用于井筒形成的低表面摩擦钻头主体的制作方法
【专利摘要】一种用于钻头的低表面摩擦主体包括基体钻头主体。所述主体包括具有减摩添加剂的颗粒相，以及使用诸如选择性激光烧结的合适制造工艺将所述颗粒相粘合的粘结材料。所述颗粒相可包括碳化钨，所述减摩添加剂可为聚四氟乙烯，并且所述粘结剂材料可为铜或钴。所述减摩添加剂分布遍及所述钻头主体的至少一部分，包括在操作期间将与钻屑和钻井液接触的表面。所述减摩添加剂的分子性质产生具有即使在承受破碎和其他类型的磨损之后也防粘着的表面的钻头主体。
【专利说明】
用于井筒形成的低表面摩擦钻头主体
1.
技术领域
[0001]本公开大体上涉及用来形成用于从地质地层提取烃类的井筒的工具和设备，并且更具体地，涉及包括低摩擦表面的钻头主体。
[0002]2.相关技术描述
[0003]井被钻探来获取和开采石油、天然气、矿物和来自地下地质地层的其他天然存在的沉积物。井的钻探通常利用钻头完成，所述钻头被旋转来通过从地层移除表层土、沙、泥土、石灰石、方解石、石灰岩或其他物质以使井筒推进。通过钻头从地层移除的成片此类物质通常称为“岩肩”或“钻肩”。
[0004]钻头通常分为固定铣刀钻头(fixed cutter drill bit)或旋转锥体钻头(其还可被称为牙轮钻头)。通常，旋转锥体钻头包括钻头主体，所述钻头主体具有带有切削元件的多个旋转锥体(S卩，“牙轮”)。在钻头向井下旋转时，牙轮相对于钻头主体旋转。相比之下，固定铣刀钻头包括钻头主体，所述钻头主体在钻头主体外部上的固定位置处具有切削元件。在钻头向井下旋转时，切削元件保持在其相对于钻头主体的固定位置。
[0005]在钻探期间，钻头经历钻柱中的任何部件的一些最强的应变和压力。钻头设计中的一些重点是加强和提高钻头的耐用性。在一些情况下，材料选择促成钻头的耐用性，并且钢钻头和碳化钨钻头由于它们的耐用性而已普遍使用。
[0006]固定铣刀钻头主体和牙轮钻头主体常由基体材料形成，并因此被称为基体钻头主体。用于形成基体钻头主体的材料可包括通常是坚硬且耐用的材料的粉末，以及将粉末固持在一起以形成钻头的粘结剂材料。由于在许多情况下，所得基体不将粉末组分与粘结剂化学粘合在一起，基体钻头在其经历充分破碎或其他类型的磨损的情况下，可易发生断裂或其他类型的损坏。
[0007]附图简述
[0008]本公开说明性实施方案参考附图在下文中进行详细描述，所述附图以引用的方式并入本文，并且其中:
[0009]图1示出牙轮钻头的一个实施方案的透视图；
[0010]图2示出部署在钻探操作中的钻的一个实施方案的正视图；
[0011 ]图3示出沿图1的截面线A-A’截取的、包括减摩添加剂(frict1n-reducingadditive)的图1的牙轮钻头的一个实施方案的横截面图；
[0012]图4示出类似于图3的牙轮钻头的牙轮钻头的第二实施方案的横截面；
[0013]图5A和图5B分别是图3的钻头在破碎之前和之后的细节图；
[0014]图6示出类似于图4的牙轮钻头的牙轮钻头的第三实施方案的横截面；
[0015]图7示出类似于图6的牙轮钻头的牙轮钻头的第四实施方案的横截面;以及
[0016]图8示出包括减摩添加剂的固定铣刀钻头的一个实施方案的横截面。
[0017]所示附图仅是示例性的，并且不旨在主张或暗示对其中可实现不同实施方案的环境、架构、设计或方法的任何限制。
[0018]说明性实施方案的详述
[0019]在说明性实施方案的以下详述中，参考形成其部分的附图。这些实施方案被充分详细地描述，以使本领域技术人员能够实践本文所公开的装置、系统和方法。应当理解，可利用其他实施方案并且可在不背离本公开的精神或范围的情况下做出逻辑结构、机械、电气和化学改变。为了避免本领域的技术人员能够实施本文所描述的实施方案不必要的细节，描述可省略本领域的技术人员已知的某些信息。因此，下文详述并不具有限制意义，并且说明性实施方案的范围仅由所附权利要求书限定。
[0020]除非另有说明，否则术语“连接”、“接合”、“联接”、“附接”或描述元件之间的相互作用的任何其他术语的任何形式的任何使用都不意在将相互作用限制于元件之间的直接相互作用，并且还可包括所述元件之间的间接相互作用。在以下论述中并且在权利要求书中，术语“包括”和“包含”是以开放形式使用，并且因此应解释为表示“包括(但不限于)”。除非另外指明，否则如整个这篇文献中使用的，“或者”不要求互斥性。
[0021]本文公开用于提高钻头性能的系统、工具和方法，包括通过选择性地将特定低摩擦涂层涂覆到钻头表面上的战略位置。在一方面，特定材料及其在钻头上的选择性放置使材料暴露于来自钻头旋转的摩擦力，并且允许此类材料在暴露于摩擦力时“生长”并粘合。这可向钻头提供“自修复”性质，以便在诸如小碎肩的轻微损坏出现时防止进一步的损坏。涂层具体可涂覆到基体钻头，但也可适于施加到其他类型的钻头。在基体钻头的情况下，基体钻头的粉末组分(其还可被称为“颗粒相”)可在制造钻头之后涂布有低摩擦材料。在许多情况下，低摩擦材料可为聚四氟乙烯或其他合适材料。基体钻头可为牙轮钻头、固定铣刀钻头或任何其他类型的钻头。
[0022]本文所描述的系统和方法提供在制造钻头主体期间将减摩添加剂材料引入基体钻头的颗粒相(或粉末组分)中。将减摩添加剂引入钻头颗粒相可减少钻肩在钻探期间粘着到钻头表面的可能性。鉴于同一目标，还可将低摩擦涂层涂覆到钻头的外部部分。然而，此类涂层趋于在操作期间磨损掉，从而产生未被保护来免受岩肩、泥浆或可能粘着到钻头的其他材料侵蚀的钻头。这种磨损在钻探期间可能快速发生，因为钻头在极端环境中操作，有时在高温和高压下从井筒中移除非常坚硬的材料。在此类型的极端环境中操作增加钻头将经历碎肩和裂纹的可能性，所述碎肩和裂纹将会穿透仅涂布钻头的最外层表面的低摩擦材料层。
[0023]在一个说明性实施方案中，减摩添加剂在早期制造阶段与基体钻头的基体材料组合。这种组合材料放置在模具中，并且粘结材料利用热量来添加以形成基体钻头。减摩添加剂可为聚四氟乙烯粉末或纳米粉末，或者具有高抗热性的类似类型的低摩擦材料。基体材料通常是呈粉末、熔铸颗粒或单晶形式的碳化钨。在一个实施方案中，减摩添加剂包括碳化钨颗粒，所述碳化钨颗粒在与另外的碳化钨混合或组合以形成颗粒相之前涂布有聚四氟乙烯。减摩添加剂可与基体钻头的基体材料混合以提供钻头的整个主体的一致摩擦特性，使得在钻头发生侵蚀时，钻头新暴露出的表面将具有类似的低摩擦系数。
[0024]减摩添加剂可用于使钻头主体的主体的静摩擦系数相对于不包括减摩添加剂的钻头主体的摩擦系数减小。例如，包含作为颗粒相的碳化钨和作为粘结材料的铜的基体钻头可具有例如.2-.35的摩擦系数。减摩添加剂在聚四氟乙烯的情况下可具有更低的摩擦系数，例如.04。钻头主体表面的静摩擦系数可基本通过在基体钻头的颗粒相中包含减摩添加剂组分来减小，所述基体钻头的颗粒相本来是由碳化钨和铜或钴构成。
[0025]表面上的低摩擦系数使钻肩不太可能在排肩槽区中粘附或粘着到基体材料，所述排肩槽区是钻头的位于切削表面之间的区域，在所述区域中，岩肩从钻头的切削表面迀出。低摩擦系数还通过减少在钻头期间钻头与悬浮在围绕钻头的流体中的固体之间的摩擦来减少钻头表面上的磨损产生的损失。
[0026]现在参考附图，图1指示穿过包括减摩添加剂的牙轮钻头的一个实施方案的截面线A-A’的横截面。牙轮钻头100是井筒钻探中使用的常见类型的钻头，但是仅是常用类型的钻头的实例。本文所描述的概念、系统以及方法可用于多种钻头，例如像固定切削元件钻头。在牙轮钻头100中，旋转锥体102在其外表面上具有可为碳化物嵌件或铣型齿的齿104。每个齿安装在钻头主体的臂106上。
[0027]图2描绘在钻柱中操作来形成井筒的这种钻头200。在钻探期间，如图2所示，钻机208使用管210的区段将旋转力转移至钻头200和栗212，以便通过管210的区段将钻井液(如由流动箭头A示出)循环至井筒底部。在钻头200旋转时，所施加的钻压(“W0B”)迫使旋转锥体指向下方的齿进入被钻探的地层。穿过齿的点施加的WOB向地层施加超出地层屈服应力的压缩应力，并且引起钻头下面的地层材料的断裂。断裂产生碎片(也称为岩肩)，所述碎片被钻井液(也可称为钻井泥浆)从钻头200的切削面冲走。
[0028]尽管会被冲走，但是钻井泥浆中包含的岩肩可粘附到旋转钻头表面，这会致使钻头无法正常工作或使钻头停滞。为了保持钻头正常操作，钻井液增加了润滑度，以防粘着并将岩肩带离钻头。钻头还可包括润滑外层以进一步减小岩肩粘附到钻头的可能性。钻头外层可因使用而磨损掉，然而，这可导致钻头的最外层失去润滑元素。在一个说明性实施方案中，减摩材料可添加到基体钻头的粉末组分以提抗磨损的低摩擦钻头。减摩添加剂可为聚四氟乙烯(以下“PTFE”)粉末或者另一合适的低摩擦材料，如以上指出的。
[0029]当与诸如井筒壁的相对表面相互作用时，嵌入钻头中的PTFE可能经历分子裂解过程，从而形成活性PTFE基团，所述使钻头与其上部署有PTFE的钻头表面发生化学反应。这种裂解导致对钻头表面的强力粘附，并且导致PTFE微晶在嵌入钻头中的本体聚合物PTFE的非常薄的地下区域中生长并且重新定位。这种结构重排有助于将相邻对准的PTFE微晶接合，以形成作为碎片出现的薄膜和带。PTFE碎片也是可用作润滑物的低摩擦材料。因此，在注入PTFE的钻头材料的先前未暴露的部分在钻头受到呈开裂、破碎或其他类型磨损形式的损坏后暴露于钻探环境时，分散在基体钻头的粉末组分内的PTFE可响应于破碎和磨损有效地生长出新低摩擦表面。
[0030]当包括在基体型钻头中时，PTFE可与例如碳化钨、钢、陶瓷或其他基体钻头的粉末配料混合在一起。尽管PTFE的低摩擦特性(通常与抗粘附相关联)，钻头的粉末部分仍充分固持在一起，因为在低滑动速度下，PTFE展现良好粘附。这种粘附结合以上指出的裂解相关的化学变化所产生的表层粘附产生钻头主体，所述钻头主体具有低摩擦表面以及高度韧性和抗断裂性。
[0031]在浸渍PTFE的钻头的说明性实施方案中，PTFE并入到钻头的粉末组分中，所述粉末组分通常是碳化钨或类似坚硬材料。PTFE可通过将其粘合到粉末组分或将其与粉末组分混合来并入到粉末组分中，以形成浸渍或注入PTFE的粉末。浸渍PTFE的粉末可(i)插入在磨具中或以其他方式悬浮使其将保持扩散在整个钻头中，或者(ii)添加到钻头基体，使得PTFE仅扩散在钻头的最外部分中。此最外部分是钻的一部分，这个部分可能在钻头整个寿命期间暴露于井筒壁，并取决于钻头的尺寸和设计，厚度范围可从几毫米到几十厘米或更大。在这些实施方案中，钻头的外表面也可用PTFE的单独涂层或类似的减摩材料润滑。
[0032]浸渍PTFE的材料可减少黏土颗粒以及更大的岩肩凝聚块粘着到钻头表面的趋势。这即使在钻头经历磨损是也是如此。PTFE的在暴露于摩擦力时有效生长和粘合的能力导致钻头在小碎肩出现时用作为自修复钻头以暴露浸渍PTFE的材料的新区域。
[0033]再次参考图，图3示出具有包括PTFE来减小摩擦的基体钻头头部的牙轮钻头302的一部分的横截面图。牙轮钻头302分别包括接合到支撑臂308的牙轮304。牙轮304支撑在轴承334和主轴336上。可压缩密封元件318被包括来密封牙轮304与主轴336之间的间隙300。牙轮304可由碳化妈360 (由“X”颗粒指示)、减摩材料350 (由“ο”颗粒指示)以及粘结剂材料构成，所述粘结剂材料可为(铜、钴或另一种粘合剂)。在一些配置中，减摩材料350是PTFE。在这种情况下，在牙轮304的表面在钻头操作期间暴露于摩擦力时，减摩材料350在牙轮304的表面处可遇到摩擦力。井筒材料在暴露出的减摩材料350Α上摩擦导致减摩材料350生长，从而导致形成更完整且光滑的减摩材料350层。暴露出的减摩材料350可为在钻头烧结并形成之后涂覆的PTFE涂层，或者由于减摩材料350被烧结成钻头而出现的层。
[0034]图4示出穿过类似于图3中示出的牙轮钻头302的牙轮钻头402的第二说明性实施方案的A-A，的横截面;所述牙轮钻头402也包括减摩添加剂。在这个实施方案中，牙轮是分成两个区域、即外区410和内区420的多层牙轮404。外区410包括减摩材料350而内区420不包括减摩材料350，从而产生增强的基体钻头402。外区410和内区420可使用选择性激光烧结(SLS)或任何其他合适粘合机制结合在一起来形成多层牙轮404。
[0035]在一个实施方案中，为了润滑多层牙轮404，包含碳化钨360、减摩添加剂350和粘结剂(例如，铜)的材料基体可放置在模具中。这可以是单个模具，或者包含内部和外部的模具，使得待模制的材料抵靠模具侧部，同时留出可稍后用内区420填充的空腔或中空内部。材料基体放置在外区410的边界层中并被烧结。对应于内区420的剩余区域随后用碳化钨360和粘结剂(诸如铜或钴)填充并同样被烧结。SLS可用于仅将多层牙轮404的特定区域加热到充分发生扩散的温度。以此方式，可在外区410与内区420之间维持粗糙的阻挡层，但是在层之间可以发生一些扩散，使得颗粒可出现在这些区域。可替代地，可用如下方法完全填充模具:将在外区410中提供碳化钨360、减摩材料350和粘结剂，并且在内区420中提供碳化钨360和粘结剂(铜)。随后，可使用SLS选择性地烧结所述区域。再次，在操作中，井筒材料在暴露出的减摩材料360Α上的滑动导致减摩材料生长，导致形成更完整且光滑的表层。暴露出的减摩材料可以是在钻头烧结并形成之后涂覆的初始涂层，或者由于PTFE被烧结成钻头而出现的层。
[0036]图5Α和5Β示出如图3中指示的钻头切削元件500的破碎的细节图。图示是钻头切削元件500的破碎或磨损过程以及减摩材料的外层350Α的再形成的概念表示。最初，减摩材料的现有外层350Α暴露于钻探环境下，而润滑元素350和粉末组分360在钻探环境内并由粘结组分固持在一起。当碎肩510出现时，如图5Β所示，新的减摩材料350暴露并且在摩擦下生长来再形成由先前描述的裂解反应产生的润滑层350Α。如以上指出的，减摩材料在摩擦下生长并粘合的能力有效地使润滑层“自修复”，因为在减摩材料350暴露于井筒中的摩擦力时，减摩材料350会再形成润滑层350Α。
[0037]图6示出类似于上述牙轮钻头的牙轮钻头602的第三说明性实施方案的横截面。牙轮钻头602包括牙轮604并且类似于图4的牙轮钻头402，主要区别在于减摩材料650再粘结到碳化钨材料或颗粒。在这个实施方案中，牙轮604同样分成两个区域，即外区610和内区620。外区610包括减摩材料650和碳化钨660的预粘合的基团651的颗粒相651，并且内区620包括碳化钨660和粘结剂材料而无减摩材料650。可替代地，在一些实施方案中，可将碳化钨从有利于粘结剂材料或另一基体材料的内层620省去。
[0038]颗粒相的目的是为基体钻头提供硬度。类似地，粘结剂的目的是为基体钻头提供耐用性。然而，由于硬度对于未暴露的区域并非必需，颗粒相可省去或使其在内区620中的浓度降低。可利用选择性激光烧结(SLS)形成多层牙轮604，如先前关于图4所述。
[0039]图7示出包括减摩添加剂750和牙轮704的牙轮钻头702的第四实施方案的横截面。图7的牙轮钻头702类似于图6的牙轮钻头，主要区别在于在使用例如烧结工艺或底漆和面漆工艺烧结之后添加减摩材料的润滑外层750A。在这个实施方案中，牙轮704分成两个区域，即外区710和内区720。外区710包括碳化钨760以及减摩材料750，并且内区720包括碳化钨760而无减摩材料750。牙轮钻头702的形成可与关于图6描述的牙轮钻头602的形成大致相同，不同之处在于外润滑层750A可通过以下方式添加到外区710:烧结减摩材料750层或使用例如底漆和面漆工艺添加另外的减摩材料750层。如同上述牙轮钻头那样，当碎肩出现时，粘合到下面的碳化钨760的减摩材料750将与减摩材料的外层750A生长在一起。
[0040]图8是钻头804的替代实施方案的横截面，其示出类似于图7中示出的牙轮横截面的固定铣刀钻头804的横截面。然而，钻头804是固定铣刀钻头804。在这个实施方案中，固定铣刀钻头804分成两个区域，即外区810和内区820。外区810包括碳化钨860以及减摩材料850，并且内区820包括碳化钨860而无减摩材料850。可替代地，在一些实施方案中，可将碳化钨860从有利于诸如粘结剂材料的替代基体材料的内区820中完全省去。钻头804可使用例如上述SLS制造方法或任何其他合适制造方法来构造。如同上述牙轮钻头实施方案那样，区域810和820随后可通过SLS或类似工艺选择性地烧结。在形成后，可例如添加减摩材料的外层850A。在碎肩出现时，粘合到碳化钨的减摩材料将与减摩材料的外层850A生长在一起。应当指出，在本文所描述的示例性钻头中的任一个以及并入有基体钻头部分的其他类型的钻头中，本文所描述的概念可应用到图8中描绘的固定铣刀钻头。
[0041]在选择能够在钻探条件下连续运行的钻头时，钻头(诸如牙轮钻头或固定铣刀钻头)的耐蚀性是一个重要考虑因素。快速被侵蚀的钻头可能需要频繁更换，从而中断钻探过程并增加其支出。然而，钻头增加的耐蚀性可允许了更连续且更有效的钻探操作。本公开描述了一种用于提供在钻头的主体中使用减摩添加剂的钻头的系统、工具和方法。减摩添加剂增加了耐蚀性。除了上述实施方案之外，特定组合的许多实施例在本公开的范围内，所述实施例的一些在下面的实施例中详细描述:
[0042]实施例1.一种钻头，其包括:
[0043]模制基体钻头主体，其包括颗粒相和粘结剂材料；以及
[0044]至少一个切削元件；
[0045]其中所述颗粒相包括碳化钨组分和减摩添加剂组分，所述减摩添加剂组分具有比所述碳化钨组分低的摩擦系数;并且
[0046]其中所述减摩添加剂组分包括聚四氟乙烯并且分散在所述基体钻头主体的至少一部分内。
[0047]实施例2.如实施例1所述的钻头，其中所述减摩添加剂组分包括涂布有聚四氟乙烯的碳化钨颗粒。
[0048]实施例3.如实施例1或2所述的钻头，其中:
[0049]所述基体钻头主体包括外区和内区；
[0050]所述外区包括具有聚四氟乙烯分散在其中的所述颗粒相;并且
[0051]所述内区包括不包括聚四氟乙烯的第二颗粒相。
[0052]实施例4.如实施例3所述的钻头，其还包括涂覆到所述外区的聚四氟乙烯表面涂层。
[0053]实施例5.如实施例3或4所述的钻头，其中所述外区具有大于两毫米的厚度。
[0054]实施例6.如实施例3或4所述的钻头，其中所述外区具有大于十厘米的厚度。
[0055]实施例7.如实施例1或2所述的钻头，其中:
[0056]所述基体钻头主体包括外区和内区；
[0057]所述外区包括具有聚四氟乙烯分散在其中的所述颗粒相;并且
[0058]所述内区包括不包括碳化钨的第二颗粒相。
[0059]实施例8.如实施例1至7中任一项所述的钻头，其中所述基体钻头主体还包括聚四氟乙烯表面涂层。
[0060]实施例9.如实施例1所述的钻头，其中所述粘结剂材料包括铜。
[0061]实施例10.如实施例1所述的钻头，其中嵌入所述基体钻头主体中的减摩添加剂组分可操作来响应于在所述钻头主体的所述表面的损坏后暴露于摩擦力而生长并粘合包含所述减摩添加剂组分的外表面。
[0062]实施例11.一种形成基体钻头主体的方法，所述方法包括:
[0063]将颗粒相和粘结材料放置在模具中，所述颗粒相包括碳化钨颗粒和聚四氟乙烯颗粒；以及
[0064]烧结所述颗粒相和所述粘结材料以形成所述基体钻头主体；
[0065]其中烧结所述颗粒相和所述粘结材料包括致使聚四氟乙烯扩散到所述碳化钨颗粒中。
[0066]实施例12.如实施例11所述的方法，其还包括在将颗粒相和粘结材料放置在模具中前，将聚四氟乙烯粘合到碳化钨颗粒以形成所述聚四氟乙烯颗粒。
[0067]实施例13.如实施例11或12所述的方法，其中烧结所述颗粒相和所述粘结材料以形成所述基体钻头主体包括烧结所述颗粒相和所述粘结材料以形成所述基体钻头主体的外区，所述方法还包括:
[0068]将不包括聚四氟乙烯的第二颗粒相放置在由所述基体钻头主体的所述外区形成的空腔中；以及
[0069]烧结所述第二颗粒相以形成所述基体钻头主体的内区；以及
[0070]使用选择性激光烧结在所述内区与所述外区之间形成防止聚四氟乙烯扩散在所述内区中的阻挡层。
[0071]实施例14.如实施例11或12所述的方法，其中烧结所述颗粒相和所述粘结材料以形成所述基体钻头主体包括烧结所述颗粒相和所述粘结材料以形成所述基体钻头主体的外区，所述方法还包括:
[0072]将不包括碳化钨的第二颗粒相放置在由所述基体钻头主体的所述外区形成的空腔中；以及
[0073]烧结所述第二颗粒相以形成所述基体钻头主体的内区；以及
[0074]使用选择性激光烧结在所述内区与所述外区之间形成防止聚四氟乙烯扩散在所述内区中的阻挡层。
[0075]实施例15.如实施例13或14所述的方法，其还包括将低摩擦涂层涂覆到所述外区的外表面。
[0076]实施例16.如实施例15所述的方法，其中所述低摩擦涂层包括聚四氟乙烯面漆。
[0077]实施例17.如实施例11-16中任一项所述的方法，其还包括通过操作包括所述基体钻头主体的钻头以形成井筒来在所述基体钻头主体的外表面上形成减摩层。
[0078]实施例18.如实施例11-16中任一项所述的方法，其还包括通过将所述基体钻头主体暴露于摩擦力来形成包含聚四氟乙烯的外表面。
[0079]实施例19.如实施例17所述的方法，其中形成所述减摩层还包括通过在所述钻头破碎后继续操作所述钻头以移除外润滑层的一部分来再生成所述外润滑层的一部分。
[0080]实施例20.—种包括钻柱的井形成系统，所述钻柱具有低表面摩擦钻头，其中所述低表面摩擦钻头包括:
[0081]至少一个切削元件以及包括颗粒相和粘结材料的模制基体钻头主体，所述颗粒相包括碳化钨和聚四氟乙烯；
[0082]其中所述聚四氟乙烯分散遍及在所述基体钻头主体的至少一部分内。
[0083]实施例21.如实施例20所述的井形成系统，其中:
[0084]所述基体钻头主体还包括内区和外区；
[0085]所述外区包括所述颗粒相和所述粘结材料；
[0086]所述内区由不包括聚四氟乙烯的材料组成；以及
[0087]阻挡层，其防止所述聚四氟乙烯扩散到所述内区。
[0088]实施例22.如权利要求20或21所述的井形成系统，其中所述基体钻头主体包括牙轮钻头主体，所述牙轮钻头主体具有涂覆到所述牙轮钻头主体的外表面的低摩擦涂层。
[0089]从前述内容中，应当显而易见的是，公开的示例性实施方案中体现的各种特征不仅限于那些示例性实施方案。在不背离本发明的精神的情况下，各种变化和修改是可能的。
【主权项】
1.一种钻头，其包括: 模制基体钻头主体，其包括颗粒相和粘结剂材料；以及 至少一个切削元件； 其中所述颗粒相包括碳化钨组分和减摩添加剂组分，所述减摩添加剂组分具有比所述碳化钨组分低的摩擦系数;并且 其中所述减摩添加剂组分包括聚四氟乙烯并且分散在所述基体钻头主体的至少一部分内。2.如权利要求1所述的钻头，其中所述减摩添加剂组分包括涂布有聚四氟乙烯的碳化钨颗粒。3.如权利要求1所述的钻头，其中: 所述基体钻头主体包括外区和内区； 所述外区包括具有聚四氟乙烯分散在其中的所述颗粒相;并且 所述内区包括不包括聚四氟乙烯的第二颗粒相。4.如权利要求3所述的钻头，其还包括涂覆到所述外区的聚四氟乙烯表面涂层。5.如权利要求3所述的钻头，其中所述外区具有大于两毫米的厚度。6.如权利要求3所述的钻头，其中所述外区具有大于十厘米的厚度。7.如权利要求1所述的钻头，其中: 所述基体钻头主体包括外区和内区； 所述外区包括具有聚四氟乙烯分散在其中的所述颗粒相;并且 所述内区包括不包括碳化钨的第二颗粒相。8.如权利要求1所述的钻头，其中所述基体钻头主体还包括聚四氟乙烯表面涂层。9.如权利要求1所述的钻头，其中嵌入所述基体钻头主体中的减摩添加剂组分可操作来响应于在所述钻头主体的所述表面的损坏后暴露于摩擦力而生长并粘合包含所述减摩添加剂组分的外表面。10.一种形成基体钻头主体的方法，所述方法包括: 将颗粒相和粘结材料放置在模具中，所述颗粒相包括碳化钨颗粒和聚四氟乙烯颗粒；以及 烧结所述颗粒相和所述粘结材料以形成所述基体钻头主体； 其中烧结所述颗粒相和所述粘结材料包括致使聚四氟乙烯扩散到所述碳化钨颗粒中。11.如权利要求10所述的方法，其还包括在将颗粒相和粘结材料放置在模具中前，将聚四氟乙烯粘合到碳化钨颗粒以形成所述聚四氟乙烯颗粒。12.如权利要求10所述的方法，其中烧结所述颗粒相和所述粘结材料以形成所述基体钻头主体包括烧结所述颗粒相和所述粘结材料以形成所述基体钻头主体的外区，所述方法还包括: 将不包括聚四氟乙烯的第二颗粒相放置在由所述基体钻头主体的所述外区形成的空腔中；以及 烧结所述第二颗粒相以形成所述基体钻头主体的内区；以及 使用选择性激光烧结在所述内区与所述外区之间形成防止聚四氟乙烯扩散在所述内区中的阻挡层。13.如权利要求10所述的方法，其中烧结所述颗粒相和所述粘结材料以形成所述基体钻头主体包括烧结所述颗粒相和所述粘结材料以形成所述基体钻头主体的外区，所述方法还包括: 将不包括碳化钨的第二颗粒相放置在由所述基体钻头主体的所述外区形成的空腔中；以及 烧结所述第二颗粒相以形成所述基体钻头主体的内区；以及 使用选择性激光烧结在所述内区与所述外区之间形成防止聚四氟乙烯扩散在所述内区中的阻挡层。14.如权利要求13所述的方法，其还包括将低摩擦涂层涂覆到所述外区的外表面。15.如权利要求14所述的方法，其中所述低摩擦涂层包括聚四氟乙烯面漆。16.如权利要求10所述的方法，其还包括通过将所述基体钻头主体暴露于摩擦力来形成包括聚四氟乙烯的外表面。17.如权利要求16所述的方法，其中形成所述减摩层还包括通过在所述钻头破碎后继续操作所述钻头以移除外润滑层的一部分来再生成所述外润滑层的一部分。18.一种包括钻柱的井形成系统，所述钻柱具有低表面摩擦钻头，其中所述低表面摩擦钻头包括: 至少一个切削元件以及包括颗粒相和粘结材料的模制基体钻头主体，所述颗粒相包括碳化钨和聚四氟乙烯； 其中所述聚四氟乙烯分散在所述基体钻头主体的至少一部分内。19.如权利要求18所述的井形成系统，其中: 所述基体钻头主体还包括内区和外区； 所述外区包括所述颗粒相和所述粘结材料； 所述内区由不包括聚四氟乙烯的材料组成；以及 阻挡层，其防止所述聚四氟乙烯扩散到所述内区。20.如权利要求19所述的井形成系统，其中所述基体钻头主体包括牙轮钻头主体，所述牙轮钻头主体具有涂覆到所述牙轮钻头主体的外表面的低摩擦涂层。
【文档编号】E21B10/46GK106062300SQ201480071439
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2014年3月12日
【发明人】G·T·奥尔森
【申请人】哈里伯顿能源服务公司