CN105849356A - 激光硬钎焊pcd元件 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及工业装置，诸如可通过执行第一耦接工艺而制成的钻头，所述第一耦接工艺包括：激活第一切削元件与钻头本体的第一凹部之间的附接材料；由相机监视与所述第一切削元件相关的温度；以及响应于来自所述相机的输出来调整与激光相关的一个或多个参数。所述工艺可以针对多个切削元件重复进行。本公开进一步包括所述工艺和执行所述工艺的系统。
Description
技术领域
本公开涉及经由间接加热的自动化受监视工艺耦接到工业装置(诸如钻地钻头)的聚晶金刚石(PCD)元件(诸如切削元件)。
背景技术
各种工业装置的组件通常经受极端条件，诸如高温和与硬表面和/或磨损表面的高冲击接触。例如，在出于石油开采或采矿目的的钻地期间经常遇到极端的温度和压力。金刚石，具有卓越的机械性能，在适当地用于钻地中所使用的切削元件或耐磨损接触元件时，可能是最有效的材料。金刚石异常坚硬，将热量从与磨损表面的接触点传导出来，并且可在这样的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特定的裂开面。因此，在许多钻井应用中，PCD通常优选呈金刚石形式。使用PCD的钻头切削元件通常被称为聚晶金刚石切削器(PDC)。因此，可以将结合有PCD切削元件的钻头称为PDC钻头。
PCD切削元件可以通过任意数量的工艺耦接到工业装置(诸如钻地钻头)。管理所选择耦接工艺的开销(在成本、人力等方面)增加了操作工业装置的成本。
附图简述
通过参考以下结合附图的描述，可以更加完整地理解本发明的实施方案和优点，附图示出了本公开的特定实施方案，其中相同的参考标号表示类似的组件，附图中：
图1是耦接工艺中所使用的耦接到钻头本体的切削元件和相关装置的第一实施方案的端视图；
图2是耦接到钻头本体的切削元件的第一实施方案的截面图；
图3是耦接到钻头本体的切削元件的第二实施方案的截面图；以及
图4是结合有钻头本体和多个切削元件的钻地钻头。
具体实施方式
本公开涉及使PCD元件(包括热稳定聚晶金刚石(TSP)元件)，诸如切削元件，耦接到工业装置(诸如钻地钻头)的本体(例如，钻头本体)的方法。本公开还涉及工业装置(诸如钻地钻头)，包含以这种方式耦接的PCD元件。可以将PCD元件定位在钻头的凹部或凹腔中。仅仅将PCD元件放置在凹部或凹腔中通常不足以使PCD元件在操作期间保持在钻头中。因此，可以将硬钎焊材料、焊接材料、软钎焊材料、粘合剂或其它附接材料放置在PCD元件与凹部或凹腔之间。在特定温度下应用附接材料通常是有帮助的。因此，本公开包括多种方法，诸如使用自动化受监视加热工艺建立或维持PCD元件与凹部或凹腔之间的附接材料的最优或所需温度，以使得可以自动化或基本自动化的方式应用放置在PCD元件与凹部或凹腔之间的硬钎焊材料、焊接材料、软钎焊材料、粘合剂或其它附接材料。
更具体来说，本公开涉及PCD元件与凹部或凹腔之间的附接接合部，所述附接接合部被制造成使得热源被应用到PCD元件的基板部分、凹部或凹腔的一部分或两者，以激活附接材料。自动化监视系统(例如，热学相机)可以监视加热工艺以确定需要在哪里升高或降低附接接合部的温度。另外，自动化监视系统还可以控制热源的温度或位置，以使得附接接合部的温度在适当位置升高或降低。
在某些实施方案中，取决于附接材料的性质和其被提供的物理形式，仅仅加热附接材料可能足以建立所需或最优温度。例如，如果附接材料为在加热之前基本贯穿附接接合部放置的金属箔材，那么仅仅将附接材料加热至所述附接材料可以耦接到PCD元件和本体的某个温度可能已足够。在其它实施方案中，可以在所选择的时间段内维持所需或最优温度。例如，如果希望附接材料在PCD元件与凹腔或凹部之间的区域内流动，那么维持温度可能是有帮助的。
本公开进一步涉及工业装置的本体，所述工业装置被配置成使PCD元件(诸如切削元件)在凹部或凹腔内机械地锁定。随后可以以这样一种方式移动所述本体，即向自动化(或基本自动化)的加热和监视系统提供第二凹部或凹腔中的第二切削元件。可以使多个切削元件到本体的附接以这种方式自动化或基本自动化。例如，可以将切削元件(以及任选地，任何附接材料)在耦接工艺之前预装配在钻地钻头中的多个凹腔或凹部中。当钻头本体旋转时，钻头本体的机械锁定特征可使切削元件保持就位，以将每个切削元件针对自动化或基本自动化的加热和监视系统放置就位，从而提高切削器的附接接合部的温度并且由此使所述附接接合部耦接到钻头。替代地，当加热和监视系统围绕钻头旋转时，钻头本体的机械锁定特征可使切削元件保持就位。在任一实施方案中，可以将钻头本体、切削元件以及加热和监视系统进一步定位成使得附接材料充分保持在凹腔或凹部中以使切削元件实际上耦接到凹腔或凹部。例如，这些组件可以被定位成使得附接材料(所述附接材料一旦加热即变成流体或更能像流体一样流动)并不会延展到凹腔或凹部或者凹腔或凹部的一部分中的池外部，以使得切削元件到钻头本体的耦接没有实现或有缺陷。
图1说明了耦接到钻地钻头的钻头本体30的凹部或凹腔20的切削元件10的第一实施方案的端视图。切削元件10可为任何适当的切削元件。在某些实施方案中，所述钻头本体包括钢或基质材料。
凹腔20可以被配置成使切削元件10在钻头本体30的一部分内机械地锁定。例如，在所示实施方案中，凹腔20以凹进方式被配置成使得凹腔20的侧壁25围绕切削元件10弯曲，从而使得切削元件10保持在钻头本体30的一部分内。可以实施凹腔20的其它配置，而不脱离本公开的范围，如以下参照图2至3所描述。
虽然凹腔20可以被配置成使切削元件10在钻头本体30的一部分内机械地锁定，但在某些实施方案中，凹腔20可以不这样配置。例如，在本公开的一种实现方式中，凹腔20可以仅被配置成使切削元件10在耦接工艺中在钻头本体30的一部分内固持就位。尽管这可能会降低自动化的程度，但这样一种配置在本公开的范围内。
凹腔30还可以包括附接接合部40。附接接合部40可为任何适当的接合部，诸如硬钎焊接合部。附接接合部40可以包含呈激活、未激活或部分激活状态的附接材料。例如，附接接合部40可以包括用于将切削元件10硬钎焊到钻头本体30的硬钎焊材料，诸如硬钎焊合金。附接材料可呈任何合适的物理形式，包括糊剂、粉末、箔材等。在某些配置诸如使用了呈糊剂形式的钎焊材料的配置中，可以允许附接材料贯穿附接接合部40流动。在其它配置诸如使用了呈箔材形式的硬钎焊材料的配置中，附接材料可能已经位于所需位置中。
施加热量以激活附接接合部40内的附接材料。在图1的所示实施方案中，自动化监视系统50借助于激光60来向切削元件10施加热量。激光60可以是自动化或基本自动化的，以向切削元件10的非金刚石部分(例如，基板)施加热量。例如，可以通过激光60或其光束的接触点的快速移动来非常快速地完成这一工艺，这可能便于在附接接合部40的全部或一部分中具有均匀的温度范围。激光60可以向切削元件10的非金刚石部分、附接接合部40的一部分、附接材料的一部分或钻头本体30的一部分直接施加热量。激光60可为任何适当类型的激光并且可以基于所需温度、基板材料、钻头本体材料、附接材料等发生变化。
在加热期间，可以由自动化监视系统50的相机70监视附接接合部40、切削元件10、附接材料或钻头本体30的全部或一部分的温度。相机70可为热成像相机，所述热成像相机被配置成产生温度图像并且识别激光60正在切削元件10或附接接合部40上或附近传导的热量输入。相机70可以进一步被配置成确定附接接合部40、附接材料、切削元件10或钻头本体30的标识。
在某些实施方案中，可以将来自相机70的输出传送到显示器(所述显示器可以被定位或连接到单独计算装置80)，以由自动化监视系统50的操作者监视耦接工艺。在某些实施方案中，耦接工艺可以或多或少自动化。例如，可以由与自动化监视系统50相关的处理器实施存储在非暂时性计算机可读介质上的计算机指令，以自动监视耦接工艺并且对强度、位置、加热模式或其它与激光60相关的变量进行任何必要的调整。计算机指令可以被进一步配置成允许处理器在附接接合部40、切削器10或钻头本体30的一部分上升到阈值温度以上时，自动关闭激光60。处理器和计算机可读介质可以被定位在自动化监视系统50内或驻留在单独的计算装置80内，所述单独的计算装置通信地耦接到自动化监视系统50。
在相同或替代实施方案中，可能需要或期望在自动化耦接工艺中实现人为干预。例如，用户可以在显示器上监视相机70的输出并且手动地调整激光60的参数(诸如强度、位置、加热模式等)。在相同或替代实施方案中，可能仅在已完成耦接工艺的全部或部分后，出现人为干预。例如，操作者可以在显示器上监视相机70的输出，所述显示器总结了一个或多个耦接工艺的结果。例如，操作者可以使用这一信息以确定耦接工艺是否如所指出而发生，或者所述工艺是否存在错误，这可能会决定切削元件的去除以及再耦接。
图2说明了上述实施方案的截面图。这个视图说明了将切削元件10安置在钻头本体30的凹腔20内的一个实施方案。激光60向切削元件10的非金刚石(基板)部分施加热量以激活附接接合部40内的附接材料。在所示实施方案中，切削元件10并不会沿着这一轴线在钻头本体30的一部分内锁定。
然而，在某些实施方案中，可以使切削元件10如图3所示沿这一轴线在钻头本体30的一部分内锁定。在该实施方案中，钻头本体30的凹腔20以以下方式进行配置，使得切削元件10在钻头本体30的一部分内锁定。例如，凹腔20的锁定部分90延伸超过切削元件10的一部分以使切削元件10在钻头本体30的一部分内锁定。
钻头本体30可为钻地钻头(诸如固定的切削钻头)。图4说明了包含耦接到钻头本体30的多个切削元件10的固定切削钻头100。固定切削钻头100可以包括钻头本体30，其中多个刀片200延伸穿过其中。钻头本体30可由钢、基质材料或其它合适的钻头本体材料形成。可以形成具有所需磨损和腐蚀性能的钻头本体30。可以使用本公开的方法或使用其它方法来将切削元件10安装在钻头上。
对于图4所示的实施方案，固定切削钻头100可以具有五(5)个刀片200。对于某些应用来说，设置在固定切削钻头上的刀片数量(结合本公开的教义)可以在三(3)个刀片与八(8)个刀片或更多刀片之间变化。可以在相邻刀片200之间形成相应的排屑槽210。可以选择刀片200和排屑槽210的数量、尺寸和配置以优化钻井流体、岩层切屑和井下钻屑从井筒底部到相关井表面的流动。
当钻头本体30响应于相关钻柱(未明确示出)的旋转而相对于井筒底部(未明确示出)旋转时，可能发生钻井动作。设置在相关刀片200上的至少一些切削元件10可以接触井下岩层(未明确示出)钻井装置的相邻部分。这些切削元件10可以被定向成使得PCD接触岩层。相关井筒的内径可以通过由刀片200的相应保径部分220至少部分确定的结合起来的外径或保径大体限定。
在某些实施方案中，钻头本体30的制造可以包括使多个切削元件10附接到钻头本体30。这可以包括自动化(或基本自动化)工艺(诸如以上参照图1至3更详细描述)，其中第一耦接工艺用于使第一切削元件10附接到钻头本体30，旋转钻头本体30以使第二切削元件10暴露于自动化监视系统50，并且第二耦接工艺用于使第二切削元件10附接到钻头本体30。这可以根据需要重复多次，以使多个切削元件10附接到钻头本体30。
虽然以上具体描述了本发明的仅示例性实施方案，但应当了解，这些实施例的修改和变化也是可能的，而不脱离本发明的精神和预期范围。例如，可以通过参考钻头实施例来确定PCD元件在其它工业装置上的恰当放置和定向。另外，耦接工艺中附接材料的所需或最优温度可为温度范围，诸如在两个温度之间或高于某个温度。另外，可以使用其它硬的或超硬的材料元件(诸如立方氮化硼元件或混合金刚石硅元件)来取代如本文所述的PCD元件。
Claims (25)
1.一种用于制造钻头本体的方法，所述方法包括：
执行第一耦接工艺，所述第一耦接工艺包括：
加热沿第一切削元件与钻头本体的第一凹部之间的附接接合部的至少一部分定位的附接材料，其中加热包括施加基本自动化的热源；
使用相机监视所述第一切削元件、所述钻头本体、所述附接接合部或所述附接材料的温度；以及
响应于来自所述相机的与所述受监视温度相关的至少一个输出来调整与激光相关的至少一个参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中与所述激光相关的所述一个或多个参数包括所述激光的强度。
3.如权利要求1所述的方法，其中与所述激光相关的所述一个或多个参数包括所述激光的位置。
4.如权利要求1所述的方法，其中与所述激光相关的所述一个或多个参数包括所述激光的加热模式。
5.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：
旋转所述钻头本体以使第二切削元件暴露于所述基本自动化的热源，所述第二切削元件定位在所述钻头本体的第二凹部内；以及
执行第二耦接工艺，其中所述第二耦接工艺与所述第一耦接工艺基本类似。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一凹部被配置成使所述第一切削元件在所述凹部内机械地锁定。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一凹部被配置成使所述第一切削元件沿与所述钻头本体的表面相切的轴线机械地锁定。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述第一凹部被配置成使所述第一切削元件沿与所述钻头本体的表面垂直的轴线机械地锁定。
9.一种自动化监视系统，其包括：
基本自动化热源，所述基本自动化热源被配置成向定位在钻头本体的第一凹部中的第一切削元件、向所述钻头本体、向所述切削元件与所述钻头本体之间的附接接合部或向附接材料应用激光；以及
相机，所述相机被配置成监视所述第一切削元件、所述钻头本体、所述附接接合部或所述附接材料的温度。
10.如权利要求9所述的自动化监视系统，其中所述相机通信地耦接到所述自动化热源。
11.如权利要求10所述的自动化监视系统，其中所述基本自动化热源被进一步配置成响应于来自所述相机的与所述受监视温度相关的至少一个输出来改变所述激光的所述强度。
12.如权利要求10所述的自动化监视系统，其中所述基本自动化热源被进一步配置成响应于来自所述相机的与所述受监视温度相关的至少一个输出来改变所述激光的所述位置。
13.如权利要求10所述的自动化监视系统，其中所述基本自动化热源被进一步配置成响应于来自所述相机的与所述受监视温度相关的至少一个输出来改变所述激光的所述加热模式。
14.如权利要求9所述的自动化监视系统，其进一步包括通信地耦接到所述相机的电子显示器，所述电子显示器被配置成显示来自所述相机的与所述受监视温度相关的至少一个输出。
15.如权利要求9所述的自动化监视系统，其进一步包括：
处理器，所述处理器通信地耦接到所述基本自动化热源；以及
通信地耦接到所述处理器的非暂时性计算机可读介质，所述计算机可读介质具有存储于其上的指令，所述指令在被执行时导致所述处理器：
响应于来自所述相机的至少一个输出来自动调整与所述激光相关的至少一个参数，其中所述输出与所述第一切削元件的温度相关。
16.一种钻地钻头，其包括：
第一切削元件，所述第一切削元件被定位在钻头本体的第一凹部中；以及
附接材料，所述附接材料被定位在所述第一凹部中，其中：
所述附接材料由基本自动化热源通过应用激光来激活；并且
由相机监视所述第一切削元件的所述温度。
17.如权利要求16所述的钻地钻头，其中所述相机通信地耦接到所述自动化热源。
18.如权利要求17所述的钻地钻头，其中所述基本自动化热源被配置成响应于来自所述相机的与所述受监视温度相关的至少一个输出来改变所述激光的所述强度。
19.如权利要求17所述的钻地钻头，其中所述基本自动化热源被配置成响应于来自所述相机的与所述受监视温度相关的至少一个输出来改变所述激光的所述位置。
20.如权利要求17所述的钻地钻头，其中所述基本自动化热源被配置成响应于来自所述相机的与所述受监视温度相关的至少一个输出来改变所述激光的所述加热模式。
21.如权利要求16所述的钻地钻头，其进一步包括位于钻头本体的第二凹部中的第二切削元件，其中所述钻头本体被配置成旋转以使所述第二切削元件暴露于所述基本自动化热源。
22.如权利要求16所述的钻地钻头，其中所述第一凹部被配置成使所述第一切削元件在所述钻头本体的一部分内机械地锁定。
23.如权利要求22所述的钻地钻头，其中所述第一凹部被配置成使所述第一切削元件沿与所述钻头本体的表面相切的轴线机械地锁定。
24.如权利要求22所述的钻地钻头，其中所述第一凹部被配置成使所述第一切削元件沿与所述钻头本体的表面垂直的轴线机械地锁定。
25.如权利要求17所述的钻地钻头，其中由所述相机监视所述附接材料的温度。
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