用于pdc、pcbn或其它硬或超硬材料插入件的聲發射韌性測試的制作方法
【專利說明】用于PDC、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的聲發射韌性測試
[0001]相關申請
[0002]本申請是2010年4月6日提交并且名稱為“用于H)C、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的聲發射韌性測試(Acoustic Emiss1n Toughness Testing For PDC, PCBN, Or OtherHard Or Superhard Material Inserts) ” 的美國專利申請 N0.12/754，738 的部分繼續申請，上述申請通過引用合并于本文中。
[0003]本申請涉及2010年4月6日提交并且名稱為“用于H)C、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的聲發射韌性測試(Acoustic Emiss1n Toughness Testing For PDC, PCBN, OrOther Hard Or Superhard Material Inserts) ”、現在公布為美國專利 N0.8，322，217的美國專利申請N0.12/754,784，2010年4月28日提交并且名稱為“用于H)C、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的聲發射韌性測試(Acoustic Emiss1n Toughness TestingFor PDC, PCBN, Or Other Hard Or Superhard Material Inserts) ” 的美國專利申請N0.12/769，221，2010年12月9日提交并且名稱為“用于H)C、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的聲發射韌性測試(Acoustic Emiss1n Toughness Testing For PDC, PCBN, Or OtherHard Or Superhard Material Inserts) ” 的美國專利申請 N0.12/963，913，2011 年 7 月29日提交并且名稱為“井下聲發射地層米樣(Downhole Acoustic Emiss1n Format1nSampling)”的美國專利申請N0.13/194，205，以及2011年6月2日提交并且名稱為“具有更小噪聲比的聲發射韌性測試(Acoustic Emiss1n Toughness Testing Having SmallerNoise Rat1)”的美國專利申請N0.13/152，126，上述申請全部通過引用合并于此。
技術領域
[0004]本發明總體而言涉及用于測試硬或超硬材料的固有強度或韌性的方法、裝置和軟件，并且更特別地涉及用于使用聲發射來測試硬或超硬材料的固有強度或韌性的方法、裝置和軟件。
【背景技術】
[0005]圖1顯示根據本發明的示例性實施例的、可插入到諸如鉆頭或鉸刀之類的井下工具(未示出)內的超硬材料100。如圖1中所示，超硬材料100的一個例子是用于巖石鉆頭的切割元件100、或者切割器或插入件。然而，超硬材料100可以基于它將用于的應用而被成形為其它結構。切割元件100典型地包括具有接觸面115的襯底110、以及切割臺120。切割臺120是使用超硬層制作而成的，根據一個例子，所述超硬層通過燒結工藝結合到接觸面115。根據一些例子，襯底110通常是由碳化鎢鈷或碳化鎢制成的，而切割臺120是用諸如多晶金剛石(“PCD”)或多晶立方碳化硼(“PCBN”)之類的多晶超硬材料層形成的。這些切割元件100是根據本領域普通技術人員公知的工藝和材料制作而成的。盡管切割臺120被顯示為具有大致平面的外表面，但是切割臺120在其它實施例中可以具有可替代形狀的外表面，比如拱頂形、凹形或其它非平面形狀的外表面。盡管已經提供了切割元件100的一些示例性配方，但是可以根據應用使用本領域普通技術人員公知的其它配方和結構。盡管巖石鉆探是超硬材料100可在其中使用的一個應用(并且其在下面進行描述)，但是超硬材料100可以用在各種其它應用中，包括、但不限于機械加工、木材加工以及采石。
[0006]不同的P⑶、PCBN、硬和超硬材料等級可供切割器100用在各種應用中，比如使用不同鉆頭設計來鉆探不同巖層、或者對不同金屬或材料進行機械加工。與這些切割器100相關聯的常見問題包括:切割臺120在使用期間的掉肩(chipping)、剝離(spalling)、部分斷裂、開裂和/或剝落。這些問題導致切割臺120和/或襯底110的早期故障。典型地，在切割臺120上在切割臺120于鉆探期間與土層接觸的區域處生成的高量級應力會導致這些問題。這些問題由于與維修、生產停工時間和勞動力成本相關聯的成本而增加了鉆探的成本。因此，諸如鉆頭設計者或現場應用工程師之類的最終用戶針對任何給定鉆探或機械加工任務來選擇切割器100的表現最佳的等級以減少這些常見問題的發生。例如，最終用戶通過權衡使用常規方法所確定的切割器100的耐磨性和抗沖擊性來選擇合適的切割器100。典型地，可供最終用戶用于針對特定應用選擇合適等級的切割器100可使用的信息是從下列導出的:歷史數據記錄，所述歷史數據記錄顯示PCD、PCBN、硬或超硬材料的不同等級在特定區域中的性能；和/或實驗室功能測試，所述實驗室功能測試嘗試在測試不同切割器100時模擬各種鉆探或機械加工條件。當前存在用在鉆探業中的實驗室功能測試的兩個主要類另O。這些測試是磨損測試和沖擊測試。
[0007]包括多晶金剛石復合片(“PDC”)切割器100的超硬材料100已經通過使用兩種常規測試方法進行了耐磨損性的測試。PDC切割器100包括由PCD制成的切割臺120。圖2顯示用于使用常規花崗巖測井測試來測試耐磨損性的車床200。盡管提供了車床200的一個示例性裝置配置，但是可以使用本領域普通技術人員公知的其它裝置配置而不脫離示例性實施例的范圍和精神。
[0008]參考圖2，車床200包括卡盤210、尾架220、以及定位在卡盤210與尾架220之間的刀架230。目標圓柱250具有第一端部252、第二端部254、以及從第一端部252延伸到第二端部254的側壁258。根據常規的花崗巖測井測試，側壁258是暴露表面259，該表面在測試期間與超硬部件100接觸。第一端部252聯接到卡盤210，而第二端部254聯接到尾架220。卡盤210被配置為旋轉，由此導致目標圓柱250也沿著目標圓柱250的中心軸線256旋轉。尾架220被配置為在目標圓柱250旋轉時將第二端部254保持就位。目標圓柱250是由單種均勻材料制作而成，該材料典型地為花崗巖。然而，已經將其它巖石類型用于目標圓柱250，這些巖石類型包括、但不限于:Jackforck砂巖、Indiana石灰石、Berea砂巖、Carthage大理巖、Champlain黑大理巖、Berkley花崗巖、Sierra白花崗巖、Texas粉紅花崗巖、以及Georgia灰色花崗巖。
[0009]PDC切割器100被裝配到車床的刀架230，使得PDC切割器100與目標圓柱250的暴露表面259接觸并且橫越暴露表面259被往復牽引。刀架230在目標圓柱250上具有向內給進速率。PDC切割器100的耐磨損性被確定為這樣的磨損率，所述磨損率被定義成被去除的目標圓柱250的體積比被去除的PDC切割器100的體積。替代地，代替測量體積，可以測量PDC切割器100橫越目標圓柱250行進的距離并將該距離用于量化PDC切割器100的耐磨損性。替代地，可以使用本領域普通技術人員公知的其它方法來使用花崗巖測井測試確定耐磨損性。車床200的操作和構造是本領域普通技術人員公知的。對該類型的測試的描述可以在下列文獻中找到:Eaton，B.A.，Bower, Jr.，A.B 和 Martis，J.A，“ManufacturedDiamond Cutters Used In Drilling Bits，，，Journal of Petroleum Technology, 1975年 5 月，543-551，Society of Petroleum Engineers paper 5074-PA，其在 1975 年 5 月的 Journal of Petroleum Technology 上發表；以及 Maurer，William C.，‘‘AdvancedDrilling Techniques，，，第22章，The Petroleum Publishing Company，1980年，第541-591頁，上述文獻通過引用合并于本文中。
[0010]圖3顯示用于使用立式鏜床(“VBM”)測試或者立式轉塔車床(“VTL”)測試來測試耐磨損性的立式鏜床300。盡管提供了 VBM 300的一個示例性裝置配置，但是可以使用其它裝置配置而不脫離示例性實施例的范圍和精神。立式鏜床300包括旋轉臺310和定位在旋轉臺310之上的工具保持件320。目標圓柱350具有第一端部352、第二端部354、以及從第一端部352延伸到第二端部354的側壁358。根據常規的VBM測試，第二端部354是暴露表面359，該表面在測試期間與超硬材料100接觸。目標圓柱350在直徑上典型地為大約30英寸至大約60英寸；然而，該直徑可以更大或更小。
[0011]第一端部352安裝在VBM 300的下部旋轉臺310上，由此讓暴露表面359面向工具保持件320。PDC切割器100安裝在工具保持件320中在目標圓柱的暴露表面359之上，并且與暴露表面359接觸。目標圓柱350旋轉，同時工具保持件320使PDC切割器100從目標圓柱的暴露表面359的中心輪轉到其邊緣并且再次輪轉回目標圓柱的暴露表面359的中心。工具保持件320具有預定的向下給進速率。VBM方法允許對PDC切割器100施加較高的負荷并且較大的目標圓柱350提供PDC切割器100所作用于的較大巖石體積。目標圓柱350典型地是由花崗巖制作而成的；然而，目標圓柱可以由其它材料制作而成，這些材料包括、但不限于:Jackforck砂巖、Indiana石灰石、Berea砂巖、Carthage大理巖、Champlain黑大理巖、Berkley花崗巖、Sierra白花崗巖、Texas粉紅花崗巖、以及Georgia灰色花崗山
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[0012]PDC切割器100的耐磨損性被確定為這樣的磨損率，所述磨損率被定義為被去除的目標圓柱350的體積比被去除的PDC切割器100的體積。替代地，代替測量體積，可以測量PDC切割器100橫越目標圓柱350行進的距離并將該距離用于量化PDC切割器100的耐磨損性。替代地，可以使用本領域普通技術人員公知的其它方法來使用VBM測試確定耐磨性。VBM300的操作和構造是本領域普通技術人員公知的。對該類型的測試的描述可以在下列文獻中找到:Bertagnolli，Ken 和 Vale，Roger，“Understanding and ControllingResidual Stresses in Thick Polycrystalline Diamond Cutters for EnhancedDurability”，US Synthetic Corporat1n，2000年，上述文獻通過引用完整地合并于本文中。
[0013]除了用于耐磨損性的測試以外，也可以測試PDC切割器100的抗沖擊負荷性。圖4顯示落塔裝置400，其用于使用“落錘”測試來測試超硬部件的抗沖擊性，其中金屬砝碼450懸掛在上方并且下落到切割器100上。“落錘”測試嘗試模擬當PDC切割器100從一個地層過渡到另一地層或經歷側向和軸向振動時會遇到的負荷類型。來自沖擊測試的結果允許基于不同切割器的沖擊強度來對所述切割器排名；然而，這些排名不允許根據切割器100將在實際現場中如何表現來進行預測。
[0014]參考圖4，落塔裝置400包括諸如PDC切割器之類的超硬材料100、目標固定裝置420、以及定位在超硬材料100之上的撞擊板450。PDC切割器100被鎖定到目標固定裝置420中。撞擊板450或砝碼典型地是由鐵制作而成，并且定位在PDC切割器100之上。然而，撞擊板450可以由本領域普通技術人員公知的替代材料制作而成。PDC切割器100典型地以后傾角415保持，PDC切割器100的金剛石臺120朝著撞擊板450向上成角。后傾角415的范圍是本領域普通技術人員公知的。
[0015]撞擊板450重復地下落到PDC切割器100的邊緣上，直到PDC切割器100的邊緣脫開或者剝離。這些測試也稱為“側向沖擊”測試，原因是撞擊板450沖擊金剛石臺120的暴露邊緣。故障典型地出現在金剛石臺120中或金剛石臺120與碳化物襯底110之間的接觸面115處。“落錘”測試對金剛石臺120的邊緣幾何形狀很敏感。如果臺120被稍微斜切，則測試結果可能明顯改變。以焦耳表達的、產生金剛石臺120中的最初斷裂所耗費的總能量被記錄。對于更高抗沖擊性切割器100而言，撞擊板450可以根據預設計劃從增加高度下落以對切割器100施加更大的沖擊能