三个切割器可以设置在相同刀片上。因此，不仅沿图7J的切割轮廓的相邻切割器具有交替的正后倾角，刀片的至少一些上的相邻切割器也可以具有交替的后倾角。

图7K示出了交替的正后倾角的另一种配置。在该实施例中，一些成对的相邻切割器可具有第一正后倾角值的正后倾角，并且一些成对的相邻切割器可具有第二正后倾角值的正后倾角。第一正后倾角值可以在10至30°，15至25°或18至22°的范围内。

第二后倾角正值可以在0到20°，5到15°或8到12°的范围°。在每对中，两个相邻切割器可具有相同或不同但相似的正后倾角。在图7K所示的实施例中，每隔一对切割器可具有共同或相似的正后倾角。因此，在图7K的实施例中，相邻对的切割器具有交替的后倾角。尽管在图7K的实施例中成对的切割器具有共同的或相似的正后倾角，但是多于两个，例如三个、四个、五个或更多个相邻切割器可具有共同的或相似的后倾角，并因此形成具有共同或相似的后倾角的一组或一套相邻切割器。此外，相邻或连续的组或套可以具有交替的后倾角，并且每组中的切割器数量可以彼此相同或不同。

如上，本文的各种切割器配置或图案可在锥体部、鼻部、肩部和/或保径部的任何一个中实施。具有本文的任何切割器配置或其变型或组合的切割器可以设置在单个或多个刀片上。在一些实施例中，切割器的后倾角可在刀片之间交替。例如，设置在第一刀片的锥体部、鼻部、肩部和/或保径部中的一个或多个中的切割器可均具有在第一范围内(例如，从10°到30°，15°到25°，或18至22°)的正后倾角。设置在第二刀片的锥体部、鼻部、肩部和/或保径部中的一个或多个中的切割器可均具有在第二范围内的正后倾角，例如在0至20°，5至15°，或从8到12°。在一些实施例中，第一刀片和第二刀片可以彼此相邻，或者在一些实施例中，第一刀片和第二刀片可以由另一刀片彼此分开。

在一些实施例中，钻头可包括第一组刀片和第二组刀片。第一组刀片的锥体部、鼻部、肩部和/或保径部的一个或多个中的切割器都可以具有在第一范围内的正后倾角。第二组刀片的锥体部、鼻部、肩部和/或保径部的一个或多个中的切割器可均具有在第二范围内的正后倾角。第一组刀片和第二组刀片可以以任何方式布置。在一些实施例中，第一组刀片和第二组刀片可以以交替的方式布置。在一些实施例中，第一组刀片中的两个或更多个刀片可以以相邻方式布置。在一些实施例中，第二组刀片中的两个或更多个刀片可以以相邻方式布置。在一些实施例中，第一组的相邻两个或更多个刀片和第二组的相邻两个或更多个刀片可以以连续的方式布置。

具有上述任何一种切割器配置或其变型或组合的切割器可以设置在一个或多个刀片114上，并且可以设置在锥体部、鼻部、肩部和/或保径部中的任何一个上。在一些方面，特别是在钻穿过渡地层时，具有交替的后倾角的切割器可以设置在钻头的鼻部上。不受理论的束缚，据信，当从硬地层转向软地层时，鼻部上的较大的后倾角可减小锥体和肩部分上的重量。此外，在鼻部上的较大的后倾角可以通过使锥体和肩部赶上鼻部而防止鼻部过度接合。

在一些实施例中，钻头的所有刀片114可包括具有交替的正后倾角的主切割器116。在一些实施例中，刀片114的仅一些可包括具有交替的正后倾角的主切割器116。

即，一个或多个刀片114可以不包括具有交替的正后倾角的主切割器116，尽管备用切割器118的一个或多个可以具有交替的正后倾角。在一些实施例中，一个或多个刀片114可以既包括具有交替的正后倾角的主切割器116，也包括具有交替的正后倾角的备用切割器118。

通过具有交替的正后倾角，后倾角可以在沿刀片在积极(即较小的后倾角)和被动(即较大的后倾角)之间交替，并且可以沿整个切割轮廓在积极和被动之间交替变化。积极的后倾角可能会增加点载荷。被动后倾角可以防止地层过渡期间的冲击损坏。结合钻头的积极和被动的后倾角对于重型过渡钻孔的应用可能特别有利。结合钻头的积极和被动的后倾角可以在整个地层过渡过程中提供豁免，同时保持每个专用地层中的ROP(钻进速度)潜力。积极和被动后倾角的组合也可能有益于其中扭矩波动普遍且可能导致钻头过早损坏的应用。交替的后倾角布置也可以用作切割深度控制器。该布置可以放置在钻头轮廓上的各个位置，并用于逐渐吸收钻头重量的变化。

与已知的后倾角布置相反，在该已知的后倾角布置中，每隔一个切割器的后倾角保持相同，并且相邻切割器的后倾角之间的差保持相同，本文的技术改变了切割器的后倾角并且也改变了在切割轮廓的不同部分之间的相邻切割器的后倾角之间的差。本文的后倾角实现了提高的钻头耐用性、减小的振动以及更好的钻头控制。本文的交替的正后倾角布置导致更平滑的扭矩信号、较小的轴向振动损坏和/或横向振动损坏，从而导致改善的磨损定级。本文的后倾角布置还需要较少的机械比能，同时保持较高的钻进速度，并因此提高了钻孔效率。通过在每个专用地层中保持ROP(钻进速度)潜能，交替的正后倾角布置对于过渡钻孔特别有利。

如上，除了具有交替的后倾角之外，在一些实施例中，切割器的至少一些，主切割器116和/或备用切割器118，也可以具有非零的侧倾角。在一些实施例中，切割器的至少一些可具有交替的侧倾角。如图5和图6所示以及图10A-10F图所绘，在每个刀片114上，主切割器116的至少一些可具有交替的侧倾角。取决于应用，备用切割器118可以具有或可以不具有交替的侧倾角。因此，在一些实施例中，切割器的至少一些可具有交替的正后倾角和交替的侧倾角。

图8A至图8G的图示出了用于旋转钻土工具(诸如PDC钻头或铰刀)上的固定切割器的侧倾角配置的各个实施例。水平轴表示切割器沿刀片的连续位置，例如，在钻头的切割轮廓内的相邻切割器的连续径向位置。在这些实施例中，原点表示钻头轴线，沿水平轴的连续位置表示更靠近工具主体的保径部并且更远离钻头轴线的位置。但是，图示的图案可以用在切割轮廓的中间部分或刀片的中间部分中。垂直轴表示切割器的侧倾角。这些图并不旨在意味着刀片上或切割轮廓内的任何特定位置范围。

图8A的配置表示其中在相邻位置的至少三个切割器的侧倾角的差或变化交替方向的配置。例如，切割器在第一位置的角度和切割器在第二位置的角度具有相反的极性。变化的方向或差为负。在第二位置和第三位置中的切割器之间的变化是与从第一切割器到第二切割器的变化方向相反的方向。角度增加，角度差为正。

图8B的的图案类似于图8A，除了由彼此相反的两个相关的图案150和152组成。在这两种图案中的每一种中，侧倾角从一个单独的切割器到具有相似侧倾角的一组两个(或多个)切割器的变化都在一个方向上，然后角度从该组向单个切割器的变化在相反的方向上。

在图8C的示例性配置中，至少两个连续的切割器(实施例中为四个)的组154内的侧倾角的差在第一方向上。该组中的角度逐渐增加，在此实施例中从负到正。在两个或更多个切割器的下一个相邻组156中，侧倾角在该组内的切割器的相邻构件之间的相反方向改变。在该实施例中，角度减小，并且此外，它们从正角度减小为负角度。第三组至少具有增加的角度的切割器158，因此该组内的角度变化方向是正的。因此，该图案示出了相邻切割器组内的变化方向的交替。

图8D类似于图8C，除了侧倾角的改变遵循正弦曲线图案而不是线性图案之外。

图8E示出了图案的示例，其中两个或更多个连续的切割器的组160和162内的侧倾角相似(例如，所有相同的幅值，或者全部为负或正)，但是每三个(或更多个)切割器164具有不同的角度(例如，当组160中的角度为负时为正)。角度在第一方向上从组160到切割器164变化，然后在切割器164和组162之间的相反方向变化。反转图案是可选实施例。具有一个侧倾角的极性的切割器可以位于钻头的一侧，而具有相反极性的切割器则可以位于钻头的另一侧。例如，一侧倾将用在刀片1至3上，而另一侧倾将用在六刀片钻头的刀片4至6上。

图8F是用于钻头的图案的实施例，其中具有例如在钻头的锥体内的组166的两个或更多个相邻切割器的侧倾角为正，然后在相邻组168中两个或多个相邻切割器的组为负。第二组可以例如沿钻头的鼻部和肩部。然后，侧倾角再次变为正。该图案还示出了组内的阶梯式减少或增加。

图8G是其中侧倾角通常增加的阶梯式图案或配置的实施例。在该实施例中，侧倾角通常以非线性方式增加，但是角度的变化在增加的方向和中性之间摆动。在该实施例中，增加的正侧倾角将钻屑越来越多地推向钻头的外径，从而提高了钻孔效率。

在图8A至图8D的图案或配置的可选实施例中，图案可以被反转。此外，尽管角度的极性(正或负)形成示例性图案的一部分，但是在可选实施例中，角度的值可以转换为正或负而无需改变图案的其他方面，即在相邻切割器或切割器组之间的角度变化的方向上的图案。例如，如图8A所示，所有切割器都可以具有正侧倾角或负侧倾角，而不改变切割器之间的差的方向的交替变化。此外，正方向和负方向变化的交替图案可能首先在具有正角度的切割器之间发生，然后向正负角度的混合方向移动，然后向所有负角度转换，而不会中断交替图案。另一个可选实施例是一种钻头，例如，具有一个侧倾角的刀片1至3和具有相饭或基本不同的侧倾角的刀片4至6，类似于图8E和8F所示的布置。该设计可以减少步行趋势，并且可以配置为比更常规的设计在横向上更稳定。

图8H至图8J是这些可选图案的附加实施例。在图8H中，侧倾角为正并且通常增加。但是，在某些频率下，角度会减小。在此实施例中，频率是序列中每三个切割器。然而，可以选择不同的频率，或者减少发生的点可以基于钻头或刀片的部分之间的过渡，例如锥形与鼻部、鼻部与肩部以及肩部与保径部之间的过渡。

图81是图8A的可选实施例，其中，倾角保持为正，但是以交替的方式增加和减小。

图8J示出了倾角变化的图案除了方向之外还可以包括改变切割器之间的倾角的变化幅度。

在美国专利第9,556,683号中提供了对包括具有侧倾角的切割器在内的钻头的更彻底或更完整的描述。

诸如以上描述的调整钻土工具上的固定切割器的侧倾角的一些益处或优点包括以下一项或多项：

通过管理切屑的生长以及切屑的破碎或去除，来去除切屑和排屑。可以通过调整液压以增强切屑去除和/或断屑效果来增强此效果。

通过管理的侧向力、减少的不平衡力和/或更有效的岩石破裂机制，可通过降低振动和扭矩来实现提高的钻孔效率。这些可以通过管理力方向来实现。通过在钻头设计过程中通过工程化地使用侧倾角加强了切割器之间的岩石断裂连通，包括主切割器和备用切割器之间的岩石破裂连通。通过使用侧倾角获得的改进的椭圆形切割形状可以显着提高钻孔效率，并且可以通过备用切割器的位置、尺寸和/或方向被进一步增强。另外，战略性地在保径部附近或保径部上使用侧倾角也可以改善可操纵性。

通过使用不同的侧倾角来提供切屑深度(DOC)管理，以提供可变的椭圆形切割形状并与备用元件的位置配合，以更好地管理切屑深度。该设计概念可以在钻头上的离散位置中采用，以使利益最大化。

除了交替的背角之外，切割器的结构可以进一步变化。例如，切割器的侧倾角可如上变化。在一些实施例中，可以改变切割器的尺寸、暴露度、被浸出或非浸出、浸入深度、倒角、形状和/或其他参数，以改变切割器的攻击性，从而实现各种效果和/或可以实现交替的后倾角布置的益处。

在一些实施例中，切割器可包括变化的切割器尺寸。在一些实施例中，切割器的直径可随刀片而变化。在一些实施例中，切割器的直径可以在钻头面的不同部分处变化。在一些实施例中，更靠近钻头旋转轴线布置的切割器的直径可以大于更远离钻头的旋转轴线布置的切割器的直径。因此，随着切割器沿径向进一步向外布置，切割器的直径可以逐渐减小。例如，锥体部中的切割器的直径可以大于鼻部、肩部和/或保径部上的切割器的直径。在一些实施例中，随着切割器沿径向进一步向外设置，切割器的直径可以逐渐增加。在一些实施例中，切割器的直径可以沿刀片的长度交替。在一些实施例中，相同钻头上的切割器可包括至少两种不同的尺寸。例如，一些切割器可包括16±5mm、16±4mm、16±3mm、16±2mm、16±1mm或大约16mm的尺寸，而一些切割器可包括尺寸为19±5mm、19±4mm、19±3mm、19±2mm、19±1mm或大约19mm。在一些实施例中，相同钻头上的切割器可包括三个或更多个切割器尺寸。在一些实施例中，相同刀片和/或相同钻头上的切割器的尺寸可以是一致的。在一些实施例中，切割器还可包括变化的切割器长度。在一些实施例中，切割器的长度可随刀片而变化和/或可沿相同刀片在钻头面的不同部分变化。在一些实施例中，相同刀片和/或相同钻头上的切割器的长度可以是一致的。

在一些实施例中，切割器也可采用变化的倒角。例如，切割器的边缘可以倒角以改变切割器的攻击性。切割器的倒角尺寸和/或倒角角度可能因切割器而异。在一些实施例中，切割器的倒角尺寸和/或倒角角度可以沿相同或不同的刀片在钻头面的不同部分处变化。在一些实施例中，切割器可以在相同刀片和/或相同钻头上采用用于切割器的一致的倒角。

在一些实施例中，切割器的形状在相同刀片内和/或刀片之间可以是一致的。在一些实施例中，切割器的形状可以变化。取决于应用，切割器可具有圆柱形横截面、长方形或椭圆形横截面或任何其他合适的横截面。在一些实施例中，切割器的横截面可沿切割器的长度进一步变化。在一些实施例中，诸如金刚石台的切割器表面可以进一步包括各种结构以改变切割器的攻击性。

在一些实施例中，每个刀片和/或钻头上的各种切割器的切割器暴露可以是一致的。在一些实施例中，切割器可以安装在钻头主体上，使得切割器的暴露或切割器从钻头主体突出的量可以变化，以实现切割器的不同的攻击性和/或机械强度。

在一些实施例中，切割器的一些或全部可以被浸出(leached)。取决于在刀片和/或钻头上的切割器的位置和/或方向，在各个切割器之间的浸出深度可以是一致的，或者可以随切割器的不同而变化。

尽管本文中将几个切割器参数描述为可以改变的非限制性示例性参数，但是可以改变切割器结构的其他参数，以便改变切割器的攻击性并获得交替的后倾角可实现的各种益处和/或优点。

图11示出了另一个钻头200的正面图。钻头200包括设置在面212上的多个凸起的刀片214a-214f。钻头200和钻头100之间的主要区别与沿刀片的一些的径向延伸的切割器布置有关。具体地，刀片214的一些是偏移刀片。在该实施例中，刀片214a和214d是偏移刀片，尽管在其他实施例中钻头200可以包括更多或更少数量的是偏移刀片的刀片214。

偏移刀片214a和214d中的每个可包括内部区域和从内部区域旋转偏移的外部区域。内部区域的每个可以沿偏移刀片214a和214d的内前缘部分支撑切割器的内组242a、242d。每个外部区域可以沿偏移刀片214a、214d的外前缘部分支撑切割器的外组244a、244d。内前缘部分和外前缘部分彼此旋转偏移。尽管示出了六个刀片214，并且六个刀片214中的两个是偏移刀片，但是钻头200可以包括不同数量的刀片214、不同数量的偏移刀片、不同长度和/或位置的偏移刀片的内部区域和外部区域、和/或由内部和/或外部区域支撑的不同数量的切割器。在标题为“DRILLBIT”的美国专利申请第14/742,339号中提供了具有偏移刀片的钻头的更透彻或完整的描述，出于所有目的，通过引用将其全部公开内容并入本文，如同在本文中进行了充分阐述。

以上讨论的后倾角配置和/或侧倾角配置可以在刀片214a-214f上的至少一些切割器上实施。在一些实施例中，在偏移刀片214a和214d中的一个或多个上的内组242a和/或242d的至少一些切割器可具有交替的正后倾角和/或交替的侧倾角。在一些实施例中，偏移刀片214a和214d的一个或多个的外组244a和/或244d的至少一些切割器可具有交替的正后倾角和/或交替的侧倾角。在一些实施例中，其他刀片214b、214c、214e和/或214f上的切割器还可包括交替的正后倾角和/或交替的侧倾角。

鉴于非限制性实施例，将更好地理解本发明。

制备在锥体部中具有交替的正后倾角的钢钻头。表1示出了每个切割器的后倾角和侧倾角的值。切割器根据其相对于钻头轴线的径向位置进行编号，其中切割器号一最接近钻头轴线。具有连续切割器号的切割器在钻头的切割轮廓中彼此相邻，尽管它们可能未设置在相同刀片上，如表1所示。

如实施例1中那样制备钻头，除了在锥体部中的后倾角不变并且钻头具有基底。

在相同井中对实施例1和比较实施例A的钻头进行了测试。实施例1的钻头运行82小时。它的初始测量深度为1732英尺，卸下时的测量深度为6909英尺。接下来，比较实施例A的钻头在初始测量深度为6909英尺下运行55小时，并且卸下时其测量深度为9831英尺。每个钻头以每分钟70转的速度运转。测量了钻压、柱扭矩、电机扭矩、有效扭矩、机械比能和钻进速度。结果在下表2中所示。

钻压(WOB)是指为了有效破碎岩石而施加在钻头上的向下力的大小。柱扭矩是指在表面处从钻机直接施加到钻柱组件的机械旋转扭矩。电机扭矩是指通过流体通过正排量电机在井下产生的附加旋转扭矩，它是电机两端压降的相关函数。有效扭矩是指整个钻井系统传递给钻头的总扭转能量的计算模型，机械和液压产生的扭矩减去系统损失和低效。机械比能(MSE)是去除单位体积的岩石所需的能量，单位通常为psi。

如表2所示，实施例1具有比比较实施例A更低的机械比能，同时具有更高的钻进速度，表明优越的钻井效率。实施例1也具有更好的有效扭矩。

实施例1是一种钻头，包括：具有面和中心钻头轴线的主体；设置在主体的面上的刀片；以及设置在刀片上的一排切割器，切割器的至少一些具有交替的正后倾角，其中相邻切割器上的大部分后倾角之间的差小于20°。

实施例2是任何先前或后续实施例的钻头，其中，两个相邻切割器上的后倾角之间的差大于进一步径向向外设置的另外两个相邻切割器上的后倾角之间的差。

实施例3是任何先前或后续实施例的钻头，其中，两个相邻切割器上的后倾角之间的差小于进一步径向向外设置的另外两个相邻切割器上的后倾角之间的差。

实施例4是任何先前或后续实施例的钻头，其中，随着切割器进一步径向向外设置，每隔一个切割器上的后倾角逐渐增大。

实施例5是任何先前或后续实施例的钻头，其中，面包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部，其中至少一个切割器的后倾角小于相邻切割器的后倾角，并且其中相邻切割器中的一个设置在锥体部上。

实施例6是任何先前或后续实施例的钻头，其中，面包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部和围绕锥体部的鼻部，其中至少一个切割器的后倾角小于在相邻切割器上的后倾角，并且其中至少一个切割器设置在鼻部上。

实施例7是任何先前或后续实施例的钻头，其中，面包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部、围绕锥体部的鼻部以及从锥体和鼻部径向向外设置的肩部，其中至少一个切割器的后倾角大于相邻切割器上的后倾角，并且其中至少一个切割器设置在肩部上。

实施例8是任何先前或后续实施例的钻头，其中该排切割器中的每个切割器具有形成切割表面的切割器面和穿过该切割器面的纵向切割器轴线，并且其中至少一个切割器的切割器面相对于至少一个切割器的纵向切割器轴线倾斜。

实施例9是任何先前或后续实施例的钻头，其中，面包括锥体部，并且其中，具有交替的正后倾角的切割器设置在锥体部上。

实施例10是任何先前或后续实施例的钻头，其中，面包括肩部，并且其中，具有交替的正后倾角的切割器设置在肩部上。

实施例11是任何前述或后续实施例的钻头，其中，面包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部和从锥体部径向向外设置的肩部，并且其中具有交替的正后倾角的切割器设置在锥体部和肩部上。

实施例12是任何先前或后续实施例的钻头，其中，面包括保径部，并且其中，具有交替的正后倾角的切割器设置在保径部上。

实施例13是任何先前或后续实施例的钻头，其中，面包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部、围绕锥体部的鼻部、从锥体和鼻部径向向外设置的肩部，以及纵向延伸的保径部，其中该排切割器从锥体部延伸至保径部，并且具有交替的正后倾角的切割器设置在锥体部、鼻部、肩部或保径部的至少一个上。

实施例14是任何先前或后续实施例的钻头，其中具有交替的正后倾角的切割器的至少一些也具有交替的侧倾角。

实施例15是任何先前或后续实施例的钻头，其中当该排切割器是一排主切割器时，该钻头还包括一排备用切割器。

实施例16是任何先前或后续实施例的钻头，其中当该排切割器是一排备用切割器时，该钻头还包括一排主切割器。

实施例17是任何先前或后续实施例的钻头，其中刀片包括内部区域和从内部区域旋转偏移的外部区域，并且其中该排切割器设置在内部区域、外部区域或其组合的至少一个上。

实施例18是任何先前或后续实施例的钻头，其中，该排切割器还包括不具有交替的正后倾角的切割器。

实施例19是一种钻头，包括：具有面和中心钻头轴线的主体；设置在主体的面上的刀片；以及以交替方式布置在刀片上的多个第一和第二切割器，其中多个第一切割器各自具有在±9°的第一范围内的正后倾角，其中多个第二切割器各自具有在±9°的第二范围内的正后倾角，并且其中第一范围的平均值和第二范围的平均值之差为5至20°。

实施例20是任何先前或后续实施例的钻头，其中多个第一切割器各自具有在±9°的第一范围内的正后倾角，其中多个第二切割器各自具有在±9°的第二范围内的正后倾角，并且其中第一范围的平均值和第二范围的平均值之差为5到10°。

实施例21是任何先前或后续实施例的钻头，其中多个第一切割器各自具有在±9°的第一范围内的正后倾角，其中多个第二切割器各自具有在±9°的第二范围内的正后倾角，并且其中第一范围的平均值和第二范围的平均值之差为10到20°。

实施例22是任何先前或后续实施例的钻头，其中多个第一切割器各自具有在±5°的第一范围内的正后倾角，其中多个第二切割器各自具有在±5°的第二范围内的正后倾角，并且其中第一范围的平均值和第二范围的平均值之差为5至20°。

实施例23为任何先前或后续实施例的钻头，其中，面包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部和从锥体部径向向外设置的肩部，并且其中交替的第一和第二切割器的至少一些设置在锥体部或肩部的至少一个上。

实施例24是任何先前或后续实施例的钻头，其中，面包括鼻部和从鼻部径向向外设置的肩部，并且其中交替的第一和第二切割器的至少一些设置在鼻部和肩部上。

实施例25是任何先前或后续实施例的钻头，其中，多个第一切割器的至少一些还具有非零的侧倾角。

实施例26是任何先前或后续实施例的钻头，其中刀片包括内部区域和从内部区域旋转偏移的外部区域，其中多个第一和第二切割器的至少一些设置在内部区域或外部区域的至少一个上。

实施例27是一种钻头，包括：具有中心钻头轴线的主体，该钻头旨在围绕该中心钻头轴线旋转；设置在主体上的刀片；以及刀片上的至少两对切割器，每对切割器中的切割器都安装在刀片上的相邻固定位置，当钻头旋转时，切割器部分地限定钻头的切割轮廓的至少部分，切割器的每个基于其距中心钻头轴线的距离以及在其切割面的预定方向而在切割轮廓内具有预定的径向位置；其中，预定方向包括在至少两对切割器中的切割器的每个上的不同的非零后倾角，每对切割器中的切割器相对于每对切割器中的另一个切割器具有不同的后倾角，以及其中每对切割器内的后倾角之间的差小于20°。

实施例28是任何先前或后续实施例的钻头，其中，每对切割器内的后倾角之间的差小于10°。

实施例29是任何先前或后续实施例的钻头，其中预定方向还包括非零侧倾角。

实施例30是任何先前或后续实施例的钻头，其中至少两对切割器中的每对切割器具有彼此汇聚的侧倾角。

实施例31是任何先前或后续实施例的钻头，其中，两对切割器的至少一个设置在切割轮廓的锥体部中。

实施例32是任何先前或后续实施例的钻头，其中，两对切割器的至少一个设置在切割轮廓的肩部中。

实施例33是一种钻头，包括：主体，该主体具有面，在面上可以限定多个刀片，多个刀片从面延伸并且由刀片之间的通道分开，每个刀片支撑多个切割器，其中刀片的至少一个为偏移刀片。偏移刀片包括：沿偏移刀片的第一前缘部分支撑内切割器组的内部区域；以及沿偏移刀片的第二前缘部分支撑外切割器组的外部区域，其中第二前缘部分从第一前缘部分旋转地偏移；并且其中内切割器组或外切割器组的至少一个具有交替的正后倾角，并且其中相邻后倾角之间的差小于20°。

实施例34是任何先前或后续实施例的钻头，其中相邻后倾角之间的差小于10°。

实施例35是任何先前或后续实施例的钻头，其中内切割器组具有交替的正后倾角。

实施例36是任何先前或后续实施例的钻头，其中，外切割器组具有交替的正后倾角。

实施例37是任何先前或后续实施例的钻头，其中内切割器组和外切割器组具有交替的正后倾角。

实施例38是任何先前或后续实施例的钻头，其中内切割器组和外切割器组的至少一个具有交替的侧倾角。

实施例39是一种使用钻头的方法，该方法包括：设置钻头以钻孔；以及利用钻头钻孔，其中钻头包括：具有面和中心钻头轴线的主体；设置在主体的面上的刀片；以及设置在刀片上的一排切割器，切割器的至少一些具有交替的正后倾角，其中相邻切割器上的大部分后倾角之间的差小于20°。

实施例40是一种钻探地下地层的方法，该方法包括：使地下地层与钻头的至少一个切割器接合，其中，钻头包括：具有面和中心钻头轴线的主体；设置在主体的面上的刀片；以及以交替方式布置在刀片上的多个第一和第二切割器，其中多个第一切割器各自具有在±9°的第一范围内的正后倾角，其中多个第二切割器各自具有在±9°的第二范围内的正后倾角，并且其中第一范围的平均值和第二范围的平均值之差为5至20°。

实施例41是一种配置钻头的方法，包括：配置具有面和中心钻头轴线的钻头主体；以及在主体的面上配置刀片；在刀片上配置一排切割器，切割器的至少一些具有交替的正后倾角，其中相邻切割器上的大部分后倾角之差小于20°。

实施例42是一种制造钻头的方法，该方法包括：基于预定的后倾角布置，提供具有面的钻头主体、在面上的刀片以及在刀片上的一排切割器，使得切割器的至少一些具有交替的正后倾角，以及使得相邻切割器上的大部分后倾角之差小于20°。

实施例43是一种钻头，包括：具有面和中心钻头轴线的主体；以及设置在主体的面上的多个刀片，多个刀片中的每个刀片上均设置有一排切割器，多排切割器共同限定了钻头的切割轮廓，沿切割轮廓的切割器的至少一些具有交替的正后倾角；其中沿切割轮廓的相邻切割器上的大多数后倾角之间的差小于20°。

实施例44是任何先前或后续实施例的钻头，其中有交替的正后倾角的沿切割轮廓的切割器设置在不同的刀片上。

实施例45是任何先前或后续实施例的钻头，其中设置在多个刀片中的一个刀片上的一排切割器的至少一些切割器具有交替的正后倾角。

实施例46是任何先前或后续实施例的钻头，其中具有交替的正后倾角的沿切割轮廓的切割器的至少一些包括多个第一切割器和多个第二切割器，其中多个第一切割器中的每个具有在第一范围内的正后倾角，其中，多个第二切割器中的每个具有在不同于第一范围的第二范围内的正后倾角。

实施例47是任何先前或后续实施例的钻头，其中第一范围的平均值与第二范围的平均值之差为5至20°。

实施例48是任何先前或后续实施例的钻头，其中多个第一切割器的至少一些设置在多个刀片中的第一刀片上，并且其中多个第二切割器的至少一些设置在多个刀片中的第二刀片上。

实施例49是任何先前或后续实施例的钻头，其中第一刀片和第二刀片彼此相邻。

实施例50是任何先前或后续实施例的钻头，其中，多个刀片包括第一组刀片和第二组刀片，其中设置在第一组刀片上的切割器的至少一些具有在第一范围内的后倾角，其中设置在第二组刀片上的切割器的至少一些具有在第二范围内的后倾角，并且其中第一组刀片和第二组刀片以交替的方式布置。

实施例51是任何先前或后续实施例的钻头，其中多个第一切割器包括沿切割轮廓的第一组至少两个相邻切割器，并且其中多个第二切割器包括沿切割轮廓的第二组至少两个相邻切割器。

实施例52是任何先前或后续实施例的钻头，其中第一组和第二组沿切割轮廓以连续的方式布置。

实施例53是任何先前或后续实施例的钻头，其中，两个相邻切割器上的后倾角之间的差大于进一步径向向外设置的另外两个相邻切割器上的后倾角之间的差。

实施例54是任何先前或后续实施例的钻头，其中，面包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部，其中，具有交替的正后倾角的切割器的至少一些设置在锥体部上。

实施例55是任何先前或后续实施例的钻头，其中，面包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部和围绕锥体部的鼻部，其中，具有交替的正后倾角的切割器的至少一些设置在锥体部或鼻部的至少一个上。

实施例56是任何先前或后续实施例的钻头，其中，面包括围绕中心钻头轴线设置的锥体部、围绕锥体部的鼻部以及从锥体和鼻部径向向外设置的肩部，其中，具有交替的正后倾角的切割器的至少一些设置在锥体部、鼻部或肩部的至少一个上。

实施例57是任何先前或后续实施例的钻头，其中，具有交替的正后倾角的切割器的至少一些也具有交替的侧倾角。

实施例58是任何先前或后续实施例的钻头，其中，多排切割器是多排主切割器，并且其中，多个刀片中的每个刀片还包括一排备用切割器。

实施例59是任何先前或后续实施例的钻头，其中多排切割器是多排备用切割器，并且其中多个刀片中的每个刀片还包括一排主切割器。

实施例60是任何先前或后续实施例的钻头，其中刀片的至少一个包括内部区域和从内部区域旋转偏移的外部区域，并且其中具有交替的正后倾角的切割器的至少一些设置在内部区域、外部区域或其组合的至少一个上。

实施例61是任何前述实施例的钻头，其中，多排切割器还包括沿切割轮廓不具有交替的正后倾角的切割器。

实施例62是一种使用钻头的方法，该方法包括：利用钻头钻孔，其中，钻头包括：具有面和中心钻头轴线的主体；以及设置在主体的面上的多个刀片，多个刀片中的每个上均设置有一排切割器，多排切割器共同限定了钻头的切割轮廓，沿切割轮廓的切割器的至少一些具有交替的正后倾角；其中沿切割轮廓的相邻切割器上的大多数后倾角之间的差小于20°。

尽管已经详细描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，在本发明的精神和范围内的修改将是显而易见的。应当理解，本发明的各个方面以及上面和/或所附权利要求中的各个实施例和各种特征的部分可以全部或部分地组合或互换。在各个实施例的前述描述中，如本领域的普通技术人员将理解的，可以将参考另一实施例的那些实施例与其他实施例适当地组合。此外，本领域普通技术人员将理解，前述描述仅是示例性的，并不旨在限制本发明。