[发明专利]切削元件、结合此种切削元件的钻地工具、此种切削元件的形成方法

说明书

优先权声明

本申请要求享受2010年10月1日提交的、发明名称为“切削元件、结合此种切削元件的钻地工具、以及此种切削元件的形成方法”的美国临时申请序列号61/388,981的优先权日期。

技术领域

本发明的实施例概括来说涉及包括附着于基底的热稳定超耐磨材料（例如热稳定多晶金刚石）台的切削元件、包括这样的切削元件的钻地工具、以及这样的切削元件的形成方法。

背景技术

用于在地下地层中形成井眼的钻地工具可以包括固定于一本体的多个切削元件。例如，固定切刀钻地旋转钻头（也被称为“刮刀钻头”）包括多个固定地附着于钻头的钻头本体的切削元件。同样，牙轮钻地旋转钻头可以包括牙轮，所述牙轮安装在从钻头本体的支腿延伸的支承销上，使得每个牙轮都能够绕其所安装的支承销旋转。多个切削元件，通常被称为“硬合金齿”，可以安装到钻头的每个牙轮上。

在这样的钻地工具中使用的切削元件通常包括多晶金刚石复合（通常被称为“PDC”）切削元件，也被称为“切刀”，其为包括多晶金刚石（“PCD”）材料的切削元件，多晶金刚石材料可被称为超耐磨材料。这样的多晶金刚石材料是通过在高温高压下在有催化剂（例如钴，铁，镍，或合金及其混合物）的情况下烧结和粘合较小的金刚石（合成的，天然的或其组合）颗粒或晶体（被称为“金刚石粒”）而形成的，从而形成一层多晶金刚石材料，也称为金刚石台。这些工序通常被称为高温/高压（或“HTHP”）工序。切削元件基底可以包括金属陶瓷材料（即，陶瓷金属复合材料），例如用钴固结的碳化钨硬质合金。在有些情况下，多晶金刚石台可以形成在切削元件上，例如在高温/高压烧结工序期间。在这样的情况下，在烧结期间，切削元件基底中的钴（或其他催化剂材料）被扫掠到金刚石颗粒或晶体中，钴（或其他催化剂材料）充当用于由金刚石颗粒或晶体形成金刚石台的催化剂材料。粉末状催化剂材料也可以在高温/高压工序烧结颗粒或晶体之前与金刚石颗粒或晶体混合。但是，在其他方法中，多晶金刚石台可以与切削元件基底分别形成，然后再附着其上。

利用高温/高压工序形成金刚石台时，催化剂材料可以保持于所形成的多晶金刚石台中的金刚石的颗粒或晶体之间的孔隙空间中。在切削元件在使用期间由于切削元件与岩层之间的接触点的摩擦而受热时，金刚石台中催化剂材料的存在引起金刚石台的热损伤。其中催化剂材料保持在金刚石台中的多晶金刚石切削元件通常都是热稳定的，直到大约750摄氏温度（750℃），多晶金刚石台内的内应力在超过大约350摄氏温度（350℃）的温度下开始显现。该内应力至少部分地是由于金刚石台和与其结合的切削元件基底之间的热膨胀比率的差异引起的。热膨胀比率的这种差异可能在金刚石台与基底之间的分界面上引起较大的压应力和拉应力，并可能导致金刚石台从基底剥离。在大约750摄氏温度（750℃）及超过该温度的温度下，由于金刚石材料与金刚石台本身内部的催化剂材料的热膨胀系数的差异，金刚石台内部的应力会明显增大。例如，钴比金刚石热膨胀得明显快，这可导致在金刚石台内部形成裂缝并蔓延，最后导致金刚石台损坏，并导致切削元件失效。

此外，在大约750摄氏温度（750℃）及其之上的温度下，金刚石台内部的一些金刚石晶体可以与催化剂材料反应，导致金刚石晶体遭受化学分解或转化为碳的另一种同素体。例如，在金刚石晶体边界，金刚石晶体可能石墨化，其明显削弱了金刚石台。而且，在极高的温度下，除转变成石墨之外，一些金刚石晶体可能转变成一氧化碳和二氧化碳。