專利名稱：固定的切削刀頭和用于固定切削刀頭的刀片以及用于制造它們的方法
固定的切削刀頭和用于固定切削刀頭的刀片以及用于制造它們的方法
背景技術(shù)：
f0001本發(fā)明涉及一種固定的切削刀頭、連同用于固定切削刀頭
的一種刀片以及用于制造它們的方法，它被用于在地下構(gòu)層中鉆孔，如常見于石油以及天然氣勘探中。更確切地說，本發(fā)明涉及一種固定的切削刀頭、用于一個固定切削刀頭的一種刀片以及用于制造它們的方法，它被用于在地下構(gòu)層中鉆孔，其中該固定的切削刀頭包含多個刀片，這些刀片顯示出改進(jìn)的耐磨損性以及韌性。
0002鉆地刀頭可以具有固定的或可轉(zhuǎn)動的切削元件。帶有固定的切削元件的鉆地刀頭典型地包括一個刀頭本體，該刀頭本體用鋼機(jī)加工而成或通過熔滲一層硬顆粒而制成，如鑄造碳化物(WC+W2C )、碳化鴒(WC)和/或具有一種粘合劑(例如， 一種銅基合金)的燒結(jié)的粘結(jié)碳化物。幾個切削鑲片以預(yù)定的位置被固定到刀頭本體上以優(yōu)化切削。刀頭本體可以被固定到一個鋼桿上，該鋼桿典型地包括一個螺紋銷連接件，刀頭通過該連接件被固定到一個井下電動機(jī)的驅(qū)動軸上或被固定在一個鉆具串組的遠(yuǎn)端處的一個鉆頭套環(huán)上。
10003鋼質(zhì)本體的刀頭典型地由圓鋼材機(jī)加工成一種帶有形貌特征以及內(nèi)部特征的所希望的形狀?？梢允褂帽砻嬗不夹g(shù)將耐磨損材料施加到刀頭本體的面上以及刀頭本體的表面的其他關(guān)鍵區(qū)域上。從刀頭中的多個噴嘴中噴出的流體能夠直接沖擊在切削刀 頭本體上，包括沖擊在攜帶切削元件的這些刀片上。在鉆井操作過程 中，攜帶切削元件的刀片經(jīng)受(或可經(jīng)受)到相當(dāng)大的腐蝕性磨損。 這種腐蝕性磨損可以是由于流體的沖擊連同典型的地球構(gòu)層的磨蝕性
本質(zhì)。因此，將會非常令人希望的是提供一種固定的切削刀頭以及一 種用于制造這種固定切削刀頭的方法，它被用于在地下構(gòu)層中鉆孔， 其中該固定切削刀頭包含多個刀片，這些刀片顯示出改進(jìn)的對腐蝕性 磨損的耐受性。發(fā)明概述本發(fā)明在其又一種形式中是具有一個刀頭本體的一種固定 的切削刀頭，該本體呈現(xiàn)出一個肩臺，其中一個刀片從該肩臺突出。 該刀片包括具有一個前表面的一個刀片本體。該刀片本體具有限定了 該前表面的至少一部分的一個第一部分，并且該刀片本體進(jìn)一步具有 一個第二部分。該第一部分包括一種第一材料成分并且該第二部分包 括一種第二材料成分。該第一材料成分的材料是選自由粘結(jié)碳化物和 鋼和一種硬質(zhì)復(fù)合材料構(gòu)成的組，該硬質(zhì)復(fù)合材料包括多個硬質(zhì)構(gòu)成 物以及硬顆粒的基體粉末以及粘合在 一起以形成該硬質(zhì)復(fù)合材料的一 種熔滲合金。該第二材料成分的材料是選自由粘結(jié)碳化物和鋼和一種 硬質(zhì)復(fù)合材料構(gòu)成的組，該硬質(zhì)復(fù)合材料包括多個硬質(zhì)構(gòu)成物以及硬 顆粒的基體粉末以及粘合在一起以形成該硬質(zhì)復(fù)合材料的一種熔滲合 金。圖5E是取自圖2的固定切削刀頭的一個單一刀片的第六實 施方案的側(cè)視圖，將這些PDC切削元件從該刀片上移開以便顯露出該 刀片中的凹槽，并且其中該刀片的前導(dǎo)部分包括鋼，該刀片的中間部 分包括一種硬質(zhì)組成物-基體復(fù)合材料，并且該刀片的尾隨部分包括粘 結(jié)碳化物；如圖7所示，前導(dǎo)部分204、中間部分206以及尾隨部分 208通過一對螺栓220被機(jī)械地連接在一起。螺栓220具有一個螺栓 頭222和一個整體的螺紋桿224。為了將這些部分組裝在一起，將這 些部分(204、 206、 208)彼此相鄰地放置，這樣使這些對應(yīng)的螺紋孔 (210、 212、 214)對齊。這些螺栓220被移動以接合這些螺紋孔中的 螺紋并且被擰緊，這樣該前導(dǎo)、中間以及尾隨部分彼此非常緊密地壓 靠。更換刀片的一個部分的能力還存在于多個刀片中，在這些 刀片中，這些部分以允許這些部分拆卸的方式(例如，銅焊)被連接 在一起。當(dāng)如圖4中的刀片60的一個刀片的一部分受到損壞(或因為 其他原因而需要更換)時，可以將該前導(dǎo)部分從尾隨部分上拆下。然 后用一個未損壞的部分(或適合的部分)更換該損壞的部分或需要更 換的部分，并且將這些部分連接在一起。因為僅更換該刀片的一部分而不是整體，所以僅更換該刀 片本體的一部分(例如，該(這些)損壞部分)的性能或能力將會減 少總操作成本。僅更換該刀片的已選擇的部分的能力允許刀片的定制 (甚至是在鉆孔操作的過程中)，以優(yōu)化性能。在此方面，在鉆井(或 切削)操作過程中，由于該刀片的一個部分因為材料選擇而經(jīng)受不當(dāng) 的或過度的磨損或失效，所以該損壞的部分可以被一個相應(yīng)的部分替 換，該相應(yīng)的部分由更適合于該具體的鉆井/切削用途或工作環(huán)境的一 種材料制成。因此，該可更換或可修復(fù)特征用于通過降低修復(fù)成本并 且增加操作性能來減少總操作成本。

圖16是示出了總體上表示為630的一個刀片的側(cè)視圖，該刀片包括連接在一起的四個部分(632、 634、 636、 638)。部分632是由粘結(jié)碳化物制成，部分634是由粘結(jié)碳化物制成，部分636是由硬質(zhì)復(fù)合材料制成，并且部分638是由鋼制成。刀片630具有一個前表面640、 一個尾隨表面641、 一個頂部(或徑向向外)表面642以及一個底(或徑向向內(nèi))表面644。在這個實施方案中，前表面640包括粘結(jié)碳化物制成的兩個不同表面640A和640B，其中這些粘結(jié)碳化物可以是相同品級或不同品級。通過提供展示出不同材料的表面部分的一個前表面，該刀片可以被定制為展示出多種特性。這些硬質(zhì)構(gòu)成物可以包括多個燒結(jié)的粘結(jié)碳化物構(gòu)件(這 些構(gòu)件在下文可以被稱做燒結(jié)的粘結(jié)碳化物構(gòu)件)這些構(gòu)件可以具有 不同的幾何形狀，如三角形。該硬質(zhì)構(gòu)成物呈現(xiàn)出一種特定的預(yù)定形 狀。這種形狀可以根據(jù)該堅韌的耐磨損硬質(zhì)構(gòu)件的具體用途而變化。 粉末冶金技術(shù)允許該燒結(jié)的粘結(jié)碳化物構(gòu)件的形狀呈現(xiàn)出多種形狀或 幾何構(gòu)形中的任一種。在一個替代方案中，在此考慮了這些硬質(zhì)構(gòu)成 物的尺寸為在該燒結(jié)的粘結(jié)碳化物構(gòu)件的每個暴露的表面(或面)上 具有在大約0.001平方英寸(0.006平方厘米)與大約16平方英寸(103 平方厘米)之間的范圍內(nèi)的一個表面積。在此方面，例如，該燒結(jié)的 粘結(jié)碳化物構(gòu)件可以具有多個暴露的表面，其中 一個暴露的表面具有一種硬質(zhì)構(gòu)成物，這種硬質(zhì)構(gòu)成物占據(jù)在大約0.006平方厘米與大約 103平方厘米之間的表面積，且另一個暴露的表面具有一種硬質(zhì)構(gòu)成 物，這種硬質(zhì)構(gòu)成物占據(jù)在大約0.006平方厘米與大約103平方厘米 之間的表面積。在此還考慮了該燒結(jié)的粘結(jié)碳化物構(gòu)件可以具有在大 約0.005平方英寸(0.03平方厘米)與大約5平方英寸(33平方厘米) 之間的范圍內(nèi)的一個尺寸。在此進(jìn)一步考慮了該燒結(jié)的粘結(jié)碳化物構(gòu) 件可以具有在大約0.0005平方英寸(0.003平方厘米)與大約0.5平方 英寸(0.003平方厘米)之間的范圍內(nèi)的一個尺寸。
構(gòu)件的大約0.2重量百分比與大約6重 量百分比之間，并且碳化鴒是該構(gòu)成的余量。燒結(jié)的粘結(jié)碳化物構(gòu)件 34的另一個構(gòu)成是鈷粘結(jié)碳化鎢，其中鈷的范圍在該鈷粘結(jié)碳化鎢構(gòu) 件的大約6重量百分比與大約30重量百分比之間，并且碳化鎢是該構(gòu) 成的余量。在又一個構(gòu)成中，燒結(jié)的粘結(jié)碳化物構(gòu)件可以包括鈷(10 重量百分比的鈷)粘結(jié)碳化鴒。
材料的大約0.2重量百 分比與大約6重量百分比之間，并且碳化鴒是該材料的余量。
(例如，碳化鈦和碳化鉻) 并且該粘合劑可能不同于鈷(例如，鎳)。申請人進(jìn)一步考慮了這些 壓碎的粘結(jié)碳化物顆粒的構(gòu)成可以根據(jù)具體的應(yīng)用在整個具體硬質(zhì)復(fù) 合材料中變化。申請人還考慮了除粘結(jié)碳化物類之外某些硬質(zhì)材料可 以適合于形成這些顆粒。
、碳化鉻、 連同用于這些碳化物和/或這些碳化物上的一個涂層的一種粘合劑形 式的鈷和鎳。 一種典型的熔滲合金具有的構(gòu)成(重量百分比)為銅 (53%)-鎳(15%)-錳(24%)-鋅(8%)以及等于大約1150攝氏度的熔點。
、鈦、鈮、鉭、鉿、鉻以及鋯。該基體粉末典型地包括 燒結(jié)的碳化物類、壓碎的燒結(jié)碳化物類、鑄造碳化物、壓碎的碳化物 類、碳化鵠粉末以及碳化鉻粉末中的一種或多種。該熔滲合金具有銅 (53%)-鎳(15%)-錳(24%)-鋅(8%)的構(gòu)成(重量百分比)以及等于大 約1150攝氏度的熔點。
， 其中存在的鈷的量是10重量百分比。該硬質(zhì)復(fù)合材料進(jìn)一步包含一種 基體粉末，該基體粉末可以是表2至表6中列出的這些基體粉末中的 任一種，但是優(yōu)選的一種基體粉末可以是表2中列出的基體粉末No. 1 至No. 3中的任一種。按重量計的該基體粉末與該熔滲合金之比是按 重量計大約40:60。在一些應(yīng)用中，該硬質(zhì)構(gòu)成物壓碎的粘結(jié)碳化鴒 顆粒(-80+120目)的范圍是在該硬質(zhì)復(fù)合材料的大約2.5體積百分 比與大約40體積百分比之間，且余量包括基體粉末和熔滲合金。然而， 存在這樣一些應(yīng)用，即其中這些壓碎的粘結(jié)碳化鵠顆粒的范圍是在該 硬質(zhì)復(fù)合材料的大約2體積百分比至大約4體積百分比之間。還存在 其他應(yīng)用，即其中這些壓碎的粘結(jié)碳化鵠顆粒的范圍是在該硬質(zhì)復(fù)合 材料的大約30體積百分比與大約40體積百分比之間。
、鈦、鈮、鉭、鉿、鉻 以及鋯。該基體粉末典型地包括燒結(jié)的碳化物類、壓碎的燒結(jié)碳化物 類、鑄造碳化物、壓碎的碳化物類、碳化鴒粉末以及碳化鉻粉末中的 一種或多種。該熔滲合金具有銅(53%)-鎳(15%)-錳(24%)-鋅(8%) 的構(gòu)成以及等于大約1150攝氏度的熔點。
粉末(該碳化鴒由鋁熱法或由共滲碳 (co-carburized)碳化鴒制成)、碳化鉻粉末、球形鑄造碳化物粉末 和/或球形燒結(jié)的碳化物粉末中的一種或多種。該熔滲合金具有銅 (53%)-鎳(15%)-錳(24%)-鋅(8%)的構(gòu)成以及等于大約1150攝氏度的 熔點。
構(gòu)件可以 存在的范圍是該表面積的大約百分之1至大約百分之5。對于其他應(yīng) 用，這些粘結(jié)碳化鴒構(gòu)件可以存在的范圍是該表面積的大約百分之70 至大約百分之90。
構(gòu)件可以存在的范圍是該表面積的大約百分之1至大 約百分之5。對于其他應(yīng)用，這些粘結(jié)碳化鵠構(gòu)件可以存在的范圍是 該表面積的大約百分之70至大約百分之90。
，其中一種粘合劑包括鈷、鎳、鐵和鉬中的一種或多種，并且該涂層包括鎳、鈷、鐵和鉬中的一種或多種；鈦、鈮、鉭、鉿和鋯中的一 種或多種的碳化物類、氮化物類和硼化物類中的一種或多種；碳化鴒； 鈦、鈮、鉭、鉿和鋯中的一種或多種的涂覆的碳化物類、涂覆的氮化物 類和涂覆的硼化物類中的一種或多種，其中該涂層包括鎳、鈷、鐵和鉬 中的一種或多種；涂覆的碳化鴒，其中該涂層包括鎳、鈷、鐵和鉬中的 一種或多種；涂覆的碳化硅，其中該涂層包括鎳、鈷、鐵和鉬中的一種 或多種；涂覆的氮化硅，其中該涂層包括鎳、鈷、鐵和鉬中的一種或多 種；以及涂覆的碳化硼；并且該第二材料成分包括選自粘結(jié)碳化物和一種硬質(zhì)復(fù)合材料構(gòu)成的組中的 一種材料，該硬質(zhì)復(fù)合材料包括多個離散的硬質(zhì)構(gòu)成物以及硬顆 粒的基體粉末以及粘合在一起以形成該硬質(zhì)復(fù)合材料的一種熔滲合金； 其中這些離散的硬質(zhì)構(gòu)成物各自具有一個尺寸從而具有在大約0.006平 方厘米與大約1452平方厘米之間的一個表面面積，其中基本上所有的 硬顆粒具有的尺寸均小于這些硬質(zhì)構(gòu)成物的尺寸，并且該熔滲合金具有 在大約500攝氏度與大約1400攝氏度之間的熔點，其中該基體粉末包 括以下各項中的 一種或多種球形鑄造碳化物類、球形燒結(jié)的碳化物類、 壓碎的粘結(jié)碳化物顆粒、壓碎的鑄造碳化物顆粒、壓碎的碳化物顆粒、 以及粘結(jié)碳化物粉末、鋼顆粒、羰基鐵顆粒、以及涂覆的碳化物顆粒； 其中這些離散的硬質(zhì)構(gòu)成物包括以下各項中的一種或多種粘結(jié)碳化物 類和陶瓷類；燒結(jié)的粘結(jié)碳化鎢，其中一種粘合劑包括鈷、鎳、鐵和鉬 中的一種或多種；涂覆的燒結(jié)的粘結(jié)碳化鵠，其中一種粘合劑包括鈷、 鎳、鐵和鉬中的一種或多種，并且該涂層包括鎳、鈷、鐵和鉬中的一種 或多種；鈦、鈮、鉭、鉿和鋯中的一種或多種的碳化物類、氮化物類和 硼化物類中的一種或多種；碳化鎢；鈦、鈮、鉭、鉿和鋯中的一種或多 種的涂覆的碳化物類、涂覆的氮化物類、以及涂覆的硼化物類中的一種 或多種，其中該涂層包括鎳、鈷、鐵和鉬中的一種或多種；涂覆的碳化 鴒，其中該涂層包括鎳、鈷、鐵和鉬中的一種或多種；涂覆的碳化硅， 其中該涂層包括鎳、鈷、鐵和鉬中的一種或多種；涂覆的氮化硅，其中 該涂層包括鎳、鈷、鐵和鉬中的一種或多種；以及涂覆的碳化硼。
5. 如權(quán)利要求4所述的刀片，其中該熔滲合金包括以下合金中的任 何一種(i)在大約15重量百分比與大約75重量百分比之間的銅， 在大約1重量百分比與大約70重量百分比之間的鎳，在大約1重量百 分比與大約45重量百分比之間的錳；(ii)在大約40重量百分比與大 約80重量百分比之間的銅，在大約15重量百分比與大約30重量百分 比之間的鎳，以及在大約5重量百分比與大約30重量百分比之間的錳；(iii)在大約15重量百分比與大約50重量百分比之間的銅，在大約5 重量百分比與大約45重量百分比之間的鋅，以及在大約15重量百分比 與大約75重量百分比之間的銀；(iv )在大約75重量百分比與大約85 重量百分比之間的銅，在大約5重量百分比與大約15重量百分比之間 的鎳，在大約5重量百分比與大約15重量百分比之間的錫，以及大于 或等于約0.1重量百分比的鈮；(V)在大約15重量百分比與大約50 重量百分比之間的鋅以及在大約45重量百分比與大約65重量百分比之 間的銅；以及(vi)在大約15重量百分比與大約50重量百分比之間的 鋅以及在大約45重量百分比與大約65重量百分比之間的銅，以及在大 約5重量百分比與大約20重量百分比之間的鎳。
6. 如權(quán)利要求1所述的刀片，其中該第一部分是一個前導(dǎo)部分并且 基本上限定了所有的前表面，該前導(dǎo)部分包含至少一個凹槽以用于接收 一個切削元件，并且該第二部分是一個尾隨部分。
7. 如權(quán)利要求6所述的刀片，其中該前導(dǎo)部分被可拆卸地連接到該 尾隨部分上。
8. 如權(quán)利要求6所述的刀片，其中該刀片本體進(jìn)一步包括定位在該 前導(dǎo)部分與該尾隨部分中間的一個中間部分，并且該中間部分是由選自 粘結(jié)碳化物和鋼和一種硬質(zhì)復(fù)合材料構(gòu)成的組中的一種第三材料成分 制成，該硬質(zhì)復(fù)合材料包括多個硬質(zhì)構(gòu)成物以及硬顆粒的基體粉末以及粘合在一起以形成該硬質(zhì)復(fù)合材料的一種熔滲合金。
9. 如權(quán)利要求8所述的刀片，其中該前導(dǎo)部分被可拆卸地連接到該 中間部分上并且該尾隨部分被可拆卸地連接到該中間部分上。
10. 如權(quán)利要求8所述的刀片，其中該第 一材料成分和該第三材料成 分是屬于相同種類的材料但是具有不同的構(gòu)成。
11. 如權(quán)利要求8所述的刀片，其中該第一材料成分與該第三材料成 分是屬于不同種類的材料。
12. 如權(quán)利要求1所述的刀片，其中該第二部分限定了該前表面的至 少一部分。
13. 如權(quán)利要求12所述的刀片，其中該刀片本體進(jìn)一步包括一個笫 三部分，其中基本上所有的前表面均由該第一部分以及該第二部分限定。
14. 用在一個固定切削刀頭上的一種刀片，所述刀片包括一個刀片本 體，該刀片本體具有一個前導(dǎo)部分、可任選的一個中間部分以及一個尾 隨部分，該前導(dǎo)部分包含至少一個凹槽以用于接收一個切削元件，該前 導(dǎo)部分是由 一種前導(dǎo)部分的材料制成，該中間部分是由 一種中間部分的 材料制成，并且該尾隨部分是由一種尾隨部分的材料制成。
15. 如權(quán)利要求14所述的刀片，其中該前導(dǎo)部分的材料、該中間部 分的材料以及該尾隨部分的材料是選自粘結(jié)碳化物和鋼和一種硬質(zhì)復(fù) 合材料構(gòu)成的組，該硬質(zhì)復(fù)合材料包括多個硬質(zhì)構(gòu)成物以及硬顆粒的基 體粉末以及粘合在一起以形成該硬質(zhì)復(fù)合材料的一種熔滲合金。
16. 如權(quán)利要求14所述的刀片，其中該切削元件包括選自下組的一 種超硬材料，該組的構(gòu)成為聚晶金剛石、金剛石和立方氮化硼。
17. 如權(quán)利要求14所述的刀片，其中該切削元件包括一個背襯體以 及在該背襯體上的一個聚晶金剛石層；其中該聚晶金剛石層具有鄰近該 背襯體的一個內(nèi)部區(qū)域以及鄰近該內(nèi)部區(qū)域的一個外部區(qū)域，該內(nèi)部區(qū) 域包括內(nèi)部金剛石顆粒以及一種催化劑，其中這些內(nèi)部金剛石顆粒被橋 接在一起以形成在它們之間的間隙，并且該催化劑是在這些內(nèi)部金剛石 顆粒的間隙處；并且該外部區(qū)域包括橋接在一起以形成在它們之間的間 隙的外部金剛石顆粒并且該外部區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上沒有催化劑。
18. 如權(quán)利要求17所述的刀片，其中一種化學(xué)氣相沉積施加的硬質(zhì) 材料實質(zhì)上包圍了這些外部金剛石顆粒。
19. 一種固定切削刀頭，它具有一個刀頭本體，該刀頭本體呈現(xiàn)出一 個肩臺以及從該肩臺突出的一個刀片，該刀片包括一個刀片本體，該刀片本體具有一個前表面，該刀片本體具有限定 了該前表面的至少一部分的一個第一部分，并且該刀片本體進(jìn)一步具有 一個第二部分，并且該第一部分包括一種第一材料成分并且該第二部分 包括一種第二材料成分；該第一材料成分的材料是選自粘結(jié)碳化物和鋼和一種硬質(zhì)復(fù)合材 料構(gòu)成的組，該硬質(zhì)復(fù)合材料包括多個硬質(zhì)構(gòu)成物以及硬顆粒的基體粉 末以及粘合在一起以形成該硬質(zhì)復(fù)合材料的一種熔滲合金；并且該笫二材料成分的材料是選自粘結(jié)碳化物和鋼和一種硬質(zhì)復(fù)合材 料構(gòu)成的組，該硬質(zhì)復(fù)合材料包括多個硬質(zhì)構(gòu)成物以及硬顆粒的基體粉 末以及粘合在一起以形成該硬質(zhì)復(fù)合材料的一種熔滲合金。
20. 如權(quán)利要求19所述的固定切削刀頭，其中多個刀片從該肩臺突出。
21.—種用于沖擊地層的固定切削刀頭，該刀頭包括 一個刀頭本體以及多個刀片，該刀頭本體具有一個第一硬度的一個第一部分，這些刀片從該刀頭本體突出，其中這些刀片各自包括一個刀 片本體以及由該刀片本體攜帶的至少一個切削元件，并且這些刀片本體 各自具有一個第二硬度部分，該第二硬度大于該第一硬度。
全文摘要
用在沖擊地層的刀具上的一種刀片，該刀片具有一個刀片本體(616)，該刀片本體具有一個前表面(624)。該刀片本體(616)具有限定了前表面(624)的至少一部分的一個第一部分(618)以及一個第二部分(620)。該第一部分(618)是由一種第一材料成分制成并且該第二部分(620)是由一種第二材料成分制成。
文檔編號E21B10/46GK101680272SQ200880016808
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月21日
發(fā)明者J·W·比特勒, S·I·馬賈吉 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司