CN103237617B - 多晶金刚石切割元件及使用它的方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种井下钻孔工具的钻头(12)的多晶金刚石切割(10)元件。所述PDC元件具有基体(24)、金刚石平台(22)和至少一个模型(40a,b,c)。所述金刚石平台沿其周缘具有最初切割刃边(50)。所述模型一体地形成在所述金刚石平台内。所述模型围绕所述金刚石平台限定出至少一个不连续部，其在操作中受到冲击时选择性地破碎掉，以在所述金刚石平台中生成新的切割刃边，由此使锋利的切割刃边连续地暴露于被切割的材料。
Description
技术领域
本文的技术涉及井场操作。更具体地说，本文的技术涉及可用于例如矿物勘探(特别是油和天然气)用钻地钻头的多晶金刚石切割(PDC)元件。
背景技术
多晶金刚石元件和类多晶金刚石元件为了本说明书的目的被称为PDC元件。PDC元件通常由碳基材形成。另一略微相似的类金刚石材料被称作碳氮化物(CN)，如在美国专利No.5,776,615中所描述的。
PDC元件通常是由在高温高压下被处理成粘结金刚石晶体的多晶矩阵的材料混合物形成的。PDC元件可以在它们的形成期间使用催化材料的工艺中制成。这些催化材料可能形成残留物，其可能在使用中对PDC元件的最大有用操作温度施加限制。
PDC元件的一种制造形式可以是两层或者多层PDC元件，其中多晶金刚石材料的对向平台(facingtable)一体地粘结至硬度较低材料(比如烧结碳化钨)的基体。PDC元件可以呈圆形或者部分圆形片块的形式，或者它可以形成为适合于钻孔应用或者其它应用(比如摩擦轴承、阀门表面、压头、工具心轴等)的其它形状。这种类型的PDC元件可以用于广泛的应用，其中可能需要硬质的耐磨耐腐蚀材料。PDC元件也可以在钻地钻头中找到特定用途，其中PDC元件的基体可以也可以不硬焊至载体，而该载体通常也可以是烧结碳化钨。用于PDC元件的该构造可以使用在固定切割器或者滚动切割器钻地钻头中。这些PDC元件可以被接收在钻头的承窝中，硬焊在钻头的面上，或者侵入“矩阵”类型钻头的本体中。PDC元件也可以固定至机床中的支柱，以用于机械加工各种非铁材料。
PDC元件可以通过在高压高温压机中由金刚石粉末与合适的粘结剂催化材料烧结而成。用于形成PDC元件的技术例如在美国专利No.3,141,746中有描述。在用于制造PDC元件的一种工艺中，金刚石粉末被施加至包含有钴的预形成碳化钨基体的表面。该组件于是在压机中受到非常高的温度和非常高的压力。在该工艺期间，钴从基体迁移到金刚石层(或者平台)中，并用作粘结剂催化材料，使金刚石颗粒随金刚石对金刚石粘结而粘结至彼此，并且使金刚石层粘结至基体。
完成的PDC元件可以具有至少一个这样的本体，其中金刚石晶体矩阵彼此粘结并且许多空隙包含有如上所述的粘结剂催化材料。金刚石晶体可以具有第一连续矩阵的金刚石，而空隙形成包含有粘结剂催化材料的第二连续矩阵的空隙。
另外，可能存在较少的区域，其中金刚石对金刚石生长已封装了一部分粘结剂催化材料。这些“孤立部”可以不是粘结剂催化材料的连续空隙矩阵的一部分。
在一个形式中，金刚石本体可以具有从大约85%到大约95%的金刚石(按体积计)，并且粘结剂催化材料可以具有其它大约5%到大约15%的金刚石。这种PDC元件可以从大约400摄氏度的温度开始由于空隙钴粘结剂催化材料与金刚石矩阵之间的差异热膨胀而受到热降解。在充分膨胀时，金刚石对金刚石粘结可能破裂，从而可能发生裂纹和崩缺。
当用在高度磨蚀性的切割应用中时，比如在钻头中，这些PDC元件通常可能磨损或者碎裂，并且在PDC元件的耐磨性与它们的冲击强度之间观察到存在一定关系。该关系可以归因于在粘结的金刚石晶体中残留于空隙区域中的催化材料，其有助于金刚石层的热降解。
可以优选地从工作表面的一部分去除该催化材料的一部分，以形成具有更高耐磨性的表面，而不大幅降低其冲击强度。设计为用于增加强度特征的这类PDC元件的示例在美国专利No.6,601,662、6,592,985和6,544,308中有描述。
某些类型的PDC元件(例如，金刚石结构)可以在切割器钻孔时形成突出的唇部。
随着切割器钻入地中，这些唇部可以重复地形成然后崩落，以便总是对于形成物呈现锋利的切割刃边。然而，一定量的磨损可以发生在切割元件中以形成唇部。
随着时间的推移，各种类型的PDC元件已广泛用于油田钻探工业，并且已做出了多种尝试来增加这些PDC元件的切割效率。然而，钻探市场保持有竞争力，并且要求更高的钻探穿刺速率。本文提供的技术设计成用于提供这些和其它能力。
发明内容
本文公开了一种多晶金刚石切割元件，其用于矿井钻探井下钻头工具，该工具具有带金刚石平台(table)的基体。所述金刚石平台沿其周缘具有最初的切割刃边；并且至少一个模型(pattern)一体地形成在金刚石平台内。所述模型围绕所述金刚石平台限定出至少一个不连续部，其在操作中受到冲击时选择性地破碎掉，以在所述金刚石平台中生成新的切割刃边，由此使锋利的切割刃边连续地暴露于被切割的材料。
所述多晶金刚石切割元件可以具有不连续部，其在所述金刚石平台内沿所述最初切割刃边形成，所述金刚石平台反应于操作载荷以将剪切力引导入所述金刚石平台中，以碎裂所述最初切割刃边并形成所述新的切割刃边。此外，所述多晶金刚石切割元件可以具有作为滤网模型的至少一个模型。
上述多晶金刚石切割元件也可以具有蜂窝模型，其中所述模型在超高温度和压力的条件下与金刚石平台和基体烧结在一起，这还可以包括多晶金刚石粗砂，并且所述基体可以具有碳化钨基体。此外，所述多晶金刚石切割元件可以具有至少一个不连续部，其是沿所述最初切割刃边的碎裂表面。所述不连续部可以定位成靠近所述最初切割刃边，并跟随所述金刚石平台的刃边几何结构。
另外，上述多晶金刚石切割元件的金刚石平台可以随着时间的推移而磨损，使得所述至少一个模型在磨损和/或冲击损坏时暴露于所述金刚石平台的最初切割刃边。
上述多晶金刚石切割元件还可以具有金刚石平台，所述金刚石平台快速地磨损，使得所述至少一个模型快速地磨损掉，以暴露出新切割刃边的受控几何结构，由此减少所述金刚石平台在后续冲击时的损失。
所述多晶金刚石切割元件还可以具有至少一个这样的模型，其是以下构造之一：雪花构造、环状构造、板状构造、冲孔构造及其组合构造，并且所述模型可以是多个模型，各自具有平行于金刚石平台的顶表面的附加不连续部。模型之一可以具有可围绕切割刃边定位的倾斜周缘。所述模型可以由聚合碳纳米棒的分散丸状物和/或碳化钨制成。
另外，还描述了这样一种用于井下钻孔工具的钻头的多晶金刚石切割元件，其由基体、可位于所述基体上的金刚石平台构成。所述金刚石平台可以沿其周缘具有最初的切割刃边；和位于金刚石平台内的至少一个模型。
所述至少一个模型可以包括这样的不连续部，其在所述金刚石平台内限定出薄弱平面，所述不连续部在操作中沿所述薄弱平面选择性地破碎掉，以在所述金刚石平台中连续地暴露出碎裂表面，由此使锋利的切割刃边连续地暴露于被切割的材料。
该多晶金刚石切割元件可以沿所述最初切割刃边具有至少一个不连续部，其生成允许新切割刃边暴露于被切割材料的碎裂表面。另外，所述至少一个模型可以具有限定出倒角角度的周缘，其在所述金刚石平台中生成断层线，所述断层线受控于所述至少一个模型的滤网的角度。
还公开了一种用钻头井下钻孔的方法，是通过在钻头上设置多个多晶金刚石切割元件，所述多个多晶金刚石切割元件中的每一个具有基体；可位于所述基体上的金刚石平台，所述金刚石平台沿其周缘具有最初切割刃边；和一体地形成在金刚石平台内的至少一个模型。所述模型可以在所述金刚石平台上限定出至少一个不连续部，其随着钻头向地中的前进，在冲击时通过选择性地破碎掉所述金刚石平台的一些部分以在金刚石平台中生成新的切割刃边，来连续地暴露锋利的切割刃边。
附图说明
为了能够更加详细地理解本发明的上述特征和优点，可以参考在附图中示出的实施例来更具体地描述在以上概括的发明。
然而，应该注意的是，附图只示出了本发明的典型实施例，因此，不应认为是对其范围的限制。附图并不一定成比例，附图中的某些特征和某些视图可能在比例上夸大示出或者示意性地示出，以便清楚和简洁。
图1是本发明的PDC元件的透视图。
图2是具有图1的切割元件的钻地钻头的透视图。
图3是具有两个不连续部的PDC元件的局部剖切透视图，所述不连续部具有大致平行于PDC元件的顶表面的“环状”构造。
图4A是具有“冲孔”构造的不连续部的俯视图。
图4B是具有“雪花”构造的不连续部的透视图。
图4C是不连续部为“板状”构造的PDC元件的透视剖切图。
图5是PDC元件的另一局部剖切透视图，其具有呈“板状”构造的两个不连续部。
图6是图5的PDC元件的截面图。
图7是具有“环状”构造的不连续部的俯视图。
图8是在其中具有图7所示不连续部的PDC元件的局部剖切透视图，所述不连续部与PDC元件的顶表面成一定角度。
具体实施方式
以下描述包括实施本独创性主题的示例性设备、方法、技术和指令序列。然而，应该明白的是，所描述的实施例可以在没有这些特定细节的情况下实践。
本文所描述的技术涉及构造成在钻孔期间保持锋利的多晶金刚石切割(PDC)元件。PDC元件可以设置有不连续部，其能够选择性地中断以连续地提供锋利的刃边。这类特征可以用于通过例如增加穿刺速率、减小磨损、增强钻孔等来增强钻孔操作。用于钻地钻头的PDC元件的切割效率也可能受PDC元件上的切割刃边制备的影响。在一个行程的整个长度上维持锋利的刃边对于改善钻头的整体钻孔效率来说可能是重要的。
现在参考图1和2，本发明的PDC元件10可以是用于固定切割器旋转钻头12(如图2所示)的预形成切割元件。钻头12的钻头本体14可以形成有多个刀刃16，它们通常向外延伸离开钻头12的中心纵向旋转轴线18。沿每个刀刃16的先导面20并排分开的是本发明的多个PDC元件10。
通常，PDC元件10具有呈圆柱形片块形式的本体，其具有薄的前向金刚石层(或者平台)22和基体24。金刚石平台22可以在一高压高温压机中结合至由硬度较低材料(比如烧结碳化钨或者其它金属材料)形成的基体24。PDC元件10可以预先形成，然后可以结合到大体圆柱形的载体26上，所述载体26也可以由烧结碳化钨形成。替代地，PDC元件10可以直接附接至刀刃16。PDC元件10具有外围工作表面28和端部工作表面30，它们如图所示可以彼此大致垂直。工作表面28和30也可以处于其它适当的角度。
圆柱形载体26可以被接收在刀刃16中相应成形的承窝或者凹部内。载体26可以硬焊、冷缩配合、压配合或者以其它方式固定到承窝中。在硬焊场合，硬焊接头可以延伸到整个载体26和基体24的一部分上。操作中，固定的切割器钻头12被旋转，并且施加重量。这迫使PDC元件10进入被钻地表中，实现切割和/或钻孔作用。
图3-8中示出的是各种PDC元件10，其具有较强和较弱的故意引入区域，呈围绕金刚石平台22的工作表面28、30形成的不连续部40a-d、a’的大体形式。不连续部40a-d、a’是嵌入金刚石平台22内或者形成在金刚石平台22上的几何取向的非金刚石结构。这些不连续部40a-d、a’可以形成如本文将进一步描述的“断层面薄弱处”。
操作中，PDC元件10的切割作用可以取决于沿这些PDC元件10中每一个的周缘的切割刃边50的几何结构。切割刃边50在操作期间通过沿PDC元件10内的这些不连续部40a-d、a’暴露和选择性地失效而被连续地更新，以维持锋利的切割刃边50。
PDC元件10内的不连续部40a-d、a’可以通过在预形成PDC元件10的金刚石层22内为不连续部40a-d、a’提供规则几何结构来制成，比如蜂窝模型(如图4B所示)、或者滤筛或滤网模型(如图4A和4C所示)、或者众多其它模型中的任一种。不连续部40a-d、a’也可以在一单独操作中冲孔和/或冲压而成，或者可以与PDC元件10同时形成。这些不连续部40a-d、a’可以优选由比如形成为丝网的碳化钨等适当材料制成，但是众多其它材料和几何构造也可以是合适的。用于不连续部40a-d、a’的其它金属材料可以是合适的，前提是它们与金刚石平台22中的其它材料兼容。
这些不连续部40a-d、a’可能在最终PDC元件10中生成耐磨性和冲击强度不同的区域，因此，在操作时通过允许元件10沿这些不连续部40a-d、a’的选择崩缺或者磨损来实现自我磨锐效果。图4A和4C中的滤网模型或者图4B所示蜂窝模型的开放性质允许金刚石层完全埋葬滤网模型，从而控制金刚石材料在任何特定钻孔条件下“崩掉”多少。
具有引入的不连续部40a-d、a’的预形成PDC元件10可以通过在高温、高压工艺中与多晶金刚石粗砂和碳化钨基体烧结在一起而制成。在金刚石平台22内沿切割刃边50形成的不连续部可以对操作载荷做出反应，以将剪切力引入PDC元件10中，以使现有多晶金刚石平台22在切割刃边50处碎裂，并随着PDC元件10被操作而从现有切割刃边50形成新的切割刃边。
不连续部40a-d、a’如图3-8所示限定出“断层面”薄弱处。在这些图中，“断层面”薄弱处排列成大体平行于切割元件的顶表面30。在图4B、4C、6和8中，“断层面”薄弱处的部分不必平行于切割元件10的顶表面30。“断层面”薄弱处也可以被限定成(例如，做成和取向成)使它们将趋于同时碎裂。然而，也可以使层叠的“断层面”薄弱处配置成使得它们不对齐，如例如图4B所示。
现在参考图3，不连续部40a图示为呈环形并在PDC元件10内限定出薄弱区域的滤网模型52。图3是切割元件10的局部剖切俯视图，示出了在其中限定出“断层面”薄弱处的两组不连续部40a。断层面薄弱处大致平行于PDC元件的顶表面30延伸。每组不连续部40a被特征化为在金刚石平台22内大致平行于顶表面30延伸并向外延伸至PDC元件10的切割刃边50处的“断层面”部分。滤网模型52图示为具有贯通其中的孔55。如图所示，可以使用多个部分来生成随PDC元件10在操作中磨损由滤网模型52限定出的多个层叠的“断层面”薄弱处。
图4A是形成为呈“冲孔”构造的特定碳化钨滤网模型54裂纹阻止器的不连续部40b的俯视图。滤网模型54被没有滤孔的区域64中断，以允许金刚石围绕并穿过滤网模型54裂纹阻止器粘结。这些没有滤孔的区域64可以围绕嵌入的不连续部40b形成，如图5所示。
滤网模型54是大体扁平的，并具有可以被斜切或者带斜角的滤网周缘57。可想见的是，碳化钨滤网模型54也可以延伸至PDC元件10的其它几何结构和尺寸。
图4B是具有特定“雪花”蜂窝模型72的不连续部40c的透视图。雪花蜂窝模型72具有扁平基底73，而扁平基底73具有由此成一定角度延伸的裙缘75。不连续部40c的该扁平基底73具有只覆盖PDC元件10的截面的一部分(类似于图4C的切割元件10上的不连续部40d)的平坦化蜂窝部分。扁平基底73具有圆环形状，裙缘75从扁平基底73的一些部分延伸出去，以限定出“雪花”构造。
图4C是具有不连续部40d的PDC元件10的透视图。不连续部40d具有类似于图4A的滤网模型54的特定滤网模型54’。如该“板状”构造所示，滤网模型54’没有孔64。对本领域的技术人员显而易见的是，图4C示出了滤网模型54’定位在金刚石平台22的处于PDC元件10的顶表面30下方(并且通常被隐藏)的部分上。PDC元件10已被磨损成使得金刚石层22的一些部分已沿断层面薄弱处被移除，从而暴露出作为新顶表面30的滤网模型54’和倾斜的侧表面25。在金刚石层22的磨损和移除前，滤网模型54’可以也可以不延伸至PDC元件的外侧圆柱表面，因此在金刚石层22被崩掉前在其外径上可以是可见的也可以是不可见的。
参考图5和6，在其中图示了具有两个“断层面”不连续部40b的PDC元件10。
图5是图4C的PDC元件10的局部剖切透视图。不连续部40b大致平行于PDC元件10的顶表面30延伸，并且每个滤网模型54具有相邻于切割刃边50的斜面57，以一定角度58弯曲离开，如图6所示。不连续部40d(如图4C所示)也可以由该同一图示出。
引发的“断层面”不连续部(如40b或40d)可以通过将滤网模型54的层中的一个或多个与预形成PDC元件10一起在高压、高温形成操作前放置在模具内而生成。滤网模型54可以是碳化钨或者其它合适的化合物，并且在形成操作后，滤网可以与PDC元件10变成一体。如图3和5所示的“断层面”不连续部40a、40d不必必须排列成平行于端部工作表面30。本文所描述的其它不连续部可以以相似方式形成。
图6示出了图5的PDC元件10的纵截面图。该图示出了定位在金刚石平台22中的两个“断层面”滤网模型不连续部。如该图所示，不连续部的斜面57如图所示围绕切割刃边50以一角度58延伸离开顶表面30。该构造在断层线上限定出斜切角，所述断层线在生成时，可以受控于斜面57的角度58。
如本文所述的不连续部40a-d、a’的规则几何结构可以在操作中生成，以通过在PDC元件10中生成非平坦碎裂表面来允许择优磨损。
例如，如图5和6所示，碎裂表面可以沿不连续部40b的周缘以处于相对强度或者弱度的不连续部40b的角度58限定出。
图7示出了具有滤网模型52’的图3所示不连续部40a’的俯视图，所述滤网模型52’呈贯通其中带有孔55’的环形构造。滤网模型52’延伸贯穿不连续部40a’的整个周缘(但不贯穿中心部)。不连续部40a’可以具有类似于图4A所示滤网模型52的滤网模型52’。不连续部40a’或40a中的一个或多个可以定位在例如如图3和8所示的PDC元件10中。图8类似于图3，但是只在其中示出了一个不连续部40a’，并与顶表面30成一定角度。
许多不同类型的滤网模型可以延伸至这些部分的其它几何结构和尺寸，并不局限于实心滤网。例如，本文的不连续部的滤网模型也可以形成为其它形状，比如滤网模型52’(如图7所示)或者其它模型。诱导应力平面的其余形状可以按期望性能所需那样具体设计。
本文的附图公开了适合于用于钻地钻头的预形成PDC元件10，在金刚石平台中嵌入有由碳化钨(或者其它兼容材料)制成的规则几何结构(比如蜂窝或者滤筛)的特征。嵌入的不连续部40a-d、a’可以被引入到围绕用于钻地钻头的PDC元件10的切割刃边50的要害位置处。
这些嵌入的不连续部40a-d、a’可以起到以扩散正在形成中的裂纹的尖端(cusp)处的应力集中并防止或者减慢其传播的作用。
作为结果，这从而能够限制由于过载或者冲击对金刚石平台22的损坏，并且还能够减少突然故障的情况或者至少使突然故障的影响最小化。本质上，不连续部40a-4d、40a’可以用作裂纹阻止器。不连续部40a-d、a’可以在超高温度和压力的条件下与多晶金刚石粗砂和碳化钨基体烧结在一起，正如众所周知的那样。
PDC元件构造可以被调节以使操作期间的新切割刃边的形成最佳化。PDC元件10可以设置有较高的耐磨性(即更耐久或者更硬)，以防止PDC元件在使用中快速地且容易地磨损，或者使切割刃边早于预期变钝。改善PDC元件的固有耐磨性可以围绕改善的烧结(金刚石对金刚石粘结)和/或将催化材料滤出相邻于工作表面的PDC元件的滤网模型作出努力。PDC元件的固有耐磨性可以通过使用更细的金刚石颗粒而增加。所选金刚石颗粒可以选择成避免折衷其它物理性能，比如刃边的抗冲击力，使金刚石在使用中崩落。从PDC元件的完整性和耐磨性观点来说，虽然可能希望改善烧结和金刚石对金刚石粘结，但是确保刃边在操作中以尽可能小的崩缺的受控方式崩缺或者脱落也可能是有利的。
如附图还示出的，本文的不连续部可以定位成靠近切割刃边50，并跟随预形成PDC元件10的刃边几何结构，但是它们也可以沿其它表面延伸。在操作中，不连续部最初可能不磨损，但是可能在操作期间在周围区域磨损时或者冲击损坏时暴露出来。
暴露出来的不连续部40a-d、a’可以快速地磨损或者崩掉，以暴露受控的几何结构金刚石切割刃边50，允许在后续冲击时金刚石平台22的受控损失。
例如，如图6所示，PDC元件10的断层位置薄弱处可以受控于由滤网模型54设定的外围切割刃边工作表面28的斜面角度58，并且可以通过添加多个滤网模型54来得到调节。
PDC元件切割10可以是多晶金刚石PDC元件10，具有与碳化钨基体一体形成的金刚石平台22。金刚石平台22可以设置有由非金刚石材料沿切割刃边50形成的一个或多个不连续部40a-d、a’，其如上所述，在操作中通过使锋利的切割刃边连续地暴露于被切割的形成材料，来连续地生成和更新金刚石平台22中的碎裂表面。用于不连续部40a-d、a’的合适的非金刚石材料可以包括大体圆形的钛“滤网”产品，并且形成有或未形成滤网模型的中心部。在一个示例中，用于不连续部40a的非金刚石材料可以是形成为圆盘几何形状的冲孔碳化钨滤网材料。另一优选实施例可以是由冲孔碳化钨圆盘制成并形成为“贝氏弹簧垫圈(bellvillewasher)”状的不连续部40a的滤网，其如图4A所示，但是具有非常大(超过70%)的开放空间，其中滤网40a-d、a’为大约55%到大约65%、优选为大约61%开放。
滤网几何结构和材料以及处理也可以变化，以调节PDC元件10的厚度(对于圆盘或者分离)和开放空间的百分比。另外，还能够减少烧结中的制造时间，因此得到这样的烧结产品，其具有增加量的现在可从可获得于金刚石平台内的附加碳化钨获得的钴，以制作这些PDC元件10。
此外，由于与滤网40a-d、a’几何结构相关联的层结构，在最终PDC元件10中可能存在残余应力减小。此外，该层结构最初可以不与形成物接触，但是可以在外表面的磨损或者冲击损坏时暴露。它可以按照希望那样快速地或者缓慢地磨损或者崩掉，以暴露出受控几何结构金刚石切割刃边50，从而控制金刚石平台22由于冲击而发生的损失。
替代地，本发明的PDC元件10可以包括使用由合适材料形成的分散丸状物或者纤维，比如图4C所示的聚合碳纳米棒25(也称为ACNR)，其可以不妨碍最终烧结金刚石产品的质量。这些特征可以取代切割刃边50处的金刚石材料的一部分，并且因为不连续材料没有金刚石材料硬，所以它可能被“磨损”成提供类似于如上所述的切割刃边。另外，可以在切割刃边50处调节金刚石粗砂成分，以允许相邻于切割刃边50的耐磨性的选择性减小(伴随冲击强度的增加)，以帮助控制切割刃边处的崩缺速率。
不连续部40a-d、a’沿平行于顶表面30或者倒角角度58(或者刃边制备角度)的平面向金刚石平台22中一定距离地引入能够允许金刚石平台22的切割刃边50在磨损至一定深度时剥落，从而暴露出具有诱导刃边几何结构的新生切割刃边50以接触形成物。这能够在金刚石材料没有过多损失的情况下实现。
虽然本公开描述了本发明的一些特定方面，但是在研究了本公开后，众多变型和变更对于本领域的技术人员来说将变得清楚明了，包括本文所描述要素的等同功能性和/或结构性替代物。例如，具有不同形状的一个或多个不连续部可以实施在一个或多个PDC元件10中。对于本领域技术人员清楚明了的所有这类相似变更都视为处于如所附权利要求限定出的本发明的范围内。
多个情况可以作为单一情况为本文所描述的部件、操作或者结构提供。总的来说，在示例性构造中作为分离组元提出的结构和功能可以实施为组合结构或者组元。相似地，作为单个组元提出的结构和功能可以实施为分离的组元。这些和其它变更、变型、添加和改进可以落于独创性主题的范围内。
虽然参考附图具体描述了本发明，但是应该明白的是，可以在本发明的范围和精神内做出与本文示出或者建议的变型不同的其它和另一些变型。
Claims (20)
1.一种井下钻孔工具的钻头的多晶金刚石切割元件，包括：
基体；
可定位在所述基体上的金刚石平台，所述金刚石平台具有端部工作表面和周缘，最初切割刃边形成在端部工作表面和周缘之间；和嵌入在金刚石平台内的至少一个结构模型，该至少一个结构模型由围绕周缘延伸且自周缘向内间隔开的连续的非金刚石结构形成，该至少一个结构模型关于金刚石平台限定出至少一个不连续部，所述至少一个不连续部在操作中受到冲击时选择性地破碎掉，以在所述金刚石平台中生成新的切割刃边，由此使锋利的切割刃边连续地暴露于被切割的材料。
2.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述不连续部在所述金刚石平台内沿所述最初切割刃边形成，反应于操作载荷以将剪切力引导入所述金刚石平台中，以碎裂所述最初切割刃边并形成所述新的切割刃边。
3.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述至少一个结构模型包括滤网模型。
4.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述至少一个结构模型包括蜂窝模型。
5.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述至少一个结构模型在超高温度和压力的条件下与所述金刚石平台和所述基体烧结在一起。
6.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述金刚石平台包括多晶金刚石粗砂。
7.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述基体包括碳化钨基体。
8.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述至少一个不连续部沿所述最初切割刃边限定出碎裂表面。
9.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述至少一个不连续部定位成靠近所述最初切割刃边，并跟随所述金刚石平台的刃边几何结构。
10.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述金刚石平台随着时间的推移而磨损，使得所述至少一个结构模型在磨损和/或冲击损坏时暴露于所述金刚石平台的最初切割刃边。
11.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述金刚石平台快速地磨损，使得所述至少一个结构模型快速地磨损掉，以暴露出新切割刃边的受控几何结构，由此减少所述金刚石平台在后续冲击时的损失。
12.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述至少一个结构模型具有以下构造中任一种：雪花构造、环状构造、板状构造、冲孔构造及其组合构造。
13.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述至少一个结构模型包括多个模型，所述多个模型中的每一个限定出平行于所述金刚石平台的顶表面的附加不连续部。
14.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述至少一个结构模型具有围绕切割刃边定位的成角度的周缘。
15.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述至少一个结构模型包括碳化钨。
16.如权利要求1所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述至少一个结构模型包括聚合碳纳米棒的分散丸状物。
17.一种井下钻孔工具的钻头的多晶金刚石切割元件，包括：
基体；
可定位在所述基体上的金刚石平台，所述金刚石平台具有端部工作表面和周缘，最初切割刃边形成在端部工作表面和周缘之间；和
嵌入在金刚石平台内的至少一个结构模型，该至少一个结构模型由围绕周缘延伸且自周缘向内间隔开的连续的非金刚石结构形成，所述至少一个结构模型包括至少一个不连续部，所述至少一个不连续部在所述金刚石平台内限定出薄弱平面，所述至少一个不连续部在操作中沿所述薄弱平面选择性地破碎掉，以在所述金刚石平台中连续地暴露出碎裂表面，由此使锋利的切割刃边连续地暴露于被切割的材料。
18.如权利要求17所述的多晶金刚石切割元件，其中，沿着切割刃边的至少一个不连续部生成碎裂表面，所述碎裂表面能够将新的切割刃边暴露于正被切割的材料。
19.如权利要求17所述的多晶金刚石切割元件，其中，所述至少一个结构模型具有限定出倒角角度的周缘，其在所述金刚石平台中生成断层线，所述断层线受控于所述至少一个结构模型的滤网的角度。
20.一种以具有钻头的井下钻孔工具进行钻孔的方法，包括：
在所述钻头上设置多个多晶金刚石切割元件，所述多个多晶金刚石切割元件中的每一个包括：
基体；
可定位在所述基体上的金刚石平台，所述金刚石平台具有端部工作表面和周缘，最初切割刃边形成在端部工作表面和周缘之间；和
一体地形成在金刚石平台内的至少一个结构模型，该至少一个结构模型嵌入在金刚石平台内，该至少一个结构模型由围绕周缘延伸且自周缘向内间隔开的连续的非金刚石结构形成，并关于金刚石平台限定出至少一个不连续部；随着钻头向地中的前进，在冲击时通过选择性地破碎掉所述金刚石平台的一些部分以生成新的切割刃边，来连续地暴露锋利的切割刃边。
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