本发明通常涉及在钻凿地下地层中使用的颗粒基体复合材料钻头 和其它工具，并且涉及在这种颗粒基体复合材料钻头和工具的表面上 使用的耐磨表面堆焊材料。本发明还涉及用于给颗粒基体复合材料钻 头和工具的表面施加耐磨表面堆焊的方法。

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纹销连接(例如，API螺纹销)，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钨。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， 但仍然需要复杂和劳动密集的制造过程，如美国申请序列 No.11/272,439中所述。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，所述颗粒基体复合材料无需硬质颗 粒材料渗入熔融粘结材料中。
通常，传统固定牙轮式旋转钻头的每个切削元件包括切削表面， 其包括硬质超耐磨材料，例如相互粘结的多晶金刚石颗粒。这种＂聚 晶金刚石复合片＂(PDC)牙轮已经在油气井钻探工业中的固定牙轮 式旋转钻头上使用了几十年。
图1显示了通常根据上述说明的传统的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的表面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12 的表面耐磨性的需要。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。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 体上的碳化钨颗粒40。碳化钨颗粒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可以包括铸造碳化钨 颗粒、烧结碳化钨颗粒和粗结晶碳化钨颗粒中的一种或多种。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。铸造碳化钨颗粒通常包括WC和W2C化合物的低共熔混合物。 烧结碳化钨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 化钨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 碳化钨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上的表面耐磨堆焊材料层。
当表面耐磨堆焊材料施加给钻头表面时，可以使用比较高的温度 至少使基体材料熔化。在上述比较高的温度下，碳化钨颗粒和基体材 料之间会发生溶解作用。换句话说，在施加表面耐磨堆焊材料之后， 原本包含在碳化钨颗粒中的至少一部分原子(例如，钨和碳)可能出 现在围绕碳化钨颗粒的基体材料中。另外，原本包含在基体材料(例 如，铁)中的至少一部分原子可以出现在碳化钨颗粒中。图4是图3 所示碳化钨颗粒40的放大图；原本包含在碳化钨颗粒40中的至少一 部分原子(例如，钨和碳)可以出现在紧紧围绕碳化钨颗粒40的基体 材料46的区域47中。区域47大致包括位于假想线48以内的基体材 料46的区域。另外，原本包含在基体材料(例如，铁)中的至少一部 分原子可以存在于碳化钨颗粒40的外周或外部区域41中。外部区域 41粗略地包括位于假想线42以外的碳化钨颗粒40的区域。
碳化钨颗粒40和基体材料46之间的溶解作用可以使围绕碳化钨 颗粒40的区域47内的基体材料46脆化并且降低其外部区域41内的 碳化钨颗粒40的硬度，降低表面耐磨堆焊材料的总有效性。溶解作用 是尤其当处于高温和当基体材料46处于使基体材料的材料成分变形 的液相时，将例如碳化钨颗粒40的固体溶解到例如基体材料46的液 体中的过程。在一个方面，溶解作用是固态物质(通常在高温下)进 入熔融基体材料的过程，其改变基体材料的构成。在基体材料46的温 度接近碳化钨颗粒40的熔融温度时，溶解作用会更为迅速地发生。例 如，因为在施加期间使铁基基体材料变成熔融状态所需要的更高温度， 铁基基体材料与镍基基体材料相比对碳化钨颗粒40具有更大的溶解 作用。因此，本领域需要耐磨表面堆焊材料，其包括允许碳化钨颗粒 和基体材料之间的溶解作用减到最小的基体材料。本领域还需要给颗 粒基体复合材料钻头的表面施加这种耐磨表面堆焊材料的方法，以及 包括这种颗粒基体复合材料的钻头和钻具。

本发明提供了一种旋转钻头，所述旋转钻头提供缺少通常在所谓＂ 基体＂型钻头中使用的熔融粘接剂或渗透剂的颗粒基体复合材料。这 种钻头的特征还在于具有＂烧结＂颗粒基体复合结构。另外，旋转钻头 包括耐磨材料，其可以称作＂表面耐磨堆焊＂材料，用于增强钻头表面 的耐磨性。
在本发明的实施例中，旋转钻头包括钻头体，所述钻头体大体上 由颗粒基体复合材料制成，并且具有外表面和布置在该钻头体外表面 上的耐磨材料，所述钻头体大体上由颗粒基体复合材料制成。
本发明还提供了用于将耐磨材料施加到根据本发明实施例的钻头 表面上的方法。
在结合附图和所附权利要求书阅读本发明各个实施例的详细说明 的情况下，本发明的其他优点、特征和可选方面变得显而易见。

尽管说明书末尾的权利要求特别指出和清楚主张了本发明的范 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是包括切削元件的传统旋转钻头的透视图；
图2是图1所示传统钻头的切削元件的放大图；
图3是包括碳化钨颗粒的传统耐磨材料的显微放大图，其中，所 述碳化钨颗粒大体上随机分布在基体材料中；
图4是图3所示传统碳化钨颗粒的放大图；
图5是固定牙轮式旋转钻头的侧视图，显示了形成在钻头刀翼上 的大致纵向延伸的凹部，以容纳位于其上的耐磨表面堆焊材料；
图6是图5所示固定牙轮式旋转钻头的一个刀翼的局部侧视图， 显示了所述刀翼的各个部分；
图7A是沿大致垂直于钻头纵向轴线的方向剖开的图5所示固定 牙轮式旋转钻头的刀翼的剖视图，进一步显示了形成在刀翼上用于在 内部容纳耐磨表面堆焊材料的凹部；
图7B是与图7A所示类似的图5所示固定牙轮式旋转钻头的刀翼 的剖视图，进一步显示了布置在预先形成在刀翼上的凹部中的耐磨表 面堆焊材料；
图8是与图5所示类似的另一个固定牙轮式旋转钻头的侧视图， 显示了形成在钻头刀翼上用于在内部容纳耐磨表面堆焊材料的大致周 向延伸的凹部；
图9是与图5和8所示类似的又一个固定牙轮式旋转钻头的侧视 图，显示了形成在钻头刀翼上用于在内部容纳耐磨表面堆焊材料的大 致纵向延伸的凹部和大致周向延伸的凹部；
图10是与图7A和图7B所示类似的剖视图，显示了通常围绕设 置在旋转钻头刀翼的地层接合表面上的耐磨硬合金齿的外周形成的凹 部，所述凹部用于在内部容纳耐磨表面堆焊材料；
图11是固定在旋转钻头刀翼上的切削元件的透视图，显示了通常 围绕切削元件外周形成的用于在内部容纳耐磨表面堆焊材料的凹部；
图12是沿大致垂直于切削元件纵向轴线的方向剖开的图11所示 切削元件和刀翼的一部分的剖视图，进一步显示了通常围绕切削元件 外周形成的凹部；
图13是沿大致平行于切削元件纵向轴线的方向剖开的图11所示 切削元件和刀翼的一部分的另一剖视图，进一步显示了通常围绕切削 元件外周形成的凹部；
图14是图11所示切削元件和刀翼的透视图，进一步显示了布置 在围绕切削元件外周设置的凹部中的耐磨表面堆焊材料；
图15是与图12所示类似的切削元件和刀翼的剖视图，进一步显 示了设置在围绕切削元件外周的凹部中的耐磨表面堆焊材料；
图16是与图13所示类似的切削元件和刀翼的剖视图，进一步显 示了设置在围绕切削元件外周形成的凹部中的耐磨表面堆焊材料；
图17是与图11所示类似的切削元件和刀翼的透视图，进一步体 现了本发明的教导；
图18是沿剖面线18-18剖开的图17所示切削元件的横向剖视图；
图19是沿剖面线19-19剖开的图17所示切削元件的纵向剖视图；
图20是又一固定牙轮式旋转钻头的端视图，通常显示了形成在钻 头刀翼的鼻部和锥部区域上的用于在内部容纳耐磨表面堆焊材料的凹 部；
图21是耐磨材料的显微放大图，其中，所述耐磨材料体现本发明 的教导并且包括大体上随机分布在基体材料中的碳化钨颗粒；
图22是图21所示碳化钨颗粒的放大图；
图23A-23B是了耐磨表面堆焊材料的显微放大图，体现了本发明 的教导并且包括大体上随机分布在基体中的碳化钨颗粒；和
图24A-24E显示了形成内部具有颗粒基体复合材料的钻头体的方 法，与图20所示旋转钻头类似。

这里显示的附图在有些情况下不是任何特定钻头，钻头的切削元 件、表面耐磨堆焊材料或其它特征的真实视图，只是用于描述本发明 的理想视图。另外，为方便起见，不同附图中的相似元件和特征用相 同或相似的参考数字表示。
可以使用本发明的实施例增强旋转钻头，尤其是具有颗粒基体复 合材料成分的旋转钻头的耐磨性，其中，耐磨表面堆焊材料施加到所 述颗粒基体复合材料成分的表面部分上。图5显示了根据本发明实施 例的旋转钻头140。钻头140包括钻头体112，所述钻头体具有由排屑 槽116隔开的通常径向突出且纵向延伸的翼部或刀翼114。如图6所 示，每个刀翼114可以包括锥部区域150、鼻部区域152、侧翼区域 154、肩部区域156和保径区域158(侧翼区域154和肩部区域156在 本领域统称为刀翼的＂侧翼＂或＂肩部＂)。在一些实施例中，刀翼114 可以不包括锥部区域150。这些区域中的每一个包括最外侧表面，其 构造为在钻凿期间与围绕钻孔的地下地层相接合。锥部区域150、鼻 部区域152和侧翼区域154构造和定位成与位于钻孔底部的地层表面 接合并支撑通过钻柱施加的大部分＂钻压＂(WOB)。这些区域承载安 装在位于刀翼114的表面120上的凹窝122中的大部分切削元件118， 其用于切削或刮削位于井孔底部的下伏地层。肩部区域156构造和定 位成桥接钻孔底部及其壁部之间的过渡区域，保径区域158构造和定 位成与钻孔横向侧面上的地层表面相接合。
当刀翼114的各个区域的地层接合表面在施加WOB和旋转期间 抵靠地层滑动和刮削以钻凿地层时，刀翼114在其地层接合表面处的 材料易于磨损。刀翼114在地层接合表面处的材料磨损会导致切削元 件损耗和/或钻头失稳(例如，钻头涡动)，其进一步导致钻头140突 然失效。
在减少刀翼114在地层接合表面处的材料磨损的尝试中，在刀翼 114的这些表面上和/或表面中设置各种耐磨结构和材料。举例来说， 由例如碳化钨的耐磨材料形成的诸如磨块、柱块和抗磨结的硬合金齿 插入刀翼114的地层接合表面中。
如图5所示，多个耐磨硬合金齿126(每个耐磨硬合金齿可以包 括例如碳化钨磨块)可以在位于保径区域158中的刀翼114的地层接 合表面121处插入刀翼114中。在附加实施例中，刀翼114可以包括 位于刀翼114的其它区域的地层接合表面上或中的耐磨结构，所述其 它区域包括如参照图6所述的锥部区域150、鼻部区域152、侧翼区域 154和肩部区域156。举例来说，耐磨硬合金齿可以设置在位于一个或 多个切削元件118旋转后方的刀翼114的锥部区域150和/或鼻部区域 152的地层接合表面上或中。
耐磨表面堆焊材料(即，表面耐磨堆焊材料)还可以施加在位于 刀翼114的地层接合表面上的选定位置处。举例来说，可以使用用于 施加氧乙炔焊接(OAW)的焊枪或电弧焊机至少部分地熔化耐磨表面 堆焊材料以有助于耐磨表面堆焊材料施加到刀翼114的表面上。下文 描述了耐磨表面堆焊材料(即表面耐磨堆焊材料)施加到钻头体112 上。
继续参考图5，可以在刀翼114中形成用于在内部容纳耐磨表面 堆焊材料的凹部142。作为实例并且非限制性的，凹部142可以沿着 刀翼114大致纵向延伸，如图5所示。可以沿着由刀翼114的地层接 合表面121和旋转前缘面146之间的交接部界定的边缘形成或以其他 方式设置纵向延伸凹部142。另外，可以沿着由刀翼114的地层接合 表面121和旋转后缘面148之间的交接部界定的边缘形成或以其他方 式设置纵向延伸凹部142。一个或多个凹部142可以沿着刀翼114与 一个或多个耐磨硬合金齿126相邻地延伸。
图7A是沿着剖面线7A-7A剖开的图5所示刀翼114的剖视图。 如图7A所示，凹部142可以具有大致半圆形横截面形状。然而，本 发明不限于此，在附加实施例中，凹部142可以具有大致三角形、大 致矩形(例如，正方形)、或任意其它形状。
凹部142形成或以其他方式设置在刀翼114中的方式取决于制造 刀翼114的材料。举例来说，如果刀翼114包括硬质合金或其它颗粒 基体复合材料，如下所述，凹部142可以利用例如传统铣床或其它传 统机加工工具(包括手持式机加工工具)形成在刀翼114中。选择性 地，凹部142可以在刀翼114形成期间设置在刀翼114中。然而，本 发明不限于凹部142形成在钻头140的钻头体112的刀翼114中的方 式，可以使用在特定钻头中形成凹部142的任何方法提供体现本发明 教导的钻头。
如图7B所示，耐磨表面堆焊材料160可以设置在凹部142中。 在一些实施例中，设置在凹部142中的耐磨表面堆焊材料160的暴露 外表面可以与刀翼114的相邻暴露外表面大体上共同延伸。换句话说， 耐磨表面堆焊材料160可以不从刀翼114的表面显著伸出。在这个构 造中，在用耐磨表面堆焊材料160充满凹部142之后的刀翼114的外 表面的形貌特征可以与形成凹部142之前的刀翼114的外表面的形貌 特征大体上相似。描述另一个方法，耐磨表面堆焊材料160的暴露表 面可以沿着刀翼114与耐磨表面堆焊材料160相邻的区域大致垂直的 方向与刀翼114邻近耐磨表面堆焊材料160的表面大体上平齐或齐平。 通过大体上保持刀翼114的外表面的原始形貌特征，施加到刀翼114 的外表面上的作用力可以按照钻头设计师的要求更均匀地分布在刀翼 114上。反地，当耐磨表面堆焊材料160从刀翼114的外表面伸出时， 随着地层接合耐磨表面堆焊材料160的这些突出部分，可以在紧邻耐 磨表面堆焊材料160的突出部分的区域内的刀翼114中产生增大的局 部应力。这些增大的局部应力的大小通常与突出部分从刀翼114的表 面沿朝向被钻地层的方向伸出的距离成正比。因此，通过将耐磨表面 堆焊材料160的暴露外表面构造为与形成凹部142时去除的刀翼114 的暴露外表面相匹配，可以减少或消除这些增大的局部应力，这可以 减少钻头140的磨损和延长钻头140的使用寿命。
在本发明的其它实施例中可以认识到，表面耐磨堆焊材料可以在 不产生凹部142的情况下有选择地直接施加到钻头体112的表面120 上，同时仍然保持钻头体表面的耐磨性。
图8显示了根据本发明实施例的另一个旋转钻头170。钻头170 通常与先前参照图5描述的钻头140类似，并且包括由排屑槽116隔 开的多个刀翼114。多个耐磨硬合金齿126插入位于钻头体112的保 径区域158中的每个刀翼114的地层接合表面121内。钻头170还包 括多个凹部172，所述凹部与每个刀翼114包括多个耐磨硬合金齿126 的区域相邻地形成。凹部172通常与先前参照图5、6、7A和7B描述 的凹部142类似。然而，位于钻头表面120内的凹部172围绕钻头170 沿与钻头170在钻凿期间的旋转方向大致平行的方向大致周向延伸。
图9显示了体现本发明教导的又一钻头180。固定牙轮式旋转钻 头180通常与钻头140和钻头170类似，并且包括多个刀翼114、排 屑槽116和耐磨硬合金齿126，所述耐磨硬合金齿插入位于刀翼保径 区域158内的每个刀翼114的地层接合表面121内。然而，钻头180 包括如同钻头140的大致纵向延伸凹部142和如同钻头170的大致周 向延伸凹部172。在这个构造中，每个耐磨硬合金齿126的外周大体 上由充满耐磨表面堆焊材料160(图7B)的凹部142、172围绕，通 常直到刀翼114的暴露外表面。通过大体上围绕包括多个耐磨硬合金 齿126的刀翼114的每个区域的外周，可以减少或消除与多个耐磨硬 合金齿126相邻的刀翼114的材料磨损，这可以防止在钻凿期间一个 或多个耐磨硬合金齿126的损耗。
在图9所示实施例中，刀翼114包括多个耐磨硬合金齿126的区 域在外周大体上由充满耐磨表面堆焊材料160(图7B)的凹部142、 172围绕。在附加实施例中，钻头的一个或多个耐磨硬合金齿在外周 大体上分别由充满耐磨表面堆焊材料的凹部围绕。
图10是体现本发明教导的另一钻头的刀翼114的剖视图。该剖视 图与图7A-7B所示剖视图类似。然而，图10所示刀翼114包括耐磨 硬合金齿126，所述耐磨硬合金齿在外周大体上分别由充满耐磨表面 堆焊材料160的凹部182围绕。凹部182可以与先前所述凹部142、 172(图5、8和9)大体上类似，并且可以充满耐磨表面堆焊材料160。 在这个构造中，硬合金齿126的暴露外表面、耐磨表面堆焊材料160 和刀翼114与耐磨表面堆焊材料160相邻的区域通常为同延的和平面 的，以减少或消除由从刀翼114通常朝向被钻地层伸出的任何耐磨表 面堆焊材料160引起的应力局部集中。
在附加实施例中，可以围绕切削元件设置凹部。图11是一个切削 元件118的透视图，所述切削元件固定在位于与每个前述钻头相似的 钻头的刀翼114上的凹窝122内。如图11-13所示，凹部190可以形 成在大体上在外周围绕切削元件118的刀翼114上。如图12-13所示， 凹部190可以具有大体三角形的横截面形状，但是，在附加实施例中， 凹部190可以具有任何其他形状。切削元件118可以利用粘接材料124 固定在凹窝122内，例如，粘合剂或钎焊合金可以设置在接合面处并 用于将切削元件118固定和附接到刀翼114上。
图14-16分别与图11-13大体上类似，但进一步显示了布置在围 绕切削元件118设置的凹部190中的耐磨表面堆焊材料160。耐磨表 面堆焊材料160的暴露外表面和刀翼114与耐磨表面堆焊材料160相 邻的区域通常可以为同延的。此外，耐磨表面堆焊材料160可以构造 为不延伸穿过刀翼114的相邻表面，从而减少或消除由从刀翼114通 常朝向被钻地层伸出的任何耐磨表面堆焊材料160引起的应力局部集 中。
另外，在这种构造中，耐磨表面堆焊材料160可以覆盖和保护用 于将切削元件118固定在凹窝122内的一部分粘接材料124，可以使 粘接材料124在钻凿期间免受磨损。通过使粘接材料124在钻凿期间 免受磨损，耐磨表面堆焊材料160可以有助于防止切削元件118与刀 翼114分离、对钻头体造成损坏和钻头的突然失效。
图17-19分别与图11-13大体上类似，但进一步显示了布置在将 切削元件118固定到旋转钻头140上的粘接材料124上的耐磨表面堆 焊材料160。旋转钻头140在结构上类似于图1所示的旋转钻头10， 并且包括多个切削元件118，所述切削元件定位并固定于设置在钻头 体112的外表面上的凹窝内。如图17所示，每个切削元件118可以沿 其与钻头体112之间的接合面固定到钻头140的钻头体112上。例如 粘合剂或钎焊合金的粘接材料124可以布置在接合面处，并用于将每 个切削元件118固定和附接到钻头体112上。粘接材料124不如钻头 体112和切削元件118的材料耐磨损。每个切削元件118可以包括沿 接合面附接和固定到切削元件主体或基底123上的聚晶金刚石复合台 128。
旋转钻头140还包括布置在钻头140的表面上的耐磨材料160。 此外，耐磨材料160的区域可以构造为保护粘接材料124的暴露表面。
图18是沿剖面线18-18剖开的图17所示切削元件118的横向剖 视图。如图18所示，耐磨材料160的连续部分可以粘接到钻头体112 的外表面区域和切削元件118的侧表面上，并且每个连续部分可以在 钻头体112和切削元件118的侧表面之间的至少一部分接合区域上延 伸。
图19是沿剖面线19-19剖开的图17所示切削元件118的纵向剖 视图。如图19所示，耐磨材料160的另一连续部分可以粘接到钻头体 112的外表面区域和切削元件118的侧表面上，并且可以在钻头体112 和与聚晶金刚石复合台128相对的切削元件118的纵向端面之间的至 少一部分接合面上延伸。耐磨材料160的再一连续部分可以粘接到钻 头体112的外表面区域和聚晶金刚石复合台128的一部分暴露表面上。 耐磨材料160的连续部分可以在钻头体112和聚晶金刚石复合台128 表面之间的至少一部分接合面上延伸。
在这种构造中，耐磨材料160的连续部分可以覆盖布置于切削元 件118和钻头体112之间的至少一部分粘接材料124并防止其在钻凿 操作期间磨损。通过防止粘接材料124在钻井操作中受到磨损，耐磨 材料160有助于防止切削元件118和钻头体112在钻井操作期间分离， 损坏钻头体112以及旋转钻头140突然失效。
覆盖和保护粘接材料124的暴露表面的耐磨材料160的连续部分 可以构造为沿着钻头体112和切削元件118的接合面边缘并于其上设 置的耐磨材料160制成的凸缘。耐磨材料160提供了增强粘接材料124 的耐磨性以有助于防止切削元件118在钻井操作期间损坏的有效方 法。
图20是又一旋转钻头200的端视图。如图20所示，在本发明的 一些实施例中，凹部202可以设置在切削元件118之间。例如，凹部 202可以围绕钻头(未显示)的纵向轴线在定位于锥部区域150(图6) 和/或鼻部区域152(图6)中的切削元件118之间大致周向延伸。此 外，如图20所示，在本发明的一些实施例中，凹部204可以设置在切 削元件118的旋转后方。例如，凹部204可以沿着位于定位在锥部区 域150(图6)和/或鼻部区域152(图6)中的一个或多个切削元件118 旋转后方的刀翼114大致纵向延伸。在附加实施例中，凹部204可以 不是细长的，并且可以具有通常圆形或通常矩形形状。这种凹部204 可以位于一个或多个切削元件118的旋转正后方，或者位于相邻切削 元件118的旋转后方，但是位于相邻切削元件118之间的径向位置(从 钻头200的纵向轴向算起)。耐磨材料160可以施加在凹部202、204 中或者可以施加在旋转钻头的其他表面上以有助于减少磨损。
这里描述的耐磨表面堆焊材料可以包括例如陶磁金属复合材料 (即，＂金属陶瓷＂材料)，该陶磁金属复合材料包括分布在整个金属 基体材料中的多个硬陶瓷相区域或颗粒。硬陶瓷相区域或颗粒可以包 括碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B4C))。更具 体地，硬陶瓷相区域或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，可用于形成硬陶瓷相区域或颗粒的材料包括碳化钨、 碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、二硼化钛(TiB2)、碳化铬、氮化 钛(TiN)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)和碳化硅(SiC)。陶 磁金属复合材料的金属基体材料可以包括例如钴基、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。
在本发明的实施例中，耐磨表面堆焊材料可以施加到钻头体或钻 具主体上，并且包括如下文所述的材料。当在此使用时，术语＂钻头＂ 不仅包括传统的钻头，还包括取芯钻头、双中心钻头、偏心钻头、以 及在钻凿井孔中使用的工具。
图21显示了根据本发明实施例，尤其适合于将＂表面耐磨堆焊＂ 材料施加到具有颗粒基体复合材料的钻头上的耐磨材料54的抛光和 腐蚀面。图23A和23B是根据本发明实施例的耐磨材料的抛光和腐蚀 面的实际显微放大图。参考图21，耐磨材料54包括大体上随机分布 在基体材料60中的多个烧结碳化钨球粒56和多个铸造碳化钨细粒 58。每个烧结碳化钨球粒56可以具有通常球形球粒结构。在此使用的 术语＂球粒＂表示具有通常球形形状的任何颗粒。球粒不是真正的球 形，而是缺少通常在压碎及其它非球形碳化钨颗粒中发现的角、锋利 边缘和角状突起。在本发明的一些实施例中，铸造碳化钨细粒可以是 或包括铸造碳化钨球粒，如图23B所示。在本发明的其它实施例中， 铸造碳化钨细粒可以是或包括碎铸造碳化钨或碎烧结碳化钨，如图 23A所示。
角、锋利边缘和角状突起可以产生残余应力，其可能导致在耐磨 材料54施加到钻头表面上的时候，紧邻残余应力的颗粒区域内的碳化 钨材料在较低温度下熔化。碳化钨材料在施加期间熔化或部分熔化会 有利于碳化钨颗粒和周围基体材料之间的溶解作用。如先前所讨论的， 基体材料60和烧结碳化钨球粒56以及铸造碳化钨细粒58之间的溶解 作用会使围绕碳化钨球粒56和铸造碳化钨细粒58的区域内的基体材 料60脆化，并且尤其是当基体材料60为铁基时可以降低表面耐磨堆 焊材料的刚性。这种溶解作用可以削弱耐磨材料54的整体物理性质。 使用烧结碳化钨球粒56(可选择地，和铸造碳化钨球粒58)来代替包 括角、锋利边缘和角状突起的传统碳化钨颗粒可以减少这种溶解作用， 从而在耐磨材料54施加到钻头及其它工具表面上的过程中，保持基体 材料60和烧结碳化钨球粒56(可选择地，和铸造碳化钨球粒58)的 物理性质。
基体材料60可以占耐磨材料54的重量比的大约20％到大约 50％。更特别地，基体材料60可以包括大约35％到45％重量比的耐 磨材料54。多个烧结碳化钨球粒56可以包括大约30％到大约55％重 量比的耐磨材料54。而且，多个铸造碳化钨细粒58可以包括小于大 约35％重量比的耐磨材料54。更特别地，多个铸造碳化钨细粒58可 以包括大约10％到大约35％重量比的耐磨材料54。例如，基体材料 60可以是大约40％重量比的耐磨材料54，多个烧结碳化钨球粒56可 以是大约48％重量比的耐磨材料54，多个铸造碳化钨细粒58可以是 大约12％重量比的耐磨材料。
烧结碳化钨球粒56可以在尺寸上大于铸造碳化钨细粒58。而且， 每单位体积耐磨材料54中的铸造碳化钨细粒58的数目可以高于每单 位体积耐磨材料54中的烧结碳化钨球粒56的数目。
烧结碳化钨球粒56可以包括多个-10 ASTM(美国材料试验协会) 目球粒。当在此使用时，短语＂-10 ASTM目球粒＂是指能够穿过ASTM No.10美国标准试验筛的球粒。这种烧结碳化钨球粒具有小于大约 1680微米的平均直径。烧结碳化钨球粒56的平均直径可以比铸造碳 化钨细粒58的平均直径大大约0.8倍到大约20倍。铸造碳化钨细粒 58可以包括-16 ASTM目细粒。当在此使用时，短语＂-16 ASTM目细 粒＂是指能够穿过ASTM No.16美国标准试验筛的细粒。更特别地， 铸造碳化钨细粒58可以包括-100 ASTM目细粒。当在此使用时，短 语＂-100 ASTM目细粒＂是指能够穿过ASTM No.100美国标准试验筛 的细粒。这种铸造碳化钨细粒58具有小于大约150微米的平均直径。
举例来说，烧结碳化钨球粒56可以包括-20/+30 ASTM目球粒， 铸造碳化钨细粒58可以包括-100/+270 ASTM目细粒。当在此使用时， 短语＂-20/+30 ASTM目球粒＂是指能够穿过ASTM No.20美国标准试 验筛，但不能穿过ASTM No.30美国标准试验筛的球粒。这种烧结碳 化钨球粒56可以具有小于大约840微米且大于大约590微米的平均直 径。而且，当在此使用时，短语＂-100/+270 ASTM目细粒＂是指能够 穿过ASTM No.100美国标准试验筛，但不能穿过ASTM No.270美国 标准试验筛的细粒。这种铸造碳化钨细粒58可以具有大约50微米到 大约150微米的平均直径。
作为另一实例，多个烧结碳化钨球粒56可以包括多个-60/+80 ASTM目烧结碳化钨球粒和多个-120/+270 ASTM目烧结碳化钨球粒。 多个-60/+80 ASTM目烧结碳化钨球粒可以包括大约30％到大约40％ 重量比的耐磨材料54，多个-120/+270 ASTM目烧结碳化钨球粒可以 包括大约15％到大约25％重量比的耐磨材料54。当在此使用时，短 语＂-120/+270 ASTM目球粒＂是指能够穿过ASTM No.120美国标准试 验筛，但不能穿过ASTM No.270美国标准试验筛的球粒。这种烧结 碳化钨球粒56可以具有大约50微米到大约125微米的平均直径。
在一个特定实施例中，仅仅举例说明，耐磨材料54可以包括大约 40％重量比的基体材料60，大约48％重量比的-20/+30 ASTM目烧结 碳化钨球粒56，和大约12％重量比的-140/+325 ASTM目铸造碳化钨 细粒58。当在此使用时，短语＂-20/+30 ASTM目球粒＂是指能够穿过 ASTM No.20美国标准试验筛，但不能穿过ASTM No.30美国标准试 验筛的球粒。类似地，短语＂-140/+325 ASTM目球粒＂是指能够穿过 ASTM No.140美国标准试验筛，但不能穿过ASTM No.325美国标准 试验筛的球粒。基体材料60可以包括镍基合金，其还可以包括一种或 多种例如铬、硼和硅的添加元素。基体材料60还可以具有低于大约 1100℃的熔点，并且具有洛氏硬度B标下大约87到洛氏硬度C标下 大约60的硬度。这里的硬度值表示显微硬度测量中的真实或换算硬 度。更具体地，基体材料60具有洛氏硬度C标下大约20到大约55 的硬度。例如，基体材料60在洛氏硬度C标下具有大约40的硬度。
还可以使用除了碳化钨之外的碳化物铸造细粒和烧结球粒来提供 体现本发明教导的耐磨材料。其它这类碳化物包括但不限于碳化铬、 碳化钼、碳化铌、碳化钽、碳化钛和碳化钒。
基体材料60可以包括熔点低于大约1460℃的金属合金材料。更 特别地，基体材料60可以包括熔点低于大约1100℃的金属合金材料。 而且，多个烧结碳化钨球粒56中的每个烧结碳化钨球粒56可以包括 利用熔点高于大约1200℃的粘结合金(binder alloy)结合在一起的多 个碳化钨颗粒。例如，粘结合金可以包括熔点低于大约1200℃的钴基 金属合金材料或镍基合金材料。在这种构造中，基体材料60在将耐磨 材料54施加到钻具(例如，钻头)表面上的时候大体上熔化，但铸造 碳化钨细粒58、或粘结合金或烧结碳化钨球粒56的碳化钨颗粒大体 上不熔化。这能够使耐磨材料54在较低温度下施加到钻具表面上，从 而使烧结碳化钨球粒56和基体材料60以及铸造碳化钨细粒58和基体 材料60之间的溶解作用减到最小。
如先前所讨论的，将基体材料60与烧结碳化钨球粒56以及铸造 碳化钨细粒58之间的原子扩散减到最小有助于在将耐磨材料54施加 到钻头及其它钻具表面上的时候保持基体材料60、烧结碳化钨球粒56 和铸造碳化钨细粒58的化学成分和物理性质。
基体材料60还可以包括较少数量的其它元素，例如碳、铬、硅、 硼、铁、银和镍。而且，基体材料60还可以包括例如硅锰合金的助熔 剂、例如铌的合金元素、以及例如聚合物材料的结合剂。
图22是图21所示烧结碳化钨球粒56的放大图。烧结碳化钨球粒 56的硬度在所有球粒中大体上相同。例如，烧结碳化钨球粒56可以 包括烧结碳化钨球粒56的外周或外部区域57。外部区域57可以粗略 地包括位于假想线64以外的烧结碳化钨球粒56的区域。外部区域61 大致包括位于假想线66以内的基体材料60的区域。烧结碳化钨球粒 56在由假想线64包围的球粒的中心区域具有第一平均硬度，在位于 假想线64以外的球粒的外周区域57内的部位具有第二平均硬度。烧 结碳化钨球粒56的第二平均硬度可以高于烧结碳化钨球粒56的第一 平均硬度的大约99％。举例来说，第一平均硬度在洛氏硬度A标下为 大约91，第二平均硬度在洛氏硬度A标下对于镍基基体材料来说为大 约90，在洛氏硬度A标下对于铁基基体材料来说为大约86。应当认 识到，在施加表面耐磨堆焊材料56之前，烧结碳化钨球粒在含有大约 16％ Co到大约4％ Co时相应地具有洛氏硬度A标下大约85到洛氏 硬度A标下大约92的总硬度。同时，烧结碳化钨球粒在含有大约6％ Co时具有洛氏硬度A标下89-91的平均硬度。通常，在施加表面耐磨 堆焊材料期间，镍基基体复合材料通常允许烧结碳化钨球粒大体上保 持其初始硬度。然而，铁基基体复合材料可以在靠近其边缘处部分地 溶解烧结碳化钨球粒，从而使施加后硬度比其施加前硬度降低几个洛 氏点。
烧结碳化钨球粒56相对于铸造碳化钨细粒58而言具有较高的抗 裂韧性，而铸造碳化钨细粒58相对于烧结碳化钨球粒56而言具有较 高的硬度。通过使用此处描述的基体材料60，在将耐磨材料54施加 到钻头或其它钻具上时，在耐磨材料54中可以保持烧结碳化钨球粒 56的抗裂韧性和铸造碳化钨细粒58的硬度，从而提供相对于本领域 已知耐磨材料性能提高的耐磨材料54。
根据本发明实施例的耐磨材料(例如图21-22所示的耐磨材料54) 可以施加给旋转钻头(例如图1所示旋转钻头10)、滚动切削钻头(通 常称作＂牙轮钻头＂)、以及经受磨损的其它钻具(例如随钻扩眼工具 及可扩张的扩眼器刀翼)的表面上的选定区域，所有这些及其它设备 包括在先前所述的术语＂钻头＂的范围内。
钻头表面上的某些位置可能需要较高硬度，而钻头表面上的其它 位置可能需要较高的抗裂韧性。可以有选择地改变基体材料60、多个 烧结碳化钨球粒56和多个铸造碳化钨细粒58的相对重量百分比，从 而提供具有适合于特定工具或工具表面上特定区域的物理性质的耐磨 材料54。例如，除了摩擦类型的研磨或磨削力之外，滚动切削刀具型 钻头上的切齿表面可能经受较大的冲击力。因此，施加到切齿表面上 的耐磨材料54可以包括较大重量百分比的烧结碳化钨球粒56以便提 高耐磨材料54的抗裂韧性。相反，钻头保径面可能经受较小的冲击力， 但是经受较大的摩擦类型的研磨或磨削力。因此，施加到钻头保径面 上的耐磨材料54可以包括较大重量百分比的铸造碳化钨细粒58以便 提高耐磨材料54的硬度。
除了施加到经受磨损的钻头和钻具的表面上选定区域之外，可以 使用根据本发明实施例的耐磨材料以保护更易受到磨损的钻头和钻具 的结构特征或材料，包括上面提到的实例。
耐磨材料54可用于覆盖和保护钻头或其它钻具的任意两个结构 或特征之间的接合面。例如，钻头体和钻头体中的抗磨结或各种硬合 金齿的外周之间的接合面可以由耐磨材料54覆盖和保护。另外，耐磨 材料54不局限于在结构或特征之间的交界处使用，并且可以在经受磨 损的钻头或钻具的任何表面上的各个部位处使用。
根据本发明实施例的耐磨材料(例如耐磨材料54)可以利用本领 域已知方法的变形施加到钻头或钻具的选定表面上。例如，根据本发 明实施例的使用前耐磨材料可以焊条形式提供。焊条可以包括由耐磨 材料54构成的固态的铸造或挤压棒材。可选地，焊条可以包括由基体 材料60制成并充满多个烧结碳化钨球粒56和多个铸造碳化钨细粒58 的中空圆柱管。可以使用OAW焊枪或任何其他类型的气体燃料焊枪 将焊条的至少一部分加热到高于基体材料60的熔点的温度。这可以使 发生于基体材料60和烧结碳化钨球粒56及铸造碳化钨细粒58之间的 原子扩散程度减到最小。
发生于基体材料60和烧结碳化钨球粒56以及铸造碳化钨细粒58 之间的溶解速率至少部分地与发生溶解的温度相关。因此，溶解作用 的程度至少部分地与发生溶解作用的温度和允许发生溶解作用的时间 两者相关。因此，可以通过使用良好的热管理控制手段控制发生于基 体材料60和烧结碳化钨球粒56以及铸造碳化钨细粒58之间的溶解作 用的程度。
OAW喷枪能够将材料加热到1200℃以上的温度。有利地是仅仅 在将耐磨材料54施加到表面上之前，使将要施加耐磨材料54的钻头 或钻具的表面略微熔化。例如，可以使OAW焊枪非常接近钻头和钻 具的表面，并且使该表面加热到足够高的温度以略微熔化或＂熔解＂表 面。包括使用前耐磨材料54的焊条随后可以非常接近所述表面，并且 焊枪和焊条之间的距离可以调节至将至少一部分焊条加热到高于基体 材料60的熔点的温度，从而使基体材料60熔化。熔化的基体材料60、 至少一部分烧结碳化钨球粒56和至少一部分铸造碳化钨细粒58可以 施加到钻头的表面上，并且熔化的基体材料60可以通过控制冷却而凝 固。可以控制冷却速率来控制耐磨材料54的微观结构和物理性质。
可选地，耐磨材料54可以利用诸如等离子转移弧焊接方法的电弧 焊方法施加到钻头或钻具的表面上。例如，基体材料60可以粉末(基 体材料60的小颗粒)形式提供。多个烧结碳化钨球粒56和多个铸造 碳化钨细粒58可以与粉末状基体材料60混合，从而提供粉末混合物 形式的使用前耐磨材料。随后可以使用等离子转移弧焊机将使用前耐 磨材料的至少一部分加热到高于基体材料60的熔点且低于大约 1200℃的温度，从而使基体材料60熔化。
例如金属惰性气体(MIG)电弧焊方法、钨极隋性气体(TIG) 电弧焊方法和火焰喷焊方法的其它焊接方法在本领域中已知，并且可 用于将耐磨材料54施加到钻头或钻具的表面上。
耐磨材料(即，表面耐磨堆焊)适合于施加在由颗粒基体复合材 料或所谓＂硬质合金＂材料制成的钻头体上。现在结合一些术语介绍钻 头体的颗粒基体复合材料以有助于正确理解本发明。
在这里使用的术语＂生＂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，包括用粘结材 料结合在一起的离散颗粒，所述结构具有这样的大小和形状以允许通 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＂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，所述结构具有这样的大小和形状，以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5所示的旋转钻头140包括大体上由颗粒基体复合材料形成和 组成的钻头体112。钻头140还可以包括附接到钻头体112上的钻杆(未 显示)。然而，钻头体112不包括与之整体形成的钢坯，如上述渗透 颗粒基体材料通常所需的那样，以将钻头体112连接到钻杆上。
钻头体112的颗粒基体复合材料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，可用于 形成硬质颗粒的材料包括碳化钨、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、 二硼化钛(TiB2)、碳化铬、氮化钛(TiN)、氧化铝(Al2O3)、氮 化铝(AlN)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60可以包括例如钴基、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、哈德菲尔德锰钢、镍或钴超合金材料以及低热膨胀铁基或镍基 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基、镍基、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Rene95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。适用基体材料的另一实例是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)。
在本发明的实施例中，颗粒基体复合材料可以包括多个-400 ASTM(美国材料试验协会)目碳化钨颗粒。当在此使用时，短语＂-400 ASTM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.400网筛的 颗粒。这种碳化钨颗粒的直径小于大约38微米。基体材料可以包括金 属合金，其包括大约50％重量比的钴和大约50％重量比的镍。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70％到大约 80％，并且基体材料可以占颗粒基体复合材料重量比的大约20％到大 约30％。
在本发明的另一个实施例中，颗粒基体复合材料可以包括多个 -635 ASTM目碳化钨颗粒。当在此使用时，短语＂-635 ASTM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 钨颗粒的直径小于大约20微米。基体材料可以包括钴基金属合金，其 包括大体上商业纯钴。例如，基体材料可以包括高于大约98％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％。
图24A-24E显示了形成按照本发明上述实施例所用钻头体的方 法。钻头体(例如，图20所示钻头体200)大体上由颗粒基体复合材 料形成和组成。该方法通常包括提供粉末混合物，压制粉末混合物以 形成生坯，和至少部分地烧结粉末混合物。
参见图24A，可以在模型或容器80内利用大体上等静压力挤压粉 末混合物78。粉末混合物78可以包括多个如前所述的硬质颗粒和多 个同样如前所述的包括基体材料的颗粒。选择性地，粉末混合物78 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 粘结剂更为柔韧的增塑剂以及用于减少颗粒间摩擦的润滑剂或压缩助 剂。
容器80可以包括可变形的流体密封构件82。例如，可变形的流 体密封构件82可以是包括可变形聚合物材料的大体圆柱形袋。容器 80可以进一步包括大体上刚性的密封板84。可变形构件82例如可以 由弹性体形成，所述弹性体例如为橡胶、氯丁橡胶、硅酮或聚亚安酯。 可变形构件82可以用粉末混合物78装满，并且进行振动以使粉末混 合物78均匀分布在可变形构件82内。至少一个移动件或插入件86 可以设置在可变形构件86内，以便界定钻头体的特征，例如，纵向孔 15(图6)。可选地，可以不使用插入件86，并且纵向孔15可以在随 后的过程中利用传统的机加工方法形成。密封板84随后附接或结合到 可变形构件82上，以便在其间提供流体密封。
容器80(具有容纳于内部的粉末混合物78和任何希望的插入件 86)可以放置在压力室90内。可卸盖91可用于提供通向压力室90 内部的入口。例如水、油或气体(例如，空气或氮气)的流体(其为 大体上不可压缩的)利用泵(未显示)经过开口92在高压下泵入压力 室90中。流体高压导致可变形构件82的壁产生变形。流体压力可以 大体上均匀地传递给粉末混合物78。在等静压压制期间，压力室90 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90内的压力会大于大约138兆帕(大约 20,000磅/平方英寸)。在其它方法中，可以在容器80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80的外表面以压实粉末混合物78。等静压制粉末 混合物78可以形成图24B所示的生粉末部件或生钻头体94，其可以 在压制之后从压力室90和容器80中取出。
在压制粉末混合物78以形成图24B所示生钻头体94的另一方法 中，可以利用粉末加工领域的普通技术人员公知的方法使用机械或液 压致动的柱塞将粉末混合物78压入(例如，利用单轴压力机)模型或 模具(未显示)中。
图24B所示生钻头体94可以包括通过提供于粉末混合物78(图 24A)中的粘结材料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 法和钻削方法在生钻头体94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钻头体94上或内的特征。作为实例并且 非限制性的，可以在生钻头体94上机加工或以其他方式形成刀翼114、 排屑槽116(图20)和表面96以形成图24C所示的成形生钻头体98。
图24C所示成形生钻头体98可以至少部分地烧结以提供图24D 所示的半生钻头体102，其密度小于希望的最终密度。在部分地烧结 成形生钻头体98之前，成形生钻头体98会经受适当升高的温度和压 力以烧尽或去除包括在粉末混合物78(图24A)内的任何不稳定添加 剂，如前所述。而且，成形生钻头体98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℃下的氢气。
半生钻头体102由于内部残余的孔隙而可以大体上进行机加工。 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半 生钻头体102上机加工出某些结构特征。还可以使用手持工具手动形 成或成形位于半生钻头体102上或内的特征。可以使用包括超硬涂层 或镶嵌件的工具以方便对半生钻头体102进行机加工。另外，材料涂 层可以施加到要进行机加工的半生钻头体102的表面上以减少半生钻 头体102的切屑。这种涂层可以包括固定材料或其它聚合物材料。
作为实例并且非限制性的，可通过机加工或其它方法在半生钻头 体102中形成内部流体通道119、凹窝36和支肋38(未显示)以形成 图24E所示的成形半生钻头体106。而且，如果钻头200包括与钻头 体112一体形成的多个切削元件的话，切削元件可以定位在形成于半 生钻头体102中的凹窝36内。在随后烧结半生钻头体102时，切削元 件可以粘结到钻头体112上并与之一体形成。
图24E所示的成形半生钻头体106随后可以完全烧结到希望的最 终密度以提供先前所述的图20所示钻头体112。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 在从生坯状态到希望的最终密度的烧结期间会产生10％到20％的线 性收缩。因此，当设计未完全烧结的结构内的工具(模型、模具等) 或机加工特征时，必须研究和考虑三维收缩。
在所有的烧结和部分烧结过程中，可以使用耐火结构或移动件(未 显示)以在烧结过程中支撑钻头体的至少一部分，从而在致密化过程 中保持希望的形状和尺寸。可以使用这种移动件例如在烧结过程中保 持凹窝36和内部流体通道119的尺寸和几何结构方面的一致性。这种 耐火结构例如由石墨、硅石或矾土形成。由于矾土比石墨的活性差， 因此人们希望使用矾土移动件代替石墨移动件，从而将烧结期间的原 子扩散减到最少。另外，例如矾土、氮化硼、氮化铝或其它市售材料 的涂层可以施加到耐火结构上以防止耐火结构中的碳或其它原子在致 密化期间扩散到钻头体中。
在其它方法中，图24B所示生钻头体94可以部分地烧结以形成 没有进行预先机加工的半生钻头体，并且可以在将半生钻头体完全烧 结到希望的最终密度之前在半生钻头体上进行所有必需的机加工。可 选地，可以在图24B所示生钻头体94上进行所有必需的机加工，所 述生钻头体随后完全烧结到希望的最终密度。
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(高温等静压))。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进行烧 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 施这里描述的烧结方法，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(和浸没于其中的半生结构) 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，烧结构造从液化陶瓷、 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。
而且，在颗粒基体复合钻头体中使用碳化钨的具体实施例中，这 里描述的烧结方法可以包括适于改进碳化钨材料的化学计量的碳控制 周期。作为实例并且非限制性的，如果碳化钨材料包括WC，则这里 描述的烧结方法可以包括使碳化钨材料在高温下经受包括氢气和甲烷 在内的气体混合物。例如，碳化钨材料可以在大约1000℃下经受包括 氢气和甲烷的气体流。美国专利No.4,579,713描述了用于碳化物的碳 量控制的方法。
通过连接钻杆(未显示)，例如如上所述的API螺纹销而形成钻 头体112。可以使用几种不同的方法将钻杆连接到钻头体112上，上 述方法在美国申请序列No.11/272,439中进行了描述。具有连接于其上 的颗粒基体复合材料和耐磨表面堆焊材料的钻头体112在钻凿地下地 层时更耐磨损。
尽管这里已经相对于特定的优选实施例对本发明进行了描述，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元件类型的钻头和取芯钻头 中具有实用性。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于钻凿至少一个地下地层的旋转钻头，所述旋转钻头包 括：
一钻头体，其大体上由非渗透颗粒基体复合材料形成并具有外表 面；和
布置在所述钻头体的外表面的至少一部分上的耐磨材料。
2.如权利要求1所述的旋转钻头，其中，布置在所述钻头体的外 表面的至少一部分上的耐磨材料包括具有下列比率的使用前材料：
基体材料，所述基体材料占所述使用前材料的10重量份数的大约 2份到大约5份，所述基体材料包括至少75％重量比的镍，并具有低 于大约1460℃的熔点；
大体上随机分布在所述基体材料中的多个-10 ASTM目烧结碳化 钨球粒，所述多个烧结碳化钨球粒占所述使用前材料的大约3份到大 约5.5份的重量份数，每个烧结碳化钨球粒包括利用粘结合金粘结在 一起的多个碳化钨颗粒，所述粘结合金具有高于大约1200℃的熔点； 和
大体上随机分布在所述基体材料中的多个-18 ASTM目铸造碳化 钨细粒，所述多个铸造碳化钨细粒占所述使用前材料重量份数的大约 3.5份以下；和
所述使用前材料有选择地适合于在高于所述基体材料熔点并低于 所述铸造碳化钨细粒和烧结碳化钨球粒的熔点的温度下布置在所述钻 头体的外表面上。
3.如权利要求2所述的旋转钻头，其中，所述多个-10 ASTM目烧 结碳化钨球粒包括多个-60/+80 ASTM目烧结碳化钨球粒，并且其中， 所述多个-18 ASTM目铸造碳化钨颗粒包括多个-100/+270 ASTM目铸 造碳化钨细粒。
4.如权利要求2所述的旋转钻头，其中，所述多个-10 ASTM目烧 结碳化钨球粒包括多个-60/+80 ASTM目烧结碳化钨球粒和多个 -120/+270 ASTM目烧结碳化钨球粒，所述多个-60/+80 ASTM目烧结 碳化钨球粒占所述耐磨材料重量比的大约30％到大约35％，所述多个 -120/+270 ASTM目烧结碳化钨球粒占所述耐磨材料重量比的大约 10％到大约20％。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的旋转钻头，还包括：
直接连接到所述钻头体上的钻杆，所述钻杆包括构造为将所述钻 杆连接到钻柱上的部分，并且其中，所述钻头体大体上由非渗透颗粒 基体复合材料形成，所述颗粒基体复合材料包括随机分布在基体材料 中的多个硬质颗粒，所述硬质颗粒选自金刚石、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， 所述基体材料选自钴基合金、铁基合金、镍基合金、钴镍基合金、铁 镍基合金、铁钴基合金、铝基合金、铜基合金、镁基合金和钛基合金。
6.如权利要求5所述的旋转钻头，其中，所述耐磨材料布置在从 外表面延伸到钻头体中的至少一个凹部中，沿与邻近耐磨材料的钻头 体外表面大体上垂直的方向观察，所述耐磨材料的暴露表面与邻近耐 磨材料的钻头体外表面大体上齐平。
7.如权利要求6所述的旋转钻头，其中，所述钻头体还包括多个 刀翼，并且其中，所述至少一个凹部延伸到所述刀翼的地层接合表面 中并且沿着由包括钻头体的一部分外表面的两个表面之间的接合面界 定的边缘延伸。
8.如权利要求6或7所述的旋转钻头，其中，所述钻头体构造为 支承多个切削元件，颗粒基体复合材料的材料成分在钻头体内变化。
9.如权利要求8所述的旋转钻头，其中，所述颗粒基体复合材料 的材料成分在钻头体内大体上连续地变化。
10.如权利要求1或2所述的旋转钻头，还包括：
沿接合面固定到所述钻头体上的至少一个切削元件；和
布置在所述钻头体和位于所述接合面处的所述至少一个切削元件 之间的钎焊合金，所述钎焊合金将所述至少一个切削元件固定到所述 钻头体上，所述耐磨材料的至少一连续部分粘接到所述钻头体的外表 面和所述至少一个切削元件的表面上，在所述钻头体和所述至少一个 切削元件之间的接合面上延伸并且覆盖所述钎焊合金的至少一部分。
11.如权利要求10所述的旋转钻头，其中，所述钻头体包括位于 所述钻头体外表面上的凹窝，所述至少一个切削元件的至少一部分布 置在所述凹窝内，所述接合面沿所述钻头体和所述至少一个切削元件 的相邻表面延伸，并且其中，所述钻头体还包括形成在邻近所述接合 面的钻头体外表面上的至少一个凹部，所述耐磨材料的至少一部分布 置在所述至少一个凹部中。
12.如权利要求10或11所述的旋转钻头，其中，所述至少一个切 削元件包括包括切削元件本体和固定在所述切削元件本体端部上的聚 晶金刚石复合台。
13.一种用于将耐磨材料施加到钻头表面上的方法，所述方法包 括：
提供包括由非渗透颗粒基体复合材料制成的钻头体的钻头，所述 钻头体具有外表面；
使多个-10 ASTM目烧结碳化钨球粒和多个-18 ASTM目铸造碳 化钨细粒在基体材料中混合以提供使用前耐磨材料，所述基体材料包 括至少75％重量比的镍，所述基体材料具有低于1455℃的熔点，每个 烧结碳化钨球粒包括利用粘结合金粘结在一起的多个碳化钨颗粒，所 述粘结合金具有高于大约1200℃的熔点，所述基体材料占所述使用前 耐磨材料重量比的大约20％到大约60％，所述多个烧结碳化钨球粒占 所述使用前耐磨材料重量比的大约30％到大约55％，所述多个铸造碳 化钨细粒占所述使用前耐磨材料重量比的大约35％以下；
加热所述基体材料，包括将所述使用前耐磨材料的至少一部分加 热到高于所述基体熔点的温度；
将熔化的基体材料、至少一部分烧结碳化钨球粒和至少一部分铸 造碳化钨细粒施加到钻头体的外表面的至少一部分上；和
凝固熔化的基体材料。
14.如权利要求13所述的方法，其中，加热基体材料包括利用电 弧加热基体材料、利用等离子转移弧加热基体材料和在大体上纯氧中 燃烧乙炔来加热基体材料中的至少一种。
15.如权利要求13所述的方法，其中，提供由非渗透颗粒基体复 合材料形成的钻头还包括形成具有非渗透颗粒基体复合材料的钻头 体，包括：
提供第一粉末混合物，包括：
多个硬质颗粒，其选自金刚石、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；和
包括基体材料的多个颗粒，所述基体材料选自钴基合金、铁基合 金、镍基合金、钴镍基合金、铁镍基合金、铁钴基合金、铝基合金、 铜基合金、镁基合金和钛基合金；和
粘结材料；
利用大体上等静压力挤压所述粉末混合物以形成大体上由颗粒基 体复合材料组成的生主体；和
烧结所述生主体以提供完全烧结的钻头体，所述完全烧结的钻头 体大体上由具有希望最终密度的颗粒基体复合材料组成。
16.如权利要求15所述的方法，其中，烧结所述生主体以提供完 全烧结的钻头体包括：
部分地烧结所述生主体以提供半生主体；
在所述半生主体上机加工至少一个特征；和
烧结所述半生主体以提供完全烧结的钻头体。
17.如权利要求15所述的方法，其中，烧结所述生主体以提供完 全烧结的钻头体包括使所述生主体线性收缩大约10％到大约20％。
18.如权利要求15所述的方法，还包括：
提供构造为连接到钻柱上的钻杆；
通过对位于所述完全烧结的钻头体和所述钻杆之间的接合面进行 焊接、硬钎焊和软钎焊之一将所述钻杆直接连接到所述完全烧结的钻 头体上；和
将多个切削元件连接到所述完全烧结的钻头体的表面上。
19.如权利要求13所述的方法，其中，提供由非渗透颗粒基体复 合材料形成的钻头包括提供钻头，该钻头包括：
一钻头体，所述钻头体具有外表面和位于其上的凹窝，所述凹窝 构造为接收切削元件的一部分，所述方法还包括：
使切削元件的一部分定位在位于所述钻头体外表面上的凹窝内；
熔化钎焊合金；
将熔融钎焊合金施加到位于所述切削元件和所述钻头体外表面之 间的接合面上；
使所述熔融钎焊合金凝固；和
将所述耐磨材料施加到所述钻头体的外表面上，所述耐磨材料的 至少一连续部分粘接到切削元件的表面和所述钻头体的外表面的一部 分上，在所述切削元件和所述钻头体外表面之间的接合面上延伸并覆 盖所述钎焊合金。
20.如权利要求19所述的方法，还包括在邻近所述凹窝的所述钻 头体外表面上形成至少一个凹部，所述凹窝构造为接收所述切削元件， 并且其中，施加所述耐磨材料还包括将所述耐磨材料施加到位于所述 至少一个凹部内的所述钻头体外表面上。
21.如权利要求13所述的方法，还包括设置至少一个凹部，所述 凹部延伸到钻头的钻头体外表面内；将所述使用前耐磨材料施加到所 述至少一个凹部中；加热所述使用前耐磨材料以使所述基体材料熔化； 和沿着与邻近所述耐磨材料的钻头体外表面大致垂直的方向，使所述 熔化基体材料的表面与邻近所述耐磨材料的钻头体外表面大体上平 齐。