CN105593454A - 用于改善附接性的增强pcd切割器凹口表面几何结构 - Google Patents

用于改善附接性的增强pcd切割器凹口表面几何结构 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种工业装置，诸如包括位于所述工业装置的凹槽中的PCD元件的钻头。所述工业装置还可包括跨所述凹槽的表面分布的多个间隔件和位于所述PCD元件与所述凹槽之间的交界面的至少一部分上的铜焊材料。

Description

用于改善附接性的增强PCD切割器凹口表面几何结构
技术领域
本公开涉及多晶金刚石(PCD)元件和工业装置，诸如在也形成附接接头的凹口中具有间隔件的钻地钻头。
发明背景
各种工业装置的组件通常经历极端条件，诸如与硬面和/或研磨面接触的高温和高强度。例如，在用于石油开采和矿业目的的钻地期间，经常会遇到极端的温度和压力。当在用于钻地的切割元件或耐磨接触元件中正确使用时，具有其卓越机械属性的金刚石可能是最有效的材料。金刚石异常硬，其将热量从与研磨面接触的点传导开来，并且可在这种条件下提供其它益处。
与单晶金刚石相比，呈多晶形式的金刚石由于金刚石晶体的随机分布而具有增加的韧性，这避免了在单晶金刚石中具有的特定解理面。因此，在许多钻探应用中，多晶金刚石(PCD)通常是金刚石的优选形式。利用PCD的钻头切割元件通常称为多晶金刚石切割器(PDC)。因此，集成PCD切割元件的钻头可称为PDC钻头。
PCD元件可通过使小晶粒的金刚石和其它原材料经受超高压和温度条件而在压力机中制造。一种PCD制造工艺涉及直接在衬底，诸如碳化钨衬底上形成多晶金刚石。该工艺涉及将衬底连同与催化剂粘结剂混合的松金刚石晶粒放入压力机的容器中，并且使压力机的内含物经受高温高压(HTHP)压合循环。高温高压导致小金刚石晶粒形成到密切粘结至衬底的整体PCD中。
一旦形成，则随后经由衬底将PCD元件附接到钻头。当使用某种方法时，由于材料属性(诸如润湿性)的差异，衬底通常比金刚石更容易粘结到另一表面。例如，PCD元件的衬底可经由焊接、铜焊或其它粘合方法附接到钻头，而使用足以抵抗钻探条件的力量可能不容易将没有衬底的PCD粘结到钻头。焊接和铜焊可在相对低的温度下执行，在该温度下，元件的PCD部分保持稳定，使得接合到钻头的工艺不对PCD部分产生不利影响。
附图简述
通过参考结合附图的以下描述，可获取对本实施方案及其优点更完整的理解，附图示出本公开的特定实施方案，其中相似数字指代相似组件，且其中：
图1是用于制造钻头的间隔件的侧视图；
图2A是用于制造钻头的另一间隔件的侧视图；
图2B是图2A的间隔件的截面视图；
图3是包含PCD元件的钻头的截面视图；
图4是包含螺旋槽的钻头的剖视截面视图；以及
图5是集成钻头和PCD元件的工业装置。
具体实施方式
本公开涉及可与PCD元件(诸如在钻头操作期间使用的切割器)耦接的钻头。PCD元件可位于钻头的凹槽或凹口中。在操作期间，仅将PCD元件放置在凹槽或凹口中通常不足以将PCD元件保持在钻头中。因此，可将铜焊材料、粘合剂或其它固定剂材料放置在PCD元件与凹槽或凹口之间。通常有用的是，这种材料在PCD元件与凹槽或凹口之间具有特定厚度。因此，本公开包括构造和方法，诸如使用间隔件，以在PCD元件与凹槽或凹口之间建立并维持最优或均匀距离，使得被放置在PCD元件与凹槽或凹口之间的铜焊材料或其它材料将具有最优或均匀的厚度。
更具体而言，本公开涉及具有间隔件的钻头，以及具有耦接的PCD元件和间隔件的钻头。间隔件可被构造来优化PCD元件与钻头之间的距离或使PCD元件与钻头之间的距离均匀。例如，PCD元件和钻头可通过粘合工艺，诸如焊接、铜焊或使用粘合剂来耦接。为了形成最优或均匀的粘合接头，可能期望PCD元件与钻头之间具有最优的均匀间隙。该间隙可根据例如形成钻头的材料、铜焊材料、铜焊方法、可形成PCD元件的任何衬底的材料、所使用的粘合剂等而发生变化。
本公开进一步涉及使用利用存在于钻头中的间隔件的耦接方法耦接到钻头的PCD元件。本文描述的钻头和方法可额外地促进PCD元件与铜焊接头处的钻头最优地耦接。
间隔件可被设计来沿PCD元件与凹槽之间的交界面的至少一部分在PCD元件与钻头中的凹槽或凹口之间指定诸如光学底座间隙的最优或均匀距离。其可被设计成使得间隔件可沿PCD元件与钻头之间的交界面的至少一部分在PCD元件与凹槽之间维持最优或均匀距离。间隔件可被设计成使得其可被铜焊材料充分湿润。例如，间隔件可由允许铜焊材料或其它粘合剂以足以促进粘合工艺的方式粘合到间隔件的材料构成。
钻头可进一步包含最优或均匀距离，诸如沿PCD元件与凹槽之间的交界面的至少一部分定位的最优底座间隙材料。在一些实施方案中，铜焊材料或其它粘合剂可实质上沿全部交界面定位。在其它实施方案中，铜焊材料或其它粘合剂可能主要位于间隔件处。在相同或替代实施方案中，其可主要位于PCD元件与不作为间隔件的凹槽之间的交界面的一部分上。
铜焊材料可在铜焊工艺之前以任何形式提供，但是在特定的实施方案中，其可呈薄箔或焊丝的形式。其可被设计使得薄箔在衬底与凹槽之间沿交界面的至少一部分上具有均匀厚度。在铜焊工艺期间，薄箔的该均匀厚度可促进PCD元件与凹槽之间的最优或均匀距离的形成。其可被设计成使得PCD元件的衬底与凹槽之间沿交界面的至少一部分上的接触面增加，使得铜焊接头的强度增加。铜焊材料可由能够在PCD元件与凹口之间形成铜焊接头的任何材料组成。在特定实施方案中，其可包括与镍(Ni)、铜(Cu)或银(Ag)成合金的锰(Mn)、铝(Al)、磷(P)、硅(Si)或锌(Zn)。
PCD元件可位于凹槽中，使得实质上仅PCD元件的衬底部分位于交界面上，其中PCD部分实质上均不沿交界面定位。这种布置可保护PCD免受铜焊工艺中使用的材料和温度的影响。这种布置还可使PCD的最大面积用于切割。在一些实施方案中，实质上全部衬底可位于凹槽内，以向钻头提供PCD的最大机械稳定性或附接性。
可通过将PCD元件和铜焊材料放置到钻头中的凹槽而将PCD元件铜焊到钻头，使得凹槽中的间隔件在PCD元件与钻头之间指定最优或均匀距离，然后将铜焊材料加热至足以在PCD元件与凹槽之间沿交界面的至少一部分上形成铜焊接头的温度。通常，可将铜焊材料至少加热到其熔点。可在放置PCD元件之前将铜焊材料放置在凹槽中。此外，因为在铜焊工艺期间，铜焊材料可例如通过熔化或移动PCD元件而从其原始位置移位，所以在铜焊工艺之前无需覆盖将被铜焊的整个面积。
PCD元件还可通过通常将铜焊材料至少重新加热到其熔点，然后使PCD元件物理地分离而从凹槽移除。然后，新的PCD元件可插入凹槽中，并经由铜焊接头附接。通过PCD元件的至少一次更换，间隔件可保持完整。
在一些实施方案中，PCD元件可通过将铜焊材料加热到足以允许PCD元件移动的温度而在凹槽中旋转。旋转PCD元件的该能力可通过以下方式增加整体钻头或PCD元件寿命：在无需切换到全新PCD元件的情况下，允许PCD元件的磨损面积移动并使用较少的磨损面积更换。
间隔件可具有适当的大小、形状或材料，其被设计来指定诸如光学或均匀距离的距离，包括但不限于在PCD元件与钻头的凹槽之间的对形成于PCD元件与钻头之间的铜焊接头最优的光学或均匀的铜焊间隙。进一步地，间隔件可与钻头集成或与钻头分离。在一些实施方案中，间隔件可被制造为钻头体的一部分，如下文关于图1进行更详细描述。在相同或替代实施方案中，间隔件可为独立于钻头体的主体，其中二者在钻头的制造期间组合，如下文关于图2A至图2B进行更详细描述。
本公开进一步涉及用于根据上述间隔件制造钻头的方法。制造钻头可包括创建位移嵌件以在制造中使用。位移嵌件通常与PCD元件的几何结构对应。位移嵌件可由在铸模操作中能够被加工或巩固的任何适当材料形成。例如，位移嵌件可由石墨形成或由沙子或陶瓷材料形成。
在图1中示出位移嵌件的一个实施方案。位移嵌件10包括包含多个缺口(divot)30的嵌件主体20。缺口30可具有在制造期间促进在钻头的凹槽中的间隔件的形成的任何适当形状。例如，缺口30可为被钻探至特定深度的半球形孔。该深度与期望的间隔物的高度对应。例如，缺口30可具有大约千分之一二英寸的深度。
在其它实施方案中，缺口30可具有其它形状。例如，缺口30可为圆锥形。使用圆锥形的缺口30可导致圆锥形的间隔件。这种间隔件可允许支撑PCD元件的衬底搁置在圆锥体的点上。在这种实施方案中，可将钻头体元件材料的更多表面积暴露于铜焊材料。作为另一实例，缺口30可为圆锥形。在这种构造中，缺口30可使用标准形状的机钻进行钻探，从而导致圆柱形缺口30。
位移嵌件10可用于制造钻头。例如，可将位移嵌件10放置在被预加工以将一个或多个PCD元件的位置定位在完工的钻头元件上的指定凹口的石墨模型中。可使用例如在浸渗工艺期间使位移嵌件不移动的粘合剂将位移嵌件10固定在适当位置中。一旦冷却，钻头的主体可从移除的模型或位移嵌件10抽取。结果将是，凹口或凹槽形成在一个或多个PCD元件可耦接到的钻头中。凹槽的表面将展示与缺口30的大小和形状对应的突出物。这些突出物将使PCD元件的一部分距离钻头元件的主体一段距离，从而控制铜焊间隙。
在图2A至图2B中示出的实施方案中，位移嵌件10包括嵌在嵌件主体20的缺口30内的多个间隔件40。如上文详细描述，间隔件40的功能是在钻头元件的主体上的凹槽的表面上创建突出物，以便优化钻头与PCD元件之间的铜焊间隙或使钻头与PCD元件之间的铜焊间隙均匀。
在图2A中示出的实施方案中，间隔件40可具有任何适当的大小和形状，如上文关于图1进行详细描述。进一步地，多个间隔件40可以这种方式进行空间组织，以便均匀地覆盖钻头内的凹槽的表面，同时仍允许凹槽的充分表面积可用于铜焊材料或其它粘合剂以形成铜焊接头。例如，间隔件40可为嵌在位移主体20内的球形间隔件。间隔件40可具有在制造和铜焊工艺中使用的任何适当材料。例如，间隔件40可由镍制成。间隔件40可具有被选择用于PCD元件与钻头的凹槽之间的特定距离的大小。例如，间隔件40可为大约千分之三至千分之四英寸。
在图2B中示出的实施方案中，间隔件40在嵌件主体20的至少一部分上构成突出物。如上文和下文关于图3进行更详细描述，位移嵌件10可用于制造钻头。通过将间隔件40用作位移嵌件10的一部分，在制造期间，间隔件40将留在钻头的主体中。这种工艺将导致间隔件由可能与在钻头的主体中使用的材料不同的材料构成。
在一些实施方案中，间隔件40可具有不同于缺口30的形状。例如，间隔件40可为适当地固定到位移嵌件10的焊丝网。然后，这种焊丝网可用于在钻头与PCD元件之间提供适当的铜焊间隙。
图3示出使用上文关于图1至图2进行更详细描述的位移嵌件10制造的钻头60的截面。钻头60包括钻头体70，其包括凹槽75。钻头体70经由通过铜焊间隙90应用的铜焊材料而耦接到PCD元件80。在一些实施方案中，间隔件40使PCD元件80远离钻头体70一段固定距离。然后，在铜焊工艺期间，该距离(由铜焊间隙90指示)可用于促进铜焊材料的引入。所述距离可为均匀或最优的，从而导致均匀的最优底座间隙。
在一些实施方案中，铜焊材料可为可用作实心焊丝、乳脂、粉末或其它物质的合金。可将铜焊材料应用到铜焊间隙90，以便接合PCD元件80和钻头60。
钻头体20可使铜焊材料容纳在间隔件40之间的螺旋槽100中。铜焊材料的特定形状可以焊丝形式出现。如在图4中图示，钻头体70可包括被设计成容纳铜焊材料110的形成物100。在图4中图示的特定实施方案中，铜焊材料110可以焊丝形式使用。因此，钻头体70中的形成物100具有容纳铜焊材料110的焊丝形式的形状。例如，形成物100作为在钻头元件主体70内制成的螺旋槽。以这种方式，铜焊材料110可在添加PCD元件80之前存在于铜焊间隙90内。然后，可将钻头元件60的适当部分加热到适于熔化铜焊材料并形成铜焊接头的温度。
钻头60可为钻地钻头，诸如固定切割器钻头。图5图示包含耦接到钻头体70的多个PCD元件80的固定切割器钻头60。固定切割器钻头300可包括钻头体70，其中多个刃片200从其中延伸。钻头体70可由钢、矩阵材料或其它合适的钻头体材料形成。钻头体70可形成为具有期望的磨损和侵蚀属性。PCD元件可使用本公开的方法或使用其它方法安装在钻头上。
针对图5中示出的实施方案，固定切割器钻头60可具有五(5)个刃片200。例如，针对一些应用，放置在体现本公开的教导的固定切割器钻头上的刃片数量可在四(4)个与八(8)个或更多个之间变化。相应的排屑槽210可在相邻的刃片200之间形成。可选择刃片200和排屑槽210的数量、大小和构造，以优化钻探流体、岩屑和井下碎屑从井筒的底部到相关联的井面的流动。
当钻头体70响应于相关联的钻柱(未明确示出)的旋转而相对于井筒的底部(未明确示出)旋转时，与钻头60相关联的钻探动作可发生。被放置在相关联的刃片200上的至少一些切割器80可接触井下岩层(未明确示出)钻探的邻近部分。这些切割器80可被定向，使得PCD接触岩层。相关联的井筒的内径可通常由至少部分由刃片200的相应计量器部分200确定的组合外径或计量器直径定义。
钻头主体70可由具有期望强度、韧性和切削性的各种钢合金或其它材料形成。
虽然上文仅具体描述了本发明的示例性实施方案，但是应明白，在不脱离本发明的精神和意旨范围的情况下，这些实例的修改和变更是可能的。例如，PCD元件在其它工业装置上的正确放置和定向可通过参考钻头实例来确定。此外，本公开的间隔件和方法可适合于PCD元件与凹槽之间的其它形式的附接，诸如焊接。

Claims (20)

1.一种钻地钻头，其包括：
多晶金刚石(PCD)元件，其位于钻头体的凹槽中；
多个间隔件，其跨所述凹槽的表面分布；和
粘合剂，其沿所述PCD元件与所述凹槽之间的交界面的至少一部分定位在粘合剂间隙中。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中所述多个间隔件实质上呈半球形。
3.根据权利要求1所述的钻头，其中多个间隔件实质上呈圆锥形。
4.根据权利要求1所述的钻头，其中所述粘合剂间隙实质上由所述间隔件的大小定义。
5.根据权利要求1所述的钻头，其中所述多个间隔件被制造成所述钻头体的整体部分。
6.根据权利要求1所述的钻头，其中所述多个间隔件具有与所述钻头体不同的材料。
7.根据权利要求1所述的钻头，其中所述粘合剂位于由所述多个间隔件定义的螺旋槽中。
8.根据权利要求8所述的钻头，其中所述粘合剂间隙是均匀的。
9.根据权利要求9所述的钻头，其中所述粘合剂间隙对所述PCD元件、粘合剂和钻头体是最优的。
10.根据权利要求7所述的钻头，其中所述粘合剂呈焊丝的形式。
11.根据权利要求1所述的钻头，其中所述粘合剂是铜焊材料，其包括与镍(Ni)、铜(Cu)或银(Ag)成合金的锰(Mn)、铝(Al)、磷(P)、硅(Si)或锌(Zn)。
12.一种用于在制造钻地钻头中使用的位移嵌件，所述位移嵌件包括：
嵌件主体，其具有与所述钻地钻头中的凹槽对应的形状；和
多个缺口，其在所述嵌件主体中形成，所述缺口被成形为与跨所述凹槽的表面分布的多个间隔件对应，所述间隔件实质上定义所述凹槽与位于所述凹槽中的多晶金刚石(PCD)元件之间的粘合剂间隙。
13.根据权利要求12所述的位移嵌件，其中所述多个缺口实质上呈半球形。
14.根据权利要求12所述的位移嵌件，其中所述多个缺口实质上呈圆锥形。
15.根据权利要求12所述的位移嵌件，其中所述位移嵌件包括石墨。
16.根据权利要求12所述的位移嵌件，其中所述位移嵌件包括陶瓷。
17.根据权利要求12所述的位移嵌件，其进一步包括多个间隔件，所述多个间隔件耦接到所述位移嵌件，其中一个间隔件耦接到一个缺口处的位移部。
18.根据权利要求17所述的位移嵌件，其中所述多个间隔件包括镍(Ni)。
19.根据权利要求17所述的位移嵌件，其中所述间隔件可移除地耦接到所述位移嵌件。
20.根据权利要求19所述的位移嵌件，其中所述间隔件可移除地耦接到所述位移嵌件，使得在制造之后，所述间隔件可保留在所述钻地钻头中。
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