[發明專利]其中具有不同區域的多晶復合片和包括該復合片的切割元件和鉆地工具及形成該復合片的方法

有效

• 申請號: 201280010698.4
• 申請日: 2012-01-04
• 公開（公告）號: CN103392051A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發明（設計）人: D·E·斯科特;A·A·迪喬瓦尼
• 申請（專利權）人: 貝克休斯公司
• 主分類號: E21B10/567
• 分類號: E21B10/567;E21B10/54;B22F7/06;E21B10/42
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 李躍龍

優先權要求

本申請要求2011年6月17日提交的名稱為“Polycrystalline?Compacts?Having?Differing?Regions?Therein,Cutting?Elements?and?Earth-Boring?Tools?Including?Such?Compacts,and?Methods?of?Forming?Such?Compacts”的美國專利申請序列號13/162,864的提交日權益，該申請是2011年1月20日提交的名稱為“Polycrystalline?Compacts?Having?Differing?Regions?Therein,Cutting?Elements?and?Earth-Boring?Tools?Including?Such?Compacts,and?Methods?of?Forming?Such?Compacts”的美國專利申請序列號13/010,620的部分延續。

技術領域

本發明整體上涉及多晶復合片，其可用于例如作為用于鉆地工具的切割元件，并且涉及形成這樣的多晶復合片、切割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通常包括固定于本體的多個切割元件。例如，固定刀具鉆地旋轉鉆頭（也稱為“刮刀鉆頭”）包括固定地附接于鉆頭的鉆頭體的多個切割元件。類似地，牙輪鉆地旋轉鉆頭可包括安裝在由鉆頭體的臂延伸的軸承銷上的牙輪，使得每個牙輪能夠圍繞在其上安裝的軸承銷旋轉。可將多個切割元件安裝到鉆頭的每個牙輪。換句話說，鉆地工具通常包括附接有切割元件的鉆頭體。

在這樣的鉆地工具中使用的切割元件通常包括多晶金剛石復合片（通常稱為“PDC”），其一個或多個表面可充當切割元件的切割面。多晶金剛石材料是包括金剛石材料的互相結合的晶粒或晶體的材料。換句話說，多晶金剛石材料包括金剛石材料的晶粒或晶體顆粒之間直接的粒間結合。本文中術語“晶粒”和“晶體”是同義并且可互換使用。

通常通過在催化劑（例如鈷、鐵、鎳、或其合金和混合物）存在下在高溫和高壓的條件下將相對較小的金剛石顆粒燒結和結合在一起以在切割元件基材上形成多晶金剛石材料層（例如復合片或“臺”），形成多晶金剛石復合片切割元件。這些方法通常稱為高溫/高壓（HTHP）方法。切割元件基材可包含金屬陶瓷材料（即陶瓷金屬復合材料），例如鈷結碳化鎢。在這種情況下，在燒結期間切割元件基材中的鈷（或其它催化劑材料）可能會進入金剛石晶粒中并且充當用于形成粒間金剛石和金剛石結合的催化劑材料，以及由金剛石晶粒產生的金剛石臺。在其它方法中，在HTHP過程中將晶粒燒結在一起之前可將粉末狀的催化劑材料與金剛石晶粒混合。

在使用HTHP方法形成金剛石臺時，催化劑材料可保留在所得的多晶金剛石復合片中金剛石的晶粒之間的間隙空間中。在使用期間加熱切割元件時，由于切割元件與巖層之間的接觸點處的摩擦，金剛石臺中催化劑材料的存在可導致在金剛石臺中的熱損傷。

盡管在超過約三百五十攝氏度（350℃）的溫度下切割元件內的內應力可開始發展，但是在高達約七百五十攝氏度（750℃）的溫度下多晶金剛石復合片切割元件（其中所述催化劑材料保留在多晶金剛石復合片中）通常還是熱穩定的。該內應力至少部分是由金剛石臺和與其結合的切割元件基材之間熱膨脹率的差異所致。熱膨脹率的這種差異可導致金剛石臺與基材之間的界面處相對大的壓縮和拉伸應力，并且可引起金剛石臺從基材剝離。在約七百五十攝氏度（750℃）及以上的溫度下，由于金剛石臺內金剛石材料和催化劑材料的熱膨脹系數的差異，金剛石臺自身內應力可顯著增加。例如，鈷比金剛石熱膨脹顯著更快，這可引起裂紋形成并且在金剛石臺內擴展，最終導致金剛石臺的劣化和切割元件的無效。

此外，在等于或高于約七百五十攝氏度（750℃）的溫度下，多晶金剛石復合片內的一些金剛石晶體可與催化劑反應，使金剛石晶體經歷化學分解或反向轉化（back?conversion）至碳的另一種同素異形體材料或另一種碳基材料。例如，金剛石晶體在金剛石晶界處可石墨化，這可極大地削弱金剛石臺。另外，在非常高的溫度下，除了石墨，金剛石晶體中的一些也可轉化為一氧化碳和二氧化碳。