[发明专利]具有与牙轮结构共同烧结的切削元件的钻头

说明书

优先权声明

本申请要求提交于2007年2月23日、名称为″具有与牙轮结构共同烧结的切削元件的钻地工具和切削件组件，及其使用方法″的美国专利申请序列No.11/710,091的提交日期的优先权。

技术领域

本发明通常涉及具有一个或多个可旋转牙轮的钻地工具。更特别地，本发明的实施例涉及形成用于这种钻地工具上的切削件组件(具有包含颗粒基体复合材料的牙轮)的方法、通过这种方法形成的切削件组件，以及包括这种切削件组件的钻地工具。

背景技术

包括旋转钻头的钻地工具通常用于在地层中钻孔或钻井。一类旋转钻头是牙轮钻头(通常称作″凿岩″钻头)，其典型地包括固定到从钻头体垂下的牙掌上的多个锥形切削元件(通常称作″牙轮″或″切削件″)。例如，牙轮钻头的钻头体可以具有三个悬垂牙掌，每个牙掌具有牙轮轴(bearing pin)。可旋转牙轮可以安装到每个牙轮轴上。钻头体还可以包括用于将钻头连接到钻柱上的螺纹顶端。

在一些牙轮钻头中，可旋转牙轮可以包括由颗粒基体复合材料形成并固定在形成于牙轮体外表面上的配合孔中的镶嵌件或硬质合金齿。镶嵌件从牙轮体的外表面伸出，使得在钻进操作期间，当旋转牙轮在地层表面上滚动时，镶嵌件接合并崩解地层。这种镶嵌件可以通过在冲模中压实粉末混合物而形成。粉末混合物可以包括多个硬质颗粒(例如，碳化钨)和含有基体材料(例如，金属或金属合金材料)的多个颗粒。压实的粉末混合物可以烧结以形成镶嵌件。在一些牙轮钻头中，可旋转牙轮体(或至少可旋转牙轮的外壳)可以由钢制成。形成镶嵌件的颗粒基体复合材料可以比可旋转牙轮的主体(或至少外壳)更为耐磨。在钻进操作期间，可旋转牙轮体会磨损到一个或多个镶嵌件从固定该镶嵌件的孔中脱落的程度，这是由于围绕所述孔的牙轮体的区域过度磨损的缘故。

在其它牙轮钻头中，可旋转牙轮可以包括在牙轮体外表面上直接磨铣或机加工出的齿。在机加工齿之后，表面耐磨堆焊材料可以施加到牙轮体的齿、保径部和其它地层接合表面上，以便减少这种地层接合表面的磨损。表面耐磨堆焊材料典型地包括颗粒基体复合材料。例如，表面耐磨堆焊材料可以包括包埋在金属或金属合金中的碳化钨团粒或球粒。

可以使用本领域已知的各种方法将颗粒基体复合表面耐磨堆焊材料施加到工件(例如钻地工具)的表面上。例如，中空圆柱形管可以由基体材料制成，所述管可以充满硬质颗粒(例如，碳化钨)。所述管的至少一端可以密封和定位在工件表面附近。随后可以利用电弧或焊炬熔化所述管的密封端。当所述管熔化时，中空圆柱形管内的碳化钨颗粒与熔融的基体材料(在其沉积到工件上时)混合。在其它方法中，可以使用包括颗粒基体复合表面耐磨堆焊材料的大体上实心杆，从而代替包括基体材料的空心管，其中，所述空心管充满硬质颗粒。

还可以使用其它电弧焊接方法将表面耐磨堆焊材料施加到工件外表面上。例如，可以在电极和希望施加表面耐磨堆焊材料的工件外表面上的区域之间形成等离子转移弧。包括硬质颗粒和含有基体材料的颗粒的粉末混合物随后可以通过或紧接着等离子转移弧引导到工件外表面的区域上。电弧产生的热量至少使基体材料颗粒熔化以形成位于工件表面上的焊池，其随后凝固以形成颗粒基体表面耐磨堆焊材料。

使用表面耐磨堆焊是相对劳动密集的，并且很难以可重复方式控制表面耐磨堆焊厚度和覆盖均匀性。此外，给可旋转牙轮齿施加表面耐磨堆焊材料可以减少齿切削边缘的尖锐度。可以将表面耐磨堆焊研磨到希望的形状。美国专利No.6,766,870公开了通过二次机加工操作使表面耐磨堆焊齿成形的方法。然而，通过研磨削尖表面耐磨堆焊齿在用于制造牙轮钻头的工艺中增加了另一个步骤，增大了大量劳动力和机加工成本。

发明内容

在一些实施例中，本发明包括形成用于钻地工具上的切削件组件的方法。所述方法包括将不完全烧结的牙轮结构烧结到希望的成品密度以将至少一个切削元件(在这里还称作镶嵌件)熔固到牙轮结构上。不完全烧结的牙轮结构可以包括硬质颗粒和基体材料。

在其它实施例中，本发明包括用于在钻地工具上使用的切削件组件，所述钻地工具具有与牙轮结构共同烧结并整体形成的一个或多个切削元件。牙轮结构和切削元件均包括颗粒基体复合材料。牙轮结构的材料成分可以不同于至少一个切削元件的材料成分。

在仍然进一步的实施例中，本发明包括钻地工具，所述钻地工具具有旋转安装在牙轮轴上的至少一个这样的切削件组件。

附图说明