表面的尖形切割元件的剖视图。
【具体实施方式】
[0032]一方面，这里公开的实施例涉及钻头或包括多种类型的切割结构的其它井下切割工具。特别地，这里公开的实施例涉及包含两种或更多种类型的切割元件的切割工具，每种类型切割元件都具有不同形式的切割地层的动作。这里公开的其它实施例涉及包含具有非平面切割端的固定切割元件和旋转切割元件的钻头，包括这些切割元件在钻头上的布置方式以及可以被用于优化钻井的切割元件上的变型。
[0033]如这里使用的，“非平面切割元件”指的是具有非平面切割端的切割元件并且还可以指的是成型的切割元件。非平面切割端的形状可以包括任何几何形状，其中，切割元件与地层接合的部分为非平面的。通常，传统的切割器在圆柱状坯块的外周边缘处接合地层并且随着切割器切割或挖掘而进入地层中，平面切割面的一部分与地层接合。这些切割器通常还可以包括斜面或斜坡边缘，然而实际上大部分的切割面的表面区域为平面的。然而，这些形状并不位于这里限定的术语“非平面切割元件”的范围之内。相反，非平面切割元件在从圆柱状侧表面到切割端的过渡部上方具有高度延伸部，并且基本上大部分的切割端为非平面的。这些形状通常可包括尖的切割元件和圆顶形的切割元件。总体上为尖的切割元件通常可具有尖的切割端，即，如图15-17所示，具有圆锥、凸起或凹陷侧表面地终止于一顶点。为了便于区分这两种类型的切割元件，如上面参看图1和2所描述的，术语“切割元件”一般指的是任何类型的切割元件，而“切割器”指的是具有平面切割面的那些切割元件，“非平面切割元件”指的是那些具有非平面切割端的切割元件。
[0034]如这里使用的，术语“圆锥形切割元件”指的是具有大体上为圆锥形的切割端62(包括直锥或斜锥)的切割元件，即，如图15A-15B所示，以圆形顶点66终结的圆锥侧壁64。与以尖形顶点终结的几何圆锥不同，本公开的圆锥形切割元件的顶点具有位于侧表面和顶点之间的弯曲部。此外，在一个或多个实施例中，可以使用子弹形切割元件70。如图16A-16B所示，术语“子弹形切割元件”指的是切割元件具有与总体上为圆锥形的侧表面不同的总体上为凸起的并且以圆形顶点76终结的侧表面78。在一个或多个实施例中，顶点76的曲率半径明显比凸起侧表面78的小。然而，还可以注意到本公开的非平面切割元件还可包括其它形状，例如，如图17所示以圆形顶点终结的凹形侧表面。在每个这样的实施例中，非平面切割元件在侧表面和圆形顶点之间可具有光滑过渡(即侧表面或侧壁与顶点的弯曲部分正切相接)，但是在某些实施例中，可以具有非光滑的过渡(即，侧表面的切线与顶点的切线相互交叉成非180度角，例如从大约120度到小于180度)。此外，在一个或多个实施例中，非平面切割元件可包括具有在夹持或基座区域上方延伸的切割端的任何形状，其中，切割端的延伸高度至少为切割元件的直径的0.25倍，或在一个或多个其它实施例中为切割元件的直径的至少0.3,0.4,0.5或者0.6倍。
[0035]例如，图6-8示出了可处于这里公开的任何实施例中的圆锥形切割元件的变型。如图所示，圆锥形切割元件128在基材134 (例如烧结碳化钨基材)上可具有金刚石层132，其中，金刚石层132形成圆锥形金刚石工作表面。然而，圆锥形切割元件也可以由其它材料制成，因为是它们的形状限定出圆锥形切割元件而不是它们的材料。具体地，圆锥几何形状可以包括与顶点的弯曲部分正切相接的侧壁。圆锥形切割元件128可以采用与形成金刚石增强镶嵌物(用在牙轮钻头中)类似的过程或者通过将部件焊接到一起而形成。金刚石层132和基材134之间的接合部(没有单独地示出)可以是非平面或不均匀的，例如，用于帮助减小在操作中金刚石层132从基材134上发生脱落的意外并且提高元件的强度和耐冲击性。本领域技术人员可以意识到接合部可包括一个或多个凸起或凹陷部分，如本领域中已知的非平面接合部。此外，本领域技术人员可以意识到使用某些非平面接合部可以允许层的顶端区域中的金刚石层具有更大的厚度。此外，可以期望的是产生使金刚石层在包围金刚石增强元件和地层之间的主接触区域的关键区域中具有最大厚度的接合部形状。
[0036]可以用于本公开的基本上为尖的切割元件的其它形状和接合部包括在美国专利公开N0.2008/0035380中所描述的，其整体通过引用被结合于此。此外，金刚石层132可以由任何多晶超硬研磨材料形成，例如包括多晶金刚石、多晶立方氮化硼、热稳定多晶金刚石(通过对由金属例如钴形成的多晶金刚石或者对由具有热膨胀系数比钴低的金属形成的多晶金刚石进行处理形成)。
[0037]圆锥形切割元件的顶点可具有弯曲部分，其包括一曲率半径。在图6-8所示的实施例中，曲率半径的范围可为大约0.050到0.125。这些弯曲部分还可以在图16和17所示的切割元件类型中存在。在某些实施例中，弯曲部分可包括可变化的曲率半径，抛物线的一部分，双曲线的一部分，悬链线的一部分或者参数样条。此外，参照图6和7，圆锥端的圆锥角130可以变化并且基于被钻的具体地层而进行选取。在特殊的实施例中，圆锥角130可为大约75到90度。
[0038]现在参照图8，其示出了不对称或偏斜的圆锥形切割元件。如图8中所示，圆锥形切割元件128的切割圆锥切割端部135的轴线与基材134的轴线不同轴。在一个特殊的实施例中，至少一个非对称圆锥形切割元件可以用在任何描述过的钻头或铰刀扩孔器中。非对称圆锥形切割元件的选取可以被选择为更好地将从地层作用于切割元件上的法向力或反作用力与切割尖端轴线对正或改变圆锥形切割元件相对于地层的侵入性。在一个特殊的实施例中，在切割端或圆锥轴线与基材轴线之间形成的角度131可为37.5到45度，其中，切割元件的尾侧上的角更大，比前缘角(从切割元件的前侧测量得到的)大5-20度。
[0039]圆锥形切割元件的其它设计也可以用在本公开的实施例中，例如在美国专利申请N0.61/441，319，13/370，734，61/499，851，13/370，862 和 61/609，527 中所描述的，它们全部被转让给本受让人并且整体通过引用被结合到这里。
[0040]此外，本公开的非平面切割元件可以通过本领域已知的方法，例如钎焊被附接到钻头或其它井下切割工具，或者可以被可旋转地保持在井下工具上。例如，非平面切割元件可以通过一个或多个保持机构被可旋转地保持在井下工具上，例如通过保持球、弹簧、销等方式。在一个或多个实施例中，非平面切割元件可以使用设置在围绕圆锥形切割元件本体的外侧表面形成的相应的凹槽与套筒的内侧表面之间的多个保持球被可旋转地保持在形成与井下工具的刀翼上的凹口中，所述井下工具例如为钻头或铰刀扩孔器，所述套筒被附接到凹口。在其它实施例中，非平面切割元件可以使用非平面切割元件本体的直径变化来可旋转地保持在形成于井下工具的刀翼中的凹口中。例如，非平面切割元件本体或基材可以具有与非平面切割端邻近的第一直径以及轴向远离非平面切割端的第二直径，其中第二直径大于第一直径。包围非平面切割元件本体的套筒(其可被附接到凹口)或凹口可以具有与非平面切割元件的第一直径对应的第一内直径。因此，当非平面切割元件被组装在对应的套筒或凹口内部时，较大的第二直径保持住非平面切割元件。保持机构的各种例子还包括在美国专利公开N0.2012/0132471和美国专利N0.7，703，559和8，091，655中描述的那些，它们全部被转让给本受让人并且整体通过引用被结合于此。
[0041]此外，尽管本公开的非平面切割元件可以可旋转地保持在井下切割工具、例如钻头或铰刀扩孔器上，但指具有非平面切割端的切割元件的术语“非平面切割元件”与术语“旋转切割元件”不同，可旋转切割元件可以类似地被可旋转地保持在井下切割工具上，但是没有非平面切割端。
[0042]如这里使用的，术语“旋转切割元件”通常指的是切割元件的至少一个表面或部分随着其与地层的接触而发生旋转的切割元件。随着旋转切割元件接触地层，切割动作可允许切割元件的一部分围绕延伸通过切割元件的切割元件轴线旋转。旋转切割元件的至少一部分的旋转可允许切割表面使用切割表面的整个外边缘切割地层而不是在传统固定切割元件中所看到的那样使用外边缘的相同区段切割地层。本公开的旋转切割元件可包括各种类型和大小的旋转切割元件。例如，旋转切割元件的大小可以包括当不限于9mm，13mm, 16mm和19_。此外，旋转切割元件可包括那些保持在外部支撑元件内的、通过保持机构或限制器保持的或二者组合保持的旋转切割元件。
[0043]可用在本公开中的旋转切割元件的例子可以至少在美国专利公开N0.2007/0278017，2011/0297454 和 20