多晶金刚石复合片(pdc)钻头的定向凝固的制作方法

文档序号:9239341阅读:553来源:国知局
多晶金刚石复合片(pdc)钻头的定向凝固的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明关于PDC钻头的定向凝固。
技术背景
[0002]旋转钻头通常用于钻探石油和天然气、地热井和水井。旋转钻头一般可分类为回转圆锥或牙轮钻头和固定切割器钻探设备或刮刀钻头。固定切割器钻头或刮刀钻头通常形成有基体钻头体,其具有布置在基体钻头体的选定位置或外部的切割部件或嵌入件。流体流动通道一般形成在基体钻头体中以允许钻液从相关地表钻探设备经由附接至基体钻头体的钻柱或钻管流通。这种固定切割器钻头或刮刀钻头有时可称为“基体钻头”。
[0003]基体钻头一般通过将松散基体材料(有时称为“基体粉末”)置于模具中并用诸如铜合金的粘合剂熔渗基体材料形成。模具可通过研磨材料块如石墨以界定具有基本上对应所得基体钻头的所需外部特征部的特征部的模腔来形成。所得基体钻头的各特征部如刀片、刀槽和/或流体流动通道可通过成形模腔且/或通过将临时置换材料安置于模腔内部提供。可将预成型钢柄或钻坯放置于模腔内以给基体钻头体提供加固并允许所得基体钻头与钻柱附接。
[0004]随后可将一般呈粉末形式的一定量基体材料放置于模腔内。可用熔化金属合金或粘合剂熔渗基体材料,在粘合剂与基体材料凝固后,便形成基体钻头体。通常使用碳化钨(WC)粉末形成常规基体钻头体。
[0005]本文所描述的方法可有利地减少模具的非所需冷却,从而获得改善的基体钻头体特性。通过减少模具的能量损失,另一个优点是减少熔炉所需的能量。
[0006]附图简述
[0007]图1是示出从热熔炉移出以开始冷却的钻头模具的示意图。
[0008]图2A是根据先前技术用熔渗基体和被打磨成光滑内表面的心轴形成的钻头的横截面。
[0009]图2B是根据先前技术用熔渗基体和被打磨成光滑内表面的心轴形成的图2A钻头横截面的放大图。
[0010]图3是示出根据先前技术的钻头模具的部分剖开剖面示意图。
[0011]图4是根据本发明用熔渗基体和被打磨成表面的心轴形成的钻头的横截面。
[0012]图5是示出根据本发明形成的钻头模具的部分剖开剖面示意图。
[0013]图6是在根据图3的钻头模具内部各个位置随着时间的温度变化的图形表示。
[0014]图7是在根据图4的钻头模具内部各个位置随着时间的温度变化的图形表示。
[0015]图8是描述在使用根据图4的钻头模具时所使用的步骤序列的流程图。
[0016]各图中的类似参考符号表示类似元件。
【具体实施方式】
[0017]术语“基体钻头”在本申请中可用于指代“旋转刮刀钻头”、“刮刀钻头”、“固定切割器钻头”或并入本发明教义的任何其它钻头。这种钻头可用于在地下地层中形成井眼或钻孔。
[0018]基本上来说,基体钻头包括在熔渗过程中用粘合剂材料熔渗的基体粉末,如下文更详细描述。基体粉末一般为基体钻头赋予所需机械性质,如高耐磨蚀性、耐腐蚀性和耐磨性。基体粉末可包括任何耐腐蚀材料颗粒,其可与粘合剂结合(例如,机械地)以形成基体钻头。合适材料可包括,但不限制于,碳化物、氮化物、天然和/或合成金刚石和它们的任何组合。
[0019]基体粉末可包括碳化钨。本发明可使用各类碳化钨,包括,但不限制于,化学计量碳化钨颗粒、硬质碳化钨颗粒和/或铸造碳化钨颗粒。第一类碳化钨,即化学计量碳化钨,可包括粗晶碳化钨和/或渗碳碳化钨。第二类碳化钨,即硬质碳化钨,可包括烧结球状碳化钨和/或压碎硬质碳化钨。第三类碳化钨,即铸造碳化钨,可包括球状铸造碳化钨和/或压碎铸造碳化钨。可用作基体粉末或基体粉末掺合物的一部分的其它材料包括,但不限制于,氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、立方氮化硼(CBN)和已知可用作基体粉末的任何其它材料。
[0020]为了通过碳化钨粉末熔渗方法形成基体钻头体,使用熔炉加热各种材料类型模具内的WC粉末、粘合剂合金和助焊粉末。可将预成型钢柄或心轴放置于模腔内以给计划形成的基体钻头体提供加固并允许所得基体钻头与钻柱附接。用WC粉末填装包围心轴的模具并装载粘合剂合金和助焊剂,且随后加热。在粘合剂合金的熔化点,粘合剂合金熔渗至WC粉末之间的空间中,从而在每个WC粉末颗粒之间和在颗粒与心轴之间形成粘结。可将基体钻头体附接至金属柄。可将具有可操作以将相关基体钻头与钻柱、钻管、底部钻孔总成或井下钻探马达可释放啮合的螺纹连接的工具接头附接至金属柄。
[0021]术语“粘合剂”、“粘合材料”和/或“粘合剂材料”在本申请中可交换使用,且在本申请中可用于包括铜、钴、镍、铁、锌、锰、锡、这些元素的任何合金、它们的任何组合或令人满意地用于形成包括如上所述基体粉末的基体钻头的任何其它材料。这些粘合剂材料可具有1600至1800华氏度,例如1670至1753华氏度的凝固温度范围。这些粘合剂一般为相关基体钻头提供所需延展性、韧性和导热性。先前已将其它材料用作粘合剂材料以提供相关基体钻头的耐腐蚀性、耐磨蚀性和耐磨性。粘合剂材料可与两种或更多种不同类型的基体材料合作以形成相比于许多常规基体钻头体具有增大韧性和耐磨性的基体钻头体。
[0022]形成高质量连贯基体对于基体钻头的强度和耐久度是关键的。许多因素影响所得基体材料的强度和耐久度:碳化钨粉末的大小和填装密度、粘合剂和助焊剂的组成和比例,及加热和冷却过程所涉及的时间和温度关系。
[0023]图1是示出含有基体钻头体50 (未示出)的钻头模具总成100的示意图,所述钻头模具总成正从熔炉10移出并被转移至冷却站15开始冷却过程。在转移期间,模具总成100的覆盖体180的大体圆柱形外侧面22暴露于温度比熔炉10的温度(基本上在2000至2200华氏度的范围内)低得多的周围空气45 (基本是70至90华氏度的环境空气温度),同时下表面仍与热熔炉的加热块接触。结果,冷却前锋从模具的上表面,如模具总成100的大体圆柱形外侧面22开始。这个冷却前锋对模具总成100和其内的钻头造成非所需冷却效应。已知这些效应造成WC粉末熔渗的缺陷,从而导致在基体熔渗后的基体和心轴冷却期间基体破裂的倾向。一旦在冷却站15上,模具总成100 —般会被水冲洗其下表面以促进从下表面加速冷却。
[0024]可在图2A和图2B中见到非所需冷却缺陷的实例。图2A示出根据先前技术形成在模具总成100内的基体钻头体50。在图中,大体圆柱形钻头体50从近似中线分开,将基体钻头体50分割为半圆柱体并暴露基体钻头体的大体平坦内表面51。可见到内表面51和各个钻头嵌入件,如核心150和嵌入基体(如下文所描述)中的部分三角形横截面的环形心轴36。
[0025]内表面51已经过研磨并抛光以便观察内表面的特性。在基体中可见到缺陷52、缺陷53。缺陷52是大得足以用眼睛见到的裂纹,约I至2〃长。在图2B中更清楚示出大缺陷53,其对应于图2A的突显区域。缺陷53的破裂和不连续性是广泛存在的,但在不破坏基体钻头50以检查内部的情况下并不明显。这些缺陷可形成基体钻头50的脆弱部分,从而可能导致钻头失效。
[0026]这种导致脆弱基体钻头体50的基体连续性中断可通过使用如图3中所图示布置于模具100外表面上的绝热材料使粘合剂从模具底部向顶部并从内向外凝固予以改善。
[0027]参考图3,模具总成100可包括几个组件,如模具102、连接体环110和漏斗120。模具102、连接体环110和漏斗120可由石墨或其它合适材料形成。可使用各种技术,包括,但不限制于,机械加工石墨坯以制造具有腔104的模具102,所述腔具有负轮廓或所得固定切割器钻头的所需外特征部的相反轮廓。例如,模腔104可具有与刀片和排
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