和纤维增强硬复合 材料部分131。纤维增强硬复合材料部分131被示出定位成接近喷嘴开口 54和凹口 58。
[0055] 在一些实施方案中，增强纤维可W通过在纤维增强硬复合材料部分各处在浓度、 纤维类型或两者上有所改变。类似于局部化，在一些情形中，改变增强纤维的浓度、组成或 两者增强纤维可用来减轻开裂萌生和蔓延，同时最小化可能与一些增强纤维相关联的额外 成本。此外，在基体钻头体内改变增强纤维的浓度、组成或两者可用来减轻与使用纤维相关 联的腐蚀属性的任何减少。
[0056] 例如，图7是示出用包括根据本公开的教导的纤维增强硬复合材料部分131的基体 钻头体50形成的基体钻头20的一个实例的横截面图。增强纤维的浓度从基体钻头体50的尖 端到杆降低或逐渐降低(如基体钻头体50的点刻度所示）。如所示，纤维增强硬复合材料部 分131的最高浓度邻近喷嘴开口 54和凹口 58且其较低浓度邻近金属巧料36。
[0057] 在一些情形中，纤维增强硬复合材料部分中的增强纤维的浓度变化可W是逐渐 的。在一些情况中，浓度变化可W是更加明显且类分层或局部化。例如，图8是示出用基体钻 头体50形成的基体钻头20的一个实例的横截面图，所述基体钻头体50包括根据本公开的教 导的硬复合材料部分132和纤维增强硬复合材料部分131。纤维增强硬复合材料部分131被 示出定位成接近层131a、131b和131c中的喷嘴开口 54和凹口 58。具有最高增强纤维浓度的 层131a被示出定位成接近喷嘴开口 54和凹口 58。具有最低增强纤维浓度的层131c被示出定 位成接近硬复合材料部分132。具有最高增强纤维浓度的层131a被示出布置在层131a与 131c之间。
[005引或者，层131a、13化和131c的纤维增强硬复合材料部分可W随增强纤维的类型而 不是浓度改变上或除其之外而不同。
[0059] 所属领域技术人员应明白将适于生成基体钻头体的硬复合材料部分和纤维增强 硬复合材料部分的各个构造和位置(包括不同的增强纤维浓度及具有开裂萌生和蔓延 的减少倾向的所得基体钻头。
[0060] 此外，所属领域技术人员应明白修改图4的基体材料130的组成W根据图5-8中的 W上实例形成基体钻头体和本公开的范围内的其它构造。
[0061] 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200的一个实例的示意 图。应注意，虽然图9大致描绘路基钻探组合件，但是所属领域技术人员应容易明白，本文所 述原理等效适用于采用浮动或海基平台和钻机的海上钻探操作，而不脱离本公开的范围。
[0062] 钻探组合件200包括禪合到钻柱204的钻井平台202。钻柱204可包括(但不限于)通 常如所属领域技术人员已知的钻探管和连续油管。根据本文所述的实施方案的基体钻头 206被附接至钻柱204的远端并且被井下电机且/或经由钻柱204自井表面的旋转而驱动。当 钻头206旋转时，其创建穿透地下地层210的井筒208。钻探组合件200还包括使钻探流体循 环通过钻柱(如示为流动箭头A)的累212和其它管214。
[0063] 所属领域技术人员应明白，适于结合钻探组合件200使用的其它设备可包括(但不 限于)保持坑、混合器、摇动器(诸如振动筛）、离屯、机、水力旋流器、分离器(包括磁和电分离 器）、除泥器、除砂器、过滤器（例如，娃藻±过滤器）、热交换器W及任何流体回收设备。此 夕h钻探组合件可W包括一个或多个传感器、计量器、累、压缩机等等。
[0064] 在一些实施方案中，本文所述的纤维增强硬复合物可在其它井筒工具或其部分及 其相关系统中实施。在其中可在井筒工具的至少一部分中实施本文所述纤维增强硬复合物 的井筒工具的实例包括(但不限于)扩眼钻头、取忍钻头、旋转式锥形钻头、扶正器、结合地 层评估使用的垫(例如结合测录工具）、封隔器等等。在一些情形中，在其中可实施本文所述 的纤维增强硬复合物的井筒工具的部分可W包括(但不限于)耐磨垫、嵌段、刀具、流体端口 (例如，本文所述的喷嘴开口）、井筒工具内的会聚点（例如，本文所述的顶点)等等及其任意 组合。
[0065] -些实施方案可设及在钻探操作中实施本文描述的基体钻头。例如，一些实施方 案还可W设及用基体钻头钻探井筒的一部分。
[0066] 本文公开的实施方案包括(但不限于）：
[0067] A.-种至少部分由包括粘合剂、基体颗粒和增强纤维的纤维增强硬复合材料部分 形成的井筒工具，其中所述增强纤维具有范围从等于临界纵横比(A。)至15倍于A。的纵横比， 其中Ac = 〇f/(2Tc)，〇f是增强纤维的极限拉伸强度，且Tc是所述增强纤维与所述粘合剂之间 的界面剪切粘结强度或所述粘合剂的屈服应力，取所述界面剪切粘结强度和所述屈服应力 中较低的一者;和
[0068] B. -种钻头，所述钻头包括:基体钻头体;和多个切削元件，其禪合到所述基体钻 头体的外部，其中所述基体钻头体的至少一部分包括纤维增强硬复合材料部分，其包括粘 合剂、基体颗粒和增强纤维，其中所述增强纤维具有范围从等于临界纵横比(A。)至15倍于Ac 的纵横比，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所述粘合剂的屈服应力，取所述界面剪切粘结强度和所述屈服应力 中较低的一者其中所述增强纤维中的至少一些具有1微米到300微米的直径，且其中所述基 体颗粒中的至少一些具有1微米到1000微米的直径。
[0069] 实施方案A和实施方案B中的每个可W具有任何组合的一个或多个W下额外要素： 要素1:其中所述井筒工具是钻头，所述钻头包括:基体钻头体，其包括纤维增强硬复合材料 部分;和多个切削元件，其联接到所述基体钻头体的外部;要素2:要素1其中所述基体钻头 体还包括具有所述粘合剂和所述基体颗粒但是不具有增强纤维的硬复合材料部分。要素3: 要素1其中所述基体钻头体还包括硬复合材料部分，所述硬复合材料部分包括所述粘合剂 和第二基体颗粒但是不具有增强纤维，其中所述纤维增强硬复合材料部分的基体颗粒与所 述第二基体颗粒不同；要素4:要素2或3的钻头还包括流体腔，其限定在所述基体钻头体内； 至少一个流体流动通道，其从所述流体腔延伸到所述基体钻头体的所述外部;和至少一个 喷嘴开口，其限定在邻近所述基体钻头体的所述外部的所述至少一个流体流动通道的端 部，其中所述纤维增强硬复合材料部分被定位成邻近所述至少一个喷嘴开口；要素5:要素4 的钻头还包括多个刀具刀片，其形成于所述基体钻头体的所述外部上;和多个凹口，其形成 于所述多个刀具刀片中，其中所述纤维增强硬复合材料部分被定位成邻近所述至少一个喷 嘴开口和所述多个凹口；要素6:要素1其中所述基体钻头体还包括不具有增强纤维的硬复 合材料部分，且其中所述纤维增强硬复合材料部分位于所述基体钻头体的顶点处;要素7: 要素1其中基本上所述整个基体钻头体由所述纤维增强硬复合材料部分组成;要素8:要素 1，其中所述增强纤维的浓度在整个所述纤维增强硬复合材料部分中是均匀的；要素9:要素 8的钻头还包括流体腔，其限定在所述基体钻头体内；至少一个流体流动通道，其从所述流 体腔延伸到所述基体钻头体的外部;和至少一个喷嘴开口，其限定在邻近所述基体钻头体 的所述外部的所述至少一个流体流动通道的端部，其中所述增强纤维的所述浓度在邻近所 述至少一个喷嘴开口处最大；要素10:要素9的钻头还包括多个刀具刀片，其形成于所述基 体钻头体的所述外部上;和多个凹口，其形成于所述多个刀具刀片中，其中所述增强纤维的 所述浓度在邻近所述至少一个喷嘴开口和所述多个凹口处最大;要素11:要素1其中所述增 强纤维的浓度在整个所述纤维增强硬复合材料部分中是均匀的，且其中所述增强纤维的浓 度在所述基体钻头体的顶点附近最大;要素12:其中所述增强纤维具有2至化00的纵横比；要 素13:其中所述增强纤维中的至少一些具有1微米到300微米的直径;要素14:其中所述增强 纤维中的至少一些具有包括选自由W下项组成的组中的至少一种的组合物: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、氮化铁及其任意组合;要素15:其中所述增强纤维W所述基体颗粒的1重量％至30 重量％存在于所述纤维增强硬复合材料部分中；要素16:所述基体颗粒中的至少一些具有1 微米到1000微米的直径;要素17:其中所述增强纤维包括具有不同组合物的至少两个W上 纤维;要素18:其中所述增强纤维的浓度在整个所述纤维增强硬复合材料部分中是均匀的； 和要素19:其中所述井筒工具书W下项中的一个:扩眼钻头、取忍钻头、旋转式锥形钻头、扶 正器、垫或封隔器。
[0070]举非限制性实例而言，可适用于A和B的示例性组合包括:要素12组合要素13任选 组合要素16;要素12组合要素16;要素13组合要素16;要素15组合要素12;要素15组合要素 13;要素15组合要素16且任选组合要素12-13中的至少一个;要素14组合要素12;要素14组 合要素13;要素14组合要素16且任选组合要素12-13中的至少一个；前述任一个组合要素 17;要素14组合要素17;要素7组合要素8-11中的至少一个;要素12组合8-11中的至少一个； 要素13组合要素8-11中的至少一个;要素14组合要素8-11中的至少一个;要素15组合要素 8-11中的至少一个;要素16组合要素8-11中的至少一个;要素1