具有滾動切割器并使用組合倒角的pdc鉆頭的制作方法
【專利說明】具有滾動切割器并使用組合倒角的PDC鉆頭
【背景技術】
[0001] 用于穿過地質地層鉆出井眼的鉆頭通常在鉆頭結構的兩大類之一內形成。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地安裝至鉆頭 本體的一個或多個牙輪。鉆頭本體通常由鋼或其它高強度材料形成。牙輪也通常由鋼或其 它高強度材料形成，且包括圍繞牙輪的選定位置處布置的多個切割元件。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或組合來形成。
[0002] 第二種類型的鉆頭通常稱為"固定切割器"或"刮刀"鉆頭。這種鉆頭沒有移動的 元件，而具有由鋼或另一種高強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"。
[0003] 圖1A中示出了具有包括超硬工作表面的多個切割器的現(xiàn)有技術刮刀鉆頭的一個 實例。鉆頭10包括鉆頭本體12和形成在鉆頭本體12上的多個刀片14。刀片14由通道 或縫隙16分開，以使得鉆井流體能在它們之間流動并清潔和冷卻刀片14和切割器18。切 割器18以預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和側表面 21。因此，工作表面20和側表面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速率排放鉆井流體用于潤滑和冷卻鉆頭10、 刀片14及切割器18。隨著鉆頭旋轉和穿透地質地層，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通道且用以為地層鉆肩 提供通道，以經過鉆頭10朝向井眼的地面（未示出）行進。
[0005] 鉆頭10包括柄部24和冠部26。柄部24典型地由鋼或基質材料形成，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滲入結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包括多個孔洞或凹坑34,它們的尺寸和形狀適于接 收相應的多個切割器18。
[0006] 切割器18的組合的多個表面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，且通過任何合適的方法固定，例如，通過硬焊、結合劑、 機械措施（例如，干涉配合方式）等。描述的設計提供了相對于冠部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的轉動方向上具有需 要的傾角，以便增強切割。應該理解，在一種可選的結構中（未示出），每一個切割器可大體 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 表面21匯合。
[0008] 一般說來，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 粒熱力學穩(wěn)定的壓力下經受高溫。這導致再結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足夠長以作 為安裝柱40,但基體38也可以是在另一個界面處結合到另一個金屬安裝柱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處結合到基體38的切割層 44 (有時稱為"臺"）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?；w38或柱40被硬焊或以其它方式結合在鉆頭本 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有時在磨損性和硬巖石中鉆井時通常遭遇的切 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，尤其當溫度達到 700-750°C時，這導致超硬層44或PDC切割層的結構失效。PDC切割層包括各個金剛石"晶 體"，它們是互相連接的。各個金剛石晶體因此形成晶格結構。金屬催化劑（例如鈷）可用 于促進金剛石晶粒的再結晶和晶格結構的形成。因此，鈷顆粒通常在金剛石晶格結構中的 間隙空間之內發(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，加熱金剛石臺面 時，鈷和金剛石晶格將以不同的速率膨脹，這會使晶格結構中形成裂縫且導致金剛石臺劣 化。
[0012] 申請人已發(fā)現(xiàn)，在鉆井期間，很多切割器18在切割層經受最高負載的區(qū)域處出 現(xiàn)超硬材料切割層44的開裂、剝落、崩刃以及部分破裂。這個區(qū)域在本文中稱為"關鍵區(qū) 域"56。關鍵區(qū)域56包括超硬材料層44的在鉆井期間接觸地質地層的部分。關鍵區(qū)域56 在鉆井期間經受來自動態(tài)正常負載的高幅度應力和施加在超硬材料層44上的剪切負載。 因為切割器典型地以一定傾角嵌入刮刀鉆頭中，因此關鍵區(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 質地層接觸。
[0013] 關鍵區(qū)域56處的高幅度應力單獨或與其它因素（例如，殘留熱應力）一起可以導 致穿過切割器18的超硬層44的裂縫58開始生長。足夠長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無效或導致切割器18故障。當發(fā)生這種情況時，可能必須終 止鉆井操作以允許刮刀鉆頭的回收和無效或失效切割器的更換。高應力、特別的剪切應力 還可導致超硬層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。超時和/或當對某些硬的但不必定高度磨損性巖石地層鉆井時，始 終接觸地層的工作表面20的邊緣22開始磨損，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，局部磨損平面可導致較長的鉆井時間。也就是說，磨損的 PDC切割器作為產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 的熱負載和機械負載之下。最終，熱量沿著切割表面累積且導致切割元件斷裂。當切割元 件斷裂時，鉆井操作可能經受穿透速率的損失，且斷裂的切割元件接觸第二切割元件時對 其它切割元件也會造成附加損壞。
[0015] 此外，決定PDC切割器的壽命的另一個因素是在切割器接觸點處的熱量的產生， 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生。該熱量對roc 引起裂縫形式的熱損壞，這導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