从多晶金刚石石板提取催化剂材料的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

在一些情况下，相对液体可优选使用气体，因为所述气体促进以增加的速率更多穿透至多晶金刚石石板100中。另外，用卤素114使催化材料112转化为催化剂盐120的活化能小于强酸与催化材料112反应并且溶解催化材料112的活化能。因此，如与传统酸方法相比，卤素/催化剂反应118可提供催化材料112的更有效并且高效处理。

不受理论限制，相信催化剂盐120可具有如与催化材料112相比更接近金刚石的热膨胀系数的热膨胀系数并且当暴露于高温时针对石墨化多晶金刚石粒子110的反应性低于催化材料112。因此，在一些情况下，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可与钻头结合使用。

适用于本文所述的方法的卤素114可包括氟、溴、氯、碘、和其任何组合。当在气相中实施时，卤素114可任选地与惰性气体(例如，氮气、氦、氩、氖、氙等，和其任何组合)一起包括在内。所述惰性气体可用作载气和/或用于稀释卤素气体以实现卤素气体的所需分压。当使用卤素气体时，所述卤素气体可处于分压下，以致以摩尔计总气相的10％至100％为卤素气体(例如，当用惰性气体稀释时10％至99％)。

基于催化材料112和卤素114组合物，催化剂盐120可包括氟化钴、氯化钴、溴化钴、碘化钴、氟化镍、氯化镍、溴化镍、碘化镍、氟化铁、氯化铁、溴化铁、碘化铁、或其组合。

适用于溶解卤素114的非极性有机溶剂可包括但不限于戊烷、己烷、苯、氯仿、乙醚等。当使用溶解于非极性有机溶剂中的卤素时，卤素可处于0.1g卤素114/100ml非极性有机溶剂的浓度下至在执行所述卤素/催化剂反应的温度和压力下卤素114在所述非极性溶剂中的溶解度极限。

在本文所述的方法中，卤素114和非极性有机溶剂在实施时不用作沥出剂并且因此不会从多晶金刚石石板122提取催化材料112或催化剂盐120。例如，当所述卤素/催化剂反应118用卤素气体执行时，催化材料112和催化剂盐120不会变成气态并且因此不会在所述卤素/催化剂反应118期间从多晶金刚石石板122移出。反而，所述卤素/催化剂反应118可用卤素气体在(1)足以使催化材料112和卤素114反应但(2)不足以使催化剂盐120并入气相中的温度和压力下执行。通过在使得催化剂盐120不会呈气体从填隙空间116沥出的条件下执行所述卤素/催化剂反应118，所述反应可在环境或接近环境条件下执行。例如，溴在室温和压力下为发烟红棕色液体。在环境压力下，50℃至250℃的温度允许在溴与钴之间反应形成溴化钴，但不会使溴化钴变成气态。

同样，催化剂122和催化剂盐120在非极性有机溶剂中具有有限溶解度至无溶解度(即，在小于0.1g催化剂122或催化剂盐120/100ml非极性有机溶剂124的浓度下)，使得催化剂122和催化剂盐120不会在所述卤素/催化剂反应118期间溶解于所述非极性有机溶剂中。因此，所述卤素/催化剂反应118可用分散于非极性有机溶剂中的卤素在(1)足以使催化材料112和卤素114反应但(2)不足以使催化剂盐120分散于非极性有机溶剂中的温度和压力下执行。

所述卤素/催化剂反应118可在0℃至300℃的温度下(包括其间任何子集)执行。在其中所述卤素/催化剂反应118用溴执行的一些情况下，反应118的温度可为20℃至100℃，或更优选地30℃至60℃。

所述卤素/催化剂反应118可在环境压力至高达4mpa的压力下(包括其间任何子集)执行。

用于执行所述卤素/催化剂反应118的系统应优选地由非反应性或与卤素114具有有限反应性的材料形成。所述材料的实例包括但不限于石英、钛合金、hastelloy(镍-钼-铬可锻合金，可获自haynesinteractional,inc.)、(镍-铜合金，可获自specialmetalscorporation)、(镍-铬合金，可获自specialmetalscorporation)等。

再参考图1，在本文所述的方法中转化为催化剂盐120后，极性有机溶剂124可任选地用于溶解并且从多晶金刚石石板122中移出催化剂盐120。所得多晶金刚石石板126可大体上不含催化剂盐120(例如，以所述多晶金刚石石板126的重量计含有少于1％)。

有利地，极性有机溶剂124比基于水的酸更好地湿润金刚石。因此，催化剂盐120可使用极性有机溶剂124有效地并且高效地从多晶金刚石石板122的填隙空间116移出。

适用于本文所述的方法的极性有机溶剂124可包括其中可溶解催化剂盐120(即，在大于0.1g催化剂盐120/100ml极性有机溶剂124的浓度下)的极性有机流体。例如，当通过由钴催化剂形成的多晶金刚石石板100的溴处理形成溴化钴盐时，尤其可使用丙酮。极性有机溶剂124的实例可包括但不限于丙酮、醇(例如，甲醇、乙醇、丁醇、异丙醇、正丙醇等)、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、乙腈、二甲亚砜等，和其任何组合。

其中具有催化剂盐120的多晶金刚石石板122可用极性有机溶剂124以任何合适方式处理。例如，其中具有催化剂盐120的多晶金刚石石板122可在一些情况下用极性有机溶剂124浸泡或洗涤。在一些情况下，其中具有催化剂盐120的多晶金刚石石板122可用极性有机溶剂124喷射。所述喷射可为低速喷射(如薄雾)至高速喷射(如射流)，其中在多晶金刚石石板122上的冲击角可在5°与相对于多晶金刚石石板122的表面垂直之间。

在一些情况下，催化剂盐120的移出可通过增加极性有机溶剂124的温度(例如，经由微波)、搅拌极性有机溶剂124(例如，经由音波处理)等促进。

本文所述的多晶金刚石石板122、126(例如，用卤素114和任选地极性有机溶剂124处理)可用于钻头中。

图2是具有由硬复合材料231形成的基体钻头主体250的基体钻头220的横断面视图。示例性硬复合材料可包括但不限于分散在粘合剂材料中的增强粒子。如本文所用，术语“基体钻头”包括旋转切削型钻头、切削型钻头、固定切割器钻头、和具有基体钻头主体并且能够并入本公开的教义的任何其它钻头。

对于如图2所示的那些实施方案的实施方案，基体钻头220可包括金属柄230，其中金属坯料236牢固地附接于所述金属柄230(例如，在焊接位置239处)。金属坯料236延伸至基体钻头主体250中。金属柄230包括远离金属坯料236的螺纹连接件234。

金属柄230和金属坯料236是大体圆柱形结构，它们至少部分地限定了彼此流体连通的对应的流体腔232。金属坯料236的流体腔232可进一步纵向延伸至基体钻头主体250中。至少一个流动通道(示出为两个流动通道242和244)可从流体腔32延伸至基体钻头主体250的外部部分。喷嘴开口254可限定在流动通道242和244的位于基体钻头主体250的外部部分处的端部处。

多个凹痕或凹槽258形成于基体钻头主体250中并且被设定形状或以其它方式被配置成接收切割器。

图3是根据本公开的至少一些实施方案的包括多个切割器260的基体钻头的等距视图。如所说明，基体钻头220包括金属坯料236和金属柄230，如以上参考图2所概述。

基体钻头主体250包括形成于基体钻头主体250的外部上的多个切割器刀片252。切割器刀片252可在基体钻头主体250的外部上彼此间隔开以在其间形成流体流程或排屑槽262。

如所说明，多个凹槽258可形成于切割器刀片252中的所选位置处。切割器260可(例如，经由铜焊)牢固地安装在每个凹槽258中以在钻探操作期间啮合并且移出地下地层的部分。更特定说来，在基体钻头220的旋转期间，每个切割器260可通过所附接的钻柱从井筒的底部和侧面刮去并且凿出地层材料。

喷嘴256可安置于每个喷嘴开口254中。对于一些应用，喷嘴256可被描述或以其它方式被表征为“可互换的”喷嘴。

图4是根据本公开的至少一些实施方案的示例性切割器260的横断面视图。切割器260由用铜焊材料268粘结于硬复合衬底266(例如，分散于铜或钴连续粘合剂相中的碳化钨增强粒子)的多晶金刚石石板264(例如，图1的多晶金刚石石板122或126)形成。

图5是示出适于与包括本公开的切割器(例如，图3-4的切割器260)的基体钻头结合使用的钻探组合件300的一个实例的示意图。应注意，虽然图5大体上描绘了陆基钻探组合件，但本领域的技术人员将容易地认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，本文所述的原理同样适用于采用浮动或海基平台和钻机的海底钻探操作。

钻探组合件300包括耦合于钻柱304的钻探平台302。除了本公开的具体教义之外，钻柱304可包括但不限于钻管和缠绕管，如本领域的技术人员一般已知。根据本文所述的实施方案的基体钻头306附接于钻柱304的远端并且由井下发动机和/或经由钻柱304从井表面的旋转来驱动。当钻头306旋转时，其形成穿透地下地层310的井筒308。钻探组合件300还包括使钻井液循环通过钻柱(如流动箭头a所说明)和其它管子314的泵312。

本领域的技术人员将认识到，适于与钻探组合件300结合使用的其它设备可包括但不限于保留坑、混合器、振动器(例如，泥浆振动筛)、离心机、水力旋流器、分离器(包括磁分离器和电分离器)、除泥器、除砂器、过滤器(例如，硅藻土过滤器)、热交换器、和任何流体回收设备。此外，所述钻探组合件可包括一个或多个传感器、计量器、泵、压缩机等。

本文所公开的实施方案包括实施方案a、实施方案b、实施方案c、和实施方案d。

实施方案a：一种涉及使安置于多晶金刚石石板的填隙空间中的催化材料暴露于卤素气体以在所述多晶金刚石石板的填隙空间中产生催化剂盐的方法，其中反应在(1)足以使催化材料和卤素气体反应但(2)不足以使催化剂盐并入气相中的温度和压力下。

实施方案a可具有呈任何组合的一种或多种以下附加要素：要素1：所述方法进一步涉及将其中具有催化剂盐的多晶金刚石石板铜焊为硬复合衬底；要素2：所述方法进一步涉及用极性有机溶剂处理其中具有催化剂盐的多晶金刚石石板，由此从多晶金刚石石板的填隙空间中移出至少一些催化剂盐；要素3：所述方法进一步涉及要素2和将已移出至少一些催化剂盐的多晶金刚石石板铜焊为硬复合衬底；要素4：其中所述卤素气体为溴，所述催化材料为钴，温度为20℃至100℃，并且压力为0.1mpa至4mpa；要素5：其中温度为0℃至300℃；要素6：其中压力为环境压力至4mpa；要素7：其中所述催化剂盐包含以下至少一者：氟化钴、氯化钴、溴化钴、碘化钴、氟化镍、氯化镍、溴化镍、碘化镍、氟化铁、氯化铁、溴化铁、或碘化铁；要素8：所述方法进一步包含在惰性气体中稀释所述卤素气体；和要素9：要素8并且其中所述卤素气体以摩尔计以总气相的10％至99％存在。

举非限制性实例，可应用于实施方案a的示例性组合包括：要素5与要素6组合；要素7与要素5-6中一者或多者组合；要素7与要素8和任选地要素9组合；要素5与要素8和任选地要素9组合；要素6与要素8和任选地要素9组合；要素4与要素8和任选地要素9组合；要素5-6与要素8和任选地要素9组合；要素1与要素4-9中一者或多者(包括前述组合)组合；和要素2任选地与要素3一起与要素4-9中一者或多者(包括前述组合)组合。

实施方案b：一种涉及使安置于多晶金刚石石板的填隙空间中的催化材料暴露于溶解于非极性有机溶剂中的卤素以在所述多晶金刚石石板的填隙空间中产生催化剂盐的方法，其中所述催化剂盐在所述非极性有机溶剂中具有小于0.1g/100ml的溶解度。实施方案b可具有呈任何组合的一种或多种以下附加要素：要素10：所述方法进一步涉及将其中具有催化剂盐的多晶金刚石石板铜焊为硬复合衬底；要素11：所述方法进一步涉及用极性有机溶剂处理其中具有催化剂盐的多晶金刚石石板，由此从多晶金刚石石板的填隙空间中移出至少一些催化剂盐；要素12：所述方法进一步涉及要素6和将已移出至少一些催化剂盐的多晶金刚石石板铜焊为硬复合衬底；要素13：其中使催化材料暴露于溶解于非极性有机溶剂中的卤素是在0℃至300℃的温度下；要素14：其中使催化材料暴露于溶解于非极性有机溶剂中的卤素是在环境压力至4mpa的压力下；和要素15：其中所述催化剂盐包含以下至少一者：氟化钴、氯化钴、溴化钴、碘化钴、氟化镍、氯化镍、溴化镍、碘化镍、氟化铁、氯化铁、溴化铁、或碘化铁。

举非限制性实例，可应用于实施方案b的示例性组合包括：要素13与要素14组合；要素13与要素15组合；要素14与要素15组合；组合的要素13-15；要素10与要素13-15中一者或多者(包括前述组合)组合；和要素11任选地与要素12一起与要素13-15中一者或多者(包括前述组合)组合。

实施方案c：一种切割器，其包括多晶金刚石，所述多晶金刚石包含融合多晶金刚石粒子和安置于所述融合多晶金刚石粒子之间的填隙空间中的催化剂盐；和硬复合衬底并且用铜焊材料结合于多晶金刚石石板。

实施方案d：一种钻探组合件，其包括延伸至井筒中的钻柱；泵，所述泵流体连接至所述钻柱并且被配置成使钻井液循环进入所述钻柱中并且通过所述井筒；和附接至所述钻柱的端部的钻头，所述钻头具有基体钻头主体和耦合至所述基体钻头主体的外部部分的多个根据实施方案b的切割器。

实施方案c和d可进一步包括要素8：其中所述催化剂盐包含以下至少一者：氟化钴、氯化钴、溴化钴、碘化钴、氟化镍、氯化镍、溴化镍、碘化镍、氟化铁、氯化铁、溴化铁、或碘化铁。

本文呈现了并入本文所公开的本发明实施方案的一个或多个说明性实施方案。为了清楚起见，本申请中并未描述或示出实际实施方式的所有特征。应理解，在开发并入本发明实施方案的实际实施方案时，必须做出许多实施方式特定的决定以实现开发者的目标，如服从系统相关的、商务相关的、政府相关的和其它约束，所述约束根据实施方式改变并且时常改变。尽管开发者的努力可能是耗时的，然而此类努力将是本领域的并且受益于本公开的普通技术人员的常规任务。

虽然组合物和方法在本文中从“包含”多种组分或步骤方面来描述，但是所述组合物和方法还可“基本上由多种组分和步骤组成”或“由多种组分和步骤组成”。

为了促进对本发明的实施方案的更好理解，给出优选或代表性实施方案的以下实施例。以下实施例决不应被理解为限制或界定本发明的范围。

实施例

实施例1.1克钴粉末放置于具有0.5ml液体溴的hastelloy容器中。所述容器接着加压至1.4mpa。在两个独立实验中，温度在180℃或200℃下保持90分钟。在所分配的时间之后，丙酮添加至容器中，产生绿色溶液，所述溶液指示形成溴化钴。

实施例2.混合5重量％钴粉末和多晶金刚石粉末的混合物。所述粉末混合物放置于具有5ml液体溴的hastelloy容器中。所述容器接着加压至1.4mpa并且在50℃下保持4小时。在反应之后，丙酮添加至容器中，产生绿色溶液，所述溶液指示形成溴化钴。

实施例3.由钴催化材料形成的多晶金刚石石板在25℃和0.1mpa下暴露于气态溴持续90分钟。在溴气处理之后，所述多晶金刚石石板用100ml丙酮在25℃下洗涤三次，持续10分钟。所得多晶金刚石石板经由扫描电子显微镜分析残留钴。图6是与溴气反应并且用丙酮洗涤之后所述多晶金刚石石板的横断面。显微照片的亮区指示钴。这种处理移出大量钴至大约40-60微米的深度。就传统酸清洗来说，这一穿透深度和催化剂移出可耗时超过24h来实现，而本发明实施例在不足4h的时期内实现，这说明本文所述的方法提供多晶金刚石石板中催化材料的有效并且高效移出。

因此，本发明非常适于实现所提到的目标和优点以及本文固有的那些目标和优点。以上公开的具体实施方案仅是说明性的，因为本发明可以对受益于本文教义的本领域技术人员来说显而易见的不同但等效的方式进行修改和实践。此外，除了如以下权利要求书中所描述的之外，并不意图对本文示出的构造或设计的细节进行限制。因此，明显的是，以上公开的具体说明性实施方案可发生改变、进行组合或修改并且所有此类变化均被视为在本发明的范围和精神内。本文说明性公开的本发明可在缺少本文未特定公开的任何要素和/或本文所公开的任何任选的要素的情况下得以适当地实践。虽然组合物和方法从“包含”、“含有”或“包括”多种组分或步骤方面来描述，但所述组合物和方法还可“基本上由多种组分和步骤组成”或“由多种组分和步骤组成”。以上公开的所有数字和范围均可发生一定量的变化。每当公开具有下限和上限的数字范围时，就明确公开了落在所述范围内的任何数字和任何所包括的范围。具体地，本文所公开的值的每个范围(形式为“约a至约b”，或等效地“大约a至b”，或等效地“大约a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围。另外，除非专利权人另外明确并清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其平常、普通的意义。此外，如权利要求书中所用的不定冠词“一个/种(a/an)”在本文中定义为意指其引入的一个或一个以上要素。