用于pdc、pcbn或其它硬或超硬材料插入件的聲發(fā)射韌性測試的制作方法
【專利說明】用于PDC、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的聲發(fā)射韌性測試
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請是2010年4月6日提交并且名稱為“用于H)C、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的聲發(fā)射韌性測試(Acoustic Emiss1n Toughness Testing For PDC, PCBN, Or OtherHard Or Superhard Material Inserts) ” 的美國專利申請 N0.12/754，738 的部分繼續(xù)申請，上述申請通過引用合并于本文中。
[0003]本申請涉及2010年4月6日提交并且名稱為“用于H)C、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的聲發(fā)射韌性測試(Acoustic Emiss1n Toughness Testing For PDC, PCBN, OrOther Hard Or Superhard Material Inserts) ”、現(xiàn)在公布為美國專利 N0.8，322，217的美國專利申請N0.12/754,784，2010年4月28日提交并且名稱為“用于H)C、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的聲發(fā)射韌性測試(Acoustic Emiss1n Toughness TestingFor PDC, PCBN, Or Other Hard Or Superhard Material Inserts) ” 的美國專利申請N0.12/769，221，2010年12月9日提交并且名稱為“用于H)C、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的聲發(fā)射韌性測試(Acoustic Emiss1n Toughness Testing For PDC, PCBN, Or OtherHard Or Superhard Material Inserts) ” 的美國專利申請 N0.12/963，913，2011 年 7 月29日提交并且名稱為“井下聲發(fā)射地層米樣(Downhole Acoustic Emiss1n Format1nSampling)”的美國專利申請N0.13/194，205，以及2011年6月2日提交并且名稱為“具有更小噪聲比的聲發(fā)射韌性測試(Acoustic Emiss1n Toughness Testing Having SmallerNoise Rat1)”的美國專利申請N0.13/152，126，上述申請全部通過引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明總體而言涉及用于測試硬或超硬材料的固有強(qiáng)度或韌性的方法、裝置和軟件，并且更特別地涉及用于使用聲發(fā)射來測試硬或超硬材料的固有強(qiáng)度或韌性的方法、裝置和軟件。
【背景技術(shù)】
[0005]圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、可插入到諸如鉆頭或鉸刀之類的井下工具(未示出)內(nèi)的超硬材料100。如圖1中所示，超硬材料100的一個(gè)例子是用于巖石鉆頭的切割元件100、或者切割器或插入件。然而，超硬材料100可以基于它將用于的應(yīng)用而被成形為其它結(jié)構(gòu)。切割元件100典型地包括具有接觸面115的襯底110、以及切割臺(tái)120。切割臺(tái)120是使用超硬層制作而成的，根據(jù)一個(gè)例子，所述超硬層通過燒結(jié)工藝結(jié)合到接觸面115。根據(jù)一些例子，襯底110通常是由碳化鎢鈷或碳化鎢制成的，而切割臺(tái)120是用諸如多晶金剛石(“PCD”)或多晶立方碳化硼(“PCBN”)之類的多晶超硬材料層形成的。這些切割元件100是根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的工藝和材料制作而成的。盡管切割臺(tái)120被顯示為具有大致平面的外表面，但是切割臺(tái)120在其它實(shí)施例中可以具有可替代形狀的外表面，比如拱頂形、凹形或其它非平面形狀的外表面。盡管已經(jīng)提供了切割元件100的一些示例性配方，但是可以根據(jù)應(yīng)用使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的其它配方和結(jié)構(gòu)。盡管巖石鉆探是超硬材料100可在其中使用的一個(gè)應(yīng)用(并且其在下面進(jìn)行描述)，但是超硬材料100可以用在各種其它應(yīng)用中，包括、但不限于機(jī)械加工、木材加工以及采石。
[0006]不同的P⑶、PCBN、硬和超硬材料等級可供切割器100用在各種應(yīng)用中，比如使用不同鉆頭設(shè)計(jì)來鉆探不同巖層、或者對不同金屬或材料進(jìn)行機(jī)械加工。與這些切割器100相關(guān)聯(lián)的常見問題包括:切割臺(tái)120在使用期間的掉肩(chipping)、剝離(spalling)、部分?jǐn)嗔?、開裂和/或剝落。這些問題導(dǎo)致切割臺(tái)120和/或襯底110的早期故障。典型地，在切割臺(tái)120上在切割臺(tái)120于鉆探期間與土層接觸的區(qū)域處生成的高量級應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致這些問題。這些問題由于與維修、生產(chǎn)停工時(shí)間和勞動(dòng)力成本相關(guān)聯(lián)的成本而增加了鉆探的成本。因此，諸如鉆頭設(shè)計(jì)者或現(xiàn)場應(yīng)用工程師之類的最終用戶針對任何給定鉆探或機(jī)械加工任務(wù)來選擇切割器100的表現(xiàn)最佳的等級以減少這些常見問題的發(fā)生。例如，最終用戶通過權(quán)衡使用常規(guī)方法所確定的切割器100的耐磨性和抗沖擊性來選擇合適的切割器100。典型地，可供最終用戶用于針對特定應(yīng)用選擇合適等級的切割器100可使用的信息是從下列導(dǎo)出的:歷史數(shù)據(jù)記錄，所述歷史數(shù)據(jù)記錄顯示PCD、PCBN、硬或超硬材料的不同等級在特定區(qū)域中的性能；和/或?qū)嶒?yàn)室功能測試，所述實(shí)驗(yàn)室功能測試嘗試在測試不同切割器100時(shí)模擬各種鉆探或機(jī)械加工條件。當(dāng)前存在用在鉆探業(yè)中的實(shí)驗(yàn)室功能測試的兩個(gè)主要類另O。這些測試是磨損測試和沖擊測試。
[0007]包括多晶金剛石復(fù)合片(“PDC”)切割器100的超硬材料100已經(jīng)通過使用兩種常規(guī)測試方法進(jìn)行了耐磨損性的測試。PDC切割器100包括由PCD制成的切割臺(tái)120。圖2顯示用于使用常規(guī)花崗巖測井測試來測試耐磨損性的車床200。盡管提供了車床200的一個(gè)示例性裝置配置，但是可以使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的其它裝置配置而不脫離示例性實(shí)施例的范圍和精神。
[0008]參考圖2，車床200包括卡盤210、尾架220、以及定位在卡盤210與尾架220之間的刀架230。目標(biāo)圓柱250具有第一端部252、第二端部254、以及從第一端部252延伸到第二端部254的側(cè)壁258。根據(jù)常規(guī)的花崗巖測井測試，側(cè)壁258是暴露表面259，該表面在測試期間與超硬部件100接觸。第一端部252聯(lián)接到卡盤210，而第二端部254聯(lián)接到尾架220。卡盤210被配置為旋轉(zhuǎn)，由此導(dǎo)致目標(biāo)圓柱250也沿著目標(biāo)圓柱250的中心軸線256旋轉(zhuǎn)。尾架220被配置為在目標(biāo)圓柱250旋轉(zhuǎn)時(shí)將第二端部254保持就位。目標(biāo)圓柱250是由單種均勻材料制作而成，該材料典型地為花崗巖。然而，已經(jīng)將其它巖石類型用于目標(biāo)圓柱250，這些巖石類型包括、但不限于:Jackforck砂巖、Indiana石灰石、Berea砂巖、Carthage大理巖、Champlain黑大理巖、Berkley花崗巖、Sierra白花崗巖、Texas粉紅花崗巖、以及Georgia灰色花崗巖。
[0009]PDC切割器100被裝配到車床的刀架230，使得PDC切割器100與目標(biāo)圓柱250的暴露表面259接觸并且橫越暴露表面259被往復(fù)牽引。刀架230在目標(biāo)圓柱250上具有向內(nèi)給進(jìn)速率。PDC切割器100的耐磨損性被確定為這樣的磨損率，所述磨損率被定義成被去除的目標(biāo)圓柱250的體積比被去除的PDC切割器100的體積。替代地，代替測量體積，可以測量PDC切割器100橫越目標(biāo)圓柱250行進(jìn)的距離并將該距離用于量化PDC切割器100的耐磨損性。替代地，可以使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的其它方法來使用花崗巖測井測試確定耐磨損性。車床200的操作和構(gòu)造是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的。對該類型的測試的描述可以在下列文獻(xiàn)中找到:Eaton，B.A.，Bower, Jr.，A.B 和 Martis，J.A，“ManufacturedDiamond Cutters Used In Drilling Bits，，，Journal of Petroleum Technology, 1975年 5 月，543-551，Society of Petroleum Engineers paper 5074-PA，其在 1975 年 5 月的 Journal of Petroleum Technology 上發(fā)表；以及 Maurer，William C.，‘‘AdvancedDrilling Techniques，，，第22章，The Petroleum Publishing Company，1980年，第541-591頁，上述文獻(xiàn)通過引用合并于本文中。
[0010]圖3顯示用于使用立式鏜床(“VBM”)測試或者立式轉(zhuǎn)塔車床(“VTL”)測試來測試耐磨損性的立式鏜床300。盡管提供了 VBM 300的一個(gè)示例性裝置配置，但是可以使用其它裝置配置而不脫離示例性實(shí)施例的范圍和精神。立式鏜床300包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)310和定位在旋轉(zhuǎn)臺(tái)310之上的工具保持件320。目標(biāo)圓柱350具有第一端部352、第二端部354、以及從第一端部352延伸到第二端部354的側(cè)壁358。根據(jù)常規(guī)的VBM測試，第二端部354是暴露表面359，該表面在測試期間與超硬材料100接觸。目標(biāo)圓柱350在直徑上典型地為大約30英寸至大約60英寸；然而，該直徑可以更大或更小。
[0011]第一端部352安裝在VBM 300的下部旋轉(zhuǎn)臺(tái)310上，由此讓暴露表面359面向工具保持件320。PDC切割器100安裝在工具保持件320中在目標(biāo)圓柱的暴露表面359之上，并且與暴露表面359接觸。目標(biāo)圓柱350旋轉(zhuǎn)，同時(shí)工具保持件320使PDC切割器100從目標(biāo)圓柱的暴露表面359的中心輪轉(zhuǎn)到其邊緣并且再次輪轉(zhuǎn)回目標(biāo)圓柱的暴露表面359的中心。工具保持件320具有預(yù)定的向下給進(jìn)速率。VBM方法允許對PDC切割器100施加較高的負(fù)荷并且較大的目標(biāo)圓柱350提供PDC切割器100所作用于的較大巖石體積。目標(biāo)圓柱350典型地是由花崗巖制作而成的；然而，目標(biāo)圓柱可以由其它材料制作而成，這些材料包括、但不限于:Jackforck砂巖、Indiana石灰石、Berea砂巖、Carthage大理巖、Champlain黑大理巖、Berkley花崗巖、Sierra白花崗巖、Texas粉紅花崗巖、以及Georgia灰色花崗山
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[0012]PDC切割器100的耐磨損性被確定為這樣的磨損率，所述磨損率被定義為被去除的目標(biāo)圓柱350的體積比被去除的PDC切割器100的體積。替代地，代替測量體積，可以測量PDC切割器100橫越目標(biāo)圓柱350行進(jìn)的距離并將該距離用于量化PDC切割器100的耐磨損性。替代地，可以使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的其它方法來使用VBM測試確定耐磨性。VBM300的操作和構(gòu)造是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的。對該類型的測試的描述可以在下列文獻(xiàn)中找到:Bertagnolli，Ken 和 Vale，Roger，“Understanding and ControllingResidual Stresses in Thick Polycrystalline Diamond Cutters for EnhancedDurability”，US Synthetic Corporat1n，2000年，上述文獻(xiàn)通過引用完整地合并于本文中。
[0013]除了用于耐磨損性的測試以外，也可以測試PDC切割器100的抗沖擊負(fù)荷性。圖4顯示落塔裝置400，其用于使用“落錘”測試來測試超硬部件的抗沖擊性，其中金屬砝碼450懸掛在上方并且下落到切割器100上?！奥溴N”測試嘗試模擬當(dāng)PDC切割器100從一個(gè)地層過渡到另一地層或經(jīng)歷側(cè)向和軸向振動(dòng)時(shí)會(huì)遇到的負(fù)荷類型。來自沖擊測試的結(jié)果允許基于不同切割器的沖擊強(qiáng)度來對所述切割器排名；然而，這些排名不允許根據(jù)切割器100將在實(shí)際現(xiàn)場中如何表現(xiàn)來進(jìn)行預(yù)測。
[0014]參考圖4，落塔裝置400包括諸如PDC切割器之類的超硬材料100、目標(biāo)固定裝置420、以及定位在超硬材料100之上的撞擊板450。PDC切割器100被鎖定到目標(biāo)固定裝置420中。撞擊板450或砝碼典型地是由鐵制作而成，并且定位在PDC切割器100之上。然而，撞擊板450可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的替代材料制作而成。PDC切割器100典型地以后傾角415保持，PDC切割器100的金剛石臺(tái)120朝著撞擊板450向上成角。后傾角415的范圍是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的。
[0015]撞擊板450重復(fù)地下落到PDC切割器100的邊緣上，直到PDC切割器100的邊緣脫開或者剝離。這些測試也稱為“側(cè)向沖擊”測試，原因是撞擊板450沖擊金剛石臺(tái)120的暴露邊緣。故障典型地出現(xiàn)在金剛石臺(tái)120中或金剛石臺(tái)120與碳化物襯底110之間的接觸面115處?！奥溴N”測試對金剛石臺(tái)120的邊緣幾何形狀很敏感。如果臺(tái)120被稍微斜切，則測試結(jié)果可能明顯改變。以焦耳表達(dá)的、產(chǎn)生金剛石臺(tái)120中的最初斷裂所耗費(fèi)的總能量被記錄。對于更高抗沖擊性切割器100而言，撞擊板450可以根據(jù)預(yù)設(shè)計(jì)劃從增加高度下落以對切割器100施加更大的沖擊能