浸出表面积增加的多晶金刚石复合片及多晶金刚石复合片浸出方法技术

本公开提供了包括酸不稳定的浸出增强材料的烧结组件和多晶金刚石复合片(PDC)、包括通过去除酸不稳定的浸出增强材料形成的空腔的PDC、以及使用酸不稳定的浸出增强材料形成经浸出处理的PDC的方法。本公开还包括钻头，所述钻头使用利用酸不稳定的浸出增强材料形成的PDC。

Leaching Method of Polycrystalline Diamond Composites and Polycrystalline Diamond Composites with Increased Leaching Surface Area

The present disclosure provides sintering assemblies and polycrystalline diamond composite sheets (PDC) comprising acid-unstable leaching reinforcement materials, a PDC comprising a cavity formed by removing acid-unstable leaching reinforcement materials, and a method for forming leached PDC using acid-unstable leaching reinforcement materials. The present disclosure also includes a bit that uses a PDC formed by leaching reinforcing materials with acid instability.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】浸出表面积增加的多晶金刚石复合片及多晶金刚石复合片浸出方法
本公开涉及多晶金刚石复合片(PDC)，例如钻地钻头中的刀具。
技术介绍
各种工业设备的部件经常受到极端条件的影响，例如高温和与硬表面和/或研磨面的高冲击接触。例如，在石油开采或采矿的钻井过程中，通常会遇到极端的温度和压力。金刚石具有无与伦比的机械性能，当它被恰当地用于切削元件或用于钻孔的耐磨接触元件时，可以是最有效的材料。金刚石异常坚硬，将热量从与研磨面的接触点带走，并且在这种情况下还可以提供其他好处。由于金刚石晶体的随机分布，多晶形式的金刚石与单晶金刚石相比具有更大的韧性，这避免了特定的解理平面横穿整个金刚石厚度，例如单晶金刚石中可以发现的解理平面。因此，在许多钻井应用中，多晶金刚石通常是金刚石的优选形式。利用多晶金刚石的钻头切削元件通常被称为多晶金刚石复合片(PDC)刀具。因此，结合有PDC刀具的钻头可以被称为PDC钻头。通过将小颗粒金刚石和其他原材料置于超高压和超高温条件下，可以在六面顶压机、两面顶压机或其他压机中制造PDC。一种PDC制造工艺包括直接在基底(如碳化钨基底)上形成多晶金刚石台。该方法包括将含有诸如钴(Co)之类的烧结助剂的基底与混合的松散金刚石颗粒一起放置到压机容器中，并使压机的内容物经受高温高压(HTHP)压制循环。高温和高压使小金刚石颗粒形成与基体紧密结合的一体的多晶金刚石台，其中Co作为烧结助剂促进新金刚石-金刚石键的形成。虽然在制造多晶金刚石台中是有用的，但是诸如Co的烧结助剂通常具有线性和体积热膨胀系数(CTE)，其显著高于金刚石的热膨胀系数，使得当使用过程中PDC加热时，多晶金刚石(PCD)中剩余的烧结助剂材料比金刚石膨胀得更快或更大，有时会导致裂纹/微观裂纹或以其他方式改变金刚石颗粒中的残余应力。多晶金刚石台可以经浸出处理以去除至少一部分烧结助剂。所得经浸出处理的PDC比类似的未经浸出处理的PDC更加热稳定。所得经浸出处理的PDC比类似的未经浸出处理的PDC更加热稳定。经浸出处理的PDC通常去除至少85％的烧结助剂。经浸出处理的PDC可以从多晶金刚石外表面浸出到给定的深度，该深度通常被称为浸出深度。PDC可以包含未经浸出处理的多晶金刚石，通常在更大的深度，例如更靠近金刚石台与基底之间的界面。大部分或基本上全部的烧结助剂的浸出产生热稳定的多晶(TSP)金刚石台。在一定温度下，通常在正常大气压下至少750℃，TSP刀具不会开裂或石墨化，但未经浸出处理的PDC在类似条件下会开裂或石墨化。TSP金刚石可以形成到给定的浸出深度，或者整个金刚石台都可以是TSP。附图说明通过结合附图参考下面的描述，可以获得对本专利技术实施方案及其优点的更完整的理解，附图显示了本专利技术的具体实施方案，其中相似的数字表示相似的部件，并且其中：图1A是用于具有酸不稳定的浸出增强材料的PDC刀具的烧结组件的非比例的横截面示意图；图1B是使用图1A的组件形成的具有酸不稳定的浸出增强材料的烧结PDC刀具的非比例的横截面示意图；图1C是烧结的PDC刀具的非比例的横截面示意图，该刀具具有通过从图1B的PDC刀具中去除酸不稳定的浸出增强材料而形成的增大的浸出表面积；图1D是通过对图1C的具有增加的浸出表面积的烧结PDC刀具进行浸出处理而形成的经浸出处理的PDC刀具的非比例横截面示意图；图1E是通过向图1D的经浸出处理的PDC刀具添加回填材料而形成的回填后的PDC刀具的非比例横截面示意图；图2A是用于具有纳米结构的酸不稳定的浸出增强材料的PDC刀具的烧结组件的非比例横截面示意图；图2B是通过从图2A所示纳米结构中去除酸不稳定的浸出增强材料而形成的具有增加的浸出表面积的烧结PDC刀具的非比例横截面示意图；图3A是用于同时具有微米结构和纳米结构的酸不稳定的浸出增强材料的PDC刀具的烧结组件的非比例横截面示意图；图3B是通过从图3A所示的微米结构和纳米结构中去除酸不稳定的浸出增强材料而形成的具有增加的浸出表面积的烧结PDC刀具的非比例横截面示意图；图4A是用于具有局部酸不稳定的浸出增强材料的PDC刀具的烧结组件的非比例横截面示意图；图4B是通过去除图4A所示的酸不稳定的浸出增强材料以增加烧结的PDC刀具的浸出表面积然后对烧结的PDC刀具进行浸出处理而形成的经浸出处理的PDC刀具的非比例横截面示意图；图5是用于具有酸不稳定的浸出增强材料表面模板的PDC刀具的烧结组件的非比例横截面示意图；图6A是用于具有酸不稳定的浸出增强材料网状模板的PDC刀具的烧结组件的非比例横截面示意图；图6B是通过去除图6A所示的酸不稳定的浸出增强材料形成的具有增加的浸出表面积的烧结PDC刀具的非比例横截面示意图；图7A是用于具有两种不同的酸不稳定的浸出增强材料的PDC刀具的烧结组件的非比例横截面示意图；图7B是通过去除图7A的两种不同的酸不稳定的浸出增强材料中的一种但不去除另一种而形成的具有增加的浸出表面积的烧结PDC刀具的非比例横截面示意图；图8是各种形状的酸不稳定的浸出增强材料的一系列非比例横截面示意图，其中：图8A是细长的微米结构或纳米结构；图8B是涂覆有磁性材料的细长微米结构或纳米结构；图8C是具有细长微米结构或纳米结构的模板，该微米结构或纳米结构具有末端可极化部分；图8D是具有狗骨式微米结构或纳米结构的模板材料；图9是烧结的PDC刀具的浸出深度与使用常规浸出处理的浸出天数以及如本公开所公开的在PDC刀具中使用酸不稳定的浸出增强材料进行浸出的浸出天数的概念图，在常规浸出中PDC刀具不具有通过去除酸不稳定的浸出增强材料形成的增加的浸出表面积，在本公开的浸出处理中，通过去除酸不稳定的浸出增强材料形成增加的浸出表面积；并且图10是钻地钻头，其包括至少一个PDC刀具形式的PDC。具体实施方式本公开涉及未经浸出处理的PDC，其具有包含在多晶金刚石台中的酸不稳定的浸出增强材料。这种酸不稳定的浸出增强材料可以在浸出之前或浸出过程中去除，以增加可用于进一步浸出处理的多晶金刚石台的表面积。本公开还包括含有空腔的经浸出处理的PDC，其中酸不稳定的浸出增强材料位于所述空腔中，或者回填材料位于所述空腔中。本公开还提供了使用增加的浸出表面积来对PDC的多晶金刚石台进行浸出处理的方法，所述增加的浸出表面积通过去除酸不稳定的浸出增强材料以在多晶金刚石台中留下空腔而获得。图1是用于通过烧结形成具有酸不稳定的浸出增强材料的PDC刀具的烧结组件、具有酸不稳定的浸出增强材料的PDC刀具、以及在去除酸不稳定的浸出增强材料之后和浸出和回填之后的PDC刀具的一系列横截面示意图。参考图1A，烧结组件10包括容纳有基底30、金刚石颗粒40和酸不稳定的浸出增强材料50的罐20。HTHP工艺中的烧结得到烧结的PDC刀具70，如图1B所示，其在未经浸出处理的多晶金刚石台60a中包含酸不稳定的浸出增强材料50。未经浸出处理的多晶金刚石台60a结合到基底30上。在图1C中，酸不稳定的浸出增强材料50已经被去除，在未经浸出处理的多晶金刚石台60a中产生空腔90。这产生烧结的PDC刀具80，其具有由空腔90的壁形成的增加的浸出表面积。浸出处理然后得到经浸出处理的PDC刀具100，如图1D所示。经浸出处理的PDC刀具100中的经浸出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种未经浸出处理的多晶金刚石复合片(PDC)，包括：基底；和未经浸出处理的多晶金刚石台，其包括酸不稳定的浸出增强材料和烧结助剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种未经浸出处理的多晶金刚石复合片(PDC)，包括：基底；和未经浸出处理的多晶金刚石台，其包括酸不稳定的浸出增强材料和烧结助剂。2.如权利要求1所述的PDC，其中所述酸不稳定的浸出增强材料在酸中比所述烧结助剂更不稳定。3.如权利要求1所述的PDC，其中所述酸不稳定的浸出增强材料呈微米结构形式。4.如权利要求1所述的PDC，其中所述酸不稳定的浸出增强材料呈微米结构和纳米结构的混合形式。5.如权利要求1所述的PDC，其中所述酸不稳定的浸出增强材料在所述多晶金刚石台中按一定的图案被定向。6.如权利要求1所述的PDC，其中所述酸不稳定的浸出增强材料包括钨(W)。7.如权利要求1所述的PDC，其中所述酸不稳定的浸出增强材料在所述多晶金刚石台内限定在去除所述酸不稳定的浸出增强材料后形成的多个空腔，所述多个空腔增加所述多晶金刚石台的浸出表面积。8.一种经浸出处理的多晶金刚石复合片(PDC)，包括：基底；和经浸出处理的多晶金刚石台，其包括多个微米结构空腔或纳米结构空腔或其混合。9.如权利要求8所述的PDC，其中所述多晶金刚石台同时包括多个微米结构空腔和纳米结构空腔。10.如权利要求8所述的PDC，其中所述微米结构空腔或纳米结构空腔或这两者形成至少一个互连的空腔网格。11.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·B·阿特金斯，G·萨伊尼，G·O·库克三世，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国,US