具有高的韌度和高的耐磨性的多晶金剛石材料的制作方法
【專利說明】具有高的初度和高的耐磨性的多晶金剛石材料
[0001] 本申請是申請日為2010年8月6日、申請?zhí)枮?01080044957. 6 (PCT/ US2010/044657)、發(fā)明名稱為"具有高的初度和高的耐磨性的多晶金剛石材料"的發(fā)明專利 申請的分案申請。
[0002] 相關(guān)申請的交叉引用
[0003] 本申請要求2009年8月7日提交的美國專利申請No. 61/232, 134的優(yōu)先權(quán)，該美 國專利申請通過引用整體并入此處。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 在此公開的實施例總體上設(shè)及用于鉆頭、例如牙輪鉆頭和震擊鉆頭中的多晶金剛 石鑲齒。更具體地講，本發(fā)明設(shè)及具有包括金剛石、金屬碳化物和鉆的外層的多晶金剛石鑲 止 兇〇
【背景技術(shù)】
[0005] 在典型的鉆井操作中，鉆頭轉(zhuǎn)動，同時前行到±壤或巖石地層中。地層通過鉆頭上 的切削元件切削，且切屑通過鉆井流體的循環(huán)被從井眼沖送出，所述鉆井流體通過鉆柱向 下累送，且在鉆柱與井壁之間的環(huán)隙中向著井眼的頂部回流。鉆井流體通過鉆桿中的通道 給送到鉆頭，且通過鉆頭的切削面中的噴嘴向外噴出。噴出的鉆井流體通過噴嘴被向外高 速引導(dǎo)，W幫助切削、沖送出切屑和冷卻切削器元件。
[0006] 具有多種類型的鉆頭，包括牙輪鉆頭、震擊鉆頭和刮刀鉆頭。牙輪鉆頭包括適于連 接到可轉(zhuǎn)動的鉆柱的鉆頭本體，且包括至少一個"牙輪"，所述牙輪可轉(zhuǎn)動地安裝到現(xiàn)有技 術(shù)中通常提及到的懸臂軸或軸頸支承軸。每個牙輪又支撐多個切削元件，所述切削元件切 削和/或壓碎井眼的壁或底部，從而使鉆頭前行。切削元件，或鑲齒或銳齒，在鉆井過程中 與地層接觸。震擊鉆頭通常包括一體式本體，該本體具有冠部。該冠部包括擠壓在其中的 鑲齒，用于循環(huán)地"震擊"和抵靠著正被鉆的地層轉(zhuǎn)動。
[0007] 根據(jù)鉆頭上的鑲齒的類型和位置，鑲齒會執(zhí)行不同的切削功能，該樣，在使用過程 中也經(jīng)受不同的加載條件。兩種耐磨鑲齒已經(jīng)被開發(fā)用作牙輪鉆頭和震擊鉆頭上的鑲齒： 碳化鶴鑲齒和多晶金剛石鑲齒。碳化鶴鑲齒由燒結(jié)碳化鶴形成；碳化鶴顆粒散布在鉆粘合 劑基質(zhì)中。多晶金剛石鑲齒通常包括作為基體的燒結(jié)碳化鶴本體和在鑲齒的頂部上直接結(jié) 合到碳化鶴基體的多晶金剛石（叩CD")層。與較軟的、較初性的碳化鶴鑲齒相比，由PCD 材料形成的外層可提供改善的耐磨性。
[000引根據(jù)鉆頭上的鑲齒的類型和位置，鑲齒會執(zhí)行不同的切削功能，該樣，在使用過程 中也經(jīng)受不同的加載條件。兩種耐磨鑲齒已經(jīng)被開發(fā)用作牙輪鉆頭和震擊鉆頭上的鑲齒： 碳化鶴鑲齒和多晶金剛石鑲齒。碳化鶴鑲齒由燒結(jié)碳化鶴形成；碳化鶴顆粒散布在鉆粘合 劑基質(zhì)中。多晶金剛石鑲齒通常包括作為基體的燒結(jié)碳化鶴本體和在鑲齒的頂部上直接結(jié) 合到碳化鶴基體的多晶金剛石（叩CD")層。與較軟的、較初性的碳化鶴鑲齒相比，由PCD 材料形成的外層可提供改善的耐磨性。
[0009]PCD層通常包括金剛石和金屬，且它們的量高達層的大約20%的重量比，w便于 金剛石晶間結(jié)合和層彼此之間W及與底下的基體的結(jié)合。PCD中采用的金屬通常從鉆、鐵 或鑲和/或它們的混合物或合金中選擇，且可包括諸如鋪、粗、銘和/或它們的混合物或合 金的金屬。然而，盡管較高的金屬催化劑含量通常會增大最終的PCD材料的初度，但較高的 金屬含量也會降低PCD材料硬度，從而，限制了W下靈活性：能夠提供既具有期望水平的硬 度、又具有期望水平的初度的PCD涂層。此外，當(dāng)變量被選擇用于增大PCD材料的硬度時， 通常脆度也會增大，從而，降低了PCD材料的初度。
[0010] 盡管多晶金剛石層極其硬和耐磨，但多晶金剛石鑲齒在正常操作過程中仍可能失 效。失效通常為W下S種常見形式中的一種：磨損、疲勞和沖擊破裂。由于PCD相對于地層 的滑動，會出現(xiàn)磨損情況，且作為失效模式其突出特性與地層的磨損特性W及其他因素例 如地層硬度或強度和在與地層接觸過程中設(shè)及的相對滑動的量有關(guān)。過高的接觸應(yīng)力和高 的溫度W及非常不利的井下環(huán)境也趨向于引起金剛石層的嚴重磨損。疲勞機理是；初始產(chǎn) 生于PCD層上的表面裂紋逐漸傳播到PCD層下方的材料中，直到裂縫長度足W散裂或剝離。 最后，沖擊機理是：初始產(chǎn)生于PCD層上的表面裂紋或內(nèi)部裂縫睹然傳播到PCD層下方的材 料中，直到裂紋長度足W引起鑲齒的散裂、剝離或突變失效。
[0011] 在切削元件的制造過程中，材料通常經(jīng)受高壓/高溫（"HPHT")條件下的燒結(jié)，該 可導(dǎo)致潛在的問題，包括：不相似的元素結(jié)合到彼此和各種組分的擴散，該使得復(fù)合物上產(chǎn) 生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力誘發(fā)復(fù)合物可通常在鉆井條件下導(dǎo)致鑲齒破裂、破碎或?qū)与x。
[0012] 由于接觸而引起的外部負載趨向于引起金剛石層的失效例如破碎、散裂和剝離。 制造過程所產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力、例如熱殘余應(yīng)力趨向于引起金剛石層與基體或過渡層之間的 層離，或由于沿著分界面初始產(chǎn)生并向外傳播的裂紋，或由于初始發(fā)生于金剛石層中和沿 著分界面劇烈地傳播的裂縫。
[0013] 金剛石層的沖擊、磨損和疲勞壽命可通過增大金剛石厚度、從而增大金剛石體積 增大。然而，金剛石體積的增大導(dǎo)致形成在金剛石/基體分界面上的殘余應(yīng)力幅度的增大， 該會加速層離。所述殘余應(yīng)力幅度的增大被認為是由于在燒結(jié)過程之后冷卻過程中金剛石 與碳化物基體的熱收縮的差異引起的。在金剛石粘合到基體的冷卻過程中，金剛石比碳化 物基體收縮較小的量，該會導(dǎo)致金剛石/基體分界面上的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力與金剛石相 對于基體的體積的體積成比例。
[0014] 因此，希望構(gòu)造一種用于劇烈切削和/或鉆井應(yīng)用中的鑲齒結(jié)構(gòu)，其提供期望的 PCD硬度和耐磨性，且與傳統(tǒng)的PCD材料和鑲齒結(jié)構(gòu)相比，具有提高的斷裂初度和抗剝離性 能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 在一個方面，在此公開的實施例設(shè)及一種切削元件，包括；基體；W及設(shè)置在切削 元件的最外端上的由多晶金剛石材料構(gòu)成的外層，其中，多晶金剛石材料具有；多個互連的 金剛石顆粒；W及設(shè)置在結(jié)合的金剛石顆粒之間的多個間隙區(qū)域，其中，所述多個間隙區(qū)域 包含多種金屬碳化物相和多種金屬粘合劑相，所述多種金屬碳化物相和多種金屬粘合劑相 一起形成多種金屬相，其中，多種金屬碳化物相由多個金屬碳化物顆粒形成；其中，所述多 個互連的金剛石顆粒形成多晶金剛石材料的至少大約60-至多大約80 %的重量；W及多種 金屬碳化物相占多種金屬相的至少50%的重量。
[0016] 在另一方面，在此公開的實施例設(shè)及一種切削元件，包括；基體；W及設(shè)置在切削 元件的最外端上的由多晶金剛石材料構(gòu)成的外層，其中，多晶金剛石材料具有；多個互連的 金剛石顆粒；W及設(shè)置在結(jié)合的金剛石顆粒之間的多個間隙區(qū)域，其中，所述多個間隙區(qū)域 包含多種金屬碳化物相和多種金屬粘合劑相，所述多種金屬碳化物相和多種金屬粘合劑相 一起形成多種金屬相，其中，多種金屬碳化物相由多個金屬碳化物顆粒形成；其中，所述多 個互連的金剛石顆粒形成多晶金剛石材料的至少大約70 %的重量；W及多種金屬碳化物 相占多種金屬相的至少50%的重量。
[0017] 本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點將顯見于下面的描述和權(quán)利要求書中。
【附圖說明】
[0018] 圖1示出了根據(jù)本公開的切削元件的一個實施例的圖示。