CN107406927B - 使用难熔金属加强的金属基质复合材料 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种包括硬复合材料部分的金属基质复合材料工具，所述硬复合材料部分包括渗透有粘合剂材料的加强材料，其中所述加强材料包括散布有加强粒子的难熔金属成分，其中所述加强粒子的表面粗糙度比所述难熔金属成分的表面粗糙度大至少两倍，其中所述难熔金属成分具有至少0.05的破坏应变和200GPa或更小的剪切模量，并且其中所述加强粒子具有0.01或更小但比所述难熔金属成分的破坏应变小至少五倍的破坏应变，并且所述加强粒子具有大于200GPa且比所述难熔金属成分的剪切模量大至少两倍的剪切模量。所述加强粒子可以包括金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷和/或金刚石。

Description

使用难熔金属加强的金属基质复合材料

相关申请的交叉引用

本申请涉及并且要求于2015年3月20日提交的美国临时专利申请序列号62/135,817的优先权。

背景技术

石油和天然气行业中广泛使用各种各样的工具以形成井筒，完成钻出的井筒，以及从完成的井筒生产烃。所述工具的实例包括切割工具，诸如钻头、铣刀和井孔扩孔器。这些井下工具和在石油和天然气行业的领域以外的几种其它类型的工具通常形成为金属基质复合材料(MMC)且通常称作“MMC工具”。

MMC工具通常通过以下方式制造：将基质加强材料沉积到模具中，且更确切地沉积到界定在模具内且被设计以形成MMC工具的各种外部特征和内部特征的模具空腔中。模具空腔的内表面例如可以被成型以形成MMC工具的所需的外部特征，并且诸如固结砂或石墨的临时置换材料可以放置在模具空腔的内部部分内以形成MMC工具的各种内部(或外部)特征。然后添加计量的量的粘合剂材料至模具空腔，并且然后将模具放置在熔炉内以液化粘合剂材料，并且由此使得粘合剂材料渗透基质加强材料的加强粒子。

MMC工具通常被制造成是耐腐蚀的并展现高冲击强度。然而，根据所使用的特定材料，MMC工具也可以是脆性的，并且因此可能会因为制造或操作期间经受的热应力或者因为操作期间经受的机械应力而出现应力裂纹。

附图说明

包括以下附图以说明本公开的某些方面，且所述附图不应被视为排他性的实施方案。在不脱离本公开的范围的情况下，所公开的主题在形式和功能上能够容许相当多的修改、变化、组合和等效形式。

图1是可以根据本公开的原理制作的示例性钻头的透视图。

图2是用于形成图1的钻头的示例性模具组件的截面侧视图。

图3是图1的钻头的截面视图。

图4图示图1的具有一个或多个局部硬复合材料部分的钻头的截面侧视图。

图5图示图1的包括不同浓度的硬复合材料部分的钻头的截面侧视图。

图6图示图1的钻头的截面侧视图，其中硬复合材料部分包括具有不同浓度的难熔金属成分的多个不同的层。

图7是绘示图2的硬复合材料部分的测量的横向断裂强度的绘图。

图8是可以采用本公开的一个或多个原理的示例性钻井系统。

具体实施方式

本公开涉及工具制造，且更确切地说，涉及使用难熔金属材料加强的金属基质复合材料工具和与此相关的相关联的生产和使用方法。

本公开的实施方案描述用于金属基质复合材料工具的硬复合材料部分的形成，其中所述硬复合材料部分包括加强材料，所述加强材料包括散布有难熔金属成分的加强粒子。可以通过并入一定量的难熔金属成分到加强材料中来提高金属基质复合材料工具的强度、延展性、韧性和耐腐蚀性。此外，添加难熔金属成分到加强材料中可以潜在地为金属基质复合材料工具增加显著的强度和延展性，并且可能提高耐腐蚀性。

本公开的实施方案适用于形成为金属基质复合材料(MMC)的任何工具、零件或部件。举例来说，本公开的原理可以应用于在石油和天然气行业中广泛使用以进行烃勘探和开采的工具或零件的制作。所述工具和零件包括但不限于油田钻头或切割工具(例如，固定角度钻头、牙轮钻头、取芯钻头、双心钻头、潜铸式钻头、扩孔器、稳定器、打孔机、切割器)；不可回收的钻井部件；与井筒的套管钻井相关联的铝钻头体；钻柱稳定器；用于牙轮钻头的牙轮；用于制作牙轮钻头的支撑臂的锻模的模型；用于固定扩孔器的臂；用于可扩展扩孔器的臂；与可扩展扩孔器相关联的内部部件；附接至旋转钻头的井口端的套筒；旋转导向工具；随钻测井工具；随钻测量工具；侧壁取芯工具；打捞矛；套洗工具；转子；定子和/或用于井下钻井电机的外壳；用于井下涡轮机的刀片和外壳；以及具有与形成井筒相关联的复杂构造和/或不对称几何结构的其它井下工具。

然而，本公开的原理可以同样适用于在任何行业或领域中使用的任何类型的MMC。举例来说，在不脱离本公开的范围的情况下，本文所描述的方法还可以应用于制作装甲板、汽车部件(例如，套筒、汽缸衬、传动轴、排气阀、制动盘)、自行车框架、制动片、垫磨片、航天部件(例如，起落架部件、结构管材、抗压杆、轴、联杆、导管、波导管、导向叶片、转子刀片套筒、后机身下翼、致动器、排气结构、壳体、框架、燃料喷嘴)、涡轮泵和压缩机部件、筛网、过滤器和多孔催化剂。本领域技术人员将容易认识到，前述列表并非全面的列表而仅是示例性的。因此，零件和/或部件的前述列表不应限于本公开的范围。

参考图1，图示可以根据本公开的原理制作的示例性MMC工具100的透视图。MMC工具100在图1中大体绘示成可以在石油和天然气行业中使用以钻井筒的固定式切割器钻头。因此，虽然MMC工具100在本文中将被称作“钻头100”，但是如上面所指示，在不脱离本公开的范围的情况下，钻头100可以可选地使用石油和天然气行业或任何其它行业中使用的任何类型的MMC工具或零件替换。

如图1中所图示，钻头100可以提供围绕钻头头部104的圆周彼此沿角度方向间隔开的多个切割刀片102。钻头头部104连接至柄部106以形成钻头体108。柄部106可以通过诸如利用激光电弧焊接等焊接技术连接至钻头头部104，所述激光电弧焊接引起围绕焊缝坡口112的焊缝110的形成。柄部106可以进一步包括螺纹销114，诸如用于将钻头100连接至钻杆(未图示)的美国石油学会(API)钻杆螺纹。

在绘示的实例中，钻头100包括五个切割刀片102，所述切割刀片102中形成有多个凹部或容穴116。切割元件118(可选地称作“切割器”)可以固定地安装在每一凹部116内。这可以例如通过将每一切割元件118钎焊到对应凹部116中来完成。当在使用中钻头100旋转时，切割元件118啮合岩石以及下面的土质材料，以挖、刮或磨掉被穿透的地层的材料。

在钻井操作期间，可以利用在螺纹销114处耦接至钻头100的钻杆柱(未图示)在井下泵送钻井流体或“泥浆”。钻井流体循环通过钻头100并在一个或多个喷嘴120处离开钻头100，所述一个或多个喷嘴120定位在界定在钻头头部104中的喷嘴开口122中。排屑槽124形成在沿角度方向相邻的每一对切割刀片102之间。岩屑、井下碎屑、地层流体、钻井流体等可以流动通过排屑槽124并在形成在钻杆柱的外部部分与正在钻的井筒的内壁之间的环带内循环回到井地表。

图2是可以用于形成图1的钻头100的模具组件200的截面侧视图。虽然示出和讨论模具组件200被用于帮助制作钻头100，但是在不脱离本公开的范围的情况下，模具组件200的各种各样的变化形式可以用于制作上面提及的MMC工具中的任何一个。如图所示，模具组件200可以包括诸如模具202、环规204和漏斗206等几个部件。在一些实施方案中，漏斗206可以经由环规204诸如通过如图所示的对应螺纹啮合可操作地耦接至模具202。在其它实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，环规204可以从模具组件200省略，并且代替地，漏斗206可以诸如经由对应螺纹啮合可操作地直接耦接至模具202。

在一些实施方案中，如图所示，模具组件200可以进一步包括放置在漏斗206上方的粘合剂碗208和盖罩210。模具202、环规204、漏斗206、粘合剂碗208和盖罩210可以分别由例如石墨或氧化铝(Al₂O₃)或其它合适的材料制成或者另外包括所述材料。渗透腔室212可以界定在模具组件200内。各种技术可以被用于制造模具组件200及其部件，包括但不限于：对石墨坯料进行机械加工以产生各种部件并由此界定渗透腔室212，以展现钻头100(图1)的所需的外部特征的负廓线或逆廓线。

诸如固结砂或石墨等材料可以定位在模具组件200内所需的位置处，以形成钻头100(图1)的各种特征。例如，一个或多个喷嘴或支管置换件214(示出一个)可以定位成对应于穿过钻头100界定的流动通道及其相应喷嘴开口(即，图1的喷嘴开口122)的所需的位置和构造。一个或多个排屑槽置换件216也可以定位在模具组件200内以对应于排屑槽124(图1)。此外，圆柱状中心置换件218可以放置在支管置换件214上。从中心置换件218延伸的支管置换件214的数量将取决于钻头100中所需的流动通道和对应喷嘴开口122的数量。另外，切割器容穴置换件220可以界定在模具202中或包括在其中，以形成切割器容穴116(图1)。在图示的实施方案中，切割器容穴置换件220被示出为形成模具202的一体式部分。

在所需的置换材料已经安装在模具组件300内之后，然后可以将包括散布有难熔金属成分224的加强粒子222的加强材料放置到模具组件300内或另外引入模具组件300中。如本文所使用，术语“散布”可以指代两种或两种以上材料的同质或异质混合物或组合，所述材料在该实例中为加强粒子222和难熔金属成分224。加强粒子222和难熔金属成分224的混合物产生定制加强材料，所述定制加强材料可以有利于增加产生的钻头100(图1)的强度和延展性，并且还可以提高耐腐蚀性。

在一些实施方案中，心轴226(可选地称作“金属坯料”)可以至少部分由加强粒子222和难熔金属成分224支撑在渗透腔室212内。更确切地说，在已经添加足够体积的加强粒子222和难熔金属成分224至模具组件200之后，心轴226可以定位在模具组件200内。心轴226可以包括比中心置换件218的外径230大的内径228，并且各种紧固件(未明确示出)可以被用于将心轴226恰当地定位在模具组件200内所需的位置处。然后可以围绕心轴和中心置换件218在渗透腔室212内将加强粒子222和难熔金属成分224的掺合物填充至所需的高度。

然后可以将粘合剂材料232放置在加强粒子222和难熔金属成分224的混合物、心轴226和中心置换件218的上方。在一些实施方案中，粘合剂材料232可以覆盖有焊剂层(未明确示出)。添加至渗透腔室212的粘合剂材料232(和任选的焊剂材料)的量应至少足够在渗透过程期间渗透加强粒子222和难熔金属成分224。在一些实例中，粘合剂材料232中的一些或全部可以放置在粘合剂碗208中，所述粘合剂碗208可以被用于经由延伸穿过其中的各种导管234将粘合剂材料232分配到渗透腔室212中。然后可以将盖罩210(如果使用)放置到模具组件200上方。

然后可以预先加热模具组件200和设置在其中的材料，并且随后将其放置在熔炉(未图示)中。当熔炉温度达到粘合剂材料232的熔点时，粘合剂材料232将液化并继续渗透加强粒子222和难熔金属成分224。在分配用于供液化的粘合剂材料232渗透加强粒子222和难熔金属成分224的预确定的时间量之后，然后可以从熔炉移除模具组件200并以控制的速率冷却。

图3是在上面所描述的图2的模具组件200内的渗透过程之后图1的钻头100的截面侧视图。图3中所使用的与图1相同的数字指代相同的部件或元件，对其将不再描述。在冷却后，图2的模具组件200可以被拆开以暴露钻头体108，所述钻头体108现在包括硬复合材料部分302。

如图所示，柄部106可以在焊缝110处牢牢地附接至心轴226，并且心轴226延伸至钻头体108中并且形成钻头体108的一部分。柄部106界定第一流体空腔304a，所述第一流体空腔304a与对应于中心置换件218(图2)的位置的第二流体空腔304b流体连通。第二流体空腔304b纵向延伸到钻头体108中，并且至少一个流动通道306(示出一个)可以从第二流体空腔304b延伸至钻头体108的外部部分。流动通道306对应于支管置换件214(图2)的位置。喷嘴开口122(图3中示出一个)界定在流动通道306的末端处，位于钻头体108的外部部分处，并且容穴116被绘示成围绕钻头体108的外围形成，并且被成型以容纳切割元件118(图1)。

如图3的放大详细视图中所示，硬复合材料部分302可以包括加强粒子222，所述加强粒子222散布有难熔金属成分224并且渗透有粘合剂材料232。因此，完成的钻头体108包含大量的难熔金属加强材料，所述材料可证明有利于提高材料强度，防止裂纹扩展和/或提高有关应变能吸收的能力(即，更高的韧性)。而且，添加难熔金属成分224可证明有利于促进渗透的金属基质复合材料或工具的更容易的机械加工、研磨和修整。

用于渗透加强粒子222和难熔金属成分224的合适的粘合剂材料232的实例包括但不限于：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、其任何合金以及其任何组合。粘合剂材料232的非限制性实例可包括：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、银铜锌、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、铜铝镍锌锡铁等及以上的任何组合。市场上可买到的粘合剂材料232的实例包括但不限于：VIRGINTMBinder453D(可以从Belmont Metals公司购得的铜锰镍锌)；以及可以从ATI Firth Sterling公司购得的铜锡锰镍和铜锡锰镍铁等级516、519、523、512、518和520。

加强粒子222和难熔金属成分224可以通过例如破坏应变、剪切模量和固相线温度的物理性质进行区分。这些物理性质差别可以为产生的钻头100提供提高的强度、延展性和耐腐蚀性。

如本文所使用，术语“破坏应变”指代在终极破坏时材料所达到的应变，所述应变可以通过根据ASTM E8-15a对难熔金属成分224或根据ASTM C1273-15对加强粒子222的拉伸测试进行确定。加强粒子222可以具有0.01或更小(例如，0.001至0.01、0.005至0.01或0.001至0.005)的破坏应变。难熔金属成分224可以具有至少0.05(例如，0.05至0.5、0.1至0.5或0.05至0.1)的破坏应变。在一些实例中，加强粒子222的破坏应变可以比难熔金属成分224的破坏应变小至少五倍(例如，小5倍至100倍，小5倍至50倍，小5倍至25倍，小10倍至50倍，或小25倍至100倍)。

如本文所使用，术语“剪切模量”指代施加至材料的剪切力除以材料在剪切应力下的变形的比，这可以通过针对难熔金属成分224的ASTM E1875-13或针对加强粒子222的ASTM C1259-15进行确定，使用各自的单片样本而不是粒子。加强粒子222可以具有大于200GPa(例如，大于200GPa至1000GPa，大于200GPa至600GPa，400GPa至1000GPa，600GPa至1000GPa或800GPa至1000GPa)的剪切模量。难熔金属成分224可以具有200GPa或更小(例如，10GPa至200GPa，10GPa至100GPa或100GPa至200GPa)的剪切模量。在一些实例中，加强粒子222的剪切模量可以比难熔金属成分320的剪切模量大至少两倍(例如，大2倍至40倍，大2倍至10倍，大5倍至25倍，大10倍至40倍，或大25倍至40倍)。

另外，难熔金属成分224的表面粗糙度可以比加强粒子222更平滑，这可以提供加强材料的更快的粘合剂渗透或加强材料的更紧的间隔。这些优点可以产生更短的加热或熔炉周期以及硬复合材料部分302中的更一致的强度、延展性和耐腐蚀性质。表面粗糙度可以用作难熔金属成分224的个别粒子和个别加强粒子222的平滑度的度量标准。如本文中所使用，术语“表面粗糙度”指代如由粒子表面的激光廓线测量技术所确定的平均峰谷距离。粒子的表面粗糙度可以取决于粒子的大小。在一些实例中，加强粒子222的表面粗糙度可以比难熔金属成分224的表面粗糙度大至少两倍(即，具有大至少两倍的表面粗糙度)(例如，大2倍至25倍，大5倍至10倍，或大10倍至25倍)。

图3中示出的插入条形图提供加强粒子222与难熔金属成分224之间的示例性截面高度廓线比较。更具体地说，条形图将平均周界表面高度(y轴)与围绕周界表面的距离(x轴)进行比较。条形图中绘示的峰和谷对应于如分别围绕加强粒子222和难熔金属成分224的外周界测量的表面粗糙度的不同幅值。平均峰谷距离的计算是将平均峰高减去平均谷高。如在条形图中可以看出，加强粒子222可以展现比难熔金属成分224的平均峰谷距离大至少两倍的平均峰谷距离。这相当于加强粒子222具有是难熔金属成分的表面粗糙度至少两倍的表面粗糙度。

合适的加强粒子222包括但不限于以下的粒子：金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石等或以上的任何组合。更具体地说，适合于与本文所描述的实施方案一起使用的加强粒子222的实例可以包括以下粒子，包括但不限于：氮化物、氮化硅、氮化硼、立方氮化硼、天然金刚石、人造金刚石、烧结碳化物、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(例如，粗结晶碳化钨、铸造碳化钨、破碎烧结碳化钨、渗碳碳化钨等)、以上的任何混合物以及以上的任何组合。在一些实施方案中，加强粒子222可以被涂层。例如，借助于非限制性实例，加强粒子222可以包括涂覆有钛的金刚石。

在一些实施方案中，本文所描述的加强粒子222可以具有从1微米、10微米、50微米或100微米的下限至1000微米、800微米、500微米、400微米或200微米的上限的直径，其中加强粒子222的直径可以从任何下限至任何上限并且涵盖其之间的任何子集。

虽然本文所提及的加强粒子222中的任何一个可以适合于在加强材料(例如，金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石等的粒子)中使用，但是一种常见类型的加强粒子222是碳化钨(WC)粉末。然而，WC与一般的碳化物材料一样可以是硬而脆的。为此，其对缺陷敏感且易于出现灾难性故障。用于诸如WC等硬质材料的强度指标在预防所述故障方面具有高度统计性，并且碳化物大小和品质也可以大大影响MMC工具的性能。

通过将一定量的难熔金属成分224并入或散布到加强材料中，产生的钻头100或本文所提及的MMC工具中的任何一个的硬复合材料部分302的强度、延展性、韧性和耐腐蚀性可以被提高且更加可重复。难熔金属成分224可以包括难熔金属作为粉末、粒子、细粒或前述内容中的任何一个的组合。如本文所使用，术语“细粒”指代具有大于4mm(例如，大于4mm至16mm)的直径的粒子。如本文所使用，术语“粒子”指代具有250微米至4mm的直径的粒子。如本文所使用，术语“粉末”指代具有小于250微米(例如，0.5微米至小于250微米)的直径的粒子。

在一些实施方案中，本文所描述的难熔金属成分224可以具有从1微米、10微米、50微米或100微米的下限至16mm、10mm、5mm、1mm、500微米或250微米的上限的直径，其中难熔金属成分224的直径可以从任何下限至任何上限并且涵盖其之间的任何子集。

难熔金属成分224可以包括难熔金属、难熔金属合金或难熔金属和难熔金属合金的组合。合适的难熔金属和难熔金属合金包括具有比渗透处理温度大的固相线温度的那些难熔金属和难熔金属合金，所述固相线温度可以为大约1500℉、2000℉、2500℉或3000℉或落入其之间的任何子集或范围。可以对应于所需要的渗透处理温度将可以用作难熔金属成分224的示例性难熔金属分组到集合中。具有例如3000℉以上的固相线温度的难熔金属包括钨、铼、锇、钽、钼、铌、铱、钌、铪、硼、铑、钒、铬、锆、铂、钛和镥。

可以用作难熔金属成分224的示例性难熔金属合金包括前面提及的难熔金属的合金，诸如钽钨、钽钨钼、钽钨铼、钽钨钼铼、钽钨锆、钨铼、钨钼、钨铼钼、钨钼铪、钨钼锆、钨钌、铌钒、铌钒钛、铌锆、铌钨锆、铌铪钛和铌钨铪。另外，示例性难熔金属合金包括其中前面提及的难熔金属中的任何一个是合金中的最普遍元素的合金。钨是合金中的最普遍元素的钨基合金的实例包括：钨铜、钨镍铜、钨镍铁、钨镍铜铁和钨镍铁钼。

具有超过2500℉的固相线温度的难熔金属除了钯、铥、钪、铁、钇、铒、钴、钬、镍、硅和镝以外还包括前面列出的难熔金属。示例性难熔金属合金包括前面提及的具有超过2500℉的固相线温度的难熔金属和具有超过3000℉的固相线温度的难熔金属的合金。示例性镍基合金包括镍与钒、铬、钼、钽、钨、铼、锇或铱的合金。另外，示例性难熔金属基合金包括其中前面提及的难熔金属中的任何一个是合金中的最普遍元素的合金。其中镍是合金中的最普遍元素的镍基合金的实例包括：镍铜、镍铬、镍铬铁、镍铬钼、镍钼、合金(即，可以从Haynes International购得的包含合金的镍铬)、合金(即，可以从Special Metals公司购得的包含超级合金的奥氏体镍铬)、(即，奥氏体镍基超级合金)、合金(即，可以从Altemp Alloys公司购得的包含合金的镍铬)、合金(即，可以从Haynes International公司购得的包含超级合金的镍铬)、MP98T(即，可以从SPS Technologies公司购得的镍铜铬超级合金)、TMS合金、合金(即，可以从C-M集团购得的镍基超级合金)。示例性铁基合金包括：钢、不锈钢、碳钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、沉淀硬化钢、双相不锈钢和亚共析钢。

具有超过2000℉的固相线温度的难熔金属除了铽、钆、铍、锰和铀以外还包括前面列出的难熔金属。示例性难熔金属基合金包括由前面提及的具有超过2000℉的固相线温度的难熔金属和具有超过2500℉和3000℉的固相线温度的难熔金属组成的合金。另外，示例性难熔金属基合金包括其中前面提及的具有超过2000℉的固相线温度的难熔金属中的任何一个是合金中的最普遍元素的合金。示例性合金包括合金(即，可以从MegaMex公司购得的包含超级合金的铁镍)和过共析钢。

具有超过1500℉的固相线温度的难熔金属除了铜、钐、金、钕、银、锗、镨、镧、钙、铕和镱以外还包括前面列出的难熔金属。示例性难熔金属基合金包括由前面提及的具有超过1500℉的固相线温度的难熔金属和前面列出的具有超过2000℉、2500℉和3000℉的固相线温度的难熔金属组成的合金。另外，示例性难熔金属基合金包括其中前面提及的具有超过1500℉的固相线温度的难熔金属中的任何一个是合金中的最普遍元素的合金。

难熔金属成分224可以散布有加强粒子222以通过混合、掺合或另外将难熔金属成分224与加强粒子222组合以产生加强材料。在一些情况下，可以通过将加强粒子222和/或难熔金属成分224的结块混合来在加强材料中散布难熔金属成分224。在其它情况下，可以通过将一个材料装载到另一个材料上方(分层)并随后轻拍、夯实、振动、摇动等以就地产生加强粒子222和难熔金属成分224的功能分级混合物来在加强材料中散布难熔金属成分224。在其它情况下，可以使用允许在无需分离的情况下装载单独的成分的有机物在加强材料中散布难熔金属成分224，这可以有利于使得功能分级更加可控。

难熔金属成分224可以以一系列浓度散布或另外包括在加强材料中，主要取决于产生的硬复合材料部分302(图3)的所需要的性质。例如，硬复合材料部分302可以包括处于以下浓度的难熔金属成分224：从加强材料的按重量计算的1％、3％或5％的下限至加强材料的按重量计算的40％、30％、20％或10％的上限，其中所述难熔金属成分224的浓度可以从任何下限至任何上限并且涵盖其之间的任何子集。然而，为了适用于本文所提及的所有类型的MMC工具，在不脱离本公开的范围的情况下，硬复合材料部分302可以包括处于以下浓度的难熔金属成分224或加强粒子222：加强材料按重量计算大于0％与小于100％之间的任何范围。

虽然已经添加某些金属粉末至加强材料作为渗透助剂，但是与本公开的加强粒子222混合的难熔金属成分224以从根本上不同的方法起作用，因为难熔金属成分224不融入产生的MMC工具中的连续粘合剂相中。在大多数情况下，难熔金属成分224不会在明显程度上与粘合剂相互相扩散，由此使得难熔金属成分224在渗透过程之后仍然是产生的MMC工具中的可延展第三相粒子。

在一个特定实施方案中，加强粒子222可以包括碳化钨(WC)，且难熔金属成分224可以包括钨(W)金属粉末。使用钨金属粉末作为难熔金属成分224可以是有利的，因为由于其硬度和耐腐蚀性其更硬且不如大多数其它金属活跃。与使用更软(更可延展)的金属相比，钨金属粉末提供更坚硬且可重复的间隔效应，这降低了由融合在一起的碳化物引起的易脆性。因此，这减少了可以在高应力和/或应力集中下变形的可延展粘合剂材料232的量，由此限制由于过度基质变形引起的碳化物断裂。钨金属粉末的平均粒子大小和粒子大小分布可以用于实现加强粒子222(例如，WC粒子)之间的该所需的间隔。此外，具有钨金属粉末的粘合剂材料232的较低活性可以减少可以另外随着其它过渡金属的使用而出现的潜在不需要的金属间化合物的形成。

借助于非限制性图解，图4-图6提供将难熔金属成分224散布到MMC工具中的加强材料中且更确切地散布到图1和图3的钻头100中的实例。本领域技术人员将认识到如何使这些教示适应于其它MMC工具或其部分以与本公开的范围保持一致。

图4图示根据一个或多个实施方案的钻头100的截面侧视图，其中钻头体108包括硬复合材料部分302和一个或多个局部硬复合材料部分402。图4中的硬复合材料部分302可以包括加强粒子222(图3)和难熔金属成分224(图3)的混合物或掺合物，其中包括以下浓度的难熔金属成分224：从加强材料的按重量计算的1％、3％或5％的下限至加强材料的按重量计算的40％、30％、20％或10％的上限。相比之下，局部硬复合材料部分402可以包括加强粒子222与难熔金属成分224的混合物或掺合物，其中包括处于更高浓度的难熔金属成分224：例如加强材料的按重量计算约80％、约85％、约90％、约95％或100％的浓度，其中难熔金属成分224的浓度可以涵盖所述浓度之间的任何子集。然而，为了适用于本文所提及的所有类型的MMC工具，在不脱离本公开的范围的情况下，局部硬复合材料部分402可以包括加强粒子222与难熔金属成分224的混合物或掺合物，其中包括处于以下浓度的加强粒子222或难熔金属成分224：加强材料按重量计算大于0％与小于100％之间的任何范围。

如图所示，局部硬复合材料部分402可以定位在钻头体108中的一个或多个位置处，其中钻头体108的剩余部分由硬复合材料部分302形成。局部硬复合材料部分402在图4中被示出为定位在喷嘴开口122的近端且通常在钻头100的顶点404、钻头体108的通常具有增加的断裂倾向的两个区域处。如本文所使用，术语“顶点”指代钻头体108的外表面的中心部分，所述中心部分在钻井期间啮合地层并且大体上位于或靠近汇集在钻头体108的外表面上的切割刀片102(图1)以在钻井期间啮合地层。在其它实施方案中，局部硬复合材料部分402可以定位在钻头体108中的内部区域中的任何一个处，诸如围绕和/或靠近金属坯料202，或者位于几何渐变段的任何区域处(例如，刀片根部等)。局部硬复合材料部分402可以有助于减少裂纹发生和扩展，同时因为局部区域处的加强粒子222的较低浓度还控制钻头体108的腐蚀性质。

图5图示根据本公开的教示的在钻头体108内包括不同浓度的硬复合材料部分302的钻头体100的截面侧视图。如由钻头体108中的点刻程度所示，硬复合材料部分302中的难熔金属成分224的浓度可以从顶点404至钻头体108的柄部106增加。在图示的实施方案中，难熔金属成分224的最低浓度邻近喷嘴开口122和容穴116，且其最高浓度邻近金属坯料202。

然而，在可选实施方案中，难熔金属成分224的浓度梯度可以颠倒，其中难熔金属成分224的浓度从顶点404朝向柄部106降低。此外，虽然图5中示出为浓度梯度在钻头体108内纵向变化，但是在不脱离本公开的范围的情况下，难熔金属成分224的浓度梯度可以可选地被设计以径向变化或者以径向和垂直的组合形式变化。因此，散布在加强材料内的难熔金属成分224的浓度梯度可以在贯穿钻头100(或任何其它类型的MMC工具)的任何方向上(即，径向、轴向、纵向、侧向、圆周、角度和以上的任何组合)增加或降低。

在一些实施方案中，硬复合材料部分302中的难熔金属成分224的浓度变化可以是逐步的。然而，在其它实施方案中，浓度变化可以更加明显，并由此类似分层或局部化。例如，图6图示根据一个或多个实施方案的钻头100的截面侧视图，其中硬复合材料部分302包括不同浓度的难熔金属成分224的多个不同的层。更确切地说，硬复合材料部分302在图6中被绘示成包括层302a、302b和302c。第一层302a可以展示出最低浓度的难熔金属成分224，并且被绘示成定位在喷嘴开口122和容穴116的近端。第三层302c可以展示出最高浓度的难熔金属成分224，并且被绘示成定位在金属坯料202的近端。第二层302b可以展示出在第一层302a与第三层302c的浓度之间的浓度的难熔金属成分224，并且大体上插入所述层302a、302c。可选地，在不脱离本公开的范围的情况下，硬复合材料部分302a至302c中的难熔金属成分224的浓度可以从顶点404朝向金属坯料202降低。

图7是绘示硬复合材料部分302(图3)的测量的横向断裂强度(TRS)的绘图700。更确切地说，绘图700绘示当硬复合材料部分302由作为加强粒子222(图3)的碳化钨(WC)粉末和作为难熔金属成分224(图3)的钨金属粉末(TMP)的掺合物制成时测量的TRS。如图所示，复合WC粉末和TMP的TRS随着添加的TMP的增加而增加。虽然该强度增加是合乎需要的，但是另一重要的考虑因素是最终硬复合材料部分302的耐腐蚀性质和耐摩擦性质。为了对钻头(例如，图1和图3的钻头100)有利，必须找出高强度和高耐腐蚀性的最佳组合。随着WC粉末制造的进步，可以实现越来越低的腐蚀率。这些改进的WC粉末协同TMP成分现在是用于创造坚韧的耐腐蚀MMC材料的可行选择。更确切地说，协同如结合图4至图6所描述的局部掺合物浓度，可以保持或优化钻头或其它类型的MMC工具的某些部分的耐腐蚀性质，同时可以优化钻头或其它类型的MMC工具的其它部分的韧性以防止、延迟或减缓钻头制造和/或操作期间裂纹发生和扩展。

图8是可以采用本公开的一个或多个原理的示例性钻井系统800的示意图。可以通过使用钻井系统800钻到土层802中来创建井孔。钻井系统800可以被配置以驱动定位或另外布置在钻柱806的底部处的井底钻具组件(BHA)804，所述钻柱806从布置在表面810处的吊杆808延伸至土层802中。吊杆808包括方钻杆812和用于升高和降低方钻杆812和钻柱806的移动块813。

BHA 804可以包括可操作地耦接至下井仪器串816的钻头814，所述下井仪器串816可以在附接至钻柱806的同时在钻出的井筒818内轴向移动。可以根据本公开的原理且更确切地使用包括散布有加强粒子222(图3)的难熔金属成分224(图3)的加强材料制作或另外创建钻头814。在操作期间，钻头814穿透土层802并由此创建井筒818。BHA 804当钻头814推进到土层802中时对其提供方向控制。下井仪器串816可以半永久地安装有各种测量工具(未图示)，诸如但不限于可以被配置以记录井下钻井条件测量的随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)工具。在其它实施方案中，测量工具可以自包含在下井仪器串816内，如图8中所示。

来自泥浆桶820的流体或“泥浆”可以使用由诸如原动机或电动机824等相邻电源供电的泥浆泵822在井下泵送。可以经过立管826从泥浆桶820泵送泥浆，所述立管826将泥浆馈送到钻柱806中并且将泥浆传递至钻头814。泥浆离开布置在钻头814中的一个或多个喷嘴，并且在过程中冷却钻头814。在离开钻头814之后，泥浆经由界定在井筒818与钻柱806之间的环带循环回到表面810，并且在过程中将钻屑和碎屑返回至表面。钻屑和泥浆混合物传递通过流管线828并且被处理，以使得清洁的泥浆再次经由立管826返回井下。

虽然相关于图8中的旋转钻井系统示出和描述了钻井系统800，但是可以采用许多类型的钻井系统来实施本公开的实施方案。举例来说，本公开的实施方案中使用的钻具和钻机可以在陆上或海上使用。根据本公开的实施方案可以使用的海上钻机包括例如浮式装置、固定平台、基于重力的结构、钻井船、半潜式平台、自升式钻机、张力腿平台等。本公开的实施方案可以应用于从小尺寸和便携式到大体积和永久式之间的任何范围的钻机。

另外，虽然本文相对于石油钻探进行了描述，但是本公开的各种实施方案可以在许多其它应用中使用。例如，所公开的方法可以在有关矿产勘探、环境调查、天然气开采、地下设施、采矿作业、水井、地热井等的钻井过程中使用。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，本公开的实施方案可以在重力型封隔器组件中使用，在铺设衬管悬挂器、铺设完井管柱等过程中使用。

本文公开的实施方案包括：

A.一种包括硬复合材料部分的金属基质复合材料(MMC)工具，所述硬复合材料部分包括渗透有粘合剂材料的加强材料，其中所述加强材料包括散布有加强粒子的难熔金属成分，其中所述加强粒子比所述难熔金属成分粗糙至少两倍，其中所述难熔金属成分具有至少0.05的破坏应变和200GPa或更小的剪切模量，并且其中所述加强粒子具有0.01或更小但比所述难熔金属成分的破坏应变小至少五倍的破坏应变，并且所述加强粒子具有大于200GPa且比所述难熔金属成分的剪切模量大至少两倍的剪切模量。

B.一种钻头，其包括钻头体以及耦接至所述钻头体的外部的多个切割元件，其中所述钻头体的至少一部分包括硬复合材料部分，所述硬复合材料部分包括渗透有粘合剂材料的加强材料，其中所述加强材料包括散布有加强粒子的难熔金属成分，其中所述加强粒子比所述难熔金属成分粗糙至少两倍，其中所述难熔金属成分具有至少0.05的破坏应变和200GPa或更小的剪切模量，并且其中所述加强粒子具有0.01或更小但比所述难熔金属成分的破坏应变小至少五倍的破坏应变，并且所述加强粒子具有大于200GPa且比所述难熔金属成分的剪切模量大至少两倍的剪切模量。

C.一种钻井组件，其包括可以从钻井平台延伸并且延伸到井筒中的钻柱，附接至所述钻柱的末端的钻头，以及流体地连接至所述钻柱并且被配置以循环钻井流体至所述钻头并且穿过所述井筒的泵，其中所述钻头包括钻头体和耦接至所述钻头体的外部的多个切割元件，并且其中所述钻头体的至少一部分包括硬复合材料部分，所述硬复合材料部分包括渗透有粘合剂材料的加强材料，其中所述加强材料包括散布有加强粒子的难熔金属成分，其中所述加强粒子比所述难熔金属成分粗糙至少两倍，其中所述难熔金属成分具有至少0.05的破坏应变和200GPa或更小的剪切模量，并且其中所述加强粒子具有0.01或更小但比所述难熔金属成分的破坏应变小至少五倍的破坏应变，并且所述加强粒子具有大于200GPa且比所述难熔金属成分的剪切模量大至少两倍的剪切模量。

实施方案A、B和C中的每一个可以具有以下额外要素中呈任何组合形式的一个或多个：要素1：其中所述加强粒子包括选自由金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石和以上的任何组合组成的组的材料的粒子。要素2：其中所述难熔金属成分选自由难熔金属、难熔金属合金以及难熔金属和难熔金属合金的组合组成的组。要素3：其中所述难熔金属成分具有大于1500℉的固相线温度并且选自由以下组成的组：钨、铼、锇、钽、钼、铌、铱、钌、铪、硼、铑、钒、铬、锆、铂、钛、镥、钯、铥、钪、铁、钇、铒、钴、钬、镍、硅、镝、铽、钆、铍、锰、铜、钐、金、钕、银、锗、镨、镧、钙、铕、镱及其任何合金。要素4：其中所述难熔金属成分是钨金属粉末，且所述加强粒子是碳化钨粉末。要素5：其中所述硬复合材料部分包括处于所述加强材料的按重量计算1％与40％之间的浓度的所述难熔金属成分。要素6：其中所述加强材料渗透有处于以下温度的所述粘合剂材料：高于所述粘合剂材料的液相线温度但是低于所述难熔金属成分的固相线温度。要素7：其中所述硬复合材料部分进一步包括一个或多个局部硬复合材料部分，所述一个或多个局部硬复合材料部分包括散布有处于加强材料的按重量计算80％与100％之间的浓度的加强粒子的难熔金属成分。要素8：其中所述难熔金属成分的浓度梯度在贯穿所述硬复合材料部分的方向上逐步减小。要素9：其中所述难熔金属成分的浓度梯度在贯穿所述硬复合材料部分的方向上逐步增加。要素10：其中所述硬复合材料部分包括具有不同浓度的难熔金属成分的多个不同的层。要素11：其中所述加强粒子比所述难熔金属成分粗糙2至25倍。要素12：其中所述难熔金属成分具有0.05至0.5的破坏应变，并且其中所述加强粒子具有为0.001至0.01但是比所述难熔金属成分的破坏应变小5-100倍的破坏应变。要素13：其中所述难熔金属成分具有10GPa至200GPa的剪切模量，并且其中所述加强粒子具有大于200GPa至1000GPa且比所述难熔金属成分的剪切模量大2至40倍的剪切模量。要素14：其中所述难熔金属成分具有1微米至16mm的平均直径。要素15：其中所述加强粒子具有1微米至1000微米的平均直径。要素16：其中所述难熔金属成分包括粉末。要素17：其中所述难熔金属成分包括粒子。要素18：其中所述难熔金属成分包括细粒。

借助于非限制性实例，适用于A、B和C的示例性组合包括：要素2和要素3；要素14-18中的呈组合形式的两个或两个以上；呈组合形式的要素5和7；要素14-18中的一个或多个协同要素1-2中的一个或多个；要素11-13中的呈组合形式的两个或两个以上；以及前述的组合。

因此，所公开的系统和方法被很好地调整以达到提及的以及隐含其中的最终产品和优点。上面所公开的特定实施方案仅是说明性的，因为本公开的教示可以修改并且以不同但对受益于本文的教示的本领域技术人员是显而易见的等效方式进行实践。另外，并非意在局限于本文所示出的结构或设计的细节，而是仅受权利要求的限制。因此明显的是，可以对上面所公开的特定说明性实施方案进行改变、组合或修改，并且所有所述变化被视为是在本公开的范围内。可以在没有本文未明确公开的任何要素和/或本文所公开的任何任选要素的情况下合适地实践本文说明性地公开的系统和方法。虽然以“包括”或“包含”各种组分或步骤的方式描述了组成和方法，但是所述组成和方法也可以“主要由”或“由”各种组分和步骤“组成”。上面公开的所有数字和范围可能会有所不同。当公开了具有下限和上限的数值范围时，也就明确公开了落入所述范围内的任何数值和任何涵盖的范围。确切地说，本文所公开的每一个值范围(形式是：“从约a至约b”或同等地“从大约a至b”或同等地“从大约a至大约b”)应被理解成阐述了涵盖在更宽泛的值范围内的每一个数值和范围。而且，除非另由专利权人明确并且清楚地定义，否则权利要求中的术语具有其简单、普通的含义。此外，如权利要求中所使用的不定冠词“一”或“一个”在本文中被定义成表示其所介绍的要素中的一个或多于一个。如果词语或术语在本说明书中以及在可以以引用方式并入本文中的一个或多个专利或其它文献中的使用存在冲突，那么应采用与本说明书相一致的定义。

如本文所使用，在一系列项目前面的短语“...中的至少一个”以及用于分隔所述项目中的任何一个的术语“和”或“或者”修饰整个列出内容，而不是列出内容中的每一成员(即，每一项目)。短语“...中的至少一个”表示包括项目中的任何一个中的至少一个，和/或项目的任何组合中的至少一个，和/或项目中的每一个中的至少一个。举例来说，短语“A、B和C中的至少一个”或“A、B或C中的至少一个”分别指代：仅A、仅B或仅C；A、B和C的任何组合；和/或A、B和C中的每一个的至少一个。

Claims (20)

1.一种金属基质复合材料(MMC)工具，其包括：

包括渗透有粘合剂材料的加强材料的硬复合材料部分，其中所述加强材料包括散布有加强粒子的难熔金属成分，

其中所述加强粒子的表面粗糙度比所述难熔金属成分的表面粗糙度大至少两倍，

其中所述难熔金属成分具有至少0.05的破坏应变和200GPa或更小的剪切模量，并且

其中所述加强粒子具有0.01或更小但比所述难熔金属成分的破坏应变小至少五倍的破坏应变，并且所述加强粒子具有大于200GPa且比所述难熔金属成分的剪切模量大至少两倍的剪切模量。

2.如权利要求1所述的MMC工具，其中所述加强粒子包括选自由金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石和以上的任何组合组成的组的材料的粒子。

3.如权利要求1所述的MMC工具，其中所述难熔金属成分选自由难熔金属、难熔金属合金以及难熔金属和难熔金属合金的组合组成的组。

4.如权利要求3所述的MMC工具，其中所述难熔金属成分选自由以下组成的组：钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆、钛及上述组分之间的任何合金。

5.如权利要求1所述的MMC工具，其中所述难熔金属成分是钨金属粉末，且所述加强粒子是碳化钨粉末。

6.如权利要求1所述的MMC工具，其中所述硬复合材料部分包括处于所述加强材料的按重量计算1％与40％之间的浓度的所述难熔金属成分。

7.如权利要求1所述的MMC工具，其中所述加强材料渗透有处于以下温度的所述粘合剂材料：高于所述粘合剂材料的液相线温度但是低于所述难熔金属成分的固相线温度。

8.如权利要求1所述的MMC工具，其中所述硬复合材料部分进一步包括一个或多个局部硬复合材料部分，所述一个或多个局部硬复合材料部分包括散布有处于加强材料的按重量计算80％与100％之间的浓度的所述加强粒子的所述难熔金属成分。

9.如权利要求1所述的MMC工具，其中所述难熔金属成分的浓度梯度在贯穿所述硬复合材料部分的方向上逐步减小。

10.如权利要求1所述的MMC工具，其中所述硬复合材料部分包括具有不同浓度的所述难熔金属成分的多个不同的层。

11.一种钻头，其包括：

钻头体；以及

耦接至所述钻头体的外部的多个切割元件，

其中所述钻头体的至少一部分包括硬复合材料部分，所述复合材料部分包括渗透有粘合剂材料的加强材料，

其中所述加强材料包括散布有加强粒子的难熔金属成分，

其中所述加强粒子的表面粗糙度比所述难熔金属成分的表面粗糙度大至少两倍，

其中所述难熔金属成分具有至少0.05的破坏应变和200GPa或更小的剪切模量，并且

其中所述加强粒子具有0.01或更小且比所述难熔金属成分的破坏应变小至少五倍的破坏应变，并且所述加强粒子具有大于200GPa且比所述难熔金属成分的剪切模量大至少两倍的剪切模量。

12.如权利要求11所述的钻头，其中所述难熔金属成分选自由难熔金属、难熔金属合金以及难熔金属和难熔金属合金的组合组成的组。

13.如权利要求11所述的钻头，其中所述难熔金属成分是钨金属粉末或钨合金粉末，且所述加强材料是碳化钨粉末。

14.如权利要求11所述的钻头，其中所述硬复合材料部分包括处于所述加强材料的按重量计算1％与40％之间的浓度的所述难熔金属成分。

15.如权利要求11所述的钻头，其中所述难熔金属成分和所述加强材料渗透有处于以下温度的所述粘合剂材料：高于所述粘合剂材料的熔点但是低于所述难熔金属成分的固相线温度。

16.如权利要求11所述的钻头，其中所述硬复合材料部分进一步包括一个或多个局部硬复合材料部分，所述一个或多个局部硬复合材料部分包括散布有处于加强材料的按重量计算80％与100％之间的浓度的所述加强粒子的所述难熔金属成分。

17.如权利要求11所述的钻头，其中所述难熔金属成分的浓度梯度在贯穿所述硬复合材料部分的方向上逐步减小。

18.如权利要求11所述的钻头，其中所述硬复合材料部分包括具有不同浓度的所述难熔金属成分的多个不同的层。

19.一种钻井组件，其包括：

可以从钻井平台延伸并且延伸到井筒中的钻柱；

附接至所述钻柱的末端的钻头；以及

流体地连接至所述钻柱并且被配置以循环钻井流体至所述钻头并且穿过所述井筒的泵，其中所述钻头包括钻头体和耦接至所述钻头体的外部的多个切割元件，并且

其中所述钻头体的至少一部分包括硬复合材料部分，所述复合材料部分包括渗透有粘合剂材料的加强材料，

其中所述加强材料包括散布有加强粒子的难熔金属成分，

其中所述加强粒子的表面粗糙度比所述难熔金属成分的表面粗糙度大至少两倍，

其中所述难熔金属成分具有至少0.05的破坏应变和200GPa或更小的剪切模量，并且

其中所述加强粒子具有0.01或更小且比所述难熔金属成分的所述破坏应变小至少五倍的破坏应变，并且所述加强粒子具有大于200GPa且比所述难熔金属成分的剪切模量大至少两倍的剪切模量。

20.如权利要求19所述的钻井组件，其中所述加强粒子包括选自由金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石和以上的任何组合组成的组的材料的粒子，并且其中所述难熔金属成分选自由难熔金属、难熔金属合金以及难熔金属和难熔金属合金的组合组成的组。