CN106973565A - 具有疏水性涂层的井下工具和制造此类工具的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种用于井筒的井下工具，所述井下工具包括在主体上方的疏水性材料层，其中所述疏水性材料层包含过渡金属硼化物，所述过渡金属硼化物具有比所述主体高的疏水性。所述井下工具可以包括：主体，所述主体具有组合物；以及所述疏水性材料层，所述疏水性材料层包括所述过渡金属粘结剂的不连续相，所述过渡金属粘结剂分散在包含金属粘结剂的第一连续相中。所述材料层可以化学地结合到所述主体。所述主体与所述材料层之间的界面可以包含所述过渡金属硼化物，所述过渡金属硼化物分散在包含所述金属粘结剂和所述主体的所述组合物的第二连续相中。形成井下工具的方法包括在井下工具的主体的表面处形成这样的材料层。

Description

具有疏水性涂层的井下工具和制造此类工具的方法

优先权声明

本申请要求2014年9月25日提交的名称为“具有疏水性涂层的井下工具和制造此类工具的方法(Downhole Tools Having Hydrophobic Coatings,and Methods ofManufacturing Such Tools)”的美国临时专利申请序列号14/496,124的提交日的权益。

技术领域

本公开的实施方案大体上涉及了在钻井、完井和生产阶段期间用来例如从地下井筒内的生产地层获得烃类的井下工具。更具体地，本公开的实施方案涉及具有涂层的井下工具和形成这种井下工具的方法，所述涂层被配制为减少结垢和成球，同时维持耐磨性和耐腐蚀性并具有对下方基础材料高的结合强度。

发明背景

出于各种目的，在地下地层中形成井筒，这些目的包括例如从地下地层中提取油和气和从地下地层中提取地热。可以使用钻头(例如，旋转钻地钻头)在地下地层中形成井筒。不同类型旋转钻地钻头在本领域中是已知的，包括例如固定刀头(在本领域中它通常被称为“刮刀”钻头)、滚动刀头(在本领域中它通常被称为“岩石”钻头)、金刚石孕镶的钻头和混合钻头(它可包括例如固定刀具和滚动刀具两者)。旋转钻头并且使其前进到地下地层中。随着钻头旋转，刀具或其研磨结构切削、压碎、剪切和/或磨蚀掉地层材料以形成井筒。由钻头钻探的井筒的直径可由安置在钻头的最大外径处的切削结构限定。

钻头直接地或间接地联接到本领域中被称为“钻柱”的那者的端部，这种钻柱包括端对端连接的一系列的细长管段，这些细长管段从地层的表面延伸到井筒中。通常，可以在钻柱的位于所钻探的井筒的底部的远端处将包括钻头的各种工具和部件联接在一起。工具和部件的这种组件在本领域中称为“底部钻具组件”(BHA)。

可以通过从地层的表面旋转钻柱而使钻头在井筒内旋转，或者可以通过将钻头联接到井下马达而使钻头旋转，井下马达也联接到钻柱并安置在井筒底部附近。井下马达可以包括例如液压Moineau型马达，其具有轴，钻头安装到该轴上，可以通过以下方式致使该轴旋转：从地层的表面向下泵送流体(例如，钻井泥浆或钻井液)通过钻柱中心、通过液压马达、从钻头中的喷嘴中流出，并且通过钻柱的外表面与在井筒内的地层的暴露表面之间的环形空间向上回流到地层的表面。

在本领域中已知的是，当在地下地层中钻探井筒时，使用被称为“扩孔器”装置(在本领域中也被称为“开孔装置”或“开孔器”)的那者结合钻头作为井底组件的一部分。在这种配置中，钻头作为“领眼”钻头操作，以便在地层中形成领眼孔隙。当钻头和井底组件前进到地层中时，扩孔器装置跟随钻头通过领眼孔隙，并且扩大“钻孔”、即领眼孔隙的直径。

井下工具主体(诸如钻头和扩孔器)通常设有流体流道，诸如“排屑槽”，以便允许钻井泥浆(它可包括由工具产生的钻井流体和地层岩屑，地层岩屑被夹在流体内)向上绕过工具主体传送到钻柱外的在工具上方的井筒内的环形空间中。用于套管和衬管钻井的钻井工具通常具有较小流体流道，并且特别容易成球，从而导致较低穿透速率。

当钻探井筒时，地层岩屑可粘附到钻头、扩孔器或其它井下工具的表面，或者在这种表面上成球。岩屑可以积聚在切削元件上，以及积聚在钻头或其它工具的表面上，并且可以收集到形成在该钻头的各种结构部件之间的任何空隙、间隙或凹部中。在塑性地损坏的地层中，诸如在某些页岩、泥岩、粉砂岩，石灰岩和其它相对韧性地层中，这种现象尤其增强。可将来自这样的地层的岩屑机械地装填在钻头的前述空隙、间隙或凹部中。在其它情况下，诸如当钻探某些页岩地层时，地层钻屑与钻头或其它工具的表面之间的粘附可至少部分地基于在它们之间的化学结合。当钻头表面被这种地层中的水润湿时，钻头表面和页岩的粘土层可以共享公共电子。在页岩本身的单片岩层之间存在类似电子共享。这种电子共享的结果是页岩与钻头表面之间的粘合剂型结合。当钻头面的电荷与地层电荷相反时，也会发生地层岩屑与钻头表面之间的粘附。带相反电荷的地层颗粒可粘附到钻头表面。此外，可将地层颗粒压实到钻头表面上，或者在钻井过程期间通过腐蚀和磨损机械地结合到蚀刻到钻头中的凹坑或沟槽中。

类似地，在井筒的完井和生产阶段期间用于井下的工具及其它组件和部件可以随着时间经历结垢和成球。结垢和成球可能引起这种井下设备操作效率降低、功率消耗增加和/或使用寿命减少。

一些材料可形成在井下工具表面上方，以便减少结垢和成球的趋势。然而，所使用的常规材料可为疏水性的，但是可能不具耐磨性和耐腐蚀性，或者它们可为耐磨性的，但是可能不是疏水性的。疏水性材料可形成在井下工具的表面上方，但是可能无法充分地结合到下方井下工具，可呈现对下方井下工具表面相对低的结合强度，并且因此可以切碎、腐蚀或以其它方式脱离下方井下工具，从而减少该工具的可用寿命。

发明概要

本文中公开的实施方案包括井下工具，所述井下工具包括在其上方的疏水性材料。例如，根据一个实施方案，一种井下工具包括：主体，所述主体具有组合物；疏水性材料层，所述疏水性材料层冶金地结合到所述主体的表面，所述疏水性材料层包括包含金属硼化物的不连续相和包含金属粘结剂的第一连续相；以及界面，所述界面在所述疏水性材料层与所述主体之间，并且包含所述金属硼化物，所述金属硼化物分散在第二连续相内，所述第二连续相包含所述金属粘结剂和所述主体的所述组合物。

在另外实施方案中，一种形成井下工具的方法，所述方法包括将疏水性材料形成在井下工具的主体上方以将所述疏水性材料冶金地结合到所述井下工具的所述主体，所述疏水性材料包括不连续相，所述不连续相包括金属硼化物，所述金属硼化物分散在连续金属粘结剂相内。

在另外实施方案中，一种对井筒进行钻探的方法，所述方法包括：将钻柱联接到钻头，所述钻头包括在所述钻头的外表面的至少一部分上方的疏水性材料，所述疏水性材料包括金属硼化物，所述金属硼化物分散在连续金属粘结剂相内；使所述钻柱随着所述钻头前进到井筒中；使所述钻头在所述井筒内旋转；以及将地层的部分移除而扩大井筒。

附图简述

图1是示出地下地层中的井筒内的各种井下工具的简化且示意地示出的横截面侧视图；

图2是井下工具的主体的部分的简化且示意地示出的侧视图，这个部分包括在井下工具的主体的表面处的材料层；

图3是描绘仅物理地附接到下方主体的材料层的显微照片；

图4是描绘冶金地结合到下方主体的材料层的显微照片；以及

图5示出了呈旋转钻地刮刀钻头形式的井下工具的透视图，包括在旋转钻地刮刀钻头的钻头主体的表面处的如本文中所述和图2中所示的材料层。

用于实施本发明的模式

本文中呈现的图示不意味着是任何特定材料、部件或系统的实际视图，而仅仅是用于描述本公开的实施方案的理想表示。

以下描述提供特定细节，诸如材料类型、组合物、材料厚度和处理条件，以便提供对本公开的实施方案的透彻描述。然而，本领域的普通技术人员将会理解，可以在不采用这些具体细节的情况下实践本公开的实施方案。实际上，本公开的实施方案可结合工业中采用的常规技术来实践。另外，以下所提供的描述不会形成用于在基础材料上方形成疏水性材料的完整工艺流程。下面仅详细描述了理解本公开的实施方案必需的那些过程动作和结构。本领域的普通技术人员将理解，在本文中固有地公开了一些过程组件，并且添加各种常规过程组件和动作将与本公开一致。在基础材料上方形成疏水性材料并在两者间形成冶金结合的额外的动作或材料可通过常规技术来执行。

如以下更详细地论述的，本公开的实施方案涉及用于井筒的井下工具。井下工具包括安置在井下工具的主体的相对疏水性的表面处的材料层，并且另外，可为相对耐磨和/或耐腐蚀的。材料层可具有的组合物不同于主体的组合物，材料层在主体上方暴露。材料层可以包括例如复合材料，诸如包括硬颗粒的不连续相分散在第一连续相内的颗粒基质材料。不连续相可以包括陶瓷材料(诸如金属硼化物)的硬颗粒。金属硼化物可为过渡金属硼化物，诸如硼化镍、硼化钴、硼化铁、硼化锰、硼化钨、硼化钛、硼化钼中的至少一种。在一些实施方案中，金属硼化物是硼化钼。第一连续相可以包括金属粘结剂，诸如铬、钴、镍、锌、铁、钨、钛、铝、镁、铜及其组合。在材料层与主体之间的界面可以包括如下复合材料：硬颗粒的不连续相分散在包含主体的材料和金属粘结剂的第二连续相内。

材料层可形成在主体上方，并且可以热处理以形成与主体的材料的化学结合(例如，材料层的原子和主体的原子可以在晶体结构中冶金地结合至彼此)。材料层和主体之间的界面可以包括主体的材料和材料层的材料的梯度。界面可以基本上无空隙，并且包括主体的材料和材料层的材料的晶格结构(例如，晶体)。

如本文所使用，井下工具的术语“主体”不仅表示和包括井下工具的主要主体、外壳或其它结构，而且表示和包括这种井下工具的部件部分，无论这种部件部分是否单独地由另一部件部分形成，或者与之成为一体。换句话说，根据本公开的实施方案的井下工具的主体涵盖在本公开中，主体具有的材料层在主体的一部分上。类似地，根据本公开的实施方案的井下工具的表面可为内表面、外表面或从井下工具的内部延伸到外部的表面，表面具有的材料层在表面上。

图1是示出在地下地层102中形成的井筒100的示意图。图1中示出的井筒100是部分地形成的井筒100，当前正在进一步地钻出井筒以使井筒100的深度延伸，以及扩大井筒100的直径。因此，用于形成井筒100的钻井系统106包括在地层102的表面104处的部件，以及延伸到井筒100中或安置在井筒内的部件。钻井系统106包括在地层102的表面104处的钻机108和从钻机104延伸到地层102中的钻柱110。钻柱110包括管状构件112，所述管状构件在其远端承载井底组件(BHA)114。管状构件112可通过以端对端配置来接合钻杆部分而制成。

作为非限制性示例，BHA 114可以包括钻头150、导向装置118、钻井马达120、传感器接头122、双向通信和功率模块(BCPM)124、稳定器126、地层评估(FE)模块128，以及扩孔装置130。

可以使用钻井马达120来使BHA 114在井筒100内旋转。钻井马达120可以包括例如液压Moineau型马达，其具有轴，BHA 110被联接到该轴，可以通过以下方式致使该轴旋转：从地层102的表面104向下泵送流体(例如，钻井泥浆或钻井液)通过钻柱110中心、通过液压马达120、从钻头150中的喷嘴中流出，并且通过钻柱110的外表面与在井筒100内的地层102的暴露表面(或者井筒100内的任何套管132的暴露的内表面)之间的环形空间向上回流到地层102的表面104。或者，可通过使钻柱106从地层102的表面104旋转而使BHA 110在井筒100内旋转。

控制器134可以放置在表面104处，用于接收和处理井下数据。控制器134可以包括处理器、用于存储数据的存储装置，以及计算机程序。处理器从存储装置访问数据和程序，并且执行程序中包含的指令以在钻井操作期间控制钻井系统106。

同样如图1所示，也可以将套管132的一个或多个部分安置在井筒100的一个或多个部分内。

本公开的实施方案可以包括地层102中的井筒100内采用的任何井下工具，诸如如前所述安置在井筒100内的工具的任何一者。此外，井下工具包括在地层102中和在井筒100的扩大中使用的那些，以及在井筒100的完井中使用的那些，以及在用于生产的完井井筒100的操作中使用的那些。如本文所使用，术语“井下工具”表示和包括插入井筒100中或旨在用于井筒100内以进行井筒100的形成、扩大、完井、维护、修复或操作(即，生产)的任何人造。

图2是钻地工具142的主体140的简化且示意地示出的横截面侧视图。材料层144被安置在钻地工具142的表面143附近。钻地工具142的主体140具有第一组合物，并且材料层144具有第二组合物，第二组合物不同于主体140的第一组合物。材料层144可呈现的疏水性大于主体140的疏水性。材料层144可具有的平均层厚度TL在约3μm与约1,500μm之间，诸如在约3μm与约10μm之间、在约10μm与约25μm之间、在约25μm与约50μm之间、在约50μm和100μm之间、在约100μm与约500μm之间、在约500μm至约1,000μm之间，或者在约1,000μm与约1,500μm之间。位于材料层144与主体140之间的界面148可以包括主体140和材料层144的复合材料，其中材料层144冶金地结合到主体140。

作为非限制性示例，主体140可以包含金属、金属合金、陶瓷、超硬磨料材料或复合材料。作为非限制性具体实例，主体140可以包含铁合金(例如，钢、不锈钢等等)、胶结的碳化钨复合材料(例如，钴胶结碳化钨)或多晶金刚石。

如前提及，材料层144可以包括硬颗粒的不连续相分散在连续相中的颗粒基质复合材料。不连续相可以包括陶瓷材料(诸如金属硼化物)的硬颗粒。金属硼化物可以包括过渡金属硼化物，诸如硼化镍、硼化钴、硼化铁、硼化锰、硼化钨、硼化钛、硼化钼中的至少一种。连续相可以包括金属粘结剂，诸如铬、钴、镍、锌、铁、钨、钛、铝、镁、铜及其组合。在一些实施方案中，连续相金属粘结剂包括铬和以下各项中的至少一种：钴、镍、锌、铁、钨、钛、铝、镁和铜。

在一些实施方案中，材料层144包括硼化钼分散在金属粘结剂材料(诸如钴铬(CoCr)、镍铬(NiCr)及其组合)内的复合物。在其它实施方案中，材料层144包括硼化钼分散在钴、镍和铬的连续相内的复合物。

材料层144可以包括约40.0重量％与约80.0重量％之间的分散在连续相中的不连续相。因此，不连续相可以构成约40.0重量％与约80.0重量％之间的材料层144，诸如约40.0重量％与约50.0重量％之间、约50.0重量％与约60.0重量％之间、约60.0重量％与约70.0重量％之间或约70.0重量％与约80.0重量％之间的材料层144。在一些实施方案中，不连续相构成约56.0重量％至约62.0重量％之间的材料层144。连续相可以构成约20.0重量％与约60.0重量％之间的材料层144，诸如约20.0重量％与约30.0重量％之间、约30.0重量％与约40.0重量％之间、约40.0重量％与约50.0重量％之间或约50.0重量％与约60.0重量％之间的材料层144。在一些实施方案中，连续相构成约38.0重量％至约44.0重量％之间的材料层144。

连续相可以包括约62.0重量％与约68.0重量％之间的钴和约32.0重量％与约38.0重量％之间的铬。在其它实施方案中，连续相包括约62.0重量％与约68.0重量％之间的镍和约32.0重量％与约38.0重量％之间的铬。在其它实施方案中，连续相包含约32.0重量％与约38.0重量％之间的铬和约62.0重量％与约68.0重量％之间的以下各项中的至少一种：钴、镍、锌、铁、钨、钛、铝、镁和铜。

连续相可具有的液相线温度在约1,000℃与约2,000℃之间，诸如在约1,000℃与约1,200℃之间、在约1,200℃与约1,400℃之间、在约1,400℃与约1,600℃之间、约1,600℃与约1,800℃之间，或者在约1,800℃与约2,000℃之间。

界面148可以包括不连续相(例如，金属硼化物)分散在包含金属粘结剂和主体140的材料的第二连续相内的复合物。界面148可以包括不连续相的梯度。界面148的远离主体140的部分可包括的不连续相的量比界面148的紧邻主体140的部分高。界面148还可包括金属粘结剂连续相的梯度。界面的远离主体140的部分可包括的金属粘结剂连续相的量比界面148的紧邻主体140的部分高。在一些实施方案中，界面148可以包括主体140的材料的梯度，其中主体的紧邻主体140的材料的量较高，并且主体140的远离主体140的材料的量较低。

因此，界面148可以包括分散在连续相内的硬颗粒的不连续相，连续相包括材料层144的粘结剂材料和主体140的材料。在主体140包括复合材料的实施方案中，界面148处的不连续相也可包括主体140的硬颗粒。主体140的材料可以构成界面148的不连续相的至多约10重量％。例如，主体的材料可以构成界面148的不连续相的约0重量％与约10重量％之间，诸如约0重量％与约5重量％之间，或者约5重量％与约10重量％之间。类似地，主体140的材料可以构成界面148的不连续相的约1重量％与约5重量％之间，或者约5重量％与约10重量％之间。在主体140包括铁或铁基合金的一些实施方案中，界面可以包括约1重量％与约10重量％之间的铁或铁基合金。铁量可从主体140直至穿过界面148而逐渐地减小，并且在材料层144处可以大约为零。

相较仅物理地(即，机械地)附接到主体的常规材料，材料层144可以呈现对主体140的增加的结合强度。材料层144可具有的结合强度(例如，将材料层144与主体140分离所需要的应力)在约10,000psi与约20,000psi之间，诸如在约10,000psi与12,000psi之间、在约12,000psi与约14,000psi之间、在约14,000psi与约16,000psi之间、在约16,000psi与约18,000psi之间，或者在约18,000psi与约20,000psi之间。

材料层144可为相对耐磨、耐腐蚀的，并且可以呈现不粘附性和/或低摩擦性。

材料层144可呈现的Ra表面粗糙度在约60μin与约150μin之间，诸如在约70μin与约90μin之间，或者在约110μin与约150μin之间，诸如在约120μin与约140μin之间，并且材料层可呈现的维氏显微硬度HV0.3为至少约1,600HV0.3，诸如至少约2000HV0.3。

通过在主体140上沉积材料层144，然后对材料层144和主体140热处理，以便在材料层144与主体140之间的界面148处引起冶金结合，就可在主体140上形成材料层144。对材料层144和主体140的表面热处理可以在界面148处引起再结晶和晶粒生长，从而在材料层144与主体140之间产生增加的结合强度。

材料层144可以通过各种方法形成，这些方法包括热喷涂方法，诸如高速空气燃料(HVAF)喷涂、高速氧燃料(HVOF)喷涂、低速氧燃料(LVOF)和超高速氧燃料(SHVOF)。这种热喷涂方法可通过引导高速喷涂颗粒来形成材料层144，高速喷涂颗粒具有的组合物对应于在主体140的表面处的材料层144的组合物。通过这种热喷涂工艺而形成的材料层144可使材料层144形成达到某个厚度，这个厚度在约3μm与约1,500μm之间，诸如在约3μm与约10μm之间、在约10μm与约25μm之间、在约25μm与约50μm之间、在约50μm和100μm之间、在约100μm与约500μm之间、在约500μm至约1,000μm之间，或者在约1,000μm与约1,500μm之间。

在材料层144沉积到主体140的表面上时，HVAF和HVOF热喷涂工艺可部分地熔融材料层144的连续相。主体140可以处于比材料层144的部分地熔融的连续相更低的温度，并且材料层144可以在其接触主体140的表面时快速冷却。例如，材料层144的温度可以在其接触主体140的表面时低至在约140℃至约210℃之间。因此，在材料层144与主体140之间的界面148(包括冶金结合)可以不形成在材料层144和主体140的表面之间。相反，材料144可仅物理地结合到主体140。

图3是显示通过HVAF沉积在主体140上方的材料层144的显微照片。在主体140与材料层144之间的界面147可不包括材料层144与主体140之间的冶金结合。如图3所示，界面147包括主体140和材料层144之间的明显边界，而不需要主体140和材料层144的再结晶。材料层144可能易于在界面147处脱离主体140，因为材料层144与主体140的物理附接很弱。

在材料层144沉积到主体140上后，可以对材料层144热处理，以便在界面148处引起主体140与材料层144之间的再结晶和晶粒生长。通过加热材料层144和紧邻材料层144的主体140的表面，可将材料层144冶金地结合到下方主体140。材料层144和紧邻材料层144的主体140的表面可加热至大约材料层144的连续相的液相线温度，或加热至材料层144的连续相的液相线温度以上。材料层144和主体140的表面处的材料的连续相可在热处理期间再结晶。在一些实施方案中，材料层144加热至的温度在约1,000℃与约2,000℃之间，诸如在约1,000℃与约1,200℃之间、在约1,200℃与约1,400℃之间、在约1,400℃与约1,600℃之间、约1,600℃与约1,800℃之间，或者在约1,800℃与约2,000℃之间。

主体140的一部分和材料层144的一部分中的至少一者可以熔融并分散在主体140的部分和材料层144的部分中的另一者内。主体140的材料可以扩散到材料层144的材料中。在一些实施方案中，材料层144和主体140的表面可加热到材料层144的连续相的液相线温度。主体140的所扩散的材料可在热处理期间在界面148处再结晶。

材料层144和主体140的表面可以通过加热源加热，所述加热源诸如等离子炬、氧气/乙炔(氧乙炔)炬、激光加热源、感应加热源，或者用于在材料层144接触主体140的表面时提供局部热量的任何其它合适的加热源。加热源可以将材料层144的连续相加热至大约材料层144的连续相的液相线温度，或加热至材料层144的连续相的液相线温度以上。加热源还可将紧邻材料层144的主体140的局部区域加热至大约材料层144的连续相的液相线温度，或加热至材料层144的连续相的液相线温度以上。

当材料层144和主体140的表面在加热后冷却时，材料层144和主体140可以在界面148处再结晶。因此，在一些实施方案中，材料层144可以具有第一结晶微结构，主体140可以具有不同于第一结晶微结构的第二结晶微结构，并且界面148可以包括不同于第一结晶微结构和第二结晶微结构的第三结晶微结构。

图4中示出了显示在热处理后的材料层144与主体140之间的界面148的显微照片。如上所述，界面148可以包括材料层144与主体140之间的冶金结合。如图4所示，在主体140与材料层144之间没有明显边界。相反，由于界面148处的再结晶和晶粒生长，界面148包括材料层144与主体140之间的冶金结合。

在另一实施方案中，当材料层144沉积到主体140上时，界面148处的冶金结合可以形成。材料层144可以在大约材料层144的连续相的液相线温度的温度下或者在材料层144的连续相的液相线温度以上的温度下沉积到主体140上。因此，可以在材料层144沉积到主体140的表面上的同时形成界面148。

可以形成具有的组合物与材料层144的组合物相对应的粉末。粉末可以包括与如上所述材料层144相同的组合物。例如，粉末可以包括在约56.0重量％与约62.0重量％之间的分散在连续相中的不连续相。材料层144可以包括在约38.0重量％与约44重量％之间的金属粘结剂的连续相。连续相可以包括与前述相同的材料。在一些实施方案中，粉末包括约56.3重量％与约62.0重量％之间的硼化钼、约13.5重量％与约15.1重量％之间的铬，以及约25.0重量％与约28.1重量％之间的以下各项中的至少一种：钴、镍、锌、铁、钨、钛、铝、镁和铜。

通过使粉末穿过具有特定筛孔尺寸的筛网，可以将粉末形成为各种尺寸。在一些实施方案中，硼化钼、铬、以及钴、镍、锌、铁、钨、钛、铝、镁和铜中的至少一种的混合物被粉末化并且穿过筛网，筛网具有的筛孔尺寸为约5μm、38μm(400ASTM目)、45μm(325ASTM目)、75μm(200ASTM目)、125μm(115ASTM目)、250μm(60ASTM目)和约500μm(35ASTM目)。因此，粉末可具有的粒度在约5μm与约500μm之间，诸如在约5μm与约38μm之间、在约38μm与约45μm之间、在约45μm与约75μm之间、在约75μm与约125μm之间、在约125μm与约250μm之间，以及在约250μm与约500μm之间。

在一个实施方案中，可通过等离子转移电弧(PTA)焊将粉末沉积到衬底(例如，主体140)上，以便形成材料层144。PTA可以使材料层144形成至在约60μm与约120μm之间的厚度。在一些实施方案中，可以通过PTA沉积材料层144的约1层至约5层。在PTA工艺中，高能量等离子电弧可以熔融主体140的表面。主体140的表面可以在紧邻材料层144沉积到主体140上的位置的区域处被加热到主体140的液相线温度以上。粉末可以流过电弧，并且可以在其接触主体140的表面时熔融。由于材料层144在材料层144的连续相的液相线温度以上的温度下沉积，因此界面148在材料层144沉积到主体140上的同时形成。因此，主体140与材料层144之间的界面148可以通过PTA形成，而不需要在材料层144的粉末被施加到主体140后加热主体140或材料层144。

在另一实施方案中，可以在激光粉末沉积焊接工艺(也称激光金属沉积(LMD))中将粉末施加到主体140。粉末可以被引导到主体140的表面，并且激光可以在粉末被施加到主体140时将其熔融。激光在粉末接触主体140的位置处形成局部热量，并且将粉末加热至材料层144的连续相的液相线温度以上。熔融粉末可以在主体140的表面上形成沉积物，沉积物冶金地结合到主体140。激光焊接沉积可以使材料层144形成至在约每层45μm与约每层250μm之间的厚度。在一些实施方案中，可以通过激光沉积形成约1层至约5层材料层。

在其它实施方案中，粉末可形成为棒条，诸如焊条。棒条可以适于将粉末材料施加到主体140，诸如通过氧燃料焊接(氧乙炔焊接、氧焊接或气焊)、钨惰性气体(TIG)焊接、金属惰性气体(MIG)焊接、激光焊接或其它焊接方法施加。因此，在一些实施方案中，材料层144可通过形成具有与材料层144相同的组合物的焊条并接着使用焊条将材料层144焊接到主体140而形成。

如前所述，图2中示出的主体140可以包括任何井下工具142的主体140。作为非限制性实例，主体140可以包括井下工具142的呈钻头形式的部件(例如，固定刀具钻头、滚动刀具钻头、混合的固定刀具和滚动刀具钻头等等)、取芯钻头、可扩展的钻头、偏心钻头、双中心式钻头、固定刀片扩孔器(例如，扩孔器翼)、可扩展的扩孔器、稳定器、人工提升阀、钻头的齿、钻头切削结构、地下安全阀、传感器工具(例如，随钻测量(MWD)工具或随钻测井(LWD)工具)、钻环、套管、衬管、所谓的“钓鱼”工具和设备、井下马达、用于泥浆马达的转子或定子、用于泥浆脉冲装置的传感器板、钻头接头(例如，设计用于插入在钻环与钻头之间)，以及用于井下完井、生产、维护和修复的设备、组件和部件(例如，防喷器、阀、分流器、井下泵、筛网等等)。

作为一个这样的井下工具的一个非限制性示例，图5示出了根据本公开的旋转钻地刮刀钻头150。刮刀钻头150具有钻头主体140(图2)，钻头主体包括多个刀片154，这些刀片通过流体流道156彼此分开。流体流道156的沿着径向侧部的部分(钻头150的“保径”区域)在本领域中通常称为“排屑槽”。多个切削元件158被安装到每个刀片154。钻头主体140还包括大体上圆柱形的内部流体室和流体通道，所述流体通道穿过钻头主体140而延伸到钻头主体140的外表面160。喷嘴162可固定在钻头主体140的外表面160附近的流体通道内，用于控制在钻井期间的钻头150的液压。

在钻井操作期间，钻头150可联接到钻柱110(图1)。当钻头150在井筒100内旋转时，可以沿着钻柱110向下泵送钻井流体穿过钻头150的钻头主体140内的内部流体室和流体通道，并且通过喷嘴162而从钻头150流出。由钻头150的切削元件158产生的地层岩屑可以随着钻井流体而被运送通过流体流道156、绕过钻头150，并且通过在井筒100内和钻柱110外的环形空间沿着井筒100向上回流。

如图5所示，在图5中出于说明目的以交叉阴影区域表示的材料层144可安置在钻头主体140的外表面160的至少一部分上方。材料层144由于其疏水性而可减少在使用钻头150形成井筒100时积聚在其上的地层切屑。材料层144可提供在例如易于发生成球的钻头150的区域，诸如夹点(例如，刀片所会聚朝向的位置)、岩屑轨迹点(例如，地层岩屑会聚的位置)和钻头手柄(即，钻头头部和带螺纹销相遇的位置)。例如，如图5所示，可将材料层144安置在流体流道156内，位于钻头150的钻头主体140的外表面160的一个或多个区域上方。此类区域可以包括例如刀片154的旋转前导表面、刀片154的旋转拖尾表面、切削元件158下方发生岩屑流动的位置处，以及切削元件158后方。在另外实施方案中，材料层144可以形成大体上连续的涂层，所述大体上连续的涂层安置在钻头150的钻头主体140的至少基本上整个的外表面上方。钻头主体140和材料层144可以具有如先前参考图2所述的硼化物组合物。

本文中所述的材料层144可以提供对井下环境中使用的工具中或其上的结垢和成球的增强的抵抗性，同时维持期望水平的耐磨性和耐腐蚀性。因此，通过在井下工具上采用这样的材料层，可以减少功率消耗，可以提高操作效率，和/或可以延长井下工具使用寿命。材料层144可以是整体地且化学地附接到主体140的，并且可以保持附接到主体140的时间长于仅物理地附接到主体140的常规疏水性材料。

以下阐述本公开的额外非限制性示例实施方案。

实施方案1：一种井下工具，所述井下工具包括：主体，所述主体具有组合物；疏水性材料层，所述疏水性材料层冶金地结合到所述主体的表面，所述疏水性材料层包括包含金属硼化物的不连续相和包含金属粘结剂的第一连续相；以及界面，所述界面在所述疏水性材料层与所述主体之间，并且包含所述金属硼化物，所述金属硼化物分散在第二连续相内，所述第二不连续相包含所述金属粘结剂和所述主体的所述组合物。

实施方案2：如实施方案1所述的井下工具，其中所述金属硼化物包括过渡金属硼化物，所述过渡金属硼化物包括硼化镍、硼化钴、硼化铁、硼化锰、硼化钨、硼化钛、硼化钼中的至少一种。

实施方案3：如实施方案1所述的井下工具，其中所述疏水性材料层包含铬和以下各项中的至少一种：钴、镍、锌、铁、钨、钛、铝、镁和铜。

实施方案4：如实施方案1至3中任一项所述的井下工具，其中所述金属硼化物包括硼化钼，并且所述第一连续相包括钴-铬。

实施方案5：如实施方案1至3中任一项所述的井下工具，其中所述金属硼化物包括硼化钼，并且所述第一连续相包括镍-铬。

实施方案6：如实施方案1至3中任一项所述的井下工具，其中所述不连续相构成约40.0重量％至约80.0重量％之间的所述疏水性材料层。

实施方案7：如实施方案1至3中任一项所述的井下工具，其中所述连续相构成约20.0重量％至约60.0重量％之间的所述疏水性材料层。

实施方案8：如实施方案1至7中任一项所述的井下工具，其中所述疏水性材料层具有在约3μm与约1,500μm之间的厚度。

实施方案9：如实施方案1至8中任一项所述的井下工具，其中所述疏水性材料层具耐磨性和耐腐蚀性。

实施方案10：如实施方案1至9中任一项所述的井下工具，其中在所述疏水性材料层与所述主体之间的所述界面包括所述金属硼化物的梯度，所述界面的远离所述主体的部分包括的所述金属硼化物的量比所述界面的紧邻所述主体的部分高。

实施方案11：如实施方案1至10中任一项所述的井下工具，其中所述第二连续相包含所述主体的所述材料的至多约10重量％。

实施方案12：如实施方案1至10中任一项所述的井下工具，其中在所述疏水性材料层与所述主体之间的所述界面包括所述第一组合物的梯度，所述界面的紧邻所述主体的部分具有的所述第一组合物的量比所述界面的远离所述主体的部分高。

实施方案13：如实施方案1至12中任一项所述的井下工具，其中所述材料层包括比所述第一组合物要高的液相线温度。

实施方案14：如实施方案1至14中任一项所述的井下工具，其中所述主体包括井下工具的选自由以下项组成的组的部件：钻头、取芯钻头、可扩展的钻头、偏心钻头、双中心式钻头、固定刀片扩孔器、可扩展的扩孔器、稳定器、人工提升阀、钻头的齿、钻头切削结构、地下安全阀、传感器工具、钻环、套管、衬管、井下马达、转子、定子、传感器板、钻头接头，以及用于井下完井、生产、维护和修复的设备、组件和部件。

实施方案15：一种用于形成如实施方案1至14中任一项所述的井下工具的方法。

实施方案16：一种用于形成井下工具的方法，所述方法包括将疏水性材料形成在井下工具的主体上方以将所述疏水性材料冶金地结合到所述井下工具的所述主体，所述疏水性材料包括不连续相，所述不连续相包括金属硼化物，所述金属硼化物分散在连续金属粘结剂相内。

实施方案17：如实施方案16所述的方法，其中形成疏水性材料包括通过至少一种HVAF和HVOF形成所述疏水性材料。

实施方案18：如实施方案17和18中任一项所述的方法，其还包括将所述疏水性材料加热至所述连续金属粘结剂相的液相线温度以上。

实施方案19：如实施方案16所述的方法，其中在主体上方形成包括包含分散在连续金属粘结剂相内的金属硼化物的不连续相的疏水性材料包括通过等离子转移电弧焊、激光沉积焊接和氧乙炔焊接中的至少一种将所述疏水性材料形成在所述主体上方。

实施方案20：如实施方案16至19中任一项所述的方法，其还包括在所述主体与所述疏水性材料之间形成界面而具有所述金属粘结剂相的梯度，所述界面的远离所述主体的部分包括的所述金属粘结剂相的量比所述界面的紧邻所述主体的部分高。

实施方案21：一种对井筒钻探的方法，所述方法包括：将钻柱联接到钻头，所述钻头包括在所述钻头的外表面的至少一部分上方的疏水性材料，所述疏水性材料包括金属硼化物，所述金属硼化物分散在连续金属粘结剂相内；使所述钻柱随着所述钻头前进到井筒中；使所述钻头在所述井筒内旋转；以及将地层的部分移除而扩大井筒。

虽然前述描述包含许多具体细节，但是这些不应被解释为限制本公开的范围，而仅仅是提供某些实施方案。类似地，可以设计不脱离本发明的范围的其它实施方案。例如，本文中参考一个实施方案描述的特征也可提供在本文中描述的其它实施方案中。因此，本发明的范围仅由随附权利要求和其法律上等效物而不是由前述描述来指示和限制。落入权利要求的含义和范围内的如本文中描述和示出的对本公开的实施方案的所有添加、删除和修改都涵盖在本发明中。

Claims (20)

1.一种井下工具，所述井下工具包括：

主体，所述主体具有组合物；

疏水性材料层，所述疏水性材料层冶金地结合到所述主体的表面，所述疏水性材料层包括包含金属硼化物的不连续相和包含金属粘结剂的第一连续相；以及

界面，所述界面在所述疏水性材料层与所述主体之间，并且包含所述金属硼化物，所述金属硼化物分散在第二连续相内，所述第二不连续相包含所述金属粘结剂和所述主体的所述组合物。

2.如权利要求1所述的井下工具，其中所述金属硼化物包括过渡金属硼化物，所述过渡金属硼化物包括硼化镍、硼化钴、硼化铁、硼化锰、硼化钨、硼化钛、硼化钼中的至少一种。

3.如权利要求1所述的井下工具，其中所述疏水性材料层包含铬和以下各项中的至少一种：钴、镍、锌、铁、钨、钛、铝、镁和铜。

4.如权利要求1所述的井下工具，其中所述金属硼化物包括硼化钼，并且所述第一连续相包括钴-铬。

5.如权利要求1所述的井下工具，其中所述金属硼化物包括硼化钼，并且所述第一连续相包括镍-铬。

6.如权利要求1所述的井下工具，其中所述不连续相构成约40.0重量％至约80.0重量％之间的所述疏水性材料层。

7.如权利要求1所述的井下工具，其中所述连续相构成约20.0重量％至约60.0重量％之间的所述疏水性材料层。

8.如权利要求1所述的井下工具，其中所述疏水性材料层具有在约3μm与约1,500μm之间的厚度。

9.如权利要求1所述的井下工具，其中所述疏水性材料层具耐磨性和耐腐蚀性。

10.如权利要求1所述的井下工具，其中在所述疏水性材料层与所述主体之间的所述界面包括所述金属硼化物的梯度，所述界面的远离所述主体的部分包括的所述金属硼化物的量比所述界面的紧邻所述主体的部分高。

11.如权利要求1所述的井下工具，其中所述第二连续相包含所述主体的所述材料的至多约10重量％。

12.如权利要求1所述的井下工具，其中在所述疏水性材料层与所述主体之间的所述界面包括所述第一组合物的梯度，所述界面的紧邻所述主体的部分具有的所述第一组合物的量比所述界面的远离所述主体的部分高。

13.如权利要求1所述的井下工具，其中所述材料层包括比所述第一组合物要高的液相线温度。

14.如权利要求1所述的井下工具，其中所述主体包括井下工具的选自由以下项组成的组的部件：钻头、取芯钻头、可扩展的钻头、偏心钻头、双中心式钻头、固定叶片扩孔器、可扩展的扩孔器、稳定器、人工提升阀、钻头的齿、钻头切削结构、地下安全阀、传感器工具、钻环、套管、衬管、井下马达、转子、定子、传感器板、钻头接头，以及用于井下完井、生产、维护和修复的设备、组件和部件。

15.一种形成井下工具的方法，所述方法包括将疏水性材料形成在井下工具的主体上方以将所述疏水性材料冶金地结合到所述井下工具的所述主体，所述疏水性材料包括不连续相，所述不连续相包括金属硼化物，所述金属硼化物分散在连续金属粘结剂相内。

16.如权利要求15所述的方法，其中形成疏水性材料包括通过至少一种HVAF、HVOF、LVOF和SHVOF形成所述疏水性材料。

17.如权利要求16所述的方法，其还包括将所述疏水性材料加热至所述连续金属粘结剂相的液相线温度以上。

18.如权利要求15所述的方法，其中在主体上方形成包括包含分散在连续金属粘结剂相内的金属硼化物的不连续相的疏水性材料包括通过等离子转移电弧焊、激光沉积焊接和氧乙炔焊接中的至少一种将所述疏水性材料形成在所述主体上方。

19.如权利要求15所述的方法，其还包括在所述主体与所述疏水性材料之间形成界面而具有所述金属粘结剂相的梯度，所述界面的远离所述主体的部分包括的所述连续金属粘结剂相的量比所述界面的紧邻所述主体的部分高。

20.一种对井筒进行钻探的方法，所述方法包括：

将钻柱联接到钻头，所述钻头包括在所述钻头的外表面的至少一部分上方的疏水性材料，所述疏水性材料包括金属硼化物，所述金属硼化物分散在连续金属粘结剂相内；

使所述钻柱随着所述钻头前进到井筒中；

使所述钻头在所述井筒内旋转；以及

将地层的部分移除而扩大井筒。