[发明专利]形成多晶金刚石切割元件的方法，所形成的切割元件和所装备的钻头

说明书

优选权要求

本申请要求2009年1月16号提交的“METHODS OF FORMING POLYCRYSTALLINE DIAMOND CUTTING ELEMENTS，CUTTING ELEMENTS SO FORMED AND DRILL BITS SO EQUIPPED”的美国临时专利申请序列号61/145,155的提交日权益。

技术领域

本发明的实施方案涉及形成具有至少一部分金刚石台(table)、基本上不含催化材料的多晶金刚石切割元件的方法，并且涉及如此形成的切割元件。

背景技术

多晶金刚石复合片(PDC)结构形式的超级磨料切割元件已在商业上可获得将近四十年，并且在支持基材的末端上形成有多晶金刚石台的PDC切割元件已在商业上可获得超过二十年的时间。后一类型的PDC切割元件通常包含薄的、基本上圆形的盘(尽管其它形状也是可获得的)，通常称之为“台”，其包含在超高温度和压力下相互结合的金刚石晶体形成的超级磨料材料层，并且确定基本上为平坦的前切割面、背面和外围或圆周边缘，其至少一部分被用作切割刃来切割地下岩层，该地下岩层由在其上安装有PDC切割元件的钻头所钻进。尽管也已知自支持的PDC切割元件，特别是在较高温度下稳定的被称为“热稳定多晶金刚石或TSP”的那些，但在超级磨料台到背衬层或由碳化钨形成的基材的形成期间，PDC切割元件通常在它们的背面上结合。这样的切割元件广泛用于旋转固定切割机，或“刮刀”、钻头以及用于钻进和铰除地下岩层的其它钻头和工具，这样的其它钻头和工具包括但不限于取芯钻头、双心钻头、偏心钻头、混合体(hybrid)(例如轧制部件与固定切割元件相结合)、牙轮钻头、铰刀翼(reamer wing)、可膨胀铰刀和套管铣磨工具(casing milling tool)。作为在本文中使用的，术语“钻头”包含所有前述和等价的结构。

在任何一种切割元件的形成中，通常采用催化剂来促进金刚石晶体的金刚石与金刚石结合。遗憾的是，金刚石台中催化剂的存在可导致因金刚石和催化剂的热膨胀系数(CTE)差异所致的在约400℃开始的热劣化，并且可导致因催化剂促进金刚石到碳的后石墨化所致的在约700-750℃开始的热劣化。尽管钻进泥浆作为冷却剂使用，并且尽管相对快速的热量传递到金刚石台、基材和在其上安装有切割元件的钻头体，但在岩层的钻进期间这样的温度可通过PDC切割元件的切割刃而达到。

已经在现有技术中认识到：从金刚石台的切割表面，特别是从在其切割刃和沿着邻接着其切割刃的金刚石台的侧面并延伸向基材移除在金刚石台的原始合成加工中使用的催化剂，减少了这些部分的金刚石台因热效应劣化的趋势。因此，如果催化剂移除的深度是充足的，金刚石台的寿命得以延长。对前述的热劣化效应和如何并且从金刚石台的什么部分可有益地有移除催化剂的认识公开在很多其它的文件中：日本专利JP59-219500以及美国专利4,224,380、5,127,923、6,544,308和6,601,662，美国专利公开号2006/0060390、2006/0060391、2006/0060392、2006/0086540、2008/0223623、2009/0152018和PCT国际公开号WO2004/106003、WO2004/106004和WO2005/110648。

发明内容

本发明的实施方案涉及形成多晶金刚石元件例如适用于地下钻进，展现改善热稳定性的切割元件的方法，并且涉及所得的切割元件。

在本发明的一个实施方案中，包含金刚石台的多晶金刚石复合片在高压高温工艺中使用催化剂形成，并且随后将催化剂从全部的金刚石台基本移除。随后，在后来的高压高温工艺中采用至少部分不同于催化剂材料的粘接剂材料将金刚石台附着到支持基材。随后的高温高压工艺可在与用于形成金刚石台相当的压力下进行，或可在更高或更低的压力下进行。也可分别采用不同的温度，以形成金刚石台以及在将金刚石台附着到支持基材期间。

在一个特别的实施方案中，允许粘结剂材料从与基材的界面通过金刚石台基本完全渗透到金刚石台的切割表面和侧面，通过常规技术将粘结剂材料选择性地从金刚石台的一个或多个所需的区域移除。

根据本发明方法的实施方案形成的切割元件和展现的结构也得到公开，并且包括在本发明的范围之内。

采用根据本发明的实施方案形成的切割元件和展现的结构的钻头也得到公开，并且包括在本发明的范围之内。