井下切削工具上的包覆堆焊应用技术领域
本公开大致涉及地下矿藏的采收且更具体地涉及用于磨铣井中的材料
的方法和系统。
背景技术
在不同深度钻井来接近并且从地下地层生产油、气、矿物和其它自然生
成的矿藏。烃类可通过横穿地下地层的井筒生产。井筒可能相对复杂并且包
括例如与主要井筒或主井筒成一定角度延伸的一个或更多个横向分支。形成
横向井筒通常涉及首先在内衬主井筒的套管或其它金属管道中形成窗。开窗
铣刀或其它磨铣工具可用于起始并且形成窗。在形成窗后，钻头可穿过窗来
形成横向井筒。
除用于横向井筒形成的开窗外，磨铣工具也可用于许多其它井下任务，
其中一些包括井下清洁功能，解堵、碎屑移除、套管复位和其它功能。磨铣
工具通常用于切穿已被递送至井筒中的金属物体或其它材料。虽然磨铣工具
可包括硬化切刀(cutter)或镶刃(insert)来改进切削性能和耐磨性，但是
硬化切刀常在使用期间从磨铣工具脱落，由此导致工具的更快磨损。
附图说明
下列图被包括来图示本公开的特定方面，且不得被视为排他性实施方
案。所公开标的能够在不偏离本公开的范围的情况下在形式和功能上能够有
大修改、变更、组合和等效物。
图1A图示根据说明性实施方案的井下磨铣工具的等角正视图；
图1B图示图1A的井下磨铣工具的正交侧视图；
图2A图示根据说明性实施方案的井下磨铣工具的正视图；
图2B图示图2A的井下磨铣工具的侧视图；
图3A图示根据说明性实施方案的井下磨铣工具的正视图；
图3B图示图3A的井下磨铣工具的侧视图；
图4图示根据说明性实施方案的磨铣工具的刀片的横截面侧视图，刀片
具有联接至刀片的包覆材料；
图5A图示根据说明性实施方案的磨铣工具的刀片的横截面侧视图，刀
片具有联接至刀片的包覆材料和联接至包覆材料的多个切削镶刃；
图5B图示图5A的切削镶刃之一的横截面侧视图；和
图6图示根据说明性实施方案的磨铣工具的刀片的横截面侧视图，刀片
具有联接至刀片的包覆材料和联接至包覆材料的多个切削镶刃。
具体实施方式
在说明性实施方案的下文详细描述中，参考形成其部分的附图。足够详
细地描述这些实施方案以使本领域技术人员能够实践本发明，且应了解，可
利用其它实施方案且可在不偏离本发明的精神或范围的情况下作出逻辑结
构、机械、电和化学变更。为避免使本领域技术人员能够实践本文中描述的
实施方案所不需要的细节，描述可省略本领域技术人员已知的特定信息。因
此，下文详细描述不应被理解为限制意义，且说明性实施方案的范围仅由随
附权利要求界定。
本文中描述的实施方案涉及用于磨铣井中的材料(尤其金属和非地质材
料)的系统、工具和方法。虽然磨铣工具有时被用来在磨铣金属和其它材料
之后移除少量地质材料，但是磨铣工具与钻头不同，非被设计来主要移除岩
石或其它地质材料。本文中描述的磨铣工具的实施方案包括刀片，其具有联
接至刀片的包覆材料，且正是这些刀片负责切削井中的金属材料。包覆材料
可按照不同方式联接至刀片，但是包覆材料可与刀片形成冶金结合。除包覆
材料外，切削镶刃可联接至包覆材料，并且可延伸超出包覆材料的外表面。
通过将切削镶刃与包覆材料固定，可达成磨铣工具的改进耐磨性和寿命。包
覆材料通过冶金结合至切削镶刃和刀片能够比传统钎焊材料更牢固地固定
切削镶刃。此外，将包覆材料施加至刀片和切削镶刃的工艺可包括无需与钎
焊一样多的热的方法，由此保护刀片本身的基材不受热诱发的弱化影响。
除非另有规定，否则任何形式的术语“连接”、“接合”、“联接”、
“附接”、或描述多个元件之间的相互作用的任何其它术语的任何使用均不
意味着要将相互作用限制为这些元件之间的直接相互作用，而是也可包括所
描述的元件之间的间接相互作用。在下文讨论和权利要求中，术语“包括
(including/comprising)”是以开放方式使用的，且因此应被解释为意指“包
括但不限于”。除非另有指示，否则如在本文件中通篇使用的，“或”无需
相互排他性。
参考图1A和图1B，其为根据说明性实施方案的井下磨铣工具110的等
角正视图和正交侧视图。井下磨铣工具110包括本体114，所述本体114具
有界定延伸穿过本体114的一部分的内部通道122的细长且大体上圆柱形壁
118。在本体114的联接端126上，本体114包括螺纹或允许本体114联接
至定位在井筒中的作业管柱(未示出)的其它附接组件。作业管柱能够使本
体114旋转。
井下磨铣工具110进一步包括从本体114径向向外延伸的多个刀片130。
每个刀片130沿着本体的长度延伸，且定向为大体上平行于本体114的纵轴
134。在图1A和图1B中图示的实施方案中，每个刀片130的厚度是非均匀
的，且每个刀片是锥形的，使得刀片130的较厚部分邻近刀片130的底座138，
刀片130在此处联接至本体114。刀片130的较薄部分在刀片130的与底座
138相对的一端上。
井下磨铣工具110进一步包括联接至刀片130的一个或多个的包覆材料
142，且在一些实施方案中，包覆材料142联接至这些刀片130中的每个刀
片。包覆材料142可为比形成刀片130的材料硬度更高的任何材料。在一些
实施方案中，包覆材料的硬度可大于或等于大约60HRC。包覆材料142的
硬度和因此刀片130的耐磨性可通过包括联接至包覆材料142的多个切削镶
刃150而补充。切削镶刃150至少部分内嵌在包覆材料142内，使得包覆材
料142与切削镶刃150之间和包覆材料142与刀片130之间的接合将切削镶
刃150固定至刀片130。应注意，虽然切削镶刃150的一些可接触刀片130，
但是切削镶刃150与刀片130未必存在接合。当切削镶刃150联接至包覆材
料142时，可使用高硬度铁基包覆，诸如由Apollo-Clad供应的Apollo-Clad
1403Powder。如下文更详细说明，基于粉末的包覆材料可通过使用激光来熔
融粉末并且形成包覆材料与刀片或切削镶刃之间的必要接合而施加至刀片。
诸如Apollo-Clad1403Powder的包覆材料具有大约60-65HRC的硬度。
在一些实施方案中，作为使用切削镶刃150的替代，包覆材料142可单
独联接至刀片130且用于提供期望的增大的切削性能和耐磨性。在这样一种
实施方案中，期望包覆材料142具有甚至比结合切削镶刃150使用的材料更
高的硬度。在一些实施方案中，期望这样一种材料的硬度大于或等于大约60
HRC。可联接至刀片130并且在无切削镶刃150的情况下单独使用的包覆材
料的实例是包括大约62重量％的碳化钨、大约30重量％的镍和大约6重量
％的铬的材料。适当材料可为由印第安纳州新奥尔巴尼的Kennametal
ConformaClad供应的WC200。这种材料的硬度为大约64-70HRC。
在一些实施方案中，包覆材料142与刀片130之间的联接形成冶金结合。
传统的磨铣工具可采用硬化镶刃来增大耐磨性，但是这些镶刃被钎焊至磨铣
工具的刀片。固定镶刃的钎焊基质无高硬度性质，且由于钎焊基质与镶刃之
间的接合只是机械的，而非冶金的，所以镶刃在磨铣工具使用期间容易被钎
焊基质释放。相比之下，包覆材料142与刀片130之间(且在一些实施方案
中，包覆材料142与切削镶刃150之间)的冶金结合提供大得多的耐磨性和
防从刀片移除。公认的钎焊强度是大约25,000psi，而诸如由包覆材料提供
的冶金结合的强度可为70,000psi，由此产生两倍至三倍的接合强度。包覆
材料142相对于钎焊基质的增大硬度也增加耐磨性，且在一些实施方案中允
许包覆材料142在无切削镶刃150的情况下使用。
包覆材料142施加至刀片130也通常涉及比钎焊活动少的热。钎焊基质
和硬化镶刃的添加可将变更将刀片加热至使得刀片的强度或延性受损，由此
需要额外的加热处理步骤来确保适当的工作寿命的这样一种温度。相比之
下，包覆材料142至刀片的添加不将刀片130加热至劣化刀片130的强度或
延性的水平。
包覆材料142至刀片130(和在特定实施方案中至切削镶刃150)的联
接可通过各种工艺执行，包括滚焊、爆炸焊接和激光包覆。在激光包覆中，
包覆材料142以粉末形式被递送至喷嘴。基于粉末的包覆材料142由惰性气
体携带至刀片130，其中激光光束在特定点上散焦以形成熔池。激光光学件
和粉末喷嘴在包覆材料142的轨迹被添加至刀片130时被移动(或刀片被移
动)。
参考图2A和图2B，图示根据说明性实施方案的井下磨铣工具210的正
视图和侧视图。井下磨铣工具210包括本体214，所述本体214具有界定延
伸穿过本体214的一部分的内部通道222的细长且大体上圆柱形壁218。在
本体214的联接端226上，本体214包括螺纹或允许本体214联接至定位在
井筒中的作业管柱(未示出)的其它附接组件。作业管柱能够使本体214旋
转。
井下磨铣工具210进一步包括从本体214径向向外延伸的多个刀片230。
每个刀片230沿着本体长度的一部分延伸，且相对于本体214的纵轴234在
本体214上配置为盘旋或螺旋构造。在图2A和图2B中图示的实施方案中，
每个刀片230的厚度是大体上均匀的。在其它实施方案中，刀片230的厚度
可为非均匀的，且每个刀片可为锥形的，使得刀片230的较厚部分邻近刀片
230的底座238，刀片230在此处联接至本体214。
井下磨铣工具210进一步包括联接至刀片230的一个或多个的包覆材料
242，且在一些实施方案中，包覆材料242联接至这些刀片230中的每个刀
片。包覆材料242可为比形成刀片230的材料硬度更高的任何材料。在一些
实施方案中，包覆材料的硬度可大于或等于大约60HRC。包覆材料242的
硬度和因此刀片230的耐磨性可通过包括联接至包覆材料242的多个切削镶
刃250而补充。切削镶刃250至少部分内嵌在包覆材料242内，使得包覆材
料242与切削镶刃250之间和包覆材料242与刀片230之间的接合将切削镶
刃250固定至刀片230。应注意，虽然切削镶刃250的一些可接触刀片230，
但是切削镶刃250与刀片230未必存在接合。当切削镶刃250联接至包覆材
料242时，可使用高硬度铁基包覆，诸如由Apollo-Clad供应的Apollo-Clad
1403Powder。如下文更详细说明，基于粉末的包覆材料可通过使用激光来熔
融粉末并且形成包覆材料与刀片或切削镶刃之间的必要接合而施加至刀片。
诸如Apollo-Clad1403Powder的包覆材料具有大约60-65HRC的硬度。
在一些实施方案中，作为使用切削镶刃250的替代，包覆材料242可单
独联接至刀片230且用于提供期望的增大的切削性能和耐磨性。在这样一种
实施方案中，期望包覆材料242具有甚至比结合切削镶刃250使用的材料更
高的硬度。在一些实施方案中，期望这样一种材料的硬度大于或等于约70
HRC。可联接至刀片230并且在无切削镶刃250的情况下单独使用的包覆材
料的实例是包括大约62重量％的碳化钨、大约30重量％的镍和大约6重量
％的铬的材料。适当材料可为由印第安纳州新奥尔巴尼的Kennametal
ConformaClad供应的WC200。这种材料的硬度为大约64-70HRC。
与图1A和图1B中图示的磨铣工具110一样，磨铣工具210可受益于包
覆材料242、刀片230与切削镶刃250之间的冶金结合(若有)。再次，包
覆材料242至刀片230(和在特定实施方案中至切削镶刃250)的联接可通
过各种工艺执行，包括滚焊、爆炸焊接和激光包覆。
参考图3A和图3B，图示根据说明性实施方案的井下磨铣工具310的正
视图和侧视图。井下磨铣工具310包括本体314，所述本体314具有界定延
伸穿过本体314的一部分的内部通道322的细长且大体上圆柱形壁318。在
本体314的联接端326上，本体314包括螺纹或允许本体314联接至定位在
井筒中的作业管柱(未示出)的其它附接组件。作业管柱能够使本体314旋
转。
井下磨铣工具310进一步包括从本体314径向向外延伸的多个刀片330。
每个刀片330沿着本体长度的一部分延伸，且相对于本体314的纵轴334配
置为本体314上的盘旋或螺旋构造。在图3A和图3B中图示的实施方案中，
每个刀片330的厚度是大体上均匀的。在其它实施方案中，刀片330的厚度
可为非均匀的，且每个刀片可为锥形的，使得刀片330的较厚部分邻近刀片
330的底座338，刀片330在此处联接至本体314。
井下磨铣工具310进一步包括联接至刀片330的一个或多个的包覆材料
342，且在一些实施方案中，包覆材料342联接至这些刀片330中的每个刀
片。包覆材料342可为比形成刀片330的材料硬度更高的任何材料。在一些
实施方案中，包覆材料的硬度可大于或等于大约60HRC。包覆材料342的
硬度和因此刀片330的耐磨性可通过包括联接至包覆材料342的多个切削镶
刃350而补充。切削镶刃350至少部分内嵌在包覆材料342内，使得包覆材
料342与切削镶刃350之间和包覆材料342与刀片330之间的接合将切削镶
刃350固定至刀片330。应注意，虽然切削镶刃350的一些可接触刀片330，
但是切削镶刃350与刀片330未必存在接合。当切削镶刃350联接至包覆材
料342时，可使用高硬度铁基包覆，诸如由Apollo-Clad供应的Apollo-Clad
1403Powder。如下文更详细说明，基于粉末的包覆材料可通过使用激光来熔
融粉末并且形成包覆材料与刀片或切削镶刃之间的必要接合而施加至刀片。
诸如Apollo-Clad1403Powder的包覆材料具有大约60-65HRC的硬度。
在一些实施方案中，作为使用切削镶刃350的替代，包覆材料342可单
独联接至刀片330且用于提供期望的增大的切削性能和耐磨性。在这样一种
实施方案中，期望包覆材料342具有甚至比结合切削镶刃350使用的材料更
高的硬度。在一些实施方案中，期望这样一种材料的硬度大于或等于约70
HRC。可联接至刀片330并且在无切削镶刃350的情况下单独使用的包覆材
料的实例是包括大约62重量％的碳化钨、大约30重量％的镍和大约6重量
％的铬的材料。适当材料可为由印第安纳州新奥尔巴尼的Kennametal
ConformaClad供应的WC200。这种材料的硬度为大约64-70HRC。
与图1A、图1B、图2A和图2B中图示的磨铣工具110、210一样，磨
铣工具310可受益于包覆材料342、刀片330与切削镶刃350之间的冶金结
合(若有)。再次，包覆材料342至刀片330(和在特定实施方案中至切削
镶刃350)的联接可通过各种工艺执行，包括滚焊、爆炸焊接和激光包覆。
参考图4，根据说明性实施方案图示磨铣工具的刀片430的横截面侧视
图。刀片430可为先前描述的刀片130、230、330或任何特定铣刀或磨铣工
具的刀片的任一者的示例。在图4中图示的实施方案中，包覆材料442以类
似于先前参考图1A至图3B描述的方式联接至刀片430。在此特定实施方案
中，将包覆材料442施加于刀片430，使得包覆材料442的厚度t大体均匀。
在其它实施方案中，包覆材料442的厚度可为非均匀的。在其它实施方案中，
包覆材料442可施加以在包覆材料本身中形成一个或更多个脊部，脊部具有
比包覆材料的其它区域更大的厚度。
在图4中，包覆材料442被图示为具有大约等于刀片430的均匀厚度的
厚度。但是，如先前参考图1A和图1B讨论，在一些实施方案中，刀片的厚
度可为非均匀的。在这些实施方案中以及在其它实施方案中，包覆材料442
的厚度可大于或小于刀片的厚度。在说明性实施方案中，刀片430的厚度可
为大约1/2英寸，且包覆材料442的厚度可为大约3/8英寸。
参考图5A，根据说明性实施方案图示磨铣工具的刀片530的横截面侧
视图。刀片530可为先前描述的刀片130、230、330或任何特定铣刀或磨铣
工具的刀片的任一者的示例。在图5A中图示的实施方案中，包覆材料542
以类似于先前参考图1A至图3B描述的方式联接至刀片530。在此特定实施
方案中，将包覆材料542施加于刀片530，使得包覆材料542的厚度t大体
均匀。在其它实施方案中，包覆材料542的厚度可为非均匀的。
多个切削镶刃550联接至包覆材料542。切削镶刃550可布置为大体上
均匀的模式，并且可隔开距离x。在一些实施方案中，切削镶刃可被配置，
使得每个切削镶刃550接触或紧邻切削镶刃。在其它实施方案中，可采用切
削镶刃550的更随机间隔。在图5A中，每个切削镶刃550接触刀片530，
且切削镶刃550在刀片530与切削镶刃550的切削表面554之间的距离或厚
度大于包覆材料542的厚度。包覆材料542(在具有图5A中的大体上均匀
厚度的同时)围绕每个切削镶刃550的一部分并且通过至切削镶刃550和刀
片530的接合固定切削镶刃550。
参考图5B，切削镶刃550的横截面图展示每个切削镶刃550在形状上是
大体上圆柱形的，且切削表面554是圆齿状的，使得表面包括高点或脊部。
在图5B中图示的实施方案中，切削镶刃550的圆柱形形状是锥形的，具有
较窄底座558。在其它实施方案中，切削镶刃550的形状可变化。
切削镶刃550可由包括大约71％碳化钨、13％钴、4％碳化钛和12％碳化
钽的材料形成。材料的性质可包括大约90.4HRC的硬度。在一些实施方案
中，代表性切削镶刃可为由IbexWeldingTechnologies供应的ICBI270T。
参考图6，根据说明性实施方案图示磨铣工具的刀片630的横截面侧视
图。刀片630可为先前描述的刀片130、230、330或任何特定铣刀或磨铣工
具的刀片的任一者的示例。在图6中图示的实施方案中，包覆材料642以类
似于先前参考图1A至图3B描述的方式联接至刀片630。在这个特定实施方
案中，包覆材料642施加至刀片630，使得包覆材料642的厚度是非均匀的。
在其它实施方案中，包覆材料642的厚度可为大体上均匀的。
多个切削镶刃650联接至包覆材料642。切削镶刃650可包括碎碳化物
元素，其经尺寸筛选来确保每个碎碳化物元素是合适尺寸。例如，筛选过程
可选择使用尺寸在第一体积与第二体积之间的切削镶刃650。替代地，可执
行筛选来选择满足特定尺寸测量的切削镶刃650。例如，筛选过程可使用允
许3/16英寸至1/4英寸碎碳化物元素被选择使用的筛网尺寸。碎碳化物元素
可被随机配置，使得碎碳化物元素的一些接触刀片630，且一些不接触。类
似地，虽然碎碳化物元素的许多可能从包覆材料642突出，但是一些可能被
包覆材料642覆盖。包覆材料642(在具有图6中的非均匀厚度的同时)围
绕多数切削镶刃650的一部分并且通过接合至切削镶刃650和刀片630而固
定切削镶刃650。
磨铣放置在井筒中的金属物体和其它材料可为形成额外横向井筒或将
井筒中的井下管道清洁或再确定尺寸的关键。本公开描述用于磨铣材料以及
改进磨铣工具的耐磨性的工具、系统和方法。除上述实施方案外，特定组合
的许多实例在本公开的范围内，其一些在下文中详述。
实例1.一种井下磨铣工具，其包括：
磨铣本体；
多个磨铣刀片，其从磨铣本体径向延伸；和
包覆材料，其联接至多个磨铣刀片中的至少一个。
实例2.根据实例2所述的井下磨铣工具，其中包覆材料具有大约60
HRC的硬度。
实例3.根据实例1所述的井下磨铣工具，其中包覆材料与多个磨铣刀
片中的至少一个之间的联接包括冶金结合。
实例4.根据实例1所述的井下磨铣工具，其进一步包括：
多个切削镶刃，其联接至包覆材料。
实例5.根据实例4所述的井下磨铣工具，其中多个切削镶刃与包覆材
料之间的联接包括冶金结合。
实例6.根据实例1所述的井下磨铣工具，其中切削镶刃的硬度大于包
覆材料的硬度。
实例7.根据实例1所述的井下磨铣工具，其中切削镶刃具有大约60
HRC的硬度。
实例8.根据实例1所述的井下磨铣工具，其进一步包括：
多个切削镶刃，其联接至包覆材料；
其中每个切削镶刃在形状上是大体上圆柱形的，且包括圆齿状切削表
面。
实例9.根据实例1所述的井下磨铣工具，其进一步包括：
多个切削镶刃，其联接至包覆材料；
其中每个切削镶刃在形状上是大体上圆柱形的，且包括切削表面；和
其中多个切削镶刃中的至少一个的切削表面位于与磨铣刀片相距一定
距离处，所述距离大于从磨铣刀片至包覆材料的外表面的距离。
实例10.根据实例1所述的井下磨铣工具，其进一步包括：
多个切削镶刃，其联接至包覆材料；
其中切削镶刃至少部分由碳化钨形成。
实例11.根据实例1所述的井下磨铣工具，其进一步包括：
多个切削镶刃，其联接至包覆材料；
其中切削镶刃包括碎碳化物元素，其用约3/16英寸至约1/4英寸的筛网
尺寸进行尺寸筛选。
实例12.根据实例1所述的井下磨铣工具，其进一步包括：
多个切削镶刃，其联接至包覆材料；
其中切削镶刃包括碎碳化物元素，其经尺寸筛选来确保每个碎碳化物元
素包括介于第一量与第二数量之间的尺寸；
其中第一量是大约3/16英寸；和
其中第二数量是大约1/4英寸。
实例13.一种用于切削井中的非地质材料的井下磨铣工具，所述井下磨
铣工具包括：
本体，其具有界定延伸穿过本体的一部分的内部通道的细长且大体上圆
柱形壁；本体具有能够联接至作业管柱以使本体旋转的联接端；
多个刀片，其从本体径向向外延伸，每个刀片沿着本体的长度延伸且定
向为大体上平行于本体的纵轴或被配置为本体上的盘旋或螺旋构造；和
激光沉积包覆材料，其联接至多个刀片。
实例14.根据实例13所述的井下磨铣工具，其中包覆材料以实质上均
匀厚度沉积在多个刀片中的每个刀片上。
实例15.根据实例13所述的井下磨铣工具，其进一步包括：
多个切削镶刃，其联接至包覆材料；
其中每个切削镶刃在形状上是大体上圆柱形的；和
其中包覆材料以实质上均匀厚度沉积在多个刀片中的每个刀片上。
实例16.根据实例13所述的井下磨铣工具，其进一步包括：
多个切削镶刃，其联接至包覆材料；
其中切削镶刃包括碎碳化物元素；
其中切削镶刃的至少一部分从包覆材料向外延伸；和
其中包覆材料以非均匀厚度沉积在刀片上。
实例17.根据实例1所述的井下磨铣工具，其中井下磨铣工具是开窗铣
刀、椭圆形铣刀和铅铣刀之一。
实例18.一种提高井下磨铣工具的耐磨性的方法，所述方法包括：
将包覆材料联接至井下磨铣工具的刀片。
实例19.根据实例18所述的方法，其进一步包括：
将切削镶刃联接至包覆材料，使得切削镶刃的至少一部分从包覆材料突
出。
实例20.根据实例1所述的方法，其中将包覆材料联接至刀片和将切削
镶刃联接至包覆材料进一步包括：
以粉末形式邻近刀片递送包覆材料；和
使用激光熔融粉末。
应从上文了解已提供具有显著优点的发明。虽然本发明仅以其几种形式
示出，但是它不仅限于这些实施方案，而是可在不偏离其精神的情况下进行
各种变化和修改。