CN108291427B - 上面具有非平面切削元件的固定切削刀钻头以及其它井下工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种井下切削工具，其包括：主体，其具有延伸穿过其中的中心轴线；多个刀片，其从所述主体向外延伸并且围绕所述中心轴线朝向中心区会聚；以及至少一个切削元件，其具有纵向轴线、非圆柱形衬底和位于所述非圆柱形衬底上的超硬材料主体，所述超硬材料主体具有侧表面，其围绕切削面延伸并且界定所述超硬材料主体的横截面形状，并且所述侧表面包括内角小于180度的边缘。
Description
背景技术
称为“固定切削刀”或“刮刀”钻头的钻孔钻头包括具有附接到钻头主体的切削元件的钻头，所述钻头主体可为钢钻头主体或由诸如碳化钨等基质材料和粘结剂材料形成的基质钻头主体。存在本领域中已知的不同类型的刮刀钻头及其形成方法。例如，具有由沉积或以其它方式接合到衬底的超硬切削表面层或“工作台”(诸如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称为多晶金刚石复合片(“PDC”)钻头。
PDC切削刀已经在包括岩石钻孔和金属机械加工在内的工业应用中使用多年。在PDC钻头中，PDC切削刀被接纳在切削刀套内，所述切削刀套形成在从钻头主体延伸的刀片内，并且PDC切削刀可通过铜焊到切削刀套的内表面来接合到刀片。PDC切削刀沿钻头主体刀片的前缘定位，使得随着钻头主体旋转，PDC切削刀接合地球地层并且对其钻孔。在使用中，可在PDC切削刀上施加高力，尤其是在从前向后方向上。另外，钻头和PDC切削刀可能受到大量磨蚀力。在一些情况下，冲击力、振动力和侵蚀性已经由于一个或多个切削刀的损耗或由于刀片的破损而造成钻孔钻头故障。
在典型PDC切削刀中，多晶金刚石(“PCD”)(或其它超硬材料，诸如多晶立方氮化硼)的复合片接合到衬底材料，所述衬底材料可为用于形成切削结构的烧结金属碳化物。PCD包括接合在一起以形成一体坚韧高强度块体或晶格的金刚石颗粒或晶体的多晶块体。所得PCD结构产生耐磨性和硬度的增强性质，从而使得PCD材料在需要高水平的耐磨性和硬度的蔓延性磨损和切削应用中有用。
图1中示出具有多个带有超硬工作表面的切削刀的PDC钻头的实例。钻孔钻头100包括钻头主体110，其具有螺纹销端111和切削刀端115。切削刀端115包括多个肋条或刀片120，其围绕钻孔钻头的旋转轴线L布置并且从钻头主体110径向向外延伸。切削元件或切削刀150相对于工作表面以预定角度取向和径向位置并且抵靠待钻孔地层以所需后倾角度嵌入在刀片120中。切削刀可包括设置在衬底上的金刚石或其它超硬材料层，其中金刚石层接触并切削地层并且衬底附接到刀片。
多个孔口116定位在钻头主体110上位于刀片120之间的区域中，其可被称为间隙或流体流道。孔口116通常适于接受喷嘴。孔口116允许在切削刀片120之间在选定方向上并且以选定流速通过钻头排出钻孔流体用于润滑并冷却钻孔钻头100、刀片120和切削刀150。钻孔流体还在钻孔钻头100旋转并且穿透地质地层时清洁并移除切屑。流体流道被定位以针对钻孔流体提供额外流动通道并且提供用于地层切屑朝向井孔(未示出)的表面行进经过钻孔钻头10的通路。
发明内容
提供本发明内容是为了介绍下文在具体实施方式中进一步描述的精选概念。本发明内容并不意图识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用作限制要求保护的主题的范围的辅助。
在一个方面，本文所公开的实施例涉及一种井下切削工具，其具有：主体，其具有延伸穿过其中的中心轴线；多个刀片，其从所述主体向外延伸并且围绕所述中心轴线朝向中心区会聚；以及至少一个切削元件，所述至少一个切削元件包括纵向轴线、非圆柱形衬底和位于所述非圆柱形衬底上的超硬材料主体。所述超硬材料主体具有围绕切削面延伸并且界定超硬材料主体的横截面形状的侧表面，所述侧表面具有内角小于180度的边缘。
在另一个方面，本文所公开的实施例涉及一种切削元件，其具有纵向轴线、衬底以及设置在所述衬底上的超硬材料主体，所述超硬材料主体具有非平面外表面，所述非平面外表面具有在其间交替的多个线性峰和多个谷，所述多个线性峰会聚在顶点处。
在又一个方面，本文所公开的实施例涉及一种井下切削工具，其包括：主体，其具有延伸穿过其中的中心轴线；多个刀片，其从主体向外延伸并且围绕中心轴线朝向中心区会聚；以及至少一个切削元件，其具有衬底和位于衬底上的超硬材料主体。超硬材料层可包括非平面切削面，其具有形成线性峰的两个相交表面，所述线性峰延伸非平面切削面的宽度，其中超硬材料主体的沿线性峰的轴向高度变化。
将从以下描述和所附权利要求书明白要求保护的主题的其它方面和优点。
附图说明
图1示出常规钻孔钻头的透视图。
图2示出根据本公开的实施例的切削元件的透视图。
图3示出根据本公开的实施例的切削元件的侧视图。
图4示出根据本公开的实施例的切削元件的前视图。
图5示出根据本公开的实施例的切削元件的俯视图。
图6示出根据本公开的实施例的切削元件的侧视图。
图7示出根据本公开的实施例的切削元件的前视图。
图8示出根据本公开的实施例的切削元件。
图9示出根据本公开的实施例的切削工具的示意性截面图。
图10示出根据本公开的实施例的切削元件的透视图。
图11示出根据本公开的实施例的切削元件的俯视图。
图12示出根据本公开的实施例的切削元件的侧视图。
图13示出根据本公开的实施例的切削元件的侧视图。
图14示出根据本公开的实施例的切削元件的透视图。
图15示出根据本公开的实施例的切削元件的俯视图。
图16示出根据本公开的实施例的切削元件的侧视图。
图17示出根据本公开的实施例的切削元件的侧视图。
图18示出根据本公开的实施例的超硬材料主体的透视图。
图19示出根据本公开的实施例的超硬材料主体的横截面图。
图20示出根据本公开的实施例的切削元件的透视图。
图21示出根据本公开的实施例的切削元件的俯视图。
图22示出根据本公开的实施例的切削元件的侧视图。
图23示出根据本公开的实施例的切削元件的侧视图。
图24示出根据本公开的实施例的切削元件的透视图。
图25示出根据本公开的实施例的切削元件的俯视图。
图26示出根据本公开的实施例的切削元件的侧视图。
图27示出根据本公开的实施例的切削元件的侧视图。
图28示出根据本公开的实施例的切削工具。
图29示出根据本公开的实施例的切削元件组件的横截面图。
图30示出根据本公开的实施例的切削元件组件的透视图。
图31示出根据本公开的实施例的切削元件的透视图。
图32示出根据本公开的实施例的超硬材料主体的横截面图。
图33示出根据本公开的实施例的非圆柱形衬底的横截面图。
图34示出根据本公开的实施例的超硬材料主体的横截面图。
具体实施方式
本文所公开的实施例大体上涉及成形切削元件，诸如具有非平面切削面的切削元件和/或具有非圆柱形基座的切削元件。本文所公开的一些实施例涉及具有非平面和非圆锥切削面的切削元件以及在切削工具上的此类切削元件。本文所公开的一些实施例大体上涉及在非圆柱形衬底上具有非平面切削面的切削元件以及在切削工具上的此类切削元件。在一些实施例中，切削元件可在井下钻具上使用，例如，用于犁耕或楔式切削动作或用于取芯。另外，一些实施例可使用浮动保持机构保持到切削工具。
根据本公开的一些实施例，切削元件可包括位于非圆柱形衬底上的超硬材料主体。如本文中提到，非圆柱形衬底可包括沿横向于其纵向轴线的平面具有至少一个非圆形横截面形状的衬底。例如，非圆柱形衬底可具有多边形棱镜形状、混合圆柱和棱镜形状或者椭圆形横截面形状。然而，在一些实施例中，切削元件可具有附接到大体圆柱形衬底的超硬材料主体，其中大体圆柱形衬底是指沿横向于其纵向轴线的平面具有圆形横截面形状的衬底。例如，圆柱形衬底可包括带有在横向于其纵向轴线的每个平面处具有大致相等直径的圆形横截面的衬底。在一些实施例中，大体圆柱形衬底可包括直径具有相对较小变化(例如)以便形成保持沟槽或者斜面或锥度的衬底。另外，如贯穿本申请所使用，将分开提到术语“形状”和“大小”。例如，切削元件的横截面形状可沿横向于其纵向轴线的每个平面保持相同，而横截面形状的大小可沿横向于纵向轴线的平面变化。
具有非圆柱形衬底的切削元件可具有超硬材料主体，其沿横向于切削元件纵向轴线的平面的横截面形状与非圆柱形衬底的横截面形状对齐或者是与非圆柱形衬底的横截面形状不同的形状。另外，一些具有非圆柱形衬底的切削元件可具有超硬材料主体，其沿横向于切削元件纵向轴线的平面的横截面形状与非圆柱形衬底的横截面形状对齐并且是与非圆柱形衬底的横截面形状不同的形状，例如，如果所述非圆柱形衬底具有形状组合或者如果超硬材料主体具有形状组合。例如，在一些实施例中，非圆柱形衬底可具有形状组合，其中非圆柱形衬底的横截面形状沿其纵向轴线变化，并且在一些实施例中，超硬材料主体的横截面形状可沿纵向轴线变化。
超硬材料主体可(例如)从金刚石、氮化硼或其它超硬材料及其组合形成，并且衬底可由(例如)诸如金属碳化物、金属氮化物、金属硼化物或其组合等陶瓷金属形成。例如，根据一些实施例，超硬材料主体可由金刚石形成，并且衬底可由碳化钨形成。
根据本公开的实施例，切削元件可具有设置在非圆柱形衬底上的超硬材料主体以及延伸穿过其中的纵向轴线。超硬材料主体可具有围绕切削面延伸并且界定超硬材料主体的横截面形状的侧表面，其中所述侧表面具有至少一个边缘。超硬材料主体的侧表面可具有内角小于180度的至少一个边缘，使得超硬材料主体的沿横向于纵向轴线的平面的横截面形状具有由所述边缘形成的突起或峰形状。
例如，现在参看图2至图5，分别示出根据本公开的实施例的切削元件的透视图、侧视图、前视图和俯视图。切削元件200具有设置在非圆柱形衬底220上的超硬材料主体210以及延伸穿过其中的纵向轴线230。如图5所示，超硬材料主体210可在与非平面切削面214形状对应的非平面界面处附接到非圆柱形衬底220。然而，在一些实施例中，超硬材料主体可在平面或非平面界面处附接到衬底，其中所述界面可与或可不与超硬材料主体的切削面形状对应。
超硬材料主体210具有侧表面212，其围绕切削面214延伸并且界定超硬材料主体的沿横向于纵向轴线230的平面的横截面形状。如本文使用，超硬材料主体的侧表面是指界定超硬材料主体的最外周边的表面。另外，切削面是指界定接合地层的切削端的三维几何形状的一个或多个表面。如图4所示，侧表面212具有至少一个边缘216，其具有小于180度的内角217，使得超硬材料主体的沿横向于纵向轴线的平面的横截面形状具有由所述边缘形成的突起或峰形状。在一个或多个实施例中，如图7所示，超硬材料主体210可沿横向于纵向轴线的平面具有至少包括第一部分232和第二部分234的横截面形状，所述第一部分232具有从纵向轴线230到侧表面212的大致恒定半径r1，并且所述第二部分234具有从纵向轴线230到表面212的变化半径r2。如图所示，变化半径r2可沿第二部分234的一部分小于大致恒定r1，并且可在边缘216处处于其峰值。然而，在一些实施例中，变化半径r2可沿第二部分234的一部分大于大致恒定r1，并且可在边缘216处处于其峰值。在一个或多个实施例中，侧表面212的沿第二部分234的横截面可形成线性或大致线性片段、凹形片段、凸形片段或其组合。根据一些实施例，超硬材料主体侧表面可具有一个边缘或一个以上边缘，其中每个边缘形成在从小于180度、小于150度、小于120度、小于90度或小于60度并且在一些实施例中大于45度、60度、90度或120度的范围内的内角，其中任何下限可与任何上限组合使用。虽然在图2至图5中示出为角形过渡，但边缘可在形成内角的两个侧面之间具有角形过渡或弯曲过渡。
如图2、图3和图5所示，非圆柱形衬底也具有侧表面222，其界定衬底的沿横向于纵向轴线230的平面的横截面形状。衬底侧表面222可具有至少一个边缘226，其具有与超硬材料主体210的边缘216对齐的内角，使得超硬材料主体210的沿横向于纵向轴线的平面的横截面形状与非圆柱形衬底220的沿横向于纵向轴线230的平面的横截面形状大致相同。然而，在其它实施例中，衬底的沿横向于纵向轴线的平面的横截面形状可不同于附接到衬底的超硬材料主体的横截面形状。参看图3，超硬材料主体和衬底的横截面形状的大小可沿纵向轴线230增大，使得对齐的超硬材料主体边缘216和非圆柱形衬底边缘226与平行于纵向轴线230的线形成角度237。换句话说，切削元件200具有沿非圆柱形衬底和超硬材料主体的侧表面形成的边缘216、226，其中切削元件的边缘216、226之间的横截面区域沿纵向轴线230从衬底的基座(或远端)向超硬材料主体连续增大。另外，边缘216、226可为弧形或尖锐的。在具有弧形边缘的实施例中，曲率半径可在(例如)高达0.050、0.040、0.030或0.020英寸(例如，在0.10与0.50英寸之间)的范围内。尽管边缘216、226被示出为线性延伸，但在一些实施例中，边缘216、215是非线性延伸的，并且可包括(例如)一个或多个间断或弯曲部分。
在边缘216、226与平行于纵向轴线230的线之间形成的角度237可在(例如)从大于0度、10度、15度、30度、45度、60度或75度的限制的范围内，其中任何限制可与任何其它限制组合使用(例如，大于0度到60度)。尽管组合边缘216和226的角度被示出为连续的，但所述角度可为间断的、弯曲的等等，并且至少一个边缘(例如，主体210的边缘)可大致平行于纵向轴线延伸。在一些实施例中，如图3所示，边缘可沿切削元件的圆周的一部分成角度(连续地或间断地)。在其它实施例中，所述边缘可沿切削元件的整个圆周成角度。
根据本公开的实施例，切削元件可具有在超硬材料层的外表面处形成的非平面切削面。例如，如图2至图5所示，非平面切削面214由至少两个相交表面218界定。相交表面218形成从侧表面212的第一部分211向侧表面212的第二部分213延伸切削面的宽度的线性峰215。在其它实施例中，切削元件可具有从侧表面的一个部分向侧表面的另一部分延伸跨切削面的弦或小于整个宽度的其它路径的线性峰。在另外其它实施例中，峰215可为非线性的，并且可包括(例如)间断或在其沿切削面的延伸中弯曲。
相交表面218以与横向于纵向轴线230的平面235成角度238远离线性峰215倾斜。根据本公开的一些实施例，角度238可在(例如)从5度到45度的范围内。然而，在一些实施例中，角度238可大于45度。另外，相交表面218可具有弧形边缘或者尖锐或成角边缘。在具有弧形边缘的实施例中，曲率半径可在(例如)从大约0.02英寸到大约0.12英寸的范围内。
如图所示，线性峰215可从侧表面212的第一部分211延伸到侧表面212的第二部分213，其中侧表面的第二部分213位于沿侧表面212形成的边缘216处。线性峰215与边缘216的相交点可形成切削尖219。图6和图7分别示出切削元件200在切削地层240时的侧视图和前视图。如图所示，切削元件200可定位在切削工具(未示出)上，使得切削尖219接触并且犁耕通过地层240。形成切削尖的相交边缘和倾斜表面可通过对地层预加应力并且同时使地层远离钻孔底部移动来促进对地层钻孔。此类切削尖可用于(例如)对软或塑性地层钻孔。
另外，超硬材料主体210的由侧表面212界定的横截面形状可不同于超硬材料主体210的沿非平面切削面214形成的横截面形状。例如，如图2至图5所示，超硬材料主体210的侧表面212可沿横向于纵向轴线230的平面界定大体泪滴横截面形状，而超硬材料主体210的沿非平面切削面214的横截面形状(其中沿非平面切削面的横截面形状由形成非平面切削面214的表面218与侧表面212的若干部分组合界定)可为具有至少一个弯曲侧边的矩形或多边形。
图8示出根据本公开的实施例的另一个切削元件。切削元件800具有位于非圆柱形衬底820上的超硬材料主体810以及延伸穿过其中的纵向轴线830，其中超硬材料主体810具有侧表面812，其围绕切削面814延伸并且界定超硬材料主体的横截面形状。侧表面812具有内角小于180度的边缘816(由超硬材料主体810的具有从纵向轴线830到侧表面812的不同半径的部分形成，如上所述)。明确地说，边缘816由侧表面812的两个相交且大致平面的壁形成，其中所述壁在内角处相交并且其中所述相交点包括弯曲或弧形过渡。根据一些实施例，弧形过渡可具有在从(例如)大约0.05英寸到大约0.12英寸的范围内的曲率半径。在其它实施例中，侧表面的两个壁的相交点可包括成角过渡。边缘816的内角可在(例如)从大约90度到大约150度的范围内。非平面弯曲壁从一个平面壁延伸到另一个平面壁，使得超硬材料主体810的沿横向于纵向轴线的平面的横截面形状是泪滴形状。切削面814进一步具有宽度815和长度817，其中所述宽度815是在切削面814的最宽维度处的弯曲壁部分之间测量的，并且其中所述长度817是沿切削面814的最长维度在边缘816与弯曲壁的相对部分之间测量的。切削面的长度可小于其宽度，或在一些实施例中，切削面的长度可大于其宽度，使得长度817与宽度815的比率为至少1.2:1、1.35:1或至少1.5:1。例如，在一些实施例中，沿切削面长度817在纵向轴线830与边缘816之间的距离可比宽度815大在宽度815的25％到40％的范围内的量，并且在其它实施例中，大于宽度815的40％的量。如图所示，切削面814是平面的，其中超硬材料主体810在切削面处的横截面形状与由侧表面812界定的横截面形状相同。
另外，切削元件800具有超硬材料主体810，其横截面形状沿纵向轴线830(超硬材料主体810的整个厚度)为一致的，而非圆柱形衬底820具有沿纵向轴线830变化的横截面形状。如图所示，非圆柱形衬底820具有外侧表面822，其界定衬底的横截面形状并且在其周边处具有沿衬底的轴向长度的至少一部分形成的至少一个边缘826、827。外侧表面822进一步具有位于边缘826、827之间的倾斜表面828，其中倾斜表面828从边缘826向下倾斜并且与边缘827接界。倾斜表面828可以在从(例如)大约5度到大约25度的范围内的角度从边缘826向下倾斜。
非圆柱形衬底的沿边缘826的横截面形状与超硬材料主体810的横截面形状相同并且对齐，而非圆柱形衬底的沿非圆柱形衬底的剩余部分的横截面形状与超硬材料主体810的横截面形状不同。换句话说，非圆柱形衬底820具有沿横向于纵向轴线830的第一平面并且与边缘826相交的第一横截面形状以及沿横向于纵向轴线830的第二平面并且与边缘827相交的第二横截面形状，其中第一和第二横截面形状彼此不同。然而，根据本公开的实施例，非圆柱形衬底可沿其整个高度具有相同横截面形状，或可沿其高度具有两个以上不同横截面形状。另外，还设想非圆柱形衬底可具有为非圆形的第一横截面形状(致使衬底的第一部分为非圆柱形的)以及为圆形的第二横截面形状(因此，导致衬底的第二部分为圆柱形的)。
现在参看图9，示出钻孔钻头切削工具的示意性截面图，其中钻孔钻头具有定位在其上以接触并切削地层的切削元件800。钻孔钻头840具有主体842、从主体842向外延伸的至少一个刀片844以及中心轴线846，其中所述刀片844围绕中心轴线846朝向中心区848会聚。多个切削元件850沿每个刀片844的切削边缘设置，并且切削元件800设置在工具主体上在所述多个刀片之间位于中心区848中。切削元件800定位在中心区848中以充当取芯元件，使得切削元件800的边缘816(图8所示)可接触正被钻孔的底孔的中心区并且对其取芯。在一个实施例中，中心区848中所使用的切削元件可具有图8所示的类型；然而，其它实施例可使用图2至图5所示的类型的切削元件或者具有三维形状的其它切削元件，诸如贯穿本申请所描述的切削元件。
图10至图13分别示出根据本公开的实施例的另一个切削元件的透视图、俯视图和侧视图。切削元件300具有在平面或非平面界面处设置在非圆柱形衬底320上的超硬材料主体310，以及延伸穿过其中的纵向轴线330，其中超硬材料主体310具有侧表面312，其围绕切削面314延伸并且界定超硬材料主体的横截面形状。侧表面312具有内角小于180度的至少一个边缘316，其中所述侧表面界定超硬材料主体310的大致三角形横截面形状(例如，具有圆角)。在一个或多个实施例中，超硬材料主体310可沿横向于纵向轴线330的平面具有围绕超硬材料主体310的整个周边包括从纵向轴线到侧表面312的变化半径的横截面形状。多个倾斜表面318和线性峰315或脊界定非平面切削面314，其中每个线性峰315从每个边缘316延伸到切削尖319，并且其中倾斜表面318从线性峰315向下倾斜以与在边缘316之间延伸的侧表面312相交317。线性峰315可相对于纵向轴线330以在30度与60度之间的范围内的角度向下倾斜。另外，超硬材料主体310可具有在切削尖319与超硬材料主体的基座或与衬底320的界面之间测量的高度，其中所述高度可在从大约0.1英寸到大约0.625英寸的范围内，这取决于(例如)切削元件的总高度、线性峰的倾斜角度和用于形成超硬材料主体的材料。如图10至图13所示，线性峰和倾斜表面可形成三角锥形切削面；然而，在其它实施例中，非平面切削面可被成形为不同多角锥，例如，四角锥、五角锥或六角锥。另外，形成非平面非圆锥切削面的相交表面可包括成角、弯曲或小平面化过渡。例如，如图10至图13所示，倾斜表面318与侧表面312之间的相交点317具有弯曲过渡，并且线性峰315在相交倾斜表面318之间形成弯曲过渡。在其它实施例中，邻接表面之间的相交点可具有成角过渡或者具有较小曲率半径的弯曲过渡。根据一些实施例，邻接表面之间的相交点可具有在从大约0.02英寸到0.125英寸的范围内的曲率半径。在另外其它实施例中，形成非平面切削面的相交倾斜表面可被小平面化，其中过渡表面在相邻倾斜表面之间延伸。
具有角锥切削面的切削元件可具有对应非圆柱形衬底或非对应衬底。例如，如图10至图13所示，非圆柱形衬底320具有带有至少一个边缘326的外侧表面322。非圆柱形衬底320的外侧表面322界定非圆柱形衬底320的三角形横截面形状，其与超硬材料主体310的三角形横截面形状对应，其中非圆柱形衬底320的边缘326与超硬材料主体的边缘316对齐。形成角锥切削面的线性峰315与边缘316和326对齐，使得角锥切削面具有与非圆柱形衬底320和超硬材料主体310的横截面形状对应的基座形状。在一个或多个实施例中，衬底320可沿横向于纵向轴线330的平面具有围绕衬底320的整个周边包括从纵向轴线到侧表面322的变化半径的横截面形状。
现在参看图14至图17，示出具有角锥切削面和非对应衬底的切削元件的实例。切削元件400具有在平面或非平面界面处设置在衬底420上的超硬材料主体410，以及轴向延伸穿过其中的纵向轴线430，其中所述超硬材料主体410具有侧表面412，其围绕切削面414延伸并且界定超硬材料主体的沿垂直于纵向轴线430的平面的横截面形状。超硬材料主体的侧表面412(径向最外周边)和衬底的外侧表面422界定对应圆形横截面形状而没有边缘。多个倾斜表面418和线性峰415界定非平面切削面414，其中每个线性峰415从侧表面412延伸到切削尖419，并且其中倾斜表面418从线性峰415向下倾斜以与侧表面412相交417。线性峰415可具有弧形边缘，其中曲率半径在从大约0.02英寸到0.125英寸的范围内。另外，线性峰415可相对于纵向轴线430以在30度与60度之间的范围内的角度向下倾斜。超硬材料主体410的高度是在切削尖419与超硬材料主体的基座或与衬底420的界面之间测量的，其中所述高度可在从大约0.1英寸到大约0.625英寸的范围内。线性峰415和倾斜表面418形成三角锥形状(具有三角形基座的金字塔形状)，使得超硬材料主体的沿切削面414的横截面形状是三角形，而超硬材料主体的沿侧表面412的横截面形状是圆形。然而，在其它实施例中，超硬材料主体可沿其切削面和侧表面具有不同横截面形状组合。例如，超硬材料主体可具有多边形角锥切削面(例如，四角锥、五角锥或六角锥)，沿其侧表面具有圆形横截面形状，或沿其侧表面具有不与多边形角锥切削面对齐的多边形横截面形状。
图18和图19示出可附接到具有对应横截面形状或不同横截面形状的衬底的超硬材料主体的另一个实例。如图18所示，超硬材料主体500具有由在其间交替的多个线性峰515和多个谷513形成的非平面切削面510。线性峰515从侧表面向上延伸并且在顶点处会聚以形成切削尖519。在每对线性峰515之间是从超硬材料主体的基座朝向切削尖519延伸的谷513。
图19示出超硬材料主体500的沿横向于纵向轴线530的平面的横截面图。所述多个交替线性峰515和谷513形成超硬材料主体500的多瓣形横截面形状，其中多个瓣片从纵向轴线径向向外延伸。谷513和线性峰515围绕拐点具有圆化过渡。明确地说，谷513具有在相邻线性峰515之间延伸的拥有某个曲率半径的圆化过渡(凹形形状)，并且线性峰515具有拥有某个曲率半径的圆化峰(凸形形状)，其中谷和线性峰的曲率半径可沿超硬材料主体500的高度511(图18所示)变化。如图18所示，谷513和线性峰515的曲率半径可从超硬材料主体的基座向顶点519减小(连续地或间断地)。另外，每个谷513可沿每个谷513的整个高度维持凹形形状。然而，根据其它实施例，超硬材料主体的非平面切削面可具有交替的线性峰和谷，其具有成角过渡或者成角过渡与圆化过渡的组合。
图18和图19所示的实施例包括六个线性峰和谷。然而，其它实施例可具有多于或少于六个线性峰，其与谷交替以形成具有多瓣横截面形状的超硬材料主体，围绕拐点具有弯曲过渡和/或成角过渡。例如，超硬材料主体可具有四个线性峰，其与四个谷交替并且从超硬材料主体的基座延伸以在顶点处会聚，其中超硬材料主体的横截面形状具有从中心轴线径向向外延伸的四个瓣片并且可形成四点星形形状。在一些实施例中，超硬材料主体可具有五个线性峰，其与五个谷交替并且从超硬材料主体的基座延伸以在顶点处会聚，其中超硬材料主体的横截面形状具有从中心轴线径向向外延伸的五个瓣片。在一些实施例中，超硬材料主体可具有七个线性峰，其与七个谷交替并且从超硬材料主体的基座延伸以在顶点处会聚，其中超硬材料主体的横截面形状具有从中心轴线径向向外延伸的七个瓣片并且可形成七点星形形状。形成非平面切削面的交替线性峰和谷的数目可取决于(例如)用于形成超硬材料主体的材料、超硬材料主体的大小、正被钻孔的地层、切削元件在切削工具上的位置以及超硬材料主体附接到的衬底的形状。
另外，具有多瓣横截面形状的超硬材料主体可具有在与纵向轴线偏移某个角度的方向上延伸的一个或多个瓣片。现在参看图34，示出超硬材料主体1900的横截面图，其中超硬材料主体具有形成多瓣横截面形状的多个交替线性峰1915和谷1913。所述横截面图是沿横向于超硬材料主体1900的纵向轴线1905的平面。每个瓣片1950在与纵向轴线1905偏移的方向上从超硬材料主体的中心区(包围纵向轴线1905)径向向外延伸。虚线指示在每个瓣片在径向向外方向1940上从纵向轴线1905延伸的情况下的超硬材料主体1945的横截面形状，其中所述瓣片处于零度偏移角度。每个瓣片1950的偏移角度1920可为在从纵向轴线向外延伸的方向1940与瓣片平面1930之间测量的，其中瓣片平面1930纵向延伸穿过瓣片并且沿瓣片的方向径向延伸，与瓣片的线性峰1915相交。根据本公开的实施例，一个或多个瓣片可以在从0度、5度、15度或30度的下限到5度、15度、30度、45度或60度的上限的范围内的偏移角度向外延伸，其中任何下限可与任何上限组合使用，这取决于(例如)瓣片的数目以及瓣片的大小和形状。图18和图19示出具有以零度偏移角度在径向向外方向上延伸的多个瓣片的实施例的实例。
根据本公开的实施例，具有拥有多瓣横截面形状的超硬材料主体的切削元件(诸如图18、图19和图34所示)可包括在界面处附接到超硬材料主体的衬底以及轴向延伸穿过其中的纵向轴线。超硬材料主体可附接到圆柱形或非圆柱形衬底。例如，切削元件可包括设置在衬底上的超硬材料主体，其中所述超硬材料主体具有非平面外表面，其具有会聚在顶点处的多个线性峰，使得超硬材料主体的横截面形状具有多瓣形状。所述衬底可为非圆柱形衬底，其沿横向于纵向轴线的平面具有非圆形横截面形状。在其它实施例中，所述衬底可为圆柱形衬底，其沿横向于纵向轴线的平面具有圆形横截面形状。
现在参看图20至图23，分别示出根据本公开的实施例的切削元件的透视图、俯视图和侧视图。切削元件600具有围绕非平面切削面614延伸的侧表面612。非平面切削面614由线性峰615界定，所述线性峰615从沿侧表面612的第一部分620向沿侧表面612的第二部分622延伸切削面614的宽度，并且以在10度与60度之间的范围内的角度从切削尖619向下倾斜。如图所示，切削尖619接近切削元件600的外周边或侧表面612。也就是说，切削尖619(形成切削元件600的轴向最上部分)与切削元件的纵向轴线横向间隔开并且接近侧表面612。具体地说，切削尖619可与侧表面612最小地间隔开，诸如通过由切削尖的曲率半径造成的过渡。例如，切削尖619可具有在从大约0.02英寸到0.125英寸的范围内的曲率半径。在一些实施例中，切削尖可位于与切削元件的中心轴线相距为大于70％、大于80％、大于90％或大于95％的切削元件的半径的距离处。在一些实施例中，切削尖可位于与中心轴线相距为切削元件的半径的100％的距离处，即，在侧表面处，其中与中心轴线的距离大致等于切削元件的半径。在另外其它实施例中，切削尖可位于与中心轴线相距为在切削元件半径的15％与70％之间的距离处。
线性峰615从切削元件600的一侧向另一侧跨(例如，至少绝大多数或整个)切削元件直径延伸。也就是说，第一部分620和第二部分622可彼此成大约180度。两个倾斜表面618从线性峰615向下(从线性峰615的延伸部径向或横向向外)向切削元件600的侧表面612倾斜。在切削尖619处的切削元件的沿侧表面612的第一部分620的轴向高度611大于切削元件的沿侧表面612的第二部分622的轴向高度611。另外，切削元件600可由单种材料(诸如复合材料)形成，其中切削元件的成分是完全一致的，或者由材料组合(诸如设置在衬底上的超硬材料主体)形成，其中超硬材料主体形成切削面。
图24至图27分别示出根据本公开的实施例的切削元件的透视图、俯视图和侧视图。切削元件700具有附接到衬底724的超硬材料主体710以及轴向延伸穿过其中的纵向轴线730。超硬材料主体具有围绕非平面切削面714延伸的侧表面712，其中非平面切削面714由线性峰715界定，所述线性峰715从沿侧表面712的第一部分720向沿侧表面712的第二部分722延伸切削面714的宽度并且从切削尖719向下倾斜。两个倾斜表面718从线性峰715向切削元件700的侧表面712向下倾斜。另外，在切削尖719处的超硬材料主体710的沿侧表面712的第一部分720的轴向高度711大于超硬材料主体的沿侧表面712的第二部分722的轴向高度711，其中线性峰715从切削尖719向侧表面的第二部分722向下倾斜。根据本公开的一些实施例，线性峰可相对于垂直于纵向轴线的水平平面以在从大于15度、30度或45度的下限到30度、45度或60度的上限的范围内的角度从切削尖向下倾斜，其中任何下限可与任何上限组合使用。在使线性峰相对于垂直于纵向轴线的水平平面以0度角度延伸的其它实施例中，线性峰可不从切削尖向下倾斜。切削尖719位于邻近侧表面712处，其中切削尖719与中心轴线的距离大致等于切削元件的半径。
图28示出上面设置有根据本公开的实施例的切削元件的切削工具。所述切削工具是钻孔钻头2800，其具有工具主体2810、延伸穿过其中的中心轴线2805和多个刀片2820，所述刀片2820从工具主体2810向外延伸并且围绕中心轴线2805朝向中心区会聚。至少一个切削元件700(还在图24至图27中示出)沿刀片2820的切削(或相对于钻头的旋转方向的前沿)边缘2822附接，其中每个切削元件700定位在刀片2820上，使得切削尖719(还在图24至图27中示出)在钻孔钻头2800的操作期间接触并且切削地层。明确地说，每个切削元件700设置在刀片2820的切削边缘2822上，使得切削尖719相对于切削元件的剩余部分位于与工具主体2810的最远距离处或附近。切削元件700可在刀片2820上定向为使得切削元件700的纵向轴线730相对于正被钻孔的地层形成某个角度，其中所述角度可在一些实施例中在从5度到135度的范围内并且在一些特定实施例中在5度与45度之间的范围内。在一些实施例中，切削元件的取向角度可为相对于横向于工具中心轴线2805的水平平面来测量的，其中切削元件700的线性峰715可与水平平面形成在从大约35度到85度的范围内的角度。另外，尽管在图28中示出图24至图27的切削元件，但还可在钻头或其它井下切削工具的刀片上使用先前所描述的切削元件中的任一者。另外，所描述的实施例中的任一者可在经常称为备用或次要切削元件的位置中从钻头的前沿边缘或侧向后间隔开，也在本公开的范围内。另外，可单独地或与其它类型的切削元件组合地使用所述切削元件中的任一者，所述其它类型的切削元件包括(例如)具有平面切削面以及圆柱形超硬材料主体和衬底的剪切切削刀。
另外，具有由至少一个线性峰界定的非平面切削面(例如，图2至图7、图10至图19和图24至图27所示的非平面切削面)的超硬材料主体可在一些实施例中附接到非圆柱形衬底并且在其它实施例中附接到圆柱形衬底，这取决于(例如)超硬材料主体的大小和形状、正被切削的地层、上面设置切削元件的切削工具以及将切削元件附接到切削工具的方法。例如，图24至图27所示的超硬材料主体710附接到圆柱形衬底724，其中衬底724的外侧表面与超硬材料主体710的侧表面712对齐，使得衬底的沿横向于纵向轴线730的平面的横截面形状具有与超硬材料主体710的沿横向于纵向轴线730并且邻近衬底724的平面的横截面形状大致相同的大小和形状。然而，在其它实施例中，超硬材料主体(诸如图24至图27所示的超硬材料主体)可附接到非圆柱形衬底。将超硬材料主体附接到非圆柱形衬底可(例如)在将衬底附接到切削工具和/或将超硬材料主体附接到衬底中提供不同好处。
根据本公开的一些实施例，切削元件可包括衬底以及设置在衬底上的超硬材料主体，其中超硬材料主体具有围绕非平面切削面延伸的侧表面，所述非平面切削面由形成线性峰的两个相交倾斜表面界定。从侧表面的第一部分向侧表面的第二部分，线性峰可延伸非平面切削面的整个宽度，或可跨切削面但小于切削面的宽度延伸。超硬材料主体的沿线性峰的轴向高度可跨其长度变化或为大致恒定的。例如，在一些实施例中，沿线性峰的轴向高度可跨线性峰的长度连续地减小。另外，在一些实施例中，衬底可为圆柱形的，而在其它实施例中，衬底可为非圆柱形的。
现在参看图29和图30，分别示出根据本公开的实施例的保持到切削工具1850的切削元件1800的横截面图和透视图。切削元件1800具有在平面界面处附接到非圆柱形衬底1820的超硬材料主体1810，其中所述超硬材料主体1810具有围绕非平面切削面1814延伸的侧表面1812。非平面切削面1814具有在线性峰1815处相交的两个倾斜表面1818，其中线性峰1815跨切削面1814延伸并且从切削尖1819向下倾斜，使得超硬材料主体1810的轴向高度从切削尖1819向侧表面1812跨非平面切削面1814的宽度沿线性峰1815连续地减小。
非圆柱形衬底1820具有：圆柱形部分1822，其中衬底1820的沿圆柱形部分1822的横截面形状为圆形的；以及基座部分1824，其中基座部分1824的外径1825大于圆柱形部分1822的外径1827，从而形成阶梯式轮廓。保持器1830至少围绕衬底1820的基座部分1824设置，其中保持器1830具有比第二内径小的第一内径。保持器1830的第一内径小于基座部分1824的外径1825，使得基座部分1824被保持在保持器1830内。保持器1830附接到切削工具1850，从而将切削元件1800保持到切削工具1850。轴承基座1840设置在切削工具1850与切削元件1800之间，并且至少一个轴承机构1845设置在轴承基座1840与基座部分1824的基座表面1826之间。轴承基座1840可与切削工具成一体，或可为连接到切削工具的单独片材。轴承机构可包括(例如)滚珠轴承、滚柱轴承或能够固持推力负荷以及径向负荷的其它轴承机构。在一些实施例中，轴承基座可涂覆有低摩擦力材料，其中切削元件的基座表面可与涂层介接并且在涂层上旋转。
切削元件1800可安装到保持器1830并且通过保持器1830保持到切削工具1850。切削工具可具有：工具主体，其具有延伸穿过其中的中心轴线；以及多个刀片，其从工具主体向外延伸并且围绕中心轴线朝向中心区会聚，其中切削元件1800安装在工具主体上在所述多个刀片之间位于中心区中。如图29所示，保持器1830可通过将保持器螺旋或旋拧在切削工具1850中所形成的接纳腔内来将组装好的切削元件1800和轴承机构1845保持到切削工具1850，其中基座部分1824能够自由地在保持器1830内旋转。明确地说，随着切削工具旋转并且切削地层，可在所述多个刀片之间在切削工具的中心区中形成芯地层。随着芯增长，其可接触切削元件的非平面切削面1814并且对其施加垂直力，从而将推力负荷转移到轴承基座1840，这可防止切削元件1800相对于地层旋转。因此，通过在保持器1830和轴承组件内提供浮动基座部分，切削元件1800可在切削工具1850持续旋转的同时保持固定。切削元件1800的非平面切削面1814中所形成的楔形形状可在芯中引起裂纹，并且倾斜表面1818可迫使破裂地层偏离中心并且从切削区域移除。
现在参看图31至图33，示出根据本公开的实施例的具有非平面切削面914的切削元件900，其中切削元件900包括在界面930处设置在非圆柱形衬底920上的超硬材料主体910以及轴向延伸穿过其中的纵向轴线。明确地说，图31示出切削元件900的透视图，图32示出超硬材料主体910的沿其纵向轴线的横截面图，并且图33示出衬底920的沿横向于纵向轴线的平面的横截面图。超硬材料主体910在其界面930表面处具有椭圆形基座形状，以及从界面930延伸到形成切削尖919的顶点的倾斜表面918。然而，在其它实施例中，超硬材料主体910可包括从界面延伸的侧表面，其中非平面切削面从超硬材料主体侧表面延伸并且与之相交，并且其中超硬材料主体侧表面可与衬底对齐或可形成与衬底不同的横截面形状。切削尖919可以某个曲率半径弯曲、成角，或可包括剪裁或平面表面。例如，根据本公开的实施例，切削尖919可具有在从大约0.05英寸到0.12英寸的范围内的曲率半径。另外，超硬材料主体910可具有在切削尖919与超硬材料主体的基座或与衬底920的界面之间测量的高度，其中所述高度可在从大约0.1英寸到大约0.625英寸的范围内。
衬底920具有外侧表面922，其沿横向于纵向轴线的平面界定椭圆形横截面形状。超硬材料主体910在其界面930处具有与衬底920的横截面形状对应的横截面形状，使得超硬材料主体910在其界面930处的形状和大小与衬底920的介接表面对齐。然而，在其它实施例中，超硬材料主体和衬底可在其界面处具有不同横截面形状。例如，在一些实施例中，衬底可沿横向于纵向轴线的平面以及在界面处具有椭圆形横截面形状，并且超硬材料主体可沿横向于纵向轴线的平面以及在界面处具有非椭圆形横截面形状。在其它实施例中，超硬材料主体可沿横向于纵向轴线的平面以及在界面处具有椭圆形横截面形状，并且衬底可沿横向于纵向轴线的平面以及在界面处具有非椭圆形横截面形状。
如图33所示，衬底920的横截面形状以及因此超硬材料主体910的椭圆形基座形状可具有长轴921和垂直于长轴921的短轴923，其中长轴921尺寸大于短轴923尺寸。例如，根据本公开的实施例，短轴尺寸可为长轴尺寸的大约45％至95％。
虽然上文已经详细描述了仅一些实施例，但本领域的技术人员将了解，有可能在示例性实施例中做出许多修改而实质上不脱离本文所公开的设备、系统和方法。因此，希望此类修改包括在本公开的范围内。另外，应当理解，不希望将对本公开的“一个实施例”或“实施例”的参考解释为排除也并入所陈述的特征的额外实施例的存在。例如，本文中相对于一个实施例描述的任何元件可能够与本文所述的任何其它实施例的任何元件组合。
在权利要求书中，希望装置加功能子句涵盖本文中描述为执行所陈述的功能的结构并且不仅包括结构等效物，还包括等效结构。因此，尽管钉和螺钉可能不是结构等效物，因为钉采用圆柱形表面来将木制零件固定在一起，而螺钉采用螺旋形表面，但是在紧固木制零件的环境下，钉和螺钉可能是等效结构。申请人的明确意图是不援引装置加功能用于对本文所述的任何权利要求进行任何限制，除了所述权利要求明确地使用词“用于……的装置”连同相关联功能的情况之外。属于权利要求书的意思和范围内的对实施例的每个添加、删除和修改应当由权利要求书涵盖。
Claims (10)
1.一种切削工具，其包括：
主体，其具有延伸穿过其中的中心轴线；
多个刀片，其从所述主体向外延伸并且围绕所述中心轴线朝向中心区会聚；以及
至少一个切削元件，其包括：
纵向轴线；
非圆柱形衬底；以及
位于所述非圆柱形衬底上的超硬材料主体，所述超硬材料主体包括：
侧表面，其围绕切削面延伸并且界定所述超硬材料主体的横截面形状，所述侧表面包括内角小于180度的边缘，其中，所述超硬材料主体的横截面形状是泪滴形，具有在侧表面的边缘与相对部分之间的长度和横向于长度横穿纵向轴线延伸的宽度，其中，长度比宽度大百分之二十到百分之五十。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述切削面为非平面的。
3.根据权利要求2所述的切削工具，其中所述切削面由形成线性峰的至少两个相交表面界定，所述线性峰从所述侧表面的第一部分向所述侧表面的第二部分延伸所述切削面的宽度。
4.根据权利要求3所述的切削工具，其中所述超硬材料主体的在所述第一部分处的轴向高度大于所述超硬材料主体的在所述第二部分处的轴向高度。
5.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述超硬材料主体的所述横截面形状与所述非圆柱形衬底的沿横向于所述纵向轴线的平面界定的非圆形横截面形状大致对齐。
6.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述超硬材料主体的所述横截面形状不同于所述非圆柱形衬底的沿横向于所述纵向轴线的平面界定的横截面形状。
7.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述非圆柱形衬底包括沿横向于所述纵向轴线的第一平面的第一横截面形状和沿横向于所述纵向轴线的第二平面的第二横截面形状，其中所述第一横截面形状不同于所述第二横截面形状。
8.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述超硬材料主体的所述横截面形状沿所述纵向轴线变化。
9.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述至少一个切削元件位于所述多个刀片中的至少一者上。
10.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述至少一个切削元件在所述主体上，在所述多个刀片之间，并位于所述中心区中。
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