用于鉆井應(yīng)用的厚的固體碳酸鹽基pcd的燒結(jié)的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]多晶金剛石(“P⑶”)材料及由其形成的rcD元件在本領(lǐng)域中是公知的。在合適的溶劑金屬催化劑材料存在時(shí)，通過使金剛石顆粒經(jīng)受高壓/高溫的工藝條件可以形成傳統(tǒng)的PCD，其中，該溶劑金屬催化劑促進(jìn)了各顆粒間的晶間金剛石-金剛石的期望結(jié)合，從而形成PCD結(jié)構(gòu)。最終的PCD結(jié)構(gòu)提供了改進(jìn)的耐磨屬性及硬度，使該P(yáng)CD材料在需要高級別的耐磨性及硬度的嚴(yán)重磨損及切割應(yīng)用中非常有用。圖1示出了傳統(tǒng)形成的PCD材料10的微觀結(jié)構(gòu)，包括彼此結(jié)合在一起的多個(gè)金剛石晶粒12，以形成晶間金剛石基質(zhì)第一相。用于促進(jìn)在燒結(jié)工藝期間發(fā)生的金剛石間結(jié)合的所述催化劑/結(jié)合劑材料14，例如鈷，分散于形成于金剛石基質(zhì)第一相之間的間隙區(qū)域中。如本領(lǐng)域所公知及確定的那樣，術(shù)語“顆粒”是指在燒結(jié)超硬材料之前使用的粉末，而術(shù)語“晶粒”是指在燒結(jié)之后能夠識別的超硬區(qū)域。
[0002]通?？梢杂脙煞N方式來提供用于促進(jìn)金剛石間結(jié)合的所述催化劑/結(jié)合劑材料。可以以原料粉末的形式提供所述催化劑/結(jié)合劑，該粉末與金剛石晶?；蛏傲Ｔ跓Y(jié)之前預(yù)混。在其他方法中，可以以從下方的基體材料向所述金剛石材料中滲入(在高溫/高壓工藝中)的方式提供所述催化劑/結(jié)合劑，最終的PCD材料結(jié)合到所述基體材料。在所述催化劑/結(jié)合劑材料已經(jīng)促進(jìn)了金剛石間的結(jié)合后，催化劑/結(jié)合劑材料通常遍布金剛石基質(zhì)地在結(jié)合的金剛石晶粒之間形成的間隙區(qū)域之內(nèi)分布。特別地，如圖1所示，結(jié)合劑材料14在傳統(tǒng)的PCD材料10中不是連續(xù)地遍布微觀結(jié)構(gòu)。相反，傳統(tǒng)的PCD材料10的微觀結(jié)構(gòu)可以具有在PCD晶粒之間均勻分布的結(jié)合劑。因此，通過傳統(tǒng)的PCD材料的破裂傳播將經(jīng)常行進(jìn)通過較為不易延展的和易碎的晶粒，或者穿晶地通過金剛石晶粒/結(jié)合劑界面15，或晶間地通過金剛石晶粒/金剛石晶粒界面16。
[0003]溶劑催化劑材料可以促進(jìn)金剛石晶間結(jié)合，以及促進(jìn)PCD層彼此結(jié)合以及與下方的基體結(jié)合。用于形成傳統(tǒng)PCD的溶劑催化劑材料包括選自元素周期表第VIII族的金屬，例如鈷、鐵或鎳和/或它們的混合物或合金，其中，最常見的是鈷。傳統(tǒng)的PCD可以包括從85至95%體積比的金剛石，以及剩余量的溶劑催化劑材料。但是，盡管更高金屬含量會增加最終PCD材料的韌性，但更高金屬含量還減小PCD材料的硬度，因此限制了能夠提供具有硬度和韌性兩個(gè)期望的級別的PCD涂層的靈活性。此外，當(dāng)選擇變量以增加PCD材料的硬度時(shí)，易碎性也增加，從而減少了 PCD材料的韌性。
[0004]P⑶被廣泛用于鉆井應(yīng)用中，例如用于多種類型的鉆頭上的切割元件中。盡管P⑶非常堅(jiān)硬和耐磨損，但PCD切割元件仍然可能在正常操作期間損壞。損壞可能以三種常見形式發(fā)生，即磨損、疲勞與沖擊破裂。由于PCD相對于地層的相對滑動而發(fā)生磨損機(jī)理，且其作為故障模型的突出物涉及地層的磨損性，以及其它因素(例如，地層硬度或強(qiáng)度，以及在與地層的接觸期間涉及的相對滑動的量)。過度高的接觸應(yīng)力和高溫，與非常不利的井下環(huán)境一起也趨于引起金剛石層的嚴(yán)重磨損。疲勞機(jī)理涉及表面裂縫的漸進(jìn)傳播，在PCD上開始、進(jìn)入PCD層之下的材料中直到裂縫長度足夠剝落或崩刃。最后，沖擊機(jī)理涉及表面裂縫或在PCD層上開始的內(nèi)部裂紋的突然傳播，進(jìn)入PCD層之下的材料中直到裂縫長度足夠剝落、崩刃、或切割元件的毀滅性損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本概述用于引入在下面詳細(xì)描述的選取的構(gòu)思。本概述不是用于定義要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或本質(zhì)性特征，也不是用于幫助限定要求保護(hù)的主題的范圍。
[0006]一方面，本公開的實(shí)施例涉及一種制作多晶金剛石復(fù)合片的方法，包括:形成金剛石顆粒和碳酸鹽材料預(yù)混的多個(gè)層，其中，所述碳酸鹽材料選自于堿土金屬碳酸鹽，其中，相鄰層中的每個(gè)層的金剛石與碳酸鹽的重量百分比之比不同；使所述層經(jīng)受高壓高溫條件。
[0007]另一方面，本公開的實(shí)施例涉及一種多晶金剛石結(jié)構(gòu)，包括:多晶金剛石體，其由形成基質(zhì)相的多個(gè)結(jié)合到一起的金剛石晶粒、介于結(jié)合到一起的金剛石晶粒之間的多個(gè)間隙區(qū)域以及設(shè)置在間隙區(qū)域內(nèi)的碳酸鹽材料制成，其中，碳酸鹽材料選自于堿土金屬碳酸土卜
ΠΤΤ.0
[0008]又一個(gè)方面，本公開的實(shí)施例涉及一種井下工具，包括:本體、從本體延伸的多個(gè)刀片以及設(shè)置在所述多個(gè)刀片上的至少一個(gè)多晶金剛石切割元件，其中，所述多晶金剛石切割元件具有多晶金剛石體，其由形成基質(zhì)相的多個(gè)結(jié)合到一起的金剛石晶粒、介于結(jié)合到一起的金剛石晶粒之間的多個(gè)間隙區(qū)域以及設(shè)置在間隙區(qū)域內(nèi)的碳酸鹽材料制成，其中，碳酸鹽材料選自于堿土金屬碳酸鹽；并且其中，多晶金剛石體進(jìn)一步具有在工作面和非工作面之間測得的高度，其中，所述高度大于4mm。
[0009]要求保護(hù)的主題的其它方面和優(yōu)點(diǎn)通過后面的描述和所附的權(quán)利要求而變得明確。
【附圖說明】
[0010]本公開的實(shí)施例參照后面的附圖進(jìn)行描述。在所有附圖中相同的數(shù)字指代相同的特征和部件。
[0011]圖1示出傳統(tǒng)方式形成的多晶金剛石的微結(jié)構(gòu)。
[0012]圖2示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的碳酸鹽基多晶金剛石體。
[0013]圖3示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的預(yù)混層。
[0014]圖4示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的預(yù)混層和滲入層。
[0015]圖5示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的預(yù)混層和滲入層。
[0016]圖6示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的預(yù)混層和滲入層。
[0017]圖7示出耐磨性與預(yù)混的碳酸鎂的量的對比。
[0018]圖8示出滲入深度與預(yù)混的碳酸鎂的量的對比。
[0019]圖9示出深浸濾的傳統(tǒng)多晶金剛石和本公開的碳酸鹽基多晶金剛石材料的耐磨性的對比。
[0020]圖10示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的預(yù)混層和兩個(gè)滲入層。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如本文所使用的，術(shù)語“碳酸鹽基多晶金剛石”是指，在碳酸鹽材料存在時(shí)，通過使單獨(dú)的金剛石顆粒經(jīng)受足夠高壓高溫(HPHT)條件使相鄰的金剛石晶體間發(fā)生晶間結(jié)合，以形成金剛石間結(jié)合網(wǎng)絡(luò)或基質(zhì)相以及分散于該結(jié)合在一起的金剛石晶粒間的多個(gè)間隙區(qū)域而制備的最終材料。本發(fā)明的碳酸鹽基多晶金剛石可以被稱為多晶金剛石或PCDdSf同于傳統(tǒng)的使用過渡金屬溶劑催化劑形成的多晶金剛石(描述于【背景技術(shù)】部分)。
[0022]根據(jù)本公開的實(shí)施例，碳酸鹽基多晶金剛石體的微觀結(jié)構(gòu)可以包括由結(jié)合在一起的多個(gè)金剛石晶粒構(gòu)成的基質(zhì)相和置于結(jié)合在一起的金剛石晶粒間的多個(gè)間隙區(qū)域以及設(shè)置于所述間隙區(qū)域內(nèi)的碳酸鹽材料，其中，所述碳酸鹽材料選自一種堿土金屬碳酸鹽或選自堿金屬碳酸鹽和堿土金屬碳酸鹽的組合。在本發(fā)明的碳酸鹽基多晶金剛石材料中，對于形成金剛石間結(jié)合來說，不必需包括過渡金屬催化劑、硅和/或含硅復(fù)合物，因此所述碳酸鹽基多晶金剛石體可以不含有這些材料。
[0023]圖2示出了根據(jù)本公開的某些實(shí)施例的多晶金剛石體。該金剛石體200具有工作面210、外側(cè)面220和非工作面230，其中，高度240在工作面210與非工作面230之間測量。根據(jù)某些實(shí)施例，該高度可以大于2mm，在某些實(shí)施例中，該高度可以大于4mm，在某些實(shí)施例中，該高度可以大于6_。如這里使用的，工作面可指的是接觸和切割工件或地質(zhì)地層的多晶金剛石體的外表面。然而，由于本公開的多晶金剛石體包括固體多晶金剛石材料(例如，不需要被附著的基體)，本公開的多晶金剛石體可以被旋轉(zhuǎn)以使多于一個(gè)的表面在多個(gè)位置作為工作面。因此，工作面根據(jù)多晶金剛石體相對于正被切割的地層的位置而可以是本公開的多晶金剛石體的不同的外表面。圖2所示的工作面210為金剛石體200的頂表面，而非工作面230為金剛石體200的底表面。然而，一旦金剛石體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，非工作面此時(shí)可能作為工作面，反之亦然。因此，根據(jù)本公開的多晶金剛石體的高度240可以在金剛石體的相對外表面之間測量，其中，在測量時(shí)一個(gè)表面作為工作面。此外，圖2所示的金剛石體200具有圓柱形狀。然而，本公開的碳酸鹽基多晶金剛石材料可以形成為其它形狀，例如矩形或三角形棱柱。
[0024]如上所述，多晶金剛石體具有多個(gè)結(jié)合到一起的金剛石晶粒構(gòu)成的基質(zhì)相