УПРОЧНЕННЫЕ АЛМАЗАМИ РЕЖУЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, СНАБЖЕННЫЙ ИМИ БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ И СПОСОБ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CUTTING ELEMENT REINFORCED WITH DIAMONDS, DRILLING TOOL EQUIPPED WITH THEM AND METHOD OF THEIR MANUFACTURING

Притязания на приоритет
Настоящая заявка претендует на приоритет патентной заявки US 12/508440, поданной 23 июля 2009 г. на "Упрочненные алмазами режущие элементы, снабженный ими буровой инструмент и способ их изготовления".
Область техники
Настоящее изобретение относится к упрочненным алмазами режущим элементам для использования в буровом инструменте для бурения подземных пород, к буровому инструменту, включающему такие упрочненные алмазами режущие элементы, и к способам изготовления таких режущих элементов и бурового инструмента.
Уровень техники
В буровых долотах, предназначенных для бурения скважин, для удаления подземных пород используются режущие элементы. В процессе бурения, однако, происходит износ и растрескивание режущих элементов, что приводит к преждевременному выходу долота из строя. Когда износ режущих элементов требует их замены, буровые работы должны быть остановлены для замены бурового долота, что влечет значительные затраты средств и времени. Поэтому желательно максимально продлить срок службы режущих элементов, увеличивая их устойчивость как к повреждению от износа, так и к ударным воздействиям.
Типичные материалы, обладающие подходящими характеристиками для использования в режущих элементах, включают тугоплавкие металлы, карбиды металлов, например карбид вольфрама (WC), и сверхтвердые материалы, например алмаз. Алмаз обладает устойчивостью к износу, однако хрупок и склонен к растрескиванию и расслаиванию при использовании. С другой стороны, цементированный карбид вольфрама более пластичен и устойчив к воздействию ударов, но изнашивается быстрее алмаза. Было сделано много попыток объединить в режущих элементах бурового долота износоустойчивость алмаза с ударопрочностью WC. Режущие элементы обычно состоят из ПКА слоя или пластинки, сформированных или закрепленных при высоком давлении и высокой температуре на несущей подложке, например, из цементированного WC, хотя известны и другие конструкции. В качестве связующего материала, скрепляющего WC и слои ПКА (поликристаллический алмаз), используется, например, никель, молибден, кобальт и их сплавы, образующие сплошную матрицу, фиксирующую WC и слои ПКА.
Наружный, или рабочий, слой такого режущего элемента включает ПКА слой, в котором между соседними алмазными кристаллами действуют межкристаллические связи. По всему слою ПКА имеет место непрерывная фаза ПКА и непрерывная фаза матрицы. Соответственно, если из слоя ПКА травлением удалить все связующее вещество, то остался бы по существу целый и нетронутый слой ПКА. Для улучшения связи между ПКА слоем и подложкой между подложкой и рабочим слоем могут быть помещены переходные слои с постепенно нарастающей концентрацией ПКА или частиц алмаза в непрерывной матричной фазе каждого слоя.
Раскрытие изобретения
В некоторых вариантах осуществления, настоящее изобретение включает режущие элементы для бурения подземных пород. Режущие элементы включают подложку, по меньшей мере один переходной слой, скрепленный с подложкой, и рабочий слой, скрепленный с по меньшей мере одним переходным слоем со стороны, противоположной подложке. По меньшей мере один переходной слой содержит непрерывную первую матричную фазу и дискретную первую алмазную фазу, диспергированную в первой матричной фазе. Объемное содержание первой алмазной фазы в по меньшей мере одном переходном слое составляет примерно 50% или менее. Рабочий слой содержит непрерывную вторую матричную фазу и дискретную вторую алмазную фазу, диспергированную во второй матричной фазе. Объемное содержание второй алмазной фазы в рабочем слое составляет по меньшей мере примерно 50%, и объемное содержание второй алмазной фазы в рабочем слое превышает объемное содержание первой алмазной фазы в по меньшей мере одном переходном слое. В рабочем слое может по меньшей мере по существу отсутствовать материал поликристаллического алмаза.
В дополнительных вариантах осуществления, настоящее изобретение включает буровой инструмент, имеющий корпус и по меньшей мере один режущий элемент, установленный на корпусе. Режущий элемент имеет подложку режущего элемента, прикрепленную к корпусу, по меньшей мере один переходной слой, скрепленный с подложкой, и рабочий слой, скрепленный с по меньшей мере одним переходным слоем со стороны, противоположной подложке. По меньшей мере один переходной слой содержит непрерывную первую матричную фазу и дискретную первую алмазную фазу, диспергированную в первой матричной фазе. Рабочий слой содержит непрерывную вторую матричную фазу и дискретную вторую алмазную фазу, диспергированную во второй матричной фазе. Объемное содержание второй алмазной фазы в рабочем слое превышает объемное содержание первой алмазной фазы в по меньшей мере одном переходном слое. Дискретная вторая алмазная фаза по меньшей мере по существу состоит из изолированных одиночных алмазных кристаллов, или изолированных групп алмазных кристаллов, по меньшей мере по существу окруженных второй матричной фазой.
В дополнительных вариантах осуществления, настоящее изобретение включает способы изготовления режущих элементов и бурового инструмента, включающего такие режущие элементы. В соответствии с такими вариантами осуществления первое множество дискретных алмазных кристаллов может быть смешано с первым множеством частиц матрицы, каждая из которых содержит первый металлический матричный материал, для формирования первой смеси твердого вещества. Первая смесь составляется так, чтобы первое множество дискретных алмазных кристаллов составляло примерно 50% по объему или менее твердого вещества первой смеси. Второе множество дискретных алмазных кристаллов смешано со вторым множеством частиц матрицы, каждая из которых содержит второй металлический матричный материал для формирования второй смеси. Вторая смесь составляется так, чтобы второе множество дискретных алмазных кристаллов составляло по меньшей мере примерно 50% по объему твердого вещества второй смеси. Первая смесь спекается для формирования переходного слоя, включающего первое множество дискретных алмазных кристаллов, диспергированных внутри непрерывной первой матричной фазы, сформированной из первого множества частиц матрицы. Вторая смесь спекается для формирования рабочего слоя, включающего второе множество дискретных алмазных кристаллов, диспергированных внутри непрерывной второй матричной фазы, сформированной из второго множества частиц матрицы. Переходной слой скреплен с подложкой, а рабочий слой скреплен с переходным слоем с его стороны, противоположной подложке.
Краткое описание чертежей
В то время как описание заканчивается формулой, в которой конкретно указывается и определенно заявляется, что является предметом настоящего изобретения, различные признаки и преимущества вариантов осуществления этого изобретения могут быть легко установлены из приведенного далее описания некоторых вариантов осуществления изобретения, рассмотренного вместе с приложенными чертежами, на которых:
на фиг.1 представлен вид в перспективе варианта осуществления бурового инструмента в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.2 представлен вид в перспективе с частичным вырезом варианта осуществления режущего элемента в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.3 приведено упрощенное представление микроструктуры наружных слоев режущего элемента, показанного на фиг.2, под увеличением;
на фиг.4 представлен вид в перспективе с частичным вырезом другого варианта осуществления режущего элемента в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.5 приведено упрощенное представление микроструктуры наружных слоев режущего элемента, показанного на фиг.4, под увеличением;
на фиг.6 представлена микрофотография подложки, переходных слоев и рабочего слоя, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Приведенные здесь иллюстрации не являются изображениями какого-либо реального бурового инструмента, режущего элемента или микроструктуры режущего элемента, а используются в качестве идеализированных представлений для описания настоящего изобретения. Кроме того, общие для разных чертежей элементы могут иметь одинаковые цифровые обозначения.
Вариант осуществления бурового инструмента в соответствии с настоящим изобретением, который может быть использован для подземного бурения, иллюстрируется фиг.1. Показанный на фиг.1 буровой инструмент 1 представляет собой шарошечное буровое долото 2, имеющее корпус 3 и три шарошки 4. Каждая шарошка 4 установлена на шейке оси опорного подшипника, отходящей от одной из трех лап 5 долота и сформированной с ней как единое целое. Три лапы 5 долота могут быть сварены друг с другом, образуя корпус 3 долота бурового долота 2. К каждой из шарошек 4 прикреплено несколько режущих элементов 6, как это будет более подробно описано ниже. Когда буровое долото 2 вращают внутри буровой скважины с приложенной к нему осевой силой (часто называемой осевой нагрузкой на долото или ОННД), шарошки 4 прокатываются и проскальзывают по подстилающей породе 7, в результате чего режущие элементы 6 дробят, соскребают и срезают подстилающую породу 7.
В некоторых вариантах осуществления, шарошки 4 могут быть получены механической обработкой из кованой или литой стальной заготовки. В таких шарошках 4, в их наружной поверхности, сверлятся или выполняются иным путем гнезда, в которые затем могут быть вставлены режущие элементы 6 и прикреплены к шарошке посредством, например, горячей посадки, прессовой посадки с использованием связующего вещества, тугоплавкого припоя и т.д. В дополнительных вариантах осуществления, шарошки 4 могут быть выполнены с использованием процесса прессования и спекания и могут содержать композитный материал "матрица-частицы", например цементированный карбидный материал (например, цементированный кобальтом карбид вольфрама) В таких шарошках 4 гнезда могут быть сформированы в наружной поверхности шарошек 4 до спекания и режущие элементы 6 могут быть вставлены в гнезда и закреплены в шарошке 4 после спекания с использованием, например, горячей посадки, прессовой посадки, связующего вещества, тугоплавкого припоя. В других вариантах осуществления, режущие элементы 6 могут быть вставлены в гнезда до спекания, а режущие элементы 6 могут быть скреплены с шарошками 4 в процессе спекания.
На фиг.2 представлен режущий элемент 6 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Режущий элемент 6 включает подложку 8 режущего элемента, переходной слой 9 и рабочий слой 10. Переходной слой 9 расположен между подложкой 8 и рабочим слоем 10 и скреплен с ними. В некоторых вариантах осуществления, подложка 8 может иметь в целом цилиндрический корпус, конец которого может иметь форму купола, округления, конуса или может быть заострен, а переходной слой 9 и рабочий слой 10 могут быть расположены на поверхности в целом куполообразного, скругленного, конического или заостренного конца в целом цилиндрического корпуса подложки 8. Кроме того, переходной слой 9 и рабочий слой 10 могут не ограничиваться только рабочим концом или частью режущего элемента, но могут проходить вдоль всей стороны до противоположного конца режущего элемента.
На фиг.3 приведено упрощенное изображение, показывающее, как микроструктура подложки 8, переходного слоя 9 и рабочего слоя 10 может выглядеть при увеличении. Как показано на фиг.3, подложка 8, переходной слой 9 и рабочий слой 10 режущего элемента могут содержать композитный материал, включающий более одной фазы.
Подложка 8 может содержать, например, дискретную твердую фазу 11, распределенную по непрерывной матричной фазе 12 (часто называемой связующим материалом). Дискретная твердая фаза 11 может быть сформирована из твердых частиц и включать множество таких частиц. Материал дискретной твердой фазы 11 может содержать, например, карбидный материал (например, карбид вольфрама, карбид тантала, карбид титана и т.д.). Непрерывная матричная фаза 12 может содержать металл или сплав металла, например кобальт или сплав кобальта, железо или сплав железа, или никель или сплав никеля. В таких вариантах осуществления, матричная фаза 12 служит связующим или цементирующим материалом, в который погружены и рассеяны области карбидной фазы. Поэтому такие материалы часто называются "цементированными карбидными материалами". В частном примере, дискретная твердая фаза 11 может составлять примерно от 80 до 95% веса подложки 8, а непрерывная матричная фаза 12 может составлять примерно от 5 до 20% веса подложки.
В некоторых вариантах осуществления, непрерывная матричная фаза 12 может включать сплав металла на основе по меньшей мере кобальта, или железа, или никеля и может включать по меньшей мере одну составляющую, понижающую температуру плавления с тем, чтобы сплав металла непрерывной матричной фазы 12 имел температуру плавления или температуру затвердевания, равную примерно 1200ºС или менее. Такие сплавы металлов раскрыты, например, в патентной заявке US 2005/0211475 А1, поданной 18 мая 2004 г. под названием "Буровые долота".
Часть переходного слоя 9 может иметь состав, аналогичный составу подложки 8. Переходной слой 9 может, однако, дополнительно включать дискретную алмазную фазу 13. Другими словами, переходной слой 9 может включать дискретную алмазную фазу 13 и другую дискретную твердую фазу 11 (например, карбидный материал, упоминавшийся ранее), и дискретная алмазная фаза 13 и другая дискретная твердая фаза 11 могут быть рассеяны по непрерывной металлической матричной фазе 12, как это было ранее описано применительно к подложке 8. Дискретная алмазная фаза 13 может быть сформирована из отдельных и дискретных алмазных кристаллов (т.е. частиц алмаза) и включать множество таких кристаллов.
Также как и переходной слой 9, рабочий слой 10 может также содержать три фазы, включая дискретную алмазную фазу 13 и другую дискретную твердую фазу 11, диспергированные в металлической матричной фазе 12, как это было описано выше применительно к подложке 8 и переходному слою 9. Как переходной слой 9, так и рабочий слой 10 могут по меньшей мере практически не содержать поликристаллический алмазный материал. Другими словами, алмазные кристаллы внутри переходного слоя 9 или рабочего слоя 10 могут быть по меньшей мере существенно отделены друг от друга дискретной твердой фазой 11 и матричной фазой 12, благодаря чему как в переходном слое, так и в рабочем слое по меньшей мере по существу отсутствуют связи между алмазными кристаллами. Другими словами, алмазный материал внутри переходного слоя 9 и рабочего слоя 10 может быть по меньшей мере по существу образован одиночными алмазными кристаллами или группами кристаллов, которые по меньшей мере по существу окружены матричной фазой 12 и дискретной твердой фазой 11.
Концентрация алмазного материала в рабочем слое 10 может быть выше, чем концентрация алмазного материала в переходном слое 9. Объемное содержание алмазной фазы 13 в переходном слое 9 может составлять примерно 50% или менее. Другими словами, полный объем алмазной фазы 13 в переходном слое 9 может составлять примерно 50% или менее от полного объема переходного слоя 9. Объемное содержание алмазной фазы 13 в рабочем слое 10 может составлять примерно 50% или более. Другими словами, полный объем алмазной фазы 13 в рабочем слое 10 может составлять по меньшей мере примерно 50% от полного объема рабочего слоя 10.
В частном примере, объемное содержание алмазной фазы 13 в рабочем слое 10 может составлять примерно 85% или менее. В частности, объемное содержание алмазной фазы 13 внутри рабочего слоя 10 может составлять примерно от 65 до 85% (например, примерно 75%), а объемное содержание алмазной фазы 13 в переходном слое 9 может составлять примерно от 35 до 65% (например, примерно 50%). В варианте осуществления, показанном на фиг.2 и 3, твердые частицы 11 и непрерывная матричная фаза 12 могут составлять примерно 30-80% объема переходного слоя 9, в то время как частицы 13 алмаза могут составлять примерно 20-50% объема переходного слоя 9. В предпочтительном варианте, твердые частицы 11 и непрерывная матричная фаза 12 составляют примерно 50% объема переходного слоя 9, в то время как частицы 13 алмаза составляют примерно 50% объема переходного слоя 9.
В то время как показанные на фиг.3 частицы алмаза распределены по толще переходного слоя 9 и рабочего слоя 10 по существу равномерно, в других вариантах осуществления, концентрация частиц алмаза может изменяться по толщине слоев. Например, частицы 13 алмаза в переходном слое 9, или слоях, могут иметь более низкую концентрацию в области переходного слоя 9, или слоев, вблизи подложки 8, и концентрация частиц алмаза может увеличиваться в области переходного слоя 9, или слоев, вблизи рабочего слоя 10, образуя градиент концентрации частиц 13 алмаза по толщине переходного слоя 9, или слоев. Таким образом, хотя могут существовать отдельные и различимые слои для рабочего слоя 10 и переходного слоя 9, или слоев, частицы 13 алмаза в каждом слое образуют градиент концентрации по толщине каждого слоя.
Кроме того, концентрация частиц 13 алмаза в рабочем слое 10 и переходном слое 9, или слоях, может изменяться в продольном направлении от вершины куполообразного кончика резца к подложке 8. Например, концентрация частиц алмаза может быть выше вблизи вершины рабочего слоя 10 или переходного слоя 9 и постепенно снижаться при удалении от вершины внутри слоя. Таким образом, частицы 13 алмаза в каждом слое могут образовывать градиент концентрации по толщине каждого слоя, по длине каждого слоя по мере удаления от вершины кончика режущего элемента или и в том и другом направлении. Другими словами, частицы 13 алмаза могут формировать градиент концентрации внутри каждого слоя.
Как упоминалось ранее, дискретная твердая фаза 11 может быть сформирована твердыми частицами и содержать твердые частицы, а дискретная алмазная фаза может быть сформирована алмазными кристаллами и содержать алмазные кристаллы. Средний размер частицы твердых частиц, используемых для формирования твердой фазы 11, и средний размер частицы алмазных кристаллов, используемых для формирования алмазной фазы 13, может составлять примерно от десяти нанометров (10 нм) до ста микрон (100 мкм). В частности, средний размер частицы твердых частиц, используемых для формирования твердой фазы 11, и средний размер частицы алмазных кристаллов, используемых для формирования алмазной фазы 13, может составлять примерно от ста нанометров (100 нм) до ста микрон (100 мкм). В некоторых вариантах осуществления, средний размер частицы твердых частиц, используемых для формирования твердой фазы 11, может быть по существу аналогичен среднему размеру частиц алмазных кристаллов, используемых для формирования алмазной фазы 13. В других вариантах осуществления, средний размер частицы твердых частиц, используемых для формирования твердой фазы 11, может отличаться от среднего размера частиц алмазных кристаллов, используемых для формирования алмазной фазы 13. В частном примере, твердые частицы, используемые для формирования твердой фазы 11, могут содержать смесь частиц неоднородного размера, имеющих размер в интервале от двух до десяти микрон (2-10 мкм).
В то время как показанные на фиг.3 частицы 13 алмаза и твердые частицы 11 имеют примерно одинаковый средний размер и однородны по среднему размеру в каждом слое, каждые частицы в слоях могут иметь различные размеры. Более того, как алмазная фаза 13, так и твердая фаза 11 могут содержать частицы, отличающиеся по размеру, включая относительно маленькие частицы, относительно большие частицы и частицы различных промежуточных размеров. Например, как частицы 13 алмаза, так и фаза 11 твердых частиц могут содержать смесь частиц, размер которых изменяется от примерно 10 нанометров (10 нм) до примерно ста микрон (100 мкм). Характер распределения частиц алмазной фазы 13 и твердой фазы 11 может быть случайным, либо распределение их размера может быть таким, что имеет определенный градиент среднего размера частиц по толщине каждого слоя, по длине каждого слоя от верхушки наконечника режущего элемента или по обоим направлениям одновременно. Другими словами, частицы 13 алмаза и частицы твердой фазы 11 могут характеризоваться градиентом среднего размера частицы в каждом слое.
Как было упомянуто выше, варианты осуществления режущих элементов в соответствии с настоящим изобретением могут включать более одного переходного слоя между подложкой и рабочим слоем. На фиг.4 представлен другой вариант осуществления режущего элемента 6' в соответствии с настоящим изобретением, включающим два переходных слоя. Как показано на чертеже, режущий элемент 6' включает подложку 8, первый переходной слой 9, второй переходной слой 9' и рабочий слой 10. Подложка 8 и рабочий слой 10 режущего элемента 6' могут быть по меньшей мере в целом идентичны подложке 8 и рабочему слою 10 режущего элемента 6, описанным ранее применительно к фиг.2 и 3. Каждый из промежуточных слоев 9, 9' режущего элемента 6' может быть в целом аналогичен переходному слою 9 режущего элемента 6, описанного ранее применительно к фиг.2 и 3.
Переходные слои 9 и 9' могут быть скреплены друг с другом и помещены между подложкой 8 и рабочим слоем 10 так, что первый переходной слой 9 скреплен с подложкой 8, а второй переходной слой 9' скреплен с рабочим слоем 10. Другими словами, первый переходной слой 9 может быть скреплен непосредственно с подложкой 8. Второй переходной слой 9' может быть помещен между первым переходным слоем 9 и рабочим слоем 10 и скреплен непосредственно с ними.
Подложка 8, первый переходной слой 9, второй переходной слой 9' и рабочий слой 10 режущего элемента 6' каждый могут содержать композитный материал, включающий более одной фазы материала. Фиг.5 аналогична фиг.3 и представляет собой упрощенное изображение, при увеличении, микроструктуры подложки 8, первого переходного слоя 9, второго переходного слоя 9' и рабочего слоя 10 режущего элемента 6' (фиг.4). Как показано на фиг.5, первый переходной слой 9, второй переходной слой 9' и рабочий слой 10 каждый включает дискретную алмазную фазу 13, диспергированную в непрерывной матричной фазе 12, как это было ранее описано в отношении фиг.2 и 3. Первый переходной слой 9, второй переходной слой 9' и рабочий слой 10 каждый могут также включать другую дискретную фазу 11 (например, карбидный материал, например карбид вольфрама, карбид тантала или карбид титана), диспергированную в матричной фазе 12, как это было описано ранее в отношении фиг.2 и 3.
Второй переходной слой 9' может иметь более высокую концентрацию алмазной фазы 13, чем первый переходной слой 9, а рабочий слой 10 может иметь более высокую концентрацию алмазной фазы 13, чем каждый из переходных слоев 9, 9'. Другими словами, второй переходной слой 9' может иметь более высокое объемное содержание алмаза, чем первый переходной слой 9. В частном примере, объемное содержание алмаза первого переходного слоя 9 может составлять примерно от 10 до 37% (например, примерно 25%), объемное содержание алмаза второго переходного слоя 9' может составлять примерно от 37 до 63% (например, примерно 50%), и объемное содержание алмаза рабочего слоя 10 может составлять примерно от 63 до 85% (например, примерно 75%).
В других вариантах осуществления режущих элементов в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться три, четыре или даже больше переходных слоев между подложкой 8 и рабочим слоем 10. Более того, в некоторых вариантах осуществления, концентрация алмазов может нарастать по меньшей мере по существу непрерывно от подложки 8 к рабочему слою 10 так, что не существует четкой границы между подложкой 8, промежуточным слоем или слоями и рабочим слоем 10.
На фиг.6 представлена микрофотография подложки 8, переходных слоев 9 и 9' и рабочего слоя 10 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как показано на фиг.6, по меньшей мере по существу все конечные области дискретной алмазной фазы 13 в рабочем слое 10 не скреплены непосредственно друг с другом с образованием поликристаллического алмазного материала. Другими словами, в рабочем слое 10 по меньшей мере по существу отсутствуют непосредственные связи "алмаз-алмаз" между алмазными кристаллами в рабочем слое 10, в результате чего в рабочем слое 10 по меньшей мере по существу отсутствует поликристаллический алмазный материал. Для того чтобы определить, что в рабочем слое 10 по меньшей мере по существу отсутствует поликристаллический алмазный материал, рабочий слой 10 может быть подвергнут выщелачиванию кислотой известными способами, для удаления материала катализатора из междоузлий между алмазными кристаллами в поликристаллическом алмазном материале. В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, в которых в рабочем слое 10 по меньшей мере по существу отсутствует поликристаллический алмазный материал, когда рабочий слой подвергнут выщелачиванию, алмазные кристаллы в рабочем слое 10 отделяются и выпадают из подложки 8, поскольку алмазные кристаллы изолированы друг от друга или присутствуют в виде изолированных групп и не образуют самонесущей структуры.
Известно создание режущих элементов, включающих рабочий слой, по существу состоящий из поликристаллического алмазного материала. Такие режущие элементы формируются с использованием процессов, проводимых при высоких температурах и давлениях (НТНР - от англ. high temperature, high pressure) в соответствующих системах. Процессы обычно проводятся при температурах по меньшей мере примерно 1500ºС и давлениях по меньшей мере примерно пять гигапаскалей (5,0 ГПа) в течение нескольких минут. В таких условиях может стимулироваться образование непосредственных связей "алмаз-алмаз" между алмазными кристаллами благодаря использованию каталитического материала, например кобальта или сплава на основе кобальта. Однако в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения в рабочем слое может по меньшей мере по существу отсутствовать каталитический материал. В некоторых вариантах осуществления, режущие элементы (например, режущий элемент 6 и режущий элемент 6') могут быть сформированы с использованием НТНР процесса и систем, в которых выбор рабочих параметров обеспечивает предотвращение, сведение к минимуму или ослабление формирования связей "азмаз-алмаз" между алмазными кристаллами в рабочем слое 10. Например, высокие температуры и высокие давления могут поддерживаться в течение сокращенных промежутков времени, по сравнению с известными НТНР процессами, используемыми для формирования поликристаллического алмазного материала. В частном примере, высокие температуры (например, температуры, превышающие примерно 1500ºС) и высокие давления (например, давления, превышающие примерно 5,0 ГПа) НТНР процесса, используемого для формирования вариантов осуществления режущих элементов в соответствии с настоящим изобретением, могут поддерживаться примерно одну минуту (1 мин) или менее, примерно тридцать секунд (30 с) или менее, примерно десять секунд (10 с) или менее или даже примерно три секунды (3 с) или менее.
В некоторых вариантах осуществления, состав матричного материала, используемого для формирования матричной фазы 12, может быть выбран так, чтобы снизить активность катализатора, при его наличии, для предотвращения, сведения к минимуму или снижения тенденции матричного материала к стимулированию формирования непосредственных связей "алмаз-алмаз" между алмазными кристаллами в рабочем слое 10.
При сведении к минимуму или сокращении формирования поликристаллического алмазного материала в рабочем слое 10 могут использоваться и другие средства для поддержания характеристик алмаза, например, точное управление распределением частиц алмаза в рабочем слое 10 перед процессом спекания для предотвращения или снижения образования сгустков алмазных кристаллов, которые смогут прикрепиться друг к другу в процессе спекания. В другом примере, частицы алмаза могут быть по меньшей мере частично покрыты (например, инкапсулированы) оболочкой по меньшей мере одного материала из группы, включающей W, Ti, Ta, Si, карбиды одного или более из этих элементов и бориды одного или более из этих элементов. В альтернативном варианте, частицы алмаза могут быть по меньшей мере частично покрыты или инкапсулированы частицами карбида вольфрама или карбида вольфрама и кобальта, образуя так называемый "гранулированный" алмаз. Такие покрытия могут по меньшей мере частично предотвратить прямые контакты между частицами алмаза, препятствуя формированию непрерывной фазы поликристаллического алмаза. В альтернативном варианте, для покрытия или инкапсуляции частиц алмаза до спекания могут быть использованы и другие подходящие керметы, керамики или сплавы металла.
Короче говоря, для формирования режущего элемента, например режущих элементов 6, 6', с использованием НТНР процесса, предварительно сформированная подложка 8 может быть помещена в тигель, и на подложку 8 могут быть помещены частицы матричного материала и алмазные кристаллы. Конфигурация тигля выбирается так, чтобы придать требуемую форму режущему элементу 6, например цилиндра, купола, конуса, резца, овальную или иную желаемую форму. Частицы матричного материала и алмазных кристаллов могут быть помещены на подложку 8 любым известным способом. Затем тигель подвергается воздействию высокой температуры и высокого давления в НТНР системе для скрепления друг с другом частиц матричного материала (например, спекания) и формирования непрерывной матричной фазы 12.
В дополнительных вариантах осуществления, могут быть сформированы рабочие слои режущих элементов (например, режущего элемента 6 и режущего элемента 6') процессами спекания (например, процессами, не использующими высокие температуры и давления) при температурах ниже примерно 1100ºС и давлениях менее примерно одного гигапаскаля (1,0 ГПа). В некоторых вариантах осуществления, такой процесс спекания может быть выполнен при температурах ниже примерно 1000ºС и давлениях ниже примерно десяти мегапаскалей (10,0 МПа) (например, при атмосферном давлении или даже при разрежении). Такие процессы спекания могут быть сформированы в горячем (но не в НТНР) прессе, в атмосферной печи или в вакуумной печи.
Например, в горячем прессе (процесс без НТНР) предварительно сформированная подложка 8 может быть помещена в модель или пресс-форму, и на подложку 8 могут быть помещены частицы матричного материала и алмазные кристаллы. Конфигурация модели или пресс-формы может быть выбрана так, чтобы придать желаемую форму формируемому режущему элементу. Затем модель или пресс-форма подвергаются воздействию давления и нагрева для скрепления друг с другом частиц матричного материала и формирования непрерывной матричной фазы 12. Давление может быть приложено к модели или пресс-форме посредством осевого пресса (одноосным или многоосным), либо посредством среды, передающей гидростатическое давление (например, текучей среды). Модель или пресс-форма могут быть нагреты в процессе спекания посредством электронагревательных элементов, электрическим нагревом, индукционным нагревом или с использованием горючих материалов.
Для того чтобы избежать деградации алмазных кристаллов (например, графитизации алмазного материала) и формирования связей "алмаз-алмаз" между алмазными кристаллами, температура спекания (в процессе без НТНР) может поддерживаться ниже примерно 1100ºС, а давление ниже примерно одного гигапаскаля (1,0 ГПа). Для обеспечения возможности спекания частиц матричного материала при таких температурах, матричный материал может включать по меньшей мере один компонент, снижающий температуру плавления так, что матричный материал имеет одну температуру плавления и температуру затвердевания (т.е. температуру линии солидуса на фазовой диаграмме для матричного материала при конкретном составе матричного материала). Например, состав матричного материала может соответствовать раскрытому в патентной заявке US 2005/0211475 А1. Более того, процесс спекания может проводиться в по меньшей мере по существу инертной атмосфере (т.е. атмосфере, не способствующей деградации алмазного материала до графита или аморфного углерода). Например, спекание может проводиться в атмосфере аргона при атмосферном давлении и температуре примерно 1050ºС. В альтернативном варианте, спекание может происходить в вакууме, примерно при такой же температуре.
Таким образом, в соответствии с вариантами выполнения способов настоящего изобретения режущий элемент 6, 6' для использования в бурении подземных пород может быть изготовлен формированием по меньшей мере одного переходного слоя 9, 9' и по меньшей мере одного рабочего слоя 10, прикреплением переходного слоя 9, 9' к подложке 8 и прикрепления рабочего слоя 10 к переходному слою 9, 9' со стороны, противоположной подложке 8.
В некоторых вариантах осуществления, переходной слой 9, 9' и рабочий слой 10 могут быть сформированы на подложке 8 одновременно. Переходной слой 9, 9' может быть сформирован смешиванием первого множества дискретных алмазных кристаллов с первым множеством матричных частиц, каждая из которых содержит первый материал металлической матрицы, для формирования первой смеси твердого вещества. Первая смесь может быть составлена таким образом, что первое множество дискретных алмазных кристаллов составляет по объему примерно 50% или менее твердого вещества первой смеси. Первая смесь может быть спечена для формирования переходного слоя, включающего первое множество дискретных алмазных кристаллов (дискретная алмазная фаза 13), диспергированных в непрерывной первой матричной фазе (непрерывная матричная фаза 12), сформированной из первого множества частиц матрицы. Аналогично, рабочий слой 10 может быть сформирован посредством смешивания второго множества дискретных алмазных кристаллов со вторым множеством частиц матрицы, каждая из которых содержит второй материал металлической матрицы, для формирования второй смеси твердого вещества. Вторая смесь может быть составлена таким образом, что второе множество дискретных алмазных кристаллов составляет по объему по меньшей мере 50% твердого вещества второй смеси. Вторая смесь может быть спечена для формирования рабочего слоя 10, в котором по меньшей мере по существу отсутствует поликристаллический алмазный материал и который включает второе множество дискретных алмазных кристаллов, диспергированных (дискретная алмазная фаза 13) в непрерывной второй матричной фазе (непрерывная матричная фаза 12), сформированной из второго множества частиц матрицы.
Рабочий слой 10 может быть скреплен с переходным слоем 9, 9' путем одновременного спекания первой смеси с формированием переходного слоя 9, 9' и спекания второй смеси для формирования рабочего слоя 10, когда первая смесь соприкасается со второй смесью. Аналогично, переходной слой 9, 9' может быть прикреплен к предварительно отформованной подложке 8 путем спекания первой смеси для формирования переходного слоя 9, 9', когда первая смесь соприкасается с предварительно отформованной подложкой 8. В других вариантах осуществления, однако, подложка 8 может быть сформирована спеканием порошковой смеси одновременно с формированием спеканием переходного слоя 9, 9' и рабочего слоя 10. В таких вариантах осуществления, переходной слой может быть прикреплен к подложке 8 во время процесса спекания с одновременным спеканием первой смеси для формирования переходного слоя 9, 9' и спекания смеси исходных веществ для подложки при формировании подложки 8, когда первая смесь соприкасается со смесью исходных веществ подложки.
Хотя в качестве примера осуществления бурового инструмента в соответствии с настоящим изобретением здесь описано шарошечное буровое долото, настоящее изобретение может быть осуществлено и в буровом инструменте других типов. Например, настоящее изобретение может быть осуществлено в виде долот для роторного бурения с фиксированными резцами, долот с импрегнированными алмазами, долот ударного бурения, керновых долот, эксцентричных долот, инструмента для разбуривания, буровых головок обсадной колонны, стабилизаторов долота, фрез и другого бурового инструмента, которые могут включать режущие элементы, описанные выше.
Дополнительные частные примеры осуществления изобретения описаны ниже.
Вариант осуществления 1: Режущий элемент для использования в бурении подземных пород, содержащий:
подложку;
по меньшей мере один переходной слой, прикрепленный к подложке, включающий:
непрерывную первую матричную фазу; и
дискретную первую алмазную фазу, диспергированную в первой матричной фазе, причем объемное содержание первой алмазной фазы в по меньшей мере одном переходном слое составляет примерно 50% или менее; и
рабочий слой, прикрепленный к по меньшей мере одному переходному слою с его стороны, противоположной подложке, и включающий:
непрерывную вторую матричную фазу; и
дискретную вторую алмазную фазу, диспергированную во второй матричной фазе, причем объемное содержание второй алмазной фазы в рабочем слое составляет по меньшей мере примерно 50%, и объемное содержание второй алмазной фазы в рабочем слое превышает объемное содержание первой алмазной фазы в по меньшей мере одном переходном слое, и в рабочем слое по меньшей мере по существу отсутствует поликристаллический алмазный материал.
Вариант осуществления 2: Режущий элемент в соответствии с Вариантом 1, в котором переходной слой и рабочий слой каждый дополнительно включают другую дискретную твердую фазу.
Вариант осуществления 3: Режущий элемент в соответствии с Вариантом 2, в котором другая дискретная твердая фаза содержит карбидный материал.
Вариант осуществления 4: Режущий элемент в соответствии с любым из Вариантов 1-3, в котором объемное содержание второй алмазной фазы в рабочем слое составляет примерно 75% или менее.
Вариант осуществления 5: Режущий элемент в соответствии с любым из Вариантов 1-4, в котором по меньшей мере один переходной слой включает первый переходной слой и второй переходной слой, причем первый переходной слой прикреплен непосредственно к подложке, второй переходной слой расположен между первым переходным слоем и рабочим слоем и прикреплен непосредственно к ним, и имеет объемное содержание алмаза больше, чем первый переходной слой.
Вариант осуществления 6: Режущий элемент в соответствии с Вариантом 5, в котором объемное содержание алмаза в первом переходном слое составляет примерно от 10 до 37% и объемное содержание алмаза во втором переходном слое составляет примерно от 37 до 63%.
Вариант осуществления 7: Режущий элемент в соответствии с любым из Вариантов 1-6, в котором каждая из первой матричной фазы по меньшей мере одного переходного слоя и второй матричной фазы рабочего слоя содержит сплав металла на основе по меньшей мере железа, или кобальта, или никеля, причем сплав металла включает по меньшей мере один компонент для понижения температуры плавления и имеет одну температуру плавления и температуру затвердевания, примерно 1200º или менее.
Вариант осуществления 8: Режущий элемент в соответствии с любым из Вариантов 1-7, в котором подложка имеет в целом цилиндрический корпус с куполообразным концом, причем по меньшей мере один переходной слой и рабочий слой расположены на поверхности куполообразного конца в целом цилиндрического корпуса.
Вариант осуществления 9: Режущий элемент в соответствии с любым из Вариантов 1-8, в котором подложка включает материал цементированного карбида вольфрама, содержащий примерно от 5 до 20 масс.% кобальта или сплава кобальта, и примерно от 80 до 95 масс.% карбида вольфрама.
Вариант осуществления 10: Режущий элемент в соответствии с любым из Вариантов 1-9, в котором по меньшей мере одна из дискретной первой алмазной фазы и дискретной второй алмазной фазы содержит множество частиц алмаза, формируя градиент концентрации частиц алмаза в по меньшей мере одном слое из по меньшей мере одного переходного слоя и рабочего слоя.
Вариант осуществления 11: Режущий элемент в соответствии с Вариантом 10, в котором градиент концентрации частиц алмаза включает непрерывный градиент от по меньшей мере одного переходного слоя к рабочему слою.
Вариант осуществления 12: Режущий элемент в соответствии с любым из Вариантов 1-11, в котором по меньшей мере одна из дискретной первой алмазной фазы и дискретной второй алмазной фазы содержит множество частиц алмаза, формируя градиент среднего размера частиц алмаза в по меньшей мере одном слое из по меньшей мере одного переходного слоя и рабочего слоя.
Вариант осуществления 13: Режущий элемент в соответствии с любым из Вариантов 1-12, в котором по меньшей мере одна из дискретной первой алмазной фазы и дискретной второй алмазной фазы содержит множество гранулированных алмазов.
Вариант осуществления 14: Буровой инструмент, содержащий:
корпус; и
по меньшей мере один режущий элемент в соответствии с Вариантами 1-13, установленный на корпусе.
Вариант осуществления 15: Буровой инструмент в соответствии с Вариантом 14, в котором корпус включает шарошку долота роторного бурения.
Вариант осуществления 16: Способ изготовления режущего элемента для использования в бурении подземных пород, при осуществлении которого:
смешивают первое множество дискретных алмазных кристаллов с первым множеством частиц матрицы, каждая из которых содержит первый материал металлической матрицы, для формирования первой смеси твердого вещества и составляют первую смесь так, что первое множество дискретных алмазных кристаллов составляет по объему примерно 50% или менее твердого вещества первой смеси;
смешивают второе множество дискретных алмазных кристаллов со вторым множеством частиц матрицы, каждая из которых содержит второй материал металлической матрицы, для формирования второй смеси твердого вещества и составляют вторую смесь так, что второе множество дискретных алмазных кристаллов составляет по объему по меньшей мере примерно 50% твердого вещества второй смеси;
спекают первую смесь для формирования переходного слоя, включающего первое множество дискретных алмазных кристаллов, диспергированных в непрерывной первой матричной фазе, сформированной из первого множества частиц матрицы;
спекают вторую смесь для формирования рабочего слоя, в котором по меньшей мере по существу отсутствует поликристаллический алмазный материал и который включает второе множество дискретных алмазных кристаллов, диспергированных в непрерывной второй матричной фазе, сформированной из второго множества частиц матрицы;
прикрепляют переходной слой к подложке; и
прикрепляют рабочий слой к переходному слою с его стороны, противоположной подложке.
Вариант осуществления 17: Способ в соответствии с Вариантом 16, в котором при прикреплении рабочего слоя к переходному слою приводят в соприкосновение первую смесь с прилегающей второй смесью; и одновременно спекают первую смесь для формирования переходного слоя, и спекают вторую смесь для формирования рабочего слоя, когда первая смесь соприкасается со второй смесью.
Вариант осуществления 18: Способ в соответствии с Вариантом 16 или Вариантом 17, в котором при прикреплении переходного слоя к подложке приводят в соприкосновение первую смесь с подложкой; и спекают первую смесь для формирования переходного слоя, когда первая смесь соприкасается с подложкой.
Вариант осуществления 19: Способ в соответствии с любым из Вариантов 16-18, в котором при прикреплении переходного слоя к подложке приводят в соприкосновение первую смесь со смесью исходных веществ подложки; и одновременно спекают первую смесь для формирования переходного слоя, и спекают смесь исходных веществ подложки для формирования подложки, когда первая смесь соприкасается со смесью исходных веществ подложки.
Вариант осуществления 20: Способ в соответствии с любым из Вариантов 16-19, в котором при спекании второй смеси для формирования рабочего слоя спекают вторую смесь при давлении по меньшей мере примерно 5,0 ГПа и температуре по меньшей мере примерно 1500ºС в течение менее примерно одной минуты (1,0 мин).
Вариант осуществления 21: Способ в соответствии с любым из Вариантов 16-19, в котором при спекании второй смеси для формирования рабочего слоя спекают вторую смесь при давлении ниже примерно 1,0 ГПа и температуре ниже примерно 1100ºС.
Вариант осуществления 22: Способ в соответствии с любым из Вариантов 16-19, в котором при спекании второй смеси для формирования рабочего слоя спекают вторую смесь при давлении ниже примерно 10,0 МПа и температуре ниже примерно 1000ºС.
Вариант осуществления 23: Способ в соответствии с любым из Вариантов 16-22, в котором при спекании второй смеси для формирования рабочего слоя спекают вторую смесь в по меньшей мере по существу инертной атмосфере.
Вариант осуществления 24: Способ в соответствии с любым из Вариантов 16-23, в котором при по меньшей мере смешивании первого множества дискретных алмазных кристаллов с первым множеством частиц матрицы или смешивании второго множества дискретных алмазных кристаллов со вторым множеством кристаллов матрицы, хаотически смешивают по меньшей мере первое множество дискретных алмазных кристаллов с первым множеством частиц матрицы или второе множество дискретных алмазных кристаллов со вторым множеством частиц матрицы.
Вариант осуществления 25: Способ в соответствии с любым из Вариантов 16-24, в котором при по меньшей мере смешивании первого множества дискретных алмазных кристаллов с первым множеством частиц матрицы или смешивании второго множества дискретных алмазных кристаллов со вторым множеством кристаллов матрицы распределяют по меньшей мере первое множество дискретных алмазных кристаллов и первое множество частиц матрицы или второе множество дискретных алмазных кристаллов и второе множество частиц матрицы для формирования градиента концентрации алмазных кристаллов.
Вариант осуществления 26: Способ в соответствии с любым из Вариантов 16-25, в котором при по меньшей мере смешивании первого множества дискретных алмазных кристаллов с первым множеством частиц матрицы или смешивании второго множества дискретных алмазных кристаллов со вторым множеством частиц матрицы распределяют по меньшей мере первое множество дискретных алмазных кристаллов и первое множество частиц матрицы или второе множество дискретных алмазных кристаллов и второе множество частиц матрицы для формирования градиента среднего размера алмазных кристаллов.
Вариант осуществления 27: Способ в соответствии с любым из Вариантов 16-26, в котором дополнительно по меньшей мере частично покрывают дискретные алмазные кристаллы по меньшей мере первого множества дискретных алмазных кристаллов или второго множества дискретных алмазных кристаллов покрытием, включающим по меньшей мере одно из: W, Ti, Ta, Si, карбид W, Ti, Ta или Si и борид W, Ti, Ta или Si.
Вариант осуществления 28: Способ в соответствии с любым из Вариантов 16-27, в котором дополнительно прикрепляют режущий элемент к корпусу бурового инструмента.
В то время как настоящее изобретение было описано в отношении некоторых предпочтительных вариантов осуществления, специалистам должно быть понятно, что только этими вариантами изобретение не ограничено. Напротив, в представленных вариантах осуществления могут быть сделаны многочисленные дополнения, изъятия и изменения без отступления от существа заявленного здесь изобретения, включая эквивалентные признаки. Кроме того, признаки одного варианта осуществления могут быть объединены с признаками другого варианта осуществления, оставаясь в пределах области притязаний изобретения.