CN107109902A - 钻井工具中的局部化粘结剂形成 - Google Patents
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Abstract
公开一种用于在钻井工具中形成局部化粘结剂的方法。一种方法包括：将加强材料放置在基体钻头本体模具中；在所述基体钻头本体模具中将局部化粘结材料放置在所述加强材料内选定位置处，其中所述局部化粘结材料在所述选定位置处赋予选定的物理性质；在所述基体钻头本体模具中将通用粘结材料放置在所述加强材料的顶部上；将所述基体钻头本体模具、所述加强材料、所述局部化粘结材料以及所述通用粘结材料加热到高于所述通用粘结材料的熔点的温度；用所述通用粘结材料渗透所述加强材料和所述局部化粘结材料；以及使所述基体钻头本体模具、所述加强材料、所述局部化粘结材料以及所述通用粘结材料冷却以形成基体钻头本体。
Description
技术领域
本公开大体上涉及钻井工具，诸如钻地钻头。
背景
各种类型的钻井工具用于在井下地层中形成井筒，所述钻井工具包括但不限于旋转钻头、扩孔器、岩心钻头、随钻扩孔器(under reamer)、打孔器、稳定器和其他井下工具。旋转钻头的示例包括但不限于固定刀具钻头、刮刀钻头、聚晶金刚石复合片(PDC)钻头、基体钻头以及与形成延伸通过一个或多个井下地层的油气井相关联的混合式钻头。
基体钻头通常通过将松散加强材料(通常呈粉末形式)放置在模具中并且用粘结材料(诸如铜合金)渗透加强材料来形成。在粘结材料与加强材料凝固之后，用熔融的金属合金或粘结材料渗透的加强材料可形成基体钻头本体。包含基体钻头特征的混合式钻头可以类似的方式形成。
附图简述
为了更完全地理解本发明及其特征与优点，现结合附图来参考以下描述，附图中：
图1是钻井系统的正视图；
图2是以常常用于建模或者设计固定刀具钻头的方式向上定向的旋转钻头的等距视图；
图3是形成具有局部化性质的MMC钻头的示例性方法的流程图；
图4是断开部分的示意性剖视图，示出模具组件的示例，其中局部化粘结材料的薄片和板材定位在刀片的外表面和金属基复合物(MMC)钻头的顶端附近；
图5是断开部分的示意性剖视图，示出模具组件的示例，其中局部化粘结材料的薄片和网片定位在流体流动通道、刀片的外表面以及MMC钻头的顶端附近；
图6是断开部分的示意性剖视图，示出模具组件的示例，其中局部化粘结材料的环、杆和球粒定位在流体流动通道、刀片的外表面以及MMC钻头的顶端附近；
图7是断开部分的示意性剖视图，示出模具组件的示例，其中局部化粘结材料的环、杆和球粒定位在流体流动通道、刀片的外部以及MMC钻头的顶端附近；并且
图8是断开部分的示意性剖视图，示出模具组件的示例，其中局部化粘结材料的板和薄片以渐变配置定位在流体流动通道、刀片的外表面以及MMC钻头的顶端附近。
详细描述
在地下操作期间，各种井下工具(包括钻头、取心钻头、扩孔器和/或打孔器)可被下放到井筒中并且可由金属基复合物(MMC)形成。根据本文公开的各种系统和方法，用来形成MMC的材料可包括在制造期间并入的局部化粘结材料，所述局部化粘结材料可被构造来在井下工具的选定区域中提供局部化性质，使得选定区域的性质被针对选定区域在地下操作期间所经历的条件来优化。可基于在地下操作期间存在于井下工具的区域中的不利条件和/或井下工具的区域的功能来选择局部化粘结材料以提供局部化性质。因此，局部化粘结材料的使用可提高钻井工具的性能。例如，井下工具的遭受高应力的区域可更易延展，使得所述区域具有止裂性质，而井下工具的遭受腐蚀的区域可不太延展，使得所述区域具有抗腐蚀性质。另外，在井下工具的不太遭受应力、腐蚀和/或其他不利条件并且无需由加强材料提供强度的区域中，局部化粘结材料可用来替换更加昂贵的加强材料并且因此减少钻井工具的成本。通过参考图1至图8最好地理解本公开及其优点，各图中相同编号用于指示相同和对应部分。
图1是钻井系统的正视图。钻井系统100可包括井表面或井场106。诸如旋转台、钻井液泵和钻井液槽(未明确地示出)的各种类型的钻井装备可位于井表面或井场106。例如，井场106可包括钻机102，所述钻机102可具有与陆地钻机相关联的各种性质和特征。然而，并入有本公开的教示内容的井下钻井工具可令人满意地与位于海上平台、钻探船、半潜式装置和/或钻井驳船(未明确地示出)上的钻井装备一起使用。
钻井系统100可包括与钻头101相关联的钻柱103，所述钻头101可用于形成广泛多种井筒或者井眼，诸如大体垂直井筒114a或大体水平井筒114b或者其组合。各种定向钻井技术和钻柱103的井底钻具组合件(BHA)120的相关联部件可用于形成水平井筒114b。例如，横向力可在邻近开始位置113处施加给BHA 120以形成从大体垂直井筒114a延伸的大体水平井筒114b。术语定向钻井可用于描述钻探井筒或者井筒的部分，所述井筒或者井筒的部分以相对于垂直的一个或多个所需角度延伸。此类角度可大于与垂直井筒相关联的正常变化。定向钻井可包括水平钻井。
钻井系统100还可包括旋转钻头(钻头)101。图2中进一步详细论述的钻头101可以是MMC钻头，所述MMC钻头可通过将松散加强材料(包括碳化钨粉末)放置在模具中并且用通用粘结材料(包括铜合金和/或铝合金)渗透加强材料来形成。模具可通过铣削材料块(诸如石墨)以限定具有大体对应于钻头101的外部特征的特征的模具腔来形成。
钻头101可包括一个或多个刀片126，所述刀片126可从钻头101的旋转钻头本体124的外部部分向外设置。旋转钻头本体124可以是大体上圆柱形的，并且刀片126可以是从旋转钻头本体124向外延伸的任何合适类型的突起。钻头101可在由方向箭头105限定的方向上相对于钻头旋转轴104旋转。刀片126可包括从每个刀片126的外部部分向外设置的一个或多个切割元件128。刀片126还可包括设置在刀片126上的一个或多个保径垫(未明确地示出)。钻头101可根据本公开的教示内容来设计和形成，并且可根据钻头101的特定应用而具有许多不同的设计、配置和/或尺寸。
在一些实施方案中，在模具装载过程期间，可在模具的选定位置处将局部化粘结材料放置在加强材料内，以提供钻头101的局部化性质。局部化性质可针对选定区域在地下操作期间所经历的条件来优化钻头101的选定位置。局部化粘结材料可与通用粘结材料相同或不同。可基于钻头101的放置局部化粘结材料的区域的选定局部化性质来将局部化粘结材料以多种配置放置，如参考图2-8更详细描述的。在通用粘结材料和局部化粘结材料凝固之后，加强材料和局部化粘结材料可用熔融通用粘结材料来渗透以形成钻头本体124。
图2是以常常用于建模或者设计固定刀具钻头的方式向上定向的旋转钻头的等距视图。在钻头的至少一部分由MMC形成的方面来说，钻头可以是各种类型的固定刀具钻头中的任一种，包括可操作来形成延伸通过一个或多个井下地层的井筒114(如图1中示出)的PDC钻头、刮刀钻头、基体钻头、钢体钻头、混合式钻头和/或包括固定刀具钻头和牙轮钻头的组合钻头。钻头101可根据本公开的教示内容来设计和形成，并且可根据钻头101的特定应用而具有许多不同的设计、配置和/或尺寸。
在地下操作期间，钻头101的不同区域可暴露于不同的力和/或应力。因此，在钻头101的制造期间，钻头101的性质可定制成使得钻头101的一些区域可具有与钻头101的其他区域不同的性质。可通过将选定类型的局部化粘结材料以选定位置和选定配置放置在用于钻头101的模具中来实现局部化性质。可基于钻头101的区域所经历的井下条件和/或钻头101的区域的功能来选择局部化粘结材料的类型、位置和/或配置来提供钻头101的局部化性质。
钻头101可以是MMC钻头，所述MMC钻头可通过将松散加强材料(包括碳化钨粉末)放置在模具中并且用通用粘结材料(包括铜合金和/或铝合金)渗透加强材料来形成。模具可通过铣削材料块(诸如石墨)以限定具有大体对应于钻头101的外部特征的特征的模具腔来形成。可通过使模具腔成型和/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钻头101的各种特征，包括刀片126、刀具凹窝166和/或流体流动通道。预成型的钎子尾或钻头心轴(有时称为钻坯)可放置在模具腔内以向钻头本体124提供加强并且允许钻头101与钻柱和/或BHA附接。在通用粘结材料与加强材料凝固之后，可将一定量的加强材料放置在模具腔内并且用熔融通用粘结材料渗透以形成钻头本体124。
在模具装载过程期间，可将局部化粘结材料放置在模具的选定位置处，以提供钻头101的局部化性质。局部化粘结材料可与通用粘结材料相同或不同，并且可以基于钻头101的放置局部化粘结材料的区域的选定局部化性质来将局部化粘结材料以多种配置放置，如参考图4-8更详细描述的。
钻头101可包括柄部152，所述柄部152上形成有钻杆螺纹155。在图1中示出，螺纹155可用来使钻头101与井底钻具组合件(BHA)(诸如BHA 120)可释放地接合，由此钻头101可相对于钻头旋转轴104旋转。多个刀片126a–126g可具有设置在其间的相应排屑槽或流体流动路径140。由于地下操作期间的腐蚀，钻头101可形成有放置在排屑槽140附近的局部化粘结材料来提供抗腐蚀性。局部化粘结材料可被选择来减少排屑槽140中的表面能以提供通过排屑槽140的优化流体流。
钻井液可被传送到一个或多个喷嘴156。钻头101靠近喷嘴156的区域在地下操作期间可能遭受应力，这可导致钻头101中的裂缝。局部化粘结材料可添加在喷嘴156附近以增大延性并且在钻头101的喷嘴156附近提供止裂性质。局部化粘结材料可被选择来减少喷嘴156附近的表面能以提供通过喷嘴156的优化钻井液流。
钻头101可包括一个或多个刀片126a–126g(统称为刀片126)，所述刀片126a–126g可从旋转钻头本体124的外部部分向外设置。旋转钻头本体124可具有大体上圆柱形的本体，并且刀片126可以是从旋转钻头本体124向外延伸的任何合适类型的突起。例如，刀片126的一部分可直接地或间接地耦接到钻头本体124的外部部分，而刀片126的另一部分可远离钻头本体124的外部部分突出。根据本公开的教示内容形成的刀片126可具有广泛多种配置，包括但不限于大致上拱形、螺旋状、螺旋形、锥形、会聚式、发散式、对称和/或非对称的配置。
刀片126中的每一个可包括邻近或朝向钻头旋转轴104设置的第一末端，和邻近或朝向钻头101的外部部分设置(即，大体上远离钻头旋转轴104并且朝向钻头101的井上部分设置)的第二末端。刀片126可具有可对应于刀片126最远离钻头本体124的部分的顶端142，并且刀片126可在平台145处接合钻头本体124。顶端142和平台145在地下操作期间可能遭受应力，这可导致顶端142和平台145中的裂缝。因此，局部化粘结材料可添加在顶端142和平台145附近以增大延性并且在顶端142和平台145处提供止裂性质。
在一些情况下，刀片126可具有大致上拱形的配置、大体上螺旋状的配置、螺旋形配置或者适用于每个钻井工具的任何其他配置。一个或多个刀片126可具有从邻近钻头101的旋转轴104处延伸的大致上拱形的配置。拱形配置可部分地由从邻近钻头旋转轴104处延伸的大体上凹入的凹陷形部分限定。拱形配置还可部分地由设置在凹入的凹陷部分与每个刀片的外部部分之间的大体上凸出的向外弯曲部分限定，所述外部部分大体上与旋转钻头的外径相对应。刀片126的外表面在地下操作期间可能遭受高应力，这可导致沿着刀片126的外表面形成裂缝。局部化粘结材料可添加在刀片126的外表面附近以增大延性并且在刀片126的外表面处提供止裂性质。
刀片126可具有从旋转轴104径向延伸的大体弓形配置。刀片126的弓形配置可彼此配合以部分地限定设置成相邻于钻头旋转轴并且从所述钻头旋转轴径向向外延伸的大体上锥形或凹陷部分。刀片126的外部部分、切割元件128和其他合适的元件可被描述为钻头面的形成部分。
刀片126a–126g可包括围绕钻头旋转轴104设置的主刀片。例如，在图2中，刀片126a、126c和126e可以是主刀片或主要刀片，因为刀片126a、126c和126e中的每一个的相应第一末端141可被设置成紧邻于相关联的钻头旋转轴104。在一些配置中，刀片126a–126g还可包括设置在主刀片之间的至少一个副刀片。在图2中示出的位于钻头101上的刀片126b、126d、126f和126g可以是副刀片或次要刀片，因为相应的第一末端141可被设置在井下末端151上与相关联钻头旋转轴104相距一定距离。主刀片和副刀片的数量和位置可变化，使得钻头101包括更多或者更少的主刀片和副刀片。刀片126可相对于彼此和钻头旋转轴104对称地或者非对称地设置，其中所述设置可基于钻井环境的井下钻井条件。在一些情况下，刀片126和钻头101可在由方向箭头105限定的方向上围绕旋转轴104旋转。
每个刀片可具有在钻头101的旋转方向上设置在刀片一侧上的前导(或者前)表面130，和远离钻头101旋转方向设置在刀片相对侧上的尾随(或者后)表面132。前导表面130在地下操作期间可能遭受腐蚀。局部化粘结材料可用于刀片126的前导表面130的区域附近以增大前导表面130的止裂性质、抗腐蚀性和刚性。刀片126可沿着钻头本体124定位以使得它们具有相对于旋转轴104的螺旋形配置。在其他配置中，刀片126可沿着钻头本体124相对于彼此和相对于钻头旋转轴104以大体上平行配置来定位。
刀片126可包括从每个刀片126的外部部分向外设置的一个或多个切割元件128。例如，切割元件128的一部分可直接地或间接地耦接到刀片126的外部部分，而切割元件128的另一部分可远离刀片126的外部部分突出。切割元件128可以是被构造来切进地层中的任何合适的设备，包括但不限于主切割元件、备用切割元件、副切割元件或其任何组合。举例而非限制地来说，切割元件128可以是适用于广泛多种钻头101的各种类型的刀具、紧凑件、按钮件、插入件和保径刀具。
切割元件128可包括相应衬底，其中一层硬质切割材料(包括切割台162)设置在每个相应衬底(包括衬底164)的一端上。刀片126可包括可被构造来接收切割元件128的凹部或刀具凹窝166。例如，刀具凹窝166可以是位于刀片126上的凹入切口。刀具凹窝166在地下操作期间可能遭受冲击力。因此，局部化粘结材料可用来为刀具凹窝166提供冲击韧性。另外，局部化粘结材料可用来增大刀具凹窝166的表面能以有助于增大粘结附着性。另外，局部化粘结材料可用来在刀具凹窝166中形成更粗糙表面，从而当切割元件128耦接到刀具凹窝166时在硬钎焊过程期间提供机械连锁。
刀片126还可包括设置在刀片126上的一个或多个保径垫(未明确地示出)。保径垫可以是设置在刀片126的外部部分上的保径件、保径分段或者保径部分。保径垫可常常接触井筒114的由钻头101形成的相邻部分。刀片126的外部部分和/或相关联的保径垫可以相对于井筒114的大体上垂直部分的相邻部分的各种角度(正、负和/或平行)设置。保径垫可包括一层或多层的表面硬化材料。
钻头(诸如钻头101)可使用模具组件形成。图3是形成具有局部化性质的金属基复合物钻头的示例性方法的流程图。方法300的步骤可由人或制造设备(称为制造者)来执行，所述制造设备被配置来填充用来形成MMC钻头的模具。
方法300可开始于步骤302，在步骤302中制造者可将加强材料放置在基体钻头本体模具中。基体钻头本体模具可类似于参考图4-8描述的模具。加强材料可选择来为所得钻头提供设计性质，诸如抗断裂性、韧性和/或抗腐蚀性、抗磨损性和耐磨性。加强材料可以是任何合适的材料，诸如但不限于金属颗粒、金属合金、高温合金、金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石等或者其任何组合。更具体地，适于结合本文描述的实施方案使用的加强颗粒的示例可包括颗粒，所述颗粒包含但不限于：钨、钼、铌、钽、铼、铱、钌、铍、钛、铬、铑、铁、钴、镍、氮化物、氮化硅、氮化硼、立方晶氮化硼、天然金刚石、合成金刚石、硬质合金、球形碳化物、低合金烧结材料、铸造碳化物、碳化硅、碳化硼、立方碳化硼、碳化钼、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化钒、碳化铁、碳化钨、粗晶碳化钨、铸造碳化钨、压烧结碳化钨、渗碳碳化钨、钢、不锈钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、沉淀硬化钢、双相不锈钢、陶瓷、铁合金、镍合金、钴合金、铬合金、合金(例如，可从Haynes国际公司购得的含镍铬合金)、合金(例如，可从Special Metals公司购得的奥氏体含镍铬高温合金)、(例如，奥氏体镍基高温合金)、合金(例如，可从Altemp Alloys有限公司购得的含镍铬合金)、合金(例如，可从Haynes国际公司购得的含镍铬高温合金)、合金(例如，可从Mega Mex公司购得的含铁镍高温合金)、MP98T(例如，可从SPS Technologies公司购得的镍铜铬高温合金)、TMS合金、合金(例如，可从C-M集团购得的镍基高温合金)、钴合金6B(例如，可从HPA公司购得的钴基高温合金)、N-155合金、它们的任何混合物及其任何组合。在一些实施方案中，加强颗粒可被涂覆。在一些情况下，多种类型的加强材料可用来形成单个所得钻头。
在步骤304处，制造者可在基体钻头本体模具中将局部化粘结材料放置在加强材料内选定位置处。局部化粘结材料可与加强材料分层和/或混合。局部化粘结材料的放置可在所得钻头的局部化粘结材料所放置的区域中提供局部化性质，如参考图4-8进一步详细描述的。局部化粘结材料可包括任何合适的粘结材料，诸如过渡金属(例如，铱、铼、钌、钨、钼、铪、铬、锰、铑、铁、钴、钛、铌、锇、钯、铂、锆、镍、铜、钪、钽、钒、钇)、后过渡金属(例如，铝和锡)、半金属(例如，硼和硅)、碱土金属(例如，铍和镁)、镧系元素(例如，镧和镱)、非金属(例如，碳、氮和氧)和/或其合金。可基于材料的扩散性质选择局部化粘结材料的类型。例如，一些材料可提供较少反扩散的更加集中的扩散，这可更加适合用于较小区域，而其他材料可提供较快扩散并且可在较大区域上扩散，这可更加适合用于较大区域。
图4-8中的示例示出针对局部化粘结材料使用不同材料的各种潜在实施方案。针对局部化粘结材料使用包含铬、碳、钼、锰、镍、钴、钨、铌、钽、钒、硅、铜和铁的合金可产生局部化性质，所述局部化性质可以是耐磨性、抗腐蚀性、耐磨损性或坚硬性。针对局部化粘结材料使用铱、铼、铼、钨、钼、铍、铬、铑、铁、钴、镍及其合金可产生刚性局部化性质。例如，具有钒、铬、钼、钽、钨、铼、锇或铱的合金镍增大所得合金的弹性模量。
由于局部化粘结材料与通用粘结材料的相互作用所致的陶瓷材料(例如，碳化物、硼化物、氮化物和氧化物)的形成可产生先前提及的所希望性质中的任一个的有益局部化变化。作为示例，在存在许多金属的情况下通常具有高表面能的陶瓷材料可有益于排屑槽，其中抗球化性质是所希望的。碳化物、硼化物、氮化物和氧化物的就地形成可通过在局部化粘结材料中包含碳、硼、氮和氧来实现。具体地，碳化物可通过使用局部化粘结材料中的钼、钨、铬、钛、铌、钒、钽、锆、铪、锰、铁、镍、硼和硅来形成。硼化物可通过使用局部化粘结材料中的钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、铁、钴、镍和镧来形成。氮化物可使用局部化粘结材料中的硼、硅、铝、铁、镍、钪、钇、钛、钒、铬、锆、钼、钨、钽、铪、锰和铌来形成。氧化物可通过使用局部化粘结材料中的硅、铝、钇、锆和钛来形成。
金属间化合物也可证明是有益的，因为在局部化粘结材料附近的区域中形成此类材料可产生先前提及的所希望性质中的任一种的有益变化。合适的金属间化合物包括在两个金属元素之间形成的化学计量相和非化学计量相。形成耐火铝基金属间化合物的元素的示例包括硼、碳、钴、铬、铜、铁、铪、铱、锰、钼、铌、镍、钯、铂、铼、钌、钪、钽、钛、钒、钨和锆。耐火金属间化合物体系的其他示例包括银钛、银锆、金铪、金锰、金铌、金钪、金钽、金钛、金铥、金钒、金锆、硼铬、硼锰、硼钼、硼铌、硼钕、硼钌、硼硅、硼钛、硼钒、硼钨、硼钇、铍铜、铍铁、铍铌、铍镍、铍钯、铍钛、铍钒、铍钨、铍锆、它们的任何组合等。
在一些情况下，局部化粘结材料可包含加强颗粒(诸如以上参考加强材料提及的加强颗粒)并且否则可用加强颗粒加强。
根据局部化粘结材料的选定局部化性质和/或选定扩散速率，局部化粘结材料可具有各种大小和形状，如参考图4-8进一步详细描述的。基于局部化性质有待在其上传播的区域的选定性质和/或大小，局部化粘结材料可以多种配置放置。局部化粘结材料的不同配置的示例在图4-8中示出。
在步骤306处，制造者可确定是否存在应放置局部化粘结材料的另一个选定位置。如果存在应放置局部化粘结材料的另一个选定位置，那么方法300可返回到步骤304并且将局部化粘结材料放置在下一个选定位置，否则方法300可前进到步骤308。步骤302和304可同时发生，直到基体钻头本体模具已填满为止。
在步骤308处，制造者可将通用粘结材料放置在基体钻头本体模具中。在已将加强材料装入模具中之后，可将通用粘结材料放置在模具中。通用粘结材料可包括任何合适的粘结材料，诸如铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟和/或其合金。通用粘结材料和/或局部化粘结材料可被选择成使得在地下操作期间的井下温度小于通用粘结材料、局部化粘结材料和/或在通用粘结材料与局部化粘结材料之间形成的任何合金的熔点。
在步骤310处，制造者可通过任何合适的加热机构(包括加热炉)对基体钻头本体模具和设置在其中的材料进行加热。当通用粘结材料的温度超过通用粘结材料的熔点时，液态通用粘结材料可流入加强材料中。
在步骤312处，由于通用粘结材料渗透加强材料，通用粘结材料可另外与局部化粘结材料反应和/或扩散到局部化粘结材料中。在一些反应中，通用粘结材料与局部化粘结材料之间的反应可形成金属间材料组合物。在其他反应中，通用粘结材料与局部化粘结材料之间的反应可形成硬合金组合物。
在步骤314处，制造者可使基体钻头本体模具、加强材料、局部化粘结材料和通用粘结材料冷却。所述冷却可在控制速率下发生。在完成冷却过程后，模具可断开，从而暴露出所得钻头的本体。所得钻头本体可经受进一步的制造过程以完成钻头。
图4是断开部分的示意性剖视图，示出模具组件的示例，其中局部化粘结材料的薄片和板材定位在刀片的外表面和MMC钻头的顶端附近。模具组件400可包括模具470、测规环472和可由任何合适材料(诸如石墨)形成的漏斗474。测规环472可被螺接成与模具470的顶部耦接并且漏斗474可被螺接成与测规环472的顶部耦接。漏斗474可用来基于有待使用模具组件400制造的钻头的大小来使模具组件400延伸到一定高度。模具组件400的部件可使用任何合适的制造过程(诸如铸造和/或机加工)来形成。模具组件400的形状可具有与有待使用模具组件400形成的钻头(所得钻头)的外部特征反向的轮廓。
在一些情况下，根据所得钻头的配置，各种类型的临时置换材料和/或模具插件可安装在模具组件400内。临时置换材料和/或模具插件可由任何合适的材料(诸如固结砂和/或石墨)形成。临时置换材料和/或模具插件可用来在所得钻头中形成空隙。例如，固结砂可用来形成芯476和/或流体流动通道480。另外，模具插件(未明确地示出)可放置在模具组件400内以在刀片426中形成凹窝466。切割元件(包括图2所示的切割元件128)可附接到凹窝466，如关于图2所示的刀具凹窝166所描述的。
大体上中空圆柱形金属心轴478可放置在模具组件400内。金属心轴478的内径可大于芯476的外径并且金属心轴478的外径可小于所得钻头的外径。金属心轴478可用来形成钻头的内部的一部分。
在将置换材料放置在模具组件400内之后，模具组件可充满加强材料490。加强材料490可选择来为所得钻头提供设计性质，诸如抗断裂性、韧性和/或抗腐蚀性、抗磨损性和耐磨性。加强材料490可以是任何合适的材料，诸如金属颗粒、金属合金、高温合金、金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石等或者其任何组合。虽然图4示出单一类型的加强材料490，但是可使用多种类型的加强材料490。
在将加强材料490装入模具组件400中的过程期间，可将局部化粘结材料492装入指定位置中并且其可与加强材料490分层和/或混合，如图3所示的方法300的步骤304所描述的。局部化粘结材料492的放置可在所得钻头的放置局部化粘结材料492的区域中提供局部化性质。局部化粘结材料492可包括任何合适的粘结材料，诸如选自由以下各项组成的组的材料：过渡金属、后过渡金属、半金属、碱土金属、镧系元素、非金属及其任何合金。可基于材料的扩散性质选择局部化粘结材料492。例如，一些材料可提供较少反扩散的更加集中的扩散，这可更加适合用于较小区域(包括凹窝466)，而其他材料可提供较快扩散并且可在较大区域上扩散，这可更加适合用于较大区域(包括刀片426的外表面)。通用粘结材料494与局部化粘结材料492之间的更集中的反应可通过选择具有低相互扩散系数的材料并且在渗透过程期间依赖于材料的重力及其合金化来实现，以在局部化区域中产生局部化性质。
根据局部化粘结材料492的选定局部化性质和/或选定扩散速率，局部化粘结材料492可具有各种大小和形状。例如，局部化粘结材料492可具有几何形状，包括立方体、球体、星形、环形、矩形棱柱和/或平行六面体形状，或者可呈薄片或板。在一些情况下，局部化粘结材料492可呈粉末形式并且可与加强材料490混合并放置在选定区域中。在粉末形式下，局部化粘结材料492可具有在微米尺度到毫米尺度范围内的大小。
基于局部化性质有待在其上传播的区域的选定性质和/或大小，局部化粘结材料492可以多种配置放置。例如，在图4中，局部化粘结材料492a可以是放置在排屑槽置换件496的外表面497附近的具有基本上相同厚度的板和/或薄片，并且局部化粘结材料492b可以是放置在所得钻头的平台区域中的具有不同厚度的板和/或薄片。此外，局部化粘结材料492c可以是放置在刀片426的外表面附近的具有基本上相同厚度的板和/或薄片。局部化粘结材料492b的厚度梯度可在刀片426的整个顶端区域上提供渐变性质。在一些配置中，局部化粘结材料492可成型成符合所得钻头的局部几何结构。例如，局部化粘结材料492a可类似于排屑槽置换件496的曲率来弯曲。
一旦将加强材料490和局部化粘结材料492装入模具组件400中，就可使用任何合适的机构(诸如一系列振动周期)将加强材料490装入模具组件400中。填装过程可有助于确保加强材料490的一致密度并且在所得钻头的由加强材料490形成的整个部分上提供一致性质。
在填装加强材料490之后，可将通用粘结材料494放置在加强材料490、芯476和/或金属心轴478的顶部上。通用粘结材料494可包括任何合适的粘结材料，诸如铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟和/或其合金。通用粘结材料494和/或局部化粘结材料492可选择成使得在地下操作期间的井下温度小于通用粘结材料494、局部化粘结材料492和/或在通用粘结材料494与局部化粘结材料492之间形成的任何合金的临界温度或熔点。
可通过任何合适的加热机构(包括加热炉)对模具组件400和设置在其中的材料进行加热。当通用粘结材料494的温度超过通用粘结材料494的熔点时，液态通用粘结材料494可朝向模具470流入加强材料490中。由于通用粘结材料494渗透加强材料490，通用粘结材料494可另外与局部化粘结材料492反应和/或扩散到局部化粘结材料492中。在一些反应中，通用粘结材料494与局部化粘结材料492之间的反应可形成金属间材料组合物。在其他反应中，通用粘结材料494与局部化粘结材料492之间的反应可形成硬合金组合物。通用粘结材料494与局部化粘结材料492之间的扩散可在钻头的包含渗透加强材料490的区域与钻头的包含熔融局部化粘结材料492的区域之间形成性质功能梯度。
一旦通用粘结材料494已渗透加强材料490和/或局部化粘结材料492，就可将模具组件400从加热炉移除并以受控速率使其冷却。在完成冷却过程后，模具组件400可断开，从而暴露出所得钻头的本体。所得钻头本体可经受进一步的制造过程以完成钻头。例如，切割元件(例如，图2所示的切割元件128)可钎焊到钻头以将切割元件耦接到凹窝466。在钎焊过程期间，局部化粘结材料492、通用粘结材料494和/或在通用粘结材料494与局部化粘结材料492之间形成的任何合金可被加热超过其熔点，并且可发生一些另外的局部扩散，其中位于凹窝466附近的任何局部化粘结材料492可另外扩散有加强材料490和/或通用粘结材料494。
图5是断开部分的示意性剖视图，示出模具组件的示例，其中局部化粘结材料的薄片和网片定位在MMC钻头的流体流动通道周围。图5示出用于将局部化粘结材料592放置在模具组件500中的另一示例性配置。模具组件500、模具组件500的部件和设置在其中的材料可类似于如图4所述的模具组件400、模具组件400的部件和设置在其中的材料。局部化粘结材料592a可以是放置在流体流动通道580周围的局部化粘结材料592的薄片包裹或圆柱体。局部化粘结材料592a可选择来在流体流动通道580附近提供局部化性质。例如，局部化粘结材料592a在与通用粘结材料594反应和/或扩散之后可提供加强的刚性和抗腐蚀性，并且减少流体流动通道580中的表面能。
局部化粘结材料592b可以是放置在所得钻头的排屑槽表面和平台区域附近的呈网状配置的薄片包裹。局部化粘结材料592b的网格中的开口大小可提供由局部化粘结材料592b提供的性质功能分级。另外，局部化粘结材料592d可以是放置在刀片526的外表面和顶端区域附近的呈网状配置的薄片包裹。例如，在图5中，网格开口大小可在局部化粘结材料592b的更接近刀片526的表面的薄片层中减小。呈网格、格栅或滤网配置的局部化粘结材料592b和592d可结合呈固体薄片和/或板配置的局部化粘结材料592c和592e来使用。
图6是断开部分的示意性剖视图，示出模具组件的示例，其中局部化粘结材料的环、杆和球粒定位在流体流动通道附近、外表面附近以及MMC钻头的内部中。模具组件600、模具组件600的部件和设置在其中的材料可类似于如图4所述的模具组件400、模具组件400的部件和设置在其中的材料。图6示出呈球形、环形、弧长或曲杆配置的局部化粘结材料692。例如，局部化粘结材料692a可以是放置在流体流动通道680周围的局部化粘结材料环，局部化粘结材料692b可以是跨越排屑槽的宽度的曲杆，局部化粘结材料692c可以是放置在所得钻头本体的内部锥形区域中的球形球粒，并且局部化粘结材料692d可以是跨越刀片626的宽度的曲杆。
局部化粘结材料692a–692d可以是可在所得钻头本体的放置局部化粘结材料692的区域中形成不同性质的不同材料。例如，局部化粘结材料692a和692b可以是选择来为排屑槽置换件696的流体流动通道680和/或表面697提供刚性、抗腐蚀性和修改的表面能的材料。由通用粘结材料694以及局部化粘结材料692a和692b形成的组合物可具有光滑的表面光洁度，这可加强通过流体流动通道680的流体流。在钻头在地下操作期间暴露于恶劣条件的情况下，局部化粘结材料692d可以是选择来在刀片526的外表面和顶端区域上提供刚性和抗腐蚀性的材料。局部化粘结材料692c可以是选择来提供抗断裂性并且防止所得钻头的锥形区域中的裂纹扩展的材料。
图7是断开部分的示意性剖视图，示出模具组件的示例，其中局部化粘结材料的环、杆和球粒定位在刀片的外部部分附近、流体流动通道附近以及MMC钻头的内部中。模具组件700、模具组件700的部件和设置在其中的材料可类似于如图4所述的模具组件400、模具组件400的部件和设置在其中的材料。图7示出类似于图6所示的局部化粘结材料692的放置的局部化粘结材料792放置。然而，在图7中，除了中心流动通道的底部部分和排屑槽置换件796的表面797之外，局部化粘结材料792a和792b跨越流体流动通道780的整个长度。如参考图6所描述的，局部化粘结材料792a可以是选择来提供光滑的表面光洁度并且可允许高压流体流动通过流体流动通道780的材料。
局部化粘结材料792d可跨越刀片726的相对大的区域，其中刀片726的一些材料可在所得钻头本体的制造期间被加工去除。局部化粘结材料792d可为刀片726提供局部化刚性以防止在机加工过程期间破裂。局部化粘结材料792c可位于钻头和刀片726的中心的较大部分中、位于所得钻头本体不太可能经历磨损的区域中。局部化粘结材料792c可代替一些加强材料690，并且可以是比基体加强材料690更便宜的材料，并且因此局部化粘结材料792c的使用可减少制造所得钻头本体的成本。
图8是断开部分的示意性剖视图，示出模具组件的示例，其中局部化粘结材料的板和薄片以渐变配置定位在刀片的外表面和MMC钻头的流体流动通道附近。模具组件800、模具组件800的部件和设置在其中的材料可类似于如图4所述的模具组件400、模具组件400的部件和设置在其中的材料。在图8中，局部化粘结材料892a–c呈以下配置放置在模具组件800中：其中薄片和/或板的厚度大体上在厚度上改变，刀片826的中心附近较薄且刀片826的外部附近较厚。局部化粘结材料892a–c的配置可在整个刀片826上提供性质梯度，使得刀片826的中心的性质类似于由加强材料890和通用粘结材料894制成的组合物的性质，并且刀片826的外部的性质类似于由加强材料890、通用粘结材料894和局部化粘结材料892形成的组合物的性质。虽然局部化粘结材料892a–c的梯度在图8中示出为在刀片826的表面附近具有最大比例的局部化粘结材料892a–c，但是梯度可反转，其中最大比例的局部化粘结材料892a–c是在刀片826的中心附近。
图4–8所示的局部化粘结材料配置仅仅是示例性的。本公开预料到任何数目的局部化粘结材料配置。局部化粘结材料的类型、形状和大小可基于针对钻头的放置局部化粘结材料的区域而选择的性质。另外，局部化粘结材料的单个小片之间的间距可基于所使用的局部化粘结材料的类型、形状和/或大小、局部化粘结材料的扩散速率以及针对钻头的放置局部化粘结材料的区域而选择的性质而改变。
对MMC钻头的建模和/或对地下操作的模拟可用来获得对MMC钻头在地下操作期间可能经受的应力的分析。应力分析可用来选择MMC钻头中所使用的局部化粘结材料的类型，局部化粘结材料的大小、形状和/或间距，和/或局部化粘结材料的放置。
本文所公开的实施方案包括：
A.一种钻头，其包括：本体；多个刀片，所述多个刀片位于所述本体上；多个切割元件，所述多个切割元件位于所述多个刀片中的至少一者上；加强材料，所述加强材料形成所述本体和所述多个刀片的部分；局部化粘结材料，所述局部化粘结材料放置在所述加强材料内选定位置处，其中所述局部化粘结材料在所述选定位置处赋予选定的物理性质；以及通用粘结材料，所述通用粘结材料渗透入所述加强材料和所述局部化粘结材料。
B.一种制造基体钻头的方法，其包括：将加强材料放置在基体钻头本体模具中；在所述基体钻头本体模具中将局部化粘结材料放置在所述加强材料内选定位置处，其中所述局部化粘结材料在所述选定位置处赋予选定的物理性质；在所述基体钻头本体模具中将通用粘结材料放置在所述加强材料的顶部上；将所述基体钻头本体模具、所述加强材料、所述局部化粘结材料以及所述通用粘结材料加热到高于所述通用粘结材料的熔点的温度；用所述通用粘结材料渗透所述加强材料和所述局部化粘结材料；以及使所述基体钻头本体模具、所述加强材料、所述局部化粘结材料和所述通用粘结材料冷却以形成基体钻头本体。
C.一种钻井系统，其包括钻柱和耦接到所述钻柱的钻井工具。所述钻井工具包括：本体；多个刀片，所述多个刀片位于所述本体上；多个切割元件，所述多个切割元件位于所述多个刀片中的至少一者上；加强材料，所述加强材料形成所述本体和所述多个刀片的部分；局部化粘结材料，所述局部化粘结材料放置在所述加强材料内选定位置处，其中所述局部化粘结材料在所述选定位置处赋予选定的物理性质；以及通用粘结材料，所述通用粘结材料渗透入所述加强材料和所述局部化粘结材料。
实施方案A、B和C中的每一个可以任意组合具有以下另外要素中的一个或多个：要素1：其中所述局部化粘结材料具有以下各项中的至少一项的形状：薄片、板材、球粒、环、球体、圆柱体、网格、格栅、滤网、弧长和曲杆。要素2：其中所述局部化粘结材料增大所述选定位置处的止裂性质。要素3：其中所述局部化粘结材料增大所述选定位置处的冲击韧性。要素4：其中所述局部化粘结材料增大所述选定位置处的抗腐蚀性质。要素5：其中所述局部化粘结材料修改所述选定位置处的表面能性质。要素6：其中所述局部化粘结材料是与所述通用粘结材料不同的材料。要素7：其中所述局部化粘结材料和所述通用粘结材料反应以形成以下各项中的至少一项：金属间组合物、陶瓷组合物、延性合金组合物、硬合金组合物以及沉淀硬化或可硬化合金组合物。要素8：其中所述局部化粘结材料以梯度配置放置在所述加强材料内。
尽管已详细描述本公开及其优点，但应理解，可以在不脱离如由所附权利要求书限定的本公开的精神和范围的情况下，在本文中进行各种改变、替代和更改。本公开打算涵盖归属于所附权利要求的范围内的此类变化和修改。
Claims (20)
1.一种钻头，其包括：
本体；
多个刀片，所述多个刀片位于所述本体上；
多个切割元件，所述多个切割元件位于所述多个刀片中的至少一者上；
加强材料，所述加强材料形成所述本体和所述多个刀片的部分；
局部化粘结材料，所述局部化粘结材料放置在所述加强材料内选定位置处，其中所述局部化粘结材料在所述选定位置处赋予选定的物理性质；以及
通用粘结材料，所述通用粘结材料渗透入所述加强材料和所述局部化粘结材料。
2.如权利要求1所述的钻头，其中所述局部化粘结材料具有以下各项中的至少一项的形状：薄片、板材、球粒、环、球体、圆柱体、网格、格栅、滤网、弧长、曲杆、立方体、矩形棱柱和平行六面体。
3.如权利要求1所述的钻头，其中所述局部化粘结材料增大所述选定位置处的止裂性质。
4.如权利要求1所述的钻头，其中所述局部化粘结材料增大所述选定位置处的冲击韧性。
5.如权利要求1所述的钻头，其中所述局部化粘结材料增大所述选定位置处的抗腐蚀性质。
6.如权利要求1所述的钻头，其中所述局部化粘结材料修改所述选定位置处的表面能性质。
7.如权利要求1所述的钻头，其中所述局部化粘结材料是与所述通用粘结材料不同的材料。
8.如权利要求1所述的钻头，其中所述局部化粘结材料和所述通用粘结材料反应以形成以下各项中的至少一项：金属间组合物、陶瓷组合物、延性合金组合物、硬合金组合物以及沉淀硬化或可硬化合金组合物。
9.如权利要求1所述的钻头，其中所述局部化粘结材料以梯度配置放置在所述加强材料内。
10.一种制造基体钻头的方法，其包括：
将加强材料放置在基体钻头本体模具中；
在所述基体钻头本体模具中将局部化粘结材料放置在所述加强材料内选定位置处，其中所述局部化粘结材料在所述选定位置处赋予选定的物理性质；
在所述基体钻头本体模具中将通用粘结材料放置在所述加强材料的顶部上；
将所述基体钻头本体模具、所述加强材料、所述局部化粘结材料以及所述通用粘结材料加热到高于所述通用粘结材料的熔点的温度；
用所述通用粘结材料渗透所述加强材料和所述局部化粘结材料；以及
使所述基体钻头本体模具、所述加强材料、所述局部化粘结材料以及所述通用粘结材料冷却以形成基体钻头本体。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述局部化粘结材料具有以下各项中的至少一项的形状：薄片、板材、球粒、环、球体、圆柱体、网格、格栅、滤网、弧长、曲杆、立方体、矩形棱柱和平行六面体。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述局部化粘结材料是与所述通用粘结材料不同的材料。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述局部化粘结材料和所述通用粘结材料反应以形成以下各项中的至少一项：金属间组合物、陶瓷组合物、延性合金组合物、硬合金组合物以及沉淀硬化或可硬化合金组合物。
14.如权利要求10所述的方法，其中在所述基体钻头本体模具中将所述局部化粘结材料放置在所述加强材料内所述选定位置处包括：以梯度配置将所述局部化粘结材料放置在所述加强材料内。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述局部化粘结材料修改以下各项中的至少一项：所述选定位置处的止裂性质、所述选定位置处的冲击韧性、所述选定位置处的抗腐蚀性质以及所述选定位置处的表面能性质。
16.一种钻井系统，其包括：
钻柱；以及
钻井工具，所述钻井工具耦接到所述钻柱，所述钻井工具包括：
本体；
多个刀片，所述多个刀片位于所述本体上；
多个切割元件，所述多个切割元件位于所述多个刀片中的至少一者上；
加强材料，所述加强材料形成所述本体和所述多个刀片的部分；
局部化粘结材料，所述局部化粘结材料放置在所述加强材料内选定位置处，其中所述局部化粘结材料在所述选定位置处赋予选定的物理性质；以及
通用粘结材料，所述通用粘结材料渗透入所述加强材料和所述局部化粘结材料。
17.如权利要求16所述的钻井系统，其中所述局部化粘结材料具有以下各项中的至少一项的形状：薄片、板材、球粒、环、球体、圆柱体、网格、格栅、滤网、弧长、曲杆、立方体、矩形棱柱和平行六面体。
18.如权利要求16所述的钻井系统，其中所述局部化粘结材料是与所述通用粘结材料不同的材料。
19.如权利要求16所述的钻井系统，其中所述局部化粘结材料和所述通用粘结材料反应以形成以下各项中的至少一项：金属间组合物、陶瓷组合物、延性合金组合物、硬合金组合物以及沉淀硬化或可硬化合金组合物。
20.如权利要求16所述的钻井系统，其中所述局部化粘结材料以梯度配置放置在所述加强材料内。
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