用于钻井应用的厚的固体碳酸盐基pcd的烧结的制作方法
用于钻井应用的厚的固体碳酸盐基pcd的烧结的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]多晶金刚石(“P⑶”)材料及由其形成的rcD元件在本领域中是公知的。在合适的溶剂金属催化剂材料存在时，通过使金刚石颗粒经受高压/高温的工艺条件可以形成传统的PCD，其中，该溶剂金属催化剂促进了各颗粒间的晶间金刚石-金刚石的期望结合，从而形成PCD结构。最终的PCD结构提供了改进的耐磨属性及硬度，使该PCD材料在需要高级别的耐磨性及硬度的严重磨损及切割应用中非常有用。图1示出了传统形成的PCD材料10的微观结构，包括彼此结合在一起的多个金刚石晶粒12，以形成晶间金刚石基质第一相。用于促进在烧结工艺期间发生的金刚石间结合的所述催化剂/结合剂材料14，例如钴，分散于形成于金刚石基质第一相之间的间隙区域中。如本领域所公知及确定的那样，术语“颗粒”是指在烧结超硬材料之前使用的粉末，而术语“晶粒”是指在烧结之后能够识别的超硬区域。
[0002]通常可以用两种方式来提供用于促进金刚石间结合的所述催化剂/结合剂材料。可以以原料粉末的形式提供所述催化剂/结合剂，该粉末与金刚石晶粒或砂粒在烧结之前预混。在其他方法中，可以以从下方的基体材料向所述金刚石材料中渗入(在高温/高压工艺中)的方式提供所述催化剂/结合剂，最终的PCD材料结合到所述基体材料。在所述催化剂/结合剂材料已经促进了金刚石间的结合后，催化剂/结合剂材料通常遍布金刚石基质地在结合的金刚石晶粒之间形成的间隙区域之内分布。特别地，如图1所示，结合剂材料14在传统的PCD材料10中不是连续地遍布微观结构。相反，传统的PCD材料10的微观结构可以具有在PCD晶粒之间均匀分布的结合剂。因此，通过传统的PCD材料的破裂传播将经常行进通过较为不易延展的和易碎的晶粒，或者穿晶地通过金刚石晶粒/结合剂界面15，或晶间地通过金刚石晶粒/金刚石晶粒界面16。
[0003]溶剂催化剂材料可以促进金刚石晶间结合，以及促进PCD层彼此结合以及与下方的基体结合。用于形成传统PCD的溶剂催化剂材料包括选自元素周期表第VIII族的金属，例如钴、铁或镍和/或它们的混合物或合金，其中，最常见的是钴。传统的PCD可以包括从85至95%体积比的金刚石，以及剩余量的溶剂催化剂材料。但是，尽管更高金属含量会增加最终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，易碎性也增加，从而减少了 PCD材料的韧性。
[0004]P⑶被广泛用于钻井应用中，例如用于多种类型的钻头上的切割元件中。尽管P⑶非常坚硬和耐磨损，但PCD切割元件仍然可能在正常操作期间损坏。损坏可能以三种常见形式发生，即磨损、疲劳与冲击破裂。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涉及的相对滑动的量)。过度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。疲劳机理涉及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，冲击机理涉及表面裂缝或在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、或切割元件的毁灭性损坏。
【发明内容】
[0005]本概述用于引入在下面详细描述的选取的构思。本概述不是用于定义要求保护的主题的关键或本质性特征，也不是用于帮助限定要求保护的主题的范围。
[0006]一方面，本公开的实施例涉及一种制作多晶金刚石复合片的方法，包括:形成金刚石颗粒和碳酸盐材料预混的多个层，其中，所述碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐，其中，相邻层中的每个层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比不同；使所述层经受高压高温条件。
[0007]另一方面，本公开的实施例涉及一种多晶金刚石结构，包括:多晶金刚石体，其由形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域内的碳酸盐材料制成，其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸土卜
ΠΤΤ.0
[0008]又一个方面，本公开的实施例涉及一种井下工具，包括:本体、从本体延伸的多个刀片以及设置在所述多个刀片上的至少一个多晶金刚石切割元件，其中，所述多晶金刚石切割元件具有多晶金刚石体，其由形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域内的碳酸盐材料制成，其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐；并且其中，多晶金刚石体进一步具有在工作面和非工作面之间测得的高度，其中，所述高度大于4mm。
[0009]要求保护的主题的其它方面和优点通过后面的描述和所附的权利要求而变得明确。
【附图说明】
[0010]本公开的实施例参照后面的附图进行描述。在所有附图中相同的数字指代相同的特征和部件。
[0011]图1示出传统方式形成的多晶金刚石的微结构。
[0012]图2示出根据本公开的实施例的碳酸盐基多晶金刚石体。
[0013]图3示出根据本公开的实施例的预混层。
[0014]图4示出根据本公开的实施例的预混层和渗入层。
[0015]图5示出根据本公开的实施例的预混层和渗入层。
[0016]图6示出根据本公开的实施例的预混层和渗入层。
[0017]图7示出耐磨性与预混的碳酸镁的量的对比。
[0018]图8示出渗入深度与预混的碳酸镁的量的对比。
[0019]图9示出深浸滤的传统多晶金刚石和本公开的碳酸盐基多晶金刚石材料的耐磨性的对比。
[0020]图10示出根据本公开的实施例的预混层和两个渗入层。
【具体实施方式】
[0021]如本文所使用的，术语“碳酸盐基多晶金刚石”是指，在碳酸盐材料存在时，通过使单独的金刚石颗粒经受足够高压高温(HPHT)条件使相邻的金刚石晶体间发生晶间结合，以形成金刚石间结合网络或基质相以及分散于该结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙区域而制备的最终材料。本发明的碳酸盐基多晶金刚石可以被称为多晶金刚石或PCDdSf同于传统的使用过渡金属溶剂催化剂形成的多晶金刚石(描述于【背景技术】部分)。
[0022]根据本公开的实施例，碳酸盐基多晶金刚石体的微观结构可以包括由结合在一起的多个金刚石晶粒构成的基质相和置于结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙区域以及设置于所述间隙区域内的碳酸盐材料，其中，所述碳酸盐材料选自一种碱土金属碳酸盐或选自碱金属碳酸盐和碱土金属碳酸盐的组合。在本发明的碳酸盐基多晶金刚石材料中，对于形成金刚石间结合来说，不必需包括过渡金属催化剂、硅和/或含硅复合物，因此所述碳酸盐基多晶金刚石体可以不含有这些材料。
[0023]图2示出了根据本公开的某些实施例的多晶金刚石体。该金刚石体200具有工作面210、外侧面220和非工作面230，其中，高度240在工作面210与非工作面230之间测量。根据某些实施例，该高度可以大于2mm，在某些实施例中，该高度可以大于4mm，在某些实施例中，该高度可以大于6_。如这里使用的，工作面可指的是接触和切割工件或地质地层的多晶金刚石体的外表面。然而，由于本公开的多晶金刚石体包括固体多晶金刚石材料(例如，不需要被附着的基体)，本公开的多晶金刚石体可以被旋转以使多于一个的表面在多个位置作为工作面。因此，工作面根据多晶金刚石体相对于正被切割的地层的位置而可以是本公开的多晶金刚石体的不同的外表面。图2所示的工作面210为金刚石体200的顶表面，而非工作面230为金刚石体200的底表面。然而，一旦金刚石体发生旋转，非工作面此时可能作为工作面，反之亦然。因此，根据本公开的多晶金刚石体的高度240可以在金刚石体的相对外表面之间测量，其中，在测量时一个表面作为工作面。此外，图2所示的金刚石体200具有圆柱形状。然而，本公开的碳酸盐基多晶金刚石材料可以形成为其它形状，例如矩形或三角形棱柱。
[0024]如上所述，多晶金刚石体具有多个结合到一起的金刚石晶粒构成的基质相 ，其具有多个介于结合到一起的金刚石晶粒之间的间隙区域以及位于间隙区域中的一种或多种碳酸盐材料。图2所示的金刚石体包括从工作面210延伸一深度的第一区域250，其中，该第一区域包括设置在结合到一起的金刚石晶粒的间隙区域中的第一碳酸盐材料。第二区域255远离工作面210从第一区域250延伸，其中，第二区域包括设置在结合到一起的金刚石晶粒的间隙区域中的第二碳酸盐材料。例如，在某些实施例中，第一区域可具有位于结合到一起的金刚石晶粒的间隙区域中的碳酸镁，第二区域可具有位于结合到一起的金刚石晶粒的间隙区域中的碳酸钙。在其它实施例中，第一区域可以由金刚石和碳酸镁形成，第二区域可以由金刚石、碳酸镁和碳酸钙形成。然而，在其它实施例中，整个多晶金刚石体可以由位于结合到一起的金刚石晶粒的间隙区域中的单一类型的碳酸盐或者均匀分布的一种类型以上的碳酸盐形成。
[0025]根据本公开的实施例的碳酸盐基多晶金刚石体可以在高压高温(HPHT)条件下通过将多种均质层烧结到一起而形成。例如，一种制作多晶金刚石体的方法可包括形成多个金刚石颗粒与碳酸盐材料预混的层，其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐。在某些实施例中，碳酸盐材料除了碱土金属碳酸盐之外还可包括碱金属碳酸盐。如这里使用的，层可以包括一定量的均质预混的金刚石颗粒和碳酸盐材料，其延伸一厚度以及垂直于该厚度测量的区域，其中，预混材料的每层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可在整个厚度和该层的整个区域上都是一致的。预混层可以通过使各层经受高压高温条件而烧结到一起，例如高于6GPa的压力和大于1700°C (3，092° F)的温度并且位于金刚石热力学稳定区域中。例如，在某些实施例中，预混层可以在6-8GPa的压力和大于2，000°C (3，632° F)的温度下，或者8-10GPa的压力和大于2，000°C (3，632° F)的温度下进行烧结。
[0026]根据本公开的实施例，每一层与相邻层相比可具有不同的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比。例如，参照图3，示出了多个预混层302、304、306的横截面视图，它们看起来像是组装在烧结罐或其它容器(未示出)中。如图所示，多个预混层包括第一外层302、内层304以及与第一外层302相反设置的第二外层306。然而，在其它实施例中，在两个外层之间可设置一个以上的内层。每一层具有金刚石颗粒和碳酸盐材料的均质混合物，以使得金刚石与碳酸盐的重量百分比之比在每一层的整个厚度310上以及整个区域315上(即与厚度垂直的平面尺度)基本上不变。层302的重量百分比之比与层304和层306的重量百分比之比不同，并且层304的重量百分比之比与层306的重量百分比之比不同。例如，在某些实施例中，多个层中的每一个层的重量百分比之比可从第一外层302向第二外层306递减，其中，内层304中金刚石与碳酸盐的重量百分比之比小于第一外层302的重量百分比之比，第二外层306的重量百分比之比小于内层304的重量百分比之比。然而，在其它实施例中，相邻层之间的重量百分比之比可以不按照从第一外层向第二外层递减的方式变化。此外，图3所示的第一外层302在方向上设置在预混层组合的顶部处。然而，如这里所使用的，术语“第一外层”和“第二外层”并不是依赖于方向且可以根据组合的方向被示为底层、侧层，等等。此外，一旦预混层被组装并且烧结形成多晶金刚石切割元件，那么无论是第一外层或者是第二外层都可以最终形成工作面。例如，一旦对如图3所示的预混层进行烧结，当与其它预混层304、306相比具有最大重量百分比的金刚石和最小重量百分比的碳酸盐材料的第一外层302可以形成与其余的金刚石体相比具有更高的耐磨性的工作面312。
[0027]如图所示，每个层302、304、306的厚度310在整个层上基本不变以使得在相邻层之间形成平面边界或交界面。然而，根据其它实施例，一个或多个层可具有变化的厚度以形成非平面的交界面或边界。此外，预混层与其它预混层相比可具有相同或不同的厚度。例如，如图3所示，层302的厚度310可大于层304和层306的厚度，层304的厚度与层306的厚度大致相同，其中，每一厚度在整个层区域315上基本不变。在其它实施例中，当与一个层状组合内的其它层相比时，每个预混层可具有相同的厚度或者每个预混层可具有不同的厚度。
[0028]此外，图3所示的预混层302、304、306具有相同的垂直于厚度的平面尺寸。在这些实施例中，一旦各个层被烧结而形成了多晶金刚石体，该多晶金刚石体就可具有基本上连续(如果最终的金刚石体形状为圆柱或非平面状)或平面(如果最终的金刚石体形状包括相交的平面侧)状的外侧面。例如，如图2所示，根据本公开的方法，具有相同的垂直于厚度的平面尺寸的预混层可以被烧结到一起，以形成具有基本上连续的侧表面220的多晶金刚石体。换句话说，预混层可以从中心轴线完全径向延伸到一旦对预混层进行烧结则变成多晶金刚石体的外侧面的部分。
[0029]根据某些实施例，可以通过将每个层倾倒到具有连续或平面状内壁的罐或容器中而形成具有相同的垂直于厚度的平面尺寸的预混层。例如，一定量的具有预先确定的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比的金刚石颗粒和碳酸盐材料的混合物可以被倾倒到罐中以形成第一外层，其中，第一外层被倾倒成厚度沿着罐轴向延伸并且其中罐的内壁限定出第一外层的区域(即，垂直于厚度的平面尺度)。接着可以通过将一定量的具有预先确定的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比(与第一外层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比不同)的金刚石颗粒和碳酸盐材料的第二混合物倾倒到罐中并使其与第一外层相邻而形成与第一外层相邻的后续层。第二混合物可以倾倒到罐中使其厚度与第一外层的厚度相同或不同，其中，罐的内壁限定了后续层的面积。具有预先确定的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比(其可能与后续层的重量百分比之比不同并且可选地与第一外层的重量百分比之比也不同)的第二外层(在具有多于三个预混层的实施例中为附加的后续层)接着可以被倒入罐中与后续层相邻并且厚度达到与第一外层和后续层的厚度相同或不同，其中，第二外层的面积通过罐的内壁形状限定。
[0030]现参看图4，示出了本公开的另一实施例，其中，渗入层邻近外预混层设置。如这里所使用的，渗入层指的是与预混层相邻的碳酸盐材料层，其中，在烧结过程中，渗入层的碳酸盐材料至少渗入到相邻的预混层中。例如，如图4所示，多个预混层402、403、404、405和406均具有预先确定的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比。渗入层420形成为与外层406相邻。每个层，包括预混层402、403、404、405、406和渗入层420，均具有厚度和沿着垂直于厚度的维度平面延伸的区域，其中，所述厚度在整个区域上是相同的。如图所示，渗入层420具有厚度410和区域415。预混层402、403、404、405和406中的每一个的厚度可与渗入层420的厚度相同或不同。例如，预混碳酸盐材料量相对较大的层，例如图4中的内层404的厚度可大于预混金刚石材料量相对较大的层，例如图4中的层402、403、405和406。此外，预混层402、403、404、405和406中的每个的区域可与渗入层420的区域相等，以使得渗入层420和预混层402、403、404、405、406相对齐。
[0031]仍然参照图4，相邻层之间的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比是不同的，例如，层402的重量百分比之比与层403的重量百分比之比不同，层403的重量百分比之比与层404的重量百分比之比不同，等等。尽管相邻层之间的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可不同，但是非相邻层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可以相同或不同。此外，多个层中的每一层的重量百分比之比可以从内层向第一外层和第二外层增加。例如，如图4所示，内层404可具有预先确定的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比。相邻层403和405的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可大于内层404的重量百分比之比(即，与内层404相比，相邻层403、405在整个预混层上可具有较大量的金刚石和较少量的碳酸盐)，其中，相邻层403和405可以具有大致相同或不同的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比。例如，在相邻层403和405具有大致相同的重量百分比之比的实施例中，层403、405可以由相同的金刚石与碳酸盐的粉末混合物形成。此外，第一外层402和第二外层406的 金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可大于相邻层403和405的重量百分比之比(并且由此也大于内层404)，其中，第一和第二外层402和406可具有大致相同或不同的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比。
[0032]除了改变每个层中与金刚石混合的碳酸盐材料的量之外，层402、403、404、405、406可包括相同或不同类型的与金刚石相混合的碳酸盐材料。例如，内层404可以由仅仅包括金刚石、碳酸镁和碳酸钙的预混合成物形成，而相邻层403、405和外层402、406可以由仅包括金刚石和碳酸镁的预混合成物形成。其它的预混层，例如内层，可以由金刚石和碱金属碳酸盐以及碱土金属碳酸盐形成。此外，本公开的预混层可以被描述成仅由金刚石和一种或多种碳酸盐形成；然而，这些合成物还可以包括少量杂质。
[0033]现在参照图5和6，示出了预混层的其它实施例。如图5所示，第一外层502可具有厚度510、沿着垂直于该厚度的平面维度延伸的区域515以及金刚石与碳酸盐的重量百分比之比，其中，厚度510在整个区域515上是相同的，该重量百分比之比在整个第一外层502上基本上不变。特别地，在整个层上基本不变的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比意味着，在该层的一个区域测得的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比与该层的其它区域的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比大致相同。例如，如图5所示，在与外层502的外表面相邻的区域530测得的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比与在外层502的内部区域532测得的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比大致相同，且与在与外层502的外表面相邻的第二区域534测得的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比大致相同。换句话说，在该层的整个厚度510和区域515上，重量百分比之比基本相同。然而，在其它实施例中，整个层的重量百分比之比可以不同，例如重量百分比之比可以在一个层的厚度或区域上是变化的(按区域或按梯度)。例如，一个或多个预混层在该层的中心或芯部上或附近可具有较高浓度的碳酸盐材料(即，低的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比)，而在该层的外表面上或附近的区域可具有相对较低浓度的碳酸盐材料(即，高的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比)。
[0034]内层504设置成与第一外层502相邻并且金刚石与碳酸盐的重量百分比之比在整个层上基本上不变。内层504的重量百分比之比可小于第一外层502，其中，在第一外层502中的金刚石预混浓度比内层504的高。第二外层506设置成与内层504相邻并且与第一外层502相反而设，其中，第二外层506的重量百分比之比与内层504的重量百分比之比不同。第二外层506的重量百分比之比可小于内层504的重量百分比之比(并且由此也小于第一外层502的重量百分比之比)。然而，在其它实施例中，第二外层的重量百分比之比可与第一外层的重量百分比之比相同或不同并且可以大于或小于内层的重量百分比之比。此外，渗入层520可以设置成与第二外层506相邻，与内层504相反而设。渗入层520可以由碳酸盐材料、例如碳酸镁形成。
[0035]如图6所示，第一外层602可具有厚度612、沿着垂直于该厚度的平面维度延伸的区域615以及金刚石与碳酸盐的重量百分比之比，其中，厚度612在整个区域615上是相同的，重量百分比之比在整个第一外层602上基本不变。内层604设置成与第一外层602相邻并且其金刚石与碳酸盐的重量百分比之比在整个层上基本不变。内层604的重量百分比之比小于第一外层602的。第二外层606设置成与内层604相邻并且与第一外层602相反而设，其中，第二外层606的重量百分比之比小于内层604的重量百分比之比(并且由此小于第一外层602)。然而，根据其它实施例，第二外层606的重量百分比之比可与第一外层602的重量百分比之比相同或不同并且可大于或小于内层604的重量百分比之比。
[0036]此外，图6所示的每个层的厚度可以是相同或不同的。例如，如图所示，第一外层602的厚度可与内层604的厚度相同，并且第二外层606的厚度616可大于内层604和第一外层602的厚度612、614。渗入层620的厚度610也可以与预混层602、604、606的厚度相同或不同。例如，如图6所示，渗入层620的厚度610可与第一外层602的厚度612大致相同并且小于第二外层606的厚度616。渗入层620可以由碳酸盐材料、例如碳酸镁形成。
[0037]渗入层可以设置成与预混层组合的第一外层或第二外层相邻。例如，图5所示的渗入层520设置成与具有最低的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比(即，相对较大量的碳酸盐材料)的第二外层506相邻。然而，在其它实施例中，渗入层可以设置成与具有最高的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比的层相邻。例如，如图6所示，渗入层620可以设置成与第一外层602相邻，所述第一外层602的重量百分比之比大于层604和606的重量百分比之比。
[0038]在其它实施例中，渗入层可以设置成与预混层组合的第一外层和第二外层均相邻。例如，参照图10，示出了本公开的一个实施例，其中，渗入层设置成与外部预混层相邻。如图所示，多个预混层1002、1003、1004、1005和1006中的每个层均具有预先确定的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比，它们层叠到一起以形成预混层组合。渗入层1020形成为与外层1002和1006相邻。每个层，包括预混层1002、1003、1004、1005、1006和渗入层1020，均具有厚度和沿着垂直于该厚度的维度平面延伸的区域，其中，厚度在整个区域上是相同的。如图所示，渗入层1020均具有厚度1010和区域1015。预混层1002、1003、1004、1005和1006均可具有与渗入层1020的厚度相同或不同的厚度。金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可以从外层1002、1006向内层1004递减或递增，以使得包括有渗入层1020的预混层组合相对于横向平面1001在金刚石与碳酸盐的成分上是对称的。然而，在其它实施例中，渗入层可以设置成与不具有金刚石与碳酸盐的成分对称性的预混层组合的第一和第二外层相邻。例如，预混层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可从第一外层向第二外层递减或递增，其中，渗入层设置成与第一和第二外层均相邻。在其它实施例中，预混层的金刚石与碳酸盐重量百分比之比从外层向内层递减或递增，其中，渗入层设置成与外层均相邻。
[0039]在金刚石和碳酸盐混合物中使用的金刚石颗粒例如可以根据最终的应用而包括天然或合成金刚石，并且可具有变化的颗粒尺寸。例如，金刚石颗粒的大小可以在亚微米到100微米(细粒和/或粗粒)之间变化，并且在一些实施例中可在1-5微米之间变化，在其它实施例中在5-10微米之间变化，并且在其它另外的实施例中在15-20微米之间变化。此外，金刚石颗粒可以具有单模态分布(具有相同的总体平均颗粒大小)或者多模态分布(具有不同量的不同的平均颗粒大小)。可以用在形成本公开的预混层的金刚石和碳酸盐混合物中的碳酸盐材料(在某些实施例中作为渗入材料)可包括碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐，例如，碳酸镁或碳酸钙。碳酸盐材料的颗粒大小范围可为亚微米到100微米并且在一些实施例中为0.1到30微米。此外，不同的预混层可以具有不同的颗粒尺寸范围。例如，中心层可以具有更硬的，粗粒级的金刚石，而碳酸盐材料在整个预混层组合上可以具有基本相同的颗粒尺寸范围。
[0040]此外，根据本公开的实施例，预混层中的碳酸盐的重量百分比的变化范围可为从大于O重量百分比的碳酸盐到小于大约20重量百分比的碳酸盐，并且预混层中的金刚石重量百分比的变化范围可为从大于80重量百分比的金刚石到小于99重量百分比的金刚石。例如，某些实施例包括的金刚石和碳酸盐混合物的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比包括大于大约90重量百分比的金刚石和小于大约10重量百分比的碳酸盐材料。在另一个实施例中，一个或多个预混层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比包括大于大约95重量百分比的金刚石和小于5重量百分比的碳酸盐。例如，在某些实施例中，预混层组合的一个或两个外层可具有4或更少重量百分比的碳酸盐材料和96或更多重量百分比的金刚石。在其它实施例中，根据颗粒尺寸，预混层组合的一个或两个外层可以具有2或更少重量百分比的碳酸盐材料和98或更多重量百分比的金刚石。
[0041]如图7所示，具有较低浓度的碳酸 盐材料(图示的为碳酸镁)、从而具有较高浓度的金刚石的金刚石和碳酸盐混合物，可以产生具有增强的耐磨性的烧结混合物，即，形成的多晶金刚石体可具有更高的磨损评分。根据某些实施例，多晶金刚石体可以形成为具有一个或多个包括有小于2重量百分比的碳酸盐的作为至少一个外层的预混层以及一个或多个包括有大于2重量百分比的碳酸盐的作为至少一个内层的预混层，由此提供至少一个具有增强的耐磨性的烧结多晶金刚石体的外表面。例如，在具有由本公开的多晶金刚石材料形成的例如用在井下钻井工具上的切割元件的实施例中，切割元件的工作面(即切割元件接触并切割被切割地层的外表面)可以由具有小于4重量百分比的碳酸盐、剩余为金刚石的预混层形成，并且切割元件的其余部分可以由一个或多个具有大于4重量百分比的碳酸盐、剩余为金刚石的预混层形成，以使得工作面的耐磨性比其余切割元件的耐磨性更高。
[0042]根据本公开的实施例，金刚石和一种或多种碳酸盐材料的预混层可以在高压高温条件下进行烧结，以形成多晶金刚石体。高压高温条件可包括大于6Gpa的压力和大于1，700°C的温度。此外，如上所述，由一种或多种碱金属或碱土金属碳酸盐制成的渗入层可以设置成与其中一个预混层相邻，其中，在烧结过程中，渗入层的碳酸盐可以渗入一定深度到达预混层。渗入深度可例如取决于预混层的成分和烧结条件。
[0043]例如，图8示出了在7.7GPa和2，300°C的条件下进行烧结的过程中碳酸镁渗入剂的渗入深度和预混层中的碳酸镁的预混量之间的关系。如图所示，渗入深度随着预混层中碳酸盐的量的增加而增加。渗入和碳酸盐量之间的具体关系随着金刚石的晶粒大小而变化。
[0044]根据本公开的实施例制作的多晶金刚石体可以用作井下切割工具、例如钻头上的切割元件。例如，本公开的井下工具可具有本体、从本体延伸的多个刀片及设置在所述多个刀片上的根据本公开的实施例的至少一个多晶金刚石切割元件。该至少一个多晶金刚石切割元件设置在刀片上，使得工作面、即接触且切割被钻地层的表面，设置在刀片的前导面上并且面向钻井旋转方向。多晶金刚石切割元件可包括由用于形成基质相的多个结合到一起金刚石晶粒、介于结合到一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域内的碳酸盐材料制作而成的多晶金刚石体，其中，碳酸盐材料选自于碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐中的至少一种。此外，如上面所描述的，多晶金刚石体的高度可从工作面到非工作面之间测得，其大于4_。
[0045]多晶金刚石切割元件可以旋转地紧固到刀片，例如美国专利N0.8，091，655所公开的，或者可以机械地紧固到刀片，例如美国临时专利申请N0.61/599，665所公开的。在其它实施例中，本公开的多晶金刚石切割元件可以铜焊到形成在井下切割工具的刀片或本体中的凹口中。
[0046]如上所述，根据本公开的实施例的多晶金刚石体具有形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域中的碳酸盐材料，其中，碳酸盐材料选自于碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐中的至少一种。在这些实施例中，多晶金刚石材料可以不使用金属溶剂催化剂形成，使得形成的多晶金刚石体不包含任何金属溶剂催化剂。
[0047]根据这里公开的方法形成碳酸盐基多晶金刚石体允许形成厚的固体多晶金刚石。例如，本公开的多晶金刚石体可包括工作面、侧表面和远离工作面的非工作面，其中，工作面和非工作面之间的距离，或者高度大于4_。在某些实施例中，多晶金刚石体的高度可大于 6mm。
[0048]此外，根据这里公开的方法形成碳酸盐基多晶金刚石材料当与传统方式形成并且浸滤多晶金刚石(即形成为具有金属溶剂催化剂并且一部分的催化剂材料被移除的多晶金刚石体)相比时允许形成具有增强的耐磨性的多晶金刚石体。例如，图9示出了深浸滤的传统多晶金刚石和本公开的碳酸盐基多晶金刚石材料的耐磨性的对比。具体地，根据本公开的实施例的碳酸盐基多晶金刚石材料通过在7.2GPa和2，300°C (4，172° F)的条件下对金刚石和碳酸镁的预混层进行烧结而形成。碳酸盐基多晶金刚石和深浸滤的传统方式形成的多晶金刚石材料形成为切割元件并且在花岗岩工件上进行测试。如图所示，深浸滤的传统方式形成的多晶金刚石切割元件上发生的磨损量(较大的磨平区域)大于碳酸盐基多晶金刚石切割元件中发生的磨损量。
[0049]尽管上面仅详细描述了少量的典型实施例，但是本领域技术人员可以容易地意识到，典型的实施例可以进行多种修改而不会实质上脱离本发明。因此，所有的这些修改都被认为包括在如后面权利要求所限定的本公开的范围之内。
【主权项】
1.一种制作多晶金刚石复合片的方法，包括: 形成金刚石颗粒和碳酸盐材料预混的多个层，其中，所述碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐； 其中，相邻层中的每个层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比不同； 使所述层经受高压高温条件。2.权利要求1的方法，其中，所述碳酸盐材料进一步包括碱金属碳酸盐。3.权利要求1的方法，其中，所述多个层中的每个层的重量百分比之比从第一外层向第二外层递减。4.权利要求1的方法，其中，所述多个层中的每个层的重量百分比之比从内层向第一外层和第二外层递增。5.权利要求1的方法，其中，复合片的外层中的所述至少一种碳酸盐的重量百分比小于4个百分点。6.权利要求1的方法，其中，复合片的内层中的所述至少一种碳酸盐的重量百分比大于2个百分点。7.权利要求1的方法，进一步包括相邻于外层设置渗入层，其中，所述渗入层包括选自于碱土金属碳酸盐的碳酸盐材料。8.权利要求7的方法，其中，所述碳酸盐材料进一步包括碱金属碳酸盐。9.权利要求1的方法，进一步包括:在经受步骤之前将所述层放置到罐中，其中，罐的内壁限定出每个层的区域。10.权利要求1的方法，其中，每个层的重量百分比之比在整个该层中是相同的。11.一种多晶金刚石结构，包括: 多晶金刚石体，其包括形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域内的碳酸盐材料； 其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐。12.权利要求11的结构，其中，碳酸盐材料进一步包括碱金属碳酸盐。13.权利要求11的结构，其中，碳酸盐材料包括碳酸镁和碳酸钙中的至少一种。14.权利要求11的结构，其中，多晶金刚石体进一步具有在工作面和非工作面之间测得的高度，其中，所述高度大于4_。15.权利要求11的结构，进一步包括从工作面延伸一深度的第一区域，其中，所述第一区域包括设置在间隙区域中的碳酸镁。16.权利要求15的结构，进一步包括远离工作面的第二区域，其中，所述第二区域包括设置在间隙区域中的碳酸钙。17.—种井下工具，包括: 本体； 从本体延伸的多个刀片； 设置在所述多个刀片上的至少一个多晶金刚石切割元件，其中，所述多晶金刚石切割元件包括: 多晶金刚石体，其包括形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域内的碳酸盐材料； 其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐；并且 其中，多晶金刚石体进一步具有在工作面和非工作面之间测得的高度，其中，所述高度大于4mmο18.权利要求17的井下工具，其中，多晶金刚石切割元件可旋转地紧固到刀片。19.权利要求17的井下工具，其中，多晶金刚石切割元件机械地紧固到刀片。20.权利要求17的井下工具，其中，碳酸盐材料包括碳酸镁和碳酸钙中的至少一种。
【专利摘要】一种制作多晶金刚石复合片的方法包括：形成金刚石颗粒和碳酸盐材料预混的多个层，其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐，并且其中相邻层中的每个层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比不同。这些层经受高压高温条件，以形成多晶金刚石。
【IPC分类】B22F3/15, B22F7/00, B22F7/02
【公开号】CN104903032
【申请号】CN201380069434
【发明人】Y·鲍, A·加兰, M·D·弗朗斯, J·D·贝尔纳普
【申请人】史密斯国际有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月15日
【公告号】US20140131117, WO2014078620A1
【专利说明】
【背景技术】
[0001]多晶金刚石(“P⑶”)材料及由其形成的rcD元件在本领域中是公知的。在合适的溶剂金属催化剂材料存在时，通过使金刚石颗粒经受高压/高温的工艺条件可以形成传统的PCD，其中，该溶剂金属催化剂促进了各颗粒间的晶间金刚石-金刚石的期望结合，从而形成PCD结构。最终的PCD结构提供了改进的耐磨属性及硬度，使该PCD材料在需要高级别的耐磨性及硬度的严重磨损及切割应用中非常有用。图1示出了传统形成的PCD材料10的微观结构，包括彼此结合在一起的多个金刚石晶粒12，以形成晶间金刚石基质第一相。用于促进在烧结工艺期间发生的金刚石间结合的所述催化剂/结合剂材料14，例如钴，分散于形成于金刚石基质第一相之间的间隙区域中。如本领域所公知及确定的那样，术语“颗粒”是指在烧结超硬材料之前使用的粉末，而术语“晶粒”是指在烧结之后能够识别的超硬区域。
[0002]通常可以用两种方式来提供用于促进金刚石间结合的所述催化剂/结合剂材料。可以以原料粉末的形式提供所述催化剂/结合剂，该粉末与金刚石晶粒或砂粒在烧结之前预混。在其他方法中，可以以从下方的基体材料向所述金刚石材料中渗入(在高温/高压工艺中)的方式提供所述催化剂/结合剂，最终的PCD材料结合到所述基体材料。在所述催化剂/结合剂材料已经促进了金刚石间的结合后，催化剂/结合剂材料通常遍布金刚石基质地在结合的金刚石晶粒之间形成的间隙区域之内分布。特别地，如图1所示，结合剂材料14在传统的PCD材料10中不是连续地遍布微观结构。相反，传统的PCD材料10的微观结构可以具有在PCD晶粒之间均匀分布的结合剂。因此，通过传统的PCD材料的破裂传播将经常行进通过较为不易延展的和易碎的晶粒，或者穿晶地通过金刚石晶粒/结合剂界面15，或晶间地通过金刚石晶粒/金刚石晶粒界面16。
[0003]溶剂催化剂材料可以促进金刚石晶间结合，以及促进PCD层彼此结合以及与下方的基体结合。用于形成传统PCD的溶剂催化剂材料包括选自元素周期表第VIII族的金属，例如钴、铁或镍和/或它们的混合物或合金，其中，最常见的是钴。传统的PCD可以包括从85至95%体积比的金刚石，以及剩余量的溶剂催化剂材料。但是，尽管更高金属含量会增加最终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，易碎性也增加，从而减少了 PCD材料的韧性。
[0004]P⑶被广泛用于钻井应用中，例如用于多种类型的钻头上的切割元件中。尽管P⑶非常坚硬和耐磨损，但PCD切割元件仍然可能在正常操作期间损坏。损坏可能以三种常见形式发生，即磨损、疲劳与冲击破裂。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涉及的相对滑动的量)。过度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。疲劳机理涉及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，冲击机理涉及表面裂缝或在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、或切割元件的毁灭性损坏。
【发明内容】
[0005]本概述用于引入在下面详细描述的选取的构思。本概述不是用于定义要求保护的主题的关键或本质性特征，也不是用于帮助限定要求保护的主题的范围。
[0006]一方面，本公开的实施例涉及一种制作多晶金刚石复合片的方法，包括:形成金刚石颗粒和碳酸盐材料预混的多个层，其中，所述碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐，其中，相邻层中的每个层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比不同；使所述层经受高压高温条件。
[0007]另一方面，本公开的实施例涉及一种多晶金刚石结构，包括:多晶金刚石体，其由形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域内的碳酸盐材料制成，其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸土卜
ΠΤΤ.0
[0008]又一个方面，本公开的实施例涉及一种井下工具，包括:本体、从本体延伸的多个刀片以及设置在所述多个刀片上的至少一个多晶金刚石切割元件，其中，所述多晶金刚石切割元件具有多晶金刚石体，其由形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域内的碳酸盐材料制成，其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐；并且其中，多晶金刚石体进一步具有在工作面和非工作面之间测得的高度，其中，所述高度大于4mm。
[0009]要求保护的主题的其它方面和优点通过后面的描述和所附的权利要求而变得明确。
【附图说明】
[0010]本公开的实施例参照后面的附图进行描述。在所有附图中相同的数字指代相同的特征和部件。
[0011]图1示出传统方式形成的多晶金刚石的微结构。
[0012]图2示出根据本公开的实施例的碳酸盐基多晶金刚石体。
[0013]图3示出根据本公开的实施例的预混层。
[0014]图4示出根据本公开的实施例的预混层和渗入层。
[0015]图5示出根据本公开的实施例的预混层和渗入层。
[0016]图6示出根据本公开的实施例的预混层和渗入层。
[0017]图7示出耐磨性与预混的碳酸镁的量的对比。
[0018]图8示出渗入深度与预混的碳酸镁的量的对比。
[0019]图9示出深浸滤的传统多晶金刚石和本公开的碳酸盐基多晶金刚石材料的耐磨性的对比。
[0020]图10示出根据本公开的实施例的预混层和两个渗入层。
【具体实施方式】
[0021]如本文所使用的，术语“碳酸盐基多晶金刚石”是指，在碳酸盐材料存在时，通过使单独的金刚石颗粒经受足够高压高温(HPHT)条件使相邻的金刚石晶体间发生晶间结合，以形成金刚石间结合网络或基质相以及分散于该结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙区域而制备的最终材料。本发明的碳酸盐基多晶金刚石可以被称为多晶金刚石或PCDdSf同于传统的使用过渡金属溶剂催化剂形成的多晶金刚石(描述于【背景技术】部分)。
[0022]根据本公开的实施例，碳酸盐基多晶金刚石体的微观结构可以包括由结合在一起的多个金刚石晶粒构成的基质相和置于结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙区域以及设置于所述间隙区域内的碳酸盐材料，其中，所述碳酸盐材料选自一种碱土金属碳酸盐或选自碱金属碳酸盐和碱土金属碳酸盐的组合。在本发明的碳酸盐基多晶金刚石材料中，对于形成金刚石间结合来说，不必需包括过渡金属催化剂、硅和/或含硅复合物，因此所述碳酸盐基多晶金刚石体可以不含有这些材料。
[0023]图2示出了根据本公开的某些实施例的多晶金刚石体。该金刚石体200具有工作面210、外侧面220和非工作面230，其中，高度240在工作面210与非工作面230之间测量。根据某些实施例，该高度可以大于2mm，在某些实施例中，该高度可以大于4mm，在某些实施例中，该高度可以大于6_。如这里使用的，工作面可指的是接触和切割工件或地质地层的多晶金刚石体的外表面。然而，由于本公开的多晶金刚石体包括固体多晶金刚石材料(例如，不需要被附着的基体)，本公开的多晶金刚石体可以被旋转以使多于一个的表面在多个位置作为工作面。因此，工作面根据多晶金刚石体相对于正被切割的地层的位置而可以是本公开的多晶金刚石体的不同的外表面。图2所示的工作面210为金刚石体200的顶表面，而非工作面230为金刚石体200的底表面。然而，一旦金刚石体发生旋转，非工作面此时可能作为工作面，反之亦然。因此，根据本公开的多晶金刚石体的高度240可以在金刚石体的相对外表面之间测量，其中，在测量时一个表面作为工作面。此外，图2所示的金刚石体200具有圆柱形状。然而，本公开的碳酸盐基多晶金刚石材料可以形成为其它形状，例如矩形或三角形棱柱。
[0024]如上所述，多晶金刚石体具有多个结合到一起的金刚石晶粒构成的基质相 ，其具有多个介于结合到一起的金刚石晶粒之间的间隙区域以及位于间隙区域中的一种或多种碳酸盐材料。图2所示的金刚石体包括从工作面210延伸一深度的第一区域250，其中，该第一区域包括设置在结合到一起的金刚石晶粒的间隙区域中的第一碳酸盐材料。第二区域255远离工作面210从第一区域250延伸，其中，第二区域包括设置在结合到一起的金刚石晶粒的间隙区域中的第二碳酸盐材料。例如，在某些实施例中，第一区域可具有位于结合到一起的金刚石晶粒的间隙区域中的碳酸镁，第二区域可具有位于结合到一起的金刚石晶粒的间隙区域中的碳酸钙。在其它实施例中，第一区域可以由金刚石和碳酸镁形成，第二区域可以由金刚石、碳酸镁和碳酸钙形成。然而，在其它实施例中，整个多晶金刚石体可以由位于结合到一起的金刚石晶粒的间隙区域中的单一类型的碳酸盐或者均匀分布的一种类型以上的碳酸盐形成。
[0025]根据本公开的实施例的碳酸盐基多晶金刚石体可以在高压高温(HPHT)条件下通过将多种均质层烧结到一起而形成。例如，一种制作多晶金刚石体的方法可包括形成多个金刚石颗粒与碳酸盐材料预混的层，其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐。在某些实施例中，碳酸盐材料除了碱土金属碳酸盐之外还可包括碱金属碳酸盐。如这里使用的，层可以包括一定量的均质预混的金刚石颗粒和碳酸盐材料，其延伸一厚度以及垂直于该厚度测量的区域，其中，预混材料的每层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可在整个厚度和该层的整个区域上都是一致的。预混层可以通过使各层经受高压高温条件而烧结到一起，例如高于6GPa的压力和大于1700°C (3，092° F)的温度并且位于金刚石热力学稳定区域中。例如，在某些实施例中，预混层可以在6-8GPa的压力和大于2，000°C (3，632° F)的温度下，或者8-10GPa的压力和大于2，000°C (3，632° F)的温度下进行烧结。
[0026]根据本公开的实施例，每一层与相邻层相比可具有不同的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比。例如，参照图3，示出了多个预混层302、304、306的横截面视图，它们看起来像是组装在烧结罐或其它容器(未示出)中。如图所示，多个预混层包括第一外层302、内层304以及与第一外层302相反设置的第二外层306。然而，在其它实施例中，在两个外层之间可设置一个以上的内层。每一层具有金刚石颗粒和碳酸盐材料的均质混合物，以使得金刚石与碳酸盐的重量百分比之比在每一层的整个厚度310上以及整个区域315上(即与厚度垂直的平面尺度)基本上不变。层302的重量百分比之比与层304和层306的重量百分比之比不同，并且层304的重量百分比之比与层306的重量百分比之比不同。例如，在某些实施例中，多个层中的每一个层的重量百分比之比可从第一外层302向第二外层306递减，其中，内层304中金刚石与碳酸盐的重量百分比之比小于第一外层302的重量百分比之比，第二外层306的重量百分比之比小于内层304的重量百分比之比。然而，在其它实施例中，相邻层之间的重量百分比之比可以不按照从第一外层向第二外层递减的方式变化。此外，图3所示的第一外层302在方向上设置在预混层组合的顶部处。然而，如这里所使用的，术语“第一外层”和“第二外层”并不是依赖于方向且可以根据组合的方向被示为底层、侧层，等等。此外，一旦预混层被组装并且烧结形成多晶金刚石切割元件，那么无论是第一外层或者是第二外层都可以最终形成工作面。例如，一旦对如图3所示的预混层进行烧结，当与其它预混层304、306相比具有最大重量百分比的金刚石和最小重量百分比的碳酸盐材料的第一外层302可以形成与其余的金刚石体相比具有更高的耐磨性的工作面312。
[0027]如图所示，每个层302、304、306的厚度310在整个层上基本不变以使得在相邻层之间形成平面边界或交界面。然而，根据其它实施例，一个或多个层可具有变化的厚度以形成非平面的交界面或边界。此外，预混层与其它预混层相比可具有相同或不同的厚度。例如，如图3所示，层302的厚度310可大于层304和层306的厚度，层304的厚度与层306的厚度大致相同，其中，每一厚度在整个层区域315上基本不变。在其它实施例中，当与一个层状组合内的其它层相比时，每个预混层可具有相同的厚度或者每个预混层可具有不同的厚度。
[0028]此外，图3所示的预混层302、304、306具有相同的垂直于厚度的平面尺寸。在这些实施例中，一旦各个层被烧结而形成了多晶金刚石体，该多晶金刚石体就可具有基本上连续(如果最终的金刚石体形状为圆柱或非平面状)或平面(如果最终的金刚石体形状包括相交的平面侧)状的外侧面。例如，如图2所示，根据本公开的方法，具有相同的垂直于厚度的平面尺寸的预混层可以被烧结到一起，以形成具有基本上连续的侧表面220的多晶金刚石体。换句话说，预混层可以从中心轴线完全径向延伸到一旦对预混层进行烧结则变成多晶金刚石体的外侧面的部分。
[0029]根据某些实施例，可以通过将每个层倾倒到具有连续或平面状内壁的罐或容器中而形成具有相同的垂直于厚度的平面尺寸的预混层。例如，一定量的具有预先确定的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比的金刚石颗粒和碳酸盐材料的混合物可以被倾倒到罐中以形成第一外层，其中，第一外层被倾倒成厚度沿着罐轴向延伸并且其中罐的内壁限定出第一外层的区域(即，垂直于厚度的平面尺度)。接着可以通过将一定量的具有预先确定的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比(与第一外层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比不同)的金刚石颗粒和碳酸盐材料的第二混合物倾倒到罐中并使其与第一外层相邻而形成与第一外层相邻的后续层。第二混合物可以倾倒到罐中使其厚度与第一外层的厚度相同或不同，其中，罐的内壁限定了后续层的面积。具有预先确定的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比(其可能与后续层的重量百分比之比不同并且可选地与第一外层的重量百分比之比也不同)的第二外层(在具有多于三个预混层的实施例中为附加的后续层)接着可以被倒入罐中与后续层相邻并且厚度达到与第一外层和后续层的厚度相同或不同，其中，第二外层的面积通过罐的内壁形状限定。
[0030]现参看图4，示出了本公开的另一实施例，其中，渗入层邻近外预混层设置。如这里所使用的，渗入层指的是与预混层相邻的碳酸盐材料层，其中，在烧结过程中，渗入层的碳酸盐材料至少渗入到相邻的预混层中。例如，如图4所示，多个预混层402、403、404、405和406均具有预先确定的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比。渗入层420形成为与外层406相邻。每个层，包括预混层402、403、404、405、406和渗入层420，均具有厚度和沿着垂直于厚度的维度平面延伸的区域，其中，所述厚度在整个区域上是相同的。如图所示，渗入层420具有厚度410和区域415。预混层402、403、404、405和406中的每一个的厚度可与渗入层420的厚度相同或不同。例如，预混碳酸盐材料量相对较大的层，例如图4中的内层404的厚度可大于预混金刚石材料量相对较大的层，例如图4中的层402、403、405和406。此外，预混层402、403、404、405和406中的每个的区域可与渗入层420的区域相等，以使得渗入层420和预混层402、403、404、405、406相对齐。
[0031]仍然参照图4，相邻层之间的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比是不同的，例如，层402的重量百分比之比与层403的重量百分比之比不同，层403的重量百分比之比与层404的重量百分比之比不同，等等。尽管相邻层之间的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可不同，但是非相邻层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可以相同或不同。此外，多个层中的每一层的重量百分比之比可以从内层向第一外层和第二外层增加。例如，如图4所示，内层404可具有预先确定的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比。相邻层403和405的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可大于内层404的重量百分比之比(即，与内层404相比，相邻层403、405在整个预混层上可具有较大量的金刚石和较少量的碳酸盐)，其中，相邻层403和405可以具有大致相同或不同的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比。例如，在相邻层403和405具有大致相同的重量百分比之比的实施例中，层403、405可以由相同的金刚石与碳酸盐的粉末混合物形成。此外，第一外层402和第二外层406的 金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可大于相邻层403和405的重量百分比之比(并且由此也大于内层404)，其中，第一和第二外层402和406可具有大致相同或不同的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比。
[0032]除了改变每个层中与金刚石混合的碳酸盐材料的量之外，层402、403、404、405、406可包括相同或不同类型的与金刚石相混合的碳酸盐材料。例如，内层404可以由仅仅包括金刚石、碳酸镁和碳酸钙的预混合成物形成，而相邻层403、405和外层402、406可以由仅包括金刚石和碳酸镁的预混合成物形成。其它的预混层，例如内层，可以由金刚石和碱金属碳酸盐以及碱土金属碳酸盐形成。此外，本公开的预混层可以被描述成仅由金刚石和一种或多种碳酸盐形成；然而，这些合成物还可以包括少量杂质。
[0033]现在参照图5和6，示出了预混层的其它实施例。如图5所示，第一外层502可具有厚度510、沿着垂直于该厚度的平面维度延伸的区域515以及金刚石与碳酸盐的重量百分比之比，其中，厚度510在整个区域515上是相同的，该重量百分比之比在整个第一外层502上基本上不变。特别地，在整个层上基本不变的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比意味着，在该层的一个区域测得的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比与该层的其它区域的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比大致相同。例如，如图5所示，在与外层502的外表面相邻的区域530测得的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比与在外层502的内部区域532测得的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比大致相同，且与在与外层502的外表面相邻的第二区域534测得的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比大致相同。换句话说，在该层的整个厚度510和区域515上，重量百分比之比基本相同。然而，在其它实施例中，整个层的重量百分比之比可以不同，例如重量百分比之比可以在一个层的厚度或区域上是变化的(按区域或按梯度)。例如，一个或多个预混层在该层的中心或芯部上或附近可具有较高浓度的碳酸盐材料(即，低的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比)，而在该层的外表面上或附近的区域可具有相对较低浓度的碳酸盐材料(即，高的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比)。
[0034]内层504设置成与第一外层502相邻并且金刚石与碳酸盐的重量百分比之比在整个层上基本上不变。内层504的重量百分比之比可小于第一外层502，其中，在第一外层502中的金刚石预混浓度比内层504的高。第二外层506设置成与内层504相邻并且与第一外层502相反而设，其中，第二外层506的重量百分比之比与内层504的重量百分比之比不同。第二外层506的重量百分比之比可小于内层504的重量百分比之比(并且由此也小于第一外层502的重量百分比之比)。然而，在其它实施例中，第二外层的重量百分比之比可与第一外层的重量百分比之比相同或不同并且可以大于或小于内层的重量百分比之比。此外，渗入层520可以设置成与第二外层506相邻，与内层504相反而设。渗入层520可以由碳酸盐材料、例如碳酸镁形成。
[0035]如图6所示，第一外层602可具有厚度612、沿着垂直于该厚度的平面维度延伸的区域615以及金刚石与碳酸盐的重量百分比之比，其中，厚度612在整个区域615上是相同的，重量百分比之比在整个第一外层602上基本不变。内层604设置成与第一外层602相邻并且其金刚石与碳酸盐的重量百分比之比在整个层上基本不变。内层604的重量百分比之比小于第一外层602的。第二外层606设置成与内层604相邻并且与第一外层602相反而设，其中，第二外层606的重量百分比之比小于内层604的重量百分比之比(并且由此小于第一外层602)。然而，根据其它实施例，第二外层606的重量百分比之比可与第一外层602的重量百分比之比相同或不同并且可大于或小于内层604的重量百分比之比。
[0036]此外，图6所示的每个层的厚度可以是相同或不同的。例如，如图所示，第一外层602的厚度可与内层604的厚度相同，并且第二外层606的厚度616可大于内层604和第一外层602的厚度612、614。渗入层620的厚度610也可以与预混层602、604、606的厚度相同或不同。例如，如图6所示，渗入层620的厚度610可与第一外层602的厚度612大致相同并且小于第二外层606的厚度616。渗入层620可以由碳酸盐材料、例如碳酸镁形成。
[0037]渗入层可以设置成与预混层组合的第一外层或第二外层相邻。例如，图5所示的渗入层520设置成与具有最低的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比(即，相对较大量的碳酸盐材料)的第二外层506相邻。然而，在其它实施例中，渗入层可以设置成与具有最高的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比的层相邻。例如，如图6所示，渗入层620可以设置成与第一外层602相邻，所述第一外层602的重量百分比之比大于层604和606的重量百分比之比。
[0038]在其它实施例中，渗入层可以设置成与预混层组合的第一外层和第二外层均相邻。例如，参照图10，示出了本公开的一个实施例，其中，渗入层设置成与外部预混层相邻。如图所示，多个预混层1002、1003、1004、1005和1006中的每个层均具有预先确定的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比，它们层叠到一起以形成预混层组合。渗入层1020形成为与外层1002和1006相邻。每个层，包括预混层1002、1003、1004、1005、1006和渗入层1020，均具有厚度和沿着垂直于该厚度的维度平面延伸的区域，其中，厚度在整个区域上是相同的。如图所示，渗入层1020均具有厚度1010和区域1015。预混层1002、1003、1004、1005和1006均可具有与渗入层1020的厚度相同或不同的厚度。金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可以从外层1002、1006向内层1004递减或递增，以使得包括有渗入层1020的预混层组合相对于横向平面1001在金刚石与碳酸盐的成分上是对称的。然而，在其它实施例中，渗入层可以设置成与不具有金刚石与碳酸盐的成分对称性的预混层组合的第一和第二外层相邻。例如，预混层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比可从第一外层向第二外层递减或递增，其中，渗入层设置成与第一和第二外层均相邻。在其它实施例中，预混层的金刚石与碳酸盐重量百分比之比从外层向内层递减或递增，其中，渗入层设置成与外层均相邻。
[0039]在金刚石和碳酸盐混合物中使用的金刚石颗粒例如可以根据最终的应用而包括天然或合成金刚石，并且可具有变化的颗粒尺寸。例如，金刚石颗粒的大小可以在亚微米到100微米(细粒和/或粗粒)之间变化，并且在一些实施例中可在1-5微米之间变化，在其它实施例中在5-10微米之间变化，并且在其它另外的实施例中在15-20微米之间变化。此外，金刚石颗粒可以具有单模态分布(具有相同的总体平均颗粒大小)或者多模态分布(具有不同量的不同的平均颗粒大小)。可以用在形成本公开的预混层的金刚石和碳酸盐混合物中的碳酸盐材料(在某些实施例中作为渗入材料)可包括碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐，例如，碳酸镁或碳酸钙。碳酸盐材料的颗粒大小范围可为亚微米到100微米并且在一些实施例中为0.1到30微米。此外，不同的预混层可以具有不同的颗粒尺寸范围。例如，中心层可以具有更硬的，粗粒级的金刚石，而碳酸盐材料在整个预混层组合上可以具有基本相同的颗粒尺寸范围。
[0040]此外，根据本公开的实施例，预混层中的碳酸盐的重量百分比的变化范围可为从大于O重量百分比的碳酸盐到小于大约20重量百分比的碳酸盐，并且预混层中的金刚石重量百分比的变化范围可为从大于80重量百分比的金刚石到小于99重量百分比的金刚石。例如，某些实施例包括的金刚石和碳酸盐混合物的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比包括大于大约90重量百分比的金刚石和小于大约10重量百分比的碳酸盐材料。在另一个实施例中，一个或多个预混层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比包括大于大约95重量百分比的金刚石和小于5重量百分比的碳酸盐。例如，在某些实施例中，预混层组合的一个或两个外层可具有4或更少重量百分比的碳酸盐材料和96或更多重量百分比的金刚石。在其它实施例中，根据颗粒尺寸，预混层组合的一个或两个外层可以具有2或更少重量百分比的碳酸盐材料和98或更多重量百分比的金刚石。
[0041]如图7所示，具有较低浓度的碳酸 盐材料(图示的为碳酸镁)、从而具有较高浓度的金刚石的金刚石和碳酸盐混合物，可以产生具有增强的耐磨性的烧结混合物，即，形成的多晶金刚石体可具有更高的磨损评分。根据某些实施例，多晶金刚石体可以形成为具有一个或多个包括有小于2重量百分比的碳酸盐的作为至少一个外层的预混层以及一个或多个包括有大于2重量百分比的碳酸盐的作为至少一个内层的预混层，由此提供至少一个具有增强的耐磨性的烧结多晶金刚石体的外表面。例如，在具有由本公开的多晶金刚石材料形成的例如用在井下钻井工具上的切割元件的实施例中，切割元件的工作面(即切割元件接触并切割被切割地层的外表面)可以由具有小于4重量百分比的碳酸盐、剩余为金刚石的预混层形成，并且切割元件的其余部分可以由一个或多个具有大于4重量百分比的碳酸盐、剩余为金刚石的预混层形成，以使得工作面的耐磨性比其余切割元件的耐磨性更高。
[0042]根据本公开的实施例，金刚石和一种或多种碳酸盐材料的预混层可以在高压高温条件下进行烧结，以形成多晶金刚石体。高压高温条件可包括大于6Gpa的压力和大于1，700°C的温度。此外，如上所述，由一种或多种碱金属或碱土金属碳酸盐制成的渗入层可以设置成与其中一个预混层相邻，其中，在烧结过程中，渗入层的碳酸盐可以渗入一定深度到达预混层。渗入深度可例如取决于预混层的成分和烧结条件。
[0043]例如，图8示出了在7.7GPa和2，300°C的条件下进行烧结的过程中碳酸镁渗入剂的渗入深度和预混层中的碳酸镁的预混量之间的关系。如图所示，渗入深度随着预混层中碳酸盐的量的增加而增加。渗入和碳酸盐量之间的具体关系随着金刚石的晶粒大小而变化。
[0044]根据本公开的实施例制作的多晶金刚石体可以用作井下切割工具、例如钻头上的切割元件。例如，本公开的井下工具可具有本体、从本体延伸的多个刀片及设置在所述多个刀片上的根据本公开的实施例的至少一个多晶金刚石切割元件。该至少一个多晶金刚石切割元件设置在刀片上，使得工作面、即接触且切割被钻地层的表面，设置在刀片的前导面上并且面向钻井旋转方向。多晶金刚石切割元件可包括由用于形成基质相的多个结合到一起金刚石晶粒、介于结合到一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域内的碳酸盐材料制作而成的多晶金刚石体，其中，碳酸盐材料选自于碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐中的至少一种。此外，如上面所描述的，多晶金刚石体的高度可从工作面到非工作面之间测得，其大于4_。
[0045]多晶金刚石切割元件可以旋转地紧固到刀片，例如美国专利N0.8，091，655所公开的，或者可以机械地紧固到刀片，例如美国临时专利申请N0.61/599，665所公开的。在其它实施例中，本公开的多晶金刚石切割元件可以铜焊到形成在井下切割工具的刀片或本体中的凹口中。
[0046]如上所述，根据本公开的实施例的多晶金刚石体具有形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域中的碳酸盐材料，其中，碳酸盐材料选自于碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐中的至少一种。在这些实施例中，多晶金刚石材料可以不使用金属溶剂催化剂形成，使得形成的多晶金刚石体不包含任何金属溶剂催化剂。
[0047]根据这里公开的方法形成碳酸盐基多晶金刚石体允许形成厚的固体多晶金刚石。例如，本公开的多晶金刚石体可包括工作面、侧表面和远离工作面的非工作面，其中，工作面和非工作面之间的距离，或者高度大于4_。在某些实施例中，多晶金刚石体的高度可大于 6mm。
[0048]此外，根据这里公开的方法形成碳酸盐基多晶金刚石材料当与传统方式形成并且浸滤多晶金刚石(即形成为具有金属溶剂催化剂并且一部分的催化剂材料被移除的多晶金刚石体)相比时允许形成具有增强的耐磨性的多晶金刚石体。例如，图9示出了深浸滤的传统多晶金刚石和本公开的碳酸盐基多晶金刚石材料的耐磨性的对比。具体地，根据本公开的实施例的碳酸盐基多晶金刚石材料通过在7.2GPa和2，300°C (4，172° F)的条件下对金刚石和碳酸镁的预混层进行烧结而形成。碳酸盐基多晶金刚石和深浸滤的传统方式形成的多晶金刚石材料形成为切割元件并且在花岗岩工件上进行测试。如图所示，深浸滤的传统方式形成的多晶金刚石切割元件上发生的磨损量(较大的磨平区域)大于碳酸盐基多晶金刚石切割元件中发生的磨损量。
[0049]尽管上面仅详细描述了少量的典型实施例，但是本领域技术人员可以容易地意识到，典型的实施例可以进行多种修改而不会实质上脱离本发明。因此，所有的这些修改都被认为包括在如后面权利要求所限定的本公开的范围之内。
【主权项】
1.一种制作多晶金刚石复合片的方法，包括: 形成金刚石颗粒和碳酸盐材料预混的多个层，其中，所述碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐； 其中，相邻层中的每个层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比不同； 使所述层经受高压高温条件。2.权利要求1的方法，其中，所述碳酸盐材料进一步包括碱金属碳酸盐。3.权利要求1的方法，其中，所述多个层中的每个层的重量百分比之比从第一外层向第二外层递减。4.权利要求1的方法，其中，所述多个层中的每个层的重量百分比之比从内层向第一外层和第二外层递增。5.权利要求1的方法，其中，复合片的外层中的所述至少一种碳酸盐的重量百分比小于4个百分点。6.权利要求1的方法，其中，复合片的内层中的所述至少一种碳酸盐的重量百分比大于2个百分点。7.权利要求1的方法，进一步包括相邻于外层设置渗入层，其中，所述渗入层包括选自于碱土金属碳酸盐的碳酸盐材料。8.权利要求7的方法，其中，所述碳酸盐材料进一步包括碱金属碳酸盐。9.权利要求1的方法，进一步包括:在经受步骤之前将所述层放置到罐中，其中，罐的内壁限定出每个层的区域。10.权利要求1的方法，其中，每个层的重量百分比之比在整个该层中是相同的。11.一种多晶金刚石结构，包括: 多晶金刚石体，其包括形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域内的碳酸盐材料； 其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐。12.权利要求11的结构，其中，碳酸盐材料进一步包括碱金属碳酸盐。13.权利要求11的结构，其中，碳酸盐材料包括碳酸镁和碳酸钙中的至少一种。14.权利要求11的结构，其中，多晶金刚石体进一步具有在工作面和非工作面之间测得的高度，其中，所述高度大于4_。15.权利要求11的结构，进一步包括从工作面延伸一深度的第一区域，其中，所述第一区域包括设置在间隙区域中的碳酸镁。16.权利要求15的结构，进一步包括远离工作面的第二区域，其中，所述第二区域包括设置在间隙区域中的碳酸钙。17.—种井下工具，包括: 本体； 从本体延伸的多个刀片； 设置在所述多个刀片上的至少一个多晶金刚石切割元件，其中，所述多晶金刚石切割元件包括: 多晶金刚石体，其包括形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域内的碳酸盐材料； 其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐；并且 其中，多晶金刚石体进一步具有在工作面和非工作面之间测得的高度，其中，所述高度大于4mmο18.权利要求17的井下工具，其中，多晶金刚石切割元件可旋转地紧固到刀片。19.权利要求17的井下工具，其中，多晶金刚石切割元件机械地紧固到刀片。20.权利要求17的井下工具，其中，碳酸盐材料包括碳酸镁和碳酸钙中的至少一种。
【专利摘要】一种制作多晶金刚石复合片的方法包括：形成金刚石颗粒和碳酸盐材料预混的多个层，其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐，并且其中相邻层中的每个层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比不同。这些层经受高压高温条件，以形成多晶金刚石。
【IPC分类】B22F3/15, B22F7/00, B22F7/02
【公开号】CN104903032
【申请号】CN201380069434
【发明人】Y·鲍, A·加兰, M·D·弗朗斯, J·D·贝尔纳普
【申请人】史密斯国际有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月15日
【公告号】US20140131117, WO2014078620A1
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