[发明专利]用铜镍锰合金制造的钻头

说明书

技术领域

本公开一般涉及钻井工具，诸如掘地钻头，并且更具体地涉及具有铜镍锰合金基粘合剂的金属基复合材料(MMC)主体钻头。

背景

包括但不限于旋转钻头、扩眼器、取芯钻头、管下扩孔器、开孔器、扶正器和其它井下工具的各种类型的钻井工具用于在井下地层中形成井筒。在过去的几十年中，已经在用于形成钻头的材料上取得了进步。有时所称的切割元件或切割器曾经由天然金刚石物质形成。由于成本和其它原因，该行业寻求了替代材料。在二十世纪七十年代中后期，合成金刚石材料的进步使该行业能够用合成金刚石切割器取代天然金刚石切割器。所使用的最常见的合成金刚石是多晶金刚石材料。这些材料被制成盘，也被称为片。使用这种合成金刚石切割器的钻头通常被称为多晶金刚石复合片(PDC)钻头。

有两种基本结构用于形成合成金刚石切割器固定在其上的PDC钻头的主体。这两种结构被称为基质主体或金属基复合材料(MMC)主体和钢体。两种结构都有自己的优势。选择使用哪种结构通常取决于特定应用的需要。

MMC钻头是其主体由非常坚硬且经常是脆性的复合材料形成的钻头，其包括与较软的硬质金属粘合剂(有时被称为通用粘合剂)冶金地粘合的碳化钨颗粒。MMC钻头是理想的，因为它们的硬度使其能够对抗磨损和侵蚀。它们也能够承受相对较高压缩负荷，但它们(与钢体钻头相比)具有较低的抗冲击负荷能力。自从基质材料首次用于钻头主体以来，该工业一直试图改进这些材料的性能特性。该任务中的一个关键组成部分是选择通用粘合剂材料。已经发现，通用粘合剂的配方中有时出现的微小变化可对钻头主体的性能且因此对钻头本身具有显著影响。

附图简述

为了更完整地理解本发明及其特征和优点，现在参考以下结合附图的描述，其中：

图1是能够使用根据本公开形成的钻头的钻井系统的示意图；

图2是以常用于建模或设计固定切割钻头的方式向上取向并且其中可使用本文公开的材料组合物的旋转钻头的等距视图；

图3是根据本公开的形成MMC钻头主体的示例方法的流程图；和

图4是示出根据本公开的放置在模具中作为图2中所示的钻头主体的形成的一部分的金属基复合材料钻头主体的模具和材料组分的示意图。

具体实施方式

根据本文公开的各种系统和方法，用于形成MMC钻头主体的材料可包括通用粘合剂(其包括铜锰镍合金)。本公开涉及在CuMnNi合金系统的高锰区域中的这种合金。研究通用粘合剂的材料性质已经表明，增加锰的比例可提高固定切割钻头的强度和韧性。锰与合金中的铜形成固熔体，以及与镍成分形成金属间化合物。增加的锰含量降低了系统的熔化温度，这允许可使用传统熔炉熔化这个范围内的合金。

可参考图1至图4理解本公开，其中相同的数字用于表示相同和相应的零件。图1是钻井系统的正视图。钻井系统100可包括井表面或井场106。诸如旋转台、钻井液泵和钻井液罐(未明确示出)的各种类型的钻井设备可位于井表面或井场106。例如，井场106可包括钻机102，该钻机可具有与陆地钻机相关联的各种特性和特征。然而，结合本公开的教导的井下钻井工具可令人满意地与位于海上平台、钻探船、半潜式钻井船和/或钻井驳船(未明确示出)上的钻井设备一起使用。

钻井系统100可包括与钻头101相关联的钻柱103，该钻柱可用于形成各种各样的井筒或钻孔，诸如大体垂直井筒114a或大致水平井筒114b或其任何组合。钻柱103的井底钻具组件(BHA)120的各种定向钻井技术和相关联部件可用于形成水平井筒114b。例如，侧向力可施加至BHA 120附近的造斜位置113，以形成从大致垂直井筒114a延伸的大致水平井筒114b。术语定向钻井可用于描述钻取相对于垂直方向以一个期望角度或多个期望角度延伸的井筒或井筒的部分。这些角度可大于与垂直井筒相关联的正常变化。定向钻井可包括水平钻井。

钻井系统100还可包括钻头101。图2中进一步详细讨论的钻头101可以是MMC钻头，该钻头可通过将松散增强颗粒/包括碳化钨粉末的材料放置在模具中并且用由铜、锰和镍形成的通用粘合剂材料渗透增强颗粒而形成。模具可通过铣削诸如石墨的材料块而形成，以限定具有与钻头101的外部特征大致对应的特征的模腔。