CN109505522B - 具有非平面表面的切削元件和结合所述切削元件的工具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有非平面表面的切削元件和结合所述切削元件的工具。一种切削元件，包括：主体；非平面切削面，所述非平面切削面形成于所述主体的第一端上；以及刃部，所述刃部绕着所述切削面的周界形成。所述切削面包括中心凸起部分，并且所述刃部具有刃角，所述刃角被限定在所述切削面与所述主体的侧表面之间。所述刃角绕着所述切削面的所述周界变化，并且包括锐角刃角，所述锐角刃角由所述切削面的从所述刃部向下延伸到与切削角相距一定深度处的一部分限定。所述刃部的限定所述锐角刃角的所述部分可以紧邻：所述切削元件的侧表面；所述切削元件的斜角；或在所述切削元件的所述周界或所述斜角处的平坦区域。

Description

具有非平面表面的切削元件和结合所述切削元件的工具
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月5日提交的美国专利申请号62/554,128的权益和优先权，所述申请明确以这种引用方式整体并入本文。
技术领域
本发明涉及切削元件和结合切削元件的工具。
背景技术
固定切削件钻头在石油业和采矿业中广泛用于在地球地层中钻出井筒。这类钻头包括钻头主体，所述钻头主体具有在第一端处用于附接到钻柱的螺纹连接部，以及在相对端处形成用于在地球地层中钻井的切削结构。切削结构包括刀片，所述刀片从钻头主体的纵向轴线径向向外延伸。超硬复合片切削件安装在形成于刀片中的凹窝中，并且通过钎焊附连到所述凹窝。流体端口也定位在钻头主体中以将流体分配到钻头的切削结构周围，以便在钻井期间冷却切削件并且将地层岩屑从切削件和井眼底部冲走。
用于固定切削件钻头的切削件可以包括超硬复合片，所述超硬复合片包括超硬材料层，所述超硬材料层经由高压/高温工艺结合到含较小硬度的材料的衬底。例如，可以形成切削件，所述切削件具有衬底或支撑板块，所述衬底或支撑板块由碳化物(例如，碳化钨)制成；以及超硬切削表面层或“工作台面”，所述超硬切削表面层或“工作台面”由聚晶金刚石或聚晶氮化硼材料制成，所述材料在界面表面处沉积到或以其他方式结合到衬底。切削件通常是具有圆形截面的圆柱体形式。
在将切削件安装在钻头上的过程中，在设定到钻头主体中的切削件的深度与可用于钻井的剩余切削件暴露之间存在着折衷。切削件通常被安装成有约一半的切削件主体被暴露出来用于钻井，而另一半被嵌入在刀片内。在切削件可能逐渐暴露于高冲击负荷的钻井应用中，诸如在钻探在剪切方面存在困难的岩石地层中或在高速钻井应用中，超过一半的切削件主体表面可以嵌入在刀片内的凹窝中，以提供足够的钎焊强度来使切削件在钻井期间保持于适当的位置。
发明内容
本发明内容被提供来介绍以下在具体实施方式中进一步描述的概念选集。本发明内容既不意图标识要求保护的主题的关键或必要特征，也不意图用来帮助限制要求保护的主题的范围。
根据一些实施方案，切削元件包括主体；非平面切削面，所述非平面切削面形成于主体的第一端上；以及刃部，所述刃部绕着切削面的周界形成。切削面包括中心凸起部分，并且刃部具有刃角，所述刃角被限定在切削面与主体的侧表面之间。刃角绕着切削面的周界变化，并且包括锐角刃角，所述锐角刃角由切削面的从刃部向下延伸到与切削角相距一定深度处的一部分限定。
根据一个或多个另外的实施方案，切削元件包括主体；非平面切削面；以及刃部，所述刃部绕着非平面切削面的周界延伸。可以在主体的基部表面与非平面切削面之间测量高度，并且所述高度可绕着周界变化。刃部的第一部分延伸成高于刃部的第二部分，并且在非平面切削面与主体的侧表面之间限定的刃角在刃部的第一部分的至少一个部段中小于90°，并且在刃部的第二部分处大于90°。
在一些实施方案中，切削元件包括衬底和切削层。切削层处于衬底上，并且限定切削刃、与衬底相对的非平面切削面和在切削刃与非平面切削面之间的界面处的耐冲击特征。
另一个示例切削元件包括衬底、衬底上的界面处的切削层和形成于与界面相对的切削层上的非平面切削面。非平面切削面包括至少三个凸起部分，所述至少三个凸起部分在沿着与切削元件的整个长度相交的截面平面观察时形成大体呈正弦的截面轮廓。
在另外的实例中，钻头包括主体和限定切削轮廓的切削结构。如本文所公开的切削元件可以处于切削轮廓上。
本公开的实施方案的其他方面和优点将从以下描述和随附权利要求中变得显而易见。
附图说明
图1是根据本公开的实施方案的切削元件的透视图。
图2是根据本公开的实施方案的切削元件的截面图。
图3是根据本公开的实施方案的切削元件的截面图。
图4是根据本公开的实施方案的切削元件的截面图。
图5是根据本公开的实施方案的切削元件的截面图。
图6-1和图6-2是以不同切削深度接合地层的图3的切削元件的截面图。
图7-1至图7-3分别是根据本公开的实施方案的切削元件的透视图、顶视图和截面图。
图8-1至图8-3分别是根据本公开的实施方案的切削元件的透视图和各种截面图。
图9-1和图9-2分别是根据本公开的实施方案的切削元件的截面图和透视图。
图10-1和图10-2分别是根据本公开的实施方案的切削元件的侧视图和顶视图。
图10-3至图10-9是图10-1和图10-2的切削元件的各种截面图。
图11-1至图11-6是根据本公开的另外的实施方案的切削元件的视图。
图12-1至图12-3是根据本公开的实施方案的另一个切削元件的视图。
图13是根据本公开的实施方案的切削元件的示意性顶视图。
图14是根据本公开的实施方案的切削元件的不同切削刃的轮廓的侧视图。
图15示出了根据本公开的实施方案的切削元件。
图16示出了根据本公开的实施方案的钻头。
图17-1和图17-2是根据本公开的实施方案的在切削件凹窝内处于不同定向的切削元件的截面图。
图18示出了根据本公开的实施方案的扩眼器。
具体实施方式
根据本公开的切削元件可以包括具有非平面切削面的切削元件，所述非平面切削面包括在切削面的刃部的一部分周围形成有刃角的几何结构，其中刃角指代沿着刃部在切削面与切削元件的侧表面之间测量的角度。如本文所述，非平面切削面可以包括具有锐角或90°刃角的一个或多个切削刃部分以及具有大于或等于90°的刃角的一个或多个刃部。例如，绕着非平面切削面的周界形成的刃部可以包括呈交替模式的由钝角和/或直角刃角部分间隔开的锐角和/或直角刃角部分。
根据本公开的实施方案的非平面切削面围绕纵向地延伸穿过切削元件的平面可以是对称的。例如，如本文公开的实施方案中的一些中所描述，非平面切削面可以具有沿着垂直于截面轮廓的平面对称的大体呈正弦的截面轮廓。在一些实施方案中，非平面切削面可以具有一个或多个对称面，包括但不限于：两个平面彼此垂直的两个对称面、或三个对称面。另外，根据本公开的实施方案的非平面切削面可以包括绕着切削面的刃部形成的多个刃角部分(例如，构成不到切削面的整个刃部的单一锐角/直角刃角部分以及刃部的具有直角/钝角刃角部分的一个或多个剩余部分，或多个间隔开的锐角/直角刃角部分)，使得绕着切削元件的中心纵向轴线能形成不对称性。
图1和图2分别是根据本公开的实施方案的切削元件的实例的透视图和截面图。图2所示的截面图是在沿着切削元件100的纵向轴线101延伸并与之相交的平面处取得的。切削元件100包括主体110和切削面120，所述切削面120形成于主体110的第一端部处。图1和图2中的切削面120具有波浪状起伏的几何结构，所述几何结构具有中心凸起区域122和两个外部凸起区域124，所述两个外部凸起区域124间隔开来并且处于切削面120的相对侧上。切削面120的起伏的表面几何结构围绕图2中的截面图的平面是对称的，而且围绕垂直于截面平面的某一平面也是对称的，其中两个对称面沿着纵向轴线101延伸并且与之相交。
在所示的实施方案中，切削面120围绕纵向轴线101具有双重旋转对称性(离散的双重旋转对称性)，其中切削元件的几何构造在切削面绕着纵向轴线旋转180°时保持相同。在一些实施方案中，例如当切削面的表面几何结构包括沿着不到切削面的整个周界形成的单一外部凸起区域时，切削面可以是不对称的，从而具有单一旋转对称性(其中切削元件的几何构造在围绕纵向轴线进行完整的360°旋转之后保持相同)。在一些实施方案中，例如当切削面的表面几何结构包括沿着切削面的周界形成的三个外部凸起区域时，切削面可以具有三重旋转对称性(其中切削元件的几何构造在切削面绕着纵向轴线旋转120°时保持相同)。在一些实施方案中，切削面可以具有四重(或更多重)旋转对称性。
刃部130绕着切削面120的周界形成于切削面120与切削元件100的侧表面112之间的接合处。在一些实施方案中，诸如图1和图2所示，刃部130可以包括倒角或斜角132，所述倒角或斜角132形成于切削面120与侧表面112之间的接合处，而在其他实施方案中，刃部的至少部分可以在切削面和侧表面的接合处形成为不具有斜角。
刃部130的形状可以根据其沿着与刃部相交且垂直于刃部处的侧表面的平面的截面轮廓来描述。例如，刃部的轮廓可以包括在切削面与刃部处的侧表面部分之间的弯曲过渡、形成于切削面与刃部处的侧表面部分之间的接合处的斜角、或在切削面与刃部处的侧表面部分之间的倾斜过渡。另外，刃部可以具有在切削元件的切削面与侧表面之间限定的刃角。例如，如图2所示，在刃部130处与切削面120相切的线和在刃部130处与侧表面112相切的线相交以限定刃角134。在所示的实施方案中，刃角134绕着切削面120的周界变化。例如，图2的截面轮廓中示出的刃部130的部分具有锐角刃角134。刃部130的其他部分可以具有直角或钝角刃角，诸如图1中沿着刃部130的与切削面120中的中心凸起区域122接界或相邻的部分示出的刃角。
取决于切削元件在切削工具中的定向和在工具与由所述工具接合的地层之间的相对定向，刃部的某些部分可以充当切削刃，所述切削刃接触并接合地层。在一些实施方案中，切削元件可以处于形成于切削工具中的切削件凹窝中，使得刃部的锐角刃角部分构成切削元件的切削刃。在一些实施方案中，切削元件可以定向在形成于切削工具上的切削件凹窝中，使得刃部的直角或钝角刃角部分构成切削元件的切削刃。另外，在一些实施方案中，诸如本文所公开的具有非平面表面几何结构的切削元件可以在切削件凹窝内旋转以改变充当切削刃的刃角部分，从而改变有效的后倾角(或接合角)。在一些实施方案中，具有第一表面几何结构(例如，平面或非平面的表面几何结构)的切削元件可以用本文描述的具有非平面表面几何结构的切削元件更换，以改变充当切削刃的刃角，从而改变切削元件的接合角。
如本文所使用，接合角指代与切削面的接合地层的部分相切的线与垂直于被接合的地层(或工作表面)的线之间测量的角度。切削面的接合地层的部分可以取决于，例如切削元件从其上安置有切削元件的切削工具的最外侧表面突出的距离(伸出高度)以及切削元件的切削深度。在切削元件诸如本文所公开在切削刃处具有非平面切削面几何结构的情况下，沿着非平面切削面的接合区测量的接合角可以沿着切削深度变化。
图3至图5示出了定位在给定定向上的切削元件的三个不同切削轮廓的实例。如所示，虽然每个切削元件定向在相同位置上，但是沿着切削面的接合区的不同表面几何结构相对于被接合的地层提供了不同的接合角。
图3是具有形成于主体310的第一端处的非平面切削面320的切削元件300的截面图。切削元件300可以处于切削件凹窝(未示出)中，并且具有刃部330的构成切削元件的切削刃331的锐角刃角部分。随着切削元件与地层350接合并且移动穿过所述地层，切削面320的接合区321在地层350中延伸切削深度。接合角360被限定在垂直于被切削的地层350的线355与同切削面320的接合区321相切的线325之间。在所示的实施方案中，切削面320的接合区321具有凹入截面轮廓，并且因此接合角360沿着切削深度变化。在一些实施方案中，非平面切削面的接合区的截面轮廓可以具有平面区域，其中在平面区域中，接合角沿着切削深度保持恒定。然而，在一些实施方案中，接合区具有平面区域和非平面区域两者，或可以完全是非平面的，其中接合角可以沿着接合接合区的不同区域的切削深度变化。
根据本公开的实施方案，形成于切削元件的锐角刃角部分处的接合角360可以是正角，例如在具有包括以下中的任一者的下限、上限或下限和上限两者的范围内：0°、2°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、40°、50°或其间的任何值，其中任何相对较小的值可以被选择来与任何相对较大的值进行组合。如果本文公开的接合角就后倾角而言被考虑用于常规切削角，则可能无法实现呈本文描述的值的正后倾角。
另外，在本公开的一些实施方案中，沿着切削深度变化的接合角360可以具有大于2°，例如高达5°、高达10°或更大的差值。例如，沿着具有凹入截面轮廓的接合区形成的接合角可以沿着切削深度具有范围为约5°至约15°或更大的接合角的差异，这取决于凹入截面轮廓的曲率半径。
图4是在与图3的切削元件300相同的定向上(即，在切削元件的纵向轴线与垂直于地层的线之间的角度相等)的切削件凹窝中的切削元件400的截面图，其中切削元件400定位在切削件凹窝中，以使刃部430的直角刃角部分构成切削元件的切削刃431。随着切削元件与地层450接合并且移动穿过所述地层，切削面420的接合区421在地层450中延伸切削深度。接合角460被限定在垂直于被切削的地层450的线455与同切削面420的接合区421相切的线425之间。在所示的实施方案中，切削元件400可以具有形成于主体410的第一端处的非平面切削面420，其中非平面切削面包括在刃部430的相对侧之间延伸的线性脊部，并且其中截面是沿着线性脊部取得的。线性脊部可以具有平面截面轮廓，从而形成直角刃角。在一些实施方案中，其他切削面几何结构可以形成直角刃角，例如平面切削面。
根据本公开的实施方案，形成于切削元件的直角刃角部分处的接合角可以是负角，例如具有包括以下中的任一者的下限、上限或下限和上限两者：0°、-2°、-5°、-10°、-15°、-20°、-25°、-30°或其间的任何值，其中任何相对较小的值可以被选择来与任何相对较大的值进行组合。接合角沿着接合区421的平面截面轮廓可以保持恒定。
图5是在与图3和图4的切削元件300、400相同的定向上的切削件凹窝中的切削元件500的截面图，其中切削元件500定位在切削件凹窝中，以使刃部530的钝角刃角部分构成切削元件的切削刃531。刃部530的钝角刃角部分可以由在刃部530的相对侧之间延伸的凸出脊部形成，其中凸出脊部具有从切削元件500的基部表面向外延伸的凸出轮廓。在一些实施方案中，其他切削面几何结构可以形成钝角刃角，例如从刃部向上且径向向内延伸的平面表面。随着切削元件与地层550接合并且移动穿过所述地层，切削面520的接合区521在地层550中延伸切削深度。接合角560被限定在垂直于被切削的地层550的线555与同切削面520的接合区521相切的线525之间。
根据本公开的实施方案，形成于切削元件的钝角刃角部分处的接合角可以是负角，例如在具有包括以下中的任一者的下限、上限或下限和上限的范围内：-5°、-10°、-15°、-25°、-30°、-40°、-50°或其间的任何值，其中任何相对较小的值可以被选择来与任何相对较大的值进行组合。接合角可以沿着接合区521的凸出截面轮廓变化。在一些实施方案中，沿着切削深度变化的接合角可以具有大于2°，例如高达5°、高达10°或更大的差值。例如，沿着具有凸出截面轮廓的接合区形成的接合角可以沿着切削深度具有范围为约5°至约15°或更大的接合角的差异，这取决于凸出截面轮廓的曲率半径。在平面表面形成接合区截面轮廓的情况下具有钝角刃角的实施方案中，接合角可以沿着切削深度保持恒定或变化。
图3至图5示出了具有根据本公开的实施方案的非平面切削面的切削元件在处于给定定向的切削件凹窝内可以如何旋转并定位来改变切削元件的接合角。类似地，具有第一类型的切削面表面几何结构(例如，平面切削面或非平面切削面)的切削元件可以用具有根据本公开的实施方案的非平面切削面的切削元件更换以改变接合角。
另外，由根据本公开的实施方案的非平面切削面形成的接合角可以根据切削深度来变化。例如，图6-1和图6-2示出了在不同切削深度切削的图3所示的切削元件。由于切削面区域的弯曲轮廓接触被切削的地层350，因此在地层的表面处的在图6-1所示的相对较深的切削深度处的接合角360要相对小于在地层的表面处的在图6-2所示的相对较浅的切削深度处的接合角360。
根据本公开的实施方案的非平面切削面可以包括起伏的表面几何结构，其中相对凸起的部分形成切削元件的刃部的两个相对侧。在一些实施方案中，至少一个凸起部分可以形成于刃部处的外部凸起部分之间并且由相对凹陷的部分间隔开。例如，呈脊的形状的单一中心凸起部分可以间隔在切削元件刃部处的外部凸起部分之间，或超过一个脊部可以间隔在切削元件刃部的外部凸起部分之间，其中每个凸起部分彼此可以由相对凹陷的部分间隔开来。在一些实施方案中，单一中心凸起部分可以是圆顶形状的，即中心凸起部分并不延伸穿过切削元件的整个直径，而是可以与整个外周隔开一定距离。可以设想的是，单一中心凸起部分可以是或不是轴对称的。在一些实施方案中，单一中心凸起部分可以延伸穿过切削件的整个宽度或直径，但是在其他实施方案中，单一中心凸起部分可以沿着切削件的部分宽度或直径延伸。在凸起部分延伸穿过切削件的部分宽度或直径的实施方案中，凸起部分可以从外刃朝向切削面的中心或轴线延伸，或可以从切削面的中心在朝向外刃的相反方向中的单一方向上或每一个方向上径向向外延伸。
图7-1至图7-3分别是根据本公开的实施方案的具有非平面切削面620的切削元件600的透视图、顶视图和截面图。非平面切削面620具有起伏的表面几何结构，其中相对凸起的部分622形成切削元件的刃部630的两个相对侧，并且中心凸起部分624形成于外部凸起部分622之间并且经由相对凹陷的部分626与所述外部凸起部分间隔开来。非平面切削面620的中心凸起区域624形成脊部，所述脊部在切削面620的周界的相对侧之间延伸并且延伸穿过切削面620的中心区域。
根据本公开的实施方案的非平面切削面几何结构可以形成于椭圆形圆柱体形状的主体610上，诸如图7-1至图7-3所示，或形成于具有其他几何结构的主体，诸如圆柱形形状的主体(例如，如图1和图2所示的主体)或圆角的矩形棱柱形状的主体上。如所示，切削元件主体610包括侧表面612，所述侧表面612在刃部630处接合切削面620。刃部630具有锐角刃角660部分，所述锐角刃角660部分在外部凸起部分622处形成于与锐角刃角部分处的切削面相切的线625与同侧表面612相切的线之间。锐角刃角660是在例如大于35°、大于45°或大于60°和高达89°的范围内。
根据本公开的实施方案，切削元件刃部的一部分可以具有锐角刃角，所述锐角刃角由切削面的从刃部向下朝向切削面的中心区域延伸到与切削刃相距一定深度处的一部分限定。例如，如图7-3的截面图所示，形成于刃部630处的锐角刃角部分可以由切削面的从刃部630向下朝向切削面的中心区域延伸到深度640的凸起部分622限定。深度640的范围可以是例如约0.5cm至约2cm。在一些实施方案中，锐角刃角部分的深度可以是切削元件的总深度的少于2％、少于5％、或少于10％。
另外，本公开的切削元件可以在衬底上在界面处包括切削层，其中切削面形成于与界面相对的切削层上。切削面的形成锐角刃角部分的一部分可以从刃部向下朝向切削面的中心区域延伸到一定深度，所述深度的范围为切削层的总厚度的少于约5％、少于25％、少于50％、少于75％、至少5％、至少10％、至少50％、至少75％或在5％与75％之间。
例如，图8-1至图8-3示出了根据本公开的实施方案的切削元件900，所述切削元件900包括主体，所述主体在衬底916上在界面915处具有切削层914。切削面920形成于与界面915相对的切削层914上。刃部930形成于切削面920和侧表面912的接合处，其中刃部930绕着切削面920的周界延伸。刃部930(例如，相对于界面915或衬底916的基部)具有不同高度，其中刃部的至少一个高部分932具有锐角刃角，所述锐角刃角沿着刃部930的高部分932形成于切削面920的一部分与切削元件900的侧表面912之间。(形成高部分932的)锐角刃角部分由切削面920的从刃部930向下朝向切削面920的较低点或较低区域延伸到高度940的一部分形成。深度940在一些实施方案中可以是切削层914的总厚度918的少于50％。
刃部930还包括低部分934，其中刃部的低部分934是直角刃角部分，所述直角刃角部分具有沿着刃部的直角刃角部分形成于切削面920的(具有平面截面轮廓的)平面部分与切削层914的侧表面912之间的直角。在一些实施方案中，刃部的低部分可以是钝角刃角部分，所述钝角刃角部分具有沿着刃部的低部分形成于切削面的凸出部分与切削元件的侧表面之间的钝角。在其他实施方案中，刃部的低部分也可以是锐角刃角部分，所述锐角刃角部分具有沿着刃部的低部分形成于切削面的凹入部分与切削元件的侧表面之间的锐角。在这类实施方案中，刃部的一个或多个高部分可以由在与形成刃部的一个或多个低部分的切削面的部分相比较时，具有从刃部的一个或多个高部分朝向切削面的中心区域延伸的相对更小的曲率半径(或更陡的倾斜平面表面)的切削面的部分形成。
仍然参考图8-1至图8-3，两个低部分934处于线性凹陷区域926的外端，其中线性凹陷区域926将形成刃部930的高部分932的两个外部凸起部分间隔开来。线性凹陷区域926延伸穿过切削面920的小直径902，并且沿着穿过小直径902取得的截面具有平面截面轮廓，其中切削面920的平面部分形成直角刃角部分(参见图8-3的截面)。穿过大直径904取得的切削面920的截面轮廓(参见图8-2所示的截面)具有凹入轮廓，其中切削面920从高部分932向下朝向切削面的中心区域(线性凹陷区域926)延伸到深度940。凹入轮廓可以具有曲率半径，所述曲率半径的范围可以为例如高达大直径904的两倍、高达大直径904的四倍、高达大直径904的六倍、或高达大直径904的八倍。在其他实施方案中，凹入轮廓可以包括线性区段，所述线性区段形成分段连续的轮廓。
根据本公开的实施方案的切削元件的刃部可以具有绕着整个刃部形成的斜角(诸如图8-1至图8-3中的刃部930中示出的斜角)，或斜角/倒角可以绕着不到整个刃部的刃部形成，诸如沿着刃部的高部分形成。在一些实施方案中，弯曲过渡表面可以形成于切削面和切削元件的侧表面的接合处。过渡表面，诸如斜角、倒角或弯曲过渡表面可以具有与切削元件的尺寸相比较相对更小的尺寸，并且因此在测量切削面的直径和切削元件的侧表面的高度时可以忽略或近似忽略。例如，斜角或弯曲过渡表面的高度可以少于切削元件的总高度的2％，或在一些实施方案中少于5％，并且径向距离可以少于1％、或在一些实施方案中少于3％。
在图8-1至图8-3所示的实施方案中，界面915是平面的，其中切削层914的厚度在刃部930的高部分932处最大，并且沿着刃部930的凹陷区域926和低部分934最小。在一些实施方案中，衬底与切削层之间的界面可以是非平面的。例如，界面可以具有在形状和定向上对应于切削元件的非平面切削面的非平面的几何结构。在这类实施方案中，切削层的厚度沿着整个切削层可以是均匀的。在一些实施方案中，界面可以具有在形状和/或定向上不对应于非平面切削面的非平面的几何结构。
根据本公开的实施方案，切削元件可以包括倾斜侧表面，所述倾斜侧表面在从切削元件的基部表面朝向切削元件的切削面的方向上径向向外延伸。切削元件的整个侧表面或不到整个侧表面可以在从基部表面朝向切削元件的切削面的方向上向外倾斜。例如，如图8-1至图8-3所示，侧表面912的绕着切削层914的一部分可以是倾斜的，而绕着衬底916的整个侧表面912可以与切削元件900的纵向轴线平行。侧表面912的绕着切削层914的倾斜部分在从界面915到刃部930的高部分932的方向上径向向外延伸。侧表面912的其余部分与切削元件的纵向轴线平行地从界面915延伸到切削元件的基部表面，并从刃部930的低部分934延伸到切削元件的基部表面。
在一些实施方案中，切削元件的衬底的侧表面可以与切削元件的纵向轴线基本上平行地延伸，并且绕着切削元件的切削层的整个周界的侧表面可以在径向向外的方向上从界面延伸到刃部。在一些实施方案中，切削元件的整个侧表面可以从切削元件的基部表面径向向外延伸到切削元件的切削面。在一些实施方案中，绕着切削元件周界的一个或多个部分的侧表面可以具有从基部表面到切削面的向外倾斜的轮廓，而侧表面的一个或多个其他部分可以基本上平行于纵向轴线从基部表面延伸到切削面。
例如，图9-1和图9-2是示例切削元件200的视图，所述切削元件200具有侧表面212的从基部表面213向外倾斜到切削元件200的切削面刃部230的一部分。切削元件200具有根据本公开的实施方案的非平面切削面220，其中侧表面212包括在从基部表面213到切削面220的方向上向外倾斜的部分217，以及与切削元件200的中心纵向轴线201平行的部分215。切削面220的截面轮廓具有正弦形状，其中截面轮廓处于沿着中心纵向轴线201延伸并与之相交的平面。由凹陷区域226间隔开的两个外部凸起部分222和中心凸起部分224形成正弦截面轮廓。
两个外部凸起部分222和中心凸起部分224延伸相同高度并且绕着刃部230形成最高部分。然而，在其他实施方案中，形成非平面切削面的凸起部分可以延伸不同高度。外部凸起部分222形成刃部230的第一高部分和第二高部分，并且中心凸起部分224穿过切削面从刃部230的第三高部分线性地延伸到刃部230的第四高部分。侧表面212的向外倾斜部分217在基部表面213至沿着外部凸起部分222形成的第一高部分和第二高部分之间延伸，并且侧表面212的平行于纵向轴线的部分215在基部表面213至刃部230的第三高部分和第四高部分之间延伸。
根据本公开的实施方案，切削元件可以包括主体、非平面切削面、在主体的基部表面与非平面切削面之间测量的高度以及绕着非平面切削面的周界延伸的刃部，其中刃部的高度绕着周界变化。刃部的第一部分可以延伸成高于刃部的第二部分，并且在非平面切削面与刃部的第一部分处的主体的侧表面之间限定的刃角可以小于90°。在一些实施方案中，非平面切削面的形成刃部的第一部分的第一部分可以具有弯曲区域，使得非平面切削面的弯曲区域可以在刃部的第一部分处具有凹入轮廓以形成小于90°的刃角(锐角刃角)。在一些实施方案中，非平面切削面的形成刃部的第一部分的第一部分可以具有从刃部向下倾斜一定深度的平面区域，使得非平面切削面的平面区域可以在刃部的第一部分处具有平面轮廓以形成小于90°的刃角。
刃部的第二部分处的刃角可以大于或等于90°。例如，在一些实施方案中，非平面切削面的形成刃部的第二部分的第二部分可以具有弯曲区域，使得非平面切削面的弯曲区域可以在刃部的第一部分处具有凸出轮廓以形成大于90°的刃角(钝角刃角)。根据本公开的实施方案的非平面切削面可以相对于延伸穿过刃部的第二部分和切削元件的中心纵向轴线的平面具有对称几何结构。
图10-1至图10-9示出了根据本公开的实施方案的切削元件的实例。图10-1是切削元件700的侧视图，并且图10-2是切削元件700的顶视图。图10-3至图10-9是沿着图10-2所示的截面F-F、E-E、D-D、C-C、B-B、A-A和中心-中心取得的切削元件700的截面图。切削元件700具有主体710、非平面切削面720、在主体的基部表面713与非平面切削面720之间测量的高度705以及绕着非平面切削面720的周界延伸的刃部730。刃部的高度705绕着周界变化，其中刃部730的第一部分732可以延伸成高于刃部730的第二部分734。在非平面切削面720与刃部的第一部分732处的主体710的侧表面712之间限定的刃角可以小于90°，并且刃部的第二部分734处的刃角可以大于或等于90°。
切削面720的凸出的凸起部分724可以形成于切削面720的中心区域处，间隔在刃部的具有小于90°的刃角的两个第一部分732之间并且间隔在刃部的具有约90°的刃角的两个第二部分734之间。凸出的凸起部分724延伸小于刃部730的第一部分732的高度。另外，刃部的第二部分734也延伸小于第一部分732的高度。在一些实施方案中，第二部分734还可以延伸小于凸出的凸起部分724的高度，但是所述第二部分在其他实施方案中可以高于凸出的凸起部分724。
根据本公开的实施方案，切削元件可以包括主体、非平面切削面、在主体的基部表面与非平面切削面之间测量的高度以及绕着非平面切削面的周界延伸的刃部，其中刃部的高度绕着周界变化。刃部可以包括两个或更多个高部分，所述两个或更多个高部分具有形成于非平面切削面与主体的侧表面之间的锐角刃角，其中高部分绕着刃部间隔开来。
在一些实施方案中，切削元件的端部处的高部分可以包括邻近锐角刃角部分的平面的、平坦的、或直角的表面。图11-1至图11-5例如示出了根据本公开的一些实施方案的切削元件1300的各种视图。图11-1是切削元件1300的透视图，并且图11-2和图11-3是切削元件1300的侧视图。图11-4是切削元件1300的顶视图，并且图11-5是图11-2的切削元件1300的刃部的凸起部分的放大图。
切削元件1300类似于图10-1和图10-2的切削元件700，并且具有主体1310、非平面切削面1320(具有两个外部凸起区域1332和中心凸起部分1336)以及绕着非平面切削面1320的周界延伸的刃部1330。刃部1330的高度绕着切削元件1300的周界变化，其中刃部1330的第一凸起部分1332可以延伸成高于刃部1330的第二凹陷部分1334。在所示的实施方案中，切削元件1330还包括第三中心凸起部分1336。第三部分1336可以是在切削元件1300的中心中的圆顶部(参见图11-4)、穿过切削元件1300的脊部(与图13相比较)或另一种形状的凸起部分。
切削元件1300与图10-1和图10-2的切削元件700的不同之处在于：第一部分1332在与斜角1331的相交处(或如果不存在斜角1331，则与侧表面的相交处)可能不具有小于90°的刃角。更确切地说，第一部分1332可以包括大体平坦的部分1335和任选的倾斜部分1339。平坦部分1335的(在平坦部分1335与切削元件1330的侧部之间测量的)刃角可以为约90°，而倾斜部分1339的刃角1337可以是锐角。如在与倾斜部分1339相切的线与切削元件1330的侧部之间所测量的锐角刃角1337在这个实施方案中是在大于35°、大于45°、或大于60°和高达89°的范围内。例如，锐角刃角1337可以是在65°与75°之间。
在第一部分1332处，非平面切削面1320可以是分段连续的。例如，邻近刃部1330，第一凸起部分1332可以开始于平坦的顶表面，并且(例如，以50°至85°的锐角刃角1337)过渡到第二凹陷部分1334的凹谷中。已发现平坦部分1335可提供增加的刃部耐久性，并且平坦部分的尺寸可以变化来实现特定应用所希望的切削效率和耐久性。如图11-4所示，平坦部分1335在一些实施方案中形成为弦形区，或弦形平坦部。平坦部分1335的径向长度1333(即，在平坦部的最内侧部分与外侧表面之间的距离)在一些实施方案中是在0.25mm至4mm之间、在0.5mm与2.5mm之间、或在1mm与2mm之间的范围内。在一些实施方案中，长度1333被表述为切削元件1300的直径的百分率，或表述为椭圆形切削元件的大直径或小直径的百分率。例如，长度1333可以是在具有包括以下中的任一者的下限、上限或下限和上限的范围内：直径的2％、5％、8％、10％、13％、17％、20％或其间的任何值。在一些实施方案中，长度1333可以是在切削元件1300的直径(或宽度)的2.5％与13.5％之间、3.5％与7.5％之间、或5％与10％之间。
虽然平坦部分1335已被描述为弦形区，但是在其他实施方案中，平坦部分1335可以具有其他形状。例如，平坦部分1335可能并不延伸穿过整个弦宽度。在其他实施方案中，平坦部分1335可以是环形的，并且绕着切削刃1330的整个或部分周边延伸。在这类实施方案中，平坦部分1335的长度1333可以绕着切削刃1330的整个或部分周边大体保持恒定，而不是像图11-4所示那样具有可变长度1333，所述可变长度1333在中心处最大并且朝向每个外端减小。在其他实施方案中，长度1333可以绕着环形或其他形状的平坦区域1335变化。
图11-1至图11-6中示出了两个平坦区域1335；然而，更多或更少的平坦区域1335可以用于其他实施方案中。例如，在一些实施方案中，可以包括三个或四个平坦区域1335，并且所述三个或四个平坦区域1335沿着切削刃1330的周边以相等或不等的角间隔隔开来。在其他实施方案中，可以使用单一平坦区域(例如，环形平坦区域)。在其他实施方案中，可以在提供到切削刃1330的周边覆盖量，而不是平坦区域的数量的方面描述平坦区域1335。例如，如图11-4所示，平坦区域1335中的一个可以延伸来提供在切削刃1330的40°与60°之间的周边覆盖区1338。两个平坦区域1335因此可以提供在切削刃330的80°与120°之间(即，在切削刃1330的外周的约20％与约35％之间)的覆盖区。然而，如本文所述，平坦区域1335的数量、长度和形状可以变化。因此，通过增大或减小平坦区域1335的长度1333，或通过增大或减小平坦区域1335的数量，覆盖量可以是在包括下限、上限或下限和上限的范围内，所述下限、上限或下限和上限包括以下中的任一者：切削刃周边或周界的5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和100％或其间的任何值。例如，在一些实施方案中，一个或多个平坦区域1335的总的周边覆盖区1338大于20％、小于75％、在5％与75％之间、在10％与50％之间、或在25％与30％之间。
第三凸起部分1336可以形成于切削面1320的中心区域处，间隔在刃部1320的具有平坦部分1337和倾斜部分1339的两个第一凸起部分1332之间，其中刃角的倾斜部分小于90°。凸起部分1336还可以间隔在刃部的具有约90°或更大的刃角的两个第二凹陷部分1334之间。凸起部分1336可以是凸起的，并且可以延伸小于、等于或大于刃部1330的第一部分1332的高度。另外，刃部的凹陷部分1334也延伸小于凸起部分1332的高度。在一些实施方案中，凹陷部分1334还延伸小于中心凸起部分1336的高度，但是所述凹陷部分在其他实施方案中可以高于凸出的凸起部分1336。
图11-6是具有形成于主体1310的第一端处的非平面切削面1320的切削元件1300的示意性截面图。切削元件1300可以处于切削件凹窝(未示出)中，并且具有刃部1330的形成切削元件的切削刃的一部分的平坦部分1335和锐角刃角部分1339。随着切削元件与地层1350接合并且移动穿过所述地层，切削面1320的接合区1321在地层1350中延伸切削深度。接合角1360被限定在垂直于被切削的地层1350的线1355与同切削面1320的接合区1321中的锐角刃角部分1339相切的线1325之间。在所示的实施方案中，切削面1320的接合区1321具有部分平坦且部分凹入的截面轮廓，并且因此接合角1360沿着切削深度变化。在至少一些实施方案中，平坦区域1335、或在切削刃1330上或在切削刃1330与非平面切削面1320之间的界面处的其他耐冲击特征的径向长度完全在接合区1321内。换言之，切削面1320的切削深度可以大于平坦区域1335的径向长度。
根据本公开的实施方案，形成于切削元件的锐角刃角部分处的接合角1360可以是正角，例如在具有包括以下中的任一者的下限、上限或下限和上限两者的范围内：0°、2°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、40°、50°或其间的任何值，其中任何相对较小的值可以被选择来与任何相对较大的值进行组合。另外，在本公开的一些实施方案中，沿着切削深度变化的接合角1360可以沿着非平坦部分具有大于2°，例如高达5°、高达10°或更大的值的差异。例如，沿着具有凹入截面轮廓1339的接合区形成的接合角可以沿着切削深度具有范围为约5°至约15°或更大的接合角的差异，这取决于凹入截面轮廓的曲率半径。
在一些实施方案中，刃部的凸起部分可以包括多个部分，但是可能不包括平坦部分。图12-1至图12-3例如示出了包括连续分段的锐角部分的切削元件1400的示例实施方案。图12-1是切削元件1400的透视图，图12是切削元件1400的侧视图。图12-3是图12-2的切削元件1400的刃部的凸起部分的放大图。
切削元件1400类似于图11-1至图11-4的切削元件1300，并且具有主体1410、非平面切削面1420和绕着非平面切削面1420的周界延伸的刃部1430。刃部1430的高度绕着切削元件1400的周界变化，其中刃部1430的第一凸起部分1432可以延伸成高于刃部1430的第二凹陷部分1434。在所示的实施方案中，切削元件1430还包括第三中心凸起部分1436。第三部分1436可以是如相对于切削元件1300所论述的在切削元件1400的中心中的圆顶部，可以是穿过切削元件的脊部(与图13相比较)，或可以具有某一其他形状。
切削元件1400与图11-1至图11-5的切削元件1300的不同之处在于：第一部分1432具有分别具有小于90°的刃角1437、1441的两个部分1435、1439。特别地，紧邻着斜角1431的第一倾斜部分1435可以倾斜第一锐角刃角1437。如在与第一倾斜部分1435相切的线与切削元件1430的侧部之间所测量的锐角刃角1437在这个实施方案中是在大于45°、大于60°、或大于70°和高达89°的范围内。例如，锐角刃角1437可以是在60°与89°之间、或在75°与85°之间。第二倾斜部分1435可以邻近第一倾斜部分1435，并且可以朝向凹陷部分1434延伸。第二倾斜部分1435的锐角刃角1441在这个实施方案中是在大于35°、大于45°、或大于60°和高达89°的范围内。例如，锐角刃角1337可以是在50°与80°之间、或在65°与75°之间。
图13是类似于图11-1至图12-3的切削元件1300和1400的切削元件1500的顶视图，并且包括分段连续的具有不同高度部分的非平面切削面。例如，邻近刃部，凸起部分包括第一部段1535和第二部段1539。第一部段1535可以是平面的，并且相对于切削元件1500的侧部成90°角度，或相对于切削元件1500的侧部成锐角刃角。在一些实施方案中，第一部段1535是弦形区。第二部段1539可以是倾斜部段，所述倾斜部段相对于切削元件1500的侧部成小于凸起部分1535的刃角。在一些实施方案中，第二部段1539是由两个弦部界定的区。更靠近第一部段1535的弦部可以处于更高的高程，并且与更远离第一部段1535的弦部相比较具有更短的长度。第二部段1539可以是平面的、凹入的、凸出的，具有其他形状，或包括前述各项的组合。
非平面切削面的凹陷部分1534可以是在第二部段1539与凸起中心部分1536之间。凸起中心部分1536可以延伸穿过切削元件1500的整个宽度来形成脊部。凹陷部分1534也可以由两个弦部界定。两个弦部任选地处于相同高度或高程。凹陷部分1534和/或凸起中心部分1534可以是平面的或弯曲的。例如，凹陷部分1534可以是凹入的，而中心部分1534可以是凸出的。
可以组合使用本文描述的不同实施方案的特征。例如，单一切削工具可以包括不同构造的切削元件。在其他实施方案中，单一切削元件可以包括本文描述的不同特征。图14例如示出了根据本公开的说明性实施方案的四个不同切削刃轮廓的实例。切削刃1601类似于相对于图3、图6-1和图6-2描述的实施方案中的切削刃的切削刃轮廓，并且包括邻近限定锐角刃角的凸起部分的斜角。
切削刃1602大体遵循类似于切削刃1601的路径，并且包括斜角和限定锐角刃角的凸起部分；然而，切削刃1602包括产生两个分开的角度的复合的或分段连续的凸起部分。以此方式，切削刃1602类似于相对于图12-1至图12-3描述的实施方案的切削刃。在一些实施方案中，当与切削刃1601相比较时，切削刃1602可以在切削刃处提供增强的耐冲击性。
切削刃1603类似于相对于图11-1至图11-6描述的实施方案，并且包括邻近凸起部分的斜角。凸起部分包括大体平坦的区域，所述大体平坦的区域过渡到限定锐角刃角的倾斜区域。倾斜区域可以是线性的或弯曲的。平坦区域的长度、倾斜区域的角度等等可以根据包括本文公开的那些的不同实施方案来变化。在由本公开的申请人测试的实施方案中，其中平坦区域的长度是在切削元件的直径的5％与10％之间，并且单一平坦区域覆盖10％到17.5％的切削元件的周边，当与不包括类似平坦区域的诸如切削刃1601的切削刃相比较时，耐冲击性提高了超过300％。因此，在至少一些实施方案中，切削刃处的每个平坦区域还可以被称为耐冲击特征。
切削刃1604是组合了切削刃1602、1603的方面的复合切削刃轮廓。在这个具体实施方案中，切削刃1604包括邻近平坦区域的斜角。平坦区域过渡到倾斜区域，所述倾斜区域自身包括具有两个或更多个分开的角度的分段连续的或复合的部分。在一些实施方案中，邻近平坦区域的径向最外侧倾斜区域的轮廓或截面图可以是线性的，但是这种区域在其他实施方案中可以是带轮廓的(凹入的、凸出的、波浪状的等)。倾斜部分的径向向内部分的轮廓或截面图可以类似地是线性的或带轮廓的。
图15示出了在切削元件主体21的第一端处具有非平面切削面22的切削元件20的另一个实例，其中三个高部分24绕着切削面22的刃部25间隔开来。高部分24中的每一个具有形成于非平面切削面22与主体21的侧表面23之间的锐角刃角。非平面切削面22的在高部分24处的部分可以从刃部25向下并径向向内朝向切削元件20的中心纵向轴线26延伸。高部分24可以绕着刃部25由绕着刃部25形成的相对低部分28间隔开来。直角刃角或钝角刃角可以形成于切削面22与低部分28处的侧表面23之间。
在一些实施方案中，超过三个相对高部分(例如，四个高部分、五个高部分或更多)可以绕着切削元件上的非平面切削面的刃部由所述刃部的三个或更多个相对低部分间隔开来，其中相对高部分可以具有形成于切削面与切削元件的侧表面之间的锐角刃角，并且相对低部分可以具有大于高部分的刃角的刃角。在一些实施方案中，切削元件可以具有绕着非平面切削面的刃部形成的单一相对高部分，其中高部分可以具有锐角刃角，并且刃部的一个或多个剩余部分可以具有大于高部分的刃角的刃角。
根据本公开的实施方案的切削元件可以一种定向紧固到或以其他方式定位在切削工具上以具有选定的有效的后倾角或接合角。例如，图16示出了具有根据本公开的实施方案的切削元件850的钻头800的实例。钻头800包括钻头主体810，所述钻头主体810具有延伸穿过其中的纵向轴线805；以及多个刀片820，所述多个刀片820从主体810向外延伸。切削件凹窝以选定定向形成于刀片820中以接纳切削元件。具有平面切削面862的切削元件860任选地处于切削件凹窝中的一些中，并且具有根据本文公开的实施方案的非平面切削面852的切削元件850安置在一些切削件凹窝中。非平面切削面852包括切削元件刃部的至少一个锐角刃角部分854，所述至少一个锐角刃角部分854被定向为切削刃以在钻井期间接合地层。根据本公开的实施方案，具有如本文所公开的非平面切削面的至少一个切削元件可以处于切削工具，诸如图16所示的钻头800上以形成切削工具的切削轮廓。
在切削元件850、860接合地层时形成于所述切削元件之间的接合角可以取决于其中定位有切削元件的切削件凹窝的定向、以及切削面852、862的表面几何结构。例如，接合角可以通过改变切削件凹窝相对于钻头的定向(改变与切削件凹窝侧壁相切的线相对于切削工具轴线之间的角度)来改变，和/或接合角可以通过改变非平面切削面的表面几何结构(例如，使得选定刃角被提供为切削刃)来改变。在一些实施方案中，形成于地层与非平面切削元件(具有绕着非平面切削面的刃部形成的不同刃角)之间的接合角可以通过使非平面切削元件在切削件凹窝内旋转来改变，以将非平面切削面的不同刃角提供为切削刃。因此，根据本文公开的实施方案的非平面切削元件可以用于改变已经形成的切削工具的切削轮廓上的一个或多个接合角。因此，在一些实施方案中，代替相对于其中形成有切削件凹窝的切削工具设计或改变切削件凹窝定向，以便在切削件凹窝中的切削元件与地层之间提供选定接合角(或除此之外)，根据本公开的实施方案的非平面切削元件可以处于已经形成的切削件凹窝中以使刃角在切削件凹窝中定向在切削刃位置上，以便提供选定接合角。在一些实施方案中，非平面切削元件850、852可以在切削件凹窝处于5°与50°之间或10°与45°之间的后倾角时具有所希望的接合角。这可以将非平面切削元件850、852纳入钻头的牙轮、顶冠、凸肩或保径区域中，或在钻头的牙轮、顶冠、凸肩和保径区域的任何组合中。
图17-1和图17-2示出了可以如何使用根据本公开的实施方案的切削元件来改变接合角的实例。在图17-1和图17-2中，示出了切削元件1000在切削件凹窝1100内的两个不同定向。切削件凹窝1100具有底壁1101(示出为与切削元件1000的基部表面对接)和侧壁1102(示出为与切削元件1000的侧表面对接)，并且沿着切削工具1200的切削部分形成。切削元件1000具有非平面切削面1002，所述非平面切削面1002包括沿着切削面1002的周界的不同刃角。在切削件凹窝1100的第一旋转定向上，切削面1002的第一锐角刃角部分定位为切削元件的切削刃1003，其中切削刃1003处的第一锐角刃角形成正接合角1300。在切削件凹窝1100的第二旋转定向上，切削面1002的第二锐角刃角部分定位为切削刃1003，其中切削刃1003处的第二锐角刃角形成负接合角1302。如所示，由根据本公开的实施方案的切削元件形成的接合角可以在单一切削件凹窝内通过使切削元件在切削件凹窝内旋转来改变，以在切削刃处提供不同刃角部分。在一些实施方案中，根据本公开的实施方案的切削元件可以在单一切削件凹窝内从在切削刃处具有切削元件的锐角刃角部分的位置旋转到在切削刃处具有直角刃角部分的位置和/或在切削刃处具有钝角刃角部分的位置。
另外，如图17-1所示，当其中定位有切削元件1000的切削件凹窝1100以其他方式对常规切削元件进行定向而具有负后倾角时，可以由根据本公开的实施方案的切削元件1000形成正接合角1300。如所示，切削件凹窝1100可以被定向成使与侧壁1102相切的线1103相对于其上安置有切削元件1000的切削工具1200的纵向轴线1202以锐角1400延伸。如果具有平面表面(或有直角刃角部分定位成切削刃)的切削元件处于切削件凹窝1100内，则切削刃处的后倾角将为负。
根据本公开的实施方案，接合角可以通过使根据本公开的实施方案的切削元件在形成于诸如钻头的切削工具上的切削件凹窝内旋转来改变。例如，钻头可以包括钻头主体，所述钻头主体具有延伸穿过其中的纵向轴线；至少一个刀片，所述至少一个刀片从钻头主体向外延伸；切削件凹窝，所述切削件凹窝形成于至少一个刀片的最外侧表面中，切削件凹窝具有侧壁和底壁，其中与侧壁相切的线相对于纵向轴线以锐角向下延伸。非平面切削元件可以安置在切削件凹窝中，其中非平面切削元件可以包括主体、非平面切削面和绕着切削面的周界延伸的切削刃周界，并且其中与切削面的在切削刃处的一部分相切的平面与钻头的纵向轴线形成正接合角(或有效的后倾角)。
根据本公开的实施方案的非平面切削元件可以安置在各种井下切削工具上，包括例如钻头、扩孔器和其他扩眼工具。例如，图18示出了包括本公开的一个或多个切削元件840的扩眼器830的实例。扩眼器830包括工具主体832和多个刀片838，所述多个刀片838围绕所述工具主体的周边安置在选定方位位置上。扩眼器830通常包括连接部834、836(例如，螺纹连接部)，使得扩眼器830可以联接到包括例如钻柱和/或底部钻具组件(BHA)(未示出)的邻近钻井工具。工具主体832通常包括贯穿其中的孔，使得钻井液可以在其从表面(例如，从表面泥浆泵(未示出))泵送到井筒(未示出)的底部时流过扩眼器830。
虽然已经相对于钻头和用于井下应用中的其他切削工具描述了本公开的实施方案，但是本公开并不限于这类环境，并且可以用于包括制造和公用事业管线放置的其他环境中。本文所述的数字、百分率、比率或其他值意图包括所述值，以及还有如本领域的普通技术人员将了解的本公开的实施方案所预期的“约等于”或“近似”所述值的其他值。诸如“约”、“近似”、“大体”等等的所述值或所述项因此应被足够广泛地解释为涵盖至少足够接近所述值、定向或特征以至于能执行所希望的功能或实现所希望的结果的值、定向或特征。所述值、特征和定向至少包括合适的制造或生产工艺中预期的变化，并且还可以包括在所述值、定向或特征的5％内、1％内、0.1％内或0.01％内的偏差。在一个值范围包括下限或上限的情况下，任两个值可以限定范围的边界，或任一个值可以限定上限(例如，高达50％)或下限(至少50％)。
虽然已经相对于提供的附图描述了本公开的实施方案，但是受益于本公开的本领域技术人员将了解，在不脱离本公开和权利要求的范围的情况下可以设想其他实施方案。因此，权利要求的范围应不仅包括所公开的实施方案，而且包括现在已知或稍后发现的特征的这类组合、或在所公开的概念的范围内的等效形式以及致使诸位申请人享有专利保护的权利要求的全部范围。

Claims (15)

1.一种切削元件，所述切削元件包括：
主体；
非平面切削面，所述非平面切削面形成于所述主体的第一端处，所述切削面包括中心凸起区域；以及
刃部，所述刃部绕着所述切削面的周界形成，所述刃部具有在所述切削面与所述主体的侧表面之间限定的刃角，所述刃角绕着所述切削面的所述周界变化，并且所述刃部包括锐角刃角，所述锐角刃角由所述切削面的从所述刃部向下延伸到与切削刃相距一定深度处的一部分限定，
其中，所述锐角刃角由所述切削面的倾斜部分限定，具有不同刃角的区定位在所述倾斜部分与所述刃部的斜角之间，
其中，所述倾斜部分是第一倾斜部分，并且具有所述不同刃角的所述区是具有大于所述第一倾斜部分的锐角刃角的第二倾斜部分，并且
其中，所述具有不同刃角的区绕着切削刃的小于75％的周界延伸。
2.如权利要求1所述的切削元件，所述中心凸起区域包括在所述切削面的所述周界的相对侧之间延伸的脊部。
3.如权利要求1所述的切削元件，所述中心凸起区域与所述切削面的整个周界相距一定距离。
4.如权利要求1所述的切削元件，所述切削面的截面轮廓在沿着所述切削元件的中心纵向轴线延伸并与之相交的平面上具有正弦形状。
5.如权利要求1所述的切削元件，所述主体在衬底上包括切削层，所述切削面形成于与界面相对的所述切削层上。
6.一种切削元件，所述切削元件包括：
主体；
非平面切削面，所述非平面切削面联接到所述主体；
高度，所述高度在所述主体的基部表面与所述非平面切削面之间测量；以及
刃部，所述刃部绕着所述非平面切削面的周界延伸，所述刃部的高度绕着所述周界变化，使得所述刃部的第一部分延伸成高于所述刃部的第二部分，并且在所述非平面切削面与所述主体的侧表面之间限定的刃角在所述刃部的所述第一部分的至少一个部段中小于90°，并且在所述刃部的所述第二部分处大于90°，
其中，所述刃部的所述第一部分的所述至少一个部段包括至少两个部段，所述至少两个部段中的第一部段更靠近所述非平面切削面的所述周界并且具有大于所述至少两个部段中的第二部段的刃角，
其中，所述至少两个部段中的所述第一部段具有在75°与90°之间的刃角，并且
其中，第一部分的第一部段绕着切削刃的小于75％的周界延伸。
7.如权利要求6所述的切削元件，所述刃部的所述第一部分的所述至少一个部段具有凹入轮廓。
8.如权利要求6所述的切削元件，所述刃部的所述第二部分具有凸出轮廓。
9.如权利要求6所述的切削元件，所述至少两个部段中的所述第二部段具有在60°与75°之间的刃角。
10.一种切削元件，所述切削元件包括：
衬底；以及
在所述衬底上的切削层，所述切削层限定切削刃、与所述衬底相对的非平面切削面以及在所述切削刃与所述非平面切削面之间的界面处的至少一个耐冲击特征，其中，该至少一个耐冲击特征绕着切削刃的小于75％的周界延伸，所述非平面切削面包括至少两个凸起部分，所述至少两个凸起部分包括：
中心凸起部分；以及
第一凸起刃部，包括：
最靠近所述切削刃的第一部段，形成所述至少一个耐冲击特征的至少一部分，其中，该第一部段具有相对于切削层的侧表面的第一刃角；和
邻近第一部段的第二部段，具有小于第一刃角的第二刃角。
11.如权利要求10所述的切削元件，其中，第一刃角相对于所述切削层的侧表面限定锐角。
12.如权利要求11所述的切削元件，其中，中心凸起部分相对于所述切削层的所述侧表面限定钝角。
13.如权利要求10所述的切削元件，其中，所述第一凸起刃部的第一部段具有在所述切削层的宽度的5％与10％之间的径向长度。
14.如权利要求13所述的切削元件，其中，所述第一凸起刃部的第一部段绕着所述切削刃的10％到50％的周界延伸。
15.如权利要求10所述的切削元件，所述非平面切削面包括至少两个凸起部分，所述至少两个凸起部分包括：
中心凸起部分；以及
两个凸起刃部，所述两个凸起刃部包括具有不同刃角的第一部段和第二部段，其中最靠近所述切削刃的部分的刃角较大，最靠近所述切削刃的所述部分形成所述耐冲击特征的至少一部分。
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