[发明专利]用于地钻钻头的硼铝镁覆层

说明书

交叉引用

本申请要求2010年1月13日提出的美国临时申请61/294675的优先权。

技术领域

本申请基本涉及用于改进例如旋转牙轮地钻钻头的井下工具的抗磨损性同时减小其摩擦力的硬质覆层，特别涉及由硼、铝和镁形成的覆层。

背景技术

在石油和天然气钻井中使用的一种地钻钻头具有安装在钻头体的支承销上的可旋转牙轮。用于牙轮的支承系统可以是轴颈支承或圆柱形滚柱轴承。支承系统还包括位于牙轮和支承销之间的止推面。密封系统密封支承系统内的润滑剂。密封系统可以为金属面密封组件，其中弹性体部件压迫金属面密封件与配对的密封件滑动接合。替代性地，密封系统可以包括弹性体密封件，其滑动接合支承销上的环形套轴颈。

已知的是轴颈支承可以是环绕支承销固定安装的支承环，而不是支承销自身提供轴颈面。已知用于地钻钻头支承结构的密封系统可以使用环绕支承销安装的套管作为密封套，而不是直接在支承销上形成密封套。

延长支承系统使用寿命是地钻钻头制造者一贯的目标。已知有多种材料，例如金刚石或类金刚石材料，可以被使用作为支承系统的轴承以及密封表面，以延长其寿命。

最新类型的重量轻、超硬、耐磨损陶瓷是合成的三元硼化物。这些材料包括铝镁硼与作为掺杂剂的少量原子百分比的IV族或V族元素的合金。AlMgB14金属间化合物是基于位于具有64个原子的斜方晶胞中的四个B12正二十面体。正二十面体定位于(0，0，0)、(0，1/2，1/2)、(1/2，0，0)和(1/2，1/2，1/2)，同时Al原子在(1/4，3/4，1/4)处占据四重(four-fold)位置，Mg原子在(0.25，0.359，0)处占据四重位置。这种材料的硬度和耐磨性归因于每个正二十面体内部的复杂相互作用(二十面体内部作用力)和正二十面体之间的相互作用(二十面体之间作用力)。六方晶系的正二十面体以变形的、紧密压缩的层状布置。

包括AlMgB14及其合金或掺杂剂的材料族在此被称为“BAM”材料。合金或者掺杂剂可以包括以下材料中至少之一：硼化钛(TiB₂)；碳化钛(TiC)加铁、镍和碳；氮化硅(Si₃N₄)粉末或者晶须化的氮化硅(Si₃N₄)；碳化硼(B₄C)；硼化钛(TiB₂)和硼化钨(W₂B₄)。合金化的过程可以通过机械式合金工艺来实现，并且通过真空热压来巩固；或者可以通过激光消融和/或磁控溅射的工艺来实现。

这些合金添加剂可以使硬度增加高达10～20％(取决于具体使用的掺杂剂)。掺杂剂在纳米相晶粒度(grain size)减至100nm(纳米)的材料中产生明显不同的相。术语“纳米相(nanophase)”是用来描述材料具有小于100nm的相或者说状态(phase)。另外，一些晶须化材料具有直径在纳米级的纤维。上述“晶须化(whiskered)”材料是纤维状化合物的形式。在易碎的材料中，其通常包括小体积率的单一化合物或相的纤维以及另外的无纤维的大体积率相，或者所述小体积率的纤维位于所述另外的无纤维的大体积率相中。大体积率相有时被视为“母材”相。掺杂剂的主要目的是转移和偏移裂纹通过主体的传播，并随后在两个破裂表面试图分离并且拉拔出嵌入物时通过摩擦而做负功，从而使母材中的纤维保持原样。在陶瓷复合物中，晶须(或纤维)的长度可以在几微米到几百微米之间，直径在几微米，并且长度和直径能减小到纳米级。有很多参数决定组合物中使用的纤维的尺寸和体积率的优化。

BAM合金材料的一种应用是工业目的的耐磨切削工具。本领域技术人员并没有意识到或者被教导BAM合金材料可以用于支承系统。

发明内容

一种井下工具，其具有至少一个可旋转部件、支承系统以及密封件，所述支承系统包括具有支承表面的支承部件，其中所述可旋转部件在所述支承表面上旋转；所述密封件具有密封表面，所述密封表面与一配合的密封表面滑动接合以保持所述支承系统内的润滑剂。上述表面中的至少一个表面包括AlMgB14合金材料以延长支承系统的寿命。