具有高顺应性的表面硬化材料的制作方法

专利名称：具有高顺应性的表面硬化材料的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及钻井用的钻头，尤其涉及金属表面硬化基体以及 将金属表面硬化基体应用到钻头上的方法。
背景技术：
油气井的旋转式钻井主要是通过两种类型钻头中的一种来实现。 在旋转式牙轮钻头(rotary cutter bit)中，钻头本体典型地具有三个 可旋转的牙轮(cone)或切削刃。牙轮在支承销上旋转并且具有用于 破碎地层的齿或碳化鴒硬质合金镶齿。在固定切削刃钻头或刮刀钻头 (drag bit)中，钻头本体具有包括安装在固定刀片上的切削元件的面。 切削元件通常是多晶金刚石。钻头本体具有带喷嘴的钻井液通道，用 于通过位于刀片之间的排屑槽排出钻井液。
刮刀钻头广泛地应用于定向钻井，在技术中特别地称为导向钻井。 在这种方法中，随着钻头的前进以希望的方向操纵钻头用于切削井眼 段。泥浆马达或涡轮与钻头组件一起使用，该钻头组件用于旋转刮刀 钻头而钻柱保持固定不动。
表面硬化或耐磨材料通常连接到钻头的外表面上以有助于减小磨 损并保持钻头的效率。通常使用的表面硬化材料包括焊接在钻头外表 面的适当位置上的碳化鴒颗粒。美国重发布的RE 37,127号专利提供 了对表面硬化材料的深入讨论，其全部内容在此引入作为参考。由于 焊接的厚度变化、焊接表面硬化材料的钻头的形状变化以及与焊接过
程相关的焊道变化，即使是熟练的焊工，也可能存在缺陷。机械加工 可能既费时间又昂贵。此外，由于狭窄的间隙和费用，不能将表面硬 化材料焊接到内部零件。

发明内容
提供一种增加钻头耐久性的方法，所述方法包括提供表面硬化基 体材料的易弯薄板的步骤。表面硬化材料的易弯薄板具有与第一成分 组合的镍铬基体。第一成分选自由球形烧结碳化鴒、球形铸造碳化鴒 和金属玻璃组成的组。将表面硬化基体材料薄板放置在钻头的预选定 表面上。然后将表面硬化基体材料薄板熔接到钻头上。
通过在大约2100华氏度的炉中加热钻头和表面硬化基体材料薄 板来进行熔接。熔接也可以是在大约2100华氏度炉中持续大约五分钟 到大约十分钟的时间。
在将表面硬化基体材料薄板放置在预选定表面上的步骤中，在熔 接步骤之前，位于表面硬化基体材料薄板的表面上的粘合剂可以将表 面硬化基体材料薄板相对于钻头的预选定表面固定在适当位置。预选 定表面可以包括外保径面和在一对钻头刀片之间的沟槽表面。钻头可 以是刮刀钻头或三牙轮钻头。
表面硬化基体材料还可以包括第二成分，该第二成分先前没有选 作第一成分。第二成分选自由球形烧结碳化钨、球形铸造碳化钨、金 属玻璃、微晶碳化钨和粗晶碳化钨組成的组。表面硬化基体材料还可 以包括第三成分，该第三成分先前没有选作第一成分或第二成分。第 三成分选自由球形烧结碳化鴒、球形铸造碳化鴒、金属玻璃、微晶碳 化鵠和粗晶碳化鵠组成的组。
提供一种增加刮刀钻头的耐久性的方法，其中刮刀钻头具有多个 刀片和形成在每一对相邻刀片之间的沟槽。每一个刀片具有带切削元 件的切削区和无切削元件的保径面。本方法包括提供包括与第一成分 组合的镍铬基体的表面硬化基体材料薄板的步骤，所述第一成分选自 由球形烧结碳化钨、球形铸造碳化钨和金属玻璃组成的组。表面硬化
基体材料薄板被切割成对应于刮刀钻头的预选定表面的型板
(pattern )。该型板被粘附到刮刀钻头的预选定表面。带有粘附到其 上的型板的钻头被加热以便将型板结合到刮刀钻头上。
预选定表面可以是保径面。预选定表面可以是保径面和沟槽。 表面硬化基体材料还可以包括第二成分，该第二成分先前没有选 作第一成分。第二成分选自由球形烧结碳化鴒、球形铸造碳化鴒、金 属玻璃、微晶碳化鴒和粗晶碳化钨组成的组。表面硬化基体材料还可 以包括第三成分，该第三成分先前没有选作第一成分或第二成分。第 三成分选自由球形烧结碳化鴒、球形铸造碳化钨、金属玻璃、微晶碳 化鵠和粗晶碳化鴒组成的组。
土钻钻头(earth-boring bit)包括钻头本体，钻头本体具有在其 下端的钻头端面(bitface)和开口朝向钻头端面的喷嘴，该喷嘴用于 从钻头本体的内部排出钻井液。多个刀片形成在钻头端面上并从钻头 端面上突出。多个刀片从钻头端面的中心部分向在钻头本体外围的保 径区域径向地向外延伸。每一个刀片在其上带有多个切削刃。每一对 刀片形成在刀片之间延伸的沟槽，该沟槽用作钻井液和钻屑的通道。 表面硬化材料层被结合到钻头本体的表面上。表面硬化材料的厚度基 本上均一而且无焊道。表面硬化材料包括与第一成分组合的镍铬基体， 该第一成分选自由球形烧结碳化钨、球形铸造碳化鸽和金属玻璃组成 的组。结合区位于表面硬化材料层和钻头本体的与表面硬化材料层结 合的表面之间。
结合区可以包括来自表面硬化层的镍铬和来自钻头本体的铁，当 表面硬化层通过加热被结合到钻头本体的表面上时，可以形成结合区。 钻头本体的与表面硬化材料层结合的表面可以是保径面。钻头本体的 与表面硬化材料层结合的表面可以是沟槽。钻头本体的与表面硬化材 料层结合的表面可以在喷嘴内。


图l是显示无表面硬化的刮刀钻头组件的透视图。
图2是图1的刮刀钻头组件的竖直剖面图。 图3是根据本发明构造的表面硬化材料基体薄板的透视图。 图4是图3的表面硬化材料基体薄板的俯视图，显示了将从薄板 上切割的型板。
图5是显示图1的刮刀钻头组件的透视图，来自图3的表面硬化 材料基体薄板的切块被连接到该刮刀钻头组件上。
图6是图1的刮刀钻头组件的外表面和图3的表面硬化材料基体 薄板之间的界面熔接后的放大剖面图。
图7是根据本发明的不同形式的球形铸造碳化钨的示意性透视图。
具体实施例方式
参照图1，钻头组件11具有在其下端的本体13。本体13具有在 其下端的端面15。多个刀片17形成在端面15上并从端面15突出， 如附图所示的具有六个刀片17。刀片17从端面15的中心部分向外引 导到在本体13外围的保径区域。刀片17彼此分离，在它们之间形成 用于通过钻井液和钻屑的排屑槽19。每一个刀片17包括一行传统切 削刃，通常为多晶金刚石(PCD)切削刃。喷嘴23排出钻井液，钻井 液连同钻屑 一起流动通过排屑槽19并从井眼倒退流出。尽管所示的钻 头组件ll为"刮刀钻头"或钢质体钻头，但在此的教导也适用于三牙 轮钻头或铸造钻头(比如图1所示的重发布的RE 37，127号美国专利 中的钻头)，这对本领域技术人员来说应该是显而易见的。
一套主j呆4圣衬垫(primary gage pad) 25净皮整体形成在钻头本体 13的侧面上。在所示的实施例中，每一个主保径衬垫25邻接刀片17 中的一个并从其纵向延伸。替代地，主保径衬塾25可以相对于轴倾斜 或螺旋弯曲。每一个主保径衬垫25从本体13突出，延伸排屑槽19。 主保径衬垫25的大小使其在被切削的井眼的保径或直径处具有外表 面26。外表面26包括耐磨表面，但是该外表面是光滑的而且无任何 切削结构。钻头本体13连同刀片17和保径衬垫25可以使用铸造或机加工过程由金属基体合成物或钢来形成。
参照图2，钢螺紋连接器或坯27被连接到本体13的上端。在铸 造过程中坯27被结合到本体13上。坯27从本体13上端突出并且在 其外部具有螺紋29。轴向通道31延伸通过坯27并且连接喷嘴23以 用于传送钻井液。
柄部(shank) 33净皮固定到坯27上。柄部33也由钢形成，而不 是由碳化物基体形成。柄部33是圆柱形构件，该圆柱形构件可以具有 比本体13的轴向尺寸长的长度。柄部33具有与坯27的螺紋29接合 的螺紋座35。斜面或斜角37形成在柄部33的下端。类似地，斜角39 形成在本体13的上端。相对的斜角37、 39形成V形环状空腔。该空 腔充满焊接材料41，通过该焊接材料将柄部33永久地连接到钻头本 体13上。柄部33具有与通道31对齐的用于传送钻井液的轴向通道 43。柄部33在其上端具有螺紋销45。销45的大小适于固定到钻柱下。
以其它可导向的刮刀钻头组件所用的传统方式操纵钻头组件11。 该钻头组件一般固定到钻柱下端的涡轮或泥浆马达上。沿着钻柱泵送 的钻井液驱动泥浆马达，从而引起钻头11旋转。分隔开的保径衬垫 25稳定钻头11以使井眼壁达到要求的情况，防止产生凸肩和其它不 规则情况(irregularities )。
外表面、前缘和后缘上的表面硬化材料典型地包括被焊接到位的 碳化钨材料。根据焊工的技术，焊接这种表面硬化材料可能在沿着焊 道线或在表面硬化材料沉积处产生瑕疵和高应力区，使得可能导致表 面硬化材料从其意欲利用其耐磨性保护的表面上切下或脱离。由于被 施加表面硬化材料的表面的几何形状的原因，即使是熟练的焊工，焊 接表面硬化材料的过程也可能是费时的、困难的而且冗长的。 一些表 面，比如彼此接合的内表面，就是不能利用焊接的表面硬化材料。
表面硬化金属基体已经被应用在轴承的内表面上。表面硬化金属 基体典型地呈易弯薄板的形式。表面硬化表面的需要形状被从易弯薄 板切割下来，然后被熔接到目标表面或者待表面硬化的表面上。先前
的易弯表面硬化薄板包括金属基体，该金属基体典型地大多包括微晶 碳化鵠或者具有更少镍铬的粗晶碳化鴒。
参照图3，显示了处于易弯状态的表面硬化基体薄板101。表面硬 化基体薄板101包括表面硬化材料基体103和沿一个表面的粘合表面 105。粘合表面105有助于在熔接之前保持表面硬化基体薄板101抵靠 目标表面。
表面硬化材料基体103优选包括球形烧结碳化鴒、球形铸造碳化 钨、或者通常也称为"金属玻璃"的纳米钢合成物。美国专利6，689，234 和6,767,419提供了对金属玻璃的讨论并且披露了将金属玻璃应用到 基底(substrate)的不同方法。美国专利6，689，234和6,767,419的全 部内容在此引入作为参考。基体103还可以包括球形烧结碳化钨、球 形铸造碳化钨、和金属玻璃中的至少两个的组合。微晶和粗晶碳化钨 也可以被添加到单独具有球形烧结碳化鴒、球形铸造碳化鴒或金属玻 璃的或具有上述物质组合的基体103中。破碎的铸造碳化钨和破碎的 烧结碳化鴒也可以被添加到单独具有球形烧结碳化钨、球形铸造碳化 钨或金属玻璃的或具有上述物质组合的基体103中。
参照图7，球形铸造碳化鴒117可以包括许多形状。优选地，在 基体103中使用的球形铸造碳化钨117基本上形状像球体或球形117a。 然而，球形铸造碳化鴒117也可以是如已经从其上下表面拉伸的球体 形状或扁长形状117b。可替代地，球形铸造碳化钨117可以是如已经 从其上下表面压缩的球体形状或扁平形状117c。球形铸造碳化鴒117 的球形、扁长形和扁平形117a、 117b、 117c的形状是由于球形铸造碳 化鴒117的制造方法造成的，而且用于示例说明所提到的球形铸造碳 化鴒的名称应该不将基体103局限于仅是球形117a，而是还包括扁长 形和扁平形117b、 117c的铸造碳化鴒基体。
参照图4，表面硬化基体薄板101沿着型板107被切割以形成想 要的形状。如图5所示，型板107优选对应于钻头组件11上的表面。 图4所示的型板107对应于外表面57。然而，如图5所示，可以从表 面>^更化基体薄板101切割不同的型板107a、107b以对应于钻头组件上 的需要表面。例如，型板107a对应于外表面26，型板107b对应于刀 片17之间的本体13。此外，表面硬化基体薄板101也可以被切割成 对应于钻头组件11内表面的型板。
将型板107a、 107b放置在钻头组件11的需要表面上。图5说明 了具有被放置在不同的需要表面上的型板107a、 107b的钻头组件11。 粘合剂105最初将型板107a、 107b固定到钻头组件11的需要表面。 具有连接到其上的固定好的型板107a、 107b的钻头组件11被放入炉 中。在优选实施例中，具有型板107a、 107b的钻头组件11被放在大 约2100华氏度的炉中大约五到十分钟以便将型板107a、 107b上的表 面硬化基体熔接到钻头组件11的需要外表面上。所述领域的技术人员 将很容易想到，精确的时间长度和精确的温度可以改变，这取决于根 据本文上述变型的表面硬化材料基体103的成分。在将型板107a、107b 熔接到适当位置后，表面硬化材料基体103可以根据需要被从粗糙表 面才几械加工成较光滑表面。
参照图6，显示了熔接之后的位于型板107a、 107b上的表面硬化 材料基体103与钻头组件11的需要外表面之间的界面的微观图。包覆 区109包括表面硬化材料基体103，表面硬化材料在全部各处基本上 均匀地稠密地包裹。如上所述，特别的表面硬化材料可以在镍铬基体 中包括单独的、彼此组合的或者与微晶或粗晶碳化钨组合的球形烧结 碳化鴒、球形铸造碳化鴒或金属玻璃。由于熔接过程，结合区111是 位于表面硬化材料基体103和钻头组件11的需要外表面之间的纯冶金 结合区。结合区111具有高粒间结合强度并且有助于减少碎裂、剥落 和裂紋。扩散区域113由熔接过程造成。结合区111包括来自型板107a、 107b的镍铬和来自基底或钻头组件11的铁。典型地，基底或钻头组 件11均一地保持其大部分机械性能。可热处理区域115包括钻头组件 ll基底的剩余部分。如果需要，区域115可以被热处理以恢复在熔接 过程可能已被劣化的钻头组件11的任何机械性能。
虽然仅以其一些形式显示了本发明，然而对所属领域的技术人员 来说显而易见的是，本发明不限于此，而是容许进行各种改变而不会
偏离本发明的范围。例如，钻头组件也可以是三牙轮钻头或铸造钻头。
权利要求
1.一种增加钻头耐久性的方法，所述方法包括(a)提供表面硬化基体材料的易弯薄板，所述表面硬化基体材料的易弯薄板包括与第一成分组合的镍铬基体，所述第一成分选自由球形烧结碳化钨、球形铸造碳化钨和金属玻璃组成的组；(b)将表面硬化基体材料薄板放置在钻头的预选定表面上；以及(c)将表面硬化基体材料薄板熔接到钻头上。
2. 如权利要求1所述的方法，其中步骤(c)通过在大约2100 华氏度炉中加热钻头和表面硬化基体材料薄板而完成。
3. 如权利要求1所述的方法，其中步骤(c)通过在大约2100 华氏度炉中加热钻头和表面硬化基体材料薄板持续大约五分钟到大约 十分钟的时间而完成。
4. 如权利要求l所述的方法，其中在步骤(b)中，位于表面硬 化基体材料薄板的表面上的粘合剂在步骤(c )之前将表面硬化基体材 料薄板相对于钻头的预选定表面固定在适当位置。
5. 如权利要求l所述的方法，其中预选定表面包括外保径面。
6. 如权利要求l所述的方法，其中预选定表面包括在一对钻头刀 片之间的沟槽表面。
7. 如权利要求l所述的方法，其中表面硬化基体材料还包括第二 成分，所述第二成分先前没有选作第一成分，所述第二成分选自由球 形烧结碳化鴒、球形铸造碳化钨、金属玻璃、微晶碳化钨和粗晶碳化 鵠组成的组。
8. 如权利要求7所述的方法，其中表面硬化基体材料还包括第三 成分，所述第三成分先前没有选作第一成分或第二成分，所述第三成 分选自由球形烧结碳化钨、球形铸造碳化钨、金属玻璃、微晶碳化鵠 和粗晶碳化钨组成的组。
9. 如权利要求l所述的方法，其中钻头是刮刀钻头。
10. 如权利要求l所述的方法，其中钻头是三牙轮钻头。
11. 一种增加刮刀钻头的耐久性的方法，所述刮刀钻头具有多个. 刀片和形成在每一对相邻刀片之间的沟槽，每一个所述刀片具有带切削元件的切削区和无切削元件的保径面，所述方法包括(a) 提供表面硬化基体材料薄板，所述表面硬化基体材料薄板包 括与第一成分组合的镍铬基体，所述第一成分选自由球形烧结碳化钨、 球形铸造碳化鴒和金属玻璃组成的组；(b) 将表面硬化基体材料薄板切削成对应于刮刀钻头的预选定 表面的型板；(c) 将所述型板粘附到刮刀钻头的预选定表面上；以及(d) 加热带有粘附到其上的型板的钻头，以便将型板结合到刮 刀钻头上。
12. 如权利要求11所述的方法，其中所述预选定表面包括保径面。
13. 如权利要求11所述的方法，其中所述预选定表面包括保径面 和沟槽。
14. 如权利要求11所述的方法，其中所述表面硬化基体材料还包 括第二成分，所述第二成分先前没有选作第一成分，所述第二成分选 自由球形烧结碳化钨、球形铸造碳化钨、金属玻璃、微晶碳化钨和粗 晶碳化鴒组成的组。
15. 如权利要求14所述的方法，其中所述表面硬化基体材料还包 括第三成分，所述第三成分先前没有选作第一成分或第二成分，所述 第三成分选自由球形烧结碳化鴒、球形铸造碳化钨、金属玻璃、微晶 碳化鴒和粗晶碳化鴒組成的组。
16. —种土钻钻头，所述土钻钻头包括钻头本体，具有在其下端的钻头端面和开口朝向钻头端面的喷嘴， 所述喷嘴用于从钻头本体的内部排出钻井液；多个刀片，所述多个刀片形成在钻头端面上并从钻头端面上突出， 所述多个刀片从钻头端面的中心部分向在钻头本体外围的保径区域径 向地向外延伸，每片刀片在其上带有多个切削刃，而且每一对刀片形成在其间延伸的沟槽，所述沟槽用作钻井液和钻屑的通道；被结合到钻头本体的表面上的表面硬化材料层，所述表面硬化材料的厚度基本均一而且无焊道，所述表面硬化材料包括与第一成分组合的镍铬基体，所述第一成分选自由球形烧结碳化钨、球形铸造碳化鴒和金属玻璃组成的组；以及结合区，所述结合区位于表面硬化材料层和钻头本体的与表面硬化材料层结合的表面之间。
17. 如权利要求16所述的土钻钻头，其中所述结合区包括来自表 面硬化材料层的镍铬和来自钻头本体的铁，当通过加热将表面硬化材 料层结合到钻头本体的表面上时，形成所述结合区。
18. 如权利要求16所述的土钻钻头，其中钻头本体的与表面硬化 材料层结合的表面是保径面。
19. 如权利要求16所述的土钻钻头，其中钻头本体的与表面硬化 材料层结合的表面是沟槽。
20. 如权利要求16所述的土钻钻头，其中钻头本体的与表面硬化 材料层结合的表面在喷嘴内。
全文摘要
本发明公开了一种土钻钻头和一种增加土钻钻头的耐久性的方法，所述方法包括提供表面硬化基体材料的易弯薄板的步骤。表面硬化材料的易弯薄板具有与第一成分组合的镍铬基体。第一成分选自由球形烧结碳化钨、球形铸造碳化钨和金属玻璃组成的组。将表面硬化基体材料薄板放置在钻头的预选定表面上。然后将表面硬化基体材料薄板熔接到钻头上。
文档编号B23K35/30GK101351613SQ200680050342
公开日2009年1月21日 申请日期2006年11月15日 优先权日2005年11月15日
发明者吉米·W·伊森, 埃里克·C·沙利文, 戴维·A·柯里, 约翰·H·史蒂文斯, 詹姆斯·L·奥弗斯特里特 申请人:贝克休斯公司