具有刃耐用性的切割器的制作方法

具有刃耐用性的切割器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年9月26日提交的美国专利申请号62/906,153的权益和优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。


背景技术：

3.井下钻井操作中使用的切割元件通常由超硬材料层制成，以穿透坚硬且耐磨的土质地层。例如，切割元件可以例如通过铜焊安装到钻头(例如旋转刮刀钻头)上，用于钻井操作。图1示出了固定切割器钻头10(有时称为刮刀钻头)的示例，该切割器钻头具有安装在其上的多个切割元件18，用于钻凿地层。钻头10包括钻头体12和多个刀片16，钻头体12在一端14具有外螺纹连接，刀片16从钻头体12的另一端延伸并形成钻头10的切割表面。多个切割器18附接到每个刀片16上，并且当钻头10在钻井过程中旋转时，从刀片伸出以切穿地层。切割器18可以通过刮削和剪切使地层变形。
4.切割元件的超硬材料层可在高温和高压条件下形成，通常在设计成用于创造这种条件的压制设备中形成，粘结到包含金属粘合剂或催化剂(如钴)的碳化物基体上。例如，多晶金刚石(pcd)是用于制造切割元件的超硬材料，其中pcd切割器通常包括形成在支撑基体(通常为烧结碳化钨(wc)基体)上并在高温、高压(hthp)条件下结合到基体上的金刚石材料。
5.pcd切割元件可通过将硬质合金基体放入容器或盒中，将一层金刚石晶体或颗粒装入与基体一面相邻的盒中来制造。许多这样的盒通常被装入反应池并放置在hpht设备中。然后在hpht条件下压缩基体和相邻的金刚石颗粒层，这促进了金刚石颗粒的烧结，以形成多晶金刚石结构。结果，金刚石颗粒相互结合，在基体界面上形成金刚石层。金刚石层也结合到基体界面上。
6.此类切割元件在操作过程中经常受到强力、扭矩、振动、高温和温差的影响。结果，结构内的应力可能开始形成。例如，刮刀钻头可能表现出由于钻井操作过程中的钻井异常而加剧的应力，例如钻头旋转或跳动可能导致超硬材料层或基体的剥落、分层或破裂，从而降低或消除切割元件的功效并降低整体钻头磨损寿命。


技术实现要素：

7.一方面，本公开的实施例涉及具有切割面的切割元件，该切割面的几何形状包括至少一个与切割元件刃间隔一定径向距离的突起，该刃围绕切割面的整个周边延伸，以及在至少一个突起和刃之间的距离内延伸的下部，其中在所述刃和至少一个突起的基部之间测量的下部轴向高度小于在至少一个突起的基部和至少一个突起的轴向最高点之间测量的至少一个突起的最大轴向高度的30％。
8.另一方面，本公开的实施例涉及切割元件，其具有主体、设置在主体切割端的金刚石台和形成在切割端处的金刚石台上的切割面，切割面具有的几何形状包括平面部分和从平面部分凸出的至少一个突起，其中平面部分完全包围至少一个突起。
9.另一方面，本公开的实施例涉及切割元件，其具有形成于其切割端的切割面和形成于切割面的周边的倒角，其中切割面具有至少一个与倒角的内径间隔一定径向距离的突起。
10.根据以下说明和所附权利要求，本发明的其他方面和优点将显而易见。
附图说明
11.图1示出了传统固定切割器钻头的透视图。
12.图2示出了根据本公开的实施例的切割元件的透视图。
13.图3示出了图2中的切割元件的侧视图。
14.图4示出了根据本公开的实施例的切割元件的透视图。
15.图5示出了图4中的切割元件的侧视图。
16.图6示出了根据本公开的实施例的切割元件的透视图。
17.图7示出了图6中的切割元件的侧视图。
18.图8示出了根据本公开的实施例的切割元件的透视图。
19.图9示出了图8中的切割元件的侧视图。
20.图10示出了根据本公开的实施例的切割元件的透视图。
21.图11示出了图10中的切割元件的侧视图。
22.图12示出了根据本公开的实施例的切割元件的透视图。
23.图13示出了图12中的切割元件的侧视图。
24.图14示出了根据本公开的实施例的切割地层的切割元件的侧视图。
25.图15和图16示出了相同条件下将根据本公开的实施例的切割元件(图15)中的应力累积与对比切割元件(图16)中的应力累积进行了比较的有限元分析。
26.图17和图18示出了在相同条件下将根据本公开的实施例的切割元件(图17)的切割动作与对比切割元件(图18)的切割动作进行比较的有限元分析。
具体实施方式
27.本公开的实施例总体上涉及切割元件，其可安装在钻头上，用于钻探土质地层，或其他切割工具。这里公开的切割元件可以包括设计成提高切割元件的耐用性并保持较高的岩石切割效率的切割面几何形状。切割面几何形状可包括至少一个与切割面的刃间隔开的突起或脊，使得在操作期间，突起可施加应力以压裂地层，并且与刃间隔开可允许较少的应力积聚在刃处，从而增加刃的耐用性。
28.在一些实施例中，切割元件可包括邻近切割元件的刃并围绕切割面的周边形成的倒角，其中切割面几何形状包括至少一个与倒角间隔一定距离的突起。围绕切割面的周边形成的突起和倒角之间的距离可以大于倒角的径向距离，等于倒角的径向距离，或者小于倒角的径向距离。
29.图2和图3分别示出了根据本公开的实施例的切割元件100的示例的透视图和侧视图。切割元件100包括主体，该主体具有在相对的轴向端部处的基部102和切割端104、外侧表面108和轴向延伸穿过切割元件的中心的纵向轴线106。主体可以由设置在基体上的金刚石或其他超硬材料台形成，其中超硬材料台形成切割端104，基体形成基部102。在一些实施
例中，包括切割端104和基部102的整个主体可以由超硬材料形成。
30.切割面110形成于切割元件的切割端104，并由切割刃112围绕其周边界定，其中外侧表面108和切割面110之间的相交形成了刃112。在所示的实施例中，倒角114围绕切割面110的整个周边形成，其中切割面110的倒角114部分和外侧表面108的相交形成刃112。倒角114从刃112径向向内倾斜，使得倒角114的外径115位于切割元件的刃112处的第一轴向位置，并且倒角114的内径117位于刃112的径向内部，并且位于比第一轴向位置相对更远离切割元件的基部102的第二轴向位置。在一些实施例中，切割面可以具有部分地围绕其周边(小于切割面的整个周边)形成的倒角，或者可以没有围绕切割面周边的倒角。
31.切割面110具有的几何形状包括突起120，突起120与切割刃112间隔开径向距离130(其中径向距离是在从切割刃112朝向纵向轴线106的方向上测量的)，与倒角114的内径117间隔开径向距离131。根据本公开的实施例，形成在切割面上的一个或多个突起和切割元件的刃112之间的径向距离130可以围绕切割刃112变化，例如，当突起120偏离切割面的轴向中心时，当突起120关于切割元件的纵向轴线106轴对称时，当有多个突起时，和/或当突起具有不同于切割面110的周边的基部形状时。例如，如图2和3的实施例所示，突起120的中心轴线126可以偏离切割元件的纵向轴线106，其中突起120和切割刃112之间的径向距离130围绕切割元件的刃112变化。在其他实施例中，形成在切割面上的突起和切割元件的刃之间的距离在切割刃周围可以是均匀的。
32.当突起120轴对称时，径向距离130的范围例如可从切割面直径115的0％、至少1％、至少2％、至少5％或至少10％至切割面直径115的小于20％、小于30％或小于45％，以及当突起120轴对称时，例如其范围可从切割面直径115的0％、至少1％、至少2％、至少5％,或者至少10％至切割面直径115的小于60％、小于70％、小于80％或者小于90％。例如，在图2和3所示的实施例中，距离130可以在突起120最靠近切割刃的点132处的切割面直径115的2％和10％之间，以及距离130可以在从突起120最远离切割刃112的围绕切割刃112的点134起的切割面直径的20％和40％之间。
33.此外，当突起120轴对称时，突起120与倒角114的内径之间的径向距离131的范围可，例如，从切割面直径115的0％、至少1％、至少2％、至少5％或至少10％至切割面直径115的小于20％、小于30％或小于45％，以及当突起120轴对称时，其范围可例如从切割面直径115的0％、至少1％、至少2％、至少5％或至少10％至切割面直径115的小于60％、小于70％、小于80％或小于90％。
34.根据本公开的实施例的切割面的几何形状通常可分为两类:突出部分160和下部150，其中突出部分160可包括形成在切割面110上的一个或多个突起，下部150可包括切割面110在一个或多个突起120与切割刃或切割面的外周边之间的距离(例如径向距离130)内的部分。在具有围绕切割面周边的至少一部分形成的倒角114的实施例中，切割面110的下部150可以包括倒角114。
35.切割元件高度140是在切割元件100的基部102和切割面110之间轴向测量的。刃112周围和切割面的下部150内的高度140可以变化小于10％、小于5％或小于2％。切割面的突出部分160包括单个突起120，该突起具有沿着突起120在突起基部122和切割面表面111之间测量的轴向高度125。下部150可具有在下部150中的最低轴向点113(在所示的实施例中，其在切割面110与切割元件100的外侧表面108相遇的切割元件100的刃112周围)和突起
120的基部122之间测量的轴向高度155。根据本公开的实施例，下部150可具有小于突起120的最大轴向高度125的30％、20％或10％的轴向高度155，其中突起的最大轴向高度是在突起120的基部122和突起120的最高点(例如，顶点124)之间测量的。
36.下部150可区别于突出部分160，例如，通过各区域内轴向高度的差异。在切割元件基部102是沿着垂直于切割元件的纵向轴线106的平面延伸的基本平坦的表面的实施例中，下部150可以通过如从切割元件的基部102到其切割面110测量的每个区域内的切割元件高度的差异而区别于突出部分160。例如，在基部102和下部150中的切割元件的切割面110之间测量的高度140可以变化小于10％、小于5％或小于2％，而突出部分160中的高度125可以变化至少15％、至少20％或至少25％。在一些实施例中，下部150可被区分为围绕切割元件100的刃112的区域，该区域具有如从下部150中的轴向最低点113到下部150中的最高轴向点122测量的轴向高度的变化，其小于切割面上(多个)突起的最大轴向高度的10％，其中切割面上(多个)突起的最大轴向高度是在(多个)突起的突起基部122和最高轴向点124之间轴向测量的。
37.在图2和图3所示的实施例中，突出部分160包括具有圆顶形的突起120。然而，可能的突起几何形状也可以包括具有圆形顶部或顶点的其他三维形状。例如，在一些实施例中，突起可以是棱锥形状，其具有从多边形基部形状延伸到圆形顶点的多个平面侧面。在一些实施例中，突起可以具有多边形基部形状，具有从基部延伸到圆形顶点的多个弯曲的或者非平面的侧面。其他可能的突起几何形状可以包括具有成角度的顶部或顶点的三维形状。例如，突起可以具有截棱锥形状，其中截棱锥的顶部可以是基本平坦的表面。
38.下部150包括围绕切割元件的刃112形成的倒角114，其中倒角114可提供下部150内唯一的高度变化。在这样的实施例中，倒角的轴向高度155以及因此下部的轴向高度155可以小于例如突起120的最大轴向高度125的10％或小于5％。
39.下部150还包括沿垂直于切割元件的纵向轴线106的平面152延伸的平面表面116。平面表面116围绕突起120的整个基部122周向延伸，并且从突起120的基部122径向延伸到倒角114。在其他实施例中，沿着垂直于纵向轴线106的平面152的平面表面可以延伸少于突起120的整个周长。此外，在切割元件不具有围绕切割刃的至少一部分形成的倒角的实施例中，沿着垂直于纵向轴线的平面的平面表面可以从至少一个突起完全延伸到切割刃。
40.如上所述的，切割面的下部150具有有限的轴向高度，如从下部150的最低点113至下部150的最高点122测量的(其在本实施例中，但不是所有实施例中，可为突起120的基部122)。因此，本公开的切割元件可以具有围绕切割刃112限定的下部150，作为切割面110的一部分，从切割刃112朝向纵向轴线106延伸径向距离130，具有有限的轴向高度155。
41.切割面110的下部150可具有一个或多个平面表面116和/或一个或多个曲面，如凹面或凸面，其中一个或多个表面单独或共同具有有限的轴向高度155。例如，根据本公开的实施例，切割面几何形状可以包括下部150，该下部150具有沿着垂直于切割元件的纵向轴线106的平面152延伸的至少一个平面表面116。在一些实施例中，切割面几何形状可以包括下部150，该下部150具有沿着垂直于切割元件的纵向轴线106的平面152延伸的至少一个平面表面116和至少一个倾斜表面(例如图5中所示和下面更多讨论的)。例如，切割面的下部中的一个或多个倾斜表面可以从平面表面朝着切割刃向下延伸。
42.根据本公开的实施例，下部150可具有平面部分，该平面部分环绕至少一部分的突
起120的基部122。平面部分可以是沿着垂直于切割元件100的纵向轴线106的平面152延伸的表面116，或者可以是倾斜表面(由虚线154示出)，该倾斜表面具有从垂直于纵向轴线106的平面152的小斜度，使得倾斜表面154保持在有限的轴向高度155内。
43.图4-9示出了根据本公开的实施例的具有切割面的切割元件示例，该切割面具有的下部几何形状包括至少一个平面表面和至少一个倾斜表面。
44.参考图4和图5，分别示出了根据本公开的实施例的切割元件300的透视图和侧视图。切割元件300包括位于切割元件的相对轴向端处的基部302和切割面310，以及轴向延伸穿过切割元件300的纵向轴线306，其中切割元件高度340是从基部302到切割面310轴向测量的。切割面310包括由单个突起320形成的突出部分360和由平面部分316和多个倾斜表面314形成的下部350。
45.在所示实施例中，平面部分包括平面表面316，该平面表面316完全围绕突起320并沿垂直于切割元件纵向轴线306的平面352在径向方向上延伸。倾斜表面314在轴向和径向方向上远离平面表面316朝向切割元件的切割刃312延伸，相对于纵向轴线306成斜度317。刃312形成在切割元件300的倾斜表面314和外侧表面308之间的相交处。如所示的，下部350包括对应于突起基部322的侧面数量(在这种情况下为3个)的多个倾斜表面314；然而，其他实施例可以包括更多或更少的倾斜表面。倾斜表面314在成角度的过渡处与切割刃312和平面表面316相交。在其他实施例中，相邻表面之间的过渡可以是弯曲的或倒角的。平面表面316和倾斜表面314径向定位在突起320和切割元件300的刃312之间，使得突起320与刃312间隔开径向距离330。
46.下部350的轴向高度355是在下部的最低点318(其在所示实施例中，位于倾斜表面314的最厚部分)和下部的最高点(其在所示实施例中，沿着平面表面316，与突起320的基部322处于相同的轴向高度)之间轴向测量的。突出部分360的轴向高度325是在突起320的基部322和切割面表面311之间轴向测量的。突出部分360的最大轴向高度325是在突起320的基部322和突起320的最高部分之间轴向测量的，在所示的实施例中，最高部分在突起顶点324处。切割面的下部350的轴向高度355可以被限制为例如小于切割面310的突出部分360的最大轴向高度325的15％。
47.此外，图4和图5所示的突起320具有带圆形刃326和圆形顶点324的三棱锥形状。然而，在其他实施例中，突起可以具有不同的棱锥形形状，包括方形棱锥或其他多边形棱锥、在其侧面之间具有角形刃的棱锥、或具有角形和/或圆形刃的截头棱锥。在一些实施例中，突起可以是线性延伸的脊、圆顶或其他规则或不规则的三维形状。
48.在某些实施例中，突出部分可具有一个以上的突起。例如，图6和7分别示出了根据本公开的实施例的切割元件400的透视图和侧视图，该切割元件具有多个突起420，其中每个突起420与切割元件的切割刃412间隔开径向距离430，并且彼此间隔开距离427。在所示的实施例中，切割元件的切割面410具有突出部分460，其包括三个间隔开的突起420。突起420可以间隔开，使得纵向轴线406处和突起420之间的切割面是平面的并垂直于纵向轴线406。然而，其他实施例可以包括多于三个间隔开的突起、两个间隔开的突起或单个突起。
49.在某些实施例中，突起420可具有沿切割面延伸一定长度的脊形。一个或多个脊可以布置在切割面上，以沿着切割面直径401的一部分在切割面410的径向维度上延伸长度428。例如，切割面可以包括单个脊状突起，该脊状突起延伸切割面的部分直径，从距切割刃
一段距离的第一线性端穿过切割元件的纵向轴线延伸到距相对的切割刃一段距离的第二线性端。在另一个示例中，如图6和7所示，脊状突起420可以延伸切割面410的部分直径(长度428)，从位于距切割刃412径向距离430处的第一线性端421延伸到位于纵向轴线406附近的第二线性端422。脊状突起的高度可以变化。例如，脊420的线性端421、422可以相对低于脊的中心部分，使得中心部分可以是脊420的顶点423。此外，脊状突起可以具有成角度的、圆形的或平坦的顶侧。
50.在所示实施例中，每个突起420均为脊形，从纵向轴线406附近沿径向方向朝向切割刃412线性延伸。每个脊状突起420的顶侧沿其长度和宽度都是圆形的。在长度方向上(沿着长度428)，每个突起420具有第一线性端421、顶点423和第二线性端423，第一线性端421定位成与切割刃412相距径向距离430，第二线性端423定位成与纵向轴线406相距距离429，其中脊420沿着长度428的轴向高度425从顶点423朝向线性端421、422减小。根据本公开的实施例，脊形突起可以具有不同的顶侧几何形状，包括例如具有基本一致的脊高度的平面顶侧、倾斜顶侧、圆形顶侧或倾斜顶侧。
51.在具有至少一个脊形突起的实施例中，脊可沿径向方向线性延伸，可从距切割刃的一距离处径向延伸并穿过中心纵向轴线(例如，大于切割面的半径的径向距离)，或如图6和7所示，可从离切割刃412的径向距离430处径向延伸至离中心纵向轴线406的一距离429处(即，小于切割面半径的径向距离)。
52.在某些实施例中，脊形突起可沿非径向方向线性延伸。例如，脊形突起(由虚线470示出)可以从径向方向474以角度475线性延伸，例如，从定位成与切割刃412相距径向距离430的第一线性端471延伸到定位成与切割刃412相距径向距离430的第二线性端472，其中脊470不延伸穿过纵向轴线406。在一些具有沿着非径向方向线性延伸的脊的实施例中，脊可以延伸切割面的部分弦。
53.此外，图6和图7所示的突起420围绕切割元件400的纵向轴线406轴对称布置。利用这种构造，切割元件400可以具有切割刃412的三个相同的潜在工作部分(即，切割刃在操作期间预期接触工作表面的部分)，包括切割刃412靠近(但不接触)突起脊420的线性端421的部分。有利的是，如果切割刃412的一个工作部分由于先前的使用而磨损，这种类型的构造可以允许例如切割元件400在切割工具内旋转和重复使用。根据本公开的实施例，切割面可以具有使用与切割刃间隔开的多个突起的其他构造，包括例如具有不同形状的多个突起，使用多于或少于三个突起，和/或围绕纵向轴线轴对称或轴不对称地间隔多个突起。
54.仍参见图6和图7，切割面几何形状还具有下部450，其将突出部分460与切割元件400的切割刃412轴向隔开，其中下部450包括沿垂直于切割元件的纵向轴线406的平面452延伸的平面表面416、多个倾斜表面414和沿切割刃412形成的倒角415。倾斜表面414从从平面表面416倾斜的倒圆或弯曲过渡417延伸到围绕切割刃412形成的倒角415，使得在与平面表面416的过渡417处的切割元件高度440大于在过渡到倒角415处的切割元件高度440。此外，沿着倾斜表面414的切割元件高度440围绕切割刃412从沿着切割刃最靠近突起420的第一线性端421的区域424到沿着切割刃412的最低区域426减小。
55.沿倾斜表面414的高度变化使最靠近突起420的切割刃412周围的区域424比最远离突起420的切割刃412周围的区域426具有较小的高度变化。例如，切割面的下部450在沿着最靠近突起420的切割刃412的区域424和突起420之间的径向距离430内的轴向高度可以
小于切割面的剩余下部450的轴向高度440的小于50％、小于20％、小于10％或小于5％。在一些实施例中，最靠近突起420的切割刃周围的区域424可以具有突起的最大轴向高度425的小于10％、小于5％、小于2％或小于1％的轴向高度440。
56.现参考图8和图9，分别示出了根据本公开的实施例的切割元件500的另一示例的透视图和侧视图。切割元件500具有切割面510，该切割面510形成在与切割元件基部相对的轴向端，其中切割面510包括突出部分560和下部550。突出部分560由单个突起520形成，其几何形状包括从较低的线性端521延伸到在顶点524会合的较高的线性端的三个线性脊526。
57.在一些实施例中，切割面几何形状可包括在顶点524处结合在一起的多个脊526。在一些实施例中，切割面几何形状可以包括多个彼此间隔开的突起(例如，如图6和7所示)。此外，根据本文公开的实施例，形成在切割面510上的一个或多个突起520可以是轴对称的(例如，如图8和9所示，其中突起520围绕切割元件500的纵向轴线506对称延伸)或者围绕切割元件的纵向轴线506轴不对称。
58.切割面510的下部550包括沿垂直于切割元件500的纵向轴线506的平面552延伸的平面表面516。此外，平面表面516围绕突起520的整个基部522，其中突起520的基部522在弯曲过渡部523处过渡到平面表面516。平面表面516进一步在突起520和形成在平面表面516周边周围的倒角518之间形成一空间。三个倾斜表面514在远离切割面510的中心区域(包括平面表面516和围绕平面表面516的倒角518)的轴向和径向方向上朝向切割刃512延伸。倾斜表面514由两个倒角接界和完全围绕：在切割刃512内部并围绕切割刃512形成的倒角515和围绕平面表面516的周边形成的倒角518。
59.两个倒角515和518可沿刃512的轴向最高区域524彼此相交，形成双倒角切割尖端527。切割元件500的刃的轴向最高区域524和/或双倒角切割尖端527可以与突起520的线性脊526径向对准(即，沿着共享的径向平面，其示例由虚线528示出)。由靠近切割元件的刃的两个相交倒角形成的双倒角切割尖端也可以形成在本发明的其他实施例中。例如，通过修改切割元件设计以具有围绕平面表面416形成并与倒角415相交的第二倒角，可以在图6和7所示的实施例上形成双倒角切割尖端，或者通过修改切割元件设计以具有围绕并邻近切割元件的刃312形成的第一倒角和围绕平面表面316形成的第二倒角，可以在图4和5所示的实施例上形成双倒角切割尖端。
60.倾斜表面514和倒角515、518均可具有一斜度，该斜度可将切割面的下部550的表面保持在有限的轴向高度555内，例如，该轴向高度可是突起520的最大轴向高度525的小于50％、小于20％、小于10％或小于5％。倒角相对于切割元件的纵向轴线506的斜度可以大于倾斜表面514的斜度，并且倒角相对于纵向轴线506的斜度可以大于突起520从突起的轴向最高点到突起的基部的突起斜度。
61.突起520可与最近的倒角(倒角518)和切割元件的刃512间隔开。如所示的，突起520与切割元件的刃512间隔开径向距离530，并且与倒角518的内径517间隔开较小的径向距离。
62.图10和图11分别示出了根据本公开的实施例的切割元件600的另一示例的透视图和侧视图。切割元件600包括位于切割元件600的相对轴向端处的切割面610和基部、外侧表面608和由切割面610和侧表面608相交形成的刃612。切割面610的几何形状包括三个间隔
开的突起620，其定位成与切割元件600的刃612相距径向距离630，完全围绕突起620的平面表面616，以及邻近刃612形成并围绕刃612延伸的倒角615。
63.每个突起620均为从第一线性端621(与切割元件600的刃612间隔径向距离630)向靠近切割元件600的纵向轴线606的第二线性端622沿径向方向674线性延伸的脊。突起620的第二线性端622与纵向轴线606间隔开，并且彼此间隔一距离627。平面表面616沿着垂直于纵向轴线606的平面652延伸，并完全包围每个突起620。倒角615在切割元件600的平面表面616和刃612之间倾斜，从平面表面616沿朝向切割元件600的基部602的方向在轴向维度上延伸，并且从平面表面616沿径向向外的方向在径向维度上延伸。
64.图12和图13分别示出了根据本公开的实施例的切割元件700的另一示例的透视图和侧视图。切割元件700具有位于切割元件700的相对轴向端处的切割面710和基部702、轴向延伸穿过切割元件700的纵向轴线706、外侧表面708和形成在外侧表面708和切割面710相交处的刃712。
65.切割面710的几何形状包括位于切割元件刃712内部并与其隔开径向距离730的突起720。切割面710的几何形状还包括完全包围突起720的平面表面716，其中平面表面716沿着垂直于纵向轴线706的平面752从突起720的边界延伸到倒角715。倒角715形成在切割元件700的平面表面716和刃712之间，并且围绕切割元件的整个刃712延伸。此外，倒角715具有相对于纵向轴线706的斜度707，该斜度707从平面表面716在朝向切割元件的基部702的方向上轴向延伸，并且从平面表面716径向向外延伸。
66.突起720具有三个线性脊726的棱锥形几何形状，三个线性脊726从第一线性端721沿径向方向774延伸，并在纵向轴线706处的顶点724处结合在一起，其中突起720的轴向高度725从第一线性端721向顶点724逐渐增加。如图12所示，第一线性端721可以在圆周方向上等距间隔开，或者可以在圆周方向上不等距间隔开(例如，在“y”的尖端之间的圆周间隔中)。此外，第一线性端721各自与切割元件700的刃712间隔开径向距离730。如图12和13的实施例所示，第一线性端721可以靠近倒角715但与倒角715隔开，或者突起的端部可以与倒角接触。
67.根据本公开的实施例，切割元件可包括设置在其主体的切割端的金刚石台，其中切割面形成在切割端的金刚石台上。金刚石台上的切割面几何形状可以包括本文所述的任何切割面几何形状，包括例如完全包围至少一个从平面部分凸出的突起的平面部分。
68.图4-13中的实施例示出了具有金刚石台的切割元件的示例，其中切割面形成在金刚石台上，而基体形成基部。例如，如图8所示，金刚石台570设置在基体580的界面590上，其中切割面510形成在金刚石台570的切割端，基部形成在基体580的相对轴向端。在图13中，还示出了金刚石台770和基体780，其中金刚石台770形成切割面710，基体780形成切割元件700的基部702。
69.可将金刚石台设置在基体上，例如，通过在基体上形成金刚石台、渗透、钎焊或其他附着方式。例如，通过将金刚石粉末放置在预先形成的基体或基体材料上，并使金刚石粉末经受足以发生金刚石-金刚石结合的高压高温条件，可以在基体上形成金刚石台，从而导致多晶金刚石台附着在基体上。在另一个示例中，金刚石台可以钎焊到基体上。根据在此公开的实施例，将金刚石台附着到基体上的其他方法可以用于形成切割元件。
70.金刚石台可由热稳定聚晶金刚石、聚晶金刚石、金刚石复合材料及其组合形成。此
外，本发明的切割元件可以利用不同类型的超硬材料来形成切割元件的切割端，代替金刚石或者除了金刚石之外。例如，根据本公开的实施例，金刚石-金属陶瓷复合材料、立方氮化硼或其他超硬材料复合材料可用于形成切割元件的切割端。
71.基体材料可包括，例如，金属碳化物和已烧结的金属粘合剂。合适地，金属碳化物的金属可以选自铬、钼、铌、钽、钛、钨和钒及其合金和混合物。例如，烧结碳化钨可以通过烧结碳化钨和金属粘合剂的化学计量混合物来形成。
72.切割面的几何形状可通过以下方式形成，例如，将超硬材料(例如，金刚石粉末)压入具有切割面几何形状的负形状的模具中并使材料经受高压高温和/或渗入超硬材料(其中条件可能取决于超硬材料)以形成具有此处描述的几何形状的切割面的超硬台。在一些实施例中，切割面的几何形状可以通过从超硬体上切掉材料(例如，通过激光切割)来形成至少一个与超硬材料主体的刃隔开一定距离的突起。
73.在一些实施例中，在超硬材料体上形成切割面几何形状后，可对超硬材料体进行处理，以改变至少一部分切割面的成分。例如，具有根据本公开的实施例的切割面几何形状的多晶金刚石台可以沿着切割面的至少一部分浸析，以形成切割面的热稳定多晶金刚石部分。
74.根据本公开的实施例，切割面上的一个或多个突起与切割刃之间的距离可与切割时切割元件的潜在切割深度相对应。例如，工具设计者可以预期切割元件在切割工具上的位置，包括例如切割元件的后倾角、切割元件的侧倾角以及切割元件从工具表面的暴露高度，仅举几个示例。基于切割元件在切割工具上的位置和其他预期的操作因素，例如被钻地层的类型、钻压、工具转速和/或其他因素，工具设计者可以进一步预期切割元件的切割深度(切割元件穿透地层的深度)。根据在确定切割元件的潜在切割深度时做出的设计假设，工具设计者可以设计切割面几何形状以包括至少一个突起，该突起通过下部与切割刃的工作部分间隔开，使得在操作期间，只有切割面的下部可以在初始切割深度接触工作表面(例如，土质地层)，并且下部和突起的一部分可以在比初始切割深度更深的切割深度接触工作表面。
75.例如，图14示出了根据本公开的实施例的切割元件200在切割深度d处切割地层270的侧视图。切割元件200具有的切割面几何形状包括从下部210突出并与切割面的刃212隔开的突起220，其中下部210在刃212和突起220之间延伸径向距离r。图14所示的切割元件200包括下部210，该下部210完全围绕突起220延伸，并从刃212延伸均匀的径向距离r。然而，如上所述的，下部可以围绕切割刃延伸不同的径向距离。
76.沿着设计成用于接触工作表面的至少一部分切割刃212，下部210的径向距离r可足够小，使得部分的突起220在特定的切割深度d处接触工作表面。例如，当切割元件200以接触角θ和切割深度d接触地层270的工作表面时，接触地层的刃212的部分周围的下部210可以延伸小于切割深度除以sin(接触角)的径向距离r，如以下等式所示:r《d/sin(θ)。
77.通过将切割面的突出部分与切割刃隔开一径向距离，可降低切割面上的最大应力。例如，图15和16示出了有限元分析，比较了沿着以相同速度和相同切割深度冲击岩层的两种不同切割元件的切割面上累积的应力。图15中模拟的切割元件500具有根据本公开的实施例的切割面几何形状，并且也如图8所示，其中突起520(具有在顶点524处结合在一起的三个相交脊526的形状)与切割刃512间隔开。图16中模拟的切割元件800具有包括延伸到
切割刃812的突起820的切割面几何形状。如所示，与图16中的切割元件800上(其中应力累积由括号801表示)相比，图15中的切割元件500上的切割刃512附近和周围累积的应力较少(其中应力累积由括号501表示)。
78.如本文所述，切割刃和至少一个突起之间具有空间的切割面几何形状的另一个优点包括提高了切割效率。例如，图17和18分别示出了比较根据本公开的实施例的切割元件900和具有延伸至切割刃(图16中812所示)的突起(图16中820所示)的切割元件800(如图16中所示)的切割动作的模拟。如图17所示，如根据本公开的实施例，当突起与切割刃间隔开时，突起920可以用作分裂器来分裂或劈开被切割的地层990，这可以提高切割效率。相反，如图18所示，具有延伸到切割刃的突起(图16中示出为820)的切割元件800可以将切屑890向前引导，这可能导致切屑890在切割面上积聚，从而降低切割效率。
79.工业适用性
80.本公开总体上涉及用于切割元件的装置、系统和方法，所述切割元件可安装在钻头或其他切割工具上，用于钻探土质地层。切割工具，例如钻头，可以包括一个或多个切割元件。根据本公开的实施例，切割工具可以包括具有切割面几何形状的切割元件，该切割面几何形状设计成提高切割元件的耐用性并保持较高的岩石切割效率。切割面几何形状可包括至少一个与切割面的刃间隔开的突起或脊，使得在操作期间，突起可施加应力以压裂地层，并且与刃间隔开可允许较少的应力积聚在刃处，从而增加刃的耐用性。
81.在一些实施例中，切割元件可包括主体，主体具有位于相对轴向端处的基部和切割端，以及形成于切割端的切割面。切割面包括至少一个与切割元件的刃间隔一定径向距离的突起。刃围绕切割面的整个周边延伸。切割面包括在至少一个突起和刃之间的径向距离内延伸的下部。在至少一个突起的刃和基部之间测量的下部轴向高度小于在至少一个突起的基部和至少一个突起的轴向最高点之间测量的至少一个突起的最大轴向高度的30％。在一些实施例中，切割元件可以包括形成在切割元件的刃的内部并围绕切割元件的刃延伸的倒角，其中倒角的轴向高度在下部轴向高度内。在一些实施例中，下部可以包括沿着垂直于切割元件的纵向轴线的平面延伸的至少一个平面表面。下部可包括至少一个倾斜表面，该倾斜表面从至少一个平面表面朝向刃轴向和径向向外延伸。在一些实施例中，切割元件可以包括设置在基体上的金刚石台。切割面可以形成在金刚石台上，基体形成基部。在一些实施例中，至少一个突起包括沿着切割面延伸一段长度的至少一个脊。在一些实施例中，所述至少一个突起包括棱锥，该棱锥具有从多边形基部形状延伸到顶点的多个侧面。在一些实施例中，至少一个突起包括圆形顶部。在一些实施例中，至少一个突起包括在顶点处结合在一起的多个脊，其中顶点是至少一个突起的轴向最高点。在一些实施例中，径向距离是在至少一个突起最靠近刃的点处的切割面直径的至少5％。在一些实施例中，至少一个突起是关于纵向轴线轴对称的。在一些实施例中，至少一个突起包括三个或更多个突起。在一些实施例中，切割面在切割元件的纵向轴线处包括平面表面。在一些实施例中，至少一个突起的轴向最高点位于切割元件的纵向轴线处。在一些实施例中，切割元件包括形成在切割元件的刃的内部并围绕切割元件的刃延伸的倒角，其中倒角相对于切割元件的纵向轴线的倒角斜度大于突起斜度。
82.在一些实施例中，切割元件包括主体、设置在主体的切割端的金刚石台和形成在切割端的金刚石台上的切割面。切割面包括具有平面部分和至少一个从平面部分凸出的突
起的几何形状。平面部分完全包围至少一个突起。在一些实施例中，平面部分沿着垂直于切割元件的纵向轴线的平面延伸。在一些实施例中，切割元件包括至少一个倾斜表面，该倾斜表面相对于切割元件的纵向轴线以一斜度从平面部分向切割面的刃延伸。在一些实施例中，所述至少一个突起包括棱锥，该棱锥具有从多边形基部形状延伸到顶点的多个侧面。在一些实施例中，至少一个突起包括圆形顶部。在一些实施例中，平面部分从至少一个突起延伸到切割面的刃。在一些实施例中，切割元件包括形成在切割面的内部并围绕切割面的刃延伸的倒角，其中平面部分在倒角和至少一个突起之间。在一些实施例中，至少一个突起与切割面的刃间隔一定距离，其中该距离大于切割面直径的5％。
83.在一些实施例中，切割元件包括主体，该主体具有在相对的轴向端处的基部和切割端，在切割端形成的切割面，在切割面的周边形成的倒角。切割面包括至少一个突起，该突起与倒角的内径间隔一径向距离。在一些实施例中，径向距离大于倒角的径向距离。在一些实施例中，至少一个突起是关于切割元件的纵向轴线轴对称的。
84.虽然已针对有限数量的实施例对本发明进行了描述，但受益于本发明的本领域技术人员将意识到，可设计其他实施例，这些实施例不脱离本文所述的本发明的范围。因此，本公开的范围应该仅由所附权利要求来限定。