[发明专利]用于井下工具的增材制造的金属基质复合物材料

说明书

井下切割工具包括工具主体，所述工具主体具有其上的切割元件或切割元件凹槽。所述工具主体的至少一部分或其附件是由分散在连续金属基质中的金属碳化物颗粒形成的金属基质复合物。所述金属碳化物颗粒占所述金属基质复合物的小于45重量％和/或占所述金属基质复合物的小于30体积％。所述连续金属基质也可由除Ni‑Si‑B以外的金属或金属合金形成和/或具有大于150ksi的横向破裂强度和超过22ksi*in^0.5的断裂韧性。

相关申请的交叉参考

本申请要求2017年10月31日提交的美国专利申请No.62/579,621和2018年9月27日提交的美国专利申请No.62/737,508的权益，所述专利申请中的每一个以引用方式明确地整体并入本文中。

背景技术

多晶金刚石复合片(“PDC”)刀具在本领域已知用于钻地钻头。典型地，使用PDC刀具的钻头包括整体钻头体，该钻头体可由钢制成或者由硬复合基质材料制成，该硬复合基质材料由碳化钨和金属粘结剂组成。PDC刀具沿着钻头体刀片的外部刃面安装。每个PDC刀具都有一部分硬焊在形成于刀片中的凹部或凹槽中。

PDC刀具沿着钻头体刀片的前缘定位，使得当钻头体旋转时，PDC刀具接合并钻凿地层。在使用中，可能会在PDC刀具上施加很大的力。另外，钻头和PDC刀具可能受到相当大的磨损力。在一些情况下，冲击、振动和侵蚀力已经由于一个或多个刀具的损失或者由于刀片的断裂而导致钻头失效。

虽然钢钻头可能具有韧性和延展性，从而使得它们能够耐受由钻井期间生成的冲击力引起的开裂和失效，但是钢比基质材料更容易受到由高速钻井流体和磨粒造成的磨损和冲蚀性磨损的影响。磨粒可能包括由钻井液携带的部分地层以及砂、岩屑等。通常，钢体PDC钻头的一部分涂覆有更耐侵蚀的材料(例如碳化钨硬面焊)以改善耐侵蚀性。然而，碳化钨和其它耐侵蚀硬面焊材料相对较脆，并且由于刀具凹槽中存在石墨塞或者多个刀具紧密靠近，所以刀具凹槽附近的硬面焊覆盖通常不是太好。在使用期间，带有磨粒的流体潜在地冲蚀硬面焊下方和刀具凹槽附近的主体，这可导致硬面焊开裂、剥落、剥离或磨损，从而进一步使较软的钢主体暴露，该较软的钢主体接着会冲蚀。这可导致PDC刀具的损失，因为刀具周围的区域被冲蚀掉。诸如激光硬面焊的其它方法在成品钻头上不太实用，因为这个工艺耗时且成本高。

与钢钻头体相比，碳化钨(WC)硬金属基质主体钻头具有更高的耐磨性和耐侵蚀性。当今工业中使用的典型基质钻头通常通过用碳化钨粉末充填模具且接着用熔融过渡金属合金浸润粉末来形成。用于形成金属基质的常见金属合金是铁、镍、铜或其合金。连续金属基质相的熔点通常低于1,200℃。

由碳化钨或其它硬金属基质材料形成的钻头体虽然比钢更耐侵蚀，但缺乏韧性和强度，因此使得它们较脆并且在受到钻井期间遇到的冲击力和疲劳力时易于开裂。这可导致一个或多个刀片开裂或甚至使钻头折断。基质主体中裂缝的形成和扩展可能导致一个或多个PDC刀具的损失。损失的刀具可能会磨损钻头，导致进一步加速钻头损坏。然而，在没有碳化钨的情况下形成的钻头对于特定的应用可能具有足够的韧性和强度，但是可能缺乏其它性质，例如耐侵蚀性。因此，以前的努力而是依赖于材料的组合来实现性质的平衡。

另外，已将基质主体钻头制造成包括宽粒径分布。已经依赖在钻头内具有宽分布以实现碳化物磨粒的紧密堆积来提高耐磨性。在使用浸润工艺用碳化钨和金属粘结剂制造金属基质钻头时，粘结剂和碳化物体积分数的相对量也取决于碳化钨的粒径和形状。复合物中粘结剂的量取决于堆积密度。

发明内容

提供此发明内容以介绍一系列概念，所述概念将在下文具体实施方式中进一步描述。此发明内容不打算鉴别所要求保护的主题的关键或基本特征，也不打算用于辅助限制所要求保护的主题的范围。