CN101611212A - 金属间结合金刚石（ibd）切削元件 - Google Patents

金属间结合金刚石（ibd）切削元件 Download PDF

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Abstract

一种切削元件可以包括具有结合界面区域的基体和结合到该基体的结合界面区域上的金属间结合金刚石(IBD)元件。在一些实施例中，该基体的结合界面区域可以具有非轴对称形状和/或可以关于仅一个平面对称或关于零平面对称。在一些实施例中，该基体的结合界面区域可以具有管、斜管、具有一个或多个内部支承结构的管、铲、犁、凹形、蜂窝形状或其它不规则或复杂形状的形状。

Description

金属间结合金刚石(IBD)切削元件
相关申请的交叉参照
本申请按照美国35U.S.C§119(e)要求2007年1月8日申请的、名称为“金属间结合金刚石(IBD)切削元件”的美国临时申请NO.60/883884的优先权。
技术领域
本发明涉及切削元件，更特别的是涉及具有多种形状和结构的金属间结合金刚石(IBD)切削元件。
背景技术
多晶金刚石致密(PDC)刀具已经成为用于在尤其是软的、中软的和中级地层的类型、IADC码是1、4、5和6类型的岩石中进行石油和天然气钻井的行业标准，。自PDC刀具和钻头的初期发展始于1970年代中期以来，刀具制造商和钻头设计者已经提出复杂的刀具形状，这些刀具形状可以优先地以能够提高钻头的清洁的方式剪切目标地层的相邻部分和/或引导切削或剪切地层物质的运动。
这种形状的例子可以在Short Jr.的美国专利US4660659和美国专利US4538690以及Barr的美国专利US4593777和美国专利US4558753中发现。这些专利讨论了用于PDC刀具的弯曲凹入的几何形状的金刚石层结构。
Hall的美国专利US4570726描述了一种具有复杂的掘翻结构的弯曲PDC刮刀元件。
Tibbitts的美国专利US4883132公开了一种传统的与本体设计相结合的“带平坦表面的”PDC刀具，该本体设计承载在钻头刃刃上的较大空隙区域。这种发明构思允许通过该刀刃进行板岩切削的反向喷射。
作为商业事实，发现没有更根本或复杂的刀具设计已经获得成功，这主要是因为在高压金刚石压力机中实际制造这种刀具伴随着许多困难。如果一种刀具设计可以被制造，但在PDC层或在碳化钨(WC)基体上留下高残留应力，那么在应用领域中刀具会缺少断裂韧性。
在1990年代的一个短暂时期内，认为碳气相沉积(CVD)金刚石能够克服伴随PDC的带有复杂几何形状的困难。但是，发现应用与CVD相关联的厚的且真正的耐磨层是极为耗费时间和成本的。
更近期的发展-金属间结合金刚石(IBD-在美国专利申请公开号为2006/0280638(在2006年12月14日公开)以及国际公开号为WO2006/107628(由WPIO在2006年10月12日公开)的申请中进行了讨论。
这两个专利申请作为参考结合到本发明中以用于各种目的。在现有技术文献中具有这样的例子，其中，特殊构造的PDC刀刃布置在固定刀具钻头的正中心，以改善钻头面的该缓慢表面速度区域的钻孔特性。
发明内容
按照本发明公开内容的教导，切削元件可以包括具有结合界面区域的基体和结合到该基体的结合界面区域上的金属间结合金刚石(IBD)元件。在一些实施例中，该基体的结合界面区域可以具有非轴对称的形状和/或可以关于仅一个平面对称或关于零平面对称。在一些实施例中，该基体的结合界面区域可以具有这样的形状：管、斜管、具有一个或多个内部支承结构的管、铲、犁、凹形、蜂窝形的形状或其它不规则或复杂的形状。
本发明公开内容的一个方面可以包含形成用于固定刀具钻头的切削元件和/或嵌入件，其具有在以前是困难的，有时甚至是不能制造的结构。本发明公开内容的其中一个优点可以包括形成带有所述结构的切削元件，并可以具有承受与钻孔深度、高压和/或高温井孔相关的重复冲击载荷的能力。
形成具有延伸穿过每个切削元件或嵌入件的轴向孔的切削元件或嵌入件可以允许增强相邻地层的穿透性以及增强从井孔的底部移除地层物质。按照本发明公开内容的教导在切削元件或嵌入件中形成轴向孔可以允许改善切削元件或嵌入件的冷却。
附图说明
通过参考下面的结合附图的描述，可以获得对本发明的实施例及其优点更全面和深入的理解，在附图中，相同的参考数字表示相同的特征。
图1A和1B显示了用于IBD刀具的管状碳化钨基体的例子。
图2A-2C显示了根据一个实施例的、管状碳化钨IBD切削元件连接到切削工具的刀片上的例子。
图3A和3B显示了根据一个实施例的、斜管状碳化钨IBD切削元件连接到切削工具的刀片上的例子。
图4A和4B显示了根据一个实施例的、犁形的IBD切削元件连接到基体上的例子。
图5A和5B显示了根据一个实施例的用于刺猬类型的潜铸式钻头结构上的IBD切削元件的例子。
具体实施方式
在本申请中使用的术语“切削元件”和“多个切削元件”可以包括压块、嵌入件、铣齿和焊接压块等多种类型，它们满足与牙轮钻头一起使用。
金属间结合金刚石(IBD)的最近发展允许钻头刀具和钻头的设计不受之前的限制。
本发明的公开内容包括一种切削元件，其利用IBD技术制造非对称的、不规则的或相当复杂几何形状的实用的、有效的以及有用的耐磨刀具，用于钻头和井下工具，如取芯设备和扩孔器。
在一些实施例中，切削元件可以包括具有结合界面区域的基体和结合到该基体的结合界面区域上的金属间结合金刚石(IBD)元件。所述结合界面区域可以包括整个基体或者基体的一部分。基体可以由碳化钨、钢或任何其它合适的材料形成。IBD元件可以通过等压热合(HIP)或任何其它合适的方式结合到基体的结合界面区域上。
如上述讨论的，IBD刀具可以形成为具有非对称、不规则或相当复杂的几何形状。在一些实施例中，基体的结合界面区域具有非轴对称形状。在一些实施例中，该结合界面区域仅关于一个平面对称，或不关于任何平面对称。
基体的结合界面区域可以包括部分地或完全地延伸通过基体的孔。在一些实施例中，基体的结合界面区域可以具有这样的形状：管(例如见图1和2)、斜管(例如见图3)、具有一个或多个内部支承结构的管、铲、犁(例如见图4)、凹形、蜂窝形的形状或任何其它合适的形状。在一特殊实施例中，基体的结合界面区域具有带有小于或等于约100度内角的犁形。
当IBD与管状、铲状、犁状、凹形、蜂窝形状或其它不规则或相当复杂形状的基体相结合(如上讨论的)时，该IBD可以允许钻头设计者在切削管理、刀具冷却和/或磨料排出引导方面具有空前的自由，从而提高钻头性能。钻头可以被设计成用具有更有效的几何形状的IBD刀具取状传统的PDC刀具。
IBD刀具也可以允许钻头设计者使用带有传统PDC刀具或带有传统碳化钨嵌入件的IBD刀具的混合体或模式，以完成对于特殊岩石类型的积极效果。这些效果中的一些包括，例如，切口、冲击管理和缓蚀、切削力管理、二次切削、增强的保径、和/或用于过渡钻井的双模式配置。
另外，通过构造IBD刀具以取代传统的孕镶段、孕镶柱或孕镶盘，该IBD刀具可以用于硬岩石钻孔，IADC岩石码是3、7和8。IBD刀具也可以与这些传统潜铸式金刚石切削元件结合使用，以完成协作效果，例如，切口、二次切削、冲击管理、和/或过渡钻井的优点。
一些固定刀具钻头可以被制造成具有钻头本体(没有明确显示)，该钻头本体具有一个可操作以附连在钻柱上的端部。该钻柱可以将重量施加在钻头上，有时称作“钻压”或WOB。钻柱也可以相对于延伸通过钻头本体的钻头旋转轴使钻头旋转(每分钟转数或RPM)。钻柱也可以把钻井液供给到形成在钻头本体内的腔中。
多个刀刃可以被布置在钻头本体上，并从钻头本体延伸。刀刃的外部部分和相关的刀具可以形成钻头表面轮廓。对于某些应用，刀刃可以相互协作以形成钻头表面轮廓，该钻头表面轮廓具有与钻头本体的所述一个端部相对的、倒置的通常锥形的结构。
对于这种应用，一个或多个碳化钨基体可以形成有一层或多层设置在其上的IBD。每个基体可以包括相应的柱，该柱的尺寸形成为其可以容纳在相应的开口中，该开口形成在钻头本体内，邻近钻头表面轮廓的倒置的锥形部分。对于一些实施例，开口可以形成在钻头本体内，邻近钻头旋转轴。对于这样的实施例，一个或多个碳化钨(WC)刀刃或覆盖有IBD的板可以通过将柱铜焊到相应的邻近钻头旋转轴形成的孔中而被保持。这种刀刃或板可以使钻头中心的布置和制造比现在的甚至具有标准的圆柱形PDC的刀具的实践更有效。
IBD刀具可以为圆顶PDC提供有吸引力、符合成本效益的替代物，用于牙轮钻头的主切削结构和保径齿圈切削结构、用于牙爪尖的保护、和/或用于各种其它的结构和应用。
IBD材料可直接铜焊到钢上。因此，完全由IBD制成的圆柱体可以在钢本体或矩阵PDC钻头设计中用做直接的替代物，而不需要WC基体。这种结构与使用传统的PDC相比可显著地增加对于给定的钻头结构的总应用金刚石克拉重量。它也可以允许对于给定的克拉重量在钻头上具有较少的刀刃，以增加对于给定钻压的钻头穿透率。另外，IBD可以使金刚石的尺寸达到700微米。典型地使用在PDC刀具中的粗晶粒尺寸的金刚石为约60微米。较大尺寸的金刚石通常允许更具侵蚀性的倾斜切削边缘。这种特性可以帮助扩大IBD钻头的典型应用至较硬的岩石，即使当刀具在与现在的PDC类型的钻头产品相似的结构上使用时。
根据本发明公开的内容，IBD刀具的另一个优点是IBD刀具不会遭受通常由于金刚石或具有黑色金属材料的PDC的摩擦接触而导致的有害影响。南伊利诺斯大学(Southern Illinois University)作出的技术报告表明，IBD样本在铸铁目标上运转9小时，给IBD带来最小的磨损或损坏。因此，本发明的公开内容的原理可以用于改进套管铣磨、套管窗和钻水泥塞钻头的设计和实施。它也可以使得能够应用组合的铣磨和继续钻井钻头，该组合的铣磨和继续钻井钻头不会遭受由于在窗口铣磨操作过程中通过铁接触而产生的典型损坏而导致的不当数量的磨损和较短的使用寿命。
通过参考附图1A-5E，可以更好地理解本发明的优选实施例。
图1A和1B显示了用于IBD刀具的管状碳化钨基体的例子。
图2A-2C显示了根据一个实施例的、管状碳化钨IBD切削元件连接到切削工具的刀片上的例子。特别是，图2A是显示了管状碳化钨(WC)基体连接到钢刀片上的侧截面视图。IBD元件结合(例如通过等压热合)到基体的界面区域上。图2B显示了管状切削元件和钢刀片的局部三维视图。图2C显示了一可选实施例的端视图，在该可选实施例中，支承结构定位在管状切削元件中以例如为切削元件提供结构支承。可以包括一个或多个这样的具有任何合适结构的结构支承件以为切削元件提供附加的结构支承。
图3A和3B显示了根据一个实施例的、斜管状碳化钨IBD切削元件连接到切削工具的刀片上的例子。特别是，图3A是显示了斜管状碳化钨(WC)基体连接到钢刀片上的侧截面视图。IBD元件结合(例如，通过等压热合)到基体的界面区域上。图3B显示了斜管状切削元件和钢刀片的局部三维视图。在另一实施例中，可以包括一个或多个结构支承件以为切削元件提供附加的结构支承，例如上述与图2C相关讨论的。
图4A和4B显示了根据一个实施例的、犁形IBD切削元件连接到基体上的例子。特别是，图4A是一侧截面视图，显示了具有IBD元件的犁形基体，其中该IBD元件结合到该基体的界面区域上。图4B显示了犁形切削元件的三维视图。
图5A和5B显示了根据一个实施例的、用在刺猬类型的潜铸式钻头布置上的IBD切削元件的例子。特别是，图5A是一侧视图，显示了具有IBD元件的基体(例如，碳化钨或钢柱)，其中该IBD元件结合到该基体的界面区域上，以及图5B是切削元件的端视图。
尽管本发明及其优点已经详细描述，但是应该理解，可以对本发明能做出各种变形、替换和改变，而不脱离由下面的权利要求限定的本发明的精神和保护范围。

Claims (21)

1、一种切削元件，包括：
具有结合界面区域的基体；以及
金属间结合金刚石(IBD)元件，其结合到所述基体的结合界面区域上。
2、根据权利要求1所述的切削元件，其中，基体由碳化钨形成。
3、根据权利要求1所述的切削元件，其中，基体由钢形成。
4、根据权利要求1所述的切削元件，其中，IBD元件通过等压热合(HIP)结合到所述基体的结合界面区域上。
5、根据权利要求1所述的切削元件，其中，所述基体的结合界面区域具有非轴对称形状。
6、根据权利要求1所述的切削元件，其中，所述基体的结合界面区域具有关于仅一个平面对称的形状。
7、根据权利要求1所述的切削元件，其中，所述基体的结合界面区域具有不关于任何平面对称的形状。
8、根据权利要求1所述的切削元件，其中，所述基体的结合界面区域包括至少部分地延伸通过基体的孔。
9、根据权利要求1所述的切削元件，其中，所述基体的结合界面区域包括完全延伸通过基体的孔。
10、根据权利要求1所述的切削元件，其中，所述基体的结合界面区域具有管、斜管、具有一个或多个内部支承结构的管、铲、犁、凹形、或蜂窝形状的形状。
11、根据权利要求1所述的切削元件，其中，所述基体的结合界面区域具有犁形，该犁形具有小于或等于约100度的内角。
12、根据权利要求1所述的切削元件，其中，切削元件被构造成用于切割黑色金属材料。
13、一种固定刀具钻头，包括：
钻头本体，其包括一个或多个钻头刃刃；以及
一个或多个切削元件，所述切削元件结合到所述钻头刃刃中的至少一个上，所述切削元件中的至少一个包括：具有结合界面区域的基体；以及金属间结合金刚石(IBD)元件，其结合到所述基体的结合界面区域上。
14、根据权利要求13所述的切削元件，其中，所述基体的结合界面区域具有非轴对称形状。
15、根据权利要求13所述的固定刀具钻头，其中，所述基体的结合界面区域包括至少部分地延伸通过基体的孔。
16、根据权利要求13所述的固定刀具钻头，其中，所述基体的结合界面区域具有管、斜管、具有一个或多个内部支承结构的管、铲、犁、凹形、或蜂窝形状的形状。
17、一种用于钻探地层的设备，该设备包括：
支承结构；以及
连接到所述支承结构上的一个或多个切削元件，每个切削元件包括：具有结合界面区域的基体；以及金属间结合金刚石(IBD)元件，其结合到所述基体的结合界面区域上。
18、根据权利要求17所述的设备，其中，切削元件铜焊到支承结构中。
19、根据权利要求17所述的设备，其中，所述基体的结合界面区域具有非轴对称形状。
20、根据权利要求17所述的设备，其中，所述基体的结合界面区域包括至少部分地延伸通过基体的孔。
21、根据权利要求17所述的设备，其中，所述基体的结合界面区域具有管、斜管、具有一个或多个内部支承结构的管、铲、犁、凹形、或蜂窝形状的形状。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20091223