井下使用的纤维增强工具的制作方法
【专利说明】井下使用的纤维増强工具
[0001] 发明背景
[0002] 本公开设及井下使用的增强工具，包括(但不限于)纤维增强钻头，W及与其相关 的生产和使用的相关联方法。
[0003] 在油气产业中在井下使用多种多样的工具，包括用于形成井筒的工具、用于完成 已经钻探的井筒的工具，W及用于自完井中生成诸如油气的碳氨化合物的工具。特定而言， 频繁使用切削工具来钻探油气井、地热井和水井。切削工具可W包括牙轮钻头、固定刀具钻 头、扩眼钻头、取忍钻头等等。例如，固定刀具钻头常由基体钻头体形成，所述基体钻头体具 有布置在基体钻头体外部周围的所选位置处的切削元件或插入件。在钻探期间，运些切削 元件接合且移除地下地层的邻近部分。
[0004] 复合材料可用于固定刀具钻头的基体钻头体中。运些材料通常耐腐蚀且展现出高 冲击强度。然而，运些复合材料可能是易碎的。结果，由于制造期间遭受的热应力或钻探期 间传送的机械应力可能发生应力开裂。运在复合材料的腐蚀加速时格外如此。
[0005] 附图简述
[0006] 包括附图W说明实施方案的特定方面，且所述附图不应被视为排外性实施方案。 如所属领域技术人员将出现且得益于本公开，所公开的标的物在形式和功能上具有相当大 的修改、替代、组合和等效，而不脱离本公开的范畴。
[0007] 图1是示出具有根据本公开的教导的至少一个纤维增强部分的基体钻头体的钻头 的一个实例的横截面图。
[0008] 图2是图1的钻头的等距视图。
[0009] 图3是示出用于形成根据本公开的教导的基体钻头体的铸模组合件的一个实例的 横截面图。
[0010] 图4是示出用于形成根据本公开的教导的基体钻头体的铸模组合件的一个实例的 端视图。
[0011] 图5是示出根据本公开的教导的基体钻头体的一个实例的横截面图。
[0012] 图6是示出根据本公开的教导的基体钻头体的一个实例的横截面图。
[0013] 图7是示出根据本公开的教导的基体钻头体的一个实例的横截面图。
[0014] 图8是示出根据本公开的教导的基体钻头体的一个实例的横截面图。
[0015] 图9是示出适于结合本公开的基体钻头使用的钻探组合件的一个实例的示意图。
[0016] 发明详述
[0017] 本公开设及纤维增强井下工具，和制造及使用运些纤维增强井下工具的方法。本 公开的教导可适用于可至少部分由复合材料形成且在与井筒或其它井下装置接触期间遭 受磨损的任何井下工具。运些工具可W包括用于钻井、完井和自井中生产碳氨化合物的工 具。运些工具的实例包括:切削工具，诸如钻头、扩眼钻头、稳定器和取屯、钻头;钻探工具，诸 如可旋转导向装置、泥浆电机；W及井下使用的其它工具，诸如窗机、封隔器、工具接头和其 它易磨损工具。
[0018] 举例而言，数个实施方案更特定而言设及一种具有带至少一个纤维增强部分的基 体钻头体的钻头。具有至少一个纤维增强部分的基体钻头体由于至少一部分是纤维增强的 而或者在本文中称为纤维增强基体钻头体。在一些实施方案中，可W至少部分用包括粘合 剂、基体颗粒和增强纤维的纤维增强硬复合材料部分形成本公开的井筒工具或其部分。如 本文所用，术语"增强纤维"指纵横比范围从等于临界纵横比(A。)至15倍于A。的纤维，其中Ac = 〇f/(2Tc)，〇f是增强纤维的极限拉伸强度，且Tc是增强纤维与粘合剂之间的界面剪切粘结 强度或粘合剂的屈服应力，取所述界面剪切粘结强度和所述屈服应力中较低的一者。如本 文所使用，术语"纤维"涵盖纤维、晶须、棒材、线材、犬骨型（dog bone)、带、盘、圆片、薄片、 环等等，及其杂合体。如本文所使用，术语"犬骨型"指如纤维、晶须或棒材的细长结构，其中 在结构的端处或附近的直径大于其中任何处的直径。如本文所使用，2维结构(例如，带、盘、 圆片、薄片或环）的纵横比指最长尺寸对厚度之比。
[0019] 不受理论的限制，据信多个纤维至少部分由于其组成和纵横比而将增强周边复合 材料W通过井筒工具或其部分的纤维增强硬复合材料部分抵抗开裂萌生和蔓延。减轻开裂 萌生和蔓延可W减少生产期间的废品率且增加使用之后井筒工具的使用期限。
[0020] 在一些实施方案中，本文所述的增强纤维可W具有范围在下限2、5、10、50、100或 250到上限500、250、100、50或25的纵横比，其中增强纤维的纵横比可^在任何下限到任何 上限的范围并且涵盖其中的任何子集。在一些实施方案中，可在本文所述的纤维增强硬复 合材料部分中使用两个或更多个至少在纵横比上有所不同的增强纤维。
[0021] 在一些实施方案中，本文所述的增强纤维可W具有范围在下限1微米、10微米或25 微米到上限300微米、200微米、100微米或50微米的直径，其中增强纤维的直径可W在任何 下限到任何上限的范围并且涵盖其中的任何子集。所属领域技术人员应明白，增强纤维的 长度将取决于增强纤维的直径W及增强纤维相对于在其中实施增强纤维的粘合剂的临界 纵横比W及增强纤维的组成。在一些实施方案中，可在本文所述的纤维增强硬复合材料部 分中使用两个或更多个至少在直径上有所不同的增强纤维。
[0022] 本文所述的增强纤维可W优选具有与粘合剂粘结的组合物，使得增加量的热应力 和机械应力（或载荷)可被传送到所述纤维。此外，与粘合剂粘结的组合物可能不太可能在 开裂蔓延时从粘合剂中拉出。
[0023] 此外，增强纤维的组合物可W优选耐受形成几乎不会与粘合剂材料形成合金或氧 化的纤维增强硬复合材料部分(本文更详细描述)时遭受的溫度和压力。然而，在一些情形 中，可改变大气状况(例如，经由减少压力或气体净化而实现的减少的氧含量）W减轻增强 纤维的氧化，而允许可能不适于在标准大气氧浓度中使用的组合物。
[0024] 在一些实施方案中，增强纤维的组合物可W具有大于粘合剂的烙点（例如，大于 l〇〇〇°C)的烙点。在一些实施方案中，增强纤维的组合物可W具有范围在下限1000°C、1250 °C、1500°C或2000°C到上限3800°(：、3500°(：、3000°(：或2500°(：的烙点，其中组合物的烙点的 范围可W在任何下限到任何上限并且涵盖其中的任何子集。
[0025] 在一些实施方案中，对于给定大气状况，增强纤维的组合物可W具有大于粘合剂 的烙点（例如，大于l〇〇〇°C)的氧化溫度。在一些实施方案中，对于给定大气状况，增强纤维 的组合物可W具有范围在下限1000°(：、1250°(：、1500°(：或2000°(：到上限3800°(：、3500°(：、 3000°C或2500°C的氧化溫度，其中组合物的氧化溫度的范围可W在任何下限到任何上限并 且涵盖其中的任何子集。
[0026] 用于结合本文所述实施方案使用的增强纤维的组合物实例可W包括(但不限于） 鹤、钢、妮、粗、鍊、铁、铭、钢、不诱钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、沉淀硬化钢、双相不诱 钢、铁合金、儀合金、铭合金、碳、耐火陶瓷、碳化娃、二氧化娃、氧化侣、二氧化铁、莫来石、氧 化错、氮化棚、碳化铁、氮化铁等及其任意组合。在一些实施方案中，可在本文所述的纤维增 强硬复合材料部分中使用两个或更多个至少在组合物上有所不同的增强纤维。
[0027] 在一些实施方案中，本文所述的纤维增强硬复合材料部分可W包括浓度按基体颗 粒重量计在范围从下限1 %、3 %或5 %到按基体颗粒重量计上限30 %、20 %或10 %的增强纤 维，其中增强纤维的浓度范围可W从任何下限到任何上限并且包括其中的任何子集。
[0028] 适于结合本文所述实施方案使用的粘合剂实例可包括(但不限于)铜、儀、钻、铁、 侣、钢、铭、儘、锡、锋、铅、娃、鹤、棚、憐、金、银、钮、铜、其任何混合物或其任何合金，W及其 任意组合。粘合剂的非限制实例可包括铜-憐、铜-憐-银、铜-儘-憐、铜-儀、铜-儘-儀、铜- 儘-锋、铜-儘-儀-锋、铜-儀铜、铜-锡-儘-儀、铜-锡-儘-儀-铁、金-儀、金-钮-儀、金-铜-儀、 银-铜-锋-儀、银-儘、银铜-锋-铜、银-铜-锡、钻-娃-铭-儀-鹤、钻-娃-铭-儀-鹤-棚、儘-儀- 钻-棚、儀-娃-铭、儀铭-娃-儘、儀-铭-娃、儀-娃-棚、儀-娃-铭-棚-铁、儀-憐、儀-儘、铜-侣、 铜-侣-儀、铜-侣-儀-铁、铜-侣-儀-锋-锡-铁等，W及其任意组合。市售粘合剂的实例可W 包括(但不限于)VIRGIN? Binder453D(铜-儘-儀-锋，购自Belmont Metals公司）；购自ATI Firth Sterling的铜-锡-儘-儀和铜-锡-儘-儀-铁等级516、519、523、512、518和520;及其 任意组合。
[0029] 虽然一些增强纤维的组合物和粘合剂可能会重叠，但是所属领域技术人员应明 白，增强纤维的组合物应被选择为具有大于在或高于粘合剂的烙点的纤维增强硬复合材料 部分生产溫度的烙点。
[0030] 在某些情形中，适于结合本文所述实施方案使用的基体颗粒可W包括金属颗粒、 金属合金、金属碳化物、金属氮化物、金刚石、高溫合金等等或其任意组合。适于结合本文所 述的实施方案使用的基体颗粒的实例可W包括颗粒，其包括(但不限于)氮化物、娃氮化物、 棚氮化物、立方氮化棚、天然金刚石、人造金刚石、硬质合金、球形碳化物、低合金烧结材料、 铸造碳化物、碳化娃、碳化棚、立方碳化棚、碳化钢、碳化铁、碳化粗、碳化妮、碳化