用于形成具有安装在切削元件凹部中的切削元件的钻地工具的方法及由该方法形成的工具的制作方法
【专利说明】用于形成具有安装在切削元件凹部中的切削元件的钻地工具的方法及由该方法形成的工具
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有2013年3月I日提交的未决美国临时专利申请N0.61/771，683的申请日期的权益，该专利申请的发明名称为〃Methods for Forming Earth-Boring ToolsHaving Cutting Elements Mounted in Cutting Element Pockets and Tools Formed bySuch Methods^ (用于形成具有安装在切削元件凹部中的切削元件的钻地工具的方法及由该方法形成的工具)。
技术领域
[0003]本发明的实施例涉及形成具有固定在切削元件凹部中的切削元件的钻地工具的方法以及涉及使用这种方法形成的钻地工具。
【背景技术】
[0004]钻地工具用来在地下岩层中形成钻孔(例如井眼)。这样的钻地工具包括例如钻头、扩孔器、铣刀等等。例如，固定切削刀具回转式钻地钻头(常常被称作"刮刀"钻头)通常包括固定于钻头的钻头本体的面上的多个切削元件。传统的固定切削刀具回转式钻地钻头包括具有基本上径向突出并纵向延伸的刮刀的钻头本体。
[0005]多个切削元件定位在每个刮刀上。一般来说，切削元件具有盘形形状或在有些情况下具有更长形的大体圆柱形形状。切削元件通常包括在硬质材料例如烧结碳化钨的支撑基底上形成的超研磨材料"台〃，例如聚晶金刚石的相互结合颗粒。这种切削元件常常被称作"聚晶金刚石复合片"(roc)切削元件或切削刀具。多个PDC切削元件可以固定在每个刮刀的旋转前表面上形成的切削元件凹部内。传统上，结合材料例如粘合剂或更典型地硬钎焊合金可用来将切削元件固定到钻头本体上。
[0006]在钻进作业期间，钻头定位在井钻孔的底部处并使之旋转。固定切削刀具回转式钻头的钻头本体可以由钢或复合材料例如烧结碳化钨材料形成。在正常钻进作业期间，钻头的钻头本体暴露于各式各样的苛刻条件，这些苛刻条件可能会磨损钻头本体。为了为钻头本体提供提高的耐磨性，常常对钻头本体的外表面施加表面硬化材料。表面硬化材料可以包括固接在金属合金粘合材料内的烧结或铸造碳化钨的硬颗粒。表面硬化材料可以作为层通过如下方式施加:加热金属粘合材料至其液态，将表面硬化材料与熔融的金属粘合剂和其中的硬颗粒一起施加至钻头本体的表面，然后使熔融的金属粘合剂和其中嵌入的硬颗粒冷却。将表面硬化材料施加至钻头本体所需要的高温可能会对PDC切削元件的金刚石部分造成损坏。所以，可以在将表面硬化材料已经施加到钻头本体之后，将PDC切削元件固定在切削元件凹部中。
[0007]当使用传统加工技术例如钻、磨或铣时，表面硬化材料的提高的硬度和耐磨性使得表面硬化材料的加工变得困难。因此，切削元件凹部通常先于表面硬化材料在钻头本体上的施加而形成在钻头本体上。在钻头本体中形成切削元件凹部之后，可以将临时置换构件放入切削元件凹部中，同时在切削元件凹部附近对钻头本体施加表面硬化，以便防止切削元件凹部被表面硬化材料填充。在施加表面硬化材料之后，可以将置换构件从凹部刨削掉或其它方式移除。然后可以将切削元件固定在切削元件凹部内。
【发明内容】
[0008]在一些实施例中，本发明包括形成钻地工具的方法。依照这种方法，表面硬化层可以形成在本体的至少一个表面上，并可以利用等离子体喷射装置，通过使用由等离子体喷射装置发射的等离子体，穿过表面硬化层并进入本体中而刨削出至少一个凹处。所述凹处的至少一部分可以限定切削元件凹部。至少一个切削元件可以至少部分地在切削元件凹部内固定到所述本体上。
[0009]在另外的实施例中，本发明包括形成回转式钻地钻头的方法，其中，将抗磨耐磨颗粒基体复合材料沉积到钻头本体的刮刀的外表面上，利用等离子体穿过该复合材料并进入钻头本体中而刨削出至少一个凹处。将至少一个切削元件固定到钻头本体上。所述至少一个切削元件至少部分地设置在穿过复合材料延伸并进入钻头本体中的所述凹处内。
[0010]在其它实施例中，本发明包括形成钻地工具的方法。朝其上具有表面硬化层的钻地工具的本体喷射等离子体，以在钻地工具上部分地形成切削元件凹部。使用加工工艺完成钻地工具中切削元件凹部的形成。完全形成的切削元件凹部穿过表面硬化层的至少一部分延伸并进入钻地工具的本体中。至少一个切削元件至少部分地定位在切削元件凹部内，并且所述至少一个切削元件被固定到钻地工具的本体上。
[0011]本发明另外的实施例包括利用在此所述的方法形成的钻地工具。例如，钻地工具可以包括在所述钻地工具的本体的至少一个表面上的表面硬化材料。所述本体可以进一步包括至少一个切削元件凹部，所述切削元件凹部通过使用等离子体穿过表面硬化材料并进入钻地工具的本体中以刨削出凹处而形成。至少一个切削元件可以至少部分地设置在所述至少一个切削元件凹部内，并固定到钻地工具的本体上。
【附图说明】
[0012]虽然本说明书以特别指出并明确要求保护作为本发明的实施例的权利要求结束，但是，这些实施例的优点可以从结合附图阅读某些示例性实施例的下列描述中更加容易地确认，其中:
[0013]图1示出了固定切削刀具回转式钻地钻头；
[0014]图2示出了钻地工具的刮刀的一部分在对其施加表面硬化之前的截面图；
[0015]图3是对图2中刮刀的外表面施加的表面硬化层；
[0016]图4示出了等离子体喷射装置加工出穿过图3的表面硬化层延伸并进入刮刀的本体中的凹处；
[0017]图5示出了使用如图4所示的等离子体喷射装置形成的粗制凹处，该粗制凹处穿过表面硬化层并进入刮刀中；
[0018]图6示出了从图5的凹处移除另外的材料以形成用于在其中接收切削元件的切削元件凹部的电火花加工装置；
[0019]图7示出了使用如图6所示的电火花加工装置形成的切削元件凹部，该切削元件凹部穿过表面硬化层并形成在刮刀中；
[0020]图8示出了在图7所示的切削元件凹部内固定于刮刀的切削元件；
[0021]图9是类似于图5的截面图，示出了依照本发明另一实施例穿过表面硬化层并进入刮刀中形成的另一粗制凹处；
[0022]图10是类似于图7的截面图，示出了通过进一步加工穿过表面硬化层并进入刮刀中形成的粗制凹处而在图9的刮刀中形成的两个切削元件凹部；和
[0023]图11示出了两个切削元件固定在图10的两个切削元件凹部中。
【具体实施方式】
[0024]这里呈现的图示并不是任何特定的钻地工具或其部件的实际视图，而仅仅是理想化的表示，使用它们来描述本发明的实施例。另外，附图之间共同的元件可以保留相同的数字标记。
[0025]图1是固定切削刀具回转式钻头100形式的钻地工具的透视图，所述固定切削刀具回转式钻头具有钻头本体110。钻头本体110可以具有多个径向突出并纵向延伸的刮刀120。在有些实施例中，钻头本体110可以至少大体上由金属合金例如合金钢构成。在有些实施例中，金属合金(例如合金钢)可以进行热处理以提高例如钻头本体110的硬度、耐磨性和韧性中的一个或更多个。
[0026]每个刮刀120可以包括多个切削元件凹部130，切削元件凹部具有固定在其中的切削元件132。切削元件132可以包括例如PDC切