多晶金剛石復(fù)合片(pdc)鉆頭的定向凝固的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明關(guān)于PDC鉆頭的定向凝固。
技術(shù)背景
[0002]旋轉(zhuǎn)鉆頭通常用于鉆探石油和天然氣、地?zé)峋退?。旋轉(zhuǎn)鉆頭一般可分類(lèi)為回轉(zhuǎn)圓錐或牙輪鉆頭和固定切割器鉆探設(shè)備或刮刀鉆頭。固定切割器鉆頭或刮刀鉆頭通常形成有基體鉆頭體，其具有布置在基體鉆頭體的選定位置或外部的切割部件或嵌入件。流體流動(dòng)通道一般形成在基體鉆頭體中以允許鉆液從相關(guān)地表鉆探設(shè)備經(jīng)由附接至基體鉆頭體的鉆柱或鉆管流通。這種固定切割器鉆頭或刮刀鉆頭有時(shí)可稱(chēng)為“基體鉆頭”。
[0003]基體鉆頭一般通過(guò)將松散基體材料(有時(shí)稱(chēng)為“基體粉末”)置于模具中并用諸如銅合金的粘合劑熔滲基體材料形成。模具可通過(guò)研磨材料塊如石墨以界定具有基本上對(duì)應(yīng)所得基體鉆頭的所需外部特征部的特征部的模腔來(lái)形成。所得基體鉆頭的各特征部如刀片、刀槽和/或流體流動(dòng)通道可通過(guò)成形模腔且/或通過(guò)將臨時(shí)置換材料安置于模腔內(nèi)部提供。可將預(yù)成型鋼柄或鉆坯放置于模腔內(nèi)以給基體鉆頭體提供加固并允許所得基體鉆頭與鉆柱附接。
[0004]隨后可將一般呈粉末形式的一定量基體材料放置于模腔內(nèi)?？捎萌刍饘俸辖鸹蛘澈蟿┤蹪B基體材料，在粘合劑與基體材料凝固后，便形成基體鉆頭體。通常使用碳化鎢(WC)粉末形成常規(guī)基體鉆頭體。
[0005]本文所描述的方法可有利地減少模具的非所需冷卻，從而獲得改善的基體鉆頭體特性。通過(guò)減少模具的能量損失，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是減少熔爐所需的能量。
[0006]附圖簡(jiǎn)述
[0007]圖1是示出從熱熔爐移出以開(kāi)始冷卻的鉆頭模具的示意圖。
[0008]圖2A是根據(jù)先前技術(shù)用熔滲基體和被打磨成光滑內(nèi)表面的心軸形成的鉆頭的橫截面。
[0009]圖2B是根據(jù)先前技術(shù)用熔滲基體和被打磨成光滑內(nèi)表面的心軸形成的圖2A鉆頭橫截面的放大圖。
[0010]圖3是示出根據(jù)先前技術(shù)的鉆頭模具的部分剖開(kāi)剖面示意圖。
[0011]圖4是根據(jù)本發(fā)明用熔滲基體和被打磨成表面的心軸形成的鉆頭的橫截面。
[0012]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明形成的鉆頭模具的部分剖開(kāi)剖面示意圖。
[0013]圖6是在根據(jù)圖3的鉆頭模具內(nèi)部各個(gè)位置隨著時(shí)間的溫度變化的圖形表示。
[0014]圖7是在根據(jù)圖4的鉆頭模具內(nèi)部各個(gè)位置隨著時(shí)間的溫度變化的圖形表示。
[0015]圖8是描述在使用根據(jù)圖4的鉆頭模具時(shí)所使用的步驟序列的流程圖。
[0016]各圖中的類(lèi)似參考符號(hào)表示類(lèi)似元件。
【具體實(shí)施方式】
[0017]術(shù)語(yǔ)“基體鉆頭”在本申請(qǐng)中可用于指代“旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭”、“刮刀鉆頭”、“固定切割器鉆頭”或并入本發(fā)明教義的任何其它鉆頭。這種鉆頭可用于在地下地層中形成井眼或鉆孔。
[0018]基本上來(lái)說(shuō)，基體鉆頭包括在熔滲過(guò)程中用粘合劑材料熔滲的基體粉末，如下文更詳細(xì)描述?；w粉末一般為基體鉆頭賦予所需機(jī)械性質(zhì)，如高耐磨蝕性、耐腐蝕性和耐磨性?；w粉末可包括任何耐腐蝕材料顆粒，其可與粘合劑結(jié)合(例如，機(jī)械地)以形成基體鉆頭。合適材料可包括，但不限制于，碳化物、氮化物、天然和/或合成金剛石和它們的任何組合。
[0019]基體粉末可包括碳化鎢。本發(fā)明可使用各類(lèi)碳化鎢，包括，但不限制于，化學(xué)計(jì)量碳化鎢顆粒、硬質(zhì)碳化鎢顆粒和/或鑄造碳化鎢顆粒。第一類(lèi)碳化鎢，即化學(xué)計(jì)量碳化鎢，可包括粗晶碳化鎢和/或滲碳碳化鎢。第二類(lèi)碳化鎢，即硬質(zhì)碳化鎢，可包括燒結(jié)球狀碳化鎢和/或壓碎硬質(zhì)碳化鎢。第三類(lèi)碳化鎢，即鑄造碳化鎢，可包括球狀鑄造碳化鎢和/或壓碎鑄造碳化鎢?？捎米骰w粉末或基體粉末摻合物的一部分的其它材料包括，但不限制于，氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、立方氮化硼(CBN)和已知可用作基體粉末的任何其它材料。
[0020]為了通過(guò)碳化鎢粉末熔滲方法形成基體鉆頭體，使用熔爐加熱各種材料類(lèi)型模具內(nèi)的WC粉末、粘合劑合金和助焊粉末?？蓪㈩A(yù)成型鋼柄或心軸放置于模腔內(nèi)以給計(jì)劃形成的基體鉆頭體提供加固并允許所得基體鉆頭與鉆柱附接。用WC粉末填裝包圍心軸的模具并裝載粘合劑合金和助焊劑，且隨后加熱。在粘合劑合金的熔化點(diǎn)，粘合劑合金熔滲至WC粉末之間的空間中，從而在每個(gè)WC粉末顆粒之間和在顆粒與心軸之間形成粘結(jié)。可將基體鉆頭體附接至金屬柄?？蓪⒕哂锌刹僮饕詫⑾嚓P(guān)基體鉆頭與鉆柱、鉆管、底部鉆孔總成或井下鉆探馬達(dá)可釋放嚙合的螺紋連接的工具接頭附接至金屬柄。
[0021]術(shù)語(yǔ)“粘合劑”、“粘合材料”和/或“粘合劑材料”在本申請(qǐng)中可交換使用，且在本申請(qǐng)中可用于包括銅、鈷、鎳、鐵、鋅、錳、錫、這些元素的任何合金、它們的任何組合或令人滿(mǎn)意地用于形成包括如上所述基體粉末的基體鉆頭的任何其它材料。這些粘合劑材料可具有1600至1800華氏度，例如1670至1753華氏度的凝固溫度范圍。這些粘合劑一般為相關(guān)基體鉆頭提供所需延展性、韌性和導(dǎo)熱性。先前已將其它材料用作粘合劑材料以提供相關(guān)基體鉆頭的耐腐蝕性、耐磨蝕性和耐磨性。粘合劑材料可與兩種或更多種不同類(lèi)型的基體材料合作以形成相比于許多常規(guī)基體鉆頭體具有增大韌性和耐磨性的基體鉆頭體。
[0022]形成高質(zhì)量連貫基體對(duì)于基體鉆頭的強(qiáng)度和耐久度是關(guān)鍵的。許多因素影響所得基體材料的強(qiáng)度和耐久度:碳化鎢粉末的大小和填裝密度、粘合劑和助焊劑的組成和比例，及加熱和冷卻過(guò)程所涉及的時(shí)間和溫度關(guān)系。
[0023]圖1是示出含有基體鉆頭體50 (未示出)的鉆頭模具總成100的示意圖，所述鉆頭模具總成正從熔爐10移出并被轉(zhuǎn)移至冷卻站15開(kāi)始冷卻過(guò)程。在轉(zhuǎn)移期間，模具總成100的覆蓋體180的大體圓柱形外側(cè)面22暴露于溫度比熔爐10的溫度(基本上在2000至2200華氏度的范圍內(nèi))低得多的周?chē)諝?5 (基本是70至90華氏度的環(huán)境空氣溫度)，同時(shí)下表面仍與熱熔爐的加熱塊接觸。結(jié)果，冷卻前鋒從模具的上表面，如模具總成100的大體圓柱形外側(cè)面22開(kāi)始。這個(gè)冷卻前鋒對(duì)模具總成100和其內(nèi)的鉆頭造成非所需冷卻效應(yīng)。已知這些效應(yīng)造成WC粉末熔滲的缺陷，從而導(dǎo)致在基體熔滲后的基體和心軸冷卻期間基體破裂的傾向。一旦在冷卻站15上，模具總成100 —般會(huì)被水沖洗其下表面以促進(jìn)從下表面加速冷卻。
[0024]可在圖2A和圖2B中見(jiàn)到非所需冷卻缺陷的實(shí)例。圖2A示出根據(jù)先前技術(shù)形成在模具總成100內(nèi)的基體鉆頭體50。在圖中，大體圓柱形鉆頭體50從近似中線分開(kāi)，將基體鉆頭體50分割為半圓柱體并暴露基體鉆頭體的大體平坦內(nèi)表面51?？梢?jiàn)到內(nèi)表面51和各個(gè)鉆頭嵌入件，如核心150和嵌入基體(如下文所描述)中的部分三角形橫截面的環(huán)形心軸36。
[0025]內(nèi)表面51已經(jīng)過(guò)研磨并拋光以便觀察內(nèi)表面的特性。在基體中可見(jiàn)到缺陷52、缺陷53。缺陷52是大得足以用眼睛見(jiàn)到的裂紋，約I至2〃長(zhǎng)。在圖2B中更清楚示出大缺陷53，其對(duì)應(yīng)于圖2A的突顯區(qū)域。缺陷53的破裂和不連續(xù)性是廣泛存在的，但在不破壞基體鉆頭50以檢查內(nèi)部的情況下并不明顯。這些缺陷可形成基體鉆頭50的脆弱部分，從而可能導(dǎo)致鉆頭失效。
[0026]這種導(dǎo)致脆弱基體鉆頭體50的基體連續(xù)性中斷可通過(guò)使用如圖3中所圖示布置于模具100外表面上的絕熱材料使粘合劑從模具底部向頂部并從內(nèi)向外凝固予以改善。
[0027]參考圖3，模具總成100可包括幾個(gè)組件，如模具102、連接體環(huán)110和漏斗120。模具102、連接體環(huán)110和漏斗120可由石墨或其它合適材料形成?？墒褂酶鞣N技術(shù)，包括，但不限制于，機(jī)械加工石墨坯以制造具有腔104的模具102，所述腔具有負(fù)輪廓或所得固定切割器鉆頭的所需外特征部的相反輪廓。例如，模腔104可具有與刀片和排