[发明专利]用于金属基复合材料工具的机械互锁增强颗粒

说明书

背景技术

在石油和天然气工业中使用各种各样的工具来形成井筒、完成钻好的井筒并从完成的井筒中生产烃类诸如石油和天然气。这些工具的实例包括：切割工具，诸如钻头、铰刀、稳定器和取芯钻头；钻探工具，诸如旋转导向装置和泥浆马达；以及其他工具，诸如开窗磨具、工具接头和其他易磨损工具。这些工具以及石油和天然气工业领域外的若干种其他类型的工具经常形成为金属基复合材料(MMC)，并且在本文中被称为“MMC工具”。

MMC工具通常通过用粘合剂材料(诸如金属合金)渗入粉末基质增强材料来制造，所述粘合剂材料提供更坚固的所得结构。更具体地，制造MMC工具包括将基质增强材料沉积到模具中来制造，所述模具被设计来形成MMC工具的各种外部和内部特征。模具腔的内表面例如可被成形来形成MMC工具的所需外部特征，并且临时置换材料诸如固结砂或石墨可被定位在模具腔的内部部分内以形成MMC工具的各种内部(或外部)特征。在渗透工艺之后，可以从模具中移除临时置换材料。然后将一定量的粘合剂材料添加到模具腔中，并且然后将模具放置在炉内，并且使模具的温度升高到使粘合剂材料液化的温度，从而使粘合剂渗入基质增强材料的增强颗粒之间的间隙空间。

尽管MMC钻头通常耐侵蚀且具有高冲击强度，但是钻探操作导致MMC钻头的外表面通过与下层地下地层的持续研磨接触而逐渐磨损和侵蚀。对于典型的基质材料，一旦达到增强颗粒的临界侵蚀深度，与钻探相关联的冲击事件就会使增强颗粒从其较软粘合剂材料内的位置脱离(即，提取)。由于增强颗粒通常比粘合剂材料更硬且更耐侵蚀，所以提高增强颗粒与粘合剂材料之间的粘合以提供更粘着的MMC材料并且由此降低增强颗粒从粘合剂材料脱离的倾向可能是有利的。

附图说明

以下图包括了用于说明本公开的特定方面，并且不应视作排他性实施方案。本公开的主题能够以不偏离本公开的范围的形式和功能进行相当多的修改、改变、结合和等效物。

图1是可结合本公开的原理的示例性钻头的透视图。

图2是图1的钻头的横截面图。

图3是用于形成图1的钻头的示例性模具组件的横截面侧视图。

图4A-4D示出嵌入粘合剂材料内的示例性增强颗粒的渐进示意性侧视图。

图5A-5D是可结合本公开的原理的示例性增强颗粒的视图。

图6是示出适合使用根据本公开的基质钻头的钻探组件的示意图。

具体实施方式

本公开涉及工具制造，并且更具体地涉及用提供不规则外表面特征结构的机械互锁增强颗粒增强的金属基复合材料工具。

本公开的实施方案描述了具有内芯和设置在内芯上的不规则外表面特征结构的增强颗粒。常规的增强颗粒具有内芯和单独地形成或沉积在内芯的外表面上的外壳。相比之下，目前描述的增强颗粒可以避免在内芯上施加外壳的需要。更具体地，目前描述的增强颗粒可以是单体结构，各自包括充当芯部的内部部分和由芯部形成的外表面特征结构。换言之，外表面特征结构构成并且以其他方式形成芯部及其材料构造的整体结构特性。因此，在目前描述的增强颗粒中，芯部与外表面特征结构之间不存在界面。

在一些实施方案中，目前公开的增强颗粒的外表面特征结构可以是在渗透工艺期间将粘合剂材料与相邻增强颗粒机械互锁的不规则外表面特征结构，并且因此可以被称为互锁表面特征结构。互锁表面特征结构的不规则形状增加了增强颗粒的保持力和拉出强度，这可以帮助防止增强材料在经历引起侵蚀的冲击事件时从粘合剂材料中过早提取出。

本公开的实施方案适用于作为金属基复合材料(MMC)形成的任何工具或零件。例如，本公开的原理可适用于制造石油和天然气工业中常用的工具或零件以勘探和开采烃类。此类工具和零件包括但不限于油田钻头或切割工具(例如，定角钻头、牙轮钻头、取芯钻头、双心钻头、孕镶钻头、铰刀、稳定器、扩眼器、切割器)、不可回收钻探部件、与井筒的套管钻探相关的铝钻头体、钻柱稳定器、用于牙轮钻头的锥体、用于制造牙轮钻头的支撑臂、固定铰刀的臂、可张开铰刀的臂的锻模的模型、与可张开铰刀相关联的内部部件、附接到旋转钻头的井上端的套筒、旋转导向工具、随钻测井工具、随钻测量工具、井壁取芯工具、鱼叉、套洗工具、用于井下钻探马达的转子、定子和/外壳、用于井下涡轮机的刀片和外壳以及具有与形成井筒相关联的复杂构型和/或非对称几何形状的其他井下工具。