CN101970785A - 用于冲击钻井设备的钻头头部 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于冲击钻井设备的冲击钻头头部，该钻头头部包括工作表面和从工作表面突出的超硬的多个镶齿，该工作表面具有硬区，该硬区没有镶齿并且具有至少60HRc的洛氏C硬度。本发明还涉及一种制造冲击钻头头部的方法，该钻头头部包括工作表面和多个镶齿，本发明还涉及包括根据本发明的钻头头部的冲击钻头头部组件。
Description
技术领域
本发明涉及冲击钻头和钻头组件，特别地涉及用于冲击钻井设备的钻头头部，所述冲击钻井设备可用于采矿业和建造业的地层钻孔应用。
背景技术
向地层钻孔在许多行业中是一项重要的活动，所述行业比如是采矿、油气钻井、勘探和隧道建造行业。很多种类的方法和各种不同类型的钻头可用于该目的。有三种相对照的通常用于在油气钻井、采矿和建造业中向地层钻孔的方法，即：回转剪切钻井、牙轮钻井和冲击钻井。
在回转剪切钻井中，包括多个刀片或刀具嵌入物的回转钻头头部通过剪切作用向岩石钻孔。在牙轮钻井中，钻头包括若干个(通常为三个)“牙轮”，每个牙轮包括多个镶齿或刀具嵌入物。随着钻头旋转，使每个牙轮在其自己的轴线上转动，刀片或刀具通过将其以高压力按压在岩石上来使岩石破碎。在冲击钻井中，包括多个镶齿或刀具嵌入物的钻头以高频率反复地冲击或锤打主体岩石。通常，使钻头头部在连续撞击之间稍微转动以尽可能地分解岩石。这产生术语“旋转冲击钻井”，尽管“旋转”特征与在纯旋转钻井中的旋转有明显区别，在纯旋转钻井中，旋转特征实质上用于剪切岩石。冲击钻井例如广泛地用于采矿业和建造业以钻出孔和钻孔。
在冲击钻井中，钻头头部和主体趋向于比用于旋转钻井或牙轮钻井中的钻头头部和主体对研磨磨损不敏感得多，这是因为在后者的情况下，钻头头部和相关部件相对于研磨岩石快速旋转。基于这一原因，冲击钻井的钻头头部和主体通常由钢构制成，该钢具有足够的耐磨性并且是成本有效的。
英国专利995599公开了一种旋转冲击钻头，所述旋转冲击钻头具有：圆柱状或稍微圆锥状的壁；通常横向于钻进轴线的基部；和位于基部中的钝的切削嵌入物，嵌入物的排相对于轴线倾斜。
美国专利3,952,819公开了一种用于冲击岩石钻井的耐疲劳的砧式钻头(anvil bit)，所述砧式钻头包括：细长的砧体，所述砧体具有砧式头部段的后撞击端部并且具有一体形成的柄部，所述柄部从后端部延伸至带螺纹的钻头端部；和加大的可移除的钻头头部，所述钻头头部能通过螺纹安装在带螺纹的钻头端部上，其中多个切割元件安装在带螺纹的钻头端部的对面的表面上；所述加大的钻头头部具有从柄部横向延伸的后表面。
英国专利1250146公开了一个用于井下冲击钻井工具的钻头组件，所述钻头组件包括底部砧和圆柱状钻头，所述圆柱状钻头可移除地安装在与中心线同轴的砧上，所述钻头具有后表面和多个形成于面表面(face surface)上的用于接收和保持镶齿组件的渐缩孔。钻头具有多个通道孔口，所述多个通道孔口形成于后表面重、与渐缩孔对准并且连通，以便当钻头变得过度磨损而将钻头从砧上移除来更换镶齿时能够使渐缩的镶齿组件从孔中被推动。
美国专利4,694,918公开了一种岩石冲击钻头，所述岩石冲击钻头包括钢质主体、在钢质主体的一端部处的用于将钻头连接至钻柱的连接装置和嵌入钢制主体的另一端部中的多个嵌入物，所述嵌入物的至少一部分包括：碳化钨硬质合金本体，所述碳化钨硬质合金本体具有嵌入钢质主体中的抓持部分和从钢质主体的表面的突出的会聚端部部分，在碳化钨硬质合金本体的会聚端部上的多晶金刚石层；位于多晶金刚石层和碳化钨硬质合金本体之间的至少一个过渡层，该过渡层包括含有金刚石晶体和预碳化钨硬质合金(pre-cemented tungsten carbide)颗粒的组分，其中金刚石晶体的含量高于邻近的多晶金刚石层并且低于邻近的碳化钨硬质合金本体。
日本专利公开07-197760公开了一种冲击钻头，该冲击钻头的整个头部由硬质合金制成，扣状本体与尖端的平面形成一体以便从该尖端的平面处伸出。由于该钻头由硬质合金制成，整个头部具有良好的耐磨性。
需要一种比已知的有超硬的嵌入物的冲击钻头具有明显更长的使用寿命的冲击钻头。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一个用于冲击钻井设备的冲击钻头头部，该钻头头部包括工作表面和多个从工作表面伸出的超硬的镶齿，该工作表面具有硬区，该硬区没有镶齿并且具有至少60HRc的洛氏C硬度。
工作表面是钻头头部的在使用中可接触工件或被处理的主体(例如岩石)的任一部件。应理解的是，工作表面的任一部分也是工作表面。
与材料相关的术语“超硬”应理解成是指该材料具有至少30Gpa的硬度。金刚石和立方氮化硼是超硬质材料的例子。
镶齿应理解为从主体的表面突出的凸出物，通常但不必是嵌入主体内的凹口中的嵌入元件。替代地，镶齿可以与主体一体形成或者另外地附连到主体上。通常，镶齿是切削元件或凿刨元件，所述切削元件或凿刨元件用于通过冲击或剪切来分解、切削、分裂或钻入工件或岩石。
优选地，包括在钻头头部上的镶齿的至少50％包括超硬质材料，更优选镶齿的至少90％包括超硬质材料。
优选地，超硬质材料包括金刚石。
优选地，硬区的洛氏C硬度大于65HRc，更优选70HRc。硬区可包括硬质金属，优选地，该区域包括超硬质材料。
优选地，钻头头部的至少10％体积由具有大于60HRc的洛氏C硬度的硬质材料构成，更优选地，钻头头部的至少50％体积由具有大于60HRc的洛氏C硬度的硬质材料构成，还更优选地，该硬质材料是硬质金属。
为了避免疑惑，硬质材料是具有大于60HRc的洛氏C硬度的材料。
“硬质金属”在本文应理解成是指包括散布在粘合剂相中的金属碳化物(特别是碳化钨(WC)或者不常用的碳化钛(TiC)或其它碳化物)颗粒的硬质材料，该粘合剂相包括金属，特别是钴(Co)或不常用的镍(Ni)或金属合金。该粘合剂相可被说成是将颗粒硬化成通常具有可忽略的孔隙的烧结的压实体(compact)。最常用的硬质金属为Co-WC硬质合金。
优选地，钻头头部包括与硬区相连的硬体。硬体从工作表面延伸到一深度，该硬体由具有大于60HRc的洛氏C硬度的硬质材料构成。优选地，该深度为至少0.5毫米，更优选该深度为至少1毫米，更优选该深度为至少5毫米。优选地，硬质材料具有大于70HRc的洛氏C硬度，更优选地，硬质材料为硬质金属，最优选地，硬质材料包括碳化钨。
硬体可以是以结合或其它方式附连至钢质主体上(基体)的层的形式。
优选地，硬区覆盖最大工作表面的至少20％，更优选地，硬区覆盖最大工作表面的至少50％，最优选地，硬区覆盖钻头头部的最大工作表面的至少70％。
优选地，钻头头部包括结合至或形成于钢质基体上的硬层，该硬层具有一厚度并且包括具有大于60HRc洛氏C硬度的硬质材料。优选地，该厚度为至少0.5毫米，更优选地，该厚度为至少1毫米，最优选地，该厚度为至少5毫米。优选地，硬质材料具有大于70HRc的洛氏C硬度，更优选地，硬质材料为硬质金属，最优选地，硬质材料包括碳化钨。
硬体可以通过下述方法施加至钻头头部：比如热喷射的喷射方法、焊接或熔融方法、或者其它表面硬化方法。
优选地，镶齿为嵌入物，所述嵌入物包括金刚石，优选包括多晶金刚石。优选地，冲击钻头头部通过机械(例如，螺接、压配配合、冷缩配合、敲击)、化学和/或冶金(比如铜焊)方法可移除地附接至冲击砧组件。优选地，钻头头部可通过机械方法(比如螺纹)进行附接，并且钻头头部能够在不会使冲击砧组件或钻头头部受到明显损坏的情况下被拆分开。可以使用附接方法的组合(例如，机械与铜焊组合)。
冲击钻头头部可包括面对表面的端部，该端部在使用中与工件或被处理的主体相对地设置。钻头头部的面对表面的端部或钻头头部的主要部分可以具有基本上平面的形式，或具有凸起的圆顶形式或甚至凸起形式。
根据本发明的第二个方面，提供了一个制造根据本发明的冲击钻头头部的方法，所述冲击钻头头部包括工作表面和多个镶齿，所述方法包括在至少20MPa的压力和至少900摄氏度的温度下形成钻头头部或钻头头部的一部分，该部分包括工作表面的没有镶齿的区域，或者形成钻头头部的前体制品。
优选地，钻头头部通过下述方法制造而成，所述方法包括下述步骤：使坯体进行烧结步骤，其中压力为至少20MPa而且温度为至少900摄氏度。优选地，温度为至少1200摄氏度。
坯体是在硬质金属制造领域中已知的术语，坯体是指要被烧结但还未被烧结的制品。其通常是自支承的并具有想要的成品的大致形式。
优选地，钻头头部包括硬质金属，坯体具有钻头头部的大致形式，钻头头部是通过常规的硬质金属烧结方法烧结坯体而制成的。
优选地，钻头头部通过下述方法制造而成，所述方法包括下述步骤：使坯体进行烧结步骤以形成烧结好的钻头主体，其中压力为至少20MPa且温度为至少900摄氏度；和将多个镶齿附连至烧结好的钻头主体上。
优选地，温度为至少1200摄氏度。
优选地，镶齿为包括一体地结合至硬质金属支承基体的多晶金刚石的嵌入物。
优选地，坯体和烧结好的钻头主体形成有凹口，所述凹口适用于容纳和保持嵌入物(镶齿)。
超硬质材料可以在超硬质材料处于热力学稳定的条件下进行的一个步骤被烧结至并且附接至钻头头部或钻头头部的一部分。以这种方式，超硬质材料与钻头头部一体形成并且不作为嵌入物的一部分附接至钻头头部。
超硬质金属处于热力学稳定的条件包括至少约1Gpa的压力，优选至少约2Gpa的压力。
根据本发明的第三方面，提供了一种制造根据本发明的表面硬化的冲击钻头头部的方法，该方法包括：形成钻头头部或钻头头部的一部分，和将硬质材料层沉积到钻头头部或钻头头部的一部分的工作表面上，该硬质材料层的洛氏C硬度大于60HRc，更优选大于70HRc。优选地，硬质材料包括硬质金属，更优选地，硬质金属包括碳化钨硬质合金。
优选地，硬质材料层通过在本领域中已知的热喷射的方式或者通过焊接方法或通过铜焊方法进行沉积。
根据本发明的第四方面，提供了一种冲击钻头组件，所述冲击钻头组件包括根据本发明的冲击钻头头部或根据本发明所述方法制造的冲击钻头头部。
根据本发明的冲击钻头头部通常比制造已知的用于冲击钻头的冲击钻头头部的成本高，这是因为要求更硬的材料和附加的制造方法步骤。另一方面，已经发现：常规的冲击钻头头部具有镶齿，该镶齿包括比常规用于制造钻头头部的钢的硬度更高的材料，这样的冲击钻头头部通常是不经济的。这是因为钻头头部的工作表面在达到镶齿的可能工作寿命之前就已经磨损了。这已经尤其限制了安装有PCD(聚晶金刚石)嵌入物的冲击钻头头部的经济耐久性。虽然PCD是一种极其耐磨的材料，但具有PCD嵌入物的已知冲击钻头的工作寿命由于钻头头部的工作表面相对于PCD的磨损率磨损得很快而受到钻头头部的工作表面的磨损率的限制。因此，虽然生产根据本发明的冲击钻头头部的成本可能显著高于常规钻头头部的成本，但是本发明的冲击钻头头部在最终的分析中在经济上更具有可行性，这是因为该钻头头部具有比已知的有PCD嵌入物的钻头头部明显更长的工作寿命。因此，本发明提出了对可行地开发冲击钻井中PCD和其它超硬质材料的潜能的长远探索的需要。
实例
图4中所示的冲击钻头头部是示例性的。
PCD镶齿被冷缩配合到实心(solid)的碳化钨冲击钻头头部中。每个PCD镶齿为OD-ground(也就是外径必须是被磨光的)到比钻头头部中的相应凹口的直径小0.02mm的直径。表面粗糙度的范围为0.6到0.8微米。凹口的壁具有相同范围的表面粗糙度。为了装配PCD镶齿，钻头头部被加热到450摄氏度。
该钻头头部被冷缩配合到钢柄上。钢应该被硬化到46-50HRC的硬度。优选的钢为SKF388(注册商标)。钢部件的冷缩配合被磨光并且被测量以使得直径的公差为0.2-0.25％。钢部件被加热到450摄氏度的温度，在该温度下所述部件被连接。
附图说明
现在参考附图描述优选的非限制性实施例，附图中：
图1和2显示了包括冲击钻头头部和钻头头部的砧部分的端部的组件的实施例的纵向横截面的示意图。
图3显示了用于钻头头部的成形的嵌入物的实施例的纵向横截面的示意图。
图4到14显示了：
(a)安装到使用中的冲击钻头的砧部分上的冲击钻头头部的不同实施例的侧透视图的示意图；
(b)相应实施例的轴向横截面的示意图，该横截面沿着相应图(e)中的A-A；
(c)相应实施例的轴向横截面的示意图，该横截面沿着相应图(e)的C-C；
(d)相应图(a)的分解透视图；
(e)相应图(a)的俯视图；和
(f)钻头主体和/或砧部分的侧视图或透视图。
具体实施方式
参考图1描述的冲击钻头组件的一个实施例包括冲击钻头头部100，所述冲击钻头头部包括：工作部分110；从工作表面130突出的镶齿120；和硬区135，所述硬区没有镶齿并且具有至少60HRc的洛氏C硬度。该钻头头部100还包括杆部或柄部部分140，所述杆部或柄部部分用于将钻头头部100可移除地安装到钻头头部组件的砧部分200，该砧具有凹口，所述凹口适用于牢固地接收和保持钻头头部100的至少杆部或柄部部分140。
在本实施例的优选方案中，至少工作部分110的基本整个体积包括硬质金属，比如碳化钨硬质合金。
参考图2描述的冲击钻头组件的一个实施例包括冲击钻头头部100，所述冲击钻头头部包括：工作部分110；从工作表面130突出的镶齿120；硬区135，所述硬区没有镶齿并且具有至少60HRc的洛氏C硬度；和与硬区135相的硬体150，该硬体从工作表面延伸至一深度155，该硬体由具有大于60HRc洛氏C硬度的硬质材料组成。该钻头头部100还包括杆部或柄部部分140，所述杆部或柄部部分用于将钻头头部可移除地安装到钻头组件的砧部分200，该砧200具有凹口，所述凹口适用于牢固地接收和保持钻头头部。
在一个优选的实施例中，至少工作部分110的基本整个体积包括一种类型的钢，而且基本整个硬体包括硬质金属，比如碳化钨硬质合金。
参考图3描述的镶齿的一个实施例呈圆顶形嵌入物300形式，该扣状件包括一体结合至硬质金属支承基体320的超硬质材料层310。在一个优选的实施例中，超硬质材料是多晶金刚石，而硬质金属是碳化钨硬质合金。使用中，支承基体的一部分被嵌入钻头头部内的凹口中，该凹口(没有显示)适用于牢固地接收和保持该嵌入物。
参考图4描述的冲击钻头组件的一个实施例包括冲击钻头头部100，所述冲击钻头头部包括：硬质合金钻头头部主体110，多个嵌入物(镶齿)120附连至主体110；和钻头的钢质砧部分200。每个嵌入物包括一体地结合至碳化钨硬质合金支承基体的多晶金刚石层，所述支承基体被嵌入钻头头部主体110中，其中多晶金刚石层从钻头头部主体110的工作表面突出，该钻头头部主体包括多个凹口，所述多个凹口适用于牢固地接收和保持嵌入物120。工作表面具有至少一个没有嵌入物的硬区135。钻头头部主体110包括至少一个通孔160，所述至少一个通孔用于引导可被引入以冲洗碎屑的流体。钻头头部100被安装或可安装至钻头组件(没有显示)的砧部分200。
参考图5描述的冲击钻头组件的一个实施例具有与参考图4描述的实施例相似的结构，只是钻头头部主体110具有明显更大的体积和比图4的相应侧表面明显更大表面积的侧表面。
参考图6描述的冲击钻头组件的一个实施例具有与参考图4描述的实施例相似的结构，只是钻头头部100除了包括钻头头部主体110之外，还包括从钻头头部主体悬垂下来的大致圆柱状杆部或柄部140。该杆部可压配配合至砧部分200内的相应凹口中，所述凹口适用于牢固地容纳和保持钻头头部的至少杆部或柄部140。
参考图7描述的冲击钻头100的一个实施例包括：硬质合金钻头头部主体110，多个嵌入物(镶齿)120已附连至所述钻头头部主体110；和钻头的钢质砧部分。每个嵌入物120包括一体地结合至碳化钨硬质合金支承基体的多晶金刚石层，该支承基体被嵌入钻头头部主体110中，其中多晶金刚石层从钻头头部主体110的工作表面突出，该钻头头部主体包括多个凹口，所述多个凹口适用于容纳和牢固地保持多个嵌入物120。工作表面具有至少一个没有嵌入物的硬区135。钻头头部主体110包括至少一个通孔160，所述至少一个通孔用于引导可被引入以冲洗碎屑的流体。
参考图8描述的冲击钻头组件的一个实施例具有与参考图4描述的实施例相似的结构，只是钻头头部100除了包括钻头头部主体110之外，还包括从钻头头部主体悬垂下来的大致截头圆锥状或渐缩的杆部140。该杆部可压配配合至砧部分200内的相应凹口中，所述凹口适用于牢固地容纳和保持钻头头部100的至少杆部或柄部140。
参考图9描述的冲击钻头组件的一个实施例具有与参考图4描述的实施例相似的结构，只是大致圆柱状杆部140具有螺纹并且能够被旋拧至砧部分200内的相应螺纹凹口中，该凹口适用于牢固地容纳和保持钻头头部100的至少杆部或柄部140。
参考图10描述的冲击钻头组件的一个实施例具有与参考图4描述的实施例相似的结构，只是圆柱状的杆部140具有大致截头圆锥状或渐缩的形式并且具有螺纹，而且能够被旋拧到砧部分200内的相应螺纹凹口中，该凹口适用于牢固地容纳和保持钻头头部100的至少杆部或柄部140。
参考图11描述的冲击钻头组件的一个实施例包括钻头头部100，该钻头头部包括：硬质合金钻头头部主体110，多个嵌入物120已被附连至钻头头部主体；和钻头的钢质砧部分200。钻头头部被安装或可安装至钻头组件的砧部分200。砧部分200包括大致截头圆锥状或渐缩的端部210，所述端部210带螺纹，并且钻头头部主体110相应地适于与凹口一起容纳该砧端部210，砧端部210可被旋拧到凹口中。
参考图12描述的冲击钻头组件的一个实施例包括钻头头部100，该钻头头部100包括：钻头头部主体110，多个嵌入物120已附连至钻头头部主体；和钻头的钢质砧部分200。碳化钨硬质合金层150已被沉积在钻头头部100的工作表面上，形成了没有嵌入物的硬区。
参考图13和14描述的冲击钻头组件的一个实施例包括钻头头部主体110，所述钻头头部主体110具有用于容纳从砧200伸出的配合舌的槽。应意识到，砧200可以具有槽，而钻头头部主体110具有配合舌，或者砧和钻头头部可具有相配合的槽和舌的组合。槽和舌的使用具有下述优点：对可作用在使用中的钻头头部上的扭力或径向力提供支承。
在一个实施例中，耐磨的钻头头部在其基本整个体积上包括硬质材料。在另一个替代的实施例中，钻头头部包括具有不同硬度的一种以上材料，并且钻头头部适用于使得在附接界面处的材料可通过铜焊或其它冶金或化学方式较容易地附接至钻头主体支承。例如，如果钻头主体支承在附接界面处包括钢，那么期望的可以是钻头头部在该界面处也包括钢，以用于促进两个部件的联接或者降低成本。
Claims (15)
1.一种用于冲击钻井设备的冲击钻头头部，所述钻头头部包括工作表面和从工作表面突出的超硬的多个镶齿，所述工作表面具有硬区，所述硬区没有镶齿并且具有至少60HRc的洛氏C硬度。
2.根据权利要求1所述的钻头头部，其中所述多个镶齿中的至少50％包括超硬质材料。
3.根据在前述权利要求中任一项所述的钻头头部，其中所述硬区包括硬质金属。
4.根据前述权利要求中任一项所述的钻头头部，其中所述钻头头部的至少10％的体积由具有大于60HRc的洛氏C硬度的硬质材料组成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的钻头头部，其中所述钻头头部包括与所述硬区相连的硬体，所述硬体从工作表面延伸至一深度，所述硬体由大于60HRc的洛氏C硬度的硬质材料组成，所述深度为至少0.5毫米。
6.根据前述权利要求中任一项所述的钻头头部，其中所述硬区覆盖最大工作表面的至少20％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的钻头头部，其中所述镶齿为包括金刚石的嵌入物。
8.根据前述权利要求中任一项所述的钻头头部，其中所述钻头头部通过机械、化学或冶金的方法或者通过这些方法的任一组合的方式能拆除的附接至砧组件。
9.一种制造根据权利要求1所述的冲击钻头头部的方法，所述方法包括在至少20MPa的压力和至少900摄氏度的温度下形成冲击钻头头部或冲击钻头头部的前体或冲击钻头头部的一部分，所述部分包括工作表面的没有镶齿的区域。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述钻头头部是通过常规的硬质金属烧结方法烧结坯体而制成的。
11.根据权利要求9和10中任一项所述的方法，其中所述钻头头部通过下述工艺制造而成，所述工艺包括下述步骤：在至少20MPa的压力和至少900摄氏度的温度下使坯体进行烧结步骤以形成烧结好的钻头主体；和将多个镶齿附接至烧结好的钻头主体上。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述镶齿是嵌入物，所述嵌入物包括一体地结合至硬质金属支承基体的多晶金刚石。
13.一种用于制造根据权利要求1所述的冲击钻头头部的方法，所述方法包括形成钻头头部或钻头头部的一部分；和将硬质材料层沉积在钻头头部或钻头头部的一部分的工作表面上，所述硬质材料层具有大于60HRc的洛氏C硬度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述硬质材料层通过热喷射、焊接、或铜焊的方式进行沉积。
15.一种冲击钻头组件，所述冲击钻头组件包括根据权利要求1-8中任一项所述的冲击钻头头部或者通过权利要求9-14中任一项所述的方法制得的冲击钻头头部。
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