形成聚晶金剛石的方法以及包括聚晶金剛石的切削元件和工具技術

一種形成聚晶金剛石的方法包括將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中。使包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度，以在金剛石顆粒之間形成晶間鍵。切削元件包括聚晶金剛石材料，所述聚晶金剛石材料包括相互鍵合的金剛石晶粒。聚晶金剛石材料基本上不含石墨碳和金屬化合物。聚晶金剛石材料展示出至少約3.49g/cm3的密度和至少約1000GPa的模量。鉆地工具可以包括這樣一種固定到主體上的切削元件。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】優先權聲明本申請要求2014年5月30日提交的專利技術名稱為“形成聚晶金剛石的方法以及包括聚晶金剛石的切削元件和工具(METHODSOFFORMINGPOLYCRYSTALLINEDIAMONDANDCUTTINGELEMENTSANDTOOLSCOMPRISINGPOLYCRYSTALLINEDIAMOND)”的美國專利申請序列號14/291,862的申請日期的權益。
本公開的實施例總體上涉及形成聚晶金剛石材料的方法，涉及包括聚晶金剛石材料的切削元件，并且涉及包括此類切削元件的用于鉆探地層的鉆地工具。
技術介紹
用于在地層中形成井孔的鉆地工具可以包括固定到主體上的多個切削元件。例如，固定切削件式鉆地旋轉鉆頭(也被稱為“刮刀鉆頭”)包括固定地附接到鉆頭的鉆頭主體的多個切削元件。類似地，牙輪鉆地旋轉鉆頭包括牙輪，所述牙輪安裝在從鉆頭主體的牙掌延伸的牙輪軸上，從而使得每個牙輪能夠圍繞上面安裝有牙輪的牙輪軸旋轉。可以將多個切削元件安裝到鉆頭的每個牙輪上。在鉆地工具中使用的切削元件通常包括聚晶金剛石切削件(通常被稱為“PDC”)，它們是包括聚晶金剛石(PCD)材料的切削元件。此類聚晶金剛石切削元件通過在高溫和高壓條件下、通常在催化劑(諸如鈷、鐵、鎳或其合金及其混合物)的存在下將相對小的金剛石晶粒或晶體進行燒結并結合在一起以在切削元件基材上形成一層聚晶金剛石材料而形成。這些工藝通常被稱為高壓/高溫(或“HPHT”)工藝。催化劑材料與金剛石晶粒混合以減少在HPHT工藝期間金剛石被氧氣和二氧化碳氧化的量并促進金剛石-金剛石的結合。切削元件基材可包括金屬陶瓷材料(即金屬陶瓷復合材料)，例如鈷鎢硬質合金。在此類情況下，切削元件基材中的鈷(或其它催化劑材料)可以在燒結期間被吸入到金剛石晶粒或晶體中，并且用作用于由金剛石晶粒或晶體形成金剛石臺的催化劑材料。在其它方法中，粉末狀催化劑材料可以在HPHT工藝中在將晶粒或晶體燒結在一起之前與金剛石晶粒或晶體混合。在使用HPHT工藝形成金剛石臺時，催化劑材料可以保留在所得的聚晶金剛石臺中的金剛石的晶粒或晶體之間的間隙空間中。當切削元件在使用期間由于切削元件與地層之間的接觸點處的摩擦而被加熱時，金剛石臺中的催化劑材料的存在可能導致金剛石臺中的熱損壞。其中催化劑材料保留在金剛石臺中的聚晶金剛石切削元件通常在高達約750℃的溫度下是熱穩定的，盡管在超過約350℃的溫度時聚晶金剛石臺內的內部應力可能開始形成。這種內部應力至少部分地是由于金剛石臺與其所結合的切削元件基材之間的熱膨脹率的差異而導致的。熱膨脹率的這種差異可能導致在金剛石臺與基材之間的界面處產生相對大的壓縮應力和拉伸應力，并且可能使金剛石臺與基材分離。在約750℃及以上的溫度下，金剛石臺內的應力可能由于金剛石臺本身內的金剛石材料和催化劑材料的熱膨脹系數的差異而顯著增加。例如，鈷熱膨脹明顯快于金剛石，這可能導致裂紋在包括鈷的金剛石臺內形成并傳播，最終導致金剛石臺的劣化和切削元件的無效。此外，催化劑材料可以允許金剛石臺內的金剛石轉化為石墨，其在本領域中可被稱為“反向石墨化”。為了減少與不同的熱膨脹率和在聚晶金剛石切削元件中反向石墨化相關的問題，已經開發了所謂的“熱穩定”聚晶金剛石(TSD)切削元件。熱穩定聚晶金剛石切削元件可以通過使用例如酸從金剛石臺中的金剛石晶粒之間的間隙空間中浸出催化劑材料(例如，鈷)來形成。可以從金剛石臺中移除基本上所有的催化劑材料，或者可以僅移除一部分。已經報道，其中基本上所有催化劑材料已從金剛石臺浸出的熱穩定聚晶金剛石切削元件在高達約1200℃的溫度下是熱穩定的。然而，也已經報道，完全浸出的金剛石臺比未浸出的金剛石臺相對更脆并且更易受到剪切應力、壓縮應力和拉伸應力。為了提供具有相對于未浸出的金剛石臺更加熱穩定、但是相對于完全浸出的金剛石臺還相對不易脆并且不易受到剪切應力、壓縮應力和拉伸應力的金剛石臺的切削元件，已經提供了包括其中僅一部分催化劑材料已從金剛石臺中浸出的金剛石臺的切削元件。
技術實現思路
在一些實施例中，一種形成聚晶金剛石的方法包括將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中。使包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度，以在金剛石顆粒之間形成晶間鍵。在其它實施例中，用在鉆地工具中的切削元件可以包括通過一種方法形成的聚晶金剛石材料，所述方法包括將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中。可以使包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度，以在金剛石顆粒之間形成晶間鍵。在某些實施例中，切削元件包括聚晶金剛石材料，所述聚晶金剛石材料包括相互鍵合的金剛石晶粒。聚晶金剛石材料基本上不含石墨碳和金屬化合物。聚晶金剛石材料展示出至少約3.49g/cm3的密度和至少約1000GPa的模量。鉆地工具可以包括這樣一種固定到主體上的切削元件。附圖說明雖然本說明書通過特別指出并明確要求保護被認為是本公開的實施例的權利要求書作出結論，但是當結合附圖閱讀時，可以由本公開的以下示例性實施例的描述更容易地確定本公開的實施例的各種特征和優點，其中：圖1是在基材上包括一定體積的聚晶金剛石的切削元件的實施例的局部剖面透視圖；圖2是示出了圖1的切削元件的聚晶金剛石的微觀結構在放大情況下如何呈現的簡化視圖；圖3是示出了用于在容器中形成圖1的切削元件以準備使容器經受HPHT燒結工藝的材料的簡化橫截面視圖；圖4是示出了在選定溫度下，基于壓力的平衡常數Kp針對固態碳、一氧化碳和二氧化碳之間的反應可以隨壓力如何變化的曲線圖；圖5A和圖5B示出了在封閉腔室內圖3的材料在包括一氧化碳和二氧化碳的氣態環境中被包封在圖3的容器中；以及圖6示出了包括如本文所述的聚晶金剛石切削元件的鉆地旋轉鉆頭。具體實施方式本文呈現的示例不表示任何特殊材料、設備、系統或方法的實際視圖，而僅是用于描述本專利技術的某些實施例的理想化表示。為了描述清楚起見，本專利技術的實施例中共同的各個特征和元件可以用相同或相似的附圖標記表示。圖1示出了切削元件100，其可以根據如本文所公開的方法的實施例而形成。切削元件100包括聚晶金剛石102。可選地，切削元件100還可以包括聚晶金剛石102可以結合到其上的基材104。例如，基材104可以包括鈷鎢硬質合金材料的大致圓柱形主體，但是也可以采用不同幾何形狀和組成的基材。聚晶金剛石102可以是基材104上的聚晶金剛石102的臺(即，層)的形式，如圖1所示。聚晶金剛石102可以設置在基材104的表面上(例如，形成在基材104的表面上或固定到基材104的表面上)。在另外的實施例中，切削元件100可以簡單地包括具有任何期望形狀的一定體積的聚晶金剛石102，并且可以不包括任何基材104。如圖2所示，聚晶金剛石102可以包括形成金剛石材料的三維網絡的散布且相互鍵合的金剛石晶粒。可選地，在一些實施例中，聚晶金剛石102的金剛石晶粒可以具有多峰晶粒尺寸分布。例如，聚晶金剛石102可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可以具有小于1mm、小于0.1mm、小于0.01mm、小于1μm、小于0.1μm或者甚至小于本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種形成聚晶金剛石的方法，其包括：將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中；以及使所述包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度，以在所述金剛石顆粒之間形成晶間鍵。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.05.30 US 14/2918621.一種形成聚晶金剛石的方法，其包括：將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中；以及使所述包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度，以在所述金剛石顆粒之間形成晶間鍵。2.根據權利要求1所述的方法，其中，將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中包括將金剛石顆粒、一氧化碳、二氧化碳和惰性氣體包封在容器中。3.根據權利要求1所述的方法，其中，將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中進一步包括從所述容器中除去氧氣和水中的至少一者。4.根據權利要求1所述的方法，其中，將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中包括將金剛石顆粒、一氧化碳、二氧化碳和基材包封在容器中。5.根據權利要求1所述的方法，其中，使所述包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度包括優先使來自所述金剛石顆粒的石墨氧化。6.根據權利要求5所述的方法，其中，優先使來自所述金剛石顆粒的石墨氧化包括將石墨轉化為一氧化碳。7.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括：將所述一氧化碳的至少一部分轉化為金剛石，以至少部分地形成所述晶間鍵。8.根據權利要求1所述的方法，其中，將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中包括：將所述金剛石顆粒放入所述容器中；將其中具有所述金剛石顆粒的所述容器放置在包括一氧化碳和二氧化碳的環境中；以及在包括所述一氧化碳和二氧化碳的所述環境中密封所述容器，以在所述密封的容器內包含一氧化碳和二氧化碳。9.根據權利要求8所述的方法，其中，在包括所述一氧化碳和二氧化碳的所述環境中密封所述容器包括將所述容器的各部分之間的界面暴露于激光輻照以密封所述容器。10.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括：將所述一氧化碳的分壓與所述二氧化碳的分壓的比率選擇為約5.0×10-3或更小。11.根據權利要求10所述的方法，其中，將所述一氧化碳的分壓與所述二氧化碳的分壓的比率選擇為約5...

【專利技術屬性】
技術研發人員：M·W·伯德，
申請(專利權)人：貝克休斯公司，
類型：發明
國別省市：美國;US