CN113286930A - 具有非平面界面设计的非平面切割元件和包含这种元件的刀具 - Google Patents

Abstract

一种切割元件可包括具有带外围刃的非平面上表面和超硬层的基底。上表面可以包括至少一个形成于至少靠近外围刃的下陷；以及压缩应力环，其围绕上表面与外围刃相邻地延伸，延伸到至少一个下陷中，并被配置为减少超硬层中的拉伸应力。超硬层可以在基底上并且可以具有非平面的顶表面和形成在超硬层和基底之间的界面。

Description

具有非平面界面设计的非平面切割元件和包含这种元件的 刀具

交叉引用段落

本申请要求2018年11月12日提交的题为“NON PLANAR CUTTING ELEMENT WITHNON PLANAR INTERFACE DESIGN AND TOOLS INCORPORATING SUCH ELEMENTS”的美国临时申请号62/758,771的权益，其公开内容以引用方式并入本文。

背景技术

存在几种类型的井下切割刀具，如钻头，包括牙轮钻头、锤钻头和刮刀钻头、铰刀和铣削刀具。牙轮凿岩钻头包括适于联接到可旋转钻柱上的钻头主体，并包括至少一个可旋转地安装到悬臂轴或轴颈上的“牙轮”。每个牙轮支撑多个切割元件，这些切割元件切割和/或压碎钻孔的壁或底部，从而推进钻头。在钻井过程中，切割元件，无论是镶片还是铣齿，都与地层接触。锤钻头通常包括具有冠部的单件主体。冠部包括压入其中的镶片，用于被循环地“锤打”并逆着被钻井的地层旋转。

刮刀钻头，通常被称为固定切割器钻头，包括具有附接到钻头主体的切割元件的钻头，钻头主体可以是钢钻头主体或由基质材料(例如由粘结材料包围的碳化钨)形成的基底钻头主体。刮刀钻头通常可以定义为没有运动部件的钻头。具有诸如金刚石之类的研磨材料的刮刀钻头，浸渍到形成钻头主体的材料的表面中，通常被称为"浸渍"钻头。具有沉积在基底上或以其他方式结合到基底上的由超硬切割表面层或“台面”制成(通常由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成)的切割元件的刮刀钻头在本领域中被称为多晶金刚石复合片(“PDC”)钻头。

发明内容

在一个方面，本公开的实施例涉及一种切割元件，该切割元件可以包括具有非平面上表面的基底，该上表面具有外围刃和超硬层。上表面可包括至少一个形成于至少靠近外围刃的下陷；以及压缩应力环，其围绕上表面与外围刃相邻地延伸，延伸到至少一个下陷中，并被配置为减少超硬层中的拉伸应力。超硬层可以在基底上并且可以具有非平面的顶表面和形成在超硬层和基底之间的界面。

在另一方面，本文公开的实施例涉及包括基底和超硬层的切割元件。基底可具有具有外围刃的非平面上表面，该非平面上表面包括至少一个延伸至外围刃的下陷。超硬层可以在基底上并且可以包括具有切割刃的非平面顶表面，切割刃在至少一个下陷之上，以及底表面，使得超硬层的底表面和基底的上表面形成界面。至少一个下陷可以具有一深度并且超硬层在切割刃处具有一厚度，使得基底的非平面上表面的外围刃在至少一个下陷处处于最小高度。

提供该概述以介绍在以下详细描述中进一步描述的构思的选择。本概述无意标识要求保护的主题的关键或基本特征，也无意用作限制要求保护的主题的范围的辅助刀具。

附图说明

图1示出了传统的刮刀钻头；

图2示出了传统的切割元件；

图3-5示出了具有非平面的顶表面的切割元件；

图6和7示出了根据本公开的实施例的切割元件的截面图；

图8-10示出了具有非平面的顶表面的切割元件；

图11A-11C示出了根据本公开的切割元件；

图12A-12D示出了根据本公开的切割元件；

图13A-13C示出了根据本公开的切割元件；

图14A-14C示出了根据本公开的实施例的切割元件的截面图；

图15A-15D示出了根据本公开的实施例的切割元件的俯视图；

图16示出了根据本公开的实施例的钻头的局部仰视图；

图17示出了根据本公开的实施例的钻头的局部侧视图；

图18示出了根据本公开的实施例的钻头的仰视图；

图19示出了根据本公开的实施例的钻头的侧视图；

图20示出了根据本公开的实施例的开孔器；

图21-23示出了根据本公开的实施例的切割元件取向的侧视图和俯视图；

图24和25示出了根据本公开的实施例的切割元件组合的俯视图；

图26示出了根据本公开的实施例的切割元件对准；

图27示出了根据本公开的实施例的可扩展铰刀的侧视图；

图28A-28C示出了根据本公开的实施例的超硬层的FEA分析视图；

图29A-29C示出了根据本公开的实施例的超硬层的FEA分析视图；

图30A-30C示出了根据本公开的实施例的超硬层的FEA分析视图。

具体实施方式

图1中示出了具有多个具有超硬工作表面的切割元件的刮刀钻头的示例。钻头100包括具有螺纹上销端111和切割端115的钻头主体110。切割端115通常包括围绕钻头的旋转轴线(也称为纵向或中心轴线)布置并从钻头主体110径向向外延伸的多个肋或刀片120。切割元件或切割器150被嵌入在相对于工作表面的预定角度取向和径向位置处的刀片120中，并且相对于待钻地层具有期望的后倾角和侧倾角。

图2示出了切割元件150的示例，其中切割元件150具有圆柱形硬质合金基底152，该基底具有端面或上表面(“基底界面表面”)154。超硬材料层156，也称为作为切割层，具有顶面157，也称为工作表面，围绕顶面形成的切割刃158，以及称为超硬材料层界面表面159的底表面。超硬材料层156可以是多晶金刚石或多晶立方氮化硼层。超硬材料层界面表面159结合到基底界面表面154以在基底152和超硬材料层156之间形成平面界面。

一方面，本文公开的实施例涉及用于在非平面界面处的基底上具有超硬层的井下刀具的切割元件。切割元件可包括形成在超硬层上的非平面的顶表面，也称为工作表面和非平面界面表面。特别地，本公开的界面设计可以包括在对应于切割元件的切割刃的区域中的界面表面的外围刃处或附近的下陷。本公开的切割元件可以安装到各种类型的井下切割刀具，包括但不限于钻头，例如刮刀钻头、铰刀和其他井下铣削刀具。

具有非平面的顶表面或工作表面的切割元件可以包括例如基本上双曲抛物面(鞍形)形状或抛物线圆柱形状，其中切割元件的顶冠(crest)或顶点延伸穿过基本上整个直径的切割元件。此外，界面表面还可包括大体双曲抛物面形状以及大体抛物线圆柱形状。然而，如本文所公开的，对于工作表面和/或界面表面两者也可以设想其他几何形状。

例如，具有非平面的顶表面305的切割元件300示出在图3中。特别地，切割元件300具有设置在基底320上的界面330处的超硬层310，其中非平面的顶表面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(并限定其边界)的外围刃315。顶表面305具有在基底320上方(在切割元件圆周处)延伸高度314的切割顶冠312，以及至少一个远离切割顶冠312横向延伸的凹陷区域。如本文所用，顶冠是指包括切割元件的峰值或最大高度的非平面切割元件的一部分，其以大体线性方式朝向切割元件的中心延伸，例如沿着切割元件的直径。顶冠312的存在导致具有顶冠和谷部的波状外围刃315。外围刃315的靠近顶冠312的部分形成切割刃部分316。如所示，切割顶冠312也可以延伸穿过超硬层的直径，使得两个切割刃部分316形成在超硬层的相对侧处。顶表面305还包括至少一个凹陷区域318(如所示为两个)，其高度在远离切割顶冠312的方向上连续减小至外围刃315的另一部分，即波状外围刃315的谷部。所示实施例中的切割顶冠312和凹陷区域318形成具有抛物线圆柱形状的顶表面305，其中切割顶冠312的形状像抛物线一样延伸穿过超硬层310和/或基底320的直径。虽然不是如图所示，外围刃的至少一部分(例如，切割刃部分并围绕刃的将与地层接触达到预期切割深度的部分延伸)可以是斜切的或倒角的。在一个或多个实施例中，整个外围刃可以是斜角的，其可以包括围绕切割元件的圆周的可变(角度和/或宽度)倒角或斜角。在一个或多个实施例中，切割元件还可具有圆角刃。

在一个或多个其他实施例中，切割顶冠312的延伸可小于基底320的直径或什至大于基底320的直径。例如，超硬层310可以至少在靠近切割刃部分处形成锥形侧壁，例如，与平行于切割元件轴线的线形成角度，该角度的范围可以从-5度(形成比基底320大的直径)到20度(形成比基底320小的直径)。取决于切割元件的尺寸，切割顶冠312的高度314可以在例如从大约0.1英寸(2.54mm)到0.3英寸(7.62mm)的范围内。此外，除非另有说明，超硬层(或切割顶冠)的高度是相对于超硬层和基底的界面的最低点。图4示出了切割元件300的侧视图。如所示，切割顶冠312具有凸出的横截面形状(沿着垂直于跨越超硬层的直径的切割顶冠长度的平面观察)，其中顶冠的最高点具有曲率半径313，该曲率半径以角度311切向地过渡到顶面305的横向延伸部分。根据本公开的实施例，切割元件顶面可具有的切割顶冠的曲率半径范围为从0.02英寸(0.5毫米)到0.30英寸(7.6毫米)，或者在另一个实施例中，从0.06英寸(1.5毫米)到0.18英寸(4.6毫米)。此外，虽然所示实施例示出了在其上峰值处具有曲率的切割顶冠312，但切割顶冠312可具有在与切割顶冠312横向间隔开的凹陷区域318的轴向上方沿直径的至少一部分的平台或基本平坦的面，也在本公开的范围内。因此，在这样的实施例中，切割顶冠可以具有基本上无限的曲率半径。在这样的实施例中，平台可以具有到延伸以形成凹陷区域318的侧壁的圆角过渡。此外，在一些实施例中，沿着横向地延伸到凹陷区域318中的切割顶冠312的横截面，切割顶冠312可以具有在延伸到凹陷区域318的侧壁之间形成的角度311，该角度可以在110度到160度的范围内。此外，根据上表面几何形状的类型，也可以使用其他顶冠角，包括低至90度。此外，还可以理解，对于使用平台切割顶冠的实施例，凹陷区域可以逐渐远离切割顶冠延伸(具有弯曲或平坦表面)，或者可以存在到凹陷区域的阶梯状过渡。此外，虽然基底320被示为本质上是圆柱形的，但可以设想基底(和金刚石台面)可以是非圆柱形的，特别是例如被成形为加强或突出切割顶冠。

切割元件顶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中所示的切割元件在图5中沿x-y-z坐标系再现。切割元件300具有在界面330处设置在基底320上的超硬层310，以及与延伸穿过其中的z轴重合的纵轴。形成在超硬层310上的非平面的顶表面305具有通过沿x轴和y轴变化高度(其中高度沿z轴测量)形成的几何形状。如所示，形成在顶面(其在图3中也可称为切割顶冠312)中的最大高度(顶点或峰值)沿y轴延伸穿过切割元件的直径，使得顶冠高度从外围刃315的第一部分延伸到外围刃315的与第一部分相对的第二部分。为方便起见，y轴是基于切割元件顶冠的延伸而定义的；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。切割元件300沿y轴和z轴的交叉点的横截面图如图6所示。切割元件的y-z截面图可以被称为顶冠轮廓图，因为可以从这样的截面图观察顶冠的均匀性、延伸等。如图6中的顶冠轮廓视图所示，沿着顶冠高度(即顶冠轮廓)的顶表面305基本上是线性的。切割元件300沿x轴和z轴的交叉点的截面图如图7所示，并且可以称为顶冠几何视图，因为从这样的截面图可以观察到顶冠的曲率等。如图7中的顶冠几何视图所示，顶面305在z轴(顶冠高度)处达到峰部，并从顶冠高度连续地减小，沿x轴在任一方向上朝切割元件的外围刃315(其在图3中也可以被称为凹陷区域318)移动，使得顶表面305沿着横截面具有大体抛物线形状。根据图7所示横截面的曲率，该横截面也可以描述为具有圆形顶点的牙轮的横截面，即两个成角度的侧壁切向地过渡到圆形顶点(具有以上所述的曲率范围的半径)。然而，也可以使用具有曲率的侧壁，无论是凹的还是凸的。在该示出实施例中，x-z横截面视图(或顶冠几何视图)中的大体抛物线形状沿y轴延伸，使得非平面的顶表面305的三维形状具有抛物线柱体形状。

此外，虽然一些实施例可具有均匀的角度311、切割顶冠312的曲率半径或沿切割顶冠312的长度的高度314，但本公开不限于此。相反，在一个或多个实施例中，角度311可以沿着切割顶冠312的长度变化。例如，角度311可以从切割刃部分316沿着y轴朝向切割元件300的中心轴线或z轴延伸而增加，然后远离该中心轴线或z轴朝向切割元件300的相对侧上的切割刃部分316延伸而减小。这种角度差异可以高达切割刃316处的角度的20％或在一些实施例中高达10％。在其他实施例中，角度311可以远离切割刃部分316延伸而增大而不减小(例如通过达到一峰值角度，在该峰值角度下延伸切割顶冠312的长度，或通过沿着切割顶冠312的长度连续增加)。角度311的另一个变化可以包括相对于y-z平面不对称的角度311。即，虽然图3-7所示的实施例示出了被y-z平面一分为二的角度311，但本公开不限于此。相反，角度311可以相对于yz平面倾斜，使得在切割顶冠312的一侧上，顶表面305以比在切割顶冠312的另一侧上更严重的斜率远离切割顶冠312横向延伸到第一凹陷区域318。还意图是该不对称角度311可以沿着切割顶冠312的长度变化。

在一个或多个实施例中，切割顶冠312的曲率半径可以从切割刃部分316沿切割顶冠312的长度延伸而增加。例如，曲率半径可以从切割刃部分316沿着y轴朝向切割元件300的中心轴线延伸而增加，然后远离该中心轴线朝向切割元件300的相对侧上的切割刃部分316延伸而减小。在其他实施例中，曲率半径可以远离切割刃部分316延伸而增加而不减小(例如通过达到峰值曲率半径并在该峰值曲率半径下延伸切割顶冠312的长度或通过沿着切割顶冠312的长度连续增加)。

此外，在一个或多个实施例中，高度314可沿切割顶冠312的长度变化。例如，高度314可从切割刃部分316沿y轴朝向切割元件300的中心轴线延伸而减小(或增加)，然后远离中心轴线朝向切割元件300的相对侧上的切割刃部分316延伸而减小(或增加)。在其他实施例中，高度可以远离切割刃部分316延伸减小而不增加(例如通过达到最小高度并在该最小高度处延伸切割顶冠312的长度或通过沿着切割顶冠312的长度连续减小)。在一个或多个实施例中，较低高度可以具有小于较大高度的约50％，或在实施例中小于40％、30％、20％或10％的较大高度的差异。

如上所述，顶表面305可以具有不对称的角度311；然而，可能存在导致关于x-z平面和y-z平面中的任一个和/或两者的不对称的顶表面305上的其他变化。例如，切割顶冠312本身可以位于不平分切割元件的平面上，即，切割顶冠312可以从中心平面横向偏移。

现在参考图11-15，示出了切割元件的界面表面的各种实施例。将在下面更详细地描述的这些实施例可以包括设置在具有非平面界面的基底上的超硬层。因此，在一个或多个实施例中，超硬层可以类似于例如图3-7中所描述的具有切割顶冠的那些。基底的上表面也可以是非平面的。在一些实施例中，基底的上表面(即界面表面)可包括顶冠、一个或多个下陷和压缩应力环。通常，顶冠可以定义为具有最大高度的基底的区域，该区域在一个方向上延伸穿过切割元件的直径(或切割元件的直径的至少一部分)，其中基底的上表面通常在大体垂直于顶冠长度的方向上远离顶冠的高度减小。基底的顶部可以与超硬层的切割顶冠对准，并与一个或多个下陷对准。因此，一个或多个下陷可以设置在切割顶冠下方(并且还与切割顶冠“对准”)。

图11A-11C示出了切割元件1100，其可以包括在界面1130处设置在基底1120上的超硬层1110。图11A和11B示出了沿着切割元件的y轴的截面图。超硬层1110可形成非平面的顶表面1105，其包括沿y轴纵向延伸的切割顶冠1112(横截面图将切割顶冠1112一分为二)。如上所述，顶面1105可以具有抛物线圆柱的大体形状。远离切割顶冠1112横向(沿x轴)延伸，超硬层1110可以包括至少一个凹陷区域1118，该凹陷区域1118通过顶面1105的高度在远离切割顶冠1112的方向上连续减小而形成。

从图11C中可以最清楚地看到，示出了基底(没有超硬层)的透视图，基底1120的上表面1128可以是非平面的。基底1120可包括与切割顶冠1112基本对准(即，如所示沿y轴)延伸的顶冠1124。然而，尽管切割顶冠1112可以基本上沿着切割元件1100的整个直径延伸，但根据本公开的实施例，给定包括下陷1136(下面讨论)，该下陷1136与顶冠1124成一直线(并且在顶冠1124和外围刃1138之间)，基底1120的顶冠1124延伸小于整个直径。因此，顶冠1124具有从切割元件1100的中心轴在与切割顶冠1112对准的方向上径向向外延伸的峰值高度。从基底1120的俯视图，其变化被示出例如在图15A-D中，顶冠1124线性地(或基本上线性地)延伸直到与下陷1136相交。顶冠1124可以具有或可以不具有一致的高度。如果顶冠1124不具有一致的高度，则顶冠1124可以具有凸曲率(在一个或多个实施例中的为一致或基本一致的曲率)，使得其端部(相邻的下陷1136)低于其峰值高度(接近中心轴线或z轴)。

因此，上表面1128可以具有在两个方向上具体地沿着x轴和y轴延伸的凸曲率。沿x-z截面截取的上表面1128的曲率半径可以小于沿y-z截面截取的曲率半径。换言之，沿着顶冠1124的曲率半径可以大于由远离顶冠1124横向延伸的上表面1128形成的曲率半径。沿顶冠1124的曲率可以允许接近超硬层1110的外围刃1132的切割刃部分1134的更厚的超硬层1110并且可以提供更平滑地过渡到下陷1136中。此外，应当理解，沿着每个横截面可以存在单个曲率或者曲率可以是复杂的。还应理解，曲率可在平行于x-z和y-z截面中的每一个的不同截面上变化。

上表面1128还可以包括一个或多个下陷1136。下陷1136可以沿着y轴形成，与顶冠1124在一直线上。在一个或多个实施例中，下陷1136可以是靠近基底1120的外围刃1138。下陷1136可以或可以不与外围刃1138相交。如果下陷1136与外围刃1138间隔一小段距离，这可以是小于基底半径的20％的距离，则它可以靠近但不与外围刃1138相交。另一方面，当外围刃1138在邻近下陷1136处具有复杂(或波状)曲率时，下陷1136与外围刃1138相交。当下陷1136与外围刃1138相交时，在位于下陷1136上方的切割刃处的超硬层1110的厚度(其中切割顶冠到达顶面的外围刃)增加。具体地，下陷1136具有一深度，并且超硬层1110具有一厚度，使得基底1120的非平面上表面1128的外围刃1138在下陷1136处处于最小高度。

如在图11B中最佳看到的，下陷1136可包括一个或多个不同于顶冠1124沿y轴的曲率的曲率，使得上表面1128的几何形状可在y-z截面平面(其将顶冠1124沿其长度一分为二)上具有复杂曲率。在一个或多个实施例中，复杂曲率可以包括中心轴线和外围刃1138之间的至少2个不同的曲率半径(或在更特定的实施例中至少3或4个不同的半径)。例如，下陷1136可以包括沿着y轴比顶冠1124更陡峭地向下倾斜的区域。如图11A-11C所示，凹陷1136还可以包括随着凹陷1136接近外围刃1138而沿着y轴更加逐渐向下倾斜的区域。切割元件的上表面沿着y轴的曲率的示例在图14A-14C中示出并且在下面更详细地描述。在特定实施例中，下陷1136可以从凸曲率过渡为凹曲率。下陷1136还可包括沿x方向的一个或多个曲率(包括从凸到凹再到凸的过渡)。例如，下陷1136可包括沿y轴在不同距离处的在x方向上的不同曲率。下陷1136可以包括凸的、凹的和线性的曲率。

在一些实施例中，下陷1136可以包括缘边1156。缘边1156可以是曲线、线段或曲线和线段的组合，在该处上表面1128在顶冠1124和下陷区域1126的曲率变化到下陷1136的曲率。与上表面1128相切的线的斜率变化率可以在缘边1156处改变。切点1142可以沿着缘边1156。下陷的缘边的示例示出在图15A-15D中并且在下面更详细地进行描述。

下陷1136可具有长度L、由弧W测量的宽度和深度D。长度L和深度D在图11B中示出。弧W在图11C上示出。下陷1136的长度L可以沿着y轴，从下陷1136的切点1142到下陷1136的最外点1144，测量。切点1142可以是沿着y轴的点，在该点处上表面1128的曲率由顶冠1124的曲率变化为不同的曲率。换言之，上表面1128的切线沿y轴的变化率可在切点1142处改变。最外面的点1144是沿y轴离上表面的中心最远的点1128，其具有最低的高度。在一些实施例中，在下陷1136与外围刃1138相交的情况下，应理解最外点1144可位于基底1120的外围刃1138上。然而，在其他实施例中，最外点1144可与外围刃1138径向向内间隔开。在一些实施例中，长度L可以是基底1120的半径的至少0.09、1、2、5、10、15、20或25％。在一些实施例中，长度L可以是至多基底1120的半径的20、25、40、50、75、85、90或96％。

下陷1136的深度D可以平行于z轴，从切点1142到下陷1136的最低点1146，测量。最低点1146可以是下陷1136内的点，其深度大于或等于下陷1136内所有其他点的深度。在一些实施例中，下陷可以包括不止一个最低点1146。例如，下陷1136内的整个区域可以处于相等的最大深度。最低点可以或可以不沿y轴定位。可以从下陷1136内的最低点1146的选择中排除凹坑1140内的点(下面讨论)。

每个下陷1136可以可选地包括凹坑1140。每个凹坑1140可以包括小的向下突起，其可以用于对准切割元件1100。例如，凹坑1140可以用于在切割元件安装在钻头中时对准切割元件1100以确保切割顶冠1112取向在合适的方向上。凹坑1140可以靠近或邻近基底1120的外围刃1138形成。

如上所述，基底1120和超硬层1110可以在界面1130处邻接。超硬层1110可以延伸到下陷1136中，使得超硬层1110在下陷1136内也具有深度D。在一些实施例中，超硬层1110的深度D可以是在切割器1110的z轴处的超硬层1110的厚度的至少15％、25％、50％、75％、100％、110％、115％、120％或125％。在一些实施例中，超硬层1110的深度D可以至多是在切割器1110的z轴处的超硬层1110的厚度的50％、75％、90％、100％、120％、125％、140％、150％、175％、190％或200％。

下陷1136的宽度可以测量为第一横向偏离点1148和第二横向偏离点1150之间的弧长。如本文所定义的，偏离点是整体曲率开始改变或显著偏离的地方(其中变化率大于1或2)，并且可以选择地是拐点。如上所述，基底1120的上表面1128可包括沿x轴和沿y轴的简单曲率。上表面1128的横向于顶冠1124的部分可以具有由这两个曲率限定的曲率。如上文进一步讨论的，下陷1136可包括复杂曲率，其不同于上表面1128的其余部分的曲率。横向偏离点1148、1150可以定义为下陷1136的任一侧上离y轴最远的点，在该点处曲率从上表面1128的简单曲率改变为不同的曲率。弧W可以定义为沿着基底1120的外围刃1138，从第一点P1到第二点P2，该第二点P1定义为与z轴和第一横向偏离点1148相交的线与外围刃1138相交的点，该第二点P2定义为与z轴和第二横向偏离点1150相交的线与外围刃1138相交的点。下陷的宽度可以定义为弧W的弧长。在一些实施例中，宽度可以是至少5、8、10、12、15、20、30或45度。在一些实施例中，宽度可以是至多20、30、45、70、90、120、140或150度。

基底1120的上表面1128还可以包括压缩应力环1152。压缩应力环1152可以包括围绕上表面1128与上表面1128的外围刃1138相邻地延伸的环形表面或环。基于从上表面1128到压缩应力环1152的几何形状的变化形成环。这种几何形状可被称为压缩应力环，这是由于在超硬层1110中由于邻近基底的外围刃1138的几何形状“环”的存在而形成的最终压缩应力。即，在基底1120顶上形成超硬层1110期间的HTHP烧结期间，基底中的压缩应力环1152引起压缩应力集中(并降低拉伸应力)以在超硬层120的相邻部分中形成。特别地，压缩应力可以重新分布到金刚石层的“工作区”中并且将拉伸应力从这样的工作区移开(或减少这样的拉伸应力)。如果下陷1136延伸到基底1120的外围刃1138或可以至少围绕上表面1128的至少90、105或120度延伸，则压缩应力环1152可以延伸到下陷1136中。如果下陷1136不延伸至基底1120的外围刃1138，则压缩应力环1152可延伸进入或围绕下陷1136。

压缩应力环1152可具有恒定的环形半径或变化的环形半径。如果环形半径改变，则压缩应力环1152可以在距下陷1136中的至少一个的中心点约90度的点处最窄(或在两个下陷之间等距)。压缩应力环1152的环形半径可朝下陷1136中的每一个增加。在一些实施例中，压缩应力环1152在其最窄点处的环形半径可为基底1120半径的至少1％、2％、3％、5％、8％、10％或15％。在一些实施例中，压缩应力环1152在其最窄点处的环形半径可以至多是基底1120的半径的10％、15％、20％、25％或50％。

压缩应力环1152可包括平面或弯曲表面。在一些实施例中，压缩应力环1152可以在距下陷1136中的至少一个的中心点约90度的点处与切割器1100的z轴垂直(或以其他方式成角度，例如在垂直于z轴的10度内)。压缩应力环1152的表面在它合并到下陷1136中时可以是弯曲的。压缩应力环1152可以具有与上表面1128的相邻部分不同的曲率，使得成角度的或弯曲的偏离环1154形成在压缩应力环1152的内刃上。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，根据这些实施例的切割元件可以形成为没有压缩应力环。

上表面1128还可以包括多个突起1125。在示出的实施例中，突起1124是多个大体上呈新月形的突起1125(沿着其长度具有大致曲率，具有圆形端部(而不是传统的在其端部形成一点的新月形))。然而，突起可以是其他形状的，包括大体上的泪珠状(具有一个圆形的端部和一个端部形成一个点)，或其他细长的(长于宽)形状，例如椭圆形、蚕豆形(fabiform)或肾形(通常是豆形形、圆形但一侧有凹痕)但也可以是非细长形状，例如圆形等。如所示，新月形突起1125的曲率从y轴远离顶冠1124向外弯曲。多个突起1125位于基底上表面1128上的顶冠1124的任一侧上，朝向凹陷区域1126延伸。在这样的取向下，多个突起的长度大致对准(大致平行或在20度以内)顶冠1124的长度。在一个或多个实施例中，突起1125延伸的高度范围从大约0.010到0.050英寸(0.25到1.3mm)。在一些实施例中，突起1125延伸的高度等于或大于超硬层1110的最小厚度的约5％、约10％、约15％或约20％，并且小于或等于约50％、约45％、约40％或约35％。本领域技术人员可以容易地设想基底1120的上表面1128可以包括与那些明确描述的那些在形状、尺寸或数量上不同的突起，或者可以在不脱离本公开的范围的情况下根本不包括突起。

本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，参照图11A-11C描述的基底1120可以与具有本领域已知的任何形状的超硬层结合使用。这种超硬层可以包括或不包括切割顶冠，或者可以包括多于一个的切割顶冠，例如如在美国专利申请No.US20150259988中描述的，该专利申请已转让给本受让人并在此全文并入。此外，本领域技术人员将容易地想到，如果这样的基底1120与包括多于一个切割顶冠的超硬层一起使用，则基底可以被修改以包括附加的顶冠和/或下陷。

图12A-12D示出了切割元件1200的实施例，其可以包括在界面1230处设置在基底1220上的超硬层1210。图12A-12B示出了第一实施例，而图12C-12D示出了稍微不同的第二实施例。在这些实施例中，超硬层1210可以形成包括沿y轴纵向延伸的切割顶冠1212的非平面的顶表面1205。如上所述，顶面1205可以具有抛物线圆柱的大体形状。远离切割顶冠1212横向(沿x轴)延伸，超硬层1210可包括至少一个凹陷区域1218，该凹陷区域1218由顶面1205的高度在远离切割顶冠1212的方向上连续减小而形成。.

如图12D(示出超硬层1210与基底1220分离的分解图)中可以最清楚地看到，基底1220的上表面1228可以是非平面的。在一些实施例中，基底1220可包括与切割顶冠1212基本对准(即，如图所示沿y轴)延伸的顶冠1224。然而，尽管切割顶冠1212可以基本上沿着切割元件1200的整个直径延伸，但根据本公开的实施例，考虑到包含与顶冠1224(以及在顶冠1224和外围刃1238之间)成一直线的下陷1236(在下面讨论)，基底1220的顶冠1224延伸小于整个直径。因此，顶冠1224具有在与切割顶冠1212对准的方向上从切割元件1200的中心轴线径向向外延伸的峰值高度。从基底1220的俯视图，顶冠1224线性延伸(或基本上线性)直到与下陷1236相交。顶冠1224可以具有或可以不具有一致的高度。如果顶冠1224不具有一致的高度，则顶冠1224可能具有一致的凸曲率，使得其端部(相邻的下陷1236)低于其峰值高度(靠近中心轴线或z轴)。

上表面1228可以具有在两个方向上延伸的凸曲率，具体地，沿着x轴和y轴两者延伸的凸曲率。沿x-z截面截取的上表面1228的曲率半径可以小于沿y-z截面截取的曲率半径。换言之，沿顶冠1224的曲率半径可大于由远离顶冠1224横向延伸的上表面1228形成的曲率半径。沿顶冠1224的曲率可允许更厚的超硬层1210接近超硬层1210的外围刃1232的切割刃部分1234，并且可以提供到下陷1236的更平滑的过渡。此外，应当理解，沿着每个横截面可以有单个曲率或者曲率可以是复杂的。还应理解，曲率可在平行于x-z和y-z截面中的每一个的不同截面上变化。

上表面1228还可包括一个或多个下陷1236。下陷1236可以沿着y轴形成，与顶冠1224一致。在一个或多个实施例中，下陷1236可以靠近基底1220的外围刃1238。下陷1236可以或可以不与外围刃1238相交。如所示，当外围刃1238具有复杂的(或波浪形的)曲率与下陷1236相邻时，下陷1236与外围刃1238相交。然而，如上所述，还可以设想下陷可能与刃1236间隔开仍然接近。当下陷1236与外围刃1238相交时，在下陷1236上方的切割刃(切割顶冠到达顶面的外围刃的地方)处的超硬层1210的厚度增加。特别地，下陷1236具有深度，并且超硬层1210具有厚度，使得基底1220的非平面上表面1228的外围刃1238在下陷1236处处于最小高度。

如图12D所示，下陷1236可包括一个或多个不同于顶冠1224沿y轴的曲率的曲率，使得上表面1228的几何形状可具有在y-z横截面平面的复杂的曲率(沿其长度将顶冠1224平分)。在一个或多个实施例中，复杂曲率可以包括中心轴线和外围刃1238之间的至少2个不同的曲率半径(或者在更具体的实施例中至少3或4个不同的半径)。例如，下陷1236可以包括沿着x轴比顶冠1224更急剧地向下倾斜的区域。在一些实施例中，该向下倾斜可以是线性的或接近线性的。如图12B所示，下陷1236可以包括可以至少基本上平行于y轴的略微弯曲的内刃。因此，与图14A-C中所示的实施例相比，下陷1236可以更浅，具有显著减小的长度。下陷1236还可包括沿x方向的一个或多个曲率。下陷1236可包括沿y轴不同距离的x方向上的不同曲率。下陷1136可以包括凸面、凹面和线性曲率。

在一些实施例中，下陷1236可以包括缘边1256，其被认为是下陷1236和上表面1228的其余部分之间的过渡。缘边1256可以是曲线、线段，或曲线和线段的组合，在此处，在顶冠1224的区域和下陷区域1226中的上表面1228的曲率改变为下陷1236的曲率。与上表面1228相切的线的斜率的改变率可以在缘边1256处改变。切点1242可以沿着缘边1256定位。下陷的缘边的示例在图15A-15C中示出并且在下面更详细地描述。此外，虽然图12A-B和12C-D中所示的实施例相似，但它们在向下延伸到切割顶冠下方的超硬材料1114的几何形状方面有所不同，其中图12A-B中的实施例包括切割顶冠下方的“多边形”延伸(填充下陷1236)而图12C-D中的实施例对超硬延伸1214具有恒定曲率。

下陷1236可以具有长度L、由弧W测量的宽度和深度D。长度L和深度D在图12B中示出。弧W在图12D上所示。

下陷1236的长度L可以沿着y轴，从下陷1236的切点1242到下陷1236的最外点1244，测量。切点1242可以是沿着y轴的点，在此处上表面1228的曲率从顶冠1224的曲率变为不同曲率。换言之，上表面1128的切线沿y轴的变化率可以在切点处改变。最外面的点1244是沿着y轴离具有最低高度的上表面1228的中心最远的点。在一些实施例中，应理解，最外点1244可位于基底1220的外围刃1238上。在一或多个实施例中，长度L可为基底1220半径的至少9％、10％、15％、20％、25％、30％或50％和至多基底1220半径的40％、50％、70％或100％。

下陷1236的深度D可以平行于z轴，从切点1242到下陷1236的最低点1246，测量。最低点1246可以是下陷1236内的点，其深度大于或等于下陷1236内所有其他点的深度。在一些实施例中，下陷可包括不止一个最低点1246。例如，下陷1236内的整个区域可处于相等的最大深度。最低点可以或可以不沿y轴定位。

如上所述，基底1220和超硬层1210可以在界面1230处邻接。超硬层1210可以延伸到下陷1236中，使得超硬层1210在下陷1236内也具有深度D。在一些实施例中，超硬层1210的深度D可以是切割器1110的z轴处的超硬层1210的厚度的至少15％、25％、50％、75％、100％、110％、120％、130％或140％。在一些实施例中，超硬层1210的深度D可以是在切割器1210的z轴处的超硬层1210的厚度的至多140％、150％、175％、200％或250％。

下陷1236的宽度可以测量为第一横向偏离点1248和第二横向偏离点1250之间的弧长。如上所述，基底1220的上表面1228可以包括沿x轴和沿y轴两者的简单曲率。上表面1228的横向于顶冠1224的部分可以具有由这两个曲率限定的曲率。如上进一步所述，下陷1236可包括复杂曲率，该复杂曲率不同于上表面1228的其余部分的曲率。横向偏离点1248、1250可定义为在下陷11136的任一侧上离y轴最远的点，在此处曲率从上表面1228的简单曲率改变为不同曲率。弧W可以定义为沿着基底1220的外围刃1238，从第一点P1到第二点P2，该到第一点P1定义为与z轴和第一横向偏离点1248相交的线与外围刃1238相交的点，该第二点P2定义为与z轴和第二横向偏离点1250相交的线与外围刃1238相交的点。下陷的宽度可以定义为弧W的弧长。在一些实施例中，宽度可以是至少5、8、10、12、15、20、30或45度。在一些实施例中，宽度可以是至多20、30、45、70、90、120或150度。

基底1220的上表面1228也可以包括或不包括压缩应力环1252。该压缩应力环1252可以包括环形表面，其围绕上表面1228延伸，邻近上表面1128的外围刃1238。例如，当12A-B中存在压缩应力环1252时，压缩应力环1152可以延伸到下陷1236中或者可以至少围绕上表面1228的至少90、105或120度延伸。

压缩应力环1252可具有恒定的环形半径或变化的环形半径。如果环形半径改变，则压缩应力环1252可以在距下陷1236中的至少一个的中心点约90度的点处最窄。压缩应力环1252的环形半径可朝下陷1236中的每一个增加。在一些实施例中，压缩应力环1252在其最窄点处的环形半径可为基底1120的半径的至少1％、3％、5％、8％、10％或15％。在一些实施例中，压缩应力环1252在其最窄点处的环形半径至多可为基底1220半径的10％、15％、20％、25％或50％。

压缩应力环1252可包括平面或弯曲表面。在一些实施例中，压缩应力环1252可以在与下陷1236中的至少一个的中心点成大约90度的点处垂直于(或以其他方式成角度于)切割器1200的z轴。压缩应力环1252的表面在它合并到下陷1236中时可以是弯曲的。压缩应力环1252可具有与上表面1228的相邻部分不同的曲率，从而在压缩应力环1252的内刃上形成有角度或弯曲的偏离环1254。本领域技术人员将认识到在不脱离本公开的范围的情况下，根据这些实施例的切割元件可以形成为没有压缩应力环。上表面1228还可以包括多个突起1225。在示出的实施例中，突起1224是多个大体上泪珠状的突起1225(具有一个圆形的端部和一个变成一个点的端部)。然而，突起可以是其他形状，包括其他细长(长于宽)形状，例如椭圆形、大体上新月形(具有沿其长度的具有圆形端部的大体曲率)、蚕豆形或肾形(大体豆形、圆形但在一侧具有凹痕)但也可以是非细长形状，例如圆形等。如所示，大体上泪珠状突起1225的点从x轴的两侧朝向x轴向内指向。多个突起1225位于基底上表面1228上的顶冠1224的任一侧上，朝向下陷区域1126延伸。在这样的取向下，多个突起的长度与顶冠1224的长度通常对准(基本平行或在20度以内)。在一个或多个实施例中，突起1225延伸的高度范围为约0.010至0.050英寸(0.25至1.3毫米)。在一些实施例中，突起1225延伸的高度等于或大于超硬层1210的最小厚度的约5％、约10％、约15％或约20％，并且小于或等于约50％、约45％、约40％或约35％。本领域技术人员可以容易地设想基底1220的上表面1228可以包括与明确描述的那些在形状、尺寸或数量上不同的突起，或者可以根本不包括突起而不脱离本公开的范围。

本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开内容的范围的情况下，关于图12a-12d描述的基底1220可以与具有本领域已知的任何形状的超硬层组合使用。这种超硬层可以包括或也可以不包括切割顶冠。此外，本领域技术人员将容易想到，如果这样的基底1220与包括多于一个切割顶冠的超硬层一起使用，则基底可以被修改以包括附加的顶冠和/或下陷。

图13A-13C示出了切割元件1300，其可以包括在界面1330处设置在基底1320上的超硬层1310。图13A和13B示出了沿着切割元件的y轴的截面图。超硬层1310可形成非平面的顶表面1305，其包括沿y轴纵向延伸的切割顶冠1312(横截面图将切割顶冠1112一分为二)。顶面1305可以具有抛物线圆柱的大体形状。远离切割顶冠1312横向(沿x轴)延伸，超硬层1310可以包括至少一个凹陷区域1318，该凹陷区域1318由顶面1305的高度在远离切割顶冠1312的方向上连续减小而形成。

如图13C中可以最清楚地看到，示出了从基底1320分离的超硬层1310的分解图，基底1320的上表面1328可以是非平面的。在一些实施例中，基底1320可包括与切割顶冠1312(沿y轴)基本对准地延伸的顶冠1324。然而，虽然切割顶冠1312可以基本上沿着切割元件1300的整个直径延伸，但是根据本公开的实施例，考虑到包含与顶冠1324一致(以及在顶冠1324和外围刃1338之间)的下陷1336(在下面讨论)，基底1320的顶冠1324延伸小于整个直径。因此，顶冠1324具有在与切割顶冠1312对准的方向上从切割元件1300的中心轴径向向外延伸的峰值高度。从基底1320的俯视图，顶冠1324线性延伸(或基本线性)直到与下陷1336相交。各种实施例的俯视图在图15A-D中示出。顶冠1324可以或可以不具有一致的高度。如果顶冠1324不具有一致的高度，则顶冠1324可以具有一致的凸曲率，使得其端部(相邻的下陷1336)低于其峰值高度(靠近中心轴线或z轴)。

上表面1328可以具有在两个方向上延伸的凸曲率，具体地，沿着x轴和y轴两者延伸的凸曲率。沿x-z截面截取的上表面1328的曲率半径可以小于沿y-z截面截取的曲率半径。换言之，沿顶冠1324的曲率半径可大于由远离顶冠1324横向延伸的上表面1228形成的曲率半径。沿顶冠1324的曲率可允许更厚的超硬层1310接近超硬层1310的外围刃1332的切割刃部分1334，并且可以提供到下陷1336的更平滑的过渡。此外，应当理解，沿着每个横截面可以有单个曲率或者曲率可以是复杂的。还应理解，曲率可在平行于x-z和y-z截面中的每一个的不同截面上变化。

上表面1328还可包括一个或多个下陷1336。下陷1336可以沿着x轴形成，与顶冠1324在一直线上。在一些实施例中，下陷1336可以靠近基底1320的外围刃1338。如所示，下陷1336与外围刃1338相交。由于下陷1336与外围刃1338相交，外围刃1338在邻近下陷1336处具有复杂的(或起伏的)曲率。当下陷1336与外围刃1338相交时，在下陷1336上方的切割刃处的超硬层1310的厚度(切割顶冠抵达顶面的外围刃的地方)增加。特别地，下陷1336具有一深度，且超硬层1310具有一厚度，使得基底1320的非平面上表面1328的外围刃1338在下陷1336处处于最小高度。如可以在图13C中最佳地看到的，下陷1336可包括一个或多个不同于顶冠1324沿y轴的曲率的曲率，使得上表面1128的几何形状可在y-z横截面(其沿其长将顶冠1124一分为二)。切割元件的上表面沿y轴的曲率的示例在图14A-14C中示出并且在下面更详细地描述。

在一个或多个实施例中，复杂曲率可以包括中心轴线和外围刃1138之间的至少2个不同的曲率半径(或者在更特别的实施例中至少3或4个不同的半径)。例如，下陷1336可以包括沿着y轴比顶冠1324更急剧地向下倾斜的区域。在一些实施例中，该向下倾斜可以是线性的或接近线性的。下陷1336还可包括沿x方向的一个或多个曲率。下陷1336可包括沿y轴不同距离的x方向上的不同曲率。下陷1336可以包括凸形、凹形和线性曲率。

在一些实施例中，下陷1336可以包括缘边1356。缘边1356可以是曲线、线段或曲线和线段的组合，在该处上表面1328在顶冠1324的区域和凹陷区域1318的曲率变化为下陷1336的曲率。与上表面1328相切的线的斜率变化率可以在缘边1356处变化。切点1342可以沿着缘边1356定位。下陷的缘边的示例在图15A-15C中示出并且在下面更详细地描述。

下陷1336可以具有长度L、由弧W测量的宽度，和深度D。长度L和深度D在图13B中示出。弧W在图13C上示出。

下陷1336的长度L可以沿y轴，从下陷1336的切点1342到下陷1336的最外点1344，测量。切点1342可以是沿y轴的点，在此处上表面1328的曲率从顶冠1224的曲率变为不同曲率。换言之，上表面1128的切线沿y轴的变化率可以在切点处改变。最外面的点1344是沿着y轴离具有最低高度的上表面1228的中心最远的点。在一些实施例中，应理解最外点1344可位于基底1320的外围刃1238上，其中下陷1336与外围刃1338相交。在一些实施例中，长度L可为基底1320的半径的至少5％、10％、15％、25％、30％或50％。在一些实施例中，长度L最多可以是基底1320的半径的25％、40％、50％、60％或75％。

下陷1336的深度D可以平行于z轴，从切点1342到下陷1336的最低点1346，测量。最低点1346可以是下陷1336内的点，其深度大于或等于下陷1336内的所有其他点的深度。在一些实施例中，下陷可以包括不止一个最低点1346。例如，下陷1336内的整个区域可以处于相等的最大深度。最低点可以或可以不沿y轴定位。

如上所述，基底1320和超硬层1310可以在界面1330处邻接。超硬层1310可以延伸到下陷1336中，使得超硬层1310在下陷1336内也具有深度D。在一些实施例中，超硬层1310的深度D可以是切割器1310的z轴处的超硬层1310厚度的至少15％、25％、50％、75％、100％、110％、120％、130％或140％。在一些实施例中，超硬层1310的深度D可以至多是切割器1310的z轴处的超硬层1310厚度的50％、75％、85％、90％、120％、125％、140％、150％、175％、190％或200％。

下陷1336的宽度可以测量为第一横向偏离点1348和第二横向偏离点1350之间的弧长。如上所述，基底1320的上表面1328可以包括沿x轴和沿y轴的简单曲率。上表面1328的横向于顶冠1324的部分可以具有由这两个简单曲率限定的曲率。如上所述，下陷1336可以包括复杂曲率，该复杂曲率不同于上表面1328的其余部分的曲率。横向偏离点1348、1350可以定义为在下陷1336的任一侧上离y轴最远的点，在此处曲率从上表面1328的简单曲率变化为不同曲率。弧W可以定义为沿着基底1320的外围刃1338，从第一点P1到第二点P2，该第一点P1定义为与z轴和第一横向偏离点1348相交的线与外围刃1338相交的点，该第二点P2定义为与z轴和第二偏离拐点1350相交的线与外围刃1338相交的点。下陷的宽度可以定义为弧W的弧长。在一些实施例中，宽度可以是至少5、8、10、12、15、20、30或45度。在一些实施例中，宽度可以是至多20、30、45、70、90、120或150度。

基底1320的上表面1328还可以包括压缩应力环1352。压缩应力环1352可以包括围绕上表面1328与上表面1328的外围刃1338相邻的环形表面。应力环1352可以延伸到下陷1336中或者可以至少围绕上表面1128的至少90、105、120、140度延伸。

压缩应力环1352可具有恒定的环形半径或变化的环形半径。如果环形半径改变，则压缩应力环1352可以在距下陷1336中的至少一个的中心点约90度的点处最窄。压缩应力环1352的环形半径可朝下陷1336中的每一个增加。在一些实施例中，压缩应力环1352在其最窄点处的环形半径可为基底1320半径的至少1％、2％、3％、5％、8％、10％或15％。在一些实施例中，压缩应力环1352在其最窄点处的环形半径最多可以是基底1320的半径的10％、15％、20％、25％或50％

压缩应力环1352可包括平面或弯曲表面。在一些实施例中，压缩应力环1352可以在与下陷1336中的至少一个的中心点成大约90度的点处与切割器1300的z轴垂直或以其他方式成角度。压缩应力环1352的表面在它合并到下陷1336中时可以是弯曲的。压缩应力环1352可具有与上表面1328的相邻部分不同的曲率，从而在压缩应力环1352的内刃上形成有角度或弯曲的偏离环1354。本领域技术人员将认识到在不脱离本公开的范围的情况下，根据这些实施例的切割元件可以形成为没有压缩应力环。上表面1328还可以包括多个突起1325。在示出的实施例中，突起1324是多个大体上新月形的突起5125(具有沿其长度的具有圆形端部的大体曲率，(而不是在其端部处形成到一点的传统的新月形))。然而，突起可以是其他形状，包括大体上的泪珠状(具有一个圆形的端部和变成一个点的一个端部)，或其他细长的(长于宽)形状，例如椭圆形、蚕豆形或肾形(通常是豆形的、圆形的，但在一侧有凹痕)，但也可以是非细长形状，例如圆形等。如所示，新月形突起1325的曲率从朝向远离顶冠1324的y轴向外成弓形。多个突起1325位于基底上表面1328上的顶冠1324的两侧上，向凹陷区域1318延伸。在这样的取向下，多个突起的长度大致与顶冠1324的长度对准(大致平行或在20度以内)。在一个或多个实施例中，突起1325延伸的高度范围从大约0.010到0.050英寸(0.25到1.3mm)。在一些实施例中，突起1325延伸的高度等于或大于超硬层1310的最小厚度的约5％、约10％、约15％或约20％，并且小于或等于约50％、约45％、约40％或约35％。本领域技术人员可以容易地设想基底1320的上表面1328可以包括形状、尺寸或数量与明确描述的那些不同的突起，或者可以在不脱离本公开的范围的情况下根本不包括突起。

本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开内容的范围的情况下，关于图13A-13C描述的基底1320可以与具有本领域已知的任何形状的超硬层组合使用。这种超硬层可以包括或不包括切割顶冠，或者可以包括多于一个的切割顶冠，例如如在美国专利申请No.US20150259988中描述的，该专利申请已转让给本受让人并在此全文并入。此外，本领域技术人员将容易想到，如果这样的基底1320与包括多于一个切割顶冠的超硬层一起使用，则基底可以被修改以包括附加的顶冠和/或下陷。

本领域技术人员将认识到，根据图11-13中所示的实施例的切割元件可以包括多个下陷，这些下陷可以彼此相同或不同。在一些实施例中，形成在单个基底上的下陷可以是对称的。在一些实施例中，形成在单个基底上的下陷可以具有不同的尺寸或形状。

图14A-14C示出了基底1420的顶面1428在基底1420的半径上沿y轴的横截面。横截面可以包括具有第一曲率的顶冠1424，以及具有一个或多个不同于顶冠的曲率的曲率的下陷1436。切点1442可以位于从顶冠1424到下陷1436的过渡处。切点1424可以是沿着y轴的曲率从顶冠1424的曲率变为下陷1436的曲率的点。换句话说，沿y轴与上表面1428相切的线的斜率的变化率可以在切点1424处发生变化。

如在图14A-14C中可以看出的，根据本公开的下陷1436可以具有不同的曲率。图14A示出了下陷1436具有远离顶冠1424延伸的弯曲向下斜面，其过渡为靠近外围刃1438的弯曲向上斜坡。下陷1436的最低点1446可以形成在距外围刃1438一定距离处。根据图14A中所示的实施例制造的切割元件基于外部检查可能无法识别为包括下陷1436的切割元件。

图14B示出了具有远离顶冠1424延伸的向下弯曲的斜坡的下陷1436，其过渡为接近外围刃1438的水平线。该下陷1436可以具有多个最低点1446，因为水平区域内的每个点可以是最低点1446。图14B中所示的下陷1436的总体积可以显著大于图14C中所示的下陷1436的体积。

图14C示出了具有从顶冠1424延伸的线性或近似线性的向下斜面的下陷1436，其首先过渡为水平线，然后过渡为接近外围刃1438的凹坑1440。

本领域技术人员可以容易地设想对这些横截面的修改落入本公开的范围内。例如，可以组合图14A-14C中所示的横截面的元素，或者可以修改横截面的各个部分的斜率。所示的下陷的深度、长度和宽度也可以如上文关于图11-13所述进行修改。

图15A-15D示出了基底1520的上表面1528的俯视图。上表面可以包括顶冠1524和下陷1536。观察上表面1528的峰值高度，顶冠1524基本上线性地延伸然后在下陷1436处分叉，从而形成大致的叉骨形状。本领域技术人员将容易地想到，上表面1528可以包括第二下陷1536或任何数量的下陷1536，而不脱离本公开的范围。

缘边1556可围绕下陷1536形成。缘边1556可包括曲线、线段、或曲线与线段的组合，沿着其，在顶冠1524的区域和横向区域中的上表面1528的曲率过渡到下陷1536的曲率。这样的曲率可以在平行于x轴的方向和平行于y轴的方向上延伸。

如在图15A-15D中可以看出的，下陷1536的缘边1556可以具有不同的形状。图15A示出了一实施例，其中大体弯曲的刃1536在距外围刃1538后退的距离处到达第一横向偏离点1548和第二横向偏离点1550，然后变窄，即，形成开放的大体椭圆形状。图15B示出了一实施例，其中大体弯曲的刃1536以几乎线性的斜率变得更宽直到它到达外围刃1538，使得第一横向偏离点1548和第二横向偏离点1550沿着外围刃定位，即，形成一般抛物线形状。图15C示出了一实施例，其中大体弯曲的刃1536在距外围刃1538后退的距离处到达第一横向偏离点1548和第二横向偏离点1550，然后变窄。缘边1536具有大致封闭的椭圆形状并且包括在外围刃1538处的单个点。图15D示出了一实施例，其中缘边1556包括靠近顶冠1524的两个“点”，并且远离这些点1558朝向外围刃1538向外弯曲，使得第一横向偏离点1548和第二横向偏离点1550沿着外围刃定位。

本领域技术人员可以基于这些示出和描述容易地设想缘边1556可以采取的不同形状。例如，刃可以包括连接在弯曲拐角处的直线段，使得下陷的俯视图具有大致多边形形状，例如三角形、梯形或矩形形状。另外，缘边1556在本文中被示出为关于y轴对称，但这不是必需的，并且根据本公开的切割器可以具有具有不对称刃的下陷。本领域技术人员还可以设想包括图15A-15D所示的不同实施例的组合。

在一些实施例中，如图15A-15B所示，顶冠1524可以包括最高高度处的单个线性区域。这样的顶冠1524可能会形成一峰。在一些实施例中，如图15C-15D所示，顶冠1524可以在最高高度处包括更宽的区域。这样的顶冠1524可能会形成一平台。这些示出并不意味着限制：尖峰顶冠或平台顶冠都可以与任何形状的下陷一起使用。

图28-30示出了设置在具有不同特征(数字之间)的基底上方的超硬层的FEA分析。标尺与数字一起提供以指示拉伸和压缩应力的区域。

图28A-28C示出了设置在基底上方的超硬层2810，其不包括沿着其顶冠的下陷。图28A示出了超硬层的俯视图。图28B示出了超硬层2810的仰视图。图28C示出了超硬层2810的平面图。超硬层2810包括切割顶冠2812。如从图28A和图28C中可以看出，超硬层2810的顶表面和侧表面在切割顶冠2812附近经受高拉伸应力。如上所述，这些是超硬层2810的可以与被切割材料接触的点。图28B-28C示出超硬层2810的底表面沿其圆周经受一些压缩应力，但没有达到根据本公开的切割元件所经受的程度，如下面关于图30A-30C所示和讨论的。

图29A-29C示出了设置在基底上方的超硬层2910，其包括沿着其顶冠的唇状下陷(类似于图12C-D中示出的实施例)。图29A示出了超硬层2910的俯视图。图29B示出了超硬层2910的仰视图。图29C示出了超硬层2910的平面图。超硬层2910包括切割顶冠2912。

如从图29A和29C中可以看出的，相对于在图28A-C中所示的超硬层2810，超硬层2910的顶表面和侧表面在切割顶冠2912附近经受更小区域(和更小幅度)的高拉伸应力。如上所述，这些是超硬层2910的可以与被切割材料接触的点。因此，该超硬层2910在切割过程中不太可能受到损坏，特别是在顶冠2912下方的邻近刃处。图29B-29C示出超硬层2910的底表面经受一些拉伸应力，但有利地在不与被切割材料接触的区域。超硬层2910在“唇部”2963中经受附加的压缩应力区域，该“唇部”2963延伸到基底的下陷中。这些低压缩应力的区域可以进一步提高超硬层2910的坚固性并且可以延长用这种超硬层2910制成的切割元件的寿命。

图30A-30C示出了设置在基底上方的超硬层3010，其包括沿其顶冠的下陷。该基底和超硬层可以类似于图13A-13C中所示的那些。图30A示出了超硬层3010的俯视图。图30B示出了超硬层3010的仰视图。图30C示出了超硬层3010的平面图。超硬层3010包括切割顶冠3012。

如从图30A和30C中可以看出的，相对于在图28A-C中所示的超硬层2810，超硬层3010的顶表面和侧表面在切割顶冠3012附近经受更小区域(和更小幅度)的高拉伸应力。如上所述，这些是超硬层3010的可以与被切割材料接触的点。因此，该超硬层3010在切割过程中不太可能受到损坏，特别是在顶冠2912下方的超硬材料的侧表面上的邻近区域。图30B-30C示出超硬层3010的底表面经历沿其圆周的压缩应力。该区域可能大于图28B-28C中所示的类似区域，例如，这可能是由于在与超硬层中产生的压缩应力相邻的基底表面中形成的压缩应力“环”。超硬层3010在“延伸部”3065中经受附加的压缩应力区域，该“延伸部”3065延伸到基底的下陷中。这些区域可以进一步提高超硬层3010的坚固性并且可以延长用这种超硬层3010制成的切割元件的寿命。

根据本公开的实施例的切割元件，尤其是关于图11-15和28-30所描述的切割元件，可具有优于现有技术中已知的切割元件的优点。在此公开的切割元件能够以高切割深度(DOC)和穿透率(ROP)切割岩层，而切割器的基底无需与岩层接合。在一些实施例中，下陷可以被配置为使得超硬层接合岩层而不是基底接合岩层。防止基底和岩层的相互作用可以减少基底经受的摩擦和热量。这可以进一步防止由于磨损和侵蚀造成的基底材料损失。可接触岩层的超硬层可具有更好的耐热性和热疲劳性，并且不太可能经历材料损失。因此，与本领域已知的传统切割器相比，本文公开的切割器的耐用性可以增加，例如显著增加。

图11-15和28-30描述的下陷和压缩应力环可以改善切割器的残余应力状态。下陷可提供高压缩应力区，其可为切割脊提供附加强度。这可能会减少与切割顶冠一致的水平裂纹事件，这是该领域前三种失效模式之一。延伸到下陷中的超硬层可以限制基底在加热过程中扩展。这可以降低导致环开裂的剪切应力。此外，沿界面的高张力可能会受到下陷的限制，从而降低基底或超硬层在进行切割的区域处或附近开裂的趋势。在本文公开的设计中，超硬层可以承受更大的张力，并且超硬层可能比基底更不可能破裂。非平面界面可能会中断裂纹扩展并降低超硬层在冷却过程中分层的可能性。

根据本公开的实施例的切割元件，尤其是关于图11-15和28-30所描述的切割元件，可具有优于现有技术中已知的切割元件的附加优点。具体地，这种切割元件可以在与改进的现场性能(例如在钻井应用中)相关的实验室测试中表现出改进的性能。本公开的一些实施例可以在侧面冲击测试、钎焊测试、浸出测试、静载荷测试和/或疲劳测试中表现出改进。在浸出测试中，根据本公开的切割元件在15度和20度后倾角处可经受更高的平均最终/失效侧静载荷。在标准的未浸出切割器条件冲击测试下，切割元件可以承受更多数量的冲击。在静态载荷测试下，切割元件可能具有增加的最终/失效载荷，并且可能仅在切割尖端处发生故障。根据本公开的实施例的切割元件也可以通过标准疲劳测试。切割元件可以通过钎焊模拟测试，使得切割元件的基底不会出现裂纹。

在一些实施例中，在一种或多种加载条件下可以减少裂缝扩展。这可以减小剥落尺寸并改进损坏控制。切割元件可能能够支撑更高的载荷并承受更大的磨损区域(例如，更大的磨损平面)。这些优点又可以降低过早失效的风险并延长切割元件的寿命。

一些实施例可以在PCD失效模式的浅脊损失和/或深剥落或分层下表现出减少的失效。例如，切割元件在深度剥落或分层条件下，尤其是在大量通过之后，可以表现出减小的磨痕面积。由于超硬层所经历的磨损，在基底暴露之前，切割元件可能能够承受更多的通过次数。

根据本公开的实施例的基底可由用铁、镍、钴或其合金硬质化的硬质合金形成，例如碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化钽、碳化钒或其组合物。例如，基底可由钴硬质碳化钨形成。根据本公开的实施例的超硬层可以由例如多晶金刚石形成，例如由在足够高的压力和高温下通过诸如钴或其他第VIII族金属的金属催化剂结合在一起的金刚石晶体(在HPHT条件下烧结)、热稳定多晶金刚石(去除了至少一些或基本上所有催化剂材料的多晶金刚石)或立方氮化硼，形成。此外，超硬层可以由一层或多层形成也在本公开的范围内，其可以在其中具有金刚石含量的梯度或阶梯状过渡。在这样的实施例中，一个或多个过渡层(以及另一层)可以在其中包括金属碳化物颗粒。此外，当使用这种过渡层时，组合的过渡层和外层可以统称为超硬层，因为该术语已在本申请中使用。即，可在其上形成超硬层(或包括超硬材料的多个层)的界面表面是硬质合金基底的界面表面。

根据本公开的实施例的切割元件可以沿着切割刀具的刀片布置成一排或多排。例如，根据本公开的实施例，钻头可具有钻头主体、从钻头主体延伸的至少一个刀片、以及沿着至少一个刀片的切割面设置的第一排切割元件。第一排中的一个或多个切割元件可包括一切割元件，该切割元件具有非平面的顶表面和形成在超硬层和切割元件的基底之间的非平面界面，例如如上所述。钻头还可具有沿至少一个刀片的顶面设置并从第一排向后的第二排切割元件。第二排中的一个或多个切割元件可包括一切割元件，该切割元件具有非平面的顶表面和形成在超硬层和切割元件的基底之间的非平面界面，例如如上所述。在一些实施例中，第一排和/或第二排中的一个或多个非平面切割元件可以具有与其他非平面切割元件不同的形状(例如，具有一个或多个上述变化的切割元件)。

图16示出了根据本公开的实施例的钻头的局部视图。钻头6300具有钻头主体6310和从钻头主体6310延伸的至少一个刀片6320。每个刀片6320具有面向钻头旋转方向的切割面6322、与切割面6322相对的尾面6324，以及顶面6326。切割元件的第一排6330邻近至少一个刀片6320的切割面6322设置。第一排6330中的一个或多个切割元件可以包括切割元件6332(其可以是任何上述切割元件)。例如，切割元件6332可以包括具有上表面形成有顶冠的基底，顶冠过渡到下陷区域，以及上表面上的超硬层，从而在超硬层和基底之间形成非平面界面。在另一实施例中，超硬层的顶表面具有至少一个切割顶冠，该切割顶冠从波状外围刃的切割刃部分沿直径延伸。在所示的实施例中，沿着切割元件6332的顶表面的切割顶冠形成基本上抛物线圆柱形状。此外，在一个或多个实施例中，任何顶表面几何形状可以与任何基底/界面表面几何形状组合使用。

钻头6300还包括沿刀片6320的顶面6326设置的第二排6340的切割元件，其在第一排6330的后面。换言之，第一排6330的切割元件沿着刀片6320设置在切割面6322处，而第二排6340的切割元件沿着刀片6320的顶面6326设置在远离切割面6322的位置。第二排6340中的一个或多个切割元件可以包括根据本公开的实施例的切割元件6342。例如，如所示，切割元件6342可具有非平面的顶表面和形成在超硬层和切割元件的基底之间的非平面界面，例如上文所述。第一排6330或第二排6340或第一排6330和第二排6340两者中的切割元件的非平面顶表面可具有抛物线柱体或双曲抛物面形状。此外，具有平面或非平面顶表面的其他切割元件可以在刀片上的第一排和/或第二排中。例如，如图16所示，第二排6340的切割元件还可包括具有锥形顶表面(或其他非锥形但基本为尖的切割表面)的切割元件6344，其中锥形顶表面可具有圆形顶点，其具有曲率半径。具有锥形顶表面的切割元件6344可定位在刀片6320上，使得切割元件6344的中心或纵向轴线与刀片6320的顶表面6326成一角度，其中该角度可从例如，大于0度到90度。同样，具有平面或非平面顶表面的其他切割元件可具有与刀片顶表面成大于0度至90度的角度的中心轴线或纵向轴线。如图16所示，根据本公开的实施例的切割元件6332、6342可以以一角度(形成在平行于钻头轴线的线和延伸穿过切割顶冠的径向端部的线之间)定位在刀片6320上。所述角度范围从大于0度到40度(或在各种其他实施例中至少为5、10、15、20、25、30或35度)。

然而，如图21所示，切割元件6832可取向为基本上垂直于刀片顶部。即，切割元件6832也可以以大于65度到115度(或在一些实施例中为至少65、75、80、85、90、95、100、105、110度)的范围的角度取向(形成在平行于钻头轴线的线和延伸穿过切割顶冠的径向端部的线之间)。这种角度也可以表示为平行于钻头轴线的线与切割元件的中心轴线之间形成的角度，其范围为0至±25度(或至少为0、±5、±10或±15度)。例如，虽然图21示出了本公开的切割元件6810跟踪PDC平面切割器6820，但切割元件6810取向为基本上垂直于刀片顶表面(在平行于钻头轴线的线和切割元件的中心轴线之间形成的角度为0)，图22示出了切割元件6910跟踪PDC平面切割器6920并以负角(高达-25度)取向，其中切割元件6910的切割刃在远离旋转方向的方向上成一角度，并且图23示出了跟踪PDC平面切割器7020并以正角(最多25度)取向的切割元件7010，其中切割元件7010的切割刃以在朝向旋转方向的方向上成一角度。这种取向可用于本文以上或以下提供的任何示出的切割元件布置(以及与PDC平坦切割器和锥形切割器的组合)中的本公开的切割元件。然而，具体地，实施例可以包括本公开的这样的切割元件作为直接在PDC平坦切割器之后的备用或辅助切割元件或作为主切割元件，单独地或与PDC平坦切割器或其他非平面切割元件组合。还设想到，辅助或备用切割元件可以相对于主切割元件处于不同的径向位置。例如，参考图24，本公开的切割元件7110可以是在与主PDC平面切割器7120相比不同的径向位置(相对于钻头中心线)的辅助切割元件(即，切割元件7110在两个相邻的PDC平面切割器后面和之间)。相反，在图25中，本公开的切割元件7210是主切割元件，并且PDC平面切割器7220是在与本公开的主切割元件7210相比处于不同的径向位置(相对于钻头中心线)的辅助切割元件(即，PDC平坦切割器在两个相邻切割元件7210后面和之间)。此外，当使用主和辅助切割元件时，可能存在暴露差异X，例如图21中所示，其范围可能高达±0.100英寸(2.54毫米)。因此，虽然可能没有暴露差异(X＝0)，但本公开的切割元件6810可以具有比PDC平坦切割器6820更大(0<X≤0.100英寸)或更少(-0.100英寸<X<0)的暴露。这种暴露差异可用于任何实施例中，包括图16-23中任一个所示的组合(并且还包括相同或相似切割元件的组合)。

返回参考图16，在一个或多个其他实施例中，具有锥形顶表面的切割元件6344可以以范围从0度到20度的一角度(形成在平行于钻头轴线的线与钻头的中心轴线之间)定位在刀片6320上，其中切割元件的尖端旋转地引导其基底，即指向引导面的方向。

此外，在图16所示的实施例中，第二排6340中的切割元件可以定位在第一排6330中的切割元件的后面，使得第二排6340中的一个或多个切割元件与第一排中的一个或多个切割元件共享径向位置。在刀片上共享相同径向位置的切割元件定位在距钻头的中心或纵向轴线相同的径向距离处，使得当钻头旋转时，切割元件沿着相同的径向路径切割。共享相同径向位置的第二排6340中的切割元件和第一排6330中的切割元件可分别称为备用切割元件和主切割元件。换句话说，如本文所用，术语“备用切割元件”用于描述当钻头沿切割方向旋转时尾随在同一刀片上的任何其他切割元件的切割元件，并且术语“主切割元件”用于描设置在刀片前刃上的切割元件。因此，当钻头在切割方向上围绕其中心轴线旋转时，“主切割元件”不会在同一刀片上尾随任何其他切割元件。第二排6340中的其他切割元件可以与第一排6330中的切割元件的径向位置部分重叠，或者可以定位在与第一排中的切割元件径向相邻的位置(即，其中第二排中的切割元件位于第一排中的切割元件的后面，并且沿钻头刀片不共享径向位置)。此外，虽然示出的实施例示出第一排6330完全填充有具有本公开的几何形状的切割元件6342，但第一排6330上少于所有的切割元件可以具有这种几何形状并且可以包括基本上尖的切割元件或平面切割元件。切割元件类型的这种混合也可以用于第二排，或者第二排可以包括相同类型的切割元件。

图17示出了根据本公开的实施例的钻头的局部视图。钻头6400具有钻头主体6410和从钻头主体6410延伸的至少一个刀片6420。每个刀片6420具有面向钻头旋转方向的切割面6422、与切割面6422相对的后缘面以及顶面6426。第一排6430的切割元件沿着至少一个刀片6420的切割面6422设置。第一排6430中的一个或多个切割元件可以包括具有非平面顶表面和/或在超硬层和切割元件的基底之间形成的非平面界面的切割元件6432，根据本公开的实施例，例如上文所描述的。例如，切割元件6432可以包括基底，该基底具有顶冠形成在其中的上表面，其中顶冠过渡到下陷区域；以及在上表面上的超硬层，从而在超硬层和基底之间形成非平面界面。进一步地，超硬层的顶表面具有横跨切割元件的直径延伸的切割顶冠并且远离切割顶冠横向延伸的高度减小。在所示的实施例中，沿着切割元件6432的顶表面的切割顶冠形成抛物线圆柱形状。

钻头6400还包括沿刀片6420的顶面6426设置的第二排6440的切割元件，其在第一排6430的后面。第二排6440中的切割元件包括根据本公开的实施例的具有双曲抛物面形顶表面的至少一个切割元件6442和具有锥形顶表面的至少一个切割元件6444，其中锥形顶表面可以具有圆形的具有一曲率半径的顶点。切割元件6444可以以与切割元件6442沿第二排6440交替的布置定位。在其他实施例中，单一类型的切割元件(例如，根据以上公开的实施例的切割元件，具有锥形顶表面的切割元件或具有平面顶表面的切割元件)可以彼此相邻地定位在一排切割元件内。例如，如图17所示，第二排6440的一部分包括具有彼此相邻定位的锥形顶表面的多个切割元件6444，并且第二排6840的另一部分包括具有与切割元件6442交替布置的具有锥形顶表面的切割元件6444，根据本公开的实施例。此外，根据本公开的实施例，整个第一排6430的切割元件包括多个切割元件6432。

此外，如所示，本公开的切割元件6432中的一个或多个可以(相对于切割元件围绕其中心轴线的旋转)对准，使得切割元件6432的切割顶冠6434的长度可以基本上垂直地(在各种实施例中在垂直的20度、10度或5度内)延伸远离刀片6420的轮廓曲线6428(在图26中示出)。这种对准指示切割元件6432的旋转并且可以针对切割元件6432取向的任何后倾角实施。这种对准可以通过使用任何类型的对准刀具来实现，例如类似镊子的刀具，其将切割顶冠6434相对于刀片顶面6422对准(例如，允许用户手动对准切割顶冠或机械对准切割顶冠)。可以使用任何合适的刀具和方法来对准切割顶冠。

在又一些其他实施例中，单一类型的切割元件可以沿着刀片的区域定位成一排。例如，具有相同形状的顶表面的一个或多个切割元件可以沿着刀片的区域定位成一排切割元件。刀片的区域通常可分为锥形区域、肩部区域和保径区域，其中锥形区域是指钻头的径向最内区域，保径区域是指沿钻头的外径的区域，以及肩部区域是指径向位于锥形区域和保径区域之间的钻头的区域。肩部区域也可被描述为具有凸出或上翻曲线轮廓的刀片的区域。

例如，图18和19示出了根据本公开的实施例的钻头6500的仰视图和透视图，该钻头具有钻头主体6510和从其延伸的多个刀片6520。每个刀片6520具有前引导面6522、与前引导面相对的后缘面6524和顶面6526。第一排6530的切割元件沿着至少一个刀片的前刃(其中该引导面过渡到顶面)设置，其中第一排中的切割元件6532具有根据上述实施例的非平面顶表面。第二排706540的切割元件沿着刀片的顶面设置并在第一排6530的切割元件的后面，其中第二排6540包括根据本公开的实施例的切割元件6542和具有圆锥形顶表面的切割元件6544。沿着刀片6520的锥形区域6550的第二排6540的切割元件包括具有锥形顶表面的切割元件6544，并且沿着刀片6520的肩部区域6560的第二排6540的切割元件包括根据本公开的实施例的具有锥形顶表面的切割元件6544和切割元件6542的交替布置。此外，沿着刀片6520的保径区域6570的第二排6540的切割元件包括一个或多个具有锥形顶表面的切割元件6544。然而，在其他实施例中，不同组合类型的切割元件可以沿着刀片的锥形区域、肩部区域和保径区域布置成一排。例如，一个或多个具有平面顶表面的切割元件可以沿着刀片的锥形、肩部和/或保径区域定位成一排切割元件；一个或多个具有抛物线柱形顶表面的切割元件可以沿着刀片的锥形、肩部和/或保径区域定位成一排切割元件；一个或多个具有双曲线抛物面形顶表面的切割元件可以沿着刀片的锥形、肩部和/或保径区域定位成一排切割元件；和/或具有非平面顶表面的一个或多个切割元件可以沿着刀片的锥形、肩部和/或保径区域定位成一排切割元件。

此外，虽然仅示出了钻头，但本公开的切割元件可用于其他类型的切割刀具，例如铰刀、铣刀等，如图20所示。例如，图20示出了包括本公开的一个或多个切割元件的开孔器830的一般构造。开孔器830具有刀具主体832和围绕其圆周设置在选定方位角位置处的多个刀片838。开孔器830通常具有连接件834、836(例如螺纹连接件)，使得开孔器830可以联接到相邻的钻井刀具，该钻井刀具包括例如钻柱和/或底部钻具组合(BHA)。刀具主体832通常包括贯穿其中的钻孔，使得钻井液可以在其从地面(例如，从地面泥浆泵)泵送到井眼底部时流过开孔器830。类似地，图27示出了包括本公开的一个或多个切割元件的可扩张铰刀741的一般构造。可扩展铰刀741具有刀具主体742和围绕其圆周设置在选定方位角位置处的多个刀片743。刀片可以是可移动的并且可以响应于通孔和井眼环空之间的流体压力差从主体径向向外延伸。可扩展铰刀741通常具有连接件744、745(例如螺纹连接件)，使得可扩展铰刀741可以联接到相邻的钻井刀具。刀具主体742通常包括贯穿其中的孔，使得钻井液可以在可扩展铰刀741从地面(例如，从地面泥浆泵)被泵送到井眼底部时流过可扩展铰刀741。

如上所述，本公开不限于单个工作表面形状。图8-10示出了具有非平面顶表面705的切割元件700的另一个示例。切割元件700具有设置在基底720上的界面730处的超硬层710，其中非平面顶表面705形成在超硬层710上。超硬层710具有围绕顶表面705的外围刃715。顶表面705具有非均匀切割顶冠712。即，顶冠712具有非线性轮廓(在y-z平面或顶冠轮廓图)使得顶冠712沿其长度在基底720/超硬层710界面上方(在切割元件700的圆周处)延伸可变高度714。切割顶冠712与一部分外外围缘715相交，以形成一切割刃部分716。至少一个凹陷区域718的高度在远离切割刃部分716的方向上连续减小至外外围缘715的另一部分。此外，如所提及的，顶冠712具有可变高度，其在与外围刃715的相交处处于其最大值并且在切割元件的中心或z轴附近处处于其最低值(即，顶表面705在两个切割刃部分之间具有减小的高度，从而形成基本鞍形或双曲抛物面)。如所示的，顶表面的总高度差(在顶冠和凹陷区域之间)等于深度717。根据一些实施例，切割元件的鞍形顶表面可以具有范围在0.04英寸(1.02毫米)和0.2英寸(5.08毫米)之间的高度差717，其取决于切割元件的整体尺寸。例如，在其他实施例中，相对于切割元件直径的高度差717的范围可以从0.1到0.5，或从0.15到0.4。此外，在一个或多个实施例中，在邻近凹陷区域718的外围刃处(即，在具有最低金刚石高度的切割元件的一侧)处的金刚石的高度可为至少0.04英寸(1.02mm)。

图8-10中所示的切割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12中所示的切割元件在图16中沿x-y-z坐标系再现。切割元件700具有在界面730处设置在基底720上的超硬层710，以及与延伸穿过其中的z轴重合的纵轴。形成在超硬层710上的非平面的顶表面705具有通过沿x轴和y轴变化的高度(其中该高度是从公共基部平面沿z轴测量的)形成的几何形状。如所示，形成在顶表面中的峰值高度(在图7中也可称为切割顶冠712)在切割元件700的外围刃715处沿y轴形成。切割元件700沿y轴与z轴的交点的横截面图如图17所示，可称为顶冠轮廓图。顶冠剖面示出出了沿y轴具有可变高度的非均匀(非线性)顶冠。具体地，如所示，顶表面几何形状的高度从靠近外围刃715(在切割元件的任一侧)的峰值高度朝向z轴逐渐减小，以沿y-z平面形成顶面705的凹形横截面形状。切割元件700沿x轴和z轴的交点的横截面图如图18所示，并且示出了顶冠的一般几何轮廓。如所示，顶表面的高度从外围刃(其在图12中也可称为凹陷区域718)朝向z轴逐渐增加，以沿x-z平面形成顶表面705的凸形横截面形状。由不同高度形成的顶表面705的三维形状具有鞍形或双曲抛物面形状。

应当理解，对本公开的“一个实施例”或“一实施例”的引用并不旨在被解释为排除也结合了所述特征的附加实施例的存在。例如，关于这里的实施例描述的任何元素可以与这里描述的任何其他实施例的任何元素组合。进一步地，应当理解，前述描述中的任何方向或参考系仅仅是相对的方向或运动。例如，任何对“上”和“下”或“上方”或“下方”的引用仅是对相关元素的相对位置或移动的描述。如本公开的实施例所涵盖的本领域普通技术人员将理解的，本文所述的数字、百分比、比率或其他值旨在包括该值，以及“大约”或“大约”所述值的其他值。因此，所述值应被足够广泛地解释为包括至少足够接近所述值以执行所需功能或实现所需结果的值。所述值至少包括在合适的制造或生产过程中预期的变化，并且可以包括在所述值的5％以内、1％以内、0.1％以内或0.01％以内的值。

本领域普通技术人员根据本公开内容应当认识到，等效构造不脱离本公开内容的精神和范围，并且可以对公开的实施例进行各种变化、替换和变更而没有脱离本公开的精神和范围。包括功能性“装置加功能”语句在内的等效结构旨在涵盖在此描述的执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等效物和提供相同功能的等效结构。申请人的明确意图是不为任何权利要求援引装置加功能或其他功能性声明，但“用于...的装置”一词与相关功能一起出现的那些除外。落入权利要求的含义和范围内的对实施例的每一个增加、删除和修改都包含在权利要求中。

Claims (22)

1.一种切割元件，包括：

基底，该基底具有带外围刃的非平面的上表面，该上表面包括：

至少一个下陷，该至少一个下陷形成为至少靠近外围刃；和

压缩应力环，该压缩应力环围绕该上表面与外围刃相邻地延伸，延伸到所述至少一个下陷中，并被配置为减少超硬层中的拉伸应力；和

超硬层，该超硬层在基底上并具有非平面的顶表面，

其中，超硬层与基底之间形成界面。

2.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述下陷延伸至所述外围刃。

3.根据权利要求1所述的切割元件，包括两个下陷，两个下陷中的每个具有与另一个下陷的中心点成180度的中心点。

4.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述外围刃的最低点在所述下陷内。

5.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述下陷具有一深度使得超硬层具有在下陷的最深点处的深度，该深度在切割元件的轴线处的超硬层的厚度的15％和90％之间。

6.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述下陷的长度在所述基底的半径的9％和96％之间。

7.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述下陷在所述基底的圆周的12度和140度之间的弧长上延伸。

8.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述压缩应力环包括垂直于所述基底的轴线的平面表面。

9.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述压缩应力环包括弯曲或成角度的表面并且与所述超硬层的弯曲或成角度的表面形成一界面。

10.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述压缩应力环和与超硬层的相应界面的环形宽度距离所述外围刃上的一个或多个下陷的中心点最窄90度。

11.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述压缩应力环随着其延伸到所述一个或多个下陷中而变得更宽。

12.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述压缩应力环的最窄环形宽度在所述基底的半径的2％和50％之间。

13.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述上表面包括沿所述基底的中心轴线延伸的顶冠。

14.根据权利要求13所述的切割元件，其中，所述超硬层的顶表面包括切割顶冠。

15.根据权利要求14所述的切割元件，其中，所述切割顶冠与所述顶冠对准。

16.根据权利要求2所述的切割元件，其中，沿着在两个下陷中的每个的中心点之间延伸的线延伸的基底的横截面包括：

两个低区域；

两个低区域之间的高区域；和

两个弯曲部分，每个弯曲部分将低区域连接到高区域。

17.一种切割刀具，包括根据权利要求1所述的切割元件。

18.一种切割元件，包括：

基底，该基底具有带外围刃的非平面的上表面，该非平面的上表面包括至少一个延伸至该外围刃的下陷；和

基底上的超硬层，该超硬层包括：

具有切割刃的非平面的顶表面，该切割刃位于至少一个下陷之上；和

底表面，使得超硬层的底表面和基底的上表面形成一界面，

其中，至少一个下陷具有一深度，并且所述超硬层在切割刃处具有一厚度，使得所述基底的非平面的上表面的外围刃在至少一个下陷处处于最小高度。

19.根据权利要求18所述的切割元件，其中，所述下陷具有一深度，使得所述超硬层在所述下陷的最深点处具有一深度，该深度在所述切割元件的轴线处的超硬层的厚度的5％和100％之间。

20.根据权利要求18所述的切割元件，其中，所述下陷的长度在所述基底的半径的大于0％和小于100％之间。

21.根据权利要求18所述的切割元件，其中，所述下陷在所述基底的圆周的12度和140度之间的弧长上延伸。

22.一种切割刀具，包括根据权利要求18所述的切割元件。

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