DE102006017001A1

DE102006017001A1 - Matrix-Kronenkörper und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102006017001A1
Application number: DE102006017001A
Authority: DE
Inventors: Ram L. Tromball Ladi; Gary Conroe Weaver; David A. New Caney Brown
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2006-10-19
Also published as: CA2539525A1; US7784381B2; CA2539525C; GB2425080A; US7398840B2; GB2425080B; US20080127781A1; US20100288821A1; US20060231293A1; ITMI20060745A1; GB0607379D0

Abstract

Es wird ein Matrix-Bohrmeißel sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Matrix-Kronenkörpers aus einer Mischung aus Matrixmaterialien offenbart. Zwei oder mehrere unterschiedliche Arten von Matrixmaterialien können dazu verwendet werden, einen Komposit-Matrix-Kronenkörper auszubilden. Ein erstes Matrixmaterial kann ausgewählt werden, um einen optimalen Bruchwiderstand (Festigkeit) sowie optimalen Widerstand gegen Abtragung, Abnutzung und Abrieb für Abschnitte eines Matrix-Kronenkörpers so wie Schneidbuchsen, Schneid-Aufbauten, Klingen, Ausschuss-Schlitze und andere Abschnitte des Kronenkörpers zur Verfügung zu stellen, die mit dem Erfassen und Entfernen von Formationsmaterialien im Zusammenhang stehen. Ein zweites Matrixmaterial kann ausgewählt werden, um eine gewünschte Infiltration heißen, flüssigen Bindermaterials in das erste Matrixmaterial zur Verfügung zu stellen, um einen festen, zusammenhängenden Komposit-Matrix-Kronenkörper auszubilden.

Description

Zugehörige Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht den Rechtsvorteil der US-Provisional Patentanmeldung mit dem Titel „MATRIX DRILL BITS AND METHOD OF MANUFACTURE", die die Anmeldenummer 60/671,272 trägt und am 14. April 2005 eingereicht wurde.
Technisches Feld
Die vorliegende Erfindung betrifft Dreh-Bohrmeißel und insbesondere Matrix-Kronenkörper, die einen Komposit-Matrix-Kronenkörper aufweisen, der teilweise durch zumindest ein erstes Matrixmaterial und ein zweites Matrixmaterial ausgebildet ist.
Hintergrund der Erfindung
Dreh-Bohrmeißel werden häufig dazu verwendet, Öl- und Gas-Bohrlöcher, geothermische Bohrlöcher und Wasser-Bohrlöcher zu bohren. Dreh-Bohrmeißel können generell als Drehkonus- oder Rollen-Konus-Bohrmeißel und fixiertes Schneidbohrgerät oder Riefen-Meißel klassifiziert werden. Fixierte Schneidbohrmeißel oder Riefen-Meißel werden oft mit einem Matrix-Kronenkörper ausgebildet, der Schneidelemente oder Einsätze aufweist, die an ausgewählten Orten äußerer Abschnitte des Matrix-Kronenkörpers angeordnet sind. Durchgänge für einen Fluidstrom sind typischerweise in dem Matrix-Kronenkörper ausgebildet, um eine Wirkverbindung von Bohr-Fluiden von dem zugehörigen Oberflächen-Bohrgerät durch einen Bohrstrang oder eine Bohrröhre, die an dem Matrix- Kronenkörper angebracht sind, zu ermöglichen. Solche fixierte Schneid-Bohrmeißel oder Riefen-Meißel können manchmal als „Matrix-Bohrmeißel" bezeichnet werden.
Matrix-Bohrmeißel werden typischerweise durch Platzieren losen Matrixmaterials (manchmal als „Matrixpulver" bezeichnet) in eine Form und Infiltrieren des Matrixmaterials mit einem Bindermittel so wie einer Kupferlegierung ausgebildet. Die Form kann durch Einfräsen eines Blocks aus Material so wie Graphit ausgebildet sein, um einen Form-Hohlraum mit Merkmalen zu definieren, die generell mit den gewünschten äußeren Merkmalen des resultierenden Matrix-Bohrmeißels übereinstimmen. Verschiedene Merkmale des resultierenden Matrix-Bohrmeißels so wie Klingen, Schneidtaschen und/oder Durchgänge für den Fluidstrom können durch Ausformen des Form-Hohlraums und/oder durch Positionieren von vorläufigem Verdrängungsmaterial innerhalb innerer Abschnitte des Form-Hohlraums zur Verfügung gestellt werden. Ein vorgeformter Stahlschaft oder ein Meißel-Rohling können innerhalb des Form-Hohlraums platziert sein, um eine Verstärkung für den Meißelkörper zur Verfügung zu stellen und die Anbringung des resultierenden Matrix-Bohrmeißels an dem Bohrstrang zu ermöglichen.
Ein Quantum von Matrixmaterial, das typischerweise in Pulverform vorliegt, kann dann innerhalb des Form-Hohlraums platziert werden. Das Matrixmaterial kann durch eine geschmolzene Metalllegierung oder ein Bindemittel infiltriert werden, die einen Matrix-Kronenkörper nach der Erstarrung des Bindemittels mit dem Matrixmaterial ausbilden wird. Wolframkarbid-Pulver wird oft dazu verwendet, konventionelle Matrix-Kronenkörper auszubilden.

Zusammenfassung der Offenbarung

In Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung wirken ein erstes Matrixmaterial und zweites Matrixmaterial miteinander zusammen, um Probleme, die beim Ausbilden von Sonden-Matrix-Bohrmeißeln, die frei von inneren Schwachstellen sind, zusammenhängen, zu eliminieren oder im Wesentlichen zu reduzieren. Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das Platzieren eines ersten Matrixmaterials in eine Form beinhalten, um Klingen, Schneidtaschen, Ausschussschlitze und andere äußere Abschnitte eines dazugehörigen Matrix-Bohrmeißels auszubilden. Ein Metallrohling oder ein Gießdorn können in der Form oberhalb des ersten Matrixmaterials installiert werden. Ein zweites Matrixmaterial kann dann in die Form hinzugegeben werden. Das zweite Matrixmaterial kann so ausgewählt sein, dass es eine schnelle Infiltration oder einen Strom flüssigen Bindermaterials in und durch das erste Matrixmaterial ermöglicht.

Als Ergebnis hiervon kann eine Legierungs-Entmischung im letzten Erstarrungsabschnitt des Bindermaterials und ersten Matrixmaterials im Wesentlichen reduziert oder eliminiert werden. Das erste Matrixmaterial kann ebenso eine gewünschte Erhöhung der transversalen Bruchfestigkeit, Schlagfestigkeit, Abtragungs-, Abnutzungs- und Abrieb-Eigenschaften für einen zugehörigen Komposit-Matrix-Bohrmeißel zur Verfügung stellen.

Das Zusammenwirken zwischen dem zweiten Matrixmaterial und dem Bindermittel kann Qualitätsprobleme, die mit einer unzureichenden Infiltration des Bindermaterials durch das erste Matrixmaterial im Zusammenhang stehen, im Wesentlichen reduzieren und/oder eliminieren. Porosität, Schrumpfung, Rissbildung, Seigerung und/oder die Abwesenheit einer Bindung des Bindermaterials mit dem ersten Matrixmaterial können durch die Hinzufügung eines zweiten Matrixmaterials reduziert oder eliminiert werden. Das erste Matrixmaterial kann zementierte Karbide aus Wolfram, Titan, Tantal, Niob, Chrom, Vanadium, Molybdän, Hafnium, unabhängig oder in Kombination und/oder kugelförmige Karbide sein. Das zweite Matrixmaterial kann makrokristalliner Wolframkarbid und/oder gegossener Wolframkarbid sein. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf zementierte Wolframkarbide, kugelförmige Karbide, makrokristalline Wolframkarbide und/oder gegossene Wolframkarbide oder Mischungen hieraus beschränkt. Die Lehre der vorliegenden Offenbarung kann ebenso dazu verwendet werden, relativ große Komposit-Matrix-Kronenkörper und vergleichsweise kleine, komplexe Komposit-Matrix-Kronenkörper herzustellen oder zu gießen.

Technische Vorteile, die mit der Offenbarung verbunden sind, beinhalten, sind jedoch hierauf nicht beschränkt, das Eliminieren oder im Wesentlichen Reduzieren von Qualitätsproblemen, die mit einer unvollständigen Infiltration oder Bindung harter partikelförmiger Gegenstände, die mit Matrix-Bohrmeißeln im Zusammenhang stehen, verbunden sind. Beispiele derartiger Qualitätsprobleme beinhalten, sind jedoch hierauf nicht beschränkt, die Reduktion der Legierungs-Seigerung, die Ausbildung unerwünschter intermetallischer Mischungen, von Porosität und/oder unerwünschten Löchern oder von Hohlräumen, die im dazugehörigen Matrix-Kronenkörper ausgebildet sind.

Ein Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Ausbilden eines Matrix-Bohrmeißels, der einen ersten Abschnitt oder eine erste Zone aufweist, die teilweise aus zementierten Karbiden und/oder kugelförmigen Karbiden ausgebildet ist, die eine erhöhte Festigkeit zusammen mit verbesserter Abnutzungs-, Abtrags- und Abriebsfestigkeit zur Verfügung stellt, sowie einen zweiten Abschnitt oder eine zweite Zone, die teilweise aus makrokristallinem Wolframkarbid und/oder gegossenen Karbiden ausgebildet ist, die die Infiltration heißen, flüssigen Bindermaterials durch die zementierte Karbide und/oder kugelförmigen Karbide hindurch erhöht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein vollständigeres und durchgängigeres Verständnis der vorliegenden Ausführungsformen und von deren Vorteilen kann unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, wenn sie im Zusammenhang mit den anhängenden Zeichnungen gesehen wird, erreicht werden. In den Zeichnungen kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale. In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische Zeichnung, die eine isometrische Ansicht eines Bohrmeißels mit fixiertem Schneidelement zeigt, der einen Matrix-Kronenkörper aufweist, der in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung ausgebildet ist;
2 eine schematische Zeichnung im Schnitt mit weggebrochenen Abschnitten, die ein Beispiel einer Form-Anordnung mit einem ersten Matrixmaterial und einem zweiten Matrixmaterial ausgebildet ist und zur Ausbildung eines Matrix-Bohrmeißels in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung ausreichen ist;
3 ist eine schematische Zeichnung im Schnitt mit weggebrochenen Abschnitten, die einen Matrix-Kronenkörper zeigt, der aus der Form aus 2 entfernt wurde, nachdem Bindermaterial in das erste Matrixmaterial und das zweite Matrixmaterial infiltriert wurde; und
4 eine schematische Zeichnung im Schnitt, die innere Abschnitte eines Beispiels einer Form zeigt, die für die Verwendung beim Ausbilden eines Matrix-Kronenkörpers in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung ausreichend ist.
Detaillierte Beschreibung der Offenbarung
Bevorzugte Ausführungsformen der Offenbarung und deren Vorteile werden am besten unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 verstanden, wobei gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche oder ähnliche Teile beziehen.
Der Begriff „Matrix-Bohrmeißel" kann in dieser Anmeldung dazu verwendet werden, sich auf „Dreh-Riefen-Meißel", „Riefen-Meißel", „Bohrmeißel mit fixiertem Schneidelement" oder jeden anderen Bohrmeißel, der die Lehre der vorliegenden Offenbarung verkörpert, zu beziehen. Solche Bohrmeißel können dazu verwendet werden, Bohrlöcher in unterirdischen Formationen auszuformen.
Matrix-Bohrmeißel, die die Lehre der vorliegenden Offenbarung verwirklichen, können einen Matrix-Kronenkörper beinhalten, der teilweise durch zumindest ein erstes Matrixmaterial und ein zweites Matrixmaterial ausgebildet ist. Solche Matrix-Bohrmeißel können so beschrieben werden, dass sie Komposit-Matrix-Kronenkörper aufweisen, da zumindest zwei unterschiedliche Matrixmaterialien mit zwei unterschiedlichen Verhaltens-Eigenschaften dazu verwendet werden können, den Kronenkörper auszuformen. Wie später detaillierter beschrieben werden wird, können mehr als zwei Matrixmaterialien dazu verwendet werden, einen Matrix-Kronenkörper in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung auszubilden.
Für einige Anwendungsfälle kann das erste Matrixmaterial eine erhöhte Festigkeit oder einen erhöhten Widerstand gegenüber Bruch aufweisen und ebenso gewünschte Abtrags-, Abnutzungs- und Abriebs-Widerstände bereitstellen. Das zweite Matrixmaterial weist (wenn überhaupt) vorzugsweise nur eine begrenzte Menge von Legierungsmaterialien oder anderen Verunreinigungen auf. Das erste Matrixmaterial kann zementierte Karbide oder kugelförmige Karbide beinhalten, ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Das zweite Matrixmaterial kann makrokristalline Wolframkarbide und/oder gegossene Karbide beinhalten, ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
Verschiedene Arten von Bindermaterialien können dazu verwendet werden, die Matrixmaterialien zu infiltrieren, um einen Matrix-Kronenkörper auszubilden. Die Bindermaterialien können Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Eisen (Fe), Molybdän (Mo) einzeln oder auf diesen Metallen basierende Legierungen beinhalten, sind jedoch hierauf nicht beschränkt. Die Legierungselemente können eins oder mehrere der folgenden Elemente beinhalten, sind jedoch hierauf nicht beschränkt: Mangan (Mn), Nickel (Ni), Zinn (Sn), Zink (Zn), Silizium (Si), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Bor (B) und Phosphor (P). Der Matrix-Kronenkörper kann an einem Metallschaft angebracht sein. Eine Werkzeugverbindung, die eine Gewindeverbindung aufweist, die so betreibar ist, dass sie den dazugehörigen Matrix-Bohrmeißel mit einem Bohrstrang, einem Bohrgestänge, einem Bohrloch-Zusammenbau oder einem Bohrloch-Bohrmotor wieder freigebbar ergreifen kann, kann an dem Metallschaft angebracht sein.
Die Begriffe „zementierter Karbid" und „zementierte Karbide" können innerhalb dieser Anmeldung so verwendet werden, dass sie WC, MoC, TiC, TaC, NbC, Cr₃C₂, VC und feste Lösungen gemischter Karbide so wie WC-Tic, WC-TiC-TaC, WC-TiC-(Ta,Nb)C in einer metallischen Binder(Matrix)-Phase beinhalten. Typischerweise können Co, Ni, Fe, Mo und/oder deren Legierungen dazu verwendet werden, das metallische Bindemittel auszubilden. Zementierte Karbide werden manchmal als „Komposit"-Karbide oder gesinterte Karbide bezeichnet. Einige zementierte Karbide können ebenso als kugelförmige Karbide bezeichnet werden. Jedoch können die zementierten Karbide jeden anderen Aufbau und jede andere Form abweichend von der Kugelform aufweisen.
Zementierte Karbide können generell als pulverförmige refraktorische Karbide beschrieben werden, die durch Komprimierung und Wärme mit Bindermaterialien verbunden wurden, so wie pulverförmiges Kobalt, Eisen, Nickel, Molybdän und/oder deren Legierungen. Zementierte Karbide können ebenso gesintert, gebrochen, gesiebt und/oder weiterbearbeitet werden, wo dies sinnvoll erscheint.
Zementierte Karbid-Pellets können dazu verwendet werden, einen Matrix-Kronenkörper auszuformen. Das Bindermaterial stellt die Duktilität und Festigkeit zur Verfügung, die oft zu einem größeren Widerstand gegenüber Bruch(Festigkeit) der zementierten Karbid-Pellets, Kugeln oder anderen Konfigurationen verglichen mit gegossenen Karbiden, makrokristallinem Wolframkarbid und/oder Formen hiervon führt.
Die zur Ausbildung zementierter Karbide verwendeten Bindermaterialien werden in dieser Patentanmeldung manchmal als „Verbindermaterial" bezeichnet, um dazu beizutragen, Bindermaterialien, die zur Ausbildung zementierter Karbide verwendet werden, von Bindermaterialien, die zur Ausbildung eines Matrix-Bohrmeißels verwendet werden, zu unterscheiden.
Wie dies im Folgenden detaillierter diskutiert werden wird, können metallische Elemente und/oder deren Legierungen in den Verbindungsmaterialien, die mit zementierten Karbiden im Zusammenhang stehen, heiße, flüssige (geschmolzene) Infiltrationsmittel so wie auf Kupfer basierende Legierungen und andere Typen von Bindermaterialien, die mit dem Ausbilden von Matrix-Bohrmeißeln im Zusammenhang stehen, „verunreinigen", wenn das geschmolzene Infiltrationsmittel durch die zementierten Karbide hindurch verläuft, bevor es erstarrt, um eine gewünschte Matrix auszubilden. Diese Arten von „Verunreinigungen" (Anreicherung von Infiltrationsmitteln mit Verbindermaterial von zementierten Karbiden) eines geschmolzenen Infiltrationsmittels kann dessen Solidustemperatur (Temperatur unterhalb der das Infiltrationsmittel insgesamt fest ist) verändern, und die Liquidustemperatur (Temperatur oberhalb der das Infiltrationsmittel vollständig flüssig ist) des Infiltrationsmittels verändern, wenn es unter dem Einfluss der Kapillaraktion durch das zementierte Karbid hindurch verläuft. Diese Phänomene können einen nachteiligen Effekt auf die Benetzbarkeit der zementierten Karbide aufweisen, was zu einem Verlust einer ausreichenden Infiltration der zementierten Karbide vor der Erstarrung zur Ausbildung der gewünschten Matrix führt.
Gegossene Karbide können generell so beschrieben werden, dass sie zwei Phasen, Wolfram-Monokarbid und Di-Wolfram-Karbid aufweisen. Gegossene Karbide weisen oft Eigenschaften so wie Härte, Benetzbarkeit und Reaktionen auf kontaminierte heiße, flüssige Bindemittel, die sich von denen zementierter Karbide oder kugelförmiger Karbide unterscheiden, auf.
Makkokristallines Wolframkarbid kann generell als vergleichsweise kleine Partikel (Pulver) einzelner Kristalle aus Monowolframkarbid mit Zusätzen von gegossenem Karbid, Nickel, Eisen, Karbonyl aus Eisen, Nickel, usw. beschrieben werden. Sowohl zementierte Karbide als auch makrokristalline Wolframkarbide werden generell als harte Materialien mit hohem Widerstand gegenüber Abnutzung, Abtrag oder Abrieb beschrieben. Makrokristalliner Wolframkarbid kann ebenso Eigenschaften wie Härte, Benetzbarkeit und Reaktion auf heiße, flüssige Bindemittel aufweisen, die sich von denen zementierter Karbide oder kugelförmiger Karbide unterscheiden.
Die Begriffe „Bindemittel" oder „Bindermaterial" können in dieser Anmeldung so verwendet werden, dass sie Kupfer, Kobalt, Nickel, Eisen und Legierungen dieser Elemente oder jedes anderen Materials beinhalten, das zur Verwendung zum Ausformen eines Matrix-Bohrmeißels zufriedenstellend ist. Solche Bindemittel stellen generell eine gewünschte Duktilität, Festigkeit und thermische Leitfähigkeit für den zugehörigen Matrix-Bohrmeißel zur Verfügung. Andere Materialien so wie Wolframkarbid, wobei dies jedoch nicht beschränkend begriffen wird, wurden früher als Bindermaterialien verwendet, um einen Widerstand gegenüber Abnutzung, Abtrag oder Abrieb eines dazugehörigen Matrix-Bohrmeißels zur Verfügung zu stellen. Bindermaterialien können mit zwei oder mehr unterschiedlichen Arten von Matrixmaterialien zusammenwirken, die in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung ausgewählt wurden, um Komposit-Matrix-Bohrkronen mit erhöhter Festigkeit und Abrieb-Eigenschaften verglichen mit vielen konventionellen Matrix-Bohrkronen zur Verfügung zu stellen.
1 ist eine schematische Zeichnung, die ein Beispiel eines Matrix-Bohrmeißels oder eines fixierten Schneid-Bohrmeißels zeigt, der mit einer Komposit-Matrix-Bohrkrone in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung ausgebildet wurde. Für Ausführungsformen, so wie sie in 1 gezeigt sind, kann ein Matrix-Bohrmeißel 20 einen Metallschaft 30 mit einer Komposit-Matrix-Bohrkrone 50, die daran fest angebracht ist, beinhalten. Der Metallschaft 30 kann so beschrieben werden, dass er einen generell hohlen, zylindrischen Aufbau aufweist, der teilweise durch den fluiden Strömungsdurchgang 32 in 3 definiert ist. Verschiedene Arten von Gewindeverbindungen so wie die Verbindung gemäß American Petroleum Institute (API) oder ein mit einem Gewinde versehener Stift 34 können auf dem Metallschaft 30 gegenüber der Komposit-Matrix-Bohrkrone 50 ausgebildet sein.
Für einige Anwendungen kann ein generell zylindrischer Metallrohling oder ein Gussrohling 36 (siehe die 2 und 3) an dem hohlen, generell zylindrischen Metallschaft 30 unter Verwendung verschiedener Techniken angebracht werden. Beispielsweise kann eine ringförmige Schweißnut 38 (siehe 3) zwischen benachbarten Abschnitten des Rohlings 36 und der Welle 30 ausgebildet sein. Die Schweißnaht 39 kann in der Nut 38 zwischen dem Rohling 36 und dem Schaft 30 ausgebildet werden. Siehe hierzu 1. Ein fluider Strömungsdurchgang oder eine Längsbohrung 32 erstreckt sich vorzugsweise durch den Metallschaft 30 und den Metallrohling 36. Der Metallrohling 36 und die Metallwelle 30 können aus verschiedenen Stahllegierungen oder jeder anderen Metalllegierung, die mit dem Herstellen von Dreh-Bohrmeißel im Zusammenhang steht, ausgebildet sein.
Ein Matrix-Bohrmeißel kann eine Vielzahl von Schneidelementen, Einsätzen, Schneidtaschen, Schneidklingen, Schneidaufbauten, Ausschussschlitzen und/oder Fluid-Strömungsdurchgängen beinhalten, die an äußeren Abschnitten einer zugehörigen Bohrkrone ausgebildet sind oder an diesen angebracht sind. Für Ausführungsformen, wie sie in den 1, 2 und 3 gezeigt sind, kann eine Vielzahl von Schneidklingen 52 auf der Außenseite der Komposit-Matrix-Bohrkrone 50 ausgebildet sein. Die Schneidklingen 52 können voneinander auf der Außenseite der Komposit-Matrix-Bohrkrone 50 beabstandet sein, um dazwischen Fluid-Strömungsdurchgänge oder Ausschuss-Schlitze auszubilden.
Eine Vielzahl von Düsenöffnungen 54 kann in der Komposit-Bohrkrone 50 ausgebildet sein. Die jeweiligen Düsen 56 können in jeder Düsenöffnung 54 angeordnet sein. Für einige Anwendungen können die Düsen 56 als „austauschbare" Düsen beschrieben werden. Verschiedene Arten von Bohrfluiden können von dem Oberflächen-Bohrgerät (nicht ausdrücklich gezeigt) durch einen Bohrstrang (nicht ausdrücklich gezeigt), der mit einer Gewindeverbindung 34 und Fluid-Strömungsdurchgängen 32 zum Ausgang von einer oder mehrerer Düsen 56 angebracht ist, gepumpt werden. Die abgeschnittenen Teile, Bohrloch-Schutt, Formationsflüssigkeiten und/oder Bohrflüssigkeiten können durch einen Ringraum (nicht ausdrücklich gezeigt), der zwischen den Außenseitenabschnitten des Bohrgestänges und der Innenseite eines dazugehörigen Bohrlochs (nicht ausdrücklich gezeigt) ausgebildet ist, zur Bohrloch-Oberfläche zurückkehren.
Eine Vielzahl von Taschen oder Aufnahmen 58 kann in Klingen 52 an ausgewählten Orten ausgebildet sein. Siehe hierzu 3. Die jeweiligen Schneidelemente oder Einsätze 60 können sicher in jeder Tasche 58 befestigt werden, um benachbarte Abschnitte einer Bohrloch-Formation zu erfassen und zu entfernen. Schneidelemente 60 können Formationsmaterialien von dem Boden und den Seiten eines Bohrlochs während der Rotation des Matrix-Bohrmeißels 20 über ein einangebrachtes Bohrgestänge abkratzen und ausmeißeln. Für einige Anwendungsfälle können verschiedene Arten von polykristallinen kompakten Diamantschneidern (PDC) zufriedenstellend als Einsätze 60 verwendet werden. Ein Matrix-Bohrmeißel, der derartige PDC-Schneider aufweist, wird manchmal als „PDC-Meißel" bezeichnet.

Das US-Patent 6,296,069 mit dem Titel Bladed Drill Bit wich Centrally Distributed Diamond Cutters und das US-Patent 6,302,224 mit dem Titel Drag-Bit Drilling with Multiaxial Tooth Inserts zeigen verschiedene Beispiele von Klingen und/oder Schneidelementen, die mit einem Komposit-Matrix-Kronenkörper, der die Lehre der vorliegenden Offenbarung verkörpert, verwendet werden können. Es wird dem Fachmann leicht ersichtlich, dass eine große Vielzahl von Bohrmeißeln mit fixierten Schneidern, Riefen-Meißeln und andere Bohrmeißel in zufriedenstellender Weise mit einem Komposit-Matrix-Kronenkörper ausgebildet sein kann, der die Lehre der vorliegenden Offenbarung verkörpert. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf einen Matrix-Bohrmeißel 20 oder jedes spezielle Merkmal, wie es in den 1 bis 4 gezeigt ist, beschränkt.

Eine große Vielzahl von Formen kann in zufriedenstellender Weise dazu verwendet werden, einen Komposit-Matrix-Kronenkörper und einen dazugehörigen Matrix-Bohrmeißel in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung auszubilden. Eine Form-Anordnung 100, wie sie in den 2 und 4 gezeigt ist, stellt nur ein Beispiel einer Form- Anordnung dar, das bei der Verwendung beim Ausbilden eines Komposit-Matrix-Kronenkörpers, der die Lehre der vorliegenden Offenbarung verkörpert, zufriedenstellend ist. Das US-Patent 5,373,907 mit dem Titel Method And Apparatus For Manufacturing And Inspecting The Quality Of A Matrix Body Drill Bit zeigt zusätzliche Details in Bezug auf Form-Anordnungen und konventionelle Matrix-Kronenkörper.

Die Form-Anordnung 100, wie sie in den 2 und 4 gezeigt ist, kann verschiedene Komponenten wie eine Form 102, einen Dickenringen oder einen Verbindungsring 110 sowie einen Trichter 120 beinhalten. Die Form 102, der Dickenring 110 sowie der Trichter 120 können aus Graphit oder anderen geeigneten Materialien ausgebildet sein. Verschiedene Techniken können verwendet werden, inklusive, jedoch hierauf nicht beschränkt, das Bearbeiten eines Graphit-Rohlings, um eine Form 102 mit einem Hohlraum 104, der ein negatives Profil oder ein umgedrehtes Profil eines gewünschten äußeren der Merkmale für einen daraus resultierenden Bohrmeißel mit fixiertem Schneider zu produzieren. Beispielsweise kann der Form-Hohlraum 104 ein negatives Profil aufweisen, das mit dem äußeren Profil oder dem Aufbau von Klingen 52 und Ausschuss-Schlitzen oder Fluid-Strömungsdurchgängen, die dazwischen ausgebildet sind und wie dies in 1 gezeigt ist, übereinstimmt.

Wie in 4 gezeigt, kann eine Vielzahl von Form-Einsätzen 106 innerhalb des Hohlraums 104 platziert sein, um die jeweiligen Taschen 58 in den Klingen 52 auszubilden. Der Ort der Form-Einsätze 106 im Hohlraum 104 korrespondiert mit gewünschten Orten zum Installieren von Schneidelementen 60 in den dazugehörigen Klingen 52. Form-Einsätze 106 können aus verschiedenen Arten von Materialien ausgebildet sein, sowie dichter Sand und Graphit, wobei die Offenbarung hierauf nicht beschränkt ist. Verschiedene Techniken so wie Löten können in zufriedenstellender Weise dazu verwendet werden, die Schneidelemente 60 in den jeweiligen Taschen 58 zu installieren.

Verschiedene Arten von temporären Verdrängungsmaterialien können in zufriedenstellender Weise innerhalb des Form-Hohlraums 104 abhängig vom gewünschten Aufbau eines daraus resultierenden Matrix-Bohrmeißels installiert werden. Zusätzliche Form-Einsätze (nicht ausdrücklich gezeigt), die aus verschiedenen Materialien wie verfestigtem Sand und/oder Graphit ausgebildet sind, können innerhalb des Form-Hohlraums 104 angeordnet sein. Verschiedene Harze können in zufriedenstellender Weise zur Ausbildung eines verfestigten Sands verwendet werden. Solche Form-Einsätze können Aufbauten aufweisen, die mit den gewünschten äußeren Merkmalen eines Komposit-Kronenkörpers 50 korrespondieren, so wie Fluid-Strömungsdurchgänge, die zwischen benachbarten Klingen 52 ausgeformt sind. Wie im Folgenden detaillierter diskutiert werden wird, kann ein erstes Matrixmaterial, das eine erhöhte Festigkeit oder einen erhöhten Widerstand gegenüber Bruch aufweist, in dem Form-Hohlraum 104 platziert sein, um Abschnitte eines damit im Zusammenhang stehenden Komposit-Matrix-Kronenkörpers auszubilden, der Bohrloch-Formationsmaterialien während des Bohrens eines Bohrlochs erfasst und entfernt.

Der Kompositmatrix-Kronenkörper 50 kann einen vergleichsweise großen Fluid-Hohlraum oder eine Kammer 32 mit vielen Fluid-Strömungsdurchgängen 42 und 44 aufweisen, die sich hiervon aus erstrecken. Siehe hierzu 3. Wie in 2 gezeigt, können Verdrängungsmaterialien so wie verfestigter Sand innerhalb der Form-Zusammensetzung 100 an gewünschten Orten installiert sein, um Abschnitte des Hohlraums 32 und Fluid-Strömungsdurchgänge 42 und 44, die sich hiervon aus erstrecken, auszubilden. Solche Verdrängungsmaterialien können verschiedene Konfigurationen aufweisen. Die Orientierung und der Aufbau von Schenkeln 142 und 144 aus verfestigtem Sand kann so ausgewählt werden, dass sie mit gewünschten Orten und Konfigurationen der hiermit im Zusammenhang stehenden Fluid-Strömungsdurchgänge 42 und 44, die in Wirkverbindung von Hohlraum 32 zu jeweiligen Düsen-Auslässen 44 stehen, korrespondiert. Die Fluid-Strömungsdurchgänge 42 und 44 können (nicht ausdrücklich gezeigte) mit Gewinden versehene Behälter zum darin Halten der jeweiligen Düsen 56 aufnehmen.

Ein vergleichsweise großer, im Wesentlichen zylindrisch ausgeformter Kern 150 aus verfestigtem Sand kann auf den Schenkeln 142 und 144 platziert werden. Der Kern 150 sowie die Schenkel 142 und 144 können manchmal so beschrieben werden, dass sie die Form von „Krähenfüßen" aufweisen. Der Kern 150 kann ebenso als „Stängel" bezeichnet werden. Die Anzahl von Schenkeln, die sich vom Kern 150 aus erstrecken, wird abhängen von der gewünschten Anzahl von Düsenöffnungen in einem daraus resultierenden Komposit-Kronenkörper. Die Schenkel 142 und 144 sowie der Kern 150 können ebenso aus Graphit oder anderem geeigneten Material ausgebildet sein.

Nachdem die gewünschten Verdrängungsmaterialien inklusive des Kerns 150 und der Schenkel 142 sowie 144 innerhalb der Form-Zusammensetzung 100 installiert wurden, kann ein erstes Matrixmaterial 131, das optimale Eigenschaften in Bezug auf Bruch-Widerstand (Festigkeit) sowie optimalen Abnutzungs-, Abtrags- und Abriebswiderstand aufweist, innerhalb der Form-Zusammensetzung 100 platziert sein. Das erste Matrixmaterial 131 wird vorzugsweise eine erste Zone oder eine erste Schicht ausbilden, die nahezu mit den äußeren Abschnitten eines Komposit-Matrix-Kronenkörpers 50, der beim Bohren eines Bohrlochs die Formationsmaterialien berührt und entfernt, übereinstimmt. Die Menge an erstem Matrixmaterial 131, die zur Form-Zusammensetzung 120 hinzugefügt wird, wird vorzugsweise so beschränkt, dass das Matrixmaterial 131 nicht in Kontakt mit dem Ende 152 des Kerns 150 gelangt. Die vorliegende Offenbarung erlaubt die Verwendung von Matrixmaterialien, die optimale Eigenschaften in Bezug auf Festigkeit und Abrieb-Widerstand zur Ausbildung eines Bohrmeißels mit fixiertem Schneider oder eines Schleif-Meißels.

Ein generell hohler, zylindrischer Metallrohling 36 kann dann innerhalb der Form-Zusammensetzung 100 platziert werden. Der Metallrohling 36 beinhaltet vorzugsweise einen Innendurchmesser 37, der größer als der Außendurchmesser des Sandkerns 150 ist. Verschiedene (nicht ausdrücklich gezeigte) Einbauten können zur Positionierung des Metallrohlings 36 innerhalb des Form-Zusammenbaus 100 an einem gewünschten Ort, der vom ersten Matrixmaterial 131 beabstandet ist, verwendet werden.

Das zweite Matrixmaterial 132 kann dann in den Form-Zusammenbau 100 geladen werden, um den Leerraum oder den Ringraum, der zwischen dem Außendurchmesser 144 des Sandkerns 150 und dem Innendurchmesser 37 des Metallrohlings 36 ausgebildet ist, zu befüllen. Das zweite Matrixmaterial 132 bedeckt vorzugsweise das erste Matrixmaterial 131 inklusive Abschnitten des ersten Matrixmaterials 131, das dem Ende 152 des Kerns 150 nahe liegt und von diesem beabstandet ist.

Für einige Anwendungen wird das zweite Matrixmaterial 132 vorzugsweise in einer Weise hinzugefügt, die das Aussetzen des zweiten Matrixmaterials 132 gegenüber äußeren Abschnitten des Komposit-Matrix-Kronenkörpers 50 eliminiert oder minimiert. Das erste Matrixmaterial 131 kann hauptsächlich zur Ausbildung äußerer Abschnitte des Komposit-Matrix-Kronenkörpers 50 verwendet werden, der mit dem Schneiden, Mahlen und Abkratzen von Bohrloch-Formationsmaterialien während der Rotation des Matrix-Bohrmeißels 20 zur Ausbildung eines Bohrlochs im Zusammenhang steht. Das zweite Matrixmaterial 132 kann hauptsächlich zur Ausbildung innerer Abschnitte und äußerer Abschnitte des Komposit-Matrix-Kronenkörpers 50 verwendet werden, die nicht normalerweise im Zusammenhang mit dem Schneiden, Mahlen und Kratzen von Bohrloch-Formationsmaterialien stehen. Siehe hierzu die 2 und 3.

Für einige Anwendungen wird dann ein drittes Matrixmaterial 133 so wie Wolframpulver innerhalb des Form-Zusammenbaus 100 zwischen dem Außendurchmesser 40 des Metallrohlings 36 und dem Innendurchmesser 122 des Trichters 120 platziert. Das dritte Matrixmaterial 133 kann ein vergleichsweise weiches Pulver sein, das eine Matrix ausbildet, die nachfolgend bearbeitet werden kann, um eine gewünschte äußere Konfiguration und einen Übergang zwischen dem Matrix-Kronenkörper 50 und dem Metallschaft 36 zur Verfügung zu stellen. Die dritte Matrix 133 wird manchmal als „infiltriertes bearbeitbares Pulver" beschrieben. Das dritte Matrixmaterial 133 kann so zugeladen werden, dass es das gesamte oder im Wesentlichen gesamte zweite Matrixmaterial 132, das nahe den äußeren Abschnitten des Komposit-Matrix-Kronenkörpers 50 platziert ist, abzudecken. Siehe hierzu die 2 und 3.

Während des Beladens des Matrixmaterials 131, 132 und 133 sollte darauf geachtet werden, eine unerwünschte Vermischung zwischen dem ersten Matrixmaterial 131 und dem zweiten Matrixmaterial 132 zu verhindern, und eine unerwünschte Vermischung zwischen dem zweiten Matrixmaterial 132 und dem dritten Matrixmaterial 133. Eine leichte Vermischung an den Grenzflächen zur Verhinderung ausgeprägter Übergänge zwischen unterschiedlichen Matrixmaterialien kann einen sanften Übergang zur Verbindung zwischen benachbarten Schichten bereitstellen. Frühere Erfahrungen und Tests haben verschiedene Probleme gezeigt, die mit dem Infiltrieren von zementierten Karbiden und kugelförmigen Karbiden mit heißem, flüssigem Bindermaterial im Zusammenhang stehen, wenn die zementierten Karbide und kugelförmigen Karbide in vergleichsweise komplexen Form-Zusammenbauten angeordnet sind, die mit Matrix-Kronenkörper für Bohrmeißel mit fixierten Schneidern im Zusammenhang stehen. Ähnliche Probleme wurden beim Versuch bemerkt, Matrixkörper mit zementierten Karbiden und/oder kugelförmigen Karbiden für andere Arten von komplexen Bohrloch-Werkzeugen auszubilden, die mit dem Bohren und produzieren von Öl- und Gas-Bohrlöchern im Zusammenhang stehen.

Herstellungsprobleme und daraus resultierende Qualitätsprobleme, die mit der Verwendung zementierter Karbide und/oder kugelförmiger Karbide als Matrixmaterial im Zusammenhang stehen, sind generell mit einem Fehlen von Infiltration, mit der Porosität, Schrumpfung, Rissbildung und Seigerung von Bindermaterial-Bestandteilen innerhalb innerer Abschnitte eines daraus resultierenden Matrix-Kronenkörpers verbunden. Vergleichsweise komplizierte, komplexe Ausgestaltungen und vergleichsweise große Größen von vielen Bohrmeißeln mit fixierten Schneidern stellen schwierige Herausforderungen in Bezug auf die Herstellbarkeit von Kronenkörpern dar, die zementierte Karbide und/oder kugelförmige Karbide als Matrixmaterialien aufweisen. Die gleichen Qualitätsprobleme können während der Herstellung von anderen Bohrloch-Werkzeugen auftreten, die zumindest teilweise durch eine Matrix aus zementierten Karbiden und kugelförmigen Karbiden ausgebildet sind, so wie Reamer, Underreamer und kombinierte Reamer/Bohrmeißel. Ein Beispiel eines solchen kombinierten Bohrloch-Werkzeugs ist im US-Patent 5,678,644 mit dem Titel „Bi-center And Bit Method For Enhanced Stability" gezeigt.

Frühere Tests und Experimente, die mit der Vorabmischung von zementierten Karbiden und/oder kugelförmigen Karbiden mit makrokristallinem Wolframkarbid und/oder gegossenen Karbidpulvern im Zusammenhang standen, haben oft keinen fehlerfreien, hochqualitativen Matrix-Kronenkörper erbracht. Eine Erhöhung der Haltezeit des Bindermaterials innerhalb von solchen Mischungen zementierter Karbide und/oder kugelförmiger Karbide mit makrokristallinem Wolframkarbid und/oder gegossenen Karbidpulvern eliminierte die Qualitätsprobleme in Bezug auf Schrumpfung, Legierungs-Seigerung, Fehlen von Infiltration, Porosität und andere Probleme, die mit der unzureichenden Infiltration von zementierten Karbiden und/oder kugelförmigen Karbiden im Zusammenhang standen, im Wesentlichen nicht. Ebenso reduzierte das Anheben der Temperatur des heißen, flüssigen Bindermaterials, das zur Infiltration solcher Mischungen verwendet wurde, nicht wesentlich die hiermit verbundenen Qualitätsprobleme.

Eine starke Legierungs-Seigerung im letzten Erstarrungsabschnitt des flüssigen Bindermaterials innerhalb verschiedener Mischungen von zementierten Karbiden und/oder kugelförmigen Karbiden mit makrokristallinem Wolframkarbid und/oder gegossenen Karbiden wurden als ein Grund für das Fehlen einer Bindung innerhalb solcher Mischungen, eine unerwünschte Schrumpfung, die Porosität und andere Qualitätsprobleme identifiziert.

Die Verwendung des ersten Matrixmaterials 131 zur Ausbildung einer ersten Schicht oder Zone in Kombination mit der Verwendung eines zweiten Matrixmaterials 132 zur Ausbildung einer zweiten Schicht oder Zone nahe dem ersten Matrixmaterial 131 kann im Wesentlichen die Legierungs-Seigerung im letzten Erstarrungsabschnitt des heißen, flüssigen Bindermaterials mit dem ersten Matrixmaterial 131 reduzieren oder eliminieren. Die Hinzufügung des zweiten Matrixmaterials 132 in den Ringraum, der zwischen dem Außendurchmesser 154 des Kerns 150 und dem Innendurchmesser 37 des Metallrohlings 36 ausgebildet ist, und das Bedecken des ersten Matrixmaterials 131, sowie es in 2 gezeigt ist, kann wesentlich die Probleme in Bezug auf ein Fehlen von Infiltration, auf Porosität, Schrumpfung, Rissbildung und/oder Seigerung der Bindermittel-Bestandteile innerhalb des ersten Matrixmaterials 131 reduzieren oder eliminieren. Ein Grund für diese Verbesserungen kann die Leichtigkeit sein, mit der heißes, flüssiges Bindermaterial makrokristallines Wolframkarbid und/oder gegossene Karbidpulver infiltriert.

Wie vorab bereits angemerkt, kann heißes, flüssiges Bindermaterial kleine Mengen von Legierungen und/oder andere Verunreinigungen aus den Bindermaterialien, die zur Ausbildung zementierter Karbide verwendet wurden, auslaugen oder entfernen. Die ausgelaugten Legierungen und/oder andere Verunreinigungen können einen höheren Schmelzpunkt als typische Bindermaterialien aufweisen, die mit der Herstellung von Matrix-Bohrmeißeln im Zusammenhang stehen. Daher können die ausgelaugten Legierungen und/oder andere Verunreinigungen in kleinen Spalten oder Leerräumen, die zwischen benachbarten Pellets, Kugeln oder anderen Formen zementierter Karbide ausgebildet sind, erstarren und eine weitere Infiltration des heißen, flüssigen Bindermaterials zwischen solchen Formen zementierter Karbide blockieren.

Das „verunreinigte" Infiltrationsmittel oder heißes, flüssiges Bindermaterial kann eine Solidus- und Liquidus-Temperatur aufweisen, die sich von „jungfräulichen" Bindermaterialien unterscheidet. Darüber hinaus kann eine „Anreicherung" eines Infiltrationsmittels mit Verunreinigungen während der Erstarrung des Bindermaterials als Ergebnis der Zurückweisung von gelösten Verunreinigungen in die heiße Flüssigkeit direkt vor der Erstarrungsfront auftreten. Neben der Seigerung von Verunreinigungen (gelöste Substanz) in späteren Schritten der Erstarrung, kann jedes Fehlen einer gerichteten Erstarrung Anlass für potentielle Probleme inklusive Schrumpfung, Porosität und/oder heiße Rissbildung beinhalten, ist hierauf jedoch nicht beschränkt.

Makrokristalliner Wolframkarbid und gegossene Karbidpulver können im Wesentlichen frei von Legierungen oder anderen Verunreinigungen, die mit Bindermaterialien, die zur Ausbildung zementierter Karbide verwendet werden, im Zusammenhang stehen, sein. Das zweite Matrixmaterial kann so ausgewählt werden, dass es weniger als fünf Prozent (5%) Legierungen oder potentielle andere Verunreinigungen aufweist. Daher wird die Infiltration von heißem, flüssigem Bindermaterial durch ein zweites Matrixmaterial, das in Übereinstimmung mit der Lehre gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgewählt wurde, generell nicht bemerkenswerte Mengen an Legierungen oder anderen potentiellen Verunreinigungen auslaugen.

Das erste Matrixmaterial 131 kann zementierte Karbide und/oder kugelförmige Karbide sein, wie dies vorab diskutiert wurde. Legierungen von Kobalt, Eisen und/oder Nickel können dazu verendet werden, zementierte Karbide und/oder kugelförmige Karbide auszubilden. Für einige Ausgestaltungen von Matrix-Bohrmeißeln stellt eine Legierungskonzentration von nahezu 6% im ersten Matrixmaterial optimale Resultate zur Verfügung. Legierungskonzentrationen zwischen 3% und 6% und zwischen etwa 6% und 15% können ebenso für einige Ausgestaltungen von Matrix-Bohrmeißeln zufriedenstellend sein. Jedoch können Legierungskonzentrationen größer als etwa 15% und Legierungskonzentrationen von weniger als etwa 3% in Eigenschaft der daraus resultierenden Matrix-Bohrkrone resultieren, die suboptimal sind.

Das zweite Matrixmaterial 132 kann monokristallinier Wolframkarbid oder gegossene Karbidpulver sein. Beispiele solcher Pulver beinhalten P-90 und P-100, die gewerblich von Kennametal, Inc. erhältlich sind, die ihren Firmensitz in Fallon, Nevada haben. Das US-Patent 4,834,963 mit dem Titel „Macrocrystalline Tungsten Monocarbide Powder and Process for Produing", das Kennametal zugeordnet ist, beschreibt Techniken, die dazu verwendet werden können, makrokristalline Wolframkarbidpulver herzustellen. Das dritte Matrixmaterial 133 kann Wolframpulver so wie M-70 sein, das ebenso von H.C. Starck, Osram Sylvania und Kennametal erhältlich ist. Typische Legierungskonzentrationen im zweiten Matrixmaterial 132 können zwischen etwa 1% und 2% liegen. Zweite Matrixmaterialien, die Legierungskonzentrationen von etwa 5% oder höher aufweisen, können zu unzufriedenstellenden Betriebseigenschaften einer zugehörigen Matrix-Bohrkrone führen.

Ein typischer Infiltrationsprozess für das Gießen einer Komposit-Matrix-Bohrkrone 50 kann durch Ausbilden einer Form-Zusammensetzung 100 beginnen. Ein Breitenring 110 kann auf die Oberseite einer Form 102 aufgeschraubt werden. Der Trichter 120 kann auf die Oberseite des Breitenrings 110 aufgeschraubt sein, um sich von dem Form-Zusammenbau 100 auf eine gewünschte Höhe zu erstrecken, um die vorab beschriebenen Matrixmaterialien und das Bindermaterial zu halten. Verdrängungsmaterialien so wie Form-Einsätze 106, Schenkel 142 und 144 und der Kern 150 können dann in den Form-Zusammenbau 100 geladen werden, wenn diese nicht schon vorab im Form-Hohlraum 104 platziert wurden. Matrixmaterialien 131, 132, 133 sowie der Metallrohling 36 können in den Form-Hohlraum 100 beladen werden, wie dies vorab beschrieben wurde.

Wenn der Form-Zusammenbau 100 mit Matrixmaterialien befüllt wird, kann eine Reihe von Vibrationszyklen auf den Form-Zusammenbau 100 reduziert werden, um das Verdichten jeder Schicht oder Zone oder der Matrixmaterialien 131, 132 und 133 zu unterstützen. Die Vibrationen helfen dabei, eine durchgehende Dichte jeder Schicht der Matrixmaterialien 131, 132 und 133 innerhalb der jeweiligen Bereiche, die dazu erforderlich sind, die gewünschten Eigenschaften für die Kompsit-Matrix-Bohrkrone 50 zu erzielen, zu gewährleisten. Eine unerwünschte Vermischung der Matrixmaterialien 131, 132 und 133 sollte vermieden werden.

Das Bindermaterial 160 kann oben auf den Schichten 132 und 133, dem Metallrohling 36 und dem Kern 150 platziert sein. Das Bindermaterial 160 kann mit einer Fließmittelschicht (nicht ausdrücklich gezeigt) abgedeckt werden. Eine Abdeckung oder ein Deckel (nicht ausdrücklich gezeigt) kann über dem Form-Zusammenbau 100 platziert sein. Der Form-Zusammenbau 100 und die darin angeordneten Materialien können vorerhitzt und anschließend in einem (nicht ausdrücklich gezeigten) Ofen platziert werden. Wenn die Ofentemperatur den Schmelzpunkt des Bindermaterials 160 erreicht, kann flüssiges Bindermaterial 160 die Matrixmaterialien 131, 132 und 133 infiltrieren. Wie vorab angemerkt, erlaubt es das zweite Matrixmaterial 132 dem heißen, flüssigen Bindermaterial 160, gleichmäßiger in das erste Matrixmaterial 131 zu infiltrieren, um eine unerwünschte Seigerung in den letzten Erstarrungsabschnitten des flüssigen Bindermaterials 160 mit dem ersten Matrixmaterial 131 zu verhindern.

Die oberen Abschnitte des Form-Zusammenbaus 100, sowie der Trichter 120, können eine erhöhte Isolation (nicht ausdrücklich gezeigt) verglichen mit der Form 102 aufweisen. Als Ergebnis hiervon wird das heiße, flüssige Bindermaterial in den unteren Abschnitten des Form-Zusammenbaus 100 generell beginnen, mit dem ersten Matrixmaterial 131 zu erstarren, bevor heißes, flüssiges Bindermaterial mit dem zweiten Matrixmaterial 132 erstarrt. Der Unterschied bei der Erstarrung kann es heißem, flüssigem Bindermaterial ermöglichen, flüssiges Bindermaterial zu „treiben" oder Legierungen oder andere potentielle Verunreinigungen, die aus dem ersten Matrixmaterial 131 ausgelaugt wurden, in das zweite Matrixmaterial 132 zu transportieren. Da das heiße, flüssige Matrixmaterial durch das zweite Matrixmaterial 132 vor der Infiltration des ersten Matrixmaterials 131 infiltriert wurde, können Legierungen und andere vom ersten Matrixmaterial 131 transportierte Verunreinigungen nicht die Qualität der resultierenden Matrix-Bohrkrone 50 so wie dann, wenn die Legierungen und anderen Verunreinigungen innerhalb des ersten Matrixmaterials 131 verblieben wären, beeinflussen. Ebenso enthält das zweite Matrixmaterial vorzugsweise weniger als vier Prozent (4%) solcher Legierungen oder Verunreinigungen.

Eine einwandfreie Infiltration und Erstarrung von Bindermaterial 160 mit dem ersten Matrixmaterial 131 ist insbesondere an solchen Orten wichtig, die den Merkmalen so wie den Düsenöffnungen 54 und den Taschen 58 benachbart sind. Eine verbesserte Qualitätskontrolle von erhöhter Infiltration von Bindermaterial 160 in Abschnitte des ersten Matrixmaterials 131, das die jeweiligen Klingen 52 ausbildet, kann die Ausgestaltung dünnerer Klingen 52 ermöglichen. Die Klingen 52 können ebenso an aggressiveren Schneidwinkeln mit größeren Fluidstrom-Bereichen, die zwischen benachbarten Klingen 52 ausgebildet sind, ausgerichtet sein.

Für einige Bohrmeißel-Designs mit fixiertem Schneider kann ein Komposit-Kronenkörper mit einem ersten Matrixmaterial und einem zweiten Matrixmaterial in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung in einer bis zu fünfzig Prozent (50%)-Verbesserung beim Widerstand gegen Abnutzung, einhundert Prozent(100%)-Verbesserung beim Widerstand gegen Abtrag, eine fünfzig Prozent (50%)-Verbesserung bei der Transversalbruch-Festigkeit und manchmal mehr als einhundert Prozent(100%)-Verbesserung beim Aufschlag-Widerstand verglichen mit der gleichen Ausgestaltung von Bohrmeißel mit fixiertem Schneider, die einen Matrix-Kronenkörper aufweisen, der nur mit gewerblich erhältlichen makrokristallinem Wolframkarbid und/oder gegossenen Karbidpulvern oder Legierungen hiervon ausgebildet ist.

Der Form-Zusammenbau 100 kann anschließend aus dem Ofen entfernt und bei einer gesteuerten Rate abgekühlt werden. Wenn er einmal abgekühlt ist, kann der Form-Zusammenbau 100 weggebrochen werden, um den Komposit-Matrix-Kronenkörper 50 freizugeben, wie dies in 3 gezeigt ist. Eine nachfolgende Bearbeitung gemäß gut bekannter Technik kann angewendet werden, um einen Matrix-Bohrmeißel 20 herzustellen.

Obwohl die vorliegende Offenbarung und deren Vorteile detailliert beschrieben wurden, sollte angemerkt werden, dass verschiedene Veränderungen, Substitutionen und Alternationen ohne Abweichen vom Geist und Schutzbereich der Offenbarung, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist, gemacht werden können.

Claims

Bohrmeißel, der einen Matrix-Kronenkörper aufweist, umfassend: eine Vielzahl von Schneidelementen, die an ausgewählten Orten an äußeren Abschnitten des Matrix-Kronenkörpers angeordnet sind; zumindest ein erstes Matrixmaterial sowie ein zweites Matrixmaterial, wobei das erste Matrixmaterial einen erhöhten Widerstand gegenüber Schlägen verglichen mit dem zweiten Matrixmaterial aufweist; das erste Matrixmaterial die äußeren Abschnitte des Matrix-Kronenkörpers ausbildet, die mit dem Erfassen und Entfernen von Formationsmaterialien aus einem Bohrloch im Zusammenhang stehen; das zweite Matrixmaterial innere Abschnitte des Matrix-Kronenkörpers ausbildet, die generell nicht mit dem Erfassen und Entfernen von Formationsmaterialien aus einem Bohrloch im Zusammenhang stehen; und das zweite Matrixmaterial zur Verbesserung der Infiltration eines heißen, flüssigen Bindermaterials durch das erste Matrixmaterial betriebsbereit ist, um eine unvollständige Infiltration des ersten Matrixmaterials durch das heiße, flüssige Bindermaterial zu minimieren.
Matrix-Bohrmeißel gemäß Anspruch 1, wobei der Matrix-Kronenkörper des Weiteren umfasst: das erste Matrixmaterial, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus zementierten Karbiden, gemischten Karbiden und kugelförmigen Karbiden besteht; und das zweite Matrixmaterial, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus makrokristallinen Wolframkarbid-Pulvern, gegossenen Karbidpulvern und Legierungen hiervon besteht.
Matrix-Bohrmeißel gemäß Anspruch 1, des Weiteren umfassend: das Bindermaterial, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Eisen (Fe), Molybdän (Mo) und Legierungen besteht, die auf diesen Metallen basieren; und Legierungselemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Mangan (Mn), Nickel (Ni), Zinn (Sn), Zink (Zn), Silizium (Si), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Bor (B) und Phosphor (P) besteht.
Matrix-Bohrmeißel gemäß Anspruch 1, wobei das erste Material des Weiteren Pellets umfasst.
Matrix-Bohrmeißel gemäß Anspruch 1, wobei das erste Matrixmaterial des Weiteren Verbundwerkstoffe aus Wolframkarbid umfasst.
Matrix-Bohrmeißel gemäß Anspruch 1, wobei der Matrix-Kronenkörper des Weiteren zumindest eine Zone des ersten Matrixmaterials und zumindest eine zweite Zone des zweiten Matrixmaterials umfasst.
Matrix-Bohrmeißel gemäß Anspruch 1, des Weiteren umfassend das zweite Matrixmaterial, das eine wesentlich reduzierte Menge an Legierungen und anderen potentiellen Verunreinigungen aufweist, die durch das heiße, flüssige Bindermaterial ausgelaugt werden können, verglichen mit Legierungen und anderen potentiellen Verunreinigungen, die aus dem ersten Matrixmaterial durch das heiße, flüssige Bindermaterial ausgelaugt werden können.
Matrix-Bohrmeißel gemäß Anspruch 7, des Weiteren umfassend das zweite Matrixmaterial, das zur Aufnahme von Legierungen oder anderen Verunreinigungen, die durch das heiße, flüssige Bindermaterial aus dem ersten Matrixmaterial ausgelaugt wurden, ohne wesentliche Reduzierung der Qualität der Bindung, die durch das heiße, flüssige Bindermaterial ausgebildet wird, welches mit dem zweiten Matrixmaterial in Berührung kommt und mit diesem erstarrt, betreibbar ist.
Matrix-Bohrmeißel gemäß Anspruch 1, wobei der Matrix-Kronenkörper des Weiteren ein drittes Matrixmaterial umfasst, das das zweite Matrixmaterial abdeckt.
Matrix-Bohrmeißel gemäß Anspruch 9, wobei das dritte Matrixmaterial zumindest in Teilen ein Wolframpulver umfasst.
Bohrmeißel, der einen zusammengesetzten Matrix-Kronenkörper aufweist, umfassend: eine Vielzahl von Schneidelementen, die an ausgewählten Orten an äußeren Abschnitten des Kronenkörpers angeordnet sind; den zusammengesetzten Matrix-Kronenkörper, der zumindest eine erste Zone und eine zweite Zone aufweist, die nebeneinander angeordnet sind; die erste Zone, die zumindest teilweise durch harte Partikel ausgebildet ist, die zementierte Karbide und zumindest ein Bindermaterial umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kobalt, Nickel, Eisen oder Legierungen dieser Elemente besteht; und die zweite Zone, die zumindest teilweise aus harten Partikeln ausgebildet ist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus makrokristallinen Wolframkarbiden und gegossenen Karbiden besteht; und wobei die zweite Zone durch das gleiche Bindermaterial wie die erste Zone ausgebildet ist.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 11, des Weiteren umfassend das zweite Matrixmaterial, das mit dem Bindermaterial zusammenwirkt, um im Wesentlichen Unzuverlässigkeiten innerhalb innerer Abschnitte des zusammengesetzten Matrix-Kronenkörpers zu reduzieren oder zu eliminieren.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 11, wobei das zweite Matrixmaterial weniger als 4% Legierungsmaterialien und andere Verunreinigungen umfasst.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 11, wobei die erste Zone des Weiteren harte Partikel umfasst, die eine Legierungskonzentration von weniger als etwa 6% umfasst.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 11, wobei die erste Zone des Weiteren die harten Partikel umfasst, die eine Legierungskonzentration zwischen etwa 3% und 6% aufweist.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 11, des Weiteren umfassend das erste Matrixmaterial, das eine Konzentration an Kobalt zwischen etwa 6% und 20% aufweist.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 11, des Weiteren umfassend das zweite Matrixmaterial, das eine verglichen mit der Benetzbarkeit des ersten Matrixmaterials erhöhte Benetzbarkeit aufweist, wenn es heißem, flüssigem Bindermaterial ausgesetzt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Matrix-Bohrmeißel, umfassend: das Platzieren zumindest einer ersten Schicht eines ersten Matrixmaterials, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus zementierten Karbiden und kugelförmigen Karbiden besteht, in einer Form für einen Matrix-Kronenkörper; das Platzieren eines hohlen Metallrohlings in der Form; das Platzieren zumindest einer zweiten Schicht aus zweitem Matrixmaterial, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus makrokristallinem Wolframkarbid und gegossenem Karbid besteht, in der Form; das Platzieren eines Bindermaterials in der Form, wobei das Bindermaterial zur zweiten Schicht aus Matrixmaterial und dem hohlen Metallrohling benachbart liegt; das Aufheizen der Form und der darin angeordneten Materialien in einem Ofen auf eine ausgewählte Temperatur, um es dem Bindermaterial zu ermöglichen aufzuschmelzen und das zweite Matrixmaterial und das erste Matrixmaterial mit heißem, flüssigem Bindermaterial zu infiltrieren; das Beginnen der Erstarrung des heißen, flüssigen Bindermaterials mit dem ersten Matrixmaterial, bevor das heiße, flüssige Bindermaterial mit dem zweiten Matrixmaterial erstarrt; und das Abkühlen der Form und der darin angeordneten Materialien, um einen zusammenhängenden Komposit-Matrix-Kronenkörper auszubilden, der sicher mit dem hohlen Metallrohling im Eingriff steht.
Verfahren gemäß Anspruch 18, des Weiteren umfassend: das Platzieren eines Sandkerns, der einen generell zylindrischen Aufbau aufweist, der teilweise durch einen Außendurchmesser in der Form definiert wird; das Platzieren des hohlen Metallrohlings über dem Sandkern, um einen Ringraum auszubilden, der teilweise durch einen Innendurchmesser des hohlen Metallrohlings und den Außendurchmesser des Sandkerns definiert ist; und das Befüllen des Ringraums zwischen dem Sandkern und dem hohlen Metallrohling mit dem zweiten Matrixmaterial.
Verfahren gemäß Anspruch 18, des Weiteren umfassend: das Installieren eines Sandkerns in der Form, wobei ein Ende des Sandkerns von der ersten Schicht des ersten Matrixmaterials beabstandet ist; und das Platzieren von Abschnitten des zweiten Matrixmaterials zwischen dem einen Ende des Sandkerns und benachbarten Abschnitten der ersten Schicht des ersten Matrixmaterials.
Verfahren gemäß Anspruch 18, des Weiteren umfassend das Ausbilden von inneren Abschnitten des Komposit-Matrix-Kronenkörpers mit dem zweiten Matrixmaterial.
Verfahren gemäß Anspruch 18, des Weiteren umfassend das Ausbilden äußerer Abschnitte des Komposit-Matrix-Kronenkörpers, der mit dem Erfassen und Entfernen von Bohrloch-Formationsmaterialien im Zusammenhang steht, mit dem ersten Matrixmaterial.
Verfahren gemäß Anspruch 18, des Weiteren umfassend das Transportieren von Legierungen und anderen potentiellen Verunreinigungen, die aus dem ersten Matrixmaterial ausgelaugt wurden, zum zweiten Matrixmaterial durch heißes, flüssiges Bindermaterial vor der Erstarrung des zweiten Matrixmaterials.
Verfahren gemäß Anspruch 18, des Weiteren umfassend das Platzieren einer dritten Schicht aus Matrixmaterial auf der zweiten Schicht des Matrixmaterials vor dem Platzieren des Bindermaterials in der Form.