用于固定切削齿钻头和其他井下切削工具的切削构件.pdf

一种切削工具，可包括工具主体；从所述工具主体延伸的多个刀体；且在所述多个刀体的每一个上设置多个主切削元件和后备切削元件，所述后备切削元件在后面且与对应的主切削元件离所述工具主体的轴线有大约相同的径向距离。所述多个主切削元件包括具有第一非平面形状的切削元件，且所述多个后备切削元件包括具有不同的第二非平面形状的切削元件。

1.  一种切削工具，包括：
工具主体；
从所述工具主体延伸的多个刀体；和
在所述多个刀体的每一个上的多个主切削元件和多个后备切削元件，所述后备切削元件在后面且与对应的主切削元件离所述工具主体的轴线有大约相同的径向距离，所述多个主切削元件包括具有第一非平面形状的切削元件，且所述多个后备切削元件包括具有不同的第二非平面形状的切削元件。

2.  根据权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述多个主切削元件包括尖头形切削元件。

3.  根据权利要求2所述的切削工具，其特征在于，所述尖头形切削元件包括从由弹头形切削元件、锥形切削元件及它们的组合构成的组中选取的切削元件。

4.  根据权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述多个主切削元件包括脊形切削元件。

5.  根据权利要求4所述的切削工具，其特征在于，所述脊形切削元件包括从由具有抛物柱面形表面的切削元件、具有双曲抛物面形表面的切削元件和它们的组合构成的组中选取的切削元件。

6.  根据权利要求4至5所述的切削工具，其特征在于，所述多个后备切削元件包括尖头形切削元件。

7.  根据权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述多个主切削元件中的至少一个包括平面的滚动切削元件。

8.  根据权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述多个后备切削元件被设置在锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域内，且所述多个后备切削元件中的多个包括在所述锥部区域、所述鼻部区域、所述肩部区域和所述保径部区域中的至少一个中的第一形状，和在至少一个其他区域中的不同的第二形状。

9.  根据权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述多个主切削元件被设置在锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域内，且所述多个 主切削元件中的多个包括在所述锥部区域、所述鼻部区域、所述肩部区域和所述保径部区域中的至少一个中的第一形状，和在至少一个其他区域中的不同的第二形状。

10.  一种切削工具，包括：
工具主体；
从所述工具主体延伸的多个刀体；和
在所述多个刀体的每一个上的多个主切削元件和多个后备切削元件，所述后备切削元件在后面且与对应的主切削元件离所述工具主体的轴线有大约相同的径向距离，所述多个主切削元件包括脊形切削元件，且所述多个后备切削元件包括尖头形切削元件。

11.  根据权利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述多个后备切削元件还包括至少一个脊形切削元件。

12.  根据权利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述尖头形切削元件包括从由弹头形切削元件、锥形切削元件及它们的组合构成的组中选取的切削元件。

13.  根据权利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述脊形切削元件包括从由具有抛物柱面形表面的切削元件、具有双曲抛物面形表面的切削元件和它们的组合构成的组中选取的切削元件。

14.  根据权利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述多个后备切削元件被设置在锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域内，且所述多个后备切削元件中的多个包括在所述锥部区域、所述鼻部区域、所述肩部区域和所述保径部区域中的至少一个中的所述脊形切削元件，和在至少一个其他区域中的所述尖头形切削元件。

15.  根据权利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述多个主切削元件被设置在锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域内，且所述多个主切削元件中的多个包括在所述锥部区域、所述鼻部区域、所述肩部区域和所述保径部区域中的至少一个中的所述脊形切削元件，和在至少一个其他区域中的所述尖头形切削元件。

16.  一种切削工具，包括：
工具主体；
从所述工具主体延伸的多个刀体；和
在所述多个刀体的每一个上的多个非平面切削元件，所述多个非平面切削元件形成切削型面的至少一部分，在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面内的旋转视图中，所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域，所述多个非平面切削元件包括在所述锥部区域、所述鼻部区域、所述肩部区域和所述保径部区域中的至少一个中的脊形切削元件，和在至少一个其他区域中的尖头形切削元件。

17.  根据权利要求16所述的切削工具，其特征在于，所述尖头形切削元件包括从由弹头形切削元件、锥形切削元件及它们的组合构成的组中选取的切削元件。

18.  根据权利要求16至17所述的切削工具，其特征在于，所述脊形切削元件包括从由具有抛物柱面形表面的切削元件、具有双曲抛物面形表面的切削元件和它们的组合构成的组中选取的切削元件。

19.  根据权利要求16至18所述的切削工具，其特征在于，所述尖头形切削元件是在单个区域内，且所述脊形切削元件是在其他三个区域内。

20.  根据权利要求16至18所述的切削工具，其特征在于，所述尖头形切削元件是在两个区域内，且所述脊形切削元件是在其他两个区域内。

用于固定切削齿钻头和其他井下切削工具的切削构件
背景技术
在地球上的钻井过程中，比如为了回收碳氢化合物或为了其他应用，常规的实践是在端对端连接而形成“钻柱”的钻杆段组件的下端连接钻头。通过在地面旋转钻柱或通过井下马达或涡轮机的致动，或通过两种方法使钻头旋转。在施加到钻柱的重力作用下，旋转的钻头接合地层，致使钻头通过磨蚀、压裂或剪切动作，或通过所有切削方法的组合切穿地层材料，从而形成沿着朝向目标区域的预定路径的井眼。
已经研制和发现了许多不同类型的钻头用在钻这样的井眼的过程中。两种主导类型的钻头是牙轮钻头和固定切削齿钻头(或旋转式刮刀)钻头。大多数固定切削齿钻头设计包括绕钻头面成角度地间隔的多个刀体。刀体从钻头主体径向向外地突出，且在其两两之间形成流道。此外，切削元件通常以径向延伸的排分组且安装在几个刀体上。根据许多因素(比如被钻地层)，刀体上的切削元件的配置或布局可以宽泛地变化。
设置在固定切削齿钻头的刀体上的切削元件通常由超硬材料制成。在典型的固定切削齿钻头中，每个切削元件包括细长的且大体上圆柱形的碳化钨基底，该基底被接纳且固定在刀体之一的表面上形成的袋孔中。切削元件通常包括多晶金刚石(“PCD”)或其他超耐磨材料(比如热稳定金刚石或多晶立方氮化硼)的硬质切削层。为方便起见，在本文中使用的提及“PDC钻头”或“PDC切削齿”就是指采用了多晶金刚石或其他超耐磨材料的硬质切削层的固定切削齿钻头或切削元件。
参照图1和2，示出了适用于钻穿岩石地层以形成井眼的常规固定切削齿或刮刀钻头10。钻头10大体上包括钻头主体12、钻柄13，和在销端部16处用于将钻头10连接于钻柱(未示出)的螺纹连接或销14，其中该钻柱被用于转动钻头，以便钻出井眼。钻头面20支撑切削构件15，且形成在钻头10的与销端部16相反的端部上。钻头10还包括中心轴线11，钻头10绕该中心轴线沿箭头18表示的切削方向旋转。
切削构件15被设置在钻头10的面20上。切削构件15包括多个成角 度地间隔开的主刀体31、32、33和副刀体34、35、36，每一刀体都从钻头面20延伸。主刀体31、32、33和副刀体34、35、36大体上沿钻头面20径向延伸，然后沿钻头10的周边的一部分轴向延伸。然而，副刀体34、35、36从朝向钻头10的周边远离钻头轴线11的位置沿钻头面20径向延伸。因此，在本文中使用的“副刀体”可用于指在离钻头轴线一段距离的位置开始且大体上沿钻头面向钻头的周边径向延伸的刀体。主刀体31、32、33和副刀体34、35、36被钻井液流道19分开。
仍然参照图1和2，每一主刀体31、32、33包括用于安装多个切削元件的刀体顶部42，且每一副刀体34、35、36包括用于安装多个切削元件的刀体顶部52。尤其是，每个都具有切削面44的切削元件40被分别安装在每一主刀体31、32、33的刀体顶部42和每一副刀体34、35、36的刀体顶部52上形成的袋孔中。切削元件40被彼此毗邻地布置成接近每一主刀体31、32、33和每一副刀体34、35、36的前边缘的径向延伸的排。每个切削面44具有离刀体顶部42、52(切削元件40被安装在其上)最远的最外的切削尖44a。
现在参照图3，钻头10的型面被示为就像全部刀体(例如，主刀体31、32、33和副刀体34、35、36)和全部切削元件40的切削面44旋转入单个旋转型面中所呈现的。在旋转型面视图中，钻头10的全部刀体31-36的刀体顶部42、52形成且限定了组合或复合的刀体型面39，该型面从钻头轴线11向钻头10的外半径23径向延伸。因此，在本文中使用的短语“复合刀体型面”指的是这样的型面，即，从钻头轴线向钻头的外半径延伸，由旋转入单个旋转型面(即，在旋转型面视图中)的钻头的全部刀体的刀体顶部形成。
常规复合刀体型面39(在图3中钻头10的右半部中更清楚地示出)可大体上被分成三个区域，通常标记为锥部区域24、肩部区域25和保径部区域26。锥部区域24包括钻头10的径向最内的区域和大体上从钻头轴线11延伸到肩部区域25的复合刀体型面39。如图3所示，在最常规的固定切削齿钻头中，锥部区域24是大体上凹下的。邻近锥部区域24是肩部(或上弯曲线)区域25。在最常规的固定切削齿钻头中，肩部区域25是大体上凸出的。径向向外移动，邻近肩部区域25的是保径部区域26，该保径部区域在复合刀体型面39的外部径向周边处平行于钻头轴线11延伸。因此，常 规钻头10的复合刀体型面39包括一个凹下的区域、锥部区域24，和一个凸出的区域、肩部区域25。
凸出的肩部区域25和复合刀体型面39的轴向最低点限定了刀体型面鼻部27。在刀体型面鼻部27处，与凸出的肩部区域25和复合刀体型面39相切的切线27a的斜率是0。因此，在本文中使用的术语“刀体型面鼻部”指的是在旋转型面视图中沿着钻头的复合刀体型面的凸出区域的点，其中在该点处与复合刀体型面相切的切线的斜率是0。对于最常规的固定切削齿钻头(例如钻头10)来说，复合刀体型面包括仅一个凸出的肩部区域(例如，凸出的肩部区域25)，和仅一个刀体型面鼻部(例如，鼻部27)。如图1-3所示，切削元件40被沿着刀体31-36布置成排，且被沿着钻头面20设置在前面描述为复合刀体型面39的锥部区域24、肩部区域25和保径部区域26的区域内。尤其是，切削元件40被安装在刀体31-36上相对于钻头10的中心轴线11预定的径向间隔位置。
不考虑钻头的类型，钻井花费与将井眼钻到预期的深度和位置所花费的时间长度成比例。继而，钻井时间受到在到达目标地层之前钻头的更换次数影响很大。这是因为每次更换钻头，整个钻柱(可能几英里长)必须从井眼中一段一段地收回。一旦钻柱被收回，且新钻头安装上，钻柱上的钻头必须下降到井眼的底部，这再次必须一段一段地安装。这个过程被称作钻柱的“起下”，通常需要相当多的时间、劳动和花费。因此，希望使用这样的钻头，即，能快速且时间长的钻井，且可用于宽范围的不同地层硬度。
在更换之前钻头可以使用的时间长度取决于它的钻进速度(“ROP”)，以及其维持较高或可接受的ROP的耐用性或能力。此外，期望的钻头特性是它是“稳定的”且能抵抗不希望的振动，该振动的最严重的类型或模式是“涡旋”，这是用于描述钻头在井眼底部绕偏离钻头几何中心的旋转轴线旋转的现象的术语。这种涡旋使钻头上的切削元件承受增大的负载，这导致切削元件过早磨损或损坏和ROP损失。因此，防止或减少不希望的钻头振动并维持PDC钻头的稳定性已经成为长期以来期望的目标，但问题是总是没有实现。不希望的钻头振动通常可能出现在任何类型的地层，但在硬质地层中更有害。
近年来，PDC钻头已经成为切削软或中间硬度的地层的工业标准。然 而，因为PDC钻头是被研制用于硬质地层的，所以钻头稳定性正成为日益增加的挑战。如前所述，在钻井过程中过度的不希望的钻头振动趋于使钻头变钝，和/或可能损坏钻头到必须或期望过早地起下钻柱的程度。
已经有许多推荐用于PDC切削构件的备选设计，这些设计旨在提供一种能够以高效的ROP钻穿各种硬度的地层且具有可接受的钻头寿命和耐久性的PDC钻头。遗憾的是，针对使振动最小化的许多钻头设计需要在与早期设计的钻头相比增大的钻压(“WOB”)下进行钻井。例如，一些钻头已经设计有以更少攻击性的背前角安装的切削齿，以使得它们需要增大的WOB，以便钻进地层材料到达所期望的程度。如果可能，通常避免利用增大的或重的WOB进行钻井。增大WOB是通过给钻柱增加附加的重钻铤来完成的。这种附加的重量增加了钻柱部件中的一些或全部上的应力和张力，导致稳定器磨损更多，且工作效率更低，并且增加了钻柱中的液压降，需要使用更高容量(且通常更高花费)的泵来循环钻井液。组合问题更多，增大的WOB导致钻头磨损，且比其他方式出现的情况更快地变钝。为了延迟钻柱的起下，通常的实践是进一步增加WOB，且以部分磨损和变钝的钻头继续钻井。钻头磨损和WOB之间的关系不是线性的，而是指数关系，使得一旦对于给定钻头来说超过特定的WOB时，WOB上非常小的增加将导致钻头磨损极大地增加。因此，增加更大的WOB而以部分磨损的钻头钻井进一步增加了钻头和其他钻柱部件上的磨损。
发明内容
本发明内容用于引入在下面详细的描述中进一步描述的一组构思。本发明内容不是为了确定要求保护的主题的关键或主要特征，也不是为了用于辅助限定要保护的主题的范围。
在一些实施例中，一种切削工具包括工具主体，和从所述工具主体延伸的多个刀体。在所述多个刀体的每一个上有多个主切削元件和多个后备切削元件，所述后备切削元件在后面，且在与对应的主切削元件离所述工具主体的轴线有大约相同的径向距离的位置。所述多个主切削元件包括具有第一非平面形状的切削元件，且所述多个后备切削元件包括具有不同的第二非平面形状的切削元件。
在一些实施例中，一种切削工具包括工具主体，和从所述工具主体延 伸的多个刀体。在所述多个刀体的每一个上有多个主切削元件和多个后备切削元件，所述后备切削元件在后面，且在与对应的主切削元件离所述刀具主体的轴线有大约相同的径向距离的位置。所述多个主切削元件包括脊形切削元件，且所述多个后备切削元件包括尖头形切削元件。
在一些实施例中，一种切削工具包括工具主体，和从所述工具主体延伸的多个刀体。在所述多个刀体的每一个上有多个非平面切削元件，在所述多个非平面切削元件旋转入单个平面的旋转视图中，所述多个非平面切削元件形成切削型面的至少一部分。所述切削型面包括锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域，且所述多个非平面切削元件包括在所述锥部区域、鼻部区域、肩部区域和保径部区域中的至少一个中的脊形切削元件，和在至少一个其他区域中的尖头形切削元件。
从下面的描述和所附的权利要求，本发明要求保护的主题的其他方面和优点将显而易见。
附图说明
图1示出了常规钻头。
图2示出了常规钻头的俯视图。
图3示出了常规钻头的剖视图。
图4示出了根据一个实施例的钻头的俯视图。
图5示出了根据一个实施例的切削型面。
图6示出了锥形切削元件的剖视图。
图7示出了具有凸出侧面的尖头形切削元件的剖视图。
图8示出了具有凹下侧面的尖头形切削元件的剖视图。
图9示出了根据一个或多个实施例的切削齿。
图10示出了根据一个或多个实施例的锥形切削元件。
图11示出了根据一个或多个实施例的锥形切削元件。
图12示出了根据一个或多个实施例的切削齿。
图13示出了根据一个或多个实施例的锥形切削元件的俯视图。
图14示出了根据一个或多个实施例的锥形切削元件的侧视图。
图15示出了具有抛物柱面形表面的切削元件的透视图。
图16示出了图15的切削元件的侧视图。
图17示出了具有双曲抛物面形表面的切削元件的透视图。
图18示出了根据一个实施例的钻头的部分俯视图。
图19示出了根据一个实施例的钻头的部分侧视图。
图20示出了根据一个实施例的钻头的俯视图。
图21示出了图20的钻头的透视图。
图22示出了根据一个或多个实施例的扩孔器。
具体实施方式
在本发明公开的一些方面，实施例涉及包含具有非平面切削表面的切削元件的固定切削齿钻头或其他井下切削工具。尤其是，本文中公开的实施例涉及包含两个或更多个非平面切削元件的钻头，所述至少两个切削元件具有不同的几何或尺寸型面。本文中公开的其他实施例涉及包含这些切削元件的固定切削齿钻头，包括在钻头上放置这些切削元件，以及可用于优化或改善钻井过程的在切削元件上的改变。
根据本发明公开的一个或多个实施例，可使用不同的非平面切削元件，且根据沿切削型面(例如参照图3限定的)的特定的非平面切削元件的位置选择几何形状。现在参照图4，示出了钻头的实施例的俯视图。如图4中所示，钻头40可包括从钻头主体44径向延伸的多个刀体42。非平面切削元件46每个都在多个刀体42上的切削齿袋孔48内。虽然在图4中仅示出了非平面切削元件，但一个或多个刀体可包括在其上的一个或多个平面的或大致平面的切削元件也在本发明公开的范围内。现在参照图5，示出了切削型面(其中钻头上的所有切削元件被示为旋转入单个平面内)。类似于图3中的上面限定的切削型面，图5中所示的切削型面50包括锥部区域53、鼻部区域57、肩部区域55和保径部区域56；然而，在图5中所示的实施例中，切削型面是由非平面切削元件形成的。此外，虽然在图5中所示的非平面切削元件是锥形切削元件，但本发明公开并非如此有限。而是，形成本发明公开的切削型面的一个或多个、或全部切削元件可包括除了锥形切削元件之外的非平面切削元件。例如，现在参照图6-8，15和16，示出了可用于本发明公开的实施例中的各种非平面切削元件的图示。
为了便于在多种类型的切削元件之间区分，术语“切削元件”将一般指的是任何类型的切削元件，而“切削齿”将指那些具有平面切削面的切 削元件，如上面参照图1和2所述的，且“非平面切削元件”将指那些比如大体上尖头形切削端的具有非平面表面的切削元件(“尖头形切削元件”)，或具有峰形或脊形切削区域(例如具有终止于顶端的切削端)的大体上锥形的切削元件(“脊形切削元件”)，这可包括例如具有锥形切削端的切削元件(图6中所示)、弹头形切削元件(图7中所示)、或具有跨过切削元件的直径延伸的脊(例如，峰或顶)的大体上锥形的切削元件(图15中所示)。在本文中使用的术语“锥形切削元件”指的是具有大体上锥形切削端62(包括直锥或斜锥)的切削元件，即，具有终止于圆角顶端66的锥形侧壁64，如图6中所示。与终止于尖锐顶端的几何形圆锥不同，本发明公开的锥形切削元件拥有具有在侧面和顶端之间的弯曲部分的顶端。此外，在一个或多个实施例中，可使用弹头形切削元件70。术语“弹头形切削元件”指的是具有终止于圆角顶端76的大体上凸出的侧面78(代替大体上锥形的侧面)的切削元件。在一个或多个实施例中，顶端76具有比凸出的侧面78大致更小的曲率半径。锥形切削元件和弹头形切削元件都是“尖头形切削元件”，具有可以形成圆角的尖头形端部。然而，还被设想到的是本发明公开的非平面切削元件也可包括其他形状，例如包括终止于圆角顶端的凹下的侧面，如图8中所示。术语“脊形切削元件”指的是大致圆柱形的、具有在基底上延伸一定高度的切削峰(例如，脊或顶)和远离所述峰横向延伸的至少一个凹进区域的切削元件。图15中示出了脊形切削元件的实施例，其中切削元件的顶部表面具有抛物柱面形状。也可使用脊形切削元件的变体，例如，尽管凹进区域可被示为大致平面，但凹进区域还可以是凸出的或凹下的。尽管峰被示为沿着其长度大致线性地延伸，但其还可以是凸出的或凹下的，且可包括一个或多个峰顶和/或谷，包括一个或多个凹进的或凸出的区域(例如，在脊内的凹陷)。在一些实施例中，脊形切削元件具有在两个切削刃部分之间高度降低的顶部表面，从而形成大致为鞍形或双曲抛物面形(如图17所示)。
更详细地，脊形切削元件的实施例可包括如图15所示具有非平面顶部表面305的切削元件300。尤其是，切削元件300具有在界面330处设置在基底320上的超硬层310，其中非平面顶部表面305的几何形状形成在超硬层310上。超硬层310具有环绕顶部表面305(并限定顶部表面的界限)的外围边缘315。顶部表面305具有在基底320之上(在切削元件圆周处)延 伸一高度314的切削峰312，以及远离峰312横向延伸的至少一个凹进区域。在本文中使用的峰指的是包括切削元件的峰顶或最大高度的非平面切削元件的一部分，其以大体上线性的方式或沿着切削元件的直径延伸。峰312的出现导致起伏的外围边缘315具有峰顶和谷。靠近峰312的外围边缘315的部分形成切削刃部分316。如所示，切削峰312还延伸跨过超硬层的直径，以使得两个切削刃部分316在超硬层的相对侧上形成。顶部表面305还包括至少一个凹进区域318，凹进区域318在远离切削峰312朝向外围边缘315的另一部分(其是起伏的外围边缘315的谷)的方向上高度连续下降。在所示实施例中的切削峰312和凹进区域318形成了具有抛物柱面形状的顶部表面305，其中切削峰312形状像延伸跨过超硬层310和/或基底320的直径的抛物线。尽管没有具体地示出，明确想到的是外围边缘的至少一部分(例如，切削刃部分且环绕将与地层接触以切削至期望深度的边缘部分延伸)可以是斜面或斜切的。在其他的实施例中，整个外围边缘可以是斜面的。
在一个或多个其他的实施例中，切削峰312可延伸小于基底320的直径或甚至大于基底320的直径。例如，超硬层310可至少在靠近切削刃部分处形成锥形侧壁，例如，与平行于切削元件的轴线的线形成角度，该角度可在-5度(形成比基底320大的直径)至20度(形成比基底320小的直径)的范围内。根据切削元件的尺寸，切削峰312的高度314可以在例如，从大约0.1英寸(2.54mm)至0.3英寸(7.62mm)的范围内。此外，除非另外说明，超硬层(或切削峰)的高度是相对于基底和超硬层的界面的最低点。图16示出了切削元件300的侧视图。如所示，切削峰312具有凸出的截面形状(沿着垂直于跨过超硬层直径的切削峰长度的平面观察)，其中峰的最上部的点具有弯曲部分313的半径，弯曲部分313以角311过渡至相对的侧面。根据本发明公开的实施例，切削元件顶部表面具有切削峰，该切削峰的曲率半径范围从0.02英寸(0.51mm)至0.300英寸(7.62mm)，或在另一个实施例中，从0.06英寸(1.52mm)至0.18英寸(4.57mm)。此外，尽管图示的实施例示出了切削峰312在其上峰顶处具有弯曲部分，但切削峰312可具有沿着直径的至少一部分、轴向地在与切削峰312横向间隔的凹进区域318之上的台或大致平面的面也在本发明公开的范围内。因而，在这种实施例中，切削峰可具有大致无限的曲率半径。在这样的实施 例中，台可具有延伸形成凹进区域318的过渡到侧壁中的圆角过渡。此外，在一些实施例中，沿着横向延伸进入下凹区域318的切削峰312的截面，切削峰312可具有在延伸入凹进区域318的侧壁之间的角度，该角度可在从110度到160度的范围。此外，根据上表面几何形状的类型，还可以设想到其他的峰角度，包括下至90度的角度也可被使用。
图17示出了具有非平面顶部表面705的切削元件700的另一个示例。切削元件700具有在界面730处设置在基底720上的超硬层710，其中非平面顶部表面705形成在超硬层710上。超硬层710具有环绕顶部表面705的外围边缘715。顶部表面705具有不均匀的切削峰712。也就是，切削峰712具有非线性的型面(在y-z平面或峰型面图中)，使得峰712沿着基底720/超硬层710的界面(在切削元件700的圆周处)之上的它的长度以变化的高度714延伸。切削峰712与外围边缘715的一部分相交，以形成切削刃部分716。至少一个凹进区域718在远离切削刃部分716朝向外围边缘715的另一部分的方向上连续地减小高度。此外，如所述的峰712具有变化的高度，最大的高度在与外围边缘715的相交处，最低的高度靠近切削元件的中央轴线(即，顶部表面705具有在两个切削刃部分之间减小的高度，从而形成大致为鞍形或双曲抛物面形)。如所示，顶部表面的总高度差(峰和凹进区域之间)等于深度717。根据一些实施例，根据切削元件的总尺寸，切削元件的鞍形顶部表面可具有的高度差717的范围在0.04英寸(1.02mm)和0.2英寸(5.08mm)之间。例如，相对于切削元件直径的高度差717的范围可以从0.1至0.5，或在其他的实施例中从0.15至0.4。另外，在一个或多个实施例中，在临近凹进区域718的外围边缘处(即，在切削元件的具有最低的金刚石高度的侧面处)的金刚石的高度可以是至少0.04英寸(1.02mm)。
在每个这样的实施例中(尖头形切削元件和/或脊形切削元件)，非平面切削元件可具有在侧面和圆角顶端或峰之间的平滑过渡(即，侧面或侧壁相切地连接顶端或峰的弯曲部分)，但在一些实施例中，可以提供非平滑的过渡(即，侧面的切线与顶端或峰的切线以非180度的角相交，就像例如从约120度到小于180度的范围)。此外，在一个或多个实施例中，非平面切削元件可包括具有在夹持或基部区域上方延伸的切削端的任何形状，在一个或多个实施例中在夹持或基部区域上方，切削端延伸一高度，该高 度是切削元件的直径的至少0.25倍，或是直径的至少0.3、0.4、0.5或0.6倍。
根据本发明公开的实施例，具有非平面顶部表面的超硬层的切削元件，如上所述，可具有形成在超硬层和基底之间的非平面界面。例如，根据本发明公开的实施例，脊形切削元件可包括基底，包括沿着基底直径的至少大部分延伸的峰的基底上表面，该上表面从峰过渡进入到下凹区域，以及设置在基底上表面上的超硬层，从而在它们之间形成非平面界面。超硬层的顶部表面可具有至少一个切削峰，该切削峰从顶部表面的外围边缘的切削刃部分向着中心轴线径向地向内延伸，外围边缘在远离所述至少一个切削峰和切削刃部分朝向外围边缘的另一部分的方向上减小高度。超硬层的切削峰和凹进区域可对应于基底的峰和凹进区域。然而，任何平面的或非平面的界面可与任何非平面的界面一起使用。
在一些实施例中，脊形切削元件可具有基底，该基底具有侧面、峰和至少一个下凹区域，其中基底在峰处的高度大于基底沿着所述至少一个下凹区域的高度。峰和所述至少一个下凹区域可限定出基底界面表面，或上表面，具有基本为双曲抛物面形或抛物柱面形。切削元件可还包括设置在基底界面表面上的超硬层，从而形成非平面界面，其中超硬层具有环绕顶部表面的外围边缘，该顶部表面具有沿着外围边缘的一部分在基底部分之上延伸一高度以形成第一切削刃部分的至少一个切削峰，和具有从切削峰的高度连续减小的高度的至少一个凹进区域，高度在远离切削峰向着外围边缘另一部分的方向上减小。
本发明公开的各种实施例可使用沿切削型面的不同形状(比如在图6-8、15和16中所示的那些)的切削元件。例如，在一个实施例中，锥部区域可包括一个或多个尖头形切削元件70，而鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括不是尖头形切削元件的一个或多个非平面切削元件，比如脊形切削元件。在特定实施例中，锥部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件、弹头形切削元件、和/或凹下的切削元件，并且鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)抛物柱面形切削元件和/或圆柱双曲抛物面形切削元件。
在另一实施例中，锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个尖头形切削元件，而肩部区域和保径部区域可包括不是尖头形切削元件的一个或多个 非平面切削元件，如脊形切削元件。在特定实施例中，锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件、弹头形切削元件、和/或凹下的切削元件，且肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)抛物柱面形切削元件和/或圆柱双曲抛物面形切削元件。
在另一实施例中，锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个尖头形切削元件，而保径部区域可包括不是尖头形切削元件的一个或多个非平面切削元件，如脊形切削元件。在特定实施例中，锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件、弹头形切削元件、和/或凹下的切削元件，且保径部区域可包括一个或多个(或全部)抛物柱面形切削元件和/或圆柱双曲抛物面形切削元件。
在一个实施例中，锥部区域可包括一个或多个脊形切削元件，而鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括不是脊形切削元件的一个或多个(或全部)非平面切削元件，比如尖头形切削元件。在特定实施例中，锥部区域可包括一个或多个(或全部)抛物柱面形切削元件和/或圆柱双曲抛物面形切削元件，且鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件、弹头形切削元件、和/或凹下的切削元件。
在另一实施例中，锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个脊形切削元件，而肩部区域和保径部区域可包括不是脊形切削元件的一个或多个非平面切削元件，比如尖头形切削元件。在特定实施例中，锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个(或全部)抛物柱面形切削元件和/或圆柱双曲抛物面形切削元件，且肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件、弹头形切削元件、和/或凹下的切削元件。
在另一实施例中，锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个脊形切削元件，而保径部区域可包括不是脊形切削元件的一个或多个非平面切削元件，比如尖头形切削元件。在特定实施例中，锥部区域、鼻部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)抛物柱面形切削元件和/或圆柱双曲抛物面形切削元件，且保径部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件、弹头形切削元件、和/或凹下的切削元件。
此外，在另一实施例中，锥部区域和肩部区域可具有相同的所选形状，而鼻部区域有不同的形状。例如，在一个实施例中，锥部和肩部区域可包括一个或多个脊形切削元件，而鼻部区域可包括不是脊形切削元件的一个 或多个非平面切削元件，比如尖头形切削元件。在特定实施例中，锥部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)抛物柱面形切削元件和/或圆柱双曲抛物面形切削元件，且鼻部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件、弹头形切削元件、和/或凹下的切削元件。保径部区域也可具有一个或多个(或全部)脊形切削元件也在本发明公开的范围内。
在另一实施例中，锥部区域和肩部区域可包括一个或多个尖头形切削元件，而鼻部区域可包括不是尖头形切削元件的一个或多个非平面切削元件，比如脊形切削元件。在特定实施例中，锥部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)锥形切削元件、弹头形切削元件、和/或凹下的切削元件，且鼻部区域可包括一个或多个(或全部)抛物柱面形切削元件和/或圆柱双曲抛物面形切削元件。保径部区域也可具有一个或多个(或全部)尖头形切削元件、一个或多个(或全部)脊形切削元件、一个或多个(或全部)平面切削元件也在本发明公开的范围内。
第一排切削元件中的一个或多个可包括具有非平面顶部表面的切削元件，如上所述。第一排切削元件可具有任何形状，例如，可以是图6-8和15-17中示出的那些任何形状。钻头还可具有沿着至少一个刀体的顶部表面设置并在第一排后面的第二排切削元件。第二排切削元件中的一个或多个可包括具有非平面顶部表面的切削元件，如上所述。第二排切削元件可具有任何形状，例如，可以是图6-8和15-17中示出的那些任何形状。第二排切削元件中的一个或多个可具有与第一排切削元件不同的非平面顶部表面形状。例如，在一个实施例中，在第一排的切削元件可以是图15中示出的那样(例如，脊形切削元件)，在第二排的切削元件可以是图16中示出的那样(例如，尖头形切削元件)。
图18示出了根据本发明公开的实施例的钻头的局部视图。钻头1800具有钻头主体1810和从钻头主体1810延伸的至少一个刀体1820。每个刀体1820具有面向钻头转动方向的切削面1822、与切削面1822相反的后刀面1824，及顶面1826。切削元件的第一排1830被设置为靠近至少一个刀体1820的切削面1822。第一排1830的一个或多个切削元件可包括切削元件1832(其可以为上述切削元件中的任意一个)。例如，切削元件1832可包括具有在其内部形成峰的上表面的基底，该峰过渡到下凹区域，以及在上表面上的超硬层，从而在超硬层和基底之间形成非平面界面。在另一实 施例中，超硬层的顶部表面具有至少一个切削峰，该切削峰从起伏的外围边缘的切削刃部分沿着直径延伸。在示出的实施例中，沿着切削元件1832的顶部表面的切削峰形成大致抛物柱面形状。此外，在一个或多个实施例中，顶部表面几何形状的任何一个可与基底/界面表面几何形状中的任何一个结合使用。
钻头1800还包括沿着刀体1820的顶部表面1826设置的切削元件的第二排1840。换句话说，切削元件的第一排1830被沿着刀体1820设置在切削面1822，而切削元件的第二排1840被沿着刀体1820的顶部表面1826设置在远离切削面1822的位置。第二排1840的一个或多个切削元件可包括根据本发明公开的实施例的切削元件1842。例如，如所示，切削元件1842可具有非平面顶部表面和在切削元件的超硬层和基底之间形成的非平面界面(未示出)，如上所述。在第一排1830或第二排1840或第一排1830和第二排1840两排中的切削元件可以是脊形切削元件(例如，具有抛物柱面形或双曲抛物面形的切削元件)。此外，具有平面或非平面顶部表面的其他切削元件可以是在刀体的第一排和/或第二排中。例如，如在图18中所示，切削元件的第二排1840也可包括尖头形切削元件1844。尖头形切削元件1844可被设置在刀体1820上以使得切削元件1844的中心轴线或纵向轴线与刀体1820的顶部表面1826成一角度，例如，该角度可以在从大于0度至90度的范围。类似地，具有平面或非平面顶部表面的其他切削元件可具有与刀体的顶部表面形成的角度在从大于0度至90度的范围的中心轴线或纵向轴线。如图18中所示，根据本发明公开的实施例的脊形切削元件1832、1842可以从大于0度至40度(或在各个其他实施例中至少为5、10、15、20、25、30或35度)的范围的角度(在平行于钻头轴线的直线和延伸穿过切削峰的径向端部的直线之间形成的)被设置在刀体1820上。在一个或多个其他实施例中，尖头形切削元件1844可以从大于0度至20度的范围的角度(在平行于钻头轴线的直线和切削元件的中心轴线之间形成的)被设置在刀体1820上，其中切削元件的尖端旋转地引导其基底，即沿前刀面的方向指引。
此外，在图18示出的实施例中，在第二排1840的切削元件可被设置在第一排1830的切削元件的后面，使得在第二排1840的一个或多个切削元件与第一排的一个或多个切削元件共用一个径向位置。在刀体上共用相 同径向位置的切削元件被以与钻头的中心或纵向轴线相同的径向距离设置，使得随着钻头的旋转切削元件沿着相同的径向路径切削。共享相同径向位置的第二排1840的一个切削元件和第一排1830的一个切削元件可被分别称为后备切削元件和主切削元件。换句话说，在本文中使用的术语“后备切削元件”被用于描述当钻头沿切削方向转动时跟随相同刀体上的任何其他切削元件的切削元件，且术语“主切削元件”被用于描述设置在刀体前边缘的切削元件。因此，当钻头沿切削方向绕其中心轴线旋转时，“主切削元件”不跟随相同导体上的任何其他切削元件。在第二排1840的其他切削元件可与第一排1830的切削元件的径向位置部分地重叠或被设置在径向地靠近第一排的切削元件的位置(即，第二排的切削元件被设置在第一排的切削元件的后面，且没有共用沿着钻头刀体的一径向位置)。此外，尽管所示实施例示出了第一排1830被脊形切削元件1842完全排满，但还被设想到的是比在第一排1830的具有这种几何形状的全部切削元件更少，且可包括尖头形切削元件或平面切削元件。切削元件类型的这种混合也可用于第二排，或者第二排可包括相同类型的切削元件。
图19示出了根据本发明公开的实施例的钻头的局部视图。钻头1910具有钻头主体1910和从钻头主体1910延伸的至少一个刀体1920。每个刀体1920具有面向钻头转动方向的切削面1922、与切削面1922相反的后刀面1924，及顶部表面1926。切削元件的第一排1930被沿着至少一个刀体1920的切削面1922设置。第一排1930的一个或多个切削元件可包括脊形切削元件1932。例如，切削元件1932可包括具有其中形成峰的上表面的基底(其中峰过渡入下凹区域)，以及在上表面上的超硬层，从而在超硬层和基底之间形成非平面界面。此外，超硬层的顶部表面具有切削峰，该切削峰延伸跨过切削元件的直径且在远离切削峰横向延伸的高度减小。在示出的实施例中，沿着切削元件1932的顶部表面的切削峰形成抛物柱面形状。
钻头1900还包括沿着刀体1920的顶部表面1926设置的切削元件的第二排1940，在第一排1930的后面。第二排1940的切削元件包括至少一个脊形切削元件1942和至少一个尖头形切削元件1944。尖头形切削元件1944可以与脊形切削元件1942交替排布的方式沿着第二排1940设置。在其他实施例中，单一类型的切削元件(例如，脊形切削元件、尖头形切削元件、或具有平面顶部表面的切削元件)可在一排切削元件内彼此毗邻地设置。 例如，如图18中所示，第二排1840的一部分包括多个彼此毗邻设置的尖头形切削元件1844，且第二排1840的另一部分包括与脊形切削元件1842交替排布的尖头形切削元件1844。此外，切削元件的整个第一排1830可包括多个脊形切削元件1832。
例如，图20和21中示出了根据本发明公开的实施例的钻头2000的仰视图和侧视图，钻头2000具有钻头主体2010和从钻头主体2010延伸的多个刀体2020。每个刀体2020具有前刀面2022、与前刀面相反的后刀面2024及顶部表面2026。切削元件的第一排2030被沿着至少一个刀体的前边缘(其中前刀面过渡至顶部表面)设置，其中第一排2032的切削元件是脊形切削元件。切削元件的第二排2040被沿着刀体的顶部表面设置且在切削元件的第一排2030的后面，其中第二排2040包括脊形切削元件2042和尖头形切削元件2044。沿着刀体2020的锥部区域2050的切削元件的第二排2040包括尖头形切削元件2044，且沿着刀体2020的肩部区域2060的切削元件的第二排2040包括交替排布的尖头形切削元件2044和脊形切削元件2042。此外，沿着刀体2020的保径区域2070的切削元件的第二排2040包括一个或多个脊形切削元件2042。然而，在其他的实施例中，不同组合类型的切削元件可以沿着如上所述的刀体的锥部区域、肩部区域和保径区域设置成排。另外，不同组合类型的切削元件可以沿着切削元件的第一排和第二排中每排的锥部区域、肩部区域和保径区域设置成排(例如，在上述每个区域内可使用不同的主切削元件和次切削元件)。
如上所述，非平面切削元件(尖头形切削元件和脊形切削元件两者)的顶端可具有弯曲部分，包括曲率半径。在一个或多个实施例中，该曲率半径可在从约0.050至0.125的范围。一个或多个其他实施例可使用0.050、0.060、0.075、0.085或0.100中的任一个为下限且0.075、0.085、0.095、0.100、0.110或0.0125中的任一个为上限的曲率半径，在这种情况下，任何下限可与任何上限一起使用。在一些实施例中，该弯曲部分可具有可变的曲率半径，一部分抛物线、一部分双曲线、一部分悬链线或一部分样条线。此外，在一个或多个实施例中，不同的顶端弯曲部分可用于沿切削型面的(相同几何类型或不同几何类型的)切削元件中。这可包括例如上述的各种实施例，以及包括沿切削型面的全部锥形切削元件、或全部弹头形切削元件、或全部抛物柱面形切削元件等的实施例。具体而言，“钝的”切削元件可包 括任何类型的具有与同一钻头上别的、“锐利的”非平面切削元件相比更大的曲率半径的非平面切削元件。因此，术语“钝的”和“锐利的”是彼此相对的，且每个的曲率半径可从沿着上述半径范围的任何点选取。
例如，在一个实施例中，锥部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件，且鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件。例如，当在锥部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
在另一实施例中，锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件，且肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件。例如，当在锥部区域和鼻部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
在另一实施例中，锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件，且保径部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件。例如，当在锥部区域、鼻部区域和肩部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
在一个实施例中，锥部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件，且鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件。例如，当在鼻部区域、肩部区域和保径部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
在另一实施例中，锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件，且肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件。例如，当在肩部区域和保径部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
在另一实施例中，锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件，且保径部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件。例如，当在保径部区域希望更大的冲击保护时可选择这样的实施例。
此外，在另一实施例中，锥部区域和肩部区域可具有相同的所选钝度或锐度，而在鼻部区域有不同的半径。例如，在一个实施例中，锥部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件，且鼻部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件。保径部区域也可具有一个或多 个(或全部)钝的切削元件也在本发明公开的范围内。
在另一实施例中，锥部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)钝的切削元件，且鼻部区域可包括一个或多个(或全部)锐利的切削元件。保径部区域也可具有一个或多个(或全部)锐利的切削元件也在本发明公开的范围内。
此外，在一个或多个其他实施例中，非平面切削元件的直径可以沿着切削型面变化。例如，非平面切削元件的直径可大体上在从9mm到20mm的范围，比如9mm、11mm、13mm、16mm、19mm和22mm。沿着切削型面的不同尺寸的选择允许切削元件的数量在刀体的特定区域变化。具体而言，“大”切削元件可包括具有与同一钻头上别的、“小”非平面切削元件相比更大的直径的任何类型的非平面切削元件。因此，术语“大”和“小”是彼此相对的，且每个的直径可从沿着上述直径范围的任何点处选择。此外，在上述实施例的任一个中可使用相同直径的切削元件也在本发明公开的范围内，且可以例如根据被钻地层的类型选择所希望的尺寸。例如，在软地层中，可能希望使用大切削元件，但在硬地层中，可能希望使用小切削元件。
例如，在一个实施例中，锥部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件，且鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件。例如，当在锥部区域希望更大的金刚石密度和冲击负载分布时可选择这样的实施例。
在另一实施例中，锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件，且肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件。例如，当在锥部区域和鼻部区域希望更大的金刚石密度和冲击负载分布时可选择这样的实施例。
在另一实施例中，锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件，且保径部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件。例如，当在锥部区域、鼻部区域和肩部区域希望更大的金刚石密度和冲击负载分布时可选择这样的实施例。
在一个实施例中，锥部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件，且鼻部区域、肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件。例如，当在鼻部区域、肩部区域和保径部区域希望更大的冲击保护 时可选择这样的实施例。
在另一实施例中，锥部区域和鼻部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件，且肩部区域和保径部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件。例如，当在肩部区域和保径部区域希望更大的金刚石密度和冲击负载分布时可选择这样的实施例。
在另一实施例中，锥部区域、鼻部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件，且保径部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件。例如，当在保径部区域希望更大的金刚石密度和冲击负载分布时可选择这样的实施例。
此外，在另一实施例中，锥部区域和肩部区域可具有相同的所选直径，而鼻部区域有不同的尺寸。例如，在一个实施例中，锥部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件，且鼻部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件。保径部区域也可具有一个或多个(或全部)小切削元件也在本发明公开的范围内。
在另一实施例中，锥部区域和肩部区域可包括一个或多个(或全部)小切削元件，且鼻部区域可包括一个或多个(或全部)大切削元件。保径部区域也可具有一个或多个(或全部)大切削元件也在本发明公开的范围内。
此外，不同形状、半径和直径的各种组合可沿着切削型面一起使用也明确地在本发明的范围内。例如，在一个或多个特定实施例中，切削元件可包括不同的切削端形状以及沿着切削型面的不同直径两者。也就是说，在锥部区域的切削元件可具有第一形状和第一直径，在鼻部区域的切削元件可具有第二形状和第一(或第二)直径，在肩部区域的切削元件可具有第二形状和第一(或第二)直径，且在保径部区域的切削元件可具有第二形状和第二直径。此外，在锥部区域的切削元件可具有第一形状和第一直径，在鼻部区域的切削元件可具有第一形状和第一(或第二)直径，在肩部区域的切削元件可具有第二形状和第一(或第二)直径，且在保径部区域的切削元件可具有第二形状和第二直径。最后，在锥部区域的切削元件可具有第一形状和第一直径，在鼻部区域的切削元件可具有第一形状和第一(或第二)直径，在肩部区域的切削元件可具有第一形状和第一(或第二)直径，且在保径部区域的切削元件可具有第二形状和第二直径。基于 上述公开内容还可以想到其他的组合。
此外，如上所述，一个或多个平面切削元件(即，剪切齿)可被在主切削齿和/或后备切削齿的位置中沿着切削型面的任何位置处使用也在本发明公开的范围内。因此，上述实施例的变化也存在，其中一个或多个区域可包括一个或多个(或全部)剪切齿。例如，在一个实施例中，设想到的是剪切齿可尤其被例如沿着保径部区域使用。然而，代替沿着其他区域的切削元件的其他实施例也可被想到。另外，在一些实施例中，一个或多个非平面切削元件和/或平面切削元件可以是旋转或滚动切削元件(即，围绕它们的纵轴转动的平面切削元件)。这种滚动切削元件可被用在一个或多个区域内。例如，在一些实施例中，在高磨损区域一个或多个滚动切削元件可用作主切削元件，比如肩部区域或任何其他的高磨损区域。
设置在钻头或扩孔器(或本发明公开的其他切削工具)上的非平面切削元件包括在基底(如碳化钨硬质合金基底)上的金刚石层，其中金刚石层形成非平面金刚石工作表面。非平面切削元件可以在类似于制成金刚石强化刀片(用于牙轮钻头中)的过程中使用的工艺中制成，或可以将组件钎焊在一起。在金刚石层和基底之间的界面可以是非平面的或非均匀的，例如，有助于在工作过程中减少金刚石层与基底分层的情况，以及提高元件的强度和抗冲击性。本领域的技术人员应当理解，界面可包括一个或多个凸出或凹下部分，如非平面界面技术中已知的。此外，本领域的技术人员应当理解，使用一些非平面界面可允许在金刚石层的尖部或脊区域有更大的金刚石层厚度。此外，希望形成界面几何形状，以使得包含金刚石强化元件和地层之间的接触区域(例如，主接触区域或关键区域)的区域的金刚石层最厚。可用于本发明公开的金刚石强化元件的附加形状和界面包括在美国专利No.2008/0035380中描述的那些，在本文中通过引用而将其全部内容并入。
在一个或多个实施例中，从顶端到基底的最厚区域尖头形切削元件的金刚石层可具有0.100至0.500英寸的厚度，且在一个或多个实施例中，这种厚度可以在从0.125到0.275英寸的范围。从顶端到硬质合金基底的基部尖头形切削元件的金刚石层和硬质合金基底可具有为0.200至0.700英寸的总厚度。然而，其他尺寸和厚度也可以使用。
此外，金刚石层可以由任何多晶超耐磨材料形成，例如包括多晶金刚 石、多晶氮化立方硼、热稳定多晶金刚石(通过对比如锆的金属制成的多晶金刚石进行处理或由具有比锆更低的热膨胀系数的金属制成的多晶金刚石形成)。此外，在一个或多个实施例中，金刚石品级(即，包括晶粒尺寸和/或金属含量的金刚石粉末成分)可以在金刚石层中变化。例如，在一个或多个实施例中，与切削元件的顶端处的金刚石层的区域相比，邻近基底的金刚石层的区域可以在材料特性上不同。这种变化可通过多个阶梯层或通过渐变来形成。
因此，在一个或多个实施例中，更高耐磨性的金刚石层可以由具有不同的热稳定性等级的超硬材料(比如金刚石)形成。常规的多晶金刚石在空气中在高达700-750℃的温度下是稳定的，在此温度之上可观察到的温度增加可能导致多晶金刚石过早损坏和结构失效。多晶金刚石的这种劣化是由于与金刚石相比粘结剂材料(锆)的热膨胀系数的明显差别造成的。在加热多晶金刚石时，锆和金刚石晶格将以不同的速度膨胀，这可能导致在金刚石晶格结构中形成裂纹，而导致多晶金刚石劣化。这样的超硬材料可包括常规的多晶金刚石片(具有间隙空间的互连的金刚石颗粒形成的片，在间隙空间之间可能留存金属成分(比如金属催化剂))、例如通过从互连的金刚石颗粒之间的间隙空间或从金刚石/碳化硅复合物去除大致全部金属而形成的热稳定金刚石层(即，具有比常规多晶金刚石更高的热稳定性，750℃)，或其他比如氮化立方硼的超硬材料。
如本领域所知，热稳定金刚石可以各种方式形成。例如，可使用酸来从多晶金刚石晶格结构(薄体积的多晶金刚石或大致整个多晶金刚石)“浸出”锆，以至少减轻在加热时以不同速度加热金刚石-锆复合物的过程中经受的损害。“浸出”工艺的示例可以例如在美国专利No.4288248和No.4104344中发现。简而言之，可使用强酸(通常是氢氟酸)或几种强酸的组合来处理金刚石片，从PDC复合物中去除至少一部分共催化剂。适合的酸包括硝酸、氢氟酸、盐酸、硫酸、磷酸或高氯酸，或这些酸的组合。此外，腐蚀剂，比如氢氧化钠和氢氧化钾，已经被用于碳化工业，以从碳化复合物中消化金属元素。此外，根据需要可以使用其他酸性和碱性浸出剂。本领域的普通技术人员应当理解，根据所希望的浸出时间、对危险的担心等，可以调节浸出剂的摩尔浓度。通过浸出锆，可以形成热稳定多晶(TSP)金刚石。在某些实施例中，仅金刚石复合物的选择部分被浸出，以便在没有 损失耐冲击性的情况下获得热稳定性。在本文中使用的术语“TSP”包括上述的(即，部分地或完全地浸出)的复合物两者。在浸出之后保留的间隙体积可以通过进一步固结或通过用二次材料来填充所述体积而减少，比如通过现有技术中已知的且美国专利No.5127923中描述的工艺，在本文中通过引用而将该专利的全部内容并入。
在一些实施例中，TSP可以通过在使用除了锆之外的粘结剂的工艺中形成金刚石层，一种粘结剂比如硅，其具有比锆更类似于金刚石的热膨胀系数。在制造过程中，大部分(80至100体积百分比)的硅与金刚石晶格反应而形成碳化硅，其也具有与金刚石类似的热膨胀系数。在加热时，任何留存的硅、碳化硅和金刚石晶格将以与锆和金刚石的膨胀速度相比更类似的速度膨胀，导致形成更热稳定的层。具有TSP切削层的多晶金刚石密实切削齿具有较低的磨损速度，即使切削齿的温度达到1200℃。然而，本领域的普通技术人员将认识到热稳定的金刚石层可以通过本领域已知的其他方法形成，例如包括通过改变金刚石层形成过程中的工艺条件，比如通过在1350℃之上的温度增加压力到50kbar以上。
本发明公开的切削元件可以以任何背前角或侧前角定位。一般地，当在钻头或扩孔器的刀体上放置切削元件(具体地，切削齿)时，切削齿可被插入切削齿袋孔(或在锥形切削元件情况下的孔)中，以改变切削齿击打地层的角度。具体而言，切削齿的背前角(即，竖直方位)和侧前角(即，横向方位)可被调节。一般地，背前角被定义为在切削齿142的切削面和正交于被切削的地层材料的直线之间形成的角α。如图9所示，对于具有零背前角的常规切削齿142来说，切削面基本上垂直于或正交于地层材料。具有负背前角α的切削齿142具有以从地层材料测量的小于90°的角接合地层材料的切削面。类似地，具有正被前角α的切削齿142具有以从地层材料测量的大于90°的角接合地层材料的切削面。侧前角被定义为在切削面和钻头的径向平面(x-z平面)之间的角。当沿z轴观察时，负侧前角产生于切削齿的逆时针旋转，且正侧前角产生于顺时针旋转。在特定实施例中，常规切削齿的背前角可以在从-5至-45度的范围内，且侧前角可以在从0到30度的范围内。脊形切削元件在钻头上可被定位，使得靠近脊的切削元件的圆周边缘被配置成接合地层。尖头形切削元件在钻头上可被定位，使得切削元件的顶端被配置成接合地层。
尽管脊形切削元件可被描述为具有以类似于平面切削元件的方式的背前角和侧前角，但尖头形切削元件不具有切削面，因此尖头形切削元件的方位可以不同地定义。当考虑到尖头形切削元件的方位时，除了切削元件主体的竖直或横向方位之外，切削端的尖头形几何形状也影响尖头形切削元件如何击打地层和击打地层的角度。具体而言，除了影响非平面切削元件-地层相互作用的攻击性的背前角之外，切削端的几何形状(具体而言，顶端角度和曲率半径)大大影响尖头形切削元件攻击地层的攻击性。在尖头形切削元件的场景中，如图10所示，背前角被定义为在尖头形切削元件144的轴线(具体而言，尖头形切削端的轴线)和正交于被切削的地层材料的直线之间形成的角α。如图10所示，对于具有零背前角的尖头形切削元件144来说，尖头形切削元件144的轴线大致垂直于或正交于地层材料。具有负背前角α的尖头形切削元件144具有以从地层材料测量的小于90°的角接合地层材料的轴线。类似地，具有正背前角α的尖头形切削元件144具有以从地层材料测量的大于90°的角接合地层材料的轴线。在一些实施例中，尖头形切削元件的背前角可以是0度，或在一些实施例中可以是负的。在一些实施例中，尖头形切削元件的背前角可以在从-10到10度的范围、从0到10度的范围、和/或从-5到5度的范围。
除了相对于地层的轴线方位之外，尖头形切削元件的攻击性也可取决于顶端角度，或具体而言，在地层和尖头形切削元件的前部之间的角。由于尖头形切削元件的切削端形状，所以不存在前边缘；然而，尖头形切削表面的前导线可被确定为在钻头旋转时尖头形切削元件在沿着尖头形切削端表面的每个轴向点处的第一最点。换另一种方式说，可以沿着在钻头的旋转方向上的平面截取尖头形切削元件的截面，如图11所示。在这个平面内尖头形切削元件144的前导线145可被认为与地层相关。尖头形切削元件144的走向角被定义为在尖头形切削元件144的前导线145和被切削的地层之间的角α。
常规上对于多晶金刚石密实切削齿来说，侧前角被定义为在切削面和钻头的径向平面(x-z平面)之间的角，如图12所示。当沿z轴观察时，负侧前角β产生于切削齿的逆时针旋转，且正侧前角β产生于切削齿的顺时针旋转。在一些实施例中，切削齿的侧前角可以在从-30到30度或从0到30度的范围内。
然而，尖头形切削元件没有切削面，因此尖头形切削元件的方位可以不同地定义。在尖头形切削元件的场景中，如图13和14所示，侧前角被定义为在尖头形切削元件的轴线(具体而言，锥形切削端的轴线)和平行于钻头中心线的线(即z轴)之间形成的角β。如图13和14B所示，对于具有零侧前角的尖头形切削元件来说，尖头形切削元件的轴线大致平行于钻头中心线。具有负侧前角β的尖头形切削元件具有朝向远离钻头中心线的方向的轴线。相反，具有正侧前角β的尖头形切削元件具有朝向钻头中心线的方向的轴线。尖头形切削元件的侧前角在各种实施例中可以在从约-30到30度的范围，且在其他实施例中可以在从-10到10度的范围内。此外，在本发明公开的实施例中尖头形切削元件的侧前角可以从这些范围中选择。
如整个本发明公开所述，切削元件和切削构件组合可被用在固定切削齿钻头或开孔器上。图15示出了开孔器830的大体构造，其可包括本发明公开的一个或多个非平面切削元件。开孔器830包括工具主体832和在围绕工具主体的圆周的选定方位角位置处设置的多个刀体838。开孔器830通常包括连接834、836(例如，螺纹连接)，以使得开孔器830可连接到相邻的钻井工具，该钻井工具例如包括钻柱和/或井下钻具组合(BHA)(未示出)。工具主体832通常包括贯穿的钻孔，使得钻井液在被从地面(例如从地面泥浆泵(未示出))泵送至井眼(未示出)底部时可流经开孔器830。
图15中所示的刀体838是螺旋形刀体，且大体上围绕工具主体的周长以大致相等的角度间隔设置，这样形成开孔器830。这种布置不是对本发明范围的限制，而是仅仅用于例示说明的目的。本领域的普通技术人员将认识到可以使用任何井下切削工具。虽然图15没有详细示出非平面切削元件的位置，但它们在工具上的位置可以如上述变体中的一个或多个所述。
虽然仅一些示例性实施例在上文中详细地描述，但本领域技术人员将容易认识到在示例性实施例中许多更改是可能的，且没有实质上脱离本发明公开。因此，所有这样的更改都意在被包括在本发明公开的范围内。在权利要求中，“装置加功能”语句旨在覆盖在本文中描述的执行所述功能的构件，且不仅覆盖结构等同物，而且覆盖等效构件。因此，虽然钉子和螺栓可能不是结构等同物，因为在紧固木制零件的环境中钉子利用圆柱形表面将木制零件固定在一起，而螺栓利用螺旋表面，但钉子和螺栓可以是等效构件。申请人的明确意思表示不是对本文中的任何权利要求的任何限制 援引35U.S.C.§112，第6段，除非那些明确将词语“用于…的装置”与相应的功能一起使用的权利要求。