CN115968360A - 由纤锌矿氮化硼（w-bn）制成的钻井工具 - Google Patents
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Abstract
系统和方法包括一种计算机实施的方法，可以用于由新的纤锌矿氮化硼(w‑BN)超硬材料制造钻井工具。对纯w‑BN粉末进行超高压高温操作，以合成具有大于纯w‑BN粉末的颗粒的第一尺寸的w‑BN和立方氮化硼(c‑BN)压块。该超高压高温操作包括将w‑BN粉末加压至约20吉帕的压力，以100℃/分钟的加热速率加热w‑BN粉末并且以50℃/分钟的冷却速率冷却w‑BN粉末。使用激光切割工具将压块切割成小于第一尺寸的第二尺寸。将切割压块以冶金方式、机械方式或以冶金方式和机械方式两者结合到工具基底上以形成钻井工具。
Description
优先权声明
本申请要求于2020年5月28日提交的美国临时申请号63/031,077以及2021年5月10日提交的美国专利申请号17/316，187的优先权，将这些申请内容通过援引方式特此并入本文。
技术领域
本披露内容涉及钻井，特别是用于石油和天然气应用的钻井。
背景技术
钻井(well drilling)是在地球上钻出孔(井筒)的过程。钻头是在钻井中常用的切割工具。钻头具有各种尺寸和形状并且可以在各种材料上产生不同种类的孔。为了形成井筒，通常将钻头附接到钻机上，钻机为其提供动力以切穿岩石(例如，通过旋转)。通常用于构造钻头的一些材料的实例包括聚晶金刚石复合片、砂粒热压镶齿(insert)和天然金刚石。钻头的有效性可能因地层类型而不同。
发明内容
本披露内容描述了可用于合成单相纯的多晶纤锌矿氮化硼(w-BN)材料(以及用其涂覆工具)的技术。
在第一实施方式中，实施一种方法以由纤锌矿氮化硼(w-BN)超硬材料形成用于石油和天然气应用的工具。对纯w-BN粉末进行超高压高温操作，以合成具有大于纯w-BN粉末的颗粒的第一尺寸的w-BN和立方氮化硼(c-BN)压块。该超高压高温操作包括将w-BN粉末加压至约20吉帕的压力，以100℃/分钟的加热速率加热w-BN粉末并且以50℃/分钟的冷却速率冷却w-BN粉末。使用激光切割工具将压块切割成多个具有小于第一尺寸的第二尺寸的切割压块。将多个切割压块插入工具基底中形成的相应多个凹部内。加热具有多个插入的切割压块的工具基底。在加热工具基底之后，冷却具有多个插入的切割压块的工具基底以形成该工具。
前述和其他描述的实施方式可以各自任选地包括以下特征中的一个或多个：
第一特征，与以下特征中的任一个可组合，其中将多个切割压块与添加剂混合，添加剂包含至少一种用于将多个切割压块以冶金方式结合到工具基底上、以机械方式结合到工具基底上、或以冶金方式和以机械方式两者结合到工具基底上的粘结剂。
第二特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中识别多个切割压块中尺寸大于尺寸范围的阈值尺寸的一个或多个切割压块；并且使用激光切割工具重新切割多个切割压块中尺寸大于阈值尺寸的一个或多个切割压块。
第三特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中识别多个切割压块中尺寸大于阈值尺寸的一个或多个切割压块包括使用激光扫描仪来测量多个切割压块。
第四特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中在包括切割的切割过程中用冷却液冷却压块。
第五特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中确定超高压高温操作形成压块的压力和温度窗口；并且在压力和温度窗口内执行超高压高温操作。
第六特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中压块具有八面体形状。
第七特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中加热工具基底包括以5℃/分钟至10℃/分钟范围内的加热速率将工具基底加热至在200℃至300℃范围内的温度。
第八特征，与以上特征中的任一个可组合，其中冷却工具基底包括以10℃/分钟至20℃/分钟范围内的冷却速率冷却工具基底。
在第二实施方式中，一种系统包括一个或多个处理器以及非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质耦合到一个或多个处理器并存储由一个或多个处理器执行的编程指令，编程指令指示一个或多个处理器执行包括以下各项的操作。对纯w-BN粉末进行超高压高温操作，以合成具有大于纯w-BN粉末的颗粒的第一尺寸的w-BN和立方氮化硼(c-BN)压块。该超高压高温操作包括将w-BN粉末加压至约20吉帕的压力，以100℃/分钟的加热速率加热w-BN粉末并且以50℃/分钟的冷却速率冷却w-BN粉末。使用激光切割工具将压块切割成多个具有小于第一尺寸的第二尺寸的切割压块。将多个切割压块插入工具基底中形成的相应多个凹部内。加热具有多个插入的切割压块的工具基底。在加热工具基底之后，冷却具有多个插入的切割压块的工具基底以形成用于石油和天然气应用的工具(例如钻井工具)。
前述和其他描述的实施方式可以各自任选地包括以下特征中的一个或多个：
第一特征，与以下特征中的任一个可组合，其中操作包括将多个切割压块与添加剂混合，添加剂包含至少一种用于将多个切割压块以冶金方式结合到工具基底上、以机械方式结合到工具基底上、或以冶金方式和以机械方式两者结合到工具基底上的粘结剂。
第二特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中操作包括识别多个切割压块中尺寸大于尺寸范围的阈值尺寸的一个或多个切割压块，并且使用激光切割工具重新切割多个切割压块中尺寸大于阈值尺寸的一个或多个切割压块。
第三特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中识别多个切割压块中尺寸大于阈值尺寸的一个或多个切割压块包括使用激光扫描仪来测量多个切割压块。
第四特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中操作包括在包括切割的切割过程中用冷却液冷却压块。
第五特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中操作包括确定超高压高温操作形成压块的压力和温度窗口，并且在压力和温度窗口内执行超高压高温操作。
第六特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中加热工具基底包括以5℃/分钟至10℃/分钟范围内的加热速率将工具基底加热至在200℃至300℃范围内的温度。
第七特征，与任何前述特征可组合，其中冷却工具基底包括以10℃/分钟至20℃/分钟范围内的冷却速率冷却工具基底。
本说明书的主题的一个或多个实施方式的细节在具体实施方式、附图和权利要求中进行阐述。根据具体实施方式、权利要求和附图，主题的其他特征、方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是示出了不同类型的纤锌矿氮化硼(w-BN)镶齿的实例的图。
图2A是示出了w-BN超硬钻井工具制造过程的实例的流程图。
图2B是包括w-BN镶齿的钻井工具的实例的示意图。
图3A是其中由纯w-BN粉末合成w-BN砂粒的设备的示意图。
图3B是图3A的设备的第一级立方体增压器装置的示意图。
图4A是示出了用于从纯w-BN粉末产生w-BN砂粒的力的实例的框图。
图4B是由图3A的设备产生的八面体的实例的图。
图5是示出了识别w-BN组成的操作窗口的相图的实例的图。
图6是示出了超高压高温(UHPHT)过程之前和之后的X射线衍射(XRD)结果的实例的图。
图7是示出了用于将块状w-BN切割成更小粒度的激光过程的实例的框图。
图8是用于粉末和砂粒加工的真空室的实例的框图。
图9是用于将w-BN砂粒与粘结剂混合的混合器的实例的示意图。
图10A是用于合成用于结合到工具基底的w-BN和立方氮化硼(c-BN)压块的示例方法的流程图。
图10B是使用合成的w-BN和c-BN压块用于结合到工具基底来形成用于石油和天然气应用的工具的示例方法的流程图。
图11是展示了用于提供与如在本披露中描述的所描述的算法、方法、功能、过程、流程和规程相关联的计算功能的示例计算机系统的框图。
具体实施方式
以下具体实施方式描述了用于合成单相纯的多晶纤锌矿氮化硼(w-BN)材料并将该材料结合入用于石油和天然气应用的工具中的技术。w-BN材料是一种超硬材料，其可以例如结合入钻井工具中。常规的钻井工具可能无法为某些钻井应用提供足够的耐磨性和热稳定性。
在一些实施方式中，技术可以包括对纯w-BN粉末进行超高压高温(UHPHT)操作以合成大于粉末的颗粒的w-BN砂粒(例如，大于20微米)。例如，该技术可以在10-20吉帕(GPa)范围和1100-1300℃的温度范围内产生良好的结果。特别地，UHPHT操作可包括以100℃/分钟(min)的加热速率和50℃/min的冷却速率将w-BN粉末加压至约20GPa的压力。可以将所得砂粒使用激光切割工具切割，通过激光扫描确定尺寸，并结合到工具基底上以形成工具。该工具可以是例如用于油气勘探或生产应用中的一个或多个钻井工具，例如与石油和天然气井相关的工具。
图1是示出了根据本披露的一些实施方式的不同类型的w-BN镶齿的实例的图。例如，钻井工具可以使用诸如具有不同形态的w-BN的钻井材料来构造，例如图1中所示的w-BN镶齿。w-BN的维氏硬度范围可以为40GPa至60GPa，取决于晶粒尺寸。
在一些实施方式中，钻井工具可以使用超高压高温(HPHT)技术制造的无催化剂、超强BN材料进行制造。制造过程可以包括设计两级多砧(multi-anvil)设备。该设备可以基于具有创新压力/温度介质和新的高压组装比(例如，八面体边长或截断边长)的立方压机设备，用于产生最高达35GPa的超高压和最高达2,000℃的高温。
制造过程可以使用不同形式的氮化硼，其是一种以六方、立方和纤锌矿结构结晶的材料。六方氮化硼(h-BN)在常温常压下是一种稳定相。立方氮化硼(c-BN)和纤锌矿氮化硼(w-BN)可以在超高压和高温下合成。立方氮化硼(c-BN)切割工具的开发主要用于淬硬钢、冷硬铸铁(Fe)和35洛氏硬度标度C(HRC)或更高的钴基和镍基高温合金的精加工应用。然而，立方氮化硼切割工具由于强度和韧性较低而导致的脆性增加可能会限制其在修井铣削中的使用。与c-BN不同，w-BN具有比c-BN更大的韧性和强度，从而使w-BN适用于切割或铣削在修井铣削应用中遇到的各种材料，如各种淬硬钢(例如碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢和工具钢)、冷硬铸铁、钴基和镍基高温合金、碳化钨、表面涂层(焊料)材料、钛合金、纯镍和纯钨。已经报道了一定数量的关于c-BN的机械特性的信息，特别是其硬度(等于45-50GPa)。然而，关于w-BN的机械特性几乎一无所知，因为纤锌矿在所有压力和温度下都是BN的亚稳相并且纤锌矿难以制备成纯相。一些结果表明，w-BN可以与金刚石一样硬或更硬，即使w-BN和c-BN具有相似的键长、弹性模量、理想的拉伸强度和剪切强度。
在与本披露内容相关的实验中，在超高压(例如，约20GPa的压力)和高温(例如，在1100-1300℃范围内)下，由w-BN粉末成功合成了高纯度w-BN和c-BN压块(例如，纯度超过99％)，并研究了压块的微观结构和热稳定性。在400℃真空热处理后，w-BN粉末用作起始材料。大多数实验是使用两级(6-8系统)多砧设备进行的。压力通过众所周知的压力诱导相变校准并且单元温度使用含铼量为3％至25％的钨铼(W-Re)热电偶直接测量。将纤锌矿氮化硼粉末压缩至20GPa的压力并以100℃/min的加热速率加热至所需值。加热持续时间为30分钟。将样品以约50℃/分钟的冷却速率淬灭至环境温度并且然后减压至环境压力。
在一些实施方式中，将w-BN压块与添加剂混合以改善w-BN压块与工具基底的结合从而形成钻井工具。添加剂包括一种或多种粘结剂材料。粘结剂材料可以包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或它们的合金。粘结剂可包括难熔金属和合金，例如钨合金、钽(Ta)、钼(Mo)和铌(Nb)。
图2A是示出了根据本披露的一些实施方式的w-BN超硬钻井工具制造过程200的实例的流程图。过程200可以以w-BN粉末202的生产开始。在204，可使用UHPHT合成以由w-BN粉末202产生更大尺寸的固体。更大尺寸的固体可用于产生块状w-BN 206。激光器208可用于从块状w-BN 206产生w-BN砂粒210。在212，将w-BN砂粒210结合到工具基底以形成钻井工具。在一些实施方式中，w-BN超硬钻井工具制造过程200可以使用w-BN粉末或砂粒形式，加热至粘结剂熔融或半熔融状态并以微米尺寸颗粒的形式向工具基底加速。
在一些实施方式中，在212将w-BN砂粒210结合到工具基底包括将w-BN砂粒210插入在工具基底中形成的凹部内。加热工具基底(包括插入凹部内的w-BN砂粒210)。在一些实施方式中，将工具基底加热到200℃至300℃的范围内的温度。当加热到200℃至300℃范围内的温度时，w-BN砂粒210(插入凹部内的)结合到工具基底。在一些实施方式中，工具基底以5℃/分钟至10℃/分钟范围内的加热速率加热。缓慢的加热速率减轻了内部热应力的产生，因为内部热应力会降低w-BN砂粒210与工具基底的结合强度。在212以小于5℃/分钟的加热速率加热工具基底可能太慢而不经济。同时，在212以大于10℃/分钟的加热速率加热工具基底可能会增加加热过程中的内部热应力并因此降低w-BN砂粒210与工具基底的结合强度。然后冷却工具基底(包括插入凹部内的w-BN砂粒210)。在一些实施方式中，工具基底以10℃/分钟至20℃/分钟范围内的冷却速率冷却。缓慢的冷却速率也减轻了大热应力梯度的产生，因为大热应力梯度可能降低w-BN砂粒210与工具基底的结合强度，并且在某些情况下，会从工具基底剥离一个或多个w-BN砂粒。在212以小于10℃/分钟的冷却速率冷却工具基底可能太慢而不经济。在212以大于20℃/分钟的冷却速率冷却工具基底可能导致大的温度梯度并因此导致大热应力梯度。
图2B是钻井工具250的示意图，其包括位于钻井工具250的衡量垫(gauge pad)252(基底)内形成的凹部内并与其结合的w-BN镶齿(w-BN砂粒210)。如图2B所示，w-BN砂粒210可具有各种尺寸。
图3A是根据本披露的一些实施方式的设备300的示意图，其中w-BN砂粒由纯w-BN粉末合成。图3B是根据本披露的一些实施方式的设备300的第一级立方体增压器装置350的示意图。设备300还可以包括用于将立方体转化为八面体的过程中的第二级八面体增压器装置。
第一级立方体增压装置350可提供由六个砧形方硬质合金砧形成的初级压力腔。液压缸可以跨三个轴向前推动，从而共同形成一个立方体压力室。第二级八面体增压器装置可包括八个角正方形的WC-Co硬质合金(或末级砧)，从而形成压力介质放置在其中的八面高压腔。在砧推进的末级，对八面介质施加压力(如流变变形)以产生密封边，其中端砧面形成第二级超高压室。
在一些实施方式中，大腔静态高压装置的第二级压力室的组装特征可以包括以下内容。组装可以产生八面压力介质的长度a(例如1mm)和末级砧截断长度b，其中a/b可以是整个系统设计的设计特征。该参数可以反映二级压力室基本结构的组装情况和可生产样品的大致尺寸。
图4A是示出了根据本披露的一些实施方式的用于由纯w-BN粉末产生w-BN砂粒的力的实例的框图。图4B是根据本披露的一些实施方式由设备300产生的八面体的实例的示意图。在一些实施方式中，技术可用于激光扫描以切割块状w-BN以产生砂粒。可以将粘结剂添加到较小尺寸的砂粒中，例如通过在真空下使用湍流混合来共混粘结剂和砂粒。在一些实施方式中，粉末或颗粒共混或混合技术可包括使用层压或湍流。湍流共混可能更适合w-BN颗粒组合。例如，旋转混合器可以配置为双锥形或V形配置。在一些实施方式中，可以使用具有减少混合时间并提高混合均匀性的不对称性的配置几何形状。例如，使用这种配置几何形状的混合器可以每分钟5至25转的速度运行，其中填充水平范围为50％至75％。
图5是示出根据本披露的一些实施方式的识别w-BN 504组成的窄窗口502的相图500的实例的图。如相图500所示，作为温度506和压力508的组合w-BN 504组成的窗口非常窄，。在窗口之外，很难产生w-BN 504。例如，c-BN 510在比窗口温度高的温度506下产生并且w-BN+c-BN 512在比窗口温度高的温度506下产生。这种新w-BN块状材料来自w-BN启动功率，性能优异。由于石墨加热器问题，传统HPHT工艺(例如金刚石砂粒合成和PDC刀具)的最大压力通常限制在8GPa。这是因为，在超过8GPa的压力下，导电石墨加热器将通过转变为绝缘金刚石而失去其功能。当压力超过10GPa时，会产生要求特殊的压力单元设计和新的加热器材料的UHPHT条件。将压力10GPa提高到20GPa通过传统的HPHT技术来制造w-BN并不简单。然而，UHPHT装置可以使w-BN 10GPa到20GPa。更高的压力通常会产生更好的性能。实验发现，缓慢的加热速度对于获得良好的烧结试样是非常重要的。因为w-BN转化为c-BN，缓慢的加热速率会导致长棒的微观结构。当加热速率增加时，晶粒尺寸迅速增大，并且硬度降低。
图6是示出根据本披露的一些实施方式的在超高压和高温(UHPHT)过程之前和之后的X射线衍射(XRD)结果的实例的图600。通过使用CuKα辐射的XRD分析研究烧结样品的相组成。研究表明，成功合成了纯的单相w-BN。
图600包括相对于x轴上的θ值610和y轴上的强度612的子图602、604、606和608。子图602、604、606和608分别绘制了w-BN起始材料，w-BN在20GPa和1150℃，w-BN+c-BN在20GPa和1250℃，以及c-BN在20GPa和1850℃的强度值。
为了获得图600，使用扫描电子显微镜(SEM)表征烧结样品的微观结构。抛光样品的维氏硬度通过维氏硬度计在不同的施加载荷力和15秒的固定压痕时间下进行测试。热重分析(TGA)在空气中以10℃/min的加热速率30℃至1400℃进行。
w-BN压块的维氏硬度被确定为约60GPa。空气中920℃的起始氧化温度远高于金刚石和WC。与传统材料制成的工具相比，这一代UHPHT w-BN材料可在耐磨性、耐冲击性和热稳定性、导电性方面提供更好的性能。包括这些w-BN材料在内的钻井工具有望延长运行寿命。由于超强w-BN材料的性能改进，钻井工具可以设计为具有最小厚度和最小尺寸，以在可靠性、寿命和成本效益方面超越传统钻井材料。
图7是示出根据本披露的一些实施方式的用于将块状w-BN切割成更小粒度的激光过程700的实例的框图。例如，激光过程700可用于切割在切割路径704中加工的w-BN坯料702。在一些实施方式中，激光过程700可以使用在水射流点706处注入水并且在激光点708处使用至少一个激光器的激光切割技术。一个或多个激光器的放置可以确定w-BN粒度特征。不同范围的粒度可以与粘结剂混合使用。可以重复过程700，首先是激光切割并且然后是激光扫描。例如，如果粒度在所需的尺寸范围内，则可以进行混合或共混。否则，可以重复激光切割，直到砂粒处于特定的粒度范围内。过程700可以包括并行或顺序进行激光切割和激光扫描。
在一些实施方式中，w-BN砂粒和粘结剂可以在真空下使用湍流混合来混合。例如，叶片、桨叶或螺杆元件可用于翻转粉末，在这种情况下，大量材料会以360度旋转的方式从一处移动到另一处。在一些实施方式中，砂粒可以在与粘结剂混合之前按大小分类。例如，可以使用激光衍射和散射方法进行颗粒或粒度分布测量。可以使用单独的漏斗阀将w-BN砂粒和粘结剂从切割室输送到混合器。混合室可实施为流化床反应器，其中湍流混合可包括每分钟100至1000转(rpm)的旋转速率。在真空下混合可以有助于减少切割过程中可能引入的杂质。
用于将块状w-BN切割成更小尺寸的激光切割技术可以包括使用连续波CO2激光器，该激光器与其他热源(例如等离子体、电子束和水射流)相结合，以改进加工BN的效率和品质。例如，CO2-水射流处理系统可以实现高功率激光加热，随后进行低压水射流淬灭(例如在水射流点706处)，其可以实现断裂开始并可以控制沿切割路径的扩展。激光水射流加工技术可以使用与传统激光加工完全不同的机制，通过熔化和烧蚀去除材料。例如，通过控制断裂扩展，可以实现材料分离并且速度可以比非激光水射流加工技术更快，而没有热影响区。在常规系统中，断裂扩展的主要来源通常是激光快速加热和陶瓷切割中样品表面上水射流淬灭引起的热应力，具有低导热性，例如使用氮化铝(AlN)。在高导热性BN的切割过程中，温度梯度可以是微不足道的(例如，不提供额外的热应力)。BN加工的主要考虑因素是由转化的材料的体积变化引起的应力。体积变化可以触发相变区的抗拉应力场，其可以诱导材料初始断裂在整个厚度内的扩张和分离。
图8是根据本披露的一些实施方式的用于粉末和砂粒处理的真空室2300的实例的框图。例如，真空室800可以在用于将物理物体转换成精确数字模型的过程中与3D激光扫描802一起使用。在真空室800内部，可以扫描块状w-BN 804并将其切割成w-BN砂粒806。活性粘结剂进料808可以提供漏斗式粘结剂并与w-BN砂粒806组合用于混合810。例如，3D激光扫描使能快速且准确地捕获物体的形状和几何形状。通过激光衍射的颗粒分级可用作产生0.5至1000微米范围内的颗粒的颗粒分级技术。激光衍射的工作原理是，当一束光(激光)被一组粒子散射时，光散射的角度与颗粒尺寸成反比。例如，使用较小的颗粒尺寸可以增加光散射的角度。3D激光扫描和激光衍射的使用可用于按大小过滤砂粒，包括识别太大或太小的砂粒。如果激光扫描显示砂粒太大或太小(例如，超出0.5至1000微米的范围)，则可以防止砂粒被输送到添加剂搅拌机。尺寸范围内的砂粒可以输送到添加剂搅拌机，而太大的砂粒可以使用服务过程(serving process)重新切割。
图9是根据本披露的一些实施方式的用于将w-BN砂粒902与粘结剂混合的混合器900的实例的示意图。混合器900可包括叶片、桨叶或螺杆元件以翻转粉末并将大量材料以360度旋转移动到混合器900中的多个位置。混合器900可用于将粉末、料粒和固体与液体混合。混合器900的锥形桨式混合器配置可以提供高精度和快速混合，同时产品变形有限。
图10A是根据本披露的一些实施方式的用于合成用于结合到工具基底的w-BN和立方氮化硼(c-BN)压块的示例方法1000的流程图。为了呈现的清楚起见，下面的描述总体上在本说明书中的其他图的上下文中描述方法1000。然而，应当理解，在适当时，方法1000可以例如通过任何合适的系统、环境、软件和硬件、或者系统、环境、软件和硬件的组合来执行。在一些实施方式中，方法1000的各个步骤可以并行、组合、循环或以任何顺序进行。
在1002，对纯w-BN粉末进行超高压高温(UHPHT)操作，以合成具有大于纯w-BN粉末的颗粒的第一尺寸的w-BN和立方氮化硼(c-BN)压块。压块可以具有八面体形状，例如，如图4B所示。该超高压高温操作包括将w-BN粉末加压至约20GPa的压力，以100℃/分钟的加热速率加热w-BN粉末并且以50℃/分钟的冷却速率冷却w-BN粉末。例如，设备300可用于由纯w-BN粉末合成w-BN砂粒。从1002，方法1000进行到1004。
在1004，使用激光切割工具将压块切割成小于第一尺寸的第二尺寸。例如，可以使用激光器将其切割成更小的尺寸(w-BN砂粒)，如参考图7所述。
在一些实施方式中，方法1000包括将切割压块重新切割成更小的片的步骤。可以识别尺寸大于尺寸范围的阈值尺寸的切割压块的片，例如通过使用激光扫描仪以测量该片。然后使用激光切割工具重新切割具有大于阈值尺寸的尺寸的切割压块的片。
在一些实施方式中，方法1000包括在包括切割的切割过程中用冷却液冷却压块。例如，水射流点706处的水射流可用于在切割过程中冷却w-BN坯料。在一些实施方式中，将切割压块在真空下在混合器中与添加剂湍流混合。例如，混合器900可用于将w-BN砂粒与通过活性粘结剂进料808添加的添加剂混合。添加剂可包括至少一种粘结剂，其用于将切割压块以冶金方式结合到工具基底上、以机械方式结合到工具基底上、或以冶金方式和以机械方式两者结合到工具基底上。从1004，方法1000进行到1006。
在1006，将切割压块(w-BN砂粒)插入到工具基底中形成的凹部内。从1006，方法1000进行到1008。
在1008，加热包括插入的切割压块的工具基底。在一些实施方式中，在1008将工具基底加热到在200℃至300℃范围内的温度。在一些实施方式中，在1008工具基底以5℃/分钟至10℃/分钟范围内的加热速率加热。从1008，方法1000进行到1010。
在1010，冷却包括插入的切割压块的工具基底。在一些实施方式中，在1010工具基底以10℃/分钟至20℃/分钟范围内的冷却速率冷却。分别在1008和1010进行的加热和冷却将切割压块结合到工具基底上，从而形成钻井工具。
在一些实施方式中，方法1000包括确定超高压高温操作形成压块的压力和温度窗口。例如，实验、重复测量和重复分析可以确定w-BN 504组成的窄窗口2002。如相图500所示，作为温度506和压力508的组合w-BN 504组成的窗口较窄。然后，可以进行执行的超高压高温操作以集中于在窄窗口502内的压力和温度条件。
图10B是根据本披露的一些实施方式的使用结合到工具基底的合成w-BN和立方氮化硼(c-BN)压块来形成用于石油和天然气应用的工具的示例方法1050的流程图。为了呈现的清楚起见，下面的描述总体上在本说明书中的其他图的上下文中描述方法1050。然而，应当理解，在适当时，方法1050可以例如通过任何合适的系统、环境、软件和硬件、或者系统、环境、软件和硬件的组合来执行。在一些实施方式中，方法1050的各个步骤可以并行、组合、循环或以任何顺序进行。
在1052，制造用于将切割压块结合到工具基底上并在工具基底上提供涂层强度的粘结剂。在一些实施方式中，粘结剂可包括例如选自铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)的金属；包含选自Fe、Co和Ni的金属的合金；或者选自钨(W)、钽(Ta)、钼(Mo)和铌(Nb)的难熔合金。
在一些实施方式中，压块具有大于纯w-BN粉末的颗粒的第一尺寸。超高压高温操作可以包括，例如，将纯w-BN粉末加压至约20吉帕的压力；以100℃/分钟的加热速率加热纯w-BN粉末；以50℃/分钟的冷却速率冷却纯w-BN粉末。从1052，方法1050进行到1054。
在1054，对纯纤锌矿氮化硼(w-BN)粉末进行超高压高温操作，以合成w-BN和立方氮化硼(c-BN)压块。作为实例，设备300可用于由纯w-BN粉末合成w-BN砂粒。从1054，方法1050进行到1056。
在1056，通过在真空中在混合器中将粘结剂与压块湍流混合来生产粘结剂-压块混合物。例如，混合器900可用于将w-BN砂粒与通过活性粘结剂进料808添加的添加剂混合。从1056，方法1050进行到1058。
在1058，将w-BN砂粒(带有粘结剂)结合到工具基底上以形成工具。在1058可以将w-BN砂粒以冶金方式结合到工具基底、以机械方式结合到工具基底、或以冶金方式结合和以机械方式两者结合到工具基底。例如，在1058可以将一个或多个w-BN砂粒以冶金方式结合到工具基底。例如，在1058可以将一个或多个w-BN砂粒以机械方式结合到工具基底。例如，在1058可以将一个或多个w-BN砂粒以冶金方式和以机械方式两者结合到工具基底。在一些实施方式中，将w-BN砂粒结合到工具基底包括将w-BN砂粒插入在工具基底中形成的凹部内。在一些实施方式中，将w-BN砂粒结合到工具基底包括加热工具基底，该工具基底包括插入的w-BN砂粒。在一些实施方式中，将工具基底(包括w-BN砂粒)加热到200℃至300℃范围内的温度。在一些实施方式中，工具基底(包括w-BN砂粒)以5℃/分钟至10℃/分钟范围内的加热速率加热。在一些实施方式中，将w-BN砂粒结合到工具基底包括在加热工具基底之后冷却工具基底。在一些实施方式中，工具基底(包括w-BN砂粒)以10℃/分钟至20℃/分钟范围内的冷却速率冷却。
在一些实施方式中，方法1050包括使用激光切割工具将压块切割成小于第一尺寸的第二尺寸。切割压块(例如，使用多次切割)可以产生八面体形状。在切割过程中，可以用冷却液冷却压块。
在一些实施方式中，切割过程可以包括识别具有大于尺寸范围的阈值尺寸的尺寸的压块的片。在该实例中，可以使用激光切割工具重新切割这些片，其中压块的片尺寸大于阈值尺寸。
图11是根据本公开的一些实施方式的用于提供与本公开中描述的所描述的算法、方法、功能、过程、流程和规程相关联的计算功能的示例计算机系统1100的框图。所展示的计算机1102旨在涵盖如服务器、台式计算机、膝上型/笔记本计算机、无线数据端口、智能电话、个人数据助理(PDA)、平板计算设备或这些设备内的一个或多个处理器等包括物理实例、虚拟实例或两者的任何计算设备。计算机1102可以包括如小键盘、键盘和触摸屏等可以接受用户信息的输入设备。此外，计算机1102可以包括能够传达与计算机1102的操作相关联的信息的输出设备。信息可以包括数字数据、视觉数据、音频信息或信息的组合。信息可以呈现在图形用户界面(UI或GUI)中。
计算机1102可以充当客户端、网络组件、服务器、数据库、持久体或用于执行本公开中描述的主题的计算机系统的组件。在一些实施方式中，计算机1102与网络可通信地耦合。在一些实施方式中，计算机1102的一个或多个组件可以被配置为在不同的环境内运行，这些不同的环境包括基于云计算的环境、本地环境、全局环境以及环境的组合。
计算机1102包括接口1104。尽管在图11中被展示为单个接口1104，可以根据计算机1102的特定需要、期望或特定实施方式以及所描述的功能来使用两个或更多个接口1104。计算机1102可以使用接口1104与在分布式环境中连接到网络1130(无论是否展示)的其他系统进行通信。一般而言，接口1104可以包括编码在可操作用于与网络通信的软件或硬件(或软件和硬件的组合)中的逻辑，或者使用该逻辑来实施。更具体地，接口1104可以包括支持与通信相关联的一个或多个通信协议的软件。如此，网络或接口的硬件可以操作用于在所展示的计算机1102内部和外部传送物理信号。
计算机1102包括处理器1105。尽管在图11中被展示为单个处理器1105，可以根据计算机1102的特定需要、期望或特定实施方式以及所描述的功能来使用两个或更多个处理器1105。通常，处理器1105可以执行指令并且可以操纵数据来执行计算机1102的操作，包括使用如本公开中描述的算法、方法、功能、过程、流程和规程的操作。
计算机1102还包括存储器1107，该存储器可以保存计算机1102或连接到网络1130的各组件的组合(无论是否展示)的数据。存储器1107可以存储符合本公开的任何数据。在一些实施方式中，根据计算机1102的特定需求、期望或特定实施方式以及所描述的功能，存储器1107可以是两种或更多种不同类型的存储器的组合(例如，半导体和磁存储器的组合)。尽管在图11中被展示为单个存储器1107，可以根据计算机1102的特定需要、期望或特定实施方式以及所描述的功能来使用两个或更多个存储器1107(相同类型、不同类型、或类型的组合)。虽然存储器1107被展示为计算机1102的内部组件，但是在替代性实施方式中，存储器1107可以在计算机1102的外部。
可以有任何数量的计算机1102与包含计算机1102的计算机系统相关联或在该计算机系统的外部，其中每个计算机1102通过网络进行通信。进一步地，在不脱离本公开的范围的情况下，术语“客户端”、“用户”和其他适当的术语可以适当地互换使用。此外，本公开设想许多用户可以使用一台计算机1102，并且一名用户可以使用多台计算机1102。
虽然本说明书包含许多特定实施方式细节，但这些不应被解释为对可能要求保护的事物的范围的限制，而是被解释为对可能特定于特定实施方式的特征的描述。在单独的实施方式的背景下在本说明书中所描述的某些特征还可以组合地在单个实施方式中实施。与此相反，在单个实施方式的背景下描述的不同特征也可以单独地或以任何适合的子组合形式在多个实施方式中实施。此外，尽管先前描述的特征可以被描述为在某些组合中起作用并且甚至最初也是如此要求保护的，但是在一些情况下，可以从组合中除去来自所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变化。
已经描述了主题的特定实施方式。所描述的实施方式的其他实施方式、更改和排列在所附权利要求的范围内，这对于本领域的技术人员将是显而易见的。虽然附图或权利要求中以具体顺序描绘了操作，但这不应被理解成要求这种操作以所示的具体顺序或以有序顺序执行，或者要求可以执行所有展示的操作(一些操作可以被认为是任选的)，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务处理或并行处理(或多任务处理和并行处理的组合)可能是有利的，并在被认为适当的情况下执行。
此外，先前描述的实施方式中各种系统模块和组件的分离或集成不应被理解为在所有实施方式中都需要这种分离或集成。应当理解，所描述的程序组件和系统通常可以在单个软件产品中集成在一起或封装到多个软件产品中。
因此，先前描述的示例实施方式不定义或限制本披露。在不脱离本披露的精神和范围的情况下，其他改变、替代和变更也是可能的。
此外，任何所要求保护的实施方式都被认为至少适用于以下各项：计算机实施的方法；存储计算机可读指令以执行计算机实施的方法的非暂态计算机可读介质；以及包括计算机存储器的计算机系统，该计算机存储器与硬件处理器可互操作地耦合，该硬件处理器被配置为执行计算机实施的方法或存储在非暂态计算机可读介质上的指令。
Claims (17)
1.一种形成用于石油和天然气应用的工具的方法，该方法包括：
对纯纤锌矿氮化硼(w-BN)粉末进行超高压高温操作，以合成具有大于该纯w-BN粉末的颗粒的第一尺寸的w-BN和立方氮化硼(c-BN)压块，其中该超高压高温操作包括将该w-BN粉末加压至约20吉帕的压力，将该w-BN粉末以100℃/分钟的加热速率加热并且将该w-BN粉末以50℃/分钟的冷却速率冷却；
使用激光切割工具将该压块切割成多个具有小于该第一尺寸的第二尺寸的切割压块；
将该多个切割压块插入工具基底中形成的相应多个凹部内；
加热所述具有该多个插入的切割压块的工具基底；以及
在加热该工具基底之后，冷却所述具有该多个插入的切割压块的工具基底以形成该工具。
2.如权利要求1所述的方法，包括将该多个切割压块与添加剂混合，该添加剂包含至少一种用于将该多个切割压块以冶金方式结合到该工具基底上、以机械方式结合到该工具基底上、或以冶金方式和以机械方式两者结合到该基底上的粘结剂。
3.如权利要求1所述的方法，包括：
识别该多个切割压块中尺寸大于尺寸范围的阈值尺寸的一个或多个切割压块；以及
使用该激光切割工具重新切割该多个切割压块中尺寸大于该阈值尺寸的一个或多个切割压块。
4.如权利要求3所述的方法，其中，识别该多个切割压块中尺寸大于该阈值尺寸的一个或多个切割压块包括使用激光扫描仪来测量该多个切割压块。
5.如权利要求1所述的方法，包括在包括切割的切割过程中用冷却液冷却该压块。
6.如权利要求1所述的方法，包括：
确定该超高压高温操作形成该压块的压力和温度窗口；以及
在该压力和温度窗口内执行该超高压高温操作。
7.如权利要求1所述的方法，其中，该压块具有八面体形状。
8.如权利要求1所述的方法，其中，加热该工具基底包括以5℃/分钟至10℃/分钟范围内的加热速率将该工具基底加热至在200℃至300℃范围内的温度。
9.如权利要求1所述的方法，其中，冷却该工具基底包括以10℃/分钟至20℃/分钟范围内的冷却速率冷却该工具基底。
10.一种系统，包括：
一个或多个处理器；以及
非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质耦合到该一个或多个处理器并存储由该一个或多个处理器执行的编程指令，这些编程指令指示该一个或多个处理器执行操作，这些操作包括：
对纯纤锌矿氮化硼(w-BN)粉末进行超高压高温操作，以合成具有大于该纯w-BN粉末的颗粒的第一尺寸的w-BN和立方氮化硼(c-BN)压块，其中该超高压高温操作包括将该w-BN粉末加压至约20吉帕的压力，将该w-BN粉末以100℃/分钟的加热速率加热并且将该w-BN粉末以50℃/分钟的冷却速率冷却；
使用激光切割工具将该压块切割成多个具有小于该第一尺寸的第二尺寸的切割压块；
将该多个切割压块插入工具基底中形成的相应多个凹部内；
加热所述具有该多个插入的切割压块的工具基底；以及
在加热该工具基底之后，冷却所述具有该多个插入的切割压块的工具基底以形成用于石油和天然气应用的工具。
11.如权利要求10所述的系统，其中，该操作包括将该多个切割压块与添加剂混合，该添加剂包含至少一种用于将该多个切割压块结合到该工具基底上的粘结剂。
12.如权利要求10所述的系统，其中，这些操作包括：
识别该多个切割压块中尺寸大于尺寸范围的阈值尺寸的一个或多个切割压块；以及
使用该激光切割工具重新切割该多个切割压块中尺寸大于该阈值尺寸的一个或多个切割压块。
13.如权利要求12所述的系统，其中，识别该多个切割压块中尺寸大于该阈值尺寸的一个或多个切割压块包括使用激光扫描仪来测量该多个切割压块。
14.如权利要求10所述的系统，其中，该操作包括在包括切割的切割过程中用冷却液冷却该压块。
15.如权利要求10所述的系统，其中，这些操作包括：
确定该超高压高温操作形成该压块的压力和温度窗口；以及
在该压力和温度窗口内执行该超高压高温操作。
16.如权利要求10所述的系统，其中，加热该工具基底包括以5℃/分钟至10℃/分钟范围内的加热速率将该工具基底加热至在200℃至300℃范围内的温度。
17.如权利要求10所述的系统，其中，冷却该工具基底包括以10℃/分钟至20℃/分钟范围内的冷却速率冷却该工具基底。
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