背景技術(shù)：

在油氣工業(yè)中通常使用各種各樣的工具來形成井筒，完成已鉆探的井筒，并且從完井中生產(chǎn)烴諸如油和天然氣。這類工具的實例包括切削工具，諸如鉆頭、擴孔器、穩(wěn)定器和取芯鉆頭；鉆井工具，諸如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置和泥漿馬達；以及其他井下工具，諸如開窗銑刀、封隔器、工具接頭和其他易磨損工具。這些工具以及油氣工業(yè)領(lǐng)域之外的其他幾種類型的工具經(jīng)常形成為金屬基復(fù)合材料(mmc)，并且在本文中被稱為“mmc工具”。

mmc工具通常通過以下方式來制造：將松散的粉末增強材料放置到模具中并且用粘合劑材料諸如金屬合金滲透粉末材料。所得mmc工具的各種特征可以通過使模腔成型和/或通過將臨時置換材料定位在模腔的內(nèi)部部分內(nèi)來提供。然后可以用一定量的粘合劑材料將一定量的增強材料放置在模腔內(nèi)。之后將模具放置在爐內(nèi)，并且將模具的溫度增加到所需溫度以允許粘合劑(例如，金屬合金)液化并且滲透基體增強材料。

mmc工具通常具有耐腐蝕性并且展現(xiàn)出高沖擊強度。mmc工具的外表面通常要求在極端條件下操作。因此，可以證明有利的是，定制mmc工具的外表面的材料特性以延長給定mmc工具的工作壽命。

附圖說明

下圖被包括來說明實施方案的某些方面，并且不應(yīng)視為是排他性實施方案。如受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員將會想到，所公開的主題在形式和功能上能夠具有相當(dāng)多的修改、改變、組合以及等效形式。

圖1是可以根據(jù)本公開的原理制作的示例性鉆頭的透視圖。

圖2是圖1的鉆頭的截面圖。

圖3是用于在形成圖1的鉆頭中使用的示例性模具組件的截面?zhèn)纫晥D。

圖4是可以采用本公開的一個或多個原理的示例性鉆井系統(tǒng)。

具體實施方式

本公開涉及工具制造，并且更具體地說涉及在滲透過程期間已有定制涂層或表面預(yù)處理放置在其上的金屬基復(fù)合材料工具。

本文描述的實施方案會在金屬基復(fù)合材料工具上完全地或在選定位置上產(chǎn)生定制表面涂層或外殼，從而產(chǎn)生不同于本體金屬基復(fù)合材料的表面特性。外殼通過對模具組件的選定內(nèi)表面涂布材料涂層來產(chǎn)生，其中模具組件用于制作給定金屬基復(fù)合材料工具。在包括用粘合劑材料滲透增強材料以形成給定金屬基復(fù)合材料工具的制造過程期間，粘合劑材料可以在原位與涂布材料發(fā)生反應(yīng)并且由此導(dǎo)致金屬、金屬間或陶瓷外殼安置在給定金屬基復(fù)合材料工具的選定外表面上?？梢宰C明這些外殼在改變給定金屬基復(fù)合材料工具的表面特性方面是有利的，諸如通過以下方式來改變表面特性：增加耐磨性、耐腐蝕性、耐磨蝕性、剛度(彈性模量)、硬度(即，耐塑性變形性)、屈服強度、極限拉伸強度、疲勞壽命、潤滑性(即，減少摩擦)、疏水性、抗泥包特征，并且降低表面粗糙度和表面能。

本公開的實施方案適用于形成為金屬基復(fù)合材料(mmc)的任何工具或裝置。在本文中被稱為“mmc工具”的這類工具或裝置可以用于或不用于油氣工業(yè)中。僅出于解釋和描述的目的，以下描述涉及油氣工業(yè)中使用的mmc工具，諸如鉆頭，但是將了解，本公開的原理同樣適用于任何行業(yè)或領(lǐng)域中使用的任何類型mmc，諸如鎧裝板、汽車部件(例如，套筒、汽缸襯墊、驅(qū)動軸、排氣閥、制動轉(zhuǎn)子)、自行車框架、制動片、航空航天部件(例如，起落架部件、結(jié)構(gòu)管、支柱、軸、鏈節(jié)、導(dǎo)管、波導(dǎo)、導(dǎo)向葉片、轉(zhuǎn)子葉片套筒、腹鰭、致動器、排氣結(jié)構(gòu)、殼體、框架)以及渦輪泵部件，而不脫離本公開的范圍。

參考圖1，示出了可以根據(jù)本公開的原理制作的示例mmc工具100的透視圖。mmc工具100在圖1中大體展示為固定切削件鉆頭，所述固定切削件鉆頭可以用在油氣工業(yè)中來鉆探井筒。因此，mmc工具100在本文中將被稱為“鉆頭100”，但是如上所述，可以可替代地用油氣工業(yè)或任何其他行業(yè)中使用的任何類型的mmc工具或裝置來置換鉆頭100，而不脫離本公開的范圍。

可以根據(jù)本公開制造的用在油氣工業(yè)中的合適的mmc工具包括但不限于：油田鉆頭或切削工具(例如，固定角鉆頭、牙輪鉆頭、取芯鉆頭、雙中心鉆頭、孕鑲鉆頭、擴孔器、穩(wěn)定器、開孔器、切削件)、不可回收的鉆井部件、與井筒的套管鉆探相關(guān)聯(lián)的鋁質(zhì)鉆頭主體、鉆柱穩(wěn)定器、用于牙輪鉆頭的牙輪、用于制作牙輪鉆頭的支撐臂的鍛模所使用的模具、用于固定擴孔器的臂、用于可擴張擴孔器的臂、與可擴張擴孔器相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部部件、附接至旋轉(zhuǎn)鉆頭的井上端的套筒、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、隨鉆測井工具、隨鉆測量工具、側(cè)壁取芯工具、打撈矛、套銑工具、用于井下鉆井馬達的轉(zhuǎn)子、定子和/或殼體、用于井下渦輪機的葉片和殼體以及具有與形成井筒相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜配置和/或不對稱幾何形狀的其他井下工具。

如圖1所示，鉆頭100可以包括或以其他方式限定沿著鉆頭頭部104的圓周布置的多個切削刀片102。鉆頭頭部104連接至柄部106來形成鉆頭主體108。柄部106可以通過焊接，諸如使用激光電弧焊接來連接至鉆頭頭部104，所述焊接導(dǎo)致圍繞焊接坡口112形成焊縫110。柄部106還可以包括或以其他方式連接至螺紋銷114，諸如美國石油學(xué)會(api)鉆桿螺紋。

在所示的實例中，鉆頭100包括五個切削刀片102，其中形成了多個凹部或凹窩116。切削元件118可以固定地安裝在每個凹窩116內(nèi)。這可以例如通過將每個切削元件118釬焊到對應(yīng)的凹窩116中來完成。在鉆頭100在使用中旋轉(zhuǎn)時，切削元件118接合巖石和下面的土層材料，以挖掘、刮除或磨掉正被穿透的地層的材料。

在鉆井操作期間，鉆井流體或“泥漿”通過在螺紋銷114處聯(lián)接至鉆頭100的鉆柱(未示出)而泵送到井下。鉆井流體循環(huán)穿過鉆頭100并且在一個或多個噴嘴120處離開所述鉆頭，所述一個或多個噴嘴定位在限定在鉆頭頭部104中的噴嘴開口122中。排屑槽124形成在鄰近的每對切削刀片102之間。切屑、井下碎屑、地層流體、鉆井流體等可以穿過排屑槽124并且在鉆柱的外部部分與正鉆探的井筒的內(nèi)壁之間形成的環(huán)空內(nèi)循環(huán)回到井表面。

圖2是圖1的鉆頭100的截面?zhèn)纫晥D。圖1中用在圖2中的類似數(shù)字指代不再描述的類似部件。如圖所示，柄部106可以在焊縫110處牢固地附接至金屬坯件(或心軸)202，并且金屬坯件202延伸到鉆頭主體108中。柄部106和金屬坯件202通常是圓柱形結(jié)構(gòu)，所述圓柱形結(jié)構(gòu)分別限定彼此流體連通的對應(yīng)的流體腔室204a和204b。金屬坯件202的流體腔室204b可以進一步縱向延伸到鉆頭主體108中。至少一個流動通道206(示出一個)可以從流體腔室204b延伸至鉆頭主體108的外部部分。噴嘴開口122可以被限定在流動通道206中處于鉆頭主體108的外部部分處的端部處。凹窩116形成在鉆頭主體108中并且被成型或以其他方式配置來接納切削元件118(圖1)。鉆頭主體108可以包含增強復(fù)合材料208，并且根據(jù)本文描述的實施方案，外殼210可以安置在鉆頭主體108的選定外表面和/或內(nèi)表面上。

圖3是可以用于形成圖1和圖2的鉆頭100的模具組件300的截面?zhèn)纫晥D。雖然模具組件300被示出和論述為用于幫助制作鉆頭100，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地了解，可以使用模具組件300的不同配置來幫助制作上文提及的任何mmc工具，而不脫離本公開的范圍。如圖所示，模具組件300可以包括若干部件，諸如模具302、規(guī)環(huán)304和漏斗306。在一些實施方案中，漏斗306可以如圖所示經(jīng)由規(guī)環(huán)304，諸如通過對應(yīng)的螺紋接合而操作性地聯(lián)接至模具302。在其他實施方案中，可以從模具組件300中省略規(guī)環(huán)304，并且漏斗306可以替代地諸如經(jīng)由對應(yīng)的螺紋接合而直接操作性地聯(lián)接至模具302，而不脫離本公開的范圍。

在一些實施方案中，如圖所示，模具組件300還可以包括粘合劑碗部308和放置在漏斗306上方的罩蓋310。模具302、規(guī)環(huán)304、漏斗306、粘合劑碗部308和罩蓋310各自可以由例如石墨或氧化鋁(al2o3)，或其他合適的材料制成，或者另外包含例如石墨或氧化鋁，或者其他合適的材料。滲透室312可以被限定或以其他方式提供在模具組件300內(nèi)?？梢允褂酶鞣N技術(shù)來制造模具組件300以及其部件，所述技術(shù)包括但不限于機械加工石墨(或氧化鋁)坯件以產(chǎn)生各種部件并且由此限定滲透室312以展現(xiàn)出鉆頭100(圖1和圖2)的所需外部特征的負(fù)輪廓或反向輪廓。

在模具組件300由石墨制成的實施方案中，石墨可以是各向異性的。在這類實施方案中，各向異性石墨可以展現(xiàn)出約2ksi的最小抗彎強度、約5ksi的最小抗壓強度、約1.6g/cm³的最小密度以及約20％的最大孔隙率。

材料諸如固結(jié)砂或石墨可以定位在模具組件300內(nèi)的所需位置處，以形成鉆頭100(圖1和圖2)的各種特征。例如，一個或多個噴嘴置換件或支腿314(示出一個)可以被定位成與流動通道206(圖2)以及其相應(yīng)的噴嘴開口122(圖1和圖2)的所需位置和配置對應(yīng)。一個或多個排屑槽置換件315也可以定位在模具組件300內(nèi)，以與排屑槽124(圖1)對應(yīng)。此外，圓柱形形狀的固結(jié)中心置換件316可以放置在支腿314上。從中心置換件316延伸的支腿314的數(shù)目將取決于鉆頭100中的流動通道和對應(yīng)的噴嘴開口122的所需數(shù)目。另外，切削件-凹窩置換件(在圖3中示出為模具302的部分)可以放置在模具302中以形成切削件凹窩116。

在包括中心置換件316和支腿314的所需材料已經(jīng)安裝在模具組件300內(nèi)之后，增強材料318之后可以放置在模具組件300內(nèi)或以其他方式引入到所述模具組件中。增強材料318可以是呈粉末形式并且包括增強顆粒。合適的增強顆粒包括但不限于以下各項的顆粒：金屬、金屬合金、超合金、金屬間化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金剛石等等或其任何組合。更具體地說，適合于結(jié)合本文描述的實施方案一起使用的增強顆粒的實例可以包括顆粒，所述顆粒包括但不限于：鎢、鉬、鈮、鉭、錸、銥、釕、鈹、鈦、鉻、銠、鐵、鈷、鎳、氮化物、氮化硅、氮化硼、立方氮化硼、天然金剛石、人造金剛石、燒結(jié)碳化物、球形碳化物、低合金燒結(jié)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、破碎的燒結(jié)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(即，含鎳鉻的合金，可從haynesinternational獲得)、合金(即，可從specialmetals公司獲得的奧氏體含鎳鉻的超合金)、(即，奧氏體鎳基超合金)、合金(即，可從altempalloys公司獲得的含鎳鉻的合金)、合金(即，可從haynesinternational獲得的含鎳鉻的超合金)、合金(即，可從megamex獲得的含鐵鎳的超合金)、mp98t(即，可從spstechnologies獲得的鎳-銅-鉻超合金)、tms合金、合金(即，可從c-mgroup獲得的鎳基超合金)、鈷合金6b(即，可從hpa獲得的鈷基超合金)、n-155合金、其任何混合物以及其任何組合。在一些實施方案中，可以涂布增強顆粒。例如，作為非限制性實例，增強顆?？梢园ㄍ坎加锈伒慕饎偸?。

本文描述的增強顆粒可以具有以下范圍的直徑：1微米、10微米、50微米或100微米的下限至1000微米、800微米、500微米、400微米或200微米的上限，其中增強顆粒的直徑可以在任何下限至任何上限的范圍內(nèi)并且涵蓋其間的任何子集。

金屬坯件202在滲透室312內(nèi)可以至少部分地由增強材料318支撐。更具體地說，在足夠體積的增強材料318已添加至模具組件300之后，金屬坯件202之后可以放置在模具組件300內(nèi)。金屬坯件202可以包括大于中心置換件316的外徑322的內(nèi)徑320，并且可以使用各種固定裝置(未明確示出)來將金屬坯件202定位在模具組件300內(nèi)的所需位置處。增強材料318之后可以在滲透室312內(nèi)填充至所需水平。

粘合劑材料324之后可以放置在增強材料318、金屬坯件202和芯體316的頂部上。合適的粘合劑材料324包括但不限于：銅、鎳、鈷、鐵、鋁、鉬、鉻、錳、錫、鋅、鉛、硅、鎢、硼、磷、金、銀、鈀、銦、其任何混合物、其任何合金以及其任何組合。粘合劑材料324的非限制性實例可以包括銅-磷、銅-磷-銀、銅-錳-磷、銅-鎳、銅-錳-鎳、銅-錳-鋅、銅-錳-鎳-鋅、銅-鎳-銦、銅-錫-錳-鎳、銅-錫-錳-鎳-鐵、金-鎳、金-鈀-鎳、金-銅-鎳、銀-銅-鋅-鎳、銀-錳、銀-銅-鋅-鎘、銀-銅-錫、鈷-硅-鉻-鎳-鎢、鈷-硅-鉻-鎳-鎢-硼、錳-鎳-鈷-硼、鎳-硅鉻、鎳-鉻-硅-錳、鎳-鉻-硅、鎳-硅-硼、鎳-硅-鉻-硼-鐵、鎳-磷、鎳-錳、銅-鋁、銅-鋁-鎳、銅-鋁-鎳-鐵、銅-鋁-鎳-鋅-錫-鐵等等以及其任何組合?？缮藤彽恼澈蟿┎牧?24的實例包括但不限于：virgin^tm粘合劑453d(可從belmontmetals公司獲得的銅-錳-鎳-鋅)；可從atifirthsterling獲得的516、519、523、512、518和520等級的銅-錫-錳-鎳和銅-錫-錳-鎳-鐵；以及其任何組合。

在一些實施方案中，粘合劑材料324可以被焊劑層(未明確示出)覆蓋。添加至滲透室312的粘合劑材料324(和任選的焊劑材料)的量應(yīng)至少足以在滲透過程期間滲透增強材料318。在一些情況下，粘合劑材料324中的一些或全部可以放置在粘合劑碗部308中，所述粘結(jié)劑碗部可以用于經(jīng)由延伸穿過其中的各種導(dǎo)管326而將粘合劑材料324分配到滲透室312中。罩蓋310(如果使用的話)之后可以放置在模具組件300上。模具組件300和安置在其中的材料之后可以進行預(yù)熱，并且然后在大氣條件下放置在爐(未示出)中。當(dāng)爐溫達到粘合劑材料324的熔點時，粘合劑材料324將液化并且繼續(xù)滲透增強材料318而形成增強復(fù)合材料208(圖2)。在分配給液化的粘合劑材料324來滲透增強材料318的預(yù)定時間量之后，模具組件300之后可以從爐中移除并且以受控的速率冷卻。一旦冷卻，模具組件300就可以被拆解來暴露鉆頭主體108，并且可以根據(jù)眾所周知的技術(shù)來進行隨后的機械加工和處理以完成鉆頭100(圖1)。

根據(jù)本公開的實施方案，且繼續(xù)參考圖1-3，鉆頭100還可以包括定制表面預(yù)處理和/或涂層(例如，圖2的外殼210)，所述定制表面預(yù)處理和/或涂層沉積在鉆頭主體108的外表面的全部或一部分上。為了實現(xiàn)這一點，模具組件300的內(nèi)部的全部或一部分可以在滲透過程之前涂布有材料涂層328，并且由此提供涂布的模具組件300。材料涂層328可以沉積在模具302和規(guī)環(huán)304(如果使用的話)中的一些或全部的內(nèi)壁上，即，面向滲透室312的壁，以及通常是模具組件300中將要形成鉆頭主體108并且在后處理期間外部鉆頭表面不會被機械加工掉的部分。材料涂層328還可以沉積在中心置換件316、支腿314和排屑槽置換件315上。中心置換件316、支腿314、排屑槽置換件315、增強材料318、金屬坯件202和粘合劑材料324之后可以放置在滲透室312中，并且以其他方式準(zhǔn)備好來在大氣條件下進行滲透過程。在滲透過程期間，材料涂層328可被設(shè)計成在原位與滲透增強材料318的粘合劑材料324發(fā)生反應(yīng)。材料涂層328與粘合劑材料324之間的原位反應(yīng)的結(jié)果可以是在所得鉆頭100的選定外表面上形成金屬、金屬間或陶瓷外殼210(圖2)。

材料涂層328可以包括材料或材料組合物的一個或多個層，所述材料或材料組合物用于在滲透后修改鉆頭主體108的所得表面特性。例如，取決于層的數(shù)目和/或所使用的材料的類型和數(shù)目，材料涂層328可以改變鉆頭主體108的表面特性，諸如但不限于耐磨性、耐腐蝕性、耐磨蝕性、剛度(彈性模量)、硬度(即，耐塑性變形性)、屈服強度、極限拉伸強度、疲勞壽命、潤滑性(即，減少摩擦)、疏水性、抗泥包特征、表面粗糙度以及表面能。用于材料涂層328的合適的材料包括但不限于過渡金屬(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)、其任何合金等等。

將含有鉻、碳、鉬、錳、鎳、鈷、鎢、鈮、鉭、釩、硅、銅和鐵的合金用于材料涂層328可以在滲透過程期間在鉆頭主體108上產(chǎn)生耐磨、耐腐蝕、耐磨蝕、或硬的外殼210。將銥、錸、釕、鎢、鉬、鈹、鉻、銠、鐵、鈷、鎳以及其合金用于材料涂層328可以證明是有利的，因為這類金屬展現(xiàn)出相對較高的彈性模量，并且因此可以在滲透過程期間在鉆頭主體108上產(chǎn)生剛性外殼210。例如，將鎳與釩、鉻、鉬、鉭、鎢、錸、鋨或銥合金化可提高所得合金的彈性模量。

陶瓷材料(例如，碳化物、硼化物、氮化物和氧化物)在外殼210中的形成可以產(chǎn)生先前提及的任何所需特性的有益變化。碳化物、硼化物、氮化物和氧化物的原位形成可以通過使材料涂層328中包括碳、硼、氮和氧來實現(xiàn)。具體而言，碳化物可以通過在材料涂層328中使用鉬、鎢、鉻、鈦、鈮、釩、鉭、鋯、鉿、錳、鐵、鎳、硼以及硅來形成。硼化物可以通過在材料涂層328中使用鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、鐵、鈷、鎳以及鑭來形成。氮化物可以通過在材料涂層328中使用硼、硅、鋁、鐵、鎳、鈧、釔、鈦、釩、鉻、鋯、鉬、鎢、鉭、鉿、錳以及鈮來形成。氧化物可以通過在材料涂層328中使用硅、鋁、釔、鋯以及鈦來形成。

金屬間化合物也可以證明是有利的，因為這類材料在外殼210中的形成可以產(chǎn)生先前提及的任何所需特性的有益變化。合適的金屬間化合物包括在兩種金屬元素之間形成的化學(xué)計量相和非化學(xué)計量相兩者。形成耐火的鋁基金屬間化合物的元素的實例包括硼、碳、鈷、鉻、銅、鐵、鉿、銥、錳、鉬、鈮、鎳、鈀、鉑、錸、釕、鈧、鉭、鈦、釩、鎢以及鋯。耐火的金屬間化合物體系的其他實例包括銀-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、其任何組合等等。

在一些實施方案中，材料涂層328可以包括增強顆粒，并且可以其他方式用所述增強顆粒來增強，諸如上文參考增強材料318所提及的增強顆粒。

材料涂層328可以直接沉積在模具組件300的內(nèi)部上并且另外使用任何已知的工藝來放置在所述內(nèi)部上?？梢圆捎玫暮线m的工藝包括但不限于：物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、濺鍍、脈沖激光沉積、化學(xué)溶液沉積、等離子體增強化學(xué)氣相沉積、陰極電弧沉積、電流體動力沉積(即，電噴射沉積)、離子輔助電子束沉積、電解電鍍、無電式電鍍、熱蒸發(fā)、旋涂、將模具組件300的部分浸漬在熔融金屬浴中以及形成和放置箔片。在一些實施方案中，材料涂層328的層可以在沉積過程期間在受控氣氛，諸如高真空和/或惰性氣氛下形成。

材料涂層328的層可以展現(xiàn)出范圍為約25微米至約2500微米的深度或厚度330。如將了解，材料涂層328的厚度330可以在模具組件300的內(nèi)部上的選定位置處改變，并且由此導(dǎo)致外殼210的較厚/較薄部分在滲透之后施加至鉆頭主體108的外表面。在一些實施方案中，材料涂層328的厚度330可以圍繞模具組件300的特定部分改變，并且由此導(dǎo)致外殼210的部分具有變化的厚度。

如將了解，材料涂層328的總組成(包括材料、沉積的層的數(shù)目和增強顆粒(如果使用的話)的類型)可以被選擇來在修改鉆頭100(或任何mmc工具)的所得表面特性中用于不同目的。在一些實施方案中，材料涂層328可以沉積在模具組件300的整個內(nèi)部上，以及如上所述的置換構(gòu)件(例如，中心置換件316、支腿314、排屑槽置換件315等)中的一個或多個的外表面上，從而修改鉆頭主體108的所有外部部分的表面特性，所述所有外部部分包括凹窩116的背側(cè)(內(nèi)部)以及流體腔室204b、流動通道206和噴嘴開口122的內(nèi)表面。然而，在其他實施方案中，模具組件300的內(nèi)部的部分可以可替代地被掩蔽以在所需位置處選擇性地沉積材料涂層328，而排除掩蔽位置。在這類實施方案中，例如，模具組件300的部分可以被掩蔽來防止材料涂層328沉積在凹窩116中。這在將一些類型的材料用于材料涂層328時可以證明是有利的，因為凹窩116必須是可潤濕的，以便于將切削件118適當(dāng)?shù)剽F焊到凹窩116中。

在其他實施方案中，材料涂層328可以包括沉積并以其他方式包括在模具組件300的不同(選定)區(qū)域中以用于不同目的的各種材料或材料組合物。例如，沉積在凹窩116中的材料涂層328可以包括特定材料組合物，所述特定材料組合物可通過用于將切削件118釬焊到凹窩116中的釬焊材料來潤濕。合適的實例包括反應(yīng)性金屬，諸如鈦、鉻、釩、鈮、鋯以及鉿。然而，沉積在凹窩116周圍并以其他方式處于其外部的材料涂層328可以包含不同材料組合物，所述不同材料組合物可以產(chǎn)生耐磨、耐腐蝕、耐磨蝕或硬質(zhì)金屬組合物?？梢援a(chǎn)生耐磨、耐腐蝕、耐磨蝕或硬質(zhì)金屬組合物的材料的合適的實例包括但不限于：含有鉻、碳、鉬、錳、鎳、鈷、鎢、鈮、鉭、釩、硅、銅以及鐵的合金。

作為另一個實例，沉積在凹窩116周圍并以其他方式處于其外部的材料涂層328可以包含不同材料組合物，所述不同材料組合物可以產(chǎn)生更硬的金屬組合物?？梢援a(chǎn)生更硬的金屬組合物的材料的合適的實例包括但不限于：含有鎳、釩、鉻、鉬、鉭、鎢、錸、鋨以及銥的合金。作為又另一個實例，沉積在排屑槽124(例如，在排屑槽置換件315上)、中心置換件316和支腿314中的材料涂層328可以包含疏水材料組合物，所述疏水材料組合物將幫助減少排屑槽124在操作期間發(fā)生鉆頭-泥包。可以帶來減少的鉆頭-泥包的材料的合適的實例包括陶瓷材料，諸如上文列出的碳化物、硼化物、氮化物以及氧化物。

在一些實施方案中，材料涂層328的兩個或更多個層可以施加和/或沉積在切削刀片102上以提高耐腐蝕性并且減少摩擦。例如，鎳(或鎳合金)層可以沉積在切削刀片102上，并且鋁層隨后可以沉積在鎳層頂上，從而在滲透之后提供產(chǎn)生了鎳和鋁的金屬間外殼210組合物的材料涂層328。可以證明這種分層有利于將鋁層封裝在鎳材料與增強材料318之間，從而大大減少鋁在滲透過程期間的氧化。類似的益處可以用具有揮發(fā)性(例如，具有低升華點和沸點的元素)或活性且易于氧化的材料來獲得。將受益于保護層的元素的實例包括鈦、鋅、鎂、硅、鉻、錳、鈧、釔、鈮、碳、氮、硼、氧。在這類實施方案中，揮發(fā)性材料可以由另一種材料的一個或多個層封裝，從而基本上防止揮發(fā)性材料在滲透過程期間蒸發(fā)、升華或氧化。

在一些實施方案中，材料涂層328可以包括三層對稱配置，其中保護層安置在材料涂層328的兩側(cè)(即，內(nèi)外兩端)上。在這類實施方案中，用于制造材料涂層328的合適的材料包括置于相對的鎳層之間的鋁層。更具體地說，材料涂層328可以通過以下方式來形成：沉積第一鎳層，之后沉積鋁層，然后接著沉積第二鎳層。因此，鋁材料可以被封裝在兩個鎳層之間。另外的實施方案可以涉及使用其他抗氧化金屬，諸如銀或銅，以保護內(nèi)層中的易氧化的金屬，諸如鈦、鎂或鋯免于氧化影響。

在一些實施方案中，材料涂層328可以包括二層或三層配置，其中內(nèi)層(即，在滲透期間將與粘合劑材料324發(fā)生相互作用的層)厚于其他層和/或具有防止原位形成的外殼210(圖2)與所得mmc工具100之間的顯著相互作用的組合物。在這類實施方案中，內(nèi)層作用來將外殼210結(jié)合至鉆頭主體108(圖1和圖2)，同時還防止兩種不同材料之間的顯著相互作用。實例可以包括銅內(nèi)層、鎳外層和置于銅層與鎳層之間的鋁層，其中銅層比鎳層厚約5至20倍。其他實例包括：銅內(nèi)層、鈦外層和置于銅層與鈦層之間的鋁層；釩內(nèi)層、鎳外層和置于釩層與鎳層之間的鋁層；釩內(nèi)層、鈦外層和置于釩層與鈦層之間的鋁層；鎢內(nèi)層、鎳外層和置于鎢層與鎳層之間的鋁層；以及鎢內(nèi)層、鈦外層和置于鎢層與鈦層之間的鋁層。

另外的實例包括耐火內(nèi)層與由彼此可以形成金屬間或陶瓷化合物的材料構(gòu)成的至少兩個外層。合適的耐火層材料包括過渡金屬，諸如鎢、錸、鋨、鉭、鉬、鈮、銥、釕、鉿以及其合金。合適的金屬間化合物或陶瓷形成材料包括本文列出的那些以及其任何合金。其他實例包括厚的順應(yīng)內(nèi)層與由彼此可以形成金屬間或陶瓷化合物的材料構(gòu)成的至少兩個外層。合適的順應(yīng)層材料包括過渡金屬，諸如銅、鈀、鈮、銀、金、鉿、鋯以及其合金。再次，合適的金屬間化合物或陶瓷形成材料包括本文列出的那些以及其任何合金。

在一些實施方案中，材料涂層328可以包括三層配置，其中中心層的材料包括增強材料，使得內(nèi)層和外層將在滲透的粘合劑材料324熔化和/或被其滲透或者擴散到所述滲透的粘合劑材料中時封裝增強顆粒。在這類實施方案中，合適的材料配置包括：鎳內(nèi)層、鎳外層和置于鎳層之間的碳化鎢層；以及銅內(nèi)層、鎳外層和置于銅層與鎳層之間的碳化鎢層。另外的實例包括過渡金屬作為內(nèi)層和外層并且增強材料作為插入層。用于內(nèi)層和外層的合適的材料包括過渡金屬，諸如銅、鈀、鈮、銀、金、鉿、鋯、鎢、錸、鋨、鉭、鉬、鈮、銥、釕、鉿以及其合金。用于插入式增強層的合適的材料包括本文列出的適合于圖3的增強材料328的任何材料。

現(xiàn)參考圖4，示出了可以采用本公開的一個或多個原理的示例性鉆井系統(tǒng)400。鉆孔可以通過使用鉆井系統(tǒng)400在土地402中鉆井來產(chǎn)生。鉆井系統(tǒng)400可以被配置來驅(qū)動定位或以其他方式布置在鉆柱406的底部的井底組件(bha)404從布置在表面410處的井架408延伸到土地402中。井架408包括方鉆桿412以及用于降低和升高方鉆桿412和鉆柱406的游動滑車413。

bha404可以包括鉆頭414，所述鉆頭操作性地聯(lián)接至工具串416，所述工具串在附接至鉆柱406時可以在鉆探井筒418內(nèi)軸向移動。鉆頭414可以根據(jù)本公開的原理且更具體地說以中等尺寸增強結(jié)構(gòu)制作并以其他方式產(chǎn)生。在操作期間，鉆頭414穿透土地402，并且由此產(chǎn)生井筒118。bha404在其前進到土地402中時對鉆頭414提供方向控制。工具串416可以半永久地安裝有各種測量工具(未示出)，諸如但不限于，隨鉆測量(mwd)和隨鉆測井(lwd)工具，所述測量工具可以被配置來對鉆井條件進行井下測量。在其他實施方案中，測量工具如圖4所示可以自容于工具串416內(nèi)。

流體或來自泥漿罐420的“泥漿”可以使用由鄰近電源，諸如原動機或馬達424供電的泥漿泵422而泵送到井下。泥漿可以從泥漿罐420泵送穿過立管426，所述立管將泥漿輸送到鉆柱406中并且將所述泥漿傳送至鉆頭414。泥漿離開布置在鉆頭414中的一個或多個噴嘴，并且在此過程中冷卻鉆頭414。在離開鉆頭414之后，泥漿經(jīng)由限定在井筒418與鉆柱106之間的環(huán)空而循環(huán)回到表面410，并且在此過程中將鉆井切屑和碎屑返回到表面。切屑和泥漿混合物穿過流動管線428并且被處理，使得清理過的泥漿再次通過立管426返回到井下。

雖然相對于圖4中的旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)示出和描述了鉆井系統(tǒng)400，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易了解，可以采用許多類型的鉆井系統(tǒng)來執(zhí)行本公開的實施方案。例如，本公開的實施方案中使用的鉆車和鉆機可以在陸上(如圖1所示)或在海上(未示出)使用。根據(jù)本公開的實施方案可以使用的海上石油鉆機包括例如，浮式平臺、固定平臺、重力式平臺、鉆井船、半潛式平臺、自升式鉆井平臺、張力腿平臺等等。將了解，本公開的實施方案可以應(yīng)用于范圍從小巧和便攜式鉆機到笨重和永久型鉆機不等的鉆機。

此外，雖然本文相對于石油鉆井進行了描述，但是本公開的各種實施方案可以用在許多其他應(yīng)用中。例如，所公開的方法可以用在礦產(chǎn)勘查、環(huán)境調(diào)查、天然氣開采、地下安裝、采礦作業(yè)、水井、地?zé)峋鹊鹊你@探中。另外，在不脫離本公開的范圍的情況下，本公開的實施方案可以用在封隔器壓力組件、下襯墊懸掛器、下完井鉆柱等中。

本文公開的實施方案包括：

a.一種制作金屬基復(fù)合材料(mmc)工具的方法，所述方法包括對模具組件的內(nèi)部的至少一部分涂布材料涂層的一個或多個層，所述模具組件限定滲透室的至少一部分；將增強材料沉積到浸滲室中；用粘合劑材料滲透增強材料；以及使材料涂層的一個或多個層中的至少一個與粘合劑材料發(fā)生反應(yīng)并且由此在mmc工具的選定外表面上形成外殼。

b.一種鉆頭，所述鉆頭包括鉆頭主體，所述鉆頭主體包括通過用粘合劑材料滲透增強材料而制成的增強復(fù)合材料；多個切削元件，所述多個切削元件聯(lián)接至鉆頭主體的外部；以及外殼，所述外殼安置在鉆頭主體的選定外表面上，所述外殼由材料涂層的一個或多個層構(gòu)成，所述材料涂層沉積在用于制作鉆頭的模具組件的內(nèi)部的至少一部分上，其中外殼因材料涂層的一個或多個層中的至少一個在滲透期間與粘合劑材料發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生。

c.一種鉆井組件，所述鉆井組件包括鉆柱，所述鉆柱可從鉆井平臺延伸而進入到井筒中；鉆頭，所述鉆頭附接至鉆柱的端部；以及泵，所述泵流體地連接至鉆柱并且被配置來使鉆井流體循環(huán)至鉆頭并穿過井筒，其中鉆頭包括鉆頭主體，所述鉆頭主體包括通過用粘合劑材料滲透增強材料而制成的增強復(fù)合材料；多個切削元件，所述多個切削元件聯(lián)接至鉆頭主體的外部；以及外殼，所述外殼安置在鉆頭主體的選定外表面上，所述外殼由材料涂層的一個或多個層構(gòu)成，所述材料涂層沉積在用于制作鉆頭的模具組件的內(nèi)部的至少一部分上，其中外殼因材料涂層的一個或多個層中的至少一個在滲透期間與粘合劑材料發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生。

實施方案a、b和c中的每一個可以具有以下呈任何組合的附加要素中的一個或多個：要素1：其中mmc工具是選自由以下各項組成的組的工具：油田鉆頭或切削工具、不可回收的鉆井部件、與井筒的套管鉆探相關(guān)聯(lián)的鋁質(zhì)鉆頭主體、鉆柱穩(wěn)定器、用于牙輪鉆頭的牙輪、用于制作牙輪鉆頭的支撐臂的鍛模所使用的模具、用于固定擴孔器的臂、用于可擴張擴孔器的臂、與可擴張擴孔器相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部部件、可附接至旋轉(zhuǎn)鉆頭的井上端的套筒、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、隨鉆測井工具、隨鉆測量工具、側(cè)壁取芯工具、打撈矛、套銑工具、用于井下鉆井馬達的轉(zhuǎn)子、定子和/或殼體、用于井下渦輪機的葉片以及其任何組合。要素2：其中材料涂層的一個或多個層還包括選自由以下各項組成的組的增強顆粒：金屬、金屬合金、超合金、金屬間化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金剛石以及其任何組合。要素3：其中mmc工具是鉆頭，并且模具組件包括模具、規(guī)環(huán)和漏斗中的一個或多個，并且其中涂布模具組件的內(nèi)部的至少所述部分包括對模具和規(guī)環(huán)中的一個或多個的內(nèi)壁涂布材料涂層的一個或多個層。要素4：其中模具組件包括至少一個流動通道，并且其中涂布模具組件的內(nèi)部的至少所述部分還包括涂布至少一個流動通道的外表面。要素5：其還包括用材料涂層的一個或多個層修改mmc工具的外表面材料特性，所述外表面材料特性選自由以下各項組成的組：耐磨性、耐腐蝕性、耐磨蝕性、剛度、硬度、屈服強度、極限拉伸強度、疲勞壽命、潤滑性、疏水性、抗泥包特征、表面粗糙度以及表面能。要素6：其中材料涂層的一個或多個層包括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、非金屬以及其任何合金。要素7：其中使材料涂層的一個或多個層中的至少一個與粘合劑材料發(fā)生反應(yīng)包括以下至少一項：使所述至少一個與所述粘合劑材料合金化；使所述至少一個擴散到所述粘合劑材料中；以及使所述至少一個與所述粘合劑材料相互擴散并由此在原位形成合金、金屬間化合物和陶瓷中的至少一項。要素8：其中材料涂層的一個或多個層至少包括第一層和第二層，所述方法還包括通過以下至少一項來使第一層與第二層發(fā)生反應(yīng)：使所述第一層與所述第二層合金化；使所述第一層擴散到所述第二層中；以及使所述第一層與所述第二層相互擴散并由此在原位形成合金、金屬間化合物和陶瓷中的至少一項。要素9：其中對模具組件的內(nèi)部的至少所述部分涂布材料涂層的一個或多個層包括用選自由以下各項組成的組的工藝來沉積材料涂層的一個或多個層：物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、濺鍍、脈沖激光沉積、化學(xué)溶液沉積、等離子體增強化學(xué)氣相沉積、陰極電弧沉積、電流體動力沉積、離子輔助電子束沉積、電解電鍍、無電式電鍍、熱蒸發(fā)、旋涂、將模具組件的內(nèi)部的所述部分浸漬在熔融金屬浴中以及形成和放置箔片。要素10：其還包括遮蔽模具組件的內(nèi)部以在模具組件的內(nèi)表面上的所需位置處選擇性地沉積材料涂層的一個或多個層。要素11：其還包括改變材料涂層的一個或多個層在模具組件的內(nèi)表面上的所需位置處的厚度。

要素12：其中材料涂層的一個或多個層還包括選自由以下各項組成的組的增強顆粒：金屬、金屬合金、超合金、金屬間化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金剛石以及其任何組合。要素13：其中模具組件包括模具、規(guī)環(huán)和漏斗中的一個或多個，并且其中對模具和規(guī)環(huán)中的一個或多個的內(nèi)壁涂布材料涂層的一個或多個層以產(chǎn)生外殼。要素14：其中模具組件還包括至少一個流動通道，并且其中對流體腔室和至少一個流動通道中的至少一個的外表面涂布材料涂層的一個或多個層以產(chǎn)生外殼。要素15：其中材料涂層的一個或多個層修改鉆頭的外表面材料特性，所述外表面材料特性選自由以下各項組成的組：耐磨性、耐腐蝕性、耐磨蝕性、剛度、硬度、屈服強度、極限拉伸強度、疲勞壽命、潤滑性、疏水性、抗泥包特征、表面粗糙度以及表面能。要素16：其中材料涂層的一個或多個層包括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、非金屬以及其任何合金。要素17：其中使材料涂層的一個或多個層中的至少一個與粘合劑材料發(fā)生反應(yīng)包括以下至少一項：使所述至少一個與所述粘合劑材料合金化；使所述至少一個擴散到所述粘合劑材料中；以及使所述至少一個與所述粘合劑材料相互擴散并由此在原位形成合金、金屬間化合物和陶瓷中的至少一項。要素18：其中材料涂層的一個或多個層至少包括第一層和第二層，所述方法還包括通過以下至少一項來使第一層與第二層發(fā)生反應(yīng)：使所述第一層與所述第二層合金化；使所述第一層擴散到所述第二層中；以及使所述第一層與所述第二層相互擴散并由此在原位形成合金、金屬間化合物和陶瓷中的至少一項。要素19：其中材料涂層的一個或多個層是使用選自由以下各項組成的組的工藝來沉積在模具組件的內(nèi)部上：物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、濺鍍、脈沖激光沉積、化學(xué)溶液沉積、等離子體增強化學(xué)氣相沉積、陰極電弧沉積、電流體動力沉積、離子輔助電子束沉積、電解電鍍、無電式電鍍、熱蒸發(fā)、旋涂、將模具組件的內(nèi)部的所述部分浸漬在熔融金屬浴中以及形成和放置箔片。要素20：其中模具組件的內(nèi)部被掩蔽以在模具組件的內(nèi)表面上的所需位置處選擇性地沉積材料涂層的一個或多個層。

要素21：其中材料涂層的一個或多個層還包括選自由以下各項組成的組的增強顆粒：金屬、金屬合金、超合金、金屬間化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金剛石以及其任何組合。要素22：其中材料涂層的一個或多個層包括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、非金屬以及其任何合金。

因此，本發(fā)明非常適于實現(xiàn)所提及的目的和優(yōu)點以及其中固有的目的和優(yōu)點。上文公開的特定實施方案僅是說明性的，因為可以對于受益于本文教義的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的不同但等效的方式修改和實踐本發(fā)明。另外，并不意在限于本文所示的構(gòu)造或設(shè)計的細(xì)節(jié)，而是限于以下權(quán)利要求書中所述內(nèi)容。因此，顯而易見的是，可以改變、組合或修改上文公開的特定說明性實施方案，并且所有這類變化被認(rèn)為處于本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。本文說明性地公開的本發(fā)明適當(dāng)時可以在缺乏本文未確切公開的任何元件和/或本文公開的任何任選的元件下加以實踐。雖然組合物和方法已在“包含”、“含有”或“包括”各種組分或步驟方面進行了描述，但是組合物和方法還可以“基本上由各種組分和步驟組成”或“由各種組分和步驟組成”。上文公開的所有數(shù)字和范圍可以變化某一量。無論何時公開具有下限和上限的數(shù)字范圍，都確切地公開了落在所述范圍內(nèi)的任何數(shù)字和任何包括的范圍。具體而言，本文公開的值的每個范圍(形式為“a至b”、“約a至約b”，或等效地“大致a至b”，或等效地“大致a-b”)應(yīng)理解為闡述涵蓋在值的較寬范圍內(nèi)的每個數(shù)字和范圍。另外，除非專利權(quán)所有人另外明確地和清楚地定義，否則權(quán)利要求書中的術(shù)語具有其一般的普通含義。此外，如權(quán)利要求書中所使用的不定冠詞“一個”或“一種”在本文中被定義為意指其所引入的一個或超過一個元件。如果本說明書和可能以引用的方式并入本文的一個或多個專利或其他文件中的詞語或術(shù)語的使用存在任何沖突，那么應(yīng)當(dāng)采納與本說明書相一致的定義。

如本文所使用，在一系列項目之前的短語“中的至少一個”，以及用于分開所述項目中的任一個的術(shù)語“和”或“或修飾整個列表，而不是所述列表中的每一個成員(即，每個項目)。短語“中的至少一個”允許包括項目中的任何一個的至少一個、和/或項目的任何組合的至少一個、和/或項目中的每一個的至少一個的意義。作為舉例，短語“a、b和c中的至少一個”或“a、b或c中的至少一個”各自指代僅a、僅b或僅c；a、b和c的任何組合；和/或a、b和c中的每一個的至少一個。