完全渗透式旋转钻头的制作方法

本申请要求提交于2014年5月13日的美国临时专利申请No.61/992,654的优先权，该临时专利申请全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及旋转钻头。更具体地讲，本发明涉及完全渗透式旋转钻头。

背景技术：

旋转钻头被广泛用于地下钻探的钻孔或钻井。已经有许多类型的钻机和相关的方法用于这类钻探。常见的钻探使用附着在钻柱一端的旋转钻头。旋转钻头通常包括固定在钻头主体表面区域上的多个切削元件。钻柱包括管和用于将定位在钻孔底部的钻头联接到地表上的其他钻探设备的设备区段。可使用旋转平台或顶部驱动来转动钻柱和钻孔中的钻头。另外，钻头的柄部可直接联接到井下电机的驱动轴上，井下电机随后即可用于转动钻头。

旋转钻头，特别是在覆盖着切削元件的切削端上，通常为盘状或大致为圆柱形。每个切削元件都具有的切削表面通常由硬质超耐磨材料(例如多晶金刚石)制成，元件的端面通常为大致圆形的形式，这样的元件通常被称为“聚晶金刚石复合材料”(PDC)切削器。有多种类似的钻头形式可供使用；然而，切削元件通常与钻头主体分别制造，然后安装在形成于钻头主体外表面的凹槽中。切削元件可通过任何合适的方式固定，例如，通过使用粘结材料，包括各种粘合剂，或更通常的是，各种铜焊合金。钻头主体固定在具有美国石油学会(API)螺纹连接的硬化钢柄上，用于将钻头附着在钻柱上。使用时，切削元件及其切削表面与待钻地层接触。钻头旋转时，切削元件逐渐削去下伏地层的表面，从而形成钻孔。

旋转钻头的钻头主体可由钢形成；然而，这类钻头主体会发生磨损，磨损的速率会根据钻探环境的不同而具有明显的差异。为了减少磨损并延长使用寿命，钻头主体也使用颗粒基质复合材料制作。

颗粒基质复合材料的钻头主体先用具有加工腔的石墨模具制成。可通过手持工具，向石墨模具的腔中添加其他的精细特征结构。还可使用由沙子、粘土或其他材料制成的插入件或芯来获得一些理想的钻头主体特征构造。如果有必要，预成型元件或替代件(可由任何合适的材料制成，包括陶瓷部件、石墨部件或具有树脂包覆的致密沙部件)可定位在模具内并用于限定各项特征结构，包括内部通道、切削元件凹槽、排屑槽和钻头主体的其他外部构型或内部特征结构。石墨模具的腔填充有硬质颗粒状的碳化物材料(诸如碳化钨、碳化钛、碳化钽等)。随后将预成型钢坯以合适的位置和取向定位在模中，该钢坯通常至少部分沉入模具内的颗粒状碳化物材料中。

随后可振动模具或将颗粒压紧以提高碳化物粉末的填充密度并形成粉末形式。将基质材料(例如铜基合金)熔化并引入到碳化物粉末中，使得熔融的基质材料渗透到粉末形式中。模具和钻头主体可进行冷却，以使基质材料固化并将钢坯连接到颗粒基质复合材料上形成冠部。从钻头主体上移除模具和所有替换件。移除钻头主体时通常需要破坏石墨模具。

一旦钻头主体从所述模具中移除，就会长期固定在钢柄上。可在钢坯的表面上通过机械加工形成螺纹形式，以在钻头主体和钢柄之间提供螺纹连接。

尽管钢坯可提供了通常可接受的连接钢柄和钻头主体的方式，但渗透期间模具中的坯可发生偏移，导致坯无法与钻头主体对齐，因而导致钻头主体无法使用，或需要对钻头主体进行额外的加工或其他返工。另外，引入坯作为额外的部件需要在渗透之前先对其进行去污或清洁，以确保坯和金属基质之间的冶金结合。除此以外，根据坯所用的材料，坯和基质材料之间的相互作用可导致两者界面处相的形成，并可因而在使用钻头的过程中导致裂缝的形成和扩大。

尽管含有颗粒基质复合材料的钻头主体相比于全钢的钻头主体在耐磨损和腐蚀方面有明显的优势，但此类钻头主体的低强度和低硬度限制了它们在某些特定应用中的运用。改进这些颗粒基质复合材料的硬度、强度或其他性质，就能扩大这类钻头主体的应用范围。

技术实现要素：

本发明涉及包括钻头主体的旋转钻头，该主体包括至少一种颗粒基质复合材料和一种粘合材料。在一方面，至少一种颗粒基质复合材料中的每一种均具有颗粒材料组合物，该颗粒材料组合物还具有颗粒材料熔融温度。另一方面，该粘合材料具有不统一颗粒材料组合物的粘合材料组合物。在这一方面，粘合材料组合物具有低于颗粒材料熔融温度的粘合材料熔融温度。

在又一方面，颗粒基质材料组合物和粘合材料组合物中的至少一种可由基质材料和分散在该基质材料各处的多个硬质颗粒构成。

一旦形成，所述粘合材料渗透进颗粒基质复合材料并基本上将其封装，以形成基本上均匀的颗粒微结构。在这一方面，预期颗粒基质复合材料在钻头的形成过程中基本上不会熔融。

附图说明

本发明的优选实施例的这些和其他特征在参照附图的详细描述中将变得更加显而易见，其中：

图1是本文所公开的旋转钻头的一个示例性实施例的部分示意性剖面图。

图2是本文所公开的旋转钻头的第二个示例性实施例的部分示意性剖面图。

本文呈现的图示，并非意指任何特定材料、装置、系统或方法的实际视图，而仅仅是本文所公开内容的理想化代表。另外，各图中相同的元件可保留相同的数字标识。

具体实施方式

通过参照以下详细说明、实例、附图和权利要求及其以上和以下的说明可更加容易地理解本发明。然而，在公开并描述本发明装置、系统和/或方法之前，应当理解，除非另有指明，本发明并不局限于所公开的具体装置、系统和/或方法，因为此类具体装置、系统和/或方法理所当然可能会发生变化。也应当了解本文所用的术语仅是为了描述特定方面，而不旨在进行限制。

本发明的以下描述被提供为以当前熟知的最佳实施例实现本发明的教导。为此，相关领域的技术人员将认识和理解，可在本文描述的本发明的各个方面作出许多更改，同时仍能获得本发明的有益效果。还显而易见的是，可以通过选择本发明的一些特征而不利用其他特征来获得本发明的一些所需的有益效果。因此，本领域的技术人员将认识到，对本发明做出的许多修改和调整是可能的，并且在某些情况下甚至是期望的，并构成本发明的一部分。因此，以下描述被提供为本发明的原理的示例性说明而并非限制本发明。

如全文所用，除非上下文清楚地另外指明，单数形式的“一个”、“一种”以及“所述”包括复数涵义。因此，例如，提及“一种颗粒基质复合材料”可包括两个种或更多种此类颗粒基质复合材料，除非上下文另有指示。

范围在本文中可被表达为始于“约”某一特定值和/或止于“约”另一特定值。当表达此类范围时，另一方面包括从一个特定值和/或至另一特定值。类似地，当采用先行词“约”将数值表达为近似值时，应当理解，该具体值也构成了另一个方面。还应理解，每个范围的端值相对于另一个端值，还是不取决于另一个端值来说，都是有意义的。

如本文所用，术语“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且所述描述包括其中发生所述事件或情况的实例和其中不发生所述事件或情况的实例。

如本文所用，术语“[金属]基合金”(其中[金属]为任意金属)除了金属合金以外，还指工业纯[金属]，其中合金里的[金属]重量百分比高于该合金中其他成分的重量百分比。如果该种类中列出了两种或更多种的金属，则所列金属的重量百分比的组合高于合金中其他成分的重量百分比。

如本文所用，术语“材料组合物”指化学组合物和材料的微结构。也就是说，具有相同化学组分但不同微结构的材料被认为是具有不同的材料组分。

如本文所用，术语“碳化钨”指以任意化学计量或非化学计量的比例或百分比包含钨和碳的化学化合物的任意材料组合物，例如，WC、W₂C以及WC和W₂C的组合。碳化钨包括该材料的任意形态学形式，例如，铸型碳化钨、烧结碳化钨、单晶碳化钨和粗晶碳化钨。

图1示出了一种具有钻头主体20的钻探式旋转钻头10。钻头主体20具有被配置成啮合地下地层的远端切削区域22以及被配置成选择性的联接到钻柱上的近端螺纹区域24。一方面，该近端螺纹区域限定了沿钻头主体纵向轴线延伸的开放式内腔26。还可预期，被构造成配套地啮合并附接到钻柱的螺纹28可形成于开放式内腔的内壁表面。如本发明所预期，钻头主体为完全渗透式，并且因此不会需要长期固定到地下支撑柄上。

在另一方面，钻头主体20包括至少一种渗透了粘合材料的颗粒基质复合材料，使得至少一种颗粒基质复合材料被粘合材料完全渗透并被其基本上封装，以形成基本上均匀的颗粒微结构。在一方面，每一种颗粒基质复合材料中均具有颗粒材料组合物，该颗粒材料组合物具有颗粒材料熔融温度。在另一方面，粘合材料具有粘合材料组合物，该粘合材料组合物具有低于颗粒材料熔融温度的粘合材料熔融温度。此外，颗粒材料组合物和粘合材料组合物为不同的材料组合物。

可以预期，颗粒基质材料组合物和粘合材料组合物中的至少一种由基质材料和分散在该基质材料各处的多个硬质颗粒构成。所述多个硬质颗粒可基本上随机分散于整个基质材料内。在另一方面，每种颗粒基质复合材料基本上由具有分散在其中的多个硬质颗粒的基质材料构成。

在又一方面，粘合材料可包括第二颗粒基质复合材料。在这一方面，第二颗粒基质复合材料基本上由具有分散在其中的多个硬质颗粒的基质材料构成。在又一方面，粘合材料可包括非磁性材料和/或耐磨材料。类似地，颗粒基质组合物材料中的基质材料可包括非磁性材料和/或耐磨材料。一方面，可以预期，形成的钻头会全部由非磁性材料和/或耐磨材料形成。

粘合复合材料的基质材料可包括，例如，钴基、铁基、镍基、铁镍基、钴镍基、铁钴基、铝基、铜基、镁基、钼基和钛基合金。合金元素可包括但不限于以下元素中的一种或多种：镁(Mn)、镍(Ni)、锡(Sn)、锌(Zn)、硅(Si)、钼(Mo)、钨(W)、硼(B)和磷(P)。粘合复合材料的基质材料还可选自工业纯元素，例如钴、铝、铜、镁、钛、铁和镍。以举例而非限制的方式，粘合复合材料的基质材料可包括碳钢、合金钢、不锈钢、工具钢、高锰钢、镍或钴高温合金材料以及低热延展性的铁基或镍基合金。

硬质颗粒可包括金刚石，或金属或半金属的碳化物、氮化物、氧化物或硼化物。以举例而非限制的方式，硬质颗粒可包括金刚石或陶瓷材料例如碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B₄C))以及它们的组合，例如碳氮化物。更具体地讲，硬质颗粒可包括由元素例如W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si形成碳化物和硼化物。以举例而非限制的方式，用于形成硬质颗粒的材料包括碳化钨(WC,W₂C)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、二硼化钛(TiB₂)、碳化铬、氮化钛(TiN)、碳化钒(VC)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)和碳化硅(SiC)。此外，不同硬质颗粒的组合可用于定制颗粒基质复合材料的物理性质和特性。硬质颗粒可用本领域技术人员已知的技术形成。最适用于硬质颗粒的材料是可商购的，并且其他的形成方法也在本领域的技术人员的能力范围内。

在一个例子中，而非限制的方式，颗粒基质复合组合物的基质可包括钨基合金，并且粘合材料组合物的基质可选自铜基合金、锌基合金和镍基合金。在另一个例子中，而非限制的方式，颗粒基质复合组合物的基质可包括碳化钨基合金，并且粘合材料组合物的基质可选自铜基合金、锌基合金和镍基合金。对钨和/或碳化钨的使用是理想的，因为其硬度较高，从而可因其熔点高而使用较小的颗粒，而且适合用于渗透过程，因为基质材料凝固和冷却前处于高温的时间一般较短(相比于其他制作颗粒基质复合材料的方法，例如多粉末冶金，例如烧结，这些方法中通常在高温下的时间长得多)。

由于粘合材料具有的粘合材料组合物的粘合材料熔融温度低于颗粒材料熔融温度，形成的钻头中的基本上均匀的颗粒微结构中，所述至少一种颗粒基质复合材料处于非熔融状态。一旦形成，可以预期，颗粒基质复合材料基本上被渗透的粘合材料封装。另外，为实现所需的渗透，并且颗粒基质复合组合物不熔融，粘合材料熔融温度和颗粒材料熔融温度的差值大于500℉，优选地大于1000℉，并且更优选地大于1,500℉。

在又一方面，如图2所示，还可预期所述至少一种颗粒基质复合材料可包括多种颗粒基质复合材料。在这一方面，每种颗粒基质复合材料可被处理成位于与钻头主体纵向轴线横向定位的层中。这种分层方法可以使用同种粘合材料，形成在各层可具有不同的所需机械性质的完全渗透式钻头主体。

虽然本发明的数个实施例已在前文的说明书中所公开，但本领域的技术人员应当理解，本发明所属的许多修改和其他实施例将被想到，其具有在前述描述和相关附图中呈现的教导的有益效果。因此，应当理解，本发明不限于上文所公开的具体实施例，并且许多修改形式和其他实施例旨在被涵盖于所附权利要求书的范围内。此外，虽然本文采用了特定的术语，以及以下的权利要求也采用了特定的术语，它们仅仅用于一般性和描述性的意义，而不是为了限制所述发明的目的，也不是为了限制以下的权利要求的目的。