[发明专利]热稳定多晶材料至衬底的阳极键合

说明书

技术领域

本公开总体上涉及包括可与井筒钻探结合使用的热稳定多晶材料的切削元件和其它井下钻井部件以及使用阳极键合的系统和制造方法。

发明背景

经常使用旋转钻头来钻出油气井、地热井和水井。固定切削器钻头或刮刀钻头通常形成有钻头体，所述钻头体具有安置在钻头体的外部部分的选定位置处的切削元件或插入件。钻头和其它井下设备还可以具有各种其它耐磨蚀和/或耐磨损的表面硬化元件。切削元件和表面硬化元件可以由多晶材料制成。

例如，具有多晶切削层(或台面)的切削元件已用在包括井筒钻探和金属机械加工的工业应用中很多年。一种所述材料是多晶金刚石(PCD)，多晶金刚石是结合在一起以形成一体的、坚韧的、高强度块的金刚石(通常是合成的)的多晶块。为了形成切削元件，将切削层结合至衬底材料，所述衬底材料通常是烧结的金属-碳化物。当结合至衬底时，PCD被称作多晶金刚石复合片(PDC)。用在切削元件或表面硬化结构性元件中的多晶材料还可以由其它多晶材料制成，例如多晶立方氮化硼(PCBN)。

已经在积极地研究用于将热稳定多晶材料固定至衬底以便用在钻头切削元件或其它耐磨蚀和/或耐磨损的表面硬化结构性元件中的方法，所述元件是钻头体或其它井下设备的部分。高温高压(HTHP)加工是常见的附接方法。然而，这种方法通常使用另一催化剂，例如钴，并且致使多晶材料的热稳定性降低。

附图简述

图1是根据一个实施方案的含有切削元件的钻头的透视图。

图2是根据一个实施方案的具有附接至衬底的热稳定多晶材料的切削层的切削元件的透视图。

图3A是示出了用于进行阳极键合程序的部件的示意图。一些工艺参数是键合压力(U_B)、电流限制(I_B)和键合温度(T_B)。

图3B是示出了与图3A的阳极键合过程相关联的离子漂移的示意图。

图4A是示出了根据一个实施方案的与含碳酸盐的热稳定多晶材料至衬底的阳极键合相关联的离子漂移的示意图。

图4B是示出了根据一个实施方案的与含碳酸盐的热稳定多晶材料至涂硅的衬底的键合相关联的离子漂移的示意图。

图5是根据一个实施方案的用于将热稳定多晶材料的切削层结合至衬底以形成切削元件的系统的示意图。

图6是根据一个实施方案的制造具有附接至衬底的热稳定多晶材料的切削层的切削元件的方法的框图。

详细描述

本公开的某些实施方案和特征涉及钻头和其它井下设备的包括热稳定多晶材料并且可以与井筒钻探结合使用的切削元件和表面硬化部件，以及使用阳极键合制造所述元件的系统和方法。在一些实例中，具有热稳定多晶材料切削层的切削元件可以附接至钻头头部或其它井下设备，例如扩孔器或扩眼器，所述井下设备可以用以在钻出井筒(例如被钻出以汲取水、天然气或石油的那些井筒)时分裂、切削或压裂岩石和地球地层。在另一实例中，具有热稳定多晶材料的面向外的层的表面硬化部件可以附接至钻头或其它井下设备。所述表面硬化部件可以是耐磨损的使得降低钻头或井下设备由于摩擦热而受损害的可能性，并且可以方便设备在使用期间在井下的移动。表面硬化部件的实例包括钻头头部、量具保护器和防撞器。可以使用电场来将热稳定多晶材料共价地键合至衬底以形成切削元件或表面硬化部件。在一些实例中，热稳定多晶材料至衬底或表面硬化部件的阳极键合最大化切削元件或表面硬化部件的热稳定性。因此，切削元件或表面硬化部件可以具有经改善的热力完整性和耐磨蚀性，并且具有与使用将切削层附接至衬底的常规方法得到的那些浸出暴露相比减少的浸出暴露。

PCD包括互连成晶格结构的个别金刚石“晶体”。金属催化剂(尤其是VIII族金属催化剂)，例如钴，已用以促进金刚石颗粒的再结晶和晶格结构的形成(例如在烧结过程中)。然而，VIII族金属催化剂具有与金刚石相比明显不同的热膨胀系数(CTE)，并且在加热PCD后，金属催化剂和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，从而使得在晶格结构中形成裂纹并且导致切削层的退化(在井下使用期间)。此外，在高温(>800℃)下并且在不存在高压的情况下，金属催化剂还会使金刚石恢复成石墨。为了消除这个问题，可以使用强酸来从金刚石晶格结构中“浸出”钴，产生热稳定多晶金刚石材料。对于其它多晶材料，类似的问题发生并且必须要进行解决。具有热稳定多晶材料的切削层的切削元件具有相对较低的磨损速率，即便在切削器温度达到1200℃时。