具有改善的耐腐蚀性的牙轮钻头的制作方法

发明背景

本公开总的涉及一种具有改善的耐腐蚀性的牙轮钻头。

背景技术：

美国专利第4,303,137号公开了一种用于制造用于钻探油井等的岩石钻头的碳化钨刀片式牙轮(cuttercone)的方法。牙轮坯体由中高碳钢通过锻造和加工制成。牙轮坯体具有大致圆锥形的外表面、大致圆柱形的内部轴承腔以及在轴承腔中周向延伸的滚珠轴承座圈。牙轮坯体通过淬火和回火至所需的芯部硬度而进行热处理。刀片孔在经过热处理的牙轮坯体的外表面上钻出，以插入碳化钨刀片。滚珠座圈的表面选择性地通过加热和淬火来硬化，以形成具有比芯部硬度高的硬度的表面层。滚珠座圈的选择性硬化通过由感应加热、电子束或激光束向滚珠座圈的表面施加能量以对迅速冷却硬化的表面层进行奥氏体化来实现。

美国专利第4,708,752号公开了如下内容：钻头的牙轮的中高碳钢本体加工成最终尺寸，然后通过涂覆黑色涂料或黑色蚀刻使其能吸收激光。硬质碳化钨等制成的刀片的孔在吸光钢本体中钻出。包括孔的整个钢本体经受激光处理，然而，激光处理仅有效地将深色光吸收表面升高到奥氏体化温度之上。光亮的刀片孔的孔壁反射激光并且不受其影响。激光加热表面的快速自淬火导致外表面中的硬质马氏体层，该硬质马氏体层具有57至60个rockwellc单位的表面硬度。牙轮的密封压盖、踵部和主轴孔区域类似地通过暴露于激光来硬化。在替代工艺中，硬质碳化钨等制成的刀片在激光处理之前压配合到孔中。随后的激光处理不会不利地影响刀片，这是因为刀片也具有光亮的光反射表面，因此不吸收激光。

美国专利第5,975,223号公开了用于旋转破碎加工岩石的岩石钻头。该岩石钻头包括腿部，每个腿部载有轴颈，所述轴颈具有轴承表面，轴承表面通过轴承元件与设置有刀片或凿子的可旋转的牙轮中的轴承座圈协配。每个腿部由具有基本均匀硬度的母体材料制成，并且每个腿部包括设置用以阻止钻屑进入轴承的腿部尾部。轴承表面具有比母体材料高的耐磨性，并且腿部尾部至少部分地具有与轴承表面相同的材料条件。该发明还涉及一种制造岩石钻头的方法。

美国专利第7,210,377号公开了一种形成钻头结构的方法，该方法包括将间隔件固定到钻头结构上。间隔件被布置在钻头结构的外表面上的预先选择的位置处。接着，将表面硬化材料涂覆到钻头结构，并且间隔件被移除。孔在预选位置处被加工在钻头结构中，并且钻削刀片位于每个孔中。一种形成钻头结构的方法，所述方法包括将表面硬化材料涂覆到钻头结构的选定表面。表面硬化材料包括穿孔碳化物渗透材料和穿孔粉末渗透材料。粉末渗透材料中的穿孔对应于碳化物渗透材料中的穿孔。孔在穿孔位置处被加工在钻头结构中，并且钻削刀片位于每个孔中。

美国专利第8,307,920号公开了一种钻地钻头，其包括具有切削刀盘的切削牙轮。压实体(compacts)插入切削刀盘内，其具有设置成与切削刀盘周界齐平的凿子状端部。压实体的峰部和切削刀盘周界形成大致无缝切削表面。切削牙轮能够进一步包括在其上也具有齐平安装的压实体的切削齿。压实体可以由诸如硬质合金、表面硬化、钨、钨合金、碳化钨的材料制成并且刀具由钢制成。

技术实现要素：

本公开总的涉及一种具有改善的耐腐蚀性的牙轮钻头。在一个实施例中，一种制造钻头的牙轮的方法包括：对刃带(land)上的多个点(spot)之间的牙轮的刃带选择性地进行渗碳，以防止腐蚀；在渗碳后，在牙轮中于所述点处形式凹座；以及将金属陶瓷刀片安装在凹座中。

附图说明

因此，本公开的更具体的描述可以以本公开的上述特征可详细了解的方式，通过参考实施例进行简要概述，其中一些实施例在附图示出。然而，应当注意，附图仅示出了本公开的典型实施例，并且因此不应将其视为对其范围的限制，因为本公开可允许其它同等有效的实施例。

图1a-图1d示出了根据本公开的一个实施例的第一牙轮的锪平。

图2a示出了具有通过锪平产生的平坦部的第一牙轮。图2b示出了将抑制剂涂覆到其中一个平坦部。图2c示出了具有被涂覆到平坦部的抑制剂的第一牙轮。

图3a示出了第一牙轮的渗碳。图3b和图3c示出了在其中一个平坦部处形成凹座。

图4a示出了第二牙轮，其具有形成在平坦部中的凹座。图4b示出了将刀具刀片压入其中一个凹座中。

图5示出了具有压入凹座中的刀具刀片的第一牙轮。

图6示出了具有多个牙轮的钻头。

图7示出了根据本公开的另一实施例的第一牙轮的渗碳。

具体实施方式

图1a-图1d示出了根据本公开的一个实施例的第一牙轮1a的锪平。第一牙轮1a可出自圆锥形状的锻造钢体。处理凹座2可以形成在钢体的后部中，用于将其安装到诸如车床的机床的主轴3上。车床可以是手动操作的或cnc。一个或多个刃带(诸如踵部刃带4a、保径刃带4b、内部刃带4c以及前端刃带(noseland)4d)可以使用车床例如通过车工形成在钢体的外表面中。

一旦已经形成了刃带4a-4d，则主轴3可以锁定，并且锪平刀具5可以旋转6并插入7p其中一个刃带(诸如保径刃带4b)的外表面，直到平坦部8形成。锪平刀具5可以是沉孔钻头(图示)或端铣刀(未示出)，并且如果是端铣刀，则可以在插入7p之后铰孔(articulate)以形成平坦部8。锪平刀具5可以手动插入7p或通过cnc机床插入和铰孔。一旦平坦部8已经形成，则锪平刀具5可以升起7r并且主轴3可以解除锁定并且旋转9预定增量。一旦旋转该增量，则主轴3可以重新锁定并且锪平刀具5用于形成第二平坦部。锪平过程可以重复，直到一组平坦部已经形成在所选定的刃带4b周围。

虽然示出了锪平刀具5在竖直方向上，但是锪平刀具5可以替代地在水平方向上。

图2a示出了具有通过锪平产生的平坦部8的第一牙轮。一旦所选定的刃带4b已经锪平，则锪平过程可以对其它刃带4a、4c、4d重复进行。每个平坦部8可以是圆形的并且对应于可稍后安装刀片的位置。一旦平坦部8已经形成，则处理凹座2可以例如通过加工扩大，以形成用于将第一牙轮1a安装到钻头的腿部(未示出)上的轴承轴容座(未示出)。

图2b示出了将抑制剂涂覆到其中一个平坦部8。一旦轴承轴座已经形成，则可以将抑制剂10涂覆到其中一个平坦部8，以保护邻近该平坦部的第一牙轮1a的区域免于渗碳。抑制剂10可以是金属涂料或糊料，并且可以使用刷子11涂覆。抑制剂涂料或糊料可以用对碳几乎没有或没有亲和性的基底金属(诸如铜)配制。抑制剂10可以手动涂覆，或者涂覆可以是自动化的，例如通过机器人。

有利地，对于抑制剂10的手动涂覆，平坦部8提供清晰的视觉引导。

可替代地，抑制剂10可以使用诸如喷枪(airbrush)(示出)或喷漆枪(spraygun)(未示出)的喷射器涂覆。可替代地，锪平可以被省略，并且抑制剂10可以通过模板(未示出)覆盖第一牙轮1a锥体来手动涂覆，所述模板具有形成在其中的孔，用于引导抑制剂涂覆到其刃带4a-4d的点(对应于平坦部8而没有改变第一牙轮1a的外表面)上。可替代地，锪平可以被省略，并且抑制剂10可以通过编好程序的机器人(未示出)涂覆，以将抑制剂涂覆到其刃带4a-4d的点(对应于平坦部分8而没有改变第一牙轮1a的外表面)上。

图2c示出了具有涂覆到平坦部8的抑制剂10的第一牙轮1a。接着，抑制剂10的涂覆可以针对第一牙轮1a的其余平坦部8重复进行。

图3a示出了第一牙轮1a的渗碳。一旦抑制剂10已经涂覆到所有平坦部8并且已经允许固化，则第一牙轮1a可以被装到渗碳炉12中。渗碳炉12可以包括壳体13、加热元件14、诸如可编程逻辑控制器(plc)的控制器15、温度传感器16、碳势传感器17、反应器18和电源(未示出)。

反应器18可以被安装到壳体13的侧壁并延伸穿过其中的开口。反应器18可以包括多根同心管，例如进料管18f、燃烧管18c、加热器管18h和发生器管(generatortube)18g。反应器18还可以包括歧管18m，该歧管18m具有与进料管18f流体连通的第一入口，用于向该进料管18f供应燃料19。反应器18还可以包括连接到进料管18f的远端的扩散器18d和设置在与扩散器相邻的燃烧管18c内的点火器(未示出)。歧管18m还可以具有与燃烧管18c流体连通的第二入口，用于向该燃烧管18c供应诸如空气20的氧化剂。空气20可以沿形成在进料管18f与燃烧管18c之间的环形空间向下流到扩散器18d，以与燃料19混合。燃烧管18c的端部可以封闭，以将由燃料19和空气20的燃烧产生的废气21沿形成在燃烧管18c与加热器管18h之间的环形空间向上转移到歧管18m的出口。歧管18m还可以具有将出口与第二入口隔离的挡板。

歧管18m还可以具有与发生器管18g流体连通的第三入口，用于向该发生管18g供应空气和浓缩燃气的混合物22。浓缩燃气可以是烃或碳氧化物。混合物22可以沿形成在发生器管18g与加热器管18h之间的环形空间向下流动，以被反向流动的废气21和/或来自燃烧的辐射加热。反应器18还可以包括沿形成在发生器管18g和加热器管18h之间的环形空间的一部分填充的催化剂18y，以促进混合物22裂化。催化剂18y可以是金属性的，例如电解镍。裂化的混合物(未示出)可从发生器管排放到形成在壳体13中的腔室中，以在其中建立渗碳气氛。

在装入第一牙轮1a之前，炉12可以被预热到渗碳温度，并且反应器18运行，以建立渗碳气氛。第一牙轮1a可以被装入并允许在炉中静置足以使其未被抑制部分渗碳的预定时间段23。抑制剂10可保护平坦部8免受其渗碳。

一旦第一牙轮1a的渗碳完成，则第一牙轮可以从渗碳炉12卸出并淬火。接着，第一牙轮1a可以被装到热处理炉(未示出)中并在其中回火。

可替代地，反应器18可以被省略，并且第一牙轮1a可替代地填充渗碳材料。可替代地，反应器18可以是与炉12分离的单元，并且裂化的混合物可以通过管道输送至该单元。

图3b和图3c示出了在其中一个平坦部8处形成凹座24。一旦第一牙轮1a已经淬火且回火，则钻头25d可以快速旋转6并且插入7p到平坦部8中，以在第一牙轮1a中形成先导孔26。一旦先导孔26已经形成，则铰刀25r可以快速旋转6并插入7p到先导孔26中，以在第一牙轮1a中形成凹座24。一旦凹座24已经形成到平坦部8中，则钻孔和铰孔过程可以针对其余的平坦部8重复进行，以在第一牙轮1a中形成凹座24。每个平坦部8可以相对于相应的凹座24稍微尺寸过大，以防止渗碳泄漏到相应的凹座24中。每个平坦部8的直径可以大于相应的凹座24的直径，例如大10％至60％，以防止泄漏。尺寸过大可以被限制，使得刃带4a-4d的剩余部分仍然通过渗碳来充分保护，以免受磨损和/或腐蚀。

图4a示出了具有形成在平坦部8中的凹座24的第二牙轮1b。当锪平、涂覆抑制剂10、渗碳和凹座形成过程在第一牙轮1a上进行时，这些过程可以在第二牙轮1b和第三牙轮1c(图6)上同时或一个紧接一个地进行。

图4b示出了将刀具刀片27压入其中一个凹座24中。每个刀具刀片27可以由诸如硬质合金的金属陶瓷制成。硬质合金可以是钴钨碳化物。每个刀具刀片27可以具有圆柱形基部和从基部延伸的前端(nose)。每个前端可以是穹顶状、圆锥形或凿子状，例如保径刃带4b的每个刀具刀片27具有凿子状前端，并且内部刃带4c和前端刃带4d的每个刀具刀片具有圆锥形前端。每个基部可以具有比相应的凹座24的直径稍大的直径，以在它们之间形成过盈配合。为了将每个刀具刀片27安装到相应的凹座24中，套筒28可以被安装到相应的刀具刀片的前端上。相应的刀具刀片27的基部可以与相应的凹座对准，并且槌子29可以挥动30，以敲击套筒28，从而将刀具刀片27压入相应的凹座24中。

可替代地，每个刀具刀片27的基部可以具有比相应的凹座24的直径略小的直径，并且切削刀片可以例如通过钎焊而不是过盈配合安装在相应的凹座中。

图5示出了具有压入凹座24中的刀具刀片27的第一牙轮1a。一旦刀具刀片27已经压入相应的凹座24中，则按压可以针对刃带4b-4d的剩余凹座24中的每一个重复进行。对于踵部刃带4a，稳定器刀片32可以压入其相应的凹座24中。每个稳定器刀片32可以由诸如硬质合金的金属陶瓷制成。硬质合金可以是钴钨碳化物。每个稳定器刀片32可以是圆柱形，并可以具有比相应的凹座24的直径稍大的直径，以在它们之间形成过盈配合。每个稳定器刀片32可以以类似于上述刀具刀片27的方式的方式压入相应的凹座中。

可替代地，每个稳定器刀片32的基部可以具有比相应的凹座24的直径略小的直径，并且稳定器刀片可以例如通过钎焊而不是过盈配合安装在相应的凹座中。

图6示出了具有牙轮1a-1c的钻头33。钻头33可以包括本体(未示出)和牙轮1a-1c。牙轮1a-1c的前端刃带4d和内部刃带4c可以相对于彼此偏移，以形成连续的切削轮廓。第三牙轮1c还可以具有邻近其保径刃带4b并在其外表面中形成的外部刃带4e。外部刃带4e的平坦部8、凹座24和刀具刀片27可以相对于其尺寸过大，从而与其保径刃带4b交叠。

本体可以具有用于每个牙轮1a-1c的上柄部和下腿部。本体可以由金属或合金制成(诸如钢)。每个腿部可以例如通过焊接而附接到柄部。腿部可以绕本体等距离间隔开，例如三个腿部以一百二十度间隔开。柄部可以具有诸如螺纹销的联接器，该联接器形成在柄部的上端处，用于连接到用于钻井的钻柱的井下组件的另一构件。孔可以形成在柄部中，并且可以从其上端延伸到邻近其下端的形成在其中的增压室。

每个腿部可以具有上肩部、中间衬衫下摆状部分(shirttail)、下轴承轴和开口凸台。每个腿部的上肩部、中间衬衫下摆状部分、开口凸台和轴承轴可以例如通过一体成型和/或焊接在一起而彼此连接。每个开口凸台可以经由形成在柄部中的相应的端口与增压室流体连通，并且可以具有固定在其中的喷嘴，以将凿钻流体排放到相应的牙轮1a-1c上。每个轴承轴可以沿径向倾斜方向从相应的中间衬衫下摆状部分延伸。每个轴承轴可以具有用于支承其相应的牙轮1a-1c的旋转的轴颈。每个腿部可以具有润滑剂储存部(lubricantreservior)和润滑剂通道，所述润滑剂储存部形成在该腿部中，所述润滑剂通道从该润滑剂储存部延伸到形成在轴承轴与相应的牙轮1a-1c之间的相应的轴颈轴承。润滑剂可以通过诸如o形环的密封件而保持在每个腿部内，该密封件位于相应的牙轮1a-1c与轴承轴之间的密封压盖中。每个腿部还可以具有与润滑剂储存部流体连通并由压力补偿器封闭的填充端口。

每个牙轮1a-1c可以通过多个滚珠(未示出)安装到相应的腿部上，该多个滚珠接纳在由每个牙轮和相应的轴承轴中的对准槽形成的座圈中。滚珠可以通过形成在每个腿部中的滚珠通道而馈送到每个座圈，并通过相应的滚珠塞保持在其中。每个滚珠塞可例如通过焊接而附接到相应的腿部。每个衬衫下摆状部分的上边缘和下边缘可以通过用陶瓷或金属陶瓷材料进行相应的表面硬化而被保护免于腐蚀和/或磨损。每个衬衫下摆状部分的外表面也可以通过例如通过过盈配合或钎焊固定到其凹座中的稳定器刀片来被保护免于腐蚀和/或磨损。

可替代地，任何一个或所有牙轮1a-1c的内部刃带4c和/或前端刃带4d的每个刀具可以是通过陶瓷或金属陶瓷材料表面硬化的铣削齿，而不是刀具刀片27。可替代地，润滑剂系统可以从钻头33中省略，并且钻头可以用于采矿操作而不是井眼钻探操作。

图7示出了根据本公开的另一实施例的第一牙轮36的渗碳。可以将促进剂37涂覆到第一牙轮36的除了平坦部8之外的其所有表面，而不是使用抑制剂10来使第一牙轮1a选择性渗碳。第一牙轮36可以反而与第一牙轮1a相同。促进剂37可以是富含碳的涂料或糊料，并且可以使用刷子11或其任何上述替代物来涂覆。

一旦促进剂37已经被涂覆并且允许固化，则第一牙轮36可以被装到炉34中。炉34可以包括壳体35、加热元件14、plc15、温度传感器16和电源(未示出)。在将第一牙轮36装入之前，炉34可以被预热到渗碳温度。第一牙轮36可以被装入并允许在炉中静置足以使其促进部分渗碳的预定时间段23。

一旦第一牙轮36的渗碳完成，则第一牙轮可以从渗碳炉34卸出并淬火。接着，第一牙轮36可以被装到热处理炉(未示出)中并在其中回火。一旦热处理已经完成，则凹座可以在平坦部8处形成在第一牙轮36中，并且刀片可被压入凹座中，如上面针对第一牙轮1a所讨论的那样。另外两个牙轮可以以类似的方式加工，并且该三个牙轮被安装到钻头的腿部，如上所述。

可替代地，锪平可以省略，并且促进剂37可以通过用模板(未示出)覆盖第一牙轮1a锥体来手动涂覆，用于引导促进剂涂覆在其刃带的点(对应于平坦部8而没有改变的第一牙轮1a的外表面)之间以及涂覆到其表面的其余部分。可替代地，锪平可以省略，并且促进剂37可以通过编好程序的机器人(未示出)涂覆，以将抑制剂涂覆在其刃带的点(对应于平坦部分8而没有改变第一牙轮1a的外表面)之间以及涂覆到其表面的其余部分。

虽然前述内容涉及本公开的实施例，但是本公开的其它和进一步实施例可以在不偏离本公开的基本范围的情况下设计出，并且本公开的范围由所附权利要求书来确定。