CN102933784B - 聚晶金刚石复合片、包括这种复合片的切削元件和钻地工具以及形成这种复合片和钻地工具的方法 - Google Patents
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Abstract
形成用在钻地工具中的聚晶金刚石复合片切削元件的方法，包括：形成聚晶金刚石材料本体，该本体包括设置在本体中相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中的第一材料；移除一部分本体中的所述间隙中的所述第一材料；选择第二材料，在相同的升高的温度的条件下，所述第二材料比第一材料导致更高的聚晶金刚石复合片退化速率；以及将第二材料设置在所述一部分本体中的间隙中。钻进方法包括使至少一个切削元件与地层接合；使包括第二材料的聚晶金刚石材料的第二区域磨损的比包括第一材料的聚晶金刚石材料的第一区域快。还披露了聚晶金刚石复合片和包括这种复合片的钻地工具。
Description
优先权
本申请要求于2010年4月28日提交的名称为“PolycrstallineDiamondCompacts,CuttingElementsandEarth-BoringToolsIncludingSuchCompacts,andMethodsofFormingSuchCompacts.”的美国临时专利申请序列号61/328,766的优先权。
技术领域
本发明的实施方式总体上涉及聚晶金刚石复合片、使用这种复合片的切削元件和钻地工具以及形成这种复合片、切削元件和钻地工具的方法。
背景技术
用于在地下地层中形成井眼的钻地工具一般包括固定到本体的多个切削元件。例如，固定切削元件式旋转钻头（也称作“刮刀钻头”）包括固定地附连到钻头的钻头本体的多个切削元件。类似地，牙轮钻地旋转钻头可以包括安装在自钻头本体的支腿延伸的支承销上的牙轮，使得每个牙轮能够围绕装有所述牙轮的支承销转动。多个切削元件可以安装到钻头的每个牙轮。
用在这种钻地工具中的切削元件通常包括聚晶金刚石复合片（通常称作“PDC”）切削元件，该切削元件是包括聚晶金刚石材料切削面的切削元件。这些聚晶金刚石切削元件是在催化剂（例如VIIIA族金属，比如钴、铁、镍、或者它们的合金以及混合物）存在的情况下、通过将相对小的金刚砂或金刚石晶体借助金刚石-金刚石键在高温和高压条件下烧结和结合在一起以在切削元件基底上形成聚晶金刚石材料层或“台面”形成的。这些方法通常称作高温/高压（或“HTHP”）方法。切削元件基底可以包括金属陶瓷材料（即陶瓷-金属复合材料），比如钴钨硬质合金。在这些情形中，切削元件基底中的钴（或者其他催化剂材料）在烧结期间可以伸展到金刚石晶体中并且用作用于从金刚石晶体形成金刚石台面的催化剂材料。在其他方法中，在利用HTHP方法将晶体烧结在一起之前，可以将粉末催化剂材料与金刚石晶体混合。
在使用HTHP方法形成金刚石台面之后，催化剂材料可以保留在获得的聚晶金刚石台面中的金刚石晶体之间的间隙中。在切削元件使用期间由于切削元件与地层之间的接触点上的摩擦而受热时，金刚石台面中催化剂材料的存在可能导致金刚石台面中的热破坏。因此，聚晶金刚石切削元件可以通过使用例如酸或酸的组合（比如王水）将催化剂材料（例如钴）从金刚石台面中的金刚石晶体之间的间隙滤出来而形成。所有的催化剂材料可以从金刚石台面中移除，或者可以仅移除一部分催化剂材料，例如移除从切削面、从金刚石台面的侧面或者它们二者到所需的深度的催化剂材料。
PDC切削元件一般是圆柱形的并且在切削面的周边具有切削边缘用于接合地下地层。随着时间的流逝，切削边缘会变钝。当切削边缘变钝时，PDC切削元件的切削边缘接合地层的表面积由于延伸到金刚石台面的侧壁中的所谓的磨耗平台或磨痕的形成而增加。当接合地层的金刚石台面的表面积增加时，在地层与金刚石台面之间、在切削边缘的区域中产生更多的摩擦引起的热量。此外，当切削边缘变钝时，必须增加向下力或钻压（WOB）以保持与锋利的切削边缘相同的钻进速度（ROP）。结果，摩擦引起的热量和向下力的增加由于金刚石晶体与催化剂材料之间的热膨胀系数的不匹配可以造成PDC切削元件的破裂、碎裂、断裂或脱层。此外，在大约750℃及以上的温度下，催化剂材料的存在可以造成金刚石晶体所谓的回石墨化成碳元素。
因此，在现有技术中存在对包括了增加切削元件的耐久性以及切削效率的聚晶金刚石台面的切削元件的需要。
发明内容
本发明的实施方式涉及形成聚晶金刚石复合片（PDC）元件（比如适合于用在地下钻进的切削元件，其呈现出增强的切削能力和热稳定性）的方法，以及由此形成的PDC元件。
在一些实施方式中，本发明包括形成用于钻地工具的PDC切削元件的方法。形成的金刚石台面包括聚晶金刚石材料和设置在聚晶金刚石材料的相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中的第一材料。所述第一材料至少充分地从一部分聚晶金刚石材料中的间隙中移除，然后在金刚石台面的周边部分中的聚晶金刚石材料的所述部分中的相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中设置第二材料。所述第二材料选择成：使得金刚石晶体在升高的温度条件下的退化速率比至少基本从所述间隙中移除第一材料的金刚石材料在基本相同的升高的温度条件下的退化速率高。移除一部分聚晶金刚石材料中的间隙中的第一材料可以包括至少充分地从基本围绕金刚石台面的外侧周边表面的金刚石台面的环形区域中移除第一材料。
在一些实施方式中，本发明包括形成用于钻地工具的PDC切削元件的方法。形成的金刚石台面包括聚晶金刚石材料和设置在聚晶金刚石材料的相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中的第一材料。所述第一材料至少充分地从一部分聚晶金刚石材料中的间隙中移除，然后将第二材料引入相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中。所述第二材料可以选择成在升高的温度条件下导致金刚石晶体的退化速率比第一材料在基本相同的升高的温度条件下的退化速率高。
在另外的实施方式中，本发明包括钻进方法。至少一个切削元件与地层接合，该至少一个切削元件包括金刚石台面，该金刚石台面具有第一聚晶金刚石材料区域和第二聚晶金刚石材料区域，所述第一聚晶金刚石材料区域包括在所述第一聚晶金刚石材料区域中的、在相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中的第一材料，所述第二聚晶金刚石材料区域包括在所述第二聚晶金刚石材料区域中的、在金刚石晶体之间的间隙中的第二材料。相比于第一材料，在大致相等的升高的温度的条件下，第二材料导致更高的聚晶金刚石材料退化速率。当至少一个切削元件的接合的摩擦升高了第一区域和第二区域的温度时，第二聚晶金刚石材料区域比第一聚晶金刚石材料区域磨损的更快。
另外的实施方式包括用在钻地工具中的PDC切削元件。该切削元件包括第一聚晶金刚石材料区域和第二聚晶金刚石材料区域，所述第一聚晶金刚石材料区域包括在所述第一聚晶金刚石材料区域中的、在相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中的第一材料，所述第二聚晶金刚石材料区域包括在所述第二聚晶金刚石材料区域中的、在金刚石晶体之间的间隙中的第二材料。所述第二材料可以选择成相比于第一材料在大致相同的升高的温度的条件下导致更高的聚晶金刚石材料的退化速率。
在另外的实施方式中，本发明包括钻地工具，其具有本体和连接到本体的至少一个PDC切削元件。所述至少一个PDC切削元件包括在基底表面上的金刚石台面。所述金刚石台面包括靠近基底表面设置的第一聚晶金刚石材料区域和位于第一聚晶金刚石材料区域的侧面中的凹入部中的第二聚晶金刚石材料区域，该第一区域包括在第一聚晶金刚石材料区域中的、在相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中的第一材料，该第二区域包括在第二聚晶金刚石材料区域中的、在相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中的第二材料。相比于第一材料，该第二材料在基本相等的升高的温度的条件下导致聚晶金刚石材料更高的退化速率。
通过考虑如下的描述、附图以及所附的权利要求，本发明的其他特征和优点对于本领域技术人员将会变得显而易见。
附图说明
虽然本说明书以特别指出并明确要求保护作为本发明的内容的权利要求结束，但是在结合附图阅读时可以更容易地从本发明的实施方式的描述中确定本发明的优点，其中：
图1图示了具有本发明的多部分金刚石台面的切削元件的一个实施方式的放大截面视图；
图2图示了具有本发明的多部分金刚石台面的切削元件的另一个实施方式的放大截面视图；
图3A是图示了在放大倍率下图1和2中示出的切削元件的多部分金刚石台面的微观结构的简化图；
图3B是图示了在放大倍率下图1中示出的切削元件的多部分金刚石台面的另一个区域的微观结构的简化图；
图4A-4C示出了形成具有图1的多部分金刚石台面的切削元件的一个实施方式；
图5A-5C示出了形成具有图2的多部分金刚石台面的切削元件的一个实施方式；
图6是本发明的钻地工具的一个实施方式的透视图，其包括根据本发明的实施方式形成的多个切削元件；
图7A和7B是本发明的一个实施方式的切削元件的放大截面视图，其具有接合地层的正如图1和2中示出的多部分金刚石台面。
具体实施方式
这里呈现的一些图示并不意味着是任何具体材料或装置的实际视图，而只是用来描述本发明的理想化的图示。此外，这些图之间共有的元件可能保留相同的附图标记。
本发明的实施方式包括用于制作切削元件的方法，所述切削元件包括含有聚晶金刚石材料的多部分金刚石台面。在一些实施方式中，该方法使用催化剂材料来构成金刚石台面的一部分。
正如这里使用的术语“钻头”意指并包括在地下地层中形成或扩大井眼期间用于钻进的任何种类的钻头或工具，并且包括例如回转钻头、冲撞钻头、取心钻头、偏心钻、双心钻、锪钻、铣刀、刮刀钻头、牙轮钻头、混合式钻头以及在现有技术中公知的其他钻头和工具。
正如这里使用的术语“聚晶复合片”意指并包括含有聚晶材料的任何结构，所述聚晶材料通过将压力（例如压实力）施加到用于形成聚晶材料的前体材料的方法而形成。
正如这里使用的术语“晶粒键（inter-granularbond）”意指并包括在材料相邻晶粒之间的任何直接的原子键（例如共价键、金属键等等）。
正如这里使用的术语“催化剂材料”指的是能够在HTHP期间显著促使硬质材料的晶粒之间的晶粒键形成的任何材料，但是在升高的温度、压力和在地下地层中形成井眼的钻进操作中可能遇到的其他条件下至少部分因该材料而造成晶粒键和晶粒材料的退化。例如，金刚石的催化剂材料包括钴、铁、镍、来自于元素周期表的VIIIA族的其他元素以及它们的合金。
图1是本发明的聚晶金刚石复合片（PDC）切削元件100的一个实施方式的简化放大截面视图。该PDC切削元件100包括设置（例如形成在或连接到）支撑基底104上的多部分金刚石台面102。在另外的实施方式中，本发明的多部分金刚石台面102可以不使用支撑基底104形成和/或可以在没有支撑基底104的情况下使用。所述多部分金刚石台面102可以形成在支撑基底104上，或者多部分金刚石台面102和支撑基底104可以单独形成并且随后连接在一起。所述多部分金刚石台面包括与支撑基底104相对的切削面117。所述多部分金刚石台面102还可以可选地在切削面117的周边上具有斜切边缘118。图1中示出的PDC切削元件100的斜切边缘118具有单斜切表面，尽管该斜切边缘118还可以具有另外的斜切表面，该另外的斜切表面可以以不同于斜切表面118的斜切角的斜切角定向，正如在现有技术中公知的。此外，代替斜切边缘118，可以将该边缘倒圆或者该边缘包括一个或多个斜切表面和一个或多个弓形表面的组合。
所述支撑基底104可以具有基本圆柱形的形状，如图1中所示。该支撑基底104可以具有第一端表面110、第二端表面112和在所述第一端表面110与第二端表面112之间延伸的基本圆柱形的横向侧表面114。
尽管图1中示出的第一端表面110至少基本是平面的，但是现有技术中公知的是在基底与形成于其上的金刚石台面之间使用非平面的界面几何形状，本发明的另外的实施方式可以在支撑基底104与多部分金刚石台面102之间的界面处使用这种非平面的界面几何形状。另外，尽管切削元件基底通常具有圆柱形的形状——类似于支撑基底104一样，但是切削元件基底的其他形状在现有技术中也是公知的，本发明的实施方式包括具有除了基本圆柱形形状之外的形状的切削元件。
所述支撑基底104可以由相对硬的并且抗磨损的材料形成。例如，所述支撑基底104可以由陶瓷-金属复合材料（其通常称作“金属陶瓷”材料）形成和包括陶瓷-金属复合材料。所述支撑基底104可以包括硬质合金材料，比如碳化钨硬质合金材料，其中碳化钨颗粒在金属粘结剂材料中粘结在一起。金属粘结剂材料可以包括例如催化剂材料，比如钴、镍、铁或者它们的合金和混合物。
继续参见图1，多部分金刚石台面102可以设置在支撑基底104的第一端表面110上或上方。所述多部分金刚石台面102可以包括第一部分106、第二部分108和第三部分109，正如下面进一步详细讨论的。所述多部分金刚石台面102主要由聚晶金刚石材料构成。换言之，金刚石材料可以包括多部分金刚石台面102的体积的至少大约百分之70（70%）。在另外的实施方式中，金刚石材料可以包括多部分金刚石台面102的体积的至少大约百分之80（80%），在另外的实施方式中，金刚石材料可以包括多部分金刚石台面102的体积的至少大约百分之90（90%）。聚晶金刚石材料包括结合在一起以形成金刚石台面的金刚石晶粒或晶体。金刚石晶粒之间的区域或间隙可以用另外的材料填充，或者它们可以至少基本没有另外的材料，正如下面讨论的。尽管这里所描述的实施方式包括多部分金刚石台面102，但是在其他实施方式中，可以使用不同的硬质聚晶材料来形成聚晶复合片，比如聚晶立方氮化硼。
在一个实施方式中，所述多部分金刚石台面102包括至少第一部分106、第二部分108和第三部分109。如图1中所示，多部分金刚石台面102的第二部分108包括围绕多部分金刚石台面102的周边延伸的环形区域。虽然图示出的多部分金刚石台面102的第二部分108具有至少基本平坦的相互垂直的侧壁116，但是应该理解的是该第二部分108可以具有其他形状。例如，第二部分108的截面可以具有弓形、三角形或梯形的形状。
所述第二部分108可以沿着多部分金刚石台面102的侧壁120从支撑基底104延伸到斜切边缘118。所述第二部分108与切削面117分开使得第三部分109包括整个切削面117。在一些实施方式中，第一部分106的一部分122可以位于第二部分108与支撑基底104之间。使第一部分106的一部分122位于第二部分108与支撑基底104之间可以在切削元件100使用期间帮助保持多部分台面102与支撑基底104的结合固定性。所述第二部分108可以具有从侧壁120向内延伸的厚度T，该厚度为大约50微米到大约400微米。
第三部分109可以位于金刚石台面102的第二部分108与切削面117之间。在一些实施方式中，第三部分109还可以位于金刚石台面102的第一部分106与切削面117之间。虽然图1中图示出的第三部分109从切削面117伸入金刚石台面102大约第二部分108的深度，但是在另外的实施方式中，第三部分109可以从切削面117朝向支撑基底104向下伸入的更远。
在另一个实施方式中，如图2中所示，多部分金刚石台面102可以仅包括第一部分106和第二部分108。该第二部分108可以从支撑基底104延伸到切削面117。
图3A是在放大倍率下图1和2中示出的多部分金刚石台面102的第一部分106的微观结构的放大视图。图3B是在放大倍率下图1和2中示出的多部分金刚石台面102的第二部分108的微观结构的放大视图。现参见图3A，所述第一部分106包括通过晶粒之间的金刚石-金刚石键结合在一起的金刚石晶体202。金刚石晶体202可以包括天然金刚石、人造金刚石或者它们的混合物，并且可以使用具有不同晶体尺寸的金刚石砂粒形成（即由多层金刚石砂粒形成，每层具有不同的平均晶体尺寸，或者通过使用具有多模态晶体尺寸分布的金刚石砂粒形成）。
第一材料204可以设置在第一部分106的金刚石晶体202之间的区域或间隙中。在一个实施方式中，所述第一材料204可以包括催化剂材料，其在多部分金刚石台面102形成期间促使晶粒之间的金刚石-金刚石键的形成，并且在使用PDC切削元件101钻进时将会加速多部分金刚石台面102的第一部分106的退化。在另外的实施方式中，所述第一材料204可以对金刚石晶体202没有影响，而将会是至少基本惰性的材料。
在一些实施方式中，可以将金刚石台面102的从切削面117向着支撑基底104的一定深度、第二部分108向内的这部分中的第一材料204（图3A）移除，以形成第三区域109（图1）。该多部分金刚石台面102的第三区域109可以至少基本没有第一材料204和第二材料206。
现参见图3B，所述第二部分108包括设置在金刚石晶体202之间的区域或间隙中的第二材料206。在一些实施方式中，该第二材料206的选择造成：当使用切削元件101钻进时，与第一材料至少基本从金刚石晶体之间的区域移除的金刚石晶体相比，金刚石晶体202的退化速率更高。在另外的实施方式中，所述第二材料206的选择造成：当使用切削元件101用于钻进时，与第一材料204相比，金刚石晶体202的退化速率更高。正如这里使用的，术语“退化速率”指的是在钻进中常见的温度和压力下造成金刚石晶体石墨化和晶粒之间金刚石-金刚石键弱化这两者的至少其中之一的材料。换言之，所述第二材料206选择成：在钻进期间，相对于第三部分109或第一部分106的至少其中之一，优先弱化第二部分108的聚晶金刚石结构，正如下面所更详细描述的。
第一材料204和第二材料206各自可以包括现有技术中公知的、用于促使聚晶金刚石材料中晶粒间金刚石-金刚石键的形成的催化剂材料。例如，第一材料204和第二材料206各自可以包括VIII族元素或者其合金，比如Co、Ni、Fe，Ni/Co，Co/Mn，Co/Ti，Co/Ni/V，Co/Ni，Fe/Co，Fe/Mn，Fe/Ni，Fe(Ni.Cr)，Fe/Si2，Ni/Mn和Ni/Cr。第一材料204和第二材料206的组合可以由本领域普通技术人员选择，只要第二材料206比第一材料204导致金刚石晶体202更高的退化速率即可。例如，铁具有更高的反应性，从而在基本相等的升高的温度下相比于钴导致金刚石晶体202更高的退化速率，正如现有技术中公知的。因此，在一个实施方式中，第一材料204可以包括钴，第二材料206可以包括铁。在另一个实施方式中，第一材料204可以至少基本从邻近切削面117和斜切面118的多部分金刚石台面102的第三区域109移除，第二材料206可以包括前面提到的任意催化剂。例如，第二材料206可以包括铁，因为铁具有更高的反应性，因此与金刚石晶体202之间具有至少基本空隙空间的金刚石晶体202相比能促成更高的金刚石晶体202的退化速率。在另一个实施方式中，第一材料204可以从金刚石台面102的从切削面朝向支撑基底104的显著深度、第二部分108向内的这一大部分内移除。第二材料206还可以包括多于一种材料的组合。例如，第二材料206可以作为多于一种材料的梯度形成，使得靠近多部分金刚石台面102侧壁120的第二材料206的退化速率高于多部分金刚石台面102的内部的第二材料206的退化速率。
图4A-4C图示了形成图1的多部分金刚石台面102的方法的一个实施方式。如图4A中所示，包括第一材料204（图3A）的金刚石台面302形成在支撑基底104上。该金刚石台面302可以使用高温/高压（HTHP）方法形成。这些方法以及用于执行这些方法的系统在现有技术中基本是公知的，并且通过非限制性示例在授权给Wentorf等人的美国专利号3,745,623（1973年7月17日授权）和授权给Bunting等人的美国专利号5,127,923（1992年7月7日授权）中得到描述。在一些实施方式中，在用于形成金刚石台面302的HTHP方法期间，第一材料204（图3A）可以由支撑基底104供应。例如，所述支撑基底104可以包括钴钨硬质合金材料。钴钨硬质合金的钴可以在HTHP方法期间用作第一材料204。
为了在HTHP方法中形成金刚石台面302，包括金刚石颗粒或微粒的颗粒混合物可以接受高温（例如高于大约一千摄氏度（1000℃）的温度）和高压（例如高于大约五十亿帕斯卡（5.0GPa）的压力）处理，以在金刚石颗粒或微粒之间形成晶粒间键。
一旦形成，金刚石台面302（图4A）就可以被遮盖（未示出），正如现有技术中公知的，使得金刚石台面203的切削面117和侧壁120的一部分露出。然后使用浸出剂（leachingagent）将金刚石台面302的未遮盖部分浸出，以移除（图4B）形成金刚石台面302的浸出部分304的第一材料204（图3A）。金刚石台面302的没有被浸出的部分至少基本对应于第一部分106（图1）。浸出部分304至少基本对应于第二部分108和第三部分109的区域（图1）。这种浸出剂在现有技术中是公知的，并且例如在授权给Bunting等人的美国专利号5,127,923（1992年7月7日授权）和Bovenkerk等人的美国专利号4,224,380（1980年9月23日授权）中进行了更全面地描述。具体地，王水（浓硝酸（HNO3）和浓盐酸（HCL）的混合物）可以用于从第一部分106（图1）中的金刚石晶体202之间的间隙中至少基本移除第一材料204（图3A）。还公知的是使用煮沸的盐酸（HCl）和煮沸的氟酸（HF）作为浸出剂。一种特别合适的浸出剂是温度在110℃以上的盐酸（HCL）——根据浸出部304的所需的厚度T（图1），可以使该盐酸与金刚石台面302的未遮盖部分接触大约30分钟到大约60小时的时间。所述支撑基底104和金刚石台面302的至少基本对应于多部分金刚石台面102的第一部分106（图1）的区域的部分可以通过将支撑基底104和该部分金刚石台面302包封在塑料树脂或遮盖材料（未示出）中而避免与浸出剂接触。在另一个实施方式中，仅可以避免支撑基底104与浸出剂接触，金刚石台面302的从切削面117（图1）向下向着支撑基底104的显著深度将被浸出，正如现有技术中公知的。正如现有技术中公知的，在与支撑基底104的界面附近，第一材料204在金刚石台面302内保持一定厚度是理想的，以保持金刚石台面302的机械强度和抗冲强度。
如图4C中所示，遮盖物306可以形成在金刚石台面302的切削面117和一部分侧壁120上方。然后可以对侧壁120上的浸出部分304的露出部分填充第二材料206（图3B）以形成第二部分108（图1）。然后可以对金刚石台面302进行第二HTHP处理，使第二材料206渗透浸出部分304，构成多部分金刚石台面102的第二部分108（图1）。在其他实施方式中，第二材料206可以使用物理气相沉积（PVD）方法或化学气相沉积（CVD）方法（比如等离子体增强化学气相沉积方法（PECVD））沉积到浸出部分304中，正如现有技术中公知的。PVD包括但不局限于溅射、蒸发或电离PVD。这些沉积技术在现有技术中是公知的，因此这里不再详细描述。在金刚石台面302的主体部分从切削面117向下向着支撑基底104浸出、从而使得金刚石台面302的、区域304内部的部分基本没有第一材料204的情况下，可以通过控制沉积过程的时间来获得第二部分108（图1）的厚度T，正如现有技术中公知的。一旦第二部分108填充有第二材料206（图3B），就可以移除遮盖物306露出第三部分109（图1）。
图5A-5C示出了形成图2的多部分金刚石台面102的方法的一个实施例。图5A图示了形成在支撑基底104上的包括第一材料204（图3A）的金刚石台面302，其基本与图4A一样并且可以如上面结合图4A描述的那样形成。
一旦形成，就可以遮盖（未示出）住金刚石台面302（图5A），正如现有技术中公知的，从而仅露出金刚石台面302的旨在变成第二部分108（图2）的部分。然后使用浸出剂浸出金刚石台面302的未遮盖部分，以移除（图5B）构成金刚石台面302的浸出部分304的第一材料204（图3A）。所述浸出部分304至少基本对应于第二部分108（图2）的区域。所述浸出部分304可以使用正如前面结合图4B讨论的浸出剂形成。通过将支撑基底104和一部分金刚石台面302包封在塑料树脂或遮盖材料（未示出）中，可以避免支撑基底104和至少基本对应于多部分金刚石台面102的第一部分106（图2）的区域的一部分金刚石台面302与浸出剂接触。在另一个实施方式中，仅可以避免支撑基底104与浸出剂接触，从切削面117（图2）向下向着支撑基底对金刚石台面302的显著深度进行浸出，正如现有技术中公知的。正如现有技术中公知的，在靠近与支撑基底104的界面处，使第一材料204在金刚石台面302内保持一定厚度是理想的，以保持金刚石台面302的机械强度和抗冲强度。
如果仅浸出一部分金刚石台面302，例如靠近侧壁120的环形部分，则可以将第二材料206（图3B）沉积到浸出部分304中以形成多部分金刚石台面102（图2）的第二部分108。在一个实施方式中，如图5C中所示，可以将包括第二材料206的粉末放置在浸出部分304上。支撑基底104和至少基本对应于第一部分106（图2）的金刚石台面302的该部分可以保持被遮盖以避免接触第二材料206，或者新的遮盖物可以形成在支撑基底104和至少基本对应于第一部分106的金刚石台面302的该部分上。替代性地，如果金刚石台面302的主要部分从切削面117向着支撑基底104向下浸出，那么至少基本对应于第一部分106（图2）的、在切削面117、斜切面118和区域304上方和下方的侧壁120的部分上的金刚石台面302的部分被遮盖，以便于不与第二材料206接触。可以使用正如之前结合图4C讨论的第二HTHP方法、PVD方法或者CVD方法将侧壁120上的浸出部分304的露出的部分填充第二材料206（图3B）。
正如图1和图2中图示出的包括多部分金刚石台面102的本发明的PDC切削元件100的实施方式可以形成并固定到用于在地下地层中形成井眼的钻地工具上，例如旋转钻头、冲撞钻头、取心钻头、偏心钻头、扩眼器工具、铣刀等等。作为非限制性示例，图6图示了固定切削元件式钻地旋转钻头400，其包括多个切削元件100，至少其中一些包括正如这里之前描述的多部分金刚石台面102。所述旋转钻头400包括钻头本体402；切削元件100连接到钻头本体402上，至少一些切削元件包括多部分金刚石台面102。所述切削元件100可以通过硬钎焊（或者其他固定方式）固定在形成于钻头本体402的外表面中的凹窝中。
图7A和7B示出了在与地下地层500接合时（比如当切削元件100固定到图6的钻地旋转钻头400时）的图1或图2的PDC切削元件100。图7A示出了最一开始接合地层500时的PDC切削元件100。PDC切削元件100包括在切削元件100与地层500之间的支承表面502。图7B示出了在接合地层500之后的变钝的PDC切削元件100'。如图7B中所示，图7A的支承表面502已经被磨损成支承表面502'。因为第二部分108包括第二材料206（图2B），与至少基本从中移除第一材料204的第三部分109（图1）相比，其导致更高的聚晶金刚石退化速率；当PDC切削元件100接合地层500时，由于由摩擦温度引起的金刚石向元素碳演变的回石墨化，第二部分108中的聚晶材料比第三部分109退化或磨损得更快。替代性地，第二部分108包括第二材料206（图2B），其导致比具有第一材料204（图2A）的第一部分106（图2）更高的退化速率，这造成了：当PDC切削元件100接合地层时，由于由摩擦温度引起的金刚石向元素碳演变的回石墨化，第二部分108中的聚晶材料比第一部分106退化或磨损的更快。当第二部分108退化或磨损时，在第二部分108的区域中、在多部分金刚石台面102侧壁120的一部分周围形成凹槽504。由于第二部分108中的金刚石退化而提供的侧壁中的底切部，在切削边缘117的下面、在第三部分109（图1）或第一部分106（图2）中形成唇边结构或抵接部506。具有预先形成的抵接部506的切削元件在现有技术中是公知的并且在Zhang等人的美国公报号2006/0201712（2006年3月1日申请）中进行了详细描述。
当抵接部506被磨掉时，变钝的切削元件100'和地层500之间的支承表面502'的区域保持至少基本一致。结果，支承表面502'的面积小于包括显著磨痕的传统切削元件的支承表面。例如，如图5B中所示，变钝的切削元件100'的支承表面502'具有长度L1，而不包括抵接部506的传统的切削元件的支承表面具有长度L2。因此，变钝的切削元件100'的支承表面502'的面积可以至少大约比变钝的传统切削元件的支承表面小20%。
由于变钝的切削元件100'的支承表面502'的较小的面积，为保持所需的ROP需要的WOB较小。此外，可以改进变钝的切削元件100'的耐久性和效率。因为变钝的切削元件100'的较小的支承表面502'具有比传统切削元件更锋利的边缘，所以具有更有效的切削动作；当金刚石台面102的在第二部分108与切削面117之间的靠近切削面117和斜切面118的区域被浸出以去除第一材料时，变钝的切削元件100'较不容易经历机械或热故障、或裂片或断裂。
虽然这里已经关于某些实施方式对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将会认识并意识到其不是这样受限的。而是在不脱离本发明的正如下文所要求保护的范围的前提下可以对这里描述的实施方式进行许多添加、删除和修改。此外，一个实施方式的特征可以与另一个实施方式的特征结合，而仍然包含在由本发明人考虑的本发明的范围内。
Claims (17)
1.一种用于形成钻地工具的聚晶金刚石复合片切削元件的方法，包括：
形成金刚石台面，所述金刚石台面包括聚晶金刚石材料和布置在聚晶金刚石材料的相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中的第一材料；
至少基本移除在所述金刚石台面的靠近金刚石台面的侧壁、且与金刚石台面的切削面间隔的区域中的至少一部分聚晶金刚石材料中的间隙中的所述第一材料；
选择第二材料以使得相互键连接的金刚石晶体在升高的温度条件下的退化速率比至少基本从所述间隙中移除第一材料的金刚石材料在基本相同的升高的温度条件下的退化速率高；
将第二材料引入到至少一部分金刚石台面的至少一部分中的相互键连接的金刚石晶体之间的已经至少基本移除第一材料的间隙中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，至少基本移除至少一部分聚晶金刚石材料的间隙中的第一材料的步骤包括浸出聚晶金刚石材料中的间隙中的第一材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将第二材料引入到所述至少一部分聚晶金刚石材料的至少一部分中的相互键连接的金刚石晶体之间的已经移除第一材料的间隙中的步骤包括：
遮盖除不遮盖部分之外的金刚石台面，所述不遮盖部分包括围绕金刚石台面周边延伸的区域；以及
将第二材料引入所述金刚石台面的不遮盖部分中的相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，选择第二材料以使得相互键连接的金刚石晶体在升高的温度条件下的退化速率比至少基本从所述间隙中移除第一材料的金刚石材料的退化速率高的步骤包括选择第二材料以包括钴、镍、铁以及它们的合金中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金刚石台面的靠近金刚石台面的侧壁、且与金刚石台面的切削面间隔的区域包括环形区域。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括移除金刚石台面的切削面中的第一材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，将第二材料引入到所述至少一部分聚晶金刚石材料的至少一部分中的相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中的步骤包括：
遮盖金刚石台面以在靠近金刚石台面侧壁的环形区域上留出不遮盖部分；以及
通过金刚石台面的不遮盖部分将第二材料引入到所述环形区域中的相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，选择第二材料以使得相互键连接的金刚石晶体在响应于暴露至升高的温度条件下的退化速率比第一材料在基本相同的升高的温度条件下的退化速率高的步骤包括选择第二材料以包括比第一材料更强的催化剂。
9.一种用在钻地工具中的聚晶金刚石复合片切削元件，包括：
聚晶金刚石材料的第一区域，其包括在该聚晶金刚石材料的第一区域中的相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中的第一材料；以及
聚晶金刚石材料的第二区域，其包括：围绕所述切削元件的侧壁的周边的至少一部分延伸并且与所述切削元件的切削面间隔的区域；以及在该聚晶金刚石材料的第二区域中的相互键连接的金刚石晶体之间的间隙中的第二材料，该第二材料选择成在大致相同的升高的温度条件下使得聚晶金刚石材料的退化速率比第一材料高。
10.根据权利要求9所述的切削元件，其中，围绕所述切削元件的侧壁的周边的至少一部分延伸并且与所述切削元件的切削面间隔的区域包括至少基本是环形的区域。
11.根据权利要求9或10所述的切削元件，还包括在所述至少基本是环形的区域与PDC切削元件的切削面之间的聚晶金刚石材料的另一个区域。
12.根据权利要求9所述的切削元件，其中，所述第二材料包括铁，所述第一材料包括钴。
13.根据权利要求9所述的切削元件，其中，所述第二材料包括比第一材料更强的催化剂。
14.根据权利要求9所述的切削元件，其中，该聚晶金刚石材料的第二区域配置成：在钻进期间，当由于切削元件的接合的摩擦使第一区域和第二区域的温度升高时，该聚晶金刚石材料的第二区域比该聚晶金刚石材料的第一区域磨损得快。
15.根据权利要求14所述的切削元件，其中，所述第二区域配置成在钻进期间在第二区域中形成凹入部。
16.根据权利要求15所述的切削元件，其中，该凹入部包括在金刚石台面的一部分所述侧壁中的凹入部。
17.一种钻地工具，包括权利要求9-16中的一项所述的切削元件。
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