CN105705722B - 井下使用的纤维增强工具 - Google Patents
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Abstract
一种可至少部分由包括分散在粘合剂中的增强颗粒和增强纤维的纤维增强硬复合材料部分形成的井筒工具，其中所述增强纤维具有范围为1到15倍临界纵横比(Ac)的纵横比，其中Ac＝σf/(2Tc)，σf是所述增强纤维的极限拉伸强度，且Tc是所述增强纤维与所述粘合剂之间的界面剪切粘结强度或所述粘合剂的屈服应力，取所述界面剪切粘结强度和所述屈服应力中较低的一者。
Description
发明背景
本公开涉及井下使用的增强工具，包括(但不限于)纤维增强钻头，以及与其相关的生产和使用的相关联方法。
在油气产业中在井下使用多种多样的工具，包括用于形成井筒的工具、用于完成已经钻探的井筒的工具，以及用于自完井中生成诸如油气的碳氢化合物的工具。特定而言，频繁使用切削工具来钻探油气井、地热井和水井。切削工具可以包括牙轮钻头、固定刀具钻头、扩眼钻头、取芯钻头等等。例如，固定刀具钻头常由基体钻头体形成，所述基体钻头体具有布置在基体钻头体外部周围的所选位置处的切削元件或插入件。在钻探期间，这些切削元件接合且移除地下地层的邻近部分。
复合材料可用于固定刀具钻头的基体钻头体中。这些材料通常耐腐蚀且展现出高冲击强度。然而，这些复合材料可能是易碎的。结果，由于制造期间遭受的热应力或钻探期间传送的机械应力可能发生应力开裂。这在复合材料的腐蚀加速时格外如此。
附图简述
包括附图以说明实施方案的特定方面，且所述附图不应被视为排外性实施方案。如所属领域技术人员将出现且得益于本公开，所公开的标的物在形式和功能上具有相当大的修改、替代、组合和等效，而不脱离本公开的范畴。
图1是示出具有根据本公开的教导的至少一个纤维增强部分的基体钻头体的钻头的一个实例的横截面图。
图2是图1的钻头的等距视图。
图3是示出用于形成根据本公开的教导的基体钻头体的铸模组合件的一个实例的横截面图。
图4是示出用于形成根据本公开的教导的基体钻头体的铸模组合件的一个实例的端视图。
图5是示出根据本公开的教导的基体钻头体的一个实例的横截面图。
图6是示出根据本公开的教导的基体钻头体的一个实例的横截面图。
图7是示出根据本公开的教导的基体钻头体的一个实例的横截面图。
图8是示出根据本公开的教导的基体钻头体的一个实例的横截面图。
图9是示出适于结合本公开的基体钻头使用的钻探组合件的一个实例的示意图。
发明详述
本公开涉及纤维增强井下工具，和制造及使用这些纤维增强井下工具的方法。本公开的教导可适用于可至少部分由复合材料形成且在与井筒或其它井下装置接触期间遭受磨损的任何井下工具。这些工具可以包括用于钻井、完井和自井中生产碳氢化合物的工具。这些工具的实例包括：切削工具，诸如钻头、扩眼钻头、稳定器和取心钻头；钻探工具，诸如可旋转导向装置、泥浆电机；以及井下使用的其它工具，诸如窗机、封隔器、工具接头和其它易磨损工具。
举例而言，数个实施方案更特定而言涉及一种具有带至少一个纤维增强部分的基体钻头体的钻头。具有至少一个纤维增强部分的基体钻头体由于至少一部分是纤维增强的而或者在本文中称为纤维增强基体钻头体。在一些实施方案中，可以至少部分用包括分散在粘合剂材料中的增强颗粒和增强纤维的纤维增强硬复合材料部分形成本公开的井筒工具或其部分。如本文所用，术语“增强纤维”指纵横比范围为1到15倍临界纵横比(Ac)的纤维，其中Ac＝σf/(2Tc)，σf是增强纤维的极限拉伸强度，且Tc是增强纤维与粘合剂之间的界面剪切粘结强度或粘合剂的屈服应力，取所述界面剪切粘结强度和所述屈服应力中较低的一者。如本文所使用，术语“纤维”涵盖纤维、晶须、棒材、线材、狗骨式装置、带、盘、圆片、薄片、环等等，及其杂合体。如本文所使用，术语“狗骨式装置”指如纤维、晶须或棒材的细长结构，其中在结构的端处或附近的直径大于其中任何处的直径。如本文所使用，2维结构(例加，带、盘、圆片、薄片或环)的纵横比指最长尺寸对厚度之比。
不受理论的限制，据信多个纤维至少部分由于其组成和纵横比而将增强周边复合材料以通过井筒工具或其部分的纤维增强硬复合材料部分抵抗开裂萌生和蔓延。减轻开裂萌生和蔓延可以减少生产期间的废品率且增加使用之后井筒工具的使用期限。
在一些实施方案中，本文所述的增强纤维可以具有范围在下限2、5、10、50、100或250到上限500、250、100、50或25的纵横比，其中增强纤维的纵横比可以在任何下限到任何上限的范围并且涵盖其中的任何子集。在一些实施方案中，可在本文所述的纤维增强硬复合材料部分中使用两个或更多个至少在纵横比上有所不同的增强纤维。
在一些实施方案中，本文所述的增强纤维可以具有范围在下限1微米、10微米或25微米到上限300微米、200微米、100微米或50微米的直径，其中增强纤维的直径可以在任何下限到任何上限的范围并且涵盖其中的任何子集。所属领域技术人员应明白，增强纤维的长度将取决于增强纤维的直径以及增强纤维相对于在其中实施增强纤维的粘合剂的临界纵横比以及增强纤维的组成。在一些实施方案中，可在本文所述的纤维增强硬复合材料部分中使用两个或更多个至少在直径上有所不同的增强纤维。
本文所述的增强纤维可以优选具有与粘合剂粘结的组合物，使得增加量的热应力和机械应力(或载荷)可被传送到所述纤维。此外，与粘合剂粘结的组合物可能不太可能在开裂蔓延时从粘合剂中拉出。
此外，增强纤维的组合物可以优选耐受形成几乎不会与粘合剂材料形成合金或氧化的纤维增强硬复合材料部分(本文更详细描述)时遭受的温度和压力。然而，在一些情形中，可改变大气状况(例加，经由减少压力或气体净化而实现的减少的氧含量)以减轻增强纤维的氧化，而允许可能不适于在标准大气氧浓度中使用的组合物。
在一些实施方案中，增强纤维的组合物可以具有大于粘合剂的熔点(例加，大于1000℃)的熔点。在一些实施方案中，增强纤维的组合物可以具有范围在下限1000℃、1250℃、1500℃或2000℃到上限3800℃、3500℃、3000℃或2500℃的熔点，其中组合物的熔点的范围可以在任何下限到任何上限并且涵盖其中的任何子集。
在一些实施方案中，对于给定大气状况，增强纤维的组合物可以具有大于粘合剂的熔点(例加，大于1000℃)的氧化温度。在一些实施方案中，对于给定大气状况，增强纤维的组合物可以具有范围在下限1000℃、1250℃、1500℃或2000℃到上限3800℃、3500℃、3000℃或2500℃的氧化温度，其中组合物的氧化温度的范围可以在任何下限到任何上限并且涵盖其中的任何子集。
用于结合本文所述实施方案使用的增强纤维的组合物实例可以包括(但不限于)钨、钼、铌、钽、铼、铱、钌、铍、钛、铬、铑、铁、钴、铀、镍、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、铬合金、碳、耐火陶瓷、碳化硅、二氧化硅、氮化硅、氧化铝、二氧化钛、莫来石、氧化锆、氮化硼、碳化硼、碳化钛、氮化钛、碳化钨等及其任意组合。在一些实施方案中，可在本文所述的纤维增强硬复合材料部分中使用两个或更多个至少在组合物上有所不同的增强纤维。
在一些实施方案中，本文所述的纤维增强硬复合材料部分可以包括浓度按增强颗粒重量计在范围从下限1％、3％或5％到按增强颗粒重量计上限30％、20％或10％的增强纤维，其中增强纤维的浓度范围可以从任何下限到任何上限并且包括其中的任何子集。
适于结合本文所述实施方案使用的粘合剂实例可包括(但不限于)铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟、其任何混合物或其任何合金，以及其任意组合。粘合剂的非限制实例可包括铜-磷、铜-磷-银、铜-锰-磷、铜-镍、铜-锰-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、铜-铝、铜-铝-镍、铜-铝-镍-铁、铜-铝-镍-锌-锡-铁等，以及其任意组合。市售粘合剂的实例可以包括(但不限于)VIRGINTM Binder 453D(铜-锰-镍-锌，购自Belmont Metals公司)；购自ATIFirth Sterling的铜-锡-锰-镍和铜-锡-锰-镍-铁等级516、519、523、512、518和520；及其任意组合。
虽然一些增强纤维的组合物和粘合剂可能会重叠，但是所属领域技术人员应明白，增强纤维的组合物应被选择为具有大于在或高于粘合剂的熔点的纤维增强硬复合材料部分生产温度的熔点。
在某些情形中，适于结合本文所述实施方案使用的增强颗粒可以包括金属颗粒、金属合金、金属碳化物、金属氮化物、陶瓷、金属互化物、金刚石、高温合金等等或其任意组合。适于结合本文所述的实施方案使用的增强颗粒的实例可以包括颗粒，其包括(但不限于)钨、钼、铌、钽、铼、铱、钌、铍、钛、铬、铑、铁、钴、铀、镍、氮化物、硅氮化物、硼氮化物、立方氮化硼、天然金刚石、人造金刚石、硬质合金、球形碳化物、低合金烧结材料、铸造碳化物、碳化硅、碳化硼、立方碳化硼、碳化钼、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化钒、碳化铁、碳化钨、粗晶碳化钨、铸造碳化钨、粉碎烧结碳化钨、渗碳碳化钨、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、陶瓷、铁合金、镍合金、铬合金、合金(含镍铬合金，可购自Haynes International)、合金(含奥氏体镍铬超合金，可购自Special Metals Corporation)、(奥氏体镍基超合金)、合金(含镍铬合金、可购自Altemp Alloys，Inc.)、合金（含镍铬超合金、可购自Haynes International)、合金(含铁镍超合金，可购自MegaMex)、MP98T(镍-铜-铬合金，可购自SPS Technologies)、TMS合金、合金(镍基超级合金，可购自C-M Group)、N-155合金，其任意混合物及其任意组合。在一些实施方案中，可涂覆增强颗粒。举非限制性实例而言，增强颗粒可以包括涂覆有钛的金刚石。
在一些实施方案中，本文所述的增强颗粒可以具有范围在下限1微米、10微米、50微米或100微米到上限1000微米、800微米、500微米、400微米或200微米的直径，其中增强颗粒的纵横比可以在任何下限到任何上限的范围并且涵盖其中的任何子集。
在一些实施方案中，井筒工具或其部分的纤维增强硬复合材料部分可以包括具有不同直径分布(其可类似或不同)的增强纤维和增强颗粒。不受理论的限制，据信较大直径纤维和颗粒赋予腐蚀耐抗给纤维增强硬复合材料，而较小直径纤维和颗粒赋予韧性。
在一些情形中，可选择每个增强纤维和增强颗粒的直径分布使得前述中的一个被倾斜到较高直径且另一个被倾斜到较低直径。每个增强颗粒和增强纤维可以具有直径分布，其可由至少一个dx表征，所述dx对应于在其下x容量％的增强颗粒和增强纤维具有较小直径的直径。例如，d10和d25表示在其下分别10容量％和25容量％增强纤维或增强颗粒具有较小直径的直径。在一些情形中，倾斜到较大直径的增强纤维或增强颗粒可具有大于倾斜到较小直径者的d25的d10。在一些情形中，倾斜到较大直径的增强纤维或增强颗粒可以具有范围从25微米或更多(例加25微米到500微米)的d10，且倾斜到较小直径者可以具有250微米或更少(例加，10微米到250微米)的d25。举非限制性实例而言，增强纤维可以具有250微米的d10(即，10％增强纤维具有小于或等于250微米的直径)且增强颗粒可以具有25微米的d25(即，50％增强颗粒具有小于或等于25微米的直径)。
表1-5提供可适于一起使用以形成井筒工具或其部分的纤维增强硬复合材料部分的增强颗粒和增强纤维的直径分布的非限制实例。所述表提供直径分布且并未暗示纤维增强硬复合材料中的增强颗粒或增强纤维的绝对浓度。表1-2说明其中增强颗粒倾斜到较大直径且增强纤维倾斜到较小直径的增强颗粒和增强纤维的直径分布。表3-4说明其中增强纤维倾斜到较大直径且增强颗粒倾斜到较小直径的增强颗粒和增强纤维的直径分布。表5说明其中增强颗粒和增强纤维类似的直径分布。
表1
| 直径范围 | 增强颗粒分布(容量％) | 增强纤维分布(容量％) |
| 小于10微米 | 5 | 85 |
| 10微米到＞100微米 | 25 | 10 |
| 100微米到＞200微米 | 40 | 小于5 |
| 200微米到＞500微米 | 20 | 小于1 |
| 500微米且更大 | 10 | 小于1 |
表2
| 直径范围 | 增强颗粒分布(容量％) | 增强纤维分布(容量％) |
| 小于10微米 | 0 | 85 |
| 10微米到＞100微米 | 15 | 5 |
| 100微米到＞200微米 | 50 | 5 |
| 200微米到＞500微米 | 24 | 小于5 |
| 500微米且更大 | 11 | 小于1 |
表3
| 直径范围 | 增强颗粒分布(容量％) | 增强纤维分布(容量％) |
| 小于10微米 | 5 | 小于1 |
| 10微米到＞100微米 | 25 | 小于1 |
| 100微米到＞200微米 | 40 | 小于5 |
| 200微米到＞500微米 | 20 | 10 |
| 500微米且更大 | 10 | 85 |
表4
| 直径范围 | 增强颗粒分布(容量％) | 增强纤维分布(容量％) |
| 小于10微米 | 10 | 小于1 |
| 10微米到＞100微米 | 35 | 小于1 |
| 100微米到＞200微米 | 50 | 小于1 |
| 200微米到＞500微米 | 小于5 | 小于5 |
| 500微米且更大 | 小于1 | 95 |
表5
| 直径范围 | 增强颗粒分布(容量％) | 增强纤维分布(容量％) |
| 小于10微米 | 5 | 5 |
| 10微米到＞100微米 | 25 | 40 |
| 100微米到＞200微米 | 40 | 50 |
| 200微米到＞500微米 | 20 | 小于5 |
| 500微米且更大 | 10 | 小于1 |
举非限制实例而言，图1-8提供在基体钻头中实施本文所述纤维增强硬复合材料的实例。所属领域技术人员应明白如何将这些教导适用于其它井筒工具或其部分。
图1是示出用包括根据本公开的教导的纤维增强硬复合材料部分131的基体钻头体50形成的基体钻头20的一个实例的横截面图。如本文所用，术语“基体钻头”涵盖旋转刮刀钻头、刮刀钻头、固定刀具钻头，以及能够并入本公开的教导的任何其它钻头。
对于诸如图1所示的实施方案，基体钻头20可以包括金属坯料36固定地附接其上(例加，在焊接位置39)的金属杆30。金属坯料36延伸到基体钻头体50中。金属杆30包括端接金属坯料36的螺纹连接34。
金属柄30和金属坯料36是至少部分限定彼此流体连通的对应流体腔32的大致圆柱形的结构。金属坯料36的流体腔32可以进一步延伸到基体钻头体50中。至少一个流动通道(示出为两个流动通路42和44)可从流体腔32延伸到基体钻头体50的外部。喷嘴开口54可限定在流动通道42和44的端部在基体钻头体50的外部处。
多个凹陷或凹口58形成于基体钻头体50的外部处且成形为接收对应切削元件(图2所示)。
图2是示出用包括根据本公开的教导的纤维增强硬复合材料部分的基体钻头体50形成的基体钻头20的一个实例的等距图。如所示，基体钻头20包括如上文参考图1大致描述的金属坯料36和金属柄30。
基体钻头体50包括形成于基体钻头体50的外部上的刀具刀片52。刀具刀片52可在复合基体钻头体50的外部上彼此隔开以在其中形成流体流动路径或排屑槽62。
如所示，在选择的位置于刀具刀片52中形成的多个凹口58接收对应切削元件60(还称为切削插入件)，固定地安装(例加经由钎焊)在经定向以在钻探操作期间接合且移除地下地层的邻近部分的位置中。更特定而言，切削元件60可以在附接钻柱(未示出)旋转基体钻头20期间从井筒的底部和侧部刮擦且挖凿地层材料。对于一些应用，各种类型的多晶金刚石复合片(PDC)刀具可以用作切削元件60。具有这种PDC刀具的基体钻头有时可以称为“PDC钻头”。
喷嘴56可以被布置在每个喷嘴开口54中。对于一些应用，喷嘴56可被描述或以其它方式表征为“可互换”喷嘴。
多种多样的铸模可用于根据本公开的教导形成复合基体钻头体和相关联基体钻头。
图3是示出用于形成并入本公开的教导的基体钻头体的铸模组合件100的一个实例的端视图。多个铸模插入件106可被放置在铸模组合件100限定或以其它方式提供在所述铸模组合件100内的腔104内。铸模插入件106可用于形成基体钻头体的刀片中的各自凹口。铸模插入件106在腔104中的位置与用于在相关联刀片中安装切削元件所希望的位置对应。铸模插入件106可以由各种类型的材料形成，诸如(但不限于)固结砂和石墨。
图4是图3的铸模组合件100的横截面图，其可用于形成并入本公开的教导的基体钻头体。铸模组合件100可以包括若干组件，诸如如铸模102、规环或连接器环110以及漏斗120。铸模102、规环110和漏斗120可由石墨或所属领域技术人员已知的其它适当材料形成。各种技术可用于制造铸模组合件100及其组件，包括(但不限于)加工石墨坯料以利用具有所得基体钻头体所希望的外部特征的负剖面或反剖面的相关联腔104生成铸模102。例如，腔104可以具有与刀片52和形成于其中的排屑槽62的外剖面或构造对应，如图1-2所示。
各种类型的暂时性移位材料可取决于所得基体钻头所希望的构造而安装在铸模腔104内。额外的铸模插入件(未明确示出)可以由各种材料(例加，固结砂和/或石墨)形成且可布置在铸模腔104内。这种铸模插入件可以具有对应于基体钻头所希望的外部特征(例加，排屑槽)的构造。
移位材料(例加，固结砂)可以安装在铸模组合件100内形成基体钻头的希望外部特征(例加流体腔和流动通道)所希望的位置。这种移位材料可以具有各种构造。例如，可以选择固结砂腿142和144的定位和构造以与相关联流动通道及其各自喷嘴开口的希望位置和构造对应。固结砂腿142和144可联接到螺纹接受器(未明确示出)中以形成喷嘴开口的联接其各自喷嘴的螺纹。
相对大型、大致圆筒形固结砂芯150可被放置在腿142和144上。芯150以及腿142和144有时可以被描述为具有“乌鸦脚”的形状。芯150还可称为“柄”。自芯150延伸的腿142和144的数量将取决于所得基体钻头体中的流动通道和对应喷嘴开口的希望的数量。腿142和144以及芯150还可以由石墨或其它适当材料形成。
在包括芯150和腿142及144的希望移位材料已经被安装在铸模组合件100内之后，基体材料130然后可以被放置在铸模组合件100内或以其它方式引入其中。在一些实施方案中，基体材料130可以包括增强颗粒和用于形成如上所述的硬复合材料部分的增强纤维。然而，在其它实施方案中，基体材料130可以包括增强颗粒且不包括用于形成硬复合材料部分的增强纤维。如本文进一步所述，基体材料130的不同的组合物可用于实现具有纤维增强硬复合材料部分和任选硬复合材料部分的不同构造的纤维增强钻头体。
在充足量的基体材料130已经被添加到铸模组合件100之后，金属坯料36然后可以被放置铸模组合件100内。金属坯料36优选包括大于砂芯150的外径154的直径37。各种夹具(未明确示出)可以用来将金属坯料36定位在铸模组合件100内的希望位置处。然后，基体材料130可以在腔104内被填充到希望水平。
粘合剂材料160可以被放置在基体材料130、金属坯料36和芯150的顶部上。在一些实施方案中，粘合剂材料160可以覆盖有焊剂层(未明确示出)。盖或盖子(未明确示出)可以被放置在铸模组合件100上。铸模组合件100和布置在其中的材料然后可预热且然后被放置在炉(未明确示出)中。当炉温度到达粘合剂材料160的熔点时，粘合剂材料160可液化并渗入基体材料130。
在分配预定量时间给液化粘合剂材料160以渗入基体材料130之后，铸模组合件100然后可从炉中移除并且在受控速率下冷却。一旦被冷却，铸模组合件100就可以被剖开以暴露包括纤维增强硬复合材料部分的基体钻头体。根据熟知技术的后续处理可以用来生成包括基体钻头体的基体钻头。
在一些实施方案中，纤维增强硬复合材料部分在如图1-2所示的整个基体钻头体中可为均匀的。
在一些实施方案中，纤维增强硬复合材料部分可在基体钻头体中局部化，其中剩余部分由硬复合材料(例加，包括粘合剂和增强颗粒且不包括增强纤维)形成。在某些情形中，局部化可以提供开裂萌生和蔓延的减轻，同时最小化可能与一些增强纤维相关联的额外成本。此外，在一些情形中，在钻头体中包括增强纤维可由于增强颗粒的较低浓度而减少钻头体的腐蚀属性。因此，在一些情形中，增强纤维只对基体钻头体的一部分的局部化可以减轻与使用纤维相关联的腐蚀属性的任何减少。
例如，图5是示出用基体钻头体50形成的基体钻头20的一个实例的横截面图，所述基体钻头体50包括根据本公开的教导的硬复合材料部分132和纤维增强硬复合材料部分131。纤维增强硬复合材料部分131被示出定位成接近喷嘴开口54和顶点64-基体钻头体中通常具有增加的开裂倾向的两个区域。如本文使用，术语“顶点”指基体钻头体在钻探期间接合地层的外表面的中央部分。通常，基体钻头的顶点位于或靠近图2的刀片52中与基体钻头体在钻探期间接合地层的外表面相遇之处。
在另一实例中，图6是示出用基体钻头体50形成的基体钻头20的一个实例的横截面图，所述基体钻头体50包括根据本公开的教导的硬复合材料部分132和纤维增强硬复合材料部分131。纤维增强硬复合材料部分131被示出定位成接近喷嘴开口54和凹口58。
在一些实施方案中，增强纤维可以通过在纤维增强硬复合材料部分各处在浓度、纤维类型或两者上有所改变。类似于局部化，在一些情形中，改变增强纤维的浓度、组成或两者增强纤维可用来减轻开裂萌生和蔓延，同时最小化可能与一些增强纤维相关联的额外成本。此外，在基体钻头体内改变增强纤维的浓度、组成或两者可用来减轻与使用纤维相关联的腐蚀属性的任何减少。
例如，图7是示出用包括根据本公开的教导的纤维增强硬复合材料部分131的基体钻头体50形成的基体钻头20的一个实例的横截面图。增强纤维的浓度从基体钻头体50的尖端到杆降低或逐渐降低(如基体钻头体50的点刻度所示)。如所示，纤维增强硬复合材料部分131的最高浓度邻近喷嘴开口54和凹口58且其较低浓度邻近金属坯料36。
在一些情形中，纤维增强硬复合材料部分中的增强纤维的浓度变化可以是逐渐的。在一些情形中，浓度变化可以是更加明显且类分层或局部化。例如，图8是示出用基体钻头体50形成的基体钻头20的一个实例的横截面图，所述基体钻头体50包括根据本公开的教导的硬复合材料部分132和纤维增强硬复合材料部分131。纤维增强硬复合材料部分131被示出定位成接近层131a、131b和131c中的喷嘴开口54和凹口58。具有最高增强纤维浓度的层131a被示出定位成接近喷嘴开口54和凹口58。具有最低增强纤维浓度的层131c被示出定位成接近硬复合材料部分132。具有最高增强纤维浓度的层131a被示出布置在层131a与131c之间。
或者，层131a、131b和131c的纤维增强硬复合材料部分可以随增强纤维和/或增强颗粒的增强纤维组成或直径分布而不是增强纤维相对于增强颗粒的浓度改变上或除其之外而不同。
所属领域技术人员应明白将适于生成基体钻头体的硬复合材料部分和纤维增强硬复合材料部分的各个构造和位置(包括不同的增强纤维浓度)以及具有开裂萌生和蔓延的减少倾向的所得基体钻头。
此外，所属领域技术人员应明白修改图4的基体材料130的组成以根据图5-8中的以上实例形成基体钻头体和本公开的范围内的其它构造。
图9是示出适于结合本公开的基体钻头使用的钻探组合件200的一个实例的示意图。应注意，虽然图9大致描绘路基钻探组合件，但是所属领域技术人员应容易明白，本文所述原理等效适用于采用浮动或海基平台和钻机的海上钻探操作，而不脱离本公开的范围。
钻探组合件200包括联接到钻柱204的钻井平台202。钻柱204可包括(但不限于)通常如所属领域技术人员已知的钻探管和连续油管。根据本文所述的实施方案的基体钻头206被附接至钻柱204的远端并且被井下电机且/或经由钻柱204自井表面的旋转而驱动。当钻头206旋转时，其创建穿透地下地层210的井筒208。钻探组合件200还包括使钻探流体循环通过钻柱(如示为流动箭头A)的泵212和其它管214。
所属领域技术人员应明白，适于结合钻探组合件200使用的其它设备可包括(但不限于)保持坑、混合器、摇动器(例加振动筛)、离心机、水力旋流器、分离器(包括磁和电分离器)、除泥器、除砂器、过滤器(例加，硅藻土过滤器)、热交换器以及任何流体回收设备。此外，钻探组合件可以包括一个或多个传感器、计量器、泵、压缩机等等。
在一些实施方案中，本文所述的纤维增强硬复合材料可在其它井筒工具或其部分及其相关系统中实施。在其中可在井筒工具的至少一部分中实施本文所述纤维增强硬复合材料的井筒工具的实例包括(但不限于)扩眼钻头、取芯钻头、旋转式锥形钻头、扶正器、结合地层评估使用的垫(例加结合测录工具)、封隔器等等。在一些情形中，在其中可实施本文所述的纤维增强硬复合材料的井筒工具的部分可以包括(但不限于)耐磨垫、嵌段、刀具、流体端口(例加，本文所述的喷嘴开口)、井筒工具内的会聚点(例加，本文所述的顶点)等等及其任意组合。
一些实施方案可涉及在钻探操作中实施本文描述的基体钻头。例如，一些实施方案还可以涉及用基体钻头钻探井筒的一部分。
本文公开的实施方案包括：
A.一种至少部分由包括分散在粘合剂中的增强颗粒和增强纤维的纤维增强硬复合材料部分形成的井筒工具，其中所述增强纤维具有纵横比范围为1到15倍临界纵横比(Ac)的纤维，其中Ac＝σf/(2Tc)，σf是增强纤维的极限拉伸强度，且Tc是所述增强纤维与所述粘合剂之间的界面剪切粘结强度或所述粘合剂的屈服应力，取所述界面剪切粘结强度和所述屈服应力中较低的一者，并且其中所述增强颗粒和所述增强纤维各具有由d10和d25表征的直径分布，使得满足以下项中的一个：(1)所述增强颗粒的所述直径分布的d10大于所述增强纤维的所述直径分布的d25或(2)所述增强纤维的所述直径分布的直径的d10大于所述增强颗粒的所述直径分布的d25；和
B.一种钻头，所述钻头包括：多个切削元件，其联接到基体钻头体的外部，其中所述基体钻头体的至少一部分包括纤维增强硬复合材料部分，其包括分散在粘合剂中的增强颗粒和增强纤维，其中所述增强纤维具有范围为1到15倍临界纵横比(Ac)的纵横比，其中Ac＝σf/(2Tc)，σf是增强纤维的极限拉伸强度，且Tc是增强纤维与粘合剂之间的界面剪切粘结强度或所述粘合剂的屈服应力，取所述界面剪切粘结强度和所述屈服应力中较低的一者，并且其中所述增强颗粒和所述增强纤维各具有由d10和d25表征的直径分布，使得满足以下项中的一个：(1)所述增强颗粒的所述直径分布的d10大于25微米，且所述增强纤维的所述直径分布的d25小于250微米或(2)所述增强纤维的所述直径分布的d10大于25微米且所述增强颗粒的所述直径分布的d25小于250微米。
实施方案A和实施方案B和实施方案C中的每个可以具有任何组合的一个或多个以下额外要素：要素1：满足(1)且所述增强颗粒的所述直径分布的d10大于25微米且所述增强纤维的所述直径分布的d25小于250微米；要素2：其中满足(2)且所述增强纤维的所述直径分布的d10大于25微米且所述增强颗粒的所述直径分布的d25小于250微米；要素3：其中所述井筒工具是钻头，所述钻头包括：基体钻头体，其包括纤维增强硬复合材料部分；和多个切削元件，其联接到所述基体钻头体的外部；要素4：要素3，其中所述基体钻头体还包括另一硬复合材料部分，所述另一硬复合材料部分包括分散于所述粘合剂中的所述增强颗粒，但不包括所述增强纤维。要素5：要素4的井筒工具还包括流体腔，其限定在所述基体钻头体内；至少一个流体流动通道，其从所述流体腔延伸到所述基体钻头体的所述外部；和至少一个喷嘴开口，其限定在邻近所述基体钻头体的所述外部的所述至少一个流体流动通道的端部，其中所述纤维增强硬复合材料部分被定位成邻近所述至少一个喷嘴开口；要素6：要素5的井筒工具还包括多个刀具刀片，其形成于所述基体钻头体的所述外部上；和多个凹口，其形成于所述多个刀具刀片中，其中所述纤维增强硬复合材料部分被定位成邻近所述至少一个喷嘴开口和所述多个凹口；要素7：要素4，其中所述纤维增强硬复合材料部分位于所述基体钻头体的顶点处；要素8：要素3，其中基本上所述整个基体钻头体由所述纤维增强硬复合材料部分组成；要素9：要素3，其中所述增强纤维的浓度在整个所述纤维增强硬复合材料部分中是均匀的；且所述井筒工具还包括：流体腔，其限定在所述基体钻头体内；至少一个流体流动通道，其从所述流体腔延伸到所述基体钻头体的外部；和至少一个喷嘴开口，其限定在邻近所述基体钻头体的所述外部的所述至少一个流体流动通道的端部，其中所述增强纤维的所述浓度在邻近所述至少一个喷嘴开口处最大；要素10：要素9的井筒工具还包括：多个刀具刀片，其形成于所述基体钻头体的所述外部上；多个凹口，其形成于所述多个刀具刀片中，其中所述增强纤维的所述浓度在邻近所述至少一个喷嘴开口和所述多个凹口处最大；要素11：其中所述增强纤维中的至少一些具有包括选自由以下项组成的组中的至少一种的组合物：钨、钼、铌、钽、铼、钛、铬、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、铬合金、碳、耐火陶瓷、碳化硅、二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、莫来石、氧化锆、氮化硼、碳化钛、氮化钛及其任意组合：其中所述增强纤维的浓度在整个所述纤维增强硬复合材料部分中是均匀的；要素12：其中所述增强纤维的至少一些具有2到1000的纵横比；要素13：其中所述增强纤维中的至少一些具有包括选自由以下项组成的组中的至少一种的组合物：钨、钼、铌、钽、铼、铱、钌、铍、钛、铬、铑、铁、钴、铀、镍、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、铬合金、碳、耐火陶瓷、碳化硅、二氧化硅、氮化硅、氧化铝、二氧化钛、莫来石、氧化锆、氮化硼、碳化硼、碳化钛、氮化钛、碳化钨等及其任意组合；要素14：其中所述增强纤维以所述增强颗粒的1重量％至30重量％存在于所述基体钻头体重；和要素15：其中所述井筒工具书以下项中的一个：扩眼钻头、取芯钻头、旋转式锥形钻头、扶正器、垫或封隔器。
举非限制性实例而言，可适用于实施方案A和实施方案B的示例性组合包括：要素1组合要素3且任选组合要素4-7中的至少一个；要素1组合要素3和8且任选要素9-10中的至少一个；要素1组合要素3和9-10；要素2组合要素3且任选要素4-7中的至少一个；要素2组合要素3和8且任选要素9-10中的至少一个；要素2组合要素3和9-10；要素12-14中的至少一个组合前述中的任一个；要素11-14中的至少一个组合要素1或2；且要素15组合要素1-14中的至少一个，包括前述组合。
本文所述额外实施方案包括一种钻探组合件，所述钻探组合件包括：钻柱，其可从钻探平台延伸且延伸到井筒中；基体钻头，其附接到所述钻柱的端部；和泵，其流体连接到所述钻柱且被构造成使钻探流体循环到所述基体钻头且通过所述井筒，其中所述基体钻头可以根据要素A或B，任选包括要素1-19中的至少一个。
并入本文公开的发明实施方案的一个或多个说明性实施方案在本文中呈现。本申请出于清晰的原因并未描述和示出实体实施方式的所有特征。应理解，必须进行并入本发明的实施方案、众多实施方式专用决策的实体实施方案以实现随实施方式且不时改变的开发者的目标，诸如兼容系统相关、生意相关、政府相关约束和其它约束。虽然开发者的努力可能是耗时的，但是这种努力仍将是所属领域且得益于本公开的技术人员的常规任务。
因此，本发明充分适用于实现所提及的目标和优点以及其中固有的目标和优点。上文公开的特定实施方案只是说明性的，因为本发明可以按所属领域技术人员在获益于本文中的教导之后明白的不同但是等效方式来修改和实践。此外，除了上文权利要求书中所述之外，无意限制本文所示的构造或设计的细节。因此应明白，上文公开的特定说明性实施方案可以被更改、组合或修改且所有这些变动均被认为在本发明的范围内。本发明示意地公开的发明可以在缺少本文中没有具体公开的任何元件和/或本文中公开的任何选用元件的情况下加以适当地实践。虽然已就“包括”、“包含”“含有”各个组件或步骤描述了组成和方法，但是所述组成和方法也可“基本上由各个组件和步骤组成”或“由各个组件和步骤组成”。上文公开的所有数字和范围可以改变一定量。无论何时公开具有下限和上限的数字范围，均具体公开属于所述范围内的任何数字和任何所含范围。特定而言，本文中公开的(“从a到b”、“从大约a到大约b”或等效地“从近似a到b”或等效地“从近似a-b”的形式的)值的每个范围应被视为说明涵盖在更广泛的值范围内的每个数字和范围。此外，除非专利权人另外明确且清晰地限定，权利要求书中的术语具有其朴实、普通的含义。此外，如权利要求书中使用的不定冠词“一”在本文中被定义来意指其引入的一个或多个元件而非一个元件。如果此说明书和可以通过引用并入本文中的一个或多个专利或其它文档中的单词或术语的使用之间存在任何冲突，那么应采用符合此说明书的定义。
Claims (20)
1.一种井筒工具，所述井筒工具包括：
纤维增强硬复合材料部分，其包括分散在粘合剂中的增强颗粒和增强纤维，其中所述增强纤维具有范围为1到15倍临界纵横比Ac的纵横比，其中Ac＝σf/(2Tc)，σf是所述增强纤维的极限拉伸强度，且Tc是以下数值中较小的那个：(a)所述增强纤维与所述粘合剂之间的界面剪切粘结强度以及(b)所述粘合剂的屈服应力，并且其中所述增强颗粒和所述增强纤维各具有由d10和d25表征的直径分布，使得满足以下项中的一个：(1)所述增强颗粒的所述直径分布的所述d10大于所述增强纤维的所述直径分布的所述d25或(2)所述增强纤维的所述直径分布的所述d10大于所述增强颗粒的所述直径分布的所述d25，且所述井筒工具是钻头，所述钻头包括：
基体钻头体，其包括所述纤维增强硬复合材料部分；
流体腔，其限定在所述基体钻头体内；
至少一个流体流动通道，其从所述流体腔延伸到所述基体钻头体的外部；和
至少一个喷嘴开口，其限定在邻近所述基体钻头体的所述外部的所述至少一个流体流动通道的端部，其中所述纤维增强硬复合材料部分被定位成邻近所述至少一个喷嘴开口。
2.根据权利要求1所述的井筒工具，其中满足所述(1)且所述增强颗粒的所述直径分布的所述d10大于25微米且所述增强纤维的所述直径分布的所述d25小于250微米。
3.根据权利要求1所述的井筒工具，其中满足所述(2)且所述增强纤维的所述直径分布的所述d10大于25微米且所述增强颗粒的所述直径分布的所述d25小于250微米。
4.根据权利要求1所述的井筒工具，其中所述钻头还包括：
多个切削元件，其联接到所述基体钻头体的外部。
5.根据权利要求4所述的井筒工具，其中所述基体钻头体还包括另一硬复合材料部分，所述另一硬复合材料部分包括分散于所述粘合剂中的所述增强颗粒，但不包括所述增强纤维。
6.根据权利要求5所述的井筒工具，所述井筒工具还包括：
多个刀具刀片，其形成于所述基体钻头体的所述外部上；和
多个凹口，其形成于所述多个刀具刀片中，其中所述纤维增强硬复合材料部分被定位成邻近所述至少一个喷嘴开口和所述多个凹口。
7.根据权利要求5所述的井筒工具，其中所述纤维增强硬复合材料部分位于所述基体钻头体的顶点处。
8.根据权利要求4所述的井筒工具，其中基本上整个所述基体钻头体由所述纤维增强硬复合材料部分组成。
9.根据权利要求4所述的井筒工具，其中所述增强纤维的浓度在整个所述纤维增强硬复合材料部分中是均匀的。
10.根据权利要求9所述的井筒工具，所述井筒工具还包括：
多个刀具刀片，其形成于所述基体钻头体的所述外部上；
多个凹口，其形成于所述多个刀具刀片中，其中所述增强纤维的所述浓度在邻近所述至少一个喷嘴开口和所述多个凹口处最大。
11.根据权利要求1所述的井筒工具，其中所述增强纤维的浓度在整个所述纤维增强硬复合材料部分中是均匀的。
12.根据权利要求1所述的井筒工具，其中所述增强纤维中的至少一些具有2到1000的纵横比。
13.根据权利要求1所述的井筒工具，其中所述增强纤维中的至少一些具有包括选自由以下项组成的组中的至少一种的组合物：钨、钼、铌、钽、铼、铱、钌、铍、钛、铬、铑、铁、钴、铀、镍、钢、不锈钢、铁合金、镍合金、铬合金、碳、耐火陶瓷、碳化硅、二氧化硅、氮化硅、氧化铝、二氧化钛、莫来石、氧化锆、氮化硼、碳化硼、碳化钛、氮化钛、碳化钨等及其任意组合。
14.根据权利要求13所述的井筒工具，其中所述不锈钢为奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、沉淀硬化钢、双相不锈钢中的至少一种。
15.根据权利要求1所述的井筒工具，其中所述增强纤维以所述增强颗粒重量的1％至30％存在于所述基体钻头体中。
16.根据权利要求1所述的井筒工具，其中所述井筒工具是以下项中的一个：扩眼钻头、取芯钻头、旋转式锥形钻头、扶正器、垫或封隔器。
17.一种钻头，所述钻头包括：
多个切削元件，其联接到基体钻头体的外部，
流体腔，其限定在所述基体钻头体内；
至少一个流体流动通道，其从所述流体腔延伸到所述基体钻头体的所述外部；和
至少一个喷嘴开口，其限定在邻近所述基体钻头体的所述外部的所述至少一个流体流动通道的端部；
其中所述基体钻头体的至少一部分包括纤维增强硬复合材料部分，所述纤维增强硬复合材料部分被定位成邻近所述至少一个喷嘴开口，并包括分散在粘合剂中的增强颗粒和增强纤维，其中所述增强纤维具有范围为1到15倍临界纵横比Ac的纵横比，其中Ac＝σf/(2Tc)，σf是所述增强纤维的极限拉伸强度，且Tc是以下数值中较小的那个：(a)所述增强纤维与所述粘合剂之间的界面剪切粘结强度以及(b)所述粘合剂的屈服应力，并且其中所述增强颗粒和所述增强纤维各具有由d10和d25表征的直径分布，使得满足以下项中的一个：(1)所述增强颗粒的所述直径分布的所述d10大于25微米且所述增强纤维的所述直径分布的所述d25小于250微米，或(2)所述增强纤维的所述直径分布的所述d10大于25微米且所述增强颗粒的所述直径分布的所述d25小于250微米。
18.根据权利要求17所述的钻头，其中所述基体钻头体还包括另一硬复合材料部分，所述另一硬复合材料部分包括分散于所述粘合剂中的所述增强颗粒，但不包括所述增强纤维。
19.根据权利要求18所述的钻头，所述钻头还包括：
多个刀具刀片，其形成于所述基体钻头体的所述外部上；和
多个凹口，其形成于所述多个刀具刀片中，其中所述纤维增强硬复合材料部分被定位成邻近所述至少一个喷嘴开口和所述多个凹口。
20.一种钻探组合件，所述钻探组合件包括：
钻柱，其可从钻探平台延伸且延伸到井筒中；
钻头，其附接到所述钻柱的端部；和
泵，其流体连接到所述钻柱且被构造成使钻探流体循环到所述钻头且通过所述井筒，
其中所述钻头包括：
基体钻头体；
多个切削元件，其联接到所述基体钻头体的外部，
流体腔，其限定在所述基体钻头体内；
至少一个流体流动通道，其从所述流体腔延伸到所述基体钻头体的所述外部；和
至少一个喷嘴开口，其限定在邻近所述基体钻头体的所述外部的所述至少一个流体流动通道的端部，
其中所述基体钻头体包括纤维增强硬复合材料部分，其中所述纤维增强硬复合材料部分被定位成邻近所述至少一个喷嘴开口，并包括分散在粘合剂中的增强颗粒和增强纤维，其中所述增强纤维具有范围为1到15倍临界纵横比Ac的纵横比，其中Ac＝σf/(2Tc)，σf是所述增强纤维的极限拉伸强度，且Tc是以下数值中较小的一个：(a)所述增强纤维与所述粘合剂之间的界面剪切粘结强度以及(b)所述粘合剂的屈服应力，并且其中所述增强颗粒和所述增强纤维各具有由d10和d25表征的直径分布，使得满足以下项中的一个：(1)所述增强颗粒的所述直径分布的所述d10大于所述增强纤维的所述直径分布的所述d25或(2)所述增强纤维的所述直径分布的所述d10大于所述增强颗粒的所述直径分布的所述d25。
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