[发明专利]形成多晶复合片、切割元件和钻地工具的方法

说明书

优先权要求

本申请要求2011年2月22日提交的名称为“形成多晶复合片、切割元件和钻地工具的方法”的美国专利申请序列号13/032,192的提交日权益。

技术领域

本发明的实施方案涉及形成多晶复合片的方法，该多晶复合片可以例如作为切割元件用于钻地工具，以及所形成的切割元件和包括该切割元件的钻地工具。

背景技术

用于在地下地层形成井筒的钻地工具通常包括多个固定在机身上的切割元件。例如，固定切削刃钻地旋转钻头(也称作“刮刀钻头”)包括多个切割元件，其固定接合到钻头的钻头体。类似地，牙轮钻地旋转钻头可以包括牙轮，其安装到从钻头体的支架延伸的轴承销，以使得每个牙轮都能够绕着它安装到其上的轴承销旋转。多个切割元件可以安装到钻头的每个牙轮。换句话说，钻地工具典型地包括切割元件连接到其上的钻头体。

用于这种钻地工具的切割元件经常包括多晶金刚石复合片(经常称作“PDC”)，其一个或多个表面可以充当切割元件的切割面。多晶金刚石材料是包含金刚石材料的相互键合的晶粒或者晶体的材料。换句话说，多晶金刚石材料包含在金刚石材料的晶粒或者晶体之间的直接的晶粒间键。术语“晶粒”和“晶体”在这里是同义和可互换使用的。

多晶金刚石复合片切割元件典型地是在催化剂(例如钴、铁、镍或者它们的合金和混合物)存在下，在高温和高压条件下将相对小的金刚石晶粒烧结和结合在一起来形成多晶金刚石材料在切割元件基底上的层(例如复合片或者“台”)而形成的。这些处理经常称作高温/高压(HTHP)处理。例如，在将晶粒在HTHP处理中烧结到一起之前，可以讲粉末化的催化剂材料与金刚石晶粒相混合。

通过使用HTHP处理形成金刚石台，催化剂材料可以保持在所形成的多晶金刚石复合片中的金刚石晶粒之间的间隙中。金刚石台中存在催化剂材料会导致当切割元件在使用过程中受热时金刚石台中的热损伤，这归因于在切割元件和地层之间的接触点处的摩擦。

虽然切割元件中的内应力在超过约350℃的温度会开始形成，但多晶金刚石复合片切割元件(在其中催化剂材料保持在该多晶金刚石复合片中)通常在高到约750℃的温度是热稳定的。这种内应力至少部分归因于金刚石台与它所结合到的切割元件基底之间的热膨胀系数的差异。这种热膨胀系数差异会在金刚石台与基底之间的界面处产生相当大的压应力和张应力，并且会导致金刚石台从基底上脱层。在约750℃和更高的温度，由于金刚石台中金刚石材料与催化剂材料之间热膨胀系数的差异，金刚石台自身中的应力会明显增加。例如，钴的线性热膨胀系数会明显高于金刚石，这会导致在金刚石台发热时在该金刚石台中裂纹形成和蔓延，最终导致金刚石台劣化和切割元件失效。

此外，在处于或高于约750℃的温度，多晶金刚石复合片中的一些金刚石晶体会与催化剂材料反应，导致金刚石晶体经历化学损坏或者转化回碳的另一种同素异形体或者另一碳基材料。例如，该金刚石晶体可以在金刚石-晶体边界处石墨化，其会明显削弱该金刚石台。另外在极高的温度，除了石墨，一些金刚石晶体也会转化成一氧化碳和/或二氧化碳。

为了减少与多晶金刚石复合片切割元件中的热膨胀系数差异和金刚石晶体的化学损坏有关的问题，已经开发了所谓的“热稳定的”多晶金刚石复合片(也称作热稳定产品或者“TSP”)。这种热稳定的多晶金刚石复合片可以通过使用例如酸或者酸组合物(例如王水)，将催化剂材料(例如钴)从金刚石台中的相互键合的金刚石晶体之间的间隙中浸提出来而形成。全部的催化剂材料可以从金刚石台中除去，或者催化剂材料可以仅从金刚石台的一部分中除去。已经报道了热稳定的多晶金刚石复合片(在其中基本上全部的催化剂材料已经从金刚石台中浸提出去)在高到约1200℃的温度是热稳定的。但是，也报道了与非浸提的金刚石台相比，这种完全浸提的金刚石台相对更脆和易受到剪应力、压应力和张应力损坏。另外，难以将完全浸提的金刚石台固定到载体基底上。

发明内容

在一些实施方案中，本发明包括形成多晶复合片的方法。该方法可以包括将多个硬质粒子与金属盐合并以形成粉末混合物，并烧结该粉末混合物来形成该多晶复合片。例如，可以模制粉末混合物来形成未烧结的预成形件。金属盐可以包括氟化锂、氟化镁、氟化铍、氟化钙、氟化铝、氟化硅和氟化镓的至少一种。

该方法可以另外包括：通过形成包含金属盐和硬质材料的多个晶粒的粉末混合物和将该粉末混合物置于容器中来形成未烧结的预成形件，将基底与该粉末混合物接触放置，和烧结该未烧结的预成形件。