耐磨表面堆焊材料，包括耐磨表面堆焊材料的钻头和钻具，以及用于将耐磨表面堆焊材料施加给钻头和钻具的方法技术

耐磨材料包括基体材料和多个－４０／＋８０　ＡＳＴＭ目密集烧结碳化物球粒。本发明专利技术提供了一种旋转钻头，所述旋转钻头具有外表面和布置在所述钻头体外表面的至少一部分上的耐磨材料。本发明专利技术还公开了用于将耐磨材料施加到钻头表面上的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及在钻凿地下地层中使用的钻头和其它工具，并且 涉及在这种钻头和工具的表面上使用的耐磨表面堆焊材料。本专利技术还 涉及用于给钻头和工具施加耐磨表面堆焊的方法。
技术介绍
用于钻凿地下地层的传统的固定牙轮式或"切削型"旋转钻头包 括具有表面区域的钻头体，在所述表面区域上支承用于切入地层的切 削元件。钻头体可以固定到硬化钢杆上，所述硬化钢杆具有用于将钻 头附接到钻柱上的螺紋销连接(例如，API螺紋销)，所述钻柱包括 在钻头和其它钻孔设备之间首尾相联的管状管段。例如回转工作台或顶部驱动装置的设备可用于使管状管和钻头旋转。可选地，钻头杆可 以联接到井下马达的驱动轴上，从而使钻头独立于回转工作台或顶部 驱动装置旋转，或者与回转工作台或顶部驱动装置一起旋转。典型地，钻头的钻头体由钢或嵌入在颗粒基体复合材料中的钢坯 复合材料制成，所述颗粒基体复合材料包括渗有例如铜合金的熔融粘 结材料的硬质颗粒材料，所述硬质颗粒材料例如为碳化 。硬化钢杆 通常在已经形成钻头体之后固定到钻头体上。可以在钻头体上或钻头体内的选定位置设置结构特征以方便钻凿过程。这种结构特征例如可以包括径向和纵向延伸的刀翼、切削元件凹窝、突脊、槽脊(lands)、 喷嘴口、和钻井流体路径和通道。切削元件通常固定到在位于钻头体 表面区域上的刀翼中加工出的切削元件凹窝，例如径向和纵向延伸刀 翼的前缘上。这些结构特征(例如，切削元件凹窝)还可以在熔融粘 结材料渗入硬质颗粒材料时由用于形成钻头体的模具制成。有利地是， 颗粒基体复合材料提供可与钢材料比拟的较高强度和刚性的钻头体， 但尤其是在钻头的低应力表面区域上仍然受到泥浆腐蚀和磨损。因此， 希望提供一种适于制造包括表面耐磨堆焊材料的钻头体的制造方法， 所述表面耐磨堆焊材料不易受到泥浆腐蚀和磨损。通常，用于钻凿柔软和中等地层的传统固定牙轮式旋转钻头的大 部分或全部切削元件均包括切削表面，其包括硬质超耐磨材料，例如 相互粘结的聚晶金刚石颗粒。这种"聚晶金刚石复合片"(PDC)牙轮1显示了通常根据上述说明的传统固定牙轮式旋转钻头10。旋转钻头 10包括联接到钢杆14上的钻头体12。纵向穿过钻头10的一部分形成 有孔(未显示)，以便在钻井操作期间通过喷嘴19给钻头10的表面 20输送钻井流体。切削元件22(典型地，聚晶金刚石复合片(PDC) 切削元件)通常通过例如铜焊、粘结或机械固定的方法结合到钻头体 12的钻头面20上。钻头10可以多次使用以进行连续的钻井操作，在所述钻井操作期 间，钻头体12的表面和切削元件22在钻头10的切削元件22切割下 面的地层时会经受非常大的作用力和应力。极大的作用力和应力导致 切削元件22和钻头体12的表面磨损。最终，钻头体12的表面会磨损 到钻头10不再适于使用的程度。因此，在本领域存在增强钻头体表面 耐磨性的需要。同样，切削元件22可以磨损到它们不再适于使用的程 度。图2是与固定到钻头体12上的图1所示类似的PDC切削元件22 的放大图。典型地，切削元件22与钻头体12分开制造并且利用粘接材料24固定到形成于钻头体12的外(或外部)表面上的凹窝21内， 所述粘接材料例如为粘合剂，或者更典型地为如先前所述的硬钎焊合 金。而且，如果切削元件22为PDC牙轮，切削元件22可以包括固定 到切削元件主体或基底23上的聚晶金刚石复合台28，所述切削元件 可以是整体的或者包括粘结在一起的两个部件。传统的粘结材料24与钻头10和切削元件22的其它部分和表面相 比更不耐磨损。在使用期间，由于磨损，在粘结材料24的暴露表面上 可能产生小晶簇、砂眼或其它缺陷。含有固体的钻井流体和在钻井过 程中产生的地层残余物可能使粘结材料24上的小晶簇和砂眼进一步 腐蚀、磨损和扩大，尽管部分地免受由地层岩屑引起的高应力影响。 如果去除足够多的粘结材料24，整个切削元件22可能在钻井操作期 间与钻头主体12分离。在钻井操作期间，切削元件22的损耗会导致 其它切削元件的迅速磨损及整个钻头10的突然失效。因此，本领域还 需要增强粘接材料的耐磨性以有助于防止切削元件在钻井操作期间损 耗的有效方法。理想的是，旋转钻头的材料必须极为坚硬，以便在不过度磨损的 情况下经受伴随着钻凿地层的磨损和腐蚀。由于钻头在钻井操作期间 经受的极大作用力和应力，理想钻头的材料必须同时具有高抗裂韧性。 但是，实际上，具有极高硬度的材料相对易碎并且不具有高抗裂韧性， 但具有高抗裂韧性的材料相对较软并且不具有高硬度。因此，当选择 用于钻头的材料时，必须兼顾硬度和抗裂韧性。为了同时提高旋转钻头的硬度和抗裂韧性，已经将复合材料应用 于经受极大磨损的钻头表面。这些复合或硬质颗粒材料通常称作"表 面耐磨堆焊"材料，并且典型地包括具有较高硬度的至少一个相和具 有较高抗裂韧性的另一个相。图3是传统的表面耐磨堆焊材料的抛光和腐蚀面的显微放大图， 所述表面耐磨堆焊材料施加到钻头体的(如上所述)颗粒基体复合材 料上。表面耐磨堆焊材料包括大体上随机分布在基体材料46的铁基基 体上的碳化鴒颗粒40。碳化鴒颗粒40具有较高硬度，而基体材料46具有较高抗裂韧性。表面耐磨堆焊材料中使用的碳化钨颗粒40可以包括一个或多个 铸造碳化鵠颗粒、烧结碳化钨颗粒和粗结晶碳化钨颗粒。碳化钨系统 包括两种化学计量化合物，WC和W2C，其间具有连续的混合物范围。 铸造碳化鴒通常包括WC和W2C化合物的低共熔混合物。烧结碳化鴒颗粒包括由基体材料结合在一起的较小的wc颗粒。钴和钴合金通常用作烧结碳化钨颗粒中的基体材料。烧结碳化钨颗粒可以通过使包 括较小碳化钨颗粒的第一粉末和包括钴颗粒的第二粉末混合在一起而 形成。粉末混合物形成为"生"状态。生粉末混合物随后在接近钴颗粒 的熔融温度的温度下烧结以形成围绕碳化钨颗粒的钴材料基体，从而 形成烧结碳化钨颗粒。最后，粗结晶碳化钨颗粒通常由wc的单结晶构成。可以使用本领域公知的各种方法将例如图3所示的表面耐磨堆焊 材料施加到钻头表面上。焊接杆可以配置为空心圆柱管，其由充满碳 化鵠颗粒的表面耐磨堆焊材料制成的基体材料形成。可以密封空心圆 柱管的至少一端。管的密封端随后可以熔融或焊接到钻头的希望表面 上。随着管熔化，当熔融基体材料沉积在钻头上时，空心圆柱管内的 碳化鴒颗粒与所述熔融基体材料混合并悬浮在其中。可选方法包括形 成表面耐磨堆焊材料制铸杆，使用电弧或焊枪将设置于铸杆端部的表 面耐磨堆焊材料施加或焊接到钻头的希望表面上。 一种通过焊枪施加 表面耐磨堆焊材料的方法是使用众所周知的含氧燃料气体焊接。含氧 燃料气体焊接是一组焊接过程，其在使用或不使用施加表面耐磨堆焊 材料的压力的情况下，通过利用含氧燃料气体火焰对材料进行加热而 产生接合。 一种含氧燃料气体焊接称作氧乙炔焊接(OAW),其是适 合于给钻头表面施加表面耐磨堆焊材料的方法。还可以使用电弧焊方法将表面耐磨堆焊材料施加到钻头表面上。 例如，在电极和希望施加表面耐磨堆焊材料的钻头表面的区域之间会 产生等离子转移弧。包括碳化钨颗粒和基体材料颗粒的粉末混合物随 后通过或紧接着等离子转移弧引导到钻头表面区域上。电弧产生的热量至少使基体材料颗粒熔化以形成位于钻头表面上的焊池，其随后凝 固以形成位于钻头表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括具有使用前比率的下列材料的耐磨材料：　基体材料，所述基体材料占耐磨材料重量比的大约２０％到大约７５％，和　大体上随机散布在所述基体材料中的多个－４０／＋８０ＡＳＴＭ目密集烧结碳化物球粒，所述多个密集烧结碳化物球粒占耐磨材 料重量比的大约２５％到大约７０％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：JW伊森，JL奥弗斯特里特，
申请(专利权)人：贝克休斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]