Буровое долото для роторного бурения, имеющее корпус с частицами карбида бора в матричных материалах из алюминия или сплавов алюминия, и способ его изготовления

Буровое долото для роторного бурения, имеющее корпус с частицами карбида бора в матричных материалах из алюминия или сплавов алюминия, и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение в основном относится к буровым долотам для роторного бурения и к способам изготовления таких буровых долот. Говоря более конкретно, настоящее изобретение в основном относится к буровым долотам для роторного бурения, которые содержат корпус долота, по меньшей мере часть которого в основном изготовлена из композита (составного материала) на основе матрицы (связующего материала), содержащей частицы другого материала, а также к способам изготовления таких буровых долот.

Буровые долота для роторного бурения обычно используются для пробуривания стволов скважин или буровых скважин в толще земных пород. Существуют буровые долота для роторного бурения двух основных конфигураций. Одна из таких конфигураций представляет собой коническое шарошечное долото, которое обычно содержит три конических шарошки, установленные на опорных лапах, отходящих от корпуса долота. Конструкция каждой такой конической шарошки позволяет ей вращаться или проворачиваться на соответствующей опорной лапе. На внешних сторонах каждой конической шарошки имеются режущие зубья, служащие для прорезания скальных пород и других земных пластов. Режущие зубья часто покрыты абразивным твердым материалом (материалом "твердосплавного упрочнения"). Такие материалы обычно содержат частицы карбида вольфрама, рассеянные внутри матричного материала из металлического сплава. В альтернативном варианте, на внешних поверхностях каждой из конических шарошек имеются гнезда, в которых закрепляются твердосплавные вставки для формирования режущих элементов. В некоторых случаях эти вставки содержат суперабразивный материал, сформированный на металлической подложке и прикрепленный к ней. Коническое шарошечное долото может быть помещено внутрь ствола скважины таким образом, что конические шарошки будут упираться в земную породу, которую необходимо пробурить. По мере вращения бурового долота, под воздействием приложенного веса, конические шарошки проворачиваются по поверхности породы, а режущие зубья дробят расположенную под ними породу.

Вторая основная конфигурация бурового долота для роторного бурения представляет собой буровое долото с запрессованными резцами (часто называемое лопастным долотом), которое обычно имеет несколько режущих элементов, прикрепленных к торцевой области корпуса долота. Обычно режущие элементы бурового долота с запрессованными резцами имеют либо форму диска, либо по существу форму цилиндра. Твердый суперабразивный материал, например скрепленные частицы поликристаллического алмаза, может быть нанесен на по существу округлую торцевую поверхность каждого режущего элемента, образуя режущую поверхность. Подобные режущие элементы обычно называются режущими вставками из поликристаллического алмаза (ПКА или PDC - от англ. polycrystalline diamond compact). Такие режущие элементы могут изготавливаться отдельно от корпуса долота и закрепляются внутри гнезд, сформированных в наружной поверхности корпуса долота. В качестве связующего материала для прикрепления режущих элементов к корпусу долота может применяться адгезив (склеивающее вещество) или тугоплавкий припой. Буровое долото с запрессованными резцами может быть помещено в ствол скважины таким образом, что режущие элементы будут упираться в земную породу, которую необходимо пробурить. При вращении бурового долота режущие элементы соскребают и срезают поверхность расположенной под ними породы.

Корпус долота для роторного бурения обычно крепится к хвостовику долота из закаленной стали, имеющему резьбовую соединительная часть, изготовленную согласно стандарту Американского нефтяного института (АНИ), который служит для присоединения бурового долота к колонне бурильных труб. Колонна бурильных труб содержит трубчатую колонну и сегменты оборудования, соединенные концами, между буровым долотом и другим бурильным оборудованием на поверхности. Оборудование, например ротор буровой установки или верхний силовой привод, может использоваться для вращения колонны бурильных труб и бурового долота внутри ствола скважины. В другом варианте хвостовик бурового долота может быть непосредственно присоединен к ведущему валу забойного двигателя, который может быть использован для вращения бурового долота.

Корпус бурового долота для роторного бурения может быть изготовлен из стали. В альтернативном варианте, корпус бурового долота может быть изготовлен из композитного материала "матрица-частицы". Такие композитные материалы "матрица-частицы" обычно включают твердые частицы, случайным образом распределенные по всему матричному материалу на основе меди или сплава меди (часто называется "связующим" материалом). Такие корпуса долот обычно изготавливаются посредством внедрения короночного кольца долота в материал из частиц карбида вольфрама в пресс-форме и пропитывания материала из частиц карбида вольфрама расплавленной медью или сплавом меди. Буровые долота, имеющие корпус, изготовленный из такого композитного материала "матрица-частицы", могут иметь лучшие характеристики с точки зрения противодействия эрозии и износу, но при этом обладать меньшей прочностью и ударной вязкостью по сравнению с буровыми долотами, имеющими стальные корпуса.

Поскольку условия и требования подземного бурения становятся все более жесткими, возникает потребность в новых композитных материалах "матрица-частицы" для использования в корпусах долот для роторного бурения, обладающих улучшенными физическими свойствами, и которые могут быть использованы для улучшения рабочих характеристик долот для роторного бурения.

В настоящем изобретении предлагается долото для роторного бурения пород, включающее корпус долота, имеющий область коронки, преимущественно состоящую из композитного материала "матрица-частицы", который включает множество частиц карбида бора, распределенных по матричному материалу из алюминия или сплава алюминия, и по меньшей мере одну режущую конструкцию, расположенную на торцевой поверхности корпуса долота. При этом матричный материал из алюминия или сплава алюминия содержит по меньшей мере 75 мас.% алюминия, по меньшей мере 3,5 мас.% меди и по меньшей мере следовое количество по меньшей мере одного элемента из группы, включающей железо, литий, магний, марганец, никель, скандий, кремний, олово, цирконий и цинк, причем упомянутое множество частиц карбида бора составляет примерно от 40 до 60 мас.% веса композитного материала "матрица-частицы", а матричный материал из алюминия или алюминиевого сплава составляет, соответственно примерно от 60 до 40 мас.% веса композитного материала "матрица-частицы".

В частных вариантах осуществления область коронки корпуса долота включает несколько лопастей и по меньшей мере одна режущая конструкция расположена на по меньшей мере одной такой лопасти.

Корпус долота может дополнительно включать короночное кольцо, по меньшей мере частично внедренное в композитный материал "матрица-частицы", содержащее материал из металла или сплава металла и имеющее по меньшей мере одну поверхность, конфигурация которой обеспечивает присоединение роторного долота к колонне бурильных труб.

В одном из вариантов матричный материал из алюминия или алюминиевого сплава содержит по меньшей мере 90 мас.% алюминия. При этом матричный материал из алюминия или алюминиевого сплава включает твердый раствор. Матричный материал из алюминия или алюминиевого сплава, входящий в композитный материал, также включает области, содержащие по меньшей мере одну выкристаллизовавшуюся фазу, распределенную в твердом растворе. Причем по меньшей мере одна выкристаллизовавшаяся фаза включает метастабильную фазу. В одном из вариантов по меньшей мере одна выкристаллизовавшаяся фаза включает интерметаллическое соединение, в частности CuAl₂.

Упомянутое множество частиц карбида бора может включать множество частиц -20 меш по ASTM.

В одном из вариантов множество частиц карбида бора имеет многомодовое распределение размеров частиц.

По меньшей мере одна режущая конструкция может включать несколько режущих вставок из поликристаллического алмаза, размещенных на торцевой поверхности корпуса долота.

В настоящем изобретении также предлагается способ изготовления долота для роторного бурения пород, при осуществлении которого формируют корпус долота, имеющий область коронки, преимущественно состоящую из композитного материала "матрица-частицы", который включает множество частиц карбида бора, распределенных по матричному материалу из алюминия или алюминиевого сплава, и закрепляют по меньшей мере одну режущую конструкцию на торцевой поверхности корпуса долота. Причем формируют корпус долота, используя матричный материал из алюминия или алюминиевого сплава, содержащий по меньшей мере 75 мас.% алюминия, по меньшей мере 3,5 мас.% меди и по меньшей мере следовое количество по меньшей мере одного элемента из группы, включающей медь, железо, литий, магний, марганец, никель, скандий, кремний, олово, цирконий и цинк, причем обеспечивают, чтобы упомянутое множество частиц карбида бора составляло примерно от 40 до 60 мас.% веса композитного материала "матрица-частицы", а матричный материал из алюминия или алюминиевого сплава составляет соответственно примерно от 60 до 40 мас.% веса композитного материала "матрица-частицы".

В частных вариантах осуществления при упомянутом формовании корпуса

формуют множество частиц карбида бора в корпусе, имеющем форму, соответствующую по меньшей мере части корпуса долота,

пропитывают это множество частиц карбида бора расплавленными алюминием или материалом на основе алюминия и

охлаждают расплавленный алюминий или материал на основе алюминия для формирования твердого матричного материала, окружающего частицы карбида бора.

В другом варианте при формовании корпуса долота

получают компонент из неспеченного ("зеленого") порошка, содержащего множество частиц, каждая из которых содержит нитрид бора, и множество частиц, каждая из которых содержит материал из алюминия или алюминиевого сплава, и

осуществляют по меньшей мере частичное спекание компонента из неспеченного порошка.

При этом получение компонента из неспеченного порошка включает

получение первой части, имеющей первый состав, в основном содержащий множество частиц, каждая из которых содержит карбид бора, и множество частиц, каждая из которых содержит материал из алюминия или алюминиевого сплава, и

получение второй части, имеющей второй состав, отличающейся от первого состава.

Признаки, преимущества и дополнительные особенности настоящего изобретения будут очевидны специалистам после ознакомления с приведенным подробным описанием при его рассмотрении совместно с приложенными чертежами.

В то время как настоящее раскрытие заканчивается формулой изобретения, в которой конкретно определяется и ясно заявляется, что является объектом изобретения, преимущества настоящего изобретения могут быть лучше поняты после ознакомления с нижеследующим описанием изобретения вместе с приложенными чертежами, на которых:

на фиг.1 представлен вид сбоку частичного разреза долота для роторного бурения земных пород, которое воплощает принципы настоящего изобретения и включает корпус долота, содержащий композитный материал "матрица-частицы";

на фиг.2 представлен один пример того, как выглядит на микрофотографии микроструктура композитного материала "матрица-частицы" корпуса бурового долота, показанного на фиг.1, при первой степени увеличения;

на фиг.3 представлен один пример того, как выглядит микроструктура композитного материала "матрица-частицы" корпуса бурового долота, показанного на микрофотографии на фиг.2, при более высокой степени увеличения;

на фиг.4 представлен вид сбоку частичного разреза другого долота для роторного бурения земных пород, в котором используется настоящее изобретение, включающего корпус долота, содержащий композитный материал "матрица-частицы";

на фиг.5A-5K приводится иллюстрация выполнения способа, который может быть использован для формирования корпуса долота для роторного бурения земных пород, показанного на фиг.4;

на фиг.6A-6B приводится иллюстрация другого примера выполнения способа, который может быть использован для формирования корпуса долота для роторного бурения земных пород, показанного на фиг.4;

на фиг.7 приведен вид сбоку хвостовика, показанного на фиг.4;

на фиг.8 приведен вид поперечного сечения хвостовика, показанного на фиг.7, сделанного по линии 8-8 на этом виде;

на фиг.9 приведен вид поперечного сечения корпуса другого долота, который включает композитный материал "матрица-частицы", в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.10 приведен вид поперечного сечения корпуса долота, показанного на фиг.9, сделанного по линии 10-10 на этом виде;

на фиг.11 приведен вид поперечного сечения корпуса еще одного долота, которое включает композитный материал "матрица-частицы", в соответствии с настоящим изобретением.

Приведенные здесь чертежи не являются реальными изображениями какого-либо конкретного материала, устройства или способа, а иллюстрируют идеализированные представления, используемые для описания изобретения. Кроме того, одни и те же элементы и признаки на разных чертежах могут иметь одинаковые числовые обозначения.

Термин "зеленый" в настоящем описании означает "неспеченный" (используется далее).

Термин "зеленый корпус долота" в настоящем описании означает неспеченную конструкцию, содержащую множество отдельных частиц, скрепляемых связующим материалом, при этом размеры и форма конструкции обеспечивают формирование из этой конструкции корпуса долота, подходящего для использования в долоте для бурения земных пород, в ходе последующего технологического процесса, включающего механическую обработку и уплотнение, но не сводящегося исключительно к этим технологиям.

Термин "коричневый" в настоящем описании означает частично спеченный (используется далее).

Термин "коричневый корпус долота" в настоящем описании означает частично спеченную конструкцию, содержащую множество частиц, по меньшей мере некоторые из которых частично выращены вместе, с образованием по меньшей мере частичного соединения между соседними частицами, размеры и форма которой обеспечивают формирование из этой конструкции корпуса долота, пригодного для использования в долоте для роторного бурения земной породы, в ходе последующего технологического процесса, включающего механическую обработку и уплотнение, но не сводящегося исключительно к этим технологиям. Частично спеченные корпуса долота могут быть сформированы посредством, например, частичного спекания неспеченного корпуса долота.

Используемый здесь термин "состав материала" означает химический состав и микроструктуру материала. Другими словами, материалы, имеющие одинаковый химический состав, но различную микроструктуру, считаются имеющими различный состав материала.

Используемый термин "спекание" означает уплотнение порошкового компонента, включающее удаление по меньшей мере части пор между исходными частицами (сопровождаемое уменьшением объема), в сочетании со сцеплением и скреплением соседних частиц.

Долото 10 для роторного бурения земной породы, в котором использовано настоящее изобретение, показано на фиг.1. Буровое долото 10 включает корпус 12 долота, содержащий композитный материал 15 "матрица-частицы", который включает множество частиц карбида бора, распределенных по матричному материалу из алюминия или сплава алюминия. В качестве примера, не ограничивающего изобретение, корпус 12 долота может включать область 14 коронки и металлическое короночное кольцо 16. Область 14 коронки может, в основном, состоять из композитного материала 15 "матрица-частицы", как это показано на фиг.1. Металлическое короночное кольцо 16 может содержать металл или сплав металла, а его конструкция может обеспечивать прикрепление области 14 коронки корпуса 12 долота к металлическому хвостовику 20, конструкция которого обеспечивает прикрепление бурового долота 10 к бурильной колонне. Металлическое короночное кольцо 16 может быть прикреплено к области 14 коронки в процессе изготовления области 14 коронки, как это подробно рассмотрено ниже.

На фиг.2 представлен пример того, как может выглядеть микроструктура композитного материала 15 "матрица-частицы" на увеличенной микрофотографии, полученной, например, оптическим микроскопом, сканирующим электронным микроскопом или иным инструментом, способным получать или генерировать увеличенное изображение композитного материала 15 "матрица-частицы". Как показано на фиг.2, композитный материал 15 "матрица-частицы" может включать множество частиц карбида бора (B₄C), распределенных по матричному материалу 52 из алюминия или алюминиевого сплава. В качестве примера, не ограничивающего изобретение, частицы 50 карбида бора могут составлять примерно от 40 мас.% до 60 мас.% композитного материала 15 "матрица-частицы", а матричный материал 52 может составлять примерно от 60 мас.% до 40 мас.% композитного материала 15 "матрица-частицы".

Как показано на фиг.2, в некоторых вариантах осуществления, частицы 50 карбида бора могут иметь различные размеры. В некоторых вариантах осуществления, множество частиц 50 карбида бора может иметь многомодовое распределение размеров частиц (например, двухмодовое, трехмодовое, четырехмодовое, пятимодовое и т.д.), в то время как в других вариантах осуществления, частицы 50 карбида бора могут иметь существенно однородный размер частицы. В качестве примера, не ограничивающего изобретение, множество частиц 50 карбида бора может включать множество частиц карбида бора -20 меш по ASTM (ASTM - Американское общество специалистов по испытаниям материалов). В настоящем описании выражение "-20 меш по ASTM" означает частицы, которые проходят сквозь стандартное испытательное сито ASTM США №20 согласно Стандарту Е11-04, являющемуся официальным стандартом, определяющим требования к металлической ткани и ситам для испытаний.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, матричный материал 52 в объеме может включать по меньшей мере 75 мас.% алюминия, и следовое количество по меньшей мере одного из материалов из группы, включающей медь, железо, литий, магний, марганец, никель, скандий, кремний, олово, цирконий и цинк. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, матричный материал 52 может включать по меньшей мере 90 мас.% алюминия и по меньшей мере 3 мас.% одного из материалов из группы, включающей медь, магний, марганец, скандий, кремний, цирконий и цинк. Кроме того, следовое количество по меньшей мере одного материала из группы, включающей серебро, золото и индий, при желании могут быть включены в матричный материал 52, который может быть использован в качестве композитного материала 15 "матрица-частицы" области 14 коронки корпуса 12 долота, показанного на фиг.1.

Таблица 1
Пример №	Примерное весовое содержание элемента
Al	Cu	Mg	Mn	Si	Zr	Zn
1	95,0	5,0	-	-	-	-	-
2	96,5	3,5	-	-	-	-	-
3	94,5	4,0	1,5	-	-	-	-
4	93,5	4,4	0,5	0,8	0,8	-	-
5	93,4	4,5	1,5	0,6	-	-	-
6	93,5	4,4	1,5	0,6	-	-	-
7	89,1	2,3	2,3	-	-	0,1	6,2

На фиг.3 приведено увеличенное изображение области матричного материала 52, показанного на фиг.2. На приведенном на фиг.3 примере показано, как может выглядеть микроструктура матричного материала 52 композитного материала 15 "матрица-частицы" на микрофотографии при более высоком уровне увеличения, чем для микрофотографии, показанной на фиг.2. Такая микрофотография может быть получена, например, посредством сканирующего электронного микроскопа или просвечивающего электронного микроскопа.

В качестве примера, не ограничивающего изобретение, матричный материал может включать сплошную фазу 54, содержащую твердый раствор. Матричный материал 52 также может включать дискретную фазу 56, содержащую множество дискретных областей, каждая из которых включает выкристаллизовавшиеся частицы (т.е. выкристаллизовавшаяся дискретная фаза). Например, матричный материал 52 может включать выкристаллизовавшиеся частицы затвердевшего сплава алюминия, содержащего примерно от 95 мас.% до 96,5 мас.% алюминия и примерно от 3,5 мас.% до 5 мас.% меди. В подобном матричном материале 52 твердый раствор сплошной фазы 54 может включать алюминиевый растворяющее вещество и медное растворенное вещество. Другими словами, кристаллическая конструкция твердого раствора может содержать, по большей части, атомы алюминия и относительно небольшое количество атомов меди, замещающих атомы алюминия в произвольных дислокациях кристаллической конструкции. Кроме того, в таком матричном материале 52, дискретная фаза 56 матричного материала 52 может включать одну или более выкристаллизовавшихся частиц интерметаллических соединений (например, CuAl₂). В других вариантах осуществления дискретная фаза 56 матричного материала 52 может включать дополнительные дискретные фазы (не показаны), находящиеся в матричном материале 52, которые включают фазы метастабильных переходов (т.е. неравновесные фазы, временно сформировавшиеся во время формирования равновесной выкристаллизовавшейся фазы (например, CuAl₂)). Кроме того, в других вариантах осуществления, практически все из областей дискретной фазы 56 могут в основном состоять из таких фаз метастабильных переходов. Наличие областей дискретной фазы 56 внутри сплошной фазы 54 может сообщить матричному материалу одно или более нужных свойств, например повышенную твердость. Более того, в некоторых вариантах осуществления фазы метастабильного перехода могут сообщать матричному материалу 52 одно или более физических свойств, более желательных по сравнению с теми, что сообщаются матричному материалу 52 равновесными выкристаллизовавшимися фазами (например, CuAl₂).

Из фиг.3 также видно, что матричный материал 52 может включать множество зерен 60, которые примыкают друг к другу вдоль границы 62 зерен. Как показано на фиг.3, относительно высокая концентрация выкристаллизовавшейся дискретной фазы 56 может иметь место вдоль границ 62 зерен. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения зерна 60 матричного материала 52 могут обладать по меньшей мере одними размером и формой, выбор которых обеспечивает улучшение одного или более механических свойств матричного материала 52. Получение нужных размеров и формы зерен 60 может быть обеспечено посредством тепловой обработки, например, известными процедурами закалки и отжига. Более того, по меньшей мере следовое количество по меньшей мере одного из элементов - бора и титана, могут быть при необходимости включены в состав матричного материала 52 для повышения однородности размера зерен.

Как показано на фиг.1, корпус 12 долота может быть прикреплен к хвостовику 20 посредством, например, резьбового соединения 22 и сваркой 24, проходящей вокруг бурового долота 10 по его наружной поверхности вдоль границы раздела между корпусом 12 долота и металлическим хвостовиком 20. Металлический хвостовик 20 может быть выполнен из стали и может включать резьбовую шпильку 28, изготовленную согласно стандарту Американского нефтяного института (АНИ), для присоединения бурового долота 10 к колонне бурильных труб (не показана).

Как показано на фиг.1, корпус 12 долота может включать перья или лопасти 30, отделенные друг от друга промежутками 32 для выноса бурового раствора. Торцевая поверхность 18 корпуса 12 долота и продольное отверстие 40, проходящее сквозь стальной хвостовик 20 и по меньшей мере частично сквозь корпус 12 долота, могут соединяться внутренними каналами 42 для текучей среды. В некоторых вариантах осуществления, в торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота во внутренние каналы 42 для текучей среды могут быть вставлены втулки форсунок (не показаны).

Буровое долото 10 на своей торцевой поверхности 18 может иметь несколько режущих конструкций. В качестве не ограничивающего изобретение примера можно привести несколько режущих вставок 34 из поликристаллического алмаза (ПКА), помещенных на каждой лопасти 30, как это показано на фиг.1. Режущие ПКА вставки 34 могут располагаться вдоль лопастей 30 внутри гнезд 36, сформированных в торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота, и опираться сзади на упоры 38, которые могут быть отформованы как интегральный элемент области 14 коронки корпуса 12.

Показанный на фиг.1 стальной хвостовик 16 может иметь в основном форму цилиндрической трубы. В других вариантах осуществления стальной хвостовик 16 может иметь достаточно сложную конфигурацию и может включать наружные выступы, соответствующие лопастям 30, или иные элементы, проходящие по торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота.

Показанное на фиг.1 долото 10 для роторного бурения может быть изготовлено путем отдельного формования корпуса 12 долота и хвостовика 20, с последующим скреплением хвостовика 20 и корпуса 12 долота. Корпус 12 долота может быть отформован, например, в литейной форме (не показана), у которой полость литейной формы имеет размеры и форму, соответствующую размерам и форме корпуса 12 долота.

Литейная форма может быть выполнена, например, из графита или иного высокотемпературного жаропрочного материала, например керамики. Полость литейной формы может быть подвергнута механической обработке на пятикоординатном станке. Мелкие детали полости литейной формы могут быть выполнены с использованием ручного инструмента. Для достижения нужной конфигурации некоторых частей корпуса 12 долота могут потребоваться дополнительные элементы литейной формы. Там, где это необходимо, внутри полости литейной формы могут быть помещены предварительно отформованные элементы или вытесняющие вкладыши (могут содержать керамические компоненты, графитовые компоненты или вставки из песка, покрытого смолой), которые формируют внутренние каналы 42, гнезда 36 для режущих элементов, промежутки 32 для выноса бурового раствора и другие элементы рельефа корпуса 12 долота.

В полость литейной формы может быть помещено множество частиц 50 карбида бора для формования корпуса, имеющего форму, соответствующую по меньшей мере области коронки корпуса 12 долота. Металлическое короночное кольцо 16 может быть по меньшей мере отчасти заделано в массу частиц карбида бора так, что по меньшей мере одна поверхность короночного кольца 16 остается открытой, позволяя затем выполнить механическую обработку металлического короночного кольца 16 (при необходимости) и затем присоединение к хвостовику 20.

Затем может быть приготовлен расплавленный матричный материал 52 с описанным выше составом посредством смешивания в резервуаре материала сырья, частиц и (или) порошкового материала каждой из составных частей в соответствующем процентном соотношении и нагревания смеси до температуры, достаточной для расплавления смеси, с образованием расплавленного матричного материала 52 заданного состава. Расплавленный матричный материал 52 может быть залит в полость литейной формы и может впитаться в промежутки между частицами 50 карбида бора, ранее помещенными в полость литейной формы. При необходимости, к расплавленному матричному материалу 52 может быть приложено давление, способствующее процессу пропитки. Поскольку расплавленные материалы (например, расплавленные материалы из алюминия или сплавов алюминия) могут подвергаться окислению, процедура пропитки может производиться в вакууме. В других вариантах осуществления для предотвращения окисления расплавленных материалов они могут быть закрыты инертным газом или газом-восстановителем. В некоторых вариантах осуществления к расплавленному матричному материалу 52 и частицам 50 карбида бора может быть приложено давление, способствующее процессу пропитывания и предотвращающее, в значительной степени, образование раковин внутри формуемого корпуса 12 долота.

После того как частицы 50 карбида бора пропитаются расплавленным матричным материалом 52, расплавленный матричный материал 52 может быть охлажден и затвердевает, образуя твердый матричный материал 52 композитного материала 15 "матрица-частицы".

При необходимости, матричный материал 52 может быть подвергнут термической обработке (после процесса охлаждения, либо совместно с процессом охлаждения) для подгонки нужным образом одного или более физических свойств материала, в соответствии с требованиями. Например, матричный материал 52 может быть подвергнут упрочнению дисперсными частицами для формирования сплошной фазы 56, содержащей выкристаллизовавшиеся частицы, как это было описано выше в связи с фиг.3.

В одном варианте, представленном только в качестве примера, не ограничивающего изобретение, расплавленный матричный материал 52 может содержать примерно от 95 мас.% до 96,5 мас.% алюминия и примерно от 3,5 мас.% до 5 мас.% меди, как это было описано выше. Такой расплавленный матричный материал 52 может быть нагрет до температуры более примерно 548°C (эвтектическая температура для конкретного сплава) в течение времени, достаточного для того, чтобы расплавленный матричный материал 52 стал более однородным по составу. В основном однородный расплавленный матричный материал 52 может быть залит в полость литейной формы и сможет впитаться в промежутки между частицами 50 карбида бора внутри полости литейной формы. После того как частицы 50 карбида бора будут в основном пропитаны, температура расплавленного матричного материала может быть сравнительно быстро снижена (т.е. выполнена закалка) до температуры менее примерно 100°C с тем, чтобы затвердевание матричного материала 52 произошло без образования значительного количества выкристаллизовавшихся дискретных фаз. Затем температура матричного материала 52 может быть доведена до температуры в интервале примерно 100°C-548°C на достаточно продолжительное время с тем, чтобы обеспечить формирование требуемого количества выкристаллизовавшейся дискретной фазы (т.е. фаз метастабильных переходов кристаллизации и (или) равновесных фаз кристаллизации). В других вариантах осуществления состав матричного материала 52 может выбираться так, чтобы обеспечить заданную степень упрочнения выкристаллизовавшимися частицами внутри матричного материала 52 в течение времени и при температурах окружающей среды и (или) температурах, достигаемых в процессе бурения буровым долотом 10, благодаря чему отпадает необходимость в термической обработке при повышенных температурах.

Поскольку композитный материал 15 "матрица-частицы", используемый для формования области 14 коронки, может обладать относительно высокой твердостью и плохо поддаваться обработке, металлическое короночное кольцо 16 может использоваться для прикрепления корпуса долота к хвостовику 20. На открытых поверхностях металлического короночного кольца 16 могут быть нарезаны резьбы для обеспечения резьбового соединения 22 между корпусом 12 долота и металлическим хвостовиком 20. Такие резьбы могут быть нарезаны вокруг металлического короночного кольца 16 перед или после формования части 14 коронки корпуса 12 долота. Металлический хвостовик 20 может быть навинчен на корпус 12 долота и, при необходимости, граница раздела между корпусом 12 долота и металлическим хвостовиком 20 может быть закрыта сварным швом 24.

ПКА режущие элементы 34 могут быть прикреплены к торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота после отливки корпуса 12 долота, например, посредством пайки тугоплавким припоем, механическим креплением, либо приклейкой связующим веществом. Согласно другой технологии, ПКА режущие элементы 34 могут быть помещены внутрь литейной формы и прикреплены к торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота при пропитывании или термической обработке в печи корпуса 12 долота, в случае использования термостабильных синтетических алмазов, или природных алмазов.

В процессе бурения, буровое долото 10 может быть помещено на дно буровой скважины и вращаться, при этом буровой раствор нагнетается к торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота сквозь продольное отверстие 40 и внутренние каналы 42 для текучей среды. По мере того как ПКА режущие элементы 34 срезают или соскребают подстилающую земную породу, осколки породы и шлам смешиваются с буровым раствором, и эта взвесь проходит по промежуткам 32 для выноса бурового раствора и далее через кольцевое пространство между буровой скважиной и бурильной колонной на поверхность земли.

В некоторых вариантах осуществления долота для бурения земных пород, в которых реализованы принципы настоящего изобретения, могут и не включать металлическое короночное кольцо, например металлическое короночное кольцо 16, описанное ранее применительно к буровому долоту 10, показанному на фиг.1. Более того, корпуса долот для бурения земных пород, в которых используется настоящее изобретение, могут быть выполнены и иными, помимо пропитывания, способами, например прессованием и уплотнением порошка, как это будет подробно описано далее.

Другое долото 70 для бурения земных пород, в котором используется настоящее изобретение, но которое не включает металлическое короночное кольцо (например, металлическое короночное кольцо 16, показанное на фиг.1), показано на фиг.4. Долото 70 для роторного бурения имеет корпус 72 долота, который включает композитный материал "матрица-частицы", содержащий множество частиц карбида бора, распределенных по матричному материалу из алюминия или алюминиевого сплава, описанный ранее применительно к фиг.1-3. Буровое долото 70 может также включать хвостовик 90, прикрепленный непосредственно к корпусу 72 долота.

Хвостовик 90 включает в основном цилиндрическую наружную стенку, имеющую наружную поверхность и внутреннюю поверхность. Наружная стенка хвостовика 90 заключает по меньшей мере часть продольного отверстия 86, проходящего сквозь буровое долото 70. Конфигурация по меньшей мере одной поверхности наружной стенки хвостовика 90 может быть приспособлена для прикрепления хвостовика 90 к корпусу 72 долота. Хвостовик 90 также может включать наружную или внутреннюю часть 28 резьбового соединения, в соответствии со стандартом АНИ, для присоединения бурового долота 10 к колонне бурильных труб (не показана). Сквозь наружную стенку хвостовика 90 могут проходить одно или более отверстий 92. Эти отверстия более подробно описаны ниже.

В некоторых вариантах осуществления корпус 72 долота для роторного бурения земных пород может в основном состоять из композитного материала "матрица-частицы". Кроме того, состав композитного материала "матрица-частицы" может заданным образом изменяться внутри корпуса 72 долота для создания внутри корпуса 72 долота областей, обладающих различными специально выбранными физическими свойствами или характеристиками.

В качестве примера, не ограничивающего изобретение, можно привести корпус 72 долота, включающий первую часть 74, обладающую первым составом материала, и вторую часть 76, обладающую вторым отличающимся от первого составом материала. Первая часть 74 может включать области корпуса 72 долота, расположенные снизу вдоль продольной оси и с краю (например, область коронки корпуса 72 долота). Первая часть 74 может включать торцевую поверхность 88 корпуса 72 долота, конструкция которой приспособлена для закрепления на ней нескольких режущих элементов, например ПКА режущих элементов 34. Например, несколько гнезд 36 и упоров 38 может быть сделано в торцевой поверхности 88 или на торцевой поверхности 88 корпуса 72 долота, для установки и закрепления ПКА режущих элементов 34. Кроме того, в первой части 74 корпуса 72 долота может находиться несколько лопастей 30 и промежутков 32 для выноса бурового раствора. Вторая часть 76 может включать области бурового долота 72, расположенные вверх по продольной оси и внутри. Продольное отверстие 86 может проходить по меньшей мере частично сквозь вторую часть 76 корпуса 72 долота.

Вторая часть 76 может включать по меньшей мере одну поверхность 78, конфигурация которой обеспечивает присоединение к