CN104471179A - 用于钻土工具的切削元件、包括这种切削元件的钻土工具以及相关方法 - Google Patents

用于钻土工具的切削元件、包括这种切削元件的钻土工具以及相关方法 Download PDF

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Abstract

用于钻土工具的切削元件包括位于超研磨材料块的切削面上的一个或更多个凹部和/或一个或更多个突起。超研磨材料可以设置在基底上。切削面可以是非平面的。该凹部和/或突起可以包括一个或多个线性段。该凹部和/或突起可以包括彼此侧向隔离的离散特征。该凹部和/或突起可以具有螺旋形构造。超研磨材料块可以包括多个薄层，其中至少两个薄层可以在至少一个特性上不同。形成切削元件的方法包括在超研磨材料块的切削面中和/或上形成这样的凹部和/或突起。钻土工具包括这样的切削元件，以及形成钻土工具的方法包括将这样的切削元件连接于工具本体。

Description

用于钻土工具的切削元件、包括这种切削元件的钻土工具以及相关方法
优先权声明
本申请要求享受2012年5月22日提交的发明名称为"用于钻土工具的切削元件、包括这种切削元件的钻土工具以及相关方法"的美国专利申请序列号13/477,905的优先权。
技术领域
本发明的实施例涉及钻土工具、用于这种钻土工具的切削元件以及相关方法。
背景技术
在地下地层中形成井眼用于各种目的，包括例如从地下地层开采石油和天然气以及从地下地层开采地热。可以使用钻头(例如回转式钻土钻头)在地下地层中形成井眼。不同类型的回转式钻土钻头在本领域中是公知的，包括例如固定切削刃钻头(其在本领域中通常称为"刮刀"钻头)、滚动刀具钻头(其在本领域中通常称为"牙轮"钻头)、孕镶金刚石钻头和混合式钻头(其可以包括例如固定切削刃和滚动刀具两者)。使钻头旋转并向地下地层中推进。当钻头旋转时，其刀具或者研磨结构切削、压碎、剪切和/或磨损掉地层材料以形成井眼。由钻头钻出的井眼的直径可以由设置在钻头最大外径上的切削结构限定。
钻头直接或间接联接到本领域中称为"钻柱"的部件的端部上，所述钻柱包括端对端连接的一系列细长管状段，其从地层地表延伸到井眼中。通常可以将包括钻头在内的各种工具和部件一起联接到在被钻进的井眼的底部处的钻柱的远端。工具和部件的这种组件在本领域中称为"底部钻具组合"(BHA)。
通过从地层表面旋转钻柱而可以使钻头在井眼内旋转，或者通过将钻头连接到井下马达而可以使钻头旋转，所述井下马达也联接于钻柱并且领近井眼底部配置。井下马达可以包括例如具有轴的液压Moineau型马达，钻头安装到所述轴上，通过泵送流体(例如钻井泥浆或流体)可以使轴转动，所述流体从地层地表向下穿过钻柱中心、穿过液压马达，从钻头中的喷嘴出来，穿过钻柱外表面与井眼内地层的暴露表面之间的环形空间向上返回到地层地表。
发明内容
在有些实施例中，本公开内容包括一种用于钻土工具的成型切削元件。该切削元件包括基底和配置在基底上的超研磨材料块(a volumeof superabrasive material)。超研磨材料块具有非平面前切削面和侧向侧表面。切削元件还包括从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项。
在另外的实施例中，本公开内容包括一种用于钻土工具的切削元件，所述切削元件包括基底和配置在基底上的超研磨材料块。块超研磨材料具有前切削面和侧向侧表面。切削元件还包括从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项。所述凹部和突起两项中的至少一项包括在至少大体上横向于切削元件的中心轴线定向的方向上跨所述前切削面线性延伸的至少一个线性段。
在另外的实施例中，本公开内容包括一种用于钻土工具的切削元件。该切削元件包括基底和配置在基底上的超研磨材料块。超研磨材料块具有前切削面和侧向侧表面。切削元件还包括从前切削面延伸到超研磨材料块中的多个离散的、侧向隔离的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的多个离散的、侧向隔离的突起两项中的至少一项。
在另外的实施例中，本公开内容包括一种用于钻土工具的切削元件。该切削元件包括基底和配置在基底上的超研磨材料块。所述超研磨材料块具有前切削面和侧向侧表面。所述切削元件还包括细长凹部和细长突起两项中的至少一项，所述细长凹部延伸到所述前切削面中并沿着螺旋形路径从紧邻切削元件的中心轴线的位置延伸到切削元件的侧向周缘，而所述细长凸起从所述前切削面向外延伸并沿着螺旋形路径从紧邻切削元件的中心轴线的位置延伸到切削元件的侧向周缘。
在另外的实施例中，本公开内容包括一种用于钻土工具的切削元件。该切削元件包括基底和配置在基底上的超研磨材料块。超研磨材料块具有前切削面和侧向侧表面。切削元件还包括从所述前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部，和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项。另外，一凹部从超研磨材料块的侧向侧表面延伸到超研磨材料块中。
本发明的另外的实施例包括钻土工具，所述钻土工具包括在此所述的切削元件的一个或更多个任意实施例，所述切削元件连接于钻土工具的本体。这种钻土工具可以包括例如回转式钻头，例如固定切削刃回转式钻头或滚动牙轮回转式钻头。
本发明的另外的实施例包括形成在此所述的切削元件的方法。
在有些实施例中，本公开内容包括一种形成用于钻土工具的成型切削元件的方法。将大量超研磨材料设置在基底上。在超研磨材料块上形成非平面的前切削面和侧向侧表面。该方法还包括：形成从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项。
在另外的实施例中，本公开内容包括一种形成用于钻土工具的切削元件的方法，其中，将超研磨材料块设置在基底上。形成所述超研磨材料块，使其具有前切削面和侧向侧表面。另外，该方法还包括：形成从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项。所述凹部和突起两项中的至少一项形成为包括在至少大体上横向于切削元件的中心轴线定向的方向上跨前切削面线性延伸的至少一个线性段。
在另外的实施例中，本公开内容包括一种形成用于钻土工具的切削元件的方法。将超研磨材料块设置在基底上，该超研磨材料块形成有前切削面和侧向侧表面。该方法还包括：形成从前切削面延伸到超研磨材料块中的多个离散的、侧向隔离的凹部，和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的多个离散的、侧向隔离的突起两项中的至少一项。
在另外的实施例中，本公开内容包括一种形成用于钻土工具的切削元件的方法。将超研磨材料块设置在基底上，该超研磨材料块形成有前切削面和侧向侧表面。该方法还包括：形成细长凹部和细长突起两项中的至少一项，所述细长凹部延伸到前切削面中并沿着螺旋形路径从紧邻切削元件的中心轴线的位置延伸到切削元件的侧向周缘，而所述细长突起从前切削面向外延伸并沿着螺旋形路径从紧邻切削元件的中心轴线的位置延伸到切削元件的侧向周缘。
在另外的实施例中，本公开内容包括一种形成用于钻土工具的切削元件的方法。将超研磨材料块设置在基底上，该超研磨材料块形成有前切削面和侧向侧表面。该方法还包括：形成从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项。另外，该方法还包括：形成从超研磨材料块的侧向侧表面延伸到超研磨材料块中的凹部。
本发明的又进一步的实施例包括：使用在此所述的方法形成切削元件；以及将切削元件连接到钻土工具的本体上。
附图说明
虽然本说明书以特别指出并明确要求保护作为本发明的实施例的权利要求结束，但是，从参照附图提供的本发明的实施例的如下描述中可以更容易地确定本发明的各个特征和优点。
图1是包括固定切削回转式钻头的钻土工具的透视图，该固定切削回转式钻头包括在此所述的连接于钻头本体的切削元件。
图2是在切削元件的超研磨材料块的非平面的前切削面上具有凹入表面的成型切削元件的局部剖视侧视图。
图3是图2的切削元件的透视图。
图4是在非平面的前切削面上具有凹入表面的另一成型切削元件的透视图。
图5是具有卵形形状的切削元件的透视图，其包括形成在切削元件的超研磨材料块的前切削面中的凹入表面。
图6是图5的切削元件的前切削面的俯视图。
图7是类似于图6的俯视图，示出了另一个具有三角形状的切削元件，该切削元件包括形成在切削元件的超研磨材料块的前切削面中的凹入表面。
图8是类似于图6的俯视图，示出了另一个切削元件，其包括在该切削元件的超研磨材料块的前切削面中的两个人字形凹入表面。
图9是另一个切削元件的俯视图，其包括在该切削元件的超研磨材料块的前切削面中的两个人字形凹入表面，所述两个人字形凹入表面在切削面上的朝向与图8的切削元件的人字形凹入表面不同。
图10是另一个切削元件的俯视平面图，其包括在该切削元件的超研磨材料块的前切削面中的两个线性凹入表面。
图11是另一个切削元件的俯视平面图，其包括在该切削元件的超研磨材料块的前切削面中的多个线性凹入表面，其中，该多个凹入表面跨整个切削面配置。
图12是另一个切削元件的俯视图，其包括在该切削元件的超研磨材料块的前切削面中的多个离散的、侧向隔离的凹入表面，其中，该多个凹入表面跨整个切削面配置。
图13是另一个切削元件的俯视图，其包括从该切削元件的超研磨材料块的前切削面向外延伸的多个螺旋形延伸的突起。
图14是另一个切削元件的透视图，其包括从该切削元件的超研磨材料块的前切削面向外延伸的多个离散的、侧向隔离的突起。
图15是图14的切削元件的局部截面侧视图。
图16是另一个切削元件的局部截面侧视图，其包括在该切削元件的超研磨材料块的前切削面中的凹入表面，并且所述切削元件还包括从超研磨材料块的侧向侧表面延伸到超研磨材料块中的另一凹入表面。
图17是图16的切削元件的透视图。
图18是另一个切削元件的截面侧视图，该切削元件在其超研磨材料块的前切削面中具有凹入表面，所述切削元件还包括延伸穿过切削元件至超研磨材料块的前切削面的流体通路。
具体实施方式
这里呈现的图示并不是任何具体钻土工具、钻头或者这种工具或钻头的部件的实际视图，而只是理想化的表示，其用于描述本发明的实施例。
正如这里使用的，术语"钻土工具"意指并包括用于移除地层材料并且通过地层材料的移除而穿过地层形成钻孔(例如井眼)的任何工具。钻土工具包括例如回转式钻头(例如固定切削刃钻头或"刮刀"钻头和牙轮钻头或"岩石"钻头)、包括固定切削刃和滚动元件两者的混合式钻头、取芯钻头、冲击钻头、双心钻头、扩孔器(包括可膨胀扩孔器和固定翼扩孔器)和其它所谓的"开孔"工具。
正如这里使用的，术语"切削元件"意指并包括钻土工具的如下任意元件：当使用钻土工具在地层中形成或扩大孔时，该元件用于切削或以其他方式碎裂地层材料。
图1示出了本发明的钻土工具的实施例。图1的钻地工具是具有钻头本体11的固定切削刃旋转钻头10，钻头本体包括自钻头本体11向外凸出并且由流体流道13彼此分开的多个刀翼12。流体流道13的沿着径向侧(钻头10的"保径"区域)延伸的部分在本领域中通常称作"排屑槽"。所述钻头本体11还包括基本圆柱形的内部流体腔室以及穿过钻头本体11延伸到钻头本体11外表面的流体通路。喷嘴18可以紧靠钻头本体11的外表面固定在流体通路内，用于控制钻进期间钻头10的水力学特性。每个刀翼12上安装有多个切削元件20，这里将在下面更加详细地描述切削元件20的各种实施例。
在钻进操作期间，钻头10可以联接于钻柱(未示出)。当钻头10在井眼内旋转时，可以沿着钻柱向下泵送钻进流体，使其穿过钻头10的钻头本体11内的内部流体腔室和流体通路，通过喷嘴18从钻头10出来。钻进流体可以携带由钻头10的切削元件20产生的地层切屑通过流体流道13，绕着钻头10并且通过钻柱外部且处于井眼内的环形空间沿井眼向上返回。
切削元件20中的至少一个切削元件可以具有根据本公开内容的在此所述的若干不同构造中的任意构造。尤其是，切削元件20中的至少一个切削元件具有包括至少一个特征(例如凹部或突起)的三维切削面，所述至少一个特征可以影响切削元件的钻进性、切削元件的耐用性以及地层岩屑粘到切削元件的切削面上的程度。
在有些实施例中，图1的切削元件20中的至少一个切削元件可以包括具有非平面的前切削面的、在本领域中被称为"成型切削元件"的切削元件。这样的切削元件的例子显示在图2至4中。
例如，图2和3示出了成型切削元件100。该成型切削元件100包括切削元件基底102和在基底102上的超研磨材料块104。超研磨材料块104可以包括，例如，聚晶金刚石(PCD)或聚晶立方体氮化硼。在超研磨材料块104包括金刚石的时候，超研磨材料块104在本领域经常被称作"金刚石台"。如图2和3所示，超研磨材料块104的前切削面106不是平的，而是具有拱顶形状。换言之，前切削面106的轮廓具有弓形、凸形，如图2的截面视图所示。另外，可以在切削元件基底102和超研磨材料块104之间限定交界面108。任选地，超研磨材料块104可以具有斜切周缘110。图2和3中所示的超研磨材料块104的斜切周缘110具有单个斜切表面12，不过斜切周缘110也可以具有另外的斜切表面，该另外的斜切表面可以以不同于斜切表面112的斜切角的斜切角定向，正如本领域中已知的。切削元件基底102在有些实施例中可以具有大体上圆柱形的形状，如图2和3所示。可以使用一个或更多个弓形或者"倒圆"边缘或边缘部分代替超研磨材料块的周缘上的一个或更多个斜切表面，或者在超研磨材料块的周缘上的一个或更多个斜切表面之外还可以使用一个或更多个弧形或者"倒圆"边缘或边缘部分，正如本领域技术人员所公知的那样。
超研磨材料块104可以形成在切削元件基底102上，或者超研磨材料块104和切削元件基底102可以分别形成，随后连接在一起。切削元件基底102可以由较硬且抗磨损的材料形成。例如，切削元件基底102可以由金属陶瓷复合材料(其通常称作"金属陶瓷"材料)形成和包括金属陶瓷复合材料，例如烧结碳化物材料。作为一个非限制性的特定实施例，切削元件基底可以包括钴结碳化钨硬质合金材料，其中，碳化钨颗粒在包括钴或钴合金的金属粘结剂基体中粘结到一起。也可以使用其它金属作为金属粘结剂基体，例如镍、铁或它们的合金。
正如前面提到的那样，超研磨材料块104的前切削面106可以包括一个或更多个三维表面特征。举例来说并且不作为限制，超研磨材料块104的前切削面106可以包括如DiGiovanni等申请人于2011年4月22日提交的美国专利申请序列号No.13/092,396，和/或DiGiovanni等申请人于2011年9月16日提交的美国临时专利申请序列号No.61/535,766中所披露的一个或更多个凹部。在其它实施例中，超研磨材料块104的前切削面106可以包括本申请中所述的一个或更多个凹部或突起。
作为一个非限制性的例子，凹入表面114可以限定在切削元件100的切削面106中。例如，大体上环形的凹入表面114可以限定在切削元件100的切削面106中，如图2和3所示。凹入表面114可以紧邻切削元件100的斜切周缘110布置，例如紧邻斜切表面112布置。在有些实施例中，凹入表面114可以是弓形和凹入的，如图2和3所示。根据另外的实施例，凹入表面可以具有任意形状。
作为非限制性的例子，凹入表面114可以从前切削面106向超研磨材料块104内延伸达大致0.0254mm和大致2.54mm之间的深度。另外，凹入表面114的宽度可以介于大致0.1毫米到大致10.0毫米之间，从大致0.5毫米到大致8.0毫米、或甚至从大致1.0毫米到大致5.0毫米。凹入表面114的径向外边缘可以距斜切表面112大致0.1mm到大致8.0mm之间的距离定位。斜切周缘110可以具有大致0.254mm到大致0.483mm之间的宽度(垂直于切削元件100的中心轴线来测量)。在一个非限制性实施例中，凹入表面114的径向外边缘可以距斜切表面112大致1.0mm的距离定位，斜切周缘110可以具有大致0.254mm的宽度。在另一个非限制性的实施例中，凹入表面114的径向外边缘可以距斜切表面112大致1.2mm的距离定位，斜切边缘110可以具有大致0.406mm的宽度。在又一非限制性的实施例中，凹入表面114的径向外边缘可以距斜切表面112大致1.6mm的距离定位，斜切周缘110可以具有大致0.483mm的宽度。
如图2和3所示。凹入表面114可以以环形构造绕切削元件100的中心轴线整个地围绕切削元件100周向地延伸。在另外的实施例中，凹入表面114可以绕切削元件的中心轴线仅仅部分地围绕切削元件100延伸，并且该凹入表面可以包括弯曲段和/或线性段。在有些实施例中，凹入表面114可以包括具有悬链线形状(例如双曲余弦形状)的一个或更多个区段。
图4示出了具有非平面的切削面122的成型切削元件120的另一实施例。图4的切削元件120的切削面122具有相对于图2和3更尖的构造，其包括延伸至大体上拱顶形端表面126的大体上圆锥形侧向侧表面124。该切削元件120还包括切削元件基底128和在基底128上的超研磨材料块130。超研磨材料块130和基底128可以如前述有关图2和图3的超研磨材料块104和基底102一样。超研磨材料块130的尺寸和构造可以使得，包括大体上圆锥形侧向侧表面124和大体上拱顶形端表面126的切削面122包括超研磨材料块130的暴露表面。
切削元件120还包括一个或更多个三维表面特征。举例来说并且不作为限制，超研磨材料块130的切削面122可以包括如美国专利申请序列号NO.13/092,396和/或2011年9月16日提交的美国临时专利申请序列号NO.61/535,766中所披露的一个或更多个凹部。在其它实施例中，超研磨材料块130的切削面122可以包括本申请中所述的一个或更多个凹部或突起。
作为一个非限制性的例子，第一凹入表面132和第二凹入表面134可以限定在研磨材料块130的圆锥形侧表面124上。第一凹入表132和第二凹入表面134均可以类似于图2和3的前述凹入表面114，并且可以是弓形的、凹入的，如图4所示。根据另外的实施例，凹入表面132、134可以具有任意形状。凹入表面132、134可以以环形构造绕切削元件120的中心轴线整个地围绕切削元件120周向地延伸。在另外的实施例中，凹入表面132、134可以绕切削元件的中心轴线仅仅部分地围绕切削元件120延伸，并且可以包括弯曲段和/或线性段。
在本公开内容的另外的实施例中，具有非圆柱形形状的切削元件包括在超研磨材料块上的非平面的前切削面。这样的实施例的例子公开在图5至7中。
图5和6所示的切削元件140具有大体上卵形的形状(在横向于切削元件140的中心轴线的平面中)。该切削元件140包括基底142和在基底142上的超研磨材料块144。超研磨材料块144包括前切削面146。超研磨材料块144和基底142可以如前述有关图2和图3的超研磨材料块104和基底102一样。
如图5和6所示，基底142包括在横向于切削元件140的中心轴线的平面中具有卵形或椭圆形形状的侧向侧表面143。超研磨材料块144还可以包括在横向于切削元件140的中心轴线的平面中具有卵形或椭圆形形状的侧向侧表面145。超研磨材料块144的侧向侧表面145可以与基底142的侧向侧表面143共同延伸并连续。
切削元件140的超研磨材料块104的切削面146还包括一个或更多个三维表面特征。举例来说并且不作为限制，超研磨材料块144的切削面146可以包括如美国专利申请序列号NO.13/092,396和/或2011年9月16日提交的美国临时专利申请序列号No.61/535,766中所披露的一个或更多个凹部。在其它实施例中，超研磨材料块144的切削面146可以包括本申请中所述的一个或更多个凹部或突起。
作为一个非限制性的例子，凹入表面148可以限定在研磨材料块144的切削面146中。凹入表面148可以类似于前述图2和3的凹入表面114。但是，凹入表面148也可以是大体上平的，并且定向成至少基本上横向于切削元件140的中心轴线，如图5和6所示。根据另外的实施例，凹入表面148可以具有任意形状。凹入表面148可以以环形构造绕切削元件140的中心轴线整个地围绕切削元件140周向地延伸。在另外的实施例中，凹入表面148可以绕切削元件的中心轴线仅仅部分地围绕切削元件140延伸，并且可以包括弯曲段和/或线性段。
虽然图5和6的切削元件140在横向于该切削元件的中心轴线的平面中具有卵形或椭圆形形状，但是，根据本公开内容的切削元件的另外的实施例在横向于切削元件的中心轴线的平面中可以具有任意其它形状，包括圆形、三角形、矩形、墓碑形状等形状。
图7是类似于图6的俯视图，示出了在横向于切削元件150的中心轴线的平面中具有三角形状的另一切削元件150。该切削元件150包括基底(未显示)和在基底上的超研磨材料块154。超研磨材料块154包括前切削面156。超研磨材料块154和基底可以如前述有关图2和图3的超研磨材料块104和基底102一样。基底和超研磨材料块154各可以包括在横向于切削元件150的中心轴线的平面中(即，在图7的视图的平面中)具有大体上三角形形状的侧向侧表面。
切削元件150的超研磨材料块154的切削面156还包括一个或更多个三维表面特征。举例来说并且不作为限制，超研磨材料块154的切削面156可以包括如美国专利申请序列号NO.13/092,396和/或2011年9月16日提交的美国临时专利申请序列号NO.61/535,766中所披露的一个或更多个凹部。在其它实施例中，超研磨材料块154的切削面156可以包括本申请中所述的一个或更多个凹部或突起。
作为一个非限制性的例子，凹入表面158可以限定在研磨材料块154的切削面156中。凹入表面158可以是大体上平面的，并且定向成至少基本上横向于切削元件150的中心轴线，如图7所示。凹入表面158可以沿着紧邻三角形切削元件150的切削周缘的三角形轨迹延伸，并且可以沿着切削元件150的中心轴线大体上定位在中央，如图7所示。根据另外的实施例，凹入表面158可以具有任意其它形状。
图2和3的凹入表面114、图4的凹入表面132和134以及图5和6的凹入表面148都为弯曲形状。图7的切削元件150包括具有线性段的凹入表面158。因而，根据本公开内容的切削元件可以包括位于超研磨材料块的前切削面上的特征，其中所述特征包括一个或更多个线性凹入表面，或具有一个或更多个线性段的凹入表面。图8至10示出了这样的实施例的另外的例子。
参照图8，示出了包括超研磨材料块164的切削元件160。该切削元件160可包括基底(未显示)和在基底上的超研磨材料块164。超研磨材料块164包括前切削面166。超研磨材料块164和基底可以如前述有关图2和图3的超研磨材料块104和基底102一样。切削元件160的超研磨材料块164的切削面166还包括一个或更多个三维表面特征，所述三维表面特征包括至少一个线性段。举例来说并且不作为限制，超研磨材料块164的切削面166可以包括如前所述的一个或更多个凹部，但是，其中，该凹部包括至少一个线性段。作为一个非限制性的例子，第一凹入表面168和第二凹入表面170可以限定在研磨材料块164的切削面166上。凹入表面168、凹入表面168、170在横向于切削元件160的中心轴线的侧向平面中可以具有人字形形状，如图8所示。因而，每个凹入表面168、170包括位于人字形凹入表面168、170的顶部的第一侧上的第一线性段和位于人字形凹入表面168、170的顶部的第二侧上的第二线性段。每个人字形凹入表面168、170的顶部可以沿着与切削元件的中心轴线相交的线定位，如图8所示。因而，人字形凹入表面168、170在有些实施例中可以是轴向对称的。人字形凹入表面168、170在其它实施例中可以非轴向对称。在图8的实施例中，凹入表面168、170至少大体上定位在超研磨材料块164的前切削面166的一个半侧上，每个人字形凹入表面168、170的顶部径向向内指向超研磨材料块164的前切削面166的相对的半侧。
图9示出了基本上类似于图8的切削元件160的切削元件180的另一实施例。该切削元件180包括基底(未显示)和在基底上的超研磨材料块184。超研磨材料块184包括前切削面186。超研磨材料块184和基底可以如前述有关图2和图3的超研磨材料块104和基底102一样。切削元件180的超研磨材料块184的切削面186也包括限定在超研磨材料块184的切削面186上的第一凹入表面188和第二凹入表面190。凹入表面188、凹入表面190在横向于切削元件180的中心轴线的侧向平面中具有人字形形状，如图9所示。因而，每个凹入表面188、190包括位于人字形凹入表面188、190的顶部的第一侧上的第一线性段和位于人字形凹入表面188、190的顶部的第二侧上的第二线性段。每个人字形凹入表面188、190的顶部可以沿着与切削元件的中心轴线相交的线定位，如图9所示。在图9的实施例中，凹入表面188、190至少大体上定位在超研磨材料块184的前切削面186的一个半侧上，每个人字形凹入表面188、190的顶部从切削元件180的中心轴线径向向外指向。
图10示出了切削元件200的另一个实施例，其包括基底(未显示)和在基底上的超研磨材料块204。超研磨材料块204包括前切削面206。超研磨材料块204和基底可以如前述有关图2和图3的超研磨材料块104和基底102一样。切削元件200的超研磨材料块204的切削面206也包括限定在超研磨材料块204的切削面206上的第一线性凹入表面208和第二线性凹入表面210。凹入表面208、凹入表面210跨超研磨材料块204的切削面206线性地延伸，如图10所示。凹入表面208、201可以至少大体上互相平行地延伸，如图10所示。在其它实施例中，它们可以彼此成一定角度定向。
图8至10的实施例的切削元件各包括两个凹入表面。在另外的实施例中，任何切削元件可以包括在超研磨材料块的切削面上的一个、三个或任意数量的凹入表面。另外，在包括位于超研磨材料块的切削面中的两个或更多个凹入表面的切削元件的实施例中，凹入表面可以定位在超研磨材料块内的相同的、共同深度处，或者凹入表面可以定位在超研磨材料块内的不同的深度处。此外，在包括位于超研磨材料块的切削面中的两个或更多个凹入表面的切削元件的实施例中，凹入表面可以具有相同的截面形状，或者凹入表面可以具有不同的截面形状。
在本公开内容的切削元件的另外的实施例中，切削元件可以包括位于超研磨材料块的前切削面上的特征，其中所述特征大体上跨整个切削面延伸。图11和12示出了这样的实施例的例子。
图11示出了切削元件220的另一个实施例，其包括基底(未显示)和在基底上的超研磨材料块224。超研磨材料块224包括前切削面226。超研磨材料块224和基底可以如前述有关图2和图3的超研磨材料块124和基底122一样。切削元件220的超研磨材料块224的切削面226也包括限定在超研磨材料块224的切削面226上的多个线性凹入表面228。凹入表面228线性地跨超研磨材料块224的切削面226延伸，如图11所示。凹入表面228可以至少大体上互相平行地延伸，如图11所示。在其它实施例中，它们可以彼此成一定角度定向。例如，在另一个实施例中，每个凹入表面228可以在径向方向上从紧邻切削元件的中心轴线的位置延伸到切削元件的外周边缘，其构造类似于车轮的辐条。
图12示出了切削元件240的另一个实施例，其包括基底(未显示)和在基底上的超研磨材料块244。超研磨材料块244包括前切削面246。超研磨材料块244和基底可以如前述有关图2和图3的超研磨材料块124和基底122一样。切削元件240的超研磨材料块244的切削面246也包括限定在超研磨材料块244的切削面246上的多个线性凹入表面248。凹入表面248各包括离散的矩形凹部。凹入表面248彼此侧向隔离开。多个凹入表面248设置成跨超研磨材料块244的整个切削面246，如图12所示。在有些实施例中，凹入表面248可以以规则阵列设置，例如设置成多行和多列，如图12所示。在其它实施例中，它们也可以跨超研磨材料块244的面246随机定位。
作为非限制性的例子，图11和12的凹入表面具有的平均横截面尺寸可以在大致0.1微米到大致500微米之间、在大致10.0微米到大致400微米之间、或甚至在大致100微米到大致300微米之间。
在参照图2至12描述的切削元件的实施例中，超研磨材料块上的非平面的前切削面包括从超研磨材料块的主表面延伸到超研磨材料块中的凹部。在本公开内容的另外的实施例中，切削元件可以包括在超研磨材料块上的非平面的前切削面，该非平面的前切削面具有从超研磨材料块的主表面向外延伸的突起。例如，本公开内容的另外的实施例包括如同图2至12的切削元件，只是其中，该切削元件包括突起，而不是凹入表面。突起可以具有由横跨超研磨材料块的前切削面限定的表面反射的凹部的镜像限定的横截面几何形状。包括从超研磨材料块的前切削面向外突出的突起的切削元件的另外的例子参照图13至15描述如下。
图13示出了切削元件260的另一个实施例，其包括基底(未显示)和在基底上的超研磨材料块264。超研磨材料块264包括前切削面266。超研磨材料块264和基底可以如前述有关图2和图3的超研磨材料块126和基底122一样。切削元件260的超研磨材料块264的切削面266也包括从超研磨材料块264的切削面266向外延伸的多个突起268。如图13所示，每个突起268可以在大体上螺旋形的方向上从紧邻切削元件260的中心轴线的位置延伸到切削元件260的外周边。在图13的实施例中，每个突起268具有弧形外表面。在其它实施例中，每个突起268可以具有大体上平面的外表面。另外，在图13的实施例中，每个突起268具有的宽度在沿着突起268从紧邻切削元件260的中心轴线的位置到切削元件260的外周边延伸的方向上增大。在其它实施例中，每个突起268的宽度在沿着突起268从紧邻切削元件260的中心轴线的位置到切削元件260的外周边延伸的方向上可以不变或减小。切削元件260包括5个突起，但是其它实施例可以具有一个或更多个突起。例如，另一个实施例可以具有类似于突起268的、以螺旋形方式从紧邻切削元件260的中心轴线的位置到切削元件260的外周边延伸的单个突起。这种单个螺旋形突起在其绕切削元件260的中心轴线螺旋延伸时可以形成不足一个整圆的螺旋，或者可以完成一个或多个整圆的螺旋。在另外的实施例中，参照图13描述的切削元件可以形成为包括代替突起268的凹入表面，其中，凹入表面具有由跨超研磨材料块264的切削面266的表面反射的突起的镜像限定的几何形状，或者由交替的前述的突起和凹部限定的几何形状。
可以限定具有x、y和z轴(彼此成直角)的笛卡尔坐标系以使z轴与切削元件260的中心轴线对齐。正交平面可以由x-y平面、x-z平面和y-z平面限定。坐标系也可以被限定成中心(即x、y和z轴的交点)位于所述中心轴线上。在有些实施例中，突起268关于中心z轴旋转非对称。在有些实施例中，突起268可以关于x-y、x-z和y-z平面中的至少两个平面反射地非对称(也被称为"镜面非对称"、"镜像非对称"和"双侧非对称")。换句话说，当被x-y、x-z和y-z平面中的至少两个平面分割时，突起268的第一半侧可以不包括突起268的第二半侧的对称镜像投影。在其它实施例中，非对称突起268可以关于x-y、x-z和y-z平面中的各平面反射非对称。另外，非对称突起268可以包括旋转非对称和反射非对称的组合。此外，非对称突起268可以关于与基底48相交的所有平面和轴旋转非对称且反射非对称。在前述以及随后在此所述的切削元件的其它实施例的前切削面上的突起和/或凹部也可以类似地呈现这种非对称。
图14和15示出了切削元件280的另一个实施例，其包括从其切削面向外延伸的突起。该切削元件280包括基底282和在基底282上的超研磨材料块284。超研磨材料块284包括前切削面286。超研磨材料块284和基底可以如前述有关图2和图3的超研磨材料块104和基底102一样。切削元件280的超研磨材料块284的切削面286也包括从超研磨材料块284的切削面286向外延伸的多个突起288。如图14和15所示，每个突起288可以为与其它突起288侧向隔离的离散突起288。所述突起可以以规则阵列跨切削面286设置，或者它们可以随机地定位在切削面286上。在图14和15的实施例中，每个突起288具有圆形外表面，所述圆形外表面可以包括球体的一部分(例如，半球)。在其它实施例中，突起288可以具有其它形状。在另外的实施例中，参照图14和15描述的切削元件可以形成为包括替代突起288的凹入表面，其中，凹入表面具有由跨超研磨材料块284的切削面286的表面反射的突起的镜像限定的几何形状。
在本公开内容的另外的实施例中，在超研磨材料块的切削面上具有凹部和/或突起的切削元件(例如如上参照图2至15所述的切削元件)还可以包括延伸到超研磨材料块的侧向侧表面中的一个或更多个凹入表面。下面参照图16和17描述这种切削元件的非限制性例子。
图16和17示出了切削元件300，其包括基底302和在基底302上的超研磨材料块304。超研磨材料块304包括前切削面306。超研磨材料块304和基底302可以如前述有关图2和图3的超研磨材料块104和基底102一样。如图16和17所示，基底302包括侧向侧表面303，超研磨材料块304具有侧向侧表面305。超研磨材料块304的侧向侧表面305可以与基底302的侧向侧表面303共同延伸并连续。切削元件300的超研磨材料块304的切削面306还包括一个或更多个三维表面特征。作为一个非限制性的例子，凹入表面308可以限定在研磨材料块304的切削面306中。凹入表面308可以类似于前述图5和6的凹入表面148。凹入表面308可以具有根据另外的实施例在此所述的任意其它构造，切削元件300可以包括代替凹入表面308、从切削面306向外突出的一个或多个突起，或者除了凹入表面308之外具有从切削面向外突出的一个或多个突起。
如图16和17所示，切削元件300还包括至少一个凹入表面310，所述凹入表面310从超研磨材料块304的侧向侧表面305延伸到超研磨材料块304中。在有些实施例中，所述凹入表面310可以绕超研磨材料块304的整个侧向外周周向地延伸。在图16和图17所示的实施例中，凹入表面310具有弓形截面形状。在其它实施例中，凹入表面310可以由在一个尺寸上(例如在图16的平面内的竖直尺寸或水平尺寸上)为平面的多个表面限定。如图16和17所示，凹入表面310可以只延伸到超研磨材料块304中，而不延伸到基底302的任何部分中。在其它实施例中，凹入表面310的一部分也可以延伸到基底302中。换句话说，凹入表面310可以跨超研磨材料块304和基底302之间的交界面延伸。
在钻进期间，凹入表面310可以导致在切削元件上形成的磨损伤痕处形成径向延伸的唇部。这种径向延伸的唇部在本领域通常被称作"剪切唇"，当钻进期间，与剪切唇相邻的地层区域被切削元件剪切掉并移除时，可能导致剪切唇附近的地层区域处产生应力集中。由于在延伸到地层中的磨损伤痕处存在这种唇部而导致的应力集中，可以使得切削效率得到改善。
根据本公开内容的切削元件，例如参照图2至17所述的任意切削元件，可以形成为包括贯穿切削元件延伸到超研磨材料块上的切削面的一个或多个流体通路。这种切削元件的例子参照图18显示如下。
图18是切削元件320的截面视图，该切削元件大体上类似于图2和3的切削元件100。该切削元件320包括基底322和在基底322上的超研磨材料块324。超研磨材料块324包括拱顶形前切削面326。超研磨材料块324和基底322可以如前述有关图2和图3的超研磨材料块104和基底102一样。如图18所示，基底322包括侧向侧表面323，超研磨材料块324具有侧向侧表面325。超研磨材料块324的侧向侧表面325可以与基底322的侧向侧表面323共同延伸并连续。切削元件320的超研磨材料块324的切削面326还包括一个或更多个三维表面特征。作为一个非限制性的例子，凹入表面328可以限定在研磨材料块324的切削面326中。凹入表面328可以类似于前述图2和3的凹入表面114。凹入表面328可以具有根据另外的实施例在此所述的任意其它构造，切削元件320可以包括代替凹入表面328、从切削面326向外突出的一个或更多个突起，或者除了凹入表面328之外具有从切削面向外突出的一个或多个突起。
如图18所示，切削元件320还包括流体通路330。流体通路330可用来在钻进作业中使用切削元件320期间允许钻进流体流动通过流体通路330至切削面326，所述流体流动可以有助于从切削面326除去地层岩屑。因而，可以防止或阻止地层岩屑粘到切削面326上，这可以降低切削元件320所附着的钻头或其它工具发生被称为"泥包"的情况。流体通路330可以与贯穿钻土工具的本体延伸的匹配的和相应的流体通路对准，该钻土工具例如是前面参照图1所述的回转式钻头，使得在钻进期间流动通过钻土工具的本体的钻进流体的一部分将流入并穿过流体通路330，所述流体通路贯穿切削元件320延伸。
如图18所示，流体通路330贯穿基底322和超研磨材料块324延伸到超研磨材料块324的前切削面326。在有些实施例中，流体通路可以延沿着切削元件320的中心轴线延伸，不过在其它实施例中，流体通路330可以定位在切削元件320内的其它地方。流体通路330可以是直的，也可以是弯曲的。图18所示的切削元件320包括单个流体通路330。在其它实施例中，多个较小流体通路330贯穿切削元件320延伸到切削面326。
包括具有上文所述的特征的超研磨材料块的切削元件可以利用许多方法制造。正如本领域中已知的，超研磨材料块可以通过对超研磨晶粒(例如，金刚石或立方体氮化硼晶粒)进行高温高压(HTHP)烧结处理而形成，其中，晶粒之间形成直接晶粒间原子键。可以采用催化剂、例如金属溶剂催化剂(例如，钴、铁、镍或一种或多种这样的金属的合金)来帮助形成晶粒间原子键。在这样的HTHP烧结处理中，晶粒设置在一容器中，然后进行高温(例如，温度大于大致1300℃)和高压(例如，压力大于大致5.0GPa)处理。用于执行这样的HTHP烧结处理的烧结压力机可在市场上买到。
在HTHP烧结处理期间，可以在大量聚晶金刚石材料的切削面(和可选地，侧向侧表面)上原位形成凹部和/或突起。例如，具有相应于在超研磨材料块中形成的凹部的几何形状的插入件可以有选择地设置在容器内，超研磨晶粒将在该容器中进行HTHP烧结处理。插入件可以包括在整个HTHP烧结处理中将保持其形状的材料，所述材料在HTHP烧结处理期间不会降解或以其他方式有害地影响周围的超研磨材料。举例来说并且不作为限制，插入件可以包括陶瓷，例如氧化物材料(例如氧化镁(MgO))。超研磨晶粒可以位于容器内、围绕插入件。任选地，基底，例如图2和3的基底102，可以位于容器内，与超研磨晶粒相邻布置。催化剂材料可以从基底供给，或者可以以例如粉末状催化剂材料形式设置在超研磨晶粒中。容器可以在其中装有插入件、超研磨晶粒和可选基底的情况下进行HTHP烧结处理，以烧结超研磨晶粒，并且在容器内、插入件周围形成到超研磨材料块。在HTHP烧结处理之后，可以移除插入件，在超研磨材料块的表面上或表面中形成突起或凹部。可替代地，在超研磨材料块的表面上或表面中的插入件也可以留在原地。在钻进作业中使用由此形成的切削元件期间，插入件的材料在切削最初阶段期间被较快地磨掉和/或腐蚀掉，从而形成包括具有在此所述的凹部和/或突起的超研磨材料块的切削元件。
作为用来在超研磨材料块的切削面上形成凹部和/或突起的方法的另一个例子，超研磨材料块可以在HTHP烧结处理中形成在第一牺牲基底的表面上。其上形成超研磨材料块的第一牺牲基底的表面的尺寸、形状和构造可以使得：超研磨材料块和第一牺牲基底之间的交界面具有超研磨材料块的所希望的前切削面的尺寸、形状和构造。在形成超研磨材料块之后，可以将超研磨材料块从第一牺牲基底移除，倒置，然后连接于第二基底而形成切削元件。通过倒置超研磨材料，在将超研磨材料块附着于第二基底时，之前位于与第一牺牲基底的交界面上的超研磨材料块的表面变成了超研磨材料块的前切削面。超研磨材料块可以通过例如钎焊工艺连接于第二基底，或者通过将超研磨材料块设置在容器中的第二基底上，并使超研磨材料块和第二基底进行另一HTHP烧结处理，以将超研磨材料块烧结结合到第二基底上。第二基底可以包括烧结碳化钨基底或另一超研磨材料块(例如，聚晶金刚石)。
在另外的实施例中，在超研磨材料块的表面上形成的凹部和/或突起，如有关图2至18所述的切削元件，可以在HTHP烧结处理中形成超研磨材料之后形成到超研磨材料块中和/或上。例如，如前所述，可以利用HTHP烧结处理制造没有任何所述的凹部和/或突起的超研磨材料块，在此之后，在超研磨材料块中和/或上形成凹部和/或突起。
例如，激光烧蚀工艺可以用来移除超研磨材料块的选定、局部区域，并用来在超研磨材料块中或上形成在此所述的凹部和/或突起。再例如，放电加工工艺也可以用来移除超研磨材料块的选定、局部区域，并用来在超研磨材料块中或上形成在此所述的凹部和/或突起。机加工工艺也可以用来移除超研磨材料块的选定、局部区域，并用来形成凹部和/或突起。这样的机加工工艺包括例如铣削工艺、车削工艺、钻孔工艺、研磨工艺等等。在另外的其它实施例中，可使用激光来降解和弱化超研磨材料块的选定、局部区域，在此之后，可以利用一种或多种机加工工艺来移除超研磨材料块的降解和弱化区域。
任选地，存在于上文有关图2至18所述的任何切削元件的超研磨材料块中的超研磨晶粒之间的孔隙空间中的任何催化剂材料可以在HTHP烧结处理之后从超研磨材料块上去除，正如本领域中已知的那样。例如，浸析工艺可用来从超研磨材料块的内键合超研磨晶粒之间的孔隙空间移除催化剂材料。举例来说并且不作为限制，可以使用诸如那些在例如Bunting等人申请的美国专利号NO.5,127,923(1992年7月7日授权)和Bovenkerk等人申请的的美国专利号NO.4,224,380(1980年9月23日授权)中更完全描述的浸出剂和浸析工艺来浸析处理超研磨材料块。特别地，可以使用王水(浓硝酸(HNO3)和浓盐酸(HCl)的混合物)来从超研磨材料块中的内键合超研磨晶粒之间的孔隙空间中至少大体上移除催化剂材料。使用煮沸的盐酸(HCl)和煮沸的氢氟酸(HF)作为浸出剂也是已知的。一种尤其适合的浸出剂是温度在110℃或以上温度的盐酸(HCl)，根据超研磨材料块的尺寸，可以使该浸出剂与超研磨材料块接触达2小时到60小时的时间。在浸析处理超研磨材料块之后，超研磨材料块内的内键合超研磨晶粒之间的孔隙空间可以至少基本上不存在用于促进超研磨晶粒之间的晶粒间键的形成的催化剂材料。在有些实施例中，浸析处理可以有选择地施加到金刚石台的特定区域上，而不施加到其它区域上。例如，在有些实施例中，可以将掩模施加到超研磨材料块的一个或多个外部表面的一区域上，而可以仅浸析处理无掩模的区域。例如，浸析区域可以包括紧邻超研磨材料块的前切削面的超研磨材料块的选定区域，和/或紧邻超研磨材料块的侧向侧表面的超研磨材料块的选定区域。
超研磨材料块中的凹部内的超研磨材料块的表面可以被浸析处理，也可以不被浸析处理。例如，在有些实施例中，暴露在超研磨材料块的切削面和/或侧向侧表面上的超研磨材料块的区域可以被浸析处理，而延伸到超研磨材料块的切削面和/或侧向侧表面中的凹部可被遮挡而没有接触浸出剂，以致防止在凹部内露出的超研磨材料块的区域暴露于浸出剂。例如，在对超研磨材料块进行浸析工艺处理之前，可以在凹部内设置耐浸出剂的聚合树脂。在浸析工艺后，可以利用例如喷砂或喷珠工艺、研磨工艺、化学刻蚀工艺等工艺从超研磨材料块中的凹部内移除聚合树脂。
另外，上文有关图2至18所述的任何切削元件的超研磨材料块的外暴露表面中的一个或多个表面可以通过物理方式改进，例如通过抛光成平滑面或镜面。例如，超研磨材料块的外表面可以具有减小的表面粗糙度，例如2000年11月14日授权给Lund等人的美国专利号NO.6,145,608、1997年8月5日授权给Lund等人的美国专利号NO.5,653,300和1995年9月5日授权给Lund等人的美国专利号NO.5,447,208中描述的。作为非限制性的例子，可以将超研磨材料块的前切削面的至少一部分抛光成具有约0.5μ英寸(约0.0127μm)微表面粗糙度(RMS)或更小的表面粗糙度。
在此所述的在前切削面上具有凹部和/或突起的切削元件被认为在钻进作业中使用该切削元件期间提供了几个不同优点中的一个或更多个优点。
例如，如上述美国专利申请序列号NO.13/092,396所述的，这种凹部和/或突起可用来使切削元件在钻进期间展现有选择地变化的钻进性(例如，有效刀面角(rake angle))，该钻进性与切削元件在地层中的切削深度有关。因而，切削作用的钻进性可以通过有选择地控制切削元件在地层中的切削深度而被有选择地控制，所述切削深度可以由钻进操作者通过控制所谓的"钻压"(WOB)而进行控制。
另外，如上述美国临时专利申请序列号NO.61/535,766所述的，这种凹部和/或突起也可用来减少地层岩屑在切削元件的前切削面上的粘着，这可以降低泥包的发生，并在钻进作业中使用期间保持有效移除地层岩屑。
另外，这种凹部和/或突起的存在可以允许管理(例如，减少)钻进期间超研磨材料块内的热能，所述热能会导致超研磨材料的降解。虽然导致该热能减少的机理还不是完全了解，但是，目前认为，热能的减少可能是至少部分地因为，由于凹部和/或突起的存在使得超研磨材料块的表面积增加，和/或在用切削元件切削地层期间由地层施加于聚晶金刚石块的压缩力和剪切力在聚晶金刚石块内的大小和/或分布，以及残余应力在超研磨材料块中的大小和分布发生了变化。压缩力和剪切力/残余应力在聚晶金刚石块内的大小和/或分布的这种变化可能是当切削元件的切削深度使得凹部和/或突起定位在地层和超研磨材料块的前切削面之间的交界面上时，由聚晶金刚石块和地层之间的交界面的几何形状的变化导致的。
本公开内容的切削元件的实施例可用来实现上述优点中的一个或更多个优点。
下面阐述本公开内容的实施例的另外的非限制性例子。
实施例1：一种用于钻土工具的成型切削元件，其包括：基底；设置在基底上的超研磨材料块，超研磨材料块具有非平面的前切削面和侧向侧表面；以及从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项。
实施例2：如实施例1所述的成型切削元件，其中，非平面的前切削面具有拱顶形状。
实施例3：如实施例1或实施例2所述的成型切削元件，其中，非平面的前切削面具有包括大体上圆锥形的侧向侧表面和拱顶形端部的尖状构造。
实施例4：如实施例3所述的成型切削元件，其中，从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的所述至少一项包括延伸到大体上圆锥形的侧向侧表面中的至少一个凹部。
实施例5：如实施例4所述的成型切削元件，其中，延伸到大体上圆锥形的侧向侧表面中的所述至少一个凹部具有至少基本上整个地绕成型切削元件的中心轴线延伸的环形构造。
实施例6：一种用于钻土工具的切削元件，其包括：基底；设置在基底上的超研磨材料块，所述超研磨材料块具有前切削面和侧向侧表面；以及从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项，凹部和突起两项中的所述至少一项包括在至少大体上横向于切削元件的中心轴线定向的方向上线性跨前切削面延伸的至少一个线性段。
实施例7：如实施例6所述的切削元件，其中，从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的所述至少一项包括从前切削面延伸到超研磨材料块中的至少一个凹部。
实施例8：如实施例7所述的切削元件，其中，所述至少一个凹部具有人字形形状。
实施例9：如实施例7或实施例8所述的切削元件，其中，所述至少一个凹部包括跨前切削面至少基本上彼此平行地延伸的两个凹部。
实施例10：如实施例7至9中任一实施例所述的切削元件，其中，所述至少一个凹部包括至少基本上整个地跨切削元件的前切削面散布的多个凹部。
实施例11：如实施例6至9所述的切削元件，其中，基底具有至少一个侧向侧表面，所述至少一个侧向侧表面在横向于切削元件的中心轴线的平面中具有非圆形形状。
实施例12：如实施例11所述的切削元件，其中，所述至少一个侧向侧表面具有卵形形状或三角形形状。
实施例13：一种用于钻土工具的切削元件，其包括：基底；设置在基底上的超研磨材料块，所述超研磨材料块具有前切削面和侧向侧表面；以及从前切削面延伸到超研磨材料块中的多个离散的、侧向隔离的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起中的多个离散的、侧向隔离的突起两项中的至少一项。
实施例14：如实施例13所述的切削元件，其中，多个离散的、侧向隔离的凹部和多个离散的、侧向隔离的突起两项中的所述至少一项至少基本上整个地跨切削元件的前切削面散布。
实施例15：如实施例13或实施例14所述的切削元件，其中，多个离散的、侧向隔离的凹部和多个离散的、侧向隔离的突起两项中的所述至少一项以规则阵列设置在切削元件的前切削面上。
实施例16：如实施例13至15中任一实施例所述的切削元件，其中，多个离散的、侧向隔离的凹部和多个离散的、侧向隔离的突起两项中的所述至少一项包括从前切削面向外延伸的多个突起，所述多个离散的、侧向隔离的突起中的每个突起具有球体的一部分的形状。
实施例17：一种用于钻土工具的切削元件，其包括：基底；设置在基底上的超研磨材料块，所述超研磨材料块具有前切削面和侧向侧表面；以及细长凹部和细长突起两项中的至少一项，所述细长凹部延伸到前切削面中并沿着螺旋形路径从紧邻切削元件的中心轴线的位置延伸到切削元件的侧向周缘，所述细长突起从前切削面向外延伸并沿着螺旋形路径从紧邻切削元件的中心轴线的位置延伸到切削元件的侧向周缘。
实施例18：如实施例17所述的切削元件，其中，细长凹部和细长突起两项中的所述至少一项包括细长突起。
实施例19：如实施例18所述的切削元件，其中，所述细长突起具有弯曲外表面。
实施例20：如实施例19所述的切削元件，其中，细长突起具有的宽度在沿着细长突起从紧邻切削元件的中心轴线的位置到切削元件的侧向周缘延伸的方向上增大。
实施例21：一种用于钻土工具的切削元件，其包括：基底；设置在基底上的超研磨材料块，所述超研磨材料块具有前切削面和侧向侧表面；以及从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项；以及从超研磨材料块的侧向侧表面延伸到超研磨材料块中的凹部。
实施例22：如权利要求21所述的切削元件，其中，从超研磨材料块的侧向侧表面延伸到超研磨材料块中的所述凹部绕超研磨材料块的整个侧向外周周向地延伸。
实施例23：一种钻土工具，其包括：工具本体；以及结合到工具本体上的如实施例1至22中任一实施例所述的至少一个切削元件。
实施例24：如实施例23所述的钻土工具，其中，钻土工具包括固定切削刃回转式钻头。
实施例25：一种形成用于钻土工具的成型切削元件的方法，其包括：在基底上设置超研磨材料块；在超研磨材料块上形成非平面的前切削面和侧向侧表面；以及形成从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项。
实施例26：如实施例25所述的方法，其中，形成非平面的前切削面包括形成具有拱顶形状的非平面的前切削面。
实施例27：如实施例25或实施例26所述的方法，其中，形成非平面的前切削面包括形成具有包括大体上圆锥形的侧向侧表面和拱顶形端部的尖形构造的非平面的前切削面。
实施例28：如实施例27中任一所述的方法，其中，形成从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的所述至少一项包括形成延伸到所述大体上圆锥形的侧向侧表面中的至少一个凹部。
实施例29：如实施例28所述的方法，其中，形成延伸到大体上圆锥形的侧向侧表面中的所述至少一个凹部包括形成具有环形构造的至少一个凹部，该环形构造至少基本上整个地绕成型切削元件的中心轴线延伸。
实施例30：一种形成用于钻土工具的切削元件的方法，其包括：在基底上设置大量超研磨材料；形成超研磨材料块，使之具有前切削面和侧向侧表面；以及形成从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项，以及使形成的凹部和突起两项中的所述至少一项包括在至少大体上横向于切削元件的中心轴线定向的方向上线性跨前切削面延伸的至少一个线性段。
实施例31：如实施例30所述的方法，其中，形成从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的所述至少一项包括，形成从前切削面延伸到超研磨材料块中的至少一个凹部。
实施例32：如实施例31所述的方法，其中，形成所述至少一个凹部包括，形成具有人字形形状的至少一个凹部。
实施例33：如实施例31或32所述的方法，其中，形成所述至少一个凹部包括，形成跨前切削面至少基本上彼此平行地延伸的两个凹部。
实施例34：如实施例33所述的方法，其中，形成所述至少一个凹部包括，形成至少基本上整个地跨切削元件的前切削面散布的多个凹部。
实施例35：如实施例30至实施例34中任一实施例所述的方法，其中，所述方法还包括：形成所述基底，使之具有至少一个侧向侧表面，所述至少一个侧向侧表面在横向于切削元件的中心轴线的平面中具有非圆形形状。
实施例36：如实施例35所述的方法，所述方法还包括：形成所述基底的所述至少一个侧向侧表面，使之具有卵形形状或三角形形状。
实施例37：一种形成用于钻土工具的切削元件的方法，其包括：在基底上设置大量超研磨材料；形成超研磨材料块，使之具有前切削面和侧向侧表面；以及形成从前切削面延伸到超研磨材料块中的多个离散的、侧向隔离的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起中的多个离散的、侧向隔离的突起两项中的至少一项。
实施例38：如实施例37所述的方法，其中，形成多个离散的、侧向隔离的凹部和多个离散的、侧向隔离的突起两项中的所述至少一项包括：使形成的多个离散的、侧向隔离的凹部和多个离散的、侧向隔离的突起两项中的所述至少一项至少基本上整个地跨切削元件的前切削面散布。
实施例39：如实施例37或实施例38所述的方法，其中，形成多个离散的、侧向隔离的凹部和多个离散的、侧向隔离的突起两项中的所述至少一项包括：在切削元件的前切削面上以规则阵列设置多个离散的、侧向隔离的凹部和多个离散的、侧向隔离的突起两项中的所述至少一项。
实施例40：如实施例37至39中任一实施例所述的方法，其中，形成多个离散的、侧向隔离的凹部和多个离散的、侧向隔离的突起两项中的所述至少一项包括：形成从前切削面向外延伸的多个突起，所述多个离散的、侧向隔离的突起中的每个突起具有球体的一部分的形状。
实施例41：一种形成用于钻土工具的切削元件的方法，其包括：在基底上设置超研磨材料块；将所述超研磨材料块成形为使之具有前切削面和侧向侧表面；以及形成细长凹部和细长突起两项中的至少一项，所述细长凹部延伸到前切削面中并沿着螺旋形路径从紧邻切削元件的中心轴线的位置延伸到切削元件的侧向周缘，所述细长突起从前切削面向外延伸并沿着螺旋形路径从紧邻切削元件的中心轴线的位置延伸到切削元件的侧向周缘。
实施例42：如实施例41所述的方法，其中，形成细长凹部和细长突起两项中的所述至少一项包括，形成细长突起。
实施例43：如实施例42所述的方法，其中，形成所述细长突起包括，使形成的所述细长突起具有弯曲外表面。
实施例44：如实施例42或实施例43所述的方法，所述方法还包括：形成所述细长突起，使之具有的宽度在沿着细长突起从紧邻切削元件的中心轴线的位置到切削元件的侧向周缘延伸的方向上增大。
实施例45：一种形成用于钻土工具的切削元件的方法，其包括：在基底上设置超研磨材料块；将所述超研磨材料块成形为使之具有前切削面和侧向侧表面；形成从前切削面延伸到超研磨材料块中的凹部和从超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项；以及形成从超研磨材料块的侧向侧表面延伸到超研磨材料块中的凹部。
实施例46：如实施例45所述的方法，所述方法还包括：形成从超研磨材料块的侧向侧表面延伸到超研磨材料块中的所述凹部，使该凹部绕超研磨材料块的整个侧向外周周向地延伸。
实施例47：一种形成钻土工具的方法，其包括：如实施例25至46中任一实施例的方法形成至少一个切削元件；以及将所述至少一个切削元件连接到钻土工具的本体上。
实施例48：如实施例47所述的方法，所述方法还包括：选择所述钻土工具的本体，使之包括固定切削刃回转式钻头的本体。
尽管上文描述包含了许多特定内容，但是，但是这些特定内容并不构成对本公开内容的范围的限制，而只是提供了某些示例性的实施例。类似地，可以构想到在本发明的范围内的本公开内容的其它实施例。例如，这里参照一个实施例描述的特征也可以与这里描述的其它实施例的特征组合。因此本发明的范围仅由所附的权利要求书指示和限定，并不是由上文的描述限定。本发明包括对正如这里披露的落入权利要求书的含义和范围内的本发明的所有添加、删除和修改。

Claims (20)

1.一种用于钻土工具的切削元件，所述切削元件包括：
基底；
设置在所述基底上的超研磨材料块，所述超研磨材料块具有非平面的前切削面和侧向侧表面；以及
从所述前切削面延伸到所述超研磨材料块中的一个或更多个凹部，和从所述超研磨材料块的所述前切削面向外延伸的一个或更多个突起两项中的至少一项。
2.根据权利要求1所述的切削元件，其中，所述非平面的前切削面具有拱顶形状。
3.根据权利要求1所述的切削元件，其中，凹部和突起两项中的所述至少一项包括至少一个线性段，所述至少一个线性段在至少大体上横向于所述切削元件的中心轴线定向的方向上跨所述前切削面线性延伸。
4.根据权利要求3所述的切削元件，其中，至少一个凹部包括至少基本上整个地跨所述切削元件的前切削面散布的多个凹部。
5.根据权利要求3所述的切削元件，其中，所述基底具有至少一个侧向侧表面，所述至少一个侧向侧表面在横向于所述切削元件的中心轴线的平面中具有非圆形形状。
6.根据权利要求1所述的切削元件，其中，凹部和突起两项中的所述至少一项包括从所述前切削面延伸到所述超研磨材料块中的多个离散的、侧向隔离的凹部和从所述超研磨材料块的前切削面向外延伸的多个离散的、侧向隔离的突起两项中的至少一项。
7.根据权利要求6所述的切削元件，其中，所述多个离散的、侧向隔离的凹部和所述多个离散的、侧向隔离的突起两项中的所述至少一项以规则阵列设置在所述切削元件的前切削面上。
8.根据权利要求1所述的切削元件，其中，凹部和突起两项中的所述至少一项包括细长凹部和细长突起两项中的至少一项，所述伸长凹部延伸到所述前切削面中并沿着螺旋形路径从紧邻所述切削元件的中心轴线的位置延伸到所述切削元件的侧向周缘，所述细长突起从前所述切削面向外延伸并沿着螺旋形路径从紧邻所述切削元件的中心轴线的位置延伸到所述切削元件的侧向周缘。
9.根据权利要求1所述的切削元件，所述切削元件还包括从所述超研磨材料块的侧向侧表面延伸到所述超研磨材料块中的凹部。
10.一种钻土工具，其包括：
工具本体；和
结合到所述工具本体上的根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的至少一个切削元件。
11.一种形成用于钻土工具的切削元件的方法，所述方法包括：
在基底上设置超研磨材料块；
将所述超研磨材料块成形为使所述超研磨材料块具有前切削面和侧向侧表面；以及
形成从所述前切削面延伸到所述超研磨材料块中的凹部，和从所述超研磨材料块的前切削面向外延伸的突起两项中的至少一项。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，形成具有前切削面的所述超研磨材料块包括使形成的所述前切削面具有拱顶形状。
13.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：使形成的凹部和突起两项中的所述至少一项包括在至少大体上横向于所述切削元件的中心轴线定向的方向上跨所述前切削面线性延伸的至少一个线性段。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，形成凹部和突起两项中的所述至少一项包括，形成具有人字形形状的至少一个凹部。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，形成凹部和突起两项中的所述至少一项包括，形成跨所述前切削面至少基本上彼此平行地延伸的两个凹部。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，形成凹部和突起两项中的至少一项包括：形成从所述前切削面延伸到所述超研磨材料块中的多个离散的、侧向隔离的凹部和从所述超研磨材料块的所述前切削面向外延伸的多个离散的、侧向隔离的突起两项中的至少一项。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，形成多个离散的、侧向隔离的凹部和多个离散的、侧向隔离的突起两项中的所述至少一项包括：在所述切削元件的所述前切削面上以规则阵列设置多个离散的、侧向隔离的凹部和多个离散的、侧向隔离的突起两项中的所述至少一项。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，形成凹部和突起两项中的至少一项包括：形成细长凹部和细长突起两项中的至少一项，所述细长凹部延伸到所述前切削面中并沿着螺旋形路径从紧邻所述切削元件的中心轴线的位置延伸到所述切削元件的侧向周缘，所述细长突起从所述前切削面向外延伸并沿着螺旋形路径从紧邻所述切削元件的中心轴线的位置延伸到所述切削元件的侧向周缘。
19.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：形成从所述超研磨材料块的侧向侧表面延伸到所述超研磨材料块中的凹部。
20.一种形成钻土工具的方法，其包括：
根据权利要求11至19中任一项权利要求的方法形成至少一个切削元件；以及
将所述至少一个切削元件附着到钻土工具的本体上。
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