一种用于钻头的切割元件可包括：金属碳化物本体；位于金属碳化物本体的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包括多个互连的第一金刚石粒以及位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂材料；以及位于金属碳化物本体与外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第一金属碳化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物，其中，第二金刚石粒与第一金刚石粒相比具有较大的颗粒尺寸。
【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 本申请是2010年8月6日提交的专利技术名称为"具有改进的过渡结构的高度耐磨的 金刚石镶齿"的第No. 201080045156. 1号专利技术专利申请的分案申请。 相关申请的交叉引用 本申请要求2009年8月7日提交的美国专利申请No. 61/232, 125的优先权，该美 国专利申请通过引用整体并入此处。
在此公开的实施例总体上设及用于钻头、例如牙轮钻头和震击钻头中的多晶金刚 石镶齿。更具体地讲，本专利技术设及具有外层和至少一个过渡层的多晶金刚石镶齿。
技术介绍
在典型的钻井操作中，钻头转动，同时前行到±壤或岩石地层中。地层通过钻头上 的切削元件切削，且切屑通过钻井流体的循环被从井眼冲送出，所述钻井流体通过钻柱向 下累送，且在钻柱与井壁之间的环隙中向着井眼的顶部回流。钻井流体通过钻杆中的通道 给送到钻头，且通过钻头的切削面中的喷嘴向外喷出。喷出的钻井流体通过喷嘴被向外高 速引导，W帮助切削、冲送出切屑和冷却切削器元件。 具有多种类型的钻头，包括牙轮钻头、震击钻头和刮刀钻头。牙轮钻头包括适于连 接到可转动的钻柱的钻头本体，且包括至少一个"牙轮"，所述牙轮可转动地安装到现有技 术中通常提及到的悬臂轴或轴颈支承轴。每个牙轮又支撑多个切削元件，所述切削元件切 削和/或压碎井眼的壁或底部，从而使钻头前行。切削元件，或镶齿或锐齿，在钻井过程中 与地层接触。震击钻头通常包括一体式本体，该本体具有冠部。该冠部包括挤压在其中的 镶齿，用于循环地"震击"和抵靠着正被钻的地层转动。 根据钻头上的镶齿的类型和位置，镶齿会执行不同的切削功能，运样，在使用过程 中也经受不同的加载条件。两种耐磨镶齿已经被开发用作牙轮钻头和震击钻头上的镶齿： 碳化鹤镶齿和多晶金刚石镶齿。碳化鹤镶齿由烧结碳化鹤形成：碳化鹤颗粒散布在钻粘合 剂基质中。多晶金刚石镶齿通常包括作为基体的烧结碳化鹤本体和在镶齿的顶部上直接结 合到碳化鹤基体的多晶金刚石（"PCD")层。与较软的、较初性的碳化鹤镶齿相比，由PCD 材料形成的外层可提供改善的耐磨性。 PCD层通常包括金刚石和金属，且它们的量高达层的大约20%的重量比，W便于 金刚石晶间结合和层彼此之间W及与底下的基体的结合。PCD中采用的金属通常从钻、铁或 儀和/或它们的混合物或合金中选择，且可包括诸如儘、粗、铭和/或它们的混合物或合金 的金属。然而，尽管较高的金属含量通常会增大最终的PCD材料的初度，但较高的金属含量 也会降低PCD材料硬度，从而，限制了 W下灵活性：能够提供既具有期望水平的硬度、又具 有期望水平的初度的PCD涂层。此外，当变量被选择用于增大PCD材料的硬度时，通常脆度 也会增大，从而，降低了 PCD材料的初度。 尽管多晶金刚石层极其硬和耐磨，但多晶金刚石镶齿在正常操作过程中仍可能失 效。失效通常为W下=种常见形式中的一种：磨损、疲劳和冲击破裂。由于PCD相对于地层 的滑动，会出现磨损情况，且作为失效模式其突出特性与地层的磨损特性W及其他因素例 如地层硬度或强度和在与地层接触过程中设及的相对滑动的量有关。过高的接触应力和高 的溫度W及非常不利的井下环境也趋向于引起金刚石层的严重磨损。疲劳机理是：初始产 生于PCD层上的表面裂纹逐渐传播到PCD层下方的材料中，直到裂缝长度足W散裂或剥离。 最后，冲击机理是：初始产生于PCD层上的表面裂纹或内部裂缝睹然传播到PCD层下方的材 料中，直到裂纹长度足W引起镶齿的散裂、剥离或突变失效。 由于接触而引起的外部负载趋向于引起金刚石层的失效例如破碎、散裂和剥离。 制造过程所产生的内部应力、例如热残余应力趋向于引起金刚石层与基体或过渡层之间的 层离，或由于沿着分界面初始产生并向外传播的裂纹，或由于初始发生于金刚石层中和沿 着分界面剧烈地传播的裂缝。 金刚石层的冲击、磨损和疲劳寿命可通过增大金刚石厚度、从而增大金刚石体积 增大。然而，金刚石体积的增大导致形成在金刚石/基体分界面上的残余应力幅度的增大， 运会加速层离。所述残余应力幅度的增大被认为是由于在烧结过程之后冷却过程中金刚石 与碳化物基体的热收缩的差异引起的。在金刚石粘合到基体的冷却过程中，金刚石比碳化 物基体收缩较小的量，运会导致金刚石/基体分界面上的残余应力。残余应力与金刚石相 对于基体的体积的体积成比例。 用于解决凸形切削器元件的层离问题的主要方法是，在超硬的材料层与基体之间 增添由具有热学性能和弹性性能的材料制成的过渡层，其施加在整个基体突出部表面上。 运些过渡层具有降低接合面处的残余应力、从而提高镶齿的抗层离的能力的作用。 过渡层已经明显减小了有害残余应力的幅度，因此已经相应地增大了镶齿在应用 中的耐用性。然而，基本失效模式仍保留。运些失效模式设及=种机理的复杂组合：PCD的 磨损、初始发生于表面的疲劳裂缝的生长W及冲击引起的失效。 因此，希望构造一种用于剧烈切削和/或钻井应用中的镶齿结构，其提供期望的 PCD硬度和耐磨性，且与传统的PCD材料和镶齿结构相比，具有提高的断裂初度和抗剥离性 能。
技术实现思路
一个方面，在此公开的多个实施例设及一种用于钻头的镶齿，所述镶齿可包括：金 属碳化物本体；位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包 括多个互连的第一金刚石粒W及位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合 剂材料；W及位于金属碳化物本体与外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包 括由第二金刚石粒、第一金属碳化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物，其中，第二金刚 石粒与第一金刚石粒相比具有较大的颗粒尺寸。 另一方面，在此公开的多个实施例设及一种用于钻头的镶齿，所述镶齿可包括：金 属碳化物本体；位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包 括多个互连的第一金刚石粒和位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂 材料；W及位于金属碳化物本体和外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括 由第二金刚石粒、第一金属碳化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物，其中，第二金刚石 粒与第一金刚石粒相比具有较小的颗粒尺寸。又一方面，在此公开的多个实施例设及一种用于钻头的镶齿，所述镶齿可包括：金 属碳化物本体；位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包 括多个互连的第一金刚石粒和位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂 材料，所述多个第一金刚石粒占外层的91. 5% W上的体积比；W及位于金属碳化物本体与 外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第一金属碳化物 或碳氮化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物；W及其中，第二金刚石粒与第一金刚石 粒相比具有较大的颗粒尺寸。 还一方面，在此公开的多个实施例设及一种用于钻头的镶齿，所述镶齿可包括：金 属碳化物本体；位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包 括多个互连的第一金刚石粒和位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂 材料和第一金属碳化物颗粒；W及位于金属碳化物本体与外层之间的至少一个过渡层，所 述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第二金属碳化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复 合物，其中，第二金刚石粒本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种切割元件，包括：金属碳化物本体；位于金属碳化物本体的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包括多个互连的第一金刚石粒以及位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂材料；以及位于金属碳化物本体与外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第一金属碳化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物，其中，第一金属碳化物颗粒形成第二金刚石粒散布在其中的基质，第一金属碳化物颗粒在所述至少一个过渡层中的量为大约15％至30％的体积比。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：N·A·莫里克，P·T·卡里沃，F·贝林，方毅，
申请(专利权)人：史密斯国际有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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