胎体钻头及制造方法

专利名称：胎体钻头及制造方法
技术领域：
本发明涉及旋转式钻头，更具体地说，涉及具有复合胎体(matrix) 钻头体的胎体钻头(matrix drill bit )，所述复合胎体钻头体部分地由 至少第 一胎体材料和第二胎体材料形成。
背景技术：
旋转式钻头常常用于钻油井和气井、地热井以及水井。旋转式钻 头一般可以分为旋转锥或滚锥钻头，以及固定刀具钻进设备(fixed cutter drilling equipment)或者切削型钻头。固定刀具钻头或者切削 型钻头常常利用胎体钻头体形成，所述胎体钻头体具有设置在该胎体 钻头体的外部的选定位置上的切削单元或者嵌入件(insert )。典型地， 在胎体钻头体上形成流体流动通道，以便能够从相关的表面钻进设备 的通过安装在胎体钻头体上的钻杆柱或者钻管传送钻井液。这种固定 刀具钻头或者切削型钻头有时可以被称为"胎体钻头"。
典型地，胎体钻头通过将松散的胎体材料(有时称为"胎体粉末，，) 放入到模具内，并利用例如铜合金等粘合剂熔渗胎体材料。模具可以 通过铣削例如石墨等材料块确定出模腔，该模腔带有通常与所获得的 胎体钻头的所需外部特征相对应的特征。通过成形模腔和/或通过在模腔的内部配置临时置换(displacement)材料，可以提供所制成的胎 体钻头各种特征，例如刀身、刀槽(cutter pocket )、和/或流体流动通 道。可以将预制钢柄或者钻头坯件放入模腔内，以便加强胎体钻头体， 并允许所制成的胎体钻头与钻杆柱的连接。
然后，将一定量的典型地为粉末形式的胎体材料放入模腔内。可 以利用熔融的金属合金或者粘合剂对胎体材料进行熔渗，在粘合剂凝 固之后，和胎体材料一起形成胎体钻头体。通常使用碳化鴒粉末形成 传统的胎体钻头体。

发明内容
根据本公开的教导，将第 一胎体材料和第二胎体材料相互配合， 以便消除或者充分减少在形成没有内部缺陷的致密的胎体钻头时所遇 到的问题。本公开的一个方面，可以包括将第一胎体材料装入到模 具内以便形成刀身、刀槽、排屑槽(junk slots )和相关的胎体钻头的 其它外部部分。可以将金属坯料或者铸芯安装在模具内第一胎体材料 的上方。然后可以将第二胎体材料添加到模具内。可以选择第二胎体 材料，以便允许液体粘合剂材料快速地熔渗到第一胎体材料中，或者 能够快速地遍及第一胎体材料流动。从而，可以充分地减少或者消除 粘合剂材料和第一胎体材料在最后凝固的部分中的合金偏析。第一胎 体材料对于相关的复合胎体钻头，还可以提供所需的横向断裂强度、 冲击强度、腐蚀、磨耗和磨损特性的增强。
第二胎体材料和粘合剂之间的配合，可以充分地减少和/或消除与
粘合剂材料不能令人满意地通过第 一胎体材料熔渗相关的质量问题。 通过添加第二胎体材料，可以减少或者消除多孔性、收缩、龟裂、偏 析和/或粘合剂材料与第 一胎体材料的不粘合。第 一胎体材料可以是单 独的鵠、钛、钽、铌、铬、钒、钼、铪的硬质合金，或者它们的组合 和/或球形碳化物。第二胎体材料可以是粗结晶碳化鵠和/或鴒铸造碳 化物。但是，本公开并不局限于烧结的鵠碳化物、球形碳化物、粗结 晶碳化鴒和/或铸造鵠碳化物或者它们的混合物。并且，本公开的教导 可以用于制造或者铸造比较大的复合胎体钻头体以及比较小的、复杂的复合胎体钻头体。
本公开的技术效果包括但并不局限于消除或者充分地减少与胎 体钻头的不完全熔渗或者与坚硬的颗粒物质的结合相关的质量问题。 这种质量问题的例子包括但并不局限于合金偏析的减少，不希望的 金属间化合物的形成，在相关的胎体钻头体中形成多孔性和/或不希望 的孔或者孔隙。
本公开的一个方面包括形成胎体钻头，该钻头具有第一部分或第 一区域，所述第一部分或第一区域部分地由硬质合金和/或球形碳化物 形成，并且连同改进的耐磨耗性、耐腐蚀性和耐磨损性一起，提供增 大的韧度，该钻头还具有第二部分或第二区域，所述第二部分或第二 区域部分地由粗结晶碳化鴒和/或铸造碳化物形成，该第二部分或第二 区域增强热的、液体粘合剂材料在整个硬质合金和/或球形碳化物中的 熔渗。


通过参考下面结合附图所进行的描述，可以对本实施例及其优点 得到更完全和充分的理解，在所述附图中，类似的参考标号表示类似 的特征，其中
图1是示意图，表示根据本公开的教导形成的具有胎体钻头体的 固定刀具钻头的等角视图2是将部分剖去的剖面示意图，表示模具组件的一个例子，该 模具组件带有适合于形成根据本公开的教导的胎体钻头的第一胎体材 料和第二胎体材料；
图3是将部分剖去的剖面示意图，表示在粘合剂材料熔渗到第一 胎体材料和第二胎体材料中之后，从图2所示的模具中取出的胎体钻
头体；以及
图4是将部分剖去的剖面示意图，表示适合用于形成根据本公开 的教导的胎体钻头体的模具的一个例子。
具体实施例方式
通过参照图1-4，可以最好地理解本公开的优选实施例及其优点，其中，在图l-4中，类似的数字表示相同和类似的部件。
在本申请中，术语"胎体钻头"和"多个胎体钻头"用于表示"旋 转式切削型钻头"、"切削型钻头"、"固定刀具钻头"，或者体现本公开 的教导的任何其它的钻头。这种钻头可以用于在地层中形成井眼或者 钻孔。
体现本公开的教导的胎体钻头，可以包括胎体钻头体，该胎体钻 头体部分地由至少第 一胎体材料和第二胎体材料形成。可以将这种胎 体钻头描述为具有复合胎体钻头体，因为可以利用至少具有不同工作 特性的两种不同胎体材料形成钻头体。如后面将要详细描述的那样， 可以利用两种以上的胎体材料形成根据本公开的教导的胎体钻头体。
对于某些应用，第一胎体材料可以具有增强的韧度或者高的抗破 裂性，并且提供所需的抗腐蚀性、抗磨耗性和抗磨损性。优选地，第
二胎体材料只有有限数量(如果有的话)的合金材料或者其它污染。 第一胎体材料可以包括但不局限于硬质合金或者球形碳化物。第二胎
体材料可以包括但不局限于粗结晶碳化钨和/或铸造碳化物。
可以利用各种类型的粘合剂材料熔渗胎体材料，以便形成胎体钻 头体。粘合剂材料可以包括但不局限于单独的铜(Cu)、镍(Ni)、钴 (Co)、铁(Fe)、钼(Mo)或者以这些金属为基础的合金。合金元 素可以包括但不局限于以下元素之一或者多个锰(Mn)、镍(Ni)、 锡(Sn )、锌(Zn )、硅(Si )、钼(Mo )、鵠(W )、硼(B )和磷(P )。 胎体钻头体可以安装到金属柄上。钻具接头可以安装到该金属柄上， 所述钻具接头具有螺紋连接部，该螺紋连接部可操作地使相关的胎体 钻头体与钻杆柱、钻管、底部孔组件或者钻井马达可释放地接合。
在本发明申请中使用的术语"硬质合金"和"多种硬质合金"包 括WC、 MoC、 TiC、 TaC、 NbC、 Cr3C2、 VC以及混合碳化物的固 溶体，例如，在金属粘合剂(胎体)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 合金形成金属粘合剂。硬质合金有时也可以称为"复合"碳化物或者 烧结碳化物。有些硬质合金也被称之为球形碳化物。但是，硬质合金可以具有不同于球形的很多结构和形状。
硬质合金通常被描述为粉末状难熔金属碳化物，利用诸如钴、铁、 镍、钼和/或它们的合金等粘合剂材料，通过加压和加热被结合到一起。 硬质合金也可以被烧结、粉碎、过篩和/或进行进一步的适当的处理。 硬质合金小粒可以用于形成胎体钻头体。粘合剂材料提供延展性和韧 性，与铸造碳化物、粗结晶鴒碳化物和/或其配制物相比，这种延展性 和韧性通常导致硬质合金团粒、球或其它结构具有较大的抗破裂性(韧 度)。
在本申请中，有时将用于形成硬质合金的粘合剂材料称为"粘合 材料"，以便帮助区分用于形成硬质合金的粘合剂材料与用于形成胎体 钻头的粘合剂材料。
如后面将要详细描述的，在和硬质合金相关的粘合材料中的金属 元素和/或它们的合金，在熔融的熔渗剂通过硬质合金时，在凝固以便 形成所需的胎体之前，有可能"污染"如以铜为基础的合金等热的液 体(熔化的)熔渗剂，以及与形成胎体钻头相关的其它类型的粘合剂 材料。熔融熔渗剂的这种"污染"(熔渗剂被来自于硬质合金的粘合材 料的富集)，当熔渗剂在毛细管作用的影响下通过硬质合金行进时，会 改变熔渗剂的固相线(在该温度以下，熔渗剂全部是固体)和液相线 (在该温度以上，熔渗剂全部为液体)。这种现象，对于硬质合金的可 润湿性具有不利的作用，会导致在凝固形成所需的胎体之前，硬质合 金缺乏令人满意的熔渗。
铸造碳化物一般可以被描述为具有两相， 一碳化鴒和碳化二鴒。 铸造碳化物常常具有不同于硬质合金或球形碳化物的特性，如硬度、 可润湿性以及对污染的热的液体粘合剂作出的响应等特性。
粗结晶碳化鴒 一般可以被描述为碳化一鴒的单晶的比较小的颗粒
(粉末)，在所述碳化一鵠中，带有铸造碳化物、Ni、 Fe、以及Fe和 Ni等的羰基化合物。硬质合金和粗结晶碳化钨通常均被描述为硬的材 料，具有很高的耐磨耗、耐腐蚀以及耐磨损等性能。粗结晶碳化鵠也 可能具有不同于硬质合金或球形碳化物的特性，如硬度、可润湿性以及对污染的热的液体粘合剂作出的响应等特性。
在本申请中采用的术语"粘合剂"或者"粘合剂材料"包括铜、 钴、镍、铁、这些元素的任何一种合金，或者任何一种能够适合用于 形成胎体钻头的其它材料。这种粘合剂 一般为相关的胎体钻头提供所 需的延展性、韧性以及导热性。其它材料，例如、但不局限于碳化鴒， 以前已经被用作粘合剂材料，用于提供胎体钻头的耐磨耗性、耐腐蚀 性以及耐磨损性。粘合剂材料可以和根据本公开的教导选择出来的两 种或更多种不同类型的胎体材料配合，以便形成复合胎体钻头体，与 很多传统的胎体钻头相比，所述复合胎体钻头体具有增大的韧性和耐 磨损性。
图l是示意图，表示利用根据根据本公开的教导的复合胎体钻头 体形成的胎体钻头或者固定刀具钻头的一个例子。对于如图l所示的 实施例，胎体钻头20可以包括金属柄30，复合胎体钻头体50牢固地 安装在该金属柄上。金属柄30可以被描述为具有一个部分地被图3 中的流体流动通道32所限定的大致中空圆筒形的结构。在金属柄30 上，在复合胎体钻头体50相反侧，可以形成各种类型的螺紋连接部， 例如American Petroleum Institute ( API)接头或者螺故销34。
对于某些应用，可以利用各种技术将大致为圆柱形的金属坯件或 者铸坯36(见图2和图3)安装到大致中空圆筒形的金属柄30上。在 坯件36和柄30的相邻部分之间，例如，可以形成环形的焊接槽38(见 图3)。在坯件36与柄30之间的槽38内可以形成焊缝39。参见图1。 流体流动通道或者纵向孔32优选地通过金属柄30和金属坯件36延 伸。金属坯件36和金属柄30可以用各种钢合金或者其它与制造旋转 钻头相关的金属合金形成。
胎体钻头可以包括多个形成或者安装在相关的钻头体的外部的切 削元件、嵌入件、刀槽、刀身、切削结构、排屑槽、和/或流体流动通 道。对于图1、 2和3所示的实施例，在复合胎体钻头体50的外部可 以形成多个刀身52。刀身52在复合胎体钻头体50上可以相互隔开， 以便在它们之间形成流体流动通道或者排屑槽。在复合胎体钻头体50上可以形成多个喷嘴口 54。在每个喷嘴口 54内可以配置各个喷嘴56。对于某些应用，可以将喷嘴56描述为"可 互换的"喷嘴。可以将各种钻井液通过利用螺紋接头34安装的钻杆柱 (未明确地表示出来)和流体流动通道32从地面钻井设备(未明确地 表示出来)抽吸出来，从一个或多个喷嘴56中排出。切屑、钻井岩屑、
明确地表示出来)的内部之间的环形部(未明确地表示出来)返回到 井面。
多个槽或者凹槽58可以形成在刀身52的选定的位置上。见图3。 各个切削元件或者嵌入件60可以牢固地安装到每个槽58上，以便与 井下地层的相邻的部分啮合并将该部分除去。在胎体钻头20被所连接 的钻杆柱旋转的过程中，切削元件60可以从井眼的底部和侧面上刮削 和刨削地层材料。对于某些应用，作为嵌入件60，可以令人满意地使 用多晶金刚石复合片(PDC)刀具。具有这种PDC刀具的胎体钻头， 有时被称作"PDC钻头"。
标题为"Bladed Drill Bit with Centrally Distributed Diamond Cutters"("带有配置在中心的金刚石刀具的有刀身的钻头")的美国 专利U.S.Patent 6,296,069，以及标题为"Drag-Bit Drilling with Multiaxial Tooth Inserts"(带有多轴齿嵌入件的切削型钻头的钻削) 的美国专利U.S.Patent 6,302,224给出了各种刀身和/或切削元件的例 子，所述刀身和切削元件可以和体现本公开的教导的复合胎体钻头一 起使用。对于本领域普通技术人员而言，显而易见，各种各样的固定 刀具钻头、切削型钻头以及其它钻头，都可以令人满意地利用体现根 据本公开的教导复合胎体钻头形成。本公开并不局限于图1 - 4所示的 胎体钻头20或者任何特定的部件。
可以令人满意地将各种各样的模具用于形成根据本公开的教导的 复合胎体钻头体以及相关的胎体钻头。图2和4所示的模具组件100 只代表适合于在形成根据本公开的复合胎体钻头体时使用的模具组件 的一个例子才示题为"Method And Apparatus For Manufacturing AndInspecting The Quality Of A Matrix Body Drill Bit"("用于制造月台体 钻头以及检查的该钻头的质量的方法和设备")的美国专利 U.S.Patent5，373，907，给出了与有关的模具组件及传统的胎体钻头体 的补充细节。
图2和4中所示的模具组件100可以包括几个构件，例如，模具 102、环规或者连接器环110和免口 (funnel) 120。才莫具102、环规 110和浇口 120可以用石墨或者其它适合的材料制成。可以采用各种 技术，包括但不局限于将石墨坯料进行机械加工，以便制造带有模腔 104的模具102，该模腔104具有用于所制成的固定刀具钻头的所需的 外部特征的负轮廓或者相反轮廓。例如，才莫腔104可以具有对应于图 l所示的刀身52和排屑槽或者形成在它们之间的流体流动通道的外部 轮廓或者结构的负轮廓。
如图4所示，可以将多个模具插入件106放入模腔104内，以便 形成刀身52中的各个槽58。模具插入件106在模腔104中的位置， 与把切削元件60安装到相关的刀身52中所需的位置相对应。模具插 入件106可以利用各种类型的材料制成，例如，但不局限于固结砂和 石墨。可以利用各种技术，例如硬钎焊，用于将切削元件60安装到各 个槽58内。
可以根据所制成的胎体钻头的所需的结构，将各种类型的临时置 换材料令人满意地安装到模腔104内。可以将由诸如固结砂和/或石墨 等各种材料形成的附加的模具插入件(未明确地表示出来)配置在模 腔104内。可以很好地利用各种树脂形成固结砂。这种模具插入件， 可以具有与所需的复合胎体钻头体50的外部部件、例如与形成在相邻 的刀身52之间的流体流动通道相对应的结构。如后面将要详细描述 的，可以将具有增大的坚韧性或者抗破裂性的第一胎体材料装载到模 腔104内，以便形成相关的复合胎体钻头体的部分，所述钻头体的部 分在井眼的钻进过程中与井下地层材料啮合，并将其除去。
复合胎体钻头体50可以包括比较大的流体腔或室32,该流体腔 或室32带有多个从该腔或室延伸的流体流动通道42和44。见图3。如图2所示，可以将诸如固结砂等置换材料安装到模具组件100内的 所需部位上，以便形成腔32以及从该腔起延伸的流体流动通道42和 44。这种置换材料可以具有各种结构。可以选择固结砂腿142和144 的取向和结构，使之和相关的流体流动通道42和44的所需位置和结 构相对应，其中，所述流体流动通道42和44从腔32通向各个喷嘴排 出口 54。流体流动通道42和44可以接納螺紋插座(未明确地示出)，
用于将各个喷嘴保持在其内。
可以将一个比较大的、大致为圓柱形的固结砂芯150置于腿142 和144上。芯150和腿142及144有时可以被描述为具有"鸦爪"(crow，s foot)形。芯150也可以称之为"茎，，(stalk)。从芯150延伸的腿的 数目以在所制成的复合钻头体上的所需的喷嘴开口的数目为依据。腿 142和144和芯150也可以用石墨或者其它合适的材料形成。
在包括芯150和腿142及144在内的所需的置换材料已经被安装 到模具组件100内之后，可以将具有最佳的耐破裂特性(坚韧性)以 及最佳的耐腐蚀性、耐磨耗性以及耐磨损性的第一胎体材料131放入 到模具组件100内。第一胎体材料131将优选地形成将大致对应于复 合胎体钻头体50的外部部分的第一区域或者第一层，所述第一区域或 第一层在井眼的钻进过程中与地层材料接触，并将其除去。添加到模 具组件120中的第一胎体材料131优选是有限的，使得胎体材料131 不与芯150的端部152接触。本公开允许利用具有最佳韧度以及耐磨 损特性的胎体材料形成固定刀具钻头或者切削型钻头。
然后，可以将大致为中空圆筒形金属坯料36放置到模具组件100 内。金属坯料36优选地包括比砂芯150的外径大的内径37。可以利 用各种夹具(未明确示出)将金属坯料36定位到模具组件100内与第 一胎体材料131隔开的所需位置处。
然后，可以将第二胎体材料132装载到模具组件100内，以便填 充形成在妙、芯150的外径154与金属坯料36的内径37之间的孔隙或 者环带。优选地，第二胎体材料132覆盖第一胎体材料131，包括靠 近芯150的端部152并且与之隔开的第一胎体材料131的部分在内。对于某些应用，优选地，第二胎体材料132以如下的方式装载， 即，消除第二胎体材料132暴露在复合胎体钻头体50外部的部分，或 者将该暴露部分降低到最低限度。第一胎体材料131主要被用于形成 在胎体钻头20旋转以便形成井眼的过程中与切削、刨削和刮削井下地 层材料相关的复合胎体钻头体50的外部部分。第二胎体材料132主要 用于形成通常与切削、刨削和刮削井下地层材料不相关的复合胎体钻 头体50的内部部分和外部部分。见图2和3。
对于有些应用，然后可以将诸如鴒粉末等第三胎体材料133放入 到才莫具组件100中的金属坯料36的外径40与漏斗120的内径122之 间。第三胎体材料133可以是比较软的粉末，该第三胎体材料形成接 下来可以被机械加工以便提供所需的外部结构以及胎体钻头体50与 金属柄36的之间的过渡部的胎体。第三胎体材料133有时被描述为"熔 渗的可加工的粉末"。装载第三胎体材料133，以便覆盖全部或者基本 上全部靠近复合胎体钻头体50的外部的第二胎体材料132。见图2和 3。
在胎体材料131、 132和133的装载过程中，必须注意，防止第一 胎体材料131和第二胎体材料132之间的不希望的混合，以及第二胎 体材料132和第三胎体材料133之间的不希望的混合。在界面处轻微 的混合以便避免不同胎体材料之间的明显的分界，对于相邻层之间的 结合，可以提供顺滑的过渡。当把硬质合金和球形碳化物配置在与用 于固定切削器钻头的胎体钻头体相关的比较复杂的模具组件中时，以 前的经验和试验已经显示出与利用热的、液体粘合剂材料熔渗硬质合 金和球形碳化物相关的各种问题。当试图利用硬质合金和/或球形碳化 物形成用于和钻探及建造油气井相关的其它类型的复杂的井下工具 时，也注意到了类似的问题。
与利用硬质合金和/或球形碳化物作为胎体材料相关的制造问题 以及所造成的质量问题， 一般与在所制成的胎体钻头体的内部的熔渗 不足、多孔性、收缩、龟裂以及粘合剂材料组分的偏析有关。很多固 定切削器钻头的比较错综复杂的设计和大的尺寸，对于具有硬质合金和/或球形碳化物作为胎体材料的钻头体的可制造性提出困难的挑战。 在至少部分地利用硬质合金和球形碳化物的胎体形成的诸如铰刀、扩 孔器以及组合的铰刀/钻头等其它的井下工具的制造过程中，也会发生 同样的质量问题。这种组合的井下工具的一个例子，在标题为
"Bi-center And Bit Method For Enhenced Stability."("用于提高稳定 性的双中心和钻头法")美国专利U.S.Patent5，678，644中给出。
以前，通过将硬质合金和/或球形碳化物和粗结晶碳化鴒和/或铸 造碳化物粉末预先混合所作的试验和实验，常常不能制造出可靠的、 高质量的胎体钻头。增加粘合剂材料在这种硬质合金和/或球形碳化物 与粗结晶碳化鴒和/或铸造碳化物粉末混合物内的浸泡时间，不能明显 地消除与收缩、合金偏析、熔渗不足、多孔性相关的问题，以及与硬 质合金和/或球形碳化物不能充分的熔渗相关的其它问题。而且，提高 用于这种混合物的熔渗的热的液体粘合剂材料的温度，也不能显著地 减少相关的质量问题。已经确认，液体粘合剂材料的最后凝固的部分
合物内的高的合金偏析，是在这种混合物内的粘合不足、不希望有的 收缩、多孔性以及其它质量问题的一个原因。
利用第一胎体材料131形成第一层或者区域，与利用第二胎体材 料132形成和第一胎体材料131邻接的第二层或者区域相结合，可以 充分地减少或者消除在热的、液体粘合剂材料和第一胎体材料131的 最后凝固的部分的合金的偏析。在形成于芯150的外径154与金属坯 料36的内径37之间的环形部内添加第二胎体材料132，并且如图2 所示覆盖笫一胎体材料131，可以充分地减少或者消除与熔渗不足、 多孔性、收缩、龟裂和/或粘合剂组分在第一胎体材料131内的偏析相 关的问题。这些改进的一个原因，可能是因为热的液体粘合剂材料能 够很容易熔渗粗结晶碳化钨和/或铸造碳化物粉末的缘故。
如从前注意到的那样，热的液体粘合剂材料可以从用于形成硬质 合金的结合材料中滤取或者除去少量的合金和/或其它污染物。被滤取 的合金和/或其它污染物可能具有比与胎体钻头的制造相关的典型的粘合剂材料高的熔点。从而，被滤取的合金和/或其它污染物会在相邻 的硬质合金团粒、球或者形状之间的小的间隙或者孔隙内凝固，并阻 碍热的液体粘合剂材料在这种硬质合金形状之间进一步熔渗。
"被污染的"熔渗剂或者热的液体粘合剂材料，可能具有不同于 "纯的，，粘合剂材料的固相线温度和液相线温度。在粘合剂材料的凝 固过程中，作为将溶质污染物排斥到凝固前沿的前面的热液体中的结 果，可能会发生熔渗剂被污染物的"富集"。除了在凝固的较后的阶段 的污染物(溶质)的偏析之外，任何定向凝固的缺乏，都会引起一些 潜在的问题，包括但并不局限于收缩、多孔性和/或热裂。
粗结晶碳化鴒和铸造碳化物粉末，可以基本上没有与用于形成硬 质合金的粘合材料相关的合金或其它污染物。可以选择第二胎体材料
使之具有小于百分之五(5% )的合金或其它潜在的污染物。从而，热 的液体粘合剂材料经过根据本公开的教导所选择的第二胎体材料的熔 渗，基本上不会滤取大量的合金或其它潜在的污染物。
如前面所述，第一胎体材料131可以是硬质合金和/或球形碳化物。 钴、铁和/或镍的合金可以用于形成硬质合金和/或球形碳化物。对于 某些胎体钻头的设计而言，在第一胎体材料中大约百分之六的合金浓 度会提供最佳的结果。对于某些胎体钻头设计而言，百分之三到百分 之六之间的合金浓度，以及约百分之六到百分之十五之间的合金浓度， 也可以是令人满意的。但是，大于约百分之十五的合金浓度和小于约 百分之三的合金浓度会导致所获得的胎体钻头体不能达到最佳特性。
第二胎体材料132可以是粗结晶碳化鴒或者铸造碳化物粉末。这 种粉末的例子包括P-90和P-100，可以从位于Fallon， Nevada的 Kennametal, Inc.购得。标题为 "Macrocrystalline Tungsten Monocarbide Powder and Process for Producing"(粗结晶 一碳化镇粉 末及其生产工艺)的转让给Kennametal的美国专利U.S.Patent 4,834,963，描述了可以用于生产粗结晶碳化鴒的技术。第三胎体材料 133可以是鴒粉，例如M-70，这种鵠粉可以从H.C. Starck, Osram Sylvania and Kennametal购得。在第二胎体材料132中的典型的合金浓度，可以在约百分之一到百分之二之间。具有约百分之五或更高的 合金浓度的第二胎体材料，对于相关的胎体钻头体，可能导致不能令 人满意的操作特性。
对于铸造的复合胎体钻头体50的典型的熔渗过程，可以通过形成 模具组件100开始。可以将环规110拧到模具102的顶部。可以将浇 口 120柠到环规110的顶部，以便将模具组件100延伸到所需的高度， 用以保持前面描述的胎体材料和粘合剂材料。然后，可以将置换材料， 例如，但并不局限于，才莫具插入件106、腿142和144以及芯150，如 果事先没有放入到模腔104内的话，装载到模具组件100内。如前面 所述，可以将胎体材料131、 132、 133和金属坯料36装载到模具组件 100内。
在模具组件100被胎体材料填充的情况下，可以在模具组件100 内引起一系列的振动循环，以帮助填密胎体材料131、 132和133的每 一层或区域。这种振动可以在达到复合胎体钻头体50所要求的特性的 各个范围内，帮助确保胎体材料131、 132和133的每一层的一致的密 度。应当避免胎体材料131、 132和133的不希望的混合。
可以将粘合剂材料160放置在层132和133、金属坯料36和芯150 的顶部。可以用助熔剂层(未明确示出)覆盖粘合剂材料160。可以 将罩或者盖(未明确示出)放置在模具组件100的上方。可以将模具 组件IOO和配置于其内材料进行预热，然后将其置于加热炉内(未明 确示出)。当加热炉的温度达到粘合剂材料160的熔点时，液体粘合剂 材料160可以熔渗胎体材料131、 132和133。如以前已经注意到的那 样，第二胎体材料132允许热的液体粘合剂材料160更均匀地熔渗第 一胎体材料131，以便避免在液体粘合剂材料160和第一胎体材料131 的最后凝固部分中的不希望有的偏析。
才莫具组件100的上面部分、例如浇口 120与才莫具102相比，可以 具有增强的绝热性能(未明确示出)。从而，在热的液体粘合剂材料与 第二胎体材料132凝固之前，在模具组件100的下部部分的液体粘合 剂材料开始与第一胎体材料131凝固。在凝固中的这种差异，有可能允许热的液体粘合剂材料把从第一胎体材料131中滤取的合金和其它 潜在的污染物"漂浮"或者输送到第二胎体材料132中。由于热的液 体胎体材料在熔渗第一胎体材料131之前熔渗通过第二胎体材料132， 所以，从第一胎体材料131输送来的合金以及其它污染物，对于所制 成的胎体钻头体50的质量，不会造成象合金及其它污染物残留在第一 胎体材料131中那样大的影响。此外，优选地，第二胎体材料包含小 于百分之四(4% )的这种合金或污染物。
在靠近诸如喷嘴开口 54和槽58等特征的部位，粘合剂材料160 与第一胎体材料131的恰当的熔渗和凝固是特别重要的。通过提高粘 合剂材料160向形成各个刀身52的第一胎体材料131的部分内的熔渗 获得的改进的质量控制，可以设计更薄的刀身52。也可以将刀身52 以更具有侵进性的切削角度取向，带有形成在相邻的刀身52之间更大 的5危体;危动面积、。
与具有只利用市场上可以获得的粗结晶碳化钨和/或铸造碳化物 粉末或它们配制物形成的胎体钻头体的固定刀具钻头的相同设计相 比，对于某些根据本公开的教导形成的带有第一胎体材料和第二胎体 材料的复合钻头体的固定刀具钻头的设计而言，可以将耐磨耗性改进 百分之五十(50% )，耐腐蚀性改进百分之百(100% )，横向抗破裂强 度改进百分之五十(50%),有时抗冲击性的改进超过百分之百 (100 % )。
然后，可以将模具组件IOO从加热炉中移出，并以受控制的速度 冷却。 一旦冷却，可以将模具组件100脱去，使复合胎体钻头体50 暴露出来，如图3所示。可以根据公知的技术采用后续处理，以便制 造胎体钻头20。
尽管详细地描述了本公开及其优点，但是，应当理解，在不超出 由下面的权利要求所限定的本公开的精神和范围内，可以进行各种变 化、取代和变换。
权利要求
1.一种具有复合胎体钻头体的钻头，包括多个切削元件，所述多个切削元件配置在钻头体的外部部分的选定的部位上；复合胎体钻头体，该复合胎体钻头体具有至少彼此邻接配置的第一区域和第二区域；所述第一区域至少部分地由硬的颗粒以及至少一种粘合剂材料形成，所述硬的颗粒包括硬质合金，所述粘合剂材料由以下材料组成的组中选择，所述材料为钴、镍、铁或者这些元素的合金；所述第二区域至少部分地由硬的颗粒形成，所述硬的颗粒从由粗结晶碳化钨和铸造碳化物组成的组中选择；以及第二区域由与第一区域相同的粘合剂材料形成。
2. 如权利要求1所述的钻头，进一步包括与粘合剂材料配合的第 二胎体材料，以便充分地减少或者消除在复合胎体钻头体内部部分中 的瑕疵。
3. 如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述第二胎体材料包 括小于百分之四的合金材料及其它污染物。
4. 如权利要求1所述的钻头，其特征在于，第一区域进一步包括 具有小于大约百分之六的合金浓度的硬颗粒。
5. 如权利要求1所述的钻头，其特征在于，第一区域进一步包括 具有大约百分之三到百分之六之间的合金浓度的硬颗粒。
6. 如权利要求1所述的钻头，进一步包括第一胎体材料，所述第 一胎体材料具有浓度约在百分之六到百分之二十之间的钴。
7. 如权利要求1所述的钻头，进一步包括第二胎体材料，当暴露 在热的液体粘合剂材料中时，与所述第 一胎体材料的可润湿性相比， 所述第二胎体材料具有增大的可润湿性。
8. —种制造胎体钻头的方法，包括将至少第 一层的第 一胎体材料放入到胎体钻头体模具内，其中，所述第一胎体材料选自硬质合金和球形碳化物组成的组； 将中空的金属坯料放入模具内；将至少第二层的第二胎体材料放入到模具内，其中，所述第二胎 体材料选择自粗结晶碳化钨和铸造碳化物组成的组；将粘合剂材料放入模具中，所述粘合剂材料靠近胎体材料的第二 层和中空金属坯料；在加热炉内将所述模具和配置在所述模具内的材料加热到选定的 温度，以便允许粘合剂材料熔化，并且用热的液体粘合剂材料熔渗第 二胎体材料和第 一胎体材料；在热的液体粘合剂材料与第二胎体材料凝固之前，开始热的液体 粘合剂材料与第一胎体材料的凝固；以及冷却所述模具以及配置在所述模具内的材料，以便形成与中空金 属坯料牢固地结合的粘在一起的复合胎体钻头体。
9. 如权利要求8所述的方法，进一步包括将具有部分地被外径限定的大致圆柱形结构的砂芯放入到模具内；将中空金属坯料放置的砂芯之上，以便形成一个环形部，所述环形部部分地由中空金属坯料的内径和砂芯的外径所限定；以及用第二胎体材料填充砂芯与中空金属坯料之间的环形部。
10. 如权利要求8所述的方法，进一步包括将砂芯安装到模具内，将砂芯的一端与第一胎体材料的第一层间 隔开；以及将第二胎体材料的部分放入到所述砂芯的一端和所述第一胎体材 料的第一层的相邻部分之间。
11. 如权利要求8所述的方法，进一步包括用第二胎体材料形成 复合胎体钻头体的内部部分。
12. 如权利要求8所述的方法，进一步包括用第一胎体材料形 成复合胎体钻头体的外部部分，所述外部部分和与井下地层材料的啮 合及将所述井下地层材料除去相关联。
13. 如权利要求8所述的方法，进一步包括在第二胎体材料凝固 之前，利用热的液体粘合剂材料，将从第一胎体材料中滤取的合金及 其它潜在的污染物输送到第二胎体材料中。
14. 如权利要求8所述的方法，进一步包括在把粘合剂材料放入 模具中之前，将胎体材料的第三层放置在胎体材料的第二层上。
全文摘要
本发明公开了一种胎体钻头以及由胎体材料的复合物制造胎体钻头体的方法。可以利用两种或者更多种胎体材料形成复合胎体钻头体。可以选择第一胎体材料，以便对于胎体钻头体的诸如刀具承窝、切削结构、刀身、排屑槽以及和啮合并除去地层材料相关的其它部分，提供最佳的耐破裂性(坚韧性)，以及最佳的抗腐蚀性、耐磨耗性和耐磨损性。可以选择第二胎体材料，以便提供向所需的热的液体粘合剂材料与第一胎体材料的熔渗，以便形成坚固的粘在一起的复合胎体钻头体。
文档编号E21B10/00GK101614107SQ20091014014
公开日2009年12月30日 申请日期2006年4月13日 优先权日2005年4月14日
发明者D·A·布朗, G·韦弗, R·L·拉迪 申请人:霍利贝顿能源服务公司