專利名稱：金屬間結(jié)合金剛石(ibd)切削元件的制作方法
金屬間結(jié)^r剛石(IBD)切削元件 相關(guān)申請(qǐng)的交叉參照
本申請(qǐng)按照美國(guó)35U.S.C§119 (e)要求2007年1月8日申請(qǐng)的、名稱為 "金屬間結(jié)^r剛石(IBD)切削元件"的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.60/883884的^bJ51。 狀領(lǐng)域
本發(fā)明涉及切削元件，更特別的是涉及具有多種形狀和結(jié)構(gòu)的金屬間結(jié)合 金剛石(IBD)切削元件。 背景狀
多晶金剛石致密(PDC)刀具已經(jīng)成為用于在尤其是軟的、中軟的和中級(jí) 地層的類型、IADC碼是1、 4、 5和6類型的巖石中進(jìn)行石油和天然氣鉆井的 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，。自PDC刀具和鉆頭的初WC^i會(huì)于1970年代中期以來，刀具制造 商和鉆^i殳計(jì)者已經(jīng)提出復(fù)雜的刀具形狀，這些刀具形狀可以優(yōu)先地以能夠提運(yùn)動(dòng)。
這種形狀的例子可以在Short Jr.的美國(guó)專利US4660659和美國(guó)專利 US4538690以及Barr的美國(guó)專利US4593777和美國(guó)專利US4558753中發(fā)現(xiàn)。 這些專利討論了用于PDC刀具的彎曲凹入的A^T形狀的金剛石層結(jié)構(gòu)。
Hall的美國(guó)專利US4570726描述了一種具有復(fù)雜的自結(jié)構(gòu)的彎曲PDC 刮刀元件。
Tibbitts的美國(guó)專利US4883132公開了一種傳統(tǒng)的與本體設(shè)計(jì)相結(jié)合的
"帶平坦表面的"PDC刀具，該本體設(shè)計(jì)^^鉆頭刃刃上的較大空隙區(qū)域。這
種發(fā)明構(gòu)思允^itit該刀刃i^ff^切削的反向噴射。
作為商業(yè)事實(shí)，發(fā)現(xiàn)沒有更才M^復(fù)雜的刀具設(shè)計(jì)已經(jīng)獲得成功，^^要 是因?yàn)樵诟邏航饎偸瘔毫C(jī)中實(shí)際制itit種刀^^L^i午多困難。如果一種刀
具設(shè)計(jì)可以被制造，^PDC層或^^化鵠(WC)基體上留下高殘留應(yīng)力， 那么在應(yīng)用領(lǐng)域中刀*^少斷裂初性。
在1990 4^的"HH^暫時(shí)期內(nèi)，認(rèn)為碳^目^^P、 ( CVD)金剛石能夠歸艮伴隨PDC的帶有復(fù)雜/L^形狀的困難。但是，發(fā)i^I用與CVD相關(guān)聯(lián)的厚的
iL^正的耐磨層是極為耗費(fèi)時(shí)間和^L的。
更近期的發(fā)展一金屬間結(jié)合金剛石(EBD"在美國(guó)專利申請(qǐng)公開號(hào)為 2006/0280638 (在2006年12月14日//Hf")以及國(guó)際^Hf號(hào)為WO2006/107628 (由WPIO在2006年10月12曰7^f)的申請(qǐng)中進(jìn)行了討論。
這兩個(gè)專利申請(qǐng)作為參考結(jié)合到本發(fā)明中以用于^t目的。^ feW技^M:
獻(xiàn)中具有這樣的例子，其中，特f輛造的PDC刀刃布置在固定刀具鉆頭的正中 心，以改絲頭面的該緩錄面狄區(qū)域的鉆孑L^性。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明7^f內(nèi)容的教導(dǎo)，切削元件可以包括具有結(jié)合界面區(qū)域的基體
和結(jié)合到該基體的結(jié)合界面區(qū)域上的金屬間結(jié)合金剛石(IBD)元件。在一些 實(shí)施例中，該基體的結(jié)合界面區(qū)域可以具有非軸對(duì)稱的形^V或可以關(guān)于僅一 個(gè)平面對(duì)稱或關(guān)于零平面對(duì)稱。在一些實(shí)施例中，該基體的結(jié)合界面區(qū)域可以 具有這樣的形狀管、斜管、具有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部支承結(jié)構(gòu)的管、伊、犁、凹 形、蜂窩形的形M其它不規(guī)則或復(fù)雜的形狀。
本發(fā)明7/Hf內(nèi)容的一個(gè)方面可以包，^UD于固定刀，頭的切削元件和/ 或^A件，其具有在以前是困難的，有時(shí)甚至是不能制造的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明^^f 內(nèi)容的其中一M點(diǎn)可以包M成帶有所^構(gòu)的切削元件，并可以具有承受 與鉆: L^^、高壓和/或高溫井3bf目關(guān)的重復(fù)沖擊載荷的能力。
以允許增強(qiáng)相鄰地層的穿透性以及增強(qiáng)從井孔的底部移除M物質(zhì)。按照本發(fā)
敘件的械


通過參考下面的結(jié)合附圖的描述，可以獲得對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例及務(wù)阮點(diǎn)更 全面和^A的現(xiàn)眸，在附圖中，相同的參考數(shù)字表示相同的特征。
圖1A和1B顯示了用于IBD刀具的管狀碳^^J^體的例子。
圖2A-2C顯示了才W-個(gè)實(shí)施例的、管狀碳4談IBD切削元件連接到切削 工具的刀片上的例子。
圖3A和3B顯示了才娥一個(gè)實(shí)施例的、辦狀碳4談IBD切削元件連接到切削工具的刀片上的例子。
圖4A和4B顯示了才W""個(gè)實(shí)施例的、翠形的IBD切削元件連接到基體上 的例子。
圖5A和5B顯示了才W-個(gè)實(shí)施例的用于刺猬類型的,式鉆頭結(jié)構(gòu)上的 IBD切削元件的例子。 M實(shí)施方式
在本申請(qǐng)中^f^)的術(shù)語"切削元件，，和"多^^刀削元件"可以包括壓塊、敘 件、銑棘;If^壓塊等多種類型，它們滿足與牙棘頭""^^^J。
金屬間結(jié)^r剛石(IBD)的最i^C^tiHfe頭刀具和鉆頭的設(shè)計(jì)不受之 前的限制。
本發(fā)明的/^Hf內(nèi)容包括一種切削元件，其利用ffiD才棘制造非對(duì)稱的、不
MJ'j的或相當(dāng)復(fù)雜;W形狀的實(shí)用的、有效的以;s^有用的耐磨刀具，用于鉆頭
和井下工具，^芯i殳^"和擴(kuò)孔器，
在一些實(shí)施例中，切削元件可以包括具有結(jié)合界面區(qū)域的基體和結(jié)合到該 基體的結(jié)合界面區(qū)域上的金屬間結(jié)合金剛石(IBD)元件。所ii^合界面區(qū)域
可以包括IH"基M者基體的一部分。_&體可以由>^化鵠、鋼或^f可其它合適 的材料形成。IBD元件可以通過等壓熱合(HIP)或^^r其它合適的方式結(jié)合 到基體的結(jié)合界面區(qū)^。
如上述討論的，IBD刀具可以形成為具有非對(duì)稱、不MJ'j或相當(dāng)復(fù)雜的幾 何形狀.在一些實(shí)施例中，基體的結(jié)合界面區(qū)域具有非軸對(duì)稱形狀。在一些實(shí) 施例中，該結(jié)合界面區(qū)域僅關(guān)于一個(gè)平面對(duì)稱，或不關(guān)于4i^可平面對(duì)稱。
基體的結(jié)合界面區(qū)域可以包^^分絲完4^^伸通it^體的孑L。在一些 實(shí)施例中，基體的結(jié)合界面區(qū)域可以具有這樣的形狀管(例如見圖1和2)、 斜管(例如見圖3 )、具有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部支承結(jié)構(gòu)的管、伊、犁(例如見圖4 )、 凹形、蜂窩形的形城4沐其它合適的形狀。在一特殊實(shí)施例中，基體的結(jié)合 界面區(qū)域具有帶有小于或等于約100度內(nèi)角的犁形。
當(dāng)IBD與管狀、伊狀、#、凹形、蜂窩形城其它不細(xì)'J或相當(dāng)復(fù)雜形 狀的基糾目結(jié)合(如上討絲)時(shí)，該ffiD可以允i傳^i更計(jì)者在切削管理、 刀^H卩和/il^"排出引導(dǎo)方面具有空前的自由，從而提高鉆頭性能。鉆頭可 以凈皮i更計(jì)成用具有更有效的/U5T形狀的IBD刀具取代傳統(tǒng)的PDC刀具。IBD刀^^可以允i^^i殳計(jì)者^^J帶有傳統(tǒng)PDC刀具或帶有傳纟A^^^r ^A件的IBD刀具的混^MMt式，以完^t于特 朱巖石類型的積42L^。這 些絲中的一些包括，例如，切口、沖擊管理和緩蝕、切削力管理、4切削、 增強(qiáng)的1果徑、和/或用于i^度鉆井的,式配置。
另夕卜，通ii^J造IBD刀具以取代傳統(tǒng)的4^段、4^il4^:，該IBD 刀具可以用于石^石鉆孔，IADC巖石碼是3、 7和8。 ffiD刀M可以與這些 傳統(tǒng),式金剛石切削元件結(jié)^f吏用，以完成"tMt效果，例如，切口、 二次切 削、沖擊管理、和/或it;度鉆井的優(yōu)點(diǎn)。
一些固定刀具鉆頭可以被制iiA具有鉆頭本體(沒有明確顯示)，該鉆頭本 ^ft"有一個(gè)可操作以附i^鉆柱上的端部。該鉆柱可以將重量^>在鉆頭上， 有時(shí)稱作"鉆壓"或WOB。鉆柱也可以相對(duì)于延伸通過鉆頭本體的鉆頭旋轉(zhuǎn)軸使 鉆頭旋轉(zhuǎn)(^4中轉(zhuǎn)數(shù)或RPM)。鉆柱也可以把鉆井液供給到形M鉆頭本體 內(nèi)的腔中。
多個(gè)刀刃可以被布I^鉆頭本體上，并從鉆頭本體延伸。刀刃的外部部分 和相關(guān)的刀具可以形成鉆頭表面輪廓。對(duì)于某些應(yīng)用，刀刃可以相互協(xié)怍以形 成鉆頭表面輪廓，該鉆頭表面輪廓具有與鉆頭本體的所述一個(gè)端部相對(duì)的、倒 置的通常4^形的結(jié)構(gòu)。
對(duì)于這種應(yīng)用， 一個(gè)或多個(gè)碳^4^基體可以形^一層或多層i^在其上 的IBD。每個(gè)基體可以包樹目應(yīng)的柱，該柱的尺寸形成為其可以，&目應(yīng)的 開口中，該開口形^鉆頭本體內(nèi)，鄰近鉆頭表面輪廓的倒置的錐形部分。對(duì) 于一些實(shí)施例，開口可以形^鉆頭本體內(nèi)，鄰近鉆頭旋轉(zhuǎn)軸。對(duì)于這樣的實(shí) 施例， 一個(gè)或多個(gè)碳4^ (WC)刀刃ilt^有IBD的板可以通過將柱銅焊到 相應(yīng)的鄰近鉆頭旋轉(zhuǎn)軸形成的孔中而被保持，這種刀刃或4l可以使鉆頭中心的 布置和制造tb5IL在的甚至具有標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形PDC的刀具的實(shí)踐更有效。
IBD刀具可以為圓頂PDC提供有吸引力、符合^4^L^的f^^,用于牙 輪鉆頭的主切削結(jié)構(gòu)和^M圣齒圏切削結(jié)構(gòu)、用于牙爪尖的保護(hù)、和/或用于M 其它的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。
IBD材料可直^#1焊到鋼上。因此，完全由IBD制成的圓柱體可以在鋼本 體或矩陣PDC鉆頭設(shè)計(jì)中用僻JL接的替代物，而不需要WC基體。這種結(jié)構(gòu) 與^JD傳統(tǒng)的PDC相比可J^,加對(duì)于給定的鉆頭結(jié)構(gòu)的總應(yīng)用金剛石克
7拉重量。它也可以允許對(duì)于給定的克拉重量在鉆頭上具有較少的刀刃，以增加
對(duì)于給定鉆壓的鉆頭穿透率。另外，IBD可以使金剛石的尺寸ii^ 700微米。 典型ilk^JD在PDC刀具中的粗晶津i^寸的金剛石為約60孩沐。較^JCt的金 剛石通常允許更^M曼蝕性的傾斜切削ii^這種特性可以幫助擴(kuò)大IBD鉆頭的 典型應(yīng)用至較硬的巖石，即使當(dāng)?shù)毒咴谂c現(xiàn)在的PDC類型的鉆頭產(chǎn)品相似的結(jié) 構(gòu)上^U時(shí)。
才娥本發(fā)明^^的內(nèi)容，IBD刀具的另一偉點(diǎn)是IBD刀具不^ii受通常 由于金剛石或具有黑色金屬材料的PDC的摩#^觸而導(dǎo)致的有害影響。南伊利 諾斯大學(xué)(Southern Dlinois University)作出的扭^艮告表明，IBD樣^^#4失 目標(biāo)JJ1轉(zhuǎn)9小時(shí)，給IBD帶絲小的磨損或損壞。因此，本發(fā)明的/^Hf內(nèi)容 的原理可以用于改進(jìn)^f銑磨、套管窗和鉆水i/LS鉆頭的設(shè)計(jì)和實(shí)施。它也可 以使得能夠應(yīng)用組合的4Jti^繼續(xù)鉆井鉆頭，該組合的45fcJ^繼續(xù)鉆井鉆頭不 ^it受由于在窗口鐵磨,過程中通過鐵接觸而產(chǎn)生的典型損壞而導(dǎo)致的不當(dāng) 1^量的^^員和，的<^1壽命。
通過參考附圖1A-5E,可以^atk^本發(fā)明的^4實(shí)施例。 圖1A和1B顯示了用于BSD刀具的管狀^^^r基體的例子。 圖2A-2C顯示了才W""個(gè)實(shí)施例的、管狀碳^^IBD切削元件連接到切削 工具的刀片上的例子。特別是，圖2A;LE示了管狀碳4換(WC)基^^接到 鋼刀片上的側(cè)截面視圖。IBD元件結(jié)合(例i魂過等壓齢)到基體的界面區(qū) 域上。圖2B顯示了管狀切削元件和鋼刀片的局部三維視圖。圖2C顯示了一可 選實(shí)施例的端視圖，在該可選實(shí)施例中，支絲構(gòu)定^L^管狀切削元件中以例
如為切削元件提供結(jié)構(gòu)支承。可以包括一個(gè)或多個(gè)這樣的具有^^r合適結(jié)構(gòu)的
結(jié)構(gòu)支承件以為切削元件提供附加的結(jié)構(gòu)支承。
圖3A和3B顯示了才娥一個(gè)實(shí)施例的、賄狀碳4械IBD切削元件連接到 切削工具的刀片上的例子。特別是，圖3A;I^示了辨狀碳^^(WC)基體 連接到鋼刀片上的側(cè)截面視圖。IBD元件結(jié)合(例如，通過等壓熱合)到基體 的界面區(qū)^。圖3B顯示了M狀切削元件和鋼刀片的局部三維阮圖。在另一 實(shí)施例中，可以包才—個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)支承件以為切削元件提供附加的結(jié)構(gòu)支承， 例如上述與圖2C相關(guān)討，。
圖4A和4B顯示了才娘一個(gè)實(shí)施例的、華形IBD切削元件連接到基體上的例子。特別是，圖4A;i-H^截面^L圖，顯示了具有IBD元件的犁形基體，其 中該IBD元件結(jié)合到該基體的界面區(qū)^。圖4B顯示了翠形切削元件的三維 視圖。
圖5A和5B顯示了才娘一個(gè)實(shí)施例的、用在刺猬類型的絲式鉆頭布置上 的IBD切削元件的例子。特別是，圖5A;^—#敗圖，顯示了具有IBD元件的 基體(例如，碳^^或4嘛)，其中該IBD元件結(jié)合到該基體的界面區(qū)域上， 以及圖5B是切削元件的端視圖。
盡管本發(fā)明及絲點(diǎn)已經(jīng)詳細(xì)描述，但;^該理解，可以對(duì)本發(fā)明能做出 M變形、替換和 ，而不脫離由下面的^M，j要求限定的本發(fā)明的樹申和保 護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種切削元件，包括具有結(jié)合界面區(qū)域的基體；以及金屬間結(jié)合金剛石(IBD)元件，其結(jié)合到所述基體的結(jié)合界面區(qū)域上。
2、 才^^U，J要求1所述的切削元件，其中，基體由碌rft^形成。
3、 才^^U'J^求1所述的切削元件，其中，基體由鋼形成。
4、 才^^U'j要求1所述的切削元件，其中，IBD元瓶過等壓熱合(HIP) 結(jié)^^，j所ii^體的結(jié)^^界面區(qū)^,
5、 才^t^M'澳求1所述的切削元件，其中，所ii^體的結(jié)合界面區(qū)域具有 非軸對(duì)稱形狀。
6、 才^^W要求1所述的切削元件，其中，所ii^體的結(jié)合界面區(qū)域具有 關(guān)于^5l—^f面對(duì)稱的形狀。
7、 才^^U，漆求1所述的切削元件，其中，所ii^體的結(jié)合界面區(qū)域具有 不關(guān)于^^平面對(duì)稱的形狀。
8、 才Mt權(quán)矛J^求1所述的切削元件，其中，所iij^體的結(jié)合界面區(qū)域包括 至少部分^tk^伸通it^體的孔。
9、 才娥^U'J要求1所述的切削元件，其中，所ii^體的結(jié)合界面區(qū)域包括 完全延伸通it^體的孔。
10、 才^^U'j要求1所述的切削元件，其中，所ii^體的結(jié)合界面區(qū)域具 有管、將、具有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部支絲構(gòu)的管、伊、翠、凹形、或蜂窩形狀 的形狀。
11、 ^t^5U'J要求1所述的切削元件，其中，所iii-體的結(jié)合界面區(qū)域具 有犁形，該犁形具有小于或等于約100度的內(nèi)角。
12、 才M^5U'J要求1所述的切削元件，其中，切削元件被構(gòu)ii^I于切割 黑色金屬材料。
13、 一種固定刀具鉆頭，包括鉆頭本體，其包:^"個(gè)或多偉頭刃刃；以及一個(gè)或多^H刀削元件，所述切削元件結(jié)合到所述鉆頭刃刃中的至少一個(gè)上， 所述切削元件中的至少一個(gè)包括具有結(jié)合界面區(qū)域的基體；以及金屬間結(jié)合金剛石(IBD)元件，其結(jié)合到所ii^體的結(jié)合界面區(qū)處。
14、 才娘W'J要求13所述的切削元件，其中，所iii-體的結(jié)合界面區(qū)域具 有非軸對(duì)稱形狀。
15、 #4^5^要求13所述的固定刀絲頭，其中，所ii^體的結(jié)合界面區(qū) 域包括至少部分^k^伸通it^體的孔。
16、 ^!^U，涹求13所述的固定刀縣頭，其中，所ii4體的結(jié)合界面區(qū) 域具有管、辨、具有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部支絲構(gòu)的管、妒、犁、凹形、或蜂窩 形狀的形狀。
17、 一種用于4*#^的設(shè)備，該設(shè)備包括 支M構(gòu)；以及連接到所述支承結(jié)構(gòu)上的一個(gè)或多個(gè)切削元件，每個(gè)切削元件包括具有 結(jié)^^界面區(qū)域的差^體；以AJr屬間結(jié)^r剛石(IBD)元件，其結(jié)合到所ii^ 體的結(jié)^^界面區(qū)^Ji。
18、 才娘;M'J要求17所述的設(shè)備，其中，切削元賴焊到支絲構(gòu)中。
19、 ^t^U'J^求17所述的設(shè)備，其中，所ii&體的結(jié)合界面區(qū)域具有非 軸對(duì)稱形狀。
20、 才NtW，J要求17所述的設(shè)備，其中，所iii-體的結(jié)合界面區(qū)域包括至少部^AkJ4伸通it4體的孔。
21、 才娥^U'J要求17所述的設(shè)備，其中，所ii^體的結(jié)合界面區(qū)域具有管、 、財(cái)一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部支絲構(gòu)的管、鏟、犁、凹形、耕窩形狀的形狀。
全文摘要
一種切削元件可以包括具有結(jié)合界面區(qū)域的基體和結(jié)合到該基體的結(jié)合界面區(qū)域上的金屬間結(jié)合金剛石(IBD)元件。在一些實(shí)施例中，該基體的結(jié)合界面區(qū)域可以具有非軸對(duì)稱形狀和/或可以關(guān)于僅一個(gè)平面對(duì)稱或關(guān)于零平面對(duì)稱。在一些實(shí)施例中，該基體的結(jié)合界面區(qū)域可以具有管、斜管、具有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部支承結(jié)構(gòu)的管、鏟、犁、凹形、蜂窩形狀或其它不規(guī)則或復(fù)雜形狀的形狀。
文檔編號(hào)C22C32/00GK101611212SQ200880001858
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2008年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月8日
發(fā)明者W·W·金 申請(qǐng)人:霍利貝頓能源服務(wù)公司