CN1922382A - 多晶金刚石磨蚀元件 - Google Patents

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Abstract

多晶金刚石磨蚀元件，尤其切割元件，所述元件包括多晶金刚石层，其具有工作面并沿着界面粘结到基底，尤其烧结碳化物基底上。所述多晶金刚石磨蚀元件的特征在于使用均匀地分布在多晶金刚石层中且为微细品级的粘合剂相。所述多晶金刚石还具有贫催化材料区域和富催化材料区域，其中所述贫催化材料区域与工作面相邻。

Description

多晶金刚石磨蚀元件
发明背景
本发明涉及工具嵌件(tool insert)，更特别地涉及在地下地层中的钻孔和取芯孔(coring hole)中使用的切割工具嵌件。
常用的用于钻头的切割工具嵌件是包括粘结到烧结碳化物基底上的多晶金刚石(PCD)层的切割工具嵌件。PCD层具有工作面和在工作面周边的一部分周围的切割边。
多晶金刚石(也称为金刚石磨蚀坯块(compact))，包括含有大量直接的金刚石-金刚石键接的大团金刚石颗粒。多晶金刚石通常具有第二相，所述第二相含有金刚石催化剂/溶剂，例如钴、镍、铁或含有一种或更多种这种金属的合金。
在钻孔操作中，这种切割工具嵌件在其寿命的各个阶段中经受重载和高温。在钻孔的早期阶段中，当嵌件的尖锐切割边接触地下地层时，切割工具经受大的接触压力。这导致引发许多断裂过程，例如疲劳致裂的可能性。
当嵌件的切割边磨耗时，接触压力下降且通常太低，以致于不会引起高能故障。然而，这一压力仍然可扩大在高接触压力下引发的裂纹；且最终可导致散裂(spalling)类型的故障。
在钻探工业中，PCD切割机的性能由切割机的能力来决定，以便在愈加苛刻的环境内实现高的穿透速度，同时仍保持良好条件的后钻探(因此能再利用)。在任何钻探应用中，切割机可通过平稳、磨蚀类型的磨损和散裂/碎裂(chipping)类型的磨损的结合来磨损。平稳、磨蚀的磨蚀是所需的，因为它从高度耐磨的PCD材料中最大地受益，而散裂或碎裂类型的磨损是不利的。甚至相当小的这种类型的断裂损坏可对切割寿命和性能具有有害的影响。
关于散裂类型的磨耗，当钻头穿透到地层内的速度变慢时，切割效率会快速下降。一旦碎裂开始，对金刚石平板(table)的损坏量继续增加，这是实现给定切割深度所要求的法向力增加导致的。因此，当切割机的损坏发生和钻头穿透的速度下降时，在钻头上增加的重量应答可快速导致进一步劣化并最终导致碎裂的切割元件毁灭性的故障。
在优化PCD切割机的性能中，典型地通过控制诸如平均金刚石粒度、总的催化剂/溶剂含量、金刚石的密度等变量，来实现增加的耐磨性(以便实现更好的切割机寿命)。然而，典型地，当使PCD材料更耐磨时，它变得更脆或者易于断裂。为改进磨耗性能而设计的PCD元件因此倾向于具有差的冲击强度或者降低的抗散裂性。抗冲性和耐磨性之间的这一折衷使得设计尤其用于苛刻应用的优化的PCD结构体固有地存在自身的局限性。
若可消除或控制更耐磨的PCD的碎裂行为，则可更加充分地实现这些类型的PCD切割机的潜在地改进的性能。
以前通过斜切(bevelling)改变切割边的几何形状被视为减少这一碎裂行为的有前景的方法。已经表明(US5437343和US5016718)预斜切PCD平板的切割边或者使其变圆会显著降低金刚石切割平板的散裂倾向。当嵌件接触地壳地层时，通过增加接触面积导致的变圆会降低在负载过程中生成的起始的高应力的影响。然而这一斜切的边缘在PCD切割机的使用过程中会磨掉，并最终达到其中没有保留斜角的点。在这一点处，切割边对散裂类型的磨耗的抗性会降低到与未保护/未斜切的PCD材料一样。
US5135061建议也可通过制造具有比底层的PCD材料的耐磨性低，并因此降低其散裂倾向的由PCD材料层形成的切割面的切割机来控制散裂类型的行为。在切割边的区域内不那么耐磨层的较大磨耗提供切割元件变圆的边缘，在此它啮合地层。通过这一发明实现的切割边的变圆因此对斜切具有类似的抗散裂效果。通过在合成工艺过程中就地实现满意地薄、不那么耐磨层的技术难题，可显著地突出这一方法的优点。(这一抗散裂层的一致且可控行为明显高度取决于所得几何形状)。另外，这一上层的耐磨性下降可开始牺牲切割机总的耐磨性，从而导致切割边更快速的钝化和次最佳(sub-optimal)的性能。
JP59119500要求保护在化学处理工作面之后，在PCD烧结材料性能方面的改进。这一处理溶解并除去与工作面紧密相邻的区域内的催化剂/溶剂基体。所述发明要求保护在其中除去基体的区域内，增加PCD材料的耐热性且没有牺牲烧结金刚石的强度。
最近将PCD切割元件引入到市场上，据说其具有改进的耐磨性且没有损失冲击强度。美国专利US6544308和6562462公开了这种切割机的制造和性能。PCD切割元件的特征尤其在于与切割表面相邻的区域，它基本上不含催化材料。这些切割机性能的改进归因于在这一区域内PCD的耐磨性增加，其中除去催化剂材料导致在应用中PCD的热降解下降。
发明概述
根据本发明，提供一种多晶金刚石磨蚀元件，尤其切割元件，所述元件包括多晶金刚石层，其具有含催化材料、具有工作面并沿着界面粘结到基底，尤其烧结碳化物基底上的粘合剂相，所述多晶金刚石磨蚀元件的特征在于所述粘合剂相均匀地分布在多晶金刚石层中且为微细品级(fine scale)，并且多晶金刚石具有贫催化材料区域和富催化材料区域，其中所述贫催化材料区域与工作面相邻。
并且多晶金刚石具有与工作面相邻的贫催化材料区域和富催化材料区域。
在微结构内粘合剂相厚度的分布或平均自由程的测量值的平均值优选小于6微米，更优选小于4.5微米，和最优选小于3微米。
另外，粘合剂相厚度的分布的标准偏差(以平均粘合剂相厚度的百分数形式表达)小于80％，更优选小于70％，和最优选小于60％。
在其中粘合剂相的分布可用“当量圆直径”表达时，圆直径的分布的标准偏差(以平均圆直径的百分数形式表达)优选小于80％，更优选小于70％，和最优选小于60％。
由于粘合剂相(也称为催化剂/溶剂基体)的均匀分布和微细品级，因此多晶金刚石为“高等级”的。
另外，“高等级”金刚石是特征在于具有一个或更多个下述特征的多晶金刚石材料：
1)平均金刚石颗粒粒度小于20微米，优选小于15微米，甚至更优选小于约11微米；
2)非常高的耐磨性，即耐磨性足够高到使得在不存在与工作面相邻的贫催化材料区域的情况下，使用这种材料的多晶金刚石磨蚀元件对散裂或碎裂类型的磨耗高度敏感；和
3)在基于常规应用的花岗岩镗床试验的后期阶段中，磨耗比小于50％，优选小于40％，更优选小于30％，其中所述磨耗比是相对于从由不存在与工作面相邻的贫催化材料区域的相同等级的多晶金刚石制造的多晶金刚石磨蚀元件中除去的材料的磨耗裂痕的尺寸或者材料的量，从具有与工作面相邻的贫催化材料区域的多晶金刚石磨蚀元件除去的材料的量的百分比。
多晶金刚石具有非常高的耐磨性。这在本发明的一个实施方案中通过由具有至少3种，和优选至少5种不同平均粒度的金刚石颗粒团产生多晶金刚石，可以实现，且优选得以实现。在这一金刚石颗粒混合物内的金刚石颗粒优选是微细的。
在多晶金刚石中，单独的金刚石颗粒在很大程度上通过金刚石桥或颈(neck)粘结到相邻颗粒上。单独的金刚石颗粒保持其本性，或者通常具有不同的取向。可使用图像分析技术来测定这些单独的金刚石颗粒的平均粒度。在扫描电子显微镜上收集图像，并使用标准的图像分析技术分析。根据这些图像，可得到代表性的金刚石粒度分布。
多晶金刚石层具有贫催化材料的与工作面相邻的区域。一般地，这一区域基本上不含催化材料。所述区域从工作面延伸到多晶金刚石内，其深度通常达到低至约30微米到不大于约500微米。
多晶金刚石还具有富催化材料区域。在多晶金刚石层的制造中，催化材料以烧结剂的形式存在。可使用本领域已知的任何金刚石催化材料。优选的催化材料是第VIII族过渡金属，例如钴和镍。富催化材料区域通常与贫催化材料区域具有界面并延伸到和基底之间的界面上。
富催化材料区域本身可包括多于一个的区域。所述这些区域在平均粒度以及化学组成上可以不同。这些区域，当提供时，通常位于与多晶金刚石层的工作面平行的平面内。
根据本发明另一方面，生产如上所述的PCD磨蚀元件的方法包括下述步骤：通过提供基底、将金刚石颗粒团和粘合剂相置于基底表面上而生成未粘结的组件，其中排列粘合剂相，以便它均匀地分布在未粘结的组件内，并提供用于金刚石颗粒的催化材料源，使未粘结的组件经受适于产生金刚石颗粒团的多晶金刚石层的升高的温度和压力条件，这样的层粘结到基底上，并从多晶金刚石层的与其暴露表面相邻的区域内除去催化材料。
基底通常是烧结的碳化物基底。催化材料源通常是烧结的碳化物基底。一些额外的催化材料可与金刚石颗粒相混合。
金刚石颗粒含有不同平均粒度的颗粒。术语“平均粒度”是指主要量的颗粒接近于该粒度，尽管仍存在高于特定尺寸的一些颗粒和低于特定尺寸的一些颗粒。颗粒的峰值和分布具有特定尺寸。因此，例如，若平均粒度为10微米，则存在大于10微米的一些颗粒和小于10微米的一些颗粒，但主要量的颗粒的尺寸为约10微米且颗粒的分布峰值为10微米。
金刚石颗粒团在其金刚石颗粒混合物内可具有彼此不同的区域或层。因此，在具有至少4种不同平均粒度的颗粒的区域或层上可以有含有至少5种不同平均粒度的颗粒的区域或层。
从多晶金刚石层的与其暴露表面相邻的区域中除去催化材料。一般地，所述表面在与基底相对的多晶层的一侧上，并提供多晶金刚石层的工作面。可使用本领域已知的方法，例如电解蚀刻、酸浸和蒸发技术，进行催化材料的去除。
由金刚石颗粒团产生多晶金刚石层所需的升高的温度和压力的条件是本领域公知的。典型地，这些条件是范围为4-8GPa的压力和范围为1300-1700℃的温度。
已发现，与现有技术的PCD磨蚀元件相比，本发明的PCD磨蚀元件具有显著改进的磨耗行为，这是控制散裂和碎裂磨耗组分的结果。
附图简述
附图是显示在镗床试验中使用不同的多晶金刚石切割元件的曲线图。
发明详述
本发明的多晶金刚石磨蚀元件作为切割机元件用于钻头具有特殊的应用。在这一应用中，已发现，它们具有优良的耐磨性和冲击强度，且对散裂或碎裂不敏感。这些性质使得它们可有效地用于具有高压缩强度的地下地层的钻孔或取芯。
多晶金刚石层被粘结到基底上。多晶金刚石层具有上部工作面，其中在所述上部工作面周围是周边的切割边。多晶金刚石层具有富催化材料区域和贫催化材料区域。贫催化材料区域从工作面延伸到多晶金刚石层内。这一区域的深度典型地不大于约500微米，和优选约30-约400微米，最优选约60-约350微米。典型地，若PCD边缘是斜切的，则贫催化材料区域通常仿效(follow)这一斜角的形状，且沿着斜角的长度延伸。延伸到烧结碳化物基底上的多晶金刚石层的其余部分是富催化材料区域。另外，可机械抛光PCD元件的表面，以便实现低摩擦表面或面层(finish)。
一般地，在HPHT工艺中，产生多晶金刚石层并粘结到烧结碳化物基底上。在这一操作中，重要的是确保排列粘合剂相和金刚石颗粒，以便粘合剂相均匀地分布且为微细品级。
通过对许多收集的图像进行统计评价，从而确定所述结构的均匀性(homogeneity)或一致性(uniformity)。然后可使用与EP0974566中公开的类似方法测量粘合剂相的分布(它与使用电子显微术得到的金刚石相容易区分)。这一方法使得可沿着数根通过微结构的任意拉伸的线来统计评价粘合剂相的平均厚度。这一粘合剂的厚度测量也被本领域的技术人员称为“平均自由程”。对于具有类似总的组成或粘合剂含量和平均金刚石粒度的两种材料来说，具有较小平均厚度的材料倾向于更加均匀，因为这意味着在金刚石相内粘合剂的“更微细品级”的分布。另外，这一测量值的标准偏差越小，所述结构体越均匀。大的标准偏差意味着粘合剂厚度在微结构内很宽地变化，即结构体不均匀，且含有较宽的不类似的结构类型。
另一平行技术(称为“当量圆直径”)评估对于在微结构内鉴定为粘合剂相的每一单独的显微区域来说圆形相当物的尺寸。然后统计评估这些圆的集中分布。对于平均自由程技术来说按照相同的方式，这一测量值的标准偏差越大，所述结构体越不均匀。这两种图像分析技术充分地结合得到微结构均匀性的总体情况。
金刚石颗粒优选包括平均粒度不同的金刚石颗粒的混合物。在一个实施方案中，混合物包括如下所述具有5种不同平均粒度的颗粒：
平均粒度(微米)            质量百分数
20-25(优选22)25-30        (优选28)
10-15(优选12)40-50        (优选44)
5-8(优选6)5-10            (优选7)
3-5(优选4)15-20           (优选16)
小于4(优选2)              小于8(优选5)
在另一实施方案中，多晶金刚石层包括其颗粒混合物不同的两层。与工作面相邻的第一层具有以上所述类型的颗粒混合物。位于第一层和基底之间的第二层是其中(i)大部分颗粒具有范围为10-100微米的平均粒度并且由至少三种不同的平均粒度组成，和(ii)至少4％质量的颗粒具有小于10微米的平均粒度的层。第一和第二层的金刚石混合物还都可以含有混合的催化剂材料。
一旦形成多晶金刚石磨蚀元件，则使用许多已知方法中的任何一种，将催化材料从特定实施方案的工作面上除去。一种这样的方法是使用热的无机酸浸提，例如热的盐酸浸提。典型地，酸的温度为约110℃和浸提时间为3-60小时。合适地用耐酸材料遮盖不打算被浸提的多晶金刚石层的区域和碳化物基底。
在分别的烧结的碳化物基底上生产以上所述的两种双层类型的多晶金刚石切割机元件。这些多晶金刚石切割机元件分别表示为“A1U”和“A2U”。
使用在A1U和A2U中生产多晶金刚石层所使用的相同金刚石混合物，在分别的烧结的碳化物基底上生产进一步的两种多晶金刚石元件。这些多晶金刚石切割机元件分别表示为“A1L”和“A2L”。
每一多晶金刚石元件A1L和A2L具有催化材料，在这一情况下是钴，从其工作面上除去所述钴，以产生贫催化材料区域。这一区域在工作面下方延伸至约250微米的平均深度。典型地，这一深度范围为+/-40微米，从而得到范围为210-290微米横跨单个切割机的贫催化材料区域。
然后在垂直镗床试验中，比较切割机元件A1U、A2U、A1L和A2L与在工作面下方就具有贫催化材料区域的可商购的多晶金刚石切割机元件。在这一试验中，作为切割机元件钻孔到工件内所行进的距离的函数，测量所除去的PDC材料的相对量，在此情况下，在镗床试验中，所述工件为SW花岗岩。图1图示了所得结果。
可商购的多晶金刚石切割元件表示为“现有技术1L”。根据图1看出，在所述试验的后期阶段，从现有技术的切割机元件和参考切割机A 1U和A2U中除去的PDC材料的量比从本发明的A1L和A2L的切割机元件除去的PDC材料的量要多得多。在A1U和A2U的情况下，所除去的更大量的PDC材料归因于因其固有的高耐磨性导致的散裂/碎裂类型的磨耗。这使得需要增加钻头的重量，以便实现可接受的切割速度。这反过来在切割机元件内诱导较高的应力，从而导致寿命进一步下降。甚至在长期钻孔之后，切割机元件A1L和A2L没有显著量的PDC材料被除去。
在参考的未处理切割机A1U和A2U中的行为的详述不是预料不到的，且可归因于这些切割机经历的散裂类型故障的随机性。在其中散裂/碎裂材料去除机理占主导的情况下，这一行为是典型的。相反，A1L和A2L显示出非常类似的磨耗进程，从而证明在进行处理之后平稳类型的磨耗是主要的机理。
使用扫描电子显微镜，评估在这一试验中使用的切割机的微结构。表1中列出了所测量的微结构的参数。
表1
  切割机   A1(U和L)   A2(U和L)  现有技术L
  粘合剂含量分布
 面积(％)   8.53％   8.75％  8.28％
 σ*(％)   0.35％   0.40％  0.69％
  粘合剂厚度(或平均自由程)分布
 平均(μm)   2.10   2.17  10.8
 σ*(μm)   0.98   1.17  9.00
 σ*(以％平均值表达)   46％   54％  83％
  粘合剂“当量圆直径”分布
 平均   1.94   2.03  3.76
 σ*(μm)   1.06   0.87  4.07
 σ*(以％平均值表达)   55％   43％  108％
σ*是所述分布的统计平均偏差。

Claims (28)

1.一种多晶金刚石磨蚀元件，所述元件包括多晶金刚石层，其具有含催化材料、具有工作面并沿着界面粘结到基底上的粘合剂相，所述多晶金刚石磨蚀元件的特征在于，粘合剂相均匀地分布在多晶金刚石层中且为微细品级，并且多晶金刚石具有贫催化材料区域和富催化材料区域，其中所述贫催化材料区域与工作面相邻。
2.权利要求1的多晶金刚石磨蚀元件，其中粘合剂相分布以在粘合剂相的微结构内粘合剂相厚度或平均自由程的测量值形式表达，其小于6微米。
3.权利要求2的多晶金刚石磨蚀元件，其中在粘合剂相的微结构内粘合剂相厚度或平均自由程的测量值小于4.5微米。
4.权利要求3的多晶金刚石磨蚀元件，其中在粘合剂相的微结构内粘合剂相厚度或平均自由程的测量值小于3微米。
5.权利要求2-4任一项的多晶金刚石磨蚀元件，其中以平均粘合剂相厚度的百分数形式表达的粘合剂相厚度的标准偏差小于80％。
6.权利要求5的多晶金刚石磨蚀元件，其中粘合剂相厚度的标准偏差小于70％。
7.权利要求6的多晶金刚石磨蚀元件，其中粘合剂相厚度的标准偏差小于60％。
8.权利要求1的多晶金刚石磨蚀元件，其中用当量圆直径表达粘合剂相的分布，其中圆直径分布的标准偏差小于80％。
9.权利要求8的多晶金刚石磨蚀元件，其中圆直径分布的标准偏差小于70％。
10.权利要求9的多晶金刚石磨蚀元件，其中圆直径分布的标准偏差小于60％。
11.前述任一项权利要求的多晶金刚石磨蚀元件，其中由平均颗粒粒度小于20微米的金刚石颗粒形成多晶金刚石。
12.权利要求11的多晶金刚石磨蚀元件，其中由平均颗粒粒度小于15微米的金刚石颗粒形成多晶金刚石。
13.权利要求12的多晶金刚石磨蚀元件，其中由平均颗粒粒度小于11微米的金刚石颗粒形成多晶金刚石。
14.前述任一项权利要求的多晶金刚石磨蚀元件，其中以本发明定义的方式测定的多晶金刚石的磨耗比小于50％。
15.权利要求14的多晶金刚石磨蚀元件，其中多晶金刚石的磨耗比小于40％。
16.权利要求15的多晶金刚石磨蚀元件，其中多晶金刚石的磨耗比小于30％。
17.前述任一项权利要求的多晶金刚石磨蚀元件，其中由具有至少3种不同平均粒度的金刚石颗粒团产生多晶金刚石。
18.权利要求17的多晶金刚石磨蚀元件，其中由具有至少5种不同平均粒度的金刚石颗粒团产生多晶金刚石。
19.前述任一项权利要求的多晶金刚石磨蚀元件，它是一种切割元件。
20.前述任一项权利要求的多晶金刚石磨蚀元件，其中基底是烧结的碳化物基底。
21.前述任一项权利要求的多晶金刚石磨蚀元件，其中贫催化材料区域从工作面延伸到多晶金刚石内至约30微米-约500微米的深度。
22.权利要求21的多晶金刚石磨蚀元件，其中贫催化材料区域延伸至约60微米-约350微米的深度。
23.前述任一项权利要求的多晶金刚石磨蚀元件，其中多晶金刚石层的工作面限定斜切的切割边。
24.权利要求23的多晶金刚石磨蚀元件，其中贫催化材料区域仿效斜切的切割边。
25.生产权利要求1-24任一项的多晶金刚石磨蚀元件的方法，所述方法包括下述步骤：通过提供基底、将金刚石颗粒团和粘合剂相置于基底表面上而生成未粘结的组件，其中排列粘合剂相，以便它均匀地分布在未粘结的组件内，并提供用于金刚石颗粒的催化材料源，使未粘结的组件经受适于产生金刚石颗粒团的多晶金刚石层的升高的温度和压力条件，这样的层粘结到基底上，并从多晶金刚石层的与其暴露表面相邻的区域内除去催化材料。
26.权利要求25的方法，其中基底是烧结的碳化物基底。
27.权利要求26的方法，其中烧结的碳化物基底是催化材料源。
28.权利要求25-27任一项的方法，其中将额外的催化材料与金刚石颗粒团混合。
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