用于井筒形成的低表面摩擦鉆頭主體的制作方法
【專利摘要】一種用于鉆頭的低表面摩擦主體包括基體鉆頭主體。所述主體包括具有減摩添加劑的顆粒相，以及使用諸如選擇性激光燒結(jié)的合適制造工藝將所述顆粒相粘合的粘結(jié)材料。所述顆粒相可包括碳化鎢，所述減摩添加劑可為聚四氟乙烯，并且所述粘結(jié)劑材料可為銅或鈷。所述減摩添加劑分布遍及所述鉆頭主體的至少一部分，包括在操作期間將與鉆屑和鉆井液接觸的表面。所述減摩添加劑的分子性質(zhì)產(chǎn)生具有即使在承受破碎和其他類型的磨損之后也防粘著的表面的鉆頭主體。
【專利說明】
用于井筒形成的低表面摩擦鉆頭主體
1.
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本公開大體上涉及用來形成用于從地質(zhì)地層提取烴類的井筒的工具和設(shè)備，并且更具體地，涉及包括低摩擦表面的鉆頭主體。
[0002]2.相關(guān)技術(shù)描述
[0003]井被鉆探來獲取和開采石油、天然氣、礦物和來自地下地質(zhì)地層的其他天然存在的沉積物。井的鉆探通常利用鉆頭完成，所述鉆頭被旋轉(zhuǎn)來通過從地層移除表層土、沙、泥土、石灰石、方解石、石灰?guī)r或其他物質(zhì)以使井筒推進(jìn)。通過鉆頭從地層移除的成片此類物質(zhì)通常稱為“巖肩”或“鉆肩”。
[0004]鉆頭通常分為固定銑刀鉆頭(fixed cutter drill bit)或旋轉(zhuǎn)錐體鉆頭(其還可被稱為牙輪鉆頭)。通常，旋轉(zhuǎn)錐體鉆頭包括鉆頭主體，所述鉆頭主體具有帶有切削元件的多個(gè)旋轉(zhuǎn)錐體(S卩，“牙輪”)。在鉆頭向井下旋轉(zhuǎn)時(shí)，牙輪相對(duì)于鉆頭主體旋轉(zhuǎn)。相比之下，固定銑刀鉆頭包括鉆頭主體，所述鉆頭主體在鉆頭主體外部上的固定位置處具有切削元件。在鉆頭向井下旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削元件保持在其相對(duì)于鉆頭主體的固定位置。
[0005]在鉆探期間，鉆頭經(jīng)歷鉆柱中的任何部件的一些最強(qiáng)的應(yīng)變和壓力。鉆頭設(shè)計(jì)中的一些重點(diǎn)是加強(qiáng)和提高鉆頭的耐用性。在一些情況下，材料選擇促成鉆頭的耐用性，并且鋼鉆頭和碳化鎢鉆頭由于它們的耐用性而已普遍使用。
[0006]固定銑刀鉆頭主體和牙輪鉆頭主體常由基體材料形成，并因此被稱為基體鉆頭主體。用于形成基體鉆頭主體的材料可包括通常是堅(jiān)硬且耐用的材料的粉末，以及將粉末固持在一起以形成鉆頭的粘結(jié)劑材料。由于在許多情況下，所得基體不將粉末組分與粘結(jié)劑化學(xué)粘合在一起，基體鉆頭在其經(jīng)歷充分破碎或其他類型的磨損的情況下，可易發(fā)生斷裂或其他類型的損壞。
[0007]附圖簡述
[0008]本公開說明性實(shí)施方案參考附圖在下文中進(jìn)行詳細(xì)描述，所述附圖以引用的方式并入本文，并且其中:
[0009]圖1示出牙輪鉆頭的一個(gè)實(shí)施方案的透視圖；
[0010]圖2示出部署在鉆探操作中的鉆的一個(gè)實(shí)施方案的正視圖；
[0011 ]圖3示出沿圖1的截面線A-A’截取的、包括減摩添加劑(frict1n-reducingadditive)的圖1的牙輪鉆頭的一個(gè)實(shí)施方案的橫截面圖；
[0012]圖4示出類似于圖3的牙輪鉆頭的牙輪鉆頭的第二實(shí)施方案的橫截面；
[0013]圖5A和圖5B分別是圖3的鉆頭在破碎之前和之后的細(xì)節(jié)圖；
[0014]圖6示出類似于圖4的牙輪鉆頭的牙輪鉆頭的第三實(shí)施方案的橫截面；
[0015]圖7示出類似于圖6的牙輪鉆頭的牙輪鉆頭的第四實(shí)施方案的橫截面;以及
[0016]圖8示出包括減摩添加劑的固定銑刀鉆頭的一個(gè)實(shí)施方案的橫截面。
[0017]所示附圖僅是示例性的，并且不旨在主張或暗示對(duì)其中可實(shí)現(xiàn)不同實(shí)施方案的環(huán)境、架構(gòu)、設(shè)計(jì)或方法的任何限制。
[0018]說明性實(shí)施方案的詳述
[0019]在說明性實(shí)施方案的以下詳述中，參考形成其部分的附圖。這些實(shí)施方案被充分詳細(xì)地描述，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本文所公開的裝置、系統(tǒng)和方法。應(yīng)當(dāng)理解，可利用其他實(shí)施方案并且可在不背離本公開的精神或范圍的情況下做出邏輯結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電氣和化學(xué)改變。為了避免本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍疚乃枋龅膶?shí)施方案不必要的細(xì)節(jié)，描述可省略本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的某些信息。因此，下文詳述并不具有限制意義，并且說明性實(shí)施方案的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。
[0020]除非另有說明，否則術(shù)語“連接”、“接合”、“聯(lián)接”、“附接”或描述元件之間的相互作用的任何其他術(shù)語的任何形式的任何使用都不意在將相互作用限制于元件之間的直接相互作用，并且還可包括所述元件之間的間接相互作用。在以下論述中并且在權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括”和“包含”是以開放形式使用，并且因此應(yīng)解釋為表示“包括(但不限于)”。除非另外指明，否則如整個(gè)這篇文獻(xiàn)中使用的，“或者”不要求互斥性。
[0021]本文公開用于提高鉆頭性能的系統(tǒng)、工具和方法，包括通過選擇性地將特定低摩擦涂層涂覆到鉆頭表面上的戰(zhàn)略位置。在一方面，特定材料及其在鉆頭上的選擇性放置使材料暴露于來自鉆頭旋轉(zhuǎn)的摩擦力，并且允許此類材料在暴露于摩擦力時(shí)“生長”并粘合。這可向鉆頭提供“自修復(fù)”性質(zhì)，以便在諸如小碎肩的輕微損壞出現(xiàn)時(shí)防止進(jìn)一步的損壞。涂層具體可涂覆到基體鉆頭，但也可適于施加到其他類型的鉆頭。在基體鉆頭的情況下，基體鉆頭的粉末組分(其還可被稱為“顆粒相”)可在制造鉆頭之后涂布有低摩擦材料。在許多情況下，低摩擦材料可為聚四氟乙烯或其他合適材料?；w鉆頭可為牙輪鉆頭、固定銑刀鉆頭或任何其他類型的鉆頭。
[0022]本文所描述的系統(tǒng)和方法提供在制造鉆頭主體期間將減摩添加劑材料引入基體鉆頭的顆粒相(或粉末組分)中。將減摩添加劑引入鉆頭顆粒相可減少鉆肩在鉆探期間粘著到鉆頭表面的可能性。鑒于同一目標(biāo)，還可將低摩擦涂層涂覆到鉆頭的外部部分。然而，此類涂層趨于在操作期間磨損掉，從而產(chǎn)生未被保護(hù)來免受巖肩、泥漿或可能粘著到鉆頭的其他材料侵蝕的鉆頭。這種磨損在鉆探期間可能快速發(fā)生，因?yàn)殂@頭在極端環(huán)境中操作，有時(shí)在高溫和高壓下從井筒中移除非常堅(jiān)硬的材料。在此類型的極端環(huán)境中操作增加鉆頭將經(jīng)歷碎肩和裂紋的可能性，所述碎肩和裂紋將會(huì)穿透僅涂布鉆頭的最外層表面的低摩擦材料層。
[0023]在一個(gè)說明性實(shí)施方案中，減摩添加劑在早期制造階段與基體鉆頭的基體材料組合。這種組合材料放置在模具中，并且粘結(jié)材料利用熱量來添加以形成基體鉆頭。減摩添加劑可為聚四氟乙烯粉末或納米粉末，或者具有高抗熱性的類似類型的低摩擦材料。基體材料通常是呈粉末、熔鑄顆粒或單晶形式的碳化鎢。在一個(gè)實(shí)施方案中，減摩添加劑包括碳化鎢顆粒，所述碳化鎢顆粒在與另外的碳化鎢混合或組合以形成顆粒相之前涂布有聚四氟乙烯。減摩添加劑可與基體鉆頭的基體材料混合以提供鉆頭的整個(gè)主體的一致摩擦特性，使得在鉆頭發(fā)生侵蝕時(shí)，鉆頭新暴露出的表面將具有類似的低摩擦系數(shù)。
[0024]減摩添加劑可用于使鉆頭主體的主體的靜摩擦系數(shù)相對(duì)于不包括減摩添加劑的鉆頭主體的摩擦系數(shù)減小。例如，包含作為顆粒相的碳化鎢和作為粘結(jié)材料的銅的基體鉆頭可具有例如.2-.35的摩擦系數(shù)。減摩添加劑在聚四氟乙烯的情況下可具有更低的摩擦系數(shù)，例如.04。鉆頭主體表面的靜摩擦系數(shù)可基本通過在基體鉆頭的顆粒相中包含減摩添加劑組分來減小，所述基體鉆頭的顆粒相本來是由碳化鎢和銅或鈷構(gòu)成。
[0025]表面上的低摩擦系數(shù)使鉆肩不太可能在排肩槽區(qū)中粘附或粘著到基體材料，所述排肩槽區(qū)是鉆頭的位于切削表面之間的區(qū)域，在所述區(qū)域中，巖肩從鉆頭的切削表面迀出。低摩擦系數(shù)還通過減少在鉆頭期間鉆頭與懸浮在圍繞鉆頭的流體中的固體之間的摩擦來減少鉆頭表面上的磨損產(chǎn)生的損失。
[0026]現(xiàn)在參考附圖，圖1指示穿過包括減摩添加劑的牙輪鉆頭的一個(gè)實(shí)施方案的截面線A-A’的橫截面。牙輪鉆頭100是井筒鉆探中使用的常見類型的鉆頭，但是僅是常用類型的鉆頭的實(shí)例。本文所描述的概念、系統(tǒng)以及方法可用于多種鉆頭，例如像固定切削元件鉆頭。在牙輪鉆頭100中，旋轉(zhuǎn)錐體102在其外表面上具有可為碳化物嵌件或銑型齒的齒104。每個(gè)齒安裝在鉆頭主體的臂106上。
[0027]圖2描繪在鉆柱中操作來形成井筒的這種鉆頭200。在鉆探期間，如圖2所示，鉆機(jī)208使用管210的區(qū)段將旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)移至鉆頭200和栗212，以便通過管210的區(qū)段將鉆井液(如由流動(dòng)箭頭A示出)循環(huán)至井筒底部。在鉆頭200旋轉(zhuǎn)時(shí)，所施加的鉆壓(“W0B”)迫使旋轉(zhuǎn)錐體指向下方的齒進(jìn)入被鉆探的地層。穿過齒的點(diǎn)施加的WOB向地層施加超出地層屈服應(yīng)力的壓縮應(yīng)力，并且引起鉆頭下面的地層材料的斷裂。斷裂產(chǎn)生碎片(也稱為巖肩)，所述碎片被鉆井液(也可稱為鉆井泥漿)從鉆頭200的切削面沖走。
[0028]盡管會(huì)被沖走，但是鉆井泥漿中包含的巖肩可粘附到旋轉(zhuǎn)鉆頭表面，這會(huì)致使鉆頭無法正常工作或使鉆頭停滯。為了保持鉆頭正常操作，鉆井液增加了潤滑度，以防粘著并將巖肩帶離鉆頭。鉆頭還可包括潤滑外層以進(jìn)一步減小巖肩粘附到鉆頭的可能性。鉆頭外層可因使用而磨損掉，然而，這可導(dǎo)致鉆頭的最外層失去潤滑元素。在一個(gè)說明性實(shí)施方案中，減摩材料可添加到基體鉆頭的粉末組分以提抗磨損的低摩擦鉆頭。減摩添加劑可為聚四氟乙烯(以下“PTFE”)粉末或者另一合適的低摩擦材料，如以上指出的。
[0029]當(dāng)與諸如井筒壁的相對(duì)表面相互作用時(shí)，嵌入鉆頭中的PTFE可能經(jīng)歷分子裂解過程，從而形成活性PTFE基團(tuán)，所述使鉆頭與其上部署有PTFE的鉆頭表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這種裂解導(dǎo)致對(duì)鉆頭表面的強(qiáng)力粘附，并且導(dǎo)致PTFE微晶在嵌入鉆頭中的本體聚合物PTFE的非常薄的地下區(qū)域中生長并且重新定位。這種結(jié)構(gòu)重排有助于將相鄰對(duì)準(zhǔn)的PTFE微晶接合，以形成作為碎片出現(xiàn)的薄膜和帶。PTFE碎片也是可用作潤滑物的低摩擦材料。因此，在注入PTFE的鉆頭材料的先前未暴露的部分在鉆頭受到呈開裂、破碎或其他類型磨損形式的損壞后暴露于鉆探環(huán)境時(shí)，分散在基體鉆頭的粉末組分內(nèi)的PTFE可響應(yīng)于破碎和磨損有效地生長出新低摩擦表面。
[0030]當(dāng)包括在基體型鉆頭中時(shí)，PTFE可與例如碳化鎢、鋼、陶瓷或其他基體鉆頭的粉末配料混合在一起。盡管PTFE的低摩擦特性(通常與抗粘附相關(guān)聯(lián))，鉆頭的粉末部分仍充分固持在一起，因?yàn)樵诘突瑒?dòng)速度下，PTFE展現(xiàn)良好粘附。這種粘附結(jié)合以上指出的裂解相關(guān)的化學(xué)變化所產(chǎn)生的表層粘附產(chǎn)生鉆頭主體，所述鉆頭主體具有低摩擦表面以及高度韌性和抗斷裂性。
[0031]在浸漬PTFE的鉆頭的說明性實(shí)施方案中，PTFE并入到鉆頭的粉末組分中，所述粉末組分通常是碳化鎢或類似堅(jiān)硬材料。PTFE可通過將其粘合到粉末組分或?qū)⑵渑c粉末組分混合來并入到粉末組分中，以形成浸漬或注入PTFE的粉末。浸漬PTFE的粉末可(i)插入在磨具中或以其他方式懸浮使其將保持?jǐn)U散在整個(gè)鉆頭中，或者(ii)添加到鉆頭基體，使得PTFE僅擴(kuò)散在鉆頭的最外部分中。此最外部分是鉆的一部分，這個(gè)部分可能在鉆頭整個(gè)壽命期間暴露于井筒壁，并取決于鉆頭的尺寸和設(shè)計(jì)，厚度范圍可從幾毫米到幾十厘米或更大。在這些實(shí)施方案中，鉆頭的外表面也可用PTFE的單獨(dú)涂層或類似的減摩材料潤滑。
[0032]浸漬PTFE的材料可減少黏土顆粒以及更大的巖肩凝聚塊粘著到鉆頭表面的趨勢。這即使在鉆頭經(jīng)歷磨損是也是如此。PTFE的在暴露于摩擦力時(shí)有效生長和粘合的能力導(dǎo)致鉆頭在小碎肩出現(xiàn)時(shí)用作為自修復(fù)鉆頭以暴露浸漬PTFE的材料的新區(qū)域。
[0033]再次參考圖，圖3示出具有包括PTFE來減小摩擦的基體鉆頭頭部的牙輪鉆頭302的一部分的橫截面圖。牙輪鉆頭302分別包括接合到支撐臂308的牙輪304。牙輪304支撐在軸承334和主軸336上?？蓧嚎s密封元件318被包括來密封牙輪304與主軸336之間的間隙300。牙輪304可由碳化媽360 (由“X”顆粒指示)、減摩材料350 (由“ο”顆粒指示)以及粘結(jié)劑材料構(gòu)成，所述粘結(jié)劑材料可為(銅、鈷或另一種粘合劑)。在一些配置中，減摩材料350是PTFE。在這種情況下，在牙輪304的表面在鉆頭操作期間暴露于摩擦力時(shí)，減摩材料350在牙輪304的表面處可遇到摩擦力。井筒材料在暴露出的減摩材料350Α上摩擦導(dǎo)致減摩材料350生長，從而導(dǎo)致形成更完整且光滑的減摩材料350層。暴露出的減摩材料350可為在鉆頭燒結(jié)并形成之后涂覆的PTFE涂層，或者由于減摩材料350被燒結(jié)成鉆頭而出現(xiàn)的層。
[0034]圖4示出穿過類似于圖3中示出的牙輪鉆頭302的牙輪鉆頭402的第二說明性實(shí)施方案的A-A，的橫截面;所述牙輪鉆頭402也包括減摩添加劑。在這個(gè)實(shí)施方案中，牙輪是分成兩個(gè)區(qū)域、即外區(qū)410和內(nèi)區(qū)420的多層牙輪404。外區(qū)410包括減摩材料350而內(nèi)區(qū)420不包括減摩材料350，從而產(chǎn)生增強(qiáng)的基體鉆頭402。外區(qū)410和內(nèi)區(qū)420可使用選擇性激光燒結(jié)(SLS)或任何其他合適粘合機(jī)制結(jié)合在一起來形成多層牙輪404。
[0035]在一個(gè)實(shí)施方案中，為了潤滑多層牙輪404，包含碳化鎢360、減摩添加劑350和粘結(jié)劑(例如，銅)的材料基體可放置在模具中。這可以是單個(gè)模具，或者包含內(nèi)部和外部的模具，使得待模制的材料抵靠模具側(cè)部，同時(shí)留出可稍后用內(nèi)區(qū)420填充的空腔或中空內(nèi)部。材料基體放置在外區(qū)410的邊界層中并被燒結(jié)。對(duì)應(yīng)于內(nèi)區(qū)420的剩余區(qū)域隨后用碳化鎢360和粘結(jié)劑(諸如銅或鈷)填充并同樣被燒結(jié)。SLS可用于僅將多層牙輪404的特定區(qū)域加熱到充分發(fā)生擴(kuò)散的溫度。以此方式，可在外區(qū)410與內(nèi)區(qū)420之間維持粗糙的阻擋層，但是在層之間可以發(fā)生一些擴(kuò)散，使得顆?？沙霈F(xiàn)在這些區(qū)域?？商娲兀捎萌缦路椒ㄍ耆畛淠＞?將在外區(qū)410中提供碳化鎢360、減摩材料350和粘結(jié)劑，并且在內(nèi)區(qū)420中提供碳化鎢360和粘結(jié)劑(銅)。隨后，可使用SLS選擇性地?zé)Y(jié)所述區(qū)域。再次，在操作中，井筒材料在暴露出的減摩材料360Α上的滑動(dòng)導(dǎo)致減摩材料生長，導(dǎo)致形成更完整且光滑的表層。暴露出的減摩材料可以是在鉆頭燒結(jié)并形成之后涂覆的初始涂層，或者由于PTFE被燒結(jié)成鉆頭而出現(xiàn)的層。
[0036]圖5Α和5Β示出如圖3中指示的鉆頭切削元件500的破碎的細(xì)節(jié)圖。圖示是鉆頭切削元件500的破碎或磨損過程以及減摩材料的外層350Α的再形成的概念表示。最初，減摩材料的現(xiàn)有外層350Α暴露于鉆探環(huán)境下，而潤滑元素350和粉末組分360在鉆探環(huán)境內(nèi)并由粘結(jié)組分固持在一起。當(dāng)碎肩510出現(xiàn)時(shí)，如圖5Β所示，新的減摩材料350暴露并且在摩擦下生長來再形成由先前描述的裂解反應(yīng)產(chǎn)生的潤滑層350Α。如以上指出的，減摩材料在摩擦下生長并粘合的能力有效地使?jié)櫥瑢印白孕迯?fù)”，因?yàn)樵跍p摩材料350暴露于井筒中的摩擦力時(shí)，減摩材料350會(huì)再形成潤滑層350Α。
[0037]圖6示出類似于上述牙輪鉆頭的牙輪鉆頭602的第三說明性實(shí)施方案的橫截面。牙輪鉆頭602包括牙輪604并且類似于圖4的牙輪鉆頭402，主要區(qū)別在于減摩材料650再粘結(jié)到碳化鎢材料或顆粒。在這個(gè)實(shí)施方案中，牙輪604同樣分成兩個(gè)區(qū)域，即外區(qū)610和內(nèi)區(qū)620。外區(qū)610包括減摩材料650和碳化鎢660的預(yù)粘合的基團(tuán)651的顆粒相651，并且內(nèi)區(qū)620包括碳化鎢660和粘結(jié)劑材料而無減摩材料650?？商娲?，在一些實(shí)施方案中，可將碳化鎢從有利于粘結(jié)劑材料或另一基體材料的內(nèi)層620省去。
[0038]顆粒相的目的是為基體鉆頭提供硬度。類似地，粘結(jié)劑的目的是為基體鉆頭提供耐用性。然而，由于硬度對(duì)于未暴露的區(qū)域并非必需，顆粒相可省去或使其在內(nèi)區(qū)620中的濃度降低?？衫眠x擇性激光燒結(jié)(SLS)形成多層牙輪604，如先前關(guān)于圖4所述。
[0039]圖7示出包括減摩添加劑750和牙輪704的牙輪鉆頭702的第四實(shí)施方案的橫截面。圖7的牙輪鉆頭702類似于圖6的牙輪鉆頭，主要區(qū)別在于在使用例如燒結(jié)工藝或底漆和面漆工藝燒結(jié)之后添加減摩材料的潤滑外層750A。在這個(gè)實(shí)施方案中，牙輪704分成兩個(gè)區(qū)域，即外區(qū)710和內(nèi)區(qū)720。外區(qū)710包括碳化鎢760以及減摩材料750，并且內(nèi)區(qū)720包括碳化鎢760而無減摩材料750。牙輪鉆頭702的形成可與關(guān)于圖6描述的牙輪鉆頭602的形成大致相同，不同之處在于外潤滑層750A可通過以下方式添加到外區(qū)710:燒結(jié)減摩材料750層或使用例如底漆和面漆工藝添加另外的減摩材料750層。如同上述牙輪鉆頭那樣，當(dāng)碎肩出現(xiàn)時(shí)，粘合到下面的碳化鎢760的減摩材料750將與減摩材料的外層750A生長在一起。
[0040]圖8是鉆頭804的替代實(shí)施方案的橫截面，其示出類似于圖7中示出的牙輪橫截面的固定銑刀鉆頭804的橫截面。然而，鉆頭804是固定銑刀鉆頭804。在這個(gè)實(shí)施方案中，固定銑刀鉆頭804分成兩個(gè)區(qū)域，即外區(qū)810和內(nèi)區(qū)820。外區(qū)810包括碳化鎢860以及減摩材料850，并且內(nèi)區(qū)820包括碳化鎢860而無減摩材料850?？商娲兀谝恍?shí)施方案中，可將碳化鎢860從有利于諸如粘結(jié)劑材料的替代基體材料的內(nèi)區(qū)820中完全省去。鉆頭804可使用例如上述SLS制造方法或任何其他合適制造方法來構(gòu)造。如同上述牙輪鉆頭實(shí)施方案那樣，區(qū)域810和820隨后可通過SLS或類似工藝選擇性地?zé)Y(jié)。在形成后，可例如添加減摩材料的外層850A。在碎肩出現(xiàn)時(shí)，粘合到碳化鎢的減摩材料將與減摩材料的外層850A生長在一起。應(yīng)當(dāng)指出，在本文所描述的示例性鉆頭中的任一個(gè)以及并入有基體鉆頭部分的其他類型的鉆頭中，本文所描述的概念可應(yīng)用到圖8中描繪的固定銑刀鉆頭。
[0041]在選擇能夠在鉆探條件下連續(xù)運(yùn)行的鉆頭時(shí)，鉆頭(諸如牙輪鉆頭或固定銑刀鉆頭)的耐蝕性是一個(gè)重要考慮因素?？焖俦磺治g的鉆頭可能需要頻繁更換，從而中斷鉆探過程并增加其支出。然而，鉆頭增加的耐蝕性可允許了更連續(xù)且更有效的鉆探操作。本公開描述了一種用于提供在鉆頭的主體中使用減摩添加劑的鉆頭的系統(tǒng)、工具和方法。減摩添加劑增加了耐蝕性。除了上述實(shí)施方案之外，特定組合的許多實(shí)施例在本公開的范圍內(nèi)，所述實(shí)施例的一些在下面的實(shí)施例中詳細(xì)描述:
[0042]實(shí)施例1.一種鉆頭，其包括:
[0043]模制基體鉆頭主體，其包括顆粒相和粘結(jié)劑材料；以及
[0044]至少一個(gè)切削元件；
[0045]其中所述顆粒相包括碳化鎢組分和減摩添加劑組分，所述減摩添加劑組分具有比所述碳化鎢組分低的摩擦系數(shù);并且
[0046]其中所述減摩添加劑組分包括聚四氟乙烯并且分散在所述基體鉆頭主體的至少一部分內(nèi)。
[0047]實(shí)施例2.如實(shí)施例1所述的鉆頭，其中所述減摩添加劑組分包括涂布有聚四氟乙烯的碳化鎢顆粒。
[0048]實(shí)施例3.如實(shí)施例1或2所述的鉆頭，其中:
[0049]所述基體鉆頭主體包括外區(qū)和內(nèi)區(qū)；
[0050]所述外區(qū)包括具有聚四氟乙烯分散在其中的所述顆粒相;并且
[0051]所述內(nèi)區(qū)包括不包括聚四氟乙烯的第二顆粒相。
[0052]實(shí)施例4.如實(shí)施例3所述的鉆頭，其還包括涂覆到所述外區(qū)的聚四氟乙烯表面涂層。
[0053]實(shí)施例5.如實(shí)施例3或4所述的鉆頭，其中所述外區(qū)具有大于兩毫米的厚度。
[0054]實(shí)施例6.如實(shí)施例3或4所述的鉆頭，其中所述外區(qū)具有大于十厘米的厚度。
[0055]實(shí)施例7.如實(shí)施例1或2所述的鉆頭，其中:
[0056]所述基體鉆頭主體包括外區(qū)和內(nèi)區(qū)；
[0057]所述外區(qū)包括具有聚四氟乙烯分散在其中的所述顆粒相;并且
[0058]所述內(nèi)區(qū)包括不包括碳化鎢的第二顆粒相。
[0059]實(shí)施例8.如實(shí)施例1至7中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其中所述基體鉆頭主體還包括聚四氟乙烯表面涂層。
[0060]實(shí)施例9.如實(shí)施例1所述的鉆頭，其中所述粘結(jié)劑材料包括銅。
[0061]實(shí)施例10.如實(shí)施例1所述的鉆頭，其中嵌入所述基體鉆頭主體中的減摩添加劑組分可操作來響應(yīng)于在所述鉆頭主體的所述表面的損壞后暴露于摩擦力而生長并粘合包含所述減摩添加劑組分的外表面。
[0062]實(shí)施例11.一種形成基體鉆頭主體的方法，所述方法包括:
[0063]將顆粒相和粘結(jié)材料放置在模具中，所述顆粒相包括碳化鎢顆粒和聚四氟乙烯顆粒；以及
[0064]燒結(jié)所述顆粒相和所述粘結(jié)材料以形成所述基體鉆頭主體；
[0065]其中燒結(jié)所述顆粒相和所述粘結(jié)材料包括致使聚四氟乙烯擴(kuò)散到所述碳化鎢顆粒中。
[0066]實(shí)施例12.如實(shí)施例11所述的方法，其還包括在將顆粒相和粘結(jié)材料放置在模具中前，將聚四氟乙烯粘合到碳化鎢顆粒以形成所述聚四氟乙烯顆粒。
[0067]實(shí)施例13.如實(shí)施例11或12所述的方法，其中燒結(jié)所述顆粒相和所述粘結(jié)材料以形成所述基體鉆頭主體包括燒結(jié)所述顆粒相和所述粘結(jié)材料以形成所述基體鉆頭主體的外區(qū)，所述方法還包括:
[0068]將不包括聚四氟乙烯的第二顆粒相放置在由所述基體鉆頭主體的所述外區(qū)形成的空腔中；以及
[0069]燒結(jié)所述第二顆粒相以形成所述基體鉆頭主體的內(nèi)區(qū)；以及
[0070]使用選擇性激光燒結(jié)在所述內(nèi)區(qū)與所述外區(qū)之間形成防止聚四氟乙烯擴(kuò)散在所述內(nèi)區(qū)中的阻擋層。
[0071]實(shí)施例14.如實(shí)施例11或12所述的方法，其中燒結(jié)所述顆粒相和所述粘結(jié)材料以形成所述基體鉆頭主體包括燒結(jié)所述顆粒相和所述粘結(jié)材料以形成所述基體鉆頭主體的外區(qū)，所述方法還包括:
[0072]將不包括碳化鎢的第二顆粒相放置在由所述基體鉆頭主體的所述外區(qū)形成的空腔中；以及
[0073]燒結(jié)所述第二顆粒相以形成所述基體鉆頭主體的內(nèi)區(qū)；以及
[0074]使用選擇性激光燒結(jié)在所述內(nèi)區(qū)與所述外區(qū)之間形成防止聚四氟乙烯擴(kuò)散在所述內(nèi)區(qū)中的阻擋層。
[0075]實(shí)施例15.如實(shí)施例13或14所述的方法，其還包括將低摩擦涂層涂覆到所述外區(qū)的外表面。
[0076]實(shí)施例16.如實(shí)施例15所述的方法，其中所述低摩擦涂層包括聚四氟乙烯面漆。
[0077]實(shí)施例17.如實(shí)施例11-16中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括通過操作包括所述基體鉆頭主體的鉆頭以形成井筒來在所述基體鉆頭主體的外表面上形成減摩層。
[0078]實(shí)施例18.如實(shí)施例11-16中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括通過將所述基體鉆頭主體暴露于摩擦力來形成包含聚四氟乙烯的外表面。
[0079]實(shí)施例19.如實(shí)施例17所述的方法，其中形成所述減摩層還包括通過在所述鉆頭破碎后繼續(xù)操作所述鉆頭以移除外潤滑層的一部分來再生成所述外潤滑層的一部分。
[0080]實(shí)施例20.—種包括鉆柱的井形成系統(tǒng)，所述鉆柱具有低表面摩擦鉆頭，其中所述低表面摩擦鉆頭包括:
[0081]至少一個(gè)切削元件以及包括顆粒相和粘結(jié)材料的模制基體鉆頭主體，所述顆粒相包括碳化鎢和聚四氟乙烯；
[0082]其中所述聚四氟乙烯分散遍及在所述基體鉆頭主體的至少一部分內(nèi)。
[0083]實(shí)施例21.如實(shí)施例20所述的井形成系統(tǒng)，其中:
[0084]所述基體鉆頭主體還包括內(nèi)區(qū)和外區(qū)；
[0085]所述外區(qū)包括所述顆粒相和所述粘結(jié)材料；
[0086]所述內(nèi)區(qū)由不包括聚四氟乙烯的材料組成；以及
[0087]阻擋層，其防止所述聚四氟乙烯擴(kuò)散到所述內(nèi)區(qū)。
[0088]實(shí)施例22.如權(quán)利要求20或21所述的井形成系統(tǒng)，其中所述基體鉆頭主體包括牙輪鉆頭主體，所述牙輪鉆頭主體具有涂覆到所述牙輪鉆頭主體的外表面的低摩擦涂層。
[0089]從前述內(nèi)容中，應(yīng)當(dāng)顯而易見的是，公開的示例性實(shí)施方案中體現(xiàn)的各種特征不僅限于那些示例性實(shí)施方案。在不背離本發(fā)明的精神的情況下，各種變化和修改是可能的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鉆頭，其包括: 模制基體鉆頭主體，其包括顆粒相和粘結(jié)劑材料；以及 至少一個(gè)切削元件； 其中所述顆粒相包括碳化鎢組分和減摩添加劑組分，所述減摩添加劑組分具有比所述碳化鎢組分低的摩擦系數(shù);并且 其中所述減摩添加劑組分包括聚四氟乙烯并且分散在所述基體鉆頭主體的至少一部分內(nèi)。2.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述減摩添加劑組分包括涂布有聚四氟乙烯的碳化鎢顆粒。3.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中: 所述基體鉆頭主體包括外區(qū)和內(nèi)區(qū)； 所述外區(qū)包括具有聚四氟乙烯分散在其中的所述顆粒相;并且 所述內(nèi)區(qū)包括不包括聚四氟乙烯的第二顆粒相。4.如權(quán)利要求3所述的鉆頭，其還包括涂覆到所述外區(qū)的聚四氟乙烯表面涂層。5.如權(quán)利要求3所述的鉆頭，其中所述外區(qū)具有大于兩毫米的厚度。6.如權(quán)利要求3所述的鉆頭，其中所述外區(qū)具有大于十厘米的厚度。7.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中: 所述基體鉆頭主體包括外區(qū)和內(nèi)區(qū)； 所述外區(qū)包括具有聚四氟乙烯分散在其中的所述顆粒相;并且 所述內(nèi)區(qū)包括不包括碳化鎢的第二顆粒相。8.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述基體鉆頭主體還包括聚四氟乙烯表面涂層。9.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中嵌入所述基體鉆頭主體中的減摩添加劑組分可操作來響應(yīng)于在所述鉆頭主體的所述表面的損壞后暴露于摩擦力而生長并粘合包含所述減摩添加劑組分的外表面。10.一種形成基體鉆頭主體的方法，所述方法包括: 將顆粒相和粘結(jié)材料放置在模具中，所述顆粒相包括碳化鎢顆粒和聚四氟乙烯顆粒；以及 燒結(jié)所述顆粒相和所述粘結(jié)材料以形成所述基體鉆頭主體； 其中燒結(jié)所述顆粒相和所述粘結(jié)材料包括致使聚四氟乙烯擴(kuò)散到所述碳化鎢顆粒中。11.如權(quán)利要求10所述的方法，其還包括在將顆粒相和粘結(jié)材料放置在模具中前，將聚四氟乙烯粘合到碳化鎢顆粒以形成所述聚四氟乙烯顆粒。12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中燒結(jié)所述顆粒相和所述粘結(jié)材料以形成所述基體鉆頭主體包括燒結(jié)所述顆粒相和所述粘結(jié)材料以形成所述基體鉆頭主體的外區(qū)，所述方法還包括: 將不包括聚四氟乙烯的第二顆粒相放置在由所述基體鉆頭主體的所述外區(qū)形成的空腔中；以及 燒結(jié)所述第二顆粒相以形成所述基體鉆頭主體的內(nèi)區(qū)；以及 使用選擇性激光燒結(jié)在所述內(nèi)區(qū)與所述外區(qū)之間形成防止聚四氟乙烯擴(kuò)散在所述內(nèi)區(qū)中的阻擋層。13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中燒結(jié)所述顆粒相和所述粘結(jié)材料以形成所述基體鉆頭主體包括燒結(jié)所述顆粒相和所述粘結(jié)材料以形成所述基體鉆頭主體的外區(qū)，所述方法還包括: 將不包括碳化鎢的第二顆粒相放置在由所述基體鉆頭主體的所述外區(qū)形成的空腔中；以及 燒結(jié)所述第二顆粒相以形成所述基體鉆頭主體的內(nèi)區(qū)；以及 使用選擇性激光燒結(jié)在所述內(nèi)區(qū)與所述外區(qū)之間形成防止聚四氟乙烯擴(kuò)散在所述內(nèi)區(qū)中的阻擋層。14.如權(quán)利要求13所述的方法，其還包括將低摩擦涂層涂覆到所述外區(qū)的外表面。15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述低摩擦涂層包括聚四氟乙烯面漆。16.如權(quán)利要求10所述的方法，其還包括通過將所述基體鉆頭主體暴露于摩擦力來形成包括聚四氟乙烯的外表面。17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中形成所述減摩層還包括通過在所述鉆頭破碎后繼續(xù)操作所述鉆頭以移除外潤滑層的一部分來再生成所述外潤滑層的一部分。18.一種包括鉆柱的井形成系統(tǒng)，所述鉆柱具有低表面摩擦鉆頭，其中所述低表面摩擦鉆頭包括: 至少一個(gè)切削元件以及包括顆粒相和粘結(jié)材料的模制基體鉆頭主體，所述顆粒相包括碳化鎢和聚四氟乙烯； 其中所述聚四氟乙烯分散在所述基體鉆頭主體的至少一部分內(nèi)。19.如權(quán)利要求18所述的井形成系統(tǒng)，其中: 所述基體鉆頭主體還包括內(nèi)區(qū)和外區(qū)； 所述外區(qū)包括所述顆粒相和所述粘結(jié)材料； 所述內(nèi)區(qū)由不包括聚四氟乙烯的材料組成；以及 阻擋層，其防止所述聚四氟乙烯擴(kuò)散到所述內(nèi)區(qū)。20.如權(quán)利要求19所述的井形成系統(tǒng)，其中所述基體鉆頭主體包括牙輪鉆頭主體，所述牙輪鉆頭主體具有涂覆到所述牙輪鉆頭主體的外表面的低摩擦涂層。
【文檔編號(hào)】E21B10/46GK106062300SQ201480071439
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2014年3月12日
【發(fā)明人】G·T·奧爾森
【申請(qǐng)人】哈里伯頓能源服務(wù)公司