專利名稱：在其至少一個部分中包括納米顆粒的切削元件、包括這樣的切削元件的鉆地工具及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方案整體上涉及包括在基材上形成的超級磨料材料(例如多晶金剛石或立方氮化硼)臺的切削元件，涉及包括這樣的切削元件的鉆地工具，并且涉及形成這樣的切削元件和鉆地工具的方法。
背景技術(shù)：
用于在地下地層中形成井眼的鉆地工具通常包括固定于本體的多個切削元件。例如，固定切削刃鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭(也稱為“刮刀鉆頭”)包括固定地附接于鉆頭的鉆頭體的多個切削元件。類似地，牙輪鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭可包括安裝在軸承銷上從鉆頭體的支柱(leg)延伸的錐體，使得每個錐體能夠圍繞在其上安裝的軸承銷轉(zhuǎn)動?？蓪⒍鄠€切削元件安裝至鉆頭體的每個錐體。這樣的鉆地工具中使用的切削元件往往包括多晶金剛石復合片(經(jīng)常稱為“PDC”)切削元件，其為包括多晶金剛石材料的切削面的切削元件。通過在高溫和高壓條件下在催化劑(如VIIIA族金屬，包括例如鈷、鐵、鎳或其合金和混合物)的存在下將相對小的金剛石晶?；蚓w燒結(jié)和結(jié)合在一起以在切削元件基材上形成多晶金剛石材料的層或“臺”，形成這樣的多晶金剛石切削元件。經(jīng)常將這些工藝稱為高溫/高壓(“HTHP”)工藝。切削元件基材可包含金屬陶瓷材料(即陶瓷-金屬復合材料)如鈷鎢硬質(zhì)合金。在這種情況下，切削元件基材中的鈷(或其它催化劑材料)在燒結(jié)期間可進入金剛石晶體中并且充當用于由金剛石晶體形成金剛石臺的催化劑材料。在其它方法中，可在HTHP工藝中在將晶體燒結(jié)在一起之前將粉末狀的催化劑材料與金剛石晶體混合。在使用HTHP工藝形成金剛石臺時，催化劑材料可留在所得的多晶金剛石臺中金剛石晶體之間的間隙空間。當在使用期間由切削元件與地層之間的接觸點處的摩擦致使切削元件被加熱時，金剛石臺中催化劑材料的存在可導致金剛石臺的熱損害。因此，通過使用例如酸或酸的組合例如王水將催化劑材料(例如鈷)從金剛石臺中的金剛石晶體之間的間隙空間浸出，可形成多晶金剛石切削元件。可從金剛石臺移除基本上所有的催化劑材料，或者可從其一部分如從切削面、從金剛石臺的側(cè)部或兩者至所需的深度移除催化劑材料。PDC刀具形狀通常為柱狀并且在用于嚙合地下層的切削面的外圍處具有切削刃。隨著時間的推移，切削刃變鈍。隨著切削刃鈍化，由于延伸進入金剛石臺側(cè)壁中的所謂磨損平面或磨痕的形成，PDC刀具的切削刃嚙合地層的表面積增加。因為金剛石臺嚙合地層的表面積增加，所以在切削刃的區(qū)域中在地層與金剛石臺之間產(chǎn)生更多的摩擦誘發(fā)的熱量。此外，隨著切削刃鈍化，必須增加向下力或鉆壓(WOB )來維持與尖銳的切削刃相同的鉆進速率(ROP)0因此，因為金剛石晶體與催化劑材料之間熱膨脹系數(shù)的不匹配，所以摩擦誘發(fā)的熱量和向下力可引起PDC刀具的碎裂、散裂、開裂或脫層。此外，在約750°C的溫度下或高于該溫度，催化劑的存在可引起金剛石晶體成為單質(zhì)碳的所謂后石墨化。因此，本領(lǐng)域仍然需要提高刀具持久性以及切削效率的切削元件。


雖然說明書結(jié)束于權(quán)利要求，特別指出并明確要求保護被視為本發(fā)明的實施方案，但當結(jié)合附圖閱讀時，由下面提供的本發(fā)明的一些示例性實施方案的描述可以更容易確定本發(fā)明的優(yōu)點，其中圖1說明了本發(fā)明的切削元件的一個實施方案放大的縱向截面視圖；圖2說明了本發(fā)明的多部分多晶材料的一個實施方案放大的縱向截面視圖；圖3是說明圖2的多部分多晶材料的顯微組織在放大倍數(shù)下如何顯現(xiàn)的簡化圖；圖4-9說明了本發(fā)明的多部分多晶材料放大的縱向截面視圖的其它實施方案；和圖10A-10K是本發(fā)明的多部分多晶材料的實施方案放大的橫向截面視圖。
具體實施例方式本文中提出的說明并非任何特定的材料或裝置的實際視圖，而僅僅是用于描述本發(fā)明的實施方案的一些實施例的理想化描述。此外，附圖之間通用的元件可保留相同的附圖標記。本發(fā)明的實施方案包括用于制造包括多個部分或區(qū)域的相對堅硬的材料的切削元件的方法，其中多個部分或區(qū)域中的一個或多個包括納米顆粒(例如納米尺寸的晶粒)。例如，在一些實施方案中，相對堅硬的材料可包含多晶金剛石材料。在一些實施方案中，所述方法使用催化劑材料來形成一部分的相對堅硬的材料(例如多晶金剛石材料)。如本文中使用的，術(shù)語“鉆頭”意指并且包括在地下巖層中井眼形成或擴孔期間用于鉆井的任何類型的鉆頭或工具，并且包括例如旋轉(zhuǎn)鉆頭、沖擊鉆頭、巖心鉆頭、偏心鉆頭、雙心鉆頭、擴孔鉆頭、銑刀、刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、混合鉆頭和本領(lǐng)域公知的其它鉆頭和工具。如本文中使用的，術(shù)語“多晶復合片”意指并且包括包含由一種工藝形成的多晶材料的任何組織，該工藝涉及對用于形成多晶材料的前體材料或多種材料施加壓力(例如壓實)。如本文中使用的，術(shù)語“粒間結(jié)合”意指并且包括材料的鄰近晶粒中原子之間的任何直接原子結(jié)合(如共價的、金屬的等)。如本文中使用的，術(shù)語“納米顆?！币庵覆⑶野ň哂屑s500nm或更小的平均顆粒直徑的任何顆粒。如本文中使用的，術(shù)語“催化劑材料”意指在HTHP期間能夠大量催化堅硬材料的晶粒之間的粒間結(jié)合形成的任何材料，但是該材料在提高的溫度、壓力和在用于在地下巖層中形成井眼的鉆井操作中可經(jīng)受的其它條件下至少導致粒間結(jié)合和粒料材料的劣化。例如，用于金剛石的催化劑材料包括鈷、鐵、鎳、來自元素周期表VIIIA族的其它元素及其合金。圖1是本發(fā)明的切削元件100的一個實施方案簡化的截面視圖。可將切削元件100附接至鉆地工具如鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭(例如固定切削刃旋轉(zhuǎn)鉆頭)。切削元件100包括在支撐基材104上(或在其上形成或附接至其)的堅硬的多部分多晶材料102的多部分多晶臺或?qū)印Ｔ谄渌膶嵤┓桨钢?，可在沒有支撐基材104的情況下形成本發(fā)明的多部分多晶材料102，和/或可在沒有支撐基材104的情況下使用本發(fā)明的多部分多晶材料102?？稍谥位?04上形成多部分多晶材料102，或者多部分金剛石臺102和支撐基材104可分別形成并且隨后附接在一起。在另一個實施方案中，可在支撐基材104上形成多部分多晶材料102，隨后可將支撐基材和多部分多晶材料102彼此分離并且移除，并且隨后將多部分多晶材料102附接至與基材104類似或不同的另一基材。多部分多晶材料102包括與支撐基材104相對的切削面117。多部分多晶材料102還可任選地在切削面117外圍(例如切削面117的外圍邊緣的沿著至少一部分)具有倒角邊118。如圖1所示的切削元件100的倒角邊118具有單一的斜面表面，盡管倒角邊118還可具有其它的斜面表面，并且這樣的斜面表面可以以與倒角邊118的傾斜角不同的傾斜角取向，如本領(lǐng)域所知。此外，取代倒角邊118，邊緣可為滾圓的或包含一個或多個斜面表面和一個或多個弓形表面的組合。如圖1所示，支撐基材104可具有整體為柱狀的形狀。支撐基材104可具有第一端面110、第二端面112、和在第一端面110和第二端面112之間伸展的通常為柱狀的側(cè)面114。盡管如圖1所示的第一端面110至少基本上為平面的，但是本領(lǐng)域熟知的是，在基材與在其上形成的金剛石臺之間采用非平面的界面幾何形狀，并且本發(fā)明的其它實施方案在支撐基材104與多部分多晶材料102之間的界面處可采用這樣的非平面的界面幾何形狀。此外，盡管切削元件基材通常具有如支撐基材104那樣的柱狀形狀，但是本領(lǐng)域還已知切削基材的其它形狀，并且本發(fā)明的實施方案包括具有除了整體為柱狀形狀以外的形狀的切削元件?？捎上鄬杂膊⑶夷湍サ牟牧闲纬芍位?04。例如，支撐基材104可由陶瓷-金屬復合材料形成并且包括陶瓷-金屬復合材料(經(jīng)常稱為“金屬陶瓷”材料)。支撐基材104可包括燒結(jié)碳化物材料，如燒結(jié)碳化鎢材料，其中在金屬基體材料中將碳化鎢顆粒燒結(jié)在一起。金屬基體材料可包括例如催化劑金屬如鈷、鎳、鐵或其合金和混合物。此外，在一些實施方案中，金屬基體材料可包含能夠催化多部分多晶材料102中堅硬材料的晶粒之間的粒間結(jié)合的催化劑材料。在一些實施方案中，在支撐基材104與多部分多晶材料102之間可將切削元件100進行功能分級(grade)。因而，支撐基材104鄰接多部分多晶材料102的一端可包括在支撐基材104的材料中散布的多部分多晶材料102的至少一些材料。同樣地，多部分多晶材料102的一端可包括在多部分多晶材料102的材料中散布的支撐基材104的至少一些材料。例如，支撐基材104鄰接多部分多晶材料102的一端可包括至少I體積％、至少5體積％、至少10體積％的在支撐基材104的材料中散布的多部分多晶材料102的材料。作為一個延續(xù)的實施例，多部分多晶材料102鄰接支撐基材104的一端可包括至少I體積％、至少5體積％、至少10體積％的在多部分多晶材料102的材料中散布的支撐基材104的材料。作為一個特別的、非限制性的實施例，在鈷基體中包含碳化鎢顆粒的支撐基材104鄰接包含多晶金剛石的多部分多晶材料102的一端可包括在碳化鶴顆粒和鉆基體中散布的25體積％的金剛石顆粒，并且多部分多晶材料102的一端可包括在相互結(jié)合的金剛石顆粒中散布的25體積％的碳化鎢顆粒和鈷基體。因而，將切削元件100的材料功能分級可提供從多部分多晶材料102至支撐基材104的材料的逐漸過渡。通過將鄰接多部分多晶材料102與支撐基材104之間的界面的材料進行功能分級，相對于不包括功能分級的切削元件100可提高多部分多晶材料102與支撐基材104之間的附接強度。圖2是圖1的多部分多晶材料102的一個實施方案放大的截面視圖。多部分多晶材料102可包含至少兩個部分。例如，如圖2所示，如下面將進一步詳細討論的多部分金剛石臺102包括第一部分106、第二部分108和第三部分109。多部分多晶材料102主要由堅硬或超級耐磨的材料組成。換句話說，堅硬或超級耐磨的材料可占多部分多晶材料102的至少約百分之七十(70體積％)。在一些實施方案中，多部分多晶材料102包括結(jié)合在一起(例如直接結(jié)合在一起)以形成多部分多晶材料102的晶?；蚓w。金剛石晶體之間的間隙區(qū)域或空間可為空的或可用如下討論的一種材料或多種其它材料填充?？捎糜谛纬啥嗖糠侄嗑Р牧?02的其它堅硬材料包括多晶立方氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化鈦、碳化鎢、碳化鉭或另外的堅硬材料。多部分多晶材料102中至少一個部分106、108、109包含為納米顆粒的多個晶粒。如前面討論的，納米顆?？砂缃饎偸?、多晶立方氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化鈦、碳化鎢、碳化鉭或另外的堅硬材料中的至少一種。納米顆粒在本發(fā)明的一些實施方案中可不為堅硬的顆粒。例如，納米顆?？砂蓟铩⑻沾?、氧化物、金屬間化合物、粘土、礦物、玻璃、單質(zhì)組分、各種形式的碳如碳納米管、富勒烯、金剛烷、石墨烯、無定形碳等中的一種或多種。此外，在一些實施方案中，納米顆粒可包含碳同素異形體并且具有約一百(100)或更小的平均長徑比。包含納米顆粒的至少一個部分106、108、109可包含約O. 01體積或重量％-約99體積或重量％的納米顆粒。更特別地，第一部分106、第二部分108、和第三部分109中的至少一者可包含約5體積％-約80體積％的納米顆粒。又更特別地，第一部分106、第二部分108、和第三部分109中的至少一者可包含約25體積％-約75體積％的納米顆粒。多部分多晶材料102的每個部分106、108、109可具有不同于多部分多晶材料102的另一部分中的平均晶粒尺寸的平均晶粒尺寸。換句話說，第一部分106包含多個具有第一平均晶粒尺寸的堅硬材料晶粒，第二部分108包含多個具有不同于第一平均晶粒尺寸的第二平均晶粒尺寸的堅硬材料晶粒，并且第三部分109包含多個具有不同于第一平均晶粒尺寸和第二平均晶粒尺寸的第三平均晶粒尺寸的堅硬材料晶粒。包含納米顆粒的一個或多個部分106、108、109任選地可包含不是納米顆粒的其它晶粒或顆粒。換句話說，這樣的部分可包括第一多數(shù)的顆粒，其可稱為主要顆粒，并且納米顆?？砂贾迷谥饕w粒之間的間隙空間中的次要顆粒。主要顆?？砂哂写笥诩s500納米的平均晶粒尺寸的晶粒。在一些實施方案中，第一部分106、第二部分108和第三部分109中的每者可包含一定體積的多晶材料，所述多晶材料包括如2009年10月15日提交并且名稱為“Polycrystalline CompactsIncluding Nanoparticulatelnclusionsj Cutting Elements And Earth-Boring ToolsIncludingSuch Compacts, And Methods Of Forming Such Compacts” 的臨時美國專利申請序號No. 61/252，049中所描述的晶?；蝾w粒的混合物，但是其中第一部分106、第二部分108和第三部分109中至少兩者在與晶粒尺寸和/或分布相關(guān)的一個或多個特性方面不同。在一個實施方案中，如圖2所示，沿著表面110鄰近支撐基材104 (圖1)可形成第一部分106,在第一部分106上方在其與基材相對的一側(cè)上可形成第二部分108,并且在第二部分108上在其與第一部分106相對的一側(cè)上可形成第三部分109。換句話說，可將第二部分108布置在第一部分106與第三部分109之間。包括多部分金剛石臺102的切削面117的第三部分109可包含堅硬材料的納米顆粒。在一個非限制性的實施方案中，第一部分106可不具有任何納米顆粒，第二部分108可包含5-10體積％的具有200nm平均簇尺寸的納米顆粒，第三部分109可包含5-10體積％的具有75nm平均簇尺寸的納米顆粒。在另一非限制性的實施方案中，第一部分106可包含5-10體積％的具有400nm平均簇尺寸的納米顆粒,第二部分108可包含5-10體積％的具有200nm平均簇尺寸的納米顆粒,第三部分109可包含5-10體積％的具有75nm平均簇尺寸的納米顆粒。在一些實施方案中，多部分多晶材料102可包括鄰近其它缺少納米顆粒的部分的包含納米顆粒的部分。例如，多部分多晶材料102的交替層可選擇性地包括納米顆粒和將納米材料從其材料排除。作為一個特別的、非限制性的實施例，包括多部分多晶材料102的切削面117的第三部分109和鄰近支撐基材104的第一部分106 (參見圖1)可包括至少一些納米顆粒，同時介于第一部分106與第三部分109之間的第二部分108可缺少納米顆粒。在包含納米顆粒的一個部分位于鄰近具有相對較少數(shù)量的納米顆?；蚧旧喜缓{米顆粒的另一部分的實施方案中，在彼此之間可將所述部分進行功能分級。例如，包含納米顆粒的一個部分(例如第三部分109)鄰接具有相對較少數(shù)量的納米顆?；蛑辽倩旧喜缓{米顆粒的另一部分(例如第二部分108)的區(qū)域可包含在包括納米顆粒的部分(例如第三部分109)和具有相對較少數(shù)量的納米顆?；蚧旧喜缓{米顆粒的另一部分中納米顆粒的總體積中居間(即之間)的體積的納米顆粒。作為替代或者補充，具有相對較少數(shù)量的納米顆?；蚧旧喜缓{米顆粒的一個部分(例如第二部分108)鄰接包含納米顆粒的一個部分(例如第三部分109)的區(qū)域可包含在具有相對較少數(shù)量的納米顆粒或基本上不含納米顆粒的一個部分(例如第二部分108)和包括納米顆粒的部分(例如第三部分109)中納米顆粒的總體積中居間(即之間)的體積的納米顆粒。因此，包括納米顆粒的一個部分(例如第三部分109)鄰接通常缺少納米顆粒的另一部分(例如第二部分108)的一端可包括與該部分中納米顆粒的總體積百分比相比減少的體積百分比的納米顆粒。同樣地，通常缺少納米顆粒的一個部分(例如第二部分108)鄰接包括納米顆粒的另一部分(例如第三部分109)的一端可包括至少一些納米顆粒。例如，包括納米顆粒的第三部分109鄰接通常缺少納米顆粒的第二部分108的一端可包括比第三部分109中納米顆粒的總體積百分比少I體積％、5體積％、甚至10體積％的體積百分比的納米顆粒。作為一個延續(xù)的實施例，通常缺少納米顆粒的第二部分108鄰接包括納米顆粒的第三部分109的一端可包括至少I體積％、至少5體積％、或至少10體積％的納米顆粒，同時第二部分108的其余部分可缺少納米顆粒。作為一個特別的、非限制性的實施例，包括納米顆粒的第三部分109鄰接通常缺少納米顆粒的第二部分108的一端可包括比第三部分109中納米顆粒的總體積百分比少3體積％的體積百分比的納米顆粒，并且第二部分108鄰接第三部分109的一端可包括3體積％的納米顆粒，同時第二部分108的其余部分可缺少納米顆粒。
在一些實施方案中，通過提供逐漸改變各部分之間(例如第二部分108與第三部分109之間)的納米顆粒數(shù)量的層，可在包括納米顆粒的一個部分(例如第三部分109)與具有相對較少數(shù)量的納米顆粒或基本上不含納米顆粒的另一個部分(例如第二部分108)之間將多部分多晶材料102進行功能分級。例如，包括納米顆粒的一個部分(例如第三部分109)鄰接著該部分(例如第三部分109)與具有相對較少數(shù)量的納米顆?；蛲ǔＨ鄙偌{米顆粒的另一個部分(例如第二部分108)之間的界面的層中的納米顆粒數(shù)量隨著遠離界面的距離減小而逐漸減小。更特別地，例如具有遞增的較小體積百分比的納米顆粒的一系列層可提供為包含納米顆粒的一個部分(例如第三部分109)鄰接具有相對較少數(shù)量的納米顆粒或基本上不含納米顆粒的一個部分(例如第二部分108)的區(qū)域。作為一個延續(xù)的實施例，具有相對較少數(shù)量的納米顆?；蛲ǔＨ鄙偌{米顆粒的一個部分(例如第二部分108)鄰接該部分(例如第二部分108)與具有相對較大數(shù)量的納米顆粒的另一個部分(例如第三部分109)之間的界面的層中的納米顆粒數(shù)量可隨著遠離界面的距離減小而逐漸增大。更特別地，例如具有遞增的較大體積百分比的納米顆粒的一系列層可提供為具有相對較少數(shù)量的納米顆?；蚧旧喜缓{米顆粒的一個部分(例如第二部分108)鄰接著具有相對較大數(shù)量的納米顆粒的部分(例如第三部分109)的區(qū)域。在一些實施方案中，鄰近部分(例如第二部分108和第三部分109)中納米顆粒的數(shù)量之間的過渡可為逐步的，使得在各部分之間沒有獨特的邊界為可觀察到的，在納米顆粒的體積百分比中存在至少基本上連續(xù)的梯度。此外，在一些實施方案中梯度可在一些或全部的多部分多晶材料102中延續(xù)，使得可觀察到納米顆粒的數(shù)量至少基本上連續(xù)的或逐漸變化，在多部分多晶材料102的不同部分之間不存在獨特的邊界。因此，將納米顆粒的數(shù)量功能分級可在多部分多晶材料102的各個部分之間提供逐漸的過渡。通過將鄰接多部分多晶材料102的各個部分之間的界面的材料進行功能分級，相對于不包括功能分級的多部分多晶材料102，可提高各個部分之間的附接強度。圖3是多部分多晶材料102的一個實施方案的顯微組織放大的簡化視圖。雖然圖3說明了具有不同平均晶粒尺寸的多個晶粒302、304、306，但是繪圖沒有按比例繪制并且出于說明的目的而被簡化。如圖3所示，第三部分109包含第三多個晶粒302，其具有比第二部分108中第二多個晶粒304的平均晶粒尺寸和第一部分106中第一多個晶粒306的平均晶粒尺寸都小的平均晶粒尺寸。第三多個晶粒302可包含納米顆粒。第二部分108中第二多個晶粒304可具有大于第三部分109中第三多個晶粒306的平均晶粒尺寸的平均晶粒尺寸。類似地，第一部分106中第一多個晶粒306可具有大于第二部分108中第二多個晶粒304的平均晶粒尺寸的平均晶粒尺寸。在一些實施方案中，第二部分108中第二多個晶粒304的平均晶粒尺寸可以是第三部分109中第三多個晶粒302的平均晶粒尺寸的約五十(50)至約一千(1000)倍。第一部分106中第一多個晶粒306的平均晶粒尺寸可以是第二部分108中第二多個晶粒304的平均晶粒尺寸的約五十(50)至約一千(1000)倍。作為一個非限制性實施例，第二部分108中第二多個晶粒304可具有是第三部分109中第三多個晶粒302的平均晶粒尺寸的約一百(100)倍的平均晶粒尺寸，并且第一部分106中第一多個晶粒306可具有是第二部分108中第二多個晶粒304的平均晶粒尺寸的約一百(100)倍的平均晶粒尺寸。第一部分106、第二部分108、第三部分109中的晶粒簇302、304、306可相互結(jié)合以形成多部分多晶材料102。換句話說，在多部分多晶材料102包含多晶金剛石的實施方案中，來自第一部分106、第二部分108、第三部分109的所述多個晶粒302、304、306可通過晶粒間的金剛石至金剛石結(jié)合直接彼此結(jié)合。在一些實施方案中，多部分多晶材料102的部分106、108、109中的每個中的多個晶粒302、304、306可具有多模式(例如雙模式、三模式等)的晶粒尺寸分布。例如，在一些實施方案中，多晶材料102的第二部分108和第一部分106也可包含納米顆粒，但是體積比第三部分109少，使得第二部分108中多個晶粒304的平均晶粒尺寸比第三部分109中多個晶粒302的平均晶粒尺寸大，并且第一部分106中所述多個晶粒306的平均晶粒尺寸比第二部分108中所述多個晶粒304的平均晶粒尺寸大。例如，在一個實施方案中，第三部分109可包含至少約25體積％的納米顆粒，第二部分108可包含至少約5體積％的納米顆粒，并且第一部分106可包含至少約I體積％的納米顆粒。如本領(lǐng)域公知的，可通過在放大倍數(shù)下測量顯微組織的晶粒確定顯微組織中晶粒的平均晶粒尺寸。例如，掃描電子顯微鏡(SEM)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)或透射電子顯微鏡(TEM)可用于觀察或描繪多部分多晶材料102的表面(例如多部分多晶102的拋光和蝕刻的表面)或如本領(lǐng)域公知在TEM情況下的表面合適準備的部分?？缮藤彽挠^察系統(tǒng)或圖像分析軟件可經(jīng)常與這樣的顯微方法工具一起使用，并且這些觀察系統(tǒng)能夠測量顯微組織中晶粒的平均晶粒尺寸。在一些實施方案中，可將多部分多晶材料102 (例如圖1的金剛石臺102)的一個或多個區(qū)域，或多部分多晶材料102的整個體積進行加工以從多晶材料102中堅硬材料的相互結(jié)合的晶粒之間移除金屬材料(例如用于催化多晶材料102中堅硬材料的晶粒之間直接的粒間結(jié)合的形成的金屬催化劑)。作為一個特別的非限制性實施例，在多部分多晶材料102包含多晶金剛石材料的實施方案中，可從多晶金剛石材料中金剛石的互結(jié)合的晶粒之間移除金屬催化劑材料，使得多晶金剛石材料為相對更熱穩(wěn)定的?？蓪⒉牧?08布置在每個部分106、108、109的所述多個晶粒302、304、306之間的間隙區(qū)域或空間中。在一些實施方案中，材料308可包含在多部分多晶材料102形成期間催化堅硬材料的晶粒302、304、306之間直接的粒間結(jié)合形成的催化劑材料。在其它的實施方案中，可將多部分多晶材料102進行加工以從所述晶粒302、304、306之間的間隙區(qū)域或空間移除材料308，在其間留下空穴，如上提及的。任選地，在這樣的實施方案中，隨后可用另一種材料(例如金屬)填充這樣的空穴。在其中材料308包含催化劑材料的實施方案中，材料308還可包括非催化劑材料的粒料(例如納米顆粒)夾雜物，其可用于減少多晶材料102中催化劑材料的量。再次參考圖2，可形成第一部分106以具有基本上平行于倒角邊118的區(qū)域邊界118’ ’。可在第一部分106上方沿著第一部分106的頂表面202和側(cè)部204形成第二部分108。還可形成第二部分108以包括基本上平行于倒角邊的區(qū)域邊界118’?？稍诘诙糠?08上方沿著第二部分108的頂表面206并且圍繞側(cè)部208形成第三部分109。第三部分109形成多部分多晶材料102的切削面117和倒角邊118。在另一個實施方案中，如圖4所示，可形成第一部分106和第二部分108，而沒有圖2的區(qū)域邊界118’ ’、118’。第一部分106的頂表面202和第一部分106的側(cè)部204可彼此垂直相交。類似地，在第一部分106上方形成的第二部分108的頂表面206和側(cè)部208可彼此垂直相交?？稍诘诙糠?08上方形成第三部分109并且其包括多部分多晶材料102的倒角邊118和前切削面117。在另一個實施方案中，如圖5所示，第一部分106和第二部分108中的每者可基本上為平面的，并且第二部分108可不如在圖2和圖4的實施方案中那樣沿著第一部分106的側(cè)邊向下延伸。如圖5所示，可在第一部分106的頂表面202上方形成第二部分108并且可在第二部分108的頂表面206上方形成第三部分109。第一部分106的側(cè)部204和第二部分108的側(cè)部208可暴露于多晶材料102的外部。第三部分109包括前切削面117和倒角邊118。圖6說明了多部分多晶材料102的另一個實施方案。如圖6說明的,可在第一部分106的頂表面202上方形成第二部分108并且可在第二部分108的頂表面206上方形成第三部分109。第一部分106的側(cè)部204和第二部分108的側(cè)部208可暴露于多晶材料102的外部。第三部分109包括前切削面117和倒角邊118。第一部分106的頂表面202和第二部分108的頂表面206不為平面的，并且第一部分106、第二部分108和第三部分109之間的界面相應地為非平面的。如圖6所示，第一部分106的頂表面202和第二部分108的頂表面206為凸彎曲的。在其它的實施方案中，第一部分106的頂表面202和第二部分108的頂表面206可為凹彎曲的。在另一個實施方案中，第一部分106的頂表面202和第二部分108的頂表面206可包括其它非平面的形狀。在另一個實施方案中，如圖7所示，可在第一部分106的側(cè)部204上形成第二部分108并且可在第二部分108的側(cè)部208上形成第三部分109。第一部分106的頂表面202和第二部分108的頂表面206可暴露于多晶材料102的外部并且形成切削面117的各個部分。在這樣的實施方案中，第二部分108和第一部分106可包含同心環(huán)區(qū)域。在一個其它的實施方案中，第一部分106的側(cè)部204可如由虛線204’所示的成角度。換句話說，第一部分106的側(cè)表面可具有截頭圓錐體的形狀。類似地，第二部分108的側(cè)部208可如由虛線208’所示的那樣成角度。換句話說，第二部分108的側(cè)表面也可具有截頭圓錐體的形狀?？稍诘谝徊糠?06的側(cè)部204’上形成第二部分108并且可在第二部分108的側(cè)部208’上形成第三部分109。第一部分106的頂表面202和第二部分108的頂表面206可暴露于多晶材料102的外部，并且可形成前切削面117的至少一部分。在其它的實施方案中，如圖8所示，第一部分106、第二部分108和第三部分109在其間可具有整體為隨機形狀的邊界。在這樣的實施方案中，如圖8所示，第一部分106的頂表面202和第二部分108的頂表面206可為不平的。在又一些實施方案中，如圖9所不,第一部分106、第二部分108和第三部分109在多部分多晶材料102中可以相互混合。換句話說，如圖9所示，第二部分108和第三部分109中的每者在第一部分106中可占據(jù)一些有限的、三維的、散布體積的空間。圖10A-10K是圖1的多部分金剛石臺102的其它實施方案沿著圖1中剖面線10_10說明的平面截取的放大橫向截面視圖。如圖1OA所示，多部分金剛石臺102包括至少兩個部分，如第一部分402和第二部分404。至少兩個部分402和404中至少一個部分包含為納米顆粒的多個晶粒。換句話說，兩個部分402和404的至少一者中的多個晶粒(但是不必為所有的晶粒)的平均晶粒尺寸可為約500納米或更小。包含納米顆粒的至少一個部分402、404可包含約O. 01體積％-約99體積％的納米顆粒。第一部分402包含與第二部分404不同濃度的納米顆粒。在一些實施方案中，第一部分402可包含比第二部分404更高濃度的納米顆粒?；蛘?，在其它的實施方案中，第一部分402可包含比第二部分404更低濃度的納米顆粒。在一些實施方案中，具有較低濃度的納米顆粒的部分402、404可不包含任何納米顆粒。至少兩個部分402、404中的每個部分可獨立地包含單模式、混合模式或隨機的晶粒尺寸分布。第一部分402可在多部分多晶材料102內(nèi)占據(jù)一定體積的空間，該體積具有多個形狀中的任何一種。在一些實施方案中，第一部分402可在第二部分404內(nèi)占據(jù)多個離散體積的空間，并且在第二部分404內(nèi)多個離散體積的空間可選擇性地在預定的位置和方向(例如以有序的排列)布置和取向，或者它們可在第二部分404內(nèi)隨機地布置和取向。例如，第一部分402可具有球形、橢圓形、桿形、小板形、環(huán)形、圓環(huán)形(toroid)、星形、等邊η邊形(n-sided)或不規(guī)則的多邊形、雪花型形狀、十字形、螺旋形等中的一個或多個的形狀。如圖1OA所示，第一部分402可包括分散在第二部分404中的多個不同尺寸的球。如圖1OB所示，第一部分402可包括分散在第二部分404中的多個桿。如圖1OC所示，第一部分可包含分散在第二部分404中的多個不同尺寸的桿。如圖1OD所不,第一部分402可包含分散在第二部分404中的多個類似形狀的球。如圖1OE所示，第一部分402可包含從多部分多晶材料102中心徑向向外延伸并且分散在第二部分402中的多個桿。如圖1OF所示，在第一部分402與第二部分404之間可能不存在明確、離散的邊界，而是第一部分402可沿著由箭頭407所指示的方向逐漸地轉(zhuǎn)變成第二部分404。換句話說，在第一部分402與第二部分404之間可存在納米顆粒和其它晶粒濃度的逐步梯度。如圖1OG所示，第一部分402可包含多部分多晶材料102的中心區(qū)域，并且第二部分404可包含多部分多晶材料102的外部區(qū)域。如圖1OH所示，第一部分 402可包含由第二部分404圍繞的星形體積的空間。如圖101所示，第一部分402可包含由第二部分404圍繞的十字形體積的空間。如圖1OJ所示，第一部分402可包含環(huán)狀或環(huán)形狀體積的空間，其在環(huán)的內(nèi)部具有第二部分404。在環(huán)的外部部分可形成第三部分406。第三部分406可具有與第二部分404相同或不同濃度的納米顆粒。如圖1OK所示，第一部分402可包含分散在第二部分404中的多個平行的桿形體積的空間。在其中第一部分402包括多于一個區(qū)域的實施方案中，如圖1OA所示的多個球，第一部分402的每個區(qū)域之間的間隔可為均勻或隨機的并且第一部分402在第二部分404中可為均質(zhì)或非均質(zhì)的。在一些實施方案中，多部分多晶材料102可在如圖2-9所示的多部分多晶材料102的至少一個分層的部分106、108、109中包括納米顆粒，并且在如圖10A-10K所示的多部分多晶材料102的至少一個離散部分402中包含納米顆粒。在多部分多晶材料102的至少一個部分106、108、109、402、404中包括納米顆?？稍黾佣嗖糠侄嗑Р牧?02的熱穩(wěn)定性和持久性。例如，至少一個部分106、108、109、402、404中的納米顆粒在例如在鉆地工具的切削元件上使用多晶材料102切削形成地層材料的使用期間可抑制源自于形成多部分多晶材料102的大裂紋或碎片?？墒褂酶邷?高壓(或“HTHP”)工藝形成復合片100的多部分多晶材料102。這樣的工藝和用于進行這樣的工藝的系統(tǒng)通常是本領(lǐng)域公知的。在本發(fā)明的一些實施方案中，可將用于形成多部分多晶材料102的至少一個部分106、108、109、402、404的納米顆粒進行涂覆、金屬化、功能化、衍生化以包括官能團。將納米顆粒衍生化可阻礙或防止在多部分多晶材料102的形成期間納米顆粒的聚集。在2010年4月14日提交并且名稱為“Method ofPreparing Polycrystalline Diamond FromDerivatized Nanodiamond，，的美國臨時專利申請No. 61/324，142中描述了這樣的形成衍生化的納米顆粒的方法。在一些實施方案中，可在常規(guī)的HTHP工藝中在燒結(jié)碳化鎢或另一合適的基材材料的支撐基材104 (如圖1所示)上形成多部分多晶材料102，所述常規(guī)的HTHP工藝的類型描述于例如非限制性實施例Wentorf等人的美國專利No. 3，745，623 (1973年7月17日授予)中，或者可在類似的常規(guī)的HTHP工藝中以獨立的多晶復合片(即沒有支撐基材104)形成多部分多晶材料102，所述類似的常規(guī)的HTHP工藝的類型描述于例如非限制性實施例Bunting等人的美國專利No. 5，127,923 (1992年7月7日授予)中。在一些實施方案中，在用于形成多部分多晶材料102的HTHP工藝期間可由支撐基材104供應催化劑材料。例如，基材104可包含鈷鎢硬質(zhì)合金。鈷鎢硬質(zhì)合金中的鈷在HTHP工藝期間可充當催化劑材料。為了在HTHP工藝中形成多部分多晶材料102，可使包含堅硬材料的晶粒(包括堅硬材料的納米顆粒)的粒料混合物經(jīng)受提高的溫度(例如大于約1，ooo°c的溫度)和提高的壓力(例如大于約5. O吉帕斯卡(GPa)的壓力)以在晶粒之間形成粒間結(jié)合，從而形成多部分多晶材料102。在HTHP工藝之前，可在支撐基材104上在每個部分106、108、109、402、404的所需位置處提供包含對于每個部分106、108、109、402、404所需的晶粒尺寸的粒料混合物。粒料混合物可包含如本文前面描述的納米顆粒。粒料混合物還可包含催化劑材料的顆粒。在一些實施方案中，粒料材料可包含使用濕法或干法工藝制備的粉末狀物質(zhì)，例如本領(lǐng)域已知的那些。然而，在其它的實施方案中，如例如1982年10月12日授予的Kita等人的美國專利No. 4，353，958中描述的，可將粒料材料加工成帶或膜，或如在Hendrik名下的2004年8月19日公開的美國專利申請公開No. 2004/0162014A1中描述的，其中可將帶或膜成型、載入模具中并且經(jīng)受HTHP工藝。常規(guī)地，因為納米顆?？蔀榫o密壓實的，所以在大量的納米顆粒中催化劑材料可能不能充分地達到所有納米顆粒之間的間隙空間。因此，HTHP燒結(jié)工藝可能不能充分地形成多部分多晶材料102。然而，因為本發(fā)明的實施方案包括包含不同體積的納米顆粒的部分106、108、109、402、404，所以催化劑材料在粒料混合物中可達到進一步的深度，從而充分地形成多部分多晶材料102。一旦形成，則可任選地將多部分多晶材料102的特定區(qū)域或多部分多晶材料102的整個體積進行加工(例如蝕刻)以從多晶材料102的互結(jié)合的晶粒之間移除材料(例如用于催化堅硬材料的晶粒之間的粒間結(jié)合形成的金屬催化劑)，使得多晶材料為相對更熱穩(wěn)定的。雖然在本文中針對某些實施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識并且理解其不受此限制。更確切地，可對本文中描述的實施方法做出很多添加、刪除和修改，而不偏離如此后所請求的本發(fā)明的范圍。此外，源自一個實施方案的特征可與另一個實施方案的特征結(jié)合，同時仍然包含于如發(fā)明人預期的本發(fā)明的范圍內(nèi)。結(jié)論在一些實施方案中，切削元件包含多部分多晶材料。多部分多晶材料的至少一個部分包含比多部分多晶材料的至少另一個部分更高體積的納米顆粒。在其它的實施方案中，鉆地工具包含本體和附接至本體的至少一個切削元件。所述至少一個切削元件包含堅硬的多晶材料。堅硬的多晶材料包含含有第一體積的納米顆粒的第一部分。堅硬的多晶顆粒的第二部分包含第二體積的納米顆粒。第一體積的納米顆粒不同于第二體積的納米顆粒。
權(quán)利要求
1.用于鉆進地下巖層的切削結(jié)構(gòu)，其包含包括多部分多晶材料的切削元件，多部分多晶材料的至少一部分包含比多部分多晶材料的至少另一個部分更高體積的納米顆粒。
2.權(quán)利要求1的切削結(jié)構(gòu)，其中納米顆粒包含碳同素異形體并且具有約一百或更小的平均長徑比。
3.權(quán)利要求2的切削結(jié)構(gòu)，其中納米顆粒包含金剛石納米顆粒、富勒烯、碳納米管和石墨烯納米顆粒中的至少一種。
4.權(quán)利要求1、權(quán)利要求2或權(quán)利要求3的切削結(jié)構(gòu)，其中將多部分多晶材料進行功能分級，所述至少一部分和至少另一部分中的至少一者的區(qū)域鄰接所述至少一部分中的其它部分的區(qū)域，并且所述至少另一部分包含在所述至少一部分和所述至少另一部分中的納米顆粒總體積中居間的體積的納米顆粒。
5.權(quán)利要求4的切削結(jié)構(gòu)，其中所述至少一部分和至少另一部分之間獨特邊界是不可觀察到的。
6.權(quán)利要求4的切削結(jié)構(gòu)，其中所述區(qū)域包含所述至少一部分和至少另一部分中的至少一者的端部，并且包括至多10體積％的納米顆粒。
7.權(quán)利要求6的切削結(jié)構(gòu)，其中所述區(qū)域包括至多5體積％的納米顆粒。
8.權(quán)利要求1的切削結(jié)構(gòu)，其中多部分多晶材料的至少一部分包含第一平均晶粒尺寸，并且多部分多晶材料的至少另一部分包含第二、不同的平均晶粒尺寸。
9.權(quán)利要求8的切削結(jié)構(gòu)，其中第二、不同的平均晶粒尺寸大于第一平均晶粒尺寸。
10.權(quán)利要求9的切削結(jié)構(gòu)，其中第二、不同的平均晶粒尺寸是第一平均晶粒尺寸的約一百(100)倍。
11.權(quán)利要求9的切削結(jié)構(gòu)，其中第一平均晶粒尺寸大于五百納米(500nm)。
12.權(quán)利要求9、權(quán)利要求8或權(quán)利要求9的切削結(jié)構(gòu)，其中多部分多晶材料還包含具有第三平均晶粒尺寸的第三部分，所述第三平均晶粒尺寸大于第二平均晶粒尺寸。
13.權(quán)利要求8的切削結(jié)構(gòu)，其中第一平均晶粒尺寸小于約五百納米(500nm)。
14.權(quán)利要求1的切削結(jié)構(gòu)，其中多部分多晶材料的至少一部分包含切削元件的切削面。
15.權(quán)利要求14的切削結(jié)構(gòu)，其中至少另一部分在所述至少一部分的上表面延伸。
16.權(quán)利要求15的切削結(jié)構(gòu)，其中至少另一部分還圍繞所述至少一部分的側(cè)部延伸。
17.權(quán)利要求1-15中任一項的切削結(jié)構(gòu)，其中至少一部分與至少另一部分之間的界面為非平面的。
18.權(quán)利要求1-15中任一項的切削結(jié)構(gòu)，其中多部分多晶材料的至少一部分包含約O. 01體積％-約99體積％的納米顆粒。
19.權(quán)利要求1-15中任一項的切削結(jié)構(gòu)，其中多部分多晶材料的至少另一部分至少基本上不含納米顆粒。
20.權(quán)利要求1的切削結(jié)構(gòu)，其中切削結(jié)構(gòu)包含鉆地工具，其包括 本體；和 至少一個根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項的切削元件，其附接至本體。
全文摘要
切削元件包含多部分多晶材料。多部分多晶材料的至少一個部分包含比至少另一個部分更高體積的納米顆粒。鉆地工具包含本體和附接至本體的至少一個切削元件。所述至少一個切削元件包含堅硬的多晶材料。堅硬的多晶材料包含含有第一體積的納米顆粒的第一部分。堅硬的多晶材料的第二部分包含第二體積的納米顆粒。第一體積的納米顆粒不同于第二體積的納米顆粒。形成用于鉆地工具的切削元件的方法包括形成一定體積的超級耐磨材料，包括形成包含第一體積的納米顆粒的第一部分的超級耐磨材料。形成包含第二體積納米顆粒的第二部分的超級耐磨材料，所述第二體積不同于第一體積。
文檔編號E21B10/567GK103069098SQ201180039273
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者A·A·蒂吉奧瓦尼, D·E·斯科特, S·查客拉伯蒂, G·阿格拉瓦爾 申請人:貝克休斯公司