CN106460465A - 具有非平面表面的切割元件以及采用该切割元件的井下切割工具 - Google Patents

Abstract

切割元件可包括：基体，所述基体的上表面包括冠部，所述冠部过渡到下陷区域；和位于所述上表面上的超硬层，从而在所述超硬层和所述基体之间形成非平面界面。所述超硬层的顶面包括沿所述切割元件的直径的至少一部分延伸的切割冠部，所述顶面具有远离所述切割冠部侧向延伸的一部分，所述部分具有低于所述切割冠部的顶峰的高度。

Description

具有非平面表面的切割元件以及采用该切割元件的井下切割 工具

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年3月11日提交的美国临时专利申请No.61/951,155和2015年2月3日提交的美国专利申请No.14/613,144的优先权，它们均通过引用结合到本文中。

背景技术

现有多种类型的井下切割工具，例如钻头，包括牙轮钻头、锤击钻头和刮刀钻头，铰孔器和铣削工具。牙轮岩石钻头包括适于与一个可旋转的钻柱相连接的钻头体，并包括至少一个可旋转安装于悬臂轴或轴颈的“牙轮”。每个牙轮支撑多个切割元件，它们切割和/或碾碎钻孔壁或底面，从而推进钻头。切割元件，嵌入件或铣齿，在钻探期间与地层接触。锤击钻头通常包括具有冠部的一体式本体。冠部包括压入其中的嵌入件，用以对正被钻的地层进行循环“锤击”和抵压着正被钻的地层旋转。

刮刀钻头，通常指固定切割器钻头，包括切割元件附着于钻头体的钻头，钻头体可为钢钻头体或由基质材料，如结合剂材料包裹的碳化钨制成的基质钻头体。刮刀钻头一般可定义为没有活动部件的钻头。以研磨材料如金刚石孕嵌到形成钻头体的材料的表面中而制成的刮刀钻头通常称为“孕嵌”钻头。切割元件由沉积到基体上或以其他方式结合到基体上的超硬切割表层或“工作台”(通常由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成)的刮刀钻头在本领域中被称为多晶金刚石复合片(简称PDC)钻头。

图1示出具有多个切割元件的刮刀钻头的一个示例，切割元件具有超硬工作表面。钻头100包括具有带螺纹的上销端111和切割端115的钻头体110。切割端115通常包括多个肋状物或刀片120，它们围绕钻头的旋转轴线(也指纵向轴线或中心轴线)布置且从钻头体110径向向外延伸。切割元件或切割器150以与工作表面成预先设定的角方向和径向位置且以预期的后倾角和侧倾角抵压拟钻探的地层嵌入刀片120中。

图2示出切割元件150的一个示例，此处切割元件150具有圆柱状硬质合金基体152，基体具有端面或上表面(“基体界面”)154。超硬材料层156，也称为切割层，具有：顶面157，也称为工作表面；围绕顶面形成的切割边缘158；和底面，也称为超硬材料层界面159。超硬材料层156可为多晶金刚石或多晶立方氮化硼层。超硬材料层界面159与基体界面154相结合，从而在基体152和超硬材料层156之间形成平面界面。

发明内容

本公开的实施例涉及一种切割元件，包括：基体，所述基体的上表面包括冠部，所述冠部过渡到下陷区域；和位于所述上表面上的超硬层，从而在所述超硬层和所述基体之间形成非平面界面。所述超硬层的顶面包括沿所述切割元件的直径的至少一部分延伸的切割冠部，所述顶面具有远离所述切割冠部侧向延伸的一部分，所述部分具有低于所述切割冠部的顶峰的高度。

另一方面，本公开的实施例涉及一种切割元件，包括：具有非平面上表面的基体，所述非平面上表面具有沿第一方向延伸的第一凸状弯曲部和沿与第一方向垂直的第二方向延伸的第二凸状弯曲部，所述第二凸状弯曲部的曲率半径小于所述第一凸状弯曲部的曲率半径。切割元件还包括位于所述基体的非平面上表面上的具有非平面顶面的超硬层。

又一方面，本公开的实施例涉及一种切割工具，包括：工具体；从所述工具体延伸的至少一个刀片；和附接于所述至少一个刀片的第一排切割元件，所述第一排切割元件包括至少一个第一切割元件。所述第一切割元件包括：基体，所述基体的上表面包括冠部，所述冠部过渡到下陷区域；和位于所述上表面上的超硬层，从而在所述超硬层和所述基体之间形成非平面界面。所述超硬层的顶面包括沿所述切割元件的直径的至少一部分延伸的切割冠部，所述顶面具有远离所述切割冠部侧向延伸的一部分，所述部分具有低于所述切割冠部的顶峰的高度。

另一方面，本公开的实施例涉及一种切割工具，包括：工具体；从所述工具体延伸的至少一个刀片；和附接于所述至少一个刀片的至少一个切割元件。所述至少一个切割元件包括：具有非平面上表面的基体，所述非平面上表面具有沿第一方向延伸的第一凸状弯曲部和沿与第一方向垂直的第二方向延伸的第二凸状弯曲部，所述第二凸状弯曲部的曲率半径小于所述第一凸状弯曲部的曲率半径。切割元件还包括位于所述基体的非平面上表面上的具有非平面顶面的超硬层。

还一个方面，本公开的实施例涉及一种切割工具，包括：工具体；从所述工具体延伸的至少一个刀片；和附接于所述至少一个刀片的至少一个切割元件。所述至少一个切割元件具有非平面顶面，所述非平面顶面包括沿所述切割元件的直径的至少一部分延伸的切割冠部，所述非平面顶面具有远离所述切割冠部侧向延伸的一部分，所述部分具有低于所述切割冠部的顶峰的高度。所述至少一个切割元件的中心轴线相对于与所述切割工具的中心轴线平行的线以0度至25度的角度定向。

本发明内容介绍了一系列概念，所述概念将在下文详细的说明书中进一步描述。本发明内容并不旨在确定所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

图1示出常规的刮刀钻头。

图2示出常规的切割元件。

图3-5示出具有非平面顶面的切割元件。

图6和图7示出依据本公开的实施例的切割元件的剖视图。

图8和图9示出具有非平面顶面的切割元件。

图10示出具有非平面顶面的切割元件。

图11示出具有非平面顶面的切割元件的仿真结果图表。

图12-14示出具有非平面顶面的切割元件。

图15和图16示出依据本公开的实施例的切割元件的剖视图。

图17和图18示出具有非平面顶面的切割元件与具有平面顶面的切割元件的切割力对比图表。

图19和图20示出具有非平面顶面的切割元件与具有平面顶面的切割元件的垂直力对比图表。

图21示出具有平面顶面的切割元件与具有非平面顶面的切割元件在五个道次下的垂直力。

图22示出具有平面顶面的切割元件与具有非平面顶面的切割元件在五个道次下的切割力。

图23示出具有平面顶面的切割元件与具有非平面顶面的切割元件在五个道次下的温度。

图24示出具有平面顶面的切割元件与具有非平面顶面的切割元件在五个道次后的磨平面对比图表。

图25示出依据本公开的实施例的切割元件顶面的俯视图。

图26和27示出依据本公开的实施例的切割元件顶面的剖视图。

图28示出依据本公开的实施例的切割元件顶面的俯视图。

图29和30示出依据本公开的实施例的切割元件顶面的剖视图。

图31和32示出依据本公开的实施例的切割元件顶面的剖视图。

图33和34示出依据本公开的实施例的切割元件的透视图。

图35示出依据本公开的实施例的未组装的切割元件的透视图。

图36和37示出图35中所示的切割元件基体的剖视图。

图38示出依据本公开的实施例的基体的透视图。

图39示出依据本公开的实施例的基体的俯视图。

图40和41示出图39中的基体的剖视图。

图42和43示出依据本公开的实施例的未组装的切割元件的透视图。

图44-50示出依据本公开的实施例的基体的透视图。

图51示出依据本公开的实施例的切割元件的剖视图。

图52示出图51中的切割元件的基体的透视图。

图53和54示出图52中的基体的侧视图。

图55示出依据本公开的实施例的切割元件的透视图。

图56和57示出图55中的切割元件的侧视图。

图58示出依据本公开的实施例的切割元件的透视图。

图59示出图58中的切割元件的侧视图。

图60示出依据本公开的实施例的切割元件的透视图。

图61和62示出图60中的切割元件的侧视图。

图63示出依据本公开的实施例的钻头的局部仰视图。

图64示出依据本公开的实施例的钻头的局部侧视图。

图65示出依据本公开的实施例的钻头的仰视图。

图66示出依据本公开的实施例的钻头的侧视图。

图67示出依据本公开的实施例的扩孔器。

图68-70示出依据本公开的实施例的切割元件定位的侧视图和俯视图。

图71和72示出依据本公开的实施例的切割元件组合的俯视图。

图73示出依据本公开的实施例的切割元件对准。

图74示出依据本公开的实施例的可扩大的铰孔器的侧视图。

具体实施方式

一方面，在此公开的实施例涉及用于井下工具的切割元件，切割元件具有于非平面界面处置于基体上的超硬层。切割元件可包括非平面顶面，也称为工作表面，其形成于超硬层和非平面界面上。

本公开的切割元件可包括可旋转切割元件，即可围绕其纵向轴线旋转的切割元件，或固定切割元件，即切割元件不能旋转，而是附着于或以其他方式固定在切割工具上的某一位置。本公开的切割元件可被安装于不同类型的井下切割工具，包括但不限于，钻头，如刮刀钻头，铰孔器以及其他井下铣削工具。

依据本公开的一些实施例，切割元件可具有在基体和超硬层之间形成的非平面界面，在此超硬层的顶面是非平面的。具有非平面顶面或工作表面的切割元件可包括，例如，大致双曲抛物面(鞍状)形状或抛物柱面形状，其中，切割元件的冠部或顶端延伸横跨切割元件的大致上整个直径。进一步，界面也可包括大体双曲抛物面形状以及大体抛物柱面形状。然而，如在此公开的，也可预想到工作表面和/或界面为其他几何形状。

例如，图3示出具有非平面顶面305的切割元件300。特别是，切割元件300具有于界面330处置于基体320上的超硬层310，在此非平面顶面305几何形状形成于超硬层310上。超硬层310具有围绕顶面305(并定义边界)的外围边缘315。顶面305具有在基体320(在切割元件圆周)上方延伸高度314的切割冠部312，以及远离冠部312侧向延伸的至少一个凹陷区域。如在此所采用的，冠部是指非平面切割元件的包括切割元件的顶峰或最大高度的一部分，其以大体线性方式或沿切割元件的直径延伸。冠部312的存在导致具有顶峰和低谷的波状外围边缘315。邻近冠部312的外围边缘315部分形成切割边缘部分316。如图所示，切割冠部312也可延伸横跨超硬层的直径，以致两个切割边缘部分316形成于超硬层的相反的两侧。顶面305进一步包括至少一个凹陷区域318(示出的为两个)，其在远离切割冠部312向外围边缘315的作为波状外围边缘315的低谷的另一部分的方向上高度连续下降。所示的本实施例中的切割冠部312和凹陷区域318形成具有抛物柱面形状的顶面305，在此切割冠部312的形状如同抛物线，延伸横跨超硬层310和/或基体320的直径。虽然本实施例中未示出，但至少外围边缘的一部分(例如，切割边缘部分，且围绕以预期的切割深度与地层接触的边缘部分延伸)可被切割为斜坡或斜面。在一个或多个实施例中，整个外围边缘都可被切割为斜坡，其可包括围绕切割元件圆周的可变的(在角度和/或宽度上)斜面或斜坡。在一个或多个实施例中，切割元件还可具有圆角化的边缘。

在一个或多个其他实施例中，切割冠部312可延伸小于基体320的直径或甚至超过基体320的直径。例如，超硬层310可形成至少邻近切割边缘部分的锥形侧壁，例如，形成角线与切割元件的轴线平行的角度，角度范围可为-5度(形成大于基体320的直径)至20度(形成小于基体320的直径)。根据切割元件的尺寸，切割冠部312的高度314可在例如，0.1英寸(2.54毫米)至0.3英寸(7.62毫米)的范围内。进一步，除非另行限定，超硬层的高度(或切割冠部)相对于超硬层和基体的界面的最低点。图4示出切割元件300的侧视图。如所示，切割冠部312具有凸状横截面形状(沿与横跨超硬层直径的切割冠部长度垂直的平面看)，在此冠部的最高点具有弯曲部313的半径，弯曲部以角度311相切地过渡到顶面305的侧向延伸部分。依据本公开的实施例，切割元件顶面可具有切割冠部，其曲率半径从0.02英尺(0.5毫米)至0.30英尺(7.6毫米)，或在另一个实施例中，曲率半径范围为0.06英尺(1.5毫米)至0.18英尺(4.6毫米)。进一步，虽然所示实施例示出在其最顶峰具有弯曲部的切割冠部312，但也落入本公开的范围的是，切割冠部312可具有沿直径的至少一部分的平台或大致平面，其轴向上位于与切割冠部312侧向间隔开的凹陷区域318之上。因此，在这样一个实施例中，切割冠部可具有大致无限的曲率半径。在此类实施例中，平台可具有向侧壁的圆角过渡，侧壁延伸形成凹陷区域318。进一步，在一些实施例中，沿切割冠部312的横截面侧向延伸进入凹陷区域318，切割冠部312可具有形成于延伸至凹陷区域318的侧壁之间的角度311，角度范围可为110度至160度。进一步，根据上表面几何形状的类型，也可采用其他包括低至90度的冠部角度。

切割元件顶面的几何形状也可用x-y-z坐标系来描述。例如，图3示出的切割元件在图5中以x-y-z坐标系重现。切割元件300具有于界面330处置于基体320上的超硬层310，以及与由此延伸穿过的z轴线一致的纵向轴线。形成于超硬层310上的非平面顶面305具有通过沿x轴线和y轴线变化高度(此处高度沿z轴线测量)而形成的几何形状。如所示，在顶面(在图3中也可称为切割冠部312)形成的最大高度(顶端或顶峰)延伸横跨沿y轴线的切割元件的直径，以致冠部高度从外围边缘315的第一部分延伸至与第一部分相反的外围边缘315的第二部分。为方便起见，y轴线基于切割元件冠部的延伸进行定义；然而，本领域技术人员能够理解，如果以不同方式定义，基于x-、y-和z-坐标系的其余描述会类似地变化。图6示出沿y轴线和z轴线的交叉面的切割元件300的剖视图。切割元件的y-z剖视图可称为冠部剖面视图，因为冠部的均匀性、延伸特性等可以从这样一个剖视图进行观察。如图6的冠部剖面视图所示，沿冠部高度(即冠部剖面)的顶面305呈大致线性。图7示出沿x轴线和z轴线的交叉面的切割元件300的剖视图，该图也可称为冠部的几何形状视图，因为冠部的弯曲等可以从这样一个剖视图进行观察。如图7中的冠部的几何形状视图所示，顶面305在z轴线达到顶峰(即冠部的高度)，并从冠部高度，沿x轴线在任一方向朝切割元件的外围边缘315(其也称为图3中的凹陷区域318)移动而连续地下降，以致顶面305具有沿横截面的大体抛物线形状。根据图7所示的横截面的弯曲，该横截面也可以描述为具有圆顶的圆锥的横截面，即，两个倾斜的侧壁相切地过渡成圆顶(具有上述范围的曲率半径)。然而，也可采用具有凹或凸状的弯曲部的侧壁。在所示的实施例中，x-z剖视图(或冠部几何形状视图)中的大体抛物线形状沿y轴线延伸，以致非平面顶面305的三维形状具有抛物柱面形状。

进一步，虽然一些实施例可沿切割冠部312的长度具有统一的角度311、切割冠部312的曲率半径或高度314，但是本发明公开并未做如此限制。相反，在一个或多个实施例中，角度311可沿切割冠部312的长度变化。例如，角度311可从切割边缘部分316沿y轴线向切割元件300的中心或z轴线延伸的方向增大，然后在远离中心或z轴线向切割元件300的相反侧的切割边缘316延伸的方向上减小。这个角度差值可高达切割边缘部分316处角度的20％，或在其他实施例中可高达10％。在其他实施例中，角度311可在远离切割边缘部分316延伸的方向上增大而不减小(例如，通过达到顶峰角度，以这顶峰角度延伸切割冠部312的长度，或通过沿切割冠部312的长度而连续增大)。角度311上的另一个变型可包括相对于y-z平面不对称的角度311。也就是说，虽然图3-7所示的实施例示出被y-z平面等分的角度311，而本发明公开并未做如此限制。相反，角度311可相对于y-z平面被扭曲，以致在切割冠部312的一侧，顶面305远离切割冠部312以大于在切割冠部312的另一侧延伸的倾斜度侧向延伸至第一凹陷区域318。也要说明的是，不对称的角度311可沿切割冠部312的长度变化。

在一个或多个实施例中，切割冠部312的曲率半径可以在从切割边缘部分316沿切割冠部312的长度延伸的方向上增大。例如，曲率半径可在从切割边缘部分316沿y轴线向切割元件300的中心轴线延伸的方向上增大，然后在远离中心轴线向切割元件300的相反侧的切割边缘316延伸的方向上减小。在其他实施例中，曲率半径可以在远离切割边缘部分316延伸的方向上增大而不减小(例如，通过达到弯曲部的顶峰半径并以这一顶峰半径延伸切割冠部312的长度，或通过沿切割冠部312的长度连续增大)。

进一步，在一个或多个实施例中，高度314可沿切割冠部312的长度变化。例如，高度314可以在从切割边缘部分316沿y轴线向切割元件300的中心轴线延伸的方向上降低(或增大)，然后在远离中心轴线向切割元件300的相反侧的切割边缘316延伸的方向上降低(或增大)。在其他实施例中，高度314可以在远离切割边缘部分316延伸的方向上降低而不增大(例如，通过达到最低高度，并以这一最低高度延伸切割冠部312的长度，或通过沿切割冠部312的长度连续降低)。在一个或多个实施例中，较低高度和较高高度之间可具有小于较高高度的50％的差异，或在其他实施例中，具有小于40％、30％、20％或10％的差异。

如上所述，顶面305可具有非对称的角度311；然而，可存在顶面305上的其他变型，其导致关于x-z平面和/或y-z平面之一和/或两者的不对称。例如，切割冠部312本身可位于未等分切割元件的平面上，即切割冠部312可从中心平面侧向偏移。

依据本公开的实施例，切割元件可包括基体、超硬层和形成于基体和超硬层之间的非平面界面。基体可具有上表面，其几何形状由x-y-z坐标系定义，在此沿z轴线测量的基体的高度沿x轴线且可选地沿y轴线变化。超硬层的顶面也可具有由x-y-z轴线坐标系定义的几何形状，在此超硬层的高度沿x轴线且可选地沿y轴线变化。

图8和9示出具有非平面顶面505的切割元件500的另一示例。切割元件500具有于界面530处置于基体520上的超硬层510，在此非平面顶面505形成于超硬层510上。超硬层510具有围绕顶面505的外围边缘515。顶面505具有在基体520上方延伸高度514的切割冠部512，以及从冠部512侧向延伸的至少一个凹陷区域518。邻近外围边缘515的一部分的冠部512形成第一切割边缘部分516。外围边缘515可从位于切割边缘部分516的顶峰和邻近至少一个凹陷区域518的低谷间呈波状起伏，其在远离切割冠部512的方向上在高度上连续下降。如所示，凹陷区域518在基体/超硬层界面(沿圆周)之上延伸一个高度，但可具有高度差517(与切割边缘部分516之间)，该高度差也与顶面505在高度上的总变化量相等。依据一些实施例，切割元件的非平面顶面可具有高度差517，根据切割元件的整体尺寸，范围为0.04英寸(1.02毫米)至0.2英寸(5.08毫米)。例如，在其他实施例中，相对于切割元件直径的高度差517的范围可为0.1至0.5，或0.15至0.4。此外，在一个或多个实施例中，在邻近凹陷区域518的外围边缘处的金刚石高度(即，在切割元件的具有最低金刚石高度的一侧)可至少为0.04英寸(1.02毫米)。

具有呈抛物柱面形状的顶面的实施例可具有从基体延伸范围为0.08英寸(2.03毫米)至0.2英寸(5.08毫米)的高度的切割冠部。例如，图11示出切割元件4300(图10)的反作用力和最大面内主压应力的FEA仿真结果，所述切割元件具有抛物柱面顶面4305，切割冠部4312从基体4320延伸高度4314，切割元件直径为16毫米。如所示，具有切割冠部延伸范围为0.09英寸(2.29毫米)至0.18英寸(4.57毫米)的高度的切割元件的性能得以提高。

图12和13示出具有非平面顶面705的切割元件700的另一示例。切割元件700具有于界面730处置于基体720上的超硬层710，在此非平面顶面705形成于超硬层710上。超硬层710具有围绕顶面705的外围边缘715。顶面705具有非均匀的切割冠部712。也就是说，冠部712具有非线性剖面(在y-z平面或冠部剖面视图中)，以致冠部712沿其长度在基体720/超硬层710界面之上(在切割元件700的圆周)延伸可变高度714。切割冠部712与外围边缘715的一部分交叉而形成切割边缘部分716。至少一个凹陷区域718在远离切割边缘部分716而向外围边缘715的另一部分的方向上高度上连续下降。进一步，如所述，冠部712具有可变高度，这一高度在与外围边缘715交叉处达到最高值，并在邻近切割元件的中心轴线或z轴线处达到最低值(即，顶面705在两个切割边缘部分之间具有降低的高度，从而形成大致鞍形或双曲抛物面)。如所示，顶面(冠部和凹陷区域之间)的总高度差等于深度717。依据一些实施例，切割元件的鞍形顶面可具有高度差717，根据切割元件的整体尺寸，高度差范围为0.04英寸(1.02毫米)至0.2英寸(5.08毫米)。例如，在其他实施例中，相对于切割元件直径的高度差717的范围可为0.1至0.5，或0.15至0.4。此外，在一个或多个实施例中，在邻近凹陷区域718的外围边缘处的金刚石高度(即，在切割元件的具有最低金刚石高度的一侧)可至少为0.04英寸(1.02毫米)。

图12和13示出的切割元件顶面的几何形状也可参照x-y-z坐标系来描述。例如，图12示出的切割元件在图14中沿x-y-z坐标系重现。切割元件700具有于界面730处置于基体720上的超硬层710，以及与由此延伸穿过的z轴线一致的纵向轴线。形成于超硬层710上的非平面顶面705具有通过沿x轴线和y轴线变化高度(此处高度沿z轴线从共同的基准平面测量)而形成的几何形状。如所示，在顶面中形成的顶峰高度(也可称为在图7中的切割冠部712)是沿y轴线在切割元件700的外围边缘715处形成的。图15示出沿y轴线和z轴线的交叉面的切割平面700的剖视图，也可视作冠部的剖面视图。冠部的剖面视图示出具有沿y轴线的可变高度的非均匀(非线性)冠部。具体而言，如所示，顶面几何形状的高度从邻近外围边缘715(切割元件的任一侧)的顶峰高度向z轴线方向逐渐下降，从而沿y-z平面形成顶面705的凹状横截面形状。图16示出沿x轴线和z轴线的交叉面的切割元件700的剖视图，并示出冠部的大体几何剖面。如所示，顶面高度从外围边缘(也可称为图12中的凹陷区域718)向z轴线逐渐增加，从而形成沿x-z平面的顶面705的凸状横截面形状。通过变化的高度形成的顶面705的三维形状具有鞍形或双曲抛物面形状。

生产出图3、8和12示出的切割元件的测试样本(例如，分别为切割器300、500和700)并在不同钻探环境下，将其与具有平面顶面的标准切割元件进行比对测试。图17和18示出在威灵顿页岩层、科尔顿砂岩层、迦太基大理石层和犹他湖石灰岩层中，在0.04英寸(1.02毫米)切割深度(图17)和0.08英寸(2.03毫米)(图18)切割深度下，标准切割元件与切割元件300、500、700(分别在图3、8和12中示出)的切割力对比表。图19和20示出在威灵顿页岩层，科尔顿砂岩层、迦太基大理石层和犹他湖石灰岩层中，在0.04英寸(1.02毫米)切割深度(图19)和0.08英寸(2.03毫米)切割深度(图20)下，标准切割元件与所述切割元件的垂直力对比表。如所示，切割元件300以低大约30至40％的切割力和垂直力胜过标准切割元件。

图21-24示出操作切割元件300，500，700(分别在图3、8和12中示出)与标准切割元件相比较，通过五个测试道次得出的测试结果。特别地，图21示出每种切割元件类型在每道次的垂直力，当与标准切割元件相比较时，图3示出的切割元件类型的垂直力减少大约28％。图22示出每种切割元件类型在每道次的切割力，当与标准切割元件相比较时，图3示出的切割元件类型的切割力减少大约23％。图23示出每种切割元件类型在每道次的温度，当与标准切割元件相比较时，图23示出的切割元件类型的温度降低大约20％。图24示出五个测试道次后，形成在每种切割元件类型上的磨平面区域(即切割元件顶面磨损掉的区域)，图3示出的切割元件类型较标准切割元件的磨损低约30％。

在以上讨论的实施例中，切割元件的冠部在长度上线性延伸，但是在其他实施例中，冠部也具有沿其长度的大体凹状形状。本发明公开未做如此限制。相反，其他实施例可能涉及具有非平面超硬层的切割元件，所述超硬层具有延伸横跨直径(或至少一部分)的切割冠部，切割元件包括一个或多个沿冠部的长度的顶峰和/或低谷。

例如，图25-27示出依据本公开的一些实施例的切割元件顶面。特别地，图25示出形成于超硬层6010上的非平面顶面6005的俯视图，图26示出沿与轴向经过切割元件的z轴线和径向经过切割元件直径的y轴线相交的平面的顶面6005的剖视图。特别是，沿冠部的长度的剖视图，图27示出沿与z轴线和x轴线相交的平面的顶面6005的剖视图，在此x轴线径向经过切割元件的直径并与x轴线垂直。顶面6005具有通过沿x轴线和y轴线均变化基体(圆周处)之上的超硬层高度而形成的几何形状，在此顶面的高度沿z轴线从共同的基准平面，例如垂直于z轴线的平面测量，该平面轴向上低于顶面的最低高度。如图26所示，顶面6005中的冠部6012的长度沿y轴线并邻近切割元件的外围边缘6015形成。如所示，冠部6012(与以上图3-6描述的冠部具有类似的曲率半径)远离外围边缘6015线性地向z轴线延伸，并包括沿冠部的剖面的一部分的至少一个凹状区域6007。在一个或多个实施例中，在外围边缘6015和至少一个凹状区域6007之间可有至少为0.03英寸(0.76毫米)或0.04英寸(1.02毫米)的间距。外围边缘6015到达邻近切割冠部6012的顶峰高度，当切割元件与地层接合时，其形成切割边缘。冠部剖面中的凹状区域6007沿y轴线形成，以致顶面高度沿y轴线从外围边缘向z轴线降低，从而形成凹状横截面形状。因此，切割元件具有切割区域邻近外围边缘的冠部(具有如上定义的曲率半径)，所述切割区域向后从外围边缘向z轴线(或基体的中心轴线)过渡到凹状或改变的区域。如图27所示，顶面6005的最低高度6008沿x轴线并邻近外围边缘6015形成。顶面的高度自最低高度6008向改变的区域6007逐渐增加。在沿垂直于y轴线的平面与最高高度6006或切割冠部相交叉的顶面剖视图中，高度自外围边缘向最高高度逐步增加，从而形成顶面6005的凸状横截面形状。在一些实施例中，顶面可线性延伸至最高高度或可具有大体凸状弯曲部，任何一个均可切向地过渡到具有如前所述的曲率半径范围的中心顶端或顶峰。通过变化的高度形成的顶面6005的三维形状具有抛物柱面形状，条形的凹陷形成于抛物线的顶峰的一部分中。

图28-30示出依据本公开的实施例的另一个切割元件顶面示例，顶面具有沿切割冠部形成于顶面内的至少一个凹状(或以其他方式改变的)区域。特别地，图28示出超硬层6310的非平面顶面6305的俯视图，图29示出沿与轴向经过切割元件的z轴线和径向经过切割元件直径的y轴线相交的平面的顶面6305的剖视图，图30示出沿与z轴线和x轴线相交的平面的顶面6305的剖视图，在此x轴线径向经过切割元件的直径并与y轴线垂直。顶面6305具有通过沿x轴线和y轴线变化高度而形成的几何形状，在此顶面几何形状的高度沿z轴线从共同的基准平面进行测量。如图29所示，冠部6312(一般具有非平面切割元件的最高高度)沿y轴线形成于顶面6305内。冠部可与外围边缘6315相交并从外围边缘6315向内径向延伸横跨切割元件直径的至少一部分。如所示，切割冠部6312的与外围边缘邻近的部分可称为切割部分。沿y-z横截面平面，顶面6305包括位于切割元件两侧的切割冠部6312(具有最高高度6306)，其远离外围边缘6315向中心轴线(z轴线)延伸。离边缘和切割区域的一段距离内，冠部6312包括多个形成于此的凹状区域。相比图25-27，图28-30中的切割元件具有两个较短的改变的区域，其沿中心切割冠部在到达中心轴线之前自最高高度6306过渡。

两个凹状区域6307沿y轴线形成，以致冠部的高度沿y轴线从顶峰高度下降，从而形成凹状横截面形状。除此沿冠部的剖面的形状外，沿x-z或冠部的几何形状视图，还可具有高度变化。如图30所示，形成于顶面6305内的最低高度6308沿x轴线并邻近外围边缘6315形成。顶面几何形状的高度从最低高度6308向z轴线逐渐增加，从而形成沿与z和y轴线相交的平面的凸状横截面形状。如果沿在邻近外围边缘的切割冠部之一处沿x轴线与y-z平面平行的平面，则切割元件将具有类似的总体横截面形状。在该平面和y-z平面之间，沿x轴线与y-z平面平行的另一个平面(并与改变的区域相交)可具有两个向中心凹状区域延伸的侧壁，类似于图27所示的整体几何形状。如图28所示，通过变化的高度形成的顶面6305的三维形状具有抛物柱面形状，具有两个沿抛物线顶峰或冠部所形成的改变的区域。在其他实施例中，沿切割元件顶面的非平面形状可形成多于两个的改变的区域。

虽然上述实施例示出呈现大体凸状的沿冠部长度的改变的区域，然而，应该注意到，如在此所采用的，改变的区域可包括切割元件顶面上的在顶面(或冠部)的以其他方式连续形状中呈现不连续性的区域。改变的区域可具有不同形状和尺寸。例如，改变的区域可具有平面或非平面横截面形状。依据一些实施例，在沿与改变的区域相交并经过切割元件轴向延伸的平面的顶面的剖视图中，顶面的高度可从外围边缘向改变的区域逐渐增加，根据从外围边缘向改变的区域逐渐增加的高度的坡度，而形成裁切的或截断的抛物线或梯形。例如，图31示出切割元件顶面6605几何形状的剖视图，该剖视图沿经过切割元件轴向延伸并与形成于顶面6605内的改变的区域6606相交的平面，在此改变的区域具有平面横截面形状。当沿与图31中的视图垂直的横截面平面看时，改变的区域6606可具有凹形状。例如，图32示出切割元件顶面6705的几何形状的剖视图，该剖视图沿经过切割元件轴向延伸并与形成于顶面内的改变的区域6706相交的平面，在此改变的区域6706具有凹状横截面形状。当沿与图32中的视图垂直的横截面平面看时，改变的区域6706可具有平面或非平面形状。

以另一种方式描述，改变的区域可具有长度和宽度，在此，长度沿冠部的方向延伸，而宽度以垂直于沿切割元件顶面的冠部的长度的方向延伸。沿其长度的改变的区域的剖视图可具有平面或非平面形状，沿其宽度的改变的区域的剖视图可具有平面或非平面形状。例如，改变的区域可具有沿其长度的凹状横截面形状和沿其宽度的凹状横截面形状。在另一个示例中，改变的区域可具有沿其长度的平面横截面形状以及沿其宽度的凹状横截面形状。具有在顶面中形成的至少一个改变的区域的切割元件的切割效率、切割控制深度以及正面冲击耐受力均有提高。

除了使改变的凹状区域沿冠部的长度，还可具有沿冠部的长度的突起，或在侧向延伸的顶面部分的任何部位处的凹槽或突起，例如以形成断屑器，该断屑器在切割元件接合地层时帮助切断地层切屑。

进一步，如上所述，冠部的几何形状可具有大体凸状的横截面剖面图(侧向延伸入凹陷区域)；然而，本发明公开未做如此限制。相反地，现参见图33，切割冠部3312具有大致恒定的高度，类似于图5-6所示的实施例。然而，非平面顶面3305未形成从切割冠部3312向凹陷区域3318过渡的简单的凸状表面。相反地，非平面顶面3305具有波状平面，远离切割冠部3312侧向延伸直到到达凹陷区域3318(即具有波峰和波谷)。换言之，非平面顶面3305可具有至少一个条形的次级冠部3342，其形成于切割冠部3312和凹陷区域3318之间的侧向空间内。在一个或多个实施例中，如所示，切割冠部可与条形的次级冠部大致平行；然而，在其他实施例中，次级冠部可具有向外围边缘弓弯的弯曲部，而切割冠部可为大致线性。

进一步，虽然图33所示的实施例示出的非平面顶面3305从切割冠部3312向条形的低谷3344，至条形的顶峰3342，再至凹陷区域3318平滑地过渡，本公开未做如此限制。相反地，可能取而代之的是切割冠部3312和凹陷区域3318之间为不平滑的过渡，从而形成条形的次级冠部3342，其形成于切割冠部3312和凹陷区域3318之间的侧向空间内。

现参见图34，示出非平面顶面的另一个实施例。如所示，切割冠部7812具有大致恒定的高度，类似于图5-6所示的实施例。非平面顶面7805未形成从切割冠部7812向凹陷区域7818过渡的简单的凸状表面，其远离切割冠部7812延伸一段侧向距离。非平面顶面7805可具有至少一个次级冠部7242，其形成于切割冠部7812和凹陷区域7818之间的侧向空间内。虽然图33所示的实施例包括与条形的次级冠部大致平行的切割冠部，但在图34所示的实施例中，次级冠部7842可具有向外围边缘7815弓弯的弯曲部(沿x轴线)，而切割冠部7812可为大致线性。进一步，虽然图33所示实施例中的条形的次级冠部7842延伸至外围边缘7125，但次级冠部7842沿y轴线未延伸到外围边缘7815。在此类实施例中，次级冠部可沿y轴线沿30-90％边到边长度延伸。在一个或多个实施例中，次级冠部可线性延伸或可具有向外围边缘弓弯(沿x轴线)的弯曲部。

除了上述具有两个切割边缘部分的非平面工作表面(例如图3-7中的切割边缘部分316)，本公开的实施例还可包括此类实施例，其包括多于两个的切割边缘部分。例如，参见图55-57，示出切割元件的另一个实施例。切割元件5500包括基体5520上的超硬层5510，在此非平面顶面5505几何形状形成于超硬层5510上。超硬层5510具有围绕顶面5505(并定义其边界)的外围边缘5515。顶面5505包括多个切割冠部5512(所示实施例中为三个，每个相互成120度)，它们在基体5520上方延伸高度5514。类似于以上所描述的实施例，切割冠部5512形成非平面工作平面5505以及切割元件5500的顶峰或最高高度。外围边缘5515的邻近冠部5512的部分形成切割边缘部分5516。不同于以上所描述的实施例，所述实施例包括沿切割元件的直径延伸的切割冠部，切割冠部5512从切割边缘部分5516朝向中心轴线5501径向向内延伸，并在顶面5505的中心区域5507内相交。在所描述的实施例中，中心区域5507处于与在切割边缘部分5516处的切割冠部5512的高度相同或大致相同的高度5514，但是为大致平面的或平的，凸起过渡到止于凹陷区域的凹面。在一些实施例中，中心区域5507可低于或高于切割边缘部分5516，并且虽然如所示，中心区域5507为大致平的，但是也可以是曲面状的。进一步，在一个或多个实施例中，中心区域5507可沿切割元件直径的1/8或2/3延伸。

每个切割冠部5512的顶峰具有凸状横截面形状(沿垂直于切割冠部长度的平面看)，曲率半径从0.02英寸(0.5毫米)至0.3英寸(7.6毫米)，或在另一个实施例中，从0.06英寸(1.5毫米)至0.18英寸(4.6毫米)。虽然未示出，但外围边缘的至少一部分(例如，切割边缘部分和围绕以预期切割深度与地层接触的边缘部分延伸)可被形成为斜坡或斜面。在其他实施例中，整个外围边缘可被形成为斜面。进一步，在一些实施例中，斜面或斜坡可在冠部和低谷之间变化。

现参见图58-59，示出切割元件的另一个实施例。切割元件5800包括基体5820上的超硬层5810，在此非平面顶面5805几何形状形成于超硬层5810上并且被外围边缘5815围绕。顶面5805包括多个切割冠部5812(所示实施例中为四个，每个相互成90度)，它们在基体5820上方延伸高度5814。类似于图55所示实施例，切割冠部5812从切割边缘部分5816朝向中心轴线5801径向向内延伸，并在顶面5805的中心区域5807相交。在所描述的实施例中，中心区域5507处于与在切割边缘部分5516处的切割冠部5512的高度相同或大致相同的高度5514，但是为大致平面的或平的，凸起过渡到止于凹陷区域5818的凹面。每个切割冠部5812的顶峰具有凸状横截面形状(沿垂直于切割冠部长度的平面看)，曲率半径从0.02英寸(0.5毫米)至0.30英寸(7.6毫米)，或在另一个实施例中，从0.06英寸(1.5毫米)至0.18英寸(4.6毫米)。切割冠部5812之间的低谷的曲率半径可在这样的范围内或不同。进一步，根据切割元件在切割器囊中的方位、切割冠部间的距离以及切割深度，多个切割边缘部分可同时与地层切割。例如，对于图58所示的切割元件，当切割元件以低谷的冠部垂直于地层放置时，可以达到这样的效果。

现参见图60-62，示出切割元件的另一个实施例。切割元件6100包括基体6120上的超硬层6110，在此非平面顶面6105形成于超硬层6110上并且被外围边缘6115围绕。顶面6105包括切割冠部6112，其形成非平面工作平面6105以及切割元件6100的顶峰或最大高度。切割冠部6112沿切割元件6100的直径延伸。外围边缘6115的邻近切割冠部6112的部分形成切割边缘部分6116。与上述包括大致均匀高度的切割冠部的实施例不同，切割冠部6112具有横跨沿y轴线的切割元件6100的直径的高度6114，顶峰高度6114邻近中心轴线6101。顶面6105的高度从顶峰高度6114在远离中心(或z)轴线6101沿x和y轴线延伸的方向上下降。然而，沿y轴线有不连续的切割冠部6112，其具有沿其长度的连续的曲线状的横截面(从图61的y-z平面视图看到)，这种切割冠部6112具有的曲率半径(垂直于y轴线和切割冠部6112的长度进行测量)小于(例如，明显小于)顶面6105的其余部分的弯曲部。这种曲率半径的范围可为0.02英寸(0.5毫米)至0.30英寸(7.6毫米)，或其他实施例中，0.06英寸(1.5毫米)至0.18(4.6毫米)英寸。如所示，顶面6105在垂直于且平分切割冠部6112的长度的横截面(从图62的x-z平面看)线性延伸到外围边缘6115，线性区段6108相切地连接到具有上述曲率半径的切割冠部6112。线性区段6108之间是角度6111，其范围从110度至160度。线性区段和切割冠部之间的顶面6105可呈大体凹状。

依据本公开的实施例，具有带有非平面顶面的超硬层的切割元件，如以上所描述的，可具有形成于超硬层和基体之间的非平面界面。例如，依据本公开的实施例，切割元件可包括基体；基体的上表面包括冠部，冠部沿基体的直径的至少大部分延伸，上表面从冠部过渡到下陷区域；以及置于基体上表面的超硬层，从而于其间形成的非平面界面。超硬层的顶面可具有至少一个切割冠部，所述切割冠部从顶面的外围边缘的切割边缘部分径向向内朝向中心轴线延伸，外围边缘的高度在远离至少一个切割冠部和切割边缘部分而向外围边缘的另一部分的方向上下降。

在一些实施例中，切割元件可具有带有侧表面的基体、冠部和至少一个下陷区域，在此，位于冠部处的基体的高度高于沿至少一个下陷区域的基体的高度。冠部和所述至少一个下陷区域可定义具有大致双曲抛物面形状或抛物柱面形状的基体界面，或上表面。切割元件可进一步具有置于基体界面上的超硬层，从而形成一个非平面界面，在此，超硬层具有围绕着顶面的外围边缘，顶面具有至少一个切割冠部，切割冠部沿外围边缘的一部分在基体部分上方延伸一个高度，从而形成第一切割边部分和至少一个凹陷区域，所述凹陷区域具有自切割冠部的高度连续下降的高度，高度在远离切割冠部向外围边缘的另一部分的方向上下降。

对超硬层顶面和基体上表层的非平面形状的描述贯穿本申请分别予以描述，除少数情况在一起进行描述。然而，本公开的实施例可包括将在此描述的任何非平面超硬层顶面设计与在此描述的任何非平面基体上表面设计结合使用的切割元件。

图35示出依据本公开的实施例的未组装的切割元件的一个例子。切割元件200具有基体220和超硬层210。基体220具有侧表面222、冠部224和至少一个远离冠部224侧向延伸的下陷区域226。基体220具有沿冠部的高度225，高于沿所述至少一个下陷区域226的高度，以致冠部224和所述至少一个下陷区域226定义具有双曲抛物面形状的上表面228的至少一部分。冠部224可被定义为基体220的沿横跨切割元件的直径(或切割元件的直径的至少一部分)的一个方向延伸的具有最大高度的区域，而下陷区域226可被定义为基体220的具有低于冠部高度的高度的区域下陷区域226的高度在远离冠部大体垂直于冠部长度的方向上在高度上大体降低。依据本公开的实施例，非平面基体上表面可包括冠部和下陷区域，所述冠部和下陷区域具有范围为0.04英寸(1.02毫米)和0.4英寸(10.16毫米)之间的高度差(在最高高度和下陷区域的最低点之间)。进一步，在一个或多个实施例中，邻近冠部224的径向端为向基体侧表面的阶梯形过渡227，以致切割冠部的切割边缘部分在切割边缘后具有足够的厚度来承受钻井时的切割磨损和/或负荷。例如，阶梯形过渡227可围绕基体的整个圆周延伸，并能够具有围绕整个圆周的统一的或不统一的阶梯。在一个或多个实施例中，相对于直径的阶梯形过渡227的宽度可在0.03至0.25的范围，相对于基体的总高度225的阶梯形过渡227的高度可在0.03至0.2的范围。进一步，虽然所示阶梯形过渡227呈凹状表面，也可采用凸状和直锥状过渡。

超硬层210具有围绕顶面205的外围边缘215，顶面205具有至少一个切割冠部212，其沿外围边缘215的一部延伸高度214，从而形成第一切割边缘部分216。切割冠部212从第一切割边缘部分216径向向内朝向中心轴线延伸，且延伸横跨切割元件的直径。至少一个凹陷区域218远离切割冠部212侧向延伸。外围边缘215呈波状起伏且在远离切割冠部212和切割边缘部分216向沿外围边缘的另一部分形成的至少一个凹陷区域218的方向上在高度上降低。换言之，顶面205可具有从切割冠部212向至少一个凹陷区域218逐渐降低的高度。如所示，切割冠部212和凹陷区域218形成具有抛物柱面的顶面205，但是也可以采用上述任何顶面或任何其他几何形状。进一步，如所示，顶面205具有非平面形状，其区别于基体上表面228的形状。尽管顶面205和基体上表面228之间的几何形状类型不同，但在一个或多个实施例中，顶面205的冠部212和上表面228的冠部224可大致对准，即，共平面或在5度范围内的共平面，或0.1英寸(2.54毫米)内的侧向对准或5％(直径)内的侧向对准。在其他实施例中，超硬层的非平面顶面可大致与基体上表面的形状对应。例如，切割元件可具有带双曲抛物面形状顶面的超硬层和带双曲抛物面形状上表面的基体。在其他实施例中，超硬层的切割冠部和基体的冠部可具有大致类似的曲率。例如，曲率可彼此相差20％内，在其他实施例中，10％或5％以内。

当将超硬层210组装到基体220上时，超硬层界面和基体上表面228之间形成非平面界面，在此超硬层界面与基体上表面228配合。

图35中所示的切割元件基体的几何形状也可用x-y-z坐标系进行描述。基体220具有非平面上表面228、侧表面222和与由此延伸穿过的z轴线一致的纵向轴线。非平面上表面228具有通过沿x轴线和y轴线变化高度(在此高度沿z轴线测量)而形成的几何形状。如上对超硬层的描述，冠部224包括相对于z轴线的顶峰高度。冠部224沿基体220的y轴线延伸。也就是说，y轴线被定义为延伸穿过冠部224长度。进一步，虽然本公开的一个或多个实施例中涉及冠部(在峰高度)延伸横跨切割元件的整个直径，但基体的冠部224可延伸少于整个直径，即上表面可延伸至冠部224的顶峰，其延伸小于整个直径，且可过渡到邻近侧表面222形成的阶梯形部分227。图36示出沿y轴线和z轴线的相交平面的基体220的剖视图(即冠部的剖面视图)。如所示，基体上表面的高度自峰高度向z轴线逐渐下降，而形成凹状横截面形状的冠部224，其由上表面228中的阶梯形部分227作边界。图37示出沿x轴线和z轴线的相交平面的基体220的剖视图(即冠部的几何形状视图)，显示基体上表面的高度从位于z轴线的冠部224向较低高度(也可指图35中的下陷区域226)逐渐下降，从而形成凸状横截面形状，其由基体上表面228中的阶梯形部分227作边界。进一步，在一个或多个实施例中，冠部224的曲率半径范围可从0.02英寸(0.5毫米)至0.30英寸(7.6毫米)。如上所讨论的，形成于超硬层中的切割冠部可具有的曲率半径范围可为0.06英寸(1.5毫米)至0.18英寸(4.6毫米)。由变化的高度形成的基体上表面228的三维形状具有大致连续的双曲抛物面形状，其由阶梯形部分227作边界。

图38-41示出依据本公开的实施例的基体的另一示例。基体2320具有侧表面2322、冠部2324和从冠部2324侧向延伸的至少一个下陷区域2326。基体2320具有沿冠部2324的高度2325，其高于沿所述至少一个下陷区域2326的高度。冠部2324和下陷区域2326定义具有大体抛物柱面形状的上表面2328。如所示，冠部2324具有延伸横跨基体直径的一部分(至少大部分)的条形的形状，顶峰高度位于冠部2324的径向端。邻近冠部2324的径向端为锥形过渡2330，其将基体上表面2328从冠部2324过渡到基体侧表面2322。进一步，与图35所示的阶梯形过渡227不同，其围绕整个基体圆周延伸，本实施例包括锥形过渡2330，其围绕基体圆周的一部分延伸，特别是邻近冠部2324的径向端。在与超硬层组装时，可包括锥形过渡2330，以致(超硬层的)切割冠部的切割边缘部分可在切割边缘后具有足够的厚度承受钻探时的切割磨损和/或者负荷。在一个或多个实施例中，相对于直径的锥形过渡2330的宽度2334(朝向中心轴线的径向宽度)范围可为0.03至0.25，相对于基体总高度2325的锥形过渡2330的高度2332范围可为0.03至0.2。如所示，锥形过渡2330具有凹状平面几何形状，但是可以预期到也可以采用平面或凸状锥形过渡。

除邻近冠部2324的径向端的锥形过渡2330，基体的高度侧向从冠部2324向下陷区域2326进一步降低。进一步，从冠部2324到下陷区域2326的高度变化可不形成连续的抛物柱面，但是取而代之的是可形成大体抛物柱面形状。例如，在冠部2324和下陷区域2326之间，上表面在过渡到下陷区域2326前，会过渡到平台2327。在所示的实施例中，平台2327大致沿冠部2324的长度延伸，侧向且轴向远离冠部2324一段距离。如所示，下陷区域2326在冠部2324下方延伸深度2336，其大于在锥形过渡2330处的冠部2324的高度2332。在一个或多个实施例中，在锥形过渡2330处的冠部2324的高度2332与在冠部2324前的下陷区域2326的深度2336的比率范围可为0.1至1，或在更特定的实施例中，为0.2到0.6。

除了侧向延伸远离冠部2324而形成平台2327的不连续性弯曲，如图39所示，基体上表面的高度可具有形成冠部2324的一个或多个顶峰或低谷，包括一个或多个凹状区域2329。具体地讲，如所示，冠部2324包括两个大致平行的顶峰，其具有沿冠部2324相当一段长度延伸的条形的凹状区域或凹槽2329。邻近基体2320的中心轴线，凹状区域2329更为明显，更深地延伸入基体2320，且具有更大的侧向范围。借助凹状区域2329的这种较大的深度和侧向范围，邻近基体的中心轴线，冠部2324类似地侧向向外弓弯，并具有与冠部2324的径向端相比降低的高度。如以下所述，在基体上表面中可形成其他类型的表面改变和组合。

现参见图42，示出依据本公开的实施例的未组装的切割元件的另一示例。切割元件2600具有基体2620和超硬层2610。基体2620具有侧表面2622和非平面上表面2628，非平面上表面的几何形状由高度变化定义。如所示，基体2620具有延伸横跨基体2620的直径的冠部2624和远离冠部2624侧向延伸的至少一个下陷区域2626。基体2620的高度从冠部2624的顶峰高度(在冠部的径向外端)向中心区域2621以及至少一个下限区域2626降低。冠部2624、下陷区域2626以及冠部2624区域和下陷区域2626之间变化的高度形成具有大致抛物柱面形状的基体上表面2628。超硬层2610具有超硬层界面2617、与超硬层界面2617相反的顶面2605以及围绕顶面2605的外围表面2615。超硬层2610的顶面2605具有如上所述的抛物柱面形状。将超硬层2610组装到基体2620时，超硬层界面2617和基体上表面2628之间形成非平面界面。

进一步，基体上表面2628可具有大致双曲抛物面形状，至少一个表面改变结构形成于其上。所述至少一个表面改变结构包括至少一个凸起2625。凸起2625可围绕基体上表面2628上的中心区域2621径向地分散。超硬层界面具有于此之上径向分散的相对应的小凹陷，以致超硬层界面与基体上表面2628相配合。在一些实施例中，凸起(和对应的小凹陷)可围绕界面呈轴对称、对称或者不对称。进一步，在一些实施例中，基体上表面可具有一个凸起，而在其他实施例中，基体上表面可具有多于一个的凸起。

图43示出依据本公开的实施例的未组装的切割元件基体的另一示例。切割元件2900具有基体2920和超硬层2910。基体2920具有侧表面2922、冠部2924和远离冠部2924侧向延伸的至少一个下陷区域2926。基体2920在冠部2924处具有高度2925，其高于在所述至少一个下限区域2926处的高度，以致冠部2924和所述至少一个下陷区域2926限定出具有抛物柱面形状的基体上表面2928。在所示实施例中，冠部2924(沿顶峰的顶端具有高度2925)延伸横跨上表面2928的直径的大部分。与从冠部2924的径向端的高度降低的倾斜率相比较，基体的高度以更大的倾斜率从邻近基体的中心轴线的冠部2924降低高度。超硬层2910具有围绕顶面2905的外围边缘2915和与顶面2905相反的超硬层界面。顶面2905具有切割冠部2912，其沿外围边缘2915的一部分延伸高度2914，从而形成第一切割边缘部分2916以及远离切割冠部2912侧向延伸的至少一个凹陷区域2918。顶面2905的高度在远离切割冠部朝向外围边缘的另一部分的方向上连续降低。

进一步，基体上表面2928可包括围绕其外围形成的阶梯形部分2927。如所示，阶梯形部分2927具有高度，其小于基体上表面的径向向内且邻近的部分。阶梯形部分2927与基体上表面的径向向内且邻近的部分之间的高度差可围绕整个外围相等，以致阶梯形部分2927可具有与基体上表面的径向向内且邻近的部分的抛物柱面形状相对应的形状。换言之，阶梯形部分2927可具有使基体上表面2928的其余部分的抛物柱面形状的总体弯曲得以连续的形状，但是在低于径向向内且邻近的部分的高度下与基体上表面2928的其余部分脱离。图35所示的切割元件200也具有围绕基体的外围(邻近侧表面)形成的阶梯形部分，在此阶梯形部分具有使其余的基体界面的大体鞍形形状得以连续的形状，但是在较低的高度下与其余的基体界面脱离。

超硬层2910可具有与基体阶梯形部分2927相对应的阶梯，以致超硬层界面与基体上表面2928相配合。将超硬层2910组装到基体2920时，超硬层界面与基体上表面2928之间形成非平面界面。

依据本公开的实施例，切割元件基体可具有阶梯形部分和形成于基体界面中的至少一个表面改变结构。例如，现参见图44，示出依据本公开的实施例的未组装的切割元件基体的另一示例。切割元件具有基体3220和超硬层。基体3220具有侧表面3222、冠部3224以及从冠部3224侧向延伸的至少一个下陷区域3226。基体3220具有沿冠部3224的高度3225，其大于沿所述至少一个下陷区域3226的高度。冠部3224和下陷区域3226限定出具有抛物柱面形状的基体上表面3228。

如所示，从冠部3224到下陷区域3226的高度的变化可不形成连续的抛物柱面形状，但是取而代之的是可形成具有形成于其上的至少一个平面改变结构3225的大体抛物柱面形状。进一步，基体上表面3228可包括围绕其外围形成的阶梯形部分3227。如所示，阶梯形部分3227具有高度，其小于基体上表面3228的径向向内且邻近的部分。阶梯形部分3227与基体上表面3228的径向向内且邻近的部分之间的高度差可围绕整个外围相等，以致阶梯形部分3227具有与基体上表面3228的径向向内且邻近的部分的抛物柱面形状相对应的弯曲。进一步，基体上表面3228具有至少一个表面改变结构3225，其包括多个平行(或大致平行)的凹槽，其延伸阶梯形部分3227之间的上表面的距离。然而，在其他实施例中，一个或多个凹槽可形成于基体界面中，且例如，可为平行，或不平行，或轴对称的。

现参看图45，其示出依据本公开的实施例的未组装的切割元件基体的另一示例。切割元件具有基体3520和超硬层。基体3520具有侧表面3522、冠部3524和远离冠部3524侧向延伸的至少一个下陷区域3526。沿冠部3524的基体3520的高度3525大于沿所述至少一个下陷区域3526的基体的高度。基体的高度从冠部3524朝向基体的中心轴线以及从冠部沿侧表面3522朝向下陷区域3526降低。冠部3524和下陷区域3526之间变化的高度限定出具有大体双曲抛物面形状的基体上表面3528。如所示，从冠部3524到下陷区域3526的高度的变化可不形成连续的双曲抛物面形状，但取而代之的是可形成具有至少一个表面改变结构3525的双曲抛物面形状。例如，所述至少一个表面改变结构3525可包括形成环形的至少一个隆起。如所示，所述至少一个表面改变结构3525包括形成于基体界面3528上的两个同心的环。然而，在其他实施例中，双曲抛物面形状的基体上表面中可形成多于或少于两个的环。

图46-50示出依据本公开的一些实施例的切割元件采用的基体。参见图46，依据本公开的实施例，基体3820具有侧表面3822、冠部3824和侧向延伸远离冠部3824的至少一个下陷区域3826。沿冠部的基体3820的高度3825大于沿所述至少一个下陷区域3826的高度。冠部3824和下陷区域3826限定出具有抛物柱面形状的基体上表面3828，其延伸切割元件直径的相当大部分但非全部。上表面还包括锥形过渡3830，形成于冠部3824的邻近侧表面3822的径向端。

图47示出依据本公开的其他实施例的基体3920，其具有侧表面3922、冠部3924和远离冠部3924侧向延伸的至少一个下陷区域3926。沿冠部3924的基体3920的高度3925大于沿所述至少一个下陷区域3926的高度。围绕基体上表面3928的外围形成阶梯形部分3927，在此沿阶梯形部分3927的基体的高度小于具有冠部3924和下陷区域3926的上表面的其余部分。如所示，阶梯形部分3927围绕上表面3928外围具有统一高度，以致阶梯形部分3927与基体上表面3928的其余部分的形状不对应。冠部3924和下陷区域3926限定出上表面3928的一部分，其具有由阶梯形部分3927围绕的抛物柱面形状，在此冠部3924从阶梯形部分3927的一侧向阶梯形部分3927的相对侧延伸。在一个或多个实施例中，阶梯形部分3927的宽度可为至少0.015英寸(0.38毫米)，或在其他实施例中，为至少0.02英寸(0.5毫米)，上可至0.3英寸(7.6毫米)。进一步，在一个或多个实施例中，相对于直径，阶梯形部分的宽度的范围可为0.03至0.25，相对于基体的总高度，阶梯形部分的高度范围可为0.03至0.02。此外，虽然所示实施例示出大致平或平面的阶梯形部分3927，但在本申请范围内，阶梯形部分3927可形成弯曲的或其他非平面环形区域。

图48示出依据本公开的其他实施例的基体4020，其具有侧表面4022、冠部4024和远离冠部4024侧向延伸的至少一个下陷区域4026。基体4020具有沿冠部4024的高度4025，其大于沿所述至少一个下陷区域4026的高度。如所示，基体4020位于冠部4024的高度可朝向下陷区域4026逐渐下降，例如以恒定变化率或沿一曲率半径下降，然后高度可陡降或下落至下陷区域4026。依据本公开的实施例，基体的高度可从至少一个冠部向下陷区域逐渐和/或突然变化，例如，高度可具有恒定倾斜度、恒定变化率，或曲率半径、变化的倾斜度、变化的变化率、恒定和变化的倾斜度或变化率的组合、或下落(即无限定的垂直倾斜度)。进一步，阶梯形部分4027围绕基体上表面4028外围形成，在此阶梯形部分4027具有小于冠部4024和下陷区域4026两者的高度。如所示，阶梯形部分4027具有围绕基体上表面4028外围的统一的高度，以致阶梯形部分4027与基体上表面4028的其余部分的形状不对应。冠部4024和下陷区域4026限定上表面4028的一部分，其具有由阶梯形部分4027围绕的大体抛物柱面形状，在此冠部4024从阶梯形部分4027的一侧向阶梯形部分4027的相对侧延伸。进一步，上表面4028的位于阶梯形部分4027内的部分具有围绕其形状边界的圆倒角4029。然而，其他实施例可具有不同形状的倒角或斜坡围绕基体上表面的一个或多个区域的整个或部分边界形成。

在一些实施例中，基体的高度可从冠部向下陷区域不连续地下降。例如，图49示出依据本公开的一些实施例的基体4120。基体4120具有侧表面4122、冠部4124和与冠部4124侧向隔开的至少一个下陷区域4126。波状表面4132从冠部4124至下陷区域4126延伸，形成低谷和斜坡形，在此斜坡的高度低于冠部4124的高度。进一步，下陷区域4126的高度低于低谷的高度。在冠部4124和波状表面4132的径向端，基体包括锥形过渡4130，将冠部4124和波状表面4132过渡到侧表面4122。进一步，沿冠部4124和波状表面4132的邻近锥形过渡4130的径向端形成斜坡4129。

在一些实施例中，基体的高度可从冠部向下陷区域不连续地下降。例如，图50示出依据本公开的一些实施例的基体4220，其具有冠部4224和与冠部4224侧向间隔开的至少一个下陷区域4226，在此沿冠部4224的基体的高度4225大于位于下陷区域4226的基体的高度。阶梯形部分4227围绕冠部4224和下陷区域4226且邻近基体4220的侧表面4222形成。阶梯形部分4227具有围绕基体外围的统一的高度，以致阶梯形部分的形状与基体上表面4228的其余部分的形状不对应。阶梯形部分4227也可延伸穿过基体上表面的其余部分，在冠部4224和下陷区域4226之间形成凹槽4221。因此，当从冠部4224向下陷区域4226移动时，基体的高度在冠部4224达到顶峰，然后远离冠部侧向移动，高度连续地降低，直到到达径向阶梯形部分4227，其形成高度上的不连续性。从径向阶梯形部分4227向下陷区域4226移动，基体上表面在内部阶梯部分4227间具有上升的高度，其在朝下陷区域4226侧向移动中连续下降。在冠部和上表面的径向端，可包括圆倒角4229。如所示，圆形的或圆角的倒角4229可形成于冠部4224的每一侧。

现参见图51-54，示出切割元件5100的另一个实施例。图51示出超硬层5110于界面5130处置于基体5120上。超硬层5110形成非平面顶面5105(特别是，抛物柱面)，其具沿y轴线纵向延伸的切割冠部5112。当远离切割冠部5112侧向延伸(沿x轴线)，超硬层5110具有至少一个凹陷区域5118，其由顶面5105的高度在远离切割冠部5112的方向上连续降低而形成。因此，超硬层5110可与例如图3-7所描述的示例类似。如说明超硬层顶面5105形状的剖视图所示，基体也具有类似但不相同的弯曲。也就是说，基体5120具有冠部5124，其以与切割冠部5112大致对准(沿y轴线)地延伸。然而，冠部5124没有统一的高度，而是其端部(邻近侧表面5122)低于峰高(邻近中心轴线或z轴线)。由此，超硬层5110在中心轴线或z轴线处具有厚度t1，小于沿y轴线的位于冠部5124的端部的厚度t2。在一个或多个实施例中，t2比t1大，但小于三倍的t1。除了这种厚度差外，t1和t3(其是位于侧向(沿x轴线)延伸的超硬层5110的凹陷区域5118处的超硬层5110的厚度)之间也存在厚度差。然而，t1和t2间厚度差不是由相对于切割元件5100的底面的超硬层5110的高度差所导致的，而是由基体5120上表面5128的几何形状所导致的。具体而言，上表面5128具有沿两个方向延伸的凸状弯曲部，具体而言，沿x轴线和y轴线两者。沿x-z横截面的上表面5128的曲率半径小于沿y-z横截面的曲率半径。也就是说，沿冠部5124的曲率半径大于由上表面5128侧向延伸远离冠部5124所形成的曲率半径。沿冠部5124的弯曲可允许位于外围边缘的切割边缘部分处的更厚的超硬层5110。

除沿x和y轴线各轴线的双弯曲外，上表层还包括多个凸起5125，在所示实施例中，为多个大体泪滴状凸起5125(具有一个圆形端部，另一端部呈尖形)。然而，凸起也可为其他形状，包括其他条形(比宽度长)形状，如椭圆形，但也可是非条形的形状，如圆形等。如所示，大体泪滴形凸起5125的尖端从x轴线的两侧向内指向x轴线。多个凸起5125位于基体上表面5128上的冠部5124的朝向下陷区域5126延伸的任一侧。按这种方位，所述多个凸起的长度大体与冠部5124的长度对准(大致平行或在20度内)。在一个或多个实施例中，凸起5125延伸的高度范围约为0.010至0.050英寸(0.25至1.3毫米)。在一些实施例中，凸起5125延伸的高度等于或大于约5％，约10％，约15％或约20％的超硬层5110最小厚度，以及小于或等于约50％，约45％，约40％或约35％的超硬层5110最小厚度。

依据本公开的实施例的基体可由硬质合金组成，如利用铁、镍、钴、或其合金结合的碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化钽、碳化钒、或其组合。例如，基体可由钴结合碳化钨形成。依据本公开的实施例，超硬层可由，例如，多晶金刚石形成，例如金刚石晶体通过金属催化剂如钴或其他第VIII族金属在足够高的压力和温度(高温高压HPHT条件下烧结)下结合到一起形成，或由热稳定多晶金刚石(去除至少一些或大致全部催化剂的多晶金刚石)、立方氮化硼形成。进一步，超硬层可由一个或多个层构成，其中可具有金刚石成分的梯度或阶梯形过渡，这亦属于本公开的范围。在此类实施例中，一个或多个过渡层(以及其他层)可包括金属碳化物于其内。进一步，当采用此类过渡层时，相结合的过渡层和外层可整体称为超硬层，如本申请中用到的这一术语。也就是说，超硬层(或包括超硬材料的多个层)可形成于上的界面是硬质合金基体的界面。

依据本公开的实施例的切割元件可沿切割工具的刀片按一排或多排放置。例如，依据本公开的实施例，钻头可具有钻头体、从钻头体延伸出的至少一个刀片以及沿所述至少一个刀片的切割面放置的第一排切割元件。第一排中的一个或多个切割元件可包括例如如上所述的具有非平面顶面和形成于切割元件的超硬层和基体之间的非平面界面的切割元件。钻头还可具有沿所述至少一个刀片的顶面并从第一排向后放置的第二排切割元件。第二排中的一个或多个切割元件可包括例如如上所述的具有非平面顶面和形成于切割元件的超硬层和基体之间的非平面界面的切割元件。在一些实施例中，第一排和/或第二排中的一个或多个非平面切割元件可具有不同于其他非平面切割元件的形状(例如，具有一个或多个上述变型的切割元件)。

图63示出依据本公开的实施例的钻头的局部视图。钻头6300具有钻头体6310和从钻头体6310延伸出的至少一个刀片6320。每片刀片6320具有：切割面6322，其朝向钻头旋转的方向；与切割面6322相反的后缘面6324；以及顶面6326。切割元件的第一排6330以邻近至少一个刀片6320的切割面6322放置。第一排6330中的一个或多个切割元件可包括切割元件6332(其可以是上文描述的任何切割元件)。例如，切割元件6332可包括具有上表面的基体以及上表面上的超硬层，所述上表面中形成有冠部，冠部过渡为下陷区域，从而在超硬层和基体之间形成非平面界面。在另一个实施例中，超硬层的顶面具有沿直径从波状外围边缘的切割边缘部分延伸的至少一个切割冠部。在所示的实施例中，沿切割元件6332的顶面的切割冠部形成大致抛物柱面形状。进一步，在一个或多个实施例中，可将任何顶面几何形状与任何基体/界面几何形状组合使用。

钻头6300进一步包括沿刀片6320的顶面6326并在第一排6330之后放置的第二排6340切割元件。换言之，第一排6330切割元件沿刀片6320在切割面6332放置，而第二排6340切割元件沿刀片6320的顶面6326在远离切割面6322的位置放置。第二排6340中的一个或多个切割元件可包括依据本公开的实施例的切割元件6342。例如，如所示，切割元件6342可具有例如如上所述的非平面顶面和形成于切割元件的超硬层和基体之间的非平面界面。第一排6330或第二排6340或第一排6330和第二排6340中的切割元件的非平面顶面可具有抛物柱面或双曲抛物面形状。进一步，具有平面或非平面顶面的其他切割元件可在刀片上的第一排和/或第二排。例如，如图63所示，第二排6340切割元件还可包括具有圆锥形顶面(或其他非圆锥形但大致尖的切割面)的切割元件，在此圆锥形顶面可包括具有一曲率半径的圆形顶端。具有圆锥形顶面的切割元件6344可被置于刀片6320上，以致切割元件6344的中心轴线或纵向轴线与刀片6320的顶面6326呈一角度，在此角度范围例如可从大于0度至90度。同样的，其他具有平面或非平面顶面的切割元件的中心轴线或纵向轴线与刀片的顶面所成角度范围可从大于0度至90度。如图63所示，依据本公开的实施例的切割元件6332、6342可以范围从大于0度至40度(或在其他不同的实施例中至少为5、10、15、20,、25、30或35度)的角度(平行于钻头轴线的线和延伸穿过切割冠部的径向端的线之间形成的角度)被置于刀片6320上。

然而，如图68所示，切割元件6832可以大致垂直于刀片顶端定位。也就是说，切割元件6832也可以以范围从大于65度至115度(或在一些实施例中，至少为65、75、80、85、90、95、100、105、110度)的角度(平行于钻头轴线的线和延伸穿过切割冠部的径向端的线之间形成的角度)被定位。这一角度也可用在平行于钻头轴线的线和切割元件的中心轴线之间形成的角度的方式表示，角度范围从0度至±25度(或至少0、±5、±10、或±15度)。例如，虽然图68示出本公开的跟随剪切切割器6820的切割元件6810，切割元件6810以大致垂直于刀片顶面定位(平行于钻头轴线的线和切割元件的中心轴线之间形成的角度为0)，图69示出跟随剪切切割器6920且以负角度(可达到-25度)被定位的切割元件6910，在此，切割元件6910的切割边缘以远离旋转方向的方向倾斜，以及图70示出切割元件7010，被定位跟随剪切切割器7020并以正角度(可达到25度)被定位，在此切割元件7010的切割边缘以朝向旋转方向的方向倾斜。这样的方位可被以上文或下文描述的任何切割元件的布置方式用于(并与剪切切割器和圆锥形切割机结合)本公开的切割元件上。然而，特别是，实施例可包括本公开的这种切割元件作为紧邻剪切切割器之后的备用或次切割元件或作为主切割元件，单独或与剪切切割器或其他非平面切割元件组合使用。也可以预想到，次或备用切割元件可相对于主切割元件位于不同的径向位置。例如，参见图71，本公开的切割元件7110与主剪切切割器7120相比，可为位于不同的径向位置(相对于钻头中心线)的次切割元件(即，切割元件7110在两个邻近的剪切切割器之后和之间)。相反地，在图72中，本公开的切割元件7210为主切割元件，而与本公开的主切割元件7210相比，剪切切割器7220为位于不同的径向位置(相对于钻头中心线)的次割元件(即，剪切切割器在两个邻近的切割元件7210之后和之间)。此外，当采用主和次切割元件时，可存在暴露差异X，例如如图68所示，差异范围可达±0.100英寸(2.54毫米)。因此，虽然可不存在暴露差异(X＝0)，但本公开的切割元件6810与剪切切割器6820相比也可具有更大(0<X≤0.100英寸)或更小(-0.100英寸<X<0)的暴露。此暴露差异可用于任何实施例中，包括任一图63-72所示的组合(还包括相同或类似切割元件的组合)。

转回参看图63，在一个或多个实施例中，具有圆锥形顶面的切割元件6344可以以范围从0度至20度的角度(平行于钻头轴线的线和切割元件的中心轴线之间形成的角度)被置于刀片6320上，在此切割元件的尖端旋转引导其基体，即指向前导面方向。

进一步，在图63所示的实施例中，第二排6340中的切割元件可被置于第一排6330中的切割元件之后，以致第二排6340中的一个或多个切割元件与第一排中的一个或多个切割元件分享径向位置。刀片上分享同一径向位置的切割元件被置于距钻头的中心轴线或纵向轴线具有相同径向距离的位置，以致当钻头旋转时，切割元件沿相同的径向路径切割。分享相同径向位置的第二排6340中的切割元件和第一排6330中的切割元件可分别称为备用切割元件和主切割元件。也就是说，此处所采用的术语“备用切割元件”用于描述当钻头以切割方向旋转时，跟随同一刀片上的任何其他切割元件的切割元件，而术语“主切割元件”用于描述置于刀片的前导边缘上的切割元件。由此，当钻头在切割方向上绕着其中心轴线旋转时，“主切割元件”不跟随相同刀片上的任何其他切割元件。第二排6340中的其他切割元件可部分地与第一排6330中的切割元件的径向位置重叠，或可被置于径向邻近第一排中的切割元件的位置(即，在此，第二排中的切割元件被置于第一排中的切割元件之后，且不分享沿钻头刀片的径向位置)。进一步，尽管所示实施例示出第一排6330被具有本公开的几何形状的切割元件6342占满，但并非第一排6330的全部切割元件可具有这一几何形状，且并非全部可包括大致上尖的切割元件或平面切割元件。切割元件不同类型的这种混合也可用于第二排，或第二排可包括同类型的切割元件。

图64示出依据本公开的实施例的钻头的局部视图。钻头6400具有钻头体6410和从钻头体6410延伸出的至少一个刀片6420。每片刀片6420具有切割面6422(其朝向钻头旋转的方向)，与切割面6422相反的后缘面以及顶面6426。切割元件的第一排6430沿至少一个刀片6420的切割面6422放置。依据本公开的实施例，例如如上所述，第一排6430中的一个或多个切割元件可包括具有非平面顶面和/或形成于切割元件的超硬层和基体之间的非平面界面。例如，切割元件6432可包括：具有上表面的基体，上表面中形成有冠部，在此冠部过渡至下陷区域；以及上表面上的超硬层，从而在超硬层和基体之间形成非平面界面。进一步，超硬层的顶面具有延伸横跨切割元件直径的切割冠部，且顶面高度在远离切割冠部侧向延伸的方向上降低。在所示的实施例中，切割冠部沿切割元件6432的顶面形成抛物柱面形状。

钻头6400进一步包括沿刀片6420的顶面6426且在第一排6430后放置的第二排6440切割元件。依据本公开的实施例，第二排6440中的切割元件包括具有双曲抛物面形状的顶面的至少一个切割元件6442以及具有圆锥形顶面的至少一个切割元件6444，在此圆锥形顶面可包括具有一曲率半径的圆形顶端。切割元件6444可以沿第二排6440与切割元件6442交替排列放置。在其他实施例中，单一类型的切割元件(例如，依据上述实施例的切割元件，具有圆锥形顶面的切割元件、或具有非平面顶面的切割元件)可相互邻近放置于一排切割元件内。例如，如图64所示，第二排6440的一部分包括具有圆锥形顶面的相互邻近放置的多个切割元件6444，以及第二排6440的另一部分包括具有圆锥形顶面的与依据本公开的实施例的切割元件6442交替排列的切割元件6444。进一步，整个第一排6430的切割元件包括依据本公开的实施例的多个切割元件6432。

进一步，如所示，本公开的一个或多个切割元件6432可(相对于切割元件围绕其中心轴线的旋转)定准成以致切割元件6432的切割冠部6434的长度可大致垂直(在不同实施例中，垂直度在20、10或者5度内)延伸远离刀片6420的轮廓曲线6428(如图73所示)。这种定准方式指示了切割元件6432的旋转并可以被实施于切割元件6432定向的任何后倾角。这一定准可通过使用任何类型的定准工具来实现，例如钳状工具，其相对于刀片顶面6422定准切割冠部6434(例如，允许用户手动定准切割冠部或机械定准切割冠部)。可采用任何适合的工具或方法对切割冠部进行定准。

在其他实施例中，单一类型的切割元件可沿刀片区域成排放置。例如，具有相同形状顶面的一个或多个切割元件可沿刀片区域以成排的切割元件放置。刀片的区域可大体分为锥形区域、肩部区域和规径区域，在此锥形区域指钻头的径向最内部区域，规径区域指沿钻头外直径的刀片区域，而肩部区域指径向定位在锥形和规径区域之间的钻头区域。肩部区域也可被描述为具有凸状或向上回弯的轮廓的刀片区域。

例如，图65和66示出依据本公开的实施例的钻头6500的仰视图和透视图，钻头具有钻头体6510和自钻头体延伸出的多个刀片6520。每个刀片6520具有前导面6522、与前导面相反的后缘面6524以及顶面6526。第一排6530的切割元件沿至少一个刀片的前导边缘(在此，前导面过渡到顶面)放置，在此第一排中的切割元件6532具有依据以上描述的实施例的非平面顶面。第二排6540的切割元件沿刀片的顶面并在第一排6530切割元件之后放置，在此第二排6540包括依据本公开的实施例的切割元件6542和具有圆锥形顶面的切割元件6544。沿刀片6520的锥形区域6550的第二排6540的切割元件包括具有圆锥形顶面的切割元件6544，以及沿刀片6520的肩部区域6560的第二排6540切割元件包括交替排列的具有圆锥形顶面的切割元件6544和依据本公开的实施例的切割元件6542。进一步，沿刀片6520的规径区域6570的第二排6540切割元件包括一个或多个具有圆锥形顶面的切割元件6544。然而，在其他实施例中，各类型切割元件的不同组合可沿刀片的锥形区域、肩部区域和规径区域成排放置。例如，具有平面顶面的一个或多个切割元件可沿刀片的锥形、肩部和/或规径区域以成排的切割元件放置；具有抛物柱面形状顶面的一个或多个切割元件可沿刀片的锥形、肩部和/或规径区域以成排的切割元件放置；具有双曲抛物面形状顶面的一个或多个切割元件可沿刀片的锥形、肩部和/或规径区域以成排的切割元件放置；和/或具有非平面顶面的一个或多个切割元件可沿刀片的锥形、肩部和/或规径区域以成排的切割元件放置。

进一步，虽然仅对钻头进行说明，但本公开的切割元件也可被用于如图67所示的其它类型的切割工具如铰孔器和铣削工具等。图67示出扩孔器830的一般结构，其包括本公开的一个或多个切割元件。扩孔器830具有工具体832和围绕其圆周以选择的方位角位置放置的多个刀片838。扩孔器830通常具有连接结构834、836(例如，螺纹连接结构)，以致扩孔器830可与邻近的钻井工具相连接，所述钻井工具包括例如钻柱和/或井下钻具组合(BHA)。工具体832通常包括贯穿其的孔，以致当钻井液体被从地面(例如地面泥浆泵)泵入井眼底部时，可流经扩孔器830。相似地，图74示出可扩大的铰孔器741的一般结构，其包括一个或多个本公开的切割元件。可扩大的铰孔器741具有工具体742和围绕其圆周以选择的方位角位置放置的多个刀片743。刀片可为可移动的且可响应通孔和井眼环空之间的流体压力差从工具体径向向外延伸。可扩大的铰孔器741通常具有连接结构744、745(例如，带螺口的连接结构)，以致可扩大的铰孔器741可与邻近的钻井工具相连接。工具体742通常包括贯穿其的孔，以致当钻井液体被从地面(例如地面泥浆泵)泵入井眼底部时，可流经可扩大的铰孔器741。

冠词“一个”、“一”和“该”用于表示在之前的描述中有一个或多个元件。术语“包含”，“包括”和“具有”用于表示包括在内且意味着可能还有所列元件之外的额外的元件。此外，应理解所提及的本公开的“一个实施例”或“一实施例”并非旨在被解释为排除也包括所列举的特征的额外的实施例。例如，与本申请一个实施例有关的任何所描述的元件可与本申请所描述的其他任何实施例的任何元件相组合。进一步，应理解的是以上描述中的任何方向或参考系仅仅为相对方向或移动。例如，任何提及的“上”和“下”或“之上”或者“之下”仅仅是对相关元件的相对位置和移动的描述。数字、百分比、比率或其他在本申请中陈述的数值旨在包括所陈述的数值，以及能够为本领域技术人员领会的本申请公开的实施例所包含的“大约”或“接近”所陈述的数值的其他数值。因此，所陈述的数值应被充分地广泛解释以包括至少足以邻近所陈述数值的数值，以实施预期的功能或实现预期的结果。所陈述数值包括至少在适当的制造或生产过程中可预期的变化，且可包括所述数值的5％、1％、0.1％或者0.01％以内的数值。

基于本发明公开，本领域一般技术人员应能明白等同结构并不脱离本公开的精神和范围，以及对本申请公开的实施例所做的各种变化、替代和改变也不脱离本公开的精神和范围。包括“方法加功能”项的等同结构旨在涵盖执行所列举的功能时本申请所描述的结构，包括以相同方式运行的结构等同，以及提供相同功能的等同机构。本申请人表达的意图并非为任何权利要求提出方法加功能或其他功能性要求，除非在权利要求中词语“用于……的方法”与相关功能同时出现。落入权利要求的含义和范围的对实施例的每个增加、删除和修改均是权利要求所包括的。

Claims (21)

1.一种切割元件，包括：

基体，所述基体的上表面包括冠部，所述冠部过渡到下陷区域，和

位于所述上表面上的超硬层，从而在所述超硬层和所述基体之间形成非平面界面，所述超硬层的顶面包括：

沿所述切割元件的直径的至少一部分延伸的切割冠部，所述顶面具有远离所述切割冠部侧向延伸的一部分，所述部分具有低于所述切割冠部的顶峰的高度。

2.权利要求1的切割元件，其中，所述顶面具有绕着切割元件延伸的外围边缘，所述外围边缘的切割边缘部分邻近所述切割冠部，且所述外围边缘的高度在远离所述切割冠部和所述切割边缘部分向所述外围边缘的邻近所述超硬层的凹陷区域的另一部分的方向上降低。

3.权利要求1的切割元件，其中，所述顶面包括从外围边缘径向向内延伸而在中心区域处相交的多个切割冠部。

4.权利要求1的切割元件，其中，切割冠部的高度发生变化而形成沿其长度的连续弯曲。

5.权利要求1的切割元件，其中，所述切割冠部沿其长度的轮廓包括至少一个凹状区域。

6.权利要求1的切割元件，其中，所述切割冠部与所述基体的冠部对准。

7.权利要求1的切割元件，其中，所述切割冠部的至少一部分具有范围从0.06至0.18英寸的曲率半径。

8.权利要求1的切割元件，其中，锥形过渡邻近于所述基体的冠部的每个径向端。

9.一种切割元件，包括：

具有非平面上表面的基体，所述非平面上表面具有沿第一方向延伸的第一凸状弯曲部和沿与第一方向垂直的第二方向延伸的第二凸状弯曲部，所述第二凸状弯曲部的曲率半径小于所述第一凸状弯曲部的曲率半径；和

位于所述基体的非平面上表面上的具有非平面顶面的超硬层。

10.权利要求9的切割元件，进一步包括：位于所述基体的非平面上表面上的多个表面改变结构。

11.权利要求10的切割元件，其中，所述表面改变结构为大致与第一方向对准的多个条形凸起。

12.权利要求9的切割元件，其中，超硬层的非平面顶面包括沿所述切割元件的直径的至少一部分延伸的切割冠部，所述非平面顶面具有远离所述切割冠部侧向延伸的一部分，所述部分具有低于所述切割冠部的顶峰的高度。

13.权利要求12的切割元件，其中，所述切割冠部大致与第一凸状弯曲部对准。

14.一种切割工具，包括：

工具体；

从所述工具体延伸的至少一个刀片；和

附接于所述至少一个刀片的第一排切割元件，所述第一排切割元件包括至少一个如权利要求1所述的切割元件。

15.权利要求14的切割工具，进一步包括：附接于所述至少一个刀片且在所述第一排之后的第二排切割元件，其中，所述第二排切割元件包括具有大致尖的切割顶端的至少一个切割元件。

16.权利要求14的切割工具，其中，所述至少一个切割元件的切割冠部相对于与切割工具的中心轴线平行的线以0度至40的角度定向。

17.权利要求14的切割工具，其中，所述至少一个切割元件的中心轴线相对于与所述切割工具的中心轴线平行的线以0度至25度的角度定向。

18.一种切割工具，包括：

工具体；

从所述工具体延伸的至少一个刀片；和

附接于所述至少一个刀片的至少一个如权利要求9所述的切割元件。

19.一种切割工具，包括：

工具体；

从所述工具体延伸的至少一个刀片；和

附接于所述至少一个刀片的至少一个切割元件，所述至少一个切割元件具有非平面顶面，所述非平面顶面包括沿所述切割元件的直径的至少一部分延伸的切割冠部，所述非平面顶面具有远离所述切割冠部侧向延伸的一部分，所述部分具有低于所述切割冠部的顶峰的高度，

所述至少一个切割元件的中心轴线相对于与所述切割工具的中心轴线平行的线以0度至25度的角度定向。

20.权利要求19的切割工具，其中，所述至少一个切割元件为主切割元件。

21.权利要求19的切割工具，其中，所述至少一个切割元件为跟随在剪切切割器之后的次切割元件。