[发明专利]具有高耐冲击性的金刚石增强钻井镶块

说明书

技术领域

本文公开的实施方案大体上涉及金刚石增强镶块。

背景技术

钻井钻头通常装定在钻柱的下端，并且通过在表面上旋转钻柱或通过开动井下发动机或涡轮机、或通过这两种方法而旋转。当将重量施加至钻柱时，正旋转的钻头接合土地层(earth formation)，并且继续前进以沿着朝向靶区的预定路径形成一个井孔。

存在若干种类型的钻头，包括牙轮钻头、锤击钻头以及刮刀钻头。术语“刮刀钻头”(又被称为“固定切刀钻头”)是指不具有移动元件的那些旋转钻头。固定切刀钻头包括具有附接在钻头体上的切削元件的那些钻头，这些钻头主要通过剪切作用来切削地层。在固定切刀钻头上使用的切削元件可包括多晶金刚石复合片(PDC)、金刚石磨料浸渍镶块(“磨料热压镶块”(GHI)、或天然金刚石。牙轮凿岩钻头包括被适配以联结至可旋转钻柱的钻头体，并且包括至少一个“牙轮”，所述牙轮是被可旋转地装定在如本领域中频繁所指的悬臂式轴或轴颈上。进而，每个牙轮支撑了多个切削元件，这些元件切削和/或压碎井孔的壁或底并且因此使钻头前进。在钻井以压碎、挖凿、以及刮铲正被钻井的孔穴底部上的岩石期间，切削元件(镶块或铣齿)与地层接触。锤击钻头通常包括具有冠顶的整体主体。冠顶包括在其中被挤压的用于循环地“锤击”的镶块，并且相对正被钻井的土地层而旋转。

根据钻头上切削元件的类型和位置，切削元件实行不同的切削功能，并且因此，在使用期间也经历不同的荷载条件。已经开发了两种耐磨的镶块用作钻头上的切削元件：碳化钨镶块(TCI)和多晶金刚石增强镶块(DEI)。碳化钨镶块通常由渗碳碳化钨(又被称为烧结碳化钨)形成：碳化钨颗粒分散在钴粘合剂基体中。多晶金刚石增强镶块通常包括作为衬底的渗碳碳化钨主体和一层多晶金刚石(“PCD”)，所述多晶金刚石被直接粘合至位于镶块的顶部的碳化钨衬底上。当与较柔软、较坚韧的碳化钨镶块比较时，由PCD材料形成的工作层可以提供提高的耐磨性。

常规上，PCD层包括金刚石和量高达所述层的约30重量％的金属，以利于金刚石晶体间粘合和使这些层相互粘合并且粘合至在下面的衬底。在PCD中采用的金属经常选自钴、铁、或镍和/或其混合物或合金，并且可以包括多种金属，如锰、钽、铬和/或其混合物或合金。然而，虽然较高的金属含量通常增加了所得到的PCD材料的韧性，但较高的金属含量也降低了PCD材料硬度，因此限制了能够提供具有所希望水平的硬度和韧性的PCD涂层的灵活性。另外，当选择变量以增加PCD材料的硬度时，也通常增加了脆性，由此减小了PCD材料的韧性。

尽管多晶金刚石层是极其坚硬和耐磨的，但在正常操作期间，多晶金刚石增强镶块仍然可能破坏。破坏通常采取三种常见形式之一，即磨损、疲劳、以及冲击开裂。磨损机制的发生是由于PCD相对于土地层而相对滑动，并且它的呈破坏模式的显著性与地层的磨耗性、以及其它的因素(如地层硬度或强度，和在与地层接触期间涉及的相对滑动的量)有关。过高的接触应力和高温，连同非常有害的井下环境也趋于引起金刚石层的严重磨损。疲劳机制涉及使在PCD层上开始的表面裂缝逐渐扩展至PCD层以下的材料，直到裂缝长度足以破裂或碎裂。最后，冲击机制涉及使在PCD层上开始的表面裂缝或内部瑕疵突然扩展至PCD层以下的材料，直到裂缝长度足以使增强镶块破裂、碎裂、或毁灭性破坏。

由于接触造成的外部载荷趋于引起金刚石层的破坏，如断裂、破裂、以及碎裂。内部应力(例如由制造过程引起的热残余应力)趋于引起金刚石层与衬底或过渡层之间的脱层，这是通过裂缝沿着界面开始并且向外扩展，或通过裂缝在金刚石层表面中开始并且沿着界面毁灭性地扩展而发生。

用来解决凸起切削元件中脱层问题的主要方法是添加由具有热学性质和弹性性质的材料制成的过渡层，所述过渡层位于超硬材料层与衬底之间，被铺在整个衬底突出表面上。这些过渡层具有减小界面上残余应力的作用，并且因此提高镶块对脱层的耐受性。

在应用中，过渡层已经明显减小了不利残余应力的幅度，并且相对应地增加了镶块的耐用性。不过，基本的破坏模式仍然存在。这些破坏模式涉及三种机制的复杂组合，所述破坏模式包括PCD的磨损、表面开始的疲劳裂缝生长、以及冲击开始的破坏。

因此，希望当与常规PCD材料和镶块结构比较时，所构建的镶块结构可提供所希望的硬度和耐磨性的PCD性质，并具有提高的抗断裂韧性和抗碎裂性，以供在侵蚀性的切削和/或钻井应用中使用。

发明内容