具有精细和超细的微观结构的耐裂缝形成的PCD工作表面的金刚石增强镶齿 |
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| 申请号 | CN201280065445.7 | 申请日 | 2012-12-21 | 公开(公告)号 | CN104053851A | 公开(公告)日 | 2014-09-17 |
| 申请人 | 史密斯国际有限公司; | 发明人 | 方毅; Y·鲍; S·L·霍尔曼; D·J·贝尔纳普; | ||||
| 摘要 | 一种用于 钻头 的镶齿可以包括：金属 碳 化物基体；在该镶齿的最上端上的由 多晶金刚石 材料构成的外层，其中，该多晶金刚石材料包括：多个互相连接的金刚石颗粒；多个添加剂颗粒；结合剂材料；其中，添加剂平均粒度小于金刚石平均粒度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于钻头的镶齿，包括： |
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| 说明书全文 | 具有精细和超细的微观结构的耐裂缝形成的PCD工作表面的金刚石增强镶齿 技术领域[0001] 本文公开的实施例总体上涉及金刚石增强镶齿。 背景技术[0002] 地质钻孔钻头典型地安装在钻柱的下端上，且通过在地表处旋转钻柱或通过驱动井下马达或涡轮、或通过上述两种方式而旋转。当重量施加到钻柱时，旋转钻头接合地层且行进以朝向目标区域沿着预定路径形成井眼。 [0003] 存在几种类型的钻头，包括牙轮钻头、锤击钻头(hammer bit)、以及刮刀钻头。术语“刮刀钻头”(还称为“固定切割器钻头”)是指那些没有移动元件的旋转钻头。固定切割器钻头包括那些具有附连到钻头基体的切割元件，其主要通过剪切动作切割地层。用在固定切割器钻头上的切割元件可以包括多晶金刚石复合片(FDC)、金刚石砂砾孕镶镶齿(“砂砾热-压镶齿”(GHI)或天然金刚石。牙轮岩石钻头包括适于连接到可旋转钻柱的钻头基体且包括可旋转安装到悬臂轴或牙掌的至少一个“牙轮”，如现有技术中经常涉及的。每一个牙轮钻头支撑多个切割元件，该切割元件切割和/或压碎井眼的壁部或底部且因此推进该钻头。切割元件，镶齿或铣齿，在钻井期间与地层接触以在被钻井的井眼底部压碎、削凿以及刮擦岩石。锤击钻头典型包括具有冠部的单件基体。冠部包括挤压在其中的镶齿用于针对被钻地层循环“锤击”和旋转。 [0004] 根据钻头上的切割元件的类型和位置，切割元件执行不同的切割功能，这样，在使用期间经历不同的负载条件。已经开发出两种类型的耐磨损镶齿用作钻头上的切割元件：碳化钨镶齿(TCI)以及多晶金刚石增强镶齿(DEI)。碳化钨镶齿典型地由硬质碳化钨(也称为烧结碳化钨)形成：碳化钨颗粒分散在钴结合剂基质中。多晶金刚石增强镶齿典型地包括作为基体的硬质碳化钨基体和在镶齿的顶部直接结合到该碳化钨基体的一层多晶金刚石(PCD)。与较软的、较坚韧的碳化钨镶齿相比，由PCD材料形成的外层可提供改善的耐磨损性。 [0005] 图1说明了常规形成的PCD材料10的微观结构，其包括多个金刚石颗粒12，该金刚石颗粒12彼此结合以形成晶间金刚石基质第一相。催化剂/结合剂材料14(例如，钴)用于促进金刚石间结合，其在烧结过程期间发展成为金刚石晶体结合网络。用于促进金刚石间结合的催化剂结合剂材料通常能够以两种方法提供。催化剂/结合剂能够以原料粉末形式而提供，该粉末与金刚石颗粒或砂砾在烧结之前预混合。可选地，催化剂/结合剂能够通过(在高温/高压工艺)从下面的基体材料到金刚石材料中的渗透而提供，最终的PCD材料结合到该基体材料。在催化剂/结合剂材料已经渗透金刚石间结合之后，催化剂/结合剂材料通常遍布金刚石基质在结合的金刚石颗粒之间的间隙区域之内分布。特别地，如图1所示，结合剂材料14没有在常规的PCD材料10中连续遍布微观结构。相反，常规PCD材料10的微观结构可以具有在PCD颗粒之间一致分布的结合剂。因此，通过常规PCD材料的破裂传播将经常行进通过较为易延展的和易碎的颗粒，或者穿晶地通过金刚石颗粒/结合剂界面15，或晶间地通过金刚石颗粒/金刚石颗粒界面16。 [0006] PCD层常规地包括金刚石和高至该层的20％重量比的金属以促进金刚石晶间结合和多层之间彼此、以及到下面基体的结合。PCD中使用的金属9通常选自：钴、铁或镍和/或其混合物或合金且可以包括金属例如：锰、钽、铬、和/或其混合物或合金。但是，尽管更高金属含量典型地增加最终PCD材料的韧性，但更高金属含量还减小PCD材料的硬度；因此限制了能够提供具有硬度和韧性两个期望的级别的PCD涂层的灵活性。此外，当选择变量以增加PCD材料的硬度时，典型地易碎性也增加，从而减少了PCD材料的韧性。 [0007] 尽管多晶金刚石层极其硬和耐磨损，但多晶金刚石增强镶齿仍可能在正常操作期间损坏。损坏典型地三种常规形式之一：分别称为磨损、疲劳、以及冲击破裂。由于PCD相对于地层的相对滑动而发生磨损机理，且其作为故障模型的突出物涉及地层的磨损性，以及其它因素(例如，地层硬度或强度，以及在与地层的接触期间包含的相对滑动的量)。过渡高的接触应力和高温，与非常不利的井下环境一起也趋于引起金刚石层的严重磨损。疲劳机理包含表面裂缝的渐进传播，在PCD上开始、进入PCD层之下的材料中直到裂缝长度足够剥落或崩刃。最后，冲击机理包含表面裂缝或在PCD层上开始的内部裂纹的突然传播，进入PCD层之下的材料中直到裂缝长度足够剥落、崩刃、或增强镶齿的毁灭性损坏。 [0008] 因此，期望构建一种镶齿结构，与常规PCD材料和镶齿结构相比较，其提供期望的硬度和耐磨损性的PCD特性，具有改善的破裂韧性以及耐崩刃的特性，用于剧烈切割和/或钻井应用中。发明内容 [0010] 在一个方面，本文公开的实施例涉及一种用于钻头的镶齿，包括；金属碳化物基体；在该镶齿的最上端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，该多晶金刚石材料包括：多个互相连接的金刚石颗粒；多个添加剂颗粒；结合剂材料；其中，该添加剂平均粒度小于金刚石平均粒度。 [0011] 在另一个方面，本文公开的实施例涉及一种钻头，包括钻头基体；布置在钻头上的至少一个镶齿，其中，该镶齿包括：金属碳化物基体；在该镶齿的最上端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，该多晶金刚石材料包括：多个互相连接的金刚石颗粒；多个添加剂颗粒；结合剂材料；其中，该添加剂平均粒度小于金刚石平均粒度。 [0013] 参考附图对本公开的实施例进行描述。 [0014] 图1示出了一部分常规多晶金刚石材料的示意图。 [0015] 图2示出了根据本公开的实施例的金刚石增强镶齿的剖视图。 [0016] 图3A-3D示出了金刚石增强镶齿的常规PCD外层的顶视图和剖视图。 [0017] 图4示出了根据本公开的实施例的金刚石增强镶齿的剖视图。 [0018] 图5是具有根据本公开的实施例制造的镶齿的牙轮钻头的侧透视图。 [0019] 图6是具有根据本公开的实施例制造的镶齿的冲击钻头或锤击钻头的侧透视图。 具体实施方式[0020] 本文公开的实施例总体上涉及具有耐破裂性的工作表面的金刚石增强镶齿。尤其地，本公开的镶齿可以具有基体和形成镶齿的工作表面的多晶金刚石(PCD)材料的外层。例如，图2示出了根据本公开的实施例的镶齿200，其中，镶齿200具有PCD材料的外层210、基体220以及它们之间的界面215。PCD材料的外层210布置在镶齿200的最顶端205处且形成工作表面或切割表面。根据本公开的形成镶齿的外层的PCD材料具有与常规PCD不同的成分(下文中描述)，其可以提供具有改善的耐破裂性的镶齿的工作表面。根据本公开的镶齿的基体可以由金属碳化物材料、例如IVB、VB以及VIB族金属中的一种的硬质或烧结碳化物(例如碳化钨、碳化钽、或碳化钛)制成，它们通常在存在结合剂(例如，钴、镍或铁或它们的合金)情况下被挤压或烧结。在基体中，金属碳化物颗粒被支撑在金属结合剂内。众所周知的是，除了碳化钨和钴之外，可以使用各种金属碳化物组合物和结合剂。因此，对使用碳化钨和钴的描述仅仅是为了说明的目的，不旨在限制所使用的基体或结合剂的类型。 [0021] 本公开的发明人已经发现与用作镶齿的外层的常规PCD材料比较时可以提供改善的耐破裂性的用于镶齿的外层的PCD材料的不同成分。现参考图3A-3D，示出了镶齿的常规PCD外层的不同视图。图3A-3D中示出的镶齿可以使用例如80wt％金刚石(平均粒度为6微米)与20wt％钴的混合物或85wt％金刚石(平均粒度为10微米)与15wt％钴的混合物。尤其，图3A示出了在由钻井形成的表面上具有蛇皮(reptile skin)磨损图案305的常规PCD外层的顶视图，图3B示出了磨损图案305的更近的视图。如所示的，蛇皮磨损图案是一种可以形成在常规PCD镶齿的外层中的磨损图案设计，其包括在PCD外层的表面处形成的多个“谷部”。形成在蛇皮磨损图案中的谷部经常提供裂缝开始的位置。例如，图3C示出了具有蛇皮磨损图案以及在蛇皮磨损图案的谷部之内的裂缝形成315的常规PCD外层的剖视图。图3D示出了形成在常规PCD外层的蛇皮磨损图案中的谷部底部处的裂缝315的放大剖视图。蛇皮磨损图案经常形成在具有相对粗的金刚石颗粒(例如，平均粒度等于或大于6微米)的PCD材料成分的常规PCD外层中。进一步地，如图3C所示，裂缝315可能在蛇皮磨损图案的谷部中开始，这可能最终导致镶齿的过早损坏。尤其，一旦裂缝在蛇皮磨损图案的谷部中开始，裂缝可能传播通过外层进入镶齿基体中，因此导致镶齿的过早损坏。 但是，本公开的用于形成外层的PCD材料具有不同的成分，其可以抑制上述的蛇皮磨损图案和裂缝形成。 [0022] 根据本文公开的实施例，用于形成镶齿外层的PCD材料可以具有小于或等于4微米的金刚石平均粒度(这可以称为“精细的金刚石微观结构”)，或可以是具有“精细金刚石粒度”的PCD材料。根据一些优选实施例，用于形成镶齿外层的PCD材料可以具有小于2微米且大于100纳米的金刚石平均粒度。其它实施例可以使用下限为0.1、0.25、0.5、0.75、1.0或1.25微米中的任一个，上限为0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75或2.0微米中的任一个，其中，任一下限可与任一上限一起使用。有利地，本公开的发明人已经发现，通过使用具有精细金刚石粒度的PCD材料，外层可以具有改善的耐磨性和减少的蛇皮磨损图案的形成以及裂缝的形成。尤其，不像传统的镶齿PCD材料的粗金刚石颗粒(其破裂且最终导致表面形成蛇皮磨损且导致镶齿的过早失效)，目前公开的外层PCD材料的精细的金刚石微观结构具有更高的强度，这可以产生更有益的磨损图案，从而，延迟或防止产生裂缝和向镶齿基体中的传播。 [0023] 除了具有精细金刚石粒度的本公开的PCD材料之外，PCD材料还可以包括非金刚石添加剂材料。上述PCD材料的微观结构因此包括结合在一起的金刚石颗粒、添加剂材料以及结合剂/催化剂材料。添加剂材料可以包括金属的碳化物、碳氮化物、氮化物以及它们的组合，所述金属例如为IVB、VB或VIB族的那些金属。例如，添加剂材料可以包括WC、TiC和/或TiCN。根据本公开的实施例，添加剂材料可以超过镶齿外层的PCD材料的2％的重量。在一些优选实施例中，添加剂材料可以超过镶齿外层的PCD材料的5％的重量。进一步地，添加剂材料可以具有小于金刚石平均粒度的添加剂平均粒度。例如，外层PCD微观结构的添加剂平均粒度可以小于金刚石平均粒度，在另一个实施例中，小于2微米，在又一个实施例中小于1微米。其它实施例可以使用下限为0.1、0.25、0.5、0.75、1.0或1.25微米中的任一个，上限为0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75或2.0微米中的任一个，其中，任一下限可与任一上限一起使用。本公开的发明人已经发现，通过使用本文描述的平均粒度小于金刚石平均粒度的添加剂材料形成PCD外层，添加剂材料可以作为金刚石不规则颗粒生长抑制剂。因此，本公开的添加剂材料可以促进形成具有精细和一致的金刚石微观结构的PCD外层。进一步地，本公开的添加剂材料还可以增加PCD外层的韧性。 [0024] 根据本公开的实施例，形成镶齿的外层的PCD材料可以具有小于90％重量比的金刚石含量。在一些实施例中，形成镶齿的外层的PCD材料可以具有小于85％重量比或80％重量比的金刚石含量。PCD微观结构中的剩余部分可以包括添加剂材料和结合剂/催化剂材料。例如，根据本公开的实施例的PCD外层可具有小于85％重量比的金刚石含量、大于2％重量比的添加剂含量，剩余部分为金刚石烧结催化剂材料。在其它实施例中，金刚石含量可以为从40％重量比到85％重量比的范围，其中，下限可以为40％重量比、50％重量比、 60％重量比、70％重量比或75％重量比中的任一个，上限可以为50％重量比、60％重量比、 70％重量比、80％重量比、85％重量比或90％重量比中的任一个，其中，任一下限可以与任一上限一起使用。添加剂可以以一定量存在，其至少为0.5％重量比、2％重量比或至少5％重量比，其中，该层的余量可以是金刚石烧结催化剂材料。 [0025] 金刚石结合剂或催化剂材料可以包括，例如，Co、Ni、Fe或它们的组合。本公开的PCD材料中的结合剂或催化剂材料含量可为从金刚石材料的大约15％重量比到大约30％重量比的范围，或从金刚石材料的18％重量比到25％重量比的范围。例如，根据一些实施例，形成镶齿的外层的PCD材料中的钴结合剂含量可为从大约15％重量比到大约30％重量比的范围，或从18％重量比到25％重量比的范围。 [0026] 结合剂材料可以作为金刚石晶体之间的结合的形成的催化剂，这会使得形成以晶格结构组织的一层随机定向的金刚石晶体(和添加剂颗粒)，该金属结合剂位于金刚石与添加剂材料颗粒之间的间隙空间中。因此，当结合剂材料用于催化金刚石间的结合时，结合剂材料可以通常称为催化剂材料。 [0027] 催化剂材料可以通过将期望量的催化剂材料粉末与金刚石和添加剂材料混合而提供。例如，金刚石晶体与钴可一起球磨，然后与添加剂材料(例如碳化物)一起球磨。然后，混合物可经受本领域中已知的高压高温(HPHT)工艺，例如，压力大于5000MPa且温度为从1300到1500℃的范围。HPHT工艺的实例可以在例如美国专利4,694,918；5,370,195；以及4,525,178中找到。简短地讲，为了形成外层，将未烧结的金刚石晶体颗粒、金属催化剂以及添加剂颗粒放置在HPHT器械的反应单元的金属包壳内。然后将反应单元放置在足够引起金刚石颗粒之间的晶间结合的工艺条件下。进一步地，HPHT工艺的应用引起引起金刚石晶体和添加剂颗粒烧结，使得它们不再处于分立颗粒的形式，不再能够彼此分开。 [0028] 可选地，催化剂可以通过在HPHT期间从邻近的镶齿基体(或外层与镶齿基体之间具有至少一个过渡层的实施例中的邻近的过渡层，如下文所描述的)的渗入提供。在上述实施例中，镶齿基体可以由金属的和具有金属溶解催化剂的金属陶瓷材料形成，例如选自周期表中的VIII族元素的一种，其能够在HPHT工艺期间渗入邻近的金刚石和添加剂粉末混合物，以促进和提供与其的结合附连。例如，镶齿基体可以由硬质碳化钨和钴形成，其中，钴可以渗入邻近的金刚石和添加剂粉末混合物，以用作催化剂材料来形成本公开的外层PCD材料。 [0029] 尽管本文描述的镶齿的几何形状已经示出为在外层与镶齿基体(或过渡层)之间具有弯曲界面，但可以理解，本公开的镶齿也可以构造为具有平面的或具有另一种形状的非平面构造的界面几何形状，这取决于特别的最终应用场合。各种界面几何形状可以用于帮助减少形成在外层与基体之间的残留应力。进一步地，至少一个过渡层可以用在外层与镶齿的基体之间，例如，以通过试图将外层与基体的不同材料结合在一起来帮助减轻残留应力。 [0030] 例如，参考图4，示出了根据本公开的实施例的具有至少一个过渡层的镶齿的剖视图。如所示的，镶齿400具有基体420、位于镶齿400的最上端405上的PCD材料的外层410以及在基体420与外层410之间的至少一个过渡层430。尽管图4示出的镶齿在外层410与基体基体420之间具有一个过渡层430，但其它的实施例也可以具有多于一个的过渡层。例如，本公开的镶齿可以在镶齿的外层与基体之间具有两个、三个或更多个过渡层。进一步地，外层/过渡层界面415与过渡层/基体界面435被示出为具有弯曲形状，且与外层410的外表面411同心。但是，如上文所描述的，可以改变界面几何形状以帮助减少在层间形成的应力。 [0031] 形成外层410的PCD材料可以具有由多个互连的金刚石颗粒、多个添加剂颗粒以及结合剂材料制成的精细金刚石微观结构，其中，添加剂平均粒度等于或小于金刚石平均粒度。所述至少一个过渡层的成分可改变，例如在美国专利公开2006/0180354中描述的，其在本文中被引用。在一个实施例中，过渡层的邻近外层的成分可以与外层的成分类似，但是粒度方面不同。在其它实施例中，邻近过渡层和/或其它过渡层还可以具有不同的成分(与外层相比)，具有相同或更大尺寸的金刚石颗粒；结合剂相和WC或其它耐火碳化物。 [0032] 根据本公开的实施例，所述至少一个过渡层可包括由金刚石晶体、添加剂颗粒以及结合剂材料构成的复合材料，它们类似于外层的组成，但是粒度不同或复合材料的相对比率不同，例如金刚石、添加剂以及结合剂材料的量不同。例如，过渡层可以包括多个结合在一起的金刚石颗粒、多个添加剂颗粒以及结合剂材料，其中，添加剂平均粒度小于金刚石平均粒度，过渡层的金刚石平均粒度等于或大于外层的金刚石平均粒度。在具有多于一个的过渡层的一些实施例中，过渡层可以产生金刚石平均粒度梯度，其中，金刚石平均粒度在外层中最精细，而在最接近镶齿基体的过渡层中最粗。 [0033] 在具有多于一个的过渡层的其它实施例中，过渡层可以产生金刚石含量梯度，其中，金刚石含量的比率在过渡层间向内朝向镶齿基体移动时而减小。可选地，镶齿可以具有单个过渡层，其中，单个过渡层包括金刚石含量梯度，其中，单个过渡层的接近外层的区域比单个过渡层的接近镶齿基体的区域具有更大的金刚石含量。在单个过渡层内的梯度可以通过现有技术中已知的技术产生，例如在美国专利4,694,918中描述的。 [0034] 而且，本公开的实施例可具有厚度大于常规金刚石增强镶齿的厚度的PCD材料的外层。例如，再次参考图4，镶齿400具有外层410、基体420以及在外层与基体之间的至少一个过渡层430。外层410由根据本公开的PCD材料制成，包括多个结合在一起的金刚石颗粒、多个添加剂颗粒、以及结合剂材料，且可以具有在250与1500微米之间的厚度t。在一些优选实施例中，金刚石增强镶齿可以具有厚度t在400与800微米之间的外层。在其它实施例中，外层厚度的下限可以为250、300、400、500、600或800微米中的任一个，上限可为600微米、800微米、1000微米、1200微米或1500微米中的任一个，其中，任一下限可与任一上限一起使用。进一步地，在不同的实施例中，过渡层厚度可以等于或小于外层厚度。 [0035] 本公开的镶齿可以与井下钻头一起使用，井下钻头例如为牙轮钻头或冲击钻头或锤击钻头。例如，参考图5，本公开的镶齿500可以安装到牙轮钻头550。牙轮钻头550具有主体560和牙轮562，其中，主体560具有三个腿部561，牙轮562安装在每一个腿部561的下端。根据本公开的镶齿500可以提供在至少一个牙轮562的表面中。现参考图6，本公开的镶齿600可以安装到冲击钻头或锤击钻头650。锤击钻头650具有中空的钢制主体660，在主体的一个端部上具有杆部662，以将钻头装配到钻柱(未示出)；主体具有头端664。多个镶齿600可以提供在头端的表面中用于抵靠和切割待钻的地层。 [0036] 有利地，本公开的实施例提供了这样一种金刚石增强镶齿，其在工作表面处具有改善的耐裂缝形成性。例如，根据本公开的用于形成镶齿的外层的金刚石材料的精细微观结构可以提供具有更高的强度和更有利磨损图案的外层，这可以延迟或防止外表面中的裂缝形成。进一步地，虽然用于形成其它类型的切割元件的金刚石材料(例如剪切式切割器或常规金刚石增强镶齿的切割层)可能具有高金刚石含量，但本公开用于形成金刚石增强镶齿的外层的PCD材料可以包括相对较低的金刚石含量。尤其，相对较高的金刚石含量已经常规用在现有技术的切割元件中(例如剪切式切割器的切割层)，以满足在钻井条件中遇到的高温材料特性的要求。但是，本公开的发明人已经发现，金刚石增强镶齿的外层可以由具有相对较低的金刚石含量(例如，小于85％重量比)的PCD材料形成，所述PCD材料包括多个结合在一起的金刚石颗粒、平均粒度小于金刚石颗粒的平均粒度的添加剂材料以及结合剂材料。本公开的PCD材料的成分为金刚石增强镶齿外层提供了改善的材料特性，这可以独特于常规的金刚石增强镶齿外层防止或延迟裂缝开始。 [0037] 虽然本发明针对有限数量的实施例被描述，但受益于本公开，本领域技术人员将理解，能够设计出其它的实施例而不脱离如本文公开的发明的范围。因此，本发明的保护范围应仅由所附权利要求限制。 |
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