熱穩定多晶硬質材料與硬質複合材料之間的機械強化粘結的製作方法

2023-05-16 03:23:46

發明背景

本申請涉及將硬質複合材料粘結到多晶材料，所述多晶材料包括但不限於多晶金剛石(「pcd」)材料和熱穩定多晶(「tsp」)材料。

在地下地層鑽探或採礦操作期間，鑽頭和其部件常常經受極端條件(例如，高溫、高壓以及與研磨麵接觸)。如金剛石、立方氮化硼和碳化矽的硬質材料常常用在鑽頭與地層之間的接觸點處，這是因為它們具有耐磨性、硬度以及遠離與地層的接觸點傳導熱的能力。

一般來說，此類硬質材料通過將硬質材料的顆粒與催化劑組合來形成，以使得當受熱時，催化劑有助於材料的生長和/或結合，以便將顆粒結合在一起來形成多晶材料。然而，催化劑在成形之後保留在多晶材料的主體內。因為催化劑通常具有比硬質材料更高的熱膨脹係數，所以當多晶材料受熱時(例如，在將多晶材料附接到鑽頭或其一部分(如刀具)的釺焊期間或在井下操作期間)，催化劑可能引起整個多晶材料的斷裂。這些斷裂弱化了多晶材料，並且可能導致鑽頭的壽命縮短。

為了減輕多晶材料的斷裂，在將多晶材料暴露於升高的溫度之前，通常移除至少一些催化劑，並且優選地移除大部分催化劑。移除了大量催化劑的多晶材料被稱為熱穩定多晶(「tsp」)材料。

特別是對於鑽頭，常常將tsp材料粘結到另一種材料(例如，硬質複合材料，如分散在銅粘合劑中的碳化鎢顆粒)，以允許將更昂貴的tsp材料策略性地定位在所期望的與地層的接觸點處。然而，在操作期間tsp材料與粘結tsp材料的表面的分離降低了鑽頭的功效並且縮短了鑽頭的壽命。

附圖簡述

以下附圖被包括來用於說明本發明實施方案的某些方面，並且不應被視作排他性實施方案。如本領域的並且受益於本公開的技術人員將了解，所公開的主題能夠在形式和功能上存在相當多的修改、改變、組合和等效形式。

圖1是具有由硬質複合材料形成的基體鑽頭主體的基體鑽頭的剖視圖。

圖2是根據本公開的至少一些實施方案的包括多晶材料刀具的基體鑽頭的等距視圖。

圖3是根據本公開的至少一些實施方案的刀具的剖視圖。

圖4是根據本公開的至少一些實施方案的刀具的剖視圖。

圖5a和圖5b示出設置在多晶材料主體的粘結表面上的掩模的側視圖和頂視圖。

圖6是示出適於與包括本公開的刀具的基體鑽頭結合使用的鑽探組件的一個實例的示意圖。

具體實施方式

本申請涉及在形成井下工具的研磨部件(例如，用於鑽頭中的刀具)時，將多晶材料粘結到硬質複合材料。更具體地，本申請涉及用於增加由多晶材料與硬質複合材料之間的釺焊材料形成的粘結強度的物理方法。本公開的教義可應用於其中多晶材料粘結到硬質複合材料的任何井下工具或其部件。此類工具可包括用於鑽井、完井以及從井中產生烴類的工具。此類工具的實例包括：切削工具，諸如鑽頭、鉸刀、穩定器和取芯鑽頭；鑽探工具，諸如旋轉導向裝置和泥漿馬達；以及井下使用的其他工具，諸如開窗磨具(windowmill)、封隔器、工具接頭和其他易磨損工具。

圖1是具有由硬質複合材料131形成的基體鑽頭主體50的基體鑽頭20的剖視圖。示例性硬質複合材料可包括但不限於分散在粘合劑材料中的增強顆粒。如本文所使用的，術語「基體鑽頭」包括旋轉刮刀鑽頭、刮刀鑽頭、固定刀具鑽頭以及具有基體鑽頭主體並且能夠併入本公開教義的任何其他鑽頭。

對於諸如圖1所示實施方案的實施方案，基體鑽頭20可包括金屬柄30，其中金屬坯料36(例如，在焊接位置39處)牢固地附接到所述金屬柄30。金屬坯料36延伸到基體鑽頭主體50中。金屬柄30包括遠離金屬坯料36的螺紋連接件34。

金屬柄30和金屬坯料36是大體圓柱形結構，它們至少部分地限定了彼此流體連通的對應的流體腔32。金屬坯料36的流體腔32可進一步縱向延伸到基體鑽頭主體50中。至少一個流動通道(示出為兩個流動通道42和44)可從流體腔32延伸到基體鑽頭主體50的外部部分。噴嘴開口54可限定在流動通道42和44的位於基體鑽頭主體50外部部分處的端部處。

多個凹痕或凹槽58形成在基體鑽頭主體50中，並且被設定形狀或以其他方式被構造來接收刀具。

圖2是根據本公開的至少一些實施方案的包括多個刀具60的基體鑽頭的等距視圖。如圖所示，基體鑽頭20包括金屬坯料36和金屬柄30，如以上參照圖1所概述的。

基體鑽頭主體50包括形成在基體鑽頭主體50的外部上的多個刀具刀片52。刀具刀片52可在基體鑽頭主體50的外部上彼此間隔開，以便在它們之間形成流體流動路徑或廢料槽62。

如圖所示，多個凹槽58可形成在刀具刀片52中的選定位置處。刀具60可(例如，通過釺焊)牢固地安裝在每個凹槽58中以便在鑽探操作期間接合併移除地下地層的部分。更具體地，在基體鑽頭20旋轉期間，每個刀具60可通過所附接的鑽柱從井筒的底部和側面刮去並鑿出地層材料。

噴嘴56可設置在每個噴嘴開口54中。對於一些應用，噴嘴56可被描述或以其他方式被表徵為「可互換的」噴嘴。

圖3是根據本公開的至少一些實施方案的示例性刀具60a的剖視圖。刀具60a由通過釺焊件68粘結到硬質複合材料主體66的多晶材料主體64形成。更具體地，多晶材料主體64可限定並以其他方式提供與多晶材料主體64的切削表面72相對的粘結表面70。此外，硬質複合材料主體66可限定並以其他方式提供粘結表面74。多晶材料主體64和硬質複合材料主體66的對應的粘結表面70、74可分別與釺焊件68(例如，銀、銅、鎳、鈦、釩、磷、矽、鋁、鉬等中的至少兩種的合金)耦接並以其他方式粘結在一起。

適於用作多晶材料主體64的多晶材料的實例可包括但不限於：多晶金剛石、多晶立方氮化硼、多晶碳化矽、tsp金剛石、tsp立方氮化硼、tsp碳化矽等。

在一些實施方案中，如圖3所示，多晶材料主體64的粘結表面70可展現出合成形貌特徵。如以上更詳細描述的，通過使隨機取向的硬質材料(例如，金剛石、立方氮化硼和碳化矽)的小晶粒以及其他起始材料(例如，催化劑)的小晶粒經受超高的壓力和溫度條件來形成多晶材料。隨後，可通過從結構中移除至少一部分催化劑來形成tsp材料。多晶材料主體64的所得表面作為使用晶粒的人工產物而具有一定的粗糙度，但所述表面在宏觀水平上是大體平坦的。如本文所使用的，相對於表面的術語「合成形貌特徵」是指那個表面上的粗糙度或不均勻度，其可以或可以不是有目的地添加或施加在那個表面上的預定圖案。合成形貌特徵不同於在形成多晶材料時將晶粒融合在一起所產生的粗糙度。在所示出的實施方案中，例如，合成形貌特徵可展現出大體堞形或不均勻的形貌特徵。

在不受理論限制的情況下，據信合成形貌特徵可證明有利於增加多晶材料主體64的粘結表面70的表面積。增加的粘結表面積可增強多晶材料主體64與釺焊件68之間的粘結強度，這可在井下使用期間減輕多晶材料主體64與硬質複合材料主體66的可能的分離。

圖4是根據本公開的至少一些實施方案的另一個示例性刀具60b的剖視圖。類似於圖3的刀具60a，刀具60b由通過釺焊件68粘結到硬質複合材料主體66的多晶材料主體64形成。如圖所示,多晶材料主體64的粘結表面70和硬質複合材料主體66的粘結表面74各自展現出合成形貌特徵，並且更具體地，展現出交錯不均勻的形貌特徵。在所示出的實施方案中，每個粘結表面70和74的合成形貌特徵被設計成與用於釺焊材料68的足夠空間交錯並以其他方式互鎖以便粘結相鄰的粘結表面70和74。在至少一個實施方案中，每個粘結表面70和74的合成形貌特徵可被設計成配合併以其他方式嚙合到另一個的合成形貌特徵中。

在不受理論限制的情況下，據信分別在多晶材料主體64和硬質複合材料主體66的粘結表面70和74上提供合成形貌特徵可證明有利於在(由圖4的方向箭頭a所指示的)徑向方向上另外的粘結機械強度，這減輕了粘結表面70和74之間的粘結的剪切。

在一些實施方案中，粘結表面70和74的合成形貌特徵可通過使用如氧氣和四氟甲烷的氣體進行反應離子蝕刻來形成。本領域技術人員將認識到用於在硬質材料(例如，金剛石、立方氮化硼和碳化矽)上執行反應離子蝕刻的適當條件。例如，可使用具有氧氣和任選的四氟甲烷的反應離子等離子體來蝕刻多晶材料。更具體地，在一些實例中，金剛石和其他多晶材料的反應離子等離子體蝕刻的合適條件的一個實例可包括：40份氧氣和0份至40份四氟甲烷的反應氣體、50毫託的總氣壓、在13.56mhz下的100w至400w的射頻功率以及0℃至5℃的粘結表面70、74溫度。通過調節射頻功率，可將總氣壓、反應氣體成分和粘結表面70、74溫度調節到所提供的範圍之外。

在一些實施方案中，粘結表面70、74的蝕刻部分可具有5微米至1mm、包括它們之間的子集(例如，5微米至100微米、50微米至500微米或250微米至1mm)的深度(即，延伸到相應主體中的平均距離)。深度可尤其取決於蝕刻條件、執行蝕刻的時間量以及硬質複合材料和硬質材料的成分。

在一些實施方案中，在形成合成形貌特徵時，可使用掩模來僅蝕刻粘結表面70、74的一部分。圖5a和圖5b分別示出設置在多晶材料主體64的粘結表面70上的掩模76的側視圖和頂視圖。如在圖5b中最佳地看出，掩模76僅覆蓋粘結表面70的一部分，以使得在蝕刻過程期間可蝕刻粘結表面70的暴露部分。掩模可用於在多晶材料主體64的粘結表面70上形成圖案。然而，在一些實例中，可在不使用掩模的情況下實現隨機蝕刻。

可使用適於耐受蝕刻工藝的材料、通過任何已知方法(例如，光刻掩模)來形成掩模。適於用作掩模的材料的實例可包括但不限於：氧化矽、金屬膜、光阻材料等。

掩模可用於形成任何圖案，例如正方形、同心圓、條紋等。

可通過分散在粘合劑材料中的增強顆粒來形成硬質複合材料的實例，所述硬質複合材料可用於粘結到包括具有本文所述晶體結構的粘結表面的多晶材料主體。示例性粘合劑材料可包括但不限於：銅、鎳、鈷、鐵、鋁、鉬、鉻、錳、錫、鋅、鉛、矽、鎢、硼、磷、金、銀、鈀、銦、其任何混合物、其任何合金以及其任何組合。粘合劑材料的非限制性實例可包括：銅-磷、銅-磷-銀、銅-錳-磷、銅-鎳、銅-錳-鎳、銅-錳-鋅、銅-錳-鎳-鋅、銅-鎳-銦、銅-錫-錳-鎳、銅-錫-錳-鎳-鐵、金-鎳、金-鈀-鎳、金-銅-鎳、銀-銅-鋅-鎳、銀-錳、銀-銅-鋅-鎘、銀-銅-錫、鈷-矽-鉻-鎳-鎢、鈷-矽-鉻-鎳-鎢-硼、錳-鎳-鈷-硼、鎳-矽-鉻、鎳-鉻-矽-錳、鎳-鉻-矽、鎳-矽-硼、鎳-矽-鉻-硼-鐵、鎳-磷、鎳-錳、銅-鋁、銅-鋁-鎳、銅-鋁-鎳-鐵、銅-鋁-鎳-鋅-錫-鐵等以及其任何組合。示例性增強顆粒可包括但不限於：金屬、金屬合金、金屬碳化物、金屬氮化物、金剛石、超耐熱合金等或其任何組合的顆粒。適於結合本文所述的實施方案使用的增強顆粒的實例可包括多種顆粒，所述顆粒包括但不限於：氮化物、氮化矽、氮化硼、立方氮化硼、天然金剛石、合成金剛石、硬質合金、球形碳化物、低合金燒結材料、鑄造碳化物、碳化矽、碳化硼、立方碳化硼、碳化鉬、碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉻、碳化釩、碳化鐵、碳化鎢、粗晶碳化鎢、鑄造碳化鎢、破碎的燒結碳化鎢、滲碳碳化鎢、鋼、不鏽鋼、奧氏體鋼、鐵素體鋼、馬氏體鋼、沉澱硬化鋼、雙相不鏽鋼、陶瓷、鐵合金、鎳合金、鉻合金、合金(含有鎳-鉻的合金，可從haynesinternational獲得)、合金(含有奧氏體鎳-鉻的超耐熱合金，可從specialmetalscorporation獲得)、(奧氏體鎳基超耐熱合金，可從unitedtechnologiescorp.獲得)、合金(含有鎳-鉻的合金，可從altempalloys,inc.獲得)、合金(含有鎳-鉻的超耐熱合金，可從haynesinternational獲得)、合金(含有鐵-鎳的超耐熱合金，可從megamex獲得)、mp98t(鎳-銅-鉻超耐熱合金，可從spstechnologies獲得)、tms合金、合金(鎳基超耐熱合金，可從c-mgroup獲得)、n-155合金、其任何混合物以及其任何組合。

圖6是示出適於與包括本公開的刀具(例如，圖2-3的刀具60)的基體鑽頭結合使用的鑽探組件200的一個實例的示意圖。應注意，雖然圖6大體上描繪了陸上鑽探組件，但是本領域的技術人員將容易地認識到，在不脫離本公開的範圍的情況下，本文所述的原理同樣適用於採用浮動或海上平臺和鑽機的水下鑽探操作。

鑽探組件200包括耦接到鑽柱204的鑽探平臺202。除了本公開的具體教義之外，鑽柱204可包括但不限於鑽管和連續油管，如本領域的技術人員通常已知的。根據本文所述的實施方案的基體鑽頭206附接到鑽柱204的遠端，並且由井下電機和/或通過鑽柱204從井表面的旋轉來驅動。當鑽頭206旋轉時，其形成穿透地下地層210的井筒208。鑽探組件200還包括使鑽井液循環通過鑽柱204(如流動箭頭a所示)和其他管道214的泵212。

本領域的技術人員將認識到，適於結合鑽探組件200使用的其他設備可包括但不限於：保留坑、混合器、振動器(例如，泥漿振動篩)、離心機、水力旋流器、分離器(包括磁分離器和電分離器)、除泥器、除砂器、過濾器(例如，硅藻土過濾器)、熱交換器以及任何流體回收設備。此外，鑽探組件200可包括一個或多個傳感器、計量器、泵、壓縮機等。

本文所公開的實施方案包括：

a.一種方法，其包括：蝕刻多晶材料主體的粘結表面，以便在所述多晶材料主體的所述粘結表面上產生合成形貌特徵，所述粘結表面與所述多晶材料主體的接觸表面相對；以及使用釺焊材料將所述多晶材料主體的具有所述合成形貌特徵的所述粘結表面釺焊到硬質複合材料的粘結表面；

b.一種方法，其包括：將第一掩模施加到多晶材料主體的粘結表面，並由此提供一個或多個多晶掩蔽部分和一個或多個多晶暴露部分，所述粘結表面與所述多晶材料主體的接觸表面相對；蝕刻所述一個或多個多晶暴露部分以便在所述多晶材料主體的所述粘結表面上產生合成形貌特徵；從所述多晶材料主體的所述粘結表面移除所述第一掩模；以及使用釺焊材料將所述多晶材料主體的具有所述合成形貌特徵的所述粘結表面釺焊到硬質複合材料的粘結表面；

c.一種切削元件，其包括：多晶材料主體，所述多晶材料主體具有帶有合成形貌特徵的粘結表面，所述粘結表面與所述多晶材料主體的接觸表面相對；以及硬質複合材料，所述硬質複合材料具有使用釺焊材料結合到所述多晶材料主體的所述粘結表面的粘結表面；以及

d.一種鑽探組件，其包括：鑽柱，所述鑽柱可從鑽探平臺延伸並進入井筒中；泵，所述泵流體連接到所述鑽柱並且被配置來使鑽井液循環進入所述鑽柱中並通過所述井筒；以及鑽頭，所述鑽頭附接到所述鑽柱的端部，所述鑽頭具有基體鑽頭主體和耦接到所述基體鑽頭主體的外部部分的多個切削元件，所述多個切削元件由實施方案a形成、由實施方案b形成、根據實施方案c或其組合形成。

實施方案a和b可具有呈任何組合的以下另外的要素中的一個或多個：要素1：所述方法還包括使用包含氧氣的反應離子等離子體蝕刻所述多晶材料主體的所述粘結表面以產生所述合成形貌特徵；要素2：所述方法還包括使用包含氧氣和四氟甲烷的反應離子等離子體蝕刻所述多晶材料主體的所述粘結表面以產生所述合成形貌特徵；要素3：其中在將所述多晶材料主體的具有所述合成形貌特徵的所述粘結表面釺焊到所述硬質複合材料的所述粘結表面之前：蝕刻所述硬質複合材料的所述粘結表面以便在所述硬質複合材料主體的所述粘結表面上產生合成形貌特徵；要素4：其中在將所述多晶材料主體的具有所述合成形貌特徵的所述粘結表面釺焊到所述硬質複合材料的所述粘結表面之前：將掩模(或第二掩模)施加到所述硬質複合材料的所述粘結表面，並且由此提供一個或多個硬質複合材料掩蔽部分和一個或多個硬質複合材料暴露部分；蝕刻所述一個或多個硬質複合材料暴露部分以便在所述硬質複合材料的所述粘結表面上產生合成形貌特徵；以及從所述硬質複合材料的所述粘結表面移除所述掩模(或所述第二掩模)；要素5：所述方法具有要素3或要素4，其中所述硬質複合材料主體的所述粘結表面上的所述合成形貌特徵包括所述硬質複合材料主體的所述粘結表面的5微米至1mm深的蝕刻部分；以及要素6：其中所述多晶材料主體的所述粘結表面上的所述合成形貌特徵包括所述多晶材料主體的所述粘結表面的5微米至1mm深的蝕刻部分。實施方案b還可包括：要素7：所述方法具有要素4並且還包括形成所述多晶材料主體的所述粘結表面的所述合成形貌特徵和所述硬質複合材料的所述粘結表面的所述合成形貌特徵以便進行互鎖。作為非限制性實例，示例性組合可包括：要素1與要素2和任選的要素3以及任選的要素5的組合；要素1與要素2和任選的要素4以及任選的要素5和/或7的組合；要素1與要素3和任選的要素5的組合；要素1與要素4和任選的要素5和/或7的組合；要素2與要素3和任選的要素5的組合；要素2與要素4以及任選的要素5和/或7的組合；要素6與要素1-5中的至少一個以及任選的包括在前述組合中的要素7的組合。

實施方案c可具有呈任何組合的以下另外的要素中的一個或多個：要素8：其中所述硬質複合材料的所述粘結表面具有合成形貌特徵；要素9：要素8，其中所述多晶材料主體的所述粘結表面的所述合成形貌特徵和所述硬質複合材料的所述粘結表面的所述合成形貌特徵進行互鎖；要素10：要素8，其中所述硬質複合材料主體的所述粘結表面上的所述合成形貌特徵包括所述硬質複合材料主體的所述粘結表面的5微米至1mm深的蝕刻部分；以及要素11：其中所述多晶材料主體的所述粘結表面上的所述合成形貌特徵包括所述多晶材料主體的所述粘結表面的5微米至1mm深的蝕刻部分。作為非限制性實例，示例性組合可包括：要素8與要素9-10以及任選的要素11的組合；要素8和11的組合；要素8、9和11的組合；以及要素8、10和11的組合。

本文呈現了本文所公開的併入本發明實施方案的一個或多個說明性實施方案。為了清楚起見，本申請中沒有描述或示出實際實施方式的所有特徵。應理解，在開發併入本發明實施方案的實際實施方案時，必須做出許多實施方式特定的決定以實現開發者的目標，諸如服從系統相關的、商務相關的、政府相關的和其他約束，所述約束根據實施方式改變並且時常改變。儘管開發者的努力可能是耗時的，然而此類努力將是本領域的並且受益於本公開的普通技術人員的常規任務。

雖然組合物和方法在本文中從「包含」各種組分或步驟方面來描述，但是組合物和方法還可「基本上由各種組分和步驟組成」或「由各種組分和步驟組成」。

因此，本發明非常適於實現所提到的目標和優勢以及本文所固有的那些目標和優點。以上公開的具體實施方案僅是說明性的，因為本發明可以對受益於本文教義的本領域技術人員來說顯而易見的不同但等效的方式進行修改和實踐。此外，除了如以下權利要求書中所描述的之外，並不意圖對本文示出的構造或設計的細節進行限制。因此，明顯的是，以上公開的具體說明性實施方案可被改變、組合或修改，並且所有此類變化被視為在本發明的範圍和精神內。本文說明性公開的本發明可在缺少本文未特定公開的任何要素和/或本文所公開的任何任選的要素的情況下得以適當地實踐。雖然組合物和方法從「包含」、「含有」或「包括」各種組分或步驟方面來描述，但是組合物和方法還可「基本上由各種組分和步驟組成」或「由各種組分和步驟組成」。以上公開的所有數字和範圍可發生一定量的變化。每當公開具有下限和上限的數字範圍時，就明確公開了落在所述範圍內的任何數字和任何包括的範圍。具體地，本文公開的值的每個範圍(形式為「約a至約b」，或等效地「大致a至b」，或等效地「大致a-b」)應理解為闡述涵蓋在值的較寬範圍內的每個數字和範圍。另外，除非專利權人另外明確並清楚地定義，否則權利要求書中的術語具有其平常、普通的含義。此外，如權利要求書中所使用的不定冠詞「一個」或「一種」在本文中定義為意指引入的一個或一個以上的要素。