CN106460467A - 多晶金刚石切割元件和钻头体组件 - Google Patents

Abstract

一种工具包括限定凹槽的本体，在凹槽中的切割元件，在切割元件的外表面和凹槽的内表面之间的至少一个突起，以及在切割元件和凹槽之间的用于将切割元件固定到凹槽的钎焊材料。

Description

多晶金刚石切割元件和钻头体组件

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年6月5日提交的美国临时专利申请号62/008,315和2015年6月3日提交的美国非临时专利申请号14/729,618的优先权和权益，所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。

背景技术

各种类型和形状的钻地钻头被用于地质钻探行业中的各种应用中。钻地钻头具有钻头体，其包括各种特征，诸如芯、刀片和延伸到钻头体中的凹槽或例如安装在钻头体上的牙轮。根据待钻孔的应用/地层，可以基于钻头的切割操作类型和其在特定地层中使用的适当性来选择适当类型的钻头。例如，在多晶金刚石复合片(PDC)钻头中，多晶金刚石(PCD)复合片切割器容纳在钻头体中的凹槽内，并且通常通过钎焊到凹槽的内表面而结合在凹槽内。钻头体通常由钢或由结合到单独形成的钢制加强芯的碳化钨基质制成。

基质钻头体通常由遍布钻头体的单一的相对均匀的组合物形成。单一组合物可以构成单一基质材料(诸如碳化钨)或基质材料的混合物(诸如不同形式的碳化钨)。基质材料或其混合物通常通过熔融金属结合剂材料和基质材料或混合物而结合成固体形式。

钻头形成过程通常包括将基质粉末放置在模具中。模具通常由石墨形成并且可以被机械加工成各种合适的形状。通常将成型块添加到模具中以限定凹槽。基质粉末可以是单一基质材料(诸如碳化钨)的粉末，或可以是多于一种基质材料的混合物(诸如不同形式的碳化钨)。基质粉末可以包括其他组分(诸如金属添加剂)。然后通常将金属结合剂材料放置在基质粉末上。然后将模具中的组分在熔炉中加热至结合剂材料的流动或渗透温度，在该温度下熔融的结合剂材料渗透碳化钨或其他基质材料。在烧结(加热)过程中发生的渗透过程将基质材料的晶粒彼此结合并与其他组分结合，以形成整体上相对均匀的固体钻头体。烧结过程也使基质材料结合到其接触的其他结构，诸如金属坯料，其可悬挂在模具内以产生前述加强构件。在形成钻头体之后，金属坯料的突出部分可焊接到称为上部的第二部件。上部通常具有螺纹连接到钻柱上的锥形部分。

钻头体通常包括支撑PCD切割器的刀片，所述PCD切割器执行切割操作。PCD切割器在刀片中的凹槽中结合到本体，凹槽是在钻头中形成的用于收纳切割元件的腔体。在这些钻头中，PCD切割器设置在相应的凹槽中，并且钎焊材料置于在PCD切割器外表面和凹槽内表面之间，并且用于将PCD切割器结合并恒定在钻头内。在这些钻头中，在PCD切割器外表面和凹槽内表面之间存在为钎焊材料提供间隙的容腔。

发明内容

本文所公开的工具包括限定凹槽的本体，在凹槽中的切割元件，在切割元件的外表面和凹槽的内表面之间的至少一个突起，以及在切割元件和凹槽之间的用于将切割元件固定到凹槽的钎焊材料。工具可以是钻头，诸如基质体钻头或钢体钻头。切割元件可以是附接到金属基体的超硬材料体。

在一些实施例中，突起可沿着凹槽壁表面和/或沿着凹槽基部表面定位，并且可从切割元件和凹槽中的一个或两者延伸。突起可以以连续、分段或点表面特征的形式提供，并且可被定向为具有恒定或变化的位置，例如，以螺旋方式在凹槽内延伸。

提供本发明内容以介绍下文在详细描述中进一步描述的概念的选择。本发明内容既不意图识别所要求保护的主题的关键或基本特征，也不意图用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，本公开的这些和其他特征和优点将被了解并同样变得更好理解，其中：

图1图示根据本公开的实施例的切割元件；

图2A和图2B图示切割元件和钻头凹槽组件的示意性横截面图；

图3图示根据本公开的实施例的切割元件和钻头凹槽组件的示意性横截面图；

图4A、图4B、图4C和图4D图示根据本公开的实施例的钻头凹槽的透视侧视剖视图；

图5图示根据本公开的实施例的与切割元件和钻头凹槽组件一起使用的切割元件；以及

图6图示根据本公开的实施例的包括切割元件和钻头凹槽组件的钻头的透视图。

具体实施方式

根据本公开的实施例，本文所公开的钻头凹槽提供限定的和恒定的(例如，大体上恒定的)钎焊间隙容腔，以鼓励或促进切割元件在相应的凹槽内的均匀钎焊强度。在一个实例中，凹槽包括一个或多个表面特征，诸如脊或突起，其从凹槽的内壁表面向外延伸限定的距离以与相邻的切割元件外表面接触。这些表面特征可以使切割元件居中在其中，并且在其间限定均匀的钎焊间隙。突起可以根据需要被配置成使钎焊材料能够流动并填充在间隙中，以允许实现与切割元件的所需的附接强度。

在一些实施例中，本文所公开的切割元件是多晶金刚石(PCD)切割元件，然而，也可以使用任何合适的切割元件。例如，也可以使用超硬切割元件，诸如多晶立方氮化硼(PCBN)。图1图示示例性切割元件10，其包括具有切割元件的上磨损表面14的超硬材料体12(例如，PCD体)。PCD切割元件10可以包括热稳定区域，例如，通过浸出或其他工艺去除催化剂材料的区域，或包括以其他方式选择或处理的催化剂材料以使晶间金刚石基质热稳定(例如，当放置到最终用途应用中时在高温条件下不经历石墨化)的区域。超硬材料体12附接到基体16，例如金属基体，诸如WC-Co，另一种碳化物材料等。

尽管本文中已经描述和说明了特定的切割元件和钻头凹槽组件，但是应理解，与所公开的不同配置的其他切割元件和/或钻头凹槽可以在本文所公开的概念的范围内。例如，本文所公开的切割元件可以包括具有圆形而不是平坦磨损表面的切割元件。切割元件也可以包括具有尖端等的磨损表面，例如锥形切割元件。切割元件也可以包括具有其他对称或非对称表面的磨损表面。因此，本文所公开的切割元件被理解为包括可以与工具(诸如井下工具或用于钻探地下地层的钻头)一起使用的切割元件的任何和所有配置形式。

图2A和图2B图示切割元件和钻头凹槽组件20，其包括设置在钻头凹槽24内的切割元件22，并且其中凹槽在凹槽内表面28和切割器外表面30之间具有特定的容腔26或间隙，以将切割元件容纳在凹槽内并且为钎焊材料提供间隙以将切割器附接在凹槽内。这些常规的钻头凹槽可以通过手动研磨过程或通过机械加工如上所述的用于制造基质钻头体的砂/酚醛成型块而形成在基质体钻头中。这些方法可具有导致产生不利变化的制造变化和/或公差问题，由此提供在凹槽内不均匀的间隙。

图2B图示在安装切割元件22期间，切割元件可以如何在凹槽24的轴线内倾斜或不居中而在切割元件和凹槽之间产生具有大量的或程度的变化的间隙26。这种间隙的变化可能导致钎焊材料具有减小的附接强度，例如在间隙相对较小或甚至不存在的区域中，并且具有增加的钎焊量，例如在间隙相对较大的区域中。这种间隙的变化和所得的其中的钎焊材料体积的变化使得切割元件22和钻头凹槽24之间的附接具有降低的强度，这可能使切割元件一旦放置到最终用途应用中就会过早失效。此外，随着对钻头的每次修理，例如，通过从凹槽中去除损坏的切割器，然后用新的切割器替换损坏的切割器，可能引入更多的间隙变化，这可能趋向于进一步加剧间隙的变化，以及所得的由此产生的切割器和凹槽之间的钎焊附接的相对弱点。

图3图示本文所公开的切割元件和钻头凹槽组件31，其包括设置在凹槽34内的切割元件32。在一些实施例中，切割元件是PCD切割器，包括设置在切割器的顶部上并附接到下面的基体36(例如，金属基体)的金刚石结合体35。如图3中所示，钻头凹槽组件31包括一个或多个脊或突起38，其置于切割元件和钻头凹槽的相邻表面之间，以在其间限定均匀的间隙40，从而使切割元件在凹槽内居中(例如，以促进均匀的钎焊厚度以及切割元件和凹槽之间的所需的附接强度)。在一些实施例中，脊或突起38可以从切割元件的外表面(例如，从切割元件32的基体的外表面)向外延伸，和/或从凹槽34的内表面向外延伸。在一些实施例中，突起从凹槽34的内表面延伸，并且一个或多个突起与切割元件的基体部分直接接触。

在一些实施例中，突起38沿着凹槽的侧壁表面42和/或沿着凹槽的基部表面或底表面44定位，由此沿着两个区域限定钎焊间隙40(例如，均匀的钎焊间隙)以使切割元件在凹槽内居中。根据本公开的一些实施例，以这种方式配置，在切割元件和钻头凹槽之间将存在均匀的钎焊厚度(例如，大体上均匀的钎焊厚度)，以确保或促进其间的所需水平的附接强度(例如，高水平的附接强度)。在一些实施例中，突起允许钎焊材料在间隙内更自由地流动(例如，比常规凹槽中更自由地流动)，使得间隙中不包括钎焊材料的区域(例如，多孔区域)最小化或减小。常规凹槽中的这些多孔区域可能损害所需的钎焊附接强度。在一些实施例中，突起38可以仅沿着侧壁表面42定位，而在一些实施例中，突起可以仅沿着基部表面或底表面44定位。

图4A图示示例性凹槽50，其包括从凹槽的侧壁表面54向外延伸一定距离的多个突起52和53，并且包括从凹槽的基部表面58向上延伸一定距离的多个突起56。突起沿着侧壁和基部的放置位置可以根据所需的参数(例如，特定的最终用途应用)而变化，如突起延伸的形状、尺寸或距离可以变化。在一些实施例中，突起可以延伸足以允许钎焊材料在间隙内流动到凹槽的距离，并且在一些实施例中，突起可以延伸足以提供与钎焊的所需的或设定程度的附接强度的距离。在一些实施例中，突起被定位和配置成接触切割元件并且相对于凹槽居中地定位切割元件。在一些实施例中，与切割元件接触的突起的表面积被最小化或减小，使得由钎焊材料提供的所需的附接强度不被显著或极大地影响。

在一个实例中，突起的延伸距离基于所需的或目标钎焊间隙，例如，对于特定的最终用途应用。在一些实施例中，突起可以延伸大于约0.02mm，或在约0.05mm至0.3mm的范围内，或在约0.5mm至0.15mm的范围内的距离(例如，距侧壁或基部的高度)。每个突起的高度可以是恒定的，或可以变化，并且每个突起可以具有与其他突起不同或相同的高度。在一些实施例中，突起具有与其延伸距离相同或相似的宽度(例如，大于约0.02mm，或在约0.05mm至0.3mm的范围内，或在约0.5mm至0.15mm的范围内的宽度)，并且宽度可以是恒定的或可以变化，并且每个突起可以具有与其他突起不同或相同的宽度。在一些实施例中，突起被配置成以所需的钎焊间隙或接近的间隙延伸，从而产生紧密的间隙以使切割器能够被放置在凹槽内。在一些实施例中，突起限制切割元件在凹槽中的运动，该运动是公差问题或重力的结果。在一些实施例中，突起(例如，线段)的顶部可以是有角的(例如，尖的或正方形的)、圆形的等。如下面将讨论的，突起可以是可替换的，并且在这种情况下，突起的高度可以通过用具有不同高度的突起替换这些突起而改变。

在图4A中所示的实例中，凹槽50包括沿着凹槽侧壁表面54设置的一对突起52和53，其中一个突起52定位在凹槽开口60下方一定距离处，另一个突起53定位在凹槽基部表面58上方一定距离处。在一些实施例中，第一突起52和第二突起53被定位成使切割元件稳定在其中。在图4A中所示的实施例中，突起在凹槽内相对于彼此以平行取向沿周向延伸。例如，第一或上部突起52可以位于或接近位于切割器长度的约1/3处的点，第二或下部突起53可以位于或接近位于切割器长度的约2/3处的点，以将切割元件稳定在凹槽内。在一个实例中，位于凹槽开口60附近的突起52定位在沿着凹槽侧壁表面的位置处，当切割元件设置在凹槽内或距离凹槽侧壁表面的顶部至少约0.6mm处时，该位置与切割元件的超硬材料台(例如，金刚石台)相距至少约2mm，或在约3mm至6mm的范围内。定位成太靠近切割元件的金刚石台的第一或最上侧壁突起52可能与金刚石台相互作用，这在操作期间可能是不利的，并且可能不会对切割元件提供稳定效果。另外，钎焊材料可以不结合到金刚石台，由此在钎焊间隙中允许不良的孔隙度，这可能导致减小的附接强度。定位成离切割元件的金刚石台太远的第一或最上侧壁突起52可能不能提供足够的位置控制来防止由于尺寸问题或切割器位置(例如，由于重力)导致的切割器在凹槽中的不必要的倾斜或偏心定位。

在一些实施例中，邻近凹槽基部表面58的突起53沿着凹槽侧壁表面距离凹槽基部表面58至少约0.2mm，或在约0.4mm至1mm的范围内，或在一个实施例中约0.6mm。太靠近凹槽基部表面的第二或最下侧壁突起53可以防止用于清洁钎焊接头的流体自由地流出凹槽，这可能产生不利的钎焊间隙或孔隙度。另外，在一些实施例中，切割元件在底部附近具有斜角或倒角，并且突起53可以在斜角或倒角上方远离凹槽基部表面58足够远，以便从斜角或倒角清除。距离凹槽基部表面太远的第二或最下侧壁突起53可能太靠近上部突起52而抑制或减少钎焊流动，从而产生具有降低的钎焊强度的钎焊间隙。此外，如果下部突起53太靠近上部突起52，则突起一起可能不能有效地用于将切割器元件约束或稳定在凹槽内而提供阻止倾斜的所需的居中放置。

一旦切割元件被安装，为了确保完全迁移或鼓励钎焊间隙内的钎焊材料从凹槽开口60向下移动到基部58，从凹槽侧壁表面54延伸的突起52和53可以是通过侧壁表面的一部分而彼此断开的两个或更多个段，使得钎焊材料可以自由地向下在沿着断开段之间的侧壁部分存在的空间之间进入凹槽中。说明以段的形式提供的突起的实例在图4C中所示并且在下面更详细地描述。类似地，从凹槽基部表面58向上突出的突起56也可以段的形式提供(如图4A中所示)，例如，以两个或更多个断开段提供，在一些实施例中，这促进钎焊材料在存在于相邻的切割器和凹槽基部表面之间的钎焊间隙内的自由流动，以促进其间的强附接。在一些实施例中，沿着凹槽侧壁表面的突起段可以彼此分开至少0.2mm，或在约0.2mm至5mm的范围内的距离。沿着凹槽基部表面的突起段可以与侧壁突起段分开相同的量。

尽管已经以脊或一系列段的形式说明和描述了沿着凹槽的侧壁表面和基部表面的突起，但是应理解，在本文所公开的概念的范围内，这些突起也可能以单个或多个点的形式提供，即，不具有线或线段形式的细长配置。例如，突起也可以是一个或多个点表面特征(例如，一个或多个圆形突起，例如半球形突起或半椭圆形突起；锥形或金字塔形突起；锥形截头体或金字塔形截头体突起；或棱柱形突起)等。这些突起可以具有与上述突起相同的尺寸，例如，距凹槽侧壁或基部的距离(例如，距侧壁或基部的高度)大于约0.02mm，或在约0.05mm至0.3mm的范围内，或在约0.5mm至0.15mm的范围内，并且宽度大于约0.02mm，或在约0.05mm至0.3mm的范围内，或在约0.5mm至0.15mm的范围内。连续线、分段线和/或一个或多个点表面特征(其可以是相同或不同的形状)的组合可以用于任何形状或配置。例如，多个点表面特征(其可以是相同或不同的形状)可以突起的重复图案(诸如网格图案)或突起的不规则布置来布置。

尽管图4A中的示例性组件图示一对侧壁突起52和53以及沿着基部表面58的三个突起段56，但是本文所公开的钻头凹槽可以具有与此不同地定位和/或配置的多个侧壁突起和/或基部突起，这同时在本文所公开的概念的范围内。例如，尽管在一些实施例中需要切割元件沿着侧壁表面与相对的突起接触，并且至少一个突起从基部表面延伸，但是侧壁和基部表面突起的确切数量可以根据特定的最终用途应用而变化。

图4B图示示例性钻头凹槽70，其包括从凹槽的侧壁表面74向外延伸一定距离的突起72，以及从凹槽的基部表面78向上延伸一定距离的多个突起76。在该实例中，从侧壁表面延伸的突起72是邻近凹槽开口80开始并且朝向基部表面78以螺旋方式(或螺旋图案)向下延伸的突起。突起72延伸可在如上所述的距离内的距离，并且具有可以在如上所述的宽度内的宽度。

螺旋图案具有相对于在直径方向上相对的凹槽侧壁表面之间延伸的水平轴线的螺距或螺旋角。在一个实例中，相对于在凹槽基部表面78的基部处的平面的螺旋角可以大于约5度，约5度至80度或约10度至45度。提供螺旋角以便促进钎焊材料在钎焊间隙内向下的期望流动，并且促进切割元件外表面和凹槽内壁表面之间的均匀的钎焊间隙，以使切割元件居中并稳定在凹槽内。具有太小的角度(例如，离去角度较小)的螺旋突起可能不能用于促进钎焊材料向下流动到钎焊间隙(例如，到钎焊间隙的所有区域)，而具有太大的角度(例如，离去角度较大)的螺旋突起可能不能沿着凹槽侧壁表面提供所需的均匀钎焊间隙，和/或可能不能用于向切割器元件提供所需程度的稳定性。

在图4B中所示的实例中，突起72可以在凹槽开口80处或在凹槽开口下方的期望距离处(例如，在切割器长度的约l/3处，或距超硬材料台至少约2mm或在约3mm至6mm的范围内，或距凹槽开口的顶部约0.6mm或更大)开始。突起72可以一直向下延伸到凹槽基部表面78，或可以在到达凹槽基部表面之前的一段距离(例如，在切割器长度的约2/3处，或距凹槽基部表面78至少约0.2mm，或在约0.4mm至1mm的范围内，或在一个实施例中约0.6mm)处停止。在该实例中，突起72是连续螺旋表面特征，而不是分段的一系列分离的突起的形式。此外，从凹槽基部表面78延伸的突起76以具有圆形图案的一系列分离的段的形式布置，如同图4A的实例中的凹槽基部突起。在该实例中，突起76以三个分离的突起段的形式提供，每个突起段具有共同的曲率半径。在一些实施例中，这些段的曲率半径小于限定圆柱形凹槽侧壁表面的曲率半径的约95％，或在约85％至25％的范围内。

沿着基部表面的突起段之间的空间用于促进钎焊材料的流动，以填充存在于切割元件的底部和凹槽的基部表面之间的钎焊间隙区域。尽管已经描述和说明了沿着凹槽基部表面的突起的特定配置，例如以具有共同曲率半径的段的形式，但是应理解，可以使用不同配置的突起来实现相同的目的，即，提供均匀的钎焊间隙并且促进钎焊材料在钎焊间隙内的流动，并且这些其他配置在本文所描述的概念的范围内。例如，代替以细长段的形式提供，突起可能以圆形凸块、点等形式的一个或多个单个突起的形式提供。

图4C图示本文所公开的示例性钻头凹槽90，其包括以从凹槽的侧壁表面94向外延伸一定距离的一系列分离的段的形式配置的多个突起92，并且包括从凹槽的基部表面98向上延伸一定距离的多个突起96。在该特定实例中，从侧壁表面延伸的突起92以一系列分离的细长段的形式提供，这些段以邻近凹槽开口100开始的螺旋图案沿着凹槽侧壁表面延伸，并且朝向基部表面98以螺旋方式向下延伸。突起延伸一定距离并且具有与上述宽度相同的宽度，并且螺旋图案具有相对于在直径方向上相对的凹槽侧壁表面之间延伸的水平轴线的螺距或螺旋角，如上面对于图4B中所示的实例所述。

图4C的钻头凹槽配置的特征在于，使用螺旋取向的分离的突起段以通过沿着螺旋突起迁移且通过沿着不包括突起段的凹槽侧壁表面的开口部分102向下移动而促进钎焊材料在钎焊间隙内向下流动。在一个实例中，突起段可以具有与将其分开的开口侧壁表面的长度相同，大于或小于该长度的长度。在一个实例中，段被配置成使得这些段彼此在直径方向上相对，以提供所需程度的切割器元件稳定性，凹槽侧壁表面的开口部分也是如此。

如图4C中所示，突起段沿着凹槽侧壁的相对定位，从开口向下移动到基部表面，可以彼此略微偏移。突起段位置的这种垂直交错用于进一步促进钎焊材料流过凹槽到钎焊间隙(例如，到钎焊间隙的所有区域)。尽管这仅是突起段可以如何定位在凹槽内的一个实例，但是应理解，与钻头凹槽一起使用的突起段可以不同地定位，并且这意图在本文所公开的概念的范围内。

图4D图示示例性凹槽110，其包括从凹槽的侧壁表面114向外延伸一定距离的多个突起112，并且包括从凹槽的基部表面118向上延伸一定距离的多个突起116。突起沿着侧壁和基部的放置位置可以根据所需的参数(例如，特定的最终用途应用)而变化，如突起延伸的形状、尺寸或距离，如在以上实施例中所述。如图4D中所示，突起可以沿着凹槽的长度轴向地延伸。例如，突起112可以在凹槽开口120处或在凹槽开口下方的期望距离处(例如，在切割器长度的约l/3处，或距超硬材料台至少约2mm或在约3mm至6mm的范围内，或距凹槽开口的顶部约0.6mm或更大)开始。突起72可以一直向下延伸到凹槽基部表面118，或可以在到达凹槽基部表面之前的一段距离(例如，在切割器长度的约2/3处，或距凹槽基部表面78至少约0.2mm，或在0.4mm至1mm的范围内，或在一个实施例中约0.6mm)停止。

在一些实施例中，多个轴向突起可以包括在每个切割器凹槽中，并且轴向突起可以彼此周向地间隔开。例如，如图4D中所示，可以包括四个轴向突起。然而，在其他实施例中，可以包括任何合适数量的轴向突起，例如，3至5个轴向突出。轴向突起可以均匀地间隔开或突出可以不规则地间隔开。一个或多个轴向突起可能以10°、20°、30°、40°、50°、60°或80°的限制间隔开，其中，任何限制可以与任何其他限制(例如，10°至80°或30°至60°)组合使用。与上述实施例一样，可以包括实心突起，或突起可以分成通过侧壁表面的一部分彼此断开的两个或更多个段，这可以有助于如上所述的钎焊流动。另外，可以使用轴向突起和周向突起的组合。例如，轴向突起可以从基部表面118向上延伸侧壁表面114的一部分。然后，轴向突起可以转变为沿着侧壁表面114的圆周延伸一部分的周向突起。然后，周向突起可以转变为延伸到切割器凹槽的顶部的另一轴向突起，从而形成Z形。

一个或多个突起可以成角度以促进或鼓励钎焊流动。例如，在图4D中所示的实施例中，每个轴向突起可以是螺旋形状，其中相对于切割器凹槽的轴线的螺旋角大于约5度，约5度至45度，或约15度至30度。螺旋角可以是连续的或可以在突起的整个长度上变化。另外，大部分轴向突起和大部分周向突起的组合(例如，如上所述的Z形)也可以相应包括螺旋角或可以在其整个段长度上可变地弯曲。例如，从基部表面118到周向段的轴向段可以具有相对于切割器凹槽的轴线的约大于0°至30°的螺旋角，周向段可以具有相对于基部表面118处的平面的约大于0°至30°的螺旋角，并且从周向段到切割器凹槽的顶部的轴向段可以具有相对于切割器凹槽的轴线的约大于0°至30°的螺旋角。尽管被描述为连续突起，但是段可以是连接的或不连续的，并且每个段也可以是连接的或不连续的，如上所述。此外，段可以都具有螺旋角，或一个或多个段可以具有螺旋角。每个段的螺旋角可以是连续的或可变的。

尽管如上所公开和说明的切割元件和凹槽组件的特征在于，使用从凹槽的侧壁和基部表面延伸的突起(例如，为了提供切割元件的所需的居中对准，为了提供切割元件在凹槽内的稳定性，或为了在其间提供均匀的钎焊间隙以确保或促进所需的附接强度)，但是应理解，可以从被配置具有从切割元件而不是凹槽延伸的突起的组件，或者从其中突起使用任何所公开的配置从切割元件和凹槽延伸的组件实现相同的目的。

图5图示与本文所公开的切割元件和钻头凹槽组件一起使用的切割元件200，其包括附接到下面的金属基体204的金刚石结合体或耐磨层202。在该实例中，体202被配置成具有圆顶形顶表面，但是应理解，切割元件也可以被配置成具有任何其他类型的对称或非对称的三维顶表面或平顶表面，如同图1中所示的切割元件。切割元件200具有从侧壁表面208向外延伸一定距离的一个或多个突起206。突起206可以延伸一定距离并且具有如上面对于凹槽所公开的宽度，并且也可以如上面对于凹槽所公开的那样相对于切割元件的相应的金刚石台和基部开始和结束。例如，突起可以在切割器长度的约l/3处，或距超硬材料至少约2mm或在约3mm至6mm的范围内开始，并且突起可以在切割器长度的约2/3处，或距切割器的基部至少约0.2mm或在约0.4mm至1mm的范围内，或在一个实施例中约0.6mm处结束。在一些实施例中，突起可以延伸碳化物的长度。

在该实例中，切割元件包括沿着切割元件侧壁表面的长度以螺旋方式延伸的突起206，如上面对于凹槽所述。在一个实例中，切割元件可以包括多于一个螺旋突起，例如，邻近金刚石结合体开始的第一螺旋突起，以及远离第一螺旋突起偏移一定距离并且沿着外表面的长度与第一螺旋突起平行延伸的第二螺旋突起。在这种实例中，根据切割元件的特定尺寸和/或最终用途应用，螺旋突起可以定位在或彼此偏移约1.5mm至5mm之间的距离。此外，突起可以连续表面元件的形式，以断开段的形式，或以如上面对于凹槽所讨论的点元件的形式提供。另外，也可以使用具有其他形状的突起(例如，如图4A中所示和如上所述的水平突起，如图4D中所示和如上所述的垂直突起)。另外，尽管描述了使用多个螺旋突起用于切割元件上，但是这种配置也可以用于切割器凹槽上的突起。

尽管已经公开并说明了具有特定的突起配置的切割元件，但是应理解，本文所公开的切割元件可以被配置成具有与所示的不同地配置的突起，其以与钻头凹槽中的突起相同的方式操作，例如以将切割元件对准在凹槽内，使切割元件稳定和居中在凹槽中，或提供所需的均匀钎焊间隙以确保所需的钎焊附接强度。此外，尽管图5中所示的切割元件没有示出沿着基部表面210的突起，但是本文所公开的切割元件也可以包括这些突起。在所示的实例中，钻头凹槽可以包括沿着基部表面的一个或多个突起，以在切割元件的相邻基部表面和钻头凹槽之间提供所需的钎焊间隙。

根据本公开的实施例的切割元件和凹槽组件包括具有沿着侧壁和基部表面延伸的一个或多个突起的凹槽和/或切割元件，例如，为了将切割元件对准在钻头凹槽内，为了使切割元件稳定在凹槽内，或为了在其间提供均匀的钎焊间隙，这导致提供所需的钎焊附接强度，这用于最大化或增加切割元件和包括其的钻头的使用寿命。

本文所公开的钻头凹槽可以是形成在基质体钻头中的钻头凹槽，并且可以具有从凹槽开口延伸到基部表面的均匀直径(例如大体上均匀的直径)的圆柱形侧壁。本文所公开的突起可以通过包括分体铸造、注塑成型等的铸造方法在这些基质体钻头中形成。基质体可以任何合适的方式制造，例如，通过用基质粉末(例如，碳化钨)填充模具(例如，石墨模具)，在基质粉末的顶部上装载结合剂，以及加热组件以允许结合剂渗入基质粉末中。凹槽可以由形成为所需的形状并置于模具中的二氧化硅/酚醛树脂模制件形成，并且随后通过车床将凹槽变成所需的最终形状。在一些实施例中，可以加工树脂模制件以形成对应于突起的槽，使得当基质粉末被置于模具中时，基质材料填充槽以在渗透之后形成突起。在一些实施例中，在将树脂模制件放置在模具中之前，将例如超硬材料的硬质材料(诸如钢、预烧结碳化钨、其他难熔金属、热稳定多晶金刚石等)放置和/或固定在槽中，而不是允许基质材料填充槽。当具有树脂模制件和硬质材料段的这种模具在基质体钻头的制造期间被渗透时，将硬质材料段固定到切割器凹槽。在一些实施例中，可以在形成凹槽之后通过机械加工凹槽来形成突起。在一些实施例中，树脂模制件可以经由添加材料制造形成以具有槽。硬材料片可以渗入、钎焊、使用其他结合剂粘附，或通过任何其他合适的方法固定。固定硬材料片的一些方法(例如，使用结合剂)允许突起是可替换的，从而允许在磨损和/或损坏时用相同或不同类型的突起替换这些突起。在一些实施例中，在使用添加材料制造来制造钻头的情况下，可以将突起直接印刷到凹槽上。

本文所公开的钻头凹槽也可以是形成在钢钻头体或从钻头体延伸的钢表面特征(例如，从钻头体延伸的钢刀片)中的钻头凹槽。实例包括由诸如4130和4140的钢种形成的钻头体或刀片。本文所公开的以这种钢材形成的钻头凹槽具有从凹槽开口延伸到基部表面的均匀直径(例如，大体上均匀的直径)的圆柱形侧壁。本文所公开的突起可以通过单加工或多加工工艺形成在这些钻头体或钻头表面特征中，例如，其中，第一加工工艺是用来形成反映突起的尺寸的尺寸较小的孔，第二加工工艺是用来形成凹槽孔并且留下形成突起的尺寸较小的孔。本文所公开的用于在钢钻头或钻头表面特征中形成凹槽的加工工艺可以是连续或分段式操作。在一些实施例中，可以加工凹槽，而不是加工突起，使得其是钢体的整体部分，可以加工凹槽以提供碳化物、TSP或其他硬质材料可以作为突起固定到切割器凹槽(例如，使用比用于将切割器固定到切割器凹槽的温度更高的温度的结合剂或钎焊来钎焊到凹槽)的区域。

图6图示包括如上所述的设置在凹槽304中的多个切割元件302的基质体钻头300。在该实例中，切割元件是PCD切割器(如图1中所示)，并且设置在位于刀片306内的凹槽304内，以用于对正在钻探的地下地层切割，刀片306从钻头的头部308延伸。

尽管已经参考钻头描述了本公开的实施例，但是切割器凹槽也可以在使用切割器的其他工具中使用。例如，本公开的实施例可以与铣刀、铰刀、其他井下工具，或将切割元件收纳到凹槽中的任何其他工具一起使用。

尽管上面已经详细描述了只是几个实施例，但是本领域技术人员将了解，在实质上不脱离本文所公开的装置、系统和方法的情况下，可以对示例性实施例进行许多修改。因此，这些修改意图包括在本公开的范围内。另外，应理解，对本公开的“一个实施例”或“实施例”的引用不意图被解释为排除也并入所述特征的附加实施例的存在。例如，关于本文中的实施例描述的任何元件可以与本文所述的任何其他实施例的任何元件组合。

在权利要求中，装置加功能的条款意图覆盖在本文中描述为执行所述功能的结构，并且不仅仅是结构等效物，而且是等效结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等效物，因为钉子使用圆柱形表面以将木制零件固定在一起，而螺钉使用螺旋表面，但是在紧固木制零件的环境中，钉子和螺钉可以是等效结构。申请人的明确意图不是为本文的任何权利要求的任何限制调用装置加功能，除了权利要求明确使用词语“用于……的装置”以及相关功能的那些。落入权利要求的含义和范围内的对实施例的每个添加、删除和修改将被权利要求所涵盖。

Claims (20)

1.一种用于钻探地下地层的钻头，包括：

限定多个凹槽的本体，每个凹槽具有侧壁表面和基部表面；

在相应的凹槽中的多个切割元件，每个切割元件包括附接到金属基体的超硬本体；

在每个切割元件的外表面和每个凹槽的所述侧壁表面之间的一个或多个突起；以及

在每个切割元件和每个凹槽之间并将每个切割元件附接到每个凹槽的钎焊材料。

2.根据权利要求1所述的钻头，其中，侧壁是从凹槽开口延伸到基部表面的具有恒定直径的圆柱形侧壁。

3.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一个或多个突起包括从所述凹槽的侧壁表面向外延伸一定距离的一个或多个突起以及从凹槽的基部表面向外延伸一定距离的一个或多个突起。

4.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述侧壁表面包括从所述侧壁表面延伸的彼此分开定位的至少两个突起，其中，一个突起邻近所述凹槽的开口定位，另一个突起邻近所述凹槽的基部表面定位。

5.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一个或多个突起包括从所述凹槽的侧壁表面向外延伸一定距离的一个或多个突起，并且所述一个或多个突起是连续的。

6.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一个或多个突起包括从邻近所述凹槽的开口的位置到邻近所述凹槽的基部表面的位置以螺旋图案从所述凹槽的侧壁表面向外延伸一定距离的突起。

7.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一个或多个突起包括从所述凹槽的侧壁表面延伸并且具有离散断开段的突起。

8.根据权利要求7所述的钻头，其中，所述突起以螺旋图案从邻近所述凹槽的开口的位置延伸到邻近所述凹槽的基部表面的位置。

9.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述一个或多个突起从所述切割元件的表面向外延伸。

10.一种井下工具，包括：

限定多个凹槽的本体；

在相应的凹槽中的多个切割元件，每个切割元件包括附接到金属基体的多晶体；

一个或多个突起，其从每个凹槽的壁表面向外延伸，以接触每个切割元件并将每个切割元件对准在每个凹槽内，所述一个或多个突起定位在每个凹槽内，以在每个切割元件和每个凹槽之间提供尺寸均匀的间隙；以及

在所述间隙内用于将所述切割元件附接到所述凹槽的钎焊材料。

11.根据权利要求10所述的井下工具，其中，所述凹槽具有直径恒定的圆柱形壁。

12.根据权利要求10所述的井下工具，进一步包括从所述凹槽的基部表面向上延伸的一个或多个突起。

13.根据权利要求10所述的井下工具，其中，所述一个或多个突起沿着所述凹槽的邻近凹槽开口的至少一个区域并且沿着所述凹槽的邻近凹槽基部表面的区域延伸。

14.根据权利要求10所述的井下工具，其中，所述突起中的至少一个沿着所述凹槽的壁表面连续延伸。

15.根据权利要求14所述的井下工具，其中，所述至少一个突起沿着所述凹槽的壁表面以螺旋方式延伸。

16.根据权利要求10所述的井下工具，其中，所述突起中的至少一个沿着所述凹槽的壁表面以断开段的形式延伸。

17.根据权利要求16所述的井下工具，其中，所述段沿着所述凹槽的壁表面以螺旋方式延伸。

18.根据权利要求10所述的井下工具，其中，所述突起中的至少一个沿着所述凹槽的壁表面轴向延伸。

19.一种用于将切割元件对准在工具凹槽内的方法，包括：

将切割元件插入设置在工具内的凹槽中，所述凹槽具有从凹槽开口延伸到凹槽基部表面的具有恒定直径的圆柱形壁表面；

通过使用置于所述切割元件和所述凹槽的相邻表面之间的一个或多个突起，在所述切割元件和所述凹槽之间形成均匀的间隙；以及

在所述切割元件和所述凹槽之间引入钎焊材料，并且允许所述钎焊材料迁移到所述间隙中以固定所述切割元件和所述凹槽。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述一个或多个突起被定位成沿着切割器外壁表面在两个或更多个点处与所述切割元件接触，并且沿着切割器基部表面在一个或多个点处与所述切割元件接触。