以基质材料制作井下工具的方法技术

一种制造井下工具的方法，可包括：将一种基质材料装载到模具中，然后在模具中烧结该基质材料；然后将另一种基质材料装载到模具中。一种井下工具，可包括：纵轴线；当井下工具被安装在井中时，暴露于一个或多个磨蚀因素下的抗磨蚀层；以及支撑抗磨蚀层的支撑层。抗磨蚀层和支撑层可包括相应的基质材料，且抗磨蚀层沿与纵轴线平行的方向延伸大于约1.27cm。另一种制造井下工具的方法可包括：由粉末状的基质材料形成刚性层，然后用热的液体的粘结材料渗透一种基质材料和另一种基质材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】以基质材料制作井下工具的方法
本专利技术大体涉及一种与地下井结合执行的操作及所利用的设备，且在一个下述实例中，更具体地提供一种以基质材料制造井下工具的方法。
技术介绍
不同类型的井下工具均会暴露在井下操作中的一种或多种磨蚀因素下。例如，钻井工具(例如钻头、扩眼器、稳定器等等)的表面会因诸如磨料流体流动、克服井眼壁的刮擦、克服地层的碰撞等等因素而被磨蚀。很可惜，抗磨蚀材料通常都非常脆弱。因此应认识到，在制造井下工具的
中，始终需要多种改进方案。这样的改进方案可以提高井下工具的抗磨蚀性，或以其它方式提升井下工具的性能、减少井下工具的成本、提高井下工具的效率，等等。其它的改进方案可包括维持现有的抗磨蚀性，但提高强度、延展性、韧性、冲击强度、减少成本，等等。附图说明图1示出了一种井系统和相关方法的代表性局部剖视图，其能够体现本专利技术的原理。图2示出了井下工具的代表性立体图，其能够体现本专利技术的原理，并能够用于图1的系统中。图3-图6示出了在井下工具制造方法的连续的步骤中的井下工具的代表性剖视图。图7示出了井下工具的另一种构造的代表性剖视图。具体实施方式图1中代表性地示出的是用于井的系统10和相关方法，其能够体现本专利技术的原理。但是应当清楚的理解，系统10和方法仅是作为本专利技术的原理被应用于实际中的一个实例。多种其它的实例是可能的。因此，本专利技术的范围完全不限于图中示出的和/或在此描述的系统10和方法的细节。在图1所示实例中，井眼12借助钻柱14被钻出。钻柱14包括各种井下工具16、18、20、22、24。在本实例中，井下工具16包括一个或多个钻铤，井下工具18是稳定器，井下工具20是扩眼器，井下工具22是接头或转换接头，井下工具24是钻头。许多其它井下工具可被包括在钻柱14中。在其它实例中也可使用井下工具的不同的组合、排列方式和数量。因此，本专利技术的范围不限于井下工具的任何具体的类型、数量、排列方式或组合。在以下进一步的描述中，井下工具24被用作实例来表明如何将本专利技术的原理应用于实际。但是应当清楚地理解，本专利技术的范围不限于制造钻头或任何其它具体类型的井下工具。任何井下工具(包括但不限于在井下作业时暴露在一个或多个磨蚀因素下的井下工具)均可受益于本专利技术的原理。现在再参考图2，其代表性示出了井下工具24的按比例放大的视图。在该视图中，可以看到井下工具24是本领域技术人员已知类型的固定切削刃钻头。但是，在其它实例中也可使用其它类型的钻头(例如取芯钻头、“孕镶”钻头等)。图2中示出的钻头包括多个向下和向外伸出的钻刃26。在每个钻刃上安装有多个用于切削到地层中的聚晶金刚石复合片(PDC)镶齿28。钻刃26具有相对的表面30，这些相对表面暴露在不同的磨蚀因素下，磨蚀因素例如包括作为钻井作业的一部分的克服地层壁的刮擦、来自钻头中喷嘴32的钻井泥浆的磨料流动、克服地层的碰撞，等等。能够保护钻刃26的表面30不受磨蚀会是有利的，无论磨蚀的原因或类型为何。能够提高钻头的抗磨蚀性，而不过度地增加钻头的制造成本、或过度地降低钻头的性能或效率，也会是有利的。能够受益于以下描述的原理的钻头的附加部分包括内部流动通道34、36、38。这些流动通道34形成在喷嘴32中，在图6中示出的是流动通道36、38。这些通道34、36、38暴露在钻井泥浆的磨料流动下，并且能够受益于提高的抗磨蚀性。节约成本、提升性能和效率、以及提高抗磨蚀性，可通过与在此描述的原理结合的某些实例来实现。但是，为了获得任何具体的益处或多个益处的结合，并非必须与本专利技术的范围一致。例如，除了磨蚀之外，钻头和钻刃26还特别受到来自冲击和钻井振动等的高动力荷载。这样的荷载能够使冲击强度、延展性和韧性更为重要，并会限制用于钻刃支距(bladestandoff)和厚度的材料的设计标准，从而不符合期望地减小多个钻刃26之间的排屑槽的面积。钻刃26是钻头的外部特征，而流动通道34、36、38是钻头的内部特征。在以下进一步的说明中，会描述如何能够提高钻刃26的外表面30的抗磨蚀性的实例。但是，本专利技术的原理也能够被用来加强井下工具的多个特征，不论这些特征是内部的还是外部的。注意，钻刃26的表面30竖直向上延伸较大的距离。在过去，为了使钻头钻刃更抗磨蚀，钻头钻刃是由抗磨蚀的基质材料来构造的，抗磨蚀的基质材料例如最初为粉末状的碳化钨。不幸的是，粉末的休止角(angleofrepose)仅为大约30-50度，因此如果这些粉末沿着模具的一侧堆积较大的竖向距离，模具从该距离向下会基本上被相对昂贵的抗磨蚀碳化钨粉末填充。当限制基质材料的使用量时，能够沿着井下工具表面实现抗磨蚀基质材料的较大的竖向距离会是有利的。这样能够减少材料的成本，并且能够带来其它益处，诸如提高韧性和冲击强度。本技术的其它优点是，钻头的整个表面能够包含由更抗磨蚀的材料形成的外层。由于现有技术方法的本质费时耗力，所以增强材料只能够被应用于钻头的选定区域中，例如只能被应用于钻刃26表面的顶部和前部，但不能应用于钻刃的背部上或钻刃之间的排屑槽中。现在再参考图3-图6，其代表性地示出了制造井下工具24的方法40的多个步骤的实例。方法40可用于制造井下工具24、制造以上描述的任何其它的井下工具16、18、20、22、或制造任何其它类型的井下工具。这样的井下工具可以用于图1的系统10或任何其它系统中。在图3所示实例中，工作筒42被安装于模具44中，该模具被构造用于形成钻头。夹具(未示出)可用于将工作筒42定位在模具44中。在一个实例中，夹具可安置在模具44上，并可通过竖直调整来升高或降低工作筒42，以改变在模具底部上的间隙g。模具44可包括多个用于形成钻刃26的凹部、用于最终收纳镶齿28的空穴部，等等。为了清楚起见，模具44以简化的形式示出，但在实际应用中，为了形成钻头的内部特征和/或外部特征，模具的形状可如所需要的一样复杂。工作筒42可由多种材料制成，例如由石墨、树脂砂(resinbondedsand)、钢、工具钢、镍合金、或其它材料制成。工作筒42可由任何不会在用于烧结(以下更详细地描述)的温度或在该温度之下熔化的材料制成。如果使用树脂砂，树脂在烧结过程中会挥发。而没有树脂，砂就不具有结构完整性，但一旦粉末状基质材料被装载到以下描述的间隙中，疏松的砂的存在将会防止粉末状基质材料滑坍。疏松的砂能够使得将工作筒42在烧结后从模具44移除变得容易。砂可在那时被抽真空或向外倾倒。如果工作筒42的材料在烧结后是相连的，则工作筒可被构造有牵引件，用于方便地将工作筒从模具44中移除。多重件(例如蛤壳)式工作筒42可以用于在单件式模具不允许在模具中的粉末状基质材料被烧结后移除工作筒的情况下，形成内层和/或多个特征。在图3所示实例中，工作筒42和模具44之间存在间隙g。如以下更详细地描述的，该间隙g将会包括抗磨蚀粉末状基质材料。在本实例中，间隙g处于工作筒42的外部，且处于模具44的内部，但在其它实例中，间隙可处在工作筒的内部和/或处在模具的外部(例如，当期望在井下工具的内表面上、诸如在通道38或其它水道中形成抗磨蚀层时)。如图4所示，抗磨蚀基质材料46被装载到模具44中的间隙g内。可利用振动来确保整个间隙g被密度均匀(一致)的基质材料46填充。间隙g的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造井下工具的方法，所述方法包括：将第一基质材料装载到一模具中；然后在所述模具中烧结所述第一基质材料；以及然后将第二基质材料装载到所述模具中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造井下工具的方法，所述方法包括：将第一基质材料装载到一模具中；然后在所述模具中烧结所述第一基质材料；以及然后将第二基质材料装载到所述模具中，而且其中，所述第一基质材料和所述第二基质材料被设置在所述模具中，由此当所述井下工具完成时，所述第一基质材料处于所述第二基质材料的外部。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：将粘结剂与所述第一基质材料混合。3.根据权利要求1所述的方法，其中，装载所述第一基质材料包括将所述第一基质材料插入位于所述模具和一工作筒之间的间隙中。4.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述第一基质材料装载到所述模具中时，所述第一基质材料包括粉末。5.根据权利要求4所述的方法，其中，在将所述第一基质材料装载到所述模具中时，所述粉末沿着所述模具的表面竖向地延伸大于1.27cm。6.根据权利要求4所述的方法，其中，在将所述第一基质材料装载到所述模具中时，所述粉末沿着所述模具的表面竖向地延伸大于2.54cm。7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述粉末包括粉末状碳化钨材料。8.根据权利要求1所述的方法，还包括：在烧结所述第一基质材料之后，用热的液体的粘结材料渗透所述第一基质材料和所述第二基质材料。9.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第二基质材料相比，所述第一基质材料具有更好的抗磨蚀性。10.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的延展性。11.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的韧性。12.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述第二基质材料具有更好的冲击强度。13.一种制造井下工具的方法，所述方法包括：将一粘结剂与粉末状的第一基质材料混合，以形成所述粘结剂与所述第一基质材料的混合物；由所述粘结剂与所述粉末状的第一基质材料的混合物形成刚性层；以及然后，用热的液体的粘结材料渗透所述粘结剂与所述第一基质材料的混合物和第二基质材料两者。14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成还包括将所述粘结剂与所述第一基质材料的混合物装载到模具中，以及烧结所述第一基质材料。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述烧结在所述装载之后被执行。16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述渗透在所述烧结之后被执行。17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成包括将所述第一基质材料插入位于模具和一工作筒之间的间隙中。18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成包括所述粉末状第一基质材料沿着模具的表面竖向地延伸大于1.27cm。19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成包括所述粉末状第一基质材料沿着模具的表面竖向地延伸大于2.54cm。20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述粉末包括粉末状碳化钨材料。21.根据权利要求13所述的方法，其中，与所述第二基质材料相比，所述第一基质材料具有更好的抗磨蚀性。22.根据权利要求13所述的方法，其中，与所述第一基质材料相比，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·G·托马斯，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US