CN106232912A - 具有变化热特性的隔热封罩 - Google Patents
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Abstract
一种用于冷却模具的示例性隔热封罩，所述隔热封罩包括：支撑结构，所述支撑结构具有顶端、底端以及内部，所述底端限定用于将模具接收在所述支撑结构的所述内部的开口；以及隔热材料，所述隔热材料由所述支撑结构支撑并且至少从所述底端延伸到所述顶端，其中所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的一个或多个热特性从所述底端到所述顶端纵向地改变。在一些情况下，所述一个或多个热特性进一步围绕所述支撑结构的圆周改变。
Description
发明背景
本公开涉及油田工具制造，并且更具体地，涉及在制造期间帮助控制钻头的热特性曲线以防止制造缺陷的隔热封罩。
旋转钻头通常用来钻探油气井、地热井和水井。一种类型的旋转钻头是具有钻头体的固定切削刃钻头，所述钻头体包括胎体和加强材料，即本文所提到的“胎体钻头”。胎体钻头通常包括定位在胎体钻头体的外部上的选定位置处的切削元件或镶齿。流体流动通道形成在胎体钻头体内以允许来自相关表面钻探设备的钻探流体穿过附接到胎体钻头体的钻柱或钻杆的连通。钻探流体对胎体钻头上的切削元件进行润滑。
胎体钻头通常通过将粉末材料放置到模具中并且利用粘结剂材料(诸如金属合金)熔浸所述粉末材料而制成。所得到的胎体钻头的各种特征(诸如刀片、切削刃槽和/或流体流动通道)可通过使模具腔成形和/或通过将临时置换材料定位在模具腔的内部部分内来提供。预成型的钻头坯体(或钢质柄部)可放置在模具腔内以便向胎体钻头体提供加强作用并且允许所得到的胎体钻头与钻柱的附接。随后，一定量的胎体加强材料(通常呈粉末形式)可与一定量的粘结剂材料一起放置在模具腔内。
然后，将模具放置在熔炉内并且将模具的温度增加到期望的温度以允许粘结剂(例如，金属合金)液化并且熔浸胎体加强材料。熔炉通常将这种期望的温度维持到熔浸过程被认为完成的时刻，诸如当钻头中的特定位置达到某一温度时。一旦已经达到所指定的过程时间或温度时，就将包含熔浸的胎体钻头的模具从熔炉移除。当将模具从熔炉移除时，所述模具开始通过热传递快速将热量散失到其周围环境中，诸如辐射和/或在所有方向上(包括径向地从钻头轴以及轴向地与钻头轴平行)的对流。在冷却之后，熔浸的粘结剂(例如，金属合金)凝固并且结合胎体加强材料以形成金属胎体组合物式钻头体并且还将钻头体结合到钻头坯体以形成所得到的胎体钻头。
通常，冷却开始于熔浸胎体的周围并且向内继续，其中钻头体的中心以最慢的速率冷却。因此，甚至在钻头体的熔浸胎体的表面已经冷却之后，大量的熔融材料可能仍然留在钻头体的中心。在熔融材料冷却时，存在可导致在钻头体内形成孔隙的收缩趋势，除非熔融材料能够继续回填此类孔隙。在一些情况下，例如，钻头体内的一个或多个中间区域可在相邻区域之前固化并且由此将熔融材料的流动阻止到收缩孔隙度正在发展的位置处。在其他情况下，收缩孔隙度可导致钻头坯体与熔融材料之间的接触面处的不良冶金结合，这可能导致在钻头体内形成可能很难或不可能检查出来的裂缝。当存在和/或检测到此类结合缺陷时，钻头通常在制造期间或制造之后被废弃或者钻头的使用期限可大幅度降低。如果未检测到这些缺陷并且在井场处的工作中使用钻头，那么钻头可能发生故障和/或对钻井造成损害，包括钻机运转时间的损失。
附图简述
以下附图被包括来用于说明本公开的特定方面，并且不应视作排他性实施方案。所公开的主题能够在不脱离本公开的范围的情况下在形式和功能上进行相当多的修改、改变、组合以及等效化。
图1示出可根据本公开的原理制造的示例性固定切削刃钻头。
图2A-2C示出根据本公开的原理制造钻头的示例性方法的进展示意图。
图3示出根据一个或多个实施方案的示例性隔热封罩的截面侧视图。
图4示出根据一个或多个实施方案的图3的示例性隔热封罩的另一个实施方案的截面侧视图。
图5示出根据一个或多个实施方案的另一个示例性隔热封罩的截面顶视图。
具体实施方式
本公开涉及油田工具制造，并且更具体地，涉及在制造期间帮助控制钻头的热特性曲线以防止制造缺陷的隔热封罩。
本公开描述了隔热封罩的各种实施方案，所述隔热封罩被构造来帮助控制模具的热特性曲线，并且由此增强定位在所述模具内的熔融内容物的定向凝固。更具体地，本文所描述的示例性隔热封罩表现出沿纵向方向和/或所述隔热封罩的圆周变化的热特性。在一些实施方案中，例如，隔热材料的热阻或热导率可在纵向方向上改变，从而产生在冷却期间隔热特性沿纵向方向(诸如沿相对于处于其直立定向的模具的垂直方向)改变的隔热封罩。例如，一些实施方案在隔热封罩的最顶部区域中具有较高的隔热特性并且在最底部区域中具有较低的隔热特性。在其他实施方案中，可以采用一个或多个加热元件(其可包括热交换器、感应加热器或下文进一步描述的其他实例)，诸如有源加热元件或无源加热元件来在隔热封罩的最顶部区域中维持较高的温度并且在最底部区域中维持较低的温度。因此，通过隔热封罩的热能损失速率可以纵向地分级，其中最多的热能是从最底部区域损失掉的。因此，目前所描述的实施方案可有利于更多地控制针对模具的冷却过程，并且从而优化模具内的任何熔融内容物的定向凝固并且还减轻收缩孔隙度。
图1示出可根据本公开的原理制造的固定切削刃钻头100的实例的透视图。如图所示，固定切削刃钻头100(在下文中称为“钻头100”)可包括或以其他方式限定沿着钻头头部104的圆周布置的多个切削刀片102。钻头头部104连接到柄部106以形成钻头体108。柄部106可通过焊接，诸如使用致使围绕焊接槽112形成焊缝110的激光电弧焊接而连接到钻头头部104。柄部106还可包括或以其他方式连接到螺纹销114，诸如美国石油协会(API)钻杆螺纹。
在所描绘的实例中，钻头100包括五个切削刀片102，其中形成多个凹槽或凹部116(也被称为“插孔”和/或“插座”)。切削元件118，或者称为镶齿，可固定地安装在每个凹部116内。这例如可通过将每个切削元件118钎焊到对应的凹部116中完成。当在使用中旋转钻头100时，切削元件118啮合岩石和下方的土制材料，以便挖掘、刮掉或磨掉被穿透地层的材料。
在钻探操作期间，可通过钻柱(未示出)向井下泵送钻探流体(通常被称为“泥浆”)，所述钻柱在螺纹销114处耦接到钻头100。钻探流体循环通过钻头100并且在一个或多个喷嘴120处离开所述钻头100，所述一个或多个喷嘴120定位在限定于钻头头部104中的喷嘴开口122中。排屑槽124形成在每对相邻的切削刀片102之间，钻屑、井下碎片、地层流体、钻探流体等可沿着所述排屑槽124在环空内移动并且循环回到钻井表面，所述环空形成在钻柱的外部部分与正在钻探的井筒的内部(未明确示出)之间。
图2A-2C是顺序地示出根据本公开的原理制造钻头(诸如图1的钻头100)的示例性方法的示意图。在图2A中，模具200放置在熔炉202内。虽然在图2A-2C中未明确描绘，但是模具200可包括并且以其他方式包含生产钻头所需的所有必要材料和组成部件，包括但不限于加强材料、粘结剂材料、置换材料、钻头坯体等。
对于一些应用来说，两种或更多种不同类型的胎体加强材料或粉末可定位在模具200中。此类胎体加强材料的实例可包括但不限于碳化钨、碳化一钨(WC)、碳化二钨(W2C)、粗晶碳化钨、其他金属碳化物、金属硼化物、金属氧化物、金属氮化物、天然和人造金刚石以及多晶金刚石(PCD)。其他金属碳化物的实例可包括但不限于碳化钛和碳化钽，并且也可使用此类材料的各种混合物。可使用的各种粘结剂(熔浸)材料包括但不限于铜(Cu)、镍(Ni)、锰(Mn)、铅(Pb)、锡(Sn)、钴(Co)和银(Ag)的金属合金。有时还可以添加少量的磷(P)以便降低定位在模具200中的熔浸材料的熔融温度范围。此类金属合金的各种混合物也可用作粘结剂材料。
模具200和其内容物的温度在熔炉202内升高直到粘结剂液化并且能够熔浸胎体材料。一旦模具200中的指定位置在熔炉202中达到特定温度，或者模具200在熔炉202内以其他方式维持在特定温度下持续预先确定的时间量，那么就将模具200从熔炉202移除。一经从熔炉202移除，模具200就立即开始通过向其周围环境辐射热能而损失热量，同时热量还通过来自熔炉202外部的冷空气对流散掉。在一些情况下，如图2B所描绘的，可以将模具200运输到受热器206并设置在其上。从模具200到环境的辐射热损失和对流热损失继续直到隔热封罩208下降到模具200周围。
隔热封罩208可以是用来隔离模具200并且由此减缓冷却过程的刚性壳或结构。在一些情况下，隔热封罩208可包括附接到其顶部表面的挂钩210。挂钩210可提供诸如用于提升构件的附接位置，由此隔热封罩208可以由所述提升构件抓持和/或以其他方式附接到其上以用于运输。例如，链条或钢丝绳212可耦接到挂钩210以便提升并且移动隔热封罩208，如图所示。在其他情况下，轴柄或其他类型的操纵器(未示出)可抓持在挂钩210上以便将隔热封罩208移动到期望的位置。
在一些实施方案中，隔热封罩208可包括外框架214、内框架216和定位在外框架214与内框架216之间的隔热材料218。在一些实施方案中，外框架214和内框架216两者可由轧制钢制成并且成型(即，弯曲、焊接等)为隔热封罩208的一般形状、设计和/或构造。在其他实施方案中，内框架216可以是将隔热材料218保持在外框架214与内框架216之间的金属丝网。隔热材料218可选自多种隔热材料，诸如下文所讨论的那些。在至少一个实施方案中，隔热材料218可以是陶瓷纤维毛毡，诸如等。
如图2C所描绘的，隔热封罩208可封闭模具200，以使得从模具200辐射的热能从模具200的顶部和侧面大幅度减少并且替代地基本上向下引导并且另外朝向/进入受热器206或朝向模具200返回。在所示出的实施方案中，受热器206是冷却板，该冷却板被设计来使流体(例如，水)相对于模具200在降低的温度下循环(即，在周围环境处或附近)以便从模具200吸取热能进入循环流体，并且由此降低模具200的温度。然而，在其他实施方案中，受热器206可以是被构造来促进从模具200的底部220到受热器206的热传递的任何类型的冷却装置或热交换器。在另外其他实施方案中，受热器206可以是可支撑模具200并且优选地具有高热容量的任何稳定或刚性表面，诸如混凝土板或地板。
因此，一旦隔热封罩208围绕模具200布置并且受热器206进行操作，热能的大部分就通过模具200的底部220转移离开模具200并且进入受热器206。模具200和其内容物(即，胎体钻头)的这种受控冷却允许用户在一定程度上调节或控制模具200的热特性曲线并且可致使定位在模具200内的钻头的熔融内容物的定向凝固，其中钻头的轴向凝固超过其径向凝固。在模具200内，钻头的面(即，钻头的包括切削刃的末端)可定位在模具200的底部220处并且另外与受热器206相邻，同时柄部106(图1)可与模具200的顶部相邻定位。因此，可以从切削刃118(图1)朝向柄部106(图1)以轴向向上方式冷却钻头。这种定向凝固(从下而上)在以下方面可证明是有利的：减少由于收缩孔隙度、钻头坯体与熔融材料之间的接触面处的裂缝以及喷嘴裂缝而导致的孔隙的发生。
虽然图1描绘固定切削刃钻头100并且图2A-2C讨论在模具200内一般性钻头的生产，但是本公开的原理同样适用于任何类型的油田钻头或切削工具，包括但不限于固定角度的钻头、牙轮钻头、取芯钻头、双心钻头、孕镶钻头、扩孔器、稳定器、开孔器、切削刃、切削元件等。此外，应当理解，本公开的原理还可应用于制造至少部分地通过使用模具形成的其他类型的工具和/或部件。例如，本公开的教义还可适用于(但不限于)不可回收的钻探部件、与井筒的套管钻探相关的铝钻头体、钻柱稳定器、用于牙轮钻头的牙轮、用于锻造用来制造牙轮钻头的支撑臂的压模的模型、用于固定扩孔器的臂、用于可扩展扩孔器的臂、与可扩展扩孔器相关的内部部件、附接到旋转钻头的沿井孔上行末端的套筒、旋转导向工具、随钻测井工具、随钻测量工具、井壁取芯工具、捕鱼叉、冲洗工具、转子、定子和/或用于井下钻探电机的外罩、刀片和用于井下涡轮的外罩以及具有与形成井筒相关的复杂构造和/或不对称几何形状的其他井下工具。
根据本公开，模具200的热特性曲线可以通过以下方式进行控制：改变隔热封罩208的构造和/或设计，从而提供沿纵向方向(例如，从隔热封罩的底部到顶部)表现出变化的热特性的隔热封罩。在一些情况下，隔热材料218的热阻或热导率可以在纵向方向上改变，从而产生隔热特性随高度增加的隔热封罩。在一个实例中，这种封罩可以在最顶部区域中具有其最高隔热特性并且在最底部区域中具有最低隔热特性。在其他情况下，隔热封罩可以采用一个或多个加热元件(例如，热交换器、感应加热器等，或下文进一步描述的其他实例)，所述加热元件被构造来在隔热封罩的最顶部区域中维持较高的温度并且在最底部区域中维持较低的温度。因此，通过隔热封罩的热能损失速率可以在纵向方向上分级，从而使得在模具的冷却期间，离开隔热封罩的热通量朝向底部增加，并且可以在最底部区域处达到最大值。本文所公开的实施方案可有利于更多地控制针对模具200的冷却过程，并且优化模具200内的熔融内容物(例如，钻头)的定向凝固。通过定向凝固，可以将任何潜在的缺陷(例如，孔隙)形成在模具200的较高和/或更向外的位置处，在所述位置中可以稍后在修整操作期间将它们加工去除。
图3是根据一个或多个实施方案的设置在受热器206上的示例性隔热封罩300的截面侧视图。隔热封罩300在一些方面可类似于图2B和图2C的隔热封罩208，并且因此可以参考这两个图来最佳地理解，其中相同的数字指示相同的元件或部件，相同的元件或部件不再进行描述。隔热封罩300可包括支撑结构306和由支撑结构306支撑的隔热材料308。隔热封罩300(例如，支撑结构306)可以是端部开放的圆柱形结构，具有顶端302a和底端302b。底端302b可以是开放的或以其他方式限定开口304，所述开口304被构造来接收模具200，以使得当隔热封罩300下降到模具200周围时，模具200能够布置在隔热封罩300(例如，支撑结构306)的内部中。顶端302a可以封闭的并且在其外表面上提供挂钩210，如上所述。
隔热材料308可大致在支撑结构306的顶端302a与底端302b之间延伸。隔热材料308可以通过隔热封罩300的各种构造由支撑结构306支撑。例如，如所示出的实施方案中所描绘的，支撑结构306可包括外框架214和内框架216，如上文大致上所描述的，所述外框架214和所述内框架216在本文中可统称为支撑结构306。外框架214和内框架216可协作地限定空腔310，并且空腔310可以被构造来将隔热材料308接收并以其他方式容纳在其中。在一些实现方式中，如图所示，支撑结构306还可包括在隔热封罩300的底端302b处的基脚312，所述基脚312在外框架214与内框架216之间延伸。基脚312可充当用于隔热材料308的支撑件，并且可证明在隔热材料308包括可堆叠的和/或单独的组成隔热材料时尤其有用，所述组成隔热材料可在空腔310内堆叠在彼此顶上。
然而，在其他实施方案中，外框架214可以从隔热封罩300中省略，并且可替代地，隔热材料308可以耦接到内框架216和/或以其他方式由基脚312支撑。在另外的其他实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，内框架216可以从隔热封罩300中省略，并且可替代地，隔热材料308可以耦接到外框架216和/或以其他方式由基脚312支撑。
支撑结构306，包括外框架214和内框架216中的一者或两者，可由任何刚性材料制成，所述材料包括但不限于金属、陶瓷(例如，模制的陶瓷基板)、复合材料、其组合等。在至少一个实施方案中，支撑结构306，包括外框架214和内框架216中的一者或两者，可以是金属网。支撑结构306可表现出将容纳模具200的一般形状的任何合适的水平截面形状，包括但不限于圆形、椭圆形、多边形、带有圆角的多边形或其任何混合体。在一些实施方案中，支撑结构306在不同的垂直或纵向位置处可表现出不同的水平截面形状和/或尺寸。
隔热材料308可类似于图2B和图2C的隔热材料218。隔热材料308可包括但不限于：陶瓷(例如，可以是结晶的、非结晶的、半结晶的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物和硅化物)、聚合物、隔热金属复合材料、碳、纳米复合材料、泡沫、流体(例如，空气)、其任何组合物或其任何组合。隔热材料308还可包括但不限于呈以下形式的材料：珠粒、微粒、薄片、纤维、羊毛、织造织物、膨化织物、片材、砖块、石头、块体、铸造形状、模制形状、泡沫、喷淋隔热体等、其任何混合物或其任何组合。因此，可用作隔热材料308的合适材料的实例可包括但不限于：陶瓷、陶瓷纤维、陶瓷织物、陶瓷棉、陶瓷珠粒、陶瓷块、可模制陶瓷、编织陶瓷、铸造陶瓷、耐火砖、碳纤维、石墨块、成型的石墨块、聚合物珠粒、聚合物纤维、聚合物织物、纳米复合材料、护套中的流体、金属织物、金属泡沫、金属棉、金属铸造物等、其任何组合物或其任何组合。
可用作隔热材料308的合适材料可以能够将模具200维持在一定温度下，所述温度的范围为从约-200℃(-325°F)、-100℃(-150°F)、0℃(32°F)、150℃(300°F)、175℃(350°F)、260℃(500°F)、400℃(750°F)、480℃(900°F)或535℃(1000°F)的下限到约870℃(1600°F)、815℃(1500°F)、705℃(1300°F)、535℃(1000°F)、260℃(500°F)、0℃(32°F)或-100℃(-150°F)的上限，其中所述温度的范围可以是从任一下限到任一上限的范围并且包含其间的任何子集。此外，可用作隔热材料308的合适材料可以能够承受一定的温度，所述温度的范围为从约-200℃(-325°F)、-100℃(-150°F)、0℃(32°F)、150℃(300°F)、260℃(500°F)、400℃(750°F)或535℃(1000°F)的下限到约870℃(1600°F)、815℃(1500°F)、705℃(1300°F)、535℃(1000°F)、0℃(32°F)或-100℃(-150°F)的上限，其中所述温度的温度可以是从任一下限到任一上限并且包含其间的任何子集。本领域的技术人员将容易理解，可针对特定应用和将在隔热封罩300内维持的特定温度来适当地选择隔热材料508。
在一些实施方案中，除了或独立于上文提及的材料，反射涂层或材料可定位在支撑结构306的内表面上。更具体地，可以将反射涂层或材料施加到、附着到外框架214和内框架216中的一者或两者的内表面和/或喷洒到其上，以便将从模具200散发的一定量的热能朝向模具200反射回去。此外，可以将隔热涂层313(诸如热障涂层)施加到框架214和内框架216中的一者或两者。这种隔热涂层313可以在相邻材料(诸如内框架216与隔热材料308或隔热材料508与外框架214)之间提供热障。在其他实施方案中，或除此之外，可以对外框架214和内框架216中的一者或两者的内表面进行抛光以便增加其辐射率。
隔热封罩300可以被构造来在冷却期间通过沿隔热封罩300的纵向方向A改变一个或多个热特性而控制模具200的热特性曲线。更具体地，可以从隔热封罩300的底端302b到顶端302a改变隔热封罩300的一个或多个热特性。可以在纵向方向A上改变的示例性热特性包括但不限于：热阻(即，R值)、热导率(k)、比热容(CP)、密度(即，每单位体积的隔热材料308的重量)、热扩散率、温度、表面特征(例如，粗糙度、涂层、涂料)、发射率、吸收率以及其任何组合。
通过在纵向方向A上改变热特性，可以导致在隔热封罩300的顶端302a处或附近的较高隔热特性以及在底端302b处或附近的较低隔热特性。因此，通过隔热封罩300的热能损失速率可以在纵向方向A上分级，其中与顶端302a相反，在底端302b处或附近损失较多的热能。因此，可以由此控制模具200的热特性曲线，以使得模具200内的熔融内容物的定向凝固基本上从模具200的底部220在纵向方向A上轴向向上实现，而不是径向穿过模具200的侧面。
在一些实施方案中，隔热封罩300的侧壁可以分成多个隔热区314(示出为隔热区314a、314b、314c和314d)。虽然描绘了四个隔热区314a-d，但是本领域的技术人员将容易理解，在不脱离本公开的范围的情况下，在隔热封罩300中可以采用多于或少于四个隔热区314a-d。实际上，离散隔热区314a-d的数量可根据模具200内所制造的工具或装置(例如，图1的钻头100)的规格而改变。
可以通过以下方式被动地完成改变沿隔热封罩300的纵向方向A的热阻、热导率、比热容、密度、热扩散率、温度、发射率和吸收率中的至少一个：将隔热区314a-d构造成使得与容许通过布置在隔热封罩300的顶端302a处或附近的隔热区314a-d的热能损失相比，容许通过布置在底端302b处或附近的隔热区314a-d的热能损失更多。
在至少一个实施方案中，例如，支撑结构306和/或隔热材料308可以改变，以使得布置在隔热封罩300的底端302b处或附近的隔热区314a-d的热阻(R值)小于布置在顶端302a处或附近的隔热区314a-d的热阻(R值)。在这种实施方案中，第一隔热区314a可表现出第一R值“R1”，第二隔热区314b可表现出第二R值“R2”，第三隔热区314c可表现出第三R值“R3”，并且第四隔热区314d可表现出第四R值“R4”，其中R1＞R2＞R3＞R4。因此，隔热封罩300的R值可以从隔热封罩300的底端302b朝向顶端302a在纵向方向A上增加，从而使得在通过受热器206从底部220吸出热能时，更多的热能保持在模具200的顶部处或附近。
如本领域的技术人员将理解的，每个隔热区314a-d的分级R值R1-R4可以各种方式实现，诸如通过针对每个隔热区314a-d处的支撑结构306和隔热材料308中的一者或两者使用不同的材料。针对每个隔热区314a-d的分级R值还可通过改变每个隔热区314a-d处的支撑结构306和隔热材料308中的一者或两者的厚度和/或密度来实现。例如，在一个或多个实施方案中，隔热区314a-d的布置在隔热封罩300的顶端302a处或附近的隔热材料308可包括隔热材料308的多个层或卷绕部，诸如陶瓷纤维毛毡(例如，)的多个层或卷绕部。隔热区314a-d的布置在顶端302a处或附近的隔热材料308的增加的厚度和/或密度可对应地增加R值。
在其他实施方案中，支撑结构306和/或隔热材料308可以改变，以使得布置在隔热封罩300的底端302b处或附近的隔热区314a-d的热导率(k)大于布置在顶端302a处或附近的隔热区314a-d的热导率(k)。在这种实施方案中，第一隔热区314a可表现出第一热导率“k1”，第二隔热区314b可表现出第二热导率“k2”，第三隔热区314c可表现出第三热导率“k3”，并且第四隔热区314d可表现出第四热导率“k4”，其中k1＜k2＜k3＜k4。因此，隔热封罩300的热导率可以从隔热封罩300的底端302b朝向顶端302a在纵向方向A上减少，从而使得在通过受热器206从底部220吸出热能时，更多的热能保持在模具200的顶部处或附近。
类似于分级R值，本领域的技术人员将容易理解，针对每个隔热区314a-d的分级热导率k1-k4可以各种方式实现，诸如通过针对在隔热封罩300的底端302b处或附近的隔热区314处的支撑结构306和隔热材料308中的一者或两者使用导热性更强的材料。在至少一个实施方案中，例如，在隔热封罩300的底端302b处或附近的隔热区314处的支撑结构306可至少部分地由表现出较高热导率的钢笼或金属网制成。针对每个隔热区314a-d的分级热导率还可以通过改变在每个隔热区314a-d处的支撑结构306和隔热材料308中的一者或两者的厚度和/密度来实现。因此，这可以产生以下隔热封罩300：其中在隔热封罩300的顶端302a附近的隔热区314a-d中具有最高的隔热特性并且在底端302b附近的隔热区314a-d中具有最低的隔热特性。
图4示出根据一个或多个实施方案的示例性隔热封罩300的另一个实施方案的截面侧视图。类似于图3的实施方案，图4的隔热封罩300可以被构造来在冷却期间通过沿隔热封罩300的纵向方向A改变一个或多个热特性而控制模具200的热特性曲线。因此，通过隔热封罩300的热能损失速率可以是分级的，从而使得与隔热封罩300的顶端302a相反，大部分热能是在底端302b处或附近损失的。
在所示出的实施方案中，隔热封罩300可包括一个或多个加热元件402(示出为加热元件402a、402b、402c和402d)，所述一个或多个加热元件402布置成与支撑结构306并且因此与模具200热连通。如图所示，第一加热元件402a布置在第一隔热区314a中，第二加热元件402b布置在第二隔热区314b中，第三加热元件402c布置在第三隔热区314c中，并且第四加热元件402d布置在第四隔热区314d中。每个加热元件402a-d可构造来沿纵向方向A主动地改变模具200的温度，从而使得与在隔热封罩300的底端302b处或附近维持的较低温度相比，在顶端302a处或附近维持的温度较高。因此，与容许通过布置在隔热封罩300的顶端302a处或附近的隔热区314a-d的热能损失相比，容许通过布置在底端302b处或附近的隔热区314a-d的热能损失更多。
每个加热元件402a-d可以是被构造来向模具200施加热能、并且更具体地通过支撑结构306的侧壁向其施加热能的任何装置或机构。例如，每个加热元件402a-d可以是但不限于加热元件、热交换器、辐射加热器、电加热器、红外加热器、感应加热器、加热带、加热的线圈、加热的流体(流动的或静态的)、放热化学反应(例如，燃烧或排气)或其任何组合。用于加热元件的合适构造可包括但不限于线圈、板材、条带、带翅片的条带等或其任何组合。
虽然图4中仅描绘四个加热元件402a-d，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，在隔热封罩300可以采用任何数量的加热元件402a-d。实际上，在隔热封罩300的顶端302a处或附近的一个或多个隔热区314a-d中可能需要多个加热元件402a-d以维持升高的温度。
加热元件402a-d可通过多种构造的隔热封罩300与模具200热连通。在所示出的实施方案中，例如，加热元件402a-d被描绘为嵌入在支撑结构306的侧壁中的隔热材料308内。然而，在其他实施方案中，加热元件402a-d可插入支撑结构306与模具200之间，诸如附接到支撑结构300的内壁/内表面。加热元件402a-d在以下方面可为有用的：当所述加热元件402a-d在纵向方向A上向模具200的顶部提供增加的热能同时受热器206从模具200的底部220吸出热能时，帮助促进模具200的熔融内容物的定向凝固。
在所示出的实施方案中，加热元件402a-d是在对应隔热区314a-d中嵌入在隔热材料308(例如，陶瓷隔热材料)内的加热线圈。在操作中，每个加热元件402a-d可以独立地控制和/或操作，从而使得在每个隔热区314a-d处对模具200的热输入在纵向方向A上改变。因此，第一隔热区314a可表现出第一温度“T1”，第二隔热区314b可表现出第二温度“T2”，第三隔热区314c可表现出第三温度“T3”，并且第四隔热区314d可表现出第四温度“T4”，其中T1＞T2＞T3＞T4。因此，隔热封罩300内的温度可以从隔热封罩300的底端302b朝向顶端302a在纵向方向A上增加，从而使得在通过受热器206从底部220吸出热能时，更多的热能保持在模具200的顶部处或附近。
在其他实施方案中，若干加热元件402a-d(多于所示出的四个)可以沿纵向方向A布置成均匀阵列。在此类实施方案中，每个加热元件402a-d可以独立地控制和/或操作以便在跨隔热封罩300的高度的不同纵向位置处改变热输入。在另外其他实施方案中，加热元件402a-d可以形成围绕支撑结构306/在所述支撑结构306内卷绕多次的单个加热线圈的一部分，并且所述单个加热线圈可以从单个点源进行控制。在此类实施方案中，可以通过改变围绕支撑结构306/在所述支撑结构306内的加热线圈的圈密度来在纵向方向A上改变隔热封罩300内的温度。例如，加热线圈的圈数可以是与隔热封罩300的底端302b相反，在顶端302a处或附近更致密，这可导致在顶端302a处增加的热输入。
在另外其他实施方案中，可以通过对支撑结构306、并且更具体地外框架214和/或内框架216进行电阻加热来沿纵向方向A主动地改变模具200的温度。在此类实施方案中，外框架214和/或内框架216可以是金属笼或金属网并且可以可连通地耦接到一个或多个电阻热源(未示出)。在操作中，穿过外框架214和/或内框架216的电流可遇到电阻，从而导致对外框架214和/或内框架216进行加热。通过这种电阻加热，与维持在隔热封罩300的底端302b处或附近的较低温度相比，可以在顶端302a处或附近、邻近模具200维持较高的温度。因此，可以由此控制模具200的热特性曲线，以使得模具200内的熔融内容物的定向凝固基本上从模具200的底部220在纵向方向A上轴向向上实现，而不是径向穿过模具200的侧面。
图5示出根据一个或多个实施方案的另一个示例性隔热封罩500的截面顶视图。隔热封罩500可基本上类似于图3和图4的隔热封罩300，并且因此可以参考这两个图来最佳地理解，其中相同的数字将指示相同的元件或部件，相同的元件或部件将不再进行描述。模具200在图5中被描绘为表现出基本上圆形的截面。然而，本领域的技术人员将容易理解，可替代地，模具200可以表现出其他截面形状，包括但不限于椭圆形、多边形、带有圆角的多边形或其任何混合体。
如图所示，隔热封罩500可包括：支撑结构306，所述支撑结构306包括外框架214和内框架216；以及隔热材料308，所述隔热材料308定位在空腔310内并且另外由支撑结构306支撑。然而，不同于图3和图4的隔热封罩300，隔热封罩500的热特性可围绕隔热封罩500(例如，支撑结构306)的圆周改变。围绕隔热封罩500的圆周改变其热特性可以被构造来实现形成于模具200内的工具或装置的不同几何形状或结构。
例如，可以证明改变隔热封罩500的热特性是有用的，所述隔热封罩500可径向或成角度地放置成与模具200的部分相邻，与模具200的包含排屑槽124(图1)的部分不同，钻头100(图1)的切削刀片102(图1、)形成于所述部分中。更具体地，可以证明以下情况是有利的：与模具200的包含排屑槽124的部分相比，模具200的切削刀片102形成于其中的部分冷却得更慢，以使得可以更有效地推动或其他方式促使切削刀片102中的任何潜在缺陷(例如，孔隙)朝向模具200的顶部区域，在所述顶部区域中可以稍后在修整操作期间将它们加工去除。
在所示出的实施方案中，第一隔热材料502a的一个或多个弧形部分以及第二隔热材料502b的一个或多个弧形部分可以布置在空腔310内。第一隔热材料502a和第二隔热材料502b可以由以上相对于隔热材料308所列出的任何材料制成。第一隔热材料502a可表现出一个或多个第一热特性并且第二隔热材料502b可表现出一个或多个第二热特性。在一些实施方案中，例如，第一隔热材料502a可表现出R值“R1”并且第二隔热材料502b可表现出R值“R2”，其中R1＞R2。在其他实施方案中，第一隔热材料502a可表现出热导率“k1”并且第二隔热材料502b可表现出热导率“k2”，其中k1＜k2。因此，可以证明将第一隔热材料502a的弧形部分与模具200的部分径向地和/或成角度地对准是有利的，所述部分优选地与第二隔热材料502b的弧形部分与其成角度地对准的成角度相邻部分相比冷却得更慢。
应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，还可以通过改变支撑结构306的在对应弧形部分或区段上的热导率来改变隔热封罩500的围绕其圆周的热特性。此外，应当进一步理解的是，在与本公开的范围一致的情况下，所有图3-5中所公开的实施方案可以任何组合的方式结合。例如，隔热封罩500的热特性可围绕其圆周并且在纵向方向A上同时改变。这种示例性设计可包括隔热区314d中的周向隔热材料502a、502b以及隔热区314a-c中的隔热材料308。在此类实施方案中，隔热材料308可以与隔热材料502a相同，并且隔热材料502b的几何形状可对应于钻头(例如，图1的钻头100)的排屑槽124。在不脱离本公开的范围的情况下，许多其他此类构造也是可能的。
本文所公开的实施方案包括：
A.一种隔热封罩，所述隔热封罩包括：支撑结构，所述支撑结构具有顶端、底端以及内部，所述底端限定开口；以及隔热材料，所述隔热材料由所述支撑结构支撑并且至少从所述底端延伸到所述顶端，其中所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的一个或多个热特性从所述底端到所述顶端纵向地改变。
B.一种方法，所述方法包括：将模具从熔炉移除，所述模具具有顶部和底部；将所述模具放置在受热器上，其中所述底部与所述受热器相邻；将隔热封罩下降到所述模具周围，所述隔热封罩包括支撑结构，所述支撑结构具有顶端、底端和用于通过限定在所述底端中的开口接收所述模具的内部，所述隔热封罩还包括隔热材料，所述隔热材料由所述支撑结构支撑并且至少从所述底端延伸到所述顶端；从所述底端到所述顶端纵向地改变所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的一个或多个热特性；以及从所述底部到所述顶部轴向向上冷却所述模具。
C.一种隔热封罩，所述隔热封罩包括：支撑结构，所述支撑结构具有顶端、底端以及内部，所述底端限定开口；以及隔热材料，所述隔热材料由所述支撑结构支撑并且至少从所述底端延伸到所述顶端，其中所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的一个或多个热特性围绕所述支撑结构的圆周改变。
D.一种方法，所述方法包括：将钻头引入到井筒中，所述钻头形成在模具内，所述模具在熔炉中加热并且随后冷却，其中冷却所述钻头包括：将所述模具从所述熔炉移除，所述模具具有顶部和底部；将所述模具放置在受热器上，其中所述底部与所述受热器相邻；将隔热封罩下降到所述模具周围，所述隔热封罩包括支撑结构，所述支撑结构具有顶端、底端和用于通过限定在所述底端中的开口接收所述模具的内部，所述隔热封罩还包括隔热材料，所述隔热材料由所述支撑结构支撑并且至少从所述底端延伸到所述顶端；从所述底端到所述顶端纵向地改变所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的一个或多个热特性；以及从所述底部到所述顶部轴向向上冷却所述模具；以及利用所述钻头钻探所述井筒的一部分。
实施方案A、B、C和D中的每一个可具有呈任何组合的以下另外的要素中的一个或多个：要素1：其中所述支撑结构包括外框架和内框架中的至少一个。要素2：其中所述支撑结构包括所述外框架和所述内框架，并且所述隔热材料定位在限定于所述外框架与所述内框架之间的空腔内。要素3：其中所述隔热封罩还包括定位在所述内框架和所述外框架中的至少一个上的隔热涂层。要素4：其中所述支撑结构由选自由以下组成的组的材料制成：金属、金属网、陶瓷、复合材料以及其任何组合。要素5：其中所述隔热材料是选自由以下组成的组的材料：陶瓷、陶瓷纤维、陶瓷织物、陶瓷棉、陶瓷珠粒、陶瓷块、可模制陶瓷、编织陶瓷、铸造陶瓷、耐火砖、碳纤维、石墨块、成型的石墨块、聚合物珠粒、聚合物纤维、聚合物织物、纳米复合材料、护套中的流体、金属织物、金属泡沫、金属棉、金属铸造物、其任何组合物以及其任何组合。要素6：还包括反射涂层，所述反射涂层定位在所述支撑结构的内表面上。要素7：其中所述一个或多个热特性选自由以下组成的组：热阻、热导率、比热容、密度、热扩散率、温度、表面特征、发射率、吸收率以及其任何组合。要素8：其中所述一个或多个热特性是热阻，并且所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的热阻从所述底端到所述顶端纵向地增加。要素9：其中所述一个或多个热特性是热导率，并且所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的热导率从所述底端到所述顶端纵向地减少。要素10：还包括一个或多个加热元件，所述一个或多个加热元件与所述模具热连通，其中所述一个或多个热特性是温度并且所述一个或多个加热元件使所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的温度从所述底端到所述顶端纵向地增加。要素11：其中所述一个或多个加热元件选自由以下组成的组：加热元件、热交换器、辐射加热器、电加热器、红外加热器、感应加热器、加热带、加热的线圈、加热的流体、放热化学反应以及其任何组合。要素12：其中所述一个或多个加热元件嵌入在所述隔热材料内。要素13：其中所述一个或多个加热元件包括多个独立控制的加热线圈。要素14：其中所述一个或多个加热元件包括围绕所述支撑结构或在所述支撑结构内卷绕多圈的加热线圈，并且其中所述加热线圈的所述圈密度在所述顶端处大于在所述底端处。要素15：其中所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的所述一个或多个热特性进一步围绕所述支撑结构的圆周改变。要素16：其中所述一个或多个热特性包括所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的热阻和热导率。
要素17：其中所述一个或多个热特性选自由以下组成的组：热阻、热导率、比热容、密度、热扩散率、温度、表面特征、发射率、吸收率以及其任何组合。要素18：其中所述一个或多个热特性是热阻，所述方法还包括从所述底端到所述顶端纵向地增加所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的热阻。要素19：其中所述一个或多个热特性是热导率，所述方法还包括从所述底端到所述顶端纵向地减少所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的热导率。要素20：其中所述一个或多个热特性是温度，所述方法还包括利用与所述模具热连通的一个或多个加热元件来从所述底端到所述顶端纵向地增加所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的温度。要素21：其中所述一个或多个加热元件包括多个加热线圈，所述方法还包括独立地控制每个加热线圈以便从所述底端到所述顶端纵向地减少所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的温度。要素22：还包括围绕所述支撑结构的圆周改变所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的所述一个或多个热特性，所述一个或多个热特性是所述支撑结构和所述隔热材料中至少一个的热阻和热导率中的至少一个。要素23：还包括利用所述受热器从所述模具的所述底部吸出热能。
因此，所公开的系统和方法良好适合于获得所提到的目标和优势以及本发明固有的那些目标和优势。以上公开的特定实施方案只是说明性的，因为本公开的教导内容可以对受益于本文教导内容的本领域技术人员显而易知的不同但等效的方式来修改和实践。此外，无意限制本文所示的构造或设计的细节，除非所附权利要求书中另有所述。因此，显然以上公开的特定说明性实施方案可被改变、组合、或修改，并且所有的此类变化被认为处于本公开的范围内。本文说明性公开的系统和方法可以在缺少本文未特定公开的任何要素和/或本文所公开的任何任选要素的情况下得以适当实践。虽然组合物和方法在“包含”、“含有”或“包括”各种成分或步骤方面来描述，但是组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。上文所公开的所有数字和范围可变化某一量。所有公开的具有下限和上限的数字范围，均明确公开落在所述范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地说，本文公开的值的每个范围(形式为“约a至约b”，或等效地“大致a至b”，或等效地“大致a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围。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其普通、常见意义。此外，如权利要求书中所用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中定义为意指引入的一个或多于一个元件。如果在本说明书与可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文件中的措词或术语的使用上存在任何冲突，那么应采用与本说明书一致的定义。
如本文所使用的，在一系列项目之前的短语“至少一个”，以及用于分开所述项目中的任何一个的术语“和”或“或”整体地修改列表，而不是所述列表中的每一个成员(即，每个项目)。短语“至少一个”允许包括项目中任何一个的至少一个、和/或项目的任何组合的至少一个、和/或项目中每一个的至少一个的意义。通过举例，短语“A、B和C中的至少一个”或“A、B或C中的至少一个”各自指代只有A、只有B、或只有C；A、B和C的任何组合；和/或A、B和C中的每一个的至少一个。
Claims (20)
1.一种隔热封罩，其包括：
支撑结构，所述支撑结构具有顶端、底端以及内部，所述底端限定用于接收模具的开口；以及
隔热材料，所述隔热材料由所述支撑结构支撑并且至少从所述底端延伸到所述顶端，
其中所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的一个或多个热特性从所述底端到所述顶端纵向地改变。
2.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述支撑结构包括外框架和内框架中的至少一个。
3.如权利要求2所述的隔热封罩，其中所述支撑结构包括所述外框架和所述内框架，并且所述隔热材料定位在限定于所述外框架与所述内框架之间的空腔内。
4.如权利要求3所述的隔热封罩，其中所述隔热封罩还包括定位在所述内框架和所述外框架中的至少一个上的隔热涂层。
5.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述支撑结构由选自由以下组成的组的材料制成：金属、金属网、陶瓷、复合材料以及其任何组合。
6.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述隔热材料是选自由以下组成的组的材料：陶瓷、陶瓷纤维、陶瓷织物、陶瓷棉、陶瓷珠粒、陶瓷块、可模制陶瓷、编织陶瓷、铸造陶瓷、耐火砖、碳纤维、石墨块、成型的石墨块、聚合物珠粒、聚合物纤维、聚合物织物、纳米复合材料、护套中的流体、金属织物、金属泡沫、金属棉、金属铸造物、其任何组合物以及其任何组合。
7.如权利要求1所述的隔热封罩，其还包括反射涂层，所述反射涂层定位在所述支撑结构的内表面上。
8.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述一个或多个热特性选自由以下组成的组：热阻、热导率、比热容、密度、热扩散率、温度、表面特征、发射率、吸收率以及其任何组合。
9.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述一个或多个热特性是热阻，并且所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的热阻从所述底端到所述顶端纵向地增加。
10.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述一个或多个热特性是热导率，并且所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的热导率从所述底端到所述顶端纵向地减少。
11.如权利要求1所述的隔热封罩，其还包括一个或多个加热元件，所述一个或多个加热元件与所述模具热连通，其中所述一个或多个热特性是温度并且所述一个或多个加热元件使所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的温度从所述底端到所述顶端纵向地增加。
12.如权利要求11所述的隔热封罩，其中所述一个或多个加热元件选自由以下组成的组：加热元件、热交换器、辐射加热器、电加热器、红外加热器、感应加热器、加热带、加热的线圈、加热的流体、放热化学反应以及其任何组合。
13.如权利要求11所述的隔热封罩，其中所述一个或多个加热元件嵌入在所述隔热材料内。
14.如权利要求13所述的隔热封罩，其中所述一个或多个加热元件包括多个独立控制的加热线圈。
15.如权利要求13所述的隔热封罩，其中所述一个或多个加热元件包括围绕所述支撑结构或在所述支撑结构内卷绕多圈的加热线圈，并且其中所述加热线圈的所述圈密度在所述顶端处大于在所述底端处。
16.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的所述一个或多个热特性进一步围绕所述支撑结构的圆周改变。
17.如权利要求16所述的隔热封罩，其中所述一个或多个热特性包括所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的热阻和热导率。
18.一种方法，其包括：
将模具从熔炉移除，所述模具具有顶部和底部；
将所述模具放置在受热器上，其中所述底部与所述受热器相邻；
将隔热封罩下降到所述模具周围，所述隔热封罩包括支撑结构，所述支撑结构具有顶端、底端和用于通过限定在所述底端中的开口接收所述模具的内部，所述隔热封罩还包括隔热材料，所述隔热材料由所述支撑结构支撑并且至少从所述底端延伸到所述顶端；
从所述底端到所述顶端纵向地改变所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的一个或多个热特性；以及
从所述底部到所述顶部轴向向上冷却所述模具。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述一个或多个热特性选自由以下组成的组：热阻、热导率、比热容、密度、热扩散率、温度、表面特征、发射率、吸收率以及其任何组合。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述一个或多个热特性是热阻和热导率中的一者或两者，所述方法还包括将所述隔热材料布置成使得所述支撑结构中至少一个的所述一个或多个热特性的值从所述底端到所述顶端增加。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20200602 |