CN110770410A - 被配置为减少冲击损坏的切削元件以及相关工具和方法 - Google Patents

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Abstract

用于钻地工具的切削元件可以包括衬底以及紧固至所述衬底的一端的多晶超硬磨料材料。所述多晶超硬磨料材料可以包括：第一过渡表面，所述第一过渡表面在相对于所述衬底的中心轴线倾斜的方向上延伸；第二过渡表面，所述第二过渡表面在相对于所述中心轴线倾斜的第二方向上延伸，所述第二方向不同于所述第一方向；以及弯曲的应力减小特征，所述弯曲的应力减小特征位于所述第二过渡表面上。

Description

被配置为减少冲击损坏的切削元件以及相关工具和方法
优先权要求
本申请要求2017年5月2日为“CUTTING ELEMENTS CONFIGURED TO REDUCE IMPACTDAMAGE AND RELATED TOOLS AND METHODS”提交的美国专利申请序列号15/584,943的提交日期的权益。
技术领域
本公开一般来说涉及用于钻地工具的切削元件，携带这种切削元件的钻地工具，以及相关方法。更具体地说，公开的实施方案涉及用于钻地工具的切削元件，所述切削元件可以更好地抵抗冲击损坏，在切削元件内引发有益的应力状态，并改进切削元件的冷却。
背景技术
用于在地下地层中形成井孔的一些钻地工具，诸如固定切削器钻地旋转钻头(也称作“刮刀钻头”)和扩孔器包括切削元件，所述切削元件包括超硬磨料，通常是多晶金刚石复合片(PDC)切削台，所述切削台安装到支撑衬底并紧固到刀片的旋转前导部分。通常诸如通过将切削元件钎焊在形成在刀片的旋转前导部分中的凹穴内而将切削元件固定在适当位置。因为地层材料去除将切削台的地层接合部分暴露于对地下地层的冲击，因此地层接合部分可能破碎，这使切削元件的受冲击的部分变迟钝或甚至裂开，从而导致损失台的实质部分。继续使用可能将切削台的该部分完全磨损掉，从而留下对于去除土地材料不起作用的完全迟钝的表面。
公开内容
在一些实施方案中，用于钻地工具的切削元件可以包括衬底以及紧固至所述衬底的一端的多晶超硬磨料材料。所述多晶超硬磨料材料可以包括：第一过渡表面，所述第一过渡表面在相对于所述衬底的中心轴线倾斜的方向上延伸；第二过渡表面，所述第二过渡表面在相对于所述中心轴线倾斜的第二方向上延伸，所述第二方向不同于所述第一方向；以及弯曲的应力减小特征，所述弯曲的应力减小特征位于所述第二过渡表面上。
在其他实施方案中，钻地工具可以包括主体和紧固至所述主体的切削元件。所述切削元件可以包括衬底以及紧固至所述衬底的一端的多晶超硬磨料材料。所述多晶超硬磨料材料可以包括：第一过渡表面，所述第一过渡表面在相对于所述衬底的中心轴线倾斜的方向上延伸；第二过渡表面，所述第二过渡表面在相对于所述中心轴线倾斜的第二方向上延伸，所述第二方向不同于所述第一方向；以及弯曲的应力减小特征，所述弯曲的应力减小特征位于所述第二过渡表面上。
在其他实施方案中，制造用于钻地工具的切削元件的方法可以涉及将多晶超硬磨料材料成形为包括：第一过渡表面，所述第一过渡表面在相对于衬底的中心轴线倾斜的方向上延伸；第二过渡表面，所述第二过渡表面在相对于所述中心轴线倾斜的第二方向上延伸，所述第二方向不同于所述第一方向；以及弯曲的应力减小特征，所述弯曲的应力减小特征位于所述第二过渡表面上。可以将所述多晶超硬磨料材料紧固至衬底。
附图说明
尽管本公开以特别地指出并清楚地要求保护特定实施方案的权利要求书结束，但是当结合附图阅读时从以下描述可更易于获得在本公开的范围内的实施方案的各种特征和优点，附图中：
图1是钻地工具的透视图；
图2是可与图1的钻地工具一起使用的切削元件的实施方案的透视图；
图3是图2的切削元件的一部分的侧视图；
图4是可与图1的钻地工具一起使用的切削元件的另一实施方案的透视图；
图5是图4的切削元件的一部分的特写透视图；
图6是可与图1的钻地工具一起使用的切削元件的又一实施方案的透视图；
图7是可与图1的钻地工具一起使用的切削元件的再一实施方案的部分剖视透视图；以及
图8是可用于形成根据本公开的切削元件的容器的横截面侧视图。
用于执行本发明的模式
本公开中呈现的图示不意味是任何特定切削元件、钻地工具或其部件的实际视图，而仅仅是用以描述说明性实施方案的理想化表示。因此，附图不一定按比例绘制。
公开的实施方案一般来说涉及用于钻地工具的切削元件，所述切削元件可以更好地抵抗冲击损坏，在切削元件内引发有益的应力状态，并改进切削元件的冷却。更具体地说，公开了切削元件的实施方案，所述切削元件可以包括靠近切削元件的外围的多个过渡表面、位于过渡表面中的一个或多个上的至少一个弯曲的应力减小特征，以及从径向最内部过渡表面返回朝向相应切削元件的衬底延伸的可选凹口。
如本文中所使用，术语“钻地工具”意指并且包括用于在地下地层中形成或扩大井筒期间进行钻探的任何类型的钻头或工具。例如，钻地工具包括固定切削器钻头、牙轮钻头、冲击钻头、取心钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔器、铣削器、刮刀钻头、混合钻头和本领域已知的其他钻头和工具。
如本文中所使用，术语“超硬磨料材料”意指且包括努氏硬度值为约3,000Kgf/mm2(29,420MPa)或更高的任何材料。超硬磨料材料包括例如金刚石和立方氮化硼。超硬磨料材料还可以表征为“超硬”材料。
如本文中所使用，术语“多晶材料”意指且包括包括通过颗粒间键直接键结在一起的多个材料颗粒(即，晶体)的任何结构。材料的个别颗粒的晶体结构可以在多晶材料内的空间中随意地定向。
如本文中所使用，术语“颗粒间键”和“键间结合”意指且包括相邻的超硬磨料材料颗粒中的原子之间的任何直接的原子键(例如，共价键、金属键等)。
如本文中所使用，术语“烧结”意指温度驱使的质传，其可以包括微粒成分的致密化和/或粗大化。例如，烧结通常涉及起始粒子之间的孔隙中的至少一些的收缩和去除，伴随着部分收缩，与相邻粒子之间的聚结和键结相结合。
如本文中所使用，术语“碳化钨”意指含有钨和碳的化学化合物的任何材料组成，诸如WC、W2C和WC与W2C的组合。碳化钨包括例如铸造碳化钨、烧结碳化钨和粗晶碳化钨。
参考图1，示出了钻地工具100的透视图。钻地工具100可以包括主体102，所述主体具有紧固至主体102的切削元件104。图1所示的钻地工具100可以被配置为固定切削器钻头，但可以采用具有紧固至主体的切削元件104的其他钻地工具，诸如先前结合术语“钻地工具”论述的那些钻地工具。钻地工具100可以包括从主体102的剩余部分向外延伸的刀片106，其中排泄槽108旋转地位于相邻刀片106之间。刀片106可以从靠近钻地工具100的旋转轴线110处径向地延伸至在钻地工具100的外围处的计量区域112。刀片106可以从在钻地工具100的前端处的面114纵向地延伸至在钻地工具100的外围处的计量区域112。钻地工具100可以在钻地工具100的尾端处包括与面114纵向地相对的柄部116。柄部116可以具有用于将钻地工具100附接至钻柱的螺纹连接部分，所述螺纹连接部分可以符合工业标准(例如，由美国石油协会(API)颁布的那些工业标准)。
切削元件104可以紧固在形成在刀片106中的凹穴118内。位于排泄槽108中的喷嘴120可以将循环通过钻柱的钻井液朝向切削元件104引导以冷却切削元件104并去除土地材料岩屑。切削元件104可以定位成响应于当将重量施加至钻地工具100时钻地工具100的旋转而接触并去除下面的地层。例如，根据本公开的切削元件104可以是主要或辅助切削元件(即，可以是沿给定切削路径接触下面的地层的第一或第二表面)，并且可以靠近相应刀片106的旋转前导表面122定位或可以在旋转地尾随旋转前导表面122的位置紧固至相应刀片106。
图2是可与图1的钻地工具100一起使用的切削元件130的实施方案的透视图。切削元件130可以包括衬底132和紧固至衬底132的一端136的由多晶超硬磨料材料134制成的台。更具体地说，多晶超硬磨料材料134可以是多晶金刚石复合片(PDC)。衬底132的形状大体上可以是圆柱形。例如，衬底132可以包括围绕衬底132的外围延伸的弯曲侧表面138以及端面140和142。端面140和142可以具有例如圆形或椭圆形形状。端面140和142可以是例如平面的或非平面的。例如，形成衬底132与多晶超硬磨料材料134之间的界面的端面140可以是非平面的。在一些实施方案中，衬底132可以包括在侧表面138与端面140和142中的一个或多个之间，通常在侧表面132与端面142之间过渡的倒角。衬底132可以具有与侧表面138平行地延伸穿过端面140和142的几何中心的中心轴线150。衬底132可以包括适合用于井下钻井环境中的硬的耐磨材料。例如，衬底132可以包括金属、金属合金、陶瓷和/或金属-合金复合物(即，陶瓷金属)材料。作为特定的非限制性实例，衬底132可以包括陶瓷金属，所述陶瓷金属包括胶合在金属或金属合金基质中的碳化钨粒子。
多晶超硬磨料材料134可以包括与衬底132的端面140相接并紧固至端面140的界面表面144。多晶超硬磨料材料134通常可以是盘状的，并且可以包括从界面表面144纵向地延伸远离衬底132的侧表面146。侧表面146可以是弯曲的，并且可以例如与衬底132的侧表面138齐平。
多晶超硬磨料材料134可以包括从侧表面146延伸远离衬底132的第一过渡表面148。第一过渡表面148可以具有截头圆锥形状，并且可以包括本领域中所谓的“倒角”表面。第一过渡表面148可以在相对于衬底132的中心轴线150倾斜的第一方向上延伸远离衬底132。第一过渡表面148可以从在多晶超硬磨料材料134的外围处的侧表面146径向地向内朝向中心轴线150延伸。在一些实施方案中，多晶超硬磨料材料134可以没有侧表面146，使得第一过渡表面148可以在与位于衬底132的端面140附近的界面表面144的相交处(例如，边缘)开始。
多晶超硬磨料材料134还可以包括从第一过渡表面148延伸远离衬底132的第二过渡表面152。第二过渡表面152可以在相对于衬底132的中心轴线150倾斜的第二方向上延伸远离衬底132。第二过渡表面152延伸的第二方向可以不同于第一过渡表面148延伸的第一方向。第二过渡表面148可以从第一过渡表面148的径向最内部范围径向地向内朝向中心轴线150延伸。例如，第二过渡表面148与第一过渡表面148相比可以更快地径向地向内延伸。
在一些实施方案中，诸如图2所示的实施方案，多晶超硬磨料材料134可以包括从第二过渡表面152径向地向内延伸至中心轴线150的切削面154。切削面154可以例如在垂直于中心轴线150的方向上延伸。第一过渡表面148、第二过渡表面152和切削面154中的每一者的横截面形状可以至少基本上类似于但在径向范围上小于衬底132和多晶超硬磨料材料134的侧表面138和146的横截面形状。在一些实施方案中，切削面154可以展现与超硬磨料多晶材料134的暴露表面的剩余部分不同的粗糙度。例如，切削面154与超硬磨料多晶材料134的暴露表面的剩余部分相比可以更粗糙(例如，可以抛光较少程度或具有较不精细的抛光)。更具体地说，切削面154与超硬磨料多晶材料134的暴露表面的剩余部分之间的表面粗糙度的差异可以例如在约1μin Ra与约30μin Ra之间。Ra可以被定义为在评估长度内记录的轮廓高度偏离中线的绝对值的算术平均值。换句话说，Ra是表面波峰和低谷的一组个别测量结果的平均值。作为特定的非限制性实例，切削面154与超硬磨料多晶材料134的暴露表面的剩余部分之间的表面粗糙度的差异可以在约20μin Ra与约25μin Ra之间。作为持续实例，切削面154的表面粗糙度可以在约20μin Ra与约40μin Ra之间，并且超硬磨料多晶材料134的暴露表面的剩余部分的表面粗糙度可以在约1μin Ra与约10μin Ra之间。更具体地说，切削面154的表面粗糙度可以例如在约20μin Ra与约30μin Ra之间，并且超硬磨料多晶材料134的暴露表面的剩余部分的表面粗糙度可以例如在约1μin Ra与约7μin Ra之间。作为特定的非限制性实例，切削面154的表面粗糙度可以在约22μin Ra与约27μin Ra之间(例如，约25μin Ra)，并且超硬磨料多晶材料134的暴露表面的剩余部分的表面粗糙度可以在约1μin Ra与约5μin Ra之间(例如，约1μin Ra)。从第二过渡表面152到切削面154的方向变化，以及在某些实施方案中可选的粗糙度变化可能致使由切削元件130产生的岩屑断裂，从而充当断屑器。
通过利用单个倒角增加相对于切削元件的过渡表面的数量，切削元件130可以增加由与地层的接触引起的脉冲可作用于切削元件的时间。因此，切削元件130可以减小峰值碰撞力，从而减少冲击和碎屑损坏并增加切削元件130的使用寿命。
切削元件130还可以包括位于第二过渡表面152上的弯曲的应力减小特征156。可以设计弯曲的应力减小特征156的大小和形状以在多晶超硬磨料材料134内引发有益的应力状态。更具体地说，弯曲的应力减小特征156可以降低将出现拉伸应力的可能性，并且可以减小在多晶超硬磨料材料134中出现的任何拉伸应力的量值。如图2所示，在一些实施方案中，弯曲的应力减小特征156可以是第二过渡表面152本身的圆角化。
图3是图2的切削元件130的一部分的侧视图。如图2和3所示，在一些实施方案中，第一过渡表面148可以是含倒角的表面。例如，第一过渡表面148可以按恒定斜率从侧表面146朝向中心轴线150(见图2)延伸。更具体地说，第一过渡表面148与中心轴线150(见图2)之间的第一锐角θ1可以例如在约30°与约60°之间。作为特定的非限制性实例，第一过渡表面148与中心轴线150(见图2)之间的第一锐角θ1可以在约40°与约50°之间(例如，约45°)。如在平行于中心轴线150(见图2)的方向上测量的第一过渡表面148的第一厚度T1可以例如在如在相同方向上测量的多晶超硬磨料材料134的总厚度T的约5％与约20％之间。更具体地说，第一过渡表面148的第一厚度T1可以例如在多晶超硬磨料材料134的总厚度T的约7％与约15％之间。作为特定的非限制性实例，第一过渡表面148的第一厚度T1可以在多晶超硬磨料材料134的总厚度T的约8％与约12％之间(例如，约10％)。作为另一实例，第一过渡表面148的第一厚度T1可以在约0.014英寸(约0.36mm)与约0.018英寸(约0.46mm)之间。更具体地说，第一过渡表面148的第一厚度T1可以例如在约0.015英寸(约0.38mm)与约0.017英寸(约0.43mm)之间。作为特定的非限制性实例，第一过渡表面148的第一厚度T1可以为约0.016英寸(约0.41mm)。
在一些实施方案中，第二过渡表面152可以是截断的圆顶形状，诸如图2和3所示的形状。例如，第二过渡表面152的斜率从第一过渡表面148到切削面154可以至少基本上连续地，并且以至少基本上恒定的速率变化。更具体地说，第二过渡表面152的曲率半径R2可以例如在约0.02英寸(约0.51mm)与约0.13英寸(约3.3mm)之间。作为特定的非限制性实例，第二过渡表面152的曲率半径R2可以例如在约0.06英寸(约1.5mm)与约0.1英寸(约2.5mm)之间(例如，约0.08英寸(约2mm))。如在平行于中心轴线150(见图2)的方向上测量的第二过渡表面152的第二厚度T2可以大于第一过渡表面148的第一厚度T1，并且可以例如在如在相同方向上测量的多晶超硬磨料材料134的总厚度T的约5％与约50％之间。更具体地说，第二过渡表面152的第二厚度T2可以例如在多晶超硬磨料材料134的总厚度T的约15％与约45％之间。作为特定的非限制性实例，第二过渡表面152的第二厚度T2可以在多晶超硬磨料材料134的总厚度T的约20％与约35％之间(例如，约30％)。作为另一实例，第二过渡表面152的第二厚度T2可以在约0.01英寸(约0.25mm)与约0.05英寸(约1.3mm)之间。更具体地说，第二过渡表面152的第二厚度T2可以例如在约0.02英寸(约0.51mm)与约0.04英寸(约1.0mm)之间。作为特定的非限制性实例，第二过渡表面152的第二厚度T2可以为约0.03英寸(约0.76mm)。
图4是可与图1的钻地工具100一起使用的切削元件160的另一实施方案的透视图。在一些实施方案中，诸如图4所示的实施方案，第二过渡表面162在从第一过渡表面148延伸到切削面154时可以不弯曲。例如，当第二过渡表面162在相对于中心轴线150倾斜的方向上从侧表面146延伸至切削面154时，第二过渡表面162的斜率可以是恒定的。
如图4所示，弯曲的应力减小特征156可以包括位于第二过渡表面162上并从第二过渡表面162凸出的凸块164的图案。凸块164的周边可以是任何形状，诸如圆形、三角形、四边形等。作为特定的非限制性实例，如在给定凸块164的几何中心处与第二过渡平面152相切的平面中观察到的，图4所示的给定凸块164的周边可以是大体圆形的。每个凸块164可以从第二过渡表面152向外鼓起，并且在其延伸远离第二过渡表面152时形状可以是弧形的。在给定凸块164的外围处的点之间的最大距离D可以例如在第二过渡表面152的最小长度L的约90％与约100％之间，所述最小长度是在第二过渡表面与侧表面146或界面表面144与切削面154的相交处之间测量的。更具体地说，在给定凸块164的外围处的点之间的最大距离D可以例如在第二过渡表面152的最小长度L的约95％与约100％之间，所述最小长度是在第二过渡表面与侧表面146或界面表面144与切削面154的相交处之间测量的。作为特定的非限制性实例，在给定凸块164的外围处的点之间的最大距离D可以是第二过渡表面152的最小长度L的约100％，所述最小长度是在第二过渡表面与侧表面146或界面表面144与切削面154的相交处之间测量的。在给定凸块164的外围处的点之间的最大距离D可以例如在约0.001英寸(约0.025mm)与约0.02英寸(约0.51mm)之间。更具体地说，在给定凸块164的外围处的点之间的最大距离D可以例如在约0.005英寸(约0.13mm)与约0.015英寸(约0.38mm)之间。作为特定的非限制性实例，在给定凸块164的外围处的点之间的最大距离D可以在约0.008英寸(约0.20mm)与约0.012英寸(约0.30mm)之间(例如，约0.01英寸(约0.25mm))。
凸块164可以围绕第二过渡表面152定位的频率可以例如在约每90°一个与约每90°十个之间。更具体地说，凸块164可以围绕第二过渡表面152定位的频率可以例如在约每90°两个与约每90°八个之间。作为特定的非限制性实例，凸块164可以围绕第二过渡表面152定位的频率可以例如在约每90°三个与约每90°七个之间(例如，约每90°五个)。围绕第二过渡表面152的圆周定位的凸块164的总数量可以例如在约四个与约40个之间。更具体地说，围绕第二过渡表面152的圆周定位的凸块164的总数量可以例如在约八个与约32个之间。作为特定的非限制性实例，围绕第二过渡表面152的圆周定位的凸块164的总数量可以例如在约12个与约28个之间(例如，约20个)。
图5是图4的切削元件160的一部分的特写透视图。如图4和5所示，在一些实施方案中，第二过渡表面152可以是含倒角的表面。例如，第二过渡表面152可以按恒定斜率从侧表面146朝向中心轴线150(见图4)延伸。更具体地说，第二过渡表面152与中心轴线150(见图4)之间的第二锐角θ2可以例如在约30°与约89°之间。作为特定的非限制性实例，第一过渡表面148与中心轴线150(见图2)之间的第一锐角θ1可以在约50°与约70°之间(例如，约60°)。
凸块164的外表面的曲率半径R2可以例如在约0.02英寸(约0.51mm)与约0.13英寸(约3.3mm)之间。更具体地说，凸块164的外表面的曲率半径R2可以例如在约0.06英寸(约1.5mm)与约0.1英寸(约2.5mm)之间。作为特定的非限制性实例，凸块164的外表面的曲率半径R2可以是例如约0.08英寸(约2.0mm)。在一些实施方案中，每个凸块164具有相同的曲率半径R。在其他实施方案中，至少一个凸块164可以具有与至少另一凸块164的曲率半径不同的曲率半径R。
图6是可与图1的钻地工具100一起使用的切削元件170的又一实施方案的透视图。如图6所示，弯曲的应力减小特征156可以包括形成在第二过渡表面172中的波形174。更具体地说，第二过渡表面172可以从第一过渡表面148延伸至距衬底132最远的在第二过渡表面172的纵向最上部范围处的波状边缘176。波状边缘176可以展现例如正弦形状。波形174的表面178可以从波状边缘176径向地向内朝向中心轴线150延伸。波形174的表面178还可以从波状边缘176纵向地朝向衬底132延伸，使得表面178在相对于中心轴线150倾斜的第三方向上延伸。更具体地说，波形174的波谷可以在垂直于中心轴线150的径向方向上延伸，并且波形174的波峰可以在相对于中心轴线150倾斜的径向方向上延伸，使得波峰的高度随着距中心轴线150的径向距离的减小而减小。除了在切削元件170内引发有益的应力状态之外，波形174还可以增加多晶超硬磨料材料134上的流体流动，从而改进冷却并促进岩屑的去除。
波形174的表面178可以与平面表面180相交，所述平面表面垂直于纵向轴线150延伸并与纵向轴线150相交。平面表面180可以与第一过渡表面148与第二过渡表面172之间的相交处限定的边缘位于例如沿着纵向轴线150的相同位置。平面表面180的直径d可以例如在超硬磨料多晶材料134的最大直径dmax的约10％与约50％之间。更具体地说，平面表面180的直径d可以例如在超硬磨料多晶材料134的最大直径dmax的约20％与约40％之间。作为特定的非限制性实例，平面表面180的直径d可以例如在超硬磨料多晶材料134的最大直径dmax的约25％与约35％之间(例如，约30％)。在一些实施方案中，平面表面180可以展现与超硬磨料多晶材料134的暴露表面的剩余部分不同的粗糙度。例如，平面表面180与超硬磨料多晶材料134的暴露表面的剩余部分相比可以更粗糙(例如，可以抛光较少程度或具有较不精细的抛光)。从波形174的表面178到平面表面180的方向变化，以及在某些实施方案中可选的粗糙度变化可能致使由切削元件170产生的岩屑断裂，从而充当断屑器。
波形174的频率可以例如在约每180°一个波峰与约每90°十个波峰之间。更具体地说，波形174的频率可以例如在约每90°两个波峰与约每90°八个波峰之间。作为特定的非限制性实例，波形174的频率可以例如在约每90°三个波峰与约每90°七个波峰之间(例如，约每90°五个波峰)。
在切削元件170包括波形174的实施方案中，诸如图6所示的实施方案，切削元件170的接触下面的地层的第一部分可以是波形174的被施加在钻地工具100(见图1)上的重量迫使进入地层中的一个或多个波峰。因此，最初接触地层的表面积可以减小，这可以增大在地层中引发的应力以便在其中较好地引起和传播裂缝。
图2至6中所示的切削元件的各种特征可以彼此组合。例如，根据本公开的切削元件可以包括图2和3的弯曲的第二过渡表面152结合图4和5的凸块164、图6的波形174，或两者。作为另一实例，根据本公开的切削元件可以包括图4和5的凸块164结合图2和3的弯曲的第二过渡表面152、图6的波形174，或两者。
图7是可与图1的钻地工具100一起使用的切削元件210的再一实施方案的部分剖视透视图。在一些实施方案中，诸如图7所示的实施方案，波形214的表面212可以从波状边缘176纵向地延伸远离衬底132，使得表面212在相对于中心轴线150倾斜的第四方向上延伸。更具体地说，波形214的波峰可以在垂直于中心轴线150的径向方向上延伸，并且波形214的波谷可以在相对于中心轴线150倾斜的径向方向上延伸，使得波谷的深度随着距中心轴线150的径向距离的减小而减小。
图8是可用于形成根据本公开的切削元件130、160和170的容器190的横截面侧视图。容器190可以包括最内部杯形部件192、配合的杯形部件194，和最外部杯形部件196，所述杯形部件可以被组装和型锻和/或焊接在一起以形成模具容器190。杯形部件192、194和196中的一个或多个可以包括将形成在第二过渡表面152、162、172上的弯曲的应力减小特征156的反向部198。例如，图8中所示的最内部杯形部件192可以包括图6中所示的波形174或图7中所示的波形214的反向部198。
当形成切削元件130、160或170时，可以将超硬磨料材料的粒子200与反向部198邻近地定位在容器190中。可以诸如通过将晶体材料的粒子与超硬磨料材料的粒子200混合或将晶体材料块(例如，箔)定位成邻近超硬磨料材料的粒子200来将晶体材料定位在具有超硬磨料材料的粒子200的容器中。可以将预形成的衬底或衬底前驱物材料202靠近超硬磨料材料的粒子200定位在容器190中。接着可以闭合容器190，并且使整个组合件经受热量和压力以烧结超硬磨料材料的粒子200，从而形成多晶超硬磨料材料134(见图2-7)并将其紧固至衬底132(见图2-7)。
由于本文中所示的弯曲的应力减小特征156，可以减小切削元件130、160、170和210内的应力，且具体地说是拉伸应力的出现。例如，发明人已对切削元件130、160、170和210中的至少一者经历的应力建模，并且弯曲的应力减小特征156可以将切削元件130、160、170和210内的峰值拉伸应力减小至少15％。更具体地说，弯曲的应力减小特征156可以将峰值拉伸应力减小约15％与约50％之间。作为特定的非限制性实例，弯曲的应力减小特征156可以将峰值拉伸应力减小约25％与约45％之间(例如，约30％)。预期切削元件130、160、170和210中的其他将表现得即使不比模拟结果好也与模拟结果类似。
在本公开的范围内的额外的非限制性实施方案包括以下各项：
实施方案1：一种用于钻地工具的切削元件，包括：衬底；以及多晶超硬磨料材料，所述多晶超硬磨料材料紧固至所述衬底的一端，所述多晶超硬磨料材料包括：第一过渡表面，所述第一过渡表面在相对于所述衬底的中心轴线倾斜的方向上延伸；第二过渡表面，所述第二过渡表面在相对于所述中心轴线倾斜的第二方向上延伸，所述第二方向不同于所述第一方向；以及弯曲的应力减小特征，所述弯曲的应力减小特征位于所述第二过渡表面上。
实施方案2：实施方案1的切削元件，其中所述弯曲的应力减小特征包括所述第二过渡表面的圆角化，使得所述第二过渡表面的斜率从所述第一过渡表面到垂直于所述中心轴线延伸的所述多晶超硬磨料材料的切削面连续地变化。
实施方案3：实施方案2的切削元件，其中所述第二过渡表面的曲率半径在0.042英寸(约1.1mm)与0.13英寸(约3.3mm)之间。
实施方案4：实施方案1的切削元件，其中所述弯曲的应力减小特征包括从所述第二过渡表面向外延伸的突出部。
实施方案5：实施方案4的切削元件，其中所述突出部围绕所述第二过渡表面的圆周以重复的图案按每90°一个与每90°十个之间的频率定位。
实施方案6：实施方案4或实施方案5的切削元件，其中在相应突出部的几何中心处至少基本上垂直于所述第二过渡表面的平面中看时，每个突出部的周边是圆形的。
实施方案7：实施方案1的切削元件，其中所述弯曲的应力减小特征包括围绕所述第二过渡表面的圆周延伸的波形。
实施方案8：实施方案7的切削元件，其中所述波形的定位成与下面的地层接合并从所述第二过渡表面朝向所述中心轴线径向地延伸的表面朝向所述衬底成锥形。
实施方案9：实施方案8的切削元件，其中所述波形的所述表面从所述第二过渡表面延伸到所述多晶超硬磨料材料的平面表面，所述平面表面垂直于所述中心轴线定向并且靠近所述中心轴线定位。
实施方案10：实施方案7至9中任一实施方案的切削元件，其中所述波形的频率在每180°一个与每90°十个之间。
实施方案11：实施方案1至10中任一实施方案的切削元件，其中在平行于所述中心轴线的方向上测量的所述第二过渡表面的最大厚度在0.01英寸(约0.25)与0.05英寸(约1.3mm)之间。
实施方案12：一种钻地工具，包括：主体；以及切削元件，所述切削元件紧固至所述主体，所述切削元件包括：衬底；以及多晶超硬磨料材料，所述多晶超硬磨料材料紧固至所述衬底的一端，所述多晶超硬磨料材料包括：第一过渡表面，所述第一过渡表面在相对于所述衬底的中心轴线倾斜的方向上延伸；第二过渡表面，所述第二过渡表面在相对于所述中心轴线倾斜的第二方向上延伸，所述第二方向不同于所述第一方向；以及弯曲的应力减小特征，所述弯曲的应力减小特征位于所述第二过渡表面上。
实施方案13：实施方案12的切削元件，其中所述弯曲的应力减小特征包括所述第二过渡表面的圆角化，使得所述第二过渡表面的斜率从所述第一过渡表面到垂直于所述中心轴线延伸的所述多晶超硬磨料材料的切削面连续地变化。
实施方案14：实施方案13的切削元件，其中所述第二过渡表面的曲率半径在0.042英寸(约1.1mm)与0.13英寸(约3.3mm)之间。
实施方案15：实施方案12的切削元件，其中所述弯曲的应力减小特征包括从所述第二过渡表面向外延伸的突出部。
实施方案16：实施方案15的切削元件，其中所述突出部围绕所述第二过渡表面的圆周以重复的图案按每90°一个与每90°十个之间的频率定位。
实施方案17：实施方案15或实施方案16的切削元件，其中在相应突出部的几何中心处至少基本上垂直于所述第二过渡表面的平面中看时，每个突出部的周边是圆形的。
实施方案18：实施方案12的切削元件，其中所述弯曲的应力减小特征包括围绕所述第二过渡表面的圆周延伸的波形。
实施方案19：实施方案18的切削元件，其中所述波形的定位成与下面的地层接合并从所述第二过渡表面朝向所述中心轴线径向地延伸的表面朝向所述衬底成锥形。
实施方案20：实施方案19的切削元件，其中所述波形的所述表面从所述第二过渡表面延伸到所述多晶超硬磨料材料的平面表面，所述平面表面垂直于所述中心轴线定向并且靠近所述中心轴线定位。
实施方案21：实施方案18至20中任一实施方案的切削元件，其中所述波形的频率在每180°一个与每90°十个之间。
实施方案22：实施方案12至21中任一实施方案的切削元件，其中在平行于所述中心轴线的方向上测量的所述第二过渡表面的最大厚度在0.01英寸(约0.25mm)与0.05英寸(约1.3mm)之间。
实施方案23：一种制造用于钻地工具的切削元件的方法，包括：将多晶超硬磨料材料成形为包括：第一过渡表面，所述第一过渡表面在相对于衬底的中心轴线倾斜的方向上延伸；第二过渡表面，所述第二过渡表面在相对于所述中心轴线倾斜的第二方向上延伸，所述第二方向不同于所述第一方向；以及弯曲的应力减小特征，所述弯曲的应力减小特征位于所述第二过渡表面上；以及将所述多晶超硬磨料材料紧固至衬底。
实施方案24：实施方案23的方法，其中使所述多晶超硬磨料材料成形包括将前驱物材料定位到展现所述多晶超硬磨料材料的最终形状的反向部的容器中以及烧结所述前驱物材料以形成所述多晶超硬磨料材料。
实施方案25：实施方案23或实施方案24的方法，其中将所述多晶超硬磨料材料成形为包括所述弯曲的应力减小特征包括将所述多晶超硬磨料材料成形为包括所述第二过渡表面的圆角化，使得所述第二过渡表面的斜率从所述第一过渡表面到垂直于所述中心轴线延伸的所述多晶超硬磨料材料的切削面连续地变化。
实施方案26：实施方案23或实施方案24的方法，其中将所述多晶超硬磨料材料成形为包括所述弯曲的应力减小特征包括将所述多晶超硬磨料材料成形为包括从所述第二过渡表面向外延伸的突出部。
实施方案27：实施方案23或实施方案24的方法，其中将所述多晶超硬磨料材料成形为包括所述弯曲的应力减小特征包括将所述多晶超硬磨料材料成形为包括围绕所述第二过渡表面的圆周延伸的波形。
实施方案28：技术方案27的方法，将所述多晶超硬磨料材料成形为包括所述波形包括使所述波形的表面朝向衬底成锥形，所述波形的所述表面定位成与下面的地层接合并从所述第二过渡表面朝向所述中心轴线径向地延伸。
实施方案29：技术方案28的方法，其中使所述波形的所述表面成锥形包括使所述波形的所述表面成锥形以从所述第二过渡表面延伸到所述多晶超硬磨料材料的平面切削面，所述平面切削面垂直于所述中心轴线定向并且靠近所述中心轴线定位。
实施方案30：实施方案23至29中任一实施方案的方法，其中将所述多晶超硬磨料材料成形为包括所述第二过渡表面包括将在平行于所述中心轴线的方向上测量的所述第二过渡表面的最大厚度呈现为在0.01英寸(约0.25mm)与0.05英寸(约1.3mm)之间。
尽管已经结合图式描述了某些说明性实施方案，但是本领域技术人员应认识到并了解，本公开的范围不限于本公开中明确示出和描述的那些实施方案。而是，可以对本公开中描述的实施方案进行许多添加、删除和修改以产生在本公开的范围内的实施方案，诸如特别要求保护的实施方案，包括合法等效物。另外，一个公开的实施方案中的特征可以与另一公开的实施方案的特征组合，同时仍在本公开的范围内，如发明人所预期的。

Claims (20)

1.一种用于钻地工具的切削元件，所述切削元件包括：
衬底；以及
多晶超硬磨料材料，所述多晶超硬磨料材料紧固至所述衬底的一端，所述多晶超硬磨料材料包括：
第一过渡表面，所述第一过渡表面在相对于所述衬底的中心轴线倾斜的方向上延伸；
第二过渡表面，所述第二过渡表面在相对于所述中心轴线倾斜的第二方向上延伸，所述第二方向不同于所述第一方向；以及
弯曲的应力减小特征，所述弯曲的应力减小特征位于所述第二过渡表面上。
2.如权利要求1所述的切削元件，其中所述弯曲的应力减小特征包括所述第二过渡表面的圆角化，使得所述第二过渡表面的斜率从所述第一过渡表面到垂直于所述中心轴线延伸的所述多晶超硬磨料材料的切削面连续地变化。
3.如权利要求2所述的切削元件，其中所述第二过渡表面的曲率半径在1.1mm与3.3mm之间。
4.如权利要求1所述的切削元件，其中所述弯曲的应力减小特征包括从所述第二过渡表面向外延伸的突出部。
5.如权利要求4所述的切削元件，其中所述突出部围绕所述第二过渡表面的圆周以重复的图案按每90°一个与每90°十个之间的频率定位。
6.如权利要求4所述的切削元件，其中在相应突出部的几何中心处至少基本上垂直于所述第二过渡表面的平面中看时，每个突出部的周边是圆形的。
7.如权利要求1所述的切削元件，其中所述弯曲的应力减小特征包括围绕所述第二过渡表面的圆周延伸的波形。
8.如权利要求7所述的切削元件，其中所述波形的定位成与下面的地层接合并从所述第二过渡表面朝向所述中心轴线径向地延伸的表面朝向所述衬底成锥形，所述波形的所述表面从所述第二过渡表面延伸到所述多晶超硬磨料材料的平面表面，所述平面表面位于与所述波形的波谷距所述衬底相同的距离处，所述平面表面垂直于所述中心轴线定向并且靠近所述中心轴线定位。
9.如权利要求7所述的切削元件，其中所述波形的定位成与下面的地层接合并从所述第二过渡表面朝向所述中心轴线径向地延伸的表面远离所述衬底成锥形，所述波形的所述表面从所述第二过渡表面延伸到所述多晶超硬磨料材料的平面表面，所述平面表面位于与所述波形的波峰距所述衬底相同的距离处，所述平面表面垂直于所述中心轴线定向并且靠近所述中心轴线定位。
10.如权利要求7所述的切削元件，其中所述波形的频率在每180°一个与每90°十个之间。
11.如权利要求1至10中任一项所述的切削元件，其中在平行于所述中心轴线的方向上测量的所述第二过渡表面的最大厚度在0.25mm与1.3mm之间。
12.一种钻地工具，所述钻地工具包括：
主体；以及
切削元件，所述切削元件紧固至所述主体，所述切削元件包括：
衬底；以及
多晶超硬磨料材料，所述多晶超硬磨料材料紧固至所述衬底的一端，所述多晶超硬磨料材料包括：
第一过渡表面，所述第一过渡表面在相对于所述衬底的中心轴线倾斜的方向上延伸；
第二过渡表面，所述第二过渡表面在相对于所述中心轴线倾斜的第二方向上延伸，所述第二方向不同于所述第一方向；以及
弯曲的应力减小特征，所述弯曲的应力减小特征位于所述第二过渡表面上。
13.如权利要求12所述的钻地工具，其中所述弯曲的应力减小特征包括所述第二过渡表面的圆角化，使得所述第二过渡表面的斜率从所述第一过渡表面到垂直于所述中心轴线延伸的所述多晶超硬磨料材料的切削面连续地变化。
14.如权利要求12所述的钻地工具，其中所述弯曲的应力减小特征包括从所述第二过渡表面向外延伸的突出部。
15.如权利要求14所述的钻地工具，其中所述突出部围绕所述第二过渡表面的圆周以重复的图案按每90°一个与每90°十个之间的频率定位。
16.如权利要求12所述的钻地工具，其中所述弯曲的应力减小特征包括围绕所述第二过渡表面的圆周延伸的波形。
17.如权利要求16所述的钻地工具，其中所述波形的定位成与下面的地层接合并从所述第二过渡表面朝向所述中心轴线径向地延伸的表面朝向所述衬底成锥形，所述波形的所述表面从所述第二过渡表面延伸到所述多晶超硬磨料材料的平面表面，所述平面表面位于与所述波形的波谷距所述衬底相同的距离处，所述平面表面垂直于所述中心轴线定向并且靠近所述中心轴线定位。
18.如权利要求16所述的钻地工具，其中所述波形的定位成与下面的地层接合并从所述第二过渡表面朝向所述中心轴线径向地延伸的表面远离所述衬底成锥形，所述波形的所述表面从所述第二过渡表面延伸到所述多晶超硬磨料材料的平面表面，所述平面表面位于与所述波形的波峰距所述衬底相同的距离处，所述平面表面垂直于所述中心轴线定向并且靠近所述中心轴线定位。
19.如权利要求16所述的钻地工具，其中所述波形的频率在每180°一个与每90°十个之间。
20.如权利要求12至19中任一项所述的钻地工具，其中在平行于所述中心轴线的方向上测量的所述第二过渡表面的最大厚度在0.25mm与1.3mm之间。
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