具有高順應性的表面硬化材料的製作方法

2023-09-21 01:57:05 2

專利名稱：具有高順應性的表面硬化材料的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及鑽井用的鑽頭，尤其涉及金屬表面硬化基體以及 將金屬表面硬化基體應用到鑽頭上的方法。
背景技術：
油氣井的旋轉式鑽井主要是通過兩種類型鑽頭中的一種來實現。 在旋轉式牙輪鑽頭(rotary cutter bit)中，鑽頭本體典型地具有三個 可旋轉的牙輪(cone)或切削刃。牙輪在支承銷上旋轉並且具有用於 破碎地層的齒或碳化鴒硬質合金鑲齒。在固定切削刃鑽頭或刮刀鑽頭 (drag bit)中，鑽頭本體具有包括安裝在固定刀片上的切削元件的面。 切削元件通常是多晶金剛石。鑽頭本體具有帶噴嘴的鑽井液通道，用 於通過位於刀片之間的排屑槽排出鑽井液。
刮刀鑽頭廣泛地應用於定向鑽井，在技術中特別地稱為導向鑽井。 在這種方法中，隨著鑽頭的前進以希望的方向操縱鑽頭用於切削井眼 段。泥漿馬達或渦輪與鑽頭組件一起使用，該鑽頭組件用於旋轉刮刀 鑽頭而鑽柱保持固定不動。
表面硬化或耐磨材料通常連接到鑽頭的外表面上以有助於減小磨 損並保持鑽頭的效率。通常使用的表面硬化材料包括焊接在鑽頭外表 面的適當位置上的碳化鴒顆粒。美國重發布的RE 37,127號專利提供 了對表面硬化材料的深入討論，其全部內容在此引入作為參考。由於 焊接的厚度變化、焊接表面硬化材料的鑽頭的形狀變化以及與焊接過
程相關的焊道變化，即使是熟練的焊工，也可能存在缺陷。機械加工 可能既費時間又昂貴。此外，由於狹窄的間隙和費用，不能將表面硬 化材料焊接到內部零件。

發明內容
提供一種增加鑽頭耐久性的方法，所述方法包括提供表面硬化基 體材料的易彎薄板的步驟。表面硬化材料的易彎薄板具有與第一成分 組合的鎳鉻基體。第一成分選自由球形燒結碳化鴒、球形鑄造碳化鴒 和金屬玻璃組成的組。將表面硬化基體材料薄板放置在鑽頭的預選定 表面上。然後將表面硬化基體材料薄板熔接到鑽頭上。
通過在大約2100華氏度的爐中加熱鑽頭和表面硬化基體材料薄 板來進行熔接。熔接也可以是在大約2100華氏度爐中持續大約五分鐘 到大約十分鐘的時間。
在將表面硬化基體材料薄板放置在預選定表面上的步驟中，在熔 接步驟之前，位於表面硬化基體材料薄板的表面上的粘合劑可以將表 面硬化基體材料薄板相對於鑽頭的預選定表面固定在適當位置。預選 定表面可以包括外保徑面和在一對鑽頭刀片之間的溝槽表面。鑽頭可 以是刮刀鑽頭或三牙輪鑽頭。
表面硬化基體材料還可以包括第二成分，該第二成分先前沒有選 作第一成分。第二成分選自由球形燒結碳化鎢、球形鑄造碳化鎢、金 屬玻璃、微晶碳化鎢和粗晶碳化鎢組成的組。表面硬化基體材料還可 以包括第三成分，該第三成分先前沒有選作第一成分或第二成分。第 三成分選自由球形燒結碳化鴒、球形鑄造碳化鴒、金屬玻璃、微晶碳 化鵠和粗晶碳化鵠組成的組。
提供一種增加刮刀鑽頭的耐久性的方法，其中刮刀鑽頭具有多個 刀片和形成在每一對相鄰刀片之間的溝槽。每一個刀片具有帶切削元 件的切削區和無切削元件的保徑面。本方法包括提供包括與第一成分 組合的鎳鉻基體的表面硬化基體材料薄板的步驟，所述第一成分選自 由球形燒結碳化鎢、球形鑄造碳化鎢和金屬玻璃組成的組。表面硬化
基體材料薄板被切割成對應於刮刀鑽頭的預選定表面的型板
(pattern )。該型板被粘附到刮刀鑽頭的預選定表面。帶有粘附到其 上的型板的鑽頭被加熱以便將型板結合到刮刀鑽頭上。
預選定表面可以是保徑面。預選定表面可以是保徑面和溝槽。 表面硬化基體材料還可以包括第二成分，該第二成分先前沒有選 作第一成分。第二成分選自由球形燒結碳化鴒、球形鑄造碳化鴒、金 屬玻璃、微晶碳化鴒和粗晶碳化鎢組成的組。表面硬化基體材料還可 以包括第三成分，該第三成分先前沒有選作第一成分或第二成分。第 三成分選自由球形燒結碳化鴒、球形鑄造碳化鎢、金屬玻璃、微晶碳 化鵠和粗晶碳化鴒組成的組。
土鑽鑽頭(earth-boring bit)包括鑽頭本體，鑽頭本體具有在其 下端的鑽頭端面(bitface)和開口朝向鑽頭端面的噴嘴，該噴嘴用於 從鑽頭本體的內部排出鑽井液。多個刀片形成在鑽頭端面上並從鑽頭 端面上突出。多個刀片從鑽頭端面的中心部分向在鑽頭本體外圍的保 徑區域徑向地向外延伸。每一個刀片在其上帶有多個切削刃。每一對 刀片形成在刀片之間延伸的溝槽，該溝槽用作鑽井液和鑽屑的通道。 表面硬化材料層被結合到鑽頭本體的表面上。表面硬化材料的厚度基 本上均一而且無焊道。表面硬化材料包括與第一成分組合的鎳鉻基體， 該第一成分選自由球形燒結碳化鎢、球形鑄造碳化鴿和金屬玻璃組成 的組。結合區位於表面硬化材料層和鑽頭本體的與表面硬化材料層結 合的表面之間。
結合區可以包括來自表面硬化層的鎳鉻和來自鑽頭本體的鐵，當 表面硬化層通過加熱被結合到鑽頭本體的表面上時，可以形成結合區。 鑽頭本體的與表面硬化材料層結合的表面可以是保徑面。鑽頭本體的 與表面硬化材料層結合的表面可以是溝槽。鑽頭本體的與表面硬化材 料層結合的表面可以在噴嘴內。


圖l是顯示無表面硬化的刮刀鑽頭組件的透視圖。
圖2是圖1的刮刀鑽頭組件的豎直剖面圖。 圖3是根據本發明構造的表面硬化材料基體薄板的透視圖。 圖4是圖3的表面硬化材料基體薄板的俯視圖，顯示了將從薄板 上切割的型板。
圖5是顯示圖1的刮刀鑽頭組件的透視圖，來自圖3的表面硬化 材料基體薄板的切塊被連接到該刮刀鑽頭組件上。
圖6是圖1的刮刀鑽頭組件的外表面和圖3的表面硬化材料基體 薄板之間的界面熔接後的放大剖面圖。
圖7是根據本發明的不同形式的球形鑄造碳化鎢的示意性透視圖。
具體實施例方式
參照圖1，鑽頭組件11具有在其下端的本體13。本體13具有在 其下端的端面15。多個刀片17形成在端面15上並從端面15突出， 如附圖所示的具有六個刀片17。刀片17從端面15的中心部分向外引 導到在本體13外圍的保徑區域。刀片17彼此分離，在它們之間形成 用於通過鑽井液和鑽屑的排屑槽19。每一個刀片17包括一行傳統切 削刃，通常為多晶金剛石(PCD)切削刃。噴嘴23排出鑽井液，鑽井 液連同鑽屑 一起流動通過排屑槽19並從井眼倒退流出。儘管所示的鑽 頭組件ll為"刮刀鑽頭"或鋼質體鑽頭，但在此的教導也適用於三牙 輪鑽頭或鑄造鑽頭(比如圖1所示的重發布的RE 37，127號美國專利 中的鑽頭)，這對本領域技術人員來說應該是顯而易見的。
一套主j呆4聖襯墊(primary gage pad) 25淨皮整體形成在鑽頭本體 13的側面上。在所示的實施例中，每一個主保徑襯墊25鄰接刀片17 中的一個並從其縱向延伸。替代地，主保徑襯塾25可以相對於軸傾斜 或螺旋彎曲。每一個主保徑襯墊25從本體13突出，延伸排屑槽19。 主保徑襯墊25的大小使其在被切削的井眼的保徑或直徑處具有外表 面26。外表面26包括耐磨表面，但是該外表面是光滑的而且無任何 切削結構。鑽頭本體13連同刀片17和保徑襯墊25可以使用鑄造或機加工過程由金屬基體合成物或鋼來形成。
參照圖2，鋼螺紋連接器或坯27被連接到本體13的上端。在鑄 造過程中坯27被結合到本體13上。坯27從本體13上端突出並且在 其外部具有螺紋29。軸向通道31延伸通過坯27並且連接噴嘴23以 用於傳送鑽井液。
柄部(shank) 33淨皮固定到坯27上。柄部33也由鋼形成，而不 是由碳化物基體形成。柄部33是圓柱形構件，該圓柱形構件可以具有 比本體13的軸向尺寸長的長度。柄部33具有與坯27的螺紋29接合 的螺紋座35。斜面或斜角37形成在柄部33的下端。類似地，斜角39 形成在本體13的上端。相對的斜角37、 39形成V形環狀空腔。該空 腔充滿焊接材料41，通過該焊接材料將柄部33永久地連接到鑽頭本 體13上。柄部33具有與通道31對齊的用於傳送鑽井液的軸向通道 43。柄部33在其上端具有螺紋銷45。銷45的大小適於固定到鑽柱下。
以其它可導向的刮刀鑽頭組件所用的傳統方式操縱鑽頭組件11。 該鑽頭組件一般固定到鑽柱下端的渦輪或泥漿馬達上。沿著鑽柱泵送 的鑽井液驅動泥漿馬達，從而引起鑽頭11旋轉。分隔開的保徑襯墊 25穩定鑽頭11以使井眼壁達到要求的情況，防止產生凸肩和其它不 規則情況(irregularities )。
外表面、前緣和後緣上的表面硬化材料典型地包括被焊接到位的 碳化鎢材料。根據焊工的技術，焊接這種表面硬化材料可能在沿著焊 道線或在表面硬化材料沉積處產生瑕疵和高應力區，使得可能導致表 面硬化材料從其意欲利用其耐磨性保護的表面上切下或脫離。由於被 施加表面硬化材料的表面的幾何形狀的原因，即使是熟練的焊工，焊 接表面硬化材料的過程也可能是費時的、困難的而且冗長的。 一些表 面，比如彼此接合的內表面，就是不能利用焊接的表面硬化材料。
表面硬化金屬基體已經被應用在軸承的內表面上。表面硬化金屬 基體典型地呈易彎薄板的形式。表面硬化表面的需要形狀被從易彎薄 板切割下來，然後被熔接到目標表面或者待表面硬化的表面上。先前
的易彎表面硬化薄板包括金屬基體，該金屬基體典型地大多包括微晶 碳化鵠或者具有更少鎳鉻的粗晶碳化鴒。
參照圖3，顯示了處於易彎狀態的表面硬化基體薄板101。表面硬 化基體薄板101包括表面硬化材料基體103和沿一個表面的粘合表面 105。粘合表面105有助於在熔接之前保持表面硬化基體薄板101抵靠 目標表面。
表面硬化材料基體103優選包括球形燒結碳化鴒、球形鑄造碳化 鎢、或者通常也稱為"金屬玻璃"的納米鋼合成物。美國專利6，689，234 和6,767,419提供了對金屬玻璃的討論並且披露了將金屬玻璃應用到 基底(substrate)的不同方法。美國專利6，689，234和6,767,419的全 部內容在此引入作為參考。基體103還可以包括球形燒結碳化鎢、球 形鑄造碳化鎢、和金屬玻璃中的至少兩個的組合。微晶和粗晶碳化鎢 也可以被添加到單獨具有球形燒結碳化鴒、球形鑄造碳化鴒或金屬玻 璃的或具有上述物質組合的基體103中。破碎的鑄造碳化鎢和破碎的 燒結碳化鴒也可以被添加到單獨具有球形燒結碳化鎢、球形鑄造碳化 鎢或金屬玻璃的或具有上述物質組合的基體103中。
參照圖7，球形鑄造碳化鴒117可以包括許多形狀。優選地，在 基體103中使用的球形鑄造碳化鎢117基本上形狀像球體或球形117a。 然而，球形鑄造碳化鴒117也可以是如已經從其上下表面拉伸的球體 形狀或扁長形狀117b。可替代地，球形鑄造碳化鎢117可以是如已經 從其上下表面壓縮的球體形狀或扁平形狀117c。球形鑄造碳化鴒117 的球形、扁長形和扁平形117a、 117b、 117c的形狀是由於球形鑄造碳 化鴒117的製造方法造成的，而且用於示例說明所提到的球形鑄造碳 化鴒的名稱應該不將基體103局限於僅是球形117a，而是還包括扁長 形和扁平形117b、 117c的鑄造碳化鴒基體。
參照圖4，表面硬化基體薄板101沿著型板107被切割以形成想 要的形狀。如圖5所示，型板107優選對應於鑽頭組件11上的表面。 圖4所示的型板107對應於外表面57。然而，如圖5所示，可以從表 面>^更化基體薄板101切割不同的型板107a、107b以對應於鑽頭組件上 的需要表面。例如，型板107a對應於外表面26，型板107b對應於刀 片17之間的本體13。此外，表面硬化基體薄板101也可以被切割成 對應於鑽頭組件11內表面的型板。
將型板107a、 107b放置在鑽頭組件11的需要表面上。圖5說明 了具有被放置在不同的需要表面上的型板107a、 107b的鑽頭組件11。 粘合劑105最初將型板107a、 107b固定到鑽頭組件11的需要表面。 具有連接到其上的固定好的型板107a、 107b的鑽頭組件11被放入爐 中。在優選實施例中，具有型板107a、 107b的鑽頭組件11被放在大 約2100華氏度的爐中大約五到十分鐘以便將型板107a、 107b上的表 面硬化基體熔接到鑽頭組件11的需要外表面上。所述領域的技術人員 將很容易想到，精確的時間長度和精確的溫度可以改變，這取決於根 據本文上述變型的表面硬化材料基體103的成分。在將型板107a、107b 熔接到適當位置後，表面硬化材料基體103可以根據需要被從粗糙表 面才幾械加工成較光滑表面。
參照圖6，顯示了熔接之後的位於型板107a、 107b上的表面硬化 材料基體103與鑽頭組件11的需要外表面之間的界面的微觀圖。包覆 區109包括表面硬化材料基體103，表面硬化材料在全部各處基本上 均勻地稠密地包裹。如上所述，特別的表面硬化材料可以在鎳鉻基體 中包括單獨的、彼此組合的或者與微晶或粗晶碳化鎢組合的球形燒結 碳化鴒、球形鑄造碳化鴒或金屬玻璃。由於熔接過程，結合區111是 位於表面硬化材料基體103和鑽頭組件11的需要外表面之間的純冶金 結合區。結合區111具有高粒間結合強度並且有助於減少碎裂、剝落 和裂紋。擴散區域113由熔接過程造成。結合區111包括來自型板107a、 107b的鎳鉻和來自基底或鑽頭組件11的鐵。典型地，基底或鑽頭組 件11均一地保持其大部分機械性能。可熱處理區域115包括鑽頭組件 ll基底的剩餘部分。如果需要，區域115可以被熱處理以恢復在熔接 過程可能已被劣化的鑽頭組件11的任何機械性能。
雖然僅以其一些形式顯示了本發明，然而對所屬領域的技術人員 來說顯而易見的是，本發明不限於此，而是容許進行各種改變而不會
偏離本發明的範圍。例如，鑽頭組件也可以是三牙輪鑽頭或鑄造鑽頭。
權利要求
1.一種增加鑽頭耐久性的方法，所述方法包括(a)提供表面硬化基體材料的易彎薄板，所述表面硬化基體材料的易彎薄板包括與第一成分組合的鎳鉻基體，所述第一成分選自由球形燒結碳化鎢、球形鑄造碳化鎢和金屬玻璃組成的組；(b)將表面硬化基體材料薄板放置在鑽頭的預選定表面上；以及(c)將表面硬化基體材料薄板熔接到鑽頭上。
2. 如權利要求1所述的方法，其中步驟(c)通過在大約2100 華氏度爐中加熱鑽頭和表面硬化基體材料薄板而完成。
3. 如權利要求1所述的方法，其中步驟(c)通過在大約2100 華氏度爐中加熱鑽頭和表面硬化基體材料薄板持續大約五分鐘到大約 十分鐘的時間而完成。
4. 如權利要求l所述的方法，其中在步驟(b)中，位於表面硬 化基體材料薄板的表面上的粘合劑在步驟(c )之前將表面硬化基體材 料薄板相對於鑽頭的預選定表面固定在適當位置。
5. 如權利要求l所述的方法，其中預選定表面包括外保徑面。
6. 如權利要求l所述的方法，其中預選定表面包括在一對鑽頭刀 片之間的溝槽表面。
7. 如權利要求l所述的方法，其中表面硬化基體材料還包括第二 成分，所述第二成分先前沒有選作第一成分，所述第二成分選自由球 形燒結碳化鴒、球形鑄造碳化鎢、金屬玻璃、微晶碳化鎢和粗晶碳化 鵠組成的組。
8. 如權利要求7所述的方法，其中表面硬化基體材料還包括第三 成分，所述第三成分先前沒有選作第一成分或第二成分，所述第三成 分選自由球形燒結碳化鎢、球形鑄造碳化鎢、金屬玻璃、微晶碳化鵠 和粗晶碳化鎢組成的組。
9. 如權利要求l所述的方法，其中鑽頭是刮刀鑽頭。
10. 如權利要求l所述的方法，其中鑽頭是三牙輪鑽頭。
11. 一種增加刮刀鑽頭的耐久性的方法，所述刮刀鑽頭具有多個. 刀片和形成在每一對相鄰刀片之間的溝槽，每一個所述刀片具有帶切削元件的切削區和無切削元件的保徑面，所述方法包括(a) 提供表面硬化基體材料薄板，所述表面硬化基體材料薄板包 括與第一成分組合的鎳鉻基體，所述第一成分選自由球形燒結碳化鎢、 球形鑄造碳化鴒和金屬玻璃組成的組；(b) 將表面硬化基體材料薄板切削成對應於刮刀鑽頭的預選定 表面的型板；(c) 將所述型板粘附到刮刀鑽頭的預選定表面上；以及(d) 加熱帶有粘附到其上的型板的鑽頭，以便將型板結合到刮 刀鑽頭上。
12. 如權利要求11所述的方法，其中所述預選定表面包括保徑面。
13. 如權利要求11所述的方法，其中所述預選定表面包括保徑面 和溝槽。
14. 如權利要求11所述的方法，其中所述表面硬化基體材料還包 括第二成分，所述第二成分先前沒有選作第一成分，所述第二成分選 自由球形燒結碳化鎢、球形鑄造碳化鎢、金屬玻璃、微晶碳化鎢和粗 晶碳化鴒組成的組。
15. 如權利要求14所述的方法，其中所述表面硬化基體材料還包 括第三成分，所述第三成分先前沒有選作第一成分或第二成分，所述 第三成分選自由球形燒結碳化鴒、球形鑄造碳化鎢、金屬玻璃、微晶 碳化鴒和粗晶碳化鴒組成的組。
16. —種土鑽鑽頭，所述土鑽鑽頭包括鑽頭本體，具有在其下端的鑽頭端面和開口朝向鑽頭端面的噴嘴， 所述噴嘴用於從鑽頭本體的內部排出鑽井液；多個刀片，所述多個刀片形成在鑽頭端面上並從鑽頭端面上突出， 所述多個刀片從鑽頭端面的中心部分向在鑽頭本體外圍的保徑區域徑 向地向外延伸，每片刀片在其上帶有多個切削刃，而且每一對刀片形成在其間延伸的溝槽，所述溝槽用作鑽井液和鑽屑的通道；被結合到鑽頭本體的表面上的表面硬化材料層，所述表面硬化材料的厚度基本均一而且無焊道，所述表面硬化材料包括與第一成分組合的鎳鉻基體，所述第一成分選自由球形燒結碳化鎢、球形鑄造碳化鴒和金屬玻璃組成的組；以及結合區，所述結合區位於表面硬化材料層和鑽頭本體的與表面硬化材料層結合的表面之間。
17. 如權利要求16所述的土鑽鑽頭，其中所述結合區包括來自表 面硬化材料層的鎳鉻和來自鑽頭本體的鐵，當通過加熱將表面硬化材 料層結合到鑽頭本體的表面上時，形成所述結合區。
18. 如權利要求16所述的土鑽鑽頭，其中鑽頭本體的與表面硬化 材料層結合的表面是保徑面。
19. 如權利要求16所述的土鑽鑽頭，其中鑽頭本體的與表面硬化 材料層結合的表面是溝槽。
20. 如權利要求16所述的土鑽鑽頭，其中鑽頭本體的與表面硬化 材料層結合的表面在噴嘴內。
全文摘要
本發明公開了一種土鑽鑽頭和一種增加土鑽鑽頭的耐久性的方法，所述方法包括提供表面硬化基體材料的易彎薄板的步驟。表面硬化材料的易彎薄板具有與第一成分組合的鎳鉻基體。第一成分選自由球形燒結碳化鎢、球形鑄造碳化鎢和金屬玻璃組成的組。將表面硬化基體材料薄板放置在鑽頭的預選定表面上。然後將表面硬化基體材料薄板熔接到鑽頭上。
文檔編號B23K35/30GK101351613SQ200680050342
公開日2009年1月21日 申請日期2006年11月15日 優先權日2005年11月15日
發明者吉米·W·伊森, 埃裡克·C·沙利文, 戴維·A·柯裡, 約翰·H·史蒂文斯, 詹姆斯·L·奧弗斯特裡特 申請人:貝克休斯公司