CN108463609B - 非平面切削元件的放置 - Google Patents

Abstract

一种井下切削工具，其包括：具有工具轴线的工具主体；从工具主体延伸的至少一个刀片，所述至少一个刀片包括切削面、尾随面和在切削面与尾随面之间延伸的顶面；沿着切削面附接到所述至少一个刀片的第一切削元件；以及第二切削元件，所述第二切削元件沿着顶面、从第一切削元件向后并在与所述第一切削元件距所述工具轴线相同的径向位置处附接到所述至少一个刀片。第一切削元件和第二切削元件中的每一个的工作表面具有在峰高度处的切削齿顶和自切削齿顶侧向延伸远离而减小的高度。第一切削元件具有与第二切削元件不同的尺寸、取向、几何形状或材料特性。

Description

非平面切削元件的放置

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“锥体(cone)”。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，所述镶齿被周期性地“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(matrix)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。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。

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(即，垂直取向)和侧倾角(即，侧向取向)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之间形成界面。

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，本公开的实施方案涉及一种井下切削工具，其包括：具有工具轴线的工具主体；从工具主体延伸的至少一个刀片，所述至少一个刀片包括切削面、尾随面(trailing face)和在切削面与尾随面之间延伸的顶面；沿着切削面附接到所述至少一个刀片的第一切削元件；以及第二切削元件，所述第二切削元件沿着顶面、从第一切削元件向后并在与第一切削元件距工具轴线相同的径向位置处附接到所述至少一个刀片。第一切削元件和第二切削元件中的每一个的工作表面具有在峰高度处的切削齿顶和自切削齿顶侧向延伸远离而减小的高度，并且第一切削元件具有与第二切削元件不同的尺寸、取向、几何形状或材料性质。

在另一方面，本公开的实施方案涉及一种井下切削工具，其包括：具有工具轴线的工具主体；从工具主体延伸的至少一个刀片，所述至少一个刀片包括切削面、尾随面和在切削面与尾随面之间延伸的顶面；沿着切削面附接到所述至少一个刀片的第一多个切削元件；以及第二多个切削元件，其沿着顶面、从第一多个切削元件向后并径向地在第一多个切削元件之间附接到所述至少一个刀片。第一多个切削元件和第二切削元件中的每一个的工作表面具有在峰高度处的切削齿顶和自切削齿顶侧向延伸远离而减小的高度。

在又另一方面，本公开的实施方案涉及一种井下切削工具，其包括：工具主体；从工具主体延伸的至少一个刀片，所述至少一个刀片包括切削面、尾随面和在切削面与尾随面之间延伸的顶面；沿着切削面附接到所述至少一个刀片的第一多个切削元件；以及第二多个切削元件，其沿着顶面、从第一多个切削元件向后附接到所述至少一个刀片。第一多个切削元件和第二多个切削元件中的每一个的工作表面具有在峰高度处的切削齿顶和自切削齿顶侧向延伸远离而减小的高度，并且所述至少一个刀片上的第一多个切削元件中的至少一个和第二多个切削元件中的至少一个具有不同的材料性质、尺寸、取向或工作表面几何形状。

附图说明

参考以下附图描述本公开的实施方案。在所有附图中使用相同的数字来表示相同的特征和部件。

图1示出了传统的刮刀钻头。

图2示出了传统的切削元件。

图3和图4示出了根据本公开实施方案的具有非平面顶表面的切削元件。

图5示出了图3所示的切削元件的透视图。

图6和图7示出了根据本公开实施方案的切削元件顶表面的截面图。

图8和图9示出了根据本公开实施方案的具有非平面顶表面的切削元件。

图10是钻头的局部截面图，其中所示钻头的切削元件旋转成单个轮廓。

图11示出了根据本公开实施方案的钻头的轮廓图。

图12示出了根据本公开实施方案的切削轮廓。

图13和图14示出了根据本公开实施方案的切削元件的旋转。

图15、图16和图17示出了根据本公开实施方案的切削轮廓。

图18示出了根据本公开实施方案的切削元件的几何形状。

图19和图20示出了根据本公开实施方案的钻头的透视图。

图21至图26示出了根据本公开实施方案的切削轮廓。

具体实施方式

在一个方面，本公开的实施方案涉及使用非平面切削元件的切削结构设计。具体地，本文公开的实施方案涉及通过将非平面切削元件以特定布置定位在切削工具上来提高井下切削工具的寿命和性能。超硬层的上表面或顶表面(与设置超硬层的基体相反)是非平面的。本公开的切削元件可以安装到各种类型的井下切削工具，包括但不限于钻头(例如刮刀钻头)、扩孔钻和其他井下铣具。

本公开的切削元件可以任选地具有在基体与超硬层之间形成的非平面界面，其中超硬层的顶表面是非平面的。例如，根据本公开的实施方案，切削元件可以包括基体和超硬层，基体的上表面包括沿着基体的至少大部分直径延伸的切削齿顶，上表面从齿顶过渡到凹陷区域，该超硬层设置在基体上表面上，从而在超硬层与基体之间形成非平面界面。具有非平面顶表面或工作表面的切削元件可以包括例如基本上双曲抛物面(鞍形)形状或抛物柱面形状，其中切削元件的齿顶或顶端延伸跨越切削元件的基本上整个直径。此外，界面表面还可以包括大致双曲抛物面形状以及大致抛物柱面形状。例如，如稍后将讨论的，本公开的切削元件可以具有工作表面，如图3、图4和图8所见，该工作表面具有在峰高度处的切削齿顶312和512和自切削齿顶侧向延伸远离而减小的高度。在一些实施方案中，切削齿顶可以不延伸基体的整个直径。

非平面切削元件的放置

根据本公开的实施方案，切削结构设计考虑可以包括将多个非平面切削元件在井下切削工具上的放置。切削工具包括具有工具轴线的工具主体和从工具主体延伸的至少一个刀片。特别地，从工具主体延伸的每个刀片包括切削面、尾随面和在切削面与尾随面之间延伸的顶面。在一个或多个实施方案中，多个切削元件沿着工具的至少一个刀片的切削面和顶面附接。在各种实施方案中，可以使用其他配置。如稍后将描述的，安装在工具的至少一个刀片上的多个切削元件中的至少两个具有不同的材料性质、尺寸、取向和/或工作表面几何形状，所述至少两个切削元件在一个或多个实施方案中，可以是沿着刀片轮廓，或者在一个或多个实施方案中，可以是在沿着与顶面相比的切削面安装的切削元件之间。

现在参考图10，钻头10的轮廓被示出为其随着刀片和切削元件旋转成单个旋转轮廓而显现出的样子。钻头10包括中心轴线60，钻头10围绕该中心轴线沿箭头18所表示的切削方向旋转。在旋转轮廓中，钻头10的多个刀片(例如，如图11所示的主刀片31-33和副刀片34-36)包括刀片轮廓39。刀片轮廓39和钻头面可以分成三个不同的区域，标记为锥体区域24、肩部区域25和保径区域26。在该实施方案中，锥体区域24是凹形的，并且包括钻头10的最内侧区域(例如，锥体区域24是钻头10的最中心区域)。与锥体区域24相邻的是肩部(或上翻曲线)区域25。在该实施方案中，肩部区域25是大致凸形的。锥体区域24与肩部区域25之间的过渡部(通常称为鼻部或鼻部区域27)出现在复合材料刀片轮廓39的轴向最外侧部分，其中刀片轮廓39的切线具有零斜率。径向向外移动，与肩部区域25相邻的是保径区域26，所述保径区域在复合刀片轮廓39的径向外周边处基本平行于钻头轴线60延伸。如复合刀片轮廓39中所示，保径垫51限定钻头10的外半径23。在该实施方案中，外半径23延伸至钻头10的全保径直径，并因此限定钻头的全保径直径。如本文中所使用的，术语“全保径直径”指的是由切削齿元件和钻头表面的径向最外侧可达到的距离限定的钻头的外直径。

仍然参考图10，锥体区域24由从中心轴线60测量的沿着x轴的径向距离限定。应该理解，x轴垂直于中心轴线60并且从中心轴线60径向向外延伸。锥体区域24可以由钻头10的外半径23的百分比限定。在一些实施方案中，锥体区域24从中心轴线60延伸至不超过外半径23的50％。在一些实施方案中，锥体区域24从中心轴线60延伸至不超过外半径23的30％。锥体区域24同样可以由一个或多个副刀片(例如，如图11所示的副刀片34-36)的位置限定。例如，锥体区域24从中心轴线60延伸到副刀片开始的距离(例如，如图11所示的距离“D”)。换句话说，锥体区域24的外边界可以与一个或多个副刀片开始的距离“D”一致。不同钻头从中心轴线60测量的锥体区域24的实际半径可以取决于各种因素而发生变化，这些因素包括但不限于钻头几何形状、钻头类型、一个或多个副刀片(例如，副刀片34-36)的位置、或其组合。例如，在一些情况下，钻头10可以具有相对平坦的抛物线轮廓，从而导致锥体区域24相对较大(例如，外半径23的50％)。然而，在其他情况下，钻头10可以具有相对较长的抛物线轮廓，从而导致锥体区域24相对较小(例如，外半径23的30％)。

现在参考图11，示出了钻头10的示意性俯视图。从钻头轴线60径向向外移动，如前所述，钻头面包括锥体区域24、肩部区域25和保径区域26。鼻部区域27通常表示锥体区域24与肩部区域25之间的过渡部。具体地，锥体区域24从钻头轴线60径向延伸至锥体半径，肩部区域25从锥体半径径向延伸至肩部半径，且保径区域26从肩部半径径向延伸至钻头外半径23。主刀片31-33从锥体区域24内、钻头轴线60附近沿钻头面朝向保径区域26和外半径23径向延伸。副刀片34-36从鼻部区域27附近沿着钻头面朝向保径区域26和外半径23径向延伸。在该实施方案中，每个副刀片34-36在距离“D”处开始，该距离“D”基本上与锥体区域24的外半径(例如，锥体区域24和肩部区域25的交汇处)一致。因此，副刀片34-36不延伸到锥体区域24中。在其他实施方案中，副刀片(例如，副刀片34-36)可延伸至和/或稍微延伸入锥体区域(例如，锥体区域24)。在该实施方案中，每个主刀片31-33和每个副刀片34-36基本上延伸到保径区域26和外半径23。然而，在其他实施方案中，一个或多个主刀片和/或副刀片可以不完全延伸到钻头的保径区域或外半径。

仍然参考图11，随着每个主刀片31-33和每个副刀片34-36朝向中心轴线60径向向内延伸，其在俯视图中总体上逐渐变细(例如变薄)。因此，主刀片31-33在轴线60附近(在这里空间通常在圆周方向上进行限制)相对较薄，并且朝向保径区域26变宽。尽管主刀片31-33和副刀片34-36在俯视图中沿径向方向直线地延伸，但是在其他实施方案中，主刀片中的一个或多个、一个或多个副刀片或其组合可以在俯视图中沿它们的长度呈弓形或曲线形。

主刀片31-33和副刀片34-36分别提供用于安装多个切削元件40的切削支撑表面42和52。每个主刀片(例如，主刀片31-33)和每个副刀片(例如，副刀片34-36)上的切削元件的数量可以变化或可以相等。所述多个切削元件可以沿着刀片放置在工具的至少一个刀片的锥体区域、鼻部区域、肩部区域和/或保径区域上。

如上所述，在一个或多个实施方案中，给定刀片上的切削元件可以具有不同的材料性质、尺寸、取向和/或工作表面几何形状。在一个或多个实施方案中，所述差异可以在刀片轮廓的不同区域中的切削元件之间，诸如在刀片的锥体区域、鼻部区域、肩部区域和保径区域中的切削元件之间。

现在参考图12，提供了用于示例刀片(未示出)的切削元件布局。切削元件布局包括形成切削元件的主排的多个切削元件279和形成切削元件的副或备用排的多个切削元件280。稍后提供关于切削元件280的备用排的附加讨论。在该实施方案中，形成主排的切削元件279延伸穿过锥体区域24、鼻部区域27、肩部区域25和保径区域26。如图所示，形成主排的切削元件279可以不具有相同的尺寸。

例如，放置在刀片的锥体区域24上的多个切削元件279中的至少一个切削元件的尺寸可以大于放置在刀片的鼻部区域27和/或肩部区域25上的多个切削元件279中的至少一个切削元件的尺寸。类似地，如图12所示，放置在刀片的保径区域26上的多个切削元件中的至少一个可以大于放置在刀片的鼻部区域27和/或肩部区域25上的多个切削元件中的至少一个。在该实施方案中，放置在锥体区域24和保径区域26中的切削元件279可以具有相同的尺寸，且放置在刀片的鼻部和/或肩部上的切削元件279可以具有相同的尺寸。然而，可以使用切削元件尺寸的不同排列(例如，锥体和/或保径切削元件可以小于其他区域中的切削元件)，并且刀片轮廓的给定区域内的切削元件可以具有不同尺寸(诸如，鼻部区域内的切削元件也可以具有两种或多种不同尺寸，且肩部内的切削元件也可以具有两种或多种不同尺寸)。此外，沿着刀片轮廓的尺寸差异可以在任意排上的切削元件之间。如此，在刀片轮廓的给定区域内放置具有不同尺寸的切削元件可以减少或最小化钻井过程中切削元件上的有害载荷和应力。例如，如果在轮廓的给定区域中预期会有高载荷，则可以使用较小的切削元件，而在轮廓的其他区域中可以使用较大的、更有效的切削元件。

如上所述，沿着刀片轮廓的切削元件可以具有彼此不同的取向。这种取向可以指例如后倾角、侧倾角以及切削齿凹穴内的旋转取向。此外，因为本公开的切削元件是非平面切削元件(且因此不具有传统上用于限定倾角的平面切削面)，所以倾角的传统定义不适用。取向定义可以替代地部分地基于非平面工作表面的特定特征来描述。尽管可以在下面找到对切削元件几何形状的更详细描述，如上所述，超硬层的顶表面或工作表面具有从切削边缘部分沿着直径径向向内(诸如从一个边缘到另一个边缘)延伸的至少一个切削齿顶。切削齿顶可以例如用于限定切削元件在刀片上的取向。

例如，虽然后倾角传统上被定义为切削面与被切削地层的法线之间的角度，但是对于本公开的切削元件，有效后倾角可以被定义为在延伸穿过切削齿顶312的径向端部的线与被切削地层380的法线(或基本上平行于工具轴线)之间形成的角度α，如图13所示。在一个或多个实施方案中，后倾角α可以在大于0度至45度的范围内(或者在各种其他实施方案中为至少5、10、15、20、25、30、35或40度)。在传统PDC切削齿的情况中，这种后倾角是负的，因为该角度从法线顺时针方向延伸(与角度相对于法线以逆时针方向延伸的正后倾角相反)。也就是说，传统PDC切削齿(和本公开的切削齿)的零后倾角由切削面(或延伸穿过切削齿顶的径向端部的线)和与地层的法线平行或共线的线形成。当切削元件倾斜使得切削面(或切削齿顶)相对于法线以顺时针方向成角度时，形成负角度；而当切削元件倾斜使得切削面(或切削齿顶)相对于法线以逆时针取向成角度时，形成正角度。然而，如图13所示，切削元件40可以基本上垂直于刀片顶部取向。虽然这种取向对于传统的PDC切削齿是不典型的，但是通过使切削元件相对于法线以顺时针旋转倾斜90°而形成垂直或90°的角度。因为取向仍然是顺时针方向，所以这个后倾角也被认为是负的。然而，在一个或多个实施方案中，切削元件40还可以以大于65度至115度(或者在各种其他实施方案中，至少65、75、80、85、90、95、100、105、110度)的后倾角α(形成在平行于工具轴线的线和延伸穿过切削齿顶的径向端部的线之间)取向。虽然实施方案通常可以使用负后倾角，但是切削齿顶可以相对于切削元件的中心轴线取向成非垂直角度，在这种情况下，可以使用正后倾角(当延伸穿过切削齿顶的径向端部的线与地层的法线之间的角度沿逆时针方向延伸时)。当为放置在刀片轮廓的各个区域中的切削元件选择不同的后倾角时，该选择可以取决于例如期望攻击性(aggressive)切削动作或被动切削动作的位置。

因此，在一些实施方案中，本公开的切削元件可以以各种后倾角放置在刀片上，例如正、中性或负后倾角。然而，所有切削元件可以以负后倾角放置在刀片上，例如，至少两个切削元件具有不同的负后倾角。例如，后倾角的这种差异可以在沿着刀片轮廓的至少两个切削元件之间，诸如在刀片轮廓的不同区域中的切削元件之间。如图16所见，多个切削元件279形成第一排并延伸穿过锥体24、鼻部27、肩部25和保径26。放置在鼻部27和/或肩部25上的多个切削元件279中的至少一个切削元件可以具有比放置在锥体区域24和/或保径区域26上的多个切削元件中的至少一个切削元件小的后倾角。这种配置可以提供切削工具的冲击保护。然而，取决于切削工具的应用，其他配置也是可能的。此外，除了不同的后倾角之外，放置在鼻部27和/或肩部25中的切削元件279可以小于锥体24和/或保径26中的切削元件。在该实施方案中，放置在锥体区域24和保径区域26中的切削元件279可以具有相同的尺寸，放置在刀片的鼻部和/或肩部上的切削元件279具有相同的尺寸。然而，可以使用切削元件后倾角的不同排列(例如，锥体和/或保径切削元件可以具有比其他区域中的切削元件更小的后倾角)，并且刀片轮廓的给定区域内的切削元件可以具有不同的后倾角(诸如，鼻部区域内的切削元件也可以具有两种或更多种不同的后倾角，并且肩部内的切削元件也可以具有两种或更多种不同的后倾角)。此外，沿着刀片轮廓的后倾角的差异可以在任意排上的切削元件之间。放置在刀片轮廓的不同区域中的切削元件具有可变后倾角和/或尺寸的配置可提供切削工具的增加的攻击性和/或切削工具的增加的寿命。

除了不同的后倾角之外，切削元件40还可以沿着刀片轮廓具有不同的侧倾角。侧倾角可以定义为在与切削齿顶312的峰相切的径向平面和工具的径向平面(x-z平面)之间形成的角度β。当沿z轴观察时，在图14中示出，切削元件逆时针旋转产生负侧倾角β，且顺时针旋转产生正侧倾角β。在一个或多个实施方案中，沿着刀片轮廓的至少两个切削元件可以具有相反的侧倾角方向(正与负)，或在一个切削元件上具有正或中性侧倾角，而在另一个切削元件上具有中性侧倾角。在其他实施方案中，角度本身可以变化。角度范围可以是-30度至30度、-20度至20度、或-10度至10度。

除了后倾角和侧倾角之外，切削工具的攻击性可以通过改变切削元件在切削齿凹穴内(相对于由给定排上的切削元件形成的切削轮廓曲线而限定)沿刀片轮廓的旋转取向来定制。具体地，如图15所示，切削轮廓曲线502可以是通过与给定排上的每个切削元件40相切地延伸而形成的曲线。切削元件的旋转取向ω可以定义为在切削轮廓曲线502的法线与延伸穿过切削齿顶312的径向端部的线之间形成的角度。顺时针旋转(显示在右侧切削元件上)可以是正旋转取向，且逆时针旋转(显示在左侧切削元件上)可以是负旋转取向。在一个或多个实施方案中，在各种实施方案中，旋转取向可以在0至90度或高达45、40、35、30、25或20度的范围内。此外，在沿着刀片轮廓具有不同位置的至少两个切削元件之间可以使用至少两种旋转取向。例如，这种不同的旋转取向可以在刀片轮廓的不同区域或部分内的切削元件之间，或者不同的取向可以在刀片轮廓的单个区域内(诸如，鼻部区域内的切削元件也可以具有两种或更多种不同的角度，且肩部内的切削元件也可以具有两种或更多种不同的角度)。

除了影响非平面切削元件地层相互作用的攻击性的后倾角和侧倾角之外，切削端几何形状，特别是由切削元件的非平面金刚石台形成的工作表面的刀刃角(includedangle)、齿顶处的曲率半径以及脊的形状(例如平面或弧形)也可以影响非平面切削元件与地层相互作用的攻击性。如图4所示，本公开的非平面切削元件的切削齿顶312具有凸形截面形状(沿垂直于跨越超硬层直径的切削齿顶长度的平面观察)，其中齿顶的最高点具有曲率半径313，该曲率半径以称为工作表面的刀刃角的角度311过渡到相反侧表面。根据一些本实施方案，在一些实施方案中，沿着至少一个刀片安装的多个切削元件中的至少一个切削元件的工作表面的刀刃角可以在从大约100°到小于大约180°或者到大约175°的范围内，例如从100°到175°。此外，在一个或多个实施方案中，沿着刀片轮廓的至少两个切削元件可以具有彼此不同的刀刃角。例如，第一切削元件的刀刃角可以等于或大于第二切削元件的刀刃角。在一些实施方案中，放置在锥体区域24上的多个切削元件中的至少一个切削元件的工作表面的刀刃角可以大于放置在刀片的鼻部区域27和/或肩部区域25上的多个切削元件中的至少一个切削元件的工作表面的刀刃角。例如，在一个或多个实施方案中，锥体区域中的切削元件可以具有130度(或150度)至175度之间的刀刃角，而锥体区域径向外侧(在鼻部、肩部和/或保径中)的切削元件可以具有小于130度的刀刃角。在一些实施方案中，随着径向向外移动，刀刃角可以持续减小，而其他实施方案可以具有成颗粒角度的切削元件簇。通过将更锋利的切削元件(即，具有更小的刀刃角)放置在钻头经受最大磨损的区域中，例如钻头的肩部区域27中，可以改善钻头的磨损率。现在参考图17，图17示出了根据一个实施方案的切削轮廓。如图17所见，放置在锥体区域24上的切削元件可以具有比放置在鼻部区域27和肩部区域25上的切削元件更大的刀刃角。现在参考图18，图18示出了本公开的切削元件的截面图，其指示了工作表面的刀刃角1810、齿顶处的曲率半径1820以及金刚石台厚度1830。沿着刀片放置的切削元件在顶部处可以具有不同的曲率半径。例如，齿顶处的曲率半径可以在0.02英寸(0.51mm)至0.300英寸(7.62mm)的范围内，或者在另一个实施方案中，在0.06英寸(1.52mm)至0.18英寸(4.57mm)的范围内。在一个实施方案中，放置在工具主体的锥体区域上的至少一个切削元件的齿顶处的曲率半径可以小于放置在工具主体的鼻部区域和/或肩部区域上的另一切削元件的齿顶处的曲率半径。可以使用具有相等或不同全半径顶部的切削元件。

设置在固定切削齿钻头的若干刀片上的切削元件通常由非常硬的材料形成，并且包括聚晶金刚石材料层。在典型的固定切削齿钻头中，每个切削元件或组件包括细长且大致圆柱形的支撑构件，该支撑构件被接收并紧固在形成于若干刀片之一的表面中的配合凹穴中。切削元件通常具有聚晶金刚石或其他超硬磨料的硬切削层，诸如立方氮化硼、热稳定金刚石、聚晶立方氮化硼或超硬碳化钨(意指耐磨性大于形成基体的材料的耐磨性的碳化钨材料)，以及这些材料的混合物或组合。切削层暴露在其典型地由碳化钨形成的支撑构件的一端上，通常形成聚晶金刚石复合片(PDC)。为方便起见，如本文所用的，引用“PDC钻头”或“PDC切削元件”是指采用聚晶金刚石或其他超硬磨料(诸如，立方氮化硼、热稳定金刚石、聚晶立方氮化硼或超硬碳化钨)的硬切削层的固定切削齿钻头或切削元件。

根据本公开，多个切削元件具有金刚石台，该金刚石台可以形成在基体上，或者可以单独形成并随后附接在一起。取决于切削元件在工具上的位置和切削元件的性质(耐磨性与抗冲击性)，可以使用不同等级的聚晶金刚石。根据各种实施方案，金刚石台可以由具有不同粒度但具有相同粘结剂含量、具有相同粒度但具有不同粘结剂含量、或具有不同粒度和不同粘结剂含量的材料形成。例如，平均金刚石晶粒尺寸可以在约1微米至约40微米的范围内，其中下限可以是1微米、2微米或3微米中的任何一个，且上限可以是25微米、30微米或40微米中的任何一个，其中任何下限可以与任何上限一起使用。在这样的实施方案中，粘结剂含量可以在重量比例约1％至约15％的范围内，其中下限可以是1％、2％或5％中的任何一个，且上限可以是10％、12％或15％中的任何一个，其中任何下限可以与任何上限一起使用。可以使用多层金刚石。

当期望更大的耐磨性时，可以使用更小的粒度(例如，与另一位置的30-40微米相比，平均晶粒尺寸为1-2微米)，并且当期望更大的抗冲击性时，可以使用更大的粘结剂含量(例如，基于至少一部分金刚石层的总重量，重量比例为10％-15％，相比之下，基于另一位置的至少一部分金刚石层的总重量，重量比例为1％-2％)，或者可以使用更大的晶粒尺寸(例如，30-40微米，相比于更小的尺寸而言)。根据各种实施方案，所述多个切削元件中比所述多个切削元件中的第二切削元件更靠近工具轴线的一个切削元件具有比所述多个切削元件中的第二切削元件更大的抗冲击性(例如，更大的粘结剂含量)，反之亦然。在一个或多个实施方案中，所述多个切削元件中比所述多个切削元件中的第二切削元件更远离工具轴线的第一切削元件具有比所述多个切削元件中的第二切削元件更大的耐磨性(例如，更小的粒度)，反之亦然。

虽然上述实施方案描述了沿着刀片轮廓使用具有不同的材料性质、尺寸、取向和/或工作表面几何形状的非平面切削元件，但是本公开不限于此。相反，实施方案还可以涉及在给定刀片上以引导(leading)和尾随关系定位的多个非平面切削元件。例如，根据各种实施方案，第一多个切削元件可以大致在沿着切削工具的至少一个刀片径向延伸的第一排中彼此相邻地附接，诸如，沿着至少一个刀片的切削面(具体地在切削面(或前面)和顶面的交汇处)。此外，第二多个切削元件可以从第一多个切削元件向后、大致在沿着刀片的顶面延伸的第二排中彼此相邻地附接在同一刀片上。第一排(沿着切削面)通常可以被称为切削元件的引导排或主排，而第二排(沿着顶面、从第一排向后)可以被称为切削元件的副排、备用排或尾随排。

在一个或多个实施方案中，第二多个切削元件可以从沿着刀片的切削面放置的切削元件向后并在与沿着刀片的切削面放置的切削元件距工具轴线相同的径向位置处进行放置。第二多个切削元件可以从第一多个切削元件向后并径向地在第一多个切削元件之间进行放置。根据一些本实施方案，沿着刀片放置的第一多个切削元件和第二多个切削元件的数量可以变化。根据本实施方案，放置在切削面上的第一排的至少一个切削元件和放置在至少一个刀片顶面上的第二排的至少一个切削元件可以具有不同的材料性质、尺寸、取向和/或工作表面几何形状。

现在参考图19和图20，图19和图20示出了根据本公开实施方案的钻头的局部视图。钻头260通常包括钻头体261、柄部262和用于将钻头260连接到钻柱的带螺纹的连接部或销，所述钻柱用于旋转钻头以便钻探钻孔。钻头面263支撑切削结构264，并且形成在钻头260的与销端相反的端部上。钻头260还包括中心轴线265，钻头260围绕该中心轴线沿箭头266所表示的切削方向旋转。如本文中所使用的，术语“轴向”和“轴向地”通常表示沿着或平行于钻头轴线(例如，钻头轴线265)，而术语“径向”和“径向地”通常表示垂直于钻头轴线。例如，轴向距离是指沿着或平行于钻头轴线测量的距离，且径向距离是指从钻头轴线垂直测量的距离。主体261可以以传统方式形成：使用粘结剂材料中的粉末金属碳化钨颗粒，以形成硬金属铸造胎体。主体也可以由诸如钢的金属块加工而成，而不是由胎体形成。

切削结构264设置在钻头260的面263上。切削结构264包括从钻头面263延伸的多个刀片。在图19和图20所示的实施方案中，切削结构264包括围绕钻头轴线265周向间隔开的三个主刀片267-269和围绕钻头轴线265周向间隔开的三个副刀片270-272。在该实施方案中，多个刀片(例如，主刀片267-269和副刀片270-272)在钻头面263上围绕钻头轴线265均匀地成角度地间隔开。特别地，每个刀片267-272与其相邻刀片267-272大致间隔大约60°。在其他实施方案(未具体示出)中，刀片可以围绕钻头面非均匀地间隔开。此外，尽管钻头260被示出为具有三个主刀片267-269和三个副刀片270-272，但一般而言，钻头260可以包括任何合适数量的主刀片和副刀片。

仍然参考图19和图20，主刀片267-269和副刀片270-272一体地形成为钻头体261和钻头面263的一部分，并从钻头体261和钻头面263延伸。主刀片267-269和副刀片270-272径向延伸跨越钻头面263，并沿钻头260的周边的一部分纵向延伸。主刀片267-269从基本上中心轴线265附近朝向钻头260的周边径向延伸。因此，如本文中所使用的，术语“主刀片”指的是从钻头轴线附近开始并沿钻头面大致径向向外延伸至钻头的周边的刀片。然而，副刀片270-272不从基本上中心轴线265的附近延伸。相反，副刀片270-272从远离中心轴线265的位置朝向钻头260的周边径向延伸。因此，主刀片267-269比副刀片270-272更靠近中心轴线265延伸。因此，如本文中所使用的，术语“副刀片”指的是从距钻头轴线一定距离处开始并沿钻头面大致径向延伸至钻头的周边的刀片。如图19和图20所示，每个主刀片267-269具有面向钻头旋转方向的切削面273、与切削面273相反的尾随面274以及在切削面273和尾随面274之间延伸的顶面275。类似地，每个副刀片270-272具有切削面276、尾随面278和顶面277。

根据各种实施方案，每个主刀片和/或副刀片包括安装在其上的第一多个切削元件和第二多个切削元件。例如，图20示出钻头260的副刀片271。第一多个(或第一排)非平面切削元件279沿着刀片271的切削面276放置。钻头260还包括沿着刀片271的顶面277、从第一多个非平面切削元件279向后设置的第二多个(或第二排)非平面切削元件280。换句话说，第一多个切削元件279可以沿着刀片271设置在切削面276处，而第二多个切削元件280沿着刀片271的顶面277设置在远离切削面276的位置处。如图20所示，第二多个切削元件280从第一多个切削元件279向后并在与第一多个切削元件279距工具轴线265相同的径向位置处进行放置。

仍然参考图20，第一多个切削元件279和第二多个切削元件280沿着刀片271的相对位置可以用引导-尾随透视图的形式来描述。具体地，如图20所见，第二多个切削元件280定位在第一多个切削元件279的后方，使得第一多个切削元件279的一个或多个切削元件与第二多个切削元件280的一个或多个切削元件共享径向位置。在刀片上共享相同径向位置的切削元件定位在距钻头的中心轴线或纵向轴线265相同的径向距离处，使得当钻头旋转时，切削元件沿着相同的径向路径切削。共享相同径向位置的第二多个切削元件280的切削元件和第一多个切削元件279的切削元件可分别称为备用切削元件和主(或引导)切削元件。换句话说，如本文所使用的，术语“备用切削元件”用于描述当钻头沿切削方向旋转时尾随同一刀片上的任何其他切削元件的切削元件，且术语“主(或引导)切削元件”用于描述设置在刀片的引导边缘上的切削元件。因此，当钻头沿切削方向绕其中心轴线旋转时，“主切削元件”不会尾随在同一刀片上的任何其他切削元件。第二多个切削元件280的其他切削元件可以部分地与第一多个切削元件279的切削元件的径向位置重叠，或者可以定位在与第一排中的切削元件径向相邻的位置(即，第二排中的切削元件沿着钻头刀片定位在第一排中的切削元件的后方并且不共享径向位置)。将切削元件放置在两个不同的排中，例如279和280(如图20所见)，可以提高切削工具的寿命，因为切削元件可能暴露于不同的载荷和应力。

再次参考图19和图20，引导切削元件279大致彼此相邻地定位在沿每个刀片267-272径向延伸的第一排中。此外，备用切削元件280大致彼此相邻地定位在沿每个刀片267-272径向延伸的第二排中。备用切削元件280定位在设置在同一刀片(例如，副刀片271)上的引导切削元件279的后面。如图19和图20所见，当钻头260围绕中心轴线265沿箭头266所表示的切削方向旋转时，备用切削元件280尾随设置在同一刀片271上的引导切削元件279。这在图21中示意性地示出。然而，如上所述，如图22所示，当备用切削元件280从引导切削元件279向后并径向地在引导切削元件279之间进行放置时，备用切削元件可以是非尾随的。在这样的实施方案中，如果备用切削元件在轮廓上，则可以期望更大的切削尖端接合。这种配置有利于整体破岩效率。

如本文中所使用的，术语“引导”、“引导的”、“尾随”和“尾随的”用于描述同一刀片上的两个结构(例如两个切削元件)相对于钻头旋转方向的相对位置。特别地，相对于钻头旋转方向设置在同一刀片上的第二结构前方或前面的第一结构“引导”第二结构(即，第一结构处于“引导”位置)，而相对于钻头旋转方向设置在同一刀片上的第一结构后面的第二结构“尾随”第一结构(即，第二结构处于“尾随”位置)。

一般而言，主(或引导)切削元件279和备用切削元件280不需要成排定位，而是可以以其他合适的布置进行安装，只要每个切削元件处于引导位置(例如，主切削齿元件279)或尾随位置(例如，备用切削齿元件280)即可。合适布置的示例可以包括但不限于排、阵列或有组织的图案、随机、正弦图案或其组合。此外，在其他实施方案中，额外的切削齿元件排可以设置在主刀片、副刀片或其组合上。

再次参考图19和图20，引导切削元件279和备用切削元件280可分别设置在切削工具的至少一个刀片的锥体区域、肩部区域、鼻部区域和/或保径区域内。在各种实施方案中，主切削元件279可以沿着工具的至少一个刀片的整个长度放置。在又一实施方案中，备用切削元件280可以在至少一个刀片(例如，刀片271)的鼻部和肩部内、从主切削元件279向后放置在同一刀片上。

将使用切削元件2300和2320来描述“不在轮廓上和在轮廓上”的一般概念，如图23和图24的截面图所示。切削元件2300的切削边缘2310位于主切削轮廓上。如本文中所使用的，主切削轮廓是指穿过放置在刀片(例如，如图19所示的刀片267)的切削面(例如，如图19所示的切削面273)上的切削元件(诸如，切削元件2300)的每个切削齿顶的边缘的曲线或轮廓。备用切削轮廓是指穿过形成放置在刀片(例如，如图19所示的刀片267)的顶面(例如，如图19所示的顶面275)上的切削元件(诸如具有边缘283的切削元件282)的副排或备用排的切削元件的每个切削齿顶的边缘的曲线或轮廓。

现在参考图23，第二切削元件2320的切削边缘2330(以及因此备用轮廓)可以不延伸到由切削元件2300的切削边缘2310限定的主切削轮廓(即，轴向分离或偏移)，并且因此可以被描述为相对于主切削轮廓偏移“不在轮廓上”或“在轮廓下方”。如本文中所使用的，短语“不在轮廓上”是指从刀片(例如，如图19所示的刀片267)的切削面(例如，如图19所示的切削面273)延伸的切削元件，该切削元件在旋转轮廓图中没有延伸到主切削轮廓。在这种情况下，第一多个切削元件可以以这样的方式来布置：所述第一多个切削元件相对于第二多个切削元件过度暴露于地层。类似地，短语“在轮廓上”是指当第一多个切削元件和第二多个切削元件两者在相同点或切削深度处接合地层时在旋转轮廓图中从切削面延伸到主切削轮廓的结构，如图24所示。

不在轮廓上的切削元件偏移最外侧切削轮廓的程度可以用“切削轮廓偏移距离”或“暴露高度”h来描述，该“切削轮廓偏移距离”或“暴露高度”h等于旋转轮廓图中结构与主切削轮廓之间的最小或最短距离，如图23所示。暴露高度差的选择可以基于例如待钻地层的类型。此外，暴露差可以允许提高在不同地层类型之间的过度时的钻井效率。如果引导切削元件具有较大的暴露高度(用于钻穿较软的地层)，则当撞击不同的地层类型时，它可能变钝，并且切削元件的变钝可以允许备用切削元件的接合。在各种实施方案中，切削轮廓偏移距离h的范围为0.010英寸(0.254mm)至0.100英寸(2.54mm)，其中极限可以是0.015英寸(0.381mm)、0.020英寸(0.508mm)、0.070英寸(1.778mm)、0.090英寸(2.286mm)、或0.100英寸(2.54mm)中的任一个，其中任何极限都可以与任何其他极限组合使用。尽管在该实施方案中切削元件2320的切削轮廓是不在轮廓上的，但是在其他实施方案中，第二切削元件(例如切削元件2320)中的一个或多个可以是在轮廓上的，如图24所示。

再次参考图20，第一多个切削元件279的每个切削元件和第二多个切削元件280的每个切削元件可以具有任何合适的尺寸和几何形状。根据各种实施方案，沿着切削面276放置的多个切削元件可以具有相同的尺寸。然而，如上所述，沿着切削面(即沿着刀片轮廓)放置的第一多个切削元件279中的两个或更多个切削元件可以具有不同的尺寸。类似地，第二多个切削元件280的切削元件可以沿着刀片轮廓具有相同或不同的尺寸。此外，第一多个切削元件279中的至少一个和第二多个切削元件280中的至少一个可以具有彼此不同的尺寸。在一个或多个实施方案中，第一多个切削元件279中的至少一个可以比第二多个切削元件280中的至少一个大(即，具有更大的直径)。

与其他切削工具(例如传统切削齿元件)相比，本实施方案可以根据具有较高载荷和应力的区域，在刀片的不同区域中提供受控攻击性的可能性。因此，根据地层的类型，可以通过在具有较高载荷和应力的区域中使用不同尺寸和/或几何形状的切削齿元件来定制攻击性。根据各种实施方案，主切削元件和备用切削元件可以具有不同的尺寸和/或几何形状。例如，根据本实施方案，至少一个主切削元件和至少一个备用切削元件可以具有不同的尺寸(例如，直径)。例如，至少一个主切削元件可以具有比至少一个备用切削元件更大的尺寸。这种组合例如在图12、图16、图21和图22中示出。具体地，图12和图16都示出了主切削元件(在锥体区域和保径区域)比每个备用切削元件(在鼻部区域和肩部区域)大。图21和图22示出了当备用切削元件为尾随的或非尾随的时候，备用切削元件280可以小于主切削元件279。具体地，如图12所见，第一多个引导切削元件279沿着切削工具的至少一个刀片(如图11所示的主刀片和/或副刀片)放置在锥体区域24、鼻部区域27、肩部区域25和保径区域26中。如图12所见，放置在锥体区域24和保径区域26上的切削元件具有相同的尺寸。然而，这些切削元件的尺寸比放置在鼻部区域27和肩部区域25上的引导切削元件的尺寸大，从而提高了切削工具的攻击性。如图12所示，第二多个备用切削元件280从引导切削元件279向后并在与引导切削元件279距工具轴线相同的径向位置处被放置在同一刀片上。如图12所见，放置在鼻部区域和肩部区域上的备用切削元件280具有与相应的引导切削元件279相同的尺寸。此外，备用切削元件280小于锥体区域和保径区域中的引导切削元件279。

此外，在这样的实施方案中，为了减轻较小的非平面切削元件的预期较低的侧面抗冲击性，可以使用工作表面的不同刀刃角以及切削元件的不同顶部半径。例如，如图25所示，具有比主切削元件279小的尺寸的备用切削元件280也可以具有工作表面的较大刀刃角，因为其抗冲击性预期较低。在一个实施方案中，沿着工具的至少一个刀片放置的主切削元件279可以具有16mm的直径和130°的工作表面的刀刃角，而备用切削元件280可以具有13mm的直径和150°的工作表面的刀刃角。在各种实施方案中，切削元件可形成为包括但不限于9mm、13mm、16mm和19mm的尺寸。切削元件尺寸的选择可基于例如待钻地层的类型。例如，在较软的地层中，可能希望使用较大的切削元件，而在较硬的地层中，可能希望使用较小的切削元件。

根据各种实施方案，引导切削元件和备用切削元件可以由具有不同性质的材料制成。例如，引导切削元件可以由具有更平衡的性质(诸如，耐磨性和抗冲击性)的材料制成，而备用切削元件可以由表现出比引导切削元件更高的耐磨性的材料制成。因此，当引导切削元件磨损时，备用切削元件可以执行更多的剪切。然而，可以使用的材料类型的选择取决于至少一个刀片的不同区域中的引导切削元件和/或备用切削元件的位置。例如，在一个实施方案中，放置在图11的锥体区域24上的引导切削元件中的至少一个引导切削元件由表现出更高抗冲击性(例如，更高催化剂含量)的材料制成，而放置在图11的肩部25上的至少一个引导切削元件由表现出更高耐磨性(例如，更小的金刚石粒度)的材料制成。类似地，放置在图11的锥体区域24上的引导切削元件中的至少一个引导切削元件由表现出更高耐磨性(例如，更小的金刚石粒度)的材料制成，而放置在图11的肩部25上的至少一个引导切削元件由表现出更高抗冲击性(例如，更高催化剂含量)的材料制成。此外，当使用备用切削元件时，可能希望备用切削元件更耐磨(例如，更小的金刚石颗粒)，类似于鼻部和肩部中的主切削元件。因此，一个或多个备用切削元件可以比一个或多个主切削元件更耐磨。具体地，例如，备用切削元件可以比刀片的锥体区域和/或保径区域中的主切削元件更耐磨。此外，在各种实施方案中，备用切削元件可以具有与刀片的鼻部区域和/或肩部区域中的主切削元件相同的耐磨性，或者在一些实施方案中可以具有更高的耐磨性。在一些实施方案中，备用切削元件可以具有比主切削元件更小的耐磨性。一个或多个引导切削元件可以具有比备用切削元件中的一个或多个备用切削元件更高的抗冲击性，并且在一些实施方案中，一个或多个引导切削元件可以具有比备用切削元件中的一个或多个备用切削元件更低的抗冲击性。

如前所述，切削工具的攻击性也可以考虑切削元件的几何形状来定制。具体地，至少一个引导和/或备用切削元件的工作表面的刀刃角可以根据切削元件在刀片上的位置而变化。例如，至少一个引导切削元件(例如，第一多个切削元件279的切削元件)可以具有等于或大于至少一个备用切削元件(例如，第二多个切削元件280的切削元件)的工作表面的刀刃角的工作表面的刀刃角。在各种实施方案中，引导切削元件可以具有更大的刀刃角，因为它们可以配置成承受更高的冲击。如图25所示，至少一个引导切削元件279比至少一个备用切削元件280更锋利(具有相对较小的刀刃角)，以便更具攻击性。

如稍后将描述的，本公开的切削元件的周边边缘的至少一部分可以被斜切处理或倒角处理。在一个或多个实施方案中，引导切削元件和/或备用切削元件可以根据需要被斜切处理或倒角处理。这种倒角或斜角提供了在与地层初始接合时降低切削齿顶的攻击性的可能性。在这样的实施方案中，切削元件斜角(bevel)尺寸可以决定切削工具的攻击性。例如，较小的斜角可能更具攻击性，但耐用性减小。在这样的实施方案中，具有小斜角尺寸的切削元件可以放置在经受高应力的刀片区域中，诸如锥体区域24中，而具有较大斜角尺寸的切削元件可以放置在鼻部区域27和肩部区域25上。根据地层的类型，各种组合是可能的。

返回参考图16，描述了本公开的另一实施方案。如图16所示，类似于图12所呈现的实施方案，第一多个引导切削元件279沿着切削工具的至少一个刀片(如图11和图19所示的主刀片和/或副刀片)放置在锥体区域24、鼻部区域27、肩部区域25和保径区域26中。如图所示，放置在锥体区域24上的引导切削元件中的至少一个引导切削元件和放置在保径区域26上的至少一个引导切削元件具有相同的尺寸和相同的后倾角。类似地，放置在鼻部区域27和肩部区域25上的引导切削元件中的至少一个引导切削元件具有相同的尺寸和相同的后倾角。为了提高引导切削元件的抗冲击性，放置在锥体区域和保径区域上的引导切削元件279中的至少一个引导切削元件相比分别放置在鼻部区域27和肩部区域25上的引导切削元件中的至少一个引导切削元件尺寸更大并且具有更大的后倾角。如图16所例示，第二多个备用切削元件280从引导切削元件279向后并在与引导切削元件279距工具轴线相同的径向位置处被放置在同一刀片上。备用切削元件280放置在鼻部区域27和肩部区域25上，并且具有与相应的引导切削元件279相同的尺寸。然而，为了提高备用切削元件的抗冲击性，放置在鼻部区域27和肩部区域25上的备用切削元件具有比相应的引导切削元件279更大的后倾角。在本实施方案中，放置在锥体区域24和保径区域26上的引导切削元件279和放置在鼻部区域27和肩部区域25上的备用切削元件280可以具有相同的后倾角。然而，在引导切削元件和备用切削元件之间可以使用后倾角有不同的其他排列。

根据各种实施方案，切削工具的方向控制可以通过使用具有不同侧倾角的切削元件来定制。例如，如图26所示，切削元件279大于切削元件280的尺寸。另外，备用切削元件280具有比引导切削元件279更大的侧倾角。如图26所示，切削方向由281表示。因此，本实施方案的备用非平面切削元件可以以更类似于提供改进的抗冲击性的剪切切削齿而起作用。在一个实施方案中，切削元件279可以具有比切削元件280小的侧倾角。具体地，如图所示，引导切削元件279具有零侧倾角，而备用切削元件280具有非零侧倾角。备用切削元件280可以具有高达30度的正侧倾角或负侧倾角。虽然图26示出了具有相同类型和度数的侧倾角的备用切削元件，但是两个相邻的备用切削元件可以具有相反类型的侧倾角(包括交替的正侧倾角和负侧倾角)和/或不同的侧倾角值，类似于上述沿着刀片轮廓的情况。通过使用具有不同侧倾角的引导切削元件和备用切削元件，钻头性质可以朝着方向控制定制。此外，备用切削元件可以有助于破坏在主切削元件之间形成的未切削的地层脊，特别是当在非尾随备用切削元件上有较大的侧倾角时。此外，通过包括具有侧倾角的备用切削元件，可以最小化或减小通过不同岩石应用的钻头振动。

根据本公开实施方案的基体可以由烧结碳化物形成，例如碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化钽、碳化钒或其与铁、镍、钴或其合金烧结的组合。例如，基体可以由钴烧结碳化钨形成。根据本公开实施方案的超硬层例如可以由聚晶金刚石形成(诸如，由在足够高的压力和高温下(在HPHT条件下烧结)通过诸如钴或其他VIII族金属的金属催化剂结合在一起的金刚石晶体形成)，由热稳定聚晶金刚石(除去至少一些催化剂材料的聚晶金刚石)形成，或由立方氮化硼形成。此外，超硬层可以由一个或多个层形成，这些层中可以具有金刚石含量的梯度或阶梯过渡。在这样的实施方案中，一个或多个过渡层(以及其他层)可以在其中包括金属碳化物颗粒。此外，当使用这样的过渡层时，组合的过渡层和外层可以统称为超硬层，因为该术语已经在本申请中使用。也就是说，可以在其上形成超硬层(或包括超硬材料的多个层)的界面表面是烧结碳化物基体的界面表面。

非平面切削元件

本公开的切削元件可以包括基体、超硬层和形成在基体与超硬层之间的非平面界面。基体可以具有由x-y-z坐标系限定的几何形状的上表面，其中沿着z轴测量的基体高度沿着x轴和可选的y轴变化。超硬层的顶表面也可以具有由x-y-z坐标系限定的几何形状，其中超硬层的高度沿着x轴和可选的y轴变化。

如上所述，本公开的切削元件是非平面切削元件，即脊形切削齿。例如，在图3中示出了具有非平面顶表面305的本公开的切削元件300。特别地，切削元件300具有在界面330处设置在基体320上的超硬层310，其中非平面顶表面305几何形状形成在超硬层310上。超硬层310具有围绕顶表面305(并限定顶表面305的界限)的周边边缘315。顶表面305具有在基体320上方(在切削元件圆周处)延伸一高度314的切削齿顶312，以及从齿顶侧向延伸远离的至少一个凹陷区域。如本文中所使用的，齿顶是指非平面切削元件的包括切削元件的峰或最大高度的一部分，其沿着切削元件的直径延伸(其可以是但不限于呈直线的，而是可以是呈曲线的或者具有直线段和曲线段的组合)。齿顶312的存在导致具有峰和谷的波状周边边缘315。周边边缘315靠近齿顶312的部分形成切削边缘部分316。如图所示，切削齿顶312也可以延伸跨越超硬层的直径，使得两个切削边缘部分316形成在超硬层的相反侧处。顶表面305还包括至少一个凹陷区域318，该凹陷区域在远离切削齿顶312到周边边缘315的另一部分(即波状周边边缘315的谷)的方向上高度连续减小。所示实施方案中的切削齿顶312和凹陷区域318形成具有抛物线圆柱形状的顶表面305，其中切削齿顶312成形为跨越超硬层310和/或基体320的直径延伸的抛物线。周边边缘的至少一部分(例如，切削边缘部分并围绕边缘的将与地层接触的部分延伸期望的切削深度)可以被斜切处理或倒角处理。在其他实施方案中，整个周边边缘可以是斜切处理的。

在一个或多个实施方案中，切削齿顶312可以延伸小于基体320的直径或者甚至大于基体320的直径。例如，超硬层310可以至少在切削边缘部分附近形成渐缩侧壁，例如，与平行于切削元件的轴线的线形成范围可以从-5度(形成比基体320大的直径)到20度(形成比基体320小的直径)的角度。取决于切削元件的尺寸，切削齿顶312的高度314可以在例如约0.1英寸(2.54mm)至0.3英寸(7.62mm)的范围内。此外，除非另有说明，否则超硬层(或切削齿顶)的高度是相对于超硬层和基体的界面的最低点。

图4示出了切削元件300的侧视图。如图所示，切削齿顶312具有凸形截面形状(沿垂直于跨越超硬层的直径的切削齿顶长度的平面观察)，其中齿顶的最高点具有以角度311过渡到相反侧表面的曲率半径313。根据本公开的实施方案，切削元件顶表面可以具有曲率半径在0.02英寸(0.51mm)至0.300英寸(7.62mm)范围内的切削齿顶，或者在另一实施方案中，具有曲率半径在0.06英寸(1.52mm)至0.18英寸(4.57mm)范围内的切削齿顶。此外，尽管所示的实施方案示出了在其上部峰处具有曲率的切削齿顶312，但是同样在本公开的范围内的是：切削齿顶312可以具有沿着直径的至少一部分、轴向地位于与切削齿顶312侧向间隔开的凹陷区域318的上方的平台(plateau)或基本平坦的面。因此，在这样的实施方案中，切削齿顶可以具有基本上无限的曲率半径。在这样的实施方案中，平台可以具有弧形过渡部，侧壁延伸进入该弧形过渡部以形成凹陷区域。此外，在一些实施方案中，沿着侧向延伸到凹陷区域318中的切削齿顶312的截面，切削齿顶312可以在形成于延伸到凹陷区域318的侧壁之间的工作表面311处具有范围从100度到175度的刀刃角。此外，根据上表面几何形状的类型，还预期使用其他齿顶角度，包括下至90度的角度。

切削元件顶表面的几何形状也可以相对于x-y-z坐标系来描述。例如，图3所示的切削元件在图5中沿着x-y-z坐标系再现。切削元件300具有在界面330处设置在基体320上的超硬层310，以及与延伸通过其的z轴重合的纵轴。形成在超硬层310上的非平面顶表面305具有通过沿x轴和y轴高度变化(其中高度沿z轴测量)而形成的几何形状。如图所示，形成在顶表面中的最大高度(顶端或峰)(在图3中也可以称为切削齿顶312)沿着y轴延伸跨越切削元件的直径，使得齿顶高度从周边边缘315的第一部分延伸到与第一部分相反的周边边缘315的第二部分。为了方便起见，y轴是基于切削元件齿顶的延伸来定义的；然而，本领域技术人员将理解，如果定义不同，基于x-、y-、z-坐标系的其余描述将类似地变化。在图中示出了切削元件300沿着y轴和z轴的交汇处的截面图。切削元件的y-z截面图可称为齿顶轮廓图，因为从这样的截面图可以观察到齿顶的均匀性、延伸等。如图6的齿顶轮廓图所示，沿着齿顶高度(即，齿顶轮廓)的顶表面305基本上是直线的。虽然切削齿顶可以是直线的，如本实施方案所示，但是其也可以是曲线的或弧形的。切削元件300沿着x轴和z轴的交汇处的截面图在图7中示出，并且可以称为齿顶几何视图，因为从这样的截面图可以观察到齿顶的曲率等。如图7中的齿顶几何视图所示，顶表面305在z轴(齿顶高度)处到达峰，并且沿着x轴在任一方向上朝着切削元件的周边边缘315(在图3中也可以称为凹陷区域318)移动，自齿顶高度开始连续减小，使得顶表面305沿着截面具有大致抛物线形状。根据图7所示截面的曲率，截面也可以描述为具有圆形顶端的锥体的截面，即两个成角度的侧壁切向过渡到圆形顶端(具有上述曲率半径范围)。然而，也可以使用具有曲率的凹形的或凸形的侧壁。在该图示实施方案中，x-z截面视图(或齿顶几何视图)中的大致抛物线形状沿着y轴延伸，使得非平面顶表面305的三维形状具有抛物柱面形状。

图8和图9示出了具有非平面顶表面505的切削元件500的另一示例。切削元件500具有在界面530处设置基体520上的超硬层510，其中非平面顶表面505形成在超硬层510上。超硬层510具有围绕顶表面505的周边边缘515。顶表面505具有在基体520上方延伸一高度514的切削齿顶512，以及从齿顶512侧向延伸的至少一个凹陷区域518。周边边缘515的一部分附近的齿顶512形成第一切削边缘部分516。如图9所示，本公开的非平面切削元件的切削齿顶512具有曲率半径513，该曲率半径以称为工作表面的刀刃角的角度511过渡到相反的侧表面。周边边缘515可以从切削边缘部分516处的峰和邻近至少一个凹陷区域518的谷波动起伏，所述至少一个凹陷区域在远离齿顶512的方向上高度连续减小。如图9所示，凹陷区域518在基体/超硬层界面上方(沿着圆周)延伸一高度，但是可以具有(距离切削边缘部分516的)高度差517，该高度差也等于顶表面505的高度的总变化。根据一些实施方案，切削元件的非平面顶表面可以具有介于0.04英寸(1.02mm)和0.2英寸(5.08mm)之间的高度差517，这取决于切削元件的总体尺寸。例如，在其他实施方案中，相对于切削元件直径的高度差517可以在0.1至0.5的范围内，或者在0.15至0.4的范围内。另外，在一个或多个实施方案中，在邻近凹陷区域518的周边边缘处(即，在具有最低金刚石高度的切削元件的一侧处)的金刚石的高度可以是至少0.04英寸(1.02mm)。

有利地，本文公开的实施方案可以提供以下至少一个。非平面切削元件的各种几何形状和放置可以在使用期间提供非平面切削元件的优化使用，特别是在钻井过程中减少或最小化切削元件上的有害载荷和应力。通过将具有不同的材料性质、尺寸、取向和/或工作表面几何形状的非平面切削元件放置在切削工具经受增大的磨损的区域中，钻头的磨损率可以得到改善。此外，具有侧倾角的非平面切削元件可以为切削元件提供更好的抗冲击性。此外，通过使用具有不同侧倾角的引导切削元件和备用切削元件，切削工具的性质可以朝着方向控制定制。此外，通过不同岩石应用的钻头振动可以被最小化。根据本实施方案的切削工具可以提供沿着整个刀片轮廓的受控攻击性的可能性，且因此可以表现出比传统切削工具更高的切削效率和更长的寿命。

尽管已经特别参考其实施方案详细描述了本公开的实施方案，但是本文描述的实施方案并不旨在穷举或将本公开的范围限制为所公开的确切形式。本发明所属领域和技术的技术人员将理解，在不明显背离本公开的原理、精神和范围的情况下，可以实践所描述的组装和操作的结构和方法的变动和更改。另外，应当理解，本公开中对“一个实施方案”或“实施方案”的引用不应被理解为排除同样结合所述特征的另外的实施方案的存在。例如，结合本文实施方案描述的任何元件可以与本文描述的任何其他实施方案的任何元件组合。

另外，如本文所使用的，术语“基本上”和类似术语用作近似术语而不是程度术语，并且旨在说明本领域普通技术人员将认识到的测量或计算值中的固有偏差。此外，如本文所使用的，当部件被称为在另一部件“上”或“联接至”另一部件时，其可以直接在另一部件上或附接到另一部件上，或者中间部件可以存在于其之间。应该理解，前面描述中的任何方向或参考系仅仅是相对方向或运动。例如，对“上”和“下”或“上方”和“下方”的任何引用仅仅描述相关元件的相对位置或运动。

在权利要求中，装置加功能条款旨在覆盖本文描述的执行所述功能的结构，而不仅仅是结构等同物，还包括等同结构。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以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，钉子和螺钉可以是等效结构。申请人的明确意图是不引用装置加功能对本文的任何权利要求进行任何限制，除了其中权利要求明确地将词语“用于……的装置”与相关联的功能一起使用的那些限制。

Claims (18)

1.一种井下切削工具，其包括：

具有工具轴线的工具主体；

从所述工具主体延伸的至少一个刀片，其包括切削面、尾随面以及在所述切削面与所述尾随面之间延伸的顶面；

第一切削元件，其沿着所述切削面附接到所述至少一个刀片；和

第二切削元件，其沿着所述顶面、从所述第一切削元件向后并在与所述第一切削元件距所述工具轴线相同的径向位置处附接到所述至少一个刀片，

所述第一切削元件和所述第二切削元件中的每一个的工作表面具有在峰高度处的切削齿顶和自所述切削齿顶侧向延伸远离而减小的高度，并且所述第一切削元件至少部分地基于与所述第二切削元件不同的材料性质而具有比所述第二切削元件更大的抗冲击性，其中，所述不同的材料性质包括具有1微米至40微米的平均金刚石晶粒尺寸、1%至15%的粘结剂重量含量或其任意组合的金刚石台，所述第一切削元件包括具有30至40微米之间的平均金刚石晶粒尺寸的金刚石台，所述第二切削元件包括具有小于3微米的平均金刚石晶粒尺寸和2％或更小的粘结剂重量含量的金刚石台。

2.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中所述第二切削元件的切削轮廓延伸直至所述第一切削元件的最外侧切削轮廓。

3.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中所述第一切削元件和所述第二切削元件具有形成在延伸穿过所述齿顶的线和与所述第一切削元件和第二切削元件相切的切削轮廓曲线之间的不同角度。

4.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中所述第一切削元件的尺寸大于所述第二切削元件的尺寸。

5.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中所述第一切削元件和所述第二切削元件的工作表面的刀刃角分别在100度至175度的范围内。

6.根据权利要求5所述的井下切削工具，其中所述第一切削元件的工作表面的刀刃角等于或大于所述第二切削元件的工作表面的刀刃角。

7.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中所述第二切削元件具有比所述第一切削元件更大的耐磨性。

8.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中所述第一切削元件具有比所述第二切削元件小的后倾角。

9.根据权利要求1所述的井下切削工具，其中所述第一切削元件具有比所述第二切削元件小的侧倾角。

10.一种井下切削工具，其包括：

具有工具轴线的工具主体；

从所述工具主体延伸的至少一个刀片，其包括切削面、尾随面以及在所述切削面与所述尾随面之间延伸的顶面；

第一多个切削元件，其沿着所述切削面附接到所述至少一个刀片；和

第二多个切削元件，其沿着所述顶面、从所述第一多个切削元件向后并径向地在所述第一多个切削元件之间附接到所述至少一个刀片，其中，所述第一多个切削元件中的至少一个具有比所述第二多个切削元件中的至少一个更大的抗冲击性，其中，所述第一多个切削元件中的至少一个包括比所述第二多个切削元件中的至少一个大的粘结剂重量含量、比所述第二多个切削元件中的至少一个大的较大的平均金刚石颗粒尺寸或其任意组合的金刚石台，所述第一多个切削元件中的至少一个包括具有30至40微米之间的平均金刚石晶粒尺寸和10%至15%的粘结剂重量含量的金刚石台，所述第二多个切削元件中的至少一个包括具有小于3微米的平均晶粒尺寸和2％或更小的粘结剂重量含量的金刚石台，

所述第一多个切削元件和所述第二切削元件中的每一个的工作表面具有在峰高度处的切削齿顶和自所述切削齿顶侧向延伸远离而减小的高度。

11.根据权利要求10所述的井下切削工具，其中所述第一多个切削元件中的至少一个的尺寸大于所述第二多个切削元件中的至少一个的尺寸。

12.根据权利要求10所述的井下切削工具，其中所述第一多个切削元件中的至少一个和所述第二多个切削元件中的至少一个具有形成在延伸穿过所述齿顶的线和与所述第一切削元件和第二切削元件相切的切削轮廓曲线之间的不同角度。

13.根据权利要求10所述的井下切削工具，其中所述第一多个切削元件中的至少一个的工作表面的刀刃角和所述第二多个切削元件中的至少一个的工作表面的刀刃角在100度至175度的范围内。

14.根据权利要求13所述的井下切削工具，其中所述第一多个切削元件中的所述至少一个的工作表面的刀刃角等于或大于所述第二多个切削元件中的所述至少一个的工作表面的刀刃角。

15.根据权利要求10所述的井下切削工具，其中所述第二多个切削元件中的至少一个具有比所述第一多个切削元件中的至少一个更大的耐磨性。

16.根据权利要求10所述的井下切削工具，其中所述第一多个切削元件中的至少一个具有比所述第二多个切削元件中的至少一个小的后倾角。

17.根据权利要求10所述的井下切削工具，其中所述第一多个切削元件中的至少一个具有比所述第二多个切削元件中的至少一个小的侧倾角。

18.一种井下切削工具，其包括：

工具主体；

从所述工具主体延伸的至少一个刀片，其包括切削面、尾随面以及在所述切削面与所述尾随面之间延伸的顶面；

第一多个切削元件，其沿着所述切削面附接到所述至少一个刀片；和

第二多个切削元件，其沿着所述顶面、从所述第一多个切削元件向后附接到所述至少一个刀片，

所述第一多个切削元件和所述第二多个切削元件中的每一个的工作表面具有在峰高度处的切削齿顶和自所述切削齿顶侧向延伸远离而减小的高度，并且所述至少一个刀片上的所述第一多个切削元件中的至少一个至少部分地基于所述第一多个切削元件中的所述至少一个和所述第二多个切削元件中的至少一个之间不同的材料性质而具有比所述第二多个切削元件中的所述至少一个具有更大的抗冲击性，其中，所述第一多个切削元件包括平均金刚石颗粒尺寸为30至40微米之间的金刚石台并且所述第二多个切削元件包括具有小于3微米的平均金刚石颗粒尺寸和2％或更小的粘结剂重量含量的金刚石台。

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