[发明专利]形成支撑基底和切削元件的方法、切削元件和钻地工具

说明书

一种形成用于切削元件的支撑基底的方法，包括：形成前体组合物，所述前体组合物包括离散的WC颗粒、粘合剂，以及包括Co、Al以及C和W中的一者或多者的离散颗粒。使所述前体组合物经受固结过程以形成固结结构，所述固结结构包含分散在包括Co、Al、W和C的均质粘结剂中的WC颗粒。还描述了形成切削元件的方法、切削元件、相关结构和钻地工具。

优先权要求

本申请要求在2017年5月12日提交的美国专利申请序列号15/594,174“METHODSOF FORMING SUPPORTING SUBSTRATES FOR CUTTING ELEMENTS,AND RELATED CUTTINGELEMENTS,METHODS OF FORIMING CUTTING ELEMENTS,AND EARTH-BORING TOOLS”的申请日的权益。

技术领域

本公开的实施例涉及用于切削元件的支撑基底，并且涉及相关的切削元件、结构、钻地工具和形成所述支撑基底和切削元件的方法。

背景技术

用于在地下地层中形成井筒的钻地工具可以包含固定到主体的多个切削元件。举例来说，固定切削齿钻地旋转钻头(“刮刀钻头”)包含固定地附接到所述钻头的钻头主体的多个切削元件。类似地，牙轮钻地旋转钻头可以包含安装在从钻头主体的支脚延伸的轴承销上的牙轮，使得每个牙轮能够围绕所述牙轮安装在其上的轴承销旋转。可以将多个切削元件安装到所述钻头的每个牙轮。利用切削元件的其他钻地工具包含(例如)取芯钻头、双中心钻头、偏心钻头、混合式钻头(例如，滚动部件与固定切削元件的组合)、扩孔器以及套管铣削工具。

在此类钻地工具中使用的切削元件常常包含基底上的大块多晶金刚石(“PCD”)材料。多晶金刚石的表面担当所谓的多晶金刚石复合片(“PDC”)切削元件的切削面。PCD材料是包含金刚石材料的相互结合的晶粒或晶体的材料。换句话说，PCD材料包含金刚石材料的晶粒或晶体之间的直接粒间结合。术语“晶粒”和“晶体”在本文同义地且可互换地使用。

一般通过以下操作形成PDC切削元件：在存在催化剂(例如，钴、铁、镍或其合金和混合物)的情况下在高温和高压条件下将相对小的金刚石(合成的、天然的或组合)晶粒(被称为“粗砂”)烧结并结合在一起以形成PCD材料的一个或多个层(例如，“压块”或“台”)。这些过程常常被称为高温/高压(或“HTHP”)过程。支撑基底可以包括金属陶瓷材料(即，陶瓷-金属复合材料)，例如钴结碳化钨。在一些情况下，可以例如在HTHP过程期间在切削元件上形成PCD材料。在这些情况下，可以在烧结期间将支撑基底中的催化剂材料(例如，钴)“扫”入金刚石晶粒中，并且用作催化剂材料以便由金刚石晶粒形成金刚石台。还可以使粉末状催化剂材料与金刚石晶粒混合，之后在HTHP过程中将所述晶粒烧结在一起。在其他方法中，可以与支撑基底分开地形成金刚石台并且随后将金刚石台附接到支撑基底。

在使用HTHP过程形成金刚石台之后，催化剂材料可能会留在PDC的相互结合的晶粒之间的间隙空间中。当在使用期间由于切削元件与地层之间的接触点处的摩擦而加热PDC切削元件时，PDC中的催化剂材料的存在可能会导致PDC中的热损伤。因此，可以使用(例如)酸或酸的组合(例如，王水)从所述间隙空间沥滤出催化剂材料(例如，钴)。可以从PDC移除基本上所有的催化剂材料，或者可以仅从PDC的一部分，例如，从PDC的切削面、从PDC的侧面或以上两者移除催化剂材料达期望的深度。然而，完全沥滤的PDC相对更脆，并且比未沥滤的PDC容易受到剪切应力、压缩应力和拉伸应力影响。另外，难以将完全沥滤的PDC紧固到支撑基底。

发明内容

本文描述的实施例包含用于切削元件的支撑基底，以及相关的切削元件、结构、钻地工具和形成所述支撑基底和切削元件的方法。举例来说，根据本文描述的一个实施例，一种形成用于切削元件的支撑基底的方法包括：形成前体组合物，所述前体组合物包括离散WC颗粒、粘合剂，以及包括Co、Al以及C和W中的一者或多者的离散颗粒。使所述前体组合物经受固结过程以形成固结结构，所述固结结构包含分散在包括Co、Al、W和C的均质粘结剂中的WC颗粒。