[发明专利]具有增强的粘结剂区的钻头

说明书

技术领域

本公开大体上涉及钻井工具(诸如钻地钻头)，并且更具体地涉及具有增强的粘结剂区的金属基体复合材料(MMC)钻头。

背景技术

各种类型的钻井工具用于在井下地层中形成井筒，所述钻井工具包括但不限于旋转钻头、铰刀、取芯钻头、管下扩眼器、开孔器、稳定器以及其他井下工具。旋转钻头的实例包括但不限于与形成延伸穿过一个或多个井下地层的油气井相关联的固定刀具钻头、刮刀钻头、多晶金刚石复合片(PDC)钻头、胎体钻头以及混合式钻头。

胎体钻头通常通过将通常为粉末形式的松散的增强颗粒(例如碳化钨)放置在模具中并使粘结剂材料(诸如铜合金)渗入所述增强颗粒而形成。渗入有熔融的金属合金或粘结剂材料的增强颗粒可在粘结剂材料与增强颗粒固化之后形成胎体钻头体。可以类似的方式形成含有胎体钻头特征的混合式钻头。

附图简述

为了更完全地理解本发明及其特征与优点，现结合附图来参考以下描述，附图中：

图1是钻井系统的正视图；

图2是以经常用于建模或者设计固定刀具钻头的方式向上取向的旋转钻头的等距视图；

图3是形成根据本公开MMC钻头的示例方法的流程图；

图4A-4E是钻头体的区域的示意图，其在微观水平上示出由增强本文所述的粘结剂区的各种不同方式造成的增强的粘结剂区的结构；并且

图5是其中一些部分剖开的截面的示意图，其示出模具组件的实例，所述模具组件具有定位于刀翼的外表面和金属基体复合材料(MMC)钻头的顶尖附近的局部粘结剂增强材料的层。

详述

在地下操作期间，各种井下工具(包括，钻头、取芯钻头、铰刀和/或扩孔器)可下降到井筒中并且可由金属基体复合材料(MMC)形成。

根据本文公开的各种系统和方法，用于形成MMC的材料可包括在制造期间并入的粘结剂增强材料，其可被构造来在整个钻头体中或在井下工具的选定区域中提供增强的粘结剂池，使得选定区域的特性针对在地下操作期间选定区域所经历的条件而被优化。可基于在地下操作期间井下工具区域中存在的有害条件和/或井下工具区域的功能选择局部增强的粘结剂区，以提供局部特性。所公开的钻头中的粘结剂材料使得材料更有效的装填，其理想地可避免在增强的区域内形成池或区。与未如本文所公开的用碳化钨或其他增强材料增强的常规钻头体的对应区域相比，这些区域经历优先腐蚀或磨损的倾向降低。

通过参考图1至5最好地理解本公开和其优点，各图中相同编号用于指示相同和对应部分。图1是钻井系统的正视图。钻井系统100可包括井表面或井场106。诸如旋转台、钻井液泵和钻井液槽(未明确地示出)的各种类型的钻井装备可位于井表面或井场106。例如，井场106可包括钻机102，所述钻机102可具有与陆地钻机相关联的各种特性和特征。然而，并入有本公开的教义的井下钻井工具可令人满意地与位于海上平台、钻探船、半潜式装置和/或钻井驳船(未明确地示出)上的钻井装备一起使用。

钻井系统100可包括与钻头101相关联的钻柱103，所述钻头101可用于形成广泛多种井筒或者井眼，诸如大体垂直井筒114a或大体水平井筒114b或者其组合。各种定向钻井技术和钻柱103的底部钻具组合(BHA)120的相关联部件可用于形成水平井筒114b。例如，横向力可在接近开始位置113处施加给BHA 120以形成从大体垂直井筒114a延伸的大体水平井筒114b。术语定向钻井可用于描述钻探以相对于垂直的一个或多个所需的角度延伸的井筒或者井筒的部分。此类角度可大于与垂直井筒相关联的正常变化。定向钻井可包括水平钻井。

钻井系统100还可包括旋转钻头(钻头)101。在图2中进一步详细讨论的钻头101可以是MMC钻头，其可通过将松散的增强颗粒/材料(包括碳化钨粉末)放置在模具中并且使通用粘结剂材料(包括铜合金和/或铝合金)渗入所述增强颗粒来形成。根据本公开的一个方面，可以通过改换用特殊类型的粘结剂(不同于渗入型粘结剂)来增强富含粘结剂的区域来降低可能相当昂贵的松散的增强颗粒的添加量。这种粘结剂增强材料可包括金属、合金、金属间化合物、陶瓷或其任何组合。模具可通过铣削材料块体(诸如石墨)形成以限定具有与钻头101的外部特征大致对应的特征的模腔。