用于切削元件的聚晶复合片台和制造方法
【专利说明】用于切削元件的聚晶复合片台和制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年3月I日提交的未决的、名称为“Polycrystalline CompactTables for Cutting Elements and Methods of Fabricat1n” 的美国临时专利申请号61/771,404的申请日权益。
技术领域
[0003]本公开内容的实施方案涉及聚晶复合片和形成这样的聚晶复合片的方法。
【背景技术】
[0004]用于在地下地层中形成井眼的钻地工具通常包括固定于本体的多个切削元件。例如，固定式切刀钻地旋转钻头(还称为“刮刀钻头”)包括多个切削元件，其固定连接至固定式切刀钻头的钻头体。类似地，牙轮钻地旋转钻头包括安装在由钻头体的腿部延伸的牙轮轴上的锥体，从而使得每个锥体能够围绕锥体被安装在其上的牙轮轴旋转。在这样的牙轮钻头的每个锥体上可以安装多个切削元件。
[0005]在固定式切刀、牙轮和其它钻地工具中使用的切削元件通常包括聚晶复合片切削元件，例如聚晶金刚石复合片(“roc”)切削元件。所述聚晶复合片切削元件包括聚晶材料例如金刚石或其它超硬材料(在这里总体称为“超硬材料”)的聚晶复合片的切削面。
[0006]可以通过在金属溶剂催化剂的存在下将超硬材料的晶粒或晶体烧结并结合在一起来形成聚晶复合片切削元件。(术语“晶粒”和“晶体”在这里同义并可互换地使用)。在高温和高压条件(在这里称为“高压高温过程”(“HPHT过程”)或者“高温高压过程”(“HTHP过程”))下烧结和结合超硬材料晶粒。HPHT过程在超硬材料的晶粒之间形成直接的晶粒间结合，并且晶粒间结合的晶粒形成聚晶材料(例如金刚石或可替代的超硬材料)的“台”。所述台可在切削元件支撑基材上形成或者随后接合至切削元件支撑基材。
【发明内容】
[0007]在一些实施方案中，本公开内容包括用于切削元件的聚晶复合片台，所述台包含具有第一性质的超硬材料晶粒的第一区域和具有不同于第一性质的第二性质的超硬材料晶粒的第二区域。第一区域和第二区域限定了晶粒界面，所述晶粒界面在所述台的垂直横截面内具有弯曲部分。
[0008]在其它实施方案中，本公开内容包括用于切削元件的聚晶复合片台，所述台包含超硬材料的第一晶粒的第一簇离散区域和所述超硬材料的第二晶粒的第二簇离散区域。第二晶粒具有与第一晶粒的性质不同的性质。第一簇的至少一个离散区域垂直地设置于第二簇的至少两个离散区域之间。
[0009]本公开内容还包括形成用于钻具的切削元件的聚晶复合片的方法。所述方法包含形成台结构。形成台结构包含形成具有第一性质的超硬材料的第一晶粒的第一区域和形成具有第二性质的超硬材料的第二晶粒的第二区域。使所述台结构经受高压高温过程来烧结第一晶粒和第二晶粒。
【附图说明】
[0010]虽然本申请文件以特别地指出并清楚地要求保护被认为是本公开的实施方案的权利要求结尾，但是本公开内容的不同特征和优点将根据下文对参考附图提供的示例性实施方案的说明而更加容易地得到确定，其中:
[0011]图1为包括根据本公开内容的实施方案的切削元件的固定式切刀钻地旋转钻头的透视图；
[0012]图2为示意性地描述本公开内容的包含聚晶复合片(在这里还称为“台”)的切削元件的俯视和正视的局部切开的透视图；
[0013]图3为根据本公开内容的实施方案的台的俯视和正视透视图；
[0014]图4为图3的台沿着垂直横截面4-4取得的正面横截面视图；
[0015]图5为用于形成图3的台的前体结构的俯视和正视透视图；
[0016]图6为图3的台的替代实施方案取自与垂直横截面4-4相同的视图的正面横截面视图；
[0017]图7为根据本公开内容的另一种实施方案的台的俯视平面图，其中所述台包含不同性质的晶粒区域，所述晶粒区域以横跨所述台的水平横截面的正方形棋盘状的图案排列；
[0018]图8为图7的台沿着垂直横截面X-X取得的正面横截面视图，其中晶粒区域延伸经过所述台的高度(即垂直横截面)；
[0019]图9为图7的台沿着垂直横截面X-X取得的正面横截面视图，其中晶粒区域限定了以经过所述台的垂直横截面的棋盘状图案排列的离散区域；
[0020]图10为图7的台沿着垂直横截面X-X取得的正面横截面视图，其中离散晶粒区域还以经过所述台的垂直横截面的偏置砖块状图案排列；
[0021]图11为图7的台沿着垂直横截面X-X取得的正面横截面视图，其中晶粒区域还以重复经过所述台的垂直横截面的矩形波区域排列；
[0022]图12为图7的台沿着垂直横截面X-X取得的正面横截面视图，其中晶粒区域还以相对于所述台的上表面呈一定角度的区域排列；
[0023]图13为图7的台沿着垂直横截面X-X取得的正面横截面视图，其中晶粒区域还以重复经过所述台的垂直横截面的限定金刚石棋盘状图案的离散区域排列；
[0024]图14为根据本公开内容的另一种实施方案的台的俯视平面图，其中在所述台中包含不同性质的晶粒区域，所述晶粒区域以横跨所述台的水平横截面的金刚石棋盘状图案排列；
[0025]图15为图14的台沿着垂直横截面15-15取得的俯视和正视透视图；
[0026]图16为用于形成根据本公开内容的另一种实施方案的台的前体结构的俯视和正视透视图，其中以具有多层螺旋横截面的环构造晶粒区域；
[0027]图17为由图16的前体结构形成的台沿着垂直横截面17-17取得的正面横截面视图；
[0028]图18为根据本公开内容的另一种实施方案的台的俯视和正视透视图，其中所述台包含不同性质的晶粒区域，所述晶粒区域以部分重叠的同心局部环排列；
[0029]图19为图18的台沿着垂直横截面19-9取得的正面横截面视图；
[0030]图20为用于形成根据本公开内容的另一种实施方案的台的前体结构的俯视和正视透视图，其中一种性质的晶粒限定由另一种性质的晶粒所填充的起伏结构；
[0031]图21为由图20的前体结构形成的台沿着垂直横截面21-21取得的正面横截面视图；
[0032]图22为根据本公开内容的另一种实施方案的台的俯视图，其中一种性质的晶粒限定了拱形格栅状图案，并且另一种性质的晶粒限定了填充所述拱形格栅状图案的离散特征；
[0033]图23为图22的台沿着垂直横截面23_23取得的正面横截面视图；
[0034]图24为根据本公开内容的另一种实施方案的台沿着与垂直横截面23-23相同的视图取得的正面横截面视图，其中所述台包括图22的结构，底部还填充有另一种性质的晶粒；
[0035]图25为包括图24的台的切削元件沿着与垂直横截面23_23相同的视图取得的正面横截面局部视图；
[0036]图26为用于形成根据本公开内容的一种实施方案的切削元件的一步法HPHT过程的简化工艺流程图；和
[0037]图27为用于形成根据本公开内容的一种实施方案的切削元件的两步法HPHT过程的简化工艺流程图。
[0038]发明详述
[0039]在苛刻的钻孔环境中经常使用钻地工具及其切削元件。因此，切削元件在使用过程中经常经受由于在切削元件和地层之间的接触点处的摩擦而产生的热量。这种热量和磨蚀相互作用可导致钻探过程中的热和结构损坏。例如，切削元件内不同材料之间热膨胀系数的不同可导致不同材料之间的界面处的破裂或脱层。也就是说，当在使用过程中加热或者在此后冷却切削元件时，材料可以以不同的速率膨胀或收缩，并导致聚晶台中的热损坏。由此，当切削元件用于切削地层材料时，切削元件和孔壁表面之间的摩擦加热所述切削元件，并且支撑基材内的材料例如碳化物可以以聚晶台内的超硬材料例如金刚石的两倍快地膨胀。所述膨胀可导致聚晶材料内材料的原子显微结构中的结构失效。另外，与地层的磨蚀相互作用还可导致切削元件外表面中的裂纹。例如在切削元件的台中，在显微结构中作为结构失效开始的或者小的裂纹可导致进一步扩展至切削元件中的较大裂纹。特别是沿着界面，这样的失效可导致脱层。甚至是除了界面以外，裂纹扩展可最终导致切削元件自身的毁坏。
[0040]本聚晶复合片台包括具有不同性质(例如不同平均晶粒尺寸、不同超硬材料体积密度或者二者)的超硬材料的有序区域，其中一个晶粒区域与另一个晶粒区域在晶粒界面处邻接。当所述台与切削元件联合使用时，不同性质的有序晶粒区域和所述区域之间的晶粒界面可抑制脱层和经过所述台的裂纹扩展。
[0041]可以将包括根据本公开内容的实施方案的台的切削元件配置成用于苛刻的钻孔环境中。所述切削元件可经受在使用过程中由于在切削元件和地层之间的接触点处的摩擦而产生的热量。在使用时，例如由于切削元件内不同材料之间的热膨胀系数的不同，这种热量和磨蚀相互作用可在切削元件上导致机械应力。当在使用过程中加热或者在此后冷却切削元件时，切削元件中的材料可以以不同的速率膨胀或收缩并导致聚晶台内的应变。与地层的磨蚀相互作用还可在切削元件上产生应力。尽管在使用中在所述台和切削元件的其它部件上的应力，可以将根据本公开内容的实施方案的切削元件的台的有序晶粒区域配置成抑制脱层或裂纹扩展。例如，如果在所述台的侧边引发所述台中的裂纹，那么当裂纹在晶粒界面处截断不同性质(例如不同的平均晶粒尺寸或不同的超硬材料体积密度)的晶粒区域时，裂纹的扩展可停止或者朝向所述台的机械强度大的区域转移。可以调整所述台内的晶粒区域的相对尺寸、形状和位置以抑制脱层和裂纹扩展。
[0042]如在这里所使用的，术语“钻头”是指并包括在井眼的形成和扩大过程中用于钻探的任何类型的钻头或工具，并且例如包括旋转钻头、冲击钻头、取心钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔钻、可膨胀扩孔钻、磨机、刮刀钻头、牙轮钻头、混合式钻头和本领域中已知的其它钻探头和工具。
[0043]如在这里所使用的，术语“聚晶材料”是指并包括包含通过晶粒间结合直接结合在一起的材料的多个晶粒(还称为“晶体”)的任何材料。所述材料的单独晶粒的晶体结构在聚晶材料内的空间中可以是无规取向的。
[0044]如在这里所使用的，术语“聚晶复合片”是指并包括包含通过将压力(例如压实作用)施加至用于形成聚晶材料的前体材料(或者多种材料)的方法形成的聚晶材料的任何结构。如在这里所使用的，术语“聚晶复合片”与术语“台”和“聚晶复合片台”具有相同的含义。
[0045]如在这里所使用的，术语“超硬材料”是指并包括Knoop硬度值为约2，OOOKgf/mm2(20GPa)或更大的任何材料。在一些实施方案中，在这里采用的超硬材料可具有的Knoop硬度值为约3，000Kgf/mm2(29.4GPa)或更大。这样的材料例如包括金刚石和立方氮化硼。
[0046]如在这里所使用的，术语“超硬材料体积密度”意指在确定体积的材料中(例如晶粒区域的体积或者所述台的体积)超硬材料的密度(质量/体积)。
[0047]如在这里所使用的，“第一”、“第二”、“第三”等为用于描述与一个物品或多个物品不同的另一个物品或多个物品的术语。它们不必意指暗示时间序列，除非另外指明。据此，“第一晶粒”的区域可不必是在“第二晶粒”的区域之前制造的，除非另外指明。此外，在这里的一种实施方案中称为“第一晶粒”的平均晶粒尺寸或超硬材料体积密度可以是在这里的另一种实施方案中称为“第二晶粒”的平均晶粒尺寸或超硬材料体积密度。
[0048]如在这里所使用的，相对术语“大”、“中”和“小”为用于描述超硬材料的一簇晶粒的平均晶粒尺寸相对于超硬材料