[发明专利]连接地钻钻具的柄和钻头体的方法及由该方法形成的钻具

说明书

优先权主张

本申请主张于2006年12月12日递交的美国专利申请 No.11/637,327的申请日的权益。

技术领域

概括地，本发明涉及地钻钻头及其它可以用于钻进地下地层的钻 具以及制造这种钻头及钻具的方法。更具体地，本发明涉及将诸如地 钻旋转钻头之类的钻具的柄连接于钻头体上的方法以及包括与钻头体 连接的柄的钻头以及其它钻具。

背景技术

旋转钻头通常用于在地层中钻井眼或钻井。一种类型的旋转钻头 为固定切削元件式钻头(常称为“刮刀”钻头)，其典型地包括多个固定 于钻头体端面区域的切削元件。旋转钻头的钻头体可由钢制成。可替 代地，钻头体可由颗粒胎体复合材料制成。图1示出常规的钻地旋转 钻头10，钻旋转钻头10包括钻头体12，钻头体12包括颗粒胎体复合 材料15。钻头体12固定于钢柄20，钢柄20具有用于将钻头10连接 于钻柱(未示出)的螺纹连接部28(例如，美国石油学会(API)螺 纹连接部)。钻头体12包括冠部14和钢坯体16。钢坯体16部分埋置 在冠部14中。冠部14包括颗粒胎体复合材料15，诸如埋置在铜合金 胎体材料中的碳化钨颗粒。通过螺纹连接部22以及沿着钻头12和钢 柄20之间的界面在钻头10外表面上围绕钻头10延伸的焊接部24， 钻头体12固定于钢柄20。

钻头体12还包括由排屑槽32分隔开的刀翼或刮刀片30。内部流 体通道(未示出)在钻头体12的端面18和纵向孔40之间延伸，纵向 孔40延伸穿过钢柄20且穿过部分钻头体12。在钻头体12的端面18 处，还可以将喷嘴嵌入件(未示出)设置于所述内部流体通道内。

多个切削元件34连接于钻头体12的端面18。一般而言，固定切 削元件式钻头的切削元件34具有盘片形状或者具有大体柱形形状。包 括硬质超研磨性材料(诸如相互粘接的聚晶金刚石颗粒)的切削表面 35可设置在各切削元件34的大体圆形的端面上。这种切削元件34常 称为“聚晶金刚石复合片(PDC)”切削元件34。PDC切削元件34可 沿刮刀片30设置在于钻头12的端面18中形成的凹窝36内、且可从 后面由支持物38来支撑，支持物38可与钻头体12的冠部14一体成 型。典型地，切削元件34可与钻头体12分开地制造并固定在于钻头 体12的外表面中形成的凹窝36中。粘接材料(诸如粘接剂或者更典 型地硬钎焊合金)可用于将切削元件34固定于钻头体12。

在钻井操作中，钻头10固定于钻柱的端部，钻柱包括端对端地连 接于钻头10和地面处的其它钻具之间的管状杆以及设备段节。钻头 10定位在井眼底部，从而切削元件34邻接于待钻进的地层。诸如转 盘或顶部驱动装置之类的设备可用于使钻柱和钻头10在井眼内旋转。 可替代地，钻头10的柄20可直接连接于井下电动机的驱动轴，井下 电动机随后可用于旋转钻头10。随着钻头10被旋转，钻井液经由纵 向孔40以及所述内部流体通道(未示出)泵送到钻头体12的端面18。 钻头10的旋转使得切削元件34刮过并剪切掉下面地层的表面。地层 岩屑与钻井液混合并悬浮在钻井液中、流经排屑槽32以及井眼和钻柱 之间的环空、直到地层表面。

常规地，已采用所谓的“浸渍”工艺在石墨模具中制成包括颗粒胎 体复合材料15的钻头体(诸如前述的钻头体12)。常规采用多轴机床 来加工石墨模具的腔。随后利用手持工具将精细特征加入到石墨模具 的腔中。为了获得钻头体的某些特征所需的结构，可能要进行附加的 陶制工序。如果必要，预成型元件或置换物(其可包括陶瓷成分、石 墨成分、或树脂覆盖砂密实成分)可定位在模具中，并用于限定钻头 体12的内通道、切削元件凹窝36、排屑槽32、以及其它外部形貌特 征。石墨模具的所述腔填充有硬质颗粒碳化物材料(诸如碳化钨、碳 化钛、碳化钽等)。随后，预成型的钢坯体16可以以合适的位置和取 向定位在模具中。在模具内，钢坯体16典型地至少部分地浸入到所述 颗粒碳化物材料中。