CN114502816A - 具有改进的切割效率的多晶金刚石切割元件 - Google Patents

Abstract

一种切割元件，可包括一主体，形成于主体的第一端处的凹形切割面，该切割面包括一个或多个靠近切割尖端的切割脊，该切割脊凸起到切割面的凹面上方，其长度至少约为切割面的直径的10％。围绕切割面的周边形成刃，并且该刃具有限定在切割面的切线和主体的圆柱形侧表面之间的刃角，该刃角在切割尖端处是锐角并且围绕切割面的周边变化。

Description

具有改进的切割效率的多晶金刚石切割元件

本申请要求2019年8月30日提交的美国临时专利申请号62/893,831的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

固定切割器钻头广泛用于石油和采矿业，用于钻穿地层的井眼。钻头通常包括钻头体，该钻头体在第一端具有用于附接到钻柱的螺纹连接，在相对端形成有用于钻透地层的切割结构。切割结构通常包括从钻头体的纵向轴线径向向外延伸的多个刀片。超硬紧凑型切割器通常安装在形成于刀片中的插座(socket)中，并通过压配合或铜焊固定于其上。流体端口可以位于钻头体中，以在钻头的切割结构周围分配流体，并在钻井过程中将地层切屑从切割器和钻孔底部冲走。

用于固定切割器钻头的切割器通常包括超硬复合片，其包括通过高压/高温(HP/HT)烧结工艺、铜焊工艺、机械锁紧或本领域已知的其他方式结合到较低硬度材料基材上的超硬材料层。例如，可形成切割器，其具有由碳化物(例如碳化钨)制成的基材或支撑柱，以及由多晶金刚石或多晶氮化硼材料制成的超硬切割表面层或台面，所述超硬切割表面层或台面在界面表面处沉积或以其他方式结合到基材上。切割器通常是具有圆形横截面的圆柱形的。

发明内容

提供本概述以介绍将在下文详细描述中进一步描述的一些概念。该概述不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

本文公开的实施例涉及一种切割元件，其包括主体、形成于主体第一端的凹形切割面，该切割面包括一个或多个邻近切割尖端的切割脊，该切割脊凸起到切割面的凹面上方，其长度为切割面直径的至少约10％。围绕切割面的周边形成刃，该刃具有限定在切割面的切线和主体的圆柱形侧表面之间的刃角，该刃角在切割尖端处是锐角并且围绕切割面的周边变化。

本文公开的实施例涉及一种切割元件，其包括主体、形成于主体第一端的凹形切割面，切割面包括一个或多个凸起到切割面的凹面上方的切割脊。刃围绕切割面的周边，该刃具有限定在切割面的切线和主体的圆柱形侧表面之间的刃角，该刃角在切割尖端处是锐角并且围绕切割面的周边变化。切割面包括中心圆顶，该中心圆顶凸起在凹面上方并且与切割尖端相距一段距离。

本文公开的实施例涉及一种切割工具，其包括工具主体和至少一个附接至工具主体的切割元件。该切割元件包括主体、形成在主体的第一端处的凹形切割面，该切割面包括一个或多个切割脊，这些切割脊凸起到切割面的凹面上方，并且具有为切割面直径的至少约10％的长度。刃围绕切割面的周边，该刃具有限定在切割面的切线和主体的圆柱形侧表面之间的刃角，该刃角在切割尖端处是锐角并且围绕切割面的周边变化。

本文公开的实施例涉及一种切割工具，其包括工具主体和至少一个附接至工具主体的切割元件。切割元件包括主体、形成在主体的第一端处的凹形切割面，切割面包括一个或多个凸起到切割面的凹面上方的切割脊。刃围绕切割面的周边，该刃具有限定在切割面的切线和主体的圆柱形侧表面之间的刃角，该刃角在切割尖端处是锐角并且围绕切割面的周边变化。切割面包括中心圆顶，该中心圆顶在距离切割尖端一段距离处凸起在凹面上方。

根据以下说明和所附权利要求，所要求保护主题的其他方面和优点将显而易见。

附图说明

图1A-1C分别为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件的透视图、顶视图和截面图。

图2A-D为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件的透视图。

图3为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件的横截面图。

图4为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件的横截面图。

图5为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件的横截面图。

图6A-B为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件的截面图。

图7A和7B为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件的切割机构的示意图。

图8A-C为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件的透视图和各种横截面图。

图9A-F为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件的视图。

图10示出了根据本公开的一个或多个实施例的钻头。

图11A和11B为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件在切割器凹部(pocket)内不同取向的截面图。

图12示出了根据本公开的一个或多个实施例的开孔器。

图13A-B为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件的侧视图。

图14为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件的视图。

具体实施方式

本文公开的实施例一般涉及具有凹形切割面的切割元件，与传统切割器相比，凹形切割面可允许更大的正倾角，从而提供更高的切割效率。具体地，根据本公开的一个或多个实施例的切割元件可以包括凹形切割面，该切割面包括一个或多个在切割面的凹面上方凸起的切割脊。一个或多个切割脊可以设置在切割尖端附近。如本文所述，切割面可以具有围绕其周边形成的刃，该刃具有由切割面和主体的圆柱形侧表面的切线限定的刃角。刃角在切割尖端可以是锐角，并且围绕切割面的周边变化。

图1A-C为根据本公开的一个或多个实施例的切割元件的透视图和横截面图。切割元件100包括主体110和形成在主体110的第一端部的切割面120。在一些实施例中，主体可以包括基材102上的切割层，其中切割面120形成在切割层的与基材102的界面相对的面上。切割面120可以是凹形的(例如，大致凹形的)，这旨在反映面的整体曲率，特别是横跨切割面的直径。例如，如图所示，切割面不是轴对称的，而是具有两个外部凸起区域122(形成切割面和切割元件的切割尖端的峰值高度)，这两个外部凸起区域122与切割面120间隔开并且位于切割面120的相对侧上，使得切割面具有朝向中心径向向内移动的减小的高度。为了清楚起见，如本文所用，凹形切割面包括大致凹形的切割面，例如本文所述的切割面，其中切割面还包括离散的凸形区域。具体而言，如图所示，凹形(例如，大致凹形)切割面120具有一个或多个靠近凸起区域122(和切割尖端)的切割脊124，这些切割脊124凸起在切割面120的凹面上方。切割面120的表面几何形状可以关于图1C中的截面图的平面对称，也可以关于垂直于截面平面的平面对称。为了清楚起见，图1C没有示出切割脊124。

根据本公开的切割元件通常在切割面120上包括至少一个切割脊124。切割脊从切割面凸起，使得例如当切割面是凹面时，脊凸起到切割面的凹面上方(例如，在一般凹面上方)。本公开的一个或多个实施例的切割脊124包括在顶线129处结合在一起的两个侧部127。切割脊的顶线沿着脊的长度延伸，并设置在两个侧部的界面处。相对于切割面(即，沿z轴)，切割脊的顶线沿其长度可以是凹形、凸形、锯齿形或平面形形状。在垂直于长度的视图中，一些实施例的顶线可以是弯曲的，并且在特定实施例中，具有从0.030、0.040或0.050英寸中任一的下限到0.100、0.125或0.150英寸中任一的上限的半径，其中任何下限可以与任何上限结合使用。在一些实施例中，切割脊的厚度可以沿着它们的长度变化，并且可以从切割面的中心沿着径向方向从薄到厚或者从厚到薄过渡。一个或多个实施例的切割脊可以具有范围从大约60、70、80、90、100或125度中的任何一个的下限到大约155、160、165或170度中的任何一个的上限的夹角(inclusive angle)，其中任何下限可以与任何上限结合使用。

切割脊可具有适合切割元件预期功能的任何长度。在一些实施例中，切割脊的长度可以测量为切割面直径的百分比。例如，在一个或多个实施例中，切割脊的长度可以是切割面的直径的至少5％、至少10％、至少20％或至少30％。在存在多于一个切割脊的实施例中，这些脊可以都是相同的长度，或者它们可以各自具有不同的长度。在一些实施例中，根据本公开的切割脊可以具有纹理表面，该纹理表面例如可以包括隆起或波纹。

在图1A和1B所示的一个或多个实施例中，切割面120围绕纵向轴线具有双重旋转对称性(二阶离散旋转对称性)，其中切割面围绕纵向轴线旋转180°时，切割元件的几何构造相同。在一些实施例中，切割面可以是不对称的，具有一阶旋转对称性(其中切割元件的几何构造在围绕纵向轴线旋转完整的360°之后保持不变)，例如，当切割面表面几何形状包括沿着小于切割面的整个周边形成的单个外部凸起区域时。在一些实施例中，切割面可以具有三重旋转对称性(其中当切割面围绕纵向轴线旋转120°时，切割元件的几何构造是相同的)，例如，当切割面的表面几何形状包括沿着切割面的周边形成的三个外部凸起区域时。在一些实施例中，切割面可以具有四重(或更多)旋转对称性。在一个或多个实施例中，切割面可以包括两个或多个基本上彼此平行的切割脊。在一些实施例中，两个或多个切割脊可以通过与切割面的中心相交并且垂直于切割面的平面的镜面相关。在一些实施例中，镜面可以垂直于两个或多个脊的最长尺寸。在其他实施例中，镜面可以平行于两个或更多脊的最长尺寸。

在切割面120和切割元件100的侧面112之间的接合处，围绕切割面120的周边形成刃130。在一些实施例中，例如图1C所示，刃130可以包括在切割面120和侧表面112之间的接合处形成的倒角或斜面132，而在其它实施例中，刃的至少一部分可以在切割面和侧表面的接合处形成，而没有斜面或倒角。此外，还应当理解，刃130可以包括多个斜面、半径或它们的组合。任何斜面可以是围绕切割器周边的连续的、多面的或不连续的。

刃130的形状可根据其沿与刃相交且垂直于刃处的侧表面的平面的横截面轮廓进行描述。例如，刃的轮廓可以包括在刃处的切割面和侧表面部分之间的弯曲过渡，在刃处的切割面和侧表面部分之间的接合处形成的斜面，或者在刃处的切割面和侧表面部分之间的倾斜过渡。此外，刃可以具有限定在切割面和切割元件的侧表面之间的刃角。例如，如图1C所示，在刃130处与切割面120相切的直线和在刃130处与侧表面112相切的直线相交，以限定刃角134。刃角134可以围绕切割面120的周边变化。例如，图1C的横截面轮廓中所示的刃130的部分具有锐角刃角134。刃130的其他部分可以具有直角或钝角刃角，例如沿着刃130的不靠近外部凸起区域122的部分。

根据本公开的实施例的非平面切割面可包括波状表面几何形状，其中相对凸起的部分形成切割元件刃的两侧。在一些实施例中，至少一个凸起部分可以形成在刃处的外部凸起部分之间，并且由相对凹陷的部分隔开。例如，呈脊状的单个中心凸起部分可以在切割元件刃处的外部凸起部分之间间隔开，或者一个以上的脊可以在切割元件刃的外部凸起部分之间间隔开，其中每个凸起部分可以通过相对凹陷的部分彼此间隔开。在一些实施例中，单个中心凸起部分可以是圆顶形的，即，中心凸起部分不延伸穿过切割元件的整个直径，而是可以与整个周边隔开一段距离。可以想象，单个中心凸起部分可以是轴对称的，也可以不是。在一些实施例中，单个中心凸起部分可以延伸穿过切割器的整个宽度或直径，尽管在其他实施例中，单个中心凸起部分可以沿着切割器的部分宽度或直径延伸。在凸起部分延伸穿过切割器的部分宽度或直径的实施例中，凸起部分可以从外刃向切割面的中心或轴线延伸，或者可以从切割面的中心沿单一方向或每个相反方向向外刃径向向外延伸。

图1C描绘一个或多个实施例，其特征为中心圆顶126。中心圆顶从切割面凸起，使得例如当切割面是凹面时，中心圆顶凸起到该面的凹面上方(例如，总体凹面上方)。在一些实施例中，中心圆顶可以设置在离一个或多个外部凸起区域122一定距离处。中心圆顶可以设置在离切割尖端一定距离处。

在一个或多个实施例中，一个或多个切割脊可足够长，以与中心圆顶相交。当圆顶与切割脊相交时，切割脊可以被设置为至多与圆顶高度相等。在一些实施例中，这可以更有效地提升和剥离地层。

根据切割工具中切割元件的取向以及工具和工具所接合的地层之间的相对取向，刃的某些部分可用作切割刃，其接触并接合地层。如这里所使用的，切割尖端是切割刃的第一点，其在切割深度从0增加时接触地层。在一些实施例中，切割元件可以位于形成在切割工具上的切割器凹部中，使得具有锐角的刃的一部分形成切割刃。在一些实施例中，切割元件可以取向在切割工具上形成的切割器凹部中，使得刃的直角或钝角部分形成切割元件的切割刃。此外，在一些实施例中，具有非平面表面几何形状的切割元件，例如在此公开的，可以在切割器凹部内旋转，以改变作为切割刃的刃角部分，从而改变有效的后倾角(或接合角)。在一些实施例中，具有第一表面几何形状(例如，平面或非平面表面几何形状)的切割元件可以用本文所述的具有非平面表面几何形状的切割元件替换，以改变作为切割刃的刃角，从而改变切割元件的接合角。

如本文所用，接合角是指在切割面接合地层部分的切线和垂直于被接合地层(或工作表面)的线之间测得的角度。切割面接合地层的部分可以取决于例如切割元件从其上设置切割元件的切割工具的最外表面突出的距离(延伸高度)和切割元件的切割深度。对于在切割刃处具有非平面切割面几何形状的切割元件，例如这里所公开的，沿着非平面切割面的接合区域测量的接合角可以沿着切割深度变化。

在一个或多个实施例中，根据本公开的切割脊可定位成紧邻切割刃。在一些实施例中，一个或多个切割脊可以大体上或基本上垂直于切割尖端处的刃的切线设置。在一些实施例中，一个或多个切割脊可以径向设置在切割面上。图2A-F示出了根据本公开的一个或多个实施例的不同切割元件的示例。例如，图2A-B示出了具有凹形(例如，大致凹形)切割面的切割元件200，该切割面具有延伸穿过切割面的整个直径的单个切割脊224(与图1A-C相反，其示出了延伸小于直径的切割脊)。切割脊224的侧部227如图2A-B所示变化，图2A示出了侧部229和凹面220之间的凸形过渡部240，图2B示出了凹形过渡部242。此外，在图2A中切割脊224的顶线227是凸的，而在图2B中它是凹的。图2C-D示出了具有多个切割脊的其它实施例，如图所示，在每个外部凸起区域具有多个切割脊224(与图1A-C相反，其在每个外部凸起区域仅示出了一个切割脊)。类似于图1A-C，图2C中的切割脊224不延伸切割面220的整个直径(或弦)，而图2D中的切割脊224延伸切割面的整个直径和/或弦。由于图2C中的切割脊224没有延伸切割面的整个直径，中心圆顶226可能是更明显的。图2D中的切割脊224可以升高到切割面220的凹面上方(例如，在总体凹面上方)，但是可以具有与下面的切割面220相似或基本相似的轮廓。外脊可以是使得这些事径向取向的，垂直于所示的切割表面，或任何其它取向。这些也可以是弯曲的而不是直的。脊也可以是锯齿状的。

图3-5示出了位于给定取向的切割元件的三种不同切割轮廓的示例。如图所示，尽管每个切割元件取向在相同的位置，但是沿着切割面的接合区域的不同表面几何形状相对于被接合的地层提供了不同的接合角。

图3为切割元件300的横截面图，其具有形成于主体310第一端处的非平面切割面320。切割元件300可以在切割器凹部(未示出)中，并且具有形成切割刃331的具有锐角刃角的部分刃330。当切割元件与地层350接合并移动穿过地层350时，切割面320的接合区域321延伸进入地层350的切割深度。接合角360限定在垂直于被切割的地层350的线355和与切割面320的接合区域321相切的线325之间。在所示的实施例中，切割面320的接合区域321具有凹形横截面轮廓，因此，接合角360沿着切割深度变化。在一些实施例中，非平面切割面的接合区域的横截面轮廓可以具有平面区域，其中接合角沿着平面区域的切割深度是恒定的。然而，在一些实施例中，接合区域具有平面和非平面区域，或者可以完全是非平面的，其中接合角可以沿着接合接合区域的变化区域的切割深度而变化。

根据本公开的实施例，在切割元件的锐角刃部处形成的接合角360可为正，例如，在具有以下下限、上限或下限和上限二者的范围内，包括0°、2°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、40°、50°或它们之间的任何值，其中可选择任何相对较低值与任何相对较高值相结合。如果在此公开的接合角被认为是传统切割角的后倾角，正的后倾角在此描述的值下可能无法实现。

此外，在本公开的一些实施例中，沿切割深度变化的接合角360可具有的差值大于2°，例如，高达5°，高达10°，或更大。例如，沿着具有凹形横截面轮廓的接合区域形成的接合角可以具有沿切割深度范围从约5°至约15°或更大的接合角差异，这取决于凹形横截面轮廓的曲率半径。

图4是与图3中的切割元件300处于相同取向(即，切割元件的纵向轴线与垂直于地层的线之间的角度相同)的切割元件400在切割器凹部中的截面图，其中，切割元件400位于切割器凹部中，以使刃430的直角角部分形成切割元件的切割刃431。当切割元件与地层450接合并移动穿过地层450时，切割面420的接合区域421延伸进入地层450的切割深度。接合角460限定在垂直于被切割的地层450的线455和与切割面420的接合区域421相切的线425之间。在所示的实施例中，切割元件400可以具有形成在主体410的第一端的非平面切割面420，其中非平面切割面包括在刃430的相对侧之间延伸的线性脊，并且其中横截面是沿着线性脊截取的。线性脊可以具有形成直角刃角的平面横截面轮廓。在一些实施例中，其他切割面几何形状可以形成直角刃角，例如平面切割面。

根据本公开的实施例，在切割元件的右刃角部分形成的接合角可为负值，例如，具有以下下限、上限或下限和上限二者，包括0°、-2°、-5°、-10°、-15°、-20°、-25°、-30°中任一个或其间的任何值，其中可选择任何相对较低值与任何相对较高值相结合。接合角沿着接合区域421的平面横截面轮廓可以是恒定的。

图5为与图3和图4中的切割元件300、400处于相同取向的切割元件500在切割器凹部中的截面图，其中切割元件500位于切割器凹部中，以使刃530的钝角刃角部分形成切割元件的切割刃531。刃530的钝角刃角部分可以由在刃530的相对侧之间延伸的凸脊形成，其中凸脊具有从切割元件500的底表面向外延伸的凸轮廓。在一些实施例中，其他切割面几何形状可以形成钝角刃角，例如，从刃向上和径向向内延伸的平面表面。当切割元件与地层550接合并移动穿过地层550时，切割面520的接合区域521延伸进入地层550的切割深度。接合角560限定在垂直于被切割的地层550的线555和与切割面520的接合区域521相切的线525之间。

根据本公开的实施例，在切割元件的钝角刃角部分处形成的接合角可为负值，例如，在具有以下下限、上限或上限和下限二者的范围内，包括-5°、-10°、-15°、-25°、-30°、-40°、-50°中的任一个或其间的值，其中可选择任何相对较低值与任何相对较高值相结合。接合角可以沿着接合区域521的凸起横截面轮廓变化。在一些实施例中，沿着切割深度变化的接合角可以具有大于2°的差值，例如，高达5°，高达10°，或者更大。例如，根据凸形横截面轮廓的曲率半径，沿着具有凸形横截面轮廓的接合区域形成的接合角沿着切割深度可以具有范围从大约5°到大约15°或更大的接合角差。在具有钝角刃角的实施例中，平面表面形成接合区域横截面轮廓，接合角可以是恒定的或者沿着切割深度变化。

图3-5示出了根据本公开的实施例的具有非平面切割面的切割元件如何在给定取向上旋转和定位在切割器凹部内，以改变切割元件的接合角。类似地，具有第一类型切割面表面几何形状(例如，平面切割面或非平面切割面)的切割元件可以被根据本公开的实施例的具有非平面切割面的切割元件替换，以改变接合角。

此外，根据本公开的实施例，由非平面切割面形成的接合角可根据切割深度而变化。例如，图6A和6B示出了图3所示的切割元件在不同切割深度下的切割。由于接触被切割的地层350的切割面区域的弯曲轮廓，在图6A所示的相对较深的切割深度中的地层表面处的接合角360相对小于在图6B所示的相对较浅的切割深度中的地层表面处的接合角360。

根据本公开的实施例的非平面切割面可包括波状表面几何形状，其中相对凸起的部分形成切割元件刃的两个相对侧。在一些实施例中，至少一个凸起部分可以形成在刃处的外部凸起部分之间，并且由相对凹陷的部分隔开。例如，脊状的单个中心凸起部分(326)可以在切割元件刃处的外部凸起部分之间间隔开，或者多于一个脊可以在切割元件刃的外部凸起部分之间间隔开，其中每个凸起部分可以通过相对凹陷的部分彼此间隔开。在一些实施例中，单个中心凸起部分可以是圆顶形的，即，中心凸起部分不延伸穿过切割元件的整个直径，而是可以与整个周边隔开一段距离。可以想象，单个中心凸起部分可以是轴对称的，也可以不是。在一些实施例中，单个中心凸起部分可以延伸穿过切割器的整个宽度或直径，尽管在其他实施例中，单个中心凸起部分可以沿着切割器的部分宽度或直径延伸。在凸起部分延伸穿过切割器的部分宽度或直径的实施例中，凸起部分可以从外刃向切割面的中心或轴线延伸，或者可以从切割面的中心沿单一方向或每个相反方向向外刃径向向外延伸。

图7A和7B描绘了两种不同剪切切割器的切割。图7A示出了一种标准切割器750，该切割器利用了一种已知的切割元件，而没有凹形切割面或切割脊。图7B描绘了与本公开的切割元件700相关的提高的切割效率。本公开的一个或多个实施例提供了更大正倾角和更有效的切割，同时切割脊的存在提供了更好的冲击载荷容限。在进一步的实施例中，切割元件提供了比现有技术中已知的更好的切屑偏转和管理。

根据本公开的实施例的切割元件的刃可具有围绕整个刃形成的斜面(如图8A-8C中刃830所示的斜面)，或可围绕少于整个刃形成斜面/倒角，例如沿着刃的高部。在一些实施例中，弯曲的过渡表面可以形成在切割元件的切割面和侧表面的接合处。过渡表面，例如斜面、倒角或弯曲的过渡表面，与切割元件的尺寸相比可以具有相对较小的尺寸，因此当测量切割面的直径和切割元件的侧表面的高度时可以忽略或接近忽略。例如，斜面或弯曲过渡表面的高度可以小于切割元件总高度的2％，或者在一些实施例中，小于7％，并且可以具有小于2％，或者在一些实施例中，小于7％的径向距离。

根据本公开的实施例，切割元件可包括倾斜的倾斜侧表面，该侧表面从切割元件的基部表面向切割元件的切割面径向向外延伸。切割元件的整个侧表面或小于整个侧表面可以在从基部表面朝向切割元件的切割面的方向上向外倾斜。图13A示出了相对于基材212的侧表面倾斜或成角度的切割层侧表面214。图13B示出了切割层侧表面214，其从侧表面圆角过渡到切割面220。例如，如图8A-8C所示，围绕切割层814的侧表面812的一部分可以是倾斜的，而围绕基材816的整个侧表面812可以平行于切割元件800的纵轴。围绕切割层814的侧表面812的倾斜部分在从界面815到刃830的高部分832的方向上径向向外延伸。在其他实施例中，倾斜部分可以径向向内倾斜。侧表面812的其余部分平行于切割元件的纵向轴线延伸，从界面815延伸到切割元件的基部表面，并且从刃830的下部834延伸到切割元件的基部表面。

在图8A-8C所示的实施例中，界面815是平面的，其中切割层814的厚度在刃830的高部分832处最大，而沿凹陷区域826和刃830的低部分834最小。在一些实施例中，基材和切割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取向上对应于切割元件的非平面切割面的非平面几何形状。在这样的实施例中，切割层的厚度可以沿着整个切割层是均匀的。在一些实施例中，界面可以具有在形状和/或取向上不对应于非平面切割面的非平面几何形状。

仍然参考图8A至8B，两个低部分834位于线性凹陷区域826的外端，其中线性凹陷区域826将形成刃830的高部分832的两个外部凸起部分隔开。线性凹陷区域826延伸穿过切割面820的小直径802并且具有沿着通过小直径802截取的横截面的平面横截面轮廓，其中切割面820的平面部分形成右刃角部分(参见图8C的横截面)。通过大直径804截取的切割面820的横截面轮廓(参见图8B中所示的横截面)具有凹形轮廓，其中切割面820从高部分832朝向切割面的中心区域(线性凹陷区域826)向下延伸到深度840。凹形轮廓可以具有曲率半径，其范围可以是例如大直径804的两倍、高达大直径804的四倍、高达大直径804的六倍或高达大直径804的八倍。在其他实施例中，凹形轮廓可以包括形成分段连续轮廓的线性段。

在一些实施例中，切割元件的基材的侧表面可以基本上平行于切割元件的纵向轴线延伸，并且围绕切割元件的切割层的整个周边的侧表面可以以从界面到刃的径向向外方向。在一些实施例中，切割元件的整个侧表面可以从切割元件的基部表面径向向外延伸到切割元件的切割面。在一些实施例中，围绕切割元件周边的一个或多个部分的侧表面可以具有从基部表面到切割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从基部表面到切割面基本上平行于纵向轴线延伸。

在一些实施例中，在切割元件的端部处的高部分可以包括与锐角刃角部分相邻的平面的、平坦的或右表面。例如，图9A-9D示出了根据本公开的一些实施例的切割元件900的各种视图。图9A是切割元件900的透视图，图9B和9D是切割元件900的侧视图，图9C是图9B的切割元件900的刃的凸起部分的放大图。图9E是切割元件900的顶视图。

切割元件900可具有主体910、具有两个外部凸起区域和一个或多个设置在其上的切割脊的非平面切割面920(为清晰起见，未显示)，以及围绕非平面切割面920的周边延伸的刃930。刃930的高度围绕切割元件1300的周边变化，其中刃930的第一凸起部分932可以延伸得高于刃930的第二凹陷部分934。在一个或多个实施例中，切割元件900可以包括位于切割元件926中心的圆顶、穿过切割元件的脊和/或另一个凸起部分922。

就刃角而言，切割元件900不同于上述切割元件，因为其在第一凸起部分932处结合了与刃相邻的平坦部分。特别地，第一凸起部分932在与斜面931(或者如果没有斜面931，则与侧表面)的相交处可以具有大于90°的最外刃角。第一部分932可以包括平坦部分935(例如，大致平坦的部分)和可选的倾斜部分939。平坦部分935的刃角941(在平坦部分935和切割元件930的侧面之间测量的)可以是大约90°，而倾斜部分939的刃角937可以是锐角。在超过平坦部分935的长度的切割深度处，刃角937是影响与地层的接合和切割效率的有效刃角。在一个或多个实施例中，在倾斜部分939的切线和切割元件930的侧面之间测量的锐角刃角937在大于35°、大于45°或大于60°且高达89°的范围内。在特定实施例中，锐角刃角937可以在65°和75°之间。

在第一部分932处，非平面切割面920可为分段连续的。例如，在刃930附近，第一凸起部分932可以从平坦的顶表面开始，并过渡到第二凹陷部分1334的凹面中(例如，以50°至85°的锐角刃角1337)。已经发现平坦部分935提供了增加的刃耐用性，并且平坦部分的尺寸可以变化，以实现特定应用所需的切割效率和耐用性。如图9F所示，在一些实施例中，平坦部分935可以形成为弦区域或弦平面。在一些实施例中，平坦部分935在径向方向上的径向长度933(即，平坦部分的最内侧部分和外侧表面之间的距离)可以在从0.25mm到4mm、从0.5mm到2.5mm、或者从1mm到2mm的范围内。在一些实施例中，平坦部分的长度933可以表示为切割元件900的直径的百分比，或者表示为椭圆形切割元件的大直径或小直径的百分比。例如，长度933可以是具有以下下限、上限或下限和上限二者的范围，包括直径的2％、5％、8％、10％、13％、17％、20％中任一个或其间的任何值。在一些实施例中，长度933可以是切割元件900的直径(或宽度)的2.5％至13.5％，3.5％至7.5％，或5％至10％。

虽然平坦部分935被描述为弦形区域，但在其他实施例中，平坦部分935可具有其他形状。例如，平坦部分935可以不延伸穿过整个弦宽。在其他实施例中，平坦部分935可以是环形的，并且围绕切割刃930的全部或部分圆周延伸。在这样的实施例中，平坦部分935的长度在切割刃930的整个或部分圆周上可以是恒定的(例如，大致恒定)，而不是如图9E所示，具有可变的长度933，该长度933在中心处最大并且朝着每个外端减小。在其他实施例中，长度933可以围绕环形或其他形状的平坦区域935变化。

图9A-F示出了两个平坦区域935；然而，在根据本公开的实施例中，可以使用任何数量的平坦区域935。例如，在一些实施例中，可以包括三个或四个平坦区域935，并且沿着切割刃930的圆周以相等或不相等的角度间隔隔开。在其他实施例中，可以使用单个平坦区域(例如，环形平坦区域)。在其他实施例中，平坦区域935可以根据提供给切割刃930的周向覆盖量，而不是平坦区域的数量，来描述。例如，如图9E所示，平坦区域935中的一个可以延伸以提供切割刃930的大约40°到60°范围内的圆周覆盖。因此，其两个平坦区域935可以提供切割刃930的大约80°至120°的覆盖范围(即，切割刃930周边的大约20％至大约35％之间)。如本文所述，平坦区域935的数量、长度和形状可以变化。因此，通过增加或减少平坦区域935的长度，或者通过增加或减少平坦区域935的数量，覆盖量可以在包括以下下限、上限或下限和上限二者的范围内，包括切割刃周长或周边的5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和100％中的任何一个，或者其间的任何值。例如，在一些实施例中，一个或多个平坦区域的总圆周覆盖率可大于20％，小于75％，在5％和75％之间，在10％和50％之间，或在25％和30％之间。

第三凸起部分936可形成在切割面920的中心区域，在具有平坦部分937和倾斜部分939的刃920的两个第一凸起部分932之间隔开，其中刃的倾斜部分成小于90°的角度。凸起部分936也可以在具有大约90°或更大的刃角的刃的两个第二凹陷部分934之间间隔开。凸起部分936可以凸起，并且可以延伸小于、等于或大于刃930的第一部分932的高度。此外，刃的凹陷部分934延伸的高度也小于凸起部分932。在一些实施例中，凹陷部分934延伸的高度也小于中心凸起部分936，但是在其他实施例中，其可以大于凸起部分936。

在某些实施例中，刃的凸起部分可包括多个部分，但不包括平坦部分。例如，图14示出了包括连续的分段锐角部分的切割元件的一个或多个实施例。图14所示的切割元件具有两个部分1435和1439，每个部分具有小于90°的刃角(1437和1441)。特别地，紧邻斜面1431的第一倾斜部分1435可以倾斜成第一锐角刃角1441。如在与第一倾斜部分1435相切的线和切割元件1430的侧面之间测量的锐角刃角1441可以在大于45°、大于60°或大于70°且高达89°的范围内。例如，锐角刃角1441可以在60°和89°之间，或者在75°和85°之间。第二倾斜部分1439可以邻近第一倾斜部分1435，并且可以向凹进部分(未示出)延伸。第二倾斜部分1439的刃角1441可以在大于35°、大于45°或大于60°且高达89°的范围内。例如，锐角刃角1441可以在50°和80°之间，或者在65°和75°之间。在图14中，刃角1437可以是锐角、90°或钝角。

根据本公开的实施例的切割元件可在一取向上固定或以其他方式定位在切割工具上，以具有选定的有效后倾角或接合角。例如，图10示出了根据本公开的实施例的具有切割元件1050的钻头1000的示例。钻头1000包括钻头体1010，钻头体1010具有延伸穿过其中的纵向轴线1005和从钻头体1010向外延伸的多个刀片1020。切割器凹部在刀片1020中以选定的取向形成，用于接收切割元件。具有平面切割面1062的切割元件1060可选地位于一些切割器凹部中，并且根据本文公开的实施例具有非平面切割面1052的切割元件1050设置在一些切割器凹部中。非平面切割面1052包括切割元件刃的至少一个锐角刃角部分1054，该锐角刃角部分1054被取向为切割刃以在钻井期间接合地层。根据本公开的实施例，如本文所公开的具有非平面切割面的至少一个切割元件可以位于切割工具上，例如图10所示的钻头1000，以形成切割工具的切割轮廓。

当切割元件1050、1060与地层接合时，切割元件1050、1060之间形成的接合角可取决于切割元件所在的切割器凹部的方向，以及切割面1052、1062的表面几何形状。例如，接合角可以通过改变切割器凹部相对于钻头的取向(改变切割器凹部侧壁的切线相对于切割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割面的表面几何形状来改变(例如，使得选定的刃角被提供作为切割刃)。在一些实施例中，在地层和非平面切割元件(具有围绕非平面切割面的刃形成的不同的刃角)之间形成的接合角可以通过在切割器凹部内旋转非平面切割元件来改变，以提供作为切割刃的非平面切割面的不同的刃角。因此，根据本文公开的实施例的非平面切割元件可以用于改变已经形成的切割工具的切割轮廓上的一个或多个接合角。因此，在一些实施例中，不是(或除此之外)设计或改变相对于其中形成有切割器凹部的切割工具的切割器凹部取向，以便在切割器凹部中的切割元件和地层之间提供选定的接合角，而是根据本公开的实施例的非平面切割元件可以在已经形成的切割器凹部中具有取向在切割器凹部中的切割刃位置的刃角，以便提供选定的接合角。在一些实施例中，非平面切割元件1050、1052可以具有期望的接合角，而切割器凹部处于5°和50°之间或者10°和45°之间的后倾角。这可以包括在钻头的牙轮、鼻部、肩部或保径区域中，或者在钻头的牙轮、鼻部、肩部和保径区域的任何组合中的非平面切割元件1050、1052。

图11A和11B示出了如何使用根据本公开的实施例的切割元件可以改变接合角的示例。在图11A和11B中，示出了切割元件1000在切割器凹部1100内的两种不同取向。切割器凹部1100具有底壁1101(示出为与切割元件1000的基部表面相接)和侧壁1102(示出为与切割元件1000的侧表面相接)，并且沿着切割工具1200的切割部分形成。切割元件1000具有非平面切割面1002，该切割面1002包括沿着切割面1002周边的不同刃角。在切割器凹部1100中的第一旋转取向，切割面1002的第一锐角刃角部分被定位为切割元件的切割刃1003，其中切割刃1003处的第一锐角刃角形成正接合角1300。在切割器凹部1100中的第二旋转取向，切割面1002的第二锐角刃角部分被定位为切割刃1003，其中切割刃1003处的第二锐角刃角形成负接合角1302。如图所示，由根据本公开的实施例的切割元件形成的接合角可以通过在切割器凹部内旋转切割元件而在单个切割器凹部内改变，以在切割刃处提供不同的刃角部分。在一些实施例中，根据本公开的实施例的切割元件可以在单个切割器凹部内从切割元件在切割刃处具有锐角刃角部分的位置旋转到切割刃处具有直角刃角部分的位置和/或切割刃处具有钝角刃角部分的位置。

此外，如图11A所示，当切割元件1000所在的切割器凹部1100以其他方式将传统切割元件取向为具有负后倾角时，根据本公开的实施例的切割元件1000可形成正接合角1300。如图所示，切割器凹部1100可以取向成具有与侧壁1102相切的线1103，该线1103与切割元件1000设置在其上的切割工具1200的纵向轴线1202成锐角1400延伸。如果具有平面表面(或者具有定位为切割刃的右刃角部分)的切割元件将位于切割器凹部1100中，则切割刃处的后倾角将为负。

根据本公开的实施例，可通过在切割工具(如钻头)上形成的切割器凹部内旋转根据本公开的实施例的切割元件来改变接合角。例如，钻头可以包括钻头体，该钻头体具有穿过其延伸的纵向轴线，从钻头体向外延伸的至少一个刀片，形成在至少一个刀片的最外表面中的切割器凹部，切割器凹部具有侧壁和底壁，与侧壁相切的线以锐角从纵向轴线向下延伸。非平面切割元件可以设置在切割器凹部中，其中非平面切割元件可以包括主体、非平面切割面和围绕切割面的周边延伸的切割刃，并且在切割刃处与切割面的一部分相切的平面与钻头的纵向轴线形成正接合角(或有效后倾角)。

根据本公开的实施例的非平面切割元件可设置在各种井下切割工具上，包括，例如，钻头、扩孔器和其他开孔工具。例如，图12示出了包括本公开的一个或多个切割元件840的开孔器830的示例。开孔器830包括工具主体832和围绕其圆周设置在选定方位位置的多个刀片838。开孔器830可以包括连接件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工具上，这些钻井工具包括例如钻柱和/或底部钻井工具组合(BHA)(未示出)。工具主体832可以包括穿过其中的孔，使得当钻井液从地面(例如，从地面泥浆泵(未示出))泵送到井眼底部(未示出)时，钻井液可以流过开孔器830。

虽然本公开的实施例针对用于井下应用的钻头和其他切割工具进行了描述，但本公开不限于此类环境，可用于其他环境，包括制造业和公用事业管线铺设。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“近似”所述值的其他值，如本公开的实施例所涵盖的本领域普通技术人员所理解的。因此，诸如“大约”、“近似地”、“一般地”等的所述值或术语应该被解释为足够宽泛，以包含至少足够接近所述值、取向或特征的值、取向或特征，从而执行期望的功能或实现期望的结果。所述值、特征和取向至少包括在合适的制造或生产过程中预期的变化，并且还可以包括在所述值、取向或特征的5％以内、1％以内、0.1％以内或0.01％以内的偏差。在数值范围包括各种下限或上限的情况下，任何两个值可以定义该范围的界限，或者任何单个值可以定义上限(例如，高达50％)或下限(至少50％)。

尽管上文仅详细描述了几个实施例，但本领域技术人员将很容易理解，在实质上不背离本发明的情况下，可对实施例进行多种修改。应当理解，对本公开的“一个实施例”或“一实施例”的参照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件或特征可以与这里描述的任何其他实施例的任何元件或特征组合。因此，所有这些修改都旨在包括在本公开的范围内。包括功能性“装置加功能”条款在内的等同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同物和提供相同功能的等同结构。申请人的明确意图是不对任何权利要求援引“装置加功能”或其他功能权利要求，但“用于...的装置”一词与相关功能一起出现的权利要求除外。

Claims (23)

1.一种切割元件，包括：

主体；

在主体的第一端处的凹形切割面，该切割面包括邻近切割尖端的一个或多个切割脊，该一个或多个切割脊凸起到切割面的凹面上方，并且具有为切割面的直径的至少约10％的长度；和

围绕切割面的周边的刃，该刃具有限定在切割面的切线和主体的圆柱形侧表面之间的刃角，该刃角在切割尖端处是锐角并且围绕切割面的周边变化。

2.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述一个或多个切割脊包括两个侧部和一顶线，该顶线沿着两个侧部相交的脊的长度延伸。

3.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述主体包括基材上的切割层，并且所述切割面形成在与和基材的界面相对的切割层上。

4.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述一个或多个切割脊具有范围从约60至170度的夹角。

5.根据权利要求1所述的切割元件，其中，至少一个切割脊基本上垂直于切割尖端处的刃的切线设置。

6.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述切割面还包括中心圆顶，该中心圆顶凸起到所述凹面上方，并且与所述切割尖端相距一距离。

7.根据权利要求6所述的切割元件，其中，一个或多个切割脊与中心圆顶相交。

8.根据权利要求1所述的切割元件，还包括位于切割尖端附近的刃的斜面和切割面的倾斜部分之间的平坦区域。

9.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述主体包括将斜面连接到主体的圆柱形侧表面的弯曲部分或倾斜部分。

10.根据权利要求1所述的切割元件，其中，切割面包括两个或更多个脊。

11.根据权利要求10所述的切割元件，其中，至少第一脊基本上垂直于切割尖端处的刃的切线。

12.一种切割元件，包括：

主体；

在主体的第一端处的凹形切割面，该切割面包括凸起到切割面的凹面上方的一个或多个切割脊；

围绕切割面的周边的刃，该刃具有限定在切割面的切线和主体的圆柱形侧表面之间的刃角，该刃角在切割尖端处是锐角并且围绕切割面的周边变化；和

中心圆顶，该中心圆顶凸起到凹面上方，并且距离切割尖端一距离。

13.根据权利要求12所述的切割元件，其中，所述一个或多个切割脊包括两个侧部和一顶线，该顶线沿着两个侧部相交的脊的长度延伸。

14.根据权利要求12所述的切割元件，其中，所述一个或多个切割脊与所述中心圆顶相交。

15.根据权利要求12所述的切割元件，其中，所述主体包括基材上的切割层，并且所述切割面形成在与和基材的界面相对的切割层上。

16.根据权利要求12所述的切割元件，其中，所述一个或多个切割脊具有范围从大约90度至160度的夹角。

17.根据权利要求12所述的切割元件，其中，至少一个切割脊基本上垂直于切割尖端处的刃的切线设置。

18.根据权利要求12所述的切割元件，还包括平坦区域，该平坦区域设置在与切割尖端相邻的刃的斜面和切割面的倾斜部分之间。

19.根据权利要求12所述的切割元件，其中，所述刃还包括将斜面连接到主体的侧表面的弯曲部分或倾斜部分。

20.根据权利要求12所述的切割元件，其中，切割面包括两个或更多个脊。

21.根据权利要求20所述的切割元件，其中，至少第一脊基本上垂直于切割尖端处的刃的切线。

22.一种切割工具，包括：

工具主体；和

附接到工具主体的至少一个切割元件，该切割元件包括：

主体；

在主体的第一端处的凹形切割面，该切割面包括一个或多个切割脊，该一个或多个切割脊凸起到切割面的凹面上方，并且具有为切割面的直径的至少大约10％的长度；和

围绕切割面的周边的刃，该刃具有限定在切割面的切线和主体的圆柱形侧表面之间的刃角，该刃角在切割尖端处是锐角并且围绕切割面的周边变化。

23.一种切割工具，包括：

工具主体；和

附接到工具主体的至少一个切割元件，该切割元件包括：

主体；

在主体的第一端处的凹形切割面，该切割面包括一个或多个切割脊，该一个或多个切割脊凸起到切割面的凹面上方；

围绕切割面的周边的刃，该刃具有限定在切割面的切线和主体的圆柱形侧表面之间的刃角，该刃角在切割尖端处是锐角并且围绕切割面的周边变化；和

中心圆顶，该中心圆顶凸起到凹面上方并距离切割尖端一距离。

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