[发明专利]具有耐磨堆焊的颗粒基体复合材料钻头以及利用耐磨堆焊材料制造和修理这种钻头的方法

说明书

优先权声明

本申请要求提交于2007年6月27日、名称为＂具有耐磨堆焊的颗粒基体复合材料钻头以及利用耐磨堆焊材料制造和修理这种钻头的方法＂的美国申请序列No.11/823,800的优先权，该申请要求提交于2006年9月29日、名称为＂钻地旋转钻头，包括布置在形成于其外表面上的凹部内的耐磨表面堆焊材料＂的美国临时专利申请序列No.60/848,154的优先权，上述每一申请的内容在此全文引入作为参考。

技术领域

本发明通常涉及在钻凿地下地层中使用的颗粒基体复合材料钻头和其它工具，并且涉及在这种颗粒基体复合材料钻头和工具的表面上使用的耐磨表面堆焊材料。本发明还涉及用于给颗粒基体复合材料钻头和工具的表面施加耐磨表面堆焊的方法。

背景技术

用于钻凿地下地层的传统的固定牙轮式或＂切削型＂旋转钻头包括具有表面区域的钻头体，在所述表面区域上支承用于切入地层的切削元件。钻头体可以固定到硬化钢杆上，所述硬化钢杆具有用于将钻头附接到钻柱上的螺纹销连接(例如，API螺纹销)，所述钻柱包括在钻头和其它钻孔设备之间首尾相联的管状管段。例如回转工作台或顶部驱动装置的设备可用于使管状管和钻头旋转。可选地，钻头杆可以联接到井下马达的驱动轴上，从而使钻头独立于回转工作台或顶部驱动装置旋转，或者与回转工作台或顶部驱动装置一起旋转。

典型地，钻头的钻头体由钢或嵌入在颗粒基体复合材料中的钢坯复合材料制成，所述颗粒基体复合材料包括渗有例如铜合金的熔融粘结材料的硬质颗粒材料，所述硬质颗粒材料例如为碳化钨。硬化钢杆通常在已经形成钻头体之后固定到钻头体上。可以在钻头体上或钻头体内的选定位置设置结构特征以方便钻凿过程。这种结构特征例如可以包括径向和纵向延伸的刀翼、切削元件凹窝、突脊、槽脊(lands)、喷嘴口、和钻井流体路径和通道。切削元件通常固定到在位于钻头体表面区域上的刀翼中加工出的切削元件凹窝，例如径向和纵向延伸刀翼的前缘上。这些结构特征(例如，切削元件凹窝)还可以在熔融粘结材料渗入硬质颗粒材料时由用于形成钻头体的模具制成。有利地是，颗粒基体复合材料提供可与钢材料比拟的较高强度和刚性的钻头体，但仍然需要复杂和劳动密集的制造过程，如美国申请序列No.11/272,439中所述。因此，人们希望提供一种制造适于生产包括颗粒基体复合材料的钻头体的方法，所述颗粒基体复合材料无需硬质颗粒材料渗入熔融粘结材料中。

通常，传统固定牙轮式旋转钻头的每个切削元件包括切削表面，其包括硬质超耐磨材料，例如相互粘结的多晶金刚石颗粒。这种＂聚晶金刚石复合片＂(PDC)牙轮已经在油气井钻探工业中的固定牙轮式旋转钻头上使用了几十年。

图1显示了通常根据上述说明的传统的固定牙轮式旋转钻头10。旋转钻头10包括联接到钢杆14上的钻头体12。纵向穿过钻头10的一部分形成有孔(未显示)，以便在钻井操作期间通过喷嘴19给钻头10的表面20输送钻井流体。切削元件22(典型地，聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件)通常通过例如铜焊、粘结或机械固定的方法结合到钻头体12的表面20上。

钻头10可以多次使用以进行连续的钻井操作，在所述钻井操作期间，钻头体12的表面和切削元件22在钻头10的切削元件22切割下面的地层时会经受非常大的作用力和应力。极大的作用力和应力导致切削元件22和钻头体12的表面磨损。最终，钻头体12的表面会磨损到钻头10不再适于使用的程度。因此，在本领域存在增强钻头体12的表面耐磨性的需要。同样，切削元件22可以磨损到它们不再适于使用的程度。

图2是与固定到钻头体12上的图1所示类似的PDC切削元件22的放大图。典型地，切削元件22与钻头体12分开制造并且利用粘接材料24固定到形成于钻头体12的外(或外部)表面上的凹窝21内，所述粘接材料例如为粘合剂，或者更典型地为如先前所述的硬钎焊合金。而且，如果切削元件22为PDC牙轮，切削元件22可以包括固定到切削元件主体或基底23上的聚晶金刚石复合台28，所述切削元件可以是整体的或者包括粘结在一起的两个部件。