[发明专利]包括具有位于铝或铝基合金基体材料中的碳化硼颗粒的钻头主体的钻地旋转钻头及形成这种钻头的方法

说明书

本申请要求2006年9月29日提交的美国实用新型申请No.11/540,912的优先权。

技术领域

本发明一般涉及钻地旋转钻头以及制造这种钻地旋转钻头的方法。更特别地，本发明一般涉及包括至少一部分基本上由颗粒-基体复合材料制成的钻头主体的钻地旋转钻头以及制造这种钻地旋转钻头的方法。

背景技术

旋转钻头通常用来在地层中钻出井或者井眼孔。旋转钻头包括两种主要构型。一种构型是牙轮钻头，其通常包括三个安装在从钻头主体伸出的支承腿上的牙轮体。每个牙轮体构造成在支承腿上自旋或转动。齿设在每个牙轮体的外表面上，用于切削岩石及其它地层。齿常常镀有耐磨的硬质(“硬质焊敷层”)材料。这种材料常常包括分散在金属合金基体材料中的碳化钨颗粒。替代地，插口设在每个牙轮体的外表面上，硬质合金插入件固定到插口中从而形成切削元件。在一些情况下，这些插入件包括形成在金属基底上并与金属基底相结合的超耐磨材料。该牙轮钻头可放入井眼中使得该牙轮体邻接待钻地层。当钻头在施加在钻头上的重力作用下转动时，牙轮体在岩层表面上滚动，齿压碎下面的地层。

旋转钻头的第二种主要构型是固定切削刃钻头(常常被称为“刮刀”钻头)，其通常包括多个固定到钻头主体的表面区域上的切削元件。通常，固定切削刃钻头的切削元件具有盘形形状或基本上圆柱形形状。硬的超耐磨材料(例如多晶金刚石的相互键接颗粒)设在每个切削元件的基本上圆形的端面上从而提供切削表面。

这种切削元件常常被称为“聚晶金刚石复合”(PDC)切削件。该切削元件可与钻头主体分别制造并固定在形成在钻头主体外表面中的凹穴中。粘接材料(例如粘合剂或铜焊料)可用于将切削元件固定到钻头主体上。固定切削刃钻头可放入井眼中使得该切削元件邻接待钻地层。当钻头转动时，该切削元件刮削并且剪切下面地层的表面。

任一种主要构型的旋转钻头的钻头主体都按照常规固定到硬化钢柄部上，该柄部具有美国石油学会(API)螺纹销，用于将钻头附接到钻柱上。该钻柱包括管状管和在钻头与其它地面钻井设备之间端对端联接的设备段。比如转盘或顶部驱动的设备可用于旋转井眼内的钻柱和钻头。替代地，钻头的柄部可直接连接到井下马达的驱动轴上，然后其可用来使钻头旋转。

旋转钻头的钻头主体可由钢制成。替代地，钻头主体可由颗粒-基体复合材料制成。这种颗粒-基体复合材料通常包括随机分散在铜或铜基合金基体材料(常常被称为“粘结”材料)中的硬碳化钨颗粒。这种钻头主体通常通过下述方式形成：在模具内将钢坯件嵌入碳化钨颗粒材料中，并使颗粒状碳化钨材料与熔融铜或铜基合金材料渗透在一起。具有由这种颗粒-基体复合材料制成的钻头主体的钻头可呈现出增强的耐腐蚀性和耐磨性，但是具有相对于具有钢制钻头主体的钻头更低的强度和韧度。

当地下的钻井条件和要求变得更严格时，本领域需要用于旋转钻头的钻头主体的新的颗粒-基体复合材料，该复合材料呈现出增强的物理性质并可用于提高钻地旋转钻头的性能。

发明内容

在一个实施例中，本发明包括用于钻地下地层的旋转钻头。该钻头包括钻头主体和至少一个设置在钻头主体的面上的切削结构。钻头主体包括颗粒-基体复合材料，该复合材料包括多个位于铝或铝基合金基体材料中的碳化硼颗粒。在本发明的一些实施例中，基体材料可以包括连续固溶相和不连续析出相。

在另一个实施例中，本发明包括形成钻地旋转钻头的方法，其中碳化硼颗粒与熔融铝或熔融铝基合金材料渗透在一起。

在又一个实施例中，本发明包括形成钻地旋转钻头的方法，其中提供了包括多个各自包括碳化硼的颗粒和多个各自包括铝或铝基合金材料的颗粒的生坯粉末部件。该生坯粉末部件至少部分烧结以提供钻头主体，并且柄部附接到钻头主体上。

结合附图考虑下述详细说明，本发明的特征、优点和其他方面对本领域技术人员来说是显而易见的。

附图说明

虽然说明书由权利要求书作出结论，特别指出并明确要求本发明的保护范围，但是结合附图阅读本发明的下述描述将更容易确定本发明的优点，其中：

图1是体现本发明教导并且包括含有颗粒-基体复合材料的钻头主体的钻地旋转钻头的部分侧剖视图；

图2是一个示例图，表示如图1所示钻头的钻头主体的颗粒-基体复合材料的微观结构可按第一放大级别在显微图中呈现的方式的一个实例；

图3是一个示例图，表示图2的显微图中所示的颗粒-基体复合材料的基体材料的微观结构可按更高放大级别呈现的方式的一个实例；