专利名称：用于地钻钻头的硼铝镁覆层的制作方法
技术领域：
本申请基本涉及用于改进例如旋转牙轮地钻钻头的井下工具的抗磨损性同时减 小其摩擦力的硬质覆层，特别涉及由硼、铝和镁形成的覆层。
背景技术：
在石油和天然气钻井中使用的一种地钻钻头具有安装在钻头体的支承销上的可 旋转牙轮。用于牙轮的支承系统可以是轴颈支承或圆柱形滚柱轴承。支承系统还包括位于 牙轮和支承销之间的止推面。密封系统密封支承系统内的润滑剂。密封系统可以为金属面 密封组件，其中弹性体部件压迫金属面密封件与配对的密封件滑动接合。替代性地，密封系 统可以包括弹性体密封件，其滑动接合支承销上的环形套轴颈。已知的是轴颈支承可以是环绕支承销固定安装的支承环，而不是支承销自身提供 轴颈面。已知用于地钻钻头支承结构的密封系统可以使用环绕支承销安装的套管作为密封 套，而不是直接在支承销上形成密封套。延长支承系统使用寿命是地钻钻头制造者一贯的目标。已知有多种材料，例如金 刚石或类金刚石材料，可以被使用作为支承系统的轴承以及密封表面，以延长其寿命。最新类型的重量轻、超硬、耐磨损陶瓷是合成的三元硼化物。这些材料包括铝镁 硼与作为掺杂剂的少量原子百分比的IV族或V族元素的合金。AlMgBH金属间化合物是 基于位于具有64个原子的斜方晶胞中的四个B12正二十面体。正二十面体定位于(0，0， 0)、(0，1/2，1/2)、(1/2，0，0)和(1/2，1/2，1/2)，同时 Al 原子在(1/4，3/4，1/4)处占据四重 (four-fold)位置，Mg原子在(0. 25,0. 359,0)处占据四重位置。这种材料的硬度和耐磨性 归因于每个正二十面体内部的复杂相互作用(二十面体内部作用力)和正二十面体之间的 相互作用(二十面体之间作用力)。六方晶系的正二十面体以变形的、紧密压缩的层状布 置。包括AlMgBH及其合金或掺杂剂的材料族在此被称为“BAM”材料。合金或者掺 杂剂可以包括以下材料中至少之一硼化钛(TiB2)；碳化钛(TiC)加铁、镍和碳；氮化硅 (Si3N4)粉末或者晶须化的氮化硅(Si3N4)；碳化硼(B4C)；硼化钛(TiB2)和硼化钨(W2B4)。 合金化的过程可以通过机械式合金工艺来实现，并且通过真空热压来巩固；或者可以通过 激光消融和/或磁控溅射的工艺来实现。这些合金添加剂可以使硬度增加高达10 20% (取决于具体使用的掺杂剂)。掺 杂剂在纳米相晶粒度(grain size)减至IOOnm(纳米)的材料中产生明显不同的相。术语 “纳米相(nanophase) ”是用来描述材料具有小于IOOnm的相或者说状态(phase)。另外，一 些晶须化材料具有直径在纳米级的纤维。上述“晶须化(whiskered)”材料是纤维状化合物 的形式。在易碎的材料中，其通常包括小体积率的单一化合物或相的纤维以及另外的无纤维的大体积率相，或者所述小体积率的纤维位于所述另外的无纤维的大体积率相中。大体 积率相有时被视为“母材”相。掺杂剂的主要目的是转移和偏移裂纹通过主体的传播，并随 后在两个破裂表面试图分离并且拉拔出嵌入物时通过摩擦而做负功，从而使母材中的纤维 保持原样。在陶瓷复合物中，晶须(或纤维)的长度可以在几微米到几百微米之间，直径在 几微米，并且长度和直径能减小到纳米级。有很多参数决定组合物中使用的纤维的尺寸和 体积率的优化。BAM合金材料的一种应用是工业目的的耐磨切削工具。本领域技术人员并没有意 识到或者被教导BAM合金材料可以用于支承系统。
发明内容
一种井下工具，其具有至少一个可旋转部件、支承系统以及密封件，所述支承系统 包括具有支承表面的支承部件，其中所述可旋转部件在所述支承表面上旋转；所述密封件 具有密封表面，所述密封表面与一配合的密封表面滑动接合以保持所述支承系统内的润滑 剂。上述表面中的至少一个表面包括AlMgBH合金材料以延长支承系统的寿命。所述合金材料可以包括由如下材料构成的掺杂剂或者说合金添加剂硼化钛 (TiB2)；碳化钛(TiC)加铁，镍和碳；氮化硅(Si3N4)粉末；晶须化氮化硅(Si3N4)；碳化硼 (B4C)；硼化钛(TiB2)或者硼化钨(W2B4)。所述掺杂剂在所述合金材料中产生晶粒度小于 100纳米的相。如果使用晶须化氮化硅，则所述晶须化氮化硅可以包括直径小于100纳米的 纤维。所述AlMgBH合金材料可以是位于所述支承系统的所述至少一个表面上的覆层。 替代性地，所述AlMgBH合金材料可以是结合到所述支承系统的一个所述表面上的独立结 构，或者形成为所述支承系统的一个所述表面。AlMgBH合金材料可以位于支承部件的圆柱形轴颈面上，或形成支承部件的圆柱 形轴颈面。AlMgBH合金材料可以是支承部件上的平坦圆形止推面。如果钻井工具使用滚 柱轴承，则AlMgBH合金材料可以位于滚柱轴承的圆柱形表面上。AlMgBH合金材料可以在至少一个所述密封表面上。例如AlMgBH合金材料可 以在刚性面密封组件的密封表面上。如果使用弹性体密封件而不是刚性面密封组件，那么 AlMgBH合金材料可以在与弹性体密封件滑动接合的密封套上。
图1为施加有根据本发明的覆层的地钻钻头的牙轮和牙轮钻头巴掌的部分剖视 图；图2是具有支承套的地钻钻头的支承销的透视图，支承套具有根据本发明实施的 表面处理；图3是地钻钻头牙轮和具有滚柱轴承的支承销的部分剖视图，滚柱轴承和其它表 面具有根据本发明的表面处理；图4是用于地钻钻头的金属表面密封件的放大部分剖视图，金属表面密封件具有 根据本发明实施的表面处理；图5为示出用于浮动插入环的弹性体密封件的剖视图，插入环能够用于上述任何实施方式并具有根据本发明实施的表面处理；图6为可以用于上述任何实施方式的止推垫圈的剖视图，止推垫圈具有根据本发 明的表面处理。
具体实施例方式参见图1，其示出了钻井工具的一个实例。图中显示了地钻钻头的牙轮钻头巴掌 11，所述钻头典型地具有三个牙轮钻头巴掌11。支承部件或销13从牙轮钻头巴掌11向下 和向内延伸。支承销13具有圆柱形轴颈面，所述轴颈面向下和向内面向止推肩部或面15 终止。轴颈面的下部是支承销13上在钻进过程中要承受最大力的部分。圆柱形前突部17 从止推面15向下且向内延伸。可旋转部件——在此实例中包括牙轮19——可旋转的安装在支承销13上。牙轮 19具有与支承销13的构造一致的空腔21。牙轮19可以通过多个锁定部件或滚珠23被保 持在支承销13上。滚珠23位于形成于支承销13和空腔21上的配合的支承滚道25中。 牙轮19具有多个切削部件27，所述切削部件从牙轮上突出，以用于破碎地岩。一密封件31 与支承销13上邻近支承销13连接牙轮钻头巴掌11的部位的密封表面30动态、滑动接触。 密封件31示出为弹性体密封件，但其可以是金属表面密封装置。空腔21中填充有润滑剂， 密封件31密封空腔21中的润滑剂，同时防止来自正被钻进的井孔的钻进液的侵蚀。支承 销13和牙轮19的外壳或主体典型地由金属制成。支承系统的多个表面中的至少一个表面是包含合成的三元硼化物的超硬和耐磨 的陶瓷材料，特别包括AlMgBH材料。这种材料包括铝镁硼与作为掺杂剂的少量原子百分 比的IV族或V族元素的合金。AlMgBH金属间化合物是基于位于具有64个原子的斜方晶胞 中的四个B12正二十面体。正二十面体定位于(0，0，0)、(0，1/2，1/2)、(1/2，0，0)和(1/2， 1/2，1/2)，同时Al原子在(1/4，3/4，1/4)处占据四重(four-fold)位置，Mg原子在(0. 25， 0359,0)处占据四重位置。这种材料的硬度和耐磨性归因于每个正二十面体内部的复杂相 互作用(二十面体内部作用力)和正二十面体之间的相互作用(二十面体之间作用力)。 六方晶系的正二十面体以变形的、紧密压缩的层状布置。包括AlMgBH及其合金或掺杂剂的材料族在此被称为“BAM”材料。合金或者掺 杂剂可以包括以下材料中至少之一硼化钛(TiB2)；碳化钛(TiC)加铁、镍和碳；氮化硅 (Si3N4)粉末或者晶须化的氮化硅(Si3N4)；碳化硼(B4C)；硼化钛(TiB2)和硼化钨(W2B4)。 在晶须化的形式下，可以使用一些非氮化硅的掺杂剂。合金化的过程可以通过机械式合金 工艺来实现，并且通过真空热压来巩固；或者可以通过激光消融和/或磁控溅射的工艺来 实现。这些合金添加剂可以使硬度增加高达10 20% (取决于具体使用的掺杂剂)。掺 杂剂在纳米相晶粒度(grain size)减至IOOnm(纳米)的材料中产生明显不同的相。术语 “纳米相(nanophase) ”是用来描述材料具有小于IOOnm的相或者说状态(phase)。另外，一 些晶须化材料具有直径在纳米级的纤维。上述“晶须化(whiskered)”材料是纤维状化合物 的形式。在易碎的材料中，其通常包括小体积率的单一化合物或相的纤维以及另外的无纤 维的大体积率相，或者所述小体积率的纤维位于所述另外的无纤维的大体积率相中。大体 积率相有时被视为“母材”相。掺杂剂的主要目的是转移和偏移裂纹通过主体的传播，并随后在两个破裂表面试图分离并且拉拔出嵌入物时通过摩擦而做负功，从而使母材中的纤维 保持原样。在陶瓷复合物中，晶须(或纤维)的长度可以在几微米到几百微米之间，直径在 几微米，并且长度和直径能减小到纳米级。有很多参数决定组合物中使用的纤维的尺寸和 体积率的优化。BAM材料可以形成为连接到井下工具的独立结构部件。替代性地，BAM材料可以作 为薄膜覆层进行施加。支承销13和/或空腔21可以具有多个BAM表面处理部四以延长支承销13和牙 轮19之间的支承表面的寿命。术语“BAM表面处理部”是指连接到支承销13和/或牙轮 空腔21的各部分的、由BAM材料构成的结实的独立部件，或者指施加在支承销13和/或牙 轮空腔21的金属表面上的覆层。在图示中，BAM表面处理部四位于支承销13的圆柱形轴 颈面上。可选地，BAM表面处理部四可以仅仅位于支承销13的下侧或压力侧。相应的BAM 处理部四同样可以施加在空腔21的配合部分上。或者，空腔21的配合部分可以包括软的 金属，例如银。BAM表面处理部四还可以位于止推面15和前突部17的圆柱形部分上。通常，前 突部17的平坦端不与牙轮空腔21中的表面接合，所有的推力都由止推面15来应对。BAM 表面处理部四同样可以作为涂层施加在滚珠23和滚道25上。每个BAM表面处理部四可 以与钢质表面、包括BAM表面处理部四的另一个表面、软金属表面或其它类型的表面动态 接触。图2示出了 BAM表面处理部的另一个实施例。牙轮钻头巴掌33具有大体如上所 述的支承销35。然而在此实施例中，轴颈支承表面并不是直接形成于支承销35上。作为上 述方式的替代，支承环37被压配或以其它方式固定在支承销35上。支承销37可以整个由 BAM材料制成，或者可以是一钢质部件，其中该钢质部件至少在其外部圆柱形表面的下侧具 有BAM表面处理部。另外，图2所示钻头可以在密封接合表面或密封表面43上具有BAM表面处理部。 密封表面43位于支承环37和牙轮钻头巴掌33之间，其为环形表面并将由弹性体密封件接 合，在图2中未示出弹性体密封件。图2中的支承销35同样可以具有如图1中所示那样的 止推面39和前突部41。止推面39和前突部41的圆柱形表面可以具有如结合图1所描述 的那样的BAM表面处理部。参见图3，其示出了稍微有所不同的牙轮钻头巴掌45和支承销47。在此实施例 中，支承销47具有与上面描述类似的止推面49和前突部51。牙轮53滑动接合支承销47 并相对其旋转；没有使用圆柱形轴颈支承表面，而是使用滚柱轴承阳。滚柱轴承55包括单 独的圆柱形部件，所述圆柱形部件位于与图1和2中轴颈面所处位置相同的区域。牙轮53 具有切削部件59，并且可以被滚珠57以如上所述相同的方式保持。金属表面密封件61将 润滑剂密封在牙轮53的空腔中。BAM表面处理部可以施加在支承销47上和牙轮53内的多 个位置。这些部位可以包括止推面49、滚柱轴承55、滚珠57和与密封件61接合的动态密 封表面。参见图4，其示出了一种可以用来代替图1中所示弹性体密封件31的不同类型的 密封装置。图4中所示的金属面或刚性面密封组件位于牙轮钻头巴掌63和牙轮67之间的 密封套65中。牙轮67可以具有位于其空腔内的、随着牙轮67旋转的套筒69。金属或刚性密封环71和金属或刚性牙轮套筒69具有互相滑动接合的配合的端面73。刚性端面73中 的两者或其中之一具有BAM表面处理部，该BAM表面处理部可以是覆层或连接到端面73上 的独立部件。与传统的这种类型的金属面密封件一样，弹性增能环(energizer ring) 75施 加力至金属密封环71上，使其抵靠牙轮套筒69的端面73。增能环75是不旋转的，并在牙 轮钻头巴掌63中的密封套65和金属密封环71之间变形。弹性体材料的支撑环77可以在 密封套65中、于增能环75的一侧和金属密封环71的一端之间变形。图5示出了可以用来替换图1中的弹性体密封件31和图3中的金属面密封件61 的密封组件的另一个实施方式。在图5中，牙轮钻头巴掌79具有向下和向内延伸的支承销 81。浮动套83在支承销81上滑动，并相对于支承销81不可转动地固定。然而，套83相对 于支承销81的轴线可以稍微地移动，因为其内部直径稍微大于支承销81的外部直径。浮 动套83相对于支承销81的轴线还可以稍微翘起。牙轮85具有成型在其上的密封凹槽或 凹进部。弹性体动态密封件89位于凹进部87中并抵靠着浮动套83变形。动态密封件89 通常将随着牙轮85 —起旋转，并且抵靠着浮动套83的外部圆柱形表面滑动。优选地，BAM 表面处理部91设置在浮动套83的与动态密封件89滑动接合的部分上。静态密封件93位 于支承销81的凹槽中以接合浮动套83的内径。图6示出了止推垫圈95，其可以使用在图1中的止推面15和牙轮19的空腔中的 配合表面之间。该止推垫圈同样可以使用于图2中的止推面39和牙轮的装配于支承销35 上的配合表面之间。该止推垫圈同样可以用于图3中的止推面49和牙轮53中的配合表面 之间。止推垫圈95是一个扁平的垫圈，其有外径97和内径99。内径99可以在支承销的 前突部上滑动，并可以可选地不能相对于支承销转动。止推垫圈95在其一侧或两侧都包括 BAM表面处理101部。如上所述，图1-6中所述的各BAM表面处理部可以是连接到钻井工具的独立部件， 也可以是覆层。如果是覆层，其可以通过多种方式施加。所述覆层可以以陶瓷粉末、陶瓷覆 层、从目标喷涂的薄膜覆层、厚膜激光成型或消融粉末、厚膜等离子喷射粉末以及其它现有 技术中已知类型或相似类型的覆层技术来施加。BAM合金材料具有非常好的抗磨损性能和低摩擦系数，这使其特别适合用于钻头 旋转牙轮的支承系统。尽管说明书中仅仅公开了少量的实施方式，但是对于本领域技术人员而言显然可 以进行多种改变和修正。例如，BAM合金材料可以用于无润滑支承系统，例如空气钻井钻头， 以及具有支承系统的钻头。另外，BAM合金材料还可以用于非常规三牙轮钻头的其他地钻 钻头的支承系统。
权利要求
1.一种井下工具，其具有至少一个可旋转部件、支承系统以及密封件，所述支承系统 包括具有支承表面的支承部件，其中所述可旋转部件在所述支承表面上旋转；所述密封件 具有密封表面，所述密封表面与一配合的密封表面滑动接合以保持所述支承系统内的润滑 剂，其特征在于上述支承和密封表面中的至少一个表面包括AlMgBH合金材料。
2.如权利要求1所述的井下工具，其中所述合金材料还包括选自由如下材料构成的组 的掺杂剂硼化钛(TiB2)；碳化钛(TiC)加铁，镍和碳；氮化硅(Si3N4)粉末；晶须化氮化硅 (Si3N4)；碳化硼(B4C)；硼化钛(TiB2)；以及硼化钨(W2B4)。
3.如权利要求2所述的井下工具，其中所述掺杂剂在所述合金材料中产生晶粒度小于 100纳米的相。
4.如权利要求2所述的井下工具，其中所述晶须化氮化硅包括直径小于100纳米的纤维。
5.如权利要求1所述的井下工具，其中所述AlMgBH合金材料包括在所述至少一个表面上的覆层。
6.如权利要求1所述的井下工具，其中所述AlMgBH合金材料包括结合到所述至少一 个表面上的独立结构。
7.如权利要求1所述的井下工具，其中所述至少一个表面为至少一个所述支承表面， 其包括位于所述支承部件上的圆柱形轴颈面。
8.如权利要求1所述的井下工具，其中所述至少一个表面为至少一个所述支承表面， 其包括位于所述支承部件上的平坦圆形止推面。
9.如权利要求1所述的井下工具，其中所述至少一个表面为至少一个所述支承表面， 其包括滚柱轴承的圆柱形表面。
10.如权利要求1所述的井下工具，其中所述至少一个表面为至少一个所述密封表面， 其包括刚性面密封组件的密封面。
11.如权利要求1所述的井下工具，其中所述至少一个表面为所述配合的密封表面，其 包括位于所述支承部件上的环形密封套，所述密封套与一弹性体密封环滑动接合。
12.—种地钻钻头，包括至少一个具有外部切削部件的可旋转牙轮； 支承系统，包括具有支承表面的支承销，所述牙轮在所述支承表面上旋转；具有密封表面的密封件，所述密封表面与一配合的密封表面滑动接合，以保持所述支 承系统内的润滑剂；上述支承和密封表面中的至少一个表面包括AlMgBH合金材料；AlMgBH支承材料 具有从由以下材料构成的组中选取的合金添加剂硼化钛(TB2)；碳化钛(TiC)加铁，镍 和碳；氮化硅(Si3N4)粉末；晶须化氮化硅(Si3N4)；碳化硼(B4C)；硼化钛(TiB2)；硼化钨 (W2B4)。
13.如权利要求12所述的钻头，其中所述至少一个表面为至少一个所述支承表面，其 包括一支承环的外部表面，所述支承环固定安装于所述支承销上并限定支承轴颈。
14.如权利要求12所述的钻头，其中所述至少一个表面为至少一个所述支承表面，其包括固定安装在所述支承销的止推面上的平坦圆形盘。
15.如权利要求12所述的钻头，其中所述至少一个表面为至少一个所述支承表面，其 包括滚柱轴承的圆柱形表面。
16.如权利要求12所述的钻头，其中所述至少一个表面为至少一个所述密封表面，其 包括刚性面密封组件的刚性密封面。
17.如权利要求12所述的钻头，其中所述至少一个表面为所述配合的密封表面，其包 括围绕所述支承销安装并与一弹性体密封环滑动接合的套筒。
18.如权利要求12所述的钻头，其中所述AlMgBH合金材料包括所述至少一个表面上 的覆层。
19.如权利要求12所述的钻头，其中所述AlMgBH合盒材料包括结合到所述至少一个 表面上的独立结构。
20.—种地钻钻头，包括具有外部切削部件的至少一个可旋转牙轮，所述牙轮具有包括支承表面的空腔；支承销，其具有支承表面，所述牙轮的支承表面在所述支承销的支承表面上旋转；至少一个支承表面，其包括AlMgBH合金覆层；AlMgBH支承覆层具有从由以下材料构 成的组中选取的合金添加剂硼化钛(TiB2)；碳化钛(TiC)加铁，镍和碳；氮化硅(Si3N4)粉 末；晶须化氮化硅(Si3N4)；碳化硼(B4C)；硼化钛(TiB2)；以及硼化钨(W2B2)。
21.如权利要求20所述的钻头，其中所述支承销的支承表面包括一支承环的外部表面，所述支承环固定安装于所述支承销 上并限定支承轴颈；所述覆层位于所述支承环的外部表面上。
全文摘要
一种旋转牙轮地钻钻头，具有支承系统，所述支承系统的至少一个表面是AlMgB14合金材料。所述合金材料还包括合金添加剂，所述合金添加剂可以是硼化钛(TiB2)；碳化钛(TiC)加铁，镍和碳；氮化硅(Si3N4)粉末；晶须化氮化硅(Si3N4)；碳化硼(B4C)；硼化钛(TiB2)；或者硼化钨(W2B4)。包含AlMgB14合金材料的表面可以是支承销上的轴颈面或止推面。包含AlMgB14合金材料的表面既可以是金属面密封的密封表面，也可以是支承销上的与弹性体密封环接合的管的密封表面。AlMgB14合金材料可以是覆层或其可以是支承系统中的独立结构部件。
文档编号E21B10/22GK102128009SQ20111004090
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月13日 优先权日2010年1月13日
发明者A·A·迪吉奥凡尼, A·J·迪克 申请人:贝克休斯公司