專利名稱：鉆地工具的切削元件、包括這種切削元件的鉆地工具以及形成鉆地工具的切削元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式總體上涉及與鉆地鉆頭一起使用的切削元件或者切割件，更具 體地涉及粘結(jié)到基底、且在切削臺和基底之間具有中間結(jié)構(gòu)和粘結(jié)層的切削元件。本發(fā)明還涉及用于制造這種切削元件的方法以及包括這種切削元件的鉆地工具。
背景技術(shù)：
用于在地下地層中形成井眼的鉆地工具一般包括固定到本體的多個切削元件。例如，固定切削元件式鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭(也稱作“刮刀”鉆頭)包括固定連接到鉆頭的鉆頭本體的多個切削元件。類似地，牙輪鉆地鉆頭可以包括安裝在自鉆頭本體的支腿延伸的支承銷上的牙輪，使得每個牙輪能夠圍繞牙輪安裝于其上的所述支承銷轉(zhuǎn)動。多個切削元件可以安裝到鉆頭的每個牙輪。換言之，鉆地工具一般包括鉆頭本體，切削元件連接到鉆頭本體。用在這種鉆地工具中的切削元件通常包括所謂的聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)，其使用聚晶金剛石材料(PCD)作為剪切式切削元件來鉆進地下地層。傳統(tǒng)的PDC切削元件包括PDC切削臺和基底。所述基底通常包括金屬材料(例如金屬基體復(fù)合物，比如碳化鎢硬質(zhì)合金)以能夠增強PDC切削元件與鉆頭本體的連接。所述切削臺一般包括在極高溫高壓(HTHP)條件下粘結(jié)到上面形成有切削臺的基底的任意取向的、相互連接的金剛石(或者有時是立方氮化硼(CBN))顆粒，另一種是非金剛石超硬磨結(jié)構(gòu)。催化劑材料或粘結(jié)劑材料(例如鈷粘結(jié)劑)已經(jīng)廣泛地用于開始金剛石顆粒彼此的連接以及連接到基底，通常是鈷形式的催化劑材料通常結(jié)合在碳化鎢硬質(zhì)合金基底中。在使用HTHP工藝形成切削臺之后，催化劑材料可能留在所獲得的roc中的金剛石顆粒之間的空隙中。當(dāng)在使用期間，切削元件由于切削元件的聚晶金剛石切削臺與地層之間的接觸點處的摩擦而受熱時，切削臺中催化劑材料的存在可能導(dǎo)致切削臺中的熱破壞。其中催化劑材料留在PDC中的PDC切削元件一般熱穩(wěn)定溫度高達大約750攝氏度(750° C)，不過在溫度超過大約350攝氏度(350° C)時切削元件內(nèi)的內(nèi)部壓力開始發(fā)展。該內(nèi)部壓力至少部分地是由于切削臺與連接切削臺的切削元件基底之間的熱膨脹速率的不同造成的。熱膨脹速率上的差別可以在切削臺與基底的界面處導(dǎo)致相對大的壓縮和拉伸應(yīng)力，并且可以造成切削臺從基底分層。在大約750攝氏度(750° C)的溫度及以上時，切削臺本身內(nèi)的應(yīng)力由于切削臺內(nèi)的金剛石材料與催化劑材料的熱膨脹系數(shù)的不同可能顯著增加。例如，鈷比金剛石明顯熱膨脹的快，這可以在切削臺內(nèi)造成破裂并擴散，最終導(dǎo)致切削臺的退化以及切削元件的無效。此外，在大約750攝氏度(750° C)或以上的溫度，PDC內(nèi)的某些金剛石晶?？赡芘c催化劑材料反應(yīng)，使金剛石晶粒經(jīng)歷化學(xué)破壞或逆轉(zhuǎn)換成碳的另一種同素異形體或另一種碳基材料。例如，金剛石晶粒可能在金剛石晶粒邊界處石墨化，這可以顯著弱化切削臺。此外，在非常高的溫度下，除了石墨化之外，某些金剛石晶?？赡苻D(zhuǎn)換成一氧化碳和二氧化碳。為了減少與PDC切削元件中差別的熱膨脹速率和金剛石晶粒的化學(xué)破壞有關(guān)的問題，已經(jīng)開發(fā)了所謂的“熱穩(wěn)定”PDC (其也稱作熱穩(wěn)定產(chǎn)品或“tsp”)。這種熱穩(wěn)定roc可以通過使用例如酸或酸的組合將粘結(jié)劑或催化劑材料(例如鈷)從相互連接的金剛石晶粒之間溶浸出來形成。已經(jīng)報道基本將所有催化劑材料從切削臺溶浸出來的熱穩(wěn)定PDC在高達大約1200攝氏度(1200° C)的溫度是熱穩(wěn)定的。一些傳統(tǒng)的TSP，代替溶浸出催化劑，還在金剛石顆粒之間的空隙中結(jié)合硅材料。
但是，與這種包括由TSP形成的切削臺的PDC切削元件有關(guān)的問題包括主要由于在切削臺的本體內(nèi)缺乏溶解的催化劑材料而導(dǎo)致難以獲得切削臺與支撐基底的良好連接。此外，填充硅的TSP不容易粘結(jié)到基底。另外的困難包括在鉆進操作期間提供切削臺在基底上的足夠支撐。TSP切削元件的基底和切削臺一般使用相比于切削臺和基底的硬度具有相對更低硬度的材料(例如釬焊合金或其他粘結(jié)材料)粘結(jié)。TSP，尤其是在金剛石顆粒之間具有敞開空間的溶浸過的TSP，已經(jīng)證明如果沒有足夠支撐鉆進期間經(jīng)歷的加載是易碎的，這是不希望有的。在鉆進操作期間，PDC切削元件承受相對高的力和應(yīng)力，這是因為當(dāng)固定有它們的鉆頭在鉆壓下轉(zhuǎn)動以形成井孔時PDC切削元件被沿著地下地層刮進。當(dāng)使切削臺沿著地層刮進時，將切削臺粘結(jié)到基底的材料(相比于切削元件的任一個切削元件其具有相對更低的硬度和更低的剛度)可能以非一致的方式壓縮或者變形，在鉆進操作期間，使切削臺承受拉伸應(yīng)力，或者拉伸和壓縮應(yīng)力的結(jié)合(例如彎曲)。切削臺的基本非彈性的roc材料上的這些應(yīng)力可能導(dǎo)致聚晶金剛石結(jié)構(gòu)的破碎或破裂，并由于切削臺或切削臺與基底之間的界面處的接合的故障而導(dǎo)致切削元件故障。

發(fā)明內(nèi)容
在一些實施方式中，本發(fā)明包括與鉆地工具一起使用的切削元件，所述切削元件包括具有切削表面和基部表面的切削臺和具有支撐表面的基底。所述切削元件還包括中間結(jié)構(gòu)，該中間結(jié)構(gòu)包括自基底的支撐表面朝向切削臺的基部表面延伸的多個突出部和在所述切削臺的基部表面與所述基底的支撐表面之間延伸的粘結(jié)層。在另外的實施方式中，本發(fā)明包括與鉆地工具一起使用的切削元件，所述切削元件包括具有切削表面和基部表面的切削臺和具有支撐表面的基底。所述切削元件還包括中間結(jié)構(gòu)，該中間結(jié)構(gòu)布置在基底的支撐表面與切削臺的基部表面之間并且連接到基底的支撐表面和切削臺的基部表面中的至少一個的表面上。粘結(jié)層圍繞中間結(jié)構(gòu)的在切削臺的基部表面與基底的支撐表面之間的部分延伸。在另外的實施方式中，本發(fā)明包括一種鉆地工具，其包括工具本體和由該工具本體攜帶的至少一個切削元件。所述至少一個切削元件包括具有切削表面和基部表面的切削臺以及基底，所述切削表面包括超硬磨料，所述基底具有自基底的支撐表面朝向切削臺的基部表面延伸的多個突出部。所述切削元件還包括粘結(jié)層，所述多個突出部嵌入在所述粘結(jié)層中，所述粘結(jié)層在所述切削臺的基部表面與基底的支撐表面之間延伸。本發(fā)明的另外的實施方式包括一種制作與鉆地工具一起使用的切削元件的方法，該方法包括形成中間結(jié)構(gòu)，所述中間結(jié)構(gòu)包括在基底的支撐表面上、并自該支撐表面延伸的多個突出部，以及使用粘結(jié)劑將包括超硬磨料的切削臺粘結(jié)到基底的支撐表面和所述多個突出部上。


雖然本說明書是利用特別指出并明確主張被視作本發(fā)明的實施方式的內(nèi)容的權(quán)利要求而進行總結(jié)的，但是當(dāng)結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的實施方式的如下描述時可以從中確定本發(fā)明的實施方式的優(yōu)點，其中圖I是包括根據(jù)本發(fā)明的實施方式的一個或多個切削元件的鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭的透視圖；·圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的、用于與諸如圖I中示出的鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭之類的鉆地工具一起使用的切削元件的分解透視圖；圖3是圖2中示出的切削元件的側(cè)視圖；圖4A是圖2中示出的切削元件的局部放大視圖；圖4B是根據(jù)本發(fā)明的另外的實施方式的圖2中示出的切削元件的局部放大視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的另外實施方式的、用于與諸如圖I中示出的鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭之類的鉆地工具一起使用的切削元件的縱向截面視圖；以及圖6是圖5中示出的切削元件的局部放大視圖。
具體實施例方式這里所示出的這些圖示并不旨在是任何特殊材料、裝置、系統(tǒng)或方法的實際視圖，而只是用于描述本發(fā)明的理想化表示。另外，圖之間公共的元件可以保持相同的附圖標(biāo)記。本發(fā)明的實施方式包括用于與諸如鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭之類的鉆地工具一起使用的切削元件。圖I是鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭10的透視圖。該鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭10包括可以固定到鉆頭接頭部分14的鉆頭本體12，所述鉆頭接頭部分14具有螺紋連接部16(例如美國石油協(xié)會(API)螺紋連接部)用于將鉆頭10連接到鉆柱(未示出)上。該鉆頭本體12可以使用延伸部18固定到鉆頭接頭部分14或者可以直接固定到鉆頭接頭部分14。所述鉆頭本體12可以包括內(nèi)部流體通道(未示出)，其在鉆頭本體12的面13與縱向孔(未示出)之間延伸，所述縱向孔穿過鉆頭接頭部分14、延伸部18并且部分穿過鉆頭本體12。還可以在鉆頭本體12的所述面13上將噴嘴插入件24設(shè)置在內(nèi)部流體通道內(nèi)。所述鉆頭本體12還可以包括多個由排屑槽28分開的刮刀26。在一些實施方式中，所述鉆頭本體12可以包括保徑磨損塞32和磨損節(jié)38。根據(jù)本發(fā)明實施例的一個或多個切削元件100可以安裝在鉆頭本體12的所述面13上的切削元件凹口 22中，所述切削元件凹口 22沿著每個刮刀26定位。圖I中示出的鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭10的鉆頭本體12可以包括顆?；w復(fù)合材料，其包括分散在金屬基體材料內(nèi)的硬質(zhì)顆粒。
圖2圖示了用于與諸如圖I中示出的鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭10之類的鉆地工具一起使用的切削元件100的分解透視圖。如圖2中所示，切削元件100 (例如PDC切削元件)可以包括切削臺102和基底104。需要指出的是，雖然圖2的實施方式圖示出了圓柱形或盤形的切削元件100，但是在其他實施方式中，切削元件100可以具有任何所需的形狀，比如圓頂、圓錐、鑿刀形等等。在一些實施方式中，切削臺102可以包括超硬磨料，該超硬磨料由任意取向的在高溫高壓(HTHP)條件下相互粘結(jié)的超硬磨料顆粒(例如聚晶材料，比如金剛石、立方氮化硼(CBN)等等)構(gòu)成。例如，具有聚晶結(jié)構(gòu)的切削臺可以由硬質(zhì)材料顆粒構(gòu)成——比如在催化劑材料(例如鈷粘結(jié)劑或其他粘結(jié)劑材料(例如另一 VIII族金屬，比如鎳或鐵，或者包括這些材料的合金，比如 Ni/Co、Co/Μη、Co/Ni/V、Co/Ni、Fe/Co、Fe/Ni、Fe (Ni. Cr)、Fe/Si2、Ni/Mn和Ni/Cr))存在的情況下使用HTHP工藝相互粘結(jié)的金剛石顆粒(也稱作“粗砂”)。在一些實施方式中，構(gòu)成聚晶結(jié)構(gòu)的金剛石材料可以包括天然金剛石、人造金剛石或者它們的混合物，并且包括具有不同晶粒尺寸的金剛石粗砂(即來自于多層金剛石粗砂，每層具有不同的平均晶粒尺寸，通過使用具有多模態(tài)晶粒尺寸分布的金剛石粗砂，或者二者 均可)。在一些實施方式中，聚晶金剛石材料可以形成在支撐基底上，或者可以形成為獨立的無支撐結(jié)構(gòu)。在一些實施方式中，切削臺102可以包括熱穩(wěn)定PDC或TSP。例如，可以從切削臺102中的聚晶金剛石材料中基本移除用于形成PDC的催化劑材料(例如通過溶浸、電解工藝等等)。從切削臺102移除催化劑材料可以被控制，以從切削臺102中的聚晶金剛石材料中基本一致地移除催化劑材料。切削臺102中的聚晶金剛石材料內(nèi)的催化劑材料可以基本從聚晶材料內(nèi)的空隙(interstitial space)以及從構(gòu)成聚晶材料的粘結(jié)的金剛石顆粒的表面上移除。在移除過程之后，切削臺102中的聚晶材料可以具有基本沒有催化劑材料的部分(例如大的部分)，或者甚至是聚晶金剛石材料整體。所述基底104可以包括支撐表面106和基部107?；?04的基部107可以在制作好切削元件100之后連接(例如硬釬焊)到鉆地工具(例如鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭10 (圖I))?；?04的支撐表面106可以固定到切削臺102。如圖2和3中所示，切削臺102可以包括基部表面108和切削表面109。切削臺102可以定位在基底上使得切削臺102的基部表面108至少部分地固定到基底104的支撐表面106。例如，可以使用粘結(jié)工藝(例如硬釬焊工藝、軟釬焊工藝、熔接工藝、使用其他粘結(jié)材料的任何合適的粘結(jié)工藝，等等)在粘結(jié)層114處將切削臺102的基部表面108固定到基底104的支撐表面106。正如這里使用的，術(shù)語“粘結(jié)劑”和“粘結(jié)”應(yīng)該采用其最寬的含義，以包括比借助其連接的兩個元件的材料具有更小硬度和剛度的任何連接材料的使用，包括冶金學(xué)和非冶金學(xué)連接材料。例如，粘結(jié)層114可以通過使用硬釬焊合金(例如TiCuSil)將切削臺102硬釬焊到基底104來形成。在一些實施方式中，粘結(jié)層114可以通過諸如在屬于Barmatz等人的美國專利號6，054, 693.WIP0PCT公報WO 1999/029465A1和WIPO PCT公報WO 2000/034001A1中披露的微波硬釬焊工藝之類的工藝形成。在一些實施方式中，粘結(jié)層114可以包括由諸如屬于Radtke的美國專利號7，487，849中披露的材料形成的硬釬焊合金。切削元件100可以包括設(shè)置在基底104與切削臺102之間的中間結(jié)構(gòu)。例如，切削元件100的一部分(例如基底104)可以包括自基底104的支撐表面106延伸的多個分散的突出部110。在一些實施方式中，所述中間結(jié)構(gòu)在其相互固定之前可以連接到切削臺102和基底104中的一個或者兩個。如圖2和3中所示，多個突出部110可以自基底104的支撐表面106延伸。所述多個突出部110中的每個可以自基底104的支撐表面106伸出基本相同的高度，或者相對于所述支撐表面106露出基本相同的高度。正如下面更詳細討論的，這些突出部110可以作為基底104的一部分一體地形成，或者可以連接或粘結(jié)到基底104的支撐表面106，或者這兩種方式的組合。自支撐表面106延伸的突出部110可以形成在突出部110周圍和之間延伸的一個或多個相鄰的或不相鄰的空隙112。如圖3和4A中所示，粘結(jié)層114可以布置在所述空隙112內(nèi)并且可以在突出部110周圍和之間延伸。換言之，布置在所述空隙112內(nèi)的粘結(jié)層114在基底104的支撐表面106與切削臺102的基部表面108之間延伸。布置在所述空隙112內(nèi)的粘結(jié)層114可以用于將基底104的支撐表面106固定到切削臺102。仍然參見圖3，自基底104的支撐表面106延伸的突出部110可以形成用于切削臺102的多點分布支撐。例如，突出部110可以從支撐表面106向切削臺102的基部表面108延伸。在一些實施方式中，與突出部110相對的表面(例如切削臺102的基部表面108)可以包括基本平坦的表面。在任何情況下，切削臺102的基部表面108和基底104的 支撐表面106可以構(gòu)造成具有相互協(xié)作的形貌，以便于這些元件的相鄰的重疊部分之間的豎直(軸向)距離基本是一致的，并且由突出部110提供了這些元件之間的基本一致的間隔(standoff)。在一些實施方式中，突出部110可以成形為具有與基底104的支撐表面106的寬度相比時相對小的寬度(即沿著支撐表面106測量的突出部110的距離)(例如20微米(μ m)和2000微米之間的寬度)。類似地，突出部110可以在支撐表面上方呈現(xiàn)具有相同或相似大小的露出量或高度。突出部110的露出量基本一致的是所期望的，以便于對切削臺102的所有部分提供基本一致的支撐。突出部110的這種結(jié)構(gòu)可以形成多點分布支撐，大量的突出部110支撐切削臺102。例如，許多突出部110 (例如數(shù)十個、數(shù)百個、數(shù)千個突出部110等等)可以自基底104的支撐表面106延伸以支撐切削臺102。正如下面討論的，在一些實施方式中，突出部110可以包括選定材料的顆粒或粒子(例如金剛石、碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等等的顆粒)。突出部210可以由選定材料的顆粒形成，其具有顯著小于基底104的支撐表面106的面積的顆粒或粒子尺寸，以對切削臺102提供多點支撐(例如20微米和2000微米之間的顆粒和粒子尺寸或名義直徑)。在一些實施方式中，雖然突出部110可以在支撐表面106具有露出量，但是這些突出部110可以具有不同的自基底104的支撐表面106延伸的高度。例如，基底104的支撐表面106可以具有預(yù)定形狀表面(例如凸起表面、凹入表面、由同心環(huán)形成的表面、它們的組合或者任何其他合適的非平面表面的幾何形狀)。在這樣的實施方式中，在基底104的支撐表面106的相對較高部分處的突出部110的高度可以小于在基底104的支撐表面106的相對較低部分處的突出部110的高度。例如，在凹入表面中，靠近基底104的邊緣的突出部110的高度將小于靠近基底104的中心的突出部110的高度。在一些實施方式中，如圖4A中所示，切削臺102可以固定到基底104，使得切削臺102的基部表面108直接與自基底104的支撐表面106延伸的突出部110接觸。布置于在突出部110周圍和之間延伸的空隙112內(nèi)的粘結(jié)層114可以用于固定基體104的支撐表面106。在其他實施方式中，如圖4B中所示，切削臺102可以固定到基底104，使得粘結(jié)層114在自基底104的支撐表面106延伸的突出部110的遠端周圍(例如上方)延伸。換言之，布置在所述間隙112內(nèi)的粘結(jié)層114在基底104的支撐表面106與切削臺102的基部表面108之間延伸，并且粘結(jié)層114的一部分在形成在基底104上的突出部110的遠端與切削臺102的基部表面108之間延伸。布置于在突出部110的周圍和之間(包括突出部110的遠端)延伸的空隙112內(nèi)的粘結(jié)層114可以用于固定基底104的支撐表面106。這種結(jié)構(gòu)可以用于在鉆進操作期間支撐切削臺102。例如，在鉆進操作期間，切削臺102上的力可能使粘結(jié)層114局部變形；但是對于突出部110存在的情況，突出部110用于限制由于突出部110的遠端與切削臺102之間的粘結(jié)層114的部分的不合理的變形量導(dǎo)致的切削臺102上的應(yīng)力的量。在一些實施方式中，形成在基底104上的突出部110的遠端與切削臺102的基部表面108之間的距離可以顯著小于(例如一個數(shù)量級或者更多)基底104的支撐表面106與切削臺102的基部表面108之間的距離。在一些實施方式中，切削元件100的中間部分(例如突出部110和粘結(jié)層114的尺寸)的尺寸可以設(shè)計成使切削元件100相比于傳統(tǒng)的切削元件具有相對增強的硬度和剛性。·例如，突出部Iio的遠端與切削臺102的基部表面108之間的距離(例如對于一部分粘結(jié)層114而言，在突出部110的遠端與切削臺102的基部表面108之間形成空隙113的距離)可以具有大約10微米到100微米的距離，突出部110的露出的距離可以具有大約25到250微米的距離。這樣的結(jié)構(gòu)可以提供這樣的切削元件100 :其具有粘結(jié)層114，粘結(jié)層114能夠使切削元件110吸收能量并變形而沒有顯著的破裂(即剛性)，同時突出部110將通過限制切削臺102的偏移量(即剛性)來支撐切削臺102?；氐綀D3，基底104和突出部110可以由硬度比粘結(jié)層114 (例如相對軟的硬釬焊合金)的硬度更大的材料形成。例如，基底104可以包括硬質(zhì)合金(例如碳化鎢)基底104，或者適合于用作切削元件基底的任何其他材料。突出部110可以由硬的、抗磨損的材料(包括碳化物、氮化物、氧化物、硼化物的材料等等)或超硬材料(例如維氏硬度大于40GPa的材料)形成。在一些實施方式中，突出部110可以與基底104整體形成并且可以包括與基底104的材料類似的材料(例如碳化鎢)或者不類似的材料(例如碳化硅、立方氮化硼(CBN)、金剛石粗砂等等)。在其他實施方式中，突出部110可以包括與基底104分開形成的材料(例如金剛石粗砂、立方氮化硼(CBN)、碳化硅的顆?；蛄Ｗ樱鹊?，其可以在基底104形成之后粘接或以其他方式粘結(jié)到基底104。例如，可以將材料顆粒燒結(jié)到基底104的支撐表面106上以形成突出部110。在一些實施方式中，切削元件100的部分(例如基底104，或者在一些實施方式中基底104和突出部110)可以使用粉末冶金工藝制作，比如沖壓和燒結(jié)工藝、直接噴粉和激光燒結(jié)。例如，切削元件100的部分可以使用粉末擠壓和燒結(jié)技術(shù)制作，比如在在審美國專利申請序列號11/271，153和在審美國專利申請序列號11/272,439中披露的那些技術(shù)，它們均轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。寬泛地來說，該方法包括將粉末混合物注射到模具內(nèi)的腔體中以形成生坯，然后可以將所述生坯燒結(jié)到所需的最終密度以形成切削元件100的所述部分。這種工藝在本領(lǐng)域中通常稱作金屬注射成形(MIM)或者粉末注射成形(PIM)工藝?？梢允褂美缱⑸涑尚喂に嚮騻鬟f模塑法將粉末混合物機械地注射到模具腔體中。為了形成用在本發(fā)明的方法的實施方式中的粉末混合物，可以將多個硬質(zhì)顆粒與包括金屬基體材料的多個基體顆?；旌?。在一些實施方式中，有機材料也可以包含在粉末混合物中。所述有機材料可以包括用作潤滑劑的材料以在模制過程中輔助顆粒擠壓。粉末混合物的硬質(zhì)顆?？梢园ń饎偸蛘呖梢园ㄌ沾刹牧?，比如碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B4C))。更特別地，所述硬質(zhì)顆?？梢园ㄓ杀热鏦、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si這樣的元素構(gòu)成的碳化物和硼化物。通過示例并且是非限制性的，可以用于形成硬質(zhì)顆粒的材料包括碳化鎢、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、二硼化鈦(TiB2)、碳化鉻、氮化鈦(TiN)、氧化鋁(A1203)、氮化鋁(A1N)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC)。此外，不同硬質(zhì)顆粒的組合可以用于調(diào)整顆?；w復(fù)合材料的物理特性和特點。粉末混合物的基體顆?？梢园ɡ玢@基、鐵基、鎮(zhèn)基、招基、銅基、續(xù)基和欽基合金。基體材料還可以選自商業(yè)上的純的元素，比如鈷、鋁、銅、鎂、鈦、鐵和鎳。通過示例并且 是非限制性的，基體材料可以包括碳鋼、合金鋼、不銹鋼、工具鋼、哈德菲爾德錳鋼、鎳或鈷超合金材料以及低熱膨脹的鐵或鎳基合金，比如INVAR 。正如這里使用的，術(shù)語“超合金(superalloy)”指的是具有至少12%重量的鉻的鐵、鎳和鈷基合金。可以用作基體材料的另外的示例性合金包括熱膨脹系數(shù)與用在特定顆?；w復(fù)合材料中的硬質(zhì)顆粒的熱膨脹系數(shù)緊密相配的奧氏體鋼、鎳基超合金(比如INCONEL 625M或Rene95 )和INVAR 型合金。基體材料與硬質(zhì)顆粒的更緊密相配的熱膨脹系數(shù)提供了諸如減少了與殘余應(yīng)力和熱疲勞相關(guān)的問題之類的優(yōu)點。基體材料的另一個示例是哈德菲爾德奧氏體錳鋼(具有大約12%重量的Mn和I. 1%重量的C的鐵)。在一些實施方式中，可以對切削元件100的與粘結(jié)層114接觸的部分(例如基底104的支撐表面106，在一些實施方式中是形成在基底104的支撐表面106上的突出部110)進行處理，以增強預(yù)先成形的切削臺102與其的后續(xù)粘結(jié)性。切削元件100的這些部分的這種處理在一些實施方式中可以包括移除可以弱化或以其他方式妨礙切削臺102與切削元件100的這些部分的最佳連接的一種或多種污染物或材料。在其他實施方式中，可以增大切削元件100的與粘結(jié)層114接觸的部分(例如基底104的支撐表面106，在一些實施方式中是形成在基底104的支撐表面106上的突出部110)的表面積。例如，可以使用化學(xué)、電和/或機械工藝，通過從切削元件100的這些部分移除材料來增大切削元件100的這些部分的表面積。例如，用于增大切削元件100的這些部分的表面積的技術(shù)包括激光消融、利用研磨材料噴丸以及暴露于化學(xué)蝕刻劑。在一些實施方式中，在突出部110與基底一體形成的情況下，基底104的支撐表面106上的突出部110可以通過化學(xué)、電和/或機械工藝形成，以通過從切削元件100的這些部分移除材料來增大切削元件100的這些部分的表面積(例如正如上面討論的)。例如，可以通過使基底104的支撐表面106紋理化或者進行造窩處理來形成突出部110。通過進一步的示例，用于在基底104的支撐表面106上形成突出部110的技術(shù)包括機械加工(例如研磨、放電加工(EDM)、碾磨等等)、激光消融、利用研磨材料噴丸以及接觸化學(xué)蝕刻劑。圖5是用于與諸如圖I中示出的鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭10之類的鉆地工具一起使用的切削元件200的縱向截面視圖。圖6是切削元件200的局部放大視圖。如圖5和6中所示，切削元件200可以與參照圖2，3，4A和4B所示出并且描述的切削元件100類似(例如可以包括在突出部的遠端與切削臺之間的空隙，如圖4B中所示)并且可以包括切削臺202、基底204、中間結(jié)構(gòu)(例如自基底204的支撐表面206延伸的多個突出部210)和粘結(jié)層214。所述突出部210可以粘結(jié)或以其他方式連接到基底204。在一些實施方式中，基底204的支撐部216可以包含形成在基底204的支撐部216中或上的支撐材料218的顆?；蛄Ｗ?例如金剛石、碳化物、氮化物、氧化物、硼化物顆粒，等等)。例如，所述材料218可以包括孕鑲在基底204中的金剛石粗砂(例如天然或人造金剛石粗砂)、粗結(jié)晶碳化鎢粗砂等等。支撐材料218可以通過基底204的支撐部216延伸到支撐表面206以便于形成突出部210。在一些實施方式中，支撐材料218可以在其穿過基底204的支撐部216延伸時逐漸轉(zhuǎn)化，并且材料218的濃度可以隨著支撐材料218接近基底204的支撐表面206而增加。應(yīng)該注意的是，雖然圖5和6的實施方式示出了穿過基底204的支撐部216延伸的支撐材料218，但是支撐材料218可以以任何合適的方式布置在基底204中。例如，支撐材料218可以僅靠近支撐表面206布置。在其他實施方式中，支撐材料218可以布置在整個基底204中。在一些實施方式中并且如圖5和6中所示，形成突出部210的支撐材料218可以部分地布置(SP嵌入)在基底204中。在其他實施方式中，形成突出部210的支撐材料218可以布置在基底204的支撐表面206上。
盡管上面已經(jīng)參照鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭的切削元件描述了本發(fā)明的方法的實施方式，但是本發(fā)明還可以用于形成與除了固定切削元件式旋轉(zhuǎn)鉆頭之外的鉆地工具及其元件(例如包括固定切削元件式鉆頭的其他元件、牙輪鉆頭、結(jié)合有固定切削元件和滾動切削結(jié)構(gòu)的混合式鉆頭、取心鉆頭、偏心鉆頭、雙心鉆頭、擴眼鉆頭、研磨機和本領(lǐng)域中已知的其他這樣的工具和結(jié)構(gòu))一起使用的切削元件。因此，術(shù)語“鉆地工具”包含前面描述的所有這些工具和結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的實施方式尤其在形成鉆地工具的切削元件中是有用的，其在切削元件的切削臺與基底之間提供了改進的結(jié)構(gòu)支撐。例如，這種切削元件可以提供其中中間結(jié)構(gòu)在彎曲和拉伸應(yīng)力下給切削臺提供額外支撐的切削元件一相比于其他傳統(tǒng)的切削元件，其在鉆進操作期間可以減小切削元件在這種應(yīng)力下發(fā)生故障的可能性。正如上面討論的，傳統(tǒng)切削元件的切削臺與基底之間的粘結(jié)層的結(jié)構(gòu)在鉆進操作期間可以將應(yīng)力引入到切削臺，并且由于相對軟的粘結(jié)層而引入到切削臺與基底之間，使切削臺彎曲和變形。由于切削臺的故障或切削臺與基底之間的界面的故障，這種彎曲和變形可以使切削元件失效。包括TSP切削臺的傳統(tǒng)切削元件尤其可以具有與基底和TSP切削臺的連接相關(guān)的問題。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的切削元件可以提供一種這樣的切削元件其為安裝在基底上的切削元件提供了更大的支撐和剛度一這借助在兩者之間布置的中間結(jié)構(gòu)和粘結(jié)層來實現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)相對不太容易由于切削臺的故障或切削臺與基底之間的界面的故障而導(dǎo)致切削元件出現(xiàn)故障。所述中間結(jié)構(gòu)還可以提供額外的表面區(qū)域，在該表面區(qū)域上施加粘結(jié)層以便于加強切削臺與基底之間的連接。下面描述另外的非限制性示例性實施方式。實施方式I :一種與鉆地工具一起使用的切削元件，包括具有切削表面和基本平坦的基部表面的切削臺；具有支撐表面的基底；中間結(jié)構(gòu)，其包括自基底的支撐表面向切削臺的基部表面延伸的多個突出部；以及在切削臺的基部表面與基底的支撐表面之間延伸
的粘結(jié)層。實施方式2 :根據(jù)實施方式I所述的切削元件，其中所述多個突出部中的每個突出部從基底的支撐表面基本延伸到切削臺的基部表面。實施方式3 :根據(jù)實施方式I或2所述的切削元件，其中所述多個突出部包括粘結(jié)到基底的支撐表面的多個顆粒。實施方式4 :根據(jù)實施方式3所述的切削元件，其中所述多個顆粒包括金剛石粗砂、碳化物顆粒、氮化物顆粒、氧化物顆粒和硼化物顆粒中的至少一種。實施方式5 :根據(jù)實施方式3或4所述的切削元件，其中所述多個顆粒包括多個碳化物顆粒，所述碳化物包括碳化鎢、立方氮化硼和碳化硅中的至少一種。實施方式6 :根據(jù)實施方式1-5中任一所述的切削元件，其中所述基底包括碳化鎢，其中所述多個突出部包括比基底中的碳化鎢相對更硬的材料。 實施方式7 :根據(jù)實施方式1-6中任一所述的切削元件，其中所述多個突出部的每個突出部從基底的支撐表面延伸到切削臺的基部表面。實施方式8 :根據(jù)實施方式1-7中任一所述的切削元件，其中所述多個突出部包括多個顆粒，所述顆粒具有尺寸范圍在20微米和2000微米之間的基本一致的顆粒尺寸。實施方式9 :一種與鉆地工具一起使用的切削元件，包括具有切削表面和基部表面的切削臺；具有支撐表面的基底；中間結(jié)構(gòu)，其布置在基底的支撐表面與切削臺的基部表面之間并且連接到基底的支撐表面和切削臺的基部表面中的至少一個；以及在所述切削臺的基部表面與基底的支撐表面之間延伸的粘結(jié)層，所述中間結(jié)構(gòu)嵌入所述粘結(jié)層。實施方式10 :根據(jù)實施方式9所述的切削元件，其中所述中間結(jié)構(gòu)包括自基底的支撐表面向切削臺的基部表面延伸的多個突出部。實施方式11 :根據(jù)實施方式10所述的切削元件，其中所述多個突出部包括連接到基底的支撐表面的多個顆粒。實施方式12 :根據(jù)實施方式9-11中任一所述的切削元件，其中所述中間結(jié)構(gòu)、基底和切削臺各自均包括至少一種材料，該材料的硬度大于粘結(jié)層的硬度。實施方式13 :—種鉆地工具，包括工具本體；以及由所述工具本體攜帶的至少一個根據(jù)實施方式1-3中任一所述的切削元件。實施方式14 :一種制作與鉆地工具一起使用的切削元件的方法，包括形成中間結(jié)構(gòu)，所述中間結(jié)構(gòu)包括在基底的支撐表面上、并且自基底的支撐表面延伸的多個突出部；以及使用粘結(jié)劑將包括超硬磨料的切削臺粘結(jié)到基底的支撐表面和所述多個突出部上。實施方式15 :根據(jù)實施方式14所述的方法，還包括由硬度大于形成基底的材料的硬度的材料形成所述中間結(jié)構(gòu)。實施方式16 :根據(jù)實施方式14或15所述的方法，其中形成中間結(jié)構(gòu)包括由粉末混合物形成基底和所述多個突出部；以及擠壓并燒結(jié)所述粉末混合物以形成包括所述基底和所述多個突出部的整體燒結(jié)結(jié)構(gòu)。實施方式17 :根據(jù)實施方式14-16中任一所述的方法，還包括通過從切削臺至少部分地溶浸催化劑來形成TSP切削臺。實施方式18 :根據(jù)實施方式14-17中任一所述的方法，其中粘結(jié)切削臺包括使用硬釬焊工藝將切削臺粘結(jié)到所述基底和所述多個突出部。實施方式19 :根據(jù)實施方式14-18中任一所述的方法，其中粘結(jié)切削臺包括將切削臺布置在所述多個突出部上方；以及使硬釬焊材料流入由所述突出部形成的在切削臺與基底之間延伸的多個空隙中。實施方式20 :根據(jù)實施方式14-19中任一所述的方法，形成中間結(jié)構(gòu)包括將金剛石粗砂、立方氮化硼顆粒和碳化硅顆粒中的至少一種定位在基底的支撐表面上。實施方式21 :根據(jù)實施方式20所 述的方法，其中將金剛石粗砂、立方氮化硼顆粒和碳化硅顆粒中的至少一種定位在基底的支撐表面上包括選擇金剛石粗砂、立方氮化硼顆粒和碳化硅顆粒中的至少一種具有在10微米和2000微米之間的基本均勻的平均顆粒尺寸。雖然這里已經(jīng)關(guān)于某些實施方式對本發(fā)明進行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識并意識到其不是如此限定的。而是在不脫離本發(fā)明的正如下文中要求保護的范圍的前提下可以對所描述的實施方式做出許多添加、刪除和修改，包括合法的等價替換方式。此夕卜，一個實施方式的特征可以與另一個實施方式的特征結(jié)合，而仍然包含在正如由本發(fā)明人構(gòu)想的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于鉆地工具的切削元件，包括 具有切削表面和基部表面的切削臺； 具有支撐表面的基底； 中間結(jié)構(gòu)，其包括布置在基底的支撐表面與切削臺的基部表面之間、并且連接到基底的支撐表面和切削臺的基部表面中的至少一個的多個突出部；以及 在切削臺的基部表面與基底的支撐表面之間延伸的粘結(jié)層，所述中間結(jié)構(gòu)至少部分地嵌入在該粘結(jié)層中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的切削元件，其中所述中間結(jié)構(gòu)包括自基底的支撐表面向切削臺的基部表面延伸的多個突出部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的切削元件，其中所述多個突出部中的每個突出部從基底的支撐表面基本延伸到切削臺的基部表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的切削元件，其中所述多個突出部包括粘結(jié)到基底的支撐表面的多個顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的切削元件，其中所述多個顆粒包括金剛石粗砂、碳化物顆粒、氮化物顆粒、氧化物顆粒和硼化物顆粒中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的切削元件，其中所述多個顆粒包括多個碳化物顆粒，所述碳化物包括碳化鎢、立方氮化硼和碳化硅中的至少一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的切削元件，其中所述多個突出部中的每個突出部從基底的支撐表面延伸到切削臺的基部表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的切削元件，其中所述基底包括碳化鎢，其中所述中間結(jié)構(gòu)包括比基底中的碳化鎢相對更硬的材料。
9.一種鉆地工具，包括 工具本體；以及 由所述工具本體攜帶的至少一個根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一所述的切削元件。
10.一種用于鉆地工具的切削元件的制造方法，包括 形成中間結(jié)構(gòu)，所述中間結(jié)構(gòu)包括在基底的支撐表面上的、并且自基底的支撐表面延伸的多個突出部；以及 使用粘結(jié)劑將包括超硬磨料的切削臺粘結(jié)到基底的支撐表面和所述多個突出部上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括由硬度大于形成基底的材料的硬度的材料形成所述中間結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中形成中間結(jié)構(gòu)包括 由粉末混合物形成基底和所述多個突出部；以及 擠壓并燒結(jié)所述粉末混合物以形成包括所述基底和所述多個突出部的整體式燒結(jié)結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括通過從切削臺至少部分地浸出催化劑來形成TSP切削臺。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中粘結(jié)切削臺包括使用釬焊工藝將切削臺粘結(jié)到所述基底和所述多個突出部。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中粘結(jié)切削臺包括將切削臺布置在所述多個突出部上方；以及 使釬焊材料流入由所述突出部形成的、在切削臺與基底之間延伸的多個空隙中。
16.根據(jù)權(quán)利要求10-15中任一所述的方法，形成中間結(jié)構(gòu)包括將金剛石粗砂、立方氮化硼顆粒和碳化硅顆粒中的至少一種定位在基底的支 撐表面上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中將金剛石粗砂、立方氮化硼顆粒和碳化硅顆粒中的至少一種定位在基底的支撐表面上包括對金剛石粗砂、立方氮化硼顆粒和碳化硅顆粒中的所述至少一種進行選擇，以具有在10微米和100微米之間的基本均勻的平均顆粒尺寸。
全文摘要
一種與鉆地工具一起使用的切削元件，包括具有基部表面的切削臺和具有支撐表面的基底。中間結(jié)構(gòu)和粘結(jié)層在切削臺的基部表面與基底的支撐表面之間延伸。鉆地工具包括這種切削元件。用于制作與鉆地工具一起使用的切削元件的方法包括形成在基底的支撐表面上并且自基底的支撐表面延伸的中間結(jié)構(gòu)以及將包括超硬磨料的切削臺粘結(jié)到基底的支撐表面上。
文檔編號E21B10/55GK102959177SQ201180031336
公開日2013年3月6日 申請日期2011年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者N·J·萊昂 申請人:貝克休斯公司