[发明专利]用于渗透金属基复合材料钻头中的芯轴的替代材料

说明书

背景技术

旋转钻头通常用于钻探油气井、地热井和水井。一种类型的旋转钻头是固定齿钻头，其具有包括基体和增强材料的钻头体，通常称为基体钻头或渗透金属基复合材料(MMC)钻头。通常通过将粉末增强材料沉积至模具腔中并随后在高温下将增强材料与诸如金属合金的粘合剂材料组合来制造MMC钻头。所得到的MMC钻头的各种特征，诸如刀片、切割器凹槽和/或流体流动通道可通过使模具腔成型和/或通过将临时移位材料定位在模具腔的内部内来提供。预成型的金属坯料或芯轴可放置在模具腔内以为MMC钻头体提供加固，并且有助于在制造之后将所得到的MMC钻头附接至钻柱。

在渗透MMC钻头中使用的芯轴通常由普通钢级材料制成，并且可焊接至MMC钻头的硬化钢上肩连接件或“柄”，这有助于将MMC钻头连接至钻柱。芯轴还为MMC钻头提供韧性和支撑/结构，因为它可在钻井操作期间承受并传递所施加的力和转矩。在上述渗透过程中，在芯轴和基体增强材料之间形成接头作为钎焊状结合，以形成MMC钻头的头部。接头的完整性对于确保在钻井期间不会发生MMC钻头的头部和柄之间的分离事件至关重要。

附图说明

包括以下附图以说明本公开的某些方面，并且以下附图不应被视为排他性实施方案。在不脱离本公开的范围的情况下，所公开的主题能够在形式和功能上进行很多修改、改变、组合和等同变化。

图1是可根据本公开的原理制造的示例钻头的透视图。

图2是图1的钻头的截面图。

图3是用于形成图1的钻头的示例模具组件的截面侧视图。

图4是使用可采用本公开的一个或多个原理的钻头的示例钻井系统。

具体实施方式

本公开涉及在石油和天然气工业中使用的钻头，且更具体地涉及金属基复合材料钻头，其结合使用替代芯轴材料来减少缺陷率和/或产生更坚固的渗透工艺。

通过对所公开的实施方案的开发的认真详细的分析，已经对金属基复合材料(MMC)钻头的成型工艺进行了各种观察。特别而言，例如，已经确定，在上述用于MMC钻头的渗透和冷却过程期间，普通钢级芯轴可能与粘合剂材料反应并且会引起问题。例如，来自钢的铁倾向于经由扩散、化学侵蚀等从芯轴迁移到粘合剂材料中，从而导致与增强材料的粘合剂材料和/或增强颗粒形成有害相。此外，芯轴材料和增强材料之间的化学相互作用会导致形成可能使接头脆化的较厚金属间相区域。

此外，钢芯轴和铜或镍基碳化钨增强型MMC钻头之间的热膨胀系数(CTE)差异可能在冷却和固化过程期间引起产生孔隙和/或热撕裂，这会导致诸如材料之间的界面处的接合线开裂的缺陷。芯轴和MMC材料之间的CTE不匹配可由通过芯轴材料内的同素异形相变(例如，在一些钢中在约1350℉以上出现的的奥氏体/铁素体)而加剧，这会导致接头较厚，且因此较弱。芯轴和MMC材料之间的CTE不匹配也可能在没有任何粉末增强材料的接头周围区域产生。例如，奥氏体-铁素体转变(冷却)温度范围视钢合金组成而变化；通过改变合金组成来提高或降低转变的突然性。被称为富含粘结剂区的这种区域由于缺乏增强材料而通常表现出强度降低。CTE不匹配也可能提供会导致接头热裂纹的应力源。

本公开的实施方案描述了在制造渗透金属基复合材料钻头时由替代材料制成的芯轴的使用。与由普通钢级制成的芯轴相反，本公开的芯轴可由M基合金组合物制成，其中由“M”表示的元素是合金组合物中最普遍的元素。可选择用于芯轴的合适的M基合金包括但不限于钛基合金、镍基合金、铜基合金、钴基合金和难熔金属基合金。这些合金的组合也可以是合适的。使用M基合金用于芯轴可防止芯轴在渗透过程期间与粘合剂材料和/或增强材料发生有害反应。此外，与普通钢级芯轴相比，M基合金可表现出较少CTE不匹配，这可降低缺陷率并产生更坚固的制造工艺。

参考图1，示出可根据本公开的原理制造的示例金属基复合材料(MMC)钻头100的透视图。虽然MMC钻头100被描绘为固定齿钻头，但是本公开的原理可同样地应用于其它类型的MMC钻头，在不脱离本公开的范围的情况下，包括但不限于固定角钻头、牙轮钻头、取芯钻头、双中心钻头和孕镶钻头。