製作多晶金剛石的方法和包括多晶金剛石的切割元件和鑽地工具的製作方法

2023-04-25 18:48:41 1

製作多晶金剛石的方法和包括多晶金剛石的切割元件和鑽地工具的製作方法
【專利摘要】製作多晶金剛石的方法，其包括用一種或多種官能團來官能化無碳納米顆粒的表面，將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物，和使該顆粒混合物經歷高壓和高溫(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。用於鑽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。鑽地工具包括這種切割元件。
【專利說明】製作多晶金剛石的方法和包括多晶金剛石的切割元件和鑽地工具
[0001]優先權權利
[0002]本申請要求2011年9月16日提交的美國臨時專利申請序列號61/535，475的提交日權益，該申請的 申請人:為DiGiovanni和Chakraborty，名稱為「METHODS OF FABRICATINGPOLYCRYSTALLINE DIAMOND,AND CUTTING ELEMENTS AND EARTH-BORING TOOLS COMPRISINGPOLYCRYSTALLINE DIAMOND」。
[0003]本申請的主題涉及到與其同一日期提交的 申請人:為Anthony A.DiGiovanni的美國專利申請序列號13/—，—(代理案號1684-P10759.1US(NAN4-52001-US))的主題。本申請的主題還涉及2011年12月9日提交的 申請人:為Mazyar等人的美國專利申請序列號13/316，094 (代理案號 NAN4-52588-US/BA00893US)的主題。
【技術領域】
[0004]本發明的實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於鑽探地下地層的鑽地工具。
[0005]發明背景
[0006]用於在地下地層中形成井容器的鑽地工具可以包括多個安裝在機身上的切割元件。例如，固定刀具的鑽地旋轉鑽機鑽頭(也稱作「刮刀鑽頭」)包括多個切割元件，其固定附接到鑽頭的鑽頭體。類似地，牙輪鑽地旋轉鑽頭包括牙輪，其安裝到從鑽頭體的支架延伸的軸承銷，以使得每個牙輪能夠繞著它安裝到其上的軸承銷旋轉。多個切割元件可以安裝到鑽頭的每個牙輪。
[0007]用於這種鑽地工具的切割元件經常包括多晶金剛石刀具(經常稱作「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，將相對小的金剛石晶粒或晶體燒結和結合在一起，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-金屬複合材料)，例如鈷燒結碳化鎢。在這種情況中，切割元件基底中的鈷(或其他催化劑材料)可以在燒結過程中進入金剛石晶粒或晶體中，並且充當催化劑材料用於由金剛石晶粒或晶體來形成金剛石臺。在其他方法中，在金剛石晶粒或者晶體在HPHT方法中一起燒結之前，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，催化劑材料可以保持在所形成的多晶金剛石臺中的金剛石晶粒或者晶體之間的間隙中。金剛石臺中存在的催化劑材料會導致當切割元件在使用過程中受熱時金剛石臺中的熱損傷，這歸因於在切割元件和地層之間的接觸點處的摩擦。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中)通常在高到約750°C的溫度是熱穩定的，不過多晶金剛石臺中的內應力在超過約350°C的溫度會開始形成。這種內應力至少部分歸因於金剛石臺和它所結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在金剛石臺與基底之間的界面處產生相對較大的壓應力和張應力，並且會導致金剛石臺從基底上脫層。在約750°C和更高的溫度，金剛石臺中的應力會明顯增加，這歸因於金剛石臺自身中金剛石材料和催化劑材料之間熱膨脹係數的差異。例如，鈷熱膨脹明顯快於金剛石，這會導致在包含鈷的金剛石臺中裂紋形成和蔓延，最終導致金剛石臺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的問題，已經開發了所謂的「熱穩定的」多晶金剛石(TSD)切割元件。這種熱穩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)從金剛石臺中的金剛石晶粒之間的間隙中浸提出來而形成。可以從金剛石臺中除去全部的催化劑材料，或者可以僅除去一部分。已經報導了熱穩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從金剛石臺中浸提出去)在高到約1200°C的溫度是熱穩定的。但是，也報導了與非浸提的金剛石臺相比，這種完全浸提的金剛石臺相對更脆和容易受到剪應力、壓應力和張應力損壞。在提供具有相對於非浸提的金剛石臺更熱穩定，但與完全浸提的金剛石臺相比也相對不太脆和不太容易受到剪應力、壓應力和張應力損壞的金剛石臺的切割元件的努力中，已經提供了包括僅部分催化劑材料已經從金剛石臺中浸提的金剛石臺的切割元件。

【發明內容】

[0010]在本公開的一些實施方案中，一種製作多晶金剛石的方法包括用一種或多種官能團來官能化無碳納米顆粒的表面，將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物，和使該顆粒混合物經歷高壓和高溫(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]在一些實施方案中，一種用於鑽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來官能化無碳納米顆粒的表面，將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物，和使該顆粒混合物經歷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]在一些實施方案中，一種鑽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來官能化無碳納米顆粒的表面，將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物，和使該顆粒混合物經歷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構如何呈現的簡化圖；
[0015]圖3A-3D顯示了通過將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物，用於形成圖1的切割元件的多晶金剛石；
[0016]圖4是一個簡化的橫截面圖，顯示了用於在容器中形成圖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，該容器準備經歷HPHT燒結過程；
[0017]圖5A和5B顯示了在封閉腔室內，在含有烴物質(例如甲烷)的氣態環境中，圖3的材料包封在圖4的容器中；和
[0018]圖6顯示了一個鑽地旋轉鑽頭，其包括此處所述的多晶金剛石切割元件。
【具體實施方式】
[0019]這裡所提出的圖示並不表示任何具體的材料、設備、系統或方法的實際視圖，而僅是理想化的表示，其用於描述本發明的某些實施方案。為了清楚說明，在本發明實施方案中共有的不同的特徵和元件可以用相同或類似的附圖標記來表示。
[0020]圖1顯示了切割元件100，其可以根據這裡公開的方法的實施方案來形成。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可以結合到該基底。例如，基底104可以包括通常鈷燒結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(即層)的形式，如圖1所示。多晶金剛石102可以提供在(例如形成於或者固定到)基底104的表面上。在另外的實施方案中，切割元件100可以簡單地包括一定體積的多晶金剛石102 (具有任何所需的形狀)，並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絡。在一些實施方案中，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)可以小於1mm，小於0.1mm,小於0.0lmm,小於I μ m,小於0.1 μ m或者甚至小於
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粒或者金剛石納米顆粒。在一些實施方案中，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。在其他實施方案中，多晶金剛石102的金剛石晶粒可以具有單峰晶粒尺寸分布。在圖2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)存在於多晶金剛石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，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(不過氣體如空氣可以存在於該空隙中)。這種空隙可以通過在形成多晶金剛石102之後，從間隙112中除去(例如浸提)固體材料來形成。在仍然另外的實施方案中，在多晶金剛石102的一個或多個區域中，間隙112可以至少部分地填充有固體物質，而在多晶金剛石102的一個或多個其他區域中，間隙112包括空隙。
[0022]這裡公開的方法的實施方案可以用於形成多晶金剛石102，並且可以在多晶金剛石102中的金剛石晶粒106、108之間產生改進的晶粒間金剛石-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來官能化，並且在金剛石晶粒經歷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顯示了可以用於形成顆粒混合物以經歷HPHT條件來形成多晶金剛石102的方法的示例實施方案。
[0024]圖3A顯示了金剛石納米顆粒130的簡化圖。金剛石納米顆粒130可以是單峰的或多峰的(包括雙峰的)。在一些實施方案中，金剛石納米顆粒130可以包括外部碳殼，其在本領域中可以被稱作碳「洋蔥」。在其他實施方案中，金剛石納米顆粒130可以不包括任何這樣的外部碳殼。
[0025]如圖3B所示，金剛石納米顆粒130可以與具有無碳芯的經官能化的納米顆粒131合併和混合，以形成第一顆粒混合物132。經官能化的納米顆粒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。這些金屬可以充當溶劑金屬催化劑，用於形成直接的金剛石-金剛石晶粒間鍵，如本領域中已知的那樣。在另外的實施方案中，經官能化的納米顆粒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，該芯可以用官能團例如甲基官能團或乙炔官能團來官能化。包含碳和氧的官能團可以增強多晶金剛石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)。不受限於具體的理論，化學官能團中的氫可以在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，該官能團可以至少部分地離解或分解。這種分解的產物可以包括單質碳和氫。
[0027]在一些實施方案中，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於包含碳和氫的官能團來官能化。例如，該官能團可以是甲基，其通過將該無碳芯暴露於甲烷氣環境來提供。甲烷氣可以通過化學氣相沉積(CVD)在該無碳芯上形成碳基官能團。在某些實施方案中，納米顆粒可以用酸處理，然後用聚合物包封。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。在其他實施方案中，該無碳芯可以使用技術例如公開在例如2011年10月20日公布的美國專利申請公布2011/0252711 (名稱為「Method of PreparingPolycrystalline Diamond from Derivatized Nanodiamond」)中的那些技術來官能化。
[0028]在一些實施方案中，具有不同的官能團的經官能化的納米顆粒131可以在經官能化的納米顆粒131與金剛石納米顆粒130混合之前進行摻合。例如，具有第一官能團的經官能化的納米顆粒131可以以任何比例與具有第二官能團的經官能化的納米顆粒131摻合。因此，可以選擇或調節在經官能化的納米顆粒131的混合物和在所形成的第一顆粒混合物132中每種官能團的量。可以選擇具體的官能團或官能團的組合來具有碳原子與氫原子所選擇的比例。例如，官能團或官能團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可以例如通過將經官能化的納米顆粒131和金剛石納米顆粒130懸浮於液體中形成懸浮體而形成。該懸浮體可以乾燥，留下第一顆粒混合物132，其可以是粉末產物(例如粉餅)形式。乾燥方法可以包括例如以下的一種或多種:噴霧乾燥方法、冷凍乾燥方法、急驟乾燥方法或者本領域已知的任何其他乾燥方法。
[0030]任選地，第一顆粒混合物132可以壓碎、研磨或者以其他方式攪拌，以形成第一顆粒混合物132的相對小的簇或者聚集體133，如圖3C所示。第一顆粒混合物132的聚集體133可以與相對較大的金剛石顆粒134(即，金剛石「磨料粒」)合併和混合以形成第二顆粒混合物135，如圖3D所示。作為一個非限定性例子，相對較大的金剛石顆粒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殼。
[0031]在另外的實施方案中，第二顆粒混合物135可以如下來形成:將相對較大的金剛石顆粒134與金剛石納米顆粒130和經官能化的納米顆粒131 —起懸浮於液體懸浮體中，隨後使用技術例如前面公開的那些來乾燥該液體懸浮體。在這種方法中，不會產生不同的第一和第二顆粒混合物，因為金剛石納米顆粒130、經官能化的納米顆粒131和相對較大的金剛石顆粒134可以一起合併在單個液體懸浮體中，其可以乾燥以直接形成第二顆粒混合物 135。
[0032]第二顆粒混合物135因此包括金剛石納米顆粒130、經官能化的納米顆粒131和較大的金剛石顆粒134。第二顆粒混合物135然後可以經歷HPHT加工以形成多晶金剛石102。任選地，第二顆粒混合物135可以經歷研磨加工，然後使第二顆粒混合物135經歷HPHT過程。
[0033]在一些實施方案中，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，顆粒混合物135可以位於容器118 (例如金屬容器)中。顆粒混合物135包括金剛石納米顆粒130和相對較大的金剛石顆粒134，其最終在燒結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還包括經官能化的納米顆粒 131。
[0035]如圖4所示，容器118可以包括內杯120，顆粒混合物135可以布置在其中。如果切割元件100包括基底104，則基底104任選地可以在內杯120中提供在顆粒混合物135之上或之下，並且可以最終包封在容器118中。容器118可以進一步包括頂端片122和底端片124，其可以在內杯120周圍與顆粒混合物135和其中任選的基底104 —起組裝和結合(例如型鍛結合)。該密封的容器118然後可以經歷HPHT過程以形成多晶金剛石102。
[0036]在一些實施方案中，烴物質例如甲烷氣、另一種烴或者烴的混合物也可以包封在容器118中，處於顆粒混合物135中不同顆粒之間的空間中。甲烷是用於在CVD方法中形成多晶金剛石膜的主要碳源之一。如果使用，烴物質會滲入容器118(例如容器118的內杯120)，其中存在著顆粒混合物135。容器118然後可以用顆粒混合物135和其中的烴物質密封。可以在顆粒混合物135上進行了真空淨化處理(例如在將金剛石顆粒116和/或容器118暴露於處於所選溫度的減壓(真空)環境以蒸發揮發性化合物)以降低容器118內的雜質之後弓I入烴物質。烴物質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經歷HPHT條件之前選擇性控制烴物質的濃度。換句話說，通過選擇性控制烴物質的壓力(例如分壓)，也能夠選擇性控制密封容器118中的烴物質的濃度。在烴物質在壓力下引入到容器118中的一些實施方案中，烴物質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經歷HPHT條件之前，可以選擇性控制顆粒混合物135、任選的烴物質和容器118的溫度。例如，可以在例如小於_150°C，小於_161°C或者小於_182°C的溫度引入烴物質和密封容器118。在一些實施方案中，烴物質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，烴物質可以是液體或固體，並且密封具有烴物質的容器118可以比密封容器118中的氣態烴物質相對更簡單。具體地，如果烴物質是甲烷，則該甲烷可以是處於小於_161°C的溫度的液體形式和小於_182°C的溫度的固體形式，其分別是甲烷的沸點和熔點。本領域技術人員可以選擇其他烴物質處於液體或固體形式時的適當溫度，在此不再列舉。
[0038]圖5A顯示了置於封閉腔室128中的容器118(圖4)的內杯120中的顆粒混合物135。烴物質可以通過入口 139引入到封閉腔室128中，如圖5A中的方向箭頭所示。可以選擇性控制(例如提高)封閉腔室128內烴物質的壓力，以選擇性控制要包封到容器118內的烴物質的量(圖4)。例如，封閉腔室128內烴物質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，以將封閉腔室128中的氣態環境中存在的顆粒混合物135和烴物質包封在容器118內。該密封的容器118然後可以經歷HPHT加工。
[0040]在一些實施方案中，在將顆粒混合物135置入容器118後，烴物質可以引入到容器118中以經歷HPHT加工。在其他實施方案中，在將顆粒混合物135置入容器118中以經歷HPHT加工之前，烴物質可以引入到在分別的容器中的顆粒混合物135中。在該實施方案中，顆粒混合物135可以保持在烴環境中，直到它密封在容器118中以經歷HPHT加工。
[0041]在本公開另外的實施方案中，烴物質可以與顆粒混合物135混合，並且密封到容器118中以經歷HPHT加工，同時該烴物質處於固態或液態。例如，烴物質可以是壓縮的液體或固態或者烴與其他材料的配合物。在一些實施方案中，烴物質可以包括水合的烴，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。引入烴物質可以任選地在低於室溫的溫度(例如低溫)進行。例如，烴物質可以與顆粒混合物135—起在烴物質形成液體或固體的溫度例如小於_150°C，小於_161°C或者小於_182°C的溫度引入。
[0042]不受限於任何具體的理論，據信經官能化的納米顆粒131上的官能團和任選的烴物質促進了金剛石晶粒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，官能團和烴物質可以在HPHT條件中離解。每個碳原子在離解後可以與一個或多個金剛石顆粒(例如金剛石納米顆粒130或者相對較大的金剛石顆粒134(圖3D))鍵合。氫原子在離解後可以形成氫氣(H2)，其可以是還原劑。一些氫氣可以與多晶金剛石102中的雜質或催化劑材料(如果存在)反應。一些氫氣會擴散出該多晶金剛石102，並且會與容器118的材料反應。一些氫氣會鍵合到多晶金剛石102的暴露表面以形成氫封端的多晶金剛
O
[0043]包括如此處所述而製作的多晶金剛石102的切割元件100的實施方案(圖1)可以安裝到鑽地工具上和用於根據本公開另外的實施方案來除去地下地層材料。圖6顯示了固定刀具鑽地旋轉鑽頭160。鑽頭160包括鑽頭體162。這裡所述的多個切割元件100可以安裝到鑽頭160的鑽頭體162上。切割元件100可以釺焊或者以其他方式固定到鑽頭體162的外表面中形成的凹處內。其他類型的鑽地工具例如牙輪鑽頭、衝擊鑽頭、混合式鑽頭、擴眼鑽頭等也可以包括此處所述的切割元件100。[0044]使用這裡所述的方法製作的多晶金剛石102(圖1和2)會表現出改進的耐磨性和熱穩定性。
[0045]下面描述了本發明另外的非限定性示例實施方案。
[0046]實施方案1:一種製作多晶金剛石的方法，其包括:用一種或多種官能團來官能化無碳納米顆粒的表面，將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物，和使該顆粒混合物經歷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]實施方案2:實施方案I的方法，其中用一種或多種官能團來官能化無碳納米顆粒的表面包括用甲基官能團來官能化無碳納米顆粒的表面。
[0048]實施方案3:實施方案I或實施方案2的方法，其中用一種或多種官能團來官能化無碳納米顆粒的表面包括用乙炔官能團來官能化無碳納米顆粒的表面。
[0049]實施方案4:實施方案1-3任一項的方法，其進一步包括選擇無碳納米顆粒以包含金屬或金屬合金。
[0050]實施方案5:實施方案4的方法，其進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]實施方案6:實施方案1-3任一項的方法，其進一步包括選擇無碳納米顆粒以包含陶瓷材料。
[0052]實施方案7:實施方案6的方法，其進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]實施方案8:實施方案6或實施方案7的方法，其進一步包括選擇無碳納米顆粒以包含氧化鋁或氧化鎂。
[0054]實施方案9:實施方案1-8任一項的方法，其中將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物包括將經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，和乾燥該懸浮體。
[0055]實施方案10:實施方案9的方法，其中乾燥該懸浮體包括噴霧乾燥、冷凍乾燥和急驟乾燥該懸浮體中的一種或多種。
[0056]實施方案11:實施方案9或實施方案10的方法，其進一步包括將金剛石磨料粒懸浮在液體中。
[0057]實施方案12:實施方案9-11任一項的方法，其中乾燥該懸浮體包括乾燥該懸浮體以形成粉末產物。
[0058]實施方案13:實施方案12的方法，其進一步包括將該粉末產物與金剛石磨料粒混合以形成該顆粒混合物。
[0059]實施方案14:實施方案13的方法，其進一步包括在該顆粒混合物經歷HPHT條件之前，研磨該顆粒混合物。
[0060]實施方案15:實施方案12的方法，其進一步包括研磨該粉末產物。
[0061]實施方案16:實施方案1-15任一項的方法，其中使該顆粒混合物經歷HPHT條件包括將該顆粒混合物經歷至少約1400°C的溫度和至少約5.0GPa的壓力。
[0062]實施方案17:—種用於鑽地工具的切割元件，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來官能化無碳納米顆粒的表面，將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物，和使該顆粒混合物經歷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]實施方案18:實施方案17的切割元件，其中用一種或多種官能團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來官能化無碳納米顆粒的表面。
[0064]實施方案19:一種包括切割元件的鑽地工具，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來官能化無碳納米顆粒的表面，將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物，和使該顆粒混合物經歷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]實施方案20:實施方案19的鑽地工具，其進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]實施方案21:實施方案19或實施方案20的鑽地工具，其中該鑽地工具包括鑽地旋轉鑽頭。
[0067]雖然已經在此參考某些實施方案描述了本發明，但是本領域技術人員將會認可和理解它不限於此。而是可以對所示和所述的實施方案進行許多的增加、刪除和改變，而不脫離如下文所要求的本發明的範圍，以及法律等價物。另外，來自一種實施方案的特徵可以與另一實施方案的特徵相組合，同時仍然包括在本發明人所預期的本發明的範圍內。此外，本發明可用於具有不同的鑽頭輪廓以及不同的刀具類型的鑽頭。
【權利要求】
1.一種製作多晶金剛石的方法，其包括: 用一種或多種官能團來官能化無碳納米顆粒的表面； 將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物；和使該顆粒混合物經歷高壓和高溫(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.根據權利要求1所述的方法，其中用一種或多種官能團來官能化無碳納米顆粒的表面包括用甲基官能團來官能化無碳納米顆粒的表面。
3.根據權利要求1所述的方法，其中用一種或多種官能團來官能化無碳納米顆粒的表面包括用乙炔官能團來官能化無碳納米顆粒的表面。
4.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括選擇無碳納米顆粒以包含金屬或金屬合金。
5.根據權利要求4所述的方法，其進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.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括選擇無碳納米顆粒以包含陶瓷材料。
7.根據權利要求6所述的方法，其進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.根據權利要求6所述的方法，其進一步包括選擇無碳納米顆粒以包含氧化鋁或氧化鎂。
9.根據權利要求1所述的方法，其中將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物包括: 將經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 乾燥該懸浮體。
10.根據權利要求9所述的方法，其中乾燥該懸浮體包括噴霧乾燥、冷凍乾燥和急驟乾燥該懸浮體中的一種或多種。
11.根據權利要求9所述的方法，其進一步包括將金剛石磨料粒懸浮在液體中。
12.根據權利要求9所述的方法，其中乾燥該懸浮體包括乾燥該懸浮體以形成粉末產物。
13.根據權利要求12所述的方法，其進一步包括將該粉末產物與金剛石磨料粒混合以形成顆粒混合物。
14.根據權利要求13所述的方法，其進一步包括在該顆粒混合物經歷HPHT條件之前，研磨該顆粒混合物。
15.根據權利要求12所述的方法，其進一步包括研磨該粉末產物。
16.根據權利要求1所述的方法，其中使該顆粒混合物經歷HPHT條件包括將該顆粒混合物經歷至少約1400°C的溫度和至少約5.0GPa的壓力。
17.一種用於鑽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來官能化無碳納米顆粒的表面； 將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物；和 使該顆粒混合物經歷高壓和高溫(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.根據權利要求17所述的切割元件，其中用一種或多種官能團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來官能化無碳納米顆粒的表面。
19.一種包括切割元件的鑽地工具，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來官能化無碳納米顆粒的表面； 將經官能化的納米顆粒與金剛石納米顆粒和金剛石磨料粒合併以形成顆粒混合物；和使該顆粒混合物經歷高壓和高溫(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.根據權利要求19所述的鑽地工具，其進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.權利要求19所述的鑽地工`具，其中該鑽地工具包括鑽地旋轉鑽頭。
【文檔編號】E21B10/46GK103890308SQ201280052009
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年9月14日 優先權日:2011年9月16日
【發明者】A·A·迪喬瓦尼, S·查克拉伯蒂 申請人:貝克休斯公司