[發明專利]使用釬焊和機械鎖定附接TSP金剛石環

有效

• 申請號: 201580078423.8
• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN107532454B
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發明（設計）人: G·賽尼
• 申請（專利權）人: 哈里伯頓能源服務公司
• 主分類號: E21B10/42
• 分類號: E21B10/42;E21B10/54;B23K35/24;B22F7/08;B22F5/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 丁曉峰

公開一種用于鉆頭的刀具及其制造方法。所述刀具具有結合到基底的非浸析的多晶金剛石(PCD)臺以及結合到所述基底和非浸析的PCD臺中的一者或兩者的浸析的PCD臺。所述浸析的PCD臺可是環形的并且充當切割元件的工作表面。它可具有鋸齒狀的內表面，所述內表面與所述非浸析的PCD臺的互補的鋸齒形外表面配合，以防止在切割操作期間所述浸析的PCD臺相對于所述非浸析的PCD臺旋轉。所述浸析的PCD臺的表面可以是錐形的，并且與所述非浸析的PCD臺的相對的錐形表面以互補的方式組裝在一起，以便將所述浸析的PCD臺機械鎖定到所述非浸析的PCD臺。

技術領域

本公開大體上涉及鉆井工具，諸如鉆地鉆頭，并且更具體地涉及使用釬焊和機械鎖定將熱穩定性多晶(TSP)金剛石附接到基底和/或多晶金剛石(PCD)表面。

背景

各種類型的鉆井工具用于在井下地層中形成井筒，所述鉆井工具包括但不限于旋轉鉆頭、鉸刀、取芯鉆頭、管下擴眼器、開孔器、穩定器以及其他井下工具。旋轉鉆頭的實例包括但不限于與形成延伸穿過一個或多個井下地層的油氣井相關聯的固定刀具鉆頭、刮刀鉆頭、多晶金剛石復合片(PDC)鉆頭、胎體鉆頭以及混合式鉆頭。

胎體鉆頭通常通過形成具有多個刀翼的主體來制造。每個刀翼可以設置有多個可被稱為刀具凹窩(cutter pocket)的凹槽，每個刀具凹窩用于接收相應的刀具。實際的刀具由多晶金剛石(PCD)結構(可互換地稱為盤或臺)形成，所述結構附接到通常由燒結碳化鎢材料形成的燒結碳化物基底。金剛石臺與其所附接的基底的完整結構可以稱為多晶金剛石壓坯(“PDC”)，因為此種結構可以通過在高溫和高壓下在壓制機中壓實而形成。刀具附接到窩座中的鉆頭體的刀翼，從而將刀具定位在相對于鉆頭體仔細預定義的位置和取向處，以用于隨后在使用期間接合地層。實際上是PCD臺接觸并切開正被鉆探的地下巖石地層。通過鉆井過程產生的機械應力和熱應力賦予PCD臺以及PCD臺與相關聯的基底之間的結合顯著的應變。

通常，通過將金剛石粉末與燒結碳化物基底放置在模具中并使所述模具經受高壓、高溫(HPHT)壓制循環來形成PCD臺。來自燒結碳化物基底的金屬-溶劑催化劑(通常為鈷)滲入到多晶金剛石中以產生金剛石-對-金剛石結合以及基底與所形成的PCD臺的錨定。這種過程的附帶結果是一些金屬-溶劑催化劑保留在金剛石-對-金剛石結合之間形成的間隙空間中。這些殘留的催化劑可能對工作表面上的切割元件的熱機械完整性具有不利影響，因為金剛石與金屬催化劑之間的熱膨脹系數失配達個一數量級。然后通常使PCD臺經受酸浸以從這些間隙空間中除去金屬-溶劑催化劑。通常試圖從整個PCD臺中除去金屬-溶劑催化劑的浸析過程經常可能花費數天到數周才完成

附圖簡述

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是鉆井系統的正視圖；

圖2是以經常用于建模或者設計固定刀具鉆頭的方式向上取向的旋轉鉆頭的等距視圖；

圖3A和3B分別是根據本公開的一個實施方案的沿著內表面釬焊到非浸析的PCD臺以及沿著一側釬焊到基底的浸析的PCD環的橫截面側視圖和頂視圖；

圖4A和4B分別是圖3A和3B所示的浸析的PCD環的替代性實施方案的橫截面側視圖和頂視圖，其中所述環僅被釬焊到非浸析的PCD臺；

圖5A和5B分別是圖3A和3B所示的浸析的PCD環的另一個替代性實施方案的橫截面側視圖和頂視圖，所述PCD環進一步形成為兩個單獨的半圓形環段，每個環段具有錐形表面，其與在非浸析的PCD臺上形成的互補錐形表面互鎖，以便將浸析的PCD環段軸向鎖定在適當位置；

圖6A和6B分別是圖3A和3B所示的浸析的PCD環的另一個替代性實施方案的橫截面側視圖和頂視圖，示出浸析的PCD環形成有鋸齒狀的內表面，其與非浸析的PCD環的互補鋸齒狀的外側表面互鎖；