CN104246110A - 用于滚动切割器的分体套筒 - Google Patents

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CN104246110A CN201280070866.9A CN201280070866A CN104246110A CN 104246110 A CN104246110 A CN 104246110A CN 201280070866 A CN201280070866 A CN 201280070866A CN 104246110 A CN104246110 A CN 104246110A
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Abstract

一种切割器组件可包括：多件式分体套筒；内切割元件，所述内切割元件的侧表面中形成有凹槽或凸起，且所述内切割元件设置在多件式分体套筒中；以及与凹槽或凸起的至少一部分接合以限制内切割元件相对于多件式分体套筒轴向移动的至少一个接合部件，其中，分体套筒的多个件以重叠接合结构接合到一起。

Description

用于滚动切割器的分体套筒
技术领域
这里公开的实施例总体上涉及多晶金刚石复合切割器和包含有它们的钻头或其它切割工具。更特别地，这里公开的实施例涉及保持在套筒内的切割器和/或具有弯曲过渡部的滚动切割器或包含有它们的钻头或其它切割工具。
背景技术
各种类型和形状的地质勘探钻头用于地质钻井工业的各种应用中。地质勘探钻头具有钻头主体，其包括各种结构，例如钻芯、刀片以及延伸到钻头主体中的切割器凹口或安装到钻头主体上的牙轮。根据应用/需要钻的岩层，可以基于钻头的切割动作类型和其用在特定地层中的恰当性来选择合适类型的钻头。
刮刀钻头，通常被称作“固定切割器钻头”，包括具有连接到钻头主体的切割元件的钻头，钻头主体可以是钢制钻头主体或者由基体材料、例如由结合剂材料包围的碳化钨形成的基体钻头主体。刮刀钻头通常可被定义为没有移动部件的钻头。然而，在本领域中已有不同的形成刮刀钻头的类型和方法。例如，刮刀钻头具有研磨材料，例如金刚石，其被孕镶到形成钻头主体的材料表面中，这种钻头通常被称作“孕镶”钻头。刮刀钻头具有由沉积到或以其他方式结合到基体上的特硬切割表面层或者或“台面”(通常由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成)制成的切割元件，这种钻头在本领域中称为多晶金刚石复合(“PDC”)钻头。
PDC钻头钻软的地层时很轻松，但是它们往往被用于钻中等硬度或研磨性地层。它们使用小的切割器通过剪切动作来切割岩层，不会穿透很深进入地层中。由于穿透深度浅，需要通过相对较高的钻头旋转速度来实现高的穿透速率。
PDC切割器在工业应用中已经使用多年，包括岩石钻探和金属加工。在PDC钻头中，PDC切割器被容纳在形成于从钻头主体延伸的刀片内的切割器凹口中，并且通常通过铜焊到切割器凹口的内表面而被结合到刀片。PDC切割器沿着钻头主体刀片的前缘设置，使得随着钻头主体的旋转，PDC切割器接合且钻动地层。在使用中，可能在PDC切割器上施加很大的力，尤其是沿着前后方向。此外，钻头和PDC切割器可以承受很大的研磨力。在某些情况下，由于损失一个或多个切割器，或者由于刀片破损，冲击、振动以及腐蚀力会使得钻头发生故障。
在典型的应用中，多晶金刚石复合片(PCD)(或其它特硬材料)被结合到基体材料以形成切割结构，基体材料通常为烧结金属碳化物。PCD包括结合到一起而形成完整的、坚韧的高强度质量体或晶格的金刚石多晶质量体(通常为合成的)。最终形成的PCD结构具有增强的耐磨和硬度特性，这使PCD材料尤其适用于需要高度耐磨和硬度的恶劣的磨损和切割应用中。
PDC切割器通常通过将烧结碳化物基体放置到压机的容器中而形成。金刚砂混合物或者金刚砂和催化结合剂的混合物被放置在基体顶上并且在高压、高温条件下进行处理。这样做之后，金属结合剂(通常为钴)从基体迁移并且透过金刚砂以提高金刚砂之间的交互生长。由此，金刚砂彼此结合以形成金刚石层，并且金刚石层相应地整体结合到基体。基体通常包括金属-碳化物复合材料，例如碳化钨-钴。沉积的金刚石层通常被称作“金刚石台面”或“研磨层”。
图1A和1B示出了现有技术的PDC钻头的一个示例，其具有多个具有特硬工作表面的切割器。钻头100包括钻头主体110，其具有螺纹上杆部111和切割端部115。切割端部115通常包括多个肋或刀片120，它们绕着钻头的旋转轴线L(也称为纵轴线或中心轴线)布置且从该钻头主体110向外径向地延伸。切割元件或切割器150相对于工作表面以预定的角度方位和径向位置嵌入刀片120中并且相对于待钻地层具有希望的后倾角和侧倾角。
多个孔口116布置在钻头主体110上的刀片120之间的区域中，该区域可以称为“缝隙”或“流体通道”。孔口116通常适于接收喷嘴。孔口116允许钻井流体通过钻头在选择的方向上且在刀片120之间以选择的流动速率进行排放，用于润滑和冷却钻头100、刀片120以及切割器150。钻井流体也随着钻头100旋转和穿透地质地层而清洁和去除钻屑。如果没有合适的流动特性，切割器150的不充足的冷却可能在钻井操作期间导致切割器故障。定位液体通道用以为钻井流体提供附加的流动沟槽并且用以为地层钻屑提供通道以使其经过钻头100朝向井眼(未示出)的地面行进。
参考图1B，示出了现有技术PDC钻头的顶视图。示出的钻头的切割面118包括六个刀片120。每一个刀片包括从切割面118的中心大体上径向布置的多个切割元件或切割器，以大体上形成行。某些切割器，尽管在不同的轴向位置处，但可以占据与其它刀片上的其它切割器的径向位置近似的径向位置。
切割器传统上通过铜焊工艺附连到钻头或其它井下工具。在铜焊工艺中，铜焊材料布置在切割器与切割器凹槽之间。将材料融化且随后在切割器凹槽中固化、粘结(附连)该切割器。铜焊材料的选择取决于它们各自的融化温度，用以在钻头(和切割器)在钻井操作中使用之前避免对金刚石层产生过多的热暴露(和热损坏)。特别地，适于铜焊其上具有金刚石层的切割元件的合金已经被限于仅仅几种合金，该合金提供足够低的铜焊温度用以避免金刚石层的损坏，且提供足够高的铜焊强度用以在钻头上保持切割元件。
决定PDC切割器寿命的一个重要因素是切割器暴露到热量下。在空气中在高达700-750℃的温度下常规多晶金刚石是稳定的，在观测温度增长之后，可能导致多晶金刚石的永久损坏和结构失效。多晶金刚石中的这个劣化是由于结合剂材料(钴)与金刚石相比的热膨胀系数的显著不同。加热多晶金刚石时，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，这可能引起在金刚石晶格结构中形成裂缝，且导致多晶金刚石的劣化。损坏还可能由于在极高温度下在金刚石-金刚石颈部处石墨的形成，这导致微结构完整性的损失和强度的损失。
暴露到热量(由于铜焊或者由于从切割器与地层的接触所产生的摩擦热量)可能导致金刚石台面的热损坏且最后导致形成裂缝(由于热膨胀系数的不同)，该裂缝可能导致多晶金刚石层的剥落、多晶金刚石与基体之间的脱层、以及引起快速研磨磨损的金刚石到石墨的反转换。随着切割元件接触地层，产生磨损平面且引起摩擦热量。随着切割元件继续使用，磨损平面将增加尺寸且进一步引起摩擦热量。热量可能积累，这可能引起由于上文讨论的金刚石与催化剂之间的热不匹配而产生的切割元件故障。这对于如本领域中常规的、固定地附连到钻头的切割器来说尤其如此。
因此，一直以来对研究如何延长切割元件的寿命具有持续的需求。
发明内容
本发明内容用于介绍所选取的概念，其将在下面详细描述。本发明内容不旨在确定要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限定所要求保护的主题的范围。
根据一个方面，这里公开的实施例涉及一种切割器组件，包括：多件式分体套筒；内切割元件，所述内切割元件的侧表面中形成有凹槽或凸起，且所述内切割元件设置在多件式分体套筒中；以及与凹槽或凸起的至少一部分接合以限制内切割元件相对于多件式分体套筒轴向移动的至少一个接合部件，其中，分体套筒的多个件以重叠接合结构接合到一起。
根据另一个方面，这里公开的实施例涉及一种切割工具，包括：工具主体；从工具主体延伸的多个刀片；形成在所述多个刀片中的至少一个切割器凹口；设置在所述至少一个切割器凹口中的至少一个切割器组件。所述至少一个切割器组件包括：多件式分体套筒；内切割元件，所述内切割元件的侧表面中形成有凹槽或凸起，且所述内切割元件设置在多件式分体套筒中；以及与凹槽或凸起的至少一部分接合以限制内切割元件相对于多件式分体套筒轴向移动的至少一个接合部件，其中，分体套筒的多个件以重叠接合结构接合到一起，所述多件式分体套筒铜焊到所述至少一个切割器凹口。
根据另一个方面，这里公开的实施例涉及一种切割工具，包括：工具主体；从工具主体延伸的多个刀片；设置在至少一个刀片上的至少一个可旋转切割元件，其中，可旋转切割元件的侧表面中形成有凹槽；以及在凹槽处与可旋转切割元件接合并且限制可旋转切割元件轴向移动的至少一个保持元件，其中，可旋转切割元件包括位于凹槽和相邻的侧表面之间的光滑弯曲过渡部。
所要求保护的主题的其它方面和优点在后面的描述和所附的权利要求中更加明显。
附图说明
图1A和1B示出了传统的刮刀钻头的侧视图和顶视图。
图2A和2B示出了设置在多件式分体套筒内的内切割元件的侧视图和顶部剖视图，其中，根据这里公开的实施例，套筒仅仅围绕内切割元件的圆周的一部分延伸。
图3A和3B示出了设置在多件式分体套筒内的内切割元件的侧视图和顶部剖视图，其中，根据这里公开的实施例，套筒围绕内切割元件的整个圆周延伸。
图4示出了设置在套筒内的内切割元件的剖视图，其中，根据这里公开的实施例，内切割元件包括位于凹槽和相邻的侧表面之间的光滑弯曲过渡部。
图5示出了设置在套筒内的内切割元件的剖视图，其中，根据这里公开的实施例，内切割元件的底表面具有弯曲部。
图6A和6B示出了具有形成在其侧表面中的凹槽的内切割元件的侧视图和顶部视图，其中，根据这里公开的实施例，凸起仅仅围绕内切割元件的一部分延伸。
图7示出了设置在套筒内的内切割元件的剖视图，其中，根据这里公开的实施例，套筒的外直径与内切割元件的外直径相同。
图8示出了设置在套筒内的内切割元件的剖视图，其中，内切割元件包括位于凹槽和相邻的侧表面之间的光滑弯曲过渡部，并且根据这里公开的实施例，套筒的外直径与内切割元件的外直径相同。
图9示出了根据本公开的实施例的设置在切割器凹口中的切割器组件的透视图。
图10示出了根据本公开的实施例的切割器组件和切割器凹口的分解视图。
图11示出了根据本公开的实施例的设置在切割器凹口中的切割器组件的剖视图。
图12示出了根据本公开的实施例的部分套筒的透视图。
图13示出了根据本公开的实施例的部分套筒的透视图。
具体实施方式
一个方面，这里公开的实施例涉及多晶金刚石复合切割器，其通过一机构保持在钻头或其它切割工具上，所述机构沿侧表面接合切割器，使得切割器围绕其纵向轴线能够自由旋转或者被机械地保持在其中。本公开的实施例还涉及一种具有弯曲过渡表面的切割元件，其被保持在套筒结构内或者直接位于切割器凹口中。这些实施例均被图示。
在后面的整个描述和权利要求书中特定的术语指代特定的特征或部件。如本领域普通技术人员可以意识到的，不同的人可能采用不同的名字来指代相同的特征或部件。本文献并不期望于区分名字不同但是功能相同的部件或特征。附图也不是必须按成比例的。这里特定的特征和部件可以成比例放大显示或者以某种程度的示意形式表示并且为了清楚和简洁起见，某些传统元件的细节也可以不显示。
在后面的说明中以及在权利要求书中，术语“包含”和“包括”以开放式的形式使用，因此应该被理解为“包括，但是不限于…”。此外，术语“轴向”和“轴向地”通常是指沿着或基本上平行于中心和纵向轴线，而术语“径向”和“径向地”通常是指垂直于中心、纵向轴线。
参照图2A和2B，示出了根据这里公开的实施例的设置在多件式分体套筒210内的内切割元件200，其中，套筒210仅仅围绕内切割元件200的一部分圆周延伸。
在一个或多个实施例中，内切割元件200可以是在套筒210内可旋转(围绕其轴线L)的可旋转切割元件。此外，在一个或多个实施例中，内切割元件200可包括形成切割面和边缘的特硬层202以及基体204。在一个或多个实施例中，内切割元件200可具有形成在其侧表面中的凹槽206。如图2A所示，内切割元件200具有形成在基体204中的凹槽206。
在一个或多个实施例中，至少一个部件可接合凹槽206的至少一部分以限制内切割元件200相对于套筒210的轴向移动。如图所示，套筒210包括配置成与内切割元件200的凹槽206接合或配合的凸起208。在一个或多个实施例中，内切割元件200的轴向移动或移位可以通过所述至少一个部件(例如套筒210的凸起208)与内切割元件200的凹槽206之间的这种接合而被限制。
可选择地，在一个或多个实施例中，内切割元件200可以包括形成在其侧表面上的凸起(未示出)而不是凹槽206。此外，在一个或多个实施例中，套筒210可以包括配置成与内切割元件200的凸起接合或配合的相应的凹槽而不是凸起208。如此，在一个或多个实施例中，内切割元件200相对于套筒210的轴向移动或移位可以通过内切割元件200的凸起与套筒210的凹槽之间的接合而被限制。
在一个或多个实施例中，内切割元件200的凹槽206可围绕整个内切割元件200周向地延伸，并且套筒210的相应的凸起208同样可围绕套筒210的整个尺度周向地延伸。可选地，在一个或多个实施例中，内切割元件200的凹槽206可以仅围绕内切割元件200的一部分延伸。换句话说，在一个或多个实施例中，内切割元件200的凹槽206可以不围绕内切割元件200的整个圆周延伸。
如上面所描述的，一个或多个实施例可以包括形成在内切割元件200上的凸起(未示出)而不是凹槽206，并且套筒210可以包括配置成与内切割元件200的凸起接合的相应凹槽(未示出)而不是凸起208。如此，在一个或多个实施例中，形成在内切割元件200上的凸起可以围绕整个切割元件200周向延伸，并且套筒210的相应的凹槽也可以围绕套筒210的整个尺度周向延伸。可选地，在一个或多个实施例中，形成在内切割元件200上的凸起可以仅围绕内切割元件200的一部分延伸。换句话说，在一个或多个实施例中，内切割元件200的凸起可以不围绕内切割元件200的整个圆周延伸。
在一个或多个实施例中，尽管内切割元件200的凹槽206(或凸起)可以仅围绕内切割元件200的一部分延伸并且可以不围绕内切割元件200的整个圆周延伸，但套筒210的相应的凸起208(或凹槽)可以围绕内切割元件200的整个圆周延伸。这样使得内切割元件200能够在套筒210内旋转同时仍然能够限制内切割元件200相对于套筒210的轴向移动或移位。
可选地，如下面所述，在一个或多个实施例中，套筒210的相应的凸起208(或凹槽)还可以仅围绕套筒210的一部分延伸并且可以被形成为与内切割元件200的凹槽206(或凸起)接合。这样可同时限制内切割元件200在套筒210内的旋转以及内切割元件200相对于套筒210的轴向移动或移位。
此外，如图2A所示，分体套筒210的套筒分体可以包括至少两个内表面半径：第一套筒半径RS1小于第二套筒半径RS2。在一个或多个实施例中，内切割元件200可包括具有至少两个半径的侧表面：第一切割元件半径RC1小于第二切割元件半径RC2并且轴向设置在切割面(即内切割元件200的特硬层202)和第二切割元件半径RC2之间。在一个或多个实施例中，套筒210与内切割元件200的侧表面(例如基体204的表面)的至少一部分相邻，以使得第一套筒半径RS1与第一切割元件半径RC1配合或接合并且第二套筒半径RS2与第二切割元件半径RC2配合或接合。
因此，在一个或多个实施例中，与内切割元件的凹槽或凸起的至少一部分接合以限制内切割元件的轴向移动的接合部件可以是套筒210。例如，如图2A所示，用于限制内切割元件200相对于套筒210的轴向移动的接合部件是套筒210的凸起208。可选地，在一个或多个实施例中，接合部件可以是与套筒分离的部件。例如，可选的接合部件(未示出)，诸如保持球或销，可以设置在套筒210和内切割元件200之间，限制内切割元件200相对于套筒210的轴向移动或移位。
如图2B所示，多件式分体套筒210为两件式分体套筒。本领域普通技术人员可以意识到，多件式分体套筒可以由两个以上的件形成。例如，在一个或多个实施例中，多件式分体套筒可以是三件式、四件式、五件式或更多件式分体套筒。
此外，如图2B所示，分体套筒210的两个件在重叠接合结构212连接到一起。如上面所述，在一个或多个实施例中，多件式分体套筒可以由两个或更多个件形成。如此，在一个或多个实施例中，重叠接合结构(例如，重叠接合结构212)可以形成在分体套筒210的任意件在多组接合表面(每组接合表面相对于彼此成角度设置)而不是一组配合的平行表面处结合或接合在一起的地方。通常，配合的平行表面能够有助于铜焊材料的毛细流动，使其流入当平行表面足够接近时位于表面之间的间隙中，由于固体和液体之间的粘合力大于液体内的附着力，因此有助于毛细吸引。如此，当套筒被铜焊到钻头或其它井下切割工具中的切割器凹口中时，重叠接合结构(例如重叠接合结构212)可足以抵御铜焊材料在分体套筒210的件之间进行毛细流动。如图2B所示，重叠接合结构212具有三组配合表面，每组基本上垂直于相邻的组。然而，也可以使用更多或更少组的配合表面和其它角度来产生重叠接合结构。
在一个或多个实施例中，重叠接合结构212可以基本上平行于与内切割元件200的圆周相切的线(未示出)延伸。在一个或多个实施例中，重叠接合结构212可以基本上平行于与分体套筒210的圆周相切的线(未示出)。可选地，在一个或多个实施例中，重叠接合结构212也可以不必平行于与内切割元件200的圆周相切的线或者与分体套筒210的圆周相切的线。例如，在一个或多个实施例中，重叠接合结构212可以斜置或倾斜并且可以不平行于与内切割元件200的圆周相切的线或者与分体套筒210的圆周相切的线。
此外，如图2B所示，多件式分体套筒210可仅仅围绕内切割元件200的一部分圆周延伸。在一个或多个实施例中，套筒210可以围绕内切割元件的大于180度的角度延伸。换句话说，在一个或多个实施例中，套筒210可以围绕内切割元件200的圆周延伸至少180度。这可使得设置在套筒210内的内切割元件能够被牢固在套筒210内而不需要套筒210围绕内切割元件200的整个圆周延伸。在一个特殊的实施例中，套筒210可以围绕内切割元件延伸超过180度、小于360度的任意大小。在其它实施例中，套筒的圆周尺度可以从任意的下限180、190、225、270或315度到任意的上限225、270、315或360度，任意的下限可以与任意的上限配合使用。
参照图3A和3B，示出了根据这里公开的实施例，内切割元件300设置在多件式分体套筒310内，其中，套筒310围绕内切割元件300的整个圆周延伸。
在一个或多个实施例中，内切割元件300可以是围绕其轴线L在套筒310内可旋转的可旋转切割元件。此外，在一个或多个实施例中，内切割元件300可包括特硬层302和基体304。在一个或多个实施例中，内切割元件300可具有形成在其侧表面中的凹槽306。如图所示，内切割元件300具有形成在基体304中的凹槽306。
在一个或多个实施例中，至少一个部件可与凹槽306的至少一部分接合以限制内切割元件300相对于套筒310的轴向移动。如图所示，套筒310包括配置成与内切割元件300的凹槽306咬合或接合的凸起308。然而，如上所述，也可以使用其它接合部件。在一个或多个实施例中，内切割元件300的轴向移动或移位可以通过所述至少一个部件(例如套筒310的凸起308)与内切割元件300的凹槽306之间的这种接合而被限制。如上面参看图2A-B的描述，配合的凹槽306和/或凸起308可以围绕内切割元件300的整个圆周或一些较少的部分。
如图所示，套筒310围绕内切割元件300的整个圆周延伸。此外，如图所示，套筒310为两件式分体套筒，具有两个重叠接合结构312。如上面所述，重叠接合结构(例如，重叠接合结构312)可以形成在分体套筒310的任意件结合或咬合到一起的位置处。此外，如上所述，本领域技术人员容易意识到，多件式分体套筒可以由多于两件的分体形成。例如，在一个或多个实施例中，多件式分体套筒可以是三件、四件、五件、或更多件式分体套筒。此外，如上所述，与参看图2A-B所描述的重叠接合结构类似的重叠接合结构(例如，重叠接合结构312)可以设置在套筒的多个件的结合处，其重叠量足以抵御铜焊材料在分体套筒310的件之间进行毛细流动。此外，尽管图2B所示的实施例仅具有单个重叠接合结构212，然而图3B所示的实施例包括两个重叠接合结构312，分别位于多个套筒件彼此接合的每个点处。
参见图4，示出了设置在套筒410(可选地，为上面描述的多件式套筒)内的内切割元件400，其中，根据这里公开的实施例，内切割元件400包括位于凹槽406和相邻的侧表面之间的光滑弯曲过渡部407。
在一个或多个实施例中，内切割元件400可以是在套筒410内可旋转的可旋转切割元件。此外，在一个或多个实施例中，内切割元件400可包括特硬层402和基体404。在一个或多个实施例中，内切割元件400可具有形成在其侧表面中的凹槽406。如图所示，内切割元件400具有形成在基体404中的凹槽406。
在一个或多个实施例中，至少一个部件可与凹槽406的至少一部分接合以限制内切割元件400相对于套筒410的轴向移动。如图所示，套筒410包括配置成与内切割元件400的凹槽406咬合或接合的凸起408。在一个或多个实施例中，内切割元件400的轴向移动或移位可以通过所述至少一个接合部件(例如套筒410的凸起408)与内切割元件400的凹槽406之间的这种接合而被限制。
如图所示，内切割元件400包括位于凹槽406和相邻的侧表面之间的光滑弯曲过渡部407，侧表面例如为基体404的外表面。因此，在一个或多个实施例中，套筒410包括相应的位于凸起408和相邻的侧表面之间的光滑弯曲过渡部，以与内切割元件400咬合或接合，侧表面例如是套筒410的内表面。
如上所述，在一个或多个实施例中，内切割元件400可以包括形成在其侧表面上的凸起(未示出)而不是凹槽406。此外，在一个或多个实施例中，套筒410可以包括配置成与内切割元件400的凸起咬合或接合的相应的凹槽(未示出)而不是凸起408。如此，在一个或多个实施例中，内切割元件400相对于套筒410的轴向移动或移位可以通过内切割元件的凸起和套筒410的凹槽之间的接合而被限制。
因此，在一个或多个实施例中，内切割元件400可以包括位于形成在其侧表面上的凸起和相邻的侧表面和/或弯曲侧表面之间的光滑弯曲过渡部。此外，在一个或多个实施例中，套筒410可包括相应的位于套筒410的凹槽和相邻的侧表面和/或弯曲侧表面之间的光滑弯曲过渡部以与内切割元件400咬合或接合。在一个或多个实施例中，内切割元件的侧表面为连续弯曲表面。可选地，内切割元件400还可以包括位于侧表面和内切割元件的底表面409之间的光滑弯曲过渡部411，侧表面例如为基体404的外表面。
本领域普通技术人员可以容易地意识到，上面描述的内切割元件400和套筒410的光滑弯曲过渡部可以具有本领域已知的任意大小的半径。换句话说，这里公开的实施例可以包括具有本领域已知的任意大小的曲率半径的光滑弯曲过渡部。此外，本领域普通技术人员可以容易地意识到，上面描述的光滑弯曲过渡部并不局限于圆形弯曲和弧形。例如，上面描述的光滑弯曲过渡部可以是椭圆形，或其它不规律的形状，以使得平滑弯曲过渡并不包括尖锐的边缘或拐角。如这里使用的，“光滑弯曲过渡部”所指的是位于表面之间、不包括尖锐边缘或拐角的过渡部。
由于内切割元件400可以在套筒410内旋转，因此凹槽406和相邻的侧表面之间的光滑弯曲过渡部407可以减少内切割元件400和套筒410之间的摩擦。内切割元件400和套筒410之间的摩擦减少可以延长内切割元件400的寿命，这是由于内切割元件400暴露于外力和条件，该外力和条件可以驱使内切割元件400轴向地抵靠套筒410，并且还可以驱使内切割元件400在套筒410内旋转。
参照图5，示出了设置在套筒510(可选地为上面描述的多件式套筒)内的内切割元件500，其中，根据这里公开的实施例，内切割元件500的底表面509具有弯曲部分。
在一个或多个实施例中，内切割元件500可以为在套筒510内可旋转的可旋转切割元件。此外，在一个或多个实施例中，内切割元件500可包括特硬层502和基体504。在一个或多个实施例中，内切割元件500可具有形成在其侧表面中的凹槽506。如图所示，内切割元件500具有形成在基体504中的凹槽506。
在一个或多个实施例中，至少一个部件可与凹槽506的至少一部分接合以限制内切割元件500相对于套筒510的轴向移动。如图所示，套筒510包括配置成与内切割元件500的凹槽506咬合或接合的凸起508。在一个或多个实施例中，内切割元件500的轴向移动或移位可以通过所述至少一个部件(例如套筒510的凸起508)与内切割元件500的凹槽506之间的这种接合而被限制。
如图所示，内切割元件500包括位于侧表面和内切割元件的底表面509之间的光滑弯曲过渡部511，侧表面例如为基体504的外表面。因此，在一个或多个实施例中，套筒510包括相应的位于套筒510的内侧表面和相邻的套筒510的内底表面之间的光滑弯曲过渡部以与内切割元件500的弯曲底表面509咬合或接合。
此外，如图所示，内切割元件500的底表面509具有弯曲部分。换句话说，在一个或多个实施例中，切割元件500的底表面509为弯曲表面。如图所示，切割元件500的底表面509为弯曲表面并且具有凸面形状。在一个或多个实施例中，可与内切割元件500的底表面509接合的套筒510的内表面可以与内切割元件500的弯曲底表面509不一致。换句话说，尽管内切割元件500的底表面509可以弯曲并且为凸面，但是套筒510的接触表面可以不必弯曲或为凸面。相反，在一个或多个实施例中，套筒510的接触表面可以是平直的，使得内切割元件500的底表面509和套筒510之间的接触被最小化。
可选地，在一个或多个实施例中，套筒510的接触表面可以是弯曲表面，但是可以相背地弯曲或沿与内切割元件500的弯曲底表面509相反的方向弯曲，使得内切割元件500和套筒510之间的接触和表面区域被最小化。具有弯曲或圆锥形状表面的切割元件的其它例子包括在美国临时专利申请No.61/479,183中，其由此通过引用被整体包含到这里。
由于内切割元件500在套筒510内可旋转，内切割元件500的弯曲底表面509可以使与套筒510接触的表面区域最小化。内切割元件500的底表面509和套筒510之间的接触表面区域可以通过与整个底表面509与套筒510接触相反地在内切割元件的底表面509和套筒510之间产生一个接触点而实现最小化。内切割元件500的底表面509可与套筒510的内表面接触的表面区域最小化可致使内切割元件500和套筒510之间的摩擦减小。如上面所述，内切割元件500和套筒510之间的摩擦减小可以延长内切割元件500的寿命，这是由于内切割元件500暴露于外力和条件，所述外力和条件可驱使内切割元件500轴向地抵靠套筒510，并且还可驱使内切割元件500在套筒510内旋转。
在一个或多个实施例中，沿着内切割元件500的外直径和/或在内切割元件500的底表面509上可以设置一个或多个滚珠轴承或滚柱轴承(未示出)，以使内切割元件500和套筒510之间的摩擦最小化。
参照图6A和6B，示出了：内切割元件600具有形成在其侧表面上的凹槽606，其中，凹槽606仅仅围绕内切割元件600的一部分延伸。
在一个或多个实施例中，内切割元件600可以包括特硬层602和基体604。在一个或多个实施例中，内切割元件600可具有形成在其侧表面中的凹槽606。如图所示，内切割元件600具有形成在基体604中的凹槽606，其中，凹槽仅围绕内切割元件600的圆周的一部分延伸。切割元件600可以保持在套筒610(可选地为如上所述的多件式套筒)中。
在一个或多个实施例中，至少一个接合部件可与凹槽606的至少一部分接合以限制内切割元件600相对于套筒610的轴向移动。在一个或多个实施例中，套筒610可包括配置成与内切割元件600的凹槽606咬合或接合的凸起(未示出)。在一个或多个实施例中，内切割元件600的轴向移动或移位可以通过所述至少一个接合部件(例如套筒610的凸起)与内切割元件600的凹槽606之间的这种接合而被限制。
在一个或多个实施例中，套筒610的相应的凸起(或凹槽)可以不围绕内切割元件的整个圆周延伸并且可以被形成为与内切割元件600的凹槽606(或凸起)接合。换句话说，在一个或多个实施例中，套筒610的凸起的大小基本上可与内切割元件600的凹槽606的大小匹配，使得套筒610的凸起可以被形成为与形成在内切割元件600中的相应的凹槽606接合或咬合。这可以限制内切割元件600在套筒610内的旋转以及内切割元件600相对于套筒610的轴向移动或移位。
参照图7，示出了设置在套筒710(可选地为上面描述的多件式套筒)内的内切割元件700，其中，套筒710的外直径DS与内切割元件700的外直径DC相同。
在一个或多个实施例中，内切割元件700可以包括特硬层702和基体704。在一个或多个实施例中，内切割元件700可具有形成在其侧表面中的凹槽706。如图所示，内切割元件700具有形成在基体704中的凹槽706。
在一个或多个实施例中，至少一个接合部件可与凹槽706的至少一部分接合以限制内切割元件700相对于套筒710的轴向移动。在一个或多个实施例中，套筒710可包括配置成与内切割元件700的凹槽706咬合或接合的凸起708。在一个或多个实施例中，内切割元件700的轴向移动或移位可以通过所述至少一个部件(例如套筒710的凸起708)与内切割元件700的凹槽706之间的这种接合而被限制。
如图所示，内切割元件700设置在套筒710内。在一个或多个实施例中，内切割元件700可以为可以在套筒710内旋转的可旋转切割元件。如图所示，套筒710的外直径DS基本上与内切割元件700的外直径DC相等。
如图8所示，内切割元件800设置在套筒810(可选地为上面描述的多件式套筒)内，其中，根据这里公开的实施例，内切割元件800包括位于凹槽806和相邻的侧表面之间的光滑弯曲过渡部807，并且套筒810的外直径DS与内切割元件800的外直径DC相等。
在一个或多个实施例中，内切割元件800可以为在套筒810内可旋转的可旋转切割元件。此外，在一个或多个实施例中，内切割元件800可包括特硬层802和基体804。在一个或多个实施例中，内切割元件800可具有形成在其侧表面中的凹槽806。如图所示，内切割元件800具有形成在基体804中的凹槽806。
在一个或多个实施例中，至少一个部件可与凹槽806的至少一部分接合以限制内切割元件800相对于套筒810的轴向移动。如图所示，套筒810包括配置成与内切割元件800的凹槽806咬合或接合的凸起808。在一个或多个实施例中，内切割元件800的轴向移动或移位可以通过所述至少一个接合部件(例如套筒801的凸起808)与内切割元件800的凹槽806之间的这种接合而被限制。如图所示，套筒810的外直径DS基本上与内切割元件800的外直径DC相等。
此外，如图所示，内切割元件800包括位于凹槽806和相邻的侧表面之间的光滑弯曲过渡部807，侧表面例如为基体804的外表面。因此，在一个或多个实施例中，套筒810包括相应的位于凸起808和相邻侧表面之间的光滑弯曲过渡部以与内切割元件800咬合或接合，侧表面例如为套筒810的内表面。
如上所述，在一个或多个实施例中，内切割元件800可包括形成在其侧表面上的凸起(未示出)而不是凹槽806。此外，在一个或多个实施例中，套筒810可以包括配置成与内切割元件800的凸起咬合或接合的相应的凹槽(未示出)而不是凸起808。如此，在一个或多个实施例中，内切割元件800相对于套筒810的轴向移动或移位可以通过内切割元件的凸起和套筒810的凹槽之间的接合而被限制。
相应地，在一个或多个实施例中，内切割元件800可包括位于形成在其侧表面上的凸起和相邻的侧表面和/或弯曲侧表面之间的光滑弯曲过渡部。此外，在一个或多个实施例中，套筒810可包括相应的位于套筒810的凹槽和相邻的侧表面和/或弯曲侧表面之间的光滑弯曲过渡部以与内切割元件800咬合或接合。在一个或多个实施例中，内切割元件的侧表面为连续弯曲表面。可选地，内切割元件800还可以包括位于侧表面和内切割元件的底表面809之间的光滑弯曲过渡部811，侧表面例如为基体804的外表面。
本领域普通技术人员可以意识到，上面描述的与内切割元件800和套筒810相关的光滑弯曲过渡部可以具有本领域已知的任意半径。换句话说，这里公开的实施例的光滑弯曲过渡部可具有本领域已知的任意的曲率半径。此外，本领域普通技术人员可以意识到，上面描述的光滑弯曲过渡部并不限定于圆形弯曲和弧形。例如，上面公开的光滑弯曲过渡部可以是椭圆形或其它非规则的形状，以使得光滑弯曲过渡部不包括尖锐的边缘或拐角。如这里使用的“光滑弯曲过渡部”所指的是位于表面之间而不包括尖锐边缘或拐角的过渡部。
由于内切割元件800可以在套筒810内旋转，位于凹槽806和相邻侧表面之间的光滑弯曲过渡部807可以减少内切割元件800和套筒810之间的摩擦。内切割元件800和套筒810之间的摩擦减少可以延长内切割元件800的寿命，这是由于内切割元件暴露于外力和条件下，所述外力和条件可驱使内切割元件800轴向地抵靠套筒810，并且还可驱使内切割元件800在套筒810内旋转。
在一个或多个实施例中，切割工具可包括：工具主体；从工具主体延伸的多个刀片；形成在多个刀片中的至少一个切割器凹口；设置在所述至少一个切割器凹口中的至少一个切割器组件，该至少一个切割器组件包括多件式分体套筒、侧表面中形成有凹槽或凸起并且设置在多件式分体套筒中的内切割元件以及至少一个与凹槽或凸起的至少一部分接合以限制内切割元件相对于多件式分体套筒的轴向移动的部件，其中，分体套筒的多个件在重叠接合结构处结合到一起，其中，多件式套筒被铜焊到至少一个切割器凹口中。
返回参照图2，内切割元件200可为在多件式分体套筒210内可旋转的可旋转切割元件。内切割元件200可设置在多件式分体套筒210内，该多件式分体套筒210可以设置在形成在工具主体的至少一个刀片上的切割器凹口中。如上所述，套筒210可包括形成在分体套筒210的任意件结合或接合到一起的任意点处的至少一个重叠接合结构212。多件式套筒可以铜焊到所述至少一个切割器凹口中。如上所述，重叠接合结构(例如重叠接合结构232)足以抵御铜焊材料在分体套筒210的件之间进行毛细流动。
在一个或多个实施例中，切割工具可包括：工具主体；从工具主体延伸的多个刀片；设置在至少一个刀片上的至少一个可旋转切割元件，其中，可旋转切割元件具有形成在其侧表面中的凹槽以及与可旋转切割元件在凹槽处接合并且限制可旋转切割元件的轴向移动的至少一个保持元件，其中，可旋转切割元件包括位于凹槽和相邻侧表面之间的光滑弯曲过渡部。在一个或多个实施例中，可旋转切割元件可包括位于侧表面与可旋转切割元件的底表面和/或弯曲的侧表面和/或底表面之间的光滑弯曲过渡部。
此外，在一个或多个实施例中，可旋转切割元件可设置在套筒中，其中，套筒可以被铜焊到形成在所述至少一个刀片中的切割器凹口中。在一个或多个实施例中，可旋转切割元件可以设置在切割器凹口中而没有套筒。在一个或多个实施例中，套筒可以为多件式套筒(例如图2的多件式套筒210)，其中，分体套筒的多个件在重叠接合结构(即图2的重叠接合结构212)处被结合到一起。
根据一些实施例，多件式套筒或套筒与切割器凹口的组合可以围绕内切割元件的圆周延伸超过180度，以将内切割元件径向地保持在切割器凹口中。例如，切割器组件可包括多件式套筒以及具有形成在其圆周侧表面中的凹槽或凸起并且设置在套筒中的内切割元件。至少一个部件可与凹槽或凸起的至少一部分接合，以限制内切割元件相对于多件式套筒的轴向移动，同时多件式套筒或套筒与切割器凹口的组合可以围绕内切割元件的圆周延伸超过180度，以将内切割元件径向上保持在切割器凹口内。
例如，图9-11示出了具有使用套筒与切割器凹口内侧表面的组合保持在切割器凹口内的内切割元件的切割器组件，该组合围绕内切割元件的外圆周侧表面延伸超过180度。如图9-11所示，钻头刀片2000的一部分具有组装在切割器凹口2010内的内切割元件2020。特别地，内切割元件2020具有切割面2022、外圆周表面2024以及形成在外圆周表面2024内的圆周沟槽或凹槽2026。切割器凹口2010具有后表面2012和内侧表面2014，其中，接收座2015(由阴影区域表示)形成在侧表面2014内以容纳部分套筒2040。接收座2015从刀片2000的前侧2002沿着切割器凹口2010的长度延伸距离D并且围绕切割器凹口2010的侧表面延伸一个径向距离。部分套筒2040可设置成与内切割元件2020相邻，使得部分套筒2040围绕内切割元件2020的外圆周表面2024部分地延伸。在图9-11所示的实施例中，套筒2040为由单个件形成的部分套筒。然而，在其它实施例中，套筒也可以为如上面所述的多件式分体套筒。此外，部分套筒2040具有形成在其上与内切割元件2020的圆周凹槽2026配合的唇状物或凸起2046。内切割元件2020和部分套筒2040接着可以被插入到切割器凹口2010中。部分套筒2040被连接到切割器凹口2010，以形成切割器凹口侧表面的一部分，其中，内切割元件2020可以在切割器凹口2010和部分套筒2040内旋转。将部分套筒2040连接到滚动切割器凹口2010的方法例如可以包括铜焊、熔焊或机械锁定。
如图所示，部分套筒2040和切割器凹口侧表面2014可以形成弧A。该弧可围绕内切割元件2020延伸超过180度。因此，在该实施例中，切割器凹口和部分套筒的功能类似于上面描述的多件式分体套筒，其中，切割器凹口形成一个或多个包围内切割元件的件并且部分套筒形成另一个包围内切割元件的件。有利的是，在弧延伸超过180度的一些实施例中，内切割元件可以仅仅使用切割器凹口的侧表面和部分套筒而被保持在切割器凹口内。例如，侧表面保持机构(沿着切割器凹口侧表面/部分套筒形成的配合凸起(或凹槽)以及形成在内切割元件内的圆周凹槽(或凸起))可以将内切割元件轴向地保持在切割器凹口和套筒内，同时切割器凹口侧表面(与部分套筒组合)延伸超过180度可以防止内切割元件从切割器凹口脱离(从顶面被拉出)。
此外，部分套筒以及相应的接收座的形状可以改变。例如，如图12和13所示，示出了根据本公开的实施例的两种部分套筒。一种部分套筒2340具有下表面2341和上表面2342，其中，上表面2342设置成与滚动切割器相邻并且一旦滚动切割器被插入到滚动切割器凹口接收座中上表面2342就形成滚动切割器凹口的至少部分侧表面。特别地，部分套筒2340的上表面2342具有弧形形状，一旦部分套筒2340与滚动切割器组装到一起时，该上表面2342围绕滚动切割器的部分圆周延伸。此外，如上所述，部分套筒2340的上表面2342可具有形成在其上的至少一个唇状物2346(和/或至少一个沟槽)。部分套筒的形状可以参照其宽度W(部分套筒从刀片的前表面延伸到滚动切割器凹口中的距离)、深度D(部分套筒的上表面和部分套筒的下表面之间的距离)以及弧长L(围绕上表面的弧的距离)进行描述。如图12所示，部分套筒2340的深度D当绕弧长L测量时可从部分套筒2340的上表面2342向下表面2341延伸一个不变的距离。因此，在这样的实施例中，沿着部分套筒2340的长度的横截面形状可为弧形，或为部分圆形。可选地，如图13所示，部分套筒2340的深度D可从部分套筒2340的上表面2342向下表面2341延伸一个变化的距离，该距离绕弧长L测量。在该实施例中，沿着部分套筒的长度的横截面形状可为不规则的形状。此外，部分套筒2340的宽度W围绕弧长L测量时可以是不变的或者变化的。本领域普通技术人员可以意识到，根据本公开的实施例的接收座可以具有与上面描述的部分套筒的形状相对应的形状。特别地，接收座可以具有与相应的部分套筒配合的负的形状(即，空缺形状，或者空的空间)。
在使用套筒的实施例中，这种套筒可以采用本领域已知的任何方式固定到钻头主体，包括通过在烧结钻头主体(或其它切割工具)的过程中铸造到位或者通过将元件铜焊到切割器凹口(未示出)的合适位置。可在内可旋转切割元件被保持在套筒内之前或之后进行铜焊；然而，在特殊实施例中，内可旋转切割元件在套筒被铜焊到位之前保持在套筒中。此外，在使用多件式套筒的实施例中，在烧结钻头主体的过程中，套筒的一个或多个件可以被铸造到位并且套筒的一个或多个件可以采用其它方式被固定到钻头主体，例如铜焊。例如，再次参照图9-11，切割器凹口2010的内侧表面2014可以由多件式套筒的在钻头主体的烧结过程中被铸造到位的件形成，而部分套筒2040可以是多件式套筒的被铜焊到位的另一件。
这里描述的每个实施例具有包括在其中的至少一种特硬材料。这种特硬材料可包括传统的多晶金刚石台面(金刚石颗粒相互连接的台面，在颗粒之间具有间隙空间，在间隙空间中可留存有金属组分(例如金属催化剂))；例如通过从相互连接的金刚石颗粒之间的间隙空间或者从金刚石/碳化硅混合物中移除差不多全部的金属而形成热稳定的金刚石层(即，比传统的多晶金刚石在750℃下具有更高的热稳定性)；或者其它特硬材料，例如立方体氮化硼。此外，在特殊的实施例中，内可旋转切割元件可以整体由特硬材料形成，但是该元件可包括多个金刚石使用等级，例如，用于形成梯度结构(在各级之间形成缓变或非缓变的过渡)。在一个特殊的实施例中，第一金刚石等级具有较小的颗粒尺寸和/或更高的金刚石密度，可用于形成内可旋转切割元件的上方部分(当安装到钻头或其它工具时形成切割边缘)，而第二金刚石等级具有较大的颗粒尺寸和/或较高的金属含量，可以用于形成切割元件下方的非切割部分。此外，使用多于两个的金刚石等级也位于本公开的范围之内。
如本领域已知的，可以以多种方式形成热稳定金刚石。典型的多晶金刚石层包括相互连接的单独金刚石“晶体”。单独的金刚石晶体由此形成晶格结构。金属催化剂，例如钴，可以被用于提高金刚石颗粒的再结晶以及晶格结构的形成。由此，钴颗粒通常被发现位于金刚石晶格结构中的间隙空间内。钴与金刚石相比具有明显不同的热膨胀系数。因此，当对金刚石台面加热时，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，这在晶格结构中产生裂缝并且导致金刚石台面劣化。
为了避免这个问题，可使用强酸从多晶金刚石晶格结构(薄层或整块)中“浸滤”钴，以至少减少对金刚石-钴混合物加热时以不同速率膨胀所经历的损坏。“浸滤”过程的例子例如可以在美国专利No.4,288,248和4,104,344中找到。简要地讲，可使用强酸，通常为氢氟酸或几种强酸的组合，对金刚石台面进行处理，从PDC混合物中至少移除部分钴催化剂。合适的酸包括硝酸、氢氟酸、氢氯酸、硫酸、磷酸或高氯酸或者这些算的组合。此外，腐蚀剂，例如氢氧化钠和氢氧化钾，已被用于碳化物行业，从碳化物混合物中消化掉金属元素。此外，也可以根据需要使用其它酸以及基本的浸滤剂。本领域普通技术人员可以意识到，浸滤剂的摩尔浓度可以根据期望的浸滤时间、危害的考虑等等进行调节。
通过浸滤掉钴，可以形成热稳定多晶(TSP)金刚石。在特定的实施例中，仅仅所选取的金刚石混合物部分被浸滤，以在获得热稳定性的同时不会损失抗冲击强度。如这里所使用的，术语TSP包括上面两种(即，被部分和完全浸滤的)复合物。可以通过进一步的合并或者通过向间隙体积内填充辅助材料而减少浸滤后保存的间隙体积，例如通过本领域已知的并且在美国专利No,5,127,923中描述的工艺，其由此通过引用被整体结合到这里。
可选地，TSP可以通过在压机中使用钴以外的结合剂(一个例子是硅)形成金刚石层形成，该结合剂与钴相比热膨胀系数与金刚石更加近似。在制造过程中，大部分的硅，80到100体积百分比的硅与金刚石晶格反应以形成碳化硅，其热膨胀与金刚石也类似。当加热时，与钴和金刚石的膨胀速率相比，任何剩余的硅、碳化硅以及金刚石晶格将以更加近似的速率膨胀，结果形成更加热稳定的层。具有TSP切割层的PDC切割器具有相对较低的磨损速率，即使切割器温度达到1200℃。然而，本领域普通技术人员可以意识到，可以通过本领域已知的其它方式形成热稳定金刚石层，例如包括通过在金刚石层的形成中改变处理条件。
切割面可选地布置在其上的基体可由多种硬的或特硬的颗粒形成。在一个实施例中，基体可由合适的材料形成，例如，碳化钨、碳化钽或碳化钛。此外，不同的结合金属可以包括在基体中，例如钴、镍、铁、金属合金或它们的混合物。在基体中，金属碳化物颗粒被支撑在金属结合剂(如钴)内。此外，基体可以由烧结的碳化钨复合材料结构形成。众所周知的是，除了碳化钨和钴之外，还可以使用不同的金属碳化物复合材料和结合剂。因此，使用碳化钨和钴的表述仅仅是为了说明的目的，不旨在限制使用的基体或结合剂的类型。在另一个实施例中，基体还可以由金刚石特硬材料形成，例如多晶金刚石和热稳定金刚石。虽然说明的实施例示出了切割面和基体作为两个不同部分，但是本领域技术人员应该理解，在本公开的公开范围内的是，切割面和基体是一体的、相同的组分。在上述的实施例中，可以优选具有形成切割面和基体或不同层的单金刚石复合材料。具体地，在切割元件是可旋转切割元件的实施例中，整个切割元件可以由特硬材料形成，该特硬材料包括热稳定性金刚石(例如，通过从间隙区域去除金属或通过形成金刚石/碳化硅复合材料形成)。
套筒可由多种材料形成。在一个实施例中，套筒可以由合适的材料(例如碳化钨、碳化钽或者碳化钛)形成。此外，不同的结合金属可以包括在外部支撑元件中，例如钴、镍、铁、金属合金或它们的组合，使得金属碳化物颗粒支撑在金属结合剂内。在一个特殊的实施例中，外部支撑元件是具有钴含量从6到13百分比变化的硬质碳化钨。也在本公开的范围内的是，套筒和/或基体还可以包括一种或多种润滑材料，例如金刚石，用以减少摩擦系数。部件可以整个由上述材料形成，或使部件的部分包括沉积在部件上的上述润滑材料，例如通过化学镀敷、包括空心阴极等离子体增强CVD的化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积、真空沉积、电弧工艺、或高速喷雾。在一个特殊的实施例中，金刚石状的涂层可以通过CVD或空心阴极等离子体增强CVD形成，例如在US2010/0108403中公开的涂层的类型，该专利被转让给本受让人，且在本文中以参考的形式引用其全部内容。
在其它实施例中，套筒可以由合金钢、镍基合金及钴基合金形成。本领域普通技术人员还可以认识到，切割元件部件可涂覆有硬面材料用于提高腐蚀保护。这种涂层可通过本领域已知的各种技术进行涂覆，例如，爆炸枪(d-gun)以及喷射-熔化技术(spray-and-fuse techniques)。
本公开的切割元件可以应用到各种类型的切割工具中，例如包括作为固定切割器钻头中的切割器或扩孔工具、例如扩孔器。具有本公开的切割元件的钻头可以包括单个可旋转切割元件，而剩余的切割元件为传统的切割元件；全部切割元件均是可旋转的；或者可旋转和传统切割元件之间的任意组合。
在一些实施例中，可对切割元件设置在固定切割器钻头的刀片上的位置进行选择以使得可旋转切割元件放置在经历最大磨损的区域。例如，在一个特殊的实施例中，可旋转切割元件可以放置在固定切割器钻头的肩部或鼻区域中。此外，本领域普通技术人员可以认识到，并不存在对本公开的切割元件的尺寸进行的限制。例如，在各个实施例中，切割元件可以形成为具有如下尺寸，包括但不限于9mm、13mm、16mm和19mm。
此外，本领域普通技术人员还可以意识到，上面描述的任意的设计修改例如包括侧倾角、后倾角、形状变化、表面变化/蚀刻、密封件、轴承、材料组合物等等可以以各种组合包括，而不限于上面描述的本公开的切割元件。在一个实施例中，切割器的侧倾角的范围为0到±45度。在另一个实施例中，切割器的后倾角的范围为5到35度。
切割器可以以选取的后倾角设置在刀片上，以帮助移除钻屑并且提高穿透速率。当钻头旋转时，以侧倾角设置在钻头上的切割器可被驱使沿径向和切线方向向前。在一些实施例中，由于径向方向可以帮助内可旋转切割元件相对于外部支撑元件移动，因此这种旋转可使更多的钻屑被移除并且提供提高的穿透速率。本领域普通技术人员可以意识到，本公开的切割元件可以采用任意的后倾角和侧倾角，以增强旋转能力和/或提高钻井效率。
当切割元件与地层接触时，切割元件的旋转运动可以是连续或不连续的。例如，当切割元件采用确定的侧倾角和/或后倾角安装时，切割力可通常指向一个方向。提供方向性的切割力可使得切割元件具有连续的旋转运动，进一步提高钻井效率。
本公开的实施例可提供如下的至少一个优点。使用具有弯曲或凸形底表面的内切割元件可以使内切割元件的底表面和套筒之间的接触面积最小化。由于内切割元件的底表面和套筒之间的接触面积可被最小化，因此内切割元件的底表面和套筒之间的摩擦可被减小，这可延长内切割元件的寿命。此外，使用多件式分体套筒可使得内切割元件侧面保持在切割组件内而不会阻碍位于内切割元件的顶部的切割表面的任何部分。此外，使用具有一个或多个位于分体套筒的任何件接合或连接到一起的位置上的重叠接合结构的多件式分体套筒可使得上面描述的内切割元件被侧面保持，同时还足以抵御铜焊材料在分体套筒的件之间进行毛细流动。
尽管在上面已经仅对几个示例性实施例进行了详细描述，但本领域普通技术人员可以容易地意识到，可对示例性实施例进行多种修改而不会实质上脱离本发明。因此，所有这些修改均应包括在后面所附的权利要求中限定的本公开的范围内。在权利要求中，功能性限定表述用于覆盖这里描述的作为执行叙述的功能的结构，不仅仅是结构等同，而且还是等同结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等同，因为在固定木质部件时，钉子采用圆柱表面将木质部件固定到一起，而螺钉采用螺旋表面，但是钉子和螺钉为等同结构。本申请的明确目的在于不援引35 U.S.C.§ 112,段落6对这里的任何权利要求进行任何限制，除了那些明确将词语“用于…的装置”和相关的功能一起使用的权利要求。

Claims (44)

1.一种切割器组件，包括： 
多件式分体套筒； 
内切割元件，所述内切割元件的侧表面中形成有凹槽或凸起，且所述内切割元件设置在多件式分体套筒中；以及 
与凹槽或凸起的至少一部分接合以限制内切割元件相对于多件式分体套筒轴向移动的至少一个接合部件， 
其中，分体套筒的多个件以重叠接合结构接合到一起。 
2.权利要求1的切割器组件，其中，内切割元件能在多件式分体套筒内旋转。 
3.权利要求1或2的切割器组件，其中，套筒分体包括至少两种内表面半径，第一套筒半径小于第二套筒半径，其中，内切割元件包括具有至少两种半径的侧表面，第一切割元件半径小于第二切割元件半径并且轴向上设置在切割面和第二切割元件半径之间，套筒与内切割元件侧表面的至少一部分邻近，使得第一套筒半径与第一切割元件半径配合且第二套筒半径与第二切割元件半径配合。 
4.前面任意一项权利要求的切割器组件，其中，凹槽或凸起围绕内切割元件在圆周方向上延伸。 
5.权利要求1到3任意一项的切割器组件，其中，凹槽或凸起仅围绕内切割元件的一部分延伸。 
6.前述任意一项权利要求的切割器组件，其中，接合部件为套筒。 
7.权利要求1到5任意一项的切割器组件，其中，接合部件为与套筒分离的部件。 
8.前述任意一项权利要求的切割器组件，其中，多件式分体套筒仅围绕内切割元件的圆周的一部分延伸。 
9.权利要求8的切割器组件，其中，多件式分体套筒围绕内切割元件延伸超过180度。 
10.权利要求1到7任意一项的切割器组件，其中，多件式分体套筒围绕内切割元件的整个圆周延伸。 
11.前述任意一项权利要求的切割器组件，其中，内切割元件包括位于凹槽和相邻的侧表面之间的光滑弯曲过渡部。 
12.前述任意一项权利要求的切割器组件，其中，内切割元件包括位于内切割元件的侧表面和底表面之间的光滑弯曲过渡部。 
13.前述任意一项权利要求的切割器组件，其中，内切割元件包括金刚石。 
14.前述任意一项权利要求的切割器组件，其中，内切割元件的底表面具有弯曲部分。 
15.一种切割工具，包括： 
工具主体； 
从工具主体延伸的多个刀片； 
形成在所述多个刀片中的至少一个切割器凹口； 
设置在所述至少一个切割器凹口中的至少一个切割器组件，所述至少一个切割器组件包括： 
多件式分体套筒； 
内切割元件，所述内切割元件的侧表面中形成有凹槽或凸起，且 所述内切割元件设置在多件式分体套筒中；以及 
与凹槽或凸起的至少一部分接合以限制内切割元件相对于多件式分体套筒轴向移动的至少一个接合部件， 
其中，分体套筒的多个件以重叠接合结构接合到一起。 
16.权利要求15的切割工具，其中，内切割元件能在多件式分体套筒内旋转。 
17.权利要求15到16任意一项的切割工具，其中，套筒分体包括至少两种内表面半径，第一套筒半径小于第二套筒半径，其中，内切割元件包括具有至少两种半径的侧表面，第一切割元件半径小于第二切割元件半径并且轴向上设置在切割面和第二切割元件半径之间，套筒与内切割元件侧表面的至少一部分邻近，使得第一套筒半径与第一切割元件半径配合且第二套筒半径与第二切割元件半径配合。 
18.权利要求15到17任意一项的切割工具，其中，凹槽或凸起围绕内切割元件在圆周方向上延伸。 
19.权利要求15到17任意一项的切割工具，其中，凹槽或凸起仅围绕内切割元件的一部分延伸。 
20.权利要求15到19任意一项的切割工具，其中，接合部件为套筒。 
21.权利要求15到19任意一项的切割工具，其中，接合部件为与套筒分离的部件。 
22.权利要求15到21任意一项的切割工具，其中，两件式分体套筒仅围绕内切割元件的圆周的一部分延伸。 
23.权利要求15到22任意一项的切割工具，其中，两件式分体套筒围 绕内切割元件延伸超过180度。 
24.权利要求15到21任意一项的切割工具，其中，两件式分体套筒围绕内切割元件的整个圆周延伸。 
25.权利要求15到24任意一项的切割工具，其中，内切割元件包括位于凹槽和相邻的侧表面之间的光滑弯曲过渡部。 
26.权利要求15到25任意一项的切割工具，其中，内切割元件包括位于内切割元件的侧表面和底表面之间的光滑弯曲过渡部。 
27.权利要求15到26任意一项的切割工具，其中，重叠接合结构足以抵御铜焊材料通过这里进行毛细流动。 
28.权利要求15到27任意一项的切割工具，其中，内切割元件包括金刚石。 
29.权利要求15到28任意一项的切割工具，其中，内切割元件的底表面具有弯曲部分。 
30.权利要求15的切割工具，其中，多件式分体套筒的至少一个件被铸造在刀片中。 
31.权利要求15的切割工具，其中，多件式分体套筒的至少一个件被铜焊到切割器凹口中。 
32.一种切割工具，包括： 
工具主体； 
从工具主体延伸的多个刀片； 
设置在至少一个刀片上的至少一个可旋转切割元件，其中，可旋转切 割元件的侧表面中形成有凹槽；以及 
在凹槽处与可旋转切割元件接合并且限制可旋转切割元件轴向移动的至少一个保持元件， 
其中，可旋转切割元件包括位于凹槽和相邻的侧表面之间的光滑弯曲过渡部。 
33.权利要求32的切割工具，其中，可旋转切割元件包括位于可旋转切割元件的侧表面和底表面之间的光滑弯曲过渡部。 
34.权利要求32到33任意一项的切割工具，其中，可旋转切割元件设置在套筒中，其中，套筒被铜焊到形成于所述至少一个刀片中的切割器凹口中。 
35.权利要求34的切割工具，其中，套筒为多件式分体套筒。 
36.权利要求35的切割工具，其中，分体套筒的多个件以重叠接合结构接合到一起。 
37.权利要求35的切割工具，其中，多件式分体套筒包括套筒部件和切割器凹口。 
38.权利要求32到33任意一项的切割工具，其中，可旋转切割元件设置在切割器凹口中。 
39.一种切割工具，包括： 
工具主体； 
从工具主体延伸的多个刀片； 
设置在至少一个刀片上的切割器凹口中的至少一个可旋转切割元件，其中，可旋转切割元件的侧表面中形成有凹槽；以及 
与可旋转切割元件接合的至少一个保持元件； 
其中，所述至少一个保持元件围绕可旋转切割元件延伸超过180度、小于360度。 
40.权利要求39的切割工具，其中，所述至少一个保持元件包括与凹槽配合且限制可旋转切割元件轴向移动的凸起。 
41.权利要求39或40的切割工具，其中，所述至少一个保持元件包括多件式套筒。 
42.权利要求41的切割工具，其中，多件式套筒的至少一个件被铸造到刀片中。 
43.权利要求41到42任意一项的切割工具，其中，多件式套筒的至少一个件被铜焊到刀片中。 
44.权利要求38的切割工具，其中，所述至少一个保持元件包括切割器凹口的一部分和套筒。 
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