热稳定多晶材料至衬底的阳极键合的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及包括可与井筒钻探结合使用的热稳定多晶材料的切削元件和其它井下钻井部件以及使用阳极键合的系统和制造方法。
[0002]发明背景
[0003]经常使用旋转钻头来钻出油气井、地热井和水井。固定切削器钻头或刮刀钻头通常形成有钻头体，所述钻头体具有安置在钻头体的外部部分的选定位置处的切削元件或插入件。钻头和其它井下设备还可以具有各种其它耐磨蚀和/或耐磨损的表面硬化元件。切削元件和表面硬化元件可以由多晶材料制成。
[0004]例如，具有多晶切削层(或台面)的切削元件已用在包括井筒钻探和金属机械加工的工业应用中很多年。一种所述材料是多晶金刚石(PCD)，多晶金刚石是结合在一起以形成一体的、坚韧的、高强度块的金刚石(通常是合成的)的多晶块。为了形成切削元件，将切削层结合至衬底材料，所述衬底材料通常是烧结的金属-碳化物。当结合至衬底时，PCD被称作多晶金刚石复合片(PDC)。用在切削元件或表面硬化结构性元件中的多晶材料还可以由其它多晶材料制成，例如多晶立方氮化硼(PCBN)。
[0005]已经在积极地研究用于将热稳定多晶材料固定至衬底以便用在钻头切削元件或其它耐磨蚀和/或耐磨损的表面硬化结构性元件中的方法，所述元件是钻头体或其它井下设备的部分。高温高压(HTHP)加工是常见的附接方法。然而，这种方法通常使用另一催化剂，例如钴，并且致使多晶材料的热稳定性降低。
[0006]附图简述
[0007]图1是根据一个实施方案的含有切削元件的钻头的透视图。
[0008]图2是根据一个实施方案的具有附接至衬底的热稳定多晶材料的切削层的切削元件的透视图。
[0009]图3A是示出了用于进行阳极键合程序的部件的示意图。一些工艺参数是键合压力(UB)、电流限制(IB)和键合温度(TB)。
[0010]图3B是示出了与图3A的阳极键合过程相关联的离子漂移的示意图。
[0011]图4A是示出了根据一个实施方案的与含碳酸盐的热稳定多晶材料至衬底的阳极键合相关联的尚子漂移的不意图。
[0012]图4B是示出了根据一个实施方案的与含碳酸盐的热稳定多晶材料至涂硅的衬底的键合相关联的尚子漂移的不意图。
[0013]图5是根据一个实施方案的用于将热稳定多晶材料的切削层结合至衬底以形成切削元件的系统的示意图。
[0014]图6是根据一个实施方案的制造具有附接至衬底的热稳定多晶材料的切削层的切削元件的方法的框图。
[0015]详细描述
[0016]本公开的某些实施方案和特征涉及钻头和其它井下设备的包括热稳定多晶材料并且可以与井筒钻探结合使用的切削元件和表面硬化部件，以及使用阳极键合制造所述元件的系统和方法。在一些实例中，具有热稳定多晶材料切削层的切削元件可以附接至钻头头部或其它井下设备，例如扩孔器或扩眼器，所述井下设备可以用以在钻出井筒(例如被钻出以汲取水、天然气或石油的那些井筒)时分裂、切削或压裂岩石和地球地层。在另一实例中，具有热稳定多晶材料的面向外的层的表面硬化部件可以附接至钻头或其它井下设备。所述表面硬化部件可以是耐磨损的使得降低钻头或井下设备由于摩擦热而受损害的可能性，并且可以方便设备在使用期间在井下的移动。表面硬化部件的实例包括钻头头部、量具保护器和防撞器。可以使用电场来将热稳定多晶材料共价地键合至衬底以形成切削元件或表面硬化部件。在一些实例中，热稳定多晶材料至衬底或表面硬化部件的阳极键合最大化切削元件或表面硬化部件的热稳定性。因此，切削元件或表面硬化部件可以具有经改善的热力完整性和耐磨蚀性，并且具有与使用将切削层附接至衬底的常规方法得到的那些浸出暴露相比减少的浸出暴露。
[0017]P⑶包括互连成晶格结构的个别金刚石“晶体”。金属催化剂(尤其是VIII族金属催化剂)，例如钴，已用以促进金刚石颗粒的再结晶和晶格结构的形成(例如在烧结过程中)。然而，VIII族金属催化剂具有与金刚石相比明显不同的热膨胀系数(CTE)，并且在加热PCD后，金属催化剂和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，从而使得在晶格结构中形成裂纹并且导致切削层的退化(在井下使用期间)。此外，在高温(>800°C)下并且在不存在高压的情况下，金属催化剂还会使金刚石恢复成石墨。为了消除这个问题，可以使用强酸来从金刚石晶格结构中“浸出”钴，产生热稳定多晶金刚石材料。对于其它多晶材料，类似的问题发生并且必须要进行解决。具有热稳定多晶材料的切削层的切削元件具有相对较低的磨损速率，即便在切削器温度达到1200°C时。
[0018]在一些情况中，多晶材料是由金刚石或通过粘合剂(例如硅)一起被限制在基质复合材料中的其它超硬颗粒制成。表面硬化部件可以包括此类多晶材料作为耐磨蚀和/或耐磨损特征。
[0019]为简单起见，详细地描述了以下各者的特征:包括由多晶金刚石(PCD)制成的热稳定多晶材料切削层的钻头切削元件；和用于制造和使用此部件的系统和方法。然而，所述特征类似地涉及钻头或其它井下设备的耐磨蚀或磨损的表面硬化部件以及用于制造和使用所述部件的系统和方法。所述特征还类似地涉及含有其它多晶材料的部件以及用于制造和使用所述部件的系统和方法。
[0020]在一个实例中，包括由阳极地键合至衬底的热稳定多晶材料制成的切削层的切削元件附接至钻头，用于地球地层钻探。具有所述切削元件的固定切削器钻头10示出于图1中。钻头头部11连接至柄12以形成钻头体13。多个切削刀片14环绕钻头头部11的圆周安排。在此实例中，存在远离钻头的旋转轴15大体上向外地延伸的五个切削刀片14。凹腔或凹槽16 (或被称作插槽和插口 )形成在切削刀片14上。切削元件17 (或被称作插入件)例如通过铜焊固定地安装在每一凹腔16中。多个切削元件17沿着每一刀片的长度并排安置。每一刀片所承载的切削元件17的数目可以改变。在钻头10在使用中旋转时，切削元件17与地层接触，以便挖去、掏去或凿去被钻的地层的材料。量具保护器18位于多个切削刀片14的向外表面上，在所述向外表面上，它们方便钻头体13的旋转并提供耐磨性。
[0021]在另一实例中，包括阳极地键合至衬底的热稳定多晶材料的切削元件20示出于图2中。切削元件20具有圆柱形衬底主体(衬底)22，所述衬底主体具有在本文中被称作界面表面23的端面或上表面23。超硬材料层(切削层)24形成工作表面25和切削边缘26。切削层24的底面27阳极地键合至衬底22的上表面23上。接合表面23和27在本文中被称作界面28。界面28是衬底22的表面23通过阳极键合彼此共价地附接之处。切削层24的顶部暴露表面或工作表面25与底面27对置。切削层24通常可以具有平坦或平面的工作表面25或非平面表面(未单独示出)。
[0022]例如，切削层24可以包括热稳定多晶材料。热稳定多晶材料可以包括多晶金刚石、多晶立方氮化硼或另一超级磨蚀材料。衬底22可以是碳化物或金属。例如，碳化物可以包括烧结碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)或另一超硬材料。在衬底22是金属的情况下，所述金属可以包括钢、镍/铁合金、因瓦合金或钛。衬底的实例包括金属(例如钢、因瓦合金、钛等)、涂硅的金属、涂硅和烧结的碳化钨、以及碳化硅。切削层24和衬底22中的任一者或两者可以镀有、覆盖有或涂布有金属或硅以方便阳极键合过程。在一些实例中，衬底22可以是包括硅或共价地涂布有硅的碳化物或金属。
[0023]切削层24可以直接阳极地键合至衬底22或者可以阳极地键合至中间层，所述中间层结合至衬底22。在某些实例中，切削层24可以经由中间层(图2，未示出)间接地结合至衬底22。中间层的上表面可以阳极地键合至切削层24的底面27。中间层可以是形成可以结合至切削层24的多晶材料的碳化物的物质。例如，中间层可以是金属，例如钢、镍/铁合金、因瓦合金或钛。中间层可以由对彼此、对衬底22和对多晶材料具有不同亲和性的多种物质制成。中间层还可以是对彼此、对衬底和对切削层24的多晶材料具有不同亲和性的不同物质的多个层。在一些实例中，中间层可以是共价地涂布有硅的金属。中间层的金属可以是易延展的以吸收来自阳极键合过程以及(例如)铜焊过程的残余应力，铜焊过程可以用以将热稳定多晶材料中间层结