CN101657602A - 具有与牙轮结构共同烧结的切削元件的钻头 - Google Patents

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CN101657602A CN200880012075A CN200880012075A CN101657602A CN 101657602 A CN101657602 A CN 101657602A CN 200880012075 A CN200880012075 A CN 200880012075A CN 200880012075 A CN200880012075 A CN 200880012075A CN 101657602 A CN101657602 A CN 101657602A
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N·J·莱昂斯
J·H·史蒂文斯
R·H·史密斯
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    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/50—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of roller type

Abstract

形成用于钻地工具的切削件组件的方法包括烧结牙轮结构以将一个或多个切削元件熔固于其上。在一些实施例中，在将牙轮结构烧结到成品密度之前，可以将一个或多个生、半生或完全烧结切削元件定位在生或半生牙轮结构上。切削件组件可以由这种方法制成，并且这种切削件组件可以在例如钻地旋转钻头和扩眼器的钻地工具中使用。

Description

具有与牙轮结构共同烧结的切削元件的钻头
优先权声明
本申请要求提交于2007年2月23日、名称为″具有与牙轮结构共同烧结的切削元件的钻地工具和切削件组件，及其使用方法″的美国专利申请序列No.11/710,091的提交日期的优先权。
技术领域
本发明通常涉及具有一个或多个可旋转牙轮的钻地工具。更特别地，本发明的实施例涉及形成用于这种钻地工具上的切削件组件(具有包含颗粒基体复合材料的牙轮)的方法、通过这种方法形成的切削件组件，以及包括这种切削件组件的钻地工具。
背景技术
包括旋转钻头的钻地工具通常用于在地层中钻孔或钻井。一类旋转钻头是牙轮钻头(通常称作″凿岩″钻头)，其典型地包括固定到从钻头体垂下的牙掌上的多个锥形切削元件(通常称作″牙轮″或″切削件″)。例如，牙轮钻头的钻头体可以具有三个悬垂牙掌，每个牙掌具有牙轮轴(bearing pin)。可旋转牙轮可以安装到每个牙轮轴上。钻头体还可以包括用于将钻头连接到钻柱上的螺纹顶端。
在一些牙轮钻头中，可旋转牙轮可以包括由颗粒基体复合材料形成并固定在形成于牙轮体外表面上的配合孔中的镶嵌件或硬质合金齿。镶嵌件从牙轮体的外表面伸出，使得在钻进操作期间，当旋转牙轮在地层表面上滚动时，镶嵌件接合并崩解地层。这种镶嵌件可以通过在冲模中压实粉末混合物而形成。粉末混合物可以包括多个硬质颗粒(例如，碳化钨)和含有基体材料(例如，金属或金属合金材料)的多个颗粒。压实的粉末混合物可以烧结以形成镶嵌件。在一些牙轮钻头中，可旋转牙轮体(或至少可旋转牙轮的外壳)可以由钢制成。形成镶嵌件的颗粒基体复合材料可以比可旋转牙轮的主体(或至少外壳)更为耐磨。在钻进操作期间，可旋转牙轮体会磨损到一个或多个镶嵌件从固定该镶嵌件的孔中脱落的程度，这是由于围绕所述孔的牙轮体的区域过度磨损的缘故。
在其它牙轮钻头中，可旋转牙轮可以包括在牙轮体外表面上直接磨铣或机加工出的齿。在机加工齿之后，表面耐磨堆焊材料可以施加到牙轮体的齿、保径部和其它地层接合表面上，以便减少这种地层接合表面的磨损。表面耐磨堆焊材料典型地包括颗粒基体复合材料。例如，表面耐磨堆焊材料可以包括包埋在金属或金属合金中的碳化钨团粒或球粒。
可以使用本领域已知的各种方法将颗粒基体复合表面耐磨堆焊材料施加到工件(例如钻地工具)的表面上。例如，中空圆柱形管可以由基体材料制成，所述管可以充满硬质颗粒(例如，碳化钨)。所述管的至少一端可以密封和定位在工件表面附近。随后可以利用电弧或焊炬熔化所述管的密封端。当所述管熔化时，中空圆柱形管内的碳化钨颗粒与熔融的基体材料(在其沉积到工件上时)混合。在其它方法中，可以使用包括颗粒基体复合表面耐磨堆焊材料的大体上实心杆，从而代替包括基体材料的空心管，其中，所述空心管充满硬质颗粒。
还可以使用其它电弧焊接方法将表面耐磨堆焊材料施加到工件外表面上。例如，可以在电极和希望施加表面耐磨堆焊材料的工件外表面上的区域之间形成等离子转移弧。包括硬质颗粒和含有基体材料的颗粒的粉末混合物随后可以通过或紧接着等离子转移弧引导到工件外表面的区域上。电弧产生的热量至少使基体材料颗粒熔化以形成位于工件表面上的焊池，其随后凝固以形成颗粒基体表面耐磨堆焊材料。
使用表面耐磨堆焊是相对劳动密集的，并且很难以可重复方式控制表面耐磨堆焊厚度和覆盖均匀性。此外，给可旋转牙轮齿施加表面耐磨堆焊材料可以减少齿切削边缘的尖锐度。可以将表面耐磨堆焊研磨到希望的形状。美国专利No.6,766,870公开了通过二次机加工操作使表面耐磨堆焊齿成形的方法。然而，通过研磨削尖表面耐磨堆焊齿在用于制造牙轮钻头的工艺中增加了另一个步骤，增大了大量劳动力和机加工成本。
发明内容
在一些实施例中，本发明包括形成用于钻地工具上的切削件组件的方法。所述方法包括将不完全烧结的牙轮结构烧结到希望的成品密度以将至少一个切削元件(在这里还称作镶嵌件)熔固到牙轮结构上。不完全烧结的牙轮结构可以包括硬质颗粒和基体材料。
在其它实施例中，本发明包括用于在钻地工具上使用的切削件组件，所述钻地工具具有与牙轮结构共同烧结并整体形成的一个或多个切削元件。牙轮结构和切削元件均包括颗粒基体复合材料。牙轮结构的材料成分可以不同于至少一个切削元件的材料成分。
在仍然进一步的实施例中，本发明包括钻地工具，所述钻地工具具有旋转安装在牙轮轴上的至少一个这样的切削件组件。
附图说明
尽管说明书后面的权利要求书特别指出和清楚主张了本发明的保护范围，在结合附图阅读下述具体实施例的情况下可以更容易地确定本发明的优点，其中：
图1是根据本发明实施例的钻地钻头的侧面立视图；
图2是本发明的可旋转切削件组件(包括牙轮)的一个实施例的局部剖视图，所述可旋转切削件组件可以与图1所示钻地钻头一起使用；
图3是可用于形成根据本发明实施例的可旋转切削件组件的牙轮的一种方法的示意图；
图4是可用于形成根据本发明的另一实施例的可旋转切削件组件的牙轮的另一种方法的示意图；
图5A-5C显示了可用于形成本发明的可旋转切削件组件，例如图2所示可旋转切削件组件的方法的一个实施例；
图6A-6C显示了可用于形成体现本发明的可旋转切削件组件，例如图2所示可旋转切削件组件的方法的另一实施例；
图7是本发明的钻地钻头的另一实施例的侧面立视图；
图8是本发明的可旋转切削件组件(包括牙轮)的另一个实施例的局部剖视图，所述可旋转切削件组件可以与钻地钻头例如图7所示钻地钻头一起使用；
图9是可用于提供本发明的可旋转切削件组件例如图8所示切削件组件的齿结构的一个实施例的局部剖视图；和
图10是可用于提供本发明的可旋转切削件组件例如图8所示切削件组件的齿结构的另一实施例的局部剖视图。
具体实施方式
这里描述的具体说明不是指任何特殊材料、设备、系统或方法的实际视图，而只是用于描述本发明的理想化示意图。另外，附图中共有的元件可以由相同的参考数字表示。
当在此使用时，术语″生″表示未烧结的。
当在此使用时，术语″生结构″表示未烧结结构，包括由粘结剂材料固定在一起的多个离散颗粒。
当在此使用时，术语″半生″表示部分地烧结。
当在此使用时，术语″半生结构″是指部分烧结结构，包括多个颗粒，其中至少一部分颗粒已经部分地长在一起以提供相邻颗粒之间的至少部分粘结。可以通过部分地烧结生结构来形成半生结构。
当在此使用时，术语″烧结″是指颗粒成分的致密化，包括去除利用聚合结合在一起的起始颗粒之间的至少一部分孔隙(伴随有收缩)和使相邻颗粒粘结。
当在此使用时，术语″[金属]基合金″(其中，[金属]为任意金属)是指除金属合金外的商业纯[金属]，其中，合金中[金属]的重量百分比大于合金中任何其它成分的重量百分比。
当在此使用时，术语″材料成分″是指材料的化学成分和微观结构。换句话说，具有相同化学成分但是不同微观结构的材料被认为具有不同的材料成分。
当在此使用时，术语″碳化钨″是指包含钨和碳的化合物的任何材料组分，例如，WC、W2C以及WC和W2C的组合。碳化钨例如包括铸造碳化钨、烧结碳化钨和粗晶碳化钨。
随着薄层烃类钻地地层持续减少，被钻井孔的深度持续增加。这些增大的井孔深度使传统的钻头达到其性能和耐久性的极限。一些钻头通常要求钻进单井，更换钻柱上的钻头是昂贵的。
为了提高钻地旋转钻头的性能和耐久性，目前正在研制新型的颗粒基体复合材料。举例而非限制地，提交于2005年11月10日的公开未审的美国专利申请序列No.11/271,153和同样提交于2005年11月10日的公开未审的美国专利申请序列No.11/272,439中公开了包括这种颗粒基体复合材料的用于固定牙轮式钻地旋转钻头的钻头体以及形成这种钻头体的方法。另外，提交于2006年7月17日的公开未审的美国专利申请序列No.11/487,890中公开了包括由这种颗粒基体复合材料形成的牙轮的具有可旋转切削件组件的钻地旋转钻头，以及形成这种牙轮的方法。
图1显示了根据本发明实施例的钻地钻头10。钻地钻头10包括钻头体12和多个可旋转切削件组件14。钻头体12可以包括多个一体形成的钻头牙掌16，用于连接到钻柱上的螺纹18可以形成在钻头体12的上端上。钻头体12可以具有将钻井流体排入钻孔的喷嘴20，在钻井操作过程中，所述钻井流体可以随着切屑一起返回到地面。每个可旋转切削件组件14包括牙轮22，所述牙轮包括颗粒基体复合材料和多个切削元件，例如所示切削镶嵌件24。每个牙轮22可以包括圆锥形保径面26。另外，每个牙轮22可以具有独特的切削镶嵌件24或切削元件结构，使得牙轮22可以在不发生机械干涉的情况下非常接近彼此地旋转。
图2是图1所示钻地钻头10的可旋转切削件组件14之一的剖视图。如图所示，每个钻头牙掌16可以包括牙轮轴28。牙轮22可以由牙轮轴28支撑，牙轮22能够围绕牙轮轴28旋转。每个牙轮22可以具有中心腔30，所述中心腔可以为圆柱形并且可以形成与牙轮轴28邻近的轴颈支承面。中心腔30可以具有平坦的止推肩部32，用于吸收由钻柱作用在牙轮22上的推力。如本实例所示，牙轮22可以通过多个锁定球34保持在牙轮轴28上，所述锁定球位于形成在牙轮腔30和牙轮轴28的表面上的配合凹槽中。另外，密封组件36可以密封牙轮腔30和牙轮轴28之间的支承间隙。密封组件36可以是金属面密封组件，如图所示，或者可以是不同类型的密封组件，例如弹性密封组件。
润滑剂可以通过润滑剂通道38提供给中心腔30和牙轮轴28之间的支承间隙。润滑剂通道38可以通向包括压力补偿器40(图1)的储存器。
如上所述，牙轮22可以包括烧结的颗粒基体复合材料，该烧结的颗粒基体复合材料包括散布在基体材料中的多个硬质颗粒。在一些实施例中，牙轮22可以主要由颗粒基体复合材料构成。硬质颗粒可以包括金刚石或陶瓷材料，例如碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B4C))。更具体地，硬质颗粒可以包括由例如W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si的元素组成的碳化物和硼化物。举例但非限制性的，可用于形成硬质颗粒的材料包括碳化钨(WC，W2C)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、二硼化钛(TiB2)、碳化铬、氮化钛(TiN)、碳化钒(VC)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)和碳化硅(SiC)。而且，不同硬质颗粒的组合可用于调整颗粒基体复合材料的物理性能和特征。硬质颗粒可以利用本领域技术人员公知的方法获得。对于硬质颗粒而言最合适的材料为市场上销售的那些材料，其余材料的获得在本领域普通技术人员的能力范围之内。
基体材料可以包括例如钴基、铁基、镍基、铁镍基、钴镍基、铁钴基、铝基、铜基、镁基和钛基合金。基体材料还可以选自商业纯元素，例如，钴、铝、铜、镁、钛、铁和镍。举例但非限制性的，基体材料可以包括碳钢、合金钢、不锈钢、工具钢、镍或钴超合金材料以及低热膨胀铁或镍基合金，例如
Figure G2008800120754D00071
当在此使用时，术语″超合金″是指具有至少12％重量百分比的铬的铁、镍和钴基合金。可用作基体材料的其它示例性合金包括奥氏体钢，例如
Figure G2008800120754D00072
625M或Rene 95的镍基超合金，以及热膨胀系数与特定材料中所用硬质颗粒的热膨胀系数极为相近的型合金。使基体材料的热膨胀系数与硬质颗粒的热膨胀系数更为接近是有利的，例如减少与残余应力和热疲劳相关的问题。另一种示例性基体材料是Hadfield奥氏体锰钢(具有大约12％重量比的锰和1.1％重量比的碳的铁)。
在本发明的一个实施例中，烧结的颗粒基体复合材料可以包括多个-400ASTM(美国材料试验协会)目碳化钨颗粒。例如，碳化钨颗粒可以大体上由WC构成。当在此使用时，短语″-400ASTM目颗粒″是指能够穿过按照名称为″试验目的用金属丝布和筛网的标准规范″的ASTM规范E11-04所定义的ASTM No.400网筛的颗粒。这种碳化钨颗粒的最大直径小于大约38微米。基体材料可以包括金属合金，其包括大约50％重量比的钴和大约50％重量比的镍。碳化钨颗粒可以占复合材料重量比的大约60％到大约95％，并且基体材料可以占复合材料重量比的大约5％到大约40％。更具体地，碳化钨颗粒可以占复合材料重量比的大约70％到大约80％，并且基体材料可以占复合材料重量比的大约20％到大约30％。
在本发明的另一个实施例中，烧结的颗粒基体复合材料可以包括多个-635ASTM目碳化钨颗粒。当在此使用时，短语″-635ASTM目颗粒″是指能够穿过按照名称为″试验目的用金属丝布和筛网的标准规范″的ASTM规范E11-04所定义的ASTM No.635网筛的颗粒。这种碳化钨颗粒的最大直径小于大约20微米。基体材料可以包括钴基金属合金，其包括大体上工业纯钴。例如，基体材料可以包括高于大约98％重量比的钴。碳化钨颗粒可以占复合材料重量比的大约60％到大约95％，并且基体材料可以占复合材料重量比的大约5％到大约40％。在形成之后，牙轮22可以具有Rockwell A硬度为大约75到大约92的硬度。
图3、4和5A-5C显示了可用于形成图2所示牙轮22和切削件组件14的方法的实施例。通常，这种方法包括提供粉末混合物，压制所述粉末混合物以形成坯料，由所述坯料形成生或半生牙轮结构，以及将所述生或半生牙轮结构烧结到希望的最终密度。
图3显示了压制粉末混合物42以形成生坯料的方法，所述生坯料可用于形成牙轮22。如图3所示，可以在模型或容器44内利用大体上等静压力压制粉末混合物42。粉末混合物42可以包括多个如前所述的硬质颗粒和多个同样如前所述的包括基体材料的颗粒。选择性地，粉末混合物42进一步包括一种或多种添加剂，例如，用于给压制粉末成分提供结构强度的粘结剂(例如，有机材料，如石蜡)，用于使粘结剂更为柔韧的增塑剂，以及用于减少颗粒间摩擦或者在压制期间提供润滑的润滑剂或压紧助剂。
容器44可以包括可变形的流体密封构件46。例如，可变形构件46可以是包括可变形且不透水聚合材料的大体上圆筒形袋，所述聚合材料可以是例如橡胶、氯丁橡胶、硅树脂或聚亚安酯的弹性体。容器44还可以包括大体上刚性的密封板48。可变形构件46可以装满粉末混合物42，并且可以有选择地振动以使粉末混合物42均匀分布在可变形构件46内。密封板48可以附接或粘结到可变形构件46上，以便在其间提供流体密封。
内部容纳粉末混合物42的容器44可以放在压力室50内。可卸盖52可用于提供通向压力室50内部的入口。气体(例如，空气或氮气)或大体上不可压缩的流体(例如，水或油)利用泵(未显示)在高压下经过开口54泵入压力室50中。流体高压可以使构件46变形，流体压力可以大体上均匀地传递给粉末混合物42。在等静压压制期间，压力室50内的压力会大于大约35兆帕(大约5,000磅/平方英寸)。更特别地，在等静压压制期间，压力室50内的压力会大于大约138兆帕(大约20,000磅/平方英寸)。
在其它方法中，可以在柔性容器44内提供真空，并且大于大约0.1兆帕(大约15磅/平方英寸)的压力可以(例如通过大气)施加给容器44的可变形构件46并且可以压实粉末混合物42。粉末混合物42的等静压制可以形成生坯料，其可以在压制之后进行机加工时从压力室50和容器44中取出。在一些实施例中，最终的坯料可以具有通常圆柱形构造。
图4显示了压制粉末混合物56以形成生坯料的另一种方法，所述生坯料可用于形成图2所示牙轮22。图4所示方法包括利用刚性冲模58形成坯料，所述冲模具有用于接收粉末混合物56的腔室。粉末混合物56可以与图3所示方法中使用的粉末混合物42相同。冲模58的腔室可以为大体上的圆锥形，并且可以形成总体上圆锥形坯料。可选地，所述腔室可以为圆柱形，并且可以形成圆柱形坯料。活塞或冲头60可以与冲模58的壁部密封接合。作用力可以作用在活塞60上，并且可以将粉末混合物56压制成具有适于机加工的连贯性状的生坯料。
不管是否由图3或图4所示方法制成，生坯料可以在生状态下进行机加工以形成图5A所示的生牙轮结构22A。然而，在其它方法中，生坯料可以部分地烧结以形成半生坯料，半生坯料随后可以进行机加工以形成半生牙轮结构(未显示)。半生坯料可以是未完全致密化的以方便其机加工。例如生牙轮结构22A、半生牙轮结构的生或半生结构，或者生或半生坯料可以用和现有技术中已知的钢制牙轮大体上相同的方法进行机加工。然而，因为在随后的烧结过程中会发生收缩，生或半生结构的尺寸可以稍大以适应收缩。
图5A显示了可用于形成切削件组件14(图1-2)的生牙轮结构22A。如图5A所示，在一些实施例中，生牙轮结构22A可以具有与牙轮22的希望成品形状相对应的总体形状，并且可以包括各种特征，例如用于提供与牙轮轴28相邻的轴颈支承面的中心腔30(图2)和用于在内部接收切削镶嵌件24的孔62(图2)。
选择性地，置换构件64可以插入孔62中以在随后的烧结过程中保留每个孔62的希望尺寸、形状和朝向。置换构件64可以包括销钉，所述销钉的尺寸设置成与牙轮22上为每个镶嵌件24设置的孔62的希望成品尺寸相适应。置换构件64可以由例如陶瓷的材料制成，所述材料在烧结温度下将保持固态和稳定。另外，置换构件64可以由多孔和/或中空材料制成以方便其在烧结工艺之后从最终完全烧结的牙轮22中取出。孔62的直径在烧结之前可以比置换构件64的直径大，并且可以在烧结期间收缩到置换构件64的直径。
在一些实施例中，图5A所示生牙轮结构22A可以在熔炉中加热和烧结到希望成品密度以形成图5B所示的完全烧结牙轮22。图5B显示了在置换构件64(图5A)已经从完全烧结牙轮22中取出之后的完全烧结牙轮22。
在一些实施例中，熔炉可以包括用于在烧结工艺期间在内部提供真空的真空炉。在其它实施例中，熔炉可以包括压力室，所述压力室用于在牙轮烧结时给其加压。此外，熔炉可以构造为提供受控炉气。例如，熔炉可以构造为提供大体上不含氧气的炉气，牙轮可以在所述炉气中烧结。
作为非限制实例，人们希望提供包括烧结碳化钨材料的牙轮22。为了形成这样的牙轮，可以形成包括含碳化钨的多个颗粒和含钴基基体材料的多个颗粒的生牙轮结构22A，所述颗粒通过有机粘结剂材料粘结在一起。在这种方法中，生牙轮结构22A可以在大约500摄氏度(500℃)和大约1500摄氏度(1500℃)之间的温度下烧结。对于特定的颗粒基体复合材料成分来说，烧结温度可以不同。
在烧结过程中，生牙轮结构22A在其烧结到成品密度时可以发生收缩和致密化以形成牙轮22。在烧结之后，牙轮22可以具有希望的外部构造，其可以包括孔62和中心腔30。这些表面有必要进行有限的机加工或者不必再进行进一步的机加工。可以在烧结之后对中心腔30或其它表面进行机加工。例如，中心腔30的孔壁可以研磨和抛光以达到希望的表面光洁度。
如图5C所示，在牙轮22已经形成并且可选的置换构件64已经取出之后，切削镶嵌件24可以固定到孔62内。切削镶嵌件24可以具有提供所述切削镶嵌件24和孔62之间紧密和牢固压配合的尺寸和形状。在其它实施例中，切削镶嵌件24可以利用粘接剂粘结在孔62中。在另外一些实施例中，切削镶嵌件24可以利用软钎焊或硬钎焊技术固定在孔62中。
中心腔30可以进行精加工，牙轮22可以按照传统的方式(图2)安装到牙轮轴28上。切削镶嵌件24可以按照与形成牙轮22类似的方式由牙轮22分别地形成。尽管切削镶嵌件24也可以由烧结的颗粒基体复合材料形成，但是切削镶嵌件24的颗粒基体复合材料的成分可以不同于牙轮22的颗粒基体复合材料的成分。
在其它方法中，除了形成包括烧结的颗粒基体复合材料的生或半生坯料和机加工所述生或半生坯料以形成生或半生牙轮结构，生坯料可以烧结到希望成品密度以提供完全烧结坯料。这样的完全烧结坯料随后可以利用传统的机加工方法或者超声波机加工方法进行机加工以形成图5B所示的完全烧结牙轮22。由于这种完全烧结坯料较难进行机加工，使用超声波机加工方法可以有助于机加工工艺。例如，超声波机加工方法可以包括给机加工工具施加高频振动，可以增强从完全烧结坯料上去除材料。
图6A-6C显示了可用于形成本发明的切削件组件(例如，图3所示的切削件组件14)的方法的其它实施例。如下面更为详细的讨论的那样，所述方法通常包括，提供包括多个孔的未完全烧结的生或半生牙轮，将镶嵌件插入生或半生牙轮上的孔中，将最终结构烧结到希望成品密度以将镶嵌件固定到牙轮上。这样，镶嵌件可以与牙轮一起烧结并形成整体。在一些实施例中，镶嵌件可以包括未完全烧结的生或半生镶嵌件，所述生或半生镶嵌件可以与牙轮同时烧结到希望成品密度。在其它实施例中，镶嵌件可以在其插入生或半生牙轮的相应孔中时完全烧结。
此外，镶嵌件可以具有从靠近镶嵌件和牙轮之间的接触面的区域到靠近地层接合表面或镶嵌件表面的区域彼此不同的成分梯度。例如，镶嵌件靠近所述镶嵌件和牙轮之间接触面的区域可以具有构造为方便或增强镶嵌件和牙轮之间粘结性的材料成分，而靠近地层接合表面或镶嵌件表面的区域可以具有构造为增强一种或多种材料性质或性能，例如硬度、韧度、耐久性和耐磨性的材料成分。作为非限制实例，镶嵌件靠近所述镶嵌件和牙轮之间接触面的区域可以具有与牙轮的基体材料大体上相似的第一基体材料，而靠近地层接合表面或镶嵌件表面的区域可以具有选定为增强镶嵌件的硬度、韧度、耐久性和耐磨性中的一种或多种性质的第二基体材料。在这种实施例中，第一基体材料和第二基体材料在镶嵌件中的浓度可以在靠近接触面的区域和靠近地层接合表面的区域之间连续或以步进方式变化。
参考图6A，生牙轮结构22A可以如前文参照图5A所述的方式形成或以其它方式设置。可以设置多个生切削镶嵌件24A。每个生切削镶嵌件24A可以包括多个硬质颗粒和含有基体材料的多个颗粒，所述颗粒通过有机粘结剂材料固定在一起。如前所述，生切削镶嵌件24A的成分可以不同于生牙轮结构22A的成分。此外，生切削镶嵌件24A可以具有从靠近镶嵌件和牙轮之间接触面的区域到靠近地层接合表面或镶嵌件表面的区域彼此不同的成分梯度，如前所述。
在一些方法中，除了生切削镶嵌件24A之外的其它生元件也可以在烧结之前固定到生牙轮结构22A上。例如但非限制的，界定牙轮支承面的一个或多个生支承结构68A可以固定在生牙轮结构22A的中心腔30内。与生切削镶嵌件24A类似，每个生支承结构68A可以包括多个硬质颗粒和含有基体材料的多个颗粒，所述生支承结构68A的成分可以不同于生牙轮结构22A的成分。
如图6B所示，生切削镶嵌件24A可以设置在生牙轮结构22A的孔62内，生支承结构68A可以固定在生牙轮结构22A的中心腔30中的选定位置处。
例如但非限制的，生牙轮结构22A中的生切削镶嵌件24A和孔62的尺寸和形状可以设置成在其间提供大约0.025毫米(0.001英寸)到大约0.635毫米(0.025英寸)的平均间隙。还可以在生支承结构68和生牙轮结构22A之间设置这样的间隙。
在装配各种生部件以形成与图6B所示类似的结构之后，所述结构可以烧结到希望成品密度以形成图6C所示的完全烧结结构。在烧结期间，包括孔62或其它特征，切削镶嵌件24或其它切削元件，以及支承结构68在内的牙轮22可以进行收缩和致密化。此外，切削镶嵌件24和支承结构68可以熔化并固定到牙轮22上。换句话说，在烧结工艺之后，切削镶嵌件24和支承结构68可以与牙轮22共同烧结并整体形成以提供大体上单个的切削件组件14′。
在切削件组件14′已经烧结到希望成品密度之后，可以根据需要或要求，对切削件组件14′的各种特征进行机加工和抛光。例如，可以对支承结构68上的支承面70进行抛光。对支承结构68的支承面70进行抛光可以提供较为光滑的表面光洁度，并且可以减少支承结构68和牙轮轴28(图2)之间的接触面上的摩擦。此外，还可以对支承结构68的密封边缘72进行机加工和/或抛光以提供适于密封金属或弹性密封件，或者密封位于钻头体12(图2)上的密封面的形状和表面光洁度。
生切削镶嵌件24A和生支承结构68A可以按照和生牙轮结构22A大致相同的方式由颗粒基体复合材料制成。可以分别和单独地选择每个生切削镶嵌件24A、生支承结构68A和生牙轮结构22A的材料成分以具有适合每个相应部件所承受工作条件的物理和/或化学性质。例如但非限制的，可以选择生切削镶嵌件24A的成分以便形成包含颗粒基体复合材料的切削镶嵌件24，所述材料具有与牙轮22的颗粒基体复合材料不同的硬度、耐磨性与/和韧度。
切削镶嵌件24可以由各种颗粒基体复合材料成分制成。可以选择任一特定镶嵌件24的特定成分以具有适合利用钻头10(图1)钻进的特定地层的一种或多种物理和/或化学性质。另外，可以在单个牙轮22上使用具有不同材料成分的切削镶嵌件24。
例如但非限制的，在本发明的一些实施例中，切削镶嵌件24可以包括含有多个硬质颗粒的颗粒基体复合材料，所述硬质颗粒的硬度高于牙轮22的颗粒基体复合材料的多个硬质颗粒。作为另一个非限制实例，切削镶嵌件24的颗粒基体复合材料中的硬质颗粒的浓度可以高于牙轮22的颗粒基体复合材料中的硬质颗粒的浓度。
尽管图6C所示切削件组件14′包括牙轮22、切削镶嵌件24和支承结构68，可以想到的是，在其它实施例中，切削件组件14′可以不形成单独的生支承结构68A，如此所述。此外，如上所述，切削件组件14′可以通过组合生牙轮结构22A、生切削镶嵌件24A和生支承结构68A而形成，从而形成生切削件组件结构，随后将生切削件组件烧结到希望成品密度。然而，本发明不限于此，根据本发明的其它实施例的方法可以包括装配生结构、半生结构、完全烧结结构或者其任意组合，随后将烧结部件烧结或再加热到烧结温度，以及使各种部件熔化在一起以形成单个、整体的切削件组件结构。
尽管先前所述的切削件组件14′具有包括插入型切削结构的牙轮22，但是具有包括齿型切削结构的牙轮的切削件组件同样可以体现本发明的教导，本发明方法的实施例可用于形成具有包括这种齿型切削结构的牙轮的切削件组件。例如，图7显示了根据本发明实施例的另一钻地钻头74，其包括多个切削件组件80，每个切削件组件具有包括切削齿104的牙轮88。
如图7所示，钻地钻头74具有主体76，所述主体可以具有形成在其顶端上的用于连接到钻柱上的螺纹78。钻头体76可以具有三个整体形成的钻头牙掌82，每个钻头牙掌支撑牙轮轴84(未显示)。在一些实施例中，钻头体76和牙轮轴84可以按照传统的方式由合金钢形成。另外，钻头体76可以具有将钻井流体排入钻孔的喷嘴86，所述钻井流体可以在钻进操作期间随着切屑一起返回到地面。
如图7所示，每个牙轮88可以具有多排切削齿104。齿104可以在数量方面不同，具有各种形状，并且排数可以改变。圆锥形保径面106可以围绕每个牙轮88的背面102并且限定钻头74的外径。如下文更详细讨论的那样，每个齿104的一部分可以与每个牙轮88的主体一体形成，每个齿104的另一部分可以利用在烧结期间熔固到牙轮88上的单独的生或半生结构形成。
图8是安装到牙轮轴84上的切削件组件80之一的一部分的局部放大剖视图，并且显示了围绕牙轮88旋转到附图平面内的每个齿104，从而图解说明了由牙轮88上的所有齿104的切削表面限定的所谓″切削轮廓″。如图8所示，钻头74的每个牙轮轴84可以支撑切削件组件80之一。切削件组件80的每个牙轮88可以具有中心腔90，所述中心腔90提供邻近牙轮轴84的轴颈支承面。牙轮88可以具有平坦止推肩部92并且可以具有形成在中心腔90内的锁定凹槽94。在这种构造中，卡环96可以定位在锁定凹槽94中，配合凹槽可以形成在牙轮轴84上，以便将牙轮88锁定在牙轮轴84上的适当位置处。牙轮88还可以具有用于接收密封件100的密封槽98。密封槽98可以与牙轮88的背面102相邻地定位。例如但非限制的，密封件可以是弹性环。在一些实施例中，牙轮88的背面102可以包括围绕中心腔90的入口的大体上平坦环形表面。
润滑剂可以通过润滑剂通道108提供给牙轮88的中心腔90和牙轮轴84之间的间隙。润滑剂通道108可以通向包括压力补偿器110(图7)的储存器。
牙轮88可以包括如前文参考图2所示牙轮22描述的颗粒基体复合材料。类似地，牙轮88可以利用与前文参考图3和4所示牙轮22所述大体上类似的方法形成。通常，牙轮88可以由生或半生坯料形成，对所述生或半生坯料进行机加工以形成生或半生牙轮结构，并且将所述生或半生牙轮结构烧结到希望成品密度。
图9显示了本发明的一个方法实施例，并且可以使用所述方法形成图7和8所示的切削件组件80。如此所示，在体现本发明的一些方法中，可以通过对生坯料进行机加工来提供生牙轮结构88A。生牙轮结构88A可以包括多个齿基结构105A。突出特征116可以设置在每个齿基结构105A上，生盖结构112可以设置在每个突出特征116上。生盖结构112可以由与生切削镶嵌件24A(图6A-6B)相同的材料以及大体上相同的方式形成。在一些实施例中，生盖结构112可以利用粘合剂固定到突出特征116上。齿基结构105A连同位于其上的生盖结构112一起限定了多个生齿结构104A。
在将生盖结构112装配到齿基结构105A上以形成生齿结构104A之后，最终结构可以烧结到希望成品密度以形成如图7和8所示的完全烧结切削件组件80。
可以分别和单独地选择生盖结构112和生牙轮结构88A的材料成分以具有适合每个相应部件所承受工作条件的物理和/或化学性质。例如但非限制的，可以选择生盖结构112的成分以便在烧结生盖结构112时形成颗粒基体复合材料，所述材料具有与牙轮88(图7和8)的颗粒基体复合材料不同的硬度、耐磨性与/和韧度。
图10显示了本发明的另一个方法实施例，并且可以使用所述方法形成图7和8所示的切削件组件80。所述方法大体上类似于前文参照图9所述的方法。生牙轮结构88B可以大体上类似于图9所示的生牙轮结构88A。然而，生牙轮结构88B可以包括多个齿基结构105B，每个齿基结构具有孔118。在这种构造中，可以在每个孔118内设置生柱销结构114。生柱销结构114可以由与前文参考生切削镶嵌件24A(图6A-6B)和生盖结构112(图9)相同的材料以及大体上相同的方式形成。在一些实施例中，生柱销结构114可以利用粘合剂固定在孔118中。齿基结构105B可以连同生柱销结构114一起限定多个生齿结构104B。
在将生柱销结构114装配到齿基结构105B上以形成生齿结构104B之后，最终结构可以烧结到希望成品密度以形成如图7和8所示的完全烧结切削件组件80。
如上所述，图7和8所示切削件组件80可以通过下述方式形成，即使生牙轮结构88A、88B与生盖结构112和/和生柱销结构114组合从而形成生切削件组件，随后将生切削件组件烧结到希望成品密度。然而，本发明不限于此，本发明其它实施例的方法可以包括装配生结构、半生结构、完全烧结结构或者其任意组合，随后将烧结部件烧结或再加热到烧结温度，以及使各种部件熔固在一起以形成单个、整体的切削件组件结构。例如但非限制的，图9所示生牙轮结构88A可以部分地烧结以形成半生牙轮结构(未显示)，生盖结构112可以与半生牙轮结构装配在一起。最终结构随后可以烧结到成品密度以将盖结构熔固到牙轮结构上并形成齿104(图7)。作为另一个非限制实例，图10所示生柱销结构114可以部分地烧结以形成半生柱销结构(未显示)，半生柱销结构可以与生牙轮结构88B装配在一起。最终结构随后可以烧结到成品密度以将柱销结构熔固到牙轮结构上并形成齿104(图7)。
尽管已经参照三牙轮旋转钻头的实施例对本发明的教导进行了描述，但是其它类型的钻地钻进工具(例如，扩眼器、旋转钻头、逆钻钻机(raise bores)、固定/旋转刮刀式混合型钻头、圆柱铣刀、采矿铣刀、以及本领域已知的其它此类结构)也可以体现本发明并且可以利用体现本发明的方法制成。此外，尽管这里已经相对于特定的优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的普通技术人员应当考虑和认识到本发明不限于此。相反，在不脱离如下文要求保护的本发明范围的情况下，可以对所述和所示实施例进行许多增加、删除和改变。另外，一个实施例的特征可以与另一个实施例的特征结合，但仍然处于由本发明人考虑的发明范围内。

Claims (20)

1.一种制造在钻地工具上使用的切削件组件的方法，所述方法包括：
提供包括硬质颗粒和基体材料的不完全烧结的牙轮结构；
将至少一个切削元件定位在所述不完全烧结的牙轮结构上；和
将所述牙轮结构烧结到成品密度以将所述至少一个切削元件熔固到所述牙轮结构上。
2.如权利要求1所述的方法，其中，提供不完全烧结的牙轮结构包括：
将硬质颗粒与包括基体材料的颗粒混合以形成粉末混合物；和
压制所述粉末混合物以形成生牙轮结构。
3.如权利要求1-2中任意一项所述的方法，其中，将至少一个切削元件定位在所述不完全烧结的牙轮结构上包括将包括硬质颗粒和基体材料的至少一个切削元件定位在所述不完全烧结的牙轮结构上。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的方法，还包括：
从由金刚石、碳化硼、氮化硼、氮化铝以及W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si的碳化物或硼化物组成的组合中选择硬质颗粒；
和
从由钴基合金、铁基合金、镍基合金、钴镍基合金、铁镍基合金、铁钴基合金、铝基合金、铜基合金、镁基合金和钛基合金组成的组合中选择基体材料。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，提供不完全烧结的牙轮结构包括下列之一：
提供生牙轮结构；和
提供半生牙轮结构。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，将至少一个切削元件定位在所述不完全烧结的牙轮结构包括下列之一：
将生切削元件和半生切削元件中的至少一个定位在生牙轮结构上；和
将生切削元件和半生切削元件中的至少一个定位在半生牙轮结构上。
7.如权利要求6所述的方法，其中，烧结所述牙轮结构包括下列至少之一：
将其上具有生切削元件的生牙轮结构烧结到成品密度；
将其上具有半生切削元件的生牙轮结构烧结到成品密度；
将其上具有生切削元件的半生牙轮结构烧结到成品密度；和
将其上具有半生切削元件的半生牙轮结构烧结到成品密度。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的方法，还包括在所述不完全烧结的牙轮结构中机加工至少一个孔，并且其中，将至少一个切削元件定位在所述不完全烧结的牙轮结构上包括将所述至少一个切削元件插入不完全烧结的牙轮结构的所述至少一个孔中。
9.如权利要求8所述的方法，还包括在所述至少一个切削元件的外表面和所述不完全烧结的牙轮结构位于所述至少一个孔内的表面之间设置大约0.025毫米到大约0.635毫米的平均间隙。
10.如权利要求1-7中任意一项所述的方法，还包括在所述不完全烧结的牙轮结构上机加工至少一个突出部，并且其中，将至少一个切削元件定位在所述不完全烧结的牙轮结构上包括将至少一个切削元件放置在所述不完全烧结的牙轮结构的所述至少一个突出部上。
11.如权利要求1-10中任意一项所述的方法，其中，将至少一个切削元件定位在不完全烧结的牙轮结构上还包括使所述至少一个切削元件在靠近所述至少一个切削元件和不完全烧结牙轮之间的接触面的第一区域和靠近所述至少一个切削元件的地层接合表面的第二区域之间具有变化的材料成分。
12.如权利要求11所述的方法，其中，使所述至少一个切削元件具有变化的材料成分包括：
使所述第一区域具有选定的第一材料成分以增强所述至少一个切削元件和所述不完全烧结牙轮之间的粘结性；和
使所述第二区域具有选定的第二材料成分以增强所述至少一个切削元件的硬度和耐磨性中的至少一个性质。
13.如权利要求1-12中任意一项所述的方法，还包括：
将至少一个支承结构定位在不完全烧结的牙轮结构上；和
将所述支承结构熔固到不完全烧结的牙轮结构上，同时将所述牙轮结构烧结到成品密度。
14.一种用于在钻地工具上使用的切削件组件，所述切削件组件包括与牙轮结构共同烧结和整体形成的至少一个切削元件，所述牙轮结构包括具有第一材料成分的颗粒基体复合材料，所述至少一个切削元件包括具有与所述第一材料成分不同的第二材料成分的颗粒基体复合材料。
15.如权利要求14所述的切削件组件，其中，所述牙轮结构的颗粒基体复合材料包括分布在基体材料中的多个硬质颗粒，所述硬质颗粒包括选自金刚石、碳化硼、氮化硼、氮化铝、和W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si的碳化物或硼化物的材料，所述基体材料选自钴基合金、铁基合金、镍基合金、钴镍基合金、铁镍基合金、铁钴基合金、铝基合金、铜基合金、镁基合金和钛基合金构成的组。
16.如权利要求14和15中任意一项所述的切削件组件，其中，所述至少一个切削元件的颗粒基体复合材料包括分布在基体材料中的多个硬质颗粒，所述硬质颗粒包括选自金刚石、碳化硼、氮化硼、氮化铝、和W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si的碳化物或硼化物的材料，所述基体材料选自钴基合金、铁基合金、镍基合金、钴镍基合金、铁镍基合金、铁钴基合金、铝基合金、铜基合金、镁基合金和钛基合金构成的组。
17.如权利要求14-16中任意一项所述的切削件组件，还包括与所述牙轮结构共同烧结并整体形成的至少一个支承结构。
18.如权利要求17所述的切削件组件，其中，所述至少一个支承结构包括颗粒基体复合材料。
19.如权利要求14-18中任意一项所述的切削件组件，其中，所述至少一个切削元件包括至少一个切削镶嵌件和至少一部分切削齿结构。
20.一种包括如权利要求14-19中任意一项所述的切削件组件的钻地工具。
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PB01 Publication
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