[发明专利]压缩残余应力硬化的井下工具轴部区域

说明书

技术领域

本公开大体上涉及具有压缩残余应力硬化的轴部区域的井下工具，诸如旋转钻头。

背景技术

各种类型的井下工具用于在井下地层中形成井筒。这些井下工具包括旋转钻头、铰刀、取芯钻头、管下扩眼器、开孔器以及稳定器。旋转钻头包括固定刀具钻头、牙轮钻头以及混合式钻头。旋转钻头可以由诸如多晶金刚石复合片和金属基体复合材料(MMC)的材料制造。旋转钻头可以包含多于一种类型的材料。例如，PDC钻头通常也是MMC钻头。

附图说明

为了更完全地理解本发明及其特征与优点，现结合附图来参考以下描述，附图中：

图1是其中可使用包含压缩残余强度硬化的区域的井下工具的钻井系统的正视图；

图2是向上定向的具有包括螺纹接头的柄部的固定刀具钻头的等距视图；

图3是向上定向的具有心轴和包括螺纹接头的柄部的固定刀具钻头的等距视图；

图4是具有压缩残余强度硬化的螺纹接头的图2的钻头的柄部的截面图；

图5是当螺纹接头受到弯曲负荷时，对于图2所示的螺纹接头的疲劳强度和所施应力的图；并且

图6是用于通过引起前体轴部区域中的同素异形相转变来产生压缩残余强度硬化的轴部区域的方法的流程图。

具体实施方式

在钻井操作期间，各种井下工具(包括钻头、取芯钻头、铰刀、扩孔器或其组合)可下降到部分形成的井筒中，并且用于例如通过将井筒钻得更深进入地层中或通过增加井筒的直径来进一步形成井筒。这些井下工具受到各种机械应力，特别是在与地层接触期间。例如，钻头的轴部可经历与钻头的头部不同的应力。轴部的不同部分也可经历彼此不同的应力。本公开提供一种井下工具，诸如钻头，其中轴部区域(通常金属区域)已通过向所述区域施加压缩残余应力来硬化，这通过引起区域中的同素异形材料经受从第一同素异形体至第二同素异形体的同素异形相转变同时迫使第二同素异形体占据与第一同素异形体相同的物理空间，从而产生压缩残余应力来实现。

同素异形材料可具有同时处于相同物理状态(即，固态、液态或气态)的两种或更多种不同的物理结构。这些不同的物理结构被称为同素异形体。本公开涉及处于固态的具有至少两种同素异形体的同素异形材料。通常处于固态的不同同素异形体具有不同的晶体结构，但是在一些同素异形材料中可发现物理结构上的其他差异。不同同素异形体的不同物理结构赋予不同的物理特性。石墨(铅笔芯)和金刚石是不同同素异形体的物理特性可如何不同的容易理解的实例。虽然这两种材料由几乎纯的碳构成，但是石墨可用指甲切成薄片，而金刚石是已知的最硬的物质。差异完全由于两种不同同素异形体的不同晶体结构。

本文所用的同素异形相转变在同素异形材料从一种同素异形体变成另一种同素异形体、同时保持固态并且不需要与另一种化学物质反应时发生。通常，从一种同素异形体变成另一种同素异形体引起原子堆积密度、晶格参数(如果至少一种同素异形体是晶体的话)或两者增加或减小。同素异形相转变可通过任何数量的条件来引起，所述条件通常包括压力、温度或两者的阈值水平或变化量。例如，石墨同素异形体经受同素异形相转变成金刚石同素异形体，但仅在非常高的温度和压力下。形成本文所公开的井下工具的大多数感兴趣的同素异形相转变不需要此类极端条件。

同素异形元素包括镅(Am)、铍(Be)、钙(Ca)、铈(Ce)、锔(Cm)、钴(Co)、镝(Dy)、铁(Fe)、钆(Gd)、铪(Hf)、钬(Ho)、镧(La)、锰(Mn)、钕(Nd)、镎(Np)、钷(Pm)、镨(Pr)、钚(Pu)、硫(S)、钪(Sc)、钐(Sm)、锡(Sn)、锶(Sr)、铽(Tb)、钍(Th)、钛(Ti)、铀(U)、钇(Y)、镱(Yb)以及锆(Zr)。同素异形材料包括任何这些同素异形元素的合金，诸如钢铁(Fe-C)，其中同素异形元素还可以至少两种不同的同素异形体形式存在。

同素异形体可使用任何各种已知的非破坏性或破坏性测量方法来检测并且彼此区分开。例如，可使用X-射线衍射来区分同素异形体。