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    • 专利摘要:
    Outil de forage comportant un corps d'outil en matrice comprenant plusieurs éléments de coupe disposés en des emplacements choisis sur des parties extérieures du corps d'outil en matrice, au moins une première matière de matrice (131) et une second matière de matrice ( 132), la première matière de matrice présentant une résistance augmentée aux chocs en comparaison de la second matière de matrice matière de matrice formant des parties extérieures du corps d'outil en matrice associées à un engagement avec les matières d'une formation et à leur élimination d'un puits de forage, la second matière de matrice formant des parties intérieures du corps d'outil en matrice qui ne sont généralement pas associées à un engagement avec des matières d'une formation et à leur élimination d'un puits de forage , la second matière de matrice étant capable de fonctionner pour améliorer l'infiltration d'une matière de liant (160) liquid, chaude, à travers la première matière de matrice en minimisant une infiltration incomplète de la première matière par la matière de liant liquid, chaude.
    公开号:BE1018903A3
    申请号:E2006/0223
    申请日:2006-04-13
    公开日:2011-11-08
    发明作者:Ram L Ladi；Gary Weaver；David A Brown
    申请人:Halliburton Energy Serv Inc；
    IPC主号:
    专利说明:

    Outils de forage and matrice et leur process de fabrication
    The present invention is relative to the outils of the rotatifs and plus particulary to the outils of the forage and matrice comprenant un corps d'outil and matrice composite form partiellement d'au moins une premiere matière de matrice et d'une second matière de matrice.
    Arrival plan de l'invention
    Les outils de forage rotatifs sont fréquemment utilisés pour forer des puits de pétrole et de gaz, des puits geothermiques et des puits à eau. Les outils the forage rotatifs peuvent d'une manière générale être classés and outils the forage à cône rotatif ou à cône pourvu de rouleaux et en équipement de forage à couteaux fixes ou outils d'arrachement. Les outils de forage à couteaux fixes ou outils d'arrachement sont souvent formés d'un corps d'outil and matrice comportant des éléments the coupe ou inserts disposés and des emplacements choisis the parties extérieures du corps d'outil and matrice. Des passages pour l'écoulement de fluide sont typiquement formés dans le corps d'outil and matrice pour permettre une communication des fluides de forage depuis l'équipement the forage de surface associus jusqu'au corps d'outil and matrice en passant par une garniture the forage ou une tige the forage attachée à ce corps. The outils of the forage à couteaux fixes or outils d'arrachement peuvent parfois être appleés "outils of the forage and matrice".
    Les outils de forage and matrice sont typiquement formés par placement d'une matière de matrice peu cohérente (parfois appleée "poudre de matrice") dance un moule and par infiltration de la matière à l'aide d'un liant, tel qu 'un alliage de cuivre. The moule peut être formé par fraisage d'un bloc de matière comme du graphite pour délimiter une cavité de moule ayant les particularités qui correspondent d'une manière générale aux particularités extérieures de l'outil de forage and matrice résultant. Des particularités de l'outil de forage and matrice résultant, comme des lames, the poches pour couteaux et / ou des passages d'écoulement de fluide, peuvent être prévues and façonnant la cavité du moule et / ou and positionnant une matière à déplacement temporaire à l'interieur the parties intérieures de la cavité du moule. Une tige en acier préformée ou ébauche d'outil peut être placée à l'intérieur de la cavité du moule pour procurer un renforcement pour le corps d'outil and matrice et pour permettre une fixation de l'outil the forage and matrice résultant à une garniture the forage.
    Une quantité de matière de matrice typiquement sous forme 'de poudre peut alors être place à l'intérieur de la cavité du moule. La matière de matrice peut être infiltrée par un alliage metallique fondu ou liant qui formera un corps d'outil and matrice après solidification du liant avec la matière de matrice. Une poudre de carbure de tungstène est souvent utilisée pour former des corps d'outil and matrice conventionnels. Sommaire de la description
    Conformément aux enseignements de la présente invention, une première matière de matrice and une second matière de matrice coopèrent ensemble pour éliminer ou sensiblement réduire les problèmes rencontrés and formant des outils de forage and matrice parfaite qui sont exempts defectuosités internes. Un aspect de la présente invention peut comprendre un placement d'une premiere matière de matrice dance un moule pour former des lames, the poches pour couteaux, the fentes à sédiments ou d'autres parties extérieures d'un outil de forage and matrice association. Une ébauche and métal ou mandrin and fonte peut être installé dans le moule au dessus de la première matière de matrice. Une second matière de matrice toddler ensuite être ajoutée dans le moule. The second matière de matrice peut être choisie pour permettre une infiltration ou écoulement rapide de la matière de liant liquid dance et à travers la première matière de matrice. The result quéune segregation d'alliage dance la dernière partie en cours de solidification de la matière de liant and de la première matière de matrice peut être substantiellement réduite ou éliminée. The premiere matière de matrice peut également procurer une amélioration souhaitée de la resistance à la rupture par flexion, the la resistance aux chocs, the caractéristiques d'érosion, d'abrasion etusure pour un outil the forage and matrice composite association.
    Une coopération entre la secé matière de le matrice and le sensiement réduire et / ou éliminer les problemes quant à la qualité qui sont associés à une infiltration insatisfaisante de la matière de liant à travers la première matière de matrice. Porosité, retreat, cracking, segregation and / or manque de liaison entree matte de liant et la premiere matiere de matrice peuvent être réduits ou éliminés par l'addition d'une second matière de matrice. La première matière de matrice peut être des carbures cémentés de tungstène, titane, tantale, niobium, chrome, vanadium, molybdène, d'hafnium indépendamment ou and combinaison et / ou des carbures sphériques. La secé matière de matrice peut être du carbure de tungstène macrocristallin et / ou du carbure fondu de tungstène. Cependant, la présente invention n'est pas limitée des carbures de tungstène cémentés, des carbures sphériques, du carbure the tungstène macrocristallin et / ou des carbures the tungstène fondus ou leurs mélanges. Les enseignements de la présente invention peuvent aussi être utilisés pour manufactuer ou couler des corps d'outil and matrice composite relativement grands et des corps d'outils and matrice composite relativement petits, complexes.
    The avantages techniques of the intervention comprehenent, mais d'une manière non limitative, unlimation ou une réduction substantiel des problemèmes de qualité associés à une infiltration ou liaison incomplete d'une matière particulate expensive associée aux outils de forage and matrice. Comme exemples de tels probèmes de qualité, on peut zither, mais à titre non limitatif, une réduction de la segregation d'alliage, une formation de composés intermétalliques non souhaitée, de la porosité et / ou des trous non souhaités ou espaces vides formés dance un corps d'outil and matrice associé.
    Un aspect of l'invention comprend the formation d'un outil of the forage and matrice comportant une premiere partie premiere zone formée partiellement de carbures cémentés et / ou de carbures sphériques qui procurent une ténacité augmentée conjointement à une amélioration de la résistance à l ' abrasion, à l'érosion and àusure and une second part ou second zone formée partiellement de carbure de tungstène macrocristallin et / ou de carbures fondus qui accroissent l'infiltration d'une matière de liant liquid, chaude, au travers des carbures cémentés et / ou carbures sphériques.
    Brève description des dessins
    Une compréhension plus complète and approfondie des présentes formes de réalisation et de leurs avantages peut être obtenue and faisant référence à la description qui suit ainsi qu'aux dessins annexes, dance lesquels les numéros de référence identiques designiques des particularités.
    FIG. 1 est un dessin schématique montrant une vue isométrique d'un outil de forage à couteaux fixes comportant un corps d'outil and matrice formé conformément aux enseignements de la présente invention.
    FIG. 2 est un dessin schématique en coupe, brisé partial element, montrant un exemple d'un ensemble de moulage comportant une première matière de matrice et une second matière de matrice d'une manière satisfaisante pour former un outil the forage and matrice conforme aux enseignements de la présente invention.
    FIG. 3 est un décor schématique en coupe, brisé partial element, montrant un corps d'outil and matrice ôté du moule de la Fig. 2, après que la matière de liant a infiltré la première matière de matrice and the second matière de matrice.
    FIG. 4 est un dessin schématique en coupe, montrant des parties intérieures d'un exemple d'un moule qui satisfait à l'utilisation dans la formation d'un corps d'outil and matrice conforme aux enseignements de la présente invention.
    Description détaillée de l'invention
    Des formes the realization préférées de l'invention et leurs avantages seront mieux comprised and faisant référence aux Fig. 1 to 4, the number of identical identifiers for the parties analogue or identical.
    Les termes "outil de forage and matrice" et "outils de forage and matrice" peuvent être utilisés dans cette demande de brevet pour se referener des des "outils d'arrachement rotatifs", "outils d'arrachement", "outils de forage à couteaux fixes "ou n'importe quel autre outil the forage incorporant l'enseignement de la présente invention. The counts outils the fore peuvent être utilisés pour former des puits the forage ou des trous the sondage dans des formations basement.
    Les outils de forage and matrice incorporant les enseignement de la présente invention peuvent comprendre un corps d'outil and matrice formé partiellement d'au moins une premiere matière de matrice and a second matière de matrice. The counts outils of the forage and matrice peuvent être décrits comme ayant un corps d'outil and matrice composite puisqu'au moins deux matières de matrice différentes ayant des caractéristiques de performance différentes, peuvent être utilisées pour former le corps d'outil. Comme discuté plus and detail dance la suite, on peut utiliser davantage que deux matières de matrice pour former un corps d'outil and matrice conformément à l'enseignement de la présente invention.
    Pour certaines applications, the premiere matière de matrice peut avoir augmenté la ténacité ou atteint une haute resistance à la rupture et procurer également la résistance souhaitée à l'érosion, l'abrasion et l'usure. The second matrice the presenter the presidency uniquement un quantité limitée (s'il y and a) the matières d'alliage ou d'autres contaminants. The premiere matière de matrice peut contenir, sans être limitée à cela, des carbures cémentés or des carbures sphériques. La secé matière de matrice peut comprendre, sans être limitée à cela, the carbures the tungstène macrocristallins and / or the carbures fondus.
    Différents types de matières de liant peuvent être utilisés pour infiltrer les matières de matrice and vue de former un corps d'outil and matrice. The matières de liant peuvent comprendre, sans être limitées à cela, du cuivre (Cu), du nickel (Ni), du cobalt (Co), du fer (Fe), du molybdène (Mo) individual element ou des alliages basés sur ces métaux . The éléments d'alliage peuvent comprendre, sans être limités à cela, un ou plusieurs des éléments suivants: manganèse (Mn), nickel (Ni), étain (Sn), zinc (Zn), silicon (Si), molybdène (Mo) , tungstene (W), bore (B) and phosphore (P). Le corps d'outil and matrice peut être attaché à une tige métallique. Un raccord pour l'outil préentant une liaison filetée capable of the fonctionner pour mettre and prize de manière détachable l'outil de forage and matrice associé avec une garniture de forage, une tige de forage, une unité de fond de trou ou un moteur de forage vers le bas peut être attaché à la tige métallique.
    Les termes "carbure cementation" and "carbures cementation" peuvent être utilisés dance cette demande de brevet pour comprendre WC, MoC, TiC, TaC, NbC, Cr3C2, VC and the solutions solides the carbures mixes, counts que WC-TiC, WC- TiC-TaC, WC-TiC- (Ta, Nb) C dans une phase à liant métallique (matrice). D'une manière typique Co, Ni, Fe, Mo et / ou leurs alliages peuvent être utilisés pour former le liant métallique. Des carbures cémentés peuvent parfois être applesés carbures "composites" or carbures frittés. Certains carbures cémentés peuvent aussi être dénommés carbures sphériques. Cependant, les carbures cémentés peuvent avoir beaucoup de configurations et formes autres que sphériques.
    Les carbures cémentés peuvent d'une manière générale être décrits comme des carbures refractaires and poudre qui ont été unis par compression et chaleur avec des matières de liant, tell que du cobalt, du fer, du nickel, du molybdène et / ou leurs alliages en poudre. Les carbures cémentés peuvent aussi être frittés, concassés, tamisés et / ou traités and outre de manière appropriée. Des pellets de carbure cémenté peuvent être utilisés pour former un corps d'outil and matrice. La matière de liant procure ductilité et ténacité qui souvent donnent lieu à une résistance plus grande à la rupture des pellets, sphères ou autres configurations de carbure cémenté, lorsqu'on compare avec des carbures fondus, du carbure de tungstène macrocristallin et / ou formurs.
    The matières de liant utilisées pour former des carbures cémentés peuvent parfois être appleées "matières de liaison" dance cette demande de brevet pour aider à faire une distinction entre matières de liant utilisées pour former des carbures cémentés et matières de liant utilisées pour former un outil de forage and matrice.
    Ainsi qu'il from être discuté de manière plus détaillée dans la suite, les éléments métalliques et / ou leurs alliages dans des matières de liaison associés aux carbures cémentés peuvent "contaminer" des infiltrants chauds, liquides (fondus), counts que des alliages à base de cuivre et d'autres types de matières de liant associées à la formation d'outils de forage and matrice, car l'infiltrant fondu voyage à travers les carbures cémentés avant de se solidifier pour former une matrice souhaitée. Ce type of "contamination" (enrichment d'infiltrant and matière de liaison provenant des carbures cémentés) d'un infiltrant fondu peut altérer le solidus (temperature and dessous de laquelle l'infiltrant est totalement solid) et le liquidus (temperature au-dessus the la infelle l'infiltrant est tout à fait liquid) the l'infiltrant lorsqu'il migre, sous l'influence de l'action capillary, à travers le carbure cémenté. Ce phénomène peut avoir un effet néfaste sur la mouillabilité des carbures cémentés, ce qui donne lieu à un manque d'infiltration satisfaisante des carbures cémentés avant leur solidification pour former la matrice souhaitée.
    Les carbures fondus peuvent d'une manière générale être décrits comme comportant deux phases, du monocarbure de tungstène and du carbure ditungsténique. The carbures fondus des fréquemment des caractéristiques, telle que dureté, mouillabilité et réponse à des liants liquides, chauds, contaminés, qui sont différentes des carbures cémentés ou des carbures sphériques.
    The carbure de tungstène macrocristallin peut d'une manière generale décrit comme étant des particules relativement petites (poudres) the monocristaux the carbure monotungsténique avec the additions the carbure fondu, Ni, Fe, carbonyle de Fe, Ni, etc. Les * carbures cémentés et les carbures tungstène macrocristallins sont tous deux d'une manière generic décrits comme des matières dures ayant une haute resistance à l'abrasion, àérosion et à l'usure. The carbohydrate tungstène macrocristallin peut aussi avoir des caractéristiques, telle que dureté, mouillabilité et réponse à des liants liquides chauds, contaminés, qui sont différentes des carbures cémentés ou des carbures sphériques.
    Les termes "liant" or "matière de liant" peuvent être utilisés dance cette demande de brevet pour comprendre du cuivre, du cobalt, du nickel, du fer, n'importe quels alliages de ces éléments ou n'importe quelle autre matière satisfaisante dance une utilization for the formation d'un outil the forage and matrice. The countless procurent d'une manière general les ductilité, tenacité et conductivité thermique souhaitées pour un outil the forage and matrice associé. Authors' matières, telle que, d'une manière non-limitative, the carbure de tungstène, des précédemment été utilisées comme matières de liant pour procurer une resionance à l'érosion, à l'abrasion et à l'usure d'un outil the forage and matrice associé. Des matières de liant peuvent coopérer avec deux ou plusieur types différents de matières de matrice choisis conformément aux enseignements de la présente invention pour former des corps d'outils and matrice composite presenter uné amélioration de la tenénité en propriétés d'usure par report à beaucoup the corps d'outils and matrice conventionnels.
    FIG. 1 est un dessin schématique montrant un exemple d'un outil de forage and matrice ou outil de forage à couteaux fixes qui est formé avec un corps d'outil and matrice composite conformément aux enseignements de la présente invention. Selon la forme de realization telle qu'illustrée sur la Fig. 1, l'outil de forage and matrice 20 peut comprendre une tige métallique 30 avec un corps d'outil and matrice composite 50 fixé dessus de manière sûre. La tige métallique 30 peut être décrite comme ayant une configuration cylindrique généralement creuse qui est définie partition par un passage d'écoulement pour fluide 32 représenté sur la Fig. 3. Different types of raccords filetés, que le raccord de l'American Petroleum Institue (API) ou joint mâle fileté 34, peuvent être formés sur unige tige métallique 30 à l'oposé du corps d'outil and matrice composite 50.
    Pour certaines applications, unique metallique genericement cylindrique ou ébauche coulée 36 (voir Fig. 2 et 3) peut être attachée à une tige métallique generalement cylindrique, creuse 30 and utilisant différentes techniques. Par exemple, une gorge de annoud 38 (voir Fig. 3) on the form of the entree of the parties adjacent to the house 36 et de la tige 30. Une soudure 39 on the form of the dance of the gorge 38 entre l'ébauche 36 and the la 30. FIG. 1. Un passage pour l'écoulement the fluid ou trou longitudinal 32 séété de préférence à travers la tige métallique 30 et l'ébauche métallique 36. L'ébauche métallique 36 et la tige métallique 30 peuvent être formées à partir d'alliages d'acier variés ou de n'importe quel autre alliage metallique association à la fabrication d'outils the forage rotatifs.
    Un outil the forage and matrice peut comprendre une pluralité d'éléments coupants, d'inserts, the poches pour couteaux, the lames de couteau, the structures coupantes, the fentes à sédiments and / or the passages d'écoulement de fluide qui peuvent être formés sur ou attachés for the parties extérieures d'un corps d'outil associé. Pour les formes de realization telles qu'illustrées sur les Fig. 1, 2 and 3, plusiors lames de couteau 52 peuvent être formées sur l'extérieur d'un corps d'outil and matrice composite 50. Les lames de couteau 52 peuvent être espacées l'une de l'autre à l'extérieur du corps d'outil and matrice composite 50 pour former entre elles des passages d'écoulement the fluid ou fentes à sédiments.
    Un grand nombre d'ouvertures de buse 54 peut être formé dans le corps d'outil composite 50. Des buses respectives 56 peuvent être disposées dans chaque ouverture de buse 54. Pour certaines applications, les buses 56 peuvent être décrites comme étant des buses " interchangeables ". On peut pomper différents types of fluids the forage depuis l'équipement the forage de surface (non-représenté de manière expresse) à travers une garniture de forage (non-représentée de manière expresse) qui est attachée au raccord fileté 34 et aux passages d'écoulement pour fluid 32 and vue de sortir par une ou plusieurs buses 56. Les déblais, débris de fond de trou, fluides de formation et / ou fluid the forage peuvent return on the surface of the puits on travers un espace annular (non-replica de manière expresse ) formé entre les parties extérieures de la garniture de forage et l'intérieur d'un puits de forage associé (non-représenté de manière expresse).
    Un grand nombre de poches ou évidements 58 peuvent être façonnés dans les lames 52 and des emplacements choisis. FIG. 3. Des éléments coupants or inserts respect 60 peuvent être montés de manière fixe dans chaque poche 58 pour entrer and prize and éliminer des parties adjacentes d'une formation and bas du trou. Les éléments coupants 60 peuvent racler and creuser des matières de formation à partir du fond and des côtés d'un trou de forage pendant l'entraînement and rotation de l'outil de forage and matrice 20 par une garniture de forage attachée. Pour certaines applications, different types of couteaux compacts and diamond polycristallin (PDC) peuvent être utilisés d'une manière satisfaisante comme inserts 60. Unoutil de forage and matrice comportant de couteaux and PDC peut parfois être appleé sous la nom de "outil en PDC ".
    Les brevets US 6 296 069 and 6 302 224 with regard to different exemptions of the lames and the old coupons that are used in the private sector and the matrice composite incorporant les enseignements de la présente invention. The equipment is assisted by the large quéune large variety of outages, the forage and couteaux fixes, the outages of the arrachement and the outlets of the forages, the formations of the manière satisfaisante avec un corps d'outil and matière composite incor - porant les enseignements de la présente invention. La présente invention n'est pas limitée à l'outil de forage and matrice 20 ou à n'importe quelle particularité spécifique représentée sur les Fig. 1 to 4.
    Une grande variety de moules peut être utilisée de manière satisfaisante pour former un corps d'outil and matrice composite and un outil the forage and matrice associé conforme aux enseignements de la présente invention. L'unité de moule 100, telle que représentée sur les Fig. 2 and 4, reproducible uniquement and exemple d'une unité de moule qui est satisfaisante pour être utilisée dans la formation d'un corps d'outil and matrice composite incorporant les enseignements de la présente invention. Le brevet US 5 373 907 fournit des détails additionnels concernant the units the moule et des corps d'outils and matrice conventionnels. L'unité de moule 100, telle que représentée sur les Fig. 2 et 4, peut comprendre plusieurs composants, qu'un moule 102, une bague d'ajustage or bague de connexion 110 et un entonnoir 120. Le moule 102, la bague d'ajustage 110 et l'entonnoir 120 peuvent être façonnés and graphite ou and d'autres matières appropriées. Différentes techniques peuvent être utilisées y composed, mais non de manière limitative, un usinage d'une ébauche and graphique pour produire le moule 102 avec une cavité 104 ayant unprofil négatif ou unprofil renversé des particularités extérieures souhaitées pour l'outil de forage à couteaux fixes résultant. Par exemple, the cavité de moule 104 peut avoir un profil négatif qui correspond au profil extérieur ou configuration des lames 52 et aux fentes à sédiments ou passages d'écoulement pour fluide formés entre elles, comme représenté sur la Fig. 1.
    Ainsi qu'il resort of the la Fig. 4, un grand nombre d'inserts de moulage 106 peuvent être placés à l'intérieur de la cavité 104 pour former les poches respectives 58 dance les lames 52. Emplacement of the inserts of the moulage 106 dance la cavité 104 correspond aux emplacements souhaités pour installer des éléments coupants 60 dans les lames 52 associées. Des inserts de moulage 106 peuvent être formés à partir de différents types de matières, comme, d'une manière non limitative, sable consolidé and du graphite. Différentes techniques, tell brasage, peuvent être utilisées de manière satisfaisante pour installer des éléments coupants 60 dans des poches respectives 58.
    Différents types de matières à déplacement temporaire peuvent être installés de manière satisfaisante à l'intérieur de la cavité 104 du moule, and fonction de la configuration souhaitée d'un outil the forage and matrice résultant. The inserts of the moulage additionnels (non-représentés de manière expresse) formés à partir de différentes matières, telles que du sable consolidé et / ou du graphite, peuvent être disposés à l'intérieur de la cavité 104 du moule. Des résines variée peuvent être utilisées de manière satisfaisante pour former du sable consolidé. The counts inserts the moulage peuvent avoir des configurations qui correspondent aux particularités extérieures souhaitées du corps d'outil composite 50, comme des passages d'écoulement the fluid form ent ent des lames adjoining 52. Comme il sera discuté plus and detail dance la suite, une premiere matière de matrice présentant une ténacité or resistance à la rupture accrue peut être chargée dans la cavité 104 du moule pour former des parties d'un corps d'outil and matrice composite association qui entrent and prize et éliminent des matières de formation en bas du trou pendant le forage d'un puits de forage.
    Le corps d'outil and matrice composite 50 peut comprendre une cavité pour fluide relativement grande ou chambre 32 à partir de laquelle s'étendent the multiples passages d'écoulement pour fluide 42 et 44. Voir Fig. 3. Ainsi qu'il est illustré sur la Fig. 2, des matières à déplacement, telles que du sable consolidé, peuvent être installées à l'intérieur de l'unité de moule 100 and des emplacements souhaités pour former des parties de cavité 32 et des passages d'écoulement de fluide 42 et 44 qui s'étendent à partir de celes-ci. Ces matières à déplacement peuvent avoir des configurations variées. Orientation and configuration of the jambes de sable consolidé 142 et 144 peuvent être choisies pour correspondre aux emplacements and configurations souhaités des passages d'écoulement pour fluide associés 42 et 44 qui permettent une communication ent la cavité 32 et les overtures de buse respectives 54 Passages d'écoulement de fluide 42 et 44 peuvent recevoir des réceptacles filetés (non représentés de manière expresse) pour maintenir à l'intérieur les buses respectives 56.
    Unrelativement grand noyau 150 and sable consolidé, qui a été façonné d'une manière general cylindrique, toddler être placé sur les jambes 142 et 144. Le noyau 150 et les jambes 142 et 144 peuvent parfois être décrits comme ayant la forme d'une "patte d'oie". Le noyau 150 peut aussi être appleé "tronc". Le nombre des jambes qui s'étendent à partir du noyau 150 dépend du nombre souhaité d'ouvertures the buse dans un corps d'outil composite résultant. Les jambes 142 et 144 et le noyau 150 peuvent aussi être formés à partir de graphite ou d'une autre matière appropriée.
    Après que les matières à déplacement souhaitées, y encompassing le noyau 150 et les jambes 142 et 144, the first installé à l'intérieur de l'unité de moule 100, une première matière de matrice 131 préentant des caractéristiques de réistance à la rupture optimal (ténacité) et une réstance à l'érosion, à abrasion et à l'usure optimal peut être placée à l'intérieur de l'unité de moule 100. La première matière de matrice 131 formera de préférence une première zone ou une premiere couche qui correspondra approximativement avec of parties extérieures du corps d'outil and matrice composite 50 qui entrent and contact avec les matières de formation et les éliminent counterpart le forage d'un puits. The quantité de première matière de matrice 131 ajoutée à l'unité de moule 100 est de préférence limitée de telle façon que la matière de matrice 131 n'entre pas en contact avec l'extrémité 152 du noyau 150. La présente invention permet l ' utilization de matières the matrice ayant des caractéristiques de tenacité et the resistance à l'usure optimales pour former un outil the forage à couteaux fixes ou outil d'arrachement.
    Une ébauche metallique cylindrique, généralement creuse 36 peut alors être placée à l'intérieur de l'unité de moule 100. L'ébauche metallique 36 présente de préférence un diamètre internal 37 qui est plus grand que le diamètre external du noyau de sable 150. Différentes fixations (non replica de manière express) peuvent être utilisées pour positionner l'ébauche metallique 36 à l'intérieur de l'unité de moule 100 and un emplacement souhaité espacé de la première matière de matrice 131.
    Une second matière de matrice 132 peut alors être chargée dans l'unité de moule 100 and vue de remplir un espace vide ou espace annular formé entre le diamètre external 154 du noyau de sable 150 et le diamètre internal 37 de l'ébauche métallique 36. La second matière de matrice 132 couvre de préférence la premiere matière de matrice 131 y comprised les parties de la premiere matière de matrice 131 localisées de manière adjacente à and espacées de l'extrémité 152 du noyau 150.
    Pour certaines applications, the second matière de matrice 132 est de préférence chargée de manière à éliminer ou minimiser une exposition de la second matière de matrice 132 aux parties extérieures du corps d'outil and matrice composite 50. La premiere matière de matrice 131 peut être principalement utilisée pour former des parties exteriors du corps d'outil and matrice composite 50 qui sont associées à la coupe, cre Creation et au raclage de matières de formation and bas du trou pendant la rotation de l'outil de forage and matrice 20 en vue the former un puits. La secé matière de matrice 132 peut être principalement utilisée pour former des parties intérieures and des parties extérieures du corps d'outil and matrice composite 50 qui normalement ne sont pas associées à la coupe, au creusement and au raclage de matières de formation en bas du loyal. FIG. 2 and 3.
    Pour certaines applications, une troisième matière de matrice 133, telle que de la poudre de tungstène, nursery plaster à l'intérieur de l'unité de moule 100 entre le diamètre external 40 de l'ébauche métallique 36 et le diamètre internal 122 de l'entonnoir 120. La troisième matière de matrice 133 peut être une poudre relativement douce qui forme une matrice qui peut ensuite être usinée pour procurer une configuration extérieure souhaitée and une transition entree corps d'outil and matrice 50 etéébauche metallique 36 La troisième matrice 133 peut parfois être décrite comme une "poudre usinable infiltrée". La troisième matière de matrice 133 peut être chargée pour couvrir toute ou sensiblement toute la second matière de matrice 132 située à proximité des parties extérieures of corps d'outil and matrice composite 50. Voir Fig. 2 and 3.
    Pendant le chargement des matières de matrice 131, 132 et 133, il faut prendre soin d'empêcher un melange non souhaité entre la première matière de matrice 131 et la deuxième matière de matrice 132 et un mélange non souhaité entre la second matière de matrice 132 et la troisième matière de matrice 133. Un léger mélange aux interfaces pour éviter des démarcations vives entre les différentes matières de matrice prosecutor of the transitions douces pour laiaison entre des couches adjacentes. Des expériences and tests antérieurs ont montré différents probèmes à l'infiltration the carbures cémentés and the carbures sphériques par une matière de liant liquid, chaude, lorsque les carbures cémentés and carbures sphériques sont disposés dance of the moule relativés des complexes. d'outils and matrice destinés à des outils the forage à couteaux fixes. The problems similares des été notés lorsqu'on a essayé de former des corps and matrice avec des carbures cémentés et / ou des carbures sphériques pour d'autres types d'outils complexes and bas du trou, associations au forage et à la production de puits the pétrole et de gaz.
    The problems of fabrication and the problems of qualitative résultants association of the carbures cémentés and / or the carbures sphériques comme matière de matrice sont généralement associés à un manque d'infiltration, de la porosité, du retrait, du craquage et de la Ségrégation des constituants de la matière de liant à l'intérieur des parties intérieures d'un corps d'outil and matrice résultant. Des modèles compliqués, relativement complexes, et des tailles relativement grandes de beaucoup d'outils the forage à couteaux fixes présentent des défits difficiles pour ce qui est de pouvoir factory des corps d'outils comportant des carbures cémentés et / ou des carbures sphériques comme matques commeiques the matrice. Ces mêmes problems the qualité peuvent se présenter pendant la fabrication d'autres outils the bas de trou formés au moins partiellement par une matrice de carbures cémentés and the carbures sphériques, comme des aléseurs, des élargisseurs et des outils combinés d'alésage / forage. Un exemple the counts outils combinations the bas de trou est montré dans le US-A 5 678 644.
    Des essais et expérimentations précédents associés à un premémange de carbures cémentés et / ou the carbures sphériques avec du carbure the tungstène macrocristallin et / ou des poudres the carbure fondue des défillance dance the production d'un corps d'outil and matrice parfait, the haute qualité. Une augmentation de la durée de trempage de laiantière de liant à l'interérieur tels mélanges the carbures cémentés et / ou the carbures sphériques avec des poudres the carbure the tungstène macrocristallin et / ou the carbure fondu n'élimine pas sensiblement les problèmes qualité relatifs au retrait, à la ségrégation d'alliage, au manque d'infiltration, à la porosité et aux autres problems associés à une infiltration insatisfaisante des carbures cémentés et / ou des carbures sphériques. Augmenter the temperature of the matte de liant liquid, chaude, utilisée pour une infiltration dance de tels mélanges ne réduit pas non plus sensiblement les problèmes de qualité associés. Une segregation d'alliage élevée dans la partie de matière de liant liquid qui solidifie and dernier lieu à l'intérieur de différents mélanges the carbures cémentés et / ou the carbures sphériques avec du carbure the tungstène macrocristallin et / ou des carbures fondus est identifiée une cause the défauté the liaison à l'intérieur de tels mélanges, the retrait non souhaité, the porosité and d'autres probèmes de qualitémes. Lautilization de la premiere matière de matrice 131 pour former une premiere couche ou zone and combinaison avec l'utilisation d'une second matière de matrice 132 en vue de former une second couche ou zone adjacente à la premiere matière de matrice 131 peut sensiblement réduire ou éliminer une ségrégation d'alliage dance la partie, qui solidifie and dernier lieu, de la matière de liant liquid, chaude avec la première matière de matrice 131. L'addition de la sece matière de matrice 132 dans l'espace annulaire formé entre le diamètre external 154 du noyau 150 et le diamètre internal 37 de l'ébauche metallique 36 et le recouvrement de la première matière de matrice 131 comme illustré sur la Fig. 2 peut sensiblement réduire ou éliminer des problèmes relatifs à un manque d'infiltration, à une porosité, à un retrait, à un craquage et / ou une ségrégation des constituants du liant à l'intérieur de la première matière de matrice 131. Une raison the ces améliorations peut être la facilité avec laquelle une matière de liant liquid, chaude, infiltre du carbure the tungstène macrocristallin et / ou des poudres de carbure fondu.
    Comme précédemment noté, la matière de liant liquid, chaude, peut lessiver ou éliminer de petites quantités d'alliage et / ou autres contaminants à partir des matières liantes utilisées pour former des carbures cémentés. Les alliages et / ou autres contaminants lessivés peuvent avoir un point de fusion plus élevé que les matières de liant typiques association à la fabrication d'outils de forage and matrice. Par conséquent les alliages et / ou autres contaminants lessivés peuvent se solidifier dance de petits trous ou vides formés entre des pellets, sphères ou autres formes the carbure cémenté adjacents and bloquer une poursuite de l'infiltration de matière de liant liquid, chaude, entre de telles formes de carbure cémenté. L'infiltrant ou matière de liant liquid, chaude, "contaminé" peut avoir des températures de solidus and the liquidus différentes des matières de liant "vierges". And outre, un "enrichissement" d'un infiltrator and contaminants peut avoir lieu counterpart of the solidification the lai mere comme résultat d'un rejet the contaminants dissous dans l'avant liquid chaud d'un front the solidification. A côté de la ségrégation de contaminants (dissous) dance les dernières étapes de solidification, tout défaut de solidification directionnelle peut donner lieu of the problems potentials comprenant, the manière non limitative, un retreat, a porosité et / ou un déchirage à chaud.
    Des poudres de carbure de tungstène macrocristallin et de carbure fondu peuvent être sensiblement exemptes d'alliages ou d'autres contaminants associés aux matières liantes utilisées pour former des carbures cémentés. The second matière de matrice peut être choisie pour avoir moins de cinq pour-cent (5%) d'alliages ou autres contaminants potentialiels. Par conséquent, une infiltration de matière de liant liquid chaude au travers d'une second matière de matrice choisie conformément aux enseignements de la présente invention ne va generalization pass lessiver des quantités importantes allies or the other contaminants potentials.
    La première matière de matrice 131 peut être des carbures cémentés and / or des carbures sphériques, comme précédemment décrits. Des alliages the cobalt, the fer and / or the nickel peuvent être utilisés pour former des carbures cémentés and / or the carbures sphériques. Pour certaines conceptions d'outil de forage and matrice, une concentration and alliage d'environments six pour-cent dance la première matière de matrice peut procurer des résultats optimaux. Des concentrations and allium entree pour pour cent and six pour cent and ent environ six pour cent and quinze pourcent peuvent aussi être satisfaisantes pour certains d'outils de forage and matrice. Cependant, the concentrations and allium superiors for environmental pour-cent and the concentrations and alliance inférieures for environmental pour pour cent peuvent donner lieu for the character inférieures for the optimum pour le corps d'outil and matrice résultant.
    La secé matière de matrice 132 peut être formée de poudre de carbure de tungstène macrocristallin ou de carbure fondu. Comme exemples de telles poudres, on peut zither P-90 and P-100 qui sont commercialement disponibles chez Kennametal, Inc. située à Fallon, Nevada. U.S. Pat. No. 4,834,963 discloses the techniques for the use of production for the production of carbohydrates and tungstene macrocrystalline. La troisième matière de matrice 133 peut être une poudre de tungstène telle que M-70, which is commercialized disponible chez H. C. Starck, Osram Sylvania and Kennametal. The concentrations and all types of dance of the second matière de matrice 132 peuvent être comprises entre environ un pour-cent et deux pour-cent. The second matières de matrice ayant une concentration en alliage d'environ cinq pour-cent ou plus peuvent donner lieu à the caractéristiques fonctionnement insatisfaisantes pour un corps d'outil and matrice associé.
    Unprocessing infiltration typique pour couler un corps d'outil and matière composite 50 peut commencer par la formation de l'unité de moule 100. Une bague d'ajustage 110 peut être vissée au sommet du moule 102. L'entonnoir 120 peut être fileté au sommet de la bague d'ajustage 110 pour étendre l'unité de moule 100 à la hauteur souhaitée pour recevoir les matières de matrice and matière de liant précédemment décrites. Des matières à déplacement comme, d'une manière non limitative, the inserts de moulage 106, the jambes 142 et 144 et un noyau 150, peuvent alors être chargées dans l'unité de moule 100 si elles n'ont pas été précédemment placées dance la cavité de moule 104. Les matières de matrice 131, 132, 133 et l'ébauche metallique 36 pête être chargées dans l'unité de moule 100, comme précédemment décrit.
    Lorsque l'unité de moule 100 est en cours de remplissage par des matières de matrice, une série de cycles de vibrations peut être induite dance l'unité de moule 100 pour aider au tassement the chaque couche ou zone de matières de matrice 131, 132 and 133. The vibrations are identical and assured by the consistency of the chaque couche de matière de matrice 131, 132 and 133 by the interior of the various requisites pour obtenir les caractéristiques souhaitées pour the corps d'outil and matière composite 50. Un mélange non souhaité de matières de matrice 131,132 and 133 doit être évité.
    La matière de liant 160 peà © tre placée au sommet des couches 132 et 133, the l'ébauche métallique 36 et du noyau 150. La matière de liant 160 peà © tre couverte par une couche de fondant (non-représentée de manière expresse). Un recouvrement ou couvercle (non-représenté de manière expresse) tout être placé au-dessus de l'unité de moule 100. L'unité de moule 100 et les matières disposées dedans peuvent être préchauffées et ensuite placées dans un four (non-représenté de manière express). Lorsque la température de four atteint the point the fusion de la matiere de liant 160, la matière de liant liquid 160 peut s'infiltrer dans les matières de matrice 131, 132 et 133. Comme précédemment noté, la second matière de matrice 132 permet à la matière de liant liquid, chaude 160 de s'infiltrer plus uniformément dance la première matière de matrice 131 pour éviter une segregation non souhaitée dance les parties de la matière de liant liquid 160 qui se solidifie en dernier lieu avec la première matière de matrice 131 .
    Les supérieures de l'Unité de moule 100, comme l'entonnoir 120, peuvent préenter une isolation augmentée (non-représentée de manière expresse) par rapport au moule 102. Il en résulte que la matière de liant liquide, chaude, dance les parties inférieures de moule 100 from general commencer à solidifier avec la premiere matière de matrice 131 avant que la matière de liant liquid, chaude, ne se solidifie avec la second matière de matrice 132. La différence 'dans la solidification peut permettre à la matière de liant liquid, chaude, the '' flotter "ou transporter des alliages et d'autres contaminants potentials lessivés à partir de la première matière de matrice 131 dance la sece matière de matrice 132. Puisque la matière de liant liquidide, chaude, infiltrée à travers the second matière de matrice 132 avant l'infiltration à travers the premiere matière de matrice 131, alliages et autres contaminants transportés depuis la premièr e matière de matrice 131 ne peuvent pas affecter the qualité du corps d'outil and matrice résultant 50 comme si les alliages et autres contaminants etaient restés à l'intérieur de la première matière de matrice 131. La sece matière de matrice également contient de préférence less than the quatre pour-cent (4%) the count alliages ou contaminants.
    Une infiltration and a solidification appropriate for the matte de liant 160 avec for the premiere matière de matrice 131 sont particulate importantes aux emplacements adjacents for the particularités telles que des ouvertures de buse 54 et the poches 58. L'amélioration du contrôle de qualité issue d ' une infiltration accrue de la matière de liant 160 dance lessons parties de la premiere matière de matrice 131 qui forment les lames respectives 52 permet une conception de lame 52 plus mince. Les lames 52 peuvent aussi être orientées sous des angles de coupe plus aggressives avec des zones d'écoulement the fluid plus grandes entre les lames adjacentes 52.
    Pour certains modèles d'outils de forage à couteaux fixes, une formation d'un corps d'outil composite avec une premiere matière de matrice et une second matière de matrice conformément aux enseignements de la présente invention peut donner lieu à une amélioration jusqu'à cinquante pour-cent (50%) dance at resistance à l'abrasion, the cent pour-cent (100%) dance at resistance à l'érosion, cinquante pourcent (50%) dance at resistance à la rupture à la flexion et parfois de plus de cent pour-cent (100%) dans la résistance aux chocs and comparaison du même modèle d'outil the forage à couteaux fixes ayant un corps d'outil and matrice formé avec uniquement des poudres de carbure de tungstène macrocristallin et / ou de carbure fondu commercialement disponibles, ou des formulations de celes-ci. L'unité de moule 100 toddler ensuite être retirée du four et refroidie à une vitesse contrôlée. Une fois refroidie, l'unité de moule 100 peut être cassée pour mettre à nu le corps d'outil and matrice composite 50, tel que représenté sur la Fig. 3. L'usinage supreme suivant les techniques bien connues peut être utilisé pour produire l'outil de forage and matrice 20.
    Bien que la présente invention et ses avantages offers dédits and details, fa fa ententre qu'elle peut présenter diverses modifications, substitutions and alternatives sans sortir du cadre de l'invention definition par les revendications qui suivent.
    权利要求:
    Claims (13)
    [1]
    A die drill tool according to claim 1, wherein the die tool body further comprises: the first die material selected from the group consisting of cemented carbides, composite carbides and spherical carbides, and the second matrix material selected from the group consisting of macrocrystalline tungsten carbide powders, fused carbide powders and their formulations.
    [2]
    The matrix drill tool according to claim 1, further comprising: the binder material selected from the group consisting of copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), molybdenum (Co) and alloys based thereon, and alloying elements selected from the group consisting of manganese (Mn), nickel (Ni), tin (Sn), zinc (Zn), silicon (Si), molybdenum (Mo), tungsten (W), boron (B) and phosphorus (P). The die drill according to claim 1, wherein the first die material further comprises pellets. The die-drill tool of claim 1, wherein the first die material further comprises tungsten carbide composites.
    [3]
    The die drill tool according to claim 1, wherein the die tool body further comprises at least a first zone of the first matrix material and at least a second zone of the second matrix material. The matrix drill according to claim 1, further characterized in that the second matrix material has a substantially reduced amount of alloys and other potential contaminants which can be leached by hot, liquid binder material. in comparison to alloys and other potential contaminants that can be leached by hot, liquid binder material from the first matrix material.
    [4]
    The matrix drill tool according to claim 7, further characterized in that the second matrix material is operable to receive alloys or other contaminants leached from the first matrix material by a hot liquid binder without substantially reducing the quality of the bond formed by the hot, liquid binder material which contacts and solidifies with the second matrix material. The die-drilling tool of claim 1, wherein the die tool body further comprises a third die material covering the second die material. The matrix drill according to claim 9, wherein the third matrix material comprises at least partially a tungsten powder.
    [5]
    A drill tool having a composite die tool body comprising: a plurality of cutting elements disposed at selected locations on outer portions of the tool body, the composite die tool body having at least a first zone and a second zone disposed adjacent to each other, the first zone being formed at least partially by hard particles comprising cemented carbides and at least one binder material selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron or alloys thereof, the second zone being formed at least partially of hard particles selected from the group consisting of macrocrystalline tungsten carbides and fused carbides, the second zone being formed by the same binder material as the first zone .
    [6]
    The drill tool of claim 11, further characterized in that the second die material cooperates with the binder material to substantially reduce or eliminate imperfections in inner portions of the composite die tool body.
    [7]
    The drilling tool of claim 11, wherein the second matrix material comprises less than four percent alloy materials and other contaminants.
    [8]
    The drilling tool of claim 11, wherein the first zone further comprises hard particles having an alloy concentration of less than about six percent.
    [9]
    The drilling tool of claim 11, wherein the first zone further comprises hard particles having an alloy concentration of between about three percent and six percent.
    [10]
    The drilling tool of claim 11, further characterized in that the first matrix material has a cobalt concentration of between about six percent and twenty percent.
    [11]
    The drill tool of claim 11, further characterized in that the second matrix material exhibits enhanced wettability when exposed to a hot, liquid binder material, in comparison to the wettability of the first matrix material .
    [12]
    A method of manufacturing a die drill tool comprising: placing at least a first layer of a first die material selected from the group consisting of cemented carbides and spherical carbides in a die mold; die tool, placing a hollow metal blank in the mold, placing in the mold at least a second layer of a second die material selected from the group consisting of macrocrystalline tungsten carbide and molten carbide, placing a binder material in the mold with the binder material in the vicinity of the second layer of matrix material and the hollow metal blank, heating the mold, and materials disposed therein in a baking oven; a temperature selected to allow the binder material to melt and infiltrate the second matrix material and the first matrix material with hot, liquid binder material; initiating solidification of the hot, liquid binder material with the first matrix material before the hot liquid binder material solidifies with the second matrix material, and cooling the mold and disposed materials in to form a coherent composite matrix tool body, securely engaged with the hollow metal blank. 19. The method of claim 18, further comprising: placing in the mold a sand core having a generally cylindrical configuration partially delimited by an outer diameter, placing the hollow metal preform partially above the sand core to form an annular space partially delimited by an inner diameter of the hollow metal blank and the outer diameter of the sand core, and a filling of the annular space between the sand core and the hollow metal blank by the second matrix material.
    [13]
    The method of claim 18, further comprising: installing the sand core in the mold with one end of the sand core spaced from the first layer of the first matrix material, and placing portions of the second material of matrix between said one end of the sand core and adjacent portions of the first layer of the first matrix material. 21. The method of claim 18, further comprising forming inner portions of the composite die tool body with the second die material. The method of claim 18, further comprising forming outer portions of the composite matrix tool body which are associated with engagement between the bottom hole forming materials and the first matrix material and their removal. . The method of claim 18, further comprising transporting alloys and other potential contaminants leached from the first matrix material to the second matrix material by hot liquid binder material prior to solidification. of the second matrix material. The method of claim 18, further comprising placing in the mold a third layer of matrix material on the second layer of matrix material, prior to placement of the binder material.
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