修复磨损或侵蚀的PDC切割器的方法、由此修复的切割器以及修复的PDC切割器在钻头或其他工具中的应用

摘要

本文公开了修复的聚晶金刚石切割器以及制造其的方法。切割器包括损伤的基底、耦接到损伤的基底的聚晶金刚石台以及增强复合物，其中，损伤的基底在其中包括至少一个空隙，并且增强复合物位于形成在损伤的基底中的空隙内。损伤的基底和增强复合物共同形成完整的周边。该方法包括：获得损伤的切割器，其包括耦接到损伤的基底的聚晶金刚石台，该损伤的基底在其中形成有至少一个空隙，将增强复合物结合在至少一个空隙内并且形成处理的PDC切割器，以及将一部分增强复合物从处理的PDC切割器中移除并且形成修复的切割器。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年6月22日提交的、题为“Methods to Repair Worn  or Eroded PDC Cutters,Cutters So Repaired,and Use of Repaired PDC Cutters  In Drill Bits or Other Tools”的美国临时专利申请No.61/663,205的优先权， 通过引用将其全部内容合并到本文中。

技术领域

本发明大体上涉及聚晶金刚石复合片(PDC)切割器。具体地，本发 明涉及修复磨损或侵蚀的PDC切割器的方法、修复的切割器以及修复的切 割器在钻头和/或其他工具中的应用。

背景技术

图1示出了根据现有技术的钻头100的立体图。参考图1，钻头100 包括耦接至柄部115的钻头体110。柄部115在一端120包括螺纹连接部 116。螺纹连接部116耦接至钻柱(未示出)或者耦接到钻柱的一些其他设 备。螺纹连接部116被示为位于一端120的外表面上。这种定位的前提是 钻头100耦接到位于钻柱(未示出)的内表面上的相应的螺纹连接部。然 而，如果在其他示例性实施方式中钻柱(未示出)的相应的螺纹连接部位 于其外表面上，则一端120处的螺纹连接部116可选地位于一端120的内 表面上。孔(未示出)形成为纵向地贯通柄部115和钻头体110以使钻井 液在钻井操作期间经由一个或多个喷嘴114从钻柱内流通至钻头面111。

钻头体110包括多个叶片130，其从钻头体110的钻头面111朝着螺 纹连接部116延伸。钻头面111位于钻头体110距离柄部115最远的一端 上。多个叶片130形成了钻头100的切割表面，该钻头可以是浸润胎体 (infiltrated matrix)钻头。这些多个叶片130中的一个或多个要么耦接至 钻头体110，要么集成地与钻头体110一起形成。排屑槽122形成在各个 连续的叶片130之间，这允许一旦钻井液从喷嘴114中排出，钻屑和钻井 液就返回到井筒的(未示出)表面。多个切割器140在凹穴180内耦接至 各个叶片130，其中凹穴180形成在叶片中，并且这些切割器从叶片130 的表面向外延伸以当钻头100在钻井期间旋转时切破地质构造。使用在钻 头100中的一种类型的切割器140是PDC切割器；然而，可以设想使用在 钻头100中的其他类型的切割器。切割器140以及钻头体110的各个部分 通过削和/或切来使地质构造变形。在钻井期间，切割器140以及钻头体 110的各个部分承受极端的力和应力，这导致切割器140的表面和钻头体 110磨损。最终，切割器140和钻头体110的表面的磨损程度使得钻头100 不能再用于钻井，根据损伤的类型和/或损伤的程度，其要么被修复，要么 被丢弃。尽管已经描述了钻头的一个实施方式，但本领域内普通技术人员 所熟知的其他钻头实施方式或使用PDC切割器的其他井下工具也可以应 用于本发明的示例性实施方式。

图2A和2B示出了根据现有技术的PDC(聚晶金刚石复合片)切割 器140的各种视图。图2A是根据现有技术的PDC切割器140的立体图。 图2B是根据现有技术的PDC切割器140的侧视图。这些PDC(聚晶金刚 石复合片)切割器140通常用于石油和天然气钻头100(图1)以及其他 井下工具中。参考图2A和2B，PDC切割器140提供了超硬材料层210， 例如金刚石台，其已经在高压高温(HPHT)之下融合至金属衬背或通常 为碳化钨的基底220。PCD切割台210或金刚石台的厚度大约为一英寸的 千分之一百(2.5毫米)；然而，根据使用PCD切割台210的应用，厚度是 可变的。基底220包括上表面222、下表面224和从上表面222的周缘延 伸至下表面224的周缘的基底外壁226。PCD切割台210包括切割表面212、 相对表面214以及PCD切割台外壁216。PCD切割台外壁216大体上垂直 于切割表面212的平面，并且从切割表面212的外周缘延伸至相对表面114 的周缘。PCD切割台210的相对表面214耦接至基底220的上表面222。 根据一些示例性实施方式，切割表面212沿着切割表面212的周缘形成有 至少一个斜面(未示出)。

在将PCD切割台210耦接至基底220之后，PCD切割台210的切割 表面212大体上平行于基底的下表面224。此外，PDC切割器140已经被 示出为具有正圆柱形状；然而，在其他实例中，PDC切割器140被成形为 其他几何形状或非几何的形状。在某些实例中，相对表面214和上表面222 大体上是平面的；然而，在其他实例中，相对表面214和/或上表面222是 非平面的。

PDC切割器140的制造昂贵，并且构成了安装有PDC的钻头100(图 1)和工具的成本的很大一部分。PDC切割器140通常被钎焊至凹穴180 (图1)中，该凹穴形成在钻头100(图1)或工具的主体中。这种钎焊结 合在工具的耐久性方面来说通常是“薄弱联结”。良好的钎焊结合需要凹穴 180(图1)和被钎焊到其中的PDC切割器140之间十分窄的间隙。当在 应用钎焊材料之前定位在凹穴180(图1)内时，在凹穴180(图1)和PDC 切割器140之间期望0.002英寸以内或更小范围内的间隙。较松散的配合， 即，大的间隙，可能使钎焊结合变弱，并且导致PDC切割器140在应用时 损失，由此缩短钻头100(图1)或工具的使用寿命。

图3A-3E示出了根据现有技术的损伤的PDC切割器300、310、320、 330的若干视图。图3A是根据现有技术的严重磨损和侵蚀的损伤PDC切 割器300的立体图。图3B是根据现有技术的轻度侵蚀的损伤PDC切割器 310的立体图。图3C是根据现有技术的严重侵蚀的损伤PDC切割器320 的立体图。图3D是根据现有技术的侵蚀的损伤PDC切割器330的立体图。 图3E是根据现有技术的损伤PDC切割器330的侧视图。参考图3A-3E， 已经轻度磨损或侵蚀的一些损伤的PDC切割器310之前已经被旋转到碳化 钨基底220的“完全圆柱”部分，以在将未使用过的金刚石切割边缘朝着地 质构造定向的同时，重新使用切割器。如果损伤的PDC切割器300、320、 330被严重的磨损或侵蚀，例如如图3A、3C、3D和3E中所示出的那样， 则损伤的切割器300、320、330通常被作为废弃物而抛弃。在一些例子中， 废弃的切割器300、320、330已经通过使用线EDM被回收以切出较小直 径的圆柱体，从而制得恢复的较小直径的切割器(未示出)。这种方法不 允许在类似的钻头或工具中直接再利用切割器，所恢复的较小直径的切割 器必须布置在可以经济地容纳较小直径的切割器的工具(即，具有尺寸设 计成适配和使用较小直径的凹处的工具)中。

是否再利用、旋转或丢弃磨损或侵蚀的切割器的决定部分地基于余下 碳化钨基底的状况。标准取决于余下的完全圆柱形基底的量。如果在以新 的金刚石边缘朝向地质构造时，余下的完全圆柱形基底的量不足以允许强 钎焊结合时，则切割器通常被废弃或者被如上所述地那样再处理。

附图说明

结合附图阅读本发明的一些示例性实施方式的下述说明，将最佳地理 解本发明的上述和其他特征以及方面。

图1示出了根据现有技术的钻头的立体图；

图2A和2B示出了根据现有技术的PDC切割器的各种视图；

图3A-3E示出了根据现有技术的损伤的PDC切割器的若干立体视图；

图4是示出了根据本发明示例性实施方式的修复损伤的PDC切割器的 方法的流程图，损伤的PDC切割器例如图3A-3E的PDC切割器；

图5是根据本发明示例性实施方式的切割器修复固定件的横截面视 图，该固定件具有图3A-3E的损伤的PDC切割器以及布置在其中的增强 复合物；及

图6A和6B示出了根据本发明的示例性实施方式的修复的PDC切割 器的各种视图。

由于本发明可能允许其他等同有效的实施方式，因此附图仅示出了本 发明的示例性实施方式并且因而不应该被认为是对本发明范围的限制。

具体实施方式

本发明大体上涉及PDC切割器。更具体地，本发明涉及修复磨损或侵 蚀的PDC切割器的方法、修复的切割器以及修复的切割器在钻头和/或其 他工具中的应用。尽管下文中的说明涉及PDC切割器，但本发明的示例性 实施方式涉及具有基底和附接到其上的超硬材料层(例如金刚石台)的任 何切割器。

图4是示出了根据本发明示例性实施方式的修复损伤的PDC切割器 300、310、320的方法的流程图，损伤的PDC切割器例如PDC切割器300、 310、320(图3A-3E)。图5是根据本发明示例性实施方式的切割器修复固 定件500的横截面视图，该固定件具有损伤的PDC切割器300、310、320、 330以及布置在其中的增强复合物550。参考图4和5，方法400以及执行 方法400的相关部件在此处被示出和描述。方法400始于步骤410。在步 骤410之后，在步骤420获得切割器修复固定件500。

根据一些示例性实施方式，切割器修复固定件500包括底座510和大 体上正交地远离底座510延伸的至少一个侧壁520，由此在其中形成第一 腔508。根据某些示例性实施方式，底座510和至少一个侧壁520形成为 单个部件；然而，在其他示例性实施方式中，底座510和侧壁520分离地 形成，并且随后耦接在一起，例如通过螺纹耦接在一起。第一腔508形成 为大体上呈圆柱形的形状；然而，在一些替代示例性实施方式中，第一腔 508形成不同的几何形状或非几何形状，例如具有方形、矩形、三角形或 其他非几何横截面形状的管状形状。第一腔508的高度类似于或大于基底 530的高度，基底530类似于基底220(图2A和2B)并且因而出于简洁 的原因未在此处再次详细描述，并且第一腔508的周长大于基底520的周 长。

根据一些示例性实施方式，底座510包括内表面512，该内表面是非 平面的并且限定了第一腔508的一部分。内表面512包括形成在其中的第 二腔514，其从基底510的内表面512的一部分向内延伸。第二腔514流 体耦接至第一腔508。根据某些示例性实施方式，第二腔514呈圆柱形的 形状，并且尺寸设计成接收损伤的PDC切割器300、310、320的金刚石台 210。因此，第二腔514的高度类似于金刚石台210的厚度，并且第二腔 514的周长类似但稍大于金刚石台210的周长。在某些示例性实施方式中， 第一腔508的直径稍大于第二腔514的直径。

利用合适的材料来制造切割器修复固定件500，所述材料能够承受用 在修复方法400中的温度。用于修复方法400中的温度取决于所使用的增 强复合物550的类型以及这些增强复合物550的熔化温度。例如，在一些 示例性实施方式中，切割器修复固定件500暴露于高达大约700摄氏度的 温度下，而在其他示例性实施方式中，切割器修复固定件500暴露于高于 700摄氏度的温度下。在金刚石台210暴露于大约700摄氏度或更高的温 度的示例性实施方式中，至少切割器修复固定件500的底座510(在一些 实施方式中，以及侧壁520)是利用散热材料制造的，散热材料例如铝或 一些其他金属或金属合金，其具有高的传热系数以使金刚石台210保持在 低于750摄氏度的温度。此外，根据一些示例性实施方式，基底510以及 可选地，侧壁520制造为包括翅片(未示出)。根据某些替代的示例性实 施方式，可选地包括翅片的散热器(未示出)至少被热耦接到切割器修复 固定件500的基底510以使金刚石台210维持在低于750摄氏度的温度。 即使在金刚石台210仅暴露于小于700摄氏度的温度时，也可以可选地使 用散热器。尽管此处已经描述了切割器修复固定件的一个实例，也可以在 替代示例性实施方式中使用作为切割器修复固定件500的明显变体的替代 类型的切割器修复固定件。

在步骤420之后，在步骤430，具有耦接到损伤的基底530上的金刚 石台210的损伤的PDC切割器300、310、320、330被放置在切割器修复 固定件500内。损伤的PDC切割器300、310、320、330通常至少在基底 530中被磨损或被侵蚀。金刚石台210定向成定位在和设置在第二腔514 中，而损伤的基底530定位在第一腔508中。根据一些示例性实施方式， 在被放置在切割器修复固定件500中之前，损伤的PDC切割器300、310、 320、330被清洁。

在步骤430之后，在步骤440，增强复合物550被填充到切割器修复 固定件500中。增强复合物550是能够被结合到基底530的材料，其例如 由碳化钨或碳化钨基体制成。增强复合物550是熔点高于钎焊填充剂材料 的液相线温度的任何元素或元素的组合，钎焊填充剂材料用于将修复的 PDC切割器600(图6A和6B)钎焊到形成在钻头100(图1)中的切割 器凹处，或者凹穴180中(图1)。增强复合物550的实例包括金属材料， 其包括银、银复合物、复合镍、铬、硼和硅混合物中的至少一种。根据一 些示例性实施方式，增强复合物550包括一定量的碳化钨。在某些替代的 示例性实施方式中，若干替代的材料混合物被用于增强复合物550，其为 受益于本发明公开文本的本领域内具有普通技能的技术人员所熟知或将 要知悉。

在步骤440之后，在步骤450，增强复合物550被结合到基底530。 根据一些示例性实施方式，具有损伤的PDC切割器300、310、320、330 和增强复合物的切割器修复固定件500经历微波烧结过程以将增强复合物 550结合到基底530，并且填充磨损或侵蚀的PDC切割器300、310、320、 330中的空隙。因此，在先前使用并损伤的PDC切割器300、310、320、 330的基底530的整个外部周边周围，施加或耦合了金属材料或增强复合 物550的新厚度。可选地，根据其他示例性实施方式，其他类型的耦合过 程，例如受益于本公开文本的火花烧结过程或其他已知的烧结过程，被用 于将增强复合物550结合到基底530，并且在切割器修复固定件500内形 成处理过的PDC切割器。根据某些示例性实施方式，处理过的PDC切割 器具有基底，其直径大于相关联的金刚石台210的直径。例如，处理过的 PDC切割器的基底的直径大体上与第一腔508的直径相同。

在增强复合物550已经耦合在使用过的PDC切割器300、310、320、 330周围的步骤450之后，在步骤460，处理过的PDC切割器被从切割器 修复固定件500中移除。根据一些示例性实施方式，在从切割器修复固定 件500中移除处理过的PDC切割器之后，切割器修复固定件500未被损坏 并且可以被再次使用。在其他示例性实施方式中，一旦从切割器修复固定 件500中移除了处理过的PDC切割器，切割器修复固定件500就被损坏并 且不能被再次使用。

在步骤460之后，在步骤470，处理过的PDC切割器被打磨以形成修 复的PDC切割器600(图6A和6B)。根据一些示例性实施方式，处理过 的PDC切割器被置于OD打磨机(未示出)中并进行OD打磨，或者在其 外直径周围打磨，从而形成修复的PDC切割器(图6A和6B)，其外直径 等于或接近被损坏之前的PDC切割器的外直径。当使用OD打磨机时，压 力杯、分压杯或浅夹头被用于保持切割器的金刚石切割表面518，并且可 选地使用活顶尖来将压力施加到切割器的下表面524以在打磨操作期间将 切割器保持就位。可选地，基底530的下表面524或背面被磨平并且大体 上平行于金刚石切割表面518。然而，在其他示例性实施方式中，基底530 的下表面524未被磨平，并且/或者不大体上平行于金刚石切割表面518。 可选地，在其他示例性实施方式中，处理过的PDC切割器被置于无心磨床 (未示出)或其他适当的成形工具中，以将处理过的PDC切割器的外直径 恢复到与PDC切割器的原始直径匹配或近似匹配的值，由此形成修复的 PDC切割器600(图6A和6B)。

图6A和6B示出了根据本发明的示例性实施方式的修复的PDC切割 器600的各种视图。修复的PDC切割器600类似于PDC切割器140，除 了金刚石台210结合到修复的基底620上之外。根据某些示例性实施方式， 修复的基底620包括在其中具有一个或多个空隙535的损伤的基底520以 及结合到损伤的基底530上并且位于一个或多个空隙中的增强复合物550， 从而修复的基底620中的损伤的基底530以及增强复合物550共同地形成 完全圆柱体形状，其直径等于当金刚石台210未被损伤时的金刚石台210 的直径，或者等于损伤之前的原始基底的直径。根据某些示例性实施方式， 金刚石台210和修复的基底620二者的周长从原始直径中减少，从而产生 的基底仍然包括一些增强复合物550。

在步骤470之后，在步骤480，修复方法400终止。尽管相对于特定 步骤描述了方法400，这些步骤并不限于它们出现的顺序，而是可以在其 他示例性实施方式中以不同顺序执行。此外，一些步骤可以分离成额外的 步骤。可选地，一些步骤可以组合成较少的步骤。此外，一些步骤可以以 本文提供的实例完全不同的方式来执行，应该将这些步骤理解为包括在示 例性实施方式中。

在替代的示例性实施方式中，增强复合物550经由焊接结合到损伤的 PDC切割器300、310、320、330以填充损伤的基底530中的空隙区域535。 焊接方法包括但不限于：激光、等离子转移弧、热等离子体喷涂或受益于 本发明公开文本的本领域内具有普通技能的技术人员所熟知的任何其他 方法。根据热等离子体喷涂方法，增强复合物550焊接到损伤的PDC切割 器300、310、320、330以填充损伤的基底530中的空隙区域535。根据一 些示例性实施方式，铜膏(未示出)被涂敷在喷涂有增强复合物550的区 域上。随后利用感应单元(未示出)进行闪速加热，该诱导单元例如将铜 熔化并且允许其渗透到增强复合物550中，其中，该增强复合物已经填充 了空隙区域535，由此形成处理过的PDC切割器。这种渗透增强了增强复 合物550和损伤的PDC切割器的损伤的基底530之间的结合。随后，如上 所述的打磨机或一些其他设备被用于将处理过的PDC切割器打磨到预定 直径，由此形成修复的PDC切割器600。上文已经描述了该预定直径，为 简洁起见，不再赘述。在焊接过程期间，散热器可选地与金刚石台210热 接触，从而将金刚石台的温度维持为小于700℃。根据一些示例性实施方 式，散热器是板或具有翅片的板。可选地，散热器具有不同的形状。散热 器由铜、铝或其他一些金属或金属合金制成，这些材料具有足够的热系数， 能够将金刚石台的温度维持在小于700℃。

根据上述的示例性实施方式和/或受益于本发明公开文本的本领域具 有普通技能的人员所知的其他替代示例性实施方式，可以在其中包括下述 一个或多个额外过程。一个过程包括利用3D扫描仪(未示出)来扫描损 伤的PDC切割器300、310、320、330以确定所需的增强复合物550的最 小量或体积，并且确定需要增强复合物550的位置，从而不会使用过量的 增强复合物550。由于不会浪费增强复合物550，确定所需的增强复合物 550的最小量或体积降低了成本。因此，在打磨步骤中移除更少的增强复 合物550。另一过程包括至少将损伤的PDC切割器300、310、320、330 的损伤部分或空隙区域535浸入熔融的钴中，由此使得钴沿着损伤的或空 隙的区域535提供涂层。涂层的PDC切割器被放置在切割器修复固定件 500中，或者被放置在由陶瓷、石墨或一些其他的合适材料制成的坩埚中。 增强复合物550被装入到切割器修复固定件500中，或者装入坩埚中，并 且进入损伤的部分或者空隙区域535，以将损伤的PDC切割器300、310、 320、330改造成修复的PDC切割器600的尺寸。在处理过的PDC切割器 上进行感应加热，由此形成修复的PDC切割器600。钴中间涂层有助于增 强复合物550至损伤的PDC切割器300、310、320、330的损伤的基底530 的耦合。根据一些示例性实施方式，在另一过程中，金刚石层210的温度 被维持在小于700℃。如果金刚石层210的温度达到700℃或更高，金刚 石层210有可能被损伤。例如，在这些升高的温度点时，可能发生石墨化。 因此，在一些示例性实施方式中，使用的增强复合物550具有小于700℃ (或者处于防止金刚石层210在修复方法400期间或者在任意其他替代示 例性实施方式期间达到700℃以上的温度)的熔化温度。控制焊接过程以 确保金刚石层210的温度保持在700℃以下。

然而，在某些示例性实施方式中，如上所述，切割器修复固定件500 在金刚石台210附近包括散热器(未示出)，以防止聚晶金刚石层210在 修复操作期间过热和经历热损伤。当增强复合物550的熔化温度等于或高 于700℃时，包括该散热器，并且当增强复合物550的熔化温度小于700℃ 时，可选地包括该散热器。

如上所述的用于修复切割器的方法在PDC切割器上执行，不管它们已 经被预处理、后处理或者根据没有被处理。一些处理的实例(其并不意味 着限制性的)包括浸出、退火、深冷处理、化学气相沉积或在金刚石台210 上形成新的或更大尺寸的凹槽，这些实例为本领域内具有普通技能的人员 所熟知。浸出包括面浸出、边浸出、斜面浸出和/或双斜面浸出，这些是本 领域内具有普通技能的人员所熟知的术语。也可以在处理期间使用遮蔽。 因此，例如，先前已经被浸出并且在使用时损伤的PDC切割器经历上述的 修复方法中的任意一种。这是修复已经被预处理的PDC切割器的实例。在 另一实例中，先前未被预处理并且未在使用时损伤的PDC切割器经历上述 的修复方法中的任意一种，并且随后被浸出。这是后处理修复PDC切割器 的实例。

示例性实施方式允许更完全地使用昂贵的PDC部件，包括在钻头和工 具中再次使用损伤的PDC部件。这些示例性实施方式有助于降低成本并且 增加在磨损和侵蚀后再次使用的切割器的存留时间。相比于丢弃或线EDM 切割切割器，这些示例性实施方式提供了一种更加优越的方案。利用如上 所述的示例性实施方式，现在可以挽救切割器。

尽管详细描述了每个示例性实施方式，但应该理解，可用于一个实施 方式的特征和改进也可以应用于其他实施方式。此外，尽管参考特定实施 方式描述了本发明，但这些描述不应该被理解为以限制的方式来解释。通 过参考示例性实施方式的说明，公开的实施方式的各种改进以及本发明的 替代实施方式对于本领域内普通技术人员来说是显而易见的。本领域内普 通技术人员应该意识到，公开的概念和特定实施方式可以轻易地被利用为 改进或设计用于实施本发明的相同目的的其他结构或方法的基础。本领域 内普通技术人员应该认识到，这些等价构建并不脱离随附权利要求中列出 的本发明的精神和范围。因此，权利要求将覆盖任何落入本发明范围的这 种改进或实施方式。