刀具襯片的製作方法
2023-12-09 18:38:26 2
專利名稱：刀具襯片的製作方法
技術領域：
本發明涉及刀具襯片，尤其是用作為地下巖石鑽孔而準備的旋轉鑽頭中的切割元件的刀具襯片。
背景技術：
由於鑽石刀具具有高耐磨性，在鑽探操作中利用鑽石壓制塊，也稱為PCD作為刀具是公知的。已知鑽石刀具不能令人滿意地用於銑透和鑽透含鐵基體，例如鋼。在某些沿孔鑽探的操作中使用鑽石刀具就會產生問題，特別是有關地下帶有方向性的鑽探，如在地下位置的垂直鑽孔或豎井中水平地鑽進巖床。
為了從地下的位置水平鑽進巖床，必需使鑽頭從垂直方向的運動轉變為水平方向的運動。如要這樣做，鋼套筒常沿著垂直的鑽孔或豎井定位，在需要進行水平鑽孔的區域中建立一個襯層。在鋼套筒中相鄰於要進行水平鑽孔的地方放置了轉向器。這個通常是楔形的轉向器的功能是使鑽頭改變方向並開始銑透鋼套筒以朝向巖床開個窗口。
由於與含鐵材料相互作用，PCD不適合用於鑽透鋼套筒，需要一種替代的鑽頭襯片。因此，碳化鎢切割刀就普遍地用於銑透鋼套筒的鑽頭上。一旦透過鋼套筒，為了鑽進巖床，碳化鎢襯片必須被更換為諸如鑽石切割刀的耐磨切割刀所替換。這意味著要將鑽頭去除並換上合適的鑽頭。由於要被去除的鑽柱很長，操作起來很耗時，其結果就是花掉許多時間。
發明內容
根據本發明的一個方面，一種刀具襯片包括基層；結合在基層上的極硬磨料層，該極硬磨料層具有側表面和上表面，所述極硬磨料的上表面的周邊的一部分為所述刀具襯片提供了主切割刃；以及保護層，保護層的表面與極硬磨料的上表面和/或側表面相結合以保護主切割刃，保護層的周邊為所述刀具襯片提供了次切割刃，保護層的厚度被選定以便當通過第一物質切割、銑或鑽出窗口時足以保護主切割刃，而當遇到第二物質時使主切割刃暴露出來，所述第一物質例如為鑽孔或豎井的套筒或襯層，所述第二物質例如為巖床。
根據本發明的另一方面，一種在地下巖石層中鑽出水平或有角度孔的方法，包括以下步驟1)準備用於水平或有角度鑽孔的場地，通過a)使用一個已經存在的鑽孔，或者如果沒有，在地下巖石層中鑽出一個合適深度的鑽孔；b)至少在要進行水平或有角度鑽孔的地方使該鑽孔襯有套筒或襯層，所述套筒或襯層具有通道和安裝在該通道中的轉向器；2)提供具有至少一個切割刀具襯片的鑽頭，該切割刀具襯片或每個切割刀具襯片包括基層、結合在基層上並為刀具襯片提供主切割刃的極硬磨料層、保護主切割刃並提供次切割刃的保護層；3)沿著所述鑽孔引導鑽頭，直到鑽頭接觸到轉向器並朝向套筒或襯層轉向；4)穿過套筒或襯層向地下巖石層銑出一窗口；5)在地下巖石層中鑽孔，其中保護層的厚度是在銑透套筒或襯層時保護主切割刃，而當遇到地下巖石層時使主切割刃暴露出來。
上述方法也可用於從一個中央垂直鑽孔鑽出多個方向的孔。
現在參照附圖舉例詳細說明本發明，在附圖中圖1 在地下鑿巖操作中的旋轉鑽頭的示意側剖面圖；圖2 本發明中刀具襯片的第一實施例的側剖面圖；圖3 圖2中的刀具襯片的平面圖；
圖4 本發明的刀具襯片的第二實施例的側剖面圖；圖5 本發明的刀具襯片的第三實施例的側剖面圖；圖6 圖5中的刀具襯片的平面圖；圖7 本發明的刀具襯片的第四實施例的側剖面圖；圖8 圖7中的刀具襯片的平面圖；圖9 本發明的刀具襯片的第五實施例的側剖面圖；圖10 圖9中的刀具襯片的平面圖。
具體實施例方式
參見圖1，鑽頭組件10包括旋轉鑽柱12和在此情況下為刮刀鑽頭的旋轉鑽頭14。
所述鑽頭14被沿著管狀鋼套筒18中的通道16向下引導。該鋼套筒18被錨定在鑽進地下巖床或巖層22的鑽孔或豎井20中。
為了使旋轉鑽頭14在巖床22中「X」所指示的區域內鑽出水平或帶有角度的孔，需要再引導鑽頭14從垂直方向的運動沿著箭頭24轉變成水平方向或有角度方向的運動。轉向器26被連接在套筒18中，並被事先放置在與區域「X」相鄰的地方，以此方式該轉向器使鑽頭14改變方向。轉向器26由錨定器28所支撐。
如前面所提到的，為了鑽透套筒18，傳統上使用典型的碳化鎢硬質合金刀具。一旦窗口30在套筒18上被銑透，鑽頭14就被撤出，而由具有諸如PCD刀的耐磨刀的鑽頭所替代。通過使用本發明的刀具襯片或刀，可以避免這種耗時的操作。
雖然在合適的情況下，極硬磨料層可以是PCBN，但該極硬磨料層通常是PCD層。該極硬磨料層也可以是通過化學氣相沉積物製成的鑽石層，該沉積物被稱作CVD鑽石。
所述刀具襯片的基層通常是一種硬質合金基層。這樣的基層在本領域中是公知的，而且通常是碳化鎢硬質合金基層。
雖然該保護層可以與基層不同級，但通常也是碳化鎢硬質合金，所述保護層可以是基層的延伸部分，或是獨立的層。在某些例子中，所述保護層由工具鋼或其它適於銑透鋼材和別的用於套筒或襯層材料的適當的材料構成。
參見圖2和圖3，本發明的刀具襯片的第一實施例如圖所示。硬質合金基層40具有平底面42和上表面44，在上表面44中形成位於中心的凹進部分46，該凹進部分46被環狀區域48環繞，並有一個表面50。儘管該凹進部分46在該實施例中位於中心處，它也可偏離中心。
凹進部分46被填上鑽石顆粒。而後，填上鑽石的基層40被放置於反應艙中，再將反應艙放於一種常見的高壓/高溫裝置的反應區中。反應艙暴露於高壓、高溫環境中，該環境適於產生一種鑽石研磨壓縮塊(PCD)52。在這樣的條件下，PCD52形成並結合在硬質合金基層限定凹進部分46的整個表面上。PCD52的周邊限定了切割刃54，該刀具襯片的主切割刃。
然後用公知的技術將硬質合金/PCD體從反應艙中取出。該硬質合金/PCD體構成了本發明的刀具襯片的前身。
為了製造一個本發明的刀具襯片，基層40的環狀區域48被磨製或被去除，而使碳化鎢材料保留出一個預先確定的厚度，如附圖標記56所示。這個厚度56如上所述被選擇為與銑透鑽孔的鋼套筒或襯層的壁所需的碳化鎢材料的量相對應。因此，碳化鎢的厚度56為PCD52的主切割刃54提供了一個保護層，並為銑透鋼套筒提供了次切割刃58。一旦窗口在鋼套筒上被銑出，理想地，所述層56幾乎被消耗掉，以便將鑽入巖床的切割刃54暴露出來。
在一些應用中，在碳化鎢基層40具有形成PCD層52所需的性能時，可以沒有銑透鋼套筒或襯層所需的性能。鑑於此，環狀保護層48可由不同級的碳化鎢或其它適合的材料所代替，例如工具鋼。環狀區域48在此情況下可以就地形成為一圓環，或者形成為與刀具襯片相連接的獨立的圓環部件。可利用例如銅焊、壓配合、燒嵌或其它方便的方法將環狀保護層18連接到已經被機加工而接納所述圓環的刀具襯片上。
保護層的作用是保護PCD的切割刃並提供一個鑽透鋼基層的切割刃，它不需要是一個上面所述的刀具襯片的基層的延伸。如圖4所示，本發明的刀具襯片的第二實施例包括碳化鎢基層60、帶有切割刃64的PCD層62和帶有切割刃68的碳化鎢覆蓋保護層66。正如前所述，覆蓋保護層66的厚度70被這樣選定以便在地下巖床中鑽孔的鋼套筒或襯層上銑出窗口，一旦在該鋼套筒上銑透窗口，就使PCD切割刃64暴露出來。
本發明的刀具襯片的第三實施例在附圖中的圖5和圖6中示出。該刀具襯片包括硬質合金基層80、帶有切割刃84的PCD層82和與基層80相結合的帶有切割刃88的碳化鎢保護部分86。該碳化鎢保護部分86可以是基層80的延伸部分。或者，如果碳化鎢基層80的等級不適於切割特級鋼，所述碳化鎢部分86可由不同級的適於銑出的特定基層的碳化鎢構成。同樣，再次選定碳化鎢部分86的厚度使其在鑽透鋼套筒時保護切割刃84，而在遇到地下巖床之後很快暴露出切割刃84。
參見圖7和8，這些附圖示出了本發明的刀具襯片的第四實施例，碳化鎢基層90包括多個平行的凹進部分92，平行的PCD部分或條94在所述凹進部分中形成。該PCD部分94由各碳化鎢部分或條96來保護。在這樣的結構中，各PCD部分94的切割刃98由依次帶有切割刃100的碳化鎢部分96來保護。這種結構允許刀具襯片用於切透連續的鋼層和地下巖床，並且因而能夠被多次使用。
參見圖9和圖10，本發明的刀具襯片的第五實施例包括基層110，在其上形成一個PCD層112。通常，該基層110和PCD層112是在一種傳統的高壓/高溫裝置中形成的，此後該基層的相關部分將被磨掉以使PCD層112的主切割刃114暴露出來。為了在本發明的地下鑿巖過程中保護切割刃114，基層110和PCD層112被銅焊到一個杯狀體116中，該杯狀體通常用一種高速工具鋼製成，該杯狀體116包括用於銑透地下巖床中的鑽孔中的鋼套筒或襯層的切割刃118。
正如上述所表明的，為了實現在地下巖床中的鑽孔的鋼套筒或襯層上銑出窗口的同時保護PCD或PCBN層的主切割刃、一旦穿透鋼套筒就將PCD或PCBN暴露出來的目的，本發明的刀具襯片可以具有多種不同的結構。
權利要求
1.一種刀具襯片，包括基層；結合在基層上的極硬磨料層，該極硬磨料層具有側表面和上表面，所述極硬磨料的上表面的周邊的一部分為所述刀具襯片提供了主切割刃；以及保護層，保護層的表面與極硬磨料的上表面和/或側表面相結合以保護主切割刃，保護層的周邊為所述刀具襯片提供了次切割刃，保護層的厚度被這樣選定以便當通過第一物質切割、銑削或鑽出窗口時足以保護主切割刃，而當遇到第二物質時使主切割刃暴露出來。
2.如權利要求1所述的刀具襯片，其特徵在於，所述基層是碳化鎢基層。
3.如權利要求1或2所述的刀具襯片，其特徵在於，所述保護層與基層一體形成，並且由與基層相同的材料形成。
4.如權利要求1或2所述的刀具襯片，其特徵在於，所述保護層就地形成為一獨立的部件。
5.如權利要求1或2所述的刀具襯片，其特徵在於，所述保護層形成為一獨立的部件，該部件與極硬磨料的上表面和/或側表面相結合。
6.如前述任一權利要求所述的刀具襯片，其特徵在於，所述保護層以環形的形式設置，該圓環圍繞極硬磨料層的周邊設置。
7.如權利要求1至5中任一項所述的刀具襯片，其特徵在於，所述保護層是與極硬磨料的上表面相結合的覆蓋層。
8.如權利要求1至5中任一項所述的刀具襯片，其特徵在於，所述保護層形成了鄰近極硬磨料層與基層相結合的一個部分。
9.如權利要求1至5中任一項所述的刀具襯片，其特徵在於，多個交替的極硬磨料條和多個保護層條被置於基層上，所述多個連續的極硬磨料條提供了一系列的主切割刃，所述多個連續的保護層條提供了一系列的次切割刃。
10.如前述任一權利要求所述的刀具襯片，其特徵在於，所述保護層是由與基層的材料類型相同但級數不同的材料、或工具鋼、或取決於第一物質的其它合適的材料形成。
11.如前述任一項權利要求所述的刀具襯片，其特徵在於，第一物質是指在巖床中的鑽孔或豎井的套筒或襯層，而第二物質是巖床。
12.一種在地下巖石層中鑽出水平或有角度孔的方法，包括以下步驟1)準備用於水平或有角度鑽孔的場地，通過a)使用一個已經存在的鑽孔，或者如果沒有，在地下巖石層中鑽出一個合適深度的鑽孔；b)至少在要進行水平或有角度鑽孔的地方使該鑽孔襯有套筒或襯層，所述套筒或襯層具有通道和安裝在該通道中的轉向器；2)提供具有至少一個切割刀具襯片的鑽頭，該切割刀具襯片或每個切割刀具襯片包括基層；結合在基層上的極硬磨料層，所述極硬磨料層為刀具襯片提供主切割刃；以及用於保護主切割刃並提供次切割刃的保護層；3)沿著所述鑽孔引導鑽頭，直到鑽頭接觸到轉向器並朝向套筒或襯層轉向；4)穿過套筒或襯層向地下巖石層銑出一窗口；5)在地下巖石層中鑽孔，其中保護層的厚度是這樣的在銑透套筒或襯層時保護主切割刃，而當遇到地下巖石層時使主切割刃暴露出來。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述方法用於從一個中央垂直鑽孔鑽出多個方向的孔。
14.如權利要求12或13所述的方法，其特徵在於，所述切割刀具襯片如權利要求1至11中的任一項所述。
全文摘要
一種刀具襯片包括基層(40)；與該基層相結合的極硬磨料層(52)，該極硬磨料層為所述刀具襯片提供了主切割刃(54)；與所述極硬磨料相結合的保護層(56)，用來保護主切割刃。所述保護層為刀具襯片提供了次切割刃(58)，保護層的厚度被選定為當通過第一物質，如鑽孔或豎井的套筒或襯層切割、銑或鑽出一個窗口時，充分保護所述主切割刃，而在遇到第二物質，如巖石層時，使主切割刃暴露出來。本發明提供了一種使用旋轉鑽杆柱和包括本發明的刀具襯片的鑽頭在地下巖層中鑽水平或帶有角度的孔的方法。
文檔編號E21B29/06GK1714225SQ03825637
公開日2005年12月28日 申請日期2003年9月12日 優先權日2002年10月30日
發明者K·湯克, R·A·查普曼, R·D·阿基利斯 申請人:六號元素(控股)公司