專利名稱：切削元件、鉆地工具以及形成這種切削元件和工具的方法
專利說明在使用HTHP工藝形成金剛石臺面之后，催化劑材料可以保留在獲得的聚晶金剛石臺面中的金剛石晶?；蚓w之間的空隙中。當在使用期間由于切削元件與地層之間的接觸點處的摩擦導致切削元件被加熱時，金剛石臺面中催化劑材料的存在導致金剛石臺面中的熱破壞。催化劑材料保留在金剛石臺面中的聚晶金剛石切削元件一般在高達大約750攝氏度時是熱穩(wěn)定的，不過聚晶金剛石臺面內的內部應力在超過大約350攝氏度的溫度下可能開始發(fā)展。該內部應力至少部分地是由于金剛石臺面與粘結金剛石臺面的切削元件基底之間的熱膨脹速率不同導致的。這種熱膨脹速率的不同可以在金剛石臺面與基底之間的界面處導致相對大的壓縮和拉伸應力，而且可能造成金剛石臺面與基底分層。在大約750攝氏度和以上的溫度，由于金剛石材料與金剛石臺面本身內的催化劑材料之間的熱膨脹系數(shù)的不同而導致金剛石臺面內的應力顯著增加。例如，鈷明顯要比金剛石熱膨脹快，這可以導致結構斷裂并在金剛石臺面本身內擴展，最終導致金剛石臺面的退化，降低切削元件的效率。為了減少與聚晶金剛石切削元件中的不同的熱膨脹速率相關的問題，已經開發(fā)了所謂的“熱穩(wěn)定”聚晶金剛石(TSD)切削元件。這種熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削元件可以通過使用例如酸將催化劑材料(例如鈷)從金剛石臺面中的金剛石晶粒之間的空隙中浸出形成?？?以從金剛石臺面移除所有的催化劑材料，或者可以僅移除一部分。已經有如下報道其中將基本所有催化劑材料從金剛石臺面浸出的熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削元件的熱穩(wěn)定溫度高達大約1200攝氏度。然而還報道了這種完全浸出的金剛石臺面比非浸出的金剛石臺面相對更易碎并且更容易受剪切、壓縮和拉伸應力損壞。在提供具有相對于非浸出金剛石臺面熱穩(wěn)定性更高但也相對更易碎并且更容易受剪切、壓縮和拉伸應力損壞的金剛石臺面的努力中，已經提供了包括僅一部分催化劑材料被從金剛石臺面浸出的金剛石臺面的切削元件。

發(fā)明內容
在一些實施方式中，本發(fā)明包括一種切削元件，其包括一定體積的超硬磨料。該一定體積的超硬磨料包括前部切削表面、端切削表面、靠近前部切削表面和端切削表面之間的相交部的切削邊緣、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第一橫向側表面以及在切削元件的與第一橫向側表面相對的側面上的、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第二橫向側表面。在某些實施方式中，一種用于鉆地工具的切削元件包括一定體積的超硬磨料。該一定體積的超硬磨料包括前部切削表面、在切削元件的與前部切削表面相對的側面上的后部切削表面、端切削表面、在切削元件的與端切削表面相對的側面上的底部端表面、靠近前部切削表面與端切削表面之間的相交部的切削邊緣、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第一橫向側表面以及在切削兀件的與第一橫向側表面相對的側面上的、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第二橫向側表面。所述前部切削表面的平均寬度小于后部切削表面的平均寬度。一種鉆地工具可以包括鉆頭本體和連接到鉆頭本體的至少一個切削元件。所述至少一個切削元件包括前部切削表面、靠近前部切削表面和端切削表面之間的相交部的切削邊緣、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第一橫向側表面以及在切削元件的與第一橫向側表面相對的側面上的、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第二橫向側表面。


雖然本說明書是用關于本發(fā)明的實施方式的特別指出并明確聲明的權利要求做出結論，但是當結合附圖閱讀下面敘述的某些示例性實施方式的描述時可以從中更容易地推斷出本發(fā)明的實施方式的優(yōu)點，其中圖I是本發(fā)明的切削元件的一個實施方式的側視圖；圖2A是可以通過沿著由圖I中示出的線A-A圖示的平面在圖I中示出的切削元件上形成平面來提供的本發(fā)明的切削元件的另一個實施方式的透視圖；圖2B是圖2A中示出的切削元件的局部放大側視圖；圖2C是圖2A和2B中示出的切削元件的局部放大正視圖；圖3A是可以通過沿著由圖I中示出的線B-B圖示的平面在圖I中示出的切削元件上形成平面來提供的本發(fā)明的切削元件的另一個實施方式的透視圖；圖3B是圖3A中示出的切削元件的局部放大側視圖；圖3C是圖3A和3B中示出的切削元件的局部放大正視圖；·
圖4是本發(fā)明的切削元件的另一個實施方式的側視圖；圖5A是可以通過沿著由圖4中示出的線C-C圖示的平面在圖4中示出的切削元件上形成平面來提供的本發(fā)明的切削元件的另一個實施方式的透視圖；圖5B是是圖5A中示出的切削元件的局部放大側視圖；圖5C是圖5A和5B中示出的切削元件的局部放大正視圖；圖6A是可以通過沿著由圖4中示出的線D-D圖示的平面在圖4中示出的切削元件上形成平面來提供的本發(fā)明的切削元件的另一個實施方式的透視圖；圖6B是是圖6A中示出的切削元件的局部放大側視圖；圖6C是圖6A和6B中示出的切削元件的局部放大正視圖；圖7A是本發(fā)明的至少部分形成的切削元件的另一個實施方式的透視圖；圖7B是圖7A中示出的切削元件的前部切削表面的平面視圖；和圖8是可以包括這里描述的切削元件的任何實施方式的鉆地工具的透視圖。
具體實施例方式這里呈現(xiàn)的圖并不旨在是任何特殊切削元件、鉆地工具或者該切削元件或工具的一部分的實際視圖，而僅是用來描述本發(fā)明的實施方式的理想化表示。另外，這些圖之間的共有元件可能保留相同的附圖標記。圖I是至少部分形成的切削元件100的一個實施方式的側視圖。該切削元件100可以在基底104上包括一定體積的超硬磨料(超硬磨料包括聚晶金剛石材料和/或立方氮化硼)一雖然其不必一定要包括金剛石，但是這里為了簡便起見稱做金剛石臺面102。所述基底104例如可以包括硬質合金材料，比如鈷鎢硬質合金。在另外的實施方式中，整個切削元件100可以至少基本由超硬磨料組成。在另外的實施方式中，整個切削元件100可以至少基本由諸如鈷鎢硬質合金之類的硬質合金材料組成。所述切削元件100可以是多面體，但是可以是細長的并且可以具有縱軸Alo所述切削元件100可以基本是圓柱形的。所述金剛石臺面102可以包括基本圓柱形的橫向側表面112,其與基底104的基本圓柱形的橫向側表面105基本是同延(coextensive)并連續(xù)的。所述金剛石臺面102還可以包括彎曲的端切削表面106、在切削元件100的兩側上的在基本圓柱形的橫向側表面112與所述彎曲的端切削表面106之間延伸的截頭圓錐形橫向偵U表面110，從圖I中的角度看所述“兩側”是切削元件100的左側和切削元件100的右側。所述金剛石臺面102還可以在切削元件100的兩側(例如相對的兩側)上包括兩個平的斜切表面114，從圖I的角度看所述“兩側”是切削元件100的前側和后側。因此，在圖I中僅可以看到其中一個平的斜切表面114。正如對于本領域普通技術人員公知的，所述切削元件100可以這樣的方式連接到鉆地工具，比如鉆地旋轉鉆頭(例如固定切削元件式旋轉鉆頭)，使得當在鉆進或擴眼工藝中使用鉆地工具來形成井眼時切削元件100的金剛石臺面102將與井眼內的地層表面接觸。簡單參見圖8，一種鉆地工具800可以包括多個切削元件806，比如圖I中示出的切削 元件100。再參見圖1，所述切削元件100可以安裝在鉆地工具上，使得金剛石臺面102的靠近彎曲的端切削表面106與截頭圓錐形的橫向側表面110之間的相交部的邊緣111將與井眼內地下地層的露出的表面接觸，該表面在圖I中由線120表示。換言之，一部分截頭圓錐形橫向側表面可以是與井眼內地下地層的露出的表面接觸的前部切削表面。如圖I中所示，截頭圓錐形橫向側表面110與井眼內地下地層的所述表面(由線120表示的)之間的角度Θ可以從大約兩度(2° )到大約30度(30° )(例如大約15度(15° ))。所述切削元件100可以在形成實體結構上(physical)的側傾角的取向上安裝在鉆地工具上，或者其可以不偏地安裝而沒有任何側傾角。所述切削元件100還可以在形成實體結構上的正后傾角、實體結構上的負后傾角(即前傾角)的取向上安裝在鉆地工具上，或者不偏地安裝而沒有任何實體結構上的后傾角(或前傾角)。通過將圖I中示出的切削元件100修改成包括如下的平坦的端切削表面(不同于如圖I中示出的彎曲的端切削表面106)—其以相對于切削元件100的縱軸\大于O度(0° )并小于90度(90° )的銳角α取向，可以使所述切削元件100呈現(xiàn)出實際起作用(effective)的正后傾角，甚至是當在形成實體結構上的負后傾角(即前傾角)的取向上將切削元件100安裝在鉆地工具上時，或者不偏地安裝而沒有任何實體結構上的后傾角(或前傾角)時也是如此。實際起作用的正后傾角的大小可以至少部分地由切削元件100的縱軸\與平坦的端切削表面之間的銳角α的大小確定。例如，圖2Α到2C圖示了可以通過沿著由圖I中示出的線A-A圖示的平面在圖I中示出的切削元件100上形成平坦的端切削表面202來提供的切削元件200的另一個實施方式。如圖I中所示，線A-A (因此平坦的端切削表面202)關于切削元件200的縱軸\以銳角h取向。作為另一個示例，圖3Α到3C圖示了可以通過沿著由圖I中示出的線B-B圖示的平面在圖I中示出的切削元件100上形成平坦的端切削表面302來提供的切削元件300的一個實施方式。如圖I中所示，線B-B (因此平坦的端切削表面302)關于切削元件300的縱軸\以銳角α2取向。正如通過將圖I中的線A-A與B-B進行對比可以意識到的，切削元件300的平坦的端切削表面302與縱軸kL之間的銳角α 2小于切削元件200的平坦的端切削表面202與縱軸\之間的銳角alt)繼續(xù)參見圖1，切削元件200的平坦的端切削表面202與縱軸\之間的銳角a 1可以選擇成使得平坦的端切削表面202與井眼內地下地層的表面(由線120表示)之間的角度^可以小于90度(90° )，因此使得圖2A到2C的切削元件200呈現(xiàn)出實際起作用的負后傾角(即實際起作用的前傾角)。還如圖I中所示，切削元件300的平坦的端切削表面302與縱軸之間的銳角a 2可以選擇成使得平坦的端切削表面302與井眼內地下地層的表面(由線120表示)之間的角度￡2可以大于90度(90° )，因此使得圖3A到3C的切削元件200呈現(xiàn)出實際起作用的正后傾角(即實際起作用的后傾角)。 圖4是至少部分形成的切削元件400的另一個實施方式的側視圖。該切削元件400可以在基底404上包括一定體積的聚晶金剛石材料(或者另一種超硬磨料，比如立方氮化硼)一其在這里稱作金剛石臺面402。所述基底404例如可以包括硬質合金材料，比如鈷鎢硬質合金。在另外的實施方式中，整個切削元件400可以至少基本由聚晶金剛石材料組成。在另外的實施方式中，整個切削元件400可以至少基本由諸如鈷鎢硬質合金之類的硬質合金材料組成。所述切削元件400可以是多面體，但是可以是細長的并且可以具有縱軸\。在一些實施方式中，所述切削元件400可以基本是圓柱形的。所述金剛石臺面402可以包括基本圓柱形的橫向側表面402，其與基底404的基本圓柱形的橫向側表面405基本是同延并連續(xù)的。截頭圓錐形表面410在基本圓柱形的橫向側表面403與端切削表面408之間圍繞至少一部分切削元件400延伸。所述金剛石臺面402還可以包括前部切削表面406、在所述前部切削表面406與基本是截頭圓錐形的橫向側表面410之間延伸的第一彎曲的凹入的橫向側表面412和在所述前部切削表面406與基本是截頭圓錐形的橫向側表面410之間延伸的第二彎曲的凹入的橫向側表面416 (在圖4中未示出；例如見圖5C和6C)。第一彎曲的凹入的橫向側表面412和第二彎曲的凹入的橫向側表面416均還可以延伸到所述端切削表面408。所述第一彎曲的凹入的橫向側表面412和第二彎曲的凹入的橫向側表面412可以在切削元件400的相對的側面上。切削邊緣409靠近所述前部切削表面406與端切削表面408之間的相交部定位。雖然圖4中圖示出的是由所述前部切削表面406和端切削表面408限定的鋒利邊緣，但是所述切削邊緣409可以包括斜切面或半徑。這種斜切面或半徑可以提高切削元件400的耐久性。所述前部切削表面406在一些實施方式中可以至少平坦(如圖4中所示)，但是在另外的實施方式中可以凸起地彎曲。類似地，所述端切削表面408在一些實施方式中可以凸起地彎曲(如圖4中所示)，但是在另外的實施方式中可以至少平坦。所述切削元件400可以這樣的方式連接到鉆地工具，比如鉆地旋轉鉆頭(例如固定切削元件式旋轉鉆頭)，使得當在鉆進或擴眼工藝中使用鉆地工具來形成井眼時切削元件400的金剛石臺面402將與井眼內的地層表面接觸。簡單參見圖8，一種鉆地工具800可以包括多個切削元件806，比如圖4中示出的切削元件400。
當將切削元件400連接到鉆地工具時，并且當使用切削元件400來切削地層材料時，第一彎曲橫向側表面412和第二彎曲橫向側表面416可以引導切屑和壓碎的地層材料遠離連接有切削元件400的鉆地工具的表面。例如，在切削元件400連接到固定切削元件式旋轉鉆頭的刮刀的實施方式中，所述切削元件400可以引導切屑和壓碎的地層材料遠離鉆頭的刮刀表面。第一彎曲橫向側表面412和第二彎曲橫向側表面416的凹入形狀還可以引導切削元件400周圍的切屑和壓碎的地層材料并將其向外朝向切削元件400的橫向側面引導。在一些實施方式中，所述切削元件400可以靠近傳統(tǒng)的剪切切削元件(例如在兩個剪切切削元件之間)連接到鉆地工具或者在傳統(tǒng)的剪切切削元件附近(例如在兩個剪切切削元件之間)連接到鉆地工具，例如正如在于2009年12月28日申請的名稱是“Drill Bits andOther Earth-Boring Tools Having Differing CuttingElements on a Common Blade, andRelated Methods”的臨時美國專利申請序列號61/290，401、于2010年6月3日申請的名稱是“Earth-BoringTools Having Differing C utting Elements on a Blade and RelatedMethods"的美國專利申請序列號12/793，396中披露的。在這些實施方式中，第一彎曲橫向側表面412和第二彎曲橫向側表面416的凹入形狀還可以將由切削元件400產生的切屑和壓碎的地層材料引向一個或多個臨近的剪切切削元件的切削路徑，其然后可以進一步輔助由切削元件400產生的地層切屑和壓碎的地層材料的切削和排空。第一彎曲橫向側表面412和第二彎曲橫向側表面416可以具有相似(例如完全相同或具有鏡像)或者不同的幾何形狀，可以對每個的幾何形狀進行單獨設計以在鉆進操作期間提高切削元件400的性能。因此，切削元件400的第一彎曲橫向側表面412和第二彎曲橫向側表面416的凹入形狀可以減少地層切屑在切削元件400周圍封堵和聚集的發(fā)生——這在本領域中稱作“泥包”。這種在切削元件周圍的地層材料的泥包可能降低切削元件的效率。切削元件400可以安裝在鉆地工具上，使得靠近所述前部切削表面406與端切削表面408之間的相交部定位的金剛石臺面402的切削邊緣409將會與井眼內的地下地層的露出的表面接觸，該表面在圖4中由線120表示。如圖4中所示，前部切削表面406 (和/或截頭圓錐形橫向側表面410)與井眼內地下地層122的所述表面之間的角度Θ可以從大約兩度(2° )到大約30度(30° )(例如大約15度(15° ))。所述切削元件400可以形成實體結構上的側傾角的取向安裝在鉆地工具上，或者其可以不偏地安裝而沒有任何側傾角。所述切削元件400還可以形成實體結構上的正后傾角、實體結構上的負后傾角(即前傾角)的取向安裝在鉆地工具上，或者不偏地安裝而沒有任何實體結構上的后傾角(或前傾角)。在一些實施方式中，端切削表面408可以是平坦的，并且可以以相對于切削元件400的縱軸Al大于O度(0° )并小于90度(90° )的銳角α (例如圖4中的α 3，α 4)取向。在這些實施方式中，所述切削元件400可選地可以以使所述切削元件400呈現(xiàn)出實際起作用的正后傾角的方式安裝在鉆地工具上——即便所述切削元件400以形成實體結構上的負后傾角(即前傾角)的取向安裝在鉆地工具上，或者不偏地安裝而沒有正如由切削元件400的縱軸Ai與地層的表面之間的角度確定的任何實體結構上的后傾角(或前傾角)。實際起作用的正后傾角的大小可以至少部分地由切削元件400的縱軸\與平坦的端切削表面之間的銳角α的大小確定。例如，圖5Α到5C圖示了可以通過沿著由圖4中示出的線C-C圖示的平面在圖4中示出的切削元件400上形成平坦的端切削表面508來提供的切削元件500的另一個實施方式。如圖4中所示，線C-C (因此平坦的端切削表面508)相對于切削元件500的縱軸\以銳角Q3取向。切割邊緣509靠近所述前部切削表面406與端切削表面508之間的相交部定位。所述切削邊緣509可以是斜切的或者倒圓。作為另一個示例，圖6Α到6C圖示了可以通過沿著由圖4中示出的線D-D圖示的平面在圖4中示出的切削元件400上形成平坦的端切削表面608來提供的切削元件600的一個實施方式。如圖4中所示，線D-D (因此平坦的端切削表面608)相對于切削元件600
的縱軸以銳角α 4取向。切割邊緣609靠近所述前部切削表面406與端切削表面608之間的相交部定位。所述切削邊緣609可以是斜切的或者倒圓。正如通過將圖4中的線C-C與D-D進行對比可以意識到的，切削元件600的平坦的端切削表面608 (正如由線D-D表示出的)與縱軸之間的銳角α 4小于切削元件500的平坦的端切削表面508 (正如由線C-C表示出的)與縱軸Ai之間的銳角α 3。繼續(xù)參見圖4，切削元件500的平坦的端切削表面508與縱軸\之間的銳角α 3可以選擇成使得平坦的端切削表面508與井眼內地下地層的表面(由線120表示)之間的角度￡3可以小于90度(90° )，因此使得圖5Α到5C的切削元件500呈現(xiàn)出實際起作用的負后傾角(即實際起作用的前傾角)。還如圖4中所示，切削元件600的平坦的端切削表面608與縱軸之間的銳角α 4可以選擇成使得平坦的端切削表面608與井眼內地下地層的表面(由線120表示)之間的角度￡4可以大于90度(90° )，因此使得圖6Α到6C的切削元件600呈現(xiàn)出實際起作用的正后傾角(即實際起作用的后傾角)。圖7Α是至少部分形成的切削元件700的另一個實施方式的透視圖。該切削元件700可以在基底704上包括一定體積的超硬磨料(聚晶金剛石材料和/或立方氮化硼)，其在這里稱作金剛石臺面702。所述基底704例如可以包括硬質合金材料，比如鈷鎢硬質合金。在另外的實施方式中，整個切削元件700可以至少基本由聚晶金剛石材料組成。在另外的實施方式中，整個切削元件700可以至少基本由諸如鈷鎢硬質合金之類的硬質合金材料組成。所述切削元件700可以是多面體形狀。所述金剛石臺面702可以包括前部切削表面706、端切削表面708、第一平坦的橫向側表面710、在所述前部切削表面706與第一平坦的橫向側表面710之間延伸的第一彎曲的凹入的橫向側表面712、第二平坦的橫向側表面714 (圖7Β中示出)、以及在所述前部切削表面706與第二平坦的橫向側表面714之間延伸的第二彎曲的凹入的橫向側表面716 (在圖7Β中示出)。切削邊緣709靠近所述前部切削表面706與端切削表面708之間的相交部定位。所述切削邊緣709可以是斜切的或倒圓。所述切削元件700還可以包括在切削元件700的與端切削表面708相對的端部上的底部端表面718和在切削元件700的與前部切削表面706相對的側面上的后部表面720。在一些實施方式中，底部端表面718和后部表面720中的一個或兩個可以至少基本是平坦的。切削元件700可以具有切削元件軸\，其定義為在切削元件700的端切削表面708的中心與底部端表面718的中心之間延伸的軸。垂直于切削元件軸\測量到的前部切削表面706的平均寬度可以小于垂直于切削元件軸\測量到的后部表面720的平均寬度。例如，在一些實施方式中，前部切削表面706的平均寬度可以是后部表面720的平均寬度的大約百分之95 (95%)或者更少。圖7B是圖7A中示出的切削元件700的前部切削表面706的平面視圖。該前部切削表面706在一些實施方式中可以凸出地彎曲(如圖7A和7B中所示)，但是在另外的實施方式中可以是至少基本平坦的。類似地，所述端切削表面708在一些實施方式中可以是至少基本平坦的(如圖7A和7B中所示)，但是在另外的實施方式中可以凸出地彎曲。所述切削元件700可以連接到鉆地工具，比如鉆地旋轉鉆頭(例如固定切削元件式旋轉鉆頭)。當將切削元件700連接到鉆地工具時，并且當使用切削元件700來切削地層材料時，以與之前這里結合圖4的切削元件400的第一和第二凹入橫向側表面412，114的描述類似的方式，第一凹入橫向側表面712和第二凹入橫向側表面716可以引導切削兀件700周圍的切屑和壓碎的地層材料并將其自切削元件700橫向向外(例如沿著路徑730)引導。第一凹入橫向側表面712和第二凹入橫向側表面716可以具有類似的或不同的幾何形狀，可以單獨設計每個表面的幾何形狀以在鉆進操作期間提高切削元件700的性能。 如圖8中所示，一種鉆地工具800可以包括鉆頭802和多個刮刀804。圖8中示出的鉆地工具800包括固定切削元件式旋轉鉆頭，不過本發(fā)明的實施方式還包括其他已知類型的鉆地工具，例如包括其他類型的鉆頭(例如牙輪鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭、取心鉆頭和沖撞鉆頭)、套管和尾管鉆進工具、擴眼鉆頭或者其他開孔工具，以及穩(wěn)定器、封隔器或者諸如可操縱尾管系統(tǒng)之類的可操縱組件?？梢詫⒍鄠€切削元件806安裝到鉆頭本體802，比如安裝到每個刮刀804。例如，可以將切削元件806安裝到刮刀804的前邊緣。切削元件806可以包括正如這里描述的任何切削元件100，200，300，400，500，600和/或700。切削元件806可以通過本領域中已知的任何方法連接到鉆頭本體802，比如通過硬釬焊、熔接、共燒結等等。所述切削元件806在材料組成和幾何形狀上可以基本類似，或者可以與其他切削元件806不同。例如，在鉆地工具的錐形區(qū)域中的切削元件806可以具有不同于前端區(qū)域、肩部區(qū)域或保徑區(qū)域中的切削元件806的幾何形狀。每個切削元件806的幾何形狀和材料可以選擇成使鉆地工具800的研磨特性最優(yōu)化。可選地，可以對切削元件的實施方式的超硬磨料的某些區(qū)域(例如金剛石臺面102，402或702)或者整個體積的超硬磨料進行處理(例如蝕刻)，以從超硬磨料的相互鍵連接的金剛石晶粒之間移除金屬材料(例如用于促進超硬磨料中的金剛石晶體(即晶粒)之間的金剛石-金剛石鍵的形成的金屬催化劑)，使得所述超硬磨料相對更熱穩(wěn)定。此外，可選地，可以對切削元件的實施方式的超硬磨料的某些露出表面(例如金剛石臺面102，402或702)或者超硬磨料的所有露出表面進行拋光，以增加這些表面的光滑度，以便于在鉆進操作期間減小地層材料對所述表面的粘滯。這里描述的切削元件的增強的形狀可以用于在相對硬的巖石地層中鉆進時提高切削元件的表現(xiàn)和耐久性。此外，切削元件的形狀可以用于提供實際起作用的正或負后傾角，而與切削元件是否具有實體結構上的正或負后傾角無關。這里描述的切削元件的形狀可以在安裝在鉆地工具上時并且在用于切削地下地層時提供翻耕切削動作。換言之，作為由傳統(tǒng)剪切切削元件使用的剪切機構的補充或替代，所述切削元件可以使用壓碎和/或鑿進機構來移除地層材料。
盡管圖I和4中示出的切削元件100和400是要沿著切削元件的一側(即邊緣111或切削表面409)來接觸地下地層的所述表面(由線120表示)，但是所述切削元件可以安裝在鉆地工具中，使得切削元件的相對的側面接觸地下地層。例如，如圖2B所示，表面204(對應于圖I中的邊緣111)或者表面206可以接觸地下地層。所述后傾角和/或側傾角可以變化，表面204或206基于所述后傾角和/或側傾角配置成接觸地下地層。所述切削元件300,500和600可以類似地配置。下面描述本發(fā)明的另外的非限制性示例實施方式。實施方式I :一種切削元件，包括一定體積的超硬磨料。該一定體積的超硬磨料包括前部切削表面、端切削表面、靠近前部切削表面和端切削表面之間的相交部的切削邊緣、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第一橫向側表面以及在切削元件的與第一橫向側表面相對的側面上的、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第二橫向側表面。實施方式2 :根據實施方式I所述的切削元件，其中所述切削元件至少基本是由所 述一定體積的超硬磨料組成的。實施方式3 :根據實施方式I所述的切削元件，還包括硬質合金基底，所述一定體積的超硬磨料布置在所述硬質合金基底上。實施方式4 :根據實施方式I到3中任一所述的切削兀件,其中第一橫向側表面和第二橫向側表面均包括凹入表面。實施方式5 :根據實施方式I到3中任一所述的切削元件，其中第一橫向側表面和第二橫向側表面均包括基本平坦的表面。實施方式6 :根據實施方式I到5中任一所述的切削元件，其中所述端切削表面包括至少基本平坦的表面。實施方式7 :根據實施方式I到5中任一所述的切削元件，其中所述端切削表面包括凸起地彎曲的表面。實施方式8 :根據實施方式I到7中任一所述的切削元件，其中所述前部切削表面包括至少平坦的表面。實施方式9 :根據實施方式I到7中任一所述的切削元件，其中所述前部切削表面包括凸起地彎曲的表面。實施方式10 :根據實施方式I到9中任一所述的切削元件，其中所述切削元件基本是圓柱形的。實施方式11 :根據實施方式I到9中任一所述的切削元件，其中所述一定體積的超硬磨料還包括下述對象中的至少一個在切削元件的與前部切削表面相對的側面上的至少基本平坦的后部表面；以及在所述切削元件的與所述端切削表面相對的側面上的至少基本平坦的底部端表面。實施方式12 :根據實施方式I到3中任一所述的切削元件，其中所述前部切削表面包括截頭圓錐形橫向側表面，并且其中所述第一和第二橫向側表面包括與前部切削表面和端切削表面均相交的平坦的斜切表面。實施方式13 : —種用于鉆地工具的切削元件，所述切削元件包括一定體積的超硬磨料。該一定體積的超硬磨料包括前部切削表面；在切削元件的與所述前部切削表面相對的側面上的后部表面；端切削表面；在所述切削元件的與所述端切削表面相對的側面上的底部端表面；靠近所述前部切削表面與所述端切削表面之間的相交部的切削邊緣；在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第一橫向側表面；以及在切削元件的與第一橫向側表面相對的側面上的、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第二橫向側表面。所述前部切削表面的平均寬度小于所述后部表面的平均寬度。實施方式14 :根據實施方式13所述的切削元件，其中所述前部切削表面的平均寬度是所述后部表面的平均寬度的大約百分之95 (95%)或者更少。實施方式15 :根據實施方式13或實施方式14所述的切削元件，其中所述前部切削表面至少基本平坦。實施方式16 :根據實施方式13到15中任一所述的切削元件，其中第一橫向側表面和第二橫向側表面均包括彎曲表面。 實施方式17 :—種鉆地工具，包括鉆頭本體和連接到鉆頭本體的至少一個切削元件。所述至少一個切削元件包括前部切削表面；端切削表面；靠近前部切削表面和端切削表面之間的相交部的切削邊緣；在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第一橫向側表面；以及在切削元件的與第一橫向側表面相對的側面上的、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第二橫向側表面。實施方式18 :根據實施方式17所述的鉆地工具，其中所述前部切削表面、端切削表面、第一橫向側表面和第二橫向側表面中的至少一個包括彎曲表面。實施方式19 :一種形成切削元件的方法，包括形成一定體積的超硬磨料。形成所述一定體積的超硬磨料包括形成靠近前部切削表面與端切削表面之間的相交部的切削元件的切削邊緣、形成在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的切削元件的第一橫向側表面、以及形成在切削元件的與第一橫向側表面相對的側面上的、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的切削元件的第二橫向側表面。實施方式20 :根據實施方式19所述的方法，還包括形成相對于切削元件的縱軸以銳角取向的平坦的端切削表面。實施方式21 :根據實施方式19或實施方式20所述的方法，其中形成第一橫向側表面和形成第二橫向側表面均包括形成彎曲表面。實施方式22 :—種形成鉆地工具的方法，包括形成切削元件以及將所述切削元件連接到鉆地工具。形成所述切削元件包括形成靠近前部切削表面與端切削表面之間的相交部的切削元件的切削邊緣、形成在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的切削兀件的第一橫向側表面、以及形成在切削兀件的與第一橫向側表面相對的側面上的、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的切削兀件的第二橫向側表面。實施方式23 :根據實施方式22所述的方法，其中將所述切削元件連接到鉆地工具包括將切削元件連接到固定切削元件式鉆地旋轉鉆頭。雖然這里參照某些實施方式對本發(fā)明進行了敘述，但是本領域普通技術人員將會認識并意識到的是本發(fā)明并不是如此限定的。而是在不脫離本發(fā)明的正如下文中所要求保護的范圍的前體下可以對這里描 述的實施方式做出許多添加、刪除和修改。此外，來自于一個實施方式的特征可以與另一個實施方式的特征組合，而仍然包含在正如由本發(fā)明人考慮的本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.一種用于鉆地工具的切削元件，包括 一定體積的超硬磨料，其包括 前部切削表面； 端切削表面； 靠近前部切削表面和端切削表面之間的相交部的切削邊緣； 在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第一橫向側表面；以及 在切削元件的與第一橫向側表面相對的側面上的、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第二橫向側表面。
2.根據權利要求I所述的切削元件，其中所述切削元件至少基本是由所述一定體積的超硬磨料組成的。
3.根據權利要求I所述的切削元件，還包括硬質合金基底，所述一定體積的超硬磨料布置在所述硬質合金基底上。
4.根據權利要求I到3中任一所述的切削兀件,其中第一橫向側表面和第二橫向側表面均包括凹入表面。
5.根據權利要求I到3中任一所述的切削兀件,其中第一橫向側表面和第二橫向側表面均包括基本平坦的表面。
6.根據權利要求I到5中任一所述的切削元件，其中所述端切削表面包括至少基本平坦的表面。
7.根據權利要求I到5中任一所述的切削元件，其中所述端切削表面包括凸起地彎曲的表面。
8.根據權利要求I到7中任一所述的切削元件，其中所述前部切削表面包括至少平坦的表面。
9.根據權利要求I到7中任一所述的切削元件，其中所述前部切削表面包括凸起地彎曲的表面。
10.根據權利要求I到9中任一所述的切削元件，其中所述切削元件基本是圓柱形的。
11.根據權利要求I到9中任一所述的切削元件，其中所述一定體積的超硬磨料還包括下述對象中的至少一個在切削元件的與前部切削表面相對的側面上的至少基本平坦的后部表面；以及在所述切削元件的與所述端切削表面相對的側面上的至少基本平坦的底部端表面。
12.根據權利要求I到3中任一所述的切削元件，其中所述前部切削表面包括截頭圓錐形橫向側表面，并且其中所述第一和第二橫向側表面包括與前部切削表面和端切削表面均相交的平坦的斜切表面。
13.一種用于鉆地工具的切削元件，所述切削元件包括 一定體積的超硬磨料，其包括 前部切削表面； 在切削元件的與所述前部切削表面相對的側面上的后部表面； 端切削表面； 在所述切削元件的與所述端切削表面相對的側面上的底部端表面；靠近所述前部切削表面與所述端切削表面之間的相交部的切削邊緣； 在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第一橫向側表面；以及 在切削元件的與第一橫向側表面相對的側面上的、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第二橫向側表面； 其中所述前部切削表面的平均寬度小于所述后部表面的平均寬度。
14.根據權利要求13所述的切削元件，其中所述前部切削表面的平均寬度是所述后部表面的平均寬度的大約百分之95 (95%)或者更少。
15.根據權利要求13或權利要求14所述的切削元件，其中所述前部切削表面至少基本平坦。
16.根據權利要求13到15中任一所述的切削兀件,其中第一橫向側表面和第二橫向側表面均包括彎曲表面。
17.一種鉆地工具，包括 鉆頭本體；和 連接到鉆頭本體的至少一個切削元件，所述至少一個切削元件包括 前部切削表面； 端切削表面； 靠近前部切削表面和端切削表面之間的相交部的切削邊緣； 在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第一橫向側表面；以及 在切削元件的與第一橫向側表面相對的側面上的、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的第二橫向側表面。
18.根據權利要求17所述的鉆地工具，其中所述前部切削表面、端切削表面、第一橫向側表面和第二橫向側表面中的至少一個包括彎曲表面。切削元件、鉆地工具以及形成這種切削元件和工具的方法
優(yōu)先權
本申請要求于2010年5月3日申請的名稱是“ImprovedGeometries For CuttingElements And Methods Of Forming SuchCutting Elements” 的美國臨時專利申請序列號 61/330，757 和于 2010 年 8 月 6 日申請的名稱是“Cutting Elements Having CurvedLateralSide Surfaces for Plowing Subterranean Formation Material, Earth-BoringTools Including Such Cutting Elements, and RelatedMethods” 的美國臨時專利申請序列號61/371，355的優(yōu)先權。技術領域
本發(fā)明的實施方式總體上涉及包括形成在基底上的超硬磨料(例如聚晶金剛石或立方氮化硼)臺面的切削元件、包括這種切削元件的鉆地工具以及形成這種切削元件和鉆地工具的方法。
背景技術：
通常使用鉆地工具來在地層中形成(例如鉆出和擴出)井孔或井(下文中是“井眼”)。鉆地工具例如包括旋轉鉆頭、取心鉆頭、偏心鉆頭、雙心鉆頭、擴眼鉆頭、擴眼器和研磨器。
不同類型的鉆地旋轉鉆頭在本領域中是公知的，例如包括固定切削元件式鉆頭(在本領域中其通常稱作“刮刀”鉆頭)、牙輪鉆頭(在本領域中其通常稱作“牙輪”鉆頭)、孕鑲金剛石鉆頭和混合式鉆頭(其例如可以包括固定切削元件和牙輪)。使所述鉆頭轉動并向地下地層中推進。當鉆頭轉動時，切削元件或研磨結構切削、壓碎、剪切和/或磨損掉地層材料以形成井眼。
鉆頭直接或間接連接到本領域中稱做“鉆柱”的部件的端部上，所述鉆柱包括端對端連接的一串細長管狀節(jié)段，其從地層表面延伸到井眼中。通?？梢詫ㄣ@頭在內的各種工具和元件一起連接到在被鉆探的井眼的底部處的鉆柱的遠端。工具和元件的這種組件在本領域中稱做“底部鉆具組合”(BHA)。
通過從地層表面轉動鉆柱可以使鉆頭在井眼內轉動，或者通過將鉆頭連接到井下電動機可以使鉆頭轉動，所述井下電動機還連接到鉆柱并且靠近井眼底部布置。井下電動機可以包括例如液壓Moineau型電動機，其具有軸，鉆頭安裝到所述軸上，通過泵送流體(例如鉆井泥漿或流體)——從地層表面向下穿過鉆柱中心、穿過液壓電動機，從鉆頭中的噴嘴出來，穿過鉆柱外表面與井眼內的地層的暴露表面之間的環(huán)形空間向上返回到地層表面-可以使其轉動。
牙輪鉆頭一般具有安裝在自鉆頭本體延伸的鉆頭支腿上的三個牙輪，其例如可以由焊接到一起形成鉆頭本體的三個鉆頭部分形成。每個鉆頭支腿可以從一個鉆頭部分懸置。每個牙輪配置成在自鉆頭支腿沿徑向向內、向下的方向自鉆頭支腿延伸的支承軸上旋轉或轉動。這些牙輪一般由鋼形成，但是它們也可以由顆?；w復合材料(例如諸如碳化鎢硬質合金之類的金屬陶瓷復合物)形成?？梢栽诿總€牙輪的外表面中或上機加工或以其他方式形成用于切削巖石和其他地層的切削齒。替代性地，在每個牙輪的外表面上形成有容座，由硬質抗磨損材料形成的插入件緊固在所述容座中以形成牙輪的切削元件。當使牙輪鉆頭在井眼內轉動時，牙輪滾動并滑過地層表面，這使切削元件將下面的地層壓碎并刮掉。
固定切削元件式鉆頭一般包括連接到鉆頭本體面的多個切削元件。該鉆頭本體可以包括多個刀翼或刮刀，它們限定了刮刀之間的流體流道。所述切削元件可以在形成在刮刀外表面中的凹口內緊固到鉆頭本體。所述切削元件以固定方式連接到鉆頭本體，使得在鉆進期間切削元件不會相對于鉆頭本體運動。所述鉆頭本體可以由鋼或顆?；w復合材料(例如鈷鎢硬質合金)形成。在鉆頭本體包括顆粒基體復合材料的實施方式中,鉆頭本體可以連接到金屬合金(例如鋼)鉆頭接頭部分，該鉆頭接頭部分具有可以用來將鉆頭本體和該鉆頭接頭部分連接到鉆柱的螺紋端。當固定 切削元件式鉆頭在井眼內轉動時，切削元件刮擦地層表面并剪切掉下面的地層。
孕鑲金剛石旋轉鉆頭可以用于鉆進硬的或研磨巖石地層，比如沙巖。一般地，孕鑲金剛石鉆頭具有在模具中鑄造的實心頭或冠頂。所述冠頂連接到鋼制鉆頭接頭部分，所述鋼制鉆頭接頭部分具有可以用于將所述冠頂和所述鋼制鉆頭接頭部分連接到鉆柱的螺紋端。所述冠頂可以具有多種結構并且一般包括具有多個切削結構的切削面，這些切削結構可以包括切削段、切削柱和刮刀中的至少一個。所述切削柱和刮刀可以與所述冠頂一起在模具中形成，或者它們可以單獨形成并連接到所述冠頂。溝槽將切削柱和刮刀分開以使鉆進流體流過鉆頭的所述切削面。
孕鑲金剛石鉆頭可以形成為使得鉆頭的切削面(包括切削柱和刮刀)包括顆?；w復合材料，所述顆?；w復合材料包括分散在整個基體材料中的金剛石顆粒。所述基體材料本身可以包括分散在整個金屬基體材料(比如銅基合金)中的顆?；w復合材料，比如碳化鶴顆粒。
在本領域中將諸如“耐磨”材料之類的抗磨損材料應用到旋轉鉆頭的地層接合表面來將鉆頭的那些表面的由研磨造成的磨損減到最小是公知的。例如，在存在由傳統(tǒng)鉆進流體攜帶的固體微粒材料(例如切屑和碎石)的情況下，當那些表面與地下地層的表面接合并且相對于地下地層的表面滑動時，在鉆地工具的地層接合表面處發(fā)生磨損。例如，可以將耐磨材料施加到牙輪鉆頭的牙輪的切削齒上以及牙輪的保徑表面上。還可以將耐磨材料施加到每個鉆頭支腿的彎曲下端或“牙松鉆頭體”的外表面上，以及在鉆進期間鉆頭的可能接合地層的其他外表面上。
用在這種鉆地工具中的切削元件通常包括聚晶金剛石切削元件(通常稱作“roc”)，其是包括聚晶金剛石(PCD)材料的切削元件。這種聚晶金剛石切削元件通過在催化齊|J(比如鈷、鐵、鎳或者它們的合金和混合物)存在的情況下將相對小的金剛石晶粒或晶體在高溫和高壓下燒結并粘結在一起來在切削元件基底上形成聚晶金剛石材料層來形成的。這些工藝通常稱做高溫/高壓(或“HTHP”)工藝。切削元件基底可以包括金屬陶瓷材料(即陶瓷-金屬復合材料)，比如鈷鎢硬質合金。在這些情況下，在燒結期間，切削元件基底中的鈷(或其他催化劑材料)可以被吸入金剛石晶?；蚓w中，并且用作用于由金剛石晶?；蚓w形成金剛石臺面的催化劑材料。在其他方法中，在HTHP工藝中，在將所述晶?；蚓w燒結在一起之前，可以將粉末狀催化劑材料與金剛石晶粒或晶體混合。
全文摘要
切削元件包括一定體積的超硬磨料。該一定體積的超硬磨料包括前部切削表面、端切削表面、切削邊緣、在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的橫向側表面。一種鉆地工具可以包括鉆頭本體和連接到鉆頭本體的至少一個切削元件。形成切削元件的方法包括形成一定體積的超硬磨料，包括形成前部切削表面、端切削表面、切削邊緣和在前部切削表面與端切削表面之間延伸并與前部切削表面和端切削表面均相交的橫向側表面。形成鉆地工具的方法包括形成切削元件以及將切削元件連接到鉆地工具。
文檔編號E21B10/16GK102933786SQ201180028057
公開日2013年2月13日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權日2010年5月3日
發(fā)明者D·E·斯科特, N·J·萊昂斯, J·M·比倫, O·馬修斯, R·C·佩斯西爾 申請人:貝克休斯公司