本公開大體上涉及鉆井工具，諸如鉆地鉆頭。

背景

各種類型的鉆井工具用于在井下地層中形成井筒，所述鉆井工具包括但不限于旋轉鉆頭、擴孔器、巖心鉆頭、隨鉆擴孔器(underreamer)、打孔器、穩(wěn)定器和其他井下工具。旋轉鉆頭的示例包括但不限于固定刀具鉆頭、刮刀鉆頭、聚晶金剛石復合片(pdc)鉆頭、基體鉆頭以及與形成延伸通過一個或多個井下地層的油氣井相關聯(lián)的混合式鉆頭。

基體鉆頭通常通過將松散加強材料(通常呈粉末形式)放置在模具中并且用粘結材料(諸如銅合金)滲透加強材料來形成。在粘結材料與加強材料凝固之后，用熔融的金屬合金或粘結材料滲透的加強材料可形成基體鉆頭本體。包含基體鉆頭特征的混合式鉆頭可以類似的方式形成。

附圖簡述

為了更完全地理解本發(fā)明及其特征與優(yōu)點，現(xiàn)結合附圖來參考以下描述，附圖中：

圖1是鉆井系統(tǒng)的正視圖；

圖2是以常常用于建?；蛘咴O計固定刀具鉆頭的方式向上定向的旋轉鉆頭的等距視圖；

圖3是形成具有局部化性質(zhì)的mmc鉆頭的示例性方法的流程圖；

圖4是斷開部分的示意性剖視圖，示出模具組件的示例，其中局部化粘結材料的薄片和板材定位在刀片的外表面和金屬基復合物(mmc)鉆頭的頂端附近；

圖5是斷開部分的示意性剖視圖，示出模具組件的示例，其中局部化粘結材料的薄片和網(wǎng)片定位在流體流動通道、刀片的外表面以及mmc鉆頭的頂端附近；

圖6是斷開部分的示意性剖視圖，示出模具組件的示例，其中局部化粘結材料的環(huán)、桿和球粒定位在流體流動通道、刀片的外表面以及mmc鉆頭的頂端附近；

圖7是斷開部分的示意性剖視圖，示出模具組件的示例，其中局部化粘結材料的環(huán)、桿和球粒定位在流體流動通道、刀片的外部以及mmc鉆頭的頂端附近；并且

圖8是斷開部分的示意性剖視圖，示出模具組件的示例，其中局部化粘結材料的板和薄片以漸變配置定位在流體流動通道、刀片的外表面以及mmc鉆頭的頂端附近。

詳細描述

在地下操作期間，各種井下工具(包括鉆頭、取心鉆頭、擴孔器和/或打孔器)可被下放到井筒中并且可由金屬基復合物(mmc)形成。根據(jù)本文公開的各種系統(tǒng)和方法，用來形成mmc的材料可包括在制造期間并入的局部化粘結材料，所述局部化粘結材料可被構造來在井下工具的選定區(qū)域中提供局部化性質(zhì)，使得選定區(qū)域的性質(zhì)被針對選定區(qū)域在地下操作期間所經(jīng)歷的條件來優(yōu)化。可基于在地下操作期間存在于井下工具的區(qū)域中的不利條件和/或井下工具的區(qū)域的功能來選擇局部化粘結材料以提供局部化性質(zhì)。因此，局部化粘結材料的使用可提高鉆井工具的性能。例如，井下工具的遭受高應力的區(qū)域可更易延展，使得所述區(qū)域具有止裂性質(zhì)，而井下工具的遭受腐蝕的區(qū)域可不太延展，使得所述區(qū)域具有抗腐蝕性質(zhì)。另外，在井下工具的不太遭受應力、腐蝕和/或其他不利條件并且無需由加強材料提供強度的區(qū)域中，局部化粘結材料可用來替換更加昂貴的加強材料并且因此減少鉆井工具的成本。通過參考圖1至圖8最好地理解本公開及其優(yōu)點，各圖中相同編號用于指示相同和對應部分。

圖1是鉆井系統(tǒng)的正視圖。鉆井系統(tǒng)100可包括井表面或井場106。諸如旋轉臺、鉆井液泵和鉆井液槽(未明確地示出)的各種類型的鉆井裝備可位于井表面或井場106。例如，井場106可包括鉆機102，所述鉆機102可具有與陸地鉆機相關聯(lián)的各種性質(zhì)和特征。然而，并入有本公開的教示內(nèi)容的井下鉆井工具可令人滿意地與位于海上平臺、鉆探船、半潛式裝置和/或鉆井駁船(未明確地示出)上的鉆井裝備一起使用。

鉆井系統(tǒng)100可包括與鉆頭101相關聯(lián)的鉆柱103，所述鉆頭101可用于形成廣泛多種井筒或者井眼，諸如大體垂直井筒114a或大體水平井筒114b或者其組合。各種定向鉆井技術和鉆柱103的井底鉆具組合件(bha)120的相關聯(lián)部件可用于形成水平井筒114b。例如，橫向力可在鄰近開始位置113處施加給bha120以形成從大體垂直井筒114a延伸的大體水平井筒114b。術語定向鉆井可用于描述鉆探井筒或者井筒的部分，所述井筒或者井筒的部分以相對于垂直的一個或多個所需角度延伸。此類角度可大于與垂直井筒相關聯(lián)的正常變化。定向鉆井可包括水平鉆井。

鉆井系統(tǒng)100還可包括旋轉鉆頭(鉆頭)101。圖2中進一步詳細論述的鉆頭101可以是mmc鉆頭，所述mmc鉆頭可通過將松散加強材料(包括碳化鎢粉末)放置在模具中并且用通用粘結材料(包括銅合金和/或鋁合金)滲透加強材料來形成。模具可通過銑削材料塊(諸如石墨)以限定具有大體對應于鉆頭101的外部特征的特征的模具腔來形成。

鉆頭101可包括一個或多個刀片126，所述刀片126可從鉆頭101的旋轉鉆頭本體124的外部部分向外設置。旋轉鉆頭本體124可以是大體上圓柱形的，并且刀片126可以是從旋轉鉆頭本體124向外延伸的任何合適類型的突起。鉆頭101可在由方向箭頭105限定的方向上相對于鉆頭旋轉軸104旋轉。刀片126可包括從每個刀片126的外部部分向外設置的一個或多個切割元件128。刀片126還可包括設置在刀片126上的一個或多個保徑墊(未明確地示出)。鉆頭101可根據(jù)本公開的教示內(nèi)容來設計和形成，并且可根據(jù)鉆頭101的特定應用而具有許多不同的設計、配置和/或尺寸。

在一些實施方案中，在模具裝載過程期間，可在模具的選定位置處將局部化粘結材料放置在加強材料內(nèi)，以提供鉆頭101的局部化性質(zhì)。局部化性質(zhì)可針對選定區(qū)域在地下操作期間所經(jīng)歷的條件來優(yōu)化鉆頭101的選定位置。局部化粘結材料可與通用粘結材料相同或不同?？苫阢@頭101的放置局部化粘結材料的區(qū)域的選定局部化性質(zhì)來將局部化粘結材料以多種配置放置，如參考圖2-8更詳細描述的。在通用粘結材料和局部化粘結材料凝固之后，加強材料和局部化粘結材料可用熔融通用粘結材料來滲透以形成鉆頭本體124。

圖2是以常常用于建?；蛘咴O計固定刀具鉆頭的方式向上定向的旋轉鉆頭的等距視圖。在鉆頭的至少一部分由mmc形成的方面來說，鉆頭可以是各種類型的固定刀具鉆頭中的任一種，包括可操作來形成延伸通過一個或多個井下地層的井筒114(如圖1中示出)的pdc鉆頭、刮刀鉆頭、基體鉆頭、鋼體鉆頭、混合式鉆頭和/或包括固定刀具鉆頭和牙輪鉆頭的組合鉆頭。鉆頭101可根據(jù)本公開的教示內(nèi)容來設計和形成，并且可根據(jù)鉆頭101的特定應用而具有許多不同的設計、配置和/或尺寸。

在地下操作期間，鉆頭101的不同區(qū)域可暴露于不同的力和/或應力。因此，在鉆頭101的制造期間，鉆頭101的性質(zhì)可定制成使得鉆頭101的一些區(qū)域可具有與鉆頭101的其他區(qū)域不同的性質(zhì)?？赏ㄟ^將選定類型的局部化粘結材料以選定位置和選定配置放置在用于鉆頭101的模具中來實現(xiàn)局部化性質(zhì)?？苫阢@頭101的區(qū)域所經(jīng)歷的井下條件和/或鉆頭101的區(qū)域的功能來選擇局部化粘結材料的類型、位置和/或配置來提供鉆頭101的局部化性質(zhì)。

鉆頭101可以是mmc鉆頭，所述mmc鉆頭可通過將松散加強材料(包括碳化鎢粉末)放置在模具中并且用通用粘結材料(包括銅合金和/或鋁合金)滲透加強材料來形成。模具可通過銑削材料塊(諸如石墨)以限定具有大體對應于鉆頭101的外部特征的特征的模具腔來形成?？赏ㄟ^使模具腔成型和/或通過將臨時置換材料定位在模具腔的內(nèi)部部分內(nèi)來提供鉆頭101的各種特征，包括刀片126、刀具凹窩166和/或流體流動通道。預成型的釬子尾或鉆頭心軸(有時稱為鉆坯)可放置在模具腔內(nèi)以向鉆頭本體124提供加強并且允許鉆頭101與鉆柱和/或bha附接。在通用粘結材料與加強材料凝固之后，可將一定量的加強材料放置在模具腔內(nèi)并且用熔融通用粘結材料滲透以形成鉆頭本體124。

在模具裝載過程期間，可將局部化粘結材料放置在模具的選定位置處，以提供鉆頭101的局部化性質(zhì)。局部化粘結材料可與通用粘結材料相同或不同，并且可以基于鉆頭101的放置局部化粘結材料的區(qū)域的選定局部化性質(zhì)來將局部化粘結材料以多種配置放置，如參考圖4-8更詳細描述的。

鉆頭101可包括柄部152，所述柄部152上形成有鉆桿螺紋155。在圖1中示出，螺紋155可用來使鉆頭101與井底鉆具組合件(bha)(諸如bha120)可釋放地接合，由此鉆頭101可相對于鉆頭旋轉軸104旋轉。多個刀片126a–126g可具有設置在其間的相應排屑槽或流體流動路徑140。由于地下操作期間的腐蝕，鉆頭101可形成有放置在排屑槽140附近的局部化粘結材料來提供抗腐蝕性。局部化粘結材料可被選擇來減少排屑槽140中的表面能以提供通過排屑槽140的優(yōu)化流體流。

鉆井液可被傳送到一個或多個噴嘴156。鉆頭101靠近噴嘴156的區(qū)域在地下操作期間可能遭受應力，這可導致鉆頭101中的裂縫。局部化粘結材料可添加在噴嘴156附近以增大延性并且在鉆頭101的噴嘴156附近提供止裂性質(zhì)。局部化粘結材料可被選擇來減少噴嘴156附近的表面能以提供通過噴嘴156的優(yōu)化鉆井液流。

鉆頭101可包括一個或多個刀片126a–126g(統(tǒng)稱為刀片126)，所述刀片126a–126g可從旋轉鉆頭本體124的外部部分向外設置。旋轉鉆頭本體124可具有大體上圓柱形的本體，并且刀片126可以是從旋轉鉆頭本體124向外延伸的任何合適類型的突起。例如，刀片126的一部分可直接地或間接地耦接到鉆頭本體124的外部部分，而刀片126的另一部分可遠離鉆頭本體124的外部部分突出。根據(jù)本公開的教示內(nèi)容形成的刀片126可具有廣泛多種配置，包括但不限于大致上拱形、螺旋狀、螺旋形、錐形、會聚式、發(fā)散式、對稱和/或非對稱的配置。

刀片126中的每一個可包括鄰近或朝向鉆頭旋轉軸104設置的第一末端，和鄰近或朝向鉆頭101的外部部分設置(即，大體上遠離鉆頭旋轉軸104并且朝向鉆頭101的井上部分設置)的第二末端。刀片126可具有可對應于刀片126最遠離鉆頭本體124的部分的頂端142，并且刀片126可在平臺145處接合鉆頭本體124。頂端142和平臺145在地下操作期間可能遭受應力，這可導致頂端142和平臺145中的裂縫。因此，局部化粘結材料可添加在頂端142和平臺145附近以增大延性并且在頂端142和平臺145處提供止裂性質(zhì)。

在一些情況下，刀片126可具有大致上拱形的配置、大體上螺旋狀的配置、螺旋形配置或者適用于每個鉆井工具的任何其他配置。一個或多個刀片126可具有從鄰近鉆頭101的旋轉軸104處延伸的大致上拱形的配置。拱形配置可部分地由從鄰近鉆頭旋轉軸104處延伸的大體上凹入的凹陷形部分限定。拱形配置還可部分地由設置在凹入的凹陷部分與每個刀片的外部部分之間的大體上凸出的向外彎曲部分限定，所述外部部分大體上與旋轉鉆頭的外徑相對應。刀片126的外表面在地下操作期間可能遭受高應力，這可導致沿著刀片126的外表面形成裂縫。局部化粘結材料可添加在刀片126的外表面附近以增大延性并且在刀片126的外表面處提供止裂性質(zhì)。

刀片126可具有從旋轉軸104徑向延伸的大體弓形配置。刀片126的弓形配置可彼此配合以部分地限定設置成相鄰于鉆頭旋轉軸并且從所述鉆頭旋轉軸徑向向外延伸的大體上錐形或凹陷部分。刀片126的外部部分、切割元件128和其他合適的元件可被描述為鉆頭面的形成部分。

刀片126a–126g可包括圍繞鉆頭旋轉軸104設置的主刀片。例如，在圖2中，刀片126a、126c和126e可以是主刀片或主要刀片，因為刀片126a、126c和126e中的每一個的相應第一末端141可被設置成緊鄰于相關聯(lián)的鉆頭旋轉軸104。在一些配置中，刀片126a–126g還可包括設置在主刀片之間的至少一個副刀片。在圖2中示出的位于鉆頭101上的刀片126b、126d、126f和126g可以是副刀片或次要刀片，因為相應的第一末端141可被設置在井下末端151上與相關聯(lián)鉆頭旋轉軸104相距一定距離。主刀片和副刀片的數(shù)量和位置可變化，使得鉆頭101包括更多或者更少的主刀片和副刀片。刀片126可相對于彼此和鉆頭旋轉軸104對稱地或者非對稱地設置，其中所述設置可基于鉆井環(huán)境的井下鉆井條件。在一些情況下，刀片126和鉆頭101可在由方向箭頭105限定的方向上圍繞旋轉軸104旋轉。

每個刀片可具有在鉆頭101的旋轉方向上設置在刀片一側上的前導(或者前)表面130，和遠離鉆頭101旋轉方向設置在刀片相對側上的尾隨(或者后)表面132。前導表面130在地下操作期間可能遭受腐蝕。局部化粘結材料可用于刀片126的前導表面130的區(qū)域附近以增大前導表面130的止裂性質(zhì)、抗腐蝕性和剛性。刀片126可沿著鉆頭本體124定位以使得它們具有相對于旋轉軸104的螺旋形配置。在其他配置中，刀片126可沿著鉆頭本體124相對于彼此和相對于鉆頭旋轉軸104以大體上平行配置來定位。

刀片126可包括從每個刀片126的外部部分向外設置的一個或多個切割元件128。例如，切割元件128的一部分可直接地或間接地耦接到刀片126的外部部分，而切割元件128的另一部分可遠離刀片126的外部部分突出。切割元件128可以是被構造來切進地層中的任何合適的設備，包括但不限于主切割元件、備用切割元件、副切割元件或其任何組合。舉例而非限制地來說，切割元件128可以是適用于廣泛多種鉆頭101的各種類型的刀具、緊湊件、按鈕件、插入件和保徑刀具。

切割元件128可包括相應襯底，其中一層硬質(zhì)切割材料(包括切割臺162)設置在每個相應襯底(包括襯底164)的一端上。刀片126可包括可被構造來接收切割元件128的凹部或刀具凹窩166。例如，刀具凹窩166可以是位于刀片126上的凹入切口。刀具凹窩166在地下操作期間可能遭受沖擊力。因此，局部化粘結材料可用來為刀具凹窩166提供沖擊韌性。另外，局部化粘結材料可用來增大刀具凹窩166的表面能以有助于增大粘結附著性。另外，局部化粘結材料可用來在刀具凹窩166中形成更粗糙表面，從而當切割元件128耦接到刀具凹窩166時在硬釬焊過程期間提供機械連鎖。

刀片126還可包括設置在刀片126上的一個或多個保徑墊(未明確地示出)。保徑墊可以是設置在刀片126的外部部分上的保徑件、保徑分段或者保徑部分。保徑墊可常常接觸井筒114的由鉆頭101形成的相鄰部分。刀片126的外部部分和/或相關聯(lián)的保徑墊可以相對于井筒114的大體上垂直部分的相鄰部分的各種角度(正、負和/或平行)設置。保徑墊可包括一層或多層的表面硬化材料。

鉆頭(諸如鉆頭101)可使用模具組件形成。圖3是形成具有局部化性質(zhì)的金屬基復合物鉆頭的示例性方法的流程圖。方法300的步驟可由人或制造設備(稱為制造者)來執(zhí)行，所述制造設備被配置來填充用來形成mmc鉆頭的模具。

方法300可開始于步驟302，在步驟302中制造者可將加強材料放置在基體鉆頭本體模具中?；w鉆頭本體模具可類似于參考圖4-8描述的模具。加強材料可選擇來為所得鉆頭提供設計性質(zhì)，諸如抗斷裂性、韌性和/或抗腐蝕性、抗磨損性和耐磨性。加強材料可以是任何合適的材料，諸如但不限于金屬顆粒、金屬合金、高溫合金、金屬間化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金剛石等或者其任何組合。更具體地，適于結合本文描述的實施方案使用的加強顆粒的示例可包括顆粒，所述顆粒包含但不限于：鎢、鉬、鈮、鉭、錸、銥、釕、鈹、鈦、鉻、銠、鐵、鈷、鎳、氮化物、氮化硅、氮化硼、立方晶氮化硼、天然金剛石、合成金剛石、硬質(zhì)合金、球形碳化物、低合金燒結材料、鑄造碳化物、碳化硅、碳化硼、立方碳化硼、碳化鉬、碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉻、碳化釩、碳化鐵、碳化鎢、粗晶碳化鎢、鑄造碳化鎢、壓燒結碳化鎢、滲碳碳化鎢、鋼、不銹鋼、奧氏體鋼、鐵素體鋼、馬氏體鋼、沉淀硬化鋼、雙相不銹鋼、陶瓷、鐵合金、鎳合金、鈷合金、鉻合金、合金(例如，可從haynes國際公司購得的含鎳鉻合金)、合金(例如，可從specialmetals公司購得的奧氏體含鎳鉻高溫合金)、(例如，奧氏體鎳基高溫合金)、合金(例如，可從altempalloys有限公司購得的含鎳鉻合金)、合金(例如，可從haynes國際公司購得的含鎳鉻高溫合金)、合金(例如，可從megamex公司購得的含鐵鎳高溫合金)、mp98t(例如，可從spstechnologies公司購得的鎳銅鉻高溫合金)、tms合金、合金(例如，可從c-m集團購得的鎳基高溫合金)、鈷合金6b(例如，可從hpa公司購得的鈷基高溫合金)、n-155合金、它們的任何混合物及其任何組合。在一些實施方案中，加強顆?？杀煌扛病Ｔ谝恍┣闆r下，多種類型的加強材料可用來形成單個所得鉆頭。

在步驟304處，制造者可在基體鉆頭本體模具中將局部化粘結材料放置在加強材料內(nèi)選定位置處。局部化粘結材料可與加強材料分層和/或混合。局部化粘結材料的放置可在所得鉆頭的局部化粘結材料所放置的區(qū)域中提供局部化性質(zhì)，如參考圖4-8進一步詳細描述的。局部化粘結材料可包括任何合適的粘結材料，諸如過渡金屬(例如，銥、錸、釕、鎢、鉬、鉿、鉻、錳、銠、鐵、鈷、鈦、鈮、鋨、鈀、鉑、鋯、鎳、銅、鈧、鉭、釩、釔)、后過渡金屬(例如，鋁和錫)、半金屬(例如，硼和硅)、堿土金屬(例如，鈹和鎂)、鑭系元素(例如，鑭和鐿)、非金屬(例如，碳、氮和氧)和/或其合金?？苫诓牧系臄U散性質(zhì)選擇局部化粘結材料的類型。例如，一些材料可提供較少反擴散的更加集中的擴散，這可更加適合用于較小區(qū)域，而其他材料可提供較快擴散并且可在較大區(qū)域上擴散，這可更加適合用于較大區(qū)域。

圖4-8中的示例示出針對局部化粘結材料使用不同材料的各種潛在實施方案。針對局部化粘結材料使用包含鉻、碳、鉬、錳、鎳、鈷、鎢、鈮、鉭、釩、硅、銅和鐵的合金可產(chǎn)生局部化性質(zhì)，所述局部化性質(zhì)可以是耐磨性、抗腐蝕性、耐磨損性或堅硬性。針對局部化粘結材料使用銥、錸、錸、鎢、鉬、鈹、鉻、銠、鐵、鈷、鎳及其合金可產(chǎn)生剛性局部化性質(zhì)。例如，具有釩、鉻、鉬、鉭、鎢、錸、鋨或銥的合金鎳增大所得合金的彈性模量。

由于局部化粘結材料與通用粘結材料的相互作用所致的陶瓷材料(例如，碳化物、硼化物、氮化物和氧化物)的形成可產(chǎn)生先前提及的所希望性質(zhì)中的任一個的有益局部化變化。作為示例，在存在許多金屬的情況下通常具有高表面能的陶瓷材料可有益于排屑槽，其中抗球化性質(zhì)是所希望的。碳化物、硼化物、氮化物和氧化物的就地形成可通過在局部化粘結材料中包含碳、硼、氮和氧來實現(xiàn)。具體地，碳化物可通過使用局部化粘結材料中的鉬、鎢、鉻、鈦、鈮、釩、鉭、鋯、鉿、錳、鐵、鎳、硼和硅來形成。硼化物可通過使用局部化粘結材料中的鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、鐵、鈷、鎳和鑭來形成。氮化物可使用局部化粘結材料中的硼、硅、鋁、鐵、鎳、鈧、釔、鈦、釩、鉻、鋯、鉬、鎢、鉭、鉿、錳和鈮來形成。氧化物可通過使用局部化粘結材料中的硅、鋁、釔、鋯和鈦來形成。

金屬間化合物也可證明是有益的，因為在局部化粘結材料附近的區(qū)域中形成此類材料可產(chǎn)生先前提及的所希望性質(zhì)中的任一種的有益變化。合適的金屬間化合物包括在兩個金屬元素之間形成的化學計量相和非化學計量相。形成耐火鋁基金屬間化合物的元素的示例包括硼、碳、鈷、鉻、銅、鐵、鉿、銥、錳、鉬、鈮、鎳、鈀、鉑、錸、釕、鈧、鉭、鈦、釩、鎢和鋯。耐火金屬間化合物體系的其他示例包括銀鈦、銀鋯、金鉿、金錳、金鈮、金鈧、金鉭、金鈦、金銩、金釩、金鋯、硼鉻、硼錳、硼鉬、硼鈮、硼釹、硼釕、硼硅、硼鈦、硼釩、硼鎢、硼釔、鈹銅、鈹鐵、鈹鈮、鈹鎳、鈹鈀、鈹鈦、鈹釩、鈹鎢、鈹鋯、它們的任何組合等。

在一些情況下，局部化粘結材料可包含加強顆粒(諸如以上參考加強材料提及的加強顆粒)并且否則可用加強顆粒加強。

根據(jù)局部化粘結材料的選定局部化性質(zhì)和/或選定擴散速率，局部化粘結材料可具有各種大小和形狀，如參考圖4-8進一步詳細描述的?；诰植炕再|(zhì)有待在其上傳播的區(qū)域的選定性質(zhì)和/或大小，局部化粘結材料可以多種配置放置。局部化粘結材料的不同配置的示例在圖4-8中示出。

在步驟306處，制造者可確定是否存在應放置局部化粘結材料的另一個選定位置。如果存在應放置局部化粘結材料的另一個選定位置，那么方法300可返回到步驟304并且將局部化粘結材料放置在下一個選定位置，否則方法300可前進到步驟308。步驟302和304可同時發(fā)生，直到基體鉆頭本體模具已填滿為止。

在步驟308處，制造者可將通用粘結材料放置在基體鉆頭本體模具中。在已將加強材料裝入模具中之后，可將通用粘結材料放置在模具中。通用粘結材料可包括任何合適的粘結材料，諸如銅、鎳、鈷、鐵、鋁、鉬、鉻、錳、錫、鋅、鉛、硅、鎢、硼、磷、金、銀、鈀、銦和/或其合金。通用粘結材料和/或局部化粘結材料可被選擇成使得在地下操作期間的井下溫度小于通用粘結材料、局部化粘結材料和/或在通用粘結材料與局部化粘結材料之間形成的任何合金的熔點。

在步驟310處，制造者可通過任何合適的加熱機構(包括加熱爐)對基體鉆頭本體模具和設置在其中的材料進行加熱。當通用粘結材料的溫度超過通用粘結材料的熔點時，液態(tài)通用粘結材料可流入加強材料中。

在步驟312處，由于通用粘結材料滲透加強材料，通用粘結材料可另外與局部化粘結材料反應和/或擴散到局部化粘結材料中。在一些反應中，通用粘結材料與局部化粘結材料之間的反應可形成金屬間材料組合物。在其他反應中，通用粘結材料與局部化粘結材料之間的反應可形成硬合金組合物。

在步驟314處，制造者可使基體鉆頭本體模具、加強材料、局部化粘結材料和通用粘結材料冷卻。所述冷卻可在控制速率下發(fā)生。在完成冷卻過程后，模具可斷開，從而暴露出所得鉆頭的本體。所得鉆頭本體可經(jīng)受進一步的制造過程以完成鉆頭。

圖4是斷開部分的示意性剖視圖，示出模具組件的示例，其中局部化粘結材料的薄片和板材定位在刀片的外表面和mmc鉆頭的頂端附近。模具組件400可包括模具470、測規(guī)環(huán)472和可由任何合適材料(諸如石墨)形成的漏斗474。測規(guī)環(huán)472可被螺接成與模具470的頂部耦接并且漏斗474可被螺接成與測規(guī)環(huán)472的頂部耦接。漏斗474可用來基于有待使用模具組件400制造的鉆頭的大小來使模具組件400延伸到一定高度。模具組件400的部件可使用任何合適的制造過程(諸如鑄造和/或機加工)來形成。模具組件400的形狀可具有與有待使用模具組件400形成的鉆頭(所得鉆頭)的外部特征反向的輪廓。

在一些情況下，根據(jù)所得鉆頭的配置，各種類型的臨時置換材料和/或模具插件可安裝在模具組件400內(nèi)。臨時置換材料和/或模具插件可由任何合適的材料(諸如固結砂和/或石墨)形成。臨時置換材料和/或模具插件可用來在所得鉆頭中形成空隙。例如，固結砂可用來形成芯476和/或流體流動通道480。另外，模具插件(未明確地示出)可放置在模具組件400內(nèi)以在刀片426中形成凹窩466。切割元件(包括圖2所示的切割元件128)可附接到凹窩466，如關于圖2所示的刀具凹窩166所描述的。

大體上中空圓柱形金屬心軸478可放置在模具組件400內(nèi)。金屬心軸478的內(nèi)徑可大于芯476的外徑并且金屬心軸478的外徑可小于所得鉆頭的外徑。金屬心軸478可用來形成鉆頭的內(nèi)部的一部分。

在將置換材料放置在模具組件400內(nèi)之后，模具組件可充滿加強材料490。加強材料490可選擇來為所得鉆頭提供設計性質(zhì)，諸如抗斷裂性、韌性和/或抗腐蝕性、抗磨損性和耐磨性。加強材料490可以是任何合適的材料，諸如金屬顆粒、金屬合金、高溫合金、金屬間化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金剛石等或者其任何組合。雖然圖4示出單一類型的加強材料490，但是可使用多種類型的加強材料490。

在將加強材料490裝入模具組件400中的過程期間，可將局部化粘結材料492裝入指定位置中并且其可與加強材料490分層和/或混合，如圖3所示的方法300的步驟304所描述的。局部化粘結材料492的放置可在所得鉆頭的放置局部化粘結材料492的區(qū)域中提供局部化性質(zhì)。局部化粘結材料492可包括任何合適的粘結材料，諸如選自由以下各項組成的組的材料：過渡金屬、后過渡金屬、半金屬、堿土金屬、鑭系元素、非金屬及其任何合金?？苫诓牧系臄U散性質(zhì)選擇局部化粘結材料492。例如，一些材料可提供較少反擴散的更加集中的擴散，這可更加適合用于較小區(qū)域(包括凹窩466)，而其他材料可提供較快擴散并且可在較大區(qū)域上擴散，這可更加適合用于較大區(qū)域(包括刀片426的外表面)。通用粘結材料494與局部化粘結材料492之間的更集中的反應可通過選擇具有低相互擴散系數(shù)的材料并且在滲透過程期間依賴于材料的重力及其合金化來實現(xiàn)，以在局部化區(qū)域中產(chǎn)生局部化性質(zhì)。

根據(jù)局部化粘結材料492的選定局部化性質(zhì)和/或選定擴散速率，局部化粘結材料492可具有各種大小和形狀。例如，局部化粘結材料492可具有幾何形狀，包括立方體、球體、星形、環(huán)形、矩形棱柱和/或平行六面體形狀，或者可呈薄片或板。在一些情況下，局部化粘結材料492可呈粉末形式并且可與加強材料490混合并放置在選定區(qū)域中。在粉末形式下，局部化粘結材料492可具有在微米尺度到毫米尺度范圍內(nèi)的大小。

基于局部化性質(zhì)有待在其上傳播的區(qū)域的選定性質(zhì)和/或大小，局部化粘結材料492可以多種配置放置。例如，在圖4中，局部化粘結材料492a可以是放置在排屑槽置換件496的外表面497附近的具有基本上相同厚度的板和/或薄片，并且局部化粘結材料492b可以是放置在所得鉆頭的平臺區(qū)域中的具有不同厚度的板和/或薄片。此外，局部化粘結材料492c可以是放置在刀片426的外表面附近的具有基本上相同厚度的板和/或薄片。局部化粘結材料492b的厚度梯度可在刀片426的整個頂端區(qū)域上提供漸變性質(zhì)。在一些配置中，局部化粘結材料492可成型成符合所得鉆頭的局部幾何結構。例如，局部化粘結材料492a可類似于排屑槽置換件496的曲率來彎曲。

一旦將加強材料490和局部化粘結材料492裝入模具組件400中，就可使用任何合適的機構(諸如一系列振動周期)將加強材料490裝入模具組件400中。填裝過程可有助于確保加強材料490的一致密度并且在所得鉆頭的由加強材料490形成的整個部分上提供一致性質(zhì)。

在填裝加強材料490之后，可將通用粘結材料494放置在加強材料490、芯476和/或金屬心軸478的頂部上。通用粘結材料494可包括任何合適的粘結材料，諸如銅、鎳、鈷、鐵、鋁、鉬、鉻、錳、錫、鋅、鉛、硅、鎢、硼、磷、金、銀、鈀、銦和/或其合金。通用粘結材料494和/或局部化粘結材料492可選擇成使得在地下操作期間的井下溫度小于通用粘結材料494、局部化粘結材料492和/或在通用粘結材料494與局部化粘結材料492之間形成的任何合金的臨界溫度或熔點。

可通過任何合適的加熱機構(包括加熱爐)對模具組件400和設置在其中的材料進行加熱。當通用粘結材料494的溫度超過通用粘結材料494的熔點時，液態(tài)通用粘結材料494可朝向模具470流入加強材料490中。由于通用粘結材料494滲透加強材料490，通用粘結材料494可另外與局部化粘結材料492反應和/或擴散到局部化粘結材料492中。在一些反應中，通用粘結材料494與局部化粘結材料492之間的反應可形成金屬間材料組合物。在其他反應中，通用粘結材料494與局部化粘結材料492之間的反應可形成硬合金組合物。通用粘結材料494與局部化粘結材料492之間的擴散可在鉆頭的包含滲透加強材料490的區(qū)域與鉆頭的包含熔融局部化粘結材料492的區(qū)域之間形成性質(zhì)功能梯度。

一旦通用粘結材料494已滲透加強材料490和/或局部化粘結材料492，就可將模具組件400從加熱爐移除并以受控速率使其冷卻。在完成冷卻過程后，模具組件400可斷開，從而暴露出所得鉆頭的本體。所得鉆頭本體可經(jīng)受進一步的制造過程以完成鉆頭。例如，切割元件(例如，圖2所示的切割元件128)可釬焊到鉆頭以將切割元件耦接到凹窩466。在釬焊過程期間，局部化粘結材料492、通用粘結材料494和/或在通用粘結材料494與局部化粘結材料492之間形成的任何合金可被加熱超過其熔點，并且可發(fā)生一些另外的局部擴散，其中位于凹窩466附近的任何局部化粘結材料492可另外擴散有加強材料490和/或通用粘結材料494。

圖5是斷開部分的示意性剖視圖，示出模具組件的示例，其中局部化粘結材料的薄片和網(wǎng)片定位在mmc鉆頭的流體流動通道周圍。圖5示出用于將局部化粘結材料592放置在模具組件500中的另一示例性配置。模具組件500、模具組件500的部件和設置在其中的材料可類似于如圖4所述的模具組件400、模具組件400的部件和設置在其中的材料。局部化粘結材料592a可以是放置在流體流動通道580周圍的局部化粘結材料592的薄片包裹或圓柱體。局部化粘結材料592a可選擇來在流體流動通道580附近提供局部化性質(zhì)。例如，局部化粘結材料592a在與通用粘結材料594反應和/或擴散之后可提供加強的剛性和抗腐蝕性，并且減少流體流動通道580中的表面能。

局部化粘結材料592b可以是放置在所得鉆頭的排屑槽表面和平臺區(qū)域附近的呈網(wǎng)狀配置的薄片包裹。局部化粘結材料592b的網(wǎng)格中的開口大小可提供由局部化粘結材料592b提供的性質(zhì)功能分級。另外，局部化粘結材料592d可以是放置在刀片526的外表面和頂端區(qū)域附近的呈網(wǎng)狀配置的薄片包裹。例如，在圖5中，網(wǎng)格開口大小可在局部化粘結材料592b的更接近刀片526的表面的薄片層中減小。呈網(wǎng)格、格柵或濾網(wǎng)配置的局部化粘結材料592b和592d可結合呈固體薄片和/或板配置的局部化粘結材料592c和592e來使用。

圖6是斷開部分的示意性剖視圖，示出模具組件的示例，其中局部化粘結材料的環(huán)、桿和球粒定位在流體流動通道附近、外表面附近以及mmc鉆頭的內(nèi)部中。模具組件600、模具組件600的部件和設置在其中的材料可類似于如圖4所述的模具組件400、模具組件400的部件和設置在其中的材料。圖6示出呈球形、環(huán)形、弧長或曲桿配置的局部化粘結材料692。例如，局部化粘結材料692a可以是放置在流體流動通道680周圍的局部化粘結材料環(huán)，局部化粘結材料692b可以是跨越排屑槽的寬度的曲桿，局部化粘結材料692c可以是放置在所得鉆頭本體的內(nèi)部錐形區(qū)域中的球形球粒，并且局部化粘結材料692d可以是跨越刀片626的寬度的曲桿。

局部化粘結材料692a–692d可以是可在所得鉆頭本體的放置局部化粘結材料692的區(qū)域中形成不同性質(zhì)的不同材料。例如，局部化粘結材料692a和692b可以是選擇來為排屑槽置換件696的流體流動通道680和/或表面697提供剛性、抗腐蝕性和修改的表面能的材料。由通用粘結材料694以及局部化粘結材料692a和692b形成的組合物可具有光滑的表面光潔度，這可加強通過流體流動通道680的流體流。在鉆頭在地下操作期間暴露于惡劣條件的情況下，局部化粘結材料692d可以是選擇來在刀片526的外表面和頂端區(qū)域上提供剛性和抗腐蝕性的材料。局部化粘結材料692c可以是選擇來提供抗斷裂性并且防止所得鉆頭的錐形區(qū)域中的裂紋擴展的材料。

圖7是斷開部分的示意性剖視圖，示出模具組件的示例，其中局部化粘結材料的環(huán)、桿和球粒定位在刀片的外部部分附近、流體流動通道附近以及mmc鉆頭的內(nèi)部中。模具組件700、模具組件700的部件和設置在其中的材料可類似于如圖4所述的模具組件400、模具組件400的部件和設置在其中的材料。圖7示出類似于圖6所示的局部化粘結材料692的放置的局部化粘結材料792放置。然而，在圖7中，除了中心流動通道的底部部分和排屑槽置換件796的表面797之外，局部化粘結材料792a和792b跨越流體流動通道780的整個長度。如參考圖6所描述的，局部化粘結材料792a可以是選擇來提供光滑的表面光潔度并且可允許高壓流體流動通過流體流動通道780的材料。

局部化粘結材料792d可跨越刀片726的相對大的區(qū)域，其中刀片726的一些材料可在所得鉆頭本體的制造期間被加工去除。局部化粘結材料792d可為刀片726提供局部化剛性以防止在機加工過程期間破裂。局部化粘結材料792c可位于鉆頭和刀片726的中心的較大部分中、位于所得鉆頭本體不太可能經(jīng)歷磨損的區(qū)域中。局部化粘結材料792c可代替一些加強材料690，并且可以是比基體加強材料690更便宜的材料，并且因此局部化粘結材料792c的使用可減少制造所得鉆頭本體的成本。

圖8是斷開部分的示意性剖視圖，示出模具組件的示例，其中局部化粘結材料的板和薄片以漸變配置定位在刀片的外表面和mmc鉆頭的流體流動通道附近。模具組件800、模具組件800的部件和設置在其中的材料可類似于如圖4所述的模具組件400、模具組件400的部件和設置在其中的材料。在圖8中，局部化粘結材料892a–c呈以下配置放置在模具組件800中：其中薄片和/或板的厚度大體上在厚度上改變，刀片826的中心附近較薄且刀片826的外部附近較厚。局部化粘結材料892a–c的配置可在整個刀片826上提供性質(zhì)梯度，使得刀片826的中心的性質(zhì)類似于由加強材料890和通用粘結材料894制成的組合物的性質(zhì)，并且刀片826的外部的性質(zhì)類似于由加強材料890、通用粘結材料894和局部化粘結材料892形成的組合物的性質(zhì)。雖然局部化粘結材料892a–c的梯度在圖8中示出為在刀片826的表面附近具有最大比例的局部化粘結材料892a–c，但是梯度可反轉，其中最大比例的局部化粘結材料892a–c是在刀片826的中心附近。

圖4–8所示的局部化粘結材料配置僅僅是示例性的。本公開預料到任何數(shù)目的局部化粘結材料配置。局部化粘結材料的類型、形狀和大小可基于針對鉆頭的放置局部化粘結材料的區(qū)域而選擇的性質(zhì)。另外，局部化粘結材料的單個小片之間的間距可基于所使用的局部化粘結材料的類型、形狀和/或大小、局部化粘結材料的擴散速率以及針對鉆頭的放置局部化粘結材料的區(qū)域而選擇的性質(zhì)而改變。

對mmc鉆頭的建模和/或對地下操作的模擬可用來獲得對mmc鉆頭在地下操作期間可能經(jīng)受的應力的分析。應力分析可用來選擇mmc鉆頭中所使用的局部化粘結材料的類型，局部化粘結材料的大小、形狀和/或間距，和/或局部化粘結材料的放置。

本文所公開的實施方案包括：

a.一種鉆頭，其包括：本體；多個刀片，所述多個刀片位于所述本體上；多個切割元件，所述多個切割元件位于所述多個刀片中的至少一者上；加強材料，所述加強材料形成所述本體和所述多個刀片的部分；局部化粘結材料，所述局部化粘結材料放置在所述加強材料內(nèi)選定位置處，其中所述局部化粘結材料在所述選定位置處賦予選定的物理性質(zhì)；以及通用粘結材料，所述通用粘結材料滲透入所述加強材料和所述局部化粘結材料。

b.一種制造基體鉆頭的方法，其包括：將加強材料放置在基體鉆頭本體模具中；在所述基體鉆頭本體模具中將局部化粘結材料放置在所述加強材料內(nèi)選定位置處，其中所述局部化粘結材料在所述選定位置處賦予選定的物理性質(zhì)；在所述基體鉆頭本體模具中將通用粘結材料放置在所述加強材料的頂部上；將所述基體鉆頭本體模具、所述加強材料、所述局部化粘結材料以及所述通用粘結材料加熱到高于所述通用粘結材料的熔點的溫度；用所述通用粘結材料滲透所述加強材料和所述局部化粘結材料；以及使所述基體鉆頭本體模具、所述加強材料、所述局部化粘結材料和所述通用粘結材料冷卻以形成基體鉆頭本體。

c.一種鉆井系統(tǒng)，其包括鉆柱和耦接到所述鉆柱的鉆井工具。所述鉆井工具包括：本體；多個刀片，所述多個刀片位于所述本體上；多個切割元件，所述多個切割元件位于所述多個刀片中的至少一者上；加強材料，所述加強材料形成所述本體和所述多個刀片的部分；局部化粘結材料，所述局部化粘結材料放置在所述加強材料內(nèi)選定位置處，其中所述局部化粘結材料在所述選定位置處賦予選定的物理性質(zhì)；以及通用粘結材料，所述通用粘結材料滲透入所述加強材料和所述局部化粘結材料。

實施方案a、b和c中的每一個可以任意組合具有以下另外要素中的一個或多個：要素1：其中所述局部化粘結材料具有以下各項中的至少一項的形狀：薄片、板材、球粒、環(huán)、球體、圓柱體、網(wǎng)格、格柵、濾網(wǎng)、弧長和曲桿。要素2：其中所述局部化粘結材料增大所述選定位置處的止裂性質(zhì)。要素3：其中所述局部化粘結材料增大所述選定位置處的沖擊韌性。要素4：其中所述局部化粘結材料增大所述選定位置處的抗腐蝕性質(zhì)。要素5：其中所述局部化粘結材料修改所述選定位置處的表面能性質(zhì)。要素6：其中所述局部化粘結材料是與所述通用粘結材料不同的材料。要素7：其中所述局部化粘結材料和所述通用粘結材料反應以形成以下各項中的至少一項：金屬間組合物、陶瓷組合物、延性合金組合物、硬合金組合物以及沉淀硬化或可硬化合金組合物。要素8：其中所述局部化粘結材料以梯度配置放置在所述加強材料內(nèi)。

盡管已詳細描述本公開及其優(yōu)點，但應理解，可以在不脫離如由所附權利要求書限定的本公開的精神和范圍的情況下，在本文中進行各種改變、替代和更改。本公開打算涵蓋歸屬于所附權利要求的范圍內(nèi)的此類變化和修改。