CN102472082A - 具有冲击表面轮廓的孕镶金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

一种钻头，其包括限定中心轴的冠部。该冠部包括至少一个段。该段包括平面部分和与平面部分连续相连并从该平面部分延伸的多个表面特征。段内的与中心轴线相距第一径向距离的第一弓形线上的表面特征不连续。

Description

具有冲击表面轮廓的孕镶金刚石钻头

技术领域

本申请一般地涉及钻头以及制备和使用这样的钻头的方法。特别地，本申请涉及具有冲击表面轮廓的孕镶钻头，同样也涉及制备和使用这样的钻头的方法。

背景技术

虽然很多不同的钻探方法用于各种目的，然而在绝大多数的钻探过程中钻探采用轴向力（进给压力）和旋转力以驱动钻头进入地层。更具体地，钻头通常与钻柱连接，其是连接于钻头的一连串的连接的钻杆。当钻头运动并且驱动钻柱深入地进入所希望的次表面地层时，一段接一段地装配好该钻杆。钻探的一种类型，旋转钻探，包括在钻柱的端部定位一个旋转切割钻头。该旋转切割钻头通常包括切割器，该切割器分布在旋转切割钻头的整个表面上。

钻头通常孕镶金刚石从而它们能用于切割硬的地层和/或增加钻头的耐用性。执行切割动作的钻头部分，有时称为面，通常由胎体形成，其包含粉末金属或硬的颗粒材料，例如碳化钨。该材料有时由粘合剂，例如铜合金渗透。该胎体和与该面相连的粘合剂与金刚石晶体或一些其他形式的研磨切割介质相混合。当工具研磨和切割所希望的材料时，该胎体和粘合剂腐蚀并暴露金刚石晶体的新的表层（或其他切割介质），因此总是能为切割过程提供锋利的表面。

为了提出一种新的用于钻探地层的钻头，胎体和粘合剂的某部分必须被腐蚀掉以暴露足够量的金刚石从而允许金刚石切割地层。相应地，通常，在钻头旋转接触地层后，当胎体磨损以暴露足够量的金刚石以进行有效切割时，钻头存在有故障期。这样的过程可以增加与相应的钻探操作有关的时间，从而增加了成本。由于需要相对长的时间暴露足够的用于有效切割的金刚石，这种延误在钻头用于相对较软的地层时会加剧。

一种快速暴露足够金刚石的方法是制备钻头的表面，例如通过进行最初的研磨操作。在这样的一种操作中，当钻头置于与地层接触后，在钻头短时间的旋转后，该钻头可以有效地切割。然而，这样的过程仍然在整个钻探过程中引入了额外的时间，同样也引入了使其复杂化的额外的步骤。可选地，该研磨过程可以由制作钻头的制造者实行，这就增加了额外的处理时间和成本。

发明内容

一种钻头，其包括限定中心轴的冠部。该冠部包括至少一个段。该段包括平面部分和与平面部分连续相连并从该平面部分延伸的多个表面特征。段内的与中心轴线相距第一径向距离的第一弓形线上的表面特征不连续。

为了提出一种新的用于钻探地层的钻头，胎体和粘合剂的某部分必须被腐蚀掉以暴露足够量的金刚石从而允许金刚石切割地层。相应地，通常，在钻头旋转接触地层后，当胎体磨损以暴露足够量的金刚石以进行有效切割时，钻头存在有故障期。这样的一个过程可以增加与相应的钻探操作有关的时间，从而增加了成本。由于需要相对长的时间暴露足够的用于有效切割的金刚石，这种延误在钻头用于相对较软的地层时会加剧。

本发明的典型的实现的其他的特征和优点将在下面的描述中被陈述，并且部分地可以从描述中明显地得出，或从实践这样的典型的实现中得知。这样的实现的特征和优点可以通过特别是在所附的权利要求中指出的仪器和组合来实现和获得。这些和其他特征将从以下的描述和所附的权利要求中变得更加明显，或可以通过实践之后提出的这些典型的实现中得知。

附图说明

根据附图可以更好地理解以下的描述，其中：

附图1描述了根据一个实施例的钻探系统；

附图2描述了根据一个实施例的钻头的透视图；

附图3描述了根据一个实施例的钻头的剖视图；

附图4A描述了根据一个实施例的钻头的端视图；

附图4B描述了根据一个实施例，表面特征和位于参照点处的地层之间的典型的相互作用；

附图5A描述了根据一个实施例的钻头的端视图；

附图5B描述了根据一个实施例，表面特征和位于参照点处的地层之间的典型的相互作用；

附图6A描述了根据一个实施例的钻头的端视图；

附图6B描述了根据一个实施例，表面特征和位于参照点处的地层之间的典型的相互作用；和

附图7是一个流程图，其描述了根据本发明的一个实施例形成该钻头的方法。

与下面的描述相结合，附图展示并解释了该装置的原理和使用该钻头的方法。在附图中，为了清楚，夸大了组件的厚度和构造。在不同的附图中，相同的附图标记表示相同的组件。

具体实施方式

此处描述了钻头、使用该钻头的方法和制备该钻头的方法。在至少一个实施例中，该钻头包括切割面，其具有一般平面和表面特征，该表面特征与平面连续形成并且从该平面延伸。在一般平面上的表面特征之间具有缝隙，从而当钻头旋转时，表面特征可以提供可变的接触应力给地层。这样的构造可以让钻头快速使材料疲劳，其相应地使得相临的材料能更快速地分离。因此，该表面特征可以增大钻头的切割速度。

在至少一个实施例中，切割表面可以划分为段，其中相邻段由水通道隔开，该水通道由不同地切割面上的一般平面部分所限定。在这样的一个实施例中，一个或多个段可以包括不连续或由缝隙隔开的表面特征，该缝隙位于切割面上的一个弓形内，该切割面被限定在一个给定的径向位置处。一个这样的构造可以由这样的切割特征而提供，其形状部分地是椭圆体，例如一般地半球体。

下面的描述提供具体的细节以便于彻底理解。然而，本领域技术人员可以理解的是，该装置以及使用该装置的相关方法在没有采用这些具体的细节时可以被实现和使用。当然，该装置和相关的方法可以通过修改所描述的装置和相关的方法而实践，并且可以与工业中使用的任何常规的其他装置和技术结合使用。例如，为了获得岩心样板，以下描述集中在旋转钻头，而该装置和相关的方法同样可以用于其他钻探装置和方法，例如，金刚石岩心钻头和其他振动和/或冲击钻探系统。

图1描述了包括钻头配件110的钻探系统100。该钻头配件110与柱杆120连接，其依次与钻机130连接。该钻头配件110构造成具有与其连接的钻杆140。该钻杆140可以依次与另外的钻杆连接以形成钻柱150。该钻柱150依次连接至钻头200，该钻头构造成与待钻探材料相互作用，例如地层170。

在至少一个实施例中，钻头配件110构造成旋转钻柱150。特别地，在钻探过程中，可以如所希望的改变钻柱150的旋转速度。进一步，该钻头配件110可以构造成相对于柱杆120平移从而给钻头配件110提供轴向力以促使钻头200在钻探的过程中进入地层170。

在至少一个实施例中，钻头200包括切割面，该切割面具有一般平面和与平面连续形成并从该平面延伸的表面特征。位于一般平面上的表面特征之间具有缝隙，这使得表面特征在钻头旋转时提供给地层可变的接触应力。这样的构造可以让钻头使材料快速疲劳，其然后使得临近的材料能更快速地分离。因此，该表面特征可以增加钻头的切割速度。

在至少一个实施例中，该切割表面可以划分为段，其中相邻段由水通道隔开，该水通道由切割面上的不同于一般平面部分所限定。在这样的一个实施例中，一个或多个段可以包括不连续或由缝隙隔开的表面特征，该缝隙位于切割面的一个弓形内，该切割面被限定在一个给定的径向位置处。一个这样的构造可以由切割特征提供，其形状部分地是椭圆体，例如一般地半球体。下面将参照附图2详细地讨论一个典型的钻头。

图2描述了附图1中所提出的钻头200的透视图。冠部210和/或钻头200限定了中心轴线C。如此处所描述的，下面将要讨论的径向方向、定位或测量都是横向于中心轴线C。如附图2所描述的，该钻头200一般包括固定于钻杆尾（shank）220的冠部210。

该冠部210也可以包括由多个段235形成的切割面230。该段235由形成在冠部210的水通道237隔开，这样的水通道径向地延伸于相邻的段235。每个段235包括一般平面部分240和多个表面特征250，该表面特征与切割面230的平面部分240相连并从其延伸。

与地层接触的表面特征250的部分至少部分地具有弓形横断面形状。在至少一个实施例中，该表面特征250具有三维弓形横断面形状。这样的构造可以导致是椭圆体的一部分的表面特征。这样的形状可以包括，而非限制于，成形为球体或回转椭圆体的一部分的表面特征。一个部分的回转椭圆体的例子是半球体。

这样的构造导致在段235的各个径向位置具有不连续的凸起部分。该表面特征250可以安排成任何数量的结构，该结构包含在段235上的重复的样式和/或任意的布置。在一个示出的实施例中，该表面特征250安排在每个段235上的三个径向位置R1、R2、R3。在其他的实施例中，更多或更少的表面特征250可安排在任何数目的径向位置。段之间的径向位置的数目也可以改变。进一步，该表面特征250可以是如所希望的任意和/或不均匀地分布在切割表面230上。

为了便于参考，将要描述图2中所示的径向位置。在描述的实施例中，表面特征250如所示在每个径向位置具有大致相同的宽度或直径。例如，位于径向位置R1的表面特征250与位于径向位置R2和R3的表面特征250具有大致相同的宽度或直径。然而，该表面特征250也可以与径向位置R2和R3的中的每一个具有不同的直径。在至少一个实施例中，位于R1的表面特征250可以比位于径向位置R2和/或R3的表面特征250具有更大的直径。类似地，位于径向位置R2的表面特征250可以比位于径向位置R3的表面特征250具有更大的直径。相应地，靠近中心轴线C的表面特征250的直径大于那些远离中心轴线C的表面特征的直径。可以理解的是，如所希望的相反的情况也可以是正确的或表面特征的直径可以以任何数量的方式进行改变。

如图2所示，表面特征250可以相对于位于相邻径向位置的表面特征250以一个角度偏置。特别地，在径向位置R2的表面特征250可以以一定的角度偏置于相邻的径向位置R1和R2的表面特征。

如图2所示，段235的构造导致在给定的径向位置的相邻的表面特征250之间有缝隙或间隔。这样的构造导致当钻头200旋转时在地层上的给定位置处的不连续的接触。然后这就在该位置上引起或产生脉动应力，其致使该位置上的材料快速疲劳和破坏，由此能快速切割地层。特别地，在至少一个实施例中，嵌入胎体的研磨颗粒切割材料。一个典型的胎体的构造和研磨材料将要在下面进行更加详细地讨论，紧接着讨论采用圆形的不连续的表面特征的切割操作过程。

图3示出了沿着图2中的3-3的截面的钻头200的剖视图。图3示出了表面特征250从平面部分240延伸并与其一体成型。结果，表面特征250和平面部分240形成了一个单独的完整的冠部210。如图3所描述，平面部分240和表面特征250都包括胎体材料260，该胎体材料通过粘合剂材料（未示出）粘连于钻杆尾220。进一步，如图3所示，胎体材料260可以连续地形成冠部210的外部形状的坚固部分。

研磨颗粒270，例如合成金刚石颗粒、其他类型的金刚石和/或其他类型的研磨颗粒分布在胎体260中并由其支撑。在至少一个实施例中，研磨颗粒270基本均匀地分布在表面特征250和冠部210之间。这样的构造可以减少和消除冠部210和表面特征250之间的过渡区域和边界。

图4A-6B描述了在典型的地层170内的钻探环境下和相对于地层170上的参照点P的钻头200的局部细节。特别地，图4A、5A和6A描述了钻头200相对于固定点P的旋转，并且图4B、5B和6B描述了单个表面特征250、地层170和参照点P之间的相互作用。线L描述了一条固定线，其用于参考表示钻头200的角位移，并且参照点P在线L上。

当钻头200旋转，在钻头200的给定的径向位置的每个段235上连续的表面特征250与参照点P接触和不相接触。在图4B、5B和6B中描述了一个典型的相互作用。特别地，在图4B所示的位置，当表面特征250之间的缝隙位于轴向上最接近于参照点P的位置时，表面特征250的相对较小的区域（若有的话）与参照点P接触。在这个位置，表面特征250（图4B）施加到参照点的接触应力是或接近最小值。

钻头200的持续旋转和施加到钻头200的轴向力使表面特征250和参照点P之间的接触增大，直至该接触是如图5B所示的最大量为止。该增大的接触导致接触应力增大直至表面特征250的中心与参照点P在轴向上成一条直线。在该点，表面特征250施加于参照点P的接触应力是或接近最大值。

持续地旋转到如图6A和图6B所示的相对位置，这将导致接触减少和相应的接触应力的减小，直至该接触应力恢复到最小值，此时位于相邻特征间的缝隙在轴向上与该点成一条直线。结果，钻头200的构造使钻头200能在每个段235内的不同径向位置上采用可变的接触应力，循环地改变每个段235施加的接触应力。改变的接触应力可以在这些不同的径向位置上导致疲劳，然后其致使材料比在相对恒定的接触应力作用下更快地破坏。这样的构造导致钻头200比其他钻头能更快地切割。

任何合适的方法可以用于形成这样的钻头，该钻头具有由一个或多个段组成的面，其中不连续的表面特征形成在段上一个或多个径向位置。图7描述了一个典型的方法，该方法用于形成钻头。如图7所描述，该方法以步骤700为起始步骤，其形成模子。该模子由材料形成，该材料耐热从而使钻头在热处理过程中可以承受热。在至少一个实施例中，该模子可以由碳形成。该模子被成形为形成一个钻头的式样。相应地，在模子里形成的式样符合对应冠部最终的形状的负片。相应地，该式样可以限定冠部的负片，该冠部具有如上述所构造的表面特征。这样，该冠部式样可以限定中心轴线。该冠部式样在其中也可以具有限定的凹槽，其限定一般平面部分和从该平面部分延伸的多个表面特征式样，其中段内的与中心轴线相距第一径向距离的第一弓形线上的表面特征不连续。

在步骤710中制备冠部材料。该冠部可以通过混合切割颗粒、胎体材料和粘合剂材料而形成。进一步，该切割材料可以以这样的方式与胎体材料和粘合剂材料相混合，该方式是每种材料均匀地分布在合成的混合物中。可以使用任何合适的胎体材料。胎体材料可以包括耐用材料，其包括金属材料，例如，碳化钨。类似地，可以使用任何合适的粘合剂材料，包括金属材料，例如，铜和铜合金。该切割材料可以包括研磨材料或其他可以切割预定的基质的材料。合适的材料包括金刚石，例如合成的和/或天然金刚石，包括它们的粉末。

在步骤720中，通过将胎体材料和切割颗粒的混合物放入到模子中以覆盖表面特征和一般平面，从而形成钻头的冠部。然后，该材料被压制到模子中。

其后，在步骤730中，将钻杆尾连接至冠部。在至少一个实施例中，通过将钻杆尾与模子接触和更特别地与冠部接触，可以使钻杆尾连接于冠部。额外的胎体、粘合剂材料和/或熔剂之后可以添加到模子中与冠部和钻杆尾接触，从而完成钻头的最初的制备。最终的制备任选地包括受热和/或受压以最终制备该钻头。也可以采用所希望的其他额外的步骤。

除了任何在先指出的变型之外，众多的其他变化和可选择的布置可以由本领域技术人员在不脱离该描述的精神和范围得出，并且所附的权利要求旨在覆盖这些变型和布置。因此，尽管与认为是最实用和优选的方式相联系的特性和细节的信息在以上已被描述，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离此处提出的原理和概念的情况下，得出多个变型是显而易见的。这些变型包括，但不限于，形式、功能、操作的方式和应用。同样，此处所采用的实施例也只是描述性的而不能认为是以任何方式限制本发明。

Claims (19)

1.一种钻头，包括：

限定中心轴线的冠部，

该冠部包括至少一个段，该段包括：

平面部分；和

多个表面特征，其与平面部分连续相连并从该平面部分延伸，其中段内的与中心轴线相距第一径向距离的第一弓形线上的表面特征不连续。

2.如权利要求1中的钻头，其中，所述多个表面特征至少部分地是椭圆体形状。

3.如权利要求2中的钻头，其中，所述多个表面特征是半球状的。

4.如权利要求1中的钻头，其中，所述冠部包括胎体和在胎体内的研磨颗粒。

5.如权利要求4中的钻头，其中，所述研磨颗粒包括金刚石颗粒。

6.如权利要求1中的钻头，其中，切割面包括多个段，该多个段的每一个与该多个段中的相邻的段由水道隔开。

7.如权利要求1中的钻头，其中，所述多个表面特征位于与中心轴线相距第一径向距离的位置上，该多个表面特征沿该第一弓形线上不连续。

8.如权利要求7中的钻头，其中，所述多个表面特征是多个第一表面特征，所述钻头进一步包括多个第二表面特征，其与平面部分连续相连并从该平面部分延伸，该多个第二表面特征位于与中心线相距第二径向距离的位置，其中段内的与中心轴线相距第二径向距离的第二弓形线上的表面特征不连续。

9.如权利要求8中的钻头，其中，所述多个第一表面特征具有第一直径，并且所述多个第二表面特征具有第二直径，第一直径大于第二直径。

10.如权利要求9中的钻头，其中，所述第一径向距离小于所述第二径向距离。

11.一种钻头，包括：

限定中心轴线的冠部，该冠部包括：

第一段，其具有平面部分和第一表面特征，该表面特征与一般平面部分连续相连并从该一般平面部分延伸，该第一表面特征位于与中心轴线相距第一径向距离的位置上，其中，第一段内的由第一径向距离限定的第一弓形线上的第一表面特征不连续；和

第二段，其具有平面部分和第二表面特征，该表面特征与一般平面部分连续相连并从该一般平面部分延伸，该第二表面特征位于与中心轴线相距第一径向距离的位置上，其中，第二段内的由第一径向距离限定的第一弓形线上的第二表面特征不连续。

12.如权利要求11中的钻头，进一步包括位于所述第一段和所述第二段之间的径向缝隙。

13.如权利要求11中的钻头，其中，所述第一段进一步包括位于与中心轴线相距第二径向距离的第三表面特征，所述第一段内的由第二径向距离限定的第二弓形线上的第三表面特征不连续，所述第二径向距离大于所述第一径向距离。

14.如权利要求13中的钻头，其中，所述第一表面特征的第一直径大于所述第三表面特征的直径。

15.如权利要求14中的钻头，其中，所述第二段进一步包括位于与中心轴线相距第二径向距离的第四表面特征，所述第二段内的由第二径向距离限定的第二弓形线上的第四表面特征不连续。

16.一种形成钻头的方法，包括：

准备模子，该模子具有在其内形成的冠部式样，该冠部式样限定中心轴线并且进一步具有限定在其内的凹槽，该凹槽限定了一般平面部分和多个表面特征式样，该多个表面特征式样从该一般平面部分延伸，其中，段内的与中心轴线相距第一径向距离的第一弓形线上的表面特征不连续；和

将切割材料、粘合剂材料和胎体材料的混合物置于模子内以覆盖表面特征和一般平面部分。

17.如权利要求16中的方法，其中，所述表面特征至少部分地是椭圆体。

18.如权利要求17中的钻头，其中，所述表面特征是半球状的。

19.如权利要求18中的钻头，其中，所述切割材料包括金刚石颗粒。

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