[发明专利]制作多晶金刚石的方法和包括多晶金刚石的切割元件和钻地工具

说明书

优先权权利

本申请要求2011年9月16日提交的美国临时专利申请序列号61/535,475的提交日权益，该申请的申请人为DiGiovanni和Chakraborty，名称为“METHODS OF FABRICATING POLYCRYSTALLINE DIAMOND，AND CUTTING ELEMENTS AND EARTH-BORING TOOLS COMPRISING POLYCRYSTALLINE DIAMOND”。

本申请的主题涉及到与其同一日期提交的申请人为Anthony A.DiGiovanni的美国专利申请序列号13/___,___(代理案号1684-P10759.1US(NAN4-52001-US))的主题。本申请的主题还涉及2011年12月9日提交的申请人为Mazyar等人的美国专利申请序列号13/316,094(代理案号NAN4-52588-US/BAO0893US)的主题。

技术领域

本发明的实施方案总体上涉及形成多晶金刚石材料的方法，包含多晶金刚石材料的切割元件，和包括该切割元件的用于钻探地下地层的钻地工具。

发明背景

用于在地下地层中形成井容器的钻地工具可以包括多个安装在机身上的切割元件。例如，固定刀具的钻地旋转钻机钻头(也称作“刮刀钻头”)包括多个切割元件，其固定附接到钻头的钻头体。类似地，牙轮钻地旋转钻头包括牙轮，其安装到从钻头体的支架延伸的轴承销，以使得每个牙轮能够绕着它安装到其上的轴承销旋转。多个切割元件可以安装到钻头的每个牙轮。

用于这种钻地工具的切割元件经常包括多晶金刚石刀具(经常称作“PDC”)，其是包括多晶金刚石(PCD)材料的切割元件。这种多晶金刚石切割元件如下来形成：在高温和高压条件下，在催化剂(例如钴、铁、镍或者其合金和混合物)存在下，将相对小的金刚石晶粒或晶体烧结和结合在一起，以在切割元件基底上形成多晶金刚石材料层。这些处理经常称作高压高温(或“HPHT”)处理。切割元件基底可以包含金属陶瓷材料(即陶瓷-金属复合材料)，例如钴烧结碳化钨。在这种情况中，切割元件基底中的钴(或其他催化剂材料)可以在烧结过程中进入金刚石晶粒或晶体中，并且充当催化剂材料用于由金刚石晶粒或晶体来形成金刚石台。在其他方法中，在金刚石晶粒或者晶体在HPHT方法中一起烧结之前，粉末化的催化剂材料可以与该晶粒或者晶体混合。

通过使用HPHT处理形成金刚石台，催化剂材料可以保持在所形成的多晶金刚石台中的金刚石晶粒或者晶体之间的间隙中。金刚石台中存在的催化剂材料会导致当切割元件在使用过程中受热时金刚石台中的热损伤，这归因于在切割元件和地层之间的接触点处的摩擦。多晶金刚石切割元件(在其中催化剂材料保持在该金刚石台中)通常在高到约750℃的温度是热稳定的，不过多晶金刚石台中的内应力在超过约350℃的温度会开始形成。这种内应力至少部分归因于金刚石台和它所结合到的切割元件基底之间的热膨胀率的差异。这种热膨胀率差异会在金刚石台与基底之间的界面处产生相对较大的压应力和张应力，并且会导致金刚石台从基底上脱层。在约750℃和更高的温度，金刚石台中的应力会明显增加，这归因于金刚石台自身中金刚石材料和催化剂材料之间热膨胀系数的差异。例如，钴热膨胀明显快于金刚石，这会导致在包含钴的金刚石台中裂纹形成和蔓延，最终导致金刚石台劣化和切割元件失效。

为了减少与多晶金刚石切割元件中热膨胀速率不同有关的问题，已经开发了所谓的“热稳定的”多晶金刚石(TSD)切割元件。这种热稳定的多晶金刚石切割元件可以通过使用例如酸将催化剂材料(例如钴)从金刚石台中的金刚石晶粒之间的间隙中浸提出来而形成。可以从金刚石台中除去全部的催化剂材料，或者可以仅除去一部分。已经报道了热稳定的多晶金刚石切割元件(在其中基本上全部的催化剂材料已经从金刚石台中浸提出去)在高到约1200℃的温度是热稳定的。但是，也报道了与非浸提的金刚石台相比，这种完全浸提的金刚石台相对更脆和容易受到剪应力、压应力和张应力损坏。在提供具有相对于非浸提的金刚石台更热稳定，但与完全浸提的金刚石台相比也相对不太脆和不太容易受到剪应力、压应力和张应力损坏的金刚石台的切割元件的努力中，已经提供了包括仅部分催化剂材料已经从金刚石台中浸提的金刚石台的切割元件。

发明内容