[发明专利]形成玻璃的耐磨带材料

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年10月30日提交的美国临时申请第61/256,465号的提交日期的权益，通过引用将其教导并入本文。

发明领域

本发明涉及形成玻璃的化学物质，其可被提供作为用于堆焊物表面硬化且形成保护性表面的原料，特别地可将其施加到工具接头（tool joint）表面以实现在例如油气钻井操作中对工具接头的保护。

背景技术

施加到钻杆的表面硬化材料从其起源（可能是在大约1930年代后期）以来用于石油工业。第一耐磨带(hardband)材料由具有压碎的烧结碳化钨颗粒的低碳钢基质构成。这些材料在半个多世纪里表现相对良好，因为使用这些材料的相对简单的垂直浅井对表面硬化材料并没有提出许多要求。

最初，设计耐磨带以保护钻杆元件免受旋转磨损以及延长它们的寿命，这是因为套管磨损对于垂直井而言不是问题。随着井变得更深和以更复杂的井设计倾斜(devirate)，越来越多的套管失效开始变得常见。现今，对到达更深更远的油气储层的需要似乎已推进(push)传统钻井程序的限度(limit)。浅的、容易的地层正变得耗竭并且人们已开始把焦点转向更深、更远且具有挑战性的储层。

自从石油工业开始以来，就使用钻管来钻井，并且新近以来，响应更新钻井挑战的发展产生了包括机械性能、能力(capability)和效力(performance)在内的其材料要求。维持钻管完整性对于钻井承包商和井操作者而言都是相对重要的。

因此，意识到需要开发延长钻管寿命且同时保护套管的套管友好性表面硬化材料。数十年以来，工业上已使用常规材料例如碳化钨(WC)、碳化铬和其它合金化堆焊物以改善工具接头部件的抗磨损性。典型的材料可擅长保护钻管或套管，但通常不被认为可保护它们两者。诸如碳化钨(W)基堆焊物的材料在裸眼井段（open-hole）情形中表现良好但是会显著降低套管寿命。碳化铬堆焊物可相对良好地防止套管磨损，但是其提供相对有限的工具接头保护。可考虑的其它因素包括但不限于：表面硬化材料的应用、效力和寿命。

除相对改进的硬度和抗磨损性外，可意识到还期望制造无裂纹的材料。裂纹一旦在焊接期间萌生，就可能潜在地引起问题。所认识到的一些最坏类型的裂纹可以包括在焊道底（underbead）或纵向开裂中形成的那些裂纹，其可以产生由剥落（chipping）和/或散裂(spallation)引起的堆焊物失效。典型的横向裂纹或交叉龟裂(cross checking)裂纹可以具有较小的问题并且通常可以被延性基材钝化（blunt）。然而，在工具接头的寿命期间，当钻取复杂的钻井剖面时，这些裂纹可引起一些问题。

为了满足对先进耐磨带材料的各种工业要求，可以有利地降低该材料显微组织的尺度(scale)。这种降低可以导致相对较高的硬度和抗磨损性且兼有相对较高的韧性和改善的抗裂性。利用形成玻璃的化学物质可以有利地细化晶态显微组织的尺度，特别是在高的热量输入和缓慢的冷却速率可导致形成粗大金相组织的焊接期间。细化的水平可以取决于多种因素，包括：例如合金的玻璃形成能力、工业处理方法的冷却速率、总的热量输入、堆焊沉积物的厚度等。在相对极端的情形中，工业焊接工艺的平均冷却速度可以比原材料的金属玻璃形成的临界冷却速率更大（即更快），并且在焊接期间形成金属玻璃焊接沉积物。如果总的热量输入不足以引起反玻璃化，则可能以埃级显微组织形成金属玻璃堆焊物，但是如果总的热量输入过大，则可能发生部分或完全的反玻璃化作用，从而导致形成纳米级复合显微组织。

或者，如果用于金属玻璃形成的临界冷却速率大于所选的工业堆焊物工艺的平均冷却速率，则在成核和生长之前仍可以获得高的过冷。过冷可被理解为将液体冷却至低于其平衡冻结温度，且同时该材料保持为液体。比常规合金中实现的过冷大几百度的过冷（其可以产生相对较高的成核驱动力且兼有温度依赖性扩散过程的同时减少）可以导致提高的成核频率和减少的晶粒/相生长时间。因此，当提高过冷水平时，可以减小所产生的平均晶粒/相尺寸。由于在个体颗粒中可能发生相对较小的应力集中并且在硬质脆性相中产生的任何裂纹可以被滞留/桥接在更加延性的基质相中，因此基质晶粒/相尺寸和硬质颗粒尺寸的这种减小可以致使堆焊物的韧性提高。

概述