[发明专利]从多晶金刚石石板提取催化剂材料

说明书

技术领域

本申请涉及从多晶金刚石石板提取催化材料。

背景技术

在地下地层钻探或采矿操作期间，钻头和其组件常常经受极端条件(例如，高温、高压以及与研磨面接触)。多晶金刚石石板由于其耐磨性、硬度、和远离与地层的接触点导热的能力而通常用于钻头与地层之间的接触点处。

多晶金刚石石板通过混合金刚石粒子和催化材料(本领域中替代地称作催化剂)(例如钴、镍、铁、VIII族元素、和其合金)、随后高压、高温(HPHT)烧结而形成。所述催化材料促进金刚石粒子之间粘结成较大、多晶金刚石石板。一旦形成，所述催化材料保留于所述多晶金刚石石板的主体内。

所述多晶金刚石石板中的催化材料可在所述催化材料再次在惰性氛围不存在下加热时，例如在铜焊以使所述多晶金刚石石板附接至硬复合衬底(此时形成切割器)期间，在铜焊以使所述切割器附接至钻头期间，以及在钻探操作期间引起所述多晶金刚石石板的降解。具体说来，所述催化材料可归因于与金刚石相比更高的热膨胀系数而引起裂缝并且还在金刚石晶界处引起石墨化。所述裂隙和石墨化削弱了所述多晶金刚石石板并且可导致钻头的寿命缩短。

为了减轻所述多晶金刚石石板的破裂，通常在所述多晶金刚石石板暴露于高温之前从所述多晶金刚石石板的填隙空间移出至少一些催化材料并且优选地大多数催化材料。移出了大量催化材料的多晶金刚石石板被称为热稳定多晶(“TSP”)金刚石。所述多晶金刚石石板的质量和热稳定性一般随着所述催化材料的更多移出而增加。

催化材料典型地通过沥出移出，所述沥出通常包括使所述金刚石暴露于高温下的强酸，所述强酸溶解所述催化材料。然而，这一过程可为效率低的，通常耗时数天来移出大量催化材料。

附图说明

以下图式包括在内以说明实施方案的某些方面，并且不应被视作排他性实施方案。如本领域的并且受益于本公开的技术人员将了解，所公开的主题能够在形式和功能上存在相当多的修改、改变、组合和等效形式。

图1说明了根据本公开的至少一些实施方案用卤素和极性有机溶剂处理多晶金刚石石板。

图2是具有由硬复合材料形成的基体钻头主体的基体钻头的横断面视图。

图3是根据本公开的至少一些实施方案的包括多晶金刚石切割器的基体钻头的等距视图。

图4是根据本公开的至少一些实施方案的多晶金刚石切割器的横断面视图。

图5是示出适于与包括本公开的多晶金刚石切割器的基体钻头结合使用的钻探组合件的一个实例的示意图。

图6是与溴气反应并且用极性有机溶剂洗涤之后所述多晶金刚石石板的横断面。

发明内容

本申请涉及从多晶金刚石石板提取催化材料，具体说来，通过用卤素(在气相中或溶解于非极性有机溶剂中)处理以使所述催化材料转化为盐。接着，极性有机溶剂可任选地用于从所述多晶金刚石石板沥出所述盐。所述方法回避了涉及使用高温下的强酸的常规沥出方法。

一般说来，在强酸处理中，所述酸穿透至所述多晶金刚石石板的填隙空间中，与催化剂接触，并且通过形成水溶性盐而溶解一部分催化材料。溶解的盐接着横贯填隙空间以从所述多晶金刚石石板移出。这一过程是热力学驱动的，以致在催化材料处或附近所述溶解的盐的浓度应较低以允许催化材料的进一步反应和由所述酸溶解。因此，显著限速步骤是所述酸横贯填隙空间进入并且离开所述多晶金刚石石板的能力。相比之下，本公开包括涉及使用卤素的方法，典型地在环境或接近环境条件下，以使卤素与催化材料反应形成盐，所述盐可在本文中称作“催化剂盐”。前述反应步骤可在本文中称作“卤素/催化剂反应”。关于所述卤素/催化剂反应，卤素可在气相中或溶解于非极性有机溶剂中。

图1说明了根据本公开的至少一些实施方案用卤素114和极性有机溶剂124处理多晶金刚石石板100。多晶金刚石石板100包括融合多晶金刚石粒子110和催化材料112。在处理期间，卤素114(呈气体或溶解于非极性有机溶剂中)横贯多晶金刚石石板100的填隙空间116(或者称作在多晶金刚石粒子110之间的填隙空间116)以到达催化材料112。暴露于卤素114的催化材料112接着经历卤素/催化剂反应118以产生催化剂盐120。结果，产生在多晶金刚石粒子110之间的填隙空间116中具有催化剂盐120的多晶金刚石石板122。

卤素114可在气相中或溶解于非极性有机溶剂中。