CN115917111A - 脊形元件 - Google Patents

Abstract

一种切割元件，包括基底和位于基底上表面上的超硬层，超硬层的顶表面具有从顶表面的刃沿顶表面的主尺寸延伸的脊，其中脊具有带至少两个不同的顶曲率半径的峰，以及至少两个从脊的峰以顶角沿相反方向倾斜的侧壁，其中脊的靠近刃的第一顶角小于围绕切割元件的纵向轴线的脊的中心部分中的第二顶角。

Description

脊形元件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年3月2日提交的临时申请号62/983,883的权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

刮刀钻头，通常称为“固定切割器钻头”，包括具有附着至钻头体的切割元件的钻头，钻头体可为钢制钻头体或由基体材料(如被粘结剂材料包围的碳化钨)形成的基体钻头体。刮刀钻头通常可以定义为没有移动部件的钻头。具有由超硬切割表面层或“台面”(通常由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成)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，所述超硬切割表面层或“台面”沉积在或以其他方式结合到基底上。

图1所示为刮刀钻头的一个示例，该刮刀钻头具有带多个超硬工作表面的切割元件。钻头10包括钻头体11，该钻头体11具有螺纹上销端12和切割端13。切割端13通常包括多个肋或刀片14，这些肋或刀片14围绕钻头的旋转轴线(也称为纵向或中心轴线)布置，并从钻头体11径向向外延伸。切割元件或切割器15以相对于工作表面的预定角度取向和径向位置嵌入刀片14中，并且相对于待钻地层具有期望的后倾角和侧倾角。

切割器15通常为圆柱形，具有附着在基底(如硬质合金基底)上的超硬材料层。超硬材料层的顶表面可称为工作表面，围绕顶表面形成的刃可称为切割刃，因为切割元件的工作表面和切割刃通常是接触并切割地层的表面。

发明内容

提供该概述是为了介绍在下面的详细描述中进一步描述的概念的选择。该概述不旨在识别所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在用作限制所要求保护的主题范围的帮助。

本公开的一些实施例涉及切割元件，其包括基底和基底上表面上的超硬层，超硬层的顶表面具有从所述顶表面的刃沿着顶表面的主尺寸延伸的脊，其中所述脊可以具有带至少两个不同顶曲率半径的峰，以及从所述脊的峰以顶角沿相反方向倾斜的至少两个侧壁，其中所述脊的靠近刃的第一顶角可以小于围绕切割元件的纵向轴线的脊的中心部分中的第二顶角。

本公开的一些实施例涉及切割元件，该切割元件包括顶表面，该顶表面具有从顶表面的刃沿顶表面的主尺寸延伸的脊，以及脊的峰，该峰具有从峰到侧壁的相对过渡点之间测量的宽度，其中在围绕切割元件的纵向轴线的脊的中心部分中的峰的宽度可以大于在脊的刃部分中的峰的宽度，刃部分从刃向中心部分延伸脊的长度，并且其中峰可以具有沿脊的刃部分小于0.1英寸的顶曲率半径。

本文公开的一些实施例涉及切割元件，其包括基底和位于基底上表面上的超硬层，超硬层的顶表面具有从围绕所述顶表面的刃形成的多个凹进刃部分轴向延伸的几何表面，以及从所述几何表面径向向外延伸到所述顶表面的刃的至少一个脊，所述至少一个脊具有带顶曲率半径的峰。

本文公开的一些实施例涉及形成切割元件的方法，该方法包括提供具有形成在切割元件的顶表面处的脊的切割元件，脊从顶表面的刃沿着顶表面的主尺寸延伸，其中脊具有带第一顶曲率半径的峰和以第一顶角远离峰倾斜的侧壁，并且从围绕脊的刃部分的顶表面去除一定量的超硬材料以形成具有小于第一顶曲率半径的第二顶曲率半径的第二峰和以小于第一顶角的第二顶角远离第二峰倾斜的凹进侧壁，其中刃部分具有第二顶曲率半径和第二顶角从刃朝向切割元件的纵向轴线延伸脊的部分长度。

从以下描述和所附权利要求中，其他方面和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是常规的钻头。

图2和3示出了根据本公开的实施例的切割元件的侧视图。

图4示出了根据本公开的实施例的超硬层。

图5示出了图4中所示的超硬层的侧视图。

图6示出了图4和5中所示的超硬层的俯视图。

图7示出了图4-6中所示的超硬层的另一个侧视图。

图8示出了根据本公开的实施例的切割元件。

图9示出了根据本公开的实施例的超硬层。

图10示出了图9中所示的超硬层的俯视图。

图11示出了图9和10中所示的超硬层的侧视图。

图12示出了图9-11中所示的超硬层的另一个侧视图。

图13示出了根据本公开的实施例的超硬层。

图14示出了图13中所示的超硬层的侧视图。

图15示出了图13和14中所示的超硬层的俯视图。

图16示出了图13-15的超硬层沿与超硬层的纵向轴线相交并延伸跨过超硬层上的脊的长度的平面的截面图。

图17示出了图13-16的超硬层沿与超硬层的纵向轴线相交并垂直于超硬层上的脊的长度的平面的另一个截面图。

图18示出了图13-17的超硬层沿平行于超硬层的纵向轴线并且垂直于超硬层上的脊的长度的平面的另一个截面图。

图19示出了根据本公开的实施例的切割元件的俯视图。

图20示出了根据本公开的实施例的切割元件的俯视图。

图21示出了根据本公开的实施例的切割元件的俯视图。

图22示出了根据本公开的实施例的切割元件的俯视图。

图23示出了根据本公开的实施例的切割元件的俯视图。

图24示出了根据本公开的实施例的切割元件的俯视图。

图25-28示出了根据本公开的实施例的切割元件的不同视图。

图29示出了根据本公开的实施例的在使用切割元件测试不同切割元件类型期间比较力和比能量的图表。

图30-34示出了根据本公开的实施例的切割元件的不同视图。

图35示出了平面切割元件与脊切割元件在切割深度处的接触面积之间的比较。

图36示出了图35中所示的切割元件在不同切割深度处的接触面积变化的图表。

图37示出了作用在脊切割元件上的力的示意图。

图38示出了脊切割元件在切割地层时的截面图。

具体实施方式

本公开的实施例大体上涉及成形元件(例如，成形切割元件)，其可以安装到用于钻探土层或其他切割工具的钻头上。成形元件几何形状可以包括形成在成形元件的超硬层上的非平面顶表面，也称为工作表面或切割面。此外，成形元件的超硬层可以位于基底上的非平面界面处，该界面被设计为改进非平面顶表面的切割性能。本公开的成形元件可以安装到各种类型的井下工具，包括但不限于钻头，例如刮刀钻头、铰刀和其他井下铣削工具。

非平面顶表面可具有经优化以提高钻孔效率和稳定性的脊几何形状。脊几何形状的三个参数—顶角(roof angle)、顶角曲率半径和顶脊角—已被确定为决定切割元件与岩层的接合和切割工具中的扭矩阻力的因素。根据本公开的实施例，顶角、顶曲率半径和顶脊角可以被组合设计以提供改进的切割效率。图2和3示出了根据本公开的实施例的切割元件100的侧视图，其识别出切割元件脊几何形状的顶角102、顶曲率半径104和顶脊角106。

切割元件100包括在界面164处设置在基底162上的超硬层160，其中非平面顶表面110几何形状形成在超硬层160上。非平面顶表面110几何形状包括脊120，其沿着顶表面的主尺寸180在围绕顶表面110(并且限定顶表面110的边界)的刃114的相对侧之间延伸。脊120的存在导致波状刃114具有相对于彼此凸起和凹进部分。在所示的实施例中，脊120可以在刃114的两个相对的凸起部分之间延伸跨过超硬层160的整个直径。

倒角140可以围绕顶表面110的刃114或周边形成，其中倒角140从顶表面110的刃114径向向内延伸。在一些实施例中，倒角140可以围绕顶表面110的整个周边延伸。在一些实施例中，倒角140可以部分地围绕顶表面110的周边延伸(即，小于顶表面110的整个周边)。在一个或多个实施例中，倒角140可以在刃114周围的角度和/或宽度上变化。在一些实施例中，切割元件100可以具有圆角刃114。

如所示，当沿垂直于沿主尺寸180的脊120的长度的平面观察时，脊120具有带凸形横截面形状的峰122，其中峰122具有顶曲率半径104。脊120的峰122可具有在从峰122到侧壁130的过渡的相对点126、128之间测量的宽度124。顶曲率半径104可选自0.02英寸至0.2英寸的范围，取决于例如切割元件100的尺寸和本公开中感兴趣的其他脊几何形状因子，包括顶角102和顶脊角106。此外，根据本公开的实施例，顶曲率半径104可以沿着脊120的长度变化。例如，如下文更多讨论的，脊120的第一部分可以具有带第一顶曲率半径104的峰122，以及脊120的第二部分可能有峰122，其具有的第二顶曲率半径104大于第一顶曲率半径104。

虽然图2和3中所示的实施例具有带有凸形峰122的脊120，但在本公开的范围内，峰122可以具有沿脊120的一部分的平台或基本上平坦的面。在这样的实施例中，峰122可以具有基本上无限的顶曲率半径104。此外，脊120的平面峰122部分可以在脊120的任一侧具有到侧壁130的圆角过渡。

顶角102是沿着平行于切割元件100的纵向轴线101并且垂直于与每个侧壁130相切的平面的纵向平面在侧壁130之间限定的角度。根据本公开的实施例，顶角102可以从大约110度到大约165度的范围内选择，这取决于例如切割元件100的尺寸和本公开中感兴趣的其他脊几何因素，包括顶曲率半径104和顶脊角106。此外，根据本公开的实施例，顶角102可以沿着脊120的长度变化。例如，如下文更详细讨论的，脊120的第一部分可以具有带第一顶角102的峰122，并且脊120的第二部分可以具有带第二顶角102的峰122，该第二顶角102大于第一顶曲率半径104。

在具有围绕顶表面110的刃114形成的倒角140的实施例中，脊120的峰122可与倒角140的内部边界141相交，其中脊120的峰122可从切割元件100的刃114附近沿朝向纵向轴线101的方向延伸。在一些实施例中，脊120的峰122可以从切割元件100的刃114延伸，而在刃114和峰122之间没有倒角。

脊120可与顶表面110的刃114周围形成的凹进刃部分132轴向隔开一高度125，其中凹进刃部分132可为刃114距离脊120的峰122的轴向最远区域。在一些实施例中，脊120的高度125可以沿其长度是均匀的，其中整个峰122沿垂直于纵向轴线101的平面123延伸。在一些实施例中，例如如图3所示，脊120的高度125可以变化。例如，如图3所示，脊的高度125可以在从刃114朝向纵向轴线101的方向上增加，使得脊120的峰122在顶表面110的刃114附近具有倾斜部分。

顶脊角106是指与靠近刃114的脊120的峰122相切的线121和垂直于纵向轴线101的平面123之间的角度。根据本公开的实施例，在脊120的一个或两个刃部分上，脊120可以具有从0度到大约10度的范围中选择的顶脊角106，使得脊120在脊120的刃部分处的轴向高度小于脊120在脊120的中心部分处的轴向高度。

根据本发明的实施例，当与脊的中心部分相比，脊的刃部分具有的顶脊角大于零，同时顶曲率半径和顶角减小。脊几何因素的这种组合可以提高切割效率。

例如，如图4-7的实施例所示，超硬层200可具有脊220的刃部分221，与脊220的中心部分223和/或沿其长度280的其它部分相比，顶脊角206大于零，并具有减小的顶曲率半径204a和减小的顶角202a。

在一些实施例中，脊220的刃部分221可指从顶表面210的刃214测量的脊220的长度281，其对应于操作期间切割元件的预测切割深度。例如，如果切割元件在操作期间的预测切割深度范围高达0.2英寸，则形成在切割元件的顶表面210上的脊220的切割刃部分221可以指的是离顶表面214的刃214在0.2英寸内的脊分。在一些实施例中，脊220的刃部分221可以指靠近顶表面210的刃214的脊的整个长度280的百分比。例如，刃部分221可以从顶表面210的刃214延伸长度281，该长度在脊220的整个长度280的5％和30％之间。

图4-7示出了切割元件的超硬层200部分，其可以在平面或非平面界面处附着到(或形成到)基底以形成切割元件。例如，在图4-7所示的实施例中，超硬层200可以具有底表面207，该底表面207可以附着到具有与底表面207几何形状相对应的几何形状的基底的上表面，从而在超硬层200和基底之间形成界面。

切割元件200的顶表面210的几何形状可以关于x-y-z坐标系来描述，如图4所示。超硬层200具有与延伸跨过其中的z轴重合的纵向轴线201。形成在超硬层200上的非平面顶表面210具有通过沿x-轴和y-轴改变高度250形成的几何形状，其中高度250是从公共基部平面205穿过超硬层200的底表面207沿z-轴测量的。如图5所示，图5是超硬层200的x-z坐标平面中的侧视图，脊220的峰222具有形成在顶表面210中的最大高度252。如图6和7所示，其分别示出了在x-y坐标平面中的俯视图和在y-z坐标平面中的侧视图，脊220沿y-轴在顶表面210的刃214的相对两侧之间在超硬层200的直径上延伸长度280。为方便起见，y-轴是一致地基于脊220的延伸方向定义的；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。

至少两个侧壁230、232以顶角202a、202b(统称为202)从脊220的峰222沿相反方向倾斜。第一侧壁232从接近超硬层200的刃214沿y-轴延伸一段长度，并且沿x-轴在相反方向上从峰222向外倾斜。第二侧壁230可以与第一侧壁232相邻，从第一侧壁232沿y-轴延伸一段长度并且从峰222向外倾斜并且从过渡部234沿x-轴在相反方向上向第一侧壁232倾斜。如图5所示，可以沿着与侧壁230、232相切的线231、233测量侧壁230、232的斜率。在所示的实施例中，侧壁230、232基本上是平面的面，从脊220的峰222在朝向顶表面210的刃214的方向上倾斜。侧壁230、232和峰222之间的过渡可以是圆角的或成角度的。

顶角202可以沿着脊220的长度变化。例如，沿着脊220的不同部分可以具有不同的顶角202a、202b。顶角202可以通过从脊220的峰222以不同的斜率231、233倾斜的不同倾斜的侧壁(例如，起伏的侧壁)在不同的顶角202之间逐渐过渡(例如，通过圆角过渡部)。在所示的实施例中，靠近刃214的脊220的刃部分221可以具有以第一顶角202a从脊220的峰222延伸的第一侧壁232，并且围绕纵向轴线201的脊220的中心部分223可以具有以第二顶角202b从脊220的峰222延伸的第二侧壁230，其中第一顶角202a小于第二顶角202b。

以第一顶角202a从脊220倾斜的第一侧壁232可以从以第二顶角202b从脊220倾斜的第二侧壁230凹进，其中第一侧壁232可以具有沿y维度在一共享的x位置的比第二侧壁230小的高度250。第一侧壁232可以通过靠近峰222的逐渐过渡部过渡到第二侧壁230，其中第一侧壁232在靠近脊220的刃部分221处具有相对较陡的斜率233，该斜率233在从刃部分朝向中心部分223的方向上变得较浅，直到第一侧壁232过渡到第二侧壁232。第一侧壁232还可以经由一个或多个过渡表面(例如平台234和侧壁230、232的平面部分之间的圆角过渡部236、238)过渡到第二侧壁230。

峰222还可具有对应于顶角202的变化的变化的顶曲率半径204a、204b(统称为204)。例如，在所示实施例中，脊220的刃部分221可以具有第一顶曲率半径204a，其中第一侧壁232从峰222以第一顶角202a延伸，并且脊220的中心部分223可以具有第二顶曲率半径204b，其中第二侧壁230从峰以第二顶角202b延伸。第一顶曲率半径204a和第一顶角202a都可以小于第二顶曲率半径204b和第二顶角202b。例如，脊220的刃部分221可以具有峰222，其具有小于0.1英寸的第一顶曲率半径204a，例如，在0.02英寸和0.09英寸之间的范围内，并且第一顶角202a在110度和130度之间的范围内，而脊220的中心部分223可以具有峰222，其具有范围在0.1和0.2英寸之间的第二顶曲率半径204b和范围在135度和165度之间的第二顶角202b。

根据本公开的实施例，脊220的刃部分221可具有峰222，该峰222具有第一顶曲率半径204a，其例如小于脊220的中心部分223中的第二顶曲率半径204b的80％(例如，范围从40％到60％)，以及第一顶角202a，其例如小于脊220的中心部分223中的第二顶角202b的80％(例如，范围从40％到60％)。

脊220可以具有带至少两个不同顶曲率半径204的峰222。例如，与脊220的中心部分223中的顶曲率半径204b相比，脊220的峰222可具有在顶表面210的刃214附近的相对较小的顶曲率半径204a。在一些实施例中，脊220可以具有带多于三个不同顶曲率半径204的峰222。在所示实施例中，峰222具有在脊220一侧的相对较小的第一顶曲率半径204a和在脊220的相对侧的相对较大的第二顶曲率半径204b。

此外，脊220的峰222可以沿脊220的刃部分221在从刃214朝向纵向轴线201的方向上具有连续增加的高度250。例如，脊220可以具有峰222，其具有沿y-轴的曲率。顶脊角206可以定义在与刃214附近的脊220的峰222相切的线228和垂直于纵向轴线201的平面229之间。顶脊角206的范围可以从大于零到10度的范围内，例如，在2到8度之间。根据本公开的实施例，具有相对于脊220的其他部分更小的第一顶曲率半径204a和第一顶角202a的脊220的长度，例如脊220的刃部分221可以具有大于零度的顶脊角206。

在具有围绕超硬层200的刃214延伸的倒角240的实施例中，脊220的刃部分221可以包括倒角240。在这样的实施例中，包括顶角202、顶脊角206和顶曲率半径204的刃部分221的脊几何参数可以描述刃部分221内的脊峰222和侧壁232的几何形状，不包括倒角240。换句话说，具有倒角240的刃部分221的脊几何形状参数的描述可以包括峰222的顶角202、顶脊角206和顶曲率半径204以及从刃部分221中的倒角240的内部边界241延伸的侧壁232。

根据本公开的实施例，脊220可以包括沿着脊220的峰222形成的一个或多个凹形凹部270。凹形凹部270可以沿着脊220的轮廓沿着其长度形成凹进的不连续区域，例如，如图7所示。在所示实施例中，脊220可具有一个凹形凹部270。在其他实施例中，脊220可具有多于一个的凹形凹部270。在一些实施例中，脊220可没有凹部270。此外，当从顶部透视图(如图6中所示)观察时，凹形的凹部270可以具有泪珠形状，其中泪珠的较宽部分靠近刃部分221并且泪珠的较窄/较尖锐部分靠近脊220的中心部分223。

根据本公开的实施例，脊220可以具有峰222，峰222具有在从峰222到侧壁230、232的相对过渡部之间测量的变化的宽度225a、225b(统称为225)。例如，脊220的刃部分221中的峰222可以具有第一宽度225a，并且脊220的其余部分(例如脊220的中心部分223)中的峰222可以具有大于第一宽度225a的第二宽度225b。

在图4-7所示的实施例中，脊220的一个刃部分221被修改为具有例如比中心部分223相对较小的顶角202a、比中心部分223相对较小的顶曲率半径204a、比中心部分223相对较小的宽度225a和顶脊角206，并且从刃部分221径向地在脊220中形成一个凹形凹部270。在一些实施例中，脊220的两端可以修改为具有比中心部分223相对较小的顶角202a、比中心部分223相对较小的顶曲率半径204a、比中心部分223相对较小的宽度225a和顶脊角206中的至少一个。此外，在一些实施例中，可以沿着脊220形成多于一个的凹形凹部270。

例如，图8示出了在脊220的每一端具有修改的刃部分221的切割元件290的实施例。每个刃部分221可以具有比脊220的中心部分223相对较小的顶角202a、比脊220的中心部分223相对较小的顶曲率半径204a、比脊220的中心部分223相对较小的宽度225a以及顶脊角206中的至少一个。此外，两个凹形凹部270沿脊220形成，每个凹形凹部270径向位于刃部分221和中心部分223之间。脊几何形状可以关于沿着顶表面210的主尺寸延伸并穿过切割元件290的纵向轴线201的直线285是对称的。通过提供脊220的对称刃部分221，切割元件290可用于两个切割位置。例如，切割元件290可以以第一取向定位在切割工具中，其中第一刃部分221被取向为在操作期间接触和切割地层。切割元件290可进一步以第二取向(例如，如果第一刃部分221磨损或因使用失效)定位在切割工具中，其中第二刃部分221被取向为在操作期间接触和切割地层。

在一些实施例中，脊220可以具有两个不同的刃部分221几何形状，这可以允许单个切割元件200具有两种切割效率选项。例如，切割元件200可以具有从切割元件200的刃214延伸第一长度的第一刃部分221和从刃214的相对侧延伸第二长度的第二刃部分221，其中第一和第二刃部分221二者可以具有比脊220的中心部分223相对较小的顶角202a、比脊220的中心部分223相对较小的顶曲率半径204a、比脊220的中心部分223相对较小的宽度225a以及顶脊角206中的至少两个。第一刃部分221中的至少一个几何参数可以不同于第二刃部分221。例如，第一刃部分221的第一长度可以不同于第二刃部分221的第二长度，其可以例如基于不同的预期切割深度来选择。

图9-12示出了根据本公开的实施例的超硬层300的另一个示例。图9是透视图，图10是顶视图，以及图11和12是超硬层300的侧视图。超硬层300具有顶表面310和与顶表面相对的底表面307，其中超硬层300的厚度350是在超硬层300的顶表面310和底表面307之间轴向测量的。

超硬层300的顶表面310具有脊320几何形状，其包括跨越顶表面310的主尺寸(例如直径)延伸长度380的脊320。顶表面310还可以包括倒角340，其形成在顶表面310的刃314周围，其中倒角340从刃314径向向内延伸到倒角340的内部边界341。脊320包括在刃314的相对侧之间线性延伸的峰322和从峰322向刃314延伸的侧壁330、332。在具有形成在整个刃314周围的倒角340的实施例中，峰322可以延伸到倒角340的内部边界341的相对侧并与它们相遇。

脊320还可以包括刃部分321，该刃部分321从顶表面310的刃314延伸长度381，其具有顶脊角306、减小的顶角302和减小的顶曲率半径304中的至少一个，当与脊320的其余部分323相比时。在图9-12所示的实施例中，脊的刃部分321可以延伸长度381，该长度381在脊320的整个长度380的25％和45％之间。

脊320的刃部分321可以具有在从峰322相对倾斜的第一侧壁332之间测量的第一顶角302a，并且脊320的其余部分323可以具有在相对倾斜的第二侧壁330之间测量的第二顶角302b。第一侧壁332可能看起来从相邻的第二侧壁330挖出或凹进，使得第一侧壁332以比第二侧壁330相对于超硬层的纵向轴线301更陡的斜率从峰322延伸，由此第一顶角302a小于第二顶角302b。在具有凸形和/或凹形横截面轮廓的侧壁的实施例中，例如图12所示，其中第一侧壁332具有凹形横截面轮廓并且第二侧壁330具有凸形横截面轮廓，侧壁330、332的斜率可以是沿着与侧壁330、332的从峰322到侧壁330、332的过渡点326延伸的部分相切的线331a、331b测量的。

脊320的刃部分321还可以具有小于脊320的其余部分323的第二顶曲率半径304b的第一顶曲率半径304a。例如，第一顶曲率半径304a可以小于第二顶曲率半径304b的80％、小于60％、小于50％或小于40％。

如图11所示，脊320几何形状还可包括沿脊320的刃部分321中的峰322形成的第一顶脊角306a。第一顶脊角306a可以形成在垂直于纵向轴线301的平面329和线328a之间，线328a沿着峰322从其中峰322与倒角340的内部边界341(或者在没有倒角340的实施例中的刃314)相遇的点延伸到其中峰322过渡到与平面329平行的点327。当沿着与纵向轴线301相交并延伸通过脊320的长度312的轮廓观察时，脊320的刃部分321中的峰322可以具有凹形截面轮廓。根据本公开的实施例，第一顶脊角306a可选自零至约10度的范围。

第二屋脊角306b可在与刃部分321相对的刃314处沿峰322形成。峰322的靠近刃314并限定第二屋脊角306b的部分可具有基本上平面的横截面轮廓，当沿着与纵向轴线301相交并延伸跨过脊320的长度312的轮廓观察时。在这种情况下，第二顶脊角306b可以是在与靠近刃314的脊320的峰322相切的线328b和垂直于纵向轴线301的平面329之间测量的。根据本公开的实施例，第二顶脊角306b可以从零到大约10度的范围内选择。第二顶脊角306b可以小于、大于或等于第一顶脊角306a。

图13-18示出了根据本公开的实施例的超硬层400的另一个示例。图13是超硬层400的透视图。图14是超硬层400的侧视图。图15是超硬层400的俯视示意图(看超硬层400的顶表面410)。图16-18是分别沿图15所示的横截面A-A、B-B和C-C截取的超硬层400的横截面图。

超硬层400具有带脊420几何形状的非平面顶表面410和与顶表面410相对的非平面底表面407。脊420几何形状包括沿超硬层400的主尺寸480在超硬层400的刃414的相对侧之间线性延伸的脊420。超硬层400可以具有圆柱形侧表面403，其中超硬层400的主尺寸480是圆柱形侧表面403的直径480。在其他实施例中，超硬层的侧表面403可以沿着垂直于纵向轴线401的横截面限定非圆形横截面形状，例如长方形、椭圆形或多边形横截面形状。超硬层400的非平面底表面407可以附着到(或形成到)具有对应于底表面407几何形状的几何形状的基底的上表面，在超硬层400和基底之间形成非平面界面。

在所示实施例中，底表面407的几何形状包括形成在围绕底表面407的周边的圆周位置处(例如在超硬层400的直径480的相对侧处)的一个或多个突起408。在一些实施例中，一个或多个突起408可以形成在超硬层400周围的圆周位置，其对应于形成在顶表面410上的脊420的刃部分421。例如，如图13和14所示，突起408可以形成在底表面407上与脊420的刃部分421相对的圆周位置处。超硬层400可以附着或形成到具有上表面的基底，该上表面具有与超硬层400的底表面407相对应的几何形状，例如具有与形成在超硬层400的底表面407上的一个或多个突起408相对应的形状的一个或多个凹进部分。

超硬层400的厚度450在超硬层400的顶表面410和底表面407之间轴向测量。根据本公开的实施例，超硬层400可以具有组合的顶表面410几何形状和底表面407的几何形状以相对于超硬层400的其余区域在脊420的刃部分421处提供具有最大厚度456的超硬层400。

顶表面410的脊420几何形状包括脊420的峰422和从峰422向外延伸到倒角440的内部边界441的侧壁430，倒角440形成在顶表面410的刃414周围(或者在没有倒角440的实施例中，延伸到顶表面410的刃414)。峰422可以具有在从峰422到侧壁430的相对过渡点426之间测量的宽度425。从峰422到侧壁430的过渡可以是成角度的或圆角的。峰422的宽度425可以沿着脊420的长度480变化。例如，脊420的刃部分421中的峰422可以具有第一宽度425a，并且在相对刃部分421之间延伸的峰422的部分(例如，包括围绕超硬层的纵向轴线401的中心部分423)可以具有大于第一宽度425a的第二宽度425b。

根据本公开的实施例，脊420的刃部分421中的峰422的第一宽度425a可以例如在比脊420的中心部分423中的峰422的第二宽度425b小20％到80％之间。例如，在所示的实施例中，脊420的刃部分421中的峰422具有的第一宽度425a在比刃部分421之间延伸的峰422的部分的第二宽度425b小20％至50％之间的范围。宽度值可以根据超硬层400的整体尺寸和脊几何形状的其他尺寸，例如脊高度460、顶角402、顶半径曲率404和顶脊角(例如，206)而变化。在一些实施例中，刃部分421中的峰422的第一宽度425a可以在例如0.02英寸到0.05英寸之间或0.03英寸到0.06英寸之间的范围内，并且峰422的在刃部分421之间延伸的部分的第二宽度425b的范围例如可以在0.04英寸到0.08英寸之间，或者在0.05英寸到0.1英寸之间。

顶曲率半径404是峰422的曲率的测量值，并且可以沿着脊420的长度480变化。例如，在图13-18所示的实施例中，峰422可以具有在脊420的刃部分421中的第一顶曲率半径404a和在脊420的中心部分423中的第二顶曲率半径404b，其中第二顶曲率半径404b大于第一顶曲率半径404a。根据本公开的实施例，在脊420的刃部分421中的峰422的顶曲率半径404可以小于在脊420的在刃部分421内部和与之相邻的部分中的峰422的顶曲率半径404。例如，在脊420的刃部分421中的峰422的第一顶曲率半径404a可以在比脊420的与刃部分421相邻并在其内部的部分的顶曲率半径404小约20％至60％的范围。

在一些实施例中，脊420的刃部分421中的峰422的第一顶曲率半径404a可以沿着刃部分421的长度变化和/或顶曲率半径404可以沿着脊420的剩余部分变化，其中第一顶曲率半径404a的最大值可以小于沿脊420的剩余部分的顶半径或曲率半径404。例如，脊420的刃部分421中的峰422的第一顶曲率半径404a可以小于0.1英寸，例如从0.02英寸、0.04英寸或0.06英寸的下限到0.05英寸、0.08英寸或0.09英寸的上限，并且脊420的与刃部分421相邻并在其内部的部分可具有0.1英寸或更大的顶曲率半径，例如，范围从0.1英寸、0.14英寸或0.15英寸的下限到0.15英寸、0.2英寸或0.25英寸的上限。

在一些实施例中，在刃部分421之间延伸的脊420的至少一部分可以具有带平面表面的峰422，在这种情况下，峰422的平面表面部分的曲率半径404将为无穷。

脊420还可具有在从峰422相对倾斜的侧壁430之间测量的顶角402。侧壁430的斜率可以是沿从倒角440的内边界441(或在没有倒角440的实施例中从刃414)延伸到从峰422到侧壁430的过渡点426的线431测量的。在具有平坦侧壁430的实施例中，线431可以与侧壁430表面相切。根据本公开的实施例，顶角402可以沿着脊420的长度480变化。例如，在图13-18所示的实施例中，脊420的刃部分421可以具有小于沿脊420的中心部分423的第二顶角402b的第一顶角402a。如图17所示，其是在图15的平面B-B处通过脊420的中心部分423截取的超硬层400的截面图，第二顶角402b是在与侧壁430相切的线431b之间测量的，所述侧壁从峰422朝向超硬层400的刃414横向延伸。如图18所示，其是在图15的平面C-C处通过脊420的刃部分421截取的超硬层400的横截面图，第一顶角402a是在与侧壁430相切的线431a之间测量的，该侧壁从峰422朝向超硬层400的刃414横向延伸。

根据本公开的实施例，脊420的刃部分421的第一顶角402a可以小于145度，例如，在100度和145度之间的范围内。在刃部分421(包括中心部分423)之间的脊420的部分中的峰422的相对侧上的侧壁430可以以大于135度(例如，范围在140°度和170度之间)的第二顶角从峰422延伸。侧壁430可以从以第一顶角402a从峰422倾斜过渡到以第二顶角402b从峰422沿沿着峰422的圆角或弯曲过渡部424倾斜。此外，以第一顶角402a倾斜的侧壁(由切线斜率431a表示)和以第二顶角402b倾斜的侧壁(由切线斜率431b表示)之间的过渡可以是逐渐的，使得在第一斜率431a和第二斜率431b之间存在连续变化的斜率。

脊420可以具有从刃414的最低部分462到脊峰422轴向测量的脊高度460。根据本公开的实施例，脊高度460具有的范围可以例如从0.05英寸、0.08英寸或0.1英寸的下限到0.07英寸、0.1英寸、0.15英寸或0.2英寸的上限。在一些实施例中，脊高度460可以沿着脊420的长度480变化。例如，在脊420的峰422以顶脊角(例如，图7中的206)倾斜的实施例中，脊高度460可以沿着脊420的倾斜部分连续改变。在具有一个或多个凹形凹部(例如，图6中的270)的实施例中，脊高度460可以在峰422和凹形凹部之间变化。在诸如脊420的顶脊角为零并且没有凹形凹部的图13-18所示的实施例中，峰422可以沿着脊420的整个长度480处于均匀的脊高度460处。

根据本公开的实施例，刃部分421的长度481，如通过从顶表面410的刃414朝向纵向轴线401的径向距离测量的，可以被设计为大于或等于当切割元件正在切割时的预测的切割深度。例如，在一些实施例中，刃部分421的长度481的范围可以从大约0.07英寸到0.3英寸。在具有围绕刃414形成的倒角440的实施例中，刃部分421内的脊420的峰422可以从倒角440的内部边界441径向向内延伸。倒角可以在超硬层400的刃414之间延伸一径向距离442到倒角440的内部边界441，例如其范围从大约0.01英寸到大约0.03英寸。此外，倒角可以具有相对于纵向轴线401的斜率443，斜率443的范围从例如大约40度到大约50度或从15度到70度。

刃部分421中的脊420的几何形状可以包括峰422，其相对于脊的中心部分423具有减小的顶角402和减小的顶曲率半径404。此外，脊420几何形状可以包括脊420的相对端(两个刃部分421)，其具有的峰宽度425a小于脊420的中心部分423中的峰宽度425b。这种脊几何形状可以提供刃部分421具有相对减小的接触面积(即，刃部分421的顶表面410和侧面403在操作期间接触地层的面积)，这可以减少切割元件在切割时的工作量。

脊几何形状可以变化，同时仍然提供脊的刃部分，该刃部分具有减小的顶角、减小的顶曲率半径和相对于脊的中心部分减小的峰宽度中的至少一种。例如，图19-24示出了根据本公开的实施例的具有脊几何形状的切割元件的附加示例，其中脊的刃部分具有减小的顶角、减小的顶曲率半径以及相对于脊的中心部分减小的峰宽度中的至少一种。

图19-21示出了具有脊501、511、521几何形状的切割元件500、510、520的俯视图，该几何形状包括相对于脊501、511、521的中心部分503、513、523具有减小的峰宽度505、515、525的刃部分502、512、522。如图19所示，脊501线性延伸跨过顶表面504的主尺寸，其中脊501的刃部分502位于脊的相对端501。在两个刃部分502之间延伸的脊501的中心部分503具有大于沿刃部分502的峰宽度505的峰宽度505。峰宽度505是在从脊501的峰506到侧壁508的相对过渡点507之间测量的，所述侧壁508从峰506朝向顶表面504的刃509向外延伸。

脊501的中心部分503可以具有峰506，该峰506的平面表面具有多边形，其在图19所示的实施例中为菱形。峰506的平面表面部分(在脊501的中心部分503)可以具有其沿着垂直于切割元件的纵向轴线(例如，图11中的301)的平面(例如，图11中的平面329)延伸的平面表面。从中心部分503中的峰506的平面表面到脊501的侧壁508的过渡部507可以是弯曲的或圆角的。此外，峰506可以是沿着脊501的刃部分502的弯曲表面，其中弯曲表面峰506部分具有的顶曲率半径(例如，图13中的404a、404b)可以在例如小于0.1英寸的范围。

图20示出了具有脊511几何形状的切割元件510的另一个示例，该几何形状使脊511的中心部分513具有带多边形形状的峰516。脊511线性地延伸跨过顶表面514的主尺寸，其中脊511的刃部分512从顶表面514的刃519的相对侧向内延伸至脊511的中心部分513。中心部分513中的峰516的宽度515大于峰516沿刃部分512的宽度515。峰宽度515是在从脊511的峰516到侧壁518的相对过渡点517之间测量的，所述侧壁518从峰516朝向顶表面514的刃519向外延伸。

图21示出了具有脊521几何形状的切割元件520的示例，该几何形状使脊521的中心部分523具有椭圆形峰526表面。脊521线性地延伸跨过顶表面524的主尺寸，其中脊521的刃部分522从顶表面524的刃529的相对侧向内延伸到脊521的中心部分523。中心部分523中的峰526的宽度525大于沿刃部分522的峰526的宽度525。峰526的椭圆形部分可以具有平面表面，而刃部分522中的峰526可以具有带曲率半径(例如，图13中的404a、404b)的弯曲表面，其范围为例如小于0.1英寸。

根据本公开的一些实施例，脊521的中心部分523中的峰526的宽度525可以比刃部分522处的宽度525大直达2倍，比刃部分522处的宽度525大直达3倍，或更大。在一些实施例中，脊的中心部分中的峰的宽度可以延伸大于主尺寸的20％、大于主尺寸的50％，或直达整个主尺寸。

图22-24示出了具有脊几何形状的切割元件600、610、620的俯视图，该脊几何形状包括包括脊601、611、621的中心部分603、613、623，其跨顶表面604、614、624的主尺寸延伸到顶表面604、614、624的刃609、619、629的相对侧。脊601、611、621的刃部分602、612、622相对于脊601、611、621的中心部分603、613、623具有减小的峰宽度605、615、625。

以另一种方式描述，切割元件600、610、620脊几何形状可以包括从围绕顶表面604、614、624的刃609、619、629形成的多个凹进刃部分607、617、627轴向延伸的几何表面606、616、626。至少一个脊601、611、621从几何表面606、616、626径向向外延伸到顶表面604、614、624的刃609、619、629。侧壁可以从几何表面606、616、626和脊601、611、621向下倾斜至凹进刃部分607、617、627。

如图22所示，脊几何形状包括从围绕顶表面604的刃609形成的多个凹进刃部分607轴向延伸的几何表面606，其中几何表面606具有多边形形状。脊601可以具有带顶曲率半径的弯曲峰608，并且几何表面606可以是平面表面。此外，脊601的峰608和几何表面606可以位于垂直于切割元件600的纵向轴线的共享平面(例如，图11中的平面329)上。在一些实施例中，一个或多个脊601的峰608可以从几何表面606以顶脊角倾斜(例如，其中与脊峰608相切的线可以从垂直于纵向轴线的平面以顶脊角倾斜，例如图11中所示)。

图23示出了根据本公开的实施例的脊几何形状的另一个示例，其中几何表面616从围绕顶表面614的刃619形成的多个凹进刃部分617轴向延伸。几何表面616可以具有椭圆形或其他细长的弯曲形状。此外，几何表面616可以延伸跨越顶表面614的刃619的相对侧之间的整个主尺寸618。

在一些实施例中，几何表面可以具有不规则形状，例如，包括直线和曲线边界线。例如，图24示出了具有脊几何形状的切割元件620，该脊几何形状包括从围绕顶表面624的刃629形成的多个凹进刃部分627轴向延伸的几何表面626，其中几何表面626具有不规则形状。几何表面626可以跨过顶表面624的刃629的相对侧之间的整个主尺寸628a延伸。此外，几何表面626可以具有跨过将脊621的长度平分的线628b并跨过几何表面626的主尺寸628a对称的形状。

如图19-24所示的实施例中所示，脊峰的至少一部分可以由沿着垂直于切割元件的纵向轴线的平面放置的平面表面形成。例如，如上所述，形成几何表面的峰的部分可以是平面表面，而刃部分中的峰的部分可以由具有曲率半径的弯曲表面形成。在一些实施例中，如下文所述，脊峰可以完全由平面表面形成(沿着峰的整个长度)。

例如，图25-28示出了根据本公开的实施例的切割元件700的另一个示例，该切割元件700具有形成在超硬层的顶表面710上的脊几何形状，其中脊720的刃部分721具有减小的顶角、减小的顶曲率半径和相对于脊的中心部分减小的峰宽度中的至少一种。顶表面710的脊几何形状包括脊720的峰722和侧壁730，该侧壁从峰722向外延伸到围绕顶表面710的刃714形成的倒角740的内部边界741(或者在没有倒角740的实施例中，延伸到顶表面710的刃714)。脊720跨过顶表面710的主尺寸线性地延伸长度780，其中脊720的刃部分721从顶表面710的刃714的相对侧向内延伸长度781至顶表面710的中心部分723。

侧壁730可以以顶角702从峰722向下和向外延伸到倒角740的内部边界741。顶角702可以是在与接近峰722的侧壁730相切的线731之间测量的。顶角702可以沿着峰722的长度780基本恒定。顶角702可以在例如大约140度到大约155度之间的范围内。

峰722可由沿脊720的长度780基本上垂直于纵向轴线701延伸的平面表面形成。峰722平面表面可形成几何表面(例如，如图22-24中所述)，其具有在从峰722到侧壁730的相对过渡点726之间以及倒角740的相对侧之间限定的几何形状。

峰722的宽度725可以是在从峰722到侧壁730的相对过渡点726之间测量的。从峰722到侧壁730的过渡可以是成角度的或圆角的。峰722的宽度725可以沿着脊720的长度780变化。例如，脊720的刃部分721中的峰722可以具有接近顶表面710的刃714的第一宽度725a，并且顶表面710的中心部分中的峰722的围绕纵向轴线701的部分可以具有大于第一宽度725a的第二宽度725b。此外，如图25所示，峰722的宽度725可以从靠近刃714的第一宽度725a朝向顶表面710的中心部分逐渐且连续地增加。

根据本公开的实施例，靠近峰722的刃714的第一宽度725a可以在例如大约0.05到大约0.15英寸之间的范围内。通过在切割元件的刃714附近提供约0.05英寸或更大的第一宽度725a，峰722可形成两个切割尖端790，其可充当夹点以在例如被钻孔的岩层的工作表面上建立应力集中，并减少岩石压裂所需的力。围绕切割尖端790交替形成的三个切割刃792也可有助于岩石压裂。

此外，当与具有不同切割面几何形状的切割元件相比时，根据本公开的实施例的具有峰722的切割元件实验已经表明具有较低的切割比能量(即，对于单个切割元件去除单位体积的岩石所需的能量)，所述峰具有接近切割元件的刃714的大约0.1英寸的第一宽度725a、大于第一宽度725a的第二宽度725b以及约140度的顶角702。例如，图29示出了测试结果的图表，该测试结果比较了常规平面顶部切割元件771、具有沿着其长度带均匀弯曲峰的脊的切割元件772、具有如图13-18所示的脊几何形状的切割元件773以及具有如图25-28所示的第一峰宽度725a约为0.1英寸和顶角约为140度的脊几何形状的切割元件700的切割性能。该图表示出了当切割元件771、772、773和700在0.1英寸的切割深度(DOC)以20度后倾角切割岩石样品时测量的归一化力(切割力和垂直力)和比能量。如所示，当在相同的岩石切割运动中与其它切割元件771、772和773相比时，具有第一峰值宽度725a约为0.1英寸且顶角约为140度的脊几何形状的切割元件700具有最低的切割力、最低的垂直力和最低的比能量。这样的结果表明，与其他切割元件几何形状相比，图25-28中所示的脊几何形状可以使用更少的钻孔工作并提供更好的切割效率。

除了通过在岩石破裂期间降低力来提供改进的切割效率的切割元件几何形状之外，本公开的实施例还可以包括有助于岩屑去除的切割元件几何形状。例如，图30-34示出了根据本公开的实施例的具有顶表面810脊几何形状的切割元件800，其包括用于引导岩石碎屑或其他切割碎屑远离脊820的切割尖端的至少一个挖出特征。

顶表面810的脊几何形状包括脊820，其在顶表面810的相对刃814之间跨越切割元件的整个主尺寸(例如直径)延伸长度880，其中脊几何形状沿其长度880变化。例如，脊820的刃部分821(例如，脊820的从切割元件的相对刃814径向延伸长度881的部分)可以具有与脊820的中心部分823不同的几何形状(围绕切割元件的纵向轴线801的部分)。在所示实施例中，脊820的宽度825在脊820的刃部分821中可以小于在顶表面810的中心部分823中。

与图25-28中所示的实施例类似，脊峰822可以具有沿着垂直于切割元件的纵向轴线801的平面放置的平面表面，其中平面表面峰822可形成相对于凹进刃部分815的凸起几何表面。峰822的几何表面可以具有限定在峰822的相对侧之间和刃814的相对侧之间的几何形状。

峰822的宽度825可以是在峰822平面表面的相对侧之间测量的。峰822的宽度825可以从接近切割元件的刃814的第一宽度825a增加到顶表面810的中心部分823中的第二宽度825b。如图34所示，两个切割尖端890可以以第一宽度825a形成在峰822的相对侧上的切割元件刃814处，并且三个切割刃892可以围绕切割尖端890交替地形成。交替的切割尖端890和切割刃892可以在切割期间接触和破碎岩石。

此外，顶表面几何形状可包括形成在脊820的相对侧上的波状侧壁830。波状侧壁830可包括位于刃部分821中的峰822的相对侧附近和之上的挖出区域831。挖出区域831可以具有大体凹形的几何形状并且在过渡区域835a、切割刃892和刃814的凹进刃部分815之间延伸。挖出区域831可以为岩石碎屑在峰820周围并远离切割元件的流动提供路径。波状侧壁830还可以包括凸起区域832，该凸起区域832位于峰822的相对侧上的舀起区域831之间并且从过渡区域835b延伸到刃814的凸起刃部分816。以这种方式，形成在切割元件周围的刃814可以在脊峰822、凹进刃部分815和凸起刃部分816之间的高度上波动。

脊几何形状还可以包括过渡区域835a、835b(统称为835)，其在脊峰822和位于峰822的相对侧上的波状侧壁830之间提供弯曲的过渡。过渡区域835可以具有沿着脊820的长度880的变化的几何形状并且对应于波状侧壁830的几何形状和变化的脊宽度825中的至少一个。在图30-34所示的实施例中，脊820的刃部分821中的峰822的相对侧上的第一过渡区域835a可以具有比顶表面810的中心部分823中的第二过渡区域835b更小的尺寸。例如，与从峰822到波状侧壁830的凸起区域832具有相对较大曲率的第二过渡区域835b相比，第一过渡区域835a可以从峰822到波状侧壁830中的挖出区域831具有相对较紧密的曲率。此外，与从峰822横向测量的具有相对较大宽度的第二过渡区域835b相比，从峰822横向测量的第一过渡区域835a可以具有相对较小的宽度。

根据本公开的实施例的切割元件可以例如通过使用具有负(negtive)脊几何形状的模具形成具有本文公开的脊几何形状的超硬层来形成。根据本公开的实施例的具有脊几何形状的超硬层可以形成在基底上(例如，将诸如金刚石粉末的超硬材料放置在高压高温压机中的预成型基底或基底材料附近并将材料烧结在一起)或者可以预先形成并附着到基底上。

在一些实施例中，根据本文公开的实施例的形成具有脊几何形状的切割元件的方法可以包括提供具有在切割元件的顶表面处形成的脊的切割元件，其中脊可以沿着顶表面的主尺寸从顶表面的刃延伸，并且具有带第一顶曲率半径的峰和以第一顶角远离峰倾斜的侧壁。然后可以从脊的刃部分周围的顶表面去除一定量的超硬材料，以形成第二峰，该第二峰具有小于第一顶曲率半径的第二顶曲率半径和以小于第一顶角的第二顶角远离第二峰倾斜的凹进侧壁。具有第二顶曲率半径和第二顶角的刃部分可以从刃朝向切割元件的纵向轴线延伸脊的部分长度。例如，在一些实施例中，可以使用激光从顶表面去除一定量的超硬材料，以形成具有减小的顶曲率半径和减小的顶角的脊的刃部分(并且在一些实施例中，还有顶脊角)。

根据本公开的实施例的基底可以由烧结碳化物形成，例如碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化钽、碳化钒，或其与铁、镍、钴或其合金烧结的组合。例如，基底可以由钴烧结碳化钨形成。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，例如由通过金属催化剂如钴或其它VIII族金属在足够高的压力和高温下结合在一起的金刚石晶体(在HPHT条件下烧结)、热稳定的多晶金刚石(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，超硬层可以由一个或多个层形成也在本公开的范围内，该一个或多个层中可以具有金刚石含量的梯度或阶梯过渡。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，因为该术语已经在本申请中使用。也就是说，其上可以形成超硬层(或包括超硬材料的多层)的界面表面是烧结碳化物基底的界面表面。

根据本公开的实施例的具有脊形几何形状的切割元件可提高切割效率。例如，由于脊的刃部分和工作表面之间的接触面积减小，可以提高切割效率。本申请的发明人已经发现，切割元件的工作负荷随着与岩层的扩张接合而增加。这种接合是接触面积和切割深度(DOC)的函数。

参考图35和36，示出了根据本公开的实施例的关于脊几何形状的性能的研究。在该研究中，三种型号的切割元件，包括具有平坦顶表面的常规切割元件900、具有159度顶角的第一脊切割元件910和具有135度顶角的第二脊切割元件920,是为几何研究而建造的，并在不同的DOC处与工作表面接触。切割元件900、910、920的突出部分示出了接触面积902、912、922。图36示出了每个样品切割元件902、912、922的接触面积随着DOC在15度的恒定后倾角下的增加而增长的图表。从研究中可以明显看出，生长速率随顶角而变化，其中顶角越大，接触面积902、912、922随着DOC的增加而扩大得越快。

此外，当切割元件切入岩层时，接触面积与穿透阻力相关。因此，如本文所述，组合各种顶角，例如形成具有比脊的中心部分更小的顶角的脊的刃部分，可用于控制切割元件的接触面积。当在脊的中心部分形成相对较大的顶角时，切割元件可能会限制在较小顶角部分(在脊的刃部分中)和较大顶角部分(在脊的中心部分)之间的过渡处的穿透量部分。以这种方式，可以通过将脊的选定刃部分设计为相对于脊的中心部分中的较大顶角具有减小的顶角来控制切割元件的接触面积(并因此减少切割元件过载的影响)。

此外，本公开的实施例可以具有脊的刃部分，该刃部分具有相对于脊的相邻中心部分的峰宽度减小的峰宽度。通过相对于脊的刃部分增加脊的中心部分的脊峰的宽度，可以减少裂纹扩展。例如，如果裂纹从根据本公开的实施例的脊切割元件的刃开始，则裂纹可能传播直到在脊的相对较宽的中心部分处遇到增加量的超硬材料，在该点处，脊的相对较宽的中心部分可以抑制进一步的裂纹生长。

虽然沿脊的整个长度具有大致均匀脊几何形状的脊切割元件与例如常规的平面切割元件相比可能具有更好的钻井效率，但这种脊几何形状可能在操作中承受增加的负载，并且因此经历过早失效(最常见的是超硬材料层破裂)。通过根据本文公开的实施例修改脊的刃部分，可以控制负载，从而提高切割元件的寿命。

在另一项研究中，使用立式转塔车床上的岩石切割试验，比较了沿整个脊长度具有大致均匀的脊几何形状的切割元件，其中较钝脊切割元件的顶角为175度，较锋利脊切割元件的顶角为135度。图37示出了在立式转塔车床测试中在岩石样品934上沿方向932移动的脊切割元件930的图示。在测试期间，记录了作用在脊切割元件930上的三个力，包括垂直力940、切割力942和侧向力944。从测试结果中发现，具有135度顶角的较锋利的脊切割元件只需要施加在具有175度的较钝的脊切割元件上的垂直力的一半就能达到相同的切割深度936。还发现较锋利的脊切割元件(具有135度的顶角)消耗了施加在较钝的脊切割元件(具有175度的顶角)上的大约60％的切割力来向前拖动脊切割元件。

脊切割元件930还配备在具有12至20度之间的后倾角950的钻头上，如图38所示。此外，脊切割元件930包括大约5度的顶脊角，这增加了有效后倾角950。在钻井中，该后倾角950导致来自垂直力940和切割力942对前方岩石970(即，切割时切割元件正前方的岩石)的压缩960。这种压缩960可以限制岩石970的压裂和移除。因此，较低的后倾角950可以降低对岩石破裂的这种阻力。根据本公开的实施例的具有减小的顶角和减小的顶曲率半径(具有或不具有顶脊角)的脊切割元件在测试期间显示出在前方岩石970中具有显着减小的压缩。此外，具有改进的刃部分的脊切割元件倾向于将破裂的岩石破碎成更小的块。

根据本公开的实施例，脊切割元件的刃部分可以被修改为具有减小的顶角(例如，125度或更小)和减小的顶曲率半径(例如，小于0.11英寸)。较小的顶曲率半径可以从减小的顶角平滑较锋利的角度。

此外，一个或多个凹形凹部(例如，泪滴形凹坑)可以被引入脊的峰上，以减少对前方岩石的压缩并且便于岩屑破裂。可以在脊的刃部分和脊的中心部分之间的脊峰上(例如，在以顶脊角倾斜的脊的一部分上)采用凹形凹部，以桥接脊的修改的刃部分和其余部分。

根据本公开的实施例的具有减小的顶角和减小的顶曲率半径的修改刃部分的脊切割元件的切割效率通过有限元分析(FEA)建模来估计。与具有大致均匀的脊几何形状的脊切割元件相比，具有120度顶角和小于0.11英寸顶曲率半径的修改刃部分的脊切割元件需要少10％的切割力。通过减小切割力，还可以减小钻头转动阻力，从而提高钻头对驱动变化的响应。

成形元件的实施例主要参照井眼钻井操作进行了描述；本文所述的成形元件可用于除钻井眼之外的应用。在其他实施例中，根据本公开的成形元件可以在用于勘探或生产自然资源的井眼或其他井下环境之外使用。例如，本公开的成形元件可以用在用于放置公用设施管线的钻孔中。因此，术语“井眼”、“钻孔”等不应被解释为将本公开的工具、系统、组件或方法限制于任何特定的行业、领域或环境。

本文描述了本公开的一个或多个具体实施例。这些描述的实施例是当前公开的技术的示例。此外，为了提供对这些实施例的简明描述，并非实际实施例的所有特征都可以在说明书中描述。应该理解，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，将做出许多特定于实施例的决策以实现开发人员的特定目标，例如遵守与系统相关和与业务相关的约束，这可能因实施例而异。此外，应当理解，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说，仍然是设计、制造和制造的常规工作。

此外，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包含所列举的特征的附加实施例的存在。例如，关于本文中的实施例描述的任何元素可以与本文中描述的任何其他实施例的任何元素组合。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“约”或“大约”所述值的其他值。因此，所述值应该被解释为足够宽泛，以包含至少足够接近所述值的值，以执行期望的功能或实现期望的结果。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。

鉴于本公开内容，本领域普通技术人员应认识到，等同构造不脱离本公开内容的精神和范围，且可对本公开内容的实施例进行各种改变、替代和变更，而不脱离本公开内容的精神和范围。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为任何权利要求调用装置加功能或其他功能性权利要求，除了那些词语“用于...装置”与相关功能一起出现的权利要求。落入权利要求的含义和范围内的对实施例的每个添加、删除和修改都将被权利要求所包含。

本文中使用的术语“大约”、“约”和“基本上”表示接近所述量的量，其在标准制造或工艺公差内，或仍执行所需功能或实现所需结果。例如，术语“大约”、“约”和“基本上”可以指所述量的小于5％、小于1％、小于0.1％和小于0.01％的量。此外，应该理解，前面描述中的任何方向或参考系仅仅是相对方向或运动。例如，对“上”和“下”或“上方”或“下方”的任何引用仅仅是对相关元件的相对位置或运动的描述。

在不脱离本发明精神或特征的情况下，本公开可体现为其他特定形式。所描述的实施例被认为是说明性的而非限制性的。在权利要求的等同物的含义和范围内的变化将包含在它们的范围内。

Claims (20)

1.一种切割元件，包括：

基底；和

在基底的上表面上的超硬层，该超硬层的顶表面包括：

脊，该脊从顶表面的刃沿顶表面的主尺寸延伸，脊具有带至少两个不同顶曲率半径的峰；和

至少两个侧壁，该至少两个侧壁以顶角从脊的峰沿相反方向倾斜，其中脊的靠近刃的第一顶角小于围绕切割元件的纵向轴线的脊的中心部分中的第二顶角。

2.根据权利要求1所述的切割元件，其中在与靠近所述刃的脊的峰相切的线和垂直于所述纵向轴线的平面之间限定的顶脊角在从大于零到10度的范围。

3.根据权利要求1所述的切割元件，其中以第一顶角从所述脊倾斜的侧壁从以第二顶角从该脊倾斜的侧壁凹进。

4.根据权利要求1所述的切割元件，还包括围绕所述顶表面的刃形成的倒角。

5.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述脊具有至少一个沿所述脊的峰形成的凹形凹部。

6.根据权利要求1所述的切割元件，其中在所述超硬层的底表面和所述基底的上表面之间形成的界面是非平面的，所述底表面包括与所述脊相对并靠近所述刃形成的突起，并且所述基底的上表面包括具有与所述突起对应的形状的凹进部分。

7.根据权利要求1所述的切割元件，其中第一顶角的范围在110度和130度之间，并且第二顶角的范围在135度和165度之间。

8.一种切割元件，包括:

顶表面，该顶表面具有沿着顶表面的主尺寸从顶表面的刃延伸的脊；和

脊的峰，该脊的峰具有在从峰到侧壁的相对过渡点之间测量的宽度，其中围绕切割元件的纵向轴线的脊的中心部分中的峰的宽度大于脊的刃部分处的峰的宽度，所述刃部分从刃到中心部分延伸该脊的长度，

其中该峰沿着该脊的刃部分具有小于0.1英寸的顶曲率半径。

9.根据权利要求8所述的切割元件，其中所述脊的中心部分中的峰具有多边形形状。

10.根据权利要求8所述的切割元件，其中所述脊的中心部分中的峰具有椭圆形形状。

11.根据权利要求8所述的切割元件，其中所述脊的中心部分中的峰的宽度延伸大于主尺寸的50％。

12.根据权利要求8所述的切割元件，其中所述脊的中心部分中的峰的宽度延伸到顶表面的刃的相对侧。

13.根据权利要求8所述的切割元件，其中在所述刃部分中的峰的相对侧上的侧壁以小于135度的顶角从峰延伸。

14.根据权利要求8所述的切割元件，其中所述刃部分的峰以一顶脊角从所述中心部分延伸，所述顶脊角限定在与所述脊的峰相切的线和垂直于所述纵向轴线的平面之间，范围从大于0度到10度。

15.一种切割元件，包括:

基底；和

基底的上表面上的超硬层，该超硬层的顶表面包括:

脊，该脊延伸跨过在围绕顶表面的刃的相对侧之间的顶表面的主尺寸，其中该脊包括:

峰，其中峰的至少一部分由平面表面形成；和

在峰的相对侧之间测量的宽度；

其中脊的刃部分中的脊的宽度小于顶表面的中心部分中的脊的宽度；和

侧壁，该侧壁从脊的相对侧延伸到刃的至少一个凹进刃部分。

16.根据权利要求15所述的切割元件，其中具有平面表面的峰的部分形成在刃的相对侧之间延伸的几何表面。

17.根据权利要求15所述的切割元件，其中脊的刃部分中的峰具有小于0.1英寸的顶曲率半径。

18.根据权利要求15所述的切割元件，其中所述侧壁具有波状几何形状，该波状几何形状包括至少一个靠近所述刃的切割刃部分的挖出区域和至少一个在所述刃的中心部分和凸起的刃部分之间延伸的凸起区域。

19.根据权利要求15所述的切割元件，其中所述顶表面还包括在所述峰和所述侧壁之间延伸的过渡区域。

20.一种形成成形切割元件的方法，包括：

提供具有形成在切割元件的顶表面处的脊的切割元件，该脊从顶表面的刃沿着顶表面的主尺寸延伸，

其中，所述脊具有带第一顶曲率半径的峰和以第一顶角远离所述峰倾斜的侧壁；和

从围绕脊的刃部分的顶表面去除一定量的超硬材料以形成具有小于第一顶曲率半径的第二顶曲率半径的第二峰和以小于第一顶角的第二顶角远离第二峰倾斜的凹进侧壁，

其中，具有第二顶曲率半径和第二顶角的刃部分从所述刃朝向切割元件的纵向轴线延伸该脊的部分长度。

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