用以提供的增强金属组分和复合组分之间的粘合力的预扩散心轴涂层制造技术

钻头和相关联的制造和使用方法采用粘合至复合金属基体材料的预先扩散心轴。所述预扩散心轴包括化学改变的表面组成，所述表面组成增强与通过用粘合剂渗透金属基体组分形成的复合金属基体组分的粘合。所述化学改变的表面可被构造为减小邻近所述心轴的富含粘合剂的区域、与所述复合金属基体组分机械地互锁或防止沿所述粘合形成脆性金属间颗粒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用以提供的增强金属组分和复合组分之间的粘合力的预扩散心轴涂层专利技术背景1.专利
本公开一般涉及井下工具，诸如可用于在与油气勘探、钻探和生产有关的操作中的钻头。更具体而言，本公开的实施方案涉及与由粘合至金属心轴的金属-基体复合材料(MMC)构成的钻头相关的工具、系统和方法。2.
技术介绍
通常在勘探、钻探和生产烃类物、水、地热能或其它地下资源的操作中，旋转钻头用于形成通过地质构造的井筒。旋转钻头通常包括旋转锥钻头或牙轮钻头和固定切割钻头或刮刀钻头。固定切割钻头通常由具有切割元件或设置在选定位置以与地质结构接合的插入件的钻头主体形成。钻头主体通常由金属-基体复合材料构成，因此这种固定切割钻头有时可被称为“基体钻头”。基体钻头的制造过程通常包括在诸如石墨的材料块中形成模腔。模腔可被加工为具有钻头的期望外部特征的负轮廓。钻头的其它特征(诸如刀片、切割凹穴和/或流体流动通道)可通过使模腔成形和/或通过将临时置换材料定位在模腔内来提供。预成型金属心轴可放置在模腔内，以提供对基体钻头主体的增强，并且便于将所得基体钻头主体与在其上具有钻柱连接器的金属柄部附连。一旦形成模具，一定量的松散增强材料或金属-基体组分(诸如碳化钨粉末)可被放入模腔中。为了形成金属-基体复合材料，然后可用粘合剂(诸如熔融铜合金)渗透金属-基体组分。在粘合剂与金属-基体组分凝固之后形成基体钻头主体。已经观察到，在某些情况下，可能会在心轴和金属-基体复合材料之间形成的粘合处发生钻头的结构性故障。因此，粘合的改善可能是妥当的。附图简述以下基于附图中所示的实施方案详细描述本公开，其中：图1是可结合根据本公开的一个或多个示例实施方案构造的基体钻头的钻井系统的实施例的正视图；图2是示出其基体钻头主体的图1的基体钻头的透视图；图3是示出粘合至基体钻头主体的金属心轴的图2的基体钻头的截面图；图4是可用于形成基体钻头主体并将基体钻头主体粘合至图3的金属心轴的模具组件的截面图；图5A至图5C是在用于化学改变心轴的表面并与心轴形成钻头部件的制造过程的各个阶段中的金属心轴的局部截面图；图6A至图6C是在用于化学改变心轴的表面以产生宏观变化表面特征以与基体钻头主体机械地互锁的制造过程的各个阶段中的金属心轴的替代实施方案的局部截面图；图7A至图7D是分别包括植入颗粒、机械加工表面特征、多孔化学改变表面和多个扩散剂层的金属心轴的替代实施方案的局部截面图；和图8是示出根据本公开的各方面的用于制造和使用固定切割器钻头的过程的流程图。具体实施方式本公开可在各种实施例或附图中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，且本身并不指示所讨论的各种实施方案和/或构造之间的关系。此外，为了便于描述，在本文可使用空间相对术语(诸如下面、以下、下方、上方、上面、井上、井下、上游、下游等)来描述一个元件或特征与其他元件或特征的关系(如图所示)，向上方向朝向对应图的顶部，且向下方向朝向对应图的底部，井上方向朝向井筒的表面，井下方向朝向井筒的底部。除非另有说明，否则空间相对术语旨在涵盖除了在附图中描绘的定向之外的装置在使用或操作中的不同定向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为“在其它元件或特征“以下”或“下面”的元件将被定向在其它元件或特征”上方“。因此，示例术语“以下”可涵盖上方和下方的定向。装置可以其它方式定向(旋转90度或在其它取向)，并且这里使用的空间相关描述符同样可被相应地解释。此外，尽管附图可描绘垂直井筒中的井筒，但是除非另有说明，否则本领域技术人员应理解，根据本公开的装置同样适用于具有其它定向的井筒，包括垂直井筒、倾斜井筒、多边井筒等。同样地，除非另有说明，否则尽管附图可能描述了陆地操作，但是本领域技术人员应理解，根据本公开的装置同样适用于海上操作。此外，除非另有说明，否则尽管附图可能描述了无套管钻井操作，但是本领域技术人员应理解，根据本公开的装置同样适用于套管钻井操作。1.示例实施方案的描述本公开包括可避免在制造钻头期间在金属心轴、粘合剂和/或金属-基体组分之间发生化学相互作用的方法和装置，以保持在心轴和金属-基体复合材料之间形成的粘合的强度。特别而言，所公开的方法和装置可避免沿粘合线形成脆性金属间颗粒，并且避免富含粘合剂区域在邻近心轴的增强金属基体组分的浓度较低。在下面描述的一些示例实施方案中，描述了用于制造钻头的方法，该方法包括在将心轴装载至用于形成钻头的模具中之前化学改变心轴的表面。当金属基体组分在模具中用粘合剂渗透时，化学改变的表面可例如通过阻止形成脆性金属间颗粒和/或通过宏观地改变心轴的表面纹理以促进心轴与金属-基体复合材料的互锁来提高粘合的强度。图1是可结合根据本公开的一个或多个示例实施方案构造的基体钻头100的钻井系统10的实施例的正视图。钻井系统10部分地设置在从表面位置“S”延伸并贯穿地质构造“G”的井筒14内。在所示的实施例中，井筒14被示为大致竖直，但应理解，井筒14可包括其中的各种各样的垂直、定向、偏斜、倾斜和/或水平部分中的任何一个，并且可沿通过地质构造“G”的任何轨迹延伸。旋转钻头100设置在钻柱18的下端以用于切入地质构造“G”中。当旋转时，旋转钻头100操作以打破且一般分解地质构造“G”。旋转钻头100可以各种方式中的任何一种旋转。在该实施例中，在表面位置“S”处，钻机22包括转台28，该转台可被操作以使整个钻柱18和耦接至钻柱18的下端的旋转钻头100旋转。转台28由发动机30、链条驱动系统或其它装置选择地驱动。在一些实施方案中，设置在钻柱18中的井底钻具组件或BHA32可包括井下马达34，以使钻头100相对于钻柱18的其余部分选择地旋转。马达34可响应于穿过其中的钻井液(诸如泥浆36)的循环产生扭矩。如本领域技术人员应认识，使旋转钻头100相对于钻柱18选择地旋转的能力在定向钻井和/或其它操作中可能是有用的。泥浆36可由泥浆泵38在井下泵送通过钻柱18的内部。泥浆36穿过BHA32的井下马达34，在那里从泥浆36中提取能量以使旋转钻头100转动。在泥浆36穿过BHA32时，泥浆36可润滑限定在其中的轴承(未明确示出)，然后通过限定在旋转钻头100中的喷嘴124(图2)排出。在泥浆36继续向上循环通过限定在钻柱18和地质构造“G”之间的环形空间40时，泥浆冲刷地质切屑和/或来自旋转钻头100的路径的其它碎屑。地质切屑和其它碎屑由泥浆36携带至表面位置“S”，在该位置，切屑和碎屑可被从泥浆流中去除。图2是示出其基体钻头主体102的旋转钻头100的透视图。对于如图1所示的实施方案，基体旋转钻头100可包括固定至复合基体钻头主体102的金属柄部104。金属柄部104可具有中空的大致圆柱形构造，例如以允许泥浆从钻柱18(图1)流至旋转钻头100的内部部分。各种类型的连接器108可限定在金属柄部104上以用于将旋转钻头100耦接至钻柱18(图1)。在一些示例实施方案中，连接器108可包括具有限定在其上的美国石油学会(API)螺纹的螺纹销。在一些示例实施方案中，基体钻头主体102通过心轴110耦接至金属柄部104。金属柄部104和心轴110可由低碳钢或一般与制造旋转钻头相关联的各种金属合金构造。心轴110可通过环形焊缝112或通过本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造钻头部件的方法，所述方法包括：将第一扩散剂涂敷至限定在用于所述钻头部件的心轴上的粘合位置的至少一部分；通过将所述心轴和所述第一扩散剂加热至处理温度来化学改性所述粘合位置的表面组成；在化学改性所述表面组成之后，由粘合剂渗透基体组分以形成复合材料；和围绕所述心轴上的所述粘合位置冷却所述复合材料，以将所述复合材料在所述粘合位置处粘合至所述心轴。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造钻头部件的方法，所述方法包括：将第一扩散剂涂敷至限定在用于所述钻头部件的心轴上的粘合位置的至少一部分；通过将所述心轴和所述第一扩散剂加热至处理温度来化学改性所述粘合位置的表面组成；在化学改性所述表面组成之后，由粘合剂渗透基体组分以形成复合材料；和围绕所述心轴上的所述粘合位置冷却所述复合材料，以将所述复合材料在所述粘合位置处粘合至所述心轴。2.根据权利要求1所述的方法，其中对所述粘合位置的表面组成化学改性包括由以下组成的群组中的至少一种：扩散、反应、相互作用、渗碳、渗氮、渗硼、撞击、冲击、热喷涂、焊接、沉积或机械地冲击所述心轴的所述粘合位置。3.根据权利要求1所述的方法，其还包括在化学改性所述表面组成之前，使表面特征形成于所述粘合位置中。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述表面特征包括由以下组成的群组中的至少一种：凹坑、凹痕、狭槽、凹槽、螺纹、凹陷、通道、凸起、穿孔、凸块、鳍状物、滚花、开垛口和雉堞。5.根据权利要求3所述的方法，其还包括在涂敷所述第一扩散剂之前在所述心轴中形成所述表面特征。6.根据权利要求3所述的方法，其还包括由所述第一扩散剂在所述心轴中形成所述表面特征。7.根据权利要求1所述的方法，其还包括将颗粒植入所述心轴的所述粘合位置中以增加所述心轴在所述粘合位置中的表面积，其中所述颗粒由熔点温度高于熔化所述粘合剂的熔渗温度的材料构成。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述颗粒由限定所述金属基体组分的材料构成。9.根据权利要求1所述的方法，还包括将至少第二扩散剂涂敷至所述第一扩散剂上方的外层中的所述粘合位置，其中所述第二扩散剂不同于所述第一扩散剂。10.根据权利要求1所述的方法，还包括在对所述表面组成化学改性之后且在用所述粘合剂渗透所述金属-基体组分之前将至少第二扩散...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·O·库克三世，J·G·托马斯，D·B·沃格拉维地，
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