CN115210445A - 具有预制部件的钻井工具 - Google Patents

具有预制部件的钻井工具 Download PDF

Info

Publication number
CN115210445A
CN115210445A CN202180018285.XA CN202180018285A CN115210445A CN 115210445 A CN115210445 A CN 115210445A CN 202180018285 A CN202180018285 A CN 202180018285A CN 115210445 A CN115210445 A CN 115210445A
Authority
CN
China
Prior art keywords
drill bit
powder
metal
components
mold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180018285.XA
Other languages
English (en)
Inventor
Y.张
M.蔡
S.切拉帕
H.宋
T.任
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schlumberger Technology Corp
Original Assignee
Schlumberger Technology Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schlumberger Technology Corp filed Critical Schlumberger Technology Corp
Publication of CN115210445A publication Critical patent/CN115210445A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/06—Casting in, on, or around objects which form part of the product for manufacturing or repairing tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • B22D23/06—Melting-down metal, e.g. metal particles, in the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/08—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools with one or more parts not made from powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/42—Rotary drag type drill bits with teeth, blades or like cutting elements, e.g. fork-type bits, fish tail bits
    • E21B10/43—Rotary drag type drill bits with teeth, blades or like cutting elements, e.g. fork-type bits, fish tail bits characterised by the arrangement of teeth or other cutting elements
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/60—Drill bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids
    • E21B10/61—Drill bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids characterised by the nozzle structure
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F2005/001—Cutting tools, earth boring or grinding tool other than table ware
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

所公开的钻井工具具有金属基体复合材料(MMC)或钢合金体，其使用铸造或渗透工艺围绕一个或多个预制部件形成。预制部件由超硬材料的烧结、渗透和/或胶结颗粒制成，并且可以形成钻头刀片的任何合适的部分。预制部件可被装载到机加工模具中，随后模具腔被填充粉末，例如碳化钨粉末、填料金属粉末、粘结剂金属粉末或其组合。在铸造或渗透工艺期间，模具和预制部件被加热到足够的温度以熔融粘结剂金属和/或填料金属，其中熔融金属与预制部件的内表面表面相互作用以形成冶金结合，从而将预制部件固定到钻头体。

Description

具有预制部件的钻井工具
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年1月16日提交的题为“Drilling Tool Have Pre-FabricatedSegments”的美国专利申请No.62/961,985和2020年1月16日提交的题为“Drilling ToolHaving A Pre-Fabricated Shell”的美国专利申请No.62/962,000的权益和优先权，两者均以引用方式全文并入本文。
背景技术
本公开总体上涉及钻井工具，更具体地，涉及经由第一制造工艺(例如，增材制造工艺)和铸造或渗透工艺的组合制造的钻井工具。
本部分旨在向读者介绍可能与以下描述和/或要求保护的本公开的各个方面相关的技术的各个方面。该讨论被认为有助于为读者提供背景信息以促进更好地理解本公开的各个方面。因此，应该理解，这些陈述是从这个角度来理解的，而不是承认现有技术。
井眼可以钻入地面位置或海床以用于各种勘探或开采目的。例如，可以钻出井眼以获取流体，例如液态和气态烃，储存在地下地层中，并从地层中开采流体。部分地取决于钻出井眼所穿过的地层的特征，可以使用多种钻井方法和工具。
钻井系统可以在井眼的创建、维护、延伸和废弃中使用多种钻头。钻头包括钻井钻头、铣刀、铰刀、开孔器和其他切割工具。一些钻井系统相对于井眼旋转钻头以从井眼的侧面和/或底部移除材料。一些钻头用于从周围的地质地层中移除天然材料，以扩展或扩大井眼。例如，所谓的固定切割器或牵引钻头或牙轮钻头可用于钻孔或延伸井眼，并且可使用铰刀或开孔器移除地层材料以延伸或加宽井眼。一些钻头用于在井眼的建造或维护期间移除位于井眼中的材料。例如，钻头用于在维护期间、在现有井眼中为横向钻井创建窗口期间，或在修复期间从井眼中移除水泥、水垢或金属套管。
在井眼的钻探期间，诸如钻头和扩眼器的切割工具用于从土地中移除材料以延伸或扩大井眼。切割工具包括在切割操作期间可能会受到磨损或损坏的切割元件。损坏或丢失的切割元件会降低切割工具的效率并减慢或停止井眼上的工作。此外，切割工具的切割元件可能在切割工具本身之前达到其使用寿命的终点。
发明内容
下文阐述了本文公开的某些实施例。应当理解，呈现这些方面仅仅是为了向读者提供这些特定实施例的简要概述，并且这些方面不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可以包含可能没有在下面阐述的多个方面。
本实施例针对钻井工具，如钻头，及其制造方法。所公开的钻头具有金属基体复合材料(MMC)或钢体，其使用铸造或渗透工艺围绕一个或多个预制的高密度部件(例如，刀片段、壳)形成。预制部件可以形成钻头刀片、整个钻头刀片或刀片的特定部分。例如，在某些实施例中，预制刀片段形成每个钻头刀片的前部和顶部，并固定钻头的切割元件，这减少了钻头腐蚀并提高了钻头的使用寿命。在某些实施例中，预制刀片段形成每个钻头刀片的前部、顶部和后部，并固定钻头的切割元件。部件(例如，壳、刀片段)由利用金属粘结剂系统的超硬材料的烧结、渗透和/或胶结颗粒制成，例如碳化钨或铸造碳化钨(WC/W2C)。在某些实施例中，预制部件可使用增材制造技术制造，例如直接层熔融(DLM)、电子束熔融(EBM)制造工艺或包括进一步的加热/压力处理或渗透步骤的粘结剂-喷射增材制造工艺。
在制作后，将预制部件(例如，壳、刀片段)装入机加工模具中，可在模具中添加砂位移件，以在钻头内形成流体通道，可添加一个或多个钢坯，并在模具腔的剩余部分填充一种或多种粉末。在某些实施例中，粉末可包括基体粉末(例如，超硬材料，如WC/W2C或钢基体粉末)、填料金属(例如，钢合金粉末)、粘结剂金属(例如，铜或镍合金粉末)或其组合。在铸造或渗透工艺期间，组装好的模具被加热到足够的温度以熔融粘结剂金属和/或填料金属，其中熔融的金属与预制部件的内表面表面相互作用以形成冶金结合(例如，永久的或不可移除的附接)，从而将预制部件固定到钻头体上。
通过以这种方式制作钻头，可实现多种不同的优势。与传统钻头不同，因为钻头刀片的外表面由一个或多个预制部件形成，所以可以认识到，这些外表面的硬度和韧性不取决于用于形成钻头体的铸造或渗透工艺的质量。此外，使用预制部件和足够低熔点的钢合金粉末，可以制造钻头的一实施例，其中一个或多个预制部件能够使钻头表面具有期望的硬度和耐腐蚀性，同时整个钢钻头体提供韧性和延展性，并且生产成本比MMC钻头体低得多。此外，与MMC钻头体不同，这些实施例的钢合金钻头体既可加工又可焊接，这可降低成本并增加钻头被修改或定制用于特定应用的灵活性。在另一个实施例中，使用一个或多个预制部件、基体粉末(例如，超硬材料粉末)和粘结剂金属(例如，较低熔点的铜或镍合金)，可以制造钻头的实施例，其中一个或多个预制部件能够使钻头表面具有期望的硬度和韧性，而MMC钻头体相对于具有钢合金钻头体的实施例能够增强硬度和耐腐蚀性。
上述特征的各种改进可能与本发明的各个方面相关。更多的特征也可以结合到这些不同的方面中。这些改进和附加特征可以单独存在，也可以任意组合存在。例如，下面讨论的与一个或多个所示实施例相关的各种特征可以单独或以任何组合结合到本公开的任何上述方面中。以上给出的简要概述仅旨在使读者熟悉本公开的实施例的某些方面和背景，而不限制所要求保护的主题。
附图说明
通过阅读以下详细说明并参考附图，可更好地理解本发明的各个方面，在附图中：
图1是根据本技术的实施例的钻井系统的示意图；
图2是根据本技术的实施例的联接至旋转转向系统的钻头的侧视图；
图3A是根据本技术的实施例的钻头的一部分的透视俯视图，该钻头具有包括冶金结合至钻头体的预制刀片段的刀片；
图3B是根据本技术的实施例的钻头一部分的透视俯视图，该钻头包括与钻头体冶金结合的预制壳；
图3C是根据本技术的实施例的图3A所示的钻头的刀片的侧视截面示意图；
图3D是根据本技术的实施例的图3A所示的钻头的透视侧视图；
图4是根据本技术的实施例的具有流体通道的钻头体的侧视截面示意图；
图5是根据本技术的实施例的钻头制造工艺流程图；
图6是根据本技术的实施例的钻头的包括多个预制刀片段的刀片组件的实施例的透视图；
图7A和7B是根据本技术的实施例的模具的透视图，该模具具有模具腔，在图5的制造工艺中，多个刀片段容座装载在该模具腔中；
图8A是根据本技术的实施例的使用渗透工艺和钢坯制造钻头的实施例的模具组件的实施例的横截面图；
图8B是根据本技术的实施例的模具组件的另一实施例的横截面图，该模具组件用于使用无钢坯的渗透工艺制造钻头的实施例；
图9是根据本技术的实施例的用于制造钻头的工艺的流程图；
图10A和10B是根据本技术的实施例的预制壳的实施例的透视图；
图10C和图10D是根据本技术的实施例的包括流动通道(的预制壳的另一实施例的透视图；
图11A、11B和11C是根据本技术的实施例的装载到保持器中的预制壳的透视图；
图12A是根据本技术的实施例的用于使用渗透工艺制造钻头的实施例的模具组件的实施例的截面图；和
图12B是根据本技术的实施例的模具组件的另一个实施例的横截面图，该模具组件用于在没有钢坯的情况下使用渗透工艺制造钻头的实施例。
具体实施方式
下面将描述一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简明描述，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。应该理解，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定于实施方式的决策以实现开发人员的特定目标，例如符合系统相关和企业相关的约束，这可能因实施方式而异。此外，应当理解，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说，仍然是设计、制作和制造的常规工作。此外，本公开的一些实施例总体上涉及钻头。尽管本文描述了用于切割地层的钻头，但应当理解，本公开可适用于其他钻头，例如铣刀、铰刀、开孔器以及在井下或其他应用中使用的其他钻头。
钻头体通常由合金钢或金属基复合材料(MMC)材料制成。基体材料可以包括硬质耐火材料的颗粒，这些颗粒通过粘结剂金属使用渗透工艺结合在一起。MMC钻头体可具有更高的耐磨性或耐腐蚀性，但可能会牺牲韧性并且可比钢钻头体更容易受到冲击损坏。渗透工艺涉及将耐火化合物引入模具中。耐火材料可以包括钨、钛或钽的碳化物，或其他专用材料。然后将粘结剂金属的熔渣(slug)或立方体(也称为浸渗剂(infiltrant))放在开口处的耐火化合物上。粘结剂金属可以包括过渡金属，例如铁、镍或铜，以及它们的合金(例如，包括镍、锰、锌和/或锡的铜合金)。将模具、耐火化合物和粘结剂金属放入熔炉中，并加热到粘结剂金属的熔点以上。通过毛细作用和重力，来自熔渣的熔融金属渗入模具中的耐火化合物，从而在冷却时将耐火化合物粘结成部件。
钻头上的切割元件可由超硬材料形成，例如碳化钨(WC，W2C)或多晶金刚石(PCD)。PCD可用于各种钻孔操作，因为该材料非常坚硬且耐磨。然而，PCD在操作过程中易受热降解的影响。多晶金刚石复合片(PDC)切割器在本领域中已知用于钻地钻头。通常，使用PDC切割器的钻头包括一体式钻头体，该钻头体可由钢制成或由由碳化钨和金属粘结剂组成的MMC材料制成。PDC切割器沿钻头体刀片的外表面安装。每个PDC切割器都具有钎焊在刀片中形成的凹部或凹口(pocket)中的部分。PDC切割器沿钻头体刀片的前缘定位，因此当钻头体旋转时，PDC切割器与地层接合并钻孔。在使用中，可能会对PDC切割器施加很大的力。此外，钻头和PDC切割器可能会受到很大的磨蚀力。在某些情况下，冲击力、振动力和腐蚀力会由于一个或多个切割器的丢失或由于刀片的破损而导致钻头失效。
虽然钢体钻头可能具有韧性和延展性，使其能够抵抗由于钻井期间产生的冲击力而导致的开裂和失效，但钢比基体材料更容易受到由高速钻井液和磨粒引起的磨蚀和腐蚀磨损。磨粒可包括由钻井液以及沙子、岩屑等携带的地层部分。通常，钢体PDC钻头的某些部分涂有更耐腐蚀的材料，例如碳化钨耐磨堆焊(hardfacing)，以提高耐腐蚀性。然而，碳化钨和其他耐腐蚀耐磨堆焊材料相对较脆，并且由于复杂的几何形状和大多数情况下的手动操作，耐磨堆焊覆盖范围通常不会非常接近覆盖切割器凹口周围的区域。在使用过程中，带有磨料颗粒的流体可能会腐蚀耐磨堆焊面下方和切割器凹口附近的主体，这可能导致耐磨堆焊层开裂、散裂、剥落或磨损，从而进一步暴露较软的钢体，其然后额腐蚀。这会导致PDC切割器丢失，因为切割器周围的区域会被快速腐蚀掉。其他方法(例如激光耐磨堆焊)在成品钻头上不太实用，因为该过程既耗时又昂贵。
与钢钻头体相比，碳化钨MMC主体钻头具有更高的耐磨性和耐腐蚀性。由WC或其他金属基体材料形成的钻头体虽然比钢更耐腐蚀，但缺乏韧性和强度，因此在受到钻孔过程中遇到的冲击和疲劳力时易碎且容易开裂。这可能导致一个或多个刀片开裂，甚至从钻头上脱落。基体中裂纹的形成和扩展可能导致一个或多个PDC切割器的丢失。丢失的切割器可能会磨损钻头，从而进一步加速钻头损坏。然而，在没有碳化钨的情况下形成的钻头对于特定应用可能具有足够的韧性和强度，但可能缺乏其他特性，例如硬度和耐腐蚀性。因此，以前的努力转而依赖于材料的组合来实现性能的平衡。
如上所述，某些传统的金属基复合材料(MMC)钻头体经由渗透工艺制成，其中碳化钨(WC，W2C)颗粒在较高温度下通过粘结剂金属冶金结合。然而，目前公认该工艺是时间密集型的，并且碳化钨是该工艺的昂贵组分。此外，虽然由WC/W2C颗粒或其他形式的难熔碳化物(例如用钴烧结的WC/W2C球团(pellet))(统称为WC/W2C+Cu合金基体)的铜渗透形成的基体是非常耐磨硬的，但也很脆，缺乏热韧性。因此，WC/W2C+Cu合金基体在经历多次涉及热的修复时往往会破裂，例如在钎焊切割元件时。即使在正常使用条件下，WC/W2C+Cu合金基体也会在机械载荷下产生裂纹。改善基体钻头性能的一种方法包括分层方法，其中第一种粉末材料(例如，富含WC/W2C粉末)靠近模具表面分层，而第二种粉末材料(例如，富含钢合金)，用于填充模具的另一部分，然后用铜基粘结剂金属渗透模具中的各个粉末层。然而，对于以这种方式制造的钻头，即使钻头体表面的顶层相对于钻头的其余部分可以提供改进的材料性能，顶层的质量在很大程度上取决于渗透工艺的质量和渗透剂的性质并受其限制。因此，认识到仍然需要改进的钻头设计以及制造这种钻头的方法。
考虑到前述内容，本实施例涉及钻井工具及其制造方法。所公开的钻头具有MMC或钢体，它们使用铸造或渗透工艺靠着一个或多个预制部件(例如，壳、刀片段)形成。预制刀片段可形成钻头刀片的全长、钻头刀片的部分长度和/或钻头刀片的特定表面(例如，钻头刀片的前部、钻头刀片的顶部、钻头刀片的背面，或其组合)。预制壳通常形成钻头的冠部，并且在一些实施例中，可以包括流动通道和/或流体出口。一个或多个预制部件(例如，壳、刀片段)由超硬材料的烧结、渗透和/或胶结颗粒制成，例如WC+W2C或烧结的WC/W2C+钴(Co)球团。一个或多个预制部件是使用合适的制造技术预制的，该制造技术产生高密度部件(例如，90％或更高)。例如，在某些实施例中，一个或多个预制部件可以经由增材制造技术制造，例如电子束熔融增材制造工艺或包括烧结或渗透步骤的粘结剂喷射增材制造工艺。在制造之后，可以将一个或多个预制部件装载到机加工模具中，可以将砂/石墨置换和钢坯添加到模具中以在钻头体内限定流体通道和其他连接部件以连接到上部部分(例如，连接到钻柱)，然后模具腔的其余部分填充一种或多种类型的粉末，例如基体粉末、填料金属粉末、粘结剂金属粉末或它们的组合。在一些实施例中，可以将一个或多个预制壳装载到保持器中，砂/石墨置换和钢坯可以添加到壳中以在钻头体内限定流体通道和其他连接部件以连接到上部部分，然后用一种或多种类型的粉末填充模具腔的其余部分。在铸造或渗透工艺中，组装的模具或保持器被加热到足够的温度以熔融粘结剂金属和/或填料金属，其中熔融金属然后形成冶金结合(例如，永久或不可移除的附接)一个或多个预制部件的内表面，以将一个或多个预制部件固定到钻头的其余部分。
目前认识到，在铸造或渗透工艺中，高密度的预制部件(例如，壳、刀片段)基本上不能被熔融结合剂或填料金属穿透，这意味着熔融结合剂或填料金属仅表面渗入预制部件的内表面。然而，尽管存在这种有限的表面穿透，但目前认识到使用所公开的制造工艺将一个或多个预制部件牢固地集成到钻头体中。此外，预制部件可以构建有表面特征，例如腔或突起，以帮助一个或多个预制部件与渗透体之间的结合。此外，与传统的MMC钻头不同，由于钻头的部件的某些外表面由预制的高密度超硬材料制成，因此公认这些外表面的性能(例如硬度、韧性、耐腐蚀性等)不会由于用于形成钻头体的铸造或渗透工艺中的缺陷或不规则性而减少。
通过以这种方式制造钻井工具，可以实现许多不同的优点。例如，使用一种或多种预制部件和足够低熔点的合金钢粉末，可以制造一种钻头的实施例，其中一种或多种预制部件能够实现对钻头的表面的所需硬度和耐腐蚀性，而钢钻头体具有韧性和延展性，并且比MMC钻头体的生产成本要低得多。此外，与MMC钻头体不同，这种实施例的钢合金钻头体既可加工又可焊接，这可以降低成本并增加钻头的灵活性，以便针对特定应用进行修改或定制。在另一个实施例中，使用一种或多种预制部件、合适的基体粉末(例如，WC/W2C、钢粉)和合适的粘结剂金属(例如，较低熔点的铜或镍合金)，可以制造这样的钻头的实施例，其中一个或多个预制部件能够使钻头表面具有所需的硬度和韧性，而相对于钢合金钻头体的实施例，MMC钻头体能够提高硬度和耐腐蚀性。
考虑到上述内容，图1示出了用于钻探地层101以形成井眼102的钻井系统)100的一个示例。钻井系统100包括用于支撑和旋转向下延伸到井眼102中的钻井工具组件104的钻机103。钻井工具组件104可包括钻柱105、井底组件(“BHA”)106和钻头110，附接到钻柱105的井下端。
钻柱105可包括钻杆108的多个接头，其通过工具接头109端对端地连接。钻柱105通过中心孔传输钻井液并将旋转动力从钻机103传输到BHA106。在一些实施例中，钻柱105还包括附加部件，例如短节、短接头等。钻杆108提供液压通道，通过该液压通道从地面泵送钻井液。钻井液通过钻头110和/或BHA106中的喷嘴、射流或其他孔口排出，用于冷却钻头110和其上的切割结构，以及用于将钻屑输送出井眼102。
BHA106可以包括钻头110或其他部件。示例性BHA106可以包括附加的或其他的部件(例如，联接在钻柱105和钻头110之间)。其他BHA部件的示例包括钻铤、稳定器、随钻测量(“MWD”)工具、随钻测井(“LWD”)工具、井下马达、扩孔器、型材铣刀、液压断开装置、震击器、振动或阻尼工具、其他部件或前述的组合。除了钻头之外，钻头110还可以包括其他切割结构，例如铣削或扩孔工具。通常，钻井系统100可以包括其他钻井部件和附件，例如上紧/拆卸装置(例如铁钻工或动力钳)、阀门(例如方钻杆旋塞、防喷器和安全阀)、其他部件，或前述的组合。包括在钻井系统100中的附加部件可以被认为是钻井工具组件104的一部分、钻柱105或BHA 106的一部分，这取决于它们在钻井系统100中的位置。
BHA106中的钻头110可以是适用于降解地层或其他井下材料的任何类型的钻头。例如，钻头110可以是适用于钻探地层101的钻头。用于钻探地层的钻头的示例类型是固定切割器或拖曳钻头、牙轮钻头和冲击锤钻头。在一些实施例中，钻头110是用于扩大井眼直径的可膨胀扩孔器。在其他实施例中，钻头110是用于移除金属、复合材料、弹性体、其他井下材料或它们的组合的磨机(mill)。例如，钻头110可与造斜器(whipstock)一起使用以磨入衬井眼102的套管107中。钻头110还可用于磨掉井眼102内的工具、塞子、水泥和其他材料，或它们的组合。通过使用磨机形成的切屑或其他切割屑可以被提升到地面，或者可以被允许落到井下。
图2是根据本公开的一些实施例的钻头110的井下端的透视图。图2中的钻头110是固定切割器或牵引钻头的示例，并且包括钻头体212和从其径向和方位角延伸的多个刀片214。刀片214中的一个或多个，并且可能每个刀片214，可以具有与其连接的多个切割元件216。在一些实施例中，切割元件216中的至少一个具有平面切割面。平面切割面可以用于剪切井下材料，并且这种切割元件可以被认为是剪切切割元件。在其他实施例中，切割元件216中的至少一个具有非平面切割面。非平面切割面可能剪切、冲击/凿挖或以其他方式降解井下材料。非平面切割元件(例如，具有非平面切割面的切割元件)的示例包括具有圆锥形、脊状、圆顶形、鞍形、凿形或其他非平面切割面的切割元件。在一些实施例中，钻头110包括一个或多个稳定垫218。稳定垫218可位于刀片214上或刀片214以外的其它位置，例如在钻头体212上。
在图2中，钻头110联接到可旋转转向系统(“RSS”)211，该系统可用于在形成或扩大井眼时使钻头110转向。RSS 211可以包括一个或多个转向装置220，其可选择性地致动以使钻头110转向。在一些实施例中，转向装置220包括一个或多个活塞222，其可致动以相对于钻头110的224和RSS 211的纵向轴线沿径向向外的方向移动。RSS 211可以相对于钻头110的钻井方向以一定角度施加力以偏转钻井方向。例如，活塞222可以以大约垂直于纵向轴线224的角度施加力，或者在垂直于纵向轴线224的5°、15°或30°内施加力。在一些实施例中，转向装置220是或包括相对于纵向轴线224在径向方向上移动的可致动表面或斜坡。钻头110和RSS 211可以围绕纵向轴线224旋转，并且一个或多个转向装置220可以以与旋转定时的方式致动来转向钻头并形成定向井眼，或保持直井眼。
在一些实施例中，当转向装置220处于缩回位置时，转向装置220的一部分(例如，活塞222或活塞222的壳体)径向地位于RSS主体226内。在一些实施例中，当转向装置220处于扩张或缩回位置时，转向装置220的至少一部分(例如，活塞222和/或活塞222的壳体)可以从RSS主体226突出。在一些实施例中，RSS 211的一个或多个部分在操作期间可能会经历更大的磨损和/或冲击。
钻头110的切割元件216可能在钻头体212或刀片214的不同区域经受不同的磨损率。在一些实施例中，钻头110的切割元件216在刀片214的锥形区域228、鼻部区域230、肩部区域232或保径区域234经历不同的磨损率。例如，鼻部区域230的切割元件216可能比保径区域234的切割元件216经历更高的磨损率。在其他示例中，肩部区域232的切割元件216比鼻部区域230的切割元件216经历更高的磨损率。
在一些实施例中，钻头体212、刀片214、RSS体226或其组合包括一种或多种体材料。钻头110和/或RSS 211可以是或包括比主体材料更硬和/或具有更高耐磨性或耐腐蚀性的第二材料。传统上，第二材料可以是手工施加到钻头体212、刀片214或RSS体226上的耐磨堆焊材料。耐磨堆焊可应用于钢制钻头，以增加钻头和/或刀片上某些区域的耐磨性和/或抗腐蚀性。耐磨堆焊通常是熔融耐磨堆焊杆或绳的手工过程。熔融的材料被施加到钻头上，并且材料在钻头上冷却以具有最终的几何形状。耐磨堆焊可以分层施加。作为手动过程，耐磨堆焊是可变的，并且可能具有导致耐磨堆焊和/或耐磨堆焊部件在缺陷处或附近过早失效的缺陷。例如，耐磨堆焊可能在边界处、沿着成分变化处、在层处或耐磨堆焊材料中的其他不一致处失效。在其他示例中，由于耐磨堆焊材料和钻头和/或刀片之间的结合强度不足，耐磨堆焊层从钻头和/或刀片上剥离。在根据本公开的切割工具的一些实施例中，钻头110和/或RSS 211的一个或多个部分包括保径件或其它插入件，其位于钻头和/或刀片中并固定到钻头和/或刀片上。插入件可以比相邻的钻头材料具有更高的耐磨性和/或耐腐蚀性，以延长可能不包括耐磨堆焊的工具的使用寿命。
图3A为钻头110的实施例的冠部的透视图，其具有包括多个刀片的钻头体212。在一些实施例中，钻头体212包括一个或多个主刀片214A和一个或多个副刀片214B。在一些实施例中，主刀片214A和副刀片214B都延伸到钻头110的保径区234，并且主刀片214径向向内延伸，与副刀片214相比更靠近钻头110的纵向轴线224。在一些实施例中，还包括三级刀片，其延伸到保径区域，但是比副刀片214B离纵向轴线224更远。
在一些实施例中，钻头110包括至少一个主刀片214A、副刀片214B或三级刀片(统称为刀片214)，其包括一个或多个如图3A所示的预制刀片段236A、236B，或如图3B所示的冶金结合到其上的预制壳236C(统称为预制部件236)。如下所述，一个或多个预制部件236不可逆地或不可移除地结合到钻头体212上，并且其中包括一个或多个切割器凹口238。一个或多个预制部件236可以限定包括侧壁和可选的基部的切割器凹口238。在一些实施例中，切割元件216定位在切割器凹口238中。虽然图3中示出了剪切切割元件216，但是根据本公开，切割元件216可以是任何合适的切割元件(例如，非平面切割元件)。如下所述，当钻头体经由铸造或渗透工艺形成时，一个或多个预制部件236(例如，壳、刀片段)表面冶金结合到钻头体212。在一些实施例中，第一刀片段236A形成刀片214(例如，主刀片214A)的至少一部分。在相同或其他实施例中，第二段236B形成相同刀片214的一部分，第一段236A联接到该部分上。
在一些实施例中，一个或多个预制部件236包括增材制造的材料或由增材制造的材料制成，例如超硬材料的烧结、渗透和/或胶结颗粒。在某些实施例中，一个或多个预制部件的材料可以与钻头体材料或用于形成钻头和/或刀片的其余部分的材料相同或不同。例如，一个或多个预制部件的材料可包括陶瓷、碳化物、金刚石或超硬材料，其不同于钻头体212或刀片214的陶瓷、碳化物、金属、金属合金或其他材料。“超硬材料”被理解为是指本领域已知的晶粒硬度为1,500HV(维氏硬度为kg/mm2)或更高的材料。这种超硬材料可以包括那些能够在高于750℃的温度下表现出物理稳定性的材料，并且对于某些高于1000℃的应用，其由固结材料形成。在一些实施例中，超硬材料具有的硬度值高于3,000HV。在其他实施例中，超硬材料具有的硬度值高于4,000HV。在其他实施例中，超硬材料具有的硬度值大于80HRa(洛氏硬度A)。在一些示例中，一个或多个预制部件的材料包括碳化物材料(例如，碳化钨、碳化钽、碳化钛等)。根据一些实施例，形成预制部件236的碳化物材料是渗透的、烧结碳化物材料或硬质合金材料。在一些实施例中，碳化物材料被烧结和胶结(例如，包括粘结剂并通过增材制造形成的烧结碳化钨)。在另外的示例中，一个或多个预制部件的材料包括嵌入合适的粘结剂金属(例如，铜或镍合金)中的超硬基体颗粒(例如，碳化钨、碳化钛)。在一些实施例中，钻头体可以是钢合金，并且可以不包括超硬材料，并且只有钻头的一个或多个预制部件236和切割元件216可以包括超硬材料。
在一些实施例中，钻头体材料和/或刀片材料是抗腐蚀性和/或耐磨性低于一个或多个预制部件(例如，壳、刀片段)的部件材料的材料。在其他实施例中，钻头体材料和/或刀片材料是比一个或多个预制部件的材料具有更高韧性的材料。在一些示例中，钻头体材料和/或刀片材料包括钢合金，一个或多个预制部件的材料包括碳化钨。钢合金可以具有比更脆的碳化钨更高的韧性，并且碳化钨可以在切割操作期间提供更好的耐磨性和/或耐腐蚀性。
如上所述，预制部件可包括刀片段236，其可形成刀片214的全长、钻头刀片的部分长度和/或钻头刀片的特定表面，例如钻头刀片的前部、钻头刀片的顶部、钻头刀片的后部或其组合。例如，图3C是根据本公开的钻头110的一实施例的刀片214的侧截面图。在一些实施例中，预制刀片段236形成从钻头体212延伸的刀片214的至少一部分。切割元件216可定位在刀片段236中并例如通过钎焊连接到刀片段236。在一些实施例中，刀片段236的尺寸由相对于切割元件216的切割尖端278的垂直比和水平比限定。切割尖端278可以是切割元件216距钻头体212的最外面的点，使得切割尖端278是切割元件216在切割操作期间接触被移除材料的第一点。
在一些实施例中，刀片214具有刀片高度280A，刀片段236具有段高度280B。刀片高度280A是从钻头体212到切割尖端278测量的。段高度280B是从刀片段236最靠近钻头体212的点到切割尖端278测量的。垂直比率是段高度280B与刀片高度280A的比率。例如，刀片高度280A的一半的段高度280B具有0.5的垂直比。在一些实施例中，垂直比率在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括0.1、0.25、0.5、0.75、0.95、1.0中任一个或其间的任何值。例如，垂直比可以大于0.1。在其他示例中，垂直比在0.2和0.95之间。在又一些示例中，垂直比在0.3和0.95之间。在进一步的示例中，垂直比在0.34和0.9之间。在至少一个示例中，垂直比大于0.34。在其他实施例中，垂直比小于0.1或者甚至大于1.0(例如，在刀片段插入钻头体并延伸整个刀片高度280A的情况下)。
在一些实施例中，刀片214具有刀片宽度282A，刀片段236具有段宽度282B。刀片宽度282A是从刀片214的最后点至切割尖端278测量的。段宽度282B是从刀片段236的最后点至切割尖端278测量的。水平比率是段宽度282B与刀片宽度282A的比率。例如，刀片宽度282A的一半的段宽度282B具有0.5的水平比。在一些实施例中，水平比率在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括0.1、0.25、0.5、0.75、0.95、1.0中任一个或其间的任何值。例如，水平比可以大于0.1。在其他示例中，水平比在0.2和0.95之间。在另外的示例中，水平比在0.3和0.95之间。在进一步的示例中，水平比在0.37和0.9之间。在至少一个示例中，水平比大于0.37。在又一些实施例中，水平比率小于0.1或大于1.0(例如，在段悬于刀片214上方的情况下)。在图3C中，刀片基部的虚线示出了水平比等于1.0的示例段236。
图3D为图3A所示钻头110的实施例的透视侧视图。如上所述，示出的钻头110包括刀片214、一个或多个预制部件236(例如，壳、刀片段)和切割元件216。此外，钻头110的示出实施例包括基部279和螺纹部281。在某些实施例中，钻头110的基部279和螺纹部281可以由合适的钢合金形成。例如，在某些实施例中，钻头体212可以由MMC材料制成，并且基部279和/或螺纹部281可以由钢坯形成，该钢坯在执行铸造或渗透工艺之前被插入到模具中，如下所述。在某些实施例中，螺纹部281可以由钢预制并焊接到基部279，而在其他实施例中，螺纹部281可以在钻头体212形成之后从基部279的一部分机加工而成。在其他实施例中，钻头体212、基部279和螺纹部281都使用铸造工艺由钢坯和/或钢合金粉末形成，其中基部279和/或螺纹部281可以加工成所示形状或其他合适的形状。此外，对于图3B所示的实施例，基部279包括断屑槽277。
图4为钻头体212的侧面部分横截面示意图，示出了钻头110的实施例的内部流体通道。示出的钻头110包括中心导管282，钻井液可以输送到该导管中，如关于图1所述的。钻井液可以是水、钻井泥浆或为钻头110提供润滑和冷却的另一种流体。如图3D所示，中心导管282可以延伸至钻头110的螺纹部281，并将钻井液引导至室284。在一些实施例中，室284可以是爪形(crowfoot)室，如图所示。在其他实施例中，室284可以具有其他形状或构造，以将流体压力分配到整个室284和从室284延伸的多个流动通道。例如，一个或多个流动通道286可以从室284或中心导管282延伸，并且提供从相应的室284或中心导管282到通常设置在钻头的排屑槽表面中的一个或多个喷嘴288的流体连通。在某些实施例中，钻头体212包括螺纹(例如预制的、机械加工的或铸造的)出口289，喷嘴288螺纹连接并固定在该出口289中。如下所述，在某些实施例中，螺纹出口389和/或喷嘴288可以形成在预制壳中。流动通道286和喷嘴288一起用于在切割元件216周围分配钻井液，用于在钻井期间从钻孔底部并远离切割元件216的切割面冲洗被钻地层(例如，钻屑)。在几个其他功能中，钻井液还用于在钻井期间冷却切割器元件216。
图5为流程图，其示出了使用冶金结合的预制部件制造钻头110的实施例的工艺360的实施例，所述预制部件为刀片段。可以理解的是，根据本公开，所示的工艺360仅作为示例提供，并且在其他实施例中，工艺360可以包括附加的步骤、重复的步骤、省略的步骤等等。在某些实施例中，工艺360的动作可以由人类制造商手动执行，而在其他实施例中，工艺360的至少一部分动作可以由合适的自动化制造系统的一个或多个处理器执行。此外，图5的工艺360参考图6-8所示的元素来讨论。
对于图5所示的实施例，工艺360始于制作多个预制部件(例如，刀片段368)(框362)。例如，图6是钻头110的刀片段组件364的一实施例的透视图，其中组件364包括多个预制或预先制造的刀片段368。如上所述，刀片段368由合适的部件材料制成。例如，在某些实施例中，部件材料可包括碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)、铸造碳化钨(WC/W2C)或任何其他合适的耐火材料。在某些实施例中，部件材料可以是具有金属粘结剂的MMC，例如镍-硅-硼(Ni-Si-B)和铜-锌-银(Cu-Zn-Ag)。因此，在某些实施例中，MMC刀片段可包括碳化钨-镍(WC+镍)MMC、碳化钨-铜(WC+铜)MMC或具有至少一种超硬材料的另一种合适的MMC。示出的刀片段368可使用任何合适的制造工艺来制造，该制造工艺产生包括至少一种超硬材料的高密度(例如，90％+)部件。
例如，在某些实施例中，刀片段368可使用增材制造工艺、单独渗透工艺(例如，模具渗透工艺或生坯渗透工艺)、热压工艺、热等静压(HIP)工艺或其适当组合进行预制，能够由超硬材料生产高密度部件。例如，在某些实施例中，刀片段368可使用定向能量沉积来生产，其中激光、电子束(e-beam)或等离子弧形式的聚焦热能用于熔融或软化合适的材料，该材料随后被沉积以反复形成部件的层。在某些实施例中，刀片段368可使用粘结剂喷射制造工艺来生产，在该工艺中，液体粘结剂反复沉积在合适的材料粉末层上，以形成低密度生坯体部件，然后生坯体部件随后在热处理期间烧结或渗透/胶结有合适的粘结剂金属，以形成高密度的增材制造的部件。附加地或替代地，在某些实施例中，HIP工艺可应用于较低密度的部件，以消除微孔并提高烧结质量。在某些实施例中，刀片段368可使用粉末床熔接工艺形成，也称为直接金属激光烧结(DMLS)、直接金属激光熔融(DMLM)或选择性激光熔融(SLM)，其中激光或电子束形式的聚焦热能用于选择性地加热和烧结超硬材料粉末床的部分，以反复形成增材制造部件的层。
无论使用何种制造技术，预制刀片段368最好是具有烧结、渗透和/或胶结超硬材料颗粒的高密度部件。例如，在某些实施例中，预制刀片段368可具有大于约90％的密度，例如在90％和100％之间，或约95％。因此，对于本文公开的实施例，当使用粘结剂喷射增材制造工艺时，刀片段368在烧结、HIP处理或渗透工艺(例如，在空气中或在真空下)之后使用，这与使用最初形成的低密度生坯体刀片段相反。目前认识到，在形成钻头体的后续铸造或渗透步骤中，高密度刀片段368仅被熔融粘结剂和/或填料金属表面穿透，如下所述，以将刀片段固定在钻头110内。目前进一步认识到，冶金结合也可以通过增加表面异常以增加接触面积和/或施加机械约束来增强。
更具体而言，图6所示的刀片段组件364包括多个预制刀片段368，这些预制刀片段368被构造为在将段装入模具时相对于彼此定位，如下所述。因此，可以注意到，所示的预制刀片段368可以不用紧固件单独地彼此附接或联接，因为预制刀片段368将在随后的铸造或渗透步骤中由填料和/或粘结剂金属固定。换句话说，图6示出了对于特定实施例，各个预制刀片段368可如何布置成在模具内形成完整的刀片组件。在某些实施例中，刀片组件364可包括任何合适数量的预制刀片段368，其形成钻头110的刀片214的合适部分，如上所述。可以理解的是，因为预制刀片段368具有复杂的几何形状，所以与制造具有少量较大预制刀片段368的刀片组件364相比，由更多数量的较小预制刀片段368形成刀片组件364可降低制造成本并提高产量。此外，
尽管具有更多数量的较小预制刀片段368增加了装载到模具中的段数量，但目前认识到，具有更多数量的较小预制刀片段368有利地增强了段在装载到刀片段容座中时的运动自由度，如下文所述。在某些实施例中，各个单独的预制刀片段368可在不同的增材制造工艺运行期间制造。在一些实施例中，一个或多个刀片组件364的预制刀片段368可在相同的增材制造工艺运行期间制造。
此外，在某些实施例中，每个预制刀片段368的内表面370可不同于部件的其余部分，以在下述铸造或渗透步骤期间增强预制刀片段368与熔融填料和/或粘结剂金属之间的结合。例如，在某些实施例中，预制刀片段368的内表面370可使用滚磨操作、喷丸操作(例如，激光冲击喷丸和喷丸加工)或其它合适的工艺来修改(例如，粗糙化、纹理化)，以增加内表面370的表面积和/或提供期望的表面光洁度，从而在随后的铸造或渗透工艺期间增强结合。在某些实施例中，预制刀片段368的内表面370可增材制造成具有在随后的铸造和渗透工艺期间增强与填料和/或粘结剂金属的相互作用和结合的表面形态或表面几何形状。例如，在某些实施例中，内表面370可包括微米级至毫米级的凹坑、脊、沟、槽、波纹、起伏或其它合适的表面特征，其增加内表面370的表面积以增强表面相互作用和结合。在某些实施例中，预制刀片段368的内表面370可由不同于形成预制刀片段368的其余部分的超硬材料的一层或多层材料形成。在其他实施例中，填料/粘结剂材料的混合物可以被刷到段368的内表面370上，用于增强结合。例如，在某些实施例中，预制刀片段368的内表面370可包括由钢或铜合金制成的一个或多个结合层，该结合层在随后的铸造或渗透工艺期间理想地被填料和/或粘结剂金属渗透。
回到图5的实施例，工艺360继续制作模具(框372)。例如，图7A和7B示出了具有模具腔376的模具374的实施例，多个刀片段容座378装载在模具腔376中。在某些实施例中，模具374可由石墨或合适的耐火材料制成。例如，在某些实施例中，模具374可通过加工一块石墨来制造，以包括刀片段容座378，刀片段容座378被适当地成形以接收预制的刀片段368。在某些实施例中，模具374可由基于模具374的计算机辅助设计(CAD)模型的计算机数字控制(CNC)系统制造，其中CNC系统包括合适的加工工具(例如，钻头、钻井工具、旋转工具、车床等)以精确地成形模具374并在其中形成刀片段容座378。在所示实施例中，模具374的刀片段容座378可被描述为具有复杂的三维几何形状，该几何形状与预制刀片段368的复杂的三维几何形状互补，以实现牢固配合。在一些实施例中，刀片段容座378可构造成与预制刀片段368的部分对接，而不与预制刀片段的其他部分(例如，切割器凹口238)对接。也就是说，刀片段容座378可构造成接收具有各种切割器座放置和取向的多个预制刀片段中的任何一个，从而减少本模具374的加工时间。换句话说，目前认识到所公开的技术的附加益处在于，因为钻头110的刀片214的某些表面特征由预制刀片段368形成，而不是通过以传统方式铸造或渗透模具形成，所以所公开的模具374可以包括比传统模具中存在的特征少得多或简单得多的特征。如本文所述，模具374是牺牲性的，意味着模具374在铸造或渗透工艺后破裂以取回制造的钻头，如下所述。因此，可以理解，在某些实施例中，降低模具374的成本和复杂性可以代表成本的显著降低和效率的提高。
图5所示的工艺360的实施例继续将预制的刀片段368装载到模具374中(框380)。例如，回到图7A和7B，除了模具374之外，还示出了两个预制刀片段368A和368B。在图7A中，预制刀片段368A和368B定位在它们各自的刀片段容座378A和378B上方，而在图7B中，段368A和368B被装载到模具腔376内的它们各自的容座378A和378B中。在各种实施例中，可以有任何合适数量的预制刀片段368，其轴向地、螺旋地或以另一种合适的布置方式布置以产生期望的钻头构造。此外，模具374的每个容座378可以接收任何合适数量的预制刀片段368。例如，在某些实施例中，模具374的至少一个容座378可以接收跨越整个容座的单个预制刀片刀片段368，而另一个容座378可以接收多个(例如，2、3或更多个)预制刀片段368，这些刀片段368端对端对准以跨越容座。对于示出的实施例，每个预制的刀片段368可被描述为具有复杂的三维结构或几何形状，其对应于并补充每个容座378的复杂的三维结构，使得在加载时存在牢固的配合。也就是说，如上所述，在某些实施例中，模具374可能不具有预制刀片段368的精确复杂的三维结构。在一示例中，对于设计成与具有不同特征的各种刀片段设计一起使用的模具374，例如切割器凹口238的布置或取向，每个容座378的形状或几何形状通常可(例如，不精确或完美地)对应于预制刀片段368的复杂三维几何形状。此外，虽然在图7A和7B中仅示出了两个刀片段368被装载，但是可以理解的是，在工艺360进行之前，剩余的预制刀片段368被装载到它们在模具腔376中的对应的容座378中。
继续图5所示工艺360的实施例，一旦预制刀片段368已装入模具374的刀片段容座，模具组件在模具374内和周围形成，为铸造或渗透工艺做准备(框382)。例如，图8A和8B是涉及渗透工艺的实施例的模具组件390的截面图。模具组件390包括模具374，模具374具有装载在模具374的相应刀片段容座378内的预制刀片段368。模具组件390还包括一个或多个漏斗环392A、392B，漏斗环392A、392B固定在模具374周围和上方，以围绕和容纳模具组件390的内容物。构造模具组件390还包括在模具腔376内设置一个或多个位移件(displacement)394(例如树脂结合砂或石墨位移件)，以限定钻头110的内部流体通道。在某些实施例中，位移件394包括限定中心导管282的爪形位移件396，包括爪形室284、流动通道286和钻头110的喷嘴或出口288，如上面图4所示。可以理解的是，置换材料被设计成保持其形状，并且在随后的铸造或渗透工艺期间不被渗透，从而确保钻头110的内部流体通道保持开放和畅通无阻。
此外，构建图8所示的模具组件390还包括将一种或多种粉末材料置于模具374中。添加一种或多种粉末材料398以占据预制刀片段368的内表面370和限定钻头110的导管的位移件394之间的模具腔376的体积。如上所述，粉末可以包括一种或多种为超硬材料的基体粉末，例如WC、TiC或其它难熔颗粒，以增加钻头体的硬度或耐磨性。在某些实施例中，粉末可另外或替代地包括一种或多种填料金属粉末(例如，钢合金)或一种或多种粘结剂金属粉末(例如，铜或镍合金)。目前认识到，希望填料和/或粘结剂金属粉末具有的熔点低于预制刀片段368中的金属粘结剂的熔点(例如，低50℃以上，低100℃至300℃之间，或低约15％至25％)。例如，在预制刀片段368的粘结剂金属具有大约900℃和1100℃之间的熔点的实施例中，填料金属粉末可具有大约750℃和1050℃之间的熔点。
此外，在包括超硬和填料金属粉末398的某些实施例中，基体材料(例如，超硬材料粉末)、填料金属粉末和/或粘结剂金属粉末的相对量可在模具腔376的不同部分变化。例如，用于填充模具腔376的底部的第一部分粉末可以比用于填充模具腔376的上部的第二部分粉末富含超硬材料粉末。可以理解的是，通过改变基体、填料和/或粘结剂金属粉末的成分，可以改变钻头体的物理性质，例如，增加设置在刀片段368附近的钻头体部分的硬度或耐磨性，并增加钻头110的螺纹部281附近的钻头体的可加工性或可焊接性。在一些实施例中，可以在整个模具组件390中使用100％钢粉末。在某些实施例中，肩部粉末400可沉积在模具组件390的部分中，以在铸造和渗透工艺完成后帮助脱模和/或加工。可以理解的是，对于专门使用渗透结合的某些实施例，可以仅将一种或多种基体材料和/或粘结剂金属粉末添加到模具组件390中，并且不使用填料金属。此外，在某些实施例中，模具374可以被振动搅动，以在进行之前夯实和紧密地包装设置在模具374内的粉末398、400。
构建模具组件390还包括在模具组件390内选择性地放置钢坯。例如，如图8A所示，将钢坯399装入模具组件390中，并被一种或多种粉末398包围。在随后的加热步骤期间，钢坯保持基本上固态，并冶金结合到模具组件中的一种或多种粉末材料398的熔融粘结剂或填料金属。因此，在某些实施例中，如图3D所示，钢坯399形成完成的钻头110的基部279和/或螺纹部281。相反，图8B的模具组件390没有钢坯399，粉末398包括将用于形成钻头110的基部279和/或螺纹部281的钢粉末。如图8B所示，当不使用钢坯399时，并且当粉末398包括钢并且没有超硬基体颗粒时，也可以移除肩部粉末400，因为在这种情况下，所得到的钻头体212将容易加工。如上所述，在某些实施例中，模具组件390可用于用合适的粘结剂金属(例如，铜或镍合金)渗透100％金属粉末(例如，钢粉末)。在其他实施例中，模具组件390可用于熔融填料金属(例如钢合金粉末)和粘结剂金属(例如铜或镍合金)并形成铸件。例如，在一实施例中，模具组件390的至少上部(例如，从主体粉末向上，在漏斗环392B处和上方)可用于熔融钢合金粉末填料金属和铜基合金粘结剂金属，以铸造钻头体212的至少一部分。
继续通过图5所示的工艺360，对于通过渗透形成的实施例，可以在模具组件390的一种或多种粉末398的顶部添加粘结剂金属或渗透剂(框402)。返回到图8，已将粘结剂金属404和渗透熔剂406添加到模具组件390的顶部。粘结剂金属404可以是铜、镍、铁、铝、锌、它们的组合或任何其他合适的过渡金属或合金。在某些实施例中，粘结剂金属404具有的熔点低于预制刀片段368中的金属粘结剂的熔点(例如，低50℃以上、低100℃至300℃之间、或低约15％至25％)。例如，在预制刀片段368的粘结剂金属各自的熔点在约900℃和1100℃之间的实施例中，粘结剂金属404可具有的熔点在约750℃和1050℃之间。如上所述，对于使用通孔铸造形成的钻头110的实施例，与渗透相反，不使用粘结剂金属404，并且可以跳过框402描述的动作。
继续通过图5所示的过程360的实施例，模具组件390被加热到足以熔融粘结剂金属404、一种或多种粉末398内的填料金属或它们的组合，而没有熔融预制刀片段368(框408)。在某些实施例中，可以使用感应加热。对于使用渗透形成的钻头110的实施例，模具组件390被加热到足以熔融粘结剂金属404的温度，使得熔融的粘结剂金属向下流过模具组件390的长度以粘结超硬粉末颗粒，当存在时，并且表面粘结到预制刀片段368的内表面370。对于使用铸造形成的钻头110的实施例，将组装的模具加热到足以熔融粉末398中的填料金属的温度，使得熔融填料金属粘结到超硬粉末颗粒(当存在时)并且表面粘结到预制刀片段368的内表面370。可以理解的是，在某些实施例中，钻头110可以通过铸造和渗透的组合形成，其中模具组件390被加热到足以熔融粉末398中的粘结剂金属404和填料金属的温度，使得熔融粘结剂金属和熔融填料金属的组合粘结到粉末398中的超硬粉末颗粒(当存在时)，并且表面粘结到预制刀片段368的内表面370。如本文所用，术语“表面的”指的是熔融粘结剂金属和/或填料金属仅渗透到预制刀片段368的内表面370中小于500微米(μm)的深度(例如，小于200μm、小于100μm或仅约30μm)。因此，预制刀片段在本文中可被描述为在铸造或渗透工艺期间相对于熔融粘结剂金属和/或填料金属是“基本上不可渗透的”。在铸造和/或渗透工艺完成后，为清楚起见，所得结构在本文中可称为熔接钻头。
图5所示工艺360的实施例以执行精加工操作结束，以完成钻头110的制造(框410)。精加工操作包括允许框408的熔接钻头产品冷却，并从模具374中取出熔接钻头。在某些实施例中，模具374是牺牲性的，并且被破坏以移除熔接钻头。在从模具374中移除后，在某些实施例中，熔接钻头的部分可以被加工或焊接，以校正制造不规则性并准备钻头110以供使用。例如，在某些实施例中，螺纹钢延伸部可以焊接到钻头110的基部，以提供钻头的螺纹部281。对于钻头体212由钢合金形成的实施例，熔接钻头110的基部可以被加工以形成钻头110的螺纹部281。在这种情况下，有时对基部279和螺纹部281进行进一步的热处理，例如，以满足美国石油协会(API)规范。此外，切割元件216可以例如使用钎焊操作固定到刀片段368的凹口238中，以形成完整的钻头110，如图3D所示。
图9为流程图，其示出了用于使用冶金结合的为壳的预制部件来制造钻头110的实施例的工艺960的实施例。可以理解，根据本公开，所示的工艺960仅作为示例提供，并且在其他实施例中，工艺960可以包括附加的步骤、重复的步骤、省略的步骤等等。在某些实施例中，工艺960的动作可以由人类制造商手动执行，而在其他实施例中，工艺960的至少一部分动作可以由合适的自动化制造系统的一个或多个处理器执行。此外，参考图10-12中所示的元素来讨论图9的工艺960。此外，应注意，工艺960中与具有为壳的预制部件的钻头或钻井工具相关的步骤和工艺360中与具有为刀片段的一个或多个预制部件的钻头或钻井工具相关的步骤有许多相似之处。
对于图9所示的实施例，工艺960始于制作预制部件(如壳364)(框962)。例如，图10是钻头110的预制或预先制造的壳364的实施例的透视图，其中壳364限定了钻头110的多个刀片214。预制壳364可以被描述为具有外表面366，以及其中形成钻头体的壳腔371。如上所述，壳364由合适的部件材料制成。例如，在某些实施例中，部件材料可包括碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)、铸造碳化钨(WC/W2C)或任何其他合适的耐火材料。在某些实施例中，部件材料可以是具有金属粘结剂的MMC，例如镍-硅-硼(Ni-Si-B)和铜-锌-银(Cu-Zn-Ag)。因此，在某些实施例中，MMC壳可包括碳化钨-镍(WC+镍)MMC、碳化钨-铜(WC+铜)MMC或具有至少一种超硬材料的另一种合适的MMC。示出的壳364可以使用任何合适的制造工艺来制造，该制造工艺产生包括至少一种超硬材料的高密度(例如，90％+)部件。
例如，在某些实施例中，壳364可使用增材制造工艺、单独渗透工艺(例如，模具渗透工艺或生坯渗透工艺)、热压工艺、热等静压(HIP)工艺或其适当组合进行预制，可由超硬材料生产高密度部件。例如，在某些实施例中，壳364可使用定向能量沉积来生产，其中激光、电子束(e-beam)或等离子弧形式的聚焦热能用于熔融或软化合适的材料，该材料随后被沉积以反复形成部件的层。在某些实施例中，壳364可以使用粘结剂喷射制造工艺来生产，在该工艺中，液体粘结剂反复沉积在合适的材料粉末层上，以形成低密度生坯部件，然后生坯部件随后在热处理期间烧结或渗透/胶结有合适的粘结剂金属，以形成高密度的增材制造的部件。附加地或替代地，在某些实施例中，HIP工艺可应用于较低密度的部件，以消除微孔并提高烧结质量。在某些实施例中，壳364可使用粉末床熔接工艺形成，也称为直接金属激光烧结(DMLS)、直接金属激光熔融(DMLM)或选择性激光熔融(SLM)，其中激光或电子束形式的聚焦热能用于选择性地加热和烧结超硬材料粉末床的部分，以反复形成增材制造部件的层。
无论使用何种制造技术，期望预制壳364是具有烧结、渗透和/或胶结超硬材料颗粒的高密度部件。例如，在某些实施例中，预制壳364可以具有大于大约90％的密度，例如在90％和100％之间，或者大约95％。因此，对于本文公开的实施例，当使用粘结剂喷射增材制造工艺时，与使用最初形成的低密度生坯壳相反，壳364在烧结、HIP处理或渗透工艺(例如，在空气中或在真空下)之后使用。目前认识到，在形成钻头体的后续铸造或渗透步骤期间，高密度壳364仅在表面上被熔融粘结剂和/或填料金属穿透，如下所述，以将壳固定在钻头110内。目前进一步认识到，冶金结合也可以通过增加表面异常以增加接触面积和/或施加机械约束来增强。
图11A和11B所示的壳364还包括多个流体出口289，其设计成用于联接至钻头110的流动通道286，如上文关于图4所述的。在其他实施例中，流体出口289可以不同地定位，并且可以存在任何合适数量的出口。在其他实施例中，壳364制造有全部或部分流动通道286。流动通道286可以是弯曲的，不同地定位和不同地取向，以优化流速。例如，图11C和11D示出了壳364的另一个实施例，该壳364具有作为壳364的一部分制造的弯曲流动通道286。此外，示出实施例的流体出口289包括螺纹369，该螺纹369被制造(例如，印刷)为壳364的一部分，该螺纹被设计成接收螺纹喷嘴288，如上所讨论的。
此外，在某些实施例中，壳腔371内的壳364的内表面370可不同于部件的其余部分，以在下述铸造或渗透步骤期间增强壳364与熔融填料和/或粘结剂金属之间的结合。例如，在某些实施例中，壳364的内表面370可使用翻滚操作、喷丸操作(例如，激光冲击喷丸和喷丸处理)或另一种合适的工艺来修改(例如，粗糙化、纹理化)，以增加内表面370的表面积，从而在随后的铸造或渗透工艺期间增强结合。在某些实施例中，壳364的内表面370可被制造成具有在随后的铸造和渗透工艺期间增强与填料和/或粘结剂金属的相互作用和结合的表面形态或表面几何形状。例如，在某些实施例中，内表面370可包括微米级至毫米级的凹坑、脊、沟、槽、波纹、起伏或其它合适的表面特征，其增加内表面370的表面积以增强表面相互作用和结合。在某些实施例中，壳364的内表面370可由一层或多层不同于形成壳体其余部分的超硬材料的材料形成。在其他实施例中，填料/粘结剂材料的混合物可以被刷到壳364的内表面370上，用于增强结合。例如，在某些实施例中，壳364的内表面370可包括由钢或铜合金制成的一个或多个结合层，在随后的铸造或渗透工艺期间，该结合层期望地被填料和/或粘结剂金属渗入。
回到图9的实施例，图9所示工艺960的实施例继续将预制壳364装载保持器974中(框972)。例如，图11A、11B和11C示出了将壳364装载到保持器974中。在某些实施例中，保持器974可重复用于多次熔融或注入操作。保持器974可以由石墨或具有高热稳定性和高导热性的另一种合适的材料制成。此外，与模具相比，因为预制壳364限定了钻头110的外表面或冠部，所以保持器974可能不具有紧密符合壳364的复杂几何形状的形状。也就是说，如上所述，在某些实施例中，保持器974可以不具有预制壳364的精确复杂的三维结构。在一示例中，保持器974可被设计成与具有不同特征的各种壳设计一起使用，例如切割器凹口238的布置或取向，保持器的容座的形状或几何形状可大体上(例如，不精确或完美地)对应于预制壳364的复杂三维几何形状。特别地，在某些实施例中，保持器974可以不包括切割器凹口238，这大大降低了保持器974的成本和复杂性。在另一个实施例中，保持器974可重复用于不同的壳设计，并且同样地，仅具有用于钻头的刀片和/或排屑槽的粗略形状。可以理解的是，与涉及精确加工的牺牲模具的其它钻头制造技术相比，模具的简单性和可重复使用性代表了成本和时间的显著节约。实际上，在某些实施例中，可以不使用保持器974，并且可以一起跳过框972的动作。
继续图9所示工艺960的实施例，一旦将预制壳364装入保持器974，在一些实施例中，可在保持器974内及其周围形成模具组件，为铸造或渗透工艺做准备(框976)。例如，图12A和12B是涉及渗透工艺的实施例的模具组件978的截面图。示出的模具组件978包括保持器974，保持器974具有装载在其中的预制壳364。模具组件978还包括一个或多个漏斗环392A、392B，漏斗环392A、392B固定在保持器974周围和上方，以包围和容纳模具组件978的内容物。
构建模具组件978还包括在壳腔371和模具组件腔384内设置一个或多个位移件394(例如树脂结合砂或石墨位移件)，以限定钻头110的内部流体通道。在某些实施例中，位移件394包括限定中心导管282的爪形位移件396，包括爪形室284、流动通道286和钻头110的喷嘴或流体出口289，如上面图4所示。更具体地，爪形位移件396可以对准，使得从坯件延伸的流体导管与壳364的流体出口136对准。可以理解，位移件382由一种材料(例如树脂结合砂)制成，以在随后的铸造或渗透步骤期间占据该体积，确保钻头110的内部流体通道保持打开和畅通无阻。在某些实施例中，爪形位移件396可以预制成包括图3D所示的钻头110的螺纹端部281。
此外，构建图12所示的模具组件978还包括将一种或多种粉末材料设置于壳腔371和模具组件腔384中。添加一种或多种粉末材料398以占据预制壳364的内表面370和限定钻头110的导管的位移件394之间的这些腔的体积。如上所述，粉末398可以包括一种或多种超硬材料粉末，例如WC、TiC或任何其他耐火材料，以增加钻头体的硬度或耐磨性。在某些实施例中，粉末398可附加地或替代地包括一种或多种填料金属粉末(例如，钢合金)或一种或多种粘结剂金属粉末(例如，铜或镍合金)。目前认识到，期望填料和/或粘结剂金属粉末具有的熔点低于预制壳364中的金属粘结剂的熔点(例如，低50℃以上，低100℃至300℃之间，或低约15％至25％)。例如，在预制壳364的粘结剂金属具有大约900℃和1100℃之间的熔点的实施例中，填料金属粉末可以具有大约750℃和1050℃之间的熔点。
此外，在包括超硬和填料金属粉末398的某些实施例中，基体材料(例如，超硬材料粉末)、填料金属粉末和/或粘结剂金属粉末的相对量可在腔371、384的不同部分变化。例如，用于填充壳腔371的第一部分粉末可以比用于填充模具组件腔384的上部的第二部分粉末富含超硬材料粉末。可以理解，通过改变基体、填料和/或粘结剂金属粉末的成分，可以改变钻头体的物理性质，例如，以增加设置在壳364附近的钻头体部分的硬度或耐磨性，并增加钻头的螺纹部281附近的钻头体的可加工性或可焊接性。在一些实施例中，可以在整个模具组件978中使用100％钢粉。在某些实施例中，肩部粉末400可以沉积在模具组件978的部分中，以在铸造或渗透工艺之后帮助保持器释放和/或加工。可以理解的是，对于专门使用渗透结合的某些实施例，可以仅使用一种或多种基体材料和/或粘结剂金属粉末，并且没有填料金属添加到腔371、384中。此外，在某些实施例中，模具组件978可以被振动搅动，以在进行之前夯实和紧密地包装设置在模具组件978内的粉末398、400。
构建模具组件978还包括在模具组件978内选择性地设置钢坯。例如，如图12A所示，将钢坯399装入模具组件978中并被一种或多种粉末398、400包围。在随后的加热步骤期间，钢坯399保持基本上固态，并冶金结合到模具组件中的一种或多种粉末材料398的熔融粘结剂或填料金属。因此，在某些实施例中，如图3D所示，钢坯399形成完成的钻头110的基部279和/或螺纹部281。相反，图12B的模具组件978没有钢坯399，粉末398包括用于形成钻头110的基部279和/或螺纹部281的钢粉末。如图12B所示，当不使用钢坯399时，并且当粉末398包括钢并且没有超硬基体颗粒时，也可以移除肩部粉末400，因为在这种情况下，所得到的钻头体212将容易加工。如上所述，在某些实施例中，模具组件978可用于用合适的粘结剂金属(例如，铜或镍合金)渗透100％金属粉末(例如，钢粉末)。在其他实施例中，模具组件978可用于熔融填料金属(例如钢合金粉末)和粘结剂金属(例如铜或镍合金)并形成铸件。例如，在一实施例中，模具组件978的至少上部(例如，从主体粉末向上，在漏斗环392B处和上方)可用于熔融钢合金粉末填料金属和铜基合金粘结剂金属，以铸造钻头体212的至少一部分。
继续通过图9所示的工艺960，对于经由渗透形成的实施例，将粘结剂金属或浸渗剂添加到模具组件978的一种或多种粉末398的顶部(框992)。回到图12，粘结剂金属404和渗透焊剂406已经被添加到模具组件978的顶部。粘结剂金属404可以是铜、镍、铁、铝、锌、它们的组合，或者任何其他合适的过渡金属或合金。粘结剂金属404具有的熔点低于预制壳364的熔点(例如，低50℃以上，低100℃和300℃之间，或者大约低15％至25％)。例如，在预制壳364具有大约900℃和1100℃之间的熔点的实施例中，粘结剂金属404可以具有大约750℃和1050℃之间的熔点。如上所述，对于使用通孔铸造形成的钻头110的实施例，与渗透相反，不使用粘结剂金属404，并且可以跳过框992所描述的动作。
继续通过图9所示工艺960的实施例，将模具组件978加热至足以熔融粘结剂金属404、一种或多种粉末398、400中的填料金属或其组合，而不熔融预制壳364(框998)。在某些实施例中，可以使用感应加热。对于使用渗透形成的钻头110的实施例，模具组件978被加热到足够的温度以熔融粘结剂金属404，使得熔融的粘结剂金属向下流动通过模具组件978的长度以粘结粉末398中的超硬粉末颗粒(当存在时)，并且表面粘结到预制壳364的内表面370。对于使用铸造形成的钻头110的实施例，组装的模具被加热到足够的温度以熔融粉末398中的填料金属，使得熔融的填料金属粘结到粉末398中的超硬粉末颗粒(当存在时)，并且表面结合到预制壳364的内表面370。可以理解，在某些实施例中，钻头110可以通过铸造和渗透的组合来形成，其中模具组件978被加热到足够的温度以熔融粉末398中的粘结剂金属404和填料金属，使得熔融的粘结剂金属和熔融的填料金属的组合粘结到粉末398中的超硬粉末颗粒(当存在时)，并且表面粘结到预制壳364的内表面370。如本文所用，术语“表面的”是指熔融粘结剂金属和/或填料金属仅渗入到预制壳364的内表面370中小于500微米(μm)的深度(例如，小于200μm、小于100μm或仅约30μm)，以将壳固定到钻头体上。因此，预制壳364在本文中可被描述为在铸造或渗透工艺期间相对于熔融粘结剂金属和/或填料金属是“基本上不可渗入的”。在铸造和/或渗透工艺完成后，为清楚起见，所得结构在本文中可称为熔接钻头。
图9所示工艺960的实施例以执行精加工操作结束，以完成钻头110的制造(框410)。精加工操作包括允许框998的熔接钻头产品冷却，并从模具组件978的保持器974移除熔接钻头。在从保持器974移除之后，在某些实施例中，熔接钻头的部分可以被加工或焊接以校正制造不规则性并准备钻头110以供使用。例如，在某些实施例中，螺纹钢延伸部可以焊接到钻头110的基部，以提供钻头的螺纹部281。对于钻头体212由钢合金形成的实施例，熔接钻头110的基部可以被加工以形成钻头110的螺纹部281。在这种情况下，有时对基部279和螺纹部281进行进一步的热处理，例如，以满足美国石油协会(API)规范。此外，切割元件216可以例如使用钎焊操作固定到预制壳364的凹口238中，以形成完整的钻头110，如图3D所示。
虽然上述实施例依靠冶金结合，但在其他实施例中，预制壳可直接安装在预制钢钻头体上。例如，在某些实施例中，钢钻头体可以由具有合适机械性能的棒料直接加工而成。钢钻头体的顶部可以形成有与预制壳的内表面的几何形状相对应的合适的几何形状，使得钻头体和壳以合适的机械几何形状配合在一起，该机械几何形状阻止或防止壳在钻头经受钻井扭矩时转动或扭曲。在某些实施例中，一个或多个合适的附接装置(例如，螺栓、螺钉、销等)将预制壳固定到钢钻头体上。对于这样的实施例，由于附接装置是可拆卸的，钻头可以更容易地修理和维护。此外，对于这样的实施例，万向节设计可以用于预制壳和钢钻头体之间的对接，使得具有各种切割结构的不同壳可以与单个通用钻头体设计结合使用。
本发明的技术效果包括改进的钻井工具及其制造方法。所公开的钻头具有MMC或钢体，其形成在一个或多个预制部件(例如，刀片段)周围或形成在预制部件(例如，壳)内。一个或多个预制部件可以使用铸造或渗透工艺增材制造或常规制造。在形成钻头体的铸造或渗透工艺期间，具有预制刀片段的组装模具被加热到足够的温度，以熔融低熔点合金(例如钢合金粉末填料金属)或粘结剂金属，其中熔融金属与预制部件的内表面表面上相互作用，以形成冶金结合(例如永久或不可移除的附接)，从而将预制部件与钻头体固定。与传统的MMC钻头不同，因为钻头外表面的至少一部分(例如，刀片)由预制部件形成，可以认识到，这些外表面的性能取决于用于制造部件的制造工艺，而不取决于用于形成钻头体的渗透或熔接工艺的质量。此外，使用预制部件和钢合金粉末，可以制造钻头的实施例，其中部件使得钻头表面具有期望的硬度和耐腐蚀性，而钢钻头体使具有韧性，并且生产成本比MMC钻头体低得多。此外，与MMC钻头体不同，这些实施例的钢合金钻头体既可加工又可焊接，这可降低成本并增加钻头为特定应用而被修改或定制的灵活性。虽然利用增材制造的预制壳的钻头尺寸可能受到增材制造系统的尺寸或体积容量的限制，但是应当理解，一个或多个预制部件(例如，刀片段)的形成可以实现利用预制部件的更大范围的钻头尺寸。
上述特定实施例已通过示例方式示出，应理解，这些实施例可进行各种修改和替代形式。还应当理解，权利要求并不旨在局限于所公开的特定形式，而是覆盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
本文提出和要求保护的技术被引用并应用到实际性质的实物和具体示例，可明显改善现有技术领域，因此，不是抽象的、无形的或纯理论的。此外，如果本说明书末尾所附的任何权利要求包含一个或多个被指定为“用于[执行][某一功能]...的装置”或“用于[执行][某一功能]...的步骤”的元素，则这些元素应根据35U.S.C.§112(f)进行解释。然而，对于包含以任何其他方式指定的元素的任何权利要求，这种元素不应根据35U.S.C.§112(f)进行解释。

Claims (20)

1.一种用于从地层中移除材料的钻头，该钻头包括：
钻头体，该钻头体包括金属合金；和
一个或多个预制部件，该一个或多个预制部件形成钻头的多个刀片的部分，其中一个或多个预制部件中的每一个包括超硬材料，具有至少90％的密度，并且仅通过金属合金的表面渗入而冶金结合到钻头体。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中，钻头体的金属合金表面地渗入一个或多个预制部件的内表面中小于500微米(μm)，以将一个或多个预制部件冶金结合到钻头体。
3.根据权利要求1所述的钻头，其中，一个或多个预制部件的内表面包括微米级至毫米级特征，以增加该内表面的表面积，其中所述特征包括凹坑、脊、沟、槽、波纹、起伏或其组合。
4.根据权利要求1所述的钻头，其中，一个或多个预制部件包括形成钻头的冠部的壳，该壳具有螺纹流体出口，该螺纹流体出口与钻头的内部流动通道流体联接并构造成接收螺纹喷嘴。
5.根据权利要求1所述的钻头，其中，一个或多个预制部件至少形成钻头的多个钻头刀片的顶部和前部。
6.根据权利要求1所述的钻头，其中，一个或多个预制部件是经由增材制造工艺制造的。
7.根据权利要求1所述的钻头，其中，一个或多个预制包括金属基体复合材料(MMC)，并且其中MMC包括作为基体材料的碳化钨(WC，W2C)和粘结剂金属。
8.根据权利要求1所述的钻头，其中，一个或多个预制部件包括凹口，并且其中该凹口包括钎焊到该凹口中的超硬切割元件。
9.根据权利要求1所述的钻头，其中，金属合金是钢合金，并且其中钻头体仅包含钢合金。
10.一种制造钻头的方法，包括：
将一个或多个预制部件设置到一结构的腔中，其中一个或多个预制部件包括超硬材料并且具有至少90％的密度，并且该结构包括模具或保持器；
将粉末设置成与一个或多个预制部件的内表面接触；
加热所述结构以熔融粉末中的粘结剂金属、填料金属或其组合，以形成熔融金属，其中所述熔融金属表面渗入一个或多个预制部件的内表面，以冶金结合一个或多个预制部件；和
冷却之后移除该结构以释放钻头。
11.根据权利要求10所述的方法，包括：
执行制造工艺以形成一个或多个预制部件，其中该制造工艺包括定向能量沉积工艺、包括烧结或渗透的粘结剂喷射制造工艺、选择性激光熔融(SLM)制造工艺或电子束熔融(EBM)制造工艺。
12.根据权利要求10所述的方法，包括：
通过机加工耐火材料以限定具有一个或多个刀片段容座的模具腔来制作模具，其中一个或多个预制部件包括一个或多个刀片段，并且将一个或多个预制部件设置到结构的腔中包括将一个或多个刀片段设置到相应的刀片段容座中。
13.根据权利要求10所述的方法，包括：
将位移件至少部分地设置在该结构的腔中，以限定钻头的流体导管。
14.根据权利要求10所述的方法，包括：
在加热之前将粘结剂金属设置在粉末中或粉末上，其中粘结剂金属被构造成熔融并渗透粉末以形成金属基体复合材料(MMC)钻头体，并在加热期间表面渗入一个或多个预制部件的内表面。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述粉末包括钢合金填料金属，并且其中所述钢合金填料金属被构造成在加热期间熔融并表面渗入所述多个预制刀片段的内表面。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述粉末包括超硬材料粉末和粘结剂金属粉末，并且其中所述粘结剂金属被构造为在加热期间熔融和结合所述粉末状超硬材料以形成MMC钻头体。
17.根据权利要求10所述的方法，包括：
在从模具中移除钻头之后，将多个切割元件钎焊到限定在一个或多个预制部件的外表面中的相应的多个凹口中。
18.一种用于制造钻头的模具组件，该模具组件包括：
机加工模具，该机加工模具具有模具腔；
一个或多个预制部件，该一个或多个预制部件包括设置在模具腔中的烧结、渗透或胶结的超硬材料，其中一个或多个预制部件包括与机加工模具相对的内表面；
位移件，该位移件至少部分地设置在模具腔和一部分内表面内，以限定钻头的流体通道；和
粉末，该粉末设置在模具腔内的一个或多个预制部件的内表面上，其中该粉末包括超硬材料粉末、过滤金属粉末、粘结剂金属粉末或其组合。
19.根据权利要求18所述的模具组件，包括作为粘结剂金属粉末设置在所述粉末上或设置在所述粉末内的铜合金或镍合金粘结剂金属，其中所述模具组件被构造为加热至足够的温度，以使所述粘结剂金属渗透所述粉末并表面渗入一个或多个预制部件的内表面，从而将一个或多个预制部件冶金结合至所述钻头。
20.根据权利要求18所述的模具组件，其中，所述粉末仅包括钢合金填料金属粉末，并且其中所述模具组件被构造为被加热到足够的温度，以将所述钢合金填料金属粉末熔融成熔融金属，该熔融金属表面渗入一个或多个预制部件的内表面，以将一个或多个预制部件冶金结合到所述钻头。
CN202180018285.XA 2020-01-16 2021-01-18 具有预制部件的钻井工具 Pending CN115210445A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202062962000P 2020-01-16 2020-01-16
US202062961985P 2020-01-16 2020-01-16
US62/961,985 2020-01-16
US62/962,000 2020-01-16
PCT/US2021/013802 WO2021146673A1 (en) 2020-01-16 2021-01-18 Drilling tool having pre-fabricated components

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115210445A true CN115210445A (zh) 2022-10-18

Family

ID=76857744

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180018285.XA Pending CN115210445A (zh) 2020-01-16 2021-01-18 具有预制部件的钻井工具

Country Status (5)

Country Link
US (2) US12006773B2 (zh)
CN (1) CN115210445A (zh)
CA (1) CA3168240A1 (zh)
SA (1) SA522433323B1 (zh)
WO (1) WO2021146673A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12031386B2 (en) 2020-08-27 2024-07-09 Schlumberger Technology Corporation Blade cover
WO2024118614A1 (en) * 2022-11-29 2024-06-06 Schlumberger Technology Corporation Metal matrix composites for drilling tools

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6209420B1 (en) * 1994-03-16 2001-04-03 Baker Hughes Incorporated Method of manufacturing bits, bit components and other articles of manufacture
GB9822979D0 (en) * 1998-10-22 1998-12-16 Camco Int Uk Ltd Methods of manufacturing rotary drill bits
JP2009535536A (ja) 2006-04-27 2009-10-01 ティーディーワイ・インダストリーズ・インコーポレーテッド モジュール型の固定カッターボーリングビット、モジュール型の固定カッターボーリングビット本体及びそれに関連する方法
US7814997B2 (en) 2007-06-14 2010-10-19 Baker Hughes Incorporated Interchangeable bearing blocks for drill bits, and drill bits including same
US8347990B2 (en) 2008-05-15 2013-01-08 Smith International, Inc. Matrix bit bodies with multiple matrix materials
US7878275B2 (en) 2008-05-15 2011-02-01 Smith International, Inc. Matrix bit bodies with multiple matrix materials
US20100193255A1 (en) 2008-08-21 2010-08-05 Stevens John H Earth-boring metal matrix rotary drill bit
US8881791B2 (en) * 2010-04-28 2014-11-11 Baker Hughes Incorporated Earth-boring tools and methods of forming earth-boring tools
GB2488508B (en) 2010-11-29 2015-10-07 Halliburton Energy Services Inc 3D-printed bodies for molding downhole equipment
US9068408B2 (en) 2011-03-30 2015-06-30 Baker Hughes Incorporated Methods of forming earth-boring tools and related structures
CN104072138B (zh) * 2014-06-18 2015-10-28 河海大学 一种碳化钨-立方氮化硼复合材料及其制备方法
WO2016133510A1 (en) * 2015-02-19 2016-08-25 Halliburton Energy Services, Inc. Two-phase manufacture of metal matrix composites
WO2016148723A1 (en) 2015-03-19 2016-09-22 Halliburton Energy Services, Inc. Segregated multi-material metal-matrix composite tools
CA2979669A1 (en) 2015-04-24 2016-10-27 Halliburton Energy Services, Inc. Methods of fabricating ceramic or intermetallic parts
CA2980122A1 (en) 2015-04-24 2016-10-27 Halliburton Energy Services, Inc. Mesoscale reinforcement of metal matrix composites
CN107923224A (zh) 2015-09-22 2018-04-17 哈里伯顿能源服务公司 用于金属基复合材料工具的机械互锁增强颗粒
US10337257B2 (en) 2016-06-30 2019-07-02 Smith International, Inc. Customized drilling tools
US11459830B2 (en) * 2016-08-29 2022-10-04 Schlumberger Technology Corporation Devices and systems for using additive manufacturing to manufacture a tool crown
EP3631140A4 (en) 2017-05-31 2021-01-20 Smith International, Inc. CUTTING TOOL WITH PREFORMED HARD RELOADING RINGS
US11313176B2 (en) * 2017-10-31 2022-04-26 Schlumberger Technology Corporation Metal matrix composite material for additive manufacturing of downhole tools
US11801551B2 (en) 2018-06-27 2023-10-31 Baker Hughes Holding LLC Methods of forming earth-boring tools using inserts and molds

Also Published As

Publication number Publication date
SA522433323B1 (ar) 2024-08-18
US20210222497A1 (en) 2021-07-22
CA3168240A1 (en) 2021-07-22
US12006773B2 (en) 2024-06-11
WO2021146673A1 (en) 2021-07-22
US20240328261A1 (en) 2024-10-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11098533B2 (en) Methods of forming downhole tools and methods of attaching one or more nozzles to downhole tools
US9347274B2 (en) Earth-boring tools and methods of forming earth-boring tools
RU2412326C2 (ru) Буровое долото для роторного бурения и способ его изготовления
US10208366B2 (en) Metal-matrix composites reinforced with a refractory metal
US20240328261A1 (en) Drilling tool having pre-fabricated components
WO2020005591A1 (en) Methods of additively manufacturing inserts used in molds to form earth-boring tools
US10443313B2 (en) Localized binder formation in a drilling tool
US11766719B2 (en) Variable density downhole devices
US11499375B2 (en) Methods of removing shoulder powder from fixed cutter bits
US11512537B2 (en) Displacement members comprising machineable material portions, bit bodies comprising machineable material portions from such displacement members, earth-boring rotary drill bits comprising such bit bodies, and related methods
US10787862B2 (en) Displacement elements in the manufacture of a drilling tool
US11491542B2 (en) Rapid infiltration of drill bit with multiple binder flow channels
WO2024118614A1 (en) Metal matrix composites for drilling tools

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination