多晶金刚石切割元件和钻头体组件制造技术

一种工具包括限定凹槽的本体，在凹槽中的切割元件，在切割元件的外表面和凹槽的内表面之间的至少一个突起，以及在切割元件和凹槽之间的用于将切割元件固定到凹槽的钎焊材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年6月5日提交的美国临时专利申请号62/008,315和2015年6月3日提交的美国非临时专利申请号14/729,618的优先权和权益，所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。
技术介绍
各种类型和形状的钻地钻头被用于地质钻探行业中的各种应用中。钻地钻头具有钻头体，其包括各种特征，诸如芯、刀片和延伸到钻头体中的凹槽或例如安装在钻头体上的牙轮。根据待钻孔的应用/地层，可以基于钻头的切割操作类型和其在特定地层中使用的适当性来选择适当类型的钻头。例如，在多晶金刚石复合片(PDC)钻头中，多晶金刚石(PCD)复合片切割器容纳在钻头体中的凹槽内，并且通常通过钎焊到凹槽的内表面而结合在凹槽内。钻头体通常由钢或由结合到单独形成的钢制加强芯的碳化钨基质制成。基质钻头体通常由遍布钻头体的单一的相对均匀的组合物形成。单一组合物可以构成单一基质材料(诸如碳化钨)或基质材料的混合物(诸如不同形式的碳化钨)。基质材料或其混合物通常通过熔融金属结合剂材料和基质材料或混合物而结合成固体形式。钻头形成过程通常包括将基质粉末放置在模具中。模具通常由石墨形成并且可以被机械加工成各种合适的形状。通常将成型块添加到模具中以限定凹槽。基质粉末可以是单一基质材料(诸如碳化钨)的粉末，或可以是多于一种基质材料的混合物(诸如不同形式的碳化钨)。基质粉末可以包括其他组分(诸如金属添加剂)。然后通常将金属结合剂材料放置在基质粉末上。然后将模具中的组分在熔炉中加热至结合剂材料的流动或渗透温度，在该温度下熔融的结合剂材料渗透碳化钨或其他基质材料。在烧结(加热)过程中发生的渗透过程将基质材料的晶粒彼此结合并与其他组分结合，以形成整体上相对均匀的固体钻头体。烧结过程也使基质材料结合到其接触的其他结构，诸如金属坯料，其可悬挂在模具内以产生前述加强构件。在形成钻头体之后，金属坯料的突出部分可焊接到称为上部的第二部件。上部通常具有螺纹连接到钻柱上的锥形部分。钻头体通常包括支撑PCD切割器的刀片，所述PCD切割器执行切割操作。PCD切割器在刀片中的凹槽中结合到本体，凹槽是在钻头中形成的用于收纳切割元件的腔体。在这些钻头中，PCD切割器设置在相应的凹槽中，并且钎焊材料置于在PCD切割器外表面和凹槽内表面之间，并且用于将PCD切割器结合并恒定在钻头内。在这些钻头中，在PCD切割器外表面和凹槽内表面之间存在为钎焊材料提供间隙的容腔。
技术实现思路
本文所公开的工具包括限定凹槽的本体，在凹槽中的切割元件，在切割元件的外表面和凹槽的内表面之间的至少一个突起，以及在切割元件和凹槽之间的用于将切割元件固定到凹槽的钎焊材料。工具可以是钻头，诸如基质体钻头或钢体钻头。切割元件可以是附接到金属基体的超硬材料体。在一些实施例中，突起可沿着凹槽壁表面和/或沿着凹槽基部表面定位，并且可从切割元件和凹槽中的一个或两者延伸。突起可以以连续、分段或点表面特征的形式提供，并且可被定向为具有恒定或变化的位置，例如，以螺旋方式在凹槽内延伸。提供本
技术实现思路
以介绍下文在详细描述中进一步描述的概念的选择。本
技术实现思路
既不意图识别所要求保护的主题的关键或基本特征，也不意图用于帮助限制所要求保护的主题的范围。附图说明当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，本公开的这些和其他特征和优点将被了解并同样变得更好理解，其中：图1图示根据本公开的实施例的切割元件；图2A和图2B图示切割元件和钻头凹槽组件的示意性横截面图；图3图示根据本公开的实施例的切割元件和钻头凹槽组件的示意性横截面图；图4A、图4B、图4C和图4D图示根据本公开的实施例的钻头凹槽的透视侧视剖视图；图5图示根据本公开的实施例的与切割元件和钻头凹槽组件一起使用的切割元件；以及图6图示根据本公开的实施例的包括切割元件和钻头凹槽组件的钻头的透视图。具体实施方式根据本公开的实施例，本文所公开的钻头凹槽提供限定的和恒定的(例如，大体上恒定的)钎焊间隙容腔，以鼓励或促进切割元件在相应的凹槽内的均匀钎焊强度。在一个实例中，凹槽包括一个或多个表面特征，诸如脊或突起，其从凹槽的内壁表面向外延伸限定的距离以与相邻的切割元件外表面接触。这些表面特征可以使切割元件居中在其中，并且在其间限定均匀的钎焊间隙。突起可以根据需要被配置成使钎焊材料能够流动并填充在间隙中，以允许实现与切割元件的所需的附接强度。在一些实施例中，本文所公开的切割元件是多晶金刚石(PCD)切割元件，然而，也可以使用任何合适的切割元件。例如，也可以使用超硬切割元件，诸如多晶立方氮化硼(PCBN)。图1图示示例性切割元件10，其包括具有切割元件的上磨损表面14的超硬材料体12(例如，PCD体)。PCD切割元件10可以包括热稳定区域，例如，通过浸出或其他工艺去除催化剂材料的区域，或包括以其他方式选择或处理的催化剂材料以使晶间金刚石基质热稳定(例如，当放置到最终用途应用中时在高温条件下不经历石墨化)的区域。超硬材料体12附接到基体16，例如金属基体，诸如WC-Co，另一种碳化物材料等。尽管本文中已经描述和说明了特定的切割元件和钻头凹槽组件，但是应理解，与所公开的不同配置的其他切割元件和/或钻头凹槽可以在本文所公开的概念的范围内。例如，本文所公开的切割元件可以包括具有圆形而不是平坦磨损表面的切割元件。切割元件也可以包括具有尖端等的磨损表面，例如锥形切割元件。切割元件也可以包括具有其他对称或非对称表面的磨损表面。因此，本文所公开的切割元件被理解为包括可以与工具(诸如井下工具或用于钻探地下地层的钻头)一起使用的切割元件的任何和所有配置形式。图2A和图2B图示切割元件和钻头凹槽组件20，其包括设置在钻头凹槽24内的切割元件22，并且其中凹槽在凹槽内表面28和切割器外表面30之间具有特定的容腔26或间隙，以将切割元件容纳在凹槽内并且为钎焊材料提供间隙以将切割器附接在凹槽内。这些常规的钻头凹槽可以通过手动研磨过程或通过机械加工如上所述的用于制造基质钻头体的砂/酚醛成型块而形成在基质体钻头中。这些方法可具有导致产生不利变化的制造变化和/或公差问题，由此提供在凹槽内不均匀的间隙。图2B图示在安装切割元件22期间，切割元件可以如何在凹槽24的轴线内倾斜或不居中而在切割元件和凹槽之间产生具有大量的或程度的变化的间隙26。这种间隙的变化可能导致钎焊材料具有减小的附接强度，例如在间隙相对较小或甚至不存在的区域中，并且具有增加的钎焊量，例如在间隙相对较大的区域中。这种间隙的变化和所得的其中的钎焊材料体积的变化使得切割元件22和钻头凹槽24之间的附接具有降低的强度，这可能使切割元件一旦放置到最终用途应用中就会过早失效。此外，随着对钻头的每次修理，例如，通过从凹槽中去除损坏的切割器，然后用新的切割器替换损坏的切割器，可能引入更多的间隙变化，这可能趋向于进一步加剧间隙的变化，以及所得的由此产生的切割器和凹槽之间的钎焊附接的相对弱点。图3图示本文所公开的切割元件和钻头凹槽组件31，其包括设置在凹槽34内的切割元件32。在一些实施例中，切割元件是PCD切割器，包括设置在切割器的顶部上并附接到下面的基体36(例如，金属基体)的金刚石结合体35。如图3中所示，钻头凹槽组件31包括一个或多个脊或突起38，其置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于钻探地下地层的钻头，包括：限定多个凹槽的本体，每个凹槽具有侧壁表面和基部表面；在相应的凹槽中的多个切割元件，每个切割元件包括附接到金属基体的超硬本体；在每个切割元件的外表面和每个凹槽的所述侧壁表面之间的一个或多个突起；以及在每个切割元件和每个凹槽之间并将每个切割元件附接到每个凹槽的钎焊材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.05 US 62/008,315;2015.06.03 US 14/729,6181.一种用于钻探地下地层的钻头，包括：限定多个凹槽的本体，每个凹槽具有侧壁表面和基部表面；在相应的凹槽中的多个切割元件，每个切割元件包括附接到金属基体的超硬本体；在每个切割元件的外表面和每个凹槽的所述侧壁表面之间的一个或多个突起；以及在每个切割元件和每个凹槽之间并将每个切割元件附接到每个凹槽的钎焊材料。2.根据权利要求1所述的钻头，其中，侧壁是从凹槽开口延伸到基部表面的具有恒定直径的圆柱形侧壁。3.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一个或多个突起包括从所述凹槽的侧壁表面向外延伸一定距离的一个或多个突起以及从凹槽的基部表面向外延伸一定距离的一个或多个突起。4.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述侧壁表面包括从所述侧壁表面延伸的彼此分开定位的至少两个突起，其中，一个突起邻近所述凹槽的开口定位，另一个突起邻近所述凹槽的基部表面定位。5.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一个或多个突起包括从所述凹槽的侧壁表面向外延伸一定距离的一个或多个突起，并且所述一个或多个突起是连续的。6.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一个或多个突起包括从邻近所述凹槽的开口的位置到邻近所述凹槽的基部表面的位置以螺旋图案从所述凹槽的侧壁表面向外延伸一定距离的突起。7.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一个或多个突起包括从所述凹槽的侧壁表面延伸并且具有离散断开段的突起。8.根据权利要求7所述的钻头，其中，所述突起以螺旋图案从邻近所述凹槽的开口的位置延伸到邻近所述凹槽的基部表面的位置。9.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一个或多个突起从所述切割元件的表面向外延伸。10.一种井下工具，包括：限定多个凹槽的本体；在相应的凹槽中的多个切割元件，每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·格里丰，A·C·怀特，S·R·卡奇亚，Y·张，
申请(专利权)人：史密斯国际有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US