钻地旋转钻头和形成该钻地旋转钻头的方法 优先权声明
本申请要求提交于2005年11月10日、美国专利申请序列号11/271,153优先权，该美国专利申请与受让给本发明受让人的提交于2005年11月10日、发明名称为″钻地旋转钻头和制造具有颗粒基体复合钻头体的钻地旋转钻头的方法″、发明人为Redd H.Smith、JohnH.Stevens、Jim Duggan、Nicholas J.Lyons、Jimmy W.Eason、JaredD.Gladney、James A.Oxford、和Benjamin J.Chrest的美国专利申请序列号11/272,439相关。
【技术领域】
本发明通常涉及钻地钻头和可用于钻进地下岩层的其它工具，并且涉及制造这种钻地钻头的方法。
背景技术
旋转钻头通常用于在地层中钻孔或钻井。一类旋转钻头是固定牙轮式钻头(通常称作″切削型″钻头)，其典型地包括固定到钻头体表面区域上的多个切削元件。通常，固定牙轮式钻头的切削元件具有盘形或大体圆柱形状。包括硬质超研磨材料(例如，相互粘结的聚晶金刚石颗粒)的切削表面可以设置在每一切削元件的大体圆形端面上。这种切削元件通常称作″聚晶金刚石复合片″(PDC)切削件。典型地，切削元件与钻头体分开制造并且固定在形成于钻头体外表面上的凹窝中。可以使用粘结材料将切削元件固定到钻头体上，所述粘结材料例如为粘合剂，或更典型地，为硬钎焊合金。固定牙轮式钻头可以放入钻孔中，使得切削元件临近要钻进的地层。当钻头旋转时，切削元件横向刮削和切断下伏地层的表面。
旋转钻头的钻头体典型地固定到硬化钢杆上，所述硬化钢杆具有用于将钻头附接到钻柱上的美国石油学会标准(API)螺纹接头。钻柱包括在钻头和位于地面的其它钻井设备之间首尾相连的管状管件和设备段(segments)。可以使用例如回转工作台或顶部驱动装置的设备使钻柱和钻头在钻孔内旋转。可选地，钻头杆可以直接联接到井下马达的驱动轴上，因此，可以使用所述驱动轴使钻头旋转。
旋转钻头的钻头体可由钢制成。可选地，钻头体可以由颗粒基体复合材料制成。典型地，通过将钢坯嵌置在例如碳化钨(WC)颗粒的碳化物颗粒材料中，并且将粒状碳化物材料渗透在例如铜合金的基体材料(通常称作″粘结″材料)中而形成这种钻头体，以提供大体上由颗粒基体复合材料制成的钻头体。相对于具有钢制钻头体的钻头而言，具有由这种颗粒基体复合材料制成的钻头体的钻头可以具有增强的耐腐蚀性和耐磨损性。
图1显示了传统的钻头10，该钻头具有包括颗粒基体复合材料的钻头体。如图所示，钻头10包括固定到钢杆20上的钻头体12。钻头体12包括冠部14和嵌置在冠部14中的钢坯16。冠部14包括颗粒基体复合材料，例如，嵌置在铜合金基体材料中的碳化钨颗粒。钻头体12通过螺纹接头22和焊缝24固定到钢杆20上，所述焊缝围绕钻头10在其外表面上沿钻头体12和钢杆20之间的接合面延伸。钢杆20包括用于将钻头10附接到钻柱(未显示)上的API螺纹连接部分28。
钻头体12包括由排屑槽32隔开的刀翼或刀片30。内部流体通道42在钻头体12的表面18和纵向孔40之间延伸，所述纵向孔延伸穿过钢杆20并部分地穿过钻头体12。喷管衬套(未显示)可以在钻头体12的表面18处设置于内部流体通道42内。
多个PDC切削件34设置在钻头体12的表面18上。PDC切削件34可以沿刀片30设置在形成于钻头体12的表面18上的凹窝36内，并且由支肋38从后面支撑，所述支肋可以与钻头体12的冠部14一体形成。
图1所示钢坯16通常为圆柱形管状。可选地，钢坯16可以具有相当复杂的构造，并且可以包括与位于钻头体12的表面18上并在其上延伸的刀片30或其它特征相对应的外部突起。
在钻进操作期间，钻头10定位在钻井孔底部并且在钻井流体通过纵向孔40和内部流体通道42泵送到钻头体12的表面上的同时进行旋转。当PDC切削件34切断或刮削下伏地层时，地层岩屑与钻井流体混合并悬浮于其中，并且通过排屑槽32和位于钻井孔与钻柱之间的环形空间流向地层表面。
通常，在石墨模中制造包括颗粒基体复合材料的钻头体，例如在先描述的钻头体12。石墨模的腔室通常利用五轴机床机加工而成。随后通过手持工具给石墨模腔室增加细微特征。还需要附加的模型粘土制作来获得钻头体的一些特征的希望构造。在必要的地方，预成形元件或移动件(其可以包括陶瓷材料部件、石墨部件、或涂覆树脂的型砂致密部件)可以位于模具内部并用于界定内部通道42、切削元件凹窝36、排屑槽32、及钻头体12的其它外部形貌特征。石墨模的腔室装满硬质粒状碳化物材料(例如碳化钨、碳化钛、碳化钽、等等)。预成形钢坯16随后以合适的位置和朝向放置在模具内。典型地，钢坯16至少部分地嵌置在位于模具内的粒状碳化物材料中。
随后振动模型或者以其它方式压紧颗粒，从而减少粒状碳化物材料的相邻颗粒之间的空间大小。例如铜基合金的基体材料可被熔化，并且粒状碳化物材料可以渗入熔化的基体材料中。使模型和钻头体12冷却以凝固基体材料。在钻头体12冷却并且基体材料固化时，钢坯16粘结到形成冠部14的颗粒基体复合材料上。当钻头体12冷却时，钻头体12从模型中取出，并且从钻头体12中取出所有移动件。典型地，需要破坏石墨模以取出钻头体12。
如前所述，典型地，需要破坏石墨模以取出钻头体12。在钻头体12从模型中取出之后，钻头体12可以固定到钢杆20上。由于形成冠部14的颗粒基体复合材料较为坚硬并且不易进行机加工，因此使用钢坯16将钻头体固定到钢杆上。可以在钢坯16的暴露表面上加工出螺纹以提供钻头体12和钢杆20之间的螺纹接头22。钢杆20可以旋接到钻头体12上，随后可以沿钻头体12和钢杆20之间的接合面设置焊缝24。
在钻头体12通过例如硬钎焊、机械或粘接固定铸成之后，PDC切削件34可以粘结到钻头体12的表面18上。可选地，如果在切削件34中使用热稳定的人造或天然金刚石的话，切削件34可以在钻头体锻烧期间粘结到钻头体12的表面18上。
用于铸造钻头体的模型由于其尺寸、形状和材料成分而难以进行机加工。而且，通常需要使用手持工具进行手动操作以形成模型和在从模型中取出钻头体之后形成钻头体上的某些特征，这使钻头体的再生产性变得更加复杂。这些事实连同利用单个模型只能铸造一个钻头体的事实一起使具有一致尺寸的多个钻头体的再生产性变得复杂。由于这些矛盾，在每个钻头体钻进期间的形状、强度和最终性能可以改变，这使确定给定钻头的预期寿命变得困难。因此，典型地，钻柱上的钻头比人们所希望的更为频繁地更换，以免发生意外的钻头故障，从而导致额外的费用。
从前述说明可以容易地认识到，制造包括颗粒基体复合材料的钻头体的方法是在可以铸成最终产品(钻头体)之前需要单独制造中间产品(模型)的略显昂贵、复杂的多步骤劳动密集型方法。而且，必须分别设计和制造坯件、模型和所用的任何预成形件。尽管包括颗粒基体复合材料的钻头体可以在耐磨损和耐腐蚀方面明显优于现有技术的钢制钻头体，但是这种钻头体的低强度和低韧度限制了它们在某些应用中使用。
因此，人们希望提供一种制造包括颗粒基体复合材料的钻头体的方法，所述方法无需使用模型，并且提供了可以容易地附接到钻柱的钻杆或其它部件上的钻头体。而且，用于形成包括颗粒基体复合材料的钻头体的已知方法将有效成分限制为这些成分，它们包括可以在不使包含在模型组件中的粒状碳化物材料、钢坯或热稳定的金刚石质量下降的温度下为使粒状碳化物材料渗入而熔化的基体材料。因此，人们希望提供一种制造适于生产包括颗粒基体复合材料的钻头体的方法，所述复合材料无需粒状碳化物材料渗入熔化的基体材料中。
【发明内容】
在一个方面，本发明包括形成钻地旋转钻头的方法。该方法包括提供钻头体，提供配置为附接到钻柱上的钻杆，以及将所述钻杆附接到钻头体上。提供钻头体包括提供生粉末部件，所述部件具有第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一材料成分，所述第二区域具有不同于第一材料成分的第二材料成分。生粉末部件被至少部分地烧结。
在另一个方面，本发明包括形成钻地旋转钻头的方法。该方法包括提供钻头体和钻杆，所述钻杆配置为附接到钻柱上。钻杆包括包围纵向孔的外壁和延伸穿过所述外壁的至少一个孔。在钻头体的表面上机加工出至少一个特征。延伸穿过钻杆的孔与钻头体表面上的特征对齐，并且锁紧件通过延伸穿过钻杆外壁的孔插入。钻杆、锁紧件以及钻头体表面上的特征之间的机械干涉防止钻头体与钻杆分离。通过压制包括多个颗粒和粘结材料以形成生粉末部件，所述生粉末部件随后烧结至最终密度来提供钻头体。
在另一个方面，本发明包括钻地旋转钻头，其包括钻头体和附接到所述钻头体上的钻杆。钻杆包括包围纵向孔的外壁。锁紧件延伸穿过钻杆外壁的至少一部分并且抵靠钻头体的至少一个表面。钻杆、锁紧件以及钻头体之间的机械干涉至少部分地将钻杆固定到钻头体上。钻头体包括颗粒基体复合材料。颗粒基体复合材料包括散布在基体材料中的多个硬质颗粒。硬质颗粒可以包括选自金刚石、碳化硼、氮化硼、氮化铝、和W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Zr和Cr的碳化物或硼化物的材料。基体材料可以选自铁基合金、镍基合金、钴基合金、钛基合金、铁镍基合金、铁钴基合金和镍钴基合金。
通过结合附图阅读下列详细说明，本发明的特征、优点和可选方案对于本领域的技术人员来说变得显而易见。
【附图说明】
尽管说明书末尾的权利要求特别指出和清楚声明了本发明的范围，但是在结合附图阅读本发明的下列说明的情况下，本发明的优点将变得易于确定，其中：
图1是具有包括颗粒基体复合材料的钻头体的传统旋转钻头的局部横截面侧视图；
图2是体现本发明教导的旋转钻头的局部横截面侧视图；
图3A-3J显示了形成图2所示钻地旋转钻头的钻头体的方法；
图4A-4C显示了形成图2所示钻地旋转钻头的钻头体的另一方法；
图5是图2所示钻杆的侧视图；
图6是图5所示钻杆沿剖面线6-6剖开的剖视图；
图7是体现本发明教导的另一钻头体的横截面侧视图；
图8是图7所示钻头体沿剖面线8-8剖开的剖视图；和
图9是体现本发明教导的另一钻头体的横截面侧视图。
【具体实施方式】
这里显示的示例不表示任何特殊材料、设备、系统或方法的实际视图，而仅是用于描述本发明的理想化表示。另外，附图之间共有的元件可以保持相同的数字编号。
在这里使用的术语″生(green)″表示未烧结的。
在这里使用的术语″生钻头体″表示未烧结的结构，包括用粘结剂结合在一起的离散颗粒，所述结构具有的大小和形状允许通过包括但不限于机加工和致密化的后续制造工艺由该结构制造适用于钻地钻头的钻头体。
在这里使用的术语″半生(brown)″表示部分烧结。
在这里使用的术语″半生钻头体″表示部分烧结的结构，包括至少一部分已经部分地长在一起以提供相邻颗粒之间的至少部分粘结的多个颗粒，所述结构具有的大小和形状允许通过包括但不限于机加工和进一步致密化的后续制造工艺由该结构制造适用于钻地钻头的钻头体。半生钻头体可以通过例如至少部分地烧结生钻头体而形成。
在这里使用的术语″烧结″是指颗粒成分的致密化，包括去除利用聚合结合在一起的起始颗粒之间的至少一部分孔隙(伴随有收缩)和使相邻颗粒粘结。
当在此使用时，术语″[金属]基合金″(其中，[金属]为任意金属)是指除包含金属合金外的商业纯[金属]，其中，合金中[金属]的重量百分比大于合金中任何其它成分的重量百分比。
当在此使用时，术语″材料成分″是指材料的化学成分和微观结构。换句话说，具有相同化学成分但是不同微观结构的材料被认为具有不同的材料成分。
当在此使用时，术语″碳化钨″是指包含钨和碳的化合物的任何材料组成，例如，WC、W2C以及WC和W2C的组合。碳化钨例如包括铸造碳化钨、烧结碳化钨和粗晶碳化钨。
图2显示了体现本发明教导的钻地旋转钻头50。旋转钻头50具有包括颗粒基体复合材料的钻头体52。钻头50还可以包括附接到钻头体52上的钻杆70。
钻杆70包括具有外表面和内表面的大致圆柱形外壁。钻杆70的外壁包围延伸穿过钻头50的至少一部分纵向孔66。钻杆70的外壁的至少一个表面可以构造为将钻杆70附接到钻头体52上。钻杆70还可以包括用于将钻头50附接到钻柱(未显示)上的阳或阴API螺纹连接部分28。一个或多个孔72可以延伸穿过钻杆70的外壁。下文对这些孔进行更为详细地描述。
在一些实施例中，旋转钻头50的钻头体52大体上由颗粒基体复合材料形成和构成。而且，颗粒基体复合材料的成分在钻头体52内有选择地变化以在钻头体内提供具有不同、定制物理性能或特征的各种区域。
作为实例而非限制性的，钻头体52可以包括具有第一材料成分的第一区域54和具有不同的第二材料成分的第二区域56。第一区域54可以包括钻头体52的纵向下部和横向外部区域，其通常称作钻头体52的″冠部″。第一区域54可以包括钻头体52的表面68，其可以构造为承载多个切削元件，例如PDC切削件34。例如，多个凹窝36和支肋38可以设置在钻头体52的表面68上以承载和支撑PDC切削件34。而且，多个刀片30和排屑槽32可以设置在钻头体52的第一区域54上。第二区域56可以包括钻头体52的纵向上部和横向内部区域。纵向孔66可以至少部分地延伸穿过钻头体52的第二区域56。
第二区域56可以包括构造为将钻头体52附接到钻杆70上的至少一个表面58。作为实例和非限制性的，至少一个凹槽60形成在第二区域56的至少一个表面58上，其构造为将钻头体52附接到钻杆70上。每个凹槽可以对应于延伸穿过钻杆70的外壁的孔并与之对齐。锁紧件80可以设置在钻杆70的每个孔内和每个凹槽60内。钻杆70、锁紧件80和钻头体52之间的机械干涉可以防止钻头体52与钻杆70产生纵向分离，并且可以防止钻头体52围绕旋转钻头50的纵向轴线L50相对于钻杆70旋转。
在图2所示实施例中，旋转钻头50包括两个锁紧件80。作为实例并且非限制性的，每个锁紧件80可包括细长的圆柱形杆，其延伸穿过钻杆70内的孔和形成于钻头体52的表面58上的凹槽60。
钻杆70、锁紧件80和钻头体52之间的机械干涉还可以提供钻杆70的表面和钻头体52的第二区域56内的表面58之间大致相等的间隙或空隙。作为实例并且非限制性的，当锁紧件80设置在钻杆70的孔内和钻头体52的凹槽60内时，钻杆70和钻头体52之间可以具有大约50微米(0.002英寸)到大约150微米(0.006英寸)的大致相等的间隙。
例如银基或镍基金属合金的硬钎焊材料82可以布置在钻杆70和位于钻头体52的第二区域56内的表面58之间大致相等的间隙内。作为硬钎焊的可选方案或除了硬钎焊以外，可以围绕旋转钻头50在其外表面上沿钻头体52和钢杆70之间的接合面设置焊缝24。可以使用焊缝24和硬钎焊材料82将钻杆70进一步固定到钻头体52上。在这种构造中，如果在钻进操作期间，钻杆70和位于钻头体52的第二区域56内的表面58之间大致相等间隙内的硬钎焊材料82以及焊缝24在钻头50位于钻井孔底部时失效的话，锁紧件80可以防止钻头体52和钻杆70发生纵向分离，从而防止钻头体52遗落在钻井孔中。
如上所述，钻头体52的第一区域54可以具有第一材料成分，钻头体52的第二区域56可以具有不同的第二材料成分。第一区域54可以包括颗粒基体复合材料。钻头体52的第二区域56可以包括金属、金属合金或颗粒基体复合材料。作为实例并且非限制性的，可以选择第一区域54的材料成分，使之与第二区域56的材料成分相比具有更强的耐腐蚀性和耐磨损性。可以选择第二区域56的材料成分以方便对第二区域56进行机加工。物理性能适于方便第二区域56的机加工的方式至少部分地取决于所用机加工方法。例如，如果人们希望利用传统的车削、磨削和钻削方法加工第二区域56的话，可以选择第二区域56的材料成分，使之具有更低的硬度和更高的延展性。可选地，如果人们希望利用超声波加工方法(其可以包括使用传输给工具的超声波感应振动)加工第二区域56的话，可以选择第二区域56的成分，使之具有更高的硬度和更低的延展性。在一些实施例中，可以选择第二区域56的材料成分，使之与第一区域54的材料成分相比具有更高的抗裂韧性。在其它实施例中，可以选择第二区域56的材料成分，使之具有适于方便焊接第二区域56的物理性能。作为实例并且非限制性的，可以选择第二区域56的材料成分以方便将第二区域56焊接到钻杆70上。应当理解，钻头体52的各个区域可以具有选择或调整为具有任何希望的特定物理性能或特征的材料成分，并且本发明不局限于选择或调整所述区域的材料成分以具有这里描述的特定物理性能或特征。
如本领域已知，可以利用适当的混合法则限定复合材料的某些物理性能和特征(例如，硬度)。复合材料的其它物理性能和特征可以不依赖于混合物规则而确定。这种物理性能可以包括例如耐腐蚀性和耐磨性。
第一区域54的颗粒基体复合材料可以包括随机散布在基体材料中的多个硬质颗粒。硬质颗粒可以包括金刚石或陶瓷材料，例如碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B4C))。更具体地，硬质颗粒可以包括由例如W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si的元素组成的碳化物和硼化物。作为实例并且非限制性的，用于形成硬质颗粒的材料包括碳化钨(WC、W2C)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、二硼化钛(TiB2)、碳化铬、氮化钛(TiN)、碳化钒(VC)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)和碳化硅(SiC)。而且，不同硬质颗粒的组合可用于调整颗粒基体复合材料的物理性能和特征。硬质颗粒可以利用本领域技术人员公知的方法获得。对于硬质颗粒而言最合适的材料为市场上销售的那些，其余材料的获得在本领域普通技术人员的能力范围之内。
颗粒基体复合材料的基体材料例如可以包括钴基、铁基、镍基、铁镍基、钴镍基、铁钴基、铝基、铜基、镁基和钛基合金。基体材料还可以选择商业纯元素，例如，钴、铝、铜、镁、钛、铁和镍。作为实例并且非限制性的，基体材料可以包括碳钢、合金钢、不锈钢、工具钢、哈德菲尔德(Hadfield)锰钢、镍或钴超合金材料以及低热膨胀铁或镍基合金，例如。当在此使用时，术语″超合金″是指具有至少12％重量百分比的铬的铁、镍和钴基合金。可用作基体材料的其它示例性合金包括奥氏体钢，例如625M或Rene 95的镍基超合金，以及热膨胀系数与特定颗粒基体复合材料中所用硬质颗粒的热膨胀系数极为相近的型合金。使基体材料的热膨胀系数与硬质颗粒的热膨胀系数更为接近是有利的，例如减少与残余应力和热疲劳相关的问题。另一示例性基体材料是哈德菲尔德(Hadfield)奥氏体锰钢(铁具有大约12％重量比的锰，和1.1％重量比的碳)。
钻头体的第二区域56的材料成分例如可以包括用于钻头体52的第一区域54的任何一种先前描述的颗粒基体复合材料的基体材料。可选地，钻头体52的第二区域56的材料成分可以包括硬质颗粒随机散布在基体材料中的颗粒基体复合材料。硬质颗粒和基体材料可以选自先前参考钻头体52的第一区域54描述的那些材料。然而，可以选择钻头体52的第二区域56的材料成分以方便利用传统的机加工方法加工第二区域56。这种传统的机加工方法例如可以包括切削、磨削和钻削方法，其可用于使钻头体52的第二区域56构造为附接到钻杆70上。举例来说，可以在钻头体52的第二区域56的一个或多个表面58上机加工出例如凹槽60的特征，从而使钻头体52的第二区域56构造为附接到钻杆70上。
在本发明的一个实施例中，钻头体52的第一区域54大体上由颗粒基体复合材料形成和构成。颗粒基体复合材料可以包括多个-400ASTM(美国材料试验协会)目碳化钨颗粒。当在此使用时，短语″-400ASTM目颗粒″是指能够穿过按照名称为″试验目的用金属丝布和筛网的标准规范″的ASTM规范E11-04所定义的ASTMNo.400网筛的颗粒。这种碳化钨颗粒的最大直径小于大约38微米。基体材料可以包括钴基金属合金，其包括高于大约95％重量比的钴。碳化钨颗粒可以占颗粒基体复合材料重量比的大约60％到大约95％，并且基体材料可以占颗粒基体复合材料重量比的大约5％到大约40％。更具体地，碳化钨颗粒可以占颗粒基体复合材料重量比的大约75％到大约85％，并且基体材料可以占颗粒基体复合材料重量比的大约15％到大约25％。
钻头体52的第二区域56可以大体上由与第一区域54的颗粒基体复合材料中所用基体材料相同的材料形成和构成。
在本发明的另一个实施例中，钻头体52的第一区域54和第二区域56都大体上由颗粒基体复合材料形成和构成。
作为实例并且非限制性的，第一区域54的颗粒基体复合材料可以包括多个-635ASTM目碳化钨颗粒。当在此使用时，短语″-635ASTM目颗粒″是指能够穿过按照名称为″试验目的用金属丝布和筛网的标准规范″的ASTM规范E11-04所定义的ASTM No.635网筛的颗粒。这种碳化钨颗粒的最大直径小于大约20微米。例如，第一区域54的颗粒基体复合材料可以包括直径为大约0.5微米到大约10微米范围内的多个碳化钨颗粒。基体材料可以包括镍钴基金属合金，其包括大约50％重量比的镍和大约50％重量比的钴。碳化钨颗粒可以占第一区域54的颗粒基体复合材料重量比的大约60％到大约95％，并且基体材料可以占第一区域54的颗粒基体复合材料重量比的大约5％到大约40％。更具体地，碳化钨颗粒可以占第一区域54的颗粒基体复合材料重量比的大约75％到大约85％，并且基体材料可以占第一区域54的颗粒基体复合材料重量比的大约15％到大约25％。
而且，第二区域56的颗粒基体复合材料可以包括多个-635ASTM目碳化钨颗粒。这种碳化钨颗粒的最大直径小于大约20微米。例如，第二区域56的颗粒基体复合材料可以包括直径为大约0.5微米到大约10微米范围内的多个碳化钨颗粒。第二区域56的基体材料与第一区域54的颗粒基体复合材料的基体材料大体上相同。可选地，第二区域56的颗粒基体复合材料的基体材料可以与第一区域54的颗粒基体复合材料的基体材料不同。碳化钨颗粒可以占第二区域56的颗粒基体复合材料重量比的大约65％到大约70％，并且基体材料可以占第二区域56的颗粒基体复合材料重量比的大约30％到大约35％。
图3A-3J显示了形成钻头体52的方法。通常，旋转钻头50的钻头体52可以通过分别将第一区域54和第二区域56制成半生结构，将所述半生结构组装在一起以提供单一的半生钻头体，并且将所述单一的半生钻头体烧结到希望的最终密度而形成。
参见图3A，第一粉末混合物89可以利用可动活塞或柱塞88压入模型或模具86中。第一粉末混合物89可以包括多个硬质颗粒和多个包括基体材料的颗粒。硬质颗粒和基体材料可以选自先前参照图2所描述的那些材料。选择性地，粉末混合物89进一步包括在压制粉末混合物时通常使用的添加剂，例如，用于在压制期间提供润滑和给压制粉末成分提供结构强度的粘结剂，用于使粘结更为柔韧的增塑剂以及用于减少内部颗粒摩擦的润滑剂或压缩助剂。
模具86可以包括具有表面的内腔，所述表面成形并构造为形成钻头体52的第一区域54的至少一部分表面。柱塞88也可以具有构造为使钻头体52的第一区域54的至少一部分表面形成或成形的表面。插入件或移动件87布置在模具86内并用于限定内部流体通道42。附加的移动件87(未显示)可用于限定切削元件凹窝36，排屑槽32，以及钻头体52的第一区域54的其它形貌特征。
柱塞88可以利用机械或液压设备或机床以大作用力推入模具86中，从而将第一粉末混合物89压实在模具86中以形成图3B所示的第一生粉末部件90。可以在压制过程中有选择地加热模具86、柱塞88和第一粉末混合物89。
在压制粉末混合物89的可选方法中，可以利用本领域普通技术人员公知的方法以大体上均衡压力将粉末混合物89挤压在压力室中。
图3B所示第一生粉末部件90可以包括通过提供于粉末混合物89(图3A)中的粘结剂结合在一起的多个颗粒(硬质颗粒和基体材料颗粒)，如前所述。可以利用传统机加工方法，例如切削方法、磨削方法和钻削方法在生粉末部件90上机加工出某些结构特征。还可以使用手持工具手动形成或成形位于生粉末部件90上或内的特征。作为实例并且非限制性的，可以通过机加工或其他方式在生粉末部件90上形成排屑槽32(图2)。
图3B所示第一生粉末部件90可以至少部分地烧结。例如，生粉末部件90可以部分地烧结以提供图3C所示的第一半生结构91，其密度小于希望的最终密度。在烧结之前，生粉末部件90会经受适当升高的温度以有助于去除包括在粉末混合物89(图3A)内的任何不稳定添加剂，如前所述。而且，生粉末部件90会经受适当的环境变化以有助于去除这种添加剂。这种环境例如可以包括大约500℃的氢气。
可以利用传统机加工方法，例如切削方法、磨削方法和钻削方法在第一半生结构91上机加工出某些结构特征。还可以使用手持工具手动形成或成形位于半生结构91上或内的特征。作为实例并且非限制性的，可以通过机加工或以其它方式在半生结构91上形成切削件凹窝36以形成如图3D所示的成形半生结构92.
参见图3E，第二粉末混合物99可以利用可动活塞或柱塞98压入模型或模具96中。第二粉末混合物99可以包括含有基体材料的多个颗粒，并且有选择地包括多个硬质颗粒。基体材料和硬质颗粒可以选自先前参照图2所描述的那些材料。选择性地，粉末混合物99可进一步包括在压制粉末混合物时通常使用的添加剂，例如，用于在压制期间提供润滑和给压制粉末成分提供结构强度的粘结剂，用于使粘结更为柔韧的增塑剂以及用于减少内部颗粒摩擦的润滑剂或压缩助剂。
模具96可以包括具有表面的内腔，所述表面成形并构造为形成钻头体52的第二区域56的至少一部分表面。柱塞98也可以具有构造为使钻头体52的第二区域56的至少一部分表面形成或成形的表面。一个或多个插入件或移动件97可以布置在模具96内并用于限定内部流体通道42。根据需要，可以使用附加的移动件97(未显示)以限定钻头体52的第二区域56的其它形貌特征。
柱塞98可以利用机械或液压设备或机床以大作用力推入模具96中，从而将第二粉末混合物99压实在模具96中以形成图3F所示的第二生粉末部件100。可以在压制过程中有选择地加热模具96、柱塞98和第二粉末混合物99。
在压制粉末混合物99的可选方法中，可以利用本领域普通技术人员公知的方法以大体上均衡压力将粉末混合物99挤压在压力室中。
图3F所示第二生粉末部件100可以包括通过提供于粉末混合物99(图3E)中的粘结剂结合在一起的多个颗粒(硬质颗粒，和有选择地，基体材料颗粒)，如前所述。根据需要，可以利用传统机加工方法，例如切削方法、磨削方法和钻削方法在生粉末部件100上机加工出某些结构特征。还可以使用手持工具手动形成或成形位于生粉末部件100上或内的特征。
图3F所示第二生粉末部件100可以至少部分地烧结。例如，生粉末部件100可以部分地烧结以提供图3G所示的第二半生结构101，其密度小于希望的最终密度。在烧结之前，生粉末部件100会经受适当升高的温度以有助于烧尽或去除包括在粉末混合物99(图3E)内的任何不稳定添加剂，如前所述。
根据需要，可以利用传统机加工方法，例如切削方法、磨削方法和钻削方法在第二半生结构101上机加工出某些结构特征。还可以使用手持工具手动形成或成形位于半生结构101上或内的特征。
图3G所示半生结构101随后插入预先形成的图3D所示成形半生结构92中以提供图3H所示的单一半生钻头体106。单一半生钻头体106随后完全烧结到希望的最终密度以提供先前所述的图2所示钻头体52。由于烧结涉及使结构内的孔隙度致密化和去除，被烧结的结构将在烧结过程中收缩。结构在烧结期间产生10％到20％的线性收缩。因此，当设计加工(模型、模具等)或机加工未完全烧结的结构内的特征时，必须研究和考虑三维收缩。
在可选方法中，图3F所示生粉末部件100可以插入或装配到图3B所示的生粉末部件90中以形成生钻头体。生钻头体随后根据需要进行机加工并烧结到希望的最终密度。生粉末部件90和生粉末部件100的接合表面可以在烧结过程中熔融或粘结在一起。可选地，生钻头体可以部分地烧结为半生钻头体。根据需要，可以对半生钻头体进行成形和机加工工艺，并且最终的半生钻头体可以烧结到希望的最终密度。
可以选择第一区域54的材料成分(因此，图3A所示第一粉末混合物89的成分)和第二区域56的材料成分(因此，图3E所示第二粉末混合物99的成分)以在烧结过程中具有大体上相似的收缩。
这里描述的烧结方法包括真空炉内的普通烧结法，真空炉内烧结之后进行传统的高温等静压工艺，并且烧结之后立即在接近烧结温度的温度下进行等静压制(通常称作烧结HIP)。而且，这里描述的烧结方法可以包括液相线下(subliquidus)金相烧结。换句话说，可以在接近但低于基体材料金相图的液相线的温度下执行烧结工艺。例如，可以利用本领域普通技术人员已知的许多不同方法实施这里描述的烧结工艺，所述方法例如为快速全方向压紧(ROC)方法、CeraconTM方法、高温等静压(HIP)、或这类方法的改进。
概括地并且仅仅举例来说，利用ROC方法烧结生粉末压块涉及在较低温度下将生粉末压块仅预烧结到产生足以对粉末压块进行处理的强度的足够程度。最终的半生结构包裹在例如石墨薄膜的材料中以密封半生结构。包裹的半生结构放入容器中，所述容器充满陶瓷、聚合物或玻璃材料制成的颗粒，其熔点远低于半生结构中的基体材料的熔点。容器加热到希望的烧结温度，其高于陶瓷、聚合物或玻璃材料制成的颗粒的熔融温度，但是低于半生结构内基体材料的液相线温度。容纳有熔化的陶瓷、聚合物或玻璃材料(并且半生结构浸没于其中)的受热容器放到用于给熔化的陶瓷或聚合物材料加压的机械压力机或液压机，例如锻压机中。熔化陶瓷、聚合物或玻璃材料中的等静压力有利于半生结构在高温下压实并烧结在容器内。熔化的陶瓷、聚合物或玻璃材料用于将压力和热量传递给半生结构。这样，熔化的陶瓷、聚合物或玻璃起到压力传递介质的作用，压力在烧结期间通过所述压力传递介质施加给所述结构。在减压冷却之后，烧结构造从陶瓷、聚合物或玻璃材料中取出。美国专利Nos.4,094,709、4,233,720、4,341,557、4,526,748、4,547,337、4,562,990、4,596,694、4,597,730、4,656,002、4,744,943和5,232,522更为详细地描述了ROC工艺及实施该工艺的适用设备。
与上述ROC工艺类似的CeraconTM工艺也适合于在本发明中使用，从而将半生结构完全烧结到最终密度。在CeraconTM工艺中，半生结构涂覆有例如矾土、氧化锆或氧化铬的陶瓷涂层。还可以使用其它类似的、硬质的、通常惰性的、保护性的和可去除的涂层。通过利用陶瓷颗粒(代替ROC工艺中的流体介质)给覆层半生结构施加至少大体上等静压力而使覆层半生结构完全加固。美国专利No.4,499,048对CeraconTM工艺进行了更为详细地描述。
如前所述，可以选择钻头体52的第二区域56的材料成分，以便即使在完全烧结的情况下，也可以方便地对第二区域56进行机加工操作。在将图3H所示单个半生钻头体106烧结到希望的最终密度之后，可以在完全烧结结构上机加工某些特征以提供钻头体52，其在图3I中显示为与钻杆70分离(图2)。例如，可以对钻头体52的第二区域56的表面58进行机加工以提供用于将钻杆70(图2)附接到钻头体52上的元件或特征。作为实例并且非限制性的，可以在钻头体52的第二区域56的表面58上机加工两个凹槽60，如图3I所示。每个凹槽60例如具有半圆形横截面。而且，每个凹槽60围绕钻头体52的第二区域56的一部分径向延伸，如图3J所示。在这种结构中，每一凹槽60内的钻头体52的第二区域56的表面可以具有一形状，该形状包括具有部分超环面的倾斜部分。当在此使用时，术语″超环面″是指由封闭曲线(例如，圆形)围绕布置在包含所述封闭曲线的平面内的轴线旋转产生的表面，其中，所述封闭曲线与所述轴线互不交叉或包含。可选地，位于每个凹槽60内的钻头体52的第二区域56的表面具有大体上形成部分圆柱形的形状。两个凹槽60可以定位在钻头52的第二区域56的大体相对侧面上，如图3J所示。
如这里所描述的，钻头52的第一区域54和第二区域56可以在半生状态下形成并装配在一起以形成单一半生结构，其随后烧结到希望的最终密度。在形成钻头体52的可选方法中，通过压制模具中的第一粉末混合物以形成第一生粉末部件，将第二粉末混合物加入同一模具中并将所述模具中的第二粉末混合物与第一区域54的第一粉末部件一起压制以形成整体式生钻头体而形成第一区域54。而且，第一粉末混合物和第二粉末混合物可以放入单个模具中，同时进行压制以形成整体式生钻头体。整体式生钻头体随后根据需要进行机加工并烧结到希望的最终密度。可选地，整体式生钻头体可以部分地烧结为半生钻头体。根据需要，可以对半生钻头体进行成形和机加工工艺，并且最终的半生钻头体可以烧结到希望的最终密度。可以利用两个不同的柱塞，例如图3A所示柱塞88和图3E所示柱塞98在单一模具中形成整体式生钻头体。而且，可以根据需要提供附加的粉末混合物以在具有材料成分的钻头体52内提供任何希望数量的区域。
图4A-4C显示了形成钻头体52的另一方法。通常，通过压制先前描述的第一粉末混合物89(图3A)和先前描述的第二粉末混合物99(图3E)以形成如图4A所示的通常圆柱形的整体式生钻头体110或铸坯而形成旋转钻头50的钻头体52。作为实例并且非限制性的，通过在压力室中等静压地压制将第一粉末混合物89和第二粉末混合物99以形成通常圆柱形的整体式生钻头体110。
作为实例并且非限制性的，第一粉末混合物89和第二粉末混合物99放置在容器内。该容器可以包括流体密封可变形构件，例如，包括可变形聚合物材料的大体圆柱形袋。该容器(具有容纳于内部的第一粉末混合物89和第二粉末混合物99)可以设置在压力室内。可以利用泵将例如水、油或气体(例如，空气或氮气)的流体泵入压力室中。流体高压导致可变形构件的壁产生变形。压力可以大体上均匀地传递给第一粉末混合物89和第二粉末混合物99。在等静压压制期间，压力室内的压力会大于大约35兆帕(大约5,000磅/平方英寸)。更特别地，在等静压压制期间，压力室内的压力会大于大约138兆帕(20,000磅/平方英寸)。在可选方法中，可以在容器内提供真空，并且大于大约0.1兆帕(大约15磅/平方英寸)的压力可以(例如通过大气)施加给容器的外表面以压实第一粉末混合物89和第二粉末混合物99。等静压压制第一粉末混合物89和第二粉末混合物99可以形成图4A所示的通常圆柱形的整体式生钻头体110。该整体式生钻头体可以在压制之后从压力室内取出。
图4A所示的通常圆柱形的整体式生钻头体110可以根据需要进行机加工或成形。作为实例并且非限制性的，可以减小通常圆柱形的整体式生钻头体110的端部外径以形成图4B所示的成形的整体式生钻头体112。例如，可以在车床上对通常圆柱形的整体式生钻头体110进行车削以形成成形的整体式生钻头体112。根据需要或需求对通常圆柱形的整体式生钻头体110进行附加的机加工或成形。可选地，可以在车床上对通常圆柱形的整体式生钻头体110进行车削，从而确保整体式生钻头体110为大体上圆柱形状，而不会减小其端部外径或以其它方式改变整体式生钻头体110的形状。
随后，图4B所示的成形整体式生钻头体112可以部分地烧结以提供图4C所示的半生钻头体114。随后，根据需要对半生钻头体114进行机加工以形成与先前所述的图3H所示成形的单一半生钻头体106大体上一致的结构。作为实例并且非限制性的，例如使用机加工工艺在半生钻头体114(图4C)中形成纵向孔66和内部流体通道42(图3H)。还可以在半生钻头体114(图4C)中机加工出用于PDC切削件34的多个凹窝36。而且，可以在半生钻头体114(图4C)上机加工出至少一个表面58(图3H)，其构造为将钻头体附接到钻杆上。
在已经对图4C所示半生钻头体114进行机加工以形成与图3H所示成形的单一半生钻头体106大体上一致的结构之后，该结构进一步烧结到希望的最终密度，并且根据需要在完全烧结结构上机加工出某些附加特征以提供钻头体52，如前所述。
再次参考图2，可以通过在钻杆70和钻头体52的第二区域56中的表面58之间间隙内提供硬钎焊材料82，例如银基或镍基金属合金而将钻杆70附接到钻头体52上。作为硬钎焊的可选方案或除了硬钎焊以外，可以围绕旋转钻头50在其外表面上沿钻头体52和钢杆70之间的接合面设置焊缝24。可以使用硬钎焊材料82和焊缝24将钻杆70附接到钻头体52上。
在可选方法中，除了或代替硬钎焊材料82和焊缝24，可以使用提供机械干涉的结构或特征将钻杆70固定到钻头体52上。下面参照图2和图5-6描述这种将钻杆70附接到钻头体52上的方法实例。参考图5，可以提供穿过钻杆70的两个孔72，如前面参照图2所述那样。每个孔72可以具有构造为接收锁紧件80(图2)的大小和形状。作为实例并且非限制性的，每个孔72可以具有大体上圆柱形的横截面，并且可以沿轴线L72延伸穿过钻杆72，如图6所示。钻杆70内每个孔72的位置和朝向可以设置成使得每条轴线L72位于与钻头50的纵向轴线L50大体上垂直的平面内，而不与钻头50的纵向轴线L50相交。
当锁紧件80插入钻杆70的孔72和凹槽60中时，如果凹槽60具有一形状，该形状包括具有局部超环面的倾斜部分时，锁紧件80可以沿接触线抵靠凹槽60内的钻头体52的第二区域56的表面，如图3I和3J所示。然而，如果凹槽60具有大体上形成局部圆柱形的形状的话，锁紧件80可以抵靠凹槽60内的钻头体52的第二区域56的表面上的区域。
在一些实施例中，每个锁紧件80可以固定到钻杆70上。作为实例并且非限制性的，如果每个锁紧件80包括如图2所示的细长的圆柱形杆的话，每个锁紧件80的端部可以沿着每个锁紧件80的端部和钻杆70之间的接合面焊接到钻杆70上。在其它实施例中，硬钎焊或软钎焊材料(未显示)可以设置在每个锁紧件80的端部和钻杆70之间。在其它实施例中，可以在每个锁紧件的每个端部的外表面上设置螺纹，并且可以在位于孔72内的钻杆70的表面上设置配合螺纹。
再次参考图2，可以在位于钻杆70和钻头体52的第二区域56的表面58之间的大体均匀间隙内提供硬钎焊材料82，例如，银基或镍基金属合金。可以围绕旋转钻头50在其外表面上沿着钻头体52和钢杆70之间的接合面设置焊缝24。可以使用焊缝24和硬钎焊料82将钻杆70进一步固定到钻头体52上。在这种构造中，如果在钻进操作期间，钻杆70和位于钻头体52的第二区域56内的表面58之间大致相等间隙内的硬钎焊料82以及焊缝24在钻头50位于钻井孔底部时失效的话，锁紧件80可以防止钻头体52和钻杆70发生纵向分离，从而防止钻头体52遗落在钻井孔中。
在将钻杆70附接到钻头体52的可选方法中，可以只使用一个锁紧件80或两个以上的锁紧件80将钻杆70附接到钻头体52上。在其它实施例中，可以在钻头体52的第二区域56和钻杆70之间提供螺纹连接。当选择钻头体52的第二区域56的材料成分以便即使在完全烧结的情况下也可以方便地对其进行机加工时，可以在钻头体52的第二区域56上机加工出具有精确尺寸的螺纹。在附加实施例中，钻杆70和钻头体52之间的接合面大致成锥形。而且，可以在钻杆70和钻头体52之间提供冷缩配合或压配合。
在图2所示实施例中，钻头体52包括两个具有材料成分的不同区域，其间具有可辨别的边界或接合面。在可选实施例中，钻头体52的材料成分可以在钻头体52内的区域内连续变化，使得不能容易地辨别出区域之间的边界或接合面。在附加实施例中，钻头体52可以包括两个以上的具有材料成分的区域，并且钻头体52内具有材料成分的不同区域的空间位置可以改变。
图7显示了体现本发明教导的另一钻头体150。钻头体150包括第一区域152和第二区域154。如图8所示钻头体150的剖视图中最佳显示的，第一区域152和第二区域154之间的接合面通常仿照第一区域152的外表面的形貌。例如，接合面可以包括多个纵向延伸的突脊156和凹陷158，其与设置在钻头体150的外表面上的刀片30和排屑槽32相对应。在这种构造中，在钻进操作期间，当扭矩施加给包括钻头体150的钻头时，钻头体150上的刀片30不易压裂。
图9显示了体现本发明教导的另一钻头体160。钻头体160也包括第一区域162和第二区域164。第一区域162可以包括钻头体160的纵向下部区域，第二区域164可以包括钻头体160的纵向上部区域。而且，第一区域162和第二区域164之间的接合面可以包括多个径向延伸的突脊和凹陷(未显示)，在钻进操作期间，当扭矩施加给包括钻头体160的钻头时，所述突脊和凹陷可以使钻头体160不易沿接合面压裂。
这里描述的形成钻地旋转钻头的方法可以允许形成具有包括颗粒基体复合材料的钻头体的新颖钻头，其相对于已知的颗粒基体复合材料钻头而言具有更高的耐腐蚀性、耐磨损性、强度和抗裂韧性。而且，这里描述的方法允许钻杆附接到大体上由颗粒基体复合材料构成并由除了液态基体渗入之外的方法形成的钻头体上。该方法允许钻杆以正确的同心性和同轴度附接到钻头体上。这里描述的方法允许通过对钻头体的至少一表面进行精密机加工而使钻杆更好地附接到具有至少一冠部区域的钻头体上，所述冠部区域包括颗粒基体复合材料，所述表面构造为将钻头体附接到钻杆上。
尽管本发明已经相对于特定的优选实施例在此进行了描述，但是本领域的普通技术人员应当考虑和认识到本发明不限于此。相反，在不脱离如下文要求保护的本发明范围的情况下，可以对优选实施例进行多种增加、删除和改变。另外，一个实施例的特征可以与另一个实施例的特征结合，但仍然处于由本发明人考虑的发明范围内。另外，本发明在具有不同和各种钻头外形及切削型的钻头和取芯钻头中具有实用性。