用于pdc、pcbn或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试的制作方法
【专利说明】用于PDC、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试
[0001]相关申请
[0002]本申请是2010年4月6日提交并且名称为“用于H)C、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试(Acoustic Emiss1n Toughness Testing For PDC, PCBN, Or OtherHard Or Superhard Material Inserts) ” 的美国专利申请 N0.12/754，738 的部分继续申请，上述申请通过引用合并于本文中。
[0003]本申请涉及2010年4月6日提交并且名称为“用于H)C、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试(Acoustic Emiss1n Toughness Testing For PDC, PCBN, OrOther Hard Or Superhard Material Inserts) ”、现在公布为美国专利 N0.8，322，217的美国专利申请N0.12/754,784，2010年4月28日提交并且名称为“用于H)C、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试(Acoustic Emiss1n Toughness TestingFor PDC, PCBN, Or Other Hard Or Superhard Material Inserts) ” 的美国专利申请N0.12/769，221，2010年12月9日提交并且名称为“用于H)C、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试(Acoustic Emiss1n Toughness Testing For PDC, PCBN, Or OtherHard Or Superhard Material Inserts) ” 的美国专利申请 N0.12/963，913，2011 年 7 月29日提交并且名称为“井下声发射地层米样(Downhole Acoustic Emiss1n Format1nSampling)”的美国专利申请N0.13/194，205，以及2011年6月2日提交并且名称为“具有更小噪声比的声发射韧性测试(Acoustic Emiss1n Toughness Testing Having SmallerNoise Rat1)”的美国专利申请N0.13/152，126，上述申请全部通过引用合并于此。
技术领域
[0004]本发明总体而言涉及用于测试硬或超硬材料的固有强度或韧性的方法、装置和软件，并且更特别地涉及用于使用声发射来测试硬或超硬材料的固有强度或韧性的方法、装置和软件。
【背景技术】
[0005]图1显示根据本发明的示例性实施例的、可插入到诸如钻头或铰刀之类的井下工具(未示出)内的超硬材料100。如图1中所示，超硬材料100的一个例子是用于岩石钻头的切割元件100、或者切割器或插入件。然而，超硬材料100可以基于它将用于的应用而被成形为其它结构。切割元件100典型地包括具有接触面115的衬底110、以及切割台120。切割台120是使用超硬层制作而成的，根据一个例子，所述超硬层通过烧结工艺结合到接触面115。根据一些例子，衬底110通常是由碳化钨钴或碳化钨制成的，而切割台120是用诸如多晶金刚石(“PCD”)或多晶立方碳化硼(“PCBN”)之类的多晶超硬材料层形成的。这些切割元件100是根据本领域普通技术人员公知的工艺和材料制作而成的。尽管切割台120被显示为具有大致平面的外表面，但是切割台120在其它实施例中可以具有可替代形状的外表面，比如拱顶形、凹形或其它非平面形状的外表面。尽管已经提供了切割元件100的一些示例性配方，但是可以根据应用使用本领域普通技术人员公知的其它配方和结构。尽管岩石钻探是超硬材料100可在其中使用的一个应用(并且其在下面进行描述)，但是超硬材料100可以用在各种其它应用中，包括、但不限于机械加工、木材加工以及采石。
[0006]不同的P⑶、PCBN、硬和超硬材料等级可供切割器100用在各种应用中，比如使用不同钻头设计来钻探不同岩层、或者对不同金属或材料进行机械加工。与这些切割器100相关联的常见问题包括:切割台120在使用期间的掉肩(chipping)、剥离(spalling)、部分断裂、开裂和/或剥落。这些问题导致切割台120和/或衬底110的早期故障。典型地，在切割台120上在切割台120于钻探期间与土层接触的区域处生成的高量级应力会导致这些问题。这些问题由于与维修、生产停工时间和劳动力成本相关联的成本而增加了钻探的成本。因此，诸如钻头设计者或现场应用工程师之类的最终用户针对任何给定钻探或机械加工任务来选择切割器100的表现最佳的等级以减少这些常见问题的发生。例如，最终用户通过权衡使用常规方法所确定的切割器100的耐磨性和抗冲击性来选择合适的切割器100。典型地，可供最终用户用于针对特定应用选择合适等级的切割器100可使用的信息是从下列导出的:历史数据记录，所述历史数据记录显示PCD、PCBN、硬或超硬材料的不同等级在特定区域中的性能；和/或实验室功能测试，所述实验室功能测试尝试在测试不同切割器100时模拟各种钻探或机械加工条件。当前存在用在钻探业中的实验室功能测试的两个主要类另O。这些测试是磨损测试和冲击测试。
[0007]包括多晶金刚石复合片(“PDC”)切割器100的超硬材料100已经通过使用两种常规测试方法进行了耐磨损性的测试。PDC切割器100包括由PCD制成的切割台120。图2显示用于使用常规花岗岩测井测试来测试耐磨损性的车床200。尽管提供了车床200的一个示例性装置配置，但是可以使用本领域普通技术人员公知的其它装置配置而不脱离示例性实施例的范围和精神。
[0008]参考图2，车床200包括卡盘210、尾架220、以及定位在卡盘210与尾架220之间的刀架230。目标圆柱250具有第一端部252、第二端部254、以及从第一端部252延伸到第二端部254的侧壁258。根据常规的花岗岩测井测试，侧壁258是暴露表面259，该表面在测试期间与超硬部件100接触。第一端部252联接到卡盘210，而第二端部254联接到尾架220。卡盘210被配置为旋转，由此导致目标圆柱250也沿着目标圆柱250的中心轴线256旋转。尾架220被配置为在目标圆柱250旋转时将第二端部254保持就位。目标圆柱250是由单种均匀材料制作而成，该材料典型地为花岗岩。然而，已经将其它岩石类型用于目标圆柱250，这些岩石类型包括、但不限于:Jackforck砂岩、Indiana石灰石、Berea砂岩、Carthage大理岩、Champlain黑大理岩、Berkley花岗岩、Sierra白花岗岩、Texas粉红花岗岩、以及Georgia灰色花岗岩。
[0009]PDC切割器100被装配到车床的刀架230，使得PDC切割器100与目标圆柱250的暴露表面259接触并且横越暴露表面259被往复牵引。刀架230在目标圆柱250上具有向内给进速率。PDC切割器100的耐磨损性被确定为这样的磨损率，所述磨损率被定义成被去除的目标圆柱250的体积比被去除的PDC切割器100的体积。替代地，代替测量体积，可以测量PDC切割器100横越目标圆柱250行进的距离并将该距离用于量化PDC切割器100的耐磨损性。替代地，可以使用本领域普通技术人员公知的其它方法来使用花岗岩测井测试确定耐磨损性。车床200的操作和构造是本领域普通技术人员公知的。对该类型的测试的描述可以在下列文献中找到:Eaton，B.A.，Bower, Jr.，A.B 和 Martis，J.A，“ManufacturedDiamond Cutters Used In Drilling Bits，，，Journal of Petroleum Technology, 1975年 5 月，543-551，Society of Petroleum Engineers paper 5074-PA，其在 1975 年 5 月的 Journal of Petroleum Technology 上发表；以及 Maurer，William C.，‘‘AdvancedDrilling Techniques，，，第22章，The Petroleum Publishing Company，1980年，第541-591页，上述文献通过引用合并于本文中。
[0010]图3显示用于使用立式镗床(“VBM”)测试或者立式转塔车床(“VTL”)测试来测试耐磨损性的立式镗床300。尽管提供了 VBM 300的一个示例性装置配置，但是可以使用其它装置配置而不脱离示例性实施例的范围和精神。立式镗床300包括旋转台310和定位在旋转台310之上的工具保持件320。目标圆柱350具有第一端部352、第二端部354、以及从第一端部352延伸到第二端部354的侧壁358。根据常规的VBM测试，第二端部354是暴露表面359，该表面在测试期间与超硬材料100接触。目标圆柱350在直径上典型地为大约30英寸至大约60英寸；然而，该直径可以更大或更小。
[0011]第一端部352安装在VBM 300的下部旋转台310上，由此让暴露表面359面向工具保持件320。PDC切割器100安装在工具保持件320中在目标圆柱的暴露表面359之上，并且与暴露表面359接触。目标圆柱350旋转，同时工具保持件320使PDC切割器100从目标圆柱的暴露表面359的中心轮转到其边缘并且再次轮转回目标圆柱的暴露表面359的中心。工具保持件320具有预定的向下给进速率。VBM方法允许对PDC切割器100施加较高的负荷并且较大的目标圆柱350提供PDC切割器100所作用于的较大岩石体积。目标圆柱350典型地是由花岗岩制作而成的；然而，目标圆柱可以由其它材料制作而成，这些材料包括、但不限于:Jackforck砂岩、Indiana石灰石、Berea砂岩、Carthage大理岩、Champlain黑大理岩、Berkley花岗岩、Sierra白花岗岩、Texas粉红花岗岩、以及Georgia灰色花岗山
ο
[0012]PDC切割器100的耐磨损性被确定为这样的磨损率，所述磨损率被定义为被去除的目标圆柱350的体积比被去除的PDC切割器100的体积。替代地，代替测量体积，可以测量PDC切割器100横越目标圆柱350行进的距离并将该距离用于量化PDC切割器100的耐磨损性。替代地，可以使用本领域普通技术人员公知的其它方法来使用VBM测试确定耐磨性。VBM300的操作和构造是本领域普通技术人员公知的。对该类型的测试的描述可以在下列文献中找到:Bertagnolli，Ken 和 Vale，Roger，“Understanding and ControllingResidual Stresses in Thick Polycrystalline Diamond Cutters for EnhancedDurability”，US Synthetic Corporat1n，2000年，上述文献通过引用完整地合并于本文中。
[0013]除了用于耐磨损性的测试以外，也可以测试PDC切割器100的抗冲击负荷性。图4显示落塔装置400，其用于使用“落锤”测试来测试超硬部件的抗冲击性，其中金属砝码450悬挂在上方并且下落到切割器100上。“落锤”测试尝试模拟当PDC切割器100从一个地层过渡到另一地层或经历侧向和轴向振动时会遇到的负荷类型。来自冲击测试的结果允许基于不同切割器的冲击强度来对所述切割器排名；然而，这些排名不允许根据切割器100将在实际现场中如何表现来进行预测。
[0014]参考图4，落塔装置400包括诸如PDC切割器之类的超硬材料100、目标固定装置420、以及定位在超硬材料100之上的撞击板450。PDC切割器100被锁定到目标固定装置420中。撞击板450或砝码典型地是由铁制作而成，并且定位在PDC切割器100之上。然而，撞击板450可以由本领域普通技术人员公知的替代材料制作而成。PDC切割器100典型地以后倾角415保持，PDC切割器100的金刚石台120朝着撞击板450向上成角。后倾角415的范围是本领域普通技术人员公知的。
[0015]撞击板450重复地下落到PDC切割器100的边缘上，直到PDC切割器100的边缘脱开或者剥离。这些测试也称为“侧向冲击”测试，原因是撞击板450冲击金刚石台120的暴露边缘。故障典型地出现在金刚石台120中或金刚石台120与碳化物衬底110之间的接触面115处。“落锤”测试对金刚石台120的边缘几何形状很敏感。如果台120被稍微斜切，则测试结果可能明显改变。以焦耳表达的、产生金刚石台120中的最初断裂所耗费的总能量被记录。对于更高抗冲击性切割器100而言，撞击板450可以根据预设计划从增加高度下落以对切割器100施加更大的冲击能