用于鉆地工具的切削元件、包括這種切削元件的鉆地工具及其相關(guān)方法
【專(zhuān)利摘要】切削元件，包括超耐磨臺(tái)、位于超耐磨臺(tái)的切削面上的至少一個(gè)凹陷和徑向橫過(guò)所述至少一個(gè)凹陷的至少一部分延伸的至少一個(gè)輻條。鉆地工具，包括這樣的切削元件。形成切削元件的方法，包括：形成具有至少一個(gè)這樣的凹陷和至少一個(gè)這樣的輻條的超耐磨臺(tái)；和將超耐磨臺(tái)設(shè)置在一基體上。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于鉆地工具的切削元件、包括這種切削元件的鉆地工具及其相關(guān)方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2011年9月16日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)61/535，772的優(yōu)先權(quán)，該專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容在此整體引入作為參考。本申請(qǐng)的主題與2011年4月22日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)13/092，396、2012年5月15日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)13/472，377以及2012年5月22日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)13/477,905的主題有關(guān)，這些專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容在此整體引入作為參考。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明的實(shí)施例涉及鉆地工具、用于這種鉆地工具的切削元件及其相關(guān)方法。
【背景技術(shù)】
[0004]井眼形成在地下巖層中，用于各種目的，包括例如從地下巖層開(kāi)采石油和天然氣，從地下巖層開(kāi)采地?zé)??？衫勉@頭，例如回轉(zhuǎn)式鉆地鉆頭，在地下巖層中形成井眼。不同類(lèi)型的回轉(zhuǎn)式鉆地鉆頭在本領(lǐng)域都是已知的，包括例如固定切削刃鉆頭(在本領(lǐng)域通常也稱(chēng)為〃刮刀〃鉆頭)、滾動(dòng)切削刃鉆頭(在本領(lǐng)域通常也稱(chēng)為〃牙輪〃鉆頭)、孕鑲金剛石鉆頭和混合式鉆頭(其可以包括例如固定切削刃和滾動(dòng)切削刃)。在操作過(guò)程中，鉆頭旋轉(zhuǎn)而進(jìn)入到地下巖層中。隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)，其切削刃或研磨結(jié)構(gòu)切削、壓碎、剪切、和/或研磨掉巖層材料，以形成井眼。由鉆頭鉆出的井眼的直徑可以由設(shè)置在鉆頭的最大外徑處的切削結(jié)構(gòu)限定。
[0005]鉆頭直接或間接地耦合于本領(lǐng)域稱(chēng)為〃鉆柱〃的一端，所述鉆柱包括首尾相連的一系列細(xì)長(zhǎng)管狀區(qū)段，所述鉆柱從巖層的地表延伸到井眼中。通常，各種工具和部件，包括鉆頭，可以在正在鉆進(jìn)的井眼的底部在鉆柱的遠(yuǎn)端耦合在一起。工具和部件的這種組合在本領(lǐng)域被稱(chēng)為〃底部鉆具組合〃(BHA)。
[0006]通過(guò)從地層的地表旋轉(zhuǎn)鉆柱，可以使鉆頭在井眼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，或者通過(guò)使鉆頭耦合于井下馬達(dá)使鉆頭旋轉(zhuǎn)，所述井下馬達(dá)也耦合于鉆柱，并緊鄰井眼的底部設(shè)置。井下馬達(dá)可以包括例如具有安裝鉆頭的軸的液壓姆瓦諾(Moineau)型馬達(dá)，通過(guò)泵送流體(例如鉆進(jìn)泥漿或流體)，可使液壓姆瓦諾型馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，所述泵送流體從地層地表向下穿過(guò)鉆柱中心、液壓馬達(dá)，從鉆頭的噴嘴流出，然后穿過(guò)鉆柱外表面與井眼內(nèi)的地層暴露表面之間的環(huán)空返回至地層表面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在有些實(shí)施例中，一種用于鉆地工具的切削元件，其可包括超耐磨臺(tái)，所述超耐磨臺(tái)具有位于其切削面上的凹陷和徑向橫過(guò)所述至少一個(gè)凹陷的至少一部分延伸的至少一個(gè)輻條。超耐磨臺(tái)可以設(shè)置在一基體上。
[0008]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，一種鉆地工具，其可包括至少一個(gè)切削元件。所述至少一個(gè)切削元件可包括位于基體上的超耐磨臺(tái)，所述超耐磨臺(tái)具有位于其切削面中的凹陷和徑向橫過(guò)所述至少一個(gè)凹陷的至少一部分延伸的至少一個(gè)福條。
[0009]其它實(shí)施例包括形成切削元件的方法。依照這樣的方法，可以形成超耐磨臺(tái)。所述超耐磨臺(tái)可以具有切削面、位于所述切削面中的至少一個(gè)凹陷和徑向橫過(guò)所述至少一個(gè)凹陷的至少一部分延伸的至少一個(gè)輻條。超耐磨臺(tái)可以設(shè)置在一基體上。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]雖然說(shuō)明書(shū)最后附有特別指出并清楚地要求保護(hù)被認(rèn)為是本發(fā)明的實(shí)施例的權(quán)利要求書(shū)，但是，在結(jié)合附圖閱讀時(shí)，從本發(fā)明的實(shí)施例的下列描述中可以容易地確定本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點(diǎn)。
[0011]圖1是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的包括切削元件的鉆地鉆頭的透視圖。
[0012]圖2是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的具有在切削面中的凹陷的切削元件的局部剖開(kāi)側(cè)視圖。
[0013]圖3是圖1和2的切削元件的透視圖。
[0014]圖4是圖1-3中切削元件的超耐磨臺(tái)的局部截面圖，顯示了依照本發(fā)明的一實(shí)施例的徑向輻條相對(duì)于切削面中的凹陷的輪廓。
[0015]圖5是切削元件的超耐磨臺(tái)的局部截面視圖，顯示了依照本發(fā)明一實(shí)施例的徑向輻條相對(duì)于切削元件的切削面中的凹陷的輪廓，其中徑向輻條在徑向朝著切削元件的軸線的方向上朝切削面傾斜。
[0016]圖6是切削元件的超耐磨臺(tái)的局部截面視圖，顯示了依照本發(fā)明一實(shí)施例的徑向輻條相對(duì)于切削元件的切削面中的凹陷的輪廓，其中徑向輻條在徑向遠(yuǎn)離切削元件的軸線的方向上朝切削面傾斜。
[0017]圖7是圖1-4的切削元件的平面圖。
[0018]圖8是依照本發(fā)明一實(shí)施例的包括徑向輻條的切削元件的平面圖，所述徑向輻條隨著其遠(yuǎn)離切削元件的中心的延伸而加寬。
[0019]圖9是依照本發(fā)明一實(shí)施例的包括徑向輻條的切削元件的平面圖，所述徑向輻條隨著其遠(yuǎn)離切削元件的中心的延伸而加寬，并且所述徑向輻條不是一直延伸到切削元件的中心。
[0020]圖10是依照本發(fā)明一實(shí)施例的包括徑向輻條的切削元件的平面圖，所述徑向輻條隨著其朝著切削元件的中心的延伸而加寬。
[0021]圖11是依照本發(fā)明一實(shí)施例的包括徑向輻條的切削元件的平面圖，所述徑向輻條隨著其朝著切削元件的中心的延伸而加寬，并且所述徑向輻條不是一直延伸到切削元件的外周。
[0022]圖12是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的切削元件的平面圖，顯示了具有沿著構(gòu)造為多邊形的路徑延伸的凹陷的切削面。
[0023]圖13是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的切削元件的平面圖，顯示了具有沿著構(gòu)造為勒洛(Reuleaux)多邊形的路徑延伸的凹陷的切削面。
[0024]圖14是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的具有其截面形狀大體上限定為橢圓弧的凹陷的切削元件的超耐磨臺(tái)的一部分的截面視圖。[0025]圖15是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的具有其截面形狀大體上限定為對(duì)稱(chēng)V形的凹陷的切削元件的超耐磨臺(tái)的一部分的截面視圖。
[0026]圖16是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的具有其截面形狀大體上限定為非對(duì)稱(chēng)V形的凹陷的切削元件的超耐磨臺(tái)的一部分的截面視圖。
[0027]圖17是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的具有基本上裝滿犧牲結(jié)構(gòu)的凹陷的切削元件的超耐磨臺(tái)的一部分的截面視圖。
[0028]圖18是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的帶有位于凹陷的表面上的較薄犧牲結(jié)構(gòu)的切削元件的超耐磨臺(tái)的一部分的截面視圖。
[0029]圖19是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的在超耐磨臺(tái)與基體之間的交接面處帶有成型區(qū)域的切削元件的一部分的截面視圖，所述成型區(qū)域與超耐磨臺(tái)的切削面中的凹陷的形狀相對(duì)應(yīng)。
[0030]圖20是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的在超耐磨臺(tái)與基體之間的交接面處帶有成型區(qū)域的切削元件的一部分的截面視圖，所述成型區(qū)域與超耐磨臺(tái)的切削面中的凹陷的形狀相對(duì)應(yīng)，交接面處的成型區(qū)域在徑向上定位于所述凹陷之外。
[0031]圖21是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的切削元件在鉆進(jìn)作業(yè)期間的示意圖，該切削元件具有處于與巖層相互作用的超耐磨臺(tái)的切削面中的凹陷。
【具體實(shí)施方式】
[0032]在此提供的示圖并不是任何特定鉆地工具、鉆頭、或這樣的工具或鉆頭的部件的實(shí)際視圖，僅僅是用來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例的理想化表示。
[0033]在此所使用的短語(yǔ)〃鉆地工具〃意指并且包括用于移除巖層材料并借助于移除巖層材料形成穿過(guò)巖層的鉆孔(例如井眼)的任意工具。鉆地工具包括:例如回轉(zhuǎn)式鉆頭(例如，固定切削刃鉆頭或〃刮刀〃鉆頭和滾輪鉆頭或〃牙輪〃鉆頭)；包括固定切削刃和滾輪元件的混合式鉆頭；取芯鉆頭；沖擊鉆頭；雙心鉆頭；擴(kuò)眼器(例如可膨脹擴(kuò)眼器、固定翼擴(kuò)眼器等等)，及其它所謂的〃鉆孔〃工具。
[0034]在此所使用的短語(yǔ)〃切削元件〃意指并且包括用于在使用鉆地工具形成或擴(kuò)大巖層中的孔時(shí)切削或以其它方式破碎巖層材料的鉆地工具的任何元件。
[0035]圖1顯示了本發(fā)明的鉆地工具的實(shí)施例。圖1的鉆地工具為具有鉆頭本體11的固定切削刃回轉(zhuǎn)式鉆頭10，鉆頭本體包括從鉆頭本體11向外突出并通過(guò)流體流道13相互分開(kāi)的多個(gè)刮刀12。流體流道13的沿著徑向側(cè)面(鉆頭10的〃保徑(gage) 〃區(qū)域)延伸的部分在本領(lǐng)域通常稱(chēng)為〃排屑槽〃。鉆頭本體11還包括大體上圓柱形的內(nèi)部流體腔室和貫穿鉆頭本體11延伸到鉆頭本體11的外表面的流體通路。噴嘴18可以緊鄰鉆頭本體11的外表面固定在流體通路內(nèi)，用于在鉆進(jìn)期間控制鉆頭10的水力學(xué)特性。每一刮刀12上安裝多個(gè)切削元件20。
[0036]在鉆進(jìn)作業(yè)期間，鉆頭10可耦合于一鉆柱(未顯示)。當(dāng)鉆頭10在井眼內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以將鉆進(jìn)流體沿著鉆柱向下泵送，使其穿過(guò)鉆頭10的鉆頭本體11內(nèi)的內(nèi)部流體腔室和流體通路，穿過(guò)噴嘴18從鉆頭10出來(lái)。鉆進(jìn)流體可以攜帶由鉆頭10的切削元件20產(chǎn)生的地層切屑通過(guò)流體流道13，繞著鉆頭10并且通過(guò)處于鉆柱外部且處于井眼內(nèi)的環(huán)空沿井眼向上返回。[0037]圖2是圖1的鉆頭10的切削元件20的局部剖開(kāi)側(cè)視圖。切削元件20包括其上具有金剛石臺(tái)24的切削元件基體22。金剛石臺(tái)24可以包括諸如多晶金剛石(PCD)材料的多晶超耐磨材料，金剛石臺(tái)上限定有切削面26。超耐磨材料的特征還在于其為"超硬"材料，其包括天然金剛石和人造金剛石、立方氮化硼和類(lèi)金剛石碳材料。因而，雖然切削元件20在此描述為包括金剛石臺(tái)24，但是，任何超耐磨材料的臺(tái)都可以用于金剛石臺(tái)24。另外，可以在切削元件基體22與金剛石臺(tái)24之間限定交接面28。任選地，金剛石臺(tái)24可以具有斜切邊緣30。圖2中所示的金剛石臺(tái)24的斜切邊緣30具有單個(gè)斜切表面32，不過(guò)該斜切邊緣30還可以具有另外的斜切表面，這些另外的斜切表面可以以不同于所述斜切表面32的斜切角的斜切角取向，正如本領(lǐng)域中已知的那樣。切削元件基體22可以具有基本圓柱形的形狀，如圖2中所示。可以使用一個(gè)或更多個(gè)弧形或者〃倒圓〃邊緣或邊緣部代替金剛石臺(tái)周邊處的一個(gè)或更多個(gè)斜切表面，或者除了金剛石臺(tái)周邊處的一個(gè)或更多個(gè)斜切表面之外還可以使用一個(gè)或更多個(gè)弧形或者"倒圓"邊緣或邊緣部，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的那樣。
[0038]金剛石臺(tái)24可以形成在切削元件基體22上，或者金剛石臺(tái)24和基體22可以單獨(dú)形成并隨后連接在一起。切削元件基體22可以由相對(duì)硬的和抗磨損的材料形成。例如，切削元件基體22可以由金屬陶瓷復(fù)合材料(其通常稱(chēng)作"金屬陶瓷"材料)形成或包括金屬陶瓷復(fù)合材料。切削元件基體22可以包括硬質(zhì)合金材料，比如碳化鎢硬質(zhì)合金材料，其中，碳化鶴顆粒在金屬粘結(jié)劑材料中粘結(jié)到一起。金屬粘結(jié)劑材料可以包括例如鉆、鎮(zhèn)、鐵或者它們的合金和混合物。在有些情況下，切削元件基體22可以包括兩塊，一塊直接支撐金剛石臺(tái)24，該塊可以形成和粘結(jié)到另一較長(zhǎng)的且具有類(lèi)似直徑的塊上。在任何情況下，切削元件20可以通過(guò)諸如硬釬焊的固定方式如圖1中所描述的那樣固定在刮刀12中的凹坑中。
[0039]可在切削元件20的切削面26上限定至少一個(gè)周向延伸的凹陷34，所述凹陷被徑向延伸的輻條35分段成多個(gè)凹陷34。例如，具有弓形徑向截面的分段且基本上成環(huán)形的凹陷34可以限定在切削元件20的切削面26上，如圖2和3所示，所述凹陷34被徑向延伸的輻條35分割成多個(gè)區(qū)段。多個(gè)凹陷34可以緊鄰切削元件20的周緣設(shè)置，例如緊鄰斜切表面32，并可大體上從緊鄰周緣徑向延伸到切削元件20的緊鄰其縱向中心軸線54的中心區(qū)域。各個(gè)凹陷34可以由具有截面尺寸由半徑Rl限定的主表面的弓形截面限定。作為非限制性的例子，各個(gè)凹陷34可以是由大約為0.25英寸(大約6.35mm)的半徑Rl限定的弓形凹槽，其相對(duì)于切削面26的基本上平的表面36的深度D大約為0.012英寸(大約0.30mm)。各個(gè)凹陷34的徑向外邊緣40可以設(shè)置在距斜切表面32大約0.031英寸(大約0.79mm)的距離X處，斜切邊緣30可以具有大約0.010英寸(大約0.30mm)的寬度。切削元件20的總體尺寸可以由大約0.315英寸(大約8_)的半徑R2限定。當(dāng)然，在有些實(shí)施例中，根據(jù)例如切削元件20的所希望的應(yīng)用，切削元件20的所述特征的尺寸值可以比這些例子更大或更小。另外，各個(gè)凹陷34的徑向內(nèi)邊緣38和徑向外邊緣40 (相對(duì)于中心軸線54)可以倒圓或以其它方式磨平滑，以在各個(gè)凹陷34和切削元件20的切削面26的基本上平的表面36之間提供相對(duì)平滑的過(guò)渡。
[0040]輻條35可以是金剛石臺(tái)24的一體區(qū)域，并且可以由與金剛石臺(tái)24相同的超耐磨材料構(gòu)成。各個(gè)輻條35可以橫過(guò)凹陷34的至少一部分，所以，其至少部分地在金剛石臺(tái)24的中心區(qū)域(即，在中心軸線54處的區(qū)域或緊鄰中心軸線的區(qū)域)和金剛石臺(tái)24的外周之間延伸。如圖3所示，例如，各個(gè)輻條35可以橫過(guò)整個(gè)凹陷34，并從金剛石臺(tái)24的中心區(qū)域延伸到其外周。在其它實(shí)施例中(例如，圖5、6、9和11)，各個(gè)輻條35可以?xún)H僅橫過(guò)凹陷34的一部分，所以，其可以不到達(dá)金剛石臺(tái)24的外周和/或中心區(qū)域。在有些實(shí)施例中，例如圖3和4所示，各個(gè)徑向延伸的輻條35可以包括與切削面26的基本上平的表面36大體上共面的上表面37。如圖3所示，在有些實(shí)施例中，輻條35的緊鄰凹陷34的側(cè)表面基本上是平的，并且垂直于輻條35的上表面37。圖4-6中的虛線41指示了凹陷34相對(duì)于各個(gè)徑向延伸的輻條35的截面輪廓。
[0041]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，徑向延伸的輻條35的上表面37可相對(duì)于切削面26的基本上平的表面36傾斜或成一定角度，如圖5和6所示。如圖5所示，徑向延伸的輻條35的上表面37可在朝著中心軸線54的方向上向切削面26的基本上平的表面36傾斜。換句話說(shuō)，徑向延伸的輻條35的上表面37可以從中心軸線54附近的基本上平的表面36徑向向外、遠(yuǎn)離中心軸線54并遠(yuǎn)離基本上平的表面36而延伸。這樣，徑向延伸的輻條35沒(méi)有完全橫過(guò)凹陷34延伸到金剛石臺(tái)24的外周。
[0042]如圖6所示，徑向延伸的輻條35的上表面37可在朝著中心軸線54的方向上遠(yuǎn)離切削面26的基本上平的表面36傾斜。換句話說(shuō)，徑向延伸的輻條35的上表面37可以從金剛石臺(tái)24的外周附近的基本上平的表面36徑向向內(nèi)、朝著中心軸線54、遠(yuǎn)離基本上平的表面36而延伸。這樣，徑向延伸的輻條35沒(méi)有完全橫過(guò)凹陷34延伸到金剛石臺(tái)24的中心。
[0043]如圖3和7所示，各個(gè)徑向延伸的輻條35沿著徑向延伸的長(zhǎng)度可以具有大體上一致的周向?qū)挾?。但是，在另外的?shí)施例中，各個(gè)徑向延伸的輻條35的周向?qū)挾瓤梢匝刂鴱较蜓由斓拈L(zhǎng)度變化，如圖8-11所示。
[0044]如圖8和9所示，徑向延伸的輻條35的周向?qū)挾却笮】梢匝刂鴱较蜓由斓拈L(zhǎng)度隨著其朝著中心軸線54延伸而減小。在這樣的實(shí)施例中，各個(gè)徑向延伸的輻條35可以從外周到緊鄰中心軸線54的中心區(qū)域完全橫過(guò)整個(gè)凹陷34，如圖8所示。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，各個(gè)徑向延伸的輻條35可以?xún)H僅部分地橫過(guò)凹陷34延伸，如圖9所示。
[0045]如圖10和11所示，徑向延伸的輻條35的周向?qū)挾却笮】梢匝刂鴱较蜓由斓拈L(zhǎng)度隨著其朝著中心軸線54延伸而增大。在這樣的實(shí)施例中，各個(gè)徑向延伸的輻條35可以從外周到緊鄰中心軸線54的中心區(qū)域完全橫過(guò)整個(gè)凹陷34，如圖10所示。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，各個(gè)徑向延伸的輻條35可以?xún)H僅部分地橫過(guò)凹陷34延伸，如圖11所示。
[0046]雖然參照?qǐng)D1-11描述的切削元件20的實(shí)施例顯示有四個(gè)徑向延伸的輻條35，但是，在進(jìn)一步的實(shí)施例中可以利用不同數(shù)量的徑向延伸的輻條35。另外，雖然參照?qǐng)D1-11描述的切削元件20的實(shí)施例顯示有在切削元件20的圓周周?chē)鶆蚍植嫉膹较蜓由斓妮棗l35，但是，在進(jìn)一步的實(shí)施例中，徑向延伸的輻條35可以在圓周周?chē)蔷鶆虻胤植肌?br> [0047]在有些實(shí)施例中，凹陷34延伸所沿著的路徑可以由另外的形狀限定，而不是由構(gòu)造為環(huán)或圓的路徑限定。例如，凹陷34可以沿著形狀大體上為多邊形的路徑延伸，例如大體上三角形的路徑，如圖12所示。對(duì)于另一個(gè)例子，凹陷34可以沿著形狀大體上為η邊形的路徑延伸，其中η可以是從3到無(wú)窮大的任何值，由此η等于無(wú)窮大相當(dāng)于上述的圓形的實(shí)施例。[0048]在另外的實(shí)施例中，凹陷34延伸所沿著的路徑的形狀可大體上為勒洛多邊形(即由圓弧構(gòu)成的曲線多邊形)，例如形狀大體上為勒洛三角形的路徑，如圖13所示。
[0049]在另外的的實(shí)施例中，凹陷34的橫過(guò)其一區(qū)段的橫向截面形狀可以由除圓弧之外的其它形狀限定。例如，凹陷34的截面大體上可以限定為橢圓弧(圖14)、對(duì)稱(chēng)曲線形狀、非對(duì)稱(chēng)曲線形狀、對(duì)稱(chēng)V形(圖15)和非對(duì)稱(chēng)V形(圖16)中的一種或更多種。
[0050]各個(gè)凹陷34可以在金剛石臺(tái)24形成之后形成在金剛石臺(tái)24中，例如通過(guò)使用放電加工(EDM)和激光加工(例如激光磨削，激光打孔，激光成型等等)中的至少一種方式，以通過(guò)使用電極(未示出)的放電獲得所需的形狀、深度和截面構(gòu)造。在有些實(shí)施例中，金剛石臺(tái)24可以相對(duì)于具有凹陷34所需截面形狀的電極移動(dòng)(和/或所述電極可以相對(duì)于金剛石臺(tái)24沿著所需的路徑移動(dòng))而形成凹陷34。例如，為利用放電加工來(lái)形成凹陷34，可以將具有弓形形狀的電極下降到金剛石臺(tái)24的切削面26中，然后使金剛石臺(tái)24旋轉(zhuǎn)以形成包括跟隨環(huán)形路徑的弓形凹槽的凹陷34。當(dāng)金剛石臺(tái)24沿著選定區(qū)段旋轉(zhuǎn)以提供徑向延伸的輻條35時(shí)，可從切削面26移除電極。在另外的實(shí)施例中，可以將具有與各所需凹陷34的形狀相互補(bǔ)的形狀(即一個(gè)或更多個(gè)突起)的電極模具沉入金剛石臺(tái)24的切削面26中而形成各個(gè)凹陷34。為利用激光加工形成凹陷34，可以將一高能激光器在待移除的切削面26的部分上引導(dǎo)。激光可以將金剛石臺(tái)24的多晶金剛石材料局部加熱至足夠從金剛石臺(tái)24上熔化、汽化和移除材料以形成至少一部分凹陷34的溫度。
[0051]在有些實(shí)施例中，金剛石臺(tái)24上的各個(gè)凹陷34可以包括位于其中的犧牲結(jié)構(gòu)42，如圖17和18所示。例如，各個(gè)犧牲結(jié)構(gòu)42可以大體上裝滿金剛石臺(tái)24中的各個(gè)相應(yīng)凹陷34，使得各個(gè)犧牲結(jié)構(gòu)42的表面44可以與金剛石臺(tái)24的切削面26的相鄰的、基本上平的表面36大體上對(duì)齊并共面，如圖17所示。在另一個(gè)例子中，犧牲結(jié)構(gòu)42可以是位于凹陷34的表面46上的較薄的材料層，如圖18所示。在有些實(shí)施例中，犧牲結(jié)構(gòu)42可以由比金剛石臺(tái)24軟、或者比金剛石臺(tái)24更易磨損的材料構(gòu)成，比如陶瓷、金屬陶瓷和耐火金屬中的一種或多種。例如，犧牲結(jié)構(gòu)42的材料可以是碳化鎢、氧化鋁、鎢、鈮、鉭、鉿、鑰以及由它們形成的碳化物中的一種或多種。
[0052]在這樣的實(shí)施例中，各個(gè)凹陷34可以在金剛石臺(tái)24形成期間形成在金剛石臺(tái)24中。例如，可以將一個(gè)或更多個(gè)犧牲結(jié)構(gòu)42定位在模具內(nèi)，并將包括金剛石顆粒的粉末狀前體材料定位在各個(gè)犧牲結(jié)構(gòu)42上(例如周?chē)?。然后正如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的那樣，在混有金剛石顆粒的催化劑存在的情況下將所述粉末狀前體材料壓實(shí)并燒結(jié)或者在高壓高溫(HPHT)工序中從相鄰的基體進(jìn)行刮型處理以形成金剛石臺(tái)24，各個(gè)犧牲結(jié)構(gòu)42形成金剛石臺(tái)24中的相應(yīng)凹陷34。然后可以移除各個(gè)犧牲結(jié)構(gòu)42或者其一部分，比如通過(guò)噴砂、機(jī)械加工、酸浸析、激光加工或另外的工藝，或者可以保持各個(gè)犧牲結(jié)構(gòu)34或其一部分定位在各個(gè)凹陷34中，以通過(guò)在鉆進(jìn)作業(yè)期間接觸地下巖層而移除。另外，對(duì)于其中各個(gè)犧牲結(jié)構(gòu)42或其一部分可以通過(guò)例如噴砂、機(jī)械加工、酸浸析、激光加工或另外的工藝移除的實(shí)施例，可以將金剛石臺(tái)24加工成最終的幾何形狀，比如通過(guò)放電加工工藝或激光加工工藝。
[0053]在有些實(shí)施例中，可以在凹陷34形成于金剛石臺(tái)中之后，例如在高壓高溫工序之后，將犧牲結(jié)構(gòu)42定位在金剛石臺(tái)中的各個(gè)凹陷34中。例如，犧牲結(jié)構(gòu)42可以包括可定位在金剛石臺(tái)24的相應(yīng)凹陷34內(nèi)的聚合物、玻璃、陶瓷、金屬陶瓷、耐火金屬以及它們的組合中的一種或多種。鑒于此，切削元件20的切削面26在未使用的狀態(tài)可以顯現(xiàn)基本平的形狀，并且一個(gè)或更多個(gè)犧牲結(jié)構(gòu)42定位其中。在鉆進(jìn)作業(yè)期間，各個(gè)犧牲結(jié)構(gòu)42可被磨掉，露出各個(gè)凹陷34以用于與巖層接合。
[0054]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，在至少一部分燒結(jié)過(guò)程中，可以將粉末預(yù)成型件(例如包括包含在圓柱形鈮杯中的粉末的金剛石)鄰近成型模具定位，所述成型模具例如為具有一個(gè)或更多個(gè)成型突起的模具。例如，在高壓高溫工序期間，可以將粉末預(yù)成型件鄰近成型模具定位，在整個(gè)燒結(jié)循環(huán)中，可以保持由成型模具賦予的形狀，以在金剛石臺(tái)24中形成各個(gè)凹陷34。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，由模具賦予的形狀可以接近各個(gè)凹陷34的所需的最終形狀，可以加工出各個(gè)凹陷34的最終形狀，例如通過(guò)放電加工工藝，以獲得最終的幾何形狀。
[0055]在有些實(shí)施例中，可以使用在此所述的技術(shù)的任何組合來(lái)在金剛石臺(tái)24上形成凹陷34。例如，可以利用放電加工工藝從金剛石臺(tái)24移除一部分材料，然后利用激光加工工藝從金剛石臺(tái)24移除另外的材料以形成凹陷34。作為另一非限制性的例子，可使用一犧牲結(jié)構(gòu)42來(lái)形成各個(gè)凹陷34的一部分，如上所述。然后可以移除犧牲結(jié)構(gòu)42，通過(guò)利用放電加工和激光加工中的一種或多種從金剛石臺(tái)24移除另外的材料而形成各個(gè)凹陷34的其余部分。盡管為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)在此沒(méi)有具體解釋?zhuān)且部梢韵氲接糜谠诮饎偸_(tái)24上形成凹陷34的技術(shù)的其它組合，這涵蓋在本發(fā)明中。
[0056]任選地，在高壓高溫工序之后可以從金剛石臺(tái)24的硬多晶材料移除催化劑材料，正如本領(lǐng)域中已知的那樣。例如，可以使用浸析法從金剛石臺(tái)24的硬多晶材料的內(nèi)鍵連接的晶粒之間的孔隙空間移除催化劑材料。舉例來(lái)說(shuō)，但不限于此，可以使用比如那些在例如Bunting等人的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5，127，923( 1992年7月7日授權(quán))和Bovenkerk等人的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4，224，380(1980年9月23日授權(quán))中更全面描述的浸析劑和工藝來(lái)浸析硬多晶材料，每個(gè)專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容在此整體弓I入作為參考。具體地說(shuō)，可以使用王水(濃硝酸(HN03)和濃鹽酸(HCl)的混合物)來(lái)從金剛石臺(tái)24的硬多晶材料的內(nèi)鍵連接的晶粒之間的孔隙空間至少基本上移除催化劑材料。使用沸騰的鹽酸(HCl)和沸騰的氟酸(HF)作為浸析劑也是已知的。一種特別合適的浸析劑是在高于110°C的溫度下的鹽酸(HC1)，根據(jù)包括硬多晶材料的本體的尺寸，可以使其與金剛石臺(tái)24的硬多晶材料接觸大約2小時(shí)到大約60小時(shí)的一段時(shí)間。在對(duì)硬多晶材料進(jìn)行浸析之后，硬多晶材料內(nèi)的內(nèi)鍵連接的晶粒之間的孔隙空間可以至少基本上沒(méi)有用于促進(jìn)硬多晶材料中的晶粒之間的內(nèi)部晶粒鍵的形成的催化劑材料，在有些實(shí)施例中，可以有選擇地對(duì)金剛石臺(tái)24的特定區(qū)域進(jìn)行浸析，而不對(duì)其它區(qū)域進(jìn)行浸析。例如，在有些實(shí)施例中，可以將一遮蓋物施加到金剛石臺(tái)24的一區(qū)域，比如各個(gè)凹陷34或者金剛石臺(tái)24上的一個(gè)或更多個(gè)凹陷34的一區(qū)域，僅可以對(duì)沒(méi)有被遮蓋的區(qū)域進(jìn)行浸析。
[0057]另外，金剛石臺(tái)24的外表面可以通過(guò)物理方式修整，比如通過(guò)拋光成平滑面或鏡面。例如，金剛石臺(tái)24的外表面可以具有減小的表面粗糙度，比如2000年11月14日授權(quán)給Lund等人并轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6，145，608、1997年8月5日授權(quán)給Lund等人并轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5，653，300和1995年9月5日授權(quán)給Lund等人并轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5，447，208中所描述的，每個(gè)專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容在此整體引入作為參考。
[0058]在傳統(tǒng)的多晶金剛石(PCD)切削元件中，多晶金剛石的切削面或前表面可以磨平成20μ英寸(大約0.508 μ m)到40 μ英寸(大約1.02 μ m)均方根(“RMS”，在此所稱(chēng)的所有表面光潔度都是RMS)的表面光潔度，其觸摸起來(lái)相對(duì)平滑并且看起來(lái)是平的(如果切削面本身是平的)，但是其包括許多表面異常并且呈現(xiàn)出一定程度的粗糙部，甚至在非常低的功率放大下肉眼容易看到，比如通過(guò)10倍珠寶放大鏡。但是，可以將金剛石臺(tái)24的外表面處理成具有顯著減少的表面粗糙度。作為非限制性的例子，可以將金剛石臺(tái)24的外表面拋光成大約0.5 μ英寸(大約0.0127 μ m) RMS的表面粗糙度。
[0059]在有些實(shí)施例中，通過(guò)使用懸浮在乙二醇、丙三醇或其它合適的承載液體中的逐漸變小的金剛石磨料粒在本領(lǐng)域中已知的傳統(tǒng)鑄鐵圈上磨平切削面26，可以減少金剛石臺(tái)24的表面的表面粗糙度。磨平可以分三步驟工序進(jìn)行:以70 μ m磨料粒開(kāi)始，然后是40 μ m磨料粒，然后是尺寸上大約1μηι-3μηι的磨料粒。相反,多晶金剛石切削元件的標(biāo)準(zhǔn)磨平技術(shù)可以遵循切削面的初始放電研磨，用70μπι磨料粒在一個(gè)步驟中完成磨平。對(duì)于磨料粒尺寸的對(duì)比，70 μ m磨料粒大體上對(duì)應(yīng)于細(xì)沙或晶體材料的尺寸，而I μ m_3 μ m磨料粒則與糖粉的尺寸大體上相一致。
[0060]在另外的實(shí)施例中，可以通過(guò)使表面與旋轉(zhuǎn)的干式金剛石砂輪接觸而減少金剛石臺(tái)24的表面的表面粗糙度。例如，可以使用由Travelers Rest, S.C的Ernst ffinter&Sons公司提供的Winter RB778樹(shù)脂粘結(jié)金剛石砂輪。當(dāng)金剛石砂輪具有樹(shù)脂粘結(jié)結(jié)構(gòu)時(shí)，重要的是要冷卻砂輪。升高的溫度可能導(dǎo)致砂輪破裂。拋光工藝的本質(zhì)需要研磨表面保持干燥。但是，在拋光工藝開(kāi)始時(shí)可以用水打濕砂輪以減小阻力，并且便于金剛石臺(tái)24相對(duì)于砂輪合適取向。另外，可在大約140 0F (大約60°C)到大約220 0F (大約104°C)之間的溫度范圍進(jìn)行拋光處理。雖然所使用的具體拋光器可以以大約3500RPM旋轉(zhuǎn)，但是人們認(rèn)為，大約3000RPM到大約5000RPM之間的范圍可能應(yīng)足夠用了?？梢詫⒋蠹s2磅(大約0.9Kg)的力到大約8磅(大約3.6Kg)的力施加到抵靠砂輪的金剛石臺(tái)24。正如所指出的，可以使金剛石臺(tái)24的外表面拋光平滑到大約0.5 μ英寸(大約0.0127 μ m)RMS或者接近真正〃鏡面"的更低的表面拋光粗糙度。使用前面提到的金剛石砂輪可能需要進(jìn)行大約五十分鐘到大約一個(gè)小時(shí)的拋光以在具有半英寸(大約1.27cm)直徑的金剛石臺(tái)24的表面上實(shí)現(xiàn)這種拋光，對(duì)于標(biāo)稱(chēng)為四分之三英寸(大約1.905cm)直徑的金剛石臺(tái)24大約需要一個(gè)半到兩個(gè)小時(shí)。所述的用于拋光金剛石臺(tái)24的面的方法還可以用于拋光斜切表面32以及金剛石臺(tái)24的側(cè)面。為了拋光這些表面，由基體22保持的金剛石臺(tái)24相對(duì)于旋轉(zhuǎn)的砂輪以所需的角度布置。然后可以使切削元件20繞對(duì)稱(chēng)軸旋轉(zhuǎn)以打磨和拋光金剛石臺(tái)24的斜切表面32或其它側(cè)面區(qū)域。因而，可以打磨和拋光金剛石臺(tái)24的彎曲的、嵴狀的、波紋的或其它切削面以移除或減少大的和小的表面粗糙部，形成鏡面拋光切削面，不過(guò)其在絕對(duì)意義上并不是平的。
[0061]可以通過(guò)其它方法拋光切削元件切削表面(切削面、斜切表面、側(cè)面等等)，比如離子束處理或化學(xué)方法，不過(guò)金剛石內(nèi)在的惰性化學(xué)性質(zhì)可能使得化學(xué)方法用于金剛石多少存在困難。
[0062]雖然工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的多晶金剛石或其它超硬切削元件可能在切削面上具有大約20 μ英寸(大約0.508 μ m)到40 μ英寸(大約1.02 μ m)RMS的不規(guī)則性或粗糙度(從表面垂直地測(cè)量)的打磨表面光潔度，但是，借助于上述拋光方法，一些實(shí)施例的金剛石臺(tái)24可以具有大約0.3 μ英寸(大約0.00762 μ m) RMS和大約0.05 μ英寸(大約0.0127 μ m) RMS之間的表面粗糙度。另外的實(shí)施例的金剛石臺(tái)24可以具有大約0.4 μ英寸(大約0.01(^ym)RMS和大約0.6 μ英寸(大約0.0152 μ m)RMS之間的表面粗糙度。在另外的的實(shí)施例中，金剛石臺(tái)24可以具有小于大約10 μ英寸(大約0.254ym)RMS的表面粗糙度。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，金剛石臺(tái)24可以具有小于大約2 μ英寸(大約(XOSOSym)RMS的表面粗糙度。在另外的其它實(shí)施例中，金剛石臺(tái)24可以具有小于大約0.5 μ英寸(大約0.0127 μ m) RMS的表面粗糙度，接近真正的〃鏡面〃拋光。金剛石臺(tái)24的前述表面粗糙度的測(cè)量可以使用接觸金
剛石臺(tái)24表面的標(biāo)定HQMMEL'? America Model T-4000金剛石觸針表面光度
儀進(jìn)行。
[0063]由于上面描述的內(nèi)容，可以對(duì)金剛石臺(tái)24的選定表面進(jìn)行拋光或打磨以具有減小的表面粗糙度。在有些實(shí)施例中，切削面26的基本上平的表面36可以具有減小的表面粗糖度。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，各個(gè)凹陷34的表面可以具有減小的表面粗糖度。在另外的其它實(shí)施例中，金剛石臺(tái)24的整個(gè)切削面26可以具有減小的表面粗糙度。在另外的實(shí)施例中，金剛石臺(tái)24的斜切表面32和/或其它側(cè)表面可以具有減小的表面粗糙度。在另外的的實(shí)施例中，金剛石臺(tái)24的所有暴露表面可以具有減小的表面粗糙度。
[0064]現(xiàn)在參照?qǐng)D21，由巖層56與凹陷34之間的相互作用引起的鉆進(jìn)力可以加重或增強(qiáng)金剛石臺(tái)24內(nèi)的應(yīng)力集中，使其高于在其它類(lèi)似的、但是沒(méi)有凹陷特征的多晶金剛石切削刃的應(yīng)力集中。例如，應(yīng)力集中可能出現(xiàn)在區(qū)域60中，如圖21中虛線所指示的，如果金剛石臺(tái)24在該部位或該部位附近沒(méi)有適當(dāng)加強(qiáng)，這可能會(huì)導(dǎo)致金剛石臺(tái)24在區(qū)域60處或該區(qū)域附近破裂。通過(guò)在此所述的一個(gè)或更多個(gè)徑向延伸的輻條35，可以提供金剛石臺(tái)24在帶有凹陷3 4的區(qū)域處的加強(qiáng)。通過(guò)在鉆進(jìn)作業(yè)期間可能經(jīng)受較高應(yīng)力的部位或其附近設(shè)置一個(gè)或更多個(gè)徑向延伸的輻條35，徑向延伸的輻條35可以提供充分的支撐，以防止或減少可能出現(xiàn)的金剛石臺(tái)24的破裂。因此，可以根據(jù)金剛石臺(tái)24上凹陷34的位置、尺寸和形狀以及鉆進(jìn)作業(yè)期間可能存在的可預(yù)期的力，選擇徑向延伸的輻條35的尺寸、形狀和部位以及包括在金剛石臺(tái)24上的徑向延伸的輻條35的數(shù)量。
[0065]另外，金剛石臺(tái)24與切削元件20的基體22之間的交接面28的形狀可以構(gòu)造成有效地分布由切削力在金剛石臺(tái)24的凹陷34中及其周?chē)鸬膽?yīng)力，以改善切削元件20的結(jié)構(gòu)完整性，如圖19和20所示。例如，與金剛石臺(tái)24的切削面26中的凹陷34的形狀對(duì)應(yīng)的成型區(qū)域48可以限定交接面28的一區(qū)域，諸如圖19所示。在有些實(shí)施例中，交接面28的成型區(qū)域48可以由交接面28處的基體22中的凹陷50和金剛石臺(tái)24的突起52 (圖19和20)限定。因此，交接面28的成型區(qū)域48可以提供金剛石臺(tái)24的基本均勻的厚度。在有些實(shí)施例中，與金剛石臺(tái)24中的凹陷34對(duì)應(yīng)的交接面28的成型區(qū)域48可以縱向地定位在金剛石臺(tái)24中的凹陷34的正下方，如圖19所示。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，與金剛石臺(tái)24中的凹陷34對(duì)應(yīng)的交接面28的成型區(qū)域48的至少一部分可以在凹陷34的相對(duì)于切削元件20的縱向軸線54 (圖2)的徑向向內(nèi)的位置處(未顯示)定位于凹陷34之下。在另外的實(shí)施例中，與金剛石臺(tái)24中的凹陷34對(duì)應(yīng)的交接面28的成型區(qū)域48的至少一部分可以在凹陷34的相對(duì)于切削元件20的縱向軸線54 (圖2)的徑向向外的位置處定位于凹陷34之下，如圖20所示。這種構(gòu)造可以對(duì)應(yīng)于切削元件20相對(duì)于巖層的運(yùn)行的投影方向(正如在圖26中由虛線所指示的)，因?yàn)樵摲较蚩梢詫?duì)應(yīng)于在鉆進(jìn)作業(yè)期間施加到切削元件20上的切削力的主方向。換句話說(shuō)，交接面28的成型區(qū)域的尺寸、形狀和位置可以設(shè)計(jì)成減小應(yīng)力集中和/或提供足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)承受可能由鉆進(jìn)作業(yè)導(dǎo)致的預(yù)期的應(yīng)力集中。此外，金剛石臺(tái)24的這種金剛石分層結(jié)構(gòu)可以在成型區(qū)域中進(jìn)行定制，以抵消殘余應(yīng)力并提供金剛石臺(tái)24在成型區(qū)域中的定制材料性質(zhì)，比如定制強(qiáng)度和粗糙度。
[0066]在上部井段鉆進(jìn)作業(yè)中，切削元件20的幾何形狀可以對(duì)給定切削深度(DOC)提供改進(jìn)的侵入性。當(dāng)以高切削深度在較軟的巖層中鉆進(jìn)時(shí)，可以通過(guò)在此所述的切削元件20獲得增加的侵入性，同時(shí)保持標(biāo)準(zhǔn)的后傾角，這可以提高切削元件20的耐用性和壽命。作為非限制性的例子，在鉆進(jìn)作業(yè)中，可以設(shè)定高達(dá)大約0.15英寸(大約3.8_)的切削深度，諸如圖21所示的。巖層56的與切削元件20的金剛石臺(tái)24的切削面26中的凹陷34相接觸的區(qū)域可以以不同于切削面26的基本上平的表面36的角度Θ的角度α接觸切削元件
20。因此，切削元件20在凹陷34處的有效傾角α可以小于切削元件20在切削面26的基本上平的表面36處的后傾角Θ，從而導(dǎo)致增加的侵入性。此外，單個(gè)鉆頭本體11的結(jié)構(gòu)可以與不同的切削元件20結(jié)構(gòu)組合，以提供既具有該鉆頭本體11結(jié)構(gòu)、又具有各種有效傾角α的固定切削刃回轉(zhuǎn)式鉆頭10。例如，具有第一鉆頭本體的第一鉆地鉆頭可以包括具有基本上平的切削元件面的切削元件，其中在該切削元件面中沒(méi)有形成凹陷，并且具有第一有效傾角Θ。具有與第一鉆頭本體相同結(jié)構(gòu)的第二鉆頭本體的第二鉆地鉆頭可以包括在此所述的在其面上具有凹陷的切削元件，并且可以具有第二有效傾角α，其不同于第一鉆頭的第一有效傾角Θ。因此，通過(guò)改變凹陷的幾何形狀和位置，可以改變切削元件20的有效傾角α和侵入性，而鉆頭本體11的結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化。
[0067]在有些實(shí)施例中，鉆地工具上的切削深度限制特征可以定位成在鉆地作業(yè)期間促進(jìn)未被切削的巖層與金剛石臺(tái)24的切削面26中的凹陷34之間的相互作用。例如，鉆地工具上的切削深度限制特征可以是圖1所示的鉆頭10的刮刀12的外表面和如在 2010 年 4 月 26 日提交的、發(fā)明名稱(chēng)為〃BEARING BLOCKS FOR DRILL BITS, DRILL BITASSEMBLIES INCLUDING BEARING BLOCKS AND RELATED METHODS〃的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)N0.12/766, 988中所述的支承塊特征中的一個(gè)或更多個(gè)，該專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容在此整體引入作為參考。例如，切削深度限制特征可以定位成與金剛石臺(tái)24的切削面26中的凹陷34的最深部分對(duì)齊。因?yàn)榍邢髟?0可以具有基本上圓柱形的形狀并且凹陷34可以具有基本上環(huán)形的形狀，因此可能的情況為:凹陷34的最深部分與鉆地工具的本體相距延伸最遠(yuǎn)(即該部分與鉆頭10的刮刀12相距最遠(yuǎn))，且該最深部分與所述切削深度限制特征對(duì)齊。因此，未被切削的巖層可以在鉆進(jìn)作業(yè)期間很好地接觸金剛石臺(tái)24的切削面26而進(jìn)入到凹陷34中，使得相對(duì)于凹陷34的最深部分徑向向外設(shè)置(相對(duì)于切削元件20的主軸線)的凹陷34的彎曲或傾斜表面可以與未被切削的巖層56相互作用并且提供所需的有效傾角α。
[0068]再次參照?qǐng)D1，鉆頭10可以包括錐形區(qū)域74、鼻形區(qū)域76、臺(tái)肩區(qū)域78和保徑(gage)區(qū)域80。錐形區(qū)域74可以是鉆頭10的面的徑向中心部分。鼻形區(qū)域76可以鄰近錐形區(qū)域74，并且相對(duì)于錐形區(qū)域74位于徑向外部。臺(tái)肩區(qū)域78可以鄰近鼻形區(qū)域76，并且相對(duì)于鼻形區(qū)域76位于徑向外部。保徑區(qū)域80可以鄰近臺(tái)肩區(qū)域78，并且相對(duì)于臺(tái)肩區(qū)域78位于徑向外部。雖然圖1示出了僅采用具有凹陷34 (圖2和3)的切削元件20的鉆頭10，但是，本發(fā)明不局限于此。而是，除一個(gè)或更多個(gè)帶有凹陷34的切削元件之外，有些實(shí)施例包括的鉆頭還具有一個(gè)或更多個(gè)傳統(tǒng)多晶金剛石切削元件。傳統(tǒng)多晶金剛石切削元件可以包括限定沒(méi)有在此所述的凹陷34和/或輻條35的基本上平的切削面的基本上圓柱形的多晶金剛石臺(tái)。
[0069]相對(duì)于位于刮刀12的其它區(qū)域中的切削元件來(lái)說(shuō)，位于刮刀12的錐形區(qū)域74和鼻形區(qū)域76中的切削元件可以在巖層材料中切削深度較深，但是其承受的工作率(workrate)比刮刀12的其它區(qū)域低。相反，相比于位于刮刀12其它區(qū)域的切削元件，位于刮刀12的臺(tái)肩區(qū)域78中的切削元件可以具有較高的工作率，但切削深度較淺。應(yīng)當(dāng)明白，具有在此所述的一個(gè)或更多個(gè)凹陷34的切削元件20可以選擇定位在刮刀12的特定區(qū)域，以定制一個(gè)或更多個(gè)特性。例如，在有些實(shí)施例(未示出)中，在此所述的切削元件20可以選擇定位在錐形區(qū)域74和鼻形區(qū)域76上，并構(gòu)造有為特定(例如，高)切削深度特性定制的一個(gè)或更多個(gè)凹陷34。另外，在此所述的切削元件20可以選擇定位在刮刀12的臺(tái)肩區(qū)域78上，并構(gòu)造有為特定(例如，高)工作率特性定制的一個(gè)或更多個(gè)凹陷34。刮刀12的保徑區(qū)域80可以裝備有傳統(tǒng)多晶金剛石切削元件。在另外的實(shí)施例(未示出)中，在此所述的具有一個(gè)或更多個(gè)凹陷34的切削元件20可以?xún)H僅選擇定位在錐形區(qū)域74、鼻形區(qū)域76、臺(tái)肩區(qū)域78或保徑區(qū)域80中的一個(gè)上，而傳統(tǒng)多晶金剛石切削元件可以定位在其余區(qū)域。在另外的其它實(shí)施例中，在此所述的具有一個(gè)或更多個(gè)凹陷34的切削元件20可以選擇定位在錐形區(qū)域74、鼻形區(qū)域76、臺(tái)肩區(qū)域78或保徑區(qū)域80中的任意組合上，而傳統(tǒng)多晶金剛石切削元件可以定位在刮刀12的其余區(qū)域。在有些實(shí)施例中，錐形區(qū)域74、鼻形區(qū)域76、臺(tái)肩區(qū)域78和保徑區(qū)域80中的一個(gè)或更多個(gè)可以沒(méi)有具有一個(gè)或更多個(gè)凹陷的任何切削元件20。因此，錐形區(qū)域74、鼻形區(qū)域76、臺(tái)肩區(qū)域78和保徑區(qū)域80中的一個(gè)或更多個(gè)可以?xún)H包括具有一個(gè)或更多個(gè)凹陷的切削元件20、可包括具有一個(gè)或更多個(gè)凹陷34的切削元件20和傳統(tǒng)多晶金剛石切削元件兩者或者可僅包括傳統(tǒng)多晶金剛石切削元件。
[0070]在另外的實(shí)施例(未示出)中，在此所述的具有一個(gè)或更多個(gè)凹陷34的切削元件20可以選擇定位在鉆頭10的一個(gè)或更多個(gè)刮刀12上。例如，鉆頭可以在其間隔的刮刀12上構(gòu)造有在此所述的切削元件20，而其余刮刀12可以裝備有傳統(tǒng)多晶金剛石切削元件。這樣放置的好處尤其包括鉆頭10的侵入性、穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向性的改善平衡。應(yīng)當(dāng)明白，在進(jìn)一步的實(shí)施例(未示出)中，切削元件(例如在此所述的切削元件20)可以選擇放置在各特定刮刀以及各特定刮刀的特定區(qū)域上，以進(jìn)一步定制鉆頭的特性。
[0071 ] 下面闡述本發(fā)明的另外的非限制性的實(shí)施例。
[0072]實(shí)施例1:一種用于鉆地工具的切削元件，其包括:位于基體上的超耐磨臺(tái)；在超耐磨臺(tái)的切削面上的至少一個(gè)凹陷；和徑向橫過(guò)所述至少一個(gè)凹陷的至少一部分延伸的至少一個(gè)輻條。
[0073]實(shí)施例2:如實(shí)施例1所述的切削元件，其中，所述至少一個(gè)輻條包括一上表面，所述上表面與超耐磨臺(tái)的切削面的基本上平的表面大體上共面。
[0074]實(shí)施例3:如實(shí)施例1和2中任一所述的切削元件，其中，所述至少一個(gè)輻條包括一上表面，所述上表面相對(duì)于超耐磨臺(tái)的切削面的基本上平的表面成一定角度。
[0075]實(shí)施例4:如實(shí)施例3所述的切削元件，其中，所述至少一個(gè)輻條包括一上表面，所述上表面沿徑向朝著超耐磨臺(tái)的中心軸線的方向和徑向遠(yuǎn)離超耐磨臺(tái)的中心軸線的方向之一，朝向切削面傾斜。
[0076]實(shí)施例5:如實(shí)施例1至4中任一所述的切削元件，其中，所述至少一個(gè)輻條包括沿著所述至少一個(gè)輻條的徑向延伸的長(zhǎng)度變化的周向?qū)挾取?br> [0077]實(shí)施例6:如實(shí)施例5所述的切削元件，其中，所述至少一個(gè)輻條包括在遠(yuǎn)離超耐磨臺(tái)的中心軸線的方向和朝著超耐磨臺(tái)的中心的方向之一沿著所述至少一個(gè)輻條的徑向延伸的長(zhǎng)度增大的周向?qū)挾取?br> [0078]實(shí)施例7:如實(shí)施例1至6中任一所述的切削元件，還包括位于超耐磨臺(tái)與基體之間的交接面處的基體上的形狀特征，該形狀特征對(duì)應(yīng)于超耐磨臺(tái)的切削面中的所述至少一個(gè)凹陷。
[0079]實(shí)施例8:如實(shí)施例7所述的切削元件，其中，位于超耐磨臺(tái)與基體之間的交接面處的基體上的形狀特征包括位于基體上的至少一個(gè)凹陷，位于基體上的該至少一個(gè)凹陷的形狀類(lèi)似于超耐磨臺(tái)的切削面上的凹陷的形狀。
[0080]實(shí)施例9:如實(shí)施例8所述的切削元件，其中，相對(duì)于切削元件的縱向軸線，基體上的所述至少一個(gè)凹陷的至少一部分位于超耐磨臺(tái)的切削面中的所述至少一個(gè)凹陷的徑向外部和徑向內(nèi)部中的至少一個(gè)處。
[0081]實(shí)施例10:如實(shí)施例1至9中任一所述的切削元件，其中，所述至少一個(gè)凹陷沿著形狀大體上為圓形、多邊形和勒洛多邊形中的至少一個(gè)的路徑延伸。
[0082]實(shí)施例11:如實(shí)施例1至10中任一所述的切削元件，其中，垂直于所述切削面的超耐磨臺(tái)的切削面上的所述至少一個(gè)凹陷的截面的形狀大體上為對(duì)稱(chēng)V形和非對(duì)稱(chēng)V形之一。
[0083]實(shí)施例12:如實(shí)施例1至11中任一所述的切削元件，其中，超耐磨臺(tái)包括具有小于大約10 μ英寸均方根(RMS)的表面粗糙度的表面。
[0084]實(shí)施例13:—種鉆地工具，其包括:至少一個(gè)切削元件，該切削元件包括:位于基體上的超耐磨臺(tái)；在超耐磨臺(tái)的切削面上的凹陷；和徑向橫過(guò)所述至少一個(gè)凹陷的至少一部分延伸的至少一個(gè)輻條。
[0085]實(shí)施例14:如實(shí)施例13所述的鉆地工具，還包括位于鉆地工具上的切削深度限制特征，用以促進(jìn)在鉆地作業(yè)期間未被切削的巖層與超耐磨臺(tái)的切削面中的所述至少一個(gè)凹陷之間的相互作用。
[0086]實(shí)施例15:如實(shí)施例13和14中任一所述的鉆地工具，其中，切削深度限制特征與切削面中的所述至少一個(gè)凹陷的最深部分對(duì)齊。
[0087]實(shí)施例16:—種形成切削元件的方法，該方法包括:形成超耐磨臺(tái)，該超耐磨臺(tái)具有切削面、位于切削面上的至少一個(gè)凹陷和徑向橫過(guò)所述至少一個(gè)凹陷的至少一部分延伸的至少一個(gè)輻條；和將超耐磨臺(tái)設(shè)置在一基體上。
[0088]實(shí)施例17:如實(shí)施例16所述的方法，還包括:將一犧牲結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述至少一個(gè)凹陷內(nèi)。
[0089]實(shí)施例18:如實(shí)施例17所述的方法，其中，將一犧牲結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述至少一個(gè)凹陷內(nèi)包括:將該犧牲結(jié)構(gòu)設(shè)置在一模具內(nèi)；將包括超耐磨顆粒的粉末狀前體材料設(shè)置在模具內(nèi)且處于該犧牲結(jié)構(gòu)上；和壓實(shí)該粉末狀前體材料。
[0090]實(shí)施例19:如實(shí)施例17和18中任一所述的方法，其中，將一犧牲結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述至少一個(gè)凹陷內(nèi)包括:形成所述犧牲結(jié)構(gòu)，使之具有與相鄰的超耐磨臺(tái)的切削面的基本上平的表面大體上對(duì)齊并共面的表面。[0091]實(shí)施例20:如實(shí)施例16至19中任一所述的方法，其中，形成具有切削面的超耐磨臺(tái)和位于切削面上的至少一個(gè)凹陷包括:形成所述超耐磨臺(tái)，使之具有包括基本上平的表面的切削面；和對(duì)超耐磨臺(tái)執(zhí)行放電加工和激光加工中的至少一種，以在切削面上形成所述至少一個(gè)凹陷。
[0092]雖然上文說(shuō)明書(shū)包含了許多具體內(nèi)容，但是，這些不應(yīng)當(dāng)看作是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，而應(yīng)當(dāng)看作僅僅是提供了某些實(shí)施例。同樣，可以想出本發(fā)明的其它實(shí)施例，這些都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，在此參照一個(gè)實(shí)施例描述的特征還可以與在此描述的其它實(shí)施例的特征組合。因此，本發(fā)明的范圍僅僅有附帶的權(quán)利要求書(shū)及其法定等同表示和限制，而不是由上文的說(shuō)明書(shū)。本發(fā)明涵蓋了在此公開(kāi)的對(duì)本發(fā)明的所有添加、刪除和改變，這些都落入了權(quán)利要求書(shū)的含義和范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于鉆地工具的切削元件，其包括: 位于基體上的超耐磨臺(tái)； 在超耐磨臺(tái)的切削面上的至少一個(gè)凹陷；和 徑向橫過(guò)所述至少一個(gè)凹陷的至少一部分延伸的至少一個(gè)輻條。
2.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，所述至少一個(gè)輻條包括一上表面，所述上表面與超耐磨臺(tái)的切削面的基本上平的表面大體上共面。
3.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，所述至少一個(gè)輻條包括一上表面，所述上表面相對(duì)于超耐磨臺(tái)的切削面的基本上平的表面成一定角度。
4.如權(quán)利要求3所述的切削元件，其中，所述至少一個(gè)輻條包括一上表面，所述上表面在徑向朝著超耐磨臺(tái)的中心軸線的方向和徑向遠(yuǎn)離超耐磨臺(tái)的中心軸線的方向之一上，朝向所述切削面傾斜。
5.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，所述至少一個(gè)輻條包括沿著所述至少一個(gè)輻條的徑向延伸長(zhǎng)度變化的周向?qū)挾取?br> 6.如權(quán)利要求5所述的切削元件，其中，所述至少一個(gè)輻條包括在遠(yuǎn)離超耐磨臺(tái)的中心軸線的方向和朝著超耐磨臺(tái)的中心軸線的方向之一上沿著所述至少一個(gè)輻條的徑向延伸長(zhǎng)度增大的周向?qū)挾取?br> 7.如權(quán)利要求1所述的切削元件，還包括位于超耐磨臺(tái)與基體之間的交接面處的基體上的形狀特征，該形狀特征對(duì)應(yīng)于超耐磨臺(tái)的所述切削面中的所述至少一個(gè)凹陷。
8.如權(quán)利要求7所述的切削元件，其中，位于超耐磨臺(tái)與基體之間的交接面處的基體上的形狀特征包括位于基體中的至少一個(gè)凹陷，位于基體中的所述至少一個(gè)凹陷的形狀類(lèi)似于超耐磨臺(tái)的切削面上的凹陷的形狀。
9.如權(quán)利要求8所述的切削元件，其中，相對(duì)于切削元件的縱向軸線，基體中的所述至少一個(gè)凹陷的至少一部分位于超耐磨臺(tái)的切削面中的所述至少一個(gè)凹陷的徑向外部和徑向內(nèi)部中的至少一個(gè)處。
10.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，所述至少一個(gè)凹陷沿著形狀大體上為圓形、多邊形和勒洛多邊形中的至少一種的路徑延伸。
11.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，垂直于所述切削面的超耐磨臺(tái)的切削面上的所述至少一個(gè)凹陷的橫截面的形狀大體上為對(duì)稱(chēng)V形和非對(duì)稱(chēng)V形之一。
12.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，超耐磨臺(tái)包括具有小于大約10μ英寸均方根(RMS)的表面粗糙度的表面。
13.—種鉆地工具，其包括: 至少一個(gè)切削元件，該切削元件包括: 位于基體上的超耐磨臺(tái)； 在超耐磨臺(tái)的切削面上的凹陷；和 徑向橫過(guò)所述至少一個(gè)凹陷的至少一部分延伸的至少一個(gè)輻條。
14.如權(quán)利要求13所述的鉆地工具，還包括位于鉆地工具上的切削深度限制特征，用以促進(jìn)在鉆地作業(yè)期間未被切削的巖層與超耐磨臺(tái)的切削面中的所述至少一個(gè)凹陷之間的相互作用。
15.如權(quán)利要求14所述的鉆地 工具，其中，切削深度限制特征與切削面中的所述至少一個(gè)凹陷的最深部分對(duì)齊。
16.一種形成切削元件的方法，該方法包括: 形成超耐磨臺(tái)，該超耐磨臺(tái)具有切削面、位于切削面上的至少一個(gè)凹陷和徑向橫過(guò)所述至少一個(gè)凹陷的至少一部分延伸的至少一個(gè)福條；和將超耐磨臺(tái)設(shè)置在一基體上。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括:將一犧牲結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述至少一個(gè)凹陷內(nèi)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，將一犧牲結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述至少一個(gè)凹陷內(nèi)包括: 將該犧牲結(jié)構(gòu)設(shè)置在一模具內(nèi)； 將包括超耐磨顆粒的粉末狀前體材料設(shè)置在模具內(nèi)且處于該犧牲結(jié)構(gòu)上；和 壓實(shí)該粉末狀前體材料。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，將一犧牲結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述至少一個(gè)凹陷內(nèi)包括:形成所述犧牲結(jié)構(gòu)，使該犧牲結(jié)構(gòu)具有與相鄰的超耐磨臺(tái)的切削面的基本上平的表面大體上對(duì)齊并共面的表面。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，形成具有切削面以及位于切削面中的至少一個(gè)凹陷的超耐磨臺(tái)包括: 形成所述超耐磨臺(tái)，使該超耐磨臺(tái)具有包括基本上平的表面的切削面；和對(duì)超耐磨臺(tái) 執(zhí)行放電加工和激光加工中的至少一種，以在切削面中形成所述至少一個(gè)凹陷。
【文檔編號(hào)】C09K3/14GK103890307SQ201280051865
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月16日
【發(fā)明者】A·A·迪紀(jì)奧凡尼 申請(qǐng)人:貝克休斯公司