本发明一般涉及钻地旋转钻头以及制造这种钻地旋转钻头的方 法。更特别地，本发明一般涉及包括至少一部分基本上由颗粒-基体复 合材料制成的钻头主体的钻地旋转钻头以及制造这种钻地旋转钻头的 方法。

旋转钻头通常用来在地层中钻出井或者井眼孔。旋转钻头包括两 种主要构型。一种构型是牙轮钻头，其通常包括三个安装在从钻头主 体伸出的支承腿上的牙轮体。每个牙轮体构造成在支承腿上自旋或转 动。齿设在每个牙轮体的外表面上，用于切削岩石及其它地层。齿常 常镀有耐磨的硬质(“硬质焊敷层”)材料。这种材料常常包括分散在 金属合金基体材料中的碳化钨颗粒。替代地，插口设在每个牙轮体的 外表面上，硬质合金插入件固定到插口中从而形成切削元件。在一些 情况下，这些插入件包括形成在金属基底上并与金属基底相结合的超 耐磨材料。该牙轮钻头可放入井眼中使得该牙轮体邻接待钻地层。当 钻头在施加在钻头上的重力作用下转动时，牙轮体在岩层表面上滚动， 齿压碎下面的地层。
旋转钻头的第二种主要构型是固定切削刃钻头(常常被称为“刮 刀”钻头)，其通常包括多个固定到钻头主体的表面区域上的切削元件。 通常，固定切削刃钻头的切削元件具有盘形形状或基本上圆柱形形状。 硬的超耐磨材料(例如多晶金刚石的相互键接颗粒)设在每个切削元 件的基本上圆形的端面上从而提供切削表面。
这种切削元件常常被称为“聚晶金刚石复合”(PDC)切削件。该 切削元件可与钻头主体分别制造并固定在形成在钻头主体外表面中的 凹穴中。粘接材料(例如粘合剂或铜焊料)可用于将切削元件固定到 钻头主体上。固定切削刃钻头可放入井眼中使得该切削元件邻接待钻 地层。当钻头转动时，该切削元件刮削并且剪切下面地层的表面。
任一种主要构型的旋转钻头的钻头主体都按照常规固定到硬化钢 柄部上，该柄部具有美国石油学会(API)螺纹销，用于将钻头附接 到钻柱上。该钻柱包括管状管和在钻头与其它地面钻井设备之间端对 端联接的设备段。比如转盘或顶部驱动的设备可用于旋转井眼内的钻 柱和钻头。替代地，钻头的柄部可直接连接到井下马达的驱动轴上， 然后其可用来使钻头旋转。
旋转钻头的钻头主体可由钢制成。替代地，钻头主体可由颗粒- 基体复合材料制成。这种颗粒-基体复合材料通常包括随机分散在铜或 铜基合金基体材料(常常被称为“粘结”材料)中的硬碳化钨颗粒。 这种钻头主体通常通过下述方式形成：在模具内将钢坯件嵌入碳化钨 颗粒材料中，并使颗粒状碳化钨材料与熔融铜或铜基合金材料渗透在 一起。具有由这种颗粒-基体复合材料制成的钻头主体的钻头可呈现出 增强的耐腐蚀性和耐磨性，但是具有相对于具有钢制钻头主体的钻头 更低的强度和韧度。
当地下的钻井条件和要求变得更严格时，本领域需要用于旋转钻 头的钻头主体的新的颗粒-基体复合材料，该复合材料呈现出增强的物 理性质并可用于提高钻地旋转钻头的性能。

在一个实施例中，本发明包括用于钻地下地层的旋转钻头。该钻 头包括钻头主体和至少一个设置在钻头主体的面上的切削结构。钻头 主体包括颗粒-基体复合材料，该复合材料包括多个位于铝或铝基合金 基体材料中的碳化硼颗粒。在本发明的一些实施例中，基体材料可以 包括连续固溶相和不连续析出相。
在另一个实施例中，本发明包括形成钻地旋转钻头的方法，其中 碳化硼颗粒与熔融铝或熔融铝基合金材料渗透在一起。
在又一个实施例中，本发明包括形成钻地旋转钻头的方法，其中 提供了包括多个各自包括碳化硼的颗粒和多个各自包括铝或铝基合金 材料的颗粒的生坯粉末部件。该生坯粉末部件至少部分烧结以提供钻 头主体，并且柄部附接到钻头主体上。
结合附图考虑下述详细说明，本发明的特征、优点和其他方面对 本领域技术人员来说是显而易见的。

虽然说明书由权利要求书作出结论，特别指出并明确要求本发明 的保护范围，但是结合附图阅读本发明的下述描述将更容易确定本发 明的优点，其中：
图1是体现本发明教导并且包括含有颗粒-基体复合材料的钻头 主体的钻地旋转钻头的部分侧剖视图；
图2是一个示例图，表示如图1所示钻头的钻头主体的颗粒-基体 复合材料的微观结构可按第一放大级别在显微图中呈现的方式的一个 实例；
图3是一个示例图，表示图2的显微图中所示的颗粒-基体复合材 料的基体材料的微观结构可按更高放大级别呈现的方式的一个实例；
图4是另一种体现了本发明教导并且包括含有颗粒-基体复合材 料的钻头主体的钻地旋转钻头的部分侧剖视图；
图5A-5J图示了一种可用于形成图4所示的钻地旋转钻头的钻头 主体的方法的一个实例；
图6A-6C图示了一种可用于形成图4所示的钻地旋转钻头的钻头 主体的方法的另一个实例；
图7是图4所示的柄部的侧视图；
图8是沿剖切线8-8剖切的图7所示的柄部的剖视图；
图9是又一种包括颗粒-基体复合材料并且体现了本发明教导的 钻头主体的侧剖视图；
图10是沿剖切线10-10剖切的图9所示的钻头主体的剖视图；以 及
图11是另一种包括颗粒-基体复合材料并且体现了本发明教导的 钻头主体的侧剖视图。

在此给出的示例并不意味着是对任何特定材料、设备或方法的实 际考虑，而仅仅是用来描述本发明的理想化表示方法。另外，附图之 间共用的元件可保持相同附图标记。
在此所用的术语“生坯”表示未烧结的。
在此使用的术语“生坯钻头主体”表示包括通过粘合剂材料保持 在一起的多个离散颗粒的未烧结结构，该结构具有的大小和形状允许 通过随后的制造过程(包括但不限于机加工和致密化过程)由该结构 形成适用于钻地钻头的钻头主体。
在此所用的术语“熟坯”表示部分烧结。
在此使用的术语“熟坯钻头主体”表示包括多个颗粒的部分烧结 结构，至少一些颗粒已经部分连结在一起从而在相邻颗粒之间提供至 少部分结合，该结构具有的大小和形状允许通过随后的制造过程(包 括但不限于机加工和进一步的致密化过程)由该结构形成适用于钻地 钻头的钻头主体。熟坯钻头主体例如可通过部分烧结生坯钻头主体而 形成。
如在此所使用的，术语“材料构成”表示材料的化学成分和微观 结构。换句话说，具有相同的化学成分但具有不同微观结构的材料被 认为具有不同的材料构成。
在此所使用的术语“烧结”表示颗粒成分的致密化过程，包括去 除初始颗粒之间的至少一部分气孔(伴有收缩)以及相邻颗粒之间的 聚结和结合。
图1示出了体现本发明教导的钻地旋转钻头10。钻头10包括含 有颗粒-基体复合材料15的钻头主体12，该复合材料包括多个分散在 铝或铝基合金基体材料中的碳化硼颗粒。通过举例而非限制性的方式， 钻头主体12可包括冠状区域14和金属坯件16。如图1所示，冠状区 域14可主要包括颗粒-基体复合材料15。金属坯件16可包括金属或 金属合金，并且可构造成将钻头主体12的冠状区域14固定到金属柄 部20上，该柄部构造成用于将钻头10固定到钻柱上。金属坯件16 可在制造冠状区域14的过程中固定到冠状区域14上，下面将进一步 详细描述。
图2是一个示例图，给出颗粒-基体复合材料15的微观结构在放 大显微图中所呈现的样子的一个实例，所述放大显微图使用例如光学 显微镜、电子扫描显微镜(SEM)或能够获得或产生颗粒-基体复合材 料15的放大图像的其它器械而获得。如图2所示，颗粒-基体复合材 料15可包括多个分散在铝或铝基合金基体材料52中的碳化硼(B4C) 颗粒。通过举例而非限制性的方式，碳化硼颗粒50可包括颗粒-基体 复合材料15按重量百分比的大约40％到大约60％，基体材料52可包 括颗粒-基体复合材料15按重量百分比的大约60％到大约40％。
如图2所示，在一些实施例中，碳化硼颗粒50可具有不同尺寸。 在一些实施例，多个碳化硼颗粒50可包括多模态颗粒尺寸分布(例如 二模态、三模态、四模态、五模态等等)，而在其他实施例中，碳化硼 颗粒50具有基本均匀的颗粒尺寸。通过举例而非限制性的方式，多个 碳化硼颗粒50包括多个-20ASTM(美国试验与材料协会)目数碳化 硼颗粒。正如在此所使用的，术语“-20ASTM目数颗粒”指通过ASTM 规范EI 1-04中限定的ASTM No.20美国标准试验筛的颗粒，所述 ASTM规范EI 1-04的标题是金属丝织物和试验筛的标准规范。
在本发明的一些实施例中，松散的基体材料52可包括至少75％ 重量百分比的铝和至少微量的铜、铁、锂、镁、锰、镍、钪、硅、锡、 锆和锌中的至少一种。此外，在一些实施例中，基体材料52可包括至 少90％重量百分比的铝和至少3％重量百分比的铜、镁、锰、钪、硅、 锆和锌中的至少一种。此外，微量的银、金和铟中的至少一种可选地 包含在该基体材料52中以增加基体材料相对于碳化硼颗粒50的浸润 性。下表1列出了可用作图1所示的钻头主体12的冠状区域14的颗 粒-基体复合材料15的基体材料52的构成的不同实例。
表1

图3是图2所示基体材料52的区域的一个放大图。图3示出了 颗粒-基体复合材料15的基体材料52的微观结构在比图2所示大得多 的放大级别的显微图中可呈现的样子的一个实例。这种显微图可使用 例如电子扫描显微镜(SEM)或透射电子显微镜(TEM)获得。
通过举例而非限制性的方式，基体材料52可包括含有固溶体的连 续相54。基体材料52可进一步包括含有多个分散区域的不连续相56， 其中每一个分散区域都包括析出物(即析出相)。例如，基体材料52 可包括析出的硬化铝基合金，该硬化铝基合金包括重量百分比在大约 95％到大约96.5％之间的铝和重量百分比在大约3.5％到大约5％之间 的铜。在这种基体材料52中，连续相54的固溶体可包括铝溶剂和铜 溶质。换句话说，该固溶体的晶体结构可主要包括铝原子和较少数量 的铜原子，所述铜原子在整个晶体结构中在任意位置代替铝原子。此 外，在这种基体材料52中，基体材料52的不连续相56可包括一个或 多个金属间化合物析出物(例如CuAl2)。在另外的实施例中，基体材 料52的不连续相56可包括存在于基体材料52中的其他不连续相(未 示出)，该不连续相包括亚稳态过渡相(即在形成平衡态析出相(例如 CuAl2)期间暂时形成的非平衡相)。此外，在又一个另外的实施例中， 基本上所有的不连续相56的区域可都基本上由这种亚稳态过渡相组 成。在连续相54内存在不连续相56区域可赋予基体材料52一种或多 种希望的性质，比如，例如增大的硬度。此外，在一些实施例中，亚 稳态过渡相可赋予基体材料52一种或多种物理性质，这些物理性质比 通过平衡态析出相(例如CuAl2)赋予基体材料52的那些性质更希望 获得。
继续参考图3，基体材料52包括多个沿颗粒边界62彼此邻接的 颗粒60。如图3所示，较高浓度的不连续析出相56可沿着颗粒边界 62出现。在本发明的一些实施例中，基体材料52的颗粒60具有适合 于提高基体材料52的一个或多个机械性能的至少一种尺寸和形状。 颗粒60的尺寸和形状可使用本领域中已知的例如淬火和退火的热处 理来选择性地制成。此外，至少微量的钛和硼中的至少一种可选地包 含在基体材料52中以便于精化颗粒尺寸。
再次参考图1，钻头主体12可通过例如螺纹连接22和沿钻头主 体12与金属柄部20之间的界面在钻头外表面上绕钻头10延伸的焊接 部24固定到柄部20。金属柄部20可由钢形成，并且可包括用于将钻 头10附接到钻柱上(未示出)的美国石油学会(API)的螺纹销28。
如图1所示，钻头主体12包括通过排屑槽32彼此分离的翼片或 刀片30。内部流体通道42可在钻头主体12的面18和纵向孔40之间 延伸，所述纵向孔40延伸穿过钢制柄部20并且至少部分地穿过钻头 主体12。在一些实施例中，喷嘴插入件(未示出)可设置钻头主体12 的面18上、位于内部流体通道42内。
钻头10可在钻头的面18上包括多个切削结构。通过举例而非限 制性的方式，如图1所示，多个聚晶金刚石复合(PDC)切削件34 可设置在每个刀片30上。PDC切削件34可沿刀片30设置在形成于 钻头主体12的面18中的凹穴36内，并通过扶壁(buttresses)38从 后面支承，该扶壁可与钻头主体12的冠状区域14整体形成。
图1所示的钢坯件16可为基本上圆柱形的管状。在另外的实施例 中，钢坯件16可具有相当复杂的结构并且可包括对应于刀片30的外 突部或者在钻头主体12的面18上延伸的其他特征。
图1所示的旋转钻头10可通过分别形成钻头主体12和柄部20、 然后将柄部20和钻头主体12附接在一起来制造。钻头主体12可通过 例如提供具有与钻头主体12的尺寸和形状相对应的尺寸和形状的模 腔的模具(未示出)来形成。该模具可由例如石墨或任何一种其它高 温耐火材料(例如陶瓷)形成。该模具的模腔可使用五轴机床进行加 工。细微特征可使用手持工具添加到模具腔。还可要求其他的粘土件 以获得钻头主体12的某些特征的希望结构。如果需要的话，预制元件 或替换件(可包括陶瓷部件、石墨部件或树脂复模砂紧凑部件)可设 置在模腔内并且用于限定内部通道42、切削元件凹穴36、排屑槽32 和钻头主体12的其他外部形貌(topographic)特征。
多个碳化硼颗粒50(图2)可设置在模腔内从而形成包括至少与 钻头主体12的冠状区域相对应的形状的主体。金属坯件16至少部分 地嵌入碳化硼颗粒内以使得坯件16的至少一个表面暴露以允许后续 机加工金属坯件16表面(如有必要)和后续附接到柄部20上。
然后，通过在容器中按照其各自重量百分比混合原材料、颗粒材 料和/或每个元素成分的粉末物料并将混合物加热到足以使混合物熔 化的温度，从而形成所需成分的熔融基体材料52来制备具有如上所述 构成的熔融基体材料52。熔融的基体材料52可被注入模具的模腔并 允许渗透到先前设在模腔内的碳化硼颗粒50之间的间隙。可选地，可 向熔融基体材料52施加压力以根据需要或要求促进渗透过程。由于熔 融材料(例如，熔融铝或铝基合金材料)可易于氧化，渗透过程可在 真空下进行。在另外的实施例中，熔融材料可基本上充满惰性气体或 还原气体以防止熔融材料氧化。在一些实施例中，可向熔融的基体材 料52和碳化硼颗粒50施加压力以促进渗透过程和基本上防止在正形 成的钻头主体12内形成孔隙。
在碳化硼颗粒50已经与熔融的基体材料52渗透在一起之后，可 允许熔融的基体材料52冷却和固化，形成颗粒-基体复合材料15的固 体基质材料52。
基体材料52可选地可经受热处理(在冷却过程之后或与冷却过程 相结合)，从而根据需要或要求选择性地调整其物理性质。例如，正如 先前图3所述，基体材料52可经受析出硬化过程以形成包括析出物的 不连续相56。
在一个实施例中，仅仅作为非限制性实施例提出，如前所述，熔 融的基体材料52可包括重量百分比在大约95％到大约96.5％之间的 铝和重量百分比在大约3.5％到大约5％之间的铜。这种熔融的复合材 料52可被加热到大于大约548℃(特定合金的共熔温度)的温度持续 足够长的时间从而使熔融基体材料52的构成变得基本上同质。基本上 同质的熔融基体材料52可被注入模具的模腔并允许渗透到先前设在 模腔内的碳化硼颗粒50之间的间隙。在碳化硼颗粒50基本上完全渗 透之后，熔融基体材料52的温度可较快地冷却到小于大约100℃的温 度从而使基体材料52固化而不形成大量的不连续析出相。然后基体材 料52的温度可被加热到大约100℃到大约548℃之间的温度持续足够 长的时间从而允许形成选定数量的不连续析出相(例如，亚稳态过渡 析出相和/或平衡态析出相)。在另外的实施例中，基体材料52的成分 可被选择成允许在一段时间内并且在大气温度和/或在利用钻头10钻 井时所获得的温度下在基体材料52内部进行预选量的析出硬化，从而 不需要升高温度下的热处理。
由于用于形成冠状区域14的颗粒-基体复合材料15可较硬并且不 容易加工，金属坯件16可用于将钻头主体固定到柄部20上。可在金 属坯件16的暴露表面上加工出螺纹以提供钻头主体12和金属柄部20 之间的螺纹连接22。可在金属坯件16周围形成钻头主体12的冠状区 域14之前或之后加工出这些螺纹。金属柄部20可螺纹连接到钻头主 体12上，焊接部24可选地至少部分地沿钻头主体12和金属柄部20 之间的界面设置。
在钻头主体12铸造好之后，可通过例如铜焊、机械附接或粘合附 接将PDC切削件34结合到钻头主体12的面18上。在其他方法中， 如果采用热稳定的人造金刚石或天然金刚石，在钻头主体12的渗透或 焙烧期间，PDC切削件34可设置在模具内并结合到钻头主体12的面 18上。
在钻井作业期间，钻头10可设置在井孔的底部并被转动，同时钻 井液经由纵向孔40和内部流体通道42被泵送到钻头主体12的面18。 当PDC切削件34剪切或刮擦地下地层时，地层切屑和岩屑与钻井液 混合并且悬浮在钻井液中，该钻井液经过排屑槽32和井孔与钻柱之间 的环形空间到达地层的表面。
在一些实施例中，体现本发明教导的钻地旋转钻头可不包括金属 坯件，例如先前在图1所示的钻头10所描述的金属坯件16。此外， 体现本发明教导的钻地旋转钻头可由除了渗透法之外的方法形成，比 如，例如粉末压实和固结法，下面将进一步详细论述。
图4示出了另一种钻地旋转钻头70，其体现了本发明的教导但不 包括金属坯件(比如图1所示的金属坯件16)。如本文先前与图1-3 相关的描述，旋转钻头70具有包括颗粒-基体复合材料的钻头主体72， 该颗粒-基体复合材料包括多个分散在铝或铝基合金基体材料中的碳 化硼颗粒。钻头70还可包括直接附接到钻头主体72上的柄部90。
柄部90包括具有外表面和内表面的大体为圆柱形的外壁。柄部 90的外壁包围延伸穿过钻头70的纵向孔86的至少一部分。柄部90 外壁的至少一个表面可构造成用于将柄部90连接至钻头主体72。柄 部90还可包括用于将钻头70连接至钻柱(未示出)的阳或阴API螺 纹连接部分28。一个或多个孔92可延伸穿过柄部90的外壁。下面将 更详细地描述这些孔。
在一些实施例中，旋转钻头70的钻头主体72可基本上由颗粒- 基体复合材料组成。此外，在钻头主体72内可选择性地改变颗粒-基 体复合材料的构成从而在钻头主体72内提供具有不同常规物理性质 或特性的不同区域。
通过举例而非限制性的方式，钻头主体72包括具有第一材料构成 的第一区域74和具有第二不同材料构成的第二区域76。第一区域74 可包括钻头主体72的纵向下部和横向外部区域(例如，钻头主体72 的冠状区域)。第一区域74可包括钻头主体72的面88，该面88可构 造成承载多个切削元件，比如PDC切削件34。例如，多个凹穴36和 扶壁38可设置在钻头主体72的面88中或钻头主体72的面88上，用 于承载和支撑PDC切削件34。此外，多个刀片30和排屑槽32可设 置在钻头主体72的第一区域74中。第二区域76可包括钻头主体72 的纵向上部和横向内部区域。纵向孔86可至少部分地延伸穿过钻头主 体72的第二区域76。
第二区域76可包括至少一个构造成将钻头主体72连接至柄部90 的表面78。通过举例而非限制性的方式，至少一个槽80可形成在第 二区域76的至少一个表面78中，该表面78构造成将钻头主体72连 接至柄部90。每个槽80可对应于延伸穿过柄部90外壁的孔92并与 该孔92对齐。保持构件100可设置在每个槽80和柄部90中的每个孔 92内。柄部90、保持构件100和钻头主体72之间的机械干涉可防止 钻头主体72与柄部90纵向分离，并且可防止钻头主体72相对于柄部 90绕旋转钻头70的纵向轴线L70转动。
在图4所示实施例中，旋转钻头70包括两个保持构件100。通过 举例而非限制性的方式，每个保持构件100可包括细长的圆柱形杆， 该杆延伸穿过柄部90中的孔92和形成在钻头主体72的表面78中的 槽80。
柄部90、保持构件100和钻头主体72之间的机械干涉还可在柄 部90的表面和钻头主体72第二区域76的表面78之间提供基本均匀 的空隙或间隙。通过举例而非限制性的方式，当保持构件100设在柄 部90的孔92内和钻头主体72中的槽80内时，可在柄部90和钻头主 体72之间提供大约50微米(0.002英寸)到大约150微米(0.006英 寸)之间的基本均匀的间隙。
铜焊料102，例如银基或镍基金属合金，可设置在位于柄部90和 钻头主体72第二区域76的表面78之间的基本均匀的间隙中。替代铜 焊的是，或者除了铜焊之外，焊接部24可沿钻头主体72和钢制柄部 90之间的界面在旋转钻头70的外表面上围绕旋转钻头70设置。焊接 部24和铜焊料102可用于进一步将柄部90固定到钻头主体72上。在 这种结构中，如果在钻井作业期间，钻头70位于井孔底部时，焊接部 24和位于柄部90和钻头主体72第二区域76中的表面78之间的基本 均匀的间隙中的铜焊料102失效，则保持构件100可防止钻头主体72 与柄部90的纵向分离，从而防止钻头主体72遗失在井孔中。
如前所述，钻头主体72的第一区域74具有第一材料构成而钻头 主体72的第二区域76具有第二不同的材料构成。第一区域74可包 括颗粒-基体复合材料，该颗粒-基体复合材料包括多个分散在铝或铝 基合金基体材料中的碳化硼颗粒。钻头主体72的第二区域76可包括 金属、金属合金或颗粒-基体复合材料。例如，钻头主体72的第二区 域76可基本上由与第一区域74的基体材料基本一致的铝或铝基合金 材料构成。在本发明的其他实施例中，钻头主体72第一区域74和第 二区域76都基本上由颗粒-基体复合材料形成和组成。
通过举例而非限制性的方式，第一区域74的材料构成可选择成呈 现出比第二区域76的材料构成更高的耐腐蚀性和耐磨性。第二区域 76的材料构成可选择成便于机加工第二区域76。
物理性质可适合于便于机加工第二区域76的方式可至少部分地 与将要使用的机加工方法有关。例如，如果希望使用常规的车削、磨 削和钻孔技术来机加工第二区域76，则第二区域76的材料构成可选 择成呈现出较低的硬度和较高的延展性。如果希望使用超声波加工技 术(可包括使用传递给工具的超声感应振动)来加工第二区域76，则 第二区域76的构成可选择成呈现出较高的硬度和较低的延展性。
在一些实施例中，第二区域76的材料构成可选择成呈现出比第一 区域74的材料构成更高的断裂韧性。在又一个其它实施例中，第二区 域76的材料构成可选择成呈现出适合于便于焊接第二区域76的物理 性质。通过举例而非限制性的方式，第二区域76的材料构成可选择成 便于将第二区域76焊接到柄部90上。应该理解的是，钻头主体72 的不同区域可具有选择成或者适合于呈现出任何希望的特定物理性质 或特性的材料构成，并且本发明不限于选择或调整区域的材料构成从 而呈现出在此所述的特定物理性质或特性。
复合材料的某些物理性质和特性(比如硬度)可使用本领域已知 的混合物的适当规则来限定。复合材料的其他物理性质和特性可不依 靠混合物规则来确定。这种物理性质可包括例如耐腐蚀性和耐磨性。
图5A-5J图示了一种用于形成图4所示的钻头主体72的方法的一 个实例。通常，旋转钻头70的钻头主体72可通过如下方式形成：分 别将第一区域74和第二区域76形成熟坯结构；将熟坯结构组装到一 起以形成整体的熟坯钻头主体；并将整体的熟坯钻头主体烧结到希望 的最终密度。
参考图5A，可使用可动活塞或柱塞108将第一粉末混合物109 压入模具或压模106中。第一粉末混合物109可包括多个碳化硼颗粒 和多个包括铝或铝基合金基体材料的颗粒。可选地，粉末混合物109 可进一步包括通常在挤压粉末混合物时所使用的添加剂，例如用来在 挤压期间提供润滑并为压制粉末部件提供结构强度的粘合剂、为了使 粘合剂更柔韧的增塑剂和用于减少颗粒间摩擦的润滑剂或压实助剂。
压模106可包括具有成形为并被构造成形成钻头主体72第一区域 74的至少一些表面的表面的内腔。柱塞108也可具有构造成形成或成 形钻头主体72第一区域74的至少一些表面的表面。插入件或替换件 107可设置在压模106中并且用于限定内部流体通道42。另外的替换 件107(未示出)可用于限定切削元件凹穴36、排屑槽32和钻头主体 72第一区域74的其他形貌特征。
柱塞108可通过使用机械或液压设备或机构在大作用力下进入压 模106中以在压模106中压实第一粉末混合物109，从而形成如图5B 所示的第一生坯粉末部件110。压模106、柱塞108和第一粉末混合物 109可选地可在压实过程中被加热。
在挤压粉末混合物109的其它方法中，可在设于压力室内的柔韧 的密闭容器内部以基本上等静压挤压粉末混合物109。
图5B所示的第一生坯粉末部件110可包括通过如前所述的设于 粉末混合物109中的粘合剂材料(图5A)保持在一起的多个颗粒(硬 颗粒和基体材料颗粒)。使用常规的包括例如车削技术、磨削技术和钻 孔技术的机加工技术在生坯粉末部件110中加工出某些结构特征。手 持工具也可用于手动地形成或成形生坯粉末部件110中或生坯粉末部 件110上的特征。通过举例而非限制性的方式，可在生坯粉末部件110 中加工出或以其他方式形成排屑槽32(图4)。
图5B所示的第一生坯粉末部件110可至少部分地被烧结。例如， 生坯粉末部件110可部分地被烧结以提供图5C所示的、具有小于希 望的最终密度的第一熟坯结构111。在烧结之前，生坯粉末部件110 可经受适度升高的温度以有助于去除如前所述的、包含在粉末混合物 109(图5A)中的任何挥发性添加剂。此外，生坯粉末部件110可经 受适合于帮助去除这些添加剂的合适大气。这些大气包括例如在大约 500℃温度下的氢气。
使用常规的包括例如车削技术、模削技术和钻孔技术的机加工技 术可在第一熟坯结构111中加工出某些结构特征。手持工具还可用于 手动地形成或成形熟坯结构111中或熟坯结构上的特征。通过举例而 非限制性的方式，可在熟坯结构111中机加工出或以其他方式形成切 削件件凹穴36以形成图5D所示的成形熟坯结构112。
参考图5E，使用可动活塞或柱塞118可将第二粉末混合物119压 入模具或压模116中。第二粉末混合物119可包括多个包括铝或铝基 合金基体材料的颗粒，并且可选地可包括多个碳化硼颗粒。可选地， 粉末混合物119可进一步包括通常在挤压粉末混合物时所使用的添加 剂，比如，例如用于在挤压期间提供润滑并为压制粉末部件提供结构 强度的粘合剂、为了使粘合剂更柔韧的增塑剂和用来减少颗粒间摩擦 的润滑剂或压实助剂。
压模116可包括具有成形为并构造成形成钻头主体72第二区域 76的至少一些表面的表面的内腔。柱塞118也可具有成形为并构造成 形成或成形钻头主体72第二区域76的至少一些表面的表面。一个或 多个插入件或替换件117可被设置在压模116内并且用于限定内部流 体通道42。另外的替换件117(未示出)可用于根据需要限定钻头主 体72第二区域76的其他形貌特征。
柱塞118可通过使用机械或液压设备或机构在大作用力下进入压 模116中以在压模116中压实第二粉末混合物119，从而形成图5F所 示的第二生坯粉末部件120。压模116、柱塞118和第二粉末混合物 119可选地可在压实过程中被加热。
在挤压粉末混合物119的另外的方法中，可在设于压力室内的柔 韧的密闭容器中以基本上等静压挤压粉末混合物119。
图5F所示的第二生坯粉末部件120可包括多个如前所述通过设 于粉末混合物119(图5E)中的粘合剂材料保持在一起的颗粒(铝或 铝基合金基体材料颗粒和可选的碳化硼颗粒)。根据需要使用常规的包 括例如车削技术、模削技术和钻孔技术的机加工技术在生坯粉末部件 120中加工出某些结构特征。手持工具也可用于手动地形成或成形生 坯粉末部件120中或生坯粉末部件上的特征。
图5F所示的第二生坯粉末部件120可至少部分地被烧结。例如， 生坯粉末部件120可部分地被烧结以提供图5G所示的、具有小于希 望的最终密度的第二熟坯结构121。在烧结之前，生坯粉末部件120 可经受适度升高的温度以蒸发掉或去除如前所述的包含在粉末混合物 119(图5E)中的任何挥发性添加剂。
根据需要使用常规的包括例如车削技术、模削技术和钻孔技术的 机加工技术在第二熟坯结构121中加工出某些结构特征。手持工具也 可用于手动地形成或成形熟坯结构121中或熟坯结构121上的特征。
然后，图5G所示的熟坯结构121可被插入图5D所示的先前形成 的成形熟坯结构112中以形成图5H所示的整体式熟坯钻头主体126。 然后，整体式熟坯钻头主体126可被完全烧结到希望的最终密度以提 供图4所示的先前描述的钻头主体72。由于烧结涉及致密化和去除结 构内的孔隙，被烧结的结构将在烧结过程中收缩。结构可在烧结期间 经受10％到20％之间的线性收缩。结果，当在尚未完全烧结的结构中 设计工具(模具、压模等等)或机加工特征时必须要考虑和说明空间 收缩。
在另一种方法中，图5F所示的生坯粉末部件120可被插入图5B 所示的生坯粉末部件110中或与图5B所示的生坯粉末部件110组装到 一起从而形成生坯钻头主体。生坯钻头主体随后可根据需要被加工并 且被烧结到希望的最终密度。生坯粉末部件110和生坯粉末部件120 的分界表面可在烧结过程中熔合或结合在一起。在其他方法中，生坯 钻头主体可部分烧结成熟坯钻头主体。根据需要可在熟坯钻头主体上 进行成形和机加工过程，然后所得到的熟坯钻头主体被烧结到希望的 最终密度。
第一区域74的材料构成(以及因此，图5A所示的第一粉末混合 物109的构成)和第二区域76的材料构成(以及因此，图5E所示的 第二粉末混合物119的构成)可选择成在烧结过程中呈现出基本上类 似的收缩。
在此所述的烧结过程可包括在真空炉中的常规烧结、在真空炉中 伴随有常规的高温等静压过程的烧结和在接近烧结温度的温度下立即 伴随有等静压成形的烧结(常常被称为烧结-HIP)。此外，在此所述 的烧结过程包括亚液相烧结。换句话说，烧结过程可在接近但低于基 体材料相位图的液相线的温度下进行。例如，在此所述的烧结过程可 以使用本领域普通技术人员已知的多种不同方法进行，比如快速无定 向压实(ROC)过程、CeraconTM过程、高温等静压(HIP)或这些 过程的适当变化。
广而言之，仅仅通过举例的方式，使用ROC过程烧结生坯粉末 压块涉及在较低的温度下将生坯粉末块仅预烧结到足够程度以形成足 以允许处理粉末块的强度。所得到的熟坯结构被包裹在比如石墨薄片 的材料中以密封熟坯结构。被包裹的熟坯结构被置于容器中，所述容 器中充满陶瓷、聚合物或具有基本上比熟坯结构中的基体材料更低的 熔点的玻璃材料的颗粒。容器被加热到希望的烧结温度，该温度高于 陶瓷、聚合物或玻璃材料的颗粒的融熔温度但低于熟坯结构中基体材 料的液相线温度。带有熔融陶瓷、聚合物或玻璃材料的受热容器(和 浸入其中的熟坯结构)被放在机械或液压压力机中，比如用于向熔融 陶瓷或聚合材料施加压力的锻压机。熔融陶瓷、聚合物或玻璃材料内 的等静压力便于在容器内在升高的温度下固结和烧结熟坯结构。熔融 陶瓷、聚合物或玻璃材料用于向熟坯结构传递压力和热量。以这种方 式，熔融陶瓷、聚合物或玻璃用作压力传递介质，在烧结期间压力经 由该压力传递介质被施加到结构上。随后释放压力并冷却，然后从陶 瓷、聚合物或玻璃材料中移出烧结结构。ROC过程的更详细说明和实 际应用的合适设备由美国专利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给出。
类似于上述ROC过程的CeraconTM过程也可适用于本发明以将 熟坯结构完全烧结到最终密度。在CeraconTM过程中，熟坯结构涂覆 有比如氧化铝、氧化锆或氧化铬的陶瓷涂层。也可以使用其他类似的、 硬的、通常是惰性的、防护性可去除涂层。通过使用陶瓷颗粒代替液 体介质将至少基本上等静压传递到带涂层熟坯结构以完全固结该带涂 层熟坯结构。CeraconTM过程的更详细说明由美国专利No.4,499,048 给出。
如前所述，钻头主体72第二区域76的材料构成可选择成甚至在 完全烧结的状态下也便于在第二区域76上进行机加工操作。在将图 5H所示的整体熟坯钻头主体126烧结到希望的最终密度之后，某些特 征可在完全烧结的结构中进行机加工从而提供如图5I所示的与柄部 90(图4)分开的钻头主体72。例如，钻头主体72第二区域76的表 面78可被加工成提供用于将柄部(图4)附接至钻头主体72的元件 或特征。通过举例而非限制性的方式，如图5I所示，可在钻头主体 72第二区域76的表面78中加工出两个槽80。每个槽80可具有例如 半圆形横截面。此外，如图5J所示，每个槽80可绕钻头主体72的第 二区域76的一部分径向延伸。在这种构造中，位于每个槽80内的钻 头主体72第二区域76的表面可具有包括部分环形线的斜剖面的形状。 正如在此所使用的，术语“环形线”指由闭合曲线(例如圆)产生的 表面，该闭合曲线绕位于包括该闭合曲线的平面中的轴线转动，而不 与所述轴线相交或包含所述轴线。在其它实施例中，位于每个槽80 内的钻头主体72第二区域76的表面可具有基本上形成部分圆筒的形 状。如图5J所示，两个槽80可位于钻头主体72第二区域76的基本 相对侧面上。
正如在此所描述的，钻头主体72的第一区域74和第二区域76 可分别以熟坯状态形成并组装在一起从而形成整体的熟坯结构，然后 该整体的熟坯结构被烧结到希望的最终密度。在形成钻头主体72的其 他方法中，第一区域74是通过下述方式形成：将第一粉末混合物压入 压模中从而形成第一生坯粉末部件；将第二粉末混合物加入同一压模 中并将第二粉末混合物连同第一区域74的第一粉末成分一起压入压 模内，从而形成整体式生坯钻头主体。此外，第一粉末混合物和第二 粉末混合物可设置在单个压模中并且同时挤压从而形成整体式生坯钻 头主体。然后整体式生坯钻头主体可根据需要被机加工并烧结到希望 的最终密度。在其他方法中，整体式生坯钻头主体可部分烧结成熟坯 钻头主体。可根据需要在熟坯钻头主体上进行成形和机加工过程，然 后所得到的熟坯钻头主体可被烧结到希望的最终密度。整体式生坯钻 头主体可使用两种不同的柱塞(比如图5A所示的柱塞108和图5E所 示的柱塞118)形成在单个压模中。此外，可根据需要提供另外的粉 末混合物以在具有某一材料构成的钻头主体72内提供任合希望数量 的区域。
图6A-6C图示了形成钻头主体72的另一种方法。总的来说，旋 转钻头70的钻头主体72是通过下述形成的：如图6A所示，挤压先 前所述的第一粉末混合物109(图5A)和先前所述的第二粉末混合物 119(图5E)以形成基本上圆柱形的整体式生坯钻头主体或坯件。通 过举例而非限制性的方式，大体为圆柱形的整体式生坯钻头主体130 可通过将第一粉末混合物109和第二粉末混合物119基本上同时静压 地压入压力室而形成。
通过举例而非限制性的方式，第一粉末混合物109和第二粉末混 合物119可设在容器内。容器可包括液密的可变形构件，比如，例如 包括可变形聚合材料的基本上圆柱形袋。容器(带有包括在容器中的 第一粉末混合物109和第二粉末混合物119)可设在压力室内。流体， 比如，例如水、油或气体(比如，例如空气或氮气)可被泵送到压力 室中。流体的高压力使可变性构件的壁变形。压力可基本上均匀地传 递到第一粉末混合物109和第二粉末混合物119。压力室内的压力在 等静压期间可以是大于大约35兆帕(大约5,000磅/平方英寸)。更特 别地，压力室内的压力在等静压期间可以是大于大约138兆帕(20,000 磅/平方英寸)。在其他方法中，可在容器内设置真空并且将大于大约 0.1兆帕(大约15磅/平方英寸)的压力可被施加到容器的外表面(通 过例如大气)上，从而压实第一粉末混合物109和第二粉末混合物119。 第一粉末混合物109和第二粉末混合物119的等静压可形成图6A所 示的大致为圆柱形的整体式生坯钻头主体130，该钻头主体可在挤压 之后从压力室中移出。
图6A所示的大致为圆柱形的整体式生坯钻头主体130可根据需 要进行机加工或成形。通过举例而非限制性的方式，大致为圆柱形的 整体式生坯钻头主体的端部的外径可被缩小以形成图6B所示的成形 的整体式生坯钻头主体132。例如，大致为圆柱形的整体式生坯钻头 主体130可在车床上进行车削，从而形成成形的整体式生坯钻头主体 132。可根据需要或要求对大致为圆柱形的整体式生坯钻头主体130 进行另外的机加工或成形。在其他方法中，大致为圆柱形的整体式生 坯钻头主体130可在车床上车削从而确保整体式生坯钻头主体130基 本上是圆柱形的而不会减小整体式生坯钻头主体的端部的外径或以其 他方式改变整体式生坯钻头主体130的形状。
然后图6B所示的成形的整体式生坯钻头主体132被部分烧结以 提供图6C所示的熟坯钻头主体134。然后该熟坯钻头主体134可根 据需要进行机加工以形成与图5H所示的先前描述的成形的整体式熟 坯钻头主体126基本上一致的结构。通过举例而非限制性的方式，纵 向孔86和内部流体通道42(图5H)可通过例如使用机加工过程形成 在熟坯钻头主体134(图6C)中。还可在熟坯钻头主体134(图6C) 中加工出多个PDC切削件34的凹穴36。此外，可在熟坯钻头主体 134(图6C)中加工出至少一个构造用于将钻头主体72连接到柄部 90上的表面78(图5H)。
在图6C所示的熟坯钻头主体134已经加工成形成与图5H所示的 成形的整体式熟坯钻头主体126基本上一致的结构之后，如前所述， 该结构可进一步烧结到希望的最终密度，并且可根据需要在完全烧结 结构中加工出某些其他特征以得到钻头主体72。
再次参考图4，柄部90可通过在位于柄部90和钻头主体72第二 区域76中的表面78之间的间隙中设置铜焊料102(比如，例如银基 或镍基金属合金)而附接至钻头主体72。替代铜焊的是，或者除了铜 焊之外，焊接部24可沿钻头主体72和钢制柄部90之间的界面、在旋 转钻头的外表面上围绕旋转钻头70设置。铜焊料102和焊接部24可 用于将柄部90固定到钻头主体72上。
在其他方法中，除了铜焊料102和焊接部24之外或者替代铜焊料 102和焊接部24的是，提供机械干涉的结构或特征可用于将柄部90 固定到钻头主体72上。下面根据图4和图7-8来描述一种用于将柄部 90附接至钻头主体72的方法的一个实例。参考图7，如前与图4相关 的描述，可设置穿过柄部90两个孔92。每个孔92可具有构造成在其 中接收保持构件100(图4)的尺寸和形状。通过举例而非限制性的方 式，如图8所示，每个孔92具有基本上圆柱形的横截面并且可沿轴线 L92延伸穿过柄部90。柄部90中的每个孔92的位置和方向可设置成 使得每条轴线L92位于基本上垂直于钻头70的纵向轴线L70的平面上， 而不与钻头70的纵向轴线L70相交。
当保持构件100插入柄部90的孔92和槽80时，如果槽80具有 包括如图5I和5J所示的部分环形线的斜剖面的形状，则保持构件100 可在槽80中沿接触线邻接钻头主体72第二区域76的表面。然而，如 果槽80具有基本上形成部分圆筒的形状，则保持构件100可在槽80 中邻接钻头主体72第二区域76的表面上的一区域。
在一些实施例中，每个保持构件100可固定至柄部90。通过举例 而非限制性的方式，如果每个保持构件100包括图4所示的、细长的 圆柱形杆，则每个保持构件100的端部可沿每个保持构件100端部和 柄部90之间的界面焊接到柄部90上。在其他实施例中，铜焊或锡焊 材料(未示出)可设置每个保持构件100的端部和柄部90之间。在又 一个其它实施例中，螺纹可设置在每个保持构件100的每个端部的外 表面上，并且相配合的螺纹设置柄部90的表面上、位于孔92内。
再次参考图4，铜焊料102(例如银基或镍基金属合金)可设置在 位于柄部90和钻头主体72第二区域76中的表面78之间的基本上均 匀的间隙中。焊接部24可沿钻头主体72和钢制柄部90之间的界面、 在旋转钻头的外表面上围绕旋转钻头70设置。焊接部24和铜焊料102 可用于进一步将柄部90固定到钻头主体72上。在这种结构中，如果 在钻井作业期间，钻头70位于井孔底部时，焊接部24和柄部90和钻 头主体72第二区域76中的表面78之间的基本上均匀的间隙中的铜焊 料102失效，则保持构件100可防止钻头主体72与柄部90纵向分离， 从而防止钻头主体72遗失在井孔中。
在用于将柄部90附接至钻头主体72的其他方法中，仅一个保持 构件100或多于两个保持构件100可用于将柄部90附接至钻头主体 72。在又一个其它实施例中，螺纹连接可设置在钻头主体72的第二区 域76和柄部90之间。由于钻头主体72第二区域76的材料构成可选 择成甚至在完全烧结的状态下便于在第二区域76上进行机加工，因此 可在钻头主体72第二区域76上加工出具有精确尺寸的螺纹。在其他 实施例中，柄部90和钻头主体72之间的界面可以是基本上倾斜。此 外，可在柄部90和钻头主体72之间提供冷缩配合或压配合。
在图4所示的实施例中，钻头主体72包括两个不同区域，这两个 不同区域具有带有位于其间的可区别的边界或界面的材料构成。在其 他实施例中，钻头主体72的材料构成可在钻头主体72内的区域之间 连续改变，使得区域之间没有容易区别的边界或界面。在其他实施例 中，钻头主体72可包括多于两个的具有材料构成的区域，并且具有材 料构成的不同区域在钻头主体72中的空间位置是可以改变的。
图9图示了体现本发明教导的其他钻头主体150。钻头主体150 包括第一区域152和第二区域154。正如在图10所示的钻头主体150 的剖视图中清楚可见的，第一区域152和第二区域154之间的界面可 大致遵循第一区域152外表面的形貌。例如，界面可包括多个与设置 在钻头主体150外表面上或钻头主体150外表面中的刀片30和排屑槽 32相对应的纵向延伸的隆脊156和凹陷158。在这种构造中，在钻井 作业期间，当向包括钻头主体150的钻头施加转矩时，钻头主体150 上的刀片30不易断裂。
图11图示了体现本发明教导的又一个钻头主体160。钻头主体160 可包括第一区域162和第二区域164。第一个区域162可包括钻头主 体160的纵向下部区域，而第二区域164可包括钻头主体160的纵向 上部区域。此外，第一区域162和第二区域164之间的界面可包括多 个径向延伸的隆脊和凹陷(未示出)，在钻井作业期间，当向包括钻头 主体160的钻头施加转矩时，隆脊和凹陷可使钻头主体160不易沿界 面断裂。
虽然在此根据包括固定切削件的同心钻地旋转钻头的实施例描述 了本发明的教导，其他种类的钻地层钻具(例如取心钻头、偏心钻头、 双中心钻头、扩眼钻头、铣割器、刮刀钻头和本领域中已知的其他这 类结构)可以体现本发明的教导并且可由体现本发明教导的方法形成。 因此，正如在此所用的，术语“钻头”包括和包含所有上述结构。
虽然在此已经根据某些优选实施例描述了本发明，本发明所属领 域的普通技术人员应该意识到并理解这是非限制性的。而在不脱离以 下提出的权利要求所述的发明范围的情况下，可以对优选实施例进行 许多补充、删除和修改。另外，来自一个实施例的特征可与另一个实 施例的特征相结合，而仍然包含在发明人所确定的发明范围内。进一 步地，本发明在具有不同和各种钻头外形以及切削件类型岩心钻头和 钻头方面具有实用性。