NO20130957A1

NO20130957A1 - Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale

Info

Publication number: NO20130957A1
Application number: NO20130957A
Authority: NO
Inventors: James L Overstreet; Jimmy W Eason; Travis E Puzz
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2013-10-15
Also published as: WO2012103491A3; US20120192760A1; BR112013019210A2; WO2012103491A2; CN103608543A; DE112012000593T5

Abstract

Et ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig hardsveisingsmateriale er fremlagt. Det ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialet inkluderer mange ikke-magnetiske, sintrede karbidpellets og en ikke-magnetisk matrikslegering, hvori de ikkemagnetiske, sintrede karbidpelletene er finfordelt innen den ikke-magnetiske matrikslegeringen.

Description

Denne søknaden krever fordelen av en tidligere innleveringsdato fra U.S. provisorisk søknad med løpenr 61/437,124 levert 28. januar, 2011, hele redegjø-relsen i denne er inkorporert heri ved referanse i sin helhet.

BAKGRUNN

Nedihullsoperasjoner, inkludert brønnproduksjon eller komplettering, spesielt for olje og naturgassbrønner, utnytter ulike borestrengelementer som må opprettholde høy slitasjemotstand og bruddseighet mens de også oppfyller andre designkrav.

Det er en gammel praksis i designen og tilvirkning av slike nedihullsverk-tøyer og komponenter å påføre slitasje-bestandige hardsveisingsmaterialer til overflater som er utsatt for abrasiv slitasje i løpet av nedihullsoperasjoner. Tidligere omfattet disse hardsveisingssammensetningene generelt ulike karbider av elementene fra gruppene IVB, VB og VIB i et matriksmetall av jern, kobolt eller nikkel og legeringer og blandinger derav. Hardsveisingsmaterialer har generelt blitt påført ved å smelte matriksen av hardsveisingsmaterialet og en andel av overflaten som hardsveisingen blir påført til ved anvendelse av ulike fremgangsmåter. De ulike karbid partiklene gir hardsveisingsmaterialet hardhet og slitasjemotstand, mens matriksmetallet gir hardsveisingsmaterialet bruddseighet. Et hardsveisingsmateriale må generelt treffe en tilfredsstillende balanse mellom slitasjemotstand, som generelt er assosiert med dets hardhet, og bruddseighet.

Mange faktorer påvirker egnetheten til en hardsveisingssammensetning for en spesiell anvendelse. Disse faktorene har generelt inkludert den kjemiske sammensetningen og fysiske strukturen av karbidene anvendt i sammensetningen, den kjemiske sammensetningen og mikrostrukturen av matriksmetallet eller legeringen, og de relative proporsjonene av karbidmaterialene til hverandre og til matriksmetallet eller legeringen. Ettersom kompleksiteten av nedihullsoperasjoner og assosiert instrumentering øker, har imidlertid andre faktorer også innvirkning på egnetheten til en hardsveisingssammensetning for en spesiell anvendelse. Én slik faktor er de magnetiske egenskapene, slik som den magnetiske permeabiliteten, av hardsveisingsmaterialet. Hardsveisingsmaterialer har generelt ikke blitt desig-net for å styre den magnetiske permeabiliteten, og har generelt hatt høy magnetisk permeabilitet. Den økede kompleksiteten og sensitiviteten av nedihullsinstrumen-tering til ytre magnetiske felter, eller til endring av de magnetiske feltene produsert ved instrumenteringen, assosiert med hardsveisingsmaterialene anvendt som be- skyttelse av dem gjør det imidlertid svært ønskelig å identifisere hardsveisingsmaterialer som har kontrollerte magnetiske egenskaper, spesielt redusert magnetisk permeabilitet, for å unngå interferens med magnetiske målinger i regionen for instrumenteringen.

Det er derfor ønskelig å tilveiebringe nedihullsverktøyer og komponenter som tilveiebringer høy slitasjemotstand og bruddseighet, så vel som en redusert magnetisk permeabilitet.

OPPSUMMERING

I en eksempelvis utførelsesform er det fremlagt et ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig hardsveisingsmateriale. Det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige hardsveisingsmaterialet inkluderer mange ikke-magnetiske, sintrede karbidpellets. Hardsveisingsmaterialet inkluderer også en ikke-magnetisk matrikslegering, hvori de ikke-magnetiske, sintrede karbidpelletene er finfordelt innen den ikke-magnetiske matrikslegeringen.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Refererer nå til tegningene hvori like elementer er nummerert likt i de mange figurene: FIG. 1 er en skjematisk tverrsnittsillustrasjon av en eksempelvis utførelses-form av et ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig materiale som omfatter ikke-magnetiske, sintrede karbidpellets hovedsakelig homogent finfordelt i en matrikslegering som fremlagt heri; FIG. 2 er en skjematisk tverrsnittsillustrasjon av en eksempelvis utførelses-form av et ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig materiale som omfatter ikke-magnetiske, sintrede karbidpartikler og ikke-magnetiske, støpte karbidpartikler hovedsakelig homogent finfordelt i en matrikslegering som fremlagt heri; FIG. 3 er en skjematisk tverrsnittsillustrasjon av en eksempelvis utførelses-form av et ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig materiale som omfatter ikke-magnetiske, hovedsakelig sfæriske sintrede karbidpellets, ikke-magnetiske, hovedsakelig sfæriske støpte karbidpellets, ikke-magnetiske, knuste sintrede karbidpartikler og ikke-magnetiske, knuste støpte karbidpartikler hovedsakelig homogent finfordelt i en matrikslegering som fremlagt heri; FIG. 4 er et optisk mikrofotografi av en eksempelvis utførelsesform av ikke-magnetiske, hovedsakelig sfæriske sintrede karbidpellets som fremlagt heri; FIG. 5 er et skanning elektronmikrofotografi av mikrostrukturen av en ikke-magnetisk, hovedsakelig sfærisk sintret karbidpellet som illustrerer fasene som foreligger; FIG. 6 er et optisk mikrofotografi av en mikrostruktur av en eksempelvis ut-førelsesform av et ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig materiale som omfatter ikke-magnetiske, sintrede karbidpellets og støpte karbidpartikler hovedsakelig homogent finfordelt i en matrikslegering som fremlagt heri; FIG. 7A er en skjematisk illustrasjon av en utførelsesform av et ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale som fremlagt heri påført til en overflate av et borestrengelement som illustrerer grenseflaten av de ikke-magnetiske, sintrede karbidpelletene og matrikslegering av det ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialet og det ikke-magnetiske borestrengelementet; FIG. 7B er en skjematisk illustrasjon av en utførelsesform av et ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale som fremlagt heri påført til et intermediært materiale avsatt på en overflate av et borestrengelement som illustrerer grenseflaten av de ikke-magnetiske, sintrede karbidpelletene og matrikslegeringen av det ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialet og det intermediære materialet; FIG. 8 er en eksempelvis utførelsesform av en borestreng og eksempelvise utførelsesformer av ulike borestrengelementer som fremlagt heri; FIG. 9A-G er en skjematisk illustrasjon av en eksempelvis utførelsesform av en borestrengsammenstilling og eksempelvise utførelsesformer av ulike borestrengelementer som fremlagt heri; FIG. 10 er en eksempelvis utførelsesform av en fremgangsmåte for fremstilling av et ikke-magnetisk borestrengelement som har et ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale avsatt derpå som fremlagt heri; og FIG. 11 er et plott av slitasjemotstand for ulike hardsveisingsmaterialer, inkludert utførelsesformer av de ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialene fremlagt heri.

DETALJERT BESKRIVELSE

En detaljert beskrivelse av én eller flere utførelsesformer av det fremlagte materialet, apparaturen og fremgangsmåten er presentert heri ved hjelp av ek-semplifisering og ikke begrensning med referanse til FIG. 1-11.

Et ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig hardsveisingsmateriale 54 er spesielt egnet for påføring til ulike borestrengelementer 201, spesielt de som om fatter bunnhull-sammenstillingen 200 (BHA), og mer spesielt de som omfatter ulike måling-under-boring (MWD) anordninger 202 eller logging-under-boring (LWD) anordninger 204, eller andeler av borestrengen assosiert med disse anordningene, inkludert ulike vektrør, stabilisatormansjetter, hus og andre andeler av borestrengen som er lokalisert aksialt eller radialt nærliggende (eller begge deler) til disse anordningene. Det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige hardsveisingsmaterialet kan bli påført til en hvilken som helst egnet andel av disse anordningene, spesielt en ytre overflate av disse anordningene, og mer spesielt, en ytre overflate som har enten konstant eller diskontinuerlig kontakt med en jordformasjon. Det ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialet er egnet for påføring til borestrengelementer 201 som krever ikke-magnetisk eller i det minste reduserte eller kontrollerte magnetiske karakteristikker. For eksempel kan det ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialet bli anvendt med disse borestrengelementene 201 for å tilveiebringe kompatibilitet med instrumentering og sensorer utnyttet i BH Aen 200 som må bli huset i ikke-magnetiske materialer som et designkrav, eller for å optimalisere deres ytelse.

Som anvendt heri kan, i én utførelsesform, et ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale 54 bli definert som et hardsveisingsmateriale som har en magnetisk permeabilitet som er kompatibel for anvendelse med instrumenteringen og sensorene utnyttet i BHAen, inkludert MWD og LWD anordninger. I en annen eksempelvis utførelsesform, kan et ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale 54 være definert som et materiale som møter en spesifikasjon fra American Petroleum Institute (API) eller annen materialstandardorganisasjon for ikke-magnetiske karakteristikker av roterende borestrengelementer, slik som API Spee 7-1.1 enda en annen eksempelvis utførelsesform, kan et ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale 54 være definert som et hardsveisingsmateriale som har en relativ magnetisk permeabilitet som er mindre enn eller lik 1,010, og kan ha et maksimalt avvik fra et enhetlig magnetisk felt som ikke overstiger +/-0.05 mikrotesla.

Det ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialet 54 inkluderer mange ikke-magnetiske, sintrede karbider 56 finfordelt i en ikke-magnetisk matriks, slik som en ikke-magnetisk metallmatrikslegering 60, som beskrevet heri. Hardsveisingsmaterialet 54 kan også inkludere mange støpte karbider 58 finfordelt i den ikke-magnetiske matriksen i kombinasjon med de ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56. Det ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialet 54 kan bli anvendt for å danne ulike ikke-magnetiske borestrengelementer 201, eller kan bli anvendt for å tilveiebringe ikke-magnetisk hardsveising på overflater eller andeler av slike elementer, som beskrevet heri.

Refererer generelt til FIG. 1, det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54, eller ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialet, inkluderer mange ikke-magnetiske sintrede karbider 56 finfordelt innen en ikke-magnetisk matrikslegering 60. Hvilke som helst egnede ikke-magnetiske, sintrede karbider 56 kan bli anvendt, inkludert ulike ikke-magnetiske, sintrede metallkarbider 56. Egnede ikke-magnetiske sintrede metallkarbider 56 kan inkludere ulike karbider, inkludert borkarbid og karbider av elementene fra gruppene IVB, VB og VIB, inkludert kromkarbid, molybdenkarbid, niobkarbid, tantalkarbid, titankarbid, wolframkarbid eller vanadiumkarbid, eller en kombinasjon derav, og inkluderer legeringer og blandinger derav, som beskrevet heri. En hvilken som helst egnet ikke-magnetisk matrikslegering 60 kan bli anvendt, inkludert ulike ikke-magnetiske, metallmatrikslegeringer 60. Egnede ikke-magnetiske metallmatrikslegeringer 60 inkluderer ikke-magnetiske Ni legeringer som beskrevet heri.

I én eksempelvis utførelsesform, er ikke-magnetiske, sintrede metallkarbider 56 finfordelt hovedsakelig homogent innen en ikke-magnetisk matrikslegering 60 som illustrert i FIG. 1; andre typer av dispersjoner er imidlertid mulig, inkludert dispersjoner som ikke er hovedsakelig homogene. De ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56 kan ha en hvilken som helst egnet fasong, og kan i én eksempelvis utførelsesform ha en hovedsakelig sfærisk fasong og omfatte hovedsakelig sfæriske ikke-magnetiske, sintrede karbidpellets 57. Hovedsakelig sfæriske, ikke-magnetiske, sintrede karbidpellets 57 kan også omfatte utjevnede uregelmessige fasonger slik at de ikke er ekte sfærer, men hovedsakelig mangler de definerte hjørnene, skarpe kantene, vinkelformede projeksjonene, ruhetene og andre trekkene som vanligvis finnes i knuste og andre ikke-sfæriske karbidpartikler. I en annen eksempelvis utførelsesform, kan ikke-magnetiske, sintrede karbider 56 ha en knust fasong (eller en som-knust fasong som beskrevet heri) som kan inkludere definerte hjørner, skarpe kanter, vinkelformede projeksjoner, ruheter og andre trekk vanligvis funnet i partikler dannet ved å knuse et forstadium-materiale (f.eks. sintrede pellets), som beskrevet heri, og kan omfatte knuste, ikke-magnetiske, sintrede karbidpartikler 59 eller granuler som vist i FIG. 3.1 enda en annen eksempelvis utførelsesform, kan ikke-magnetiske, sintrede karbider 56 inkludere en blanding av hovedsakelig sfæriske, ikke-magnetiske, sintrede karbidpellets 57 og knuste, ikke-magnetiske, sintrede karbidpartikler 59.

Refererer generelt til FIG. 2 og 3, det ikke-magnetiske, abrasive, slitasjebestandige materialet 54, eller ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialet, kan også inkludere mange ikke-magnetiske, støpte karbider 58 spekket med de mange ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56 og finfordelt innen den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 som vist i FIG. 2 for å ytterligere forbedre slitasjemotstanden og bruddseigheten for ikke-magnetisk, abrasivt, slitasjebestandig materiale 54. Hvilke som helst egnede ikke-magnetiske, støpte karbider 58 kan bli anvendt, inkludert ulike ikke-magnetiske, støpte metallkarbider 58. Egnede ikke-magnetiske, støpte metallkarbidpartikler kan inkludere ulike karbider, inkludert borkarbid og karbider av elementene fra gruppene IVB, VB og VIB, inkludert kromkarbid, molybdenkarbid, niobkarbid, tantalkarbid, titankarbid, wolframkarbid, silisiumkarbid eller vanadiumkarbid, eller en kombinasjon derav, og inkluderer legeringer og blandinger derav. Et eksempel på et egnet ikke-magnetisk, støpt metallkarbid er et wolframkarbid som omfatter et eutektikum av WC og W2C. I én eksempelvis utførelses-form, er ikke-magnetiske, hovedsakelig sfæriske støpte metallkarbider 61 finfordelt hovedsakelig homogent innen den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 som illustrert i FIG. 2. De ikke-magnetiske, støpte karbidene 58 kan ha en hvilken som helst egnet partikkelfasong, og kan i én eksempelvis utførelsesform ha en hovedsakelig sfærisk fasong og omfatte hovedsakelig sfæriske, ikke-magnetiske støpte karbidpellets 61.1 en annen eksempelvis utførelsesform, kan ikke-magnetiske, støpte karbidpellets 61 ha utjevnede eller avrundede uregelmessige fasonger, inkludert den av ulike utjevnede uregelmessige polyedere, slik at de ikke er ekte sfærer, men hovedsakelig mangler de definerte hjørnene, skarpe kantene, vinkelformede projeksjonene, ruhetene og andre trekkene vanligvis funnet i knuste og andre ikke-sfæriske karbidpartikler. Denne utjevningen er lignende med å tilveiebringe en radius på partikkelkantene og hvilke som helst spisse projeksjoner. Disse overflateruhetene eller uregelmessighetene kan forårsake at partiklene innehar resterende spenninger og overflateenergi og kan, foreksempel, fremme smelting eller diffusjon inn i matriksen i løpet av påføring av hardsveisingsmaterialet, og derved forringe dets egenskaper. I én utførelsesform, omfatter den utjevnede uregelmessige fasongen en utjevnet avskåren triangulær prismeplate. I enda en annen eksempelvis utførelsesform, kan ikke-magnetiske, støpte karbider 58 ha en knust fasong (eller en som-knust fasong som beskrevet heri) som kan inkludere definerte hjørner, skarpe kanter, vinkelformede projeksjoner, ruheter og andre trekk vanligvis funnet i partikler dannet ved å knuse et forstadium-materiale (f.eks., pellets), som beskrevet heri, og kan omfatte knuste, ikke-magnetiske, støpte karbidpartikler 63 eller granuler som vist i FIG. 3. FIG. 6 er et optisk mikrofotografi som viser mikrostrukturen av et ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig materiale 54 som inkluderer mange ikke-magnetiske, støpte karbider 58 spekket hovedsakelig homogent med mange ikke-magnetiske, sintrede karbider 56 i en ikke-magnetisk matrikslegering 60.

De ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56 omfatter metallmatriks-karbid komposittmaterialer som også noen ganger blir referert til generelt som sementer-te karbider. FIG. 4 er et optisk mikrofotografi som illustrerer mange ikke-magnetiske, sintrede karbider 56 som beskrevet heri, inkludert hovedsakelig sfæriske, ikke-magnetiske, sintrede karbidpellets 57. Som illustrert i FIG. 5, inkluderer hver ikke-magnetiske, sintrede karbidpellet 56 en ikke-magnetisk, karbidfase 100 (den lysere fasen), som generelt inkluderer mange ikke-magnetiske, metallkarbidpartikler 112, og en ikke-magnetisk bindemiddelfase 120 (den mørkere fasen), som generelt er en mykere, kontinuerlig, ikke-magnetisk, metallisk fase som tilveiebringer et bindemiddel 122 forden harde karbidfasen 100. Karbidfasen 100 kan omfatte et hvilket som helst egnet ikke-magnetisk karbid, inkludert ulike ikke-magnetiske metallkarbidpartikler 112 av elementene fra gruppene IVB, VB og VIB, og kan mer spesielt inkludere kromkarbid, molybdenkarbid, niobkarbid, tantalkarbid, titankarbid, wolframkarbid eller vanadiumkarbid, eller en kombinasjon derav, og inkluderer legeringer og blandinger derav. Enda mer spesielt, i en eksempelvis utførelsesform kan den ikke-magnetiske karbidfasen 100 inkludere metallkarbidpartikler 112 som omfatter wolframkarbidpartikler, og mer spesielt WC partikler (FIG. 5). Den ikke-magnetiske karbidfasen 100 kan ha en hvilken som helst egnet partikkelfasong av ikke-magnetiske metallkarbidpartikler 112, og kan inkludere fasonger som spenner fra hovedsakelig sfæriske fasonger, til utjevnede uregelmessige fasonger til knuste partikkelfasonger, eller en kombinasjon derav. I én eksempelvis utførelsesform, kan de ikke-magnetiske, metallkarbidpartiklene 112 ha en hovedsakelig sfærisk fasong. I en annen eksempelvis utførelsesform, kan de ikke-magnetiske, metallkarbidpartiklene 112 ha utjevnede uregelmessige fasonger slik at de ikke er ekte sfærer, men hovedsakelig mangler de definerte hjør- nene, skarpe kantene, vinkelformede projeksjonene, ruhetene og andre trekkene vanligvis funnet i knuste og andre ikke-sfæriske karbidpartikler. Den ikke-magnetiske karbidfasen 100 kan ha ikke-magnetiske metallkarbidpartikler 112 som har en hvilken som helst egnet partikkelstørrelse, og kan i én eksempelvis utførelsesform ha en gjennomsnittlig partikkelstørrelse, som målt ved anvendelse av standard ASTM sikt maskevidder, på omkring 10 mikron eller mindre, og enda mer spesielt, omkring 2 mikron eller mindre. Det skulle bli anført at den ikke-magnetiske, karbidpartikkelfasen kan inkludere legeringer og blandinger av karbider som har relativt høyere og lavere magnetiske susceptibiliteter eller permeabiliteten så lenge blandingen eller legeringen av karbidene tilveiebringer ikke-magnetiske, sintrede karbidpellets 56 som gir et ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig materiale 54 når påført til et borestrengelement, slik som et borestrengelement 201 (FIG. 8). Metallkarbidfase 100, inkludert ikke-magnetiske metallkarbidpartikler 112 kan inkludere omkring 90 til omkring 100 vektprosent av ikke-magnetiske, sintrede karbider 56; og mer spesielt, omkring 92 til omkring 97 vektprosent derav; og enda mer spesielt, omkring 93,5 til omkring 94,5 vektprosent derav.

Den ikke-magnetiske bindemiddelfasen 120 kan være et hvilket som helst egnet ikke-magnetisk bindemiddel 122, og kan inkludere ulike ikke-magnetiske metaller, og kan mer spesielt inkludere ulike ikke-magnetisk nikkellegeringer. FIG.

5 illustrerer et eksempelvis ikke-magnetisk bindemiddel 122 som omfatter et nikkellegering bindemiddel. Ikke-magnetiske nikkelbindemiddellegeringer kan inkludere Cr, Mo, Fe eller V, eller en kombinasjon derav, som legeringsbestanddeler. Bindemidlet 122 kan omfatte en nikkellegering som inkluderer, foreksempel, opp til omkring 1,5 vektprosent Cr, som reduserer den magnetiske permeabiliteten av bindemidlet og de ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56 som den blir inkorporert i. Cr er også en karbidfjerner, og en kornraffinør, som reduserer tilbøyeligheten til kornvekst i metallkarbidfasen 100 (f.eks., WC korn) i løpet av sintringsprosessen

anvendt for å danne ikke-magnetiske, sintrede karbider 56. Cr fremmer også sintringsprosessen og tjener også som styrkende bestanddel for å forbedre de meka-niske egenskapene av bindemidlet. I en eksempelvis utførelsesform, kan et nikkel-legeringbindemiddel omfatte omkring 0,01 til omkring 1,5 vektprosent av Cr; og kan mer spesielt omfatte omkring 0,2 til omkring 1,0 vektprosent derav; og kan enda mer spesielt omfatte omkring 0,4 til omkring 0,8 vektprosent derav. Binde-

midlet 122 kan inkludere omkring 0 til omkring 10 vektprosent av den ikke-magnetiske, sintrede karbidpelleten 56; og mer spesielt, omkring 3 til omkring 8 vektprosent derav; og enda mer spesielt, omkring 5,5 til omkring 6,5 vektprosent. Valget av den ikke-magnetiske bindemiddelfasen 120 kan ta hensyn til diffusjonseffekter med karbidfasen 100 i løpet av tilvirkningen av ikke-magnetiske, sintrede karbider 56, for å opprettholde den ikke-magnetiske naturen av pelletene, slik som ved å unngå dannelsen av faser med relativt høyere magnetisk permeabilitet ved interdiffusjon mellom bestanddelene av pelletene og bindemiddel i løpet av sintringsprosessen. Valget av den ikke-magnetiske bindemiddelfasen 120 kan også ta hensyn til diffusjonseffekter med bestanddelene av den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 i løpet av avsetning av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54, for å opprettholde den ikke-magnetiske naturen av materialet, så vel som diffusjonseffekter med bestanddelene av verktøyet eller kom-ponenten som det ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialet blir avsatt på, for å opprettholde den ikke-magnetiske naturen av andelen av verktøyet eller kompo-nenten som hardsveisingen blir påført på.

De ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56 omfatter krystaller eller partikler av ikke-magnetiske, metallkarbidpartikler 112 som er sintret sammen med et ikke-magnetisk bindemiddel 122 materiale, generelt i form av partikler (ikke vist) av bindemiddelmaterialet, for å danne pelletkonfigurasjonene beskrevet heri som har karbidfasen 100, inkludert metallkarbidpartikler 112, og ikke-magnetisk bindemiddelfase 120, inkludert bindemidlet 122. De ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56 kan bli dannet ved en hvilken som helst egnet fremgangsmåte, inkludert å danne forstadium pelletpartikler ved å kompaktere en pulverblanding av karbidfase 100 pulverpartiklene og bindemiddelfase 120 pulverpartiklene, hvori de usintrede forstadium pelletpartiklene kan være hovedsakelig kuleformede med en delvis porøs intern struktur og en gjennomsnittlig forstadium partikkelstørrelse som er større enn den ønskede pelleten; varme opp forstadium pelletpartiklene, slik som ved å introdusere dem til en ovn; sintre forstadium pelletpartiklene ved å varme dem opp til en temperatur hvor materialet av det metalliske bindemidlet antar en pastaaktig tilstand (delvis flytende og delvis fast) og utøve et gasstrykk for å redusere pore-innholdet av den delvis porøse interne strukturen, og derved redusere den gjennomsnittlige partikkelstørrelsen til en forutbestemt sluttprodukt partikkelstørrelse av pellets 56, slik som en forutbestemt gjennomsnittlig partikkelstørrelse som beskrevet heri, og tilveiebringe pellets som er hovedsakelig uten porøsitet. De re-sulterende pelletene kan også bli ball-malt for å runde av alle skarpe kanter og hjørner og eliminere oppflisede partikler med lite tverrsnitt, som enkelt kunne gå inn i løsning med matriksmaterialet, og for å danne de hovedsakelig sfæriske ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56 beskrevet heri.

En fremgangsmåte for fremstilling av ikke-magnetiske, støpte metallkarbidpartikler, slik som wolframkarbid, inkluderer å varme opp wolframkarbid til omkring 150-300 °C over smeltepunktet, og så smelte og granulere wolframkarbidet ved anvendelse av et roterende kjølt bord i en stasjonær inert gass. Fremgangsmåten tilveiebringer støpte metallkarbidpartikler som er generelt sfæriske i fasong. Disse støpte pelletene er ikke virkelig sfæriske, men er tilstrekkelig symmetriske til at resterende spenninger i pelletene blir minimert. De generelt sfæriske fasongen av disse pelletene eliminerer også hjørner, skarpe kanter og vinkelformede projeksjoner, som foreligger i konvensjonelle knuste partikler og som øker resterende spenninger i partiklene og har en tendens til å smelte ettersom hardsveisingsmaterialet blir påført til overflaten.

Hjørner, skarpe kanter og vinkelformede projeksjoner kan produsere resterende spenninger, som kan forårsake at metallkarbidmaterialet (f.eks. wolframkarbid) i regionene av partiklene nærliggende de resterende spenningene smelter ved lavere temperaturer i løpet av påføring av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 til en overflate av et borestrengelement 201 som beskrevet heri. Smelting eller delvis smelting av metallkarbidmaterialet i løpet av påføring kan fremme atomdiffusjon mellom karbidpartiklene og den omkringliggende matrikslegeringen. Som tidligere diskutert heri, kan atomdiffusjon mellom den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 og de ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56 og støpte wolframkarbidene 58 gjøre at den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 blir skjør i regioner som ligger omkring de støpte metallkarbidene 58 og redusere hardheten av partiklene i de ytre regionene derav. Slik atomdiffusjon kan redusere de totale fysiske egenskapene av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54. Anvendelsen av sintrede wolframkarbider 56 og støpte wolframkarbider 58 istedenfor konvensjonelle wolframkarbidpartikler som inkluderer hjørner, skarpe kanter og vinkelformede projeksjoner kan redusere slik atomdiffusjon, og derved bevare de fysiske egenskapene av den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60, de ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56, og de ikke- magnetiske, støpte wolframkarbidene 58 i løpet av påføring av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 til overflatene av borkroner og andre verktøyer.

Det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 kan inkludere ikke-magnetiske sintrede karbider 56 og ikke-magnetisk matrikslegering 60,

så vel som ikke-magnetiske støpte karbider 58 når anvendt, i hvilke som helst egnede relative mengder. Videre kan ikke-magnetiske sintrede karbider 56 inkludere hovedsakelig sfæriske sintrede karbidpellets 57 eller knuste sintrede karbidpartikler 59, eller en kombinasjon derav, i hvilke som helst egnede relative mengder.

Enda videre kan, når anvendt, ikke-magnetiske støpte karbider 58 likeledes inkludere hovedsakelig sfæriske støpte karbidpellets 61 eller knuste sintrede karbidpartikler 59, eller en kombinasjon derav, i hvilke som helst egnede relative mengder. Mange eksempelvise kombinasjoner av ikke-magnetiske sintrede karbider 56 og ikke-magnetisk matrikslegering 60, så vel som ikke-magnetiske støpte karbider 58, som kan bli anvendt for å danne ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig materiale 54 er tilveiebrakt i Tabell 1. Kombinasjonene og relative mengder av bestanddelene beskrevet i Tabell 1 skal ikke bli betraktet som å begrense sammensetningen av de ikke-magnetiske, abrasive, slitasjebestandige materialene 54 fremlagt heri, men er bare eksempler på hvordan bestanddelmaterialene beskrevet heri kan bli kombinert. I en eksempelvis utførelsesform, inkluderer det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 en ikke-magnetisk matrikslegering 60 som omfatter Ni, mange ikke-magnetiske sintrede metallkarbider 56 som omfatter sintrede wolframkarbidpellets hver dannet av mange WC partikler i et Ni legeringsbindemiddel og mange ikke-magnetiske, støpte metallkarbider 58 som omfatter støpt wolframkarbid som illustrert i FIG. 3. Den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 kan omfatte mellom omkring 20 % til omkring 60 % på vektbasis av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54. Mer spesielt, kan den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 omfatte mellom omkring 30 % til omkring 50 % på vektbasis av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54. Enda mer spesielt kan den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 omfatte mellom omkring 35 % til omkring 45 % på vektbasis av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54. Flertallet av sintret wolfram og støpte og andre karbider kan omfatte mellom omkring 40 % til omkring 80 % på vektbasis av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54. Dessuten kan de mange sintrede wolframkarbidene 56 omfatte mellom omkring 40 % til omkring 80 % på vektbasis av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54, og de mange støpte wolframkarbidene 58 kan omfatte mellom omkring 0 % til omkring 60 % på vektbasis av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54.1 et ikke-begrensende eksempel, kan det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 omfatte, på vektbasis, omkring 30 % av matrikslegering 60, omkring 50 % av sintrede wolframkarbider 56 og omkring 20 % av støpte wolframkarbider 58.

De ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56 kan være større i stør-relse enn de ikke-magnetiske, støpte wolframkarbidene 58. Dessuten kan antallet støpte wolframkarbidpartikler 56 per enhetsvolum av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 være høyere enn antallet sintrede wolframkarbider 58 per enhetsvolum av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54.

De ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56 kan for eksempel inkludere -16 ASTM mesh pellets og har en gjennomsnittlig diameter på mindre enn omkring 1180 mikron. Den gjennomsnittlige diameteren av de ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56 kan være mellom omkring 1,1 ganger og omkring 5 ganger større enn den gjennomsnittlige diameteren av de ikke-magnetiske, støpte wolframkarbidene 58. De ikke-magnetiske, støpte wolframkarbidene 58 kan for eksempel inkludere -100 ASTM mesh partikler og ha en gjennomsnittlig diameter på mindre enn omkring 150 mikron.

Som et eksempel, kan de ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene ha en hvilken som helst egnet pelletstørrelse eller område av størrelser, inkludert et ASTM maskeviddeområde på omkring -16 mesh til omkring +325 mesh. Mer spesielt kan pelletene spenne fra omkring -20 til omkring +140 mesh, og kan enda mer spesielt spenne fra omkring -20 til omkring +80 mesh. De ikke-magnetiske, støpte wolframkarbidene 58 kan ha en hvilken som helst egnet partikkelstørrelse eller område av størrelser, inkludert et ASTM maskeviddeområde på omkring 100 til omkring +270 mesh. Mer spesielt kan partiklene spenne fra omkring -100 til omkring +200 mesh, og kan enda mer spesielt spenne fra omkring -140 til omkring +200 mesh.

Som et annet eksempel kan de mange sintrede wolframkarbidene 56 inkludere mange -60/+80 ASTM mesh sintrede wolframkarbidpellets og mange -120/+270 ASTM mesh sintrede wolframkarbidpellets. Det ikke-magnetiske, abrasive, slitasjebestandige materialet 54 kan inkludere, på vektbasis, mellom omkring 30 % og omkring 50 % av -60/+80 ASTM mesh sintrede wolframkarbidpellets og mellom omkring 15 % og omkring 20 % av 120/+270 ASTM mesh sintrede wolframkarbidpellets.

Støpte og sintrede pellets av karbider andre enn wolframkarbid kan også bli anvendt for å tilveiebringe ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig materiale 54. Slike andre karbider inkluderer kromkarbid, molybdenkarbid, niobkarbid, tantalkarbid, titankarbid eller vanadiumkarbid, eller en kombinasjon derav.

Den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 kan inkludere et ikke-magnetisk metallegeringsmateriale. Et hvilket som helst egnet ikke-magnetisk metallegeringsmateriale kan bli anvendt for ikke-magnetisk matrikslegering 60, inkludert en nikkel-basis, aluminium-basis, kobber-basis, magnesium-basis eller titan-basis legering, eller en kombinasjon derav. I én eksempelvis utførelsesform, kan det ikke-magnetiske metallegeringsmaterialet inkludere en nikkel-basert legering, og kan mer spesielt inkludere omkring 50 vektprosent eller mer av nikkel, og balansen er minst én annen legeringsbestanddel som tilveiebringer et ikke-magnetisk nikkel-basis legeringsmateriale, og kan mer spesielt inkludere C, Cr, Mo, Fe, Mn, Si, V, W, Cu, Nb, P, Al eller B, eller en kombinasjon derav. I tillegg til en legerende bestanddel, kan den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 også anvende et fluk-semateriale, slik som silikomangan, eller et bindemiddel, slik som et polymermate-riale. I én utførelsesform omfatter den minst ene legerende bestanddelen, i vektprosent, omkring 0,10 til omkring 0,74 C, opp til omkring 3,50 B, omkring 1,00 til omkring 4,50 Fe, omkring 2,25 til omkring 4,55 Si, opp til omkring 14,00 Cr, og en balanse av Ni. I en annen utførelsesform, omfatter den minst ene legerende bestanddelen, i vektprosent, omkring 0,10 til omkring 0,74 C, omkring 1,4 til omkring 3,50 B, omkring 1,00 til omkring 4,50 Fe, omkring 2,25 til omkring 4,55 Si, opp til omkring 14,00 Cr, og en balanse av Ni.

I én utførelsesform omfatter den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60, ved vektprosent av legeringen, omkring 0,01 til omkring 0,5 C, omkring 1,0 til omkring 4,0 B, omkring 2,0 til omkring 5,0 Si, og balansen Ni. I en annen utførelsesform, omfatter den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60, ved vektprosent av legeringen, omkring 0,05 til omkring 0,3 B, omkring 3,0 til omkring 5,5 Al og balansen Ni. I en annen utførelsesform omfatter den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60, ved vektprosent av legeringen, omkring 20,0 til omkring 23,0 Cr, omkring 0,5 til omkring 3,0 Fe, omkring 8,0 til omkring 10,0 Mo, omkring 3,0 til omkring 4,0 Nb, omkring 0,3 til omkring 0,7 Si, omkring 0,3 til omkring 0,7 Mn, og balansen Ni. I enda en annen utførelsesform omfatter den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60, ved vektprosent av legeringen, omkring 14,5 til omkring 16,5 Cr, omkring 4,0 til omkring 7,0 Fe, omkring 15,0 til omkring 17,0 Mo, omkring 3,0 til omkring 4,5 W, omkring 0,3 til omkring 0,7 Si, omkring 0,5 til omkring 1,0 Mn, omkring 0,1 til omkring 0,4 V, og balansen Ni.

I én eksempelvis utførelsesform, kan den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 omfatte et ferromagnetisk materiale som har en Curie-temperatur som er under et forutbestemt driftstemperaturområde for borestrengelementet 201 som det skal bli anvendt på, slik som, for eksempel, hvis et forutbestemt område av driftstemperaturer alle er større enn en omgivelsestemperatur, kan Curie-temperaturen bli valgt til å være under omgivelsestemperaturen (f.eks. 25 °C), slik at legeringen er ikke-magnetisk over hele området av forutbestemte driftstemperaturer som er større enn omgivelsestemperaturen. Den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60, inkludert legeringsbestanddelene, kan være valgt for å tilveiebringe en forutbestemt Curie-temperatur som er under en forutbestemt driftstemperatur-grense. For eksempel, i Ni-basis legeringer, kan Cr eller Mo legerende tilsetninger, eller en kombinasjon derav, bli anvendt for å senke Curie-temperaturen fra den for rent nikkel, som er omkring 358 °C til en forutbestemt Curie-temperatur som en driftsg rense.

I én eksempelvis utførelsesform kan den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 ha et smeltepunkt som er lavere enn smeltepunktet for det ikke-magnetiske bindemidlet 122.1 en annen eksempelvis utførelsesform kan den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 ha et smeltepunkt som er lavere enn smeltepunktet for det ikke-magnetiske bindemidlet 122 ved minst omkring 50 °C, og spesielt mellom omkring 50 °C og omkring 150 °C, og mer spesielt mellom omkring 75 °C og omkring 125 °C, og enda mer spesielt omkring 100 °C. I denne konfigurasjonen av den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 og ikke-magnetisk bindemiddel 122, ved styring av prosessen anvendt for å påføre det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54, kan den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 bli smeltet i løpet av påføring av materialet til en overflate av et borende verktøy eller komponent uten å smelte det ikke-magnetiske bindemidlet 122. Denne styringen av smeltetemperaturen i løpet av påføring av materialet kan også bli anvendt for å forhindre smeltingen av de ikke-magnetiske, støpte karbidene 58 eller metallkarbidpartiklene av de ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56. Dette mulig-gjør at det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 blir påført til en overflate av et borende verktøy ved lavere temperaturer for å minimere atomdiffusjon mellom de ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56 og den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60, så vel som mellom de ikke-magnetiske, støpte wolframkarbidene 58 og den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 i utfø-relsesformer hvor de støpte partiklene blir anvendt.

Som tidligere diskutert heri, vil det å minimere atomdiffusjon mellom den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 og de ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56 og de ikke-magnetiske, støpte wolframkarbidene 58, hjelpe til med å bevare den kjemiske sammensetningen og de fysiske egenskapene av den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60, de ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56, og de ikke-magnetiske, støpte wolframkarbidene 58 i løpet av påføring av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 til overflatene av ulike borestrengelementer 201, som beskrevet heri.

FIG. 5 er et forstørret riss av en sintret wolframkarbidpellet 56. Hardheten av den sintrede wolframkarbidpelleten 56 kan være hovedsakelig konsistent gjennom hele pelleten.

De ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56 kan ha høyere bruddseighet i forhold til de ikke-magnetiske, støpte wolframkarbidene 58, mens de ikke-magnetiske, støpte wolframkarbidene 58 kan ha høyere hardhet i forhold til de ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56. Ved anvendelse av matriksle-geringer 60 som beskrevet heri, kan bruddseigheten av de ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56 og hardheten av de ikke-magnetiske, støpte karbidene 58 bli bevart i det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 i løpet av påføring av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 til et borestrengelement 201, og derved tilveiebringe et ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig materiale 54 som er forbedret i forhold til abrasive, slitasje-bestandige materialer kjent innen faget.

Det fremlagte ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 kan bli påført til valgte områder, slik som de ytre slitasjeoverflatene som kontakter jordformasjonene, av ulike borestrengelementer 201 av en borestrengsammenstilling 200.1 én eksempelvis utførelsesform er ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig materiale 54 spesielt velegnet for anvendelse som et hardsveisingsmateriale for ulike borestrengelementer 201 som omfatter en borestrengsammenstilling 200 hyppig referert til som bunnhullsammenstillingen (BHA) som vist i FIG. 8 og FIG. 9 A-G som generelt bærer en jord-borende roterende borkrone 205 ved sin bunnende som blir ført inn i brønnboringen eller borehullet. Borstrengsam-menstillingen 200 blir vanligvis ført inn i brønnboringen ved et kveilet rør eller et borerør. I tilfellet med det kveilede røret, kan borkronen bli rotert ved en borende motor 215 eller "slammotor" som tilveiebringer rotasjonskraft til delen av borestrengen mellom motoren og borkronen når et borefluid blir pumpet fra overflaten inn i det kveilede røret. Borestrengen kan også bli rotert ved en kraftkilde (vanlig vis en elektrisk motor) ved overflaten, som roterer borerøret og således borkronen 205.

En BHA inkluderer generelt ulike anordninger, inkludert ulike formasjons-sensorerog instrumenter, for å bestemme ulike parametere av BHAen, eller jord-formasjonen som ligger omkring BHAen, i løpet av boringen av brønnboringen. Slike anordninger blir vanligvis referert til som måling-under-boring (MWD) anordninger 202 eller logging-under-boring (LWD) anordninger 204. Slike anordninger kan inkludere, for eksempel, en automatisk styreenhetanordning 210, eller en Co-PilotTM underanordning 212 anordning, så vel som assosierte sensorer og instrumentering. Den kan videre inkludere modulær slammotor 215 så vel som en stabilisatormansjett 220 for å stabilisere rotasjonen av borestrengsammenstilling-en 200 i denne andelen av borestrengen. Enda videre kan den inkludere en OnTrakTM MWD og LWD anordning 225 med sensorer og instrumentering for målinger som inkluderer retningsundersøkelser, temperatur, asimutal gammastråle, propageringsresistivitet, ringromstrykk eller vibrasjon, så vel som en stabilisatormansjett 220 assosiert med denne anordningen. Enda videre, kan BHAen inkludere en toveis kommunikasjons- og drivmodul (BDCPM) 232, så vel som en stabilisatormansjett 220 assosiert med denne anordningen. BHAen kan også inkludere en LithoTrakTM LWD anordning 202 med sensorer og instrumentering for å måle jordformasjonstetthet, nøytronporøsitet, borehullets indre geometri og formasjons-avbildning, så vel som en andre stabilisatormansjett 230 assosiert med denne anordningen. Videre kan BHAen inkludere en TesTrakTM MWD anordning 204, som inkluderer en optimalisert relasjonstetthetsanordning 240 og indre geometri korri-gert nøytronanordning (caliper corrected neutron device) 245, med sensorer og instrumentering for å måle formasjonstrykk og poretrykk, så vel som en tredje stabilisatormansjett 232 assosiert med denne anordningen. Enda videre kan BHAen inkludere en SoundTrakTM LWD akustisk anordning 250, med sensorer og instrumentering for å måle sanntid kompresjons- og skjærbølgereisetider, så vel som en første stabilisatormansjett 220 assosiert med denne anordningen. Enda videre kan BHAen inkludere en MagTrakTM magnetisk resonansanordning 255, med sensorer og instrumentering for å måle fluidegenskaper, porøsitet og fluidets volumetriske egenskaper. Andre borestrengelementer 201 inkluderer de som in-korporerer ulike elektromagnetisk propageringssensorer og instrumentering for å måle resistiviteten, den dielektriske konstanten eller vannmetning for formasjonen; nukleære sensorer for å bestemme porøsiteten av formasjonen og akustiske sensorer for å bestemme formasjonens akustiske hastighet og porøsitet. Andre anordninger inkluderer nedihullssensorer for å bestemme formasjonens tetthet og permeabilitet. BHAen kan også inkludere anordninger for å bestemme hellingen og asimuten, så vel som anordninger som inkluderer trykksensorer, temperatur-sensorer, gammastråleanordninger og anordninger som bistår i orientering av borkronen i en spesiell retning eller endring av boreretningen. Akustiske og resistivi-tetsanordninger og assosierte sensorer og instrumentering kan bli anvendt for å bestemme sjiktgrenser rundt og i noen tilfeller i front av borkronen 205. Kjerne-magnetisk resonans (NMR) anordninger og assosierte sensorer og instrumentering har blitt anvendt som MWD anordninger for å tilveiebringe direkte måling for vannmetningsporøsitet og indirekte målinger for permeabilitet og andre interessan-te formasjonsparametere.

BHAen, inkludert MWD eller LWD anordninger, eller andeler av borestrengen assosiert med disse anordningene, inkluderer ulike borestrengelementer 201, slik som vektrør, stabilisatormansjetter, hus eller andre borestrengelementer, som er lokalisert aksialt eller radialt nærliggende (eller begge deler) til disse anordningene. Som anvendt heri, kan aksialt nærliggende inkludere aksialt under (dvs. nærmere bunnen av borehullet) eller over (dvs. lenger fra bunnen av borehullet) disse anordningene. Som anvendt heri, kan radialt nærliggende inkludere radialt utover fra disse anordningene. Det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige hardsveisingsmaterialet 54 kan bli påført til en hvilken som helst egnet andel av disse borestrengelementene 201, spesielt en ytre overflate av disse elementene, og mer spesielt, en ytre overflate som har enten konstant eller diskontinuerlig kontakt med en jordformasjon. Det ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialet er egnet for påføring til borestrengelementer 201 som krever ikke-magnetiske eller i det minste reduserte eller kontrollerte magnetiske karakteristikker. For eksempel, kan det ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialet 54 bli anvendt med borestrengelementene 201 for å tilveiebringe kompatibilitet med instrumentering og sensorer utnyttet i BHAen som må være huset i ikke-magnetiske materialer som et designkrav, eller for å optimalisere deres ytelse. I en eksempelvis utførelsesform kan borestrengelementet 201 være et hovedsakelig sylindrisk legeme som har en ytre overflate. Det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 kan bli påført til det hele eller en hvilken som helst del av den ytre overflaten, og kan bli påført i en hvilken som helst egnet fasong, mønster eller tykkelse. Det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 kan bli påført som én eller flere heliske puter, aksialt utstrakte puter, fullstendig eller delvis periferiske bånd eller ringer. Det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 kan også, eventuelt, bli påført i sammenheng med et ikke-magnetisk intermediært materiale 192 som blir avsatt på overflaten av det ikke-magnetiske borestrengelementet 201, mellom elementet og det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54, som vist i FIG. 7B. Det ikke-magnetiske intermediære materialet 192 kan bli anvendt for å begrense smeltingen av overflaten av det ikke-magnetiske borestrengelementet 201 i løpet av påføring av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige hardsveisingsmaterialet 54, og derved redusere til-bøyeligheten til dannelsen av magnetiske faser som kan forekomme i den varmepåvirkede sonen 190 på grunn av smelting av materialet ved overflaten av borestrengelementet 201. Et hvilket som helst egnet materiale kan bli anvendt for ikke-magnetisk intermediært materiale 192, inkludert ulike Ni-basis legeringer, slik som ulike Inconellegeringer.

Ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialer som utformer lærene ifølge foreliggende oppfinnelse, slik som det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54, kan bli påført til de valgte overflatene av et borestrengelement 201 ved anvendelse av variasjoner av teknikker kjent innen faget. For eksempel kan et ikke-magnetisk hardsveisings-forstadium-materiale eller for-hånds-påføring av ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig materiale 54 som utformer lærene ifølge foreliggende oppfinnelse bli tilveiebrakt i form av en sveisetråd dannet av bestanddelene av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 beskrevet heri. Sveisetråden kan omfatte en fast støpt eller ekstrudert tråd bestående av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasjebestandige materialet 54. Alternativt kan sveisetråden omfatte et hult sylindrisk rør dannet av den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 og fylt med mange ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbider 56, så vel som mange ikke-magnetiske, støpte wolframkarbider 58 hvor ønsket. Andre former av de ikke-magnetiske hardsveisings-forstadium-materialene kan også bli anvendt, inkludert ulike frittflytende pulvere eller pastaer som inkluderer bestanddelene av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 og som kan bli påført til overflaten av borestreng elementet 201 før eller i sammenheng med oppvarming av materialet over smeltepunktet for det ikke-magnetiske matriksmaterialet, som beskrevet heri.

Refererer til FIG. 10, en fremgangsmåte 300 for å påføre et ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig hardsveisingsmateriale 54 til en overflate av et borestrengelement 201 er fremlagt. Fremgangsmåten 300 inkluderer å tilveiebringe 310 et ikke-magnetisk borestrengelement 201 dannet av et ikke-magnetisk materiale og som har en ytre overflate. Fremgangsmåten 300 inkluderer også å tilveiebringe 320 et ikke-magnetisk hardsveisings-forstadium-materiale som omfatter mange ikke-magnetiske, sintrede karbider 56 og et ikke-magnetisk matriksmateriale 60. Videre inkluderer fremgangsmåten 300 å varme opp 330 en andel av det ikke-magnetiske hardsveisings-forstadium-materialet til en temperatur over smeltepunktet for det ikke-magnetiske matriksmaterialet 60 for å smelte matriksmaterialet. Enda videre inkluderer fremgangsmåten å påføre 340 det smeltede ikke-magnetiske matriksmaterialet 60 og de mange ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56 til den ytre overflaten av borestrengelementet 201. Til slutt inkluderer fremgangsmåten 300 å størkne 350 det smeltede ikke-magnetiske matriksmaterialet 60 for å danne et lag av et ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale 54 som har mange ikke-magnetiske, sintrede karbider 56 finfordelt i hardsveisingsmaterialet.

Oppvarming 330 av det ikke-magnetiske hardsveisingsforstadiet som beskrevet heri kan bli gjennomført ved en hvilken som helst egnet oppvarmings-anordning eller oppvarmingsmetode. Det ikke-magnetiske hardsveisingsforstadiet og således det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 kan bli valgt, inkludert utvelgelse av bestanddelmaterialene og deres størrelser og relative mengder, basert på den valgte oppvarmingsanordningen eller oppvarmingsmeto-den.

I en eksempelvis utførelsesform, kan en hvilken som helst egnet type av sveisebrenner eller sveiseapparatur bli anvendt for å varme opp minst en andel av en sveisetråd av hardsveisings-forstadium-materialet til en forutbestemt temperatur over smeltepunktet for den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60. Den forutbestemte temperaturen kan være valgt for å, for eksempel, minimere utstrekningen av atomdiffusjon som forekommer mellom den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 og de ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56, så vel som ikke-magnetiske, støpte karbidene 58 når de blir anvendt. Den forutbestemte temperaturen kan også være valgt for å, for eksempel, styre temperaturen av overflaten som det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige hardsveisingsmaterialet 54 blir avsatt på ved sveising, og mer spesielt, naturen av den varmepåvirkede sonen 190 som vist i FIG. 7A. Selv om den forutbestemte temperaturen generelt vil bli valgt for å tilveiebringe noe smelting av overflaten, må den bli kontrollert for å begrense diffusjonen fra overflaten av det ikke-magnetiske borestrengelementet 201 til den varmepåvirkede sonen eller det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige hardsveisingsmaterialet 54. Mer spesielt skulle den bli kontrollert for å minimere smelting av overflaten og assosiert diffusjon tilstrekkelig til å muliggjøre dannelsen av magnetiske faser innen det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige hardsveisingsmaterialet 54, varmepåvirket sone 190 eller borestrengelement 201. For eksempel, i tilfellet hvor overflaten av borestrengelementet 201 omfatter et ikke-magnetisk rustfritt stål, slik som et austenittisk rustfritt stål, skulle oppvarmingen av overflaten av borestrengelementet 201 bli styrt for å minimere smelting og diffusjon av overflaten av borestrengelementet tilstrekkelig til å mulig-gjøre dannelsen av magnetiske faser, slik som ferritt, i enhver av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige hardsveisingsmaterialet 54, den varmepåvirkede sonen 190 eller borestrengelementet 201.

Raten av atomdiffusjon som forekommer mellom den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 og de ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56 og ikke-magnetiske, støpte karbidene 58 er minst delvis en funksjon av temperaturen som atomdiffusjon forekommer ved. Utstrekningen av atomdiffusjon er derfor minst delvis en funksjon av både temperaturen som atomdiffusjon forekommer ved og tiden som atomdiffusjon blir tillatt å forekomme i. Derfor kan utstrekningen av atomdiffusjon som forekommer mellom den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 og de ikke-magnetiske, sintrede karbidene 56 og ikke-magnetiske, støpte karbidene 58 bli kontrollert ved å styre sveiseparametere, inkludert avstanden og vinkelen mellom brenneren og sveisetråden (eller forstadium ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig materiale), og tiden som sveisetråden blir utsatt for varme produsert ved brenneren og andre faktorer.

Det er nødvendig å svakt smelte overflaten av borestrengelementet som det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 skal bli påført til like før påføring av det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 til overflaten. For eksempel kan en oksygen/acetylen eller atomisk hydrogen brenner bli brakt i tett nærhet til en overflate av et borestrengelement og anvendt for å varme overflaten til en tilstrekkelig høy temperatur til å svakt smelte eller "svette" overflaten. Sveisetråden som omfatter det ikke-magnetiske hardsveisings-forstadium-materialet 54 kan så bli brakt i tett nærhet til overflaten og avstanden mellom brenneren og sveisetråden kan bli regulert til å varme minst en andel av sveisetråden til en temperatur over smeltepunktet av den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60. Den smeltede ikke-magnetiske matrikslegeringen 60, minst noen av de ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56, og minst noen av de ikke-magnetiske, støpte wolframkarbidene 58 kan bli påført til overflaten av borestrengelementet, og den smeltede matrikslegeringen 60 bli størknet ved kontrollert kjøling. Raten for kjøling kan bli kontrollert for å styre mikrostrukturen og fysiske egenskaper for det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 og overflaten av borestrengelementet.

Alternativt kan det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 bli påført til en overflate av et borestrengelement ved anvendelse av en bue-sveiseteknikk, slik som en plasmaoverført bue (PTA) sveiseteknikk. For eksempel kan den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 være tilveiebrakt i form av et pulver (små partikler av matrikslegering 60). Mange sintrede wolframkarbider 56 og mange støpte wolframkarbider 58 kan bli blandet med den pulveriserte matrikslegeringen 60 for å tilveiebringe et forstadium-hardsveisingsmateriale i form av en pulverblanding. En plasmaoverført buesveisemaskin kan så bli anvendt for å varme minst en andel av forhåndspåførings slitasje-bestandig materiale til en temperatur over smeltepunktet for den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60.

Plasmaoverført buesveisemaskiner inkluderer typisk en ikke-konsumerbar elektrode som kan bli brakt i tett nærhet til substratet (borestrengelement) som materiale skal bli påført til. En plasmadannende gass blir tilveiebrakt mellom substratet og den ikke-konsumerbare elektroden, typisk i form av en kolonne av strømmende gass. En bue blir generert mellom elektroden og substratet for å ge-nerere en plasma i den plasma-dannende gassen. Det pulveriserte forstadium-hardsveisingsmaterialet kan bli ledet gjennom plasmaen og på en overflate av substratet ved anvendelse av en inert bærergass. Ettersom det pulveriserte forstadium-hardsveisingsmaterialet passerer gjennom plasmaen blir det varmet til en temperatur hvor minst noe av forstadium-hardsveisingsmaterialet vil smelte. Med én gang det minst delvis smeltede forstadium-hardsveisingsmaterialet har blitt avsatt på overflaten av substratet, blir forstadium-hardsveisingsmaterialet tillatt å størkne. Slike plasmaoverført buesveisemaskiner er kjent innen faget og kommer-sielt tilgjengelige.

Temperaturen som forstadium-hardsveisingsmaterialet blir varmet til ettersom materialet passerer gjennom plasmaen kan bli minst delvis styrt ved å styre strømmen som passerer mellom elektroden og substratet. For eksempel kan strømmen bli pulsert ved en valgt pulsrate mellom en høy strøm og en lav strøm. Den lave strømmen kan være valgt til å være tilstrekkelig høy til å smelte minst den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 i forstadium-hardsveisingsmaterialet, og den høye strømmen kan være tilstrekkelig høy til å smelte eller svette overflaten av substratet. Alternativt kan den lave strømmen bli valgt til å være for lav til å smelte noe av forstadium-hardsveisingsmaterialet, og den høye strømmen kan være tilstrekkelig høy til å varme minst en andel av det forhåndspåførings-slitasje-bestandige materialet til en temperatur over smeltepunktet for den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60. Dette kan minimere utstrekningen av atomdiffusjon som forekommer mellom den ikke-magnetiske matrikslegeringen 60 og de ikke-magnetiske, sintrede wolframkarbidene 56 og støpte wolframkarbider 58.

Andre sveiseteknikker, inkludert ulike buesveiseteknikker, slik som metall inert gass (MIG) buesveiseteknikker og wolfram inert gass (TIG) buesveiseteknikker, så vel som ulike lasersveiseteknikker, kan også bli anvendt for å påføre forstadium-hardsveisingsmaterialet til en overflate av et borestrengelement. Avheng-ig av evnen til den valgte sveisemetoden og assosiert utstyr, kan utstyret bli ope-rert på en kontinuerlig eller pulset måte, eller en kombinasjon derav. Flamme-spraysveising, laserplettering og IR pletteringsteknikker er også kjent innen faget og kan også bli anvendt for å påføre forstadium-hardsveisingsmaterialet.

Det ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialet 54 beskrevet heri tilveiebringer forbedret slitasjemotstand fremfor ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialer dannet ved anvendelse av bare støpte ikke-magnetiske karbidpartikler i et ikke-magnetisk matriksmateriale. Forbedringene er illustrert generelt i FIG. 11. To eksisterende ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialer som inkluderte støpte karbidpartikler i en ikke-magnetisk legeringsmatriks er vist som henholdsvis Legering 1 og Legering 2. Legering 1 ble påført til et ikke-magnetisk substrat ved anvendelse av en laser for å smelte forstadium-hardsveisingsmaterialet og danne hardsveisingen på substratet. Legering 2 ble påført ved anvendelse av oksy-gen/acetylensveising for å smelte forstadium-hardsveisingsmaterialet og danne hardsveisingen på substratet. To ikke-magnetiske, abrasive, slitasje-bestandige materialer 54 er vist som henholdsvis Legering 3 og Legering 4. Legering 3 og 4 inkluderte sintrede wolframkarbider 56 og støpte wolframkarbider 58 i en ikke-magnetisk matrikslegering 60 som beskrevet heri. Legering 3 ble også påført ved anvendelse av oksygen/acetylensveising for å smelte forstadium-hardsveisingsmaterialet og danne hardsveisingen på substratet. Legering ble på-ført ved anvendelse av plasmaoverført buesveising for å smelte forstadium-hardsveisingsmaterialet og danne hardsveisingen på substratet. Disse legeringene ble testet i en modifisert ASTM B-611 slitasjesimuleringstest. Materialene fremlagt heri viser en hovedsakelig forbedret slitasjemotstand sammenlignet med kommer-sielt tilgjengelige ikke-magnetiske hardsveisingsmaterialer som illustrert i FIG. 11.

Selv om én eller flere utførelsesformer har blitt vist og beskrevet, kan det bli gjort modifikasjoner og substitusjoner til disse uten å avvike fra ånden og omfang-et av oppfinnelsen. Det skal følgelig bli forstått at foreliggende oppfinnelse har blitt beskrevet ved hjelp av illustrasjoner og ikke begrensning.

Claims

1. Ikke-magnetisk, abrasivt, slitasje-bestandig hardsveisingsmateriale, som omfatter: mange ikke-magnetiske, sintrede karbidpellets; og en ikke-magnetisk matrikslegering, hvori de ikke-magnetiske, sintrede karbidpelletene er finfordelt innen den ikke-magnetiske matrikslegeringen.

2. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, som videre omfatter mange ikke-magnetiske, støpte karbidpartikler finfordelt innen den ikke-magnetiske matrikslegeringen.

3. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 2, hvori de ikke-magnetiske støpte karbidpartiklene omfatter en hovedsakelig sfærisk partikkelfasong, utjevnet uregelmessig partikkelfasong eller knust uregelmessig partikkelfasong, eller en kombinasjon derav.

4. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 2, hvori det ikke-magnetiske, sintrede karbidet og det ikke-magnetiske støpte karbidet omfatter omkring 40 til omkring 80 vektprosent av hardsveisingsmaterialet.

5. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 2, hvori de ikke-magnetiske, sintrede karbidpelletene har en gjennomsnittlig pelletstørrelse som er omkring 1,1 til omkring 5 ganger større enn en gjennomsnittlig partikkelstørrelse for de ikke-magnetiske støpte karbidpartiklene.

6. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, hvori hver av de ikke-magnetiske, sintrede karbidpelletene omfatter: et ikke-magnetisk bindemiddel; og mange partikler av et ikke-magnetisk, metallkarbid finfordelt innen det ikke-magnetiske bindemidlet.

7. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 6, hvori metallkarbidet omfatter kromkarbid, molybdenkarbid, niobkarbid, tantalkarbid, titankarbid, wolframkarbid, silisiumkarbid eller vanadiumkarbid, eller en kombinasjon derav.

8. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 6, hvori metallkarbidet omfatter WC.

9. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 6, hvori metallkarbidet omfatter omkring 90 til omkring 98 vektprosent av pelleten.

10. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 6, hvori partiklene av metallkarbid har en gjennomsnittlig størrelse av omkring 10 mikron eller mindre.

11. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 6, hvori partiklene av metallkarbid omfatter partikler med utjevnet uregelmessig fasong.

12. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 6, hvori bindemidlet omfatter et ikke-magnetisk metall.

13. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 6, hvori bindemidlet omfatter Ni.

14. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 6, hvori bindemidlet omfatter en Ni-legering som inkluderer Cr, Mo, Fe eller V, eller en kombinasjon derav.

15. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, hvori hardsveisingsmaterialet har en relativ magnetisk permeabilitet på mindre enn eller lik 1,01.

16. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, hvori de ikke-magnetiske, sintrede karbidpelletene omfatter hovedsakelig sfæriske pellets.

17. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, hvori de ikke-magnetiske, sintrede karbidpelletene omfatter knuste pellets.

18. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, hvori de ikke-magnetiske, sintrede karbidpelletene omfatter hovedsakelig sfæriske pellets og knuste pellets.

19. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, hvori den ikke-magnetiske matrikslegeringen omfatter en ikke-magnetisk metallegering.

20. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 19, hvori den ikke-magnetiske metallegeringen omfatter minst omkring 50 vektprosent av nikkel og en balanse av minst én legerende bestanddel.

21. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 20, hvori den minst ene legerende bestanddelen omfatter C, Cr, Mo, Fe, Mn, Si, V, W, Cu, Nb, P, Al eller B, eller en kombinasjon derav.

22. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 21, hvori den minst ene legerende bestanddelen omfatter, i vektprosent, omkring 0,10 til omkring 0,74 C, opp til omkring 3,50 B, omkring 1,00 til omkring 4,50 Fe, omkring 2,25 til omkring 4,55 Si, opp til omkring 14,00 Cr, og en balanse Ni.

23. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 21, hvori den minst ene legerende bestanddelen omfatter, i vektprosent, omkring 0,10 til omkring 0,74 C, omkring 1,4 til omkring 3,50 B, omkring 1,00 til omkring 4,50 Fe, omkring 2,25 til omkring 4,55 Si, opp til omkring 14,00 Cr, og balansen Ni.

24. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, hvori den ikke-magnetiske matrikslegeringen omfatter, i vektprosent av legeringen, omkring 0,01 til omkring 0,5 C, omkring 1,0 til omkring 4,0 B, omkring 2,0 til omkring 5,0 Si, og balansen Ni.

25. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, hvori den ikke-magnetiske matrikslegeringen omfatter, i vektprosent av legeringen, omkring 0,05 til omkring 0,3 B, omkring 3,0 til omkring 5,5 Al, og balansen Ni.

26. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, hvori den ikke-magnetiske matrikslegeringen omfatter, i vektprosent av legeringen, omkring 20,0 til omkring 23,0 Cr, omkring 0,5 til omkring 3,0 Fe, omkring 8,0 til omkring 10,0 Mo, omkring 3,0 til omkring 4,0 Nb, omkring 0,3 til omkring 0,7 Si, omkring 0,3 til omkring 0,7 Mn, og balansen Ni.

27. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, hvori den ikke-magnetiske matrikslegeringen omfatter, i vektprosent av legeringen, omkring 14,5 til omkring 16,5 Cr, omkring 4,0 til omkring 7,0 Fe, omkring 15,0 til omkring 17,0 Mo, omkring 3,0 til omkring 4,5 W, omkring 0,3 til omkring 0,7 Si, omkring 0,5 til omkring 1,0 Mn, omkring 0,1 til omkring 0,4 V, og balansen Ni.

28. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, hvori, på vektbasis av materialet, minst omkring 60 prosent av de ikke-magnetiske, sintrede karbidpelletene og balansen omfatter den ikke-magnetiske matrikslegeringen.

29. Ikke-magnetisk hardsveisingsmateriale ifølge krav 1, hvori hardsveisingsmaterialet omfatter et lag avsatt på en ytre overflate av et ikke-magnetisk borestrengelement.