CN103748309A - 包括细长结构的孕镶钻孔工具 - Google Patents

Abstract

一种孕镶钻孔工具，包括提供增强性能的细长结构。所述钻孔工具包括孕镶金刚石切割段，所述孕镶金刚石切割段包括由碳、玻璃、陶瓷等制成的细长结构。所述细长结构可包括管、纤维或杆。在一个或多个实施中，所述细长结构为纳米尺寸。所述细长结构可控制所述钻孔工具的抗拉强度和/或磨蚀速率从而优化所述工具的切割性能。此外，在一个或多个实施中，所述细长结构也可弱化所述切割段；从而使得可使用较高强度的粘结剂。这种较高模数的粘结剂可节约成本并使得可对所述切割段进行调节以将金刚石保持所需的时间量。随着所述切割段磨蚀，所述细长结构也可增大所述切割段的面处的润滑性。

Description

包括细长结构的孕镶钻孔工具

相关申请案的交叉引用

本申请案是2011年8月24日提交的名称为“Impregnated Drilling ToolsIncluding Elongated Structures”的美国申请案第13/217,107号的接续案，美国申请案第13/217,107号是2009年9月17日提交的名称为“Fiber-ContainingSintered Drilling tools”的美国专利申请序列号12/561,936的部分接续申请案，美国专利申请序列号12/561,936是2007年11月30日提交的名称为“Fiber-Containing Diamond-Impregnated Drilling tools”的美国专利申请序列号11/948,185，现为美国专利第7,695,542号的分案申请，美国专利第7,695,542号要求2007年5月9日提交的名称为“Fiber-Reinforced DiamondWire”的美国临时申请序列号60/917,016与2006年11月30日提交的名称为“Fiber-Reinforced Core Drill Bit”的美国临时申请序列号60/867,882的优先权和权益。以上引用的每一个申请案和专利的内容以全文引用的方式并入本文。

技术领域

本申请案通常涉及钻孔工具及其制造和使用方法。尤其是，本申请案涉及可包括细长结构的孕镶金刚石钻孔工具。

背景技术

钻头和其它钻地工具常用于在岩石和其它硬质地层上钻孔用于探测或其它目的。用于这种操作的一种钻头类型是孕镶钻头。这些工具执行钻孔动作的部分（或工具的切割段）通常由包括粉状硬颗粒材料（比如，碳化钨）的胎体形成。这种材料通常会被粘结剂渗入，比如铜合金。最后，这些工具的切割段通常孕镶有磨削介质，例如天然或人造金刚石。

在使用孕镶钻头进行钻孔操作期间，随着支撑胎体材料的磨损，磨削介质逐渐暴露。孕镶钻孔工具的基本功能原理是通过形成切割段的支撑胎体的磨损，新磨削介质连续暴露。孕镶钻孔工具可继续有效地进行切割，直至工具的切割段完全耗尽。那时，工具变钝且必须用另外工具进行更换。

在某些情况下，孕镶钻孔工具会很昂贵，且其更换会耗时，成本高以及危险。例如，更换钻头要求将整个钻柱从已钻的孔（钻孔）中移出（或取出）。必须按顺序从钻孔中移出钻杆的每一段。一旦更换了钻头，必须逐段组装整个钻柱，然后再装回钻孔中。根据孔的深度和被钻材料的特性，对于单个钻孔而言，这个过程可能需要重复多次。因此，可理解钻头需要更换的次数越多，进行钻孔操作所需的时间越长且成本越高。

此外，传统孕镶钻孔工具常常具有一些可增加切割段的耗损率的特性，因此增加了与那些钻孔工具有关的操作成本。首先，与切割介质相比，工具中的粘结剂材料可相对柔软。因此，切割段会过早地磨蚀，并使得金刚石或其它磨削介质过早地脱落。其次，切割段的磨蚀速率会由于工具切割面及其周围或者工具切割段与被切割物质之间的界面的润滑不良而增加。磨蚀速率增大至少部分地归因于由于与钻孔操作有关的压力和旋转速度而导致钻孔表面产生的大量摩擦和热量。第三，传统孕镶钻孔工具还会因过于耐磨而无法暴露并更新切割段的层。

因此，传统孕镶钻孔工具存在许多可被解决的缺点。

发明内容

本发明的一个或多个实施例利用包括可用于控制钻孔工具性能的细长结构的孕镶钻孔工具、系统和方法克服了本领域中的一个或多个问题。例如，根据一个或多个实施例，钻孔工具包括孕镶切割段，其包括细长结构（例如，纤维、管、杆）。细长结构可用于控制切割段中的胎体的强度和/或磨蚀速率从而优化工具的切割性能。

例如，孕镶钻孔工具的实施例可包括切割段，所述切割段包括为硬颗粒材料的胎体和粘结剂。多个切割介质和多个细长结构可散布在胎体内。在钻孔期间，胎体可适于磨蚀和暴露切割介质。

此外，根据本发明实施例的钻头可包括钻柄和切割段。切割段可包括为硬颗粒材料的胎体。多个切割介质和多个细长结构可散布在胎体内。多个细长结构可弱化切割段。

除上述之外，孕镶取芯钻具可包括钻柄和环形切割段。环形切割段可包括基座和相对的切割面。切割段的基座可固定至钻柄。环形切割段可包括为硬颗粒材料的胎体和粘结剂。多个切割介质和多个细长结构可散布在位于切割面与基座之间的切割段的胎体内。在钻孔期间，胎体可适于磨蚀并暴露磨削介质和定位在切割面与基座之间的细长结构。

本发明的示例性实施例的附加特征和优点将在随后的描述中阐述，且部分将从描述中显而易见，或可通过这种示例性实施例的实践获知。这种实施例的特征和优点可通过尤其在所附权利要求中指出的仪器和组合来实现和获得。这些和其它特征将从以下描述和所附权利要求中变得更加明显，或可通过如以下阐述的这种示例性实施例的实践获知。

附图说明

为了描述可以获得本发明的上述和其它优点和特征的方式，将参考附图中所图示的其具体实施方案来更详细地描述以上简述的本发明。应注意，附图未按比例绘制，且为了说明，在所有附图中通常以相同的附图标记表示结构或功能相似的元件。可以理解，这些附图仅描述本发明的典型实施方案，从而不被认为是对其范围的限制，将通过使用附图以附加特征和细节来描述和解释本发明，其中：

图1图示了根据本发明的一个或多个实施例的具有包括细长结构的切割段的钻孔工具；

图2图示了沿图1中的线2-2截取的图1的钻孔工具的切割元件的放大剖面图；

图3A-3E图示了根据本发明的一个或多个实施例的各种细长结构的剖面图，以及

图4图示了根据本发明的一个或多个实施例的具有带有包括细长结构的切割段的钻孔工具的钻孔系统。

具体实施方式

本发明的一个或多个实施例包括可用于控制钻孔工具性能的细长结构的孕镶钻孔工具、系统和方法。例如，根据一个或多个实施例，钻孔工具包括孕镶切割段，其包括细长结构（例如，纤维、管、杆）。细长结构可用于控制切割段中的胎体的强度和/或磨蚀速率从而优化工具的切割性能。

更具体地，一个或多个实施例的孕镶钻孔工具可包括具有粉状金属或硬颗粒材料（比如碳化钨或任何其它耐磨或超耐磨材料）的胎体。这种材料可被粘结剂渗入，比如铜合金。这些工具的切割段也可孕镶有金刚石或一些其它形式的磨削介质，并与细长结构混合（在一个或多个实施例中，被强化），如下文中更详细地描述的那样。

根据一个或多个实施例，细长结构可用于调节钻孔工具的切割段的性能以增强工具的钻孔性能。例如，细长结构可强化或弱化切割段。此外，可调节细长结构以将磨削介质在切割段内保持所需的时间，或帮助确保持续磨蚀。因此，本发明的一个或多个实施例可允许对切割段进行调节以延长寿命，增强性能，和/或包括用于待钻特殊地层（例如，硬质地层、断裂地层、柔软地层）的理想性能。

此外，摩擦产生的热量是磨削介质从孕镶钻孔工具过早脱落的一个原因。摩擦产生的热量还可使整个孕镶钻孔工具过早损坏。本发明的一个或多个实施例可帮助克服或缓解与热量和摩擦有关的问题。例如，当切割段磨蚀时，细长结构可提高切割段的钻头刃面的润滑性，从而冷却钻头刃面并减少摩擦和相关的热量。

除上述之外，根据一个或多个实施例的包括细长结构的孕镶钻孔工具可允许使用强度较高的粘结剂。这种强度较高的粘结剂的成本可低于传统粘结剂。此外，强度较高的粘结剂可增大横向断裂强度、抗拉强度和/或切割段的硬度。因此，细长结构可使得钻孔工具使用更长时间，且更安全以及更经济。

本文描述的钻孔工具可用于切割石头、地下矿物层、陶瓷、沥青、混凝土及其它硬质材料。这些钻孔工具可包括，例如钻头、金刚石刀片、开槽片、开槽梳刀、铰刀、稳定器等。例如，钻孔工具可以是任何类型的钻地钻头（即，钻芯取样钻头、刮刀钻头、滚锥钻头、纳维钻、全孔钻、孔锯、开孔器等等。为了便于描述，下文中包括的图和对应的文本说明了孕镶钻芯取样钻头的实例，以及形成和使用这种钻头的方法。然而，根据本公开将理解本发明的系统、方法和装置可与其它钻孔工具，比如上文提到的那些一起使用。

现在参考附图，图1图示了根据本发明的实施例的包括细长结构的孕镶钻芯取样钻头20的透视图。如图1所示，钻头20可包括被构造为将钻头20连接至钻柱的组件（例如，耦接铰刀、钻杆）的第一段或钻柄部分21。钻头20还可包括第二段、切割段或冠部22。切割段22在钻孔过程中可切割材料或地层。

如图1所示，在一个或多个实施例中，钻头20可具有由外表面24和内表面26限定的通常为环形的形状。因此，钻头20可围绕其中心轴线限定内部空间用于接收钻芯样本。因此，被钻材料的碎片可穿过钻头20的内部空间并向上通过附接钻柱。钻头20可以是任何尺寸，因此可用于收集任何尺寸的钻芯样本。在一个或多个实施例中，钻头20可具有大约3英寸至大约12英寸的直径。在可替代的实施例中，直径可大于12英寸或小于3英寸。在一个或多个实施例中，沿着相似的线，钻头20的切口（即，外表面24的半径减去内表面26的半径）可以是大约1/4英寸至大约6英寸。在可替代的实施例中，切口可大于6英寸或小于1/4英寸。

钻柄部分21可包括螺纹连结和/或其它特征部以帮助附接至钻柱组件。举例来说而非限制，钻柄部分21可由钢、另一种以铁为主的合金或任何其它表现出可接受物理性能的材料形成。

钻芯取样钻头20的切割段22可被构造为在钻孔过程中对所需材料进行切割或钻孔。尤其是，钻头20的切割段22可包括切割面28。切割面28可包括将切割面28划分成切割元件32的水道或空隙30。水道30可允许钻孔流体或其它滑润剂流动经过切割面28以帮助在钻孔过程中提供冷却。

孕镶钻孔工具的切割段的构造可直接关系到其性能。如前所述，孕镶钻孔工具的切割段通常包括分布在合适的支撑胎体内的金刚石和/或其它硬质材料。金属基复合材料常用于支撑胎体材料。金属基材料通常包括具有延展性金属相的硬质颗粒相。硬相常常由碳化钨和其它难熔元素或陶瓷化合物组成。铜或其它非铁合金通常用于金属粘结剂相。常见的粉末冶金法，比如热压、烧结和浸渗用于将支撑材料的成分形成金属基复合材料。

例如，现在参考图2，示出了钻头20的切割段22的放大剖面图。在一个或多个实施例中，钻头20的切割段22可由一个或多个层组成。例如，切割段22可包括两个层。尤其是，切割段22可包括在钻孔期间进行切割的胎体层31，和将胎体层31连接至钻头20的钻柄部分21的衬层或基座33。

图2还图示了钻头20的切割段或冠部22可包括为硬颗粒材料的胎体36和粘结剂。硬颗粒材料可包括，例如金属。根据本公开将理解，硬颗粒材料可包括粉状材料，比如粉状金属或合金以及陶瓷化合物。根据本发明的一些实施例，硬颗粒材料可包括碳化钨。如文中所用，术语“碳化钨”是指包括钨和碳（比如，WC、W2C以及WC和W2C的组合）的化合物的任何材料成分。因此，碳化钨包括例如铸造碳化钨、烧结碳化钨和粗晶碳化钨。根据本发明的附加或可替代实施例，硬颗粒材料可包括碳化物、钨、铁、钴和/或钼以及碳化物、硼化物及其合金，或任何其它合适的材料。

如前所述，切割段或冠部22还可包括散布在胎体36各处的多个磨削介质34。磨削介质34可包括一种或多种天然金刚石、人造金刚石、多晶金刚石制品（即，TSD或PCD）、氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方氮化硼、矾土、加晶种或未加晶种的溶胶凝胶矾土，或其它合适的材料。

在钻头22中使用的磨削介质34可具有任何所需的特性或特性组合。例如，磨削介质可以是任何尺寸、形状、粒度、质量、磨度、浓度等。在一个或多个实施例中，磨削介质34可以非常小且大致上为圆形以使钻芯取样钻头20所切割的材料上保持高的光洁度。在可替代的实施例中，切割介质34可以较大以更深地切入被切割的材料。

磨削介质34可均匀或不均匀地散布于切割段22各处。同样，磨削介质34可以特别的方式排列以便磨削介质34的钻孔性能相对于钻头20的切割段22出现在比较有利的位置。同样地，也可针对特殊用途使磨削介质34如所需那样以各种不同的密度包括在20钻头中。例如，与紧密压缩在一起的小磨削介质相比，间隔较大的大磨削介质可更加快速地切割材料。但是磨削介质34的尺寸、密度及形状可依据期望的成本与钻头20的性能而具有各种不同的组合形式。

除了磨削介质34，切割段22可包括散布在胎体36各处的多个细长结构38。增加细长结构38可用于调节钻头20的切割段22的性能。例如，细长结构38可增加至胎体36材料来中断裂纹扩展，从而增大胎体36的抗拉强度并减小其磨蚀速率。此外，增加细长结构38也可通过至少部分地阻止胎体36的一些磨削介质34和硬颗粒材料的粘结和固结来弱化切割段22的结构。

如图2所示，细长结构38和切割介质34均可散布在所述切割面28与所述基座33之间的胎体36内。在钻孔期间，作为孕镶钻孔工具，胎体36可被构造为磨蚀和暴露最初位于切割面28与基座33之间的切割介质34和细长结构38。新切割介质34的持续暴露可帮助切割面28保持锋利。

新细长结构38的暴露可帮助减少钻孔工具的摩擦生热。例如，一旦细长结构38由于胎体36钻孔而释放出来，其可向切割面28提供冷却以减少摩擦和相关的热量。因此，细长结构38可使得对切割段22进行调节以减少摩擦并增大切割部分与被切割表面之间的界面处的润滑，从而使钻孔更容易。增大的润滑也可减少所需的钻孔流体添加剂（比如，钻泥、聚合物、膨润土等）的量，从而降低成本并减少因使用钻孔工具而对环境造成的影响。

细长结构38可由碳、金属（例如，钨、碳化钨、铁、钼、钴或其组合）、玻璃、聚合材料（例如，凯夫拉尔）、陶瓷材料（例如，碳化硅）、涂层纤维等。此外，在细长结构38被包括在钻孔工具中之前，可以一种或多种附加材料对细长结构38进行选择性涂覆。但凡为了提高性能，均可使用这种涂层。例如，涂层可用于帮助将细长结构38保持在钻孔工具中。在另一个实例中，涂层可用于在涂层被磨蚀掉并形成起到减小摩擦作用的细颗粒材料时，增加钻孔工具的钻孔面附近的润滑性。在又另一个实例中，涂层可充当磨蚀材料，从而用于在钻孔期间提供帮助。

任何已知的材料均可用于涂覆细长结构38。例如，任何所需的金属、陶瓷、聚合物、玻璃、胶料、润湿剂、熔剂或其它物质可用于涂覆细长结构38。在一个实例中，碳细长结构38涂覆有金属，比如铁、钛、镍、铜、钼、铅、钨、铝、铬或其组合。在另一个实例中，碳细长结构38可涂覆有陶瓷材料，比如碳化硅、一氧化硅、二氧化硅等。

在细长结构38涂覆有一个或多个涂层的地方，涂覆材料可覆盖细长结构38的任何部分，且可具有任何所需的厚度。因此，涂覆材料可以本领域已知的任何方式涂覆于细长结构38。例如，涂层可通过喷涂、刷涂、电镀、浸润、物理汽相淀积或化学气相沉积涂覆于细长结构38上。

此外，细长结构38还可以是不同的组合或类型。细长结构38的类型的实例包括切短、研磨、辫形、编织、分组、盘绕或束状细长结构。在本发明的一个或多个实施例中，比如当钻孔工具包括钻芯取样钻头20时，细长结构38可包括切短和研磨纤维的混合物。在可替代的实施例中，钻孔工具可包括一种类型的伸长结构38。然而，在另外实施例中，钻孔工具可包括多种类型的细长结构38。在这种实例中，在钻孔工具包括多于一种类型的细长结构38的情况下，可使用任何类型、质量、尺寸、形状、等级、涂层和/或特性的细长结构38的组合。

钻孔工具中的细长结构38可以是任何所需的浓度。例如，钻孔工具20的切割段22具有很高浓度的细长结构38，很低浓度的纤维或两种浓度之间的任何浓度。在一个或多个实施例中，钻孔工具可包括大约0.1至大约70体积百分比浓度的细长结构38。此外，钻孔工具的第一部分可具有第一浓度的特别类型的伸长结构38，另一部分可具有不同浓度（或高或低）的相同类型或另一种类型的伸长结构38。

在一个或多个实施例中，细长结构38可均匀地散布在钻孔工具20的切割段22的各处。然而，在其它实施例中，细长结构38的浓度可根据需要在钻孔工具20的切割段22的任意部分发生变化。实际上，细长结构38的任何所需的浓度变化均可在钻孔工具20中实施。例如，在钻孔工具包括钻芯取样钻头20的情况下，其可包括呈阶梯状的纤维浓度。在本实例中，胎体层距钻头20的切割面28最近的部分可包括第一浓度的细长结构38，且细长结构38的浓度朝钻柄部分21可逐渐减小或增大。这种钻头可用于钻一开始柔软、耐磨、松散，但随着深入逐渐地变得坚硬、固结的地层。因此，散布于钻头中的细长结构38可根据钻头将要钻孔的地层构造而加以定制。

细长结构38的浓度还可以所需的方式在钻孔工具中变化。换句话说，钻孔工具可包括细长结构38的浓度或混合物与钻孔工具的其它部分不同的段、带、点、环或任何其它构造。例如，切割段22可包括包括细长结构38的胎体层的多个层、环或片断。钻头的每一个环、层或片断可具有在整个层、环或片段中浓度大致均等（或不均等）的细长结构38。而环与环(或片段与片段等）之间的细长结构38的浓度也可不同。此外，细长结构38梯度不同的各个环可以任意的顺序排列，可含有不同的细长结构38或细长结构38的组合，并且可具有任何所需的厚度。在另一个实施例中，钻头的外表面和内表面可配置有与钻头的内部部分浓度不同的细长结构38。

细长结构38可以任何所需的定向或排列方式位于钻孔工具的切割段22中。在一个或多个实施例中，细长结构38可在任何所需的方向上趋于彼此大致平行。图2图示了在其它实施例中，细长结构38可随意地形成并因此可相对朝向几乎任何方向和/或多个方向。

细长结构38可包括纤维、管、杆或其它结构。例如，图3A-3E图示了本发明的一个或多个实施例的各种不同类型的细长结构38的剖面图。如图3A和图3E所图示，在一个或多个实施例中，细长结构38a、38e可包括管或其它中空结构。这种管38a、38e可包括任何形状或构造。例如，图3A图示了具有圆形剖面的管38a。而图3E图示了具有正方形剖面的管38e。在另外的其它实施例中，管可包括矩形、椭圆形、六边形或其它形状。

在可替代的实施例中，如图3B至图3D所示，细长结构可包括纤维或杆。尤其是，细长结构38可包括圆形纤维38b、椭圆形纤维38c、六边形纤维38d，或矩形纤维，或其它形状的纤维。因此，细长结构38可以是任何形状或形状的组合。细长结构38可以是带状的、圆柱形、多边形、椭圆形、直的、弯曲的、卷曲的、盘绕的、弯曲成角度等。例如，图2图示了在一些实施方案中大多数细长结构38可弯曲。在其它实施方案中，比如当钻孔工具包括钻芯取样钻头时，细长结构38基本上为圆柱形。

钻孔工具（比如，钻芯取样钻头20）的切割段22中的细长结构38可以是任何尺寸或尺寸的组合，包括不同尺寸的混合。例如，细长结构38可以是任何长度且具有任何所需的直径。在一些实施方案中，细长结构38可以是纳米尺寸。换句话说，细长结构38的直径40可在大约1纳米与大约100纳米之间。在可替代的实施例中，细长结构38可以是微米尺寸。换句话说，细长结构38的直径40可在大约1微米与大约100纳米之间。在另外的其它实施例中，细长结构38的直径40可以小于大约1纳米或大于大约100微米。

此外，细长结构38的长度可在大约1纳米与大约25毫米之间。总之，细长结构38的长径比可在大约2:1与大约500,000:1之间。更具体地，细长结构38的长径比可在大约10:1与大约50:1之间。

如前所述，胎体26可包括具有延展性金属相（即，粘结剂）的硬质颗粒相。尤其是，磨削介质34、细长结构38和硬颗粒材料可被粘结剂渗入或如之前提到的那样。粘结剂可包括铜、锌、银、钼、镍、钴、锡、铁、铝、硅、锰或其混合物以及合金。此外，以铜为主的浸渍剂可包括较小量的各种杂质或偶存元素，由于制造和处理过程，必定会存在至少一部分杂质或偶存元素。这种杂质可包括，例如铝、铅镍、锡、硅和磷。粘结剂可将磨削介质34、细长结构38和硬颗粒材料粘结在一起形成切割段22。

根据本发明的一个或多个实施例，粘结剂材料可包括以铜为主的浸渍剂。例如，可增加以铜为主的浸渍剂中铜的重量百分比以当最终的钻孔工具在钻孔期间磨蚀时进一步提高其冷却能力。因此，根据本发明的一些实施例，以铜为主的浸渍剂可包括重量百分比为大约85%至大约98.5%的铜。根据本发明的一些实施例，以铜为主的浸渍剂可包括重量百分比为大约90%至大约95%的铜。

作为增加铜的重量百分比以提高最终的钻孔工具的冷却能力的替代或补充，本发明的以铜为主的浸渍剂可包括其它导热金属，比如银、金或镓（或其混合物）。例如，根据本发明的一些实施例，以铜为主的浸渍剂可包括大约0.5重量百分比至大约15重量百分比的银、金或镓。将理解，包括银、金或镓可显著增加以铜为主的浸渍剂的成本。

可调节本发明的以铜为主的浸渍剂以使本发明的钻孔工具具有一些可延长其使用寿命和/或提高其钻孔效率的不同特性。例如，可控制以铜为主的浸渍剂的成分以改变钻孔工具的抗拉强度和磨蚀速率。因此，将理解，通过修改以铜为主的浸渍剂的成分，可将抗拉强度和磨蚀速率调节至钻孔工具用于特定最终用途所需的量。此增加的抗拉强度也可延长钻孔工具的寿命，使得工具的切割部分以所需的进度磨损并提高工具的切割速率。例如，可增大粘结剂中铁和/或锌的重量百分比以增大最终的钻孔工具的强度。

此外，可改变以铜为主的浸渍剂的成分以强化钻孔工具的切割部分。例如，可增大锰和铜的重量百分比，而其它具有较高机械性能的材料可用于形成本发明的钻孔工具的切割部分。因此，可调节本发明的钻孔工具的切割部分以使金刚石在切割部分内保持所需的时间长度。

根据本发明的一些实施例，当对以铜为主的浸渍剂的成分进行调节以降低其强度时，可调整细长结构38的量来确保切割段以适当且恒定的速率磨蚀。换句话说，切割部分可被构造为确保其在钻孔期间磨蚀并暴露新的磨削介质。例如，本发明的发明人已发现使用纳米管作为细长结构可使浸渗更佳。这接着使得可使用可进一步延长孕镶钻孔工具寿命的更强的粘结剂。

以此方法，钻孔工具20的切割段22便可被定制设计成具有对特殊材料进行钻孔的最佳特性。例如，坚硬耐磨的胎体可被制造成对柔软、耐磨、松散的地层进行钻孔，而柔软有韧性的胎体可被制造成对非常坚硬、不耐磨、固结的地层进行钻孔。因此，钻头胎体硬度可与特定的地层相匹配，使得切割段22以可控和所需的速率磨蚀。

较大的纤维可阻碍浸渗。例如，在某些条件下，增加大概9%重量的碳纤维对浸渗的阻碍程度可达到使得孕镶钻头无法制造。本发明的发明人已发现碳纳米管并未表现出相同的局限性。具体而言，纳米管的尺寸/比例不会改变胎体中的孔径；从而允许粘结剂浸渗入较高的重量百分比。

此外，纳米管控制胎体磨蚀的能力可以是较大纤维的三倍或更多。因此，较低百分比的纳米管可作为较高百分比的纤维获得相同的益处。例如，根据一个或多个实施例，使胎体增加1%重量的纳米管的益处如同增加3%重量的纤维。

除上述之外，纤维的硬挺度和长度会对纤维与胎体混合或混合入胎体产生很大影响。许多从市场上可购得的纤维具有多种长度。这种纤维可能不能很好混合，或可能要求特殊的混合工艺。另一方面，由于纳米管较小，其确实在混合中造成了一些困难。因此，纳米管可提供一些其它类型的细长结构（比如，微米尺寸的纤维）所意想不到的结果。

总之，本发明的实施例使得可改进孕镶钻孔工具的切割段。将理解，根据本公开，孕镶钻孔工具的切割段的各种组件的量可根据所需的性能改变。在一个或多个实施例中，硬颗粒材料可占切割段重量的大约25%至大约85%。更具体地，硬颗粒材料可占切割段重量的大约25%至大约60%。例如，本发明的一个或多个实施例的切割段可包括重量百分比为大约25至60的钨、大约0至大约4的碳化硅和大约0至大约4的碳化钨。

细长结构可占切割段重量的大约0.1%至25%。更具体地，细长结构可占切割段重量的大约1%至大约15%。例如，本发明的一个或多个实施例的切割段可包括大约3%至大约6%重量的碳纳米管。

切割介质可占切割段重量的大约3%至大约25%。更具体地，切割介质可占切割段重量的大约5%至大约15%。例如，本发明的一个或多个实施例的切割段可包括大约5%至大约12.5%重量的金刚石晶体。

粘结剂可占切割段重量的大约15%至大约55%。更具体地，粘结剂可占切割段重量的大约20%至大约45%。例如，本发明的一个或多个实施例的切割段可包括大约20%至大约45%重量的铜、大约0%至大约20%重量的银、大约0%至大约0.2%重量的硅，和大约0%至大约21%重量的锌。

将理解，根据本发明的实施例的与细长结构的钻孔工具几乎可与任何类型的钻孔系统使用来进行各种钻孔操作。例如，图3和对应的文本图示或描述了本发明的钻孔工具可与之一起使用的这样一种钻孔系统。然而，将理解，图4中示出和描述的钻孔系统仅为本发明的钻孔工具可与之一起使用的系统的一个实例。

例如，图4图示了包括钻头头部110的钻孔系统100。钻头头部110可耦接至井架120，井架又耦接至钻机130。钻头头部110可被构造为具有耦接至其的一个或多个管状螺纹构件140。管状构件可包括（不限于）钻杆、套管和潜孔锤。为了便于参考，下文中将管状构件140描述为钻柱组件。钻柱组件140可又耦接至附加钻柱组件140以形成钻柱或工具柱150。接着，钻柱150可耦接至被构造为与待钻孔的材料170或地层接触的钻孔工具160，比如旋转钻头、孕镶钻芯取样钻头或冲击式钻头。根据本发明的一些实施例，钻孔工具160可包括钻芯取样钻头20，比如结合图1和图2描绘和描述的钻芯取样钻头。

在至少一个实例中，图1图示的钻头头部110被构造为在钻孔期间使钻柱150旋转。具体而言，钻头头部110改变钻头头部110旋转的速度。例如，可根据钻孔过程按需要选择钻头头部110的旋转速率和/或钻头头部110传递至钻柱150的扭矩。

此外，钻孔机可被构造为向钻柱150施加大致纵向的向下力以迫使钻头160在钻孔操作期间进入地层170。例如，钻孔系统100可包括链驱动总成，链驱动总成被构造为使滑撬总成相对井架120移动以向钻头160施加大致为纵向的力，如以上描述的那样。

如文中所用，术语“纵向的”指的是沿钻柱150的长度。此外，如文中所用，术语“上部”和“上面”以及“下部”和“下面”指在钻柱150上的纵向位置。术语“上部”和“上面”指距钻头头部110较近的位置，而“下部”和“下面”指距钻地工具160较近的位置。

因此，将理解，根据本公开，本发明的钻孔工具可用于本领域已知的任何目的。例如，孕镶金刚石钻芯取样钻头可附接至钻柱150的端部，端部又被连接至钻孔机或钻机130。当钻柱150且因此钻头160被钻孔机130转动和推动时，钻头160可磨掉被钻地下地层170中的材料。被钻掉的钻芯样本可从钻柱150取出。由于磨蚀动作，钻头160的切割部分可随着时间磨蚀。此过程将一直持续至钻头160的切割部分被磨蚀耗尽，并且钻柱150需要从钻孔中取出且需要更换钻头160。然而，将理解，由于本发明的细长结构所提供的持续磨损，增强的冷却和/或其它优点，钻头160的使用寿命可延长。

本发明的实施例还包括形成包括细长结构的孕镶钻头的方法。下文描述了至少一种形成具有细长结构的钻孔工具的方法。当然，作为初步事项，本领域的普通技术人员将确认可对详细解释的方法进行修改以安装各种使用本发明的一个或多个组件的构造。

首先，本文使用的术语“浸渗”或“渗入”包括熔化粘结剂材料并使熔化的粘结剂渗透入并填充胎体的空隙或孔隙。冷却时，粘结剂可凝固，使胎体的颗粒粘结在一起。本文使用的术语"烧结"指的是去除利用聚结结合在一起的颗粒之间的至少一部分孔隙（伴随有收缩）和使相邻颗粒粘结。

例如，形成孕镶钻头20的方法可包括制备胎体36。具体而言，所述方法可包括制备硬颗粒材料的胎体。例如，方法可包括制备粉状材料（比如，碳化钨）胎体。在另外的实施例中，胎体可包括之前描述的硬颗粒材料的一种或多种。在本发明的一些实施例中，方法可包括将胎体放置在模具中。

模具可由能耐受胎体36在加热期间所承受的热量的材料形成。在至少一个实施例中，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征的钻头。在本发明的至少一个实施例中，模具可与取芯钻具对应。

此外，所述方法可包括将多个切割介质34散布于胎体的至少一部分内。例如，改方法可包括将多个磨削介质34散布于胎体36的至少一部分内。此外，所述方法可包括将磨削介质34随机地或以无序布置方式散布于胎体36各处。

在一个或多个其它实施例中，改方法还可包括将多个细长结构38散布于胎体36的至少一部分内。具体而言，所述方法可包括将碳纳米管随机地或以无序布置方式散布于胎体36各处。

所述方法可包括使粘结剂渗入胎体36。这可包括将粘结剂加热至熔融状态并使熔化的粘结剂渗入胎体。例如，在一些实施例中，粘结剂可放置在靠近胎体36的位置，且胎体36和粘结剂可被加热至足以使粘结剂达到熔融状态的温度。此时，熔化的粘结剂可渗入胎体36。在一个或多个实施例中，所述方法可包括将胎体36、切割介质34、细长结构38和粘结剂加热至至少787°F。粘结剂可冷却，从而与胎体36、切割介质34和细长结构38粘结在一起。根据本发明的一些实施例，可将浸渗过程的时间和/或温度增加至使粘结剂填充胎体的较大数量和较大量的孔隙。这既可减少浸渗期间的收缩，又可增大所形成的钻孔工具的强度。

此外，所述方法可包括将钻柄21固定至切割段22。例如，所述方法可包括使钻柄21与胎体36接触。然后，可增加附加胎体、粘结剂材料和/或熔剂衬层33，并使其衬层与胎体36以及钻柄21接触来完成崭新钻头的初始制备。一旦已形成崭新钻头，可将其放置在炉中使其固化。可选地，第一段与第二段也可在二次加工期间通过，例如硬钎焊、焊接或粘结剂粘结紧密结合。此后，可按照需求通过机器对钻头进行加工。

在胎体36浸渗之前、之后或与此同时，本发明的一个或多个方法可包括将胎体36烧结至所需的密度。由于烧结包括致密化和去除结构内的孔隙，被烧结的结构在烧结期间可收缩。结构在烧结期间可产生1%至40%的线性收缩。因此，理想的是，当设计工具（模型、模具等）或机加工未完全烧结的结构中的特征部时，应考虑并说明尺寸收缩。

与不具有细长结构的传统钻孔工具相比，所描述的细长结构可使孕镶金刚石钻孔工具增加一些优点。第一，增加细长结构可控制钻孔工具的抗拉强度及磨蚀速率，无论是强化或弱化这些性能。在不限制于此理解的情况下，可以相信纤维材料的存在可用于改变工具的切割段中的缺陷数量。并且，由于抗拉强度和磨蚀速率取决于缺陷的数量，因此改变细长结构量可用于将抗拉强度和磨蚀速率调节至钻孔工具用于特定最终用途所需的量。增大的抗拉强度也可延长钻孔工具的寿命，使得工具的切割段以所需的进度磨损并提高工具的切割速率。

第二，增加细长结构也可削弱切割段的结构，使得较高强度的粘结剂可用于钻孔工具，但只需要较低的成本。因此，可调节切割段中细长结构的量以使金刚石在切割段内保持所需的时间长度。

第三个优点是，细长结构还可充当可在切割期间提供帮助的磨削介质。第四个优点是，当切割段中的细长结构磨蚀时，其细颗粒物质可减少摩擦并增大切割段与被切割表面之间的界面处的润滑，从而使切割更容易。

因此，在不脱离本发明的精神或本质特征的前提下，也可以用其它特殊的形式来具体体现本发明。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，比如2006年12月14日提交的名称为“CoreDrill Bit with Extended Crown Longitudinal dimension”的美国专利申请案第11/610,680号，现为美国专利第7,628,228号中描述的封闭流体槽，美国专利第7,628,228号的内容以全文引用的方式并入本文。更进一步地，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锥形水道，比如2009年12月15日提交的名称为“Drill Bits With Axially-Tapered Waterways”的美国专利申请案第12/638,229号中描述的锥形水道，美国专利申请案第12/638,229号的内容以全文引用的方式并入本文。描述的实施方案应视为在所有方面仅仅是示例性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而非上述描述指示。所有属于权利要求书等同物的含义和范围内的变化都包括在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种孕镶钻孔工具，其包括：

切割段，包括：

包括硬颗粒材料的胎体；

散布在所述胎体内的多个切割介质；和

散布在所述胎体内的多个细长结构；

其中在钻孔期间，所述胎体适于磨蚀和暴露切割介质。

2.根据权利要求1所述的工具，其中所述多个细长结构的细长结构具有大约1纳米至大约100纳米的直径。

3.根据权利要求2所述的工具，其中所述多个细长结构的细长结构包括管。

4.根据权利要求3所述的工具，其中所述管包括碳。

5.根据权利要求2所述的工具，其中所述多个细长结构的细长结构具有大约1微米至大约500微米的长度。

6.根据权利要求1所述的工具，其中所述钻孔工具包括取芯钻头。

7.根据权利要求1所述的工具，其中所述钻孔工具包括铰刀。

8.根据权利要求1所述的工具，其中所述多个切割介质包括金刚石晶体。

9.根据权利要求1所述的工具，其中所述多个细长结构随机地散布在所述胎体内。

10.一种钻头，其包括：

钻柄；和

切割段，所述切割段包括：

硬颗粒材料的胎体；

散布在所述胎体内的多个切割介质；和

散布在所述胎体内的多个细长结构，

其中所述多个细长结构弱化所述切割段。

11.根据权利要求10所述的钻头，其中所述多个细长结构的所述细长结构具有大约10:1至大约500,000:1的长径比。

12.根据权利要求11所述的钻头，其中所述多个细长结构的所述细长结构具有大约1纳米至大约100纳米的直径。

13.根据权利要求12所述的钻头，其中所述多个细长结构的所述细长结构包括碳。

14.根据权利要求13所述的钻头，其中所述多个细长结构的所述细长结构包括管。

15.一种孕镶取芯钻具，其包括：

钻柄；

环形切割段，其包括基座和相对的切割面，所述基座固定至所述钻柄，且所述环形切割段包括硬颗粒材料的胎体和粘结剂；

散布在所述切割段的所述胎体内位于所述切割面与所述基座之间的多个切割介质；和

散布在位于所述切割面与所述基座之间的所述切割段的所述胎体内的多个细长结构；

其中所述切割段的所述胎体在钻孔期间适于磨蚀和暴露设置在所述切割面与所述基座之间的切割介质和细长结构。

16.根据权利要求15所述的钻头，其中所述多个细长结构的细长结构包括纳米管。

17.根据权利要求16所述的钻头，其中所述纳米管为碳。

18.根据权利要求17所述的钻头，其中所述多个细长结构的细长结构相对所述多个细长结构的其它细长结构随机地散布在所述胎体内。

19.根据权利要求17所述的钻头，其中所述多个细长结构占所述切割段重量的大约1%至大约15%。

20.根据权利要求119所述的钻头，其中所述多个细长结构占所述切割段重量的大约3%。

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