岩石去除体的制作方法

岩石去除体的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及一种用于刮刀钻头凿岩应用的岩石去除体以及一种用于牙轮钻头凿 岩应用的岩石去除体。
【背景技术】
[0002] 多晶金刚石材料(P⑶)通常包括具有互穿金属网络的金刚石晶粒的共生网络。金 刚石晶粒的网络通过在提高的压力和温度下由用于碳的熔融金属催化剂/溶剂促进的金刚 石粉末的烧结形成。金刚石粉末可具有单峰尺寸分布，其中在颗粒数目或质量尺寸分布中 存在单一最大值，这导致金刚石网络中的单峰晶粒尺寸分布。可选地，金刚石粉末可具有多 峰尺寸分布，其中在颗粒数目或质量尺寸分布中存在两个或多个最大值，这导致金刚石网 络中的多峰晶粒尺寸分布。在该方法中使用的典型压力的范围为约4GPa-7Gpa，但是高达 lOGpa或以上的更高压力实际上也可获得并且可以使用。所采用的温度高于金属在这种压 力下的熔点。金属网络是熔融金属在返回到正常室温条件时冷冻的结果并且将不可避免地 为高碳含量合金。原则上，可采用在这样的条件下可使金刚石结晶成为可能的用于碳的任 何熔融金属溶剂。周期表的过渡金属及其合金可包括在这样的金属中。
[0003] 常规地，主要惯例和实践使用硬质金属基体的粘合剂金属，在提高的温度和压力 下熔化这样的粘合剂后，使得其渗入金刚石粉末的块体中。这是在常规的PCD构造的宏观级 别下熔融金属的渗透，即在毫米级别下的渗透。到目前为止，最常见的常规情况是使用碳化 钨连同钴金属粘合剂作为烧结的硬质金属基体。这不可避免地导致烧结的硬质金属基体与 得到的PCD原位结合。迄今为止，PCD材料的成功商业开发已经非常严重地受到这种惯例和 实践的控制。
[0004] 对于本公开的目的，通过对基体的定向渗透和原位结合使用烧结的硬质金属基体 作为熔融金属烧结剂的来源的PCD构造被称作"常规PCD"构造或体。
[0005] 历史上，包括被结合和附接至碳化物硬质金属基体的PCD材料的常规PCD结构用于 附接和布置在壳体中的材料去除元件。其中待去除的材料的一般应用是岩石包括用于油井 和采矿用途的钻头等。PCD结构也可应用于例如道路规划和建筑构造，其中待去除的材料可 被认为是诸如沥青、含有沥青的岩石碎片、混凝土、砖块等包括这种的组合的合成或再造的 类岩石材料。此后，如此处使用的术语"岩石"将被认为是指天然的地质岩石和合成或再造 的类岩石材料。
[0006] 诸如油井钻探的非常重要的应用使用两种主流的钻探技术，其彼此竞争或补充。 它们是刮刀钻头和牙轮技术。这两种技术都利用常规的PCD结构、
[0007] 图1是典型的常规刮刀钻头101和壳体102的示意图。该图示出在壳体中的不同径 向位置的常规PCD岩石去除元件103、104和105，其由包括被结合和附接至大得多的碳化物 硬质金属柱形基体的PCD材料的相对薄层的直立圆形柱体组成。在钻头旋转时，引起这种元 件通过主要剪切作用连续地压在岩石上并且运行，其中岩石逐渐地断裂和破碎。图2示意性 地示出连续剪切岩石202的常规P⑶岩石切割元件201的一个边缘。
[0008] 许多年以来已经广泛地优化了这种刮刀钻头设计使得主要且实用的惯例和实践 是开发被钎焊至柱形凹陷的凹口中的直立柱形岩石去除元件使得在钻头旋转时，刀具或岩 石去除元件的扫肩面(sweep)的重叠提供横跨钻头的整个面的岩石去除。利用用于柱形切 割元件的附接的随同钎焊技术的这些高度地建立且优化的钻头设计不要轻易或随便地改 变。因此，期望的且改进的岩石去除元件或刀具仍容易受到整体直立柱形形状和几何形状 的限制。此外，由提供适当的机械磨损性能和钎焊性能的硬质的且耐磨的硬质金属制成的 岩石去除元件或刀具的筒的建立是本钻孔范例的通常期望且不轻易改变的方面。
[0009] 图3是典型的牙轮钻头301的示意图，其由壳体302和能够在轴承上自由地旋转的 三个牙轮结构303构成。当整个钻头壳体302旋转时，每个牙轮303在岩石的表面周围旋转。 岩石去除元件或体304被插入并且附接至三个牙轮结构中的每个的表面。当牙轮结构转动 时，它们使岩石去除元件依次压在岩石表面上。牙轮结构通过依次被具有耐磨量规(gage) 元件306的量规板表面305保护的轴和轴承结构被附接至壳体。通过喷嘴307促进水冷却和 压碎的岩石去除。在这种情况下，岩石去除元件304具有压在岩石表面上的诸如通常的凿子 形状的典型地圆形的端或圆顶和/或锥形表面。这些岩石去除元件通常具有与成形的硬质 金属基体结合的PCD材料的相对薄层，并且通过主要压碎作用去除岩石。这在图4中被说明， 图4示意性地示出圆顶形常规PCD岩石压碎元件401的横截面，PCD岩石压碎元件401由形成 被结合至圆顶形硬质金属体403的外壳、压和压碎岩石404的PCD材料的薄层402构成。
[0010] 与刮刀钻头设计类似，牙轮设计被高度优化和建立。因此，这些也不轻易地且随便 地改变。因此，用于牙轮钻头的改进的岩石去除元件或岩石压碎元件具有带有由可容易钎 焊的硬质金属材料制成的直立柱形筒的形状和几何形状将是有利的，其中大体柱形形状的 一端形成诸如圆顶、圆锥体或凿子形状的包括边缘的凸面。
[0011]无论是用于刮刀钻头还是牙轮钻头的常规的PCD岩石去除元件已经被限制于PCD 材料的相对薄层(典型的从1mm至约2.5mm并且最少高达约4mm)，其在相同的高压高温过程 中被形成附接至大的基本上柱形的硬质金属基体的通常一侧。用于产生共生的多晶金刚石 晶粒的金刚石颗粒的部分再结晶和烧结所需的金属主要源自硬质金属基体并且从硬质金 属基体渗透。在2.5mm和4_之间的PCD层必需的金属的长程渗透逐渐增加了产生良好烧结 的金刚石晶粒的难度。
[0012]常规PCD岩石去除元件或体的主要寿命限制机理涉及在PCD体中的裂纹扩展，其延 伸至PCD材料的自由表面，导致极其有害的碎裂和散裂行为。有人认为，这种裂纹扩展的主 导方面是在PCD岩石去除元件或体中的残余应力分布，其由在制造过程中返回到室压和室 温期间PCD层与硬质金属基体材料相比不同的热收缩造成。由于常规岩石去除元件或体设 计涉及PCD层被附接至硬质金属基体的一侧，所以在制造过程中返回到室压和室温使弯曲 变形发生在PCD层中，必然导致涉及大量且主要的拉伸应力分量的跨越PCD层的残余应力分 布。这些拉伸应力分量控制裂纹扩展的方向。用于具体设计的它们的特定幅度、梯度和定向 残余应力分布和用于PCD层和基体的布置区分最坏设计和最好设计。
[0013]包括在制造过程期间被附接至大量硬质金属基体的PCD材料的薄层的常规PCD体 也在PCD层厚度和其PCD材料的组成中均被限制。常规制造的PCD层厚度通常小于2.5mm，尽 管特殊地高达4_。这些较厚的PCD层非常难以制造并且逐渐经受由因为杂质偏析和用于金 刚石颗粒的烧结的催化剂/溶剂金属的长程渗透的一般困难造成的不良的金刚石-金刚石 结合引起的差的结构和性能。常规PCD层的组成限制涉及PCD材料的总金属含量对金刚石晶 粒尺寸分布的依赖性。这在绘制常规PCD材料的钴含量相对于已经确定的常规PCD材料的平 均晶粒尺寸的曲线图5中说明。从此图中可看出，钴含量被限制于近似厚度为4体积％的带 501，其中对于例如平均晶粒尺寸1微米的细晶粒PCD材料，金属含量为约12体积％，而对于 例如平均晶粒尺寸20微米的粗PCD材料，金属含量减至约6体积％。该带之外的金属含量不 典型并且非常难以制作。此外，常规PCD材料的冶金学被限制于适合于金刚石颗粒再结晶和 烧结的冶金学，并且如果这种材料被开发为基体材料，则它是可行的硬质金属材料。就这一 点而言，典型的且商业上主要的金属是钴，其在更小程度上具有一些镍和/或钴的铁合金的 异体。
[0014] 因此，需要改进的岩石去除或岩石压碎元件，其改善或基本上克服上述问题或缺 点中的一个或多个。

【发明内容】

[0015] 从第一方面看，提供一种用于刮刀钻头凿岩应用的岩石去除体，其包括沿界面被 结合至粘结的硬质金属基体的多晶金刚石(PCD)材料体积(volume);其中：
[0016] a、体具有总体体体积(overall body volume)并且是具有圆周边缘和筒部的直立 圆形柱体形状，PCD材料体积被轴向不对称地设置在体的一端处；
[0017] b、PCD材料体积具有从圆周边缘轴向地沿筒部的表面的约3mm或更大的厚度和功 能工作体积，功能工作体积是在岩石去除体的使用寿命期间在使用中逐渐被磨损以形成最 终磨损表面的PCD材料的体积，功能工作体积具有最大程度使得最终磨损表面与PCD材料体 积和基体的界面不相交；
[0018] c、将多晶金刚石材料体积结合至粘结的硬质金属基体的界面，其包括来源于难熔 材料的第三材料的层，第三材料是在岩石去除体的形成期间基体的熔融的结合材料和PCD 材料体积的熔融的催化剂溶剂烧结助剂的金属扩散阻挡屏障材料；
[0019] d、P⑶材料体积包括具有平均金刚石晶粒尺寸、形成金刚石网络的多个相互结合 的金刚石晶粒和形成金属网络的金属成分，基体包括粘结的金属，彼此独立、独立地衍生的 金属成分和粘结的金属在高压高温的制造过程期间无相互作用、通过测量可区分并且被预 先选择为关于它们的合金组成不同；
[0020] e、P⑶材料至少包括功能工作体积并且均匀，因为P⑶材料在空间上恒定并且关于 金刚石网络与金属网络的体积比不变，其中均匀性在大于平均金刚石晶粒尺寸的10倍的级 别下测量，金刚石网络中的最大金刚石晶粒尺寸小于平均金刚石晶粒尺寸的3倍。
[0021] 从第二方面看，提供一种用于牙轮钻头凿岩应用的岩石去除体，其包括沿界面被 结合至粘结硬质金属基体的多晶金刚石(PCD)材料体积;其中：
[0022] a、体包括具有相关半径的直立圆形柱体部，圆形柱体部的一端形成通常凸形的弯 曲表面或具有尖端的表面或一端形成通常凿子形状，其中两个或多个平坦表面汇合形成尖 端，PCD材料体积从尖端延伸并且邻接尖端被轴向不对称地设置，粘结的硬质金属基体被设 置在柱体的相对端处；
[0023] b、PCD材料体积具有在体的柱体部的轴向方向上从尖端至与基体的界面的等于或 大于体的柱体部的半径的厚度，PCD材料体积进一步包括功能工作体积，功能工作体积是在 岩石去除体的使用寿命期间在使用中逐渐被磨损以形成最终磨损表面的PCD材料的体积， 功能工作体积具有最大程度使得功能工作体积的最大程度小于PCD材料体积的厚度;功能 工作体积从尖端在轴向方向延伸；
[0024] c、将PCD材料体积结合至基体的界面包括来源于难熔材料的第三材料的薄层，第 三材料是在岩石去除体的形成期间对基体的熔融的结合材料和PCD材料体积的熔融的催化 剂溶剂烧结助剂的金属扩散阻挡屏障材料；
[0025] d、P⑶材料体积包括具有平均金刚石晶粒尺寸、形成金刚石网络的多个相互结合 的金刚石晶粒和形成金属网络的金属成分，基体包括粘结的金属，彼此独立、独立地衍生的 金属成分和粘结的金属在高压高温的制造过程期间无相互作用、通过测量可区分并且被预 先选择为关于它们的合金组成不同；
[0026] e、P⑶材料至少包括功能工作体积并且均匀，因为P⑶材料在空间上恒定并且关于 金刚石网络与金属网络的体积比不变，其中均匀性在大于平均金刚石晶粒尺寸的10倍的级 别下测量，金刚石网络中的最大金刚石晶粒尺寸小于平均金刚石晶粒尺寸的3倍。
【附图说明】
[0027]现在将参照附图描述示例，其中：
[0028] 图1是常规刮刀钻头和壳体的不意图；
[0029] 图2是连续剪切岩石的常规PCD岩石切割元件的一个边缘的示意侧视图；
[0030]图3是由壳体和三个牙轮结构构成的典型牙轮钻头的示意图；
[0031] 图4是由压在岩石上并且压碎岩石的PCD材料的薄层构成的圆顶形常规PCD岩石压 碎元件的横截面；
[0032] 图5是相对于已确定的常规PCD材料的平均晶粒尺寸绘制的常规PCD材料的钴含量 的曲线图；
[0033] 图6是在刮刀钻头凿岩中使用的直立柱形岩石去除体的示意横截面，其中虚线指 示在凿岩应用期间在岩石去除元件或体的寿命结束时形成的磨痕的最终位置；
[0034] 图7a、图7b和图7c是给出在厚度分别是2mm、5mm和8mm的PCD材料体积中残余应力 分布的主要特征的示例的半剖面示意图；
[0035]图8a、图8b和图8c是示意横截面图，其说明通常凸形的弯曲表面和可采用半球体 形式的表面，其半球体形式可以分别是扁长半球体形式、扁圆半球体形式或半球形式；
[0036] 图9a是采取具有圆形尖端的锥体的形式的示例性弯曲表面的示意横截面图，图9b 示出形成尖端的通常凿子形状的示例；
[0037] 图l〇a、图10b、图10c和图10d是示出PCD材料层的厚度分别是2mm、8mm、10mm和16mm 的通过灰色阴影区分的主要残余应力的区域的在常规牙轮钻头设计中使用的示例性岩石 去除体的轴向横截面；
[0038]图11a和图lib指示PCD材料体积和粘结硬质金属基体中占主导地位的主要拉伸残 余应力最大值的位置，其中图1 la表示用于刮刀钻头应用的示例，图1 lb表示用于牙轮钻头 应用的示例；
[0039]图12示出用于刮刀钻头应用的PCD岩石去除体的示例，其中PCD材料体积包括两层 或多层不同的PCD材料，体的半横截面被示出，其中主要残余应力分布由被等应力的轮廓线 勾画出的一系列灰色阴影体积呈现；
[0040]图13是包括一个均匀PCD材料和含有两层不同材料的粘结硬质金属基体的一组示 例并且说明采用不同的粘结硬质金属碳化物材料的离散层的残余应力好处；以及 [0041 ]图14示出当图12的不同PCD材料的两层布置与图13的不同的碳化钨钴硬质金属的 两层布置相结合时的残余应力好处。
【具体实施方式】
[0042] 如图6中示出，此处描述的示例的岩石去除体可包括带有被轴向不对称地设置在 柱体的一端处的PCD材料体积601和被设置在相对端处的直立柱形粘结的硬质金属碳化物 基体602的直立圆形柱体整体形状。粘结的硬质金属基体602保证为刮刀钻头制造开发的钎 焊技术的标准惯例和实践可以实质上不变的形式应用。此外，应存在足够的粘结的硬质金 属基体自由表面区域以为钎焊层或界面提供足够的结合强度，这种考虑意味着对于此处描 述的示例的每个设计选择最小尺寸的基体。
[0043] 图6是在刮刀钻头凿岩中使用的直立柱形岩石去除体的示意横截面。PCD材料层 601通过材料薄层603与粘结的硬质金属基体602分离，其中材料薄层603从在制造期间用于 将PCD材料体积与粘结的硬质金属基体分离的屏障层材料的使用中存在。虚线604指示在凿 岩应用期间在岩石去除元件或体的寿命结束时形成的磨痕的最终位置。圆周边缘605的部 分指示首先压在岩层上的复合岩石去除体的部分。圆周边缘605和虚线604之间的材料606 的体积是在使用期间被逐渐磨损的PCD材料的体积并且随后将被称为功能工作体积。复合 体外部606的体积的其余部分随后将被称为功能支撑体积。功能支撑体积在体的寿命结束 时存在并且包括在寿命结束之后连同屏障层603和硬质金属基体602-起剩下的PCD材料体 积601的部分。PCD材料层601的厚度、屏障层材料603的厚度以及硬质金属基体602的长度分 别由607、608和609标明。将PCD材料体积601和基体602分离和结合的界面材料薄层603可形 成平面界面或非平面的弯曲表面。在该上下文中的平面是指PCD结合边界层和粘结的硬质 金属基体之间的界面基本上平坦并且大致平行于柱形岩石去除体的基部即粘结的硬质金 属基体。可选地，界面层603可不平坦，但可由弯曲表面或相对于柱体的平坦端通常为弧形 的表面组成。这将被称为非平面界面。在一些示例中，粘结的硬质金属基体602的外自由表 面的形式为直立圆形柱体。当界面材料薄层601是平面时，PCD材料层601将是柱形层。
[0044] 在PCD材料体积的高压高温制造期间以轴向不对称的方式结合至PCD材料体积601 的粘结的硬质金属基体602的存在在PCD材料体积和粘结的硬质金属材料体积中均导致残 余应力分布。残余应力分布是由于在高压高温制造过程结束时在返回至室温和室压期间由 PCD材料体积和粘结的硬质金属材料体积的膨胀差和收缩差造成的弯曲效应。这些膨胀差 是PCD和粘结的硬质金属碳化物的弹性模量和热膨胀特性显著不同的结果。根据本申请的 发明人的经验，PCD、硬质金属复合岩石去除元件中的残余应力分布特别是在PCD材料体积 中的拉伸残留分量是可确定这种岩石去除体的使用寿命的主要方面。这被理解为由于诸如 碎裂和散裂的与裂纹相关的破坏通常是主要的寿命限制考虑因素的这种事实。
[0045] 在其中PCD材料体积的PCD颗粒网络的液相烧结所需的金属来源于碳化物基体的 熔融粘结金属的长程渗透的常规PCD刀具中，PCD材料体积中的残余应力分布在这一点上具 有特别积极的意义。所需金属长