CN105637165B - 用于钻头的颗粒强化的钎焊合金 - Google Patents
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Abstract
一种用于地下钻探操作的示例性钻头包括具有刀片的钻头本体。所述钻头还可包括切割元件和将所述切割元件附贴到所述刀片的合金。所述合金可包括诸如陶瓷材料或金属间材料的颗粒相，其增加了所述合金的强度而不显著影响所述合金的熔点。
Description
技术领域
本公开大体上涉及井钻探操作，并且更具体地说，涉及用于钻头的颗粒强化的钎焊合金。
背景技术
烃回收钻探操作通常需要延伸数百和数千米到地球中的钻孔。钻探操作自身可以是复杂、耗时且昂贵的并且将包括钻头的钻探设备暴露于高压和高温。高压和高温随时间推移使所述钻探设备退化。固定刀具钻头，例如，可包括在生产期间粘结到钻头本体的多晶金刚石复合(PDC)刀具。在井下经历的高压和高温可使粘结剂退化，致使PDC刀具中的一些从钻头脱离，降低钻头的有效性并需要其被移除到表面以用于更换。
附图说明
通过部分地参考以下描述和附图可理解本公开的一些具体的示例性实施方案。
图1是示出根据本公开的多个方面的示例性钻探系统的图。
图2是示出根据本公开的多个方面的示例性固定刀具钻头的图。
图3A和图3B是示出根据本公开的多个方面的粘结到钻头的示例性PDC刀具的图。
虽然本公开的实施方案已经得以描绘和描述并且通过参考本公开的示例性实施方案来加以限定，但是所述参考并不暗示对本公开的限制，并且不能推断出这样的限制。如本领域中的技术人员以及受益于本公开的人员将想到，所公开的标的物能够在形式和功能上存在许多修改、变更和等效形式。所描绘和描述的本公开的实施方案仅为示例性的，并非详尽说明本公开的范围。
具体实施方式
本公开大体上涉及井钻探操作，并且更具体地说，涉及用于钻头的颗粒强化的钎焊合金。
本文详细描述本公开的示例性实施方案。为了清晰起见，并非实际实现形式的所有特征都在本说明书中进行描述。当然应该理解的是，在任何这种实施方案的开发中，必须做出许多实现特定的决定以获得特定的实现目标，这些目标因不同的实现而不同。此外，应该理解的是，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但是仍将是受益于本公开的本领域一般技术人员的常规任务。
为了促进更好理解本公开，给出某些实施方案的以下实例。以下实例决不应被理解为限制或限定本公开的范围。本公开的实施方案可适用于任何类型地下地层中的水平、垂直、偏斜、多边、交叉、绕开(钻探被卡住的落物周围并且返回井下)或其他非线性井眼。实施方案可应用于注入井和生产井，包括自然资源生产井例如硫化氢、烃类或地热井；以及用于过河隧道的钻孔建设和其他用于接近表面建设目的或用于流体比如烃类输送的u形管的管道的其他这样的隧道钻孔。下面关于一种实现描述的实施方案不欲具有限制性。
图1根据本公开的多个方面示出示例性钻探系统100。钻探系统100包括安装在表面102上并定位在地下地层104内的钻孔105上方的钻机101。在某些实施方案中，表面102可包括用于海上钻探应用的钻机平台，并且地下地层104可以是与表面102分离一定体积的水的海床。在所示实施方案中，钻探组件106可定位在钻孔105内并联接到钻机101。钻探组件106可包括钻柱107和底孔组件(BHA)108。钻柱107可包括用螺纹接头连接的多个钻杆段。BHA 108可包括钻头110，随钻测量(MWD)/随钻测井(LWD)部段109。MWD/LWD部段109可包括用于测量并勘测地层104和钻孔105的多个传感器和电子装置。在某些实施方案中，BHA 108可包括其他部段，所述其他部段包括电力系统、遥测系统和转向系统。钻头110可以是牙轮钻头、固定刀具钻头或本领域普通技术人员鉴于本公开将了解的另一钻头类型。虽然钻头110被示出为联接到常规钻探组件106，但可能联接到包括电缆或滑线钻探组件的其他钻探组件。
图2根据本公开的多个方面示出用于地下钻探操作的示例性钻头200。在所示实施方案中，钻头200包括固定刀具钻头。钻头200包括具有至少一个刀片202的钻头本体201。例如，钻头本体201可由钢或由钢坯芯周围的金属基质制成。刀片202可与钻头本体201集成在一起，或者可单独形成并附接到钻头本体201。另外，刀片202的数量和刀片202相对于钻头本体201的取向可根据本领域普通技术人员鉴于本公开将了解的设计参数而变化。
切割元件203可附贴到至少一个刀片202。在某些实施方案中，在刀片202中的一个上可存在至少一个凹口205，并且切割元件203可至少部分地设置在所述凹口205内。如以下将详细描述的，凹口205在刀片202的外表面上可包括凹进或凹陷区域。在所示实施方案中，刀片202中的每个可包括沿钻头200的切割结构204间隔开的多个凹口。钻头200的切割结构204可包括钻头200的在钻探操作期间从地层移除岩石的部分。凹口205可在形成刀片202的制造过程期间形成或可在之后被机械加工而成。与刀片202的数量及取向一样，刀片202上的凹口205和切割元件203的数量及取向可根据本领域普通技术人员鉴于本公开将了解的设计参数而更改。
切割元件203可包括在钻头200旋转时接触地层中的岩石并将其移除的切割表面。切割表面可至少部分地由金刚石制成。例如，切割表面可至少部分由诸如多晶金刚石或热稳定的多晶金刚石；天然金刚石；或以粘结剂浸渍的人造金刚石的人造金刚石粉末制成。在某些实施方案中，切割元件203可包括具有附接到基材的金刚石层的PDC切割器，如以下将描述的。刀具203可在径向方向上从钻头200的沿刀片202定位的纵轴线206向外延伸。
图3A和图3B是示出根据本公开的多个方面的粘结到钻头300的示例性切割元件302的图。切割元件302包括具有联接到圆柱形基材302b的多晶金刚石层302a的PDC刀具。基材302b可包括用多晶金刚石层302a烧结的碳化钨基材。烧结可在高压高温的压力机内进行，所述压力机有助于使用金刚石粉末的多晶金刚石层302a的形成。基材302b可以是圆柱形的并且可具有位于基材302b与多晶金刚石层302a之间的界面处的集成附接表面。另外，虽然PDC刀具302是圆柱形的，但其他形状及尺寸是可能的，多晶金刚石层302a相对于基材的其他取向也是可能的，如本领域普通技术人员鉴于本公开将了解的。
图3B示出钻头300的一部分。在所示实施方案中，钻头300包括具有从钻头本体390延伸的刀片301的固定刀具钻头，其中PDC刀具302附贴到其上。钻头300包括刀片301中的凹口304。如可以看出的，凹口304是在刀片301的外表面中的PDC刀具302至少部分地设置在其中的凹进区域。凹口304的深度、长度和角度可根据PDC刀具302的配置和钻头300期望的切割结构的配置来更改。例如，切割结构可被配置来在地层由相对较软的岩石组成时更深地切割。在那些实例中，PDC刀具301可从刀片301延伸更远，从而切割更多的地层。在所示实施方案中，凹口304是成角度的并且多晶金刚石层302a从刀片301延伸，其中PDC刀具302的切割结构与刀片301成预先确定的角度。
钻头300还可包括将PDC刀具302附贴到刀片301的合金306。合金306可处在PDC刀具302与刀片301之间的间隙307中。间隙307可取决于应用在尺寸上变化，但通常在约50到300微米的量级上。合金306可包括由两个或更多个金属相组成的混合物或金属固溶体。在某些实施方案中，合金306可包含金属的固溶体(单一相)；金属相的混合物(两种或更多种溶液)；或在相之间不具有明显边界的金属间化合物中的一种或多种。用于将PDC刀具附接到钻头的典型合金被称为是低熔点金属合金的钎焊合金。这些合金忍受侵蚀问题，具体地是当钻头被部署在井下并遭受钻探泥浆和地层流体时合金的磨损。可通过更改合金溶体的元素组成，诸如改变合金内的金属相来增加合金的强度，但这通常降低了合金的熔点使得其在遭受井下条件时可熔化。
根据本公开的多个方面，合金306可包括添加到金属相或合金306的相中的颗粒相。在某些实施方案中，颗粒相可包括呈细粉末形式的颗粒。颗粒相可包括，例如，陶瓷或金属间材料的细粉末。陶瓷材料可包括由热作用及随后冷却制备而成的无机非金属固体。金属间材料可包括固体相，所述固体相包含两种或更多种金属元素或任选地一种或多种非金属元素，其晶体结构与其他成分的不同。在某些实施方案中，陶瓷材料可具有晶体或部分晶体结构，或者可以是无定型的。示例性陶瓷材料包括氧化物，诸如氧化铝、氧化铍、二氧化铈、氧化锆；以及非氧化物，诸如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物。示例性碳化物包括碳化钨、碳化硼、碳化钛等。在示例性实施方案中，颗粒相可包括类似于用于PDC刀具302的基材的碳化钨的碳化钨。
颗粒相内的颗粒的尺寸可至少部分地基于间隙307的尺寸。例如，颗粒相内的颗粒的最大尺寸可基于间隙307的尺寸。在某些实施方案中，颗粒的最大尺寸可小于间隙307的尺寸，使得间隙307不被颗粒相增加。在某些实施方案中，颗粒相内的颗粒的最大尺寸可以是小于间隙307的尺寸的一些倍数，使得一些颗粒可在间隙307内对准而不增加间隙307的尺寸。当颗粒对准时，其可增加粘结的强度。在示例性实施方案中，当间隙307是50微米时，最大颗粒尺寸可被设定为10微米，以便确保颗粒尺寸的增加不会增加间隙307的尺寸。可基于制造或经济约束选择颗粒的最小尺寸。例如，纳米颗粒可提供强粘结，但生成或购买它们可能非常昂贵，并且它们可能对工人造成健康风险。
与典型工艺不同，将颗粒相添加到合金中增加了合金的强度而不显著影响合金的熔点。合金增加的强度和抗侵蚀性可通过提供切割元件与钻头之间更好的粘结来提高钻头的可靠性和性能。更好的粘结可减少在井下脱离钻头的切割元件的数量，这可导致更长的钻探时间和更好的整体钻头性能。
根据本公开的多个方面，制造强化的钎焊合金可包括提供合金的熔融金属或金属间相中的至少一个。可通过熔化预制造的合金或通过混合合金的相的制造过程来提供熔融金属或金属间相。所述方法还可包括将颗粒相分散在至少一个熔融金属或金属间相内。如上所述，可至少部分地基于PDC刀具与刀片之间的间隙的尺寸确定颗粒相内的颗粒的尺寸。可在制造位置处接收颗粒相。在某些实施方案中，接收颗粒相可包括制造颗粒相以生产必需颗粒尺寸或者购买具有必需尺寸的颗粒的颗粒相中的一个。
可根据最终钎焊所需要的性质选择颗粒相的浓度。例如，在侵蚀是一问题的情况下将需要颗粒相的高浓度，而钻头可能受到高影响时可需要低浓度。可用实验方法确定浓度的范围，因为颗粒太少将不改善钎焊允许而太多可能阻止在刀具与钻头之间形成合适粘结。
在某些实施方案中，将颗粒相分散在至少一个熔融金属或金属间相内可包括物理地或磁力地搅动熔融金属或金属间相。搅动至少一个熔融金属或金属间相可将颗粒相均匀分散在金属或金属间相内。对于诸如碳化钨的更重的颗粒，在具有颗粒相的熔融金属或金属间相被挤压时可继续搅动以便冷却。这可降低重颗粒相将沉积在熔融金属或金属间相内的可能性。
根据某些实施方案，具有刀片、切割元件和将切割元件附贴到刀片的颗粒强化的合金的钻头可被包括在类似于图1中描述的钻探组件内。钻探组件可被引入到地下地层内的钻孔中，并且钻头可旋转。在某些实施方案中，可使用定位在表面处并联接到钻柱的顶部驱动器来旋转钻头。在某些其他实施方案中，钻头可通过设置在钻孔内的泥浆马达来旋转。旋转钻头可使钻孔延伸直到达到目标位置为止。
根据某些实施方案，一种用于制造钻头的方法可包括接收具有刀片的钻头本体并接收切割元件。例如，如果钻头本体和切割元件由一方或多方制造并由另一方接收，那么可接收它们。同样地，如果钻头本体和切割元件由一个实体在一个位置单独制造并由同一实体在第二位置接收，那么可接收它们。前述实例不覆盖接收具有刀片的钻头本体并接收切割元件的所有可能实例。所述方法还可包括利用包含颗粒的合金将切割元件附贴到刀片。
因此，本公开非常适合于达到所提及的目的和优势以及自身固有的目的和优势。上文所公开的具体实施方案仅仅是说明性的，因为本公开可以以对受益于本文教义的本领域技术人员来说显而易见的不同但等效的方式进行修改和实践。此外，旨在不限制本文所示的构造或设计的细节，除了如以下权利要求书中所述。因此显然，可对上文所公开的具体说明性实施方案做出更改或修改，并且所有这些变化都被认为是在本公开的范围和精神内。另外，除非专利权所有人另外明确地并且清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有它们简单的、普遍的意义。如权利要求书中使用的不定冠词“一个(a/an)”在本文中定义为意为其引入的一个或一个以上元件。
Claims (15)
1.一种用于地下钻探操作的钻头，其包括：
具有刀片的钻头本体，所述刀片包括凹口；
切割元件，所述切割元件至少部分地设置在所述凹口内；以及
将所述切割元件附贴到所述刀片的合金，所述合金包括颗粒相，所述颗粒相包括无定型的陶瓷材料的颗粒；
其中所述合金处在所述切割元件与所述刀片之间的间隙中，
其中所述颗粒相内的颗粒的最大尺寸小于所述间隙的尺寸。
2.如权利要求1所述的钻头，其中所述颗粒相包括金属间材料的颗粒。
3.如权利要求1所述的钻头，其中所述陶瓷材料包括碳化钨。
4.如权利要求1-3中任一项所述的钻头，其中所述钻头包括固定刀具钻头。
5.如权利要求1-3中任一项所述的钻头，其中所述切割元件包括多晶金刚石复合刀具。
6.一种用于地下钻探的方法，其包括：
将钻探组件引入到地下地层内的钻孔中，其中
所述钻探组件包括钻头；并且
所述钻头包括：
具有刀片的钻头本体，所述刀片包括凹口；
切割元件，所述切割元件至少部分地设置在所述凹口内；以及将所述切割元件附贴到所述刀片的合金，所述合金包括颗粒相，所述颗粒相包括无定型的陶瓷材料的颗粒；
其中所述合金处在所述切割元件与所述刀片之间的间隙中，
其中所述颗粒相内的颗粒的最大尺寸小于所述间隙的尺寸，以及
旋转所述钻头来使所述钻孔延伸。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述颗粒相包括金属间材料的颗粒。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述陶瓷材料包括碳化钨。
9.如权利要求6-8中任一项所述的方法，其中所述钻头包括固定刀具钻头。
10.如权利要求6-8中任一项所述的方法，其中所述切割元件包括多晶金刚石复合刀具。
11.一种用于制造用于钻头的强化钎焊合金的方法，所述钻头包括：
具有刀片的钻头本体，所述刀片包括凹口；
切割元件，所述切割元件至少部分地设置在所述凹口内；以及
将所述切割元件附贴到所述刀片的合金，所述合金包括颗粒相，所述颗粒相包括无定型的陶瓷材料的颗粒，
其中所述合金处在所述切割元件与所述刀片之间的间隙中，
其中所述颗粒相内的颗粒的最大尺寸小于所述间隙的尺寸，
所述方法包括：
提供所述合金的熔融金属或金属间相中的至少一种；
将所述颗粒相分散在所述熔融金属或金属间相内；以及
利用被分散的所述颗粒相冷却所述熔融金属或金属间相的至少一部分。
12.如权利要求11所述的方法，其中将所述颗粒相分散在所述熔融金属或金属间相内包括将金属间材料分散在所述熔融金属或金属间相内。
13.如权利要求12所述的方法，其中将金属间材料分散在所述熔融金属或金属间相内包括将碳化钨分散在所述熔融金属或金属间相内。
14.如权利要求11-13中任一项所述的方法，其中将所述颗粒相分散在所述熔融金属或金属间相内包括机械地或磁力地搅动所述熔融金属或金属间相。
15.如权利要求11-13中任一项所述的方法，其中提供所述合金的所述熔融金属或金属间相包括熔化包含所述金属或金属间相的预制造的合金。
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