[发明专利]一种超硬插入件和包括该超硬插入件的地表钻具

说明书

技术领域

本公开涉及用于旋转式地表钻具的超硬插入件。

背景技术

旋转式地表钻具，在例如石油和天然气勘探及井开发和建设等工业中，用于在地表中钻孔。用于岩石钻孔的旋转式钻头包括多个安装在钻头主体上的超硬插入件。在使用中，钻头以高速旋转并具有强大的力，抵靠孔壁和末端旋转驱动超硬插入件，从而通过剪切运动去除岩石材料。适于这种用途的插入件可以称为“剪切刀具”插入件，并且可以包括结合至硬质合金基体上的多晶超硬材料层。多晶超硬材料的一个例子是多晶金刚石（PCD）。

PCD是超硬材料，包括大量交互生长的金刚石晶粒和金刚石晶粒之间的间隙。通过使金刚石晶粒聚合块承受超高压和超高温而生产PCD。PCD用于各种各样的工具，例如用于切割、机加工、钻孔或分解硬质或磨蚀材料的工具，所述磨蚀材料为例如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。例如，PCD插入件广泛用于钻头，在石油和天然气工业中，钻头用于在地表中钻孔。在多个这些应用中，当钻头切削岩层、工件或岩体时，PCD材料的温度升高。

0 278 703号欧洲专利公开了研磨主体，该研磨主体具有硬质合金核心和研磨切割角（corner），其中，研磨切割角可具有相同材料或不同材料。研磨主体可以包括结合至基体上的粘结的超硬研磨颗粒层，并且超硬研磨颗粒可以是金刚石或立方氮化硼。

公开号WO 2002/022311的PCT申请公开了一种包括碳化钨硬质合金基体的工具插入件，该硬质合金基体具有形成于其中的多个预先烧结的凹部。在一实施例中，工具插入件由基体的截面构成，四个研磨主体在该截面的四个角落中的每一个处结合至该基体。

5,607,024号美国专利公开了一种超硬插入件，其具有安装在支撑构件上的刀具端部。刀具端部是圆盘形或小块形的形式，其具有结合在粘结剂内的多晶金刚石晶粒，该粘结剂主要包括钴。通过惯用的高温和高压烧结工艺，这种小块或圆盘被牢固连接至圆柱形支撑构件上。

7,533,740号美国专利公开了一种切割元件，该切割元件具有包括端面和外缘的基体，其中，端面延伸至外缘，其中，“TSP”材料层在端面的仅一部分上形成，并且延伸至外缘。在一个实施例中，使用切割元件将TSP机械锁定。

存在对用于旋转式地表钻具的超硬插入件的需求，所述超硬插入件具有降低的成本或者优秀性能，特别用于钻穿地表或钻孔或分解岩层。

发明内容

如在此使用的，“超硬”意味着至少25GPa的维氏硬度。

从第一方面看，本发明提供了一种用于旋转式地表钻具的超硬插入件，其包括具有外围刀具边缘的刀具端部，所述外围刀具边缘的至少一部分通过多个交替的硬质区域和超硬区域的多个边缘限定，超硬区域的边缘彼此间隔开并通过硬质区域的边缘分开；每个硬质区域的硬度至多是每个超硬区域硬度的50%。

在使用中，与超硬区域的边缘相比，硬质区域的边缘磨损更快，从而改进超硬区域的切割效果。

在一些实施例中，外围刀具边缘的至少一部分是有角度的、倒圆角的、倒棱角的或者斜切的。

如在此使用的，倾斜表面是切割插入件的表面，通过超硬插入件的切割运动而去除在该表面上流动的材料，这种通常为碎片状的材料称作“碎屑(chips)”。倾斜角度是倾斜表面相对于工件或其它被切割、被钻孔或被分解的主体的表面的倾斜度，正倾斜角度允许碎屑移动远离工件，并且负倾斜角度使碎屑朝向工件。

在一些实施例中，刀具端部包括多个倾斜表面。多个倾斜表面彼此之间以不同角度倾斜，并且在外围刀具边缘和远离外围刀具边缘的区域之间以放射状设置，并且可以是起始于外围刀具边缘的、指定的第一面、第二面等等。

在一些实施例中，刀具端部包括两条、三条、四条、五条或甚至十条或更多条超硬区域的边缘。

在一些实施例中，超硬插入件具有一般为圆柱形或类似盘形的形式。在一些实施例中，当从刀具端部的主视图中观察时，超硬插入件具有基本上两重、三重、四重或甚至五重围拢中心轴的旋转对称。

在一些实施例中，超硬插入件可以以可重新使用的方式安装至工具上，从而延长其工作寿命，这有助于降低超硬插入件的有效成本。

在一个实施例中，刀具端部包括远离外围刀具边缘的硬质中心区域，并且该刀具端部设置在多个超硬区域之间的中心处。在一个实施例中，硬质中心区域包括浮凸或者凸饰部分。浮凸或者凸饰部分可以与支撑主体形成为一体或者通过机械、钎焊或者粘结方式固定至支撑主体上。