專利名稱：耐磨表面堆焊材料，包括耐磨表面堆焊材料的鉆頭和鉆具，以及用于將耐磨表面堆焊材料 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及在鉆鑿地下地層中使用的鉆頭和其它工具，并且 涉及在這種鉆頭和工具的表面上使用的耐磨表面堆焊材料。本發(fā)明還 涉及用于給鉆頭和工具施加耐磨表面堆焊的方法。
背景技術(shù)：
用于鉆鑿地下地層的傳統(tǒng)的固定牙輪式或"切削型"旋轉(zhuǎn)鉆頭包 括具有表面區(qū)域的鉆頭體，在所述表面區(qū)域上支承用于切入地層的切 削元件。鉆頭體可以固定到硬化鋼桿上，所述硬化鋼桿具有用于將鉆 頭附接到鉆柱上的螺紋銷連接(例如，API螺紋銷)，所述鉆柱包括 在鉆頭和其它鉆孔設(shè)備之間首尾相聯(lián)的管狀管段。例如回轉(zhuǎn)工作臺或
頂部驅(qū)動裝置的設(shè)備可用于使管狀管和鉆頭旋轉(zhuǎn)。可選地，鉆頭桿可 以聯(lián)接到井下馬達(dá)的驅(qū)動軸上，從而使鉆頭獨立于回轉(zhuǎn)工作臺或頂部 驅(qū)動裝置旋轉(zhuǎn)，或者與回轉(zhuǎn)工作臺或頂部驅(qū)動裝置一起旋轉(zhuǎn)。
典型地，鉆頭的鉆頭體由鋼或嵌入在顆?；w復(fù)合材料中的鋼坯 復(fù)合材料制成，所述顆?；w復(fù)合材料包括滲有例如銅合金的熔融粘 結(jié)材料的硬質(zhì)顆粒材料，所述硬質(zhì)顆粒材料例如為碳化 。硬化鋼桿 通常在已經(jīng)形成鉆頭體之后固定到鉆頭體上。可以在鉆頭體上或鉆頭體內(nèi)的選定位置設(shè)置結(jié)構(gòu)特征以方便鉆鑿過程。這種結(jié)構(gòu)特征例如可
以包括徑向和縱向延伸的刀翼、切削元件凹窩、突脊、槽脊(lands)、 噴嘴口、和鉆井流體路徑和通道。切削元件通常固定到在位于鉆頭體 表面區(qū)域上的刀翼中加工出的切削元件凹窩，例如徑向和縱向延伸刀 翼的前緣上。這些結(jié)構(gòu)特征(例如，切削元件凹窩)還可以在熔融粘 結(jié)材料滲入硬質(zhì)顆粒材料時由用于形成鉆頭體的模具制成。有利地是， 顆?；w復(fù)合材料提供可與鋼材料比擬的較高強(qiáng)度和剛性的鉆頭體， 但尤其是在鉆頭的低應(yīng)力表面區(qū)域上仍然受到泥漿腐蝕和磨損。因此， 希望提供一種適于制造包括表面耐磨堆焊材料的鉆頭體的制造方法， 所述表面耐磨堆焊材料不易受到泥漿腐蝕和磨損。
通常，用于鉆鑿柔軟和中等地層的傳統(tǒng)固定牙輪式旋轉(zhuǎn)鉆頭的大 部分或全部切削元件均包括切削表面，其包括硬質(zhì)超耐磨材料，例如 相互粘結(jié)的聚晶金剛石顆粒。這種"聚晶金剛石復(fù)合片"(PDC)牙輪
1顯示了通常根據(jù)上述說明的傳統(tǒng)固定牙輪式旋轉(zhuǎn)鉆頭10。旋轉(zhuǎn)鉆頭 10包括聯(lián)接到鋼桿14上的鉆頭體12?？v向穿過鉆頭10的一部分形成 有孔(未顯示)，以便在鉆井操作期間通過噴嘴19給鉆頭10的表面 20輸送鉆井流體。切削元件22(典型地，聚晶金剛石復(fù)合片(PDC) 切削元件)通常通過例如銅焊、粘結(jié)或機(jī)械固定的方法結(jié)合到鉆頭體 12的鉆頭面20上。
鉆頭10可以多次使用以進(jìn)行連續(xù)的鉆井操作，在所述鉆井操作期 間，鉆頭體12的表面和切削元件22在鉆頭10的切削元件22切割下 面的地層時會經(jīng)受非常大的作用力和應(yīng)力。極大的作用力和應(yīng)力導(dǎo)致 切削元件22和鉆頭體12的表面磨損。最終，鉆頭體12的表面會磨損 到鉆頭10不再適于使用的程度。因此，在本領(lǐng)域存在增強(qiáng)鉆頭體表面 耐磨性的需要。同樣，切削元件22可以磨損到它們不再適于使用的程 度。
圖2是與固定到鉆頭體12上的圖1所示類似的PDC切削元件22 的放大圖。典型地，切削元件22與鉆頭體12分開制造并且利用粘接材料24固定到形成于鉆頭體12的外(或外部)表面上的凹窩21內(nèi)， 所述粘接材料例如為粘合劑，或者更典型地為如先前所述的硬釬焊合 金。而且，如果切削元件22為PDC牙輪，切削元件22可以包括固定 到切削元件主體或基底23上的聚晶金剛石復(fù)合臺28，所述切削元件 可以是整體的或者包括粘結(jié)在一起的兩個部件。
傳統(tǒng)的粘結(jié)材料24與鉆頭10和切削元件22的其它部分和表面相 比更不耐磨損。在使用期間，由于磨損，在粘結(jié)材料24的暴露表面上 可能產(chǎn)生小晶簇、砂眼或其它缺陷。含有固體的鉆井流體和在鉆井過 程中產(chǎn)生的地層殘余物可能使粘結(jié)材料24上的小晶簇和砂眼進(jìn)一步 腐蝕、磨損和擴(kuò)大，盡管部分地免受由地層巖屑引起的高應(yīng)力影響。 如果去除足夠多的粘結(jié)材料24，整個切削元件22可能在鉆井操作期 間與鉆頭主體12分離。在鉆井操作期間，切削元件22的損耗會導(dǎo)致 其它切削元件的迅速磨損及整個鉆頭10的突然失效。因此，本領(lǐng)域還 需要增強(qiáng)粘接材料的耐磨性以有助于防止切削元件在鉆井操作期間損 耗的有效方法。
理想的是，旋轉(zhuǎn)鉆頭的材料必須極為堅硬，以便在不過度磨損的 情況下經(jīng)受伴隨著鉆鑿地層的磨損和腐蝕。由于鉆頭在鉆井操作期間 經(jīng)受的極大作用力和應(yīng)力，理想鉆頭的材料必須同時具有高抗裂韌性。 但是，實際上，具有極高硬度的材料相對易碎并且不具有高抗裂韌性， 但具有高抗裂韌性的材料相對較軟并且不具有高硬度。因此，當(dāng)選擇 用于鉆頭的材料時，必須兼顧硬度和抗裂韌性。
為了同時提高旋轉(zhuǎn)鉆頭的硬度和抗裂韌性，已經(jīng)將復(fù)合材料應(yīng)用 于經(jīng)受極大磨損的鉆頭表面。這些復(fù)合或硬質(zhì)顆粒材料通常稱作"表 面耐磨堆焊"材料，并且典型地包括具有較高硬度的至少一個相和具 有較高抗裂韌性的另一個相。
圖3是傳統(tǒng)的表面耐磨堆焊材料的拋光和腐蝕面的顯微放大圖， 所述表面耐磨堆焊材料施加到鉆頭體的(如上所述)顆?；w復(fù)合材 料上。表面耐磨堆焊材料包括大體上隨機(jī)分布在基體材料46的鐵基基 體上的碳化鴒顆粒40。碳化鴒顆粒40具有較高硬度，而基體材料46具有較高抗裂韌性。
表面耐磨堆焊材料中使用的碳化鎢顆粒40可以包括一個或多個 鑄造碳化鵠顆粒、燒結(jié)碳化鎢顆粒和粗結(jié)晶碳化鎢顆粒。碳化鎢系統(tǒng) 包括兩種化學(xué)計量化合物，WC和W2C，其間具有連續(xù)的混合物范圍。 鑄造碳化鴒通常包括WC和W2C化合物的低共熔混合物。燒結(jié)碳化
鴒顆粒包括由基體材料結(jié)合在一起的較小的wc顆粒。鈷和鈷合金通
常用作燒結(jié)碳化鎢顆粒中的基體材料。燒結(jié)碳化鎢顆?？梢酝ㄟ^使包 括較小碳化鎢顆粒的第一粉末和包括鈷顆粒的第二粉末混合在一起而 形成。粉末混合物形成為"生"狀態(tài)。生粉末混合物隨后在接近鈷顆粒 的熔融溫度的溫度下燒結(jié)以形成圍繞碳化鎢顆粒的鈷材料基體，從而 形成燒結(jié)碳化鎢顆粒。最后，粗結(jié)晶碳化鎢顆粒通常由wc的單結(jié)晶構(gòu)成。
可以使用本領(lǐng)域公知的各種方法將例如圖3所示的表面耐磨堆焊 材料施加到鉆頭表面上。焊接桿可以配置為空心圓柱管，其由充滿碳 化鵠顆粒的表面耐磨堆焊材料制成的基體材料形成。可以密封空心圓 柱管的至少一端。管的密封端隨后可以熔融或焊接到鉆頭的希望表面 上。隨著管熔化，當(dāng)熔融基體材料沉積在鉆頭上時，空心圓柱管內(nèi)的 碳化鴒顆粒與所述熔融基體材料混合并懸浮在其中?？蛇x方法包括形 成表面耐磨堆焊材料制鑄桿，使用電弧或焊槍將設(shè)置于鑄桿端部的表 面耐磨堆焊材料施加或焊接到鉆頭的希望表面上。 一種通過焊槍施加 表面耐磨堆焊材料的方法是使用眾所周知的含氧燃料氣體焊接。含氧 燃料氣體焊接是一組焊接過程，其在使用或不使用施加表面耐磨堆焊 材料的壓力的情況下，通過利用含氧燃料氣體火焰對材料進(jìn)行加熱而 產(chǎn)生接合。 一種含氧燃料氣體焊接稱作氧乙炔焊接(OAW),其是適 合于給鉆頭表面施加表面耐磨堆焊材料的方法。
還可以使用電弧焊方法將表面耐磨堆焊材料施加到鉆頭表面上。 例如，在電極和希望施加表面耐磨堆焊材料的鉆頭表面的區(qū)域之間會 產(chǎn)生等離子轉(zhuǎn)移弧。包括碳化鎢顆粒和基體材料顆粒的粉末混合物隨 后通過或緊接著等離子轉(zhuǎn)移弧引導(dǎo)到鉆頭表面區(qū)域上。電弧產(chǎn)生的熱量至少使基體材料顆粒熔化以形成位于鉆頭表面上的焊池，其隨后凝 固以形成位于鉆頭表面上的表面耐磨堆焊材料層。
當(dāng)表面耐磨堆焊材料施加給鉆頭表面時，可以使用比較高的溫度 至少使基體材料熔化。在上述比較高的溫度下，碳化鴒顆粒和基體材 料之間會發(fā)生溶解作用。換句話說，在施加表面耐磨堆焊材料之后， 原本包含在碳化鎢顆粒中的至少一部分原子(例如，鴒和碳)可以存 在于圍繞碳化鎢顆粒的基體材料中。另外，原本包含在基體材料(例
如，鐵)中的至少一部分原子可以存在于碳化鴒顆粒中。圖4是圖3 所示碳化鴒顆粒40的放大圖。原本包含在碳化鵠顆粒40中的至少一 部分原子(例如，鴒和碳)可以存在于緊緊圍繞碳化鴒顆粒40的基體 材料46的區(qū)域47中。區(qū)域47大致包括位于假想線48以內(nèi)的基體材 料46的區(qū)域。另外，原本包含在基體材料(例如，鐵)中的至少一部 分原子可以存在于碳化鴒顆粒40的外周或外部區(qū)域41中。外部區(qū)域 41粗略地包括位于假想線42以外的碳化鴒顆粒40的區(qū)域。
碳化鴒顆粒40和基體材料46之間的溶解作用可以使圍繞碳化鴒 顆粒40的區(qū)域47內(nèi)的基體材料46脆化并且降低其外部區(qū)域41內(nèi)的 碳化鴒顆粒40的硬度，降低表面耐磨堆焊材料的總有效性。溶解作用 是尤其當(dāng)處于高溫和當(dāng)基體材料46處于使基體材料的材料成分變形 的液相時，將例如碳化鵠顆粒40的固體溶解到例如基體材料46的液 體中的過程。在一個方面，溶解作用是固態(tài)物質(zhì)(通常在高溫下)進(jìn) 入熔融基體材料的過程，其改變基體材料的構(gòu)成。在基體材料46的溫 度接近碳化鴒顆粒40的熔融溫度時，溶解作用會更為迅速地發(fā)生。例 如，因為在施加期間使鐵基基體材料變成熔融狀態(tài)需要更高的溫度， 鐵基基體材料與鎳基基體材料相比對碳化鴒顆粒40具有更大的溶解 作用。由于基體材料構(gòu)成方面的變化，所述材料也變得更易受到泥漿 腐蝕和磨損，尤其是在鉆頭和鉆頭體的較低應(yīng)力表面區(qū)域上。因此， 本領(lǐng)域需要耐磨表面堆焊材料，其包括允許碳化鴒顆粒和基體材料之 間的溶解作用減到最小的基體材料。本領(lǐng)域還需要給顆?；w復(fù)合材 料鉆頭的表面施加這種耐磨表面堆焊材料的方法，以及包括這種顆粒基體復(fù)合材料的鉆頭和鉆具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種包括耐磨材料的旋轉(zhuǎn)鉆頭，所述耐磨材料可以 稱為"表面耐磨堆焊"材料，以增強(qiáng)鉆頭表面的耐磨性。
在本發(fā)明的實施例中，旋轉(zhuǎn)鉆頭包括鉆頭體，所述鉆頭體具有外 表面和布置在該鉆頭體外表面上的耐磨材料，所述耐磨材料包括具有 降低溶解作用的顆?；w復(fù)合材料。
本發(fā)明還提供了用于將耐磨材料施加到根據(jù)本發(fā)明實施例的鉆頭 表面上的方法。
在結(jié)合附圖和所附權(quán)利要求書閱讀本發(fā)明各個實施例的詳細(xì)說明 的情況下，本發(fā)明的其他優(yōu)點、特征和可選方面變得顯而易見。


盡管說明書末尾的權(quán)利要求特別指出和清楚主張了本發(fā)明的范 圍，但是在結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的下列說明的情況下，本發(fā)明的優(yōu)點
將變得易于確定，其中
圖1是包括切削元件的旋轉(zhuǎn)鉆頭的透視圖； 圖2是圖1所示鉆頭的切削元件的放大圖3是包括碳化鴒顆粒的耐磨材料的顯微放大圖，其中，所述碳 化鎢顆粒大體上隨機(jī)分布在基體材料中； 圖4是圖3所示碳化鎢顆粒的放大圖5是固定牙輪式旋轉(zhuǎn)鉆頭的側(cè)視圖，顯示了形成在鉆頭刀翼上 的大致縱向延伸的凹部，以容納位于其上的耐磨表面堆焊材料；
圖6是圖5所示鉆頭的一個刀翼的局部側(cè)視圖，顯示了所述刀翼 的各個部分；
圖7A是沿大致垂直于鉆頭縱向軸線的方向剖開的圖5所示鉆頭 刀翼的剖視圖，進(jìn)一步顯示了形成在刀翼上用于在內(nèi)部容納耐磨表面 堆焊材料的凹部；圖7B是與圖7A所示類似的圖5所示鉆頭刀翼的剖視圖，進(jìn)一步 顯示了布置在預(yù)先形成在刀翼上的凹部中的耐磨表面堆焊材料；
圖8是與圖5所示類似的另一個固定牙輪式旋轉(zhuǎn)鉆頭的側(cè)視圖， 顯示了形成在鉆頭刀翼上用于在內(nèi)部容納耐磨表面堆焊材料的大致周 向延伸的凹部；
圖9是與圖5和8所示類似的又一個固定牙輪式旋轉(zhuǎn)鉆頭的側(cè)視 圖，顯示了形成在鉆頭刀翼上用于在內(nèi)部容納耐磨表面堆焊材料的大 致縱向延伸的凹部和大致周向延伸的凹部；
圖IO是與圖7A和圖7B所示類似的剖視圖，顯示了通常圍繞設(shè) 置在旋轉(zhuǎn)鉆頭刀翼的地層接合表面上的耐磨硬合金齒的外周形成的凹 部，所述凹部用于在內(nèi)部容納耐磨表面堆焊材料；
圖11是固定在旋轉(zhuǎn)鉆頭刀翼上的切削元件的透視圖，顯示了通常 圍繞切削元件外周形成的用于在內(nèi)部容納耐磨表面堆焊材料的凹部；
圖12是沿大致垂直于切削元件縱向軸線的方向剖開的圖11所示 切削元件和刀翼的 一部分的剖視圖，進(jìn)一 步顯示了通常圍繞切削元件 外周形成的凹部；
圖13是沿大致平行于切削元件縱向軸線的方向剖開的圖ll所示 切削元件和刀翼的一部分的另一剖視圖，進(jìn)一步顯示了通常圍繞切削 元件外周形成的凹部；
圖14是圖ll所示切削元件和刀翼的透視圖，進(jìn)一步顯示了布置 在圍繞切削元件外周設(shè)置的凹部中的耐磨表面堆焊材料；
圖15是與圖12所示類似的切削元件和刀翼的剖視圖，進(jìn)一步顯 示了設(shè)置在圍繞切削元件外周的凹部中的耐磨表面堆焊材料；
圖16是與圖13所示類似的切削元件和刀翼的剖視圖，進(jìn)一步顯 示了設(shè)置在圍繞切削元件外周形成的凹部中的耐磨表面堆焊材料；
圖17是與圖16所示類似的切削元件和刀翼的透視圖，進(jìn)一步體 現(xiàn)了本發(fā)明的教導(dǎo)；
圖18是沿剖面線18-18剖開的圖17所示切削元件的橫向剖視圖19是沿剖面線19-19剖開的圖17所示切削元件的縱向剖視圖；圖20是又一固定牙輪式旋轉(zhuǎn)鉆頭的端視圖，通常顯示了形成在鉆 頭刀翼的鼻部和錐部區(qū)域上的用于在內(nèi)部容納耐磨表面堆焊材料的凹
部；
圖21是耐磨材料的顯微放大圖，體現(xiàn)了本發(fā)明教導(dǎo)并且包括大體
上隨機(jī)分布在基體中的密集燒結(jié)碳化物球粒和碳化物顆粒；
圖22是圖21所示密集燒結(jié)碳化物球粒的放大圖；和 圖23A-23B顯示了耐磨表面堆焊材料的顯微放大圖，體現(xiàn)了本發(fā) 明的教導(dǎo)并且包括大體上隨機(jī)分布在基體中的密集燒結(jié)碳化物顆粒。
具體實施例方式
這里顯示的附圖在有些情況下不是任何特定鉆頭，鉆頭的切削元 件、表面耐磨堆焊材料或其它特征的真實視圖，只是用于描述本發(fā)明 的理想視圖。另外，為方便起見，不同附圖中的相似元件和特征用相 同或相似的參考數(shù)字表示。
可以使用本發(fā)明的實施例增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆頭，尤其是具有耐磨表面堆 焊材料的旋轉(zhuǎn)鉆頭的耐磨性，所述耐磨表面堆焊材料施加到旋轉(zhuǎn)鉆頭 的低應(yīng)力表面部分上。圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的旋轉(zhuǎn)鉆頭140。 鉆頭140包括鉆頭體112，所述鉆頭體具有由排屑槽116隔開的通常 徑向突出且縱向延伸的翼部或刀翼114。如圖6所示，每個刀翼114 可以包括錐部區(qū)域150、鼻部區(qū)域152、側(cè)翼區(qū)域154、肩部區(qū)域156 和保徑區(qū)域158 (側(cè)翼區(qū)域154和肩部區(qū)域156在本領(lǐng)域統(tǒng)稱為刀翼 的"側(cè)翼"或"肩部")。在一些實施例中，刀翼114可以不包括錐部區(qū) 域150。這些區(qū)域中的每一個包括最外側(cè)表面，其構(gòu)造為在鉆鑿期間 與圍繞鉆孔的地下地層相接合。錐部區(qū)域150、鼻部區(qū)域152和側(cè)翼 區(qū)域154構(gòu)造和定位成與位于鉆孔底部的地層表面接合并支撐通過鉆 柱施加的大部分"鉆壓"(WOB)。這些區(qū)域承載安裝在位于刀翼114 的表面120上的凹窩122中的大部分切削元件118，其用于切削或刮 削位于井孔底部的下伏地層。肩部區(qū)域156構(gòu)造和定位成橋接鉆孔底 部及其壁部之間的過渡區(qū)域，保徑區(qū)域158構(gòu)造和定位成與鉆孔橫向
13側(cè)面上的地層表面相接合。
當(dāng)?shù)兑?14的各個區(qū)域的地層接合表面在施加WOB和旋轉(zhuǎn)期間 抵靠地層滑動和刮削以鉆鑿地層，刀翼114在其地層接合表面處的材 料易于磨損。刀翼114在地層接合表面處的材料磨損會導(dǎo)致切削元件 損耗和/或鉆頭失穩(wěn)(例如，鉆頭渦動)，其進(jìn)一步導(dǎo)致鉆頭140突然 失效。
在減少刀翼114在地層接合表面處的材料磨損的嘗試中，在刀翼 114的這些表面上和/或中設(shè)置各種耐磨結(jié)構(gòu)和材料。舉例來說，由例 如碳化鴒的耐磨材料形成的諸如磨塊、柱塊和抗磨結(jié)的硬合金齒插入 刀翼114的地層接合表面中。
如圖5所示，多個耐磨硬合金齒126 (每個耐磨硬合金齒可以包 括例如碳化鵠磨塊)可以在位于保徑區(qū)域158中的刀翼114的地層接 合表面121處插入刀翼114中。在附加實施例中，刀翼114可以包括 位于刀翼114的其它區(qū)域的地層接合表面上或中的耐磨結(jié)構(gòu)，所述其 它區(qū)域包括如參照圖6所述的錐部區(qū)域150、鼻部區(qū)域152、側(cè)翼區(qū)域 154和肩部區(qū)域156。舉例來說，耐磨硬合金齒可以i殳置在位于一個或 多個切削元件118旋轉(zhuǎn)后方的刀翼錐部區(qū)域150和/或鼻部區(qū)域152的 地層接合表面上或中。
耐磨表面堆焊材料(即，表面耐磨堆焊材料)還可以施加在位于 刀翼114的地層接合表面上的選定位置處，尤其是例如切削元件118 的切削表面之后不直接經(jīng)受極大作用力和應(yīng)力的低應(yīng)力表面部分。舉 例來說，可以使用用于施加氧乙炔焊接(OAW)的焊槍或電弧焊機(jī)至 少部分地熔化耐磨表面堆焊材料以有助于耐磨表面堆焊材料施加到刀 翼114的表面上。下文描述了耐磨表面堆焊材料(即表面耐磨堆焊材 料)施加到鉆頭體112上。
繼續(xù)參考圖5，可以在刀翼114中形成用于在內(nèi)部容納耐磨表面 堆焊材料的凹部142。作為實例并且非限制性的，凹部142可以沿著 刀翼114大致縱向延伸，如圖5所示?？梢匝刂傻兑?14的地層接 合表面121和旋轉(zhuǎn)前緣面146之間的交接部界定的邊緣形成或以其他方式設(shè)置縱向延伸凹部142。另外，可以沿著由刀翼114的地層接合 表面121和旋轉(zhuǎn)后緣面148之間的交接部界定的邊緣形成或以其他方 式設(shè)置縱向延伸凹部142。 一個或多個凹部142可以沿著刀翼114與 一個或多個耐磨硬合金齒126相鄰地延伸?？梢詉人識到，耐磨表面堆 焊材料可以直接施加到有或沒有如圖所示凹部142的鉆頭體112的低 應(yīng)力表面部分上。
圖7A是沿著剖面線7A-7A剖開的圖5所示刀翼114的剖視圖。 如圖7A所示，凹部142可以具有大致半圓形橫截面形狀。然而，本 發(fā)明不限于此，在附加實施例中，凹部142可以具有大致三角形、大 致矩形(例如，正方形)、或任意其它形狀。
凹部142形成或以其他方式設(shè)置在刀翼114中的方式取決于制造 刀翼114的材料。舉例來說，如果刀翼114包括硬質(zhì)合金或其它顆粒 基體復(fù)合材料，如下所述，凹部142可以利用例如傳統(tǒng)銑床或其它傳 統(tǒng)機(jī)加工工具(包括手持式機(jī)加工工具)形成在刀翼114中。選擇性 地，凹部142可以在刀翼114形成期間設(shè)置在刀翼114中。然而，本 發(fā)明不限于凹部142形成在鉆頭140的鉆頭體112的刀翼114中的方 式，可以使用在特定鉆頭中形成凹部142的任何方法提供體現(xiàn)本發(fā)明 教導(dǎo)的鉆頭。
如圖7B所示，耐磨表面堆焊材料160可以設(shè)置在凹部142中。 在一些實施例中，設(shè)置在凹部142中的耐磨表面堆焊材料160的暴露 外表面可以與刀翼114的相鄰暴露外表面大體上共同延伸。換句話說， 耐磨表面堆焊材料160可以不從刀翼114的表面顯著伸出。在這個構(gòu) 造中，在用耐磨表面堆焊材料160充滿凹部142之后的刀翼114的外 表面的形貌特征可以與形成凹部142之前的刀翼114的外表面的形貌 特征大體上相似。描述另一個方法，耐磨表面堆焊材料160的暴露表 面可以沿著刀翼114與耐磨表面堆焊材料160相鄰的區(qū)域大致垂直的 方向與刀翼114鄰近耐磨表面堆焊材料160的表面大體上平齊或齊平。 通過大體上保持刀翼114的外表面的原始形貌特征，施加到刀翼114114上。相反地，當(dāng)耐磨表面堆焊材料160從刀翼114的外表面伸出 時，隨著地層接合耐磨表面堆焊材料160的這些突出部分，可以在緊 鄰耐磨表面堆焊材料160的突出部分的區(qū)域內(nèi)的刀翼中產(chǎn)生增大的局 部應(yīng)力。這些增大的局部應(yīng)力的大小通常與突出部分從刀翼114的表 面沿朝向被鉆地層的方向伸出的距離成正比。因此，通過將耐磨表面 堆焊材料160的暴露外表面構(gòu)造為與形成凹部142時去除的刀翼114 的暴露外表面相匹配，可以減少或消除這些增大的局部應(yīng)力，這還有 助于減少鉆頭140的磨損和延長鉆頭140的使用壽命。
在本發(fā)明的其它實施例中可以認(rèn)識到，表面耐磨堆焊材料可以在 不產(chǎn)生凹部142的情況下有選擇地直接施加到鉆頭體112的表面120 上，同時仍然提高鉆頭體表面的耐磨性。
圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的另一個旋轉(zhuǎn)鉆頭170。鉆頭170 通常與先前參照圖5描述的鉆頭140類似，并且包括由排屑槽116隔 開的多個刀翼114。多個耐磨硬合金齒126插入位于鉆頭體112的保 徑區(qū)域158中的每個刀翼114的地層接合表面121內(nèi)。鉆頭170還包 括多個凹部172，所述凹部與每個刀翼114包括多個耐磨石更合金齒126 的區(qū)域相鄰地形成。凹部172通常與先前參照圖5、 6和7描述的凹部 142類似。然而，位于鉆頭表面120內(nèi)的凹部172圍繞鉆頭170沿與 鉆頭170在鉆鑿期間的旋轉(zhuǎn)方向大致平行的方向大致周向延伸。
圖9顯示了體現(xiàn)本發(fā)明教導(dǎo)的又一鉆頭180。鉆頭180通常與鉆 頭140和鉆頭170類似，并且包括多個刀翼114、排屑槽116和耐磨 硬合金齒126,所述耐磨硬合金齒插入位于刀翼保徑區(qū)域158內(nèi)的每 個刀翼114的地層接合表面121內(nèi)。然而，鉆頭180包括如同鉆頭140 的大致縱向延伸凹部142和如同鉆頭170的大致周向延伸凹部172。 在這個構(gòu)造中，每個耐磨硬合金齒126的外周大體上由充滿耐磨表面 堆焊材料160 (圖7)的凹部142、 172圍繞，通常直到刀翼114的暴 露外表面。通過大體上圍繞包括多個耐磨硬合金齒126的刀翼114的 每個區(qū)域的外周，可以減少或消除與多個耐磨硬合金齒126的高應(yīng)力 部分相鄰的刀翼114的低應(yīng)力部分中的材料磨損，這可以防止在鉆鑿期間一個或多個耐磨硬合金齒126的損耗。
在圖9所示實施例中，刀翼114包括多個耐磨硬合金齒126的區(qū) 域在外周大體上由充滿耐磨表面堆焊材料160 (圖7A)的凹部142、 172圍繞。在附加實施例中，鉆頭的一個或多個耐磨硬合金齒在外周 大體上分別由充滿耐磨表面堆焊材料的凹部圍繞。
圖IO是根據(jù)本發(fā)明實施例的另一鉆頭的刀翼114的剖視圖。該剖 視圖與圖7A-7B所示剖視圖類似。然而，圖10所示刀翼114包括耐 磨硬合金齒126,所述耐磨硬合金齒在外周大體上分別由充滿耐磨表 面堆焊材料160的凹部182圍繞。凹部182可以與先前所述凹部142、 172大體上類似，并且可以充滿耐磨表面堆焊材料160。在這個構(gòu)造中， 硬合金齒126的暴露外表面、耐磨表面堆焊材料160和刀翼114與耐 磨表面堆悍材料160相鄰的區(qū)域通常為同延的和平面的，以減少或消 除由從刀翼114通常朝向被鉆地層伸出的任何耐磨表面堆焊材料160 引起的應(yīng)力局部集中。
在附加實施例中，可以圍繞切削元件設(shè)置用于容納耐磨表面堆焊 材料的凹部。圖11是一個切削元件118的透視圖，所述切削元件固定 在位于與每個前述鉆頭相似的鉆頭的刀翼114上的切削件凹窩122內(nèi)。 如圖11-13所示，凹部190可以形成在大體上在外周圍繞切削元件118 的刀翼114上。如圖12-13所示，凹部190可以具有大體三角形的沖黃 截面形狀，但是，在附加實施例中，凹部190可以具有任何其他形狀。 切削元件118可以利用粘接材料124固定在切削件凹窩122內(nèi)，例如， 粘合劑或釬焊合金可以設(shè)置在接合面處并用于將切削元件118固定和 附接到刀翼114上。
圖14-16分別與圖11-13大體上類似，但進(jìn)一步顯示了布置在圍 繞切削元件118設(shè)置的凹部114中的耐磨表面堆焊材料160。耐磨表 面堆焊材料160的暴露外表面和刀翼114與耐磨表面堆焊材料160相 鄰的區(qū)域通?？梢詾橥拥摹４送?，耐磨表面堆焊材料160可以構(gòu)造 為不延伸穿過刀翼114的相鄰表面，從而減少或消除由從刀翼114通 常朝向被鉆地層伸出的任何耐磨表面堆焊材料160引起的應(yīng)力局部集中。
另外，在這種構(gòu)造中，耐磨表面堆焊材料160可以覆蓋和保護(hù)用 于將切削元件118固定在切削件凹窩122內(nèi)的一部分粘接材料124， 可以使粘接材料124在鉆鑿期間免受磨損。通過使粘接材料124在鉆 鑿期間免受磨損，耐磨表面堆焊材料160可以有助于防止切削元件118 與刀翼114分離、對鉆頭體造成損壞和鉆頭的突然失效。
此外，可以認(rèn)識到，示意性地顯示了切削元件118，其中，耐磨 表面堆焊材料160布置在圍繞切削元件116的凹部114中。對于更易 受溫度偏差和高溫影響的切削元件118的材料來說，耐磨表面堆焊材 料160可以在將切削元件114粘結(jié)到切削件凹窩122中之前施加到凹 部114內(nèi)，可能需要例如磨削耐磨表面堆焊材料160以便預(yù)先形成用 于可定位容納切削元件114的切削件凹窩122。同樣，耐磨表面堆焊 材料160可以在將切削元件114粘接到切削件凹窩122中期間或之后 施加到凹部114內(nèi)。例如，當(dāng)切削元件116的切削臺，即聚晶金剛石 復(fù)合臺不易受到施加耐磨表面堆焊材料160期間的溫度轉(zhuǎn)變影響或者 切削臺布置在凹部114前方以便在施加到凹部114中期間不直接接觸 耐磨表面堆焊材料時，可以在不損壞切削元件的情況下實現(xiàn)將耐磨表 面堆焊材料160施加到圍繞切削元件114布置的凹部116中。
圖17-19分別與圖11-13大體上類似，但進(jìn)一步顯示了布置在將 切削元件118固定到旋轉(zhuǎn)鉆頭140上的粘接材料124上的耐磨表面堆 焊材料160。旋轉(zhuǎn)鉆頭140在結(jié)構(gòu)上類似于圖l所示的旋轉(zhuǎn)鉆頭10， 并且包括多個切削元件118,所述切削元件定位并固定于設(shè)置在鉆頭 體112的外表面上的凹窩內(nèi)。如圖17所示，每個切削元件118可以沿 其與鉆頭體U2之間的接合面固定到鉆頭140的鉆頭體112上。例如 粘合劑或釬焊合金的粘接材料124可以布置在接合面處，并用于將每 個切削元件118固定和附接到鉆頭體112上。粘接材料124不如鉆頭 體112和切削元件118的材料耐磨損。每個切削元件118可以包括沿 接合面附接和固定到切削元件主體或基底123上的聚晶金剛石復(fù)合臺 128。旋轉(zhuǎn)鉆頭140還包括布置在鉆頭140的表面上的耐磨材料160。 此外，耐磨材料160的區(qū)域可以構(gòu)造為保護(hù)粘接材料124的暴露表面。
圖18是沿剖面線18-18剖開的圖17所示切削元件118的橫向剖 視圖。如圖18所示，耐磨材料160的連續(xù)部分可以粘接到鉆頭體112 的外表面區(qū)域和切削元件118的基底123的側(cè)表面上，并且每個連續(xù) 部分可以在鉆頭體112和切削元件118的基底123的側(cè)表面之間的至 少一部分接合面上延伸。
圖19是沿剖面線19-19剖開的圖17所示切削元件118的縱向剖 視圖。如圖19所示，耐磨材料160的另一連續(xù)部分可以粘接到鉆頭體 112的外表面區(qū)域和切削元件118的基底123的側(cè)表面上，并且可以 在鉆頭體112和與聚晶金剛石復(fù)合臺128相對的切削元件118的縱向 端面之間的至少一部分接合面上延伸。在鉆頭體112的外表面區(qū)域和 切削元件118的基底123的側(cè)表面上施加耐磨材料160給粘接材料124 提供了耐磨損保護(hù)。另外，基底123可以足以耗散和經(jīng)受在給其施加 耐磨材料160期間產(chǎn)生的熱量，允許聚晶金剛石復(fù)合臺128免受加熱 引起的破裂和石墨化影響。
在這種構(gòu)造中，耐磨材料160的連續(xù)部分可以覆蓋布置于切削元 件118和鉆頭體112之間的至少一部分粘接材料124并防止其在鉆鑿 操作期間磨損。通過防止粘接材料124在鉆井搮作中受到磨損，耐磨 材料160有助于防止切削元件118和鉆頭體112在鉆井操作期間分離， 損壞鉆頭體112以及旋轉(zhuǎn)鉆頭140突然失效。
覆蓋和保護(hù)粘接材料124的暴露表面的耐磨材料160的連續(xù)部分 可以構(gòu)造為沿著鉆頭體112和切削元件118的接合面邊緣并于其上設(shè) 置的耐磨材料160制成的凸緣。耐磨材料160提供了增強(qiáng)粘接材料124 的耐磨性以有助于防止切削元件118在鉆井操作期間損壞的有效方 法。
圖20是根據(jù)本發(fā)明實施例的又一旋轉(zhuǎn)鉆頭200的端視圖。如圖 20所示，在本發(fā)明的一些實施例中，凹部202可以i殳置在切削元件118 之間。例如，凹部202可以圍繞鉆頭(未顯示)的縱向軸線在定位于錐部區(qū)域150 (圖6)和/或鼻部區(qū)域152 (圖6)中的切削元件118之 間大致周向延伸。此外，如圖20所示，在本發(fā)明的一些實施例中，凹 部204可以設(shè)置在切削元件118的4t轉(zhuǎn)后方。例如，凹部204可以沿 著位于定位在錐部區(qū)域150 (圖6)和/或鼻部區(qū)域152 (圖6)中的一 個或多個切削元件118旋轉(zhuǎn)后方的刀翼114大致縱向延伸。在附加實 施例中，凹部204可以不是細(xì)長的，并且可以具有通常圓形或通常矩 形形狀。這種凹部204可以位于一個或多個切削元件118的旋轉(zhuǎn)正后 方，或者位于相鄰切削元件118的旋轉(zhuǎn)后方，但是位于相鄰切削元件 118之間的徑向位置(從鉆頭200的縱向軸向算起)。耐磨材料160 可以施加在凹部202、204中或者可以施加在暴露給旋轉(zhuǎn)鉆頭低應(yīng)力的 其他表面上，以便有助于減少尤其是由夾帶微粒的泥漿所造成的腐蝕 和磨損。
這里描述的耐磨表面堆焊材料可以包括例如陶磁金屬復(fù)合材料 (即，"金屬陶瓷"材料)，該陶磁金屬復(fù)合材料包括分布在整個金屬 基體材料中的多個硬陶瓷相區(qū)域或顆粒。硬陶瓷相區(qū)域或顆?？梢园?括碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B4C))。更具 體地，石更陶資相區(qū)域或顆?？梢园?舌由例如W、 Ti、 Mo、 Nb、 V、 Hf、 Ta、 Cr、 Zr、 Al和Si的元素組成的碳化物和硼化物。作為實例 并且非限制性的，可用于形成硬陶瓷相區(qū)域或顆粒的材料包括碳化鵠、 碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC) 、 二硼化鈦(TiB2)、碳化鉻、氮化 鈦(TiN )、氧化鋁(A1203 )、氮化鋁(A1N )和碳化硅(SiC )。陶 磁金屬復(fù)合材料的金屬基體材料可以包括例如鈷基、鐵基、鎳基、鐵 鎳基、鈷鎳基、鐵鈷基、鋁基、銅基、鎂基和鈦基合金。基體材料還 可以選擇商業(yè)純元素，例如，鈷、鋁、銅、鎂、鈦、鐵和鎳。
在本發(fā)明的實施例中，耐磨表面堆焊材料可以施加到鉆頭體或鉆 具主體上，并且包括如下文所述的材料。當(dāng)在此使用時，術(shù)語"鉆頭" 不僅包括傳統(tǒng)的鉆頭，還包括取芯鉆頭、雙中心鉆頭、偏心鉆頭、三 牙輪鉆頭和在鉆鑿井孔中使用的工具。
圖21顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例，尤其適合于將"表面耐磨堆焊"
20材料施加到具有顆?；w復(fù)合材料的鉆頭上的耐磨材料54的拋光和 腐蝕面。圖23A和23B是根據(jù)本發(fā)明實施例的耐磨材料的拋光和腐蝕 面的實際顯微放大圖。參考圖21，耐磨材料54包括大體上隨機(jī)分布 在基體材料60中的多個密集燒結(jié)碳化物球粒56和多個碳化物細(xì)粒 58。每個密集燒結(jié)碳化物球粒56可以具有通常球形球粒結(jié)構(gòu)。在此使 用的術(shù)語"球粒"表示具有通常球形形狀的任何顆粒。球粒不是真正的 球形，而是缺少通常在壓碎及其它非球形碳化鎢顆粒中發(fā)現(xiàn)的角、鋒 利邊緣和角狀突起。在此使用的術(shù)語"密集燒結(jié)碳化物球粒"，還稱作 "超密集顆粒"包括如美國專利公開文本No.2003/0000339中公開的燒 結(jié)顆粒等級。密集燒結(jié)碳化物球粒為大體上球形形狀并且具有大量閉 合空隙或沒有氣孔。制造這種球粒的方法使用具有局部多孔內(nèi)部結(jié)構(gòu) 的粉末材料，所述粉末材料導(dǎo)入熔爐并且在金屬粘接材料呈現(xiàn)糊狀的 溫度下燒結(jié)，同時施加壓力以減少原始材料的氣孔含量以獲得最終密 度。
本發(fā)明的這個實施例中的多個密集燒結(jié)碳化物球粒56是碳化鎢 材料，但是可以包括這里指出的其它材料。多個碳化物細(xì)粒58可以包 括碳化鴒或這里指出的其它材料。多個碳化物細(xì)粒58可以是或包括鑄 造碳化物球粒、碎鑄造碳化物、球形鑄造碳化物和球形燒結(jié)碳化物， 并且還可以包括其組合。多個碳化物細(xì)粒58還可以包括粗結(jié)晶碳化 物。
在本發(fā)明的至少一個實施例中，耐磨材料54可以包括多個密集燒 結(jié)碳化物球粒56，其大體上隨機(jī)分布在有或沒有如圖21所示碳化鴒 細(xì)粒58的基體材料60中。
在本發(fā)明的 一些實施例中，耐磨材料54可以包括大體上隨機(jī)分布 在基體材料60中的多個密集燒結(jié)碳化鎢球粒56、多個燒結(jié)碳化物細(xì) 粒58和多個球形鑄造碳化鴒球粒59。圖23A顯示了包括鎳基合金材 料的基體材料60。
在本發(fā)明的另外一些實施例中，耐磨材料 可以包括大體上隨機(jī) 分布在基體材料60中的多個密集燒結(jié)碳化鴒球粒56、多個碎鑄造碳化物細(xì)粒58和多個球形鑄造碳化鵠球粒59。圖23B顯示了包括鐵基 合金材料的基體材料60。
角、鋒利邊緣和角狀突起可以產(chǎn)生殘余應(yīng)力，其可能導(dǎo)致在耐磨 材料54施加到鉆頭表面上的時候，緊鄰殘余應(yīng)力的顆粒區(qū)域內(nèi)的碳化 鴒材料在較低溫度下熔化。碳化鴒材料在施加期間熔化或部分熔化會 有利于碳化鴒顆粒和周圍基體材料之間的溶解作用。如先前所討論的， 基體材料60和密集燒結(jié)碳化物球粒56以及碳化物細(xì)粒58之間的溶解 作用會使圍繞碳化鎢球粒56、 58的區(qū)域內(nèi)的基體材料60脆化，并且 尤其是當(dāng)基體材料為鐵基時降低表面耐磨堆焊材料的硬度，如圖23B 所示。這種溶解作用可以削弱耐磨材料54的整體物理性質(zhì)。使用密集 燒結(jié)碳化物球粒56 (可選擇地，碳化物細(xì)粒58和碳化物球粒59 )代 替包括角部、鋒利邊緣和角狀突起的傳統(tǒng)碳化鎢顆?？梢韵魅踹@種溶 解作用，在將耐磨材料54施加到鉆頭及其它工具表面上期間保持基體 材料60和密集燒結(jié)碳化物球粒56 (可選擇地，和碳化物細(xì)粒58)的 物理性能。
基體材料60可以占耐磨材料54的重量比的大約20%到大約 75%。更特別地，基體材料60可以占耐磨材料54的重量比的大約55% 到70%。多個密集燒結(jié)碳化物球粒56可以占耐磨材料54的重量比的 大約25%到70%。更特別地，多個密集燒結(jié)碳化物球粒56可以占耐 磨材料54的重量比的大約10%到大約45%。而且，多個鑄造碳化物 細(xì)粒58可以占耐磨材料54的重量比的大約35%以下。例如，基體材 料60可以占耐磨材料54的重量比的大約60%，多個密集燒結(jié)碳化物 球粒56可以占耐磨材料54的重量比的大約30%,多個碳化物細(xì)粒58 可以占耐磨材料54的重量比的大約10%。作為另一實例，基體材料 60可以占耐磨材料54的重量比的大約65%，多個密集燒結(jié)碳化物球 粒56可以占耐磨材料54的重量比的大約35%。
密集燒結(jié)碳化物球粒56可以包括-40/+80 ASTM目球粒。當(dāng)在此 使用時，短語"-40/+80 ASTM目球粒"是指能夠穿過ASTM No.40美 國標(biāo)準(zhǔn)試驗篩，但不能穿過ASTMNo.80美國標(biāo)準(zhǔn)試驗篩的球粒。這種密集燒結(jié)碳化物球?？梢跃哂行∮诖蠹s425微米且大于大約180微 米的平均直徑。密集燒結(jié)碳化物球粒56的平均直徑為碳化物細(xì)粒58 或球粒59的平均直徑的大約0.4倍到大約10倍。碳化物細(xì)粒58可以 包括-16 ASTM目細(xì)粒。當(dāng)在此使用時，短語"-16 ASTM目細(xì)粒"是指 能夠穿過ASTMNo.16美國標(biāo)準(zhǔn)試驗篩的細(xì)粒。更特別地，碳化物細(xì) 粒58可以包括-100ASTM目細(xì)粒。當(dāng)在此使用時，短語"-100ASTM 目細(xì)粒"是指能夠穿過ASTMNo.lOO美國標(biāo)準(zhǔn)試驗篩的細(xì)粒。這種鑄 造碳化物細(xì)粒具有小于大約150微米的平均直徑。
舉例來說，密集燒結(jié)碳化物球粒56可以包括-45/+70 ASTM目球 粒，鑄造碳化物細(xì)粒58可以包括-100/+325 ASTM目細(xì)粒。當(dāng)在此使 用時，短語"-45/+70 ASTM目球粒"是指能夠穿過ASTM No.45美國 標(biāo)準(zhǔn)試驗篩，但不能穿過ASTMNo.70美國標(biāo)準(zhǔn)試驗篩的球粒。這種 密集燒結(jié)碳化物球粒可以具有小于大約355微米且大于大約212微米 的平均直徑。而且，當(dāng)在此4吏用時，短語"-100/+325 ASTM目細(xì)粒" 是指能夠穿過ASTM No.lOO美國標(biāo)準(zhǔn)試驗篩，但不能穿過ASTM No.325美國標(biāo)準(zhǔn)試驗篩的細(xì)粒。這種碳化物細(xì)粒58可以具有大約45 微米到大約150微米的平均直徑。
作為另一實例，多個密集燒結(jié)碳化物球粒56可以包括多個 -60/+80ASTM目密集燒結(jié)碳化物球粒和多個-16Z+270ASTM目燒結(jié)碳 化鴒細(xì)粒。多個-60/+80 ASTM目密集燒結(jié)碳化物球粒可以占耐磨材料 54的重量比的大約10%到45%,多個-16/+270 ASTM目燒結(jié)碳化物 球?？梢哉寄湍ゲ牧?4的重量比的大約35%以下。當(dāng)在此使用時， 短語"-16/+270 ASTM目球粒"是指能夠穿過ASTM No.16美國標(biāo)準(zhǔn)試 驗篩，但不能穿過ASTM No.270美國標(biāo)準(zhǔn)試驗篩的球粒。這種密集 燒結(jié)碳化物球粒56可以具有大約180微米到大約250微米的平均直 徑。
作為又一實例，多個密集燒結(jié)碳化物球粒56可以包括多個 -40/+80ASTM目密集燒結(jié)碳化物球粒。多個-40/+80 ASTM目密集燒 結(jié)碳化物球粒可以占耐磨材料54的重量比的大約35%，基體材料60可以占耐磨材料54的重量比的大約65%。
在一個特定實施例中，僅僅舉例說明，耐磨材料54可以包括大約 40%重量比的基體材料60，大約48%重量比的-40/+80 ASTM目密集 燒結(jié)碳化物球粒56，和大約12%重量比的-140/+325 ASTM目碳化物 細(xì)粒58。當(dāng)在此使用時，短語"-40/+80 ASTM目球粒"是指能夠穿過 ASTM No.40美國標(biāo)準(zhǔn)試驗篩，但不能穿過ASTM No.80美國標(biāo)準(zhǔn)試 驗篩的球粒。類似地，短語"-140/+325 ASTM目碳化物細(xì)粒"是指能 夠穿過ASTMNo.140美國標(biāo)準(zhǔn)試驗篩，但不能穿過ASTMNo.325美 國標(biāo)準(zhǔn)試驗篩的碳化物細(xì)粒?；w材料60可以包括鎳基合金，其還可 以包括一種或多種例如鉻、硼和硅的添加元素?；w材料60還可以具 有低于大約IIO(TC的熔點，并且在洛氏硬度C標(biāo)下具有大約20到大 約55的硬度。更具體地，基體材料60在洛氏硬度C標(biāo)下具有大約35 到大約50的硬度。例如，基體材料60在洛氏硬度C標(biāo)下具有大約40 的硬度。
還可以使用除了碳化鴒之外的碳化物鑄造細(xì)粒和燒結(jié)球粒來提供 體現(xiàn)本發(fā)明教導(dǎo)的耐磨材料。其它這類碳化物包括但不限于碳化鉻、 碳化鉬、碳化鈮、碳化鉭、碳化鈦和碳化釩。
基體材料60可以包括熔點低于大約1100。C的金屬合金材料。而 且，多個密集燒結(jié)碳化物球粒56中的每個密集燒結(jié)碳化物球粒56可 以包括利用熔點高于大約1200。C的粘結(jié)合金(binder alloy)結(jié)合在一 起的多個碳化鵠顆粒。例如，粘結(jié)合金可以包括熔點低于大約1200°C 的鈷基金屬合金材料或鎳基合金材料。在這種構(gòu)造中，基體材料60 在將耐磨材料54施加到鉆具(例如，鉆頭)表面上的時候大體上熔化， 但碳化物細(xì)粒58、或粘結(jié)合金或密集燒結(jié)碳化物球粒56的碳化鴒顆 粒大體上不熔化。這能夠使耐磨材料54在較低溫度下施加到鉆具表面 上，從而使密集燒結(jié)碳化物球粒56和基體材料60以及碳化物細(xì)粒58 和基體材料60之間的溶解作用減到最小。
如先前所討論的，將基體材料60與密集燒結(jié)碳化物球粒56以及 碳化物細(xì)粒58之間的原子擴(kuò)散減到最小有助于在將耐磨材料54施加
24到鉆頭及其它鉆具表面上的時候保持基體材料60、密集燒結(jié)碳化物球 粒56和碳化物細(xì)粒58的化學(xué)成分和物理性質(zhì)。
基體材料60還可以包括較少數(shù)量的其它元素，例如碳、鉻、硅、 硼、鐵和鎳。而且，基體材料60還可以包括例如硅錳合金的助熔劑、 例如鈮的合金元素、以及例如聚合物材料的結(jié)合劑。
圖22是圖21所示密集燒結(jié)碳化物球粒56的放大圖。密集燒結(jié)碳 化物球粒56的硬度在所有球粒中大體上相同。例如，密集燒結(jié)碳化物 球粒56可以包括密集燒結(jié)碳化物球粒56的外周或外部區(qū)域57。外部 區(qū)域57可以粗略地包括位于假想線64以外的密集燒結(jié)碳化物球粒56 的區(qū)域。密集燒結(jié)碳化物球粒56在由假想線64包圍的球粒的中心區(qū) 域具有第一平均硬度，在位于假想線64以外的球粒的外周區(qū)域57內(nèi) 的部位具有第二平均硬度。密集燒結(jié)碳化物球粒56的第二平均硬度可 以高于密集燒結(jié)碳化物球粒56的第一平均硬度的大約99%。舉例來 說，第一平均硬度在洛氏硬度A標(biāo)下為大約90到92，第二平均硬度 在洛氏硬度A標(biāo)下對于鎳基基體材料來說為大約90，在洛氏硬度A 標(biāo)下對于鐵基基體材料來說為大約86。
密集燒結(jié)碳化物球粒56相對于碳化物細(xì)粒58而言具有較高的抗 裂韌性，而碳化物細(xì)粒58相對于密集燒結(jié)碳化物球粒56而言具有較 高的硬度。通過使用此處描述的基體材料60，在將耐磨材料54施加 到鉆頭或其它鉆具上時，在耐磨材料54中可以保持密集燒結(jié)碳化物球 粒56的抗裂韌性和碳化物細(xì)粒58的硬度，從而提供相對于本領(lǐng)域已 知耐磨材料性能提高的耐磨材料54。
根據(jù)本發(fā)明實施例的耐磨材料(例如圖21-22所示的耐磨材料54 ) 可以施加給旋轉(zhuǎn)鉆頭(例如圖1所示旋轉(zhuǎn)鉆頭10)、滾動切削鉆頭(通 常稱作"牙輪鉆頭")、以及經(jīng)受磨損的其它鉆具(例如隨鉆擴(kuò)眼工具 及可擴(kuò)張的擴(kuò)眼器刀翼)的表面上的選定區(qū)域，所有這些及其它設(shè)備 包括在先前所述的術(shù)語"鉆頭"的范圍內(nèi)。
鉆頭表面上的某些位置可能需要較高硬度，而鉆頭表面上的其它 位置可能需要較高的抗裂韌性?？梢杂羞x擇地改變基體材料60、多個密集燒結(jié)碳化物球粒56和(可選擇的)多個碳化物細(xì)粒58的相對重 量百分比，從而提供具有適合于特定工具或工具表面上特定區(qū)域的物 理性質(zhì)的耐磨材料54。
除了施加到經(jīng)受磨損的鉆頭和鉆具的表面上之外，可以使用根據(jù) 本發(fā)明實施例的耐磨材料以保護(hù)更易受到磨損的鉆頭和鉆具的結(jié)構(gòu)特 征或材料，包括上面提到的實例。
耐磨材料54可用于覆蓋和保護(hù)鉆頭或其它鉆具的任意兩個結(jié)構(gòu) 或特征之間的接合面。例如，鉆頭體和抗磨結(jié)或鉆頭體中的各種硬合 金齒的外周之間的接合面。另外，耐磨材料54不限于在結(jié)構(gòu)或特征之 間的接合面處使用，而是可以在位于經(jīng)受磨損的鉆頭或鉆具的任何表 面上的任何位置處使用，例如但不限于位于圍繞噴嘴出口、位于排屑 槽116內(nèi)、以及位于切削件118之間的鉆頭體的表面上。
根據(jù)本發(fā)明實施例的耐磨材料(例如耐磨材料54)可以利用本領(lǐng) 域已知方法的變形施加到鉆頭或鉆具的選定表面上。例如，根據(jù)本發(fā) 明實施例的使用前耐磨材料可以焊條形式提供。焊條可以包括由耐磨 材料54構(gòu)成的固態(tài)的鑄造或擠壓棒材?？蛇x地，焊條可以包括由基體 材料60制成并充滿多個密集燒結(jié)碳化物球粒56和多個碳化物細(xì)粒58 的中空圓柱形管?？梢允褂肙AW焊槍或任何其他類型的氣體燃料焊 槍將焊條的至少一部分加熱到高于基體材料60的熔點的溫度。這可以 使發(fā)生于基體材料60和密集燒結(jié)碳化物球粒56及碳化物細(xì)粒58之間 的原子擴(kuò)散程度減到最小。
發(fā)生于基體材料60和密集燒結(jié)碳化物球粒56以及碳化物細(xì)粒58 之間的溶解速率至少部分地與發(fā)生溶解的溫度相關(guān)。因此，溶解作用
兩者相關(guān)。因此，可以通過使用良好的熱管理控制手段控制發(fā)生于基 體材料60和密集燒結(jié)碳化物球粒56以及碳化物細(xì)粒58之間的溶解作 用的程度。
OAW焊槍能夠?qū)⒉牧霞訜岬匠^1200。C的溫度。有利地是僅僅 在將耐磨材料54施加到表面上之前，使將要施加耐磨材料54的鉆頭或鉆具的表面略微熔化。例如，可以使OAW焊槍非常接近鉆頭和鉆 具的表面，并且使該表面加熱到足夠高的溫度以略微熔化或"熔解"所 述表面。包括使用前耐磨材料的焊條隨后可以非常接近所述表面，并 且焊槍和焊條之間的距離可以調(diào)節(jié)至將至少一部分焊條加熱到高于基 體材料60的熔點的溫度，從而使基體材料60熔化。熔化的基體材料 60、至少一部分密集燒結(jié)碳化物球粒56和至少一部分碳化物細(xì)粒58 可以施加到鉆頭的表面上，并且熔化的基體材料60可以通過控制冷卻 而凝固?？梢钥刂评鋮s速率來控制耐磨材料54的微觀結(jié)構(gòu)和物理性 質(zhì)。
可選地，耐磨材料54可以利用諸如等離子轉(zhuǎn)移弧焊接方法的電弧 焊方法施加到鉆頭或鉆具的表面上。例如，基體材料60可以粉末(基 體材料60的小顆粒)形式提供。多個密集燒結(jié)碳化物球粒56和多個 碳化物細(xì)粒58可以與粉末狀基體材料60混合，從而提供粉末混合物 形式的使用前耐磨材料。隨后可以使用等離子轉(zhuǎn)移弧焊機(jī)將使用前耐 磨材料的至少一部分加熱到高于基體材料60的熔點且低于大約 1200。C的溫度，從而4吏基體材料60熔化。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以使用所有電弧方法(無論連續(xù)電弧還 是脈沖電弧)。例如金屬惰性氣體(MIG)電弧焊方法、鎢極隋性氣 體(TIG)電弧焊方法和火焰噴焊方法的其它焊接方法在本領(lǐng)域中已 知，并且可用于將耐磨材料54施加到鉆頭或鉆具的表面上。其它方法 可以包括等離子轉(zhuǎn)移弧(PTA)和埋弧。電弧方法可以包括通過粉末、 電線或管進(jìn)給機(jī)構(gòu)施加。由于施加耐磨材料54的上述電弧方法僅僅是 舉例說明性質(zhì)，因此不限于這里提出的方法。
耐磨材料(即，表面耐磨堆焊)適合于施加在由鋼材、顆?；w 復(fù)合材料或所謂"硬質(zhì)合金"材料制成的鉆頭體上。提交于2005年11 月10日、名稱為"鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭和制造具有顆?；w復(fù)合鉆頭體的鉆 地旋轉(zhuǎn)鉆頭的方法"的美國申請序列號11/272,439中公開了用于鉆頭 體的顆?；w復(fù)合材料。
27是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)考慮和認(rèn)識到本發(fā)明不限于此。相反， 在不脫離如下文要求保護(hù)的本發(fā)明范圍的情況下，可以對優(yōu)選實施例 進(jìn)行多種增加、刪除和改變。另外， 一個實施例的特征可以與另一個 實施例的特征結(jié)合，但仍然處于由本發(fā)明人考慮的發(fā)明范圍內(nèi)。另外， 本發(fā)明在具有不同和各種鉆頭外形及切削元件類型的鉆頭和取芯鉆頭 中具有實用性。
權(quán)利要求
1.一種包括具有使用前比率的下列材料的耐磨材料基體材料，所述基體材料占耐磨材料重量比的大約20％到大約75％，和大體上隨機(jī)散布在所述基體材料中的多個-40/+80ASTM目密集燒結(jié)碳化物球粒，所述多個密集燒結(jié)碳化物球粒占耐磨材料重量比的大約25％到大約70％。
2. 如權(quán)利要求1所述的耐磨材料，其中，所述基體材料包括至少 75%重量比的鎳并且具有低于大約110(TC的熔點；并且其中，每個密 集燒結(jié)碳化物球粒包括利用粘結(jié)合金結(jié)合在一起的多個密集燒結(jié)碳化 鴒顆粒，所述粘結(jié)合金具有高于大約1200。C的熔點。
3. 如權(quán)利要求1所述的耐磨材料，還包括大體上隨機(jī)散布在基體 材料中的多個-16 ASTM目碳化物細(xì)粒，所述多個碳化物細(xì)粒占所述 耐磨材料重量比的大約35%以下。
4. 如權(quán)利要求3所述的耐磨材料，其中，所述多個-40/+80 ASTM 目密集燒結(jié)碳化物球粒包括多個-45/+70 ASTM目密集燒結(jié)碳化物球 粒，并且其中，所述多個-16 ASTM目碳化物細(xì)粒包括多個-100/+325 ASTM目鑄造》友化鴒球粒。
5. 如權(quán)利要求3所述的耐磨材料，其中，所述多個-40/+80 ASTM 目密集燒結(jié)碳化物球粒包括多個-60/+80 ASTM目密集燒結(jié)碳化物球 粒，并且其中，所述多個-16 ASTM目石友化物細(xì)粒包括多個-140/+325 ASTM目石友化物球粒和多個-16 ASTM目球形燒結(jié)石灰化物球粒，所述 多個-60/+80 ASTM目密集燒結(jié)碳化物球粒占所述耐磨材料重量比的 大約25%到大約35%,所述多個-140/+325 ASTM目碳化物球粒和多 個-16 ASTM目球形燒結(jié)碳化物球粒占所述耐磨材料重 量比的大約 10%到大約15%。
6. 如權(quán)利要求1所述的耐磨材料，其中，所述耐磨材料中的每個 密集燒結(jié)碳化物球粒在球粒中心區(qū)域中具有第 一 平均硬度，在球粒周邊區(qū)域中具有第二硬度，所述第二硬度大于所述第一硬度的大約99%。
7. 如權(quán)利要求6所述的耐磨材料，其中，所述第一硬度和第二硬 度在洛氏硬度A標(biāo)下高于大約89。
8. 如權(quán)利要求1所述的耐磨材料，其中，所述多個-40/+80 ASTM 目密集燒結(jié)碳化物球粒包括多個-45/+70 ASTM目密集燒結(jié)碳化鴒球 粒和多個-60/+80 ASTM目密集燒結(jié)碳化鴒球粒中的至少之一。
9. 如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的耐磨材料，其固定到用于鉆 鑿至少一個地下地層的旋轉(zhuǎn)鉆頭上，所述旋轉(zhuǎn)鉆頭還包括大體上由包 括鋼材、顆?；w復(fù)合材料和燒結(jié)基體材料之一的材料制成的鉆頭體， 所述鉆頭體具有外表面，其中，所述耐磨材料布置在所述鉆頭體外表 面的至少一部分上。
10. 如權(quán)利要求9所述的耐磨材料，其中，所述旋轉(zhuǎn)鉆頭還包括至 少一個凹部，所述凹部從包括布置在內(nèi)部的耐磨材料的外表面延伸到 鉆頭體中，沿與鄰近所述耐磨材料的鉆頭體外表面大致垂直的方向觀 察，所述耐磨材料的暴露表面與鄰近所述耐磨材料的鉆頭體外表面大 體上平齊。
11. 如權(quán)利要求9所述的耐磨材料，其中，所述旋轉(zhuǎn)鉆頭還包括沿 接合面固定到所述鉆頭體上的至少一個切削元件；布置在所述鉆頭體 和位于所述接合面處的所述至少 一個切削元件之間的釬焊合金，所述 耐磨材料的至少連續(xù)部分粘接到所述鉆頭體的外表面和所述至少一個 切削元件的表面上，在所述鉆頭體和所述至少一個切削元件之間的接 合面上延伸并且覆蓋所述釬焊合金的至少一部分。
12. 如權(quán)利要求11所述的耐磨材料，其中，所述旋轉(zhuǎn)鉆頭的鉆頭 體還包括位于所述鉆頭體外表面上的凹窩，所述至少 一個切削元件的 至少一部分布置在所述凹窩內(nèi)，所述接合面沿著所述鉆頭體和所述至 少一個切削元件的鄰接面延伸，并且其中，所述鉆頭體還包括形成在 所述鉆頭體外表面上與所述接合面相鄰的至少一個凹部，所述耐磨材 料的至少一部分布置在所述至少一個凹部內(nèi)。
13. —種用于將耐磨材料施加到鉆頭表面上的方法，所述方法包括提供鉆頭，所述鉆頭具有由包括鋼材、顆粒基體復(fù)合材料和燒結(jié) 基體材料之一的材料制成的鉆頭體，所述鉆頭體具有外表面；使多個-40/+80 ASTM目密集燒結(jié)碳化物球?；旌显诨w材料中 以提供使用前耐磨材料，所述基體材料占所述使用前耐磨材料重量比 的大約20%到大約75%,所述多個密集燒結(jié)碳化物球粒占所述使用前 耐磨材料重量比的大約25%到大約70%;加熱所述基體材料，包括將所述使用前耐磨材料的至少一部分加熱到高于所述基體材料熔點的溫度以使所述基體材料熔化；將熔化的基體材料和至少一部分密集燒結(jié)碳化物球粒施加到所述鉆頭體外表面的至少一部分上；和 凝固熔化的基體材料。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，將多個-40/+80 ASTM目密 集燒結(jié)碳化物球?；旌显诨w材料以提供使用前耐磨材料還包括使多 個-40/+80 ASTM目密集燒結(jié)碳化物球粒和多個-16 ASTM目碳化物細(xì) ?；旌显诨w材料中以提供使用前耐磨材料，所述多個鑄造碳化鴒細(xì) 粒占所述使用前耐磨材料重量比的大約35%以下。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，將多個-40/+80 ASTM目密 集燒結(jié)碳化物球?；旌显诨w材料中以提供使用前耐磨材料包括提供 具有至少75%重量比的鎳并且熔點小于大約1100。C的基體材料；并且 其中，每個密集燒結(jié)碳化物球粒包括利用粘結(jié)合金結(jié)合在一起的多個 密集燒結(jié)碳化物顆粒，所述粘結(jié)合金具有高于大約120(TC的熔點。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，還包括i殳置至少一個凹部，所述 凹部延伸到鉆頭的鉆頭體外表面；將所述熔化的基體材料施加到所述 至少一個凹部中；和沿著與鄰近所述耐磨材料的鉆頭體外表面大致垂 直的方向，使所述熔化基體材料的表面與鄰近所述耐磨材料的鉆頭體 外表面大體上平齊。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述鉆頭體包括多個刀翼，并且還包括使所述至少一個凹部中的至少之一延伸到所述多個刀翼中 一個刀翼的低應(yīng)力表面部分中，并且使所述至少一個凹部沿著由包括 所述鉆頭體外表面的一部分的兩個表面之間的接合面界定的邊緣延 伸。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，還包括將至少一個切削元件布置 在所述鉆頭體的外表面上，以及使所述至少一個凹部設(shè)置成與位于所 述鉆頭體外表面上或鉆頭體外表面中的至少一個切削元件相鄰。
19. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，加熱所述基體材料同時施 加所述熔化的基體材料包括下列之一，利用電弧加熱所述基體材料同 時施加所述熔化的基體材料；利用等離子轉(zhuǎn)移弧加熱所述基體材料同 時施加所述熔化的基體材料；通過使乙炔在大體上純氧中燃燒加熱所 述基體材料同時施加所述熔化的基體材料以加熱所述基體材料同時施 加所述熔化的基體材料；利用金屬惰性氣體弧加熱所述基體材料同時 施加所述熔化的基體材料；利用鴒極隋性氣體弧加熱所述基體材料同 時施加所述熔化的基體材料；以及利用埋弧加熱所述基體材料同時施 加所述熔化的基體材料。
全文摘要
耐磨材料包括基體材料和多個-40/+80 ASTM目密集燒結(jié)碳化物球粒。本發(fā)明提供了一種旋轉(zhuǎn)鉆頭，所述旋轉(zhuǎn)鉆頭具有外表面和布置在所述鉆頭體外表面的至少一部分上的耐磨材料。本發(fā)明還公開了用于將耐磨材料施加到鉆頭表面上的方法。
文檔編號C22C29/08GK101605920SQ200780041523
公開日2009年12月16日 申請日期2007年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者J·L·奧弗斯特里特, J·W·伊森 申請人:貝克休斯公司