包括成簇的增强剂的复合材料、制造方法、和使用方法

包括成簇的增强剂的复合材料、制造方法、和使用方法【专利摘要】本发明提供一种复合材料，其通常包括基本上连续的粘合剂相和渗透有粘合剂相的第一增强剂簇，第一增强剂簇包括多个第一增强剂颗粒。钻头可以包括至少一个用于接合地层的切削元件和钻头本体，所述钻头的至少一部分是包括基本上连续的粘合剂相和渗透有粘合剂相的第一增强剂簇的复合材料。【专利说明】包括成簇的增强剂的复合材料、制造方法、和使用方法【
技术领域：
】[0001]本发明通常而言涉及用于井下工具的多孔增强剂簇及其复合材料和相关的方法。【
背景技术：
】[0002]井下工具,例如钻头(drillbits),已由颗粒加强的金属基质复合材料形成。井下工具的性能特征，例如强度、韧性、抗磨损性(wearresistance)、耐腐蚀性和耐热性据认为是依赖于金属基质中的增强剂，例如分散于铜合金中的碳化钨微粒。通常而言，较大的增强剂据信对井下工具赋予抗磨损性，而较小的增强剂据信对井下工具赋予强度。然而，较大的增强剂据信降低井下工具的强度，而较小的增强剂据信降低井下工具的抗磨损性。因此，已经着手于同时加强似乎反向相关的性能特征(例如强度和抗磨损性)的方法。[0003]已观察到一些成功的一种方法包括通过传统方法使用增强剂的双峰粒度分布以形成复合材料。这种方法据信例如实现在整个钻头本体中均匀分布双峰增强剂。[0004]第二个更复杂的方法包括具有增强剂的离散区域的双峰增强剂的非均相分布。从历史上看，这些离散的区域已经通过在金属基质内首先产生大量增强剂的固体复合颗粒而实现。然后，将这些固体复合颗粒掺入到最终的复合材料中，如同在标准操作中掺入颗粒状增强剂一样。这种方法产生均匀分布于整个钻头本体的固体复合颗粒。然而，这种方法常常在固体复合颗粒与钻头本体的基质之间的界面处引入相界。如果界面没有适当地形成或有缺陷，则界面常常成为在最终的井下工具(例如钻头)中的故障点。井下工具中的缺陷可以显著降低井下工具的性能特征。例如，缺陷可导致:增加磨损从而降低钻头的寿命，不均匀磨损从而降低钻头的寿命和效率，和/或降低强度从而导致钻头的操作过程中出现碎片(chipping)或破裂(cracking)。由于将固体复合颗粒设计为较大以产生具有众多增强剂簇的离散区域，在固体复合颗粒与钻头本体的基质的界面处的缺陷可以比钻头基质与单个增强剂簇之间的缺陷更大，且更有害。[0005]产生增强剂的离散区域同时使故障点的大小和发生最小化的能力对本领域技术人员来说将是有价值的。【
发明内容】[0006]本发明通常而言涉及用于井下工具的多孔增强剂簇及其复合材料和相关方法。[0007]在一些实施方式中，本发明提供一种复合材料，包括:基本上连续的粘合剂相和由粘合剂相渗透的第一增强剂簇，该第一增强剂簇包括多个第一增强剂颗粒。[0008]在一些实施方式中，本发明提供一种复合材料，包括:多个层，其中第一层的至少一部分包括基本上连续的粘合剂相和第一增强剂簇，该第一增强剂簇包括多个第一增强剂颗粒和粘合剂相的至少一部分。[0009]在一些实施方式中，本发明提供一种方法，包括:提供包括多个第一增强剂颗粒和粘结材料(bondingmaterial)的多孔增强剂簇；并将多孔增强剂簇与粘合剂材料(bindermaterial)结合；并形成包含基本上连续的粘合剂相和第一增强剂簇的复合材料,其中粘合剂相的至少一部分渗入增强剂簇。[0010]在一些实施方式中，本发明提供一种方法，包括:提供第一增强剂颗粒、第二增强剂颗粒和粘合剂材料；形成包含第一增强剂颗粒和粘结材料的第一多孔增强剂簇；及形成来自第一多孔增强剂簇、第二增强剂颗粒和粘合剂材料的复合材料。[0011]在一些实施方式中，本发明提供一种方法，包括:将多个第一增强剂颗粒和高温粘结材料混合；并加热到等于或高于高温粘结材料的软化温度的温度从而产生多个具有至少一个渗透路径(pathforinfiltration)的多孔增强剂簇。[0012]在一些实施方式中，本发明提供一种多孔增强剂簇，其包括:高温粘结材料；多个第一增强剂颗粒，其具有由高温粘结材料在多个接触点机械粘结的簇构型；并且其中，多孔增强剂簇包括至少一个渗透路径。[0013]在一些实施方式中，本发明提供一种钻头，包括:钻头本体，其至少一部分包括复合材料，该复合材料包括基本上连续的粘合剂相和第一增强剂簇，其中该粘合剂相渗入该第一增强剂簇；和用于接合地层(engagingaformation)的至少一个切削元件。[0014]在一些实施方式中，本发明提供一种方法，包括:提供钻头，该钻头包括至少一个用于接合地层的切削元件和钻头本体，该钻头本体的至少一部分包括复合材料，该复合材料包括基本上连续的粘合剂相和第一增强剂簇，其中该粘合剂相渗入第一增强剂簇；和用钻头对地层中的井孔的至少一部分钻孔。[0015]在阅读以下优选实施方式的说明后，本发明的特征和优点对本领域技术人员来说将是显而易见的。【专利附图】【附图说明】[0016]引入下面的附图以示出本发明的某些方面，并且不应该被看作是排他性的实施方式。如本领域技术人员所能想到并且具有本发明公开的益处，本发明的主题能够具有相当的修改、更改、以及形式和功能上的等效物。[0017]图1提供根据本发明的包含增强剂簇的复合材料的非限制性的图例。[0018]图2提供根据本发明的包含增强剂簇的复合材料的非限制性的图例。[0019]图3提供根据本发明的包含增强剂簇的复合材料的非限制性的图例。[0020]图4提供根据本发明的包含增强剂簇的复合材料的非限制性的图例。[0021]图5提供碳化钨增强剂颗粒的扫描电子显微照片。[0022]图6提供根据本发明的由碳化钨增强剂颗粒形成的多孔增强剂簇的扫描电子显微照片。[0023]图7提供根据本发明的由碳化钨增强剂簇形成的复合材料的光学显微照片。[0024]图8提供根据本发明的由碳化钨增强剂簇形成的复合材料的光学显微照片。[0025]图9提供根据本发明的固定切削齿钻头(fixedcutterdrillbit)横截面的非限制性的图例，其中钻头本体的第一部分包括第一增强剂簇，钻头本体的第二部分包括第二增强剂簇。[0026]图10提供根据本发明的具有套筒的固定切削齿钻头的非限制性的图例，该套筒的一些表面涂有具有增强剂的堆焊层。[0027]图11提供根据本发明的牙轮钻头(rollerconedrillbit)的非限制性的图例，该牙轮钻头的一些表面涂有具有增强剂的堆焊层。【具体实施方式】[0028]本发明通常而言涉及用于井下工具的多孔增强剂簇及其复合材料和相关方法。[0029]本发明提供多孔增强剂簇，当在用于井下工具的复合材料中使用时，可提供可特制的的性能特性，如强度、韧性、抗磨损性、耐腐蚀性、以及耐热性。为清楚起见，本文所用的术语“多孔增强剂簇”是指并入成复合材料结构之前的增强剂簇。本文所用的术语“增强剂簇”是指并入成复合材料之后的增强剂。[0030]本发明的多孔增强剂簇允许粘合剂材料的渗入，从而产生其中基本上连续的粘合剂相渗入增强剂簇的复合材料。本文所用的术语“渗入”、“渗透”和它们的衍生术语是指将液体渗透进入和/或经过关注的物品，例如，多孔增强剂簇和复合材料的前体(本文将进一步描述)。应当指出的是渗入可在重力、毛细作用、压力或它们的任意组合的协助下发生。[0031]基本上连续的粘合剂相和增强剂簇可以协同地提供增强的性能特性，其在于成簇(clustering)改善性能特征而不产生相界,如上面所讨论,相界通常是故障点。此外,基本上连续的粘合剂相和增强剂簇可以允许改进某些性能特性，如抗磨损性，而其他性能特征诸如韧性的牺牲最小。通过非限制性实施例的方式，强度和耐腐蚀性呈负相关，本发明的组成可允许增加强度，同时最低限度地降低耐腐蚀性，或反之亦然。[0032]在一些实施方式中，多孔增强剂簇可以包括多个增强剂颗粒和至少一种粘结材料，基本上由多个增强剂颗粒和至少一种粘结材料组成，或由多个增强剂颗粒和至少一种粘结材料组成。所述粘结材料可以形成增强剂颗粒之间在多个接触点的机械粘结。本领域技术人员依据本申请的公开内容，应理解增强剂颗粒之间接触点包括与粘结材料之间的接触点。本文所用的术语“机械粘结”、“机械结合”等是指将两个颗粒保持在一起的物理连接。机械粘结取决于粘结材料可以是刚性或柔性的。机械粘结可以或可以不涉及化学结合、冶金结合、和/或合金化。应当理解，本文所用的术语“颗粒”和“微粒”可以互换使用，并且包括所有已知形状的材料，包括球形和/或卵形、大致球形和/或卵形、盘和/或板(platelet)、片状、带状、针状、纤维状、多边形(如立方)、随机形状(如碎石的形状)、有小面的形状(例如晶体的形状)、或其任何混合。[0033]在一些实施方式中，多孔增强剂簇可以包括两种或更多种类型的增强剂颗粒。所述两种或更多种增强剂颗粒可通过形状、大小、化学组成、微观结构、晶体结构、或它们的任意组合而有所不同。作为非限制性的实施例，金刚石共混物可以包括大金刚石颗粒与小金刚石颗粒的比例的范围从约70:30至约90:10。[0034]合适的增强剂颗粒可以是金属、金属合金、金属碳化物、金属氮化物、金刚石、超级合金、及类似物的颗粒，或它们的任意组合。实例可以包括但不限于，氮化物、硅氮化物、硼氮化物、立方氮化硼、天然金刚石、合成金刚石、硬质合金、球形碳化物、低合金烧结材料、铸造碳化物、碳化硅、碳化硼、立方碳化硼、碳化钥、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化f凡、碳化铁、碳化鹤、粗晶碳化鹤、铸造碳化鹤、粉碎烧结碳化鹤、渗碳碳化鹤、钢、不锈钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、沉淀硬化钢、双相不锈钢、铁合金、镍合金、铬合金、HASTELLOYS?(含镍铬合金，得自HaynesInternational)、INCONELS*(奥氏体含镍铬超合金，得自SpecialMetalsCorporation)、WfASPALOYS"(奥氏体镍基超级合金)、RENE?合金(含镍铬合金，得自AltempAlloys,Inc.)、HAYNES?合金(含镍铬超级合金，得自HaynesInternational)、INCOLOYS"(含铁镍超级合金，得自MegaMex)、MP98T?(含镍铜铬超级合金，得自SPSTechnologies)、TMS合金、CMSX?合金(镍基超级合金，得自C-MGroup)、N-155合金、它们的任何混合物、或它们的任意组合。在一些实施方式中，增强剂颗粒可以被涂覆。作为非限制性的实施例，包括金刚石的增强剂可涂有钛。[0035]合适的增强剂颗粒可以是增强剂颗粒的前体。作为非限制性的实施例，碳，例如石墨和富勒烯，可被催化成金刚石增强剂。[0036]应当注意的是，当“约”如下提供来描述数值列表中的数字时，术语“约”修饰数值列表中的每个数。应当注意的是，在范围的一些数值列表中，列出的某些下限可大于列出的某些上限。本领域技术人员将认识到，所选择的子集将需要选择超过所选择的下限值的上限值。[0037]在一些实施方式中，增强剂颗粒在至少一个维度可具有约I纳米或更大的尺寸。在一些实施方式中，增强剂颗粒的尺寸在至少一个维度可以从约I纳米、10纳米、100纳米、500纳米、I微米、25微米、50微米、100微米、或200微米的下限至约I毫米、750微米、500微米、250微米、100微米、25微米、或I微米的上限，并且其中在至少一个维度上的尺寸可以从任何下限到任何上限，并且包括其间的任意子集。[0038]本领域技术人员依据本申请的公开内容，应理解增强剂颗粒的形状、大小、化学组成、微观结构、晶体结构、或其任意结合的组合，以赋予期望的性能特性。作为非限制性的实施例，相对于可包括较小尺寸的增强剂颗粒的坚韧簇(toughclusters)，耐磨簇可包括较大尺寸的增强剂颗粒。作为多晶金刚石刀具的另一个非限制性实施例，大尺寸的增强剂提供更高的耐磨性(abrasionresistance),而较小尺寸的增强剂提供更高的抗磨损性。[0039]粘结材料可包括高温粘结材料、低温粘结材料、或它们的组合。在一些实施方式中，粘结材料可以包括至少部分地涂有低温粘结材料的高温粘结材料。本文所使用的术语“涂覆”和类似术语并不暗示对颗粒的涂覆的任何特别的程度。特别地，术语“涂层”或“涂覆”不意味着在颗粒上涂覆至100%的覆盖率。在一些实施方式中，粘结材料可以包括两种或更多种粘结材料的组合。[0040]如本文所使用的高温粘结材料，是具有约260°C(500T)以上软化温度的组合物。本文所使用的术语“软化温度”是指高于材料变柔软(pliable)的温度，其通常低于该材料的熔点。合适的高温粘结材料的实例可以包括但不限于，铜、镍、钴、铁、钥、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟、钛、它们的任意混合物、它们的任意合金、以及它们的任意组合。非限制性实例可包括铜-磷、铜-磷-银、铜-锰-磷、铜-镍、铜-锰-镍、铜-锰-锌、铜-猛-镇-锋、铜-镇-钢、铜-锡-猛-镇、铜-锡-猛-镇-铁、金-镇、金_IE_镇、金-铜-镇、银-铜-锋-镇、银-猛、银-铜-锋-铺、银-铜-锡、钻-娃-络-镇-鹤、钻-娃-络-镇-鹤-砸、猛-镇-钻_砸、镇-娃-络、镇-络-娃-猛、镇-络-娃、镍-硅-硼、镍-硅-铬-硼-铁、镍-磷、镍-锰等。另外，高温粘结材料可包括金刚石催化剂，如铁、钴和镍。[0041]在一些实施方式中，高温粘结材料可具有比增强剂颗粒小大约75%的尺寸。在一些实施方式中，高温粘结材料在至少一个维度可具有约5微米或更大的尺寸。在一些实施方式中，高温粘结材料在至少一个维度可从约5微米、10微米、25微米或50微米的下限至约250微米、100微米、或50的上限，并且其中在至少一个维度上的尺寸可以从任何下限到任何上限并包括其间任意子集。[0042]如本文所使用的低温粘结材料是能够在低于大约260°C(500T)下形成机械粘结的组合物。适宜的低温粘结材料的实例可以包括但不局限于，聚合物、树脂、增粘剂、或它们的任意组合。[0043]适合的聚合物可以包括但不限于，包括丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、2-甲基丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸、二甲基丙烯酰胺、乙烯基磺酸、N,N-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸-2-三乙基氯化铵甲酯(2-triethylammoniumethylmethacrylatechloride)、N,N-二甲基-氨基丙基甲基丙烯酸基-酸胺(N,N-dimethyl-aminopropylmethacry1-amide)、甲基丙烯酰基酰胺丙基三乙基氯化铵(methacrylamidepropyltriethylammoniumchloride)、N-乙烯基卩比咯烧酮、乙烯基膦酸、和甲基丙烯酰氧基乙基三甲基硫酸铵、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、N-羟甲基丙烯酰胺、N-羟甲基-甲基丙烯酰胺、乙二醇、丙二醇、乙二醇丙烯酸酯、乙二醇甲基丙烯酸酯、丙二醇丙烯酸酯、丙二醇甲基丙烯酸酯、以及它们的衍生物中的至少一种单体单元的聚合物。如本文所使用的术语“聚合物”通常是指均聚物、共聚物和混合聚合物。也可以使用聚合物的任何组合。[0044]如本文所使用的术语“树脂”是指任何的众多物理上相似的聚合合成物或者化学改性的天然树脂，包括热塑性材料和热固性材料。一种类型的合适的树脂是双组分、环氧类树脂，包括液体可硬化树脂组分和液体硬化剂组分。可用于液状可硬化树脂组分的可硬化树脂的实例包括但不限于，有机树脂如双酚A二缩水甘油醚树脂、丁氧甲基丁基缩水甘油醚树脂、双酚A-环氧氯丙烷树脂、双酚F树脂、聚环氧化物树脂、酚醛清漆树脂、聚酯树脂、酹醒树脂(phenol-aldehyderesins)、脲醒树脂、呋喃树脂、聚氨酯树脂、缩水甘油醚树脂、其它的环氧化物树脂、以及它们的组合。在一些实施方式中，可硬化树脂可以包括聚氨酯树月旨。合适的聚氨酯树脂的实例可包括多异氰酸酯组分(polyisocyanatecomponent)和多轻基组分(polyhydroxycomponent)。可适用于本发明的方法中的合适的可硬化树脂的例子，包括聚氨酯树脂，包括在美国专利第6582819、4585064、6677426和7153575号中描述的那些，其全部公开内容引入本文作为参考。可用于液体硬化剂组分的硬化剂的例子包括但不限于，脂环胺，如哌啶、哌嗪、哌嗪衍生物(例如氨乙基哌嗪)和改性哌嗪；芳香胺，如二苯氨基甲烷、二苯氨基甲烷的衍生物和氢化形式、和4，4’-二氨基二苯基砜；脂族胺，如乙二胺、二亚乙基三胺、三乙胺、三亚乙基四胺、和四亚乙基五胺；咪唑；吡唑；吡嗪；喃啶；咕嗪；IH-吲唑；嘌呤；酞嗪；萘啶；喹喔啉；喹唑啉；吩嗪；四氢咪唑；噌啉；咪唑啉；1，3，5-三嗪；噻唑；蝶啶引唑；胺；多胺；酰胺；聚酰胺；和2-乙基-4-甲基咪唑；三(二甲氨基甲基)苯酚；二(甲基氨基甲基)苯酚；4，4’-二氨基二苯基砜；以及它们的组合。所选择的硬化剂常常影响可硬化树脂能够固化的温度的温度范围。[0045]其他合适的树脂是呋喃类树脂。合适的呋喃类树脂包括但不限于，糠醇树脂、糠醛树脂、糠醇树脂和醛的组合、呋喃树脂和酚醛树脂的组合。[0046]其它合适的树脂是酹醒类树脂(phenolic-basedresins)。合适的酹醒类树脂包括但不限于，苯酹的三元共聚物、苯酹甲醒树脂(phenolformaldehyderesins)、以及酹醒树脂和呋喃树脂的组合。在一些实施方式中，酚醛树脂和呋喃树脂的组合可以是优选的。[0047]还有另一种合适的树脂型材料是苯酚/苯酚甲醛/糠醇树脂，其包括约5%至约30%的苯酚、约40%至约70%的苯酚甲醛、约10%至约40%的糠醇、约0.1%至约3%的硅烷偶联剂、以及约1%至约15%的表面活性剂。在适用于本发明的方法中的苯酚/苯酚甲醛/糠醇树脂中，合适的硅烷偶联剂包括但不限于，N-2-(氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷和3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。合适的表面活性剂包括但不限于，乙氧基化壬基酚磷酸酯、一种或多种阳离子表面活性剂、和一种或多种非离子表面活性剂和烷基膦酸酯表面活性剂的组合。[0048]另一种合适的树脂型材料是硅酸钠，例如，液体玻璃。[0049]合适的增粘剂可包括但不限于，非水性增粘剂(例如，聚酰胺、甲硅烷基改性的聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、甲硅烷基改性的聚酰胺化合物、聚氨基甲酸酯、聚氨酯、天然树脂、虫胶、其任何衍生物、和类似物、以及它们的任何共聚物)、水性增粘剂(例如，丙烯酸聚合物、丙烯酸酯聚合物、丙烯酸衍生物聚合物、丙烯酸均聚物、丙烯酸酯均聚物、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸丁酯)、聚(丙烯酸2-乙基己酯))、丙烯酸酯共聚物、甲基丙烯酸衍生物聚合物、甲基丙烯酸均聚物、甲基丙烯酸酯均聚物、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸2-乙基己酯))、丙烯酰氨基-甲基-丙磺酸酯聚合物、丙烯酰氨基-甲基-丙磺酸酯衍生物聚合物、丙烯酰氨基-甲基-丙磺酸共聚物、丙烯酸/丙烯酰氨基-甲基-丙磺酸共聚物、其任何衍生物、和类似物、它们的任何共聚物、及它们的任意组合。适当的非水性增粘剂的实例在美国专利第5853048和5833000号以及和美国专利公开第2007/0131425和2007/0131422号中描述，其相关公开内容引入本文作为参考。合适的甲硅烷基改性的聚酰胺以及制备这种化合物的方法的实例在美国专利第6439309号中描述，其全部公开内容引入本文作为参考。合适的水性增粘剂的例子可以在美国专利公开第2005/0277554和2005/0274517号中找到，其全部公开内容引入本文作为参考。另外，合适的增粘剂在美国专利第5249627和4670501号中描述，其全部公开内容引入本文作为参考。[0050]合适的液体硅酸盐可包括但不限于，液体玻璃和硅酸钠等等。[0051]相对于增强剂颗粒所使用的粘结材料的量可基于粘结材料和增强剂颗粒的组成和/或增强剂颗粒的大小而有所不同。下限应该是足以将颗粒粘结在一起的量，上限应该是不妨碍后续的渗入(如下所述)的量。在一些实施方式中，粘结材料可以从约0.5%U%,2%、5%、或10%的下限至约50%、40%、30%、20%、15%、或10%(体积)的上限存在于多孔增强剂簇中，其中粘结材料的量的范围可以从任何下限到任何上限，并且包括其间的任意子集。[0052]在一些实施方式中，多孔增强剂簇可以包括至少一个渗透路径。在一些实施方式中，多孔增强剂簇可以包括多个增强剂颗粒、至少一种粘结材料和至少一个渗透路径，基本上由多个增强剂颗粒、至少一种粘结材料和至少一个渗透路径组成，或由多个增强剂颗粒、至少一种粘结材料和至少一个渗透路径组成。在一些实施方式中，多孔增强剂簇可以包括至少一个用于粘合剂相渗透的路径。如本文所使用的术语“粘合剂相渗透”及其衍生术语是指使液体形式的粘合剂材料渗透进入和/或通过所关注的物品，例如，多孔增强剂簇和复合材料前体(本文将进一步描述)。[0053]在一些实施方式中，形成多孔增强剂簇可以包括混合多个增强剂颗粒和粘结材料。在一些实施方式中，形成多孔增强剂簇可以包括用粘结材料至少部分地涂布增强剂颗粒。当粘结材料包括高温粘结材料时，形成多孔增强剂簇可以包括加热到温度等于或高于粘结材料的软化温度。当粘结材料包括低温粘结材料时，形成多孔增强剂簇可以包括固化粘结材料以加强机械粘结。取决于多孔增强剂簇所需的密度，形成多孔增强剂簇中可以或可以不包括摇动和/或振动增强剂颗粒和粘结材料。[0054]增强剂颗粒结合成多孔增强剂簇之后，一些实施方式还可以包括粉碎多孔增强剂簇至更小的簇尺寸，筛选增强剂以分离簇尺寸，混合分离的簇尺寸，或它们的任意组合。应注意的是，本文所使用的粉碎指的是破碎成小块且不一定意味着特定的动作。粉碎可以包括，但不限于，混合和研磨等。在一些实施方式中，粉碎可以使用研钵和研杵、球磨机和棒磨机等。本领域技术人员依据本申请的公开内容应了解粉碎以达到所需的多孔增强剂簇尺寸的适当方法。[0055]多孔增强剂簇可具有任何所需的尺寸。在一些实施方式中，多孔增强剂簇在至少一个维度可以为大于约10纳米。在一些实施方式中，多孔增强剂簇的至少一个维度可从约10纳米、100纳米、I微米、10微米、100微米、250微米、500微米、750微米、或I毫米的下限到约5毫米、2毫米、I毫米、500微米、100微米、或10微米的上限，其中所述至少一个维度可以从任何下限到任何上限，并且包括其间的任意子集。[0056]在一些实施方式中，复合材料可以包括基本上连续的粘合剂相和包括增强剂颗粒的增强剂簇，基本上由基本上连续的粘合剂相和包括增强剂颗粒的增强剂簇组成，或由基本上连续的粘合剂相和包括增强剂颗粒的增强剂簇组成，其非限制性的实例示于图2。在一些实施方式中，复合材料可以包括基本上连续的粘合剂相和渗透有粘合剂相的增强剂簇，基本上由基本上连续的粘合剂相和渗透有粘合剂相的增强剂簇组成，或由基本上连续的粘合剂相和渗透有粘合剂相的增强剂簇组成，该增强剂簇包括增强剂颗粒。应注意的是，如本文所使用的基本上连续的粘合剂相，是指粘合剂相基本上连续穿过包括增强剂簇的复合材料。[0057]粘合剂相可以由粘结材料形成。合适的粘合剂材料的实例可包括但不限于，铜、镍、钴、铁、钥、铬、猛、锡、锌、铅、娃、鹤、硼、磷、金、银、钮、铟、它们的任意混合物、它们的任意合金、以及它们的任意组合。非限制性实例可包括铜-磷、铜-磷-银、铜-锰-磷、铜-镍、铜-猛-镇、铜-猛-锋、铜-猛-镇-锋、铜-镇-钢、铜-锡-猛-镇、铜-锡-猛-镇-铁、金-镇、金_钮_镇、金-铜-镇、银-铜-锋-镇、银-猛、银-铜-锋-铺、银-铜-锡、钻-娃-络-镇-鹤、钻-娃-络-镇-鹤_砸、猛-镇_钻_砸、镇-娃-络、镇-络-娃-猛、镍-铬-硅、镍-硅-硼、镍-硅-铬-硼-铁、镍-磷、镍-锰等。市售的粘合剂材料的实例可包括但不限于，VIRGINBINDER"453D(铜-锰-镍-锌，得自BelmontMetals,Inc.)；铜-锡-锰-镍和铜-锡-锰-镍-铁，等级516、519、523、512、518、和520，得自ATIFirthSterling;或它们的任意组合。在一些实施方式中，粘合剂材料可具有比增强剂簇的增强剂颗粒的熔点更低的熔点。在一些实施方式中，粘合剂材料可具有比铁、钴、镍或它们的合金的熔点更低的熔点。在一些实施方式中，粘合剂材料可具有小于约1540°C(2800°F)、小于约1480°C(2700°F)、或小于约1150°C(21000F)的熔点。在一些实施方式中，粘合剂材料可具有从约815?(15000F),8700C(16000F),955°C(17500F),1090°C(20000F)、或1230°C(2250°F)的下限至约1540°C(2800°F),1480°C(2700°F)、1370°C(2500°F)、1230°C(2250°F)、或1150°C(2100°F)的上限的熔点，并且其中该熔点的范围可以从任何下限到任何上限，并且包括其间的任意子集。在一些实施方式中，粘合剂材料可以是粉末、颗粒、大块(chunks)、块(blocks)等的形式。本领域技术人员依据本申请的公开内容应明白，粘合剂材料的形式可影响各种组分在最终复合材料中的分布。[0058]在一些实施方式中，粘合剂材料可具有与多孔增强剂簇的粘结材料相同的化学组成。[0059]在一些实施方式中，复合材料可以包括基本上连续的粘合剂相、包括多个第一增强剂颗粒的增强剂簇、和基本上没有掺入增强剂簇中的多个第二增强剂颗粒，基本上由基本上连续的粘合剂相、包括多个第一增强剂颗粒的增强剂簇、和基本上没有掺入增强剂簇中的多个第二增强剂颗粒组成，或由基本上连续的粘合剂相、包括多个第一增强剂颗粒的增强剂簇、和基本上没有掺入增强剂簇中的多个第二增强剂颗粒组成。在一些实施方式中，复合材料可以包括渗透有基本上连续的粘合剂相的增强剂簇、和在粘合剂相中但基本上没有掺入增强剂簇的多个第二增强剂颗粒，基本上由渗透有基本上连续的粘合剂相的增强剂簇、和在粘合剂相中但基本上没有掺入增强剂簇的多个第二增强剂颗粒组成，或由渗透有基本上连续的粘合剂相的增强剂簇、和在粘合剂相中但基本上没有掺入增强剂簇的多个第二增强剂颗粒组成。应注意的是，像第一、第二、第三等等的修饰词在本文中使用为了清楚地区分复合材料的组分，并不意味着任何结构或组成的限制。[0060]在一些实施方式中，第二增强剂颗粒可在粘合剂相中(没有掺入增强剂簇中)基本上均匀的分布。如本文所使用的基本上均匀分布，是指其中从一个颗粒到与其最相近颗粒的距离基本上相等的分布，例如，约90%以上的颗粒与其最相近颗粒的距离为相同距离的约+/-25%。图1和图3提供了复合材料的非限制性图例，其包括基本上连续的粘合剂相；包括多个第一增强剂颗粒的增强剂簇；和在粘合剂相中大致均匀分布并且基本上没有掺入增强剂簇的多个第二增强剂颗粒。[0061]在一些实施方式中，第二增强剂颗粒本身可以是多孔增强剂簇，以形成具有两个不同的增强剂簇的复合材料，例如，如图4所示。在一些实施方式中，复合材料可以包括在粘合剂相中且基本上没有掺入第一增强剂簇或第二增强剂簇的第三增强剂。[0062]在一些实施方式中，增强剂颗粒(第一、第二、等等)可以具有多形态尺寸分布，包括但不限于，双峰，三峰，等等。在一些实施方式中，第一、第二等增强剂可以通过形状、大小、化学组成、微观结构、晶体结构、或它们的任意组合来区分。[0063]一些实施方式可涉及制造复合材料的前体，该前体包括第一多孔增强剂簇、粘合剂材料、任选的第二增强剂颗粒(或任选地为多孔簇)、以及任选的附加增强剂颗粒(或任选地为多孔簇)。在一些实施方式中，制造复合材料前体可涉及摇动和/或振动来实现每个在最终复合材料内的期望分布。[0064]一些实施方式可涉及从复合材料前体形成复合材料。在一些实施方式中，形成复合材料可包括将任何复合材料前体加热至等于或大于粘合剂材料的熔点的温度。在一些实施方式中，形成复合材料可包括将任何复合材料前体加热至低于在复合材料前体中的任何增强剂的熔点的温度。合适的温度范围可以从约815°C(1500°F),955°C(1750°F)、1090°C(2000°F)、或1230°C(2250°F)的下限至约1785°C(32500F),1650°C(30000F)、1510°C(2750°F)、或1370°C(2500°F)的上限，其中该温度可从任何下限到任何上限，并且包括其间的任意子集。[0065]在一些实施方式中，形成复合材料可以涉及施加压力。合适的压力范围可以从高于大气压力、约IlOkPa、500kPa、IMPa,IOMPa,IOOMPa或IGPa的下限至约lOGPa、5GPa、lGPa、IOOMPaUOMPa或IMPa的上限，并且其中该压力可以从任何下限到任何上限，并且包括其间的任意子集。[0066]应当指出的是，当对多孔增强剂前体使用低温粘结材料时，低温粘结材料可热解、分解、蒸发、或它们的任意组合。因此，增强剂颗粒可在加热过程中移动。本领域技术人员依据本公开内容应了解，低温粘结材料可能不适于形成复合材料。作为非限制性的实施例，如果使用压力来形成复合材料，低温粘结的多孔增强剂簇的移动可能比如果没有施加压力时更剧烈。[0067]多孔增强剂簇、粘合剂材料、和任选的增强剂颗粒的浓度和/或相对比例可依赖于应用。本领域技术人员应当理解掺入组分的浓度和/或相对比例以实现所需的最终复合材料。在一些实施方式中，最终复合材料可包括按复合材料的体积浓度从约5%、10%、15%或25%的下限至约75%、50%、40%、30%或25%的上限的增强剂簇，并且其中增强剂簇的浓度范围可以从任何下限到任何上限，并且包括其间的任意子集。在一些实施方式中，最终的复合材料可包括按复合材料的体积浓度约或25%的下限至约75%、50%、40%、30%或25%的上限的增强剂颗粒，并且其中增强剂颗粒的浓度范围可以从任何下限到任何上限，并且包括其间的任意子集。在一些实施方式中，最终的复合材料可包括增强剂簇与增强剂颗粒的比率(未成簇)从约10:90至约90:10(重量)。作为非限制性的实施例，复合材料可包括金刚石增强剂，使得大尺寸金刚石增强剂簇与未成簇的小尺寸金刚石增强剂以约70:30至90:10(重量)的比率存在。[0068]在一些实施方式中，形成复合材料可涉及模具。在一些实施方式中，模具可以是钻头的模具。在一些实施方式中，复合材料前体可以通过模具均匀地共混。在一些实施方式中，在模具中可层叠复合材料前体与其它复合材料前体，例如，本文描述的不同复合材料前体和/或未包括在多孔增强剂簇中的复合材料前体。作为非限制性的实施例，在对应于刀片表面处或刀片表面附近层叠抗磨损簇并使坚韧的簇朝向刀片内部以减少刀片开裂可能是有利的。作为非限制性的实施例，在如图9所示的一些实施方式中，固定切削齿钻头可具有包括第一增强剂簇(例如，用于增强抗磨损性)的主体第一部分和包括第二增强剂簇(例如，用于增强韧性)的主体第二部分。[0069]在一些实施方式中，层状复合材料可在层状复合材料的层的至少一部分包括本文描述的任何复合材料。应当指出的是，层并不意味着厚度。在一些实施方式中，层和/或成层(layering)可如下实现:使用复合材料前体的3-D打印到模具中或在表面上,和/或创建3-D结构；在模具中或在表面上对复合材料前体手工成层(handlayering);在模具或在表面上计量加入复合材料前体；或它们的任意组合。[0070]在一些实施方式中，本文所述的任何复合材料可以是衬底上的涂层。作为非限制性的实施例，本文所述的任何复合材料可用于堆焊层(hardfacing)。在一些实施方式中,本文所述的任何复合材料可以是井下工具或其部件的至少一部分上的堆焊层。在一些实施方式中，如堆焊层，为了使多孔增强剂簇保持其结构的完整性(即，使簇保持至少一个渗透路径)，高温粘结材料比低温粘结材料更为优选。在堆焊层中，粘合剂材料和多孔增强剂簇可以包括在杆或绳中。在堆焊层中粘合剂材料可具有多种功能，包括但不限于，渗入多孔增强剂簇、润湿经过堆焊的衬底、将多孔增强剂簇粘接到经过堆焊的衬底、提供经过堆焊的衬底与堆焊层之间的界面、或它们的任意组合。作为非限制性的实施例，在如图10所示的一些实施方式中，固定切削齿钻头和套筒可在其上具有包括增强剂簇的堆焊层，使得堆焊层仅在固定切削齿钻头和套筒的一部分上。[0071]在一些实施方式中，聚晶金刚石刀具(polycrystallinediamondcutters)可包括本文所述的复合材料。作为非限制性的实施例，包括金刚石增强剂的多孔增强剂簇可被用作聚晶金刚石刀具的金刚石台(diamondtable)的一部分。通常,多孔增强剂簇可以被施加到衬底上，然后在热和压力下，衬底内(例如在钻、铁、或镇粘合剂相中的碳化鹤)的粘合剂相(例如钴、铁、或镍)可渗透到多孔增强剂簇中。因为这是高温、高压的过程中，本领域技术人员将理解，在多孔增强剂簇中高温粘结材料可以是优选的。另外，将高温粘结材料与衬底的粘合剂相相匹配可能是有利的。[0072]可包括本文所述的任何复合材料的合适的井下工具的例子，可以包括但不限于，固定切削齿钻头、旋转锥形钻头，取心钻头(coreheadbit)、和类似物、它们的任何部件、或他们的任何混杂。钻头部件的实例可包括但不限于，切削元件、切削刀片、切削套(cutterpocket)、排屑槽、臂、切削圆锥体组件、铣齿等。作为非限制性的实施例，在如图11所示的一些实施方式中，牙轮钻头可以在其上具有包括增强剂簇的堆焊层，使得堆焊层仅在牙轮钻头的一部分上。[0073]在一些实施方式中，钻头可以包括钻头本体和用于接合地层的至少一个切削元件。钻头可以进一步包括布置在钻头本体上的切削刀片；布置在切削刀片上的切削套；布置在钻头本体上并形成两个切削刀片之间的槽的排屑槽；布置在钻头本体上的臂；布置在臂上的切削圆锥体组件；布置在切削圆锥体组件上的铣齿；筒；岩心管；岩心钻孔；或它们的任意组合。[0074]在一些实施方式中，包括本文所述的任何复合材料的井下工具可以在地层中使用。作为非限制性的实施例，一些实施方式涉及提供包括本文所述的任何复合材料的钻头和用该钻头对地层中的井眼的至少一部分钻孔。[0075]在一些实施方式中，复合材料可以包括基本上连续的粘合剂相和由粘合剂相渗透的第一增强剂簇，其一个非限制性的实施例示于图2。通常，第一增强剂簇可以包括多个第一增强剂颗粒。[0076]在一些实施方式中，复合材料可以包括多个层。在一些实施方式中，至少一个层的至少一部分可以包括基本上连续的粘合剂相和第一增强剂簇。通常，第一增强剂簇可以包括多个第一增强剂颗粒和粘合剂相的至少一部分。[0077]一些实施方式可包括提供包括多个第一增强剂颗粒和粘结材料的多孔增强剂簇；将多孔增强剂簇与粘合剂材料结合；和形成包括基本上连续的粘合剂相和第一增强剂簇的复合材料。在复合材料中，粘合剂相的至少一部分渗入第一增强剂簇。[0078]—些实施方式可包括提供第一增强剂颗粒、第二增强剂颗粒和粘合剂材料；形成包括第一增强剂颗粒和粘结材料的第一多孔增强剂簇；及形成来自第一多孔增强剂簇、第二增强剂颗粒和粘合剂材料的复合材料。[0079]—些实施方式可包括混合多个第一增强剂颗粒和高温粘结材料；并加热到等于或高于高温粘结材料的软化温度的温度，从而产生多个具有至少一个渗透路径的多孔增强剂簇。[0080]在一些实施方式中，多孔增强剂簇可以包括高温粘结材料和多个第一增强剂颗粒，其具有由高温粘结材料在多个接触点机械粘结的簇构型，使得多孔增强剂簇包括至少一个渗透路径。[0081]在一些实施方式中，钻头可以包括至少一个用于接合地层的切削元件和钻头本体，其至少一部分包括复合材料，该复合材料包括基本上连续的粘合剂相和第一增强剂簇，其中粘合剂相渗入第一增强剂簇。[0082]一些实施方式可包括提供包括至少一个用于接合地层的切削元件和钻头本体的钻头，该钻头本体的至少一部分包括复合材料，该复合材料包括基本上连续的粘合剂相和第一增强剂簇，其中粘合剂相渗入第一增强剂簇；用该钻头对地层中的井眼的至少一部分钻孔。[0083]为了便于更好地理解本发明，提供下列优选实施方式的实施例。绝不应将下列实施例解释为限制或限定本发明的范围。[0084]实施例[0085]实施例1.通过将+60目碳化钨颗粒与5体积％铜-锰-磷粘合剂粉末混合形成多孔碳化钨簇。碳化钨颗粒的扫描电子显微照片示于图5。将所得的共混物放入石墨销模具(pinmold)。在装载过程中共混物不振动。在销中的共混物加热至约1175°C(2150T)。所得到的粘结材料从销取出并用研钵和研杵粉碎，然后以+40目过筛(无顶尺寸筛选(notopsizescreening))。所得到的多孔碳化鹤簇之一示于图6。[0086]随后将多孔碳化钨簇与第二增强剂颗粒，D63(碳化钨，得自HCStark)混合，并在振动下加载到另一个销中。加入Belmont粘合剂(铜-猛-镍-锌,得自BelmontMetals,Inc.)和Harrisflux(硼砂和硼酸，得自HarrisProducts)的粘合剂材料，并且将销加热到1175°C(2150T)保持10分钟。冷却后，将销安装和抛光用于微观结构分析。图7和图8提供所得的复合材料的光学显微镜照片，示出基本上连续的粘合剂材料渗入碳化钨簇。[0087]因此，本发明非常适于获得所提及的及其固有的那些结果和优点。上面公开的【具体实施方式】仅仅是说明性的，因为本发明可以以本领域技术人员依据本文的教导而显而易见的、不同但等同的方式修改和实践。此外，除了所附权利要求书所述的限制外，不意欲限制到本文所示的构造或设计的细节。因此，很明显上面公开的特定示例性实施方式可以被改变、组合或修改，并且所有这样的变化都在本发明的范围和精神内。本文示例性地公开的发明可以适宜地在缺少本文未具体公开的任何元素和/或本文所公开的任何任选元素的情况下实践。虽然组合物和方法以术语“包括”、“包含”或“含有”各种组分或步骤来描述，组合物和方法也可以基本上由各种组分和步骤组成或由各种组分和步骤组成。上文所披露的所有数字和范围可以在一定量上改变。每当所公开的数值范围具有下限和上限时，落在该范围内的任何数值和任何所包含的范围也被具体公开。特别地，本文所公开的每一个数值范围(形式为“从约a至约B”、或等价地，“从约a至b”，或等价地，“约a-b”)应理解为列出较宽数值范围内包含的每个数值和范围。另外，在权利要求书中的术语具有其平常普通的含义，除非由专利权人另外明确地和清楚地定义。此外，如在权利要求中使用的不定冠词“一个”或“一种”，在本文中定义为是一个或多于一个其引用的元素。如果在本说明书和可以并入本文作为参考的一个或多个专利或其他文献中的词语或术语的用法冲突时，应当采纳与本说明书一致的定义。【权利要求】1.一种复合材料，包括:基本上连续的粘合剂相；和至少部分地渗透有所述粘合剂相的第一增强剂簇，所述第一增强剂簇包括多个第一增强剂颗粒。2.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述第一增强剂簇在至少一个方向上的尺寸为约10纳米或更大。3.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述第一增强剂簇在至少一个方向上的尺寸为从约10纳米至约10微米。4.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述第一增强剂簇在至少一个方向上的尺寸为从约10微米至约I毫米。5.根据权利要求1所述的复合材料,还包括:第二增强剂簇，所述第二增强剂簇包括多个第二增强剂颗粒和至少一部分粘合剂相。6.根据权利要求1所述的复合材料,还包括:分布在整个粘合剂相中的多个第二增强剂颗粒。7.根据权利要求6所述的复合材料，其中所述第二增强剂颗粒基本上均匀地分布在所述粘合剂相中，并且基本上没有分布在所述第一增强剂簇中。8.根据权利要求6所述的复合材料，其中所述第一增强剂颗粒具有与所述第二增强剂颗粒不同的粒度分布。9.根据权利要求6所述的复合材料，其中所述第一增强剂颗粒和/或所述第二增强剂颗粒具有多峰粒度分布。10.根据权利要求6所述的复合材料，其中所述第一增强剂颗粒具有与所述第二增强剂颗粒不同的化学组成。11.根据权利要求6所述的复合材料，其中所述第一增强剂和/或所述第二增强剂包括增强剂前体。12.—种复合材料,包括:多个层，其中第一层的至少一部分包括:基本上连续的粘合剂相，和第一增强剂簇，所述第一增强剂簇包括多个第一增强剂颗粒和至少一部分粘合剂相。13.根据权利要求12所述的复合材料，还包括:分布在整个粘合剂相中的多个第二增强剂颗粒。14.根据权利要求13所所述的复合材料，其中所述第二增强剂颗粒基本上均匀地分布在所述粘合剂相中，并且基本上没有分布在所述第一增强剂簇中。15.根据权利要求12所述的复合材料，还包括:第二增强剂簇，所述第二增强剂簇包括多个第二增强剂颗粒和至少一部分粘合剂相。16.根据权利要求12所述的复合材料，其中所述第一增强剂簇在至少一个方向上的尺寸为约10纳米或更大。17.根据权利要求12所述的复合材料，其中所述第一增强剂包括增强剂前体。18.—种方法,包括:提供包括多个第一增强剂颗粒和粘结材料的第一多孔增强剂簇；将所述第一多孔增强剂簇与粘合剂材料结合；和形成包括基本上连续的粘合剂相和第一增强剂簇的复合材料，其中所述粘合剂相的至少一部分渗入所述第一增强剂簇。19.根据权利要求18所述的方法，其中所述粘结材料包括选自以下的至少一种:树脂、增粘剂、聚合物、和它们的任意组合。20.根据权利要求18所述的方法，其中所述粘结材料具有与所述粘合剂材料相同的化学组成。21.根据权利要求18所述的方法，其中所述粘合剂材料具有比所述第一增强剂颗粒的熔点更低的熔点。22.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一多孔增强剂簇包括至少一个渗透路径。23.根据权利要求18所述的方法，其中所述结合包括使所述粘合剂材料渗入所述第一多孔增强剂簇。24.根据权利要求18所述的方法，其中所述结合包括向所述第一多孔增强剂簇和所述粘合剂材料添加多个第二增强剂颗粒。25.根据权利要求18所述的方法，其中所述复合材料的形成包括加热至低于所述第一增强剂颗粒的熔点的温度。26.—种钻头,包括:钻头本体，其至少一部分包括复合材料，所述复合材料包括基本上连续的粘合剂相和第一增强剂簇，其中所述粘合剂相渗入所述第一增强剂簇；和至少一个用于接合地层的切削元件。27.根据权利要求26所述的钻头，其中所述复合材料还包括分布在整个粘合剂相中的多个第二增强剂颗粒。28.根据权利要求26所述的钻头，其中所述复合材料是在所述钻头本体的外表面的至少一部分上的堆焊层。29.根据权利要求26所述的钻头，其中所述至少一个切削元件包括所述复合材料。30.根据权利要求29所述的钻头，其中所述第一增强剂簇包括金刚石颗粒。【文档编号】B22F7/06GK103998165SQ201380004334【公开日】2014年8月20日申请日期:2013年1月9日优先权日:2012年1月13日【发明者】J·G·托马斯,W·B·阿特金斯申请人:哈利伯顿能源服务公司