[發明專利]用于井下工具的增材制造的金屬基質復合物材料

有效

• 申請號: 201811285123.9
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109722582B
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發明（設計）人: A.格里福;M.K.克沙范;Y.張
• 申請（專利權）人: 史密斯國際有限公司
• 主分類號: C22C29/00
• 分類號: C22C29/00;C22C19/03;C22C32/00;B22F1/12;E21B10/46;E21B10/60;E21B10/42;B33Y70/00
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 詹承斌

井下切割工具包括工具主體，所述工具主體具有其上的切割元件或切割元件凹槽。所述工具主體的至少一部分或其附件是由分散在連續金屬基質中的金屬碳化物顆粒形成的金屬基質復合物。所述金屬碳化物顆粒占所述金屬基質復合物的小于45重量％和/或占所述金屬基質復合物的小于30體積％。所述連續金屬基質也可由除Ni?Si?B以外的金屬或金屬合金形成和/或具有大于150ksi的橫向破裂強度和超過22ksi*in^0.5的斷裂韌性。

相關申請的交叉參考

本申請要求2017年10月31日提交的美國專利申請No.62/579,621和2018年9月27日提交的美國專利申請No.62/737,508的權益，所述專利申請中的每一個以引用方式明確地整體并入本文中。

背景技術

多晶金剛石復合片(“PDC”)刀具在本領域已知用于鉆地鉆頭。典型地，使用PDC刀具的鉆頭包括整體鉆頭體，該鉆頭體可由鋼制成或者由硬復合基質材料制成，該硬復合基質材料由碳化鎢和金屬粘結劑組成。PDC刀具沿著鉆頭體刀片的外部刃面安裝。每個PDC刀具都有一部分硬焊在形成于刀片中的凹部或凹槽中。

PDC刀具沿著鉆頭體刀片的前緣定位，使得當鉆頭體旋轉時，PDC刀具接合并鉆鑿地層。在使用中，可能會在PDC刀具上施加很大的力。另外，鉆頭和PDC刀具可能受到相當大的磨損力。在一些情況下，沖擊、振動和侵蝕力已經由于一個或多個刀具的損失或者由于刀片的斷裂而導致鉆頭失效。

雖然鋼鉆頭可能具有韌性和延展性，從而使得它們能夠耐受由鉆井期間生成的沖擊力引起的開裂和失效，但是鋼比基質材料更容易受到由高速鉆井流體和磨粒造成的磨損和沖蝕性磨損的影響。磨粒可能包括由鉆井液攜帶的部分地層以及砂、巖屑等。通常，鋼體PDC鉆頭的一部分涂覆有更耐侵蝕的材料(例如碳化鎢硬面焊)以改善耐侵蝕性。然而，碳化鎢和其它耐侵蝕硬面焊材料相對較脆，并且由于刀具凹槽中存在石墨塞或者多個刀具緊密靠近，所以刀具凹槽附近的硬面焊覆蓋通常不是太好。在使用期間，帶有磨粒的流體潛在地沖蝕硬面焊下方和刀具凹槽附近的主體，這可導致硬面焊開裂、剝落、剝離或磨損，從而進一步使較軟的鋼主體暴露，該較軟的鋼主體接著會沖蝕。這可導致PDC刀具的損失，因為刀具周圍的區域被沖蝕掉。諸如激光硬面焊的其它方法在成品鉆頭上不太實用，因為這個工藝耗時且成本高。

與鋼鉆頭體相比，碳化鎢(WC)硬金屬基質主體鉆頭具有更高的耐磨性和耐侵蝕性。當今工業中使用的典型基質鉆頭通常通過用碳化鎢粉末充填模具且接著用熔融過渡金屬合金浸潤粉末來形成。用于形成金屬基質的常見金屬合金是鐵、鎳、銅或其合金。連續金屬基質相的熔點通常低于1,200℃。

由碳化鎢或其它硬金屬基質材料形成的鉆頭體雖然比鋼更耐侵蝕，但缺乏韌性和強度，因此使得它們較脆并且在受到鉆井期間遇到的沖擊力和疲勞力時易于開裂。這可導致一個或多個刀片開裂或甚至使鉆頭折斷。基質主體中裂縫的形成和擴展可能導致一個或多個PDC刀具的損失。損失的刀具可能會磨損鉆頭，導致進一步加速鉆頭損壞。然而，在沒有碳化鎢的情況下形成的鉆頭對于特定的應用可能具有足夠的韌性和強度，但是可能缺乏其它性質，例如耐侵蝕性。因此，以前的努力而是依賴于材料的組合來實現性質的平衡。

另外，已將基質主體鉆頭制造成包括寬粒徑分布。已經依賴在鉆頭內具有寬分布以實現碳化物磨粒的緊密堆積來提高耐磨性。在使用浸潤工藝用碳化鎢和金屬粘結劑制造金屬基質鉆頭時，粘結劑和碳化物體積分數的相對量也取決于碳化鎢的粒徑和形狀。復合物中粘結劑的量取決于堆積密度。

發明內容

提供此發明內容以介紹一系列概念，所述概念將在下文具體實施方式中進一步描述。此發明內容不打算鑒別所要求保護的主題的關鍵或基本特征，也不打算用于輔助限制所要求保護的主題的范圍。