切削元件、形成切削元件的相关方法及相关的钻地工具的制作方法
【专利说明】切削元件、形成切削元件的相关方法及相关的钻地工具
[0001 ]优先权声明
[0002]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
[0003]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】
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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(S卩，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。
[0007]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roc颗粒之间的孔隙空间中IDC中存在催化剂材料对roc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roc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roc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】
[0008]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。
[0009]在另外的实施例中，一种用于形成切削元件的方法包括将一组包括硬质材料的颗粒提供到容器中。将另一组颗粒提供到容器中，所述另一组颗粒基本上被所述一组颗粒侧向包围。将支撑基体提供到容器中，使其位于所述一组颗粒和所述另一组颗粒上方。在存在催化剂的情况下烧结所述一组颗粒和所述另一组颗粒，以形成聚晶复合片，所述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小于所述区域的另一区域。将至少一部分催化剂材料从聚晶复合片上去除掉。
[0010]在另外的实施例中，本公开包括一种钻孔工具，其包括至少一个切削元件。所述切削元件包括: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的端部的区域、和至少大体上侧向包括所述区域且渗透性小于所述区域的另一区域。
【附图说明】
[0011]图1是根据本公开的某实施例的切削元件的某实施例的局部剖开透视图；
[0012]图2是根据本公开的另一实施例的切削元件的某实施例的局部剖开透视图；
[0013]图3是根据本公开的另一实施例的切削元件的某实施例的局部剖开透视图；
[0014]图4是简化的截面图，示出了图1至3中的任一图中的切削元件的聚晶复合片的区域的微观结构的放大效果；
[0015]图5是简化的截面图，示出了图1至3中的任一图中的切削元件的聚晶复合片的另一区域的微观结构的放大效果；
[0016]图6根据本公开的某实施例示出了形成切削元件的过程中的容器的简化截面图；
[0017]图7根据本公开的某实施例示出了形成切削元件的过程中的容器的简化截面图；
[0018]图8是固定刀片式钻孔旋转钻头的某实施例的透视图，该钻头包括本公开的切削元件。
【具体实施方式】
[0019]描述了用于钻孔工具的切削元件，也描述了用于形成切削元件的方法和钻孔工具。在一些实施例中，切削元件包括附接到支撑基体的端部上的聚晶复合片。聚晶复合片包括第一区域，第一区域从支撑基体延伸并侧向包围第二区域。聚晶复合片的第一区域的渗透性比聚晶复合片的第二区域的要小。浸取过程期间，第一区域的结构尺寸(即，形状)和渗透性可便于提高浸取速度均匀性和浸取深度均匀性(与许多传统的聚晶复合片相比)，从而，与许多传统切削元件和工具相比，会降低对切削元件的损害和切削元件上的缺陷，会减少制造废料，提尚性能和可靠性。
[0020]下面的描述提供了具体细节(如，材料类型和工艺条件)，以透彻描述本公开的实施例。但是，本领域的普通技术人员将理解到，本公开的实施例可在不使用这些具体细节的情况下被实施。的确，本公开的实施例可与本领域使用的传统制造技术相结合实施。另外，下面提供的描述并不形成用于制造一结构(如，切削元件)、工具或组件的完整工艺流程。下面仅详细描述对于理解本公开的实施例而言所需的那些过程步骤和结构。可采用传统的制造技术来执行由各种结构形成完整结构、完整工具或完整组件的另外步骤。还请注意，本申请附带的任何图仅用于阐释目的，因此未按比例尺绘制。另外，这些图共有的元件可保留相同的数字标记。
[0021]文中使用的术语“包括”、“具有”、“包含”及其在语法上等同的术语是包容性术语或开放性术语，不排除另外的、未描述的元件或方法步骤，但还包括更多的限制性术语“由…组成”和“完全由…组成”及其在语法上等同的术语。文中使用的术语“可以(may)”相对于材料、结构、特征或方法步骤而言表示，其被预计用于实施本公开的实施例，相较于更具限制性的术语“为(is)”而言优先使用这样的术语，以避免暗含应该或必须排除可与其组合使用的其他适配材料、结构、特征和方法。
[0022]文中使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”(不定冠词“a”，“an”，和“the”)旨在也包括复数形式，除非上下文中另外清楚指出。
[0023]文中使用的术语“和/或”包括一个或多个列出的相关术语的任何和所有组合。
[0024]文中使用的关系术语，如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“之上”、“之下”等用于清楚和方便理解本公开和附图，并不意味着或依赖于任何特定优选、方位或次序，除非上下文中另外清楚指出。
[0025]文中针对指定参数、属性或条件所使用的术语“基本上”，意为本领域的技术人员对该指定参数、属性或条件发生小程度变化(如在可接受的制造公差范围内变化)的理解程度。
[0026]文中使用的术语“配置”表示至少一种结构和至少一种装置中的一个或多个的形状、材料成分和配置，其便于以预定或预期方式操作所述结构和装置中的一个或多个。
[0027]文中使用的术语“钻孔工具”和“钻孔钻头”意为和包括用于在地下地层中形成或扩大井眼期间钻孔的任何类型钻头或工具，例如，包括固定刀片式钻头、牙轮钻头、冲击钻头、取芯钻头、偏心钻头、双芯钻头、铰刀、磨机、刮刀钻头、混合钻头(如，与固定切削元件组合的固定部件)和本领域公知的其他钻头和工具。
[0028]文中使用的术语“聚晶复合片”意为和包括包含聚晶材料的任何结构，所述聚晶材料由涉及施压(如，压缩)给前体材料或用于形成聚晶材料的材料的过程形成。进而，文中使用的术语“聚晶材料”意为和包括包含多个材料颗粒或晶体的任何材料，所述多个材料颗粒或晶体以粒间粘结的方式直接粘结在一起。各个材料颗粒的晶体结构可任意定向在聚晶材料内的空间中。
[0029]文中使用的术语“粒间粘结”意为和包括相邻的硬质材料颗粒中的原子之间的任何直接原子粘结(如，共价、金属粘结)。
[0030]文中使用的术语“硬质材料”意为和包括鲁氏硬度值大约或等于约3000Kgf/mm2(29420MPa)的任何材料。硬质材料的非限制性实例包括金刚石(如，天然金刚石、人工金刚石或它们的组合物)或立方氮化硼。相反地，文中使用的术语“非硬质材料”意为和包括鲁氏硬度值小于约3000Kgf/mm2(29420MPa)的任何材料。
[0031]文中使用的术语“颗粒尺寸”意为和包括从疏松材料的二维截面所测的几何平均直径。可通过使用本领域公知的技术(如，Ervin E.Underwood，定量立体测量