具有变化热特性的隔热封罩制造技术

一种用于冷却模具的示例性隔热封罩，所述隔热封罩包括：支撑结构，所述支撑结构具有顶端、底端以及内部，所述底端限定用于将模具接收在所述支撑结构的所述内部的开口；以及隔热材料，所述隔热材料由所述支撑结构支撑并且至少从所述底端延伸到所述顶端，其中所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的一个或多个热特性从所述底端到所述顶端纵向地改变。在一些情况下，所述一个或多个热特性进一步围绕所述支撑结构的圆周改变。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术背景本公开涉及油田工具制造，并且更具体地，涉及在制造期间帮助控制钻头的热特性曲线以防止制造缺陷的隔热封罩。旋转钻头通常用来钻探油气井、地热井和水井。一种类型的旋转钻头是具有钻头体的固定切削刃钻头，所述钻头体包括胎体和加强材料，即本文所提到的“胎体钻头”。胎体钻头通常包括定位在胎体钻头体的外部上的选定位置处的切削元件或镶齿。流体流动通道形成在胎体钻头体内以允许来自相关表面钻探设备的钻探流体穿过附接到胎体钻头体的钻柱或钻杆的连通。钻探流体对胎体钻头上的切削元件进行润滑。胎体钻头通常通过将粉末材料放置到模具中并且利用粘结剂材料(诸如金属合金)熔浸所述粉末材料而制成。所得到的胎体钻头的各种特征(诸如刀片、切削刃槽和/或流体流动通道)可通过使模具腔成形和/或通过将临时置换材料定位在模具腔的内部部分内来提供。预成型的钻头坯体(或钢质柄部)可放置在模具腔内以便向胎体钻头体提供加强作用并且允许所得到的胎体钻头与钻柱的附接。随后，一定量的胎体加强材料(通常呈粉末形式)可与一定量的粘结剂材料一起放置在模具腔内。然后，将模具放置在熔炉内并且将模具的温度增加到期望的温度以允许粘结剂(例如，金属合金)液化并且熔浸胎体加强材料。熔炉通常将这种期望的温度维持到熔浸过程被认为完成的时刻，诸如当钻头中的特定位置达到某一温度时。一旦已经达到所指定的过程时间或温度时，就将包含熔浸的胎体钻头的模具从熔炉移除。当将模具从熔炉移除时，所述模具开始通过热传递快速将热量散失到其周围环境中，诸如辐射和/或在所有方向上(包括径向地从钻头轴以及轴向地与钻头轴平行)的对流。在冷却之后，熔浸的粘结剂(例如，金属合金)凝固并且结合胎体加强材料以形成金属胎体组合物式钻头体并且还将钻头体结合到钻头坯体以形成所得到的胎体钻头。通常，冷却开始于熔浸胎体的周围并且向内继续，其中钻头体的中心以最慢的速率冷却。因此，甚至在钻头体的熔浸胎体的表面已经冷却之后，大量的熔融材料可能仍然留在钻头体的中心。在熔融材料冷却时，存在可导致在钻头体内形成孔隙的收缩趋势，除非熔融材料能够继续回填此类孔隙。在一些情况下，例如，钻头体内的一个或多个中间区域可在相邻区域之前固化并且由此将熔融材料的流动阻止到收缩孔隙度正在发展的位置处。在其他情况下，收缩孔隙度可导致钻头坯体与熔融材料之间的接触面处的不良冶金结合，这可能导致在钻头体内形成可能很难或不可能检查出来的裂缝。当存在和/或检测到此类结合缺陷时，钻头通常在制造期间或制造之后被废弃或者钻头的使用期限可大幅度降低。如果未检测到这些缺陷并且在井场处的工作中使用钻头，那么钻头可能发生故障和/或对钻井造成损害，包括钻机运转时间的损失。附图简述以下附图被包括来用于说明本公开的特定方面，并且不应视作排他性实施方案。所公开的主题能够在不脱离本公开的范围的情况下在形式和功能上进行相当多的修改、改变、组合以及等效化。图1示出可根据本公开的原理制造的示例性固定切削刃钻头。图2A-2C示出根据本公开的原理制造钻头的示例性方法的进展示意图。图3示出根据一个或多个实施方案的示例性隔热封罩的截面侧视图。图4示出根据一个或多个实施方案的图3的示例性隔热封罩的另一个实施方案的截面侧视图。图5示出根据一个或多个实施方案的另一个示例性隔热封罩的截面顶视图。具体实施方式本公开涉及油田工具制造，并且更具体地，涉及在制造期间帮助控制钻头的热特性曲线以防止制造缺陷的隔热封罩。本公开描述了隔热封罩的各种实施方案，所述隔热封罩被构造来帮助控制模具的热特性曲线，并且由此增强定位在所述模具内的熔融内容物的定向凝固。更具体地，本文所描述的示例性隔热封罩表现出沿纵向方向和/或所述隔热封罩的圆周变化的热特性。在一些实施方案中，例如，隔热材料的热阻或热导率可在纵向方向上改变，从而产生在冷却期间隔热特性沿纵向方向(诸如沿相对于处于其直立定向的模具的垂直方向)改变的隔热封罩。例如，一些实施方案在隔热封罩的最顶部区域中具有较高的隔热特性并且在最底部区域中具有较低的隔热特性。在其他实施方案中，可以采用一个或多个加热元件(其可包括热交换器、感应加热器或下文进一步描述的其他实例)，诸如有源加热元件或无源加热元件来在隔热封罩的最顶部区域中维持较高的温度并且在最底部区域中维持较低的温度。因此，通过隔热封罩的热能损失速率可以纵向地分级，其中最多的热能是从最底部区域损失掉的。因此，目前所描述的实施方案可有利于更多地控制针对模具的冷却过程，并且从而优化模具内的任何熔融内容物的定向凝固并且还减轻收缩孔隙度。图1示出可根据本公开的原理制造的固定切削刃钻头100的实例的透视图。如图所示，固定切削刃钻头100(在下文中称为“钻头100”)可包括或以其他方式限定沿着钻头头部104的圆周布置的多个切削刀片102。钻头头部104连接到柄部106以形成钻头体108。柄部106可通过焊接，诸如使用致使围绕焊接槽112形成焊缝110的激光电弧焊接而连接到钻头头部104。柄部106还可包括或以其他方式连接到螺纹销114，诸如美国石油协会(API)钻杆螺纹。在所描绘的实例中，钻头100包括五个切削刀片102，其中形成多个凹槽或凹部116(也被称为“插孔”和/或“插座”)。切削元件118，或者称为镶齿，可固定地安装在每个凹部116内。这例如可通过将每个切削元件118钎焊到对应的凹部116中完成。当在使用中旋转钻头100时，切削元件118啮合岩石和下方的土制材料，以便挖掘、刮掉或磨掉被穿透地层的材料。在钻探操作期间，可通过钻柱(未示出)向井下泵送钻探流体(通常被称为“泥浆”)，所述钻柱在螺纹销114处耦接到钻头100。钻探流体循环通过钻头100并且在一个或多个喷嘴120处离开所述钻头100，所述一个或多个喷嘴120定位在限定于钻头头部104中的喷嘴开口122中。排屑槽124形成在每对相邻的切削刀片102之间，钻屑、井下碎片、地层流体、钻探流体等可沿着所述排屑槽124在环空内移动并且循环回到钻井表面，所述环空形成在钻柱的外部部分与正在钻探的井筒的内部(未明确示出)之间。图2A-2C是顺序地示出根据本公开的原理制造钻头(诸如图1的钻头100)的示例性方法的示意图。在图2A中，模具200放置在熔炉202内。虽然在图2A-2C中未明确描绘，但是模具200可包括并且以其他方式包含生产钻头所需的所有必要材料和组成部件，包括但不限于加强材料、粘结剂材料、置换材料、钻头坯体等。对于一些应用来说，两种或更多种不同类型的胎体加强材料或粉末可定位在模具200中。此类胎体加强材料的实例可包括但不限于碳化钨、碳化一钨(WC)、碳化二钨(W2C)、粗晶碳化钨、其他金属碳化物、金属硼化物、金属氧化物、金属氮化物、天然和人造金刚石以及多晶金刚石(PCD)。其他金属碳化物的实例可包括但不限于碳化钛和碳化钽，并且也可使用此类材料的各种混合物。可使用的各种粘结剂(熔浸)材料包括但不限于铜(Cu)、镍(Ni)、锰(Mn)、铅(Pb)、锡(Sn)、钴(Co)和银(Ag)的金属合金。有时还可以添加少量的磷(P)以便降低定位在模具200中的熔浸材料的熔融温度范围。此类金属合金的各种混合物也可用作粘结剂材料。模具200和其内容物的温度在熔炉202内升高直到粘结剂液化并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隔热封罩，其包括：支撑结构，所述支撑结构具有顶端、底端以及内部，所述底端限定用于接收模具的开口；以及隔热材料，所述隔热材料由所述支撑结构支撑并且至少从所述底端延伸到所述顶端，其中所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的一个或多个热特性从所述底端到所述顶端纵向地改变。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种隔热封罩，其包括：支撑结构，所述支撑结构具有顶端、底端以及内部，所述底端限定用于接收模具的开口；以及隔热材料，所述隔热材料由所述支撑结构支撑并且至少从所述底端延伸到所述顶端，其中所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的一个或多个热特性从所述底端到所述顶端纵向地改变。2.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述支撑结构包括外框架和内框架中的至少一个。3.如权利要求2所述的隔热封罩，其中所述支撑结构包括所述外框架和所述内框架，并且所述隔热材料定位在限定于所述外框架与所述内框架之间的空腔内。4.如权利要求3所述的隔热封罩，其中所述隔热封罩还包括定位在所述内框架和所述外框架中的至少一个上的隔热涂层。5.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述支撑结构由选自由以下组成的组的材料制成：金属、金属网、陶瓷、复合材料以及其任何组合。6.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述隔热材料是选自由以下组成的组的材料：陶瓷、陶瓷纤维、陶瓷织物、陶瓷棉、陶瓷珠粒、陶瓷块、可模制陶瓷、编织陶瓷、铸造陶瓷、耐火砖、碳纤维、石墨块、成型的石墨块、聚合物珠粒、聚合物纤维、聚合物织物、纳米复合材料、护套中的流体、金属织物、金属泡沫、金属棉、金属铸造物、其任何组合物以及其任何组合。7.如权利要求1所述的隔热封罩，其还包括反射涂层，所述反射涂层定位在所述支撑结构的内表面上。8.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述一个或多个热特性选自由以下组成的组：热阻、热导率、比热容、密度、热扩散率、温度、表面特征、发射率、吸收率以及其任何组合。9.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述一个或多个热特性是热阻，并且所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的热阻从所述底端到所述顶端纵向地增加。10.如权利要求1所述的隔热封罩，其中所述一个或多个热特性是热导率，并且所述支撑结构和所述隔热材料中的至少一个的热导率从所述底端到所述顶端纵向地减少。11.如权利要求1所述的隔热封罩，其还包括一个或多个加热元件，所述一个或多个加热元件与所述模具热连通，其中所述一个或多个热特性是温度并且所述一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·O·库克三世，J·G·托马斯，C·A·欧恩贝，
申请(专利权)人：哈里伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US