用于钻头切割元件的选择性沥滤的多晶结构的制作方法
【专利说明】用于钻头切割元件的选择性沥滤的多晶结构发明领域
[0001]本发明总体涉及部分沥滤的(leached)多晶结构，并特别是用于钻地钻头的切割元件。
[0002]发明背景
[0003]当钻油和天然气井时用于钻通地下岩层的钻头有两种基本类型:刮刀钻头和牙轮钻头。
[0004]刮刀钻头没有活动部件。在刮刀钻头通常通过旋转它所附着的钻柱而旋转时，固定于钻头面的离散的切割元件(“切割器”)切削井的底部，刮切或剪切地层。旋转的刮刀钻头的每个切割器布置并定位在所述刮刀钻头的面上，使得它(将被称为其磨损表面)的一部分当钻头旋转时咬合地层。所述切割器在钻头主体的外切割表面或面上以固定的预定样式间隔开。所述切割器通常沿着若干翼片的每一个排列，所述冀片是通常以摆动方式(sweeping manner)(与直线相反)从钻头的中央轴向所述面的周边大体上径向延伸的升起的嵴。沿着每个翼片的切割器呈现出对地层的预定切割轮廓，随着钻头转动剪切地层。钻井液泵下钻柱，进入在钻头的中心形成的中央通路，然后通过在钻头的面中形成的孔泵出，既冷却切割器又有助于从翼片之间除去和运送切肩。
[0005]牙轮钻头包含两个或三个锥形切割器，所述切割器以与钻头的旋转轴呈大约三十五度的角度绕轴旋转。随着钻头旋转，所述牙轮轧过孔洞的底部。在所述牙轮表面上的切割元件一经常称为齿或镶齿(insert)，随着所述锥体轧过地层而压碎和刮削岩石。
[0006]为了改善钻头的性能，所述切割元件的一个或多个磨损或工作表面由以多晶金刚石复合片(compact) (PDC)形式的多晶金刚石(“PCD”)的层附着于基体制成。常见的基体是粘结碳化钨。具有这种PDC切割元件的刮刀钻头有时称为“PDC钻头”。PDC,虽然很硬并具有高抗磨损性或耐磨性，但倾向于比较脆。基体，虽然没有那么硬，但比PDC更韧性，因此具有更高的抗冲击性。所述基体的长度或高度通常足够长以起到安装柱螺栓(stud)的作用，它的一部分放入刮刀钻头主体中形成的凹穴(pocket)或凹口(recess)中，或者在牙轮钻头的情况下，放入在牙轮中形成的凹穴内。然而，在一些刮刀钻头中，所述PDC和基体结构附着于金属安装柱螺栓，所述安装柱螺栓然后插入凹穴或其他凹口中。
[0007]多晶金刚石复合片可以如下制作:将被称为“金刚石砂粒”的粉末形式的多晶金刚石晶粒与一种或多种金属粉末催化剂和其他材料混合，将所述混合物形成复合片，然后利用高热高压或微波加热烧结它。虽然钴或钴的合金是最常见的催化剂，但其他VIII族金属，例如镍、铁及其合金也可用作催化剂。至于切割器，PDC通常通过在与粘结碳化钨基体相邻处充填没有所述金属催化剂的金刚石砂粒，然后将二者烧结在一起而形成。在烧结期间，所述基体中的金属粘合剂一在钴粘结碳化钨的情况下是钴一掺入和渗透所述复合片，充当催化剂以在相邻的金刚石晶粒之间形成金刚石与金刚石的结合。结果产生结合的金刚石晶体块，其已经被描述为连续或整体的金刚石基质和甚至在所述金刚石之间具有间隙空位的“晶格”。所述间隙空位至少部分被所述金属催化剂填充。
[0008]用于支撑PDC层的基体至少部分从粘结金属碳化物制作，最常见的是碳化钨。粘结金属碳化物基体通过粉末状金属碳化物与金属合金粘合剂一起烧结而形成。所述PDC和所述基体的复合材料可用许多不同的方式制作。它还可以，例如，包括过渡层，其中所述金属碳化物和金刚石与用于改善PDC和基体之间结合并降低应力的其他成分混合。在本文中提及的基体包括这样的基体。
[0009]因为存在金属催化剂，PDC表现出热不稳定性。钴具有与金刚石不同的膨胀系数。它以更高的速率膨胀，因此在较高温度下倾向于削弱所述金刚石结构。此外，钴的熔点低于金刚石，当温度达到或超过所述熔点时，这可导致钴造成所述roc内的金刚石晶体开始石墨化，也削弱了所述roc。为了使所述PDC更加热稳定，从紧挨着一个或多个在钻孔期间由于摩擦而经历最高温度的工作表面的至少一个区域除去显著百分比--通常超过50% ;经常70%至85%;并可能更多一的所述催化剂。所述工作表面是设计或打算咬合地层的切割器的表面。例如，在PDC切割器的情况下，它们通常是所述金刚石冠或台面的通常平的上表面，它的侧表面的至少部分，并且如果存在的话，所述上表面和侧表面之间辐射式或形态过渡的斜缘。
[0010]所述催化剂通过沥滤法除去。所述沥滤法包括保护或掩蔽所述碳化物基体并将所述PDC放在强酸中，强酸的例子包括硝酸、氢氟酸、盐酸或高氯酸、和它们的组合。在有些情况下，所述酸混合物可以加热和/或搅拌以促进所述沥滤法。
[0011]然而，去除钴被认为降低了所述roc的韧性，从而降低了抗冲击性。此外，沥滤所述PDC可导致除去一部分胶结或粘合所述基体的钴，从而影响所述基体和/或所述基体与金刚石交接面的界面的强度或完整性。由于这些顾虑，切割器的沥滤现在是“部分的”，意味着只在距所述roc的一个或多个工作表面、例如所述roc的顶部、斜缘、和/或侧面测量的一定深度或距离上，从所述PDC中除去催化剂。通常，只有所述PDC的顶部工作表面暴露于所述浴。利用掩模和密封保护基体防御酸。常规的商业生产的切割元件的沥滤深度当从暴露于酸浴的工作表面测量时，在所述切割器上基本一致。所述沥滤的深度取决于金刚石材料的显微结构、使用的沥滤液和沥滤时间。
【发明内容】
[0012]本发明总体涉及增加P⑶的选择区域中的沥滤速率，以及涉及具有一个或多个包含烧结PCD层的工作表面的切割元件或其他磨损部件，所述PCD层相对于它的工作表面具有不同的沥滤深度和几何形状。从经受沥滤液的表面测量，在保护所述切割元件的其余部分的掩模和密封开始分解之前，增加沥滤速率使得那些区域与具有较低沥滤速率的区域相比更迅速地沥滤，从而能够在所述区域内沥滤到更大的深度。此外，选择性增加PCD结构内预定区域的沥滤速率允许改变从所述结构的工作表面伸出的一个或多个沥滤区域的形状和深度或者，更一般地说，几何结构，而不需要借助复杂的掩模和密封。在没有必要掩蔽所述工作表面的情况下，可制成PCD结构的沥滤和非沥滤区域之间的边界，使得与暴露于沥滤液的一个或多个表面不平行。
[0013]在一种实施方式中，将添加剂在沥滤之前引入所述P⑶结构中。所述添加剂包含增加所述PCD对所述沥滤液的渗透性或所述PCD对所述沥滤液的接纳性的材料。这样的材料的一个例子是用于降低所述沥滤液和所述多晶结构之间的表面张力的亲水物，其被放入或添加到所述结构的一个或多个选定区域。所述亲水物可以包含，例如，痕量矿物质，其具有亲水性质、抗润湿性较低、或在沥滤液和气体副产物和所述多晶复合金刚石之间与固体表面相遇的汽液界面的接触角较小。这些物质有助于将沥滤液传送到多晶结构中，例如通过正性毛细引力、芯吸、或通过降低毛细阻力。所述添加剂可在烧结之前或烧结之后被引入所述多晶结构中。
[0014]亲水添加剂的例子包括二硼化钛(TiB2)、纤锌矿型氮化硼(w-BN)、立方氮化硼(c-BN)、二硼化锆(ZrB2)、纤锌矿型碳化硅、导电碳同素异形体、富勒烯和类似的化合物。这些亲水添加剂的例子包括具有化学极性分子结构、电偶极或多极矩、在所述分子内电荷分离、或导电物质的材料。具有这些添加剂的区域与所述烧结多晶金刚石结构的没有所述亲水种子材料的区域相比更迅速地沥滤，使得比原本由于不用任何种子材料制成的PCD的技术限制所可能的更深的沥滤。
[0015]更快的沥滤对于包含尺寸小于30微米的粒子的多晶金刚石原料和在较高压下压制的PCD来说具有特别的优势，因为所述金刚石更致密，使得所述间隙空位更小并且更少连接，抑制了沥滤酸的进入。选择性接种烧结多晶金刚石结构的部分或区域也允许利用不同的沥滤速率以形成具有不同距离或深度和几何形状的沥滤区域。
[0016]能够制作在PDC的沥滤和非沥滤区域之间具有非平面边界的PDC切割元件允许更好地控制切割元件的磨损轮廓。例如，常规PDC切割器在使用期间将形成磨损的平面。所述磨损平面的存在降低了切割有效性并影响切割样式、切割器负荷、切割器温度和钻井效率。然而，通过控制所述金刚石结构的沥滤区域的几何形状，可制定提供用于某些切割样式和负荷的更好的磨损轮廓。例如，可以设计PDC切割元件，使得它的切割攻击性随着它由于切割边缘处的应力引起的磨损而改变。此外，可针对在钻头上的不同切割器而设计不同的磨损样式。
【附图说明】
[0017]图1是PDC刮刀钻头的透视图。
[0018]图2A、2B和2C分别是适合于图1的刮刀钻头的代表性I3DC切割器的透视、侧视和顶视图。
[0019]图3A、3B和3C是通过如图2A-2C中显示的不同的PDC切割器实例的横截面，其中亲水添加剂已经分散或添加在它的金刚石结构内离散的区域中，并然后沥滤以从至少这些区域部分地或完全地除去催化剂，以形成选择性沥滤层的实例。
[0020]图3D是图2A-2C的PDC切割器的第四种实施方式的横截面，其中亲水物散布在整个roc层中。
[0021]图3E是图2A-2C的PDC切割器的第五种实施方式的横截面。
[0022]图4A是例如图2A-2C中显示的PDC切割器的第五种代表性例子的两种实施方式的顶视图，图4B和4C是沿着图4A的剖面线4B-4B取的横截面，其中亲水添加剂已经分散或添加到它的金刚石结构内离散的区域中，并然后沥滤以形成选择性沥滤层的第二个例子。
[0023]图5A是例如图2A-2C中显示的PDC切割器的代表性例子的两种实施方式的顶视图，图5B和5C是沿着图5A的剖面线5B-5B取的横截面，其中亲水添加剂已经分散或添加到它的金刚石结构内离散的区域中，并然后沥滤以形成选择性沥滤层的第六个例子。
[0024]图6A是例如图2A-2C中显示的PDC切割器的代表性例子