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_2

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从聚晶材料去除催化剂材料而使用时,术语“基本上完全去除”是指并包括通过已知的催化剂剂去除方法来基本上去除所有可获得的催化剂材料。例如,基本上完全去除催化剂材料包括通过将聚晶材料浸渍在浸出剂(例如王水)中并允许浸出剂流经相互连接的间隙空间网络,直至去除所有可获得的催化剂材料,而从聚晶材料所有可获得的间隙空间浸出催化剂材料。未连接至间隙空间网络的其余部分并且在不损坏或者以其它方式改变聚晶材料的情况下为不可获得的位于隔离的间隙空间内的催化剂材料可保留。
[0028]参见图1,示出钻地工具100的透视图。所示出的特别的钻地工具100例如可表征为固定式切刀钻头(例如刮刀钻头)。钻地工具100可包含本体102,该本体具有前端104和后端106。在后端106处,本体102可包含连接构件108 (例如美国石油协会(API)螺纹连接),将其配置成将钻地工具100连接至钻柱。在前端104处,本体102可包括叶片110,其由本体102的其余部分轴向向外延伸,并由本体102的旋转轴112 (其还可以是中心轴)径向向外延伸,横跨前端104。钻地工具100的本体102的冠部114可包含由叶片110和在本体102前端处的本体102的其余部分限定的外表面。切削元件116可固定于本体102。例如,切削元件116可以部分地位于在叶片110的旋转前沿表面内形成的袋状部118中,并钎焊至叶片110的限定袋状部118的表面,从而将切削元件固定于本体102。切削元件116可分布于冠部114上方,从而形成切削结构,将所述切削结构配置成在使用过程中随着钻地工具100的旋转而嵌入并去除下方的地层。量规垫120可位于本体102的外围122处,并在一些实施方案中可限定钻地工具100的径向最外侧部分。在其它实施方案中,额外的切削元件116可在外围122处固定于本体102,从而限定钻地工具100的径向最外侧部分。
[0029]参见图2,示出图1的钻地工具100的一部分的横截面视图。可通过从本体102的旋转轴112径向向外延伸至外围122的一系列区域来限定冠部114。例如,可以通过位于旋转轴112处并直接围绕旋转轴的第一锥部区域124来限定冠部114。锥部区域124的特征可在于位于旋转轴112处并直接围绕旋转轴的向下延伸的倾斜表面(当旋转轴112与面向下的前端104垂直取向时),其可通常类似于倒锥部形状。第二肩部区域126可位于从锥部区域124径向向外,与本体102的外围122相邻。肩部区域126的特征可在于过渡至本体102的外围122的圆形的、向上弯曲的表面。第三鼻部区域128可插入锥部区域124和肩部区域126之间并与两者相邻。鼻部区域128的特征可在于从锥部区域124的倾斜表面朝向水平弯曲和开始向上弯曲进入肩部区域126的过渡。第四量规区域130可位于肩部区域126径向向外并与肩部区域相邻,并且可限定本体102的外围122。
[0030]切削元件116可径向分布,横跨本体102的前端104处的冠部114的至少一部分。例如,第一切削元件或者切削元件组116A可位于锥部区域124内。第二切削元件或者切削元件组116B可位于肩部区域126内。第三切削元件或者切削元件组116C可位于鼻部区域128内。在一些实施方案中,量规区域130可不含有切削元件116。在其它实施方案中,第四切削元件或者切削元件组可位于量规区域130内。在一些实施方案中,如在图1中所示的,可将切削元件116限制为位于叶片110的旋转前沿面处的切削元件。在其它实施方案中,切削元件116可包括辅助切削元件,其为固定于相同叶片110的旋转后沿切削元件。
[0031]不同区域124、126、128和130内的钻探条件可彼此显著不同。例如,锥部区域124中的切削元件116A可经受由迫使钻地工具100朝向下方地层的重量所导致的高轴向力(即在与钻地工具100的旋转轴112平行的方向上作用的力)(例如钻压(W.0.B.)),或者由切削元件116A嵌入下方的地层所导致的高切向力(即在垂直于钻地工具100的旋转轴112的方向上作用的力)和高轴向力的组合,随着钻头100的每次旋转可穿过相对短的螺旋切削路径,并且可具有高切削深度和相应的高效率。与之相比,肩部区域126内的切削元件116B可经受低轴向力和高切向力,随着钻头100的每次旋转可穿过相对长的螺旋切削路径,并且可具有低切削深度和相应的低效率。鼻部区域128内的切削元件116C可经历介于锥部区域124和肩部区域126中存在的那些之间的使用条件。量规区域130内的切削元件可能不经受显著的轴向力,随着钻头100的每次旋转可穿过相对长的螺旋路径,并且可具有低切削深度和相应的低效率。钻探条件的这样的不同产生了处于不同水平和并且以不同方向取向的应力,并在钻地工具100的不同区域124、126、128和130内的切削元件116A、116B和116B中产生不同强度下的操作温度。
[0032]参见图3,示出来自图1和2的钻地工具100的第一锥部区域124的切削元件116A的透视局部横截面视图。切削元件116A可包含固定于基材134A的聚晶台132A。例如,切削元件116A可包含盘形聚晶台132A,其与在柱形基材134A端部处的整体上呈平面的表面接角虫,并连接至所述基材134A。当然,如在本领域中已知的,可以对切削元件116A的整体结构做出多种变形,例如将聚晶台132A和基材134A之间的界面形成为非平面的,并且将切削元件成形为非圆柱形的(例如椭圆形柱体)。基材134A可包含适用于在钻地应用中使用的硬质材料。例如,基材134A可包含陶瓷-金属复合材料(即金属陶瓷),其包含在连续的金属粘结剂材料(例如钴)中的硬质陶瓷材料(例如碳化钨)颗粒。聚晶台132A可包含特征在于超硬材料(例如合成的、天然的或者合成的和天然的金刚石的组合,立方氮化硼等)晶粒的聚晶材料136,超硬材料晶粒彼此结合以形成聚晶材料136的基体,该基体具有位于相互结合的超硬材料晶粒当中的间隙空间。
[0033]例如可以通过将超硬材料颗粒(例如粉末形式或者与液体混合形成糊料)置于容器中来形成这样的切削元件。所述颗粒可与催化剂材料颗粒混合,或者在一些实施方案中位于与催化剂材料块体(例如箔或盘)相邻。合适的催化剂材料例如可包括元素周期表第VIIIA的金属,例如镍、钴和铁,以及包括这样的金属的合金。在一些实施方案中,可以将预形成的基材134A与超硬材料颗粒一起放置在容器中。在其它实施方案中,可以将前体材料例如硬质材料(例如碳化钨)颗粒和金属粘结剂材料(例如钴)颗粒与超硬材料颗粒一起置于容器中。在任一种情况中,金属粘结剂材料还可以是用于催化超硬材料颗粒之间的晶粒间结合的形成的催化剂材料。仍在其它实施方案中,超硬材料和催化剂材料的颗粒可以单独处于容器中,并且没有基材或基材前体材料位于其中。所述颗粒可以表现出单峰或多峰(例如双峰、三峰等)颗粒尺寸分布。在一些实施方案中,可将不同平均尺寸的颗粒置于容器的不同区域中。例如,可将较小平均尺寸的颗粒置于邻近容器端部的层中,被配置成形成切削元件的切削面,或者可将较小平均尺寸的颗粒插入较大平均尺寸的颗粒的区域之间,被配置成形成夹层。
[0034]可以烧结超硬材料颗粒和任何基材134A或基材前体材料以形成聚晶台132A。更特别地,可以使超硬材料颗粒和任何基材134A或基材前体材料经受高温/高压(HTHP)过程,催化剂材料在这一过程中可熔化从而流动并进入超硬材料颗粒当中。在HTHP条件下暴露至催化剂材料可导致一些超硬材料颗粒生长并彼此相互结合(总体积可保持恒定),形成聚晶台132A。所获得的聚晶台132A的显微结构的特征可在于超硬材料(即聚晶材料136)的相互结合的晶粒的基体与聚晶材料136当中的间隙空间的基体。催化剂材料138可以占据所述间隙空间。可通过聚晶台132A内的催化剂材料和基材134A的基体材料之间的冶金结合,通过聚晶台132A的超硬材料晶粒和基材134A的硬质材料颗粒之间的原子结合,通过将聚晶台132A钎焊至单独形成的基材134A,或者通过本领域中已知的任何其它的技术,将聚晶台132A固定于基材134A。
[0035]随后,在一些实施方案中,在聚晶台的外表面处或者在其附近,可从聚晶台132A的部分140基本上完全去除催化剂材料138至第一深度Dp例如,可从部分140基本上完全去除催化剂材料138,所述部分从在切削元件116A的旋转前端144处的切削表面142轴向朝向切削元件116A的旋转后端146
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