CN107109903A - 宏观钻头加强件 - Google Patents
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Abstract
根据本公开的实施方案，提供了用于制造宏观加强金属基复合物(MMC)固定刀具钻头的系统和方法。加强型钻头可以包括钻头本体，所述钻头本体由经渗透的MMC材料构成并且特征化地具有从所述钻头的柄部径向向外和向下延伸的数个刀片部分。这些刀片部分被设计用于接触地下地层。所述钻头还包括所述柄部，所述柄部耦接到所述钻头本体的与所述刀片部分相对的端部，以将所述钻头本体连接到钻柱的上游部件。所述钻头进一步包括至少部分地围封在所述钻头本体内的诸多宏观钻头加强件。这些钻头加强件各自安置在所述钻头本体的对应刀片部分中并大致上与其对准。
Description
技术领域
本公开一般来说涉及钻头，且更特定来说，涉及用于制造具有宏观加强件的固定刀具钻头的系统和方法。
背景技术
例如石油和天然气等烃类通常从可位于陆上或近海的地下地层获得。从地下地层中移除烃类中所涉及的地下操作及进程的开发通常涉及诸多不同步骤，例如在期望的井位钻探井眼、处理井眼以优化烃类的产生并执行必要的步骤以从地下地层产生和处理烃类。
在常规钻探操作中，将钻头安装在钻柱(例如，钻杆加上钻铤)末端的井底钻具组件(BHA)中。当通过钻柱泵送钻探液(或“泥浆”)时，在表面处，旋转驱动使钻柱(包括钻具的底部处的钻头)转动。钻头通常包括锥体和/或经硬化的插件以机械地接触和钻穿地下地层，从而推进井眼。具有附加到钻头本体的经硬化插件的钻头称为“固定刀具”钻头。一些固定刀具钻头包括通过在模具中铸造经渗透的金属基复合物(MMC)材料所形成的钻头本体。通常选择这些经渗透的MMC固定刀具钻头的机械性质(例如，刚度、韧度)以促成有效地推进井眼穿过地下地层的目的。例如，可以选择MMC固定刀具钻头的机械性质以努力避免或最小化穿过钻头本体的不期望的裂缝传播。
附图说明
为了更全面地理解本公开及其特征和优点，现在参考结合附图进行的以下描述，附图中：
图1是根据本公开的实施方案的用于钻探井眼的钻探系统的示意图；
图2是根据本公开的实施方案的加强型固定刀具钻头的仰视图；
图3是根据本公开的实施方案的图2的加强型钻头的部件的透视图；
图4A-图4F是根据本公开的实施方案的图2的加强型钻头的径向截面图；
图5A-图5D示出了根据本公开的实施方案的可用于图2的钻头中的各种宏观加强件的截面；
图6A-图6F是根据本公开的实施方案的图2的加强型钻头的径向截面图；
图7是根据本公开的实施方案的可用于图2的钻头中的宏观加强件的截面图；并且
图8是根据本公开的实施方案的可用于图2的钻头中的宏观加强件的部分截面图。
具体实施方式
本文详细地描述了本公开的说明性实施方案。为了清楚起见，本说明书中并不描述实际实施的所有特征。当然，应了解，在任何这样的实际实施方案的开发中，必须做出众多实施特定的决定以实现开发者的特定目标，例如遵守将因实施不同而有所变化的系统相关和业务相关的约束。此外，应了解，这样的开发工作可能是复杂和耗时的，但对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说，依旧是常规工作。此外，以下示例决不应被视为限制或限定本公开的范围。
根据本公开的某些实施方案可以涉及用于制造宏观加强型金属基复合物(MMC)固定刀具钻头的系统和方法。加强型钻头可以包括钻头本体，所述钻头本体由经渗透的MMC材料构成并且特征化地具有从所述钻头的柄部径向向外和向下延伸的数个刀片部分。这些刀片部分被设计用于接触地下地层。所述钻头还包括所述柄部，所述柄部耦接到所述钻头本体的与所述刀片部分相对的端部，以将所述钻头本体连接到钻柱的上游部件。所述钻头进一步包括至少部分地围封在所述钻头本体内的诸多宏观钻头加强件。这些钻头加强件各自安置在所述钻头本体的对应刀片部分中并大致上与其对准。
钻头加强件可以被设计成各自具有比用于制作钻头本体的MMC材料更高的弹性模量。因此，加强件可以为钻头的刀片部分提供经增强的刚度。这种经增加的刚度可以减少钻头的刀片和刀具的偏转，从而增加钻头的寿命。与现有钻头相比，钻头加强件可以用于增加刀片的总体刚度，这是因为加强件具有可以添加到当前使用的MMC材料的更高刚度。与现有钻头相比，钻头加强件也可用于增加刀片的总体韧度，同时维持相当的刚度水平。为此，来自加强件的经增加的块体刚度可以促进MMC材料的使用，与现有钻头中使用的材料相比，MMC材料具有更低刚度及因此更高韧度。
现在转向附图，图1是根据本公开的各方面的并入有加强型固定刀具钻头12的示例性钻探系统10的图。钻探系统10可以包括定位于表面16处的钻探平台14。在所展示的实施方案中，表面16包括地层18的顶部，且钻探平台14可与表面16接触。在其他实施方案中，例如在近海钻探操作中，可由一定体积的水将表面16与钻探平台14分离开。井架20可以由钻探平台14支撑并且具有用于通过由钻头12产生的井眼26升高和降低钻柱24的行进块22。当使用钻探系统10时，钻头12可以旋转并使井眼26延伸穿过钻头12前方的地层18的一部分。
钻头12可以耦接到钻柱24，并通过井下马达和/或通过旋转台和方钻杆使钻柱24旋转或通过顶部驱动来驱动。泵可以使钻探液循环穿过进给管道到达方钻杆或顶部驱动、穿过钻柱24的内部到达井下、穿过钻头12中的孔口、经由钻柱24周围的环带28返回到表面并且进入到保留坑中。钻探液将来自井眼26的钻屑输送到所述坑中并帮助维持井眼26的完整性。
钻探系统10可进一步包括在钻头12附近耦接到钻柱24的井底钻具组件(BHA)30。BHA 30可以包括各种井下测量工具和传感器(例如，随钻测井(LWD)或随钻测量(MWD)工具)、一个或多个遥测系统和/或井下马达以及其他部件。
在目前公开的实施方案中，钻头12可以是固定刀具钻头，这意味着钻头12特征化地具有当使钻柱24旋转时相对于钻柱24保持固定的钻头本体。固定刀具钻头12可以被特别地定形以在旋转钻头12时切割到地层18中。为此，钻头12可以包括按压到钻头本体的外部中或接合到钻头本体的外部上以进一步促进切割到地层18中的多个经硬化的刀具或插件。所公开的钻头12的本体部分可以由已经铸造成所期望形状的经渗透的金属基复合物(MMC)材料形成。此外，目前公开的钻头12可以特征化地具有安置于钻头本体的特定部分内的一个或多个相对刚性钻头加强件。如下所述，这些钻头加强件可以改善用于切割到地层18中的钻头刀片的刚度。
图2提供了具有布置在其中的宏观钻头加强件的钻头12的实施方案的仰视图。术语“宏观”可以指钻头加强件与经渗透以形成钻头本体的金属基颗粒的尺寸相比的相对尺寸。具体地，钻头12中的宏观钻头加强件的体积可以比用于形成环绕钻头加强件的基质材料的颗粒大几倍。
在图2的所示出实施方案中，钻头12可以包括钻头本体50和由钻头本体50完全环绕的数个宏观钻头加强件。因此，在所示出实施方案中提供的仰视图中，加强件是不可见的。在其他实施方案中，钻头加强件可以仅由钻头本体50部分地环绕(例如，在三个侧面上环绕)。
钻头本体50可以由经渗透的金属基复合物(MMC)材料构成。经渗透的MMC材料可以是通过提供作为粉末的加强微粒(例如，陶瓷材料)并用用于填充粉末成分之间可用空间的熔融接合剂来渗透加强颗粒而形成的复合物材料。在一些实施方案中，如下所述，钻头本体50可以通过用加强粉末和熔融渗透材料填充钻头定形模具并且冷却铸造在模具内的所得复合物混合物来形成。在一些实施方案中，加强微粒可以包括碳化钨粉末。另外，用于形成金属基质的材料可以包括一定量的基于铜的合金，或铜、镍、锰和/或其他元素的一些混合物。其他适合的粘合剂材料包括但不限于铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟、其任何混合物、其任何合金及其任何组合。这些其他元素可以提供钻头本体50的经增加的强度、硬度和/或抗蚀性。
适合的加强颗粒的示例包括但不限于钨、钼、铌、钽、铼、铱、钌、铍、钛、铬、铑、铁、钴、铀、镍、氮化物、氮化硅、氮化硼、立方氮化硼、天然金刚石、合成金刚石、硬质合金、球状碳化物、低合金烧结材料、铸造碳化物、碳化硅、碳化硼、立方硼化碳、碳化钼、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化钒、碳化铁、碳化钨、粗晶质碳化钨、铸造碳化钨、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、析出硬化钢、双相不锈钢、陶瓷、铁合金、镍合金、钴合金、铬合金、合金(即，可从海恩斯国际(HaynesInternational)购得的含镍-铬的合金)、合金(即，可从SMC国际镍合金集团(Special Metals Corporation)购得的含奥氏体镍-铬的超级合金)、(即，基于奥氏体镍的超级合金)、合金(即，可从Altemp Alloys,Inc.购得的含镍-铬的合金)、合金(即，可从海恩斯国际购得的含镍-铬的超级合金)、合金(即，可从Mega Mex购得的含铁-镍的超级合金)、MP98T(即，可从SPS技术(SPS Technologies)购得的镍-铜-铬超级合金)、TMS合金、合金(即，可从C-MGroup购得的基于镍的超级合金)、钴合金6B(即，可从HPA购得的基于钴的超级合金)、N-155合金、其任何混合物及任何组合。在一些实施方案中，可以涂覆加强颗粒。
在所示出的实施方案中，钻头12可以是六刃钻头。也就是说，钻头本体50可以包括从钻头12的柄部(未示出)径向向外和向下延伸的六个刀片部分52。这些刀片部分52通常用于接触地层(例如，图1的地层18)。刀片部分52中的每一者可以特征化地具有数个刀具54，刀具54是用于在旋转钻头12时冲击地层18并切割到地层18中的经硬化部件。如所示出，刀具54可以沿着预期在钻探期间与地层18首次接触的每一刀片部分52的边缘布置。应注意，可以利用刀具54在钻头本体50上的其他布置或位置。例如，刀具54可以沿着每一刀片部分52布置成两个或两个以上行，或者除了刀片部分52之外，一些刀具54还可以沿着钻头本体50的其他零件定位。在一些实施方案中，可将刀具54钎焊到钻头本体50上，但也可使用用于将刀具54紧固到MMC钻头本体50的其他技术。
除了具有刀具54的刀片部分52之外，所示出的钻头本体50还可以被形成为具有诸多喷嘴通道56。如所示出，这些喷嘴通道56通常在位于刀片部分52之间的位置处选路穿过钻头本体50。这些喷嘴通道56可用于支撑喷嘴，并且这些喷嘴可以引导穿过钻头12的经加压钻探液的流向以将地层切屑从钻头12的路径中冲洗掉。
已经讨论了钻头本体50和构成钻头12外部的其他部件的总体布局，进而将提供关于内部钻头加强件的更详细的讨论。为此，图3示出了可位于所公开的加强型钻头12内的内部部件的实施方案。具体地，图3中所示出的钻头部件可以包括多个钻头加强件70和一个柄部72。
钻头12可以被生产为具有完全地围封(或加强件70的大部分表面区域被围封)在钻头本体(例如，图2中的50)的MCC材料内的这些钻头加强件70。钻头加强件70可以由具有比形成钻头本体的MMC材料更高的弹性模量(E)的材料制成。也就是说，加强件材料可以具有比由构成钻头本体的粘合剂合金和加强颗粒形成的复合物更高的弹性模量。
为了提供这种经增强的刚度，在一些实施方案中，钻头加强件70可由金属材料构成。具有相对高的弹性模量且因此可用于构造钻头加强件70的宏观加强件材料的一些示例在下表1中提供，其中弹性模量以千兆帕斯卡(GPa)为单位给出。这些材料连同其弹性模量一起被识别。可期望，钻头加强件70由难熔金属构成，所述难熔金属将不会在形成于加强件70周围的经渗透钻头本体的构造(即，铸造)期间熔融。
| 元素 | E(GPa) |
| 铱 | 528 |
| 铼 | 463 |
| 钌 | 447 |
| 钨 | 411 |
| 钼 | 329 |
| 铍 | 287 |
| 铬 | 279 |
| 铑 | 275 |
| 铁 | 211 |
| 钴 | 209 |
| 铀 | 208 |
| 镍 | 200 |
表1：宏观钻头加强件材料
表1中所列举的材料可以单独地或与其他材料合金一起使用。例如，钻头12的一些实施方案可以包括由市场上可购得的基于Fe、Co和Ni的合金制成的钻头加强件70。应注意，钻头加强件70可以由拥有适合高弹性模量的任何其他合金构成。也就是说，金属合金应具有比形成钻头12的钻头本体的MMC材料更高的弹性模量。例如，Ni可与例如钒(V)、铬(Cr)、钼(Mo)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)或铱(Ir)等一系列元素合金化以产生具有较高弹性模量的加强件材料。在仍进一步的实施方案中，钻头加强件70可由基于不包括在表1中的元素的合金构成，只要基本元素的合金化添加产生足够高的弹性模量即可。
在其他实施方案中，钻头加强件可以由具有适当高弹性模量的陶瓷材料构成。更具体地，钻头加强件70可以由一种或数种陶瓷材料制成，例如Al2O3(E＝372GPa)、SiC(E＝393GPa)、Si3N4(E＝310GPa)或B4C(E＝290GPa)。例如，钻头12的某些实施方案可以包括由经渗透的碳化钨颗粒制成的MMC材料的钻头本体，所述钻头本体环绕诸多氧化铝(Al2O3)钻头加强件70。
具有比MMC钻头本体更高的弹性模量的钻头加强件70可以为钻头12的刀片部分提供经增加的刚度。这种经增加的刚度可能导致在钻探操作期间钻头12的刀片部分和刀具上较少的偏转。这种减少的偏转可以有助于减轻和防止钻头12的不期望的退化，从而增加钻头12的寿命或允许钻头12用于在更广泛的地层范围内推进井眼。另外，来自钻头加强件70的经增加的块体刚度可以促进MMC材料的使用，与传统上在钻头中使用的材料相比，MMC材料具有更低的刚度及因此更高的韧度。
此外，钻头加强件70是宏观加强件，所述宏观加强件通常远大于形成MMC钻头本体中的基质的颗粒。因此，钻头加强件70可以提供抵抗穿过钻头12的裂缝传播的屏障。例如，如果裂缝在钻头12的刀片部分中的MMC材料内形成并传播，则一旦裂缝到达钻头加强件70的边界，其就可能停止传播。另外，宏观钻头加强件70可以提供与钻头本体的MMC材料结合并保持抵抗的表面。这可能使得MMC材料不太可能响应于来自钻探操作的裂缝传播和一般磨损而自身断裂。
如图3所示出，钻头12可以包括围绕钻头柄部72的边缘周向地定位的六个钻头加强件70。这些钻头加强件70可各自安置于图2中所展示的钻头12的对应刀片部分52中并大致上与其对准。也就是说，刀片部分52中的每一者可以围绕钻头加强件70中的对应一者形成。在图3的所示出实施方案中，钻头加强件70被示出为实心桨叶，所述实心桨叶通常被定形来填充图2的钻头本体的刀片部分内的可用空间。钻头加强件70通常可以沿垂直于桨叶的面的方向具有均匀的厚度。然而，在其他实施方案中，钻头加强件70可以沿垂直于桨叶的面的方向具有可变的厚度。例如，钻头加强件70的厚度可以随着钻头加强件70远离柄部72的径向距离的增加而增加。在一些实施方案中，钻头加强件的厚度通常可以跟踪钻头12的对应刀片部分52(例如，图2)的轮廓(厚度)。例如，钻头加强件的厚度可沿着维度增加以符合钻头本体50的对应刀片部分52的增加的厚度。这样，钻头12可以包括具有环绕和/或围封钻头加强件70的不同侧面的MMC材料的大致相同厚度或数量的钻头本体。
应注意，在加强型钻头12的不同实施方案中可以使用宏观钻头加强件70的数个变型。例如，钻头12的一些实施方案可以包括被设计成切割到地层中的更多或更少数目个刀片部分(和对应的钻头加强件)。进一步地，并且如下所述，钻头加强件70可以被定形、布置在钻头12内，并且依据钻头12的形状、钻头12的所期望刚度、将使用钻头12执行的钻探操作以及可用于建造钻头12的制造工具以诸多不同方式附接到柄部72。
图4A-图4F示出了图2的钻头12的实施方案的不同截面图。在这些图中，将钻头加强件70展示为桨叶形加强件，其类似于图3中所展示的加强件。在其他实施方案中，这些钻头加强件70可以是不同的形状。如图4A-图4F中所展示，钻头加强件70可以被确定为相同尺寸，并且每一者位于钻头本体50的对应刀片部分52内。所示出的钻头加强件70可以围绕柄部72的轴线90(连同刀片部分52一起)周向等距地间隔开。然而，在其他实施方案中，钻头加强件70可并非等距地间隔开。
如所示出的实施方案中所展示，可将钻头加强件70设计成直接与柄部72(或心轴)配接。如所展示，可将钻头加强件70的上部部分92定形为与柄部72的面向下的边缘或轮廓94耦接。在一些实施方案中，可将钻头加强件70形成为具有上部部分92，上部部分92被设计成配合到形成于柄部72内的狹槽、凹槽或其他特征中。在一些实施方案中，可将钻头加强件70构造成具有上部部分92，上部部分92被定形为与预先存在的钻头柄部72介接。也就是说，已经与其他类型的钻头一起使用的柄部72可以与所公开的钻头加强件70配合，以进一步改善所得钻头12的刚度或其他机械性质。
在钻头12的其他实施方案中，钻头加强件70中的每一者均可使用第三构件附接到柄部72，所述第三构件将穿过形成于钻头加强件70和柄部72中的孔、狹槽或其他适合特征配合。这种第三构件的示例可以包括机械紧固件、系杆和用于以所期望布置机械地耦接两个部件的其他部件。
在仍其他实施方案中，钻头加强件70可以经由适合的连结技术永久地附接到柄部72。这种连结技术可以包括例如焊接、钎焊、摩擦焊接、惯性连结或用于连结两个实心部件的任何其他方法。可以基于用于构成钻头加强件70和/或柄部72的材料来确定将钻头加强件70连结到柄部72的适当方法。在一些实施方案中，柄部72可以是钢部件，而上文概述了可以用于所公开的钻头加强件70的不同材料。
在进一步的实施方案中，在渗透MMC材料以在钻头加强件70及柄部72周围形成钻头本体50之前，根本不会物理地附接钻头加强件70与柄部72。在这种情况下，钻头加强件70仍可特征化地具有上部部分92，上部部分92经定形以与柄部72的轮廓94介接，使得加强件70可定位于模具内，且然后柄部72可定位于钻头加强件70的顶部上并由钻头加强件70保持在适当位置。加强件70与柄部72之间的匹配轮廓可以用于确保这些分离的零件在模具内的适当对准。
为了构造所示出的钻头12，柄部72和钻头加强件70可以定位在用于铸造钻头本体50的模具(例如，石墨模具)内的所期望位置处。模具(未示出)可以被定形以为经渗透的MMC材料填充提供负空间，以形成具有各种刀片部分52的钻头本体50。连同可移除地安置在模具内的由适合材料(例如，砂或石墨)形成的实心取代物一起，模具本身可占据用于形成喷嘴通道56的空间和用于形成穿过钻头本体50通向喷嘴通道56的中心通路96的空间。在一些实施方案中，可在形成钻头本体50之前将刀具54定位在模具内。然而，在其他实施方案中，可在于模具中铸造钻头本体50之后将刀具54钎焊或以其他方式附接到完全地形成的钻头本体50。
在一些实施方案中，可在添加任何MMC材料之前将所有钻头加强件70和柄部72定位在模具内。然而，在其他实施方案中，可在定位钻头加强件70和柄部72之前将加强粉末的第一层浇注到模具中。这可确保用于形成钻头本体50的MMC材料能够到达底部并且填充模具内可用的所有空间。
一旦视需要将钻头加强件70和柄部72定位在模具内，即可将MMC材料的粉末组分浇注到模具中可用的剩余空间中。可期望定位钻头加强件70使得其与柄部72接触(或耦接)，使得需要较少的粉末来填充模具内的可用空间。钻头加强件70的使用可以通过减少钻头本体50所需的加强粉末材料的使用来降低制造钻头12的成本。
一旦模具填充了粉末，即可期望将熔融材料(例如，接合剂)倒入模具中。接合剂可以具有比模具、柄部72、钻头加强件70以及定位在模具内以形成负空间的任何其他对象更低的熔点。这种熔融接合剂可渗透到装载于模具中的加强微粒(粉末)之间的空间。
在渗透之后，MMC材料可以在模具中冷却，以使钻头本体50完全地形成为所期望的形状。一旦复合物被冷却，即可从模具移除钻头12(或者可使模具从钻头本体50周围脱离以释放钻头12)。在一些实施方案中，可将形成柄部72的初始金属件(例如，钢)的一部分机械加工掉(未示出)以产生所期望的钻头12。
如上所述，当前公开的钻头12的钻头加强件70可以许多不同的形状和尺寸形成。图5A-图5D示出了可用于钻头加强件70的四个不同的可能形状，除了上述桨叶形状之外或代替所述桨叶形状。在这些图中的每一者中，二维地展示钻头加强件70的设计，但应注意，这些可以被推广到对应钻头加强件70的三维形状。可出于诸多不同原因选择这些不同的设计，例如以最小化构造钻头12所需的加强件材料的量或优化其他参数(例如，易于渗透、钻头内的应力/应变传递、与MMC材料机械联锁等)。
图5A和5B两者均示出了特征化地具有其中形成有一个或多个孔(或中空区域)的桨叶形状的钻头加强件70的实施方案。例如，图5A展示了包括具有多个孔或中空部分112的桨叶形状110的钻头加强件70。图5B的钻头加强件70可以包括其中形成有单个大中空部分114的桨叶形状110。在图5A和5B的实施方案中的任一者中，可以用另一材料将中空部分填充或使中空部分保持打开。
当使中空部分(112、114)保持打开时，所得钻头可以计入足够的刀片加强同时降低钻头加强件70的成本。也就是说，可以用昂贵的刚性和难熔金属或合金生产钻头加强件70，而不增加不必要的钻头加强件材料的量。
在一些实施方案中，可以用与钻头加强件70的桨叶形部分110的高刚度材料不同的材料将中空部分(112、114)填充。例如，可以用多种材料和材料格式将中空部分(112、114)填充。适合的材料包括陶瓷和金属，而适合的材料格式包括以下形式材料：珠粒、微粒、烧结颗粒、碎片、纤维、薄片、砖、石头、块状物、铸造形状、模制形状和泡沫。在一些实施方案中，中空部分可以用比用于外部桨形部分110的材料刚性更低或延展性更好的材料来填充。用这种材料填充中空部分(112、114)可以提供额外的保护层以防裂缝传播穿过钻头。这样的材料也可以降低钻头制造的成本，因为其可取代可能昂贵的钻头加强件材料或加强件粉末材料。到达钻头加强件70的任何裂缝将必须在其可穿过钻头的刀片部分之前行进穿越中空部分(112、114)的边界并穿过内部材料。在填充的实施方案中，在将钻头加强件放置在模具中及渗透过程之前，可以用安置于中空部分(112、114)中的经添加材料完全地形成钻头加强件70。
图5C示出了包括C形或钩状设计的钻头加强件70的实施方案。钻头加强件70的钩状设计可以特征化地具有外轮廓116，外轮廓116被设计成沿钻头本体的对应刀片轮廓的一侧的方向以弯曲形状延伸。具体地，外轮廓116可以是被设计成沿着对应刀片部分的径向向外边缘延伸的修圆边缘。此C形设计可适合于进一步优化钻头制造的成本，其中沿着每一刀片部分的外部切割边缘最需要较硬材料，但较硬材料在刀片的本体中不是关键的。
图5D示出了包括突出杆118的钻头加强件70的实施方案，突出杆118被设计成从柄部向下并径向向外延伸到钻头本体的对应刀片部分中。尽管在所示出的实施方案中仅展示了一个杆118(或尖头叉)，但钻头加强件70的其他实施方案可以特征化地具有从其中钻头加强件70耦接到柄部的点向外辐射状伸出的额外杆118。当可期望节省钻头加强件70的材料成本或制造时，可以使用用于钻头加强件70的这种杆设计，因为杆形状相当简单并且可易于制造。
应注意，用于构造刚性钻头加强件70的不同类型的材料可以更适合于与钻头加强件70的某些形状和设计一起使用。例如，具有高弹性模量的陶瓷材料可特别适合于与形状如钩(例如，图5C)或包括一个、两个或更多个尖头叉(例如，图5D)的钻头加强件一起使用。这是因为与形成环绕的钻头本体的MMC材料相比，用于钻头加强件70的陶瓷材料可具有相对不同的热膨胀系数(CTE)。通过较细的杆形和/或钩形设计可以使钻头加强件70相对于环绕材料产生的热诱导应变和应力最小化。具有高弹性模量的金属材料可特别适合于与具有较大的基于桨叶的设计(例如，图3，图5A和图5B)的钻头加强件70一起使用，因为金属材料的CTE可能与环绕的经渗透材料较少失配。
图6A-图6F示出了图2的钻头12的另一实施方案的不同截面图。在这些图中，钻头加强件70A和70B被展示为桨叶形加强件，类似于图3和图4A-图4F中所展示的加强件。然而，与上文所述的那些图不同，钻头12的两个相邻刀片部分52的钻头加强件70A和70B是不同的尺寸。如图6B和6E中所展示，例如，钻头加强件70A大于钻头加强件70B。
这些截面中所展示的钻头加强件70A和70B的不同尺寸可能与不同尺寸的刀片相关。也就是说，较大钻头加强件70A的所示出的截面可以从与钻头12的对应主刀片相交的径向位置截取，如图2中所展示。另一方面，较小钻头加强件70B的所示出的截面可以从次级刀片截取。因此，图6B和6E中所展示的钻头加强件70A和70B可各自具有相同的体积比，其可以被定义为钻头加强件70的体积除以对应刀片的体积。然而，应注意，在其他实施方案中，可期望包括在不同的刀片中具有不同体积比的钻头加强件70。
在图6A-图6F中所展示的钻头的实施方案中，所有钻头加强件70可以在沿着轴线90安置的中心点130处连接在一起。中心点130可以使所有钻头加强件70相对于彼此保持固定在钻头12内。在其他实施方案中，所有钻头加强件70可以经由与轴线90同心的环特征连接在一起。环特征通常可以在距轴线90有一定径向距离的点处周向地延伸穿过钻头本体50。在一些实施方案中，钻头加强件70的上部部分92可以在顶部处与适合的环状特征一起连结或形成为一体，并且此环状特征可以直接与柄部72介接。使用这种连结技术将钻头加强件70耦接在一起可以增加钻头本体50的渗透容易性，钻头加强件的制造容易性以及将钻头加强件70定位在模具内的容易性。此外，用于将钻头加强件70彼此链接的连结技术可以有助于改善在钻探操作期间通过钻头12的应力和应变的传递。
图7和图8示出了可用于所公开的经渗透MMC钻头12中的钻头加强件70的截面的其他实施方案。图7展示了特征化地具有环绕更均匀的内部部分152的外层150的钻头加强件70。外层150可以被设计成促进钻头加强件70与钻头本体的环绕的MMC材料之间的界面接合。这种界面接合可能有助于将裂缝传播从钻头本体引导到钻头加强件70中，而不是沿着钻头加强件70与MMC材料之间的界面引导，以防止钻头本体刀片部分的片体响应于钻头上的力而断裂。
在一些实施方案中，外层150可以包括施加到钻头加强件70的内部部分152的外部涂层。由于许多陶瓷材料不可润湿，并且不可通过许多熔融金属接合，因此此涂层可以产生、增强或以其他方式增加由陶瓷材料形成的钻头加强件70与MMC材料之间的接合。在其他实施方案中，外层150可以增加或改善金属钻头加强件材料与MMC材料之间的接合或扩散。外层150还可有助于在钻头加强件70与MMC材料之间产生功能梯度，使得可以跨越不同材料界面更容易地适应应变差异。虽然外层150可不必引起与钻头加强件材料的这种反作用或相互扩散，但其可以提供经增强的接合强度。在又其他实施方案中，外层150可以防止钻头加强件材料与MMC材料之间的显著相互作用。
在其他实施方案中，外层150可以包括已经接收导致表面粗糙的表面处理的钻头加强件70的外部分。例如，在钻头加强件70的制造期间，钻头加强件70可以首先被机器加工成所需形状，且然后可以对钻头加强件70的表面执行喷丸工艺(或其他研磨工艺)。例如，在其中钻头加强件70由陶瓷材料构成的实施方案中，可将陶瓷钻头加强件70的部分从外表面蚀刻掉，从而留下具有用于与环绕的复合物材料界面接合的较高表面积的较低密度壳体。除了用于施加到钻头加强件70的外部的涂层之外，或代替施加到钻头加强件70的外部的涂层，可以使用这种类型的研磨表面处理。也可以在钻头加强件70的外部分上产生其他表面特征，以增强与MMC材料的接合。适合的表面特征可以包括但不限于小尺度起伏、锯齿状物、台阶、波浪、凹坑、凹陷、突起、凸块、翅片、螺纹、斜角、燕尾形物、滚花、其任何组合等。
如图8中所示出，钻头加强件70的一些实施方案可特征化地具有多个层154，多个层154逐层叠加地构建以形成钻头加强件70。钻头加强件70可以使用增材制造工艺来生产以构建这些层154。不同的层154可以由一种材料或由多种材料形成，并且不同的层154可以由以不同方式布置的材料形成。例如，一些层154可以是实心材料层。其他层154(特别是较多的内部层)可以布置成格栅、网格或蜂房式图案，以留下开放空间来减小朝向钻头加强件70的中心的重量。朝向外部的层154可以由具有比较多内部层更高的强度和/或刚度的材料或结构构成。所示出的钻头加强件还可以包括具有如上所述促进与钻头本体材料的界面接合的表面处理或涂层的外层150。
增材制造允许经由其他制造方法难以或不可能实现的钻头加强件的结构。本文所述的钻头加强件可以使用任何已知的增材制造技术来制造。例如，金属结构可以通过例如但不限于以下各项的工艺来生产：激光烧结(LS)[例如，选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)]、激光熔融(LM)[例如，选择性激光熔融(SLM)、激光聚焦]、电子束熔融(EBM)、激光金属沉积[例如，直接金属沉积(DMD)、激光工程化净定形(LENS)、直接光制作(DLF)、直接激光沉积(DLD)，直接激光制作(DLF)、激光快速成形(LRF)、激光熔融沉积(LMD)]、其任何组合等。这些工艺中的一些工艺也可用于生产陶瓷结构。
本文所公开的实施方案包括：
A.一种钻头系统，其包括钻头本体和至少部分地围封在所述钻头本体内的多个钻头加强件。所述钻头本体包括金属基复合物(MMC)材料，并且所述钻头本体还包括径向向外和向下延伸以接触地下地层的多个刀片部分。所述多个钻头加强件至少部分地围封在所述钻头本体内，并且所述多个钻头加强件各自安置在所述多个刀片部分中的对应一者中并大致上与其对准。所述多个钻头加强件各自具有比所述MMC材料更高的弹性模量。
B.一种方法，其包括将柄部安置在模具内并将多个钻头加强件安置在所述模具内，使得所述多个钻头加强件邻近于所述柄部的端部定位。实数方法还包括用金属基复合物料(MMC)材料填充所述模具以形成钻头本体，所述钻头主体包括从所述柄部的所述端部径向向外和向下延伸的多个刀片部分。所述MMC材料至少部分地围封所述钻头本体内的所述多个钻头加强件，使得所述多个钻头加强件中的每一者各自安置在所述多个刀片部分中的对应一者中并且大致上与其对准，并且所述多个钻头加强件各自具有比所述金属基复合物材料更高的弹性模量。
实施方案A和B中的每一者可以组合地具有以下额外要素中的一者或多者：要素1：进一步包括柄部，所述柄部耦接到所述钻头本体的与所述多个刀片部分相对的端部，以用于将所述钻头本体连接到钻柱的上游部件，其中所述多个钻头加强件全部经由围绕所述柄部的轴线同心地延伸的环、桁架杆或弧或者在中心点处连接在一起。要素2：进一步包括柄部，所述柄部耦接到所述钻头本体的与所述多个刀片部分相对的端部，以用于将所述钻头本体连接到钻柱的上游部件，其中所述多个钻头加强件耦接到所述柄部并且是彼此分离的部件。要素3：其中所述多个钻头加强件包括选自含有以下各项的材料群组的至少一种材料：铱、铼、钌、钨、钼、铍、铬、铑、铁、钴、铀、镍、钒、钽、锇及其合金。要素4：其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括陶瓷材料。要素5：其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括以下厚度：沿着所述钻头加强件的维度增加以符合所述钻头本体的所述多个刀片部分中的所述对应一者的增加的厚度。要素6：其中所述多个钻头加强件中的至少一者是与所述多个钻头加强件中的至少另一者不同的尺寸。要素7：其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括通过所述钻头加强件形成的一个或多个中空部分。要素8：其中所述一个或多个中空部分用与所述钻头加强件的所述材料不同的材料或材料格式填充。要素9：其中所述一个或多个中空部分用选自由以下各项组成的群组的至少一个材料格式布置的材料填充：珠粒、微粒、烧结颗粒、碎片、纤维、薄片、砖、石头、块状物、铸造形状、模制形状和泡沫。要素10：其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括外涂层。要素11：其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括在所述钻头加强件的外部分上产生的表面处理或其他表面特征，以增强与所述MMC材料的接合。要素12：其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括经由增材制造形成的一个或多个材料层。要素13：其中所述多个钻头加强件中的至少一者是具有修圆边缘的C形，所述修圆边缘沿着所述对应刀片部分的径向向外的边缘延伸。要素14：其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括突出穿过所述对应刀片部分的杆。
要素15：进一步包括在将所述柄部安置在所述模具内之前，将所述多个钻头加强件中的每一者耦接到所述柄部。要素16：进一步包括经由环、桁架杆或弧或在中心点处将所述多个钻头加强件彼此耦接。要素17：进一步包括涂布所述多个钻头加强件中的至少一者。要素18：进一步包括通过增材制造形成所述多个钻头加强件中的至少一者。
虽然已经详细描述了本公开及其优点，但应理解，在不背离如由权利要求书定义的本公开的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和更改。
Claims (20)
1.一种钻头系统，其包括：
钻头本体，其包括金属基复合物(MMC)材料，其中所述钻头本体包括径向向外和向下延伸以接触地下地层的多个刀片部分；以及
多个钻头加强件，其至少部分地围封在所述钻头本体内，其中所述多个钻头加强件各自安置在所述多个刀片部分中的对应一者中并大致上与其对准，其中所述多个钻头加强件各自具有比所述MMC材料更高的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的钻头系统，其进一步包括：
柄部，其耦接到所述钻头本体的与所述多个刀片部分相对的端部，以用于将所述钻头本体连接到钻柱的上游部件，其中所述多个钻头加强件全部经由围绕所述柄部的轴线同心地延伸的环、桁架杆或弧或者在中心点处连接在一起。
3.根据权利要求1所述的钻头系统，其进一步包括：
柄部，其耦接到所述钻头本体的与所述多个刀片部分相对的端部，以用于将所述钻头本体连接到钻柱的上游部件，其中所述多个钻头加强件耦接到所述柄部并且是彼此分离的部件。
4.根据权利要求1所述的钻头系统，其中所述多个钻头加强件包括选自含有以下各项的材料群组的至少一种材料：铱、铼、钌、钨、钼、铍、铬、铑、铁、钴、铀、镍、钒、钽、锇及其合金。
5.根据权利要求1所述的钻头系统，其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括陶瓷材料。
6.根据权利要求1所述的钻头系统，其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括以下厚度：沿着所述钻头加强件的维度增加，以符合所述钻头本体的所述多个刀片部分中的所述对应一者的增加的厚度。
7.根据权利要求1所述的钻头系统，其中所述多个钻头加强件中的至少一者是与所述多个钻头加强件中的至少另一者不同的尺寸。
8.根据权利要求1所述的钻头系统，其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括通过所述钻头加强件形成的一个或多个中空部分。
9.根据权利要求8所述的钻头系统，其中所述一个或多个中空部分用与所述钻头加强件的所述材料不同的材料或材料格式填充。
10.根据权利要求9所述的钻头系统，其中所述一个或多个中空部分用以选自由以下各项组成的群组的至少一个材料格式布置的材料填充：珠粒、微粒、烧结颗粒、碎片、纤维、薄片、砖、石头、块状物、铸造形状、模制形状和泡沫。
11.根据权利要求1所述的钻头系统，其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括外涂层。
12.根据权利要求1所述的钻头系统，其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括在所述钻头加强件的外部分上产生的表面处理或其他表面特征，以加强与所述MMC材料的接合。
13.根据权利要求1所述的钻头系统，其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括经由增材制造形成的一个或多个材料层。
14.根据权利要求1所述的钻头系统，其中所述多个钻头加强件中的至少一者是具有修圆边缘的C形，所述修圆边缘沿着所述对应刀片部分的径向向外的边缘延伸。
15.根据权利要求1所述的钻头系统，其中所述多个钻头加强件中的至少一者包括突出穿过所述对应刀片部分的杆。
16.一种用于制造钻头系统的方法，其包括：
在模具内安置柄部；
在所述模具内安置多个钻头加强件，使得所述多个钻头加强件邻近于所述柄部的端部定位；以及
用金属基复合物(MMC)材料填充所述模具以形成钻头本体，所述钻头本体包括从所述柄部的所述端部径向向外和向下延伸的多个刀片部分，其中所述MMC材料至少部分地围封所述钻头本体内的所述多个钻头加强件，使得所述多个钻头加强件中的每一者各自安置在所述多个刀片部分中的对应一者中并大致上与其对准，其中所述多个钻头加强件各自具有比所述金属基复合物材料更高的弹性模量。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括在将所述柄部安置在所述模具内之前，将所述多个钻头加强件中的每一者耦接到所述柄部。
18.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括经由环、桁架杆或弧或者在中心点处将所述多个钻头加强件彼此耦接。
19.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括涂布所述多个钻头加强件中的至少一者。
20.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括通过增材制造形成所述多个钻头加强件中的至少一者。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170829 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |