包括細長結構的孕鑲鑽孔工具的製作方法
2023-04-30 14:57:01 3
包括細長結構的孕鑲鑽孔工具的製作方法
【專利摘要】一種孕鑲鑽孔工具，包括提供增強性能的細長結構。所述鑽孔工具包括孕鑲金剛石切割段，所述孕鑲金剛石切割段包括由碳、玻璃、陶瓷等製成的細長結構。所述細長結構可包括管、纖維或杆。在一個或多個實施中，所述細長結構為納米尺寸。所述細長結構可控制所述鑽孔工具的抗拉強度和/或磨蝕速率從而優化所述工具的切割性能。此外，在一個或多個實施中，所述細長結構也可弱化所述切割段；從而使得可使用較高強度的粘結劑。這種較高模數的粘結劑可節約成本並使得可對所述切割段進行調節以將金剛石保持所需的時間量。隨著所述切割段磨蝕，所述細長結構也可增大所述切割段的面處的潤滑性。
【專利說明】包括細長結構的孕鑲鑽孔工具
[0001]相關申請案的交叉引用
[0002]本申請案是2011年8月24日提交的名稱為「Impregnated Drilling ToolsIncluding Elongated Structures」的美國申請案第13/217，107號的接續案，美國申請案第13/217，107號是2009年9月17日提交的名稱為「Fiber-Containing SinteredDrilling tools」的美國專利申請序列號12/561,936的部分接續申請案，美國專利申請序列號12/561，936是2007年11月30日提交的名稱為「Fiber-ContainingDiamond-1mpregnated Drilling tools」的美國專利申請序列號11/948，185,現為美國專利第7，695，542號的分案申請，美國專利第7，695，542號要求2007年5月9日提交的名稱為 「Fiber-Reinforced Diamond Wire」 的美國臨時申請序列號 60/917，016 與 2006 年11月30日提交的名稱為「Fiber-Reinforced Core Drill Bit」的美國臨時申請序列號60/867，882的優先權和權益。以上引用的每一個申請案和專利的內容以全文引用的方式併入本文。
【技術領域】
[0003]本申請案通常涉及鑽孔工具及其製造和使用方法。尤其是，本申請案涉及可包括細長結構的孕鑲金剛石鑽孔工具。
【背景技術】
[0004]鑽頭和其它鑽地工具常用於在巖石和其它硬質地層上鑽孔用於探測或其它目的。用於這種操作的一種鑽頭類型是孕鑲鑽頭。這些工具執行鑽孔動作的部分(或工具的切割段)通常由包括粉狀硬顆粒材料(比如，碳化鎢)的胎體形成。這種材料通常會被粘結劑滲入，比如銅合金。最後，這些工具的切割段通常孕鑲有磨削介質，例如天然或人造金剛石。
[0005]在使用孕鑲鑽頭進行鑽孔操作期間，隨著支撐胎體材料的磨損，磨削介質逐漸暴露。孕鑲鑽孔工具的基本功能原理是通過形成切割段的支撐胎體的磨損，新磨削介質連續暴露。孕鑲鑽孔工具可繼續有效地進行切割，直至工具的切割段完全耗盡。那時，工具變鈍且必須用另外工具進行更換。
[0006]在某些情況下，孕鑲鑽孔工具會很昂貴，且其更換會耗時，成本高以及危險。例如，更換鑽頭要求將整個鑽柱從已鑽的孔(鑽孔)中移出(或取出)。必須按順序從鑽孔中移出鑽杆的每一段。一旦更換了鑽頭，必須逐段組裝整個鑽柱，然後再裝回鑽孔中。根據孔的深度和被鑽材料的特性，對於單個鑽孔而言，這個過程可能需要重複多次。因此，可理解鑽頭需要更換的次數越多，進行鑽孔操作所需的時間越長且成本越高。
[0007]此外，傳統孕鑲鑽孔工具常常具有一些可增加切割段的耗損率的特性，因此增加了與那些鑽孔工具有關的操作成本。首先，與切割介質相比，工具中的粘結劑材料可相對柔軟。因此，切割段會過早地磨蝕，並使得金剛石或其它磨削介質過早地脫落。其次，切割段的磨蝕速率會由於工具切割面及其周圍或者工具切割段與被切割物質之間的界面的潤滑不良而增加。磨蝕速率增大至少部分地歸因於由於與鑽孔操作有關的壓力和旋轉速度而導致鑽孔表面產生的大量摩擦和熱量。第三，傳統孕鑲鑽孔工具還會因過於耐磨而無法暴露並更新切割段的層。
[0008]因此，傳統孕鑲鑽孔工具存在許多可被解決的缺點。
【發明內容】
[0009]本發明的一個或多個實施例利用包括可用於控制鑽孔工具性能的細長結構的孕鑲鑽孔工具、系統和方法克服了本領域中的一個或多個問題。例如，根據一個或多個實施例，鑽孔工具包括孕鑲切割段，其包括細長結構(例如，纖維、管、杆)。細長結構可用於控制切割段中的胎體的強度和/或磨蝕速率從而優化工具的切割性能。
[0010]例如，孕鑲鑽孔工具的實施例可包括切割段，所述切割段包括為硬顆粒材料的胎體和粘結劑。多個切割介質和多個細長結構可散布在胎體內。在鑽孔期間，胎體可適於磨蝕和暴露切割介質。
[0011]此外，根據本發明實施例的鑽頭可包括鑽柄和切割段。切割段可包括為硬顆粒材料的胎體。多個切割介質和多個細長結構可散布在胎體內。多個細長結構可弱化切割段。
[0012]除上述之外，孕鑲取芯鑽具可包括鑽柄和環形切割段。環形切割段可包括基座和相對的切割面。切割段的基座可固定至鑽柄。環形切割段可包括為硬顆粒材料的胎體和粘結劑。多個切割介質和多個細長結構可散布在位於切割面與基座之間的切割段的胎體內。在鑽孔期間，胎體可適於磨蝕並暴露磨削介質和定位在切割面與基座之間的細長結構。
[0013]本發明的示例性實施例的附加特徵和優點將在隨後的描述中闡述，且部分將從描述中顯而易見，或可通過這種示例性實施例的實踐獲知。這種實施例的特徵和優點可通過尤其在所附權利要求中指出的儀器和組合來實現和獲得。這些和其它特徵將從以下描述和所附權利要求中變得更加明顯，或可通過如以下闡述的這種示例性實施例的實踐獲知。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]為了描述可以獲得本發明的上述和其它優點和特徵的方式，將參考附圖中所圖示的其具體實施方案來更詳細地描述以上簡述的本發明。應注意，附圖未按比例繪製，且為了說明，在所有附圖中通常以相同的附圖標記表示結構或功能相似的元件。可以理解，這些附圖僅描述本發明的典型實施方案，從而不被認為是對其範圍的限制，將通過使用附圖以附加特徵和細節來描述和解釋本發明，其中:
[0015]圖1圖示了根據本發明的一個或多個實施例的具有包括細長結構的切割段的鑽孔工具；
[0016]圖2圖示了沿圖1中的線2-2截取的圖1的鑽孔工具的切割元件的放大剖面圖；
[0017]圖3A-3E圖示了根據本發明的一個或多個實施例的各種細長結構的剖面圖，以及
[0018]圖4圖示了根據本發明的一個或多個實施例的具有帶有包括細長結構的切割段的鑽孔工具的鑽孔系統。
【具體實施方式】
[0019]本發明的一個或多個實施例包括可用於控制鑽孔工具性能的細長結構的孕鑲鑽孔工具、系統和方法。例如，根據一個或多個實施例，鑽孔工具包括孕鑲切割段，其包括細長結構(例如，纖維、管、杆)。細長結構可用於控制切割段中的胎體的強度和/或磨蝕速率從而優化工具的切割性能。
[0020]更具體地，一個或多個實施例的孕鑲鑽孔工具可包括具有粉狀金屬或硬顆粒材料(比如碳化鎢或任何其它耐磨或超耐磨材料)的胎體。這種材料可被粘結劑滲入，比如銅合金。這些工具的切割段也可孕鑲有金剛石或一些其它形式的磨削介質，並與細長結構混合(在一個或多個實施例中，被強化)，如下文中更詳細地描述的那樣。
[0021]根據一個或多個實施例，細長結構可用於調節鑽孔工具的切割段的性能以增強工具的鑽孔性能。例如，細長結構可強化或弱化切割段。此外，可調節細長結構以將磨削介質在切割段內保持所需的時間，或幫助確保持續磨蝕。因此，本發明的一個或多個實施例可允許對切割段進行調節以延長壽命，增強性能，和/或包括用於待鑽特殊地層(例如，硬質地層、斷裂地層、柔軟地層)的理想性能。 [0022]此外，摩擦產生的熱量是磨削介質從孕鑲鑽孔工具過早脫落的一個原因。摩擦產生的熱量還可使整個孕鑲鑽孔工具過早損壞。本發明的一個或多個實施例可幫助克服或緩解與熱量和摩擦有關的問題。例如，當切割段磨蝕時，細長結構可提高切割段的鑽頭刃面的潤滑性，從而冷卻鑽頭刃面並減少摩擦和相關的熱量。
[0023]除上述之外，根據一個或多個實施例的包括細長結構的孕鑲鑽孔工具可允許使用強度較高的粘結劑。這種強度較高的粘結劑的成本可低於傳統粘結劑。此外，強度較高的粘結劑可增大橫向斷裂強度、抗拉強度和/或切割段的硬度。因此，細長結構可使得鑽孔工具使用更長時間，且更安全以及更經濟。
[0024]本文描述的鑽孔工具可用於切割石頭、地下礦物層、陶瓷、浙青、混凝土及其它硬質材料。這些鑽孔工具可包括，例如鑽頭、金剛石刀片、開槽片、開槽梳刀、鉸刀、穩定器等。例如，鑽孔工具可以是任何類型的鑽地鑽頭(即，鑽芯取樣鑽頭、刮刀鑽頭、滾錐鑽頭、納維鑽、全孔鑽、孔鋸、開孔器等等。為了便於描述，下文中包括的圖和對應的文本說明了孕鑲鑽芯取樣鑽頭的實例，以及形成和使用這種鑽頭的方法。然而，根據本公開將理解本發明的系統、方法和裝置可與其它鑽孔工具，比如上文提到的那些一起使用。
[0025]現在參考附圖，圖1圖示了根據本發明的實施例的包括細長結構的孕鑲鑽芯取樣鑽頭20的透視圖。如圖1所示，鑽頭20可包括被構造為將鑽頭20連接至鑽柱的組件(例如，耦接鉸刀、鑽杆)的第一段或鑽柄部分21。鑽頭20還可包括第二段、切割段或冠部22。切割段22在鑽孔過程中可切割材料或地層。
[0026]如圖1所7]^，在一個或多個實施例中，鑽頭20可具有由外表面24和內表面26限定的通常為環形的形狀。因此，鑽頭20可圍繞其中心軸線限定內部空間用於接收鑽芯樣本。因此，被鑽材料的碎片可穿過鑽頭20的內部空間並向上通過附接鑽柱。鑽頭20可以是任何尺寸，因此可用於收集任何尺寸的鑽芯樣本。在一個或多個實施例中，鑽頭20可具有大約3英寸至大約12英寸的直徑。在可替代的實施例中,直徑可大於12英寸或小於3英寸。在一個或多個實施例中，沿著相似的線，鑽頭20的切口(即，外表面24的半徑減去內表面26的半徑)可以是大約1/4英寸至大約6英寸。在可替代的實施例中，切口可大於6英寸或小於1/4英寸。
[0027]鑽柄部分21可包括螺紋連結和/或其它特徵部以幫助附接至鑽柱組件。舉例來說而非限制，鑽柄部分21可由鋼、另一種以鐵為主的合金或任何其它表現出可接受物理性能的材料形成。
[0028]鑽芯取樣鑽頭20的切割段22可被構造為在鑽孔過程中對所需材料進行切割或鑽孔。尤其是，鑽頭20的切割段22可包括切割面28。切割面28可包括將切割面28劃分成切割元件32的水道或空隙30。水道30可允許鑽孔流體或其它滑潤劑流動經過切割面28以幫助在鑽孔過程中提供冷卻。
[0029]孕鑲鑽孔工具的切割段的構造可直接關係到其性能。如前所述，孕鑲鑽孔工具的切割段通常包括分布在合適的支撐胎體內的金剛石和/或其它硬質材料。金屬基複合材料常用於支撐胎體材料。金屬基材料通常包括具有延展性金屬相的硬質顆粒相。硬相常常由碳化鎢和其它難熔元素或陶瓷化合物組成。銅或其它非鐵合金通常用於金屬粘結劑相。常見的粉末冶金法，比如熱壓、燒結和浸滲用於將支撐材料的成分形成金屬基複合材料。
[0030]例如，現在參考圖2，示出了鑽頭20的切割段22的放大剖面圖。在一個或多個實施例中，鑽頭20的切割段22可由一個或多個層組成。例如，切割段22可包括兩個層。尤其是，切割段22可包括在鑽孔期間進行切割的胎體層31，和將胎體層31連接至鑽頭20的鑽柄部分21的襯層或基座33。
[0031]圖2還圖示了鑽頭20的切割段或冠部22可包括為硬顆粒材料的胎體36和粘結齊?。硬顆粒材料可包括，例如金屬。根據本公開將理解，硬顆粒材料可包括粉狀材料，比如粉狀金屬或合金以及陶瓷化合物。根據本發明的一些實施例，硬顆粒材料可包括碳化鎢。如文中所用，術語「碳化鎢」是指包括鎢和碳(比如，WC、W2C以及WC和W2C的組合)的化合物的任何材料成分。因此，碳化鎢包括例如鑄造碳化鎢、燒結碳化鎢和粗晶碳化鎢。根據本發明的附加或可替代實施例，硬顆粒材料可包括碳化物、鎢、鐵、鈷和/或鑰以及碳化物、硼化物及其合金，或任何其它合適的材料。
[0032]如前所述，切割段或冠部22還可包括散布在胎體36各處的多個磨削介質34。磨削介質34可包括一種或多種天然金剛石、人造金剛石、多晶金剛石製品(即，TSD或P⑶)、氧化鋁、碳化矽、氮化矽、碳化鎢、立方氮化硼、礬土、加晶種或未加晶種的溶膠凝膠礬土，或其它合適的材料。
[0033]在鑽頭22中使用的磨削介質34可具有任何所需的特性或特性組合。例如，磨削介質可以是任何尺寸、形狀、粒度、質量、磨度、濃度等。在一個或多個實施例中，磨削介質34可以非常小且大致上為圓形以使鑽芯取樣鑽頭20所切割的材料上保持高的光潔度。在可替代的實施例中，切割介質34可以較大以更深地切入被切割的材料。
[0034]磨削介質34可均勻或不均勻地散布於切割段22各處。同樣，磨削介質34可以特別的方式排列以便磨削介質34的鑽孔性能相對於鑽頭20的切割段22出現在比較有利的位置。同樣地，也可針對特殊用途使磨削介質34如所需那樣以各種不同的密度包括在20鑽頭中。例如，與緊密壓縮在一起的小磨削介質相比，間隔較大的大磨削介質可更加快速地切割材料。但是磨削介質34的尺寸、密度及形狀可依據期望的成本與鑽頭20的性能而具有各種不同的組合形式。
[0035]除了磨削介質34，切割段22可包括散布在胎體36各處的多個細長結構38。增加細長結構38可用於調節鑽頭20的切割段22的性能。例如，細長結構38可增加至胎體36材料來中斷裂紋擴展，從而增大胎體36的抗拉強度並減小其磨蝕速率。此外，增加細長結構38也可通過至少部分地阻止胎體36的一些磨削介質34和硬顆粒材料的粘結和固結來弱化切割段22的結構。
[0036]如圖2所示，細長結構38和切割介質34均可散布在所述切割面28與所述基座33之間的胎體36內。在鑽孔期間，作為孕鑲鑽孔工具，胎體36可被構造為磨蝕和暴露最初位於切割面28與基座33之間的切割介質34和細長結構38。新切割介質34的持續暴露可幫助切割面28保持鋒利。
[0037]新細長結構38的暴露可幫助減少鑽孔工具的摩擦生熱。例如，一旦細長結構38由於胎體36鑽孔而釋放出來，其可向切割面28提供冷卻以減少摩擦和相關的熱量。因此，細長結構38可使得對切割段22進行調節以減少摩擦並增大切割部分與被切割表面之間的界面處的潤滑，從而使鑽孔更容易。增大的潤滑也可減少所需的鑽孔流體添加劑(比如，鑽泥、聚合物、膨潤土等)的量，從而降低成本並減少因使用鑽孔工具而對環境造成的影響。
[0038]細長結構38可由碳、金屬(例如，鎢、碳化鎢、鐵、鑰、鈷或其組合)、玻璃、聚合材料(例如，凱夫拉爾)、陶瓷材料(例如，碳化矽)、塗層纖維等。此外，在細長結構38被包括在鑽孔工具中之前，可以一種或多種附加材料對細長結構38進行選擇性塗覆。但凡為了提高性能，均可使用這種塗層。例如，塗層可用於幫助將細長結構38保持在鑽孔工具中。在另一個實例中，塗層可用於在塗層被磨蝕掉並形成起到減小摩擦作用的細顆粒材料時，增加鑽孔工具的鑽孔面附近的潤滑性。在又另一個實例中，塗層可充當磨蝕材料，從而用於在鑽孔期間提供幫助。
[0039]任何已知的材料均可用於塗覆細長結構38。例如，任何所需的金屬、陶瓷、聚合物、玻璃、膠料、潤溼劑、熔劑或其它物質可用於塗覆細長結構38。在一個實例中，碳細長結構38塗覆有金屬，比如鐵、鈦、鎳、銅、鑰、鉛、鎢、鋁、鉻或其組合。在另一個實例中，碳細長結構38可塗覆有陶瓷材料，比如碳化矽、一氧化矽、二氧化矽等。
[0040]在細長結構38塗覆有一個或多個塗層的地方，塗覆材料可覆蓋細長結構38的任何部分，且可具有任何所需的厚度。因此，塗覆材料可以本領域已知的任何方式塗覆於細長結構38。例如，塗層可通過噴塗、刷塗、電鍍、浸潤、物理汽相澱積或化學氣相沉積塗覆於細長結構38上。
[0041]此外，細長結構38還可以是不同的組合或類型。細長結構38的類型的實例包括切短、研磨、辮形、編織、分組、盤繞或束狀細長結構。在本發明的一個或多個實施例中，比如當鑽孔工具包括鑽芯取樣鑽頭20時，細長結構38可包括切短和研磨纖維的混合物。在可替代的實施例中，鑽孔工具可包括一種類型的伸長結構38。然而，在另外實施例中，鑽孔工具可包括多種類型的細長結構38。在這種實例中，在鑽孔工具包括多於一種類型的細長結構38的情況下，可使用任何類型、質量、尺寸、形狀、等級、塗層和/或特性的細長結構38的組合。
[0042]鑽孔工具中的細長結構38可以是任何所需的濃度。例如，鑽孔工具20的切割段22具有很高濃度的細長結構38，很低濃度的纖維或兩種濃度之間的任何濃度。在一個或多個實施例中，鑽孔工具可包括大約0.1至大約70體積百分比濃度的細長結構38。此外，鑽孔工具的第一部分可具有第一濃度的特別類型的伸長結構38，另一部分可具有不同濃度(或高或低)的相同類型或另一種類型的伸長結構38。
[0043]在一個或多個實施例中，細長結構38可均勻地散布在鑽孔工具20的切割段22的各處。然而，在其它實施例中，細長結構38的濃度可根據需要在鑽孔工具20的切割段22的任意部分發生變化。實際上，細長結構38的任何所需的濃度變化均可在鑽孔工具20中實施。例如，在鑽孔工具包括鑽芯取樣鑽頭20的情況下，其可包括呈階梯狀的纖維濃度。在本實例中，胎體層距鑽頭20的切割面28最近的部分可包括第一濃度的細長結構38，且細長結構38的濃度朝鑽柄部分21可逐漸減小或增大。這種鑽頭可用於鑽一開始柔軟、耐磨、鬆散，但隨著深入逐漸地變得堅硬、固結的地層。因此，散布於鑽頭中的細長結構38可根據鑽頭將要鑽孔的地層構造而加以定製。
[0044]細長結構38的濃度還可以所需的方式在鑽孔工具中變化。換句話說，鑽孔工具可包括細長結構38的濃度或混合物與鑽孔工具的其它部分不同的段、帶、點、環或任何其它構造。例如，切割段22可包括包括細長結構38的胎體層的多個層、環或片斷。鑽頭的每一個環、層或片斷可具有在整個層、環或片段中濃度大致均等(或不均等)的細長結構38。而環與環(或片段與片段等)之間的細長結構38的濃度也可不同。此外，細長結構38梯度不同的各個環可以任意的順序排列，可含有不同的細長結構38或細長結構38的組合，並且可具有任何所需的厚度。在另一個實施例中，鑽頭的外表面和內表面可配置有與鑽頭的內部部分濃度不同的細長結構38。
[0045]細長結構38可以任何所需的定向或排列方式位於鑽孔工具的切割段22中。在一個或多個實施例中，細長結構38可在任何所需的方向上趨於彼此大致平行。圖2圖示了在其它實施例中，細長結構38可隨意地形成並因此可相對朝向幾乎任何方向和/或多個方向。
[0046]細長結構38可包括纖維、管、杆或其它結構。例如，圖3A-3E圖示了本發明的一個或多個實施例的各種不同類型的細長結構38的剖面圖。如圖3A和圖3E所圖示，在一個或多個實施例中，細長結構38a、38e可包括管或其它中空結構。這種管38a、38e可包括任何形狀或構造。例如，圖3A圖示了具有圓形剖面的管38a。而圖3E圖示了具有正方形剖面的管38e。在另外的其它實施例中，管可包括矩形、橢圓形、六邊形或其它形狀。
[0047]在可替代的實施例中，如圖3B至圖3D所示，細長結構可包括纖維或杆。尤其是，細長結構38可包括圓形纖維38b、橢圓形纖維38c、六邊形纖維38d，或矩形纖維，或其它形狀的纖維。因此，細長結構38可以是任何形狀或形狀的組合。細長結構38可以是帶狀的、圓柱形、多邊形、橢圓形、直的、彎曲的、捲曲的、盤繞的、彎曲成角度等。例如，圖2圖示了在一些實施方案中大多數細長結構38可彎曲。在其它實施方案中，比如當鑽孔工具包括鑽芯取樣鑽頭時，細長結構38基本上為圓柱形。
[0048]鑽孔工具(比如，鑽芯取樣鑽頭20)的切割段22中的細長結構38可以是任何尺寸或尺寸的組合，包括不同尺寸的混合。例如，細長結構38可以是任何長度且具有任何所需的直徑。在一些實施方案中，細長結構38可以是納米尺寸。換句話說，細長結構38的直徑40可在大約I納米與大約100納米之間。在可替代的實施例中，細長結構38可以是微米尺寸。換句話說，細長結構38的直徑40可在大約I微米與大約100納米之間。在另外的其它實施例中，細長結構38的直徑40可以小於大約I納米或大於大約100微米。
[0049]此外，細長結構38的長度可在大約I納米與大約25毫米之間。總之，細長結構38的長徑比可在大約2:1與大約500，000:1之間。更具體地，細長結構38的長徑比可在大約10:1與大約50:1之間。
[0050]如前所述，胎體26可包括具有延展性金屬相(S卩，粘結劑)的硬質顆粒相。尤其是，磨削介質34、細長結構38和硬顆粒材料可被粘結劑滲入或如之前提到的那樣。粘結劑可包括銅、鋅、銀、鑰、鎳、鈷、錫、鐵、鋁、矽、錳或其混合物以及合金。此外，以銅為主的浸潰劑可包括較小量的各種雜質或偶存元素，由於製造和處理過程，必定會存在至少一部分雜質或偶存元素。這種雜質可包括，例如鋁、鉛鎳、錫、矽和磷。粘結劑可將磨削介質34、細長結構38和硬顆粒材料粘結在一起形成切割段22。
[0051]根據本發明的一個或多個實施例，粘結劑材料可包括以銅為主的浸潰劑。例如，可增加以銅為主的浸潰劑中銅的重量百分比以當最終的鑽孔工具在鑽孔期間磨蝕時進一步提高其冷卻能力。因此，根據本發明的一些實施例，以銅為主的浸潰劑可包括重量百分比為大約85%至大約98.5%的銅。根據本發明的一些實施例，以銅為主的浸潰劑可包括重量百分比為大約90%至大約95%的銅。
[0052]作為增加銅的重量百分比以提高最終的鑽孔工具的冷卻能力的替代或補充，本發明的以銅為主的浸潰劑可包括其它導熱金屬，比如銀、金或鎵(或其混合物)。例如，根據本發明的一些實施例，以銅為主的浸潰劑可包括大約0.5重量百分比至大約15重量百分比的銀、金或鎵。將理解，包括銀、金或鎵可顯著增加以銅為主的浸潰劑的成本。
[0053]可調節本發明的以銅為主的浸潰劑以使本發明的鑽孔工具具有一些可延長其使用壽命和/或提高其鑽孔效率的不同特性。例如，可控制以銅為主的浸潰劑的成分以改變鑽孔工具的抗拉強度和磨蝕速率。因此，將理解，通過修改以銅為主的浸潰劑的成分，可將抗拉強度和磨蝕速率調節至鑽孔工具用於特定最終用途所需的量。此增加的抗拉強度也可延長鑽孔工具的壽命，使得工具的切割部分以所需的進度磨損並提高工具的切割速率。例如，可增大粘結劑中鐵和/或鋅的重量百分比以增大最終的鑽孔工具的強度。
[0054]此外，可改變以銅為主的浸潰劑的成分以強化鑽孔工具的切割部分。例如，可增大錳和銅的重量百分比，而其它具有較高機械性能的材料可用於形成本發明的鑽孔工具的切割部分。因此，可調節本發明的鑽孔工具的切割部分以使金剛石在切割部分內保持所需的時間長度。
[0055]根據本發明的一些實施例，當對以銅為主的浸潰劑的成分進行調節以降低其強度時，可調整細長結構38的量來確保切割段以適當且恆定的速率磨蝕。換句話說，切割部分可被構造為確保其在鑽孔期間磨蝕並暴露新的磨削介質。例如，本發明的發明人已發現使用納米管作為細長結構可使浸滲更佳。這接著使得可使用可進一步延長孕鑲鑽孔工具壽命的更強的粘結劑。
[0056]以此方法，鑽孔工具20的切割段22便可被定製設計成具有對特殊材料進行鑽孔的最佳特性。例如，堅硬耐磨的胎體可被製造成對柔軟、耐磨、鬆散的地層進行鑽孔，而柔軟有韌性的胎體可被製造成對非常堅硬、不耐磨、固結的地層進行鑽孔。因此，鑽頭胎體硬度可與特定的地層相匹配，使得切割段22以可控和所需的速率磨蝕。
[0057]較大的纖維可阻礙浸滲。例如，在某些條件下，增加大概9%重量的碳纖維對浸滲的阻礙程度可達到使得孕鑲鑽頭無法製造。本發明的發明人已發現碳納米管並未表現出相同的局限性。具體而言，納米管的尺寸/比例不會改變胎體中的孔徑；從而允許粘結劑浸滲入較高的重量百分比。
[0058]此外，納米管控制胎體磨蝕的能力可以是較大纖維的三倍或更多。因此，較低百分比的納米管可作為較高百分比的纖維獲得相同的益處。例如，根據一個或多個實施例，使胎體增加1%重量的納米管的益處如同增加3%重量的纖維。
[0059]除上述之外，纖維的硬挺度和長度會對纖維與胎體混合或混合入胎體產生很大影響。許多從市場上可購得的纖維具有多種長度。這種纖維可能不能很好混合，或可能要求特殊的混合工藝。另一方面，由於納米管較小，其確實在混合中造成了一些困難。因此，納米管可提供一些其它類型的細長結構(比如，微米尺寸的纖維)所意想不到的結果。
[0060]總之，本發明的實施例使得可改進孕鑲鑽孔工具的切割段。將理解，根據本公開，孕鑲鑽孔工具的切割段的各種組件的量可根據所需的性能改變。在一個或多個實施例中，硬顆粒材料可佔切割段重量的大約25%至大約85%。更具體地，硬顆粒材料可佔切割段重量的大約25%至大約60%。例如，本發明的一個或多個實施例的切割段可包括重量百分比為大約25至60的鎢、大約O至大約4的碳化矽和大約O至大約4的碳化鎢。
[0061]細長結構可佔切割段重量的大約0.1%至25%。更具體地，細長結構可佔切割段重量的大約1%至大約15%。例如，本發明的一個或多個實施例的切割段可包括大約3%至大約6%重量的碳納米管。
[0062]切割介質可佔切割段重量的大約3%至大約25%。更具體地，切割介質可佔切割段重量的大約5%至大約15%。例如,本發明的一個或多個實施例的切割段可包括大約5%至大約12.5%重量的金剛石晶體。
[0063]粘結劑可佔切割段重量的大約15%至大約55%。更具體地，粘結劑可佔切割段重量的大約20%至大約45%。例如,本發明的一個或多個實施例的切割段可包括大約20%至大約45%重量的銅、大約0%至大約20%重量的銀、大約0%至大約0.2%重量的矽，和大約0%至大約21%重量的鋅。
[0064]將理解，根據本發明的實施例的與細長結構的鑽孔工具幾乎可與任何類型的鑽孔系統使用來進行各種鑽孔操作。例如，圖3和對應的文本圖示或描述了本發明的鑽孔工具可與之一起使用的這樣一種鑽孔系統。然而，將理解，圖4中示出和描述的鑽孔系統僅為本發明的鑽孔工具可與之一起使用的系統的一個實例。
[0065]例如，圖4圖示了包括鑽頭頭部110的鑽孔系統100。鑽頭頭部110可耦接至井架120，井架又耦接至鑽機130。鑽頭頭部110可被構造為具有耦接至其的一個或多個管狀螺紋構件140。管狀構件可包括(不限於)鑽杆、套管和潛孔錘。為了便於參考，下文中將管狀構件140描述為鑽柱組件。鑽柱組件140可又耦接至附加鑽柱組件140以形成鑽柱或工具柱150。接著，鑽柱150可耦接至被構造為與待鑽孔的材料170或地層接觸的鑽孔工具160，比如旋轉鑽頭、孕鑲鑽芯取樣鑽頭或衝擊式鑽頭。根據本發明的一些實施例，鑽孔工具160可包括鑽芯取樣鑽頭20，比如結合圖1和圖2描繪和描述的鑽芯取樣鑽頭。
[0066]在至少一個實例中，圖1圖示的鑽頭頭部110被構造為在鑽孔期間使鑽柱150旋轉。具體而言，鑽頭頭部110改變鑽頭頭部110旋轉的速度。例如，可根據鑽孔過程按需要選擇鑽頭頭部110的旋轉速率和/或鑽頭頭部110傳遞至鑽柱150的扭矩。
[0067]此外，鑽孔機可被構造為向鑽柱150施加大致縱向的向下力以迫使鑽頭160在鑽孔操作期間進入地層170。例如，鑽孔系統100可包括鏈驅動總成，鏈驅動總成被構造為使滑撬總成相對井架120移動以向鑽頭160施加大致為縱向的力，如以上描述的那樣。
[0068]如文中所用，術語「縱向的」指的是沿鑽柱150的長度。此外，如文中所用，術語「上部」和「上面」以及「下部」和「下面」指在鑽柱150上的縱向位置。術語「上部」和「上面」指距鑽頭頭部110較近的位置，而「下部」和「下面」指距鑽地工具160較近的位置。
[0069]因此，將理解，根據本公開，本發明的鑽孔工具可用於本領域已知的任何目的。例如，孕鑲金剛石鑽芯取樣鑽頭可附接至鑽柱150的端部，端部又被連接至鑽孔機或鑽機130。當鑽柱150且因此鑽頭160被鑽孔機130轉動和推動時，鑽頭160可磨掉被鑽地下地層170中的材料。被鑽掉的鑽芯樣本可從鑽柱150取出。由於磨蝕動作，鑽頭160的切割部分可隨著時間磨蝕。此過程將一直持續至鑽頭160的切割部分被磨蝕耗盡，並且鑽柱150需要從鑽孔中取出且需要更換鑽頭160。然而，將理解，由於本發明的細長結構所提供的持續磨損，增強的冷卻和/或其它優點，鑽頭160的使用壽命可延長。
[0070]本發明的實施例還包括形成包括細長結構的孕鑲鑽頭的方法。下文描述了至少一種形成具有細長結構的鑽孔工具的方法。當然，作為初步事項，本領域的普通技術人員將確認可對詳細解釋的方法進行修改以安裝各種使用本發明的一個或多個組件的構造。
[0071]首先，本文使用的術語「浸滲」或「滲入」包括熔化粘結劑材料並使熔化的粘結劑滲透入並填充胎體的空隙或孔隙。冷卻時，粘結劑可凝固，使胎體的顆粒粘結在一起。本文使用的術語"燒結"指的是去除利用聚結結合在一起的顆粒之間的至少一部分孔隙(伴隨有收縮)和使相鄰顆粒粘結。
[0072]例如，形成孕鑲鑽頭20的方法可包括製備胎體36。具體而言，所述方法可包括製備硬顆粒材料的胎體。例如，方法可包括製備粉狀材料(比如，碳化鎢)胎體。在另外的實施例中，胎體可包括之前描述的硬顆粒材料的一種或多種。在本發明的一些實施例中，方法可包括將胎體放置在模具中。
[0073]模具可由能耐受胎體36在加熱期間所承受的熱量的材料形成。在至少一個實施例中，模具可由碳或石墨形成。模具可被成形以形成具有所需的特徵的鑽頭。在本發明的至少一個實施例中，模具可與取芯鑽具對應。
[0074]此外，所述方法可包括將多個切割介質34散布於胎體的至少一部分內。例如，改方法可包括將多個磨削介質34散布於胎體36的至少一部分內。此外，所述方法可包括將磨削介質34隨機地或以無序布置方式散布於胎體36各處。
[0075]在一個或多個其它實施例中，改方法還可包括將多個細長結構38散布於胎體36的至少一部分內。具體而言，所述方法可包括將碳納米管隨機地或以無序布置方式散布於胎體36各處。
[0076]所述方法可包括使粘結劑滲入胎體36。這可包括將粘結劑加熱至熔融狀態並使熔化的粘結劑滲入胎體。例如，在一些實施例中，粘結劑可放置在靠近胎體36的位置，且胎體36和粘結劑可被加熱至足以使粘結劑達到熔融狀態的溫度。此時，熔化的粘結劑可滲入胎體36。在一個或多個實施例中，所述方法可包括將胎體36、切割介質34、細長結構38和粘結劑加熱至至少787° F。粘結劑可冷卻，從而與胎體36、切割介質34和細長結構38粘結在一起。根據本發明的一些實施例，可將浸滲過程的時間和/或溫度增加至使粘結劑填充胎體的較大數量和較大量的孔隙。這既可減少浸滲期間的收縮，又可增大所形成的鑽孔工具的強度。
[0077]此外，所述方法可包括將鑽柄21固定至切割段22。例如，所述方法可包括使鑽柄21與胎體36接觸。然後，可增加附加胎體、粘結劑材料和/或熔劑襯層33，並使其襯層與胎體36以及鑽柄21接觸來完成嶄新鑽頭的初始製備。一旦已形成嶄新鑽頭，可將其放置在爐中使其固化。可選地，第一段與第二段也可在二次加工期間通過，例如硬釺焊、焊接或粘結劑粘結緊密結合。此後，可按照需求通過機器對鑽頭進行加工。
[0078]在胎體36浸滲之前、之後或與此同時，本發明的一個或多個方法可包括將胎體36燒結至所需的密度。由於燒結包括緻密化和去除結構內的孔隙，被燒結的結構在燒結期間可收縮。結構在燒結期間可產生1%至40%的線性收縮。因此，理想的是，當設計工具(模型、模具等)或機加工未完全燒結的結構中的特徵部時，應考慮並說明尺寸收縮。
[0079]與不具有細長結構的傳統鑽孔工具相比，所描述的細長結構可使孕鑲金剛石鑽孔工具增加一些優點。第一，增加細長結構可控制鑽孔工具的抗拉強度及磨蝕速率，無論是強化或弱化這些性能。在不限制於此理解的情況下，可以相信纖維材料的存在可用於改變工具的切割段中的缺陷數量。並且，由於抗拉強度和磨蝕速率取決於缺陷的數量，因此改變細長結構量可用於將抗拉強度和磨蝕速率調節至鑽孔工具用於特定最終用途所需的量。增大的抗拉強度也可延長鑽孔工具的壽命，使得工具的切割段以所需的進度磨損並提高工具的切割速率。
[0080]第二，增加細長結構也可削弱切割段的結構，使得較高強度的粘結劑可用於鑽孔工具，但只需要較低的成本。因此，可調節切割段中細長結構的量以使金剛石在切割段內保持所需的時間長度。
[0081]第三個優點是，細長結構還可充當可在切割期間提供幫助的磨削介質。第四個優點是，當切割段中的細長結構磨蝕時，其細顆粒物質可減少摩擦並增大切割段與被切割表面之間的界面處的潤滑，從而使切割更容易。
[0082]因此，在不脫離本發明的精神或本質特徵的前提下，也可以用其它特殊的形式來具體體現本發明。例如，本發明的一個或多個實施例的孕鑲鑽頭可包括一個或多個封閉的流體槽，比如2006年12月14日提交的名稱為「Core Drill Bit with ExtendedCrown Longitudinal dimension」的美國專利申請案第11/610，680號，現為美國專利第7，628，228號中描述的封閉流體槽，美國專利第7，628，228號的內容以全文引用的方式併入本文。更進一步地，本發明的一個或多個實施例的孕鑲鑽頭可包括一個或多個錐形水道，比如 2009 年 12 月 15 日提交的名稱為 「Drill Bits With Axially-Tapered Waterways」的美國專利申請案第12/638，229號中描述的錐形水道，美國專利申請案第12/638，229號的內容以全文引用的方式併入本文。描述的實施方案應視為在所有方面僅僅是示例性的而非限制性的。因此，本發明的範圍由所附權利要求書而非上述描述指示。所有屬於權利要求書等同物的含義和範圍內的變化都包括在權利要求書的範圍內。
【權利要求】
1.一種孕鑲鑽孔工具，其包括: 切割段，包括: 包括硬顆粒材料的胎體； 散布在所述胎體內的多個切割介質；和 散布在所述胎體內的多個細長結構； 其中在鑽孔期間，所述胎體適於磨蝕和暴露切割介質。
2.根據權利要 求1所述的工具，其中所述多個細長結構的細長結構具有大約I納米至大約100納米的直徑。
3.根據權利要求2所述的工具，其中所述多個細長結構的細長結構包括管。
4.根據權利要求3所述的工具，其中所述管包括碳。
5.根據權利要求2所述的工具，其中所述多個細長結構的細長結構具有大約I微米至大約500微米的長度。
6.根據權利要求1所述的工具，其中所述鑽孔工具包括取芯鑽頭。
7.根據權利要求1所述的工具，其中所述鑽孔工具包括鉸刀。
8.根據權利要求1所述的工具，其中所述多個切割介質包括金剛石晶體。
9.根據權利要求1所述的工具，其中所述多個細長結構隨機地散布在所述胎體內。
10.一種鑽頭,其包括: 鑽柄；和 切割段，所述切割段包括: 硬顆粒材料的胎體； 散布在所述胎體內的多個切割介質；和 散布在所述胎體內的多個細長結構， 其中所述多個細長結構弱化所述切割段。
11.根據權利要求10所述的鑽頭，其中所述多個細長結構的所述細長結構具有大約10:1至大約500，000:1的長徑比。
12.根據權利要求11所述的鑽頭，其中所述多個細長結構的所述細長結構具有大約I納米至大約100納米的直徑。
13.根據權利要求12所述的鑽頭，其中所述多個細長結構的所述細長結構包括碳。
14.根據權利要求13所述的鑽頭，其中所述多個細長結構的所述細長結構包括管。
15.一種孕鑲取芯鑽具，其包括: 鑽柄； 環形切割段，其包括基座和相對的切割面，所述基座固定至所述鑽柄，且所述環形切割段包括硬顆粒材料的胎體和粘結劑； 散布在所述切割段的所述胎體內位於所述切割面與所述基座之間的多個切割介質；和 散布在位於所述切割面與所述基座之間的所述切割段的所述胎體內的多個細長結構； 其中所述切割段的所述胎體在鑽孔期間適於磨蝕和暴露設置在所述切割面與所述基座之間的切割介質和細長結構。
16.根據權利要求15所述的鑽頭，其中所述多個細長結構的細長結構包括納米管。
17.根據權利要求16所述的鑽頭，其中所述納米管為碳。
18.根據權利要求17所述的鑽頭，其中所述多個細長結構的細長結構相對所述多個細長結構的其它細長結構隨機地散布在所述胎體內。
19.根據權利要求17所述的鑽頭，其中所述多個細長結構佔所述切割段重量的大約1%至大約15%。
20.根據權利要求119所述的鑽頭，其中所述多個細長結構佔所述切割段重量的大約3% ο
【文檔編號】E21B10/02GK103748309SQ201280041225
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年6月25日 優先權日:2011年8月24日
【發明者】麥可·D·魯普, 科迪·A·皮爾斯, 克裡斯蒂安·M·蘭貝特, 克裡斯蒂安·S·德裡夫戴爾 申請人:長年Tm公司