[发明专利]聚晶金刚石复合片、包括这种复合片的切削元件和钻地工具以及形成这种复合片和钻地工具的方法

说明书

优先权

本申请要求于2010年4月28日提交的名称为“PolycrstallineDiamond Compacts,Cutting Elements and Earth-Boring ToolsIncluding Such Compacts,and Methods of Forming Such Compacts.”的美国临时专利申请序列号61/328,766的优先权。

技术领域

本发明的实施方式总体上涉及聚晶金刚石复合片、使用这种复合片的切削元件和钻地工具以及形成这种复合片、切削元件和钻地工具的方法。

背景技术

用于在地下地层中形成井眼的钻地工具一般包括固定到本体的多个切削元件。例如，固定切削元件式旋转钻头（也称作“刮刀钻头”）包括固定地附连到钻头的钻头本体的多个切削元件。类似地，牙轮钻地旋转钻头可以包括安装在自钻头本体的支腿延伸的支承销上的牙轮，使得每个牙轮能够围绕装有所述牙轮的支承销转动。多个切削元件可以安装到钻头的每个牙轮。

用在这种钻地工具中的切削元件通常包括聚晶金刚石复合片（通常称作“PDC”）切削元件，该切削元件是包括聚晶金刚石材料切削面的切削元件。这些聚晶金刚石切削元件是在催化剂（例如VIIIA族金属，比如钴、铁、镍、或者它们的合金以及混合物）存在的情况下、通过将相对小的金刚砂或金刚石晶体借助金刚石-金刚石键在高温和高压条件下烧结和结合在一起以在切削元件基底上形成聚晶金刚石材料层或“台面”形成的。这些方法通常称作高温/高压（或“HTHP”）方法。切削元件基底可以包括金属陶瓷材料（即陶瓷-金属复合材料），比如钴钨硬质合金。在这些情形中，切削元件基底中的钴（或者其他催化剂材料）在烧结期间可以伸展到金刚石晶体中并且用作用于从金刚石晶体形成金刚石台面的催化剂材料。在其他方法中，在利用HTHP方法将晶体烧结在一起之前，可以将粉末催化剂材料与金刚石晶体混合。

在使用HTHP方法形成金刚石台面之后，催化剂材料可以保留在获得的聚晶金刚石台面中的金刚石晶体之间的间隙中。在切削元件使用期间由于切削元件与地层之间的接触点上的摩擦而受热时，金刚石台面中催化剂材料的存在可能导致金刚石台面中的热破坏。因此，聚晶金刚石切削元件可以通过使用例如酸或酸的组合（比如王水）将催化剂材料（例如钴）从金刚石台面中的金刚石晶体之间的间隙滤出来而形成。所有的催化剂材料可以从金刚石台面中移除，或者可以仅移除一部分催化剂材料，例如移除从切削面、从金刚石台面的侧面或者它们二者到所需的深度的催化剂材料。

PDC切削元件一般是圆柱形的并且在切削面的周边具有切削边缘用于接合地下地层。随着时间的流逝，切削边缘会变钝。当切削边缘变钝时，PDC切削元件的切削边缘接合地层的表面积由于延伸到金刚石台面的侧壁中的所谓的磨耗平台或磨痕的形成而增加。当接合地层的金刚石台面的表面积增加时，在地层与金刚石台面之间、在切削边缘的区域中产生更多的摩擦引起的热量。此外，当切削边缘变钝时，必须增加向下力或钻压（WOB）以保持与锋利的切削边缘相同的钻进速度（ROP）。结果，摩擦引起的热量和向下力的增加由于金刚石晶体与催化剂材料之间的热膨胀系数的不匹配可以造成PDC切削元件的破裂、碎裂、断裂或脱层。此外，在大约750℃及以上的温度下，催化剂材料的存在可以造成金刚石晶体所谓的回石墨化成碳元素。

因此，在现有技术中存在对包括了增加切削元件的耐久性以及切削效率的聚晶金刚石台面的切削元件的需要。

发明内容

本发明的实施方式涉及形成聚晶金刚石复合片（PDC）元件（比如适合于用在地下钻进的切削元件，其呈现出增强的切削能力和热稳定性）的方法，以及由此形成的PDC元件。

在一些实施方式中，本发明包括形成用于钻地工具的PDC切削元件的方法。形成的金刚石台面包括聚晶金刚石材料和设置在聚晶金刚石材料的相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中的第一材料。所述第一材料至少充分地从一部分聚晶金刚石材料中的间隙中移除，然后在金刚石台面的周边部分中的聚晶金刚石材料的所述部分中的相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中设置第二材料。所述第二材料选择成：使得金刚石晶体在升高的温度条件下的退化速率比至少基本从所述间隙中移除第一材料的金刚石材料在基本相同的升高的温度条件下的退化速率高。移除一部分聚晶金刚石材料中的间隙中的第一材料可以包括至少充分地从基本围绕金刚石台面的外侧周边表面的金刚石台面的环形区域中移除第一材料。