CN108138543B - 滚动切削器稳定性的改进 - Google Patents

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Abstract

切削元件包括延伸从切削面到与切削面相反的界面表面的深度的切削端，和心轴，心轴与切削端通过过渡区域轴向地分离。心轴具有在心轴侧表面之间测量的小于切削端直径的心轴直径。从过渡区域过渡的点到保持特征测量的引导长度长于心轴的总长度的75％。

Description

滚动切削器稳定性的改进
交叉参照有关申请
本申请要求2015年9月29日提交的标题为“Improvements on Rolling CutterStability”的美国专利申请序列号62/234,555的权益和优先权，该申请通过援引整体明确并入在此。
背景技术
各种类型和形状的地球钻孔钻头用于地球钻井行业的各种应用。例如，地球钻孔钻头具有钻头主体，其包括各种特征，例如芯部、刀片和延伸到钻头主体中的切削器凹穴，或者例如安装在钻头主体上的牙轮。根据要钻的应用/地层，可以基于钻头的切削动作类型和其在特定地层中使用的适当性来选择合适类型的钻头。
通常称为“固定切削器”钻头的刮刀钻头包括具有附接到钻头主体的切削元件的钻头，钻头主体可以是钢钻头主体或者由诸如由粘合剂材料围绕的碳化钨的基质材料形成的基质钻头主体。通常可以将刮刀钻头限定为没有移动部件的钻头。然而，存在形成本领域已知的刮刀钻头的不同的类型和方法。例如，具有孕镶在形成钻头主体的材料的表面中的诸如金刚石的研磨材料的刮刀钻头通常被称为“孕镶”钻头。具有由沉积在或另外结合到基底的超硬切削表面层或“台”(其可由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成)制成的切削元件的刮刀钻头在本领域中已知为多晶金刚石复合片(“PDC”)钻头。
在PDC钻头中，PDC切削器接收在切削器凹穴内，切削器凹穴形成在从钻头主体延伸的刀片内，并且可以通过钎焊到切削器凹穴的内表面而结合到刀片。PDC切削器沿着钻头主体刀片的前刃定位，使得当钻头主体旋转时，PDC切削器接合并钻井于地层。在使用中，可能会在PDC切削器上施加较大的力，特别是在前后方向上。另外，钻头和PDC切削器可能受到相当大的研磨力。在某些情况下，冲击、振动和侵蚀力会导致钻头因一个或多个切削器损失或由于刀片破损而失效。
PDC切削器可以通过将烧结硬质合金基底放入压机的容器中而形成。将金刚石晶粒或金刚石晶粒与催化剂粘合剂的混合物置于基底上并在高压、高温条件下处理。在这样做时，金属粘合剂(通常为钴)从基底迁移并穿过金刚石晶粒以促进金刚石晶粒之间的共生。结果，金刚石晶粒彼此结合以形成金刚石层，并且金刚石层又一体地结合到基底。基底可以由诸如碳化钨-钴的金属-碳化物复合材料制成。沉积的金刚石层通常被称为“金刚石台”或“研磨层”。
具有多个带超硬工作表面的切削器的PDC钻头的示例在图1和2中示出。钻头100包括具有螺纹上销端111和切削端115的钻头主体110。切削端115包括围绕钻头的旋转轴线L(也称为纵向或中心轴线)布置并且从钻头主体110径向向外延伸的多个肋或刀片120。切削元件或切削器150以相对于工作表面的角取向和径向位置和相对于要钻井的地层的后倾角和侧倾角嵌入刀片120中。
多个孔口116位于钻头主体110上的刀片120之间的区域中，其可以被称为“间隙”或“流体流道”。孔口116适于接收喷嘴。孔口116允许钻井流体沿选定的方向以及在刀片120之间的选定的流速通过钻头100排出，以润滑和冷却钻头100、刀片120和切削器150。钻井流体也清洁并且移除当钻头100旋转并穿透地质地层时的切屑。没有适当的流动特性，切削器150的冷却不足可能导致钻井操作期间的切削器失效。流体流道被定位成为钻井流体提供附加的流动通道，并为地层切屑向上穿过钻头100朝向井眼表面提供通路。
参考图2，示出了现有技术的PDC钻头的顶视图。所示的钻头的切削面118包括多个刀片120，并且每个刀片具有面向钻头旋转方向的前侧122，后侧124(与前侧122相反)和面向地层的顶侧126。每个刀片120包括从切削面118的中心径向延伸并且大致形成多排的多个切削元件或切削器。某些切削器虽然处于不同的轴向位置，但可能会占据与其他刀片上的其他切削器处于相似径向位置的径向位置。
切削器可以通过钎焊工艺连接到钻头或其他井下工具。在钎焊过程中，钎焊材料位于切削器和切削器凹穴之间。材料熔化，并在随后的凝固时将切削器结合(附着)在切削器凹穴中。钎焊材料的选择取决于它们各自的熔化温度，以避免钻头(和切削器)甚至用于钻孔操作之前对金刚石层的过度热暴露(和热损伤)。具体地说，适用于钎焊切削元件与其上的金刚石层的合金限于几种合金，其提供相对较低的钎焊温度以避免或减少对金刚石层的损伤和提供足够高的钎焊强度以将切削元件保持在钻头上。
确定PDC切削器寿命的因素是切削器暴露在热量下。多晶金刚石在空气中高达700-750℃的温度下可能是稳定的，超过该温度，观察到的温度升高可能导致多晶金刚石的损坏和结构破坏。与金刚石相比，多晶金刚石的这种劣化可能是由于粘合剂材料(例如钴)的热膨胀系数的显著差异造成的。在加热多晶金刚石时，钴和金刚石晶格将以不同的速度膨胀，这可能导致在金刚石晶格结构中形成裂纹并导致多晶金刚石的劣化。损坏也可能是由于金刚石-金刚石颈部的石墨形成导致在极高温度下损失微观结构完整性和强度损失。
发明内容
在一些方面中，切削元件包括切削端和心轴，所述切削端延伸从切削面到与切削面相反的界面表面的深度。心轴通过过渡区域与切削端轴向地分离，并且心轴具有在心轴侧表面处的小于切削端直径的心轴直径，以及从过渡区过渡的点到保持特征测量的引导长度。引导长度大于心轴总长度的75％。
在一些方面，切削元件组件包括切削元件，切削元件具有切削端、心轴和沿着心轴侧表面设置的保持特征。所述组件还包括套管，所述套管具有在所述套管的内表面处的内径，在所述套管的外表面处的外径，以及从所述套管的基部沿着所述套管轴向地延伸一长度的锥形部。锥形部由减小的外径形成，并且心轴在套管内，使得锥形部与保持特征轴向地重叠。
在一些进一步的方面中，切削元件组件包括切削元件，该切削元件具有延伸从切削面到与切削面相反的界面表面的深度的切削端，心轴。心轴侧表面处的心轴直径小于切削端侧表面的切削端直径。具有过渡表面的过渡区域从从界面表面过渡的点延伸到从心轴侧表面过渡的点。过渡表面的横截面轮廓具有至少一个平面表面。从从界面表面过渡的点到从心轴侧表面过渡的点测量的锥线与和心轴侧表面相切的线形成锥角，并且锥角范围从5°到85°。切削元件组件还可以包括外部支撑件，其中心轴在该外部支撑件内，以及在心轴和外部支撑件之间的保持特征。
在另外的方面中，切削元件组件包括套管，部分地位于套管内的切削元件，切削元件具有切削端、心轴，心轴与切削端通过过渡区域轴向地分离，以及沿着心轴侧表面的保持特征。该组件还包括位于套管和切削元件之间的至少一个密封件，该至少一个密封件具有四边形横截面形状。
提供该发明内容是为了介绍将在以下详细描述中进一步描述的构思的选择。本发明内容不旨在确定所要求保护的主题的关键或实质特征，也不旨在用作限制所要求保护的主题的范围的帮助。说明书和要求保护的主题的其他方面和特征将从以下描述和所附权利要求中将是显而易见的。
附图说明
图1是刮刀钻头的侧视图；
图2是图1的刮刀钻头的顶视图；
图3是根据本公开的一些实施例的切削组件的局部截面图；
图4是根据本公开的一些实施例的切削元件的局部截面图；
图5和6是根据本公开的一些实施例的切削元件组件的截面图；
图7至9是切削元件组件的切削性能的模拟结果曲线图；
图10是疲劳测试设备的示意图；
图11是用于对切削元件组件进行疲劳测试的力图；
图12是为疲劳测试而准备的切削元件组件的横截面图；
图13是用于切削元件组件上的疲劳测试的结果的曲线图；
图14是根据本公开的实施例的切削元件组件的横截面图；
图15是具有形成在套管上的斜面的切削元件组件的侧视图；
图16是具有形成在套管上的锥形部的切削元件组件的透视图；
图17是根据本公开的实施例的切削工具的局部视图；
图18是具有形成在每个套管上的斜面的相邻的切削元件组件的侧视图；
图19是根据本公开的实施例的相邻的切削元件组件的侧视图，每个切削元件组件具有形成在相应套管上的锥形部；
图20是来自具有带形成在每个套管上的锥形部的切削元件组件的钻头和具有不带锥形部的切削元件组件的钻头的法向力的曲线图；
图21是来自具有带形成在每个套管上的锥形部的切削元件组件的钻头和具有不带锥形部的切削元件组件的钻头的周向力的工作速率曲线图；
图22是使用本公开的切削元件组件的工具的透视图；
图23至28是根据本公开的实施例的切削元件组件的截面图；
图29是根据本公开的实施例的密封件的透视图；
图30是根据本公开的实施例的切削元件的横截面图；
图31至33是根据本公开的实施例的切削元件的局部截面图；
图34是根据本公开的实施例的切削元件的横截面图；
图35是根据本公开的实施例的切削元件的局部截面图；
图36是具有变化过渡表面几何形状的切削元件的冲击测试结果的曲线图；
图37是具有圆角过渡表面的切削元件的局部截面图；
图38是具有带有至少一个平面表面的过渡表面的切削元件的局部截面图；
图39示出了切削元件的有限元分析(FEA)模拟；
图40-1至40-6示出了具有13mm切削端直径的各种切削元件的应力集中的FEA模拟结果；
图41是图40-1至40-6的FEA模拟结果的最大主应力的曲线图；
图42-1至42-4示出了具有16mm切削端直径的各种切削元件的应力集中的FEA模拟结果；
图43是图42-1至42-4的FEA模拟结果的最大主应力的曲线图。
具体实施方式
本公开的实施例涉及围绕它们的纵向轴线自由旋转的切削元件。在一些方面，本公开的实施例涉及保持在套管或切削器凹穴内的切削元件，使得切削元件机械地保持(并且不可旋转)在套管结构或切削器凹穴内。切削元件可以用在钻头或其他切削工具中。
根据本公开的实施例，切削元件可以部分地位于套管或外部支撑构件内，其中组装的切削元件和套管的组合可以被称为切削元件组件。在切削元件组件的操作期间，钻井力会使切削元件在套管内不对准地位移或移动，从而导致切削元件组件失效。通过限制切削元件在切削元件组件的套管内的位移，可以提高切削元件组件的寿命。在一些实施例中，套管的长度和其中的切削元件的一部分可延伸以限制位移。在一些实施例中，界面连接套管和切削元件表面之间的公差或间隔可以减小，以便减小切削元件在套管内的位移。此外，在一些实施例中，切削元件组件可以包括在界面连接套管和切削元件表面之间的一个或多个密封件，其可以提供朝向冲击力的阻尼并减少切削元件的侧向移动。一个或多个密封件也可用于切削元件组件中以抑制污染物进入切削元件组件和/或抑制油脂或润滑剂(如果使用的话)离开切削元件组件。
图3示出了具有切削元件24部分地位于并保持在套管22内的切削元件组件20的示例。在一些实施例中，切削元件24可以由两个部件形成，硬质合金基底26和在硬质合金基底26的上表面上的超硬材料层28，例如金刚石台。硬质合金基底26的下部27在套管22内形成一心轴。基底26可以具有一上部29，该上部从轴径向支承表面30在心轴27上方轴向地延伸以与超硬材料层28界面连接。此外，在径向支承表面30和心轴27之间形成过渡区域31。切削元件24可以通过多种保持机构，例如通过保持球，弹簧，销等，保持在套管内。这种类型的保持机构的各种示例(以及适用于本公开的切削组件的其他变型)包括在美国专利公开号2010/0314176和2012/0273281以及美国专利号7,703,559中公开的那些，其全部公开内容通过援引并入在此。
在一些实施例中，保持机构可以限制切削元件24相对于套管22的轴向移动或位移。在这样的实施例中，切削元件可以在套管内，即围绕切削元件20的纵向轴线，是可旋转的。在其他实施例中，保持机构可限制切削元件24相对于套管22的轴向移动或位移以及旋转运动。
套管22和切削元件24可具有彼此基本相同的外径，或者在一些实施例中，套管22可具有比切削元件更大的外径。如所示，切削元件24可以具有外径50，并且径向支承表面30可以包括延伸到具有径向长度52的套管的外径的基本上平面的表面。套管22的厚度54可以基于径向支承表面30的基本上平面的表面的径向长度52和切削元件24的外径50进行选择。此外，如所示的，套管的厚度54可以沿其长度变化，例如以形成锥形部40。锥形部40由渐增的套管厚度54形成，该渐缩的套管厚度54从套管基部延伸出轴向长度，其中该轴向长度大于在其最大厚度处测量的套管厚度54。下面将更详细地描述根据其他实施例的锥形部。
切削元件24具有切削端33(包括图3所示的基底的上部29和超硬材料层28)，其在心轴27和套管22上方从径向支承表面30轴向地延伸到切削元件24的切削面34。硬质合金基底26从径向支承表面30到超硬材料层28的轴向延伸的高度可称为轴向延伸部56。此外，在所示实施例中，超硬材料层28可具有厚度58，其中切削端33的深度等于轴向延伸部的厚度与超硬材料层的厚度之和。
心轴27具有沿心轴侧表面形成的保持特征32。如图3所示，保持特征32可以是周向槽。在其他实施例中，保持特征可以是例如一个或多个空腔，一个或多个突起或一个或多个脊。轴向地位于保持特征上方的心轴部的直径55和轴向地位于保持特征下方的心轴部的直径57可以是相等的或不相等的。例如，在一些实施例中，在保持特征的轴向下方的心轴部的直径57可以小于在保持特征的轴向上方的心轴部的直径55。心轴27在保持特征32上方并且延伸到过渡区域31的部分被称为切削元件的引导长度。此外，切削元件组件20可具有总长度51。根据本公开的实施例，切削元件组件可具有切削元件组件的总长度与切削元件组件的直径的比率，其大于1:1，大于5:4或大于3:2。在一些实施例中，切削元件组件的总长度与直径的比率可以小于5:1，小于5:2或小于5:3。在一些实施例中，该比率可以大于上述比率(例如大于1:1)并小于上述其他比率(例如，小于5:1)(例如，大于1:1且小于比5:1)。
根据本公开的实施例，切削元件可包括切削面，与切削面相反的径向支承表面，从切削面延伸到径向支承表面的深度的切削端以及心轴，该心轴通过过渡区域与切削端轴向地分离，其中心轴的直径小于切削端的直径。心轴可以包括从从过渡区域过渡的点到保持特征测量的引导长度。根据本公开的实施例的切削元件的引导长度可以长于心轴总长度的1/2(50％)，3/5(60％)，2/3(66.7％)，3/4(75％)，或4/5(80％)。切削元件的引导长度可以短于心轴总长度的9/10(90％)，7/8(87.5％)或5/6(83.3％)。在一些实施例中，该比率可以大于上述比率(例如，大于1/2或50％)且小于上述其他比率(例如，小于9/10或90％)。例如，该比率可以大于1/2(50％)并且小于9/10(90％)。
根据本公开的实施例，可以基于切削元件的一个或多个尺寸来设计过渡表面。例如，仍然参考图3，过渡表面31可以基于保持特征32轴向上方的心轴部的直径55、切削元件组件的总长度51、切削元件的总长度、径向支承表面30的径向长度52、切削元件24的外径50或切削元件24的尺寸的组合，例如径向支承表面30的径向长度52和切削元件24的总长度，进行设计。在一些实施例中，过渡表面31也可以基于切削元件24的材料特性进行设计。此外，如下面更多描述的，过渡表面设计可以包括例如选择尺寸(例如延伸部的径向和轴向长度)、形状(例如平面和/或非平面表面)、从心轴到径向支承表面的取向角度，以及如果包括密封件，则密封件放置。
图4示出了根据本公开的实施例的切削元件的示例，其中切削元件400具有通过过渡区域406与切削端404轴向地分离的心轴402，沿着心轴侧表面的长度设置的保持特征401以及延伸穿过其中的纵向轴线408。切削端404从切削面405延伸至径向支承表面403的深度并且具有直径409。在一些实施例中，切削端可以包括形成切削面的金刚石台和从金刚石台延伸到心轴的底部的基底，从而形成切削端、过渡区和心轴的一部分。在其他实施例中，切削元件可以由多于两种类型的材料形成。例如，切削元件可以包括形成切削面的超硬材料台，形成基底的硬质合金或其他金属陶瓷材料以及超硬材料台和基底之间的一种或多种过渡材料，其中过渡材料可以包括超硬和金属陶瓷材料的混合物或与基底材料不同的一种或多种金属陶瓷。在其他实施例中，整个切削元件可以由单一材料形成。
心轴402具有总长度410和引导长度412，其中总长度是从心轴的基部407到过渡区域406的过渡点416测量的，并且引导长度412是从保持特征401到过渡区域的过渡点416测量的。因此，心轴的总长度410和心轴的引导长度412的长度是从沿切削元件416的相同轴向点测量的，并且沿着心轴延伸不同的轴向距离。如所示的，保持特征401是围绕心轴侧表面形成的周向槽。在这样的实施例中，引导长度412是从轴向最靠近切削端404的周向槽的壁测量的。在其他实施例中，引导长度可以是从轴向最接近切削端的保持特征的点到过渡区域的过渡点测量的。从心轴到过渡区域的过渡点416可以被限定为与心轴侧表面相切的线的斜率改变的点。换言之，与心轴侧表面相切的线可以具有基本上恒定的斜率(不包括可用作保持特征的任何表面变化)，其延伸至过渡区域表面的过渡点416。
根据本公开的实施例，引导长度可以在大于心轴总长度的60％的范围内，从心轴总长度的70％到95％，或从总轴长度的75％到90％。例如，如图所示，如图4所示的，引导长度412可以大于心轴总长度的75％。心轴的引导长度也可以相对于切削元件的总长度，即从心轴的基部407到切削面405，进行测量。根据本公开的一些实施例，引导长度可以在大于切削元件总长度的50％的范围内，切削元件总长度的55％至85％，或切削元件总长度的60％至75％。例如，如图4所示，引导长度412大于切削元件400总长度的60％。此外，在一些实施例中，引导长度412可相对于切削端直径进行测量，其中切削端直径是直径切削元件在其切削端，如图4中的409所示。例如，根据本公开的实施例，引导长度412可以在大于切削端直径的60％的范围内，在大于切削端直径的75％的范围内，在大于切削端直径的90％的范围内，并且在一些实施例中，引导长度412可以等于或大于切削端直径(例如，切削端直径的110％或120％)。在一些实施例中，可以相对于切削元件心轴的直径来测量引导长度412，诸如图4中的420所示，其中直径可以是沿心轴的引导长度测量的或在心轴的基部处测量的外径。例如，根据本公开的一些实施例，引导长度与切削元件心轴的直径的比率可以包括3:4，1:1，3:2，2:1或3:1的限制，其中任何限制可以与任何其他限制(例如3:4和2:1之间的比率)组合使用。
现在参照图5，示出了根据本公开的实施例的切削元件组件的横截面图。切削元件组件500具有根据本公开的实施例的部分地位于套管520中的切削元件510。切削元件可以包括切削端512、过渡区域514和心轴516。切削端512被限定为在切削面505和径向支承表面503之间的切削元件的部分。切削元件的心轴516部分包括沿着心轴侧表面517形成在从过渡区域514的引导长度515处的保持特征518。示出的保持特征518是围绕心轴的周向形成的周向槽；然而，其他实施例可以具有其他保持特征，例如突起或脊，并且一些实施例可以具有形成在心轴侧表面上的多于一个的保持特征。
套管520具有在套管的内表面处的内径522，和在套管的外表面处的外径524。如图所示，套管的内径522和外径524可沿其长度变化，从而形成变化的套管厚度。例如，套管的内径522在与切削元件510中形成的保持特征518对应的轴向长度处相对较大，使得在保持特征与内径522的增加部之间形成空间。保持机构可位于该空间内以将切削元件510保持在套管520中。根据一些实施例，套管的变化的内径可包括在与形成在切削元件的心轴中的保持特征对应的轴向位置处在套管的内表面中形成的周向槽。例如，在一些实施例中，切削元件可以具有围绕切削元件的心轴形成的周向槽，并且围绕切削元件的套管可以具有围绕其内表面形成的对应的周向槽，使得至少一部分套管的相应的周向槽与切削元件的周向槽共享轴向位置。保持机构可位于相应的周向槽之间以将切削元件保持在套管内。在其他实施例中，形成在切削元件中的不同形状的保持特征可以与形成在切削元件组件的套管中的不同形状的保持特征的至少一部分共享轴向位置。
此外，套管具有在顶表面525和底表面527之间测量的长度526，其中顶表面525与切削元件径向支承表面503界面连接。套管的长度526至少延伸切削元件过渡区域514的轴向长度和切削元件引导长度515的轴向长度的总和。根据一些实施例，套管的长度可以等于保持在其中的切削元件的过渡区域和心轴部的轴向长度的总和。在一些实施例中，如图5所示，套管的长度526可以大于过渡区域514和心轴516部分的轴向长度的总和。
切削元件心轴的引导长度和切削元件所处的套管的相应长度可延伸以增加切削元件组件的稳定性。例如，在钻孔期间，可旋转的切削元件组件可始终受到波动钻井和竖直载荷的影响。由于旋转切削元件和套管之间的公差差异，切削元件可在载荷下移动并产生动能。一旦产生的动能的量超过某个临界值，切削元件可能被认为是不稳定的，其疲劳寿命可能会下降。因此，根据本公开的实施例的切削元件组件的稳定性可以使用切削元件组件在性能期间的动能的等式来量化，其中动能Ek等于切削元件组件在性能期间经受的净力F和切削元件在套管内的位移s的乘积。在一些实施例中，延长切削元件的引导长度限制切削元件位移，由此减小动能并改善切削元件组装稳定性。
现在参照图6-9，执行有限元分析以测试具有不同引导长度的切削元件组件性能。图6示出了具有部分位于套管620内的切削元件610的切削元件组件600的模型。切削元件610具有切削端612，过渡区域614和心轴616。心轴616具有从过渡区域614到沿着心轴侧表面形成的保持特征618测量的引导长度615。模拟的参数包括3,000lbf(1360kgf)的切削力630，20°的后倾角和0.08英寸(2mm)的切削深度。在切削端612的底部尖端或切削部分处测量位移613以比较切削元件在套管620内的移动。
图7示出了具有0.303英寸(7.70mm)的引导长度的切削元件组件的模拟结果，其中导致的位移为0.0073英寸(0.18mm)。图8示出了具有0.267英寸(6.78mm)的引导长度的切削元件组件的模拟结果，其中导致的位移为0.0099英寸(0.25mm)。图9示出了具有0.243英寸(6.17mm)的引导长度的切削元件组件的模拟结果，其中导致的位移为0.0113英寸(0.287mm)。因此，随着引导长度增加，模拟位移减小。此外，模拟切削元件组件在现场制造和测试，其中具有0.0073英寸(0.18mm)的位移的切削元件组件幸存并且具有0.0099英寸(0.25mm)和0.011英寸(0.29毫米)的位移的切削元件组件失效。
现在参照图10-13，对切削元件组件进行疲劳和静态测试以测试切削元件的稳定性。如图12所示，切削元件组件120通过将套管122钎焊到测试试样102中而设置。然后将切削元件126安装到套管122中，其中每个切削元件126具有切削端127和沿着其心轴129从切削元件过渡区域到形成在心轴中的保持特征测量的引导长度128。对引导长度为0.303英寸(7.70毫米)、0.267英寸(6.78毫米)和0.243英寸(6.17毫米)的切削元件进行了测试。如图10所示，将切削元件组件120装载到测试设备100中并且将径向载荷施加到每个切削元件的切削端。图11示出了正在测试的切削元件组件120的力量图。如图所示，切削元件组件120水平地定位在测试设备100中，使得套管122的后侧112和顶侧114被固定，并且切削元件组件120的底侧116未被支撑。对于静态测试，径向载荷118被施加到切削端127的顶侧，直到切削元件组件失效。对于疲劳测试，500-1500lbf(225-680kgf)范围的径向载荷以20HZ频率施加200万次循环。图13示出了疲劳测试的结果图，其中具有0.303英寸(7.70mm)引导长度的切削元件组件在200万次循环中幸存，具有0.267英寸(6.78mm)引导长度的切削元件组件在平均约270,000次循环失效，并且具有0.243英寸(6.17mm)引导长度的切削元件组件在平均约47,000次循环后失效。
根据本公开的实施例，切削元件组件中的切削元件可以具有从过渡区域的过渡点到保持特征测量的长度大于0.3英寸(7.6mm)的引导长度。在一些实施例中，切削元件可具有大于0.35英寸(8.9毫米)的引导长度。在一些实施例中，切削元件可具有大于0.4英寸(10mm)的引导长度。
可能由于切削元件失去稳定性而导致的切削元件组件失效的类型可能包括断裂的套管和切削元件的损失。在现场测试和实验室测试中经历的切削元件组件失效包括一些切削元件组件中的断裂套管断裂和损失切削元件。
根据本公开的实施例，通过减小切削元件和套管之间的公差，可以减小切削元件在套管内的位移，从而提高切削元件的稳定性。切削元件和套管之间的公差可以根据切削元件和套管之间形成的空间或间隙的量来描述。换句话说，本公开的切削元件组件可以具有小于沿着共同的轴向位置的套管的内径的切削元件心轴的直径，使得在切削元件心轴和套管之间形成间隙。根据本公开的一些实施例，沿着共同的轴向位置在切削元件心轴和套管之间形成的间隙与切削元件组件在相同轴向位置处的直径的比率可以在从大约0.0005:1到0.02:1的范围内。通过减小切削元件和套管之间形成的间隙，可以减小切削元件组件的公差。与常规间隙相比，这样的间隙比率可以将间隙减少大于20％，大于30％或大于40％，从而在一些实施例中改进了切削元件的稳定性。
本公开的切削元件可以被保持在套管内以形成切削元件组件，或者可以被直接保持到形成在切削工具中的切削器凹穴中。根据本公开的具有保持在套管内的切削元件的一些实施例，切削元件组件可以包括部分地位于套管内的切削元件，其中切削元件通过一个或多个保持特征保持在套管内。切削元件可以包括沿着心轴侧表面设置的切削端、心轴和保持特征。所述套管可具有在所述套管的内表面处的内径，在所述套管的外表面处的外径，以及从所述套管的基部沿所述套管的长度轴向延伸的锥形部，其中所述锥形部通过减小外径形成。心轴可以在套管内，使得锥形部至少部分地轴向重叠保持特征。
图14示出根据本公开的实施例的切削元件组件的截面图，其中套管具有形成在其基部处的锥形部。如所示的，切削元件组件700具有部分地位于套管720中的切削元件710。切削元件可以包括沿着心轴侧表面718设置的切削端712、心轴714和保持特征716。套管720可以具有在套管的内表面处的内径722和在套管的外表面处的外径724。锥形部726通过增加从套管720的基部721朝向套管的顶表面725轴向延伸的外径724，而形成在套管720中。根据切削元件组件的定位，术语“基部”和“顶表面”可能并不总是指术语所描述的方向，而是套管的基部是指距离组装的切削元件的切削端轴向最远的套管的表面，并且套管的顶表面是指与组装的切削元件的径向支承表面界面连接的套管的表面。此外，如图14所示，套管外径724可以从顶表面725到锥形部726是基本恒定的，在此点，外径724可以逐渐减小到基部721。套管的内径722沿着其长度可以是基本恒定的。然而，在一些实施例中，套管可具有沿其内表面形成的一个或多个保持特征，其中内径可在一个或多个保持特征处变化。
锥形部726延伸沿着套管720的长度721，其中锥形部长度是沿具有变化的外径724的套管的轴向长度测量的，以及径向宽度723，其中该径向宽度是在套管720的厚度上测量的。如图16所示，锥形部726的长度至少部分地轴向地与形成在组装的切削元件710中的保持特征716重叠。换句话说，锥形部726的至少一部分和保持特征716的至少一部分共享共同的轴向位置。在一些实施例中，形成在切削元件组件的套管中的锥形部可以延伸一定长度，使得其与组装到套管的切削元件中形成的整个保持特征重叠。在其他实施例中，形成在套管基部处的锥形部可以通过保持特征形成在组装到套管的切削元件中来共享轴向位置。例如，切削元件组件可以具有带有沿其外表面形成的锥形部的套管和部分地位于套管内的切削元件，其中锥形部从套管的基部延伸一定长度并且保持特征沿着切削元件形成在距套管的基部的大于锥形部的轴向长度的轴向距离处。
锥形部726的长度721可以在套管长度的大约1/4(25％)到套管720长度的大约1/2(50％)的范围内。在一些实施例中，锥形部长度可以是小于套管长度的1/4(25％)，并且在一些实施例中，锥形部可以大于套管长度的1/2(50％)。锥形部726的径向宽度723可以在从套管720的最大厚度的约3/4(75％)至1/4(25％)的范围内。在一些实施例中，锥形部的径向宽度可以小于套管的最大厚度的1/4(25％)，并且在一些实施例中，锥形部可以大于套管的最大厚度的3/4(75％)。
此外，可以相对于与其最大外径724处的套管外表面相切的线728来测量锥形部726的角度727。锥形部726的角度727可以取决于例如套管的厚度、套管的长度以及锥形部的形状。例如，图16中所示的锥形部的形状由具有恒定斜率(即不断减小的外径)的平面表面形成；然而，在其他实施例中，锥形部可以由具有变化的斜率的弯曲或阶梯形表面形成。根据本公开的实施例，锥形部可以具有范围从0°到90°的角度。在一些实施例中，锥形部可以具有范围从0°到20°的角度。在一些实施例中，锥形部可以具有范围从10°至15°的角度。
如在此所使用的，锥形部不同于可被称为斜面或倒角的锥形部。例如，图15示出了具有形成在其套管176的基部174处的斜面172的切削元件组件170的侧视图，图16示出了根据本公开的实施例的切削元件组件180的侧视图，切削元件组件180具有形成在其套管186的基部184处的锥形部182。锥形部182可具有大于其径向宽度的轴向长度，而斜面172可具有值与其轴向长度相等或相对接近的径向宽度。换句话说，斜面172可具有相对于与套管外表面相切的线形成的约45°的角度，或者在一些实施例中在40°与50°之间范围内。因此，可以基于沿着套管186外表面的其轴向长度来描述锥形部件182的尺寸，而可以基于其轴向长度或径向宽度来描述斜面172的尺寸。如图15和16所示，形成在套管中的锥形部182沿着套管外表面比斜面172延伸更大的轴向长度。例如，尽管斜面的轴向长度(和径向宽度)可小于套管的厚度，但是锥形部的轴向长度可以大于套管的厚度。在一些实施例中，斜面可以具有小于0.06英寸(1.5mm)的范围内的轴向长度，并且在一些实施例中，锥形部可以具有大于0.2英寸(5mm)的轴向长度。根据本公开的实施例，锥形部可以具有大于套管总长度的5％、大于套管总长度的10％、大于套管总长度的25％、大于套管总长度的50％或者大于套管总长度的75％延伸的轴向长度。例如，锥形部可以具有在套管总长度的5％到100％之间的轴向长度，或者在一些实施例中，在套管总长度的10％到50％之间的轴向长度。
沿着套管的外表面提供锥形部可以允许减小切削元件组件之间的间隔，或允许增加布置在切削工具上的切削元件组件的数量。例如，具有增加的长度(由于切削元件的相对大的引导长度)的本公开的切削元件组件可以在切削工具上隔开，基于例如它们沿着切削工具的位置，例如，侧倾角和后倾角，切削工具的材料，切削工具的尺寸和类型以及沿着套管的外表面形成的锥形部的尺寸(如果有的话)，使得切削元件组件不彼此接触，并且从围绕它们的切削工具有足够的材料以将它们保持在切削工具上。
根据本公开的实施例，井下切削工具可以包括工具主体以及在工具主体上形成的切削器凹穴内的至少两个切削元件组件。切削元件组件可以例如通过将套管钎焊到切削器凹穴或通过其他附接方式，固定到切削器凹穴。每个切削元件组件可以包括具有从套管基部延伸的轴向长度的锥形部的套管，其中锥形部由套管的减小的外径形成。切削元件可以部分地位于套管内并通过一个或多个保持特征保持到套管。切削元件可具有轴向延伸穿过其中的纵向轴线，具有从切削面到径向支承表面测量的深度的切削端，以及通过过渡区域与切削端轴向地分离的心轴，其中心轴包括心轴侧表面和沿心轴侧表面设置的保持特征。从一个切削元件组件的切削面处的纵向轴线到相邻的切削元件组件的切削面处的纵向轴线的距离可以小于切削元件组件的半径的3倍。
现在参考图17，示出了根据本公开的实施例的切削工具的局部视图。钻头1900具有主体1910和从主体1910延伸的多个刀片。刀片1920具有根据本公开的实施例的在切削器凹穴中的至少两个切削元件组件1930，所述切削器凹穴沿着刀片1920的顶面1922形成在刀片1920的前导面1924处。切削元件组件1930可以具有部分地位于套管中的切削元件，其中套管具有沿套管外表面形成的锥形部。切削元件可具有纵向延伸穿过其中的纵向轴线1932，具有从切削面到径向支承表面测量的深度的切削端，以及可旋转地保持在套管内的心轴。两个相邻的切削元件组件1930之间的距离1934可以小于切削元件组件的半径的3倍，其中距离1934是从一个切削元件组件的切削面处的纵向轴线1932到相邻的切削元件组件的切削面处的纵向轴线1932测量的。根据一些实施例，两个相邻的切削元件组件之间的距离1934可以小于切削元件组件的半径的2.5倍。例如，该距离可以在切削元件组件的半径的2至3倍之间。
图18和19示出了沿着刀片彼此间隔开的切削元件组件2000，2100。具体地，图18示出了具有部分地位于套管中的切削元件的相邻的切削元件组件2000，其中套管具有形成在套管基部处的斜面2010，图19示出了具有部分地位于套管中的切削元件的切削元件组件2100，其中套管具有沿套管外表面形成的锥形部2110。图18中相邻的切削元件组件2000之间的最小距离2020是在斜面2010处沿着套管的最近点之间测量的，而相邻的套管之间的最大距离2030在切削端附近是与斜面相反地测量的。图19中相邻的切削元件组件2100之间的最小距离2120是在锥套2110处沿着套管的最近点之间测量的，而相邻的套管之间的最大距离2130是在切削元件的切削端附近与所述锥形部相反地测量的。
具有锥形部的相邻的切削元件组件2000可以比不具有锥形部的相邻的切削元件组件2100更靠近地间隔开，并且在一些情况下，甚至当具有锥形部的切削元件组件比不具有锥形部的切削元件组件更长时。例如，如图18和19所示，相邻的切削元件组件2100具有大于相邻的切削元件组件2000的总轴向长度的总轴向长度，但是可以以相等或接近相等的最大距离间隔开。在所示的实施例中，相邻的切削元件组件2000可具有约0.045英寸(1.14mm)的最小距离2020和约0.13英寸(3.30mm)的最大距离2030，而相邻的切削元件组件2100可具有约为0.048英寸(1.22毫米)的最小距离2020，约为0.13英寸(3.30毫米)的最大距离2030。在其它实施例中，取决于切削元件组件的总轴向长度和它们在刀片上的定位，具有锥形部的相邻的切削元件组件可以以比没有锥形部的相邻的切削元件组件以更小的距离间隔开。通过在切削元件组件的基部形成锥形部，切削元件组件可以具有更大的轴向长度(从而改善切削元件的稳定性)，同时还允许相邻的切削元件组件之间的间隔改善。
在一些实施例中，当比较切削工具上具有相同轴向长度和相同定位(例如，后倾角和侧倾角)的切削元件组件时，切削元件间隔的平均减小约21.5％可以通过使用形成的锥形部在切削元件组件套管的基部端处。例如，在一些实施例中，切削元件组件可以具有在相邻的切削元件组件之间的间隔，其中间隔通过相邻的切削元件组件之间的距离(如在一个切削元件组件的切削面处的纵向轴线和在相邻的切削元件组件的切削面处的纵向轴线之间测量的)与切削元件组件的轴向长度之间的间隔比量化。在锥形部形成在套管的基部处的一些实施例中，相邻的切削元件组件可具有范围在约1:10至3:10之间或在一些实施例中小于2:10的间隔比，而具有相同的轴向长度但没有锥形部的相邻的切削元件组件可以具有在例如约4:10至9:10之间的范围的间隔比。
此外，通过将切削元件组件间隔得更靠近在一起，可以实现正常切削力和工作速率切削力的降低。例如，如图20和21所示，具有形成在套管基部端处的锥形部的切削元件组件与没有定位在钻头的相同区域中的锥形部的切削元件组件相比，遇到较低的正常力和较低的工作速率力。当切削元件组件间隔得更靠近在一起时，可以将更多的切削元件组件组装到钻头上，并且钻头的切削力可以分配给更多的切削元件，由此向每个切削元件提供减小的切削力。
具有带形成在其基部的锥形部的套管的切削元件组件可具有或可不具有与锥形的套管组合使用的在此所述的附加特征。例如，在一些实施例中，切削元件组件可以包括部分地位于套管中的切削元件，其中在切削元件和套管之间形成更紧密的公差，并且沿着套管的外表面形成锥形部。在一些实施例中，切削元件组件可以包括部分地位于套管中的切削元件，其中切削元件具有增加的引导长度并且其中沿着套管的外表面形成锥形部。在一些实施例中，切削元件组件可以包括部分地位于套管中的切削元件，其中在切削元件和套管之间形成更紧密的公差，其中切削元件具有增加的引导长度，并且其中沿着套管的外表面形成锥形部。在一些实施例中，切削元件组件可以包括部分地位于套管中的切削元件，其中一个或多个密封件定位在切削元件和套管之间，如下所述，并且其中沿套管的外表面形成锥形部。
具有增加的引导长度的切削元件组件可能受限于它们可以如何靠近地组装到切削工具。当切削元件组件彼此间隔更远时，减少的切削元件数量可能导致每个切削元件上的载荷分布增加。通过沿着切削元件组件的套管形成锥形部，切削元件组件可以间隔得更靠近在一起，由此允许切削工具上增加的切削元件数量。减小相邻的切削元件组件之间的间隙以提供增加的切削元件数量可以减小每个切削元件上的载荷，这可以延长切削工具的寿命。
现在参照图23，示出了根据本公开的实施例的切削元件组件的横截面图。切削元件组件具有部分位于套管2610内的切削元件2600。切削元件2600具有切削端2602，过渡区域2604和心轴2606，其中心轴2606通过过渡部分与切削端2602轴向地分离。保持特征2620沿心轴侧表面2608设置，并且至少一个密封件2630位于套管2610和切削元件2600之间。密封件2630具有四边形的横截面形状并且围绕切削元件2600的周边延伸。具有四边形横截面形状的密封件可以包括例如矩形，梯形或平行四边形横截面形状。在一个或多个实施例中，在其他实施例中，密封件2360的横截面可以具有至少3:1或4:1的纵横比。如所示的，密封件2630定位在切削元件2600与套管2610之间的过渡区域2604内。根据本公开的实施例，密封件可定位在形成于套管内表面和切削元件侧表面之一或二者中的槽，其中密封件部分地配合在槽内，或者密封件可以沿着套管内表面和切削元件侧表面中的一个或二者的平坦表面定位。例如，如图23中所示的，过渡区域2604的横截面轮廓包括平面表面，其中密封件2630沿着过渡区域2604的平面表面设置。在与切削元件过渡区域2604相对应的轴向位置中的套管2610的横截面轮廓还包括平面表面，其中密封件2630位于过渡区域2604内的套管和切削元件的平面表面之间。
图24示出了根据本公开的实施例的切削元件组件的横截面图。切削元件组件与图23中公开的类似。除了密封件2730具有圆形横截面形状并围绕切削元件2700的周边延伸。此外，套管2710在与切削元件过渡区域2704对应的轴向位置中的横截面轮廓包括具有平面横截面轮廓的表面，其中密封件2730位于具有平面横截面轮廓的套管表面和切削元件的过渡区域2704之间。
图25示出了根据本公开的实施例的另一切削元件组件的横截面图。切削元件组件具有部分地位于套管2810内的切削元件2800。切削元件2800具有通过过渡区域2804与心轴2806轴向地分离的切削端2802。保持特征2820沿着心轴侧表面2808设置，并且至少一个密封件2830位于套管2810和切削元件2800之间。特别地，密封件2830位于围绕切削元件2800的心轴2806部分的侧表面2808形成的槽内，并且从该槽突出以接触套管2810的具有平面横截面轮廓的内表面。然而，在其他实施例中，密封件可以从切削元件侧表面中的槽突出，以部分地配合在形成于套管的内表面中的对应槽内，例如图27所示和如下所述的。密封件2830具有圆形横截面形状并围绕切削元件2800的周边延伸。
图26示出了根据本公开的实施例的另一切削元件组件的横截面图。切削元件组件具有部分位于套管2910内的切削元件2900。切削元件2900具有通过过渡区域2904与心轴2906轴向地分离的切削端2902。保持特征2920沿着心轴侧表面2908设置，并且至少一个密封件2930位于套管2910和切削元件2900之间。特别地，密封件2930位于围绕套管2910的内表面2918形成的槽内，并且从该槽突出以接触具有平面横截面轮廓的心轴侧表面2908。密封件2930具有圆形横截面形状并围绕切削元件2900的周边延伸。
根据本公开的实施例，一个或多个密封件可沿具有平面横截面轮廓的切削元件和/或套管的至少一个表面位于切削元件和套管之间，例如图23-26中所示的。然而，在一些实施例中，一个或多个密封件可位于具有非平面横截面轮廓的套管和切削元件表面之间，例如在套管和切削元件中形成的对应槽之间。例如，图27示出了根据本公开的实施例的另一切削元件组件的横截面图。切削元件组件具有部分地位于套管3010内的切削元件3000。切削元件3000具有通过过渡区域3004与心轴3006轴向地分离的切削端3002。保持特征3020沿着心轴侧表面3008设置，并且至少一个密封件3030位于套管3010和切削元件3000之间。特别地，密封件3030位于围绕套管3010的内表面3018和心轴侧表面3008形成的对应槽之间。密封件3030具有圆形横截面形状并且围绕切削元件3000的周边延伸。
一个或多个密封件可位于切削元件组件的套管和切削元件之间，其中密封件可具有圆形横截面形状、四边形横截面形状或其他形状，诸如多边形或包括平面和/或非平面的侧面的不规则形状。在一些实施例中，密封件可以具有不同于其中设置密封件的套管与切削元件之间形成的空间的横截面形状的横截面形状。在一些实施例中，密封件可以具有与其中设置密封件的切削元件组件中的套管与切削元件之间形成的空间对应的横截面形状，其中该空间可以具有圆形、多边形或不规则形状的横截面。
例如，图28示出了根据本公开的实施例的另一切削元件组件的横截面图。切削元件组件具有部分地位于套管3110内的切削元件3100。切削元件3100具有通过过渡区域3104与心轴3106轴向地分离的切削端3102。保持特征3120沿着心轴侧表面3108设置以将切削元件轴向地保持在套管内。密封件3130位于套管3110和切削元件3100之间的空间中，其中密封件3130和密封件所在的空间具有对应的横截面形状。特别地，密封件3130和套管3110与切削元件3100之间的对应空间具有不规则的横截面形状，包括平面表面和弯曲表面。如所示的，密封件3130可以位于轴向地延伸穿过切削元件组件的整个过渡区域3104并且部分地延伸到心轴3106区域中的空间中。密封件3130填充该空间并因此也轴向地延伸通过过渡区域并且部分地延伸到心轴区域中，沿着过渡区域3104和心轴侧表面的部分接触切削元件外表面。在这样的所示实施例中，切削元件3100和套管3110具有在径向支承表面和侧表面之间过渡的不同几何形状，并且密封件3130填充由这样的不同几何形状产生的空间体积。根据其他实施例，密封件可以位于切削元件组件的一个区域中，例如过渡区域或心轴区域。在一些实施例中，多于一个的密封件可以位于切削元件组件中，其中至少一个密封件位于切削元件组件的一个或多个区域中，例如一个密封件在过渡区域中和一个密封件在心轴区域中或两个密封件在心轴区域中或密封件安置的其他组合。
图29示出了根据本公开的实施例的密封件的透视图。密封件3200具有内表面3202，与内表面相反的外表面3204，顶表面3206和与顶表面相反的底表面3208。内表面3202、外表面3204、顶表面3206和底表面3208中的每一个具有平面横截面形状，其中密封件的横截面形状为矩形的。然而，如上所述的，密封件可以具有其他横截面形状，包括例如具有三个，四个，五个或更多个侧面的多边形形状，圆形或椭圆形状，或具有多个非平面侧面的不规则形状，或者平面和非平面的侧面的组合。不同形状的密封件可以用于装配在切削元件与切削元件组件的套管或外部支撑件之间形成的不同形状的空间内。
此外，密封件可由不同材料制成，包括例如石墨，用低摩擦材料(例如石墨和聚四氟乙烯(PTFE))浸渍的耐磨织物，具有与PTFE、橡胶和橡胶状材料类似性质的其他聚合物，例如，具有与橡胶类似的性能的合成材料，低摩擦系数金属，可浇铸或可变形材料或这些材料的组合。例如，如图29所示，密封件3200可以由橡胶、橡胶状材料或聚合物制成并且具有金属芯体3210。在一些实施例中，例如图28所示的，密封件3130可以由可铸造或可变形材料，例如可浇铸弹性体，制成。
切削元件组件在钻井过程中可能会受到由于横向运动而产生的冲击力和损坏，这可能导致断裂或制动。此外，一些切削元件组件可能由于在切削元件和套管或外部支撑件之间的地层切屑而受到损害，这可能加速切削元件和套管或外部支撑部件之间的磨损。例如，碎屑可能进入切削元件组件并磨损套管内表面。在切削元件和套管或外部支撑件之间包括一个或多个密封件可有助于在钻井期间阻尼切削元件上的冲击力以及减少切削元件的横向移动。在切削元件和套管或外部支撑件之间使用一个或多个密封件也可以有助于防止碎屑进入切削元件组件。此外，在具有在切削元件和套管或外部支撑件之间使用的润滑脂或润滑剂的实施例中，例如帮助切削元件在套管或外部支撑件内旋转，可使用一个或多个密封件将润滑脂密封在切削元件组件内。
此外，本公开的切削元件组件的过渡区域可被设计成为切削元件提供改进的强度和抗冲击性。例如，根据本公开的实施例，切削元件组件可以包括切削元件，该切削元件部分地位于外部支撑件内并且通过切削元件和外部支撑件之间的保持特征轴向地保持在外部支撑件内。切削元件可具有从切削面延伸到与切削面相对的界面表面的深度的切削端，心轴，其中心轴侧表面的心轴直径小于切削端侧表面的切削端直径，过渡区域，该过渡区域具有从界面表面的过渡点到心轴侧表面的过渡点延伸的过渡表面，其中过渡表面的横截面轮廓具有至少一个平面表面，以及从界面表面的过渡点到心轴侧表面的过渡点测量的锥线，其中锥线与和心轴侧表面相切的直线形成从5°到85°范围内的锥角。在一些实施例中，当与具有圆角的过渡表面的切削元件相比，具有带有以与相切于所述心轴侧表面的直线成5°和85°之间的角度最靠近所述心轴的平面横截面表面的过渡表面的切削元件可具有改进的强度和耐冲击性。
因为切削元件的强度可能取决于其过渡区域的强度，所以可以使用过渡表面设计来减少切削元件失效。通过提供具有改进的过渡表面设计的切削元件，例如根据在此公开的过渡表面的实施例，切削元件的整体强度也可以得到改善。
现在参照图30，示出了根据本公开的实施例的切削元件3700。切削元件3700具有切削面3702，与切削面3702相反的界面表面3704(在与套管界面连接时也称为径向支承面)，从切削面3702延伸到界面表面3704的切削端3706，心轴3708，以及延伸穿过切削元件3700的长度的纵向轴线3701。界面表面3704可以与套管的顶侧(图3中示出为21)界面连接以形成在切削元件和套管之间的径向支承。心轴侧表面3719处的心轴直径3718小于由切削端侧表面3717限定的切削端直径3716。切削元件3700具有过渡表面3720，该过渡表面3720从从界面表面过渡的点3722延伸至从心轴侧表面3719过渡的点3724。从界面表面过渡的点3722可以限定为与界面表面相切的线的斜率改变的点。换句话说，与界面表面3704相切的线可以具有基本恒定的斜率，其中界面表面从切削端外表面延伸到斜率改变的点3722。从心轴侧表面3719过渡的点3724可以限定为与心轴侧表面3719相切的线的斜率改变的点。换句话说，与心轴侧表面3719相切的线可以具有基本上恒定的斜率，其中心轴侧表面3719从基部延伸到斜率改变的点3724。此外，过渡表面3720围绕切削元件3700的周边延伸，虽然图30是切削元件3700的横截面图，但是过渡表面3720的横截面形状被示出为不是围绕切削元件3700的延伸。
锥线3725是从从界面表面3704过渡的点3722到从心轴侧表面3719过渡的点3724测量的。根据一些实施例，锥线可以基本上与过渡表面对应，例如当过渡表面具有基本平面的横截面轮廓时。根据其他实施例，例如图30所示的，锥线3725可以具有与过渡表面3720不同的形状。锥线3725与和心轴侧表面3719相切的线3728形成锥角3726。此外，在与心轴侧表面相切的线与切削元件纵向轴线平行的实施例中，可以相对于与心轴侧表面相切的线或纵向轴线测量锥线角度。
锥线角度3726可以在5°至85°的范围内。根据本公开的一些实施例，锥线角度可以在具有上限、下限或上下限两者的范围内，包括5°，10°，15°，20°，25°，30°，35°，45°，60°，75°或85°。在特定示例实施例中，锥线角度3726可以在25°至35°的范围内。此外，在一些实施例中，锥角3726可以基于界面表面3704的径向长度、切削元件3700的总长度和/或心轴3708的轴向长度来设计。例如，在一些实施例中，当界面表面的径向长度与切削元件的总长度之比大于1:8时，过渡表面可具有大于30°的锥角。
过渡表面可以在旋转的轮廓图中包括至少一个平面表面和/或至少一个非平面表面。例如，如图30所示，过渡表面3720的横截面轮廓可以包括从界面表面3704过渡到平面表面的弯曲表面。
在一些实施例中，过渡表面可以包括具有在成角度的连接处过渡的多于一个平面表面的横截面形状。例如，图31示出具有由多于一个平面表面3820.1，3820.2，3820.3形成的过渡表面3820的切削元件的局部截面图。如所示的，平面表面3820.1可以从从切削元件界面表面3804过渡的点3822以一定角度过渡，平面表面3820.2可以从平面表面3820.1以一定角度过渡，并且平面表面3820.3可以从平面表面3820.2以一定角度过渡到从心轴侧表面3819过渡的点3824处的角度。过渡表面3820的取向角度可由形成于从从心轴侧表面3819过渡的点3824延伸到从界面表面3804过渡的点3822的锥线和与心轴侧表面3819相切的线3828之间的锥角3826限定。此外，如所示的，最靠近心轴侧表面3819的平面表面3820.3可以相对于与心轴侧表面相切的线以一定角度3826.3延伸。根据本公开的实施例，角度3826.3可以在25°至35°的范围内。
根据本公开的一些实施例，最靠近心轴侧表面的平面表面可以形成过渡表面的大部分。在这样的实施例中，平面表面相对于与心轴侧表面相切的线的角度可以在与形成在锥线和与心轴侧表面相切的线之间的锥角的差1％，5％，10％或15％的范围内。
图32示出根据本公开的其他实施例的具有由非平面表面3920.1和平面表面3920.2形成的过渡表面3920的切削元件的局部横截面图。如所示的，非平面表面3920.1可以从从切削元件界面表面3904过渡的点3922以一定角度过渡，并且平面表面3920.2可以从非平面表面3920.1以一定角度过渡到从心轴侧表面3919过渡的点3920处的角度。过渡表面3920的取向角可以由形成在从心轴侧表面3919过渡的点3924延伸到从界面表面3904过渡的点3922的锥线和与心轴侧表面3919相切的线3928之间的角度3926限定。本公开的实施例可以具有由一个或多个平面表面和/或一个或多个非平面表面的各种组合形成的过渡表面，其中过渡表面的取向角度由形成在锥线和与心轴侧表面相切的线之间的角度限定。
此外，可以基于切削元件的尺寸设计过渡表面的尺寸，例如径向和轴向延伸长度。例如，参照图33，示出了切削元件的局部截面图，其中切削元件具有从切削端侧表面4017径向向内延伸一定距离的界面表面4004，心轴侧表面4019以及从从界面表面4004过渡的点4022延伸到从心轴侧表面4019过渡的点4024的过渡表面4020。过渡表面4020具有这样的横截面形状，其具有至少一个平面表面4020.1，径向延伸长度4021和轴向延伸长度4021。径向延伸长度4021是从从界面表面4004过渡的点4022到与心轴侧表面4019相切的线4028测量的。换句话说，径向延伸长度4021等于D-(T+J)，其中D是切削元件的外径，T是界面表面的基本平面表面的径向长度，以及J是保持腔轴向上方的下心轴部的直径。轴向延伸长度4023是从从心轴侧表面4019过渡的点4024到与界面表面4004相切的线4029测量的。根据本公开的实施例，过渡表面4020的径向延伸长度4021和/或轴向延伸长度4023可以基于界面表面4004的径向距离和/或心轴的轴向长度来设计。
平面表面4020.1可以延伸径向长度4021.1和轴向长度4023.1，其中平面表面4020.1的径向长度4021.1小于过渡表面4020的径向延伸长度4021并且平面表面4020.1的轴向长度4023.1小于过渡表面4020的轴向延伸长度4023。根据本公开的实施例，过渡表面可以包括具有平面表面的横截面形状，其中平面表面具有范围从过渡表面的径向延伸长度的10％到100％的径向长度以及范围从过渡表面的轴向延伸长度的20％至100％的轴向长度。在一些实施例中，过渡表面可以包括具有平面表面的横截面形状，其中平面表面的轴向长度范围为从过渡表面的轴向延伸长度的至少50％。
现在参照图34所示，根据本公开的实施例的切削元件4100可以具有切削端4106，心轴4108(其中心轴直径4118小于切削端直径4116)以及将切削端4106连接到心轴4108的过渡表面4120。切削端4106由多个外表面限定，所述外表面包括切削面4102，切削端侧表面4117和与切削面4102相反的界面表面4104。锥线4125是从界面表面4104和过渡表面4120的相交处到心轴外表面4119和过渡表面4120的相交处测量的并且从与心轴外表面4119相切的线4128延伸角度4126。此外，过渡表面4120具有径向延伸长度4121和轴向延伸长度4123，其中径向延伸长度4121是从界面表面4104到与心轴侧表面4119相切的线4128测量的以及轴向延伸长度4123是从心轴侧表面4119到与界面表面4104相切的线4129测量的。
根据本公开的实施例，径向延伸长度4121可以在界面表面4104的径向距离的25％到100％的范围内。在一些实施例中，径向延伸长度4121可以在心轴直径4118的1/20(5％)至1/10(10％)的范围内。
过渡表面的轴向延伸长度4123可以在界面表面4104的径向距离的50％到150％的范围内。在一些实施例中，轴向延伸长度4123可以小于心轴4108的长度1/10(10％)。
现在参照图35，示出了根据本公开的实施例的切削元件4200的局部截面图。切削元件具有切削端，心轴和从切削端的界面表面4204延伸到心轴侧表面4219的过渡表面4220。锥线4225是在从界面表面4204过渡到过渡表面4220的点4205和从心轴侧表面4219过渡到过渡表面4220的点4215之间测量的。锥线4225与心轴侧表面相切的线4228形成锥角4226，其中锥角4226的范围从5°到85°。如所示的，过渡表面4220可以具有包括平面和非平面表面4220.1，4220.2，4220.3，4220.4的横截面形状。特别地，过渡表面4220具有从从心轴侧表面4219过渡的点4215延伸到平面表面4220.2的非平面表面4220.1，从平面表面4220.2以一定角度延伸的平面表面4220.3以及将平面表面4220.3连接到从界面表面4204过渡的点4205的弯曲表面4220.4。与最接近心轴侧表面的平面表面4220.2相切的线4223从与心轴侧表面4219相切的线4228以角度4226.2延伸。在所示的实施例中，锥线4225可以不与过渡表面4220成一直线；然而，在其他实施例中，锥线可以与过渡表面基本成一直线。例如，如图35所示的，最靠近心轴侧表面4219的平面表面的角度4226.2小于锥角4226。根据本公开的实施例，最靠近心轴的平面表面可具有与和心轴侧表面相切的线形成在5°至85°的范围内的角度的切线。在一些实施例中，最靠近心轴的平面表面可具有与和心轴侧表面相切的线成25°至35°范围内的角度的切线。
过渡表面可以具有带有最靠近心轴的平面表面的截面形状，所述平面表面直接从心轴侧表面过渡的点延伸，或者过渡到从心轴侧表面与弯曲表面的过渡点。例如，如图35所示，弯曲表面4220.1将最靠近心轴的平面表面4220.2r接到从心轴侧表面过渡的点4215。图31和图32示出了具有最接近心轴侧表面3819，3919的平面表面3820.3，3920.2的实施例，所述平面表面直接从心轴侧表面3819，3919延伸。
现在参照图36，测试具有各种过渡表面几何形状的切削元件。切削元件1至4包括圆角过渡表面，即具有非平面或弯曲表面的过渡表面，并且切削元件5和6包括最接近心轴的平面表面，该平面表面与和心轴侧表面相切的线形成30°角。图37和38示出了具有圆角过渡表面和过渡表面的测试切削元件的示例，该过渡表面具有从与心轴侧表面相切的线成30°角延伸的平面表面。图37示出具有圆角过渡表面4420的切削元件4400的局部截面图，其中过渡表面4420的曲率半径大约为0.04英寸(1mm)。图38示出具有过渡表面4520的切削元件4500的局部横截面图，该过渡表面4520具有最接近心轴侧表面4519的平面表面，其中该平面表面从与心轴侧表面4519相切的线成30°角度延伸。切削元件4400和切削元件4500二者都具有界面表面4404，4504，其从切削端侧表面4417，4517向过渡表面4420，4520延伸相等的径向距离。
如图36所示，具有最接近心轴的与和心轴侧表面相切的线形成30°角的平面表面的切削元件(样品5和6)优于冲击测试中具有圆角过渡表面的切削元件(样品1-4)。用于测试切削元件1-6的冲击测试包括将切削元件1-6以20°的后倾角保持在测试机器中，而钢条砧座(具有62洛氏硬度C(HRC)的硬度)冲击切削元件的切削端。每个切削元件以一定的力间隔与钢条砧座冲击五次。冲击测试的结果示出在图36中，其中在13,000lbf(5,897kgf)，17,500lbf(7,938kgf)，15,000lbf(6,804kgf)和17,500lbf(7,938kgf)并且能量分别为40J，60J，50J和60J的冲击测试过程中具有圆角过渡表面的切削元件(样品1-4)失效。在冲击机器在20,000lbf(9,072kgf)和70J下达到其极限之前，具有最靠近心轴的与心轴侧表面相切的线形成30°角的平面表面的切削元件(样品5和6)没有失效。
现在参照图39至43，进行FEA模拟以测试具有各种过渡表面几何形状的切削元件的弯曲强度。特别地，图39示出了用于FEA的模拟的切削元件4700，其中切削元件4700包括切削端4710，心轴4720和将切削端4710连接到心轴4720的过渡表面4730。竖直载荷4740为10,000psi(69,000kPa)被施加到切削端4710的界面表面或背面以预测过渡区域的弯曲强度。
图40-1至40-6示出了对具有13mm切削端直径的切削元件进行的FEA模拟的结果，其中较暗的区域表示较高的应力集中。图40-1示出了具有过渡表面的切削元件的模拟结果，该过渡表面具有最接近心轴的平面表面，该平面表面从与心轴侧表面相切的线成10°角延伸。图40-2示出了具有带有与心轴最接近的平面表面的过渡表面的切削元件的模拟结果，该平面表面从与心轴侧表面相切的线成20°角延伸。图40-3示出了具有带有最接近心轴的平面表面的过渡表面的切削元件的模拟结果，该平面表面从与心轴侧表面相切的线成30°角延伸。图40-4示出了具有带有最接近心轴的平面表面的过渡表面的切削元件的模拟结果，该平面表面从与心轴侧表面相切的线成45°角延伸。图40-5示出了具有带有最接近心轴的平面表面的过渡表面的切削元件的模拟结果，该平面表面从与心轴侧表面相切的线成60°角延伸。图40-6示出了具有圆角过渡表面的即没有平面表面的过渡表面的切削元件的模拟结果。
图41示出了图40-1至40-6中所示的模拟结果的曲线图，其中绘制了每个切削元件经历的最大主应力。如所示的，在图40-3中测试的切削元件(具有带有最接近心轴的平面表面的过渡表面，所述平面表面从与心轴侧表面相切的线成30°角延伸)在施加的竖直载荷下经历了最低的最大主应力。
图42-1至42-4示出了对具有16mm切削端直径的切削元件执行的FEA模拟的结果，其中较暗区域指示较高的应力集中。图42-1示出了具有带有最接近所述心轴的平面表面的过渡表面的切削元件的模拟结果，该平面表面从与心轴侧表面相切的线成20°角延伸。图42-2示出了具有带有最接近心轴的平面表面的过渡表面的切削元件的模拟结果，该平面表面从与心轴侧表面相切的线成30°角延伸。图42-3示出了具有带有最接近心轴的平表面的过渡表面的切削元件的模拟结果，该平面表面从与心轴侧表面相切的线成45゜角延伸。图42-4示出了具有圆角过渡表面即没有平面表面的过渡表面的切削元件的模拟结果。
图43示出了图42-1至42-4所示的模拟结果的曲线图，其中绘制了每个切削元件经历的最大主应力。如所示的，在图42-2中测试的切削元件(具有带有最靠近心轴的平面表面的过渡表面，所述平面表面从与心轴侧表面相切的线成30°角延伸)在施加的竖直载荷下经历了最低的最大主应力。
这里描述的一个或多个实施例可以在基底上具有超硬材料。这样的超硬材料可以包括传统的多晶金刚石台(互连金刚石晶粒的台，其间具有金属组分(例如金属催化剂)可能存在的间隙空间)，例如通过从互连金刚石晶粒之间的间隙空间或从金刚石/碳化硅复合材料或其他超硬材料如立方氮化硼基本上移除金属而形成的热稳定金刚石层(即具有大于传统的多晶金刚石的热稳定性的热稳定性，750℃)。进一步地，在特定实施例中，滚子切削器可以完全由超硬材料形成，但是该元件可以包括多个金刚石等级，例如用于形成梯度结构(在等级之间具有平滑或不平滑的过渡)。在特定实施例中，可以使用具有更小粒子尺寸和/或更高金刚石密度的第一金刚石等级来形成内部可旋转切削元件的上部(当安装在钻头或其他工具上时形成切削刃)，而具有较大粒子尺寸和/或较高金属含量的第二金刚石等级可用于形成切削元件的较低的非-切削部分。此外，也可在本公开的范围内使用多于两种金刚石等级。
热稳定的金刚石可以以各种方式形成。典型的多晶金刚石层包括相互连接的单个金刚石“晶体”。各个金刚石晶体因此形成晶格结构。金属催化剂如钴可用于促进金刚石晶粒的再结晶和形成晶格结构。因此，钴粒子通常发现位于金刚石晶格结构的间隙空间中。与金刚石相比，钴具有显著不同的热膨胀系数。因此，在加热金刚石台时，钴和金刚石晶格将以不同的速度膨胀，从而在晶格结构中形成裂纹并导致金刚石台的劣化。
为了避免这个问题，可以使用强酸来从多晶金刚石晶格结构(薄体积或整个片)中“浸出”钴，以至少减少加热时以不同速率加热金刚石-钴复合物所经受的损害。例如，在美国专利号4,288,248和4,104,344中可以找到“浸出”过程的示例，这些专利通过援引整体并入在此。简而言之，可以使用强酸如氢氟酸或几种强酸的组合来处理金刚石台，从PDC复合材料中移除至少一部分助催化剂。合适的酸包括硝酸，氢氟酸，盐酸，硫酸，磷酸或高氯酸，或这些酸的组合。此外，氢氧化钠和氢氧化钾等腐蚀剂已被用于硬质合金工业，以消化硬质合金复合材料中的金属元素。另外，可根据需要使用其他酸性和碱性浸出剂。本领域普通技术人员将会认识到，浸出剂的摩尔浓度可根据期望浸出的时间，对危险的担忧等来调整。
通过浸出钴，可以形成热稳定的多晶(TSP)金刚石。在某些实施例中，只有选定部分的金刚石复合材料被浸出，以获得热稳定性而不损失耐冲击性。如在此所用的，术语TSP包括上述两种(即部分和完全浸出的)化合物。浸出后留下的间隙体积可以通过进一步固结或通过用第二种材料填充所述体积来减少，如美国专利号5,127,923中所述的，该专利在此通过援引整体并入。
在一个或多个其他实施例中，可以通过使用不同于钴的粘结剂(例如硅)在压机中形成金刚石层来形成TSP，所述粘结剂的热膨胀系数与钴的热膨胀系数相比更类似于金刚石的热膨胀系数。在制造过程中，大部分的80至100体积％的硅与金刚石晶格反应以形成也具有与金刚石类似的热膨胀的碳化硅。在加热时，与钴和金刚石的膨胀率相比，任何剩余的硅、碳化硅和金刚石晶格将以更加相似的速率膨胀，导致更热稳定的层。具有TSP切削层的PDC切削器磨损率相对较低，即使切削器温度达到1200℃。然而，热稳定的金刚石层可以通过其他方法形成，包括例如通过改变形成金刚石层的加工条件。
切削面可选地设置或形成在其上的基底可以由各种硬或超硬粒子形成。在一个实施例中，基底可以由合适的材料，例如碳化钨，碳化钽或碳化钛，形成。另外，基底中可以包括各种粘合金属，例如钴，镍，铁，金属合金或其混合物。在基底中，金属碳化物晶粒被支撑在金属粘合剂(例如钴)内。另外，基底可以由烧结碳化钨复合结构形成。除了碳化钨和钴之外，可以使用各种金属碳化物组合物和粘合剂。因此，提及使用碳化钨和钴是出于说明的目的，并且不打算限制所使用的基底或粘合剂的类型。在另一个实施例中，基底也可以由金刚石超硬材料例如多晶金刚石或热稳定金刚石形成。虽然所示实施例示出了切削面和基底为两个不同的部分，但本领域技术人员应该理解，在本公开的范围内，切削面和基底是一体的、相同的组合物。在这样的实施例中，可能希望具有形成切削面和基底或不同层的单个金刚石复合物。具体地，在切削元件是可旋转切削元件的实施例中，整个切削元件可以由超硬材料形成，该超硬材料包括热稳定金刚石(例如通过从间隙区域移除金属或通过形成金刚石/硅碳化物复合物)。
套管可以由多种材料形成。在一个实施例中，套管可以由合适的材料，例如碳化钨、碳化钽或碳化钛，形成。另外，外部支撑元件中可以包含各种粘合金属，例如钴、镍、铁、金属合金或其混合物，使得金属碳化物晶粒被支撑在金属粘合剂内。在特定实施例中，外部支撑元件是具有范围从6到13％的钴含量的烧结碳化钨。套管和/或基底还可以包括一种更多的润滑材料，例如金刚石以降低它们之间的摩擦系数，这也在本公开的范围内。这些部件可以完全由这样的材料形成，或者具有包括沉积在该部件上的这样的润滑材料的部件的部分，例如通过化学镀，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，电弧处理或高速喷雾)。在特定实施例中，类金刚石涂层可以通过CVD或者空心阴极等离子体增强CVD沉积，例如美国公布号2010/0108403中公开的涂层类型。
在使用套管的实施例中，可以通过本领域已知的任何方式，包括在烧结工具期间浇铸在适当位置，或者通过将元件钎焊在切削器凹穴中的适当位置，将这样的套管固定到钻头主体(或其他切削工具)上。钎焊可以在内部切削元件保持在套管内之前或之后发生；然而，在一些实施例中，在将套管钎焊到合适位置之前，内部可旋转切削元件保持在套管中。切削元件组件的其他实施例可以包括轴向地保持在外部支撑件内的切削元件，该外部支撑件可以包括例如其上形成切削元件组件的切削工具的一部分。
本公开的切削元件组件可以用于任何井下切削工具，包括例如固定切削器钻头或开孔器。图22示出了包括本公开的一个或多个切削元件组件840的开孔器830的总体构造。开孔器830包括工具主体832和在围绕其周向的选定方位位置处的多个刀片838。开孔器830通常包括连接件834，836(例如螺纹连接件)，使得开孔器830可以连接到包括例如钻柱和/或井底组件(“BHA”)的相邻的钻井工具。工具主体832通常包括穿过其中的钻孔，使得当钻井流体从表面(例如从表面泥浆泵)泵送到井眼的底部时，钻井流体可以流过开孔器830。工具主体832可以由钢或本领域已知的其他材料形成。例如，工具主体832也可以由渗透有粘合剂合金的基质材料形成。图22中所示的刀片838是螺旋刀片并且通常围绕工具主体的周边以基本相等的角度间隔定位。该布置不是对本公开的范围的限制，而是仅用于说明的目的。本领域普通技术人员将认识到，可以使用任何井下切削工具。而图22没有详细描述切削元件组件的位置，它们在工具上的位置可以根据上述变化。
虽然以上已经详细描述了几个实施例，但是本领域技术人员将会认识到，在实质上不背离在此公开的设备、系统和方法的情况下，示例实施例中可以进行许多修改。因此，这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。另外，应该理解的是，参照本公开的“一个实施例”或“实施例”不意图被解释为排除也结合所述特征的附加实施例的存在。例如，关于在此的实施例描述的任何元件可以与在此描述的任何其他实施例的任何元件组合。
在权利要求中，装置加功能的语句旨在涵盖这里描述为执行所述功能的结构，而不仅仅是结构等同物，而且还包括等同结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等同物，因为钉子采用圆柱形表面将木质部件固定在一起，而螺钉采用螺旋形表面，但在紧固木质部件的环境中，钉子和螺钉可能是等同的结构。除了其中权利要求明确地使用词语“用于...的装置”以及相关功能的那些以外，申请人的明确意图是不援引对在此任何权利要求的任何限制的装置加功能或功能要求。落入权利要求的含义和范围内的对实施例的每个增加、删除和修改均包含在权利要求中。各种实施例的特征和组件可以以任何组合的形式组合在一起，除了这样的特征/组件是相互排斥的。

Claims (18)

1.一种切削元件，包括：
切削端，该切削端延伸从切削面到与所述切削面相反的界面表面的深度，所述切削端具有切削端直径；以及
心轴，该心轴与切削端通过过渡区域轴向地分离，所述心轴具有：
在心轴侧表面处的心轴直径，该心轴直径小于切削端直径；和
引导长度，该引导长度是从过渡区域过渡的点到保持特征测量的，该引导长度大于所述心轴的总长度的75％，并且
其中，所述过渡区域包括：
过渡表面，该过渡表面从从所述界面表面过渡的点延伸到从所述心轴侧表面过渡的点，所述过渡表面的横截面轮廓具有至少一个平面表面；和
锥线，该锥线是从从界面表面过渡的点到从心轴侧表面过渡的点测量的并且与和心轴侧表面相切的线形成锥角，该锥角在5°至85°的范围内。
2.根据权利要求1所述的切削元件，所述引导长度大于所述切削元件的总长度的60％。
3.根据权利要求1所述的切削元件，所述引导长度大于所述切削端直径的60％。
4.一种切削元件组件，包括：
套管，该套管具有基部、在所述套管的内表面处的内径以及在所述套管的外表面处的外径；
锥形部，该锥形部从所述基部沿所述套管轴向地延伸一长度，所述锥形部由减小的外径形成；和
切削元件，该切削元件具有切削端、具有心轴侧表面的心轴以及沿着所述心轴侧表面设置的保持特征，所述心轴在所述套管内，使得所述锥形部与保持特征轴向重叠。
5.根据权利要求4所述的切削元件组件，所述切削元件具有在所述切削端和所述心轴之间的过渡区域，该过渡区域包括：
过渡表面，该过渡表面从从切削端表面过渡的点延伸到从所述心轴侧表面过渡的点，所述过渡表面的横截面轮廓具有至少一个平面表面；和
锥线，该锥线是从从切削端表面过渡的点到从心轴侧表面过渡的点测量的并且与和心轴侧表面相切的线形成锥角，该锥角在5°至85°的范围内。
6.根据权利要求4所述的切削元件组件，所述心轴与所述切削端通过过渡区域轴向地分离，并且所述心轴包括：
从保持特征到过渡区域的过渡点测量的引导长度，该引导长度大于心轴的总长度的75％。
7.根据权利要求4所述的切削元件组件，所述心轴与所述切削端通过过渡区域轴向地分离，并且所述心轴包括：
从过渡区域的过渡点到保持特征测量的引导长度，该引导长度大于0.3英寸(7.6毫米)。
8.根据权利要求4所述的切削元件组件，所述保持特征包括：
围绕所述心轴侧表面形成的周向槽和围绕所述套管的内表面形成的相应周向槽；和
在对应的周向槽之间的保持机构。
9.根据权利要求4所述的切削元件组件，所述切削元件组件的总长度与所述切削元件组件的直径之比大于1:1。
10.根据权利要求4所述的切削元件组件，所述锥形部延伸所述套管的总长度的至少25％。
11.根据权利要求4所述的切削元件组件，沿着共同的轴向位置形成在所述套管的内表面和所述心轴侧表面之间的间隙和所述切削元件组件的直径的比率在0.0005至0.02的范围内。
12.根据权利要求4所述的切削元件组件，还包括在所述切削元件和所述套管之间的至少一个密封件。
13.一种切削元件组件，包括：
切削元件，该切削元件包括：
切削端，该切削端延伸从切削面到与切削面相反的界面表面的深度；
心轴，在心轴侧表面处测量的心轴直径小于在切削端侧表面处测量的切削端直径；
过渡区域，该过渡区域具有从从所述界面表面过渡的点延伸到从所述心轴侧表面过渡的点的过渡表面，所述过渡表面的横截面轮廓具有至少一个平面表面；和
锥线，该锥线是从从界面表面过渡的点到从心轴侧表面过渡的点测量的，该锥线与和心轴侧表面相切的线形成锥角，该锥角在从5°至85°的范围内；
外部支撑件，所述心轴在外部支撑件内；和
在心轴和所述外部支撑件之间的保持特征。
14.根据权利要求13所述的切削元件组件，所述外部支撑件是套管，所述套管包括：
在所述套管的内表面处测量的内径；
在套管的外表面处测量的外径；和
通过减小外径形成并且从套管的基部沿套管轴向地延伸一定长度的锥形部，该锥形部与保持特征轴向地重叠。
15.根据权利要求13所述的切削元件组件，所述心轴包括从从所述心轴侧表面过渡的点到所述保持特征测量的引导长度，该引导长度大于所述心轴的总长度的75％。
16.一种井下切削工具，包括工具主体、从所述工具主体延伸的多个刀片以及在所述多个刀片中的至少一个上的至少一个如权利要求13所述的切削元件组件，所述多个刀片中的所述至少一个刀片形成所述外部支撑件。
17.一种切削元件组件，包括：
套管；
部分位于所述套管内的切削元件，该切削元件包括：
切削端；和
与切削端通过过渡区域轴向地分离的心轴；
沿着心轴侧表面的保持特征；和
在所述套管和所述切削元件之间的至少一个密封件，该至少一个密封件具有四边形的横截面形状，
其中，所述过渡区域的横截面轮廓包括平面表面，所述至少一个密封件沿着所述过渡区域的所述平面表面设置。
18.根据权利要求17所述的切削元件组件，所述至少一个密封件具有金属芯体。
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