的两种实施方式的顶视图，图6B和6C是沿着图6A的剖面线6B-6B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七个代表性例子。
[0025]图7A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7B和7C是沿着图7A的剖面线7B-7B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八个代表性例子。
[0026]图8A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SB和SC是沿着图8A的剖面线8B-8B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九个代表性例子。
[0027]图9A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9B和9C是沿着图9A的剖面线9B-9B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十个代表性例子。
[0028]图1OA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1OB和1C是沿着图1OA的剖面线10B-10B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i^一个代表性例子。
【具体实施方式】
[0029]在下面的描述中，同样的编号是指同样的元件。
[0030]图1示出PDC刮刀钻头的例子。PDC刮刀钻头100是代表刮刀钻头、以及总体上用于钻油气井的钻头的例子。为了环绕它的中央轴102旋转，它包含与尾柄(shank) 106连接的钻头主体104，所述尾柄106具有用于将所述钻头与钻柱连接的锥形螺纹耦接头108和用于与扳手协作将所述耦接头108与所述钻柱上紧和松开的“钻头装卸器”表面111。用于总体面对钻孔方向的所述主体的外表面被称为钻头面。所述面通常位于与钻头的中央轴102垂直的平面中。所述主体不限于任何特别的材料。它可以，例如，由钢或基质材料例如由金属粘合剂粘结的粉末状碳化钨制成。
[0031]在所述钻头面上布置多个凸起的“翼片”，每个指定为110，其从钻头面凸起。每个翼片通常径向向外延伸到所述切割面的周边。在这个例子中，在中央轴周围有六个基本上等间距的翼片，并且在这种实施方式中，每个翼片相对于由箭头115指示的旋转方向向后摆动或弯曲。
[0032]在每个翼片上安装了多个离散的切割元件，或“切割器”112。每个离散的切割元件布置在凹口或凹穴内。在刮刀钻头中，所述切割器沿着所述翼片的前(预定旋转方向)侧布置，当钻头绕它的中央轴旋转时，它们的工作表面通常面向朝前的方向以剪切地层。在这个例子中，所述切割器沿着翼片排列以形成切割或刨削地层的结构，然后将所生成的钻肩推入钻井液中，所述钻井液通过喷口 117离开所述钻头。所述钻井液进而将所述钻肩或切肩运送到地表的井口。
[0033]在刮刀钻头的这个例子中，所有的切割器112是roc切割器。然而，在其他实施方式中，不是所有的切割器都需要是PDC切割器。这个例子中的PDC切割器具有主要由基体支撑的超硬多晶金刚石或类似物制成的工作表面，所述基体形成安装柱螺栓供放置在翼片中形成的凹穴中。每个PDC切割器分别制作，然后通过钎焊、压合、或以其他方式安装到在钻头上形成的凹穴中。然而，所述PDC层和基体通常以它们被制成的圆柱形形状使用。钻头的这个例子包括保径垫(gauge pad) 114。在一些应用中，钻头例如钻头100的保径垫可包含热稳定的烧结多晶金刚石(TSP)镶齿。
[0034]图2A-2C示出了 PDC切割器的代表性例子。该代表性切割器200也用于图3A至10B，以描述不同的沥滤模式，并因此在这些图中对同样编号的元件的描述也请参考图2A至2C的这些下面的描述。代表性的切割器200包含基体202，其附着有烧结多晶金刚石(PCD)层204。该层有时也称为金刚石台面。注意所述切割器不是按比例绘制的，意指通常具有附着于基体的多晶金刚石结构的代表性切割器，并且特别是在图1的钻头100上的所述一个或多个PDC切割器112。虽然经常是圆柱形的形状，但PDC切割器通常不限于特定的形状、尺寸或几何结构，或不限于单层P⑶。在这个例子中，P⑶层204的上表面206和侧表面208之间的边缘是倾斜的，形成斜缘210。在这个例子中，所述上表面和所述斜表面各自是接触和切穿地层的工作表面。所述侧表面的一部分，特别是更接近顶部的，也可以接触到所述地层或钻肩。钻头上的切割器不是全部都必须具有同样的尺寸、构造或形状。除了烧结为不同的尺寸和形状之外，也可以切割、研磨或打磨PDC切割器以改变它们的形状。此夕卜，所述切割器可以具有多个离散的PCD结构。可能的切割器形状的其他例子可以是预展平的保径切割器(gauge cutter)、点或线切割器、凿形切割器、和圆顶镶齿。
[0035]现在也参考图3A至10C，包含P⑶层204的烧结多晶金刚石结构在所述金刚石结构内具有至少一个区或区域，其中预定的亲水添加剂散布在所述金刚石结构内。这些区域用点画指示。所述一个或多个区域的每一个在所述结构内具有预定的尺寸和位置。所述一个或多个区域以外的金刚石结构含有比较少的所述一种或多种添加剂物质。在可替代实施方式中，所述包含添加剂物质的一个或多个区域以外的金刚石结构基本上没有所述一种或多种添加剂材料。
[0036]在一种实施方式中，至少一种痕量材料包含在亲水物中，亲水物包含具有亲水性质的矿物质。所述亲水材料将降低金刚石晶粒与沥滤液中的酸和/或电解质之间的表面张力，从而促进结合的金刚砂之间的孔隙或空间内的毛细作用和/或降低毛细阻力，导致改善沥滤液流过所述金刚石结构。
[0037]亲水添加剂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。适合于本文中描述的实施方式的亲水添加剂的具体例子包括二硼化钛(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。
[0038]在另一种实施方式中，所述金刚石结构是通过将小或细粒的合成或天然金刚石，在工业内被称为金刚石砂粒或粉，与所述亲水添加剂的晶粒(有或者没有其他材料)按照预定比例混合以得到目标浓度而形成。所述金刚石砂粒与所述亲水物质的这种混合可在形成复合片之前、或在形成复合片期间进行，取决于所使用的制造技术。所述复合片或者完全由所述混合物形成，或者，所述复合片形成为在所述复合片内具有所述混合物离散区域或体积一包含所述混合物并且所述复合片的其余部分(或所述复合片的至少一个其他区域)包含PCD晶粒(具有任何附加材料)但不包含所述亲水添加剂。所形成的复合片然后于催化剂存在下在高压和高温(HPHT)下烧结，所述催化剂例如钴、钴合金、或者任何VIII族金属或合金。所述复合片经受HPHT的过程有时称为“压制”。所述催化剂可以通过在粘结有所述催化剂的碳化钨基体上形成所述复合片、然后烧结而渗入所述复合片中。所述催化剂也可以与所述金刚石砂粒混合。结果产生具有至少一个包含所述亲水添加剂的区域的烧结PCD结构，所述亲水添加剂以与所述混合物相同的比例分散在整个所述区域中。
[0039]所述亲水添加剂的晶粒尺寸在一种实施方式中可为O和60微米之间、O和30微米之间、和在另一种实施方式中为O和10微米之间。所述混合物中P⑶晶粒可以在O至60微米范围内，并且可以小至纳米粒度。所述混合物内、以及进而包含所述亲水添加剂的区域内的亲水添加剂的比例或浓度，在一种实施方式中是10体积％或更低，在另一种实施方式中小于5体积％，和在另一种实施方式中小于I体积％。在其他示例性的实施方式中，它在0.05至2体积％的范围内，在另一种实施方式中，在0.05至0.5体积％的范围内。在可替代实施方式中，所述PCD可以根据晶粒尺寸在所述复合片内分层。例如，紧挨着工作层的层将包含较细的晶粒(即小于预定晶粒尺寸的晶粒)，而更远的层，也许是紧挨着基体的基层，具有大于预定尺寸的晶粒。所述亲水添加剂可与所述较细晶粒的金刚石砂粒混合物混合，以形成紧挨着工作表面的第一区域或层。或者，它可与多个金刚石砂粒混合物层混合，每个层具有不同的晶粒尺寸(由最大的晶粒量度)或不同的晶粒尺寸范围。
[0040]或者，在所述PCD结构内具有不同浓度或比例的亲水添加剂材料的混合物可以在所述金刚石结构中形成多个不同的区域或层，在所述PCD层的其余结构中有或者没有所述亲水添加剂。
[0041]在另一种实施方式中，亲水添加剂(或多于一种)可被引入已形成但是未烧结的复合片中。在另一种实施方式中，所述添加剂可在进行一次或多次压制之后，包括在压制之间，被引入PCD结构中。在这些实施方式中，所述添加剂的引入发生在沥滤之前。可用于引入所述添加剂的方法的例子包含回填和离子沉积。在其他实施方式中，一种或多种亲水添加剂还可以在两个或更多个制造阶段引入:形成复合片，形成复合片之后但是压制之前；或至少一次压制之后。相同的亲水添加剂不需要在所述两个或更多个不同的阶段引入，多于一种亲水添加剂可在相同的阶段引入，并且不同的亲水添加剂可以引入所述金刚石结构的不同的预定区域。
[0042]所述包含亲水添加剂的区域也称为“接种区域”，无论所述亲水添加剂如何被引入或掺入所述区域中。因此，亲水添加剂有时也可以被称为种子材料或亲水种子材料。
[0043]据认为，其中分散有亲水添加剂的PCD将产沥滤时间更快的烧结多晶金刚石结构。此外，据认为，具有根据上述方法形成的具有亲水种子材料并且特别是BNw作为种子材料的PCD层的PDC切割器，由于断裂韧性和耐磨性增加，表现好于具有没有任何亲水种子材料形成的金刚石结构的相同PDC切割器。