CN116710629A - 性能和耐用性增强的pdc切割器 - Google Patents

Abstract

一种切割元件具有在切割元件的轴向端部处的切割面、围绕切割面周向延伸的外周表面、以及形成在切割面和外周表面之间的切割刃。切割面具有非平面几何形状，包括围绕切割元件的纵向轴线的中心区域、从中心区域的边界径向延伸到切割刃的多个凹槽，其中每个凹槽具有带有弯曲横截面轮廓的基部，以及在多个凹槽之间交替形成的多个凸角，其中每个凸角具有横截面轮廓，该横截面轮廓包括顶点和相对侧表面，该相对侧表面从顶点到相邻凹槽的基部向下倾斜一段距离。

Description

性能和耐用性增强的PDC切割器

本申请要求2020年11月24日提交的美国专利申请号63/117,694的权益和优先权，该申请通过引用整体结合于此。

背景技术

用于穿过地层钻井眼的钻头通常由两大类钻头结构中的一种制成。第一类钻头通常被称为“牙轮”钻头，其包括钻头体，该钻头体具有一个或多个可旋转地安装在钻头体上的牙轮和多个设置在牙轮周围所选择位置的切割元件。第二类钻头通常被称为“固定切割器”或“刮刀”钻头。这种类型的钻头没有移动元件，而是具有由钢或另一种高强度材料形成的钻头体和在所选择位置附接到钻头体上的切割器(有时称为切割器元件、切割元件或镶片)。

图1示出了现有技术刮刀钻头的示例，该刮刀钻头具有多个带有超硬工作表面的切割器。钻头10包括钻头体12和形成在钻头体12上的多个刀片14。刀片14被通道或间隙16分开，通道或间隙16使得钻井液能够在刀片14和切割器18之间流动，并且清洁和冷却刀片14和切割器18。喷嘴23可形成在钻头体12中，并定位在间隙16中，使得流体可被泵送以排出钻井液。

钻头10包括柄24和冠部26，柄24具有用于附接到钻柱的螺纹销28。冠部26具有切割面30和外侧表面32。在钻头的冠部26中可以形成多个孔或凹穴34，这些孔或凹穴34的尺寸和形状设置成接收相应的多个切割器18。切割器18以预定的角度取向和径向位置保持在刀片14中，以使工作面20(也称为切割面)相对于待钻地层具有期望的后倾角。典型地，工作表面20通常垂直于圆柱形切割器18的轴线19和侧表面21。因此，工作表面20和侧表面21相遇或相交以形成周向切割刃22。切割器18的组合的多个表面20有效地形成钻头10的切割面30。一旦冠部26形成，切割器18就定位在凹穴34中，并通过任何合适的方法固定，例如铜焊、粘合剂、诸如干涉配合的机械手段等。

刮刀钻头中使用的典型切割器18可以具有沉积在基底上或者在界面处以其他方式粘结到基底上的超硬材料层(切割层)。基底可以具有大致圆柱形的形状，并且可以由碳化物制成，例如碳化钨。超硬材料层形成切割器18的工作表面20和切割刃22。超硬材料层可以是多晶金刚石(PCD)层或多晶立方氮化硼(PCBN)层。

发明内容

这里的实施例可从所公开的切割元件工作表面的几何形状提供技术优势，用于提高切割元件效率和延长切割元件的寿命。

在一个方面，本公开的实施例涉及切割元件，其包括轴向延伸穿过切割元件的纵向轴线、位于切割元件的轴向端部的切割面、围绕切割面周向延伸的外周表面、以及形成在切割面和外周表面之间的切割刃。切割面可以具有非平面的几何形状，包括围绕切割元件的纵向轴线的中心区域、从中心区域的边界径向延伸到切割刃的多个凹槽，其中每个凹槽具有带有弯曲横截面轮廓的基部，以及在多个凹槽之间交替形成的多个凸角(lobe)，其中每个凸角具有横截面轮廓，该横截面轮廓包括顶点和相对侧表面，该相对侧表面从顶点到相邻凹槽的基部向下倾斜一段距离。

在另一方面，本公开的实施例涉及具有支撑元件和可在支撑元件内旋转的内部可旋转切割元件的切割元件，其中内部可旋转切割元件可围绕轴向延伸穿过内部可旋转切割元件的纵向轴线旋转。内部可旋转切割元件可以包括在切割元件的轴向端部处的切割面、围绕切割面周向延伸的外周表面、以及形成在切割面和外周表面之间的切割刃。切割面可以具有非平面的几何形状，包括包围围绕切割元件的纵向轴线的区域的中心区域和围绕中心区域周向延伸并从中心区域的边界径向延伸到切割刃的开凹槽区域。开凹槽区域可以包括从中心区域的边界到切割刃延伸一径向距离的多个凹槽，在凹槽之间交替形成的多个凸角，每个凸角具有横截面轮廓，该横截面轮廓包括顶点和两个相对侧表面，该两个相对侧表面在顶点和凸角的相对侧上的相邻凹槽之间延伸，并且开凹槽表面面积比至少为6:5，其中开凹槽表面面积比是开凹槽区域的表面面积与限定在中心区域的边界到切割刃之间的平面面积的比。

在又一方面，本公开的实施例涉及钻头，该钻头包括具有轴向延伸穿过钻头体的中心轴线的钻头体、从钻头体向外延伸的多个刀片以及安装在刀片上的多个开凹槽切割元件。每个开凹槽切割元件可以包括在切割元件的轴向端部处的切割面、围绕切割面周向延伸的外周表面、以及形成在切割面和外周表面之间的切割刃，其中切割面具有非平面几何形状，包括围绕切割元件的纵向轴线的中心区域、从中心区域的边界径向延伸到切割刃的至少24个凹槽，和在凹槽之间交替形成的至少24个凸角，每个凸角具有横截面轮廓，该横截面轮廓包括顶点和两个相对侧表面，该两个相对侧表面在凸角的相对侧上在顶点和相邻凹槽之间延伸。

从下面参照附图和所附权利要求进行的描述中，本公开的其他方面和优点将变得显而易见。

附图说明

图1示出了传统钻头的透视图。

图2示出了根据本公开的实施例的非平面切割面几何形状。

图3示出了根据本公开的实施例的切割元件。

图4示出了根据本公开的实施例的非平面切割面几何形状。

图5-8示出了根据本公开的实施例的开凹槽区域几何形状。

图9示出了根据本公开的实施例的开凹槽区域几何形状的横截面轮廓。

图10示出了根据本公开的实施例的开凹槽区域几何形状。

图11-13示出了根据本公开的实施例的开凹槽区域几何形状和开凹槽表面面积比。

图14示出了根据本公开的实施例的切割元件。

图15示出了沿着图14所示切割元件的轴向平面的横截面图。

图16示出了根据本公开的实施例的切割元件。

图17示出了沿着图16所示切割元件的轴向平面的横截面图。

图18-20示出了根据本公开的实施例的开凹槽区域几何形状。

图21示出了根据本公开的实施例的切割元件的透视图。

图22和23是PCD层的截面局部视图，其示出了根据本公开的实施例的开凹槽切割面与平面切割面的浸提比较。

图24示出了根据本公开的实施例的可旋转切割元件的透视图。

图25示出了根据本公开的实施例的外部支撑元件。

图26示出了组装到图25所示的外部支撑元件上的图24所示的可旋转切割元件的横截面图。

图27-29示出了根据本公开的实施例的开凹槽切割面几何形状。

图30和31示出了比较根据本公开的实施例的开凹槽切割面几何形状与平面切割面几何形状的可旋转性的曲线图。

图32和33示出了根据本公开的实施例的开凹槽切割面几何形状。

图34和35示出了比较根据本公开的实施例的开凹槽切割面几何形状与平面切割面几何形状的可旋转性的曲线图。

图36和37示出了切割元件的侧倾角和后倾角取向的图示。

图38示出了根据本公开的实施例的钻头。

具体实施方式

本公开的实施例总体上涉及聚晶金刚石(PCD)切割元件的非平面切割面几何形状。这里公开的非平面切割面可以包括多个径向脊部，这些脊部从切割面的中心区域径向延伸到切割面的周边，以形成波状切割刃。在径向脊部之间形成的凹槽可以用作在切割元件的使用过程中流体流过的通道，这可以冷却切割元件，同时与来自传统切割面几何形状的切割应力相比，脊部可以向被切割的地层施加更高的应力。此外，这里公开的开凹槽切割面几何形状可以允许更大的浸提深度，这可以为切割面提供增加的强度。

图2示出了根据本公开的实施例的切割元件100的示例。切割元件100可以具有大致圆柱形的主体，该主体具有轴向延伸穿过切割元件100的纵向轴线101。非平面切割面110可以形成在切割元件100的轴向端部处的上表面上，并且基部表面可以形成在切割元件100的相对轴向端部处。外周表面120可以围绕切割面110周向延伸，并且在基部表面和切割面110之间轴向延伸。切割刃130可以形成在切割面110和外周表面120的相交处。

切割面110的几何形状可以包括包围围绕纵向轴线101的区域的中心区域112。中心区域112可以围绕纵向轴线101延伸基本均匀的径向距离至中心区域112的边界111(例如，圆形边界)。根据一些实施例，中心区域112的边界111可以延伸在切割面110的半径121的10％和70％之间的径向距离。中心区域112在边界111内可以具有基本均匀的表面几何形状。例如，如图2的实施例所示，中心区域112可以具有沿着垂直于纵向轴线101的平面延伸的平面表面，其中平面表面可以形成整个中心区域112。

切割面110的几何形状还可以包括从中心区域112的边界111径向延伸到切割刃130的多个凹槽114和在凹槽114之间交替形成的多个凸角116。交替的凹槽114和凸角116可以从围绕中心区域112的整个边界111的中心区域112延伸到围绕切割面110的整个周边。在这种情况下，整个切割刃130可以具有由围绕切割面周向定位的交替的凹槽114和凸角116形成的波状轮廓。

在分解图中更详细地示出了凸角116和凹槽114的横截面轮廓(沿垂直于径向的轴向平面截取)。每个凹槽114可以具有带有弯曲横截面轮廓(例如，具有均匀或变化的曲率半径)的基部113。凸角116可以具有顶点115和两个相对的侧表面118，侧表面118从顶点115的相对侧向下延伸到相对且相邻的凹槽114的基部113。弯曲的过渡表面119可以在每个凸角116的顶点115和侧表面118之间延伸。此外，可以在凹槽114和凸角116之间形成平滑过渡，使得交替的凹槽114和凸角116的横截面轮廓可以没有锐角。

如图2中的实施例所示，凸角116的顶点115可以具有平面的横截面轮廓，其中顶点平面表面可以经由弯曲的过渡表面119过渡到侧表面118。在其他实施例中，顶点可以是弯曲的凸表面。

例如，图3示出了切割元件200的另一个示例，该切割元件200具有根据本公开的实施例的非平面切割面210，该切割面210形成在切割元件200的轴向端部。切割面210的几何形状可以包括限定在边界211内的中心区域212和从中心区域212的边界211径向延伸到切割刃230的多个交替的凹槽214和凸角216。如凹槽214和凸角216横截面轮廓的分解图所示，每个凹槽214的基部213和每个凸角216的顶点215可以具有弯曲的横截面轮廓。基部213可以是凹表面，顶点215可以是凸表面。弯曲的过渡表面219可以在顶点215和凸角216的相对侧表面218之间提供平滑的过渡。

图4示出了根据本公开的实施例的非平面切割面300的交替的凸角310和凹槽320几何形状的另一个示例。如所示，凸角310可以具有包括从顶点315沿相反倾斜方向延伸的侧表面318的横截面轮廓。侧表面318可以从顶点315的过渡点311延伸到相邻凹槽320的基部325的过渡点313。在一些实施例中，过渡点311、313可以被标记为基部325和/或顶点315的曲率半径改变的点。在一些实施例中，过渡点311、313可以被标记为侧表面的斜率改变的点。

凸角310的高度312可以沿着从相邻凹槽320的基部325到凸角310的顶点315的轴向尺寸来测量。根据本公开的实施例，切割面300上的每个凸角310的高度可以具有相同的高度312。此外，在一些实施例中，凸角310的高度312沿着凸角310的整个径向长度可以是相同的。

凸角310的宽度314可以沿着垂直于高度312的尺寸在凸角310的相对侧表面318之间测量。在一些实施例中，凸角314的宽度314可以在凸角314的高度312的中点处测量。在一些实施例中，凸角310的宽度314可以在凸角310的相对侧上相邻凹槽320的基部325的过渡点313之间测量。

因为凹槽和凸角从切割面的中心区域沿径向延伸，凸角和/或凹槽的宽度可以沿其径向长度变化。例如，图5示出了根据本公开的实施例的具有非平面几何形状的切割面400的顶视图。多个交替的凸角410和凹槽420从切割面400的中心区域430向切割面400的周边405延伸径向长度412。当沿着径向方向从中心区域430附近移动到切割面400的周边405附近时，凸角410顶点的宽度(当在横截面轮廓中从凸角顶点到凸角侧表面的过渡点之间测量时)和凹槽420的宽度(当在横截面轮廓中从凹槽基部到相邻凸角侧表面的过渡点之间测量时)可以变得更大。例如，如图5所示，靠近中心区域430的凸角410顶点的宽度可以是最小宽度414，并且该宽度可以沿着凸角410的径向长度412连续变大，直到靠近切割面400的周边405的最大宽度416。

在一些实施例中，围绕切割面的凹槽的宽度可以沿着其径向长度基本恒定，而交替的凸角的宽度可以沿着径向长度从切割面的中心区域到周边增加。例如，图6示出了根据本公开的实施例的非平面切割面440的顶视图，其具有中心区域441和包围中心区域441的开凹槽区域442。开凹槽区域442包括从中心区域441径向延伸到切割面440的周边的多个凸角444和在凸角444之间交替且周向间隔的多个凹槽446。凸角444包括从凸角444的顶点449延伸到相邻凹槽446的基部的相对倾斜的侧面445。凹槽446可以具有宽度447，该宽度447在从凹槽基部到相邻凸角444的侧表面445的过渡点之间测量，该宽度447沿着凹槽446的整个径向长度448基本上是均匀的。凸角444可以具有在从凸角顶点449到相对侧表面445的过渡点之间测量的顶点宽度443，其中顶点宽度443可以沿着凸角444的径向长度448从中心区域441附近逐渐增加到切割面440的周边附近。

在一些实施例中，围绕切割面的凸角的顶点宽度可以沿着其径向长度基本恒定，而交替凹槽的宽度可以沿着径向长度从切割面的中心区域到周边增加。例如，图7示出了根据本公开的实施例的非平面切割面450的顶视图，其具有中心区域451和开凹槽区域452，开凹槽区域452包围中心区域451并从中心区域451向切割面450的周边延伸径向长度458。开凹槽区域452包括从中心区域451向切割面450的周边延伸径向长度458的多个凸角454和在凸角454之间交替且周向间隔的多个凹槽456。凸角454包括从凸角454的顶点459延伸到相邻凹槽456的基部的相对倾斜的侧面455。凹槽456可以具有在从凹槽基部到相邻凸角454的侧表面455的过渡点之间测量的宽度457，其中宽度457可以从中心区域451附近沿着凹槽456的径向长度458逐渐增加到切割面450的周边附近。凸角454可以具有在从凸角顶点459到相对侧表面455的过渡点之间测量的顶点宽度453，其沿着凸角454的整个径向长度458基本上是均匀的。

在一些实施例中，围绕切割面的凸角的顶点宽度和凹槽的宽度沿着它们的径向长度可以是基本恒定的。在这样的实施例中，凸角侧表面可以沿着径向尺寸在凸角顶点和相邻的凹槽基部之间延伸不同的距离。例如，图8示出了根据本公开的实施例的非平面切割面460的顶视图，其具有中心区域461和包围中心区域461的开凹槽区域462，其中开凹槽区域462从中心区域461到切割面460的周边延伸径向长度468。开凹槽区域462包括从中心区域461向切割面460的周边延伸径向长度468的多个凸角464和在凸角464之间交替且周向间隔的多个凹槽466。凸角464包括从凸角464的顶点469延伸到相邻凹槽466的基部的相对倾斜的侧表面465。

凹槽466可以具有在从凹槽基部到相邻凸角464的侧表面465的过渡点之间测量的宽度467，该宽度沿着凹槽466的整个径向长度468基本上是均匀的。凸角464可以具有在从凸角顶点469到相对侧表面465的过渡点之间测量的顶点宽度463，该宽度沿着凸角464的整个径向长度468也是基本均匀的。侧表面465可以延伸距离470，该距离470是沿着从顶点469到侧表面465的过渡点和从侧表面465到相邻凹槽466的基部的过渡点之间的横截面轮廓测量的。侧表面465的距离470可以沿着径向长度468从中心区域461到切割面460的周边逐渐增加。

图9示出了图8中所示的开凹槽区域462的截面轮廓图。交替的凸角464和凹槽466可以具有波状几何形状，其中凸角464的横截面轮廓可以是大致凸出的，凹槽466的横截面轮廓可以是凹入的，在相邻的凸角和凹槽466之间具有平滑的过渡。顶点宽度463可以沿着垂直于切割元件的纵向轴线的平面471并在从顶点469到相对的侧表面465的过渡点472之间测量，其中如果凸角464从中心区域461的边界到切割元件的切割刃，则顶点宽度463沿着径向长度468可以是均匀的。凹槽466的宽度467可以沿着垂直于切割元件的纵向轴线的另一个平面473并且在从凹槽466的基部475到相对的侧表面465的过渡点474之间测量，其中基部宽度467可以沿着凹槽466的整个径向长度468是均匀的。相邻凸角和凹槽的顶点469和基部475之间的侧表面的距离可以沿着凸角464的径向长度468变化。

根据本公开的实施例，围绕切割面形成的每个凸角的几何形状可以与围绕切割面形成的其余凸角相同，例如，具有相同的最小宽度、相同的最大宽度、相同的高度和相同的径向长度，如图5-8所示。同样，围绕切割面形成的每个凹槽的几何形状可以与围绕切割面形成的其余凹槽相同，如图5-8所示。

这里公开的围绕非平面切割面形成的交替的凹槽和凸角的几何形状可以提供绕切割元件的纵向轴线的轴对称几何形状。例如，根据本公开的实施例的切割元件可以具有切割面，该切割面包括包围围绕切割元件的纵向轴线的轴对称区域的中心区域。切割面还可以包括围绕中心区域的开凹槽区域，该开凹槽区域由从中心区域径向延伸到切割刃的多个凸角和凹槽形成(沿着径向平面，该径向平面沿着纵向轴线并且与切割元件的外周表面相交)。凸角和凹槽可以围绕切割面周向均匀间隔开，其中每个凸角可以具有相同的几何形状，每个凹槽可以具有相同的几何形状，使得开凹槽区域可以具有绕切割元件的纵向轴线的轴对称几何形状。

在一些实施例中，围绕切割面的不同凸角和/或凹槽可以具有不同的几何形状。例如，如图10所示，根据本公开的实施例的具有非平面几何形状的切割面480可以具有从切割元件的纵向轴线483延伸非均匀径向距离482的中心区域481，其中中心区域481的边界484可以具有非圆形形状(例如，椭圆形、多点星形等)。在中心区域边界484的径向更靠近纵向轴线483的部分处，径向延伸的凸角485和凹槽486可具有相对较长的径向长度487和较小的最小宽度488，而在中心区域边界484的径向更远离纵向轴线483的部分处，径向延伸的凸角485和凹槽486可具有相对较短的径向长度487和较大的最小宽度488。在具有非圆形中心区域481的实施例中，交替的凸角485和/或凹槽486可以在切割面480的周边处具有与围绕切割面480的其他凸角485和凹槽486基本相同的几何形状。例如，围绕切割面480形成的每个凸角485可以具有相同的最大宽度489。

在具有非圆形中心区域481的其他实施例中，不同的凸角485和/或凹槽486可以在切割面的周边附近具有与围绕切割面的其他凸角和/或凹槽不同的几何形状。在具有非圆形中心区域481的其他实施例中，中心区域可以具有轴对称形状，该形状可以至少部分地与凸角和凹槽的周向间隔对准。例如，在一些实施例中，切割面可以具有轴对称、非圆形的中心区域和从中心区域径向延伸的多个交替的凸角和凹槽，其中所有凸角可以具有相同的几何形状，所有凹槽可以具有相同的几何形状。

凸角的高度和宽度可以变化，例如，取决于围绕切割面周向定位的交替的凹槽和凸角的数量以及切割面的直径。根据本公开的实施例，当在切割刃附近测量时，凸角的高宽比可以从选自1:20、1:15和1:10的下限变化到选自4:5、1:1和2:1的上限。在一些实施例中，当在切割元件的切割刃附近测量时，形成在切割面上的凸角的高度与宽度的比率可以在1:10和1:1之间的范围内。例如，再次参考图5，凸角410可以具有在切割面400的周边405附近测量的高度和最大宽度416，其高宽比在2:5至4:5之间。具有相对较多数量凸角的切割面可以具有相对较高的高宽比，而具有相对较少数量凸角的切割面可以具有相对较低的高宽比。

根据本公开的实施例，围绕非平面切割面形成的交替的凸角和凹槽的数量和大小可以设计成在切割面的开凹槽区域中提供增加的表面面积。例如，图11-13示出了根据本公开的实施例的不同切割面几何形状的示例，其具有不同数量和大小的围绕切割面周向定位的凸角和凹槽，以提供不同的开凹槽区域表面面积。

在图11-13中，切割面500、510、520可以包括包围围绕切割元件的纵向轴线的区域的中心区域501、511、521，以及围绕中心区域501、511、521周向延伸并且从中心区域的边界径向延伸到切割元件的切割刃503、513、523的开凹槽区域502、512、522。每个开凹槽区域可以包括从中心区域501、511、521的边界向切割刃503、513、523延伸一段径向距离的多个凹槽504、514、524，以及在凹槽504、514、524之间交替形成的多个凸角505、515、525。每个凸角505、515、525可以具有由顶点和两个相对侧表面形成的横截面轮廓，这两个相对侧表面在顶点和凸角的相对侧上的相邻凹槽504、514、524之间延伸，诸如这里所描述的。

形成在开凹槽区域502、512、522内的凸角505、515、525和凹槽504、514、524的形状和数量可以设计成提供增加的开凹槽区域表面面积506、516、526。交替的凸角505、515、525和凹槽504、514、524的开凹槽区域表面区域506、516、526被示出为邻近每个相应的切割元件。

开凹槽区域表面面积506、516、526可以与相应的平面面积507、517、527进行比较，以确定开凹槽表面面积比。平面面积507、517、527可以计算为垂直于切割元件的纵向轴线延伸并且限定在中心区域501、511、521和切割刃503、513、523的边界之间的平面的面积。一旦确定了开凹槽区域表面面积506、516、526和相应的平面面积507、517、527，就可以将开凹槽表面面积比计算为开凹槽区域表面面积506、516、526与平面面积507、517、527的比。根据本公开的实施例，切割面可以具有例如至少6:5、至少13:10或大于7:5的开凹槽表面面积比。在一些实施例中，切割面可以具有高达2:1或高达5:2的开凹槽表面面积比。例如，开凹槽的切割面几何形状可以提供范围在6:5和2:1之间的开凹槽表面面积比。

如图11所示，切割面500可以具有交替围绕切割面500定位的12个凸角505和12个凹槽504。凸角505可以围绕切割面500周向均匀间隔开，其中每个凸角505可以具有相同的几何形状，并且位于凸角505之间的每个凹槽504可以具有相同的几何形状。在所示的实施例中，每个凸角505可以沿着其径向长度具有基本均匀的宽度，并且每个凹槽504可以沿着其径向长度从靠近中心区域501到靠近切割刃503具有增加的宽度。开凹槽区域502的几何形状可以提供大约5:4的开凹槽表面面积比。例如，当开凹槽区域几何形状形成在16mm的切割元件上时，开凹槽区域表面面积506可以是大约0.25平方英寸，平面面积507可以是大约0.2平方英寸。根据本公开的实施例，通过增加凸角505的高度，开凹槽区域表面面积526可以增加到例如0.26平方英寸和0.35平方英寸之间，并且因此可以将开凹槽表面面积比增加到13:10和7:4之间。

如图12所示，切割面510可以具有围绕切割面510交替定位的24个凸角515和24个凹槽514。凸角515可以围绕切割面510周向均匀间隔开，其中每个凸角515可以具有相同的几何形状，并且位于凸角515之间的每个凹槽514可以具有相同的几何形状。在所示的实施例中，每个凸角515可以沿着其径向长度具有基本均匀的顶点宽度，并且每个凹槽514可以沿着其径向长度具有增加的宽度。开凹槽区域512的几何形状可以提供大约121:100的开凹槽表面面积比。例如，当开凹槽区域几何形状形成在16mm的切割元件上时，开凹槽区域表面面积516可以是大约0.24平方英寸，平面面积517可以是大约0.2平方英寸。

如图13所示，切割面520可以具有围绕切割面520交替定位的36个凸角525和36个凹槽524。凸角525可以围绕切割面520周向均匀间隔开，其中每个凸角525可以具有相同的几何形状，并且位于凸角525之间的每个凹槽524可以具有相同的几何形状。在所示的实施例中，每个凸角525可以具有沿着其径向长度增加的宽度，并且每个凹槽524可以具有沿着其径向长度增加的宽度。开凹槽区域522的几何形状可以提供大约31:25的开凹槽表面面积比。例如，当开凹槽区域几何形状形成在16mm的切割元件上时，开凹槽区域表面面积526可以是大约0.245平方英寸，平面面积527可以是大约0.2平方英寸。根据本公开的实施例，通过增加凸角525的高度，开凹槽区域表面面积526可以增加到例如0.25平方英寸和0.3平方英寸之间，并且因此可以将开凹槽表面面积比增加到5:4和3:2之间。

根据本公开的实施例，凸角的高度(在凸角的顶点和相邻凹槽的基部之间的轴向尺寸上测量)可以沿着凸角的径向长度变化。例如，凸角的顶点可以从切割面的中心区域向下和向外倾斜，其中凸角的高度可以沿着其径向长度从中心区域到切割刃减小。作为另一个示例，凸角的顶点可以从切割面的中心区域向上和向外倾斜。其中凸角的高度可以沿着其径向长度从中心区域到切割刃增加。

图14和15示出了根据本公开的实施例的切割元件600的示例，该切割元件600具有变化高度603、604的凸角601。图14是切割元件600的透视图，图15是切割元件600沿轴向A-A平面的横截面图。切割元件600可以具有形成在切割元件600的轴向端部上的非平面切割面，该切割面包括围绕中心区域606的开凹槽区域605。开凹槽区域605可以包括多个交替的凹槽602和凸角601，它们从中心区域606径向延伸到切割元件的切割刃607。凸角高度603、604可以在凸角601的顶点608和相邻凹槽602的基部609之间的轴向尺寸上测量。每个凸角601的顶点608可以以突出角610从中心区域606的边界延伸径向长度，其中突出角610在垂直于纵向轴线615延伸的水平面611和与顶点608相切并延伸顶点608的径向长度的线612之间测量。

在所示的实施例中，水平面611与凹槽602的基部609是共面的，并且与中心区域606的表面是共面的。然而，在一些实施例中，非平面切割面中的凹槽可以具有与垂直于纵向轴线的水平面不共面的基部。例如，凹槽基部可以与水平面成正角沿凹槽的径向长度延伸(例如，从中心区域沿向上倾斜的方向)，或者凹槽基部可以与水平面成负角沿凹槽的径向长度延伸(例如，从中心区域沿向下倾斜的方向)。在一些实施例中，凹槽602的基部609可以与中心区域606是共面的。在这样的实施例中，凸角601的顶点608可以轴向高于中心区域606。此外，在一些实施例中，中心区域可具有非平面表面，例如凹表面、凸表面或平面和非平面表面的组合。

根据本公开的实施例，凸角601可以具有大于0度的突出角610，例如，高达10度或高达20度，使得凸角高度可以从中心区域606附近到切割刃607逐渐增加。在具有向上倾斜的凸角601的实施例中，非平面切割面可以具有大致凹形的形状。例如，如图15所示，凸角601可以在靠近中心区域606的径向位置处具有最小凸角高度603，并且沿着凸角601的径向长度连续增加凸角高度至靠近切割元件的切割刃607的径向位置处的最大凸角高度604。在所示的实施例中，切割刃607由倒角或斜面形成，其中倒角表面从凸角601向外向下倾斜到外周表面613。倒角607可以在凸角的最大凸角高度604处与凸角601的顶点608相交(在尖锐或弯曲的交点处)。

图16和17示出了根据本公开的实施例的切割元件620的另一个示例，其具有从切割元件620的中心区域626以突出角630倾斜的凸角621。图16是切割元件620的透视图，图17是切割元件620沿轴向A-A平面的横截面图。切割元件620可以具有形成在切割元件620的轴向端部上的非平面切割面，该切割面包括围绕中心区域626的开凹槽区域625。开凹槽区域625可以包括多个交替的凹槽622和凸角621，它们从中心区域626径向延伸到切割元件的切割刃627。凸角高度623、624可以在凸角621的顶点628和相邻凹槽622的基部629之间的轴向尺寸上测量。

每个凸角621的顶点628可以以突出角630从中心区域626的边界延伸径向长度，其中突出角630在垂直于纵向轴线635延伸的水平面631和与顶点628相切并延伸顶点628的径向长度的线632之间测量。根据本公开的实施例，凸角621可以具有小于0度的突出角630，例如范围从0度到-20度或者到-40度，使得凸角621从中心区域626向下和向外倾斜。在具有向下倾斜的凸角621的实施例中，非平面切割面可以具有大致凸出的形状。

凹槽622可以具有基部629，基部629也从中心区域626以小于凸角621突出角630的角度向下和径向向外倾斜，使得凸角高度可以从中心区域626附近到切割刃627逐渐增加。例如，如图17所示，凸角621可以在靠近中心区域626的径向位置处具有最小凸角高度623，并且沿着凸角621的径向长度连续增加凸角高度至靠近切割元件的切割刃627的径向位置处的最大凸角高度624。在所示的实施例中，切割刃627由倒角或斜面形成，其中倒角表面以比凸角621的突出角630更陡的斜度从凸角621向下和向外倾斜到外周表面633。倒角627可以在凸角的最大凸角高度624处与凸角621的顶点628相交(在尖锐或弯曲的交点处)。

根据本公开的实施例，切割面上的每个凸角的顶点可以以0度突出角从中心区域延伸到切割刃一径向长度(例如，沿着轴向延伸穿过纵向轴线和切割元件的外周表面的径向平面测量)。例如，在一些实施例中，切割面可以包括平面的中心区域和以0°突出角从中心区域径向延伸到切割刃的多个凸角。在这样的实施例中，中心区域可以与凸角的顶点共面，如图2和3中的实施例所示。

根据本公开的实施例的开凹槽区域几何形状可以包括关于平分凸角径向长度的径向平面对称成形的凸角，或者可以包括关于平分凸角径向长度的径向平面具有不对称几何形状的凸角。例如，图18-20示出了关于平分凸角径向长度的径向平面具有不同对称性的不同凸角几何形状的示例。

在图18中，切割面可以具有开凹槽区域700，该开凹槽区域700具有沿着径向平面702从切割面的中心区域703向切割面的周边径向延伸的多个凸角701。凸角701可以具有关于径向平面702对称的几何形状。每个凸角701都具有延伸凸角701径向长度的顶点704。凸角高度705可以在凸角顶点704和相邻凹槽706的基部之间的轴向尺寸上测量。在所示实施例中，凸角701具有圆形顶表面，其中在凸角701的横截面轮廓中，凸角顶表面的最高点形成顶点704。在其他实施例中，凸角可以具有平坦的顶表面，其中整个平坦的顶表面可以形成凸角的顶点。

两个相对的侧表面708可以在凸角701的顶表面和相邻的凹槽706之间延伸。每个侧表面708可以在凸角701的顶表面和相邻的凹槽706之间以倾斜角709倾斜，其中倾斜角可以在垂直于切割元件的纵向轴线的水平面710和在凸角高度705的中点712处与凸角701的侧表面708相切的线711之间测量。每个相对侧表面708的倾斜角709可以是相等的。

在一些实施例中，如图19和20所示，形成在开凹槽区域中的凸角可以具有关于径向平面的不对称几何形状，其中每个相对侧表面的倾斜角可以具有不同的倾斜角。

在图19中，开凹槽区域720包括从切割面的中心区域722径向延伸到切割面周边的多个凸角721。每个凸角721都具有延伸凸角721径向长度的顶点723。在所示实施例中，凸角721具有圆形顶表面，其中在凸角721的横截面轮廓中，凸角顶表面的最高点形成顶点723。凸角高度724可以在凸角顶点723和相邻凹槽725的基部之间的轴向尺寸上测量。

凸角721的相对侧表面726、727可以在凸角721的顶点723和相邻凹槽725之间以不同的倾斜角728、729延伸，使得凸角721可以具有关于平分凸角721的顶点723的径向平面不对称的几何形状。每个凸角721可以具有以第一倾斜角728倾斜的第一侧表面726，其中第一倾斜角728是在垂直于切割元件的纵向轴线的水平面730和在凸角高度724的中点733处与第一侧表面726相切的线731之间测量的。每个凸角721还可以包括以第二倾斜角729从第一侧表面726沿相反方向倾斜的第二侧表面727，其中第二倾斜角是在水平面730和在凸角高度724的中点处与第二侧表面727相切的线732之间测量的。在一些实施例中，切线731、732的斜率可以取自侧表面的中点。第一倾斜角728可以小于第二倾斜角729。此外，第一侧表面726可以比第二侧表面727在凸角721的顶表面和相邻凹槽725之间延伸更大的距离，使得凸角721沿逆时针方向倾斜。

图20示出了具有开凹槽区域740的切割面的示例，该开凹槽区域740具有多个沿顺时针方向倾斜的间隔开的凸角741。每个凸角741都具有延伸凸角741径向长度的顶点743。凸角高度744可以在凸角顶点743和相邻凹槽725的基部之间的轴向尺寸上测量。

凸角741的相对侧表面746、747可以在凸角741的顶表面和相邻凹槽745之间以不同的倾斜角748、749延伸，使得凸角741可以具有关于平分凸角741的顶点743的径向平面不对称的几何形状。每个凸角741可以具有以第一倾斜角748倾斜的第一侧表面746，其中第一倾斜角748是在垂直于切割元件的纵向轴线的水平面750和在凸角高度744的中点753处与第一侧表面746相切的线751之间测量的。每个凸角741还可以包括以第二倾斜角749从第一侧表面746沿相反方向倾斜的第二侧表面747，其中第二倾斜角是在水平面750和在凸角高度744的中点处与第二侧表面747相切的线752之间测量的。第一倾斜角748可以大于第二倾斜角749。此外，第一侧表面746可以比第二侧表面747在凸角741的顶表面和相邻凹槽745之间延伸更小的距离，使得凸角741沿顺时针方向倾斜。

这里公开的开凹槽几何形状可以形成在聚晶金刚石(PCD)或其他超硬材料切割元件的上表面上。例如，如图21所示，根据本公开的实施例的切割元件800可以包括在界面803处安装到基底802的PCD层801。切割元件800可具有大致圆柱形形状，切割面804形成在PCD层801的上表面上，与界面803相对。根据本公开的实施例，切割面804可以具有开凹槽的几何形状，包括围绕切割元件的纵向轴线806的中心区域805和围绕中心区域805的开凹槽区域807。中心区域805可以是从纵向轴线806延伸均匀半径的平坦表面(形成圆形)，并且开凹槽区域807可以围绕中心区域805的整个边界周向延伸。开凹槽区域807可以包括多个交替的凹槽808和凸角809，它们从中心区域805径向延伸到切割元件800的切割刃810。切割刃810可以围绕切割面804的整个周边形成，其中切割面804与切割元件800的外周表面811相遇。在所示的实施例中，可以围绕切割刃810形成倒角。

PCD层801可通过使用过渡金属催化剂(例如钴)将金刚石颗粒烧结在一起而形成，从而产生具有多个结合在一起的金刚石颗粒和形成在结合在一起的金刚石颗粒之间的多个间隙区域的微结构。在形成PCD之后，用于形成PCD的催化剂材料可被收集在PCD微结构的间隙区域内，并被称为粘合剂。基底802可以由碳化物材料形成，例如碳化钨或其他过渡金属碳化物。在一些实施例中，用于形成PCD层的催化剂材料可以通过在与基底802的烧结过程中形成PCD层而由基底材料提供。

根据本公开的实施例，PCD切割面804可被浸提以去除(或使其不起反应)捕集在PCD微结构内的粘合剂材料。由PCD形成的切割面的强度和寿命可以通过一个或多个浸提过程去除PCD材料中的粘合剂材料来提高。浸提过程可包括例如将PCD材料浸没在一种或多种酸中。然而，当浸提具有基底802的PCD切割元件800时，浸提过程可限于PCD层801，以避免降解基底802。例如，在一些实施例中，可以掩蔽基底以防止浸提酸接触基底(这将使基底降解)。在一些实施例中，PCD切割元件800可以与浸提流体部分接触，以防止流体与附着的基底接触，例如，通过仅将切割面804浸没在少量浸提流体中。

当根据本公开的实施例的开凹槽切割面几何形状用于PCD切割元件时，与在无凹槽切割面上使用相同的浸提过程相比，可以获得更大的浸提体积。例如，图22和23示出了根据本公开的实施例使用相同的浸提工艺来浸提平面切割面和非平面开凹槽切割面的浸提深度的比较。图22示出了图21所示的PCD层801的局部横截面图，该PCD层801具有非平面切割面804，该切割面804具有多个交替的凹槽808和凸角809。切割面804已经浸在浸提流体中，以从PCD微结构中去除粘合剂材料。当与浸提流体接触一段时间时，浸提流体可将粘合剂去除至浸提深度，如浸提线812所示。如所示，浸提线812可基本对应于与浸提流体接触的PCD层几何形状，其中浸提深度可从切割面804、切割刃810和与浸提流体接触的外周表面811的一部分延伸。浸提线812可以在凹槽808周围比在凸角809周围更深地延伸到PCD层801中，从而具有与切割面804的开凹槽区域几何形状相对应的大致波状浸提线812。PCD层801的浸提部分813可具有包括多个结合在一起的金刚石颗粒的微结构，并且在间隙区域内基本上没有催化剂。PCD层801的未浸提部分814可以具有微结构，该微结构包括设置在结合在一起的金刚石颗粒之间形成的间隙区域中的金属粘合剂。

在图23中，示出了具有平面切割面821的PCD层820的局部横截面图。切割面821已经在与图22的浸提过程中使用的相同的浸提流体中浸泡相同的时间，以从PCD微结构中去除粘合剂材料直到浸提深度，如浸提线822所示。如所示，浸提线822可基本对应于与浸提流体接触的PCD层几何形状，其中浸提深度可从切割面821、切割刃823和与浸提流体接触的外周表面824的一部分延伸。PCD层820的浸提部分825可具有包括多个结合在一起的金刚石颗粒的微结构，并且在间隙区域内基本上没有催化剂。PCD层820的未浸提部分826可以具有微结构，该微结构包括设置在结合在一起的金刚石颗粒之间形成的间隙区域中的金属粘合剂。

如图22和23所示，当与使用相同浸提工艺的平面切割面几何形状相比时，使用这里公开的非平面切割面几何形状可以允许更大的浸提深度。更大的相对浸提深度可以增加切割面的强度和更长的切割寿命。

根据本公开的实施例，这里公开的开凹槽切割面几何形状可以设置在可旋转切割元件上。开凹槽区域的几何形状可以被设计成当可旋转切割元件被安装到切割工具例如钻头上时，随着可旋转切割元件接触工作表面，增强可旋转切割元件的可旋转性。

例如，图24-26示出了设置在可旋转切割元件900上的根据本公开的实施例的开凹槽切割面几何形状的示例。如图24和26所示的可旋转切割元件900可以可旋转地安装到外部支撑元件920上，如图25所示，或者可以可旋转地直接安装到切割工具上，例如钻头。

如图24所示，可旋转切割元件900可以包括安装到基底902的PCD层901，其中根据本公开的实施例的非平面切割面903形成在PCD层901的上表面上。可旋转切割元件900可以具有围绕纵向轴线904的轴对称几何形状，该纵向轴线904轴向延伸穿过切割元件900。例如，在所示的实施例中，PCD层901可具有大致圆柱形的外周表面905、轴对称开凹槽切割面903和形成在外周表面905和切割面903之间的切割刃906。基底902可具有附接到PCD层901的背衬部分907，PCD层901也具有限定背衬部分907的直径908的圆柱形外周表面。大致圆柱形的心轴部分909可以从支撑部分907同轴延伸，并且具有小于支撑部分907的直径908的直径910。

心轴部分909可以轴颈连接到外部支撑元件920，使得可旋转切割元件900可以在外部支撑元件920内旋转。如图25所示，外部支撑元件920可以具有管状形状，其中可以插入至少一部分基底902。如图26所示，至少一个保持元件911(例如，球或突起)可用于将可旋转切割元件900轴向保持在外部支撑元件920内，同时还允许可旋转切割元件900在外部支撑元件内旋转。

可以提供切割元件基底的其它轴对称几何形状，以允许切割元件在外部支撑元件内旋转。例如，在一些实施例中，可以围绕基底的外表面形成一个或多个突起，该突起可以向外突出到形成在外部支撑元件中的相应凹槽中，从而将可旋转切割元件轴向保持到外部支撑元件，同时还允许可旋转切割元件相对于外部支撑元件旋转。此外，可以提供外部支撑元件的其它配置，以至少部分地围绕内部可旋转切割元件(例如，围绕可旋转切割元件的圆周延伸至少一部分)，以允许可旋转切割元件相对于外部支撑元件旋转。例如，外部支撑元件可以围绕小于可旋转切割元件的整个圆周延伸，并且可选地包括顶表面和/或底表面，其中轴向定位的顶表面和/或底表面可以将可旋转切割元件轴向保持在外部支撑元件内，同时还允许可旋转切割元件在外部支撑元件内旋转。

非平面切割面903可以具有包围围绕切割元件900的纵向轴线904的切割面903的区域的中心区域912。多个凹槽914可以形成在切割面903中，在切割刃906和中心区域912的边界之间径向延伸。多个凸角913交替地形成在多个凹槽914之间。凸角913可以具有与中心区域912共面的顶点，而凹槽914可以从中心区域912向外向下倾斜到切割刃906。

开凹槽切割面的几何形状可以增强可旋转切割元件的可旋转性。例如，具有相对较深凹槽(例如，较高的最大凸角高度)的开凹槽切割面几何形状可能是增加可旋转性的一个因素。作为另一个示例，在开凹槽的切割面几何形状中提供增加数量的交替凸角和凹槽可以增加切割元件的可旋转性(例如，根据切割元件的大小，多于20个凸角、多于24个凸角、多于30个凸角或多于36个凸角)。此外，开凹槽切割面几何形状中的凸角表面的形状会影响可旋转性。例如，凸角上的平坦顶表面可以增加与工作表面的摩擦，从而增加可旋转性。

图27-29和31-32示出了根据本公开的实施例的不同开凹槽切割面几何形状的示例，其中每个凸角950、960、970、980、990具有平坦的顶表面951、961、971、981、991几何形状，每个交替的凹槽953、963、973、983、993具有整圆基部，以及倒角952、962、972、982、992围绕切割刃形成。如图27-29所示，凸角950、960、970和凹槽953、963、973的形状基本相同，但是尺寸不同。例如，形成在凸角950、960、970之间的凹槽953、963、973每个都比倒角952、962、972深，使得凹槽基部在比倒角952、962、972的最低部分轴向更远离凸角顶表面951、961、971的切割刃位置处与切割元件的外周侧相遇。然而，图29中的切割面几何形状包括36个交替的凸角970和凹槽973，图27中的切割面几何形状包括24个交替的凸角950和凹槽953，而图28中的切割面几何形状包括12个交替的凸角960和凹槽963。在所有其他参数相同的情况下(例如，切割元件取向和工件被钻孔)，图27中所示的切割面几何形状可以提供比图28中所示的具有较少交替的凸角960和凹槽963的切割面几何形状增加的可旋转性，并且当与图28和27中的几何形状相比时，图29中所示的切割面几何形状可以提供最高的可旋转性，在图28和27中，可旋转性可以根据每秒的旋转度数来测量。

例如，图30示出了比较切割深度、凸角数量和凸角顶表面几何形状对开凹槽切割面几何形状的可旋转性的影响的曲线图。该曲线图比较了以下的可旋转性：第一开凹槽切割面几何形状1010，其具有24个具有平坦顶表面的凸角且在0.1英寸切割深度下进行切割；第二开凹槽切割面几何形状1020，其具有12个带有平面顶表面的凸角，并以0.1英寸的切割深度进行切割；第三开凹槽切割面几何形状1030，其具有24个带有弯曲顶表面的凸角，并以0.1英寸的切割深度进行切割；第四开凹槽切割面几何形状1040，其具有12个带有弯曲顶表面的凸角，并以0.1英寸的切割深度进行切割；第五开凹槽切割面几何形状1050，其具有36个带有平面顶表面的凸角，并以0.04英寸的切割深度进行切割；以及用于基线的平面切割面几何形状1060(其中没有形成凸角和凹槽)。通过比较可以看出，当在相同的钻井条件下(例如，在相同的切割深度和相同的顶表面几何形状下)进行比较时，具有带有相对较高数量凸角的开凹槽切割面几何形状的切割元件可以具有增加的可旋转性。当具有相同开凹槽切割面几何形状的切割元件在不同的切割深度切割时，当在更高的切割深度切割时，可旋转性可以增加。此外，当切割元件具有相同数量的凸角并且以相同的切割深度切割时，与具有弯曲顶表面的凸角相比，具有平坦顶表面的凸角可以提供增加的可旋转性。

图31示出了另一个曲线图，该曲线图比较了切割深度和凸角数量对开凹槽切割面几何形状的可旋转性的影响，其中凸角具有弯曲的顶表面。该曲线图比较了以下的可旋转性：第一开凹槽切割面几何形状1110，其具有36个具有弯曲顶表面并在逆时针方向上倾斜的凸角，以0.04英寸的切割深度进行切割；第二开凹槽切割面几何形状1120，其具有36个具有弯曲顶表面的凸角，并以0.06英寸的切割深度进行切割；第三开凹槽切割面几何形状1130，其具有36个带有弯曲顶表面的凸角，并以0.04英寸的切割深度进行切割；第四开凹槽切割面几何形状1140，其具有24个带有弯曲顶表面的凸角，并以0.06英寸的切割深度进行切割；第五开凹槽切割面几何形状1150，其具有24个带有弯曲顶表面的凸角，并以0.04英寸的切割深度进行切割；以及用于基线的平面切割面几何形状1060(其中没有形成凸角和凹槽)。通过比较可以看出，当在相同的钻井条件下(例如，在相同的切割深度下)进行比较时，具有带有相对较高数量凸角的开凹槽切割面几何形状的切割元件可以具有增加的可旋转性。当具有相同开凹槽切割面几何形状的切割元件在不同的切割深度切割时，当在更高的切割深度切割时，可旋转性可以增加。

图29、32和33示出了具有不同凹槽深度(即，不同凸角高度)的切割面几何形状的比较，其中基本上所有其他设计参数都是相同的(例如，中心区域的相同尺寸和形状、相同数量的交替凸角和凹槽、相同的倒角尺寸、相同的切割元件尺寸和形状、平坦的顶部凸角和弯曲的凹槽基部)。在图29、32和33中，凸角970、980、990的平坦顶表面971、981、991可以与中心区域的平面表面共面，使得凸角970、980、990的顶表面971、981、991沿着与中心区域相同的垂直于切割元件的纵向轴线的平面延伸。凹槽973、983、993的基部可以从中心区域向下和向外倾斜到不同的深度，其中图29中的凹槽973延伸到低于整个倒角972的深度，图32中的凹槽983延伸到接近倒角982的最低部分但小于整个倒角982深度的深度，并且图33中的凹槽993延伸到可以是倒角992深度的大约一半的深度。因此，图29中的凹槽973延伸到最深的深度，图32中的凹槽983延伸到中间深度，而图33中的凹槽993延伸到最浅的深度。当通过在相同条件和相同取向下进行切割比较时，图29和32中具有最深凹槽973和中间深度凹槽983的切割面几何形状可以比图33中具有最浅凹槽993的切割面几何形状具有更高的可旋转性。

例如，图34示出了比较根据本公开的实施例的开凹槽切割面几何形状中的凹槽深度对切割元件的可旋转性的影响的曲线图。该图比较了图29中所示的开凹槽切割面几何形状975(具有最深的槽深)、图32中所示的开凹槽切割面几何形状985(具有中间凹槽深度)和图33中所示的开凹槽切割面几何形状995(具有最浅的槽深)，以平面切割面几何形状1060作为基线，以0.04英寸的切割深度进行切割。如所示，当与具有相对较浅凹槽的开凹槽切割面几何形状相比时，或者当与平面切割面几何形状相比时，根据本公开的实施例的具有相对较深凹槽的开凹槽切割面几何形状可以具有增加的可旋转性。

此外，通过提供围绕可旋转切割元件的切割面沿顺时针或逆时针方向倾斜的凸角，根据切割元件在钻头上的位置或取向，开凹槽区域的几何形状可以增强可旋转切割元件的旋转。例如，图35示出了比较以下的曲线图：第一开凹槽切割面几何形状1210，其具有36个带有弯曲顶表面的凸角，所述弯曲顶表面与切割面的中心区域共面并且关于平分凸角顶点的径向平面对称(例如，如图18所示)；第二开凹槽切割面几何形状1220，其具有36个带有弯曲顶表面的凸角，所述弯曲顶表面与切割面的中心区域共面并在逆时针方向上关于平分凸角顶点的径向平面不对称地倾斜(例如，如图19所示)；第三开凹槽切割面几何形状1230，其具有36个带有弯曲顶表面的凸角，所述弯曲顶表面与切割面的中心区域共面并且在顺时针方向关于平分凸角顶点的径向平面不对称地倾斜(例如，如图20所示)；第四开凹槽切割面几何形状1240，其具有8个带有弯曲顶表面的凸角，所述弯曲顶表面从切割面的中心区域以正突出角延伸(其中凸角比中心区域轴向延伸得更高)，并且其中凹槽基部与中心区域共面；以及作为基线的平面切割面几何形状1060。每个切割面几何形状都在相同的取向上进行测试，包括相同的侧倾角。如所示，具有在对应于侧倾角方向的方向倾斜的凸角的开凹槽切割面几何形状具有最高的可旋转性，而具有在相反方向倾斜的凸角的开凹槽切割面几何形状具有最低的可旋转性。此外，具有不对称倾斜凸角(在对应于侧倾角方向的方向上)的开凹槽切割面几何形状比具有径向对称凸角的开凹槽切割面几何形状具有更高的可旋转性。

根据本公开的实施例的具有开凹槽切割面几何形状的切割元件可以以相对于工具的不同取向，包括侧倾角(横向取向)和后倾角(垂直取向)，安装(可旋转地安装或固定地安装)到例如钻头的切割工具上。通常，侧倾角被定义为切割面142和钻头的径向平面(x-z平面)之间的角度，如图36所示。当沿着z轴观察时，负侧倾角β由切割器的逆时针旋转产生，正侧倾角β由顺时针旋转产生。根据本公开的实施例的具有开凹槽切割面几何形状的切割元件可以以例如0至±45度、±5至±35度、±10至±35度或±15至±30度的侧倾角安装到钻头上。此外，根据本公开的实施例的具有带沿逆时针方向倾斜的凸角的开凹槽切割面几何形状的可旋转切割元件(例如，如图19所示)可以正侧倾角进行安装以增强可旋转性，并且根据本公开的实施例的具有带沿顺时针方向倾斜的凸角的开凹槽切割面几何形状的可旋转切割元件(例如，如图20所示)可以负侧倾角进行安装以增强可旋转性。

通常，后倾角被定义为在切割角的切割面142和法向于被切割的地层材料的直线之间形成的角度α。如图37所示，对于具有零后倾角的传统切割元件，切割面142基本上垂直于或法向于地层材料。具有负后倾角α的切割元件具有切割面142，该切割面142以从地层材料测量的小于90°的角度接合地层材料。类似地，具有正后倾角α的切割元件具有切割面142，当从地层材料测量时，该切割面142以大于90°的角度接合地层材料。根据本公开的实施例的具有开凹槽切割面几何形状的切割元件可以以例如0度至-45度的后倾角可旋转地或固定地安装到切割工具上，例如钻头上。

这里公开的具有开凹槽切割面几何形状的切割元件可以安装在钻头或其他井下切割工具上，例如扩孔器。例如，根据一些实施例，钻头可以具有钻头体、轴向延伸穿过钻头体的中心轴线和从钻头体向外延伸的多个刀片。具有开凹槽切割面几何形状的多个切割元件可以安装在刀片上。安装到钻头上的一个或多个切割元件可以包括轴向延伸穿过切割元件的纵向轴线、形成在切割元件的轴向端部处的开凹槽切割面、围绕切割面周向延伸的外周表面、以及形成在切割面和外周表面之间的切割刃。开凹槽切割面可以包括围绕切割元件的纵向轴线的中心区域和周向围绕中心区域的开凹槽区域，该开凹槽区域包括从中心区域的边界向切割刃径向延伸的多个交替的凸角和凹槽(例如，至少24个凹槽和24个凸角)。开凹槽区域中的每个凸角可以具有相同的几何形状，包括横截面轮廓，该横截面轮廓包括顶点和两个相对的侧表面，这两个相对的侧表面在凸角的相对侧上在顶点和相邻凹槽之间延伸。

在一些实施例中，切割元件可以可旋转地安装到切割工具上(例如，在钻头或扩孔器的刀片上)，使得每个切割元件可绕其纵向轴线旋转。此外，一个或多个切割元件可以以侧倾角和/或后倾角安装，以增强切割元件的可旋转性。例如，根据本公开的实施例的具有开凹槽切割面的切割元件可以可旋转地安装到钻头上，其中开凹槽切割面包括关于径向平面不对称的凸角，该径向平面轴向延伸穿过切割元件并沿着凸角的径向长度。

图38示出了根据本公开的实施例的钻头70的示例，当围绕其中心轴线11沿切割方向71旋转时，钻头70可以钻穿岩石地层以形成钻孔。钻头70可以包括钻头体72、柄13和用于将钻头70连接到钻柱(未示出)的螺纹连接件或销74，该钻柱用于旋转钻头以钻出钻孔。钻头面73支撑切割结构15，并且形成在与销端部75相对的钻头70的端部上。

切割结构15可以设置在钻头70的面73上，并且可以包括多个成角度间隔开的主刀片31、33、35和副刀片36、37、38，每个副刀片从钻头面73向外延伸。主刀片31、33、35和副刀片36、37、38可以沿着钻头面73大致径向延伸，然后沿着钻头70的周边的一部分轴向延伸。副刀片36、37、38可以从比主刀片离轴线11相对更远的位置沿钻头面73径向延伸，并朝向钻头70的周边延伸。主刀片31、33、35和副刀片36、37、38被钻井液流动路线76分开。

根据本公开的实施例，刀片31、33、35、36、37、38可各自包括刀片顶部52(例如，刀片的径向最外表面)，用于安装具有开凹槽切割面几何形状的多个切割元件40。特别地，切割元件40，每个具有根据这里公开的实施例的开凹槽切割面44的几何形状，可以安装在形成于刀片的刀片顶部52中的凹穴中。切割元件40可以在靠近每个刀片31、33、35、36、37、38的前缘的径向延伸的排中彼此相邻地布置。切割元件40可以具有围绕切割面44形成的切割刃43，切割刃43可以从安装切割元件40的刀片顶部52突出。

此外，切割元件40可以可旋转地安装到钻头70的刀片上，例如，通过将切割元件40可旋转地保持在外部支撑元件48中，并将外部支撑元件48附接到形成在刀片中的凹穴上(例如，通过将外部支撑元件48钎焊或焊接到刀片上)。在一些实施例中，切割元件40可以直接可旋转地安装在形成于刀片中的凹穴内，例如，通过将外部支撑元件的顶部件定位在切割面44的一部分上，其中顶部件可以附接到刀片并将切割元件40轴向保持在凹穴内。

在切割元件40可旋转地安装到钻头70的实施例中，切割元件40可以被选择为具有可以增强可旋转性的开凹槽切割面几何形状。此外，可旋转切割元件40可在刀片上取向，例如，在所选择的侧倾角、后倾角和切割深度，这可提高可旋转性，如这里所公开的。

虽然本公开包括有限数量的实施例，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计出不脱离本公开范围的其他实施例。因此，范围应该仅由所附权利要求来限定。

Claims (15)

1.一种切割元件，包括:

轴向延伸穿过切割元件的纵向轴线；

在切割元件的轴向端部处的切割面；

围绕该切割面周向延伸的外周表面；和

形成在切割面和外周表面之间的切割刃；

其中切割面具有非平面几何形状，包括:

围绕切割元件的纵向轴线的中心区域；

从中心区域的边界径向延伸到切割刃的多个凹槽，其中每个凹槽具有带有弯曲横截面轮廓的基部；和

在多个凹槽之间交替形成的多个凸角，其中每个凸角具有横截面轮廓，该横截面轮廓包括顶点和相对侧表面，该相对侧表面从顶点到相邻凹槽的基部向下倾斜一段距离。

2.根据权利要求1所述的切割元件，其中每个凸角横截面轮廓还包括在凸角的顶点和相对侧表面之间延伸的弯曲过渡表面。

3.根据权利要求1所述的切割元件，其中当从横截面轮廓看时，所述顶点是包括凸表面的整圆顶点。

4.根据权利要求1所述的切割元件，其中每个凸角具有的横截面轮廓包括:

沿着从相邻凹槽的基部到凸角的顶点的轴向尺寸测量的高度；和

垂直于高度、在高度的中点、在凸角的相对侧表面之间测量的宽度；

其中在切割刃附近测量的凸角的高宽比的范围在1:10和1:1之间。

5.根据权利要求4所述的切割元件，其中每个凸角的宽度沿着凸角的整个径向长度是均匀的。

6.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述非平面几何形状还包括:

沿着垂直于纵向轴线的平面并在从顶点到相对侧表面的过渡点之间测量的顶点宽度，其中顶点宽度沿着从中心区域的边界到切割刃的径向长度是均匀的；和

沿着垂直于纵向轴线的平面并在从基部到相对侧表面的过渡点之间测量的基部宽度，其中该基部宽度沿着径向长度是均匀的；

其中相邻凸角和凹槽的顶点和基部之间的侧表面的距离沿着径向长度变化。

7.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述顶点以一突出角从所述中心区域的边界延伸一径向长度，其中所述突出角是在垂直于所述纵向轴线延伸的水平面和与所述顶点的径向长度相切并延伸的直线之间测量的。

8.根据权利要求7所述的切割元件，其中所述突出角小于0度，使得所述凸角在靠近所述中心区域的边界的径向位置处的高度大于靠近所述切割刃的高度。

9.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述中心区域与凸角的顶点是共面的。

10.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述切割刃包括倒角，并且每个凸角的顶点从所述中心区域的边界向所述倒角延伸一径向长度。

11.根据权利要求1所述的切割元件，还包括:

安装到基底的多晶金刚石层，

其中切割面形成在多晶金刚石层的上表面上；和

其中多晶金刚石层和基底形成内部可旋转切割元件；和

至少部分围绕该内部可旋转切割元件的外部支撑元件。

12.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述切割面形成在多晶金刚石层的上表面上，并且其中所述多晶金刚石层包括:

包括多个粘结在一起的金刚石颗粒的微结构；

未浸提区域，该未浸提区域包括设置在结合在一起的金刚石颗粒之间形成的间隙区域中的金属粘合剂；

基本上不含金属粘合剂的浸提区域；和

限定在浸提区域和未浸提区域之间的浸提线，其中浸提线具有对应于切割面的非平面几何形状的波状轮廓。

13.一种钻头，包括:

钻头体，具有轴向延伸穿过该钻头体的中心轴线；

从钻头体向外延伸的多个刀片；和

安装在刀片上的多个切割元件，其中每个切割元件包括:

轴向延伸穿过切割元件的纵向轴线；

在切割元件的轴向端部处的切割面；

围绕该切割面周向延伸的外周表面；和

形成在切割面和外周表面之间的切割刃；

其中切割面具有非平面几何形状，该非平面几何形状包括:

围绕该切割元件的纵向轴线的中心区域；

从中心区域的边界向切割刃径向延伸的至少24个凹槽；和

在凹槽之间交替形成的至少24个凸角，每个凸角具有的横截面轮廓包括顶点和两个相对的侧表面，该两个相对的侧表面在凸角的相对侧上在顶点和相邻凹槽之间延伸。

14.根据权利要求13所述的钻头，其中切割元件可旋转地安装到刀片，使得每个切割元件绕其纵向轴线是可旋转的。

15.根据权利要求14所述的钻头，其中至少一个切割元件以侧倾角安装，并且其中至少一个切割元件的凸角关于径向平面不对称，该径向平面轴向延伸穿过切割元件并且沿着凸角的径向长度。