机械锁定的聚晶金刚石元件和工业装置技术领域
本公开涉及聚晶金刚石(PCD)元件和工业装置，诸如在还形成铜
焊接点的接口处具有机械锁的钻地钻头。
发明背景
各种工业装置的部件经常经受极端条件，诸如高温和与硬表面和
/或磨损表面的高冲击接触。例如，在用于采油或挖掘目的的地球钻
探期间常见地遭遇极端温度和压力。金刚石以其无与伦比的机械性
质，在供地球钻探之用的切削元件或耐磨接触元件中适当地使用时可
能是最有效的材料。金刚石异常地坚硬，将热传导远离与磨损表面的
接触点，并且在此类情形下可以提供其他益处。
由于金刚石晶体的随机分布，呈多晶形式的金刚石与单晶金刚石
相比具有更高的韧性，这避免了见于单晶金刚石中的特定断裂面。因
此，在许多钻探应用中，聚晶金刚石(PCD)通常是金刚石的优选形式。
利用PCD的钻头切削元件统称为聚晶金刚石刀具(PDC)。因此，集成
有PCD切削元件的钻头可以称为PDC钻头。
PCD元件可以在压制机中通过使小晶粒金刚石和其他起始材料
经受超高压力和温度条件得以制造。一个PCD制造过程涉及在衬底
(诸如碳化钨衬底)上直接形成聚晶金刚石。所述过程涉及放置衬底，
连同将与触媒粘合剂混合的金刚砂释放到压制机的容器中，以及使压
制机的内容物经受高温、高压(HTHP)压制循环。高温和高压致使小
的金刚砂形成为紧紧粘结到所述衬底的整体PCD。
一旦形成，PCD元件随后可以经由所述衬底附接到钻头。由于
材料性质(诸如湿润度)的不同，当使用某些方法时，衬底通常比金刚
石更易于粘结到另一个表面。例如，PCD元件可以在其衬底处经由
锡焊或铜焊附接到钻头，而不具有衬底的PCD则不能轻易地粘结到
具有足够强度以便耐受钻探条件的钻头。锡焊和铜焊可以在使元件的
PCD部分保持稳定的相对较低温度下执行，以使得PCD部分不受连
接到钻头的过程的不利影响。
附图简述
可以通过参考以下结合附图所作的描述获得本实施方案及其优
点的更加完整的理解，附图示出本公开的特定实施方案，其中相似数
字指类似部件，并且在附图中：
图1是具有机械锁的PCD元件和工业装置的侧视图；
图2是具有机械锁的另一个PCD元件和工业装置的侧视图；
图3A是具有机械锁的第三PCD元件和工业装置的侧视图；
图3B是图3A的PCD元件的机械锁的端视图；
图4A是具有机械锁的第四PCD元件和工业装置的侧视图；
图4B是图4A的PCD元件的机械锁的端视图；
图5是第五PCD元件的机械锁的端视图；
图6是具有机械锁的第六PCD元件和工业装置的端视图；
图7是具有机械锁而不具有PCD元件的工业装置的端视图；并
且
图8是包括PCD刀具的固定刀具钻头的侧视图。
具体实施方式
本公开涉及具有机械锁的PCD元件以及具有位于凹部中的机械
锁的工业装置。PCD元件的机械锁可以与凹部的机械锁对接，以使
得当PCD元件位于工业装置中时，机械锁接合，从而限制PCD元件
在凹部内或外的移动。
本公开还涉及一种包括PCD元件的工业装置，其中PCD元件的
此类机械锁和工业装置中的凹部对齐。本文描述的工业装置和方法可
以另外地促进PCD元件正确地定位在所述装置的凹部中，在PCD元
件本身与凹部的壁之间建立正确的空隙，使工业装置内的元件正确地
对齐，或在PCD元件与凹部之间提供更多的表面面积以供由铜焊材
料进行粘合。
机械锁可以设计成在PCD元件与凹部之间沿着PCD元件与凹部
之间的接口的至少一部分保持均匀间隙。它可以设计成使得将在使用
所述装置期间生成的力转移到更大的接口面积，从而帮助防止PCD
元件在凹部中移动或帮助将PCD元件保留在凹部中。机械锁还可以
设计成在使用工业装置期间在PCD元件上施加另外的力，以便帮助
防止PCD元件在凹部中的移动或将PCD元件保留在凹部中。
所述工业装置还可以包括沿着PCD元件与凹部之间的接口的至
少一部分定位的铜焊材料。在一些实施方案中，铜焊材料可以基本上
沿着全部接口定位。在其他实施方案中，可将铜焊材料主要定位在机
械锁处。在另外的实施方案中，可将铜焊材料主要沿着PCD元件与
凹部之间的接口的一部分(该部分不是机械锁)定位。
所述铜焊材料可以任何形式提供，但是在特定的实施方案中，它
可以是薄箔片或线的形式。这可以设计成使得箔片在衬底与凹部之间
沿着在铜焊过程期间形成的接口的至少一部分具有均匀厚度。箔片的
这种均匀厚度可以促进在PCD元件与凹部之间形成均匀间隙。这可
以设计成使得衬底与凹部之间沿着接口的至少一部分的接触面积增
加，以使得铜焊接点的强度增加。铜焊材料可以由能够在PCD元件
与凹座之间形成铜焊接点的任何材料组成。在特定实施方案中，所述
材料可以包括与镍(Ni)、铜(Cu)或银(Ag)成合金的锰(Mn)、铝(Al)、磷
(P)、硅(Si)或锌(Zn)。
可将PCD元件置于凹部中，以使得基本上仅PCD元件的衬底部
分沿着接口放置，并且基本上没有任何PCD沿着接口定位。这种布
置可以保护PCD免受在铜焊过程中使用的材料和温度。这种布置还
可以使PCD的最大面积用于切削。在一些实施方案中，基本上全部
衬底可以位于凹部内以便提供最大机械稳定性或PCD元件到工业装
置的附接。
可以通过将PCD元件和铜焊材料放置到凹部中来将PCD元件铜
焊到工业装置中，以使得机械锁对齐，随后将铜焊材料加热到足以在
PCD元件与凹部之间沿着接口的至少一部分形成铜焊接点的温度。
通常，可将铜焊材料至少加热到其熔点。可先将铜焊材料放置到凹部
中，然后再放置PCD元件。另外地，因为在铜焊过程期间可例如通
过熔炼或移动PCD元件将铜焊材料从其初始位置移位，所以在铜焊
过程之前不需要覆盖待铜焊的全部面积。
还可以通过再加热铜焊材料(通常至少加热到其熔点)来将PCD
元件从凹部移除，随后使PCD元件物理脱离。新的PCD元件随后可
以插入凹部中并且经由铜焊接点加以附接。
可替代地，在机械锁绕旋转轴线对称的一些实施方案中，PCD
元件可以通过将铜焊材料加热到足以允许PCD元件移动的温度来在
凹部中旋转。在仍然保持机械锁的同时使PCD元件旋转的这种能力
通过允许PCD元件的磨损区域移动，并且利用更小的磨损区域替代
而无需切换整个新的PCD元件，可以增加工业装置或PCD元件的整
体使用寿命。
图1中示出具有机械锁的PCD元件和工业装置的一个实施方案。
包括衬底20和PCD30的PCD元件10位于工业装置50的凹部40
中。机械锁60a沿着接口70形成并且包括PCD元件10与工业装置
50的对齐的特征部。在所示出的实施方案中，铜焊材料80基本上沿
着全部接口70定位，尽管在其他实施方案中，它可以如上文描述沿
着接口70的部分定位。机械锁60a帮助防止PCD元件10在由箭头
指示的方向上的运动。
机械锁60a包括至少一个或一系列脊，所述脊沿着PCD元件10
的侧边和在凹部40的侧壁中定位。这些脊可以如图所示具有三角形
截面，或它们可以具有其他构型，诸如长方形或椭圆形截面。机械锁
60b还可以组合不同的截面形状。
在特定实施方案中，与在图1中示出的机械锁相类似，机械锁
60可以包括两个脊，一个沿着PCD元件10的侧边定位，并且另一
个定位在凹部40的侧壁中。所述脊可以被配置来形成螺纹机构，诸
如螺钉。这种实施方案可以为接口70提供额外的机械强度。
在图2中示出的实施方案中，机械锁60b位于PCD元件10的端
部中和凹部40的端壁中。机械锁60b帮助防止PCD元件10在由箭
头指示的方向上运动。机械锁60b包括凹部40的上壁100。尽管机
械锁60b示出为基本上具有成角度的截面，但是其他构型(诸如长方
形或椭圆形截面)也可以是适合的。机械锁60b还可以组合不同的截
面形状。
如图3A中所示，机械锁60c可以包括至少一个或一系列同心脊，
所述同心脊位于PCD元件10的端部处和凹部40的端壁中。机械锁
60c帮助防止PCD元件10在由箭头指示的方向上运动。机械锁60c
的脊示出为具有基本上呈长方形的截面，但是它们可以具有其他构
型，诸如有角度的或椭圆形截面。机械锁60c还可以组合不同的截面
形状。图3B示出机械锁60c的端视图。
图4A和图4B示出机械锁60d的侧视图和端视图，所述机械锁
60d是图3中所示的锁的变体。
图5示出机械锁60e的端视图，所述机械锁60e包括位于PCD
元件10的端部处和凹部40的端壁中的至少一个或一系列平行脊。机
械锁60c帮助防止PCD元件在凹部40内旋转。因此，机械锁60c可
能不与PCD元件40在工业装置50中旋转的一些实施方案相容。然
而，机械锁60c仍然允许PCD元件旋转180度。尽管机械锁60c的
脊示出为具有基本上呈长方形的截面，但是它们可以具有其他构型，
诸如有角度的或椭圆形截面。另外地，尽管机械锁60c的脊示出为具
有基本上均匀的宽度，但是在一些实施方案中，所述宽度可以变化。
在替代的实施方案中，位于PCD元件10端部处的脊可以既不平
行也不同心，而是可以替代地具有另一个规则或不规则的图案。
如图6中所示，PCD元件10可以定位成使得PCD元件10升高
到工业装置50的外表面200的上方。在其他实施方案中，PCD元件
10可以由工业装置50的凹部40完全覆盖。在任一实施方案中，工
业装置的一部分可以进一步用来将PCD元件10机械地锁定到工业装
置50中。
在一些实施方案中，PCD元件10可以通过将铜焊材料80加热
到足以允许此类旋转的温度来在凹部40中绕轴线210旋转。一些实
施方案，诸如采用螺钉的那些实施方案，可能与旋转较不相容。具有
本文所包括的本公开的益处的可旋转实施方案和可能发生旋转的情
形对本领域技术人员将是显而易见的。
图7示出工业装置50的外表面200，所述工业装置50包括机械
锁60c而不具有PCD元件10。
在一些实施方案中，工业装置可以是钻地钻头，诸如固定刀具钻
头。图8示出在凹部40中包括PCD刀具10的固定刀具钻头300。
固定刀具钻头300可以包括钻头主体310，所述钻头主体310具有从
其延伸的多个刀片320。钻头主体310可以由钢、基质材料或其他合
适的钻头主体材料形成。钻头主体310可以形成为具有期望的磨损性
质和腐蚀性质。可以使用本公开的方法或使用其他方法将PCD元件
安装在钻头上作为除刀具以外的元件提供此类性质。
刀片320可以包括刀具330，所述刀具330包括至少一个具有机
械锁60的PCD刀具10。在特定实施方案中，在刀片320的对应位
置处的一组刀具330可以各自是具有机械锁60的PCD刀具10。在
另一个实施方案中，所有的量规刀具可以是具有机械锁60的PCD刀
具10。在另一个实施方案中，所有的非量规刀具可以是具有机械锁
60的PCD刀具10。在又一个实施方案中，所有的刀具330可以是具
有机械锁60的PCD刀具10。
对于图8中所示的实施方案来说，固定刀具钻头300可以具有五
(5)个刀片320。对于一些应用来说，设置在采用本公开教义的固定刀
具钻头上的刀片的数目可以在四(4)个刀片与八(8)个刀片或更多个刀
片之间变化。可以在相邻刀片320之间形成对应的废料槽340。可以
选择刀片320和废料槽340的数目、大小和构型，以便优化钻井液、
地层切削物和井下碎料从井眼的底部到关联的井表面的流动。
与钻头300关联的钻探动作可以在钻头主体310响应于关联钻柱
(未明确示出)的旋转而相对于井眼的底部(未明确示出)进行旋转时发
生。设置在关联刀片330上的至少一些刀具330可以接触井下地层(未
明确示出)钻探的相邻部分。这些刀具330可以取向成使得PCD接触
地层。关联的井眼的内径可以大体上由组合的外径或至少部分地由刀
片330的相应量规部分350确定的量规直径限定。
钻头主体310可以由各种钢合金或具有期望强度、韧度和可机械
加工性的其他材料形成。
尽管上文仅具体地地描述了本发明的示例性实施方案，但是应理
解，在不背离本发明的精神和旨意范围的情况下，可以对这些实施例
做出修改和变化。例如，PCD元件在其他工业装置上的适当放置和
取向可以通过参考钻头实施例加以确定。