CN102667049A - 具有大磨切介质的孕镶切削元件及其制造和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例包括内嵌有多个较大的磨切介质的孕镶钻头，这种嵌入孕镶钻头中的介质例如为聚晶金刚石。根据本发明的一些实施例，较大的磨切介质可按杂乱排布方式遍布于冠部的至少一部分中。另外，一个或多个实施例可包括多个相对小的第二磨切介质。本发明的实施例还包括包含内嵌有多个较大的磨切介质的孕镶钻头的钻削系统、使用这种孕镶钻头的方法以及形成这种孕镶钻头的方法。

Description

具有大磨切介质的孕镶切削元件及其制造和使用方法
技术领域
本发明的实施例总体上涉及可用于钻探地质层组和/或人造层组的钻具。具体而言，本发明的实施例涉及内嵌有例如聚晶金刚石的大磨切介质（largeabrasive cutting media，磨蚀切削介体）的孕镶切削元件，以及这种钻头的制造和使用方法。
背景技术
钻头和其它钻具可用于为勘探或其它目的而在岩石和其它地层结构中钻孔。例如，在钻柱（即，联接到钻探头的一连串相连的钻杆）的下端可附接钻头。然后，钻探头（drill head，自动钻井水龙头）、井下动力钻具或者这两者可转动钻柱，并进而转动钻头。然后，可对钻头施加向下的力，该力可导致钻头切入地层并在地层中形成钻孔。
可基于所钻探的地层类型和硬度来为特定的钻探操作选择钻头的类型。例如，可使用具有固定刀具的表镶刀头（surface-set bit）或表镶钻头来钻探较软至中硬的地层。这些钻头的固定刀具或插入物可被设计成依靠每转切削深度而迅速穿入。一种常用类型的固定刀具是聚晶金刚石复合片（PDC）插入物。PDC插入物常常沿钻头的切削面按特定的取向和位置分布。尽管表镶钻头或固定刀具钻头可提供多种益处，但由于插入物通常只包括单层金刚石，因此可能使这种钻头的寿命受限。
此外，表镶刀头在钻探硬的和/或有磨蚀性的地层时可能效果差或效率低。因此，对于较硬的地层，通常优先选择具有可更换切削元件的孕镶钻头。孕镶钻头通常包括切削部或冠部（crown），该冠部可包括含有粉末状硬质颗粒材料（例如碳化钨和/或其它耐熔性或陶瓷复合物）构成的基体。上述硬质颗粒材料可以是烧结的和/或渗有黏结剂的材料，例如铜基合金。此外，孕镶钻头的切削部也可孕镶磨切介质，例如天然的或合成的金刚石。
在钻探操作期间，随着支撑基体材料磨损，磨切介质逐渐露出。由于构成切削部的支撑基体的磨损使得新的磨切介质持续外露，这样能有助于提供持续锋利的切削表面。另外，由于在钻探期间整个冠部可随着其被磨蚀而发挥切削元件的作用，因此能够延长孕镶钻头的切削寿命。孕镶钻头可持续有效地切削，直到工具的切削部磨耗殆尽为止。一旦工具的切削部耗尽，则工具变钝而需要将其更换。
尽管孕镶钻头在钻探较硬的地层时实用且高效，但由于孕镶头所用的磨蚀材料的尺寸的缘故，使得它们在钻探较软地层时效果差或效率低。同理，虽然表镶头在钻较软的地层时实用且高效，但它们在钻探硬的和/或有磨蚀性的地层时效果差或效率低。因此，当钻探既包含硬区也包含软区的地层时，在表镶头与孕镶钻头之间切换可能是适宜的。更换钻头时需要从钻孔中移出（或脱卸）整个钻柱。一旦钻头被更换，那么通常要一段一段地组装整个钻柱，然后将其送回钻孔。切换钻头将会是耗时、困难并具有潜在危险的工作。
因此，传统钻头具有多种待改进的缺点。
发明内容
本发明的一个或多个实施例借助实用且高效地钻穿地层的钻具、系统和方法来克服技术中的一个或多个问题。例如，本发明的一个或多个实施例包括内嵌有大的磨切介质（例如聚晶金刚石）的孕镶钻头。特别地，较大的磨切介质可按杂乱排布方式遍布于（钻头的）冠部的至少一部分中。由于与大的涂覆或非涂覆的磨蚀材料相关联的、大的每转切削深度，使得较大的磨切介质能允许钻头迅速地移除被钻探地层的材料。另外，一个或多个实施例能够通过提供设于表面下层的另外的大磨切介质（其在钻探期间随钻头的冠部的磨损而露出）而提供延长的使用寿命。因此，本发明的实施例能够提高钻头的切削速度及其耐用性和使用寿命。
例如，一种孕镶钻头的实施例可包括具有第一端和相反的第二端的柄部（shank）。柄部的第一端可适于固定到钻柱部件。从所述柄部的第二端可延伸出一冠部。该冠部可包括由硬质颗粒材料构成的基体、切削面以及处于该切削面与柄部之间的冠体。该孕镶钻头还可包括多个具有介于约2.5mm与约5mm之间的至少一个尺寸的第一磨切介质。上述多个第一磨切介质可按杂乱排布方式遍布设置于冠体的至少一部分中。
另外，一种孕镶钻头的实施例可包括柄部和固定到该柄部的切削部。切削部可包括由硬质颗粒材料构成的基体、遍及该切削部的至少一部分分配的多个第一磨切介质、以及遍及所述切削部的至少一部分分配的多个第二磨切介质。上述多个第一磨切介质中的至少一个磨切介质可具有第一体积。上述多个第二磨切介质中的至少一个磨切介质可具有第二体积。该第二体积可小于该第一体积的约0.75倍。
此外，一种钻探系统的实施例可包括钻机（drill rig，钻架）、适于固定到该钻机并被该钻机转动的钻柱、以及适于固定到该钻柱的孕镶钻头。该孕镶钻头可包括柄部和冠部。该冠部可包括具有介于约2.5mm与约5mm之间的至少一个尺寸的多个聚晶金刚石。上述多个聚晶金刚石可按杂乱排布方式遍及该冠部的至少一部分分配。
形成孕镶钻头的方法的实施例可包括制备由硬质颗粒材料构成的基体。该方法还可包括使多个第一磨切介质遍布于基体的至少一部分中。上述多个第一磨切介质中的磨切介质可具有介于约2.5mm与约5mm之间的至少一个尺寸。另外，该方法可包括使多个第二磨切介质遍布于基体的至少一部分中。上述多个第二磨切介质中的磨切介质的最大尺寸约小于2mm。此外，该方法可包括使用黏结材料渗入基体，并将柄部固定到该基体。
除前述内容以外，一种钻探方法可包括将孕镶钻头固定到钻柱。孕镶钻头的冠部可包括硬质颗粒材料、黏结材料、多个第一磨切介质及多个第二磨切介质。多个第一磨切介质的每个磨切介质的体积可介于约8mm与约125mm之间。多个第一磨切介质可按杂乱排布方式遍布于冠部的至少一部分中。该方法还可包括使钻柱旋转，以使得孕镶钻头穿入地层。
在随后的描述中将陈述本发明的示范性实施例的其它特征和优点，这些特征和优点部分地将通过该描述而显而易见，或者可通过对这些示范性实施例的实践而得以领会。这些实施例的特征和优点可借助随附的权利要求书中特别指明的装置和组合而实现和获得。这些及其它特征将通过以下描述和随附权利要求的描述而变得更为显而易见，或者可通过对下文陈述的这些示范性实施例的实践而得以领会。
附图说明
为了描述实现本发明的上述和其它的优点及特征的方式，以下将参照附图所示的具体实施方式给出上文所简述的本发明的更具体的描述。应注意的是，附图并未按比例绘制，并且出于解释的目的，在附图中具有相似结构或功能的元件通常由相同的附图标记表示。应理解的是，附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此其不应被视为对本发明的范围造成限制，下面将结合附图，借助另外的特性和细节来描述和解释本发明，在附图中：
图1示出根据本发明实施例的包括多个较大的磨切介质的孕镶钻头的立体图；
图2示出沿图1的线2-2截取的图1的孕镶钻头的剖视图；
图3示出根据本发明实施例的包括多个较大的磨切介质和多个小磨切介质的孕镶钻头的剖视图；
图4示出根据本发明实施例的包括多个较大的磨切介质、多个小磨切介质和多个纤维的孕镶钻头的剖视图；
图5示出根据本发明实施例的具有包含多个较大的磨切介质的第一部分和包含多个小磨蚀颗粒的第二部分的孕镶钻头的剖视图；
图6示出根据本发明实施例的包括具有多个较大的磨切介质的孕镶钻头的钻探系统的示意图；以及
图7示出根据本发明实施例的形成包括多个较大的磨切介质的孕镶钻头的方法的操作和步骤的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例是针对实用且高效地钻穿地层的钻具、系统和方法。例如，本发明的一个或多个实施例包括内嵌有较大的磨切介质（例如聚晶金刚石）的孕镶钻头。特别地，较大的磨切介质可按杂乱排布方式遍布于冠部的至少一部分中。由于与较大的涂覆或非涂覆的磨蚀材料相关联的、较大的每转切削深度，使得较大的磨切介质能允许钻头迅速地移除被钻探地层的材料。另外，一个或多个实施例能够通过提供设于表面下层的另外的大磨切介质（其在钻探期间随钻头的冠部的磨损而露出）而提供延长的使用寿命。因此，本发明的实施例能够增大钻头的切削速度以及其耐久性和使用寿命。
根据本发明内容应理解的是，根据本发明的一个或多个实施例的具有较大的磨切介质的孕镶钻头能够用作混合型钻头，并同时具有表镶钻头和孕镶钻头的许多益处。例如，较大的磨切介质能够在每转中切削更多地层材料，使得一个或多个实施例的孕镶钻头能够实用且高效地切削更软的地层。因此，一个或多个实施例可包括一种能够以相对高的切削速度切削较软地层的孕镶钻头。另外，较大的磨切介质或小磨蚀介质（若包括的话）仍能切削较硬的地层材料，允许一个或多个实施例的孕镶钻头实用且高效地切削较硬地层。此外，随着较大的磨切介质和基体在切削面处的磨损，嵌入的切削介质将露出，以对切削面加以补足。由于切削介质在孕镶钻头的整个使用寿命期间可持续用于切削，因此这种构造能够提供切削的多用性。
此处描述的钻具能用来切削石头、地下矿藏、陶瓷、碎岩石和沙的混合物、混凝土以及其它硬质材料。这些钻具可包括例如岩心取样钻头、刮刀式钻头、扩眼器、稳定器、套管或钻杆鞋（rod shoe）等。为了易于描述，附图和下文所包括的对应文字解释了孕镶型岩心取样钻头的示例以及形成和使用这种钻头的方法。然而，根据本发明内容应理解的是，本发明的系统、方法和装置能够与例如以上所提到的其它孕镶钻具、切削工具一起使用。
现在参照附图，图1和图2分别示出孕镶钻头100的立体图和剖视图。更具体而言，图1和图2示出根据本发明实施例的具有较大的磨切介质的孕镶型岩心取样钻头100。如图1所示，钻头100可包括切削部或冠部102。
背层（backing layer，永久层）103可使冠部102固定或连接到柄部或坯体（blank）104。如下文更详细地解释的那样，冠部102可包括基体层，该基体层含有能够磨蚀和切削所钻探的材料的磨切介质。如图2所示，将冠部102连接到柄部104的背层103可以不含有磨切介质。在备选的实施例中，背层103可以包括磨切介质。
如图1和图2所示，在本发明的一些实施例中，背层103可包括销105。销105可由聚晶金刚石、硬质合金或具有相似材料特性的其它材料构成。销105可帮助维持钻头规构型（bit gauge）并协助稳定孕镶钻头100。在备选的实施例中，背层103可不包括销105。
柄部104可构造为使孕镶钻头100连接到钻柱的部件。特别地，柄部104的上端（即，与固定到背层103的端部相反的端部）可包括连接器106，扩眼器或其它钻柱部件可固定到连接器106。如图3所示，在一个或多个实施例中，连接器106可包括螺纹。
图1和图2还示出钻头100能够绕其中心轴线限定一容纳岩心样本的内部空间。因此，冠部102和柄部104均可具有由内表面和外表面限定的大致环形的形状。因此，被钻探的材料碎片可经过孕镶钻头100的内部空间，并经由附接的钻柱上升。孕镶钻头100可具有任何尺寸，因此可用来收集任何尺寸的岩心样本。当孕镶钻头100可具有任何直径并可用于利用任何期望的直径来移除和收集岩心样本时，在一些实施例中孕镶钻头100的直径可介于约1英寸到约12英寸的范围。而且，当孕镶钻头100的截口（即外表面的半径减内表面的半径）可以是任何宽度时，根据一些实施例，截口可介于约1/4英寸到约6英寸的范围。
冠部102可构造为在钻探过程中切削或钻探期望的材料。冠部102可包括切削面108和在背层103或柄部104与切削面108之间延伸的冠体。特别地，孕镶钻头100的冠部102可包括多个切削元件或切削区段109。这些切削元件109可被水道（水路）112分隔开。水道112能够允许钻探液（drill fluid）或其它润滑液流过切削面108，以在钻探期间帮助提供冷却。水道112还能允许钻探液将切屑和碎片从孕镶钻头100的内表面冲刷到外表面。
冠部102可以具有任何数量的水道112，只要该数量的水道能够提供所需的流体/碎片流的量以及允许冠部102维持所需的结构完整性即可。例如，图1和图2示出的孕镶钻头100包括八个水道112。根据本发明内容应理解的是，本发明并不以此为限。在另外的实施例中，孕镶钻头100可包括最少一个水道或最多20个以上的水道，这取决于期望的构造和待钻探的地层。另外，水道112可在冠部102的周缘平均或不平均地间隔分布。例如，图1描绘了八个绕冠部102的周缘彼此平均分隔开的水道112。然而，在备选实施例中，这些水道112可交错地或不平均地分隔开。
如图1和图2所示，冠部102可包括多个分布在基体114内的较大的磨切介质110。较大的磨切介质110可通过在每转中移除更多材料而使孕镶钻头100能够更为迅速地切削软质地层材料。
如此处所使用的，术语“较大”指的是磨切介质具有（i）至少一个介于约1.0mm与约8mm之间、或更优选地介于约2.5mm与约5mm之间的尺寸；或者（ii）具有介于约1mm3与512mm3之间、或更优选地介于约15.2mm3与约125mm3之间的体积；或者（iii）介于约每石108克拉与约每石5克拉之间的尺寸。
较大的磨切介质110可具有不同的形状或者这些形状的组合，例如球形、立方体形、圆柱形、不规则形状或其它形状。较大的磨切介质110的“至少一个尺寸”因此可包括长度、直径、宽度、高度或其它尺寸。例如，图2示出具有立方体形的较大的磨切介质。较大的磨切介质可包括一种或多种天然金刚石、合成金刚石、聚晶金刚石、热稳定金刚石、氧化铝、碳化硅、氮化硅、氮化钨、立方氮化硼、碳化硼、氧化铝、有晶种或无晶种的溶胶凝胶氧化铝、其它合适材料或其组合。在一个或多个实施例中，较大的磨切介质110可包括单一聚晶金刚石材料，例如不具有碳化物基层的热稳定金刚石。
另外，在一些实施例中，较大的磨切介质可包括一种或多种材料的涂层。该涂层包括金属、陶瓷、聚合物、玻璃、其它材料或者上述材料的组合。例如，较大的磨切介质可镀覆有金属，例如铁、钛、镍、铜、钼、铅、钨、铝、铬或者其组合或合金。在另一实施例中，较大的磨切介质可涂有陶瓷材料，例如SiC、SiO、SiO2等等。
涂层可覆盖较大的磨切介质的所有表面或仅其一部分表面。另外，涂层可以具有任何期望的厚度。例如，在一些实施例中，涂层可具有约1微米至约20微米的厚度。涂层可通过喷溅、刷涂、电镀、浸渍、气相淀积或化学气相淀积而施涂到较大的磨切介质上。
在一些实施例中，涂层能有助于使较大的磨切介质结合到基体。另外或者备选地，涂层能有助于为较大的磨切介质提供温度保护。并且，或者备选地，涂层能够提高或者改变较大的磨切介质的磨损属性。
图2示出较大的磨切介质110可分布在冠部102的切削面108上。另外，图2示出较大的磨切介质110可遍布于冠体的至少一部分（即，冠部102的处于切削面108与背层103或柄部104之间的部分）之中。换言之，较大的磨切介质110可嵌入冠部102内并处于切削面108以及切削面108后方。因此，在钻探过程期间，随着切削面108上的较大的磨切介质110和基体114磨损或磨蚀，能露出嵌入的较大的磨切介质110，再对切削面108加以补足。由于较大的磨切介质110在孕镶钻头100的整个使用寿命期间可持续用于切削，因而这种构造能够提供切削的多用性。
较大的磨切介质110可遍布于冠部102的至少一部分中。例如，图2示出较大的磨切介质110基本上遍布于整个冠部102中。在备选实施例中，较大的磨切介质110可以仅遍布于冠部102的一部分中。例如，在一些实施例中，较大的磨切介质110可以仅分布在冠部102的靠近切削面108的部分中。在其它实施例中，较大的磨切介质110可以仅分布在冠部102的位于切削面108之后的部分中。
如图2所示，较大的磨切介质110可按杂乱排布方式设置在冠部102中。在另外的实施例中，较大的磨切介质110可以随机地分布在冠部102中。因此，在本发明的至少一个实施例中，较大的磨切介质110相对于彼此或切削面108并不是以特定的对齐方式排布。在备选实施例中，较大的磨切介质110可以按特殊方式对齐，使得切削介质的切削属性处于相对切削面108的有利位置。
如图2所示，在任何情况下，较大的磨切介质110可以均匀地遍布于冠部102中。在备选实施例中，较大的磨切介质110可以不均匀地遍布于冠部102中。例如在一些实施例中，根据需要，在冠部102的任何期望部分中，较大的磨切介质110的浓度可以是变化的。特别地，冠部102可以包括较大的磨切介质110的一个分布梯度。例如，冠部102的最靠近孕镶钻头100的切削面108的部分可包含较大的磨切介质110的第一浓度，较大的磨切介质110的浓度可以朝向背层103而逐渐减小或增大。这种孕镶钻头100可用来钻探开始为软的磨蚀性未固结地层、然后逐渐转变到硬质的无固结地层的地层。因此，可根据使用孕镶钻头100钻探的期望的地层来定制较大的磨切介质110在孕镶钻头100中的分布情况。
如前所述，较大的磨切介质110可以分布在基体114内。基体114可包括硬质颗粒材料，例如金属或陶瓷。根据本发明内容应理解的是，硬质颗粒材料可包括粉末状材料（例如粉末状金属或合金）以及陶瓷复合物。根据本发明的一些实施例，硬质颗粒材料可包括碳化钨。如此处所使用的，术语“碳化钨”意指包含钨和碳的化学成分的任何材料成分，例如WC、W2C以及WC与W2C的组合。因此，碳化钨包括例如铸造碳化钨、烧结碳化钨和粗结晶钨。根据本发明另外的或备选的实施例，硬质颗粒材料可包括碳、钨、铁、钴和/或钼和碳化物、硼化物、上述材料的合金或任何其它合适材料。
另外，虽然图中未示，但是冠部102还可包括黏结剂。该黏结剂可包括铜、锌、银、钼、镍、钴或其混合物和合金。黏结剂能使基体114与较大的磨切介质110结合，由此使冠部102结合在一起。
如上文所述，本发明的一个或多个实施例可包括除了较大的磨切介质之外的小磨切介质。例如，图3示出包括除了较大的磨切介质110之外的多个小磨切介质116的孕镶钻头100a的剖视图。
图3示出小磨切介质116可沿较大的磨切介质110分布在基体114内。小磨切介质116可利用磨蚀来切削地层。因此，小磨切介质116可以使孕镶钻头100a能够高效地切削较硬的地层。
此处所使用的术语中，术语“小”指的是磨切介质具有:（i）小于约2mm或更优选地介于约0.01mm至约1.0mm之间的最大尺寸；或（ii）具有小于较大的磨切介质的约0.75倍体积、或更优选地小于较大的磨切介质的约0.5倍体积的体积；或（iii）介于约0.001mm3与约8mm3之间的体积。
小磨切介质116可具有不同的形状或者其组合，例如球形、立方体形、圆柱形、不规则形状或其它形状。小磨切介质116的“最大尺寸”因此可包括长度、直径、宽度、重量或其它尺寸。小磨切介质116可包括一种或多种天然金刚石、合成金刚石、聚晶金刚石、热稳定金刚石、氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方氮化硼、氮化硼、氧化铝、有晶种或无晶种溶胶凝胶氧化铝、其它合适材料或其组合。在一个或多个实施例中，小磨切介质116可包括单晶金刚石。
图3示出小磨切介质116可分布在冠部102的切削面108上。另外，图3示出小磨切介质116可遍布于冠体的至少一部分（即冠部102的处于切削面108与柄部104之间的部分）之中。换言之，小磨切介质116可嵌入冠部102内并位于切削面108处以及切削面108之后。因此，在钻探过程期间，随着切削面108上的较大的磨切介质110、小磨切介质116以及基体114的磨损或磨蚀，能露出嵌入的较大的磨切介质110和小磨切介质116，进而再对切削面108加以补足。由于较大的磨切介质110和小磨切介质116在孕镶钻头100的整个使用寿命期间可持续用于切削，因而这种构造能够提供切削的多用性。
小磨切介质116可遍布于冠部102的至少一部分中。例如，图3示出小磨切介质116基本上遍布于整个冠部102中。在备选实施例中，小磨切介质116可仅遍布于冠部102的一部分中。例如在一些实施例中，小磨切介质116可仅分布在冠部102的靠近切削面108的部分中。在其它实施例中，小磨切介质116可以仅分布在冠部102的位于切削面108之后的部分中。
如图3所示，小磨切介质116可按杂乱排布方式设置在冠部102中。在另外的实施例中，小磨切介质116可以随机地（任意地）分布在冠部102中。因此，在本发明的至少一个实施例中，小磨切介质116相对于彼此或切削面108并不是以特定的对齐方式排布。
如图3所示，在任何情况下，小磨切介质116可以均匀地遍布于冠部102中。在备选实施例中，小磨切介质116可以不均匀地遍布于冠部102中。例如在一些实施例中，根据需要，在冠部102的任何期望部分中，小磨切介质116的浓度可以是变化的。特别地，冠部102可以包括小磨切介质116的一个分布梯度。例如，冠部102的最靠近孕镶钻头100a的切削面108的部分可包含小磨切介质116的第一浓度，小磨切介质116的浓度可以朝向柄部104逐渐减小或增大。这种孕镶钻头100a可用来钻探开始为软的磨蚀性未固结地层、然后逐渐转变到硬质的无固结地层的地层。因此，可根据使用孕镶钻头100a钻探的期望的地层来定制较大的磨切介质110和小磨切介质116在孕镶钻头100a中的分布情况。
图3还示出了在本发明的一个或多个实施例中，切削面108的较大的磨切介质110a可延伸到切削面108之外。换言之，较大的磨切介质110可从冠部102轴向延伸离开切削面108。较大的磨切介质110a能有助于允许新钻具100a快速启动。在备选实施例中，切削面108可以不是延伸到切削面108之外的、较大的磨切介质110a，例如图1和图2的孕镶钻头100。在其它实施例中，切削面108可包括有助于钻探过程的其它特征，例如径向凹槽。
图4示出包括较大的磨切介质的孕镶钻头的又一另外实施例。图4示出的孕镶钻头100b包括具有较大的磨切介质110、小磨切介质116和分布在由硬质颗粒材料构成的基体114内的多个纤维118的冠部102。特别地，本发明的一个或多个实施例的冠部102可包括纤维，例如于2007年11月30日提交的名称为“Fiber-Containing Diamond Impregnated Cutting Tools（含纤维的金刚石孕镶钻具）”的美国第11/948,185号专利申请，即当前的美国第7,695,542号专利中描述的纤维，其整体内容被以援引方式纳入本文。在本发明的一个或多个实施例中，纤维118能有助于控制基体114的磨蚀速率，进而控制磨切介质（其为较大的磨切介质110或小磨切介质116）露出的速率。
纤维118可具有不同的形状或其组合，例如带式、圆柱形、多边形、椭圆形、直形、弯形、卷曲形、盘绕形、弯角形等。孕镶钻头100b的冠部102中的纤维118可以是任何尺寸或多个尺寸的组合，包括不同尺寸的混合物。纤维118可以具有任何长度并且具有任何期望的直径。在一些实施例中，纤维118的长度可以介于约10微米与约25,000微米之间，并可具有介于约1微米与约500微米之间的直径。在其它实施例中，纤维118的长度可约为150微米，并可具有约7微米的直径。
纤维118可包括一个或多个碳纤维、金属纤维（例如由坞、碳化钨、铁、钼、钴或其组合制成的纤维）、玻璃纤维、聚合纤维（例如由Kevlar制成的纤维）、陶瓷纤维（例如由碳化硅制成的纤维）、涂覆纤维和/或类似物。
图4示出纤维118可分布于冠部102的切削面108。图4示出纤维118可遍布于冠体的至少一部分（即，冠部102的处于切削面108与柄部104之间的一部分）之中。换言之，纤维118可在切削面108以及切削面108后面嵌入冠部102内。
纤维118可遍布于冠部102的至少一部分中。例如，图4示出纤维118基本上遍布于整个冠部102之中。在备选的实施例中，纤维118可以仅遍布于冠部102的一部分中。例如，在一些实施例中，纤维118可以仅分布在冠部102的靠近切削面108的部分中。在其它实施例中，纤维118可以仅分布在冠部102的位于切削面108之后的部分中。
如图4所示，纤维118可以按杂乱排布方式设置在冠部102中。在另外的实施例中，纤维118可以随机地分布在冠部102中。因此，在本发明的至少一个实施例中，纤维118相对彼此或切削面108不按特定的对齐方式排布。
如图4所示，在任何情况下，纤维118可以均匀地遍布于冠部102中。在备选的实施例中，纤维118可以不均匀地遍布于冠部102中。例如在一些实施例中，根据需要，在冠部102的任何部分中，纤维118的浓度可以是变化的。特别地，冠部102可以包括纤维118的一个分布梯度。例如，冠部102的最靠近孕镶钻头100b的切削面108的部分可包括纤维118的第一浓度，纤维118的浓度可以朝向柄部104逐渐减小或增大。
如前文所提到的，可根据使用本发明的孕镶钻头钻探的期望的地层来定制较大的磨切介质110和/或小磨切介质116在本发明的孕镶钻头中的分布。例如，图5示出了具有被定制为适于特定地层的冠部102的孕镶钻头100c的剖视图。特别地，最靠近孕镶钻头100c的切削面108的冠部部分102a包含多个较大的磨切介质110。另外，最靠近孕镶钻头100c的冠部部分102b包含多个小磨切介质116。这种孕镶钻头100c可用来钻探开始为软的磨蚀性未固结地层、然后逐渐转变到硬质的无固结地层的地层。
特别地，冠部的第一部分102a中的较大的磨切介质110可切削地层中的软材料，允许孕镶钻头100c相对迅速地穿透软地层。然后，冠部的第二部分102b中的小磨切介质116可磨蚀地层中的较硬材料，允许孕镶钻头100c相对迅速地穿透较硬的地层。
在备选实施例中，冠部的第一部分102a可包括小磨切介质116，同时冠部的第二部分102b包括较大的磨切介质110。在其它实施例中，冠部的第一部分102a和第二部分102b可包括较大的磨切介质110和小磨切介质116。在另外的实施例中，孕镶钻头100c可包括两个以上不同的区段（section）102a、102b。例如，孕镶钻头100c可包括三个、四个、五个或更多的区段，每个区段适于高效地切削不同类型的地层。
应理解的是，根据本发明的实施例的具有较大的磨切介质的孕镶钻头几乎能够与任何类型的钻探系统配合使用来执行各种钻探操作。例如，图6和对应的文字解释或描述了一种能够与本发明的钻具配合使用的钻探系统。然而，应理解的是，图6中示出并描述的钻探系统仅是能够与本发明的钻具一起使用的系统的一个示例。
例如，图6示出包括钻探头122的钻探系统120。钻探头122可联接到桅架（mast）124，桅架124依次联接到钻机1260。钻探头122可构造为具有相联接的一个或多个管状构件128。管状构件可包括（但不以此为限）钻杆、套管、扩眼器和下孔锤。为便于参考，这里管状构件128将在钻柱部件之后描述。钻柱部件128可因此联接到其它钻柱部件128，以形成钻探或工具柱130。进而，钻柱130可联接到包括较大的磨切介质的孕镶钻头100，例如上文所述的岩心取样钻头100、100a、100b、100c。如之前所提到的，包括较大的磨切介质的孕镶钻头100可构造为适于切入待钻探的材料132或地层。
在至少一个示例中，图1所示的钻探头122可构造为适于在钻探过程期间转动钻柱130。特别地，钻探头122可改变钻柱130的旋转速度。例如，可根据钻探过程而按需要选择钻探头的旋转速率和/或钻探头122传递到钻柱130的扭矩。
此外，钻探系统120可构造为适于在钻探操作期间向钻柱130施加大体纵向向下的力，推动包括较大的磨切介质的孕镶钻头100进入地层132中。例如，钻探系统120可包括构造为相对于桅架124移动拖运器组件的链驱动组件，以便对如上所述的包括较大的磨切介质的孕镶钻头100施加大体纵向的力。
此处使用的术语“纵向”意指沿钻柱130的长度的方向。另外，此处使用的术语“上部”、“顶部”和“之上”以及“下部”和“之下”指的是钻柱130的纵向位置。术语“上部”、“顶部”和“之上”指的是更靠近桅架124的位置，“下部”和“之下”指的是更靠近包括较大的磨切介质的孕镶钻头100的位置。
因此，根据本发明内容应理解的是，本发明的钻具能够用于本领域的任何目的。例如包括较大的磨切介质的钻头100、100a、100b、100c可附接到钻柱130的端部，该钻柱130进而连接到钻孔机或钻机126。随着钻柱130、进而包括较大的磨切介质100的孕镶钻头旋转并被钻孔机126推动，钻头100能够磨削正在钻探的地下地层132的材料。钻取的岩心样本能够从钻柱130取回。由于磨削操作，钻头100的切削部随时间经过而磨损。这个过程可持续到钻头100的切削部被磨耗殆尽为止，然后可使钻柱130离开钻孔并更换钻头100。
本发明的实施例还包括形成包括较大的磨切介质的孕镶钻头的方法。以下描述了至少一种形成具有较大的磨切介质的钻具的方法。当然，作为正文前的图文内容，本领域技术人员应认识到上述被详细解释的方法可被更改为使用本发明的一个或多个部件来设置各种不同的构造。例如，图7示出了采用本发明的原理制造具有较大的磨切介质的孕镶钻头的方法的一个示例的流程图。以下参照图1至图6的部件和图示来描述图7的操作。
作为初始的内容，此处使用的术语“渗入”或“浸润”包括熔化黏结剂材料并使熔化的黏结剂透入并填充基体的空间或细孔。在冷却时，黏结剂能够固化，使基体的颗粒黏结在一起。在此使用的术语“烧结”意思是消除颗粒之间的细孔（可通过收缩实现）的至少一部分，这些细孔与相邻颗粒之间的接合和黏结相结合。
例如，图7示出的形成孕镶钻头的方法可包括制备基体的操作（步骤）200。操作200可包括制备由硬质颗粒材料构成的基体。例如，操作200可包括制备由粉末状材料构成的基体，例如碳化钨。在另外的实施例中，基体可包括一种或多种之前描述的硬质颗粒材料。在本发明的一些实施例中，操作200可包括将基体置于模型中。
上述模型可由能够耐受在加热过程中基体所经受的热量的材料构成。在至少一个实施例中，该模型可由碳构成。该模型的形状可被制造为使其形成具有期望的特征的钻头。在本发明的至少一个实施例中，该模型可以与岩心钻头相对应。
另外，图7示出的该方法可包括使多个较大的磨切介质的操作210遍布于基体的至少一部分中。例如，操作210可包括将多个第一磨切介质遍及基体的至少一部分散布。特别地，操作210可包括散布具有介于约2.5mm与约5mm之间的至少一个尺寸的、相对较大磨切介质。在一些实施例中，操作210可包括散布具有介于约8mm3与约125mm3之间的体积的、较大的磨切介质。在一个或多个实施例中，上述较大的磨切介质可包括聚晶金刚石。另外，该方法可包括在基体中以随机或杂乱排布方式散布较大的磨切介质。
在一个或多个实施例中，该方法还可包括在基体的至少一部分中散布多个小磨切介质。例如，该方法可包括在基体的至少一部分中散布多个第二磨切介质。特别地，该方法可包括散布具有小于约2mm的最大尺寸的磨切介质。在一些实施例中，该方法可包括散布具有小于8mm3的体积的小磨切介质。在一个或多个实施例中，较小的切削介质可包括天然金刚石或合成金刚石。在其它实施例中，较小的切削介质可包括单晶金刚石。另外，该方法可包括在基体中按随机或杂乱排布方式散布小磨切介质。
在一个或多个进一步实施例中，该方法还可包括在基体的至少一部分中散布多个纤维。特别地，该方法可包括在基体中按随机或杂乱排布方式散布碳纤维。
图7还示出该方法可包括使黏结剂渗入基体的操作220。操作220可包括将黏结剂加热到熔化状态并使熔化的黏结剂渗入基体。例如，在一些实施例中，可将黏结剂邻近基体114放置，基体114和黏结剂可被加热到足以使黏结剂达到熔化状态的温度。在该点处，熔化的黏结剂可渗入基体114。在一个或多个实施例中，操作220可包括将基体114和黏结剂加热到至少787℉的温度。
黏结剂可包括铜、锌、银、钼、镍、钴、锡、铁、铝、硅、锰或其混合物和合金。黏结剂可被冷却，以将基体和磨切介质黏结，由此使基体与磨切介质黏结在一起。根据本发明的一些实施例，可延长浸润过程的时间和/或升高温度，以使黏结剂能够充满基体中的更多数量和更大量的细孔。这样能够减少烧结期间的收缩，并提高所制成的钻具的强度。
另外，图7示出的该方法可包括将柄部固定到基体114的操作230。例如，操作230可包括使柄部104接触基体114。于是，可增加另外的基体的背层103、黏结剂材料和/或助焊剂并使其与基体114及柄部104接触，以完成新的钻头的初始制备。一旦新的钻头形成，可将其放入炉中，由此将钻头固化。此后，可按需要通过机械加工来完成钻头。
在浸润基体114之前、之后或与浸润基体114过程一起，本发明的一个或多个方法可包括将基体114烧结到期望的密度。因为烧结包括密化并且消除结构内的细孔，所以在烧结过程中烧结的结构会收缩。该结构在烧结期间可经历介于1%与40%之间的线收缩。因此，当设计小于完全烧结的结构的压型（模型、冲模等）或机加工特征时，需要考虑并计算尺寸收缩。
因此，在此描述的示意图和方法提供了许多能够有效钻探软地层和硬地层的独特的产品。另外，作为较大的磨切介质，这种产品提高了钻探穿入速率。此外，因为较大的磨切介质可遍布于冠部中，所以在孕镶钻头的使用寿命期间，能够持续地露出新的和较大的磨切介质。
因此，本发明能够以其它特定形式来实现，而这并不背离本发明的原理或基本特性。例如，本发明的一个或多个实施例的孕镶钻头可包括一个或多个封闭的流体槽，例如于2006年12月14日提交的名称为“Core Drill Bit withExtended Crown Longitudinal dimension（具有扩展的冠部纵向尺寸的岩心钻头）”的美国第11/610,680号专利申请，即现今的美国第7,628,228号专利中描述的封闭的流体槽，其整体内容被以援引方式纳入本文。另外，本发明的一个或多个实施例的孕镶钻头可包括一个或多个渐缩形水道，例如于2009年12月15日提交的名称为“Drill Bits With Axially-Tapered Waterways（具有轴向渐缩形水道的钻头）”的美国第12/638,229号专利申请中描述的渐缩形水道，其整体内容被以援引方式纳入本文。从任何方面来讲，所描述的实施方式应当仅被视为示例性而非限制性的。因此，本发明的范围是由随附的权利要求书而非前述说明书来指定。落入权利要求的等同物的意义和范围内的所有改变应仍包含在权利要求的范围内。

Claims (40)

1.一种孕镶钻头，包括：
柄部，具有第一端和相对的第二端，所述第一端适于固定到钻柱部件；
冠部，从所述柄部的所述第二端延伸，所述冠部包括由硬质颗粒材料构成的基体、切削面和处于所述切削面与所述柄部之间的冠体；以及
多个第一磨切介质，具有介于约2.5mm与约5mm之间的至少一个尺寸，所述多个第一磨切介质按杂乱排布方式设置遍及所述冠体的至少一部分。
2.如权利要求1所述的孕镶钻头，其中，所述多个第一磨切介质包括聚晶金刚石。
3.如权利要求2所述的孕镶钻头，其中，所述多个第一磨切介质包括热稳定金刚石。
4.如权利要求1所述的孕镶钻头，其中，所述多个第一磨切介质包括氧化铝。
5.如权利要求1所述的孕镶钻头，还包括多个第二磨切介质，所述多个第二磨切介质的最大尺寸约小于2mm，所述多个第二磨切介质按杂乱排布方式分配遍及所述冠体的至少一部分。
6.如权利要求5所述的孕镶钻头，其中，所述多个第二磨切介质的磨切介质包括天然金刚石。
7.如权利要求5所述的孕镶钻头，其中，所述最大直径介于约0.01mm与约1.0mm之间。
8.如权利要求5所述的孕镶钻头，其中，所述多个第一磨切介质遍布于邻近所述切削面的所述冠体的第一部分中，而所述多个第二磨切介质被散布遍及于所述冠体的处于所述第一部分与所述柄部之间的第二部分。
9.如权利要求1所述的孕镶钻头，其中，所述多个第一磨切介质包括立方体形的磨切介质。
10.如权利要求1所述的孕镶钻头，其中，所述冠部包括环形、切削面、内表面和外表面，所述环形包括贯穿其中的纵轴线，所述冠部围绕该纵轴线限定一内部空间用以容纳岩心样本。
11.如权利要求1所述的孕镶钻头，还包括多个按杂乱排布方式散布遍及于所述冠体的至少一部分中的纤维。
12.如权利要求1所述的孕镶钻头，其中，所述多个第一磨切介质中的磨切介质延伸到所述切削面之外。
13.如权利要求1所述的孕镶钻头，还包括设于所述多个第一磨切介质上的一个或多个涂层。
14.一种孕镶钻头，包括：
柄部；
切削部，固定到所述柄部，所述切削部包括由硬质颗粒材料构成的基体；
多个第一磨切介质，被遍及所述切削部的至少一部分分配，其中所述多个第一磨切介质中的至少一个磨切介质具有第一体积；以及
多个第二磨切介质，被遍及所述切削部的至少一部分分配，其中所述多个第二磨切介质中的至少一个磨切介质具有第二体积，并且其中所述第二体积约小于所述第一体积的0.75倍。
15.如权利要求14所述的孕镶钻头，其中，所述第一体积介于约8mm3与约125mm3之间。
16.如权利要求14所述的孕镶钻头，其中，所述第二体积介于约0.001mm3与约8mm3之间。
17.如权利要求14所述的孕镶钻头，其中，所述多个第一磨切介质包括聚晶金刚石。
18.如权利要求17所述的孕镶钻头，其中，所述多个第一磨切介质包括热稳定金刚石。
19.如权利要求14所述的孕镶钻头，其中，所述多个第一磨切介质包括氧化铝。
20.如权利要求14所述的孕镶钻头，其中，所述多个第二磨切介质包括单晶金刚石。
21.如权利要求14所述的孕镶钻头，还包括被遍及所述切削部的至少一部分分配的多个纤维。
22.如权利要求14所述的孕镶钻头，其中，所述多个第一磨切介质和所述多个第二磨切介质被基本上整体地遍及所述切削部任意分配。
23.如权利要求14所述的孕镶钻头，其中，所述切削部包括环形的冠部、切削面、内表面和外表面，所述环形的冠部包括贯穿其中的纵轴线，所述环形的冠部围绕该纵轴线限定一内部空间用以容纳岩心样本。
24.如权利要求14所述的孕镶钻头，其中，所述硬质颗粒材料包括碳化钨。
25.如权利要求14所述的孕镶钻头，其中，所述切削部的分配有所述多个第一磨切介质的所述至少一部分处于所述切削部的切削面与所述柄部之间。
26.如权利要求14所述的孕镶钻头，还包括设于所述多个第一磨切介质上的一个或多个涂层。
27.一种钻探系统，包括：
钻机；
钻柱，适于固定到所述钻机并由所述钻机转动；以及
孕镶钻头，适于固定到所述钻柱，所述孕镶钻头包括柄部和冠部，所述冠部包括具有介于约2.5mm与约5mm之间的至少一个尺寸的多个聚晶金刚石，所述多个聚晶金刚石按杂乱排布方式分配遍及所述冠部的至少一部分。
28.如权利要求27所述的钻探系统，其中，所述聚晶金刚石包括热稳定金刚石。
29.如权利要求27所述的钻探系统，还包括最大尺寸小于约2mm的多个天然金刚石或合成金刚石，所述多个天然金刚石或合成金刚石按杂乱排布方式分配遍及所述冠部的至少一部分。
30.如权利要求27所述的钻探系统，还包括多个遍及所述冠部的至少一部分分配的纤维。
31.一种形成孕镶钻头的方法，包括：
制备由硬质颗粒材料构成的基体；
将多个第一磨切介质遍及所述基体的至少一部分分配，其中，所述多个第一磨切介质中的磨切介质具有介于约2.5mm与5mm之间的至少一个尺寸；
将多个第二磨切介质遍及所述基体的至少一部分分配，其中，所述多个第二磨切介质中的磨切介质的最大尺寸小于约2mm；
使用黏结剂材料渗入所述基体；以及
将柄部固定到所述基体材料。
32.如权利要求31所述的方法，还包括烧结所述基体。
33.如权利要求31所述的方法，其中，所述多个第一磨切介质包括聚晶金刚石。
34.如权利要求33所述的方法，其中，所述多个第二磨切介质包括金刚石。
35.如权利要求31所述的方法，还包括多个遍及所述基体的至少一部分分配的纤维。
36.如权利要求31所述的方法，还包括使所述基体形成到环形的冠部。
37.一种钻探方法，包括：
将孕镶钻头固定到钻柱，其中，所述孕镶钻头的冠部包括硬质颗粒材料、黏结材料、多个第一磨切介质和多个第二磨切介质；
其中，所述多个第一磨切介质中的每个磨切介质的体积介于约8mm3与约125mm3之间，并且其中，所述多个第一磨切介质按杂乱排布方式分配遍及所述冠部的至少一部分；以及
转动所述钻柱，使得所述孕镶钻头穿入地层。
38.如权利要求37所述的方法，还包括将所述钻柱固定到一钻机，并使用所述钻机转动所述钻柱。
39.如权利要求37所述的方法，还包括使用所述孕镶钻头取回一岩心样本。
40.如权利要求37所述的方法，其中，所述多个第一磨切介质包括聚晶金刚石，而所述多个第二磨切介质包括金刚石。
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