用于鉆探設備的磨損指示器的制造方法
【專利摘要】本申請公開了一種用在鉆頭或者取芯頭中的磨損指示器（100）。所述磨損指示器（100）包括構成鉆頭的一部分的細長元件。所述細長元件具有沿其長度形成的多個數(shù)字（110、120、130、140、150、160、170、180），每個數(shù)字（110、120、130、140、150、160、170、180）被形成為空心部并且對應于根據(jù)IADC磨損分級系統(tǒng)的級別。隨著鉆頭磨損，所述磨損指示器（100）以相同的速度磨損，從而露出數(shù)字（110、120、130、140、150、160、170、180）中的一個。數(shù)字的范圍為從“1”到“8”，其中數(shù)字“1”指示最小磨損，而數(shù)字“8”指示最大磨損。當未磨損時，沒有一個數(shù)字可見。
【專利說明】用于鉆探設備的磨損指示器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于鉆探設備的磨損指示器，尤其(盡管不是排他性地)涉及在鉆探作業(yè)中使用的具有固定切削結構的鉆頭和取芯頭的磨損指示器。
【背景技術】
[0002]石油鉆探中使用兩種鉆探工具，即牙輪鉆頭和固定切削器鉆頭。牙輪鉆頭具有活動部件而固定切削器鉆頭沒有任何活動部件。
[0003]具有固定切削結構的鉆頭根據(jù)其切削器的性質分為四個子類。這樣的切削器可以由多晶金剛石復合片(PDC)、天然金剛石、熱穩(wěn)定多晶金剛石(TSP)或浸潰有金剛石或其他磨料顆粒的金屬基材料制成。最后一種通常稱為“浸潰”鉆頭。
[0004]US-B-7621349中描述了一種制造具有固定切削結構的鉆頭的方法。所述固定切削結構由浸潰有金剛石或其他顆粒材料的金屬基材料制成。
[0005]能夠評估帶有固定切削結構的鉆頭的磨損級別，由此能夠在鉆探作業(yè)中使用這些鉆頭時確定鉆頭有效性是必要的。然而，一般而言，就作業(yè)各階段的磨損水平而言，難以獲得鉆頭的磨損程度評估。切削結構磨損通常根據(jù)由國際鉆井承包商協(xié)會(IADC)設定的標準來確定。相關標準、IADC磨損分級系統(tǒng)根據(jù)鉆頭的原始切削結構的高度來確定鉆頭的磨損量。對于PDC切削結構，由PDC切削器本身的直徑與其原始直徑之比來確定高度。對于浸潰鉆頭，切削結構高度被確定為在平行于主鉆頭軸的鼻部區(qū)域上測量到的刀片高度，所述鼻部區(qū)域由刀片型的末端來限定。取決于切削結構的類型，根據(jù)測量到的PDC切削器或刀片高度來使用代表0%到100%磨損的“I”到“8”級的分級系統(tǒng)。然而，由于磨損的確定取決于測量，所以其可能不恒定并且因此不可靠，尤其當已經(jīng)磨損時，無法確定浸潰鉆頭的原始刀片高度。
[0006]US-B-6167833描述了一種與旋轉鉆探工具一同使用的磨損指示器。該磨損指示器被整合到所述工具的前沿面內(nèi)，并且包括由視覺顯著材料制成的至少一個區(qū)域，上述至少一個區(qū)域被設置用以指示前沿面的漸進磨損。該視覺顯著材料不同于主要地形成鉆探工具的材料。該磨損指示器可以以量度方式被嵌入在外表面部中。例如，該磨損指示器可以包括:階梯形設置部，其中每個階梯表示鉆頭漸進磨損的程度；楔形設置部，其中楔形的各部分根據(jù)其所嵌入的工具的磨損而被暴露；或者多個翼片，其中被暴露的翼片的數(shù)量指示出磨損量。該磨損指示器可以包括不銹鋼、銅、鋁、鎢、石墨或陶瓷材料。
[0007]然而，US-B-6167833中描述的磨損指示器的缺點在于:除非人們熟悉特定的磨損指示器，并且熟悉其如何在其所嵌入的工具的壽命期間中如何變化，否則磨損量的確定就會不太精確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于固定表面鉆頭和/或取芯頭的新式磨損指示器。[0009]本發(fā)明的另一目的是提供一種整合有這樣的磨損指示器的鉆頭和/或取芯頭。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第一方案，提供了一種用于鉆探設備的磨損指示器，所述磨損指示器包括細長元件，所述細長元件具有沿其長度形成的多個區(qū)域，每個區(qū)域具有形成在其中的指示磨損級別的數(shù)字。
[0011]通過在磨損指示器中形成的多個區(qū)域，能夠容易地確定磨損指示而無需進行任何測量。
[0012]所述細長元件可以包括八個區(qū)域，每個區(qū)域的數(shù)字介于“I”和“8”之間。在這種情況下，可以使每個數(shù)字對應于IADC磨損分級系統(tǒng)中使用的數(shù)字。這意味著由于每個數(shù)字對應于IADC磨損分級系統(tǒng)中相應的一個磨損級別，所以無需對其解讀。
[0013]而且，由于優(yōu)選的是每個數(shù)字包括空心部，所以即使帶數(shù)字的區(qū)域被來自鉆探作業(yè)的碎屑所填充，這些帶數(shù)字區(qū)域仍然可辨識。本文所使用的術語“空心部”指的是在所述磨損指示器內(nèi)由中空部分來形成的數(shù)字。
[0014]理想情況下，所述細長元件可以包括指示無磨損的封閉端。這意味著可以很容易地識別未磨損的鉆頭?？商娲兀黾氶L元件可以包括開口端，開口端中形成有指示無磨損的數(shù)字“O”。
[0015]理想情況下，如果所述數(shù)字不包括空心部，則所述數(shù)字應相對于所述細長元件視覺顯著。在一個實施例中，所述數(shù)字包括與所述細長元件的材料不同的材料?？商娲?，所述數(shù)字可以由與所述細長元件相同的材料制成，但具有紋理或顏色以提供視覺顯著性。
[0016]為便于制造，所述細長元件可以大致為柱形。術語“柱形”是指沿其長度具有大致相同橫截面的形狀。就此而言，所述細長元件可以具有大致圓形、橢圓形或矩形的橫截面。所述細長元件還可以具有大致多邊形的橫截面，優(yōu)選地為正多邊形的橫截面。在這種情況下，所述橫截面可以是正方形、三角形甚至六邊形。
[0017]每個區(qū)域可被形成為離散部分，并且這些部分被保持在一起以形成所述細長元件。這些部分可以在插入所述鉆頭之前被熔合在一起，或者可以在所述鉆頭的模制處理的一部分中被熔合在一起，例如，在用于制造浸潰鉆頭的浸滲(infiltration)處理過程中被熔合在一起?？商娲?，每個區(qū)域可以以連續(xù)式工藝來順序地形成。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供了一種鉆頭，其包括如上所述的磨損指示器。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的又一方案，提供了一種取芯頭，其包括如上所述的磨損指示器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將僅以示例的方式參照附圖，附圖中:
[0021]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的磨損指示器概念；
[0022]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的磨損指示器的立體圖，磨損指示器顯示“3”級磨損；
[0023]圖3和圖4分別示出結合根據(jù)本發(fā)明的磨損指示器的未磨損鉆頭的仰視圖和立體圖；
[0024]圖5和圖6分別類似于圖3和圖4，但示出“I”級磨損；
[0025]圖7和圖8分別類似于圖3和圖4，但示出“2”級磨損；
[0026]圖9和圖10分別類似于圖3和圖4，但示出“3”級磨損；
[0027]圖11和圖12分別類似于圖3和圖4，但示出“4”級磨損；[0028]圖13和圖14分別類似于圖3和圖4，但示出“5”級磨損；
[0029]圖15和圖16分別類似于圖3和圖4，但示出“6”級磨損；
[0030]圖17和圖18分別類似于圖3和圖4，但示出“7”級磨損；
[0031]圖19和圖20分別類似于圖3和圖4，但示出“8”級磨損。
【具體實施方式】
[0032]將針對具體實施例并參照一定附圖來描述本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于此。所描述的附圖僅僅是示意性的而非限制性的。在附圖中，為說明目的，一些元件的尺寸可以擴大而不按比例繪制。
[0033]可以理解的是，本文中所使用的術語“豎直”和“水平”指的是圖形的特定方位并且這些術語不限于本文描述的具體實施例。
[0034]在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，提供一種磨損指示器，其包括一系列的數(shù)字，這些數(shù)字指示鉆頭和/或取芯頭的磨損級別。每個數(shù)字是以在磨損指示器中形成的空心部的方式來制成的。即使形成數(shù)字的空心部填充有來自鉆探過程的鉆屑，這些數(shù)字也仍然可辨識。理想情況下，這些數(shù)字對應于用IADC磨損分級系統(tǒng)指示的相應磨損級別。
[0035]對于每個磨損指示器，其長度大約被分成8份，使得可見數(shù)字指示磨損指示器所在的鉆頭或取芯頭的磨損級別，例如，“I”表示“I”級磨損，而“8”表示“8”級磨損。同時可以由磨損指示器的封閉端來表示未磨損狀態(tài)，還可以用數(shù)字“O”表示未磨損狀態(tài)。在這種情況下，可能有必要將磨損指示器的長度分成9份而非8份，以表示對應的磨損級別。在許多情況下，這種選擇將取決于原始切削結構高度，以及磨損指示器所插入的鉆頭的類型。此外，這些數(shù)字之間的間隔也取決于特定的鉆頭設計。下面描述的是用于浸潰鉆頭的磨損指示器，但應理解的是，其可以應用到任何固定切削結構鉆頭，例如PDC鉆頭。
[0036]首先參照圖1，其中的圖表示出根據(jù)本發(fā)明的磨損指示器的各階段。所述磨損指示器包括細長元件，例如鋼桿，其使用快速成形(rapid prototyping)和/或快速制造方法制成。也可以使用其他制造方法，如下所述。示出了沒有可見數(shù)字的新的磨損指示器100。還示出了表明不同磨損級別的磨損指示器110、120、130、140、150、160、170、180，每個磨損指示器分別對應于“I”到“8”的磨損級別，對應于磨損級別的相關數(shù)字是可見的。如上所述，每個數(shù)字被形成為桿的相關部分中的空心部?？商娲?，數(shù)字可以由視覺顯著不同于磨損指示器100的主體的另一種材料制成。
[0037]雖然圖1示出數(shù)字為完整的數(shù)字，但是可能有必要使數(shù)字定型(stylise)，以令數(shù)字能夠在磨損指示器的制造過程中很容易地形成。例如，通過數(shù)字4、6和8的部分可以包括無封閉實心部分的輪廓。然而，如果在數(shù)字之間設置薄的實心分隔部，則沒有必要定型。
[0038]如上所述,參照圖1,磨損指示器100包括細長元件,此細長元件包括八個區(qū)域,每一個區(qū)域根據(jù)IADC磨損分級系統(tǒng)標有一個介于“I”和“8”之間的數(shù)字。然而，應理解的是，如果沒必要使用IADC磨損分級系統(tǒng)，則數(shù)字“ I ”到“8”可被替換為字母“A”到“H”，甚至被替換為羅馬數(shù)字“I”到“VIII”。此外，磨損指示器可被設置為用以示出磨損的不同級別，例如，代替具有八個磨損級別的IADC磨損分級系統(tǒng)，根據(jù)特定應用可允許使用更多或更少的磨損級別。
[0039]圖2示出使用快速成形方法由鋼制成的磨損指示器。所述指示器具有8_的直徑和45mm的長度，并且已被切削到等于“3”級磨損的級別。在磨損指示器上的數(shù)字對應于IADC磨損分級系統(tǒng)中的相應磨損級別的情況下，磨損指示器的長度被分為8個區(qū)域，且具有表示鉆頭未磨損的封閉端。然而，應當理解的是，磨損指示器可以根據(jù)特定鉆頭設計而具有不同的直徑和/或長度。
[0040]如上所述，磨損指示器包括細長元件。然而，細長元件可以是柱形的，即沿其長度具有大致相同的橫截面。橫截面可以大致為圓形、橢圓形、正方形或矩形。更一般地，如果橫截面不為圓形、橢圓形、正方形或矩形，則細長元件可以具有大致多邊形的橫截面，優(yōu)選為正多邊形的橫截面。在這種情況下，橫截面可以是三角形、六邊形、八邊形等。
[0041]還應當理解的是，細長元件還可以包括不規(guī)則的多邊形橫截面，以確保在其制造階段中，當將磨損指示器引入鉆頭中時，或者將在磨損指示器與其待插入的切削結構之間設置過盈配合時，磨損指示器相對于鉆頭的主體能夠更好的形成(鍵入)，如下文參照浸潰鉆頭所描述的。此外，應容易理解的是，磨損指示器可以通過釬焊、軟焊、粘接等被保留在鉆頭內(nèi)。
[0042]圖3和圖4分別示出新鉆頭的仰視圖和立體圖，其中已插入根據(jù)本發(fā)明的磨損指示器210。這里，鉆頭200未被磨損，并且磨損指示器210的可見端封閉，由此不顯示數(shù)字。封閉的可見端可以包括一薄層用于制成磨損指示器210的材料。
[0043]圖5和圖6分別類似于圖3和圖4。這里，鉆頭已磨損到“ I”級，如磨損指示器211所指示的。類似地，圖7和圖8示出已磨損到“2”級的鉆頭，如磨損指示器212所指示的；圖9和圖10示出已磨損到“3”級的鉆頭，如磨損指示器213所指示的；圖11和圖12示出已磨損到“4”級的鉆頭，如磨損指示器214所指示的；圖13和圖14示出已磨損到“5”級的鉆頭，如磨損指示器215所指示的；圖15和圖16示出已磨損到“6”級的鉆頭，如磨損指示器216所指示的；圖17和圖18示出已磨損到“7”級的鉆頭，如磨損指示器217所指示的；圖19和圖20示出已磨損到“8”級的鉆頭，如磨損指示器218所指示的。
[0044]在每對連續(xù)的附圖中，可以看出，當與前一對附圖比較時，鉆頭的切削結構已受到進一步磨損。
[0045]快速成形和/或快速制造技術可以用于根據(jù)本發(fā)明的磨損指示器的制造。這些技術是眾所周知的，并且這里將不詳細說明。通過使用這樣的技術，能夠在計算機控制下逐層地建造磨損指示器，由此在磨損指示器的整個長度上形成所需的外形。這些層與來自計算機輔助設計(CAD)繪圖或模型的虛擬橫截面對應，將逐步自動地形成一個整件以產(chǎn)生最終的形狀。增材制造(additive fabrication)的主要優(yōu)點是其能夠產(chǎn)生包括空心部的幾乎任何形狀或幾何特征。
[0046]除了能夠產(chǎn)生復雜的幾何形狀，例如磨損指示器中的數(shù)字之外，這些工藝能量高效并且材料消耗少。而且，雖然其并非真正的“快速”，但是由于無需后續(xù)處理而可供節(jié)省制作時間。
[0047]雖然快速成形是指使用增材制造技術來完成物體自動構造的術語，但是該工藝通常能夠被用來制造僅需要少量的產(chǎn)品性質的零件。快速制造有時也稱為直接數(shù)字、直接、即時或者按需制造，是快速成形的延伸并且包括能夠使用增材和/或減材制作以在計算機控制下產(chǎn)生三維模型的零件的制造工藝。
[0048]可以用于快速成形和快速制造技術的典型材料包括各種材料，包括金屬合金、例如鋼以及聚合材料。
[0049]應理解的是，根據(jù)所采用的特定裝置，使用快速成形或快速制造技術能夠同時制造數(shù)個磨損指示器。例如，能夠一次制造多達50個磨損指示器。
[0050]作為使用快速成形或快速制造來制造根據(jù)本發(fā)明的磨損指示器的替代方案，磨損指示器可以被構造為多個段，各段具有穿過該段形成的不同數(shù)字。例如通過燒結、軟焊、釬焊、粘接等將這些段連接在一起，以形成可以在其制造過程中或者在稍后的階段中插入到鉆頭中的連貫的磨損指示器。同樣，隨著鉆頭磨損，相應的磨損級數(shù)字變得可見。
[0051]可通過澆鑄、模壓、模制或通過任何其他合適的技術制成這些段。當然，制造技術可以取決于制成磨損指示器的材料，例如，如果使用鋁合金，則磨損指示器可被模壓形成?？梢杂糜谥谱鬟@些段的材料包括但不限于:金屬、金屬合金以及陶瓷。還可以使用下文描述的基體材料構造這些段。
[0052]如在US-A-2007/0215389中所描述的，可以通過在模具中將金屬粉末材料與粘合劑放置在一起來形成基體鉆頭。模具及其內(nèi)容物被加熱以允許粘合劑流入金屬粉末內(nèi)，其在隨后被冷卻時定形以形成鉆頭。這種類型的鉆頭還稱為基體鉆頭體。
[0053]該模具可以通過碾磨諸如石墨的材料塊，以限定出特征總體上對應于所得到的基體鉆頭的外部特征的模腔。在添加基體材料之前將金剛石切削器或其他研磨材料放置在模具中。
[0054]通過使模腔成形和/或在模腔中的預定位置處放置置換材料，可以在基體鉆頭中形成額外的特征?？梢詫撆鞣胖迷谀Ｇ恢?，以允許隨后將鉆頭附接到螺紋柄上。
[0055]基體材料包括:微晶碳化鶴、鑄造碳化物、燒結碳化物(cemented carbide)、球狀碳化物或任何其他合適的材料或這些材料的組合。燒結碳化物包括:碳化鎢(WC)、碳化鑰(MoC),碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)和混合碳化物的固溶體，諸如粉末形式的銅、鎳、鐵、鑰、鈷或其合金的金屬粘合劑中的WC-TiC、WC-TiC-TaC、WC-TiC-(Ta/Nb) C。
[0056]粘合劑材料包括銅或銅基合金，其包括錳、鎳、錫、鋅、硅、鑰、鎢和磷中的一種或多種。
[0057]使用在US-A-2007/0215389中描述的形成基體鉆頭體的方法，在添加基體材料時以及在浸滲處理過程中，本發(fā)明的磨損指示器可被插入模具中適當?shù)奈恢貌⑶冶槐３志臀弧?br> [0058]可替代地，置換材料可被用于在鉆頭中生成空間，磨損指示器可在模制之后被插入上述空間。
[0059]磨損指示器可以通過多種方式被插入鉆頭或取芯頭內(nèi)。例如，磨損指示器可被粘接、釬焊、軟焊或螺紋連接就位。磨損指示器的外徑可被設定尺寸，以與鉆頭中形成的孔過盈配合，也就是說，磨損指示器的外徑稍大于其將被插入的孔的內(nèi)徑。在這種情況下，磨損指示器被簡單地插入并由于過盈配合而被保持就位。
[0060]雖然已參照浸潰鉆頭描述了本發(fā)明，但是應理解的是，本發(fā)明也可以應用到不同的鉆頭上，例如，PDC切削鉆頭。在PDC切削鉆頭的情況下，切削器被釬焊到鉆頭的頭部，并且磨損指示器可被插入一個或多個刀片中的適當位置，使得磨損指示器能夠提供該特定類型鉆頭的正確的磨損級別指示。
[0061]容易理解的是，可以在每個鉆頭上設置不止一個磨損指示器。在這種情況下，每個磨損指示器提供鉆頭的特定部分的磨損指示，而當鉆頭上的所有磨損指示器被一起考慮時，可以確定鉆頭的磨損形態(tài)的整體指示。
[0062]應理解的是，本發(fā)明的磨損指示器不限于在鉆頭和/或取芯頭上使用，而是可以在需要容易地確定磨損級別的任何應用中使用，例如，開眼鉆頭(ho I e opener )和雙中心鉆頭(b1-centre)。
【權利要求】
1.ー種用于鉆頭的磨損指示器，所述磨損指示器包括細長元件，所述細長元件具有沿其長度形成的多個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)形成有指示磨損級別的數(shù)字。
2.根據(jù)權利要求1所述的磨損指示器，其中每個數(shù)字對應于IADC磨損分級系統(tǒng)中的磨損級別。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的磨損指示器，其中存在八個區(qū)域，每個區(qū)域的數(shù)字介于“I”和“8”之間。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的磨損指示器，其中每個數(shù)字被制成為空心部。
5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的磨損指示器，其中所述細長元件包括指示無磨損的封閉端。
6.根據(jù)權利要求1所述的磨損指示器，其中所述數(shù)字相對于所述細長元件視覺顯著。
7.根據(jù)權利要求6所述的磨損指示器，其中所述數(shù)字包括與所述細長元件的材料不同的材料。
8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的磨損指示器，其中所述細長元件大致為柱形。
9.根據(jù)權利要求8所述的磨損指示器，其中所述細長元件具有大致圓形的橫截面。
10.根據(jù)權利要求8所述的磨損指示器，其中所述細長元件具有大致橢圓形的橫截面。
11.根據(jù)權利要求8所述的磨損指示器，其中所述細長元件具有大致矩形的橫截面。
12.根據(jù)權利要求8所述的磨損指示器，其中所述細長元件具有大致多邊形的橫截面。
13.根據(jù)權利要求12所述的磨損指示器，其中所述大致多邊形的橫截面包括正多邊形。
14.根據(jù)權利要求13所述的磨損指示器，其中所述正多邊形包括正方形。
15.根據(jù)權利要求13所述的磨損指示器，其中所述正多邊形包括三角形。
16.根據(jù)權利要求13所述的磨損指示器，其中所述正多邊形包括六邊形。
17.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的磨損指示器，其中每個區(qū)域被形成為離散部分，并且各所述部分被保持在一起以形成所述細長元件。
18.根據(jù)權利要求17所述的磨損指示器，其中多個所述離散部分被熔合在一起。
19.根據(jù)權利要求1-17中任一項所述的磨損指示器，其中所述細長元件的每個區(qū)域是以連續(xù)式エ藝順序地形成的。
20.一種鉆頭，包括根據(jù)權利要求1所述的磨損指示器。
21.根據(jù)權利要求20所述的鉆頭，其中所述磨損指示器在模制處理之后形成所述鉆頭的一部分。
22.根據(jù)權利要求21所述的鉆頭，其中所述模制處理包括浸滲處理。
23.ー種取芯頭，包括根據(jù)權利要求1所述的磨損指示器。
24.根據(jù)權利要求23所述的取芯頭，其中所述磨損指示器在模制處理之后形成所述取芯頭的一部分。
25.根據(jù)權利要求24所述的取芯頭，其中所述模制處理包括浸滲處理。
【文檔編號】E21B12/02GK103582738SQ201180071402
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2011年6月3日 優(yōu)先權日:2011年6月3日
【發(fā)明者】奧利維婭·杜邦, 努諾·達·席爾瓦 申請人:哈利伯頓能源服務公司