制作多晶金剛石的方法和包括多晶金剛石的切割元件和鉆地工具的制作方法
【專利摘要】制作多晶金剛石的方法，其包括用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面，將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆?；旌衔铮褪乖擃w?；旌衔锝?jīng)歷高壓和高溫(HPHT)條件以在金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒之間形成晶粒間鍵。用于鉆地工具的切割元件包含通過這種方法形成的多晶金剛石材料。鉆地工具包括這種切割元件。
【專利說明】制作多晶金剛石的方法和包括多晶金剛石的切割元件和鉆地工具
[0001]優(yōu)先權(quán)權(quán)利
[0002]本申請(qǐng)要求2011年9月16日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/535，475的提交日權(quán)益，該申請(qǐng)的 申請(qǐng)人:為DiGiovanni和Chakraborty，名稱為“METHODS OF FABRICATINGPOLYCRYSTALLINE DIAMOND,AND CUTTING ELEMENTS AND EARTH-BORING TOOLS COMPRISINGPOLYCRYSTALLINE DIAMOND”。
[0003]本申請(qǐng)的主題涉及到與其同一日期提交的 申請(qǐng)人:為Anthony A.DiGiovanni的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/—，—(代理案號(hào)1684-P10759.1US(NAN4-52001-US))的主題。本申請(qǐng)的主題還涉及2011年12月9日提交的 申請(qǐng)人:為Mazyar等人的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/316，094 (代理案號(hào) NAN4-52588-US/BA00893US)的主題。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明的實(shí)施方案總體上涉及形成多晶金剛石材料的方法，包含多晶金剛石材料的切割元件，和包括該切割元件的用于鉆探地下地層的鉆地工具。
[0005]發(fā)明背景
[0006]用于在地下地層中形成井容器的鉆地工具可以包括多個(gè)安裝在機(jī)身上的切割元件。例如，固定刀具的鉆地旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆頭(也稱作“刮刀鉆頭”)包括多個(gè)切割元件，其固定附接到鉆頭的鉆頭體。類似地，牙輪鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭包括牙輪，其安裝到從鉆頭體的支架延伸的軸承銷，以使得每個(gè)牙輪能夠繞著它安裝到其上的軸承銷旋轉(zhuǎn)。多個(gè)切割元件可以安裝到鉆頭的每個(gè)牙輪。
[0007]用于這種鉆地工具的切割元件經(jīng)常包括多晶金剛石刀具(經(jīng)常稱作“roc”)，其是包括多晶金剛石(PCD)材料的切割元件。這種多晶金剛石切割元件如下來形成:在高溫和高壓條件下，在催化劑(例如鈷、鐵、鎳或者其合金和混合物)存在下，將相對(duì)小的金剛石晶?；蚓w燒結(jié)和結(jié)合在一起，以在切割元件基底上形成多晶金剛石材料層。這些處理經(jīng)常稱作高壓高溫(或“HPHT”)處理。切割元件基底可以包含金屬陶瓷材料(即陶瓷-金屬復(fù)合材料)，例如鈷燒結(jié)碳化鎢。在這種情況中，切割元件基底中的鈷(或其他催化劑材料)可以在燒結(jié)過程中進(jìn)入金剛石晶?；蚓w中，并且充當(dāng)催化劑材料用于由金剛石晶粒或晶體來形成金剛石臺(tái)。在其他方法中，在金剛石晶?；蛘呔w在HPHT方法中一起燒結(jié)之前，粉末化的催化劑材料可以與該晶粒或者晶體混合。
[0008]通過使用HPHT處理形成金剛石臺(tái)，催化劑材料可以保持在所形成的多晶金剛石臺(tái)中的金剛石晶?；蛘呔w之間的間隙中。金剛石臺(tái)中存在的催化劑材料會(huì)導(dǎo)致當(dāng)切割元件在使用過程中受熱時(shí)金剛石臺(tái)中的熱損傷，這歸因于在切割元件和地層之間的接觸點(diǎn)處的摩擦。多晶金剛石切割元件(在其中催化劑材料保持在該金剛石臺(tái)中)通常在高到約750°C的溫度是熱穩(wěn)定的，不過多晶金剛石臺(tái)中的內(nèi)應(yīng)力在超過約350°C的溫度會(huì)開始形成。這種內(nèi)應(yīng)力至少部分歸因于金剛石臺(tái)和它所結(jié)合到的切割元件基底之間的熱膨脹率的差異。這種熱膨脹率差異會(huì)在金剛石臺(tái)與基底之間的界面處產(chǎn)生相對(duì)較大的壓應(yīng)力和張應(yīng)力，并且會(huì)導(dǎo)致金剛石臺(tái)從基底上脫層。在約750°C和更高的溫度，金剛石臺(tái)中的應(yīng)力會(huì)明顯增加，這歸因于金剛石臺(tái)自身中金剛石材料和催化劑材料之間熱膨脹系數(shù)的差異。例如，鈷熱膨脹明顯快于金剛石，這會(huì)導(dǎo)致在包含鈷的金剛石臺(tái)中裂紋形成和蔓延，最終導(dǎo)致金剛石臺(tái)劣化和切割元件失效。
[0009]為了減少與多晶金剛石切割元件中熱膨脹速率不同有關(guān)的問題，已經(jīng)開發(fā)了所謂的“熱穩(wěn)定的”多晶金剛石(TSD)切割元件。這種熱穩(wěn)定的多晶金剛石切割元件可以通過使用例如酸將催化劑材料(例如鈷)從金剛石臺(tái)中的金剛石晶粒之間的間隙中浸提出來而形成?？梢詮慕饎偸_(tái)中除去全部的催化劑材料，或者可以僅除去一部分。已經(jīng)報(bào)道了熱穩(wěn)定的多晶金剛石切割元件(在其中基本上全部的催化劑材料已經(jīng)從金剛石臺(tái)中浸提出去)在高到約1200°C的溫度是熱穩(wěn)定的。但是，也報(bào)道了與非浸提的金剛石臺(tái)相比，這種完全浸提的金剛石臺(tái)相對(duì)更脆和容易受到剪應(yīng)力、壓應(yīng)力和張應(yīng)力損壞。在提供具有相對(duì)于非浸提的金剛石臺(tái)更熱穩(wěn)定，但與完全浸提的金剛石臺(tái)相比也相對(duì)不太脆和不太容易受到剪應(yīng)力、壓應(yīng)力和張應(yīng)力損壞的金剛石臺(tái)的切割元件的努力中，已經(jīng)提供了包括僅部分催化劑材料已經(jīng)從金剛石臺(tái)中浸提的金剛石臺(tái)的切割元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]在本公開的一些實(shí)施方案中，一種制作多晶金剛石的方法包括用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面，將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆粒混合物，和使該顆?；旌衔锝?jīng)歷高壓和高溫(HPHT)條件以在金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒之間形成晶粒間鍵。
[0011]在一些實(shí)施方案中，一種用于鉆地工具的切割元件包含通過包括以下的方法形成的多晶金剛石材料:用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面，將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆?；旌衔铮褪乖擃w?；旌衔锝?jīng)歷HPHT條件以在金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒之間形成晶粒間鍵。
[0012]在一些實(shí)施方案中，一種鉆地工具包括切割元件。該切割元件包含通過包括以下方法形成的多晶金剛石材料:用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面，將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆?；旌衔铮褪乖擃w?；旌衔锝?jīng)歷HPHT條件以在金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒之間形成晶粒間鍵。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是包括在基底上的大量多晶金剛石的切割元件的一種實(shí)施方案的部分剖開透視圖；
[0014]圖2是表示在放大視圖下圖1的切割元件的多晶金剛石的微觀結(jié)構(gòu)如何呈現(xiàn)的簡(jiǎn)化圖；
[0015]圖3A-3D顯示了通過將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆?；旌衔铮糜谛纬蓤D1的切割元件的多晶金剛石；
[0016]圖4是一個(gè)簡(jiǎn)化的橫截面圖，顯示了用于在容器中形成圖1的切割元件的材料，其包含參考圖3所述而形成的顆粒混合物，該容器準(zhǔn)備經(jīng)歷HPHT燒結(jié)過程；
[0017]圖5A和5B顯示了在封閉腔室內(nèi)，在含有烴物質(zhì)(例如甲烷)的氣態(tài)環(huán)境中，圖3的材料包封在圖4的容器中；和
[0018]圖6顯示了一個(gè)鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭，其包括此處所述的多晶金剛石切割元件。
【具體實(shí)施方式】
[0019]這里所提出的圖示并不表示任何具體的材料、設(shè)備、系統(tǒng)或方法的實(shí)際視圖，而僅是理想化的表示，其用于描述本發(fā)明的某些實(shí)施方案。為了清楚說明，在本發(fā)明實(shí)施方案中共有的不同的特征和元件可以用相同或類似的附圖標(biāo)記來表示。
[0020]圖1顯示了切割元件100，其可以根據(jù)這里公開的方法的實(shí)施方案來形成。切割元件100包括多晶金剛石102。任選地，切割元件100還可以包括基底104，多晶金剛石102可以結(jié)合到該基底。例如，基底104可以包括通常鈷燒結(jié)碳化鎢材料的圓柱體，不過也可以使用不同幾何形狀和組成的基底。多晶金剛石102可以為基底104上的多晶金剛石102的臺(tái)(即層)的形式，如圖1所示。多晶金剛石102可以提供在(例如形成于或者固定到)基底104的表面上。在另外的實(shí)施方案中，切割元件100可以簡(jiǎn)單地包括一定體積的多晶金剛石102 (具有任何所需的形狀)，并且可以不包括任何基底104。
[0021]如圖2所示，多晶金剛石102可以包含散布的和相互鍵合的金剛石晶粒，其形成了金剛石材料的三維網(wǎng)絡(luò)。在一些實(shí)施方案中，多晶金剛石102的金剛石晶粒任選地可以具有多峰晶粒尺寸分布。例如，多晶金剛石102可以包括較大的金剛石晶粒106和較小的金剛石晶粒108。較大的金剛石晶粒106和/或較小的金剛石晶粒108的平均顆粒尺寸(例如平均直徑)可以小于1mm，小于0.1mm,小于0.0lmm,小于I μ m,小于0.1 μ m或者甚至小于
0.01 μ mo S卩，較大的金剛石晶粒106和較小的金剛石晶粒108可以均包括微米金剛石晶粒(約I μ m-約500 μ m(0.5mm)的金剛石晶粒)、亞微米金剛石晶粒(約500nm(0.5 μ m)-約
Iμ m的金剛石晶粒)和/或金剛石納米顆粒(平均顆粒直徑是約500nm或更低的顆粒)。在一些實(shí)施方案中，較大的金剛石晶粒106可以是微米金剛石晶粒，較小的金剛石晶粒108可以是亞微米金剛石晶?；蛘呓饎偸{米顆粒。在一些實(shí)施方案中，較大的金剛石晶粒106可以是亞微米金剛石晶粒，較小的金剛石晶粒108可以是金剛石納米顆粒。在其他實(shí)施方案中，多晶金剛石102的金剛石晶?？梢跃哂袉畏寰Я３叽绶植肌Ｔ趫D2中，金剛石晶粒106、108之間直接的金剛石-金剛石晶粒間鍵用虛線110來表示。間隙112(圖2中的黑色陰影)存在于多晶金剛石102的相互鍵合的金剛石晶粒106、108之間。這些間隙112可以至少部分地填充有固體物質(zhì)，例如金屬溶劑催化劑(例如鐵、鈷、鎳或者其合金或混合物)和/或無碳材料。在其他實(shí)施方案中，間隙112可以包括多晶金剛石102中的空隙，在其中不存在固體或液體物質(zhì)(不過氣體如空氣可以存在于該空隙中)。這種空隙可以通過在形成多晶金剛石102之后，從間隙112中除去(例如浸提)固體材料來形成。在仍然另外的實(shí)施方案中，在多晶金剛石102的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中，間隙112可以至少部分地填充有固體物質(zhì)，而在多晶金剛石102的一個(gè)或多個(gè)其他區(qū)域中，間隙112包括空隙。
[0022]這里公開的方法的實(shí)施方案可以用于形成多晶金剛石102，并且可以在多晶金剛石102中的金剛石晶粒106、108之間產(chǎn)生改進(jìn)的晶粒間金剛石-金剛石鍵合。
[0023]無碳顆粒(例如納米顆粒、亞微米顆粒和/或微米尺寸顆粒)可以用金剛石前體官能團(tuán)來官能化，并且在金剛石晶粒經(jīng)歷HPHT加工來形成多晶金剛石102之前與金剛石顆粒(例如納米顆粒、亞微米顆粒和/或微米尺寸顆粒)混合。圖3A-3D顯示了可以用于形成顆粒混合物以經(jīng)歷HPHT條件來形成多晶金剛石102的方法的示例實(shí)施方案。
[0024]圖3A顯示了金剛石納米顆粒130的簡(jiǎn)化圖。金剛石納米顆粒130可以是單峰的或多峰的(包括雙峰的)。在一些實(shí)施方案中，金剛石納米顆粒130可以包括外部碳?xì)?，其在本領(lǐng)域中可以被稱作碳“洋蔥”。在其他實(shí)施方案中，金剛石納米顆粒130可以不包括任何這樣的外部碳?xì)ぁ?br> [0025]如圖3B所示，金剛石納米顆粒130可以與具有無碳芯的經(jīng)官能化的納米顆粒131合并和混合，以形成第一顆粒混合物132。經(jīng)官能化的納米顆粒131可以具有芯，其包括例如金屬或金屬合金。該金屬或者金屬合金可以是例如鐵、鈷、鎳或者這些金屬的合金或混合物。這些金屬可以充當(dāng)溶劑金屬催化劑，用于形成直接的金剛石-金剛石晶粒間鍵，如本領(lǐng)域中已知的那樣。在另外的實(shí)施方案中，經(jīng)官能化的納米顆粒131可以具有芯，其包括陶瓷材料例如氧化物(例如氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)等)或氮化物。
[0026]作為非限定性的例子，該芯可以用官能團(tuán)例如甲基官能團(tuán)或乙炔官能團(tuán)來官能化。包含碳和氧的官能團(tuán)可以增強(qiáng)多晶金剛石102中的金剛石晶粒106、108之間的晶粒間金剛石-金剛石鍵的形成(圖2)。不受限于具體的理論，化學(xué)官能團(tuán)中的氫可以在HPHT條件下在金剛石顆粒附近提供還原性氣氛。例如，在HPHT條件下，該官能團(tuán)可以至少部分地離解或分解。這種分解的產(chǎn)物可以包括單質(zhì)碳和氫。
[0027]在一些實(shí)施方案中，無碳芯(例如無碳納米顆粒，如陶瓷納米顆粒)可以通過將該無碳芯暴露于包含碳和氫的官能團(tuán)來官能化。例如，該官能團(tuán)可以是甲基，其通過將該無碳芯暴露于甲烷氣環(huán)境來提供。甲烷氣可以通過化學(xué)氣相沉積(CVD)在該無碳芯上形成碳基官能團(tuán)。在某些實(shí)施方案中，納米顆粒可以用酸處理，然后用聚合物包封。這種方法描述在 A.R.Mahdavian 等人的 “Nanocomposite particles with core-shell morphologyIII!preparation and characterization of nano Al203-poly(styrene-methylmethacrylate)particles via miniemulsion polymerization ”，63PolymerBulletin329-340(2009)中。在其他實(shí)施方案中，該無碳芯可以使用技術(shù)例如公開在例如2011年10月20日公布的美國(guó)專利申請(qǐng)公布2011/0252711 (名稱為“Method of PreparingPolycrystalline Diamond from Derivatized Nanodiamond”)中的那些技術(shù)來官能化。
[0028]在一些實(shí)施方案中，具有不同的官能團(tuán)的經(jīng)官能化的納米顆粒131可以在經(jīng)官能化的納米顆粒131與金剛石納米顆粒130混合之前進(jìn)行摻合。例如，具有第一官能團(tuán)的經(jīng)官能化的納米顆粒131可以以任何比例與具有第二官能團(tuán)的經(jīng)官能化的納米顆粒131摻合。因此，可以選擇或調(diào)節(jié)在經(jīng)官能化的納米顆粒131的混合物和在所形成的第一顆?；旌衔?32中每種官能團(tuán)的量?？梢赃x擇具體的官能團(tuán)或官能團(tuán)的組合來具有碳原子與氫原子所選擇的比例。例如，官能團(tuán)或官能團(tuán)的組合的碳原子與氫原子之比可以是約1: 1-約1:3，例如約1:2-約1:3。
[0029]如圖3B所示，第一顆粒混合物132可以例如通過將經(jīng)官能化的納米顆粒131和金剛石納米顆粒130懸浮于液體中形成懸浮體而形成。該懸浮體可以干燥，留下第一顆粒混合物132，其可以是粉末產(chǎn)物(例如粉餅)形式。干燥方法可以包括例如以下的一種或多種:噴霧干燥方法、冷凍干燥方法、急驟干燥方法或者本領(lǐng)域已知的任何其他干燥方法。
[0030]任選地，第一顆?；旌衔?32可以壓碎、研磨或者以其他方式攪拌，以形成第一顆?；旌衔?32的相對(duì)小的簇或者聚集體133，如圖3C所示。第一顆?；旌衔?32的聚集體133可以與相對(duì)較大的金剛石顆粒134(即，金剛石“磨料?！?合并和混合以形成第二顆粒混合物135，如圖3D所示。作為一個(gè)非限定性例子，相對(duì)較大的金剛石顆粒134可以是微米金剛石顆粒和/或亞微米金剛石顆粒，平均顆粒尺寸是約五百納米(500nm)至約十微米(10 μ m)。相對(duì)較大的金剛石顆粒134如同金剛石納米顆粒130那樣，可以包括或者可以不包括外部碳?xì)ぁ?br> [0031]在另外的實(shí)施方案中，第二顆?；旌衔?35可以如下來形成:將相對(duì)較大的金剛石顆粒134與金剛石納米顆粒130和經(jīng)官能化的納米顆粒131 —起懸浮于液體懸浮體中，隨后使用技術(shù)例如前面公開的那些來干燥該液體懸浮體。在這種方法中，不會(huì)產(chǎn)生不同的第一和第二顆?；旌衔?，因?yàn)榻饎偸{米顆粒130、經(jīng)官能化的納米顆粒131和相對(duì)較大的金剛石顆粒134可以一起合并在單個(gè)液體懸浮體中，其可以干燥以直接形成第二顆?；旌衔?135。
[0032]第二顆?；旌衔?35因此包括金剛石納米顆粒130、經(jīng)官能化的納米顆粒131和較大的金剛石顆粒134。第二顆?；旌衔?35然后可以經(jīng)歷HPHT加工以形成多晶金剛石102。任選地，第二顆?；旌衔?35可以經(jīng)歷研磨加工，然后使第二顆?；旌衔?35經(jīng)歷HPHT過程。
[0033]在一些實(shí)施方案中，HPHT條件可以包括至少約1400°C的溫度和至少約5.0GPa的壓力。
[0034]參見圖4，顆?；旌衔?35可以位于容器118 (例如金屬容器)中。顆?；旌衔?35包括金剛石納米顆粒130和相對(duì)較大的金剛石顆粒134，其最終在燒結(jié)過程中分別形成多晶金剛石102中的金剛石晶粒108、106 (圖2)。顆粒混合物135還包括經(jīng)官能化的納米顆粒 131。
[0035]如圖4所示，容器118可以包括內(nèi)杯120，顆?；旌衔?35可以布置在其中。如果切割元件100包括基底104，則基底104任選地可以在內(nèi)杯120中提供在顆?；旌衔?35之上或之下，并且可以最終包封在容器118中。容器118可以進(jìn)一步包括頂端片122和底端片124，其可以在內(nèi)杯120周圍與顆?；旌衔?35和其中任選的基底104 —起組裝和結(jié)合(例如型鍛結(jié)合)。該密封的容器118然后可以經(jīng)歷HPHT過程以形成多晶金剛石102。
[0036]在一些實(shí)施方案中，烴物質(zhì)例如甲烷氣、另一種烴或者烴的混合物也可以包封在容器118中，處于顆?；旌衔?35中不同顆粒之間的空間中。甲烷是用于在CVD方法中形成多晶金剛石膜的主要碳源之一。如果使用，烴物質(zhì)會(huì)滲入容器118(例如容器118的內(nèi)杯120)，其中存在著顆?；旌衔?35。容器118然后可以用顆?；旌衔?35和其中的烴物質(zhì)密封?？梢栽陬w?；旌衔?35上進(jìn)行了真空凈化處理(例如在將金剛石顆粒116和/或容器118暴露于處于所選溫度的減壓(真空)環(huán)境以蒸發(fā)揮發(fā)性化合物)以降低容器118內(nèi)的雜質(zhì)之后弓I入烴物質(zhì)。烴物質(zhì)也可以在壓力下引入容器118中，以便在密封容器118和將該密封的容器118經(jīng)歷HPHT條件之前選擇性控制烴物質(zhì)的濃度。換句話說，通過選擇性控制烴物質(zhì)的壓力(例如分壓)，也能夠選擇性控制密封容器118中的烴物質(zhì)的濃度。在烴物質(zhì)在壓力下引入到容器118中的一些實(shí)施方案中，烴物質(zhì)的分壓可以是至少約IOkPa,至少約IOOkPa,至少約1000kPa(l.0MPa)，至少約lOMPa，至少約IOOMPa或者甚至至少約500MPa。
[0037]在密封容器118和將該密封的容器118經(jīng)歷HPHT條件之前，可以選擇性控制顆?；旌衔?35、任選的烴物質(zhì)和容器118的溫度。例如，可以在例如小于_150°C，小于_161°C或者小于_182°C的溫度引入烴物質(zhì)和密封容器118。在一些實(shí)施方案中，烴物質(zhì)可以在分別是液氮和液氦溫度的約_196°C (77K)或者甚至約_269°C (4.2K)的溫度引入。在這樣的溫度，烴物質(zhì)可以是液體或固體，并且密封具有烴物質(zhì)的容器118可以比密封容器118中的氣態(tài)烴物質(zhì)相對(duì)更簡(jiǎn)單。具體地，如果烴物質(zhì)是甲烷，則該甲烷可以是處于小于_161°C的溫度的液體形式和小于_182°C的溫度的固體形式，其分別是甲烷的沸點(diǎn)和熔點(diǎn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇其他烴物質(zhì)處于液體或固體形式時(shí)的適當(dāng)溫度，在此不再列舉。
[0038]圖5A顯示了置于封閉腔室128中的容器118(圖4)的內(nèi)杯120中的顆粒混合物135。烴物質(zhì)可以通過入口 139引入到封閉腔室128中，如圖5A中的方向箭頭所示?？梢赃x擇性控制(例如提高)封閉腔室128內(nèi)烴物質(zhì)的壓力，以選擇性控制要包封到容器118內(nèi)的烴物質(zhì)的量(圖4)。例如，封閉腔室128內(nèi)烴物質(zhì)的壓力可以是至少約IOkPa,至少約IOOkPa,至少約1000kPa(l.0MPa)，至少約lOMPa，至少約IOOMPa或者甚至至少約500MPa。
[0039]參見圖5B，容器118可以組裝在封閉腔室128內(nèi)，以將封閉腔室128中的氣態(tài)環(huán)境中存在的顆?；旌衔?35和烴物質(zhì)包封在容器118內(nèi)。該密封的容器118然后可以經(jīng)歷HPHT加工。
[0040]在一些實(shí)施方案中，在將顆?；旌衔?35置入容器118后，烴物質(zhì)可以引入到容器118中以經(jīng)歷HPHT加工。在其他實(shí)施方案中，在將顆粒混合物135置入容器118中以經(jīng)歷HPHT加工之前，烴物質(zhì)可以引入到在分別的容器中的顆?；旌衔?35中。在該實(shí)施方案中，顆粒混合物135可以保持在烴環(huán)境中，直到它密封在容器118中以經(jīng)歷HPHT加工。
[0041]在本公開另外的實(shí)施方案中，烴物質(zhì)可以與顆粒混合物135混合，并且密封到容器118中以經(jīng)歷HPHT加工，同時(shí)該烴物質(zhì)處于固態(tài)或液態(tài)。例如，烴物質(zhì)可以是壓縮的液體或固態(tài)或者烴與其他材料的配合物。在一些實(shí)施方案中，烴物質(zhì)可以包括水合的烴，例如甲烷水合物(即甲烷包合物)、乙烷水合物等。甲烷水合物、其他烴水合物或者其他形式的烴混合物(其可以是液體或固體形式)可以與顆粒混合物135—起引入。引入烴物質(zhì)可以任選地在低于室溫的溫度(例如低溫)進(jìn)行。例如，烴物質(zhì)可以與顆?；旌衔?35—起在烴物質(zhì)形成液體或固體的溫度例如小于_150°C，小于_161°C或者小于_182°C的溫度引入。
[0042]不受限于任何具體的理論，據(jù)信經(jīng)官能化的納米顆粒131上的官能團(tuán)和任選的烴物質(zhì)促進(jìn)了金剛石晶粒106、108之間的金剛石-金剛石晶粒間鍵110的形成,如圖2所示。例如，官能團(tuán)和烴物質(zhì)可以在HPHT條件中離解。每個(gè)碳原子在離解后可以與一個(gè)或多個(gè)金剛石顆粒(例如金剛石納米顆粒130或者相對(duì)較大的金剛石顆粒134(圖3D))鍵合。氫原子在離解后可以形成氫氣(H2)，其可以是還原劑。一些氫氣可以與多晶金剛石102中的雜質(zhì)或催化劑材料(如果存在)反應(yīng)。一些氫氣會(huì)擴(kuò)散出該多晶金剛石102，并且會(huì)與容器118的材料反應(yīng)。一些氫氣會(huì)鍵合到多晶金剛石102的暴露表面以形成氫封端的多晶金剛
O
[0043]包括如此處所述而制作的多晶金剛石102的切割元件100的實(shí)施方案(圖1)可以安裝到鉆地工具上和用于根據(jù)本公開另外的實(shí)施方案來除去地下地層材料。圖6顯示了固定刀具鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭160。鉆頭160包括鉆頭體162。這里所述的多個(gè)切割元件100可以安裝到鉆頭160的鉆頭體162上。切割元件100可以釬焊或者以其他方式固定到鉆頭體162的外表面中形成的凹處內(nèi)。其他類型的鉆地工具例如牙輪鉆頭、沖擊鉆頭、混合式鉆頭、擴(kuò)眼鉆頭等也可以包括此處所述的切割元件100。[0044]使用這里所述的方法制作的多晶金剛石102(圖1和2)會(huì)表現(xiàn)出改進(jìn)的耐磨性和熱穩(wěn)定性。
[0045]下面描述了本發(fā)明另外的非限定性示例實(shí)施方案。
[0046]實(shí)施方案1:一種制作多晶金剛石的方法，其包括:用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面，將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆粒混合物，和使該顆?；旌衔锝?jīng)歷HPHT條件以在金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒之間形成晶粒間鍵。
[0047]實(shí)施方案2:實(shí)施方案I的方法，其中用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面包括用甲基官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面。
[0048]實(shí)施方案3:實(shí)施方案I或?qū)嵤┓桨?的方法，其中用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面包括用乙炔官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面。
[0049]實(shí)施方案4:實(shí)施方案1-3任一項(xiàng)的方法，其進(jìn)一步包括選擇無碳納米顆粒以包含金屬或金屬合金。
[0050]實(shí)施方案5:實(shí)施方案4的方法，其進(jìn)一步包括選擇無碳納米顆粒以包含鐵、鈷和鎳中的一種或多種。
[0051]實(shí)施方案6:實(shí)施方案1-3任一項(xiàng)的方法，其進(jìn)一步包括選擇無碳納米顆粒以包含陶瓷材料。
[0052]實(shí)施方案7:實(shí)施方案6的方法，其進(jìn)一步包括選擇無碳納米顆粒以包含氧化物和氮化物中的一種或多種。
[0053]實(shí)施方案8:實(shí)施方案6或?qū)嵤┓桨?的方法，其進(jìn)一步包括選擇無碳納米顆粒以包含氧化鋁或氧化鎂。
[0054]實(shí)施方案9:實(shí)施方案1-8任一項(xiàng)的方法，其中將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆?；旌衔锇▽⒔?jīng)官能化的納米顆粒和金剛石納米顆粒懸浮在液體中以形成懸浮體，和干燥該懸浮體。
[0055]實(shí)施方案10:實(shí)施方案9的方法，其中干燥該懸浮體包括噴霧干燥、冷凍干燥和急驟干燥該懸浮體中的一種或多種。
[0056]實(shí)施方案11:實(shí)施方案9或?qū)嵤┓桨?0的方法，其進(jìn)一步包括將金剛石磨料粒懸浮在液體中。
[0057]實(shí)施方案12:實(shí)施方案9-11任一項(xiàng)的方法，其中干燥該懸浮體包括干燥該懸浮體以形成粉末產(chǎn)物。
[0058]實(shí)施方案13:實(shí)施方案12的方法，其進(jìn)一步包括將該粉末產(chǎn)物與金剛石磨料粒混合以形成該顆?；旌衔?。
[0059]實(shí)施方案14:實(shí)施方案13的方法，其進(jìn)一步包括在該顆粒混合物經(jīng)歷HPHT條件之前，研磨該顆粒混合物。
[0060]實(shí)施方案15:實(shí)施方案12的方法，其進(jìn)一步包括研磨該粉末產(chǎn)物。
[0061]實(shí)施方案16:實(shí)施方案1-15任一項(xiàng)的方法，其中使該顆?；旌衔锝?jīng)歷HPHT條件包括將該顆粒混合物經(jīng)歷至少約1400°C的溫度和至少約5.0GPa的壓力。
[0062]實(shí)施方案17:—種用于鉆地工具的切割元件，該切割元件包含通過包括以下的方法形成的多晶金剛石材料:用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面，將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆?；旌衔铮褪乖擃w?；旌衔锝?jīng)歷HPHT條件以在金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒之間形成晶粒間鍵。
[0063]實(shí)施方案18:實(shí)施方案17的切割元件，其中用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面包括用甲基或者乙炔官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面。
[0064]實(shí)施方案19:一種包括切割元件的鉆地工具，該切割元件包含通過包括以下的方法形成的多晶金剛石材料:用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面，將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆粒混合物，和使該顆粒混合物經(jīng)歷HPHT條件以在金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒之間形成晶粒間鍵。
[0065]實(shí)施方案20:實(shí)施方案19的鉆地工具，其進(jìn)一步包括選擇無碳納米顆粒以包含陶瓷、金屬或金屬合金。
[0066]實(shí)施方案21:實(shí)施方案19或?qū)嵤┓桨?0的鉆地工具，其中該鉆地工具包括鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭。
[0067]雖然已經(jīng)在此參考某些實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)可和理解它不限于此。而是可以對(duì)所示和所述的實(shí)施方案進(jìn)行許多的增加、刪除和改變，而不脫離如下文所要求的本發(fā)明的范圍，以及法律等價(jià)物。另外，來自一種實(shí)施方案的特征可以與另一實(shí)施方案的特征相組合，同時(shí)仍然包括在本發(fā)明人所預(yù)期的本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，本發(fā)明可用于具有不同的鉆頭輪廓以及不同的刀具類型的鉆頭。
【權(quán)利要求】
1.一種制作多晶金剛石的方法，其包括: 用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面； 將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆?；旌衔?；和使該顆粒混合物經(jīng)歷高壓和高溫(HPHT)條件以在金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒之間形成晶粒間鍵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面包括用甲基官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面包括用乙炔官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括選擇無碳納米顆粒以包含金屬或金屬合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其進(jìn)一步包括選擇無碳納米顆粒以包含鐵、鈷和鎳中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括選擇無碳納米顆粒以包含陶瓷材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包括選擇無碳納米顆粒以包含氧化物和氮化物中的一種或多種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包括選擇無碳納米顆粒以包含氧化鋁或氧化鎂。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆?；旌衔锇? 將經(jīng)官能化的納米顆粒和金剛石納米顆粒懸浮在液體中以形成懸浮體；和 干燥該懸浮體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中干燥該懸浮體包括噴霧干燥、冷凍干燥和急驟干燥該懸浮體中的一種或多種。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其進(jìn)一步包括將金剛石磨料粒懸浮在液體中。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中干燥該懸浮體包括干燥該懸浮體以形成粉末產(chǎn)物。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其進(jìn)一步包括將該粉末產(chǎn)物與金剛石磨料?；旌弦孕纬深w?；旌衔?。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其進(jìn)一步包括在該顆?；旌衔锝?jīng)歷HPHT條件之前，研磨該顆?；旌衔铩?br> 15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其進(jìn)一步包括研磨該粉末產(chǎn)物。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使該顆?；旌衔锝?jīng)歷HPHT條件包括將該顆?；旌衔锝?jīng)歷至少約1400°C的溫度和至少約5.0GPa的壓力。
17.一種用于鉆地工具中的切割元件，該切割元件包含通過包括以下的方法形成的多晶金剛石材料: 用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面； 將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆粒混合物；和 使該顆?；旌衔锝?jīng)歷高壓和高溫(HPHT)條件以在金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒之間形成晶粒間鍵。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的切割元件，其中用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面包括用甲基或者乙炔官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面。
19.一種包括切割元件的鉆地工具，該切割元件包含通過包括以下的方法形成的多晶金剛石材料: 用一種或多種官能團(tuán)來官能化無碳納米顆粒的表面； 將經(jīng)官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合并以形成顆?；旌衔铮缓褪乖擃w?；旌衔锝?jīng)歷高壓和高溫(HPHT)條件以在金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒之間形成晶粒間鍵。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的鉆地工具，其進(jìn)一步包括選擇無碳納米顆粒以包含陶瓷、金屬或金屬合金。
21.權(quán)利要求19所述的鉆地工`具，其中該鉆地工具包括鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭。
【文檔編號(hào)】E21B10/46GK103890308SQ201280052009
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月16日
【發(fā)明者】A·A·迪喬瓦尼, S·查克拉伯蒂 申請(qǐng)人:貝克休斯公司