背景技術(shù)：

用于石油和天然氣工業(yè)的井筒通常通過(guò)旋轉(zhuǎn)鉆井的方法鉆孔。在傳統(tǒng)的鉆井中，鉆頭安裝在鉆柱的末端，鉆柱長(zhǎng)度可能是幾英里。在井筒表面，旋轉(zhuǎn)臺(tái)或頂部驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柱，包括布置鉆孔底部的鉆頭，以越來(lái)越多地穿透地下地層，同時(shí)鉆井流體被泵送穿過(guò)鉆柱。在其他鉆井構(gòu)型中，可以在井下環(huán)境使用鄰近鉆頭軸向布置的泥漿馬達(dá)來(lái)旋轉(zhuǎn)鉆頭，并使用循環(huán)的鉆井流體來(lái)為鉆頭供以動(dòng)力。

用于鉆井的一種常見(jiàn)類型的鉆頭被稱為“固定齒”或“刮刀”鉆頭。固定齒鉆頭通常包括由高強(qiáng)度材料形成的鉆頭主體和在鉆頭主體周圍的選定位置處附接的多個(gè)切削齒。固定齒鉆頭上的切削齒通常包括由碳化物(例如，碳化鎢)制成的基底或支撐柱以及可由聚晶金剛石制成的切削表面層或“金剛石臺(tái)”。此類切削齒通常被稱為聚晶金剛石復(fù)合片(“pdc”)切削齒。

已經(jīng)積極研究了將金剛石材料固定到基底上的各種方法。通常，使用單個(gè)高溫高壓(hthp)壓制周期同時(shí)形成金剛石并將其結(jié)合到基底上。然而，該方法通常使用所謂的催化材料例如鈷，以促進(jìn)金剛石顆粒之間以及形成的金剛石與基底之間的結(jié)合。金剛石中的殘留催化材料的存在可導(dǎo)致熱穩(wěn)定性降低，因此常常對(duì)pdc切削齒進(jìn)行瀝濾以從工作表面除去殘留鈷。在其他情況下，代替將金剛石附接到壓機(jī)中的基底上，可以首先形成pdc，然后將其附接到基底，例如通過(guò)使用活性金屬釬焊合金進(jìn)行釬焊。

附圖說(shuō)明

以下圖示被包括來(lái)說(shuō)明本公開(kāi)的某些方面，并且不應(yīng)該被看作是排他性實(shí)施方案。所公開(kāi)的主題能夠在不脫離本公開(kāi)的范圍的情況下在形式和功能上進(jìn)行相當(dāng)多的修改、改變、組合以及等效化。

圖1a是可以采用本公開(kāi)的原理的示例性固定齒鉆頭的等距示意圖。

圖1b是可與圖1a的鉆頭一起使用的示例性切削齒的示意圖。

圖2是示例性切削齒的截面示意圖。

圖3是另一個(gè)示例性切削齒的截面示意圖。

圖4是切削齒的制造方法的示意性流程圖。

圖5是切削齒的另一種方法的示意性流程圖。

圖6是采用軸承元件的示例性滾轉(zhuǎn)切削齒的截面頂視圖。

具體實(shí)施方式

本申請(qǐng)涉及井下工具，更具體地講，涉及聚晶金剛石復(fù)合片如切削齒和軸承元件，以及具有多層接頭的聚晶金剛石復(fù)合片的制造方法。

本公開(kāi)的實(shí)施方案涉及將金剛石臺(tái)或“盤”附接到基底以形成用于鉆地鉆頭的聚晶金剛石復(fù)合片。可以使用使用薄膜沉積工藝如濺射或化學(xué)氣相沉積形成的多層接頭將金剛石臺(tái)耦接到基底。沉積工藝導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)金屬薄膜，該一個(gè)或多個(gè)金屬薄膜提高了金剛石臺(tái)與基底的接合強(qiáng)度。此外，可以選擇沉積過(guò)程中所使用的材料以更好地管理金剛石臺(tái)與基底之間的殘留應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)不匹配。薄膜沉積工藝可以在相對(duì)較低溫度下進(jìn)行，這使得金剛石臺(tái)與基底之間的接合處的殘余應(yīng)力最小化。因此，可以提高聚晶金剛石復(fù)合片的熱機(jī)械完整性和耐磨性，從而使接頭處的失效最小化。聚晶金剛石復(fù)合片可包括鉆頭中所使用的切削齒或軸承元件。

圖1a是可以采用本公開(kāi)的原理的示例性固定齒鉆頭100的等距圖。鉆頭100具有鉆頭主體102，該鉆頭主體包括具有前沿面106的徑向和縱向延伸的刀片104，和用于將鉆頭主體102連接到鉆柱(未示出)的螺紋銷連接件108。鉆頭主體102可由鋼或較硬材料如碳化鎢的金屬基體制成。鉆頭主體102被構(gòu)造用于圍繞縱向軸線110旋轉(zhuǎn)以通過(guò)在鉆頭主體102上施加重量而鉆入地下地層中。對(duì)應(yīng)的排屑槽112被限定于沿圓周方向相鄰的刀片104之間，并且多個(gè)噴嘴或端口114可被布置在排屑槽112內(nèi)用于注入鉆探流體，該鉆探流體冷卻鉆頭100并且沖去在鉆井時(shí)生成的切削和碎屑。

鉆頭主體102還包括多個(gè)切削齒116，該多個(gè)切削齒各自設(shè)置在對(duì)應(yīng)的切削齒凹槽118內(nèi)，該對(duì)應(yīng)的切削齒凹槽的尺寸和形狀適于接納切削齒116。切削齒116在預(yù)先確定的角度取向和徑向位置被固持在刀片104和對(duì)應(yīng)切削齒凹槽118中，以將切削齒116定位成相對(duì)于正被穿透的地層具有期望的后傾角。隨著鉆頭主體102的旋轉(zhuǎn)，切削齒116通過(guò)鉆頭100上呈現(xiàn)的鉆壓和扭矩的結(jié)合力而通過(guò)下面的巖石驅(qū)動(dòng)。

現(xiàn)在參考圖1b，同時(shí)繼續(xù)參考圖1a，示出了可用于圖1a的鉆頭100的切削齒116之一的平面圖。如圖所示，切削齒116可包括大致圓柱形基底120和在基底120與金剛石臺(tái)124之間的接口122處耦接到基底120的金剛石臺(tái)124(或者稱為盤)。基底120可由極硬材料如燒結(jié)碳化鎢(wc)制成。在一些實(shí)施方案中，基底120可包括圓柱形wc“坯件”，該圓柱形wc“坯件”是充分長(zhǎng)的，以充當(dāng)金剛石臺(tái)124的安裝柱。然而，在其他實(shí)施方案中，基底120可包括在另一接口上結(jié)合到另一金屬安裝柱的中間層，而不脫離本公開(kāi)的范圍。

金剛石臺(tái)124可包括超硬材料如聚晶金剛石(pcd)、聚晶立方氮化硼、孕鑲金剛石或另一超耐磨材料的一個(gè)或多個(gè)層。在一些實(shí)施方案中，可通過(guò)使顆粒材料經(jīng)受高溫高壓(hthp)壓制周期而形成金剛石臺(tái)124。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，可以提供一種材料，其在本領(lǐng)域中非正式地稱為催化劑或催化材料如鈷，以在金剛石臺(tái)124的形成期間促進(jìn)金剛石顆粒之間的結(jié)合。在hthp壓制周期后，在一些實(shí)施方案中，可以制備金剛石臺(tái)124以獲得較高的耐溫性和/或較高的耐磨度/耐磨性。這可以通過(guò)在將金剛石臺(tái)124粘合到將用于將所得切削齒附接到鉆頭的基底之前從金剛石臺(tái)124中除去殘留鈷催化劑如通過(guò)浸出工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此情況下，可將浸出金剛石臺(tái)124的所得材料稱為熱穩(wěn)定聚晶(tsp)金剛石。

在其他實(shí)施方案中，可在無(wú)浸出的情況下，通過(guò)在hthp壓制周期期間利用非鈷催化劑形成金剛石而產(chǎn)生tsp材料。在這樣的實(shí)施方案中，可使包含硬質(zhì)材料晶粒和非鈷或碳酸鹽催化劑材料晶粒(例如，由鎂、鈣、鍶、鋇中的一種或多種構(gòu)成的碳酸鹽)的顆?；旌衔锝?jīng)受升高的溫度(例如，大于約2000℃的溫度)和升高的壓力(例如，大于約7gpa的壓力)。這個(gè)hthp壓制周期可導(dǎo)致在硬質(zhì)材料顆粒之間形成粒間結(jié)合，從而形成tsp金剛石材料的互相結(jié)合的晶粒，而不需要浸出。因此，在至少一個(gè)實(shí)施方案中，金剛石臺(tái)124可包括tsp金剛石，但通?？梢园ㄒ呀?jīng)變得熱穩(wěn)定的任何pcd，無(wú)論是否浸出。隨后將形成的金剛石臺(tái)124結(jié)合到基底120，如下所述。

所得切削齒116可以被表征或在本文以其他方式稱為“聚晶金剛石復(fù)合片”。實(shí)際上，包括附接到基底的pcd臺(tái)的任何結(jié)構(gòu)均可表征為聚晶金剛石復(fù)合片。例如，如下所述，另一種類型的聚晶金剛石復(fù)合片包括由附接到基底的pcd臺(tái)制成的軸承元件。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解，可以使用本文所述的方法制造任何聚晶金剛石復(fù)合片。

金剛石臺(tái)124一般限定或提供工作表面126，工作表面126的至少一部分在鉆孔期間與地層嚙合以切削/破壞地層。在圖1b所示的取向上，金剛石臺(tái)124與基底120之間的接口122在基底120的頂表面128與金剛石臺(tái)124的底表面130之間延伸，在那里底表面130與工具表面126相對(duì)。根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方案，金剛石臺(tái)124可使用定位在接口122處的多層接頭附接到基底120。多層接頭可以有利于幫助更好地管理金剛石臺(tái)124與基底120之間的殘留應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)(cte)不匹配。因此，可以提高所得切削齒116的熱機(jī)械完整性，包括在操作期間提高切削齒116的耐磨性，并且可以使接口122處的故障最小化。

現(xiàn)在參考圖2，示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的示例性切削齒200的示意性截面?zhèn)纫晥D。切削齒200可以與圖1b的切削齒116相同或類似，并且因此可以通過(guò)參考圖1b得到更好地理解，在圖1b中，相同的附圖標(biāo)記表示未再描述的相同的元件或部件。例如，與圖1b的切削齒116類似，切削齒200可包括金剛石臺(tái)124和基底120。如圖所示，多層接頭202可定位在金剛石臺(tái)124與基底120之間的接口122(圖1b)處，并且一般可以其他方式插入金剛石臺(tái)124與基底120之間。多層接頭202可用于將金剛石臺(tái)124附接到基底120，使得切削齒200可用于井下操作。

在所示實(shí)施方案中，多層接頭202可包括基層204、一個(gè)或多個(gè)中間層206和釬焊層208?；鶎?04、中間層206和釬焊層208可在本文統(tǒng)稱為多層接頭202的組成部分。每個(gè)組成部分都可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何化學(xué)或物理薄膜沉積技術(shù)來(lái)形成或以其他方式沉積?？梢圆捎玫暮线m的薄膜沉積工藝包括但不限于物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、濺射、脈沖激光沉積、化學(xué)溶液沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、陰極電弧沉積、電流體力學(xué)沉積(即，電噴射沉積)、離子輔助電子束沉積、電鍍、熱蒸發(fā)和旋涂。多層接頭202的組成部分可以在薄膜沉積工藝期間在高真空和/或惰性氣氛下形成。

在一些實(shí)施方案中，多層接頭202的組成部分可以在薄膜沉積工藝期間直接依次沉積在金剛石臺(tái)124上。在這樣的實(shí)施方案中，金剛石臺(tái)124可以定位在特定薄膜沉積技術(shù)的沉積室內(nèi)，并且可以用作某種類型的基底或載體來(lái)構(gòu)建多層接頭202。在沉積工藝之后，上面沉積或以其它方式形成有多層接頭202的金剛石臺(tái)124隨后可以通過(guò)釬焊耦接或附接到基底120，這導(dǎo)致形成了切削齒200。在一些實(shí)施方案中，釬焊工藝可以在選擇性溫度和/或壓力參數(shù)下以及在存在選擇性氣體的情況下進(jìn)行。因此，釬焊工藝可以結(jié)合有或以其他方式包括真空釬焊、熱壓和/或“下部”hpht工藝。因此，在一些實(shí)施方案中，切削齒200可以通過(guò)至少通常如上所述的形成金剛石臺(tái)124的初始hthp壓制周期(以及任選地接著是浸出工藝)，然后是隨后的使用多層接頭202將金剛石臺(tái)124結(jié)合到基底120的釬焊操作而形成。

然而，在其他實(shí)施方案中，可以使用薄膜沉積工藝而獨(dú)立于金剛石臺(tái)124構(gòu)建多層接頭202。在這樣的實(shí)施方案中，單獨(dú)的載體基底可以被定位在沉積室內(nèi)并且多層接頭202的組成部分可以在薄膜沉積工藝期間依次沉積在載體基底上。在沉積工藝后，多層接頭202可以作為獨(dú)立的多層膜(有時(shí)稱為“箔”)從載體基底脫離。多層接頭202然后可以被定位在金剛石臺(tái)124與基底120之間且隨后經(jīng)受釬焊以使用多層接頭202將金剛石臺(tái)124結(jié)合到基底120，由此形成切削齒200。

如圖所示，基層204可以構(gòu)成多層接頭202的初始層(即，鄰近金剛石臺(tái)124的層)以直接接觸鉆石臺(tái)124(即，在圖1b的底表面130處)?；鶎?04可以由被配置成與金剛石臺(tái)124形成化學(xué)結(jié)合和/或碳化物的各種材料制成。適用于基層204的材料包括但不限于鈦、鎢、鉻、鋯、錳、釩、釔、鈮、鉬、鉿、鉭、銅、銀、金、鎳、鈀、硼、硅、鐵、鋁、鈷、銦、磷或其任何合金(例如，鎢鈦合金)。上述材料可以表征為“活性”或“非活性”?！盎钚浴辈牧鲜强膳c聚晶超硬材料反應(yīng)的材料，“非活性”材料是不一定與聚晶超硬材料反應(yīng)的材料。在一些實(shí)施方案中，所使用的不同材料可以基于活性或非活性和/或基于給定材料的熔融(液相線)溫度和/或固化(固相線)或結(jié)晶溫度來(lái)選擇。

在一些實(shí)施方案中，基層204可以用一種或多種材料進(jìn)行摻雜和/或滲透，以增強(qiáng)與金剛石臺(tái)124的結(jié)合和/或操縱基層204的熱膨脹系數(shù)(cte)。例如，基層204的材料可以用陶瓷、具有高延展性或屈服應(yīng)力的金屬、聚合物材料或其混合物或組合進(jìn)行摻雜和/或滲透?？捎糜趽诫s基層204的合適的陶瓷包括但不限于碳化鎢、金剛石、納米金剛石、納米碳、石墨烯、碳納米管等?？梢岳斫獾氖?，在形成與金剛石臺(tái)124的附接之前，在其他元件可以優(yōu)先地結(jié)合或消耗碳化物形成物的情況下，用碳化物形成器摻雜基層204是有利的?？捎糜趽诫s基層204的合適的金屬包括但不限于銅、銀，金、鎳及其任意組合。

釬焊層208可以是與基底120相鄰的材料層，并且可以被配置為將多層接頭202以及因此金剛石臺(tái)124結(jié)合到基底120(即，在圖1b的頂表面128處)。釬焊層208可由惰性抗氧化金屬或金屬合金制成，其可以被釬焊到基底120而較少地或不生成氧化物。適用于釬焊層204的材料包括但不限于銀、銅、金、它們的任意合金以及它們的任意共晶/非共晶組合。類似于基層204，在一些實(shí)施方案中，釬焊層208還可以用各種材料摻雜和/或滲透以增強(qiáng)與基底120的結(jié)合和/或優(yōu)化釬焊層208的cte。合適的摻雜或滲透材料與上文列出的相同，因此不再列出。

一個(gè)或多個(gè)中間層206可以被配置成為多層接頭202提供最佳的剪切強(qiáng)度和最小的熱應(yīng)力。雖然在圖2中示為包括三個(gè)不同的材料層，但中間層206可以包括任何數(shù)量的材料層，僅包括單個(gè)材料層，而不脫離本公開(kāi)的范圍。此外，在一些實(shí)施方案中，基層204或釬焊層208中的一個(gè)可以形成中間層206的整體部分并且另外用中間層206計(jì)數(shù)。因此，在這樣的實(shí)施方案中，多層結(jié)構(gòu)206可以僅包括兩個(gè)組成部分，其中基層204或釬焊層208中的一個(gè)被視為中間層206的一部分。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，多層結(jié)構(gòu)206可以包括基層204和一個(gè)或多個(gè)中間層206，其中中間層206包括釬焊層208，或者中間層206僅包括釬焊層208。在另一個(gè)實(shí)施方案中，多層結(jié)構(gòu)206可以包括釬焊層208和一個(gè)或多個(gè)中間層206，其中中間層206包括基層204，或者中間層206僅包括基層204。

中間層206可以由表現(xiàn)出介于金剛石臺(tái)124和基底120之間的cte的各種材料制成。例如，碳化鎢表現(xiàn)出約4.5至約6.5的cte(10-6/°k)，金剛石表現(xiàn)出約1的cte(10-6/°k)，大多數(shù)金屬表現(xiàn)出約10至約20的cte(10-6/°k)。適用于中間層206的材料包括但不限于鈦、鎢、鉻、鋯、錳或其任何合金(例如，鎢鈦合金、鐵鎳合金、invar(64feni))。與基層204和釬焊層208類似，中間層206中的一個(gè)或多個(gè)可以摻雜和/或滲透某種材料以操縱給定中間層206的cte。合適的摻雜或滲透材料與上文列出的相同，因此不再列出。在多層接頭202中使用的中間層206的組成、厚度和數(shù)量取決于用于提供最佳剪切強(qiáng)度和最小熱應(yīng)力的最終接合厚度。

用于任何基層204、中間層206和釬焊層208的材料可以基于材料的一個(gè)或多個(gè)臨界性質(zhì)來(lái)選擇，例如熔融溫度、cte、延展性和耐腐蝕性。可以理解的是，沉積工藝中的沉積材料的溫度通常應(yīng)保持低于金剛石臺(tái)124的石墨化溫度，以防止金剛石臺(tái)124中的金剛石石墨化。對(duì)于石墨化來(lái)說(shuō)，典型金剛石具有約800℃至1200℃(取決于大氣條件)的溫度極限。對(duì)于tsp金剛石來(lái)說(shuō)，這些值在真空下的范圍為1000℃至1200℃。在某些情況下，石墨化溫度可至少部分取決于正采用的特定薄膜沉積技術(shù)的沉積室內(nèi)的氣氛。

現(xiàn)在參考圖3，示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的另一個(gè)示例性切削齒300的示意性截面?zhèn)纫晥D。切削齒300在某些方面可以與圖2的切削齒200類似，因此可以通過(guò)參考圖2得到最好地理解。例如，與圖2的切削齒200類似，切削齒300可包括金剛石臺(tái)124和基底120。此外，切削齒300可以包括通常插入金剛石臺(tái)124與基底120之間的多層接頭302。與圖2的多層接頭202類似，多層接頭302可用于將金剛石臺(tái)124耦接或附接到基底120，使得切削齒300可用于井下操作，諸如在圖1的鉆頭100中。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在一些實(shí)施方案中，多層接頭302可以包括釬焊層208。

然而，與圖2的多層接頭202不同，多層接頭302通常不提供不同且限定的材料層。相反，多層接頭302可以被表征為通過(guò)基層204、中間層206和釬焊層208中的一個(gè)或多個(gè)的材料層的梯度分層而產(chǎn)生的“梯度”多層接頭302，使得從一種材料到下一種材料的過(guò)渡是漸進(jìn)的而不是突然的?？梢岳斫獾氖?，梯度多層接頭302中的梯度材料層可有利于使得金剛石臺(tái)124與基底120之間的cte發(fā)生連續(xù)變化而不是逐步變化。

雖然釬焊層208在圖3中被描繪為限定的或不同的材料層，但釬焊層208也可以包括從相鄰梯度中間層206逐漸過(guò)渡的梯度層。此外，在所示實(shí)施方案中，基層204(圖2)可以形成中間層206的整體部分。然而，在其他實(shí)施方案中，基層204可以包括限定的材料層，而釬焊層208相反可以形成梯度中間層206的整體部分。在其他實(shí)施方案中，基層204和釬焊層208兩者均可形成梯度中間層206的整體梯度部分。

在梯度多層接頭302中，在用于形成梯度多層接頭302的薄膜沉積工藝期間，材料層可以以兩種或多種材料的混合物或共混物過(guò)渡?？梢岳斫獾氖牵荻榷鄬咏宇^302可以為操作者提供改變化學(xué)組成的能力，從而將梯度多層接頭302的材料設(shè)計(jì)或調(diào)節(jié)到預(yù)定或設(shè)計(jì)的梯度。與圖2的多層接頭202類似，梯度多層接頭302可以使用本文列出的任何化學(xué)或物理薄膜沉積技術(shù)來(lái)形成。在一些實(shí)施方案中，梯度多層接頭302可以在給定薄膜沉積工藝期間直接依次沉積在金剛石臺(tái)124上。在沉積工藝之后，上面沉積或以其它方式形成有梯度多層接頭302的金剛石臺(tái)124隨后可以通過(guò)釬焊周期耦接到基底120形成切削齒300。然而，在其他實(shí)施方案中，可以在薄膜沉積工藝期間，諸如在定位在沉積室內(nèi)的載體基底上，獨(dú)立于金剛石臺(tái)124構(gòu)建梯度多層接頭302。在沉積工藝后，多層接頭302可以作為獨(dú)立的多層膜從載體基底脫離，并且隨后被定位在金剛石臺(tái)124與基底120之間，與經(jīng)受釬焊周期，由此形成切削齒300。

現(xiàn)在參考圖4，同時(shí)繼續(xù)參考圖2和圖3，示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的制造切削齒的示例性方法400的示意性流程圖。方法400可用于制造本文所述的切削齒200、300中的任一個(gè)。根據(jù)方法400，可使基層可如402所示在薄膜沉積工藝中沉積。在一些實(shí)施方案中，如上所述，可使基層204在沉積工藝期間直接沉積在金剛石臺(tái)124上。然而，在其他實(shí)施方案中，可使基層204沉積在載體基底上。可以選擇基層204的材料，使得所述材料在隨后的加熱和/或釬焊周期內(nèi)與金剛石臺(tái)124形成化學(xué)結(jié)合和/或碳化物。此外，可以選擇基層204的材料來(lái)展現(xiàn)與金剛石臺(tái)124的cte匹配或密切匹配的cte。

然后，可使一個(gè)或多個(gè)中間層如404所示沉積在基層上。在一些實(shí)施方案中，可使基層204和中間層206沉積在由不同材料構(gòu)成的離散層或不同層中。然而，在其他實(shí)施方案中，從基層204的材料到中間層206的材料的沉積過(guò)渡(以及多個(gè)中間層206的相鄰材料之間的沉積過(guò)渡，如果存在的話)之間可以是漸進(jìn)的，使得可以實(shí)現(xiàn)材料的梯度分層。在任一種情況下，沉積的材料層可用于管理熱應(yīng)力，例如金剛石臺(tái)124與基底120之間的cte。例如，雖然可以選擇基層204的材料使其密切匹配金剛石臺(tái)124的cte，但可以選擇中間層206的任何后續(xù)材料以使cte逐漸過(guò)渡到更接近基底120的cte。在一些實(shí)施方案中，基層204和中間層206中的一個(gè)或多個(gè)可以在沉積工藝期間被摻雜和/或滲透以幫助操縱或優(yōu)化cte。因此，沉積的材料層可以各自表現(xiàn)出落在金剛石臺(tái)124與基底120之間的cte，以提供多層接頭202、302的兩端之間的過(guò)渡。

方法400可以通過(guò)使釬焊層沉積在一個(gè)或多個(gè)中間層上而繼續(xù)進(jìn)行，如406所示。中間層206的最后一層或材料可以包括材料(例如，金屬或金屬合金)，所述材料可以導(dǎo)致與釬焊層208的材料發(fā)生良好粘合。此外，可以選擇釬焊層208的材料，使得釬焊層208與基底120形成化學(xué)結(jié)合。適用于釬焊層208的一種材料為銀基釬焊合金。此外，與基層204和中間層206類似，釬焊層208可以在沉積工藝期間被摻雜和/或滲透，以幫助操縱或優(yōu)化cte使其更接近基底120的cte。金剛石臺(tái)124隨后可利用定位在金剛石臺(tái)124與基底120之間的多層接頭202、302而經(jīng)由釬焊工藝附接到基底120，如408所示。

現(xiàn)在參考圖5，示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的制造切削齒的另一種方法500的示意性流程圖。與方法400類似，方法500可用于制造本文所述的切削齒200、300中的任一個(gè)。根據(jù)方法500，可使多層接頭如502所示在薄膜沉積工藝期間沉積在載體上。載體可以是金剛石臺(tái)和載體基底中的一個(gè)，并且多層接頭可包括至少兩個(gè)組成部分，該至少兩個(gè)組成部分包括基層、一個(gè)或多個(gè)中間層和釬焊層。在一些實(shí)施方案中，至少兩個(gè)組成部分的材料可以摻雜有摻雜劑以改變所述材料的熱膨脹系數(shù)。摻雜劑可以選自由陶瓷、金屬、聚合物及其任意組合組成的組。

方法500隨后可包括使金剛石臺(tái)經(jīng)由釬焊工藝附接到基底，其中多層接頭插入金剛石臺(tái)與基底之間，如504所示。在其中載體為載體基底的情況下，多層接頭可首先從載體基底脫離且隨后定位在金剛石臺(tái)與基底之間以進(jìn)行釬焊工藝。504的釬焊工藝可包括真空釬焊、熱壓和“下部”hpht工藝，而不脫離本公開(kāi)的范圍。可在經(jīng)由hthp壓制周期形成金剛石臺(tái)后，發(fā)生釬焊工藝。在釬焊操作后，可從金剛石臺(tái)浸出金剛石臺(tái)中的剩余催化材料以及可能在鉆孔期間對(duì)金剛石臺(tái)有害的任何其他材料，以使金剛石臺(tái)熱穩(wěn)定。

在其中載體為金剛石臺(tái)的情況下，可使多層接頭的材料在低于金剛石臺(tái)的石墨化溫度的溫度下沉積在載體上。這可能有助于防止金剛石臺(tái)的石墨化。在一些實(shí)施方案中，使多層接頭沉積在載體上可包括使一種或多種第一材料沉積在載體上，以及使一種或多種第一材料的沉積逐漸過(guò)渡到載體上的一種或多種第二材料的沉積。這導(dǎo)致多層接頭的材料層發(fā)生梯度分層，這可有利于使得金剛石臺(tái)與基底之間的cte發(fā)生連續(xù)變化而不是逐步變化。此外，梯度分層可以用被配置成優(yōu)化和以其他方式操縱金剛石臺(tái)與基底之間的cte的材料來(lái)?yè)诫s和/或滲透。

如上所述，本公開(kāi)的原理不限于切削齒，但同樣適用于金剛石臺(tái)附接到基底的任何聚晶金剛石復(fù)合片。例如，本公開(kāi)的原理可以應(yīng)用于金剛石臺(tái)軸承元件，例如用滾轉(zhuǎn)切削齒組件中的那些。

參考圖6，示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的示例性滾轉(zhuǎn)切削齒組件600的截面頂視圖。滾轉(zhuǎn)切削齒組件600(下文稱為“組件600”)可以用在圖1a的鉆頭100中，并且因此可以通過(guò)參考圖1a得到最好地理解，在圖1a中，相同的附圖標(biāo)記表示不再詳細(xì)描述的相同的部件或元件。然而，應(yīng)當(dāng)注意，盡管在本文中描述為與鉆頭100一起使用，但本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，組件600可以同樣地用于各種其他類型的鉆頭或切削工具，而不脫離本公開(kāi)的范圍。例如，可能受益于本文所述實(shí)施方案的其他切削工具包括但不限于孕鑲鉆頭、取芯鉆頭、取芯工具、擴(kuò)孔器(例如，擴(kuò)孔工具)和其他已知的井下鉆具。

如圖所示，組件600可以耦接到鉆頭100的刀片104或以其他方式與其相關(guān)聯(lián)。然而，在其他實(shí)施方案中，組件600可以耦接到鉆頭100的任何其他靜態(tài)部件，而不脫離本公開(kāi)的范圍。例如，在至少一個(gè)實(shí)施方案中，組件600可以耦接到鉆頭100的刀片104的頂部或者在備用行中。刀片104的前沿面106面向刀片104的大致旋轉(zhuǎn)方向?？梢栽诘镀?04中在刀片104的前沿面處形成切削齒凹槽118。切削齒凹槽118可以包括或以其他方式提供接收端602a、底端602b和在接收端602a與底端602b之間延伸的側(cè)壁604。

組件600還可以包括被配置為設(shè)置在切削齒凹槽118內(nèi)的大致圓柱形滾轉(zhuǎn)切削齒606。滾轉(zhuǎn)切削齒606在某些方面可以類似于圖1b的切削齒116，諸如包括基底120和附接到基底124的金剛石臺(tái)124。接收端602a可以限定大致圓柱形開(kāi)口，該大致圓柱形開(kāi)口被配置為將滾轉(zhuǎn)切削齒606接收到切削齒凹槽118中?；?20可以提供第一端608a和第二端608b。如圖所示，第一端608a可以從切削齒凹槽118向外延伸較短距離，并且第二端608b可以被配置為在底端602b處或附近布置在切削齒凹槽118內(nèi)。

組件600還可以包括在底端602b處布置在切削齒凹槽118內(nèi)的軸承元件610。在容納滾轉(zhuǎn)切削齒606的鉆頭(例如，圖1a的鉆頭100)的操作期間，滾轉(zhuǎn)切削齒606的第二端608b(例如，基底120)可以被配置為在滾轉(zhuǎn)切削齒606旋轉(zhuǎn)時(shí)與軸承元件610嚙合。在一些實(shí)施方案中，軸承元件610可以被釬焊到切削齒凹槽118的底端602b中。然而，在其他實(shí)施方案中，軸承元件610可以被直接鑄造到切削齒凹槽118的底端602b中。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，軸承元件610可以通過(guò)使用鳩尾狀保持機(jī)構(gòu)而固定到切削齒凹槽118的底端602b中。

軸承元件610的構(gòu)成和構(gòu)造可以與圖1b的切削齒116相同，并且如上所述。更具體地講，軸承元件610可以包括基底612(與基底120類似)，并且金剛石臺(tái)614(與金剛石臺(tái)124類似)可以使用多層接頭616(與圖2的多層接頭202和圖3的多層接頭302類似)附接到基底612。因此，軸承元件610可以被表征或在本文以其他方式稱為“聚晶金剛石復(fù)合片”。此外，如上文參考圖4和圖5所述的制造切削齒的方法400和500可以同樣適用于制造軸承元件610，而不脫離本公開(kāi)的范圍。

組件600還可包括保持機(jī)構(gòu)618，該保持機(jī)構(gòu)被配置成將滾轉(zhuǎn)切削齒606固定在切削齒凹槽118內(nèi)。保持機(jī)構(gòu)618可以是被配置為允許滾轉(zhuǎn)切削齒606圍繞其中心軸線620在切削齒凹槽118內(nèi)旋轉(zhuǎn)的任何裝置或機(jī)構(gòu)，同時(shí)防止?jié)L轉(zhuǎn)切削齒從切削齒凹槽118中移除。在一些實(shí)施方案中，如圖所示，保持機(jī)構(gòu)618可以包括球軸承系統(tǒng)，其包括內(nèi)軸承座622a、外軸承座622b和設(shè)置在內(nèi)軸承座622a與外軸承座622b內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)球軸承624(示出其中兩個(gè))。內(nèi)軸承座622a可以限定在滾轉(zhuǎn)切削齒606的外表面上(即，基底120的外表面)，而外軸承座622b可以限定在切削齒凹槽118的側(cè)壁604的內(nèi)徑向表面上。

在示例性鉆孔操作中，滾轉(zhuǎn)切削齒606可以被配置成嚙合下面的地下地層。當(dāng)滾轉(zhuǎn)切削齒606接觸下面的地層時(shí)，地層開(kāi)始剪切并生成在金剛石臺(tái)214上沿著方向a所呈現(xiàn)的反作用力。此外，地層的剪切可以促使?jié)L轉(zhuǎn)切削齒606圍繞中心軸線620旋轉(zhuǎn)。方向a上的反作用力可以傳遞到滾轉(zhuǎn)切削齒606的第二端608b(例如，基底120)，該第二端嚙合軸承元件610。由于軸承元件610由諸如tsp的超硬材料制成，因此第二端608b可以可滑動(dòng)地嚙合軸承元件610，不這樣的話，第二端608b有可能會(huì)卡住切削齒凹槽118的底端602b。然而，利用軸承元件610，可以顯著地減少切削齒凹槽118與滾轉(zhuǎn)切削齒606的第二端608b之間的摩擦，從而也減少在鉆孔期間生成的熱量。因此，需要較小的力來(lái)促使?jié)L轉(zhuǎn)切削齒606旋轉(zhuǎn)，并且鉆孔操作者可以能夠沿著方向a對(duì)滾轉(zhuǎn)切削齒606施加更大的力，從而提高鉆孔操作的效率。

因此，所公開(kāi)系統(tǒng)及方法良好適合于獲得所提到的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)以及本發(fā)明固有的那些目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。以上公開(kāi)的特定實(shí)施方案只是說(shuō)明性的，因?yàn)楸竟_(kāi)的教導(dǎo)內(nèi)容可以對(duì)受益于本文教導(dǎo)內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易知的不同但等效的方式來(lái)修改和實(shí)踐。另外，除非所附權(quán)利要求書中另有描述，否則無(wú)意限制本文所示的構(gòu)造或設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。因此明顯的是，以上公開(kāi)的特定例示性實(shí)施方案可被改變、結(jié)合、或修改，并且所有的此類變化被認(rèn)為在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。本文說(shuō)明性公開(kāi)的系統(tǒng)和方法可以合適地在不存在本文未具體公開(kāi)的任何要素和/或本文公開(kāi)的任何可選要素的情況下實(shí)施。雖然組成和方法已在“包含”、“含有”或“包括”各種部件或步驟方面進(jìn)行了描述，但是組成和方法還可以“基本上由各種組部件和步驟組成”或“由各種部件和步驟組成”。上文所公開(kāi)的所有數(shù)字和范圍可以變化某一量。每當(dāng)公開(kāi)具有下限和上限的數(shù)字范圍時(shí)，就明確公開(kāi)了落在范圍內(nèi)的任何數(shù)字和任何包括的范圍。具體而言，本文公開(kāi)的值的每個(gè)范圍(形式為“約a至約b”，或等效地“大致a至b”，或等效地“大致a-b”)應(yīng)理解為闡述涵蓋在值的較寬范圍內(nèi)的每個(gè)數(shù)字和范圍。另外，除非專利權(quán)所有人另外明確地和清楚地定義，否則權(quán)利要求書中的術(shù)語(yǔ)具有其一般的普通含義。此外，如權(quán)利要求中使用的不定冠詞“一(a或an)”在本文中被定義來(lái)意指它所介紹的一個(gè)或多個(gè)元件。如果本說(shuō)明書和可能以引用的方式并入本文中的一個(gè)或多個(gè)專利或其它文件中詞或術(shù)語(yǔ)的使用存在任何沖突，應(yīng)采用與本說(shuō)明書一致的定義。

如本文所使用的，在一系列項(xiàng)之前的短語(yǔ)“至少一個(gè)”，以及用于分開(kāi)所述項(xiàng)中的任何一個(gè)的術(shù)語(yǔ)“和”或“或”作為整體修改列表，而不是所述列表中的每一個(gè)成員(即，每個(gè)項(xiàng))。短語(yǔ)“至少一個(gè)”允許包括項(xiàng)中任何一個(gè)的至少一個(gè)、和/或項(xiàng)的任何組合的至少一個(gè)、和/或項(xiàng)中每一個(gè)的至少一個(gè)的意義。以舉例的方式，短語(yǔ)“a、b和c中的至少一個(gè)”或“a、b或c中的至少一個(gè)”各自指代僅a、僅b、或僅c；a、b和c的任何組合；和/或a、b和c中的每一個(gè)的至少一個(gè)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)

一種示例性聚晶金剛石復(fù)合片包括基底和附接到所述基底的金剛石臺(tái)。多層接頭插入所述基底與所述金剛石臺(tái)之間并且包括選自由基層、一個(gè)或多個(gè)中間層和釬焊層組成的組的至少兩個(gè)組成部分。所述至少兩個(gè)組成部分是經(jīng)由薄膜沉積工藝形成的。

技術(shù)研發(fā)人員：G·薩伊尼;W·B·阿特金斯

受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈利伯頓能源服務(wù)公司

技術(shù)研發(fā)日：2015.03.10

技術(shù)公布日：2017.10.13