專利名稱：聚晶金剛石復合片、包括這種復合片的切削元件和鉆地工具以及形成這種復合片和鉆地 ...的制作方法
聚晶金剛石復合片、包括這種復合片的切削元件和鉆地工具以及形成這種復合片和鉆地工具的方法
優先權
本申請要求于2010年4月28日提交的名稱為“PolycrstallineDiamond Compacts, Cutting Elements and Earth-Boring ToolsIncluding Such Compacts, and Methods of Forming Such Compacts. ”的美國臨時專利申請序列號61/328，766的優先權。技術領域
本發明的實施方式總體上涉及聚晶金剛石復合片、使用這種復合片的切削元件和鉆地工具以及形成這種復合片、切削元件和鉆地工具的方法。
背景技術：
用于在地下地層中形成井眼的鉆地工具一般包括固定到本體的多個切削元件。例如，固定切削元件式旋轉鉆頭(也稱作“刮刀鉆頭”)包括固定地附連到鉆頭的鉆頭本體的多個切削元件。類似地，牙輪鉆地旋轉鉆頭可以包括安裝在自鉆頭本體的支腿延伸的支承銷上的牙輪，使得每個牙輪能夠圍繞裝有所述牙輪的支承銷轉動。多個切削元件可以安裝到鉆頭的每個牙輪。
用在這種鉆地工具中的切削元件通常包括聚晶金剛石復合片(通常稱作“PDC”)切削元件，該切削元件是包括聚晶金剛石材料切削面的切削元件。這些聚晶金剛石切削元件是在催化劑(例如VIIIA族金屬，比如鈷、鐵、鎳、或者它們的合金以及混合物)存在的情況下、通過將相對小的金剛砂或金剛石晶體借助金剛石_金剛石鍵在高溫和高壓條件下燒結和結合在一起以在切削元件基底上形成聚晶金剛石材料層或“臺面”形成的。這些方法通常稱作高溫/高壓(或“HTHP”)方法。切削元件基底可以包括金屬陶瓷材料(即陶瓷-金屬復合材料)，比如鈷鎢硬質合金。在這些情形中，切削元件基底中的鈷(或者其他催化劑材料)在燒結期間可以伸展到金剛石晶體中并且用作用于從金剛石晶體形成金剛石臺面的催化劑材料。在其他方法中，在利用HTHP方法將晶體燒結在一起之前，可以將粉末催化劑材料與金剛石晶體混合。
在使用HTHP方法形成金剛石臺面之后，催化劑材料可以保留在獲得的聚晶金剛石臺面中的金剛石晶體之間的間隙中。在切削元件使用期間由于切削元件與地層之間的接觸點上的摩擦而受熱時，金剛石臺面中催化劑材料的存在可能導致金剛石臺面中的熱破壞。因此，聚晶金剛石切削元件可以通過使用例如酸或酸的組合(比如王水)將催化劑材料 (例如鈷)從金剛石臺面中的金剛石晶體之間的間隙濾出來而形成。所有的催化劑材料可以從金剛石臺面中移除，或者可以僅移除一部分催化劑材料，例如移除從切削面、從金剛石臺面的側面或者它們二者到所需的深度的催化劑材料。
PDC切削元件一般是圓柱形的并且在切削面的周邊具有切削邊緣用于接合地下地層。隨著時間的流逝，切削邊緣會變鈍。當切削邊緣變鈍時，PDC切削元件的切削邊緣接合地層的表面積由于延伸到金剛石臺面的側壁中的所謂的磨耗平臺或磨痕的形成而增加。當接合地層的金剛石臺面的表面積增加時，在地層與金剛石臺面之間、在切削邊緣的區域中產生更多的摩擦引起的熱量。此外，當切削邊緣變鈍時，必須增加向下力或鉆壓(WOB)以保持與鋒利的切削邊緣相同的鉆進速度(R0P)。結果，摩擦引起的熱量和向下力的增加由于金剛石晶體與催化劑材料之間的熱膨脹系數的不匹配可以造成PDC切削元件的破裂、碎裂、 斷裂或脫層。此外，在大約750°C及以上的溫度下，催化劑材料的存在可以造成金剛石晶體所謂的回石墨化成碳元素。
因此，在現有技術中存在對包括了增加切削元件的耐久性以及切削效率的聚晶金剛石臺面的切削元件的需要。發明內容
本發明的實施方式涉及形成聚晶金剛石復合片(PDC)元件(比如適合于用在地下鉆進的切削元件，其呈現出增強的切削能力和熱穩定性)的方法，以及由此形成的PDC元件。
在一些實施方式中，本發明包括形成用于鉆地工具的PDC切削元件的方法。形成的金剛石臺面包括聚晶金剛石材料和設置在聚晶金剛石材料的相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中的第一材料。所述第一材料至少充分地從一部分聚晶金剛石材料中的間隙中移除，然后在金剛石臺面的周邊部分中的聚晶金剛石材料的所述部分中的相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中設置第二材料。所述第二材料選擇成使得金剛石晶體在升高的溫度條件下的退化速率比至少基本從所述間隙中移除第一材料的金剛石材料在基本相同的升高的溫度條件下的退化速率高。移除一部分聚晶金剛石材料中的間隙中的第一材料可以包括至少充分地從基本圍繞金剛石臺面的外側周邊表面的金剛石臺面的環形區域中移除第一材料。
在一些實施方式中，本發明包括形成用于鉆地工具的PDC切削元件的方法。形成的金剛石臺面包括聚晶金剛石材料和設置在聚晶金剛石材料的相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中的第一材料。所述第一材料至少充分地從一部分聚晶金剛石材料中的間隙中移除，然后將第二材料引入相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中。所述第二材料可以選擇成在升高的溫度條件下導致金剛石晶體的退化速率比第一材料在基本相同的升高的溫度條件下的退化速率高。
在另外的實施方式中，本發明包括鉆進方法。至少一個切削元件與地層接合，該至少一個切削元件包括金剛石臺面，該金剛石臺面具有第一聚晶金剛石材料區域和第二聚晶金剛石材料區域，所述第一聚晶金剛石材料區域包括在所述第一聚晶金剛石材料區域中的、在相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中的第一材料，所述第二聚晶金剛石材料區域包括在所述第二聚晶金剛石材料區域中的、在金剛石晶體之間的間隙中的第二材料。相比于第一材料，在大致相等的升高的溫度的條件下，第二材料導致更高的聚晶金剛石材料退化速率。當至少一個切削元件的接合的摩擦升高了第一區域和第二區域的溫度時，第二聚晶金剛石材料區域比第一聚晶金剛石材料區域磨損的更快。
另外的實施方式包括用在鉆地工具中的PDC切削元件。該切削元件包括第一聚晶金剛石材料區域和第二聚晶金剛石材料區域，所述第一聚晶金剛石材料區域包括在所述第一聚晶金剛石材料區域中的、在相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中的第一材料，所述第二聚晶金剛石材料區域包括在所述第二聚晶金剛石材料區域中的、在金剛石晶體之間的間隙中的第二材料。所述第二材料可以選擇成相比于第一材料在大致相同的升高的溫度的條件下導致更高的聚晶金剛石材料的退化速率。
在另外的實施方式中，本發明包括鉆地工具，其具有本體和連接到本體的至少一個PDC切削元件。所述至少一個PDC切削元件包括在基底表面上的金剛石臺面。所述金剛石臺面包括靠近基底表面設置的第一聚晶金剛石材料區域和位于第一聚晶金剛石材料區域的側面中的凹入部中的第二聚晶金剛石材料區域，該第一區域包括在第一聚晶金剛石材料區域中的、在相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中的第一材料，該第二區域包括在第二聚晶金剛石材料區域中的、在相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中的第二材料。相比于第一材料，該第二材料在基本相等的升高的溫度的條件下導致聚晶金剛石材料更高的退化速率。
通過考慮如下的描述、附圖以及所附的權利要求，本發明的其他特征和優點對于本領域技術人員將會變得顯而易見。
雖然本說明書以特別指出并明確要求保護作為本發明的內容的權利要求結束，但是在結合附圖閱讀時可以更容易地從本發明的實施方式的描述中確定本發明的優點，其中
圖I圖示了具有本發明的多部分金剛石臺面的切削元件的一個實施方式的放大截面視圖2圖示了具有本發明的多部分金剛石臺面的切削元件的另一個實施方式的放大截面視圖3A是圖示了在放大倍率下圖I和2中示出的切削元件的多部分金剛石臺面的微觀結構的簡化圖3B是圖示了在放大倍率下圖I中示出的切削元件的多部分金剛石臺面的另一個區域的微觀結構的簡化圖4A-4C示出了形成具有圖I的多部分金剛石臺面的切削元件的一個實施方式；
圖5A-5C示出了形成具有圖2的多部分金剛石臺面的切削元件的一個實施方式；
圖6是本發明的鉆地工具的一個實施方式的透視圖，其包括根據本發明的實施方式形成的多個切削元件；
圖7A和7B是本發明的一個實施方式的切削元件的放大截面視圖，其具有接合地層的正如圖I和2中示出的多部分金剛石臺面。
具體實施方式
這里呈現的一些圖示并不意味著是任何具體材料或裝置的實際視圖，而只是用來描述本發明的理想化的圖示。此外，這些圖之間共有的元件可能保留相同的附圖標記。
本發明的實施方式包括用于制作切削元件的方法，所述切削元件包括含有聚晶金剛石材料的多部分金剛石臺面。在一些實施方式中，該方法使用催化劑材料來構成金剛石臺面的一部分。
正如這里使用的術語“鉆頭”意指并包括在地下地層中形成或擴大井眼期間用于鉆進的任何種類的鉆頭或工具，并且包括例如回轉鉆頭、沖撞鉆頭、取心鉆頭、偏心鉆、雙心鉆、锪鉆、銑刀、刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、混合式鉆頭以及在現有技術中公知的其他鉆頭和工具。
正如這里使用的術語“聚晶復合片”意指并包括含有聚晶材料的任何結構，所述聚晶材料通過將壓力(例如壓實力)施加到用于形成聚晶材料的前體材料的方法而形成。
正如這里使用的術語“晶粒鍵(inter-granular bond)”意指并包括在材料相鄰晶粒之間的任何直接的原子鍵(例如共價鍵、金屬鍵等等)。
正如這里使用的術語“催化劑材料”指的是能夠在HTHP期間顯著促使硬質材料的晶粒之間的晶粒鍵形成的任何材料，但是在升高的溫度、壓力和在地下地層中形成井眼的鉆進操作中可能遇到的其他條件下至少部分因該材料而造成晶粒鍵和晶粒材料的退化。例如，金剛石的催化劑材料包括鈷、鐵、鎳、來自于元素周期表的VIIIA族的其他元素以及它們的合金。
圖I是本發明的聚晶金剛石復合片(PDC)切削元件100的一個實施方式的簡化放大截面視圖。該PDC切削元件100包括設置(例如形成在或連接到)支撐基底104上的多部分金剛石臺面102。在另外的實施方式中，本發明的多部分金剛石臺面102可以不使用支撐基底104形成和/或可以在沒有支撐基底104的情況下使用。所述多部分金剛石臺面102 可以形成在支撐基底104上，或者多部分金剛石臺面102和支撐基底104可以單獨形成并且隨后連接在一起。所述多部分金剛石臺面包括與支撐基底104相對的切削面117。所述多部分金剛石臺面102還可以可選地在切削面117的周邊上具有斜切邊緣118。圖I中示出的PDC切削元件100的斜切邊緣118具有單斜切表面，盡管該斜切邊緣118還可以具有另外的斜切表面，該另外的斜切表面可以以不同于斜切表面118的斜切角的斜切角定向， 正如在現有技術中公知的。此外，代替斜切邊緣118，可以將該邊緣倒圓或者該邊緣包括一個或多個斜切表面和一個或多個弓形表面的組合。
所述支撐基底104可以具有基本圓柱形的形狀，如圖I中所示。該支撐基底104 可以具有第一端表面110、第二端表面112和在所述第一端表面110與第二端表面112之間延伸的基本圓柱形的橫向側表面114。
盡管圖I中示出的第一端表面110至少基本是平面的，但是現有技術中公知的是在基底與形成于其上的金剛石臺面之間使用非平面的界面幾何形狀，本發明的另外的實施方式可以在支撐基底104與多部分金剛石臺面102之間的界面處使用這種非平面的界面幾何形狀。另外，盡管切削元件基底通常具有圓柱形的形狀——類似于支撐基底104—樣，但是切削元件基底的其他形狀在現有技術中也是公知的，本發明的實施方式包括具有除了基本圓柱形形狀之外的形狀的切削元件。
所述支撐基底104可以由相對硬的并且抗磨損的材料形成。例如，所述支撐基底 104可以由陶瓷-金屬復合材料(其通常稱作“金屬陶瓷”材料)形成和包括陶瓷_金屬復合材料。所述支撐基底104可以包括硬質合金材料，比如碳化鎢硬質合金材料，其中碳化鎢顆粒在金屬粘結劑材料中粘結在一起。金屬粘結劑材料可以包括例如催化劑材料，比如鈷、 鎳、鐵或者它們的合金和混合物。
繼續參見圖1，多部分金剛石臺面102可以設置在支撐基底104的第一端表面 110上或上方。所述多部分金剛石臺面102可以包括第一部分106、第二部分108和第三部分109，正如下面進一步詳細討論的。所述多部分金剛石臺面102主要由聚晶金剛石材料構成。換言之，金剛石材料可以包括多部分金剛石臺面102的體積的至少大約百分之70 (70%)。在另外的實施方式中，金剛石材料可以包括多部分金剛石臺面102的體積的至少大約百分之80(80%)，在另外的實施方式中，金剛石材料可以包括多部分金剛石臺面102的體積的至少大約百分之90(90%)。聚晶金剛石材料包括結合在一起以形成金剛石臺面的金剛石晶粒或晶體。金剛石晶粒之間的區域或間隙可以用另外的材料填充，或者它們可以至少基本沒有另外的材料，正如下面討論的。盡管這里所描述的實施方式包括多部分金剛石臺面102，但是在其他實施方式中，可以使用不同的硬質聚晶材料來形成聚晶復合片，比如聚晶立方氮化硼。
在一個實施方式中，所述多部分金剛石臺面102包括至少第一部分106、第二部分 108和第三部分109。如圖I中所不，多部分金剛石臺面102的第二部分108包括圍繞多部分金剛石臺面102的周邊延伸的環形區域。雖然圖示出的多部分金剛石臺面102的第二部分108具有至少基本平坦的相互垂直的側壁116，但是應該理解的是該第二部分108可以具有其他形狀。例如，第二部分108的截面可以具有弓形、三角形或梯形的形狀。
所述第二部分108可以沿著多部分金剛石臺面102的側壁120從支撐基底104延伸到斜切邊緣118。所述第二部分108與切削面117分開使得第三部分109包括整個切削面117。在一些實施方式中，第一部分106的一部分122可以位于第二部分108與支撐基底 104之間。使第一部分106的一部分122位于第二部分108與支撐基底104之間可以在切削元件100使用期間幫助保持多部分臺面102與支撐基底104的結合固定性。所述第二部分108可以具有從側壁120向內延伸的厚度T，該厚度為大約50微米到大約400微米。
第三部分109可以位于金剛石臺面102的第二部分108與切削面117之間。在一些實施方式中，第三部分109還可以位于金剛石臺面102的第一部分106與切削面117之間。雖然圖I中圖示出的第三部分109從切削面117伸入金剛石臺面102大約第二部分 108的深度，但是在另外的實施方式中，第三部分109可以從切削面117朝向支撐基底104 向下伸入的更遠。
在另一個實施方式中，如圖2中所示，多部分金剛石臺面102可以僅包括第一部分 106和第二部分108。該第二部分108可以從支撐基底104延伸到切削面117。
圖3A是在放大倍率下圖I和2中示出的多部分金剛石臺面102的第一部分106 的微觀結構的放大視圖。圖3B是在放大倍率下圖I和2中示出的多部分金剛石臺面102 的第二部分108的微觀結構的放大視圖。現參見圖3A，所述第一部分106包括通過晶粒之間的金剛石_金剛石鍵結合在一起的金剛石晶體202。金剛石晶體202可以包括天然金剛石、人造金剛石或者它們的混合物，并且可以使用具有不同晶體尺寸的金剛石砂粒形成(即由多層金剛石砂粒形成，每層具有不同的平均晶體尺寸，或者通過使用具有多模態晶體尺寸分布的金剛石砂粒形成)。
第一材料204可以設置在第一部分106的金剛石晶體202之間的區域或間隙中。 在一個實施方式中，所述第一材料204可以包括催化劑材料，其在多部分金剛石臺面102形成期間促使晶粒之間的金剛石_金剛石鍵的形成，并且在使用PDC切削元件101鉆進時將會加速多部分金剛石臺面102的第一部分106的退化。在另外的實施方式中，所述第一材料204可以對金剛石晶體202沒有影響，而將會是至少基本惰性的材料。
在一些實施方式中，可以將金剛石臺面102的從切削面117向著支撐基底104的一定深度、第二部分108向內的這部分中的第一材料204(圖3A)移除，以形成第三區域109 (圖I)。該多部分金剛石臺面102的第三區域109可以至少基本沒有第一材料204和第二材料206。
現參見圖3B，所述第二部分108包括設置在金剛石晶體202之間的區域或間隙中的第二材料206。在一些實施方式中，該第二材料206的選擇造成當使用切削元件101鉆進時，與第一材料至少基本從金剛石晶體之間的區域移除的金剛石晶體相比，金剛石晶體 202的退化速率更高。在另外的實施方式中，所述第二材料206的選擇造成當使用切削元件101用于鉆進時，與第一材料204相比，金剛石晶體202的退化速率更高。正如這里使用的，術語“退化速率”指的是在鉆進中常見的溫度和壓力下造成金剛石晶體石墨化和晶粒之間金剛石_金剛石鍵弱化這兩者的至少其中之一的材料。換言之，所述第二材料206選擇成在鉆進期間，相對于第三部分109或第一部分106的至少其中之一，優先弱化第二部分 108的聚晶金剛石結構，正如下面所更詳細描述的。
第一材料204和第二材料206各自可以包括現有技術中公知的、用于促使聚晶金剛石材料中晶粒間金剛石_金剛石鍵的形成的催化劑材料。例如，第一材料204和第二材料206各自可以包括VI11族元素或者其合金，比如Co、Ni、Fe，Ni/Co，Co/Mn，Co/Ti，Co/Ni/ V, Co/Ni, Fe/Co, Fe/Mn, Fe/Ni, Fe (Ni. Cr)，Fe/Si2, Ni/Mn 和 Ni/Cr。第一材料 204 和第二材料206的組合可以由本領域普通技術人員選擇，只要第二材料206比第一材料204導致金剛石晶體202更聞的退化速率即可。例如，鐵具有更聞的反應性，從而在基本相等的升聞的溫度下相比于鈷導致金剛石晶體202更高的退化速率，正如現有技術中公知的。因此，在一個實施方式中，第一材料204可以包括鈷，第二材料206可以包括鐵。在另一個實施方式中，第一材料204可以至少基本從鄰近切削面117和斜切面118的多部分金剛石臺面102的第三區域109移除，第二材料206可以包括前面提到的任意催化劑。例如，第二材料206可以包括鐵，因為鐵具有更高的反應性，因此與金剛石晶體202之間具有至少基本空隙空間的金剛石晶體202相比能促成更高的金剛石晶體202的退化速率。在另一個實施方式中， 第一材料204可以從金剛石臺面102的從切削面朝向支撐基底104的顯著深度、第二部分 108向內的這一大部分內移除。第二材料206還可以包括多于一種材料的組合。例如，第二材料206可以作為多于一種材料的梯度形成，使得靠近多部分金剛石臺面102側壁120的第二材料206的退化速率高于多部分金剛石臺面102的內部的第二材料206的退化速率。
圖4A-4C圖示了形成圖I的多部分金剛石臺面102的方法的一個實施方式。如圖 4A中所示，包括第一材料204(圖3A)的金剛石臺面302形成在支撐基底104上。該金剛石臺面302可以使用高溫/高壓(HTHP)方法形成。這些方法以及用于執行這些方法的系統在現有技術中基本是公知的，并且通過非限制性示例在授權給Wentorf等人的美國專利號 3，745,623 (1973年7月17日授權)和授權給Bunting等人的美國專利號5，127,923(1992 年7月7日授權)中得到描述。在一些實施方式中，在用于形成金剛石臺面302的HTHP方法期間，第一材料204 (圖3A)可以由支撐基底104供應。例如，所述支撐基底104可以包括鈷鎢硬質合金材料。鈷鎢硬質合金的鈷可以在HTHP方法期間用作第一材料204。
為了在HTHP方法中形成金剛石臺面302，包括金剛石顆粒或微粒的顆粒混合物可以接受高溫(例如高于大約一千攝氏度(1000°c )的溫度)和高壓(例如高于大約五十億帕斯卡(5. OGPa)的壓力)處理，以在金剛石顆粒或微粒之間形成晶粒間鍵。
一旦形成，金剛石臺面302 (圖4A)就可以被遮蓋(未示出)，正如現有技術中公知的，使得金剛石臺面203的切削面117和側壁120的一部分露出。然后使用浸出劑 (leaching agent)將金剛石臺面302的未遮蓋部分浸出，以移除(圖4B)形成金剛石臺面 302的浸出部分304的第一材料204 (圖3A)。金剛石臺面302的沒有被浸出的部分至少基本對應于第一部分106 (圖I)。浸出部分304至少基本對應于第二部分108和第三部分 109的區域(圖I)。這種浸出劑在現有技術中是公知的，并且例如在授權給Bunting等人的美國專利號5，127，923(1992年7月7日授權)和Bovenkerk等人的美國專利號4，224，380 (1980年9月23日授權)中進行了更全面地描述。具體地，王水(濃硝酸(HN03)和濃鹽酸 (HCL)的混合物)可以用于從第一部分106 (圖I)中的金剛石晶體202之間的間隙中至少基本移除第一材料204 (圖3A)。還公知的是使用煮沸的鹽酸(HCl)和煮沸的氟酸(HF)作為浸出劑。一種特別合適的浸出劑是溫度在110°C以上的鹽酸(HCL)——根據浸出部304 的所需的厚度T (圖1)，可以使該鹽酸與金剛石臺面302的未遮蓋部分接觸大約30分鐘到大約60小時的時間。所述支撐基底104和金剛石臺面302的至少基本對應于多部分金剛石臺面102的第一部分106 (圖I)的區域的部分可以通過將支撐基底104和該部分金剛石臺面302包封在塑料樹脂或遮蓋材料(未示出)中而避免與浸出劑接觸。在另一個實施方式中，僅可以避免支撐基底104與浸出劑接觸，金剛石臺面302的從切削面117 (圖I)向下向著支撐基底104的顯著深度將被浸出，正如現有技術中公知的。正如現有技術中公知的，在與支撐基底104的界面附近，第一材料204在金剛石臺面302內保持一定厚度是理想的，以保持金剛石臺面302的機械強度和抗沖強度。
如圖4C中所示，遮蓋物306可以形成在金剛石臺面302的切削面117和一部分側壁120上方。然后可以對側壁120上的浸出部分304的露出部分填充第二材料206 (圖 3B)以形成第二部分108 (圖I)。然后可以對金剛石臺面302進行第二 HTHP處理，使第二材料206滲透浸出部分304，構成多部分金剛石臺面102的第二部分108 (圖I)。在其他實施方式中，第二材料206可以使用物理氣相沉積(PVD)方法或化學氣相沉積(CVD)方法(比如等離子體增強化學氣相沉積方法(PECVD))沉積到浸出部分304中，正如現有技術中公知的。PVD包括但不局限于濺射、蒸發或電離PVD。這些沉積技術在現有技術中是公知的，因此這里不再詳細描述。在金剛石臺面302的主體部分從切削面117向下向著支撐基底104 浸出、從而使得金剛石臺面302的、區域304內部的部分基本沒有第一材料204的情況下， 可以通過控制沉積過程的時間來獲得第二部分108 (圖I)的厚度T，正如現有技術中公知的。一旦第二部分108填充有第二材料206 (圖3B)，就可以移除遮蓋物306露出第三部分 109 (圖 I)。
圖5A-5C示出了形成圖2的多部分金剛石臺面102的方法的一個實施例。圖5A 圖示了形成在支撐基底104上的包括第一材料204 (圖3A)的金剛石臺面302，其基本與圖 4A 一樣并且可以如上面結合圖4A描述的那樣形成。
一旦形成，就可以遮蓋(未示出)住金剛石臺面302 (圖5A)，正如現有技術中公知的，從而僅露出金剛石臺面302的旨在變成第二部分108 (圖2)的部分。然后使用浸出劑浸出金剛石臺面302的未遮蓋部分，以移除(圖5B)構成金剛石臺面302的浸出部分304的第一材料204 (圖3A)。所述浸出部分304至少基本對應于第二部分108 (圖2)的區域。所述浸出部分304可以使用正如前面結合圖4B討論的浸出劑形成。通過將支撐基底104和一部分金剛石臺面302包封在塑料樹脂或遮蓋材料(未示出)中，可以避免支撐基底104和至少基本對應于多部分金剛石臺面102的第一部分106 (圖2)的區域的一部分金剛石臺面 302與浸出劑接觸。在另一個實施方式中，僅可以避免支撐基底104與浸出劑接觸，從切削面117 (圖2)向下向著支撐基底對金剛石臺面302的顯著深度進行浸出，正如現有技術中公知的。正如現有技術中公知的，在靠近與支撐基底104的界面處，使第一材料204在金剛石臺面302內保持一定厚度是理想的，以保持金剛石臺面302的機械強度和抗沖強度。
如果僅浸出一部分金剛石臺面302，例如靠近側壁120的環形部分，則可以將第二材料206 (圖3B)沉積到浸出部分304中以形成多部分金剛石臺面102 (圖2)的第二部分 108。在一個實施方式中，如圖5C中所不,可以將包括第二材料206的粉末放置在浸出部分 304上。支撐基底104和至少基本對應于第一部分106 (圖2)的金剛石臺面302的該部分可以保持被遮蓋以避免接觸第二材料206，或者新的遮蓋物可以形成在支撐基底104和至少基本對應于第一部分106的金剛石臺面302的該部分上。替代性地，如果金剛石臺面302 的主要部分從切削面117向著支撐基底104向下浸出，那么至少基本對應于第一部分106 (圖2)的、在切削面117、斜切面118和區域304上方和下方的側壁120的部分上的金剛石臺面302的部分被遮蓋，以便于不與第二材料206接觸。可以使用正如之前結合圖4C討論的第二 HTHP方法、PVD方法或者CVD方法將側壁120上的浸出部分304的露出的部分填充第二材料206 (圖3B)。
正如圖I和圖2中圖示出的包括多部分金剛石臺面102的本發明的PDC切削元件 100的實施方式可以形成并固定到用于在地下地層中形成井眼的鉆地工具上，例如旋轉鉆頭、沖撞鉆頭、取心鉆頭、偏心鉆頭、擴眼器工具、銑刀等等。作為非限制性示例，圖6圖示了固定切削元件式鉆地旋轉鉆頭400，其包括多個切削元件100，至少其中一些包括正如這里之前描述的多部分金剛石臺面102。所述旋轉鉆頭400包括鉆頭本體402 ;切削元件100連接到鉆頭本體402上，至少一些切削元件包括多部分金剛石臺面102。所述切削元件100可以通過硬釬焊(或者其他固定方式)固定在形成于鉆頭本體402的外表面中的凹窩中。
圖7A和7B示出了在與地下地層500接合時(比如當切削元件100固定到圖6的鉆地旋轉鉆頭400時)的圖I或圖2的PDC切削元件100。圖7A示出了最一開始接合地層 500時的PDC切削元件100。PDC切削元件100包括在切削元件100與地層500之間的支承表面502。圖7B示出了在接合地層500之后的變鈍的PDC切削元件100’。如圖7B中所示，圖7A的支承表面502已經被磨損成支承表面502’。因為第二部分108包括第二材料 206 (圖2B)，與至少基本從中移除第一材料204的第三部分109 (圖I)相比，其導致更高的聚晶金剛石退化速率；當PDC切削元件100接合地層500時，由于由摩擦溫度引起的金剛石向元素碳演變的回石墨化，第二部分108中的聚晶材料比第三部分109退化或磨損得更快。 替代性地，第二部分108包括第二材料206 (圖2B)，其導致比具有第一材料204 (圖2A)的第一部分106 (圖2)更高的退化速率，這造成了 當PDC切削元件100接合地層時，由于由摩擦溫度引起的金剛石向元素碳演變的回石墨化，第二部分108中的聚晶材料比第一部分 106退化或磨損的更快。當第二部分108退化或磨損時，在第二部分108的區域中、在多部分金剛石臺面102側壁120的一部分周圍形成凹槽504。由于第二部分108中的金剛石退化而提供的側壁中的底切部，在切削邊緣117的下面、在第三部分109 (圖I)或第一部分106 (圖2)中形成唇邊結構或抵接部506。具有預先形成的抵接部506的切削元件在現有技術中是公知的并且在Zhang等人的美國公報號2006/0201712 (2006年3月I日申請)中進行了詳細描述。
當抵接部506被磨掉時，變鈍的切削元件100’和地層500之間的支承表面502’ 的區域保持至少基本一致。結果，支承表面502’的面積小于包括顯著磨痕的傳統切削元件的支承表面。例如，如圖5B中所示，變鈍的切削元件100’的支承表面502’具有長度L1，而不包括抵接部506的傳統的切削元件的支承表面具有長度L2。因此，變鈍的切削元件100’ 的支承表面502’的面積可以至少大約比變鈍的傳統切削元件的支承表面小20%。
由于變鈍的切削元件100’的支承表面502’的較小的面積，為保持所需的ROP需要的WOB較小。此外，可以改進變鈍的切削元件100’的耐久性和效率。因為變鈍的切削元件100’的較小的支承表面502’具有比傳統切削元件更鋒利的邊緣，所以具有更有效的切削動作；當金剛石臺面102的在第二部分108與切削面117之間的靠近切削面117和斜切面118的區域被浸出以去除第一材料時，變鈍的切削元件100’較不容易經歷機械或熱故障、或裂片或斷裂。
雖然這里已經關于某些實施方式對本發明進行了描述，但是本領域技術人員將會認識并意識到其不是這樣受限的。而是在不脫離本發明的正如下文所要求保護的范圍的前提下可以對這里描述的實施方式進行許多添加、刪除和修改。此外，一個實施方式的特征可以與另一個實施方式的特征結合，而仍然包含在由本發明人考慮的本發明的范圍內。
權利要求
1.一種用于形成鉆地工具的聚晶金剛石復合片切削元件的方法，包括形成金剛石臺面，所述金剛石臺面包括聚晶金剛石材料和布置在聚晶金剛石材料的相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中的第一材料；至少基本移除至少一部分聚晶金剛石材料中的間隙中的所述第一材料；選擇第二材料以使得金剛石晶體在升高的溫度條件下的退化速率比至少基本從所述間隙中移除第一材料的金剛石材料在基本相同的升高的溫度條件下的退化速率高；將第二材料引入到至少一部分金剛石臺面的至少一部分中的相互鍵連接的金剛石晶體之間的已經至少基本移除第一材料的間隙中。
2.根據權利要求I所述的方法，其中，至少基本移除至少一部分聚晶金剛石材料的間隙中的第一材料的步驟包括浸出聚晶金剛石材料中的間隙中的第一材 料。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其中，將第二材料引入到所述至少一部分聚晶金剛石材料的至少一部分中的相互鍵連接的金剛石晶體之間的已經移除第一材料的間隙中的步驟包括遮蓋除不遮蓋部分之外的金剛石臺面，所述不遮蓋部分包括圍繞金剛石臺面周邊延伸的區域；以及將第二材料引入所述金剛石臺面的不遮蓋部分中的相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中。
4.根據權利要求1-3中的一項所述的方法，其中，選擇第二材料以使得金剛石晶體在升高的溫度條件下的退化速率比至少基本從所述間隙中移除第一材料的金剛石材料的退化速率高的步驟包括選擇第二材料以包括鈷、鎳、鐵以及它們的合金中的至少一種。
5.根據權利要求1-4中的一項所述的方法，其中，至少基本移除至少一部分聚晶金剛石材料中的間隙中的所述第一材料的步驟包括至少基本移除靠近金剛石臺面側壁的環形區域中的間隙中的第一材料。
6.根據權利要求5所述的方法，還包括移除金剛石臺面的切削面中的第一材料。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，將第二材料引入到所述至少一部分聚晶金剛石材料的至少一部分中的相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中的步驟包括遮蓋金剛石臺面以在靠近金剛石臺面側壁的環形區域上留出不遮蓋部分；以及通過金剛石臺面的不遮蓋部分將第二材料引入到所述環形區域中的相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中。
8.根據權利要求1-7中的一項所述的方法，其中，選擇第二材料以使得金剛石晶體在響應于暴露至升高的溫度條件下的退化速率比第一材料在基本相同的升高的溫度條件下的退化速率高的步驟包括選擇第二材料以包括比第一材料更強的催化劑。
9.一種用在鉆地工具中的聚晶金剛石復合片切削元件，包括聚晶金剛石材料的第一區域，其包括在該聚晶金剛石材料的第一區域中的相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中的第一材料；以及聚晶金剛石材料的第二區域，其包括在該聚晶金剛石材料的第二區域中的金剛石晶體之間的間隙中的第二材料，該第二材料選擇成在大致相同的升高的溫度條件下使得聚晶金剛石材料的退化速率比第一材料高。
10.根據權利要求9所述的切削元件，其中，該聚晶金剛石材料的第二區域包括圍繞切削元件的周邊延伸的至少基本是環形的區域。
11.根據權利要求9或10所述的切削元件，還包括在所述至少基本是環形的區域與 PDC切削元件的切削面之間的聚晶金剛石材料的另一個區域。
12.根據權利要求9-11中的一項所述的切削元件，其中，所述第二材料包括鐵，所述第一材料包括鈷。
13.根據權利要求9-12中的一項所述的切削元件，其中，所述第二材料包括比第一材料更強的催化劑。
14.根據權利要求9-13中的一項所述的切削元件，其中，該聚晶金剛石材料的第二區域配置成在鉆進期間，當由于切削元件的接合的摩擦使第一區域和第二區域的溫度升高時，該聚晶金剛石材料的第二區域比該聚晶金剛石材料的第一區域磨損得快。
15.根據權利要求14所述的切削元件，其中，所述第二區域配置成在鉆進期間在第二區域中形成凹入部。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，該凹入部包括在金剛石臺面的一部分側壁中的凹入部。
17.—種鉆地工具,包括權利要求9-16中的一項所述的切削兀件。
全文摘要
形成用在鉆地工具中的聚晶金剛石復合片切削元件的方法，包括形成聚晶金剛石材料本體，該本體包括設置在本體中相互鍵連接的金剛石晶體之間的間隙中的第一材料；移除一部分本體中的所述間隙中的所述第一材料；選擇第二材料，在相同的升高的溫度的條件下，所述第二材料比第一材料導致更高的聚晶金剛石復合片退化速率；以及將第二材料設置在所述一部分本體中的間隙中。鉆進方法包括使至少一個切削元件與地層接合；使包括第二材料的聚晶金剛石材料的第二區域磨損的比包括第一材料的聚晶金剛石材料的第一區域快。還披露了聚晶金剛石復合片和包括這種復合片的鉆地工具。
文檔編號B24D3/00GK102933784SQ201180026352
公開日2013年2月13日 申請日期2011年4月26日 優先權日2010年4月28日
發明者A·A·迪喬瓦尼, I·P·古德蒙 申請人:貝克休斯公司, 六號元素(產品)(控股)公司