專(zhuān)利名稱：具有大磨切介質(zhì)的孕鑲切削元件及其制造和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例總體上涉及可用于鉆探地質(zhì)層組和/或人造層組的鉆具。具體而言，本發(fā)明的實(shí)施例涉及內(nèi)嵌有例如聚晶金剛石的大磨切介質(zhì)(large abrasive cuttingmedia，磨蝕切削介體)的孕鑲切削元件，以及這種鉆頭的制造和使用方法。
背景技術(shù)：
鉆頭和其它鉆具可用于為勘探或其它目的而在巖石和其它地層結(jié)構(gòu)中鉆孔。例如，在鉆柱(即，聯(lián)接到鉆探頭的一連串相連的鉆桿)的下端可附接鉆頭。然后，鉆探頭(drill head,自動(dòng)鉆井水龍頭)、井下動(dòng)力鉆具或者這兩者可轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柱,并進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭。然后，可對(duì)鉆頭施加向下的力，該力可導(dǎo)致鉆頭切入地層并在地層中形成鉆孔。
可基于所鉆探的地層類(lèi)型和硬度來(lái)為特定的鉆探操作選擇鉆頭的類(lèi)型。例如，可使用具有固定刀具的表鑲刀頭(surface-set bit)或表鑲鉆頭來(lái)鉆探較軟至中硬的地層。這些鉆頭的固定刀具或插入物可被設(shè)計(jì)成依靠每轉(zhuǎn)切削深度而迅速穿入。一種常用類(lèi)型的固定刀具是聚晶金剛石復(fù)合片(H)C)插入物。PDC插入物常常沿鉆頭的切削面按特定的取向和位置分布。盡管表鑲鉆頭或固定刀具鉆頭可提供多種益處，但由于插入物通常只包括單層金剛石，因此可能使這種鉆頭的壽命受限。此外，表鑲刀頭在鉆探硬的和/或有磨蝕性的地層時(shí)可能效果差或效率低。因此，對(duì)于較硬的地層，通常優(yōu)先選擇具有可更換切削元件的孕鑲鉆頭。孕鑲鉆頭通常包括切削部或冠部(crown)，該冠部可包括含有粉末狀硬質(zhì)顆粒材料(例如碳化鎢和/或其它耐熔性或陶瓷復(fù)合物)構(gòu)成的基體。上述硬質(zhì)顆粒材料可以是燒結(jié)的和/或滲有黏結(jié)劑的材料，例如銅基合金。此外，孕鑲鉆頭的切削部也可孕鑲磨切介質(zhì)，例如天然的或合成的金剛石。在鉆探操作期間，隨著支撐基體材料磨損，磨切介質(zhì)逐漸露出。由于構(gòu)成切削部的支撐基體的磨損使得新的磨切介質(zhì)持續(xù)外露，這樣能有助于提供持續(xù)鋒利的切削表面。另夕卜，由于在鉆探期間整個(gè)冠部可隨著其被磨蝕而發(fā)揮切削元件的作用，因此能夠延長(zhǎng)孕鑲鉆頭的切削壽命。孕鑲鉆頭可持續(xù)有效地切削，直到工具的切削部磨耗殆盡為止。一旦工具的切削部耗盡，則工具變鈍而需要將其更換。盡管孕鑲鉆頭在鉆探較硬的地層時(shí)實(shí)用且高效，但由于孕鑲頭所用的磨蝕材料的尺寸的緣故，使得它們?cè)阢@探較軟地層時(shí)效果差或效率低。同理，雖然表鑲頭在鉆較軟的地層時(shí)實(shí)用且高效，但它們?cè)阢@探硬的和/或有磨蝕性的地層時(shí)效果差或效率低。因此，當(dāng)鉆探既包含硬區(qū)也包含軟區(qū)的地層時(shí)，在表鑲頭與孕鑲鉆頭之間切換可能是適宜的。更換鉆頭時(shí)需要從鉆孔中移出(或脫卸)整個(gè)鉆柱。一旦鉆頭被更換，那么通常要一段一段地組裝整個(gè)鉆柱，然后將其送回鉆孔。切換鉆頭將會(huì)是耗時(shí)、困難并具有潛在危險(xiǎn)的工作。因此，傳統(tǒng)鉆頭具有多種待改進(jìn)的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例借助實(shí)用且高效地鉆穿地層的鉆具、系統(tǒng)和方法來(lái)克服技術(shù)中的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題。例如，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例包括內(nèi)嵌有大的磨切介質(zhì)(例如聚晶金剛石)的孕鑲鉆頭。特別地，較大的磨切介質(zhì)可按雜亂排布方式遍布于(鉆頭的)冠部的至少一部分中。由于與大的涂覆或非涂覆的磨蝕材料相關(guān)聯(lián)的、大的每轉(zhuǎn)切削深度，使得較大的磨切介質(zhì)能允許鉆頭迅速地移除被鉆探地層的材料。另外，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例能夠通過(guò)提供設(shè)于表面下層的另外的大磨切介質(zhì)(其在鉆探期間隨鉆頭的冠部的磨損而露出)而提供延長(zhǎng)的使用壽命。因此，本發(fā)明的實(shí)施例能夠提高鉆頭的切削速度及其耐用性和使用壽命。例如，一種孕鑲鉆頭的實(shí)施例可包括具有第一端和相反的第二端的柄部(shank)。柄部的第一端可適于固定到鉆柱部件。從所述柄部的第二端可延伸出一冠部。該冠部可包括由硬質(zhì)顆粒材料構(gòu)成的基體、切削面以及處于該切削面與柄部之間的冠體。該孕鑲鉆頭還可包括多個(gè)具有介于約2. 5_與約5_之間的至少一個(gè)尺寸的第一磨切介質(zhì)。上述多個(gè)第一磨切介質(zhì)可按雜亂排布方式遍布設(shè)置于冠體的至少一部分中。另外，一種孕鑲鉆頭的實(shí)施例可包括柄部和固定到該柄部的切削部。切削部可包括由硬質(zhì)顆粒材料構(gòu)成的基體、遍及該切削部的至少一部分分配的多個(gè)第一磨切介質(zhì)、以 及遍及所述切削部的至少一部分分配的多個(gè)第二磨切介質(zhì)。上述多個(gè)第一磨切介質(zhì)中的至少一個(gè)磨切介質(zhì)可具有第一體積。上述多個(gè)第二磨切介質(zhì)中的至少一個(gè)磨切介質(zhì)可具有第二體積。該第二體積可小于該第一體積的約O. 75倍。此外，一種鉆探系統(tǒng)的實(shí)施例可包括鉆機(jī)(drill rig，鉆架)、適于固定到該鉆機(jī)并被該鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的鉆柱、以及適于固定到該鉆柱的孕鑲鉆頭。該孕鑲鉆頭可包括柄部和冠部。該冠部可包括具有介于約2. 5_與約5_之間的至少一個(gè)尺寸的多個(gè)聚晶金剛石。上述多個(gè)聚晶金剛石可按雜亂排布方式遍及該冠部的至少一部分分配。形成孕鑲鉆頭的方法的實(shí)施例可包括制備由硬質(zhì)顆粒材料構(gòu)成的基體。該方法還可包括使多個(gè)第一磨切介質(zhì)遍布于基體的至少一部分中。上述多個(gè)第一磨切介質(zhì)中的磨切介質(zhì)可具有介于約2. 5mm與約5_之間的至少一個(gè)尺寸。另外，該方法可包括使多個(gè)第二磨切介質(zhì)遍布于基體的至少一部分中。上述多個(gè)第二磨切介質(zhì)中的磨切介質(zhì)的最大尺寸約小于2mm。此外，該方法可包括使用黏結(jié)材料滲入基體，并將柄部固定到該基體。除前述內(nèi)容以外，一種鉆探方法可包括將孕鑲鉆頭固定到鉆柱。孕鑲鉆頭的冠部可包括硬質(zhì)顆粒材料、黏結(jié)材料、多個(gè)第一磨切介質(zhì)及多個(gè)第二磨切介質(zhì)。多個(gè)第一磨切介質(zhì)的每個(gè)磨切介質(zhì)的體積可介于約8mm與約125mm之間。多個(gè)第一磨切介質(zhì)可按雜亂排布方式遍布于冠部的至少一部分中。該方法還可包括使鉆柱旋轉(zhuǎn)，以使得孕鑲鉆頭穿入地層。在隨后的描述中將陳述本發(fā)明的示范性實(shí)施例的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，這些特征和優(yōu)點(diǎn)部分地將通過(guò)該描述而顯而易見(jiàn)，或者可通過(guò)對(duì)這些示范性實(shí)施例的實(shí)踐而得以領(lǐng)會(huì)。這些實(shí)施例的特征和優(yōu)點(diǎn)可借助隨附的權(quán)利要求書(shū)中特別指明的裝置和組合而實(shí)現(xiàn)和獲得。這些及其它特征將通過(guò)以下描述和隨附權(quán)利要求的描述而變得更為顯而易見(jiàn)，或者可通過(guò)對(duì)下文陳述的這些示范性實(shí)施例的實(shí)踐而得以領(lǐng)會(huì)。


為了描述實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述和其它的優(yōu)點(diǎn)及特征的方式，以下將參照附圖所示的具體實(shí)施方式
給出上文所簡(jiǎn)述的本發(fā)明的更具體的描述。應(yīng)注意的是，附圖并未按比例繪制，并且出于解釋的目的，在附圖中具有相似結(jié)構(gòu)或功能的元件通常由相同的附圖標(biāo)記表示。應(yīng)理解的是，附圖僅描繪了本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此其不應(yīng)被視為對(duì)本發(fā)明的范圍造成限制，下面將結(jié)合附圖，借助另外的特性和細(xì)節(jié)來(lái)描述和解釋本發(fā)明，在附圖中圖I示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括多個(gè)較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭的立體圖；圖2示出沿圖I的線2-2截取的圖I的孕鑲鉆頭的剖視圖；圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括多個(gè)較大的磨切介質(zhì)和多個(gè)小磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭的剖視圖；圖4示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括多個(gè)較大的磨切介質(zhì)、多個(gè)小磨切介質(zhì)和多個(gè)纖維的孕鑲鉆頭的剖視圖；圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有包含多個(gè)較大的磨切介質(zhì)的第一部分和包含 多個(gè)小磨蝕顆粒的第二部分的孕鑲鉆頭的剖視圖；圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括具有多個(gè)較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭的鉆探系統(tǒng)的不意圖；以及圖7示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的形成包括多個(gè)較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭的方法的操作和步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例是針對(duì)實(shí)用且高效地鉆穿地層的鉆具、系統(tǒng)和方法。例如，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例包括內(nèi)嵌有較大的磨切介質(zhì)(例如聚晶金剛石)的孕鑲鉆頭。特別地，較大的磨切介質(zhì)可按雜亂排布方式遍布于冠部的至少一部分中。由于與較大的涂覆或非涂覆的磨蝕材料相關(guān)聯(lián)的、較大的每轉(zhuǎn)切削深度，使得較大的磨切介質(zhì)能允許鉆頭迅速地移除被鉆探地層的材料。另外，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例能夠通過(guò)提供設(shè)于表面下層的另外的大磨切介質(zhì)(其在鉆探期間隨鉆頭的冠部的磨損而露出)而提供延長(zhǎng)的使用壽命。因此，本發(fā)明的實(shí)施例能夠增大鉆頭的切削速度以及其耐久性和使用壽命。根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容應(yīng)理解的是，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的具有較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭能夠用作混合型鉆頭，并同時(shí)具有表鑲鉆頭和孕鑲鉆頭的許多益處。例如，較大的磨切介質(zhì)能夠在每轉(zhuǎn)中切削更多地層材料，使得一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的孕鑲鉆頭能夠?qū)嵱们腋咝У厍邢鞲浀牡貙印Ｒ虼?，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可包括一種能夠以相對(duì)高的切削速度切削較軟地層的孕鑲鉆頭。另外，較大的磨切介質(zhì)或小磨蝕介質(zhì)(若包括的話)仍能切削較硬的地層材料，允許一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的孕鑲鉆頭實(shí)用且高效地切削較硬地層。此外，隨著較大的磨切介質(zhì)和基體在切削面處的磨損，嵌入的切削介質(zhì)將露出，以對(duì)切削面加以補(bǔ)足。由于切削介質(zhì)在孕鑲鉆頭的整個(gè)使用壽命期間可持續(xù)用于切削，因此這種構(gòu)造能夠提供切削的多用性。此處描述的鉆具能用來(lái)切削石頭、地下礦藏、陶瓷、碎巖石和沙的混合物、混凝土以及其它硬質(zhì)材料。這些鉆具可包括例如巖心取樣鉆頭、刮刀式鉆頭、擴(kuò)眼器、穩(wěn)定器、套管或鉆桿鞋(rod shoe)等。為了易于描述，附圖和下文所包括的對(duì)應(yīng)文字解釋了孕鑲型巖心取樣鉆頭的示例以及形成和使用這種鉆頭的方法。然而，根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容應(yīng)理解的是，本發(fā)明的系統(tǒng)、方法和裝置能夠與例如以上所提到的其它孕鑲鉆具、切削工具一起使用。現(xiàn)在參照附圖，圖I和圖2分別示出孕鑲鉆頭100的立體圖和剖視圖。更具體而言，圖I和圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有較大的磨切介質(zhì)的孕鑲型巖心取樣鉆頭100。如圖I所示，鉆頭100可包括切削部或冠部102。背層(backing layer,永久層)103可使冠部102固定或連接到柄部或還體(blank)104。如下文更詳細(xì)地解釋的那樣，冠部102可包括基體層，該基體層含有能夠磨蝕和切削所鉆探的材料的磨切介質(zhì)。如圖2所示，將冠部102連接到柄部104的背層103可以不含有磨切介質(zhì)。在備選的實(shí)施例中，背層103可以包括磨切介質(zhì)。如圖I和圖2所示，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，背層103可包括銷(xiāo)105。銷(xiāo)105可由聚晶金剛石、硬質(zhì)合金或具有相似材料特性的其它材料構(gòu)成。銷(xiāo)105可幫助維持鉆頭規(guī)構(gòu)型(bit gauge)并協(xié)助穩(wěn)定孕鑲鉆頭100。在備選的實(shí)施例中，背層103可不包括銷(xiāo)105。、柄部104可構(gòu)造為使孕鑲鉆頭100連接到鉆柱的部件。特別地，柄部104的上端(即，與固定到背層103的端部相反的端部)可包括連接器106，擴(kuò)眼器或其它鉆柱部件可固定到連接器106。如圖3所示，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，連接器106可包括螺紋。圖I和圖2還示出鉆頭100能夠繞其中心軸線限定一容納巖心樣本的內(nèi)部空間。因此，冠部102和柄部104均可具有由內(nèi)表面和外表面限定的大致環(huán)形的形狀。因此，被鉆探的材料碎片可經(jīng)過(guò)孕鑲鉆頭100的內(nèi)部空間，并經(jīng)由附接的鉆柱上升。孕鑲鉆頭100可具有任何尺寸，因此可用來(lái)收集任何尺寸的巖心樣本。當(dāng)孕鑲鉆頭100可具有任何直徑并可用于利用任何期望的直徑來(lái)移除和收集巖心樣本時(shí)，在一些實(shí)施例中孕鑲鉆頭100的直徑可介于約I英寸到約12英寸的范圍。而且，當(dāng)孕鑲鉆頭100的截口(即外表面的半徑減內(nèi)表面的半徑)可以是任何寬度時(shí)，根據(jù)一些實(shí)施例，截口可介于約1/4英寸到約6英寸的范圍。冠部102可構(gòu)造為在鉆探過(guò)程中切削或鉆探期望的材料。冠部102可包括切削面108和在背層103或柄部104與切削面108之間延伸的冠體。特別地，孕鑲鉆頭100的冠部102可包括多個(gè)切削元件或切削區(qū)段109。這些切削元件109可被水道(水路)112分隔開(kāi)。水道112能夠允許鉆探液(drill fluid)或其它潤(rùn)滑液流過(guò)切削面108，以在鉆探期間幫助提供冷卻。水道112還能允許鉆探液將切屑和碎片從孕鑲鉆頭100的內(nèi)表面沖刷到外表面。冠部102可以具有任何數(shù)量的水道112，只要該數(shù)量的水道能夠提供所需的流體/碎片流的量以及允許冠部102維持所需的結(jié)構(gòu)完整性即可。例如，圖I和圖2示出的孕鑲鉆頭100包括八個(gè)水道112。根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容應(yīng)理解的是，本發(fā)明并不以此為限。在另外的實(shí)施例中，孕鑲鉆頭100可包括最少一個(gè)水道或最多20個(gè)以上的水道，這取決于期望的構(gòu)造和待鉆探的地層。另外，水道112可在冠部102的周緣平均或不平均地間隔分布。例如，圖I描繪了八個(gè)繞冠部102的周緣彼此平均分隔開(kāi)的水道112。然而，在備選實(shí)施例中，這些水道112可交錯(cuò)地或不平均地分隔開(kāi)。如圖I和圖2所示，冠部102可包括多個(gè)分布在基體114內(nèi)的較大的磨切介質(zhì)110。較大的磨切介質(zhì)110可通過(guò)在每轉(zhuǎn)中移除更多材料而使孕鑲鉆頭100能夠更為迅速地切削軟質(zhì)地層材料。如此處所使用的，術(shù)語(yǔ)“較大”指的是磨切介質(zhì)具有(i)至少一個(gè)介于約I. Omm與約8mm之間、或更優(yōu)選地介于約2. 5mm與約5mm之間的尺寸；或者(ii)具有介于約Imm3與512mm3之間、或更優(yōu)選地介于約15. 2mm3與約125mm3之間的體積；或者(iii)介于約每石108克拉與約每石5克拉之間的尺寸。較大的磨切介質(zhì)110可具有不同的形狀或者這些形狀的組合，例如球形、立方體形、圓柱形、不規(guī)則形狀或其它形狀。較大的磨切介質(zhì)110的“至少一個(gè)尺寸”因此可包括長(zhǎng)度、直徑、寬度、高度或其它尺寸。例如，圖2示出具有立方體形的較大的磨切介質(zhì)。較大的磨切介質(zhì)可包括一種或多種天然金剛石、合成金剛石、聚晶金剛石、熱穩(wěn)定金剛石、氧化鋁、碳化硅、氮化硅、氮化鎢、立方氮化硼、碳化硼、氧化鋁、有晶種或無(wú)晶種的溶膠凝膠氧化鋁、其它合適材料或其組合。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，較大的磨切介質(zhì)110可包括單一聚晶金剛石材料，例如不具有碳化物基層的熱穩(wěn)定金剛石。另外，在一些實(shí)施例中，較大的磨切介質(zhì)可包括一種或多種材料的涂層。該涂層包括金屬、陶瓷、聚合物、玻璃、其它材料或者上述材料的組合。例如，較大的磨切介質(zhì)可鍍覆有金屬，例如鐵、鈦、鎳、銅、鑰、鉛、鎢、鋁、鉻或者其組合或合金。在另一實(shí)施例中，較大的磨切介質(zhì)可涂有陶瓷材料，例如Sic、SiO、SiO2等等。涂層可覆蓋較大的磨切介質(zhì)的所有表面或僅其一部分表面。另外，涂層可以具有任何期望的厚度。例如，在一些實(shí)施例中，涂層可具有約I微米至約20微米的厚度。涂層可通過(guò)噴濺、刷涂、電鍍、浸潰、氣相淀積或化學(xué)氣相淀積而施涂到較大的磨切介質(zhì)上。在一些實(shí)施例中，涂層能有助于使較大的磨切介質(zhì)結(jié)合到基體。另外或者備選地，涂層能有助于為較大的磨切介質(zhì)提供溫度保護(hù)。并且，或者備選地，涂層能夠提高或者改變較大的磨切介質(zhì)的磨損屬性。圖2示出較大的磨切介質(zhì)110可分布在冠部102的切削面108上。另外，圖2示出較大的磨切介質(zhì)110可遍布于冠體的至少一部分(S卩，冠部102的處于切削面108與背層103或柄部104之間的部分)之中。換言之，較大的磨切介質(zhì)110可嵌入冠部102內(nèi)并處于切削面108以及切削面108后方。因此，在鉆探過(guò)程期間，隨著切削面108上的較大的磨切介質(zhì)110和基體114磨損或磨蝕，能露出嵌入的較大的磨切介質(zhì)110，再對(duì)切削面108加以補(bǔ)足。由于較大的磨切介質(zhì)110在孕鑲鉆頭100的整個(gè)使用壽命期間可持續(xù)用于切削，因而這種構(gòu)造能夠提供切削的多用性。較大的磨切介質(zhì)110可遍布于冠部102的至少一部分中。例如，圖2示出較大的磨切介質(zhì)Iio基本上遍布于整個(gè)冠部102中。在備選實(shí)施例中，較大的磨切介質(zhì)110可以僅遍布于冠部102的一部分中。例如，在一些實(shí)施例中，較大的磨切介質(zhì)110可以僅分布在冠部102的靠近切削面108的部分中。在其它實(shí)施例中，較大的磨切介質(zhì)110可以僅分布在冠部102的位于切削面108之后的部分中。如圖2所示，較大的磨切介質(zhì)110可按雜亂排布方式設(shè)置在冠部102中。在另外的實(shí)施例中，較大的磨切介質(zhì)Iio可以隨機(jī)地分布在冠部102中。因此，在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，較大的磨切介質(zhì)110相對(duì)于彼此或切削面108并不是以特定的對(duì)齊方式排布。在備選實(shí)施例中，較大的磨切介質(zhì)110可以按特殊方式對(duì)齊，使得切削介質(zhì)的切削屬性處于相對(duì)切削面108的有利位置。如圖2所示，在任何情況下，較大的磨切介質(zhì)110可以均勻地遍布于冠部102中。在備選實(shí)施例中，較大的磨切介質(zhì)110可以不均勻地遍布于冠部102中。例如在一些實(shí)施例中，根據(jù)需要，在冠部102的任何期望部分中，較大的磨切介質(zhì)110的濃度可以是變化的。特別地，冠部102可以包括較大的磨切介質(zhì)110的一個(gè)分布梯度。例如，冠部102的最靠近孕鑲鉆頭100的切削面108的部分可包含較大的磨切介質(zhì)110的第一濃度，較大的磨切介質(zhì)110的濃度可以朝向背層103而逐漸減小或增大。這種孕鑲鉆頭100可用來(lái)鉆探開(kāi)始為軟的磨蝕性未固結(jié)地層、然后逐漸轉(zhuǎn)變到硬質(zhì)的無(wú)固結(jié)地層的地層。因此，可根據(jù)使用孕鑲鉆頭100鉆探的期望的地層來(lái)定制較大的磨切介質(zhì)110在孕鑲鉆頭100中的分布情況。如前所述，較大的磨切介質(zhì)110可以分布在基體114內(nèi)。基體114可包括硬質(zhì)顆粒材料，例如 金屬或陶瓷。根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容應(yīng)理解的是，硬質(zhì)顆粒材料可包括粉末狀材料(例如粉末狀金屬或合金)以及陶瓷復(fù)合物。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，硬質(zhì)顆粒材料可包括碳化鎢。如此處所使用的，術(shù)語(yǔ)“碳化鎢”意指包含鎢和碳的化學(xué)成分的任何材料成分，例如WC、W2C以及WC與W2C的組合。因此，碳化鎢包括例如鑄造碳化鎢、燒結(jié)碳化鎢和粗結(jié)晶鎢。根據(jù)本發(fā)明另外的或備選的實(shí)施例，硬質(zhì)顆粒材料可包括碳、鎢、鐵、鈷和/或鑰和碳化物、硼化物、上述材料的合金或任何其它合適材料。另外，雖然圖中未示，但是冠部102還可包括黏結(jié)劑。該黏結(jié)劑可包括銅、鋅、銀、鑰、鎳、鈷或其混合物和合金。黏結(jié)劑能使基體114與較大的磨切介質(zhì)110結(jié)合，由此使冠部102結(jié)合在一起。如上文所述，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可包括除了較大的磨切介質(zhì)之外的小磨切介質(zhì)。例如，圖3示出包括除了較大的磨切介質(zhì)110之外的多個(gè)小磨切介質(zhì)116的孕鑲鉆頭IOOa的剖視圖。圖3示出小磨切介質(zhì)116可沿較大的磨切介質(zhì)110分布在基體114內(nèi)。小磨切介質(zhì)116可利用磨蝕來(lái)切削地層。因此，小磨切介質(zhì)116可以使孕鑲鉆頭IOOa能夠高效地切削較硬的地層。此處所使用的術(shù)語(yǔ)中，術(shù)語(yǔ)“小”指的是磨切介質(zhì)具有(i)小于約2mm或更優(yōu)選地介于約O. Olmm至約I. Omm之間的最大尺寸；或(ii)具有小于較大的磨切介質(zhì)的約O. 75倍體積、或更優(yōu)選地小于較大的磨切介質(zhì)的約O. 5倍體積的體積；或(110介于約O. OOlmm3與約8mm3之間的體積。小磨切介質(zhì)116可具有不同的形狀或者其組合，例如球形、立方體形、圓柱形、不規(guī)則形狀或其它形狀。小磨切介質(zhì)116的“最大尺寸”因此可包括長(zhǎng)度、直徑、寬度、重量或其它尺寸。小磨切介質(zhì)116可包括一種或多種天然金剛石、合成金剛石、聚晶金剛石、熱穩(wěn)定金剛石、氧化鋁、碳化硅、氮化硅、碳化鎢、立方氮化硼、氮化硼、氧化鋁、有晶種或無(wú)晶種溶膠凝膠氧化鋁、其它合適材料或其組合。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，小磨切介質(zhì)116可包括單晶金剛石。圖3示出小磨切介質(zhì)116可分布在冠部102的切削面108上。另外，圖3示出小磨切介質(zhì)116可遍布于冠體的至少一部分(即冠部102的處于切削面108與柄部104之間的部分)之中。換言之，小磨切介質(zhì)116可嵌入冠部102內(nèi)并位于切削面108處以及切削面108之后。因此，在鉆探過(guò)程期間，隨著切削面108上的較大的磨切介質(zhì)110、小磨切介質(zhì)116以及基體114的磨損或磨蝕,能露出嵌入的較大的磨切介質(zhì)110和小磨切介質(zhì)116,進(jìn)而再對(duì)切削面108加以補(bǔ)足。由于較大的磨切介質(zhì)110和小磨切介質(zhì)116在孕鑲鉆頭100的整個(gè)使用壽命期間可持續(xù)用于切削，因而這種構(gòu)造能夠提供切削的多用性。小磨切介質(zhì)116可遍布于冠部102的至少一部分中。例如，圖3示出小磨切介質(zhì)116基本上遍布于整個(gè)冠部102中。在備選實(shí)施例中，小磨切介質(zhì)116可僅遍布于冠部102的一部分中。例如在一些實(shí)施例中，小磨切介質(zhì)116可僅分布在冠部102的靠近切削面108的部分中。在其它實(shí)施例中，小磨切介質(zhì)116可以僅分布在冠部102的位于切削面108之后的部分中。如圖3所示，小磨切介質(zhì)116可按雜亂排布方式設(shè)置在冠部102中。在另外的實(shí)施例中，小磨切介質(zhì)116可以隨機(jī)地(任意地)分布在冠部102中。因此，在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，小磨切介質(zhì)116相對(duì)于彼此或切削面108并不是以特定的對(duì)齊方式排布。如圖3所示，在任何情況下，小磨切介質(zhì)116可以均勻地遍布于冠部102中。在備選實(shí)施例中，小磨切介質(zhì)116可以不均勻地遍布于冠部102中。例如在一些實(shí)施例中，根據(jù)需要，在冠部102的任何期望部分中，小磨切介質(zhì)116的濃度可以是變化的。特別地，冠部102可以包括小磨切介質(zhì)116的一個(gè)分布梯度。例如，冠部102的最靠近孕鑲鉆頭IOOa的切削面108的部分可包含小磨切介質(zhì)116的第一濃度，小磨切介質(zhì)116的濃度可以朝向柄部104逐漸減小或增大。這種孕鑲鉆頭IOOa可用來(lái)鉆探開(kāi)始為軟的磨蝕性未固結(jié)地層、然后逐漸轉(zhuǎn)變到硬質(zhì)的無(wú)固結(jié)地層的地層。因此，可根據(jù)使用孕鑲鉆頭IOOa鉆探的期望的地層來(lái)定制較大的磨切介質(zhì)110和小磨切介質(zhì)116在孕鑲鉆頭IOOa中的分布情況。圖3還示出了在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，切削面108的較大的磨切介質(zhì)IlOa可延伸到切削面108之外。換言之，較大的磨切介質(zhì)110可從冠部102軸向延伸離開(kāi)切削面108。較大的磨切介質(zhì)IlOa能有助于允許新鉆具IOOa快速啟動(dòng)。在備選實(shí)施例中，切削面108可以不是延伸到切削面108之外的、較大的磨切介質(zhì)110a，例如圖I和圖2的孕鑲鉆頭100。在其它實(shí)施例中，切削面108可包括有助于鉆探過(guò)程的其它特征，例如徑向凹槽。圖4示出包括較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭的又一另外實(shí)施例。圖4示出的孕鑲鉆頭IOOb包括具有較大的磨切介質(zhì)110、小磨切介質(zhì)116和分布在由硬質(zhì)顆粒材料構(gòu)成的基體114內(nèi)的多個(gè)纖維118的冠部102。特別地，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的冠部102可包括纖維，例如于2007年11月30日提交的名稱為“Fiber-Containing Diamond ImpregnatedCutting Tools (含纖維的金剛石孕鑲鉆具)”的美國(guó)第11/948，185號(hào)專(zhuān)利申請(qǐng)，即當(dāng)前的美國(guó)第7，695，542號(hào)專(zhuān)利中描述的纖維，其整體內(nèi)容被以援引方式納入本文。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，纖維118能有助于控制基體114的磨蝕速率，進(jìn)而控制磨切介質(zhì)(其為較大的磨切介質(zhì)110或小磨切介質(zhì)116)露出的速率。纖維118可具有不同的形狀或其組合，例如帶式、圓柱形、多邊形、橢圓形、直形、彎形、卷曲形、盤(pán)繞形、彎角形等。孕鑲鉆頭IOOb的冠部102中的纖維118可以是任何尺寸或多個(gè)尺寸的組合，包括不同尺寸的混合物。纖維118可以具有任何長(zhǎng)度并且具有任何期望的直徑。在一些實(shí)施例中，纖維118的長(zhǎng)度可以介于約10微米與約25，000微米之間，并可具有介于約I微米與約500微米之間的直徑。在其它實(shí)施例中，纖維118的長(zhǎng)度可約為150微米，并可具有約7微米的直徑。纖維118可包括一個(gè)或多個(gè)碳纖維、金屬纖維(例如由塢、碳化鎢、鐵、鑰、鈷或其組合制成的纖維)、玻璃纖維、聚合纖維(例如由Kevlar制成的纖維)、陶瓷纖維(例如由碳化硅制成的纖維)、涂覆纖維和/或類(lèi)似物。圖4示出纖維118可分布于冠部102的切削面108。圖4示出纖維118可遍布于 冠體的至少一部分(即，冠部102的處于切削面108與柄部104之間的一部分)之中。換言之,纖維118可在切削面108以及切削面108后面嵌入冠部102內(nèi)。纖維118可遍布于冠部102的至少一部分中。例如，圖4示出纖維118基本上遍布于整個(gè)冠部102之中。在備選的實(shí)施例中，纖維118可以僅遍布于冠部102的一部分中。例如，在一些實(shí)施例中，纖維118可以僅分布在冠部102的靠近切削面108的部分中。在其它實(shí)施例中，纖維118可以僅分布在冠部102的位于切削面108之后的部分中。如圖4所示，纖維118可以按雜亂排布方式設(shè)置在冠部102中。在另外的實(shí)施例中，纖維118可以隨機(jī)地分布在冠部102中。因此，在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，纖維118 相對(duì)彼此或切削面108不按特定的對(duì)齊方式排布。如圖4所示，在任何情況下，纖維118可以均勻地遍布于冠部102中。在備選的實(shí)施例中，纖維118可以不均勻地遍布于冠部102中。例如在一些實(shí)施例中，根據(jù)需要，在冠部102的任何部分中，纖維118的濃度可以是變化的。特別地，冠部102可以包括纖維118的一個(gè)分布梯度。例如，冠部102的最靠近孕鑲鉆頭IOOb的切削面108的部分可包括纖維118的第一濃度，纖維118的濃度可以朝向柄部104逐漸減小或增大。如前文所提到的，可根據(jù)使用本發(fā)明的孕鑲鉆頭鉆探的期望的地層來(lái)定制較大的磨切介質(zhì)Iio和/或小磨切介質(zhì)116在本發(fā)明的孕鑲鉆頭中的分布。例如，圖5示出了具有被定制為適于特定地層的冠部102的孕鑲鉆頭IOOc的剖視圖。特別地，最靠近孕鑲鉆頭IOOc的切削面108的冠部部分102a包含多個(gè)較大的磨切介質(zhì)110。另外，最靠近孕鑲鉆頭IOOc的冠部部分102b包含多個(gè)小磨切介質(zhì)116。這種孕鑲鉆頭IOOc可用來(lái)鉆探開(kāi)始為軟的磨蝕性未固結(jié)地層、然后逐漸轉(zhuǎn)變到硬質(zhì)的無(wú)固結(jié)地層的地層。特別地，冠部的第一部分102a中的較大的磨切介質(zhì)110可切削地層中的軟材料，允許孕鑲鉆頭IOOc相對(duì)迅速地穿透軟地層。然后，冠部的第二部分102b中的小磨切介質(zhì)116可磨蝕地層中的較硬材料，允許孕鑲鉆頭IOOc相對(duì)迅速地穿透較硬的地層。在備選實(shí)施例中，冠部的第一部分102a可包括小磨切介質(zhì)116，同時(shí)冠部的第二部分102b包括較大的磨切介質(zhì)110。在其它實(shí)施例中，冠部的第一部分102a和第二部分102b可包括較大的磨切介質(zhì)110和小磨切介質(zhì)116。在另外的實(shí)施例中，孕鑲鉆頭IOOc可包括兩個(gè)以上不同的區(qū)段(section) 102a、102b。例如，孕鑲鉆頭IOOc可包括三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)或更多的區(qū)段，每個(gè)區(qū)段適于高效地切削不同類(lèi)型的地層。應(yīng)理解的是，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭幾乎能夠與任何類(lèi)型的鉆探系統(tǒng)配合使用來(lái)執(zhí)行各種鉆探操作。例如，圖6和對(duì)應(yīng)的文字解釋或描述了一種能夠與本發(fā)明的鉆具配合使用的鉆探系統(tǒng)。然而，應(yīng)理解的是，圖6中示出并描述的鉆探系統(tǒng)僅是能夠與本發(fā)明的鉆具一起使用的系統(tǒng)的一個(gè)示例。例如，圖6示出包括鉆探頭122的鉆探系統(tǒng)120。鉆探頭122可聯(lián)接到桅架(mast)124，桅架124依次聯(lián)接到鉆機(jī)1260。鉆探頭122可構(gòu)造為具有相聯(lián)接的一個(gè)或多個(gè)管狀構(gòu)件128。管狀構(gòu)件可包括(但不以此為限)鉆桿、套管、擴(kuò)眼器和下孔錘。為便于參考，這里管狀構(gòu)件128將在鉆柱部件之后描述。鉆柱部件128可因此聯(lián)接到其它鉆柱部件128，以形成鉆探或工具柱130。進(jìn)而，鉆柱130可聯(lián)接到包括較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭100，例如上文所述的巖心取樣鉆頭100、100a、100b、100c。如之前所提到的，包括較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭100可構(gòu)造為適于切入待鉆探的材料132或地層。在至少一個(gè)示例中，圖I所示的鉆探頭122可構(gòu)造為適于在鉆探過(guò)程期間轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柱130。特別地，鉆探頭122可改變鉆柱130的旋轉(zhuǎn)速度。例如，可根據(jù)鉆探過(guò)程而按需要選擇鉆探頭的旋轉(zhuǎn)速率和/或鉆探頭122傳遞到鉆柱130的扭矩。此外，鉆探系統(tǒng)120可構(gòu)造為適于在鉆探操作期間向鉆柱130施加大體縱向向下的力，推動(dòng)包括較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭100進(jìn)入地層132中。例如，鉆探系統(tǒng)120可包括構(gòu)造為相對(duì)于桅架124移動(dòng)拖運(yùn)器組件的鏈驅(qū)動(dòng)組件，以便對(duì)如上所述的包括較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭100施加大體縱向的力。此處使用的術(shù)語(yǔ)“縱向”意指沿鉆柱130的長(zhǎng)度的方向。另外，此處使用的術(shù)語(yǔ)“上部”、“頂部”和“之上”以及“下部”和“之下”指的是鉆柱130的縱向位置。術(shù)語(yǔ)“上部”、“頂部”和“之上”指的是更靠近桅架124的位置，“下部”和“之下”指的是更靠近包括較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭100的位置。因此，根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容應(yīng)理解的是，本發(fā)明的鉆具能夠用于本領(lǐng)域的任何目的。例如包括較大的磨切介質(zhì)的鉆頭100、100a、100b、IOOc可附接到鉆柱130的端部，該鉆柱130 進(jìn)而連接到鉆孔機(jī)或鉆機(jī)126。隨著鉆柱130、進(jìn)而包括較大的磨切介質(zhì)100的孕鑲鉆頭旋轉(zhuǎn)并被鉆孔機(jī)126推動(dòng)，鉆頭100能夠磨削正在鉆探的地下地層132的材料。鉆取的巖心樣本能夠從鉆柱130取回。由于磨削操作，鉆頭100的切削部隨時(shí)間經(jīng)過(guò)而磨損。這個(gè)過(guò)程可持續(xù)到鉆頭100的切削部被磨耗殆盡為止，然后可使鉆柱130離開(kāi)鉆孔并更換鉆頭100。本發(fā)明的實(shí)施例還包括形成包括較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭的方法。以下描述了至少一種形成具有較大的磨切介質(zhì)的鉆具的方法。當(dāng)然，作為正文前的圖文內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到上述被詳細(xì)解釋的方法可被更改為使用本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)部件來(lái)設(shè)置各種不同的構(gòu)造。例如，圖7示出了采用本發(fā)明的原理制造具有較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭的方法的一個(gè)示例的流程圖。以下參照?qǐng)DI至圖6的部件和圖示來(lái)描述圖7的操作。
作為初始的內(nèi)容，此處使用的術(shù)語(yǔ)“滲入”或“浸潤(rùn)”包括熔化黏結(jié)劑材料并使熔化的黏結(jié)劑透入并填充基體的空間或細(xì)孔。在冷卻時(shí)，黏結(jié)劑能夠固化，使基體的顆粒黏結(jié)在一起。在此使用的術(shù)語(yǔ)“燒結(jié)”意思是消除顆粒之間的細(xì)孔(可通過(guò)收縮實(shí)現(xiàn))的至少一部分，這些細(xì)孔與相鄰顆粒之間的接合和黏結(jié)相結(jié)合。例如，圖7示出的形成孕鑲鉆頭的方法可包括制備基體的操作(步驟)200。操作200可包括制備由硬質(zhì)顆粒材料構(gòu)成的基體。例如，操作200可包括制備由粉末狀材料構(gòu)成的基體，例如碳化鎢。在另外的實(shí)施例中，基體可包括一種或多種之前描述的硬質(zhì)顆粒材料。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，操作200可包括將基體置于模型中。上述模型可由能夠耐受在加熱過(guò)程中基體所經(jīng)受的熱量的材料構(gòu)成。在至少一個(gè)實(shí)施例中，該模型可由碳構(gòu)成。該模型的形狀可被制造為使其形成具有期望的特征的鉆頭。在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，該模型可以與巖心鉆頭相對(duì)應(yīng)。另外，圖7示出的該方法可包括使多個(gè)較大的磨切介質(zhì)的操作210遍布于基體的至少一部分中。例如，操作210可包括將多個(gè)第一磨切介質(zhì)遍及基體的至少一部分散布。特別地，操作210可包括散布具有介于約2. 5_與約5_之間的至少一個(gè)尺寸的、相對(duì)較大磨切介質(zhì)。在一些實(shí)施例中，操作210可包括散布具有介于約8mm3與約125mm3之間的體積的、較大的磨切介質(zhì)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，上述較大的磨切介質(zhì)可包括聚晶金剛石。另夕卜，該方法可包括在基體中以隨機(jī)或雜亂排布方式散布較大的磨切介質(zhì)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，該方法還可包括在基體的至少一部分中散布多個(gè)小磨切介質(zhì)。例如，該方法可包括在基體的至少一部分中散布多個(gè)第二磨切介質(zhì)。特別地，該方法可包括散布具有小于約2mm的最大尺寸的磨切介質(zhì)。在一些實(shí)施例中，該方法可包括散布具有小于Smm3的體積的小磨切介質(zhì)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，較小的切削介質(zhì)可包括天然金剛石或合成金剛石。在其它實(shí)施例中，較小的切削介質(zhì)可包括單晶金剛石。另外，該方法可包括在基體中按隨機(jī)或雜亂排布方式散布小磨切介質(zhì)。在一個(gè)或多個(gè)進(jìn)一步實(shí)施例中，該方法還可包括在基體的至少一部分中散布多個(gè)纖維。特別地，該方法可包括在基體中按隨機(jī)或雜亂排布方式散布碳纖維。圖7還示出該方法可包括使黏結(jié)劑滲入基體的操作220。操作220可包括將黏結(jié)劑加熱到熔化狀態(tài)并使熔化的黏結(jié)劑滲入基體。例如，在一些實(shí)施例中，可將黏結(jié)劑鄰近基體114放置，基體114和黏結(jié)劑可被加熱到足以使黏結(jié)劑達(dá)到熔化狀態(tài)的溫度。在該點(diǎn)處，熔化的黏結(jié)劑可滲入基體114。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，操作220可包括將基體114和黏結(jié)劑加熱到至少787 ° 的溫度。 黏結(jié)劑可包括銅、鋅、銀、鑰、鎳、鈷、錫、鐵、鋁、硅、錳或其混合物和合金。黏結(jié)劑可被冷卻，以將基體和磨切介質(zhì)黏結(jié)，由此使基體與磨切介質(zhì)黏結(jié)在一起。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，可延長(zhǎng)浸潤(rùn)過(guò)程的時(shí)間和/或升高溫度，以使黏結(jié)劑能夠充滿基體中的更多數(shù)量和更大量的細(xì)孔。這樣能夠減少燒結(jié)期間的收縮，并提高所制成的鉆具的強(qiáng)度。另外，圖7示出的該方法可包括將柄部固定到基體114的操作230。例如，操作230可包括使柄部104接觸基體114。于是，可增加另外的基體的背層103、黏結(jié)劑材料和/或助焊劑并使其與基體114及柄部104接觸，以完成新的鉆頭的初始制備。一旦新的鉆頭形成，可將其放入爐中，由此將鉆頭固化。此后,可按需要通過(guò)機(jī)械加工來(lái)完成鉆頭。在浸潤(rùn)基體114之前、之后或與浸潤(rùn)基體114過(guò)程一起，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方法可包括將基體114燒結(jié)到期望的密度。因?yàn)闊Y(jié)包括密化并且消除結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)孔，所以在燒結(jié)過(guò)程中燒結(jié)的結(jié)構(gòu)會(huì)收縮。該結(jié)構(gòu)在燒結(jié)期間可經(jīng)歷介于1%與40%之間的線收縮。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)小于完全燒結(jié)的結(jié)構(gòu)的壓型(模型、沖模等)或機(jī)加工特征時(shí)，需要考慮并計(jì)算尺寸收縮。因此，在此描述的示意圖和方法提供了許多能夠有效鉆探軟地層和硬地層的獨(dú)特的產(chǎn)品。另外，作為較大的磨切介質(zhì)，這種產(chǎn)品提高了鉆探穿入速率。此外，因?yàn)檩^大的磨切介質(zhì)可遍布于冠部中，所以在孕鑲鉆頭的使用壽命期間，能夠持續(xù)地露出新的和較大的 磨切介質(zhì)。因此，本發(fā)明能夠以其它特定形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這并不背離本發(fā)明的原理或基本特性。例如，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的孕鑲鉆頭可包括一個(gè)或多個(gè)封閉的流體槽，例如于2006 年 12 月 14 日提交的名稱為 “Core Drill Bit with Extended Crown Longitudinaldimension (具有擴(kuò)展的冠部縱向尺寸的巖心鉆頭)”的美國(guó)第11/610，680號(hào)專(zhuān)利申請(qǐng)，即現(xiàn)今的美國(guó)第7，628，228號(hào)專(zhuān)利中描述的封閉的流體槽，其整體內(nèi)容被以援引方式納入本文。另外，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的孕鑲鉆頭可包括一個(gè)或多個(gè)漸縮形水道，例如于2009 年 12 月 15 曰提交的名稱為 “Drill Bits With Axially-Tapered Waterways (具有軸向漸縮形水道的鉆頭)”的美國(guó)第12/638，229號(hào)專(zhuān)利申請(qǐng)中描述的漸縮形水道，其整體內(nèi)容被以援引方式納入本文。從任何方面來(lái)講，所描述的實(shí)施方式應(yīng)當(dāng)僅被視為示例性而非限制性的。因此，本發(fā)明的范圍是由隨附的權(quán)利要求書(shū)而非前述說(shuō)明書(shū)來(lái)指定。落入權(quán)利要求的等同物的意義和范圍內(nèi)的所有改變應(yīng)仍包含在權(quán)利要求的范圍內(nèi)?！?br> 權(quán)利要求
1.ー種孕鑲鉆頭，包括 柄部，具有第一端和相対的第二端，所述第一端適于固定到鉆柱部件； 冠部，從所述柄部的所述第二端延伸，所述冠部包括由硬質(zhì)顆粒材料構(gòu)成的基體、切削面和處于所述切削面與所述柄部之間的冠體；以及 多個(gè)第一磨切介質(zhì)，具有介于約2. 5mm與約5mm之間的至少ー個(gè)尺寸,所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)按雜亂排布方式設(shè)置遍及所述冠體的至少一部分。
2.如權(quán)利要求I所述的孕鑲鉆頭，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)包括聚晶金剛石。
3.如權(quán)利要求2所述的孕鑲鉆頭，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)包括熱穩(wěn)定金剛石。
4.如權(quán)利要求I所述的孕鑲鉆頭，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)包括氧化鋁。
5.如權(quán)利要求I所述的孕鑲鉆頭，還包括多個(gè)第二磨切介質(zhì)，所述多個(gè)第二磨切介質(zhì)的最大尺寸約小于2_，所述多個(gè)第二磨切介質(zhì)按雜亂排布方式分配遍及所述冠體的至少一部分。
6.如權(quán)利要求5所述的孕鑲鉆頭，其中，所述多個(gè)第二磨切介質(zhì)的磨切介質(zhì)包括天然金剛石。
7.如權(quán)利要求5所述的孕鑲鉆頭,其中,所述最大直徑介于約O.Olmm與約I. Omm之間。
8.如權(quán)利要求5所述的孕鑲鉆頭，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)遍布于鄰近所述切削面的所述冠體的第一部分中，而所述多個(gè)第二磨切介質(zhì)被散布遍及于所述冠體的處于所述第一部分與所述柄部之間的第二部分。
9.如權(quán)利要求I所述的孕鑲鉆頭，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)包括立方體形的磨切介質(zhì)。
10.如權(quán)利要求I所述的孕鑲鉆頭，其中，所述冠部包括環(huán)形、切削面、內(nèi)表面和外表面，所述環(huán)形包括貫穿其中的縱軸線，所述冠部圍繞該縱軸線限定一內(nèi)部空間用以容納巖心樣本。
11.如權(quán)利要求I所述的孕鑲鉆頭，還包括多個(gè)按雜亂排布方式散布遍及于所述冠體的至少一部分中的纖維。
12.如權(quán)利要求I所述的孕鑲鉆頭，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)中的磨切介質(zhì)延伸到所述切削面之外。
13.如權(quán)利要求I所述的孕鑲鉆頭，還包括設(shè)于所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)上的一個(gè)或多個(gè)涂層。
14.ー種孕鑲鉆頭，包括 柄部； 切削部，固定到所述柄部，所述切削部包括由硬質(zhì)顆粒材料構(gòu)成的基體； 多個(gè)第一磨切介質(zhì)，被遍及所述切削部的至少一部分分配，其中所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)中的至少ー個(gè)磨切介質(zhì)具有第一體積；以及 多個(gè)第二磨切介質(zhì)，被遍及所述切削部的至少一部分分配，其中所述多個(gè)第二磨切介質(zhì)中的至少ー個(gè)磨切介質(zhì)具有第二體積，并且其中所述第二體積約小于所述第一體積的O. 75 倍。
15.如權(quán)利要求14所述的孕鑲鉆頭,其中,所述第一體積介于約8mm3與約125mm3之間。
16.如權(quán)利要求14所述的孕鑲鉆頭,其中，所述第二體積介于約O.OOlmm3與約8mm3之間。
17.如權(quán)利要求14所述的孕鑲鉆頭，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)包括聚晶金剛石。
18.如權(quán)利要求17所述的孕鑲鉆頭，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)包括熱穩(wěn)定金剛石。
19.如權(quán)利要求14所述的孕鑲鉆頭，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)包括氧化鋁。
20.如權(quán)利要求14所述的孕鑲鉆頭，其中，所述多個(gè)第二磨切介質(zhì)包括單晶金剛石。
21.如權(quán)利要求14所述的孕鑲鉆頭，還包括被遍及所述切削部的至少一部分分配的多個(gè)纖維。
22.如權(quán)利要求14所述的孕鑲鉆頭，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)和所述多個(gè)第二磨切介質(zhì)被基本上整體地遍及所述切削部任意分配。
23.如權(quán)利要求14所述的孕鑲鉆頭，其中，所述切削部包括環(huán)形的冠部、切削面、內(nèi)表面和外表面，所述環(huán)形的冠部包括貫穿其中的縱軸線，所述環(huán)形的冠部圍繞該縱軸線限定一內(nèi)部空間用以容納巖心樣本。
24.如權(quán)利要求14所述的孕鑲鉆頭，其中，所述硬質(zhì)顆粒材料包括碳化鎢。
25.如權(quán)利要求14所述的孕鑲鉆頭，其中，所述切削部的分配有所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)的所述至少一部分處于所述切削部的切削面與所述柄部之間。
26.如權(quán)利要求14所述的孕鑲鉆頭，還包括設(shè)于所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)上的一個(gè)或多個(gè)涂層。
27.—種鉆探系統(tǒng),包括 鉆機(jī)； 鉆柱，適于固定到所述鉆機(jī)并由所述鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；以及 孕鑲鉆頭，適于固定到所述鉆柱，所述孕鑲鉆頭包括柄部和冠部，所述冠部包括具有介于約2. 5_與約5_之間的至少ー個(gè)尺寸的多個(gè)聚晶金剛石，所述多個(gè)聚晶金剛石按雜亂排布方式分配遍及所述冠部的至少一部分。
28.如權(quán)利要求27所述的鉆探系統(tǒng)，其中，所述聚晶金剛石包括熱穩(wěn)定金剛石。
29.如權(quán)利要求27所述的鉆探系統(tǒng)，還包括最大尺寸小于約2mm的多個(gè)天然金剛石或合成金剛石，所述多個(gè)天然金剛石或合成金剛石按雜亂排布方式分配遍及所述冠部的至少一部分。
30.如權(quán)利要求27所述的鉆探系統(tǒng)，還包括多個(gè)遍及所述冠部的至少一部分分配的纖維。
31.ー種形成孕鑲鉆頭的方法，包括 制備由硬質(zhì)顆粒材料構(gòu)成的基體； 將多個(gè)第一磨切介質(zhì)遍及所述基體的至少一部分分配，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)中的磨切介質(zhì)具有介于約2. 5mm與5mm之間的至少ー個(gè)尺寸； 將多個(gè)第二磨切介質(zhì)遍及所述基體的至少一部分分配，其中，所述多個(gè)第二磨切介質(zhì)中的磨切介質(zhì)的最大尺寸小于約2mm ； 使用黏結(jié)劑材料滲入所述基體；以及 將柄部固定到所述基體材料。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，還包括燒結(jié)所述基體。
33.如權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)包括聚晶金剛石。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述多個(gè)第二磨切介質(zhì)包括金剛石。
35.如權(quán)利要求31所述的方法，還包括多個(gè)遍及所述基體的至少一部分分配的纖維。
36.如權(quán)利要求31所述的方法，還包括使所述基體形成到環(huán)形的冠部。
37.一種鉆探方法,包括 將孕鑲鉆頭固定到鉆柱，其中，所述孕鑲鉆頭的冠部包括硬質(zhì)顆粒材料、黏結(jié)材料、多個(gè)第一磨切介質(zhì)和多個(gè)第二磨切介質(zhì)； 其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)中的姆個(gè)磨切介質(zhì)的體積介于約8mm3與約125mm3之間，并且其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)按雜亂排布方式分配遍及所述冠部的至少一部分；以及轉(zhuǎn)動(dòng)所述鉆柱，使得所述孕鑲鉆頭穿入地層。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，還包括將所述鉆柱固定到ー鉆機(jī)，并使用所述鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所述鉆柱。
39.如權(quán)利要求37所述的方法，還包括使用所述孕鑲鉆頭取回一巖心樣本。
40.如權(quán)利要求37所述的方法，其中，所述多個(gè)第一磨切介質(zhì)包括聚晶金剛石，而所述多個(gè)第二磨切介質(zhì)包括金剛石。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例包括內(nèi)嵌有多個(gè)較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭，這種嵌入孕鑲鉆頭中的介質(zhì)例如為聚晶金剛石。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，較大的磨切介質(zhì)可按雜亂排布方式遍布于冠部的至少一部分中。另外，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可包括多個(gè)相對(duì)小的第二磨切介質(zhì)。本發(fā)明的實(shí)施例還包括包含內(nèi)嵌有多個(gè)較大的磨切介質(zhì)的孕鑲鉆頭的鉆削系統(tǒng)、使用這種孕鑲鉆頭的方法以及形成這種孕鑲鉆頭的方法。
文檔編號(hào)E21B10/48GK102667049SQ201080052706
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者克里斯蒂安·M·蘭貝特, 邁克爾·D·魯普 申請(qǐng)人:長(zhǎng)年Tm公司