CN106489017B - 钻地工具、用于钻地工具的切割元件及形成井筒的方法 - Google Patents

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Abstract

钻地工具包含切割元件，切割元件具有包含催化剂材料的多晶材料的第一体积和不含催化剂材料的第二体积。第一体积和第二体积之间的边界在包含切割元件的中心线和切割元件与待切割的地层的表面的预期接触点的横截面中是非线性的。在横截面中与边界相切的每条线与切割元件的中心线形成大于切割元件的接触后倾角的角度。在一些切割元件中，边界的一些部分可具有另一选定形状。一些切割元件具有边界，其中切线与切割元件的中心线形成大于20°的角度。本发明还公开了形成井筒的方法。

Description

钻地工具、用于钻地工具的切割元件及形成井筒的方法
优先权声明
本申请要求2014年7月11日提交的题为“CUTTING ELEMENTS COMPRISINGPARTIALLY LEACHED POLYCRYSTALLINE MATERIAL,TOOLS COMPRISING SUCH CUTTINGELEMENTS,AND METHODS OF FORMING WELLBORES USING SUCH CUTTING ELEMENTS(包括部分浸出的多晶材料的切割元件、包括这种切割元件的工具，以及使用这种切割元件形成井筒的方法)”的美国专利申请第14/329,380号的申请日的优先权，其公开内容在此通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的实施例总体上涉及用于钻地工具的切割元件。更具体地，所公开的实施例涉及在用于钻地工具的切割元件中使用的多晶超硬磨料材料，该多晶超硬磨料材料可以具有从其一个或多个选定区域去除的催化剂材料。
背景技术
用于在地下地层中形成井筒的钻地工具可以包含固定到主体的切割元件。例如，固定切割器、钻地旋转钻头(也称为“刮刀钻头”)包含固定地附接到钻头主体的切割元件。牙轮钻地旋转钻头包含安装在轴承销上的锥体，该轴承销从主体的腿延伸，使得每个锥体能够围绕安装在其上的轴承销旋转。切割元件可以安装到钻头的每个锥体。
在这种钻地工具中使用的切割元件通常是多晶金刚石复合片(通常称为“PDC”)切割元件也称为“切割器”。PDC切割元件包含多晶金刚石(PCD)材料，其可以表征为超硬磨料或超硬材料。通过在高温和高压的条件下在催化剂材料存在条件下将称为“颗粒”的小金刚石晶粒(例如金刚石晶体)烧结和结合在一起以形成多晶金刚石来形成这种多晶金刚石材料。多晶金刚石经常为盘形，也称为“金刚石台”。用于形成多晶金刚石的工艺通常称为高温/高压(“HTHP”)工艺。
PDC切割元件经常包含固定有多晶金刚石的基底。切割元件基底可以由陶瓷-金属复合材料(即金属陶瓷)形成，诸如钴-硬质碳化钨。在一些情况下，例如在HTHP烧结工艺期间，多晶金刚石台可以形成在基底上。在这种情况下，在烧结期间，可以在金刚石晶粒之间扫除切割元件基底中的钴或其他金属溶剂催化剂材料(例如，陶瓷-金属复合材料的金属基质)，并且用作用金刚石晶粒形成金刚石台的催化剂。在HTHP工艺中将晶粒烧结在一起之前，也可以将粉末状催化剂材料与金刚石晶粒混合。然而，在其他方法中，金刚石台可以与切割元件基底分开形成，并随后附接到其上。
为了减少与PDC切割元件中的金刚石晶体的热膨胀和化学分解的差异相关的问题，已经开发了“热稳定性”多晶金刚石复合片(其也被称为热稳定产品或“TSP”)。可以通过从金刚石台中的相互键合的晶粒之间的间隙空间中除去催化剂材料(例如，通过使用酸从金刚石台浸出催化剂材料)形成这种热稳定性多晶金刚石复合片。已经至少基本上完全浸出的金刚石台比未浸出的金刚石台相对更脆并且更易受剪切、压缩和拉伸应力损坏。此外，可能难以将完全浸出的金刚石台固定到支撑基底。为了提供具有金刚石台面的切割元件，所述金刚石台面相对于未浸出的金刚石台面更加热稳定，但是与完全浸出的金刚石台面相比更不易碎且不易受剪切、压缩和拉伸应力破坏，已提供了包含金刚石台的切割元件，其中催化剂材料仅从金刚石台的一部分或多个部分浸出。例如，已知将催化剂材料从切割面、从金刚石台的侧面或两者浸出到金刚石台内的期望深度，但不将所有催化剂材料从金刚石台中浸出。
图1为示出从其中浸出一些催化剂材料的切割元件10的简化横截面侧视图。切割元件10包含基底12和金刚石台13。金刚石台13包含未浸出部分14和浸出部分16，在未浸出部分14和浸出部分16之间具有边界18。金刚石台13可以具有倒角20和切割面22。界面18成形为大致对应于倒角20和切割面22的形状。为了形成图1的部分浸取的切割元件10，可以掩蔽金刚石台13和基底12的部分，并且可以将切割元件10放置在酸浴中，其中基底和与基底相邻的侧壁的一部分被掩蔽以防止浸出一部分侧壁和对基底12的酸损伤。
图2A至2C为示出切割元件10在用于切割地下地层之后如何出现的透视图。磨痕24(即，通过去除切割元件10的材料形成的表面)可以从金刚石台13的浸出部分16开始(图2A)开始出现在切割元件10的边缘。随着磨痕24变大，金刚石台面13的一些未浸出部分14可能变得暴露，被穿过其中的孔中的浸出部分16(图2B)包围。在额外磨损之后，金刚石台面13的未浸出部分14的暴露部分可以与未浸出部分14的暴露于切割元件10的侧表面下方的部分(图2C)合并。如图2C所示，浸出部分16的突出区域26可以在磨痕24内朝向彼此延伸，部分地限定未浸出部分14的凹室28。随着磨痕24增大，凹室28和突出区域26的形状可以显著变化，从而改变切割元件10的切割性能。在使用过程中，浸出部分16的表面可以通过未浸出部分14的新暴露部分彼此径向分离(即，在从切割元件10的中心线延伸的平面中)。
发明内容
在一些实施例中，钻地工具包含钻头体和固定到钻头体的切割元件。切割元件相对于待由钻头体切割的地层的表面呈现接触后倾角，并且包括多晶超硬磨料材料。多晶超硬磨料材料包括在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料的第一体积、在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上不含催化剂材料的第二体积，以及在多晶超硬磨料材料的第一体积和第二体积之间的边界。边界在包含切割元件的中心线和切割元件与待由钻地工具切割的地层的表面的预期接触点的横截面中是非线性的。在横截面中与边界相切的每条线与切割元件的中心线形成大于切割元件的接触后倾角的角度。
在某些实施例中，钻地工具包含钻头体和固定到钻头体的切割元件。切割元件相对于待由钻头体切割的地层的表面呈现接触后倾角，并且包括多晶超硬磨料材料。多晶超硬磨料材料包括在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料的第一体积、在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上不含催化剂材料的第二体积，以及在多晶超硬磨料材料的第一体积和第二体积之间的边界。边界包括第一区域和第二区域。第一区域包含在横截面中的切割元件的中心线的第一径向距离内的边界的一部分，横截面包含切割元件的中心线和切割元件与待由钻地工具切割的地层的表面的预期接触点。第二区域包含在横截面中在踞离切割元件的中心线的第一径向距离和距离切割元件的中心线的第二径向距离之间的边界的一部分。第二径向距离对应于切割元件的外表面，并且第一径向距离是第二径向距离的至少50％。在第二区域中在横截面中与边界相切的每条线与切割元件的中心线形成大于切割元件的接触后倾角的角度。
在其他实施例中，用于钻地工具的切割元件包含基底和固定到基底的多晶超硬磨料材料。多晶超硬磨料材料包括在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料的第一体积、在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上不含催化剂材料的第二体积，以及在所述多晶超硬磨料材料的第一体积和第二体积之间的边界。边界在包含切割元件的中心线和切割元件与待由切割元件切割的地层的表面的预期接触点的横截面中是非线性的。在横截面中与边界相切的每条线与中心线形成大于20°的角度。
形成井筒的方法可包含使钻地工具与地下地层的表面接触。钻地工具包括钻头体和固定到钻头体的至少一个切割元件。该至少一个切割元件包括多晶超硬磨料材料，其包括在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料的第一体积和在多晶超硬磨料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上不含催化剂材料的第二体积。第二体积的表面至少部分地围绕切割元件暴露。该方法还包括通过与地下地层的表面接触从第二体积中去除多晶超硬磨料材料的至少一部分，并且去除与第二体积相邻并与其接触的第一体积的一部分，而不使得第二体积的一部分与第二体积的其余部分径向不连续。
形成井筒的其他方法可包含使钻地工具与地下地层的表面接触。钻地工具包括钻头体和固定到钻头体的切割元件。切割元件包括多晶超硬磨料材料，其包括在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料的第一体积和在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上不含催化剂材料的第二体积。第二体积的表面至少部分地围绕切割元件暴露。该方法还包括去除第二体积的一部分，并且去除第一体积的一部分，而不通过在第二体积中形成的孔暴露第一体积。
附图说明
尽管说明书以特别指出并清楚地要求保护被认为是本公开的实施例的权利要求结束，但是当结合附图阅读时，可以从本公开的示例实施例的以下描述更容易地确定本公开的实施例的各种特征和优点，其中：
图1为示出常规切割元件的简化横截面侧视图；
图2A至2C为示出图1的切割元件在用于切割地下地层之后如何出现的透视图；
图3为示出切割元件的简化俯视图；
图4为示出根据本公开的切割元件的实施例的简化横截面侧视图；
图5A是图4的切割元件的另一视图，其示出了切割元件如何接合地下地层；
图5B为示出沿图5A所示的取向的切割元件的一部分的放大图；
图6是具有如图4所示的切割元件的钻地工具；
图7A至7C为示出图4的切割元件在用于切割地下地层之后如何出现的透视图；以及
图8至11为示出根据本公开的切割元件的其他实施例的简化横截面侧视图。
具体实施方式
在本公开中呈现的图示并不意味着是任何特定钻地工具、切割元件、多晶超硬磨料材料或其部件的实际视图，而仅仅是用于描述示例性实施例的理想化表示。因此，附图不一定按比例绘制。另外，附图之间共同的元件可以保持相同的数字标记。
公开的实施例总体上涉及具有多晶超硬磨料材料的切割元件，其具有从选定体积的多晶超硬磨料材料中去除的催化剂材料。更具体地，选择性地除去催化剂材料，例如但不限于酸浸提，使得在切割元件的磨损期间，多晶超硬磨料材料磨损，而不通过在无催化剂的多晶材料中形成的孔暴露含有催化剂的多晶材料。也就是说，形成的磨痕不会暴露含催化剂的多晶材料的径向不连续部分。几何形状的实施例的示例在附图中示出，并在下面更详细地描述。这种切割元件可以显示出改善的抗多晶材料剥落的能力，以及比具有常规浸出型材的超硬磨料切割元件更有利的耐磨性能。
在本公开中使用的术语“钻地工具”和“钻地钻头”是指并且包含用于在地下地层中的井筒的形成或扩大期间用于钻探的任何类型的钻头或工具，包含例如固定切割器钻头、牙轮钻头、冲击钻头、取芯钻头、偏心钻头、双中心钻头、铰刀、铣刀、刮刀钻头、混合钻头以及本领域已知的其他钻头和工具。
如本公开中所使用的，术语“超硬磨料材料”是指并且包含努氏硬度值为约3,000Kgf/mm2(29,420MPa)或更高的任何材料。超硬磨料材料包含例如金刚石和立方氮化硼。超硬磨料材料也可以被表征为“超硬”材料。
如本公开中所使用的，术语“多晶材料”是指并且包含包括通过晶间键直接结合在一起的材料的晶粒(即，晶体)的任何材料。材料的单个晶粒的晶体结构可以在多晶材料内的空间中随机取向。
如本公开中所使用的，术语“晶间键”和“相互键合”是指并且包含在超硬磨料材料的相邻晶粒中的原子之间的任何直接原子键(例如，共价键、离子键、金属键等)。
本公开中使用的术语“烧结”是指温度驱动的质量传递，其可以包含颗粒组分的致密化和/或聚结，并且通常涉及与相邻颗粒之间的聚结和结合相结合，除去起始颗粒之间的至少一部分孔隙(伴随有收缩)。
如本文所用，术语“催化剂”和“催化剂材料”是指在制造多晶材料(例如，金刚石)的HTHP工艺期间能够在金刚石砂粒或粉末中催化形成晶间金刚石至金刚石键的任何材料。例如，催化剂材料包含元素周期表第8、9和10族的元素，诸如钴、铁、镍及其合金和混合物，即使当其与其他非催化材料合金化或混合时也属于催化剂材料。
如本公开中所使用的，术语“碳化钨”是指含有钨和碳的化合物(诸如WC、W2C，以及WC和W2C的组合)的任何材料组合物。碳化钨包含例如铸造碳化钨、烧结碳化钨和粗晶碳化钨。
如本公开中所使用的，术语“至少基本上不含催化剂材料”、“不含催化剂材料”和“不含催化剂”是指已经将催化剂材料除去至工业纯度。例如，一定体积的材料可以至少基本上不含催化剂材料，即使残留的催化剂材料可以附着到该体积中的其他材料(例如，超硬磨料多晶材料的相互键合的晶粒的表面)，并且分离体积的催化剂材料可以保留在通过浸出难以接近的间隙空间中(例如，因为它们被超硬磨料多晶材料的相互键合的晶粒封闭，并且不连接到相互键合的晶粒之间的其他连续的、开放的间隙空间网络)。
如本文所使用的，术语“接触后倾角”是指切割元件的切割面的主平面部分相对于垂直于待由切割元件的切割面接合的地层的表面的预期接触点的线的角度。如果切割元件没有平面部分，则后倾角度意味着垂直于切割中心线的平面相对于垂直于由切割元件的切割面接合的地层的表面的线的角度。如果切割元件构造成具有与地层的表面接触的较小平面部分，则后倾角度是指较小平面部分相对于垂直于由切割元件的切割面接合的地层的表面的线的角度。
如本文所使用的，术语“临界破坏”是指金刚石工作表面的累积碎屑、剥落或材料去除，其超过从外径切割边缘测量的朝向切割器的重心的径向距离的20％。例如，图3示出了切割表面30和外径切割边缘32。从外径切割边缘32向内的距离34限定边界36，可认为在边界36内发生了临界破坏。也就是说，如果切割表面30的累积碎屑、剥落或材料去除从边界36内去除了材料，则累积碎屑、剥落或材料去除构成“临界破坏”。
图4为示出根据本公开的切割元件110的实施例的简化横截面侧视图。切割元件110包含基底112和多晶台113。多晶台113可以是金刚石或另一种多晶超硬磨料材料。多晶台113包含在多晶材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料的第一体积114、至少基本上不含催化剂材料的第二体积116，并且在第一体积114和第二体积116之间具有连续非平面边界118。如本文所使用的，关于边界118的术语“连续”是指并且包含在标准光学或SEM(扫描式电子显微镜)显微图像视野中由肉眼观察到的在感兴趣区域内没有尖锐拐角或边缘的边界118，其中大部分感兴趣的区域在视野中。多晶台113可以具有一个或多个倒角120和切割面122。尽管切割面122被示出为平面的，但切割面122可以具有任何适当的形状。例如，切割面可以具有如2011年10月27日公布的题为“Cutting Elements forEarth-Boring Tools,Earth-Boring Tools Including Such Cutting Elements andRelated Methods(用于钻地工具的切割元件、包括这种切割元件的钻地工具以及相关方法)”的美国专利申请公开第2011/0259642号；2013年3月21日公布的题为“CuttingElements for Earth-Boring Tools,Earth-Boring Tools Including Such CuttingElements and Related Methods”的美国专利申请公开第2013/0068534号；2013年3月21日公开的题为“Cutting Elements for Earth-Boring Tools,Earth-Boring ToolsIncluding Such Cutting Elements and Related Methods”的美国专利申请公开第2013/0068537号；或2013年3月21日公开的题为“Cutting Elements for Earth-Boring Tools,Earth-Boring Tools Including Such Cutting Elements and Related Methods”的美国专利申请公开第2013/0068538号中描述的形状，其每个的全部公开内容通过引用整体并入本文。
第二体积116可以具有与切割元件110大致相同的厚度。例如，第二体积116可以具有在切割元件110的中心线130附近测量的厚度t1，约25μm至约750μm，诸如约100μm至约500μm。厚度t1可以是例如多晶台113的厚度的约1％至约60％。在一些实施例中，第二体积116可以在切割元件110的边缘处具有与切割元件110的主体内的厚度t1不同的厚度t2。例如，第二体积116可以在切割元件的边缘处具有从约200μm至约1,000μm的厚度t2，诸如从约300μm至约500μm。厚度t2可以是例如多晶台113的厚度的约2％至约80％。
图5A是图4的切割元件110的另一视图，其示出了切割元件110如何接合地下地层134。如图5A所示，边界118限定基本上与边界118相切的多个平面，并且每个切平面可以与切割元件110的中心线130形成大于切割元件110的接触后倾角的角度。边界118的切平面也可以形成大于由预期在钻探操作期间形成的磨痕和切割元件110的中心线130所限定的角度的角度，如下面进一步详细讨论并在图7A至7C中所示。切割元件110可以用于从地下地层134的表面132去除材料。由中心线130与地下地层134的表面132的相交形成的角136在本领域中可以被称为接触后倾角。接触后倾角136可取决于固定切割元件110的钻头的类型、切割元件110在钻头上的位置、待切割的地层134的类型或其他因素。钻头的典型接触后倾角可以变化高达约40°，诸如从约10°至约50°。在一些实施例中，接触后倾角可以是负的。
图5B是切割元件110在图5A所示的取向中的一部分的放大图。图5A和5B中的线138和140是在与边界118相切的两个平面中的每一个中平行于图5A和5B的视图平面的线。也就是说，线138和140分别在包含切割元件110的中心线130和切割元件110与地层134的表面132的预期接触点的横截面(图4、5A和5B的视图平面)中的点139和141处与边界118相切。类似的线可以在沿着与其他切线和平面对应的边界118的任何点处绘制。线138和140分别以角度142和144与切割元件110的中心线130相交。角度142和144各自大于切割元件110的接触后倾角136且小于或等于90°。第一体积114和第二体积116之间的边界118可以成形为使得任何切平面以大于接触后倾角136且小于或等于90°的角度与切割元件110的中心线130相交。
第一体积114和第二体积116之间的边界118通常可以具有至少部分地由多晶台113的微结构限定的粗糙度。细粒化和均匀的材料可以显示更光滑或更均匀的边界，并且粗粒材料可以显示更粗糙的边界。边界118的一些不规则性也可归因于多晶台113的各个区域中的不同粒径。
边界118可以成形为使得其一部分形成大致截头圆锥形状(即，锥体的一部分，其尖端已被平行于锥体底部的平面截断)。如图4所示，边界118与切割元件110的外壁相邻的部分可以是截头圆锥形的，并且切割元件110的中心的边界118的部分可以是基本上平面的，尽管已知多晶台和基底之间非平面、非均匀且高度不规则的边界。截头圆锥形状可以具有与切割元件110的中心线130对应的旋转轴线。边界118的截头圆锥形和平面部分之间的界面可以是圆角或其他弓形的，使得边界118在切割元件110内没有不连续或尖锐的边缘。虽然在图4中理想化为大致截头圆锥形状，但由于生产中的变化(例如，颗粒尺寸的差异，温度、浓度或浸出剂的流量的差异等)，边界118可能在切割元件110周围不均匀。
图4所示的边界118大致对应于倒角120和切割面122的形状。因此，边界118朝向切割元件110的中心总体上是平的，并且在与倒角120大致相同的径向距离处向下倾斜(在图4的定向中)。边界118可以缺少拐角和拐点，使得由边界118和中心线130限定的切平面之间的交点都在边界118的单侧上-边界118与第二体积116相邻的侧边上。在其他实施例中，如图8和9所示，并如下所讨论，由边界118和中心线130限定的切平面之间的交点可以在边界118与第一体积114相邻的侧边上。
图4所示的边界118可以被限定为包含第一区域126(如果切割元件110是圆柱形，其可以是内部区域)和第二区域128(如果切割元件110是圆柱形，其可以是外部区域)。第一区域126可以被限定为在切割元件110的中心线130的第一径向距离x内的边界的一部分(例如，如果切割元件110是圆柱形的，则其是旋转轴线)，并且第二区域可以被限定作为在距离切割元件110的中心线130的第一径向距离x和切割元件110的侧向外表面之间的边界118的一部分。第一径向距离x可以是切割元件的半径的至少50％，诸如切割元件的半径的至少75％、至少90％，或甚至至少95％。切割元件的半径与第一径向距离x之间的差可以至少是倒角120的径向宽度、倒角120的径向宽度的至少150％，或甚至是倒角120的径向宽度的至少200％。
在一些实施例中，第二体积116可以包含与切割元件110的周边表面相邻并沿着切割元件110的周边表面从切割元件110的工作表面(例如，倒角120和/或切割面122)延伸到边界118。这种环形体积在本领域中可以称为“环形浸出”。如上所述，第二区域128中的边界118部分限定与边界118相切的多个平面，其中每个切平面与切割元件的中心线130形成大于切割元件110的接触后倾角136的角度。在第一区域126中，边界118可以具有任何选定的形状。例如，边界118可以在第一区域126中具有波状形状，诸如在2014年4月8日提交的题为“Cutting Elements including Undulating Boundaries Between Catalyst-Containingand Catalyst-Free Regions of Polycrystalline Superabrasive Materials andRelated Earth-Boring Tools and Methods(包括在多晶超硬磨料材料的包含催化剂材料和不含催化剂材料区域之间的波状边界的切割元件，以及相关的钻地工具和方法)”的美国专利申请第14/248,068号所描述的，该专利申请通过引用整体并入本文。不受任何特定理论的束缚，靠近切割边缘的切平面的角度可能比靠近切割元件110的中心的切平面的角度对切割元件110的耐久性影响相对更大，这是由于通过磨痕124暴露材料的方式，如图7A-7C所示，并如下所讨论。
在一些实施例中，多晶台113的第一体积114和第二体积116之间的边界118限定多个切平面(例如，含有线138和140的平面)，每个切平面与切割元件的中心线形成大于20°、大于30°或甚至大于45°的角度142、144。
钻地工具可以通过将如本文所述形成的多晶切割元件固定到钻头体而形成。作为非限制性示例，图6示出了包含多个切割元件110的固定切割器钻地旋转钻头200。钻地旋转钻头200包含钻头体202，并且切割元件110结合到钻头体202。切割元件110可以钎焊或以其他方式固定在形成于钻头体202的外表面中的凹部内。切割元件110可以固定成具有如上所述的适当的接触后倾角136。
如本文所述的切割元件110和钻地旋转钻头200可以用于通过使钻地旋转钻头200及其切割元件110与地下地层134的表面132接触来形成井筒(见图5A)。切割元件110和地下地层134之间的磨损可以去除多晶台113的第二体积116的至少一部分，而不通过在第二体积116中形成的孔暴露第一体积114。还可以去除与第一体积114的先前暴露部分(例如，第一体积114的侧壁)相邻并与之接触的第一体积114的一部分。在图7A至7C所示的透视图中示出了在用于切割地下地层的各种时期之后的去除。磨痕124(即，通过去除切割元件110的材料形成的表面)可以从多晶台113的第二体积116的开始开始出现在切割元件110的边缘。图7A至7C示出了如何形成磨痕124的进展。随着磨痕124变大，可以去除多晶台113的第一体积114的一些，但是第一体积114和第二体积116的暴露部分可以各自保持连续。在磨痕124的整个形成过程中，磨痕124可以没有限定切割元件110的不同材料的孔、突起或凹室(与具有如图2B所示的孔和图2C中的突起区域26及凹室28的传统切割元件10的磨痕24相反)。因此，随着磨痕124增大，切割性能可能比常规切割元件10变化得更缓慢。磨痕124可以发展而不使得第二体积116的任何部分与第二体积116的其余部分径向不连续。也就是说，在通过切割元件110的中心线130的任何截面的视图中，第一体积114和第二体积116可以各自连续。切割元件110的磨痕124和中心线130(见图4)可以限定小于由边界118的切平面和中心线130形成的角度的角度。因此，由磨痕最新暴露的第一体积的部分可首先与切割元件110的侧壁相邻出现。
图8至11为示出根据本公开的切割元件的其他实施例的简化横截面侧视图。在图8和9的切割元件150和160中，多晶台113的第一体积114和第二体积116之间的边界118在与图4所示的边界118相反的方向上取向。在这样的实施例中，由边界118和中心线130限定的切平面之间的交点可以在边界118与第一体积114相邻的侧边上。切割元件160具有切割面122，切割面122在横跨切割元件160的前部延伸到侧壁，而没有倒角120。
在图10所示的切割元件170中，边界118的至少一部分形成旋转抛物面(即，对应于围绕轴线旋转的抛物线的一部分的形状)。例如，旋转抛物面可以具有与切割元件的中心线130基本上一致的旋转轴线。边界118的另一部分，诸如朝向中心线130的部分，可以是平坦的或任何其他形状。
在图11所示的切割元件180中，第一体积114和第二体积116之间的边界118的形状类似于图4所示的边界118。然而，切割元件160没有明显的倒角，而是具有横跨切割元件160的前部延伸到侧壁的平面切割面122，而没有倒角120。
代替切割元件110或除切割元件110之外，切割元件150、160、170、180中的任一个可以与钻地工具200或任何其他钻地工具一起使用。此外，基于本文公开的实施例和原理，可以选择各种其他几何形状用于切割元件和边界118。
为了形成本文公开的切割元件110、150、160、170、180，多晶台113的部分和基底112可以被掩蔽，并且切割元件10可以至少部分地放置在腐蚀性材料中，诸如酸。例如，在切割元件110、150、160、170、180暴露于腐蚀性材料之前，可以通过密封或O形环保护多晶台113的部分免受腐蚀性材料破坏。
可以通过例如将催化剂材料的目标激光、离子或聚焦粒子束去除到不同深度或通过选择性掩蔽和浸出多晶台113的不同部分，来选择性地从多晶台113的某些部分去除催化剂材料以限定边界118。在包含浸出的实施例中，可以在浸出工艺期间选择性地添加或去除掩蔽材料，以便于形成具有选定形状的边界118。在一些实施例中，可以通过用于选择性地将催化剂材料去除到多晶超硬磨料材料内不同深度的工艺来形成边界118，如在2013年7月22日提交的题为“Thermally Stable Polycrystalline Compacts for Reduced SpallingEarth-Boring Tools Including Such Compacts,and Related Methods(用于包括此类复合片的剥落减少型钻地工具的热稳定性多晶复合片，以及相关方法)”的美国专利申请第13/947,723号中所公开的，其公开内容通过引用整体并入本文。
实施例：
实施例1：常规环形浸出
形成在基底上具有多晶金刚石的切割元件，所述多晶金刚石具有基本上如图1所示的浸出轮廓。切割元件装配在测试夹具中，该夹具安装在工业中通常用于模拟地下钻探的立式转塔车床中。切割元件受到磨损，直到观察到临界破坏。切割元件承受相当于约93次行程，并且在破坏时具有约0.017in2的磨痕面积。
实施例2：改进浸出轮廓
形成在基底上具有多晶金刚石的切割元件，所述多晶金刚石具有基本上如图4所示的浸出轮廓。在切割元件的中心的浸出深度近似等于在实施例1中测试的切割元件的浸出深度。将切割元件装配在测试夹具中并如实施例1所述进行测试。切割元件承受相当于约175次行程，并且在破坏时具有约0.023in2的磨痕面积。因此，实施例2的切割元件表现出显著提高的性能，由其在经历临界破坏之前进一步切割和形成更大磨损平面的能力确定，在实施例1的切割元件上，浸出轮廓有较小变化。
下面描述本公开的其他非限制性示例实施例。
实施例1：一种钻地工具，包括钻头体和固定到钻头体的切割元件。切割元件相对于待由钻头体切割的地层的表面呈现接触后倾角，并且包括多晶超硬磨料材料。多晶超硬磨料材料包括在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料的第一体积、在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上不含催化剂材料的第二体积，以及在所述多晶超硬磨料材料的第一体积和第二体积之间的边界。边界在包含切割元件的中心线和切割元件与待由钻地工具切割的地层的表面的预期接触点的横截面中是非线性的。在横截面中与边界相切的每条线与切割元件的中心线形成大于切割元件的接触后倾角的角度。
实施例2：根据实施例1所述的钻地工具，其中，边界的至少一部分形成截头圆锥形状。
实施例3：根据实施例2所述的钻地工具，其中，截头圆锥形状具有与切割元件的中心线基本上一致的旋转轴线。
实施例4：根据实施例1所述的钻地工具，其中，边界的至少一部分形成旋转抛物面。
实施例5：根据实施例4所述的钻地工具，其中，旋转抛物面具有与切割元件的中心线基本上一致的旋转轴线。
实施例6：根据实施例1至5中任一项所述的钻地工具，其中，横截面中的每条切线在边界与第二体积相邻的侧边上与中心线相交。
实施例7：根据实施例1至5中任一项所述的钻地工具，其中，横截面中的每条切线在边界与第一体积相邻的侧边上与中心线相交。
实施例8：根据实施例1至7中任一项所述的钻地工具，其中，横截面中的每条切线与切割元件的中心线形成大于20°的角度。
实施例9：根据实施例8所述的钻地工具，其中，横截面中的每条切线与切割元件的中心线形成大于30°的角度。
实施例10：根据实施例9所述的钻地工具，其中，横截面中的每条切线与切割元件的中心线形成大于45°的角度。
实施例11：根据实施例1至10中任一项所述的钻地工具，其中，第二体积包含与切割元件的周边表面相邻并沿着该周边表面从切割元件的工作表面延伸到第一体积和第二体积之间的边界。
实施例12：一种钻地工具，其包括钻头体和固定到钻头体的切割元件。切割元件相对于待由钻头体切割的地层的表面呈现接触后倾角，并且包括多晶超硬磨料材料。多晶超硬磨料材料包括在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料的第一体积、在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上不含催化剂材料的第二体积，以及在该多晶超硬磨料材料的第一体积和第二体积之间的边界。边界包括第一区域和第二区域。第一区域包含在横截面中的切割元件的中心线的第一径向距离内的边界的一部分，横截面包含切割元件的中心线和切割元件与待由钻地工具切割的地层的表面的预期接触点。第二区域包含在横截面中在距离切割元件的中心线的第一径向距离和距离切割元件的中心线的第二径向距离之间的边界的一部分。第二径向距离对应于切割元件的外表面，并且第一径向距离是第二径向距离的至少50％。在第二区域中的横截面中与边界相切的每条线与切割元件的中心线形成大于切割元件的接触后倾角的角度。
实施例13：根据实施例12所述的钻地工具，其中，第一区域中的边界的部分形成截头圆锥形状。
实施例14：根据实施例13所述的钻地工具，其中，截头圆锥形状具有与切割元件的中心线基本上一致的旋转轴线。
实施例15：根据实施例12所述的钻地工具，其中，第一区域中的边界的部分形成旋转抛物面。
实施例16：根据实施例15所述的钻地工具，其中，旋转抛物面具有与切割元件的中心线基本上一致的旋转轴线。
实施例17：根据实施例12至16中任一项所述的钻地工具，其中，在横截面中与边界相切的每条线在边界与第二体积相邻的侧边上与中心线相交。
实施例18：根据实施例12至16中任一项所述的钻地工具，其中，在横截面中与边界相切的每条线在边界与第一体积相邻的侧边上与中心线相交。
实施例19：根据实施例12至18中任一项所述的钻地工具，其中在横截面中与边界相切的每条线与切割元件的中心线形成大于20°的角度。
实施例20：根据实施例19所述的钻地工具，其中在横截面中与边界相切的每条线与切割元件的中心线形成大于30°的角度。
实施例21：根据实施例20所述的钻地工具，其中，在横截面中与边界相切的每条线与切割元件的中心线形成大于45°的角度。
实施例22：一种用于钻地工具的切割元件，其包括基底和固定到该基底的多晶超硬磨料材料。多晶超硬磨料材料包括在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料的第一体积、在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上不含催化剂材料的第二体积，以及在该多晶超硬磨料材料的第一体积和第二体积之间的边界。边界在包含切割元件的中心线和切割元件与待由切割元件切割的地层的表面的预期接触点的横截面中是非线性的。在横截面中与边界相切的每条线与中心线形成大于20°的角度。
实施例23：根据实施例22所述的切割元件，其中，边界的至少一部分形成截头圆锥形状。
实施例24：根据实施例23所述的切割元件，其中，截头圆锥形状具有与切割元件的中心线基本上一致的旋转轴线。
实施例25：根据实施例22所述的切割元件，其中，边界的至少一部分形成旋转抛物面。
实施例26：根据实施例25所述的切割元件，其中，旋转抛物面具有与切割元件的中心线基本上一致的旋转轴线。
实施例27：根据实施例22至26中任一项所述的切割元件，其中在横截面中与边界相切的每条线在边界与第二体积相邻的侧边上与中心线相交。
实施例28：根据实施例22至26中任一项所述的切割元件，其中在横截面中与边界相切的每条线在边界与第一体积相邻的侧边上与中心线相交。
实施例29：根据实施例22至28中任一项所述的切割元件，其中，在横截面中与边界相切的每条线与切割元件的中心线形成大于30°的角度。
实施例30：根据实施例29所述的切割元件工具，其中，在横截面中与边界相切的每条线与切割元件的中心线形成大于45°的角度。
实施例31：一种形成井筒的方法，其包括使钻地工具与地下地层的表面接触。钻地工具包括钻头体和固定到钻头体的至少一个切割元件。该至少一个切割元件包括多晶超硬磨料材料，其包括在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料的第一体积和在多晶超硬磨料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上不含催化剂材料的第二体积。第二体积的表面至少部分地围绕切割元件暴露。该方法还包括通过与地下地层的表面接触从第二体积中去除多晶超硬磨料材料的至少一部分，并且去除第一体积的与第二体积相邻并与第二体积接触的一部分，而不使得第二体积的一部分与第二体积的其余部分径向不连续。
实施例32：一种形成井筒的方法，其包括使钻地工具与地下地层的表面接触。钻地工具包括钻头体和固定到钻头体的切割元件。切割元件包括多晶超硬磨料材料，其包括在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料的第一体积和在多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上不含催化剂材料的第二体积。第二体积的表面至少部分地围绕切割元件暴露。该方法还包括去除第二体积的一部分，并且去除第一体积的一部分，而不通过在第二体积中形成的孔暴露第一体积。
实施例33：根据实施例1至32中任一项所述的钻地工具、切割元件或方法，其中该多晶超硬磨料材料包括金刚石。
实施例34：根据实施例1至32中任一项所述的钻地工具、切割元件或方法，其中该多晶超硬磨料材料包括立方氮化硼。
实施例35：根据实施例1至34中任一项所述的钻地工具、切割元件或方法，其中切割元件还包括基底。
虽然在此已经针对某些所示实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员将认识到并且理解，本发明不限于此。相反，可以对所示实施例进行多种添加、删除和修改而不脱离所要求保护的本发明的范围，包含其法律等同物。另外，来自一个实施例的特征可以与另一实施例的特征组合，同时仍然包括在本发明人所设想的本发明的范围内。此外，本公开的实施例可用于不同的和各种类型及配置的工具。

Claims (20)

1.一种钻地工具，其包括：
钻头体；以及
固定到所述钻头体的切割元件，所述切割元件相对于待由所述切割元件切割的地层的表面呈现接触后倾角，所述切割元件包括多晶超硬磨料材料，所述多晶超硬磨料材料包括：
第一体积，其在所述多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料；
第二体积，其在所述多晶超硬磨料材料的所述相互键合的晶粒之间的所述间隙空间中至少基本上不含催化剂材料；以及
在所述多晶超硬磨料材料的所述第一体积和所述第二体积之间的在标准光学或扫描式电子显微镜显微图像视野中在肉眼观察下没有尖锐拐角或边缘的连续边界，其中所述边界在包含所述切割元件的中心线和所述切割元件与待由所述切割元件切割的所述地层的所述表面的接触点、并且垂直于待由所述切割元件切割的所述地层的所述表面延伸的横截面中是非线性的，其中沿着所述边界的长度的每个点均在所述横截面中限定一条切线，并且其中在所述横截面中的每条所述切线均与所述切割元件的所述中心线形成大于所述切割元件的所述接触后倾角的角度。
2.根据权利要求1所述的钻地工具，其中，所述边界的至少一部分形成截头圆锥形状。
3.根据权利要求2所述的钻地工具，其中，所述截头圆锥形状具有与所述切割元件的所述中心线基本上一致的旋转轴线。
4.根据权利要求1所述的钻地工具，其中，所述边界的至少一部分形成旋转抛物面。
5.根据权利要求4所述的钻地工具，其中，所述旋转抛物面具有与所述切割元件的所述中心线基本上一致的旋转轴线。
6.根据权利要求1所述的钻地工具，其中，所述横截面中的每条切线与所述切割元件的所述中心线形成大于30°的角度。
7.根据权利要求1所述的钻地工具，其中，所述第二体积包含与所述切割元件的周边表面相邻并沿着所述切割元件的所述周边表面从所述切割元件的工作表面延伸到所述第一体积和所述第二体积之间的所述边界的环形体积。
8.一种钻地工具，其包括：
钻头体；以及
固定到所述钻头体的切割元件，所述切割元件相对于待由所述切割元件切割的地层的表面呈现接触后倾角，所述切割元件包括多晶超硬磨料材料，所述多晶超硬磨料材料包括：
第一体积，其在所述多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料；
第二体积，其在所述多晶超硬磨料材料的所述相互键合的晶粒之间的所述间隙空间中至少基本上不含催化剂材料；以及
在所述多晶超硬磨料材料的所述第一体积和所述第二体积之间的边界，其中，所述边界包括：
第一区域，其包含在横截面中在所述切割元件的中心线的第一径向距离内的所述边界的一部分，所述横截面包含所述切割元件的所述中心线和所述切割元件与待由所述切割元件切割的所述地层的所述表面的接触点并且垂直于待由所述切割元件切割的所述地层的所述表面延伸；以及
第二区域，其包含在所述横截面中在距离所述切割元件的所述中心线的所述第一径向距离和距离所述切割元件的所述中心线的第二径向距离之间的所述边界的一部分，所述第二径向距离对应于所述切割元件的周边表面，其中所述第一径向距离是所述切割元件的半径的至少50％；
其中沿着所述边界的长度的每个点均在所述横截面中限定一条切线，并且其中在所述第二区域中的所述横截面中的每条切线与所述切割元件的所述中心线形成大于所述切割元件的所述接触后倾角并且小于90°的角度。
9.根据权利要求8所述的钻地工具，其中，所述边界的在所述第二区域中的部分形成截头圆锥形状。
10.根据权利要求8所述的钻地工具，其中，所述边界的在所述第二区域中的部分形成旋转抛物面。
11.根据权利要求8所述的钻地工具，其中，在所述横截面中的且位于所述边界的在所述第二区域中的部分内的每条切线在所述边界与所述第一体积相邻的侧边上与所述中心线相交。
12.一种用于钻地工具的切割元件，其包括：
基底；以及
固定到所述基底的多晶超硬磨料，所述多晶超硬磨料包括：
第一体积，其在所述多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料；
第二体积，其在所述多晶超硬磨料材料的所述相互键合的晶粒之间的所述间隙空间中至少基本上不含催化剂材料；以及
在所述多晶超硬磨料材料的所述第一体积和所述第二体积之间的边界，其中，所述边界在包含所述切割元件的中心线和所述切割元件与待由所述切割元件切割的地层的表面的接触点并且垂直于待由所述切割元件切割的所述地层的所述表面延伸的横截面中是非线性的，其中沿着所述边界的长度的每个点均在所述横截面中限定一条切线，
所述边界包括：
第一区域，其包含在所述横截面中在所述切割元件的所述中心线的第一径向距离内的所述边界的一部分；以及
第二区域，其包含在所述横截面中在距离所述切割元件的所述中心线的所述第一径向距离和距离所述切割元件的所述中心线的第二径向距离之间的所述边界的一部分，所述第二径向距离对应于所述切割元件的周边表面，其中，在所述横截面中的且位于所述边界的在所述第二区域中的部分内的每条切线与所述切割元件的所述中心线形成大于20°且小于90°的角度。
13.根据权利要求12所述的切割元件，其中，所述边界的在所述第二区域中的部分形成截头圆锥形状。
14.根据权利要求12所述的切割元件，其中，所述边界的在所述第二区域中的部分形成旋转抛物面。
15.根据权利要求12所述的切割元件，其中，在所述横截面中的且位于所述边界的在所述第二区域中的部分内的每条切线与所述切割元件的所述中心线形成大于30°且小于90°的角度。
16.根据权利要求15所述的切割元件，其中，在所述横截面中的且位于所述边界的在所述第二区域中的部分内的每条切线与所述切割元件的所述中心线形成大于45°且小于90°的角度。
17.根据权利要求12所述的切割元件，其中，在所述横截面中的且位于所述边界的在所述第二区域中的部分内的每条切线在所述边界与所述第二体积相邻的侧边上与所述中心线相交。
18.根据权利要求12所述的切割元件，其中，在所述横截面中的且位于所述边界的在所述第二区域中的部分内的每条切线在所述边界与所述第一体积相邻的侧边上与所述中心线相交。
19.一种形成井筒的方法，其包括：
使钻地工具与地下地层的表面接触，其中所述钻地工具包括：
钻头体；以及
固定到所述钻头体的至少一个切割元件，所述至少一个切割元件包括多晶超硬磨料材料，所述多晶超硬磨料材料包括：
第一体积，其在所述多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料；以及
第二体积，其在所述多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上不含催化剂材料，其中所述第二体积的表面至少部分地围绕所述至少一个切割元件暴露；
其中在所述第一体积和所述第二体积之间的边界在横截面中限定了多条切线，所述横截面由所述至少一个切割元件的中心线和所述至少一个切割元件与待由所述至少一个切割元件切割的所述地层的所述表面的接触点限定并且垂直于所述地层的所述表面延伸，其中沿着所述边界的长度的每个点均在所述横截面中限定一条切线，其中在所述横截面中的每条切线均与所述至少一个切割元件的所述中心线形成大于所述至少一个切割元件的接触后倾角的角度；
通过与所述地下地层的所述表面接触从所述第二体积中去除所述多晶超硬磨料材料的至少一部分；以及去除所述第一体积的与所述第二体积相邻并与所述第二体积接触的部分，而不使得所述第二体积的一部分与所述第二体积的其余部分径向不连续。
20.一种形成井筒的方法，其包括：
使钻地工具与地下地层的表面接触，其中所述钻地工具包括：
钻头体；以及
固定到所述钻头体的切割元件，所述切割元件包括多晶超硬磨料材料，所述多晶超硬磨料材料包括：
第一体积，其在所述多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中包含催化剂材料；以及
第二体积，其在所述多晶超硬磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上不含催化剂材料，其中所述第二体积的表面至少部分地围绕所述切割元件暴露；
其中在所述第一体积和所述第二体积之间的边界在横截面中限定了多条切线，所述横截面由所述切割元件的中心线和所述切割元件与所述地层的所述表面的接触点限定并且垂直于所述地下地层的所述表面延伸，其中沿着所述边界的长度的每个点均在所述横截面中限定一条切线，其中在所述横截面中的每条切线均与所述切割元件的所述中心线形成大于所述切割元件的接触后倾角的角度；
去除所述第二体积中的一部分；
去除所述第一体积的一部分而不通过在所述第二体积中形成的孔暴露所述第一体积。
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