以基質(zhì)材料制作井下工具的方法
【專利摘要】一種制造井下工具的方法，可包括：將一種基質(zhì)材料裝載到模具中，然后在模具中燒結(jié)該基質(zhì)材料；然后將另一種基質(zhì)材料裝載到模具中。一種井下工具，可包括：縱軸線；當(dāng)井下工具被安裝在井中時，暴露于一個或多個磨蝕因素下的抗磨蝕層；以及支撐抗磨蝕層的支撐層?？鼓ノg層和支撐層可包括相應(yīng)的基質(zhì)材料，且抗磨蝕層沿與縱軸線平行的方向延伸大于約1.27cm。另一種制造井下工具的方法可包括：由粉末狀的基質(zhì)材料形成剛性層，然后用熱的液體的粘結(jié)材料滲透一種基質(zhì)材料和另一種基質(zhì)材料。
【專利說明】以基質(zhì)材料制作井下工具的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體涉及一種與地下井結(jié)合執(zhí)行的操作及所利用的設(shè)備，且在一個下述實例中，更具體地提供一種以基質(zhì)材料制造井下工具的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]不同類型的井下工具均會暴露在井下操作中的一種或多種磨蝕因素下。例如，鉆井工具(例如鉆頭、擴(kuò)眼器、穩(wěn)定器等等)的表面會因諸如磨料流體流動、克服井眼壁的刮擦、克服地層的碰撞等等因素而被磨蝕。很可惜，抗磨蝕材料通常都非常脆弱。
[0003]因此應(yīng)認(rèn)識到，在制造井下工具的【技術(shù)領(lǐng)域】中，始終需要多種改進(jìn)方案。這樣的改進(jìn)方案可以提高井下工具的抗磨蝕性，或以其它方式提升井下工具的性能、減少井下工具的成本、提高井下工具的效率，等等。其它的改進(jìn)方案可包括維持現(xiàn)有的抗磨蝕性，但提高強(qiáng)度、延展性、韌性、沖擊強(qiáng)度、減少成本，等等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]圖1示出了一種井系統(tǒng)和相關(guān)方法的代表性局部剖視圖，其能夠體現(xiàn)本發(fā)明的原理。
[0005]圖2示出了井下工具的代表性立體圖，其能夠體現(xiàn)本發(fā)明的原理，并能夠用于圖1的系統(tǒng)中。
[0006]圖3-圖6示出了在井下工具制造方法的連續(xù)的步驟中的井下工具的代表性剖視圖。
[0007]圖7示出了井下工具的另一種構(gòu)造的代表性剖視圖。

【具體實施方式】
[0008]圖1中代表性地示出的是用于井的系統(tǒng)10和相關(guān)方法，其能夠體現(xiàn)本發(fā)明的原理。但是應(yīng)當(dāng)清楚的理解，系統(tǒng)10和方法僅是作為本發(fā)明的原理被應(yīng)用于實際中的一個實例。多種其它的實例是可能的。因此，本發(fā)明的范圍完全不限于圖中示出的和/或在此描述的系統(tǒng)10和方法的細(xì)節(jié)。
[0009]在圖1所示實例中，井眼12借助鉆柱14被鉆出。鉆柱14包括各種井下工具16、18、20、22、24。在本實例中，井下工具16包括一個或多個鉆鋌，井下工具18是穩(wěn)定器，井下工具20是擴(kuò)眼器，井下工具22是接頭或轉(zhuǎn)換接頭，井下工具24是鉆頭。
[0010]許多其它井下工具可被包括在鉆柱14中。在其它實例中也可使用井下工具的不同的組合、排列方式和數(shù)量。因此，本發(fā)明的范圍不限于井下工具的任何具體的類型、數(shù)量、排列方式或組合。
[0011]在以下進(jìn)一步的描述中，井下工具24被用作實例來表明如何將本發(fā)明的原理應(yīng)用于實際。但是應(yīng)當(dāng)清楚地理解，本發(fā)明的范圍不限于制造鉆頭或任何其它具體類型的井下工具。任何井下工具(包括但不限于在井下作業(yè)時暴露在一個或多個磨蝕因素下的井下工具)均可受益于本發(fā)明的原理。
[0012]現(xiàn)在再參考圖2，其代表性示出了井下工具24的按比例放大的視圖。在該視圖中，可以看到井下工具24是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知類型的固定切削刃鉆頭。但是，在其它實例中也可使用其它類型的鉆頭(例如取芯鉆頭、“孕鑲”鉆頭等)。
[0013]圖2中示出的鉆頭包括多個向下和向外伸出的鉆刃26。在每個鉆刃上安裝有多個用于切削到地層中的聚晶金剛石復(fù)合片(roc)鑲齒28。
[0014]鉆刃26具有相對的表面30，這些相對表面暴露在不同的磨蝕因素下，磨蝕因素例如包括作為鉆井作業(yè)的一部分的克服地層壁的刮擦、來自鉆頭中噴嘴32的鉆井泥漿的磨料流動、克服地層的碰撞，等等。
[0015]能夠保護(hù)鉆刃26的表面30不受磨蝕會是有利的，無論磨蝕的原因或類型為何。能夠提高鉆頭的抗磨蝕性，而不過度地增加鉆頭的制造成本、或過度地降低鉆頭的性能或效率，也會是有利的。
[0016]能夠受益于以下描述的原理的鉆頭的附加部分包括內(nèi)部流動通道34、36、38。這些流動通道34形成在噴嘴32中，在圖6中示出的是流動通道36、38。這些通道34、36、38暴露在鉆井泥漿的磨料流動下，并且能夠受益于提高的抗磨蝕性。
[0017]節(jié)約成本、提升性能和效率、以及提高抗磨蝕性，可通過與在此描述的原理結(jié)合的某些實例來實現(xiàn)。但是，為了獲得任何具體的益處或多個益處的結(jié)合，并非必須與本發(fā)明的范圍一致。
[0018]例如，除了磨蝕之外，鉆頭和鉆刃26還特別受到來自沖擊和鉆井振動等的高動力荷載。這樣的荷載能夠使沖擊強(qiáng)度、延展性和韌性更為重要，并會限制用于鉆刃支距(bladestandoff)和厚度的材料的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，從而不符合期望地減小多個鉆刃26之間的排屑槽的面積。
[0019]鉆刃26是鉆頭的外部特征，而流動通道34、36、38是鉆頭的內(nèi)部特征。在以下進(jìn)一步的說明中，會描述如何能夠提高鉆刃26的外表面30的抗磨蝕性的實例。但是，本發(fā)明的原理也能夠被用來加強(qiáng)井下工具的多個特征，不論這些特征是內(nèi)部的還是外部的。
[0020]注意，鉆刃26的表面30豎直向上延伸較大的距離。在過去，為了使鉆頭鉆刃更抗磨蝕，鉆頭鉆刃是由抗磨蝕的基質(zhì)材料來構(gòu)造的，抗磨蝕的基質(zhì)材料例如最初為粉末狀的碳化鶴。
[0021]不幸的是，粉末的休止角(angle of repose)僅為大約30-50度，因此如果這些粉末沿著模具的一側(cè)堆積較大的豎向距離，模具從該距離向下會基本上被相對昂貴的抗磨蝕碳化鎢粉末填充。當(dāng)限制基質(zhì)材料的使用量時，能夠沿著井下工具表面實現(xiàn)抗磨蝕基質(zhì)材料的較大的豎向距離會是有利的。這樣能夠減少材料的成本，并且能夠帶來其它益處，諸如提高韌性和沖擊強(qiáng)度。
[0022]本技術(shù)的其它優(yōu)點是，鉆頭的整個表面能夠包含由更抗磨蝕的材料形成的外層。由于現(xiàn)有技術(shù)方法的本質(zhì)費(fèi)時耗力，所以增強(qiáng)材料只能夠被應(yīng)用于鉆頭的選定區(qū)域中，例如只能被應(yīng)用于鉆刃26表面的頂部和前部，但不能應(yīng)用于鉆刃的背部上或鉆刃之間的排屑槽中。
[0023]現(xiàn)在再參考圖3-圖6，其代表性地示出了制造井下工具24的方法40的多個步驟的實例。方法40可用于制造井下工具24、制造以上描述的任何其它的井下工具16、18、20、22、或制造任何其它類型的井下工具。這樣的井下工具可以用于圖1的系統(tǒng)10或任何其它系統(tǒng)中。
[0024]在圖3所示實例中，工作筒42被安裝于模具44中，該模具被構(gòu)造用于形成鉆頭。夾具(未示出)可用于將工作筒42定位在模具44中。在一個實例中，夾具可安置在模具44上，并可通過豎直調(diào)整來升高或降低工作筒42，以改變在模具底部上的間隙g。
[0025]模具44可包括多個用于形成鉆刃26的凹部、用于最終收納鑲齒28的空穴部，等等。為了清楚起見，模具44以簡化的形式示出，但在實際應(yīng)用中，為了形成鉆頭的內(nèi)部特征和/或外部特征，模具的形狀可如所需要的一樣復(fù)雜。
[0026]工作筒42可由多種材料制成,例如由石墨、樹脂砂(resin bonded sand)、鋼、工具鋼、鎳合金、或其它材料制成。工作筒42可由任何不會在用于燒結(jié)(以下更詳細(xì)地描述)的溫度或在該溫度之下熔化的材料制成。
[0027]如果使用樹脂砂，樹脂在燒結(jié)過程中會揮發(fā)。而沒有樹脂，砂就不具有結(jié)構(gòu)完整性，但一旦粉末狀基質(zhì)材料被裝載到以下描述的間隙中，疏松的砂的存在將會防止粉末狀基質(zhì)材料滑坍。疏松的砂能夠使得將工作筒42在燒結(jié)后從模具44移除變得容易。砂可在那時被抽真空或向外傾倒。
[0028]如果工作筒42的材料在燒結(jié)后是相連的，則工作筒可被構(gòu)造有牽引件，用于方便地將工作筒從模具44中移除。多重件(例如蛤殼)式工作筒42可以用于在單件式模具不允許在模具中的粉末狀基質(zhì)材料被燒結(jié)后移除工作筒的情況下，形成內(nèi)層和/或多個特征。
[0029]在圖3所示實例中，工作筒42和模具44之間存在間隙g。如以下更詳細(xì)地描述的，該間隙g將會包括抗磨蝕粉末狀基質(zhì)材料。在本實例中，間隙g處于工作筒42的外部，且處于模具44的內(nèi)部，但在其它實例中，間隙可處在工作筒的內(nèi)部和/或處在模具的外部(例如，當(dāng)期望在井下工具的內(nèi)表面上、諸如在通道38或其它水道中形成抗磨蝕層時)。
[0030]如圖4所示，抗磨蝕基質(zhì)材料46被裝載到模具44中的間隙g內(nèi)?？衫谜駝觼泶_保整個間隙g被密度均勻(一致)的基質(zhì)材料46填充。
[0031]間隙g的尺寸可根據(jù)期望的層的厚度而改變。間隙g也可由于使粉末自由流入某個尺寸的間隙的能力而改變。與較不易流動的粉末相比，人們期望較易流動的粉末能夠填充較小尺寸的間隙。
[0032]由燒結(jié)過程造成的剛性層的生坯強(qiáng)度可以受到粉末類型、化學(xué)和粘結(jié)劑、以及燒結(jié)變量例如時間和溫度的影響。對于具有較低生坯強(qiáng)度的層，較厚的間隙g的尺寸可能是符合期望的。
[0033]基質(zhì)材料46優(yōu)選地包括粉末狀形式的碳化鎢。合適的碳化鎢材料包括由美國馬薩諸塞州Newton的HC Starck公司銷售的D63 (TM)和PREMIX 300 (TM)。也可以使用其它的基質(zhì)材料。
[0034]基質(zhì)材料46可包括基質(zhì)粉末的混合物。在將基質(zhì)材料裝載到模具44中之前，可以將粘結(jié)劑(諸如銅、鎮(zhèn)、鐵、它們的合金、有機(jī)粘著劑，等等)與基質(zhì)材料46混合。
[0035]有效的粘結(jié)劑可以是任何在燒結(jié)溫度會粘結(jié)、軟化或熔化，而不會在燒結(jié)溫度燒盡或降解的材料。高溫粘結(jié)劑可包括軟化溫度約為260°C (500° F)和高于260°C的成分。在此所用術(shù)語“軟化溫度”指的是高于該溫度時材料變得柔軟的溫度，該溫度通常小于材料的熔點。
[0036]合適的高溫粘結(jié)劑的實例可包括銅、鎳、鈷、鐵、鑰、鉻、錳、錫、鋅、鉛、硅、鎢、硼、磷、金、銀、鈀、銦、鈦、它們的任何混合物、它們的任何合金、以及它們的任何組合物。非限制性的實例可包括銅-磷、銅-磷-銀、銅-錳-磷、銅-鎳、銅-錳-鋅、銅-猛-鎮(zhèn)-鋒、銅-鎮(zhèn)-鋼、銅-錫-猛-鎮(zhèn)、銅-錫-猛-鎮(zhèn)-鐵、金-鎮(zhèn)、金_ IE _鎮(zhèn)、金-銅-鎮(zhèn)、銀-銅-鋒-鎮(zhèn)、銀-猛、銀-銅-鋒-鋪、銀-銅-錫、鉆-娃-絡(luò)-鎮(zhèn)-鶴、鉆-娃-絡(luò)-鎮(zhèn)-鶴-砸、猛-鎮(zhèn)-鉆_砸、鎮(zhèn)-娃-絡(luò)、鎮(zhèn)-絡(luò)-娃-猛、鎮(zhèn)-絡(luò)-娃、鎳-硅-硼、鎳-硅-鉻-硼-鐵、鎳-磷、鎳-錳，等等。此外，高溫粘結(jié)劑可包括金剛石催化劑，例如鐵、鈷和鎳。
[0037]某些基質(zhì)材料可以不需要粘結(jié)劑。包括鐵、鎳、鈷或銅的基質(zhì)粉末可以在燒結(jié)過程中通過固態(tài)擴(kuò)散過程粘結(jié)。其它具有非常高的熔化溫度的基質(zhì)材料(例如W、WC、金剛石、BN、和其它氮化物和碳化物)可以利用粘結(jié)劑，這是因為產(chǎn)生固態(tài)擴(kuò)散的高溫可能是不經(jīng)濟(jì)或不受期待的。
[0038]基質(zhì)材料46并非必須包括碳化鎢。在此有用的基質(zhì)粉末或基質(zhì)粉末的混合物通常為產(chǎn)生的硬復(fù)合材料提供抗磨蝕性，包括針對磨蝕和磨損的高抗性。基質(zhì)粉末可包括任何抗磨蝕材料的顆粒，這些顆粒可以通過粘結(jié)劑而被粘結(jié)(例如機(jī)械地)，以形成硬復(fù)合材料。合適的材料可包括但不限于碳化物、氮化物、天然的和/或合成的金剛石、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、鐵合金、鎳合金、鈷合金、鉻合金、以及它們的任何組合物。
[0039]在圖4所示實例中，基質(zhì)材料46可包括碳化鎢(WC)。可以使用不同類型的碳化鶴，包括但不限于化學(xué)計量碳化鶴(stoich1metric tungsten carbide)顆粒、燒結(jié)碳化鶴顆粒、和/或鑄造碳化鎢顆粒。
[0040]第一種類型的碳化鎢是化學(xué)計量碳化鶴，其可包括粗晶碳化鎢(macrocrystalline tungsten carbide)和 / 或滲碳碳化鶴(carburized tungstencarbide)。粗晶碳化鎢是單晶形式的本質(zhì)上為化學(xué)計量的WC，但有些多晶WC可以形成較大顆粒。
[0041]粗晶碳化鎢可包括鑄造碳化物、N1、Fe、羰基的Fe、Ni等添加劑。粗晶碳化鎢也可以具有諸如硬度，可濕性之類的特征，并響應(yīng)污染的熱的液體的粘結(jié)材料，這些粘結(jié)材料與燒結(jié)碳化物或球式碳化物不同。制造粗晶碳化鎢的方法對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是公知的。
[0042]滲碳碳化鎢，如本領(lǐng)域所公知的，是碳在高溫條件下在保護(hù)氣氛中固態(tài)擴(kuò)散到鎢金屬內(nèi)的產(chǎn)物。滲碳碳化鎢顆粒通常是多晶的(例如它們由WC附聚物組成)。這些附聚物可以形成大于單個WC晶體的顆粒。典型的滲碳碳化鎢可以包含按重量至少99.8%的滲碳的WC，其中總的碳含量處在按重量約6.08%至約6.18%的范圍內(nèi)。
[0043]第二種類型的碳化鎢是燒結(jié)碳化鎢，其包括燒結(jié)的球形碳化鎢和/或壓碎燒結(jié)碳化鎢。術(shù)語“燒結(jié)碳化物”可包括WC、MoC、TiC、TaC、NbC、Cr3C2、VC和混合碳化物的固溶體，例如處于顆粒粘結(jié)(基質(zhì))相中的WC-TiC、WC-TiC-TaC、WC-TIC-(Ta，Nb)C。
[0044]用于形成燒結(jié)碳化物的粘結(jié)材料有時被稱為“粘合材料”，以有助于區(qū)分被用來形成燒結(jié)碳化物的粘結(jié)材料和被用來形成硬復(fù)合材料的粘結(jié)材料(以及包含硬復(fù)合材料的井下工具)。燒結(jié)碳化物有時被稱為“復(fù)合”碳化物或燒結(jié)碳化物。市場上可買的燒結(jié)碳化鎢有兩種形式:壓碎的和球形的(丸狀的)。
[0045]壓碎的燒結(jié)碳化鎢是通過將燒結(jié)的成分壓碎成更精細(xì)的顆粒而產(chǎn)生的，這導(dǎo)致更多不規(guī)則和有棱角的形狀，而丸狀的燒結(jié)碳化鎢大體呈圓形或球形的形狀。顆粒粘合材料提供延展性和韌性，這經(jīng)常導(dǎo)致與鑄造碳化物、粗晶碳化鎢和/或它們的配制相比，對燒結(jié)碳化物的丸狀、球形或其它的構(gòu)造的斷裂具有更好的抗性(韌性)。
[0046]用于制造燒結(jié)碳化鎢的典型工藝大體上包括提供具有預(yù)定尺寸(或在選定尺寸范圍之內(nèi))的碳化鎢粉末，以及將粉末與合適數(shù)量的鈷、鎳或其它合適的粘合材料混合。通常由以下兩種技術(shù)之一制備該混合物用于燒結(jié):將混合物擠壓成經(jīng)常被稱為生坯的固體，或替代地，例如通過經(jīng)由篩網(wǎng)進(jìn)行擠壓或翻滾，然后經(jīng)過篩選來獲得或多或少均勻的丸狀尺寸，以形成顆?；蛲锠畹幕旌衔?。
[0047]然后這樣的生坯或丸狀顆粒在氣氛受控的爐中被加熱至接近鈷(或類似物)熔點的溫度，以引起碳化鎢顆粒由金屬相被粘合在一起。碳化鎢的燒結(jié)球體產(chǎn)生球形燒結(jié)碳化鎢。
[0048]壓碎的燒結(jié)碳化鎢還可以從壓坯塊體，或通過壓碎燒結(jié)的丸狀顆粒、或通過形成不規(guī)則形狀的固體來形成。燒結(jié)碳化鎢的顆粒尺寸、形態(tài)和質(zhì)量可以通過改變碳化鎢和鈷的初始顆粒尺寸，控制丸狀顆粒尺寸，調(diào)節(jié)燒結(jié)的時間和溫度，和/或重復(fù)將較大的燒結(jié)碳化物壓碎至較小塊，直到獲得期望的尺寸來確定。
[0049]第三種類型的碳化鎢是鑄造碳化鎢，其可包括球形鑄造碳化鎢和/或壓碎鑄造碳化鶴。鑄造碳化鶴近似地具有在碳化二鶴(bitungsten carbide)、W2C和碳化一鶴(monotungsten carbide)、WC 之間的共晶成分(eutectic composit1n)。鑄造碳化鶴通常通過是加熱與碳接觸的鎢來形成的。
[0050]用于制造球形鑄造碳化物顆粒的工藝對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是公知的。例如，鎢可以在具有孔的石墨坩堝中被加熱，合成的W2C和WC的共晶混合物可以通過該孔滴下。這種液體可以在油浴中被淬火，并隨后被壓碎至期望的顆粒尺寸，以形成所謂的壓碎鑄造碳化鶴。
[0051]替代地，鎢和碳的混合物以高于其熔點的溫度被加熱成不間斷流動的液流，該液流被傾倒在旋轉(zhuǎn)的冷卻表面上，該冷卻表面通常是水冷鑄造椎體、管、或凹形轉(zhuǎn)動臺的表面。熔化的液流在旋轉(zhuǎn)表面上被快速冷卻，并形成共晶碳化鎢的球形顆粒，這些共晶碳化鎢的球形顆粒被稱為球形鑄造碳化鎢。
[0052]可以作為基質(zhì)粉末或基質(zhì)粉末混合物的一部分使用的附加材料包括但不限于氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)和立方氮化硼(CBN)。術(shù)語“立方氮化硼”指的是一種硼原子和氮原子的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中等量的晶格點處在每個晶胞的角落。
[0053]氮化硼顆粒通常具有大約一微米的直徑，并呈現(xiàn)為白色粉末。當(dāng)最初形成時，氮化硼具有大體上類似于石墨的六角形片狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)在高壓強(qiáng)(例如6.9X106kPa)條件下壓縮時，會形成硬度非常類似于金剛石的立方氮化硼顆粒。
[0054]可以選擇各種材料用作基質(zhì)粉末，以便提供基質(zhì)粉末混合和最終的硬復(fù)合材料，這作為特別的應(yīng)用。例如，用于形成硬復(fù)合材料的顆粒材料的類型、形狀和/或尺寸會影響材料的特性，材料的特性包括例如斷裂韌性、橫向斷裂強(qiáng)度和抗磨蝕性。
[0055]顆粒尺寸分布相對較大的基質(zhì)粉末可至少部分地是使利用基質(zhì)粉末的多模態(tài)混合形成的硬復(fù)合材料的抗磨蝕性得到提高的原因。相似地，具有較小顆粒尺寸分布的基質(zhì)粉末可以是維持由基質(zhì)粉末的多模態(tài)混合物形成的硬復(fù)合材料的機(jī)械特性(例如斷裂韌性、橫向斷裂強(qiáng)度等)的至少部分原因。
[0056]粘結(jié)材料可包括銅、鈷、鎳、鐵、鋅、錳、錫、這些元素的任何合金、它們的任何組合物、或任何其它滿足用于形成包括以上描述的基質(zhì)粉末的硬復(fù)合材料的材料。這樣的粘結(jié)材料通常為相關(guān)的硬復(fù)合材料提供期望的延展性、韌性和導(dǎo)熱性。
[0057]粘結(jié)材料可與存在于基質(zhì)粉末中的顆粒材料協(xié)作，以形成抗磨蝕性得到提高的硬復(fù)合材料。一種合適的市場上可買的粘結(jié)材料是由Belmont Metals, Inc.公司銷售的VIRGIN BINDER 453D (TM)(銅-錳-鎳-鋅)。
[0058]硬復(fù)合材料可利用本領(lǐng)域公知的任何技術(shù)來形成。用于鑄造硬復(fù)合材料的典型的形成工藝可以從形成具有期望構(gòu)件的形狀的模具開始。替換材料，例如但不限于模具插入物和對于得到期望的形狀所必須的添加物，可以被裝載到模具中。
[0059]然后可使用基質(zhì)粉末來裝載模具。隨著模具被填充時，如有需要，可利用一系列的振動循環(huán)來輔助裝填基質(zhì)粉末。振動可有助于確?；|(zhì)粉末的密度均勻，并處在所需的期望范圍之內(nèi)，以實現(xiàn)對硬復(fù)合材料的期望特征。
[0060]粘結(jié)材料可隨后被置于模具的頂部，并可選地以助熔層(flux layer)來覆蓋。如有需要，可以將遮擋件或頂蓋置于模具上方。模具組件和位于其中的材料可以被預(yù)熱，然后被置于爐中。
[0061]當(dāng)達(dá)到粘結(jié)材料的熔點時，產(chǎn)生的液態(tài)粘結(jié)材料浸潤基質(zhì)粉末。然后模具被冷卻至粘結(jié)材料的固相線溫度之下，以形成硬復(fù)合材料。
[0062]然后模具可被打開，以允許具有期望構(gòu)件的形狀的硬復(fù)合材料被移除以供使用。對于在此描述的硬復(fù)合材料形成的各種構(gòu)件均可使用該步驟。
[0063]在方法40中，基質(zhì)材料46在被裝載到模具44中之后被燒結(jié)。本文中術(shù)語“燒結(jié)”可指基質(zhì)粉末顆粒在低于其熔點的溫度的固態(tài)擴(kuò)散和粘合。該術(shù)語也可表示液相燒結(jié)、瞬間液相燒結(jié)、激活燒結(jié)或超固液相燒結(jié)。該術(shù)語也可表示多個顆粒間使用液體形成的機(jī)械粘合，例如在銅焊時實現(xiàn)的機(jī)械粘合。
[0064]燒結(jié)溫度和時間可根據(jù)粘結(jié)劑和基質(zhì)粉末而改變。例如，燒結(jié)溫度的范圍可從250°C至1200°C，燒結(jié)時間可在5分鐘至60分鐘之間變化。
[0065]如果使用上述的D63 (TM)材料，合適的燒結(jié)可通過以下方式實現(xiàn):將模具44插入爐中，借助氮氣氛預(yù)熱至大約1038°C，維持該溫度大約30分鐘，或在需要的情況下將粘結(jié)劑與基質(zhì)材料46混合，以將基質(zhì)材料的顆粒合適地粘結(jié)在一起。
[0066]在燒結(jié)之后，基質(zhì)材料46優(yōu)選為剛性多孔的，由此在滲透(以下更詳細(xì)地描述)期間，滲透式的粘結(jié)材料可以滲入剛性結(jié)構(gòu)，并將多種材料粘合在一起。剛性基質(zhì)材料46優(yōu)選具有8%或更高的孔隙度，以使得材料中的孔隙網(wǎng)互連。
[0067]在圖5中，工作筒42已在冷卻后從模具44中被移除，留下剛性的燒結(jié)后的基質(zhì)材料46作為模具中的外層。在工作筒42被移除后，剛性基質(zhì)材料46的內(nèi)表面可被清除干凈(例如進(jìn)行刷除、吹除、抽真空等等)，以移除任何疏松的砂、石墨或氧化物(取決于工作筒42的材料)。疏松的砂、石墨或氧化物顆粒會抑制粘結(jié)材料的適宜滲透，或成為對于最終結(jié)構(gòu)的機(jī)械性質(zhì)有害的內(nèi)部雜質(zhì)。
[0068]注意，基質(zhì)材料46沿著將要成為鉆頭的鉆刃表面30豎向地延伸較大距離。不需要在基質(zhì)材料的豎向范圍之下，使基質(zhì)材料46 (這會相對昂貴)基本上充滿模具44，就能夠?qū)崿F(xiàn)此結(jié)果。
[0069]金屬坯48和替換材料50、52可被安裝在模具44中，以形成鉆頭的具體特征。例如，替換材料50、52可被成形，以在鉆頭中形成相應(yīng)的流體通道36、38，其它替換材料可被用來形成用于收納噴嘴32等的多個凹部。合適的替換材料可包括砂和碳。
[0070]然后基質(zhì)支撐材料54被裝載到模具44中，并優(yōu)選被振動，以使得該材料具有一致的密度，并完全地填充任何空隙。材料54是支撐材料，在完成的井下工具24中用作支撐基質(zhì)材料46的支撐層。
[0071]一種適合用作材料54的材料是由美國賓夕法尼亞州拉特羅布市的肯納金屬公司(Kennametal, Inc.)銷售的P_90(TM)或P-1OO(TM)。另一種合適的材料是由美國新澤西州希那明森市的海格納士公司(Hoeganaes Corporat1n)銷售的Ancorsteel 30HP(TM)。
[0072]但是，也可使用任何能夠支撐基質(zhì)材料46和在井下工具中執(zhí)行任何被整合的其它期望功能的合適材料。例如，材料54可包括任何在此提到的適合在基質(zhì)材料46中使用的材料(且反之亦然，材料46可包括任何在此提到的適合在材料54中使用的材料)。
[0073]與基質(zhì)材料46相比，材料54可有利地具有更好的韌性、延展性、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等等，并且可以更便宜。但是，材料54不能具有與基質(zhì)材料46相同的抗磨蝕性。材料54優(yōu)選也是基質(zhì)材料，但為了清楚起見，在此將其稱為“支撐”材料，以強(qiáng)調(diào)其支撐基質(zhì)材料46的抗磨蝕層的作用。
[0074]在將材料54裝載到模具44中后，粘結(jié)材料和助熔劑(在圖5中未示出)被置于模具中的基質(zhì)材料46、54的頂部。可使用漏斗、遮蓋件或其它裝置，以利于將基質(zhì)材料、粘結(jié)材料、助熔劑等裝載到模具44中，和/或?qū)⑦@些材料保留在模具中。
[0075]如前所述，基質(zhì)材料46、54隨后由粘結(jié)材料滲透。這優(yōu)選通過將模具44 (與位于基質(zhì)材料46、54頂部的粘結(jié)材料和可選的助熔劑一起)預(yù)熱，并隨后將模具置入爐中，并加熱直至粘結(jié)材料熔化來執(zhí)行。
[0076]熱的液體的粘結(jié)材料均勻地滲透基質(zhì)材料46、54兩者，并包圍坯48和替換材料50、52。然后模具44被允許冷卻，并且組件(組件此時包含滲透的基質(zhì)材料46、54和坯48以及替換材料50、52)從模具中被移除。
[0077]可使用傳統(tǒng)的技術(shù)將替換材料50、52從組件中移除。在本實例中，由于替換材料50,52的移除而產(chǎn)生流動通道36、38。
[0078]如圖6所示，井下工具24通過加工基質(zhì)材料46、54(以及可選的坯48)來形成。通道38可被加工，以適當(dāng)?shù)卦谄渲惺占{噴嘴32。
[0079]通道36和坯48可被加工，以匹配金屬連接件56的具體特征(例如相應(yīng)的內(nèi)徑和外徑)。鑲齒28可被固定在空穴部中，這些空穴部例如是通過銅焊、粘合等在鉆頭的鉆刃中形成的。
[0080]連接件56可設(shè)有內(nèi)螺紋或外螺紋，內(nèi)螺紋或外螺紋用于將鉆頭連接至鉆柱。連接件56可如圖6所示被焊接至坯48。替代地，連接件56可在坯48上形成、螺接到坯、或以其它方式固定到坯。
[0081]雖然上述方法40是借助單個模具44執(zhí)行的，但也可替代性地使用多個模具。例如，在圖5所示的步驟中使用的模具可以與圖4所示的步驟中使用的模具不同，在這兩個步驟之間，燒結(jié)后的基質(zhì)材料46從一個模具被轉(zhuǎn)移至另一個模具。
[0082]現(xiàn)在再參考圖7，其代表性地示出了井下工具24的另一種構(gòu)造。在本實例中，井下工具24具有抗磨蝕層60，抗磨蝕層60沿著井下工具內(nèi)部的通道36、38的壁延伸?？鼓ノg層60還位于支撐層62的外部，并暴露在通過通道36、38流動的流體的磨蝕效果下。多件“蛤殼”型工作筒可被用來形成本實例中的抗磨蝕層60。
[0083]現(xiàn)在可充分地認(rèn)識到，上述的發(fā)明對井下工具的構(gòu)造技術(shù)提出了顯著的改進(jìn)。在上述方法40的實例中，滲入有粘結(jié)材料58的基質(zhì)材料46在鉆井作業(yè)期間暴露于磨蝕因素的表面上(在例如鉆刃表面30上)形成硬復(fù)合抗磨蝕層60。以粘結(jié)材料58滲透的基質(zhì)材料54形成硬復(fù)合支撐層62，該硬復(fù)合支撐層與抗磨蝕層60相比可以更易延展、更堅韌、更廉價等等。
[0084]在一些實例中，支撐層62由于其韌性、延展性、抗沖擊性等較高，可以允許鉆頭具有較大的鉆刃支距、和較大的流體流道以及排屑槽。這樣的鉆頭可提高滲透率和“球塊”抗性。
[0085]以上描述了一種制造井下工具24的方法40。在一個實例中，方法40可包括:將第一基質(zhì)材料46裝載到模具44中，然后在模具44中燒結(jié)第一基質(zhì)材料46，并隨后將第二基質(zhì)材料54裝載到模具44中。
[0086]方法40也可包括將粘結(jié)劑與第一基質(zhì)材料46混合。可以在將第一基質(zhì)材料46裝載到模具44中之前執(zhí)行這種混合。
[0087]第一基質(zhì)材料46可包括粉末。在將第一基質(zhì)材料46裝載到模具44的步驟中，粉末可沿著模具44的表面豎向地延伸大于約1.27cm(或在一些實例中，豎向地延伸大于約2.54cm)。第一基質(zhì)材料46并非必須僅沿豎直方向延伸，這是因為模具表面可以是傾斜的、呈斜坡狀等等。
[0088]粉末可包括粉末狀碳化鎢材料。但是，在其它實例中也可使用其它材料。
[0089]所述方法可包括在燒結(jié)第一基質(zhì)材料46之后，用熱的液體的粘結(jié)材料58來滲透第一基質(zhì)材料46和第二基質(zhì)材料54。
[0090]與第二基質(zhì)材料54相比，第一基質(zhì)材料46可以具有更好的抗磨蝕性。與第一基質(zhì)材料46相比，第二基質(zhì)材料54可以具有更好的延展性、沖擊強(qiáng)度和/或韌性。
[0091]裝載步驟可包括將第一基質(zhì)材料46插入位于模具44和工作筒42之間的間隙g中。
[0092]制造井下工具24的另一方法40的實例可包括:由粉末狀的第一基質(zhì)材料46形成剛性層60，并隨后用熱的液體的粘結(jié)材料58滲透第一基質(zhì)材料46和第二基質(zhì)材料54兩者。
[0093]剛性層60的形成步驟可包括:將第一基質(zhì)材料46裝載到模具44中，以及燒結(jié)第一基質(zhì)材料46。在本實例中，燒結(jié)在裝載之后被執(zhí)行。滲透在燒結(jié)之后被執(zhí)行。
[0094]上述井下工具24的實例可包括:縱軸線64(見圖6);抗磨蝕層60，當(dāng)井下工具24被安裝在井中時，抗磨蝕層60暴露于一個或多個磨蝕因素下；以及支撐層62，支撐層62支撐抗磨蝕層60。在本實例中，抗磨蝕層60和支撐層62可分別包括第一基質(zhì)材料46和第二基質(zhì)材料54，且抗磨蝕層60可沿與縱軸線64平行的方向延伸大于約1.27cm(或在一些實例中，延伸大于約2.54cm)。
[0095]層60不必僅沿平行于縱軸線的方向延伸，這是因為使用該層的表面可以是傾斜的、呈斜坡狀等等。
[0096]第一基質(zhì)材料46和第二基質(zhì)材料54可被用相同的粘結(jié)材料58滲透。
[0097]抗磨蝕層60可具有至少約0.25cm的厚度。
[0098]雖然以上描述了多個不同的實例，且每個實例具有特定特征，但應(yīng)理解，一個實例的具體特征并非必須專門地僅用于該實例。反之，以上所描述的和/或圖示的多個特征中的任一個特征可與多個實例中的任一個實例結(jié)合，以補(bǔ)充或替代這些實例中的任何其它特征。一個實例的特征與另一個實例的特征并不是互相排斥的。反之，本發(fā)明的范圍包含多個特征中的任何特征的任何組合。
[0099]雖然以上所述的每個實例包括多個特征的一定組合，但應(yīng)理解，并非必須使用一個實例中的所有特征。反之，可以使用上述多個特征中的任一個，而不使用任何其它某一個或多個特征。
[0100]應(yīng)當(dāng)理解，本說明書中所描述的不同實施例可被用于各種方向(例如傾斜、顛倒、水平、豎直等等)且用于各種設(shè)置，而不偏離本發(fā)明的原理。所述實施例僅僅作為本發(fā)明原理的有效應(yīng)用的實例，并不限于這些實施例的任何具體細(xì)節(jié)。
[0101]在以上對代表性實例的描述中，為方便起見參照附圖使用了方位術(shù)語(例如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等等)。然而，應(yīng)當(dāng)清楚地理解，本發(fā)明的范圍不限于在此描述的任何具體方位。
[0102]術(shù)語“包括”、“包含”、“含有”、“由……組成”和類似術(shù)語在本說明書中是在非限定意義上使用的。例如，若一個系統(tǒng)、方法、設(shè)備、裝置等被描述為“包含”某個特征或元件，則該系統(tǒng)、方法、設(shè)備、裝置等可包括該特征或元件，并且也可包括其它特征或元件。相似地，術(shù)語“包括”應(yīng)被認(rèn)為意味著“包括但不限于”。
[0103]當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)對以上所述的本發(fā)明代表性實施例的仔細(xì)考慮，易于認(rèn)識到可以對具體實施例進(jìn)行許多修正、添加、替代、刪除和其它改變，且借助本發(fā)明的原理可設(shè)想這樣的改變。例如，分別形成的發(fā)明的結(jié)構(gòu)在其它實例中可以完成地形成，反之亦然。因此，前述細(xì)節(jié)描述應(yīng)被清楚地理解僅是以說明和實例的方式給出的，本發(fā)明的核心和范圍僅限于所附權(quán)利要求及其等同方案。
【權(quán)利要求】
1.一種制造井下工具的方法，所述方法包括: 將第一基質(zhì)材料裝載到一模具中； 然后在所述模具中燒結(jié)所述第一基質(zhì)材料；以及 然后將第二基質(zhì)材料裝載到所述模具中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括:將粘結(jié)劑與所述第一基質(zhì)材料混合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，裝載包括將所述第一基質(zhì)材料插入位于所述模具和一工作筒之間的間隙中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在將所述第一基質(zhì)材料裝載到所述模具中時，所述第一基質(zhì)材料包括粉末。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，在將所述第一基質(zhì)材料裝載到所述模具中時，所述粉末沿著所述模具的表面豎向地延伸大于約1.27cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，在將所述第一基質(zhì)材料裝載到所述模具中時，所述粉末沿著所述模具的表面豎向地延伸大于約2.54cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述粉末包括粉末狀碳化鎢材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括:在燒結(jié)所述第一基質(zhì)材料之后，用熱的液體的粘結(jié)材料滲透所述第一基質(zhì)材料和所述第二基質(zhì)材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，與比所述第二基質(zhì)材料相比，所述第一基質(zhì)材料具有更好的抗磨蝕性。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，與所述第一基質(zhì)材料相比，所述第二基質(zhì)材料具有更好的延展性。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，與所述第一基質(zhì)材料相比，所述第二基質(zhì)材料具有更好的韌性。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，與所述第一基質(zhì)材料相比，所述第二基質(zhì)材料具有更好的沖擊強(qiáng)度。
13.—種制造井下工具的方法，所述方法包括: 由粉末狀的第一基質(zhì)材料形成剛性層；以及 然后，用熱的液體的粘結(jié)材料滲透所述第一基質(zhì)材料和第二基質(zhì)材料兩者。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述形成還包括將所述第一基質(zhì)材料裝載到模具中，以及燒結(jié)所述第一基質(zhì)材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述燒結(jié)在所述裝載之后被執(zhí)行。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述滲透在所述燒結(jié)之后被執(zhí)行。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括:將一粘結(jié)劑與所述第一基質(zhì)材料混合。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述形成包括將所述第一基質(zhì)材料插入位于所述模具和一工作筒之間的間隙中。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述形成包括所述粉末狀第一基質(zhì)材料沿著所述模具的表面豎向地延伸大于約1.27cm。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述形成包括所述粉末狀第一基質(zhì)材料沿著所述模具的表面豎向地延伸大于約2.54cm。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述粉末包括粉末狀碳化鎢材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，與所述第二基質(zhì)材料相比，所述第一基質(zhì)材料具有更好的抗磨蝕性。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，與所述第一基質(zhì)材料相比，所述第二基質(zhì)材料具有更好的延展性。
24.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，與所述第一基質(zhì)材料相比，所述第二基質(zhì)材料具有更好的韌性。
25.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，與所述第一基質(zhì)材料相比，所述第二基質(zhì)材料具有更好的沖擊強(qiáng)度。
26.一種井下工具，包括: 縱軸線； 抗磨蝕層，當(dāng)所述井下工具被安裝在井中時，所述抗磨蝕層暴露于一個或多個磨蝕因素下；以及 支撐層，所述支撐層支撐所述抗磨蝕層， 所述抗磨蝕層和所述支撐層分別包括第一基質(zhì)材料和第二基質(zhì)材料，且所述抗磨蝕層在與所述縱軸線平行的方向上延伸大于約1.27cm。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的井下工具，其中，所述第一基質(zhì)材料和所述第二基質(zhì)材料被用相同的粘結(jié)材料滲透。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的井下工具，其中，所述抗磨蝕層具有至少約0.25cm的厚度。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的井下工具，其中，所述第一基質(zhì)材料包括碳化鎢材料。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的井下工具，其中，與所述第二基質(zhì)材料相比，所述第一基質(zhì)材料具有更好的抗磨蝕性。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的井下工具，其中，與所述第一基質(zhì)材料相比，所述第二基質(zhì)材料具有更好的延展性。
32.根據(jù)權(quán)利要求26所述的井下工具，其中，與所述第一基質(zhì)材料相比，所述第二基質(zhì)材料具有更好的韌性。
33.根據(jù)權(quán)利要求26所述的井下工具，其中，與所述第一基質(zhì)材料相比，所述第二基質(zhì)材料具有更好的沖擊強(qiáng)度。
34.根據(jù)權(quán)利要求26所述的井下工具，其中，所述抗磨蝕層沿與所述縱軸線平行的方向延伸大于約2.54cm。
35.一種鉆頭,包括: 抗磨蝕層，當(dāng)所述鉆頭被安裝在井中時，所述抗磨蝕層暴露于一個或多個磨蝕因素下；以及 支撐層，所述支撐層支撐所述抗磨蝕層， 所述抗磨蝕層和所述支撐層分別包括第一基質(zhì)材料和第二基質(zhì)材料，且所述第一基質(zhì)材料位于所述第二基質(zhì)材料的外部。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的鉆頭，其中，所述第一基質(zhì)材料和第二基質(zhì)材料被用相同的粘結(jié)材料滲透。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的鉆頭，其中，所述抗磨蝕層具有至少約0.25cm的厚度。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的鉆頭，其中，所述第一基質(zhì)材料包括碳化鎢材料。
39.根據(jù)權(quán)利要求35所述的鉆頭，其中，與所述第二基質(zhì)材料相比，所述第一基質(zhì)材料具有更好的抗磨蝕性。
40.根據(jù)權(quán)利要求35所述的鉆頭，其中，與所述第一基質(zhì)材料相比，所述第二基質(zhì)材料具有更好的延展性。
41.根據(jù)權(quán)利要求35所述的鉆頭，其中，與所述第一基質(zhì)材料相比，所述第二基質(zhì)材料具有更好的韌性。
42.根據(jù)權(quán)利要求35所述的鉆頭，其中，與所述第一基質(zhì)材料相比，所述第二基質(zhì)材料具有更好的沖擊強(qiáng)度。
43.根據(jù)權(quán)利要求35所述的鉆頭，還包括縱軸線，而且其中，所述抗磨蝕層沿與所述縱軸線平行的方向延伸大于約1.27cm。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的鉆頭，其中，所述抗磨蝕層沿與所述縱軸線平行的方向延伸大于約2.54cm。
【文檔編號】E21B10/44GK104321501SQ201280073297
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月30日
【發(fā)明者】J·G·托馬斯 申請人:哈利伯頓能源服務(wù)公司