高金刚石框架强度的PCD材料制造技术

本公开涉及用于地下钻井应用的包含多晶金刚石体的切割元件，且更特别地，涉及具有高金刚石框架强度的多晶金刚石体，以及用于形成和评价上述多晶金刚石体的方法。提供了一种多晶金刚石体，其具有顶表面、与所述顶表面会合的切割边缘、以及包含所述切割边缘的至少一部分的第一区域。所述第一部分展示出金刚石框架强度为大约1200MPa或更大、或者1300MPa或更大。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高金刚石框架强度的PCD材料
技术介绍
在本领域中已知的多晶金刚石(polycrystalline diamond, PO))材料由金刚石晶粒(或晶体)和催化剂材料在经受高压高温条件下(“HPHT”烧结工艺)制成。已知上述的PCD材料具有高度的耐磨损性，使得其成为用于像用于机械加工的切割工具以及地下采矿钻井中的磨损元件和切割元件的工业应用中受欢迎的材料选择，其中需要上述的高度耐磨损性。在上述的应用中，常规的PCD材料能够以表面层或体(body)的形式提供，用以给予切割工具所需要的耐磨损性水平。传统地，P⑶切割元件包含基体和与其连接的P⑶体或层。在上述切割元件应用中使用的基体包括碳化物，例如烧结碳化钨(例如，WC-Co)。上述常规的PCD体利用催化剂材料用以促进金刚石晶粒之间的晶间粘合，且用以将PCD层粘合到位于下面的基体。常规用作催化剂的金属通常选自溶剂金属催化剂，包括钴、铁、镍、以及它们的组合和合金。用以形成PCD体的催化剂材料的数量代表了需要的强度/韧度/耐冲击性特性与硬度/耐磨损性/热稳定性之间的折中。尽管较高的金属催化剂含量通常增加得到的PCD体的强度、韧度、以及耐冲击性，但是上述较高的金属催化剂含量也降低了 PCD体的硬度和对应的耐磨损性和热稳定性。因此，这些相反地影响的特性最终限制了提供具有所需水平的硬度、耐磨损性、热稳定性、强度、耐冲击性、以及韧度的PCD体用以满足特定应用的服务要求的能力，所述应用例如用于地下钻井装置中的切割且/或磨损元件。用于特定应用的PCD体的特别需要的特性是在磨损或切割操作期间的改善的热稳定性。常规的PCD体中存在的一个已知的问题是，当暴露于升高的温度切割和/或磨损应用时，它们易于发生热降解。这个易热降解性是由于间隙地布置于PCD体之内的溶剂金属催化剂材料的热膨胀特性与晶间粘合的金刚石的热膨胀特性之间存在的差别造成的。上述热膨胀性差别已知开始于低至400°C的温度处，且可能引起热应力，所述热应力可能有害于金刚石的晶间粘合且最后导致形成裂缝，所述裂缝可能使得PCD结构易于损坏。因此，不希望出现上述的行为。常规的P⑶材料中存在的另一个已知的热降解形式是还涉及在P⑶体的间隙区域中溶剂金属催化剂的存在以及溶剂金属催化剂与金刚石晶体的粘着的热降解。特别地，已知溶剂金属催化剂会造成金刚石随着温度的增加而发生不想要的催化相转变(其中将金刚石转变为一氧化碳、二氧化碳、或石墨)，从而限制了 P⑶体的实际应用不超过大约750°c。热降解可能导致P⑶体的碎裂、剥落、部分破裂、和/或脱落。这些问题可能由P⑶体之内微裂缝的形成以及随后的跨越PCD体的裂缝扩展所引起。微裂缝可能由PCD体之内存在的热应力所形成。
技术实现思路
本公开涉及用于地下钻井应用的包含多晶金刚石体的切割元件，且更特别地，涉及具有高金刚石框架强度的多晶金刚石体。在本文公开的各种不同实施方案中，已发现包含具有高金刚石框架强度的多晶金刚石体的切割元件与改进的耐磨损性相关。金刚石框架强度是多晶金刚石结构自身的强度，其中所述多晶金刚石结构不含任何的次级相材料，例如钴或其它催化剂。由于在升高的温度下上述次级相材料的行为，已确定具有次级相材料的多晶金刚石体的强度与现场(field)中改进的耐磨损性并非足够相关。如下文进一步详细地描述，上述切割元件的耐磨损性能够通过增加金刚石框架强度和减少多晶金刚石体中的次级相含量而改进。在一个实施方案中，切割元件包含基体和在所述基体之上形成的多晶金刚石体。所述多晶金刚石体包含具有切割边缘的顶表面。所述多晶金刚石体具有粘合在一起的金刚石晶体以及所述金刚石晶体之间的间隙区域的材料微结构。包含所述切割边缘的微结构的区域具有大约1200MPa或更大、或者大约1300MPa或更大的金刚石框架强度，且具有小于10微米的平均烧结晶粒尺寸。在一个实施方案中，所述切割元件包含在井下工具中。在一个实施方案中，提供了形成耐磨损性多晶金刚石切割元件的方法。所述方法包括提供粉末混合物，其具有20微米或更小的平均粒度的金刚石微粒。所述方法包括压紧所述粉末混合物用以压缩所述金刚石微粒，以及在高温高压下、在7.0到8.2GPa范围内的压力下烧结所述微粒混合物和催化剂材料。所述烧结工艺形成多晶金刚石体。所述多晶金刚石体的区域包含具有至少1200MPa的金刚石框架强度的微结构。提供本
技术实现思路
部分用于介绍对概念的选择，所述概念在下文详细的说明书中进一步描述。本
技术实现思路
部分不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也并不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。【附图说明】参考附图描述高金刚石框架强度PCD材料的实施方案。在整个附图中使用相同的数字来指相似的特征和组件。图1是包含多个根据本公开的一个实施方案的切割元件的钻头的透视图。图2是根据本公开的一个实施方案的包含P⑶体与基体的切割元件的透视图。图3A是包含催化剂材料的P⑶体的区域的示意图。图3B是根据本公开的一个实施方案的大体上不含催化剂材料的PCD体的区域的示意图。图4是经浸滤的P⑶体与未经浸滤的P⑶体的P⑶强度的图表。图5是四个P⑶体的P⑶强度相对于钻井温度的图表。图6是具有相同平均粒度与烧结压力的各种不同PCD体的PCD破裂强度的图表。图7是两个P⑶体的P⑶金刚石框架强度的图表，其中每一个P⑶体在经浸滤的状态与未经浸滤的状态中测试。图8分别是根据一个实施方案的经历立式车床测试的切割元件的正视图和侧视图。图9是在根据一个实施方案的各种不同PCD体上实施的图8的耐磨损性测试的结果的图表。图10是在三个P⑶体上实施的图9的耐磨损性测试的结果的图像的合集。图11是根据本公开的一个实施方案的包含PCD体的切割元件的比较现场测试的结果的图表。【具体实施方式】本公开涉及用于地下钻井应用的包含多晶金刚石体的切割元件，且更特别地，涉及具有高金刚石框架强度的多晶金刚石体，以及用于形成和评价上述多晶金刚石体的方法。下文的公开涉及各种不同的实施方案。公开的实施方案具有宽的应用，且任何实施方案的论述仅仅意味着对那个实施方案的示例说明，且不旨在暗示本公开(包括权利要求书)的范围限于那个实施方案或限于那个实施方案的特征。在整个下文说明书以及权利要求书中使用某些术语来指特定的特征或组件。本领域技术人员将理解，不同的人可以用不同名称指同一特征或组件。本文不意欲对仅名称不同的组件或特征进行区别。附图并不必定是按比例做出的。本文某些特征和组件可以被放大按比例显示或以有点示意形式显示，并且为了清晰和简洁的目的可以不示出常规元件的一些细节。在下文的说明书和权利要求书中，术语“包括”和“包含”用于开放式中，并且因此，应被理解成意味“包括，但不限于”的含义。如本文使用的，多个项目、结构元素、组成元素、和/或材料为了方便起见可以呈现在共同的列举中。但是，这些列举应解释成仿佛将各列举中的每一个元素逐一识别成一个单独的且独特的元素。因此，如果没有相反的说明，仅基于共同组中它们的呈现，上述列举中应没有个别的元素可解释成同一列举中任何其它元素的事实上的等同物。浓度、量、数量、和其它数值数据在本文中可以范围形式表示。应理解，使用上述范围形式仅仅是为了方便和简明起见，且其应灵活地理解为不仅仅包括作为该范围的界限而被明确地本文档来自技高网...

【技术保护点】
切割元件，包含：多晶金刚石体，其包含：界面表面；与所述界面表面相对的顶表面；与所述顶表面会合的切割边缘；以及材料微结构，其包含多个粘合在一起的金刚石晶体和所述金刚石晶体之间的间隙区域，所述微结构具有包含所述切割边缘的至少一部分的第一区域，并且其中所述第一区域包含1200Mpa或更大的金刚石框架强度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.04.18 US 61/476,6961.切割元件，包含: 多晶金刚石体，其包含: 界面表面； 与所述界面表面相对的顶表面； 与所述顶表面会合的切割边缘；以及 材料微结构，其包含多个粘合在一起的金刚石晶体和所述金刚石晶体之间的间隙区域，所述微结构具有包含所述切割边缘的至少一部分的第一区域，并且 其中所述第一区域包含1200Mpa或更大的金刚石框架强度。2.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述第一区域的所述金刚石框架强度为1300Mpa或更大。3.根据权利要求1或2所述的切割元件，其中所述第一区域包含小于10微米的平均烧结晶粒尺寸。4.根据权利要求1或2所述的切割元件，其中所述第一区域包含小于7微米的平均烧结晶粒尺寸。5.根据权利要求1或2所述的切割元件，其中所述第一区域包含在5-6微米范围中的平均烧结晶粒尺寸。6.根据权利要求1至5中任意一项所述的切割元件，其中所述第一区域包含大体上不含催化剂材料的多个间隙区域，并且其中所述第一区域从所述切割边缘延伸到至少300微米的深度。7.根据权利要求6所述的切割元件，其中贴近于所述界面表面的所述微结构中的第二区域包含多个间隙区域，所述间隙区域包含布置于其内的催化剂材料。8.根据权利要求1至7中任意一项所述的切割元件，其中在室温下，在浸滤之后，所述微结构展现出不大于25%的压缩应力下降。9.根据权利要求1至8中任意一项所述的切割元件，其中在所述第一区域中的金刚石体积分数为大于91%。10.根据权利要求1至9中任意一项所述的切割元件，其中所述第一区域沿着所述切割元件的整个切割边缘延伸。11.根据权利要求1至9中任意一项所述的切割元件，其中所述第一区域沿着所述多晶金刚石体的至少一个临界区域延伸。12.根据权利要求1至9中任意一项所述的切割元件，其中所述第一区域沿着整个顶表面、切割边缘、以及侧表面的至少一部分延伸。13.根据权利要求1至9中任意一项所述的切割元件，其中所述第一区域包含整个多晶金刚石体。14.根据权利要求13所述的切割元件，进一步包含粘合到所述界面表面的基体。15.根据权利要求1至12中任意一项所述的切割元件，在所述微结构的至少一部分中包含催化剂材料，并且其中所述多晶金刚石体具有大约1500MPa或更大的强度。16.切割元件，包含: 基体；以及 在所述基体之上形成的多晶 金刚石体，所述多晶金刚石体包含:与所述基体在界面处会合的界面表面； 与所述界面表面相对的顶表面； 与所述顶表面会合的切割边缘；以及 材料微结构，其包含多个粘合在一起的金刚石晶体和所述金刚石晶体之间的间隙区域，其中贴近于所述顶表面的所述微结构的第一区域具有大约1300Mpa或更大的金刚石框架强度和小于10微米的平均烧结晶粒尺寸。17.根据权利要求16所述的切割元件，其中所述界面包含具有高度与直径的比率在O到0.1之间的非攻击性形状。18.根据权利要求16或17所述的切割元件，其中所述基体包含少于或等于大约11重量％的钴含量。19.根据权利要求16至18中任意一项所述的切割元件，其中所述微结构的所述第一区域包含大体上不含催化剂材料的多个间隙区域，并且所述切割元件进一步包含贴近于所述界面表面的所述微结构的第二区域，其中所述第二区域含有包含布置于其内的催化剂材料的多个间隙区域。20.根据权利要求16至19中任意一项所述的切割元件，其中所述第一区域包含小于7微米的平均烧结晶粒尺寸。21.切割元件，包含: 基体，其具有高度与直径的比率在O到0.1之间的界面表...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·于，J·D·贝尔纳普，
申请(专利权)人：史密斯国际有限公司，
类型：
国别省市：