[發明專利]壓縮殘余應力硬化的井下工具軸部區域

在審

• 申請號: 201580078416.8
• 申請日: 2015-12-18
• 公開（公告）號: CN107429308A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: V·P·帕德瑪瑞卡;G·O·庫克三世;D·B·沃格爾韋德
• 申請（專利權）人: 哈利伯頓能源服務公司
• 主分類號: C21D9/22
• 分類號: C21D9/22;C23C8/00;E21B10/46
• 代理公司: 隆天知識產權代理有限公司72003
• 代理人: 黃艷,聶慧荃

技術領域

本公開大體上涉及具有壓縮殘余應力硬化的軸部區域的井下工具，諸如旋轉鉆頭。

背景技術

各種類型的井下工具用于在井下地層中形成井筒。這些井下工具包括旋轉鉆頭、鉸刀、取芯鉆頭、管下擴眼器、開孔器以及穩定器。旋轉鉆頭包括固定刀具鉆頭、牙輪鉆頭以及混合式鉆頭。旋轉鉆頭可以由諸如多晶金剛石復合片和金屬基體復合材料(MMC)的材料制造。旋轉鉆頭可以包含多于一種類型的材料。例如，PDC鉆頭通常也是MMC鉆頭。

附圖說明

為了更完全地理解本發明及其特征與優點，現結合附圖來參考以下描述，附圖中：

圖1是其中可使用包含壓縮殘余強度硬化的區域的井下工具的鉆井系統的正視圖；

圖2是向上定向的具有包括螺紋接頭的柄部的固定刀具鉆頭的等距視圖；

圖3是向上定向的具有心軸和包括螺紋接頭的柄部的固定刀具鉆頭的等距視圖；

圖4是具有壓縮殘余強度硬化的螺紋接頭的圖2的鉆頭的柄部的截面圖；

圖5是當螺紋接頭受到彎曲負荷時，對于圖2所示的螺紋接頭的疲勞強度和所施應力的圖；并且

圖6是用于通過引起前體軸部區域中的同素異形相轉變來產生壓縮殘余強度硬化的軸部區域的方法的流程圖。

具體實施方式

在鉆井操作期間，各種井下工具(包括鉆頭、取芯鉆頭、鉸刀、擴孔器或其組合)可下降到部分形成的井筒中，并且用于例如通過將井筒鉆得更深進入地層中或通過增加井筒的直徑來進一步形成井筒。這些井下工具受到各種機械應力，特別是在與地層接觸期間。例如，鉆頭的軸部可經歷與鉆頭的頭部不同的應力。軸部的不同部分也可經歷彼此不同的應力。本公開提供一種井下工具，諸如鉆頭，其中軸部區域(通常金屬區域)已通過向所述區域施加壓縮殘余應力來硬化，這通過引起區域中的同素異形材料經受從第一同素異形體至第二同素異形體的同素異形相轉變同時迫使第二同素異形體占據與第一同素異形體相同的物理空間，從而產生壓縮殘余應力來實現。

同素異形材料可具有同時處于相同物理狀態(即，固態、液態或氣態)的兩種或更多種不同的物理結構。這些不同的物理結構被稱為同素異形體。本公開涉及處于固態的具有至少兩種同素異形體的同素異形材料。通常處于固態的不同同素異形體具有不同的晶體結構，但是在一些同素異形材料中可發現物理結構上的其他差異。不同同素異形體的不同物理結構賦予不同的物理特性。石墨(鉛筆芯)和金剛石是不同同素異形體的物理特性可如何不同的容易理解的實例。雖然這兩種材料由幾乎純的碳構成，但是石墨可用指甲切成薄片，而金剛石是已知的最硬的物質。差異完全由于兩種不同同素異形體的不同晶體結構。

本文所用的同素異形相轉變在同素異形材料從一種同素異形體變成另一種同素異形體、同時保持固態并且不需要與另一種化學物質反應時發生。通常，從一種同素異形體變成另一種同素異形體引起原子堆積密度、晶格參數(如果至少一種同素異形體是晶體的話)或兩者增加或減小。同素異形相轉變可通過任何數量的條件來引起，所述條件通常包括壓力、溫度或兩者的閾值水平或變化量。例如，石墨同素異形體經受同素異形相轉變成金剛石同素異形體，但僅在非常高的溫度和壓力下。形成本文所公開的井下工具的大多數感興趣的同素異形相轉變不需要此類極端條件。

同素異形元素包括镅(Am)、鈹(Be)、鈣(Ca)、鈰(Ce)、鋦(Cm)、鈷(Co)、鏑(Dy)、鐵(Fe)、釓(Gd)、鉿(Hf)、鈥(Ho)、鑭(La)、錳(Mn)、釹(Nd)、镎(Np)、钷(Pm)、鐠(Pr)、钚(Pu)、硫(S)、鈧(Sc)、釤(Sm)、錫(Sn)、鍶(Sr)、鋱(Tb)、釷(Th)、鈦(Ti)、鈾(U)、釔(Y)、鐿(Yb)以及鋯(Zr)。同素異形材料包括任何這些同素異形元素的合金，諸如鋼鐵(Fe-C)，其中同素異形元素還可以至少兩種不同的同素異形體形式存在。

同素異形體可使用任何各種已知的非破壞性或破壞性測量方法來檢測并且彼此區分開。例如，可使用X-射線衍射來區分同素異形體。