CN112437827B - 被构造成减少冲击损坏的切削元件以及相关工具和方法-另选构型 - Google Patents

被构造成减少冲击损坏的切削元件以及相关工具和方法-另选构型 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于钻地工具的切削元件，该切削元件包括基底和固定到基底的端部的多晶超级磨料。该多晶超级磨料包括第一过渡表面和弯曲的应力减小特征结构，该第一过渡表面从多晶超级磨料的外周边边缘并在倾斜于基底的中心纵向轴线的第一方向上延伸，该弯曲的应力减小特征结构位于至少第一过渡表面上。另外，弯曲的应力减小特征结构可包括形成于至少第一过渡表面中的起伏边缘和从形成于至少第一过渡表面中的起伏边缘朝向切削元件的中心纵向轴线延伸的波形。

Description

被构造成减少冲击损坏的切削元件以及相关工具和方法-另 选构型
优先权声明
本申请要求2018年7月27日提交的“被构造成减少冲击损坏的切削元件以及相关工具和方法-另选构型(CUTTING ELEMENTS CONFIGURED TO REDUCE IMPACT DAMAGE ANDRELATED TOOLS AND METHODS-ALTERNATE CONFIGURATIONS)”的美国专利申请序列号16/047863的提交日期的权益。
技术领域
本公开整体涉及用于钻地工具的切削元件，涉及承载此类切削元件的钻地工具，并且涉及相关方法。更具体地讲，本发明所公开的实施方案涉及用于钻地工具的切削元件，这些切削元件可更好地抵抗冲击损坏、在切削元件内引起有益的应力状态并改善切削元件的冷却。
背景技术
在地下地层中形成井眼以用于各种目的，包括例如从地下地层开采油和气以及从地下地层开采地热。可使用钻头(诸如钻地旋转钻头)在地下地层中形成井眼。不同类型的钻地旋转钻头是本领域中已知的，包括固定刀具钻头(在本领域中通常被称为“刮刀”钻头)、滚轮钻头(在本领域中通常被称为“牙轮”钻头)、镶金刚石钻头以及混合式钻头(其可包括例如固定刀具和滚轮刀具两者)。使钻头旋转并将钻头推进到地下地层中。当钻头旋转时，钻头的刀具或研磨结构切削、压碎、剪切和/或磨削掉地层材料而形成井眼。钻头所钻出的井眼的直径可由钻头的最大外径处设置的切削结构限定。
钻头直接或间接联接到本领域中称之为“钻杆柱”的端部，该钻杆柱包括一系列首尾相连的细长管状节段，这些细长管状节段从被钻的地下地层上方的地面延伸进入井眼中。各种工具和部件(包括钻头)可在位于被钻的井眼底部的钻杆柱的远端处联接在一起。工具和部件构成的这种组件在本领域中被称为“井底钻具组合”(BHA)。
可通过从地层表面旋转钻杆柱而使钻头在井眼内旋转；或者可通过将钻头联接到井下马达而使钻头旋转，该井下马达还联接到钻杆柱并设置在井眼底部附近。井下马达可包括例如液压莫瓦诺型马达，该液压莫瓦诺型马达具有安装了钻头的轴，通过将流体(例如，钻井泥浆或钻井流体)从地层表面向下泵送穿过钻杆柱的中心、穿过液压马达、从钻头中的喷嘴喷出，并使流体经过钻杆柱的外表面与井眼内暴露的地层表面之间的环形空间向上返回到地层表面，从而可引起钻头旋转。井下马达可在有或没有钻杆柱旋转的情况下操作。
钻地工具中使用的切削元件通常包括多晶金刚石复合片(通常被称为“PDC”)切削元件，其是包括安装到支撑基底并呈现用于接合地下地层的切削面的、多晶金刚石材料的所谓“台面”的切削元件。多晶金刚石(通常被称为“PCD”)材料是包括相互键合的金刚石材料晶粒或晶体的材料。换句话讲，PCD材料包括金刚石材料晶粒或晶体之间的直接晶粒间键。
切削元件通常通过钎焊安装在钻头主体上。钻头主体形成有位于其中的凹陷部(通常被称为“凹坑”)以用于接收每个切削元件的大部分，其方式为使PCD层以适当的后倾角和侧倾角呈现，从而面向预期钻头旋转的方向，进而用于根据钻头设计进行切削。在此类情况下，在切削元件的基底的表面与钻头主体上的其中接收切削元件的凹陷部的表面之间施加钎焊化合物。将切削元件安装在钻头主体中的其相应凹陷部中，并且经由喷灯将热量施加到每个切削元件以将温度升高到足够高的点以便在固定位置中将切削元件钎焊到钻头主体，但温度又不会高到损坏PCD层。切削元件通常固定在适当位置，诸如例如通过将切削元件钎焊在形成于刀片的旋转前导部分中的凹坑内。由于地层材料移除将切削台的地层接合部分暴露于对地下地层的冲击，因此切削元件可能被打缺，这使得切削元件的受冲击部分钝化或甚至碎裂，从而导致台的相当一部分损失。继续使用可能完全磨损掉切削台的该部分，从而留下在去除土质材料方面无效的完全钝的表面。
发明内容
本公开的一些实施方案包括用于钻地工具的切削元件。该切削元件可包括基底和固定到基底的端部的多晶超级磨料。该多晶超级磨料可包括第一过渡表面和弯曲的应力减小特征结构，该第一过渡表面从多晶超级磨料的外周边边缘并在倾斜于基底的中心纵向轴线的第一方向上延伸，该弯曲的应力减小特征结构位于至少第一过渡表面上。
本公开的另一个实施方案包括钻地工具。该钻地工具可包括主体和固定到主体的切削元件。该切削元件可包括基底和固定到基底的端部的多晶超级磨料。该多晶超级磨料可包括第一过渡表面和弯曲的应力减小特征结构，该第一过渡表面从多晶超级磨料的外周边边缘并在倾斜于基底的中心纵向轴线的第一方向上延伸，该弯曲的应力减小特征结构位于至少第一过渡表面上。弯曲的应力减小特征结构可包括形成于至少第一过渡表面中的起伏边缘和从形成于至少第一过渡表面中的起伏边缘朝向基底的中心纵向轴线延伸的波形。
本公开的另外实施方案包括形成用于钻地工具的切削元件的方法。该方法可包括：将多晶超级磨料附接到基底；形成第一过渡表面以从多晶超级磨料的外周边边缘并在倾斜于基底的中心纵向轴线的第一方向上延伸；以及在至少第一过渡表面上形成弯曲的应力减小特征结构。弯曲的应力减小特征结构可包括形成于至少第一过渡表面中的起伏边缘和从形成于至少第一过渡表面中的起伏边缘朝向基底的中心纵向轴线延伸的波形。
附图说明
图1是根据本公开的一个或多个实施方案的使用切削元件组件的钻井系统的示例的简化示意图；
图2是可与图1的钻井系统结合使用的钻地工具的简化透视图；
图3A是根据本公开的一个或多个实施方案的可与图2的钻地工具一起使用的切削元件的透视图；
图3B是图3A的切削元件的一部分的侧视图；
图4是根据本公开的一个或多个实施方案的可与图2的钻地工具一起使用的另一个切削元件的透视图；
图5是根据本公开的一个或多个实施方案的可与图2的钻地工具一起使用的另一个切削元件的正面侧视图；
图6是根据本公开的一个或多个实施方案的切削元件的放大侧剖视图；
图7是根据本公开的一个或多个实施方案的切削元件的剖视图；
图8是根据本公开的一个或多个实施方案的可与图2的钻地工具一起使用的另一个切削元件的正面侧视图；
图9A是根据本公开的一个或多个实施方案的可与图2的钻地工具一起使用的另一个切削元件的透视图；
图9B是图9A的切削元件的侧剖视图；
图10A是根据本公开的一个或多个实施方案的切削元件的放大局部剖视图；并且
图10B是图10A的切削元件的侧剖视图。
具体实施方式
本文所呈现的图示不是任何特定切削元件、工具或钻杆柱的实际视图，而仅仅是用于描述本公开的示例性实施方案的理想化表示。以下描述提供了本公开的实施方案的具体细节，以便提供对其的全面描述。然而，本领域的普通技术人员将理解，可在不使用许多此类具体细节的情况下实施本公开的实施方案。实际上，本公开的实施方案可结合本行业中采用的常规技术来实施。另外，下文提供的描述并不包括形成完整结构或组件的所有元件。下文仅详细描述对理解本公开的实施方案所必需的那些过程动作和结构。可使用附加常规动作和结构。还需注意，该申请附带的任何附图仅用于示例性目的，因此并未按比例绘制。另外，附图之间共同的元件可具有对应数字标号。
如本文所用，术语“具有”、“包括”、“包含”、“以…为特征”及其语法等同物是包含性或开放式术语，这些术语不排除附加未叙述的元素或方法步骤，而是还包括更具限制性的术语“由…组成”、“基本上由…组成”及其语法等同物。
如本文所用，相对于材料、结构、特征或方法动作而言的术语“可”指示这被设想用于实现本公开的实施方案，并且与更具限制性的术语“是”相比优先使用此术语以便避免可与之组合使用的其他兼容材料、结构、特征和方法应当或必须被排除的任何暗示。
如本文所用，术语“被构造”是指以预定方式促进至少一个结构和至少一个装置中的一者或多者的操作的、该结构和该装置中的一者或多者的尺寸、形状、材料组成和布置。
如本文所用，“一个”、“一种”和“该”后的单数形式旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。
如本文所用，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一者或多者的任何和所有组合。
如本文所用，空间相对术语诸如“在…之下”、“在…下方”、“底部”、“在…之上”、“在…上方”、“顶部”等可为了便于描述的目的而使用，以描述如附图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除非另外指明，否则这些空间相对术语旨在涵盖除附图中所描绘的取向之外材料的不同取向。
如本文所用，关于给定参数、特性或条件的术语“基本上”在一定程度上意指并包括：本领域的普通技术人员将理解给定参数、特性或条件是在一定方差度的情况下(诸如在可接受的制造公差内)满足的。作为示例，根据基本上满足的特定参数、特性或条件，该参数、特性或条件可为至少90.0％满足的，至少95.0％满足的，至少99.0％满足的，或甚至至少99.9％满足的。
如本文所用，关于给定参数使用的术语“约”包含所陈述的值并且具有由上下文决定的含义(例如，其包括与给定参数的测量相关联的误差度)。
如本文所用，术语“硬质材料”意指并包括具有约1,000kgf/mm2(9,807MPa)或更大努氏硬度值的任何材料。硬质材料包括例如金刚石、立方氮化硼、碳化硼、碳化钨等。
如本文所用，术语“晶粒间键”意指并包括相邻材料晶粒中的原子之间的任何直接原子键(例如，共价键、金属键等)。
如本文所用，术语“多晶硬质材料”意指并包括任何这样的材料，其包括由晶粒间键直接键合在一起的材料的多个晶粒或晶体。多晶硬质材料的单独晶粒的晶体结构可在多晶硬质材料内的空间中随机地取向。
如本文所用，术语“碳化钨”是指包含钨和碳的化合物的任何材料组合物，诸如例如WC、W2C以及WC和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。
如本文所用，术语“超级磨料”是指并且包括努氏硬度值为约3,000Kgf/mm2(29,420MPa)或更高的任何材料。超级磨料包括例如金刚石和立方氮化硼。超级磨料也可以被表征为“超硬”材料。
如本文所用，术语“钻地工具”意指并包括用于在井眼的形成或扩大期间进行钻削的任何类型的钻头或工具，并且包括例如旋转钻头、冲击钻头、取芯钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩眼器、铣刀、刮刀钻头、牙轮钻头、混合式钻头以及本领域已知的其他钻头和工具。
图1是使用本文所公开的切削元件组件的钻井系统100的示例的示意图。图1示出了井眼110，该井眼可包括其中安装有套管112的上区段111以及用钻杆柱118钻削的下区段114。钻杆柱118可包括管状构件116，该管状构件在其底端处承载钻井组件130。管状构件116可为连续油管，或者可通过接合钻管区段来形成。钻头150(也被称为“领眼钻头”)可附接到钻井组件130的底端以便在地层119中钻削第一更小直径的钻孔142。扩眼钻头160可放置在钻杆柱中的钻头150上方或仰孔上以将钻孔142扩大到第二更大直径的钻孔120。术语井眼和钻孔在本文中用作同义词。
钻杆柱118可在表面167处延伸到钻机180。为了便于解释，所示的钻机180是陆上钻机。本文所公开的装置和方法在海上钻机用于水下钻探时同样适用。旋转台169或顶部驱动装置可使钻杆柱118和钻井组件130旋转，并因此使领眼钻头150和扩眼钻头160旋转，从而分别形成钻孔142和120。钻机180还可包括常规设备，诸如在钻削井眼110时将附加区段添加到管状构件116的机构。表面控制单元190(其可为基于计算机的单元)可放置在表面处，以用于接收并处理钻井组件130所传输的井下数据并且用于控制钻井组件130中的各种设备和传感器170的操作。来自其来源179的钻井流体在压力下泵送穿过管状构件116，该钻井流体在领眼钻头150的底部处排放并且经由钻杆柱118与井眼110的内壁之间的环形空间(也被称为“环带”)返回到表面。
在操作期间，当使钻杆柱118旋转时，领眼钻头150和扩眼钻头160两者均可旋转。领眼钻头150钻削第一更小直径钻孔142，与此同时扩眼钻头160将钻孔142扩大到第二更大直径钻孔120。地球的地下地层可包含由不同岩石结构组成的岩层(其可从软地层变化到极硬地层)，因此可基于在钻井作业中预期遇到的地层来选择领眼钻头150和/或扩眼钻头160。
参见图2，其示出了钻地工具200的透视图。钻地工具200可包括主体202，该主体202具有固定到其上的切削元件204。图2所示的钻地工具200可被构造为固定刀具钻头，但也可采用具有固定到主体的切削元件204的其他钻地工具，诸如例如之前结合术语“钻地工具”讨论的那些。钻地工具200可包括从主体202的其余部分向外延伸的刀片206，其中排屑槽208旋转地定位在相邻刀片206之间。刀片206可从接近钻地工具200的旋转轴线210径向延伸到钻地工具200的周边处的量规区域212。刀片206可在钻地工具200的前端处从面214纵向延伸到钻地工具200的周边处的量规区域212。钻地工具200可包括在钻地工具200的与面214纵向相对的后端处的柄部216。柄部216可具有螺纹连接部分，该螺纹连接部分可符合工业标准(例如，美国石油学会(API)所公布的那些)，用于将钻地工具200附接到钻柱。
切削元件204可固定在形成于刀片206中的凹坑218中。位于排屑槽208中的喷嘴220可将循环穿过钻柱的钻井流体导向切削元件204，以冷却切削元件204并移除土质材料的钻屑。当将重量施加到钻地工具200时，切削元件204可被定位成响应于钻地工具200的旋转而接触和移除下面的土质地层。例如，根据本公开的切削元件204可为主切削元件或辅助切削元件(即，可为在给定切削路径中接触下面的土质地层的第一表面或第二表面)，并且可位于相应刀片206的旋转前导表面222附近，或者可在旋转地拖拽旋转前导表面222的位置固定到相应刀片206。
图3A是可与图2的钻地工具200一起使用的切削元件330的实施方案的透视图。切削元件330可包括基底332(例如基部部分)和固定到基底332的端部336的多晶超级磨料334的台(例如上部部分)。更具体地讲，多晶超级磨料334可为多晶金刚石复合片(PDC)。基底332的形状可为大致圆柱形的。例如，基底332可包括围绕基底332的周边延伸的弯曲侧表面338以及端表面340和342。在一些实施方案中，端表面340和342可具有例如圆形或椭圆形形状。端表面340和342可为例如平面的或非平面的。例如，在基底332与多晶超级磨料334之间形成界面的端表面340可为非平面的。
在一些实施方案中，基底332可包括在弯曲侧表面338与端表面340和342中的一个或多个之间，通常在弯曲侧表面338与端表面342之间过渡的斜面。基底332可具有中心纵向轴线350，该中心纵向轴线平行于弯曲侧表面338延伸穿过端表面340和342的几何中心。基底332可包括适用于井下钻井环境的硬质耐磨材料。例如，基底332可包括金属、金属合金、陶瓷和/或金属-陶瓷复合物(即，“金属陶瓷”)材料。作为具体的非限制性示例，基底332可包括金属陶瓷，该金属陶瓷包括结合在金属或金属合金基质中的碳化钨颗粒。
多晶超级磨料334可包括邻接并固定到基底332的端表面340的面间表面344。多晶超级磨料334可为大致圆盘形的，并且可包括从面间表面344远离基底332纵向延伸的侧表面346。侧表面346可为弯曲的，并且可例如与基底332的弯曲侧表面338齐平。
多晶超级磨料334可包括从侧表面346远离基底332延伸的第一过渡表面348(例如主斜面)。第一过渡表面348可具有截头圆锥形形状，并且可包括在本领域中通常称为“斜面”表面的形状。第一过渡表面348可在倾斜于基底332的中心纵向轴线350的第一方向上远离基底332延伸。另外，第一过渡表面348可从多晶超级磨料334周边处的侧表面346向内朝中心纵向轴线350径向延伸。在一些实施方案中，多晶超级磨料334可没有侧表面346，使得第一过渡表面348可从与面间表面344的交汇处(例如边缘)开始，该面间表面与基底332的端表面340相邻。
在一些实施方案中，多晶超级磨料334还可包括从第一过渡表面348远离基底332延伸的第二过渡表面352(例如辅助斜面)。例如，多晶超级磨料334可包括2017年5月2日提交的授予Borge的美国专利申请号15/584,943中描述的任何第二过渡表面，该专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文。例如，第二过渡表面352可在倾斜于基底332的中心纵向轴线350的第二方向上远离基底332延伸。第二过渡表面352延伸的第二方向可不同于第一过渡表面348延伸的第一方向。第二过渡表面352可在其径向最内范围处从第一过渡表面348向内朝向中心纵向轴线350径向延伸。例如，第二过渡表面352可比第一过渡表面348更快地径向向内延伸。
在一些实施方案中，诸如图3A中所示，多晶超级磨料334可包括从第一过渡表面348或第二过渡表面352径向向内延伸到中心纵向轴线350的切削面354。切削面354可例如在垂直于中心纵向轴线350的方向上延伸。第一过渡表面348、第二过渡表面352和切削面354中的每个可具有至少基本上类似于但在径向范围上小于基底332的弯曲侧表面338和侧表面346以及多晶超级磨料334的横截面形状的横截面形状。
在一些实施方案中，切削面354可表现出与多晶超级磨料334的暴露表面的其余部分不同的粗糙度。例如，切削面354可比多晶超级磨料334的暴露表面的其余部分更粗糙(例如，可抛光较小程度或用较小精细度抛光)。更具体地讲，切削面354与多晶超级磨料334的暴露表面的其余部分之间的表面粗糙度的差异可例如在约1μin Ra和约30μin Ra之间。Ra可被定义为在评估长度内记录的轮廓高度偏离平均线的绝对值的算术平均值。换句话讲，Ra为表面的峰和谷的一组单独测量值的平均值。作为具体的非限制性示例，切削面354与多晶超级磨料334的暴露表面的其余部分之间的表面粗糙度差异可以在约20μin Ra和约25μin Ra之间。作为继续的示例，切削面354的表面粗糙度可在约20μin Ra和约40μin Ra之间，多晶超级磨料334的暴露表面的其余部分的表面粗糙度可在约1μin Ra和约10μin Ra之间。更具体地讲，切削面354的表面粗糙度可例如在约20μin Ra和约30μin Ra之间，并且多晶超级磨料334的暴露表面的其余部分的表面粗糙度可例如在约1μin Ra和约7μin Ra之间。作为具体的非限制性示例，切削面354的表面粗糙度可在约22μin Ra和约27μin Ra之间(例如约25μin Ra)，并且多晶超级磨料334的暴露表面的其余部分的表面粗糙度可在约1μin Ra和约5μin Ra之间(例如约1μin Ra)。从第二过渡表面352到切削面354的方向变化以及在某些实施方案中粗糙度的任选变化可致使由切削元件330产生的钻屑断裂，从而充当断屑器。
通过相对于具有单个斜面的切削元件增加过渡表面的数量，切削元件330可增加由于与土质地层接触而产生的脉冲可作用于切削元件的时间。因此，切削元件330可减小峰值撞击力，从而减少冲击和钻屑损坏并延长切削元件330的使用寿命。
如下文更详细地讨论，在一些实施方案中，切削元件330还可包括形成于并位于至少第一过渡表面348上的弯曲的应力减小特征结构。弯曲的应力减小特征结构的尺寸和形状可被设定成在多晶超级磨料334内引起有益的应力状态。更具体地讲，弯曲的应力减小特征结构可减小将出现拉伸应力的可能性，并且可减小在多晶超级磨料中出现的任何拉伸应力的量值。
图3B是图3A的切削元件330的一部分的侧视图。如图3A和图3B中所示，在一些实施方案中，第一过渡表面348可为斜面化表面。例如，第一过渡表面348可从侧表面346朝向中心纵向轴线350以恒定斜率延伸。更具体地讲，第一过渡表面348与中心纵向轴线350之间的第一锐角θ1可例如介于约30°和约60°之间。作为具体的非限制性示例，第一过渡表面348与中心纵向轴线350之间的第一锐角θ1可介于约40°和约50°之间(例如约45°)。在平行于中心纵向轴线350的方向上测量的第一过渡表面348的第一厚度T1可例如介于在相同方向上测量的多晶超级磨料334的总厚度T的约5％和约20％之间。更具体地讲，第一过渡表面348的第一厚度T1可例如介于多晶超级磨料334的总厚度T的约7％和约15％之间。作为具体的非限制性示例，第一过渡表面348的第一厚度T1可介于多晶超级磨料334的总厚度T的约8％和约12％之间(例如约10％)。作为另一个示例，第一过渡表面348的第一厚度T1可介于约0.20mm和约0.53mm之间。更具体地讲，第一过渡表面348的第一厚度T1可介于例如约0.38mm和约0.43mm之间。作为具体的非限制性示例，第一过渡表面348的第一厚度T1可为约0.41mm。
在一些实施方案中，第二过渡表面352在一些实施方案中可为截顶穹顶形状，诸如图3A和图3B所示。例如，第二过渡表面352的斜率可从第一过渡表面348到切削面354至少基本上连续地并以至少基本上恒定速率变化。更具体地讲，第二过渡表面352的曲率半径R2可例如介于约0.50mm和约3.3mm之间。作为具体的非限制性示例，第二过渡表面352的曲率半径R2可例如介于约1.52mm和约2.54mm之间(例如约2.0mm)。在平行于中心纵向轴线350的方向上测量的第二过渡表面352的第二厚度T2可大于第一过渡表面348的第一厚度T1，并且可例如介于在相同方向上测量的多晶超级磨料334的总厚度T的约5％和约50％之间。更具体地讲，第二过渡表面352的第二厚度T2可例如介于多晶超级磨料334的总厚度T的约15％和约45％之间。作为具体的非限制性示例，第二过渡表面352的第二厚度T2可介于多晶超级磨料334的总厚度T的约20％和约35％之间(例如约30％)。作为另一个示例，第二过渡表面352的第二厚度T2可介于约0.25mm和约1.27mm之间。更具体地讲，第二过渡表面352的第二厚度T2可介于例如约0.50mm和约1.02mm之间。作为具体的非限制性示例，第二过渡表面352的第二厚度T2可为约0.76mm。
在另外的实施方案中，第二过渡表面352可为斜面化表面。例如，第二过渡表面352可从第一过渡表面348朝中心纵向轴线350以恒定斜率延伸。在一个或多个实施方案中，第二过渡表面352(例如，当第二过渡表面352包括截顶穹顶时，第二过渡表面352的至少初始部分)的斜率可相对于切削元件330的中心纵向轴线350所正交的平面限定第二锐角θ2。在一些实施方案中，第二锐角θ2可在约0°和约60°的范围内。作为非限制性示例，第二锐角θ2可在约0°和约30°的范围内。本领域的普通技术人员将会理解，当第二锐角θ2等于0°时，切削元件330不包括第二过渡表面352。选择第二锐角θ2使得能够选择切削元件330的侵入性。
尽管切削元件330在上文中被描述为包括第一过渡表面348和第二过渡表面352两者，但本公开并不限于此。相反，在一些实施方案中，切削元件330可仅包括第一过渡表面348(即，仅一个过渡表面)。例如，在每个实施方案中不要求包括第一过渡表面348和第二过渡表面352两者。
图4是根据本公开的一个或多个实施方案的可与图2的钻地工具200一起使用的切削元件330的透视图。如图4所示，在一些实施方案中，弯曲的应力减小特征结构356可包括形成于切削元件330的至少第一过渡表面348(例如主斜面)中的波形374。更具体地讲，第一过渡表面348可从基底332的侧表面346延伸到在离基底332最远的第一过渡表面348的纵向最上范围处的起伏边缘376。起伏边缘376可表现出例如正弦形状。波形374的表面378可从起伏边缘376径向向内朝向切削元件330的中心纵向轴线350延伸。此外，由于起伏边缘376的正弦形状，波形374的表面378可限定多个谷和多个峰。波形374的表面378也可从起伏边缘376朝向或远离基底332纵向延伸，使得表面378在倾斜于中心纵向轴线350的第三方向上延伸。更具体地讲，在一些实施方案中，波形374的谷可在垂直于中心纵向轴线350的径向方向上延伸，并且波形374的峰可在倾斜于中心纵向轴线350的径向方向上延伸，使得峰的高度随着距中心纵向轴线350的径向距离减小而减小。在另外的实施方案中，波形374的峰可在垂直于中心纵向轴线350的径向方向上延伸，并且波形374的谷可在倾斜于中心纵向轴线350的径向方向上延伸，使得谷的深度随着距中心纵向轴线350的径向距离减小而减小。
在一些实施方案中，起伏边缘376可限定第一过渡表面348的径向最内边缘。例如，起伏边缘376可相对于切削元件330的中心纵向轴线350径向向内和向外起伏。
在包括第二过渡表面352的实施方案中，应力减小特征结构356可从第一过渡表面348延伸并进入第二过渡表面352中。例如，在一些实施方案中，起伏边缘376在第一过渡表面348和第二过渡表面352之间来回起伏。另外，在一些实施方案中，起伏边缘376可完全延伸穿过第二过渡表面352并进入切削元件330的平坦表面中。此外，在一个或多个实施方案中，起伏边缘376可与限定在第一过渡表面348和侧表面346之间的交汇处的边缘相交。在另选的实施方案中，起伏边缘376可与限定在第一过渡表面348和侧表面346之间的交汇处的边缘间隔开至少一些距离。
随着波形374的表面380径向向内延伸，波形374的表面378可与垂直于中心纵向轴线350延伸并与其相交的平坦表面380相交。平坦表面380可位于例如沿中心纵向轴线350的与限定在第一过渡表面348和侧表面346之间的交汇处的边缘相同的位置。在其他实施方案中，平坦表面380可位于沿中心纵向轴线350的与限定在第一过渡表面348和侧表面346之间的交汇处的边缘不同的位置处。平坦表面380的直径d可例如介于多晶超级磨料334的最大直径dmax的约10％和约50％之间。更具体地讲，平坦表面380的直径d可例如介于多晶超级磨料334的最大直径dmax的约20％和约40％之间。作为具体的非限制性示例，平坦表面380的直径d可例如介于多晶超级磨料334的最大直径dmax的约25％和约35％之间(例如约30％)。在一些实施方案中，平坦表面380可表现出与多晶超级磨料334的暴露表面的其余部分不同的粗糙度。例如，平坦表面380可比多晶超级磨料334的暴露表面的其余部分更粗糙(例如，可抛光较小程度或用较小精细度抛光)。从波形374的表面378到平坦表面380的方向变化以及在某些实施方案中粗糙度的任选变化可致使由切削元件330产生的钻屑断裂，从而充当断屑器。
波形374的频率可例如介于约每180°一个峰和每90°约十个峰之间。更具体地讲，波形374的频率可例如介于约每90°两个峰和每90°约八个峰之间。作为具体的非限制性示例，波形374的频率可例如介于约每90°三个峰和约每90°七个峰之间(例如约每90°五个峰)。
在切削元件330包括波形374的实施方案(诸如图4所示的情况)中，切削元件330的接触下面的土质地层的第一部分可为波形374的一个或多个峰，该一个或多个峰通过在钻地工具200上施加的重量而被迫进入土质地层中(图2)。因此，可减小初始接触土质地层的表面积，这可增大在土质地层中引起的应力以更好地在其中引发和传播裂纹。另外，波形374可在切削元件330内引起有益的应力状态，并且波形374可增大在多晶超级磨料334上的流体流动，从而改善冷却并有利于钻屑的移除。鉴于上述情况，应力减小特征结构356可改善切削元件330的切削面354的总体耐久性，并且可减少切削元件330的切削面354经受的磨损。
图5是根据本公开的一个或多个另外实施方案的切削元件330的前视图。如图5所示，应力减小特征结构356的波形374的表面378可延伸到(例如一直延伸到)切削元件330的中心纵向轴线350。换句话讲，在图5所示的实施方案中，切削元件330可不包括垂直于中心纵向轴线350延伸并与其相交的平坦表面。在一些实施方案中，波形374的波的汇合点可相对于第一过渡表面348和/或第二过渡表面352凹陷。在另外的实施方案中，波形374的波的汇合点可相对于波形374的其余部分和/或第一过渡表面348和/或第二过渡表面352轴向向外突出。
使波形374的表面378延伸到切削元件330的中心纵向轴线350可导致切削元件330的部分上的侧负载减小以及切削元件330在钻井操作期间经受的振动减小。因此，使波形374的表面378延伸到中心纵向轴线350可改善切削元件330的总体耐久性。此外，使波形374的表面378延伸到切削元件330的中心纵向轴线350可减小钻井过程期间可能导致波形374和应力减小特征结构356的碎裂和断裂的距离。此外，使波形374的表面378延伸到切削元件330的中心纵向轴线350可导致在钻地工具200的高切削深度处钻头上较少的所需重量(图2)。换句话讲，切削元件330可更有效。同样，使波形374的表面378延伸到切削元件330的中心纵向轴线350可改变波形374过渡到中心纵向轴线350的角度，并且可更有效地分配表面378经受的负载，并且可引起应力减小。
图6是根据本公开的一个或多个实施方案的切削元件330的放大局部剖视图。如图6所示，在一些实施方案中，应力减小特征结构356的起伏边缘376可包括起伏斜面化边缘381。例如，起伏边缘376可包括第三过渡表面。此外，起伏斜面化边缘381可从第一过渡表面348和/或第二过渡表面352(取决于实施方案)延伸并且延伸到波形374的表面378。起伏斜面化边缘381可改善应力减小特征结构356以及因此切削元件330的总体耐久性。
在一些实施方案中，起伏斜面化边缘381的表面可与切削元件330的中心纵向轴线350所正交的平面限定在约10°和约60°的范围内的锐角。具体地讲，该锐角可在约20°和约50°范围内。另外，起伏斜面化边缘381的宽度(例如，起伏斜面化边缘381的平坦部分的宽度)可在约12.7μm和约0.51mm的范围内。例如，起伏斜面化边缘381的宽度可在约25.5μm和约130μm的范围内。
在另外的实施方案中，起伏斜面化边缘381可包括弯曲表面。例如，在一些实施方案中，起伏斜面化边缘381的曲率半径介于约130μm和约1.3mm之间。作为具体的非限制性示例，起伏斜面化边缘381的曲率半径可例如介于约260μm和约1.3mm之间(例如约0.76mm)。在一些实施方案中，起伏斜面化边缘381的宽度和/或曲率半径在起伏斜面化边缘的整个长度可变化尺寸(例如，随着起伏斜面化边缘381遵循波形374的轮廓)。
图7是根据本公开的一个或多个另外实施方案的切削元件330的局部剖视图。如图7所示，在一些实施方案中，波形374的表面378的峰的高度可变化。例如，波形374的表面378的峰的高度或形状可能不一致。换句话讲，波形374的表面378的峰可为不规则的并且可因峰的不同而不同。因此，表面378的谷也可为不规则的并且可因谷的不同而不同。使波形374的表面378的峰为不规则的可改善钻井过程期间波形374的表面378上的钻屑流动。此外，使波形374的表面378的峰为不一致的可使得切削元件330的侵入性能够受到调控并且在切削元件330的切削面354上变化。
图8是根据本公开的一个或多个另外实施方案的切削元件330的前视图。如图8所示，在一些实施方案中，应力减小特征结构356可包括具有偏斜波的波形374。在一些实施方案中，偏斜波可增加切削面354的抗弯刚度。在钻井负荷过大的情况下，波的谷(如果不间断的话)可降低切削面354的挠曲阻力。使波弯曲、倾斜或偏斜以中断图案中相对的谷之间的直线连接可减少从完全对称笔直到中心取向的波元素(例如谷和峰)可能经历的弯曲强度的损失。曲率或倾斜度可介于约10°和30°之间以防止到中心的笔直路径，或介于约30°和60°之间以产生环型特征结构或图案。曲率或倾斜度可跨所有波特征结构为不均匀的，并且可不完全延伸到中心，但仍可提供上述优点。例如，波形374的波的峰和谷两者可为不规则的。例如，波形374的波可朝切削元件330的一个或另一个侧面弯曲。此外，在一些实施方案中，形成波形374的单个峰的相对侧的两个谷可具有不同形状。
图9A是根据本公开的一个或多个另外实施方案的切削元件330的透视图。图9B是图9A的切削元件330的剖视图。一起参见图9A和图9B，在一些实施方案中，应力减小特征结构356可包括阶梯式凹陷部392。此外，阶梯式凹陷部392可包括多个阶梯394，这些阶梯从第一过渡表面348或第二过渡表面352以下降取向朝向切削元件330的中心纵向轴线350延伸并延伸到应力减小特征结构356的基部表面396。在一些实施方案中，与切削元件330的第一过渡表面348和侧表面346的界面处的边缘相比，基部表面396可在轴向上距切削元件330的最上表面更远(如图9B所示)。
在一个或多个实施方案中，基部表面396可为平坦的。在其他实施方案中，基部表面396可包括凸形或凹形表面。在另一些实施方案中，基部表面396可包括上述波形中的任一种波形。此外，本公开的实施方案包括其中形成有阶梯式凹陷部的波形，如图10A和图10B所示。在应力减小特征结构356内包括阶梯式凹陷部392可减少切削元件330的切削面354的波形374的波(例如波的面)上的断裂传播。此外，在应力减小特征结构356中包括阶梯式凹陷部392可为切削元件330提供钻屑断裂能力。阶梯式凹陷部392可限制和/或控制应力减小特征结构356内的断裂传播。
下面描述本公开的附加非限制性示例性实施方案。
实施方案1：一种用于钻地工具的切削元件，该切削元件包括：基底；以及固定到基底的端部的多晶超级磨料，该多晶超级磨料包括：第一过渡表面，该第一过渡表面从多晶超级磨料的外周边边缘并在倾斜于基底的中心纵向轴线的第一方向上延伸；以及位于至少第一过渡表面上的弯曲的应力减小特征结构。
实施方案2：根据实施方案1所述的切削元件，其中弯曲的应力减小特征结构包括：形成于至少第一过渡表面中的起伏边缘；以及从形成于至少第一过渡表面中的起伏边缘朝向切削元件的中心纵向轴线延伸的波形。
实施方案3：根据实施方案2所述的切削元件，其中波形的被定位成与下面的土质地层接合并从第一过渡表面朝向中心纵向轴线径向延伸的表面朝向基底渐缩，波形的该表面从第一过渡表面延伸到多晶超级磨料的平坦表面，该表面与波形的谷距基底的距离相同，该平坦表面垂直于中心纵向轴线取向并位于中心纵向轴线附近。
实施方案4：根据实施方案2所述的切削元件，其中波形的被定位成与下面的土质地层接合并从第一过渡表面朝向中心纵向轴线径向延伸的表面远离基底渐缩，波形的该表面从第一过渡表面延伸到多晶超级磨料的平坦表面，该表面与波形的峰距基底的距离相同，该平坦表面垂直于中心纵向轴线取向并位于中心纵向轴线附近。
实施方案5：根据实施方案2至4中任一项所述的切削元件，该切削元件还包括从第一过渡表面并在倾斜于中心纵向轴线的第二方向上延伸的第二过渡表面，该第二方向不同于第一方向。
实施方案6：根据实施方案5所述的切削元件，其中起伏边缘形成于第一过渡表面和第二过渡表面两者中。
实施方案7：根据实施方案5和6所述的切削元件，其中第二过渡表面与中心纵向轴线所正交的平面限定在约0°和约30°的范围内的锐角。
实施方案8：根据实施方案2至7中任一项所述的切削元件，波形的被定位成接合下面的土质地层并从第一过渡表面朝向中心纵向轴线的径向延伸的表面延伸到中心纵向轴线。
实施方案9：根据实施方案2至8中任一项所述的切削元件，其中起伏边缘包括斜面化起伏边缘。
实施方案10：一种钻地工具，该钻地工具包括：主体；以及固定到主体的切削元件，该切削元件包括：基底；以及固定到基底的端部的多晶超级磨料，该多晶超级磨料包括：第一过渡表面，该第一过渡表面从多晶超级磨料的外周边边缘并在倾斜于基底的中心纵向轴线的第一方向上延伸；以及弯曲的应力减小特征结构，该弯曲的应力减小特征结构位于至少第一过渡表面上并包括：形成于至少第一过渡表面中的起伏边缘；以及从形成于至少第一过渡表面中的起伏边缘朝向基底的中心纵向轴线延伸的波形。
实施方案11：根据实施方案10所述的钻地工具，其中波形限定多个峰和多个谷。
实施方案12：根据实施方案11所述的钻地工具，其中波形的多个峰中的一个或多个峰以及多个谷中的一个或多个谷朝向切削元件的侧面偏斜并弯曲。
实施方案13：根据实施方案10至12中任一项所述的钻地工具，其中弯曲的应力减小特征结构还包括多个阶梯，该多个阶梯形成于波形中并以下降取向从第一过渡表面径向向内延伸。
实施方案14：根据实施方案10至13中任一项所述的钻地工具，其中波形的频率介于每180°一个和每90°十个之间。
实施方案15：根据实施方案10至14中任一项所述的钻地工具，该钻地工具还包括从第一过渡表面并在倾斜于中心纵向轴线的第二方向上延伸的第二过渡表面，该第二方向不同于第一方向。
实施方案16：一种形成用于钻地工具的切削元件的方法，该方法包括：将多晶超级磨料附接到基底；形成第一过渡表面，以从多晶超级磨料的外周边边缘并在倾斜于基底的中心纵向轴线的第一方向上延伸；在至少第一过渡表面上形成弯曲的应力减小特征结构，该弯曲的应力减小特征结构包括：形成于至少第一过渡表面中的起伏边缘；以及从形成于至少第一过渡表面中的起伏边缘朝向基底的中心纵向轴线延伸的波形。
实施方案17：根据实施方案16所述的方法，该方法还包括形成第二过渡表面以从第一过渡表面并在倾斜于中心纵向轴线的第二方向上延伸，该第二方向不同于第一方向。
实施方案18：根据实施方案17所述的方法，其中形成弯曲的应力减小特征结构包括在第一过渡表面和第二过渡表面两者内形成起伏边缘。
实施方案19：根据实施方案17和18中任一项所述的方法，其中形成第二过渡表面包括形成第二过渡表面以与中心纵向轴线所正交的平面限定在约0°和约20°的范围内的锐角。
实施方案20：根据实施方案17至19中任一项所述的方法，其中形成弯曲的应力减小特征结构包括形成波形以延伸到基底的中心纵向轴线。
虽然本文已经相对于某些所示实施方案描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将认识并理解其不受如此限制。相反，可以在不脱离受权利要求书保护的本发明(包括其合法等同物)的范围的情况下对所示实施方案作出许多添加、删除和修改。另外，来自一个实施方案的特征可以与另一个实施方案的特征组合，同时仍然涵盖在本发明人所设想的本发明的范围内。此外，本公开的实施方案对于各种不同的工具类型和构型均具有实用性。

Claims (14)

1.一种用于钻地工具的切削元件，所述切削元件包括：
基底；和
多晶超级磨料，所述多晶超级磨料固定到所述基底的端部，所述多晶超级磨料包括：
第一过渡表面，所述第一过渡表面从所述多晶超级磨料的外周边边缘并在倾斜于所述基底的中心纵向轴线的第一方向上延伸；以及
弯曲的应力减小特征结构，所述弯曲的应力减小特征结构位于至少所述第一过渡表面上，其中所述弯曲的应力减小特征结构包括：
起伏边缘，所述起伏边缘形成于至少所述第一过渡表面中；和
波形，所述波形从形成于至少所述第一过渡表面中的所述起伏边缘朝向所述切削元件的所述中心纵向轴线延伸，其中所述波形具有偏斜波。
2.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述波形的被定位成与下面的土质地层接合并从所述第一过渡表面朝向所述中心纵向轴线径向延伸的表面朝向所述基底渐缩，所述波形的所述表面从所述第一过渡表面延伸到所述多晶超级磨料的平坦表面，所述平坦表面与所述波形的谷距所述基底的距离相同，所述平坦表面垂直于所述中心纵向轴线取向并位于所述中心纵向轴线附近。
3.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述波形的被定位成与下面的土质地层接合并从所述第一过渡表面朝向所述中心纵向轴线径向延伸的表面远离所述基底渐缩，所述波形的所述表面从所述第一过渡表面延伸到所述多晶超级磨料的平坦表面，所述平坦表面与所述波形的峰距所述基底的距离相同，所述平坦表面垂直于所述中心纵向轴线取向并位于所述中心纵向轴线附近。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的切削元件，所述切削元件还包括从所述第一过渡表面并在倾斜于所述中心纵向轴线的第二方向上延伸的第二过渡表面，所述第二方向不同于所述第一方向。
5.根据权利要求4所述的切削元件，其中所述起伏边缘形成于所述第一过渡表面和所述第二过渡表面两者中。
6.根据权利要求4所述的切削元件，其中所述第二过渡表面与所述中心纵向轴线所正交的平面限定在0°和30°的范围内的锐角。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的切削元件，所述波形的被定位成接合下面的土质地层并从所述第一过渡表面朝向所述中心纵向轴线径向延伸的表面延伸到所述中心纵向轴线。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的切削元件，其中所述起伏边缘包括斜面化起伏边缘。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的切削元件，其中所述波形限定多个峰和多个谷。
10.一种形成用于钻地工具的切削元件的方法，所述方法包括：
将多晶超级磨料附接到基底；
形成第一过渡表面，以从所述多晶超级磨料的外周边边缘并在倾斜于所述基底的中心纵向轴线的第一方向上延伸；
在至少所述第一过渡表面上形成弯曲的应力减小特征结构，所述弯曲的应力减小特征结构包括：
形成于至少所述第一过渡表面中的起伏边缘；以及
从形成于至少所述第一过渡表面中的所述起伏边缘朝向所述基底的所述中心纵向轴线延伸的波形，其中所述波形具有偏斜波。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括形成第二过渡表面以从所述第一过渡表面并在倾斜于所述中心纵向轴线的第二方向上延伸，所述第二方向不同于所述第一方向。
12.根据权利要求11所述的方法，其中形成弯曲的应力减小特征结构包括在所述第一过渡表面和所述第二过渡表面两者内形成所述起伏边缘。
13.根据权利要求11和12中任一项所述的方法，其中形成第二过渡表面包括形成所述第二过渡表面以与所述中心纵向轴线所正交的平面限定在0°和30°的范围内的锐角。
14.根据权利要求11和12中任一项所述的方法，其中形成弯曲的应力减小特征结构包括形成所述波形以延伸到所述基底的所述中心纵向轴线。
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