CN108291428A - 非平面切削元件上的勺形金刚石台面 - Google Patents

Abstract

一种切削元件可以包括基体；和位于所述基体上的超硬层，所述基体和所述超硬层限定所述切削元件的非平面工作表面，使得所述超硬层形成切削部分，且所述基体至少在侧向上与所述超硬层相邻。

Description

非平面切削元件上的勺形金刚石台面

背景技术

井下切削工具有若干种类型，诸如钻头(包括牙轮钻头、锤钻头和刮刀钻头)、扩孔钻和铣具。牙轮岩石钻头包括适于联接到可旋转钻柱的钻头体，并且包括可旋转地安装到悬臂轴或轴颈的至少一个“锥状体”。每个牙轮进而支撑多个切削元件，所述切削元件切削和/或压碎钻孔的壁或底，且因此推进钻头。在钻孔过程中，切削元件(镶齿或铣齿)与地层接触。锤钻头通常包括具有冠部的一件式主体。冠部包括压入其中的镶齿，这些镶齿被周期性地“锤打”并且抵靠正被钻孔的地球地层旋转。

刮刀钻头，通常被称为“固定切削齿(cutter)钻头”，包括具有附接到钻头体的切削元件的钻头，该钻头体可以是钢体钻头体或胎体钻头体，该胎体钻头体是由被粘结剂材料围绕的胎体材料(诸如碳化钨)形成的。刮刀钻头通常可以被定义为没有可动部件的钻头。然而，本领域已知的刮刀钻头有不同的类型，且形成这些刮刀钻头有不同的方法。例如，磨料(诸如金刚石)孕镶在形成钻头体的材料的表面中的刮刀钻头常常被称为“孕镶”钻头。切削元件由沉积到基体上或以其他方式结合到基体的超硬切削表面层或“台面”(通常由聚晶金刚石材料或聚晶氮化硼材料制成)制成的刮刀钻头在本领域中被称为聚晶金刚石复合片(“PDC”)钻头。

发明内容

提供本发明内容是为了介绍对将在下文的具体实施方式中进一步描述的多个概念的选择。本发明内容既不旨在识别所要求保护主题的关键或必要特征，也不旨在用来帮助限制所要求保护主题的范围。

在一个方面，本文所公开的实施方案涉及一种切削元件，该切削元件包括基体和位于基体上的超硬层，其中基体和超硬层限定该切削元件的非平面工作表面，使得超硬层形成切削部分，且基体至少在侧向上与超硬层相邻。

在另一个方面，本文所公开的实施方案涉及一种切削工具，该切削工具包括工具主体；从工具主体延伸的多个刀片；以及附接到多个刀片之一的至少一个切削元件。该切削元件包括基体；以及位于基体上的超硬层，其中基体和超硬层限定该切削元件的非平面工作表面，使得超硬层形成切削部分，且基体至少在侧向上与超硬层相邻。

在又一个方面，本文所公开的实施方案涉及一种切削工具，该切削工具包括工具主体；从工具主体延伸的多个刀片；以及附接到多个刀片之一的至少一个切削元件，该至少一个切削元件具有非平面工作表面并且包括基体和超硬层，该非平面工作表面由基体和超硬层两者限定。

根据以下的具体实施方式和所附权利要求，所要求保护主题的其他方面和优点将显而易见。

附图说明

图1是固定切削齿钻头；

图2是用于固定切削齿钻头的常规切削齿；

图3示出了具有非平面工作表面的切削元件的一个实施方案；

图4示出了根据本发明的一个实施方案的图3的切削元件的基体；

图5示出了根据本发明的一个实施方案的图3的切削元件的横截面图；

图6示出了根据本发明的一个实施方案的图3的切削元件的侧视图；

图7示出了具有非平面工作表面的切削元件的一个实施方案的顶视图；

图8示出了根据本发明的一个实施方案的图7的切削元件的横截面图；

图9根据本发明的一个实施方案的图7的切削元件的基体；

图10示出了具有非平面工作表面的切削元件的一个实施方案；

图11示出了根据本发明的一个实施方案的图10的切削元件的基体；

图12示出了根据本发明的一个实施方案的图10的切削元件的侧视图；

图13示出了根据本发明的一个实施方案的图10的切削元件的侧视图；

图14示出了具有非平面工作表面的切削元件的一个实施方案；

图15示出了根据本发明的一个实施方案的图14的切削元件的基体；

图16示出了根据本发明的一个实施方案的图14的切削元件的侧视图；

图17根据本发明的一个实施方案的图14的切削元件的侧视图；

图18示出了具有非平面工作表面的切削元件的一个实施方案；

图19示出了根据本发明的一个实施方案的图18的切削元件的基体；

图20示出了根据本发明的一个实施方案的图18的切削元件的基体；

图21示出了具有非平面工作表面的切削元件的一个实施方案；

图22示出了根据本发明的一个实施方案的图21的切削元件的基体；

图23示出了根据本发明的一个实施方案的图21的切削元件的侧视图；

图24示出了根据本发明的一个实施方案的图21的切削元件的横截面图；

图25示出了具有非平面工作表面的切削元件的一个实施方案；

图26至图28示出了根据本发明的一个实施方案的图25的切削元件的基体的视图；

图29示出了具有非平面工作表面的切削元件的一个实施方案；

图30示出了根据本发明的一个实施方案的图29的切削元件的基体；

图31示出了根据本发明的一个实施方案的图29的切削元件的侧视图；

图32示出了根据本发明的一个实施方案的图29的切削元件的横截面图；

图33示出了根据本发明的一个实施方案的扩眼器。

具体实施方式

在一个方面，本文所公开的实施方案涉及具有非平面工作表面的切削元件，还涉及具有附接到其的此类切削元件的切削工具。特别地，本文所公开的实施方案涉及具有由基体和金刚石两者形成的非平面工作表面的切削元件。

具有带超硬工作表面的多个切削元件的刮刀钻头的一个示例在图1中示出。钻头100包括钻头体110，该钻头体具有切削端115和带螺纹的上部销端111。切削端115通常包括多个肋或刀片120，所述多个肋或刀片围绕该钻头的旋转轴线(也称为纵向轴线或中心轴线)布置，并且从钻头体110径向向外延伸。切削元件或切削齿150相对于工作表面以预定的角取向和径向位置嵌入刀片120中，并且以期望的后倾角和侧倾角抵靠待钻孔的地层。

图2示出了切削元件150的一个示例，其中切削元件150具有圆柱形的烧结碳化物(carbide)基体152，该基体具有端面或上表面154(在本文中被称为基体界面表面)。超硬材料层156(也称为切削层)具有顶表面157(也称为工作表面)、形成在顶表面周围的切削边缘158、以及底表面159(在本文中被称为超硬材料层界面表面)。超硬材料层156可以是聚晶金刚石层或聚晶立方氮化硼层。超硬材料层界面表面159结合到基体界面表面154以在基体152与超硬材料层156之间形成平面界面。

参照图3，图3示出了切削元件的一个实施方案。切削元件300包括基体302和位于基体302上的超硬层304。尽管常规的PDC切削元件包括覆盖基体的整个上表面的超硬层(使得该切削元件的工作表面完全是超硬材料)，但是本公开的切削元件包括具有比基体302小的横截面面积的超硬层304，使得基体302和超硬层304两者都形成切削元件300的工作表面306。工作表面306是非平面的。对非平面工作表面306的形状没有限制。在所展示的实施方案中，非平面工作表面306通常是具有平面侧面的抛物柱面，其峰顶端(apex)308从该切削元件的一侧延伸到另一侧，并且工作表面306的高度在远离顶端308沿侧向延伸的方向上递减(工作表面的此类递减的侧向部分任选地是平面的，而不是弯曲的)。然而，超硬层304没有形成整个表面，不过确实至少形成了切削边缘(在该切削元件的顶端308与外周边缘310的相交处)，并且朝向切削元件300的中心轴线301径向向内延伸。如图21至图24所示并且在下文进一步详细讨论的，超硬层304不必延伸切削元件300的整个直径，甚至也不必延伸到中心轴线301。另外，在图3所展示的实施方案中，超硬层304是细长(长比宽长)的部段，该部段形成了顶端308并且限定切削边缘，从该切削元件的第一侧上的切削边缘延伸到第二侧。基体302沿细长部段的两个侧向侧延伸。因此，非平面工作表面306的外周边缘310(在该切削元件的非平面工作表面306与圆柱形侧表面312之间的相交处形成)具有至少一个基体部分和至少一个超硬层部分。基体部分远离由超硬层304形成的切削边缘延伸。在所展示的实施方案中，外周边缘310包括两个基体部分和两个超硬层部分。

为了增加超硬层304与基体302之间的界面的表面积，超硬层304的细长部段沿其长度可以具有变化的尺寸。例如，如图3所示(以及图4所示，该图示出了没有超硬层304的基体302，特别示出了在其上沉积超硬层304的界面表面303)，作为细长部段的超硬层304在其端部(与切削边缘相邻)处可以比该细长部段的径向内部部分(诸如，靠近中心轴线301)处宽。例如，如图6(图3的切削元件300的侧视图)所示，该细长部段在其端部处的宽度w可以在从切削元件直径的约60％至约80％的范围内。然而，取决于特定钻孔应用的切削深度，可能需要其他范围以确保金刚石的表面覆盖度。对于16mm的切削齿，这种宽度可以在0.400英寸至约0.500英寸的范围内。

此外，如图5(示出了图3的切削元件300的横截面图)所示，作为细长部段的超硬层304在其端部(与切削边缘相邻)处还可以比径向内部部分(诸如，靠近中心轴线301)处厚。在一个实施方案中，超硬层304在其最薄处的厚度t1可以在约0.030英寸至约0.150英寸的范围内。然而，取决于切削元件的大小，该厚度可能变化。因此，例如在一个或多个实施方案中，超硬层304在其最薄处的厚度t1可以在从切削元件外径的约4％至40％的范围内。另外，本领域的技术人员将会理解，该厚度可以用于延伸穿过中心轴线301的那些实施方案，而图21至图24所展示的具有不连续超硬层的实施方案在中心轴线处具有为零的最小厚度。另外，超硬层304可以具有从切削边缘到基体302测量(沿着平分切削元件300的工作表面306与侧表面312之间所形成的角的线在横截面处测量)的厚度t2，该厚度在从约0.120英寸至约0.180英寸的范围内。在一个或多个实施方案中，厚度t2可以在从切削元件外径的约10％至40％的范围内。

除了具有非平面工作表面之外，基体302与超硬层304之间的界面表面303(图4和图5中示出)也是非平面的。具体地讲，非平面的界面表面303可以由形成在基体302的上表面中的至少一个凹槽305形成。在一个或多个实施方案中，凹槽305可以具有细长(长比宽长)的形状，以接收超硬层304的细长部段。另外，沿着细长凹槽305的长度(在图5的横截面图中示出)，基体302可以具有大致凸状弯曲(convex curvature)，该凸状弯曲可以是大致抛物线状的(在对应于凹槽长度的横截面中)，使得超硬层302的细长部段的端部比径向向内部分厚。在一个或多个实施方案中，凹槽305可以沿其长度具有变化的曲率半径，这可以造成超硬层304的细长部段的宽度变化。例如，如在图5中显而易见的那样，凹槽305可以在靠近中心轴线301或中线(将细长曲线平分并且中心轴线位于其上的横截面平面)处具有其最小曲率半径，并且在与侧表面312相交处(或靠近该侧表面处)具有其最大曲率半径。最大曲率半径与最小曲率半径之间的比可以介于200:0.01与1:0.99之间、或介于200:1与1:0.9之间，或者可以小于100:1、50:1、25:1、10:1、5:1或3.5:1和/或至少为1.5:1、2:1或2.5:1。

现在参照图7至图9，示出了切削元件的另一个实施方案。如图所示，切削元件700包括基体702和位于基体702上的超硬层704。该切削元件具有由基体702和超硬层704两者形成的非平面工作表面706，使得超硬层704是细长部段，与图3中的细长部段类似。与上述实施方案类似，超硬层704的细长部段具有凹槽705，该凹槽沿该细长部段的长度具有变化的曲率半径，以在基体702与超硬层704之间形成非平面界面703。然而，与靠近中心轴线701处具有最小曲率半径的上述实施方案不同，沿该细长部段在该细长部段的端部与中心轴线701之间具有最小曲率半径。类似地，超硬层704的细长部段的厚度和宽度可以按相同的方式变化，即，在该细长部段的端部处具有其最大值、在中心轴线处具有中间值，并且在中心轴线与该细长部段的端部之间具有其最小值。此外，在此类实施方案中，沿着细长凹槽705的长度(在图8的横截面图中示出)，基体702可以具有大致凸状弯曲，并且在中心轴线701处或附近任选地具有凸的部分。在一个或多个不同的实施方案中，沿细长部段的最小曲率半径仍然可以位于该细长部段的端部与中心轴线701之间；然而，超硬层704的细长部段的厚度可以在中心轴线701处或附近具有其最小值，而不是在端部与中心轴线701之间的某个点处具有其最小值。

现在参照图10至图13，示出了切削元件的另一个实施方案。如图所示，切削元件1000包括基体1002和位于基体1002上的超硬层1004。该切削元件具有由基体1002和超硬层1004两者形成的非平面工作表面1006，使得超硬层1004是细长部段，与图3至图9中的细长部段类似。尽管上述实施方案包括单个凹槽来形成非平面界面，但图10至图13所展示的实施方案包括沿超硬材料1004的细长部段的长度延伸的多个凹槽1005(在该实施方案中为两个)以形成非平面界面1003。凹槽1005具有变化的曲率半径(从与侧表面1012相邻的最大值变化到靠近中心轴线1001的中线处的最小值)。另外，凹槽1005基本上彼此平行。基体1002的细长的峰或突出部在多个凹槽1005之间延伸，也形成界面表面1003的一部分。另外，沿着细长凹槽1005的长度，基体1002可以具有大致凸状弯曲，使得超硬层1002的细长部段的端部比径向向内部分厚。

现在参照图14至图17，示出了切削元件的另一个实施方案。如图所示，切削元件1400包括基体1402和位于基体1402上的超硬层1404。该切削元件具有由基体1402和超硬层1404两者形成的非平面工作表面1406，使得超硬层1404是细长部段，与图3至图13中的细长部段类似。尽管上述实施方案示出了与细长部段的长度对齐以形成非平面界面的凹槽，但是图14至图17中所展示的实施方案包括与细长部段的长度对齐的第一组凹槽1411和不与细长部段的长度对齐的第二组凹槽1413，以形成非平面界面1403。在一个或多个实施方案中，第一组凹槽1411和第二组凹槽可以基本上彼此垂直。另外，如图所展示，每一组凹槽1411、1413都包括多个平行凹槽(具体地讲，两个平行凹槽1411和三个平行凹槽1413)。然而，还预期在任一方向上的凹槽1411、1413可以包括一个凹槽，而不是多个凹槽或一组凹槽。凹槽1411、1413中的每一个都沿其长度具有变化的曲率半径。对于沿着与细长部段的长度对应的长度延伸的凹槽1411，曲率半径在与侧表面1412相邻处具有其最大值，并且朝着(细长部段的)靠近中心轴线1401的中线移动递减，但在与沿该中线的长度延伸的凹槽1413-1相交后增大。凹槽1413基本上垂直于凹槽1411延伸。在所展示的实施方案中，凹槽1413-1沿着中线1407在基体1402的内部部分内延伸(即，不与侧表面1412相交)，该中线平分了凹槽1411的长度并且延伸穿过中心轴线1401。此外，有基本上平行于凹槽1413-1延伸两个凹槽1413-2，在与细长部段对应的每个端部处与侧表面1412相交。如所提到的，凹槽1413中的每一个都具有变化的曲率半径，该曲率半径在该凹槽的端部处具有最大值，并且在凹槽1411之间具有最小值。

尽管如上文所提到的，上述超硬层延伸了切削元件的整个直径，但是本公开并不限于此。而是，如图21至图24所示，切削元件2100包括基体2102和位于基体2102上的超硬层2104。切削元件具有由基体2102和超硬层2104两者形成的非平面工作表面2106；然而，超硬层2104并不形成延伸跨过切削元件直径的整个长度的细长部段，而是具有两个离散部段的不连续层，其中基体2102的一部分位于这两个离散部段之间。因此，顶峰(crest)2110的内部部分(该内部部分从切削边缘延伸到切削元件的另一侧)由基体2102形成(包括在中心轴线处)。然而，超硬层2104可以形成顶峰2110的长度的至少50％。类似于针对图3所描述的，超硬层2104的每个部段可以沿其长度具有变化的尺寸。具体地讲，超硬层2104的每个部段在其端部(与切削边缘相邻)处可以宽于该部段的径向内部部分，并且如图23的侧视图所示，每个部段的宽度可以在从切削元件直径的约60％至约80％的范围内。然而，取决于特定钻孔应用的切削深度，可能需要其他范围以确保金刚石的表面覆盖度。此外，如图24所示，超硬层2104的每个部段都可以具有变化的厚度。具体地讲，超硬层2104的每个部段可以具有峰值厚度t4和在外周处的厚度t3，该厚度t3在从约0.030英寸至约0.150英寸(或从切削元件外径的约4％至40％)的范围内，该峰值厚度t4在切削齿的外径(OD)与切削齿的中心轴线之间的任何位置且在从约0.050英寸至约0.180英寸(或从切削元件外径的约8％至45％)的范围内。除了具有非平面工作表面之外，基体2102与超硬层2104之间的界面表面2103也是非平面的。具体地讲，非平面界面表面2103可以由切削元件任一侧上的两个凹陷2105形成。每个凹陷2105都可以包括两个基本上平行的凹槽2107，这两个凹槽与凹陷2105的其余部分一起限定非平面界面2103。

现在参照图18至图20，示出了切削元件的另一个实施方案。如图所示，切削元件1800包括基体1802和位于基体1802上的超硬层1804。切削元件1800具有由基体1802和超硬层1804两者形成的轴对称非平面工作表面1806。然而，与具有大致成形为抛物柱面的非平面工作表面的上述实施方案不同，图18至图20所展示的实施方案包括终止于倒圆顶端的基本上圆锥形的非平面工作表面1806。基本上圆锥形的非平面工作表面1806包括由被基体1802围绕的超硬层1804形成的切削尖端(tip)。尽管常规的基本上圆锥形的切削元件具有由超硬材料形成的整个圆锥形表面(且实际上，超硬材料可以形成圆柱形侧表面的一部分)，但是根据当前所展示的实施方案，基体1802形成基本上圆锥形的表面的一部分。与上面展示的那些实施方案不同，超硬层1804不是细长部段；然而，由于该超硬层与基体1802之间存在非平面界面1803，所以该超硬层仍然受到基体的侧向支撑。如图所展示，该侧向支撑得到了工作表面1806处的界面1803的波状图案。基体的峰可以被设计成对于给定的切削元件后倾角(切削元件相对于与要接合的地层垂直的线之间的角)，避免在特定的切削深度处与地层接合，并且如图20所展示，平面1820的后倾角为17度，且切削深度为0.025英寸。然而，本公开并不限于17度的后倾角和0.025英寸的切削深度，因此，厚度可以取决于切削深度和后倾角而变化，以避免基体与地层接合或使基体与地层接合最小化。非平面界面1803由两组凹槽1811、1813形成，每一组都具有两个凹槽，并且这两个组基本上彼此垂直。凹槽1811、1813中的每一个都具有基本上相同的长度，从而赋予超硬层1804旋转性以及钻头侧向对称。另外，凹槽1811、1813中的每一个都具有变化的曲率半径，该曲率半径在凹槽1811、1813的端部处具有最大值，并且在凹槽1811、1813的中间长度处具有最小值。尽管展示了两组凹槽1811、1813，但是还预期在一些实施方案中，可以作为替代使用单组凹槽。

现在参照图25至图28，示出了切削元件的另一个实施方案。如图所示，切削元件2500包括基体2502和位于基体2502上的超硬层2504。切削元件2500具有由基体2502和超硬层2504两者形成的轴对称非平面工作表面2506。类似于图18至图20所展示的实施方案，图25至图28中的切削元件包括终止于倒圆顶端的基本上圆锥形的非平面工作表面2506。基本上圆锥形的非平面工作表面2506包括由被基体2502围绕的超硬层2504形成的切削尖端。尽管常规的基本上圆锥形的切削元件具有由超硬材料形成的整个圆锥形表面(且实际上，超硬材料可以形成圆柱形侧表面的一部分)，但是根据当前所展示的该实施方案，基体2502形成基本上圆锥形的表面的一部分。与上面在图18至图20中所展示的实施方案不同，超硬层2504是细长部段并且受到基体2502的侧向支撑。因为超硬层2504是细长部段，所以它在不是垂直方向的一个方向上延伸到切削元件的圆柱形部分，从而形成长比宽长的部段。另外，还预期超硬层2504可以细长却不到达圆柱形部分(即切削元件的外径)，但仍然是长比宽长。

超硬层2504的细长部段可以沿其长度具有变化的尺寸。作为细长部段的超硬层2504在其端部(与圆柱形部分相邻)处可以比径向内部部分宽，但是如图所展示，靠近中心轴线2501处的宽度也可以大于最小宽度。在一个或多个实施方案中，凹槽2505可以沿其长度具有变化的曲率半径，这可以造成超硬层2504的细长部段的宽度变化。

非平面的界面表面2503可以由形成在基体2502的上表面中的至少一个凹槽2505形成。在一个或多个实施方案中，凹槽2505可以具有细长(长比宽长)的形状，以接收超硬层2504的细长部段。另外，沿着细长凹槽2505的长度(在图26的透视图中示出)，基体2502可以具有大致凸状弯曲，该凸状弯曲可以是大致抛物线状的(在对应于凹槽长度的横截面中)。

现在参照图29至图32，示出了切削元件的另一个实施方案。如图所示，切削元件2900包括基体2902和位于基体2902上的超硬层2904。切削元件2900具有由基体2902和超硬层2904两者形成的轴对称非平面工作表面2906。类似于图18至图28所展示的实施方案，图29至图32中的切削元件包括终止于倒圆顶端的基本上圆锥形的非平面工作表面2906。基本上圆锥形的非平面工作表面2906包括由被基体2902围绕的超硬层2904形成的切削尖端。尽管常规的基本上圆锥形的切削元件具有由超硬材料形成的整个圆锥形表面(且实际上，超硬材料可以形成圆柱形侧表面的一部分)，但是根据当前所展示的该实施方案，基体2902形成基本上圆锥形的表面的一部分。与上面在图18至图20中所展示的实施方案不同，并且类似于图25至图28中所展示的实施方案，超硬层2904是细长部段并且受到基体2902的侧向支撑。因为超硬层2904是细长部段，所以它在不是垂直方向的一个方向上延伸到切削元件的圆柱形部分，从而形成长比宽长的部段。另外，还预期超硬层2904可以细长却不到达圆柱形部分(即切削元件的外径)，但仍然是长比宽长。如图所展示，超硬层2904在细长部段的一端处到达圆柱形部分(即切削元件的另一个直径)，但在另一端处并不延伸到圆柱形部分。

超硬层2904的细长部段可以沿其长度具有变化的尺寸。作为细长部段的超硬层2904在其端部(与圆柱形部分相邻或靠近圆柱形部分)处可以比径向内部部分宽，但是靠近中心轴线2901处的宽度也可以大于最小宽度，或者靠近中心轴线2901处的宽度可以是最小宽度。在一个或多个实施方案中，凹槽2905可以沿其长度具有变化的曲率半径，这可以造成超硬层2904的细长部段的宽度变化。

非平面的界面表面2903可以由形成在基体2902的上表面中的至少一个凹槽2905形成。在一个或多个实施方案中，凹槽2905可以具有细长(长比宽长)的形状，以接收超硬层2904的细长部段。另外，沿着细长凹槽2905的长度(在图30的透视图中示出)，基体2902可以具有大致凸状弯曲，该凸状弯曲可以是大致抛物线状的(在对应于凹槽长度的横截面中)。

除了图3至图17中所示的几何形状之外，可以使用其他形状的非平面工作表面，包括不具有圆锥形表面、而是可以具有终止于倒圆顶端的大致为凸状或凹状的表面的其他轴对称非平面工作表面。另外，其他非平面工作表面可以包括其他类型的对称，诸如双侧对称(其示例在图3至图17的实施方案中示出)或旋转对称，以及非对称工作表面。在此类非平面工作表面中的任一种中，基体可以限定非平面工作表面的一部分，使得超硬层在切削元件的在钻孔期间与地层接合的部分中提供期望的厚度，并且基体在被设计成在钻孔期间不与地层接触的区域中对超硬层提供侧向支撑。

在圆锥形或其他轴对称非平面工作表面的切削元件的情况下，后倾角可以是切削元件轴线与垂直于要接合的地层的线之间的角，而在如图3至图17所示的切削元件的情况下，可以在下列两条线之间计算后倾角：从切削尖端延伸跨过切削元件直径的线，以及垂直于要接合的地层的线。在一个或多个实施方案中，图18的切削元件可以具有在从约-30度至30度范围内的后倾角；然而也可以设想，还可以使用最大为80度的更大的后倾角。在一个或多个实施方案中，图3至图17的切削元件可以具有在从约0度至-20度范围内的后倾角。

本文所述实施方案中的每一个都具有包含在其中的至少一个超硬层(由超硬材料制成)。此类超硬材料可以包括常规的聚晶金刚石台面(table)(互连金刚石颗粒的台面，这些颗粒之间具有可能存在金属组分(诸如金属催化剂)的间隙空间；热稳定的金刚石层(即，热稳定性大于常规聚晶金刚石的热稳定性(750℃))，该热稳定的金刚石层例如通过从互连金刚石颗粒之间的间隙空间或金刚石/碳化硅复合材料除去基本上全部金属而形成；或者其他超硬材料(诸如立方氮化硼)。

如本领域已知的，热稳定的金刚石可以以各种方式形成。常规的聚晶金刚石层包括相互连接的单个的金刚石“晶体”。所述单个的金刚石晶体因而形成了晶格结构。金属催化剂(诸如钴)可以用于促进金刚石颗粒再结晶，以及形成晶格结构。因此，钴粒子往往发现于金刚石晶格结构中的间隙空间内。钴的热膨胀系数与金刚石的明显不同。因此，在加热金刚石台面时，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，从而在晶格结构中形成裂纹并导致金刚石台面劣化。

为了避免这个问题，可以使用强酸来从聚晶金刚石晶格结构(要么是薄体积，要么是整片(entire tablet))“浸出”钴，以至少减轻加热时以不同的速率加热金刚石-钴复合材料所遭受的损坏。简言之，可以使用强酸(典型地为氢氟酸或几种强酸的组合)来处理金刚石台面，从而从PDC复合材料除去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，诸如氢氧化钠和氢氧化钾等腐蚀剂已被用于碳化物行业，以消化碳化物复合材料中的金属元素。此外，可以根据需要使用其他的酸性浸出剂和碱性浸出剂。本领域的普通技术人员将会理解，浸出剂的摩尔浓度可以根据期望浸出的时间、对危害的担忧等来加以调整。

通过浸出钴，可以形成热稳定的聚晶(TSP)金刚石。在某些实施方案中，浸出金刚石复合材料中所选择的一部分，以便获得热稳定性，又不损失耐冲击性。如本文所用，术语TSP包括上述两种(即，部分浸出的和完全浸出的)化合物。浸出后留下的间隙体积可以通过进一步固结(consolidation)或用次级材料填充该体积来减少。

作为替代，TSP可以通过使用除钴之外的粘结剂(诸如硅)在压力机中形成金刚石层来形成，该粘合剂的热膨胀系数相比钴的热膨胀系数更接近金刚石的热膨胀系数。在制造过程中，大部分(80至100体积百分比)的硅与金刚石晶格反应以形成碳化硅，碳化硅的热膨胀也与金刚石类似。在加热时，与钴和金刚石的膨胀速率相比，任何剩余的硅、碳化硅和金刚石晶格将以更相似的速率膨胀，从而得到热稳定性更高的层。具有TSP切削层的PDC切削齿即便在切削齿温度达到1200℃的情况下也具有相对低的磨损率。然而，本领域的普通技术人员将认识到，热稳定的金刚石层可以通过本领域已知的其他方法形成，包括例如通过改变形成金刚石层过程中的工艺条件。

其上设置超硬层的基体可以由多种硬颗粒形成。在一个实施方案中，基体可以由合适的材料(诸如碳化钨、碳化钽或碳化钛)形成。此外，各种粘结金属(诸如钴、镍、铁、金属合金或其混合物)可以包含在基体中。在基体中，金属碳化物晶粒被支撑在金属粘结剂(诸如钴)内。此外，基体可以由烧结碳化钨复合结构形成。众所周知，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结剂。因此，提及使用碳化钨和钴仅仅是为了进行示意性的说明，而并不旨在限制所使用的基体或粘结剂的类型。

虽然本公开的切削元件可以用在钻头(诸如图1所示的类型)上，但是还预期可以将这些切削元件用在其他类型的井下工具(包括例如扩眼器)上。图33示出了包括本公开的一个或多个切削元件的扩眼器830的大体构造。扩眼器830包括工具主体832和多个刀片838，所述多个刀片围绕该扩眼器的圆周设置在选定的方位角位置处。扩眼器830通常包括连接部834、836(例如带螺纹的连接部)，使得扩眼器830可以联接到相邻的钻孔工具，包括例如钻柱和/或底部钻具组合(BHA)(未示出)。工具主体832通常包括穿过其中的镗孔，使得在将钻井液从地面(例如，从地面泥浆泵(未示出))泵送到井筒底部(未示出)时，钻井液可以流过扩眼器830。

虽然上文仅详细描述了几个示例的实施方案，但是本领域的技术人员将易于理解，在实质上不脱离本发明的情况下，可以在这些示例的实施方案中作出许多修改。因此，此类修改旨在包括在如以下权利要求中所限定的本公开范围内。在权利要求中，装置加功能条款旨在包括本文所述的如执行所列举功能的结构，并且不仅包括结构等效物、而且包括等效结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等效物，因为钉子采用圆柱形表面来将木制零件固定在一起，而螺钉采用的是螺旋形表面，但是在紧固木制零件的环境下，钉子和螺钉可能是等效结构。本申请人的表达意图不是援引美国法典第35篇第112条第6段以对本文的任一项权利要求进行任何限制，除了某项权利要求明确地使用词语“用于……的装置”连同相关功能的那些限制之外。

Claims (20)

1.一种切削元件，其包括：

基体；以及

位于所述基体上的超硬层，所述基体和所述超硬层限定所述切削元件的非平面工作表面，使得所述超硬层形成切削部分，且所述基体至少在侧向上与所述超硬层相邻。

2.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述超硬层形成切削边缘，并且朝向所述切削元件的中心轴线径向向内延伸。

3.根据权利要求2所述的切削元件，其中所述超硬层是细长部段，所述细长部段从所述切削元件的第一侧上的所述切削边缘延伸到第二侧，并且其中所述基体沿所述细长部段的两侧延伸。

4.根据权利要求3所述的切削元件，其中所述细长部段在其端部处比所述细长部段的径向内部部分宽。

5.根据权利要求4所述的切削元件，其中所述细长部段在其端部处比靠近所述中心轴线处宽。

6.根据权利要求2所述的切削元件，其中所述细长部段沿其端部中至少一个端部的宽度在从所述切削元件的直径的约60％至约80％的范围内。

7.根据权利要求3所述的切削元件，其中所述细长部段在其最薄点处的厚度在从所述切削元件的外径的约4％至40％的范围内。

8.根据权利要求3所述的切削元件，其中所述细长部段在其端部处比靠近所述中心轴线厚。

9.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述切削元件具有轴对称非平面工作表面，所述轴对称非平面工作表面具有由被所述基体围绕的所述超硬层形成的切削尖端。

10.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述非平面工作表面的外周边缘具有至少一个基体部分和至少一个超硬层部分，所述至少一个基体部分远离由所述超硬层形成的所述切削边缘延伸。

11.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述超硬层与所述基体之间的与所述非平面工作表面相背对的界面包括形成在所述基体中的至少一个凹槽，所述凹槽具有变化的曲率半径。

12.根据权利要求11所述的切削元件，其中所述界面包括多个平行的凹槽。

13.根据权利要求11所述的切削元件，其中所述界面包括两组平行的凹槽，所述两组基本上彼此垂直。

14.根据权利要求2所述的切削元件，其中在所述中心轴线处，所述基体形成所述非平面工作表面。

15.一种切削工具，其包括：

工具主体

从所述工具主体延伸的多个刀片；以及

附接到所述多个刀片之一的至少一个权利要求1所述的切削元件。

16.一种切削工具，其包括：

工具主体；

从所述工具主体延伸的多个刀片；以及

附接到所述多个刀片之一的至少一个切削元件，所述至少一个切削元件具有非平面工作表面并且包括基体和超硬层，所述非平面工作表面由所述基体和所述超硬层两者限定。

17.根据权利要求16所述的切削工具，其中所述超硬层是细长部段，所述细长部段从所述切削元件的第一侧上的所述切削边缘延伸到第二侧，并且其中所述基体沿所述细长部段的两侧延伸。

18.根据权利要求16所述的切削工具，其中所述切削元件具有轴对称非平面工作表面，所述轴对称非平面工作表面具有由被所述基体围绕的所述超硬层形成的切削尖端。

19.根据权利要求16所述的切削工具，其中所述非平面工作表面的外周边缘具有至少一个基体部分和至少一个超硬层部分，所述至少一个基体部分远离由所述超硬层形成的所述切削边缘延伸。

20.根据权利要求16所述的切削工具，其中所述超硬层与所述基体之间的与所述非平面工作表面相背对的界面包括形成在所述基体中的至少一个凹槽，所述凹槽具有变化的曲率半径。