[发明专利]钻地钻头中使用的多层金刚石砂粒包膜

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″在钻地钻头中使用的多层金刚石砂粒包膜″的美国专利申请序列No.11/678,304的提交日期的优先权。

技术领域

本发明通常涉及钻地钻头，尤其涉及基体孕镶金刚石钻头。

背景技术

一种用于高磨蚀性钻进，例如硬砂岩的钻头称作孕镶金刚石钻头。典型地，这种钻头具有在模型中铸造而成的实心头部或冠部。冠部附接到钢杆上，所述钢杆具有用于附接到钻柱上的螺纹端部。冠部可以具有各种构造并且通常包括在模型中形成的支柱构件或刀翼状构件。用于钻井流体流动的通道将刀翼隔开。

一种制造这种钻头的方法称作高温、长时间渗透工艺。模型构造为钻头冠部的形状。金刚石颗粒或砂粒和基体材料混合并散布在模型中。现有技术工艺中的金刚石颗粒具有钨涂层。在现有技术中给金刚石颗粒涂覆钨的一种方法是化学气相淀积(CVD)方法。基体材料包括粘结剂金属(典型地，铜合金)和硬质磨粒(例如碳化钨)。

基体材料和覆钨金刚石颗粒在模型中加热对基体粘结剂金属来说足够的时间和温度以熔化并渗透到硬质颗粒和金刚石颗粒中。在冷却之后，粘结剂粘结金刚石和硬质磨粒。尽管这种方法和最终的钻头性能良好，但是金刚石颗粒具有聚结在一起的趋势，使金刚石密度在一些区域比其它区域高。在一些情况下，根据需要，金刚石可以彼此接触而非均匀分布。

发明内容

在本发明中，金刚石颗粒首先涂覆有钨以形成涂覆颗粒。该步骤通常由例如CVD工艺完成。随后，包膜层施加到涂覆颗粒上以形成包封团粒。包膜层材料可以是通过滚压方法机械施加的碳化物，例如碳化钨粉末。

包封团粒与基体材料混合并放入模型中。基体材料包括粘结剂金属，还包括硬质磨粒，例如碳化钨。随后，将模型加热到足够高的温度以使粘结剂金属熔化，渗透到包封金刚石团粒周围和其中。粘结剂金属渗透到包膜层的碳化物粉末中以与金刚石晶体上的钨涂层接触。包膜层材料在这个步骤期间不熔化，从而保持金刚石颗粒之间的间隙。加热优选地在大气压力下进行。

附图说明

图1是根据本发明构造的钻地钻头的透视图。

图2是用于孕镶到图1所示钻头冠部中的金刚石颗粒的示意图。

图3是涂覆钨之后的图2所示金刚石颗粒的示意图。

图4是包封在包膜材料中之后的图3所示涂覆金刚石颗粒的示意图。

图5是图1所示钻头冠部的切削结构部分的照相显微照片，显示了散布在基体材料中的图4所示包封团粒。

具体实施方式

参考图1，钻头11通常具有钢杆13，所述钢杆具有形成在其端部上的螺纹15，所述螺纹用于附接到钻柱上。孕镶金刚石冠部17形成在与螺纹15相对的钻杆13的端部上。冠部17可以具有各种构造。通常，冠部17具有形成在其中的多个刀翼19，每个刀翼沿着冠部17的圆柱形侧面延伸并且延伸到底部上的中心喉部区域上方。用于钻井流体和切屑回流的通道21使刀翼19彼此分离。在图1所示实施例中，刀翼19位于冠部17的底部上的部分被分成区段或支柱23。可选地，冠部17可以具有延伸至中心喷口区域的光滑、连续的刀翼19。

参考图2，冠部17的切削结构或刀翼19的材料孕镶有金刚石砂粒或颗粒25。优选地，每个金刚石颗粒25包括具有平坦切削面或侧面的立方体、八面体或立方八面体(cuboctahedral)形式的单晶体。金刚石25可以为天然或人工的，并且可以具有用于冠部17的传统尺寸，典型地为大约25目-35目或其它范围。

参考图3，每个金刚石25随后涂覆有钨以形成钨涂层27。钨涂层27优选地通过传统的化学气相淀积(CVD)工艺形成。钨涂层29是薄层，厚度约为5微米-10微米。

最终的涂覆金刚石颗粒29具有施加于其上的包膜层31，如图4所示。在优选实施例中，通过机械工艺施加包膜层31。包封金刚石的机械工艺众所周知。一种工艺典型地包括使碳化物粉末与有机粘结剂混合，将所述混合物挤压成短小的圆柱形状，其随后轧制成球并干燥。在一个实施例中，包膜层31的材料选自基本上由碳化钨、碳化钛和碳化硅组成的组合。最初，在包膜层31内没有粘结剂来固定碳化物颗粒；相反，细小的碳化物粉末通过生有机粘结剂固定在涂覆金刚石颗粒29周围。碳化物粉末粒远小于金刚石晶体25；例如，碳化物粉末的直径为1到10微米。最终的包封团粒33通常为球形并且具有在施加时可以改变的直径，但是典型地为100微米到1000微米。