[发明专利]用于钻头切割元件的选择性沥滤的多晶结构

说明书

用于切割元件或其他磨损部件的多晶金刚石(PCD)切割层的沥滤速率通过在沥滤之前在所述PCD中引入添加剂而改变。将所述添加剂选择性引入PCD切割结构的一个或多个区域中允许控制所述PCD结构的部件的选择性沥滤的沥滤速率，其允许在所制造的PCD结构的所述沥滤和非沥滤区域之间生成边界，使得与暴露于所述沥滤液的一个或多个表面不平行。所述添加剂包含增加所述PCD对所述沥滤液的渗透性或所述PCD对所述沥滤液的接纳性的材料，例如亲水物。

发明领域

本发明总体涉及部分沥滤的(leached)多晶结构，并特别是用于钻地钻头的切割元件。

发明背景

当钻油和天然气井时用于钻通地下岩层的钻头有两种基本类型：刮刀钻头和牙轮钻头。

刮刀钻头没有活动部件。在刮刀钻头通常通过旋转它所附着的钻柱而旋转时，固定于钻头面的离散的切割元件(“切割器”)切削井的底部，刮切或剪切地层。旋转的刮刀钻头的每个切割器布置并定位在所述刮刀钻头的面上，使得它(将被称为其磨损表面)的一部分当钻头旋转时咬合地层。所述切割器在钻头主体的外切割表面或面上以固定的预定样式间隔开。所述切割器通常沿着若干翼片的每一个排列，所述冀片是通常以摆动方式(sweeping manner)(与直线相反)从钻头的中央轴向所述面的周边大体上径向延伸的升起的嵴。沿着每个翼片的切割器呈现出对地层的预定切割轮廓，随着钻头转动剪切地层。钻井液泵下钻柱，进入在钻头的中心形成的中央通路，然后通过在钻头的面中形成的孔泵出，既冷却切割器又有助于从翼片之间除去和运送切屑。

牙轮钻头包含两个或三个锥形切割器，所述切割器以与钻头的旋转轴呈大约三十五度的角度绕轴旋转。随着钻头旋转，所述牙轮轧过孔洞的底部。在所述牙轮表面上的切割元件—经常称为齿或镶齿(insert)，随着所述锥体轧过地层而压碎和刮削岩石。

为了改善钻头的性能，所述切割元件的一个或多个磨损或工作表面由以多晶金刚石复合片(compact)(PDC)形式的多晶金刚石(“PCD”)的层附着于基体制成。常见的基体是粘结碳化钨。具有这种PDC切割元件的刮刀钻头有时称为“PDC钻头”。PDC，虽然很硬并具有高抗磨损性或耐磨性，但倾向于比较脆。基体，虽然没有那么硬，但比PDC更韧性，因此具有更高的抗冲击性。所述基体的长度或高度通常足够长以起到安装柱螺栓(stud)的作用，它的一部分放入刮刀钻头主体中形成的凹穴(pocket)或凹口(recess)中，或者在牙轮钻头的情况下，放入在牙轮中形成的凹穴内。然而，在一些刮刀钻头中，所述PDC和基体结构附着于金属安装柱螺栓，所述安装柱螺栓然后插入凹穴或其他凹口中。

多晶金刚石复合片可以如下制作：将被称为“金刚石砂粒”的粉末形式的多晶金刚石晶粒与一种或多种金属粉末催化剂和其他材料混合，将所述混合物形成复合片，然后利用高热高压或微波加热烧结它。虽然钴或钴的合金是最常见的催化剂，但其他VIII族金属，例如镍、铁及其合金也可用作催化剂。至于切割器，PDC通常通过在与粘结碳化钨基体相邻处充填没有所述金属催化剂的金刚石砂粒，然后将二者烧结在一起而形成。在烧结期间，所述基体中的金属粘合剂—在钴粘结碳化钨的情况下是钴—掺入和渗透所述复合片，充当催化剂以在相邻的金刚石晶粒之间形成金刚石与金刚石的结合。结果产生结合的金刚石晶体块，其已经被描述为连续或整体的金刚石基质和甚至在所述金刚石之间具有间隙空位的“晶格”。所述间隙空位至少部分被所述金属催化剂填充。

用于支撑PDC层的基体至少部分从粘结金属碳化物制作，最常见的是碳化钨。粘结金属碳化物基体通过粉末状金属碳化物与金属合金粘合剂一起烧结而形成。所述PDC和所述基体的复合材料可用许多不同的方式制作。它还可以，例如，包括过渡层，其中所述金属碳化物和金刚石与用于改善PDC和基体之间结合并降低应力的其他成分混合。在本文中提及的基体包括这样的基体。