置换构件和使用这种置换构件制造钻地旋转钻头的钻头体的方法

专利名称：置换构件和使用这种置换构件制造钻地旋转钻头的钻头体的方法
置换构件和使用这种置换构件 制造钻地旋转钻头的钻头体的方法
优先权声明
本申请要求提交于2006年12月7日的美国专利申请序列 No.ll/635，432的提交日期的优先权。
技术领咸
本发明涉及制造钻地旋转钻头的方法。更特别地，本发明涉及可 用于界定钻地旋转钻头上面或内部的形貌特征的置换构件或插入件， 以及使用这种置换构件或插入件制造钻地旋转钻头的方法。
背景技术：
旋转钻头通常用于在地层中钻凿井孔。 一类旋转钻头是固定牙轮 式(fixed-cutter)钻头(通常称作"刮刀"钻头)，其典型地包括固定 到钻头体表面区域上的多个切削元件。旋转钻头的钻头体可以由钢制 造而成。可选地，钻头体可以由颗粒基体复合材料制造而成。图l显 示了包括钻头体12的传统的钻地旋转钻头10，所述钻头体12包括颗 粒基体复合材料15。钻头体12固定到钢杆20上，所述钢杆可以具有 用于将钻头IO连接到钻柱(未显示)上的美国石油组织(API)规定 的螺紋接头或其它螺紋接头28。钻头体12包括冠部14和钢坯16。钢 坯16部分地嵌入冠部14中。冠部14可以包括颗粒基体复合材料15, 例如嵌入铜合金基体材料中的碳化物颗粒。钻头体12通过螺紋接头 22和焊缝24固定到钢杆20上，所述焊缝围绕钻头10在其表面上沿 着钻头体12和钢杆20之间的接合面延伸。
钻头体12还包括由排屑槽32隔开的翼部或刀翼30。内部流体通 道(未显示)在钻头体12的表面18和纵向孔40之间延伸，所述纵向孔延伸穿过钢杆20和部分地穿过钻头体12。喷管衬套(未显示)可 以设置在位于内部流体通道内的钻头体12的表面18上。
多个切削元件34附接在钻头体12的表面18上。通常，固定牙轮 式钻头的切削元件34具有盘形或大体上圆柱形形状。包括硬质、超耐 磨材料(例如，相互粘结的聚晶金刚石颗粒)的切削表面可以设置在 每个切削元件34的大体上圆形端面上。这种切削元件34通常称作" 聚晶金刚石复合片"(PDC)切削元件34。 PDC切削元件34可以沿 着刀翼30设置在形成于钻头体12的表面18上的凹窝36中，并且可 以由支肋38从后面支撑，所述支肋与钻头体12的冠部14整体地形成。 典型地，切削元件34与钻头体12分开制造并且固定在形成于钻头体 12的外表面上的凹窝36中。可以使用例如粘合剂或(更典型地)铜 焊合金的粘接材料将切削元件34固定到钻头体12上。
图1所示钢坯16通常为圆柱形管。可选地，钢坯16可以具有非 常复杂的结构并且可以包括相应于刀翼30的外部突起或者靠近钻头 体12的外表面的其它特征。
在钻进操作期间，钻头10固定到钻柱端部上，所述钻柱包括在钻 头10和地面上的其它钻井设备之间首尾相连的管状管件和设备段。钻 头10定位在井孔底部，使得切削元件34与被钻地层相邻。可以使用 例如转盘或顶部驱动装置的设备使钻柱和钻头10在井孔内旋转。可选 地，钻头10的杆部20可以与井下马达的驱动轴直接联接，随后可以 使用所述井下马达使钻头IO旋转。当钻头10旋转时，钻井流体通过 纵向孔40和内部流体通道泵送至钻头体12的表面18。钻头10的旋 转使切削元件34横向刮削和切断下伏地层的表面。地层岩屑与钻井流 体混合并悬浮于其中，通过排屑槽32和位于井孔和钻柱之间的环形空 间流向地层表面。
通常，在石墨模中使用所谓的"渗入"工艺制造包括颗粒基体复合 材料15的钻头体，例如在先描述的钻头体12。石墨模的腔室通常利 用多轴机床机加工而成。随后通过手持工具给石墨模腔室增加细微特 征。附加的粘土 (其可以在有机粘结剂材料中包括无机颗粒)可以施加到位于模型腔室内的模型表面上并且成形以获得希望的模型最终结 构。在必要的地方，预成形元件或置换件(其可以包括陶瓷材料、石 墨、或涂覆树脂的致密型砂)可以位于模型内部并用于界定内部通道、
切削元件凹窝36、排屑槽32、及钻头体12的其它特征。
在模型腔室已经界定并且置换件根据需要位于模型中之后，可以 在模型腔室内形成钻头体。石墨模的腔室装满硬质粒状碳化物材料(例 如碳化鴒、碳化钛、碳化钽、等等)。预成形钢坯16随后以合适的位 置和朝向放置在模型内。钢坯16至少部分地嵌置在位于模型内的颗粒 碳化物材料中。
随后振动模型或者以其它方式压紧颗粒，从而减少颗粒碳化物材 料的相邻颗粒之间的距离。基体材料(通常称作"粘结剂"材料)，例 如铜基合金，可以熔化并且导致或允许颗粒碳化物材料渗入模型腔室 中。模型和钻头体12冷却以凝固基体材料。在钻头体12冷却并且基 体材料凝固时，钢坯16粘结到形成冠部14的颗粒基体复合材料15 上。当钻头体12冷却时，钻头体12从模型中取出，并且从钻头体12 中取出所有置换件。典型地，需要破坏石墨模以取出钻头体12。此夕卜， 在将钻头体12从模型取出之后，用于界定内部流体通道、喷嘴腔、切 削元件凹窝36、排屑槽32、以及钻头体的其它特征的置换件可以保留 在钻头体12内。在不损坏钻头体12的情况下从钻头体12中取出置换 件是复杂而困难的。可以使用例如凿子和动力工具的手持工具(例如， 钻头及其它手持旋转工具)，以及喷砂或喷丸设备将置换件从钻头体 12中取出。
在钻头体12已经从模型中取出之后，PDC切削元件34可以通过 例如铜焊、机械固定或粘接固定手段粘结到钻头体12的表面18上。 钻头体12还可以固定到钢杆20上。用于形成冠部14的颗粒基体复合 材料15较为坚硬并且不易进行机加工，因此可以使用钢坯16将钻头 体12固定到钢杆20上。可以在钢坯16的暴露表面上加工出螺紋以提 供钻头体12和钢杆20之间的螺紋接头22。钢杆20可以螺紋连接到 钻头体12上，随后可以沿钻头体12和钢杆20之间的接合面设置焊缝24。

发明内容
在一些实施例中，本发明包括用于形成钻地旋转钻头的至少一部 分钻头体的置换构件。例如，置换构件可以包括具有外表面的空心主 体，所述外表面的至少一部分可以构造为在钻头体至少部分地围绕置 换构件形成时界定钻头体的至少一个表面。在附加实施例中，置换构 件可以包括多孔体。例如，置换构件可以由包括大约百分之十(10%) 体积比的孔隙度以上的材料构成。在一些实施例中，置换构件可以由 包括大约百分之二十(20%)到大约百分之七十(70%)体积比的孔 隙度的材料构成。此外，在一些实施例中，置换构件主体的至少外表 面可以基本不含碳。
在附加实施例中，本发明包括利用这种置换构件形成钻地旋转钻 头的钻头体的方法。例如，置换构件可以定位在模型腔室内的选定位 置处。模型腔室可以充满硬质颗粒，硬质颗粒可以渗入熔化的基体材 料。作为另一实例，多个颗粒可以压制形成主体，至少一个凹部可以 形成在所述主体中。置换构件可以定位在所述凹部中，所述主体可以 烧结以形成钻头体。


尽管说明书末尾的权利要求特别指出和清楚声明了本发明的范 围，但是在结合附图阅读本发明的下列说明的情况下，本发明的优点 将变得易于确定，其中
图1是具有包括颗粒基体复合材料的钻头体的传统钻地旋转钻头 的局部截面侧视图2是可以利用体现本发明教导的方法制造而成的旋转钻头的钻 头体的局部截面侧视图3A是显示了大体上等静压力施加给位于压力贮器或容器中的 粉末混合物以由该粉末混合物形成生钻头体的截面视图；图3B是图3A所示生钻头体从压力容器取出之后的截面视图3C是通过对图3B所示生钻头体进行机加工形成的另一个生钻 头体的截面视图3D是通过使图3C所示生钻头体进行部分烧结而形成的半生钻 头体的截面视图3E是通过对图3D所示半生钻头体进行部分机加工形成的另一 个半生钻头体的截面视图4A是可以设置在例如图3E所示生钻头体或半生钻头体的切削 元件凹窝内的置换构件的一个实例的透视图，而所述生钻头体或半生 钻头体烧结到最终密度以形成旋转钻头的钻头体；
图4B是图4A所示置换构件的截面视图5A是可以设置在例如图3E所示生钻头体或半生钻头体的切削 元件凹窝内的置换构件的另 一个实例的透视图，而所述生钻头体或半 生钻头体烧结到最终密度以形成旋转钻头的钻头体；
图5B是图5A所示置换构件的截面视图6A是可以设置在例如图3E所示生钻头体或半生钻头体的切削 元件凹窝内的置换构件的又一个实例的透视图，而所述生钻头体或半 生钻头体烧结到最终密度以形成旋转钻头的钻头体；
图6B是图6A所示置换构件的截面视图7A是可以设置在例如图3E所示生钻头体或半生钻头体的切削 元件凹窝内的置换构件的又一个实例的透视图，而所述生钻头体或半 生钻头体烧结到最终密度以形成旋转钻头的钻头体；
图7B是图7A所示置换构件的截面视图7C是图7A-7B所示置换构件主体具有的显微结构实例的放大
图8A是图3E所示半生钻头体的截面视图，显示了位于切削元件 凹窝中的体现本发明教导的置换构件；
图8B是通过将图8A所示半生钻头体烧结到希望的最终密度而形 成的钻头体的截面侧视图，并且显示了位于切削元件凹窝中的置换构件；
图8C是在置换构件从切削元件凹窝取出之后，图8B所示钻头体 的横截面侧视图9是钻地旋转钻头的局部横截面侧视图，所述钻地旋转钻头通 过将切削元件固定到图8C所示钻头体的切削元件凹窝中并且将钻头 体固定到用于附接到钻柱上的钻杆上而形成；和
图10是利用位于模型腔室内的体现本发明教导的置换构件制造 钻地旋转钻头的钻头体的另一方法的截面视图。
具体实施例方式
这里显示的示例不表示任何特殊材料、设备、系统或方法的实际 视图，而仅是用于描述本发明的理想化表示。另外，附图中相同的元 件由相同的数字表示。
在这里使用的术语"生"表示未烧结的。
在这里使用的术语"生钻头体"表示未烧结的结构，包括用粘结材 料结合在一起的多个离散颗粒，所述结构具有这样的大小和形状，即， 允许通过包括但不限于机加工和致密化的后续制造工艺用该结构制造 适用于钻地钻头的钻头体。
在这里使用的术语"半生"表示部分烧结。
在这里使用的术语"半生钻头体"表示部分烧结的结构，包括至少 一部分已经部分地长在一起以提供相邻颗粒之间的至少部分粘结的多 个颗粒，所述结构具有这样的大小和形状，即，允许通过包括但不限 于机加工和进一步致密化的后续制造工艺用该结构制造适用于钻地钻
头的钻头体。半生钻头体可以通过例如部分地烧结生钻头体而形成。 在这里使用的术语"烧结"是指颗粒成分的致密化，包括去除利用
聚合结合在一起的起始颗粒之间的至少一部分孔隙(伴随有收缩)和
使相邻颗粒粘结。
当在此使用时，术语"[金属基合金"(其中，[金属为任意金属)
是指除包括金属合金外，还包括工业纯金属，其中，合金中[金属I的重量百分比大于合金中任何其它成分的重量百分比。
当在此使用时，术语，，材料成分"是指材料的化学成分和微观结
构。换句话说，具有相同化学成分但是不同微观结构的材料被认为具
有不同的材料成分。
当在此使用时，术语"碳化鴒"是指包含鴒和碳的化合物的任何材
料组成，例如，wc、 W2C以及wc和W2C的组合物。碳化鴒例如
包括铸造碳化鵠、烧结碳化鴒和粗晶碳化鴒。
随着含碳氢化合物的浅深度地层不断减小，被钻井孔的深度不断 增加。这些增大的井孔深度使传统钻头的性能和耐久性处于极限。通 常要求一些钻头钻凿单井孔，改变钻柱上的钻头是昂贵的。
目前人们正努力研制新的颗粒基体复合材料以改善钻地旋转钻头 的性能和耐久性。此外，包括至少一部分新的颗粒基体复合材料的钻 头体可以通过除先前所述渗入工艺以外的方法制造而成。例如但不限
于，包括这种颗粒基体复合材料的钻头体可以利用粉末压制和烧结方
法制造而成。这种方法在提交于2005年11月10日的公开未审的美国 专利申请序列No.11/271，153和同样提交于2005年11月10日的公开 未审的美国专利申请序列No.l 1/272,439中进行了公开。
图2显示了利用粉末压制和烧结方法形成的钻头体50的一个示例 性实施例。如图所示，钻头体50包括由排屑槽32隔开的翼部或刀翼 30、纵向孔40、固定在位于钻头体50的表面52上的切削元件凹窝36 内的多个PDC切削元件34 (或任何其它类型的切削元件)。PDC切 削元件34可以由支肋38从后面支撑，所述支肋与钻头体50整体地形 成。与图1所示钻头体12形成对比，钻头体50可以不包括至少部分 地嵌置在钻头体50中的钢坯，例如钢坯16。在一些实施例中，钻头 体50可以主要由颗粒基体复合材料54构成。尽管图2没有显示，但 是钻头体50还可以包括在钻头体50的表面52和纵向孔40之间延伸 的内部流体通道。同样，喷管衬套(未显示)可以在钻头体50的表面 52处设置于该内部流体通道内。
如上所述，钻头体50可以利用粉末压制和烧结方法制造而成。这种方法的 一 个非限制实例简要描述如下。
参见图3A，可以在模型或容器62内利用大体上等静压力挤压粉 末混合物60。粉末混合物60包括多个硬质颗粒和多个包括基体材料 的颗粒。选择性地，粉末混合物60进一步包括在压制粉末混合物时通 常使用的添加剂，例如，给压制粉末成分提供结构强度的粘结剂，用 于使粘结剂更为柔韧的增塑剂，用于减少内部颗粒摩擦的润滑剂或压 实助剂以及在压制期间提供润滑的其它添加剂。
容器62可以包括可变形的不透流体构件64。例如，可变形的不 透流体构件64可以是包括可变形聚合物材料的大体上圆柱形袋。容器 62可以进一步包括大体上刚性的密封板66。可变形构件64例如可以 由弹性体形成，所述弹性体例如为橡胶、氯丁橡胶、硅酮或聚亚安酯。 可变形构件64可以用粉末混合物60装满，并且进行振动以使粉末混 合物60均匀分布在可变形构件64内。至少一个插入件或置换构件68 可以设置在可变形构件64内，以便界定钻头体50的特征，例如纵向 孔40 (图2)。可选地，可以不使用置换构件68，并且纵向孔40可 以随后利用传统的机加工方法形成。密封板66随后附接或结合到可变 形构件64上，以便在其间提供不透流体的密封。
容器62 (具有容纳于内部的粉末混合物60和任何希望的置换构 件68)可以放置在压力室70内。可以使用可卸盖71提供通向压力室 70内部的入口。例如水、油或气体(例如，空气或氮气)的流体(其 为大体上不可压缩的)利用泵(未显示)在高压下经由开口 72泵入压 力室70中。流体高压导致可变形构件64的壁产生变形。流体压力可 以大体上均匀地传递给粉末混合物60。
粉末混合物60的大体上等静压制可以形成图3B所示的生粉末部 件或生钻头体80，其可以在压制之后从压力室70和容器62中取出。
在挤压粉末混合物60以形成图3B所示生钻头体80的可选方法 中，可以利用粉末加工领域技术人员公知的方法使用机械或液压致动 的柱塞将粉末混合物60单向压入模型或模具(未显示)中。
图3B所示生钻头体80可以包括通过颗粒间摩擦力和粉末混合物60 (图3A)中的粘结剂材料结合在一起的多个颗粒(硬质颗粒和基体 材料颗粒)，如前所述。可以利用传统才几加工方法，例如切削方法、 磨削方法和钻削方法在生钻头体80上机加工出某些结构特征。还可以 使用手持工具手动形成或成形位于生钻头体80内部或上面的特征。作 为实例但非限制性的，可以通过机加工或其它方法在生钻头体80上形 成刀翼30、排屑槽32 (图2)和其它特征以形成图3C所示的部分成 形的生钻头体84。
图3C所示的部分成形的生钻头体84可以至少部分地烧结以提供 图3D所示的半生钻头体90，其密度小于希望的最终密度。半生钻头 体90由于内部残余的孔隙而可以大体上进行机加工。可以利用传统机 加工方法，例如切削方法、磨削方法和钻削方法在半生钻头体90上机 加工出某些结构特征。还可以使用手持工具手动形成或成形位于半生 钻头体90内部或上面的特征。
作为实例但非限制性的，可以通过机加工或其它方法在半生钻头 体90中形成内部流体通道42 (未显示)、切削元件凹窝36和支肋38 (图2)以形成图3E所示的半生钻头体96。
图3E所示的半生钻头体96随后可以完全烧结到希望的最终密度 以提供如图2所示的前述钻头体50。
在其它方法中，图3B所示的生钻头体80可以部分地烧结以形成 没有进行预先机加工的半生钻头体，并且可以在将半生钻头体完全烧 结到希望的最终密度之前在半生钻头体上进行所有必需的机加工。可 选地，可以在图3B所示的生钻头体80上进行所有必需的机加工，所 述生钻头体随后完全烧结到希望的最终密度。
由于烧结涉及使结构内的孔隙度致密化和消除，正在烧结的结构 将在烧结过程中收缩。因此，当对未到完全烧结状态的生钻头体或半 生钻头体中的特征进行机加工时，必须研究和解决三维收缩。
当图3E所示的半生钻头体96在烧结期间收缩时，半生钻头体96 的不同特征的几何公差(例如，大小和形状)以可能不希望的方式发 生改变。例如，有必要或希望在钻头体50 (图2)上设置大体上圆柱形的切削元件凹窝36。在图3E所示半生钻头体96中机加工出的切削 元件凹窝36可以是大体上圆柱形，并且可以具有比要形成在完全烧结 的钻头体50上的切削元件凹窝36的希望尺寸更大的尺寸(例如，直 径)以适应在烧结工艺期间的收缩。然而，在将半生钻头体96烧结到 最终密度之后，切削元件凹窝36可能具有阻碍接收切削元件34的尺 寸和/或形状。例如，在将半生钻头体96烧结到希望的最终密度之后， 一个或多个切削元件凹窝36可能过小或者不满足圆柱形或其它形状 要求。因此，有时候需要对处于完全烧结状态的钻头体50 (图2)进 行附加的机加工，这由于制造钻头体50的颗粒基体复合材料54(图2) 的相对耐磨和研磨性质而变得困难。除了切削元件凹窝36之外，还可 能在加工钻头体50的其它特征，例如流体通道、喷嘴凹部、排屑槽等 时遇到这种问题。
在烧结和部分烧结工艺期间，可以使用耐火结构或置换构件支撑 生钻头体或半生钻头体的至少一部分以在烧结工艺期间获得或保持希 望的几何特征(例如，大小和形状)。
图4A-4B显示了体现本发明教导的一个置换构件实例的置换构件
100。 如图所示，置换构件IOO可以是空心和通常圆柱形状。换句话说， 置换构件100可以包括至少一个由置换构件100的表面界定的内腔
101。 例如，置换构件IOO可以包括通常圆柱形外壁102。在一些实施 例中，置换构件IOO可以在第一端部104处由通常平面端壁106大体 上封闭，在第二端部108处基本敞开。在其它实施例中，置换构件100 可以具有任何简单或复杂的几何形状。
置换构件100可以主要由陶瓷或其它高温耐火材料构成，例如铝、 铈、镁、硅、锌和锆的氧化物和氮化物。 一些特定的非限制实例包括 氧化铝(A1203)、氮化铝(A1N )、氮化硼(BN ) 、 二氧化铈(Ce02)、 氧化镁(MgO) 、 二氧化硅(Si02)、四氮化三硅(Si3N4)、氧化锌 (ZnO)和氧化锆(Zr02)。可以使用在适当的烧结温度下保持固态 并且不会发生变形，以及不会以不利方式与钻头体50的材料发生反应 的任何陶瓷或其它高温耐火材料。此外，可以选择陶瓷或其它高温耐火材料以在从大约室温到烧结温度的温度范围内具有低平均线性热膨 胀系数。例如，可以选择陶瓷或其它高温耐火材料以在从大约室温到
烧结温度的温度范围内具有小于大约10.0xl0力纟聂氏度的平均线性热
膨胀系数。
在一些实施例中，至少置换构件100的外表面基本上不含碳，因 为碳会有害地与钻头体50的材料发生反应。在一些实施例中，整个置 换构件100基本上不含碳。例如，整个置换构件100可以包括大约一 原子百分比(1.0%)以下的碳。
通过使用具有空心或包括至少一个内腔的置换构件，例如置换构
件100，可以有助于将置换构件从完全烧结的钻头体50中取出。例如， 与毁坏或破坏大体上实心的置换构件相比，可以相对容易地毁坏、破 坏或以其他方式损坏具有空心或包括至少一个内腔的置换构件。
在一些实施例中，通常圆柱形外壁102和通常平面端壁106均为 大体上完全致密的(即，具有最小的孔隙度)。然而，在其它实施例 中，置换构件100(即，通常圆柱形外壁102和通常平面端壁106)可 以包括非常大的孔隙度，如下文详细描述的那样。
图5A-5B显示了体现本发明教导的另一个置换构件110,其提供 了置换构件的另一实例。如图所示，置换构件110可以包括大体上圆 柱形主体112。在其它实施例中，置换构件110可以具有任何其它简 单或复杂的几何形状。
置换构件110可以包括如上文就置换构件IOO描述的任何陶资或 其它高温耐火材料或由其制造而成。
如图5A-5B所示，在一些实施例中，置换构件IIO可以不是空心 的并且可以不包括任何内腔。然而，置换构件IIO可以包括相当大的 孔隙度。举例来说但未限制性的，按体积计算，置换构件110可以包 括大于大约百分之十(10%)的孔隙度。在一些实施例中，按体积计 算，置换构件110可以包括大约百分之二十(20%)到大约百分之七 十(70%)的孔隙度。更具体地，按体积计算，置换构件110可以包 括大约百分之三十(30%)到大约百分之五十(50%)的孔隙度。可以通过提供具有与希望置换构件110类似的开孔结构和形状的 多孔泡沫材料来形成这种多孔置换构件110。多孔泡沫材料的尺寸可 以大于希望的置换构件110，以解决随后在多孔置换构件110烧结期
间发生的收缩问题。作为实例但非限制性的，多孔泡沫材料可以包括
聚合材料。通过使包括要形成置换构件110的较细陶资颗粒悬浮在液
体中而可提供陶瓷浇铸浆。陶瓷浇铸浆可以渗入多孔泡沫材料的开孔 结构中。陶瓷浇铸浆的液体材料可以从多孔泡沫材料中蒸发或排出， 将较细陶瓷颗粒留在多孔泡沫材料中。干燥的泡沫结构可以在熔炉中 加热到足以使多孔泡沫材料的开孔结构中的陶瓷颗粒至少部分地烧结
的温度，并且使多孔泡沫材料烧掉或烧尽，只留下多孔置换构件110。 在另一方法中，聚合体前体(precursor)材料可以添加到陶瓷浇 铸浆中。陶瓷浇铸浆可以倒入模型或模具中，并且可以使聚合体前体 材料发生聚合反应。聚合体前体材料的聚合反应可以形成凝胶结构。 陶瓷浇铸浆中的陶瓷颗粒可以被捕获或保持在凝胶结构的聚合物网络 中。凝胶结构可以在熔炉中加热到足以使凝胶结构中的陶资颗粒至少 部分地烧结的温度，并且使聚合材料烧掉或烧尽，只留下多孔置换构 件110。 还可以使用任何其它方法(用于形成包括多孔陶资或其它高温耐 火材料)形成置换构件110。
通过使用包括具有相当大或非常大的孔隙度的材料的置换构件， 例如置换构件110，可以有助于将置换构件从完全烧结的钻头体50中 取出。例如，与类似地损坏大体上实心并且不包括孔隙的置换构件相 比，可以相对容易地毁坏、破坏或以其他方式损坏具有相当大或非常 大的孔隙度的置换构件。
在其它实施例中，置换构件110可以为空心的并且可以包括一个 或多个内腔，如前面就图4A-4B所示置换构件100描述的那样。
图6A-6B显示了体现本发明教导的另一个置换构件120，其提供 了置换构件的又一实例。如图所示，置换构件120可以包括大体上圆 柱形主体112,如前文就图5A-5B描述的那样。然而，置换构件120还包括外部区域122，其相对于主体112的内部区域具有减小的孔隙 度。举例来说但未限制性的，按体积计算，外部区域122可以包括大 约百分之十(10%)以下的孔隙度。在其它实施例中，置换构件120 的至少一部分外部区域122可以为大体上无孔隙的。在这个结构中， 置换构件120的至少一部分外表面可以是大体上无孔隙的。
举例来说但非限制性的，外部区域122可以包括布置在置换构件 120的主体112的至少一部分外表面上的涂层。在其它实施例中，外 部区域122可以包括主体112的整体部分，其相对于主体112的剩余 部分具有减小的孔隙度。此外，在一些实施例中，外部区域122可以 具有孔隙梯度，从靠近置换构件120的外表面的较小孔隙度到靠近置 换构件112的主体112的内部区域的较大孔隙度。在这种实施例中， 不能容易地识别主体112的外部区域122和内部区域之间的边界。
外部区域122可以大体上不含碳。举例来说但非限制性的，外部 区域122可以包括陶瓷或其它高温耐火材料，例如铝、铈、镁、硅、 锌和锆的氧化物和氮化物。
一些特定的非限制实例包括氧化铝 (A1203 )、氮化铝(A1N)、氮化硼(BN) 、 二氧化铈(Ce02)、 氧化镁(MgO) 、 二氧化硅(Si02)、四氮化三硅(Si3N4)、氧化锌 (ZnO)和氧化锆(Zr02)。在一些实施例中，用于形成区域122的 材料与用于形成主体112 (只是包括很少的孔隙或不包括孔隙)的材 料大体上相似或相同。可以利用例如化学气相淀积(CVD)工艺沉积 外部区域122。作为另一实例，可以通过将多孔体112沉浸在陶资浆 液中以涂覆多孔体112的外表面来形成区域122。作为又一实例，可 以通过将浆液涂刷或喷涂到多孔体112的外表面上来形成区域122。 作为又一 实例，可以在多孔陶瓷前身材料穿过收缩模具挤出以使模具 表面消除、抹除或以其他方式去除多孔陶瓷前身材料的外表面的孔隙 期间形成区域122。挤出的陶瓷前身材料的至少一部分随后烧结以形 成置换构件120。
外部区域122可以具有几微米到几亳米或以上的厚度。
图7A-7B显示了体现本发明教导的另一个置换构件124，其提供
17了置换构件的又一实例。如图所示，置换构件124可以包括大体上圆 柱形主体125。大体上圆柱形主体125可以是大体上完全致密的。换 句话说，大体上圆柱形主体125可以包括很少的孔隙或不包括孔隙。 图7C是大体上圆柱形主体125在放大情况下呈现的显微结构实例的 放大图。如图7C所示，大体上圆柱形主体125可以包括一种以上的 相。可以选择至少一种相以降低大体上圆柱形主体125的强度和/或断 裂韧度。举例来说但非限制性的，大体上圆柱形主体125可以包括具 有第一熔点的第一连续陶f:相126A和具有第二熔点的第二离散或间 断陶瓷相126B，所述第二熔点高于第一陶瓷相126A的第一熔点。
可以使用传统的陶瓷加工方法制成置换构件124的大体上圆柱形 主体125。这种传统的陶瓷加工方法包括例如用于形成生钻头体的传 统粉末加工和成形方法，所述生钻头体包括含有第一陶瓷相126A的 颗粒和含有第二陶瓷相126B的颗粒。这种生钻头体随后可以在至少 低于第二陶瓷相126B的第二、较高熔点的温度下烧结(使用固态烧 结法或液相烧结法)以形成置换构件124的大体上圆柱形主体125。
与只包括第 一 陶瓷相126A的全致密的通常圆柱形主体125相比， 第一陶瓷相126A和第二陶瓷相126B之间的接合面可以使通常圆柱形 主体125具有较低的强度和/或韧度。
举例来说但非限制性的，第一陶资相126A可以占通常圆柱形主 体125的大约百分之十(10%)到大约百分之九十(90%)体积比。 更具体地，第一陶瓷相126A可以占通常圆柱形主体125的大约百分 之二十五(25%)到大约百分之七十五(75%)体积比。更具体地， 第一陶瓷相126A可以占通常圆柱形主体125的大约百分之四十 (40%)到大约百分之六十(60%)体积比。
作为一个特别的非限制实例，第一陶瓷相126A可以包括氧化铝 (A1203 )，第二陶瓷相126B可以包括氧化镁(MgO)。在这个实例 中，包括氧化铝(A1203)颗粒和氧化镁(MgO)颗粒的生钻头体可 以在接近氧化铝(A1203 )熔点但低于氧化镁(MgO)熔点的温度下 至少部分地烧结。参考图8A，体现本发明教导的置换构件，例如，置换构件100、 110、 120、 124可以设置在形成于成形半生钻头体96上的一个或多个 凹部或其它特征中，如先前参照图3E所描述的那样。例如，置换构 件100、 110、 120、 124可以设置在每个切削元件凹窝36中。在一些 方法中，置换构件100、 110、 120、 124可以使用例如粘合剂固定在切 削元件凹窝36中的选定位置处。尽管没有显示，但可以在成形半生钻 头体96的附加凹部或特征，例如在流体通道、喷嘴凹部等内设置体现 本发明教导的附加置换构件。
在将置换构件100、 110、 120、 124设置在成形半生钻头体96的 凹部或其它特征中之后，成形半生钻头体96可以烧结到最终密度以提 供完全烧结的钻头体50 (图2)，如图8B所示。然而，在将成形半 生钻头体96烧结到最终密度之后，置换构件100、 110、 120、 124可 以保持固定在完全烧结钻头体50的不同凹部或其它特征中(例如，切 削元件凹窝36内)。置换构件100、 110、 120、 124可以从钻头体50 的切削元件凹窝36中取出，如图8C所示。
如前所述，置换构件IOO、 110、 120、 124可以被破坏或破碎成较 小块以有助于置换构件100、 110、 120、 124从完全烧结的钻头体50 中取出。通过使用体现本发明教导的置换构件(例如，置换构件IOO、 110、 120、 124)，置换构件可以容易地破坏或破碎，从而有助于将置 换构件从完全烧结的钻头体中取出。
在其它方法中，置换构件IOO、 110、 120、 124可以设置在大体上 完全成形的生钻头体(未显示)的凹部或其它特征中，大体上完全成 形的生钻头体随后可以烧结到最终密度以形成钻头体50。
参考图9，在形成钻头体50之后，切削元件34可以固定在切削 元件凹窝36中以形成钻地旋转钻头130。钻头体50还可以固定到钻 杆132上，所述钻杆具有用于将旋转钻头130连接到钻柱(未显示) 上的螺紋部分134。钻头体50还可以通过例如在钻头体50和钻柱132 之间设置铜焊料136而固定到钻杆132上。另外，可以沿着钻头体50 和钻杆132之间的接合面围绕旋转钻头130设置焊缝138。此外，可以使用 一个或多个销140或其它机械紧固构件将钻头体50和钻杆132 固定在一起。在提交于2005年11月10日的公开未审的美国专利申请 序列No.ll/271，153中详细描述了这种将钻头体50和钻杆132固定在 一起的方法。
参考图10，还可以在形成钻地旋转钻头的传统浸渗方法中使用体 现本发明教导的置换构件(例如，置换构件100、 110、 120、 124)。 例如，可以提供模型150，其可以包括下部152和上部154。体现本发 明的多个置换构件，例如，置换构件100、 110、 120、 124可以设置在 模型150的腔室156中的选定位置处。例如，置换构件100、 110、 120、 124可以设置在与切削元件凹窝36 (图2)、流体通道、喷嘴凹部等 相对应的位置处。
模型150中的腔室156可以充满包括硬质材料(例如，碳化鴒、 碳化钛、碳化钽等)的颗粒157。包括例如钢的金属或金属合金的预 成型坯158随后可以适当位置和朝向定位在模型150中。坯150至少 部分地浸没在模型内包括硬质材料的颗粒157中。
^^型150可以振动，或者颗粒157以其它方式压实以减少相邻颗 粒157之间的距离。基体材料(通常称作"粘结剂，，材料)可以熔化， 并且导致或允许包括硬质材料的颗粒157渗入模型150的腔室156中。 举例来说，基体材料可以包括铜或铜基合金。
作为非限制实例，包括基体材料的颗粒160可以设置在包括硬质 材料的颗粒157上，如图9所示。模型150，以及硬质材料颗粒157 和基体材料颗粒160可以加热到高于基体材料熔点的温度以使基体材 料颗粒160熔化。熔化的基体材料可以使包括硬质材料的颗粒157渗 入模型150的腔室156中。
模型150随后可以冷却以使基体材料凝固。钢坯158可以粘结到 颗粒基体复合材料上，所述颗粒基体复合材料在基体材料凝固时形成 最终的钻头体(未显示)。当钻头体冷却时，钻头体可以从模型中取 出，并且各种置换构件100、 110、 120、 124可以从钻头体中取出。通 过在用于形成钻地旋转钻头的钻头体的浸渗法中使用体现本发明教导的置换构件(例如，置换构件100、 110、 120、 124)，可以有助于将 置换构件100、 110、 120、 124从钻头体中取出。
如前所述，在形成至少部分地围绕置换构件的钻头体之后，体现 本发明教导的置换构件可以更为容易地从钻头体中取出。此外，相对 于本领域已知的置换构件，体现本发明教导的置换构件与形成钻头体 的材料相比具有更大的化学惰性。另外，通过使用与形成钻头体的材 料相比具有更大化学惰性的置换构件，体现本发明教导的置换构件可 以更精确或精密地界定围绕置换构件形成的钻头体的不同特征的希望 几何结构。
尽管这里参照在形成包括固定牙轮的钻地旋转钻头中使用的置换 构件对本发明的教导进行了描述，但是可以使用体现本发明教导的置 换构件形成其它钻地工具，例如，取芯钻头、偏心钻头、双中心钻头、 扩眼钻头、铣刀、刮刀钻头、牙轮钻头，并且本领域已知的其它这类 结构可以通过体现本发明教导的方法制造而成。此外，可以使用体现 本发明教导的置换构件形成任何产品，其中，当产品至少部分地围绕 置换构件形成时，有必要或希望使用置换构件以界定产品表面。
尽管这里已经相对于特定的优选实施例对本发明进行了描述，但 是本领域的普通技术人员应当考虑和认识到本发明不限于此。相反， 在不脱离如下文要求保护的本发明范围的情况下，可以对优选实施例 进行多种增加、删除和改变。另外， 一个实施例的特征可以与另一个 实施例的特征结合，但仍然处于由本发明人考虑的发明范围内。
权利要求
1.一种在形成钻地旋转钻头的至少一部分钻头体时使用的置换构件，所述置换构件包括具有外表面的主体，所述外表面构造为在钻头体至少部分地围绕置换构件形成时界定钻地旋转钻头的钻头体的至少一个表面，所述置换构件的主体包括下列至少之一由所述置换构件的表面界定的内腔；和具有大约百分之二十(20％)到大约百分之七十(70％)体积比的孔隙度的材料。
2. 如权利要求1所述的置换构件，其中，所述置换构件主体的至 少外表面大体上不含碳。
3. 如权利要求1所述的置换构件，其中，所述置换构件的主体大 体为圆柱形。
4. 如权利要求1-3中任意一项所述的置换构件，其中，所述置换 构件的主体为空心的，并且包括大体上封闭的第一端部和相对的、大 体上敞开的第二端部。
5. 如权利要求1-4中任意一项所述的置换构件，其中，所述置换 构件的主体包括陶瓷材料。
6. 如权利要求5所述的置换构件，其中，所述陶瓷材料包括氧化 铝(A1203)、氮化铝(A1N )、氮化硼(BN ) 、 二氧化铈(Ce02)、 氧化镁(MgO) 、 二氧化硅(Si02)、四氮化三硅(Si3N4)、氧化锌(ZnO)和氧化锆(Zr02)中至少之一。
7. 如权利要求1-6中任意一项所述的置换构件，其中，所述置换 构件的主体包括具有大约百分之三十(30% )到大约百分之五十(50% ) 体积比的孔隙度的材料。
8. 如权利要求1-7中任意一项所述的置换构件，其中，所述置换 构件的主体还包括大体上无孔隙外部区域，所述无孔隙外部区域包括 所述置换构件的至少一部分外表面。
9. 一种用于形成钻地旋转钻头的钻头体的方法，所述方法包括形成至少 一个包括有主体的置换构件，所述主体具有至少下列之由所述至少一个置换构件的表面界定的内腔；和 具有大约百分之二十(20%)到大约百分之七十(70%)体 积比的孔隙度的材料；围绕所述至少一个置换构件形成钻地旋转钻头的至少一部分钻头 体j 和使用所述至少 一个置换构件界定所述钻地旋转钻头的至少 一部分 表面。
10. 如权利要求9所述的方法，其中，围绕所述至少一个置换构件 形成钻地旋转钻头的至少一部分钻头体包括使所述至少一个置换构件定位在模型腔室内的选定位置处； 使所述模型腔室充满多个硬质颗粒；和 使所述多个硬质颗粒渗入熔化的基体材料。
11. 如权利要求10所述的方法，还包括，选择所述模型腔室内的 选定位置以对应于钻地旋转钻头的切削元件凹窝的位置。
12. 如权利要求9所述的方法，其中，围绕所述至少一个置换构件 形成钻地旋转钻头的至少一部分钻头体包括压制多个硬质颗粒和包括基体材料的多个颗粒以形成生钻头体或 半生钻头体；在所述生钻头体或半生钻头体上形成至少一个凹部； 将所述至少一个置换构件至少部分地插入所述至少一个凹部中；和将所述生钻头体或半生钻头体烧结到最终密度以形成所述钻地旋 转钻头的至少一部分钻头体。
13. 如权利要求12所述的方法，其中，在所述生钻头体或半生钻 头体上形成至少一个凹部包括将所述至少一个凹部构造为形成钻地旋 转钻头的切削元件凹窝。
14. 如权利要求9-13中任意一项所述的方法，还包括形成多个均包括有主体的置换构件，所述主体具有至少下列之一 由所述至少一个置换构件的表面界定的内腔；和 具有大约百分之二十(20%)到大约百分之七十(70%)体 积比的孔隙度的材料；围绕所述多个置换构件形成钻地旋转钻头的至少一部分钻头体；和使用所述多个置换构件在钻地旋转钻头的表面上界定多个切削元 件凹窝。
15. 如权利要求9-14中任意一项所述的方法，其中，形成至少一 个置换构件还包括使所述至少 一个置换构件的主体成形以具有大体圆 柱形形状。
16. 如权利要求9-15中任意一项所述的方法，其中，形成至少一 个置换构件还包括用陶瓷材料形成所述至少一个置换构件的主体。
17. 如权利要求16所述的方法，其中，形成所述至少一个置换构 件的主体还包括用氧化铝(A1203 )、氮化铝(A1N)、氮化硼(BN)、 二氧化铈(Ce02)、氧化镁(MgO) 、 二氧化硅(Si02)、四氮化三 硅(Si3N4)、氧化锌(ZnO)和氧化锆(Zr02)中的至少一种形成所 述至少一个置换构件。
18. 如权利要求9-17中任意一项所述的方法，其中，形成至少一 个置换构件还包括使所述至少一个置换构件的主体具有大体上不含碳 的至少一个外表面。
19. 如权利要求9-18中任意一项所述的方法，其中，形成至少一 个置换构件还包括由具有大约百分之三十(30%)到大约百分之五十(50%)体积比的孔隙度的材料制造所述至少一个置换构件的主体。
20. 如权利要求9-19中任意一项所述的方法，还包括将所述至少 一个置换构件的主体制造为空心的，并且所迷主体包括大体上封闭的 第一端部和相对的、大体上敞开的第二端部。
全文摘要
在形成钻地旋转钻头的钻头体时使用的置换构件(68，100，110，120，124)包括具有外表面的主体，所述外表面的至少一部分构造为在围绕置换构件形成钻头体时界定钻头体的至少一个表面。在一些实施例中，所述主体可以为空心和/或多孔的。用于形成钻地旋转钻头的方法包括使所述置换构件定位在模型(62，150)中并且在模型中围绕置换构件形成钻头体。附加的方法包括压制多个颗粒以形成主体，在所述主体上形成至少一个凹部，使所述置换构件定位在所述凹部内，以及将所述主体烧结以形成钻头体。
文档编号B22F3/12GK101588884SQ200780050311
公开日2009年11月25日 申请日期2007年12月7日 优先权日2006年12月7日
发明者J·H·史蒂文斯, R·H·史密斯 申请人:贝克休斯公司