優(yōu)先權(quán)要求

本申請要求2014年12月9日提交的關(guān)于“earth-boringtoolswithprecisecutterpocketlocationandorientationandrelatedmethods”的美國專利申請序號14/564,415的提交日期的權(quán)益。

本公開的實(shí)施方案涉及其中形成有切削元件凹窩的鉆地工具，以及在鉆地工具中形成切削機(jī)凹窩的方法。

背景技術(shù)：

鉆地工具用于在地下地層中形成鉆孔(例如，井筒)。此類鉆地工具可包括鉆頭、擴(kuò)孔器、銑刀等。常規(guī)的固定切削機(jī)鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭包括具有大致徑向突出且縱向延伸的刀片的鉆頭主體?？蓪⒍鄠€切削元件固定(例如，釬焊)在形成于刀片中的凹窩內(nèi)。在鉆井操作期間，鉆頭位于井鉆孔的底部并且旋轉(zhuǎn)，并且切削元件通過諸如剪切、磨削等機(jī)制對地層材料進(jìn)行接合和降解。

鉆頭主體可包括材料諸如金屬合金(例如，鋼)或基體顆粒復(fù)合材料，例如，分散在金屬合金基體(例如，青銅)中的燒結(jié)碳化鎢顆粒。可通過機(jī)加工例如通過將鋼坯件銑削成型，或鑄造例如通過形成具有期望鉆頭主體的凹陷形狀的模具并將模具用熔融合金填充來制造鉆頭主體。通常，當(dāng)鉆頭主體一開始被機(jī)加工或鑄造成型時，在鉆頭主體中形成將附連有切削元件的凹窩。切削元件隨后使用例如釬焊工藝附連在切削元件凹窩內(nèi)。其他井下工具還包括附連在切削元件凹窩內(nèi)的此類切削元件。

通常，鋼以及鉆頭和其他井下工具的其他主體的高磨損區(qū)域涂覆有耐磨性耐磨堆焊材料以減少磨損。這種耐磨堆焊材料可包括分散在金屬基體材料內(nèi)的燒結(jié)碳化鎢顆粒。耐磨堆焊材料可通過焊接工藝?yán)绲入x子體轉(zhuǎn)移弧焊接、氧乙炔焊接、氣體金屬弧焊接或?qū)е鹿ぞ咧黧w加熱的其他沉積工藝來涂敷。工具主體還可在井下環(huán)境中使用鉆地工具之前進(jìn)行熱加工步驟諸如熱處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在本公開的一方面，一種形成鉆地工具的方法包括形成工具主體，該工具主體包括至少一個倒置型切削元件凹窩，該至少一個倒置型切削元件凹窩的至少一部分的輪廓與將固定在將通過隨后機(jī)加工至少一個倒置型切削元件凹窩而形成的切削元件凹窩內(nèi)的實(shí)際切削元件的輪廓基本上匹配。向工具主體的各部分涂敷耐磨堆焊材料。通過在向工具主體的各部分涂敷耐磨堆焊材料之后移除至少一個倒置型切削元件凹窩內(nèi)的工具主體的材料而形成實(shí)際切削元件凹窩，并且使切削元件附連在實(shí)際切削元件凹窩內(nèi)。

在本公開的另一方面，一種形成鉆地工具的方法包括形成工具主體，該工具主體包括至少一個倒置型切削元件凹窩，該倒置型切削元件凹窩的至少一部分的輪廓與將固定在將通過隨后機(jī)加工至少一個倒置型切削元件凹窩而形成的切削元件凹窩內(nèi)的實(shí)際切削元件的輪廓基本上匹配。使用機(jī)加工工藝來移除至少一個倒置型切削元件凹窩的至少一部分以便在耐磨堆焊材料的熱處理和涂敷的一個或多個操作期間在向工具主體施加了熱量后形成實(shí)際切削元件凹窩。使切削元件附連在實(shí)際切削元件凹窩內(nèi)。

附圖簡述

雖然本說明書通過特別指出并清楚地要求保護(hù)本公開實(shí)施方案的權(quán)利要求作出結(jié)論，但所公開實(shí)施方案的許多特征和優(yōu)點(diǎn)可在參考附圖閱讀以下描述之后更容易地確定，附圖中：

圖1是根據(jù)本公開的一個實(shí)施方案的鉆地工具的透視圖；

圖2是蒙特卡羅模擬曲線圖，表明“穩(wěn)定交叉”rop方差隨切削機(jī)位置公差上升；

圖3是根據(jù)本公開的一個實(shí)施方案的中間工具主體的頂視圖；

圖4是根據(jù)本公開的一個實(shí)施方案的包括第一耐磨堆焊材料的中間工具主體的頂視圖；

圖5是根據(jù)本公開的一個實(shí)施方案的包括第二耐磨堆焊材料的中間工具主體的頂視圖；以及

圖6是根據(jù)本公開的一個實(shí)施方案的中間工具主體的刀片的一部分的截面?zhèn)纫晥D。

具體實(shí)施方式

本文所展示的圖示并不是任何特定材料或鉆地工具的實(shí)際視圖，而僅僅是為了描述本公開的實(shí)施方案而采用的理想化表示。此外，附圖之間共有的元件可以保持相同的數(shù)字編號。

在鉆頭主體和承載切削元件的工具部件的常規(guī)形成期間，在耐磨堆焊材料的熱加工(例如，熱處理)和/或涂敷期間發(fā)生的熱誘發(fā)的變形可能會導(dǎo)致主體永久變形，使得切削元件凹窩的位置和/或取向相對于設(shè)計規(guī)范具有不準(zhǔn)確性。本發(fā)明的發(fā)明人出乎意料地發(fā)現(xiàn)，在使用中，即使切削元件的預(yù)期位置與設(shè)計規(guī)范的較小偏差(即，近似約0.001英寸(0.0254mm))也可能會對機(jī)械鉆速(rop)具有顯著影響，在超過該機(jī)械鉆速的情況下，旋轉(zhuǎn)鉆頭被認(rèn)為穩(wěn)定地運(yùn)行(即，“穩(wěn)定交叉”點(diǎn))。換言之，常規(guī)制造工藝中固有的制造公差可能會影響鉆頭和其他井下工具可以穩(wěn)定鉆井模式鉆井的機(jī)械鉆速范圍，并且可能會損害井下工具的性能。穩(wěn)定交叉可能對工具主體的相同切削位置或區(qū)域中的切削元件的位置和取向的變化比工具主體的其他切削位置或區(qū)域中的切削元件的情況更為敏感。例如，旋轉(zhuǎn)鉆地鉆頭的穩(wěn)定交叉可能對鉆頭鼻部附近的切削機(jī)的位置和取向尤其敏感。除了性能和耐久性受損之外(即，鉆頭內(nèi)效應(yīng))，鉆地鉆頭或工具的切削元件的位置和取向相對于設(shè)計規(guī)范的變化可能會導(dǎo)致具有相同設(shè)計和規(guī)范(即，鉆頭內(nèi)效應(yīng))的不同鉆頭之間的性能不一致且不可預(yù)測。

如本文所使用。術(shù)語“鉆頭”和“工具”可為了方便起見而互換使用，并且術(shù)語“工具”和“井下工具”包含鉆頭。類似地，術(shù)語“工具主體”包含井下工具的被配置成承載切削元件以及鉆頭主體的兩個部件。

本文描述了用于制造包括切削元件諸如展現(xiàn)出小得多的制造公差的聚晶金剛石復(fù)合片(pdc)切削元件的鉆地鉆頭和工具的方法和材料，以確保實(shí)際鉆頭或其他井下工具體現(xiàn)鉆頭或其他井下工具相對于安裝于其上的切削元件的位置和取向的預(yù)期設(shè)計。換句話講，本公開包括能夠制造具有切削元件凹窩的鉆地工具的方法和材料，這些切削元件凹窩相對于設(shè)計規(guī)范具有準(zhǔn)確的位置和取向。因此，如本文所述的鉆地工具可以在鉆地工具設(shè)計中的切削元件凹窩的指定位置和取向與根據(jù)該設(shè)計制造而成的實(shí)際物理鉆地工具中的切削元件凹窩和切削元件的實(shí)際位置和取向之間展現(xiàn)出減小的(例如，最小化的)變化。

圖1是呈旋轉(zhuǎn)式固定切削機(jī)鉆地鉆頭形式的鉆地工具100的一個實(shí)施方案的透視圖，盡管任何其他類型的井下工具，其包括在工具主體上的切削元件凹窩中安裝的切削元件，也可體現(xiàn)本公開的教導(dǎo)內(nèi)容。例如，用于放大鉆孔的裝置(例如，擴(kuò)孔器)或其中切削元件附連在工具主體中的凹窩中的任何其他工具可以是如本文所述的制造方法和材料的主題。

鉆地工具100可包括工具主體102，該工具主體具有柄部104，該柄部具有連接部分105(例如，美國石油協(xié)會(api)螺紋連接件)，該連接部分被配置成使鉆地工具100附接到鉆柱(未示出)。

鉆地工具100可包括固定在切削元件凹窩108內(nèi)的切削元件106。作為一個非限制性例子，切削元件106可包括聚晶金剛石復(fù)合片(pdc)切削元件。切削元件凹窩108可形成于鉆地工具100的刀片110中。每個刀片110可在刀片110的經(jīng)向向內(nèi)位置從錐形區(qū)域112徑向向外延伸。每個刀片110可包括與錐形區(qū)域112相鄰并且相對于錐形區(qū)域112徑向向外的鼻區(qū)域114。每個刀片110可包括與鼻區(qū)域相鄰并且相對于鼻區(qū)域徑向向外的肩部區(qū)域116，和與肩部區(qū)域116相鄰的保徑部分118。

圖2示出了蒙特卡羅模擬曲線圖，表明“穩(wěn)定交叉”rop方差隨切削機(jī)位置公差上升。如該曲線圖所示，切削元件的位置和取向公差減小到標(biāo)稱值的四分之一(1/4)可以顯著減小穩(wěn)定交叉rop的變化性。鉆地工具100可使用材料和制造方法以以下方式形成，以減少切削機(jī)位置公差，因而減小穩(wěn)定交叉rop的變化性。鉆地工具100的一個或多個切削元件106可以被指定為“關(guān)鍵”切削元件。關(guān)鍵切削元件可以是其位置和取向與設(shè)計規(guī)范的偏差對鉆頭動態(tài)穩(wěn)定性和/或切削性能具有比未指定為關(guān)鍵性的其他切削元件106的類似偏差相對更大影響的切削元件106。關(guān)鍵切削元件106的識別可使用統(tǒng)計和經(jīng)驗(yàn)方法、計算機(jī)方法(例如，動態(tài)模擬軟件)或其他方法來完成。在一些實(shí)施方案中，刀片110的特定區(qū)域中的全部切削元件106可以被指定為是關(guān)鍵的。例如，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)確定，位于鉆頭鼻部附近的切削元件的公差減小可會對穩(wěn)定交叉rop具有最顯著的影響?；蛘?，鉆地工具100的全部切削元件106可以被指定為是關(guān)鍵的。

現(xiàn)在參考圖3，對應(yīng)于未完工(即，部分制造)狀態(tài)的鉆地工具100(圖1)的鉆頭主體102的中間工具主體120可由金屬合金(例如，鋼)或復(fù)合材料包括例如分散在金屬合金(例如，青銅、鋼等)中的碳化鎢顆粒形成。在一個實(shí)施方案中，中間工具主體120可通過機(jī)加工具有期望幾何形狀和特征的鋼坯材來形成。或者，中間工具主體120可通過鑄造例如通過將熔融金屬合金引入具有中間工具主體120的反相形狀的模具中來形成。在其中中間工具主體120包括顆?；w復(fù)合材料的實(shí)施方案中，可將耐磨材料(例如，碳化鎢)顆粒放置在模具內(nèi)并且用熔融金屬合金(例如，青銅)滲入。

在鋼主體工具的常規(guī)鉆地工具制造過程中，當(dāng)鋼坯件被機(jī)加工成具有鉆頭幾何形狀和特征時，可將切削元件凹窩機(jī)加工成鉆頭主體。在包含顆?；w復(fù)合材料(例如，鈷燒結(jié)碳化鎢)的工具主體的常規(guī)鉆地工具制造過程中，可以在鑄造過程中通過在模具內(nèi)并且圍繞替換件鑄造鉆頭主體之前將可移除替換件插入模具中而在鉆頭主體中形成切削元件凹窩。

在形成鉆頭主體之后，在熱加工(例如，熱處理)或耐磨堆焊材料涂敷期間應(yīng)用于鉆頭主體的熱循環(huán)可能會導(dǎo)致切削元件凹窩的位置和取向發(fā)生相對小的失真和不準(zhǔn)確性。在本文所述的實(shí)施方案中，鉆地工具100的一個或多個切削元件凹窩108(圖1)可以是在將坯件機(jī)加工成形之后(在具有機(jī)加工鋼鉆頭的實(shí)施方案中)或在鑄造之后(在鑄造實(shí)施方案中，例如，鑄造合金或顆?；w復(fù)合材料)在中間工具主體120中部分或完全未成形的。例如，對應(yīng)于識別為“關(guān)鍵”切削元件的切削元件106(圖1)的一個或多個切削元件凹窩108(圖1)可以是中間工具主體120中部分地成形或未成形的。對應(yīng)于關(guān)鍵切削元件的切削元件凹窩可以是在耐磨堆焊材料的涂敷和其他熱加工執(zhí)行之后機(jī)加工的。如本文所述的制造序列可通過將熱誘發(fā)的失真作為變化源消除而改善切削元件的位置和取向的準(zhǔn)確性。

繼續(xù)參看圖3，根據(jù)本公開的實(shí)施方案，當(dāng)形成工具主體120時，在特定鉆頭設(shè)計中對應(yīng)于“關(guān)鍵”切削元件凹窩108的位置處形成“倒置型”切削元件凹窩122。倒置型切削元件凹窩122可具有與將要形成于已完工鉆地工具100中的對應(yīng)切削元件凹窩108的形狀和位置至少大致類似的形狀和位置。因此，倒置型切削元件凹窩122可在中間工具主體120的面上包括突起，這些突起具有與安裝到工具主體的切削元件106(圖1)類似的外觀。在涉及到向工具主體施加熱量的一個或多個隨后制造工藝之后，中間工具主體120中的倒置型切削元件凹窩122可包括工具主體的隨后移除的整體式部分，以在工具主體中形成切削元件凹窩108。因此，在其中工具主體包括鋼并且通過機(jī)加工鋼坯來制造的實(shí)施方案中，倒置型切削元件凹窩122可通過在通過機(jī)加工形成中間工具主體120的時候機(jī)加工鋼坯來形成。在其中工具主體包括顆粒基體復(fù)合材料或通過在模具中鑄造來制造的實(shí)施方案中，倒置型切削元件凹窩122可在中間工具主體120被鑄造在模具內(nèi)的時候形成于中間工具主體120上或形成為中間工具主體120的整體式部分。

在一些實(shí)施方案中，倒置型切削元件凹窩122可形成為具有的外徑與預(yù)期附連在將要形成于倒置型切削元件凹窩122的位置處的切削元件凹窩108內(nèi)的切削元件106的外徑至少基本上完全相同。在其他實(shí)施方案中，倒置型切削元件凹窩122可形成為具有的外徑比預(yù)期附連在將形成于倒置型切削元件凹窩122的位置處的切削元件凹窩108內(nèi)的切削元件106的外徑略微更小。在其他實(shí)施方案中，切削元件凹窩可機(jī)加工或模制成凈形或近凈形，并且可加工替換件(未示出)可插入在切削元件凹窩內(nèi)?？杉庸ぬ鎿Q件可包括易加工金屬合金(例如，低碳鋼)，并且可具有例如實(shí)心或空心圓柱形形狀。

未指定為關(guān)鍵切削元件的切削元件(即，“非關(guān)鍵”切削元件)的切削元件凹窩123可在中間工具主體120中使用常規(guī)工藝完全成形。例如，切削元件凹窩123可通過用于形成中間工具主體120的機(jī)加工或鑄造操作來形成。切削元件凹窩123可對應(yīng)于備用位置中的切削元件，即在旋轉(zhuǎn)方向上落后于其他切削元件的切削元件、定位在鉆地工具100的刀片110的保徑部分118(圖1)上的切削元件、定位在鉆地工具100的刀片110的錐形部分112上的切削元件或定位在刀片110的其他部分上的切削元件。

如以下關(guān)于圖4和圖5所述，可以在需要額外耐磨性的區(qū)域，向中間工具主體120涂敷一種或多種耐磨堆焊材料。例如，在切削元件凹窩108(圖1)附近，以及在旋轉(zhuǎn)方向上領(lǐng)先于或在旋轉(zhuǎn)方向上落后于切削元件106的刀片110的區(qū)域上可能會需要額外的耐磨性。在一些實(shí)施方案中，可以向中間工具主體120的緊鄰倒置型切削元件凹窩122的部分涂敷第一耐磨堆焊材料126(圖4)。換句話說，可以向中間工具主體120的緊鄰已完工鉆地工具100的切削元件凹窩108(圖1)的期望位置的部分涂敷第一耐磨堆焊材料126?？梢韵蛑虚g工具主體120的不緊鄰倒置型切削元件凹窩122(因而不緊鄰切削元件凹窩108的期望位置)的部分涂敷第二耐磨堆焊材料128(圖5)。

第一耐磨堆焊材料126可比第二耐磨堆焊材料128相對容易機(jī)加工?？赏ㄟ^參數(shù)諸如機(jī)加工工具壽命、機(jī)加工工具力和機(jī)加工工具能量消耗、aisi可加工性指數(shù)和其他參數(shù)來以不同方式定義加工便利性，即“可加工性”。在一些實(shí)施方案中，第一耐磨堆焊材料126可展現(xiàn)出比第二耐磨堆焊材料128的aisi可加工性指數(shù)大至少約10％的aisi可加工性指數(shù)。第一耐磨堆焊材料可被選擇成展現(xiàn)出可加工性和耐磨性的特定組合。第一耐磨堆焊材料126可包括與第二耐磨堆焊材料128相比，硬質(zhì)材料諸如碳化鎢的更精細(xì)、更均勻分布的顆粒。因此，與第二耐磨堆焊材料128的機(jī)加工相比，第一耐磨堆焊材料126的機(jī)加工可能不那么可能引起機(jī)加工工具的沖擊失效。如以下進(jìn)一步描述，第一耐磨堆焊材料的精加工可以與常規(guī)機(jī)加工操作相比相對高的表面速度和相對低的切削深度執(zhí)行。用于機(jī)加工第一耐磨堆焊材料126的機(jī)加工工具可包括被配置成減少由于高表面速度而引起的熱磨損的表面光潔度(例如，氮化鋁)。

現(xiàn)在參考圖4，可以向中間工具主體120的可與用于隨后在倒置型切削元件凹窩122的位置處形成切削元件凹窩108的機(jī)加工工具接觸的選定區(qū)域涂敷第一耐磨堆焊材料126。例如，可以向中間工具主體120的與倒置型切削元件凹窩122鄰近的部分涂敷第一耐磨堆焊材料126。在一些實(shí)施方案中，第一耐磨堆焊材料126的部分可與倒置型切削元件凹窩122的部分重疊。在一些實(shí)施方案中，中間工具主體120的不需要涂敷第一耐磨堆焊材料126的區(qū)域可以用化合物或材料掩蔽，該化合物或材料防止中間工具主體120被第一耐磨堆焊材料126潤濕。例如，可以至少向中間工具主體的倒置型切削元件凹窩122的面124涂敷防濕劑以防止面124被第一耐磨堆焊材料126潤濕。合適的防濕劑的一個例子為stop-off^tm，可從wallcolmonoycorporation，101w.girard，madisonheights，mi48071，usa獲得。

第一耐磨堆焊材料126可包括被選擇為能夠機(jī)加工第一耐磨堆焊材料126的材料。例如，在一些實(shí)施方案中，第一耐磨堆焊材料126可包括其中分散有粗晶質(zhì)碳化鎢顆粒(wc)的鎳-硼-硅(ni-b-si)基體材料?？捎米鞯谝荒湍ザ押覆牧?26的可商購耐磨堆焊材料的一個例子為nitung^tm60，是一種在專用合金基體中包括60重量％碳化鎢顆粒的耐磨堆焊材料，可從carpenterpowderproducts，600mayerstreet，bridgeville，pa15017usa獲得。在其他實(shí)施方案中，第一耐磨堆焊材料126可包括均質(zhì)材料，例如，具有相對高硬度且無分散顆粒相的大致連續(xù)金屬合金。例如，一些鈷基合金可適用作第一耐磨堆焊材料126。用于第一耐磨堆焊材料126的特定材料和組成可基于針對特定工具和應(yīng)用所確定的接觸壓力下的耐磨測試的結(jié)果來選擇。

第一耐磨堆焊材料126可通過氧乙炔焊接(oaw)、等離子體轉(zhuǎn)移弧焊接(ptaw)、氣體鎢弧焊接(gtaw)、高速氧燃料熱噴涂(hvof)、高速空氣燃料熱噴涂(hvaf)、激光熔覆等來涂敷。任選地，hvof和hvaf工藝可包括熔融步驟。第一耐磨堆焊材料126可被手動地、半自動地或自動地涂敷。第一耐磨堆焊材料126可在中間工具主體120與第一耐磨堆焊材料126之間的界面處展現(xiàn)出最小程度的稀釋?？蓪⑾♂尪x為已稀釋到耐磨堆焊材料126中的基底金屬(即，中間工具主體120的材料)的重量百分比。例如，第一耐磨堆焊材料可以在中間工具主體120與第一耐磨堆焊材料126之間的界面處展現(xiàn)出小于十(10)個百分比的稀釋、小于五(5)個百分比的稀釋或更少的稀釋。

現(xiàn)在參考圖5，可以向中間工具主體120的其他選定區(qū)域涂敷第二耐磨堆焊材料128。其他選定區(qū)域可包括例如鉆地工具100(圖1)的不與倒置型切削元件凹窩122緊鄰的高磨損區(qū)域。在一些實(shí)施方案中，第二耐磨堆焊材料128可被涂敷在旋轉(zhuǎn)方向上領(lǐng)先于和/或在旋轉(zhuǎn)方向上落后于“倒置型切削機(jī)”倒置型切削元件凹窩122的刀片110的多個部分。因此，第一耐磨堆焊材料126可定位在倒置型切削元件凹窩122與第二耐磨堆焊材料128之間。第二耐磨堆焊材料128可包括傳統(tǒng)的耐磨堆焊材料，諸如分散于例如鐵、鈷或鎳合金的金屬基體中的燒結(jié)碳化鎢顆粒，并且其組成可針對其耐磨性和/或耐久性而不是其可加工性進(jìn)行選擇。換句話說，第二耐磨堆焊材料128可不考慮可加工性進(jìn)行選擇，因?yàn)榈诙湍ザ押覆牧?28可被涂敷于中間鉆頭主體120的不需要隨后精加工的區(qū)域。在一些實(shí)施方案中，如上文所述的防濕劑可被涂敷于中間鉆頭主體120的上面不需要涂敷第二耐磨堆焊材料128的部分例如第一耐磨堆焊材料126的各部分、先前針對非關(guān)鍵切削元件形成的凹窩123等。第二耐磨堆焊材料128可使用以上結(jié)合第一耐磨堆焊材料126所述的任何方法或其他合適的方法來涂敷。

在一些實(shí)施方案中，第二耐磨堆焊材料128可被涂敷到中間工具主體120的比涂敷了第一耐磨堆焊材料126的區(qū)域更大的區(qū)域。例如，雖然第一耐磨堆焊材料126可僅涂敷于與倒置型切削元件凹窩122相鄰的位置，但第二耐磨堆焊材料128可被涂敷于刀片110的更大區(qū)域，如圖5所示。第二耐磨堆焊材料128可被涂敷在第一耐磨堆焊材料126的至少一部分(即，可與其重疊)。在其他實(shí)施方案中，可在涂敷第一耐磨堆焊材料126之前涂敷第二耐磨堆焊材料128。在這些實(shí)施方案中，第一耐磨堆焊材料126的一部分可被涂敷在第二耐磨堆焊材料128的一部分上(即，與其重疊)。

用于涂敷第一耐磨堆焊材料126和第二耐磨堆焊材料128的方法可導(dǎo)致熱量施加到中間工具主體120。此外，在一些實(shí)施方案中，中間工具主體120可進(jìn)行熱加工諸如熱處理、淬火、老化等以改善中間工具主體120的材料的微結(jié)構(gòu)。如先前所述，這種熱加工可導(dǎo)致中間工具主體120發(fā)生微小失真(例如，翹曲)。換句話說，熱誘發(fā)的變形可導(dǎo)致中間工具主體120的實(shí)際形狀相對于設(shè)計規(guī)范出現(xiàn)偏差。因此，在耐磨堆焊材料126和128的熱加工和涂敷之后，非關(guān)鍵切削元件的倒置型切削元件凹窩122和切削元件凹窩123的位置和取向可能由于與關(guān)于熱加工發(fā)生的變形類似的熱誘發(fā)的變形而相對于設(shè)計規(guī)范略有不同。因此，如下所述，可在這種熱加工作用之后且在涂敷第一耐磨堆焊材料126和第二耐磨堆焊材料128之后執(zhí)行用于在關(guān)鍵切削元件的位置形成切削元件凹窩108(圖1)的精加工。

可以移除倒置型切削元件凹窩122的至少一部分以在每個關(guān)鍵切削機(jī)位置形成切削元件凹窩108(圖1)，該切削元件凹窩大致展現(xiàn)出對應(yīng)于該相應(yīng)切削元件凹窩的預(yù)定設(shè)計位置、尺寸、形狀和取向的位置、尺寸、形狀和取向。例如，可機(jī)加工中間工具主體120以移除倒置型切削元件凹窩122的至少一部分。機(jī)加工切削元件凹窩108可包括根據(jù)倒置型切削元件凹窩122的精確尺寸和形狀以及由于熱加工而引起的任何失真程度來機(jī)加工第一耐磨堆焊材料126的與突起122相鄰的至少一部分。因此，用于機(jī)加工切削元件凹窩108的工具可被配置成能夠機(jī)加工第一耐磨堆焊材料126。

例如，切削元件凹窩108可使用包括硬質(zhì)材料和/或硬表面涂層的工具來機(jī)加工。在一個實(shí)施方案中，切削元件凹窩使用具有氮化鋁涂層的端銑刀來機(jī)加工。此類銑削刀具可從inc.，1600technologyway，latrobe，pa15650usa獲得。

機(jī)加工工藝和參數(shù)可根據(jù)需要加以調(diào)整以促進(jìn)第一耐磨堆焊材料126的機(jī)加工。例如，端銑刀的速度和饋送速率可基于工具的切削特征和第一耐磨堆焊材料126的特定組成進(jìn)行選擇。

在一些實(shí)施方案中，機(jī)加工可在無第一耐磨堆焊材料126和第二耐磨堆焊材料128的位置開始。例如，現(xiàn)在參考圖6，示出了中間鉆頭主體120(圖5)的刀片110的一部分。機(jī)加工操作可通過將端銑刀130沿對應(yīng)于將對應(yīng)于實(shí)際切削元件凹窩的所選擇的預(yù)定取向而形成的實(shí)際切削元件凹窩108(圖1)的軸線的縱向軸線132而投入倒置型切削元件凹窩122的面124中來開始。端銑刀130可相對于端銑刀的旋轉(zhuǎn)軸線徑向地移動(例如，盤旋)，并且根據(jù)倒置型切削元件凹窩122的精確尺寸和形狀，端銑刀130的側(cè)部134可接合第一耐磨堆焊材料126。如果端銑刀130的側(cè)部134接合第一耐磨堆焊材料126，那么端銑刀130可與第一耐磨堆焊材料126的所有相保持接合(例如，端銑刀130可與金屬合金基底相和不連續(xù)碳化鎢顆粒相保持接合)，直到端銑刀130不再接合第一耐磨堆焊材料126的任何部分。這可防止在端銑刀130與第一耐磨堆焊材料126的不同相重復(fù)地接觸和脫接觸的情況下工作率發(fā)生突然變化。在一些實(shí)施方案中，切削元件凹窩108的形成可使用多晶金剛石增強(qiáng)工具、超聲波方法、電火花加工(edm)、熱輔助機(jī)加工或其他方法來執(zhí)行。在切削元件凹窩108的精加工之后，可以將切削元件106插入并附連在切削元件凹窩108內(nèi)。例如，切削元件106可釬焊在切削元件凹窩108內(nèi)。

如圖所示的鉆地工具100(圖1)可以相對于切削元件凹窩的位置和取向而展現(xiàn)出比常規(guī)制造的鉆地工具更小的制造公差。例如，在一些常規(guī)制造的鉆地工具中，切削元件的位置和取向相對于設(shè)計規(guī)范的典型偏差范圍(即，制造公差)可分別高達(dá)約±0.034英寸(約0.86毫米)和約±2.7度。在如本文所述而制造的鉆地工具中，切削元件的位置和取向相對于設(shè)計規(guī)范的典型偏差范圍可比常規(guī)制造的工具的典型范圍小約一個數(shù)量級。例如，如圖所述而制造的鉆地工具可以展現(xiàn)出的切削元件位置和取向相對于設(shè)計規(guī)范的偏差分別為約±0.005英寸(0.13mm)和約±0.25度。通過在熱加工和/或耐磨堆焊過程之后執(zhí)行切削元件凹窩108的精加工，可以最小化(例如，消除)熱加工而造成的失真對切削元件凹窩108的位置和取向的影響。因此，如本文所述而制造的鉆地工具100與常規(guī)制造的鉆地工具相比，可以展現(xiàn)出更大范圍的穩(wěn)定的機(jī)械鉆速、更可預(yù)測范圍的穩(wěn)定的機(jī)械鉆速、優(yōu)越的耐用性、同一設(shè)計的不同鉆頭之間的更一致的操作特征和改進(jìn)的性能。

以下闡述了本公開的額外的非限制性示例實(shí)施方案。

實(shí)施方案1：一種形成鉆地工具的方法，所述方法包括：形成工具主體，所述工具主體包括至少一個倒置型切削元件凹窩，所述至少一個倒置型切削元件凹窩的至少一部分的輪廓與將固定在將通過隨后機(jī)加工所述至少一個倒置型切削元件凹窩而形成的切削元件凹窩內(nèi)的實(shí)際切削元件的輪廓基本上匹配；向所述工具主體的各部分涂敷耐磨堆焊材料；通過在向所述工具主體的各部分涂敷所述耐磨堆焊材料之后移除所述至少一個倒置型切削元件凹窩內(nèi)的所述工具主體的材料而形成所述實(shí)際切削元件凹窩；以及使切削元件附連在所述實(shí)際切削元件凹窩內(nèi)。

實(shí)施方案2：根據(jù)實(shí)施方案1所述的方法，還包括形成所述倒置型切削元件凹窩以包含所述工具主體的整體式部分。

實(shí)施方案3：根據(jù)實(shí)施方案1所述的方法，其中形成包括至少一個倒置型切削元件凹窩的工具主體包括形成包括包含插入所述工具主體的凹部內(nèi)的替換件的至少一個倒置型切削元件凹窩的工具主體。

實(shí)施方案4：根據(jù)實(shí)施方案1至3中任一項所述的方法，其中向所述工具主體的各部分涂敷耐磨堆焊材料包括：向所述工具主體的與所述至少一個倒置型切削元件凹窩相鄰的各部分涂敷被選擇成展現(xiàn)機(jī)加工性和耐磨性的特定組合的第一耐磨堆焊材料；以及向所述工具主體的通過所述第一耐磨堆焊材料的至少一部分與所述至少一個倒置型切削元件凹窩分開的至少一部分涂敷與所述第一耐磨堆焊材料具有不同組成的第二耐磨堆焊材料。

實(shí)施方案5：根據(jù)實(shí)施方案4所述的方法，其中涂敷第一耐磨堆焊材料包括涂敷包含分散在包含鎳基合金的基質(zhì)金屬內(nèi)的硬質(zhì)顆粒的第一耐磨堆焊材料。

實(shí)施方案6：根據(jù)實(shí)施方案5所述的方法，其中涂敷包含分散在包含鎳基合金的基質(zhì)金屬內(nèi)的硬質(zhì)顆粒的第一耐磨堆焊材料包括涂敷包含至少包含鎳、硼和硅的基質(zhì)的第一耐磨堆焊材料。

實(shí)施方案7：根據(jù)實(shí)施方案4至6中任一項所述的方法，其中涂敷與所述第一耐磨堆焊材料具有不同組成的第二耐磨堆焊材料包括涂敷包含分散在鐵基金屬合金基質(zhì)內(nèi)的硬質(zhì)顆粒的第二耐磨堆焊材料。

實(shí)施方案8：根據(jù)實(shí)施方案4至7中任一項所述的方法，其中涂敷與所述第一耐磨堆焊材料具有不同組成的第二耐磨堆焊材料還包括涂敷與所述第一耐磨堆焊組成具有不同aisi可加工性指數(shù)的第二耐磨堆焊材料，并且其中所述第一耐磨堆焊組成的所述aisi可加工性指數(shù)比所述第二耐磨堆焊組成的所述aisi可加工性指數(shù)大至少約10％。

實(shí)施方案9：根據(jù)實(shí)施方案1至8中任一項所述的方法，還包括在向所述工具主體的各部分涂敷耐磨堆焊材料之前向所述至少一個倒置型切削元件凹窩的至少一部分涂敷防濕劑。

實(shí)施方案10：根據(jù)實(shí)施方案9所述的方法，其中向所述至少一個倒置型切削元件凹窩的至少一部分涂敷防濕劑包括向所述至少一個倒置型切削元件凹窩的面涂敷防濕劑。

實(shí)施方案11：根據(jù)實(shí)施方案1至10中任一項所述的方法，其中通過移除所述至少一個倒置型切削元件凹窩內(nèi)的所述工具主體的材料而形成所述實(shí)際切削元件凹窩包括使用機(jī)加工工具而從所述工具主體機(jī)加工所述至少一個倒置型切削元件的至少一部分。

實(shí)施方案12：根據(jù)實(shí)施方案1至11中任一項所述的方法，其中形成包括至少一個突出結(jié)構(gòu)的工具主體包括形成旋轉(zhuǎn)刮刀鉆頭主體。

實(shí)施方案13：根據(jù)實(shí)施方案1至12中任一項所述的方法，其中在通過移除所述工具主體的材料而形成所述實(shí)際切削元件凹窩后并未發(fā)生所述工具主體的熱處理。

實(shí)施方案14：根據(jù)實(shí)施方案1至13中任一項所述的方法，其中在通過移除所述工具主體的材料而形成所述實(shí)際切削元件凹窩后無耐磨堆焊材料被涂敷到所述工具主體。

實(shí)施方案15：一種形成鉆地工具的方法，所述方法包括：形成工具主體，所述工具主體包括至少一個倒置型切削元件凹窩，所述倒置型切削元件凹窩的至少一部分的輪廓與將固定在將通過隨后機(jī)加工所述至少一個倒置型切削元件凹窩而形成的切削元件凹窩內(nèi)的實(shí)際切削元件的輪廓基本上匹配；使用機(jī)加工工藝來移除所述至少一個倒置型切削元件凹窩的至少一部分以便在耐磨堆焊材料的熱處理和涂敷的一個或多個操作期間在向所述工具主體施加了熱量后形成所述實(shí)際切削元件凹窩；以及使切削元件附連在所述實(shí)際切削元件凹窩內(nèi)。

實(shí)施方案16：根據(jù)實(shí)施方案15所述的方法，其中形成包括至少一個倒置型切削元件凹窩的工具主體包括由鋼坯件機(jī)加工工具主體。

實(shí)施方案17：根據(jù)實(shí)施方案15所述的方法，其中形成包括至少一個倒置型切削元件凹窩的工具主體包括在模具中鑄造工具主體。

實(shí)施方案18：根據(jù)實(shí)施方案15至17中任一項所述的方法，還包括形成所述倒置型切削元件凹窩以包含所述工具主體的整體式部分。

實(shí)施方案19：根據(jù)實(shí)施方案15至18中任一項所述的方法，還包括向所述工具主體在所述至少一個倒置型切削元件凹窩附近涂敷第一耐磨堆焊材料，以及向所述工具主體的通過所述第一耐磨堆焊材料與所述至少一個倒置型切削元件凹窩分開的至少一部分涂敷具有與所述第一耐磨堆焊材料的組成的不同的組成的第二耐磨堆焊材料。

實(shí)施方案20：根據(jù)實(shí)施方案15至19中任一項所述的方法，還包括在使用機(jī)加工工藝移除所述至少一個倒置型切削元件凹窩的至少一部分之前將所述工具主體加熱到升高溫度而熱處理所述工具主體。

盡管前面的描述包含多個特定細(xì)節(jié)，但這些細(xì)節(jié)不應(yīng)被視為限制了本發(fā)明的范圍，而僅應(yīng)被視為描述了某些實(shí)施方案。類似地，可設(shè)計其他實(shí)施方案，其不偏離本公開的精神或范圍。例如，本文參照一個實(shí)施方案所述的特征也可以被提供于本文所述的其他實(shí)施方案中。因此，本發(fā)明的范圍僅由隨附權(quán)利要求書及其法律等效物來表示和限制。落在權(quán)利要求書的意義和范圍之內(nèi)的對本發(fā)明所公開實(shí)施方案的增補(bǔ)、刪除和修改都將被包含在本公開內(nèi)。