CN108025363A - 刀具通过部分瞬间液相结合部到胎体钻头的结合 - Google Patents

Abstract

将聚晶金刚石复合片(PDC)刀具结合到金属基复合物(MMC)钻头可利用部分瞬间液相(PTLP)结合方法实现，所述方法与可比较钎焊方法相比使用更低的温度。例如，可将定位在PDC刀具与MMC之间的夹层结合结构加热到结合温度并维持处于所述结合温度，持续足以使外层与耐火层等温地固化并使所述外层与硬复合物基底和所述MMC反应的时间段。

Description

刀具通过部分瞬间液相结合部到胎体钻头的结合

背景技术

本申请涉及将聚晶金刚石复合片刀具固定到胎体钻头主体。

钻头及其部件在钻探时常常经受极端条件，诸如高温、高压以及与研磨面的接触。聚晶金刚石复合片(PDC)刀具通常围绕钻头主体定位以在钻探时在钻头旋转时直接接触并切割地层。出于这个目的，聚晶金刚石复合片具有增强钻头寿命的有益特性，诸如耐磨性、硬性和高导热性。

PDC刀具通常在单个高压、高温(HPHT)压制周期中形成。首先，将金刚石颗粒与硬复合物基底一起放置在压力机中。在HPHT压制周期期间，金刚石颗粒被烧结，并且所谓的催化材料既促进金刚石颗粒之间的结合以形成聚晶金刚石台又促进将聚晶金刚石台附接到硬复合物基底。在大多数情况下，硬复合物基底为催化材料(例如，钴、镍、铁、第VIII族元素以及其任何合金)促进金刚石颗粒之间的结合提供源。例如，当钴钨硬质合金是所述硬复合物基底时，钴催化材料可熔化并渗入金刚石颗粒的间隙空间。在一些实例中，催化材料还可在烧结之前与金刚石颗粒混合。

紧接在形成聚晶金刚石台之后，一些催化材料通常保留在熔融金刚石颗粒之间的间隙空间中。聚晶金刚石复合片中的残留催化材料可引起或促进聚晶金刚石台的降解。为了减轻这些作用，PDC通常被沥滤以便从聚晶金刚石复合片的接近工作表面的间隙空间移除至少一些催化材料。

在一些制造过程中，可将聚晶金刚石台从硬复合物基底移除，使得可处理整个金刚石台以便移除一些或全部催化材料。然后，可将聚晶金刚石台再附接(例如，通过钎焊)到另一个硬复合物基底以形成移除了一些或全部催化材料的PDC。用于沥滤并且然后再附接金刚石台的这种彻底的方法可产生热稳定的聚晶(TSP)金刚石复合片。

聚晶金刚石的质量和寿命因催化材料的更多移除而增大。然而，TSP金刚石复合片的产生通常花费数天并且在高温下使用刺激性化学物质，像强酸。而且，从聚晶金刚石移除催化材料一般降低金刚石复合片的湿润度和组装PDC刀具的所得结合强度。

附图说明

以下图式被包括来说明实施方案的某些方面，并且不应被视作排他性实施方案。如本领域的并且受益于本公开的技术人员将了解，所公开的主题能够在形式和功能上存在相当多的修改、改变、组合和等效形式。

图1是具有由金属基复合物(MMC)形成的胎体钻头主体的胎体钻头的剖面侧视图。

图2是包括多个PDC刀具的胎体钻头的等距视图。

图3是适合将PDC刀具安装在形成于胎体钻头的MMC中的凹槽中的构型的剖面侧视图。

图3A是图3的一部分的放大视图，其示出位于PDC刀具的硬复合物基底与胎体钻头的MMC之间的三层夹层结合结构。

图3B是图3的一部分的放大视图，其示出位于PDC刀具的硬复合物基底与胎体钻头的MMC之间的双层夹层结合结构。

图4A是安装在形成于图3A的胎体钻头的MMC中的凹槽中的PDC刀具的剖面侧视图。

图4B是安装在形成于图3B的胎体钻头的MMC中的凹槽中的PDC刀具的剖面侧视图。

图5是安装在形成于图3A和图3B的胎体钻头的MMC中的凹槽中的PDC刀具的剖面侧视图。

图6是具有五个层的夹层结合结构的剖面侧视图。

图7是示出适于与其上安装有PDC刀具的胎体钻头结合使用的钻探组合件的一个实例的示意图。

具体实施方式

公开系统和方法，借助所述系统和方法，可使用瞬间液相(TLP)结合及其变体将PDC刀具固定到钻头主体。总体上，在TLP结合与单独地钎焊或扩散结合相异的程度上，TLP结合被认为是钎焊过程与扩散结合过程之间的混合。在TLP结合的一种实现方式中，可将夹层材料定位在耐火基底之间，其中夹层材料与耐火基底相比具有更低的熔化温度。可将组装的夹层材料和耐火基底(即，组合件)加热至足以熔化夹层材料但不熔化耐火基底的温度范围内的温度。可维持所述组合件在那个温度范围内，直到夹层材料的液相由于与耐火基底相互扩散而已经固化为止。这种由组成变化而不是温度变化引起的固化现象在本文中称为等温固化。由于在所述过程期间发生的扩散，所得TLP结合部具有与夹层材料的熔点相比更高的熔点。通过适当选择过程参数(诸如，夹层厚度、组成和结合温度)，熔点增大可为大约数百摄氏度。TLP结合由于其对于与基底材料的相互扩散的依赖而可用于结合金属材料。

本公开部分地涉及使用称为部分瞬间液相(PTLP)结合的瞬间液相结合变体来将PDC刀具结合到胎体钻头主体的方法。PTLP一般可用于结合两个陶瓷部分，并且更具体地，如本文中所教导的，用于将PDC刀具的硬复合物基底结合到MMC钻头主体。在PTLP中使用的在本文中称为夹层结合结构的东西是多层的。在三层结构中，例如，夹层结合结构可包括夹在两个外层之间的耐火层。夹层结合结构可定位在将要结合的基底或部分之间。在这个实例中，部件的结合顺序可以是PDC刀具的硬复合物基底、夹层结合结构的第一外层、夹层结合结构的耐火层、夹层结合结构的第二外层以及MMC钻头主体。夹层结合结构的外层可以是例如与耐火层和基底(在这个实例中，PDC刀具的硬复合物基底和MMC钻头主体)中的每一个相比具有更低熔点的金属或金属合金。在熔化时，两个外层用于两个功能：(1)各自在一侧上与耐火层相互扩散以诱导等温固化，这类似于TLP结合过程；以及(2)各自在另一侧上与相邻基底(例如，硬复合物基底和MMC)反应，具有结合两个部件(例如，将PDC刀具结合到胎体钻头主体)的净效应。

在一种实现方式中，通过使用PTLP结合方法，可保持结合温度低于金刚石的石墨化温度，确切地，低于1472℉，同时产生具有高于1472℉的熔点的结合部。在一些实施方案中，所得结合部可具有高于1500℉、1600℉或1700℉的熔点。在又其他实施方案中，可保持结合温度低于1400℉、1300℉或1200℉。

图1是具有胎体钻头主体150的胎体钻头120的剖面侧视图，所述胎体钻头主体150由金属基复合物(MMC)131(例如，扩散在粘结合金中的碳化钨的增强颗粒)形成。如本文所用，术语“胎体钻头”包括旋转刮刀钻头、刮刀钻头、固定刀具钻头以及具有胎体钻头主体并且能够并入本公开的教义的任何其他钻头。

对于诸如图1所示的那些实施方案的实施方案，胎体钻头120可包括金属柄130，金属心轴或金属坯件136牢固地附接到金属柄130(例如，在焊缝139处)。金属坯件136延伸到胎体钻头主体150中。金属柄130包括远离金属坯件136的螺纹连接件134。

金属柄130和金属坯件136是大体圆柱形的结构，它们至少部分地限定彼此流体连通的对应的流体腔132。金属坯件136的流体腔132可进一步纵向延伸到胎体钻头主体150中。至少一个流动通道(示出为流动通道142)可从流体腔132延伸到胎体钻头主体150的外部部分。喷嘴开口154可限定在流动通道142的位于胎体钻头主体150的外部部分处的端部处。

多个凹痕或凹槽158形成于胎体钻头主体150中并且被设定形状或以其他方式被构造来接收PDC刀具。

图2是图1的胎体钻头120的等距视图，胎体钻头120包括多个可根据本公开的实施方案制作的PDC刀具160。如图所示，胎体钻头120包括沿着钻头头部104的圆周布置的多个刀具刀片152。钻头头部104连接到金属柄130以形成胎体钻头主体150。刀具刀片152可在胎体钻头主体150的外部上彼此间隔开以在其间形成流体流动路径或排屑槽162。

如图所示，多个凹槽158可在选定位置处形成于刀具刀片152中。PDC刀具160可(例如，利用本文中进一步描述的组合物和方法)牢固地安装在每个凹槽158中，以在钻探操作期间接合并移除地下地层的部分。更具体地，在通过所附接钻柱使胎体钻头120旋转期间，每个PDC刀具160可从井筒的底部和侧部刮削并凿出地层材料。喷嘴156可定位在每个喷嘴开口154中。

图3是根据本公开的至少一些实施方案的夹层结合结构202的示例性构型200的剖面侧视图，夹层结合结构202定位在PDC刀具204与形成于胎体钻头的MMC 208中的凹槽206之间。PDC刀具204包括在结合接头212处结合到聚晶金刚石复合片214的硬复合物基底210(例如，硬质合金)。形成于MMC 208中的凹槽206被构造成用于接收PDC刀具204。

夹层结合结构202可通过多种方法来定位在PDC刀具204的硬复合物基底210与胎体钻头201的MMC 208之间。例如，夹层结合结构202可以是在将PDC刀具204放置在凹槽206中之前放置在凹槽206的表面上或硬复合物基底210的表面上的多层箔。可替代地，夹层结合结构202的单独层可以是以适当顺序组装在凹槽206的表面上、硬复合物基底210的表面上或两者上、以便一旦PDC刀具204被放置在凹槽206中就形成夹层结合结构202的箔、膏或粉末。另外地，在一些实例中，夹层结合结构202的单独层中的一个或多个可通过溅射、热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积、电解沉积、无电沉积等沉积在凹槽206的表面上或硬复合物基底210的表面上。

如图所示，夹层结合结构202内衬整个凹槽206。然而，在替代实施方案中，夹层结合结构202可定位在硬复合物基底210与MMC 208的仅一部分之间。例如，夹层结合结构202可定位在凹槽206的仅侧部之间而不是凹槽206的底部分。可替代地，夹层结合结构202可定位在凹槽206的仅底部中。也可实现夹层结合结构202、硬复合物基底210和MMC 208的其他构型。

图3的夹层结合结构202可具有多种多层构型中的任一种。例如，图3A示出任选的三层夹层结合结构202A，并且图3B示出替代的双层夹层结合结构202B。

图3A是图3的虚线区域的放大视图，其示出根据PDC刀具凹槽安装的一个实施方案的任选的三层夹层结合结构202A。三层夹层结合结构202A设置在图3的PDC刀具204的硬复合物基底210与胎体钻头201的MMC 208之间。在此示例性构型中，三层夹层结合结构202A包括夹在两个金属或金属合金外层218、220之间的耐火层216。

图3B是图3的所指示区域的放大视图，其示出根据PDC刀具凹槽安装的一个实施方案的双层夹层结合结构202B。双层夹层结合结构202B包括耐火层217和外层219，其中耐火层217邻接图3的胎体钻头201的MMC 208，并且外层219邻接图3的PDC刀具204的硬复合物基底210。

在夹层结合结构202适当地定位在构型200中后，可使用选定PTLP结合方法将PDC刀具210固定在凹槽206中。更确切地，可将所述材料加热至结合温度，所述结合温度(1)高于外层218、219、220的熔点或高于外层218、219、220的最低共熔点；(2)低于耐火层216、217的熔点；并且优选地，(3)低于金刚石石墨化温度。结合温度可在1000℉至1500℉的范围内。保持夹层结合结构202处于结合温度，持续足以使外层218、219、220各自在一侧上与耐火层216、217相互扩散以便诱导等温固化并且各自在另一侧上与相邻基底反应的时间。

为了实现本文所述的所需结合，可以缓慢速率执行加热，尤其是当温度趋近外层218、219、220的熔化温度时。这可允许外层218、219、220均匀地熔化并形成更均质的结合部。在一些实例中，在结合温度的200℉或更小范围内，可以3℉/min至60℉/min的速率进行加热。一旦处于结合温度，就可将温度保持在结合温度、持续1分钟至6小时或更长时间，以实现夹层结合结构202的等温固化。保持在结合温度还有助于形成更均质的结合部。

加热可利用辐射加热、传导加热、对流加热、射频感应加热、电阻加热、红外加热、激光加热、电子束加热或其组合来执行。

在一些实例中，还可在加热期间向构型200(例如，向聚晶金刚石复合片214和/或硬复合物基底210)施加物理压力(例如，1kPa至10MPa)，以便维持构型200处于适当位置中并促进结合期间的紧密接触。虽然结合优选地可在大气压下执行，但在一些实例中，结合可在减小的气压(例如，0.001毫托至50毫托)下执行。此外，虽然结合优选地可在空气氛围中执行，但在一些实施方案中，结合可在无论减小的压力下还是大气压下、在包含像氩气、氮气、氦气等或其组合的气体的惰性氛围中执行。

在加热到结合温度并保持在结合温度之后，可冷却材料。在至少一个实施方案中，冷却可根据需要在至少前200℉内以3℉/min至60℉/min的速率进行，并且然后任选地，以更快速率进行。

图4A和图4B示出在分别在三层夹层结合结构202A和三层夹层结合结构202B上执行PTLP结合方法之后形成的结合部。

继续参考图3和图3A，图4A是在根据本公开的至少一些实施方案将PDC刀具204结合在形成于图3和图3A的胎体钻头的MMC 208中的凹槽206中之后的剖面侧视图。第一结合部222可在硬复合物基底210与耐火层216之间形成，并且第二结合部224可在胎体钻头的MMC 208与耐火层216之间形成。结合部222、224各自具有与两个外层218、220的熔点相比更高的熔点。

由于图3A的外层218、220与邻接基底不同地反应，因此所形成的结合部222、224包括不同部分。如本文所用，术语“结合部分”是指结合部的一部分。第一结合部222包括由于外层218与硬复合物基底210反应而产生的金属陶瓷结合部分226以及由于外层218扩散到耐火层216中而与耐火层216产生的TLP结合部分228。第二结合部224包括由于外层220与MMC 208反应而产生的金属复合物结合部分232以及由于外层220扩散到耐火层216中而与耐火层216产生的TLP结合部分230。

继续参考图3和图3B，图4B是在根据本公开的至少一些实施方案将PDC刀具204结合在形成于图3和图3B的胎体钻头的MMC 208中的凹槽206中之后的剖面侧视图。在结合过程期间，外层219可与硬复合物基底210反应以便形成具有金属陶瓷结合部分227的第一结合部223，同时还扩散到耐火层217中以便引起等温固化并形成TLP结合部分229。此外，由于化学反应、金属间相形成、随后等温固化的共晶液形成或固态扩散中的至少一个，耐火层217可与MMC 208形成第二结合部225。

图4A和图4B的结合部222、223、224、225及其结合部分226、227、228、229、230、232被示出为是清楚限定的结构，这在一些实例中可能发生。在其他实例中，结合部222、223、224、225及其结合部分228、229、230、232可以不是清楚限定的。例如，由于已经与邻接基底发生的相互扩散和/或反应，结合部分228、229、230、232和结合部225中的每一个可独立地具有与其相关联的厚度。此外，在一些实例中，结合部222、223、224可基本上由它们的相应结合部分226、227、228、229、230、232构成。由于在PTLP结合期间可能发生的扩散的显著量，TLP结合部分228、229、230、232和结合部225可能不可通过显微镜学或组分分析来辨别。

继续参考图3A和图3B，图5是在根据本公开的至少一些实施方案将PDC刀具204结合在形成于图3的胎体钻头的MMC 208中的凹槽206中之后的剖面侧视图。在图5中，图3A和图3B的耐火层216、217和外层218、219、220被足够地设定尺寸(例如，足够薄)，这样使得在PDC刀具204的硬复合物基底210与胎体钻头的MMC 208之间形成结合部234，所述结合部234不再包括耐火层216、217作为相异层。也就是说，在加热期间，外层218、219、220充分地扩散到耐火层216、217中，使得遍及初始地构成整个耐火层216、217的部分形成TLP结合部236。因此，结合部234包括(1)与PDC刀具204的硬复合物基底210的金属陶瓷结合部分238，所述金属陶瓷结合部分238过渡到(2)TLP结合部236，所述TLP结合部236过渡到(3)与胎体钻头的MMC 208的金属复合物结合部分240。结合部234具有与外层218、219、220的熔点相比更高的熔点。

图3、图3A、图3B、图4A、图4B和图5所示的实例包括或基于双层或三层夹层结合结构202。然而，在一些实施方案中，夹层结合结构可具有多于两个或三个层。例如，夹层结合结构可大体被描述为：(1)包括第一外层、第二外层和位于第一外层与第二外层之间的至少一个耐火层的分层结构；或(2)包括外层和耐火层的分层结构，所述耐火层在夹层结合结构的与外层相背对的表面处。此类描述不排除(1)第一外层与第二外层之间或(2)外层与耐火层之间的附加层。

图6例如是具有五个层的示例性夹层结合结构300的剖面侧视图。夹层结合结构300包括：两个外层302、304，定位在其间的两个耐火层306、308，以及中间层310。中间层310夹在两个耐火层306、308之间，并且这三个层夹在两个外层302、304之间。中间层310可以由直接熔化或与耐火层306、308形成共晶熔融物的材料构成，所述材料的实例在本文中有进一步描述。

在加热到结合温度时，中间层310可在两个耐火层之间形成TLP结合部、钎焊结合部或扩散结合部。具有五个层的夹层结合结构300或包括具有被构造来邻接钻头的MMC的耐火层的那些的其他夹层结合结构构型可用作图3的夹层结合结构202。

本文所述的其上安装有PDC刀具的胎体钻头可在钻探组合件中使用。

图7例如是示出适于与胎体钻头结合使用的钻探组合件400的一个实例的示意图，胎体钻头具有根据本公开安装到其上的PDC刀具(例如，图4-图5中所示的安装)。应注意，虽然图7大体上描绘陆基钻探组合件，但本领域的技术人员将容易地认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，本文所述的原理同样适用于采用浮动或海基平台和钻机的海底钻探操作。

钻探组合件400包括联接到钻柱404的钻探平台402。除了本公开的具体教义之外，钻柱404可包括但不限于钻管和缠绕管，如本领域的技术人员通常已知的。根据本文所述的实施方案的胎体钻头406附接到钻柱404的远端并且由井下电动机进行驱动和/或通过钻柱404的旋转从井表面进行驱动。当钻头406旋转时，其形成穿透地下地层410的井筒408。钻探组合件400还包括使钻井液循环通过钻柱(如流动箭头A所示)和其他管子414的泵412。

本领域的技术人员将认识到适于与钻探组合件400结合使用的其他设备，其可包括但不限于保留坑、混合器、振动器(例如，泥浆振动筛)、离心机、水力旋流器、分离器(包括磁分离器和电分离器)、除泥器、除砂器、过滤器(例如，硅藻土过滤器)、热交换器以及任何流体回收设备。此外，钻探组合件可包括一个或多个传感器、计量器、泵、压缩机等。

存在可与上述胎体钻头制造和组装以及部件结合组合使用的多种多样的材料。MMC可包括分散在粘结材料中的增强颗粒。MMC的示例性增强颗粒包括但不限于钨、钼、铌、钽、铼、铱、钌、铍、钛、铬、铑、铁、钴、铀、镍、氮化物、氮化硅、氮化硼、立方氮化硼、天然金刚石、合成金刚石、硬质合金、球状碳化物、低合金烧结材料、铸态碳化物、碳化硅、碳化硼、立方碳化硼、碳化钼、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化钒、碳化铁、碳化钨(例如，粗晶碳化钨、铸态碳化钨、破碎的烧结碳化钨、渗碳的碳化钨等)、钢、不锈钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、沉淀硬化钢、双相不锈钢、陶瓷、铁合金、镍合金、钴合金、铬合金、合金(即，含有镍-铬的合金，可购自Haynes国际公司)、合金(即，含有奥氏体镍-铬的超合金，可购自Special Metals公司)、(即，奥氏体镍基超合金)、合金(即，含有镍-铬的合金，可购自Altemp Alloys有限公司)、合金(即，含有镍-铬的超合金，可购自Haynes国际公司)、合金(即，含有铁-镍的超合金，可购自Mega Mex)、MP98T(即，镍-铜-铬超合金，可购自SPSTechnologies)、TMS合金、合金(即，镍基超合金，可购自C-M Group)、钴合金6B(即，钴基超合金，可购自HPA)、N-155合金以及其任何混合物。

MMC的合适的粘结材料包括但不限于铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟、其任何混合物、其任何合金以及其任何组合。示例性粘结材料可包括但不限于：铜-磷、铜-磷-银、铜-锰-磷、铜-镍、铜-锰-镍、铜-锰-锌、铜-锰-镍-锌、铜-镍-铟、铜-锡-锰-镍、铜-锡-锰-镍-铁、金-镍、金-钯-镍、金-铜-镍、银-铜-锌-镍、银-锰、银-铜-锌-镉、银-铜-锡、钴-硅-铬-镍-钨、钴-硅-铬-镍-钨-硼、锰-镍-钴-硼、镍-硅-铬、镍-铬-硅-锰、镍-铬-硅、镍-硅-硼、镍-硅-铬-硼-铁、镍-磷、镍-锰、铜-铝、铜-铝-镍、铜-铝-镍-铁、铜-铝-镍-锌-锡-铁等及其任何组合。

PDC刀具的硬复合物基底可包括硬质合金材料。示例性碳化物可包括但不限于：碳化硅、碳化硼、立方碳化硼、碳化钼、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化钒、碳化铁、碳化锆、碳化铪、碳化钨(例如，粗晶碳化钨、铸态碳化钨、破碎的烧结碳化钨、渗碳的碳化钨等)以及其任何混合物。合适的粘结材料包括但不限于：钴、镍、铁、铜、锰、锌、钛、钽、铌、钼、铬及其合金、及其任何组合。硬复合物基底106还可涂布有用于增强某些特性(诸如，硬度或复合片寿命)的材料。合适的涂布材料包括氮化钛、碳化钛、氮碳化钛和氮化钛铝等及其任何组合。

夹层结合结构的耐火层可由具有高于选定结合温度的熔点的任何金属或金属合金构成。例如，对于1472℉的结合温度，合适的耐火层材料包括钨、铼、锇、钽、钼、铌、铱、硼、钌、铪、铑、钒、铬、锆、铂、钛、镥、钯、铥、钪、铁、钇、铒、钴、钬、镍、镝、硅、铽、钆、铍、锰、钷、铜、钐、金、钕、银、锗、镨、镧、钙、镱、铕、砷等、其任何组合及其任何合金。另外地，对于1200℉的结合温度，除了铈、锶、钡和铝、其任何组合、其任何合金之外，合适的耐火层材料还包括先前针对耐火层提及的材料。

本文所述的夹层结合结构的耐火层可具有在10微米至1000微米范围内的厚度。当在PDC刀具的硬复合物基底与胎体钻头的MMC之间形成结合部时，耐火层可优选地具有在25微米至150微米范围内的厚度。

本文所述的夹层结合结构的外层可各自独立地由直接熔化或与耐火层形成共晶熔融物的材料组成。可直接熔化的适用于外层的材料包括铈、锶、钡、铝、镁、锑、碲、锌、铅、镉、铊、铋、锡、硒、锂、铟、碘、硫、钠、钾、磷、铷、镓、铯等、其任何组合及其任何合金。可与耐火层形成共晶熔融物的适用于外层的材料包括所有二元系(其中两种元素具有与结合温度相比更高的熔点，并且最低共晶熔点低于结合温度)、其任何组合及其任何合金。这些二元系可包括来自以上针对耐火层列出的材料的任何两种元素。

夹层结合结构的外层可具有在0.1微米至10微米范围内的厚度。

适用于中间层的材料可直接熔化并且包括铈、锶、钡、铝、镁、锑、碲、锌、铅、镉、铊、铋、锡、硒、锂、铟、碘、硫、钠、钾、磷、铷、镓、铯等、其任何组合及其任何合金。可与耐火层306、308形成共晶熔融物的适用于中间层的材料包括所有二元系(其中两种元素具有与结合温度相比更高的熔点，并且最低共晶熔点低于结合温度)、其任何组合及其任何合金。这些二元系可包括来自以上针对耐火层列出的材料的任何两种元素。

夹层结合结构的中间层可具有在0.1微米至10微米范围内的厚度。

本文所述的实施方案可包括实施方案A、B、C或D。

实施方案A是一种将聚晶金刚石复合片(PDC)刀具固定到包括金属基复合物(MMC)的钻头主体的方法，其中所述方法包括：将PDC刀具定位在所述钻头主体的凹槽中，其中夹层结合结构位于所述PDC刀具与所述钻头主体之间，所述夹层结合结构包括邻近所述PDC刀具的硬复合物基底的第一外层、邻近所述钻头主体的所述MMC的第二外层、以及位于所述第一外层与所述第二外层之间的耐火层；将所述夹层结合结构加热到在高于所述第一外层和所述第二外层的熔点且低于所述耐火层的熔点的温度范围内的结合温度；以及维持所述温度范围内的所述结合温度，持续足以使所述外层与所述耐火层等温地固化并使所述外层与所述硬复合物基底和所述MMC反应的时间段。

任选地，实施方案A还可包括以下要素(element，元素)中的一个或多个：要素1：其中使所述外层与所述耐火层等温地固化并使所述外层与所述硬复合物基底和所述MMC反应在所述硬复合物基底与所述耐火层之间形成第一结合部，其中所述第一结合部具有高于所述外层的所述熔点的熔点并且包括与所述硬复合物基底的金属陶瓷结合部分和与所述耐火层的第一瞬间液相结合部分；并且在所述胎体钻头的所述MMC与所述耐火层之间形成第二结合部，其中所述第二结合部包括与所述MMC的金属复合物结合部分和与所述耐火层的第二瞬间液相结合部分；要素2：其中等温地固化所述外层与所述耐火层并使所述外层与所述硬复合物基底和所述MMC反应在所述硬复合物基底与所述MMC之间形成结合部，其中所述结合部从与所述硬复合物基底的金属陶瓷结合部分过渡到瞬间液相结合部、到与所述MMC的金属复合物结合部分；要素3：其中所述耐火层夹在所述第一外层与所述第二外层之间并且与其邻接；要素4：其中所述耐火层是邻近所述第一外层的第一耐火层，并且第二耐火层邻近所述第二外层，其中所述夹层结合结构在所述第一耐火层与所述第二耐火层之间具有内层，并且其中维持所述结合温度引起所述中间层与所述第一耐火层和所述第二耐火层反应或等温地固化；要素5：所述方法还包括维持所述内层结合结构的在所述温度范围内的所述结合温度，持续1分钟到6小时；要素6：所述方法还包括在加热所述夹层结合结构的同时向所述PDC刀具施加压力；要素7：其中加热所述夹层结合结构涉及在所述结合温度的200℉或更小范围内以3℉/min至60℉/min的速率加热；要素8：其中加热所述夹层结合结构在惰性氛围下执行；要素9：其中加热所述夹层结合结构在低于大气压下执行；要素10：所述方法还包括在所述结合温度的200℉或更小范围内以3℉/min至60℉/min的速率冷却所述夹层结合结构；要素11：所述方法还包括将所述夹层结合结构的至少一部分组装在所述硬复合物基底上；要素12：所述方法还包括将所述夹层结合结构的至少一部分组装在所述MMC上；要素13：所述方法还包括通过以下各项中的一项将所述第一外层施加到所述硬复合物结构：溅射、热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积、电解沉积或无电沉积；以及要素14：所述方法还包括通过以下各项中的一项将所述第二外层施加到所述MMC：溅射、热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积、电解沉积或无电沉积。前述要素的示例性组合可包括但不限于：要素1、2或4与要素5-10中的一个或多个组合；要素1、2或4与要素3以及任选地要素5-10中的一个或多个组合；要素3与要素5-10中的一个或多个组合；要素5与要素6-10中的一个或多个组合；要素6与要素7-10中的一个或多个组合；要素7与要素8-10中的一个或多个组合；要素8与要素9-10中的一个或多个组合；要素9与要素10组合；要素11-14中的一个或多个与前述任一个组合；要素11-14中的两个或更多个相组合；以及要素11-14中的一个或多个与要素1-10中的一个或多个组合。

实施方案B是一种将聚晶金刚石复合片(PDC)刀具固定到包括金属基复合物(MMC)的钻头主体的方法，其中所述方法包括：将PDC刀具定位在所述钻头主体的凹槽中，其中夹层结合结构位于所述PDC刀具与所述钻头主体之间，所述夹层结合结构包括邻近所述PDC刀具的硬复合物基底的第一外层以及邻近所述钻头主体的所述MMC的耐火层；将所述夹层结合结构加热到在高于所述外层的熔点且低于所述耐火层的熔点的温度范围内的结合温度；以及维持所述温度范围内的所述结合温度，持续足以使所述外层与所述耐火层等温地固化、使所述外层与所述硬复合物基底反应并且将所述耐火层结合到所述MMC的时间段。任选地，实施方案B还可包括以下要素中的一个或多个：要素2-10；以及要素15：其中等温地所述外层与所述耐火层、使所述外层与所述硬复合物基底反应并且将所述耐火层结合到所述MMC在所述硬复合物基底与所述MMC之间形成结合部，其中所述结合部从与所述硬复合物基底的金属陶瓷结合部分过渡到瞬间液相结合部、到所述MMC处的金属复合物结合部分。前述要素的示例性组合可包括但不限于：要素15、2或4与要素5-10中的一个或多个组合；要素15、2或4与要素3以及任选地要素5-10中的一个或多个组合；要素3与要素5-10中的一个或多个组合；要素5与要素6-10中的一个或多个组合；要素6与要素7-10中的一个或多个组合；要素7与要素8-10中的一个或多个组合；要素8与要素9-10中的一个或多个组合；要素9与要素10组合；要素11-14中的一个或多个与前述任一个组合；要素11-14中的两个或更多个相组合；以及要素11-14中的一个或多个与要素1-10中的一个或多个组合。

实施方案C是一种钻头，其包括：胎体钻头主体，所述胎体钻头主体包括MMC；以及PDC刀具，所述PDC刀具包括硬复合物基底并且安装在所述胎体钻头主体的外部部分的凹槽中，其中耐火层位于所述PDC刀具与所述MMC之间，使得所述PDC刀具通过硬复合物基底与耐火层之间的第一结合部和所述MMC与所述耐火层之间的第二结合部结合到所述MMC，所述第一结合部包括与所述硬复合物基底的金属陶瓷结合部分和与所述耐火层的瞬间液相结合部分。任选地，所述第二结合部可包括与所述MMC的金属复合物结合部分和与所述耐火层的瞬间液相结合部分。

实施方案D是一种PDC刀具，其包括：胎体钻头主体，所述胎体钻头主体包括MMC；以及PDC刀具，所述PDC刀具通过所述PDC刀具的所述硬复合物基底与所述MMC之间的结合部安装在所述胎体钻头主体的外部部分的凹槽中，其中所述结合部从与所述硬复合物基底的金属陶瓷结合部分过渡到瞬间液相结合部、到与所述MMC的金属复合物结合部分。

实施方案E是一种钻探组合件，其包括：钻柱，所述钻柱延伸到井筒中；泵，所述泵流体连接到所述钻柱并且被构造来使钻井液循环进入所述钻柱中并且穿过所述井筒；以及根据实施方案C和/或D所述或通过实施方案A和/或B形成的钻头，所述钻头附接到所述钻柱的端部。

本文呈现并入本文所公开的本发明实施方案的一个或多个说明性实施方案。为了清楚起见，本申请中并未描述或示出实际实现方式的所有特征。应理解，在开发并入本发明实施方案的实际实现方式时，必须做出许多实现方式特定的决定以实现开发者的目标，诸如服从系统相关的、商务相关的、政府相关的和其他的约束，所述约束不时地根据实现方式改变。虽然开发者的努力可能是耗时的，然而此类努力将是本领域的并且受益于本公开的普通技术人员的常规任务。

虽然组合物和方法在本文中从“包含”各种组分或步骤方面来描述，但是所述组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。

因此，本发明非常适于实现所提到的目标和优点以及本文固有的那些目标和优点。以上公开的具体实施方案仅是说明性的，因为本发明可以对受益于本文教义的本领域技术人员来说显而易见的不同但等效的方式进行修改和实践。此外，并不意图对本文示出的构造或设计的细节进行限制，所附权利要求书中描述的除外。因此，明显的是，以上公开的具体说明性实施方案可发生改变、进行组合或修改并且所有此类变化均被视为在本发明的范围和精神内。本文说明性公开的本发明可在缺少本文未具体公开的任何要素和/或本文所公开的任何任选的要素的情况下得以适当地实践。虽然组合物和方法从“包含”、“含有”或“包括”各种组分或步骤方面来描述，但所述组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。以上公开的所有数字和范围均可发生一定量的变化。每当公开具有下限和上限的数字范围时，就明确公开了落在所述范围内的任何数字和任何所包括的范围。具体地，本文所公开的值的每个范围(形式为“约a至约b”，或等效地“大约a至b”，或等效地“大约a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围。另外，除非专利权人另外明确并清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其平常、普通的意义。此外，如权利要求书中所用的不定冠词“一个(a)”或“一(an)”在本文中定义为意指其引入的一个或一个以上要素。

Claims (20)

1.一种将聚晶金刚石复合片(PDC)刀具固定到包括金属基复合物(MMC)的钻头主体的方法，所述方法包括：

将PDC刀具定位在所述钻头主体的凹槽中，其中夹层结合结构位于所述PDC刀具与所述钻头主体之间，所述夹层结合结构包括邻近所述PDC刀具的硬复合物基底的第一外层、邻近所述钻头主体的所述MMC的第二外层、以及位于所述第一外层与所述第二外层之间的耐火层；将所述夹层结合结构加热到在高于所述第一外层和所述第二外层的熔点且低于所述耐火层的熔点的温度范围内的结合温度；以及

维持所述温度范围内的所述结合温度，持续足以使所述外层与所述耐火层等温地固化并使所述外层与所述硬复合物基底反应并到所述MMC的时间段。

2.如权利要求1所述的方法，其中使所述外层与所述耐火层等温地固化并使所述外层与所述硬复合物基底和与所述MMC反应在所述硬复合物基底与所述耐火层之间形成第一结合部，其中所述第一结合部具有高于所述外层的所述熔点的熔点并且包括与所述硬复合物基底的金属陶瓷结合部分和与所述耐火层的第一瞬间液相结合部分；并且在胎体钻头的所述MMC与所述耐火层之间形成第二结合部，其中所述第二结合部包括与所述MMC的金属复合物结合部分和与所述耐火层的第二瞬间液相结合部分。

3.如权利要求1所述的方法，其中使所述外层与所述耐火层等温地固化并使所述外层与所述硬复合物基底和所述MMC反应在所述硬复合物基底与所述MMC之间形成结合部，其中所述结合部从与所述硬复合物基底的金属陶瓷结合部分过渡到瞬间液相结合部、到与所述MMC的金属复合物结合部分。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述耐火层邻近所述第一外层和所述第二外层。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述耐火层是邻近所述第一外层的第一耐火层，并且第二耐火层邻近所述第二外层，其中所述夹层结合结构在所述第一耐火层与所述第二耐火层之间具有内层，并且其中维持所述结合温度引起所述中间层与所述第一耐火层和所述第二耐火层反应或等温地固化。

6.如权利要求1所述的方法，其还包括：

维持所述温度范围内的所述结合温度，持续1分钟至6小时。

7.如权利要求1所述的方法，其还包括：

在加热所述夹层结合结构的同时向所述PDC刀具施加压力。

8.如权利要求1所述的方法，其中加热所述夹层结合结构涉及在所述结合温度的200℉或更小范围内以3℉/min至60℉/min的速率加热。

9.如权利要求1所述的方法，其中加热所述夹层结合结构在惰性氛围下执行。

10.如权利要求1所述的方法，其中加热所述夹层结合结构在低于大气压下执行。

11.如权利要求1所述的方法，其还包括：

在所述结合温度的200℉或更小范围内以3℉/min至60℉/min的速率冷却所述夹层结合结构。

12.一种将聚晶金刚石复合片(PDC)刀具固定到包括金属基复合物(MMC)的钻头主体的方法，所述方法包括：

将PDC刀具定位在所述钻头主体的凹槽中，其中夹层结合结构位于所述PDC刀具与所述钻头主体之间，所述夹层结合结构包括邻近所述PDC刀具的硬复合物基底的第一外层以及邻近所述钻头主体的所述MMC的耐火层；

将所述夹层结合结构加热到在高于所述外层的熔点且低于所述耐火层的熔点的温度范围内的结合温度；以及

维持所述温度范围内的所述结合温度，持续足以使所述外层与所述耐火层等温地固化、使所述外层与所述硬复合物基底反应并将所述耐火层结合到所述MMC的时间段。

13.如权利要求12所述的方法，其中使所述外层与所述耐火层等温地、使所述外层与所述硬复合物基底反应并且将所述耐火层结合到所述MMC在所述硬复合物基底与所述耐火层之间形成结合部，其中所述第一结合部具有高于所述外层的所述熔点的熔点并且包括与所述硬复合物基底的金属陶瓷结合部分和与所述耐火层的瞬间液相结合部分。

14.如权利要求12所述的方法，其中使所述外层与所述耐火层等温地、使所述外层与所述硬复合物基底反应并且将所述耐火层结合到所述MMC在所述硬复合物基底与所述MMC之间形成结合部，其中所述结合部从与所述硬复合物基底的金属陶瓷结合部分过渡到瞬间液相结合部、到所述MMC处的金属复合物结合部分。

15.如权利要求12所述的方法，其中加热所述夹层结合结构涉及在所述结合温度的200℉或更小范围内以3℉/min至60℉/min的速率加热。

16.一种钻头，其包括：

胎体钻头主体，所述胎体钻头主体包括金属基复合物(MMC)；以及

聚晶金刚石复合片(PDC)刀具，所述PDC刀具包括硬复合物基底并且安装在所述胎体钻头主体的外部部分的凹槽中，其中耐火层位于所述PDC刀具与所述MMC之间，使得所述PDC刀具通过硬复合物基底与耐火层之间的第一结合部和所述MMC与所述耐火层之间的第二结合部结合到所述MMC，所述第一结合部包括与所述硬复合物基底的金属陶瓷结合部分和与所述耐火层的瞬间液相结合部分。

17.如权利要求16所述的钻头，其中所述第二结合部包括与所述MMC的金属复合物结合部分和与所述耐火层的瞬间液相结合部分。

18.一种钻探组合件，其包括：

钻柱，所述钻柱延伸到井筒中；

泵，所述泵流体连接到所述钻柱并且被构造来使钻井液循环进入所述钻柱中并且穿过所述井筒；以及

根据权利要求16所述的钻头，所述钻头附接到所述钻柱的端部。

19.一种钻头，其包括：

胎体钻头主体，所述胎体钻头主体包括金属基复合物(MMC)；以及

聚晶金刚石复合片(PDC)刀具，所述PDC刀具包括硬复合物基底，所述PDC刀具通过所述PDC刀具的所述硬复合物基底与所述MMC之间的结合部安装在所述胎体钻头主体的外部部分的凹槽中，其中所述结合部从与所述硬复合物基底的金属陶瓷结合部分过渡到瞬间液相结合部、到与所述MMC的金属复合物结合部分。

20.一种钻探组合件，其包括：

钻柱，所述钻柱延伸到井筒中；

泵，所述泵流体连接到所述钻柱并且被构造来使钻井液循环进入所述钻柱中并且穿过所述井筒；以及

根据权利要求19所述的钻头，所述钻头附接到所述钻柱的端部。