本申請要求2014年6月5日提交的美國臨時專利申請?zhí)?2/008,315和2015年6月3日提交的美國非臨時專利申請?zhí)?4/729,618的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，所述申請的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。

背景技術(shù)：

各種類型和形狀的鉆地鉆頭被用于地質(zhì)鉆探行業(yè)中的各種應(yīng)用中。鉆地鉆頭具有鉆頭體，其包括各種特征，諸如芯、刀片和延伸到鉆頭體中的凹槽或例如安裝在鉆頭體上的牙輪。根據(jù)待鉆孔的應(yīng)用/地層，可以基于鉆頭的切割操作類型和其在特定地層中使用的適當性來選擇適當類型的鉆頭。例如，在多晶金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭中，多晶金剛石(PCD)復(fù)合片切割器容納在鉆頭體中的凹槽內(nèi)，并且通常通過釬焊到凹槽的內(nèi)表面而結(jié)合在凹槽內(nèi)。鉆頭體通常由鋼或由結(jié)合到單獨形成的鋼制加強芯的碳化鎢基質(zhì)制成。

基質(zhì)鉆頭體通常由遍布鉆頭體的單一的相對均勻的組合物形成。單一組合物可以構(gòu)成單一基質(zhì)材料(諸如碳化鎢)或基質(zhì)材料的混合物(諸如不同形式的碳化鎢)?；|(zhì)材料或其混合物通常通過熔融金屬結(jié)合劑材料和基質(zhì)材料或混合物而結(jié)合成固體形式。

鉆頭形成過程通常包括將基質(zhì)粉末放置在模具中。模具通常由石墨形成并且可以被機械加工成各種合適的形狀。通常將成型塊添加到模具中以限定凹槽?；|(zhì)粉末可以是單一基質(zhì)材料(諸如碳化鎢)的粉末，或可以是多于一種基質(zhì)材料的混合物(諸如不同形式的碳化鎢)。基質(zhì)粉末可以包括其他組分(諸如金屬添加劑)。然后通常將金屬結(jié)合劑材料放置在基質(zhì)粉末上。然后將模具中的組分在熔爐中加熱至結(jié)合劑材料的流動或滲透溫度，在該溫度下熔融的結(jié)合劑材料滲透碳化鎢或其他基質(zhì)材料。在燒結(jié)(加熱)過程中發(fā)生的滲透過程將基質(zhì)材料的晶粒彼此結(jié)合并與其他組分結(jié)合，以形成整體上相對均勻的固體鉆頭體。燒結(jié)過程也使基質(zhì)材料結(jié)合到其接觸的其他結(jié)構(gòu)，諸如金屬坯料，其可懸掛在模具內(nèi)以產(chǎn)生前述加強構(gòu)件。在形成鉆頭體之后，金屬坯料的突出部分可焊接到稱為上部的第二部件。上部通常具有螺紋連接到鉆柱上的錐形部分。

鉆頭體通常包括支撐PCD切割器的刀片，所述PCD切割器執(zhí)行切割操作。PCD切割器在刀片中的凹槽中結(jié)合到本體，凹槽是在鉆頭中形成的用于收納切割元件的腔體。在這些鉆頭中，PCD切割器設(shè)置在相應(yīng)的凹槽中，并且釬焊材料置于在PCD切割器外表面和凹槽內(nèi)表面之間，并且用于將PCD切割器結(jié)合并恒定在鉆頭內(nèi)。在這些鉆頭中，在PCD切割器外表面和凹槽內(nèi)表面之間存在為釬焊材料提供間隙的容腔。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本文所公開的工具包括限定凹槽的本體，在凹槽中的切割元件，在切割元件的外表面和凹槽的內(nèi)表面之間的至少一個突起，以及在切割元件和凹槽之間的用于將切割元件固定到凹槽的釬焊材料。工具可以是鉆頭，諸如基質(zhì)體鉆頭或鋼體鉆頭。切割元件可以是附接到金屬基體的超硬材料體。

在一些實施例中，突起可沿著凹槽壁表面和/或沿著凹槽基部表面定位，并且可從切割元件和凹槽中的一個或兩者延伸。突起可以以連續(xù)、分段或點表面特征的形式提供，并且可被定向為具有恒定或變化的位置，例如，以螺旋方式在凹槽內(nèi)延伸。

提供本發(fā)明內(nèi)容以介紹下文在詳細描述中進一步描述的概念的選擇。本發(fā)明內(nèi)容既不意圖識別所要求保護的主題的關(guān)鍵或基本特征，也不意圖用于幫助限制所要求保護的主題的范圍。

附圖說明

當結(jié)合附圖考慮時，通過參考以下詳細描述，本公開的這些和其他特征和優(yōu)點將被了解并同樣變得更好理解，其中：

圖1圖示根據(jù)本公開的實施例的切割元件；

圖2A和圖2B圖示切割元件和鉆頭凹槽組件的示意性橫截面圖；

圖3圖示根據(jù)本公開的實施例的切割元件和鉆頭凹槽組件的示意性橫截面圖；

圖4A、圖4B、圖4C和圖4D圖示根據(jù)本公開的實施例的鉆頭凹槽的透視側(cè)視剖視圖；

圖5圖示根據(jù)本公開的實施例的與切割元件和鉆頭凹槽組件一起使用的切割元件；以及

圖6圖示根據(jù)本公開的實施例的包括切割元件和鉆頭凹槽組件的鉆頭的透視圖。

具體實施方式

根據(jù)本公開的實施例，本文所公開的鉆頭凹槽提供限定的和恒定的(例如，大體上恒定的)釬焊間隙容腔，以鼓勵或促進切割元件在相應(yīng)的凹槽內(nèi)的均勻釬焊強度。在一個實例中，凹槽包括一個或多個表面特征，諸如脊或突起，其從凹槽的內(nèi)壁表面向外延伸限定的距離以與相鄰的切割元件外表面接觸。這些表面特征可以使切割元件居中在其中，并且在其間限定均勻的釬焊間隙。突起可以根據(jù)需要被配置成使釬焊材料能夠流動并填充在間隙中，以允許實現(xiàn)與切割元件的所需的附接強度。

在一些實施例中，本文所公開的切割元件是多晶金剛石(PCD)切割元件，然而，也可以使用任何合適的切割元件。例如，也可以使用超硬切割元件，諸如多晶立方氮化硼(PCBN)。圖1圖示示例性切割元件10，其包括具有切割元件的上磨損表面14的超硬材料體12(例如，PCD體)。PCD切割元件10可以包括熱穩(wěn)定區(qū)域，例如，通過浸出或其他工藝去除催化劑材料的區(qū)域，或包括以其他方式選擇或處理的催化劑材料以使晶間金剛石基質(zhì)熱穩(wěn)定(例如，當放置到最終用途應(yīng)用中時在高溫條件下不經(jīng)歷石墨化)的區(qū)域。超硬材料體12附接到基體16，例如金屬基體，諸如WC-Co，另一種碳化物材料等。

盡管本文中已經(jīng)描述和說明了特定的切割元件和鉆頭凹槽組件，但是應(yīng)理解，與所公開的不同配置的其他切割元件和/或鉆頭凹槽可以在本文所公開的概念的范圍內(nèi)。例如，本文所公開的切割元件可以包括具有圓形而不是平坦磨損表面的切割元件。切割元件也可以包括具有尖端等的磨損表面，例如錐形切割元件。切割元件也可以包括具有其他對稱或非對稱表面的磨損表面。因此，本文所公開的切割元件被理解為包括可以與工具(諸如井下工具或用于鉆探地下地層的鉆頭)一起使用的切割元件的任何和所有配置形式。

圖2A和圖2B圖示切割元件和鉆頭凹槽組件20，其包括設(shè)置在鉆頭凹槽24內(nèi)的切割元件22，并且其中凹槽在凹槽內(nèi)表面28和切割器外表面30之間具有特定的容腔26或間隙，以將切割元件容納在凹槽內(nèi)并且為釬焊材料提供間隙以將切割器附接在凹槽內(nèi)。這些常規(guī)的鉆頭凹槽可以通過手動研磨過程或通過機械加工如上所述的用于制造基質(zhì)鉆頭體的砂/酚醛成型塊而形成在基質(zhì)體鉆頭中。這些方法可具有導(dǎo)致產(chǎn)生不利變化的制造變化和/或公差問題，由此提供在凹槽內(nèi)不均勻的間隙。

圖2B圖示在安裝切割元件22期間，切割元件可以如何在凹槽24的軸線內(nèi)傾斜或不居中而在切割元件和凹槽之間產(chǎn)生具有大量的或程度的變化的間隙26。這種間隙的變化可能導(dǎo)致釬焊材料具有減小的附接強度，例如在間隙相對較小或甚至不存在的區(qū)域中，并且具有增加的釬焊量，例如在間隙相對較大的區(qū)域中。這種間隙的變化和所得的其中的釬焊材料體積的變化使得切割元件22和鉆頭凹槽24之間的附接具有降低的強度，這可能使切割元件一旦放置到最終用途應(yīng)用中就會過早失效。此外，隨著對鉆頭的每次修理，例如，通過從凹槽中去除損壞的切割器，然后用新的切割器替換損壞的切割器，可能引入更多的間隙變化，這可能趨向于進一步加劇間隙的變化，以及所得的由此產(chǎn)生的切割器和凹槽之間的釬焊附接的相對弱點。

圖3圖示本文所公開的切割元件和鉆頭凹槽組件31，其包括設(shè)置在凹槽34內(nèi)的切割元件32。在一些實施例中，切割元件是PCD切割器，包括設(shè)置在切割器的頂部上并附接到下面的基體36(例如，金屬基體)的金剛石結(jié)合體35。如圖3中所示，鉆頭凹槽組件31包括一個或多個脊或突起38，其置于切割元件和鉆頭凹槽的相鄰表面之間，以在其間限定均勻的間隙40，從而使切割元件在凹槽內(nèi)居中(例如，以促進均勻的釬焊厚度以及切割元件和凹槽之間的所需的附接強度)。在一些實施例中，脊或突起38可以從切割元件的外表面(例如，從切割元件32的基體的外表面)向外延伸，和/或從凹槽34的內(nèi)表面向外延伸。在一些實施例中，突起從凹槽34的內(nèi)表面延伸，并且一個或多個突起與切割元件的基體部分直接接觸。

在一些實施例中，突起38沿著凹槽的側(cè)壁表面42和/或沿著凹槽的基部表面或底表面44定位，由此沿著兩個區(qū)域限定釬焊間隙40(例如，均勻的釬焊間隙)以使切割元件在凹槽內(nèi)居中。根據(jù)本公開的一些實施例，以這種方式配置，在切割元件和鉆頭凹槽之間將存在均勻的釬焊厚度(例如，大體上均勻的釬焊厚度)，以確?；虼龠M其間的所需水平的附接強度(例如，高水平的附接強度)。在一些實施例中，突起允許釬焊材料在間隙內(nèi)更自由地流動(例如，比常規(guī)凹槽中更自由地流動)，使得間隙中不包括釬焊材料的區(qū)域(例如，多孔區(qū)域)最小化或減小。常規(guī)凹槽中的這些多孔區(qū)域可能損害所需的釬焊附接強度。在一些實施例中，突起38可以僅沿著側(cè)壁表面42定位，而在一些實施例中，突起可以僅沿著基部表面或底表面44定位。

圖4A圖示示例性凹槽50，其包括從凹槽的側(cè)壁表面54向外延伸一定距離的多個突起52和53，并且包括從凹槽的基部表面58向上延伸一定距離的多個突起56。突起沿著側(cè)壁和基部的放置位置可以根據(jù)所需的參數(shù)(例如，特定的最終用途應(yīng)用)而變化，如突起延伸的形狀、尺寸或距離可以變化。在一些實施例中，突起可以延伸足以允許釬焊材料在間隙內(nèi)流動到凹槽的距離，并且在一些實施例中，突起可以延伸足以提供與釬焊的所需的或設(shè)定程度的附接強度的距離。在一些實施例中，突起被定位和配置成接觸切割元件并且相對于凹槽居中地定位切割元件。在一些實施例中，與切割元件接觸的突起的表面積被最小化或減小，使得由釬焊材料提供的所需的附接強度不被顯著或極大地影響。

在一個實例中，突起的延伸距離基于所需的或目標釬焊間隙，例如，對于特定的最終用途應(yīng)用。在一些實施例中，突起可以延伸大于約0.02mm，或在約0.05mm至0.3mm的范圍內(nèi)，或在約0.5mm至0.15mm的范圍內(nèi)的距離(例如，距側(cè)壁或基部的高度)。每個突起的高度可以是恒定的，或可以變化，并且每個突起可以具有與其他突起不同或相同的高度。在一些實施例中，突起具有與其延伸距離相同或相似的寬度(例如，大于約0.02mm，或在約0.05mm至0.3mm的范圍內(nèi)，或在約0.5mm至0.15mm的范圍內(nèi)的寬度)，并且寬度可以是恒定的或可以變化，并且每個突起可以具有與其他突起不同或相同的寬度。在一些實施例中，突起被配置成以所需的釬焊間隙或接近的間隙延伸，從而產(chǎn)生緊密的間隙以使切割器能夠被放置在凹槽內(nèi)。在一些實施例中，突起限制切割元件在凹槽中的運動，該運動是公差問題或重力的結(jié)果。在一些實施例中，突起(例如，線段)的頂部可以是有角的(例如，尖的或正方形的)、圓形的等。如下面將討論的，突起可以是可替換的，并且在這種情況下，突起的高度可以通過用具有不同高度的突起替換這些突起而改變。

在圖4A中所示的實例中，凹槽50包括沿著凹槽側(cè)壁表面54設(shè)置的一對突起52和53，其中一個突起52定位在凹槽開口60下方一定距離處，另一個突起53定位在凹槽基部表面58上方一定距離處。在一些實施例中，第一突起52和第二突起53被定位成使切割元件穩(wěn)定在其中。在圖4A中所示的實施例中，突起在凹槽內(nèi)相對于彼此以平行取向沿周向延伸。例如，第一或上部突起52可以位于或接近位于切割器長度的約1/3處的點，第二或下部突起53可以位于或接近位于切割器長度的約2/3處的點，以將切割元件穩(wěn)定在凹槽內(nèi)。在一個實例中，位于凹槽開口60附近的突起52定位在沿著凹槽側(cè)壁表面的位置處，當切割元件設(shè)置在凹槽內(nèi)或距離凹槽側(cè)壁表面的頂部至少約0.6mm處時，該位置與切割元件的超硬材料臺(例如，金剛石臺)相距至少約2mm，或在約3mm至6mm的范圍內(nèi)。定位成太靠近切割元件的金剛石臺的第一或最上側(cè)壁突起52可能與金剛石臺相互作用，這在操作期間可能是不利的，并且可能不會對切割元件提供穩(wěn)定效果。另外，釬焊材料可以不結(jié)合到金剛石臺，由此在釬焊間隙中允許不良的孔隙度，這可能導(dǎo)致減小的附接強度。定位成離切割元件的金剛石臺太遠的第一或最上側(cè)壁突起52可能不能提供足夠的位置控制來防止由于尺寸問題或切割器位置(例如，由于重力)導(dǎo)致的切割器在凹槽中的不必要的傾斜或偏心定位。

在一些實施例中，鄰近凹槽基部表面58的突起53沿著凹槽側(cè)壁表面距離凹槽基部表面58至少約0.2mm，或在約0.4mm至1mm的范圍內(nèi)，或在一個實施例中約0.6mm。太靠近凹槽基部表面的第二或最下側(cè)壁突起53可以防止用于清潔釬焊接頭的流體自由地流出凹槽，這可能產(chǎn)生不利的釬焊間隙或孔隙度。另外，在一些實施例中，切割元件在底部附近具有斜角或倒角，并且突起53可以在斜角或倒角上方遠離凹槽基部表面58足夠遠，以便從斜角或倒角清除。距離凹槽基部表面太遠的第二或最下側(cè)壁突起53可能太靠近上部突起52而抑制或減少釬焊流動，從而產(chǎn)生具有降低的釬焊強度的釬焊間隙。此外，如果下部突起53太靠近上部突起52，則突起一起可能不能有效地用于將切割器元件約束或穩(wěn)定在凹槽內(nèi)而提供阻止傾斜的所需的居中放置。

一旦切割元件被安裝，為了確保完全遷移或鼓勵釬焊間隙內(nèi)的釬焊材料從凹槽開口60向下移動到基部58，從凹槽側(cè)壁表面54延伸的突起52和53可以是通過側(cè)壁表面的一部分而彼此斷開的兩個或更多個段，使得釬焊材料可以自由地向下在沿著斷開段之間的側(cè)壁部分存在的空間之間進入凹槽中。說明以段的形式提供的突起的實例在圖4C中所示并且在下面更詳細地描述。類似地，從凹槽基部表面58向上突出的突起56也可以段的形式提供(如圖4A中所示)，例如，以兩個或更多個斷開段提供，在一些實施例中，這促進釬焊材料在存在于相鄰的切割器和凹槽基部表面之間的釬焊間隙內(nèi)的自由流動，以促進其間的強附接。在一些實施例中，沿著凹槽側(cè)壁表面的突起段可以彼此分開至少0.2mm，或在約0.2mm至5mm的范圍內(nèi)的距離。沿著凹槽基部表面的突起段可以與側(cè)壁突起段分開相同的量。

盡管已經(jīng)以脊或一系列段的形式說明和描述了沿著凹槽的側(cè)壁表面和基部表面的突起，但是應(yīng)理解，在本文所公開的概念的范圍內(nèi)，這些突起也可能以單個或多個點的形式提供，即，不具有線或線段形式的細長配置。例如，突起也可以是一個或多個點表面特征(例如，一個或多個圓形突起，例如半球形突起或半橢圓形突起；錐形或金字塔形突起；錐形截頭體或金字塔形截頭體突起；或棱柱形突起)等。這些突起可以具有與上述突起相同的尺寸，例如，距凹槽側(cè)壁或基部的距離(例如，距側(cè)壁或基部的高度)大于約0.02mm，或在約0.05mm至0.3mm的范圍內(nèi)，或在約0.5mm至0.15mm的范圍內(nèi)，并且寬度大于約0.02mm，或在約0.05mm至0.3mm的范圍內(nèi)，或在約0.5mm至0.15mm的范圍內(nèi)。連續(xù)線、分段線和/或一個或多個點表面特征(其可以是相同或不同的形狀)的組合可以用于任何形狀或配置。例如，多個點表面特征(其可以是相同或不同的形狀)可以突起的重復(fù)圖案(諸如網(wǎng)格圖案)或突起的不規(guī)則布置來布置。

盡管圖4A中的示例性組件圖示一對側(cè)壁突起52和53以及沿著基部表面58的三個突起段56，但是本文所公開的鉆頭凹槽可以具有與此不同地定位和/或配置的多個側(cè)壁突起和/或基部突起，這同時在本文所公開的概念的范圍內(nèi)。例如，盡管在一些實施例中需要切割元件沿著側(cè)壁表面與相對的突起接觸，并且至少一個突起從基部表面延伸，但是側(cè)壁和基部表面突起的確切數(shù)量可以根據(jù)特定的最終用途應(yīng)用而變化。

圖4B圖示示例性鉆頭凹槽70，其包括從凹槽的側(cè)壁表面74向外延伸一定距離的突起72，以及從凹槽的基部表面78向上延伸一定距離的多個突起76。在該實例中，從側(cè)壁表面延伸的突起72是鄰近凹槽開口80開始并且朝向基部表面78以螺旋方式(或螺旋圖案)向下延伸的突起。突起72延伸可在如上所述的距離內(nèi)的距離，并且具有可以在如上所述的寬度內(nèi)的寬度。

螺旋圖案具有相對于在直徑方向上相對的凹槽側(cè)壁表面之間延伸的水平軸線的螺距或螺旋角。在一個實例中，相對于在凹槽基部表面78的基部處的平面的螺旋角可以大于約5度，約5度至80度或約10度至45度。提供螺旋角以便促進釬焊材料在釬焊間隙內(nèi)向下的期望流動，并且促進切割元件外表面和凹槽內(nèi)壁表面之間的均勻的釬焊間隙，以使切割元件居中并穩(wěn)定在凹槽內(nèi)。具有太小的角度(例如，離去角度較小)的螺旋突起可能不能用于促進釬焊材料向下流動到釬焊間隙(例如，到釬焊間隙的所有區(qū)域)，而具有太大的角度(例如，離去角度較大)的螺旋突起可能不能沿著凹槽側(cè)壁表面提供所需的均勻釬焊間隙，和/或可能不能用于向切割器元件提供所需程度的穩(wěn)定性。

在圖4B中所示的實例中，突起72可以在凹槽開口80處或在凹槽開口下方的期望距離處(例如，在切割器長度的約l/3處，或距超硬材料臺至少約2mm或在約3mm至6mm的范圍內(nèi)，或距凹槽開口的頂部約0.6mm或更大)開始。突起72可以一直向下延伸到凹槽基部表面78，或可以在到達凹槽基部表面之前的一段距離(例如，在切割器長度的約2/3處，或距凹槽基部表面78至少約0.2mm，或在約0.4mm至1mm的范圍內(nèi)，或在一個實施例中約0.6mm)處停止。在該實例中，突起72是連續(xù)螺旋表面特征，而不是分段的一系列分離的突起的形式。此外，從凹槽基部表面78延伸的突起76以具有圓形圖案的一系列分離的段的形式布置，如同圖4A的實例中的凹槽基部突起。在該實例中，突起76以三個分離的突起段的形式提供，每個突起段具有共同的曲率半徑。在一些實施例中，這些段的曲率半徑小于限定圓柱形凹槽側(cè)壁表面的曲率半徑的約95％，或在約85％至25％的范圍內(nèi)。

沿著基部表面的突起段之間的空間用于促進釬焊材料的流動，以填充存在于切割元件的底部和凹槽的基部表面之間的釬焊間隙區(qū)域。盡管已經(jīng)描述和說明了沿著凹槽基部表面的突起的特定配置，例如以具有共同曲率半徑的段的形式，但是應(yīng)理解，可以使用不同配置的突起來實現(xiàn)相同的目的，即，提供均勻的釬焊間隙并且促進釬焊材料在釬焊間隙內(nèi)的流動，并且這些其他配置在本文所描述的概念的范圍內(nèi)。例如，代替以細長段的形式提供，突起可能以圓形凸塊、點等形式的一個或多個單個突起的形式提供。

圖4C圖示本文所公開的示例性鉆頭凹槽90，其包括以從凹槽的側(cè)壁表面94向外延伸一定距離的一系列分離的段的形式配置的多個突起92，并且包括從凹槽的基部表面98向上延伸一定距離的多個突起96。在該特定實例中，從側(cè)壁表面延伸的突起92以一系列分離的細長段的形式提供，這些段以鄰近凹槽開口100開始的螺旋圖案沿著凹槽側(cè)壁表面延伸，并且朝向基部表面98以螺旋方式向下延伸。突起延伸一定距離并且具有與上述寬度相同的寬度，并且螺旋圖案具有相對于在直徑方向上相對的凹槽側(cè)壁表面之間延伸的水平軸線的螺距或螺旋角，如上面對于圖4B中所示的實例所述。

圖4C的鉆頭凹槽配置的特征在于，使用螺旋取向的分離的突起段以通過沿著螺旋突起遷移且通過沿著不包括突起段的凹槽側(cè)壁表面的開口部分102向下移動而促進釬焊材料在釬焊間隙內(nèi)向下流動。在一個實例中，突起段可以具有與將其分開的開口側(cè)壁表面的長度相同，大于或小于該長度的長度。在一個實例中，段被配置成使得這些段彼此在直徑方向上相對，以提供所需程度的切割器元件穩(wěn)定性，凹槽側(cè)壁表面的開口部分也是如此。

如圖4C中所示，突起段沿著凹槽側(cè)壁的相對定位，從開口向下移動到基部表面，可以彼此略微偏移。突起段位置的這種垂直交錯用于進一步促進釬焊材料流過凹槽到釬焊間隙(例如，到釬焊間隙的所有區(qū)域)。盡管這僅是突起段可以如何定位在凹槽內(nèi)的一個實例，但是應(yīng)理解，與鉆頭凹槽一起使用的突起段可以不同地定位，并且這意圖在本文所公開的概念的范圍內(nèi)。

圖4D圖示示例性凹槽110，其包括從凹槽的側(cè)壁表面114向外延伸一定距離的多個突起112，并且包括從凹槽的基部表面118向上延伸一定距離的多個突起116。突起沿著側(cè)壁和基部的放置位置可以根據(jù)所需的參數(shù)(例如，特定的最終用途應(yīng)用)而變化，如突起延伸的形狀、尺寸或距離，如在以上實施例中所述。如圖4D中所示，突起可以沿著凹槽的長度軸向地延伸。例如，突起112可以在凹槽開口120處或在凹槽開口下方的期望距離處(例如，在切割器長度的約l/3處，或距超硬材料臺至少約2mm或在約3mm至6mm的范圍內(nèi)，或距凹槽開口的頂部約0.6mm或更大)開始。突起72可以一直向下延伸到凹槽基部表面118，或可以在到達凹槽基部表面之前的一段距離(例如，在切割器長度的約2/3處，或距凹槽基部表面78至少約0.2mm，或在0.4mm至1mm的范圍內(nèi)，或在一個實施例中約0.6mm)停止。

在一些實施例中，多個軸向突起可以包括在每個切割器凹槽中，并且軸向突起可以彼此周向地間隔開。例如，如圖4D中所示，可以包括四個軸向突起。然而，在其他實施例中，可以包括任何合適數(shù)量的軸向突起，例如，3至5個軸向突出。軸向突起可以均勻地間隔開或突出可以不規(guī)則地間隔開。一個或多個軸向突起可能以10°、20°、30°、40°、50°、60°或80°的限制間隔開，其中，任何限制可以與任何其他限制(例如，10°至80°或30°至60°)組合使用。與上述實施例一樣，可以包括實心突起，或突起可以分成通過側(cè)壁表面的一部分彼此斷開的兩個或更多個段，這可以有助于如上所述的釬焊流動。另外，可以使用軸向突起和周向突起的組合。例如，軸向突起可以從基部表面118向上延伸側(cè)壁表面114的一部分。然后，軸向突起可以轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂鴤?cè)壁表面114的圓周延伸一部分的周向突起。然后，周向突起可以轉(zhuǎn)變?yōu)檠由斓角懈钇靼疾鄣捻敳康牧硪惠S向突起，從而形成Z形。

一個或多個突起可以成角度以促進或鼓勵釬焊流動。例如，在圖4D中所示的實施例中，每個軸向突起可以是螺旋形狀，其中相對于切割器凹槽的軸線的螺旋角大于約5度，約5度至45度，或約15度至30度。螺旋角可以是連續(xù)的或可以在突起的整個長度上變化。另外，大部分軸向突起和大部分周向突起的組合(例如，如上所述的Z形)也可以相應(yīng)包括螺旋角或可以在其整個段長度上可變地彎曲。例如，從基部表面118到周向段的軸向段可以具有相對于切割器凹槽的軸線的約大于0°至30°的螺旋角，周向段可以具有相對于基部表面118處的平面的約大于0°至30°的螺旋角，并且從周向段到切割器凹槽的頂部的軸向段可以具有相對于切割器凹槽的軸線的約大于0°至30°的螺旋角。盡管被描述為連續(xù)突起，但是段可以是連接的或不連續(xù)的，并且每個段也可以是連接的或不連續(xù)的，如上所述。此外，段可以都具有螺旋角，或一個或多個段可以具有螺旋角。每個段的螺旋角可以是連續(xù)的或可變的。

盡管如上所公開和說明的切割元件和凹槽組件的特征在于，使用從凹槽的側(cè)壁和基部表面延伸的突起(例如，為了提供切割元件的所需的居中對準，為了提供切割元件在凹槽內(nèi)的穩(wěn)定性，或為了在其間提供均勻的釬焊間隙以確保或促進所需的附接強度)，但是應(yīng)理解，可以從被配置具有從切割元件而不是凹槽延伸的突起的組件，或者從其中突起使用任何所公開的配置從切割元件和凹槽延伸的組件實現(xiàn)相同的目的。

圖5圖示與本文所公開的切割元件和鉆頭凹槽組件一起使用的切割元件200，其包括附接到下面的金屬基體204的金剛石結(jié)合體或耐磨層202。在該實例中，體202被配置成具有圓頂形頂表面，但是應(yīng)理解，切割元件也可以被配置成具有任何其他類型的對稱或非對稱的三維頂表面或平頂表面，如同圖1中所示的切割元件。切割元件200具有從側(cè)壁表面208向外延伸一定距離的一個或多個突起206。突起206可以延伸一定距離并且具有如上面對于凹槽所公開的寬度，并且也可以如上面對于凹槽所公開的那樣相對于切割元件的相應(yīng)的金剛石臺和基部開始和結(jié)束。例如，突起可以在切割器長度的約l/3處，或距超硬材料至少約2mm或在約3mm至6mm的范圍內(nèi)開始，并且突起可以在切割器長度的約2/3處，或距切割器的基部至少約0.2mm或在約0.4mm至1mm的范圍內(nèi)，或在一個實施例中約0.6mm處結(jié)束。在一些實施例中，突起可以延伸碳化物的長度。

在該實例中，切割元件包括沿著切割元件側(cè)壁表面的長度以螺旋方式延伸的突起206，如上面對于凹槽所述。在一個實例中，切割元件可以包括多于一個螺旋突起，例如，鄰近金剛石結(jié)合體開始的第一螺旋突起，以及遠離第一螺旋突起偏移一定距離并且沿著外表面的長度與第一螺旋突起平行延伸的第二螺旋突起。在這種實例中，根據(jù)切割元件的特定尺寸和/或最終用途應(yīng)用，螺旋突起可以定位在或彼此偏移約1.5mm至5mm之間的距離。此外，突起可以連續(xù)表面元件的形式，以斷開段的形式，或以如上面對于凹槽所討論的點元件的形式提供。另外，也可以使用具有其他形狀的突起(例如，如圖4A中所示和如上所述的水平突起，如圖4D中所示和如上所述的垂直突起)。另外，盡管描述了使用多個螺旋突起用于切割元件上，但是這種配置也可以用于切割器凹槽上的突起。

盡管已經(jīng)公開并說明了具有特定的突起配置的切割元件，但是應(yīng)理解，本文所公開的切割元件可以被配置成具有與所示的不同地配置的突起，其以與鉆頭凹槽中的突起相同的方式操作，例如以將切割元件對準在凹槽內(nèi)，使切割元件穩(wěn)定和居中在凹槽中，或提供所需的均勻釬焊間隙以確保所需的釬焊附接強度。此外，盡管圖5中所示的切割元件沒有示出沿著基部表面210的突起，但是本文所公開的切割元件也可以包括這些突起。在所示的實例中，鉆頭凹槽可以包括沿著基部表面的一個或多個突起，以在切割元件的相鄰基部表面和鉆頭凹槽之間提供所需的釬焊間隙。

根據(jù)本公開的實施例的切割元件和凹槽組件包括具有沿著側(cè)壁和基部表面延伸的一個或多個突起的凹槽和/或切割元件，例如，為了將切割元件對準在鉆頭凹槽內(nèi)，為了使切割元件穩(wěn)定在凹槽內(nèi)，或為了在其間提供均勻的釬焊間隙，這導(dǎo)致提供所需的釬焊附接強度，這用于最大化或增加切割元件和包括其的鉆頭的使用壽命。

本文所公開的鉆頭凹槽可以是形成在基質(zhì)體鉆頭中的鉆頭凹槽，并且可以具有從凹槽開口延伸到基部表面的均勻直徑(例如大體上均勻的直徑)的圓柱形側(cè)壁。本文所公開的突起可以通過包括分體鑄造、注塑成型等的鑄造方法在這些基質(zhì)體鉆頭中形成。基質(zhì)體可以任何合適的方式制造，例如，通過用基質(zhì)粉末(例如，碳化鎢)填充模具(例如，石墨模具)，在基質(zhì)粉末的頂部上裝載結(jié)合劑，以及加熱組件以允許結(jié)合劑滲入基質(zhì)粉末中。凹槽可以由形成為所需的形狀并置于模具中的二氧化硅/酚醛樹脂模制件形成，并且隨后通過車床將凹槽變成所需的最終形狀。在一些實施例中，可以加工樹脂模制件以形成對應(yīng)于突起的槽，使得當基質(zhì)粉末被置于模具中時，基質(zhì)材料填充槽以在滲透之后形成突起。在一些實施例中，在將樹脂模制件放置在模具中之前，將例如超硬材料的硬質(zhì)材料(諸如鋼、預(yù)燒結(jié)碳化鎢、其他難熔金屬、熱穩(wěn)定多晶金剛石等)放置和/或固定在槽中，而不是允許基質(zhì)材料填充槽。當具有樹脂模制件和硬質(zhì)材料段的這種模具在基質(zhì)體鉆頭的制造期間被滲透時，將硬質(zhì)材料段固定到切割器凹槽。在一些實施例中，可以在形成凹槽之后通過機械加工凹槽來形成突起。在一些實施例中，樹脂模制件可以經(jīng)由添加材料制造形成以具有槽。硬材料片可以滲入、釬焊、使用其他結(jié)合劑粘附，或通過任何其他合適的方法固定。固定硬材料片的一些方法(例如，使用結(jié)合劑)允許突起是可替換的，從而允許在磨損和/或損壞時用相同或不同類型的突起替換這些突起。在一些實施例中，在使用添加材料制造來制造鉆頭的情況下，可以將突起直接印刷到凹槽上。

本文所公開的鉆頭凹槽也可以是形成在鋼鉆頭體或從鉆頭體延伸的鋼表面特征(例如，從鉆頭體延伸的鋼刀片)中的鉆頭凹槽。實例包括由諸如4130和4140的鋼種形成的鉆頭體或刀片。本文所公開的以這種鋼材形成的鉆頭凹槽具有從凹槽開口延伸到基部表面的均勻直徑(例如，大體上均勻的直徑)的圓柱形側(cè)壁。本文所公開的突起可以通過單加工或多加工工藝形成在這些鉆頭體或鉆頭表面特征中，例如，其中，第一加工工藝是用來形成反映突起的尺寸的尺寸較小的孔，第二加工工藝是用來形成凹槽孔并且留下形成突起的尺寸較小的孔。本文所公開的用于在鋼鉆頭或鉆頭表面特征中形成凹槽的加工工藝可以是連續(xù)或分段式操作。在一些實施例中，可以加工凹槽，而不是加工突起，使得其是鋼體的整體部分，可以加工凹槽以提供碳化物、TSP或其他硬質(zhì)材料可以作為突起固定到切割器凹槽(例如，使用比用于將切割器固定到切割器凹槽的溫度更高的溫度的結(jié)合劑或釬焊來釬焊到凹槽)的區(qū)域。

圖6圖示包括如上所述的設(shè)置在凹槽304中的多個切割元件302的基質(zhì)體鉆頭300。在該實例中，切割元件是PCD切割器(如圖1中所示)，并且設(shè)置在位于刀片306內(nèi)的凹槽304內(nèi)，以用于對正在鉆探的地下地層切割，刀片306從鉆頭的頭部308延伸。

盡管已經(jīng)參考鉆頭描述了本公開的實施例，但是切割器凹槽也可以在使用切割器的其他工具中使用。例如，本公開的實施例可以與銑刀、鉸刀、其他井下工具，或?qū)⑶懈钤占{到凹槽中的任何其他工具一起使用。

盡管上面已經(jīng)詳細描述了只是幾個實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，在實質(zhì)上不脫離本文所公開的裝置、系統(tǒng)和方法的情況下，可以對示例性實施例進行許多修改。因此，這些修改意圖包括在本公開的范圍內(nèi)。另外，應(yīng)理解，對本公開的“一個實施例”或“實施例”的引用不意圖被解釋為排除也并入所述特征的附加實施例的存在。例如，關(guān)于本文中的實施例描述的任何元件可以與本文所述的任何其他實施例的任何元件組合。

在權(quán)利要求中，裝置加功能的條款意圖覆蓋在本文中描述為執(zhí)行所述功能的結(jié)構(gòu)，并且不僅僅是結(jié)構(gòu)等效物，而且是等效結(jié)構(gòu)。因此，盡管釘子和螺釘可能不是結(jié)構(gòu)等效物，因為釘子使用圓柱形表面以將木制零件固定在一起，而螺釘使用螺旋表面，但是在緊固木制零件的環(huán)境中，釘子和螺釘可以是等效結(jié)構(gòu)。申請人的明確意圖不是為本文的任何權(quán)利要求的任何限制調(diào)用裝置加功能，除了權(quán)利要求明確使用詞語“用于……的裝置”以及相關(guān)功能的那些。落入權(quán)利要求的含義和范圍內(nèi)的對實施例的每個添加、刪除和修改將被權(quán)利要求所涵蓋。