胎體鉆頭及制造方法

專利名稱：胎體鉆頭及制造方法
技術領域：
本發明涉及旋轉式鉆頭，更具體地說，涉及具有復合胎體(matrix)鉆頭體的胎體鉆頭(matrix drill bit)，所述復合胎體鉆頭體部分地由至少第一胎體材料和第二胎體材料形成。
背景技術：
旋轉式鉆頭常常用于鉆油井和氣井、地熱井以及水井。旋轉式鉆頭一般可以分為旋轉錐或滾錐鉆頭，以及固定刀具鉆進設備(fixedcutter drilling equipment)或者切削型鉆頭。固定刀具鉆頭或者切削型鉆頭常常利用胎體鉆頭體形成，所述胎體鉆頭體具有設置在該胎體鉆頭體的外部的選定位置上的切削單元或者嵌入件(insert)。典型地，在胎體鉆頭體上形成流體流動通道，以便能夠從相關的表面鉆進設備的通過安裝在胎體鉆頭體上的鉆桿柱或者鉆管傳送鉆井液。這種固定刀具鉆頭或者切削型鉆頭有時可以被稱為“胎體鉆頭”。
典型地，胎體鉆頭通過將松散的胎體材料(有時稱為“胎體粉末”)放入到模具內，并利用例如銅合金等粘合劑熔滲胎體材料。模具可以通過銑削例如石墨等材料塊確定出模腔，該模腔帶有通常與所獲得的胎體鉆頭的所需外部特征相對應的特征。通過成形模腔和/或通過在模腔的內部配置臨時置換(displacement)材料，可以提供所制成的胎體鉆頭各種特征，例如刀身、刀槽(cutter pocket)、和/或流體流動通道。可以將預制鋼柄或者鉆頭坯件放入模腔內，以便加強胎體鉆頭體，并允許所制成的胎體鉆頭與鉆桿柱的連接。
然后，將一定量的典型地為粉末形式的胎體材料放入模腔內。可以利用熔融的金屬合金或者粘合劑對胎體材料進行熔滲，在粘合劑凝固之后，和胎體材料一起形成胎體鉆頭體。通常使用碳化鎢粉末形成傳統的胎體鉆頭體。

發明內容
根據本公開的教導，將第一胎體材料和第二胎體材料相互配合，以便消除或者充分減少在形成沒有內部缺陷的致密的胎體鉆頭時所遇到的問題。本公開的一個方面，可以包括將第一胎體材料裝入到模具內以便形成刀身、刀槽、排屑槽(junk slots)和相關的胎體鉆頭的其它外部部分。可以將金屬坯料或者鑄芯安裝在模具內第一胎體材料的上方。然后可以將第二胎體材料添加到模具內。可以選擇第二胎體材料，以便允許液體粘合劑材料快速地熔滲到第一胎體材料中，或者能夠快速地遍及第一胎體材料流動。從而，可以充分地減少或者消除粘合劑材料和第一胎體材料在最后凝固的部分中的合金偏析。第一胎體材料對于相關的復合胎體鉆頭，還可以提供所需的橫向斷裂強度、沖擊強度、腐蝕、磨耗和磨損特性的增強。
第二胎體材料和粘合劑之間的配合，可以充分地減少和/或消除與粘合劑材料不能令人滿意地通過第一胎體材料熔滲相關的質量問題。通過添加第二胎體材料，可以減少或者消除多孔性、收縮、龜裂、偏析和/或粘合劑材料與第一胎體材料的不粘合。第一胎體材料可以是單獨的鎢、鈦、鉭、鈮、鉻、釩、鉬、鉿的硬質合金，或者它們的組合和/或球形碳化物。第二胎體材料可以是粗結晶碳化鎢和/或鎢鑄造碳化物。但是，本公開并不局限于燒結的鎢碳化物、球形碳化物、粗結晶碳化鎢和/或鑄造鎢碳化物或者它們的混合物。并且，本公開的教導可以用于制造或者鑄造比較大的復合胎體鉆頭體以及比較小的、復雜的復合胎體鉆頭體。
本公開的技術效果包括但并不局限于消除或者充分地減少與胎體鉆頭的不完全熔滲或者與堅硬的顆粒物質的結合相關的質量問題。這種質量問題的例子包括但并不局限于合金偏析的減少，不希望的金屬間化合物的形成，在相關的胎體鉆頭體中形成多孔性和/或不希望的孔或者孔隙。
本公開的一個方面包括形成胎體鉆頭，該鉆頭具有第一部分或第一區域，所述第一部分或第一區域部分地由硬質合金和/或球形碳化物形成，并且連同改進的耐磨耗性、耐腐蝕性和耐磨損性一起，提供增大的韌度，該鉆頭還具有第二部分或第二區域，所述第二部分或第二區域部分地由粗結晶碳化鎢和/或鑄造碳化物形成，該第二部分或第二區域增強熱的、液體粘合劑材料在整個硬質合金和/或球形碳化物中的熔滲。


通過參考下面結合附圖所進行的描述，可以對本實施例及其優點得到更完全和充分的理解，在所述附圖中，類似的參考標號表示類似的特征，其中圖1是示意圖，表示根據本公開的教導形成的具有胎體鉆頭體的固定刀具鉆頭的等角視圖；圖2是將部分剖去的剖面示意圖，表示模具組件的一個例子，該模具組件帶有適合于形成根據本公開的教導的胎體鉆頭的第一胎體材料和第二胎體材料；圖3是將部分剖去的剖面示意圖，表示在粘合劑材料熔滲到第一胎體材料和第二胎體材料中之后，從圖2所示的模具中取出的胎體鉆頭體；以及圖4是將部分剖去的剖面示意圖，表示適合用于形成根據本公開的教導的胎體鉆頭體的模具的一個例子。
具體實施例方式
通過參照圖1-4，可以最好地理解本公開的優選實施例及其優點，其中，在圖1-4中，類似的數字表示相同和類似的部件。
在本申請中，術語“胎體鉆頭”和“多個胎體鉆頭”用于表示“旋轉式切削型鉆頭”、“切削型鉆頭”、“固定刀具鉆頭”，或者體現本公開的教導的任何其它的鉆頭。這種鉆頭可以用于在地層中形成井眼或者鉆孔。
體現本公開的教導的胎體鉆頭，可以包括胎體鉆頭體，該胎體鉆頭體部分地由至少第一胎體材料和第二胎體材料形成。可以將這種胎體鉆頭描述為具有復合胎體鉆頭體，因為可以利用至少具有不同工作特性的兩種不同胎體材料形成鉆頭體。如后面將要詳細描述的那樣，可以利用兩種以上的胎體材料形成根據本公開的教導的胎體鉆頭體。
對于某些應用，第一胎體材料可以具有增強的韌度或者高的抗破裂性，并且提供所需的抗腐蝕性、抗磨耗性和抗磨損性。優選地，第二胎體材料只有有限數量(如果有的話)的合金材料或者其它污染。第一胎體材料可以包括但不局限于硬質合金或者球形碳化物。第二胎體材料可以包括但不局限于粗結晶碳化鎢和/或鑄造碳化物。
可以利用各種類型的粘合劑材料熔滲胎體材料，以便形成胎體鉆頭體。粘合劑材料可以包括但不局限于單獨的銅(Cu)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鉬(Mo)或者以這些金屬為基礎的合金。合金元素可以包括但不局限于以下元素之一或者多個錳(Mn)、鎳(Ni)、錫(Sn)、鋅(Zn)、硅(Si)、鉬(Mo)、鎢(W)、硼(B)和磷(P)。胎體鉆頭體可以安裝到金屬柄上。鉆具接頭可以安裝到該金屬柄上，所述鉆具接頭具有螺紋連接部，該螺紋連接部可操作地使相關的胎體鉆頭體與鉆桿柱、鉆管、底部孔組件或者鉆井馬達可釋放地接合。
在本發明申請中使用的術語“硬質合金”和“多種硬質合金”包括WC、MoC、TiC、TaC、NbC、Cr3C2、VC以及混合碳化物的固溶體，例如，在金屬粘合劑(胎體)相中的WC-TiC、WC-TiC-TaC、WC-TiC(Ta，Nb)C。典型地，可以利用Co、Ni、Fe、Mo和/或其它合金形成金屬粘合劑。硬質合金有時也可以稱為“復合”碳化物或者燒結碳化物。有些硬質合金也被稱之為球形碳化物。但是，硬質合金可以具有不同于球形的很多結構和形狀。
硬質合金通常被描述為粉末狀難熔金屬碳化物，利用諸如鈷、鐵、鎳、鉬和/或它們的合金等粘合劑材料，通過加壓和加熱被結合到一起。硬質合金也可以被燒結、粉碎、過篩和/或進行進一步的適當的處理。硬質合金小粒可以用于形成胎體鉆頭體。粘合劑材料提供延展性和韌性，與鑄造碳化物、粗結晶鎢碳化物和/或其配制物相比，這種延展性和韌性通常導致硬質合金團粒、球或其它結構具有較大的抗破裂性(韌度)。
在本申請中，有時將用于形成硬質合金的粘合劑材料稱為“粘合材料”，以便幫助區分用于形成硬質合金的粘合劑材料與用于形成胎體鉆頭的粘合劑材料。
如后面將要詳細描述的，在和硬質合金相關的粘合材料中的金屬元素和/或它們的合金，在熔融的熔滲劑通過硬質合金時，在凝固以便形成所需的胎體之前，有可能“污染”如以銅為基礎的合金等熱的液體(熔化的)熔滲劑，以及與形成胎體鉆頭相關的其它類型的粘合劑材料。熔融熔滲劑的這種“污染”(熔滲劑被來自于硬質合金的粘合材料的富集)，當熔滲劑在毛細管作用的影響下通過硬質合金行進時，會改變熔滲劑的固相線(在該溫度以下，熔滲劑全部是固體)和液相線(在該溫度以上，熔滲劑全部為液體)。這種現象，對于硬質合金的可潤濕性具有不利的作用，會導致在凝固形成所需的胎體之前，硬質合金缺乏令人滿意的熔滲。
鑄造碳化物一般可以被描述為具有兩相，一碳化鎢和碳化二鎢。鑄造碳化物常常具有不同于硬質合金或球形碳化物的特性，如硬度、可潤濕性以及對污染的熱的液體粘合劑作出的響應等特性。
粗結晶碳化鎢一般可以被描述為碳化一鎢的單晶的比較小的顆粒(粉末)，在所述碳化一鎢中，帶有鑄造碳化物、Ni、Fe、以及Fe和Ni等的羰基化合物。硬質合金和粗結晶碳化鎢通常均被描述為硬的材料，具有很高的耐磨耗、耐腐蝕以及耐磨損等性能。粗結晶碳化鎢也可能具有不同于硬質合金或球形碳化物的特性，如硬度、可潤濕性以及對污染的熱的液體粘合劑作出的響應等特性。
在本申請中采用的術語“粘合劑”或者“粘合劑材料”包括銅、鈷、鎳、鐵、這些元素的任何一種合金，或者任何一種能夠適合用于形成胎體鉆頭的其它材料。這種粘合劑一般為相關的胎體鉆頭提供所需的延展性、韌性以及導熱性。其它材料，例如、但不局限于碳化鎢，以前已經被用作粘合劑材料，用于提供胎體鉆頭的耐磨耗性、耐腐蝕性以及耐磨損性。粘合劑材料可以和根據本公開的教導選擇出來的兩種或更多種不同類型的胎體材料配合，以便形成復合胎體鉆頭體，與很多傳統的胎體鉆頭相比，所述復合胎體鉆頭體具有增大的韌性和耐磨損性。
圖1是示意圖，表示利用根據根據本公開的教導的復合胎體鉆頭體形成的胎體鉆頭或者固定刀具鉆頭的一個例子。對于如圖1所示的實施例，胎體鉆頭20可以包括金屬柄30，復合胎體鉆頭體50牢固地安裝在該金屬柄上。金屬柄30可以被描述為具有一個部分地被圖3中的流體流動通道32所限定的大致中空圓筒形的結構。在金屬柄30上，在復合胎體鉆頭體50相反側，可以形成各種類型的螺紋連接部，例如American Petroleum Institute(API)接頭或者螺紋銷34。
對于某些應用，可以利用各種技術將大致為圓柱形的金屬坯件或者鑄坯36(見圖2和圖3)安裝到大致中空圓筒形的金屬柄30上。在坯件36和柄30的相鄰部分之間，例如，可以形成環形的焊接槽38(見圖3)。在坯件36與柄30之間的槽38內可以形成焊縫39。參見圖1。流體流動通道或者縱向孔32優選地通過金屬柄30和金屬坯件36延伸。金屬坯件36和金屬柄30可以用各種鋼合金或者其它與制造旋轉鉆頭相關的金屬合金形成。
胎體鉆頭可以包括多個形成或者安裝在相關的鉆頭體的外部的切削元件、嵌入件、刀槽、刀身、切削結構、排屑槽、和/或流體流動通道。對于圖1、2和3所示的實施例，在復合胎體鉆頭體50的外部可以形成多個刀身52。刀身52在復合胎體鉆頭體50上可以相互隔開，以便在它們之間形成流體流動通道或者排屑槽。
在復合胎體鉆頭體50上可以形成多個噴嘴口54。在每個噴嘴口54內可以配置各個噴嘴56。對于某些應用，可以將噴嘴56描述為“可互換的”噴嘴。可以將各種鉆井液通過利用螺紋接頭34安裝的鉆桿柱(未明確地表示出來)和流體流動通道32從地面鉆井設備(未明確地表示出來)抽吸出來，從一個或多個噴嘴56中排出。切屑、鉆井巖屑、地層流體和/或鉆井液可以通過形成在鉆桿柱的外部與相關的井眼(未明確地表示出來)的內部之間的環形部(未明確地表示出來)返回到并面。
多個槽或者凹槽58可以形成在刀身52的選定的位置上。見圖3。各個切削元件或者嵌入件60可以牢固地安裝到每個槽58上，以便與井下地層的相鄰的部分嚙合并將該部分除去。在胎體鉆頭20被所連接的鉆桿柱旋轉的過程中，切削元件60可以從井眼的底部和側面上刮削和刨削地層材料。對于某些應用，作為嵌入件60，可以令人滿意地使用多晶金剛石復合片(PDC)刀具。具有這種PDC刀具的胎體鉆頭，有時被稱作“PDC鉆頭”。
標題為“Bladed Drill Bit with Centrally Distributed DiamondCutters”(“帶有配置在中心的金剛石刀具的有刀身的鉆頭”)的美國專利U.S.Patent 6,296,069，以及標題為“Drag-Bit Drilling withMultiaxial Tooth Inserts”(帶有多軸齒嵌入件的切削型鉆頭的鉆削)的美國專利U.S.Patent 6,302,224給出了各種刀身和/或切削元件的例子，所述刀身和切削元件可以和體現本公開的教導的復合胎體鉆頭一起使用。對于本領域普通技術人員而言，顯而易見，各種各樣的固定刀具鉆頭、切削型鉆頭以及其它鉆頭，都可以令人滿意地利用體現根據本公開的教導復合胎體鉆頭形成。本公開并不局限于圖1-4所示的胎體鉆頭20或者任何特定的部件。
可以令人滿意地將各種各樣的模具用于形成根據本公開的教導的復合胎體鉆頭體以及相關的胎體鉆頭。圖2和4所示的模具組件100只代表適合于在形成根據本公開的復合胎體鉆頭體時使用的模具組件的一個例子。標題為“Method And Apparatus For Manufacturing AndInspecting The Quality Of A Matrix Body Drill Bit”(“用于制造胎體鉆頭以及檢查的該鉆頭的質量的方法和設備”)的美國專利U.S.Patent5,373,907，給出了與有關的模具組件及傳統的胎體鉆頭體的補充細節。
圖2和4中所示的模具組件100可以包括幾個構件，例如，模具102、環規或者連接器環110和澆口(funnel)120。模具102、環規110和澆口120可以用石墨或者其它適合的材料制成。可以采用各種技術，包括但不局限于將石墨坯料進行機械加工，以便制造帶有模腔104的模具102，該模腔104具有用于所制成的固定刀具鉆頭的所需的外部特征的負輪廓或者相反輪廓。例如，模腔104可以具有對應于圖1所示的刀身52和排屑槽或者形成在它們之間的流體流動通道的外部輪廓或者結構的負輪廓。
如圖4所示，可以將多個模具插入件106放入模腔104內，以便形成刀身52中的各個槽58。模具插入件106在模腔104中的位置，與把切削元件60安裝到相關的刀身52中所需的位置相對應。模具插入件106可以利用各種類型的材料制成，例如，但不局限于固結砂和石墨。可以利用各種技術，例如硬釬焊，用于將切削元件60安裝到各個槽58內。
可以根據所制成的胎體鉆頭的所需的結構，將各種類型的臨時置換材料令人滿意地安裝到模腔104內。可以將由諸如固結砂和/或石墨等各種材料形成的附加的模具插入件(未明確地表示出來)配置在模腔104內。可以很好地利用各種樹脂形成固結砂。這種模具插入件，可以具有與所需的復合胎體鉆頭體50的外部部件、例如與形成在相鄰的刀身52之間的流體流動通道相對應的結構。如后面將要詳細描述的，可以將具有增大的堅韌性或者抗破裂性的第一胎體材料裝載到模腔104內，以便形成相關的復合胎體鉆頭體的部分，所述鉆頭體的部分在井眼的鉆進過程中與井下地層材料嚙合，并將其除去。
復合胎體鉆頭體50可以包括比較大的流體腔或室32，該流體腔或室32帶有多個從該腔或室延伸的流體流動通道42和44。見圖3。如圖2所示，可以將諸如固結砂等置換材料安裝到模具組件100內的所需部位上，以便形成腔32以及從該腔起延伸的流體流動通道42和44。這種置換材料可以具有各種結構。可以選擇固結砂腿142和144的取向和結構，使之和相關的流體流動通道42和44的所需位置和結構相對應，其中，所述流體流動通道42和44從腔32通向各個噴嘴排出口54。流體流動通道42和44可以接納螺紋插座(未明確地示出)，用于將各個噴嘴保持在其內。
可以將一個比較大的、大致為圓柱形的固結砂芯150置于腿142和144上。芯150和腿142及144有時可以被描述為具有“鴉爪”(crow’sfoot)形。芯150也可以稱之為“莖”(stalk)。從芯150延伸的腿的數目以在所制成的復合鉆頭體上的所需的噴嘴開口的數目為依據。腿142和144和芯150也可以用石墨或者其它合適的材料形成。
在包括芯150和腿142及144在內的所需的置換材料已經被安裝到模具組件100內之后，可以將具有最佳的耐破裂特性(堅韌性)以及最佳的耐腐蝕性、耐磨耗性以及耐磨損性的第一胎體材料131放入到模具組件100內。第一胎體材料131將優選地形成將大致對應于復合胎體鉆頭體50的外部部分的第一區域或者第一層，所述第一區域或第一層在井眼的鉆進過程中與地層材料接觸，并將其除去。添加到模具組件120中的第一胎體材料131優選是有限的，使得胎體材料131不與芯150的端部152接觸。本公開允許利用具有最佳韌度以及耐磨損特性的胎體材料形成固定刀具鉆頭或者切削型鉆頭。
然后，可以將大致為中空圓筒形金屬坯料36放置到模具組件100內。金屬坯料36優選地包括比砂芯150的外徑大的內徑37。可以利用各種夾具(未明確示出)將金屬坯料36定位到模具組件100內與第一胎體材料131隔開的所需位置處。
然后，可以將第二胎體材料132裝載到模具組件100內，以便填充形成在砂芯150的外徑154與金屬坯料36的內徑37之間的孔隙或者環帶。優選地，第二胎體材料132覆蓋第一胎體材料131，包括靠近芯150的端部152并且與之隔開的第一胎體材料131的部分在內。
對于某些應用，優選地，第二胎體材料132以如下的方式裝載，即，消除第二胎體材料132暴露在復合胎體鉆頭體50外部的部分，或者將該暴露部分降低到最低限度。第一胎體材料131主要被用于形成在胎體鉆頭20旋轉以便形成井眼的過程中與切削、刨削和刮削井下地層材料相關的復合胎體鉆頭體50的外部部分。第二胎體材料132主要用于形成通常與切削、刨削和刮削井下地層材料不相關的復合胎體鉆頭體50的內部部分和外部部分。見圖2和3。
對于有些應用，然后可以將諸如鎢粉末等第三胎體材料133放入到模具組件100中的金屬坯料36的外徑40與漏斗120的內徑122之間。第三胎體材料133可以是比較軟的粉末，該第三胎體材料形成接下來可以被機械加工以便提供所需的外部結構以及胎體鉆頭體50與金屬柄36的之間的過渡部的胎體。第三胎體材料133有時被描述為“熔滲的可加工的粉末”。裝載第三胎體材料133，以便覆蓋全部或者基本上全部靠近復合胎體鉆頭體50的外部的第二胎體材料132。見圖2和3。
在胎體材料131、132和133的裝載過程中，必須注意，防止第一胎體材料131和第二胎體材料132之間的不希望的混合，以及第二胎體材料132和第三胎體材料133之間的不希望的混合。在界面處輕微的混合以便避免不同胎體材料之間的明顯的分界，對于相鄰層之間的結合，可以提供順滑的過渡。當把硬質合金和球形碳化物配置在與用于固定切削器鉆頭的胎體鉆頭體相關的比較復雜的模具組件中時，以前的經驗和試驗已經顯示出與利用熱的、液體粘合劑材料熔滲硬質合金和球形碳化物相關的各種問題。當試圖利用硬質合金和/或球形碳化物形成用于和鉆探及建造油氣井相關的其它類型的復雜的井下工具時，也注意到了類似的問題。
與利用硬質合金和/或球形碳化物作為胎體材料相關的制造問題以及所造成的質量問題，一般與在所制成的胎體鉆頭體的內部的熔滲不足、多孔性、收縮、龜裂以及粘合劑材料組分的偏析有關。很多固定切削器鉆頭的比較錯綜復雜的設計和大的尺寸，對于具有硬質合金和/或球形碳化物作為胎體材料的鉆頭體的可制造性提出困難的挑戰。在至少部分地利用硬質合金和球形碳化物的胎體形成的諸如鉸刀、擴孔器以及組合的鉸刀/鉆頭等其它的井下工具的制造過程中，也會發生同樣的質量問題。這種組合的井下工具的一個例子，在標題為“Bi-center And Bit Method For Enhenced Stability.”(“用于提高穩定性的雙中心和鉆頭法”)美國專利U.S.Patent 5,678,644中給出。
以前，通過將硬質合金和/或球形碳化物和粗結晶碳化鎢和/或鑄造碳化物粉末預先混合所作的試驗和實驗，常常不能制造出可靠的、高質量的胎體鉆頭。增加粘合劑材料在這種硬質合金和/或球形碳化物與粗結晶碳化鎢和/或鑄造碳化物粉末混合物內的浸泡時間，不能明顯地消除與收縮、合金偏析、熔滲不足、多孔性相關的問題，以及與硬質合金和/或球形碳化物不能充分的熔滲相關的其它問題。而且，提高用于這種混合物的熔滲的熱的液體粘合劑材料的溫度，也不能顯著地減少相關的質量問題。已經確認，液體粘合劑材料的最后凝固的部分在硬質合金和/或球形碳化物與結晶碳化物和/或鑄造碳化物的各種混合物內的高的合金偏析，是在這種混合物內的粘合不足、不希望有的收縮、多孔性以及其它質量問題的一個原因。
利用第一胎體材料131形成第一層或者區域，與利用第二胎體材料132形成和第一胎體材料131鄰接的第二層或者區域相結合，可以充分地減少或者消除在熱的、液體粘合劑材料和第一胎體材料131的最后凝固的部分的合金的偏析。在形成于芯150的外徑154與金屬坯料36的內徑37之間的環形部內添加第二胎體材料132，并且如圖2所示覆蓋第一胎體材料131，可以充分地減少或者消除與熔滲不足、多孔性、收縮、龜裂和/或粘合劑組分在第一胎體材料131內的偏析相關的問題。這些改進的一個原因，可能是因為熱的液體粘合劑材料能夠很容易熔滲粗結晶碳化鎢和/或鑄造碳化物粉末的緣故。
如從前注意到的那樣，熱的液體粘合劑材料可以從用于形成硬質合金的結合材料中濾取或者除去少量的合金和/或其它污染物。被濾取的合金和/或其它污染物可能具有比與胎體鉆頭的制造相關的典型的粘合劑材料高的熔點。從而，被濾取的合金和/或其它污染物會在相鄰的硬質合金團粒、球或者形狀之間的小的間隙或者孔隙內凝固，并阻礙熱的液體粘合劑材料在這種硬質合金形狀之間進一步熔滲。
“被污染的”熔滲劑或者熱的液體粘合劑材料，可能具有不同于“純的”粘合劑材料的固相線溫度和液相線溫度。在粘合劑材料的凝固過程中，作為將溶質污染物排斥到凝固前沿的前面的熱液體中的結果，可能會發生熔滲劑被污染物的“富集”。除了在凝固的較后的階段的污染物(溶質)的偏析之外，任何定向凝固的缺乏，都會引起一些潛在的問題，包括但并不局限于收縮、多孔性和/或熱裂。
粗結晶碳化鎢和鑄造碳化物粉末，可以基本上沒有與用于形成硬質合金的粘合材料相關的合金或其它污染物。可以選擇第二胎體材料使之具有小于百分之五(5％)的合金或其它潛在的污染物。從而，熱的液體粘合劑材料經過根據本公開的教導所選擇的第二胎體材料的熔滲，基本上不會濾取大量的合金或其它潛在的污染物。
如前面所述，第一胎體材料131可以是硬質合金和/或球形碳化物。鈷、鐵和/或鎳的合金可以用于形成硬質合金和/或球形碳化物。對于某些胎體鉆頭的設計而言，在第一胎體材料中大約百分之六的合金濃度會提供最佳的結果。對于某些胎體鉆頭設計而言，百分之三到百分之六之間的合金濃度，以及約百分之六到百分之十五之間的合金濃度，也可以是令人滿意的。但是，大于約百分之十五的合金濃度和小于約百分之三的合金濃度會導致所獲得的胎體鉆頭體不能達到最佳特性。
第二胎體材料132可以是粗結晶碳化鎢或者鑄造碳化物粉末。這種粉末的例子包括P-90和P-100，可以從位于Fallon，Nevada的Kennametal，Inc.購得。標題為“Macrocrystalline TungstenMonocarbide Powder and Process for Producing”(粗結晶一碳化鎢粉末及其生產工藝)的轉讓給Kennametal的美國專利U.S.Patent4,834,963，描述了可以用于生產粗結晶碳化鎢的技術。第三胎體材料133可以是鎢粉，例如M-70，這種鎢粉可以從H.C.Starck，OsramSylvania and Kennametal購得。在第二胎體材料132中的典型的合金濃度，可以在約百分之一到百分之二之間。具有約百分之五或更高的合金濃度的第二胎體材料，對于相關的胎體鉆頭體，可能導致不能令人滿意的操作特性。
對于鑄造的復合胎體鉆頭體50的典型的熔滲過程，可以通過形成模具組件100開始。可以將環規110擰到模具102的頂部。可以將澆口120擰到環規110的頂部，以便將模具組件100延伸到所需的高度，用以保持前面描述的胎體材料和粘合劑材料。然后，可以將置換材料，例如，但并不局限于，模具插入件106、腿142和144以及芯150，如果事先沒有放入到模腔104內的話，裝載到模具組件100內。如前面所述，可以將胎體材料131、132、133和金屬坯料36裝載到模具組件100內。
在模具組件100被胎體材料填充的情況下，可以在模具組件100內引起一系列的振動循環，以幫助填密胎體材料131、132和133的每一層或區域。這種振動可以在達到復合胎體鉆頭體50所要求的特性的各個范圍內，幫助確保胎體材料131、132和133的每一層的一致的密度。應當避免胎體材料131、132和133的不希望的混合。
可以將粘合劑材料160放置在層132和133、金屬坯料36和芯150的頂部。可以用助熔劑層(未明確示出)覆蓋粘合劑材料160。可以將罩或者蓋(未明確示出)放置在模具組件100的上方。可以將模具組件100和配置于其內材料進行預熱，然后將其置于加熱爐內(未明確示出)。當加熱爐的溫度達到粘合劑材料160的熔點時，液體粘合劑材料160可以熔滲胎體材料131、132和133。如以前已經注意到的那樣，第二胎體材料132允許熱的液體粘合劑材料160更均勻地熔滲第一胎體材料131，以便避免在液體粘合劑材料160和第一胎體材料131的最后凝固部分中的不希望有的偏析。
模具組件100的上面部分、例如澆口120與模具102相比，可以具有增強的絕熱性能(未明確示出)。從而，在熱的液體粘合劑材料與第二胎體材料132凝固之前，在模具組件100的下部部分的液體粘合劑材料開始與第一胎體材料131凝固。在凝固中的這種差異，有可能允許熱的液體粘合劑材料把從第一胎體材料131中濾取的合金和其它潛在的污染物“漂浮”或者輸送到第二胎體材料132中。由于熱的液體胎體材料在熔滲第一胎體材料131之前熔滲通過第二胎體材料132，所以，從第一胎體材料131輸送來的合金以及其它污染物，對于所制成的胎體鉆頭體50的質量，不會造成象合金及其它污染物殘留在第一胎體材料131中那樣大的影響。此外，優選地，第二胎體材料包含小于百分之四(4％)的這種合金或污染物。
在靠近諸如噴嘴開口54和槽58等特征的部位，粘合劑材料160與第一胎體材料131的恰當的熔滲和凝固是特別重要的。通過提高粘合劑材料160向形成各個刀身52的第一胎體材料131的部分內的熔滲獲得的改進的質量控制，可以設計更薄的刀身52。也可以將刀身52以更具有侵進性的切削角度取向，帶有形成在相鄰的刀身52之間更大的流體流動面積。
與具有只利用市場上可以獲得的粗結晶碳化鎢和/或鑄造碳化物粉末或它們配制物形成的胎體鉆頭體的固定刀具鉆頭的相同設計相比，對于某些根據本公開的教導形成的帶有第一胎體材料和第二胎體材料的復合鉆頭體的固定刀具鉆頭的設計而言，可以將耐磨耗性改進百分之五十(50％)，耐腐蝕性改進百分之百(100％)，橫向抗破裂強度改進百分之五十(50％)，有時抗沖擊性的改進超過百分之百(100％)。
然后，可以將模具組件100從加熱爐中移出，并以受控制的速度冷卻。一旦冷卻，可以將模具組件100脫去，使復合胎體鉆頭體50暴露出來，如圖3所示。可以根據公知的技術采用后續處理，以便制造胎體鉆頭20。
盡管詳細地描述了本公開及其優點，但是，應當理解，在不超出由下面的權利要求所限定的本公開的精神和范圍內，可以進行各種變化、取代和變換。
權利要求
1.一種具有胎體鉆頭體的鉆頭，包括多個切削元件，所述切削元件配置在胎體鉆頭體的外部部分的選定部位上；至少第一胎體材料和第二胎體材料，其中，與所述第二胎體材相比，所述第一胎體材料具有增強的抗沖擊性；所述第一胎體材料形成胎體鉆頭體的外部部分，該外部部分從井眼與地層材料嚙合及除去地層材料；第二胎體材料形成胎體鉆頭體的內部部分，該內部部分一般和從井眼與地層材料嚙合及除去地層材料無關；以及第二胎體材料可操作地改善熱的液體粘合劑材料遍及整個第一胎體材料的熔滲，以便將熱的液體粘合劑材料對第一胎體材料的不完全熔滲降低到最低限度。
2.如權利要求1所述的胎體鉆頭，其特征在于，所述胎體鉆頭體進一步包括第一胎體材料，所述第一胎體材料從硬質合金、復合碳化物以及球形碳化物組成的組中選擇；以及第二胎體材料，所述第二胎體材料從粗結晶碳化鎢粉末、鑄造碳化物粉末和它們的配制物組成的組中選擇。
3.如權利要求1所述的胎體鉆頭，進一步包括粘合劑材料，所述粘合劑材料由以下材料組成的組中選擇銅(Cu)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鉬(Mo)以及以這些金屬為基礎的合金；以及合金元素、所述合金元素由以下材料組成的組中選擇錳(Mn)、鎳(Ni)、錫(Sn)、鋅(Zn)、硅(Si)、鉬(Mo)、鎢(W)、硼(B)、以及磷(P)。
4.如權利要求1所述的胎體鉆頭，其特征在于，所述第一胎體材料進一步包括團粒。
5.如權利要求1所述的胎體鉆頭，其特征在于，所述第一胎體材料進一步包括碳化鎢的復合物。
6.如權利要求1所述的胎體鉆頭，其特征在于，所述胎體鉆頭體進一步包括第一胎體材料的至少第一區域和第二胎體材料的至少第二區域。
7.如權利要求1所述的胎體鉆頭，進一步包括第二胎體材料，與可能被熱的液體粘合劑材料從第一胎體材料中濾取的合金及其它潛在的污染物相比，所述第二胎體材料具有顯著減少的量的可能被熱的液體粘合劑材料濾取的合金及其它潛在的污染物。
8.如權利要求7所述的胎體鉆頭，進一步包括第二胎體材料，所述第二胎體材料可操作地容納被熱的液體粘合劑材料從第一胎體材料中濾取的合金及其它污染物，而不會明顯地降低由和所述第二胎體材料接觸并一起凝固的熱的液體粘合劑材料所形成的粘合的質量。
9.如權利要求1所述的胎體鉆頭，其特征在于，所述胎體鉆頭體進一步包括覆蓋所述第二胎體材料的第三胎體材料。
10.如權利要求9所述的胎體鉆頭，其特征在于，所述第三胎體材料至少部分地包括鎢粉末。
11.一種具有復合胎體鉆頭體的鉆頭，包括多個切削元件，所述多個切削元件配置在鉆頭體的外部部分的選定的部位上；復合胎體鉆頭體，該復合胎體鉆頭體具有至少彼此鄰接配置的第一區域和第二區域；所述第一區域至少部分地由硬的顆粒以及至少一種粘合劑材料形成，所述硬的顆粒包括硬質合金，所述粘合劑材料由以下材料組成的組中選擇，所述材料為鈷、鎳、鐵或者這些元素的合金；并且所述第二區域至少部分地由硬的顆粒形成，所述硬的顆粒從由粗結晶碳化鎢和鑄造碳化物組成的組中選擇；并且第二區域由與第一區域相同的粘合劑材料形成。
12.如權利要求11所述的鉆頭，進一步包括與粘合劑材料配合的第二胎體材料，以便充分地減少或者消除在復合胎體鉆頭體內部部分中的瑕疵。
13.如權利要求11所述的鉆頭，其特征在于，所述第二胎體材料包括小于百分之四的合金材料及其它污染物。
14.如權利要求11所述的鉆頭，其特征在于，第一區域進一步包括具有小于大約百分之六的合金濃度的硬顆粒。
15.如權利要求11所述的鉆頭，其特征在于，第一區域進一步包括具有大約百分之三到百分之六之間的合金濃度的硬顆粒。
16.如權利要求11所述的鉆頭，進一步包括第一胎體材料，所述第一胎體材料具有濃度約在百分之六到百分之二十之間的鈷。
17.如權利要求11所述的鉆頭，進一步包括第二胎體材料，當暴露在熱的液體粘合劑材料中時，與所述第一胎體材料的可潤濕性相比，所述第二胎體材料具有增大的可潤濕性。
18.一種制造胎體鉆頭的方法，包括將至少第一層的第一胎體材料放入到胎體鉆頭體模具內，其中，所述第一胎體材料選自硬質合金和球形碳化物組成的組；將中空的金屬坯料放入模具內；將至少第二層的第二胎體材料放入到模具內，其中，所述第二胎體材料選擇自粗結晶碳化鎢和鑄造碳化物組成的組；將粘合劑材料放入模具中，所述粘合劑材料靠近胎體材料的第二層和中空金屬坯料；在加熱爐內將所述模具和配置在所述模具內的材料加熱到選定的溫度，以便允許粘合劑材料熔化，并且用熱的液體粘合劑材料熔滲第二胎體材料和第一胎體材料；在熱的液體粘合劑材料與第二胎體材料凝固之前，開始熱的液體粘合劑材料與第一胎體材料的凝固；以及冷卻所述模具以及配置在所述模具內的材料，以便形成與中空金屬坯料牢固地結合的粘在一起的復合胎體鉆頭體。
19.如權利要求18所述的方法，進一步包括將具有部分地被外徑限定的大致圓柱形結構的砂芯放入到模具內；將中空金屬坯料放置的砂芯之上，以便形成一個環形部，所述環形部部分地由中空金屬坯料的內徑和砂芯的外徑所限定；以及用第二胎體材料填充砂芯與中空金屬坯料之間的環形部。
20.如權利要求18所述的方法，進一步包括將砂芯安裝到模具內，將砂芯的一端與第一胎體材料的第一層間隔開；以及將第二胎體材料的部分放入到所述砂芯的一端和所述第一胎體材料的第一層的相鄰部分之間。
21.如權利要求18所述的方法，進一步包括用第二胎體材料形成復合胎體鉆頭體的內部部分。
22.如權利要求18所述的方法，進一步包括用第一胎體材料形成復合胎體鉆頭體的外部部分，所述外部部分和與井下地層材料的嚙合及將所述井下地層材料除去相關聯。
23.如權利要求18所述的方法，進一步包括在第二胎體材料凝固之前，利用熱的液體粘合劑材料，將從第一胎體材料中濾取的合金及其它潛在的污染物輸送到第二胎體材料中。
24.如權利要求18所述的方法，進一步包括在把粘合劑材料放入模具中之前，將胎體材料的第三層放置在胎體材料的第二層上。
全文摘要
本發明公開了一種胎體鉆頭以及由胎體材料的復合物制造胎體鉆頭體的方法。可以利用兩種或者更多種胎體材料形成復合胎體鉆頭體。可以選擇第一胎體材料，以便對于胎體鉆頭體的諸如刀具承窩、切削結構、刀身、排屑槽以及和嚙合并除去地層材料相關的其它部分，提供最佳的耐破裂性(堅韌性)，以及最佳的抗腐蝕性、耐磨耗性和耐磨損性。可以選擇第二胎體材料，以便提供向所需的熱的液體粘合劑材料與第一胎體材料的熔滲，以便形成堅固的粘在一起的復合胎體鉆頭體。
文檔編號E21B10/46GK1904306SQ20061007363
公開日2007年1月31日 申請日期2006年4月13日 優先權日2005年4月14日
發明者R·L·拉迪, G·韋弗, D·A·布朗 申請人:霍利貝頓能源服務公司