[發明專利]形成多晶臺和多晶元件的方法以及相關結構

有效

• 申請號: 201280017833.8
• 申請日: 2012-02-29
• 公開（公告）號: CN103477015A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: D·E·斯科特
• 申請（專利權）人: 貝克休斯公司
• 主分類號: E21B3/04
• 分類號: E21B3/04;E21B10/573
• 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: 柳冀

優先權要求

本申請要求2011年3月4日提交的、名稱為“形成多晶臺和多晶元件的方法以及相關結構”的美國專利申請序列號13/040,900的提交日權益。

技術領域

本發明的實施方案總體上涉及形成多晶臺的方法，形成多晶元件的方法，以及相關結構。具體地，本發明的實施方案涉及將完全浸提的或者基本上完全浸提的多晶臺附接到基底來形成多晶元件的方法，和與之有關的中間結構。

背景技術

用于在地下地層形成井筒的鉆地工具可以包括多個安裝在機身上的切割元件。例如，固定刀具的鉆地旋轉鉆頭(也稱作“刮刀鉆頭”)包括多個切割元件，其固定附接到鉆頭的鉆頭體。類似地，牙輪鉆地旋轉鉆頭可以包括牙輪，其安裝到從鉆頭體的支架延伸的軸承銷，以使得每個牙輪都能夠繞著它安裝到其上的軸承銷旋轉。多個切割元件(本領域稱作“嵌入件”)可以安裝到鉆頭的每個牙輪。

用于這種鉆地工具的切割元件經常包括多晶金剛石復合片(經常稱作“PDC”)切割元件，也稱作“刀具”，其是包含多晶金剛石(PCD)材料的切割元件，其特征可以是作為超級磨料或者超硬材料。這種多晶金剛石材料是如下來形成的：在高溫和高壓條件下、在催化劑(例如鈷、鐵、鎳或者它們的合金和混合物)存在下，將相對小的合成、天然或者合成和天然金剛石晶粒或晶體的組合(稱作“粗砂”)燒結和結合在一起，以形成多晶金剛石材料區域，也稱作金剛石臺。這些處理經常稱作高溫/高壓(“HTHP”)處理。切割元件基底可以包含金屬陶瓷材料，即陶瓷-金屬復合材料，例如鈷燒結碳化鎢。在一些例子中，多晶金剛石臺可以例如在HTHP燒結處理過程中在切割元件上形成。在這些例子中，切割元件基底中的鈷或其他催化劑材料可以在燒結過程中進入金剛石晶粒或晶體中，并且充當催化劑材料用于由金剛石晶粒或晶體形成金剛石臺。在HTHP處理中將晶粒或者晶體燒結在一起之前，也可以將粉末化的催化劑材料與金剛石晶粒或晶體混合。但是在其他方法中，金剛石臺可以與切割元件基底分別形成，并隨后附接到其上。

為了減少與PDC切割元件中的熱膨脹差異和金剛石晶體的化學損壞有關的問題，已經開發了“熱穩定的”多晶金剛石復合片(也稱作熱穩定產品或者“TSP”)。這種熱穩定的多晶金剛石復合片可以通過將催化劑材料從金剛石臺中的相互鍵合的晶粒之間的間隙中浸提出來而形成。當金剛石臺是分別形成和隨后附接到基底時(在本領域中也稱作“重新附接”方法)，不充分的附接會導致金剛石臺從基底上脫層和切割元件的過早失效。另外，催化劑材料會在附接過程中從基底進入多晶臺，并且多晶臺會再次需要浸提來降低與熱膨脹率差異和金剛石晶體的化學損壞有關的問題。

發明內容

在一些實施方案中，本發明包括形成多晶元件的方法，其包括將包含超級磨料材料的第一多個粒子、包含超級磨料材料的第二多個粒子以及催化劑材料置于模具中。在催化劑材料存在下將第一和第二多個粒子燒結以形成多晶臺，該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區域和具有第二更大滲透率的第二區域。將催化劑材料至少基本上從多晶臺除去。將多晶臺附接到包含硬質材料的基底的端部，使至少第二區域介于第一區域與基底之間。

在其他實施方案中，本發明包括將多晶臺附接到基底的方法，其包括形成超級磨料材料的多晶臺，該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區域和具有第二更大滲透率的第二區域。將催化劑材料至少基本上從多晶臺中除去。使多晶臺接觸包含硬質材料的基底的端部，使第二區域介于第一區域與基底之間。用來自基底的可流動材料浸潤多晶臺的至少第二區域。

另外的實施方案中，本發明包括多晶元件，其包括包含硬質材料的基底。將包含超級磨料材料的多晶臺附接到基底端部，并且該多晶臺具有表現出第一滲透率的第一區域和表現出第二更大滲透率的至少第二區域，該至少第二區域介于基底與第一區域之間。

附圖說明

雖然說明書結束于具體指出和明確主張何為本發明的權利要求書，但是當結合附圖來閱讀時，可以從下面對本發明實施方案的說明中更容易地確定本發明實施方案的不同特征和優點，附圖中：

圖1是包括本發明的多晶臺的切割元件的局部剖視透視圖；

圖2示意了包括本發明的穹形多晶臺的另一切割元件的截面圖；

圖3顯示了本發明的多晶臺的第一區域放大后的微觀結構的簡化圖；

圖4是本發明的多晶臺第二區域的微觀結構在放大下如何顯示的簡化圖；

圖5示意了包括本發明的多晶臺的另一構造的切割元件的截面圖；

圖6顯示了包括本發明的多晶臺的另一構造的切割元件的截面圖；