CN115038852A - 具有非平面的面以改进切削效率和耐用性的切削元件 - Google Patents

Abstract

一种切削元件，具有：切削面，所述切削面位于与基部相反的轴向端部处；侧表面，所述侧表面从所述基部延伸到所述切削面；边缘，所述边缘形成在所述切削面与所述侧表面之间的相交部处；以及伸长突出部，所述伸长突出部形成在所述切削面处并且在所述边缘的相对侧之间延伸，其中所述伸长突出部具有包括围绕凹入表面延伸的边界以及在所述边界与所述边缘之间延伸的倾斜表面的几何形状，并且其中所述凹入表面具有在所述边界的相对侧之间测量的长轴尺寸以及垂直于所述长轴尺寸测量的并且在所述长轴尺寸的50％至99％的范围内的短轴尺寸。

Description

具有非平面的面以改进切削效率和耐用性的切削元件

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年1月9日提交的美国专利申请号62/959,036和2020年3月5日提交的美国专利申请号62/985,632的权益和优先权，这两个专利申请均以引用方式整体并入本文。

背景技术

在井下钻探操作中使用的切削元件通常由超级硬材料层制成，以穿透坚硬且具磨蚀性的土质地层。例如，切削元件可诸如通过钎焊安装到钻头(例如，旋转刮刀钻头)，以用于在钻探操作中使用。图1示出固定刀具钻头10(有时称为刮刀钻头)的示例，所述固定刀具钻头具有安装到其以用于钻探地层的多个切削元件18。钻头10包括在一个端部14处具有外螺纹连接的钻头主体12，以及从钻头主体12的另一个端部延伸并形成钻头10的切削表面的多个刀片16。多个刀具18附接到刀片16中的每一个并且从刀片延伸以在钻头10在钻探期间旋转时切穿地层。刀具18可通过刮削、压碎和剪切使地层变形。

切削元件的超级硬材料层可在高温和高压条件下(通常在被设计为形成此类条件的压制设备中)形成，胶结到包含金属粘结剂或催化剂(诸如钴)的碳化物基底。例如，多晶金刚石(PCD)是在制造切削元件中使用的超级硬材料，其中PCD刀具通常包括在支撑基底(通常是胶结碳化钨(WC)基底)上形成并且在高温高压(HTHP)条件下结合到基底的金刚石材料。

PCD切削元件可通过将胶结碳化物基底放置到容器或盒中来制造，其中金刚石晶体或晶粒层与基底的一个面相邻地装载到盒中。许多此类盒通常装载到反应池中并且放置在HPHT设备中。然后在促进金刚石晶粒烧结以形成多晶金刚石结构的HPHT条件下压缩基底和相邻金刚石晶粒层。因此，金刚石晶粒相互结合，从而在基底界面之上形成金刚石层。金刚石层也结合到基底界面。

此类切削元件通常在操作期间经受强烈的力、扭矩、振动、高温和温差。因此，结构内的应力可能开始形成。例如，在钻井操作期间，刮刀钻头可能表现出因钻探异常(诸如钻头涡动或跳动，这通常会导致超级硬材料层或基底的剥落、分层或断裂，从而降低或消除切削元件功效并降低整体钻头磨损寿命)而加剧的应力。

发明内容

提供本概述是为了介绍将在下面在详细描述中进一步描述的一系列概念。本概述并非意图标识所要求保护主题的关键或本质特征，也非意图用作限制所要求保护主题的范围的辅助。

在一个方面，本公开的实施方案涉及切削元件，所述切削元件具有：切削面，所述切削面位于与基部相反的轴向端部处；侧表面，所述侧表面从所述基部延伸到所述切削面；边缘，所述边缘形成在所述切削面与所述侧表面之间的相交部处；以及伸长突出部，所述伸长突出部形成在所述切削面处并且在所述边缘的相对侧之间延伸，其中所述伸长突出部具有包括以下的几何形状：边界，其围绕凹入表面延伸；以及倾斜表面，其在所述边界与所述边缘之间延伸，并且其中所述凹入表面具有：长轴尺寸，其是在所述边界的相对侧之间测量的；以及短轴尺寸，其是垂直于所述长轴尺寸测量的并且在所述长轴尺寸的50％至99％的范围内。

在另一个方面，本公开的实施方案涉及井下切削工具，所述井下切削工具包括：多个刀片，所述多个刀片从主体向外延伸；多个切削元件，所述多个切削元件设置在沿着所述多个刀片中的每一个的刀片切削边缘形成的凹穴中；切削轮廓，所述切削轮廓由旋转到单个平面中时的安装到所述多个刀片的所述多个切削元件的轮廓线形成；其中所述切削元件中的至少一个是定向切削元件，所述定向切削元件具有：切削面，所述切削面具有沿着长轴尺寸线性地延伸的伸长突出部；以及边缘，所述边缘围绕所述切削面在所述定向切削元件的所述切削面与侧表面之间的相交部处形成，其中所述边缘的形成所述切削轮廓的一部分的暴露部分围绕所述边缘延伸部分弧长，并且其中所述定向切削元件在所述凹穴中的一个内旋转定向成使得所述长轴尺寸与所述部分弧长的中点相交。

在另一个方面，本公开的实施方案涉及方法，所述方法包括：制备井下工具的切削轮廓，所述井下工具具有：多个刀片，所述多个刀片从主体向外延伸；以及多个切削元件，所述多个切削元件设置在沿着所述刀片中的每一个的刀片切削边缘形成的凹穴中，其中所述切削轮廓包括旋转到单个平面视图中时的所述切削元件的轮廓线；确定所述切削轮廓中的所述切削元件中的至少一个的切削面上的暴露区域，其中所述切削面上的所述暴露区域在旋转到单一平面视图中时不与所述切削轮廓中的相邻切削元件重叠；至少部分地基于所述暴露区域来限定从所述至少一个切削元件的纵轴径向向外延伸的滚动前轴；将定向切削元件定向在所述井下工具上，其中所述定向切削元件具有围绕所述切削面的边缘在方位上间隔开的至少一个突出部，并且其中所述至少一个突出部中的一个与所述滚动前轴对准。

在再一个方面，本公开的实施方案涉及方法，所述方法包括：确定设置在切削工具的刀片上的多个切削元件上的径向力，其中所述切削元件具有形成在所述切削元件的切削面上的至少一个突出部，并且其中所述径向力包括在从所述切削工具的旋转轴朝向所述切削工具的外径的方向上的向外径向力和在与所述向外径向力相反的方向上的向内径向力；计算所述切削元件中的每一个上的净径向力，其中所述净径向力等于每个切削元件上的所述向外径向力和所述向内径向力的总和；将所述多个切削元件的所述净径向力相加以计算刀片净径向力；以及通过旋转所述多个切削元件中的至少一个来减小所述刀片净径向力。

所要求保护的主题的其他方面和优点根据以下描述和所附权利要求将显而易见。

附图说明

图1示出常规钻头。

图2示出根据本公开的实施方案的定向切削元件的透视图。

图3示出图2中的定向切削元件的俯视图。

图4示出图2和图3中的定向切削元件的侧视图。

图5示出根据本公开的实施方案的定向切削元件的剖视图。

图6示出根据本公开的实施方案的定向切削元件的俯视图。

图7示出图6中的定向切削元件的侧视图。

图8示出根据本公开的实施方案的定向切削元件的俯视图。

图9示出图8中的定向切削元件的侧视图。

图10示出根据本公开的实施方案的在其上具有定向切削元件的井下工具。

图11示出图10中的井下工具的切削轮廓。

图12示出在布置在井下工具上时的定向切削元件。

图13示出根据本公开的实施方案的处于基本旋转取向的定向切削元件。

图14示出处于对准旋转取向的图13中的定向切削元件。

图15示出图13和图中14的定向切削元件的滚动前角。

图16示出根据本公开的实施方案的切削轮廓。

图17示出根据本公开的实施方案的来自图16中的切削轮廓的定向切削元件的暴露区域。

图18示出根据本公开的实施方案的定向切削元件的俯视图。

图19示出根据本公开的实施方案的定向切削元件的俯视图。

图20示出比较不同类型的定向切削元件上的竖直力的变化的图表。

图21至图24示出在图20的图表中进行比较的定向切削元件。

图25示出根据本公开的实施方案的定向切削元件的剖视图，所述图比较了它们在旋转偏移下的切口几何形状。

图26和图27示出定向切削元件的剖视图，所述图比较了它们在不同旋转取向下的切口几何形状。

图28示出比较不同类型的定向切削元件的地层移除速率的图表。

图29至图33示出在图28的图表中进行比较的定向切削元件。

图34示出根据本公开的实施方案的处于第一切削深度的定向切削元件的俯视图。

图35示出根据本公开的实施方案的处于不同切削深度的图34中的定向切削元件的俯视图。

图36和图37分别从正视图和俯视图示出切削元件和在其上设置切削元件的钻头上的切削力的示意图。

具体实施方式

在一方面，本文所公开的实施方案涉及定向切削元件(其也可称为定向刀具)及其在切削工具上的取向。如本文所用，定向切削元件可包括具有切削面的切削元件，所述切削面围绕其周边具有不同的表面几何形状。根据切削面相对于工作表面的旋转取向，当接触工作表面时，不同的表面几何形状可生成不同的切削力。因此，定向切削元件的切削效率和性能可旋转地取决于它们在切削工具上的取向。在另一个方面，本文所公开的实施方案涉及井下切削工具上的定向切削元件(以及形成在它们的切削面上的定向几何形状)的旋转取向的优化。

图2至图4示出根据本公开的实施方案的定向切削元件100的示例，其中图2是定向切削元件100的透视图，图3是其俯视图，并且图4是其侧视图。定向切削元件100包括纵轴101、位于与基部102相反的轴向端部处的切削面110和从基部102延伸到切削面110的侧表面104。边缘106形成在切削面110与侧表面104之间的相交部处。

此外，定向切削元件100可由设置在基底105上的超硬材料台103(例如，金刚石台)形成，其中切削面110形成在超硬材料台103上。超硬材料层或台103可在高温和高压条件下(通常在被设计为形成此类条件的高压高温(HPHT)压制设备中)形成，并且附接到基底105(例如，胶结碳化物基底，诸如包含金属粘结剂或催化剂(诸如钴)的胶结碳化钨)。基底的硬度通常低于与其结合的超硬材料。超硬材料的一些示例包括胶结陶瓷、金刚石、多晶金刚石和立方氮化硼。

伸长突出部120是沿着切削面110形成、从围绕切削元件100的边缘106的轴向最低点107向切削面110的轴向最高点124凸起轴向高度122的凸起伸长形状，其中一个或多个轴向最低点107是指在轴向上最靠近切削元件100的基部102的点，并且一个或多个轴向最高点124是指在轴向上最远离切削元件100的基部102的点。在所示实施方案中，切削面110的轴向最高点124可位于伸长突出部120的相对端部处，其中伸长突出部120的顶表面123是凹入的并且从最高点124在朝向基部102的向下轴向方向上以及在朝向纵轴101的径向向内方向上倾斜。此外，在所示实施方案中，边缘106在距基部102相同轴向距离处围绕切削面110延伸，并且因此处于围绕整个边缘106的相同轴向最低点107处。切削面110的轴向最高点124在凹入顶表面123的轴向最低点上方延伸小于或等于轴向高度122的高度。即，凹入顶表面123的轴向最低点可在轴向上与围绕边缘106的轴向最低点107处于同一水平。在一些实施方案中，凹入顶表面123的轴向最低点在轴向高度122的1％至100％之间、5％至50％之间或10％至30％之间的范围内。

伸长突出部120可沿着长轴126并且在边缘106的相对侧106a、106b之间延伸线性距离125。伸长突出部120还可具有沿着短轴128测量的宽度127，其中短轴128垂直于长轴126。长轴126和短轴128两者可横向于切削元件100的纵轴101。根据本公开的实施方案，伸长突出部120的宽度127可在线性距离125的50％与99％之间(例如，在线性距离125的60％与90％之间、在线性距离125的65％与80％之间以及在其其他子范围之间)的范围内。

伸长突出部120的几何形状可根据其顶表面123几何形状的形状来进一步描述。伸长突出部120的顶表面123可以是由边界129限定的凹入表面，所述边界可以是与顶表面123斜度的过渡或急剧斜度变化。例如，在图2至图4所示的实施方案中，围绕伸长突出部120的顶表面123的边界129形成在顶表面123与围绕边界129形成的面倒角130之间的相交部处。倾斜表面140可从面倒角130的外周边132延伸到切削元件100的边缘106。在所示实施方案中，面倒角130和倾斜表面140可具有不同斜度，但两个斜度都在轴向方向上从顶表面123的边界129朝向切削元件100的基部102以及在径向向外方向上从纵轴101朝向切削元件100的边缘106。面倒角130的外周边132可形成在倾斜表面140与面倒角130之间的相交部处。

为了术语使用简洁，倾斜表面140、面倒角130和顶表面123各自形成切削面120的一部分。例如，在图2至图4的实施方案中，顶表面123是切削面120的凹入部分。

此外，在所示实施方案中，围绕伸长突出部120的顶表面123的边界129呈椭圆形形状。然而，在一些实施方案中，伸长突出部可具有限定顶表面的呈具有从中心区域向外延伸的线性延伸部的菱形或其他形形状(例如，多点星形状)的边界。

根据本公开的实施方案，形成伸长突出部的顶表面的凹入表面可以为切削元件提供在5度至45度的范围内的前倾角，其中前倾角是在垂直于切削元件的纵轴线的径向平面与凹入表面的接近削元件的边缘的切线之间测量的。

例如，图5是根据本公开的实施方案的切削元件200的剖视图，其示出由切削元件的切削面210的凹入表面220部分形成的前倾角230。剖视图是沿着凹入表面220的长轴截取的，凹入表面220沿着所述长轴尺寸在围绕切削元件200形成在切削元件200的切削面210与侧表面205之间的相交部处的边缘206的相对侧202、204之间延伸。前倾角230是在垂直于切削元件200的纵轴201的径向平面240与凹入表面220的接近切削元件200的边缘206的切线250之间测量的。切线250从凹入表面220的边界与凹入表面220相切地延伸，其中在所示实施方案中，凹入表面边界在点202、204处与边缘206相交。在所示实施方案中，由凹入表面220沿着长轴226形成的前倾角230可在约5度至约45度或约5度至约25度的范围内，例如，10度前倾角、20度前倾角或在此类范围内选择的其他值。此外，切线250与纵轴201相交。在所示实施方案中，在剖面沿着凹入表面220的长轴尺寸截取的情况下，所示切线250也与长轴尺寸共面。

在诸如图2至图4所示的具有围绕凹入表面形成的面倒角的实施方案中，凹入表面123的接近切削元件100的边缘106的切线150可与凹入表面123相切地从凹入表面123的边界129向纵轴101延伸(其中术语接近包括由面倒角130形成的切削元件的边缘106与凹入表面123的边界129之间的距离)。

图2至图4中的实施方案所示的凹入顶表面123可形成勺形形状，而倾斜表面140可具有大体圆锥形形状。凹入顶表面123的勺形形状可为切削元件100提供正前倾角250，这可提高切削效率，而来自倾斜表面140的锥形过渡部可围绕切削元件100的边缘106提供压碎作用，这可减少切削期间的剪切力和总扭矩。此外，具有椭圆形形状的凹入顶表面123可围绕顶表面123的边界129更均匀地分布应力，这可减轻切削期间的应力集中，从而改进切削元件100的耐用性。

图6和图7示出根据本公开的实施方案的切削元件300的另一个示例，其中图6是切削元件300的俯视图，并且图7是其侧视图。切削元件300具有形成在与基部302相反的轴向端部处的切削面310和从基部302延伸到切削面310的侧表面304，其中边缘306形成在切削面310与侧表面304之间的相交部处。切削面310的一部分由边界329所限定的凹入表面320形成。凹入表面320沿着长轴326在接近边缘306的相对侧的位置324之间延伸长轴尺寸325，并且沿着垂直于长轴326的短轴328延伸短轴尺寸327，其中短轴尺寸327小于长轴尺寸325。例如，根据本公开的一些实施方案，短轴尺寸327可在长轴尺寸325的50％至99％之间的范围内。凹入表面320的长轴尺寸325小于切削元件300的沿着长轴326在相对边缘306之间的宽度344(例如，直径)。在一些实施方案中，长轴尺寸325可在切削元件300的宽度344的60％至100％、70％至100％或80％至95％的范围内。短轴尺寸327可大于切削元件300的宽度344的20％。短轴尺寸327大于宽度344的20％的切削元件300的实施方案表现出比更窄短轴尺寸更大的抗撞击性。

面倒角330围绕凹入表面320的边界329形成，其中边界329由凹入表面320与面倒角330相交形成。在凹入表面320与面倒角330之间的过渡部处形成的边界329可以是凹入表面320与面倒角330之间的成角度的或倒圆的拐点。

边缘倒角340在切削元件300的整个边缘306内部并且围绕所述边缘形成，其中边缘倒角340与侧表面304的相交形成边缘306。在一些实施方案中，切削面可具有部分地围绕边缘(小于整个边缘)形成的边缘倒角，或者可没有围绕边缘的边缘倒角。在一些实施方案中，边缘倒角340可围绕整个边缘306具有均匀大小。

倾斜表面350沿着一定斜度在面倒角330与边缘倒角340之间延伸，所述斜度在径向向外方向上从切削元件300的纵轴301以及在轴向向下方向上从面倒角330朝向基部302延伸。倾斜表面350可在面倒角330的外周边332处与面倒角330相交并且可在边缘倒角340的内周边342处与边缘倒角340相交。此外，倾斜表面350可在成角度的或倒圆的过渡部与面倒角330和/或边缘倒角340相交。虽然面倒角330和边缘倒角340也可在与倾斜表面350相同的大体方向上倾斜，但倾斜表面350可具有与面倒角330和边缘倒角340中的每一者不同的斜度值。例如，当斜度沿着以纵轴301为y轴且以径向平面303(垂直于纵轴301)为x轴的坐标系绘制时，倾斜表面350可具有比面倒角330相对更陡峭的斜度和比边缘倒角340相对更平缓的斜度。

前倾角360是在径向平面303与凹入表面320的接近切削元件300的边缘306的切线323之间测量的。切线323从沿着凹入表面320的边界329的接近边缘306但通过面倒角330和边缘倒角340与之隔开的位置324与凹入表面320相切地延伸。此外，切线323与纵轴301相交并且与长轴326共面。在所示实施方案中，由凹入表面320沿着长轴326形成的前倾角360可在约5度至约25度的范围内，例如，10度前倾角、20度前倾角或在此类范围内选择的其他值。

图6和图7所示的切削元件300是定向的，因为由切削面310的几何形状形成的前倾角360围绕切削面310的周边变化。例如，在凹入表面320的长轴326处围绕切削面310周边形成的前倾角360是正的。因此，当切削元件300在工具上旋转定向以使围绕切削元件的边缘306的与长轴326相交的位置324与工作表面(例如，地层)接触时，切削元件300可以正前倾角360接触工作表面。然而，围绕切削面310周边形成在围绕边缘306的倾斜表面350与边缘倒角340相交的位置321、322处(例如，围绕切削元件的边缘306的与短轴328相交的位置322处)的前倾角360可能为负。因此，如果切削元件300围绕其纵轴301旋转375(顺时针或逆时针)到围绕切削元件的边缘306的与短轴328相交的位置322接触并切削工作表面的旋转取向，则切削元件300可以负前倾角360接触工作表面。以此方式，图6和图7所示的切削元件300是定向的，并且其切削工作表面的性能取决于它在工具上的旋转取向以及因此哪种前倾角将接触工作表面。

如本文所用，涉及切削元件300的旋转取向的术语可用于描述切削元件300如何围绕其纵轴301旋转设置在工具上。例如，切削元件300可以基本旋转取向定位在工具上，并且可任选地以基本旋转取向附接(诸如通过钎焊和/或机械附接)，或者切削元件300可围绕其纵轴301旋转到后续旋转取向并且以后续旋转取向附接到工具。

根据本公开的实施方案的定向切削元件400的另一个示例在图8和图9中示出，其中图8是切削元件400的俯视图，并且图9是其侧视图。切削元件400具有形成在与基部402相反的轴向端部处的切削面410和从基部402延伸到切削面410的侧表面404，其中边缘406形成在切削面410与侧表面404之间的相交部处。切削面410的一部分由凹入表面420形成，其中边界429围绕凹入表面420延伸并切限定菱形凹入表面420。菱形凹入表面420沿着长轴426在接近边缘406的相对侧的位置424之间延伸长轴尺寸425，并且沿着垂直于长轴426的短轴428延伸短轴尺寸427，其中短轴尺寸427小于长轴尺寸425。根据本公开的实施方案，长轴426可沿着凹入表面420的最长尺寸绘制，沿着边界429的相交位置424相对于沿着边界429的任何其他位置彼此相距最大距离。短轴428可在凹入表面420的沿着长轴426的最宽部分处垂直于长轴426绘制。凹入表面420的长轴尺寸425小于切削元件400的沿着长轴426在相对边缘406之间的宽度444(例如，直径)。在一些实施方案中，长轴尺寸425可在切削元件400的宽度444的60％至100％、70％至100％或80％至95％的范围内。短轴尺寸427可大于切削元件400的宽度444的20％。短轴尺寸427大于宽度444的20％的切削元件400的实施方案表现出比更窄短轴尺寸更大的抗撞击性。

除凹入表面420之外，切削面410还可包括围绕凹入表面420的边界429形成的面倒角430、在切削元件400的整个边缘406内部并且围绕所述边缘形成的边缘倒角440，以及在向下轴向方向(朝向基部402)和径向向外方向(朝向侧表面404)上从面倒角430的外周边432倾斜到边缘倒角440的内周边442的倾斜表面450。倾斜表面450可以成角度的或倒圆的过渡部与面倒角430的外周边432和边缘倒角440的内周边442相交。此外，面倒角430、边缘倒角440和倾斜表面450可在相同大体方向上倾斜但具有不同斜度值。例如，当斜度沿着以纵轴401为y轴且以径向平面403(垂直于纵轴401)为x轴的坐标系绘制时，倾斜表面450可具有比面倒角430相对更陡峭的斜度和比边缘倒角440相对更平缓的斜度。

前倾角460是在径向平面403与凹入表面420的接近切削元件400的边缘406的切线423之间测量的，其中切线423与纵轴401相交。当被定向来沿着长轴426接触工作表面时，接触前倾角460可由从位于边界429处并且沿着长轴426的接近边缘406但通过面倒角430和边缘倒角440与之隔开的位置424与凹入表面420相切地延伸的切线423限定。在位置424处，面倒角430可与边缘倒角440相交。在所示实施方案中，由凹入表面420沿着长轴426形成的前倾角460可在约5度至约25度的范围内，例如，10度前倾角、20度前倾角或在此类范围内选择的其他值。

根据本公开的实施方案，定向切削元件(例如，图2至图9所示的定向切削元件200、300、400)可以被设计为与切削元件上的伸长突出部的长轴对准地接触工作表面的旋转取向定位在井下工具上，其中对准可在滚动前角(例如，经调整轮廓角)的上下文中提及。如下文更详细描述，滚动前角可由定向切削元件在切削元件的在井下工具上的基本旋转取向与在井下工具上的对准旋转取向之间的旋转角来限定。

初始地，当设计诸如固定刀具钻头(例如，图1所示)的井下工具时，井下工具的切削轮廓可如用于制备图10和图11中的切削轮廓的步骤的简化表示所示来制备。井下工具500可包括本领域已知的任何井下切削工具(例如，钻头和扩孔器)，所述井下切削工具具有从主体505向外延伸的多个刀片510和设置在沿着刀片510中的每一个的刀片切削边缘515形成的凹穴中的多个切削元件520，如图10所示。井下工具500可围绕轴向地延伸穿过工具500的旋转轴501旋转。根据本公开的实施方案，井下工具500可具有沿着刀片510定位的至少一个定向切削元件525。例如，井下工具500可包括一个或多个定向切削元件525和一个或多个非定向切削元件，或者井下工具500可具有用于其所有切削元件520的定向切削元件525。定向切削元件525可包括具有沿着长轴528延伸的伸长突出部527(例如，图2至图9所示的定向切削元件)的切削面526，或者可包括具有围绕切削面的边缘在方位上间隔开的一个或多个突出部的其他切削面几何形状。非定向切削元件可包括围绕切削面的边缘具有均匀切削面几何形状的切削元件，诸如具有平面切削面、圆顶或锥形切削面的常规刀具。

如图11所示，井下工具500的切削轮廓530可包括旋转到单个平面视图中时的切削元件520的轮廓线535。根据本公开的实施方案，切削轮廓530可通过模拟井下工具500(包括定位在其上的定向切削元件525)并且模拟井下工具500围绕其旋转轴501旋转到如图11所示的单个平面视图中来制备。在所示的切削轮廓530中，切削元件520沿着井下工具500的刀片轮廓512示出，其中刀片轮廓512是井下工具500上的刀片510的二维轮廓线。

本公开的方法可包括确定定向切削元件525在井下工具500上的基本旋转取向。例如，初始井下工具设计可包括一个或多个定向切削元件525，所述定向切削元件以基本旋转取向旋转定向在刀片510上，使得形成在切削元件525的切削面526上的突出特征的长轴528正交于刀片轮廓512。定向切削元件525然后可在设计阶段(其中可模拟切削元件旋转)或在真实/物理井下工具上围绕其纵轴旋转经调整轮廓角以旋转为井下工具500上的对准旋转取向。例如，可在用于生成切削轮廓530的相同模拟中模拟一个或多个定向切削元件525在井下工具500上的旋转变化。根据本公开的实施方案，定向切削元件525可从基本旋转取向旋转在约3度至约30度的范围内的经调整轮廓角。

图12至图15示出根据本公开的实施方案的用于使定向切削元件600旋转经调整轮廓角670的方法的示例。在图12中，示出定向切削元件600的模拟，其被配置为它们将沿着井下工具的刀片定位(其中为简单起见，从模拟渲染省略了井下工具)。在定向切削元件600的基本构型中，一个或多个(例如，所有)定向切削元件600可以基本旋转取向模拟，如图13所示，其中形成在定向切削元件600的切削面605上的突出特征615的长轴610被定向成正交于将在其上设置定向切削元件600的刀片的刀片轮廓。如图14所示，可生成对以下的模拟：定向切削元件600围绕其纵轴601旋转675为使长轴610'处于对准旋转取向。处于基本旋转取向的长轴610与处于对准旋转取向的长轴610'之间的旋转差可称为经调整轮廓角670，如图15的示意图所示。

根据本公开的实施方案，经调整轮廓滚动前角670可基于切削元件的切削面526沿着在其上设置切削元件525的井下工具500的切削轮廓530的暴露区域来选择。如本文所讨论，术语“切口几何形状”可用于描述基于其他切削元件沿着切削轮廓700的布置而遇到地层的切削元件的切削面526的暴露区域。例如，图16和图17示出基于其他切削元件沿着切削轮廓700的位置来确定定向切削元件710的切削面730上的暴露区域(例如，切口几何形状)720的示例。图16示出沿着井下工具设置的定向切削元件710的切削轮廓700的示例。在沿着切削轮廓700的每个位置(C4、C5、……、C16、C17)处，定向切削元件710具有切削轮廓700上不与相邻切削元件重叠的暴露区域720。图17示出沿着切削轮廓700的定向切削元件710中的每一个的切削面730上的暴露区域720。如图所示，对于位于沿着切削轮廓700的不同位置(C4-C17)处的定向切削元件710，暴露区域720可能不同。例如，在图16中的切削轮廓700和图17中的单独定向切削元件710-C8两者上示出位于切削轮廓700中的C8位置的定向切削元件710上的暴露区域720-C8，其中暴露区域(例如，切口几何形状)720-C8对应于切削面730上的在切削轮廓700上暴露的表面区域。

在本公开的方法中，可确定切削轮廓中的定向切削元件的切削面上的暴露区域，并且暴露区域可用于限定从定向切削元件的纵轴径向向外地延伸并且穿过暴露区域(例如，切口几何形状)的中部的滚动前轴。例如，图18示出处于基本旋转取向(以虚线示出)并且以对准旋转取向旋转的定向切削元件(例如，诸如图8和图9所示)的切削面800的图示。如基本旋转取向所示，切削面几何形状包括伸长突出部810，所述伸长突出部具有穿过切削元件的纵轴801绘制的长轴820和围绕伸长突出部810的接近切削面800的边缘802的位置812，就好像切削元件布置在切削工具上，伸长突出部810的长轴820正交于在其上附接切削元件的切削工具的轮廓(例如，如图11所示的刀片轮廓512)。

此外，通过在切削轮廓(例如，诸如图16所示的切削轮廓700)中模拟切削元件，切削面800的暴露区域830可被确定为切削面800的在切削轮廓上不与相邻切削元件重叠的区域。在一些实施方案中，滚动前轴840可从切削元件的纵轴801径向向外并且穿过暴露区域830的中部842绘制。在所示实施方案中，暴露区域830的中部842可以是沿着切削面800的边缘802在暴露区域830中的部分弧长832的中点。因此，滚动前轴840延伸穿过切削元件的纵轴801和暴露区域830的部分弧长832的中点842。滚动前角850可限定在处于基本旋转取向的伸长突出部810的长轴820与滚动前轴840之间。在对准旋转取向中，切削元件旋转成使得突出部810的长轴820与滚动前轴840同轴。

在一些实施方案中，可通过将暴露区域划分成轴等效半部来限定暴露区域的中部(以及因此滚动前轴)。例如，图19示出处于基本旋转取向(以虚线示出)和对准旋转取向的定向切削元件的切削面900的另一个示例。如基本旋转取向所示，切削面几何形状包括：至少一个突出部910，所述至少一个突出部围绕切削面900的边缘902在方位上间隔开，其中突出部910的长轴920穿过切削元件的纵轴901绘制；以及围绕突出部910的最接近切削面900的边缘902的位置912。在基本旋转取向中，突出部910(和切削面900)的取向就好像切削元件布置在切削工具上，其中突出部910的长轴920正交于切削工具的轮廓。可在切削轮廓(例如，诸如图16所示的切削轮廓700)中模拟切削元件，以在切削面900上生成切削轮廓上不与相邻切削元件重叠的预测暴露区域(例如，切口几何形状)930。在一些实施方案中，滚动前轴940可从切削元件的纵轴901径向向外并且穿过暴露区域930的中部942绘制。在所示实施方案中，暴露区域930的中部942可以是相对于滚动前轴940将暴露区域930分成轴等效半部932、934的径向线，其中轴等效半部932、934具有相等的面积。滚动前角950可限定在处于基本旋转取向的突出部910的长轴920与滚动前轴940之间。在对准旋转取向中，切削元件旋转成使得突出部910的长轴920与滚动前轴940同轴。

在一些实施方案中，滚动前轴可使用力平衡方程来限定，其中当切削元件与地层交接时，切削元件上来自顺时针和逆时针方向的径向力是平衡的。因为作用在切削元件上的径向力在不同切削深度处可变化，所以滚动前轴可使用一个或多个给定切削深度处的力平衡方程来限定。例如，可预测在沿着井下切削工具的第一位置处的第一定向切削元件在第一切削深度处与地层交接，而可预测在沿着井下切削工具的不同第二位置处的第二定向切削元件在不同第二切削深度处与地层交接。在这种情况下，第一定向切削元件和第二定向切削元件的滚动前轴可使用不同切削深度处的力平衡方程来确定。

作为另一个示例，可预测位于沿着井下切削工具的位置处的定向切削元件在井下工具在第一组条件(例如，旋转速度、钻压、正在钻探的地层的类型等)下操作时在第一切削深度处与地层交接，并且可预测定向切削元件在井下工具在不同第二组条件下操作时在不同第二切削深度处与地层交接。在一些实施方案中，第一切削深度和第二切削深度中的每一者处的力平衡方程可用于针对每个切削深度确定滚动前轴。此外，在一些实施方案中，定向切削元件可处于具有针对第一切削深度处的第一组条件确定的滚动前轴的对准旋转取向，并且定向切削元件可旋转并以具有针对第二切削深度处的不同第二组条件确定的滚动前轴的对准旋转取向重新定向。

图34和图35示出处于在不同切削深度1060、1062处具有滚动前轴1040、1042的对准旋转取向的定向切削元件1000的示例。切削深度1060、1062可以是指在切削元件1000的操作期间由切削元件1000移除的岩石的厚度(例如，在钻头旋转时，由钻头上的切削元件通过单次钻头旋转移除的岩石的厚度)。根据切口几何形状，切削深度1060、1062可跨切削元件1000变化。例如，在图34中，切削元件1000在切削轮廓中旋转定向并定位成具有可接触地层的暴露区域1030、在从最大切削深度1060a至最小切削深度1060b的范围内的变化的切削深度1060(其中最大切削深度1060a、最小切削深度1060b和它们之间的值可统称为切削深度1060)。切口几何形状的不对称三维形状和变化的切削深度1060可能导致在操作期间来自不同方向的力作用在定向切削元件1000(及其切削面)上，这可能影响切削元件的性能。在图35中，切削元件1000在切削轮廓中旋转定向并定位成具有可接触地层的暴露区域1030、在从最大切削深度1062a至最小切削深度1062b的范围内的不同变化的切削深度1062(其中最大切削深度1062a、最小切削深度1062b和它们之间的值可统称为切削深度1062)。切削元件1000的旋转取向的改变以及因此切口几何形状的三维形状的改变和变化的切削深度1062可导致在操作期间不同的力作用在定向切削元件1000上。以这种方式，定向切削元件1000的旋转可更改其性能。

根据本公开的实施方案，定向切削元件1000的滚动前轴1040、1042可旋转为其中作用在定向切削元件1000上的一种或多种类型的力被最小化的对准旋转取向。例如，滚动前轴1040、1042可至少部分地根据切削元件1000上的经模拟和/或经计算径向力1070、1072、1074、1076确定。如图34所示，当切削元件1000处于第一切削深度1060时，向外径向力1070(在从在其上设置切削元件1000的切削工具(例如，图10中的500)的旋转轴(例如，图10中的501)朝向切削工具的外径的方向上)和向内径向力1072(在从切削工具的外径朝向在其上设置切削元件的切削工具的旋转轴的方向上)可作用在形成在切削元件1000的切削面上的突出部1010上。根据向外径向力1070和向内径向力1072的模拟和/或计算，滚动前轴1040可沿着其中向外径向力1070和向内径向力1072在径向线的任一侧上平衡(例如，向外径向力1070的值相较于平衡之前更接近向内径向力1072)的径向线限定。

如图35所示，当切削元件1000处于大于第一切削深度1060的第二切削深度1062时，向外径向力1074和向内径向力1076可作用在突出部1010的更大部分上，并因此与在处于第一切削深度1060时相比可对切削元件1000具有不同影响。第二滚动前轴1042可基于在第二切削深度1062处作用在切削元件1000上的向外径向力1074和向内径向力1076来确定，其中第二滚动前轴1042是跨径向线具有平衡径向力1074、1076的径向线(例如，向外径向力1074的值相较于平衡之前更接近向内径向力1076)。

当限定滚动前轴1040、1042时，向外径向力1070、1074和向内径向力1072、1076可通过确定切削元件1000的切削面上的暴露区域1030(例如，切口几何形状)和确定作用在暴露区域1030上的径向力1070、1072、1074、1076来计算。滚动前轴1040、1042可被限定为跨径向线具有平衡径向力的从切削元件的纵轴1001穿过暴露区域1030的径向线。在一些实施方案中，另外的力(例如，切削力1080(其有时可称为切向力)和/或竖直力1090)可包括在力平衡方程中以确定滚动前轴的任一侧上的力沿着其平衡的滚动前轴取向。根据本公开的实施方案，平衡滚动前轴1040、1042的任一侧上的力可包括将滚动前轴旋转到感兴趣的类型的力(例如，切削力、竖直力和/或径向力)在滚动前轴1040、1042的任一侧上的值相等或相较于旋转之前更接近相等的位置。

通过力平衡方程限定的滚动前轴1040可与通过暴露区域1030的中部限定的情况相同，诸如图34所示，或者通过力平衡方程限定的滚动前轴1042可与通过暴露区域1030的中部的轴1044不同，诸如图35所示。

根据本公开的实施方案，力平衡可在切削元件级和切削工具级执行。例如，图36和图37在切削元件级(图36)和钻头级(图37)示出设置在钻头1200上的定向切削元件1100的力平衡的示意性表示。

参考图36，力平衡可针对单独定向切削元件1101、1102、1103(统称为切削元件1100)执行。虽然未在示意性表示中示出，但定向切削元件1101、1102、1103可包括形成在切削元件1101、1102、1103的切削面上的伸长突出部(例如，图34和图35中的突出部1010)。如上所讨论，定向切削元件1100上的伸长突出部可根据伸长突出部的旋转取向影响作用在定向切削元件1100上的力。在其切削面上形成有一个或多个突出部的其他类型的切削元件可类似地具有作用在切削面的三维形状上的不同类型的力，其中沿着切削面的切口几何形状的形状和取向在其接触地层时可能会影响作用在切削元件上的力的量值和类型。

根据本公开的实施方案，具有三维形状切削面的切削元件(例如，图34至图35中的定向切削元件1000、图21至图24中的切削元件20a、20b、20c、20d，或在其切削面上形成有一个或多个突出部的其他切削元件)可旋转定向为其中在操作期间作用在切削元件上的一种或多种类型的力(例如，切削力、径向力、竖直力)可最小化的对准旋转取向。具有三维形状切削面的切削元件(诸如定向切削元件1100)的对准旋转取向可至少部分地使用力平衡计算确定在操作期间作用在切削元件1100上的力的量值和类型并且旋转切削元件1100的取向以最小化此种或此类力来确定。这可包括通过将切削元件1100旋转为对准旋转取向来调整切削元件1100的滚动前角，其中力可跨切削元件1100的滚动前轴1131、1132、1133平衡。

例如，单独定向切削元件1101、1102、1103的力平衡计算可包括确定作用在切削元件上的径向力1110、1120(例如，沿着切削元件上的切口几何形状作用在三维切削面上的径向力)，包括确定向外径向力1111、1112、1113(在从钻头1200的旋转轴1201朝向钻头1200的外径1202的方向上的径向力)和向内径向力1121、1122、1123(在从钻头1200的外径1202朝向钻头1200的旋转轴1201的、与向外径向力1111、1112、1113相反的方向上的径向力)。向外径向力1111、1112、1113和向内径向力1121、1122、1123可相加以计算定向切削元件1101、1102、1103上的净径向力。平衡向外径向力1111、1112、1113与向内径向力1121、1122、1123可包括将单独定向切削元件1101、1102、1103旋转为作用在每个定向切削元件1101、1102、1103上的净径向力可最小化的位置，在所述位置处，切削元件1101、1102、1103的滚动前轴1131、1132、1133可被视为处于对准旋转取向。此外，平衡向外径向力1111、1112、1113和向内径向力1121、1122、1123可导致每个定向切削元件1101、1102、1103上的非零净径向力，其中平衡非零净径向力可能小于平衡之前的净径向力。

参考图37，在针对沿着钻头1200的刀片1210的单独定向切削元件1101、1102、1103计算向外径向力1111、1112、1113和向内径向力1121、1122、1123之后，向外径向力(统称为向外径向力1110)和向内径向力(统称为向内径向力1120)可相加在一起以计算刀片净径向力。定向切削元件1100可旋转定向以最小化刀片净径向力以接近或等于零刀片净径向力。例如，如果一个或多个定向切削元件(例如，切削元件1101)在径向向外方向上具有净径向力，则钻头1200的同一刀片1210上的一个或多个不同定向切削元件(例如，切削元件1102)可旋转定向以在相反的径向向内方向上具有接近或等于相同量值的净径向力。每个刀片1212、1214、1216、1218同样可在其上具有定向切削元件1100，所述定向切削元件旋转定向成使得作用在每个刀片1212、1214、1216、1218的切削元件上的向外径向力1110和向内径向力1120的总和可能接近或等于零。以此方式，钻头净径向力可被平衡为具有零或近零钻头净径向力。

在一些实施方案中，刀片1210上的定向切削元件1100可旋转定向成具有非零刀片净径向力，所述非零刀片净径向力抵消钻头1200的其余刀片1212、1214、1216、1218上的非零刀片净径向力。在具有带有三维形状切削面(例如，在切削面上形成有一个或多个突出部)的其他类型的切削元件和/或其他类型的带刀片井下切削工具的实施方案中，切削元件同样可旋转定向为在操作期间生成非零刀片净径向力，使得带刀片井下切削工具上的刀片的刀片净径向力被抵消。例如，在具有围绕工具轴对称地定位的刀片(例如，1210)的带刀片井下切削工具(例如，钻头1200)中，切削元件(例如，切削元件1100)可旋转定向为在操作期间生成非零刀片净径向力，所述非零刀片净径向力基本上相等，使得每个刀片(例如，刀片1210、1212、1214、1216、1218)上的刀片净径向力彼此抵消。通过抵消带刀片井下切削工具(例如，钻头1200)上的刀片净径向力，钻头净径向力可被平衡为具有零或近零钻头净径向力。

另外或替代地，在单独切削元件级和/或钻头级上的力平衡可包括计算和最小化定向切削元件1100上的竖直力1141、1142、1143(统称为竖直力1140)。在操作期间由于钻压(WOB)引起的竖直力1140可施加在在其上设置切削元件1100的钻头1200的每个定向切削元件1100上。因此，在钻头1200中的每个定向切削元件1100上的竖直力1140的总和可等于用于切削岩层的WOB。

如图36所示，除了计算每个定向切削元件1101、1102、1103上的净径向力之外(或作为所述计算的替代方案)，针对单独定向切削元件1101、1102、1103的力平衡计算可包括计算作用在切削元件1101、1102、1103上的竖直力1141、1142、1143。定向切削元件1101、1102、1103可被旋转为最小化作用在每个切削元件1101、1102、1103上的竖直力1141、1142、1143的量。每个定向切削元件1101、1102、1103上的竖直力1141、1142、1143可相加在一起以得到总竖直力1140(图37所示)。通过最小化单独定向切削元件1100上的竖直力1141、1142、1143，可降低钻头1200上的总竖直力1140，从而降低施加用于切削岩层的WOB的量。当切削工具被设计为具有切削岩层所需的较低WOB时，切削工具可更快地钻穿地层。

在力平衡包括竖直力和径向力平衡两者的实施方案中，定向切削元件1101、1102、1103可旋转为竖直力1141、1142、1143尽可能地最小化而不显著损害零或近零钻头净径向力的旋转取向。

另外或替代地，单独定向切削元件级和/或钻头级上的力平衡可包括计算和最小化定向切削元件1100上的切削力1150。参考图36，每个切削元件1101、1102、1103上的切削力1151、1152、1153可根据在钻头旋转1203相反的方向上作用在每个定向切削元件1101、1102、1103的切削面上的力的量计算。定向切削元件1101、1102、1103可被旋转为最小化作用在每个切削元件1101、1102、1103上的竖直力1151、1152、1153的量。每个定向切削元件1101、1102、1103上的切削力1151、1152、1153可相加在一起以得到总切削力1150(图37所示)。通过最小化单独切削元件1100上的切削力1151、1152、1153，可降低钻头1200上的总切削力1150。此外，每个切削元件(例如，1101)的扭矩可根据切削元件1101的径向位置乘以切削元件1101上的切削力1151计算。用于钻头1200上的每个定向切削元件1100的单独扭矩可相加在一起以计算用于钻头1200的驱动扭矩。因此，通过最小化定向切削元件1100上的切削力1150的量，可最小化在切削岩层期间用于钻头120的驱动扭矩。

对具有三维切削面的其他类型的切削元件(例如，切削元件20a、20b、20c、20d，或在切削面上形成有一个或多个突出部的其他类型的切削元件)和/或者其他类型的带刀片井下切削工具上的切削力进行力平衡可类似地包括将切削元件旋转为其中在操作期间的切削力低于切削元件未处于对准旋转取向的情况的对准旋转取向。

在其中除了竖直力最小化和/或径向力平衡之外力平衡还包括切削力最小化的实施方案中，定向切削元件1101、1102、1103可旋转为其中切削力1151、1152、1153可尽可能地最小化而不显著损害竖直力1140最小化和/或不显著损害零或近零钻头净径向力的旋转取向。

切削元件1100上的力(例如，径向力1110、1120、竖直力1140和/或切削力1150)可例如通过在切削地层时模拟切削工具上的切削元件来计算。

根据本公开的实施方案，定向切削元件可在井下工具上旋转定向成使得切削面(例如，800、900)处于与井下工具切削轮廓中切削面的预测暴露区域相对应的对准旋转取向。如本文所用，对准旋转取向可是指当切削面上的突出部(810、910)的长轴(例如，820、920)与滚动前轴(840、940)对准时的切削元件的旋转取向。

例如，设计井下工具的方法可包括：1)生成其上具有一个或多个定向切削元件(例如，710)的井下工具的切削轮廓(例如，图16中的700)，其中定向切削元件(例如，710)具有围绕切削面(例如，730、800、900)的边缘(例如，802、902)在方位上间隔开的至少一个突出部(例如，图18和图19中的810、910)；2)使用切削轮廓(例如，700)来寻找切削面(例如730、800、900)上的暴露区域(例如，720、830、930)；3)限定从切削元件的纵轴(例如，801、901)径向向外延伸的滚动前轴；以及4)将突出部(例如，810、910)的长轴(例如，820、920)与滚动前轴(例如，840、940)旋转定向为对准旋转取向。

在本公开的一些实施方案中，设计和/或制造井下工具的方法可包括：初始地将一个或多个定向切削元件的长轴与滚动前轴对准。作为此类实施方案的示例，井下工具的切削轮廓可使用切削元件坯件(即，不具有限定切削面几何形状的切削元件)来生成。切削元件坯件的切削面上的暴露区域可根据切削轮廓确定。在一些实施方案中，可绘制从至少一个切削元件的纵轴径向向外并且穿过切削元件上的暴露区域的中部延伸的滚动前轴。在一些实施方案中，滚动前轴可至少部分地基于在切削元件与地层相互作用时对暴露区域(例如，切口几何形状)上的力的分析来绘制。即，滚动前轴可确定成使得切削元件上的竖直接触力减小并且围绕切削元件的纵轴的径向切削力被平衡。

根据本文所公开的实施方案在井下工具上以对准旋转取向定向的定向切削元件可包括具有突出部(例如，810、910)的切削面(例如，800、900)，所述突出部是沿着切削元件的边缘(例如，802、902)的相对侧之间的长轴(例如，820、920)尺寸线性地延伸的伸长突出部。可根据本文公开的方法在井下工具上以对准旋转取向定向的其他定向切削元件可以包括例如具有围绕切削元件的边缘的在方位上间隔开的可以或可不延伸穿过切削元件的纵轴的一个或多个突出部的切削面和/或具有凸形或平坦顶表面的一个或多个突出部的切削面。可根据本公开的方法定向为对准旋转取向的定向切削元件的一些示例可包括在美国公布号2018/0334860中公开的切削元件，所述公布以引用方式并入本文。可根据本公开的方法定向为对准旋转取向的定向切削元件的示例还可包括具有切削面的切削元件，所述切削面具有伸长突出部，所述伸长突出部具有从切削面的中心区域朝向围绕切削面的边缘的在方位上间隔开的位置延伸的多个线性延伸部。

通过根据本文所公开的方法以对准旋转取向将定向切削元件定向在井下工具上，在操作期间作用在定向切削元件的暴露区域上的力可被减小到足以影响井下工具的穿透速率。此外，常规类型的定向切削元件以及根据本公开的实施方案的定向切削元件在根据本文所公开的此类方法安装到井下工具时可具有改进的性能。例如，图20示出比较在相同测试条件(包括样品砂岩地层中0.12英寸的切削深度(DOC)和20度的后倾角)下在操作期间作用在不同类型的定向切削元件20a、20b、20c、20d(图21至图24所示)上的竖直力的改变的图表。使用不同类型的定向切削元件(包括常规第一类型的定向切削元件20a、第二类型的定向切削元件20b(类似于图8和图9所示的定向切削元件400)、第三类型的定向切削元件20c和第四类型的定向切削元件20d(类似于图6和图7所示的定向切削元件300))从切削模拟收集竖直力数据。使用常规第一类型的定向切削元件20a上的竖直力作为基线，图表示出基线与第二类型的定向切削元件20b、第三类型的定向切削元件20c和第四类型的定向切削元件20d之间的竖直力的百分比变化。从所收集数据可看出，定向切削元件20b、20c、20d在它们处于对准旋转取向时通常比它们处于偏移旋转取向时经受更小竖直力。

单独地，第二类型的定向切削元件20b上的竖直力从当以偏移旋转定向时的8％改变下降到当以对准旋转取向旋转定向时的-10％改变；第三类型的定向切削元件20c上的竖直力从当以偏移旋转定向时的52％改变下降到当以对准旋转取向旋转定向时的42％改变；并且第四类型的定向切削元件20d上的竖直力从以偏移旋转定向时的-27％改变最小增加到以对准旋转取向旋转定向时的-26％改变。

此外，如由图20所示的数据所示，可看出，根据本公开的实施方案的具有椭圆形伸长突出部的定向切削元件(例如，图6至图7所示的具有椭圆形伸长突出部320的定向切削元件300)在与其他定向切削元件相比时对与滚动前角的对准效应具有更低灵敏度。

例如，图25示出图22和图24的第二类型的定向切削元件20b和第四类型的定向切削元件20d的剖视图，所述图比较了当定向切削元件从滚动前轴偏移10度时的第二类型的定向切削元件20b和第四类型的定向切削元件20d的暴露区域(例如，切口几何形状)。在图25中，阴影部分25b、25d示出切削元件的轮廓从它们处于对准旋转取向时到它们处于偏移旋转取向时的差异或改变，其中当处于对准旋转取向时，较大量的定向切削元件轮廓可接触地层的工作表面。如图所示，当第二类型的定向切削元件20b偏移时的轮廓(阴影部分)25b的差异大于当第四类型的定向切削元件20d偏移时的轮廓(阴影部分)25d的差异，因此表明：第四类型的定向切削元件20d相较于第二类型的定向切削元件20b对滚动前角更不灵敏。

图26和图27示出在不同旋转取向下的暴露区域(例如，切口几何形状)的改变的另一比较，其比较了在每个旋转取向下的图21和图22的第一类型的定向切削元件20a和第二类型的定向切削元件20b。在图26中，从定向切削元件20a的轮廓的切口几何形状的改变被示出为定向切削元件20a的旋转取向从对准旋转取向改变为与滚动前轴的5％旋转偏移、改变为与滚动前轴的10％旋转偏移。在图27中，从定向切削元件20b的轮廓的切口几何形状的改变被示出为定向切削元件20b的旋转取向从对准旋转取向改变为与滚动前轴的5％旋转偏移、改变为与滚动前轴的10％旋转偏移。如图所示，切削边缘27a与工作表面27b之间的深度26在第二类型的定向切削元件20b偏移时相较于在第一类型的定向切削元件20a偏移时更大。这表明第一类型的定向切削元件20a可相较于第二类型的定向切削元件20b对滚动前角更不灵敏。

通过使用根据本公开的实施方案的包括确定定向切削元件的滚动前轴和将定向切削元件定向为与滚动前轴处于对准旋转取向的方法，对滚动前倾效应具有相对更高的灵敏度的定向切削元件可选择用于井下工具上并且具有改进的性能。相反地，在一些实施方案中，在井下工具切削轮廓上相邻切削元件的故障更改定向切削元件上的暴露区域(以及因此定向切削元件的滚动前轴)的情况下，选择对滚动前倾效应具有低灵敏度的定向切削元件可能是有益的。在一些实施方案中，第一定向切削元件基于切削轮廓来定向成处于相应的第一对准旋转取向，并且第二定向切削元件基于切削轮廓定向成处于相应的第二对准旋转取向，第一对准旋转取向与第二对准旋转取向不同，并且对准旋转取向均不正交于刀片轮廓。即，井下工具的切削元件的对准旋转取向可基于切削轮廓来为每个切削元件确定。各种因素(诸如螺旋、切削元件数量、井下工具的大小以及切削元件的位置(例如，前端、锥体、肩部)等)可影响切削轮廓。

此外，通过使用本文所公开的一些类型的定向切削元件，可实现来自改进的切削尖端耐久性和切削效率的改进的地层移除速率。例如，图28示出比较五种类型的定向切削元件的不同切削深度(DOC)下的岩石移除速率的图表，所述五种类型的定向切削元件在图29至图33中示出并且包括常规第一类型的定向切削元件28a、第二类型的定向切削元件28b(类似于图8和图9所示的定向切削元件400)、第三类型的定向切削元件28c(类似于图2至图4所示的定向切削元件100)、第四类型的定向切削元件28d和第五类型的定向切削元件28e(类似于图6和图7所示的定向切削元件300)。当每种类型的定向切削元件28a-28e以相同后倾角(例如，示出为20度后倾角)和相同切削深度定向时，第三类型28c和第五路线28e具有更大的表面区域的突出部顶表面30接触地层，其中定向切削元件28a-28e的突出显示部分指示切削元件28a-28e的切削面与地层之间的接触区域31。来自第三定向切削元件28c和第五定向切削元件28e的突出部顶表面30的较大接触区域31可提高切削元件的接触地层的边缘(其有时可称为切削边缘或切削尖端)的耐久性以及提高切削效率。

在示出相同条件下地层移除速率的图表中，第五类型的定向切削元件28e示出最大地层移除速率，第三类型的定向切削元件28c示出第二大地层移除速率，第二类型的定向切削元件图28b示出第三大地层移除速率，第一类型的定向切削元件28a示出第四大地层移除速率，并且第四类型的定向切削元件28d示出最低地层移除速率。

制造具有带有椭圆形或菱形顶表面的伸长突出部的成形切削元件的各种方法以及如本文另外描述的各种方法是已知的。在一些实施方案中，元件可被制造为近净形状并且按压制原样(as-pressed)使用(例如，其中形成元件的罐或模具限定了本申请中阐述的几何形状并且仅执行表面精加工(如果有的话))。在一些实施方案中，此类元件可制造有随后修改的一般形状(例如，在形成标准圆柱形刀具的情况下，然后通过机加工或激光切削形成所述形状以实现本申请中阐述的几何形状，然后是表面精加工)。即，修改使刀具形状从压制原样形状改变。

对于测试样品，形成标准圆柱形切削元件。金刚石台被移除，从而形成多晶金刚石盘。金刚石盘划分成2个子组，每个子组具有8个至10个盘。一个子组维持压制原样表面。另一个子组通过激光切削(例如，可在形成本文所公开的形状时使用的相同参数)进行修改，以移除0.005英寸的多晶金刚石盘的顶表面。横向断裂强度通过球对环测试方法进行评估，其细节可见于Shetty等人的“Biaxial Flexure Tests for Ceramics”,Am.Cer.Soc.Bull.,59[12]1193-97(1980)中。两组盘都进行了相同的测试设置，同时以张力加载感兴趣的表面直到失效。压制原样表面的横向断裂强度被示出为具有大约25％改进。

在另一个测试样品中，如本申请所述的具有带有椭圆形或菱形顶表面的伸长突出部的切削元件被制造为压制原样元件和激光切削元件。压制原样元件和激光切削元件两者具有相同几何形状。即，将压制原样元件形成为具有伸长突出部的近净形状，并且首先形成具有较大几何形状的激光切削元件，然后激光切削工艺从切削元件移除材料以形成伸长突出部。通过喷砂移除罐材料并且然后进行OD研磨和斜切，对压制原样元件进行抛光以准备测试。压制原样元件的顶表面未以除喷砂之外的任何方式进行抛光。在一些实施方案中，可将压制原样元件形成为近净形状，然后对其进行喷砂、OD研磨并斜切以形成净形状。将激光切削元件形成为一般形状，对其进行喷砂以移除罐材料，对其进行OD研磨并斜切，并且将激光用于切削出与压制原样元件相同的形状。元件的撞击强度通过将10个压制原样元件和10个激光切削元件撞击硬化钢板直至失效(对每个单独元件进行最多高达30次撞击)进行测试。此测试是在20度后倾角和50J的撞击能量下执行的。压制原样元件的抗撞击性显著提高，从而表明压制原样元件在遇到冲击和振动时具有显著更高的抗撞击性。更具体地，压制原样元件比激光切削元件承受的撞击次数多20％，并且同时偏差减少约25％。

除了先前所提到的抗冲击和抗振性之外，组合的撞击和弯曲强度数据给出强有力证据：如本申请中所述的具有带有椭圆形或菱形顶表面的伸长突出部的压制原样元件将更能抵抗涉及裂纹萌生过程诸如低循环疲劳和高循环疲劳的过程，从而提高了刀具的寿命。虽然据信可通过根据本公开的实施方案观察到这些益处，但与通过激光切削制成的类似形状相比，其他非平面形状可能经历类似撞击和弯曲强度改进。

因此，通过使用根据本文所公开的实施方案的定向切削元件(例如，具有带有椭圆形或菱形顶表面的伸长突出部的定向切削元件)，可实现切削元件的改进的切削效率和耐用性。

虽然本公开已相对于数量有限的实施方案进行了描述，但受益于本公开的本领域技术人员将理解，可设想不脱离如本文所述的本公开的范围的其他实施方案。因此，本公开的范围应仅由所附权利要求限制。

Claims (20)

1.一种切削元件，其包括：

切削面，所述切削面位于与基部相反的轴向端部处；

侧表面，所述侧表面从所述基部延伸到所述切削面；

边缘，所述边缘形成在所述切削面与所述侧表面之间的相交部处；以及

伸长突出部，所述伸长突出部形成在所述切削面处并且在所述边缘的相对侧之间延伸，其中所述伸长突出部具有包括以下的几何形状：

边界，所述边界围绕凹入表面延伸，其中所述凹入表面包括：

长轴尺寸，所述长轴尺寸是在所述边界的相对侧之间测量的；以及

短轴尺寸，所述短轴尺寸是垂直于所述长轴尺寸测量的并且在所述长轴尺寸的50％至99％的范围内；以及

倾斜表面，所述倾斜表面在所述边界与所述边缘之间延伸。

2.如权利要求1所述的切削元件，其还包括：在5度至45度的范围内的前倾角，其中所述前倾角是在垂直于所述切削元件的纵轴的径向平面与所述凹入表面的切线之间测量的，其中所述切线在所述边缘附近与所述凹入表面相切地延伸并且与所述纵轴相交。

3.如权利要求1所述的切削元件，其中所述边界具有椭圆形形状。

4.如权利要求1所述的切削元件，其中所述边界具有菱形形状。

5.如权利要求1所述的切削元件，其中面倒角围绕所述边界形成。

6.如权利要求1所述的切削元件，其中边缘倒角形成在所述边界与所述边缘之间。

7.如权利要求1所述的切削元件，其中所述切削元件是被制成近净形状的压制原样元件。

8.一种井下切削工具，其包括：

多个刀片，所述多个刀片从主体向外延伸；

多个切削元件，所述多个切削元件设置在沿着所述多个刀片中的每一个的刀片切削边缘形成的凹穴中；

切削轮廓，所述切削轮廓由旋转到单个平面中时的安装到所述多个刀片的所述多个切削元件的轮廓线形成；

其中所述切削元件中的至少一个是定向切削元件，所述定向切削元件包括：

切削面，所述切削面具有沿着长轴尺寸线性地延伸的伸长突出部；以及

边缘，所述边缘围绕所述切削面在所述定向切削元件的所述切削面与侧表面之间的相交部处形成；

其中所述边缘的形成所述切削轮廓的一部分的暴露部分围绕所述边缘延伸部分弧长；并且

其中所述定向切削元件在所述凹穴中的一个内旋转定向成使得所述长轴尺寸与所述部分弧长的中点相交。

9.如权利要求8所述的井下切削工具，其中所述伸长突出部包括：

顶表面；以及

至少一个倾斜表面，所述至少一个倾斜表面在围绕所述顶表面形成的边界与所述切削面的边缘之间倾斜；并且

其中所述顶表面是凹入的。

10.如权利要求9所述的井下切削工具，其中所述边界具有菱形形状。

11.如权利要求9所述的井下切削工具，其中面倒角围绕所述边界形成。

12.如权利要求9所述的井下切削工具，其中所述切削元件中的所述至少一个是被制成近净形状的压制原样元件。

13.如权利要求8所述的井下切削工具，其中所述井下切削工具是扩孔器。

14.如权利要求8所述的井下切削工具，其中所述井下切削工具是固定刀具钻头。

15.如权利要求8所述的井下切削工具，其中所述伸长突出部包括从所述切削面的中心区域延伸到所述边缘并且围绕所述切削面的所述边缘在方位上间隔开的多个线性延伸部。

16.一种方法，其包括：

确定设置在切削工具的刀片上的多个切削元件上的径向力；

其中所述切削元件中的每一个具有形成在所述切削元件的切削面上的至少一个突出部；并且

其中所述径向力包括在从所述切削工具的旋转轴朝向所述切削工具的外径的方向上的向外径向力和在与所述向外径向力相反的方向上的向内径向力；

计算所述切削元件中的每一个上的净径向力，其中所述净径向力等于每个切削元件上的所述向外径向力和所述向内径向力的总和；

将所述多个切削元件的所述净径向力相加以计算刀片净径向力；以及

通过旋转所述多个切削元件中的至少一个来更改所述刀片净径向力。

17.如权利要求16所述的方法，其还包括：

确定所述多个切削元件中的每一个上的竖直力；以及

旋转所述多个切削元件中的至少一个以减小所述竖直力。

18.如权利要求16所述的方法，其还包括：

确定所述多个切削元件中的每一个上的切削力；以及

旋转所述多个切削元件中的至少一个以减小所述切削力。

19.如权利要求16所述的方法，其还包括：更改所述切削工具上的其余刀片的所述刀片净径向力，其中所述刀片和所述切削工具的所述其余刀片的所述刀片净径向力的总和为零。

20.如权利要求16所述的方法，其中所述至少一个突出部具有包括以下的几何形状：

凹入的顶表面；以及

至少一个倾斜表面，所述至少一个倾斜表面在围绕所述顶表面形成的边界与所述切削面的边缘之间倾斜；

其中所述凹入的顶表面包括：

长轴尺寸，所述长轴尺寸是在所述边界的相对侧之间测量的；以及

短轴尺寸，所述短轴尺寸是垂直于所述长轴测量的并且在所述长轴尺寸的50％至99％的范围内。

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