CN107208459A - 具有碳化物形成合金的基体的钻井工具及其制造和使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种钻井工具，例如钻头，其具有柄部、冠部以及多个研磨切割元件。在孕镶钻井工具的情况下，所述研磨切割元件分散在所述冠部的至少一部分中。在表镶钻井工具的情况下，所述研磨切割介质被固定至所述冠部的切割面并从其突出。所述钻井工具的所述冠部的所述基体包括形成与所述多个研磨切割元件中的至少一个切割元件的直接碳化物键合的碳化物形成合金。

Description

具有碳化物形成合金的基体的钻井工具及其制造和使用方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2015年1月12日提交的美国临时专利申请号62/102,221、于2015年1月12日提交的美国临时专利申请号62/102,240以及2015年2月13日提交的美国临时专利申请号62/115,930的优先权和权益。这些临时专利申请中的每一个的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于在岩石或其他地层中钻孔的钻井工具，并且更具体地，涉及一种用于在地层内形成钻孔的钻头。
背景技术
在增加钻头寿命的努力中，涂层已被施加到钻头内研磨切割介质(例如，金刚石)。金刚石工业中常规使用CVD(化学气相沉积)或PVD(物理气相沉积)涂层以提高钻头的基体和研磨切割介质(例如，金刚石)之间的键合强度。传统上，最常见的涂层是钛、铬、硅和镍。CVD涂层被化学施加，引起金属或半金属涂层与金刚石反应并形成强的碳化物涂层。遗憾的是，CVD涂层被暴露在大气中后，它往往在涂覆的金刚石的表面上形成氧化物层，从而限制和减弱了在渗透/烧结工艺中与基体的化学键合。该PVD涂层不形成与该金刚石的碳化物键合；他们与金刚石只有更弱的机械键合。此外，类似于CVD涂层，当PVD涂层暴露于大气中时，它们在形成与基体/金刚石的键合之前可能在涂覆的金刚石的表面上形成氧化物层，从而阻止了与基体的良好的键合。此外，CVD和PVD涂层受金刚石的大小的限制；如果金刚石太小，则涂层不能被有效的施加。
也使用多层涂层。为了施加这类涂层，使用CVD涂覆工艺形成碳化物层，并且然后加入另一层来在碳化物和基体之间形成更强的键合。这产生了更强的涂层，但由于该工艺的多步骤特性以及附加层所需的昂贵材料，该工艺并不经济。例如，在CVD涂覆工艺中形成多层涂层通常需要多次加热操作。此外，最外面的(附加的)层仍将形成氧化物，由此限制了键合强度。另外，钻头内的金刚石越小，施加多层涂层变得越昂贵和/或困难。
因此，需要一种具有增加的穿透速率且更耐损坏的较低成本的钻头，由此降低所需的杆脱扣的数量(由于钻头有更长的寿命)并增加每班的岩芯的数量(由于增加了穿透速率)。
发明内容
本文描述的是钻井工具(例如，钻头)，其具有柄部、冠部以及多个研磨切割元件。柄部可具有第一端和相对的第二端。冠部可以从柄部的第二端延伸。冠部可以具有硬颗粒材料构成的基体、切割面以及切割面与柄部之间的冠部主体。多个研磨切割元件可以分散在冠部主体的至少一部分中。冠部的基体包括被配置为形成与基体的硬颗粒材料的直接键合、并形成与多个研磨切割元件中的至少一个切割元件的直接碳化物键合的碳化物形成合金。可选地，碳化物形成合金可以是铬、钛、铝或钒。可以预期的是，碳化物形成合金可被提供为碳化物形成合金粉末或碳化物形成纤维(例如，碳化物形成合金纤维、碳化物形成金属纤维、或半金属碳化物形成纤维)。还可以预期的是，碳化物形成合金可以被提供在粘结剂内。可选地，钻井工具可以是孕镶钻井工具(例如，孕镶钻头)。可替代地，钻井工具可以是表镶钻井工具(例如，表镶钻头)，其中，多个研磨切割元件被固定到切割面并从其突出。在示例性方面，钻井工具可以是通过常规的铸造工艺形成的全铸钻头。
本文还描述了钻井系统，其包括孕镶钻井工具。可选地，钻井系统可以具有钻机、钻柱以及孕镶钻井工具(例如，孕镶钻头)。可选地，钻井系统可以具有井下马达、钻柱以及孕镶钻井工具(例如，孕镶钻头)。钻柱可以被配置为固定到钻机或井下马达，且由钻机或井下马达旋转，并且钻井工具可以连接到钻柱的下端。
本文还描述了使用如本文所公开的孕镶钻井工具的钻井方法。该方法可以包括使用如本文所公开的孕镶钻井工具(例如，孕镶钻头)来穿透土质地层的步骤。可选地，该方法可以包括将孕镶钻井工具固定到钻柱，且然后旋转钻柱以使孕镶钻井工具穿透土质地层。可选地，在一些方面，该方法还可以包括将钻柱固定到钻机或井下马达并使用该钻机或井下马达来旋转钻柱的步骤。在一些方面，该方法还可以包括使用该孕镶钻井工具取回岩心样品的步骤。
本文还描述了形成本文所公开的孕镶钻井工具的方法。形成孕镶钻井工具(例如，孕镶钻头)的方法可包括制备孕镶钻井工具的基体，将多个研磨切割介质分散在基体的至少一部分中，使用粘结剂渗透基体，并将柄部固定到基体。在这些方法中，基体的碳化物形成合金形成与粘结剂和基体的硬颗粒材料的直接键合，并且基体的碳化物形成合金形成与多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合。
本文还描述了具有如本文所公开的表镶钻井工具的钻井系统。可选地，钻井系统可以具有钻机、钻柱以及表镶钻井工具(例如，表镶钻头)。替代地，钻井系统可以具有井下马达、钻柱以及表镶钻井工具。钻柱可以被配置为固定到钻机或井下马达，且由钻机或井下马达旋转，并且钻井工具可以连接到钻柱的下端。
本文还描述了使用本文所公开的表镶钻井工具的钻井方法。该方法可以包括使用如本文所公开的表镶钻井工具(例如，表镶钻头)来穿透土质地层的步骤。可选地，该方法可以包括将如本文所公开的表镶钻井工具固定到钻柱，且然后旋转钻柱以使表镶钻井工具穿透土质地层的步骤。可选地，在一些方面，该方法还可以包括将钻柱固定到钻机或井下马达并使用该钻机或井下马达来旋转钻柱的步骤。在一些方面，该方法还可以包括使用该表镶钻井工具取回岩心样品的步骤。
本文还描述了形成本文所公开的表镶钻井工具的方法。形成表镶钻井工具(例如，表镶钻头)的方法可包括制备表镶钻井工具的基体，使用粘结剂渗透基体，如本文所公开地将多个研磨切割元件定位在切割面处，并将柄部固定到基体。在这些方法中，基体的碳化物形成合金形成与粘结剂和基体的硬颗粒材料的直接键合，并且形成与多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合。
本发明的其它优点将部分地在下面的描述中阐述，并且从该描述将部分地明显，或可以通过本发明的实践而得知。本发明的优点将通过在所附权利要求中特别指出的元素和组合的方式来实现和得到。要理解，以上概述和以下详述都仅是示例性和解释性的，并且不限制要求保护的本发明。
附图说明
本发明的优选实施方案的这些和其他特征将在参照了附图的详细描述中变得更加明显，其中：
图1是如本文所公开的孕镶钻头的透视图；
图2是图1的孕镶钻头的剖视图；
图3是包括如本文所公开的多个大研磨切割元件和多个小研磨切割元件的孕镶钻头的剖视图；
图4是包括如本文所公开的多个大研磨切割元件、多个小研磨切割元件和多个纤维的孕镶钻头的剖视图；
图5是包括具有如本文所公开的多个大研磨切割元件的第一部分和具有多个小研磨切割元件的第二部分的孕镶钻头的剖视图；
图6是包括如本文所公开的孕镶钻头的钻井系统的示意图；
图7是如本文所公开的示例性表镶取芯钻头；
图8A和图8B是金刚石和钻头基体之间的化学键合的SEM图像，其包括如本文所公开的示例性碳化物形成合金和粘结剂。图8C是常规涂覆的金刚石的SEM图像。如图8C中所示，在基体和金刚石之间具有小间隙，使得金刚石仅被机械地保持就位(而不是被化学地键合就位)。
具体实施方式
本发明可以通过参考以下详细描述、实例、附图和权利要求以及之前和以下的描述而更容易地理解。然而，在公开和描述本发明的装置、系统和/或方法之前，需要理解的是，本发明不限于所公开的特定的装置、系统和/或方法，除非另有明确说明，因为这样就当然可以改变。还应理解，本文所使用的术语仅出于描述特定方面的目的，且并不旨在加以限制。
本发明的以下描述以其最好的、目前已知的实施方案被提供作为本发明有利教导。为此，相关领域技术人员将认识和理解的是，可对本文描述的本发明的各个方面进行许多改变，而仍然获得本发明的有益结果。还将明显的是，本发明的一些所希望的益处可以通过选择本发明的某些特征而不利用其他特征来获得。因此，本领域技术人员将认识到，对本发明的许多修改和改变是可能的，且甚至在某些情况下可以是希望的并且是本发明的一部分。因此，下面的描述被提供为本发明的原理的示例，而不是对其进行限制。
如全文所用的，单数形式的“一(a)”、“一(an)”和“该”包括复数对象，除非上下文另有明确规定。因此，例如，提及“金刚石”可以包括两个或更多个这样的金刚石并且提及“键合”可以包括两个或更多个这样的键合，除非上下文另有指示。
在本文中，范围可表达为从“约”一个具体值和/或到“约”另一个具体值。当表述这样的范围时，另一个方面包括从该一个特定值和/或到其他特定值。类似地，当值表达为近似值时，通过使用先行词“约”，应理解所述具体值形成另一个方面。应进一步理解，该范围的每个端点相对于另一个端点以及独立于另一个端点都是有意义的。
如本文所用，术语“天然金刚石”是指被配置为用于常规的钻头制造工艺中的工业天然金刚石。
如本文所用，术语“可选的”或“可选地”是指可以或可以不出现随后描述的事件或情况，并且该描述包括其中所述事件或情况发生的实例和其中其不发生的实例。
如本文所用的词语“或”是指特定列表中的任何一个成员，并且还包括该列表成员的任意组合。
如本文所用，术语“纵向”是指沿着钻柱的长度。此外，如本文所用，术语“上部”、“顶部”和“上方”和“下部”和“下方”是指钻柱上的纵向上的位置。术语“上部”、“顶部”和“上方”是指更靠近桅杆的位置，且“下部”和“下方”是指更靠近钻井工具(例如，钻头)的位置。
如本文所用，术语“渗透”或“渗透”涉及熔化粘结剂材料，并使熔融的粘结剂渗入并填充基体的空间或孔隙。在冷却时，该粘结剂可以固化，将基体的颗粒键合在一起。
如本文所用，术语“烧结”是指除去颗粒间的至少一部分孔隙(可能伴随收缩)结合相邻的颗粒之间的聚结和粘结。
在示例性方面中本文公开的是钻井工具，其包括柄部、冠部以及多个研磨切割元件。柄部可具有一端和相对的第二端。如本文所进一步公开的，柄部的第一端可适于固定到钻柱部件。冠部可以从柄部的第二端延伸。如本文所进一步公开的，冠部可以包括：硬颗粒材料和碳化物形成合金构成的基体；切割面；以及切割面与柄部之间的冠部主体。多个研磨切割元件可以至少部分地被固定在冠部主体中。如本文所进一步公开的，碳化物形成合金形成与基体的硬颗粒材料的直接键合，并且碳化物形成合金形成与多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合。
本文所描述的钻井工具可以用于切割石材、地下矿藏、陶瓷、沥青、混凝土和其他硬质材料。这些钻井工具例如可以包括岩心采样钻头、刮刀钻头、扩孔器(包括本领域中公知的具有孕镶垫的扩孔器、具有尖状垫的扩孔器、具有头骨状垫的扩孔器和具有优质垫的扩孔器)、稳定器、套管或连杆靴，等等。
孕镶钻井工具
本文参照图1-5描述的是用于有效地且高效地钻透地层的孕镶钻井工具。在示例性方面，孕镶钻井工具可以具有柄部、冠部以及多个研磨切割元件。在这些方面，可以预期的是，多个研磨切割元件可以包括如本文进一步公开的相对大的切割元件和/或小的切割元件。
在示例性方面，研磨切割元件可以无组织布置地分散在冠部的至少一部分中。在这些方面，可以预期的是，多个研磨切割元件可以无组织布置地分散在冠部的至少一部分中。
可选地，可以预期的是该孕镶钻井工具可以包括相对大的研磨切割元件。在使用中，由于与大研磨切割元件相关联的大的每转切割深度，这些相对大的研磨切割元件可以允许钻井工具快速移除被钻穿的地层的材料。此外，可以预期的是，所公开的钻井工具可以通过提供在钻井期间磨损钻头的冠部时暴露的附加的、次表面大研磨切割元件来提供延长的寿命。因此，相对较大的研磨切割元件的存在可以增加钻井工具的切割速度以及其耐用性和寿命。
为了便于描述，附图和下面的文字说明了孕镶、岩心取样钻头的例子，以及形成和使用这种钻头的方法。然而，根据本文的公开应将理解，所公开的系统、方法和设备可以与其它孕镶钻井和切割工具一起使用，例如上文提及的那些(例如，扩孔器、稳定器、套管、连杆靴等)。在示例性方面，可以预期的是，钻井工具可以包括全断面钻头。在其他示例性方面，可以预期的是，钻井工具可以包括全铸钻头。
现在参照附图，图1和图2分别示出了孕镶钻头100的透视图和剖视图。更具体地，图1和图2示出了具有多个研磨切割元件110的孕镶、岩心取样钻头100，研磨切割元件研磨并切割被钻穿的材料。如图1所示，钻头100可以包括切割部或冠部102。
背衬层103可以将冠部102固定或连接到柄部或空白部104。如图1和图2所示，冠部102的多个研磨切割元件110可以分散在基体114内。如图2所示，将冠部102连接到柄部104的背衬层103可以没有研磨切割元件。在替代实施中，背衬层103可包括研磨切割元件。
如图1和图2所示，在一些可选方面，背衬层103可包括销105。销105可以由多晶金刚石、碳化钨或具有类似材料特性的其他材料来形成。销105可以帮助保持钻径并帮助稳定孕镶钻头100。在替代实施中，背衬层103不包括销105。
可选地，柄部104可被配置为将孕镶钻头100连接到钻柱的部件。具体地，柄部104的上端(即，与固定到背衬层103的端部相反的端部)可包括连接器106，扩孔壳或其他钻柱部件可固定到连接器106。如图3中所示，在一个或多个实施中，连接器106可以包括具有一个或多个螺纹的螺纹部。
图1和图2还示出了钻头100可以限定围绕其中心轴线的内部空间，用于接收岩心样品。因此，冠部102和柄部104都可具有由内表面和外表面限定的大致环形形状。因此，被钻穿的材料的碎片可以穿过孕镶钻头100的内部空间，并且可选地，向上通过连接的钻柱。孕镶钻头100可以是任何大小，并且因此，可以用于收集任何大小的岩心样品。虽然孕镶钻头100可以具有任何直径，并且可用于除去和收集任何期望的直径的岩心样品，但是孕镶钻头100的直径的范围在一些实施中可以从约1英寸至约12英寸。另外，虽然孕镶钻头100的切口(即，外表面半径减去内表面半径)可以是任何宽度，但是可以预期的是，切口的范围可以可选地从约1/4英寸至约6英寸。
冠部102可被配置为在钻井过程期间切割或钻穿期望的材料。冠部102可以包括切割面108和在背衬层103或柄部104与切割面108之间延伸的冠部主体。具体地，孕镶钻头100的冠部102可以包括多个切割段109。切割段109可被水路112分离。水路112可以允许钻井流体或其他润滑剂流过切割面108以帮助提供在钻井过程中的冷却。水路112还可以允许钻井流体将钻屑和碎屑从孕镶钻头100的内表面冲洗到外表面。
冠部104可具有任何数量的水道112，其提供了期望数量的流体/碎屑流动，并且还允许冠部102保持钻井作业所需的结构完整性。例如，图1和图2示出了孕镶钻头100可以包括八个水路112。根据本文的公开应将理解，本发明并不限于此。在另外的可选方面，孕镶钻头100可以包括少达一个水路或多达20或更多的水路，这取决于所需要的构造和要被钻穿的地层。另外，水路112可以均匀地或不均匀地围绕该冠部102的圆周间隔开。例如，图1描绘了围绕冠部102的圆周基本上均匀地彼此间隔开的8个水路112。然而，在替换性实施中，水路112可以是交错的或其他不均匀地间隔开。
可选地，冠部102的多个研磨切割元件可以包括多个相对大的研磨切割元件，这可以允许孕镶钻头100通过每转中除去更多的材料而快速地切割软地层材料。如本文所使用的，术语“相对大”是指研磨切割元件具有(i)约1.0毫米与约8毫米之间、或者更优选地约2.5毫米与约5毫米之间的至少一个尺寸，或者(ii)具有的约1mm3与约512mm3之间或者更优选地约15.2mm3与约125mm3之间的体积，或者(iii)约5英石每克拉与约108英石每克拉之间的大小相对大的研磨切割元件的“至少一个尺寸”可以包括长度、直径、宽度、高度或其他尺寸。
钻头100的研磨切割元件110可以具有不同的形状或其组合，例如球体、立方体、圆柱体、不规则形状或其他形状。研磨切割元件110可以包括天然金刚石、合成金刚石、多晶金刚石、热稳定金刚石、三氧化二铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方氮化硼、碳化硼、氧化铝、晶种或未加晶种的溶胶-凝胶氧化铝、其他合适的材料或其组合中的一种或多种。在一个或多个实施中，研磨切割元件110可以包括均匀的多晶金刚石材料，如不具有碳化物背衬的热稳定金刚石。
图2示出了研磨切割元件110可以分散在冠部102的切割面108中。此外，图2示出了研磨切割元件110可以分散在冠部主体的至少一部分中(即，切割面108和背衬层103或柄部104之间的冠部102的部分)。换句话说，研磨切割元件110可被嵌入在切割面108处的以及切割面108后面的冠部102内。因此，随着切割面108上的研磨切割元件110和基体114在钻井期间磨损或侵蚀，嵌入的研磨切割元件110被暴露以补充切割面108。这样的构造可以提供切割多功能性，因为在孕镶钻头100的整体寿命中研磨切割元件110继续可用于切割。
研磨切割元件110可以分散在冠部102的至少一部分中。例如，图2示出了研磨切割元件110可以基本上全部分散在冠部102。在替换性方面，研磨切割元件110可以仅分散在冠部102的一部分中。举例来说，在一些方面，研磨切割元件110可以仅分散在冠部102的靠近切割面108的部分中。在进一步的方面，研磨切割元件110可以仅分散在冠部102的在切割面108后面的部分中。
如图2所示，研磨切割元件110可以无组织布置地被布置在冠部102中。在另外的实施中，研磨切割元件110可以被随机地分散在冠部102中。因此，在示例性方面，研磨切割元件110没有被相对于彼此或相对于切割面108特定对齐地布置。在替换性方面，该研磨切割元件110可以被以特定的方式对齐，使得切割元件的切割性质在相对于切割面108的有利位置呈现。
在任何情况下，如图2所示，研磨切割元件110可以基本上均匀地分散在冠部102中。在替换性方面，研磨切割元件110可以不均匀地分散在冠部102中。例如，在一些方面，研磨切割元件110的集中度可以在冠部102的任何部分中按需要改变。具体地，该冠部102可以包括研磨切割元件110的梯度。例如，冠部102的最靠近孕镶钻头100的切割面108的部分可包含第一集中度的研磨切割元件110，并且研磨切割元件110的集中度可朝向背衬层103逐渐减小或增加。这样的孕镶钻头100可以用于钻穿起始为柔软、粗糙、未固结地层逐渐转变为硬质、未固结地层的地层。因此，研磨切割元件110在孕镶钻头100中的分散可针对其将被用于钻穿的期望地层定制化。
如前面提到的，研磨切割元件可以分散在基体114内。基体114可包括硬颗粒材料，例如，金属或陶瓷。根据本文的公开应将理解，该硬颗粒材料可以包括粉末状材料，例如，粉末状的金属或合金以及陶瓷化合物。在一些示例性方面，硬颗粒材料可以包括碳化钨。如本文所用，术语“碳化钨”是指包含钨和碳的化合物的任何材料成分，例如，WC、W2C、以及WC和W2C的组合。因此，碳化钨包括例如铸造碳化钨、烧结碳化钨和宏晶钨。在另外的或替换性方面，硬颗粒材料可以包括碳化物、钨、铁、钴和/或钼及其碳化物、硼化物、合金或任何其他合适的材料。
在示例性方面，基体114可包括被配置为形成与多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合的碳化物形成合金。在这些方面，如本文进一步描述的，碳化物形成合金可以被配置为形成与粘结剂和/或基体的硬颗粒物质的直接碳化物键合，如本文进一步所公开的。因此，与常规基体键合到浸渍剂(粘结剂)而不是切割元件(例如，合成金刚石)不同，本文所公开的碳化物形成合金会同时形成与浸渍剂(粘结剂)和切割元件的至少一部分的键合。如本文所进一步公开的，多个研磨切割元件可以包括被配置为形成与碳化物形成合金的碳化物键合的至少一个切割元件。能够与碳化物形成合金形成碳化物键合的示例性切割元件包括天然金刚石、合成金刚石、多晶金刚石、热稳定金刚石等等。然而，在示例性方面，多个研磨切割介质还可以包括不被配置为形成与碳化物形成合金的碳化物键合的至少一个研磨切割元件。因此，不要求在钻井工具中的每个切割元件形成与碳化物形成合金的碳化物键合。
参考图8A-8B，可以预期的是，同时与渗渍剂和切割元件的键合的形成(包括键合到切割元件上的碳化物的形成)可以创建支撑结构，其比常规基体(如在图8C中所描绘的基体)显著更久地保持切割元件(例如，合成金刚石切割元件)。更具体地，可以预期的是，该切割元件可以被同时化学地和机械地键合就位(相对于常规钻头，其中切割元件仅仅被机械地保持)。每个切割元件被保持得越久，其将具有更多的暴露，并且增加的暴露可以允许基体和被钻穿的地层表面(例如，岩石)之间更大的间隙。随着基体和地层表面之间的间隙增大，钻头的冲洗/冷却得到改善，由此提高了切割元件(例如，合成金刚石)和钻头的寿命。此外，当切割元件(例如，合成金刚石)具有足够的支撑结构时，切割元件(例如，合成金刚石)可经历有利的微压裂，其产生了许多锐缘而不是“磨平”的构造，由此增加钻头的切割效率。
更具体地，碳化物形成合金(其可以可选地被提供为碳化物形成合金粉末或碳化物形成合金纤维)具以利用切割元件中的碳(例如，金刚石)形成碳化物的高能量势。换句话说，碳化物形成合金可以被配置为转换切割元件中的碳以形成碳化物。通过向切割元件中的碳提供过量的碳化物形成合金，可以在碳化物和粘结剂和基体的硬颗粒材料(例如，钨粉)之间形成中间层的合金，由此将它们键合在一起。因此，可以预期的是，碳化物形成合金被配置为形成与切割元件(例如，金刚石)的碳化物键合，并还形成键合到粘结剂和基体的硬颗粒材料(例如，钨)的中间金属层。在进一步的示例性方面，多个研磨切割元件可以包括多个金刚石切割元件，并且碳化物形成合金可以被配置为将金刚石切割元件转换成碳化物以形成碳化物形成合金与金刚石切割元件之间的直接碳化物键合。
因此，形成所公开的钻井工具的工艺可以绕过或取消常规PVD和CVD工艺的初始涂层步骤，且相反通过利用基体粉末和将与切割元件的表面反应的粘结剂在加热/炉内加热操作中创建化学键合涂层，以化学地形成碳化物涂层。在示例性方面，基体粉末可以含有碳化物形成合金，并且该粘结剂可以在整个切割主体中扩散该碳化物形成合金，由此提高了切割元件的表面的反应以形成碳化物涂层。
还可以预期的是，所公开的形成直接碳化物键合的工艺可以防止和/或限制氧化物的形成，其在常规的钻井工具中可以显著地削弱化学键合。因此，所公开的方法可以提供一种具有比常规的钻井工具更强的键合的钻井工具。更具体地，因为在碳化物形成合金和切割元件之间的直接碳化物键合的形成发生于切割工具的原位加热过程(在炉子内)中，而不需要多个加热操作，因此所公开的钻井工具也不经受氧化层的形成，该氧化层限制了基体粉末、粘结剂和切割元件之间的化学键合。
在示例性方面，钻井工具可以使用不包括碳化物形成材料的粘结剂被渗透。相反，在基体中提供碳化物形成材料。在这些方面，研磨切割元件可以是未被涂覆的，且基体的碳化物形成合金可形成与未被涂覆的研磨切割元件的直接碳化物键合。因此，可以理解的是，所公开的粘结剂并不需要在碳化物形成合金和切割元件之间形成直接碳化物键合。
在示例性方面，碳化物形成合金可以可选地包括铬。在其它示例性方面，碳化物形成合金可以可选地包括钛。在附加的示例性方面，碳化物形成合金可以可选地包括铝。在进一步的示例性方面，碳化物形成合金可以可选地包括钽。在又进一步的示例性方面，碳化物形成合金可以可选地包括钒。在又进一步的示例性方面，碳化物形成合金可以可选地包括锆。然而，可以预期的是，碳化物形成合金可以可选地包括其他材料，例如但不限于硅、铌、钼、硼、锰、钨、铁、钴和镍。可选地，在一些方面，碳化物形成合金可以由单一材料构成，例如但不限于钛、铝、钽、钒或锆。应当理解，本文所公开的碳化物形成合金通常被提供为可以在富氧(O2)环境中产生爆炸危险的细粉末。因此，常规上，钻井工具的制造商不在制造过程中使用碳化物形成合金。
可替换地，在各种可选方面，可以预期的是，碳化物形成合金可以被提供为在大研磨切割元件(例如，合成金刚石)上的PVD(物理气相沉积)涂层的形式。然而，在这些方面，可以预期的是，如果被提供为如上文所公开的碳化物形成合金粉末，则可能需要额外的安全预防措施来防止暴露于将被从大气保护的“自由”铬(或其他材料)。
另外，虽然未在图中示出，但是冠部102也可以包括粘结剂。粘结剂可包含铜、锌、银、钼、镍、钴或其混合物和合金。该粘结剂可以键合到基体114和研磨切割元件110，由此将冠部102键合在一起。
如前所述，在示例性方面，孕镶钻头100内的多个研磨切割元件110可以包括相对大的研磨切割元件。在这些方面，可以预期的是，钻头100还可以包括多个小的研磨切割元件。例如，图3示出了孕镶钻头100a的剖视图，其除了相对大的研磨切割元件110外还包括多个小研磨切割元件116。可以预期的是，小研磨切割元件可以帮助钻头切入较大的研磨切割元件不能切割的较硬岩层，由此防止钻头磨光。
图3示出了小研磨切割元件116可连同相对大的研磨切割元件110一起分散在基体114内。小研磨切割元件116可使用研磨来切割地层。因此，小研磨切割元件116可以允许孕镶钻头100a有效地穿透更硬的地层。
如本文所用，术语“小”是指研磨切割元件具有(i)小于约2毫米、或更优选地在约0.01毫米与约1.0毫米之间的最大尺寸，或者(ii)具有小于相对大的研磨切割元件的体积的约0.75倍、或更优选地小于相对大的研磨切割介质的体积的约0.50倍的体积，或者(iii)约0.001mm3和约8mm3之间的体积。
小研磨切割元件116可以具有不同的形状或其组合，例如球体、立方体、圆柱体、不规则形状或其他形状。小研磨切割元件116的“最大尺寸”因此可以包括长度、直径、宽度、高度或其他尺寸。小研磨切割元件116可以包括天然金刚石、合成金刚石、多晶金刚石、热稳定金刚石、三氧化二铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方氮化硼、碳化硼、氧化铝、晶种或未加晶种的溶胶-凝胶氧化铝、其他合适的材料或其组合中的一种或多种。在一个方面，小研磨切割元件116可以包括单个金刚石晶体。
图3示出了小研磨切割元件116可以分散在冠部102的切割面108中。此外，图3示出了小研磨切割元件116可以分散在冠部主体的至少一部分中(即，切割面108和柄部104之间的冠部102的部分)。换句话说，小研磨切割元件116可被嵌入在切割面108处的以及切割面108后面的冠部102内。因此，随着切割面108上的相对大的研磨切割元件110、小研磨切割元件116和基体114在钻井过程期间磨损或侵蚀，嵌入的相对大的研磨切割元件110和小研磨切割元件116可以被暴露以补充切割面108。这样的构造可以提供切割多功能性，因为在孕镶钻头100a的整体寿命中相对大的研磨切割元件110和小研磨切割元件116继续可用于切割。
小研磨切割元件116可以分散在冠部102的至少一部分中。例如，图3示出了小研磨切割元件116可以基本上全部分散在冠部102。在替换性方面，小研磨切割元件116可以仅分散在冠部102的一部分中。举例来说，在一些方面，小研磨切割元件116可以仅分散在冠部102的靠近切割面108的部分中。在进一步的方面，小研磨切割元件116可以仅分散在冠部102的在切割面108后面的部分中。
如图3所示，小研磨切割元件116可以无组织布置地被布置在冠部102中。在另外的实施中，小研磨切割元件116可以被随机地分散在冠部102中。因此，在示例性方面，小研磨切割元件116没有被相对于彼此或相对于切割面108特定对齐地布置。
在任何情况下，如图3所示，小研磨切割元件116可以均匀地分散在冠部102中。在替换性方面，小研磨切割元件116可以不均匀地分散在冠部102中。例如，在一些方面，小研磨切割元件116的集中度可以在冠部102的任何期望部分中按需要改变。具体地，该冠部102可以包括小研磨切割元件116的梯度。例如，冠部102的最靠近孕镶钻头100a的切割面108的部分可包含第一集中度的小研磨切割元件116，并且小研磨切割元件116的集中度可朝向柄部104逐渐减小或增加。这样的孕镶钻头100a可以用于钻穿起始为柔软、粗糙、未固结地层逐渐转变为硬质、未固结地层的地层。因此，相对大的研磨切割元件110和小研磨切割元件116在孕镶钻头100a中的分散可针对将被钻穿的期望地层定制化。
在示例性方面，在切割面108处的研磨切割元件110、110a可以延伸出切割面108。换句话说，如在图3中所示，研磨切割元件110、110a可以从冠部102轴向地远离切割面108延伸。从冠部102延伸的研磨切割元件110、110a可以帮助允许快速启动新的钻井工具100、100a。在替换性方面，该切割面108不包括从切割面108延伸出来的研磨切割元件110、110a，例如图1和图2的孕镶钻头100。在又进一步的方面中，切割面108可以包括用于在钻井过程中辅助的其他特征，例如径向槽。
图4示出另一示例性孕镶钻头，其包括研磨切割元件110。具体地，图4示出了孕镶钻头100b，其包括具有相对大的研磨切割元件110、小研磨切割元件116以及分散在硬颗粒材料的基体114内的多个纤维118的冠部102。具体地，本发明的一个或多个实施的冠部102可以包括纤维，例如在2007年11月30日提交的、名称为“包含纤维的金刚石孕镶切割工具”的美国专利申请序列号11/948,185(现为美国专利第7,695,542号)中所描述的纤维，其内容在此通过引用整体并入本文。在示例性方面中，纤维118可以帮助控制基体118侵蚀的速率，并且因此控制该研磨切割元件(包括可以可选地是相对大的研磨切割元件的研磨切割元件110，和可选地小研磨切割元件116)暴露的速率。
纤维118可以具有不同的形状或其组合，例如，带状、圆柱形、多边形、椭圆形的、直的、弯曲的、卷曲的、盘绕的、以一定角度弯曲，等等。在孕镶钻头100b的冠部102中的纤维118可以是任何大小或大小的组合，包括不同大小的混合物。纤维118可以是任何长度，并具有任何所需的直径。可选地，在一些方面，纤维118的长度可以在约10微米与约25,000微米之间，并且可具有约1微米与约500微米之间的直径。在其他示例性方面，纤维118的长度可以为约150微米，并且可具有约7微米的直径。
纤维118可以包括碳纤维、金属纤维(例如，由钨、碳化钨、铁、钼、钴或其组合制成的纤维)、玻璃纤维、聚合物纤维(例如，由Kevlar制成的纤维)、陶瓷纤维(例如，由碳化硅制成的纤维)、涂覆的纤维等等中的一个或多个。
图4示出了纤维118可以分散在冠部102的切割面108中。此外，图4示出了纤维118可以分散在冠部主体的至少一部分中(即，切割面108和柄部104之间的冠部102的部分)。换句话说，纤维118可被嵌入在切割面108处的以及切割面108后面的冠部102内。
纤维118可以分散在冠部102的至少一部分中。例如，图4示出了纤维118基本上全部分散在冠部102中。在替换性实施中，纤维118可以仅分散在冠部102的一部分中。例如，在一些方面，纤维118可以仅分散在冠部102的靠近切割面108的部分中。在进一步的方面，纤维118可以仅分散在冠部102的在切割面108后面的部分中。
如图4所示，纤维118可以无组织布置地被布置在冠部102中。在另外的方面，纤维118可以被随机地分散在冠部102中。因此，在示例性方面，纤维118没有被相对于彼此或相对于切割面108特定对齐地布置。
可选地，如图4所示，纤维118可以均匀地分散在冠部102中。在替换性方面，纤维118可以不均匀地分散在冠部102中。例如，在一些方面，纤维118的集中度可以在冠部102的任何部分中按需要改变。具体地，该冠部102可以包括纤维118的梯度。例如，在一个示例性方面，冠部102的最靠近孕镶钻头100b的切割面108的部分可包含第一集中度的纤维118，并且纤维118的集中度可朝向柄部104逐渐减小或增加。
正如先前提到的，该研磨切割元件110例如但不限于多个相对大的研磨切割元件和/或小研磨切割元件116在所公开的孕镶钻头中的分散可针对将被钻穿的期望地层定制化。例如，图5示出了具有针对特定地层定制的冠部102的孕镶钻头100c的剖视图。具体地，最靠近孕镶钻头100c的切割面108的冠部的部分102a包含多个研磨切割元件110，其可以可选地是多个相对大的研磨切割介质。另外，最靠近孕镶钻头100c的柄部104的冠部的部分102b可以包含多个小研磨切割元件116。这样的孕镶钻头100c可以用于钻穿起始为柔软、粗糙、未固结地层逐渐转变为硬质、未固结地层的地层。
具体地，冠部的第一部分102a的研磨切割元件110可以切割地层的柔软材料，从而允许孕镶钻头100c相对快速地穿透柔软地层。然后，冠部的第二部分102b的小研磨切割元件116可以研磨地层的较硬质材料，从而允许孕镶钻头100c相对快速地穿透较硬质地层。
在替换性方面，冠部的第一部分102a可以包括小研磨切割元件116，而冠部的第二部分102b包括可以可选地是相对大的研磨切割介质的其他研磨切割元件110。在又进一步的方面，冠部的第一部分102a和第二部分102b中的一个可以同时包括相对大的研磨切割元件110和小研磨切割元件116。在更进一步的方面，孕镶钻头100c可包括多于两个不同的部分102a和102b。例如，孕镶钻头100c可包括三个、四个、五个或更多个部分，其每一个被定制成有效地切割不同类型的地层。
包括孕镶钻井工具的钻井系统
应理解，如本文中公开的孕镶钻井工具可以与几乎任何类型的钻井系统一起使用以执行各种钻井操作。例如，图6和对应的文本示出或描述了一个可以使用所公开的钻井工具的这样的钻井系统。然而，应理解，在图6中示出并描述的钻井系统仅是可使用所公开的钻井工具的系统的一个例子。
例如，图6示出了包括钻床头122的钻井系统120。钻床头122可耦接至桅杆124，该桅杆转而耦接至钻机126。钻床头122可以被配置为具有耦接至其的一个或多个管状构件128。管状构件可包括但不限于钻杆、套管、扩孔壳和井下锤。为了便于参考，该管状构件128将在下文中描述为钻柱部件。钻柱部件128又可以耦接至额外的钻柱部件128以形成钻柱或工具串130。然后，钻柱130可以耦接至如本文所公开的孕镶钻头100，例如如上所述的岩心取样钻头100、100a、100b、100c。如前面提到的，孕镶钻头100可以被配置为与将被钻穿的材料132或地层接合。
在至少一个实例中，图6中所示的钻床头122可以被配置为在钻井过程期间旋转钻柱130。具体地，钻床头122可以改变钻柱130旋转的速度。例如，根据钻井过程可根据需要选择钻床头的转速和/或钻床头122传递给钻柱130的扭矩。
可替换地，在示例性方面，井下马达可以用于代替或附加于钻床头122。因此，在这些方面，井下马达可以耦接至桅杆124，并且可以具有耦接于其的钻柱130(一个或多个钻柱部件128)。在操作中，井下马达可以被配置为在钻井过程期间旋转钻柱130。具体地，井下马达可以改变钻柱130旋转的速度。例如，根据钻井过程可根据需要选择井下马达的转速和/或井下马达传递给钻柱130的扭矩。
此外，钻井系统120可被配置为向钻柱130施加大致轴向(可选地，向下)的力以在钻井操作期间促使孕镶钻头100进入地层132。例如，钻井系统120可以包括被配置为相对于桅杆124移动滑板组件以向孕镶钻头100施加如上所述的大致轴向力的链传动组件。
因此，根据本文的公开应将理解，本发明的钻井工具可以被用于本领域已知的任何目的。例如，孕镶钻头100、100a、100b、100c可以被附接到钻柱130的端部，其又连接至钻床或钻机126。当钻柱130并因此孕镶钻头100被钻床126旋转并推动时，钻头100可以磨掉在正被钻穿的地下地层132中的材料。钻掉的岩心样品可从钻柱130取出。因为磨削动作，钻头100的切割部分可随着时间侵蚀。该过程可以继续，直到钻头100的切割部分已经消耗完毕，并且然后可将钻柱130起出钻孔和更换钻头100。
在使用中，可以预期的是，研磨切割元件可以定位在孕镶钻头100内以在钻头旋转期间促进研磨切割元件后面的“彗尾”的形成。可以预期的是，这样的“彗尾”可通过由钻头与被切割的地层之间的接触所产生的摩擦和钻屑形成。可以预期的是，“彗尾”可被配置为支撑切割元件并在三个维度上最大化冠部的切割面和地层之间的间隙。还可以预期的是，这些间隙可以减小摩擦和发热，同时创造更多的空间来有效地冲洗钻屑，由此提高了对切割面的冷却。在组合中，这些特征可以提高整体钻头性能并增加钻头寿命。在示例性方面，可以在钻头100的切割元件的第一层(最靠近钻头端面)上形成彗尾。在这些方面，可以预期的是，随着切割元件的第一层磨损并从钻头脱落，切削元件的下层随机定位，且不能控制尾部的形成。
形成孕镶钻井工具的方法
本发明的实施还包括形成孕镶钻井工具(例如孕镶钻头)的方法。以下描述了形成具有研磨切割元件的孕镶钻井工具的至少一种方法。当然，作为初步事项，本领域技术人员将认识到，详细解释的方法可以被修改以使用所公开的钻井系统的一个或多个部件来安装各种构造。例如，在一个示例性方法中，可以生产具有相对大的研磨切割元件的孕镶钻头。在示例性方面，可以使用常规的铸造工艺(例如用于制造全铸钻头的常规铸造工艺)形成孕镶钻头。
例如，在一个方面，形成孕镶钻头的方法可包括制备基体。可选地，在一个方面，制备基体的步骤可以包括制备硬颗粒材料基体。例如，制备基体的步骤可以包括制备粉末材料基体，例如碳化钨。在附加的方面，基体可以包括先前描述的硬颗粒材料中的一个或多个。在一些方面，制备基体的步骤可以包括将基体放入模具。在示例性方面，如本文进一步公开的，基体还可以包括至少一种碳化物形成合金。
模具可以由能够承受在加热工艺期间基体将经受的热量的材料形成。在示例性方面，该模具可以由碳形成。可以预期的是，该模具可被成形为形成具有期望特征的钻井工具(如钻头)。在示例性方面，该模具可对应于取芯钻头。
另外，在进一步的方面，该方法可以包括将多个研磨切割元件分散在基体的至少一部分中。另外，该方法可以包括将研磨切割元件随机地或无组织布置地分散在整个基体中。
在示例性方面，分散多个研磨切割元件的步骤可以可选地包括将多个相对大的研磨切割元件和/或多个小研磨切割元件分散在基体的至少一部分中。另外，该方法可以包括将相对大和/或小研磨切割元件随机地或无组织布置地分散在整个基体中。
在进一步的示例性方面，该方法还可以包括将多个纤维分散在基体的至少一部分中。具体地，可以预期的是，该方法可以包括将碳纤维随机地或无组织布置地分散在整个基体中。
在附加的方面，该方法可以包括使用粘结剂渗透基体。在这些方面，使用粘结剂渗透基体的步骤可以包括加热粘结剂至熔融状态，并且使用熔融的粘结剂渗透基体。例如，在一些方面，粘结剂可被置于靠近基体114，并且基体114和粘结剂可以被加热到足以使粘结剂达到熔融状态的温度。在这些方面，熔融的粘结剂可渗透基体114。在示例性方面，使用粘结剂渗透基体的步骤可以包括将基体114和粘结剂加热到至少787℉的温度在示例性方面，可以预期的是，粘结剂(粉末形式)可以初始(在渗透之前)定位在基体粉末的顶部。在这些方面，一种或多种常规助熔剂(可选地，以粉末形式)可被定位在粘结剂的顶部。在形成本文公开的钻井工具的过程期间，可以预期的是，一种或多种助熔剂可以被配置为防止形成氧化物或除去氧化物。助熔剂的非限制性实例包括硼酸盐、熔融硼砂、氟硼酸盐、元素硼、氟化物、氯化物、硼酸、碱剂、湿润剂、水、常规的溶剂(例如，醇)及其组合。可以预期的是，使用这样的助熔剂可以提高硬颗粒材料、碳化物形成合金、粘结剂和钻井工具的切割元件之间的键合，并在渗透过程期间降低表面张力和促进粘结剂的自由流动。
如本文进一步所公开的，在示例性方面，基体的碳化物形成合金可形成与粘结剂和基体的硬颗粒材料的直接键合，并形成与基体的多个研磨切割元件(例如，合成金刚石)的直接碳化物键合。还可以预期的是，碳化物形成合金具有高能量势，以形成与研磨切割元件(例如，合成金刚石)中的碳的碳化物键合。换句话说，碳化物形成合金可以被配置为转换切割元件中的碳以形成碳化物。研磨切割元件中的碳可以设置有过量的碳化物形成合金，这反过来又可以在碳化物和粘结剂之间形成合金的中间层，由此将它们全部(碳化物形成合金、碳化物和粘结剂)粘结在一起。因此，可以预期的是，碳化物形成合金可以形成与研磨切割元件的碳化物键合，并还可以形成键合到粘结剂和基体的硬颗粒材料(例如，钨)的中间金属层。
还可以预期的是，所公开的形成直接碳化物键合的工艺可以防止和/或限制氧化物的形成，其在常规的钻井工具中可以显著地削弱或不允许化学键合。因此，所公开的方法可以提供一种具有比常规的钻井工具更强的键合的钻井工具。更具体地，因为在碳化物形成合金和切割元件之间的直接碳化物键合的形成发生于切割工具的原位加热过程(在炉子内)中，而不需要多个加热操作，因此所公开的钻井工具也不经受氧化层的形成，该氧化层限制了基体粉末、粘结剂和切割元件之间的化学键合。
在示例性方面，钻井工具可以使用不包括碳化物形成材料的粘结剂被渗透。在这些方面，研磨切割元件可以是未被涂覆的，且基体的碳化物形成合金可形成与未被涂覆的研磨切割元件的直接碳化物键合。也就是说，研磨切割元件最初是未被涂覆的，并且碳化物形成合金和粘结剂在熔炉内协作地原位涂覆研磨切割元件。然而，可以理解的是，所公开的粘结剂并不需要在碳化物形成合金和切割元件之间形成直接碳化物键合。可以预期的是，研磨切割元件的任何涂层将干扰研磨切割元件和碳化物形成合金之间所需的直接碳化物键合。
在示例性方面，粘结剂可包含铜、锌、银、钼、镍、钴、锡、铁、铝、硅、锰或其混合物和合金。可以预期的是，粘结剂可以冷却，由此键合到基体和研磨切割元件的部分，并且由此将基体和研磨切割介质的部分键合在一起。在一些方面中，渗透工艺的时间和/或温度可以增加，以允许粘结剂填充更大数量和更大的量的基体孔隙。可以预期的是，这可以同时减少烧结期间的收缩并增加所得钻井工具的强度。
另外，在进一步的方面，该方法可以包括将柄部104固定到基体114。例如，可以预期的是，将柄部固定到基体的步骤可以包括放置柄部104接触基体114。还可以预期的是，附加基体的背衬层103、粘结剂材料和/或熔剂(例如，如本文所公开的一种或多种助熔剂)然后可以被加入并放置为与基体114以及柄部104相接触以完成绿色钻头的初始制备。一旦绿色钻头已经形成，它可以被放置于熔炉内从而固结钻头。此后，钻头可根据需要通过机械加工完成。
可选地，在基体114的渗透之前、之后或同时，一个或多个所公开的方法可以包括将基体14烧结到期望的密度。因为烧结涉及结构内孔隙的致密化和去除，被烧结的结构在烧结过程期间可能收缩。可以预期的是，该结构在烧结过程中可以经历1％和40％之间的线性收缩。因此，在设计工具(例如模具、模等)或机加工小于完全烧结的结构中的特征时，可能需要考虑和说明尺寸收缩。
因此，本文描述的示意图和方法提供了许多独特的产品，其可以同时有效地用于钻透软和硬质地层。另外，由于大研磨切割元件，这样的产品可以具有增加的钻井穿透速率。此外，因为研磨切割元件可以分散在整个冠部中，所以新研磨切割元件可以在孕镶钻头的钻井寿命期间连续地暴露。
表镶钻井工具
本文参照图7描述的是用于有效地且高效地钻透地层的表镶钻井工具。在示例性方面，表镶钻井工具可以具有柄部、冠部以及多个研磨切割元件。在示例性方面，研磨切割元件可以以常规表镶钻井工具的方式被固定到钻井工具的切割面处。
本文所描述的表镶钻井工具可以用于切割石材、地下矿藏、陶瓷、沥青、混凝土和其他软质或硬质材料。为了便于描述，附图和下面的文字说明了表镶、岩心取样钻头的例子，以及形成和使用这种钻头的方法。然而，根据本文的公开应将理解，所公开的系统、方法和设备可以与其他表镶钻井和切割工具一起使用，例如但不限于表镶扩孔器或混合的表镶/孕镶扩孔器。在示例性方面中，所公开的表镶钻头可以是全断面的表镶钻头。在其他示例性方面中，所公开的表镶钻头可以是全铸的表镶钻头。
可以预期的是，在切割面处的研磨切割元件可以允许表镶钻头有效地且高效地钻透较软地层。因此，可以预期的是，所公开的表镶钻头可以以相对高的切割速度钻透较软地层。可选地，研磨切割元件可以包括合成金刚石，其在钻井操作期间断裂并创建新的切削刃。这是与多晶金刚石相反，多晶金刚石沿晶界断裂。
现在参照附图，图7示出了表镶钻头200的透视图。更具体地，图7示出了具有多个固定到钻头的切割面的研磨切割元件214的表镶、岩心取样钻头200。如图7所示，钻头100a可以包括切割部或冠部202。
钻头200可以包括具有第一端208的柄部204，该第一端被配置为将钻头200连接到钻柱的部件。可选地，第一端208可以限定被配置为与钻柱的部件的对应螺纹接合的螺纹部。通过示例而非限制的方式，柄部208可以由钢、另一种铁基合金或表现出可接受的物理性质的任何其他材料形成。此外，钻头200可以具有由内表面210和外表面212限定的大致环形形状。因此，钻头200可以限定围绕其中心轴线的内部空间，用于接收岩心样品。因此，被钻穿的材料的碎片可以穿过钻头200的内部空间，并且向上通过连接的钻柱。钻头200可以是任何大小，并且因此，可以用于收集任何大小的岩心样品。虽然钻头200可以具有任何直径，并且可用于除去和收集任何期望的直径的岩心样品，但是钻头200的直径的范围在一些方面可以从约1英寸至约12英寸。类似地，虽然表镶钻头200的切口(即，外表面半径减去内表面半径)可以是任何宽度，但是可以预期的是，切口的范围可以可选地从约1/4英寸至约6英寸。
在一个方面，环形冠部202可以由被本领域中已知的粘结剂渗透的硬颗粒材料形成。此外，冠部202可以包括被固定到冠部的切割面并从其突出的多个切割元件214。在各个方面，切割元件可以包括天然金刚石、合成金刚石、多晶金刚石或热稳定金刚石产品、三氧化二铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方氮化硼、氧化铝、晶种或未加晶种的溶胶-凝胶氧化铝、其他合适的材料或其组合中的一种或多种。切割元件可以具有不同的形状或其组合，例如球体的、立方体的、圆柱体的、不规则形状或其他多面体形状。切割元件214可以可选地包括如本文定义的多个相对大的切割元件，例如但不限于相对大的合成金刚石。可选地，切割元件214可包括如本文定义的多个相对大的切割元件和多个小切割元件。
可以预期的是，所公开的表镶钻头可以具有任何已知的构造。在示例性方面中，冠部202可包括由水路分离的多个切割段。水路可以允许钻井流体或其他润滑剂流过切割面以帮助提供在钻井过程中的冷却。水路还可以允许钻井流体将钻屑和碎屑从表镶钻头200的内表面冲洗到外表面。
在示例性方面中，冠部202可由硬颗粒材料基体形成，例如金属。根据本文的公开应将理解，该硬颗粒材料可以包括粉末状材料，例如，粉末状的金属或合金以及陶瓷化合物。根据本发明的一些实施，硬颗粒材料可以包括碳化钨。如本文所用，术语“碳化钨”是指包含钨和碳的化合物的任何材料成分，例如，WC、W2C、以及WC和W2C的组合。因此，碳化钨可以包括例如铸造碳化钨、烧结碳化钨和宏晶钨。根据本发明的另外的或替换性的实施，硬颗粒材料可以包括碳化物、钨、铁、钴和/或钼及其碳化物、硼化物、合金或任何其他合适的材料。
冠部202的硬颗粒材料可由粘结剂渗透，其可以向完部提供增加的耐磨性，由此增加了钻头200的使用寿命。该粘结剂可以键合到硬颗粒材料和研磨切割元件以形成冠部202。可以预期的是，该粘结剂可以向冠部202提供增加的耐磨损性，同时也不会降低任何表镶切割元件的强度。
粘结剂可包括铜、锌、银、钼、镍、钴或其混合物和合金。该粘结剂可以键合到基体和切割元件，由此将冠部202键合在一起。在示例性方面，粘结剂可以包括题为“高强度、高硬度的粘结剂和使用其形成的钻井工具”的美国专利公开号2013/0098691所公开的粘结剂，在此通过引用将其整体并入本文。
如上文进一步描述的，切割元件可以被固定到冠部202的切割面处，使得每个切割元件的一部分从切割面突出。因此，可以预期的是，切割元件可在切割面处被部分地嵌入冠部202内。
在示例性方面，切割元件可以被无组织布置地布置在冠部202的切割面上。例如，在这些方面，可以预期的是，切割元件可被随机地分散在冠部202的切割面处。因此，在示例性方面，切割元件没有被相对于彼此或相对于切割面特定对齐地布置。在替换性方面，切割元件可以被以特定的方式对齐，使得切割元件的切割性质在相对于切割面的有利位置呈现。
可选地，在一些方面，切割元件可以基本均匀地分散在冠部202的切割面处。在替换性方面，切割元件可以不均匀地分散在冠部202的切割面处。
在示例性方面，冠部202的基体可包括被配置为形成与多个切割元件(例如但不限于本文描述的相对大的切割元件)中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合的碳化物形成合金。在这些方面，如本文进一步描述的，碳化物形成合金可以被配置为形成与粘结剂和/或基体的硬颗粒材料的直接键合，如本文所公开的。因此，与常规基体键合到浸渍剂(粘结剂)而不是切割介质(例如，金刚石)不同，本文所公开的碳化物形成合金同时键合到浸渍剂(粘结剂)和切割元件的至少一部分。如本文所进一步公开的，多个研磨切割元件可以包括被配置为形成与碳化物形成合金的碳化物键合的至少一个切割元件(例如，天然金刚石、合成金刚石、多晶金刚石、热稳定金刚石)。然而，在示例性方面，多个研磨切割元件还可以包括不被配置为形成与碳化物形成合金的碳化物键合的至少一个研磨切割元件。因此，不要求在钻井工具中的每个切割元件形成与碳化物形成合金的碳化物键合。
参考图8A-8B，可以预期的是，同时与渗渍剂和切割元件的键合的形成(包括键合到切割元件的碳化物的形成)可以创建支撑结构，其比常规基体(如在图8C中所描绘的基体)显著更久地保持切割元件(例如，合成金刚石)。更具体地，可以预期的是，该切割元件可以被同时化学地和机械地键合就位(相对于常规钻头，其中切割元件仅仅被机械地保持)。金刚石(或其他切割元件)被保持得越久，其将具有更多的暴露，并且增加的暴露可以允许基体和被钻穿的地层表面(例如，岩石)之间更大的间隙。随着基体和地层表面之间的间隙增大，钻头的冲洗/冷却得到改善，由此提高了切割元件(例如，金刚石)和钻头的寿命。此外，当切割元件(例如，金刚石)具有足够的支撑结构时，切割元件(例如，金刚石)可经历有利的微压裂，其产生了许多锐缘而不是“磨平”的构造，由此增加钻头的切割效率。
更具体地，碳化物形成合金(其可以可选地被提供为碳化物形成合金粉末或碳化物形成合金纤维)具以利用切割元件中的碳(例如，金刚石)形成碳化物的高能量势。换句话说，碳化物形成合金可以被配置为转换切割元件中的碳以形成碳化物。通过向切割元件中的碳提供过量的碳化物形成合金，可以在碳化物和粘结剂和基体的硬颗粒材料(例如，钨粉)之间形成中间层的合金，由此将它们键合在一起。因此，可以预期的是，碳化物形成合金被配置为在不显著石墨化切割元件(例如，金刚石)的温度/压力范围内形成与切割元件(例如，金刚石)的碳化物键合，并还形成键合到粘结剂和基体的硬颗粒材料(例如，钨)的中间金属层。在进一步的示例性方面，多个研磨切割元件可以包括多个金刚石切割元件，并且碳化物形成合金可以被配置为将金刚石切割元件转换成碳化物以形成碳化物形成合金与金刚石切割元件之间的直接碳化物键合。
还可以预期的是，所公开的形成直接碳化物键合的工艺可以防止和/或限制氧化物的形成，其在常规的钻井工具中可以显著地削弱化学键合。因此，所公开的方法可以提供一种具有比常规的钻井工具更强的键合的钻井工具。更具体地，因为在碳化物形成合金和切割元件之间的直接碳化物键合的形成发生于切割工具的原位加热过程(在炉子内)中，而不需要多个加热操作，因此所公开的钻井工具也不经受氧化层的形成，该氧化层限制了基体粉末、粘结剂和切割元件之间的化学键合。
在示例性方面，钻井工具可以使用不包括碳化物形成材料的粘结剂被渗透。相反，在基体中提供碳化物形成材料。在这些方面，研磨切割元件可以是未被涂覆的，且基体的碳化物形成合金可形成与未被涂覆的研磨切割元件的直接碳化物键合。因此，可以理解的是，所公开的粘结剂并不需要在碳化物形成合金和切割元件之间形成直接碳化物键合。
在示例性方面，碳化物形成合金可以可选地包括铬。在其它示例性方面，碳化物形成合金可以可选地包括钛。在附加的示例性方面，碳化物形成合金可以可选地包括铝。在进一步的示例性方面，碳化物形成合金可以可选地包括钽。在又进一步的示例性方面，碳化物形成合金可以可选地包括钒。在又进一步的示例性方面，碳化物形成合金可以可选地包括锆。然而，可以预期的是，碳化物形成合金可以可选地包括其他材料，例如但不限于硅、铌、钼、硼、锰、钨、铁、钴和镍。可选地，在一些方面，碳化物形成合金可以由单一材料构成，例如但不限于钛、铝、钽、钒或锆。应当理解，本文所公开的碳化物形成合金通常被提供为可以在富氧(O2)环境中产生爆炸危险的细粉末。因此，常规上，钻井工具的制造商不在制造过程中使用碳化物形成合金。
可替换地，在各种可选方面，可以预期的是，碳化物形成合金可以被提供为在金刚石(或其他研磨切割介质)上的PVD(物理气相沉积)涂层的形式。然而，在这些方面，可以预期的是，如果被提供为如上文所公开的碳化物形成合金粉末，则可能需要额外的安全预防措施来防止暴露于将被从大气保护的“自由”铬(或其他材料)。
在示例性方面，图7进一步示出了在切割面处的切割元件可以延伸出切割面。换句话说，在切割面处的切割元件可以从冠部202轴向地远离切割面延伸。切割元件可以帮助允许快速启动新的钻头200。
具有表镶钻井工具的钻井系统
应理解，如本文中公开的表镶钻井工具(例如表镶钻头)可以与几乎任何类型的钻井系统一起使用以执行各种钻井操作。例如，可以预期的是，表镶钻井工具可与如在图6中描绘的钻井系统一起使用(使用表镶钻头200代替孕镶钻头100)。然而，应理解，在图6中示出并描述的钻井系统仅是可使用所公开的钻井工具的系统的一个例子。
一种示例性的、非限制性的钻井系统可以包括钻床头。钻床头可耦接至桅杆，桅杆转而耦接至钻机。钻床头可以被配置为具有与其耦接的一个或多个管状构件。管状构件可包括但不限于钻杆、套管、扩孔壳和井下锤。为了便于参考，该管状构件将在下文中描述为钻柱部件。钻柱部件又可以耦接至额外的钻柱部件以形成钻柱或工具串。反过来，钻柱可以如上所述耦接至表镶钻头200。如前面提到的，表镶钻头200可以被配置为与将被钻穿的材料或地层接合。
在至少一个实例中，钻床头可以被配置为在钻井过程期间旋转钻柱。具体地，钻床头可以改变钻柱旋转的速度。例如，根据钻井过程可根据需要选择钻床头的转速和/或钻床头传递给钻柱的扭矩。
可替换地，在示例性方面，井下马达可以用于代替或附加于钻床头。因此，在这些方面，井下马达可以耦接至桅杆，并且可以具有耦接于其的钻柱(一个或多个钻柱部件)。在操作中，井下马达可以被配置为在钻井过程中旋转钻柱。具体地，井下马达可以改变钻柱旋转的速度。例如，根据钻井过程可根据需要选择井下马达的转速和/或井下马达传递给钻柱的扭矩。
此外，钻井系统可被配置为向钻柱施加大致纵向向下的力以在钻井操作期间促使表镶钻头200进入地层。例如，钻井系统可以包括被配置为相对于桅杆移动滑板组件以向表镶钻头200施加大致纵向力的链传动组件。
因此，根据本文的公开应将理解，本发明的表镶钻头可以被用于本领域已知的任何目的。例如，表镶钻头200可以被附接到钻柱的端部，其又连接至钻床或钻机。当钻柱并因此表镶钻头200被钻床旋转并推动时，钻头200可以磨掉在正被钻穿的地下地层中的材料。钻掉的岩心样品可从钻柱取出。因为磨削动作，钻头200的切割部分可随着时间侵蚀。该过程可以继续，直到研磨切割元件214已经消耗完毕，并且然后可将钻柱起出钻孔和更换钻头200。
在使用中，可以预期的是，切割元件可以定位在表镶钻头200的切割面处以在钻头旋转期间促进切割元件后面的“彗尾”的形成。可以预期的是，这样的“彗尾”可通过由钻头与被切割的地层之间的接触所产生的摩擦和钻屑形成。可以预期的是，“彗尾”可被配置为支撑切割元件并在三个维度上最大化冠部的切割面和地层之间的间隙。还可以预期的是，这些间隙可以减小摩擦和发热，同时创造更多的空间来有效地冲洗钻屑，由此提高了对切割面的冷却。在组合中，这些特征可以提高整体钻头性能并增加钻头寿命。
形成表镶钻井工具的方法
本发明的实施还包括形成表镶钻井工具的方法，例如但不限于，如本文所公开的表镶钻头。以下描述了形成表镶钻井工具的至少一种方法。当然，作为初步事项，本领域技术人员将认识到，详细解释的方法可以被修改以使用所公开的钻井系统的一个或多个部件来安装各种构造。在示例性方面，可以使用常规的铸造工艺(例如用于制造全铸表镶钻头的常规铸造工艺)形成表镶钻头。
例如，在一个方面，形成表镶钻井工具(例如表镶钻头)的方法可包括制备基体。可选地，在一个方面，制备基体的步骤可以包括制备硬颗粒材料基体。例如，制备基体的步骤可以包括制备粉末材料基体，例如碳化钨。在附加的方面，基体可以包括先前描述的硬颗粒材料中的一个或多个。在一些方面，制备基体的步骤可以包括将基体放入模具中。在示例性方面，如本文进一步公开的，基体还可以包括碳化物形成合金。
模具可以由能够承受在加热工艺中基体将经受的热量的材料形成。在示例性方面，该模具可以由碳形成。可以预期的是，该模具可被成形为形成具有期望特征的钻井工具(例如钻头)。在示例性方面，该模具可对应于取芯钻头。在示例性方面，制备基体的步骤可以包括使用该模具以限定表镶钻头的切割面。
在附加的方面，该方法可以包括使用粘结剂渗透基体。在这些方面，使用粘结剂渗透基体的步骤可以包括加热粘结剂至熔融状态，并且使用熔融的粘结剂渗透基体。例如，在一些方面，粘结剂可被置于靠近基体，并且基体和粘结剂可以被加热到足以使粘结剂达到熔融状态的温度。在这些方面，熔融的粘结剂可渗透基体。在示例性方面，使用粘结剂渗透基体的步骤可以包括将基体和粘结剂加热到至少787℉的温度在示例性方面，可以预期的是，粘结剂(粉末形式)可以初始(在渗透之前)定位在基体粉末的顶部。在这些方面，一种或多种常规助熔剂(可选地，以粉末形式)可被定位在粘结剂的顶部。在形成本文公开的钻井工具的过程期间，可以预期的是，一种或多种助熔剂可以被配置为防止形成氧化物或除去氧化物。助熔剂的非限制性实例包括硼酸盐、熔融硼砂、氟硼酸盐、元素硼、氟化物、氯化物、硼酸、碱剂、湿润剂、水、常规的溶剂(例如，醇)及其组合。可以预期的是，使用这样的助熔剂可以提高硬颗粒材料、碳化物形成合金、粘结剂和钻井工具的切割元件之间的键合，并在渗透过程期间降低表面张力和促进粘结剂的自由流动。
另外，在进一步的方面，该方法可以包括将多个研磨切割元件固定至由基体限定的切割面。另外，该方法可以包括将切割元件随机地或无组织布置地分散在基体的切割面处。在示例性方面，每个切割介质可以以常规的方式设置在由模具限定的曲线图标记内。可选地，在附加的示例性方面，可以预期的是，制备基体、渗透基体、固定多个研磨切割介质和固定柄部的步骤可以使用铸造工艺来执行。
当多个切割介质被固定到切割面时，可以预期的是，切割元件可以以任何所需的取向设置在切割面处(例如，在由模具限定的曲线图标记内)。
如本文进一步所公开的，在示例性方面，基体的碳化物形成合金可形成与粘结剂和基体的硬颗粒材料的直接键合，并形成与基体的多个研磨切割元件(例如，合成金刚石)的直接碳化物键合。还可以预期的是，碳化物形成合金具有高能量势，以形成与切割元件(例如，金刚石)中的碳的碳化物键合。换句话说，碳化物形成合金可以被配置为转换切割元件中的碳以形成碳化物。切割元件(例如，金刚石)中的碳可以设置有过量的碳化物形成合金，这反过来又可以在碳化物和粘结剂之间形成合金的中间层，由此将它们全部(碳化物形成合金、碳化物和粘结剂)粘结在一起。因此，可以预期的是，碳化物形成合金可以形成与切割元件(例如，金刚石)的碳化物键合，并还可以形成键合到粘结剂和基体的硬颗粒材料(例如，钨)的中间金属层。
还可以预期的是，所公开的形成直接碳化物键合的工艺可以防止和/或限制氧化物的形成，其在常规的钻井工具中可以显著地削弱化学键合。因此，所公开的方法可以提供具有比常规的钻井工具更强的键合的钻井工具。更具体地，因为在碳化物形成合金和切割元件之间的直接碳化物键合的形成发生于切割工具的原位加热过程(在炉子内)中，而不需要多个加热操作，因此所公开的钻井工具也不经受氧化层的形成，该氧化层限制了基体粉末、粘结剂和切割元件之间的化学键合。
在示例性方面，钻井工具可以使用不包括碳化物形成材料的粘结剂被渗透。在这些方面，研磨切割元件可以是未被涂覆的，且碳化物形成合金可形成与未被涂覆的研磨切割元件的直接碳化物键合。也就是说，研磨切割元件最初是未被涂覆的，并且碳化物形成合金和粘结剂在熔炉内协作地原位涂覆研磨切割元件。然而，可以理解的是，所公开的粘结剂并不需要在碳化物形成合金和切割元件之间形成直接碳化物键合。可以预期的是，研磨切割元件的任何涂层将干扰研磨切割元件和碳化物形成合金之间所需的直接碳化物键合。
在示例性方面，粘结剂可包含铜、锌、银、钼、镍、钴、锡、铁、铝、硅、锰或其混合物和合金。可以预期的是，粘结剂可以冷却，由此键合到基体和研磨切割介质，并且由此将基体和研磨切割介质键合在一起。在一些方面中，渗透工艺的时间和/或温度可以增加，以允许粘结剂填充更大数量和更大的量的基体孔隙。可以预期的是，这可以同时减少烧结期间的收缩并增加所得钻井工具的强度。
另外，在进一步的方面，该方法可以包括将柄部204固定到冠部202的基体。例如，可以预期的是，将柄部固定到基体的步骤可以包括放置柄部204接触基体。还可以预期的是，附加基体的背衬层、粘结剂材料和/或熔剂(例如，如本文所公开的一种或多种助熔剂)可以可选地被加入并放置为与基体以及柄部204相接触以完成绿色钻头的初始制备。一旦绿色钻头已经形成，它可以被放置于熔炉内从而固结钻头。此后，钻头可根据需要通过机械加工完成。
可选地，在基体的渗透之前、之后或同时，一个或多个所公开的方法可以包括将基体烧结到期望的密度。因为烧结涉及结构内孔隙的致密化和去除，所以被烧结的结构在烧结过程期间可能收缩。可以预期的是，该结构在烧结过程中可以经历1％和40％之间的线性收缩。因此，在设计工具(例如模具、模等)或机加工小于完全烧结的结构中的特征时，可能需要考虑和说明尺寸收缩。
示例性方面
鉴于所描述的钻井工具、钻井系统和方法及其变型，在下文中描述的是本发明的某些更具体描述的方面。然而这些特别叙述的方面不应当解释为对含有本文所述的不同或更一般的教导的任何不同的权利要求具有任何限制作用，或者说，“特别的”方面以一些方式在某种程序上进行限制，而不是本文字面上使用的语言的固有含义。
方面1：一种钻井工具，其包括：具有第一端和相对的第二端的柄部，所述第一端适于被固定至钻柱部件；从所述柄部的所述第二端延伸的冠部，所述冠部包括硬颗粒材料基体和碳化物形成合金、切割面以及在所述切割面和所述柄部之间的冠部主体；以及至少部分地固定于所述冠部主体内的多个研磨切割元件，其中所述碳化物形成合金形成与所述基体的所述硬颗粒材料的直接键合，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合。
方面2：根据方面1所述的钻井工具，其中所述碳化物形成合金包括铬。
方面3：根据方面1所述的钻井工具，其中所述碳化物形成合金包括钛。
方面4：根据方面1所述的钻井工具，其中所述碳化物形成合金包括铝。
方面5：根据方面1所述的钻井工具，其中所述碳化物形成合金包括钒。
方面6：根据方面1所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件包括多个合成金刚石。
方面7：根据方面1所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件包括多个热稳定多晶金刚石。
方面8：根据方面1所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件包括天然金刚石。
方面9：根据方面1所述的钻井工具，其中所述冠部具有环形形状、纵向轴线、内表面和外表面，其中所述冠部的内表面限定围绕所述纵向轴线的内部空间，并且其中所述内部空间被配置为接收岩心样品。
方面10：根据方面1所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件从所述切割面向外延伸。
方面11：根据方面1所述的钻井工具，其中所述冠部的基体的硬颗粒材料包括钨和碳化钨中的至少一种。
方面12：根据方面1所述的钻井工具，其中所述钻井工具是钻头。
方面13：根据方面12所述的钻井工具，其中所述钻头是全断面钻头。
方面14：根据方面12所述的钻井工具，其中所述钻头是全铸钻头。
方面15：根据方面1所述的钻井工具，其中所述钻井工具是扩孔器。
方面16：根据方面1所述的钻井工具，其中所述钻井工具是孕镶钻井工具，并且其中所述多个研磨切割元件分散在所述冠部主体的至少一部分中。
方面17：根据方面16所述的钻井工具，其中所述孕镶钻井工具是孕镶钻头。
方面18：根据方面16所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件中的至少一部分分散在靠近所述切割面的冠部主体内。
方面19：根据方面16所述的钻井工具，其还包括无组织布置地分散在所述冠部主体的至少一部分中的多个纤维。
方面20：根据方面1所述的钻井工具，其中所述钻井工具是表镶钻井工具，并且其中所述多个研磨切割元件被固定到所述冠部的切割面并从其突出。
方面21：根据方面16所述的钻井工具，其中所述表镶钻井工具是表镶钻头。
方面22：根据方面1所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件包括不被配置为形成与碳化物形成合金的碳化物键合的至少一个研磨切割元件。
方面23：根据方面1所述的钻井工具，其中所述钻井工具被使用粘结剂渗透，并且其中所述粘结剂不包括碳化物形成材料。
方面24：根据方面23所述的钻井工具，其中所述研磨切割元件未被涂覆，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述未被涂覆的研磨切割元件的直接碳化物键合。
方面25：根据方面1所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件包括多个金刚石切割元件，并且其中所述碳化物形成合金被配置为将所述金刚石切割元件转换成碳化物以形成所述碳化物形成合金与所述金刚石切割元件之间的直接碳化物键合。
方面26：一种钻井系统，其包括：被配置为用于旋转的钻柱；以及钻井工具，其中所述钻井工具包括：具有第一端和相对的第二端的柄部，所述第一端适于被固定至钻柱部件；从所述柄部的所述第二端延伸的冠部，所述冠部包括硬颗粒材料基体和碳化物形成合金、切割面以及在所述切割面和所述柄部之间的冠部主体；以及至少部分地固定于所述冠部主体内的多个研磨切割元件，其中所述碳化物形成合金形成与所述基体的所述硬颗粒材料的直接键合，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合。
方面27：根据方面26所述的钻井系统，其还包括钻机，其中所述钻柱适于被固定至所述钻机并由其旋转。
方面28：根据方面26所述的钻井系统，其还包括井下马达，其中所述钻柱适于被固定至所述井下马达并由其旋转。
方面29：根据方面26所述的钻井系统，其中所述钻井工具被使用粘结剂渗透，并且其中所述粘结剂不包括碳化物形成材料。
方面30：根据方面29所述的钻井系统，其中所述研磨切割元件未被涂覆，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述未被涂覆的研磨切割元件的直接碳化物键合。
方面31：根据方面26所述的钻井系统，其中所述多个研磨切割元件包括多个金刚石切割元件，并且其中所述碳化物形成合金被配置为将所述金刚石切割元件转换成碳化物以形成所述碳化物形成合金与所述金刚石切割元件之间的直接碳化物键合。
方面32：一种钻井的方法，其包括：将钻井工具固定至钻柱，其中所述钻井工具包括：具有第一端和相对的第二端的柄部，所述第一端适于被固定至钻柱部件；从所述柄部的所述第二端延伸的冠部，所述冠部包括硬颗粒材料基体和碳化物形成合金、切割面以及在所述切割面和所述柄部之间的冠部主体；以及至少部分地固定于所述冠部主体内的多个研磨切割元件，其中所述碳化物形成合金形成与所述基体的所述硬颗粒材料的直接键合，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合；以及旋转所述钻柱以使所述钻井工具穿透土质地层。
方面33：根据方面32所述的方法，其还包括将所述钻柱固定至钻机并使用所述钻机来旋转所述钻柱。
方面34：根据方面32所述的方法，其还包括将所述钻柱固定至井下马达并使用所述井下马达来旋转所述钻柱。
方面35：根据方面32所述的方法，其中所述钻井工具被使用粘结剂渗透，并且其中所述粘结剂不包括碳化物形成材料。
方面36：根据方面35所述的方法，其中所述研磨切割元件未被涂覆，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述未被涂覆的研磨切割元件的直接碳化物键合。
方面37：根据方面32所述的方法，其中所述多个研磨切割元件包括多个金刚石切割元件，并且其中所述碳化物形成合金被配置为将所述金刚石切割元件转换成碳化物以形成所述碳化物形成合金与所述金刚石切割元件之间的直接碳化物键合。
方面38：一种形成钻井工具的方法，其包括：制备所述钻井工具的基体，所述基体包括硬颗粒材料和碳化物形成合金；将多个研磨切割元件固定于所述基体的至少一部分内；使用粘结剂渗透所述基体；以及将柄部固定至所述基体，其中所述基体的碳化物形成合金形成与所述粘结剂和所述基体的硬颗粒材料的直接键合，并且其中所述基体的碳化物形成合金形成与所述多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合。
方面39：根据方面38所述的方法，其中所述钻井工具使用铸造工艺形成。
方面40：根据方面38所述的方法，其中所述钻井工具是孕镶钻井工具，并且其中所述多个研磨切割元件分散在所述基体的至少一部分中。
方面41：根据方面38所述的方法，其中所述钻井工具是表镶钻井工具，其中所述制备所述基体的步骤包括限定所述表镶钻井工具的切割面，并且其中所述多个研磨切割元件固定于所述切割面使得所述研磨切割元件从所述切割面突出。
方面42：根据方面38所述的方法，其中所述粘结剂不包括碳化物形成材料。
方面43：根据方面42所述的方法，其中所述研磨切割元件未被涂覆，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述未被涂覆的研磨切割元件的直接碳化物键合。
方面44：根据方面38所述的方法，其中所述多个研磨切割元件包括多个金刚石切割元件，并且其中所述碳化物形成合金将所述金刚石切割元件转换成碳化物以允许形成所述碳化物形成合金与所述金刚石切割元件之间的直接碳化物键合。
尽管已经在前面的说明书中公开了本发明的几个实施方案，但是受益于在前面的描述和相关的附图给出的教导的本领域技术人员应该理解，可以想到本发明所属的对本发明的许多修改和其他实施方案。因此应当理解，本发明不限于上文公开的具体实施方案，并且许多修改和其他实施方案旨在包括于所附权利要求的范围内。此外，尽管本文以及在随后的权利要求中采用了特定的术语，它们仅用于一般性和描述性的意义，而不是为了限制所描述的发明的目的，也不是为了限制随后的权利要求的目的。

Claims (44)

1.一种钻井工具，其包括：
具有第一端和相对的第二端的柄部，所述第一端适于被固定至钻柱部件；
从所述柄部的所述第二端延伸的冠部，所述冠部包括硬颗粒材料基体和碳化物形成合金、切割面以及在所述切割面和所述柄部之间的冠部主体；以及
至少部分地固定于所述冠部主体内的多个研磨切割元件，
其中所述碳化物形成合金形成与所述基体的所述硬颗粒材料的直接键合，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合。
2.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述碳化物形成合金包括铬。
3.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述碳化物形成合金包括钛。
4.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述碳化物形成合金包括铝。
5.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述碳化物形成合金包括钒。
6.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件包括多个合成金刚石。
7.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件包括多个热稳定多晶金刚石。
8.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件包括天然金刚石。
9.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述冠部具有环形形状、纵向轴线、内表面和外表面，其中所述冠部的所述内表面限定围绕所述纵向轴线的内部空间，并且其中所述内部空间被配置为接收岩心样品。
10.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件从所述切割面向外延伸。
11.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述冠部的所述基体的所述硬颗粒材料包括钨和碳化钨中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述钻井工具是钻头。
13.根据权利要求12所述的钻井工具，其中所述钻头是全断面钻头。
14.根据权利要求12所述的钻井工具，其中所述钻头是全铸钻头。
15.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述钻井工具是扩孔器。
16.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述钻井工具是孕镶钻井工具，并且其中所述多个研磨切割元件分散在所述冠部主体的至少一部分中。
17.根据权利要求16所述的钻井工具，其中所述孕镶钻井工具是孕镶钻头。
18.根据权利要求16所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件中的至少一部分分散在靠近所述切割面的所述冠部主体内。
19.根据权利要求16所述的钻井工具，其还包括无组织布置地分散在所述冠部主体的至少一部分中的多个纤维。
20.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述钻井工具是表镶钻井工具，并且其中所述多个研磨切割元件被固定到所述冠部的所述切割面并从所述切割面突出。
21.根据权利要求20所述的钻井工具，其中所述表镶钻井工具是表镶钻头。
22.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件包括不被配置为形成与所述碳化物形成合金的碳化物键合的至少一个研磨切割元件。
23.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述钻井工具被使用粘结剂渗透，并且其中所述粘结剂不包括碳化物形成材料。
24.根据权利要求23所述的钻井工具，其中所述研磨切割元件未被涂覆，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述未被涂覆的研磨切割元件的直接碳化物键合。
25.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述多个研磨切割元件包括多个金刚石切割元件，并且其中所述碳化物形成合金被配置为将所述金刚石切割元件转换成碳化物以形成所述碳化物形成合金与所述金刚石切割元件之间的所述直接碳化物键合。
26.一种钻井系统，其包括：
被配置为用于旋转的钻柱；以及
钻井工具，其中所述钻井工具包括：
具有第一端和相对的第二端的柄部，所述第一端适于被固定至钻柱部件；
从所述柄部的所述第二端延伸的冠部，所述冠部包括硬颗粒材料基体和碳化物形成合金、切割面以及在所述切割面和所述柄部之间的冠部主体；以及
至少部分地固定于所述冠部主体内的多个研磨切割元件，
其中所述碳化物形成合金形成与所述基体的所述所述硬颗粒材料的直接键合，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合。
27.根据权利要求26所述的钻井系统，其还包括钻机，其中所述钻柱适于被固定至所述钻机并由所述钻机旋转。
28.根据权利要求26所述的钻井系统，其还包括井下马达，其中所述钻柱适于被固定至所述井下马达并由所述井下马达旋转。
29.根据权利要求26所述的钻井系统，其中所述钻井工具被使用粘结剂渗透，并且其中所述粘结剂不包括碳化物形成材料。
30.根据权利要求29所述的钻井系统，其中所述研磨切割元件未被涂覆，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述未被涂覆的研磨切割元件的直接碳化物键合。
31.根据权利要求26所述的钻井系统，其中所述多个研磨切割元件包括多个金刚石切割元件，并且其中所述碳化物形成合金被配置为将所述金刚石切割元件转换成碳化物以形成所述碳化物形成合金与所述金刚石切割元件之间的所述直接碳化物键合。
32.一种钻井的方法，其包括：
将钻井工具固定至钻柱，其中所述钻井工具包括：
具有第一端和相对的第二端的柄部，所述第一端适于被固定至钻柱部件；
从所述柄部的所述第二端延伸的冠部，所述冠部包括硬颗粒材料基体和碳化物形成合金、切割面以及在所述切割面和所述柄部之间的冠部主体；以及
至少部分地固定于所述冠部主体内的多个研磨切割元件，
其中所述碳化物形成合金形成与所述基体的所述硬颗粒材料的直接键合，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合；以及
旋转所述钻柱以使所述钻井工具穿透土质地层。
33.根据权利要求32所述的方法，其还包括将所述钻柱固定至钻机并使用所述钻机来旋转所述钻柱。
34.根据权利要求32所述的方法，其还包括将所述钻柱固定至井下马达并使用所述井下马达来旋转所述钻柱。
35.根据权利要求32所述的方法，其中所述钻井工具被使用粘结剂渗透，并且其中所述粘结剂不包括碳化物形成材料。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述研磨切割元件未被涂覆，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述未被涂覆的研磨切割元件的直接碳化物键合。
37.根据权利要求32所述的方法，其中所述多个研磨切割元件包括多个金刚石切割元件，并且其中所述碳化物形成合金被配置为将所述金刚石切割元件转换成碳化物以形成所述碳化物形成合金与所述金刚石切割元件之间的所述直接碳化物键合。
38.一种形成钻井工具的方法，其包括：
制备所述钻井工具的基体，所述基体包括硬颗粒材料和碳化物形成合金；
将多个研磨切割元件固定于所述基体的至少一部分内；
使用粘结剂渗透所述基体；以及
将柄部固定至所述基体，
其中所述基体的所述碳化物形成合金形成与所述粘结剂和所述基体的所述硬颗粒材料的直接键合，并且其中所述基体的所述碳化物形成合金形成与所述多个研磨切割元件中的至少一个研磨切割元件的直接碳化物键合。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述钻井工具使用铸造工艺形成。
40.根据权利要求38所述的方法，其中所述钻井工具是孕镶钻井工具，并且其中所述多个研磨切割元件分散在所述基体的至少一部分中。
41.根据权利要求38所述的方法，其中所述钻井工具是表镶钻井工具，其中所述制备所述基体的步骤包括限定所述表镶钻井工具的切割面，并且其中所述多个研磨切割元件固定于所述切割面使得所述研磨切割元件从所述切割面突出。
42.根据权利要求38所述的方法，其中所述粘结剂不包括碳化物形成材料。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述研磨切割元件未被涂覆，并且其中所述碳化物形成合金形成与所述未被涂覆的研磨切割元件的直接碳化物键合。
44.根据权利要求38所述的方法，其中所述多个研磨切割元件包括多个金刚石切割元件，并且其中所述碳化物形成合金将所述金刚石切割元件转换成碳化物以允许形成所述碳化物形成合金与所述金刚石切割元件之间的所述直接碳化物键合。
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