[发明专利]钻地用切削镶件和包含其的钻地用钻头

说明书

技术领域

　本披露涉及对包括烧结碳化物的钻地用切削镶件的改进，该钻地用切削镶件用于与钻地用钻头例如像旋转式钻地用牙轮钻头和冲击式钻头（例如像锤钻）一起使用。本披露还涉及包含一个钻地用钻头本体以及根据本披露安装在该钻头本体上的至少一个钻地用切削镶件的一种钻地用钻头。

发明背景

　钻地用（或钻孔用）钻头常用于石油和天然气的勘探、采矿以及挖掘。此类钻地用钻头可以包括可旋转的或固定的切削元件。例如，图1展示了包括含有多个可旋转的切削元件11的钻头本体的一种典型的旋转式钻地用牙轮钻头10，通常被称为“旋转式牙轮（rotary cone）”。切削镶件12可以由烧结碳化物制成、被安装在切削镶件凹座中，这些切削镶件凹座被定位在这些可旋转的切削元件11中的每一个的外表面上。可以将若干个切削镶件12安装在这些可旋转的切削元件11上的不同的预定位置中以便优化该钻地用钻头10的切削动作。

　钻地用钻头的使用寿命典型地随着该钻头的切削镶件的磨损特性而变。提高钻地用钻头使用寿命的一种技术是采用由具有强度、韧性以及耐磨损性的改进的组合的材料制成的钻地用切削镶件。许多常规的钻地用钻头使用的是由烧结碳化物制成的切削元件，该烧结碳化物是一种烧结的硬质颗粒材料。用于此类应用的烧结碳化物的选择是基于：这些材料提供了强度、断裂韧性以及耐磨损性的非常有吸引力的组合，这些特性对钻地用钻头的有效性和经济效应是极为重要的。烧结碳化物是包括一个不连续的分散相的复合物，该不连续的分散相典型地包括含有属于元素周期表的IVB、VB和VIB族的一种或多种过渡金属的碳化物的硬质颗粒。例如，这些过渡金属包括：钛（Ti）、钒（V）、铬（Cr）、锆（Zr）、铌（Nb）、钼（Mo）、铪（Hf）、钽（Ta）、以及钨（W）。该分散相的硬质颗粒是通过一种金属粘结剂的连续相而粘结或“烧结”在一起的，该金属粘结剂典型地包括以下各项中的一项或多项：钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金。在这些不同的可能的硬质颗粒-金属粘结剂组合中，在钻地应用中常用的是基于碳化钨（WC）的烧结碳化物作为分散相硬质颗粒并且使用钴（Co）或镍（Ni）作为金属粘结剂（即，分别是WC-Co基烧结碳化物以及WC-Ni基烧结碳化物）。

　烧结碳化物的对钻地应用而言重要的机械特性很大程度上取决于两个微结构参数，即，（i）平均硬质颗粒大小以及（ii）该烧结碳化物中的硬质颗粒和/或金属粘结剂的重量或体积分数。总体上，当分散相硬质颗粒大小减小和/或该金属粘结剂含量减少时，烧结碳化物的硬度和耐磨损性增大。另一方面，当分散相硬质颗粒大小增大和/或当该金属粘结剂含量增大时，烧结碳化物的断裂韧性增大。因此，在选择一种用于任何应用中的烧结碳化物等级时在耐磨损性与断裂韧性之间存在一种权衡。当耐磨损性增大时，断裂韧性典型地减小，反之亦然。

　图2A-2E展示了与旋转式钻地用牙轮钻头一起使用的常规烧结碳化物切削镶件的一系列不同形状和设计。钻地用切削镶件可能的特征为该镶件的拱形部分的形状。例如，可获得的形状包括：卵形（图2A）、弹道形（图2B）、凿子形（图2C）、多拱形（图2D）、和圆锥形（图2E）。对形状和所使用的烧结碳化物组成（即，等级）的选择受到例如有待被钻孔或挖掘的岩石类型的影响。与形状或大小无关，钻地用切削镶件典型地包括一个工作部分和一个本体部分。例如，图2A所示的钻地用切削镶件30包括拱形的工作部分32和本体部分34。同样，例如，图2B所示的钻地用切削镶件40包括弹道形的切削部分42和本体部分44。切削动作是完全或主要由该工作部分进行，而该本体部分对该工作部分提供支撑。总体上，该本体部分的大部分或全部都嵌在钻头本体内，并且该本体部分典型地通过压力配合而安装在钻头本体上或者以其他方式固定在该钻头本体上所提供的一个切削镶件凹座中。