具有過渡區域的多晶金剛石切割元件以及包含其的井下切割工具的制作方法

具有過渡區域的多晶金剛石切割元件以及包含其的井下切割工具的制作方法
【專利摘要】一種切割元件可以包括：包括多個金屬碳化物顆粒并具有第一金屬結合劑含量的第一金屬結合劑的基體；位于所述切割元件一端的多晶金剛石材料外層，所述多晶金剛石材料包括多個互連的金剛石顆粒以及設置在所述互連的金剛石顆粒之間的多個間隙區域，所述多個間隙區域包含具有第二金屬結合劑含量的第二金屬結合劑。所述切割元件還包括在基體和外層之間的至少一個過渡區域，所述至少一個過渡區域包括多個耐熔金屬碳化物顆粒和具有第三金屬結合劑含量的第三金屬結合劑，所述第三金屬結合劑含量小于第一金屬結合劑含量和第二金屬結合劑含量。
【專利說明】具有過渡區域的多晶金剛石切割元件以及包含其的井下切割工具
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年11月8日提交的美國臨時申請第61/901,910號以及于2014年11月5日提交的美國非臨時申請第14/533，716號的權益及優先權，在此通過參引方式將其全部內容納入本文。
【背景技術】
[0003]現有技術中已知的多晶金剛石(PCD)材料由金剛石顆粒或晶體以及韌性金屬結合劑構成，并經高壓/高溫工藝合成。這種材料以其機械性能的耐磨性而被眾所周知，從而，使其對于非常期望這種機械性能的諸如用于機加工、地下采礦及鉆探的切割工具的工業應用來說是一種普遍的材料選擇。例如，傳統的PCD可以被設置為在例如與切割和鉆探工具一起使用的切割元件上的表面涂層的形式，以向其施加改善的耐磨性。
[0004]一般地，在這些應用中使用的含有PCD的切割元件是通過向碳化物基體涂覆P⑶層而形成。這些切割元件包括基體、表面層、以及經常有一個過渡層以提高暴露層和基體之間的結合。基體通常是碳化物材料，例如硬質合金，用鈷結合的碳化鎢(WC)(WC-Co)。
[0005]該PCD層通常包括高達約30重量百分比的金屬結合劑。金屬結合劑促進金剛石晶間結合以及金剛石層向基體的結合。用作結合劑的金屬通常選自鈷、鐵或鎳和/或它們的混合物或合金，并且可以包括諸如錳、鉭、鉻和/或其混合物或合金的金屬。然而，雖然更高的金屬結合劑含量通常會增加所得PCD材料的韌性，但是更高的金屬含量也降低了 PCD材料的硬度和耐磨性，因此限制了能夠提供具有所需水平的硬度、耐磨性和韌性的PCD涂層的靈活性。此外，當選擇變量以增加PCD材料的硬度或耐磨性時，通常也增加了脆性，從而降低了P⑶材料的韌性。
[0006]傳統的PCD切割元件可以任選地包括在PCD層和基體之間的一個或多個過渡層。這些過渡層可以包括耐熔顆粒，例如除金剛石和金屬結合劑外的碳化物來通過該層改變材料性質。然而，碳化物含量的操控并不必然促進相鄰PCD層之間的最佳過渡，這使得所述層間存在可提高不希望的應力集中的離散界面。這些離散界面的存在和由此產生的應力集中，可以由于沿所述層-層界面的脫層而引起PCD切割元件的過早失效。

【發明內容】

[0007]提供本
【發明內容】
是為了介紹一系列概念，其在下面詳細描述中進一步描述。本
【發明內容】
并不旨在標識所要求保護的主題的關鍵或必要特征，也不旨在用作在輔助限制所要求保護的主題的范圍。
[0008]在一個方面，本文公開的實施例涉及一種切割元件，包括:基體，包括多個金屬碳化物顆粒和具有第一金屬結合劑含量的第一金屬結合劑;位于所述切割元件的一端處的由多晶金剛石材料構成的外層，所述多晶金剛石材料包括多個互連的金剛石顆粒以及設置在所述互連的金剛石顆粒之間的多個間隙區域，所述多個間隙區域包含具有第二金屬結合劑含量的第二金屬結合劑；以及位于所述基體和外層之間的至少一個過渡區域，所述至少一個過渡區域包括多個耐熔金屬碳化物顆粒和具有第三金屬結合劑含量的第三金屬結合劑，所述第三金屬結合劑含量小于第一金屬結合劑含量和第二金屬結合劑含量。
[0009]在另一個方面，本文公開的實施例涉及一種形成切割元件的方法，包括:鄰近于一個或多個過渡體積的耐熔金屬顆粒與碳源的混合物放置一體積的金剛石晶粒，所述一個或多個過渡體積包括第一過渡體積，所述第一過渡體積具有占所述第一過渡體積的總重量的至少60重量百分比的耐熔金屬顆粒;鄰近于所述一個或多個過渡體積且與所述體積的金剛石晶粒相反地放置包括多個碳化物顆粒與金屬結合劑的金屬碳化物基體材料；以及將所述體積的金剛石晶粒、一個或多個過渡體積、和金屬碳化物基體材料暴露于高壓/高溫燒結條件下，以形成附連到基體上的燒結多晶金剛石體，在所述燒結多晶金剛石體與基體之間具有至少一個過渡區域。
[0010]在又一個方面，本文公開的實施例涉及一種井下切割工具，其包括工具主體和固定到所述工具主體上的至少一個切割元件，所述切割元件包括:基體，包括多個金屬碳化物顆粒和具有第一金屬結合劑含量的第一金屬結合劑;位于所述切割元件的一端處的由多晶金剛石材料構成的外層，所述多晶金剛石材料包括多個互連的金剛石顆粒以及設置在所述互連的金剛石顆粒之間的多個間隙區域，所述多個間隙區域包含具有第二金屬結合劑含量的第二金屬結合劑；以及位于所述基體和外層之間的至少一個過渡區域，所述至少一個過渡區域包括多個耐熔金屬碳化物顆粒和具有第三金屬結合劑含量的第三金屬結合劑，所述第三金屬結合劑含量小于第一金屬結合劑含量和第二金屬結合劑含量。
[0011]從下面的描述和所附的權利要求，所要求保護的主題的其它方面和優點將會明顯。
【附圖說明】
[0012]圖1是根據一個或多個實施例的切割元件。
[0013]圖2是一個實施例的具有一個過渡區域的微觀結構的SEM圖像。
[0014]圖3是一個實施例的具有兩個過渡區域的微觀結構的SEM圖像。
[0015]圖4示出了本發明的用于牙輪鉆頭和/或錘擊鉆頭的鑲齒。
[0016]圖5示出了根據一個或多個實施例的為圓錐形切割元件的切割元件。
[0017]圖6示出了為彈頭形切割元件的切割元件。
[0018]圖7示出了具有終止于滾圓頂端的凹入側表面的切割元件。
[0019]圖8和9示出了具有線性延伸頂端的切割元件。
[0020]圖10示出了具有多個頂端的切割元件。
[0021]圖11示出了牙輪鉆頭。
[0022]圖12不出了錘擊鉆頭。
[0023 ]圖13示出了固定切割器鉆頭。
[0024]圖14示出了擴孔工具。
[0025]圖15示出了固定切割器鉆頭。
【具體實施方式】
[0026]在一個方面，本文公開的實施例涉及在多晶金剛石(PCD)切割元件中使用過渡區域(或過渡層)。具體地，本文公開的一個或多個實施例涉及在所述一個或多個過渡區域原位形成碳化物顆粒，以及可被用于以期望的方式形成這些碳化物顆粒的具體組分。在一個或多個實施例中，本發明還涉及在整個切割元件中、具體地講與所述多晶金剛石外層和/或碳化物基體相比在一個或多個過渡區域中的非均勻的金屬含量。還公開了用于制造包括在PCD層和基體之間的至少一個過渡區域的PCD切割元件的方法，和在各種制品和裝置中利用所公開的切割元件的實施例，諸如旋轉鉆頭、采礦和建筑工具、軸承裝置、拉絲模、機加工設備以及其它制品和裝置。
[0027]如本文所用的，“多晶金剛石”及其縮寫“PCD”或“多晶金剛石材料”是指，由結合在一起或互連的金剛石晶粒構成的三維網絡或晶格。具體地講，金剛石與金剛石間的結合由金屬(諸如，鈷)通過高溫/高壓工藝被催化，由此使金屬保留在顆粒之間的區域。因此，根據暴露于可被催化的金剛石顆粒以及溫度/壓力條件，加入到金剛石顆粒中的金屬顆粒可用作催化劑和/或結合劑。為了本申請的目的，當金屬組分被稱為金屬結合劑時，并不必然意味著它不同時執行催化作用，當所述金屬組分被稱為金屬催化劑時，并不必然意味著它不同時執行結合作用。
[0028]參照圖1，一個實施例的P⑶切割元件100包括至少一個PCD層106，基體102，和設置在基體102和PCD層106之間的至少一個過渡區域104。如圖所示，P⑶層106具有平坦的上表面108。雖然圖1示出所述上表面108為平坦的，但是所述上表面108也可以是凹面的、凸面的、或另外的非平面幾何形狀。基體102可以是大致圓柱形或其它選定的結構形式，這沒有限制。基體102可以包括但不限于硬質合金，例如通過鐵、鎳、鈷、或其合金結合的碳化鎢、碳化鈦、碳化鉻、碳化鈮、碳化鉭、碳化釩或它們的組合。例如，在一個實施例中，所述基體102包括鈷結合的碳化鎢。
[0029]圖2示出了根據一個或多個實施例的一部分PCD切割元件微觀結構的SEM圖像。如圖2所示，切割元件(未示出)的微觀結構200包括三個微觀結構區域:多晶金剛石區域206，基體區域202和它們之間的過渡區域204。多晶金剛石區域206包括具有多個互連的金剛石顆粒(即具有金剛石與金剛石間的鍵)，在所述顆粒之間具有間隙區域或囊。間隙區域包括在其中的金屬結合劑組分，并任選地可以包括耐熔金屬內容物(以金屬的形式或耐熔金屬碳化物的形式存在)。過渡區域204可以包括分散于金屬結合劑相中的多個耐熔金屬碳化物顆粒，并任選地可以包括多個金剛石晶粒。基體202可以包括通過金屬結合劑結合在一起的多個金屬碳化物顆粒。在多晶金剛石區域206、過渡區域204和基體區域202中的每一個中所使用的金屬結合劑可以包括在高壓高溫燒結過程中從基體202通過過渡區域204滲到所述多晶金剛石區域206中的第VIII族金屬，例如鈷、鐵或鎳。在一個或多個實施例中，所述過渡區域204的金屬結合劑含量少于所述多晶金剛石區域206和/或基體區域202的。
[0030]圖3示出了根據一個或多個實施例的一部分PCD切割元件微觀結構的SEM圖像。如圖3所示，切割元件(未示出)的微觀結構300包括四個微觀結構區域:多晶金剛石區域306，基體區域302，以及所述多晶金剛石區域306和基體區域302之間的兩個過渡區域304，308。多晶金剛石區域306包括多個互連的金剛石顆粒(S卩，具有金剛石與金剛石間的鍵)，在所述顆粒之間具有間隙區域或囊。間隙區域包括在其中的金屬結合劑組分，并任選地可以包括耐熔金屬內容物(以金屬的形式或耐熔金屬碳化物的形式存在)。過渡區域304可以包括分散于金屬結合劑相中的多個耐熔金屬碳化物顆粒，并任選地可以包括多個金剛石晶粒。過渡區域308，類似于過渡區域304，可以包括多個金剛石晶粒，和分散于金屬結合劑相中的多個耐熔金屬碳化物顆粒。過渡區域308，更靠近多晶金剛石區域306，它可以包括比過渡區域304更大的金剛石含量。基體302可包括通過金屬結合劑結合在一起的多個金屬碳化物顆粒。多晶金剛石區域306、過渡區域304、308和基體區域302中的每一個中所使用的金屬結合劑可以包括在高壓高溫燒結過程中從基體302通過過渡區域304、308滲到所述多晶金剛石區域306中的第VIII族金屬，例如鈷、鐵或鎳。在一個或多個實施例中，所述過渡區域304的金屬結合劑含量少于所述多晶金剛石區域306和/或基體區域302的。在一個或多個實施例中，過渡區域308的金屬結合劑含量少于所述多晶金剛石區域306和/或基體區域302的。此夕卜，在一些實施例中，過渡區域304和308的金屬結合劑含量均小于所述多晶金剛石區域306和/或基體區域302的。
[0031]上面描述的過渡區域包括多個耐熔金屬碳化物顆粒。在一個或多個實施例中，這樣的耐熔金屬碳化物顆粒并不以預先存在的狀態被包含入所述切割元件中，相反，所述耐熔金屬碳化物顆粒通過耐熔金屬和與耐熔金屬一起存在于所述區域中的碳(例如以金剛石顆粒、石墨顆粒、碳黑、含碳蠟、或其它碳源的形式)之間在HPHT燒結條件下的反應而就地形成。即，當金剛石顆粒(或其它碳源)和耐熔金屬的未燒結混合物的組合暴露于高壓/高溫條件時，所述耐熔金屬和碳可以就地反應以形成耐熔金屬碳化物顆粒。這樣的反應隨著耐熔金屬形成耐熔金屬碳化物而可能伴有耐熔金屬顆粒的晶粒生長。觀察到的這種生長可以包括小于5微米、小于3微米、小于2微米、小于I微米或甚至小于0.5微米的初始耐熔金屬顆粒尺寸，產生至少5微米、至少6微米、或至少8微米的耐恪金屬碳化物顆粒尺寸。在一個或多個實施例中，耐熔金屬碳化物顆粒可以小于10微米。然而，在一定程度上，最終的耐熔金屬碳化物顆粒尺寸可以部分地取決于所述初始耐熔金屬顆粒的尺寸。因此，當使用納米粉末時，最終的耐熔金屬碳化物顆粒可以有比納米粉末更大的顆粒尺寸，但仍小于5微米，例如至少2微米。
[0032]在各種實施例中，所述耐熔金屬顆粒可以是形成金屬-碳化物的任何金屬，例如鎢、鉭、鈦、鈮、鋯、它們的混合物等;但是，特定的實施例可以使用鎢金屬。此外，根據所使用的碳源的類型，同樣在本發明的范圍之內的是，所述耐熔金屬可以涂覆有所述碳源，例如含碳聚合物涂層，例如聚乙二醇或甲氧基聚乙二醇。在一個或多個其他實施例中，含碳聚合物涂層可以基本上不含氧，或其它雜質可以被用于涂覆耐熔金屬顆粒，用于形成所述一個或多個過渡層(或當包含時，外層)。
[0033]如上面提到的，金屬結合劑從所述基體通過一個或多個過渡區域滲到所述多晶金剛石層。雖然所述金屬結合劑通常可以從所述基體被提供到金剛石顆粒的混合物中(以催化形成金剛石與金剛石的結合，以形成多晶金剛石)或被包括于所述金剛石混合物中，但是本發明的一個或多個實施例僅使用從基體滲透通過所述切割元件而提供的金屬結合劑。因此，被置于反應單元中并經受HPHT工藝的杯狀物(例如，燒結容器或罐)可以包括:(I)第一體積的金剛石顆粒混合物(不含催化金屬結合劑，并且任選地由金剛石顆粒組成或由金剛石顆粒及非催化耐熔金屬組成)，(2)相鄰的第二體積的金剛石顆粒與耐熔金屬的混合物(不含催化金屬結合劑，并且任選地由金剛石顆粒及非催化耐熔金屬組成)，和(3)預制基體或碳化物顆粒和(催化)金屬結合劑的生坯基體材料。因此，當組合體積和基體材料暴露于HPHT燒結條件下時，所述金屬結合劑可以通過所述第二體積向第一體積滲透，從而催化形成多晶金剛石微觀結構。本申請的發明人還建立了如下理論，通過使用滲透的金屬結合劑(而不是與第一或第二體積一起提供的金屬結合劑)，所述滲透金屬中至少部分飽含有碳，因此，當所述滲透金屬滲透通過第二體積時，該至少部分飽和進一步地將耐熔金屬和碳(存在于金剛石顆粒中)之間的反應平衡朝向形成耐熔金屬碳化物移動。另外，隨著耐熔金屬碳化物顆粒生長，所述晶粒生長可以將所述滲透結合劑物理地推到相鄰的層之一，例如所述多晶金剛石層和/或基體，產生如上所述的在整個切割元件上的非均勻的金屬結合劑含量。對于使用一個以上的過渡區域的實施例來說，本領域技術人員將理解，與耐熔金屬顆粒混合(以不同比率)的第三或第四體積等的金剛石顆粒可以被提供于所述組合中，并暴露于HPHT燒結條件。此外，一個或多個過渡區域可以比基體具有更高的硬度和更高的強度和韌性，本發明人認為這是由于耐熔金屬碳化物的原位形成和非均勻的金屬結合劑含量存在于所述一個或多個過渡區域中的結果。
[0034]此外，在一個或多個實施例中，摻入到第二體積中的金剛石的量可以被選擇為優化或增加耐熔金屬碳化物的形成。例如，如果正在使用的耐熔金屬是鎢，那么鎢和碳的原子質量均可以被考慮，以確保耐熔金屬和金剛石(或其它碳源)向耐熔金屬碳化物的更多的轉換。同樣地，如果使用更輕的鈦，那么鈦的所需重量百分比可以類似地向下偏移。在一個或多個實施例中，第二體積可設置有至少60重量百分比的耐熔金屬、其余為金剛石顆粒，或者在一個或多個其他實施例中有至少70、80或85重量百分比的耐熔金屬(其余為金剛石)。根據所使用的金剛石和耐熔金屬的相對量，殘留在所述至少一個過渡層中的金剛石顆粒的量可以相應地變化。例如，在鎢的情況下，其中，鎢(具有183.84u的原子質量)和碳(具有12.0107U的原子質量)的1:1反應產生93.867%質量分數的鎢和6.13%的碳，如果10重量百分比的金剛石被摻入到所述第二體積中，假設鎢與金剛石完全反應，則殘留在所形成的過渡區域中的金剛石可能小于5重量百分比。在一個或多個實施例中，假設耐熔金屬完全轉化(以及1:1的反應)，可能特別期望提供具有金剛石顆粒的第二體積，使得在與耐熔金屬反應后殘留不超過5重量百分比的金剛石顆粒。雖然描述了理論上的1:1反應，同樣在本發明的范圍之內的是，可以形成其它的碳化物，例如W2C以及復雜的碳化物。然而，根據所述切割元件將要包含的過渡區域的數目，可以選擇合適的金剛石含量(進而的HPHT燒結后殘余的金剛石含量)。
[0035]例如，在一個或多個實施例中，至少一個過渡區域包括小于5重量百分比的金剛石含量，可高達95重量百分比的耐熔金屬碳化物含量，和在約I至8重量百分比范圍內(或在特定的實施例中I至2重量百分比)的金屬結合劑含量。然而，如上面提到的，當兩個或更多個過渡區域被包括在切割元件中時，鄰近PCD層的區域可以具有可以大于10重量百分比(或在特定的實施例中在20-60重量百分比的范圍內)的金剛石含量，所述耐熔金屬碳化物含量可以小于90重量百分比(或在特定的實施例中在40-80重量百分比的范圍內)，并且至少一個過渡區域中的金屬結合劑含量可以是I至8重量百分比。在一個或多個實施例中，這種具有這種更大的金剛石含量的過渡區域可以與鄰近基體的具有小于5重量百分比的金剛石含量、高達95重量百分比的耐熔金屬碳化物含量、以及在約I至8重量百分比范圍內的金屬結合劑含量的區域一起組合使用。此外，當存在兩個或更多個過渡區域時，過渡區域中的至少一個的金屬結合劑含量可以小于外PCD層和基體的金屬結合劑含量。在一些實施例中，兩個或更多個過渡區域可以具有減少的金屬結合劑含量，但在其它實施例中，所述過渡區域中的一個可以具有減少的金屬結合劑含量，并且過渡區域中的另一個可以具有與外PCD層和基體類似的結合劑含量。
[0036]如上所提到的，在一個或多個實施例中，多晶金剛石外層可包括多個金剛石顆粒、駐留在所述多個金剛石顆粒之間的間隙空間中的金屬結合劑、和任選地也駐留于所述間隙空間中的耐熔金屬。在這樣的實施例中，所述多晶金剛石材料可以包括高達94重量百分比的金剛石含量、至少6重量百分比的第二金屬結合劑含量、和高達5重量百分比的耐熔金屬含量。
[0037]所述基體可由合適的材料形成，例如碳化鎢、碳化鉭或碳化鈦。在基體中，金屬碳化物晶粒由金屬結合劑基質支持。因此，各種結合金屬，如鈷、鎳、鐵、它們的合金、或它們的混合物可以存在于所述基體中。在一個具體的實施例中，所述基體可以由碳化鎢和鈷的燒結碳化鎢復合結構形成。然而，已知的是，除了碳化鎢和鈷外，可以使用各種金屬碳化物復合物和結合劑。因此，參照使用碳化鎢和鈷是為了說明的目的，并不旨在限制碳化物或結合劑的類型。在一個或多個實施例中，所述基體可以包括至少85重量百分比的金屬碳化物含量和至少為6重量百分比的金屬結合劑含量。這樣的硬質合金可以包括例如被描述為406，313/314,614等的那些，以及具有所述金屬含量(和平衡所需金屬含量的顆粒尺寸)的其它碳化物混合物。
[0038]如上所提及的，本發明的切割元件可以通過在HPHT燒結條件下燒結前體材料而形成。具體地，多晶金剛石材料可以通過將未燒結質量的金剛石結晶顆粒放置于HPHT裝置的反應單元的金屬外殼內，并且使各個金剛石晶體暴露于足夠在相鄰的金剛石晶體之間發生晶間結合的高壓和高溫(HPHT條件下燒結)而形成。金屬催化劑，例如鈷或其它第VIII族金屬，可以被提供到未燒結質量的結晶顆粒中，以通過在HPHT燒結過程中從所述基體(或基體材料)滲入到所述金剛石晶粒中而促進金剛石與金剛石的晶間結合。
[0039]反應單元然后被放置到足以引起金剛石顆粒之間的晶間結合的工藝條件下。應當指出，如果太多額外的非金剛石材料(例如碳化鎢或鈷)存在于粉末化的結晶顆粒質量體中，在燒結過程中明顯的晶間結合被阻止。例如，其中沒有發生明顯的晶間結合的燒結材料不在P⑶的定義之內。
[0040]所述過渡層可以類似地通過將未燒結的第二體積的金剛石顆粒和耐熔金屬放置于HPHT裝置內鄰近形成多晶金剛石層的未燒結質量的金剛石顆粒而形成。反應單元然后被放置在足以使材料燒結以創建所述過渡區域的工藝條件下。此外，相反于形成所述多晶金剛石層的第一體積且鄰近所述第二體積可包括預制的金屬碳化物基體的前體基體材料。在HPHT燒結條件過程中，多晶金剛石層被形成，并通過所述過渡區域結合到所述基體。
[0041 ]在一個或多個實施例中，最低溫度為約1200°C，最低壓力為約35千巴。在具體的實施例中，可在約45-90千巴的壓力下和約1300-2000°C的溫度下處理。在給定實施例中，最小的足夠溫度和壓力可以取決于其它參數，例如諸如鈷的催化劑材料的存在。一般地，金剛石晶體將在諸如鈷的金剛石催化劑材料存在時暴露于HPHT燒結以形成一個整體的、堅韌的、高強度的質量體或晶格。所述催化劑，例如鈷，可以用于促進金剛石顆粒的重結晶和晶格結構的形成，因此，通常在金剛石晶格結構的間隙空間內能發現鈷顆粒。本領域普通技術人員將理解，可以使用各種溫度和壓力，本發明的范圍不限于具體引用的溫度和壓力。
[0042]HPHT工藝的應用將導致金剛石晶體燒結，并形成多晶金剛石層。同樣地，對第二體積應用HPHT將導致金剛石晶體和耐熔金屬顆粒反應，形成通過從基體滲入的金屬結合劑燒結在一起的耐熔金屬碳化物顆粒，使得所述耐熔金屬碳化物顆粒不再是可彼此分離的離散顆粒的形式。此外，在HPHT工藝中各層結合到彼此以及結合到基體。
[0043]同樣在本發明的范圍之內的是，多晶金剛石外層可以從其中移除至少一部分金屬催化劑，例如通過用浸出劑(通常是一種強酸)浸濾所述金剛石層。在一個具體的實施例中，至少一部分所述金剛石層可以被浸濾以獲得熱穩定性，而不失去耐沖擊性。
[0044]上面討論了因晶粒生長引起的耐熔金屬和所得耐熔金屬碳化物顆粒的顆粒尺寸的變化。除了控制耐熔金屬顆粒尺寸外，也可控制在第一體積(以及第二 (或第三等)體積)中使用的金剛石顆粒的顆粒尺寸。通常，可使用在約0.5至100微米(或在特定的實施例中4至30微米)范圍內的顆粒尺寸;然而同樣在本發明的范圍之內的是，可以使用更小的顆粒尺寸，包括在納米范圍的，例如對于用于形成過渡區域的第二體積中的混合物。在4-30微米范圍內，某些類型的切割元件可以具有特別希望的子范圍。例如，對于牙輪鉆頭(示于圖11)和/或錘擊鉆頭(示于圖12)中使用的鑲齒(示于圖4)，可使用約4至8微米范圍內的金剛石顆粒尺寸。對于刮刀鉆頭(如圖13中所示的roc固定切割器鉆頭)中使用的剪切切割器(示于圖1)，可以使用至少約10微米的金剛石顆粒尺寸。最后，對于在刮刀鉆頭(示于圖13)中使用的基本上尖端切割元件(示于圖5-11)，例如，可以使用從約10至30微米范圍內的金剛石顆粒尺寸。
[0045]現在參考圖4，鑲齒40包括多晶金剛石外層44，基體42，和在其間的過渡區域46。如圖所示，多晶金剛石外層44的上表面通常是凸起的，通常被稱為圓頂狀。
[0046]現在參考圖5-7，示出了具有大體上尖狀并終止于滾圓頂端的切割端的切割元件的各種實施例。如圖5所示，切割元件可以具有大致為圓錐形的切割端62(包括直錐體或斜錐體)，即，終止于滾圓頂端66的錐形側壁64。與終止于尖點頂端的幾何錐體不同，本發明的錐形切割元件擁有具有位于側表面和頂端之間的彎曲部的頂端。此外，在一個或多個實施例中，可以使用彈頭形切割元件70，如圖6所示。術語“彈頭形切割元件”指的是具有不同于大致圓錐形的側表面，而是具有終止于滾圓頂端76的大致凸起的側表面78的切割元件，其整體形狀也可以被稱為風帽狀。在一個或多個實施例中，頂端76的曲率半徑明顯比凸側表面78的更小。然而，本發明的非平面切割元件還可以包括其它形狀，例如，終止于滾圓頂端的凹側表面，如圖7所示。在每個這樣的實施例中，非平面切割元件可以在所述側表面和滾圓頂端間具有光滑過渡(即，側表面或側壁正切地連接頂端的彎曲部)，但在一些實施例中，可以存在非光滑過渡(即，側表面的切線與頂端的切線以非180度角相交，例如從約120至小于180度的范圍)。此外，在一個或多個實施例中，非平面切割元件可以包括具有延伸到高于保持部或基部區域的切割端的任意形狀，其中，所述切割端延伸的高度至少是切割元件的直徑的0.25倍，或在一個或多個其它實施例中至少是所述直徑的0.3,0.4,0.5或0.6倍。
[0047]返回參考圖5-7，示出了可以是本文中公開的任何實施例中的非平面切割元件的變型。設置在鉆頭或擴眼器(或本發明的其它切割工具)上的非平面切割元件具有在基體604、704、804(例如，燒結碳化鎢基體)上的金剛石層602、702、802，其中，所述金剛石層602、702、802形成非平面金剛石工作表面。盡管在這些圖中未示出，但所述切割元件可以包括位于所述多晶金剛石外層602、702、802和基體604、704、804之間的一個或多個過渡區域。在金剛石層602、702、802和基體604、704、804之間的界面(在圖5和6中未示出而在圖7中示為附圖標記806)可以是非平面的或不均勻的，例如，以幫助減少在操作中金剛石層602、702、802從基體604、704、804脫層的事件并提高所述元件的強度和耐沖擊性。本領域技術人員將理解，所述界面可以包括一個或多個凸起或凹陷部，如在非平面界面的領域中所公知的。此夕卜，本領域技術人員將理解，使用一些非平面界面可允許金剛石層在該層的尖部區域有更大的厚度。此外，可能希望創建這樣一個界面幾何特征，使得金剛石層在包含金剛石增強元件與地層之間的主要接觸區域的區域處最厚。在一個或多個實施例中，金剛石層602、702、802(包括所述一個或多個過渡區域)從頂端到基體的中心區域可以具有1.25到6.5毫米的厚度，而在一個或多個具體的實施例中，這種厚度范圍可以為3至5毫米。金剛石層602、702、802和燒結金屬碳化物基體604、704、804從頂端到燒結金屬碳化物基體的基部可以具有5到18毫米的總厚度。然而，也可使用其它尺寸和厚度。此外，特別也在本發明的范圍之內的是，頂端66、76、86具有約1.25到4毫米范圍內的曲率半徑，并且在另一實施例中從1.25到3毫米。盡管未在圖5-7中具體地示出，但在一些實施例中，所述至少一個過渡區域在其最厚點的厚度為約0.25到2.5毫米范圍內，并在特定實施例中為0.4到0.7毫米。
[0048]此外，雖然圖5-7的每一個都包括一個尖狀頂端，但是同樣在本發明的范圍之內的是，滾圓頂端可以例如如圖8-9所示地線性延伸，或者可以如圖10所示地有多于一個的頂端。上面提到的曲率半徑范圍也適用于這樣的實施例，其中，該線性延伸頂端在垂直于所述線性延伸頂端的剖面圖中可以具有所公開的范圍內的曲率半徑。此外，在有兩個頂端的情況下，一個或兩個頂端可以具有所公開的曲率半徑。
[0049]例如參考圖8-9，示出了切割元件800。在本實施例中，頂端801包括一個線性部802和兩個曲線區域803和804。金剛石主體部805包括前側806和尾側807。曲線區域803和804將所述線性部802連接到前側806和尾側807。曲線區域803和804將線性部802相切地連接到前側806和尾側807。燒結金屬碳化物基體808通過之間的過渡區域810在非平面界面809處連接到金剛石主體部805。
[0050]現在參考圖10，示出了具有多個頂端的切割元件1000。切割元件1000包括錐形幾何特征和兩個頂端601和602，前側603和尾側604相切地連接頂端601和60。頂端601和602可以具有相等或不相等的曲率半徑。
[0051]該多晶金剛石外層在一個實施例中可以具有至少0.006英寸的厚度，并且在其它實施例中至少0.020英寸或0.040英寸。如本文中所使用的，任何多晶金剛石層的厚度是指該層的最大厚度，因為所述金剛石層的厚度沿該層可以變化。具體地，在本發明的范圍之內的是，多晶金剛石層的厚度可以變化，使得切割元件在與地層接合的區域內厚度最大。明確表明在本發明的范圍之內的是，多晶金剛石層可變化或遞減，使得其沿該層具有非均勻的厚度。厚度上的這種變化通常可以來自創建非均勻界面中鑲齒主體/基體的非均勻上表面的使用。在一個或多個具體的實施例中，可以使用包括一個圓頂形或大致凸起界面的非均勻界面，特別是當與圖5-10中示出的大致尖端切割元件結合使用時。然而，同樣在本發明的范圍之內的是，也可以使用其它界面幾何特征以及平面界面。
[0052]本發明的切割元件在牙輪鉆頭和錘擊鉆頭中顯得特別有用。牙輪巖石鉆頭包括適于耦接至可旋轉鉆柱的鉆頭主體，并且包括被可旋轉地安裝到該鉆頭主體上的至少一個“牙輪”。參考圖11，牙輪巖石鉆頭10被示為設置在鉆孔11中。鉆頭10具有包括大致向下延伸的腿部13的主體12，以及與其相對的用于連接到鉆柱(未示出)的螺紋銷端部14。軸頸軸(未示出)從腿13懸臂伸出。牙輪(或滾動切割器)16被可旋轉地安裝到軸頸軸上。每個牙輪16具有安裝在其上的多個切割元件17。當主體10通過鉆柱(未示出)的轉動而轉動時，牙輪16在鉆孔底部18上旋轉，并通過靠著一部分鉆孔側壁19旋轉來保持鉆孔的孔徑。當所述牙輪16旋轉時，各個切割元件17旋轉到與地層接觸，然后與地層脫離接觸。
[0053]錘擊鉆頭在其靠著正被鉆探的地層旋轉時通常被沖擊錘撞擊。參考圖12，示出了一個錘擊鉆頭。錘擊鉆頭20具有主體22，在主體22的一端具有頭部24。主體22被接收在錘(未示出)中，并且所述錘移動所述頭部24靠在地層上以破碎地層。切割元件26被安裝在頭部24中。一般地，切割元件26通過壓入配合或銅焊到所述鉆頭中而被嵌入到鉆頭中。
[0054]本發明的切割鑲齒可具有包括圓柱形保持部的主體，一個凸起從該保持部延伸。所述保持部被嵌入并固定于牙輪或錘擊鉆頭，并且所述凸起從所述牙輪或錘擊鉆頭的表面向外延伸。所述凸起例如可以是半球形的，其通常被稱為半圓頂部(SRT)，或者可以是圓錐形的、或鑿子形的、或可以形成相對于保持部和凸起之間的相交平面傾斜的脊。在一些實施例中，所述多晶金剛石外層和一個或多個過渡層可以延伸超過所述凸起并且可以覆蓋所述圓柱形保持部。
[0055]現在參考圖13，示出了固定切割器鉆頭160。如圖所示，所述鉆頭160包括鉆頭主體110，其具有螺紋上部銷端111和切割端115。所述切割端115可以包括繞著所述鉆頭的旋轉軸線(也稱為縱向或中心軸線)排列并從所述鉆頭主體110徑向向外延伸的多個肋或刀片120。切割元件150以預定的角度方向和徑向位置被嵌入到所述刀片120中，并且相對于待被鉆探的地層具有所期望的后傾角和側傾角。這樣的切割元件可以包括具有平面或基本上為平面的上表面(如圖1所示)的剪切切割器，以及具有基本上尖狀切割端的切割元件，如圖δ-?Ο 中所示。這種在刀片 120 上具有剪切切割器 150 和大體上尖狀切割元件 155 的混合式結構的鉆頭160例如示于圖15中。
[0056]多個孔口116定位于鉆頭主體110上的刀片120之間的區域中，該區域可以被稱為“間隙”或“流體流道”。該孔口 116通常適于接受噴嘴。孔口 116允許鉆井流體在刀片120之間以選定的方向或選定的流速排出經過鉆頭，用于潤滑和冷卻鉆頭160、刀片120和切割器150。隨著鉆頭160旋轉并穿過地質構造，鉆井流體還清潔并除去鉆肩。如果沒有適當的流動特性，切割器150的冷卻不足可能在鉆井操作期間導致切割器失效。流體流道被定位為鉆井流體提供額外的流動通道，并為巖肩通過鉆頭160移向井眼(未示出)的地面提供通道。
[0057]如貫穿本發明所描述的，切割元件可以在各種鉆頭類型上使用。然而，同樣在本發明的范圍之內的是，該切割元件可以被包括在擴眼器以及其它井下切割工具上。圖14示出了擴眼器830的一般結構，其包括本發明的一個或多個切割元件。擴眼器830包括工具主體832和繞其圓周以選定方位角位置布置的多個刀片838。擴眼器830通常包括連接結構834、836(例如，螺紋連接結構)，使得擴眼器830可以耦接到相鄰的例如包括鉆柱和/或底部鉆具組合(BHA)(未示出)的鉆具。工具主體832通常包括貫穿的孔，使得鉆井流體當被從地面栗送(例如從地面泥漿栗(未示出))到井眼底部(未示出)時可以流經擴眼器830。圖14中示出的刀片838是螺旋形刀片，并且通常繞著工具主體(即擴眼器830)的外周以大致相等的角度間隔定位。這種布置不是對本發明的范圍的限制，而是僅用于說明目的。本領域普通技術人員將認識到，可以使用任何井下切割工具(包括磨削機或扶正器)或用于例如建筑和采礦工具(例如道路開槽工具、礦用鎬等)的其它切割工具。
[0058]雖然上文僅詳細描述了幾個示例性的實施例，但所屬領域技術人員應該容易理解，在實質上不脫離本發明的情況下，對示例性的實施例進行多種修改是可能的。相應地，所有這樣的修改應當被包含于本發明的范圍內。在權利要求中，功能性限定的表述被預期覆蓋在此描述的執行所引用的功能的結構，不僅限于在結構上的等價，還包括等價的結構。因此，盡管釘子和螺釘可能在結構上不等價，因為釘子具有圓柱形表面，以便緊固木質零件，而螺釘具有螺旋形表面，然而在緊固木質零件的環境下，釘子和螺釘可以是等價的結構。
【申請人】的明確意圖是不為本文的任何權利要求的任何限制援引35U.S.C.§112第6段，除了權利要求明確使用詞語“用于…的裝置”和相關聯的功能外。
【主權項】
1.一種切割元件，包括: 基體，包括多個金屬碳化物顆粒和具有第一金屬結合劑含量的第一金屬結合劑； 位于所述切割元件的一端處的由多晶金剛石材料構成的外層，所述多晶金剛石材料包括: 多個互連的金剛石顆粒；以及 設置在所述互連的金剛石顆粒之間的多個間隙區域，所述多個間隙區域包含具有第二金屬結合劑含量的第二金屬結合劑；以及 位于所述基體和外層之間的至少一個過渡區域，所述至少一個過渡區域包括多個耐熔金屬碳化物顆粒和具有第三金屬結合劑含量的第三金屬結合劑，所述第三金屬結合劑含量小于第一金屬結合劑含量和第二金屬結合劑含量。2.如權利要求1所述的切割元件，其中，所述至少一個過渡區域在其最厚點處具有第一厚度，所述第一厚度小于外層在其最厚點處的第二厚度。3.如權利要求2所述的切割元件，其中，所述第二厚度至少為所述第一厚度的兩倍。4.如權利要求1所述的切割元件，其中，由多晶金剛石材料構成的外層具有非平面的上表面。5.如權利要求4所述的切割元件，其中，所述非平面的上表面終止于滾圓頂端。6.如權利要求1所述的切割元件，其中，所述至少一個過渡區域包括小于5重量百分比的金剛石含量，最高可達95重量百分比的耐熔金屬碳化物含量，所述第三金屬結合劑含量為約I到2重量百分比。7.如權利要求1所述的切割元件，其中，所述至少一個過渡區域包括至少兩個過渡區域，其中，所述至少兩個過渡區域中的一個與所述外層相鄰，且包括大于10重量百分比的金剛石含量、小于89重量百分比的耐熔金屬碳化物含量，而且包括具有約I到8重量百分比的第四金屬結合劑含量的第四金屬結合劑。8.如權利要求1所述的切割元件，其中，所述多晶金剛石材料還包括設置在所述多個間隙區域中的耐熔金屬。9.如權利要求8所述的切割元件，其中，所述多晶金剛石材料包括最高可達95重量百分比的金剛石含量、至少5重量百分比的第二金屬結合劑含量以及最高可達5重量百分比的耐恪金屬含量。10.如權利要求1所述的切割元件，其中，所述基體包括至少85重量百分比的金屬碳化物含量，且所述第一金屬結合劑含量為至少6重量百分比。11.如權利要求1所述的切割元件，其中，所述耐熔金屬碳化物的耐熔金屬是選自以下組中的至少一種:鎢，鈦，鉭，鈮，鋯以及它們的混合物。12.如權利要求1所述的切割元件，其中，所述多個互連的金剛石顆粒具有約0.5至100微米的平均顆粒尺寸。13.如權利要求1所述的切割元件，其中，所述多個耐熔金屬碳化物顆粒具有小于10微米的晶粒尺寸。14.如權利要求1所述的切割元件，其中，所述至少一個過渡區域具有比基體更高的硬度和更高的強度。15.—種形成切割元件的方法，包括: 鄰近于一個或多個過渡體積的耐熔金屬顆粒與碳源的混合物放置一體積的金剛石晶粒，所述一個或多個過渡體積包括第一過渡體積，所述第一過渡體積具有占所述第一過渡體積的總重量的至少60重量百分比的耐熔金屬顆粒； 鄰近于所述一個或多個過渡體積且與所述體積的金剛石晶粒相反地放置包括多個碳化物顆粒與金屬結合劑的金屬碳化物基體材料;以及 將所述體積的金剛石晶粒、一個或多個過渡體積、和金屬碳化物基體材料暴露于高壓/高溫燒結條件下，以形成附連到基體上的燒結多晶金剛石體，在所述燒結多晶金剛石體與基體之間具有至少一個過渡區域。16.如權利要求15所述的方法，其中，所述高壓條件包括約45至90千巴。17.如權利要求15所述的方法，其中，第一過渡體積包括占所述第一過渡體積的總重量的最高可達90重量百分比的耐熔金屬顆粒。18.如權利要求15所述的方法，其中，所述第一過渡體積鄰近所述體積的金剛石晶粒，并且所述一個或多個過渡體積包括鄰近所述金屬碳化物基體材料的第二過渡體積。19.如權利要求18所述的方法，其中，所述第一過渡體積包括占所述第一過渡體積的總重量的少于80重量百分比的耐熔金屬顆粒，并且所述第二過渡體積包括占所述第二過渡體積的總重量的至少80重量百分比的耐熔金屬顆粒。20.如權利要求15所述的方法，其中，所述耐熔金屬顆粒具有小于5微米的顆粒尺寸。21.如權利要求15所述的方法，其中，所述過渡區域包括多個耐熔金屬碳化物顆粒和金屬結合劑，所述耐熔金屬碳化物顆粒具有約1-15微米的顆粒尺寸。22.如權利要求15所述的方法，其中，所述碳源包括多個金剛石顆粒。23.—種井下切割工具，包括: 工具主體，以及固定到所述工具主體上的如權利要求1所述的至少一個切割元件。
【文檔編號】E21B10/46GK105899751SQ201480072405
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年11月7日
【發明人】D·R·霍爾, R·B·克羅克特, N·坎農, D·諾里斯, M·K·凱沙維安
【申請人】史密斯國際有限公司