CN114929986A - 具有改善的机械效率的切割元件 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种井下工具，该井下工具包括钻头体和多个刀片。每个刀片具有设置在该刀片内的至少一个切割元件。每个切割元件包括基底和在界面处附连到该基底的多晶金刚石材料。该多晶金刚石材料包括具有至少两个切割边缘的凸起切割表面、在该凸起切割表面中心的凹槽，以及在该凸起切割表面的该至少两个切割边缘与该切割元件的侧表面之间的过渡表面。本公开还包括一种制造井下工具的方法，该方法包括：形成钻头、刀片和切割元件。形成该切割元件包括形成具有至少两个切割边缘的凸起切割表面，形成在该凸起切割表面中心的凹槽，以及形成在该凸起切割表面与该切割元件的侧表面之间的过渡表面。

Description

具有改善的机械效率的切割元件

技术领域

本公开的实施方案总体涉及在钻地操作过程中用在钻地工具上的切割元件。特别地，本公开的实施方案涉及切割元件，该切割元件具有用于改善机械效率的几何形状。

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。可以使用钻地工具，诸如钻地旋转钻头在地下地层中形成井眼。使钻地旋转钻头旋转并推进到地下地层中。当钻地旋转钻头旋转时，切割器或其研磨结构切割、压碎、剪切和/或磨掉地层材料以形成井眼。

钻地旋转钻头直接或间接地耦接到本领域中被称为”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地旋转钻头在井眼内旋转；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地旋转钻头的轴，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。

不同类型的钻地旋转钻头在本领域中是已知的，包括固定切割器钻头、滚动切割器钻头和混合钻头(其可包括例如固定切割器和滚动切割器两者)。与牙轮钻头相反，固定切割器钻头没有运动部件，并且设计成绕钻杆柱的纵向轴线旋转。大多数固定切割器钻头采用多晶金刚石复合片(PDC)切割元件。PDC切割元件的切割边缘通过像车床的切割动作一样的剪切来钻凿岩石地层，这与通过压凹和压碎岩石来钻凿的牙轮钻头相反。切割边缘的切割动作在钻凿岩石地层所需的能量的量中起到主要作用。

PDC切割元件通常由在界面处结合到切割元件基底的多晶金刚石薄层(约3.5mm)构成。多晶金刚石材料通常被称为”金刚石台”。PDC切割元件通常为圆柱形，其直径为约8mm最高至约24mm。然而，PDC切割元件可以具有其他形式，诸如椭圆形或三角形，并且可以大于或小于上述尺寸。

PDC切割元件可独立于钻头体制成，并被固定在形成于钻头体的刀片的外表面中的切割元件凹坑内。可使用诸如粘合剂或更典型地钎焊合金的粘结材料来将PDC切割元件固定在凹坑内。通过在高温和高压(HTHP)条件下，在催化剂(诸如例如钴、铁、镍或它们的合金和混合物)存在下，将相对小的金刚石晶粒烧结并结合在一起，以在切割元件基底上形成多晶金刚石材料的层或”台”来形成PDC切割元件的金刚石台。

图1A、图1B和图1C分别示出了现有技术的常规多晶金刚石复合片(PDC)切割元件100的透视图、正视图和侧视图。多晶金刚石台(金刚石台)104在界面110处结合到基底106上。在使用之前，PDC切割元件通常具有平面前切割面108和常规的圆柱形切割边缘102。平面前切割面108垂直于切割元件100的纵向轴线112，并且通常平行于金刚石切割台104和基底106之间的界面110。PDC切割元件100的切割边缘102是平面前切割面108与金刚石台104的纵向侧表面相交的地方。PDC切割元件100的切割边缘102通过剪切地层材料(类似于车床的切割动作)来钻凿岩石地层。切割边缘102的切割动作在钻凿岩石地层所需的能量的量中起到主要作用。在使用期间，当PDC切割元件100的切割边缘102磨损时，在切割边缘102处产生磨痕。最后，随着磨痕的形成和发展，与地层接触的切割边缘102变成直线形的。图11A示出了常规的PDC切割元件1102的磨痕1106。

切割元件基底106可包含金属陶瓷材料(即陶瓷金属复合材料)，诸如例如钴结碳化钨。在这种情况下，基底106中的钴(或其他催化剂材料)可以在烧结过程中被扫入金刚石晶粒中，并用作在金刚石台104中的金刚石晶粒之间形成晶粒间金刚石-金刚石键的催化剂材料。

在使用HTHP方法形成金刚石台时，催化剂材料可以保留在金刚石台晶粒之间的间隙空间中。当切割元件100在使用期间变热时，在金刚石台中存在催化剂材料可导致金刚石台中金刚石晶粒之间的金刚石-金刚石键的降解。由于热引起的金刚石-金刚石键的降解被称为对金刚石台104的”热损坏”。因此，使切割元件100所暴露的热量最小化是有利的。这可以通过减小钻地旋转钻头的穿透速率来实现。然而，穿透速率降低意味着钻孔时间更长并且与钻孔相关的成本更高，而切割元件100失效意味着为了更换钻头要停止钻孔过程以移除钻杆柱。因此，需要具有改善的穿透速率和改善的耐久性同时减少切割元件处的热积聚的切割元件。

增强PDC切割元件的耐久性的一种方法是修改PDC切割元件的切割边缘以减小应力点。这样做的一种方式是在切割元件的圆柱形侧表面中形成锥形表面，如图2A、图2B和图2C所示。图2A、图2B和图2C示出了现有技术的PDC切割元件200的透视图、正视图和侧视图。PDC切割元件200包括在界面214处结合在一起的多晶金刚石台204和基底206。在工业中已知的是，在与切割元件200的切割面212和切割边缘208相邻的PDC切割元件200的侧表面中形成平面锥形表面202。

提高切割元件200的效率和耐久性的另一种方法是在金刚石台204的切割边缘208上形成倒角边缘208。在工业中已知的是，对PDC切割元件200的边缘进行倒角处理，可以增强PDC切割元件200的耐久性。已经发现，在切割边缘208上具有倒角边缘210的金刚石台204具有降低的剥落和断裂倾向。

多倒角多晶金刚石复合片(PDC)切割元件在本领域中也是已知的。例如，Cooley等人的美国专利号5437343提出了一种多倒角切割元件，该专利已转让给本发明的受让人。特别是Cooley等人的该专利公开了一种具有多晶金刚石材料的PDC切割元件，该多晶金刚石材料具有两个同心倒角。

在工业中也已知的是，改变金刚石台的形状可以提高切割元件的效率和耐久性。授予Thigpin等人的美国专利5333699涉及一种具有与切割端相对的球形第一端的切割元件。在Thigpin等人的图22-图29中示出的切割元件变型形式包括形成在切割面中的通道或孔。授予Patel的美国专利9598909涉及在切割面上具有沟槽的切割元件，如Patel的图9-图13所示。

授予Bovenkerk的美国专利号4109737涉及具有结合到细长销的自由端的多晶金刚石薄层的切割元件。在Bovenkerk的图4G中示出的一种特定的切割元件变型包括大致半球状的金刚石层，该金刚石层具有形成在其外表面上的多个平面。

授予Stockey的美国专利10378289和授予Patel等人的美国专利公开U.S.2017/0234078 A1涉及具有多个倒角的切割元件的切割面，该多个倒角在切割面上形成同心环。Stockey的图1中示出的一种特定的切割元件变型包括环形表面，该环形表面在切割边缘处具有围绕环形凹槽的倒角，该环形凹槽继而在切割面的中心处围绕平面圆。Patel等人的图2中示出的另一种切割元件变型包括多个凸起的环形表面和多个在切割面的中心处围绕平面圆的环形凹槽。

授予Jensen的美国专利6196340涉及非平面切割元件上的凸起表面几何形状。在Jensen的图4a中示出的一种变型包括在顶部具有平面正方形表面的四边棱锥形状。

授予Chen的美国专利公开2018/0148978 A1涉及一种具有凸起六边形形状的切割元件。在Chen的图5A中示出的另一种切割元件变型包括具有倒角边缘的凸起六边形形状。在Chen的图5C中示出的另一种切割元件变型包括具有六个圆形”齿”的凸起切割表面。

授予Durairajan等人的美国专利8783387涉及具有高穿透速率(ROP)几何形状的切割元件。在Durairajan等人的图4和图5中示出的一种切割元件变型包括具有成形切割表面的切割元件，该成形切割表面包括凸起的三角形形状。在Durairajan等人的图5和图6中示出的另一种切割元件变型包括具有凸起三角形的切割元件，该凸起三角形具有斜边缘或倒角边缘。

Cuillier De Maindreville等人的PCT公开WO 2018/231343涉及具有多个凸起切割表面的超硬磨料钻头。在Cuillier De Maindreville等人的图1中示出的一种切割元件变型包括类似于Durairajan等人的凸起三角形形状。

授予Dennis的美国专利5499688涉及PDC切割元件。在Dennis的图7-图11中示出的切割元件变型包括具有包括三角形和六边形形状的各种凸起形状的切割元件。

具有凸起表面和倒角边缘的切割元件在工业中是已知的。然而，这些创新没有解决与切割元件相关的热问题，并且仍然需要进一步改善切割元件的可靠性和耐久性。

发明内容

在一些实施方案中，本公开包括一种用于钻地工具的切割元件，该钻地工具用于形成穿过地下地层的钻孔。该切割元件包括基底和在界面处附连到该基底的多晶金刚石材料。该多晶金刚石材料包括具有两个切割边缘的凸起切割表面；在该凸起切割表面中心的凹槽；以及在该凸起切割表面的该两个切割边缘与该切割元件的纵向侧表面之间的过渡表面。

在一些实施方案中，本公开包括用于形成穿过地下地层的钻孔的钻地井下工具。该钻地工具包括钻头体和从该主体的一个端部延伸的多个刀片。该刀片中的每个刀片包括前缘部分；以及至少一个切割元件，该至少一个切割元件设置在每个刀片内靠近该刀片的该前缘部分。该至少一个切割元件包括基底和在界面处附连到该基底的多晶金刚石材料。该多晶金刚石材料包括具有三个切割边缘的凸起切割表面、在该凸起切割表面中心的凹槽，以及在该凸起切割表面的该三个切割边缘与该切割元件的纵向侧表面之间的过渡表面。

在一些实施方案中，本公开包括一种制造钻地工具的方法，该钻地工具用于形成穿过地下地层的钻孔。该方法包括形成从钻地旋转钻头体的一个端部延伸的至少一个刀片，其中该至少一个刀片包括前缘部分。该方法还包括在该至少一个刀片中靠近该刀片的该前缘部分形成至少一个切割元件。其中，形成该至少一个切割元件包括：形成多晶金刚石材料，将该多晶金刚石材料的第一端在界面处附连到基底，并使该多晶金刚石材料的第二端成形。其中使该多晶金刚石材料的该第二端成形包括：形成限定凸起切割表面的至少两个切割边缘，在该凸起切割表面的中心形成至少一个凹槽，以及在限定该凸起切割表面的该至少两个切割边缘中的至少一个切割边缘与该切割元件的纵向侧表面之间形成至少一个过渡表面。

附图说明

图1示出了具有常规圆柱形平面前切割面的现有技术的常规圆柱形PDC切割元件。

图2示出了现有技术的PDC切割元件，该PDC切割元件具有形成在切割元件的圆柱形侧表面中靠近切割元件的切割面的两个平面锥形表面。

图3示出了根据一个实施方案的PDC切割元件，该PDC切割元件具有包括两个切割边缘的凸起切割表面、在该凸起切割表面中心的凹槽，以及非凸起的平面过渡表面。

图4示出了根据一个实施方案的PDC切割元件，该PDC切割元件具有包括三个切割边缘的凸起切割表面、在该凸起切割表面中心的凹槽，以及平面过渡表面。

图5示出了根据一个实施方案的PDC切割元件，该PDC切割元件具有包括三个切割边缘的凸起切割表面、在该凸起切割表面中心的凹槽，以及平面过渡表面；其中切割边缘中的至少一个切割边缘被倒角。

图6示出了根据一个实施方案的PDC切割元件，该PDC切割元件具有包括三个切割边缘的凸起切割表面、在凸起切割表面中心的凹槽，以及凹形过渡表面。

图7示出了根据一个实施方案的PDC切割元件，该PDC切割元件具有包括三个切割边缘的凸起切割表面、在该凸起切割表面中心的凹槽，以及凹形过渡表面；其中切割边缘中的至少一个切割边缘被倒角。

图8示出了根据一个实施方案的PDC切割元件，该PDC切割元件具有包括至少四个切割边缘的正方形形状的凸起切割表面、在该凸起切割表面中心的凹槽、凹形过渡表面，以及倒角切割边缘。

图9示出了作用在现有技术的常规圆柱形切割元件和根据一个实施方案的切割元件上的轴向载荷随时间变化的曲线图，该根据一个实施方案的切割元件具有包括三个切割边缘的凸起切割表面和在该凸起切割表面中心的凹槽。

图10示出了作用在现有技术的常规圆柱形切割元件和根据一个实施方案的切割元件上的切向载荷(或扭矩)随时间变化的曲线图，该根据一个实施方案的切割元件具有包括三个切割边缘的凸起切割表面和在该凸起切割表面中心的凹槽。

图11示出了以下切割元件的磨损状态比较：现有技术的常规圆柱形切割元件；具有平面锥形表面的现有技术的切割元件；根据一个实施方案的切割元件，该切割元件具有包括三个切割边缘的凸起切割表面、在凸起切割表面中心的凹槽，以及平面表面；以及根据一个实施方案的切割元件，该切割元件具有包括三个切割边缘的凸起切割表面、在凸起切割表面中心的凹槽，以及凹形表面。

具体实施方式

本文所呈现的图示不是任何特定切削组件、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。本申请附带的附图仅用于示例性目的，并且没有按比例绘制。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”、”其特征在于”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”和”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，诸如”第一”、”第二”、”顶部”、”底部”等的关系术语，一般是为了清楚和方便地理解本公开和附图而使用，并且不暗示或依赖于任何特定的偏好、取向或顺序，除非上下文另有明确指示。

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”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凿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。

根据本公开的实施方案，可以实现切割元件的热特性的改善以及切割元件效率和耐久性的进一步改善。下文将进一步详细地描述井下钻地工具，其包括具有新颖几何形状的切割元件，该新颖几何形状用于改善热和机械效率。

图3A、图3B和图3C示出了根据本公开的PDC切割元件300的实施方案的透视图、正视图和侧视图。PDC切割元件300包括具有切割边缘308的凸起切割表面302、凹槽304和过渡表面306。如图3A、图3B和图3C所示，凸起切割表面302为矩形形状，并具有靠近切割元件300的侧表面316的两个切割边缘308。PDC切割元件300的最佳取向是使切割边缘308在凸起切割表面302的矩形端部处朝地层材料取向。当显著的磨损使PDC切割元件300的一侧磨损时，可通过移除钻头和通过移除、旋转PDC切割元件300并将其重新附接到钻头上来旋转PDC切割元件300，以便使另一个切割边缘308朝待钻地层材料取向。

图3A、图3B和图3C还示出了沿着凸起切割表面302并在PDC切割元件300的侧表面316与过渡表面306之间的倒角边缘318。在一些实施方案中，过渡表面306从凸起切割表面302延伸至PDC切割元件300的侧表面316。在一些实施方案中，过渡表面306可以是平面的并且可以平行于PDC切割元件300的凸起切割表面302的顶面320。在一些实施方案中，过渡表面306可以是凹形的或凸形的。在一些实施方案中，过渡表面306可以限定更复杂的形状。类似地，在一些实施方案中，凹槽304可以是正方形的、圆形的、凹形的、凸形的，或者还可以限定更复杂的形状。在一些实施方案中，凹槽304的至少一部分可以是平面的并且可以在与过渡表面306相同的平面中。凹槽304可以被形成为与过渡表面306相比更深、相同或不如其深的深度。凸起切割表面302可以占PDC切割元件300的总表面积的约5％至95％之间。多晶金刚石材料310在界面314处结合到基底312上。

图4A、图4B和图4C示出了根据本公开的PDC切割元件400的实施方案的透视图、正视图和侧视图。在该实施方案中，PDC切割元件400被构造成能够形成具有三个切割边缘418的凸起切割表面408、在凸起切割表面408中心的凹槽406，以及平面过渡表面410。平面过渡表面410从凸起切割表面408延伸至PDC切割元件的纵向侧表面412。多晶金刚石材料402在界面414处结合到基底404上。在一些实施方案中，凸起切割表面408可以垂直于切割元件400的纵向轴线420，并且可以大致平行于多晶金刚石材料402和基底404之间的界面414。地层材料将由凸起切割表面408的切割边缘418切割。地层材料也可由平面过渡表面410以及平面过渡表面410与切割元件的纵向侧表面412相交处的边缘来切割。

测试表明，PDC切割元件400的最佳取向是使三角形形状的顶点(或点)朝地层取向(或指向)。平面过渡表面410可被构造成能够改善地层钻屑和钻井液围绕切割元件400的面的流动。当显著的磨损使PDC切割元件400的一侧磨损时，可通过移除钻头和通过移除、旋转PDC切割元件400并将其重新附接到钻头上来旋转PDC切割元件400，以便使第二(并且然后第三)顶点朝待钻地层材料取向。

如图4B所示，凸起切割表面408可以延伸至PDC切割元件400的纵向侧表面412，或者它可以不一直延伸至PDC切割元件400的纵向侧表面412。在一些实施方案中，多晶金刚石材料402的总厚度可以在1mm和10mm之间，更优选在2mm和5mm之间，更优选约3mm至3.5mm。

平面过渡表面410和凹槽406可以通过磨削、铣削或激光加工多晶金刚石材料来形成，或通过本领域已知的任何其他合适的方法来形成。凸起切割表面408的顶表面416可以是平面的，并且可以平行于基底404与多晶金刚石材料402之间的界面414。

与凸起切割表面408的平面顶表面416相邻的平面过渡表面410可以相对于凸起切割表面408的平面顶表面416形成在1度和90度之间的角度。在该实施方案中，凸起切割表面408的切割边缘418未被倒角，但如图3、图5、图7和图8所示，凸起切割表面408的边缘以及PDC切割元件400的纵向侧表面412与平面过渡表面410之间的边缘可被倒角。在该实施方案中，凸起切割表面408的切割边缘418与PDC切割元件400的纵向侧表面412之间的过渡表面410是平面的。然而，过渡表面410可以是凹形的(如图6和图7所示)、凸形的，或者过渡表面410可以限定不同的和/或更复杂的形状。

凸起切割表面408的顶表面416可以占PDC切割元件400的总表面积的约5％至95％之间。凸起切割表面408的切割边缘418可以是直线形的(直的)，如图3-图8所示，或者它们可以形成弧的一部分。在一些实施方案中，凸起切割表面408的边缘可以限定更复杂的非直线形形状。用于从多晶金刚石材料402上移除材料的磨削、机加工、铣削或其他工艺可以延伸到多晶金刚石材料402的多达95％的厚度中，以形成凹槽406和平面过渡表面410(因此也形成(或暴露)凸起切割表面408)。

凸起切割表面408内的凹槽406可以与凸起切割表面408的外边缘的形状相符。然而，凸起切割表面408内的凹槽406可以限定不同的形状并且可以是圆形、正方形、矩形或其他形状的形式。与凹槽406外部的机加工深度相比，凹槽406的深度可以更深、深度相同或不如其深。凹槽406的边缘可相对于PDC切割元件400的顶表面416形成90度角，或者它们可处于1度与90度之间的任何角度。凹槽406的至少一部分(例如底部)可以是平面的，并且也可以平行于凸起切割表面408的顶表面416和/或平行于基底404与多晶金刚石材料402之间的界面414。在一些实施方案中，凹槽406的底部可以限定非平面表面。

PDC切割元件400的凹槽406可以以至少两种方式改善切割性能：首先，凹槽406可有助于在地层材料被切掉后将其破碎。如上所述，PDC切割元件400以类似于车床的切割动作剪切地层材料。因此，从地层材料上切下的钻屑可以是长带的形式，这会使钻屑的处理更加困难，并且会导致钻头结球和流动问题。测试表明，凹槽406有助于将地层材料破碎成较小的块而不是长带，从而提高PDC切割元件400的切割效率。改善的切割动作具有围绕PDC切割元件400的更好流动性，这将改善钻头的效率并且可以允许使用较小的力(轴向和切向)来操作钻头，以保持指定的穿透速率(ROP)。这将导致旋转钻头的扭矩更小和钻头上的重量更小。

第二，测试表明凹槽406有助于保持PDC切割元件400的多晶金刚石材料402在操作期间更冷。这可能是因为凹槽406增加了表面积，这改善了从PDC切割元件400的顶表面416到钻井液的热传递。测试已经证明，PDC切割元件400的冷却效果提高了25％，这允许增加切割，该切割具有更好的性能特性和更少的金刚石-金刚石键降解或对多晶金刚石材料402的热损坏。

图5A、图5B和图5C示出了根据本公开的PDC切割元件500的实施方案的透视图、正视图和侧视图。在该实施方案中，PDC切割元件500被构造成能够形成具有三个切割边缘516的凸起切割表面504、在凸起切割表面504中心的凹槽502，以及平面过渡表面508。平面过渡表面508从凸起切割表面504的切割边缘516延伸至PDC切割元件500的侧表面518。多晶金刚石材料510在界面514处结合到基底512上。图5A、图5B和图5C还示出了沿着凸起切割表面504并在PDC切割元件500的侧表面518与平面过渡表面508之间的倒角边缘506。如上所述，已经发现倒角边缘506降低了多晶金刚石材料510剥落和断裂的趋势。

图6A、图6B和图6C示出了根据本公开的PDC切割元件600的实施方案的透视图、正视图和侧视图。在该实施方案中，PDC切割元件600被构造成能够形成具有三个切割边缘610的凸起切割表面606、凹槽602和凹形过渡表面604。凹形过渡表面604从切割边缘610延伸至PDC切割元件600的侧表面608。多晶金刚石材料612在界面616处结合到基底614上。与分别在图4和图5中示出的平面过渡表面410和508相似，凹形过渡表面604改善了围绕PDC切割元件600的流体的流动，并提高了PDC切割元件600的效率和耐久性。

图7A、图7B和图7C示出了根据本公开的PDC切割元件700的实施方案的透视图、正视图和侧视图。在该实施方案中，PDC切割元件700被构造成能够形成具有三个切割边缘714的凸起切割表面708、凹槽702和凹形过渡表面706。凹形过渡表面706从切割边缘714延伸至PDC切割元件700的侧表面710。多晶金刚石材料712在界面718处结合到基底716上。图7A、图7B和图7C还示出了沿着凸起切割表面708的边缘并且在PDC切割元件700的凹形过渡表面706与侧表面710之间的倒角边缘704。如上所述，已经发现倒角边缘704降低了多晶金刚石材料712剥落和断裂的趋势。

图8示出了根据本公开的PDC切割元件800的实施方案。在该实施方案中，PDC切割元件被构造成能够形成具有四个切割边缘810的凸起切割表面812、凹槽808和平面过渡表面806。在该实施方案中，凸起切割表面812形成正方形的形状。类似于上文所述的三角形形状的凸起切割表面，期望当在凸起切割表面812的正方形的拐角处的切割边缘810朝地层材料取向时将获得最高的切割速率。

图8还示出了沿着凸起切割表面812的切割边缘810并在PDC切割元件800的侧表面814与平面过渡表面806之间的倒角边缘816。多晶金刚石材料802在界面818处结合到基底804上。平面过渡表面806从凸起切割表面812延伸至PDC切割元件800的侧表面814。

图9是作用在切割元件上的轴向载荷随时间变化的曲线图。轴向载荷是施加到切割元件上的力，该力是切割元件切入地层材料所需的。这也可以被称为钻压(WOB)，因为在操作中，切割元件将被附接到旋转的钻头上，并且轴向载荷是允许钻头接合地层材料所需的轴向力(钻压)的量的量度。

图9中的曲线各自表示一个单独的切割元件，其在被测试时与地层材料相互作用。轴向载荷以千克为单位绘制在Y轴上，而X轴表示时间，并且每个点表示在特定时间的测量结果(或一系列测量结果)。现有技术的常规圆柱形切割元件由较浅的灰点表示。本发明的一个实施方案，即几何形状有所改善的三刃切割元件用较深的黑点表示。

图9的两条线随时间上升表明，每个切割元件随时间推移需要更大的轴向载荷(或力)来保持给定的穿透速率。当切割元件随时间推移磨损和磨钝(变钝)时，需要在切割元件上施加更大的力。如图9所示，现有技术的常规圆柱形切割元件始终需要比几何形状有所改善的三刃切割元件多大约200kg-250kg的轴向载荷。移动切割元件所需的力越大意味着WOB越大。这还意味着切割元件上的磨损更大以及切割元件的寿命更短。此外，力越大还意味着在切割元件处产生的热量越多，这(如上所述)可能对切割元件和多晶金刚石材料造成热损坏。

图10是作用在切割元件上的切向载荷随时间变化的曲线图。切向载荷是当切割元件接合地层材料时施加在切割元件上的侧向力。切向载荷表示旋转钻头以在地层材料中保持给定ROP所需的扭矩。

类似于图9的曲线图，图10示出了现有技术的常规圆柱形切割元件需要比几何形状有所改善的三刃切割元件多大约90kg至140kg的力(扭矩)。如上所述，需要的扭矩(力)越高意味着切割元件和钻头的工作温度越高，磨损越大以及寿命越短。

图11A示出了具有切割边缘1104的现有技术的常规圆柱形切割元件1102的磨痕1106。图11B示出了具有平面锥形表面1110和切割边缘1112的现有技术切割元件1108的磨痕1114。图11C示出了切割元件1116的磨痕1126，该切割元件具有凸起切割表面1118、凹槽1122和平面过渡表面1124。在该实施方案中，凸起切割表面1118具有三个切割边缘1120。图11D示出了切割元件1128的磨痕1138，该切割元件具有凸起切割表面1130、凹槽1134和弧形过渡表面1136。在该实施方案中，凸起切割表面1130具有三个切割边缘1132。如以下图表所示，仔细检查显示，图11B、图11C和图11D的磨痕面积小于图11A的磨痕面积。

四种切割元件的磨损状态比较图表。

上述图表比较了上文所述的四种切割元件的磨损状态。磨损状态0.5表示切割元件边缘的十六分之一被磨损。磨损状态1表示切割元件边缘的八分之一被磨损，并且1.5表示切割元件边缘的十六分之三被磨损。图11A、图11B、图11C和图11D示出了磨损状态为”1”(或八分之一)的切割元件。如图11A所示和图表中所示，现有技术的常规圆柱形元件具有比任何改善的切割元件更大的”磨痕”面积。对于三种测量状态中的两种测量状态，图11D所示的三刃凹形切割元件具有最小的磨痕面积。

图9-图11中的曲线和上述图表表明，与现有技术的常规圆柱形钻头相比，凸起切割表面具有改善的实施方案需要更小的扭矩、更小的钻压(WOB)，并形成更小的磨痕区域。因此，曲线图和图表表明，与现有技术的常规圆柱形钻头相比，改善的凸起切割表面可以持续更长的时间并且更耐用。

上面描述的并在附图中示出的本公开的实施方案并不限制本发明的范围，因为这些实施方案仅仅是本发明的实施方案的示例，本发明的范围由所附权利要求书及其法律等同物限定。任何等效实施方案都旨在落在本公开的范围内。实际上，根据所述描述，本文示出和描述的那些修改之外的本公开的各种修改(诸如所描述的元件的替代有用组合)，对于本领域技术人员来说将变得显而易见。这种修改和实施方案也旨在落入所附权利要求书及其法律等同物的范围内。

在示例性实施方案中，描述了由钢制成并使用PDC切割元件的典型旋转型”刮刀”钻头。然而，本领域的技术人员将会知道，在不脱离本发明精神的情况下，钻头的尺寸、形状和/或构造可根据操作设计参数而有所改变。此外，本发明可在非旋转钻头上操作，本发明适用于任何与钻凿相关的结构，包括敲击、冲击或”锤击”钻头。本领域的普通技术人员还将会知道，任何所示实施方案的一个或多个特征可以与来自另一个实施方案的一个或多个特征组合，以形成如本文所述和受权利要求书保护的本发明范围内的另一个组合。因此，尽管出于说明本发明的目的已经示出了某些代表性实施方案和细节，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可以对在此公开的本发明进行各种改变。

下面描述了本公开的附加的非限制性示例性实施方案。

实施方案1：一种切割元件，该切割元件包括基底和在界面处附连到基底的多晶金刚石材料。该多晶金刚石材料包括具有至少两个切割边缘的凸起切割表面、在该凸起切割表面中心的凹槽；以及在该凸起切割表面的该至少两个切割边缘与该切割元件的纵向侧表面之间的过渡表面。

实施方案2：根据实施方案1所述的切割元件，其中该凸起切割表面覆盖该切割元件的切割面的总表面积的10％至90％之间。

实施方案3：根据实施方案1或实施方案2所述的切割元件，其中该凸起切割表面的至少一个边缘包括倒角边缘。

实施方案4：根据实施方案1至3中任一项所述的切割元件，其中该凸起切割表面的至少一部分延伸至该切割元件的纵向侧表面。

实施方案5：根据实施方案1至4中任一项所述的切割元件，其中该过渡表面具有凹形表面轮廓。

实施方案6：根据实施方案1至5中任一项所述的切割元件，其中限定该凸起切割表面的该切割边缘具有矩形形状。

实施方案7：根据实施方案1至5中任一项所述的切割元件，其中该凸起切割表面包括至少三个切割边缘。

实施方案8：根据实施方案1至7中任一项所述的切割元件，其中限定该凸起切割表面的该切割边缘具有三角形形状。

实施方案9：根据实施方案1至8中任一项所述的切割元件，其中该三角形形状的顶点朝地层材料取向。

实施方案10：根据实施方案1至9中任一项所述的切割元件，其中该凸起切割表面包括至少四个切割边缘。

实施方案11：一种钻地井下工具，该钻地井下工具包括钻头体；从该主体的一个端部延伸的多个刀片，每个刀片包括前缘部分；以及至少一个切割元件，该至少一个切割元件设置在每个刀片内靠近该刀片的该前缘部分。该至少一个切割元件包括基底和在界面处附连到基底的多晶金刚石材料。该多晶金刚石材料包括具有至少三个切割边缘的凸起切割表面、在该凸起切割表面中心的凹槽，以及在该凸起切割表面的该至少三个切割边缘与该切割元件的纵向侧表面之间的过渡表面。

实施方案12：根据实施方案11所述的钻地井下工具，其中过渡表面是平面的。

实施方案13：根据实施方案11或实施方案12所述的钻地井下工具，其中该平面过渡表面垂直于该切割元件的纵向轴线。

实施方案14：根据实施方案11至13中任一项所述的钻地井下工具，其中该凸起切割表面与该平面过渡表面平行。

实施方案15：根据实施方案11至14中任一项所述的钻地井下工具，其中该凸起切割表面和该平面过渡表面平行于该基底与该多晶金刚石材料之间的界面。

实施方案16：根据实施方案11至15中任一项所述的钻地井下工具，其中该凹槽的表面的至少一部分平行于该凸起切割表面和该过渡表面。

实施方案17：根据实施方案11至16中任一项所述的钻地井下工具，其中彼此平行的该过渡表面和该凹槽的该至少一部分处于相同的高度。

实施方案18：一种制造钻地井下工具的方法，该方法包括：形成钻头体；形成从该钻头体的一个端部延伸的至少一个刀片，该至少一个刀片包括前缘部分，以及在每个至少一个刀片中靠近该至少一个刀片的前缘部分形成至少一个切割元件。其中形成该至少一个切割元件包括形成多晶金刚石材料，将该多晶金刚石材料的第一端在界面处附连到基底，以及使该多晶金刚石材料的第二端成形。其中使该多晶金刚石材料的该第二端成形包括形成限定凸起切割表面的至少两个切割边缘，在该凸起切割表面的中心形成至少一个凹槽，以及在限定该凸起切割表面的至少两个切割边缘中的至少一个切割边缘与该切割元件的纵向侧表面之间形成至少一个过渡表面。

实施方案19：根据实施方案18所述的方法，该方法还包括通过激光加工形成该凸起切割表面、该凹槽和该过渡表面的至少一部分。

实施方案20：根据实施方案18或实施方案19所述的方法，该方法还包括通过磨削形成该凸起切割表面、该凹槽和该过渡表面的至少一部分。

上面描述的并在附图中示出的本公开的实施方案并不限制本发明的范围，因为这些实施方案仅仅是本发明的实施方案的示例，本发明的范围由所附权利要求书及其法律等同物限定。任何等效实施方案都旨在落在本公开的范围内。实际上，根据所述描述，本文示出和描述的那些修改之外的本公开的各种修改(诸如所描述的元件的替代有用组合)，对于本领域技术人员来说将变得显而易见。这种修改和实施方案也旨在落入所附权利要求书及其法律等同物的范围内。

Claims (20)

1.一种切割元件，所述切割元件包括：

基底；和

在界面处附连到所述基底的多晶金刚石材料，所述多晶金刚石材料包括：

包括至少两个切割边缘的凸起切割表面；

在所述凸起切割表面中心的凹槽；和

在所述凸起切割表面的所述至少两个切割边缘与所述切割元件的纵向侧表面之间的过渡表面。

2.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述凸起切割表面覆盖所述切割元件的切割面的总表面积的10％至90％之间。

3.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述凸起切割表面的至少一个边缘包括倒角边缘。

4.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述凸起切割表面的至少一部分延伸至所述切割元件的所述纵向侧表面。

5.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述过渡表面具有凹形表面轮廓。

6.根据权利要求1所述的切割元件，其中限定所述凸起切割表面的所述切割边缘具有矩形形状。

7.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述凸起切割表面包括至少三个切割边缘。

8.根据权利要求7所述的切割元件，其中限定所述凸起切割表面的所述切割边缘具有三角形形状。

9.根据权利要求8所述的切割元件，其中所述三角形形状的顶点朝地层材料取向。

10.根据权利要求7所述的切割元件，其中所述凸起切割表面包括至少四个切割边缘。

11.一种钻地井下工具，所述钻地井下工具包括：

钻头体；

从所述主体的一个端部延伸的多个刀片，每个刀片包括前缘部分；和

至少一个切割元件，所述至少一个切割元件设置在每个刀片内靠近所述刀片的所述前缘部分，所述至少一个切割元件包括：

基底；和

在界面处附连到所述基底的多晶金刚石材料，所述多晶金刚石材料包括：

包括至少三个切割边缘的凸起切割表面；

在所述凸起切割表面中心的凹槽；和

在所述凸起切割表面的所述至少三个切割边缘与所述切割元件的纵向侧表面之间的过渡表面。

12.根据权利要求11所述的钻地井下工具，其中所述过渡表面是平面的。

13.根据权利要求12所述的钻地井下工具，其中平面过渡表面垂直于所述切割元件的纵向轴线。

14.根据权利要求13所述的钻地井下工具，其中所述凸起切割表面与所述平面过渡表面平行。

15.根据权利要求14所述的钻地井下工具，其中所述凸起切割表面和所述平面过渡表面平行于所述基底和所述多晶金刚石材料之间的界面。

16.根据权利要求15所述的钻地井下工具，其中所述凹槽的表面的至少一部分平行于所述凸起切割表面和所述过渡表面。

17.根据权利要求16所述的钻地井下工具，其中彼此平行的所述过渡表面和所述凹槽的所述至少一部分处于相同的高度。

18.一种制造钻地井下工具的方法，所述方法包括：

形成钻头体；

形成从所述钻头体的一个端部延伸的至少一个刀片，所述至少一个刀片包括前缘部分；以及

在每个至少一个刀片中靠近所述至少一个刀片的所述前缘部分形成至少一个切割元件；

其中形成所述至少一个切割元件包括：

形成多晶金刚石材料；

将所述多晶金刚石材料的第一端在界面处附连到基底；以及

使所述多晶金刚石材料的第二端成形；

其中使所述多晶金刚石材料的所述第二端成形包括：

形成限定凸起切割表面的至少两个切割边缘；

在所述凸起切割表面的中心形成至少一个凹槽；以及

在限定所述凸起切割表面的所述至少两个切割边缘中的至少一个切割边缘与所述切割元件的纵向侧表面之间形成至少一个过渡表面。

19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括通过激光加工形成所述凸起切割表面、所述凹槽和所述过渡表面的至少一部分。

20.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括通过磨削形成所述凸起切割表面、所述凹槽和所述过渡表面的至少一部分。

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