[发明专利]用于挤压粉末形成钻地工具的方法和系统

说明书

优先权要求

本申请要求2006年12月27日申请的美国专利申请第11/646,225号的优先权。

技术领域

本发明的实施例涉及用于形成钻地工具钻头体的方法以及使用此种方法形成的钻地工具，其中所述钻头体包括颗粒基复合材料。

背景技术

旋转式钻头广泛用在在地层中钻孔或井。一种类型的旋转式钻头是固定牙轮式钻头(经常称为“刮刀钻头”)，其通常包含固定至钻头体的面区域的切削元件。旋转式钻头的钻头体可以钢制成。替代地，钻头体可以颗粒基复合材料形成。在图1中示出传统钻地旋转式钻头10，其包含包括颗粒基复合材料的钻头体12。钻头体12固定至具有美国石油协会(API)螺纹连接部28的钢杆12，用于将钻头体12附接至钻杆(未示出)。钻头体12包含冠部14和钢坯件16。钢坯件16部分地嵌在冠部14内。冠部14包含诸如例如嵌在铜合金基材中的碳化钨。钻头体12通过螺纹连接部22和沿着钻头体12和钢杆20之间的分界面在外表面上绕着钻头10延伸的焊接部的方式固定至钢杆20。

钻头体12可以进一步包含由排屑槽分隔的翼或刃30。在钻头体12的端面18和纵向孔40之间延伸的内部流体通道(未示出)，纵向孔40延伸穿过钢杆20且部分地穿过钻头体12。喷嘴嵌件(未示出)也可以在所述内部流体通道内设置在钻头体12的端面18处。

多个切削元件34附接至钻头体12的端面18。通常，固定牙轮式钻头或者为盘形，或者为圆柱形。包括硬的超耐磨材料(诸如多晶金刚石的互相约束颗粒)的切削表面35可以设置在各切削元件34的基本上为圆形的端面上。此种切削元件34通常称为“多晶金刚石复合片”(PDC)切削元件34。PDC切削元件34可以沿着在钻头体12的端面18中形成的凹部36内的刃30设置，以及可以由支持部38从后面支撑，所述支持部38可以与钻头体12的冠部14整体成形。通常，切削元件34与钻头体12分离地制造并固定在钻头体的外表面中形成的凹部36内。诸如粘合剂的结合材料，更典型地硬钎焊合金可以用于将切削元件34固定至钻头体12。

在钻井操作中，钻头10固定至钻杆的端部，钻杆包括圆筒状的管子和端对端联接在钻头10和表面处的其它钻井设备之间的设备部。钻头10定位在井孔的底部，使得切削元件34临近待钻井的地层。诸如旋转台或顶部驱动装置的设备可以用来旋转钻杆以及钻井内的钻头10。替代地，钻头10的杆20可以直接联接至钻井马达的驱动轴，然后，所述驱动轴可以用于旋转钻头10。随着钻头10旋转，钻头上的重量或其它轴向力被施加，钻井流体通过纵向孔40以及内部流体通道(未示出)被泵送至钻头体12的面18。钻头10的旋转使得切削元件34刮削并剪切下部地层的表面。地层切削物与钻井流体混合并悬浮在其中，经过排屑槽32以及井孔和钻杆之间的环形空间流至地层的表面。

常规地，包含颗粒基复合材料的钻头体，诸如前述的钻头体12，已经使用所谓的“渗透”工艺在石墨模具中制造。石墨模具的腔通常由多轴机床加工。然后，以手持工具将细小结构特征加至石墨模具的腔。可以将可能在有机结合剂中包括无机颗粒的附加粘土施加至模具腔内的模具表面，以及使所述粘土成形以获得模具的所需最终构造。如果需要，执行元件或替换元件(其可以包括陶瓷材料、石墨或涂覆有树脂的经压实的砂子)可以定位在模具内，用于限定所述内部通道、切削元件凹部36、排屑槽32以及钻头体12的其它结构特征。

在模腔已经被限定且替换元件根据需要定位在模具内之后，可以在模腔内形成钻头体。石墨模具的腔被填充以硬质颗粒状的碳化物材料(诸如碳化钨、碳化钛、碳化钽等)。然后待加工的钢坯件16可以适当的位置和方向定位在模具内。钢坯件16可以至少部分浸没在模具内的颗粒状碳化物材料内。

然后，模具可以被振动或者颗粒被压紧，以减小颗粒状碳化物材料的相邻颗粒之间的空间的体积。可以使基材(通常称为“结合剂”材料)诸如铜基合金熔化或允许其渗入模腔内的颗粒状碳化物材料。允许模具和钻头体12冷却以使得基材固化。在钻头体12冷却和基材固化时，钢坯件16结合至形成冠部14的颗粒基复合材料。一旦钻头体12已经冷却，钻头体12从模具移除，并且替换元件从钻头体12移除。通常需要破坏石墨模具以移除钻头体12。