優(yōu)先權(quán)聲明

本申請要求2014年9月25日提交的名稱為“具有疏水性涂層的井下工具和制造此類工具的方法(downholetoolshavinghydrophobiccoatings,andmethodsofmanufacturingsuchtools)”的美國臨時專利申請序列號14/496,124的提交日的權(quán)益。

本公開的實施方案大體上涉及了在鉆井、完井和生產(chǎn)階段期間用來例如從地下井筒內(nèi)的生產(chǎn)地層獲得烴類的井下工具。更具體地，本公開的實施方案涉及具有涂層的井下工具和形成這種井下工具的方法，所述涂層被配制為減少結(jié)垢和成球，同時維持耐磨性和耐腐蝕性并具有對下方基礎(chǔ)材料高的結(jié)合強度。

發(fā)明背景

出于各種目的，在地下地層中形成井筒，這些目的包括例如從地下地層中提取油和氣和從地下地層中提取地?zé)??？梢允褂勉@頭(例如，旋轉(zhuǎn)鉆地鉆頭)在地下地層中形成井筒。不同類型旋轉(zhuǎn)鉆地鉆頭在本領(lǐng)域中是已知的，包括例如固定刀頭(在本領(lǐng)域中它通常被稱為“刮刀”鉆頭)、滾動刀頭(在本領(lǐng)域中它通常被稱為“巖石”鉆頭)、金剛石孕鑲的鉆頭和混合鉆頭(它可包括例如固定刀具和滾動刀具兩者)。旋轉(zhuǎn)鉆頭并且使其前進到地下地層中。隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)，刀具或其研磨結(jié)構(gòu)切削、壓碎、剪切和/或磨蝕掉地層材料以形成井筒。由鉆頭鉆探的井筒的直徑可由安置在鉆頭的最大外徑處的切削結(jié)構(gòu)限定。

鉆頭直接地或間接地聯(lián)接到本領(lǐng)域中被稱為“鉆柱”的那者的端部，這種鉆柱包括端對端連接的一系列的細長管段，這些細長管段從地層的表面延伸到井筒中。通常，可以在鉆柱的位于所鉆探的井筒的底部的遠端處將包括鉆頭的各種工具和部件聯(lián)接在一起。工具和部件的這種組件在本領(lǐng)域中稱為“底部鉆具組件”(bha)。

可以通過從地層的表面旋轉(zhuǎn)鉆柱而使鉆頭在井筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)，或者可以通過將鉆頭聯(lián)接到井下馬達而使鉆頭旋轉(zhuǎn)，井下馬達也聯(lián)接到鉆柱并安置在井筒底部附近。井下馬達可以包括例如液壓moineau型馬達，其具有軸，鉆頭安裝到該軸上，可以通過以下方式致使該軸旋轉(zhuǎn)：從地層的表面向下泵送流體(例如，鉆井泥漿或鉆井液)通過鉆柱中心、通過液壓馬達、從鉆頭中的噴嘴中流出，并且通過鉆柱的外表面與在井筒內(nèi)的地層的暴露表面之間的環(huán)形空間向上回流到地層的表面。

在本領(lǐng)域中已知的是，當(dāng)在地下地層中鉆探井筒時，使用被稱為“擴孔器”裝置(在本領(lǐng)域中也被稱為“開孔裝置”或“開孔器”)的那者結(jié)合鉆頭作為井底組件的一部分。在這種配置中，鉆頭作為“領(lǐng)眼”鉆頭操作，以便在地層中形成領(lǐng)眼孔隙。當(dāng)鉆頭和井底組件前進到地層中時，擴孔器裝置跟隨鉆頭通過領(lǐng)眼孔隙，并且擴大“鉆孔”、即領(lǐng)眼孔隙的直徑。

井下工具主體(諸如鉆頭和擴孔器)通常設(shè)有流體流道，諸如“排屑槽”，以便允許鉆井泥漿(它可包括由工具產(chǎn)生的鉆井流體和地層巖屑，地層巖屑被夾在流體內(nèi))向上繞過工具主體傳送到鉆柱外的在工具上方的井筒內(nèi)的環(huán)形空間中。用于套管和襯管鉆井的鉆井工具通常具有較小流體流道，并且特別容易成球，從而導(dǎo)致較低穿透速率。

當(dāng)鉆探井筒時，地層巖屑可粘附到鉆頭、擴孔器或其它井下工具的表面，或者在這種表面上成球。巖屑可以積聚在切削元件上，以及積聚在鉆頭或其它工具的表面上，并且可以收集到形成在該鉆頭的各種結(jié)構(gòu)部件之間的任何空隙、間隙或凹部中。在塑性地損壞的地層中，諸如在某些頁巖、泥巖、粉砂巖，石灰?guī)r和其它相對韌性地層中，這種現(xiàn)象尤其增強。可將來自這樣的地層的巖屑機械地裝填在鉆頭的前述空隙、間隙或凹部中。在其它情況下，諸如當(dāng)鉆探某些頁巖地層時，地層鉆屑與鉆頭或其它工具的表面之間的粘附可至少部分地基于在它們之間的化學(xué)結(jié)合。當(dāng)鉆頭表面被這種地層中的水潤濕時，鉆頭表面和頁巖的粘土層可以共享公共電子。在頁巖本身的單片巖層之間存在類似電子共享。這種電子共享的結(jié)果是頁巖與鉆頭表面之間的粘合劑型結(jié)合。當(dāng)鉆頭面的電荷與地層電荷相反時，也會發(fā)生地層巖屑與鉆頭表面之間的粘附。帶相反電荷的地層顆?？烧掣降姐@頭表面。此外，可將地層顆粒壓實到鉆頭表面上，或者在鉆井過程期間通過腐蝕和磨損機械地結(jié)合到蝕刻到鉆頭中的凹坑或溝槽中。

類似地，在井筒的完井和生產(chǎn)階段期間用于井下的工具及其它組件和部件可以隨著時間經(jīng)歷結(jié)垢和成球。結(jié)垢和成球可能引起這種井下設(shè)備操作效率降低、功率消耗增加和/或使用壽命減少。

一些材料可形成在井下工具表面上方，以便減少結(jié)垢和成球的趨勢。然而，所使用的常規(guī)材料可為疏水性的，但是可能不具耐磨性和耐腐蝕性，或者它們可為耐磨性的，但是可能不是疏水性的。疏水性材料可形成在井下工具的表面上方，但是可能無法充分地結(jié)合到下方井下工具，可呈現(xiàn)對下方井下工具表面相對低的結(jié)合強度，并且因此可以切碎、腐蝕或以其它方式脫離下方井下工具，從而減少該工具的可用壽命。

發(fā)明概要

本文中公開的實施方案包括井下工具，所述井下工具包括在其上方的疏水性材料。例如，根據(jù)一個實施方案，一種井下工具包括：主體，所述主體具有組合物；疏水性材料層，所述疏水性材料層冶金地結(jié)合到所述主體的表面，所述疏水性材料層包括包含金屬硼化物的不連續(xù)相和包含金屬粘結(jié)劑的第一連續(xù)相；以及界面，所述界面在所述疏水性材料層與所述主體之間，并且包含所述金屬硼化物，所述金屬硼化物分散在第二連續(xù)相內(nèi)，所述第二連續(xù)相包含所述金屬粘結(jié)劑和所述主體的所述組合物。

在另外實施方案中，一種形成井下工具的方法，所述方法包括將疏水性材料形成在井下工具的主體上方以將所述疏水性材料冶金地結(jié)合到所述井下工具的所述主體，所述疏水性材料包括不連續(xù)相，所述不連續(xù)相包括金屬硼化物，所述金屬硼化物分散在連續(xù)金屬粘結(jié)劑相內(nèi)。

在另外實施方案中，一種對井筒進行鉆探的方法，所述方法包括：將鉆柱聯(lián)接到鉆頭，所述鉆頭包括在所述鉆頭的外表面的至少一部分上方的疏水性材料，所述疏水性材料包括金屬硼化物，所述金屬硼化物分散在連續(xù)金屬粘結(jié)劑相內(nèi)；使所述鉆柱隨著所述鉆頭前進到井筒中；使所述鉆頭在所述井筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)；以及將地層的部分移除而擴大井筒。

附圖簡述

圖1是示出地下地層中的井筒內(nèi)的各種井下工具的簡化且示意地示出的橫截面?zhèn)纫晥D；

圖2是井下工具的主體的部分的簡化且示意地示出的側(cè)視圖，這個部分包括在井下工具的主體的表面處的材料層；

圖3是描繪僅物理地附接到下方主體的材料層的顯微照片；

圖4是描繪冶金地結(jié)合到下方主體的材料層的顯微照片；以及

圖5示出了呈旋轉(zhuǎn)鉆地刮刀鉆頭形式的井下工具的透視圖，包括在旋轉(zhuǎn)鉆地刮刀鉆頭的鉆頭主體的表面處的如本文中所述和圖2中所示的材料層。

用于實施本發(fā)明的模式

本文中呈現(xiàn)的圖示不意味著是任何特定材料、部件或系統(tǒng)的實際視圖，而僅僅是用于描述本公開的實施方案的理想表示。

以下描述提供特定細節(jié)，諸如材料類型、組合物、材料厚度和處理條件，以便提供對本公開的實施方案的透徹描述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解，可以在不采用這些具體細節(jié)的情況下實踐本公開的實施方案。實際上，本公開的實施方案可結(jié)合工業(yè)中采用的常規(guī)技術(shù)來實踐。另外，以下所提供的描述不會形成用于在基礎(chǔ)材料上方形成疏水性材料的完整工藝流程。下面僅詳細描述了理解本公開的實施方案必需的那些過程動作和結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，在本文中固有地公開了一些過程組件，并且添加各種常規(guī)過程組件和動作將與本公開一致。在基礎(chǔ)材料上方形成疏水性材料并在兩者間形成冶金結(jié)合的額外的動作或材料可通過常規(guī)技術(shù)來執(zhí)行。

如以下更詳細地論述的，本公開的實施方案涉及用于井筒的井下工具。井下工具包括安置在井下工具的主體的相對疏水性的表面處的材料層，并且另外，可為相對耐磨和/或耐腐蝕的。材料層可具有的組合物不同于主體的組合物，材料層在主體上方暴露。材料層可以包括例如復(fù)合材料，諸如包括硬顆粒的不連續(xù)相分散在第一連續(xù)相內(nèi)的顆?；|(zhì)材料。不連續(xù)相可以包括陶瓷材料(諸如金屬硼化物)的硬顆粒。金屬硼化物可為過渡金屬硼化物，諸如硼化鎳、硼化鈷、硼化鐵、硼化錳、硼化鎢、硼化鈦、硼化鉬中的至少一種。在一些實施方案中，金屬硼化物是硼化鉬。第一連續(xù)相可以包括金屬粘結(jié)劑，諸如鉻、鈷、鎳、鋅、鐵、鎢、鈦、鋁、鎂、銅及其組合。在材料層與主體之間的界面可以包括如下復(fù)合材料：硬顆粒的不連續(xù)相分散在包含主體的材料和金屬粘結(jié)劑的第二連續(xù)相內(nèi)。

材料層可形成在主體上方，并且可以熱處理以形成與主體的材料的化學(xué)結(jié)合(例如，材料層的原子和主體的原子可以在晶體結(jié)構(gòu)中冶金地結(jié)合至彼此)。材料層和主體之間的界面可以包括主體的材料和材料層的材料的梯度。界面可以基本上無空隙，并且包括主體的材料和材料層的材料的晶格結(jié)構(gòu)(例如，晶體)。

如本文所使用，井下工具的術(shù)語“主體”不僅表示和包括井下工具的主要主體、外殼或其它結(jié)構(gòu)，而且表示和包括這種井下工具的部件部分，無論這種部件部分是否單獨地由另一部件部分形成，或者與之成為一體。換句話說，根據(jù)本公開的實施方案的井下工具的主體涵蓋在本公開中，主體具有的材料層在主體的一部分上。類似地，根據(jù)本公開的實施方案的井下工具的表面可為內(nèi)表面、外表面或從井下工具的內(nèi)部延伸到外部的表面，表面具有的材料層在表面上。

圖1是示出在地下地層102中形成的井筒100的示意圖。圖1中示出的井筒100是部分地形成的井筒100，當(dāng)前正在進一步地鉆出井筒以使井筒100的深度延伸，以及擴大井筒100的直徑。因此，用于形成井筒100的鉆井系統(tǒng)106包括在地層102的表面104處的部件，以及延伸到井筒100中或安置在井筒內(nèi)的部件。鉆井系統(tǒng)106包括在地層102的表面104處的鉆機108和從鉆機104延伸到地層102中的鉆柱110。鉆柱110包括管狀構(gòu)件112，所述管狀構(gòu)件在其遠端承載井底組件(bha)114。管狀構(gòu)件112可通過以端對端配置來接合鉆桿部分而制成。

作為非限制性示例，bha114可以包括鉆頭150、導(dǎo)向裝置118、鉆井馬達120、傳感器接頭122、雙向通信和功率模塊(bcpm)124、穩(wěn)定器126、地層評估(fe)模塊128，以及擴孔裝置130。

可以使用鉆井馬達120來使bha114在井筒100內(nèi)旋轉(zhuǎn)。鉆井馬達120可以包括例如液壓moineau型馬達，其具有軸，bha110被聯(lián)接到該軸，可以通過以下方式致使該軸旋轉(zhuǎn)：從地層102的表面104向下泵送流體(例如，鉆井泥漿或鉆井液)通過鉆柱110中心、通過液壓馬達120、從鉆頭150中的噴嘴中流出，并且通過鉆柱110的外表面與在井筒100內(nèi)的地層102的暴露表面(或者井筒100內(nèi)的任何套管132的暴露的內(nèi)表面)之間的環(huán)形空間向上回流到地層102的表面104?；蛘撸赏ㄟ^使鉆柱106從地層102的表面104旋轉(zhuǎn)而使bha110在井筒100內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

控制器134可以放置在表面104處，用于接收和處理井下數(shù)據(jù)?？刂破?34可以包括處理器、用于存儲數(shù)據(jù)的存儲裝置，以及計算機程序。處理器從存儲裝置訪問數(shù)據(jù)和程序，并且執(zhí)行程序中包含的指令以在鉆井操作期間控制鉆井系統(tǒng)106。

同樣如圖1所示，也可以將套管132的一個或多個部分安置在井筒100的一個或多個部分內(nèi)。

本公開的實施方案可以包括地層102中的井筒100內(nèi)采用的任何井下工具，諸如如前所述安置在井筒100內(nèi)的工具的任何一者。此外，井下工具包括在地層102中和在井筒100的擴大中使用的那些，以及在井筒100的完井中使用的那些，以及在用于生產(chǎn)的完井井筒100的操作中使用的那些。如本文所使用，術(shù)語“井下工具”表示和包括插入井筒100中或旨在用于井筒100內(nèi)以進行井筒100的形成、擴大、完井、維護、修復(fù)或操作(即，生產(chǎn))的任何人造。

圖2是鉆地工具142的主體140的簡化且示意地示出的橫截面?zhèn)纫晥D。材料層144被安置在鉆地工具142的表面143附近。鉆地工具142的主體140具有第一組合物，并且材料層144具有第二組合物，第二組合物不同于主體140的第一組合物。材料層144可呈現(xiàn)的疏水性大于主體140的疏水性。材料層144可具有的平均層厚度tl在約3μm與約1,500μm之間，諸如在約3μm與約10μm之間、在約10μm與約25μm之間、在約25μm與約50μm之間、在約50μm和100μm之間、在約100μm與約500μm之間、在約500μm至約1,000μm之間，或者在約1,000μm與約1,500μm之間。位于材料層144與主體140之間的界面148可以包括主體140和材料層144的復(fù)合材料，其中材料層144冶金地結(jié)合到主體140。

作為非限制性示例，主體140可以包含金屬、金屬合金、陶瓷、超硬磨料材料或復(fù)合材料。作為非限制性具體實例，主體140可以包含鐵合金(例如，鋼、不銹鋼等等)、膠結(jié)的碳化鎢復(fù)合材料(例如，鈷膠結(jié)碳化鎢)或多晶金剛石。

如前提及，材料層144可以包括硬顆粒的不連續(xù)相分散在連續(xù)相中的顆?；|(zhì)復(fù)合材料。不連續(xù)相可以包括陶瓷材料(諸如金屬硼化物)的硬顆粒。金屬硼化物可以包括過渡金屬硼化物，諸如硼化鎳、硼化鈷、硼化鐵、硼化錳、硼化鎢、硼化鈦、硼化鉬中的至少一種。連續(xù)相可以包括金屬粘結(jié)劑，諸如鉻、鈷、鎳、鋅、鐵、鎢、鈦、鋁、鎂、銅及其組合。在一些實施方案中，連續(xù)相金屬粘結(jié)劑包括鉻和以下各項中的至少一種：鈷、鎳、鋅、鐵、鎢、鈦、鋁、鎂和銅。

在一些實施方案中，材料層144包括硼化鉬分散在金屬粘結(jié)劑材料(諸如鈷鉻(cocr)、鎳鉻(nicr)及其組合)內(nèi)的復(fù)合物。在其它實施方案中，材料層144包括硼化鉬分散在鈷、鎳和鉻的連續(xù)相內(nèi)的復(fù)合物。

材料層144可以包括約40.0重量％與約80.0重量％之間的分散在連續(xù)相中的不連續(xù)相。因此，不連續(xù)相可以構(gòu)成約40.0重量％與約80.0重量％之間的材料層144，諸如約40.0重量％與約50.0重量％之間、約50.0重量％與約60.0重量％之間、約60.0重量％與約70.0重量％之間或約70.0重量％與約80.0重量％之間的材料層144。在一些實施方案中，不連續(xù)相構(gòu)成約56.0重量％至約62.0重量％之間的材料層144。連續(xù)相可以構(gòu)成約20.0重量％與約60.0重量％之間的材料層144，諸如約20.0重量％與約30.0重量％之間、約30.0重量％與約40.0重量％之間、約40.0重量％與約50.0重量％之間或約50.0重量％與約60.0重量％之間的材料層144。在一些實施方案中，連續(xù)相構(gòu)成約38.0重量％至約44.0重量％之間的材料層144。

連續(xù)相可以包括約62.0重量％與約68.0重量％之間的鈷和約32.0重量％與約38.0重量％之間的鉻。在其它實施方案中，連續(xù)相包括約62.0重量％與約68.0重量％之間的鎳和約32.0重量％與約38.0重量％之間的鉻。在其它實施方案中，連續(xù)相包含約32.0重量％與約38.0重量％之間的鉻和約62.0重量％與約68.0重量％之間的以下各項中的至少一種：鈷、鎳、鋅、鐵、鎢、鈦、鋁、鎂和銅。

連續(xù)相可具有的液相線溫度在約1,000℃與約2,000℃之間，諸如在約1,000℃與約1,200℃之間、在約1,200℃與約1,400℃之間、在約1,400℃與約1,600℃之間、約1,600℃與約1,800℃之間，或者在約1,800℃與約2,000℃之間。

界面148可以包括不連續(xù)相(例如，金屬硼化物)分散在包含金屬粘結(jié)劑和主體140的材料的第二連續(xù)相內(nèi)的復(fù)合物。界面148可以包括不連續(xù)相的梯度。界面148的遠離主體140的部分可包括的不連續(xù)相的量比界面148的緊鄰主體140的部分高。界面148還可包括金屬粘結(jié)劑連續(xù)相的梯度。界面的遠離主體140的部分可包括的金屬粘結(jié)劑連續(xù)相的量比界面148的緊鄰主體140的部分高。在一些實施方案中，界面148可以包括主體140的材料的梯度，其中主體的緊鄰主體140的材料的量較高，并且主體140的遠離主體140的材料的量較低。

因此，界面148可以包括分散在連續(xù)相內(nèi)的硬顆粒的不連續(xù)相，連續(xù)相包括材料層144的粘結(jié)劑材料和主體140的材料。在主體140包括復(fù)合材料的實施方案中，界面148處的不連續(xù)相也可包括主體140的硬顆粒。主體140的材料可以構(gòu)成界面148的不連續(xù)相的至多約10重量％。例如，主體的材料可以構(gòu)成界面148的不連續(xù)相的約0重量％與約10重量％之間，諸如約0重量％與約5重量％之間，或者約5重量％與約10重量％之間。類似地，主體140的材料可以構(gòu)成界面148的不連續(xù)相的約1重量％與約5重量％之間，或者約5重量％與約10重量％之間。在主體140包括鐵或鐵基合金的一些實施方案中，界面可以包括約1重量％與約10重量％之間的鐵或鐵基合金。鐵量可從主體140直至穿過界面148而逐漸地減小，并且在材料層144處可以大約為零。

相較僅物理地(即，機械地)附接到主體的常規(guī)材料，材料層144可以呈現(xiàn)對主體140的增加的結(jié)合強度。材料層144可具有的結(jié)合強度(例如，將材料層144與主體140分離所需要的應(yīng)力)在約10,000psi與約20,000psi之間，諸如在約10,000psi與12,000psi之間、在約12,000psi與約14,000psi之間、在約14,000psi與約16,000psi之間、在約16,000psi與約18,000psi之間，或者在約18,000psi與約20,000psi之間。

材料層144可為相對耐磨、耐腐蝕的，并且可以呈現(xiàn)不粘附性和/或低摩擦性。

材料層144可呈現(xiàn)的ra表面粗糙度在約60μin與約150μin之間，諸如在約70μin與約90μin之間，或者在約110μin與約150μin之間，諸如在約120μin與約140μin之間，并且材料層可呈現(xiàn)的維氏顯微硬度hv0.3為至少約1,600hv0.3，諸如至少約2000hv0.3。

通過在主體140上沉積材料層144，然后對材料層144和主體140熱處理，以便在材料層144與主體140之間的界面148處引起冶金結(jié)合，就可在主體140上形成材料層144。對材料層144和主體140的表面熱處理可以在界面148處引起再結(jié)晶和晶粒生長，從而在材料層144與主體140之間產(chǎn)生增加的結(jié)合強度。

材料層144可以通過各種方法形成，這些方法包括熱噴涂方法，諸如高速空氣燃料(hvaf)噴涂、高速氧燃料(hvof)噴涂、低速氧燃料(lvof)和超高速氧燃料(shvof)。這種熱噴涂方法可通過引導(dǎo)高速噴涂顆粒來形成材料層144，高速噴涂顆粒具有的組合物對應(yīng)于在主體140的表面處的材料層144的組合物。通過這種熱噴涂工藝而形成的材料層144可使材料層144形成達到某個厚度，這個厚度在約3μm與約1,500μm之間，諸如在約3μm與約10μm之間、在約10μm與約25μm之間、在約25μm與約50μm之間、在約50μm和100μm之間、在約100μm與約500μm之間、在約500μm至約1,000μm之間，或者在約1,000μm與約1,500μm之間。

在材料層144沉積到主體140的表面上時，hvaf和hvof熱噴涂工藝可部分地熔融材料層144的連續(xù)相。主體140可以處于比材料層144的部分地熔融的連續(xù)相更低的溫度，并且材料層144可以在其接觸主體140的表面時快速冷卻。例如，材料層144的溫度可以在其接觸主體140的表面時低至在約140℃至約210℃之間。因此，在材料層144與主體140之間的界面148(包括冶金結(jié)合)可以不形成在材料層144和主體140的表面之間。相反，材料144可僅物理地結(jié)合到主體140。

圖3是顯示通過hvaf沉積在主體140上方的材料層144的顯微照片。在主體140與材料層144之間的界面147可不包括材料層144與主體140之間的冶金結(jié)合。如圖3所示，界面147包括主體140和材料層144之間的明顯邊界，而不需要主體140和材料層144的再結(jié)晶。材料層144可能易于在界面147處脫離主體140，因為材料層144與主體140的物理附接很弱。

在材料層144沉積到主體140上后，可以對材料層144熱處理，以便在界面148處引起主體140與材料層144之間的再結(jié)晶和晶粒生長。通過加熱材料層144和緊鄰材料層144的主體140的表面，可將材料層144冶金地結(jié)合到下方主體140。材料層144和緊鄰材料層144的主體140的表面可加熱至大約材料層144的連續(xù)相的液相線溫度，或加熱至材料層144的連續(xù)相的液相線溫度以上。材料層144和主體140的表面處的材料的連續(xù)相可在熱處理期間再結(jié)晶。在一些實施方案中，材料層144加熱至的溫度在約1,000℃與約2,000℃之間，諸如在約1,000℃與約1,200℃之間、在約1,200℃與約1,400℃之間、在約1,400℃與約1,600℃之間、約1,600℃與約1,800℃之間，或者在約1,800℃與約2,000℃之間。

主體140的一部分和材料層144的一部分中的至少一者可以熔融并分散在主體140的部分和材料層144的部分中的另一者內(nèi)。主體140的材料可以擴散到材料層144的材料中。在一些實施方案中，材料層144和主體140的表面可加熱到材料層144的連續(xù)相的液相線溫度。主體140的所擴散的材料可在熱處理期間在界面148處再結(jié)晶。

材料層144和主體140的表面可以通過加熱源加熱，所述加熱源諸如等離子炬、氧氣/乙炔(氧乙炔)炬、激光加熱源、感應(yīng)加熱源，或者用于在材料層144接觸主體140的表面時提供局部熱量的任何其它合適的加熱源。加熱源可以將材料層144的連續(xù)相加熱至大約材料層144的連續(xù)相的液相線溫度，或加熱至材料層144的連續(xù)相的液相線溫度以上。加熱源還可將緊鄰材料層144的主體140的局部區(qū)域加熱至大約材料層144的連續(xù)相的液相線溫度，或加熱至材料層144的連續(xù)相的液相線溫度以上。

當(dāng)材料層144和主體140的表面在加熱后冷卻時，材料層144和主體140可以在界面148處再結(jié)晶。因此，在一些實施方案中，材料層144可以具有第一結(jié)晶微結(jié)構(gòu)，主體140可以具有不同于第一結(jié)晶微結(jié)構(gòu)的第二結(jié)晶微結(jié)構(gòu)，并且界面148可以包括不同于第一結(jié)晶微結(jié)構(gòu)和第二結(jié)晶微結(jié)構(gòu)的第三結(jié)晶微結(jié)構(gòu)。

圖4中示出了顯示在熱處理后的材料層144與主體140之間的界面148的顯微照片。如上所述，界面148可以包括材料層144與主體140之間的冶金結(jié)合。如圖4所示，在主體140與材料層144之間沒有明顯邊界。相反，由于界面148處的再結(jié)晶和晶粒生長，界面148包括材料層144與主體140之間的冶金結(jié)合。

在另一實施方案中，當(dāng)材料層144沉積到主體140上時，界面148處的冶金結(jié)合可以形成。材料層144可以在大約材料層144的連續(xù)相的液相線溫度的溫度下或者在材料層144的連續(xù)相的液相線溫度以上的溫度下沉積到主體140上。因此，可以在材料層144沉積到主體140的表面上的同時形成界面148。

可以形成具有的組合物與材料層144的組合物相對應(yīng)的粉末。粉末可以包括與如上所述材料層144相同的組合物。例如，粉末可以包括在約56.0重量％與約62.0重量％之間的分散在連續(xù)相中的不連續(xù)相。材料層144可以包括在約38.0重量％與約44重量％之間的金屬粘結(jié)劑的連續(xù)相。連續(xù)相可以包括與前述相同的材料。在一些實施方案中，粉末包括約56.3重量％與約62.0重量％之間的硼化鉬、約13.5重量％與約15.1重量％之間的鉻，以及約25.0重量％與約28.1重量％之間的以下各項中的至少一種：鈷、鎳、鋅、鐵、鎢、鈦、鋁、鎂和銅。

通過使粉末穿過具有特定篩孔尺寸的篩網(wǎng)，可以將粉末形成為各種尺寸。在一些實施方案中，硼化鉬、鉻、以及鈷、鎳、鋅、鐵、鎢、鈦、鋁、鎂和銅中的至少一種的混合物被粉末化并且穿過篩網(wǎng)，篩網(wǎng)具有的篩孔尺寸為約5μm、38μm(400astm目)、45μm(325astm目)、75μm(200astm目)、125μm(115astm目)、250μm(60astm目)和約500μm(35astm目)。因此，粉末可具有的粒度在約5μm與約500μm之間，諸如在約5μm與約38μm之間、在約38μm與約45μm之間、在約45μm與約75μm之間、在約75μm與約125μm之間、在約125μm與約250μm之間，以及在約250μm與約500μm之間。

在一個實施方案中，可通過等離子轉(zhuǎn)移電弧(pta)焊將粉末沉積到襯底(例如，主體140)上，以便形成材料層144。pta可以使材料層144形成至在約60μm與約120μm之間的厚度。在一些實施方案中，可以通過pta沉積材料層144的約1層至約5層。在pta工藝中，高能量等離子電弧可以熔融主體140的表面。主體140的表面可以在緊鄰材料層144沉積到主體140上的位置的區(qū)域處被加熱到主體140的液相線溫度以上。粉末可以流過電弧，并且可以在其接觸主體140的表面時熔融。由于材料層144在材料層144的連續(xù)相的液相線溫度以上的溫度下沉積，因此界面148在材料層144沉積到主體140上的同時形成。因此，主體140與材料層144之間的界面148可以通過pta形成，而不需要在材料層144的粉末被施加到主體140后加熱主體140或材料層144。

在另一實施方案中，可以在激光粉末沉積焊接工藝(也稱激光金屬沉積(lmd))中將粉末施加到主體140。粉末可以被引導(dǎo)到主體140的表面，并且激光可以在粉末被施加到主體140時將其熔融。激光在粉末接觸主體140的位置處形成局部熱量，并且將粉末加熱至材料層144的連續(xù)相的液相線溫度以上。熔融粉末可以在主體140的表面上形成沉積物，沉積物冶金地結(jié)合到主體140。激光焊接沉積可以使材料層144形成至在約每層45μm與約每層250μm之間的厚度。在一些實施方案中，可以通過激光沉積形成約1層至約5層材料層。

在其它實施方案中，粉末可形成為棒條，諸如焊條。棒條可以適于將粉末材料施加到主體140，諸如通過氧燃料焊接(氧乙炔焊接、氧焊接或氣焊)、鎢惰性氣體(tig)焊接、金屬惰性氣體(mig)焊接、激光焊接或其它焊接方法施加。因此，在一些實施方案中，材料層144可通過形成具有與材料層144相同的組合物的焊條并接著使用焊條將材料層144焊接到主體140而形成。

如前所述，圖2中示出的主體140可以包括任何井下工具142的主體140。作為非限制性實例，主體140可以包括井下工具142的呈鉆頭形式的部件(例如，固定刀具鉆頭、滾動刀具鉆頭、混合的固定刀具和滾動刀具鉆頭等等)、取芯鉆頭、可擴展的鉆頭、偏心鉆頭、雙中心式鉆頭、固定刀片擴孔器(例如，擴孔器翼)、可擴展的擴孔器、穩(wěn)定器、人工提升閥、鉆頭的齒、鉆頭切削結(jié)構(gòu)、地下安全閥、傳感器工具(例如，隨鉆測量(mwd)工具或隨鉆測井(lwd)工具)、鉆環(huán)、套管、襯管、所謂的“釣魚”工具和設(shè)備、井下馬達、用于泥漿馬達的轉(zhuǎn)子或定子、用于泥漿脈沖裝置的傳感器板、鉆頭接頭(例如，設(shè)計用于插入在鉆環(huán)與鉆頭之間)，以及用于井下完井、生產(chǎn)、維護和修復(fù)的設(shè)備、組件和部件(例如，防噴器、閥、分流器、井下泵、篩網(wǎng)等等)。

作為一個這樣的井下工具的一個非限制性示例，圖5示出了根據(jù)本公開的旋轉(zhuǎn)鉆地刮刀鉆頭150。刮刀鉆頭150具有鉆頭主體140(圖2)，鉆頭主體包括多個刀片154，這些刀片通過流體流道156彼此分開。流體流道156的沿著徑向側(cè)部的部分(鉆頭150的“保徑”區(qū)域)在本領(lǐng)域中通常稱為“排屑槽”。多個切削元件158被安裝到每個刀片154。鉆頭主體140還包括大體上圓柱形的內(nèi)部流體室和流體通道，所述流體通道穿過鉆頭主體140而延伸到鉆頭主體140的外表面160。噴嘴162可固定在鉆頭主體140的外表面160附近的流體通道內(nèi)，用于控制在鉆井期間的鉆頭150的液壓。

在鉆井操作期間，鉆頭150可聯(lián)接到鉆柱110(圖1)。當(dāng)鉆頭150在井筒100內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，可以沿著鉆柱110向下泵送鉆井流體穿過鉆頭150的鉆頭主體140內(nèi)的內(nèi)部流體室和流體通道，并且通過噴嘴162而從鉆頭150流出。由鉆頭150的切削元件158產(chǎn)生的地層巖屑可以隨著鉆井流體而被運送通過流體流道156、繞過鉆頭150，并且通過在井筒100內(nèi)和鉆柱110外的環(huán)形空間沿著井筒100向上回流。

如圖5所示，在圖5中出于說明目的以交叉陰影區(qū)域表示的材料層144可安置在鉆頭主體140的外表面160的至少一部分上方。材料層144由于其疏水性而可減少在使用鉆頭150形成井筒100時積聚在其上的地層切屑。材料層144可提供在例如易于發(fā)生成球的鉆頭150的區(qū)域，諸如夾點(例如，刀片所會聚朝向的位置)、巖屑軌跡點(例如，地層巖屑會聚的位置)和鉆頭手柄(即，鉆頭頭部和帶螺紋銷相遇的位置)。例如，如圖5所示，可將材料層144安置在流體流道156內(nèi)，位于鉆頭150的鉆頭主體140的外表面160的一個或多個區(qū)域上方。此類區(qū)域可以包括例如刀片154的旋轉(zhuǎn)前導(dǎo)表面、刀片154的旋轉(zhuǎn)拖尾表面、切削元件158下方發(fā)生巖屑流動的位置處，以及切削元件158后方。在另外實施方案中，材料層144可以形成大體上連續(xù)的涂層，所述大體上連續(xù)的涂層安置在鉆頭150的鉆頭主體140的至少基本上整個的外表面上方。鉆頭主體140和材料層144可以具有如先前參考圖2所述的硼化物組合物。

本文中所述的材料層144可以提供對井下環(huán)境中使用的工具中或其上的結(jié)垢和成球的增強的抵抗性，同時維持期望水平的耐磨性和耐腐蝕性。因此，通過在井下工具上采用這樣的材料層，可以減少功率消耗，可以提高操作效率，和/或可以延長井下工具使用壽命。材料層144可以是整體地且化學(xué)地附接到主體140的，并且可以保持附接到主體140的時間長于僅物理地附接到主體140的常規(guī)疏水性材料。

以下闡述本公開的額外非限制性示例實施方案。

實施方案1：一種井下工具，所述井下工具包括：主體，所述主體具有組合物；疏水性材料層，所述疏水性材料層冶金地結(jié)合到所述主體的表面，所述疏水性材料層包括包含金屬硼化物的不連續(xù)相和包含金屬粘結(jié)劑的第一連續(xù)相；以及界面，所述界面在所述疏水性材料層與所述主體之間，并且包含所述金屬硼化物，所述金屬硼化物分散在第二連續(xù)相內(nèi)，所述第二不連續(xù)相包含所述金屬粘結(jié)劑和所述主體的所述組合物。

實施方案2：如實施方案1所述的井下工具，其中所述金屬硼化物包括過渡金屬硼化物，所述過渡金屬硼化物包括硼化鎳、硼化鈷、硼化鐵、硼化錳、硼化鎢、硼化鈦、硼化鉬中的至少一種。

實施方案3：如實施方案1所述的井下工具，其中所述疏水性材料層包含鉻和以下各項中的至少一種：鈷、鎳、鋅、鐵、鎢、鈦、鋁、鎂和銅。

實施方案4：如實施方案1至3中任一項所述的井下工具，其中所述金屬硼化物包括硼化鉬，并且所述第一連續(xù)相包括鈷-鉻。

實施方案5：如實施方案1至3中任一項所述的井下工具，其中所述金屬硼化物包括硼化鉬，并且所述第一連續(xù)相包括鎳-鉻。

實施方案6：如實施方案1至3中任一項所述的井下工具，其中所述不連續(xù)相構(gòu)成約40.0重量％至約80.0重量％之間的所述疏水性材料層。

實施方案7：如實施方案1至3中任一項所述的井下工具，其中所述連續(xù)相構(gòu)成約20.0重量％至約60.0重量％之間的所述疏水性材料層。

實施方案8：如實施方案1至7中任一項所述的井下工具，其中所述疏水性材料層具有在約3μm與約1,500μm之間的厚度。

實施方案9：如實施方案1至8中任一項所述的井下工具，其中所述疏水性材料層具耐磨性和耐腐蝕性。

實施方案10：如實施方案1至9中任一項所述的井下工具，其中在所述疏水性材料層與所述主體之間的所述界面包括所述金屬硼化物的梯度，所述界面的遠離所述主體的部分包括的所述金屬硼化物的量比所述界面的緊鄰所述主體的部分高。

實施方案11：如實施方案1至10中任一項所述的井下工具，其中所述第二連續(xù)相包含所述主體的所述材料的至多約10重量％。

實施方案12：如實施方案1至10中任一項所述的井下工具，其中在所述疏水性材料層與所述主體之間的所述界面包括所述第一組合物的梯度，所述界面的緊鄰所述主體的部分具有的所述第一組合物的量比所述界面的遠離所述主體的部分高。

實施方案13：如實施方案1至12中任一項所述的井下工具，其中所述材料層包括比所述第一組合物要高的液相線溫度。

實施方案14：如實施方案1至14中任一項所述的井下工具，其中所述主體包括井下工具的選自由以下項組成的組的部件：鉆頭、取芯鉆頭、可擴展的鉆頭、偏心鉆頭、雙中心式鉆頭、固定刀片擴孔器、可擴展的擴孔器、穩(wěn)定器、人工提升閥、鉆頭的齒、鉆頭切削結(jié)構(gòu)、地下安全閥、傳感器工具、鉆環(huán)、套管、襯管、井下馬達、轉(zhuǎn)子、定子、傳感器板、鉆頭接頭，以及用于井下完井、生產(chǎn)、維護和修復(fù)的設(shè)備、組件和部件。

實施方案15：一種用于形成如實施方案1至14中任一項所述的井下工具的方法。

實施方案16：一種用于形成井下工具的方法，所述方法包括將疏水性材料形成在井下工具的主體上方以將所述疏水性材料冶金地結(jié)合到所述井下工具的所述主體，所述疏水性材料包括不連續(xù)相，所述不連續(xù)相包括金屬硼化物，所述金屬硼化物分散在連續(xù)金屬粘結(jié)劑相內(nèi)。

實施方案17：如實施方案16所述的方法，其中形成疏水性材料包括通過至少一種hvaf和hvof形成所述疏水性材料。

實施方案18：如實施方案17和18中任一項所述的方法，其還包括將所述疏水性材料加熱至所述連續(xù)金屬粘結(jié)劑相的液相線溫度以上。

實施方案19：如實施方案16所述的方法，其中在主體上方形成包括包含分散在連續(xù)金屬粘結(jié)劑相內(nèi)的金屬硼化物的不連續(xù)相的疏水性材料包括通過等離子轉(zhuǎn)移電弧焊、激光沉積焊接和氧乙炔焊接中的至少一種將所述疏水性材料形成在所述主體上方。

實施方案20：如實施方案16至19中任一項所述的方法，其還包括在所述主體與所述疏水性材料之間形成界面而具有所述金屬粘結(jié)劑相的梯度，所述界面的遠離所述主體的部分包括的所述金屬粘結(jié)劑相的量比所述界面的緊鄰所述主體的部分高。

實施方案21：一種對井筒鉆探的方法，所述方法包括：將鉆柱聯(lián)接到鉆頭，所述鉆頭包括在所述鉆頭的外表面的至少一部分上方的疏水性材料，所述疏水性材料包括金屬硼化物，所述金屬硼化物分散在連續(xù)金屬粘結(jié)劑相內(nèi)；使所述鉆柱隨著所述鉆頭前進到井筒中；使所述鉆頭在所述井筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)；以及將地層的部分移除而擴大井筒。

雖然前述描述包含許多具體細節(jié)，但是這些不應(yīng)被解釋為限制本公開的范圍，而僅僅是提供某些實施方案。類似地，可以設(shè)計不脫離本發(fā)明的范圍的其它實施方案。例如，本文中參考一個實施方案描述的特征也可提供在本文中描述的其它實施方案中。因此，本發(fā)明的范圍僅由隨附權(quán)利要求和其法律上等效物而不是由前述描述來指示和限制。落入權(quán)利要求的含義和范圍內(nèi)的如本文中描述和示出的對本公開的實施方案的所有添加、刪除和修改都涵蓋在本發(fā)明中。