[发明专利]切削元件、形成切削元件的相关方法及相关的钻地工具

说明书

一种切削元件包括支撑基体和聚晶复合片，聚晶复合片被附接到支撑基体的端部上。聚晶复合片包括靠近支撑基体端部的区域、以及至少基本侧向包围所述区域且渗透性比所述区域小的另一区域。还描述了用于形成切削元件的方法和钻孔工具。

优先权声明

本申请请求享有美国临时申请序列第13/953,307号的申请日的权益，该美国临时专利申请的申请日为2013年7月29日，名称为：切削元件、用于形成切削元件的相关方法及相关的钻地工具。

技术领域

本公开的实施例涉及切削元件、用于形成切削元件的相关方法、以及相关的钻孔工具。

背景技术

用于在地下地层中形成井眼的钻孔工具可包括固定到主体上的多个切削元件。例如，固定刀片式钻孔旋转钻头(“刮刀钻头”)包括多个切削元件，它们被牢固附接到钻头的钻头体上。类似地，牙轮式钻孔旋转钻头可包括牙轮，牙轮安装在牙轮轴上，牙轮轴从钻头体的腿部延伸，使得每个牙轮能绕牙轮轴旋转(该牙轮安装在该牙轮轴上)。多个切削元件可被安装到钻头的每个牙轮上。使用切削元件的其他钻孔工具例如包括取芯钻头、双中心钻头、偏心钻头、混合钻头(如，与固定式切削元件相组合的滚动部件)、铰刀和套管铣磨工具。

使用在这样的钻孔工具中的切削元件的基体上通常包括一定体积的聚晶金刚石(PCD)材料。聚晶金刚石的表面起到所谓的聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件的切削面的作用。PCD材料是包括相互连接的金刚石材料颗粒或晶体的材料。换句话说，PCD材料的金刚石材料颗粒或晶体之间包括直接的粒间粘结。文中使用的术语“颗粒”和“晶体”同义，可交换使用。

通常通过下述方式来形成PDC切削元件：在存在催化剂(如，钴、铁、镍或它们的合金和混合物)的情况下，在高温高压条件下，将相对小的金刚石(合成、天然金刚石或它们的组合物)颗粒(称之为“砂砾”)烧结和粘结在一起，形成PCD材料层(块或台)。这些过程通常称之为高温/高压(或HTHP)过程。支撑基体可包括金属陶瓷材料(即，陶瓷-金属复合材料)，如，钴钨硬质合金。在一些情况下，例如，在HTHP过程期间，PCD材料可形成在切削元件上。在这样的情况下，支撑基体中的催化剂材料(如，钴)在烧结过程期间可迅速移动到金刚石颗粒中，起到催化剂材料的作用，用于由金刚石颗粒形成金刚石台。在HTHP过程中将颗粒烧结在一起之前，粉末催化剂材料还可与金刚石颗粒混合。在其他方法中，金刚石台可与支撑基体分开形成，之后被附接到支撑基体上。

在使用HTHP过程形成金刚石台时，催化剂材料可保持在相互粘结的PDC颗粒之间的孔隙空间中。PDC中存在催化剂材料对PDC切削元件在使用期间由于切削元件和地层之间的接触点处的摩擦而受热时，对在PDC中产生的热损伤有贡献。因此，催化剂材料(如，钴)例如可通过使用酸或酸组合物(如，王水)而从孔隙空间中被浸取出来。几乎全部催化剂材料可从PDC中去除掉；或催化剂材料可仅从PDC的一部分中去除掉，例如，从PDC的切削面、从PDC的侧部或从PDC的切削面和PDC的侧部去除掉合适深度中的催化剂材料。浸取速度和均匀性可至少局部取决于PDC对浸出剂的渗透性。PDC的渗透性受PDC的孔隙率和平均自由程影响，孔隙率和平均自由程又受PDC内的平均颗粒尺寸和粒度分布影响。当多层或多区域PDC被浸取时，暴露于浸出剂中的较粗糙层或区域的浸取速度比较精细层或区域的要快。不幸的是，这样加速浸取会导致PDC内的浸取深度不均匀，还会导致切削元件由于从附接到PDC上的支撑基体上不合适地去除催化剂而有缺陷。

发明内容

文中所述的实施例包括切削元件、用于形成切削元件的方法和钻孔工具。例如，根据文中所述的一个实施例，切削元件包括支撑基体和附接到支撑基体端部上的聚晶复合片。聚晶复合片包括靠近支撑基体端部的区域、和至少基本上侧向包围所述区域且渗透性比所述区域要小的另一区域。