[發(fā)明專利]包括混合硬質(zhì)合金的鉆地鉆頭零件及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200980135283.8
• 申請日: 2009-07-20
• 公開（公告）號: CN102149896A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 普拉卡什.K.米爾錢達(dá)尼
• 申請（專利權(quán)）人: TDY工業(yè)公司
• 主分類號: E21B10/50
• 分類號: E21B10/50;E21B10/61;E21B10/42;C22C29/08
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所 11105
• 代理人: 馬高平

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及包括混合硬質(zhì)合金合成物(hybrid?cemented?carbidecomposite)的鉆地鉆頭用零件及其制造方法。包括在本公開內(nèi)的鉆地鉆頭用零件的示例包括鉆地鉆頭本體、牙輪和泥漿噴嘴。

背景技術(shù)

用于油氣井鉆探的鉆地鉆頭可具有固定或可旋轉(zhuǎn)的切割元件。固定切割器鉆地鉆頭(fixed-cutter?earth-boring?bit)通常包括附接于固體保持器或鉆頭本體的多晶金剛石壓坯(PDC，polycrystalline?diamond?compact)。牙輪鉆地鉆頭(roller?cone?earth-boring?bit)通常包括附接于形成鉆頭的零件的多個可旋轉(zhuǎn)錐形保持器的硬質(zhì)合金切割插入物。可旋轉(zhuǎn)錐形保持器在本領(lǐng)域被不同地稱為“牙輪”、“插入牙輪”、或僅稱為“錐體(cone)”。鉆地鉆頭通常固定至鉆柱(drill?string)的終端，而鉆柱是從表面或通過位于鉆柱上鉆頭緊上方的泥漿馬達(dá)得到旋轉(zhuǎn)的。鉆探流體或泥漿沿中空鉆柱和形成于鉆頭本體中的“泥漿噴嘴”泵送。鉆探流體或泥漿在鉆頭旋轉(zhuǎn)時冷卻和潤滑鉆頭，并將鉆頭切下的材料帶至表面。

鉆頭本體和鉆地鉆頭的其它零件在惡劣的井下環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)時受到多種形式的磨損。一種常見的磨損形式是通過與磨蝕性巖層接觸而引起的磨蝕性磨損。另外，載滿巖石切屑的鉆探泥漿會在鉆頭上引起腐蝕性磨損。鉆地鉆頭的使用壽命不僅是切割元件(例如PDC、硬質(zhì)合金切割插入物、或銑制切割齒)的磨損性能的函數(shù)，而且也是鉆頭本體(固定切割器鉆頭的情況)或牙輪(牙輪鉆頭的情況)的磨損性能的函數(shù)。增加鉆地鉆頭使用壽命的一種方法是采用由強(qiáng)度、韌性和磨蝕/腐蝕(磨損)抵抗力的組合得到改善的材料制成的鉆頭本體或牙輪。

圖1示出了用于油氣井鉆探的常規(guī)牙輪鉆地鉆頭。牙輪鉆地鉆頭10包括鉆頭本體12和三個可旋轉(zhuǎn)錐形切割器或“牙輪”14。鉆頭本體12和牙輪14通常由合金鋼制成。硬質(zhì)合金切割插入物16繞各牙輪14的圓周附接。或者，牙輪14可包括用碳化鎢進(jìn)行過表面硬化處理以改善耐磨性的銑制切割齒。旋轉(zhuǎn)鉆柱會使牙輪14沿鉆孔的底部滾動，而切割插入物16順次接觸并碎裂孔底的巖石。經(jīng)由流體孔或“泥漿噴嘴”18泵出的流體的高速噴射從底部區(qū)域沖起碎裂的巖石而向上穿出鉆孔。切割插入物16或齒牙隨著牙輪14的旋轉(zhuǎn)通常嚙合達(dá)一定程度，而該嚙合作用有助于從鉆頭本體12的表面清除巖石。附接區(qū)域19可制有螺紋和/或包括適于使鉆頭10能夠連接至鉆柱的端部的其它特征。

圖2示出了一常規(guī)固定切割器鉆地鉆頭本體。鉆頭本體20通常由合金鋼制成。根據(jù)一個最近的進(jìn)展，如果期望獲得較高程度的磨損和腐蝕抵抗力，則鉆頭本體20可由鑄造金屬基體合成物形成。該合成物可包括例如通過青銅、黃銅或其它特征在于熔點(diǎn)相對較低的適當(dāng)合金的基體粘結(jié)在一起的鎢的碳化物。多個PDC切割器(未示出)固定至鉆頭本體的凹穴28中，凹穴28位于預(yù)定位置以使切割性能最佳化。鉆頭本體20固定至鋼柄(steel?shank，未示出)，其通常包括螺紋銷連接，鉆頭由此固定至位于鉆柱末端的鉆環(huán)或井下馬達(dá)的驅(qū)動軸。

鋼體鉆頭通常從圓形坯料加工成期望形狀，并具有外表(topographical)和內(nèi)部特征。可使用表面硬化技術(shù)來向鉆頭本體的表面和鉆頭本體表面的其它關(guān)鍵區(qū)域施加耐磨材料。

在從硬質(zhì)顆粒和粘結(jié)劑制造鉆頭本體的常規(guī)方法中，通過銑制或加工模子來限定出鉆頭本體的外表面特征。還可能需要附加的手工銑制或粘土工作，來生成或精修鉆頭本體的外表特征。一旦模子完成后，可在模子空腔內(nèi)設(shè)置預(yù)先形成的鉆頭鋼坯，以內(nèi)在地加強(qiáng)鉆頭本體，并提供制造后的銷附接基體。還可向模子的空腔中插入其它沙子、石墨、或者過渡或耐火金屬基插入物，例如限定內(nèi)部流體流道、用于切割元件的凹穴、脊部(ridge)、陸部(land)、噴嘴排出部(nozzle?displacement)、廢料縫(junk?slot)、和/或鉆頭本體的其它內(nèi)部或外表特征的那些插入物。所使用的任意插入物必須放置在精確的位置，以確保切割元件、噴嘴、廢料縫等在最終鉆頭中的恰當(dāng)定位。然后，可在模子內(nèi)放置期望的硬質(zhì)顆粒，并壓實(shí)至期望密度。然后，用熔融粘結(jié)劑浸潤硬質(zhì)顆粒，熔融粘結(jié)劑冷凝以形成包括嵌入在粘結(jié)劑連續(xù)相內(nèi)的硬質(zhì)顆粒不連續(xù)相的固體鉆頭本體。