[發明專利]用于金屬基復合材料工具的機械互鎖增強顆粒

在審

• 申請號: 201580082593.3
• 申請日: 2015-09-22
• 公開（公告）號: CN107923224A
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: G·O·庫克三世;D·B·沃格拉維地;G·T·奧爾森
• 申請（專利權）人: 哈里伯頓能源服務公司
• 主分類號: E21B10/42
• 分類號: E21B10/42;E21B10/46;E21B10/54
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司31100
• 代理人: 陳揚揚,江磊

背景技術

在石油和天然氣工業中使用各種各樣的工具來形成井筒、完成鉆好的井筒并從完成的井筒中生產烴類諸如石油和天然氣。這些工具的實例包括：切割工具，諸如鉆頭、鉸刀、穩定器和取芯鉆頭；鉆探工具，諸如旋轉導向裝置和泥漿馬達；以及其他工具，諸如開窗磨具、工具接頭和其他易磨損工具。這些工具以及石油和天然氣工業領域外的若干種其他類型的工具經常形成為金屬基復合材料(MMC)，并且在本文中被稱為“MMC工具”。

MMC工具通常通過用粘合劑材料(諸如金屬合金)滲入粉末基質增強材料來制造，所述粘合劑材料提供更堅固的所得結構。更具體地，制造MMC工具包括將基質增強材料沉積到模具中來制造，所述模具被設計來形成MMC工具的各種外部和內部特征。模具腔的內表面例如可被成形來形成MMC工具的所需外部特征，并且臨時置換材料諸如固結砂或石墨可被定位在模具腔的內部部分內以形成MMC工具的各種內部(或外部)特征。在滲透工藝之后，可以從模具中移除臨時置換材料。然后將一定量的粘合劑材料添加到模具腔中，并且然后將模具放置在爐內，并且使模具的溫度升高到使粘合劑材料液化的溫度，從而使粘合劑滲入基質增強材料的增強顆粒之間的間隙空間。

盡管MMC鉆頭通常耐侵蝕且具有高沖擊強度，但是鉆探操作導致MMC鉆頭的外表面通過與下層地下地層的持續研磨接觸而逐漸磨損和侵蝕。對于典型的基質材料，一旦達到增強顆粒的臨界侵蝕深度，與鉆探相關聯的沖擊事件就會使增強顆粒從其較軟粘合劑材料內的位置脫離(即，提取)。由于增強顆粒通常比粘合劑材料更硬且更耐侵蝕，所以提高增強顆粒與粘合劑材料之間的粘合以提供更粘著的MMC材料并且由此降低增強顆粒從粘合劑材料脫離的傾向可能是有利的。

附圖說明

以下圖包括了用于說明本公開的特定方面，并且不應視作排他性實施方案。本公開的主題能夠以不偏離本公開的范圍的形式和功能進行相當多的修改、改變、結合和等效物。

圖1是可結合本公開的原理的示例性鉆頭的透視圖。

圖2是圖1的鉆頭的橫截面圖。

圖3是用于形成圖1的鉆頭的示例性模具組件的橫截面側視圖。

圖4A-4D示出嵌入粘合劑材料內的示例性增強顆粒的漸進示意性側視圖。

圖5A-5D是可結合本公開的原理的示例性增強顆粒的視圖。

圖6是示出適合使用根據本公開的基質鉆頭的鉆探組件的示意圖。

具體實施方式

本公開涉及工具制造，并且更具體地涉及用提供不規則外表面特征結構的機械互鎖增強顆粒增強的金屬基復合材料工具。

本公開的實施方案描述了具有內芯和設置在內芯上的不規則外表面特征結構的增強顆粒。常規的增強顆粒具有內芯和單獨地形成或沉積在內芯的外表面上的外殼。相比之下，目前描述的增強顆粒可以避免在內芯上施加外殼的需要。更具體地，目前描述的增強顆粒可以是單體結構，各自包括充當芯部的內部部分和由芯部形成的外表面特征結構。換言之，外表面特征結構構成并且以其他方式形成芯部及其材料構造的整體結構特性。因此，在目前描述的增強顆粒中，芯部與外表面特征結構之間不存在界面。

在一些實施方案中，目前公開的增強顆粒的外表面特征結構可以是在滲透工藝期間將粘合劑材料與相鄰增強顆粒機械互鎖的不規則外表面特征結構，并且因此可以被稱為互鎖表面特征結構。互鎖表面特征結構的不規則形狀增加了增強顆粒的保持力和拉出強度，這可以幫助防止增強材料在經歷引起侵蝕的沖擊事件時從粘合劑材料中過早提取出。

本公開的實施方案適用于作為金屬基復合材料(MMC)形成的任何工具或零件。例如，本公開的原理可適用于制造石油和天然氣工業中常用的工具或零件以勘探和開采烴類。此類工具和零件包括但不限于油田鉆頭或切割工具(例如，定角鉆頭、牙輪鉆頭、取芯鉆頭、雙心鉆頭、孕鑲鉆頭、鉸刀、穩定器、擴眼器、切割器)、不可回收鉆探部件、與井筒的套管鉆探相關的鋁鉆頭體、鉆柱穩定器、用于牙輪鉆頭的錐體、用于制造牙輪鉆頭的支撐臂、固定鉸刀的臂、可張開鉸刀的臂的鍛模的模型、與可張開鉸刀相關聯的內部部件、附接到旋轉鉆頭的井上端的套筒、旋轉導向工具、隨鉆測井工具、隨鉆測量工具、井壁取芯工具、魚叉、套洗工具、用于井下鉆探馬達的轉子、定子和/外殼、用于井下渦輪機的刀片和外殼以及具有與形成井筒相關聯的復雜構型和/或非對稱幾何形狀的其他井下工具。