本申請要求2014年3月11日提交的美國臨時專利申請No.61/951,155和2015年2月3日提交的美國專利申請No.14/613,144的優(yōu)先權(quán)，它們均通過引用結(jié)合到本文中。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有多種類型的井下切割工具，例如鉆頭，包括牙輪鉆頭、錘擊鉆頭和刮刀鉆頭，鉸孔器和銑削工具。牙輪巖石鉆頭包括適于與一個可旋轉(zhuǎn)的鉆柱相連接的鉆頭體，并包括至少一個可旋轉(zhuǎn)安裝于懸臂軸或軸頸的“牙輪”。每個牙輪支撐多個切割元件，它們切割和/或碾碎鉆孔壁或底面，從而推進鉆頭。切割元件，嵌入件或銑齒，在鉆探期間與地層接觸。錘擊鉆頭通常包括具有冠部的一體式本體。冠部包括壓入其中的嵌入件，用以對正被鉆的地層進行循環(huán)“錘擊”和抵壓著正被鉆的地層旋轉(zhuǎn)。

刮刀鉆頭，通常指固定切割器鉆頭，包括切割元件附著于鉆頭體的鉆頭，鉆頭體可為鋼鉆頭體或由基質(zhì)材料，如結(jié)合劑材料包裹的碳化鎢制成的基質(zhì)鉆頭體。刮刀鉆頭一般可定義為沒有活動部件的鉆頭。以研磨材料如金剛石孕嵌到形成鉆頭體的材料的表面中而制成的刮刀鉆頭通常稱為“孕嵌”鉆頭。切割元件由沉積到基體上或以其他方式結(jié)合到基體上的超硬切割表層或“工作臺”(通常由多晶金剛石材料或多晶氮化硼材料制成)的刮刀鉆頭在本領(lǐng)域中被稱為多晶金剛石復(fù)合片(簡稱PDC)鉆頭。

圖1示出具有多個切割元件的刮刀鉆頭的一個示例，切割元件具有超硬工作表面。鉆頭100包括具有帶螺紋的上銷端111和切割端115的鉆頭體110。切割端115通常包括多個肋狀物或刀片120，它們圍繞鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線(也指縱向軸線或中心軸線)布置且從鉆頭體110徑向向外延伸。切割元件或切割器150以與工作表面成預(yù)先設(shè)定的角方向和徑向位置且以預(yù)期的后傾角和側(cè)傾角抵壓擬鉆探的地層嵌入刀片120中。

圖2示出切割元件150的一個示例，此處切割元件150具有圓柱狀硬質(zhì)合金基體152，基體具有端面或上表面(“基體界面”)154。超硬材料層156，也稱為切割層，具有：頂面157，也稱為工作表面；圍繞頂面形成的切割邊緣158；和底面，也稱為超硬材料層界面159。超硬材料層156可為多晶金剛石或多晶立方氮化硼層。超硬材料層界面159與基體界面154相結(jié)合，從而在基體152和超硬材料層156之間形成平面界面。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開的實施例涉及一種切割元件，包括：基體，所述基體的上表面包括冠部，所述冠部過渡到下陷區(qū)域；和位于所述上表面上的超硬層，從而在所述超硬層和所述基體之間形成非平面界面。所述超硬層的頂面包括沿所述切割元件的直徑的至少一部分延伸的切割冠部，所述頂面具有遠(yuǎn)離所述切割冠部側(cè)向延伸的一部分，所述部分具有低于所述切割冠部的頂峰的高度。

另一方面，本公開的實施例涉及一種切割元件，包括：具有非平面上表面的基體，所述非平面上表面具有沿第一方向延伸的第一凸?fàn)顝澢亢脱嘏c第一方向垂直的第二方向延伸的第二凸?fàn)顝澢?，所述第二凸?fàn)顝澢康那拾霃叫∮谒龅谝煌範(fàn)顝澢康那拾霃健Ｇ懈钤€包括位于所述基體的非平面上表面上的具有非平面頂面的超硬層。

又一方面，本公開的實施例涉及一種切割工具，包括：工具體；從所述工具體延伸的至少一個刀片；和附接于所述至少一個刀片的第一排切割元件，所述第一排切割元件包括至少一個第一切割元件。所述第一切割元件包括：基體，所述基體的上表面包括冠部，所述冠部過渡到下陷區(qū)域；和位于所述上表面上的超硬層，從而在所述超硬層和所述基體之間形成非平面界面。所述超硬層的頂面包括沿所述切割元件的直徑的至少一部分延伸的切割冠部，所述頂面具有遠(yuǎn)離所述切割冠部側(cè)向延伸的一部分，所述部分具有低于所述切割冠部的頂峰的高度。

另一方面，本公開的實施例涉及一種切割工具，包括：工具體；從所述工具體延伸的至少一個刀片；和附接于所述至少一個刀片的至少一個切割元件。所述至少一個切割元件包括：具有非平面上表面的基體，所述非平面上表面具有沿第一方向延伸的第一凸?fàn)顝澢亢脱嘏c第一方向垂直的第二方向延伸的第二凸?fàn)顝澢?，所述第二凸?fàn)顝澢康那拾霃叫∮谒龅谝煌範(fàn)顝澢康那拾霃健Ｇ懈钤€包括位于所述基體的非平面上表面上的具有非平面頂面的超硬層。

還一個方面，本公開的實施例涉及一種切割工具，包括：工具體；從所述工具體延伸的至少一個刀片；和附接于所述至少一個刀片的至少一個切割元件。所述至少一個切割元件具有非平面頂面，所述非平面頂面包括沿所述切割元件的直徑的至少一部分延伸的切割冠部，所述非平面頂面具有遠(yuǎn)離所述切割冠部側(cè)向延伸的一部分，所述部分具有低于所述切割冠部的頂峰的高度。所述至少一個切割元件的中心軸線相對于與所述切割工具的中心軸線平行的線以0度至25度的角度定向。

本發(fā)明內(nèi)容介紹了一系列概念，所述概念將在下文詳細(xì)的說明書中進一步描述。本發(fā)明內(nèi)容并不旨在確定所要求保護的主題的關(guān)鍵或必要特征，也不旨在用于幫助限制所要求保護的主題的范圍。

附圖說明

圖1示出常規(guī)的刮刀鉆頭。

圖2示出常規(guī)的切割元件。

圖3-5示出具有非平面頂面的切割元件。

圖6和圖7示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件的剖視圖。

圖8和圖9示出具有非平面頂面的切割元件。

圖10示出具有非平面頂面的切割元件。

圖11示出具有非平面頂面的切割元件的仿真結(jié)果圖表。

圖12-14示出具有非平面頂面的切割元件。

圖15和圖16示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件的剖視圖。

圖17和圖18示出具有非平面頂面的切割元件與具有平面頂面的切割元件的切割力對比圖表。

圖19和圖20示出具有非平面頂面的切割元件與具有平面頂面的切割元件的垂直力對比圖表。

圖21示出具有平面頂面的切割元件與具有非平面頂面的切割元件在五個道次下的垂直力。

圖22示出具有平面頂面的切割元件與具有非平面頂面的切割元件在五個道次下的切割力。

圖23示出具有平面頂面的切割元件與具有非平面頂面的切割元件在五個道次下的溫度。

圖24示出具有平面頂面的切割元件與具有非平面頂面的切割元件在五個道次后的磨平面對比圖表。

圖25示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件頂面的俯視圖。

圖26和27示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件頂面的剖視圖。

圖28示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件頂面的俯視圖。

圖29和30示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件頂面的剖視圖。

圖31和32示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件頂面的剖視圖。

圖33和34示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件的透視圖。

圖35示出依據(jù)本公開的實施例的未組裝的切割元件的透視圖。

圖36和37示出圖35中所示的切割元件基體的剖視圖。

圖38示出依據(jù)本公開的實施例的基體的透視圖。

圖39示出依據(jù)本公開的實施例的基體的俯視圖。

圖40和41示出圖39中的基體的剖視圖。

圖42和43示出依據(jù)本公開的實施例的未組裝的切割元件的透視圖。

圖44-50示出依據(jù)本公開的實施例的基體的透視圖。

圖51示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件的剖視圖。

圖52示出圖51中的切割元件的基體的透視圖。

圖53和54示出圖52中的基體的側(cè)視圖。

圖55示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件的透視圖。

圖56和57示出圖55中的切割元件的側(cè)視圖。

圖58示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件的透視圖。

圖59示出圖58中的切割元件的側(cè)視圖。

圖60示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件的透視圖。

圖61和62示出圖60中的切割元件的側(cè)視圖。

圖63示出依據(jù)本公開的實施例的鉆頭的局部仰視圖。

圖64示出依據(jù)本公開的實施例的鉆頭的局部側(cè)視圖。

圖65示出依據(jù)本公開的實施例的鉆頭的仰視圖。

圖66示出依據(jù)本公開的實施例的鉆頭的側(cè)視圖。

圖67示出依據(jù)本公開的實施例的擴孔器。

圖68-70示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件定位的側(cè)視圖和俯視圖。

圖71和72示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件組合的俯視圖。

圖73示出依據(jù)本公開的實施例的切割元件對準(zhǔn)。

圖74示出依據(jù)本公開的實施例的可擴大的鉸孔器的側(cè)視圖。

具體實施方式

一方面，在此公開的實施例涉及用于井下工具的切割元件，切割元件具有于非平面界面處置于基體上的超硬層。切割元件可包括非平面頂面，也稱為工作表面，其形成于超硬層和非平面界面上。

本公開的切割元件可包括可旋轉(zhuǎn)切割元件，即可圍繞其縱向軸線旋轉(zhuǎn)的切割元件，或固定切割元件，即切割元件不能旋轉(zhuǎn)，而是附著于或以其他方式固定在切割工具上的某一位置。本公開的切割元件可被安裝于不同類型的井下切割工具，包括但不限于，鉆頭，如刮刀鉆頭，鉸孔器以及其他井下銑削工具。

依據(jù)本公開的一些實施例，切割元件可具有在基體和超硬層之間形成的非平面界面，在此超硬層的頂面是非平面的。具有非平面頂面或工作表面的切割元件可包括，例如，大致雙曲拋物面(鞍狀)形狀或拋物柱面形狀，其中，切割元件的冠部或頂端延伸橫跨切割元件的大致上整個直徑。進一步，界面也可包括大體雙曲拋物面形狀以及大體拋物柱面形狀。然而，如在此公開的，也可預(yù)想到工作表面和/或界面為其他幾何形狀。

例如，圖3示出具有非平面頂面305的切割元件300。特別是，切割元件300具有于界面330處置于基體320上的超硬層310，在此非平面頂面305幾何形狀形成于超硬層310上。超硬層310具有圍繞頂面305(并定義邊界)的外圍邊緣315。頂面305具有在基體320(在切割元件圓周)上方延伸高度314的切割冠部312，以及遠(yuǎn)離冠部312側(cè)向延伸的至少一個凹陷區(qū)域。如在此所采用的，冠部是指非平面切割元件的包括切割元件的頂峰或最大高度的一部分，其以大體線性方式或沿切割元件的直徑延伸。冠部312的存在導(dǎo)致具有頂峰和低谷的波狀外圍邊緣315。鄰近冠部312的外圍邊緣315部分形成切割邊緣部分316。如圖所示，切割冠部312也可延伸橫跨超硬層的直徑，以致兩個切割邊緣部分316形成于超硬層的相反的兩側(cè)。頂面305進一步包括至少一個凹陷區(qū)域318(示出的為兩個)，其在遠(yuǎn)離切割冠部312向外圍邊緣315的作為波狀外圍邊緣315的低谷的另一部分的方向上高度連續(xù)下降。所示的本實施例中的切割冠部312和凹陷區(qū)域318形成具有拋物柱面形狀的頂面305，在此切割冠部312的形狀如同拋物線，延伸橫跨超硬層310和/或基體320的直徑。雖然本實施例中未示出，但至少外圍邊緣的一部分(例如，切割邊緣部分，且圍繞以預(yù)期的切割深度與地層接觸的邊緣部分延伸)可被切割為斜坡或斜面。在一個或多個實施例中，整個外圍邊緣都可被切割為斜坡，其可包括圍繞切割元件圓周的可變的(在角度和/或?qū)挾壬?斜面或斜坡。在一個或多個實施例中，切割元件還可具有圓角化的邊緣。

在一個或多個其他實施例中，切割冠部312可延伸小于基體320的直徑或甚至超過基體320的直徑。例如，超硬層310可形成至少鄰近切割邊緣部分的錐形側(cè)壁，例如，形成角線與切割元件的軸線平行的角度，角度范圍可為-5度(形成大于基體320的直徑)至20度(形成小于基體320的直徑)。根據(jù)切割元件的尺寸，切割冠部312的高度314可在例如，0.1英寸(2.54毫米)至0.3英寸(7.62毫米)的范圍內(nèi)。進一步，除非另行限定，超硬層的高度(或切割冠部)相對于超硬層和基體的界面的最低點。圖4示出切割元件300的側(cè)視圖。如所示，切割冠部312具有凸?fàn)顧M截面形狀(沿與橫跨超硬層直徑的切割冠部長度垂直的平面看)，在此冠部的最高點具有彎曲部313的半徑，彎曲部以角度311相切地過渡到頂面305的側(cè)向延伸部分。依據(jù)本公開的實施例，切割元件頂面可具有切割冠部，其曲率半徑從0.02英尺(0.5毫米)至0.30英尺(7.6毫米)，或在另一個實施例中，曲率半徑范圍為0.06英尺(1.5毫米)至0.18英尺(4.6毫米)。進一步，雖然所示實施例示出在其最頂峰具有彎曲部的切割冠部312，但也落入本公開的范圍的是，切割冠部312可具有沿直徑的至少一部分的平臺或大致平面，其軸向上位于與切割冠部312側(cè)向間隔開的凹陷區(qū)域318之上。因此，在這樣一個實施例中，切割冠部可具有大致無限的曲率半徑。在此類實施例中，平臺可具有向側(cè)壁的圓角過渡，側(cè)壁延伸形成凹陷區(qū)域318。進一步，在一些實施例中，沿切割冠部312的橫截面?zhèn)认蜓由爝M入凹陷區(qū)域318，切割冠部312可具有形成于延伸至凹陷區(qū)域318的側(cè)壁之間的角度311，角度范圍可為110度至160度。進一步，根據(jù)上表面幾何形狀的類型，也可采用其他包括低至90度的冠部角度。

切割元件頂面的幾何形狀也可用x-y-z坐標(biāo)系來描述。例如，圖3示出的切割元件在圖5中以x-y-z坐標(biāo)系重現(xiàn)。切割元件300具有于界面330處置于基體320上的超硬層310，以及與由此延伸穿過的z軸線一致的縱向軸線。形成于超硬層310上的非平面頂面305具有通過沿x軸線和y軸線變化高度(此處高度沿z軸線測量)而形成的幾何形狀。如所示，在頂面(在圖3中也可稱為切割冠部312)形成的最大高度(頂端或頂峰)延伸橫跨沿y軸線的切割元件的直徑，以致冠部高度從外圍邊緣315的第一部分延伸至與第一部分相反的外圍邊緣315的第二部分。為方便起見，y軸線基于切割元件冠部的延伸進行定義；然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，如果以不同方式定義，基于x-、y-和z-坐標(biāo)系的其余描述會類似地變化。圖6示出沿y軸線和z軸線的交叉面的切割元件300的剖視圖。切割元件的y-z剖視圖可稱為冠部剖面視圖，因為冠部的均勻性、延伸特性等可以從這樣一個剖視圖進行觀察。如圖6的冠部剖面視圖所示，沿冠部高度(即冠部剖面)的頂面305呈大致線性。圖7示出沿x軸線和z軸線的交叉面的切割元件300的剖視圖，該圖也可稱為冠部的幾何形狀視圖，因為冠部的彎曲等可以從這樣一個剖視圖進行觀察。如圖7中的冠部的幾何形狀視圖所示，頂面305在z軸線達(dá)到頂峰(即冠部的高度)，并從冠部高度，沿x軸線在任一方向朝切割元件的外圍邊緣315(其也稱為圖3中的凹陷區(qū)域318)移動而連續(xù)地下降，以致頂面305具有沿橫截面的大體拋物線形狀。根據(jù)圖7所示的橫截面的彎曲，該橫截面也可以描述為具有圓頂?shù)膱A錐的橫截面，即，兩個傾斜的側(cè)壁相切地過渡成圓頂(具有上述范圍的曲率半徑)。然而，也可采用具有凹或凸?fàn)畹膹澢康膫?cè)壁。在所示的實施例中，x-z剖視圖(或冠部幾何形狀視圖)中的大體拋物線形狀沿y軸線延伸，以致非平面頂面305的三維形狀具有拋物柱面形狀。

進一步，雖然一些實施例可沿切割冠部312的長度具有統(tǒng)一的角度311、切割冠部312的曲率半徑或高度314，但是本發(fā)明公開并未做如此限制。相反，在一個或多個實施例中，角度311可沿切割冠部312的長度變化。例如，角度311可從切割邊緣部分316沿y軸線向切割元件300的中心或z軸線延伸的方向增大，然后在遠(yuǎn)離中心或z軸線向切割元件300的相反側(cè)的切割邊緣316延伸的方向上減小。這個角度差值可高達(dá)切割邊緣部分316處角度的20％，或在其他實施例中可高達(dá)10％。在其他實施例中，角度311可在遠(yuǎn)離切割邊緣部分316延伸的方向上增大而不減小(例如，通過達(dá)到頂峰角度，以這頂峰角度延伸切割冠部312的長度，或通過沿切割冠部312的長度而連續(xù)增大)。角度311上的另一個變型可包括相對于y-z平面不對稱的角度311。也就是說，雖然圖3-7所示的實施例示出被y-z平面等分的角度311，而本發(fā)明公開并未做如此限制。相反，角度311可相對于y-z平面被扭曲，以致在切割冠部312的一側(cè)，頂面305遠(yuǎn)離切割冠部312以大于在切割冠部312的另一側(cè)延伸的傾斜度側(cè)向延伸至第一凹陷區(qū)域318。也要說明的是，不對稱的角度311可沿切割冠部312的長度變化。

在一個或多個實施例中，切割冠部312的曲率半徑可以在從切割邊緣部分316沿切割冠部312的長度延伸的方向上增大。例如，曲率半徑可在從切割邊緣部分316沿y軸線向切割元件300的中心軸線延伸的方向上增大，然后在遠(yuǎn)離中心軸線向切割元件300的相反側(cè)的切割邊緣316延伸的方向上減小。在其他實施例中，曲率半徑可以在遠(yuǎn)離切割邊緣部分316延伸的方向上增大而不減小(例如，通過達(dá)到彎曲部的頂峰半徑并以這一頂峰半徑延伸切割冠部312的長度，或通過沿切割冠部312的長度連續(xù)增大)。

進一步，在一個或多個實施例中，高度314可沿切割冠部312的長度變化。例如，高度314可以在從切割邊緣部分316沿y軸線向切割元件300的中心軸線延伸的方向上降低(或增大)，然后在遠(yuǎn)離中心軸線向切割元件300的相反側(cè)的切割邊緣316延伸的方向上降低(或增大)。在其他實施例中，高度314可以在遠(yuǎn)離切割邊緣部分316延伸的方向上降低而不增大(例如，通過達(dá)到最低高度，并以這一最低高度延伸切割冠部312的長度，或通過沿切割冠部312的長度連續(xù)降低)。在一個或多個實施例中，較低高度和較高高度之間可具有小于較高高度的50％的差異，或在其他實施例中，具有小于40％、30％、20％或10％的差異。

如上所述，頂面305可具有非對稱的角度311；然而，可存在頂面305上的其他變型，其導(dǎo)致關(guān)于x-z平面和/或y-z平面之一和/或兩者的不對稱。例如，切割冠部312本身可位于未等分切割元件的平面上，即切割冠部312可從中心平面?zhèn)认蚱啤?/p>

依據(jù)本公開的實施例，切割元件可包括基體、超硬層和形成于基體和超硬層之間的非平面界面?；w可具有上表面，其幾何形狀由x-y-z坐標(biāo)系定義，在此沿z軸線測量的基體的高度沿x軸線且可選地沿y軸線變化。超硬層的頂面也可具有由x-y-z軸線坐標(biāo)系定義的幾何形狀，在此超硬層的高度沿x軸線且可選地沿y軸線變化。

圖8和9示出具有非平面頂面505的切割元件500的另一示例。切割元件500具有于界面530處置于基體520上的超硬層510，在此非平面頂面505形成于超硬層510上。超硬層510具有圍繞頂面505的外圍邊緣515。頂面505具有在基體520上方延伸高度514的切割冠部512，以及從冠部512側(cè)向延伸的至少一個凹陷區(qū)域518。鄰近外圍邊緣515的一部分的冠部512形成第一切割邊緣部分516。外圍邊緣515可從位于切割邊緣部分516的頂峰和鄰近至少一個凹陷區(qū)域518的低谷間呈波狀起伏，其在遠(yuǎn)離切割冠部512的方向上在高度上連續(xù)下降。如所示，凹陷區(qū)域518在基體/超硬層界面(沿圓周)之上延伸一個高度，但可具有高度差517(與切割邊緣部分516之間)，該高度差也與頂面505在高度上的總變化量相等。依據(jù)一些實施例，切割元件的非平面頂面可具有高度差517，根據(jù)切割元件的整體尺寸，范圍為0.04英寸(1.02毫米)至0.2英寸(5.08毫米)。例如，在其他實施例中，相對于切割元件直徑的高度差517的范圍可為0.1至0.5，或0.15至0.4。此外，在一個或多個實施例中，在鄰近凹陷區(qū)域518的外圍邊緣處的金剛石高度(即，在切割元件的具有最低金剛石高度的一側(cè))可至少為0.04英寸(1.02毫米)。

具有呈拋物柱面形狀的頂面的實施例可具有從基體延伸范圍為0.08英寸(2.03毫米)至0.2英寸(5.08毫米)的高度的切割冠部。例如，圖11示出切割元件4300(圖10)的反作用力和最大面內(nèi)主壓應(yīng)力的FEA仿真結(jié)果，所述切割元件具有拋物柱面頂面4305，切割冠部4312從基體4320延伸高度4314，切割元件直徑為16毫米。如所示，具有切割冠部延伸范圍為0.09英寸(2.29毫米)至0.18英寸(4.57毫米)的高度的切割元件的性能得以提高。

圖12和13示出具有非平面頂面705的切割元件700的另一示例。切割元件700具有于界面730處置于基體720上的超硬層710，在此非平面頂面705形成于超硬層710上。超硬層710具有圍繞頂面705的外圍邊緣715。頂面705具有非均勻的切割冠部712。也就是說，冠部712具有非線性剖面(在y-z平面或冠部剖面視圖中)，以致冠部712沿其長度在基體720/超硬層710界面之上(在切割元件700的圓周)延伸可變高度714。切割冠部712與外圍邊緣715的一部分交叉而形成切割邊緣部分716。至少一個凹陷區(qū)域718在遠(yuǎn)離切割邊緣部分716而向外圍邊緣715的另一部分的方向上高度上連續(xù)下降。進一步，如所述，冠部712具有可變高度，這一高度在與外圍邊緣715交叉處達(dá)到最高值，并在鄰近切割元件的中心軸線或z軸線處達(dá)到最低值(即，頂面705在兩個切割邊緣部分之間具有降低的高度，從而形成大致鞍形或雙曲拋物面)。如所示，頂面(冠部和凹陷區(qū)域之間)的總高度差等于深度717。依據(jù)一些實施例，切割元件的鞍形頂面可具有高度差717，根據(jù)切割元件的整體尺寸，高度差范圍為0.04英寸(1.02毫米)至0.2英寸(5.08毫米)。例如，在其他實施例中，相對于切割元件直徑的高度差717的范圍可為0.1至0.5，或0.15至0.4。此外，在一個或多個實施例中，在鄰近凹陷區(qū)域718的外圍邊緣處的金剛石高度(即，在切割元件的具有最低金剛石高度的一側(cè))可至少為0.04英寸(1.02毫米)。

圖12和13示出的切割元件頂面的幾何形狀也可參照x-y-z坐標(biāo)系來描述。例如，圖12示出的切割元件在圖14中沿x-y-z坐標(biāo)系重現(xiàn)。切割元件700具有于界面730處置于基體720上的超硬層710，以及與由此延伸穿過的z軸線一致的縱向軸線。形成于超硬層710上的非平面頂面705具有通過沿x軸線和y軸線變化高度(此處高度沿z軸線從共同的基準(zhǔn)平面測量)而形成的幾何形狀。如所示，在頂面中形成的頂峰高度(也可稱為在圖7中的切割冠部712)是沿y軸線在切割元件700的外圍邊緣715處形成的。圖15示出沿y軸線和z軸線的交叉面的切割平面700的剖視圖，也可視作冠部的剖面視圖。冠部的剖面視圖示出具有沿y軸線的可變高度的非均勻(非線性)冠部。具體而言，如所示，頂面幾何形狀的高度從鄰近外圍邊緣715(切割元件的任一側(cè))的頂峰高度向z軸線方向逐漸下降，從而沿y-z平面形成頂面705的凹狀橫截面形狀。圖16示出沿x軸線和z軸線的交叉面的切割元件700的剖視圖，并示出冠部的大體幾何剖面。如所示，頂面高度從外圍邊緣(也可稱為圖12中的凹陷區(qū)域718)向z軸線逐漸增加，從而形成沿x-z平面的頂面705的凸?fàn)顧M截面形狀。通過變化的高度形成的頂面705的三維形狀具有鞍形或雙曲拋物面形狀。

生產(chǎn)出圖3、8和12示出的切割元件的測試樣本(例如，分別為切割器300、500和700)并在不同鉆探環(huán)境下，將其與具有平面頂面的標(biāo)準(zhǔn)切割元件進行比對測試。圖17和18示出在威靈頓頁巖層、科爾頓砂巖層、迦太基大理石層和猶他湖石灰?guī)r層中，在0.04英寸(1.02毫米)切割深度(圖17)和0.08英寸(2.03毫米)(圖18)切割深度下，標(biāo)準(zhǔn)切割元件與切割元件300、500、700(分別在圖3、8和12中示出)的切割力對比表。圖19和20示出在威靈頓頁巖層，科爾頓砂巖層、迦太基大理石層和猶他湖石灰?guī)r層中，在0.04英寸(1.02毫米)切割深度(圖19)和0.08英寸(2.03毫米)切割深度(圖20)下，標(biāo)準(zhǔn)切割元件與所述切割元件的垂直力對比表。如所示，切割元件300以低大約30至40％的切割力和垂直力勝過標(biāo)準(zhǔn)切割元件。

圖21-24示出操作切割元件300，500，700(分別在圖3、8和12中示出)與標(biāo)準(zhǔn)切割元件相比較，通過五個測試道次得出的測試結(jié)果。特別地，圖21示出每種切割元件類型在每道次的垂直力，當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)切割元件相比較時，圖3示出的切割元件類型的垂直力減少大約28％。圖22示出每種切割元件類型在每道次的切割力，當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)切割元件相比較時，圖3示出的切割元件類型的切割力減少大約23％。圖23示出每種切割元件類型在每道次的溫度，當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)切割元件相比較時，圖23示出的切割元件類型的溫度降低大約20％。圖24示出五個測試道次后，形成在每種切割元件類型上的磨平面區(qū)域(即切割元件頂面磨損掉的區(qū)域)，圖3示出的切割元件類型較標(biāo)準(zhǔn)切割元件的磨損低約30％。

在以上討論的實施例中，切割元件的冠部在長度上線性延伸，但是在其他實施例中，冠部也具有沿其長度的大體凹狀形狀。本發(fā)明公開未做如此限制。相反，其他實施例可能涉及具有非平面超硬層的切割元件，所述超硬層具有延伸橫跨直徑(或至少一部分)的切割冠部，切割元件包括一個或多個沿冠部的長度的頂峰和/或低谷。

例如，圖25-27示出依據(jù)本公開的一些實施例的切割元件頂面。特別地，圖25示出形成于超硬層6010上的非平面頂面6005的俯視圖，圖26示出沿與軸向經(jīng)過切割元件的z軸線和徑向經(jīng)過切割元件直徑的y軸線相交的平面的頂面6005的剖視圖。特別是，沿冠部的長度的剖視圖，圖27示出沿與z軸線和x軸線相交的平面的頂面6005的剖視圖，在此x軸線徑向經(jīng)過切割元件的直徑并與x軸線垂直。頂面6005具有通過沿x軸線和y軸線均變化基體(圓周處)之上的超硬層高度而形成的幾何形狀，在此頂面的高度沿z軸線從共同的基準(zhǔn)平面，例如垂直于z軸線的平面測量，該平面軸向上低于頂面的最低高度。如圖26所示，頂面6005中的冠部6012的長度沿y軸線并鄰近切割元件的外圍邊緣6015形成。如所示，冠部6012(與以上圖3-6描述的冠部具有類似的曲率半徑)遠(yuǎn)離外圍邊緣6015線性地向z軸線延伸，并包括沿冠部的剖面的一部分的至少一個凹狀區(qū)域6007。在一個或多個實施例中，在外圍邊緣6015和至少一個凹狀區(qū)域6007之間可有至少為0.03英寸(0.76毫米)或0.04英寸(1.02毫米)的間距。外圍邊緣6015到達(dá)鄰近切割冠部6012的頂峰高度，當(dāng)切割元件與地層接合時，其形成切割邊緣。冠部剖面中的凹狀區(qū)域6007沿y軸線形成，以致頂面高度沿y軸線從外圍邊緣向z軸線降低，從而形成凹狀橫截面形狀。因此，切割元件具有切割區(qū)域鄰近外圍邊緣的冠部(具有如上定義的曲率半徑)，所述切割區(qū)域向后從外圍邊緣向z軸線(或基體的中心軸線)過渡到凹狀或改變的區(qū)域。如圖27所示，頂面6005的最低高度6008沿x軸線并鄰近外圍邊緣6015形成。頂面的高度自最低高度6008向改變的區(qū)域6007逐漸增加。在沿垂直于y軸線的平面與最高高度6006或切割冠部相交叉的頂面剖視圖中，高度自外圍邊緣向最高高度逐步增加，從而形成頂面6005的凸?fàn)顧M截面形狀。在一些實施例中，頂面可線性延伸至最高高度或可具有大體凸?fàn)顝澢?，任何一個均可切向地過渡到具有如前所述的曲率半徑范圍的中心頂端或頂峰。通過變化的高度形成的頂面6005的三維形狀具有拋物柱面形狀，條形的凹陷形成于拋物線的頂峰的一部分中。

圖28-30示出依據(jù)本公開的實施例的另一個切割元件頂面示例，頂面具有沿切割冠部形成于頂面內(nèi)的至少一個凹狀(或以其他方式改變的)區(qū)域。特別地，圖28示出超硬層6310的非平面頂面6305的俯視圖，圖29示出沿與軸向經(jīng)過切割元件的z軸線和徑向經(jīng)過切割元件直徑的y軸線相交的平面的頂面6305的剖視圖，圖30示出沿與z軸線和x軸線相交的平面的頂面6305的剖視圖，在此x軸線徑向經(jīng)過切割元件的直徑并與y軸線垂直。頂面6305具有通過沿x軸線和y軸線變化高度而形成的幾何形狀，在此頂面幾何形狀的高度沿z軸線從共同的基準(zhǔn)平面進行測量。如圖29所示，冠部6312(一般具有非平面切割元件的最高高度)沿y軸線形成于頂面6305內(nèi)。冠部可與外圍邊緣6315相交并從外圍邊緣6315向內(nèi)徑向延伸橫跨切割元件直徑的至少一部分。如所示，切割冠部6312的與外圍邊緣鄰近的部分可稱為切割部分。沿y-z橫截面平面，頂面6305包括位于切割元件兩側(cè)的切割冠部6312(具有最高高度6306)，其遠(yuǎn)離外圍邊緣6315向中心軸線(z軸線)延伸。離邊緣和切割區(qū)域的一段距離內(nèi)，冠部6312包括多個形成于此的凹狀區(qū)域。相比圖25-27，圖28-30中的切割元件具有兩個較短的改變的區(qū)域，其沿中心切割冠部在到達(dá)中心軸線之前自最高高度6306過渡。

兩個凹狀區(qū)域6307沿y軸線形成，以致冠部的高度沿y軸線從頂峰高度下降，從而形成凹狀橫截面形狀。除此沿冠部的剖面的形狀外，沿x-z或冠部的幾何形狀視圖，還可具有高度變化。如圖30所示，形成于頂面6305內(nèi)的最低高度6308沿x軸線并鄰近外圍邊緣6315形成。頂面幾何形狀的高度從最低高度6308向z軸線逐漸增加，從而形成沿與z和y軸線相交的平面的凸?fàn)顧M截面形狀。如果沿在鄰近外圍邊緣的切割冠部之一處沿x軸線與y-z平面平行的平面，則切割元件將具有類似的總體橫截面形狀。在該平面和y-z平面之間，沿x軸線與y-z平面平行的另一個平面(并與改變的區(qū)域相交)可具有兩個向中心凹狀區(qū)域延伸的側(cè)壁，類似于圖27所示的整體幾何形狀。如圖28所示，通過變化的高度形成的頂面6305的三維形狀具有拋物柱面形狀，具有兩個沿拋物線頂峰或冠部所形成的改變的區(qū)域。在其他實施例中，沿切割元件頂面的非平面形狀可形成多于兩個的改變的區(qū)域。

雖然上述實施例示出呈現(xiàn)大體凸?fàn)畹难毓诓块L度的改變的區(qū)域，然而，應(yīng)該注意到，如在此所采用的，改變的區(qū)域可包括切割元件頂面上的在頂面(或冠部)的以其他方式連續(xù)形狀中呈現(xiàn)不連續(xù)性的區(qū)域。改變的區(qū)域可具有不同形狀和尺寸。例如，改變的區(qū)域可具有平面或非平面橫截面形狀。依據(jù)一些實施例，在沿與改變的區(qū)域相交并經(jīng)過切割元件軸向延伸的平面的頂面的剖視圖中，頂面的高度可從外圍邊緣向改變的區(qū)域逐漸增加，根據(jù)從外圍邊緣向改變的區(qū)域逐漸增加的高度的坡度，而形成裁切的或截斷的拋物線或梯形。例如，圖31示出切割元件頂面6605幾何形狀的剖視圖，該剖視圖沿經(jīng)過切割元件軸向延伸并與形成于頂面6605內(nèi)的改變的區(qū)域6606相交的平面，在此改變的區(qū)域具有平面橫截面形狀。當(dāng)沿與圖31中的視圖垂直的橫截面平面看時，改變的區(qū)域6606可具有凹形狀。例如，圖32示出切割元件頂面6705的幾何形狀的剖視圖，該剖視圖沿經(jīng)過切割元件軸向延伸并與形成于頂面內(nèi)的改變的區(qū)域6706相交的平面，在此改變的區(qū)域6706具有凹狀橫截面形狀。當(dāng)沿與圖32中的視圖垂直的橫截面平面看時，改變的區(qū)域6706可具有平面或非平面形狀。

以另一種方式描述，改變的區(qū)域可具有長度和寬度，在此，長度沿冠部的方向延伸，而寬度以垂直于沿切割元件頂面的冠部的長度的方向延伸。沿其長度的改變的區(qū)域的剖視圖可具有平面或非平面形狀，沿其寬度的改變的區(qū)域的剖視圖可具有平面或非平面形狀。例如，改變的區(qū)域可具有沿其長度的凹狀橫截面形狀和沿其寬度的凹狀橫截面形狀。在另一個示例中，改變的區(qū)域可具有沿其長度的平面橫截面形狀以及沿其寬度的凹狀橫截面形狀。具有在頂面中形成的至少一個改變的區(qū)域的切割元件的切割效率、切割控制深度以及正面沖擊耐受力均有提高。

除了使改變的凹狀區(qū)域沿冠部的長度，還可具有沿冠部的長度的突起，或在側(cè)向延伸的頂面部分的任何部位處的凹槽或突起，例如以形成斷屑器，該斷屑器在切割元件接合地層時幫助切斷地層切屑。

進一步，如上所述，冠部的幾何形狀可具有大體凸?fàn)畹臋M截面剖面圖(側(cè)向延伸入凹陷區(qū)域)；然而，本發(fā)明公開未做如此限制。相反地，現(xiàn)參見圖33，切割冠部3312具有大致恒定的高度，類似于圖5-6所示的實施例。然而，非平面頂面3305未形成從切割冠部3312向凹陷區(qū)域3318過渡的簡單的凸?fàn)畋砻妗Ｏ喾吹?，非平面頂?305具有波狀平面，遠(yuǎn)離切割冠部3312側(cè)向延伸直到到達(dá)凹陷區(qū)域3318(即具有波峰和波谷)。換言之，非平面頂面3305可具有至少一個條形的次級冠部3342，其形成于切割冠部3312和凹陷區(qū)域3318之間的側(cè)向空間內(nèi)。在一個或多個實施例中，如所示，切割冠部可與條形的次級冠部大致平行；然而，在其他實施例中，次級冠部可具有向外圍邊緣弓彎的彎曲部，而切割冠部可為大致線性。

進一步，雖然圖33所示的實施例示出的非平面頂面3305從切割冠部3312向條形的低谷3344，至條形的頂峰3342，再至凹陷區(qū)域3318平滑地過渡，本公開未做如此限制。相反地，可能取而代之的是切割冠部3312和凹陷區(qū)域3318之間為不平滑的過渡，從而形成條形的次級冠部3342，其形成于切割冠部3312和凹陷區(qū)域3318之間的側(cè)向空間內(nèi)。

現(xiàn)參見圖34，示出非平面頂面的另一個實施例。如所示，切割冠部7812具有大致恒定的高度，類似于圖5-6所示的實施例。非平面頂面7805未形成從切割冠部7812向凹陷區(qū)域7818過渡的簡單的凸?fàn)畋砻?，其遠(yuǎn)離切割冠部7812延伸一段側(cè)向距離。非平面頂面7805可具有至少一個次級冠部7242，其形成于切割冠部7812和凹陷區(qū)域7818之間的側(cè)向空間內(nèi)。雖然圖33所示的實施例包括與條形的次級冠部大致平行的切割冠部，但在圖34所示的實施例中，次級冠部7842可具有向外圍邊緣7815弓彎的彎曲部(沿x軸線)，而切割冠部7812可為大致線性。進一步，雖然圖33所示實施例中的條形的次級冠部7842延伸至外圍邊緣7125，但次級冠部7842沿y軸線未延伸到外圍邊緣7815。在此類實施例中，次級冠部可沿y軸線沿30-90％邊到邊長度延伸。在一個或多個實施例中，次級冠部可線性延伸或可具有向外圍邊緣弓彎(沿x軸線)的彎曲部。

除了上述具有兩個切割邊緣部分的非平面工作表面(例如圖3-7中的切割邊緣部分316)，本公開的實施例還可包括此類實施例，其包括多于兩個的切割邊緣部分。例如，參見圖55-57，示出切割元件的另一個實施例。切割元件5500包括基體5520上的超硬層5510，在此非平面頂面5505幾何形狀形成于超硬層5510上。超硬層5510具有圍繞頂面5505(并定義其邊界)的外圍邊緣5515。頂面5505包括多個切割冠部5512(所示實施例中為三個，每個相互成120度)，它們在基體5520上方延伸高度5514。類似于以上所描述的實施例，切割冠部5512形成非平面工作平面5505以及切割元件5500的頂峰或最高高度。外圍邊緣5515的鄰近冠部5512的部分形成切割邊緣部分5516。不同于以上所描述的實施例，所述實施例包括沿切割元件的直徑延伸的切割冠部，切割冠部5512從切割邊緣部分5516朝向中心軸線5501徑向向內(nèi)延伸，并在頂面5505的中心區(qū)域5507內(nèi)相交。在所描述的實施例中，中心區(qū)域5507處于與在切割邊緣部分5516處的切割冠部5512的高度相同或大致相同的高度5514，但是為大致平面的或平的，凸起過渡到止于凹陷區(qū)域的凹面。在一些實施例中，中心區(qū)域5507可低于或高于切割邊緣部分5516，并且雖然如所示，中心區(qū)域5507為大致平的，但是也可以是曲面狀的。進一步，在一個或多個實施例中，中心區(qū)域5507可沿切割元件直徑的1/8或2/3延伸。

每個切割冠部5512的頂峰具有凸?fàn)顧M截面形狀(沿垂直于切割冠部長度的平面看)，曲率半徑從0.02英寸(0.5毫米)至0.3英寸(7.6毫米)，或在另一個實施例中，從0.06英寸(1.5毫米)至0.18英寸(4.6毫米)。雖然未示出，但外圍邊緣的至少一部分(例如，切割邊緣部分和圍繞以預(yù)期切割深度與地層接觸的邊緣部分延伸)可被形成為斜坡或斜面。在其他實施例中，整個外圍邊緣可被形成為斜面。進一步，在一些實施例中，斜面或斜坡可在冠部和低谷之間變化。

現(xiàn)參見圖58-59，示出切割元件的另一個實施例。切割元件5800包括基體5820上的超硬層5810，在此非平面頂面5805幾何形狀形成于超硬層5810上并且被外圍邊緣5815圍繞。頂面5805包括多個切割冠部5812(所示實施例中為四個，每個相互成90度)，它們在基體5820上方延伸高度5814。類似于圖55所示實施例，切割冠部5812從切割邊緣部分5816朝向中心軸線5801徑向向內(nèi)延伸，并在頂面5805的中心區(qū)域5807相交。在所描述的實施例中，中心區(qū)域5507處于與在切割邊緣部分5516處的切割冠部5512的高度相同或大致相同的高度5514，但是為大致平面的或平的，凸起過渡到止于凹陷區(qū)域5818的凹面。每個切割冠部5812的頂峰具有凸?fàn)顧M截面形狀(沿垂直于切割冠部長度的平面看)，曲率半徑從0.02英寸(0.5毫米)至0.30英寸(7.6毫米)，或在另一個實施例中，從0.06英寸(1.5毫米)至0.18英寸(4.6毫米)。切割冠部5812之間的低谷的曲率半徑可在這樣的范圍內(nèi)或不同。進一步，根據(jù)切割元件在切割器囊中的方位、切割冠部間的距離以及切割深度，多個切割邊緣部分可同時與地層切割。例如，對于圖58所示的切割元件，當(dāng)切割元件以低谷的冠部垂直于地層放置時，可以達(dá)到這樣的效果。

現(xiàn)參見圖60-62，示出切割元件的另一個實施例。切割元件6100包括基體6120上的超硬層6110，在此非平面頂面6105形成于超硬層6110上并且被外圍邊緣6115圍繞。頂面6105包括切割冠部6112，其形成非平面工作平面6105以及切割元件6100的頂峰或最大高度。切割冠部6112沿切割元件6100的直徑延伸。外圍邊緣6115的鄰近切割冠部6112的部分形成切割邊緣部分6116。與上述包括大致均勻高度的切割冠部的實施例不同，切割冠部6112具有橫跨沿y軸線的切割元件6100的直徑的高度6114，頂峰高度6114鄰近中心軸線6101。頂面6105的高度從頂峰高度6114在遠(yuǎn)離中心(或z)軸線6101沿x和y軸線延伸的方向上下降。然而，沿y軸線有不連續(xù)的切割冠部6112，其具有沿其長度的連續(xù)的曲線狀的橫截面(從圖61的y-z平面視圖看到)，這種切割冠部6112具有的曲率半徑(垂直于y軸線和切割冠部6112的長度進行測量)小于(例如，明顯小于)頂面6105的其余部分的彎曲部。這種曲率半徑的范圍可為0.02英寸(0.5毫米)至0.30英寸(7.6毫米)，或其他實施例中，0.06英寸(1.5毫米)至0.18(4.6毫米)英寸。如所示，頂面6105在垂直于且平分切割冠部6112的長度的橫截面(從圖62的x-z平面看)線性延伸到外圍邊緣6115，線性區(qū)段6108相切地連接到具有上述曲率半徑的切割冠部6112。線性區(qū)段6108之間是角度6111，其范圍從110度至160度。線性區(qū)段和切割冠部之間的頂面6105可呈大體凹狀。

依據(jù)本公開的實施例，具有帶有非平面頂面的超硬層的切割元件，如以上所描述的，可具有形成于超硬層和基體之間的非平面界面。例如，依據(jù)本公開的實施例，切割元件可包括基體；基體的上表面包括冠部，冠部沿基體的直徑的至少大部分延伸，上表面從冠部過渡到下陷區(qū)域；以及置于基體上表面的超硬層，從而于其間形成的非平面界面。超硬層的頂面可具有至少一個切割冠部，所述切割冠部從頂面的外圍邊緣的切割邊緣部分徑向向內(nèi)朝向中心軸線延伸，外圍邊緣的高度在遠(yuǎn)離至少一個切割冠部和切割邊緣部分而向外圍邊緣的另一部分的方向上下降。

在一些實施例中，切割元件可具有帶有側(cè)表面的基體、冠部和至少一個下陷區(qū)域，在此，位于冠部處的基體的高度高于沿至少一個下陷區(qū)域的基體的高度。冠部和所述至少一個下陷區(qū)域可定義具有大致雙曲拋物面形狀或拋物柱面形狀的基體界面，或上表面。切割元件可進一步具有置于基體界面上的超硬層，從而形成一個非平面界面，在此，超硬層具有圍繞著頂面的外圍邊緣，頂面具有至少一個切割冠部，切割冠部沿外圍邊緣的一部分在基體部分上方延伸一個高度，從而形成第一切割邊部分和至少一個凹陷區(qū)域，所述凹陷區(qū)域具有自切割冠部的高度連續(xù)下降的高度，高度在遠(yuǎn)離切割冠部向外圍邊緣的另一部分的方向上下降。

對超硬層頂面和基體上表層的非平面形狀的描述貫穿本申請分別予以描述，除少數(shù)情況在一起進行描述。然而，本公開的實施例可包括將在此描述的任何非平面超硬層頂面設(shè)計與在此描述的任何非平面基體上表面設(shè)計結(jié)合使用的切割元件。

圖35示出依據(jù)本公開的實施例的未組裝的切割元件的一個例子。切割元件200具有基體220和超硬層210。基體220具有側(cè)表面222、冠部224和至少一個遠(yuǎn)離冠部224側(cè)向延伸的下陷區(qū)域226?；w220具有沿冠部的高度225，高于沿所述至少一個下陷區(qū)域226的高度，以致冠部224和所述至少一個下陷區(qū)域226定義具有雙曲拋物面形狀的上表面228的至少一部分。冠部224可被定義為基體220的沿橫跨切割元件的直徑(或切割元件的直徑的至少一部分)的一個方向延伸的具有最大高度的區(qū)域，而下陷區(qū)域226可被定義為基體220的具有低于冠部高度的高度的區(qū)域下陷區(qū)域226的高度在遠(yuǎn)離冠部大體垂直于冠部長度的方向上在高度上大體降低。依據(jù)本公開的實施例，非平面基體上表面可包括冠部和下陷區(qū)域，所述冠部和下陷區(qū)域具有范圍為0.04英寸(1.02毫米)和0.4英寸(10.16毫米)之間的高度差(在最高高度和下陷區(qū)域的最低點之間)。進一步，在一個或多個實施例中，鄰近冠部224的徑向端為向基體側(cè)表面的階梯形過渡227，以致切割冠部的切割邊緣部分在切割邊緣后具有足夠的厚度來承受鉆井時的切割磨損和/或負(fù)荷。例如，階梯形過渡227可圍繞基體的整個圓周延伸，并能夠具有圍繞整個圓周的統(tǒng)一的或不統(tǒng)一的階梯。在一個或多個實施例中，相對于直徑的階梯形過渡227的寬度可在0.03至0.25的范圍，相對于基體的總高度225的階梯形過渡227的高度可在0.03至0.2的范圍。進一步，雖然所示階梯形過渡227呈凹狀表面，也可采用凸?fàn)詈椭卞F狀過渡。

超硬層210具有圍繞頂面205的外圍邊緣215，頂面205具有至少一個切割冠部212，其沿外圍邊緣215的一部延伸高度214，從而形成第一切割邊緣部分216。切割冠部212從第一切割邊緣部分216徑向向內(nèi)朝向中心軸線延伸，且延伸橫跨切割元件的直徑。至少一個凹陷區(qū)域218遠(yuǎn)離切割冠部212側(cè)向延伸。外圍邊緣215呈波狀起伏且在遠(yuǎn)離切割冠部212和切割邊緣部分216向沿外圍邊緣的另一部分形成的至少一個凹陷區(qū)域218的方向上在高度上降低。換言之，頂面205可具有從切割冠部212向至少一個凹陷區(qū)域218逐漸降低的高度。如所示，切割冠部212和凹陷區(qū)域218形成具有拋物柱面的頂面205，但是也可以采用上述任何頂面或任何其他幾何形狀。進一步，如所示，頂面205具有非平面形狀，其區(qū)別于基體上表面228的形狀。盡管頂面205和基體上表面228之間的幾何形狀類型不同，但在一個或多個實施例中，頂面205的冠部212和上表面228的冠部224可大致對準(zhǔn)，即，共平面或在5度范圍內(nèi)的共平面，或0.1英寸(2.54毫米)內(nèi)的側(cè)向?qū)?zhǔn)或5％(直徑)內(nèi)的側(cè)向?qū)?zhǔn)。在其他實施例中，超硬層的非平面頂面可大致與基體上表面的形狀對應(yīng)。例如，切割元件可具有帶雙曲拋物面形狀頂面的超硬層和帶雙曲拋物面形狀上表面的基體。在其他實施例中，超硬層的切割冠部和基體的冠部可具有大致類似的曲率。例如，曲率可彼此相差20％內(nèi)，在其他實施例中，10％或5％以內(nèi)。

當(dāng)將超硬層210組裝到基體220上時，超硬層界面和基體上表面228之間形成非平面界面，在此超硬層界面與基體上表面228配合。

圖35中所示的切割元件基體的幾何形狀也可用x-y-z坐標(biāo)系進行描述?；w220具有非平面上表面228、側(cè)表面222和與由此延伸穿過的z軸線一致的縱向軸線。非平面上表面228具有通過沿x軸線和y軸線變化高度(在此高度沿z軸線測量)而形成的幾何形狀。如上對超硬層的描述，冠部224包括相對于z軸線的頂峰高度。冠部224沿基體220的y軸線延伸。也就是說，y軸線被定義為延伸穿過冠部224長度。進一步，雖然本公開的一個或多個實施例中涉及冠部(在峰高度)延伸橫跨切割元件的整個直徑，但基體的冠部224可延伸少于整個直徑，即上表面可延伸至冠部224的頂峰，其延伸小于整個直徑，且可過渡到鄰近側(cè)表面222形成的階梯形部分227。圖36示出沿y軸線和z軸線的相交平面的基體220的剖視圖(即冠部的剖面視圖)。如所示，基體上表面的高度自峰高度向z軸線逐漸下降，而形成凹狀橫截面形狀的冠部224，其由上表面228中的階梯形部分227作邊界。圖37示出沿x軸線和z軸線的相交平面的基體220的剖視圖(即冠部的幾何形狀視圖)，顯示基體上表面的高度從位于z軸線的冠部224向較低高度(也可指圖35中的下陷區(qū)域226)逐漸下降，從而形成凸?fàn)顧M截面形狀，其由基體上表面228中的階梯形部分227作邊界。進一步，在一個或多個實施例中，冠部224的曲率半徑范圍可從0.02英寸(0.5毫米)至0.30英寸(7.6毫米)。如上所討論的，形成于超硬層中的切割冠部可具有的曲率半徑范圍可為0.06英寸(1.5毫米)至0.18英寸(4.6毫米)。由變化的高度形成的基體上表面228的三維形狀具有大致連續(xù)的雙曲拋物面形狀，其由階梯形部分227作邊界。

圖38-41示出依據(jù)本公開的實施例的基體的另一示例?；w2320具有側(cè)表面2322、冠部2324和從冠部2324側(cè)向延伸的至少一個下陷區(qū)域2326?；w2320具有沿冠部2324的高度2325，其高于沿所述至少一個下陷區(qū)域2326的高度。冠部2324和下陷區(qū)域2326定義具有大體拋物柱面形狀的上表面2328。如所示，冠部2324具有延伸橫跨基體直徑的一部分(至少大部分)的條形的形狀，頂峰高度位于冠部2324的徑向端。鄰近冠部2324的徑向端為錐形過渡2330，其將基體上表面2328從冠部2324過渡到基體側(cè)表面2322。進一步，與圖35所示的階梯形過渡227不同，其圍繞整個基體圓周延伸，本實施例包括錐形過渡2330，其圍繞基體圓周的一部分延伸，特別是鄰近冠部2324的徑向端。在與超硬層組裝時，可包括錐形過渡2330，以致(超硬層的)切割冠部的切割邊緣部分可在切割邊緣后具有足夠的厚度承受鉆探時的切割磨損和/或者負(fù)荷。在一個或多個實施例中，相對于直徑的錐形過渡2330的寬度2334(朝向中心軸線的徑向?qū)挾?范圍可為0.03至0.25，相對于基體總高度2325的錐形過渡2330的高度2332范圍可為0.03至0.2。如所示，錐形過渡2330具有凹狀平面幾何形狀，但是可以預(yù)期到也可以采用平面或凸?fàn)铄F形過渡。

除鄰近冠部2324的徑向端的錐形過渡2330，基體的高度側(cè)向從冠部2324向下陷區(qū)域2326進一步降低。進一步，從冠部2324到下陷區(qū)域2326的高度變化可不形成連續(xù)的拋物柱面，但是取而代之的是可形成大體拋物柱面形狀。例如，在冠部2324和下陷區(qū)域2326之間，上表面在過渡到下陷區(qū)域2326前，會過渡到平臺2327。在所示的實施例中，平臺2327大致沿冠部2324的長度延伸，側(cè)向且軸向遠(yuǎn)離冠部2324一段距離。如所示，下陷區(qū)域2326在冠部2324下方延伸深度2336，其大于在錐形過渡2330處的冠部2324的高度2332。在一個或多個實施例中，在錐形過渡2330處的冠部2324的高度2332與在冠部2324前的下陷區(qū)域2326的深度2336的比率范圍可為0.1至1，或在更特定的實施例中，為0.2到0.6。

除了側(cè)向延伸遠(yuǎn)離冠部2324而形成平臺2327的不連續(xù)性彎曲，如圖39所示，基體上表面的高度可具有形成冠部2324的一個或多個頂峰或低谷，包括一個或多個凹狀區(qū)域2329。具體地講，如所示，冠部2324包括兩個大致平行的頂峰，其具有沿冠部2324相當(dāng)一段長度延伸的條形的凹狀區(qū)域或凹槽2329。鄰近基體2320的中心軸線，凹狀區(qū)域2329更為明顯，更深地延伸入基體2320，且具有更大的側(cè)向范圍。借助凹狀區(qū)域2329的這種較大的深度和側(cè)向范圍，鄰近基體的中心軸線，冠部2324類似地側(cè)向向外弓彎，并具有與冠部2324的徑向端相比降低的高度。如以下所述，在基體上表面中可形成其他類型的表面改變和組合。

現(xiàn)參見圖42，示出依據(jù)本公開的實施例的未組裝的切割元件的另一示例。切割元件2600具有基體2620和超硬層2610?；w2620具有側(cè)表面2622和非平面上表面2628，非平面上表面的幾何形狀由高度變化定義。如所示，基體2620具有延伸橫跨基體2620的直徑的冠部2624和遠(yuǎn)離冠部2624側(cè)向延伸的至少一個下陷區(qū)域2626。基體2620的高度從冠部2624的頂峰高度(在冠部的徑向外端)向中心區(qū)域2621以及至少一個下限區(qū)域2626降低。冠部2624、下陷區(qū)域2626以及冠部2624區(qū)域和下陷區(qū)域2626之間變化的高度形成具有大致拋物柱面形狀的基體上表面2628。超硬層2610具有超硬層界面2617、與超硬層界面2617相反的頂面2605以及圍繞頂面2605的外圍表面2615。超硬層2610的頂面2605具有如上所述的拋物柱面形狀。將超硬層2610組裝到基體2620時，超硬層界面2617和基體上表面2628之間形成非平面界面。

進一步，基體上表面2628可具有大致雙曲拋物面形狀，至少一個表面改變結(jié)構(gòu)形成于其上。所述至少一個表面改變結(jié)構(gòu)包括至少一個凸起2625。凸起2625可圍繞基體上表面2628上的中心區(qū)域2621徑向地分散。超硬層界面具有于此之上徑向分散的相對應(yīng)的小凹陷，以致超硬層界面與基體上表面2628相配合。在一些實施例中，凸起(和對應(yīng)的小凹陷)可圍繞界面呈軸對稱、對稱或者不對稱。進一步，在一些實施例中，基體上表面可具有一個凸起，而在其他實施例中，基體上表面可具有多于一個的凸起。

圖43示出依據(jù)本公開的實施例的未組裝的切割元件基體的另一示例。切割元件2900具有基體2920和超硬層2910。基體2920具有側(cè)表面2922、冠部2924和遠(yuǎn)離冠部2924側(cè)向延伸的至少一個下陷區(qū)域2926?；w2920在冠部2924處具有高度2925，其高于在所述至少一個下限區(qū)域2926處的高度，以致冠部2924和所述至少一個下陷區(qū)域2926限定出具有拋物柱面形狀的基體上表面2928。在所示實施例中，冠部2924(沿頂峰的頂端具有高度2925)延伸橫跨上表面2928的直徑的大部分。與從冠部2924的徑向端的高度降低的傾斜率相比較，基體的高度以更大的傾斜率從鄰近基體的中心軸線的冠部2924降低高度。超硬層2910具有圍繞頂面2905的外圍邊緣2915和與頂面2905相反的超硬層界面。頂面2905具有切割冠部2912，其沿外圍邊緣2915的一部分延伸高度2914，從而形成第一切割邊緣部分2916以及遠(yuǎn)離切割冠部2912側(cè)向延伸的至少一個凹陷區(qū)域2918。頂面2905的高度在遠(yuǎn)離切割冠部朝向外圍邊緣的另一部分的方向上連續(xù)降低。

進一步，基體上表面2928可包括圍繞其外圍形成的階梯形部分2927。如所示，階梯形部分2927具有高度，其小于基體上表面的徑向向內(nèi)且鄰近的部分。階梯形部分2927與基體上表面的徑向向內(nèi)且鄰近的部分之間的高度差可圍繞整個外圍相等，以致階梯形部分2927可具有與基體上表面的徑向向內(nèi)且鄰近的部分的拋物柱面形狀相對應(yīng)的形狀。換言之，階梯形部分2927可具有使基體上表面2928的其余部分的拋物柱面形狀的總體彎曲得以連續(xù)的形狀，但是在低于徑向向內(nèi)且鄰近的部分的高度下與基體上表面2928的其余部分脫離。圖35所示的切割元件200也具有圍繞基體的外圍(鄰近側(cè)表面)形成的階梯形部分，在此階梯形部分具有使其余的基體界面的大體鞍形形狀得以連續(xù)的形狀，但是在較低的高度下與其余的基體界面脫離。

超硬層2910可具有與基體階梯形部分2927相對應(yīng)的階梯，以致超硬層界面與基體上表面2928相配合。將超硬層2910組裝到基體2920時，超硬層界面與基體上表面2928之間形成非平面界面。

依據(jù)本公開的實施例，切割元件基體可具有階梯形部分和形成于基體界面中的至少一個表面改變結(jié)構(gòu)。例如，現(xiàn)參見圖44，示出依據(jù)本公開的實施例的未組裝的切割元件基體的另一示例。切割元件具有基體3220和超硬層?；w3220具有側(cè)表面3222、冠部3224以及從冠部3224側(cè)向延伸的至少一個下陷區(qū)域3226。基體3220具有沿冠部3224的高度3225，其大于沿所述至少一個下陷區(qū)域3226的高度。冠部3224和下陷區(qū)域3226限定出具有拋物柱面形狀的基體上表面3228。

如所示，從冠部3224到下陷區(qū)域3226的高度的變化可不形成連續(xù)的拋物柱面形狀，但是取而代之的是可形成具有形成于其上的至少一個平面改變結(jié)構(gòu)3225的大體拋物柱面形狀。進一步，基體上表面3228可包括圍繞其外圍形成的階梯形部分3227。如所示，階梯形部分3227具有高度，其小于基體上表面3228的徑向向內(nèi)且鄰近的部分。階梯形部分3227與基體上表面3228的徑向向內(nèi)且鄰近的部分之間的高度差可圍繞整個外圍相等，以致階梯形部分3227具有與基體上表面3228的徑向向內(nèi)且鄰近的部分的拋物柱面形狀相對應(yīng)的彎曲。進一步，基體上表面3228具有至少一個表面改變結(jié)構(gòu)3225，其包括多個平行(或大致平行)的凹槽，其延伸階梯形部分3227之間的上表面的距離。然而，在其他實施例中，一個或多個凹槽可形成于基體界面中，且例如，可為平行，或不平行，或軸對稱的。

現(xiàn)參看圖45，其示出依據(jù)本公開的實施例的未組裝的切割元件基體的另一示例。切割元件具有基體3520和超硬層。基體3520具有側(cè)表面3522、冠部3524和遠(yuǎn)離冠部3524側(cè)向延伸的至少一個下陷區(qū)域3526。沿冠部3524的基體3520的高度3525大于沿所述至少一個下陷區(qū)域3526的基體的高度?；w的高度從冠部3524朝向基體的中心軸線以及從冠部沿側(cè)表面3522朝向下陷區(qū)域3526降低。冠部3524和下陷區(qū)域3526之間變化的高度限定出具有大體雙曲拋物面形狀的基體上表面3528。如所示，從冠部3524到下陷區(qū)域3526的高度的變化可不形成連續(xù)的雙曲拋物面形狀，但取而代之的是可形成具有至少一個表面改變結(jié)構(gòu)3525的雙曲拋物面形狀。例如，所述至少一個表面改變結(jié)構(gòu)3525可包括形成環(huán)形的至少一個隆起。如所示，所述至少一個表面改變結(jié)構(gòu)3525包括形成于基體界面3528上的兩個同心的環(huán)。然而，在其他實施例中，雙曲拋物面形狀的基體上表面中可形成多于或少于兩個的環(huán)。

圖46-50示出依據(jù)本公開的一些實施例的切割元件采用的基體。參見圖46，依據(jù)本公開的實施例，基體3820具有側(cè)表面3822、冠部3824和側(cè)向延伸遠(yuǎn)離冠部3824的至少一個下陷區(qū)域3826。沿冠部的基體3820的高度3825大于沿所述至少一個下陷區(qū)域3826的高度。冠部3824和下陷區(qū)域3826限定出具有拋物柱面形狀的基體上表面3828，其延伸切割元件直徑的相當(dāng)大部分但非全部。上表面還包括錐形過渡3830，形成于冠部3824的鄰近側(cè)表面3822的徑向端。

圖47示出依據(jù)本公開的其他實施例的基體3920，其具有側(cè)表面3922、冠部3924和遠(yuǎn)離冠部3924側(cè)向延伸的至少一個下陷區(qū)域3926。沿冠部3924的基體3920的高度3925大于沿所述至少一個下陷區(qū)域3926的高度。圍繞基體上表面3928的外圍形成階梯形部分3927，在此沿階梯形部分3927的基體的高度小于具有冠部3924和下陷區(qū)域3926的上表面的其余部分。如所示，階梯形部分3927圍繞上表面3928外圍具有統(tǒng)一高度，以致階梯形部分3927與基體上表面3928的其余部分的形狀不對應(yīng)。冠部3924和下陷區(qū)域3926限定出上表面3928的一部分，其具有由階梯形部分3927圍繞的拋物柱面形狀，在此冠部3924從階梯形部分3927的一側(cè)向階梯形部分3927的相對側(cè)延伸。在一個或多個實施例中，階梯形部分3927的寬度可為至少0.015英寸(0.38毫米)，或在其他實施例中，為至少0.02英寸(0.5毫米)，上可至0.3英寸(7.6毫米)。進一步，在一個或多個實施例中，相對于直徑，階梯形部分的寬度的范圍可為0.03至0.25，相對于基體的總高度，階梯形部分的高度范圍可為0.03至0.02。此外，雖然所示實施例示出大致平或平面的階梯形部分3927，但在本申請范圍內(nèi)，階梯形部分3927可形成彎曲的或其他非平面環(huán)形區(qū)域。

圖48示出依據(jù)本公開的其他實施例的基體4020，其具有側(cè)表面4022、冠部4024和遠(yuǎn)離冠部4024側(cè)向延伸的至少一個下陷區(qū)域4026?；w4020具有沿冠部4024的高度4025，其大于沿所述至少一個下陷區(qū)域4026的高度。如所示，基體4020位于冠部4024的高度可朝向下陷區(qū)域4026逐漸下降，例如以恒定變化率或沿一曲率半徑下降，然后高度可陡降或下落至下陷區(qū)域4026。依據(jù)本公開的實施例，基體的高度可從至少一個冠部向下陷區(qū)域逐漸和/或突然變化，例如，高度可具有恒定傾斜度、恒定變化率，或曲率半徑、變化的傾斜度、變化的變化率、恒定和變化的傾斜度或變化率的組合、或下落(即無限定的垂直傾斜度)。進一步，階梯形部分4027圍繞基體上表面4028外圍形成，在此階梯形部分4027具有小于冠部4024和下陷區(qū)域4026兩者的高度。如所示，階梯形部分4027具有圍繞基體上表面4028外圍的統(tǒng)一的高度，以致階梯形部分4027與基體上表面4028的其余部分的形狀不對應(yīng)。冠部4024和下陷區(qū)域4026限定上表面4028的一部分，其具有由階梯形部分4027圍繞的大體拋物柱面形狀，在此冠部4024從階梯形部分4027的一側(cè)向階梯形部分4027的相對側(cè)延伸。進一步，上表面4028的位于階梯形部分4027內(nèi)的部分具有圍繞其形狀邊界的圓倒角4029。然而，其他實施例可具有不同形狀的倒角或斜坡圍繞基體上表面的一個或多個區(qū)域的整個或部分邊界形成。

在一些實施例中，基體的高度可從冠部向下陷區(qū)域不連續(xù)地下降。例如，圖49示出依據(jù)本公開的一些實施例的基體4120?；w4120具有側(cè)表面4122、冠部4124和與冠部4124側(cè)向隔開的至少一個下陷區(qū)域4126。波狀表面4132從冠部4124至下陷區(qū)域4126延伸，形成低谷和斜坡形，在此斜坡的高度低于冠部4124的高度。進一步，下陷區(qū)域4126的高度低于低谷的高度。在冠部4124和波狀表面4132的徑向端，基體包括錐形過渡4130，將冠部4124和波狀表面4132過渡到側(cè)表面4122。進一步，沿冠部4124和波狀表面4132的鄰近錐形過渡4130的徑向端形成斜坡4129。

在一些實施例中，基體的高度可從冠部向下陷區(qū)域不連續(xù)地下降。例如，圖50示出依據(jù)本公開的一些實施例的基體4220，其具有冠部4224和與冠部4224側(cè)向間隔開的至少一個下陷區(qū)域4226，在此沿冠部4224的基體的高度4225大于位于下陷區(qū)域4226的基體的高度。階梯形部分4227圍繞冠部4224和下陷區(qū)域4226且鄰近基體4220的側(cè)表面4222形成。階梯形部分4227具有圍繞基體外圍的統(tǒng)一的高度，以致階梯形部分的形狀與基體上表面4228的其余部分的形狀不對應(yīng)。階梯形部分4227也可延伸穿過基體上表面的其余部分，在冠部4224和下陷區(qū)域4226之間形成凹槽4221。因此，當(dāng)從冠部4224向下陷區(qū)域4226移動時，基體的高度在冠部4224達(dá)到頂峰，然后遠(yuǎn)離冠部側(cè)向移動，高度連續(xù)地降低，直到到達(dá)徑向階梯形部分4227，其形成高度上的不連續(xù)性。從徑向階梯形部分4227向下陷區(qū)域4226移動，基體上表面在內(nèi)部階梯部分4227間具有上升的高度，其在朝下陷區(qū)域4226側(cè)向移動中連續(xù)下降。在冠部和上表面的徑向端，可包括圓倒角4229。如所示，圓形的或圓角的倒角4229可形成于冠部4224的每一側(cè)。

現(xiàn)參見圖51-54，示出切割元件5100的另一個實施例。圖51示出超硬層5110于界面5130處置于基體5120上。超硬層5110形成非平面頂面5105(特別是，拋物柱面)，其具沿y軸線縱向延伸的切割冠部5112。當(dāng)遠(yuǎn)離切割冠部5112側(cè)向延伸(沿x軸線)，超硬層5110具有至少一個凹陷區(qū)域5118，其由頂面5105的高度在遠(yuǎn)離切割冠部5112的方向上連續(xù)降低而形成。因此，超硬層5110可與例如圖3-7所描述的示例類似。如說明超硬層頂面5105形狀的剖視圖所示，基體也具有類似但不相同的彎曲。也就是說，基體5120具有冠部5124，其以與切割冠部5112大致對準(zhǔn)(沿y軸線)地延伸。然而，冠部5124沒有統(tǒng)一的高度，而是其端部(鄰近側(cè)表面5122)低于峰高(鄰近中心軸線或z軸線)。由此，超硬層5110在中心軸線或z軸線處具有厚度t1，小于沿y軸線的位于冠部5124的端部的厚度t2。在一個或多個實施例中，t2比t1大，但小于三倍的t1。除了這種厚度差外，t1和t3(其是位于側(cè)向(沿x軸線)延伸的超硬層5110的凹陷區(qū)域5118處的超硬層5110的厚度)之間也存在厚度差。然而，t1和t2間厚度差不是由相對于切割元件5100的底面的超硬層5110的高度差所導(dǎo)致的，而是由基體5120上表面5128的幾何形狀所導(dǎo)致的。具體而言，上表面5128具有沿兩個方向延伸的凸?fàn)顝澢浚唧w而言，沿x軸線和y軸線兩者。沿x-z橫截面的上表面5128的曲率半徑小于沿y-z橫截面的曲率半徑。也就是說，沿冠部5124的曲率半徑大于由上表面5128側(cè)向延伸遠(yuǎn)離冠部5124所形成的曲率半徑。沿冠部5124的彎曲可允許位于外圍邊緣的切割邊緣部分處的更厚的超硬層5110。

除沿x和y軸線各軸線的雙彎曲外，上表層還包括多個凸起5125，在所示實施例中，為多個大體淚滴狀凸起5125(具有一個圓形端部，另一端部呈尖形)。然而，凸起也可為其他形狀，包括其他條形(比寬度長)形狀，如橢圓形，但也可是非條形的形狀，如圓形等。如所示，大體淚滴形凸起5125的尖端從x軸線的兩側(cè)向內(nèi)指向x軸線。多個凸起5125位于基體上表面5128上的冠部5124的朝向下陷區(qū)域5126延伸的任一側(cè)。按這種方位，所述多個凸起的長度大體與冠部5124的長度對準(zhǔn)(大致平行或在20度內(nèi))。在一個或多個實施例中，凸起5125延伸的高度范圍約為0.010至0.050英寸(0.25至1.3毫米)。在一些實施例中，凸起5125延伸的高度等于或大于約5％，約10％，約15％或約20％的超硬層5110最小厚度，以及小于或等于約50％，約45％，約40％或約35％的超硬層5110最小厚度。

依據(jù)本公開的實施例的基體可由硬質(zhì)合金組成，如利用鐵、鎳、鈷、或其合金結(jié)合的碳化鎢、碳化鈦、碳化鉻、碳化鈮、碳化鉭、碳化釩、或其組合。例如，基體可由鈷結(jié)合碳化鎢形成。依據(jù)本公開的實施例，超硬層可由，例如，多晶金剛石形成，例如金剛石晶體通過金屬催化劑如鈷或其他第VIII族金屬在足夠高的壓力和溫度(高溫高壓HPHT條件下燒結(jié))下結(jié)合到一起形成，或由熱穩(wěn)定多晶金剛石(去除至少一些或大致全部催化劑的多晶金剛石)、立方氮化硼形成。進一步，超硬層可由一個或多個層構(gòu)成，其中可具有金剛石成分的梯度或階梯形過渡，這亦屬于本公開的范圍。在此類實施例中，一個或多個過渡層(以及其他層)可包括金屬碳化物于其內(nèi)。進一步，當(dāng)采用此類過渡層時，相結(jié)合的過渡層和外層可整體稱為超硬層，如本申請中用到的這一術(shù)語。也就是說，超硬層(或包括超硬材料的多個層)可形成于上的界面是硬質(zhì)合金基體的界面。

依據(jù)本公開的實施例的切割元件可沿切割工具的刀片按一排或多排放置。例如，依據(jù)本公開的實施例，鉆頭可具有鉆頭體、從鉆頭體延伸出的至少一個刀片以及沿所述至少一個刀片的切割面放置的第一排切割元件。第一排中的一個或多個切割元件可包括例如如上所述的具有非平面頂面和形成于切割元件的超硬層和基體之間的非平面界面的切割元件。鉆頭還可具有沿所述至少一個刀片的頂面并從第一排向后放置的第二排切割元件。第二排中的一個或多個切割元件可包括例如如上所述的具有非平面頂面和形成于切割元件的超硬層和基體之間的非平面界面的切割元件。在一些實施例中，第一排和/或第二排中的一個或多個非平面切割元件可具有不同于其他非平面切割元件的形狀(例如，具有一個或多個上述變型的切割元件)。

圖63示出依據(jù)本公開的實施例的鉆頭的局部視圖。鉆頭6300具有鉆頭體6310和從鉆頭體6310延伸出的至少一個刀片6320。每片刀片6320具有：切割面6322，其朝向鉆頭旋轉(zhuǎn)的方向；與切割面6322相反的后緣面6324；以及頂面6326。切割元件的第一排6330以鄰近至少一個刀片6320的切割面6322放置。第一排6330中的一個或多個切割元件可包括切割元件6332(其可以是上文描述的任何切割元件)。例如，切割元件6332可包括具有上表面的基體以及上表面上的超硬層，所述上表面中形成有冠部，冠部過渡為下陷區(qū)域，從而在超硬層和基體之間形成非平面界面。在另一個實施例中，超硬層的頂面具有沿直徑從波狀外圍邊緣的切割邊緣部分延伸的至少一個切割冠部。在所示的實施例中，沿切割元件6332的頂面的切割冠部形成大致拋物柱面形狀。進一步，在一個或多個實施例中，可將任何頂面幾何形狀與任何基體/界面幾何形狀組合使用。

鉆頭6300進一步包括沿刀片6320的頂面6326并在第一排6330之后放置的第二排6340切割元件。換言之，第一排6330切割元件沿刀片6320在切割面6332放置，而第二排6340切割元件沿刀片6320的頂面6326在遠(yuǎn)離切割面6322的位置放置。第二排6340中的一個或多個切割元件可包括依據(jù)本公開的實施例的切割元件6342。例如，如所示，切割元件6342可具有例如如上所述的非平面頂面和形成于切割元件的超硬層和基體之間的非平面界面。第一排6330或第二排6340或第一排6330和第二排6340中的切割元件的非平面頂面可具有拋物柱面或雙曲拋物面形狀。進一步，具有平面或非平面頂面的其他切割元件可在刀片上的第一排和/或第二排。例如，如圖63所示，第二排6340切割元件還可包括具有圓錐形頂面(或其他非圓錐形但大致尖的切割面)的切割元件，在此圓錐形頂面可包括具有一曲率半徑的圓形頂端。具有圓錐形頂面的切割元件6344可被置于刀片6320上，以致切割元件6344的中心軸線或縱向軸線與刀片6320的頂面6326呈一角度，在此角度范圍例如可從大于0度至90度。同樣的，其他具有平面或非平面頂面的切割元件的中心軸線或縱向軸線與刀片的頂面所成角度范圍可從大于0度至90度。如圖63所示，依據(jù)本公開的實施例的切割元件6332、6342可以范圍從大于0度至40度(或在其他不同的實施例中至少為5、10、15、20,、25、30或35度)的角度(平行于鉆頭軸線的線和延伸穿過切割冠部的徑向端的線之間形成的角度)被置于刀片6320上。

然而，如圖68所示，切割元件6832可以大致垂直于刀片頂端定位。也就是說，切割元件6832也可以以范圍從大于65度至115度(或在一些實施例中，至少為65、75、80、85、90、95、100、105、110度)的角度(平行于鉆頭軸線的線和延伸穿過切割冠部的徑向端的線之間形成的角度)被定位。這一角度也可用在平行于鉆頭軸線的線和切割元件的中心軸線之間形成的角度的方式表示，角度范圍從0度至±25度(或至少0、±5、±10、或±15度)。例如，雖然圖68示出本公開的跟隨剪切切割器6820的切割元件6810，切割元件6810以大致垂直于刀片頂面定位(平行于鉆頭軸線的線和切割元件的中心軸線之間形成的角度為0)，圖69示出跟隨剪切切割器6920且以負(fù)角度(可達(dá)到-25度)被定位的切割元件6910，在此，切割元件6910的切割邊緣以遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)方向的方向傾斜，以及圖70示出切割元件7010，被定位跟隨剪切切割器7020并以正角度(可達(dá)到25度)被定位，在此切割元件7010的切割邊緣以朝向旋轉(zhuǎn)方向的方向傾斜。這樣的方位可被以上文或下文描述的任何切割元件的布置方式用于(并與剪切切割器和圓錐形切割機結(jié)合)本公開的切割元件上。然而，特別是，實施例可包括本公開的這種切割元件作為緊鄰剪切切割器之后的備用或次切割元件或作為主切割元件，單獨或與剪切切割器或其他非平面切割元件組合使用。也可以預(yù)想到，次或備用切割元件可相對于主切割元件位于不同的徑向位置。例如，參見圖71，本公開的切割元件7110與主剪切切割器7120相比，可為位于不同的徑向位置(相對于鉆頭中心線)的次切割元件(即，切割元件7110在兩個鄰近的剪切切割器之后和之間)。相反地，在圖72中，本公開的切割元件7210為主切割元件，而與本公開的主切割元件7210相比，剪切切割器7220為位于不同的徑向位置(相對于鉆頭中心線)的次割元件(即，剪切切割器在兩個鄰近的切割元件7210之后和之間)。此外，當(dāng)采用主和次切割元件時，可存在暴露差異X，例如如圖68所示，差異范圍可達(dá)±0.100英寸(2.54毫米)。因此，雖然可不存在暴露差異(X＝0)，但本公開的切割元件6810與剪切切割器6820相比也可具有更大(0<X≤0.100英寸)或更小(-0.100英寸<X<0)的暴露。此暴露差異可用于任何實施例中，包括任一圖63-72所示的組合(還包括相同或類似切割元件的組合)。

轉(zhuǎn)回參看圖63，在一個或多個實施例中，具有圓錐形頂面的切割元件6344可以以范圍從0度至20度的角度(平行于鉆頭軸線的線和切割元件的中心軸線之間形成的角度)被置于刀片6320上，在此切割元件的尖端旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)其基體，即指向前導(dǎo)面方向。

進一步，在圖63所示的實施例中，第二排6340中的切割元件可被置于第一排6330中的切割元件之后，以致第二排6340中的一個或多個切割元件與第一排中的一個或多個切割元件分享徑向位置。刀片上分享同一徑向位置的切割元件被置于距鉆頭的中心軸線或縱向軸線具有相同徑向距離的位置，以致當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時，切割元件沿相同的徑向路徑切割。分享相同徑向位置的第二排6340中的切割元件和第一排6330中的切割元件可分別稱為備用切割元件和主切割元件。也就是說，此處所采用的術(shù)語“備用切割元件”用于描述當(dāng)鉆頭以切割方向旋轉(zhuǎn)時，跟隨同一刀片上的任何其他切割元件的切割元件，而術(shù)語“主切割元件”用于描述置于刀片的前導(dǎo)邊緣上的切割元件。由此，當(dāng)鉆頭在切割方向上繞著其中心軸線旋轉(zhuǎn)時，“主切割元件”不跟隨相同刀片上的任何其他切割元件。第二排6340中的其他切割元件可部分地與第一排6330中的切割元件的徑向位置重疊，或可被置于徑向鄰近第一排中的切割元件的位置(即，在此，第二排中的切割元件被置于第一排中的切割元件之后，且不分享沿鉆頭刀片的徑向位置)。進一步，盡管所示實施例示出第一排6330被具有本公開的幾何形狀的切割元件6342占滿，但并非第一排6330的全部切割元件可具有這一幾何形狀，且并非全部可包括大致上尖的切割元件或平面切割元件。切割元件不同類型的這種混合也可用于第二排，或第二排可包括同類型的切割元件。

圖64示出依據(jù)本公開的實施例的鉆頭的局部視圖。鉆頭6400具有鉆頭體6410和從鉆頭體6410延伸出的至少一個刀片6420。每片刀片6420具有切割面6422(其朝向鉆頭旋轉(zhuǎn)的方向)，與切割面6422相反的后緣面以及頂面6426。切割元件的第一排6430沿至少一個刀片6420的切割面6422放置。依據(jù)本公開的實施例，例如如上所述，第一排6430中的一個或多個切割元件可包括具有非平面頂面和/或形成于切割元件的超硬層和基體之間的非平面界面。例如，切割元件6432可包括：具有上表面的基體，上表面中形成有冠部，在此冠部過渡至下陷區(qū)域；以及上表面上的超硬層，從而在超硬層和基體之間形成非平面界面。進一步，超硬層的頂面具有延伸橫跨切割元件直徑的切割冠部，且頂面高度在遠(yuǎn)離切割冠部側(cè)向延伸的方向上降低。在所示的實施例中，切割冠部沿切割元件6432的頂面形成拋物柱面形狀。

鉆頭6400進一步包括沿刀片6420的頂面6426且在第一排6430后放置的第二排6440切割元件。依據(jù)本公開的實施例，第二排6440中的切割元件包括具有雙曲拋物面形狀的頂面的至少一個切割元件6442以及具有圓錐形頂面的至少一個切割元件6444，在此圓錐形頂面可包括具有一曲率半徑的圓形頂端。切割元件6444可以沿第二排6440與切割元件6442交替排列放置。在其他實施例中，單一類型的切割元件(例如，依據(jù)上述實施例的切割元件，具有圓錐形頂面的切割元件、或具有非平面頂面的切割元件)可相互鄰近放置于一排切割元件內(nèi)。例如，如圖64所示，第二排6440的一部分包括具有圓錐形頂面的相互鄰近放置的多個切割元件6444，以及第二排6440的另一部分包括具有圓錐形頂面的與依據(jù)本公開的實施例的切割元件6442交替排列的切割元件6444。進一步，整個第一排6430的切割元件包括依據(jù)本公開的實施例的多個切割元件6432。

進一步，如所示，本公開的一個或多個切割元件6432可(相對于切割元件圍繞其中心軸線的旋轉(zhuǎn))定準(zhǔn)成以致切割元件6432的切割冠部6434的長度可大致垂直(在不同實施例中，垂直度在20、10或者5度內(nèi))延伸遠(yuǎn)離刀片6420的輪廓曲線6428(如圖73所示)。這種定準(zhǔn)方式指示了切割元件6432的旋轉(zhuǎn)并可以被實施于切割元件6432定向的任何后傾角。這一定準(zhǔn)可通過使用任何類型的定準(zhǔn)工具來實現(xiàn)，例如鉗狀工具，其相對于刀片頂面6422定準(zhǔn)切割冠部6434(例如，允許用戶手動定準(zhǔn)切割冠部或機械定準(zhǔn)切割冠部)?？刹捎萌魏芜m合的工具或方法對切割冠部進行定準(zhǔn)。

在其他實施例中，單一類型的切割元件可沿刀片區(qū)域成排放置。例如，具有相同形狀頂面的一個或多個切割元件可沿刀片區(qū)域以成排的切割元件放置。刀片的區(qū)域可大體分為錐形區(qū)域、肩部區(qū)域和規(guī)徑區(qū)域，在此錐形區(qū)域指鉆頭的徑向最內(nèi)部區(qū)域，規(guī)徑區(qū)域指沿鉆頭外直徑的刀片區(qū)域，而肩部區(qū)域指徑向定位在錐形和規(guī)徑區(qū)域之間的鉆頭區(qū)域。肩部區(qū)域也可被描述為具有凸?fàn)罨蛳蛏匣貜澋妮喞牡镀瑓^(qū)域。

例如，圖65和66示出依據(jù)本公開的實施例的鉆頭6500的仰視圖和透視圖，鉆頭具有鉆頭體6510和自鉆頭體延伸出的多個刀片6520。每個刀片6520具有前導(dǎo)面6522、與前導(dǎo)面相反的后緣面6524以及頂面6526。第一排6530的切割元件沿至少一個刀片的前導(dǎo)邊緣(在此，前導(dǎo)面過渡到頂面)放置，在此第一排中的切割元件6532具有依據(jù)以上描述的實施例的非平面頂面。第二排6540的切割元件沿刀片的頂面并在第一排6530切割元件之后放置，在此第二排6540包括依據(jù)本公開的實施例的切割元件6542和具有圓錐形頂面的切割元件6544。沿刀片6520的錐形區(qū)域6550的第二排6540的切割元件包括具有圓錐形頂面的切割元件6544，以及沿刀片6520的肩部區(qū)域6560的第二排6540切割元件包括交替排列的具有圓錐形頂面的切割元件6544和依據(jù)本公開的實施例的切割元件6542。進一步，沿刀片6520的規(guī)徑區(qū)域6570的第二排6540切割元件包括一個或多個具有圓錐形頂面的切割元件6544。然而，在其他實施例中，各類型切割元件的不同組合可沿刀片的錐形區(qū)域、肩部區(qū)域和規(guī)徑區(qū)域成排放置。例如，具有平面頂面的一個或多個切割元件可沿刀片的錐形、肩部和/或規(guī)徑區(qū)域以成排的切割元件放置；具有拋物柱面形狀頂面的一個或多個切割元件可沿刀片的錐形、肩部和/或規(guī)徑區(qū)域以成排的切割元件放置；具有雙曲拋物面形狀頂面的一個或多個切割元件可沿刀片的錐形、肩部和/或規(guī)徑區(qū)域以成排的切割元件放置；和/或具有非平面頂面的一個或多個切割元件可沿刀片的錐形、肩部和/或規(guī)徑區(qū)域以成排的切割元件放置。

進一步，雖然僅對鉆頭進行說明，但本公開的切割元件也可被用于如圖67所示的其它類型的切割工具如鉸孔器和銑削工具等。圖67示出擴孔器830的一般結(jié)構(gòu)，其包括本公開的一個或多個切割元件。擴孔器830具有工具體832和圍繞其圓周以選擇的方位角位置放置的多個刀片838。擴孔器830通常具有連接結(jié)構(gòu)834、836(例如，螺紋連接結(jié)構(gòu))，以致擴孔器830可與鄰近的鉆井工具相連接，所述鉆井工具包括例如鉆柱和/或井下鉆具組合(BHA)。工具體832通常包括貫穿其的孔，以致當(dāng)鉆井液體被從地面(例如地面泥漿泵)泵入井眼底部時，可流經(jīng)擴孔器830。相似地，圖74示出可擴大的鉸孔器741的一般結(jié)構(gòu)，其包括一個或多個本公開的切割元件?？蓴U大的鉸孔器741具有工具體742和圍繞其圓周以選擇的方位角位置放置的多個刀片743。刀片可為可移動的且可響應(yīng)通孔和井眼環(huán)空之間的流體壓力差從工具體徑向向外延伸?？蓴U大的鉸孔器741通常具有連接結(jié)構(gòu)744、745(例如，帶螺口的連接結(jié)構(gòu))，以致可擴大的鉸孔器741可與鄰近的鉆井工具相連接。工具體742通常包括貫穿其的孔，以致當(dāng)鉆井液體被從地面(例如地面泥漿泵)泵入井眼底部時，可流經(jīng)可擴大的鉸孔器741。

冠詞“一個”、“一”和“該”用于表示在之前的描述中有一個或多個元件。術(shù)語“包含”，“包括”和“具有”用于表示包括在內(nèi)且意味著可能還有所列元件之外的額外的元件。此外，應(yīng)理解所提及的本公開的“一個實施例”或“一實施例”并非旨在被解釋為排除也包括所列舉的特征的額外的實施例。例如，與本申請一個實施例有關(guān)的任何所描述的元件可與本申請所描述的其他任何實施例的任何元件相組合。進一步，應(yīng)理解的是以上描述中的任何方向或參考系僅僅為相對方向或移動。例如，任何提及的“上”和“下”或“之上”或者“之下”僅僅是對相關(guān)元件的相對位置和移動的描述。數(shù)字、百分比、比率或其他在本申請中陳述的數(shù)值旨在包括所陳述的數(shù)值，以及能夠為本領(lǐng)域技術(shù)人員領(lǐng)會的本申請公開的實施例所包含的“大約”或“接近”所陳述的數(shù)值的其他數(shù)值。因此，所陳述的數(shù)值應(yīng)被充分地廣泛解釋以包括至少足以鄰近所陳述數(shù)值的數(shù)值，以實施預(yù)期的功能或?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的結(jié)果。所陳述數(shù)值包括至少在適當(dāng)?shù)闹圃旎蛏a(chǎn)過程中可預(yù)期的變化，且可包括所述數(shù)值的5％、1％、0.1％或者0.01％以內(nèi)的數(shù)值。

基于本發(fā)明公開，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員應(yīng)能明白等同結(jié)構(gòu)并不脫離本公開的精神和范圍，以及對本申請公開的實施例所做的各種變化、替代和改變也不脫離本公開的精神和范圍。包括“方法加功能”項的等同結(jié)構(gòu)旨在涵蓋執(zhí)行所列舉的功能時本申請所描述的結(jié)構(gòu)，包括以相同方式運行的結(jié)構(gòu)等同，以及提供相同功能的等同機構(gòu)。本申請人表達(dá)的意圖并非為任何權(quán)利要求提出方法加功能或其他功能性要求，除非在權(quán)利要求中詞語“用于……的方法”與相關(guān)功能同時出現(xiàn)。落入權(quán)利要求的含義和范圍的對實施例的每個增加、刪除和修改均是權(quán)利要求所包括的。