[發(fā)明專利]形成玻璃的耐磨帶材料

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080055060.3
• 申請日: 2010-11-01
• 公開（公告）號: CN102648089A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發(fā)明（設計）人: D·J·布拉納甘;B·E·邁克姆;W·D·基盧寧;J·N·米洛維;B·D·莫克爾
• 申請（專利權）人: 納米鋼公司
• 主分類號: B32B15/01
• 分類號: B32B15/01;B23K35/22;B32B15/16;C22C38/02
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 李帆

相關申請的交叉引用

本申請要求2009年10月30日提交的美國臨時申請第61/256,465號的提交日期的權益，通過引用將其教導并入本文。

發(fā)明領域

本發(fā)明涉及形成玻璃的化學物質(zhì)，其可被提供作為用于堆焊物表面硬化且形成保護性表面的原料，特別地可將其施加到工具接頭（tool?joint）表面以實現(xiàn)在例如油氣鉆井操作中對工具接頭的保護。

背景技術

施加到鉆桿的表面硬化材料從其起源（可能是在大約1930年代后期）以來用于石油工業(yè)。第一耐磨帶(hardband)材料由具有壓碎的燒結碳化鎢顆粒的低碳鋼基質(zhì)構成。這些材料在半個多世紀里表現(xiàn)相對良好，因為使用這些材料的相對簡單的垂直淺井對表面硬化材料并沒有提出許多要求。

最初，設計耐磨帶以保護鉆桿元件免受旋轉(zhuǎn)磨損以及延長它們的壽命，這是因為套管磨損對于垂直井而言不是問題。隨著井變得更深和以更復雜的井設計傾斜(devirate)，越來越多的套管失效開始變得常見。現(xiàn)今，對到達更深更遠的油氣儲層的需要似乎已推進(push)傳統(tǒng)鉆井程序的限度(limit)。淺的、容易的地層正變得耗竭并且人們已開始把焦點轉(zhuǎn)向更深、更遠且具有挑戰(zhàn)性的儲層。

自從石油工業(yè)開始以來，就使用鉆管來鉆井，并且新近以來，響應更新鉆井挑戰(zhàn)的發(fā)展產(chǎn)生了包括機械性能、能力(capability)和效力(performance)在內(nèi)的其材料要求。維持鉆管完整性對于鉆井承包商和井操作者而言都是相對重要的。

因此，意識到需要開發(fā)延長鉆管壽命且同時保護套管的套管友好性表面硬化材料。數(shù)十年以來，工業(yè)上已使用常規(guī)材料例如碳化鎢(WC)、碳化鉻和其它合金化堆焊物以改善工具接頭部件的抗磨損性。典型的材料可擅長保護鉆管或套管，但通常不被認為可保護它們兩者。諸如碳化鎢(W)基堆焊物的材料在裸眼井段（open-hole）情形中表現(xiàn)良好但是會顯著降低套管壽命。碳化鉻堆焊物可相對良好地防止套管磨損，但是其提供相對有限的工具接頭保護。可考慮的其它因素包括但不限于：表面硬化材料的應用、效力和壽命。

除相對改進的硬度和抗磨損性外，可意識到還期望制造無裂紋的材料。裂紋一旦在焊接期間萌生，就可能潛在地引起問題。所認識到的一些最壞類型的裂紋可以包括在焊道底（underbead）或縱向開裂中形成的那些裂紋，其可以產(chǎn)生由剝落（chipping）和/或散裂(spallation)引起的堆焊物失效。典型的橫向裂紋或交叉龜裂(cross?checking)裂紋可以具有較小的問題并且通?？梢员谎有曰拟g化（blunt）。然而，在工具接頭的壽命期間，當鉆取復雜的鉆井剖面時，這些裂紋可引起一些問題。

為了滿足對先進耐磨帶材料的各種工業(yè)要求，可以有利地降低該材料顯微組織的尺度(scale)。這種降低可以導致相對較高的硬度和抗磨損性且兼有相對較高的韌性和改善的抗裂性。利用形成玻璃的化學物質(zhì)可以有利地細化晶態(tài)顯微組織的尺度，特別是在高的熱量輸入和緩慢的冷卻速率可導致形成粗大金相組織的焊接期間。細化的水平可以取決于多種因素，包括：例如合金的玻璃形成能力、工業(yè)處理方法的冷卻速率、總的熱量輸入、堆焊沉積物的厚度等。在相對極端的情形中，工業(yè)焊接工藝的平均冷卻速度可以比原材料的金屬玻璃形成的臨界冷卻速率更大（即更快），并且在焊接期間形成金屬玻璃焊接沉積物。如果總的熱量輸入不足以引起反玻璃化，則可能以埃級顯微組織形成金屬玻璃堆焊物，但是如果總的熱量輸入過大，則可能發(fā)生部分或完全的反玻璃化作用，從而導致形成納米級復合顯微組織。

或者，如果用于金屬玻璃形成的臨界冷卻速率大于所選的工業(yè)堆焊物工藝的平均冷卻速率，則在成核和生長之前仍可以獲得高的過冷。過冷可被理解為將液體冷卻至低于其平衡凍結溫度，且同時該材料保持為液體。比常規(guī)合金中實現(xiàn)的過冷大幾百度的過冷（其可以產(chǎn)生相對較高的成核驅(qū)動力且兼有溫度依賴性擴散過程的同時減少）可以導致提高的成核頻率和減少的晶粒/相生長時間。因此，當提高過冷水平時，可以減小所產(chǎn)生的平均晶粒/相尺寸。由于在個體顆粒中可能發(fā)生相對較小的應力集中并且在硬質(zhì)脆性相中產(chǎn)生的任何裂紋可以被滯留/橋接在更加延性的基質(zhì)相中，因此基質(zhì)晶粒/相尺寸和硬質(zhì)顆粒尺寸的這種減小可以致使堆焊物的韌性提高。

概述