[发明专利]旋转钻头、检查旋转钻头的方法、装置及其系统

说明书

优先权保护

本申请保护于2006年4月17日提交的临时美国专利申请序列号 60/792,445的权益。

技术领域

本发明的实施方式总体上涉及用于进行旋转钻头的非破坏性评 估以便识别其中内部缺陷的装置、系统与方法，其中旋转钻头用于在 地层中钻孔，还涉及设计成方便对其进行非破坏性评估的旋转钻头。 更具体而言，这种非破坏性评估可以利用超声波进行。

背景技术

用于在地层中钻孔的典型旋转钻头包括其上具有表面区域的钻 头体，该表面区域带有用于在大地地层中切割的切割结构。钻头体可 以固定到具有带螺纹销连接的硬化钢杆柄，其中带螺纹销连接用于将 钻头附加到包括管状部分的钻柱，该管状部分在钻头和其它钻孔设备 之间端部对端部耦合。例如转台或顶部驱动器的设备可以用于旋转钻 柱和钻头。可选地，杆柄可以直接耦合到井下电动机的驱动轴来旋转 钻头。

总的来说，如果钻头是固定刀具，或者所谓“拖拉”类型的旋转钻 头，则钻头体表面区域上的切割结构包括多个切割元件，所述多个切 割元件至少部分是由例如多晶金刚石的超磨蚀材料构成的。采用这种 多晶金刚石复合片(PDC)切割元件的固定刀具旋转钻头已经采用了 几十年。一般来说，旋转钻头的钻头体是由嵌入到包括硬微粒材料(例 如碳化钨(WC))的基体材料(matrix material)中的钢或钢构件 构成的，其中该硬微粒材料被例如铜合金的结合材料渗透。

在钢体钻头的情况下，钻头体一般从原材料机器加工制成期望形 状。结构性特征可以通过利用机器控制的、多轴机器加工工具加工钻 头体从而在钻头体的精确位置上限定。这种结构性特征可以包括例如 径向和纵向延伸的刀片、切割元件套、脊、刃带、铸嘴型腔和钻探流 体路线与通道，包括所谓的“排屑槽”。表面硬化通常应用到钻头体的 表面区域和钻头的其它关键区域，以便抵抗由于与所钻探地层接触引 起的磨损和钻探操作过程中由于钻探流体造成的腐蚀。切割元件通常 固定到加工至刀片中的套中，其中刀片位于钻头体的表面区域上。硬 化钢杆柄可以在钻头体成形后固定到钻头体。

另一方面，基体型(Matrix-type)钻头包括至少部分由例如碳 化钨(WC)的硬微粒材料构成的钻头体，其中硬微粒材料被例如铜 合金的结合材料渗透。基体型钻头通常是通过利用微粒碳化钨填充由 石墨或陶瓷材料构成的高温模具并利用熔化的铜合金渗透碳化钨粒 子形成的。但是，因为基体材料通常很难或者不可能机器加工，所以 可机器加工的钢坯的部分一般在基体材料渗透之前放置到模具中。一 硬化，渗透就将钢坯与基体材料粘到一起，形成包括钢坯和基体材料 的钻头体。铸塑树脂覆层砂、石墨滑移或者在有些情况下是弹性聚合 结合剂中的碳化钨粒子可以用于构成钻头体的内部及外部结构性特 征。基体型钻头体的可机器加工钢坯部分可以以与前面关于钢体钻头 所描述的相同方式固定到硬化钢杆柄。

图1说明了通常根据以上所述形成的传统基体型钻头10。传统 的基体型钻头10包括耦合到钢杆柄14的钻头体12。内孔16通过钻 头10的一部分纵向形成，用于在钻探操作过程中通过由内孔16延伸 至表面20的多个通道(未示出)将钻探流体传送到钻头10的表面20， 其中一般放置了喷嘴。如果采用热稳定的PDC，则切割元件22和24 (一般是金刚石，最常见的是PDC)可以在钻头体的渗透过程中粘到 钻头表面，其中热稳定的PDC通常称为热稳定产品或TSP。可选地， 具有在WC基底上形成的金刚石台的传统非热稳定PDC切割元件22 和24可以在利用如铜焊、粘接或机械固定的方法形成钻头体12之后 由基底结合到钻头体12的表面20。

钻头体12包括预成型的钢坯26和钻头体基体28。钻头体基体 28可以包括由铜合金粘到一起的碳化钨粒子。钢坯26可以具有通常 圆柱形或管状或者相当复杂的形状，包括例如在钻头表面形成的刀片 的结构性加固特征。

在钻头体12形成的过程中，钢坯26可以放置成部分地在用于浇 铸钻头体12的高温铸模中延伸。用于渗透碳化钨粒子的铜合金结合 材料一旦凝固，钢坯26就固定到钻头体基体28。然后，钢坯26暴露 的上部可以机器加工并通过带螺纹连接30及通过在装配杆柄14和钢 坯26之间形成的连续的、环绕的或“围绕的”焊缝32固定到杆柄14。 杆柄14可以包括在其上部形成销连接的锥螺纹34，用于将基体型钻 头10连接到钻杆柱(string of drill pipe)(未示出)。