[发明专利]接种有HCP晶体材料的用于钻头的金刚石切割部件

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于陆地钻探的钻头(drill bit)的切割部件。

背景技术

在钻油井和天然气井时，存在两种基本类型的用于钻透地下岩层的钻头：刮刀钻头(drag bit)和牙轮钻头(roller cone bit)。

刮刀钻头不具有活动部件。当刮刀钻头通常通过旋转其附接的钻柱而旋转时，贴附在钻头面上的离散切割部件(“切刀(cutter)”)刮削横跨井底，铲削或剪切地层。将旋转式刮刀钻头的每一个切刀都定位并定向在刮刀钻头的面上，使得将被称为其磨损表面的一部分面在钻头旋转时啮合地层。切刀以固定的预定样式分隔在钻头主体的切割外表面或面上。切刀通常沿若干刀片(blade)的每一个排列，所述刀片为突出的脊，通常以扫掠(sweep)方式(而不是直线)从钻头的中心轴向所述面的周边总体上径向延伸。沿每个刀片的切刀提供对地层预定的切割剖面，在钻头旋转时剪切地层。钻孔流体沿钻柱向下泵入钻头中心形成的中心通道内、然后通过钻头面内形成的出口离开，所述流体既冷却切刀并又协助在刀片之间去除和搬运切屑(cutting)。

牙轮钻头包括两个或三个锥形切刀，其围绕与钻头的旋转轴成35度角的轴旋转。当钻头旋转时，牙轮(cone)横跨孔的底部滚动。当岩石通过牙轮和地层之间时，牙轮表面上的切割部件——也称为切刀——将该岩石压碎。

为了改进钻头的性能，所述切割部件的磨损表面或工作表面中的一个或多个由以附接到衬底的聚晶金刚石复合片(“PDC”)形式存在的聚晶金刚石(“PCD”)层制得。一种常见的衬底是胶结(cemented)碳化钨。PDC制成后将其结合到衬底上，并且PDC结合的衬底包含所述切刀。带有所述PDC切割部件的刮刀钻头有时被称为“PDC钻头”。尽管PDC非常硬且具有高耐磨性或抗磨性，但其倾向于相对易碎。衬底虽然不如PDC硬，但其比PDC更有韧性，而因此具有更高的耐冲击性。通常将衬底制造的足够长以充当安装螺柱，其一部分刚好插入钻头主体中形成的凹槽(pocket)或凹进(recess)，或对于牙轮钻头插入牙轮(roller)形成的袋(packet)内。然而，在某些刮刀钻头中，所述PDC和衬底结构附接至金属安装螺柱，所述安装螺柱随后嵌入凹槽或其它凹进中。

聚晶金刚石复合片通过下述步骤制得：将粉末形式的聚晶金刚石与一种或多种粉末状金属催化剂和其他材料混合，将该混合物形成为复合片，并随后用高热和高压或微波加热烧结它。尽管钴或钴的合金是最常见的催化剂，但其他第VIII族金属如镍、铁及其合金也可以用作催化剂。对于切刀来说，PDC通常通过下述步骤形成：将不含有金属催化剂的聚晶金刚石颗粒(称为“金刚石磨料”)邻近胶结碳化钨衬底进行堆积，并随后将二者烧结在一起。在烧结过程中，衬底中的金属粘结剂——在钴胶结碳化钨的情况下中为钴——扫掠入或渗入所述复合片，充当催化剂以导致相邻金刚石颗粒之间的金刚石-金刚石结合物的形成。结果得到结合的金刚石晶体的团块，所述团块被描述为连续的或一体化的金刚石基质甚至“晶格”，所述金刚石之间的晶格间隙至少部分地填充有金属催化剂。

支撑PDC层的衬底至少部分由胶结金属碳化物(碳化钨最为常见)制成。胶结金属碳化物衬底通过烧结粉末状金属碳化物粉末和金属合金粘结剂形成。PDC和衬底的复合材料(composite)可以以多种不同方法制造。例如，它也可以包括过渡层，其中金属碳化物和金刚石与其他成分混合以改善结合和降低PDC和衬底之间的应力。本文中提及的衬底包括这样的衬底。

由于金属催化剂的存在，PDC表现出热不稳定性。钴具有与金刚石不同的膨胀系数。其膨胀速率更大，因此在更高温度下倾向于削弱金刚石结构。此外，钴的熔点低于金刚石，其可以导致当温度达到或超过钴的熔点时，钴引起PDC内的金刚石晶体开始石墨化，也削弱所述PDC。为使PDC至少更加热稳定，将相当大的百分比——通常超过50％；经常是70％至85％；并且有可能更高——的催化剂从至少一个邻近一个或多个由于摩擦而经受最高温度的工作表面的区域中去除。催化剂通过沥滤工艺去除，所述工艺包括将PDC放置于热的强酸中，所述强酸的实例包括硝酸、氢氟酸、盐酸、或高氯酸、和它们的组合。在某些情况下，可将该酸混合物加热和/或振荡以加快该沥滤工艺。