用于钻地工具的切削元件、包括这种切削元件的钻地工具及其相关方法 |
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| 申请号 | CN201280051840.X | 申请日 | 2012-09-13 | 公开(公告)号 | CN103890306B | 公开(公告)日 | 2017-11-28 |
| 申请人 | 贝克休斯公司; | 发明人 | A·A·迪纪奥凡尼; R·C·佩斯西尔; | ||||
| 摘要 | 在此公开了切削元件、具有这种切削元件的钻地 钻头 及其相关方法。在有些 实施例 中，一种用于钻地工具的切削元件，其可包括具有在其切削面中的凹进表面的超耐磨台和在位于超耐磨台与基体之间的交接面处的基体上的形状特征，所述形状特征对应于超耐磨台的切削面上的凹进表面。在进一步的实施例中，用于钻地工具的切削元件可包括位于基体上的超耐磨台和位于超耐磨台的切削面上的至少一个大体上平的凹进表面。在另外的实施例中，用于钻地工具的切削元件可包括位于基体上的超耐磨台和位于超耐磨台的切削面上的至少一个非平的凹进表面。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于钻地工具的切削元件，包括： |
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| 说明书全文 | 用于钻地工具的切削元件、包括这种切削元件的钻地工具及其相关方法 [0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请要求2011年9月16日提交的、发明名称为"用于钻地工具的切削元件、包括这种切削元件的钻地工具及其相关方法"的美国临时专利申请序列号61/535,766的优先权，该专利申请的公开内容整体在此引入作为参考。 技术领域[0003] 本发明的实施例涉及钻地工具、用于这种钻地工具的切削元件及其相关方法。 背景技术[0004] 井眼形成在地下地层中，用于各种目的，包括例如从地下地层开采石油和天然气，从地下地层开采地热。可利用钻头（例如回转式钻地钻头）在地下地层中形成井眼。不同类型的回转式钻地钻头在本领域都是已知的，包括：例如固定切削刃钻头（在本领域通常也称为"刮刀"钻头）、滚动切削刃钻头（在本领域通常也称为"牙轮"钻头）、孕镶金刚石钻头和混合式钻头（其可以包括例如固定切削刃和滚动切削刃）。钻头旋转而进入到地下地层中。随着钻头旋转，其切削刃或研磨结构切削、压碎、剪切、和/或研磨掉地层材料，以形成井眼。由钻头钻出的井眼的直径可以由设置在钻头的最大外径处的切削结构限定。 [0005] 钻头直接或间接地耦合于本领域称为"钻柱"的一端，所述钻柱包括首尾相连的一系列细长管状区段，所述钻柱从地层的地表延伸到井眼中。通常，各种工具和部件（包括钻头）可以在正在正被钻制的井眼的底部在钻柱的远端耦合在一起。工具和部件的这种组合在本领域被称为"底部钻具组合"（BHA）。 [0006] 通过从地层的地表旋转钻柱，可以使钻头在井眼内旋转，或者通过使钻头耦合于井下马达使钻头旋转，所述井下马达也耦合于钻柱，并紧邻井眼的底部设置。井下马达可以包括例如具有安装钻头的轴的液压姆瓦诺（Moineau）型马达，通过泵送流体（例如钻进泥浆或流体），可使液压姆瓦诺型马达旋转，所述泵送流体从地层地表向下穿过钻柱中心、液压马达，从钻头的喷嘴流出，然后穿过钻柱外表面与井眼内的地层暴露表面之间的环空返回至地层表面。 发明内容[0007] 在有些实施例中，一种用于钻地工具的切削元件可包括位于基体上的超耐磨台和位于超耐磨台的切削面上的至少一个大体上平的凹进表面。 [0008] 在进一步的实施例中，一种钻地工具，其可包括至少一个切削元件。所述至少一个切削元件可包括：在其切削面上具有凹进表面的超耐磨台和在位于超耐磨台与基体之间的交接面处的基体上的形状特征，所述形状特征对应于超耐磨台的切削面上的凹进表面。 [0009] 在另外的实施例中，一种钻地工具，其可包括至少一个切削元件。所述至少一个切削元件包括位于基体上的超耐磨台和在超耐磨台的切削面上的至少一个大体上平的凹进表面。 [0010] 在另外的其它实施例中，一种钻地工具，其可包括至少一个切削元件。所述至少一个切削元件可包括：位于基体上的超耐磨台；和在超耐磨台的切削面上的多个非平的凹进表面。 [0011] 在其它实施例中，一种钻地工具，其可包括至少一个刮刀和多个切削元件。所述多个切削元件中的每个切削元件可包括：位于基体上的超耐磨台；和在超耐磨台的切削面上的至少一个凹进表面。所述多个切削元件中的至少一个切削元件固定于所述至少一个刮刀的锥形区域、鼻形区域、台肩区域和保径（gage）区域中的一个或更多个上。附图说明 [0013] 图1是依照本发明的一实施例的包括切削元件的钻地钻头的透视图。 [0014] 图2是依照本发明的一实施例的具有在切削面上的凹进表面的切削元件的局部剖开侧视图。 [0015] 图3是图2切削元件的透视图。 [0016] 图4是依照本发明的一实施例的包括大体上圆形的凹进表面的切削元件的透视图。 [0017] 图5是图4中所示的切削元件的平面图。 [0018] 图6是依照本发明的一实施例的包括大体上正方形的凹进表面的切削元件的平面图。 [0019] 图7是依照本发明的一实施例的包括具有大体上正方形且具有中心岛状物或突起的凹进表面的切削元件的平面图。 [0020] 图8是依照本发明的一实施例的包括大体上五角形的凹进表面的切削元件的平面图。 [0021] 图9是依照本发明的一实施例的包括具有大体上五角形且具有中心岛状物或突起的凹进表面的切削元件的平面图。 [0022] 图10是依照本发明的一实施例的包括大体上勒洛（Reuleaux）多边形的凹进表面的切削元件的平面图。 [0023] 图11是依照本发明的一实施例的包括具有大体上圆形形状并布置成大体上环形构造的多个凹进表面的切削元件的透视图。 [0024] 图12是图11切削元件的平面图。 [0025] 图13是依照本发明的一实施例的包括具有大体上圆形形状并布置成大体上圆形构造的多个凹进表面的切削元件的平面图。 [0026] 图14是依照本发明的一实施例的包括具有大体上圆形形状并紧邻预定刀刃布置的多个凹进表面的切削元件的平面图。 [0027] 图15是依照本发明的一实施例的包括具有大体上多边形形状并布置成大体上环形构造的多个凹进表面的切削元件的平面图。 [0028] 图16是依照本发明的一实施例的包括具有大体上多边形形状并布置成大体上圆形构造的多个凹进表面的切削元件的平面图。 [0029] 图17是依照本发明的一实施例的包括具有大体上多边形形状并紧邻预定刀刃布置的多个凹进表面的切削元件的平面图。 [0030] 图18是依照本发明的一实施例的包括具有大体上多边形形状并布置成大体上环形构造的多个凹进表面的切削元件的透视图。 [0031] 图19是依照本发明的一实施例的具有在切削元件的切削面上形成的三个弓形剖视凹进表面的切削元件的截面侧视图。 [0032] 图20是图19切削元件的平面图，示出了依照本发明的一实施例的环形、同心、对称定向的凹进表面。 [0033] 图21是依照本发明的一实施例的具有在切削元件的切削面上形成的六个弓形剖视凹进表面的切削元件的平面图，示出了环形、同心、对称定向的凹进表面。 [0034] 图22是依照本发明的一实施例的具有在切削元件的切削面上形成的三个V形剖视凹进表面的切削元件的超耐磨台的一部分的截面侧视图。 [0035] 图23是依照本发明的一实施例的具有大体上填充有牺牲结构的凹进表面的切削元件的超耐磨台的一部分的截面视图。 [0036] 图24是依照本发明的一实施例的带有位于凹进表面的表面上的较薄牺牲结构的切削元件的超耐磨台的一部分的截面视图。 [0037] 图25是依照本发明的一实施例的在超耐磨台与基体之间的交接面处带有形状区域的切削元件的一部分的截面视图，所述形状区域与超耐磨台的切削面上的凹进表面的形状相对应。 [0038] 图26是依照本发明的一实施例的在超耐磨台与基体之间的交接面处带有形状区域的切削元件的一部分的截面视图，所述形状区域与超耐磨台的切削面上的凹进表面的形状相对应，其相对于所述凹进表面在径向上朝外布置。 [0039] 图27是依照本发明的一实施例的具有在以较浅深度进行切削钻进作业时与地层相互作用的超耐磨台的切削面中的凹进表面的切削元件的截面视图。 [0040] 图28是依照本发明的一实施例的具有在以较深深度进行切削钻进作业时与地层相互作用的超耐磨台的切削面中的凹进表面的切削元件的截面视图。 [0041] 图29是不具有在钻进作业时与地层相互作用的超耐磨台的切削面中的凹进表面的切削元件的截面视图，显示了切屑形成。 [0042] 图30是依照本发明的一实施例的具有在钻进作业时与地层相互作用的超耐磨台的切削面中的凹进表面的切削元件的截面视图，显示了颗粒形式的压裂地层。 [0044] 图32是依照本发明的一实施例的钻地钻头的仰视图，示出了选定放置的切削元件。 具体实施方式[0045] 在此提供的示图并不是任何特定钻地工具、钻头、或这样的工具或钻头的部件的实际视图，仅仅是用来描述本发明的实施例的理想化表示。 [0046] 在此所使用的术语钻地工具意指并且包括用于移除地层材料并借助于移除地层材料形成穿过地层的钻孔（例如井眼）的任意工具。钻地工具包括，例如，回转式钻头（例如，固定切削刃钻头或"刮刀"钻头和滚轮钻头或"牙轮"钻头），包括固定切削刃和滚轮元件的混合式钻头，取芯钻头，冲击钻头，双心钻头，扩眼器（包括可膨胀扩眼器和固定翼扩眼器），及其它所谓的"钻孔"工具。 [0047] 在此所使用的术语"切削元件"意指并且包括用于在使用钻地工具形成或扩大地层中的孔时切削或以其它方式破碎地层材料的钻地工具的任何元件。 [0048] 图1显示了本发明的钻地工具的实施例。图1的钻地工具为具有钻头本体11的固定切削刃回转式钻头10，钻头本体包括从钻头本体11向外突出并通过流体流道13相互分开的多个刮刀12。流体流道13的沿着径向侧面（钻头10的"保径"区域）延伸的部分在本领域通常称为"排屑槽。"钻头本体11还包括大体上圆柱形的内部流体腔室和贯穿钻头本体11延伸到钻头本体11的外表面的流体通路。喷嘴18可以紧邻钻头本体11的外表面固定在流体通路内，用于在钻进期间控制钻头10的水力学特性。每一刮刀12上安装多个切削元件20。 [0049] 在钻进作业期间，钻头10可耦合于一钻柱（未显示）。当钻头10在井眼内旋转时，可以将钻进流体沿着钻柱向下泵送，使其穿过钻头10的钻头本体11内的内部流体腔室和流体通路，穿过喷嘴18从钻头10出来。钻进流体可以携带由钻头10的切削元件20产生的地层切屑通过流体流道13、绕着钻头10并且通过钻柱外部且处于井眼内的环空沿井眼向上返回。 [0050] 图2是图1的钻头10的切削元件20的局部剖开侧视图。切削元件20包括切削元件基体22，该基体上具有诸如金刚石台24的超耐磨台。金刚石台24可以包括多晶金刚石（PCD）材料，其上限定有切削面26。超耐磨材料的特征还在于其为"超硬"材料，其包括天然金刚石和人造金刚石、立方氮化硼和类金刚石碳材料。另外，可以在基体22与金刚石台24之间限定交接面28。任选地，金刚石台24可以具有斜切边缘30。图2中所示的金刚石台24的斜切边缘30具有单个斜切表面32，不过该斜切边缘30还可以具有另外的斜切表面，这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，正如本领域中已知的那样。切削元件基体22可以具有基本圆柱形的形状，如图2中所示。可以使用一个或更多个弧形或者"倒圆"边缘或边缘部代替金刚石台周边处的一个或更多个斜切表面，或者除了金刚石台周边处的一个或更多个斜切表面之外还可以使用一个或更多个弧形或者"倒圆"边缘或边缘部，正如本领域技术人员已知的那样。 [0051] 金刚石台24可以形成在切削元件基体22上，或者金刚石台24和基体22可以单独形成随后连接在一起。切削元件基体22可以由相对硬的和抗磨损的材料形成。例如，切削元件基体22可以由金属陶瓷复合材料（其通常称作"金属陶瓷"材料）形成或包括金属陶瓷复合材料。切削元件基体22可以包括硬质合金材料，比如碳化钨硬质合金材料，其中，碳化钨颗粒在金属粘结材料中粘结到一起。金属粘结材料可以包括例如钴、镍、铁或者它们的合金和混合物。在有些情况下，切削元件基体22可以包括两块，一块直接支撑金刚石台24，该块可在金刚石台24上形成并且连接到较长的具有类似直径的另一块上。在任何情况下，切削元件20可以通过诸如硬钎焊的固定方式固定在刮刀12上的凹坑中，就如图1中所显示的那样。 [0052] 凹进表面34可以限定在切削元件20的切削面26中。例如，基本环形的凹进表面34可以限定在切削元件20的切削面26中，如图2和3所示。凹进表面34可以紧邻切削元件20的边缘，例如紧邻斜切表面32。在有些实施例中，凹进表面34可以为基本上平的，并可以基本上平行于切削面26的基本上平的表面36。作为非限制性的例子，凹进表面34相对于切削面26的基本平的表面36可以具有大约0.0254mm到大约2.54mm的深度D。凹进表面34的径向外边缘可以以距斜切表面32大约13mm到大约19mm的距离X定位，斜切边缘30可以具有大约 0.254毫米到大约0.483毫米之间的宽度W。在一个实施例中，凹进表面34的径向外边缘可以以距斜切表面32大约13mm的距离X定位，斜切边缘30可以具有大约0.254毫米的宽度W。在另一个实施例中，凹进表面34的径向外边缘可以以距斜切表面32大约16mm的距离X定位，斜切边缘30可以具有大约0.406毫米的宽度W。在又一个实施例中，凹进表面34的径向外边缘可以以距斜切表面32大约19mm的距离X定位，斜切边缘30可以具有大约0.483毫米的宽度W。另外，至少一个倾斜表面37（例如，相对于切削面26的基本上平的切削表面36倾斜）可以在切削面26的基本上平的表面36和凹进表面34之间延伸。 [0053] 在另外的实施例中，凹进表面34可以由除了环形之外的形状限定。例如，凹进表面34可以具有基本圆形的形状，诸如图4和5中所示。对于另一个例子，凹进表面34的形状基本上为规则n边形，其中n可以是从3到无穷大的任何值，由此n等于无穷大相当于上述的圆形的实施例。在一个实施例中，如图6和图7所示，凹进表面34的形状基本上为正方形。在另一个实施例中，如图8和9所示，凹进表面34的形状基本上为五边形。在有些实施例中，岛状物或突起39可以位于凹进表面34的中心上或该中心附近，诸如图2、3、7和9所示。突起39的平均特征高度由与切削面26的基本上平的表面36共面的一平面限定，如图3所示。但是，在替换实施例中，突起39的平均特征高度可高于或低于切削面26的基本上平的表面36。在另外的实施例中，凹进表面34的形状基本上为勒洛多边形（即由圆弧构成的曲线多边形），例如图10所示的勒洛三角形。 [0054] 在有些实施例中，切削元件20可以包括与斜切表面32间隔距离X的多个凹进表面34，诸如图11-18所示。在有些实施例中，所述多个凹进表面可以包括多个大体上圆形的凹进表面，诸如图11-14所示。例如，切削元件20的切削面的区域可以具有高尔夫球的凹窝面的外观。在其他的实施例中，所述多个凹进表面可以包括多个大体上多边形的凹进表面，诸如图15-17所示的六边形或图18所示的正方形。在有些实施例中，所述多个凹进表面34可以分布在切削元件20的切削面的大体上环形的区域中，诸如图11、12、15和18所示。在另外的实施例中，所述多个凹进表面34可以分布在切削元件20的切削面的大体上圆形的区域中，诸如图13和16所示。在另外的其它实施例中，所述多个凹进表面34可以只分布在切削元件 20的切削面的靠近切削元件的所需的切削刃的区域中，诸如图14和17所示。 [0055] 在有些实施例中，如图19至22所示，切削元件20可以包括多个嵌套的非平凹进表面34，其中每个非平凹进表面构造成在特定切削深度接合地层。图19和20示出了具有多个限定在切削元件20的切削面26中的环形同心凹进表面34的切削元件20的实施例。凹进表面34关于切削元件20的纵向轴线54对称。图19示出了依照该实施例的切削元件20的截面侧视图。切削元件20包括切削元件基体22，该切削元件基体上具有诸如金刚石台24的超耐磨台，正如前面所述的那样。图19显示的基本上平的交接面28限定在切削元件基体22与金刚石台 24之间，不过任何交接面几何形状都在本发明的范围之内。任选地，金刚石台24可以具有斜切边缘30和斜切表面32，正如前面所述的那样。 [0056] 金刚石台24可以限定形成在切削面26中的三个非平凹进表面34a、34b、34c。图19中所描绘的每个凹进表面34a、34b、34c都关于切削元件20的纵向轴线54对称。每个凹进表面34a、34b、34c可具有弓形截面或"轮廓"，每个轮廓可以具有不同的半径。例如，径向最外面的第一凹进表面34可以具有第一截面半径R1；第二凹进表面34'可以具有第二截面半径R2；第三凹进表面34"可以具有第三截面半径R3。如图19所示，第三截面半径R3大于第一截面半径R1和第二截面半径R2，第二截面半径R2大于第一截面半径R1。此外，第一凹进表面34a的径向外边缘可距斜切表面32第一距离X1定位；第二凹进表面34b的径向外边缘可距斜切表面32第二距离X2定位；第三凹进表面34c的径向外边缘可距斜切表面32第三距离X3定位。如图19所示，第三距离X3大于第一距离X1和第二距离X2，第二距离X2大于第一距离X1。这样，凹进表面34a、34b、34c可分别定位成在各自不同的切削深度接合地层材料，或者，在金刚石台24磨损到不同程度之后接合地层材料。 [0057] 如图20所示，凹进表面34a、34b、34c可以是同心布置的环形表面，每个凹进表面均关于切削元件的纵向轴线对称。应当明白，图19和20中所描绘的三个凹进表面34a、34b、34c仅仅是依照本发明在切削元件20的切削面26中形成的任意数量的同心环形凹进表面中的一种选择方案。在另外的实施例中，多于三个或小于三个的凹进表面34可以形成在切削元件20的切削面26中。图21示出了具有在切削元件20的切削面26中形成的多于三个的凹进表面34的切削元件20的实施例。通过调节图19至21的切削元件20的凹进表面34a-c的参数，可以对切削元件20赋予多个特定的定制特性。例如，可以根据切削元件20的径向区域所需的切削侵入性（aggresivity）和效率的预定程度，设定各凹进表面的半径。例如，可以利用带有较小相应半径的凹进表面，例如图19的带有半径R1的凹进表面34a，控制金刚石台24中的残余应力，提高切削元件20的耐用性。另外，可以利用带有较大相应半径的凹进表面，例如图19的带有半径R2的凹进表面34b，提高切削元件20的侵入性和效率。此外，利用切削面26中的多个嵌套凹进表面34a-c，可以减少切削面26和金刚石台24中的应力集中，提高切削元件20的耐用性和寿命。作者Walter D.Pilkey在PETERSON'S STRESS CONCENTRATION FACTORS（第二版，Wiley Interscience1997）第71页第2.6.6节中阐明了有关减少应力集中的好处。因而，利用图19至21中所描绘的切削元件20中凹进表面34a-c的同心嵌套构造，可以在预定切削深度定制切削特性，例如侵入性和效率，同时在切削面26的大部分上平衡耐用性。例如，如果希望在浅的切削深度实现高切削侵入性和效率，则可以将带有较大相应半径的环形凹进表面，例如图19的带有半径R2的凹进表面34b，定位在距金刚石台24的斜切表面20一较短径向距离例如X1处。另外，如果还希望在较深切削深度控制金刚石台24上的残余应力，则可以在更具侵入性的凹进表面的径向内部（例如在图19的径向距离X2或X3处）嵌套带有较小相应半径的凹进表面（例如图19的带有半径R1的凹进表面34a）。 [0058] 虽然图3示出的凹进表面34a-c为半圆弓形形状，即具有一个截面半径，但是，在替换实施例中，也可以利用半椭圆形截面形状。此外，在其它实施例中，在切削元件20的切削面26中可以形成带有除弓形形状之外的截面形状的非平凹进表面。图22描绘了形成在切削元件20的切削面26中的三个环形同心的V形凹进表面34d、34e、34f。图22的切削元件20可类似于图19和20的切削元件20那样构造。图22中所描绘的每个凹进表面34d、34f、34f都关于切削元件20的纵向轴线54对称。因而，V形凹进表面在三维空间中是非平坦表面。每个V形凹进表面34d、34f、34f均可以具有对称的V形形状，如图22所描绘的。在替换实施例中，也可以利用非对称的V形形状。在另外的其它实施例中，切削面26可以包括一个或更多个对称V形凹进表面与一个或更多个非对称V形凹进表面的组合。再次参照图22，径向最外的第一对称V形凹进表面34d可以在金刚石台24内相对于切削面26的平的纵向外表面成第一角度θ1延伸一第一深度。第二对称V形凹进表面34e可以在金刚石台24内相对于切削面26的平的纵向外表面成第二角度θ2延伸一第二深度。第三对称V形凹进表面34f可以在金刚石台34内相对于切削面26的平的纵向外表面成第三角度θ3延伸一第三深度。角度θ1、θ2、θ3可以相等，也可以彼此不同。例如，图22描绘的角度θ2和θ3相等，两者大于θ1。此外，第二和第三V形凹进表面34e、34f从切削面26延伸到金刚石台24内的深度是相等的，两者都小于第一V形凹进表面 34d从切削面26延伸到金刚石台24内的深度。继续参照图22，第一对称V形凹进表面34d的径向外边缘可距斜切表面32第一距离X1定位；第二对称V形凹进表面34e的径向外边缘可距斜切表面32第二距离X2定位；第三对称V形凹进表面34f的径向外边缘可距斜切表面32第三距离X3定位。如图22所示，第三距离X3大于第一距离X1和第二距离X2，第二距离X2大于第一距离X1。这样，凹进表面34d、34f、34f可分别定位成在特定切削深度接合地层材料，或者，在金刚石台24磨损到特定程度之后接合地层材料。 [0059] 如上参照图19至21的弓形凹进表面34a-c所述的那样，多于三个或小于三个的V形凹进表面34d-f可以形成在切削元件20的切削面26中。此外，如上所述，通过调节图22的切削元件20的V形凹进表面34a-c的参数，包含角度θ1-3、距离斜切表面32的径向距离X1-3以及从切削面26进入金刚石台24的深度，可以在切削面26的不同径向部位（即不同切削深度部位）给切削元件20赋予多个特定的定制特性，例如耐用性、侵入性和效率。另外，在单个切削元件20中可以利用平的和/或非平的截面形状的凹进表面34a-f的任意组合。例如，在切削面26的同心模式中可以嵌套弓形凹进表面34a-c、V形凹进表面34d-f以及可选形状的凹进表面的组合。此外，在另外的实施例中，在切削面26上可以利用非同心构造的平的和/或非平的凹进表面34，例如图19和22所示的弓形和V形剖视凹进表面34a-f。此外，可以以相对于切削元件20的纵向轴线L不对称的模式使用平的和/或非平的凹进表面34a-f的嵌套构造。应当明白，在单个切削面26中，可以使用如上所述的截面形状、模式、尺寸和方向的任意组合的多个凹进表面34，以给切削元件20赋予所需的特性。 [0060] 所述一个或更多个凹进表面34可以在金刚石台24形成之后形成在金刚石台24上，比如通过使用放电加工（EDM）的方式，由此通过使用电极（未显示）的放电获得所需的形状。在有些实施例中，金刚石台24可以相对于具有凹进表面34所需截面形状的电极移动（和/或所述电极可以相对于金刚石台24沿着所需的路径移动）而形成凹进表面34（图3）。例如，可以将具有多边形形状的电极下降到金刚石台24的切削面26中，然后使金刚石台24旋转以跟随环形路径形成包括多边形凹槽的凹进表面34。在另外的实施例中，可以将具有与所需凹进表面34的形状相互补的形状（即具有一个或更多个突起）的一个或更多个电极模具沉入金刚石台24的切削面26中而形成一个或更多个凹进表面34。 [0061] 在有些实施例中，金刚石台24中的一个或更多个凹进表面34可以包括位于其中的一个或更多个牺牲结构42。例如，一个或更多个牺牲结构42可以基本上装填金刚石台24中的一个或更多个凹进表面34上的整个区域，使得各个牺牲结构42的表面44可以与金刚石台24的切削面26的相邻的、基本上平的表面36大体上对齐并共面，如图23所示。在另一个例子中，各个牺牲结构42可以是位于凹进表面34上的较薄的材料层，如图24所示。在有些实施例中，各个牺牲结构42可以由比金刚石台24软、或者比金刚石台24更易磨损的材料构成，比如陶瓷、金属陶瓷和耐火金属中的一种或多种。例如，各个牺牲结构42的材料可以是碳化钨、氧化铝、钨、铌、钽、铪、钼以及由它们形成的碳化物中的一种或多种。 [0062] 在这样的实施例中，凹进表面34可以在金刚石台24形成期间形成在金刚石台24中。例如，可以将各个牺牲结构42定位在模具（未显示）内，并将包括金刚石颗粒的粉末状前体材料定位在各个牺牲结构42上（例如周围）。然后正如本领域中已知的那样，在混有金刚石颗粒的催化剂存在的情况下将所述粉末状前体材料压实并烧结或者从相邻的基体进行刮型处理以形成金刚石台24，各个牺牲结构42形成金刚石台24中的相应凹进表面34。然后可以移除各个牺牲结构42或者其一部分，比如通过喷砂、机械加工、酸浸析或另外的工艺，或者可以保持各个牺牲结构34或其一部分定位在各个相应凹进表面中，以在钻进作业期间由地层移除。另外，对于其中各个牺牲结构42或其一部分可以通过例如喷砂、机械加工、酸浸析或另外的工艺移除的实施例，可以将金刚石台24加工成最终的几何形状，比如通过放电加工（EDM）工艺。 [0063] 在进一步的实施例中，在至少一部分烧结过程中，可以将粉末预成型件（例如包括包含在圆筒形铌杯中的粉末的金刚石）邻近成型模具定位，比如具有成型突起的模具。例如，在高压/高温（HPHT）工序期间，可以将粉末预成型件邻近成型模具（未示出）定位，在整个烧结循环中，可以保持由成型模具赋予的形状，以在金刚石台24中形成凹进表面34。在进一步的实施例中，由模具赋予的形状可以接近一个或更多个凹进表面34的所需的最终形状，例如通过放电加工工艺可以加工出一个或更多个凹进表面34的最终形状，以获得最终的几何形状。 [0064] 任选地，在高压/高温工序之后可以从金刚石台24的硬多晶材料移除催化剂材料，正如本领域中已知的那样。例如，可以使用浸析法从金刚石台24的硬多晶材料的内键连接的晶粒之间的孔隙空间移除催化剂材料。举例来说，但不限制，可以使用比如那些在例如Bunting等人的美国专利No.5,127,923（1992年7月7日授权）和Bovenkerk等人的美国专利No.4,224,380（1980年9月23日授权）中更全面描述的浸析剂和工艺来浸析硬多晶材料，每个专利的公开内容在此整体引入作为参考。具体地说，可以使用王水（浓硝酸（HNO3）和浓盐酸（HCl）的混合物）来从金刚石台24的硬多晶材料的内键连接的晶粒之间的孔隙空间至少基本上移除催化剂材料。使用沸腾的盐酸（HCl）和沸腾的氟酸（HF）作为浸析剂也是已知的。一种特别合适的浸析剂是在高于110℃的温度下的盐酸（HCl），根据包括硬多晶材料的本体的尺寸，可以使其与金刚石台24的硬多晶材料接触大约2小时到大约60小时的一段时间。在对硬多晶材料进行浸析之后，硬多晶材料内的内键连接的晶粒之间的孔隙空间可以至少基本上没有用于促进硬多晶材料中的晶粒之间的内部晶粒键的形成的催化剂材料。在有些实施例中，可以有选择地对金刚石台24的特定区域进行浸析，而不对其它区域进行浸析。例如，在有些实施例中，可以将一遮盖物施加到金刚石台24的一区域，比如一个或更多个凹进表面34或者金刚石台24中的凹进表面34的一区域，仅可以对没有被遮盖的区域进行浸析。 [0065] 另外，金刚石台24的外表面可以通过物理方式修饰，比如通过抛光成平滑面或镜面。例如，金刚石台24的外表面可以具有减小的表面粗糙度，比如2000年11月14日授权给Lund等人并转让给本申请的受让人的美国专利No.6,145,608和1997年8月5日授权给Lund等人并转让给本申请的受让人的美国专利No.5,653,300以及1995年9月5日授权给Lund等人并转让给本申请的受让人的美国专利No.5,447,208中所描述的，每个专利的公开内容在此整体引入作为参考。 [0066] 在传统的聚晶金刚石复合片切削元件中，聚晶金刚石复合片的切削面或前表面可以磨平成20μ英寸（大约0.508μm）到40μ英寸（大约1.02μm）均方根RMS（在此所称的所有表面光洁度都是RMS）的表面光洁度，其触摸起来相对平滑并且看起来是平的（如果切削面本身是平的），但是其包括许多表面异常并且呈现出一定程度的粗糙，甚至在非常低的功率放大下肉眼容易看到，比如10倍珠宝放大镜。但是，可以将金刚石台24的外表面处理成具有显著减少的表面粗糙度。作为非限制性的例子，可以将金刚石台24的外表面抛光成大约0.5μ英寸（大约0.0127μm）RMS的表面粗糙度。 [0067] 在有些实施例中，通过使用悬浮在乙二醇、丙三醇或其它合适的承载液体中的逐渐变小的金刚石磨料粒在本领域中已知的传统铸铁圈上磨平切削面26，可以减少金刚石台24的表面的表面粗糙度。磨平可以分三步骤工序进行：以70微米磨料粒开始，然后是40微米磨料粒，然后是尺寸上大约1微米-3微米的磨料粒。相反，聚晶金刚石复合片切削元件的标准磨平技术可以遵循切削面的初始放电研磨，用70微米磨料粒在一个步骤中完成磨平。对于磨料粒尺寸的对比而言，70微米磨料粒与细沙或晶体材料差不多，而1微米-3微米磨料粒与糖粉类似。 [0068] 在另外的实施例中，可以通过使表面与旋转的干式金刚石砂轮接触而降低金刚石台24的表面的表面粗糙度。例如，可以使用由Travelers Rest，S.C.的Ernst Winter&Sons公司提供的Winter RB778树脂粘结金刚石砂轮。当金刚石砂轮具有树脂粘结结构时，重要的是要冷却砂轮。升高的温度可能导致砂轮破裂。抛光工艺的本质需要研磨表面保持干燥。但是，在抛光工艺开始时可以用水打湿砂轮以减小阻力，并且便于金刚石台24相对于砂轮合适取向。另外，可能影响抛光的温度范围可以在大约140℉（大约60℃）到大约220℉（大约 104℃）之间。虽然所使用的具体抛光器可以以大约3500RPM旋转，但是人们认为，大约 3000RPM到大约5000RPM之间的范围可能应足够用了。可以将大约2磅的力（大约0.9Kg）到大约8磅的力（大约3.6Kg）施加到抵靠砂轮的金刚石台24。正如所指出的，可以使金刚石台24的外表面抛光平滑到大约0.5μ英寸（大约0.0127μm）RMS或者接近真正"镜面"的更低的表面抛光粗糙度。使用前面提到的金刚石砂轮可能需要进行大约五十分钟到大约一个小时的抛光以在具有半英寸（大约1.27cm）直径的金刚石台24的表面上实现这种抛光，对于标称四分之三英寸（大约1.905cm）直径的金刚石台24需要大约一个半到大约两个小时。所述的用于抛光金刚石台24的面的方法还可以用于抛光斜切表面32以及金刚石台24的侧面。为了抛光这些表面，由基体22保持的金刚石台24相对于旋转的砂轮以所需的角度布置。然后可以使切削元件20绕对称轴旋转以打磨和抛光金刚石台24的斜切表面32或其它侧面区域。因而，可以打磨和抛光金刚石台24的弯曲的、嵴状的、波纹的或其它切削面以移除或减少大的和小的表面粗糙部，形成镜面抛光切削面，不过其在绝对意义上并不是平的。 [0069] 可以通过其它方法抛光切削元件切削表面（切削面、斜切表面、侧面等等），比如离子束加工或化学方法，不过金刚石内在的惰性化学性质可能使得采用化学方法用于金刚石多少存在困难。切削元件表面也可以利用激光进行抛光，正如DiGiovanni的2009年5月7日公开的美国专利公开No.2009/0114628中所述的那样，该专利的全部公开内容在此整体引入作为参考。 [0070] 虽然工业标准的聚晶金刚石复合片或其它超硬切削元件可能在切削面的抛光表面上具有大约20μ英寸（大约0.508μm）RMS到40μ英寸（大约1.02μm）RMS的不规则性或粗糙度（从所述抛光表面垂直地测量）的打磨表面光洁度，但是，借助于上述抛光方法，一些实施例的金刚石台24可以具有大约0.3μ英寸RMS和大约0.5μ英寸（大约0.0127μm）RMS之间的表面粗糙度。另外的实施例的金刚石台24可以具有大约0.4μ英寸（大约0.0102μm）RMS和大约0.6μ英寸（大约0.0152μm）RMS之间的表面粗糙度。在另外的实施例中，金刚石台24可以具有小于大约10μ英寸（大约0.254μm）RMS的表面粗糙度。在进一步的实施例中，金刚石台24可以具有小于大约2μ英寸（大约0.0508μm）RMS的表面粗糙度。在另外的其它实施例中，金刚石台24可以具有小于大约0.5μ英寸（大约0.0127μm）RMS的表面粗糙度，接近真正的"镜面"抛光。在另外的实施例中，金刚石台24可以具有小于大约0.1μ英寸（大约0.00254μm）的表面粗糙度。金刚石台24的前述表面粗糙度的测量可以使用接触金刚石台24表面的标定 America Model T-4000金刚石触针表面光度仪进行。 [0071] 由于上面描述的内容，可以对金刚石台24的选定表面进行抛光或打磨以具有减小的表面粗糙度。在有些实施例中，切削面26的基本上平的表面36可以具有减小的表面粗糙度。在进一步的实施例中，凹进表面34可以具有减小的表面粗糙度。在另外的其它实施例中，金刚石台24的整个切削面26可以具有减小的表面粗糙度。在另外的实施例中，金刚石台24的斜切表面32和/或其它侧表面可以具有减小的表面粗糙度。在另外的实施例中，金刚石台24的所有暴露表面可以具有减小的表面粗糙度。 [0072] 现在参照图28，由地层56与切削元件20之间的相互作用引起的钻进力可以加重金刚石台24内的应力集中，使其高于在其它类似的、但是没有凹进表面特征34的聚晶金刚石复合片切削刃的应力集中。鉴于此，金刚石台24与切削元件20的基体22之间的交接面28的形状可以构造成有效地分布由切削力引起的应力，以改善切削元件20的结构整体性。例如，与金刚石台24的切削面26中的一个或更多个凹进表面34的形状对应的成型区域48可以限定交接面28的一区域，诸如图25和26所示的那样。在有些实施例中，交接面28的成型区域48可以由交接面28处的基体22中的凹进表面50和金刚石台24的突起52（图25和26）限定。因此，交接面28的成型区域48可以提供金刚石台24的基本均匀的厚度。在有些实施例中，例如，与金刚石台24中的一个或更多个凹进表面34对应的交接面28的成型区域48可以纵向地定位在金刚石台24中的一个或更多个凹进表面34的正下方，如图25所示。在进一步的实施例中，与金刚石台24中的一个或更多个凹进表面34对应的交接面28的成型区域48的至少一部分可以在所述一个或更多个凹进表面34的相对于切削元件20的纵向轴线54（图2）的径向向内的位置处定位于一个或更多个凹进表面34之下。在另外的实施例中，与金刚石台24中的一个或更多个凹进表面34对应的交接面28的成型区域48的至少一部分可以在一个或更多个凹进表面34的相对于切削元件20的纵向轴线54（图2）的径向向外的位置处定位于一个或更多个凹进表面34之下，如图26所示，这种构造可以对应于切削元件20相对于地层的运行的投影方向（正如在图26中由虚线所指示的），因为该方向可以对应于在钻进作业期间施加到切削元件20上的切削力的主方向。换句话说，交接面28的成型区域的尺寸、形状和位置可以设计成减小应力集中和/或提供足够的结构强度来承受可能由钻进作业导致的预期的应力集中。此外，金刚石台24的这种金刚石分层结构可以在成型区域中进行定制，以抵消残余应力并提供金刚石台24在成型区域中的定制材料性质，比如定制强度和粗糙度。 [0073] 在有些实施例中，钻地工具上的切削深度限制特征可以定位成在钻地作业期间约束未被切削的地层与金刚石台24的切削面26中的一个或更多个凹进表面34之间的相互作用。例如，钻地工具上的切削深度限制特征可以是图1所示的钻头10的刮刀12的外表面和如在2010年4月26日提交的、发明名称为"BEARING BLOCKS FOR DRILL BITS,DRILL BIT ASSEMBLIES INCLUDING BEARING BLOCKS AND RELATED METHODS"的美国专利申请序列号No.12/766,988中所述的支承块特征中的一种或更多种，该专利申请的公开内容在此整体引入作为参考。例如，切削深度限制特征可以定位成与金刚石台24的切削面26中的凹进表面34的径向外边缘对齐。由此，可以防止未被切削的地层在钻进作业期间接触凹进表面34，使得位于凹进表面34的径向外部（相对于切削元件20的主轴线）的切削面26的平表面36和斜切表面32可以与未被切削的地层56相互作用。 [0074] 在较浅切削深度作业时，未被切削的地层56仅可以与切削元件的斜切表面32相互作用，如图27所示。在较深切削深度，未被切削的地层56可以与切削元件的切削面26的平表面36相互作用，如图28所示。鉴于此，在其中未被切削的地层56仅与切削元件20的斜切表面32相互作用的较浅切削深度，切削元件20可以呈现较高的有效后倾（backrack）角α1（图 27）。在其中未被切削的地层56与切削元件20的切削面26的平的表面36相互作用的较深切削深度，切削元件20可以呈现较低的有效后倾角α2（图28）。 [0075] 鉴于上文所描述的内容，在切削元件20的切削面26中的至少一个凹进表面34可以定位和构造成约束或减少从地层56移除的切屑的碰撞而在切削面处压实在一起而形成粘结结构（即碎屑）。如图28所示，当带有基本上平的切削面62的切削元件60被推进未被切削的地层64时，由于切削元件60相对于地层64向前运动，未被切削的地层64破裂，基本上紧接着被压实到切削元件60的切削面62中。因此，碰撞切削元件60的切削面62的该块被破裂的地层64变得压缩在一起，形成粘结结构66，本领域通常称之为"碎屑"。但是，当在正好位于足够深度的切削边缘的径向内部的切削面26中具有正如在此所述的至少一个凹进表面34的切削元件20被推入未被切削的地层70时，如图30所示，可以约束或防止破裂地层70的粒状块72在破裂后碰撞切削元件20。因此，破裂地层70的粒状块72可能没有充分压缩而形成任意大尺寸的粘结结构，因而可以由钻进流体以离散颗粒形式的粒状块72带走。 [0076] 据此，用包括带有在此所述的至少一个凹进表面34的切削元件20的钻地工具钻透地层所需的工作量较小，这是因为不再需要通常所花费的用切削元件压缩破裂地层以形成碎屑的工作。此外，由于粒状或颗粒形式的破裂地层容易被钻进流体从钻头面带走，利用带有在此所述的至少一个凹进表面34的切削元件20，可以防止或约束诸如与粘于钻头面的切屑或碎屑有关的泥包的问题。 [0077] 通过在工具上战略放置这样的切削元件20，可以定制和平衡包括带有在此所述的至少一个凹进表面34的切削元件20的钻地工具的性能因数，例如效率、侵入性和耐用性。构造有在此所述的一个或更多个凹进表面34的切削元件20相对于传统聚晶金刚石复合片切削元件可以呈现更大的侵入性和高效切削性能，即使与传统聚晶金刚石复合片切削元件相比以较低耐用性为代价。因而，对于特定地下地层，例如非限制性的例子——水平页岩或泥质砂岩，还可以定制切削元件20的性能。在遇到较硬地层或更多夹层的地层时，工具结构在工具的较深切削深度区域中可以广泛选择传统聚晶金刚石复合片切削刃，而在较浅切削深度区域使用在此所述的切削元件20。图31示出了利用依照本发明的切削元件20的选定放置的钻地钻头的实施例的简单局部截面视图。为显示起见，图31的钻地工具为图1的如前所述构造的固定切削刃回转式钻头10，不过应当认识到，在此公开的选定放置实施例可以结合在其它钻地工具上，例如扩眼器、钻孔器、套筒钻头、取芯钻头或其它钻地工具。 [0078] 如图31所示，钻头10包括安装于钻头10的各个刮刀12的多个切削元件。此外，正如本领域所理解的，如图31所示构造的钻头10的轮廓可以包括锥形区域74、鼻形区域76、台肩区域78和保径区域80。相对于位于刮刀12的其它区域中的切削元件，位于刮刀12的锥形区域74和鼻形区域76中的切削元件可以暴露于地层材料中的较深切削深度，但是其承受的工作率（work rate）比刮刀12的其它区域低。相反，相比位于刮刀12其它区域的切削元件，位于刮刀12的台肩区域78中的切削元件可能暴露于较高的工作率下，而切削深度较浅。应当明白，具有前面所述的一个或更多个凹进表面34的切削元件20可以选择定位在刮刀的特定区域，以优化一个或更多个所需特性。如图31所示，在此所述的切削元件20可以选择定位在锥形区域74和鼻形区域76上，并构造有为特定高切削深度特性定制的一个或更多个凹进表面34。另外，在此所述的切削元件20可以选择定位在刮刀12的台肩区域78上，并构造有为特定高工作率特性定制的一个或更多个凹进表面34。刮刀12的保径区域80可以装备有传统聚晶金刚石复合片切削元件。在另外的实施例（未示出）中，在此所述的具有一个或更多个凹进表面34的切削元件20可以仅仅选择定位在锥形区域74、鼻形区域76、台肩区域78或保径区域80中的一个上，而传统聚晶金刚石复合片切削元件可以定位在其余区域。在另外的其它实施例中，在此所述的具有一个或更多个凹进表面34的切削元件20可以选择定位在锥形区域74、鼻形区域76、台肩区域78或保径区域80中的任意组合上，而传统聚晶金刚石复合片切削元件可以定位在刮刀12的其余区域。 [0079] 另外，参照图32，在此所述的具有一个或更多个凹进表面34的切削元件20可以选择定位在钻头10的一个或更多个刮刀12上。如图32所示，钻头10可以在其相间隔的刮刀12a-c上构造有在此所述的切削元件20，而其余刮刀12可以装备有传统聚晶金刚石复合片切削元件。这样放置的好处尤其包括钻头10的侵入性、稳定性和转向性的优化平衡。应当明白，在进一步的实施例中，切削元件，例如在此所述的切削元件20，可以选择放置在特定刮刀以及各特定刮刀的特定区域上，如前面所述的，以进一步定制钻头的特性。 [0080] 虽然上文说明书包含了许多具体内容，但是，这些不应当看作是对本发明范围的限制，而应当看作仅仅是提供了某些实施例。同样，可以想出本发明的其它实施例，这些都在本发明的范围之内。例如，在此参照一个实施例描述的特征还可以与在此描述的其它实施例的特征组合。因此，本发明的范围仅仅有附带的权利要求书及其法定等同表示和限制，而不是由上文的说明书。本发明涵盖了在此公开的对本发明的所有添加、删除和改变，这些都落入了权利要求书的含义和范围之内。 |
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