本公开总体涉及油田设备，并且更具体地涉及用于钻探井筒以便采集石油、天然气或矿物质的钻地钻头。更具体地，本公开涉及将超硬切割元件安装到钻头体、刀片或牙轮。
背景技术：
：：通常通过旋转钻井的方法来钻探油井和气井。钻地钻头安装在钻柱的下端上。重量施加在钻头上，并且钻头通过在地表处旋转钻柱或通过致动井下马达或两者来旋转。旋转钻头包括啮合地层以形成钻孔的切割元件。钻头在一定程度上可使用钻柱中位于井下的任选定向钻井组件来引导，以沿着朝向目标区域的预先确定的路径形成井筒。已经开发出许多不同类型的钻头和用于钻头的切割结构并且它们可用于钻探这类井筒。两种主要类型的岩石钻头是牙轮钻头和固定切刀钻头。两种类型的钻头都可包括啮合土壤以切割并释放诸如岩石的土料的硬化元件。牙轮钻头包括通过铲凿刮削或切割破碎作用切割土壤的切割元件。固定切刀钻头包括通过剪切作用切割土壤的切割元件。当钻头旋转时，钻井液被泵送穿过钻柱并且引导出钻头。钻头通常包括围绕钻头刃面间隔的喷嘴或固定端口，所述喷嘴或固定端口用于将钻井液喷射到若干叶片之间或牙轮之中的流动通路中。流动流体执行若干重要的功能。流体将地层切屑从钻头的切割结构移除。否则，地层材料积聚在切割结构上可能减少或阻止切割结构穿透到地层中。此外，流体将所切割的地层材料从孔眼底部移除。未能将地层材料从孔眼底部移除可能导致切割结构进行随后的道次以再切割相同材料，因此降低切割速率并且潜在地增加对切割表面的磨损。从钻头刃面以及从孔眼底部移除的钻井液和切屑被迫通过存在于钻柱与井筒侧壁之间的环空从井筒底部到达地表。另外，流体从切割元件移除通过与地层接触产生的热量以便延长切割元件寿命。因此，钻井液喷嘴的数目和布局以及所引起的钻井液的流动可显著影响钻头的性能。附图说明下文参考附图详细描述实施方案，在附图中：图1是根据实施方案的钻井系统的块级示意图，其示出用于在土壤中钻井的钻柱和图2的钻头；图2是根据优选实施方案的固定切刀钻头的立体图，其示出具有凹腔的刀片，硬切割元件定位并固定在所述凹腔中；图3是图2的固定切刀钻头的一部分的分解图，其示出形成于刀片的前缘中的凹槽以及尺寸被设定成被接收并安装在所述凹槽内的切割元件支撑蹄件；图4是图3的钻头的一部分的立体图，其示出覆盖切割元件的一部分以用于增强切割元件在凹腔内的机械固持的切割元件支撑蹄件；图5是根据实施方案的用于制造图3的钻头的方法的流程图；并且图6是根据实施方案的牙轮钻头的局部截面正视图，其示出牙轮和臂，其中切割元件使用切割元件支撑蹄件机械地固定到钻头。具体实施方式图1是包括钻头100的钻井系统20的一个实例的正视图。钻井系统20可包括陆地钻机22。然而，本公开的教义还可与海上平台、半潜式平台、钻井船以及适用于形成延伸穿过一个或多个井下地层的井筒的任何其他钻井系统相关联。钻机22可邻近井口24定位。钻机22还包括转盘38、旋转驱动马达40和与使钻柱32在井筒60内旋转相关联的其他设备。环空66可在钻柱32的外部与井筒60的内径之间形成。对于一些应用，钻机22还可包括顶部驱动马达或顶部驱动单元42。在井口24处还可设置有防喷器(未明确示出)和与钻探井筒相关联的其他设备。一个或多个泵48可用于将钻井液46从储库30泵送到钻柱32从井口24延伸的一端。导管34可用于将钻井泥浆从泵48供给到钻柱32的从井口24延伸出去的那一端。导管36可用于将钻井液、地层切屑和/或井下碎片从井筒60的底部或端部62送回到流体储库或凹坑30。各种类型的管道、管和/或导管可用于形成导管34和36。钻柱32可从井口24延伸并且可与钻井液供应源、诸如储库30耦接。钻柱32的相对端可包括与井筒60的端部62相邻设置的井底钻具组件90和旋转钻头100。旋转钻头100可包括一个或多个流体流动通路，流体流动通路中设置有相应喷嘴20(图2)的，如下文更详细地描述的。各种类型的钻井液46可通过泵48和导管34从储库30被泵送到钻头32从井口24延伸的一端。钻井液46可穿过钻柱32向下流动并且从形成于旋转钻头100中的喷嘴16(图2)离开。在井筒60的端部62处，钻井液46可与邻近钻头100的地层切屑和其他井下碎片混合。钻井液然后将穿过环空66向上流动以将地层切屑和其他井下碎片送回到井口24。导管36可将钻井液送回到储库30。可提供各种类型的筛网、过滤器和/或离心机(未示出)以在将钻井液送回到凹坑30之前移除地层切屑和其他井下碎片。井底组件90可包括各种工具91，这些工具提供测井或测量数据和来自井筒60底部的其他信息。测量数据和其他信息可使用已知的随钻测量技术通过钻柱32从井筒60的端部62来传达并且在井表面24处转换成电信号，以便除了其他事项之外，监测钻柱32、井底组件90和相关联旋转钻头100的性能。图2是钻头100的一个实施方案的立体图。钻头100是具有空心钻头体102的固定切刀钻头，空心钻头体102具有用于螺纹连接到钻柱32(图1中示出)的外螺纹端14。多个刀片104从钻头体102的另一端延伸。每个刀片104形成钻头100的切割表面。尽管示出了六个刀片，但可提供任何合适数目的直刀片或弯曲刀片。钻头100可使用粉末冶金技术制造，这种技术通常需要共混和混合金属粉末、将金属粉末压紧成钻头形基体、并且在升高的温度下烧结基体以致使粉末固态结合。然而，钻头100还可通过浇铸、锻造、机加工或其他合适的制造工艺来制造。刀片104可包括围绕钻头刃面有角度地间隔的一级刀片、二级刀片以及甚至三级刀片，其中一级刀片通常较长并且起始于更靠近钻头的中心轴线的位置处。刀片104从钻头轴线径向向外突出并且在其间形成有时称作排屑槽道的流动通道。每个刀片104携带多个硬切割元件108。每个切割元件108安装在形成于刀片的前缘中的相应凹腔106中。在某些实施方案中，切割元件108由硬度足以通过诸如刮削和/或剪切来切穿地层的材料制成。刀片104上的切割元件108的构型和布局可根据多种因素广泛变化。这些因素之一是地层本身，因为不同的切割元件布局切割不同岩层的结果和效率不同。切割元件材料可包括碳化钨、多晶金刚石复合片(“PDC”)、天然金刚石或热稳定的PDC(TSP)、滚花钢齿、或硬度和强度足以使地层变形或切穿地层的材料的任何其他切割元件。更具体地，切割元件108可具有形成于切割表面上的多晶金刚石或相似表面，诸如在一个或多个高温、高压循环下形成并结合到碳化钨基底的PDC。每个切割元件108都可制造成离散件。每个切割元件可由细长且大体上圆柱形的支撑构件形成，所述支撑构件可以是例如硬质金属碳化物、诸如碳化钨，由极硬超耐磨材料形成的层或板(table)可结合到所述基底，所述极硬超耐磨材料诸如聚晶金刚石复合片(PCD)、立方氮化硼、热稳定的PDC(TSP)、多晶立方氮化硼或超硬碳化钨(TC)。硬质金属炭化物基底可通过烧结粉末金属碳化物与金属合金粘结剂形成，并且板可使用超高压、超高温工艺形成并结合到基底。切割元件还可包括过渡层，在所述过渡层中，金属碳化物和金刚石与其他元素混合以改进基底与板之间的结合并减小其间的应力。切割元件108可具有平坦或稍微呈卵形的外部接触区域，所述外部接触区域限定元件接触正被切割的岩石地层的点、线或面。切割元件108可在刀片104上以固定的、预先确定的模式间隔开，通常是沿着若干刀片104中的每一个的前缘排列，以便给予地层以预先确定的切剖面。也就是说，每个切割元件108在钻头100上被定位并定向成使得当钻头旋转时，切割元件108的一部分、即其切割刃或磨损表面啮合地层。在三个过程的一个或多个中，可初始地将切割元件108安装到钻头100。根据前两个过程，钻头100形成为包括凹腔106，切割元件被接收在凹腔106中。切割元件108被插入凹腔106中并且压配或钎焊到钻头100，或者切割元件108被钎焊到诸如螺柱或圆柱形衬垫的附接构件，所述附接构件进而通过压配或钎焊来安装到钻头100。尽管钎焊和压配是优选附接方法，但是可以视情况使用粘结、硬面和其他技术。根据第三种方法，在使用粉末冶金术制造钻头(其可例如通过用诸如钨粉的金属颗粒物填充石墨模，压实、烧结、然后用熔融金属合金浸润粉末金属基体来制成)的情况下，切割元件108可在浸润之前放置于基体中并且通过浸润过程结合到适当位置。钻头100可包括用于喷射钻井液以协助地层切割、工具冷却、润滑以及碎片移除的一个或多个喷嘴16。喷嘴流体连接在体102内并且通过钻柱32(图1)接收钻井液。图3是钻头100的一部分的分解立体图。一个或多个刀片104的前导面105可包括凹槽110和形成于其中的多个螺孔112。提供了切割元件支撑蹄件120，其尺寸被设定来配合在凹槽110内。螺钉122用于将切割元件支撑蹄件120安装到其相应刀片104，从而允许在必要时容易地移除切割元件支撑蹄件120以便维护和/或修理钻头100。然而，可视情况使用将切割元件支撑蹄件120固定在凹槽110内的其他手段，包括卡接、销接、铆接、钎焊、焊接、硬面以及以粘接方式结合。图4是以组装状态示出的图3的钻头100的一部分的立体图。切割元件支撑蹄件120的尺寸被设定成使得其覆盖切割元件108的一部分、同时使得切割元件108的切割刃109暴露于地层。切割元件支撑蹄件120可覆盖两个或更多个切割元件108并且优先地可覆盖给定刀片104上的所有切割元件108。然而，在给定刀片104上可使用多个切割元件支撑蹄件120。以这种方式，除了无论使用其他紧固方法、例如压制或钎焊之外，切割元件108由蹄件120物理地锁定或固定在适当位置。由切割元件支撑蹄件120提供的附加的结构支撑使得钻头100的可靠性增强。由于在钻井操作期间损失较少的切割元件，钻头100因此具有改进的性能。切割元件支撑蹄件120可由热处理的锻造合金钢、镀铬或高铬铁锻造钢、具有渗碳内表面的锻造钢或其他合适材料制成。一旦安装，如果需要的话，就可视情况在切割元件支撑蹄件120上涂覆硬面材料以获得增强的耐腐蚀性。合适的硬面材料可包括钢铁合金、钴基合金和镍基合金，并且可通过例如热喷涂或氧乙炔焊工艺来涂覆。也可以视情况使用其他堆焊或硬化工艺。在一个实施方案中，切割元件支撑蹄件120的尺寸被设定成使得当其安装到其对应刀片104时，切割元件支撑蹄件120弹性地变形，从而在附接时提供附加的切刀保持力。切割元件支撑蹄件120还可包括容纳切刀108的一个或多个凹槽(未示出)。图5是描述根据采用粉末冶金技术的实施方案的用于制造钻头100的方法的流程图。参考图5以及图2-图4，提供可由石墨或其他合适材料制成的模具以给予钻头体102、刀片104和凹腔106以适当形状。在步骤200处，可改变此模具以便还在钻头100中形成凹陷或凹槽110。如步骤208中所指出，共混并混合金属粉末、将其放置到模具中、并且通过压制法压实以形成生坯(意味着未经完全处理的)压坯。压实期间所施加的压力消除在填充期间所形成的任何空隙，使金属颗粒塑性变形并且增加颗粒间接触面积。在压制之后，生坯压坯缺少强度和硬度并且可能容易碎裂。在步骤216处，将生坯压坯加热到通常为压坯熔点的0.7-0.9倍，这称作固态或固相烧结。加热可在炉膛中在用以防止氧化的受控大气压下完成。所得的部件称为基体。在步骤224处，用熔融金属合金浸润基体，这提供改进的韧度和强度以及更均匀的密度。浸润金属合金的熔点低于基体的熔点，并且填充金属合金通过毛细作用被抽吸到多孔基体中。如步骤231所指示的，在浸润步骤224之前，可将切割元件108插入凹腔106中，并且浸润工艺将切割元件结合在适当位置。可替代地，在浸润步骤224之后，可如步骤232中所指示地将切割元件108插入凹腔106中并且在步骤240中将其钎焊在适当位置。然后清理钎焊接头。不管切割元件108固定到凹腔106中所使用的工艺，在步骤248处，将切割元件支撑蹄件120安装到刀片104以提供将切割元件108固持在凹腔106内的机械装置。最后，在步骤256中，可根据需要将硬面涂覆到钻头100。虽然上述实施方案已主要集中于固定切刀钻头，但是本领域的普通技术人员应理解，切割元件支撑蹄件还可与其中切割元件附接到表面的任何钻头构件一起使用。例如，切割元件可附接到钻头体，并且附接到旋转钻头、诸如图6中所示的钻头310的臂和/或滚柱或牙轮。图6示出牙轮钻头310，其牙轮具有一个或多个切割元件支撑蹄件360。钻头310包括钻头体312，其优选地包括终止于轴颈316的突出臂314。携带大量离散切刀322的牙轮320被可旋转地捕获在每个轴颈316上。除了切齿322，牙轮320可包括保径切割元件362，其可以是例如碳化钨、PDC、天然金刚石或TSP。切割元件可利用弯曲的切割元件支撑蹄件360，按照与以上相对于固定切刀钻头100所述大致类似的方式被固持在适当位置。类似地，臂314可具有固定保径切割元件364，其也可利用弯曲的切割元件支撑蹄件366机械地固持在适当位置。尽管未示出，但在某些实施方案中，可以使用一个或多个适当设计的切割元件支撑蹄件来机械地固定切齿322。由于以上已相对于固定切刀钻头全面描述了形成凹陷和凹槽并且安装切割元件支撑蹄件的方法，这里不再重复这些细节。简要地说，已经描述了钻井系统、钻头和制造方法。钻井系统的实施方案通常可具有：钻柱；钻头，所述钻头耦接到钻柱以便在井筒内旋转，所述钻头包括设置在凹腔内的多个切割元件；以及切割元件支撑蹄件，所述切割元件支撑蹄件安装到钻头，以便部分地覆盖多个切割元件中的每一个并由此将多个切割元件机械地紧固到钻头。钻头的实施方案通常可具有：钻头构件，所述钻头构件选自由钻头体、刀片、臂和滚柱组成的群组中的一者；多个凹腔，所述多个凹腔形成于钻头构件中；多个切割元件，所述多个切割元件被接收在多个凹腔内；以及切割元件支撑蹄件，所述切割元件支撑蹄件安装到钻头构件，以便部分地覆盖多个切割元件中的每一个并由此将多个切割元件机械地紧固到钻头。方法的实施方案通常可包括：提供钻头构件，所述钻头构件具有形成于其中的多个凹腔，所述钻头构件选自由钻头体、刀片、臂和滚柱组成的群组中的一者；将多个切割元件设置到多个凹腔中；以及将切割元件支撑蹄件安装到钻头构件，以便部分地覆盖多个切割元件并由此将多个切割元件机械地紧固到钻头构件。任何前述实施方案可单独地或彼此组合地包括以下元素或特性中的任一个：切割元件支撑蹄件可移除地安装到钻头构件；凹槽，所述凹槽形成于钻头构件中，切割元件支撑蹄件被接收到凹槽中；钻头构件和切割元件支撑蹄件的尺寸被设定成使得当切割元件支撑蹄件安装到钻头构件时变形；切割元件支撑蹄件弹性地变形；硬面，所述硬面被涂覆到钻头构件和切割元件支撑蹄件；以及多个切割元件被钎焊在凹腔内。本公开的摘要仅用于向美国专利与商标局和大众提供通过略读快速确定术公开的本质和要点的方式，并且它仅体现一个或多个实施方案。虽然已详细描述各种实施方案，但本公开不限于所示实施方案。本领域的技术人员可以想到以上实施方案的修改和改编。这类修改和改编在本公开的精神和范围内。当前第1页1 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