CN104321501A - 以基质材料制作井下工具的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造井下工具的方法，可包括：将一种基质材料装载到模具中，然后在模具中烧结该基质材料；然后将另一种基质材料装载到模具中。一种井下工具，可包括：纵轴线；当井下工具被安装在井中时，暴露于一个或多个磨蚀因素下的抗磨蚀层；以及支撑抗磨蚀层的支撑层。抗磨蚀层和支撑层可包括相应的基质材料，且抗磨蚀层沿与纵轴线平行的方向延伸大于约1.27cm。另一种制造井下工具的方法可包括：由粉末状的基质材料形成刚性层，然后用热的液体的粘结材料渗透一种基质材料和另一种基质材料。

Description

以基质材料制作井下工具的方法
技术领域
本发明大体涉及一种与地下井结合执行的操作及所利用的设备，且在一个下述实例中，更具体地提供一种以基质材料制造井下工具的方法。
背景技术
不同类型的井下工具均会暴露在井下操作中的一种或多种磨蚀因素下。例如，钻井工具(例如钻头、扩眼器、稳定器等等)的表面会因诸如磨料流体流动、克服井眼壁的刮擦、克服地层的碰撞等等因素而被磨蚀。很可惜，抗磨蚀材料通常都非常脆弱。
因此应认识到，在制造井下工具的技术领域中，始终需要多种改进方案。这样的改进方案可以提高井下工具的抗磨蚀性，或以其它方式提升井下工具的性能、减少井下工具的成本、提高井下工具的效率，等等。其它的改进方案可包括维持现有的抗磨蚀性，但提高强度、延展性、韧性、冲击强度、减少成本，等等。
附图说明
图1示出了一种井系统和相关方法的代表性局部剖视图，其能够体现本发明的原理。
图2示出了井下工具的代表性立体图，其能够体现本发明的原理，并能够用于图1的系统中。
图3-图6示出了在井下工具制造方法的连续的步骤中的井下工具的代表性剖视图。
图7示出了井下工具的另一种构造的代表性剖视图。
具体实施方式
图1中代表性地示出的是用于井的系统10和相关方法，其能够体现本发明的原理。但是应当清楚的理解，系统10和方法仅是作为本发明的原理被应用于实际中的一个实例。多种其它的实例是可能的。因此，本发明的范围完全不限于图中示出的和/或在此描述的系统10和方法的细节。
在图1所示实例中，井眼12借助钻柱14被钻出。钻柱14包括各种井下工具16、18、20、22、24。在本实例中，井下工具16包括一个或多个钻铤，井下工具18是稳定器，井下工具20是扩眼器，井下工具22是接头或转换接头，井下工具24是钻头。
许多其它井下工具可被包括在钻柱14中。在其它实例中也可使用井下工具的不同的组合、排列方式和数量。因此，本发明的范围不限于井下工具的任何具体的类型、数量、排列方式或组合。
在以下进一步的描述中，井下工具24被用作实例来表明如何将本发明的原理应用于实际。但是应当清楚地理解，本发明的范围不限于制造钻头或任何其它具体类型的井下工具。任何井下工具(包括但不限于在井下作业时暴露在一个或多个磨蚀因素下的井下工具)均可受益于本发明的原理。
现在再参考图2，其代表性示出了井下工具24的按比例放大的视图。在该视图中，可以看到井下工具24是本领域技术人员已知类型的固定切削刃钻头。但是，在其它实例中也可使用其它类型的钻头(例如取芯钻头、“孕镶”钻头等)。
图2中示出的钻头包括多个向下和向外伸出的钻刃26。在每个钻刃上安装有多个用于切削到地层中的聚晶金刚石复合片(PDC)镶齿28。
钻刃26具有相对的表面30，这些相对表面暴露在不同的磨蚀因素下，磨蚀因素例如包括作为钻井作业的一部分的克服地层壁的刮擦、来自钻头中喷嘴32的钻井泥浆的磨料流动、克服地层的碰撞，等等。
能够保护钻刃26的表面30不受磨蚀会是有利的，无论磨蚀的原因或类型为何。能够提高钻头的抗磨蚀性，而不过度地增加钻头的制造成本、或过度地降低钻头的性能或效率，也会是有利的。
能够受益于以下描述的原理的钻头的附加部分包括内部流动通道34、36、38。这些流动通道34形成在喷嘴32中，在图6中示出的是流动通道36、38。这些通道34、36、38暴露在钻井泥浆的磨料流动下，并且能够受益于提高的抗磨蚀性。
节约成本、提升性能和效率、以及提高抗磨蚀性，可通过与在此描述的原理结合的某些实例来实现。但是，为了获得任何具体的益处或多个益处的结合，并非必须与本发明的范围一致。
例如，除了磨蚀之外，钻头和钻刃26还特别受到来自冲击和钻井振动等的高动力荷载。这样的荷载能够使冲击强度、延展性和韧性更为重要，并会限制用于钻刃支距(blade standoff)和厚度的材料的设计标准，从而不符合期望地减小多个钻刃26之间的排屑槽的面积。
钻刃26是钻头的外部特征，而流动通道34、36、38是钻头的内部特征。在以下进一步的说明中，会描述如何能够提高钻刃26的外表面30的抗磨蚀性的实例。但是，本发明的原理也能够被用来加强井下工具的多个特征，不论这些特征是内部的还是外部的。
注意，钻刃26的表面30竖直向上延伸较大的距离。在过去，为了使钻头钻刃更抗磨蚀，钻头钻刃是由抗磨蚀的基质材料来构造的，抗磨蚀的基质材料例如最初为粉末状的碳化钨。
不幸的是，粉末的休止角(angle of repose)仅为大约30-50度，因此如果这些粉末沿着模具的一侧堆积较大的竖向距离，模具从该距离向下会基本上被相对昂贵的抗磨蚀碳化钨粉末填充。当限制基质材料的使用量时，能够沿着井下工具表面实现抗磨蚀基质材料的较大的竖向距离会是有利的。这样能够减少材料的成本，并且能够带来其它益处，诸如提高韧性和冲击强度。
本技术的其它优点是，钻头的整个表面能够包含由更抗磨蚀的材料形成的外层。由于现有技术方法的本质费时耗力，所以增强材料只能够被应用于钻头的选定区域中，例如只能被应用于钻刃26表面的顶部和前部，但不能应用于钻刃的背部上或钻刃之间的排屑槽中。
现在再参考图3-图6，其代表性地示出了制造井下工具24的方法40的多个步骤的实例。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、或制造任何其它类型的井下工具。这样的井下工具可以用于图1的系统10或任何其它系统中。
在图3所示实例中，工作筒42被安装于模具44中，该模具被构造用于形成钻头。夹具(未示出)可用于将工作筒42定位在模具44中。在一个实例中，夹具可安置在模具44上，并可通过竖直调整来升高或降低工作筒42，以改变在模具底部上的间隙g。
模具44可包括多个用于形成钻刃26的凹部、用于最终收纳镶齿28的空穴部，等等。为了清楚起见，模具44以简化的形式示出，但在实际应用中，为了形成钻头的内部特征和/或外部特征，模具的形状可如所需要的一样复杂。
工作筒42可由多种材料制成，例如由石墨、树脂砂(resin bonded sand)、钢、工具钢、镍合金、或其它材料制成。工作筒42可由任何不会在用于烧结(以下更详细地描述)的温度或在该温度之下熔化的材料制成。
如果使用树脂砂，树脂在烧结过程中会挥发。而没有树脂，砂就不具有结构完整性，但一旦粉末状基质材料被装载到以下描述的间隙中，疏松的砂的存在将会防止粉末状基质材料滑坍。疏松的砂能够使得将工作筒42在烧结后从模具44移除变得容易。砂可在那时被抽真空或向外倾倒。
如果工作筒42的材料在烧结后是相连的，则工作筒可被构造有牵引件，用于方便地将工作筒从模具44中移除。多重件(例如蛤壳)式工作筒42可以用于在单件式模具不允许在模具中的粉末状基质材料被烧结后移除工作筒的情况下，形成内层和/或多个特征。
在图3所示实例中，工作筒42和模具44之间存在间隙g。如以下更详细地描述的，该间隙g将会包括抗磨蚀粉末状基质材料。在本实例中，间隙g处于工作筒42的外部，且处于模具44的内部，但在其它实例中，间隙可处在工作筒的内部和/或处在模具的外部(例如，当期望在井下工具的内表面上、诸如在通道38或其它水道中形成抗磨蚀层时)。
如图4所示，抗磨蚀基质材料46被装载到模具44中的间隙g内。可利用振动来确保整个间隙g被密度均匀(一致)的基质材料46填充。
间隙g的尺寸可根据期望的层的厚度而改变。间隙g也可由于使粉末自由流入某个尺寸的间隙的能力而改变。与较不易流动的粉末相比，人们期望较易流动的粉末能够填充较小尺寸的间隙。
由烧结过程造成的刚性层的生坯强度可以受到粉末类型、化学和粘结剂、以及烧结变量例如时间和温度的影响。对于具有较低生坯强度的层，较厚的间隙g的尺寸可能是符合期望的。
基质材料46优选地包括粉末状形式的碳化钨。合适的碳化钨材料包括由美国马萨诸塞州Newton的HC Starck公司销售的D63(TM)和PREMIX 300(TM)。也可以使用其它的基质材料。
基质材料46可包括基质粉末的混合物。在将基质材料装载到模具44中之前，可以将粘结剂(诸如铜、镍、铁、它们的合金、有机粘着剂，等等)与基质材料46混合。
有效的粘结剂可以是任何在烧结温度会粘结、软化或熔化，而不会在烧结温度烧尽或降解的材料。高温粘结剂可包括软化温度约为260℃(500°F)和高于260℃的成分。在此所用术语“软化温度”指的是高于该温度时材料变得柔软的温度，该温度通常小于材料的熔点。
合适的高温粘结剂的实例可包括铜、镍、钴、铁、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟、钛、它们的任何混合物、它们的任何合金、以及它们的任何组合物。非限制性的实例可包括铜-磷、铜-磷-银、铜-锰-磷、铜-镍、铜-锰-锌、铜-锰-镍-锌、铜-镍-铟、铜-锡-锰-镍、铜-锡-锰-镍-铁、金-镍、金-钯-镍、金-铜-镍、银-铜-锌-镍、银-锰、银-铜-锌-镉、银-铜-锡、钴-硅-铬-镍-钨、钴-硅-铬-镍-钨-硼、锰-镍-钴-硼、镍-硅-铬、镍-铬-硅-锰、镍-铬-硅、镍-硅-硼、镍-硅-铬-硼-铁、镍-磷、镍-锰，等等。此外，高温粘结剂可包括金刚石催化剂，例如铁、钴和镍。
某些基质材料可以不需要粘结剂。包括铁、镍、钴或铜的基质粉末可以在烧结过程中通过固态扩散过程粘结。其它具有非常高的熔化温度的基质材料(例如W、WC、金刚石、BN、和其它氮化物和碳化物)可以利用粘结剂，这是因为产生固态扩散的高温可能是不经济或不受期待的。
基质材料46并非必须包括碳化钨。在此有用的基质粉末或基质粉末的混合物通常为产生的硬复合材料提供抗磨蚀性，包括针对磨蚀和磨损的高抗性。基质粉末可包括任何抗磨蚀材料的颗粒，这些颗粒可以通过粘结剂而被粘结(例如机械地)，以形成硬复合材料。合适的材料可包括但不限于碳化物、氮化物、天然的和/或合成的金刚石、钢、不锈钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、沉淀硬化钢、双相不锈钢、铁合金、镍合金、钴合金、铬合金、以及它们的任何组合物。
在图4所示实例中，基质材料46可包括碳化钨(WC)。可以使用不同类型的碳化钨，包括但不限于化学计量碳化钨(stoichiometric tungstencarbide)颗粒、烧结碳化钨颗粒、和/或铸造碳化钨颗粒。
第一种类型的碳化钨是化学计量碳化钨，其可包括粗晶碳化钨(macrocrystalline tungsten carbide)和/或渗碳碳化钨(carburized tungstencarbide)。粗晶碳化钨是单晶形式的本质上为化学计量的WC，但有些多晶WC可以形成较大颗粒。
粗晶碳化钨可包括铸造碳化物、Ni、Fe、羰基的Fe、Ni等添加剂。粗晶碳化钨也可以具有诸如硬度，可湿性之类的特征，并响应污染的热的液体的粘结材料，这些粘结材料与烧结碳化物或球式碳化物不同。制造粗晶碳化钨的方法对于本领域普通技术人员是公知的。
渗碳碳化钨，如本领域所公知的，是碳在高温条件下在保护气氛中固态扩散到钨金属内的产物。渗碳碳化钨颗粒通常是多晶的(例如它们由WC附聚物组成)。这些附聚物可以形成大于单个WC晶体的颗粒。典型的渗碳碳化钨可以包含按重量至少99.8％的渗碳的WC，其中总的碳含量处在按重量约6.08％至约6.18％的范围内。
第二种类型的碳化钨是烧结碳化钨，其包括烧结的球形碳化钨和/或压碎烧结碳化钨。术语“烧结碳化物”可包括WC、MoC、TiC、TaC、NbC、Cr3C2、VC和混合碳化物的固溶体，例如处于颗粒粘结(基质)相中的WC-TiC、WC-TiC-TaC、WC-TIC-(Ta,Nb)C。
用于形成烧结碳化物的粘结材料有时被称为“粘合材料”，以有助于区分被用来形成烧结碳化物的粘结材料和被用来形成硬复合材料的粘结材料(以及包含硬复合材料的井下工具)。烧结碳化物有时被称为“复合”碳化物或烧结碳化物。市场上可买的烧结碳化钨有两种形式：压碎的和球形的(丸状的)。
压碎的烧结碳化钨是通过将烧结的成分压碎成更精细的颗粒而产生的，这导致更多不规则和有棱角的形状，而丸状的烧结碳化钨大体呈圆形或球形的形状。颗粒粘合材料提供延展性和韧性，这经常导致与铸造碳化物、粗晶碳化钨和/或它们的配制相比，对烧结碳化物的丸状、球形或其它的构造的断裂具有更好的抗性(韧性)。
用于制造烧结碳化钨的典型工艺大体上包括提供具有预定尺寸(或在选定尺寸范围之内)的碳化钨粉末，以及将粉末与合适数量的钴、镍或其它合适的粘合材料混合。通常由以下两种技术之一制备该混合物用于烧结：将混合物挤压成经常被称为生坯的固体，或替代地，例如通过经由筛网进行挤压或翻滚，然后经过筛选来获得或多或少均匀的丸状尺寸，以形成颗粒或丸状的混合物。
然后这样的生坯或丸状颗粒在气氛受控的炉中被加热至接近钴(或类似物)熔点的温度，以引起碳化钨颗粒由金属相被粘合在一起。碳化钨的烧结球体产生球形烧结碳化钨。
压碎的烧结碳化钨还可以从压坯块体，或通过压碎烧结的丸状颗粒、或通过形成不规则形状的固体来形成。烧结碳化钨的颗粒尺寸、形态和质量可以通过改变碳化钨和钴的初始颗粒尺寸，控制丸状颗粒尺寸，调节烧结的时间和温度，和/或重复将较大的烧结碳化物压碎至较小块，直到获得期望的尺寸来确定。
第三种类型的碳化钨是铸造碳化钨，其可包括球形铸造碳化钨和/或压碎铸造碳化钨。铸造碳化钨近似地具有在碳化二钨(bitungsten carbide)、W2C和碳化一钨(monotungsten carbide)、WC之间的共晶成分(eutecticcomposition)。铸造碳化钨通常通过是加热与碳接触的钨来形成的。
用于制造球形铸造碳化物颗粒的工艺对于本领域普通技术人员而言是公知的。例如，钨可以在具有孔的石墨坩埚中被加热，合成的W2C和WC的共晶混合物可以通过该孔滴下。这种液体可以在油浴中被淬火，并随后被压碎至期望的颗粒尺寸，以形成所谓的压碎铸造碳化钨。
替代地，钨和碳的混合物以高于其熔点的温度被加热成不间断流动的液流，该液流被倾倒在旋转的冷却表面上，该冷却表面通常是水冷铸造椎体、管、或凹形转动台的表面。熔化的液流在旋转表面上被快速冷却，并形成共晶碳化钨的球形颗粒，这些共晶碳化钨的球形颗粒被称为球形铸造碳化钨。
可以作为基质粉末或基质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)。术语“立方氮化硼”指的是一种硼原子和氮原子的内部晶体结构，在该结构中等量的晶格点处在每个晶胞的角落。
氮化硼颗粒通常具有大约一微米的直径，并呈现为白色粉末。当最初形成时，氮化硼具有大体上类似于石墨的六角形片状结构。当在高压强(例如6.9×106kPa)条件下压缩时，会形成硬度非常类似于金刚石的立方氮化硼颗粒。
可以选择各种材料用作基质粉末，以便提供基质粉末混合和最终的硬复合材料，这作为特别的应用。例如，用于形成硬复合材料的颗粒材料的类型、形状和/或尺寸会影响材料的特性，材料的特性包括例如断裂韧性、横向断裂强度和抗磨蚀性。
颗粒尺寸分布相对较大的基质粉末可至少部分地是使利用基质粉末的多模态混合形成的硬复合材料的抗磨蚀性得到提高的原因。相似地，具有较小颗粒尺寸分布的基质粉末可以是维持由基质粉末的多模态混合物形成的硬复合材料的机械特性(例如断裂韧性、横向断裂强度等)的至少部分原因。
粘结材料可包括铜、钴、镍、铁、锌、锰、锡、这些元素的任何合金、它们的任何组合物、或任何其它满足用于形成包括以上描述的基质粉末的硬复合材料的材料。这样的粘结材料通常为相关的硬复合材料提供期望的延展性、韧性和导热性。
粘结材料可与存在于基质粉末中的颗粒材料协作，以形成抗磨蚀性得到提高的硬复合材料。一种合适的市场上可买的粘结材料是由Belmont Metals,Inc.公司销售的VIRGIN BINDER 453D(TM)(铜-锰-镍-锌)。
硬复合材料可利用本领域公知的任何技术来形成。用于铸造硬复合材料的典型的形成工艺可以从形成具有期望构件的形状的模具开始。替换材料，例如但不限于模具插入物和对于得到期望的形状所必须的添加物，可以被装载到模具中。
然后可使用基质粉末来装载模具。随着模具被填充时，如有需要，可利用一系列的振动循环来辅助装填基质粉末。振动可有助于确保基质粉末的密度均匀，并处在所需的期望范围之内，以实现对硬复合材料的期望特征。
粘结材料可随后被置于模具的顶部，并可选地以助熔层(flux layer)来覆盖。如有需要，可以将遮挡件或顶盖置于模具上方。模具组件和位于其中的材料可以被预热，然后被置于炉中。
当达到粘结材料的熔点时，产生的液态粘结材料浸润基质粉末。然后模具被冷却至粘结材料的固相线温度之下，以形成硬复合材料。
然后模具可被打开，以允许具有期望构件的形状的硬复合材料被移除以供使用。对于在此描述的硬复合材料形成的各种构件均可使用该步骤。
在方法40中，基质材料46在被装载到模具44中之后被烧结。本文中术语“烧结”可指基质粉末颗粒在低于其熔点的温度的固态扩散和粘合。该术语也可表示液相烧结、瞬间液相烧结、激活烧结或超固液相烧结。该术语也可表示多个颗粒间使用液体形成的机械粘合，例如在铜焊时实现的机械粘合。
烧结温度和时间可根据粘结剂和基质粉末而改变。例如，烧结温度的范围可从250℃至1200℃，烧结时间可在5分钟至60分钟之间变化。
如果使用上述的D63(TM)材料，合适的烧结可通过以下方式实现：将模具44插入炉中，借助氮气氛预热至大约1038℃，维持该温度大约30分钟，或在需要的情况下将粘结剂与基质材料46混合，以将基质材料的颗粒合适地粘结在一起。
在烧结之后，基质材料46优选为刚性多孔的，由此在渗透(以下更详细地描述)期间，渗透式的粘结材料可以渗入刚性结构，并将多种材料粘合在一起。刚性基质材料46优选具有8％或更高的孔隙度，以使得材料中的孔隙网互连。
在图5中，工作筒42已在冷却后从模具44中被移除，留下刚性的烧结后的基质材料46作为模具中的外层。在工作筒42被移除后，刚性基质材料46的内表面可被清除干净(例如进行刷除、吹除、抽真空等等)，以移除任何疏松的砂、石墨或氧化物(取决于工作筒42的材料)。疏松的砂、石墨或氧化物颗粒会抑制粘结材料的适宜渗透，或成为对于最终结构的机械性质有害的内部杂质。
注意，基质材料46沿着将要成为钻头的钻刃表面30竖向地延伸较大距离。不需要在基质材料的竖向范围之下，使基质材料46(这会相对昂贵)基本上充满模具44，就能够实现此结果。
金属坯48和替换材料50、52可被安装在模具44中，以形成钻头的具体特征。例如，替换材料50、52可被成形，以在钻头中形成相应的流体通道36、38，其它替换材料可被用来形成用于收纳喷嘴32等的多个凹部。合适的替换材料可包括砂和碳。
然后基质支撑材料54被装载到模具44中，并优选被振动，以使得该材料具有一致的密度，并完全地填充任何空隙。材料54是支撑材料，在完成的井下工具24中用作支撑基质材料46的支撑层。
一种适合用作材料54的材料是由美国宾夕法尼亚州拉特罗布市的肯纳金属公司(Kennametal,Inc.)销售的P-90(TM)或P-100(TM)。另一种合适的材料是由美国新泽西州希那明森市的海格纳士公司(HoeganaesCorporation)销售的Ancorsteel 30HP(TM)。
但是，也可使用任何能够支撑基质材料46和在井下工具中执行任何被整合的其它期望功能的合适材料。例如，材料54可包括任何在此提到的适合在基质材料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适合在材料54中使用的材料)。
与基质材料46相比，材料54可有利地具有更好的韧性、延展性、拉伸强度、冲击强度等等，并且可以更便宜。但是，材料54不能具有与基质材料46相同的抗磨蚀性。材料54优选也是基质材料，但为了清楚起见，在此将其称为“支撑”材料，以强调其支撑基质材料46的抗磨蚀层的作用。
在将材料54装载到模具44中后，粘结材料和助熔剂(在图5中未示出)被置于模具中的基质材料46、54的顶部。可使用漏斗、遮盖件或其它装置，以利于将基质材料、粘结材料、助熔剂等装载到模具44中，和/或将这些材料保留在模具中。
如前所述，基质材料46、54随后由粘结材料渗透。这优选通过将模具44(与位于基质材料46、54顶部的粘结材料和可选的助熔剂一起)预热，并随后将模具置入炉中，并加热直至粘结材料熔化来执行。
热的液体的粘结材料均匀地渗透基质材料46、54两者，并包围坯48和替换材料50、52。然后模具44被允许冷却，并且组件(组件此时包含渗透的基质材料46、54和坯48以及替换材料50、52)从模具中被移除。
可使用传统的技术将替换材料50、52从组件中移除。在本实例中，由于替换材料50、52的移除而产生流动通道36、38。
如图6所示，井下工具24通过加工基质材料46、54(以及可选的坯48)来形成。通道38可被加工，以适当地在其中收纳喷嘴32。
通道36和坯48可被加工，以匹配金属连接件56的具体特征(例如相应的内径和外径)。镶齿28可被固定在空穴部中，这些空穴部例如是通过铜焊、粘合等在钻头的钻刃中形成的。
连接件56可设有内螺纹或外螺纹，内螺纹或外螺纹用于将钻头连接至钻柱。连接件56可如图6所示被焊接至坯48。替代地，连接件56可在坯48上形成、螺接到坯、或以其它方式固定到坯。
虽然上述方法40是借助单个模具44执行的，但也可替代性地使用多个模具。例如，在图5所示的步骤中使用的模具可以与图4所示的步骤中使用的模具不同，在这两个步骤之间，烧结后的基质材料46从一个模具被转移至另一个模具。
现在再参考图7，其代表性地示出了井下工具24的另一种构造。在本实例中，井下工具24具有抗磨蚀层60，抗磨蚀层60沿着井下工具内部的通道36、38的壁延伸。抗磨蚀层60还位于支撑层62的外部，并暴露在通过通道36、38流动的流体的磨蚀效果下。多件“蛤壳”型工作筒可被用来形成本实例中的抗磨蚀层60。
现在可充分地认识到，上述的发明对井下工具的构造技术提出了显著的改进。在上述方法40的实例中，渗入有粘结材料58的基质材料46在钻井作业期间暴露于磨蚀因素的表面上(在例如钻刃表面30上)形成硬复合抗磨蚀层60。以粘结材料58渗透的基质材料54形成硬复合支撑层62，该硬复合支撑层与抗磨蚀层60相比可以更易延展、更坚韧、更廉价等等。
在一些实例中，支撑层62由于其韧性、延展性、抗冲击性等较高，可以允许钻头具有较大的钻刃支距、和较大的流体流道以及排屑槽。这样的钻头可提高渗透率和“球块”抗性。
以上描述了一种制造井下工具24的方法40。在一个实例中，方法40可包括：将第一基质材料46装载到模具44中，然后在模具44中烧结第一基质材料46，并随后将第二基质材料54装载到模具44中。
方法40也可包括将粘结剂与第一基质材料46混合。可以在将第一基质材料46装载到模具44中之前执行这种混合。
第一基质材料46可包括粉末。在将第一基质材料46装载到模具44的步骤中，粉末可沿着模具44的表面竖向地延伸大于约1.27cm(或在一些实例中，竖向地延伸大于约2.54cm)。第一基质材料46并非必须仅沿竖直方向延伸，这是因为模具表面可以是倾斜的、呈斜坡状等等。
粉末可包括粉末状碳化钨材料。但是，在其它实例中也可使用其它材料。
所述方法可包括在烧结第一基质材料46之后，用热的液体的粘结材料58来渗透第一基质材料46和第二基质材料54。
与第二基质材料54相比，第一基质材料46可以具有更好的抗磨蚀性。与第一基质材料46相比，第二基质材料54可以具有更好的延展性、冲击强度和/或韧性。
装载步骤可包括将第一基质材料46插入位于模具44和工作筒42之间的间隙g中。
制造井下工具24的另一方法40的实例可包括：由粉末状的第一基质材料46形成刚性层60，并随后用热的液体的粘结材料58渗透第一基质材料46和第二基质材料54两者。
刚性层60的形成步骤可包括：将第一基质材料46装载到模具44中，以及烧结第一基质材料46。在本实例中，烧结在装载之后被执行。渗透在烧结之后被执行。
上述井下工具24的实例可包括：纵轴线64(见图6)；抗磨蚀层60，当井下工具24被安装在井中时，抗磨蚀层60暴露于一个或多个磨蚀因素下；以及支撑层62，支撑层62支撑抗磨蚀层60。在本实例中，抗磨蚀层60和支撑层62可分别包括第一基质材料46和第二基质材料54，且抗磨蚀层60可沿与纵轴线64平行的方向延伸大于约1.27cm(或在一些实例中，延伸大于约2.54cm)。
层60不必仅沿平行于纵轴线的方向延伸，这是因为使用该层的表面可以是倾斜的、呈斜坡状等等。
第一基质材料46和第二基质材料54可被用相同的粘结材料58渗透。
抗磨蚀层60可具有至少约0.25cm的厚度。
虽然以上描述了多个不同的实例，且每个实例具有特定特征，但应理解，一个实例的具体特征并非必须专门地仅用于该实例。反之，以上所描述的和/或图示的多个特征中的任一个特征可与多个实例中的任一个实例结合，以补充或替代这些实例中的任何其它特征。一个实例的特征与另一个实例的特征并不是互相排斥的。反之，本发明的范围包含多个特征中的任何特征的任何组合。
虽然以上所述的每个实例包括多个特征的一定组合，但应理解，并非必须使用一个实例中的所有特征。反之，可以使用上述多个特征中的任一个，而不使用任何其它某一个或多个特征。
应当理解，本说明书中所描述的不同实施例可被用于各种方向(例如倾斜、颠倒、水平、竖直等等)且用于各种设置，而不偏离本发明的原理。所述实施例仅仅作为本发明原理的有效应用的实例，并不限于这些实施例的任何具体细节。
在以上对代表性实例的描述中，为方便起见参照附图使用了方位术语(例如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等等)。然而，应当清楚地理解，本发明的范围不限于在此描述的任何具体方位。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“由……组成”和类似术语在本说明书中是在非限定意义上使用的。例如，若一个系统、方法、设备、装置等被描述为“包含”某个特征或元件，则该系统、方法、设备、装置等可包括该特征或元件，并且也可包括其它特征或元件。相似地，术语“包括”应被认为意味着“包括但不限于”。
当然，本领域技术人员根据对以上所述的本发明代表性实施例的仔细考虑，易于认识到可以对具体实施例进行许多修正、添加、替代、删除和其它改变，且借助本发明的原理可设想这样的改变。例如，分别形成的发明的结构在其它实例中可以完成地形成，反之亦然。因此，前述细节描述应被清楚地理解仅是以说明和实例的方式给出的，本发明的核心和范围仅限于所附权利要求及其等同方案。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种制造井下工具的方法，所述方法包括：
将第一基质材料装载到一模具中；
然后在所述模具中烧结所述第一基质材料；以及
然后将第二基质材料装载到所述模具中。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：将粘结剂与所述第一基质材料混合。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，装载所述第一基质材料包括将所述第一基质材料插入位于所述模具和一工作筒之间的间隙中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述第一基质材料装载到所述模具中时，所述第一基质材料包括粉末。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在将所述第一基质材料装载到所述模具中时，所述粉末沿着所述模具的表面竖向地延伸大于约1.27cm。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，在将所述第一基质材料装载到所述模具中时，所述粉末沿着所述模具的表面竖向地延伸大于约2.54cm。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述粉末包括粉末状碳化钨材料。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：在烧结所述第一基质材料之后，用热的液体的粘结材料渗透所述第一基质材料和所述第二基质材料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，与比所述第二基质材料相比，所述第一基质材料具有更好的抗磨蚀性。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的延展性。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的韧性。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的冲击强度。
13.一种制造井下工具的方法，所述方法包括：
由粉末状的第一基质材料形成刚性层；以及
然后，用热的液体的粘结材料渗透所述第一基质材料和第二基质材料两者。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成还包括将所述第一基质材料装载到模具中，以及烧结所述第一基质材料。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述烧结在所述装载之后被执行。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述渗透在所述烧结之后被执行。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括：将一粘结剂与所述第一基质材料混合。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述形成包括将所述第一基质材料插入位于所述模具和一工作筒之间的间隙中。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成包括所述粉末状第一基质材料沿着所述模具的表面竖向地延伸大于约1.27cm。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成包括所述粉末状第一基质材料沿着所述模具的表面竖向地延伸大于约2.54cm。
21.根据权利要求13所述的方法，其中，所述粉末包括粉末状碳化钨材料。
22.根据权利要求13所述的方法，其中，与所述第二基质材料相比，所述第一基质材料具有更好的抗磨蚀性。
23.根据权利要求13所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的延展性。
24.根据权利要求13所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的韧性。
25.根据权利要求13所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的冲击强度。
26.一种井下工具，包括：
纵轴线；
抗磨蚀层，当所述井下工具被安装在井中时，所述抗磨蚀层暴露于一个或多个磨蚀因素下；以及
支撑层，所述支撑层支撑所述抗磨蚀层，
所述抗磨蚀层和所述支撑层分别包括第一基质材料和第二基质材料，且所述抗磨蚀层在与所述纵轴线平行的方向上延伸大于约1.27cm。
27.根据权利要求26所述的井下工具，其中，所述第一基质材料和所述第二基质材料被用相同的粘结材料渗透。
28.根据权利要求26所述的井下工具，其中，所述抗磨蚀层具有至少约0.25cm的厚度。
29.根据权利要求26所述的井下工具，其中，所述第一基质材料包括碳化钨材料。
30.根据权利要求26所述的井下工具，其中，与所述第二基质材料相比，所述第一基质材料具有更好的抗磨蚀性。
31.根据权利要求26所述的井下工具，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的延展性。
32.根据权利要求26所述的井下工具，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的韧性。
33.根据权利要求26所述的井下工具，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的冲击强度。
34.根据权利要求26所述的井下工具，其中，所述抗磨蚀层沿与所述纵轴线平行的方向延伸大于约2.54cm。
35.一种钻头，包括：
抗磨蚀层，当所述钻头被安装在井中时，所述抗磨蚀层暴露于一个或多个磨蚀因素下；以及
支撑层，所述支撑层支撑所述抗磨蚀层，
所述抗磨蚀层和所述支撑层分别包括第一基质材料和第二基质材料，且所述第一基质材料位于所述第二基质材料的外部。
36.根据权利要求35所述的钻头，其中，所述第一基质材料和第二基质材料被用相同的粘结材料渗透。
37.根据权利要求35所述的钻头，其中，所述抗磨蚀层具有至少约0.25cm的厚度。
38.根据权利要求35所述的钻头，其中，所述第一基质材料包括碳化钨材料。
39.根据权利要求35所述的钻头，其中，与所述第二基质材料相比，所述第一基质材料具有更好的抗磨蚀性。
40.根据权利要求35所述的钻头，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的延展性。
41.根据权利要求35所述的钻头，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的韧性。
42.根据权利要求35所述的钻头，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的冲击强度。
43.根据权利要求35所述的钻头，还包括纵轴线，而且其中，所述抗磨蚀层沿与所述纵轴线平行的方向延伸大于约1.27cm。
44.根据权利要求43所述的钻头，其中，所述抗磨蚀层沿与所述纵轴线平行的方向延伸大于约2.54cm。

Claims (44)

1.一种制造井下工具的方法，所述方法包括：
将第一基质材料装载到一模具中；
然后在所述模具中烧结所述第一基质材料；以及
然后将第二基质材料装载到所述模具中。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：将粘结剂与所述第一基质材料混合。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，装载包括将所述第一基质材料插入位于所述模具和一工作筒之间的间隙中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述第一基质材料装载到所述模具中时，所述第一基质材料包括粉末。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在将所述第一基质材料装载到所述模具中时，所述粉末沿着所述模具的表面竖向地延伸大于约1.27cm。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，在将所述第一基质材料装载到所述模具中时，所述粉末沿着所述模具的表面竖向地延伸大于约2.54cm。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述粉末包括粉末状碳化钨材料。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：在烧结所述第一基质材料之后，用热的液体的粘结材料渗透所述第一基质材料和所述第二基质材料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，与比所述第二基质材料相比，所述第一基质材料具有更好的抗磨蚀性。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的延展性。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的韧性。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的冲击强度。
13.一种制造井下工具的方法，所述方法包括：
由粉末状的第一基质材料形成刚性层；以及
然后，用热的液体的粘结材料渗透所述第一基质材料和第二基质材料两者。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成还包括将所述第一基质材料装载到模具中，以及烧结所述第一基质材料。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述烧结在所述装载之后被执行。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述渗透在所述烧结之后被执行。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括：将一粘结剂与所述第一基质材料混合。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述形成包括将所述第一基质材料插入位于所述模具和一工作筒之间的间隙中。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成包括所述粉末状第一基质材料沿着所述模具的表面竖向地延伸大于约1.27cm。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成包括所述粉末状第一基质材料沿着所述模具的表面竖向地延伸大于约2.54cm。
21.根据权利要求13所述的方法，其中，所述粉末包括粉末状碳化钨材料。
22.根据权利要求13所述的方法，其中，与所述第二基质材料相比，所述第一基质材料具有更好的抗磨蚀性。
23.根据权利要求13所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的延展性。
24.根据权利要求13所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的韧性。
25.根据权利要求13所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的冲击强度。
26.一种井下工具，包括：
纵轴线；
抗磨蚀层，当所述井下工具被安装在井中时，所述抗磨蚀层暴露于一个或多个磨蚀因素下；以及
支撑层，所述支撑层支撑所述抗磨蚀层，
所述抗磨蚀层和所述支撑层分别包括第一基质材料和第二基质材料，且所述抗磨蚀层在与所述纵轴线平行的方向上延伸大于约1.27cm。
27.根据权利要求26所述的井下工具，其中，所述第一基质材料和所述第二基质材料被用相同的粘结材料渗透。
28.根据权利要求26所述的井下工具，其中，所述抗磨蚀层具有至少约0.25cm的厚度。
29.根据权利要求26所述的井下工具，其中，所述第一基质材料包括碳化钨材料。
30.根据权利要求26所述的井下工具，其中，与所述第二基质材料相比，所述第一基质材料具有更好的抗磨蚀性。
31.根据权利要求26所述的井下工具，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的延展性。
32.根据权利要求26所述的井下工具，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的韧性。
33.根据权利要求26所述的井下工具，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的冲击强度。
34.根据权利要求26所述的井下工具，其中，所述抗磨蚀层沿与所述纵轴线平行的方向延伸大于约2.54cm。
35.一种钻头，包括：
抗磨蚀层，当所述钻头被安装在井中时，所述抗磨蚀层暴露于一个或多个磨蚀因素下；以及
支撑层，所述支撑层支撑所述抗磨蚀层，
所述抗磨蚀层和所述支撑层分别包括第一基质材料和第二基质材料，且所述第一基质材料位于所述第二基质材料的外部。
36.根据权利要求35所述的钻头，其中，所述第一基质材料和第二基质材料被用相同的粘结材料渗透。
37.根据权利要求35所述的钻头，其中，所述抗磨蚀层具有至少约0.25cm的厚度。
38.根据权利要求35所述的钻头，其中，所述第一基质材料包括碳化钨材料。
39.根据权利要求35所述的钻头，其中，与所述第二基质材料相比，所述第一基质材料具有更好的抗磨蚀性。
40.根据权利要求35所述的钻头，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的延展性。
41.根据权利要求35所述的钻头，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的韧性。
42.根据权利要求35所述的钻头，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的冲击强度。
43.根据权利要求35所述的钻头，还包括纵轴线，而且其中，所述抗磨蚀层沿与所述纵轴线平行的方向延伸大于约1.27cm。
44.根据权利要求43所述的钻头，其中，所述抗磨蚀层沿与所述纵轴线平行的方向延伸大于约2.54cm。
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