CN103582738A - 用于钻探设备的磨损指示器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用在钻头或者取芯头中的磨损指示器（100）。所述磨损指示器（100）包括构成钻头的一部分的细长元件。所述细长元件具有沿其长度形成的多个数字（110、120、130、140、150、160、170、180），每个数字（110、120、130、140、150、160、170、180）被形成为空心部并且对应于根据IADC磨损分级系统的级别。随着钻头磨损，所述磨损指示器（100）以相同的速度磨损，从而露出数字（110、120、130、140、150、160、170、180）中的一个。数字的范围为从“1”到“8”，其中数字“1”指示最小磨损，而数字“8”指示最大磨损。当未磨损时，没有一个数字可见。

Description

用于钻探设备的磨损指示器

技术领域

本发明涉及用于钻探设备的磨损指示器，尤其（尽管不是排他性地）涉及在钻探作业中使用的具有固定切削结构的钻头和取芯头的磨损指示器。

背景技术

石油钻探中使用两种钻探工具，即牙轮钻头和固定切削器钻头。牙轮钻头具有活动部件而固定切削器钻头没有任何活动部件。

具有固定切削结构的钻头根据其切削器的性质分为四个子类。这样的切削器可以由多晶金刚石复合片（PDC）、天然金刚石、热稳定多晶金刚石（TSP）或浸渍有金刚石或其他磨料颗粒的金属基材料制成。最后一种通常称为“浸渍”钻头。

US-B-7621349中描述了一种制造具有固定切削结构的钻头的方法。所述固定切削结构由浸渍有金刚石或其他颗粒材料的金属基材料制成。

能够评估带有固定切削结构的钻头的磨损级别，由此能够在钻探作业中使用这些钻头时确定钻头有效性是必要的。然而，一般而言，就作业各阶段的磨损水平而言，难以获得钻头的磨损程度评估。切削结构磨损通常根据由国际钻井承包商协会（IADC）设定的标准来确定。相关标准、IADC磨损分级系统根据钻头的原始切削结构的高度来确定钻头的磨损量。对于PDC切削结构，由PDC切削器本身的直径与其原始直径之比来确定高度。对于浸渍钻头，切削结构高度被确定为在平行于主钻头轴的鼻部区域上测量到的刀片高度，所述鼻部区域由刀片型的末端来限定。取决于切削结构的类型，根据测量到的PDC切削器或刀片高度来使用代表0%到100%磨损的“1”到“8”级的分级系统。然而，由于磨损的确定取决于测量，所以其可能不恒定并且因此不可靠，尤其当已经磨损时，无法确定浸渍钻头的原始刀片高度。

US-B-6167833描述了一种与旋转钻探工具一同使用的磨损指示器。该磨损指示器被整合到所述工具的前沿面内，并且包括由视觉显著材料制成的至少一个区域，上述至少一个区域被设置用以指示前沿面的渐进磨损。该视觉显著材料不同于主要地形成钻探工具的材料。该磨损指示器可以以量度方式被嵌入在外表面部中。例如，该磨损指示器可以包括：阶梯形设置部，其中每个阶梯表示钻头渐进磨损的程度；楔形设置部，其中楔形的各部分根据其所嵌入的工具的磨损而被暴露；或者多个翼片，其中被暴露的翼片的数量指示出磨损量。该磨损指示器可以包括不锈钢、铜、铝、钨、石墨或陶瓷材料。

然而，US-B-6167833中描述的磨损指示器的缺点在于：除非人们熟悉特定的磨损指示器，并且熟悉其如何在其所嵌入的工具的寿命期间中如何变化，否则磨损量的确定就会不太精确。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于固定表面钻头和/或取芯头的新式磨损指示器。

本发明的另一目的是提供一种整合有这样的磨损指示器的钻头和/或取芯头。

根据本发明的第一方案，提供了一种用于钻探设备的磨损指示器，所述磨损指示器包括细长元件，所述细长元件具有沿其长度形成的多个区域，每个区域具有形成在其中的指示磨损级别的数字。

通过在磨损指示器中形成的多个区域，能够容易地确定磨损指示而无需进行任何测量。

所述细长元件可以包括八个区域，每个区域的数字介于“1”和“8”之间。在这种情况下，可以使每个数字对应于IADC磨损分级系统中使用的数字。这意味着由于每个数字对应于IADC磨损分级系统中相应的一个磨损级别，所以无需对其解读。

而且，由于优选的是每个数字包括空心部，所以即使带数字的区域被来自钻探作业的碎屑所填充，这些带数字区域仍然可辨识。本文所使用的术语“空心部”指的是在所述磨损指示器内由中空部分来形成的数字。

理想情况下，所述细长元件可以包括指示无磨损的封闭端。这意味着可以很容易地识别未磨损的钻头。可替代地，所述细长元件可以包括开口端，开口端中形成有指示无磨损的数字“0”。

理想情况下，如果所述数字不包括空心部，则所述数字应相对于所述细长元件视觉显著。在一个实施例中，所述数字包括与所述细长元件的材料不同的材料。可替代地，所述数字可以由与所述细长元件相同的材料制成，但具有纹理或颜色以提供视觉显著性。

为便于制造，所述细长元件可以大致为柱形。术语“柱形”是指沿其长度具有大致相同横截面的形状。就此而言，所述细长元件可以具有大致圆形、椭圆形或矩形的横截面。所述细长元件还可以具有大致多边形的横截面，优选地为正多边形的横截面。在这种情况下，所述横截面可以是正方形、三角形甚至六边形。

每个区域可被形成为离散部分，并且这些部分被保持在一起以形成所述细长元件。这些部分可以在插入所述钻头之前被熔合在一起，或者可以在所述钻头的模制处理的一部分中被熔合在一起，例如，在用于制造浸渍钻头的浸渗（infiltration）处理过程中被熔合在一起。可替代地，每个区域可以以连续式工艺来顺序地形成。

根据本发明的另一方案，提供了一种钻头，其包括如上所述的磨损指示器。

根据本发明的又一方案，提供了一种取芯头，其包括如上所述的磨损指示器。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将仅以示例的方式参照附图，附图中：

图1示出根据本发明的磨损指示器概念；

图2示出根据本发明的磨损指示器的立体图，磨损指示器显示“3”级磨损；

图3和图4分别示出结合根据本发明的磨损指示器的未磨损钻头的仰视图和立体图；

图5和图6分别类似于图3和图4，但示出“1”级磨损；

图7和图8分别类似于图3和图4，但示出“2”级磨损；

图9和图10分别类似于图3和图4，但示出“3”级磨损；

图11和图12分别类似于图3和图4，但示出“4”级磨损；

图13和图14分别类似于图3和图4，但示出“5”级磨损；

图15和图16分别类似于图3和图4，但示出“6”级磨损；

图17和图18分别类似于图3和图4，但示出“7”级磨损；

图19和图20分别类似于图3和图4，但示出“8”级磨损。

具体实施方式

将针对具体实施例并参照一定附图来描述本发明，但本发明并不限于此。所描述的附图仅仅是示意性的而非限制性的。在附图中，为说明目的，一些元件的尺寸可以扩大而不按比例绘制。

可以理解的是，本文中所使用的术语“竖直”和“水平”指的是图形的特定方位并且这些术语不限于本文描述的具体实施例。

在本发明的优选实施例中，提供一种磨损指示器，其包括一系列的数字，这些数字指示钻头和/或取芯头的磨损级别。每个数字是以在磨损指示器中形成的空心部的方式来制成的。即使形成数字的空心部填充有来自钻探过程的钻屑，这些数字也仍然可辨识。理想情况下，这些数字对应于用IADC磨损分级系统指示的相应磨损级别。

对于每个磨损指示器，其长度大约被分成8份，使得可见数字指示磨损指示器所在的钻头或取芯头的磨损级别，例如，“1”表示“1”级磨损，而“8”表示“8”级磨损。同时可以由磨损指示器的封闭端来表示未磨损状态，还可以用数字“0”表示未磨损状态。在这种情况下，可能有必要将磨损指示器的长度分成9份而非8份，以表示对应的磨损级别。在许多情况下，这种选择将取决于原始切削结构高度，以及磨损指示器所插入的钻头的类型。此外，这些数字之间的间隔也取决于特定的钻头设计。下面描述的是用于浸渍钻头的磨损指示器，但应理解的是，其可以应用到任何固定切削结构钻头，例如PDC钻头。

首先参照图1，其中的图表示出根据本发明的磨损指示器的各阶段。所述磨损指示器包括细长元件，例如钢杆，其使用快速成形（rapid prototyping）和/或快速制造方法制成。也可以使用其他制造方法，如下所述。示出了没有可见数字的新的磨损指示器100。还示出了表明不同磨损级别的磨损指示器110、120、130、140、150、160、170、180，每个磨损指示器分别对应于“1”到“8”的磨损级别，对应于磨损级别的相关数字是可见的。如上所述，每个数字被形成为杆的相关部分中的空心部。可替代地，数字可以由视觉显著不同于磨损指示器100的主体的另一种材料制成。

虽然图1示出数字为完整的数字，但是可能有必要使数字定型（stylise），以令数字能够在磨损指示器的制造过程中很容易地形成。例如，通过数字4、6和8的部分可以包括无封闭实心部分的轮廓。然而，如果在数字之间设置薄的实心分隔部，则没有必要定型。

如上所述，参照图1，磨损指示器100包括细长元件，此细长元件包括八个区域，每一个区域根据IADC磨损分级系统标有一个介于“1”和“8”之间的数字。然而，应理解的是，如果没必要使用IADC磨损分级系统，则数字“1”到“8”可被替换为字母“A”到“H”，甚至被替换为罗马数字“I”到“VIII”。此外，磨损指示器可被设置为用以示出磨损的不同级别，例如，代替具有八个磨损级别的IADC磨损分级系统，根据特定应用可允许使用更多或更少的磨损级别。

图2示出使用快速成形方法由钢制成的磨损指示器。所述指示器具有8mm的直径和45mm的长度，并且已被切削到等于“3”级磨损的级别。在磨损指示器上的数字对应于IADC磨损分级系统中的相应磨损级别的情况下，磨损指示器的长度被分为8个区域，且具有表示钻头未磨损的封闭端。然而，应当理解的是，磨损指示器可以根据特定钻头设计而具有不同的直径和/或长度。

如上所述，磨损指示器包括细长元件。然而，细长元件可以是柱形的，即沿其长度具有大致相同的横截面。横截面可以大致为圆形、椭圆形、正方形或矩形。更一般地，如果横截面不为圆形、椭圆形、正方形或矩形，则细长元件可以具有大致多边形的横截面，优选为正多边形的横截面。在这种情况下，横截面可以是三角形、六边形、八边形等。

还应当理解的是，细长元件还可以包括不规则的多边形横截面，以确保在其制造阶段中，当将磨损指示器引入钻头中时，或者将在磨损指示器与其待插入的切削结构之间设置过盈配合时，磨损指示器相对于钻头的主体能够更好的形成（键入），如下文参照浸渍钻头所描述的。此外，应容易理解的是，磨损指示器可以通过钎焊、软焊、粘接等被保留在钻头内。

图3和图4分别示出新钻头的仰视图和立体图，其中已插入根据本发明的磨损指示器210。这里，钻头200未被磨损，并且磨损指示器210的可见端封闭，由此不显示数字。封闭的可见端可以包括一薄层用于制成磨损指示器210的材料。

图5和图6分别类似于图3和图4。这里，钻头已磨损到“1”级，如磨损指示器211所指示的。类似地，图7和图8示出已磨损到“2”级的钻头，如磨损指示器212所指示的；图9和图10示出已磨损到“3”级的钻头，如磨损指示器213所指示的；图11和图12示出已磨损到“4”级的钻头，如磨损指示器214所指示的；图13和图14示出已磨损到“5”级的钻头，如磨损指示器215所指示的；图15和图16示出已磨损到“6”级的钻头，如磨损指示器216所指示的；图17和图18示出已磨损到“7”级的钻头，如磨损指示器217所指示的；图19和图20示出已磨损到“8”级的钻头，如磨损指示器218所指示的。

在每对连续的附图中，可以看出，当与前一对附图比较时，钻头的切削结构已受到进一步磨损。

快速成形和/或快速制造技术可以用于根据本发明的磨损指示器的制造。这些技术是众所周知的，并且这里将不详细说明。通过使用这样的技术，能够在计算机控制下逐层地建造磨损指示器，由此在磨损指示器的整个长度上形成所需的外形。这些层与来自计算机辅助设计（CAD）绘图或模型的虚拟横截面对应，将逐步自动地形成一个整件以产生最终的形状。增材制造（additive fabrication）的主要优点是其能够产生包括空心部的几乎任何形状或几何特征。

除了能够产生复杂的几何形状，例如磨损指示器中的数字之外，这些工艺能量高效并且材料消耗少。而且，虽然其并非真正的“快速”，但是由于无需后续处理而可供节省制作时间。

虽然快速成形是指使用增材制造技术来完成物体自动构造的术语，但是该工艺通常能够被用来制造仅需要少量的产品性质的零件。快速制造有时也称为直接数字、直接、即时或者按需制造，是快速成形的延伸并且包括能够使用增材和/或减材制作以在计算机控制下产生三维模型的零件的制造工艺。

可以用于快速成形和快速制造技术的典型材料包括各种材料，包括金属合金、例如钢以及聚合材料。

应理解的是，根据所采用的特定装置，使用快速成形或快速制造技术能够同时制造数个磨损指示器。例如，能够一次制造多达50个磨损指示器。

作为使用快速成形或快速制造来制造根据本发明的磨损指示器的替代方案，磨损指示器可以被构造为多个段，各段具有穿过该段形成的不同数字。例如通过烧结、软焊、钎焊、粘接等将这些段连接在一起，以形成可以在其制造过程中或者在稍后的阶段中插入到钻头中的连贯的磨损指示器。同样，随着钻头磨损，相应的磨损级数字变得可见。

可通过浇铸、模压、模制或通过任何其他合适的技术制成这些段。当然，制造技术可以取决于制成磨损指示器的材料，例如，如果使用铝合金，则磨损指示器可被模压形成。可以用于制作这些段的材料包括但不限于：金属、金属合金以及陶瓷。还可以使用下文描述的基体材料构造这些段。

如在US-A-2007/0215389中所描述的，可以通过在模具中将金属粉末材料与粘合剂放置在一起来形成基体钻头。模具及其内容物被加热以允许粘合剂流入金属粉末内，其在随后被冷却时定形以形成钻头。这种类型的钻头还称为基体钻头体。

该模具可以通过碾磨诸如石墨的材料块，以限定出特征总体上对应于所得到的基体钻头的外部特征的模腔。在添加基体材料之前将金刚石切削器或其他研磨材料放置在模具中。

通过使模腔成形和/或在模腔中的预定位置处放置置换材料，可以在基体钻头中形成额外的特征。可以将钢坯放置在模腔中，以允许随后将钻头附接到螺纹柄上。

基体材料包括：微晶碳化钨、铸造碳化物、烧结碳化物（cemented carbide）、球状碳化物或任何其他合适的材料或这些材料的组合。烧结碳化物包括：碳化钨（WC）、碳化钼（MoC）、碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）和混合碳化物的固溶体，诸如粉末形式的铜、镍、铁、钼、钴或其合金的金属粘合剂中的WC-TiC、WC-TiC-TaC、WC-TiC-(Ta/Nb)C。

粘合剂材料包括铜或铜基合金，其包括锰、镍、锡、锌、硅、钼、钨和磷中的一种或多种。

使用在US-A-2007/0215389中描述的形成基体钻头体的方法，在添加基体材料时以及在浸渗处理过程中，本发明的磨损指示器可被插入模具中适当的位置并且被保持就位。

可替代地，置换材料可被用于在钻头中生成空间，磨损指示器可在模制之后被插入上述空间。

磨损指示器可以通过多种方式被插入钻头或取芯头内。例如，磨损指示器可被粘接、钎焊、软焊或螺纹连接就位。磨损指示器的外径可被设定尺寸，以与钻头中形成的孔过盈配合，也就是说，磨损指示器的外径稍大于其将被插入的孔的内径。在这种情况下，磨损指示器被简单地插入并由于过盈配合而被保持就位。

虽然已参照浸渍钻头描述了本发明，但是应理解的是，本发明也可以应用到不同的钻头上，例如，PDC切削钻头。在PDC切削钻头的情况下，切削器被钎焊到钻头的头部，并且磨损指示器可被插入一个或多个刀片中的适当位置，使得磨损指示器能够提供该特定类型钻头的正确的磨损级别指示。

容易理解的是，可以在每个钻头上设置不止一个磨损指示器。在这种情况下，每个磨损指示器提供钻头的特定部分的磨损指示，而当钻头上的所有磨损指示器被一起考虑时，可以确定钻头的磨损形态的整体指示。

应理解的是，本发明的磨损指示器不限于在钻头和/或取芯头上使用，而是可以在需要容易地确定磨损级别的任何应用中使用，例如，开眼钻头（holeopener）和双中心钻头（bi-centre）。

Claims (25)

1.一种用于钻头的磨损指示器，所述磨损指示器包括细长元件，所述细长元件具有沿其长度形成的多个区域，每个区域内形成有指示磨损级别的数字。

2.根据权利要求1所述的磨损指示器，其中每个数字对应于IADC磨损分级系统中的磨损级别。

3.根据权利要求1或2所述的磨损指示器，其中存在八个区域，每个区域的数字介于“1”和“8”之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的磨损指示器，其中每个数字被制成为空心部。

5.根据前述权利要求中任一项所述的磨损指示器，其中所述细长元件包括指示无磨损的封闭端。

6.根据权利要求1所述的磨损指示器，其中所述数字相对于所述细长元件视觉显著。

7.根据权利要求6所述的磨损指示器，其中所述数字包括与所述细长元件的材料不同的材料。

8.根据前述权利要求中任一项所述的磨损指示器，其中所述细长元件大致为柱形。

9.根据权利要求8所述的磨损指示器，其中所述细长元件具有大致圆形的横截面。

10.根据权利要求8所述的磨损指示器，其中所述细长元件具有大致椭圆形的横截面。

11.根据权利要求8所述的磨损指示器，其中所述细长元件具有大致矩形的横截面。

12.根据权利要求8所述的磨损指示器，其中所述细长元件具有大致多边形的横截面。

13.根据权利要求12所述的磨损指示器，其中所述大致多边形的横截面包括正多边形。

14.根据权利要求13所述的磨损指示器，其中所述正多边形包括正方形。

15.根据权利要求13所述的磨损指示器，其中所述正多边形包括三角形。

16.根据权利要求13所述的磨损指示器，其中所述正多边形包括六边形。

17.根据前述权利要求中任一项所述的磨损指示器，其中每个区域被形成为离散部分，并且各所述部分被保持在一起以形成所述细长元件。

18.根据权利要求17所述的磨损指示器，其中多个所述离散部分被熔合在一起。

19.根据权利要求1-17中任一项所述的磨损指示器，其中所述细长元件的每个区域是以连续式工艺顺序地形成的。

20.一种钻头，包括根据权利要求1所述的磨损指示器。

21.根据权利要求20所述的钻头，其中所述磨损指示器在模制处理之后形成所述钻头的一部分。

22.根据权利要求21所述的钻头，其中所述模制处理包括浸渗处理。

23.一种取芯头，包括根据权利要求1所述的磨损指示器。

24.根据权利要求23所述的取芯头，其中所述磨损指示器在模制处理之后形成所述取芯头的一部分。

25.根据权利要求24所述的取芯头，其中所述模制处理包括浸渗处理。

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