[发明专利]制造聚晶金刚石工具的诱导材料偏析方法

说明书

技术领域

本公开整体涉及工具的制造，并且更具体地讲，涉及聚晶金刚石复合片(PDC)工具，诸如钻地钻头中的切削齿的制造。

背景

各种类型的工具用来在地层中形成井筒以用于回收烃，例如处于地表下方的油和气。此类工具的实例包括旋转钻头、扩眼器、扩孔器和取心钻头。旋转钻头包括固定切削齿钻头，其可以具有固定到钻头体的聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿。因此，此类具有PDC切削齿的钻头通常被称为PDC钻头。PDC钻头包括由聚晶金刚石和胶结碳化钨(WC)基材形成的PDC切削齿。当执行高温高压(HTHP)工艺以形成PDC时，通常包括一定量的烧结助剂诸如钴(Co)或镍(Ni)。烧结助剂由于这些材料在用于形成PDC的原始HTHP工艺中参与形成金刚石-金刚石键而在本领域中被简略地称为“催化”材料或“催化剂”。在形成金刚石台之后，一定量的这种所谓的催化剂可以保留在金刚石台内。

存在于这种PDC切削齿(聚晶金刚石、WC和催化剂)中的不同材料可以具有显著不同的热膨胀系数(CTE)。PDC切削齿在钻探期间遇到较大的温度变化和循环。传统制造的PDC切削齿中不同材料相之间的CTE不匹配可能在温度循环期间产生不期望的大应力，这可能由于潜在的故障模式而不利地影响PDC切削齿的使用寿命。有时进行沥滤过程以去除在原始HTHP工艺期间作为烧结助剂最初包含的残余钴或其他材料的某一部分。这可以减少如上所述的CTE不匹配的不良影响。

附图简述

可以通过参考以下结合附图所作的描述获得对本发明实施方案及其优点的更加完整的理解，附图示出本公开的具体实施方案，其中相似数字指代类似部件，并且在附图中：

图1是具有两个颗粒相的诱导偏析反应器的实施方案的横截面视图；

图2是用于使用固相粘结剂制造PDC切削齿的方法的实施方案的流程图；

图3是用于使用流体相粘结剂制造PDC切削齿的方法的实施方案的流程图；

图4A和图4B是用于制造PDC切削齿的HTHP工艺的组件的实施方案的横截面视图；以及

图5是包括根据本文所述方法制造的至少一个PDC切削齿的钻地钻头的实施方案。

详述

本公开涉及制造用于钻地钻头的PDC切削齿的诱导材料偏析方法。

在本说明书中使用以下缩写：

HTHP-高温高压

PDC-聚晶金刚石复合片

CTE-热膨胀系数

GIL-梯度界面层

TSP-热稳定聚晶

元素和化合物使用其标准缩写来缩写，诸如钴为Co和碳化钨为WC。

PDC切削齿可以使用HTHP工艺将PDC层粘结到诸如WC的基材。在使用PDC切削齿时，PDC层和基材之间的CTE不匹配可能在温度循环期间产生应力。这些应力可导致PDC切削齿的损坏或故障。解决这些问题的先前尝试依赖于通过钎焊或通过使用多个离散的梯度层来粘结两种不同的材料。然而，CTE不匹配以及由此产生的热诱导应力集中仍然会在不同层之间发生。

制造PDC切削齿(例如用于PDC钻头)的诱导材料偏析方法可以提供相对平滑的组分梯度，这减少了沿着PDC切削齿的组分轴线的CTE不匹配。本文公开的诱导材料偏析方法可能是经济上可行的且适用于工业规模的。本文公开的诱导材料偏析方法可以实现可以基于金刚石颗粒尺寸调节的相对平滑的组分梯度结构。本文公开的诱导材料偏析方法可以生产具有固有性能优点诸如较高的热稳定性和增加的使用寿命的PDC钻头的PDC切削齿，导致烃生产操作的速率提高并且钻探设备和服务的非生产时间减少。

PDC切削齿的两种主要组分(聚晶金刚石和WC)都通过烧结和压实颗粒共混物(也称为粉末共混物)广泛制造。本文公开的诱导材料偏析方法使用相同的原料并在未烧结颗粒混合物(也称为生坯状态)中诱导偏析，以在单一一体式部件内产生从富含基材(诸如WC)的材料到富含聚晶金刚石的材料的平滑组分过渡。所得到的平滑组分过渡将相应地沿着形成的梯度显示出本体CTE的平滑过渡。因为所得到的一体式部件不具有显著的局部CTE不匹配，因此所得到的一体式部件不会显示出可能导致早期故障的局部热诱导应力集中。因此，本文公开的诱导材料偏析方法相应地在含有颗粒形式的原料的生坯状态材料中实现期望的偏析。在成形为最终期望形式之后，生坯状态可以被压实和烧结，同时保持生坯状态在最终硬化状态下的组分偏析。