具有滾動(dòng)切割器并使用組合倒角的pdc鉆頭的制作方法
【專利說(shuō)明】具有滾動(dòng)切割器并使用組合倒角的PDC鉆頭
【背景技術(shù)】
[0001] 用于穿過(guò)地質(zhì)地層鉆出井眼的鉆頭通常在鉆頭結(jié)構(gòu)的兩大類之一內(nèi)形成。第一種 類型的鉆頭通常稱為"牙輪"鉆頭，其包括鉆頭本體，該鉆頭本體具有可旋轉(zhuǎn)地安裝至鉆頭 本體的一個(gè)或多個(gè)牙輪。鉆頭本體通常由鋼或其它高強(qiáng)度材料形成。牙輪也通常由鋼或其 它高強(qiáng)度材料形成，且包括圍繞牙輪的選定位置處布置的多個(gè)切割元件。切割元件可以由 與牙輪相同的基材形成。這些鉆頭通常稱為"銑齒"鉆頭。其它的牙輪鉆頭包括"鑲齒"切 割元件，其壓力（干涉）配合至形成和/或機(jī)械加工到牙輪中的孔中。鑲齒可以由例如碳 化鎢、天然或合成金剛石、氮化硼或硬或超硬材料中的一個(gè)或組合來(lái)形成。
[0002] 第二種類型的鉆頭通常稱為"固定切割器"或"刮刀"鉆頭。這種鉆頭沒(méi)有移動(dòng)的 元件，而具有由鋼或另一種高強(qiáng)度材料形成的鉆頭本體和在選定位置處附連到鉆頭本體的 切割器（有時(shí)被稱為切割器元件、切割元件或鑲齒）。例如，切割器可形成有由碳化物（例 如，碳化鎢）制成的基體或支撐柱以及由沉積在基體上的或在接合處以其他方式結(jié)合到基 體的多晶金剛石材料或多晶氮化硼材料制成的超硬切割面層或"臺(tái)"。
[0003] 圖1A中示出了具有包括超硬工作表面的多個(gè)切割器的現(xiàn)有技術(shù)刮刀鉆頭的一個(gè) 實(shí)例。鉆頭10包括鉆頭本體12和形成在鉆頭本體12上的多個(gè)刀片14。刀片14由通道 或縫隙16分開(kāi)，以使得鉆井流體能在它們之間流動(dòng)并清潔和冷卻刀片14和切割器18。切 割器18以預(yù)定的角度方位和徑向位置保持在刀片14中，以使工作表面20相對(duì)于待鉆的地 層具有需要的后傾角。典型地，工作表面20通常垂直于圓柱切割器18的軸線19和側(cè)表面 21。因此，工作表面20和側(cè)表面21匯合或相交以形成圓周布置的切割邊緣22。
[0004]噴嘴23典型地形成在鉆頭本體12中且位于縫隙16中，使得可在切割刀片14之 間泵送流體以在選定的方向上且以選定的流動(dòng)速率排放鉆井流體用于潤(rùn)滑和冷卻鉆頭10、 刀片14及切割器18。隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)和穿透地質(zhì)地層，鉆井流體還清潔和去除鉆肩。定位縫 隙16 (其也可稱作"液體通道"），用以為鉆井流體提供附加的流動(dòng)通道且用以為地層鉆肩 提供通道，以經(jīng)過(guò)鉆頭10朝向井眼的地面（未示出）行進(jìn)。
[0005] 鉆頭10包括柄部24和冠部26。柄部24典型地由鋼或基質(zhì)材料形成，且包括螺紋 銷部28用于附連到鉆柱。冠部26具有切割面30和外部側(cè)表面32。選擇用于形成鉆頭本 體的特別材料以提供足夠的韌性，同時(shí)提供良好的耐磨性和耐腐蝕性。例如，在使用超硬切 割器的情形下，鉆頭本體12可由在合適的模具形式之內(nèi)滲入結(jié)合劑合金的粉末狀碳化鎢 (WC)制成。在一種制造工藝中，冠部26包括多個(gè)孔洞或凹坑34,它們的尺寸和形狀適于接 收相應(yīng)的多個(gè)切割器18。
[0006] 切割器18的組合的多個(gè)表面20有效地形成了鉆頭10的切割面。一旦形成冠部 26,則將切割器18布置在凹坑34中，且通過(guò)任何合適的方法固定，例如，通過(guò)硬焊、結(jié)合劑、 機(jī)械措施（例如，干涉配合方式）等。描述的設(shè)計(jì)提供了相對(duì)于冠部26的表面傾斜的凹坑 34。凹坑34被傾斜，使得切割器18被定向成使工作面20在鉆頭10的轉(zhuǎn)動(dòng)方向上具有需 要的傾角，以便增強(qiáng)切割。應(yīng)該理解，在一種可選的結(jié)構(gòu)中（未示出），每一個(gè)切割器可大體 上垂直于冠部的表面，而超硬表面在切割器本體或柱上以一定的角度固定至基體，使得在 工作表面處達(dá)到需要的傾角。
[0007] 圖1B中示出了一種典型的切割器18。該典型的切割器18具有圓柱形的硬質(zhì)碳化 物基體本體38,其具有端面或上表面54,在本文中稱為"界面表面"54。超硬材料層（切割 層）44(例如，多晶金剛石或多晶立方氮化硼層）形成工作表面20和切割邊緣22。超硬材 料層44的底表面52結(jié)合到基體38的上表面54上。底表面52和上表面54在本文中總稱 為界面46。切割層44的頂部暴露表面或工作表面20與底表面52相反。切割層44典型地 具有平坦的或平面的工作表面20,但是也可具有彎曲的暴露表面，其在切割邊緣22處與側(cè) 表面21匯合。
[0008] 一般說(shuō)來(lái)，用于制作切割器18的工藝使用碳化鎢本體作為基體38。碳化物本體放 置成鄰近于超硬材料顆粒層（例如，金剛石或立方氮化硼顆粒）且該組合在使超硬材料顆 粒熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力下經(jīng)受高溫。這導(dǎo)致再結(jié)晶和多晶超硬材料層（例如，多晶金剛石或 多晶立方氮化硼層）直接形成在硬質(zhì)碳化鎢基體38的上表面54上。
[0009] 用于固定的切割器鉆頭的超硬工作表面20的一種類型如上文所描述地形成有位 于碳化鎢基體上的多晶金剛石，通常稱為多晶金剛石復(fù)合片（PDC)、PDC切割器、PDC切割元 件、或PDC鑲齒。使用上述PDC切割器18制造的鉆頭通常稱為PDC鉆頭。盡管切割器或切 割鑲齒18通常使用圓柱形的碳化鎢"坯體"或基體38形成，該坯體或基體38足夠長(zhǎng)以作 為安裝柱40,但基體38也可以是在另一個(gè)界面處結(jié)合到另一個(gè)金屬安裝柱40的中間層。
[0010] 超硬工作表面20由多晶金剛石材料形成，成在界面46處結(jié)合到基體38的切割層 44 (有時(shí)稱為"臺(tái)"）的形式。超硬層44的頂部提供工作表面20,且超硬層切割層44的底 部在界面46處固定至碳化鎢基體38。基體38或柱40被硬焊或以其它方式結(jié)合在鉆頭本 體12的冠部上的選定位置（圖1A)。如上文參考附圖1A所討論的，PDC切割器18典型地 被保持且硬焊到形成在鉆頭本體中的預(yù)定位置處的凹坑34中，為了接收切割器18的目的 且使它們與地質(zhì)地層成一定的傾角。
[0011] 使用傳統(tǒng)PDC切割器18的鉆頭10有時(shí)在磨損性和硬巖石中鉆井時(shí)通常遭遇的切 割器溫度下不能維持足夠低的磨損速率。這些溫度可影響鉆頭10的壽命，尤其當(dāng)溫度達(dá)到 700-750°C時(shí)，這導(dǎo)致超硬層44或PDC切割層的結(jié)構(gòu)失效。PDC切割層包括各個(gè)金剛石"晶 體"，它們是互相連接的。各個(gè)金剛石晶體因此形成晶格結(jié)構(gòu)。金屬催化劑（例如鈷）可用 于促進(jìn)金剛石晶粒的再結(jié)晶和晶格結(jié)構(gòu)的形成。因此，鈷顆粒通常在金剛石晶格結(jié)構(gòu)中的 間隙空間之內(nèi)發(fā)現(xiàn)。鈷與金剛石相比具有顯著不同的熱膨脹系數(shù)。因此，加熱金剛石臺(tái)面 時(shí)，鈷和金剛石晶格將以不同的速率膨脹，這會(huì)使晶格結(jié)構(gòu)中形成裂縫且導(dǎo)致金剛石臺(tái)劣 化。
[0012] 申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)，在鉆井期間，很多切割器18在切割層經(jīng)受最高負(fù)載的區(qū)域處出 現(xiàn)超硬材料切割層44的開(kāi)裂、剝落、崩刃以及部分破裂。這個(gè)區(qū)域在本文中稱為"關(guān)鍵區(qū) 域"56。關(guān)鍵區(qū)域56包括超硬材料層44的在鉆井期間接觸地質(zhì)地層的部分。關(guān)鍵區(qū)域56 在鉆井期間經(jīng)受來(lái)自動(dòng)態(tài)正常負(fù)載的高幅度應(yīng)力和施加在超硬材料層44上的剪切負(fù)載。 因?yàn)榍懈钇鞯湫偷匾砸欢▋A角嵌入刮刀鉆頭中，因此關(guān)鍵區(qū)域包括接近該層的圓周邊緣22 的一部分且包括該層的圓周邊緣22的一部分的超硬材料層的一部分，其在鉆井期間與地 質(zhì)地層接觸。
[0013] 關(guān)鍵區(qū)域56處的高幅度應(yīng)力單獨(dú)或與其它因素（例如，殘留熱應(yīng)力）一起可以導(dǎo) 致穿過(guò)切割器18的超硬層44的裂縫58開(kāi)始生長(zhǎng)。足夠長(zhǎng)度的裂縫可引起足夠大塊的超 硬材料的分離，使得切割器18無(wú)效或?qū)е虑懈钇?8故障。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，可能必須終 止鉆井操作以允許刮刀鉆頭的回收和無(wú)效或失效切割器的更換。高應(yīng)力、特別的剪切應(yīng)力 還可導(dǎo)致超硬層44在界面46處脫層。
[0014] 在一些刮刀鉆頭中，PDC切割器18固定到鉆頭10的表面上，使得共同的切割表面 在鉆井期間接觸地層。超時(shí)和/或當(dāng)對(duì)某些硬的但不必定高度磨損性巖石地層鉆井時(shí)，始 終接觸地層的工作表面20的邊緣22開(kāi)始磨損，形成局部磨損平面，或形成與切割元件的剩 余部分不成比例磨損的區(qū)域。由于鉆頭有效穿透工作材料能力的降低和由切割元件的邊緣 的磨鈍引起的穿透速率的缺失，局部磨損平面可導(dǎo)致較長(zhǎng)的鉆井時(shí)間。也就是說(shuō)，磨損的 PDC切割器作為產(chǎn)生熱量的摩擦承受表面，其加速了PDC切割器的磨損且減慢了鉆井的穿 透速率。由于常規(guī)的PDC切割器不能夠充足地接合且高效地從接觸區(qū)域去除地層材料，這 樣的平面表面有效地阻止或嚴(yán)重地降低了地層切割的速率。此外，切割器典型地處于恒定 的熱負(fù)載和機(jī)械負(fù)載之下。最終，熱量沿著切割表面累積且導(dǎo)致切割元件斷裂。當(dāng)切割元 件斷裂時(shí)，鉆井操作可能經(jīng)受穿透速率的損失，且斷裂的切割元件接觸第二切割元件時(shí)對(duì) 其它切割元件也會(huì)造成附加損壞。
[0015] 此外，決定PDC切割器的壽命的另一個(gè)因素是在切割器接觸點(diǎn)處的熱量的產(chǎn)生， 特別是在PDC層的暴露部分處，該熱量由在PDC與工作材料之間的摩擦產(chǎn)生。該熱量對(duì)roc 引起裂縫形式的熱損壞，這導(dǎo)致多晶金剛石層的剝落、在多晶金剛石與基體之間的脫層以 及金剛石向石墨的反轉(zhuǎn)換而引起快速的研磨磨損。常規(guī)PDC切割器的熱操作范圍典型地是 750 °C或更小。
[0016] 在