包括钌的硬面组合物、具有这样的硬面的钻地工具及相关方法
【专利说明】包括钌的硬面组合物、具有这样的硬面的钻地工具及相关方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2013年3月I日提交的未决的名称为“Hardfacing Composit1nsincluding Ruthenium, Earth-Boring Tools Having Such Hardfacing,and RelatedMethods”的美国专利申请序列号13/783，097的权益。
技术领域
本公开内容的实施方案整体上涉及硬面组合物，涉及包括这样的硬面组合物的钻地工具，并且涉及形成硬面和向钻地工具的表面施加硬面的方法。
背景
钻地工具通常用于在地层中形成(例如钻探和扩大)钻孔或井(以下“井眼”)。钻地工具例如包括旋转钻头、取心钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔钻、管下扩孔钻和磨机。
不同类型的钻地旋转钻头在本领域中是已知，例如包括固定式切刀钻头(在本领域中其通常被称为“刮刀”钻头)、滚动式切刀钻头(在本领域中其通常被称为“岩石”钻头)、超级磨料浸渍钻头和混合式钻头(其例如可以包括固定式切刀和滚动式动刀两者)。钻头旋转并推进到地下地层中。当钻头旋转时，切刀或其磨料结构切削、挤压、剪切和/或磨损掉地层材料以形成井眼。
钻头直接或间接地与在本领域中称作“钻柱”的端部连接，该钻柱包括一系列的端至端连接的狭长管状部分，其从地层表面延伸到井眼中。通常情况下，可以在正在钻探的井眼底部处的钻柱的远端处将各种工具和部件(包括钻头)连接在一起。在本领域中将工具和部件的这种组件称为“底孔组件”(BHA)。
通过使钻柱从地层表面旋转，可以使钻头在井眼内旋转，或通过将钻头与钻孔电动机连接，该钻孔电动机还与钻柱连接并且与井眼的底部邻近设置，可以使钻头旋转。井下电动机例如可以包含具有轴的液压Moineau型电动机，钻头与该轴连接，通过从地层表面栗送流体(例如钻探泥浆或流体)向下通过钻柱的中心、通过液压电动机、从钻头中的喷嘴离开并且通过井眼内钻柱的外表面和地层的暴露表面之间的环形空间向上回到地层表面，可使钻头旋转。
钻地工具的材料需要是相对坚硬且耐磨，以避免在工具的使用过程中的过量磨损。在努力增加钻地工具的耐磨性时，将复合材料施加到钻头的表面，所述表面经受磨损、侵蚀或磨损和侵蚀两者。通常将这些复合材料称为“硬面”材料。硬面材料典型地包括在连续的基体相内镶嵌的硬质材料晶粒。连续基体相通常包含金属合金，并且通常在本领域中被称为金属“粘合剂”，因为它将硬质材料晶粒结合在一起。
例如，硬面材料通常包括分散在整个铁基、镍基或钴基金属合金基体中的碳化钨颗粒。与基体材料相比，碳化钨颗粒相对硬，并且与碳化钨颗粒相比，基体材料相对有韧性。
在硬面材料中使用的碳化钨颗粒可以包含铸造碳化钨颗粒、烧结碳化钨颗粒和粗晶碳化钨颗粒中的一种或多种。碳化钨体系包括两种化学计量的化合物，WC^P W2C。铸造碳化钨通常包括WC和W2C化合物的共晶混合物。烧结碳化钨颗粒包括通过基体材料结合在一起的相对较小的WC颗粒。钴和钴合金通常用作烧结碳化钨颗粒中的基体材料。最后，粗晶碳化钨颗粒通常由WC单晶组成。
在本领域中已知的各种技术可用于向钻地工具的表面施加硬面。例如，自动和手动的焊接工艺可用于向钻地工具施加硬面。在一些手动工艺中，提供包含硬面的焊条，并且使用焊炬(例如氧乙炔焊炬或电弧焊炬)来加热所述条的端部和任选的工具表面，其中将向该表面施加硬面。将所述条的端部加热，直到至少所述基体材料开始熔化。随着在条的端部的基体材料开始熔化，将熔化的硬面施加到工具的表面。还将分散在基体材料中的硬质颗粒施加到熔融基体材料的表面。施加后，使熔融的基体材料冷却并凝固。
这样的焊条可以包含硬面的基本上实心的铸条，或它们可以包含由硬面的基体材料形成并且填充有硬质颗粒(例如碳化钨颗粒)的中空柱形管。在管状构造的焊条中，可密封该中空柱形管的至少一个端部。然后可以将所述管的密封端部熔化或焊接到钻地工具上的所需表面上。随着管熔化，中空柱形管内的碳化钨颗粒随着将熔融基体材料沉积在工具的表面上而与熔融基体材料混合。一种可替代的技术包括形成硬面的铸条。
火焰喷涂工艺也可用来向钻地工具施加硬面。在火焰喷涂工艺中，通过加压流体(例如加压气体)将包含硬质颗粒和基体材料颗粒的粉末运载到喷嘴。从喷嘴将粉末混合物喷出，并通过朝向工具表面的火焰，其中将向该工具表面施加硬面。火焰使基体材料颗粒至少部分熔化。随着将材料喷到工具上，熔融基体材料冷却并凝固，并且硬质颗粒变得镶嵌于基体材料中，以形成所述工具的表面上的硬面。
各种类型的电弧焊接方法在本领域中是已知的，并且可以用于向钻地工具的表面施加硬面。例如，金属一惰性气体(MIG)焊接工艺、钨-惰性气体(TIG)焊接工艺和等离子体转移弧(PTA)焊接工艺可用于向钻地工具的表面施加硬面。
简述
[0014]在一些实施方案中，本公开内容包括硬面组合物，其包含包括钌(例如至少约5.0wt%IT )的钴基金属合金和镶嵌在钴基金属合金内的硬质材料晶粒。
[0015]在另外的实施方案中，本公开内容包括钻地工具，其包含本体和布置在所述本体的表面上的至少一种硬面材料。该至少一种硬面材料包含包括^!了(例如至少约5.0wt%IT)的钴基金属合金和镶嵌在钴基金属合金内的硬质材料晶粒。
[0016]在又进一步的实施方案中，本公开内容包括向钻地工具的表面施加硬面组合物的方法。按照该方法，在钻地工具的表面上将硬质材料晶粒镶嵌在包括钌(例如至少约
5.0wt%IT )的恪融钴基金属合金中，和使在其中镶嵌硬质材料颗粒的恪融钴基金属合金冷却和凝固。
附图简要说明
虽然本申请文件以特别地指出并清楚地要求保护被认为是本公开的实施方案的权利要求结尾，但是本公开内容的不同特征和优点将根据下文对参考附图提供的示例性实施方案的说明而更加容易地得到确定，其中:
图1是说明通常由钴一烧结碳化钨材料级别表现出的断裂韧性与耐磨性之间的关系的图；
图2是钴-钌相图，还包括杨氏模量随着钴-钌体系中的钌含量变化的图； 图3是本公开内容的硬面材料的实施方案的简化图，该硬面材料包括在钴基金属合金基体(包括钌)中的不连续硬质相；
图4是本公开内容的硬面材料的实施方案的简化图，该硬面材料包括包含在第一钴基金属合金基体(包括钌)中的不连续硬质相的颗粒，该颗粒设置在第二连续的金属基体相中；
图5是本公开内容的焊条的实施方案的透视图，如本文所述，该焊条包括硬质颗粒和包括钌的钴基金属合金；
图6A是本公开内容的焊条的另一个实施方案的透视图，如本文所述，该焊条包括硬质颗粒和包括钌的钴基金属合金；
图6B是在图6A中所示的焊条的纵向横截面视图；
图7是本公开内容的牙轮钻地旋转钻头的实施方案的侧视图，其包括如本文所述的硬面材料；和
图8是本公开内容的固定式切刀钻地旋转钻头的实施方案的透视图，其包括如本文所述的硬面材料。
详细说明
在这里所呈现的说明不是任何特定的钻地工具、切削元件或其部件的实际视图，而是用于描述本公开内容的实施方案的仅仅理想化的表示。
如本文所用，术语“钻地工具”是指并包括用于去除地层材料并且通过去除地层材料而形成穿过地层的孔(例如井眼)的任何工具。钻地工具例如包括旋转钻头(例如固定式切刀或“刮刀”钻头和牙轮或“岩石”钻头)，包括固定式切刀和辊元件两者的混合式钻头、取心钻头、冲击钻头、双中心钻头、扩孔钻(包括