CN105328588A - 耐磨损的工具、形成耐磨工具的方法及耐磨钻井工具 - Google Patents

耐磨损的工具、形成耐磨工具的方法及耐磨钻井工具 Download PDF

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Abstract

本发明涉及耐磨损的工具、形成耐磨工具的方法及耐磨钻井工具，其中耐磨损的工具包括：固体化的熔渗金刚石主体，包括基体和粘合剂，所述基体包括硬微粒材料和遍及所述硬微粒材料散布的多个金刚石颗粒，其中所述金刚石颗粒构成所述固体化的熔渗金刚石主体的体积的约35％到约75％之间，以及其中所述粘合剂将硬微粒材料和所述金刚石颗粒固定在一起，其中所述金刚石颗粒构成所述固体化的熔渗金刚石主体的以体积计的最大组成部分，其中所述金刚石基本上均质地遍及所述固体化的熔渗金刚石主体，以及其中所述金刚石颗粒构造为提供熔渗金刚石主体的抗磨损和抗腐蚀的主要防御。

Description

耐磨损的工具、形成耐磨工具的方法及耐磨钻井工具
本申请是申请人为“长年TM公司”、申请日为2012年02月09日、申请号为201280017596.5、发明名称为“熔渗金刚石耐磨主体和工具”的申请的分案申请。
技术领域
本发明大致涉及工具，如钻井、采矿和工业工具。更特定而言，本发明涉及耐磨工具和制造并使用这种工具的方法。
背景技术
许多钻井、采矿和工业工具包括从碳化钨(WC)或其它耐磨材料形成的主体或衬垫以提供耐磨性和增加工具寿命。例如，许多类型的钻探工具(如钻头和扩孔锥)包括钻头体，其可由钢制成或从硬基体材料(如碳化钨(WC))制造。在某些情况下，沿着钻头体的外面安装多个切割器(例如，PCD，TSD，表面装嵌件)。切割器被定位使得随着钻头体旋转，切割器接合并钻入岩层。可选地，主体可包括切割器，如孕镶钻头。
在钻井期间这种钻探工具的钻头体可暴露至携带磨蚀性颗粒(如沙，岩屑等)的高速钻井流体和岩层流体。这种磨蚀性颗粒可磨损钻探工具的钻头体，导致切割器损失或甚至主体损坏。
虽然钢体钻头可能具有韧性和延展性属性，这使其抵抗由于钻井期间产生的冲击力所致的开裂和损坏，但是钢更易受到腐蚀磨损。相对于钢体，碳化钨或其它硬金属基体钻头具有更高的抗磨损和抗腐蚀性的优点。然而，从碳化钨或其它硬质金属基体材料形成的主体可能缺乏韧性和强度。因此，从碳化钨或其它硬质金属基体材料形成的主体当经受钻井期间可能遭遇的冲击力和疲劳力时可能相对脆弱且易于开裂。这可能导致主体过早损坏。基体中裂缝的形成和蔓延可导致损失一个或多个切割器。损失的切割器可磨坏主体，引起进一步加速损坏。此外，即使碳化钨主体也经受磨损且最终需要被更换。
用烧结碳化钨形成的主体可具有足够韧性和强度以用于特定应用，但是可能缺乏其它机械性质，如抗腐蚀性。因此，早先的努力依赖于材料组合以实现属性平衡。另外，已经依赖于使用具有宽粒径分布的材料以便实现碳化物耐磨颗粒的紧密堆积以增加耐磨性。
在使用期间其它类型的钻井工具，如扩孔锥、钻柱稳定器、耐磨衬垫等等易受到磨损。通常将碳化物或金刚石元素装嵌在这种工具中以增加耐磨性并维持工具的量规。在这种工具中装嵌碳化物或金刚石元素可能较困难且可能会另外增加制造时间和成本。此外，不涵盖这些元素的位置仍然经受相对快的磨损。
通常从高强度钢体形成撞击式钻井工具。高强度钢体对撞击式钻井工具提供延展性以在钻井期间经受高度冲撞和撞击力。然而，这种高强度钢体没有特别高的耐磨性。
除前述之外，常常将耐磨衬垫或其它组件添加至运土工具和机器、采矿工具和工业工具的接触磨蚀性材料(如岩石)的高度磨损区域。例如，通常将表面硬化的WC添加至前端装载机铲斗和其它工具上的齿上。通常，从碳化钨形成这种耐磨衬垫以提供相对于钢而言更好的耐磨性。不幸地，耐磨衬垫还可能经历一些上文讨论的问题。例如，常规耐磨衬垫可能相对脆弱且当经受冲击力和疲劳力时易于开裂。
因而，对于工具的新成分存在需要以增加耐磨性，同时也维持其它属性，如高强度和韧性。
发明内容
本发明的一实施方式用包括从熔渗金刚石形成的主体或衬底的工具、系统、方法来克服前述的一个或多个问题或本领域中的其它问题。特定而言，本发明的一个或多个实施方式包括主体，所述主体包括熔渗金刚石与粘合剂。熔渗金刚石可对主体提供胜过钢和碳化钨主体的增加的耐磨性。另外，熔渗金刚石可对主体提供相对于碳化钨和其它金属陶瓷主体而言增加的延展性。此外，熔渗过程可允许多样的主体形状。
例如，耐磨损的工具的实施方式包括熔渗金刚石主体。熔渗金刚石主体包括多个金刚石颗粒。金刚石颗粒构成熔渗金刚石主体的体积的至少25％。工具还包括将金刚石颗粒固定在一起的粘合剂。
本发明的另一实施方式包括形成耐磨工具的方法。该方法涉及通过遍及硬微粒材料散布多个金刚石颗粒而制备基体。金刚石颗粒构成基体的体积的至少25％。该方法还涉及将基体成形至期望形状且用粘合剂材料熔渗所述基体。
除前述之外，钻井工具的实施方式包括具有第一端和第二端的主体。主体的第一端包括螺纹接头。工具还包括固定至主体的熔渗金刚石主体。熔渗金刚石主体包括金刚石和粘合剂。金刚石构成熔渗金刚石主体的体积的至少10％。另外，粘合剂被构造来防止在钻井期间腐蚀所述熔渗金刚石主体。
具体地，根据本发明的一个方案，提供了一种被构造为耐磨损的工具，包括：固体化的熔渗金刚石主体，包括基体和粘合剂，所述基体包括硬微粒材料和遍及所述硬微粒材料散布的多个金刚石颗粒，其中所述金刚石颗粒构成所述固体化的熔渗金刚石主体的体积的约35％到约75％之间，以及其中所述粘合剂将硬微粒材料和所述金刚石颗粒固定在一起，其中所述金刚石颗粒构成所述固体化的熔渗金刚石主体的以体积计的最大组成部分，其中所述金刚石基本上均质地遍及所述固体化的熔渗金刚石主体，以及其中所述金刚石颗粒构造为提供所述固体化的熔渗金刚石主体的抗磨损和抗腐蚀的主要防御。
其中所述金刚石颗粒包括人造金刚石晶体。
所述硬微粒材料包括碳化钨。
所述粘合剂包括铜基熔渗剂。
所述金刚石颗粒构成所述固体化的熔渗金刚石主体的体积的约50％。
所述固体化的熔渗金刚石主体包括衬底。
所述固体化的熔渗金刚石主体至少部分围绕钢制工具固定。
所述固体化的熔渗金刚石主体包括钻井工具。
所述固体化的熔渗金刚石主体包括钻头的钻头体。
所述固体化的熔渗金刚石主体包括耐磨垫。
所述耐磨垫被定大小和被构造来固定至采矿、钻井或工业工具。
所述金刚石具有介于约0.01毫米与约1.0毫米之间的最大尺寸。
所述金刚石具有大于2.0毫米的最大尺寸。
所述金刚石具有大于约8mm3的体积。
所述粘合剂可构成所述熔渗金刚石主体的体积的约20％与约45％之间。
根据本发明的另一方案，提供了一种形成耐磨工具的方法，包括：通过遍及硬微粒材料散布多个金刚石颗粒而制备基体；将所述基体成形至期望形状；以及用粘合剂材料熔渗所述基体，其中所述粘合剂材料将所述基体的所述硬微粒材料和所述金刚石颗粒固定在一起以形成熔渗金刚石主体，以及其中在固体化所述熔渗金刚石主体之后，所述金刚石颗粒构成所述熔渗金刚石主体的以体积计的最大组成部分，并且所述金刚石颗粒构成所述熔渗金刚石主体的体积的约35％到约75％之间，其中所述金刚石颗粒基本上均质地遍及所述熔渗金刚石主体，以及其中所述金刚石颗粒构造为提供所述熔渗金刚石主体的抗磨损和抗腐蚀的主要防御。
所述金刚石颗粒包括人造金刚石晶体。
将所述基体成形包括将所述基体置于模具内。
本发明还提供了一种耐磨钻井工具，包括：主体，其具有第一端和第二端，所述主体的所述第一端包括螺纹接头；和固定至所述主体的固体化的熔渗金刚石主体，所述固体化的熔渗金刚石主体包括基体，所述基体包括硬微粒材料、金刚石和粘合剂；其中所述金刚石构成所述固体化的熔渗金刚石主体的体积的约35％至约75％之间，其中所述粘合剂将所述基体的所述硬微粒材料和所述金刚石颗粒固定在一起，且被构造来防止钻井期间腐蚀所述固体化的熔渗金刚石主体，其中，所述金刚石构成所述固体化的熔渗金刚石主体的以体积计的最大组成部分，以及其中所述金刚石基本上均质地遍及所述固体化的熔渗金刚石主体，并且其中所述金刚石构造为提供所述固体化的熔渗金刚石主体的抗磨损和抗腐蚀的主要防御。
其中所述金刚石包括人造金刚石颗粒。
所述固体化的熔渗金刚石主体包括耐磨垫。
所述固体化的熔渗金刚石主体包括钻头的钻头体，且所述主体包括柄部。
本发明的钻井工具还包括固定至所述钻头体的多个多晶金刚石切割器。
所述固体化的熔渗金刚石主体包括至少部分绕所述主体固定的衬底。
所述金刚石构成所述固体化的熔渗金刚石主体的体积的约50％。
本发明的示例性实施方式的其他特征和优点将在下文的描述中阐述，且部分将从所述描述显而易见，或可通过实践这种示例性实施方式而研习。可借助于尤其在随附权利要求书中指出的仪器和组合来实现和获得这种实施方式的特征和优点。这些特征和其它特征将从下文的描述和随附权利要求书变得更加清楚，或可通过实践如下文中所阐述的这种示例性实施方式而研习这些特征和其它特征。
附图说明
为了描述可获得本发明的上文陈述的优点和特征以及其它优点和特征的方法，将通过参考附图中示出的本发明的具体实施方案而呈现上文简要描述的本发明的更特定描述。应理解，这些图仅描绘本发明的典型实施方案，且因此不被视作限制其范围，将通过使用附图而以附加的特定性和细节来描述和解释本发明，其中：
图1示出根据本发明的一实施方式的熔渗金刚石主体的横截面图；
图2示出根据本发明的一个或多个实施方式的包括熔渗金刚石主体的扩孔锥；
图3示出根据本发明的一个或多个实施方式的将熔渗金刚石主体作为衬底附接至工具的横截面图；
图4示出根据本发明的一个或多个实施方式的包括熔渗金刚石主体的多晶金刚石(“PCD”)岩芯钻头；
图5示出根据本发明的一个或多个实施方式的包括熔渗金刚石主体的PCD旋转钻头；
图6示出根据本发明的一实施方式的具有钻井工具(其具有熔渗人造金刚石主体)的钻井系统；和
图7是根据本发明的一实施方式的形成具有熔渗人造金刚石主体的工具的方法中的动作和步骤的图。
具体实施方式
本发明的实施方式主要探讨包括从熔渗金刚石形成的主体或衬底的工具、系统、方法。特定而言，本发明的一个或多个实施方式包括主体，所述主体包括熔渗金刚石与粘合剂。熔渗金刚石可对主体提供胜过钢和碳化钨主体的增加的耐磨性。另外，熔渗金刚石可对主体提供相对于碳化钨和其它金属陶瓷主体而言增加的延展性。此外，熔渗过程可允许多样的主体形状。
换句话说，本发明的一个或多个实施方式可用作为主要耐磨材料的熔渗金刚石代替耐磨衬底或表面硬化的制造中使用的碳化钨粉末或其它金属陶瓷。人造金刚石可提供具有莫氏硬度为10的显著优点，其比下一个最硬金属陶瓷在绝对硬度上增加5倍。此外，一个或多个实施方式使用熔渗金刚石以建立几乎任何形状的主体或衬底。因此，本发明的一个或多个实施方式可代替以金属陶瓷无法制成的或对于冲撞负荷不具有足够延展性的形状使用的硬钢体。此外，粘合剂可被调节以实现对于特定应用所需的延展性。除前述之外，使用高金刚石浓度可排除对于手动装嵌耐磨元件的需要。
特定而言，一个或多个实施方式包括熔渗金刚石主体。熔渗金刚石主体可包括金刚石颗粒。金刚石颗粒可包括一个或多个天然金刚石、人造金刚石、多晶金刚石产物(即，TSD或PCD)等等。金刚石颗粒可构成熔渗金刚石主体的从约10％至约95％体积范围内的任何体积。在一个或多个实施方式中，金刚石颗粒可构成熔渗金刚石主体以体积计主要组成部分，以及因此熔渗金刚石主体的抗磨损和抗腐蚀的主要防御。
一个或多个实施方式的熔渗金刚石主体可形成任何数量的不同工具(尤其是需要耐磨性的工具)的至少一部分。例如，熔渗金刚石主体可以是用于切割或另外与石头、地下矿物岩层、陶瓷、沥青、混凝土和其它硬质材料面接的工具的部分。这些工具可包括(例如)钻井工具，如岩芯取样钻头、刮刀式钻头、牙轮钻头、金刚石线、研磨杯、金刚石刀片、勾灰刀、开槽片、扩孔锥、稳定器、钻杆、耐磨条和衬垫等。例如，钻井工具可以是任何类型的钻探钻头(即，岩芯取样钻头、刮刀钻头、牙轮钻头、导航钻、全孔钻、开孔器、扩孔器等等)等等。下文中包括的图和对应文字说明了包括熔渗金刚石主体的钻井工具的实例，和形成并使用这种工具的方法。这是为了易于描述而这样做。然而应了解，按照本文中的公开，本发明的系统、方法和装置可与其它工具一起使用。
例如，本发明的实施方式可用于形成需要高耐磨性的任何类型的工具。这种工具可包括采矿、建筑、农业、医疗(例如，髋关节或其它替代品)和其他工业工具，模子和量具。另外，熔渗金刚石主体可使用于磨损和冲撞应用中，如撞击式钻头、潜孔锤和潜孔钻、声波钻头等等。在一个或多个实施方式中，熔渗金刚石主体可代替碳化钨表面硬化。因此，应了解，按照本文中的公开，熔渗金刚石主体可形成推土机铲刀、平地机铲刀、机器底盘件、铲斗齿、平地机刮刀、铲斗衬板、搅拌机叶片、耐磨板、穿隧工具、螺旋钻、模塑螺钉边缘、粉碎机碾磨刮刀、稳定器、破碎锤、疏浚钻头齿、切割齿、农耕工具的耐磨部件、进给螺丝、挤压模子、螺钉或其它工具或机器的部分或附接至这些工具或机器。
现在参考图，图1示出根据本发明的一个或多个实施方式的熔渗金刚石主体100的横截面图。如图1中所示，熔渗金刚石主体100可包括由粘合剂104保持在一起的金刚石102。应了解，按照本文中的公开，金刚石102可代替粉末金属或合金，如许多常规工具中使用的碳化钨。或者，熔渗金刚石主体100可代替常规工具中的钢体或组件。在还有其它实施方式中，熔渗金刚石主体100可代替碳化钨表面硬化。
金刚石102可包括一个或多个天然金刚石、人造金刚石、多晶金刚石产物(即，TSD或PCD)等等。金刚石102可包括如下文中更详细解释的许多大小、形状、纹理、品质、粒度、浓度等等。在任何情况下，金刚石102可构成熔渗金刚石主体100的体积的至少10％。例如，金刚石102可构成熔渗金刚石主体100的介于约25％与约95％之间的体积。在一个或多个实施方式中，金刚石102可构成熔渗金刚石主体100的主要组成部分。换句话说，金刚石102的体积百分比可大于熔渗金刚石主体100的任何另一个个别组成部分(粘合剂104，硬微粒材料等等)的体积百分比。因此，金刚石102可形成熔渗金刚石主体100的抗磨损和抗腐蚀的主要防御。
更明确而言，在一个或多个实施方式中，金刚石102可构成熔渗金刚石主体100的体积的约30％至90％。在其它实施方式中，金刚石102可构成熔渗金刚石主体100的体积的约35％至75％。在还有其它实施方式中，金刚石102可构成熔渗金刚石主体100的体积约10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％或90％。除非本文中另外指示，否则本文中叙述的值的范围仅仅意在充当单独引用落入范围内的每个单独值的简写方法，且每个单独值并入说明书中，就如其单独在本文中所叙述。
在一个或多个实施方式中，可遍及熔渗金刚石主体100均质地散布金刚石102。然而在替代实施方式中，金刚石102的浓度可按需要遍及熔渗金刚石主体100而变化。确实，如下文所解释，金刚石102的浓度可取决于熔渗金刚石主体100的期望特性而变化。例如，较大浓度的金刚石102可被置于熔渗金刚石主体100的尤其易受磨损的部分中，如外表面。可取决于熔渗金刚石主体100的期望成本和性能而以多种组合提供金刚石102的大小、密度和形状。例如，熔渗金刚石主体100可包括区段、条带、点、环或含有与熔渗金刚石主体100的其它部分不同的金刚石浓度或混合物的任何其它形式。例如，熔渗金刚石主体100的外部可含有第一金刚石102浓度，且金刚石102浓度可朝熔渗金刚石主体100的内部逐渐减小或增大。
在一个或多个实施方式中，金刚石102包括颗粒，如天然金刚石晶体或人造金刚石晶体。因此金刚石102可能相对较小。特定而言，在一个或多个实施方式中，金刚石102具有小于约2毫米的最大尺寸，或更优选地介于约0.01毫米与约1.0毫米之间。另外或可选地，具有小于约0.001mm3与约8mm3之间的体积。在替代实施方式中，金刚石102可具有大于约2毫米的最大尺寸和/或大于约8mm3的体积。
在一个或多个实施方式中，金刚石102可包括一个或多个材料的涂层。涂层可包括金属、陶瓷、聚合物、玻璃、其它材料或其组合物。例如，可用金属涂布金刚石102，如铁、钛、镍、铜、钼、铅、钨、铝、铬或其组合物或合金。在其它实施方式中，可用陶瓷材料涂布金刚石102，如SiC、SiO、SiO2等。
涂层可覆盖金刚石102的所有表面，或仅其一部分。另外，涂层可以是任何期望厚度。例如，在一个或多个实施方式中，涂层可具有约1微米至约20微米的厚度。涂层可通过喷涂，刷涂，电镀，浸渍，气相沉积，或化学气相沉积而施加至金刚石102。涂层可帮助将金刚石102粘结至粘合剂或硬微粒材料。更进一步地，或可选地，涂层可增加或另外修改金刚石102的耐磨属性。
在另外其它实施方式中，熔渗金刚石主体100也可以包括除金刚石102之外的传统硬微粒材料。例如，熔渗金刚石主体100可包括粉末材料，如(例如)粉末金属或合金，以及陶瓷复合物。根据本发明的一个或多个实施方式，硬微粒材料可包括碳化钨。如本文中所使用，术语“碳化钨”意味着含有钨和碳的化学化合物(如(例如)WC、W2C以及WC和W2C的组合)的任何材料成分。因此，碳化钨包括(例如)铸造碳化钨、烧结碳化钨和粗晶钨。根据本发明的附加或替代实施方式，硬微粒材料可包括碳化物、钨、铁、钴和/或钼，和碳化物、硼化物、其合金或任何其它适当材料。
应了解，按照本文中的公开，熔渗金刚石主体100的各个组成部分的量可取决于期望属性而变化。在一个或多个实施方式中，硬微粒材料可构成熔渗金刚石主体100的体积的约0％至约55％。更特定而言，硬微粒材料可构成熔渗金刚石主体100的体积的约25％至约60％。
如前文所提及，可用粘合剂104熔渗金刚石102(和硬微粒材料(如果包括))。在一个或多个实施方式中，粘合剂材料可以是铜基熔渗剂。粘合剂104可用于使金刚石颗粒或晶体粘合或保持在一起。粘合剂可被调节来对熔渗金刚石主体100提供可增加熔渗金刚石主体100的使用寿命和/或耐磨性的若干不同特性。例如，熔渗金刚石主体100中的粘合剂的成分或量可被控制来改变熔渗金刚石主体100的延展性。以这种方式，熔渗金刚石主体100可被定制设计以对于特定材料或用途而具有最佳特性。
粘合剂可构成熔渗金刚石主体100的体积的约5％至约75％。更特定而言，粘合剂可构成熔渗金刚石主体100的体积的约20％与约45％。例如，本发明的一个或多个实施方式的粘合剂104可包括占重量的约20％至约45％的铜，占重量的约0％至约5％的镍，占重量的约0％至约20％的银，占重量的约0％至约0.2％的硅，和占重量的约0％至约21％的锌。可选地，粘合剂104可包括高强度、高硬度粘合剂，如美国专利申请序号13/280,977中公开的粘合剂，其全部内容以引用的方式并入本文中。在一个或多个实施方式中，这种高强度、高硬度粘合剂可允许更小的金刚石体积百分比，同时仍维持耐磨性增加。
本发明的一个或多个实施方式被构造来提供具耐磨性的工具。特定而言，在一个或多个实施方式中，这种工具被构造成还抗磨损破裂和抗腐蚀。例如，在一个或多个实施方式中，粘合剂被构造来防止在钻井期间腐蚀熔渗金刚石主体。应了解，按照本文的公开，这与被构造来在钻井过程中腐蚀以暴露新的金刚石的孕镶工具形成对比。
如前文所提及，根据本发明的一个或多个实施方式的熔渗金刚石主体100可形成各种不同工具的至少一部分。例如，图2示出可包括一个或多个熔渗金刚石主体100的扩孔器200。扩孔器200还可以包括具有第一端208的第一部分或柄部204，所述第一端208被构造来将扩孔器200连接至钻柱的组成部分。例如，第一端208可包括用于与另一钻柱组成部分耦接的母螺纹接头。扩孔器200的相对端或第二端206也可以被构造来将扩孔器200连接至钻柱的组成部分。如由图2所示，第二端206可包括公螺纹接头。
通过举例且非限制的方式，可从钢、另一铁基合金或展现可接受物理属性的任何其它材料形成柄部204。如图2中所示，扩孔器200是由内表面210和外表面212界定的大致环形形状。因此，扩孔器200可界定绕其中心轴的内部空间以接收岩芯样本或允许流体从那里经过。因而，所钻的材料片可经过扩孔器200的内部空间且向上通过附接的钻柱。扩孔器200可以是任何大小，且因此可用于收集任何大小的岩芯样本。虽然扩孔器200可具有任何直径且可用于移除和收集具有任何期望直径的岩芯样本，但是在一些实施方式中扩孔器200的直径范围可从约1英寸至约12英寸。
如由图2所示，在一个或多个实施方式中，扩孔器200可包括由通道分隔的突起衬垫202。突起衬垫202可包括如上文描述的熔渗金刚石主体100。在一个或多个实施方式中，衬垫202可具有螺旋构造。换句话说，衬垫202可沿着柄部204轴向延伸以及绕柄部204径向延伸。衬垫202的螺旋构造可提供与钻孔增加的接触、增加的稳定性和减少振动。在替代实施方式中，衬垫202可具有代替螺线构造的线性构造。在这种实施方式中，衬垫202可沿着柄部204轴向延伸。此外，在一个或多个实施方式中，衬垫202可包括锥形前缘以帮助将扩孔器200从钻孔向下移动。
在至少一个实施方式中，扩孔器200可能不包括衬垫202。例如，扩孔器200可包括从熔渗金刚石主体100而非衬垫形成的凿子。凿子可包括多个条带。凿子可减少扩孔器200在钻孔上的接触，从而减少拖曳。此外，凿子可提供水流增加，且因此可能尤其适于更软的岩层。
除了包括主体(如衬垫202)之外，熔渗金刚石主体100可被构造为内衬或涂布工具的各种特征的衬底。例如，在一个或多个实施方式中，扩孔器200的柄部204可包括从熔渗金刚石主体100形成的外部衬底或层。例如，图3示出构造为衬底的熔渗金刚石主体100a。熔渗金刚石主体或衬底100a可包括如上文描述的金刚石102、粘合剂104和任选的硬微粒材料。熔渗金刚石主体或衬底100a可附接至扩孔器200的柄部204以增加柄部204的耐磨性。例如，柄部204可包括钢或另一适当材料，且熔渗金刚石主体或衬底100a可被钎焊或焊接至柄部204。可选地或另外地，熔渗金刚石主体或衬底100a可机械固定至柄部204。图3示出固定至扩孔器柄部204的熔渗金刚石主体或衬底100a。应了解，按照本文中的公开，熔渗金刚石主体或衬底100a可固定至上文描述的工具的任何部分以增加其耐磨性。
应了解，按照本文中的公开，扩孔器200仅是可与本发明的熔渗金刚石主体100使用的一种工具。例如，图4示出包括一个或多个熔渗金刚石主体100、100a的钻头400。类似于扩孔器200，钻头400可包括柄部404，其具有被构造来连接至钻柱的组成部分的第一端408。另外，钻头400可具有由内表面410和外表面412界定的大致环形形状。可选地，钻头400可以不构造为岩芯钻头，且因此不具有环形形状。
齿冠402可包括如上文描述的熔渗金刚石主体100。此外，齿冠402可包括多个切割器414。因此，形成齿冠402的熔渗金刚石主体可被构造来保持切割器414。切割器414可使用粘合剂、钎料或焊料而被钎焊或焊接至齿冠402。切割器414可包括一个或多个天然金刚石、人造金刚石、多晶金刚石产物(即，TSD或PCD)，氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方氮化硼、矾土、加晶种或不加晶种的溶胶-凝胶氧化铝或其它适当材料。在所示出的实施方式中，切割器414包括PCD。切割器414可被构造来在钻井过程中切割或钻入期望材料。类似于扩孔锥200的柄部204，在一个或多个实施方式中，柄部404可具有固定至其的熔渗金刚石主体或衬底100a以增加其耐磨性。
关于图2和图4所示和所描述的钻井工具已对钻井工具取芯。应了解，本发明的金刚石熔渗主体可用于形成其它非取芯钻井工具或非钻井工具，如上文所描述。例如，图5示出包括一个或多个熔渗金刚石主体的刮刀钻头500。特定而言，图5示出从熔渗金刚石主体形成的多个叶片502和钻头体503。每个叶片502可包括一个或多个PCD切割器514或钎焊或焊接至叶片514的其它切割器。刮刀钻头500还可以包括类似于上文描述的部位的柄部504和第一端508。应了解，图4和图5中所示的齿冠402和叶片502由于由用于形成其的金刚石熔渗主体提供的耐磨性增加而可具有增加的钻井寿命。这可允许在需要更换钻头400、500之前多次用钻机代替切割器414、514。
如由图5所示，熔渗金刚石主体可允许建立用其它更传统的钻头体成分可能难以建立的具有各种特征的钻头体503和叶片502。例如，图5示出熔渗金刚石钻头体503可包括用于喷嘴的孔516和叶片502。类似地，叶片502可包括凹部以用于在其内安装切割器514。
应了解，完全或部分从熔渗金刚石主体100、100a形成的工具(如200、400、500)可与需要或期望耐磨性的几乎任何类型的机器或系统一起使用。例如，如上文所提及，熔渗金刚石主体100、100a可完全或部分形成任何数量的工具，包括但不限于上文描述的工具。例如，图6以及对应文字示出或描述了一个这种钻井系统，本发明的工具可与其使用。然而应了解，图6中所示和所描述的钻井系统仅是包括本发明的熔渗金刚石主体的工具可与其使用的系统的一个实例。
明确而言，图6示出包括钻头602的钻井系统600。钻头602可耦接至桅杆604，其继而耦接至钻车606。钻头602可被构造来具有耦接至其的一个或多个钻柱组成部分608。钻柱组成部分608可包括(不限于)钻杆、套管、扩孔器和潜孔锤。钻柱组成部分608可继而被耦接至附加钻柱组成部分608以形成钻柱或工具串610。一个或多个钻柱组成部分608可包括一个或多个熔渗金刚石主体。例如，一个或多个钻柱组成部分608可包括完全或部分从熔渗金刚石主体100形成的一个或多个衬垫202。可选地或另外地，一个或多个钻柱组成部分608可包括围绕其外表面固定的熔渗金刚石衬底100a。在任何情况下都应了解，熔渗金刚石主体100、100a可增加钻柱组成部分608的耐磨性。
钻柱610可耦接至包括一个或多个熔渗金刚石主体100、100a的钻头612，如上文描述的钻头500和400。如先前提到，钻头612包括可被构造来与材料614或将被钻入的岩层面接的熔渗金刚石主体100、100a。
在至少一个实例中，图6中示出的钻头602可被构造来在钻井过程中旋转钻柱610。明确而言，钻井系统600可被构造来在钻井操作期间将大致纵向向下的力施加至钻柱610以促使钻头612或包括熔渗金刚石主体100、100a的其它工具进入岩层614中。例如，钻井系统600可包括链驱动总成，其被构造来相对于桅杆604移动滑橇总成，以将大致纵向的力施加至钻头600。
如本文中所使用，术语“纵向”意味着沿着钻柱610的长度。另外，如本文中所使用，术语“上”、“顶部”和“上方”以及“下”和“下方”指钻柱610上的纵向位置。术语“上”、“顶部”和“上方”指更靠近桅杆604的位置，且“下”和“下方”指更靠近钻头612的位置。
因此应了解，按照本文中的公开，可出于本领域中已知的各种目的而使用本发明的工具。例如，每个都包括一个或多个熔渗金刚石主体100、100a的一个或多个钻柱组成部分608和钻头600可附接至钻柱610的端部，其继而连接至钻机或钻车606。随着钻柱610和钻头600由钻机606旋转和推动，钻头600上的切割器414、514或钻头自身可磨掉正在被钻入的地下岩层614中的材料。包括熔渗金刚石主体100、100a的工具的耐磨性可持续更久且不常需要更换。
本发明的实施方式还包括形成包括熔渗金刚石主体的工具的方法。下文描述形成包括熔渗金刚石主体的工具的至少一个方法。当然，作为初步事项，本领域普通技术人员将认识到可修改详细解释的方法。例如，图7示出使用本发明的原理制造包括熔渗金刚石主体的工具的一个示例性方法的流程图。在下文参考图1至图6的组件和图而描述图7的动作。
作为初始事项，如本文中使用的术语“熔渗”涉及熔化粘合剂材料并导致熔融的粘合剂渗入且填充基体的空间或孔隙。在冷却时，粘合剂可凝固，将基体的颗粒粘合在一起。如本文中使用的术语“烧结”意味着结合凝结和邻近颗粒之间粘结而移除颗粒之间的至少一部分孔隙(其可伴随着缩水)。
例如，图7示出形成耐磨工具的方法，其包括制备基体的动作700。动作700可包括制备金刚石基体和硬微粒材料。例如，动作700可包括遍及硬微粒材料散布多个金刚石颗粒。更特定而言，动作700可涉及制备粉末材料的基体，如(例如)碳化钨，且在其内散布金刚石颗粒102。在附加实施方式中，基体可包括上文描述的一个或多个硬微粒材料或金刚石材料。另外，方法可涉及遍及基体随机或以无组织配置散布金刚石102。动作700可涉及遍及基体散布足够的金刚石102使得金刚石102构成基体的体积的至少25％。在附加实施方式中，基体包括介于约25％与95％之间的金刚石。
图7也示出可包括将基体成形至期望形状的动作710的方法。在本发明的一个或多个实施方式中，动作710可包括将基体置于模具中。可从能够承受热(基体将在加热过程中经受所述热)的材料形成模具。在至少一个实施方式中，可从碳形成模具。模具可被成形以形成具有期望特征的工具。在本发明的至少一个实施方式中，模具可对应于岩芯钻头，扩孔衬垫或其它工具。
图7也示出可包括用粘合剂熔渗金刚石基体的动作720的方法。动作720可涉及将粘合剂加热至熔融状态并用熔融的粘合剂熔渗金刚石基体。例如，在一些实施方式中，粘合剂可被置于接近金刚石基体，且金刚石基体和粘合剂可被加热至足以将粘合剂带至熔融状态的温度。此时熔融的粘合剂可熔渗金刚石基体。在一个或多个实施方式中，动作720可将金刚石基体和粘合剂加热至至少787°F的温度。
粘合剂可包括铜、锌、银、钼、镍、钴、锡、铁、铝、硅、锰、或其混合物和合金。粘合剂可冷却，从而粘结至金刚石102和硬微粒材料，从而将它们粘合在一起。根据本发明的一个或多个实施方式，可增加熔渗过程的时间和/或温度以允许粘合剂填充金刚石基体的更多和更大量的孔隙。这可同时减少烧结期间的缩水并增加所得工具的强度。
方法还可以包括冷却熔渗金刚石基体以形成熔渗金刚石主体110、100a的动作。方法还可以涉及将熔渗金刚石主体110、100a固定至工具或其的一部分。例如，方法可涉及将柄部204固定至熔渗金刚石主体110、100a。例如，方法可涉及将柄部204置于与金刚石基体接触。可接着添加附加基体、粘合剂材料和/或焊剂的背衬层并且置于与金刚石基体以及柄部204接触以完成绿色工具的初期制备。一旦已形成绿色工具，可将其置于熔炉中以从而巩固所述工具。其后，可按需要通过机械加工完成工具。
在金刚石基体的熔渗之前、之后或熔渗时，本发明的一个或多个方法可包括将金刚石基体烧结成期望密度。因为烧结涉及致密化和移除结构内的多孔性，所以正在被烧结的结构可在烧结过程中缩水。结构可在烧结期间经历介于1％与40％之间的线性缩水。结果，当在尚未完全烧结的结构中设计工具(模具，模子等等)或加工特征时可能需要考虑或解决尺寸缩水。
因而，本文中描述的图和方法提供可对于钻井或其它工具有效的许多独特产品。另外，这些产品由于相对较大的金刚石浓度而可具有增加的耐磨性。因此本发明可在未脱离其精神或基本特性的情况下以其它具体形式体现。例如，本发明的一个或多个实施方式的钻头可包括一个或多个封闭的流体槽，如2006年12月14日申请的标题为“CoreDrillBitwithExtendedCrownLongitudinaldimension”的美国专利申请第11/610,680号，现在的美国专利第7,628,228号中描述的封闭流体槽，其全部内容以引用的方式并入本文中。更进一步地，本发明的一个或多个实施方式的孕镶钻头可包括细长结构，如2011年8月24日申请的标题为“ImpregnatedDrillingToolsIncludingElongatedStructures”的美国专利申请第13/217,107号中描述的锥形水道，其全部内容以引用的方式并入本文中。所描述的实施方案在所有方面被认为仅是说明性且非限制性的。因此由随附权利要求书而不是前述描述来指示本发明的范围。落入权利要求的等效物的意义和范围内的所有变化涵盖在其范围内。

Claims (25)

1.一种被构造为耐磨损的工具，包括：
固体化的熔渗金刚石主体，包括基体和粘合剂，所述基体包括硬微粒材料和遍及所述硬微粒材料散布的多个金刚石颗粒，其中所述金刚石颗粒构成所述固体化的熔渗金刚石主体的体积的约35％到约75％之间，以及其中所述粘合剂将硬微粒材料和所述金刚石颗粒固定在一起，
其中所述金刚石颗粒构成所述固体化的熔渗金刚石主体的以体积计的最大组成部分，其中所述金刚石基本上均质地遍及所述固体化的熔渗金刚石主体，以及其中所述金刚石颗粒构造为提供所述固体化的熔渗金刚石主体的抗磨损和抗腐蚀的主要防御。
2.根据权利要求1所述的工具，其中所述金刚石颗粒包括人造金刚石晶体。
3.根据权利要求1所述的工具，其中所述硬微粒材料包括碳化钨。
4.根据权利要求1所述的工具，其中所述粘合剂包括铜基熔渗剂。
5.根据权利要求1所述的工具，其中所述金刚石颗粒构成所述固体化的熔渗金刚石主体的体积的约50％。
6.根据权利要求1所述的工具，其中所述固体化的熔渗金刚石主体包括衬底。
7.根据权利要求6所述的工具，其中所述固体化的熔渗金刚石主体至少部分围绕钢制工具固定。
8.根据权利要求1所述的工具，其中所述固体化的熔渗金刚石主体包括钻井工具。
9.根据权利要求8所述的工具，其中所述固体化的熔渗金刚石主体包括钻头的钻头体。
10.根据权利要求1所述的工具，其中所述固体化的熔渗金刚石主体包括耐磨垫。
11.根据权利要求10所述的工具，其中所述耐磨垫被定大小和被构造来固定至采矿、钻井或工业工具。
12.根据权利要求1所述的工具，其中所述金刚石具有介于约0.01毫米与约1.0毫米之间的最大尺寸。
13.根据权利要求1所述的工具，其中所述金刚石具有大于2.0毫米的最大尺寸。
14.根据权利要求13所述的工具，其中所述金刚石具有大于约8mm3的体积。
15.根据权利要求1所述的工具，其中所述粘合剂可构成所述熔渗金刚石主体的体积的约20％与约45％之间。
16.一种形成耐磨工具的方法，包括：
通过遍及硬微粒材料散布多个金刚石颗粒而制备基体；
将所述基体成形至期望形状；以及
用粘合剂材料熔渗所述基体，其中所述粘合剂材料将所述基体的所述硬微粒材料和所述金刚石颗粒固定在一起以形成熔渗金刚石主体，以及
其中在固体化所述熔渗金刚石主体之后，所述金刚石颗粒构成所述熔渗金刚石主体的以体积计的最大组成部分，并且所述金刚石颗粒构成所述熔渗金刚石主体的体积的约35％到约75％之间，其中所述金刚石颗粒基本上均质地遍及所述熔渗金刚石主体，以及其中所述金刚石颗粒构造为提供所述熔渗金刚石主体的抗磨损和抗腐蚀的主要防御。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述金刚石颗粒包括人造金刚石晶体。
18.根据权利要求16所述的方法，其中将所述基体成形包括将所述基体置于模具内。
19.一种耐磨钻井工具，包括：
主体，其具有第一端和第二端，所述主体的所述第一端包括螺纹接头；和
固定至所述主体的固体化的熔渗金刚石主体，所述固体化的熔渗金刚石主体包括基体，所述基体包括硬微粒材料、金刚石和粘合剂；其中所述金刚石构成所述固体化的熔渗金刚石主体的体积的约35％至约75％之间，其中所述粘合剂将所述基体的所述硬微粒材料和所述金刚石颗粒固定在一起，且被构造来防止钻井期间腐蚀所述固体化的熔渗金刚石主体，其中，所述金刚石构成所述固体化的熔渗金刚石主体的以体积计的最大组成部分，以及其中所述金刚石基本上均质地遍及所述固体化的熔渗金刚石主体，并且其中所述金刚石构造为提供所述固体化的熔渗金刚石主体的抗磨损和抗腐蚀的主要防御。
20.根据权利要求19所述的钻井工具，其中所述金刚石包括人造金刚石颗粒。
21.根据权利要求19所述的钻井工具，其中所述固体化的熔渗金刚石主体包括耐磨垫。
22.根据权利要求19所述的钻井工具，其中所述固体化的熔渗金刚石主体包括钻头的钻头体，且所述主体包括柄部。
23.根据权利要求22所述的钻井工具，还包括固定至所述钻头体的多个多晶金刚石切割器。
24.根据权利要求19所述的钻井工具，其中所述固体化的熔渗金刚石主体包括至少部分绕所述主体固定的衬底。
25.根据权利要求19所述的钻井工具，其中所述金刚石构成所述固体化的熔渗金刚石主体的体积的约50％。
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