[发明专利]具有高的韧度和高的耐磨性的多晶金刚石材料

说明书

一种具有高的韧度和高的耐磨性的多晶金刚石材料。一种切削元件，包括：基体；以及设置在切削元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料具有：多个互连的金刚石颗粒；以及设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域包含多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相一起形成多种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成；其中，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约60‑至多大约85％的重量；以及多种金属碳化物相占多种金属相的至少35％的重量。

本申请是申请日为2010年8月6日、申请号为201080044957.6(PCT/US2010/044657)、发明名称为“具有高的韧度和高的耐磨性的多晶金刚石材料”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年8月7日提交的美国专利申请No.61/232,134的优先权，该美国专利申请通过引用整体并入此处。

技术领域

在此公开的实施例总体上涉及用于钻头、例如牙轮钻头和震击钻头中的多晶金刚石镶齿。更具体地讲，本发明涉及具有包括金刚石、金属碳化物和钴的外层的多晶金刚石镶齿。

背景技术

在典型的钻井操作中，钻头转动，同时前行到土壤或岩石地层中。地层通过钻头上的切削元件切削，且切屑通过钻井流体的循环被从井眼冲送出，所述钻井流体通过钻柱向下泵送，且在钻柱与井壁之间的环隙中向着井眼的顶部回流。钻井流体通过钻杆中的通道给送到钻头，且通过钻头的切削面中的喷嘴向外喷出。喷出的钻井流体通过喷嘴被向外高速引导，以帮助切削、冲送出切屑和冷却切削器元件。

具有多种类型的钻头，包括牙轮钻头、震击钻头和刮刀钻头。牙轮钻头包括适于连接到可转动的钻柱的钻头本体，且包括至少一个“牙轮”，所述牙轮可转动地安装到现有技术中通常提及到的悬臂轴或轴颈支承轴。每个牙轮又支撑多个切削元件，所述切削元件切削和/或压碎井眼的壁或底部，从而使钻头前行。切削元件，或镶齿或铣齿，在钻井过程中与地层接触。震击钻头通常包括一体式本体，该本体具有冠部。该冠部包括挤压在其中的镶齿，用于循环地“震击”和抵靠着正被钻的地层转动。

根据钻头上的镶齿的类型和位置，镶齿会执行不同的切削功能，这样，在使用过程中也经受不同的加载条件。两种耐磨镶齿已经被开发用作牙轮钻头和震击钻头上的镶齿：碳化钨镶齿和多晶金刚石镶齿。碳化钨镶齿由烧结碳化钨形成：碳化钨颗粒散布在钴粘合剂基质中。多晶金刚石镶齿通常包括作为基体的烧结碳化钨本体和在镶齿的顶部上直接结合到碳化钨基体的多晶金刚石(“PCD”)层。与较软的、较韧性的碳化钨镶齿相比，由PCD材料形成的外层可提供改善的耐磨性。

根据钻头上的镶齿的类型和位置，镶齿会执行不同的切削功能，这样，在使用过程中也经受不同的加载条件。两种耐磨镶齿已经被开发用作牙轮钻头和震击钻头上的镶齿：碳化钨镶齿和多晶金刚石镶齿。碳化钨镶齿由烧结碳化钨形成：碳化钨颗粒散布在钴粘合剂基质中。多晶金刚石镶齿通常包括作为基体的烧结碳化钨本体和在镶齿的顶部上直接结合到碳化钨基体的多晶金刚石(“PCD”)层。与较软的、较韧性的碳化钨镶齿相比，由PCD材料形成的外层可提供改善的耐磨性。

PCD层通常包括金刚石和金属，且它们的量高达层的大约20％的重量比，以便于金刚石晶间结合和层彼此之间以及与底下的基体的结合。PCD中采用的金属通常从钴、铁或镍和/或它们的混合物或合金中选择，且可包括诸如锰、钽、铬和/或它们的混合物或合金的金属。然而，尽管较高的金属催化剂含量通常会增大最终的PCD材料的韧度，但较高的金属含量也会降低PCD材料硬度，从而，限制了以下灵活性：能够提供既具有期望水平的硬度、又具有期望水平的韧度的PCD涂层。此外，当变量被选择用于增大PCD材料的硬度时，通常脆度也会增大，从而，降低了PCD材料的韧度。