位于钻地工具的不同区域中的浸出至不同深度的切削元件和相关方法
【专利说明】位于钻地工具的不同区域中的浸出至不同深度的切削元件和相关方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月I日提交的未决的名称为“Cutting Elements Leachedto Different Depths Located in Different Reg1ns of an Earth-Boring Tool andRelated Methods”的序列号为13/783，118的美国专利申请的权益。
技术领域
[0003]本公开内容整体上涉及钻地工具和切削元件在钻地工具上的布置。更特别地，所公开的实施方案涉及钻地工具，其包括位于钻地工具的不同区域中的浸出至不同深度的切削元件。
【背景技术】
[0004]通常地，在切削元件的前端处具有固定的切削元件、例如固定式切刀钻头和混合式钻头的钻地工具可包括本体，所述本体具有从所述本体延伸的刀片。可以通过位于并围绕所述工具的旋转轴(其还可以是中心轴)的锥部区域、邻近并围绕所述锥部区域的鼻部区域、邻近并围绕所述鼻部区域的肩部区域以及在所述工具外围的量规(gage)区域来限定这样的钻地工具在其前端处的冠部。可沿着锥部、鼻部、肩部和量规区域在叶片的旋转前部处将切削元件固定于所述叶片，从而随着钻地工具的旋转，其嵌入并去除下方的地层。这样的切削元件可包含超硬材料例如金刚石的聚晶台，将其固定于硬质材料基材例如烧结碳化钨。例如可以通过钎焊在叶片中形成的袋状部内固定所述切削元件。
[0005]在形成之后，聚晶台可以包括催化剂材料例如钴，其用于催化超硬材料的颗粒之间的晶粒间结合的形成，该催化剂材料可以位于超硬材料的相互结合的晶粒当中的间隙空间内。例如可以通过使用酸浸出来去除催化剂材料，从而降低超硬材料和催化剂材料之间的热膨胀速率的不同将导致在聚晶台内形成裂纹并可最终导致聚晶台碎裂和过早失效的可能性。
[0006]为了进一步降低切削元件将过早失效的可能性，可以特别地设计在钻地工具的不同区域中的切削元件的类型以适应在钻探过程中在那些区域中所经历的一定类型的负载，如于1998年7月28日授权予Tibbitts等人的美国专利5，787，022中所公开的，通过引用将其公开内容全部并入本文中。例如，‘022号专利公开了可设计锥部和鼻部区域中的切削元件以承受高轴向负载以及轴向和切向组合负载，并且可设计肩部和量规区域中的切削元件以承受高切向负载。‘022号专利进一步公开了切削元件设计和布置例如可以通过向肩部区域内的切削元件提供内部液压冷却或加强的热交换特性而最小化并稳定切削元件温度。
【发明内容】
[0007]在一些实施方案中，钻地工具包含本体，所述本体在其前端处包含冠部，所述冠部包含第一区域和第二区域。与第二区域相比，第一区域位于更接近于所述本体的旋转轴。位于第一区域中的第一切削元件固定于所述本体，第一切削元件包含固定于第一基材的第一聚晶台。位于第二区域中的第二切削元件也固定于所述本体，第二切削元件包含固定于第二基材的第二聚晶台。第一聚晶台和第二聚晶台中的每个包含相互结合的超硬材料晶粒。第一聚晶台基本上不含催化剂材料至第一深度，并且第二聚晶台基本上不含催化剂材料至更深的第二深度。
[0008]在其它实施方案中，钻地工具可包含本体，所述本体在其前端处包含冠部。所述冠部可包含在本体的旋转轴处并且在本体的旋转轴周围的锥部区域，邻近并围绕锥部区域的鼻部区域，邻近并围绕鼻部区域的肩部区域，和限定邻近并围绕肩部区域的本体外围的量规区域。位于锥部区域中的第一切削元件可固定于本体。第一切削元件可包含固定于第一基材的第一聚晶台。位于肩部区域中的第二切削元件可固定于本体。第二切削元件可包含固定于第二基材的第二聚晶台。第一聚晶台和第二聚晶台中的每个可包含相互结合的超硬材料晶粒。第一聚晶台可基本上不含有催化剂材料至第一深度，并且第二聚晶台可基本上不含有催化剂材料至更深的第二深度。
[0009]在另外的其它实施方案中，钻地工具可包含本体，所述本体在其前端处包含冠部。所述冠部可包含在本体的旋转轴处并且在本体的旋转轴周围的锥部区域、邻近并围绕锥部区域的鼻部区域、邻近并围绕鼻部区域的肩部区域和限定邻近并围绕肩部区域的本体外围的量规区域。位于锥部区域、鼻部区域、肩部区域和量规区域的每个中的切削元件可固定于所述本体。每个切削元件可包含固定于基材的聚晶台。每个切削元件的聚晶台可包含相互结合的超硬材料晶粒。每个切削元件的每个聚晶台基本上不含催化剂材料至一定深度，所述深度随着从锥部区域到肩部区域距旋转轴的距离而增加。
[0010]仍在其它实施方案中，形成钻地工具的方法可包含提供第一切削元件和第二切削元件，第一切削元件包含固定于第一基材的第一聚晶台，第二切削元件包含固定于第二基材的第二聚晶台，其中第一聚晶台和第二聚晶台中的每个包含相互结合的超硬材料晶粒。可将用于催化超硬材料晶粒当中的晶粒间结合的形成的催化剂材料从第一聚晶台去除至第一深度，并从第二聚晶台去除至更深的第二深度。可提供在其前端处包含冠部的本体，所述冠部包含第一区域和第二区域，与第二区域相比，第一区域位于更接近于所述本体的旋转轴。第一切削元件可在第一区域中固定于本体，并且第二切削元件可在第二区域中固定于本体。
[0011]附图简要说明
[0012]虽然本公开内容以特别指出并清楚地要求保护由本公开内容包括的实施方案的权利要求结束，但是可在结合附图阅读时由下文的说明更加容易地确定本公开内容的范围内的实施方案的各种特征和优点，其中:
[0013]图1为钻地工具的透视图；
[0014]图2为图1的钻地工具的一部分的横截面视图；
[0015]图3为来自图1和2的钻地工具的第一区域的切削元件的透视局部横截面视图；
[0016]图4为来自图1和2的钻地工具的第一区域的切削元件的另一种实施方案的透视局部横截面视图；
[0017]图5为来自图1和2的钻地工具的第二区域的切削元件的透视局部横截面视图；
[0018]图6为来自图1和2的钻地工具的第二区域的切削元件的另一种实施方案的透视局部横截面视图；和
[0019]图7为来自图1和2的钻地工具的第三区域的切削元件的局部透视横截面视图。
[0020]发明详述
[0021]在这里提出的说明并不意图是任何特定的钻地工具、切削元件或其部件的实际视图，而仅为用于描述说明性的实施方案的理想表示。由此，附图不必是按比例的。
[0022]所公开的实施方案整体上涉及钻地工具，其包括位于钻地工具的不同区域中的浸出至不同的深度的切削元件。更特别地，所公开的是钻地工具的实施方案，可以将该钻地工具较好地调整至给定的一组使用条件，包括待钻探的地层、钻孔深度、预期操作成本和井的预期价值，并且其可使设计人员能够调整固定于并分布于钻地工具前端上方的切削元件，从而具有更加一致的使用寿命。
[0023]如在这里所使用的，术语“钻地工具”是指并包括任何类型的钻头或工具，所述钻头或工具在其前端处具有固定于所述钻头或工具的固定式切削元件，用于在地下地层中产生或扩大钻孔的过程中的钻探。例如，钻地工具包括固定式切刀钻头、冲击钻头、取芯钻头、偏心钻头、双中心钻头、磨机、刮刀钻头、混合式钻头和本领域中已知的其它钻探头和工具。
[0024]如在这里所使用的，术语“聚晶台”和“聚晶材料”是指并包括任何这样的结构或材料，其包含通过晶粒间结合直接结合在一起的材料(例如超级磨料材料)的晶粒(例如晶体)。所述材料的单独晶粒的晶体结构在聚晶台内的空间中可为无规取向的。例如，聚晶台包括聚晶金刚石复合片(roc)，其特征在于彼此直接结合以形成金刚石材料基体的金刚石晶粒，在所述金刚石晶粒当中具有间隙空间。
[0025]如在这里所使用的，术语“晶粒间结合”和“相互结合的”是指并包括超级磨料材料的相邻晶粒内的原子之间的任何直接的原子键(例如共价的、金属的等等)。
[0026]如在这里所使用的，术语“超硬”是指并包括Knoop硬度值为约3，OOOKgf/mm2(29, 420MPa)或更大的任何材料。超硬材料例如包括金刚石和立方氮化硼。超硬材料还可表征为“超级磨料”材料。
[0027]如在这里所使用的，当关于