切削元件、钻地工具以及形成这种切削元件和工具的方法

专利名称：切削元件、钻地工具以及形成这种切削元件和工具的方法
专利说明在使用HTHP工艺形成金刚石台面之后，催化剂材料可以保留在获得的聚晶金刚石台面中的金刚石晶粒或晶体之间的空隙中。当在使用期间由于切削元件与地层之间的接触点处的摩擦导致切削元件被加热时，金刚石台面中催化剂材料的存在导致金刚石台面中的热破坏。催化剂材料保留在金刚石台面中的聚晶金刚石切削元件一般在高达大约750摄氏度时是热稳定的，不过聚晶金刚石台面内的内部应力在超过大约350摄氏度的温度下可能开始发展。该内部应力至少部分地是由于金刚石台面与粘结金刚石台面的切削元件基底之间的热膨胀速率不同导致的。这种热膨胀速率的不同可以在金刚石台面与基底之间的界面处导致相对大的压缩和拉伸应力，而且可能造成金刚石台面与基底分层。在大约750摄氏度和以上的温度，由于金刚石材料与金刚石台面本身内的催化剂材料之间的热膨胀系数的不同而导致金刚石台面内的应力显著增加。例如，钴明显要比金刚石热膨胀快，这可以导致结构断裂并在金刚石台面本身内扩展，最终导致金刚石台面的退化，降低切削元件的效率。为了减少与聚晶金刚石切削元件中的不同的热膨胀速率相关的问题，已经开发了所谓的“热稳定”聚晶金刚石(TSD)切削元件。这种热稳定聚晶金刚石切削元件可以通过使用例如酸将催化剂材料(例如钴)从金刚石台面中的金刚石晶粒之间的空隙中浸出形成。可 以从金刚石台面移除所有的催化剂材料，或者可以仅移除一部分。已经有如下报道其中将基本所有催化剂材料从金刚石台面浸出的热稳定聚晶金刚石切削元件的热稳定温度高达大约1200摄氏度。然而还报道了这种完全浸出的金刚石台面比非浸出的金刚石台面相对更易碎并且更容易受剪切、压缩和拉伸应力损坏。在提供具有相对于非浸出金刚石台面热稳定性更高但也相对更易碎并且更容易受剪切、压缩和拉伸应力损坏的金刚石台面的努力中，已经提供了包括仅一部分催化剂材料被从金刚石台面浸出的金刚石台面的切削元件。

发明内容
在一些实施方式中，本发明包括一种切削元件，其包括一定体积的超硬磨料。该一定体积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间的相交部的切削边缘、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第一横向侧表面以及在切削元件的与第一横向侧表面相对的侧面上的、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第二横向侧表面。在某些实施方式中，一种用于钻地工具的切削元件包括一定体积的超硬磨料。该一定体积的超硬磨料包括前部切削表面、在切削元件的与前部切削表面相对的侧面上的后部切削表面、端切削表面、在切削元件的与端切削表面相对的侧面上的底部端表面、靠近前部切削表面与端切削表面之间的相交部的切削边缘、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第一横向侧表面以及在切削兀件的与第一横向侧表面相对的侧面上的、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第二横向侧表面。所述前部切削表面的平均宽度小于后部切削表面的平均宽度。一种钻地工具可以包括钻头本体和连接到钻头本体的至少一个切削元件。所述至少一个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间的相交部的切削边缘、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第一横向侧表面以及在切削元件的与第一横向侧表面相对的侧面上的、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第二横向侧表面。


虽然本说明书是用关于本发明的实施方式的特别指出并明确声明的权利要求做出结论，但是当结合附图阅读下面叙述的某些示例性实施方式的描述时可以从中更容易地推断出本发明的实施方式的优点，其中图I是本发明的切削元件的一个实施方式的侧视图；图2A是可以通过沿着由图I中示出的线A-A图示的平面在图I中示出的切削元件上形成平面来提供的本发明的切削元件的另一个实施方式的透视图；图2B是图2A中示出的切削元件的局部放大侧视图；图2C是图2A和2B中示出的切削元件的局部放大正视图；图3A是可以通过沿着由图I中示出的线B-B图示的平面在图I中示出的切削元件上形成平面来提供的本发明的切削元件的另一个实施方式的透视图；图3B是图3A中示出的切削元件的局部放大侧视图；图3C是图3A和3B中示出的切削元件的局部放大正视图；·
图4是本发明的切削元件的另一个实施方式的侧视图；图5A是可以通过沿着由图4中示出的线C-C图示的平面在图4中示出的切削元件上形成平面来提供的本发明的切削元件的另一个实施方式的透视图；图5B是是图5A中示出的切削元件的局部放大侧视图；图5C是图5A和5B中示出的切削元件的局部放大正视图；图6A是可以通过沿着由图4中示出的线D-D图示的平面在图4中示出的切削元件上形成平面来提供的本发明的切削元件的另一个实施方式的透视图；图6B是是图6A中示出的切削元件的局部放大侧视图；图6C是图6A和6B中示出的切削元件的局部放大正视图；图7A是本发明的至少部分形成的切削元件的另一个实施方式的透视图；图7B是图7A中示出的切削元件的前部切削表面的平面视图；和图8是可以包括这里描述的切削元件的任何实施方式的钻地工具的透视图。
具体实施例方式这里呈现的图并不旨在是任何特殊切削元件、钻地工具或者该切削元件或工具的一部分的实际视图，而仅是用来描述本发明的实施方式的理想化表示。另外，这些图之间的共有元件可能保留相同的附图标记。图I是至少部分形成的切削元件100的一个实施方式的侧视图。该切削元件100可以在基底104上包括一定体积的超硬磨料(超硬磨料包括聚晶金刚石材料和/或立方氮化硼)一虽然其不必一定要包括金刚石，但是这里为了简便起见称做金刚石台面102。所述基底104例如可以包括硬质合金材料，比如钴钨硬质合金。在另外的实施方式中，整个切削元件100可以至少基本由超硬磨料组成。在另外的实施方式中，整个切削元件100可以至少基本由诸如钴钨硬质合金之类的硬质合金材料组成。所述切削元件100可以是多面体，但是可以是细长的并且可以具有纵轴Alo所述切削元件100可以基本是圆柱形的。所述金刚石台面102可以包括基本圆柱形的横向侧表面112,其与基底104的基本圆柱形的横向侧表面105基本是同延(coextensive)并连续的。所述金刚石台面102还可以包括弯曲的端切削表面106、在切削元件100的两侧上的在基本圆柱形的横向侧表面112与所述弯曲的端切削表面106之间延伸的截头圆锥形横向侦U表面110，从图I中的角度看所述“两侧”是切削元件100的左侧和切削元件100的右侧。所述金刚石台面102还可以在切削元件100的两侧(例如相对的两侧)上包括两个平的斜切表面114，从图I的角度看所述“两侧”是切削元件100的前侧和后侧。因此，在图I中仅可以看到其中一个平的斜切表面114。正如对于本领域普通技术人员公知的，所述切削元件100可以这样的方式连接到钻地工具，比如钻地旋转钻头(例如固定切削元件式旋转钻头)，使得当在钻进或扩眼工艺中使用钻地工具来形成井眼时切削元件100的金刚石台面102将与井眼内的地层表面接触。简单参见图8，一种钻地工具800可以包括多个切削元件806，比如图I中示出的切削 元件100。再参见图1，所述切削元件100可以安装在钻地工具上，使得金刚石台面102的靠近弯曲的端切削表面106与截头圆锥形的横向侧表面110之间的相交部的边缘111将与井眼内地下地层的露出的表面接触，该表面在图I中由线120表示。换言之，一部分截头圆锥形横向侧表面可以是与井眼内地下地层的露出的表面接触的前部切削表面。如图I中所示，截头圆锥形横向侧表面110与井眼内地下地层的所述表面(由线120表示的)之间的角度Θ可以从大约两度(2° )到大约30度(30° )(例如大约15度(15° ))。所述切削元件100可以在形成实体结构上(physical)的侧倾角的取向上安装在钻地工具上，或者其可以不偏地安装而没有任何侧倾角。所述切削元件100还可以在形成实体结构上的正后倾角、实体结构上的负后倾角(即前倾角)的取向上安装在钻地工具上，或者不偏地安装而没有任何实体结构上的后倾角(或前倾角)。通过将图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(不同于如图I中示出的弯曲的端切削表面106)—其以相对于切削元件100的纵轴\大于O度(0° )并小于90度(90° )的锐角α取向，可以使所述切削元件100呈现出实际起作用(effective)的正后倾角，甚至是当在形成实体结构上的负后倾角(即前倾角)的取向上将切削元件100安装在钻地工具上时，或者不偏地安装而没有任何实体结构上的后倾角(或前倾角)时也是如此。实际起作用的正后倾角的大小可以至少部分地由切削元件100的纵轴\与平坦的端切削表面之间的锐角α的大小确定。例如，图2Α到2C图示了可以通过沿着由图I中示出的线A-A图示的平面在图I中示出的切削元件100上形成平坦的端切削表面202来提供的切削元件200的另一个实施方式。如图I中所示，线A-A (因此平坦的端切削表面202)关于切削元件200的纵轴\以锐角h取向。作为另一个示例，图3Α到3C图示了可以通过沿着由图I中示出的线B-B图示的平面在图I中示出的切削元件100上形成平坦的端切削表面302来提供的切削元件300的一个实施方式。如图I中所示，线B-B (因此平坦的端切削表面302)关于切削元件300的纵轴\以锐角α2取向。正如通过将图I中的线A-A与B-B进行对比可以意识到的，切削元件300的平坦的端切削表面302与纵轴kL之间的锐角α 2小于切削元件200的平坦的端切削表面202与纵轴\之间的锐角alt)继续参见图1，切削元件200的平坦的端切削表面202与纵轴\之间的锐角a 1可以选择成使得平坦的端切削表面202与井眼内地下地层的表面(由线120表示)之间的角度^可以小于90度(90° )，因此使得图2A到2C的切削元件200呈现出实际起作用的负后倾角(即实际起作用的前倾角)。还如图I中所示，切削元件300的平坦的端切削表面302与纵轴之间的锐角a 2可以选择成使得平坦的端切削表面302与井眼内地下地层的表面(由线120表示)之间的角度￡2可以大于90度(90° )，因此使得图3A到3C的切削元件200呈现出实际起作用的正后倾角(即实际起作用的后倾角)。 图4是至少部分形成的切削元件400的另一个实施方式的侧视图。该切削元件400可以在基底404上包括一定体积的聚晶金刚石材料(或者另一种超硬磨料，比如立方氮化硼)一其在这里称作金刚石台面402。所述基底404例如可以包括硬质合金材料，比如钴钨硬质合金。在另外的实施方式中，整个切削元件400可以至少基本由聚晶金刚石材料组成。在另外的实施方式中，整个切削元件400可以至少基本由诸如钴钨硬质合金之类的硬质合金材料组成。所述切削元件400可以是多面体，但是可以是细长的并且可以具有纵轴\。在一些实施方式中，所述切削元件400可以基本是圆柱形的。所述金刚石台面402可以包括基本圆柱形的横向侧表面402，其与基底404的基本圆柱形的横向侧表面405基本是同延并连续的。截头圆锥形表面410在基本圆柱形的横向侧表面403与端切削表面408之间围绕至少一部分切削元件400延伸。所述金刚石台面402还可以包括前部切削表面406、在所述前部切削表面406与基本是截头圆锥形的横向侧表面410之间延伸的第一弯曲的凹入的横向侧表面412和在所述前部切削表面406与基本是截头圆锥形的横向侧表面410之间延伸的第二弯曲的凹入的横向侧表面416 (在图4中未示出；例如见图5C和6C)。第一弯曲的凹入的横向侧表面412和第二弯曲的凹入的横向侧表面416均还可以延伸到所述端切削表面408。所述第一弯曲的凹入的横向侧表面412和第二弯曲的凹入的横向侧表面412可以在切削元件400的相对的侧面上。切削边缘409靠近所述前部切削表面406与端切削表面408之间的相交部定位。虽然图4中图示出的是由所述前部切削表面406和端切削表面408限定的锋利边缘，但是所述切削边缘409可以包括斜切面或半径。这种斜切面或半径可以提高切削元件400的耐久性。所述前部切削表面406在一些实施方式中可以至少平坦(如图4中所示)，但是在另外的实施方式中可以凸起地弯曲。类似地，所述端切削表面408在一些实施方式中可以凸起地弯曲(如图4中所示)，但是在另外的实施方式中可以至少平坦。所述切削元件400可以这样的方式连接到钻地工具，比如钻地旋转钻头(例如固定切削元件式旋转钻头)，使得当在钻进或扩眼工艺中使用钻地工具来形成井眼时切削元件400的金刚石台面402将与井眼内的地层表面接触。简单参见图8，一种钻地工具800可以包括多个切削元件806，比如图4中示出的切削元件400。
当将切削元件400连接到钻地工具时，并且当使用切削元件400来切削地层材料时，第一弯曲横向侧表面412和第二弯曲横向侧表面416可以引导切屑和压碎的地层材料远离连接有切削元件400的钻地工具的表面。例如，在切削元件400连接到固定切削元件式旋转钻头的刮刀的实施方式中，所述切削元件400可以引导切屑和压碎的地层材料远离钻头的刮刀表面。第一弯曲横向侧表面412和第二弯曲横向侧表面416的凹入形状还可以引导切削元件400周围的切屑和压碎的地层材料并将其向外朝向切削元件400的横向侧面引导。在一些实施方式中，所述切削元件400可以靠近传统的剪切切削元件(例如在两个剪切切削元件之间)连接到钻地工具或者在传统的剪切切削元件附近(例如在两个剪切切削元件之间)连接到钻地工具，例如正如在于2009年12月28日申请的名称是“Drill Bits andOther Earth-Boring Tools Having Differing CuttingElements on a Common Blade, andRelated Methods”的临时美国专利申请序列号61/290，401、于2010年6月3日申请的名称是“Earth-BoringTools Having Differing C utting Elements on a Blade and RelatedMethods"的美国专利申请序列号12/793，396中披露的。在这些实施方式中，第一弯曲横向侧表面412和第二弯曲横向侧表面416的凹入形状还可以将由切削元件400产生的切屑和压碎的地层材料引向一个或多个临近的剪切切削元件的切削路径，其然后可以进一步辅助由切削元件400产生的地层切屑和压碎的地层材料的切削和排空。第一弯曲横向侧表面412和第二弯曲横向侧表面416可以具有相似(例如完全相同或具有镜像)或者不同的几何形状，可以对每个的几何形状进行单独设计以在钻进操作期间提高切削元件400的性能。因此，切削元件400的第一弯曲横向侧表面412和第二弯曲横向侧表面416的凹入形状可以减少地层切屑在切削元件400周围封堵和聚集的发生——这在本领域中称作“泥包”。这种在切削元件周围的地层材料的泥包可能降低切削元件的效率。切削元件400可以安装在钻地工具上，使得靠近所述前部切削表面406与端切削表面408之间的相交部定位的金刚石台面402的切削边缘409将会与井眼内的地下地层的露出的表面接触，该表面在图4中由线120表示。如图4中所示，前部切削表面406 (和/或截头圆锥形横向侧表面410)与井眼内地下地层122的所述表面之间的角度Θ可以从大约两度(2° )到大约30度(30° )(例如大约15度(15° ))。所述切削元件400可以形成实体结构上的侧倾角的取向安装在钻地工具上，或者其可以不偏地安装而没有任何侧倾角。所述切削元件400还可以形成实体结构上的正后倾角、实体结构上的负后倾角(即前倾角)的取向安装在钻地工具上，或者不偏地安装而没有任何实体结构上的后倾角(或前倾角)。在一些实施方式中，端切削表面408可以是平坦的，并且可以以相对于切削元件400的纵轴Al大于O度(0° )并小于90度(90° )的锐角α (例如图4中的α 3，α 4)取向。在这些实施方式中，所述切削元件400可选地可以以使所述切削元件400呈现出实际起作用的正后倾角的方式安装在钻地工具上——即便所述切削元件400以形成实体结构上的负后倾角(即前倾角)的取向安装在钻地工具上，或者不偏地安装而没有正如由切削元件400的纵轴Ai与地层的表面之间的角度确定的任何实体结构上的后倾角(或前倾角)。实际起作用的正后倾角的大小可以至少部分地由切削元件400的纵轴\与平坦的端切削表面之间的锐角α的大小确定。例如，图5Α到5C图示了可以通过沿着由图4中示出的线C-C图示的平面在图4中示出的切削元件400上形成平坦的端切削表面508来提供的切削元件500的另一个实施方式。如图4中所示，线C-C (因此平坦的端切削表面508)相对于切削元件500的纵轴\以锐角Q3取向。切割边缘509靠近所述前部切削表面406与端切削表面508之间的相交部定位。所述切削边缘509可以是斜切的或者倒圆。作为另一个示例，图6Α到6C图示了可以通过沿着由图4中示出的线D-D图示的平面在图4中示出的切削元件400上形成平坦的端切削表面608来提供的切削元件600的一个实施方式。如图4中所示，线D-D (因此平坦的端切削表面608)相对于切削元件600
的纵轴以锐角α 4取向。切割边缘609靠近所述前部切削表面406与端切削表面608之间的相交部定位。所述切削边缘609可以是斜切的或者倒圆。正如通过将图4中的线C-C与D-D进行对比可以意识到的，切削元件600的平坦的端切削表面608 (正如由线D-D表示出的)与纵轴之间的锐角α 4小于切削元件500的平坦的端切削表面508 (正如由线C-C表示出的)与纵轴Ai之间的锐角α 3。继续参见图4，切削元件500的平坦的端切削表面508与纵轴\之间的锐角α 3可以选择成使得平坦的端切削表面508与井眼内地下地层的表面(由线120表示)之间的角度￡3可以小于90度(90° )，因此使得图5Α到5C的切削元件500呈现出实际起作用的负后倾角(即实际起作用的前倾角)。还如图4中所示，切削元件600的平坦的端切削表面608与纵轴之间的锐角α 4可以选择成使得平坦的端切削表面608与井眼内地下地层的表面(由线120表示)之间的角度￡4可以大于90度(90° )，因此使得图6Α到6C的切削元件600呈现出实际起作用的正后倾角(即实际起作用的后倾角)。图7Α是至少部分形成的切削元件700的另一个实施方式的透视图。该切削元件700可以在基底704上包括一定体积的超硬磨料(聚晶金刚石材料和/或立方氮化硼)，其在这里称作金刚石台面702。所述基底704例如可以包括硬质合金材料，比如钴钨硬质合金。在另外的实施方式中，整个切削元件700可以至少基本由聚晶金刚石材料组成。在另外的实施方式中，整个切削元件700可以至少基本由诸如钴钨硬质合金之类的硬质合金材料组成。所述切削元件700可以是多面体形状。所述金刚石台面702可以包括前部切削表面706、端切削表面708、第一平坦的横向侧表面710、在所述前部切削表面706与第一平坦的横向侧表面710之间延伸的第一弯曲的凹入的横向侧表面712、第二平坦的横向侧表面714 (图7Β中示出)、以及在所述前部切削表面706与第二平坦的横向侧表面714之间延伸的第二弯曲的凹入的横向侧表面716 (在图7Β中示出)。切削边缘709靠近所述前部切削表面706与端切削表面708之间的相交部定位。所述切削边缘709可以是斜切的或倒圆。所述切削元件700还可以包括在切削元件700的与端切削表面708相对的端部上的底部端表面718和在切削元件700的与前部切削表面706相对的侧面上的后部表面720。在一些实施方式中，底部端表面718和后部表面720中的一个或两个可以至少基本是平坦的。切削元件700可以具有切削元件轴\，其定义为在切削元件700的端切削表面708的中心与底部端表面718的中心之间延伸的轴。垂直于切削元件轴\测量到的前部切削表面706的平均宽度可以小于垂直于切削元件轴\测量到的后部表面720的平均宽度。例如，在一些实施方式中，前部切削表面706的平均宽度可以是后部表面720的平均宽度的大约百分之95 (95%)或者更少。图7B是图7A中示出的切削元件700的前部切削表面706的平面视图。该前部切削表面706在一些实施方式中可以凸出地弯曲(如图7A和7B中所示)，但是在另外的实施方式中可以是至少基本平坦的。类似地，所述端切削表面708在一些实施方式中可以是至少基本平坦的(如图7A和7B中所示)，但是在另外的实施方式中可以凸出地弯曲。所述切削元件700可以连接到钻地工具，比如钻地旋转钻头(例如固定切削元件式旋转钻头)。当将切削元件700连接到钻地工具时，并且当使用切削元件700来切削地层材料时，以与之前这里结合图4的切削元件400的第一和第二凹入横向侧表面412，114的描述类似的方式，第一凹入横向侧表面712和第二凹入横向侧表面716可以引导切削兀件700周围的切屑和压碎的地层材料并将其自切削元件700横向向外(例如沿着路径730)引导。第一凹入横向侧表面712和第二凹入横向侧表面716可以具有类似的或不同的几何形状，可以单独设计每个表面的几何形状以在钻进操作期间提高切削元件700的性能。 如图8中所示，一种钻地工具800可以包括钻头802和多个刮刀804。图8中示出的钻地工具800包括固定切削元件式旋转钻头，不过本发明的实施方式还包括其他已知类型的钻地工具，例如包括其他类型的钻头(例如牙轮钻头、孕镶金刚石钻头、取心钻头和冲撞钻头)、套管和尾管钻进工具、扩眼钻头或者其他开孔工具，以及稳定器、封隔器或者诸如可操纵尾管系统之类的可操纵组件。可以将多个切削元件806安装到钻头本体802，比如安装到每个刮刀804。例如，可以将切削元件806安装到刮刀804的前边缘。切削元件806可以包括正如这里描述的任何切削元件100，200，300，400，500，600和/或700。切削元件806可以通过本领域中已知的任何方法连接到钻头本体802，比如通过硬钎焊、熔接、共烧结等等。所述切削元件806在材料组成和几何形状上可以基本类似，或者可以与其他切削元件806不同。例如，在钻地工具的锥形区域中的切削元件806可以具有不同于前端区域、肩部区域或保径区域中的切削元件806的几何形状。每个切削元件806的几何形状和材料可以选择成使钻地工具800的研磨特性最优化。可选地，可以对切削元件的实施方式的超硬磨料的某些区域(例如金刚石台面102，402或702)或者整个体积的超硬磨料进行处理(例如蚀刻)，以从超硬磨料的相互键连接的金刚石晶粒之间移除金属材料(例如用于促进超硬磨料中的金刚石晶体(即晶粒)之间的金刚石-金刚石键的形成的金属催化剂)，使得所述超硬磨料相对更热稳定。此外，可选地，可以对切削元件的实施方式的超硬磨料的某些露出表面(例如金刚石台面102，402或702)或者超硬磨料的所有露出表面进行抛光，以增加这些表面的光滑度，以便于在钻进操作期间减小地层材料对所述表面的粘滞。这里描述的切削元件的增强的形状可以用于在相对硬的岩石地层中钻进时提高切削元件的表现和耐久性。此外，切削元件的形状可以用于提供实际起作用的正或负后倾角，而与切削元件是否具有实体结构上的正或负后倾角无关。这里描述的切削元件的形状可以在安装在钻地工具上时并且在用于切削地下地层时提供翻耕切削动作。换言之，作为由传统剪切切削元件使用的剪切机构的补充或替代，所述切削元件可以使用压碎和/或凿进机构来移除地层材料。
尽管图I和4中示出的切削元件100和400是要沿着切削元件的一侧(即边缘111或切削表面409)来接触地下地层的所述表面(由线120表示)，但是所述切削元件可以安装在钻地工具中，使得切削元件的相对的侧面接触地下地层。例如，如图2B所示，表面204(对应于图I中的边缘111)或者表面206可以接触地下地层。所述后倾角和/或侧倾角可以变化，表面204或206基于所述后倾角和/或侧倾角配置成接触地下地层。所述切削元件300,500和600可以类似地配置。下面描述本发明的另外的非限制性示例实施方式。实施方式I :一种切削元件，包括一定体积的超硬磨料。该一定体积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间的相交部的切削边缘、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第一横向侧表面以及在切削元件的与第一横向侧表面相对的侧面上的、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第二横向侧表面。实施方式2 :根据实施方式I所述的切削元件，其中所述切削元件至少基本是由所 述一定体积的超硬磨料组成的。实施方式3 :根据实施方式I所述的切削元件，还包括硬质合金基底，所述一定体积的超硬磨料布置在所述硬质合金基底上。实施方式4 :根据实施方式I到3中任一所述的切削兀件,其中第一横向侧表面和第二横向侧表面均包括凹入表面。实施方式5 :根据实施方式I到3中任一所述的切削元件，其中第一横向侧表面和第二横向侧表面均包括基本平坦的表面。实施方式6 :根据实施方式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。实施方式7 :根据实施方式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弯曲的表面。实施方式8 :根据实施方式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。实施方式9 :根据实施方式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弯曲的表面。实施方式10 :根据实施方式I到9中任一所述的切削元件，其中所述切削元件基本是圆柱形的。实施方式11 :根据实施方式I到9中任一所述的切削元件，其中所述一定体积的超硬磨料还包括下述对象中的至少一个在切削元件的与前部切削表面相对的侧面上的至少基本平坦的后部表面；以及在所述切削元件的与所述端切削表面相对的侧面上的至少基本平坦的底部端表面。实施方式12 :根据实施方式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头圆锥形横向侧表面，并且其中所述第一和第二横向侧表面包括与前部切削表面和端切削表面均相交的平坦的斜切表面。实施方式13 : —种用于钻地工具的切削元件，所述切削元件包括一定体积的超硬磨料。该一定体积的超硬磨料包括前部切削表面；在切削元件的与所述前部切削表面相对的侧面上的后部表面；端切削表面；在所述切削元件的与所述端切削表面相对的侧面上的底部端表面；靠近所述前部切削表面与所述端切削表面之间的相交部的切削边缘；在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第一横向侧表面；以及在切削元件的与第一横向侧表面相对的侧面上的、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第二横向侧表面。所述前部切削表面的平均宽度小于所述后部表面的平均宽度。实施方式14 :根据实施方式13所述的切削元件，其中所述前部切削表面的平均宽度是所述后部表面的平均宽度的大约百分之95 (95%)或者更少。实施方式15 :根据实施方式13或实施方式14所述的切削元件，其中所述前部切削表面至少基本平坦。实施方式16 :根据实施方式13到15中任一所述的切削元件，其中第一横向侧表面和第二横向侧表面均包括弯曲表面。 实施方式17 :—种钻地工具，包括钻头本体和连接到钻头本体的至少一个切削元件。所述至少一个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间的相交部的切削边缘；在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第一横向侧表面；以及在切削元件的与第一横向侧表面相对的侧面上的、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第二横向侧表面。实施方式18 :根据实施方式17所述的钻地工具，其中所述前部切削表面、端切削表面、第一横向侧表面和第二横向侧表面中的至少一个包括弯曲表面。实施方式19 :一种形成切削元件的方法，包括形成一定体积的超硬磨料。形成所述一定体积的超硬磨料包括形成靠近前部切削表面与端切削表面之间的相交部的切削元件的切削边缘、形成在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的切削元件的第一横向侧表面、以及形成在切削元件的与第一横向侧表面相对的侧面上的、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的切削元件的第二横向侧表面。实施方式20 :根据实施方式19所述的方法，还包括形成相对于切削元件的纵轴以锐角取向的平坦的端切削表面。实施方式21 :根据实施方式19或实施方式20所述的方法，其中形成第一横向侧表面和形成第二横向侧表面均包括形成弯曲表面。实施方式22 :—种形成钻地工具的方法，包括形成切削元件以及将所述切削元件连接到钻地工具。形成所述切削元件包括形成靠近前部切削表面与端切削表面之间的相交部的切削元件的切削边缘、形成在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的切削兀件的第一横向侧表面、以及形成在切削兀件的与第一横向侧表面相对的侧面上的、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的切削兀件的第二横向侧表面。实施方式23 :根据实施方式22所述的方法，其中将所述切削元件连接到钻地工具包括将切削元件连接到固定切削元件式钻地旋转钻头。虽然这里参照某些实施方式对本发明进行了叙述，但是本领域普通技术人员将会认识并意识到的是本发明并不是如此限定的。而是在不脱离本发明的正如下文中所要求保护的范围的前体下可以对这里描 述的实施方式做出许多添加、删除和修改。此外，来自于一个实施方式的特征可以与另一个实施方式的特征组合，而仍然包含在正如由本发明人考虑的本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于钻地工具的切削元件，包括 一定体积的超硬磨料，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间的相交部的切削边缘； 在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第一横向侧表面；以及 在切削元件的与第一横向侧表面相对的侧面上的、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第二横向侧表面。
2.根据权利要求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体积的超硬磨料组成的。
3.根据权利要求I所述的切削元件，还包括硬质合金基底，所述一定体积的超硬磨料布置在所述硬质合金基底上。
4.根据权利要求I到3中任一所述的切削兀件,其中第一横向侧表面和第二横向侧表面均包括凹入表面。
5.根据权利要求I到3中任一所述的切削兀件,其中第一横向侧表面和第二横向侧表面均包括基本平坦的表面。
6.根据权利要求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.根据权利要求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弯曲的表面。
8.根据权利要求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.根据权利要求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弯曲的表面。
10.根据权利要求I到9中任一所述的切削元件，其中所述切削元件基本是圆柱形的。
11.根据权利要求I到9中任一所述的切削元件，其中所述一定体积的超硬磨料还包括下述对象中的至少一个在切削元件的与前部切削表面相对的侧面上的至少基本平坦的后部表面；以及在所述切削元件的与所述端切削表面相对的侧面上的至少基本平坦的底部端表面。
12.根据权利要求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头圆锥形横向侧表面，并且其中所述第一和第二横向侧表面包括与前部切削表面和端切削表面均相交的平坦的斜切表面。
13.一种用于钻地工具的切削元件，所述切削元件包括 一定体积的超硬磨料，其包括 前部切削表面； 在切削元件的与所述前部切削表面相对的侧面上的后部表面； 端切削表面； 在所述切削元件的与所述端切削表面相对的侧面上的底部端表面；靠近所述前部切削表面与所述端切削表面之间的相交部的切削边缘； 在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第一横向侧表面；以及 在切削元件的与第一横向侧表面相对的侧面上的、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第二横向侧表面； 其中所述前部切削表面的平均宽度小于所述后部表面的平均宽度。
14.根据权利要求13所述的切削元件，其中所述前部切削表面的平均宽度是所述后部表面的平均宽度的大约百分之95 (95%)或者更少。
15.根据权利要求13或权利要求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.根据权利要求13到15中任一所述的切削兀件,其中第一横向侧表面和第二横向侧表面均包括弯曲表面。
17.一种钻地工具，包括 钻头本体；和 连接到钻头本体的至少一个切削元件，所述至少一个切削元件包括 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间的相交部的切削边缘； 在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第一横向侧表面；以及 在切削元件的与第一横向侧表面相对的侧面上的、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的第二横向侧表面。
18.根据权利要求17所述的钻地工具，其中所述前部切削表面、端切削表面、第一横向侧表面和第二横向侧表面中的至少一个包括弯曲表面。切削元件、钻地工具以及形成这种切削元件和工具的方法
优先权
本申请要求于2010年5月3日申请的名称是“ImprovedGeometries For CuttingElements And Methods Of Forming SuchCutting Elements” 的美国临时专利申请序列号 61/330，757 和于 2010 年 8 月 6 日申请的名称是“Cutting Elements Having CurvedLateralSide Surfaces for Plowing Subterranean Formation Material, Earth-BoringTools Including Such Cutting Elements, and RelatedMethods” 的美国临时专利申请序列号61/371，355的优先权。技术领域
本发明的实施方式总体上涉及包括形成在基底上的超硬磨料(例如聚晶金刚石或立方氮化硼)台面的切削元件、包括这种切削元件的钻地工具以及形成这种切削元件和钻地工具的方法。
背景技术：
通常使用钻地工具来在地层中形成(例如钻出和扩出)井孔或井(下文中是“井眼”)。钻地工具例如包括旋转钻头、取心钻头、偏心钻头、双心钻头、扩眼钻头、扩眼器和研磨器。
不同类型的钻地旋转钻头在本领域中是公知的，例如包括固定切削元件式钻头(在本领域中其通常称作“刮刀”钻头)、牙轮钻头(在本领域中其通常称作“牙轮”钻头)、孕镶金刚石钻头和混合式钻头(其例如可以包括固定切削元件和牙轮)。使所述钻头转动并向地下地层中推进。当钻头转动时，切削元件或研磨结构切削、压碎、剪切和/或磨损掉地层材料以形成井眼。
钻头直接或间接连接到本领域中称做“钻柱”的部件的端部上，所述钻柱包括端对端连接的一串细长管状节段，其从地层表面延伸到井眼中。通常可以将包括钻头在内的各种工具和元件一起连接到在被钻探的井眼的底部处的钻柱的远端。工具和元件的这种组件在本领域中称做“底部钻具组合”(BHA)。
通过从地层表面转动钻柱可以使钻头在井眼内转动，或者通过将钻头连接到井下电动机可以使钻头转动，所述井下电动机还连接到钻柱并且靠近井眼底部布置。井下电动机可以包括例如液压Moineau型电动机，其具有轴，钻头安装到所述轴上，通过泵送流体(例如钻井泥浆或流体)——从地层表面向下穿过钻柱中心、穿过液压电动机，从钻头中的喷嘴出来，穿过钻柱外表面与井眼内的地层的暴露表面之间的环形空间向上返回到地层表面-可以使其转动。
牙轮钻头一般具有安装在自钻头本体延伸的钻头支腿上的三个牙轮，其例如可以由焊接到一起形成钻头本体的三个钻头部分形成。每个钻头支腿可以从一个钻头部分悬置。每个牙轮配置成在自钻头支腿沿径向向内、向下的方向自钻头支腿延伸的支承轴上旋转或转动。这些牙轮一般由钢形成，但是它们也可以由颗粒基体复合材料(例如诸如碳化钨硬质合金之类的金属陶瓷复合物)形成。可以在每个牙轮的外表面中或上机加工或以其他方式形成用于切削岩石和其他地层的切削齿。替代性地，在每个牙轮的外表面上形成有容座，由硬质抗磨损材料形成的插入件紧固在所述容座中以形成牙轮的切削元件。当使牙轮钻头在井眼内转动时，牙轮滚动并滑过地层表面，这使切削元件将下面的地层压碎并刮掉。
固定切削元件式钻头一般包括连接到钻头本体面的多个切削元件。该钻头本体可以包括多个刀翼或刮刀，它们限定了刮刀之间的流体流道。所述切削元件可以在形成在刮刀外表面中的凹口内紧固到钻头本体。所述切削元件以固定方式连接到钻头本体，使得在钻进期间切削元件不会相对于钻头本体运动。所述钻头本体可以由钢或颗粒基体复合材料(例如钴钨硬质合金)形成。在钻头本体包括颗粒基体复合材料的实施方式中,钻头本体可以连接到金属合金(例如钢)钻头接头部分，该钻头接头部分具有可以用来将钻头本体和该钻头接头部分连接到钻柱的螺纹端。当固定 切削元件式钻头在井眼内转动时，切削元件刮擦地层表面并剪切掉下面的地层。
孕镶金刚石旋转钻头可以用于钻进硬的或研磨岩石地层，比如沙岩。一般地，孕镶金刚石钻头具有在模具中铸造的实心头或冠顶。所述冠顶连接到钢制钻头接头部分，所述钢制钻头接头部分具有可以用于将所述冠顶和所述钢制钻头接头部分连接到钻柱的螺纹端。所述冠顶可以具有多种结构并且一般包括具有多个切削结构的切削面，这些切削结构可以包括切削段、切削柱和刮刀中的至少一个。所述切削柱和刮刀可以与所述冠顶一起在模具中形成，或者它们可以单独形成并连接到所述冠顶。沟槽将切削柱和刮刀分开以使钻进流体流过钻头的所述切削面。
孕镶金刚石钻头可以形成为使得钻头的切削面(包括切削柱和刮刀)包括颗粒基体复合材料，所述颗粒基体复合材料包括分散在整个基体材料中的金刚石颗粒。所述基体材料本身可以包括分散在整个金属基体材料(比如铜基合金)中的颗粒基体复合材料，比如碳化鹤颗粒。
在本领域中将诸如“耐磨”材料之类的抗磨损材料应用到旋转钻头的地层接合表面来将钻头的那些表面的由研磨造成的磨损减到最小是公知的。例如，在存在由传统钻进流体携带的固体微粒材料(例如切屑和碎石)的情况下，当那些表面与地下地层的表面接合并且相对于地下地层的表面滑动时，在钻地工具的地层接合表面处发生磨损。例如，可以将耐磨材料施加到牙轮钻头的牙轮的切削齿上以及牙轮的保径表面上。还可以将耐磨材料施加到每个钻头支腿的弯曲下端或“牙松钻头体”的外表面上，以及在钻进期间钻头的可能接合地层的其他外表面上。
用在这种钻地工具中的切削元件通常包括聚晶金刚石切削元件(通常称作“roc”)，其是包括聚晶金刚石(PCD)材料的切削元件。这种聚晶金刚石切削元件通过在催化齐|J(比如钴、铁、镍或者它们的合金和混合物)存在的情况下将相对小的金刚石晶粒或晶体在高温和高压下烧结并粘结在一起来在切削元件基底上形成聚晶金刚石材料层来形成的。这些工艺通常称做高温/高压(或“HTHP”)工艺。切削元件基底可以包括金属陶瓷材料(即陶瓷-金属复合材料)，比如钴钨硬质合金。在这些情况下，在烧结期间，切削元件基底中的钴(或其他催化剂材料)可以被吸入金刚石晶粒或晶体中，并且用作用于由金刚石晶粒或晶体形成金刚石台面的催化剂材料。在其他方法中，在HTHP工艺中，在将所述晶粒或晶体烧结在一起之前，可以将粉末状催化剂材料与金刚石晶粒或晶体混合。
全文摘要
切削元件包括一定体积的超硬磨料。该一定体积的超硬磨料包括前部切削表面、端切削表面、切削边缘、在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的横向侧表面。一种钻地工具可以包括钻头本体和连接到钻头本体的至少一个切削元件。形成切削元件的方法包括形成一定体积的超硬磨料，包括形成前部切削表面、端切削表面、切削边缘和在前部切削表面与端切削表面之间延伸并与前部切削表面和端切削表面均相交的横向侧表面。形成钻地工具的方法包括形成切削元件以及将切削元件连接到钻地工具。
文档编号E21B10/16GK102933786SQ201180028057
公开日2013年2月13日 申请日期2011年4月29日 优先权日2010年5月3日
发明者D·E·斯科特, N·J·莱昂斯, J·M·比伦, O·马修斯, R·C·佩斯西尔 申请人:贝克休斯公司