用铜镍锰合金制造的钻头制造技术

本文公开了一种由包括铜镍锰合金的粘合剂形成的钻头。所述粘合剂具有增加的锰含量，这提高了所述钻头的强度和韧性。锰与所述合金中的铜形成固熔体，以及与镍成分形成金属间化合物。所述MnNi金属间化合物的形成还用于提高所述粘合剂合金的抗侵蚀性，并因此提高所述MMC的整体抗侵蚀性。

A bit made of copper nickel manganese alloy

In this paper, a bit formed by a binder consisting of a copper nickel manganese alloy is disclosed. The adhesive has an increase of manganese content, which improves the strength and toughness of the bit. Manganese is formed into a solid melt with the copper in the alloy, and forms an intermetallic compound with the nickel composition. The formation of the MnNi intermetallic compound is also used to improve the corrosion resistance of the adhesive alloy, and thus the overall corrosion resistance of the MMC is improved.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用铜镍锰合金制造的钻头
本公开一般涉及钻井工具，诸如掘地钻头，并且更具体地涉及具有铜镍锰合金基粘合剂的金属基复合材料(MMC)主体钻头。背景包括但不限于旋转钻头、扩眼器、取芯钻头、管下扩孔器、开孔器、扶正器和其它井下工具的各种类型的钻井工具用于在井下地层中形成井筒。在过去的几十年中，已经在用于形成钻头的材料上取得了进步。有时所称的切割元件或切割器曾经由天然金刚石物质形成。由于成本和其它原因，该行业寻求了替代材料。在二十世纪七十年代中后期，合成金刚石材料的进步使该行业能够用合成金刚石切割器取代天然金刚石切割器。所使用的最常见的合成金刚石是多晶金刚石材料。这些材料被制成盘，也被称为片。使用这种合成金刚石切割器的钻头通常被称为多晶金刚石复合片(PDC)钻头。有两种基本结构用于形成合成金刚石切割器固定在其上的PDC钻头的主体。这两种结构被称为基质主体或金属基复合材料(MMC)主体和钢体。两种结构都有自己的优势。选择使用哪种结构通常取决于特定应用的需要。MMC钻头是其主体由非常坚硬且经常是脆性的复合材料形成的钻头，其包括与较软的硬质金属粘合剂(有时被称为通用粘合剂)冶金地粘合的碳化钨颗粒。MMC钻头是理想的，因为它们的硬度使其能够对抗磨损和侵蚀。它们也能够承受相对较高压缩负荷，但它们(与钢体钻头相比)具有较低的抗冲击负荷能力。自从基质材料首次用于钻头主体以来，该工业一直试图改进这些材料的性能特性。该任务中的一个关键组成部分是选择通用粘合剂材料。已经发现，通用粘合剂的配方中有时出现的微小变化可对钻头主体的性能且因此对钻头本身具有显著影响。附图简述为了更完整地理解本专利技术及其特征和优点，现在参考以下结合附图的描述，其中：图1是能够使用根据本公开形成的钻头的钻井系统的示意图；图2是以常用于建模或设计固定切割钻头的方式向上取向并且其中可使用本文公开的材料组合物的旋转钻头的等距视图；图3是根据本公开的形成MMC钻头主体的示例方法的流程图；和图4是示出根据本公开的放置在模具中作为图2中所示的钻头主体的形成的一部分的金属基复合材料钻头主体的模具和材料组分的示意图。具体实施方式根据本文公开的各种系统和方法，用于形成MMC钻头主体的材料可包括通用粘合剂(其包括铜锰镍合金)。本公开涉及在CuMnNi合金系统的高锰区域中的这种合金。研究通用粘合剂的材料性质已经表明，增加锰的比例可提高固定切割钻头的强度和韧性。锰与合金中的铜形成固熔体，以及与镍成分形成金属间化合物。增加的锰含量降低了系统的熔化温度，这允许可使用传统熔炉熔化这个范围内的合金。可参考图1至图4理解本公开，其中相同的数字用于表示相同和相应的零件。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、钻井液泵和钻井液罐(未明确示出)的各种类型的钻井设备可位于井表面或井场106。例如，井场106可包括钻机102，该钻机可具有与陆地钻机相关联的各种特性和特征。然而，结合本公开的教导的井下钻井工具可令人满意地与位于海上平台、钻探船、半潜式钻井船和/或钻井驳船(未明确示出)上的钻井设备一起使用。钻井系统100可包括与钻头101相关联的钻柱103，该钻柱可用于形成各种各样的井筒或钻孔，诸如大体垂直井筒114a或大致水平井筒114b或其任何组合。钻柱103的井底钻具组件(BHA)120的各种定向钻井技术和相关联部件可用于形成水平井筒114b。例如，侧向力可施加至BHA120附近的造斜位置113，以形成从大致垂直井筒114a延伸的大致水平井筒114b。术语定向钻井可用于描述钻取相对于垂直方向以一个期望角度或多个期望角度延伸的井筒或井筒的部分。这些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还可包括钻头101。图2中进一步详细讨论的钻头101可以是MMC钻头，该钻头可通过将松散增强颗粒/包括碳化钨粉末的材料放置在模具中并且用由铜、锰和镍形成的通用粘合剂材料渗透增强颗粒而形成。模具可通过铣削诸如石墨的材料块而形成，以限定具有与钻头101的外部特征大致对应的特征的模腔。钻头101可包括一个或多个刀片126，这些刀片可从钻头101的旋转钻头主体124的外部部分向外设置。旋转钻头主体124可以是大致圆柱形，并且刀片126可以是从旋转钻头主体124向外延伸的任何合适类型的突起。钻头101可在由方向箭头105限定的方向上相对于钻头旋转轴线104旋转。刀片126可包括从每个刀片126的外部部分向外设置的一个或多个切割器128。刀片126还可包括设置在刀片126上的一个或多个保径垫(gagepad)(未明确示出)。钻头101可根据本公开的教导而被设计并形成，并且可根据钻头101的特定应用具有许多不同的设计、构造和/或尺寸。图2是以常用于建模或设计固定切割钻头的方式向上取向的旋转钻头的等距视图。钻头101可根据本公开的教导而设计和形成。在地下操作期间，钻头101的不同区域可暴露于不同的力和/或应力下。因此，在钻头101的制造期间，钻头101的性质可被定制为使得钻头101的一些区域可具有与钻头101的其它区域不同的性质。局部性质可通过将粘合剂增强材料(例如，局部粘合剂材料)放置在用于钻头101的模具中的选定位置和选定构造中来实现。局部粘合剂增强材料的类型、位置和/或构造可被选择成为基于钻头101的区域所经历的井下状态和/或钻头101的区域的功能为钻头101提供局部性质。然而，本公开更具体地涉及构成通用粘合剂的合金。通用粘合剂渗透整个钻头主体并形成所得金属基复合材料的基质。粘合剂增强材料(例如，局部粘合剂材料)与增强颗粒一起由通用粘合剂渗透并包封。钻头101可以是MMC钻头，其可通过将松散增强颗粒(包括碳化钨粉末)放置在模具中并用通用粘合剂材料渗透增强颗粒来形成。在本公开中，通用粘合剂是本文公开的合金。钻头101还可具有增强粘合剂区的选定/局部区域，特别是受到高应力的那些区域。模具可通过铣削诸如石墨的材料块而形成，以限定具有与钻头101的外部特征大致对应的特征的模腔。钻头101的各种特征(包括刀片126、切割器凹口166和/或流体流动通道)可通过使模腔成形和/或通过将临时替换材料定位在模腔的内部部分中来提供。预成型的钢柄或钻头芯轴(有时称为坯件)可放置在模具腔内，以为钻头主体124提供增强，并且允许钻头101与钻柱和/或BHA附接。在通用粘合剂材料与增强颗粒凝固之后，可将一定量的增强颗粒放置在模腔内并用熔化的通用粘合剂材料渗透以形成钻头主体124。钻头101可包括在其上形成有钻杆螺纹155的柄部152。螺纹155可用于将钻头101与图1所示的诸如BHA120的底部钻具组件(BHA)可释放地接合，由此钻头101可相对于钻头旋转轴线104旋转。多个刀片126a-126g可具有设置在其间的相应排屑槽或流体流动路径140。由于在地下操作期间的侵蚀，钻头101可具有放置在排屑槽140附近的局部粘合剂增强材料以提供进一步的抗侵蚀性。可选择粘合剂增强材料以减少排屑槽140中的表面能量，以提供通过排屑槽140的优化流体流动。钻井液可被传送至一个或多个喷嘴156。喷嘴156附近的钻头101的区域可在地下操作期间经受应力，这可在钻头101中引起裂缝。可在喷嘴1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钻头，其包括：增强颗粒，和包括铜、锰和镍的粘合剂，其中所述粘合剂的锰含量是约30‑40重量％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种钻头，其包括：增强颗粒，和包括铜、锰和镍的粘合剂，其中所述粘合剂的锰含量是约30-40重量％。2.根据权利要求1所述的钻头，其中所述镍的含量是约10-30重量％。3.根据权利要求2所述的钻头，其中铜组成所述粘合剂的所述含量的余量。4.根据权利要求2所述的钻头，其中所述粘合剂的所述锰含量是约30重量％，并且所述镍含量是约25重量％。5.根据权利要求4所述的钻头，其中铜组成所述粘合剂的所述含量的余量。6.根据权利要求5所述的钻头，其中所述粘合剂基本上不含锌。7.根据权利要求1所述的钻头，其中所述粘合剂基本上不含锌。8.一种钻头，其包括：增强颗粒，和包括铜、锰和镍及其组合的粘合剂，其中所述粘合剂的所述锰含量是约30重量％或更高。9.根据权利要求8所述的钻头，其中所述镍含量是约10-30重量％。10.根据权利要求9所述的钻头，其中铜组成所述粘合剂的所述含量的余量。11.根据权利要求9所述的钻头，其中所述粘合剂的所述锰含量是约30重量％，并且所述镍含量是约25重量％。12...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·B·沃格尔韦德，G·T·奥尔森，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国,US