[发明专利]热稳定多晶硬质材料与硬质复合材料之间的机械强化粘结

说明书

发明背景

本申请涉及将硬质复合材料粘结到多晶材料，所述多晶材料包括但不限于多晶金刚石(“PCD”)材料和热稳定多晶(“TSP”)材料。

在地下地层钻探或采矿操作期间，钻头和其部件常常经受极端条件(例如，高温、高压以及与研磨面接触)。如金刚石、立方氮化硼和碳化硅的硬质材料常常用在钻头与地层之间的接触点处，这是因为它们具有耐磨性、硬度以及远离与地层的接触点传导热的能力。

一般来说，此类硬质材料通过将硬质材料的颗粒与催化剂组合来形成，以使得当受热时，催化剂有助于材料的生长和/或结合，以便将颗粒结合在一起来形成多晶材料。然而，催化剂在成形之后保留在多晶材料的主体内。因为催化剂通常具有比硬质材料更高的热膨胀系数，所以当多晶材料受热时(例如，在将多晶材料附接到钻头或其一部分(如刀具)的钎焊期间或在井下操作期间)，催化剂可能引起整个多晶材料的断裂。这些断裂弱化了多晶材料，并且可能导致钻头的寿命缩短。

为了减轻多晶材料的断裂，在将多晶材料暴露于升高的温度之前，通常移除至少一些催化剂，并且优选地移除大部分催化剂。移除了大量催化剂的多晶材料被称为热稳定多晶(“TSP”)材料。

特别是对于钻头，常常将TSP材料粘结到另一种材料(例如，硬质复合材料，如分散在铜粘合剂中的碳化钨颗粒)，以允许将更昂贵的TSP材料策略性地定位在所期望的与地层的接触点处。然而，在操作期间TSP材料与粘结TSP材料的表面的分离降低了钻头的功效并且缩短了钻头的寿命。

附图简述

以下附图被包括来用于说明本发明实施方案的某些方面，并且不应被视作排他性实施方案。如本领域的并且受益于本公开的技术人员将了解，所公开的主题能够在形式和功能上存在相当多的修改、改变、组合和等效形式。

图1是具有由硬质复合材料形成的基体钻头主体的基体钻头的剖视图。

图2是根据本公开的至少一些实施方案的包括多晶材料刀具的基体钻头的等距视图。

图3是根据本公开的至少一些实施方案的刀具的剖视图。

图4是根据本公开的至少一些实施方案的刀具的剖视图。

图5A和图5B示出设置在多晶材料主体的粘结表面上的掩模的侧视图和顶视图。

图6是示出适于与包括本公开的刀具的基体钻头结合使用的钻探组件的一个实例的示意图。

具体实施方式

本申请涉及在形成井下工具的研磨部件(例如，用于钻头中的刀具)时，将多晶材料粘结到硬质复合材料。更具体地，本申请涉及用于增加由多晶材料与硬质复合材料之间的钎焊材料形成的粘结强度的物理方法。本公开的教义可应用于其中多晶材料粘结到硬质复合材料的任何井下工具或其部件。此类工具可包括用于钻井、完井以及从井中产生烃类的工具。此类工具的实例包括：切削工具，诸如钻头、铰刀、稳定器和取芯钻头；钻探工具，诸如旋转导向装置和泥浆马达；以及井下使用的其他工具，诸如开窗磨具(window mill)、封隔器、工具接头和其他易磨损工具。

图1是具有由硬质复合材料131形成的基体钻头主体50的基体钻头20的剖视图。示例性硬质复合材料可包括但不限于分散在粘合剂材料中的增强颗粒。如本文所使用的，术语“基体钻头”包括旋转刮刀钻头、刮刀钻头、固定刀具钻头以及具有基体钻头主体并且能够并入本公开教义的任何其他钻头。

对于诸如图1所示实施方案的实施方案，基体钻头20可包括金属柄30，其中金属坯料36(例如，在焊接位置39处)牢固地附接到所述金属柄30。金属坯料36延伸到基体钻头主体50中。金属柄30包括远离金属坯料36的螺纹连接件34。

金属柄30和金属坯料36是大体圆柱形结构，它们至少部分地限定了彼此流体连通的对应的流体腔32。金属坯料36的流体腔32可进一步纵向延伸到基体钻头主体50中。至少一个流动通道(示出为两个流动通道42和44)可从流体腔32延伸到基体钻头主体50的外部部分。喷嘴开口54可限定在流动通道42和44的位于基体钻头主体50外部部分处的端部处。

多个凹痕或凹槽58形成在基体钻头主体50中，并且被设定形状或以其他方式被构造来接收刀具。

图2是根据本公开的至少一些实施方案的包括多个刀具60的基体钻头的等距视图。如图所示，基体钻头20包括金属坯料36和金属柄30，如以上参照图1所概述的。

基体钻头主体50包括形成在基体钻头主体50的外部上的多个刀具刀片52。刀具刀片52可在基体钻头主体50的外部上彼此间隔开，以便在它们之间形成流体流动路径或废料槽62。