[发明专利]具有精细和超细的微观结构的耐裂缝形成的PCD工作表面的金刚石增强镶齿

说明书

技术领域

本文公开的实施例总体上涉及金刚石增强镶齿。

背景技术

地质钻孔钻头典型地安装在钻柱的下端上，且通过在地表处旋转钻柱或通过驱动井下马达或涡轮、或通过上述两种方式而旋转。当重量施加到钻柱时，旋转钻头接合地层且行进以朝向目标区域沿着预定路径形成井眼。

存在几种类型的钻头，包括牙轮钻头、锤击钻头(hammer bit)、以及刮刀钻头。术语“刮刀钻头”(还称为“固定切割器钻头”)是指那些没有移动元件的旋转钻头。固定切割器钻头包括那些具有附连到钻头基体的切割元件，其主要通过剪切动作切割地层。用在固定切割器钻头上的切割元件可以包括多晶金刚石复合片(FDC)、金刚石砂砾孕镶镶齿(“砂砾热-压镶齿”(GHI)或天然金刚石。牙轮岩石钻头包括适于连接到可旋转钻柱的钻头基体且包括可旋转安装到悬臂轴或牙掌的至少一个“牙轮”，如现有技术中经常涉及的。每一个牙轮钻头支撑多个切割元件，该切割元件切割和/或压碎井眼的壁部或底部且因此推进该钻头。切割元件，镶齿或铣齿，在钻井期间与地层接触以在被钻井的井眼底部压碎、削凿以及刮擦岩石。锤击钻头典型包括具有冠部的单件基体。冠部包括挤压在其中的镶齿用于针对被钻地层循环“锤击”和旋转。

根据钻头上的切割元件的类型和位置，切割元件执行不同的切割功能，这样，在使用期间经历不同的负载条件。已经开发出两种类型的耐磨损镶齿用作钻头上的切割元件：碳化钨镶齿(TCI)以及多晶金刚石增强镶齿(DEI)。碳化钨镶齿典型地由硬质碳化钨(也称为烧结碳化钨)形成：碳化钨颗粒分散在钴结合剂基质中。多晶金刚石增强镶齿典型地包括作为基体的硬质碳化钨基体和在镶齿的顶部直接结合到该碳化钨基体的一层多晶金刚石(PCD)。与较软的、较坚韧的碳化钨镶齿相比，由PCD材料形成的外层可提供改善的耐磨损性。

图1说明了常规形成的PCD材料10的微观结构，其包括多个金刚石颗粒12，该金刚石颗粒12彼此结合以形成晶间金刚石基质第一相。催化剂/结合剂材料14(例如，钴)用于促进金刚石间结合，其在烧结过程期间发展成为金刚石晶体结合网络。用于促进金刚石间结合的催化剂结合剂材料通常能够以两种方法提供。催化剂/结合剂能够以原料粉末形式而提供，该粉末与金刚石颗粒或砂砾在烧结之前预混合。可选地，催化剂/结合剂能够通过(在高温/高压工艺)从下面的基体材料到金刚石材料中的渗透而提供，最终的PCD材料结合到该基体材料。在催化剂/结合剂材料已经渗透金刚石间结合之后，催化剂/结合剂材料通常遍布金刚石基质在结合的金刚石颗粒之间的间隙区域之内分布。特别地，如图1所示，结合剂材料14没有在常规的PCD材料10中连续遍布微观结构。相反，常规PCD材料10的微观结构可以具有在PCD颗粒之间一致分布的结合剂。因此，通过常规PCD材料的破裂传播将经常行进通过较为易延展的和易碎的颗粒，或者穿晶地通过金刚石颗粒/结合剂界面15，或晶间地通过金刚石颗粒/金刚石颗粒界面16。

PCD层常规地包括金刚石和高至该层的20％重量比的金属以促进金刚石晶间结合和多层之间彼此、以及到下面基体的结合。PCD中使用的金属9通常选自：钴、铁或镍和/或其混合物或合金且可以包括金属例如：锰、钽、铬、和/或其混合物或合金。但是，尽管更高金属含量典型地增加最终PCD材料的韧性，但更高金属含量还减小PCD材料的硬度；因此限制了能够提供具有硬度和韧性两个期望的级别的PCD涂层的灵活性。此外，当选择变量以增加PCD材料的硬度时，典型地易碎性也增加，从而减少了PCD材料的韧性。

尽管多晶金刚石层极其硬和耐磨损，但多晶金刚石增强镶齿仍可能在正常操作期间损坏。损坏典型地三种常规形式之一：分别称为磨损、疲劳、以及冲击破裂。由于PCD相对于地层的相对滑动而发生磨损机理，且其作为故障模型的突出物涉及地层的磨损性，以及其它因素(例如，地层硬度或强度，以及在与地层的接触期间包含的相对滑动的量)。过渡高的接触应力和高温，与非常不利的井下环境一起也趋于引起金刚石层的严重磨损。疲劳机理包含表面裂缝的渐进传播，在PCD上开始、进入PCD层之下的材料中直到裂缝长度足够剥落或崩刃。最后，冲击机理包含表面裂缝或在PCD层上开始的内部裂纹的突然传播，进入PCD层之下的材料中直到裂缝长度足够剥落、崩刃、或增强镶齿的毁灭性损坏。

因此，期望构建一种镶齿结构，与常规PCD材料和镶齿结构相比较，其提供期望的硬度和耐磨损性的PCD特性，具有改善的破裂韧性以及耐崩刃的特性，用于剧烈切割和/或钻井应用中。

发明内容