包括釕的硬面組合物、具有這樣的硬面的鉆地工具及相關方法
【專利說明】包括釕的硬面組合物、具有這樣的硬面的鉆地工具及相關方法
相關申請的交叉參考
本申請要求2013年3月I日提交的未決的名稱為“Hardfacing Composit1nsincluding Ruthenium, Earth-Boring Tools Having Such Hardfacing,and RelatedMethods”的美國專利申請序列號13/783，097的權益。
技術領域
本公開內容的實施方案整體上涉及硬面組合物，涉及包括這樣的硬面組合物的鉆地工具，并且涉及形成硬面和向鉆地工具的表面施加硬面的方法。
背景
鉆地工具通常用于在地層中形成(例如鉆探和擴大)鉆孔或井(以下“井眼”)。鉆地工具例如包括旋轉鉆頭、取心鉆頭、偏心鉆頭、雙中心鉆頭、擴孔鉆、管下擴孔鉆和磨機。
不同類型的鉆地旋轉鉆頭在本領域中是已知，例如包括固定式切刀鉆頭(在本領域中其通常被稱為“刮刀”鉆頭)、滾動式切刀鉆頭(在本領域中其通常被稱為“巖石”鉆頭)、超級磨料浸漬鉆頭和混合式鉆頭(其例如可以包括固定式切刀和滾動式動刀兩者)。鉆頭旋轉并推進到地下地層中。當鉆頭旋轉時，切刀或其磨料結構切削、擠壓、剪切和/或磨損掉地層材料以形成井眼。
鉆頭直接或間接地與在本領域中稱作“鉆柱”的端部連接，該鉆柱包括一系列的端至端連接的狹長管狀部分，其從地層表面延伸到井眼中。通常情況下，可以在正在鉆探的井眼底部處的鉆柱的遠端處將各種工具和部件(包括鉆頭)連接在一起。在本領域中將工具和部件的這種組件稱為“底孔組件”(BHA)。
通過使鉆柱從地層表面旋轉，可以使鉆頭在井眼內旋轉，或通過將鉆頭與鉆孔電動機連接，該鉆孔電動機還與鉆柱連接并且與井眼的底部鄰近設置，可以使鉆頭旋轉。井下電動機例如可以包含具有軸的液壓Moineau型電動機，鉆頭與該軸連接，通過從地層表面栗送流體(例如鉆探泥漿或流體)向下通過鉆柱的中心、通過液壓電動機、從鉆頭中的噴嘴離開并且通過井眼內鉆柱的外表面和地層的暴露表面之間的環(huán)形空間向上回到地層表面，可使鉆頭旋轉。
鉆地工具的材料需要是相對堅硬且耐磨，以避免在工具的使用過程中的過量磨損。在努力增加鉆地工具的耐磨性時，將復合材料施加到鉆頭的表面，所述表面經受磨損、侵蝕或磨損和侵蝕兩者。通常將這些復合材料稱為“硬面”材料。硬面材料典型地包括在連續(xù)的基體相內鑲嵌的硬質材料晶粒。連續(xù)基體相通常包含金屬合金，并且通常在本領域中被稱為金屬“粘合劑”，因為它將硬質材料晶粒結合在一起。
例如，硬面材料通常包括分散在整個鐵基、鎳基或鈷基金屬合金基體中的碳化鎢顆粒。與基體材料相比，碳化鎢顆粒相對硬，并且與碳化鎢顆粒相比，基體材料相對有韌性。
在硬面材料中使用的碳化鎢顆粒可以包含鑄造碳化鎢顆粒、燒結碳化鎢顆粒和粗晶碳化鎢顆粒中的一種或多種。碳化鎢體系包括兩種化學計量的化合物，WC^P W2C。鑄造碳化鎢通常包括WC和W2C化合物的共晶混合物。燒結碳化鎢顆粒包括通過基體材料結合在一起的相對較小的WC顆粒。鈷和鈷合金通常用作燒結碳化鎢顆粒中的基體材料。最后，粗晶碳化鎢顆粒通常由WC單晶組成。
在本領域中已知的各種技術可用于向鉆地工具的表面施加硬面。例如，自動和手動的焊接工藝可用于向鉆地工具施加硬面。在一些手動工藝中，提供包含硬面的焊條，并且使用焊炬(例如氧乙炔焊炬或電弧焊炬)來加熱所述條的端部和任選的工具表面，其中將向該表面施加硬面。將所述條的端部加熱，直到至少所述基體材料開始熔化。隨著在條的端部的基體材料開始熔化，將熔化的硬面施加到工具的表面。還將分散在基體材料中的硬質顆粒施加到熔融基體材料的表面。施加后，使熔融的基體材料冷卻并凝固。
這樣的焊條可以包含硬面的基本上實心的鑄條，或它們可以包含由硬面的基體材料形成并且填充有硬質顆粒(例如碳化鎢顆粒)的中空柱形管。在管狀構造的焊條中，可密封該中空柱形管的至少一個端部。然后可以將所述管的密封端部熔化或焊接到鉆地工具上的所需表面上。隨著管熔化，中空柱形管內的碳化鎢顆粒隨著將熔融基體材料沉積在工具的表面上而與熔融基體材料混合。一種可替代的技術包括形成硬面的鑄條。
火焰噴涂工藝也可用來向鉆地工具施加硬面。在火焰噴涂工藝中，通過加壓流體(例如加壓氣體)將包含硬質顆粒和基體材料顆粒的粉末運載到噴嘴。從噴嘴將粉末混合物噴出，并通過朝向工具表面的火焰，其中將向該工具表面施加硬面?；鹧媸够w材料顆粒至少部分熔化。隨著將材料噴到工具上，熔融基體材料冷卻并凝固，并且硬質顆粒變得鑲嵌于基體材料中，以形成所述工具的表面上的硬面。
各種類型的電弧焊接方法在本領域中是已知的，并且可以用于向鉆地工具的表面施加硬面。例如，金屬一惰性氣體(MIG)焊接工藝、鎢-惰性氣體(TIG)焊接工藝和等離子體轉移弧(PTA)焊接工藝可用于向鉆地工具的表面施加硬面。
簡述
[0014]在一些實施方案中，本公開內容包括硬面組合物，其包含包括釕(例如至少約5.0wt%IT )的鈷基金屬合金和鑲嵌在鈷基金屬合金內的硬質材料晶粒。
[0015]在另外的實施方案中，本公開內容包括鉆地工具，其包含本體和布置在所述本體的表面上的至少一種硬面材料。該至少一種硬面材料包含包括^!了(例如至少約5.0wt%IT)的鈷基金屬合金和鑲嵌在鈷基金屬合金內的硬質材料晶粒。
[0016]在又進一步的實施方案中，本公開內容包括向鉆地工具的表面施加硬面組合物的方法。按照該方法，在鉆地工具的表面上將硬質材料晶粒鑲嵌在包括釕(例如至少約
5.0wt%IT )的恪融鈷基金屬合金中，和使在其中鑲嵌硬質材料顆粒的恪融鈷基金屬合金冷卻和凝固。
附圖簡要說明
雖然本申請文件以特別地指出并清楚地要求保護被認為是本公開的實施方案的權利要求結尾，但是本公開內容的不同特征和優(yōu)點將根據下文對參考附圖提供的示例性實施方案的說明而更加容易地得到確定，其中:
圖1是說明通常由鈷一燒結碳化鎢材料級別表現出的斷裂韌性與耐磨性之間的關系的圖；
圖2是鈷-釕相圖，還包括楊氏模量隨著鈷-釕體系中的釕含量變化的圖； 圖3是本公開內容的硬面材料的實施方案的簡化圖，該硬面材料包括在鈷基金屬合金基體(包括釕)中的不連續(xù)硬質相；
圖4是本公開內容的硬面材料的實施方案的簡化圖，該硬面材料包括包含在第一鈷基金屬合金基體(包括釕)中的不連續(xù)硬質相的顆粒，該顆粒設置在第二連續(xù)的金屬基體相中；
圖5是本公開內容的焊條的實施方案的透視圖，如本文所述，該焊條包括硬質顆粒和包括釕的鈷基金屬合金；
圖6A是本公開內容的焊條的另一個實施方案的透視圖，如本文所述，該焊條包括硬質顆粒和包括釕的鈷基金屬合金；
圖6B是在圖6A中所示的焊條的縱向橫截面視圖；
圖7是本公開內容的牙輪鉆地旋轉鉆頭的實施方案的側視圖，其包括如本文所述的硬面材料；和
圖8是本公開內容的固定式切刀鉆地旋轉鉆頭的實施方案的透視圖，其包括如本文所述的硬面材料。
詳細說明
在這里所呈現的說明不是任何特定的鉆地工具、切削元件或其部件的實際視圖，而是用于描述本公開內容的實施方案的僅僅理想化的表示。
如本文所用，術語“鉆地工具”是指并包括用于去除地層材料并且通過去除地層材料而形成穿過地層的孔(例如井眼)的任何工具。鉆地工具例如包括旋轉鉆頭(例如固定式切刀或“刮刀”鉆頭和牙輪或“巖石”鉆頭)，包括固定式切刀和輥元件兩者的混合式鉆頭、取心鉆頭、沖擊鉆頭、雙中心鉆頭、擴孔鉆(包括