用于鉆頭切割元件的選擇性瀝濾的多晶結(jié)構的制作方法
【專利說明】用于鉆頭切割元件的選擇性瀝濾的多晶結(jié)構發(fā)明領域
[0001]本發(fā)明總體涉及部分瀝濾的(leached)多晶結(jié)構，并特別是用于鉆地鉆頭的切割元件。
[0002]發(fā)明背景
[0003]當鉆油和天然氣井時用于鉆通地下巖層的鉆頭有兩種基本類型:刮刀鉆頭和牙輪鉆頭。
[0004]刮刀鉆頭沒有活動部件。在刮刀鉆頭通常通過旋轉(zhuǎn)它所附著的鉆柱而旋轉(zhuǎn)時，固定于鉆頭面的離散的切割元件(“切割器”)切削井的底部，刮切或剪切地層。旋轉(zhuǎn)的刮刀鉆頭的每個切割器布置并定位在所述刮刀鉆頭的面上，使得它(將被稱為其磨損表面)的一部分當鉆頭旋轉(zhuǎn)時咬合地層。所述切割器在鉆頭主體的外切割表面或面上以固定的預定樣式間隔開。所述切割器通常沿著若干翼片的每一個排列，所述冀片是通常以擺動方式(sweeping manner)(與直線相反)從鉆頭的中央軸向所述面的周邊大體上徑向延伸的升起的嵴。沿著每個翼片的切割器呈現(xiàn)出對地層的預定切割輪廓，隨著鉆頭轉(zhuǎn)動剪切地層。鉆井液泵下鉆柱，進入在鉆頭的中心形成的中央通路，然后通過在鉆頭的面中形成的孔泵出，既冷卻切割器又有助于從翼片之間除去和運送切肩。
[0005]牙輪鉆頭包含兩個或三個錐形切割器，所述切割器以與鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸呈大約三十五度的角度繞軸旋轉(zhuǎn)。隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)，所述牙輪軋過孔洞的底部。在所述牙輪表面上的切割元件一經(jīng)常稱為齒或鑲齒(insert)，隨著所述錐體軋過地層而壓碎和刮削巖石。
[0006]為了改善鉆頭的性能，所述切割元件的一個或多個磨損或工作表面由以多晶金剛石復合片(compact) (PDC)形式的多晶金剛石(“PCD”)的層附著于基體制成。常見的基體是粘結(jié)碳化鎢。具有這種PDC切割元件的刮刀鉆頭有時稱為“PDC鉆頭”。PDC,雖然很硬并具有高抗磨損性或耐磨性，但傾向于比較脆?；w，雖然沒有那么硬，但比PDC更韌性，因此具有更高的抗沖擊性。所述基體的長度或高度通常足夠長以起到安裝柱螺栓(stud)的作用，它的一部分放入刮刀鉆頭主體中形成的凹穴(pocket)或凹口(recess)中，或者在牙輪鉆頭的情況下，放入在牙輪中形成的凹穴內(nèi)。然而，在一些刮刀鉆頭中，所述PDC和基體結(jié)構附著于金屬安裝柱螺栓，所述安裝柱螺栓然后插入凹穴或其他凹口中。
[0007]多晶金剛石復合片可以如下制作:將被稱為“金剛石砂粒”的粉末形式的多晶金剛石晶粒與一種或多種金屬粉末催化劑和其他材料混合，將所述混合物形成復合片，然后利用高熱高壓或微波加熱燒結(jié)它。雖然鈷或鈷的合金是最常見的催化劑，但其他VIII族金屬，例如鎳、鐵及其合金也可用作催化劑。至于切割器，PDC通常通過在與粘結(jié)碳化鎢基體相鄰處充填沒有所述金屬催化劑的金剛石砂粒，然后將二者燒結(jié)在一起而形成。在燒結(jié)期間，所述基體中的金屬粘合劑一在鈷粘結(jié)碳化鎢的情況下是鈷一摻入和滲透所述復合片，充當催化劑以在相鄰的金剛石晶粒之間形成金剛石與金剛石的結(jié)合。結(jié)果產(chǎn)生結(jié)合的金剛石晶體塊，其已經(jīng)被描述為連續(xù)或整體的金剛石基質(zhì)和甚至在所述金剛石之間具有間隙空位的“晶格”。所述間隙空位至少部分被所述金屬催化劑填充。
[0008]用于支撐PDC層的基體至少部分從粘結(jié)金屬碳化物制作，最常見的是碳化鎢。粘結(jié)金屬碳化物基體通過粉末狀金屬碳化物與金屬合金粘合劑一起燒結(jié)而形成。所述PDC和所述基體的復合材料可用許多不同的方式制作。它還可以，例如，包括過渡層，其中所述金屬碳化物和金剛石與用于改善PDC和基體之間結(jié)合并降低應力的其他成分混合。在本文中提及的基體包括這樣的基體。
[0009]因為存在金屬催化劑，PDC表現(xiàn)出熱不穩(wěn)定性。鈷具有與金剛石不同的膨脹系數(shù)。它以更高的速率膨脹，因此在較高溫度下傾向于削弱所述金剛石結(jié)構。此外，鈷的熔點低于金剛石，當溫度達到或超過所述熔點時，這可導致鈷造成所述roc內(nèi)的金剛石晶體開始石墨化，也削弱了所述roc。為了使所述PDC更加熱穩(wěn)定，從緊挨著一個或多個在鉆孔期間由于摩擦而經(jīng)歷最高溫度的工作表面的至少一個區(qū)域除去顯著百分比--通常超過50% ;經(jīng)常70%至85%;并可能更多一的所述催化劑。所述工作表面是設計或打算咬合地層的切割器的表面。例如，在PDC切割器的情況下，它們通常是所述金剛石冠或臺面的通常平的上表面，它的側(cè)表面的至少部分，并且如果存在的話，所述上表面和側(cè)表面之間輻射式或形態(tài)過渡的斜緣。
[0010]所述催化劑通過瀝濾法除去。所述瀝濾法包括保護或掩蔽所述碳化物基體并將所述PDC放在強酸中，強酸的例子包括硝酸、氫氟酸、鹽酸或高氯酸、和它們的組合。在有些情況下，所述酸混合物可以加熱和/或攪拌以促進所述瀝濾法。
[0011]然而，去除鈷被認為降低了所述roc的韌性，從而降低了抗沖擊性。此外，瀝濾所述PDC可導致除去一部分膠結(jié)或粘合所述基體的鈷，從而影響所述基體和/或所述基體與金剛石交接面的界面的強度或完整性。由于這些顧慮，切割器的瀝濾現(xiàn)在是“部分的”，意味著只在距所述roc的一個或多個工作表面、例如所述roc的頂部、斜緣、和/或側(cè)面測量的一定深度或距離上，從所述PDC中除去催化劑。通常，只有所述PDC的頂部工作表面暴露于所述浴。利用掩模和密封保護基體防御酸。常規(guī)的商業(yè)生產(chǎn)的切割元件的瀝濾深度當從暴露于酸浴的工作表面測量時，在所述切割器上基本一致。所述瀝濾的深度取決于金剛石材料的顯微結(jié)構、使用的瀝濾液和瀝濾時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明總體涉及增加P⑶的選擇區(qū)域中的瀝濾速率，以及涉及具有一個或多個包含燒結(jié)PCD層的工作表面的切割元件或其他磨損部件，所述PCD層相對于它的工作表面具有不同的瀝濾深度和幾何形狀。從經(jīng)受瀝濾液的表面測量，在保護所述切割元件的其余部分的掩模和密封開始分解之前，增加瀝濾速率使得那些區(qū)域與具有較低瀝濾速率的區(qū)域相比更迅速地瀝濾，從而能夠在所述區(qū)域內(nèi)瀝濾到更大的深度。此外，選擇性增加PCD結(jié)構內(nèi)預定區(qū)域的瀝濾速率允許改變從所述結(jié)構的工作表面伸出的一個或多個瀝濾區(qū)域的形狀和深度或者，更一般地說，幾何結(jié)構，而不需要借助復雜的掩模和密封。在沒有必要掩蔽所述工作表面的情況下，可制成PCD結(jié)構的瀝濾和非瀝濾區(qū)域之間的邊界，使得與暴露于瀝濾液的一個或多個表面不平行。
[0013]在一種實施方式中，將添加劑在瀝濾之前引入所述P⑶結(jié)構中。所述添加劑包含增加所述PCD對所述瀝濾液的滲透性或所述PCD對所述瀝濾液的接納性的材料。這樣的材料的一個例子是用于降低所述瀝濾液和所述多晶結(jié)構之間的表面張力的親水物，其被放入或添加到所述結(jié)構的一個或多個選定區(qū)域。所述親水物可以包含，例如，痕量礦物質(zhì)，其具有親水性質(zhì)、抗?jié)櫇裥暂^低、或在瀝濾液和氣體副產(chǎn)物和所述多晶復合金剛石之間與固體表面相遇的汽液界面的接觸角較小。這些物質(zhì)有助于將瀝濾液傳送到多晶結(jié)構中，例如通過正性毛細引力、芯吸、或通過降低毛細阻力。所述添加劑可在燒結(jié)之前或燒結(jié)之后被引入所述多晶結(jié)構中。
[0014]親水添加劑的例子包括二硼化鈦(TiB2)、纖鋅礦型氮化硼(w-BN)、立方氮化硼(c-BN)、二硼化鋯(ZrB2)、纖鋅礦型碳化硅、導電碳同素異形體、富勒烯和類似的化合物。這些親水添加劑的例子包括具有化學極性分子結(jié)構、電偶極或多極矩、在所述分子內(nèi)電荷分離、或?qū)щ娢镔|(zhì)的材料。具有這些添加劑的區(qū)域與所述燒結(jié)多晶金剛石結(jié)構的沒有所述親水種子材料的區(qū)域相比更迅速地瀝濾，使得比原本由于不用任何種子材料制成的PCD的技術限制所可能的更深的瀝濾。
[0015]更快的瀝濾對于包含尺寸小于30微米的粒子的多晶金剛石原料和在較高壓下壓制的PCD來說具有特別的優(yōu)勢，因為所述金剛石更致密，使得所述間隙空位更小并且更少連接，抑制了瀝濾酸的進入。選擇性接種燒結(jié)多晶金剛石結(jié)構的部分或區(qū)域也允許利用不同的瀝濾速率以形成具有不同距離或深度和幾何形狀的瀝濾區(qū)域。
[0016]能夠制作在PDC的瀝濾和非瀝濾區(qū)域之間具有非平面邊界的PDC切割元件允許更好地控制切割元件的磨損輪廓。例如，常規(guī)PDC切割器在使用期間將形成磨損的平面。所述磨損平面的存在降低了切割有效性并影響切割樣式、切割器負荷、切割器溫度和鉆井效率。然而，通過控制所述金剛石結(jié)構的瀝濾區(qū)域的幾何形狀，可制定提供用于某些切割樣式和負荷的更好的磨損輪廓。例如，可以設計PDC切割元件，使得它的切割攻擊性隨著它由于切割邊緣處的應力引起的磨損而改變。此外，可針對在鉆頭上的不同切割器而設計不同的磨損樣式。
【附圖說明】
[0017]圖1是PDC刮刀鉆頭的透視圖。
[0018]圖2A、2B和2C分別是適合于圖1的刮刀鉆頭的代表性I3DC切割器的透視、側(cè)視和頂視圖。
[0019]圖3A、3B和3C是通過如圖2A-2C中顯示的不同的PDC切割器實例的橫截面，其中親水添加劑已經(jīng)分散或添加在它的金剛石結(jié)構內(nèi)離散的區(qū)域中，并然后瀝濾以從至少這些區(qū)域部分地或完全地除去催化劑，以形成選擇性瀝濾層的實例。
[0020]圖3D是圖2A-2C的PDC切割器的第四種實施方式的橫截面，其中親水物散布在整個roc層中。
[0021]圖3E是圖2A-2C的PDC切割器的第五種實施方式的橫截面。
[0022]圖4A是例如圖2A-2C中顯示的PDC切割器的第五種代表性例子的兩種實施方式的頂視圖，圖4B和4C是沿著圖4A的剖面線4B-4B取的橫截面，其中親水添加劑已經(jīng)分散或添加到它的金剛石結(jié)構內(nèi)離散的區(qū)域中，并然后瀝濾以形成選擇性瀝濾層的第二個例子。
[0023]圖5A是例如圖2A-2C中顯示的PDC切割器的代表性例子的兩種實施方式的頂視圖，圖5B和5C是沿著圖5A的剖面線5B-5B取的橫截面，其中親水添加劑已經(jīng)分散或添加到它的金剛石結(jié)構內(nèi)離散的區(qū)域中，并然后瀝濾以形成選擇性瀝濾層的第六個例子。
[0024]圖6A是例如圖2A-2C中顯示的PDC切割器的代表性例子