[发明专利]由纤锌矿氮化硼（W-BN）制成的钻井工具

说明书

系统和方法包括一种计算机实施的方法，可以用于由新的纤锌矿氮化硼(w‑BN)超硬材料制造钻井工具。对纯w‑BN粉末进行超高压高温操作，以合成具有大于纯w‑BN粉末的颗粒的第一尺寸的w‑BN和立方氮化硼(c‑BN)压块。该超高压高温操作包括将w‑BN粉末加压至约20吉帕的压力，以100℃/分钟的加热速率加热w‑BN粉末并且以50℃/分钟的冷却速率冷却w‑BN粉末。使用激光切割工具将压块切割成小于第一尺寸的第二尺寸。将切割压块以冶金方式、机械方式或以冶金方式和机械方式两者结合到工具基底上以形成钻井工具。

优先权声明

本申请要求于2020年5月28日提交的美国临时申请号63/031,077以及2021年5月10日提交的美国专利申请号17/316，187的优先权，将这些申请内容通过援引方式特此并入本文。

技术领域

本披露内容涉及钻井，特别是用于石油和天然气应用的钻井。

背景技术

钻井(well drilling)是在地球上钻出孔(井筒)的过程。钻头是在钻井中常用的切割工具。钻头具有各种尺寸和形状并且可以在各种材料上产生不同种类的孔。为了形成井筒，通常将钻头附接到钻机上，钻机为其提供动力以切穿岩石(例如，通过旋转)。通常用于构造钻头的一些材料的实例包括聚晶金刚石复合片、砂粒热压镶齿(insert)和天然金刚石。钻头的有效性可能因地层类型而不同。

发明内容

本披露内容描述了可用于合成单相纯的多晶纤锌矿氮化硼(w-BN)材料(以及用其涂覆工具)的技术。

在第一实施方式中，实施一种方法以由纤锌矿氮化硼(w-BN)超硬材料形成用于石油和天然气应用的工具。对纯w-BN粉末进行超高压高温操作，以合成具有大于纯w-BN粉末的颗粒的第一尺寸的w-BN和立方氮化硼(c-BN)压块。该超高压高温操作包括将w-BN粉末加压至约20吉帕的压力，以100℃/分钟的加热速率加热w-BN粉末并且以50℃/分钟的冷却速率冷却w-BN粉末。使用激光切割工具将压块切割成多个具有小于第一尺寸的第二尺寸的切割压块。将多个切割压块插入工具基底中形成的相应多个凹部内。加热具有多个插入的切割压块的工具基底。在加热工具基底之后，冷却具有多个插入的切割压块的工具基底以形成该工具。

前述和其他描述的实施方式可以各自任选地包括以下特征中的一个或多个：

第一特征，与以下特征中的任一个可组合，其中将多个切割压块与添加剂混合，添加剂包含至少一种用于将多个切割压块以冶金方式结合到工具基底上、以机械方式结合到工具基底上、或以冶金方式和以机械方式两者结合到工具基底上的粘结剂。

第二特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中识别多个切割压块中尺寸大于尺寸范围的阈值尺寸的一个或多个切割压块；并且使用激光切割工具重新切割多个切割压块中尺寸大于阈值尺寸的一个或多个切割压块。

第三特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中识别多个切割压块中尺寸大于阈值尺寸的一个或多个切割压块包括使用激光扫描仪来测量多个切割压块。

第四特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中在包括切割的切割过程中用冷却液冷却压块。

第五特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中确定超高压高温操作形成压块的压力和温度窗口；并且在压力和温度窗口内执行超高压高温操作。

第六特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中压块具有八面体形状。

第七特征，与以上或以下特征中的任一个可组合，其中加热工具基底包括以5℃/分钟至10℃/分钟范围内的加热速率将工具基底加热至在200℃至300℃范围内的温度。

第八特征，与以上特征中的任一个可组合，其中冷却工具基底包括以10℃/分钟至20℃/分钟范围内的冷却速率冷却工具基底。