CN107206520B - 具有精确的切削机凹窝位置和取向的钻地工具及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种形成钻地工具的方法，所述方法包括形成工具主体，所述工具主体包括至少一个倒置型切削元件凹窝，所述至少一个倒置型切削元件凹窝的至少一部分的轮廓与将固定在将通过随后机加工所述至少一个倒置型切削型元件凹窝而形成的切削元件凹窝内的实际切削元件的轮廓基本上匹配。可以向所述工具主体的各部分涂敷耐磨堆焊材料。通过在向所述工具主体的各部分涂敷所述耐磨堆焊材料之后移除所述至少一个倒置型切削元件凹窝内的所述工具主体的材料而形成所述实际切削元件凹窝。使切削元件附连在所述实际切削元件凹窝内。

Description

具有精确的切削机凹窝位置和取向的钻地工具及相关方法
优先权要求
本申请要求2014年12月9日提交的关于“Earth-Boring Tools With PreciseCutter Pocket Location and Orientation and Related Methods”的美国专利申请序号14/564,415的提交日期的权益。
技术领域
本公开的实施方案涉及其中形成有切削元件凹窝的钻地工具，以及在钻地工具中形成切削机凹窝的方法。
背景技术
钻地工具用于在地下地层中形成钻孔(例如，井筒)。此类钻地工具可包括钻头、扩孔器、铣刀等。常规的固定切削机钻地旋转钻头包括具有大致径向突出且纵向延伸的刀片的钻头主体。可将多个切削元件固定(例如，钎焊)在形成于刀片中的凹窝内。在钻井操作期间，钻头位于井钻孔的底部并且旋转，并且切削元件通过诸如剪切、磨削等机制对地层材料进行接合和降解。
钻头主体可包括材料诸如金属合金(例如，钢)或基体颗粒复合材料，例如，分散在金属合金基体(例如，青铜)中的烧结碳化钨颗粒。可通过机加工例如通过将钢坯件铣削成型，或铸造例如通过形成具有期望钻头主体的凹陷形状的模具并将模具用熔融合金填充来制造钻头主体。通常，当钻头主体一开始被机加工或铸造成型时，在钻头主体中形成将附连有切削元件的凹窝。切削元件随后使用例如钎焊工艺附连在切削元件凹窝内。其他井下工具还包括附连在切削元件凹窝内的此类切削元件。
通常，钢以及钻头和其他井下工具的其他主体的高磨损区域涂覆有耐磨性耐磨堆焊材料以减少磨损。这种耐磨堆焊材料可包括分散在金属基体材料内的烧结碳化钨颗粒。耐磨堆焊材料可通过焊接工艺例如等离子体转移弧焊接、氧乙炔焊接、气体金属弧焊接或导致工具主体加热的其他沉积工艺来涂敷。工具主体还可在井下环境中使用钻地工具之前进行热加工步骤诸如热处理。
发明内容
在本公开的一方面，一种形成钻地工具的方法包括形成工具主体，该工具主体包括至少一个倒置型切削元件凹窝，该至少一个倒置型切削元件凹窝的至少一部分的轮廓与将固定在将通过随后机加工至少一个倒置型切削元件凹窝而形成的切削元件凹窝内的实际切削元件的轮廓基本上匹配。向工具主体的各部分涂敷耐磨堆焊材料。通过在向工具主体的各部分涂敷耐磨堆焊材料之后移除至少一个倒置型切削元件凹窝内的工具主体的材料而形成实际切削元件凹窝，并且使切削元件附连在实际切削元件凹窝内。
在本公开的另一方面，一种形成钻地工具的方法包括形成工具主体，该工具主体包括至少一个倒置型切削元件凹窝，该倒置型切削元件凹窝的至少一部分的轮廓与将固定在将通过随后机加工至少一个倒置型切削元件凹窝而形成的切削元件凹窝内的实际切削元件的轮廓基本上匹配。使用机加工工艺来移除至少一个倒置型切削元件凹窝的至少一部分以便在耐磨堆焊材料的热处理和涂敷的一个或多个操作期间在向工具主体施加了热量后形成实际切削元件凹窝。使切削元件附连在实际切削元件凹窝内。
附图简述
虽然本说明书通过特别指出并清楚地要求保护本公开实施方案的权利要求作出结论，但所公开实施方案的许多特征和优点可在参考附图阅读以下描述之后更容易地确定，附图中：
图1是根据本公开的一个实施方案的钻地工具的透视图；
图2是蒙特卡罗模拟曲线图，表明“稳定交叉”ROP方差随切削机位置公差上升；
图3是根据本公开的一个实施方案的中间工具主体的顶视图；
图4是根据本公开的一个实施方案的包括第一耐磨堆焊材料的中间工具主体的顶视图；
图5是根据本公开的一个实施方案的包括第二耐磨堆焊材料的中间工具主体的顶视图；以及
图6是根据本公开的一个实施方案的中间工具主体的刀片的一部分的截面侧视图。
具体实施方式
本文所展示的图示并不是任何特定材料或钻地工具的实际视图，而仅仅是为了描述本公开的实施方案而采用的理想化表示。此外，附图之间共有的元件可以保持相同的数字编号。
在钻头主体和承载切削元件的工具部件的常规形成期间，在耐磨堆焊材料的热加工(例如，热处理)和/或涂敷期间发生的热诱发的变形可能会导致主体永久变形，使得切削元件凹窝的位置和/或取向相对于设计规范具有不准确性。本发明的发明人出乎意料地发现，在使用中，即使切削元件的预期位置与设计规范的较小偏差(即，近似约0.001英寸(0.0254mm))也可能会对机械钻速(ROP)具有显著影响，在超过该机械钻速的情况下，旋转钻头被认为稳定地运行(即，“稳定交叉”点)。换言之，常规制造工艺中固有的制造公差可能会影响钻头和其他井下工具可以稳定钻井模式钻井的机械钻速范围，并且可能会损害井下工具的性能。稳定交叉可能对工具主体的相同切削位置或区域中的切削元件的位置和取向的变化比工具主体的其他切削位置或区域中的切削元件的情况更为敏感。例如，旋转钻地钻头的稳定交叉可能对钻头鼻部附近的切削机的位置和取向尤其敏感。除了性能和耐久性受损之外(即，钻头内效应)，钻地钻头或工具的切削元件的位置和取向相对于设计规范的变化可能会导致具有相同设计和规范(即，钻头内效应)的不同钻头之间的性能不一致且不可预测。
如本文所使用。术语“钻头”和“工具”可为了方便起见而互换使用，并且术语“工具”和“井下工具”包含钻头。类似地，术语“工具主体”包含井下工具的被配置成承载切削元件以及钻头主体的两个部件。
本文描述了用于制造包括切削元件诸如展现出小得多的制造公差的聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件的钻地钻头和工具的方法和材料，以确保实际钻头或其他井下工具体现钻头或其他井下工具相对于安装于其上的切削元件的位置和取向的预期设计。换句话讲，本公开包括能够制造具有切削元件凹窝的钻地工具的方法和材料，这些切削元件凹窝相对于设计规范具有准确的位置和取向。因此，如本文所述的钻地工具可以在钻地工具设计中的切削元件凹窝的指定位置和取向与根据该设计制造而成的实际物理钻地工具中的切削元件凹窝和切削元件的实际位置和取向之间展现出减小的(例如，最小化的)变化。
图1是呈旋转式固定切削机钻地钻头形式的钻地工具100的一个实施方案的透视图，尽管任何其他类型的井下工具，其包括在工具主体上的切削元件凹窝中安装的切削元件，也可体现本公开的教导内容。例如，用于放大钻孔的装置(例如，扩孔器)或其中切削元件附连在工具主体中的凹窝中的任何其他工具可以是如本文所述的制造方法和材料的主题。
钻地工具100可包括工具主体102，该工具主体具有柄部104，该柄部具有连接部分105(例如，美国石油协会(API)螺纹连接件)，该连接部分被配置成使钻地工具100附接到钻柱(未示出)。
钻地工具100可包括固定在切削元件凹窝108内的切削元件106。作为一个非限制性例子，切削元件106可包括聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件。切削元件凹窝108可形成于钻地工具100的刀片110中。每个刀片110可在刀片110的经向向内位置从锥形区域112径向向外延伸。每个刀片110可包括与锥形区域112相邻并且相对于锥形区域112径向向外的鼻区域114。每个刀片110可包括与鼻区域相邻并且相对于鼻区域径向向外的肩部区域116，和与肩部区域116相邻的保径部分118。
图2示出了蒙特卡罗模拟曲线图，表明“稳定交叉”ROP方差随切削机位置公差上升。如该曲线图所示，切削元件的位置和取向公差减小到标称值的四分之一(1/4)可以显著减小稳定交叉ROP的变化性。钻地工具100可使用材料和制造方法以以下方式形成，以减少切削机位置公差，因而减小稳定交叉ROP的变化性。钻地工具100的一个或多个切削元件106可以被指定为“关键”切削元件。关键切削元件可以是其位置和取向与设计规范的偏差对钻头动态稳定性和/或切削性能具有比未指定为关键性的其他切削元件106的类似偏差相对更大影响的切削元件106。关键切削元件106的识别可使用统计和经验方法、计算机方法(例如，动态模拟软件)或其他方法来完成。在一些实施方案中，刀片110的特定区域中的全部切削元件106可以被指定为是关键的。例如，本发明的发明人已经确定，位于钻头鼻部附近的切削元件的公差减小可会对稳定交叉ROP具有最显著的影响。或者，钻地工具100的全部切削元件106可以被指定为是关键的。
现在参考图3，对应于未完工(即，部分制造)状态的钻地工具100(图1)的钻头主体102的中间工具主体120可由金属合金(例如，钢)或复合材料包括例如分散在金属合金(例如，青铜、钢等)中的碳化钨颗粒形成。在一个实施方案中，中间工具主体120可通过机加工具有期望几何形状和特征的钢坯材来形成。或者，中间工具主体120可通过铸造例如通过将熔融金属合金引入具有中间工具主体120的反相形状的模具中来形成。在其中中间工具主体120包括颗粒基体复合材料的实施方案中，可将耐磨材料(例如，碳化钨)颗粒放置在模具内并且用熔融金属合金(例如，青铜)渗入。
在钢主体工具的常规钻地工具制造过程中，当钢坯件被机加工成具有钻头几何形状和特征时，可将切削元件凹窝机加工成钻头主体。在包含颗粒基体复合材料(例如，钴烧结碳化钨)的工具主体的常规钻地工具制造过程中，可以在铸造过程中通过在模具内并且围绕替换件铸造钻头主体之前将可移除替换件插入模具中而在钻头主体中形成切削元件凹窝。
在形成钻头主体之后，在热加工(例如，热处理)或耐磨堆焊材料涂敷期间应用于钻头主体的热循环可能会导致切削元件凹窝的位置和取向发生相对小的失真和不准确性。在本文所述的实施方案中，钻地工具100的一个或多个切削元件凹窝108(图1)可以是在将坯件机加工成形之后(在具有机加工钢钻头的实施方案中)或在铸造之后(在铸造实施方案中，例如，铸造合金或颗粒基体复合材料)在中间工具主体120中部分或完全未成形的。例如，对应于识别为“关键”切削元件的切削元件106(图1)的一个或多个切削元件凹窝108(图1)可以是中间工具主体120中部分地成形或未成形的。对应于关键切削元件的切削元件凹窝可以是在耐磨堆焊材料的涂敷和其他热加工执行之后机加工的。如本文所述的制造序列可通过将热诱发的失真作为变化源消除而改善切削元件的位置和取向的准确性。
继续参看图3，根据本公开的实施方案，当形成工具主体120时，在特定钻头设计中对应于“关键”切削元件凹窝108的位置处形成“倒置型”切削元件凹窝122。倒置型切削元件凹窝122可具有与将要形成于已完工钻地工具100中的对应切削元件凹窝108的形状和位置至少大致类似的形状和位置。因此，倒置型切削元件凹窝122可在中间工具主体120的面上包括突起，这些突起具有与安装到工具主体的切削元件106(图1)类似的外观。在涉及到向工具主体施加热量的一个或多个随后制造工艺之后，中间工具主体120中的倒置型切削元件凹窝122可包括工具主体的随后移除的整体式部分，以在工具主体中形成切削元件凹窝108。因此，在其中工具主体包括钢并且通过机加工钢坯来制造的实施方案中，倒置型切削元件凹窝122可通过在通过机加工形成中间工具主体120的时候机加工钢坯来形成。在其中工具主体包括颗粒基体复合材料或通过在模具中铸造来制造的实施方案中，倒置型切削元件凹窝122可在中间工具主体120被铸造在模具内的时候形成于中间工具主体120上或形成为中间工具主体120的整体式部分。
在一些实施方案中，倒置型切削元件凹窝122可形成为具有的外径与预期附连在将要形成于倒置型切削元件凹窝122的位置处的切削元件凹窝108内的切削元件106的外径至少基本上完全相同。在其他实施方案中，倒置型切削元件凹窝122可形成为具有的外径比预期附连在将形成于倒置型切削元件凹窝122的位置处的切削元件凹窝108内的切削元件106的外径略微更小。在其他实施方案中，切削元件凹窝可机加工或模制成净形或近净形，并且可加工替换件(未示出)可插入在切削元件凹窝内。可加工替换件可包括易加工金属合金(例如，低碳钢)，并且可具有例如实心或空心圆柱形形状。
未指定为关键切削元件的切削元件(即，“非关键”切削元件)的切削元件凹窝123可在中间工具主体120中使用常规工艺完全成形。例如，切削元件凹窝123可通过用于形成中间工具主体120的机加工或铸造操作来形成。切削元件凹窝123可对应于备用位置中的切削元件，即在旋转方向上落后于其他切削元件的切削元件、定位在钻地工具100的刀片110的保径部分118(图1)上的切削元件、定位在钻地工具100的刀片110的锥形部分112上的切削元件或定位在刀片110的其他部分上的切削元件。
如以下关于图4和图5所述，可以在需要额外耐磨性的区域，向中间工具主体120涂敷一种或多种耐磨堆焊材料。例如，在切削元件凹窝108(图1)附近，以及在旋转方向上领先于或在旋转方向上落后于切削元件106的刀片110的区域上可能会需要额外的耐磨性。在一些实施方案中，可以向中间工具主体120的紧邻倒置型切削元件凹窝122的部分涂敷第一耐磨堆焊材料126(图4)。换句话说，可以向中间工具主体120的紧邻已完工钻地工具100的切削元件凹窝108(图1)的期望位置的部分涂敷第一耐磨堆焊材料126。可以向中间工具主体120的不紧邻倒置型切削元件凹窝122(因而不紧邻切削元件凹窝108的期望位置)的部分涂敷第二耐磨堆焊材料128(图5)。
第一耐磨堆焊材料126可比第二耐磨堆焊材料128相对容易机加工。可通过参数诸如机加工工具寿命、机加工工具力和机加工工具能量消耗、AISI可加工性指数和其他参数来以不同方式定义加工便利性，即“可加工性”。在一些实施方案中，第一耐磨堆焊材料126可展现出比第二耐磨堆焊材料128的AISI可加工性指数大至少约10％的AISI可加工性指数。第一耐磨堆焊材料可被选择成展现出可加工性和耐磨性的特定组合。第一耐磨堆焊材料126可包括与第二耐磨堆焊材料128相比，硬质材料诸如碳化钨的更精细、更均匀分布的颗粒。因此，与第二耐磨堆焊材料128的机加工相比，第一耐磨堆焊材料126的机加工可能不那么可能引起机加工工具的冲击失效。如以下进一步描述，第一耐磨堆焊材料的精加工可以与常规机加工操作相比相对高的表面速度和相对低的切削深度执行。用于机加工第一耐磨堆焊材料126的机加工工具可包括被配置成减少由于高表面速度而引起的热磨损的表面光洁度(例如，氮化铝)。
现在参考图4，可以向中间工具主体120的可与用于随后在倒置型切削元件凹窝122的位置处形成切削元件凹窝108的机加工工具接触的选定区域涂敷第一耐磨堆焊材料126。例如，可以向中间工具主体120的与倒置型切削元件凹窝122邻近的部分涂敷第一耐磨堆焊材料126。在一些实施方案中，第一耐磨堆焊材料126的部分可与倒置型切削元件凹窝122的部分重叠。在一些实施方案中，中间工具主体120的不需要涂敷第一耐磨堆焊材料126的区域可以用化合物或材料掩蔽，该化合物或材料防止中间工具主体120被第一耐磨堆焊材料126润湿。例如，可以至少向中间工具主体的倒置型切削元件凹窝122的面124涂敷防湿剂以防止面124被第一耐磨堆焊材料126润湿。合适的防湿剂的一个例子为
Figure BDA0001356448940000091
STOP-OFFTM，可从Wall Colmonoy Corporation，101W.Girard，Madison Heights，MI 48071，USA获得。
第一耐磨堆焊材料126可包括被选择为能够机加工第一耐磨堆焊材料126的材料。例如，在一些实施方案中，第一耐磨堆焊材料126可包括其中分散有粗晶质碳化钨颗粒(WC)的镍-硼-硅(Ni-B-Si)基体材料。可用作第一耐磨堆焊材料126的可商购耐磨堆焊材料的一个例子为NITUNGTM60，是一种在专用合金基体中包括60重量％碳化钨颗粒的耐磨堆焊材料，可从Carpenter Powder Products，600 Mayer Street，Bridgeville，PA 15017 USA获得。在其他实施方案中，第一耐磨堆焊材料126可包括均质材料，例如，具有相对高硬度且无分散颗粒相的大致连续金属合金。例如，一些钴基合金可适用作第一耐磨堆焊材料126。用于第一耐磨堆焊材料126的特定材料和组成可基于针对特定工具和应用所确定的接触压力下的耐磨测试的结果来选择。
第一耐磨堆焊材料126可通过氧乙炔焊接(OAW)、等离子体转移弧焊接(PTAW)、气体钨弧焊接(GTAW)、高速氧燃料热喷涂(HVOF)、高速空气燃料热喷涂(HVAF)、激光熔覆等来涂敷。任选地，HVOF和HVAF工艺可包括熔融步骤。第一耐磨堆焊材料126可被手动地、半自动地或自动地涂敷。第一耐磨堆焊材料126可在中间工具主体120与第一耐磨堆焊材料126之间的界面处展现出最小程度的稀释。可将稀释定义为已稀释到耐磨堆焊材料126中的基底金属(即，中间工具主体120的材料)的重量百分比。例如，第一耐磨堆焊材料可以在中间工具主体120与第一耐磨堆焊材料126之间的界面处展现出小于十(10)个百分比的稀释、小于五(5)个百分比的稀释或更少的稀释。
现在参考图5，可以向中间工具主体120的其他选定区域涂敷第二耐磨堆焊材料128。其他选定区域可包括例如钻地工具100(图1)的不与倒置型切削元件凹窝122紧邻的高磨损区域。在一些实施方案中，第二耐磨堆焊材料128可被涂敷在旋转方向上领先于和/或在旋转方向上落后于“倒置型切削机”倒置型切削元件凹窝122的刀片110的多个部分。因此，第一耐磨堆焊材料126可定位在倒置型切削元件凹窝122与第二耐磨堆焊材料128之间。第二耐磨堆焊材料128可包括传统的耐磨堆焊材料，诸如分散于例如铁、钴或镍合金的金属基体中的烧结碳化钨颗粒，并且其组成可针对其耐磨性和/或耐久性而不是其可加工性进行选择。换句话说，第二耐磨堆焊材料128可不考虑可加工性进行选择，因为第二耐磨堆焊材料128可被涂敷于中间钻头主体120的不需要随后精加工的区域。在一些实施方案中，如上文所述的防湿剂可被涂敷于中间钻头主体120的上面不需要涂敷第二耐磨堆焊材料128的部分例如第一耐磨堆焊材料126的各部分、先前针对非关键切削元件形成的凹窝123等。第二耐磨堆焊材料128可使用以上结合第一耐磨堆焊材料126所述的任何方法或其他合适的方法来涂敷。
在一些实施方案中，第二耐磨堆焊材料128可被涂敷到中间工具主体120的比涂敷了第一耐磨堆焊材料126的区域更大的区域。例如，虽然第一耐磨堆焊材料126可仅涂敷于与倒置型切削元件凹窝122相邻的位置，但第二耐磨堆焊材料128可被涂敷于刀片110的更大区域，如图5所示。第二耐磨堆焊材料128可被涂敷在第一耐磨堆焊材料126的至少一部分(即，可与其重叠)。在其他实施方案中，可在涂敷第一耐磨堆焊材料126之前涂敷第二耐磨堆焊材料128。在这些实施方案中，第一耐磨堆焊材料126的一部分可被涂敷在第二耐磨堆焊材料128的一部分上(即，与其重叠)。
用于涂敷第一耐磨堆焊材料126和第二耐磨堆焊材料128的方法可导致热量施加到中间工具主体120。此外，在一些实施方案中，中间工具主体120可进行热加工诸如热处理、淬火、老化等以改善中间工具主体120的材料的微结构。如先前所述，这种热加工可导致中间工具主体120发生微小失真(例如，翘曲)。换句话说，热诱发的变形可导致中间工具主体120的实际形状相对于设计规范出现偏差。因此，在耐磨堆焊材料126和128的热加工和涂敷之后，非关键切削元件的倒置型切削元件凹窝122和切削元件凹窝123的位置和取向可能由于与关于热加工发生的变形类似的热诱发的变形而相对于设计规范略有不同。因此，如下所述，可在这种热加工作用之后且在涂敷第一耐磨堆焊材料126和第二耐磨堆焊材料128之后执行用于在关键切削元件的位置形成切削元件凹窝108(图1)的精加工。
可以移除倒置型切削元件凹窝122的至少一部分以在每个关键切削机位置形成切削元件凹窝108(图1)，该切削元件凹窝大致展现出对应于该相应切削元件凹窝的预定设计位置、尺寸、形状和取向的位置、尺寸、形状和取向。例如，可机加工中间工具主体120以移除倒置型切削元件凹窝122的至少一部分。机加工切削元件凹窝108可包括根据倒置型切削元件凹窝122的精确尺寸和形状以及由于热加工而引起的任何失真程度来机加工第一耐磨堆焊材料126的与突起122相邻的至少一部分。因此，用于机加工切削元件凹窝108的工具可被配置成能够机加工第一耐磨堆焊材料126。
例如，切削元件凹窝108可使用包括硬质材料和/或硬表面涂层的工具来机加工。在一个实施方案中，切削元件凹窝使用具有氮化铝涂层的端铣刀来机加工。此类铣削刀具可从
Figure BDA0001356448940000111
Inc.，1600Technology Way，Latrobe，PA 15650 USA获得。
机加工工艺和参数可根据需要加以调整以促进第一耐磨堆焊材料126的机加工。例如，端铣刀的速度和馈送速率可基于工具的切削特征和第一耐磨堆焊材料126的特定组成进行选择。
在一些实施方案中，机加工可在无第一耐磨堆焊材料126和第二耐磨堆焊材料128的位置开始。例如，现在参考图6，示出了中间钻头主体120(图5)的刀片110的一部分。机加工操作可通过将端铣刀130沿对应于将对应于实际切削元件凹窝的所选择的预定取向而形成的实际切削元件凹窝108(图1)的轴线的纵向轴线132而投入倒置型切削元件凹窝122的面124中来开始。端铣刀130可相对于端铣刀的旋转轴线径向地移动(例如，盘旋)，并且根据倒置型切削元件凹窝122的精确尺寸和形状，端铣刀130的侧部134可接合第一耐磨堆焊材料126。如果端铣刀130的侧部134接合第一耐磨堆焊材料126，那么端铣刀130可与第一耐磨堆焊材料126的所有相保持接合(例如，端铣刀130可与金属合金基底相和不连续碳化钨颗粒相保持接合)，直到端铣刀130不再接合第一耐磨堆焊材料126的任何部分。这可防止在端铣刀130与第一耐磨堆焊材料126的不同相重复地接触和脱接触的情况下工作率发生突然变化。在一些实施方案中，切削元件凹窝108的形成可使用多晶金刚石增强工具、超声波方法、电火花加工(EDM)、热辅助机加工或其他方法来执行。在切削元件凹窝108的精加工之后，可以将切削元件106插入并附连在切削元件凹窝108内。例如，切削元件106可钎焊在切削元件凹窝108内。
如图所示的钻地工具100(图1)可以相对于切削元件凹窝的位置和取向而展现出比常规制造的钻地工具更小的制造公差。例如，在一些常规制造的钻地工具中，切削元件的位置和取向相对于设计规范的典型偏差范围(即，制造公差)可分别高达约±0.034英寸(约0.86毫米)和约±2.7度。在如本文所述而制造的钻地工具中，切削元件的位置和取向相对于设计规范的典型偏差范围可比常规制造的工具的典型范围小约一个数量级。例如，如图所述而制造的钻地工具可以展现出的切削元件位置和取向相对于设计规范的偏差分别为约±0.005英寸(0.13mm)和约±0.25度。通过在热加工和/或耐磨堆焊过程之后执行切削元件凹窝108的精加工，可以最小化(例如，消除)热加工而造成的失真对切削元件凹窝108的位置和取向的影响。因此，如本文所述而制造的钻地工具100与常规制造的钻地工具相比，可以展现出更大范围的稳定的机械钻速、更可预测范围的稳定的机械钻速、优越的耐用性、同一设计的不同钻头之间的更一致的操作特征和改进的性能。
以下阐述了本公开的额外的非限制性示例实施方案。
实施方案1：一种形成钻地工具的方法，所述方法包括：形成工具主体，所述工具主体包括至少一个倒置型切削元件凹窝，所述至少一个倒置型切削元件凹窝的至少一部分的轮廓与将固定在将通过随后机加工所述至少一个倒置型切削元件凹窝而形成的切削元件凹窝内的实际切削元件的轮廓基本上匹配；向所述工具主体的各部分涂敷耐磨堆焊材料；通过在向所述工具主体的各部分涂敷所述耐磨堆焊材料之后移除所述至少一个倒置型切削元件凹窝内的所述工具主体的材料而形成所述实际切削元件凹窝；以及使切削元件附连在所述实际切削元件凹窝内。
实施方案2：根据实施方案1所述的方法，还包括形成所述倒置型切削元件凹窝以包含所述工具主体的整体式部分。
实施方案3：根据实施方案1所述的方法，其中形成包括至少一个倒置型切削元件凹窝的工具主体包括形成包括包含插入所述工具主体的凹部内的替换件的至少一个倒置型切削元件凹窝的工具主体。
实施方案4：根据实施方案1至3中任一项所述的方法，其中向所述工具主体的各部分涂敷耐磨堆焊材料包括：向所述工具主体的与所述至少一个倒置型切削元件凹窝相邻的各部分涂敷被选择成展现机加工性和耐磨性的特定组合的第一耐磨堆焊材料；以及向所述工具主体的通过所述第一耐磨堆焊材料的至少一部分与所述至少一个倒置型切削元件凹窝分开的至少一部分涂敷与所述第一耐磨堆焊材料具有不同组成的第二耐磨堆焊材料。
实施方案5：根据实施方案4所述的方法，其中涂敷第一耐磨堆焊材料包括涂敷包含分散在包含镍基合金的基质金属内的硬质颗粒的第一耐磨堆焊材料。
实施方案6：根据实施方案5所述的方法，其中涂敷包含分散在包含镍基合金的基质金属内的硬质颗粒的第一耐磨堆焊材料包括涂敷包含至少包含镍、硼和硅的基质的第一耐磨堆焊材料。
实施方案7：根据实施方案4至6中任一项所述的方法，其中涂敷与所述第一耐磨堆焊材料具有不同组成的第二耐磨堆焊材料包括涂敷包含分散在铁基金属合金基质内的硬质颗粒的第二耐磨堆焊材料。
实施方案8：根据实施方案4至7中任一项所述的方法，其中涂敷与所述第一耐磨堆焊材料具有不同组成的第二耐磨堆焊材料还包括涂敷与所述第一耐磨堆焊组成具有不同AISI可加工性指数的第二耐磨堆焊材料，并且其中所述第一耐磨堆焊组成的所述AISI可加工性指数比所述第二耐磨堆焊组成的所述AISI可加工性指数大至少约10％。
实施方案9：根据实施方案1至8中任一项所述的方法，还包括在向所述工具主体的各部分涂敷耐磨堆焊材料之前向所述至少一个倒置型切削元件凹窝的至少一部分涂敷防湿剂。
实施方案10：根据实施方案9所述的方法，其中向所述至少一个倒置型切削元件凹窝的至少一部分涂敷防湿剂包括向所述至少一个倒置型切削元件凹窝的面涂敷防湿剂。
实施方案11：根据实施方案1至10中任一项所述的方法，其中通过移除所述至少一个倒置型切削元件凹窝内的所述工具主体的材料而形成所述实际切削元件凹窝包括使用机加工工具而从所述工具主体机加工所述至少一个倒置型切削元件的至少一部分。
实施方案12：根据实施方案1至11中任一项所述的方法，其中形成包括至少一个突出结构的工具主体包括形成旋转刮刀钻头主体。
实施方案13：根据实施方案1至12中任一项所述的方法，其中在通过移除所述工具主体的材料而形成所述实际切削元件凹窝后并未发生所述工具主体的热处理。
实施方案14：根据实施方案1至13中任一项所述的方法，其中在通过移除所述工具主体的材料而形成所述实际切削元件凹窝后无耐磨堆焊材料被涂敷到所述工具主体。
实施方案15：一种形成钻地工具的方法，所述方法包括：形成工具主体，所述工具主体包括至少一个倒置型切削元件凹窝，所述倒置型切削元件凹窝的至少一部分的轮廓与将固定在将通过随后机加工所述至少一个倒置型切削元件凹窝而形成的切削元件凹窝内的实际切削元件的轮廓基本上匹配；使用机加工工艺来移除所述至少一个倒置型切削元件凹窝的至少一部分以便在耐磨堆焊材料的热处理和涂敷的一个或多个操作期间在向所述工具主体施加了热量后形成所述实际切削元件凹窝；以及使切削元件附连在所述实际切削元件凹窝内。
实施方案16：根据实施方案15所述的方法，其中形成包括至少一个倒置型切削元件凹窝的工具主体包括由钢坯件机加工工具主体。
实施方案17：根据实施方案15所述的方法，其中形成包括至少一个倒置型切削元件凹窝的工具主体包括在模具中铸造工具主体。
实施方案18：根据实施方案15至17中任一项所述的方法，还包括形成所述倒置型切削元件凹窝以包含所述工具主体的整体式部分。
实施方案19：根据实施方案15至18中任一项所述的方法，还包括向所述工具主体在所述至少一个倒置型切削元件凹窝附近涂敷第一耐磨堆焊材料，以及向所述工具主体的通过所述第一耐磨堆焊材料与所述至少一个倒置型切削元件凹窝分开的至少一部分涂敷具有与所述第一耐磨堆焊材料的组成的不同的组成的第二耐磨堆焊材料。
实施方案20：根据实施方案15至19中任一项所述的方法，还包括在使用机加工工艺移除所述至少一个倒置型切削元件凹窝的至少一部分之前将所述工具主体加热到升高温度而热处理所述工具主体。
尽管前面的描述包含多个特定细节，但这些细节不应被视为限制了本发明的范围，而仅应被视为描述了某些实施方案。类似地，可设计其他实施方案，其不偏离本公开的精神或范围。例如，本文参照一个实施方案所述的特征也可以被提供于本文所述的其他实施方案中。因此，本发明的范围仅由随附权利要求书及其法律等效物来表示和限制。落在权利要求书的意义和范围之内的对本发明所公开实施方案的增补、删除和修改都将被包含在本公开内。

Claims (12)

1.一种形成钻地工具的方法，所述方法包括：
形成工具主体，所述工具主体包括形成在所述工具主体的刀片中的多个倒置型切削元件凹窝，所述多个倒置型切削元件凹窝中的每个倒置型切削元件凹窝的至少一部分的轮廓与相应的将固定在实际切削元件凹窝内的实际切削元件的轮廓基本上匹配，所述实际切削元件凹窝将通过随后机加工所述多个倒置型切削元件凹窝中的倒置型切削元件凹窝而形成；
向所述工具主体的刀片的紧邻所述倒置型切削元件凹窝的部分涂敷第一耐磨堆焊材料，并且利用所述第一耐磨堆焊材料至少基本上包围所述多个倒置型切削元件凹窝中的每个倒置型切削元件凹窝的外周边缘；
向所述工具主体的刀片的紧邻所述第一耐磨堆焊材料并且通过所述第一耐磨堆焊材料与所述倒置型切削元件凹窝分开的部分涂覆与第一耐磨堆焊材料具有不同组成的第二耐磨堆焊材料，并且所述第二耐磨堆焊材料在所述多个倒置型切削元件凹窝中的相邻的倒置型切削元件凹窝之间延伸，其中，所述第一耐磨堆焊材料比所述第二耐磨堆焊材料相对容易加工；
在向所述工具主体的相应部分涂敷所述第一耐磨堆焊材料和所述第二耐磨堆焊材料之后，通过移除所述多个倒置型切削元件凹窝中的每个倒置型切削元件凹窝内的所述工具主体的材料而形成多个实际切削元件凹窝；以及
使切削元件附连在所述多个实际切削元件凹窝内。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括形成所述多个倒置型切削元件凹窝以包含所述工具主体的整体式部分。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，涂敷所述第一耐磨堆焊材料包括：涂敷包含分散在具有镍基合金的基体金属内的硬质颗粒的第一耐磨堆焊材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，涂敷包含分散在具有镍基合金的基体金属内的硬质颗粒的第一耐磨堆焊材料包括：涂敷包含至少具有镍、硼和硅的基体金属的第一耐磨堆焊材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，涂敷与所述第一耐磨堆焊材料具有不同组成的所述第二耐磨堆焊材料包括：涂敷包含分散在铁基金属合金基体内的硬质颗粒的第二耐磨堆焊材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，涂敷与所述第一耐磨堆焊材料具有不同组成的所述第二耐磨堆焊材料还包括：涂敷与所述第一耐磨堆焊材料的组成具有不同AISI可加工性指数的第二耐磨堆焊材料，并且其中，所述第一耐磨堆焊材料的组成的AISI可加工性指数比所述第二耐磨堆焊材料的组成的AISI可加工性指数大至少10％。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：在向所述工具主体的刀片的相应部分涂敷所述第一耐磨堆焊材料和第二耐磨堆焊材料之前，向所述多个倒置型切削元件凹窝中的每个倒置型切削元件凹窝的至少一部分涂敷防湿剂。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，向所述多个倒置型切削元件凹窝中的每个倒置型切削元件凹窝的至少一部分涂敷防湿剂包括：向所述多个倒置型切削元件凹窝中的每个倒置型切削元件凹窝的面涂敷防湿剂。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，通过移除所述多个倒置型切削元件凹窝中的每个倒置型切削元件凹窝内的所述工具主体的材料而形成所述多个实际切削元件凹窝包括：使用机加工工具而从所述工具主体机加工所述多个倒置型切削元件凹窝中的每个倒置型切削元件凹窝内的所述工具主体的材料的至少一部分。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，形成工具主体包括形成旋转刮刀钻头主体，所述工具主体包括至少一个突出结构。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，在通过移除所述工具主体的材料而形成所述多个实际切削元件凹窝之后，未发生所述工具主体的热处理。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在通过移除所述工具主体的材料而形成所述多个实际切削元件凹窝之后，无耐磨堆焊材料被涂敷到所述工具主体。
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