旋转切削结构以及用于保持其的结构的制作方法

本申请要求于2015年9月29日提交的美国临时专利申请序列号62/234560的权益，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术：

各种类型和形状的地钻钻头用于地球钻探行业的各种应用。例如，地钻钻头具有的钻头体包括各种特征，比如延伸到钻头体中的核心、刀片和切削刀凹座或者安装在钻头体上的牙轮。根据要钻的应用/地层，可以基于钻头的切削动作类型和其在特定地层中使用的适当性来选择合适类型的钻头。

通常被称为“固定切削刀钻头”的刮刀钻头包括具有附接到钻头体的切削元件的钻头，其可以是由粘合剂材料包围的基体材料比如碳化钨形成的钢钻头体或基体钻头体。刮刀钻头通常可以被定义为没有移动部件的钻头。然而，存在形成本领域已知的刮刀钻头的不同类型和方法。例如，渗透在形成钻头体的材料的表面中的具有研磨材料比如金刚石的刮刀钻头通常被称为“冲击”钻头。沉积到或以其他方式结合到基底上的具有由超硬切削表面层或“台”(其可由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成)制成的切削元件的刮刀钻头在本领域中已知为多晶金刚石复合片(“PDC”)钻头。

PDC钻头很容易钻软地层，但它们经常用来钻中等硬度或磨蚀性地层。他们使用不会深入地层的小型切削刀，通过剪切动作切削岩层。由于穿透深度较浅，因此通过较高的钻头旋转速度可获得较高的穿透率。

多年来，PDC切削刀已被用于工业应用，包括凿岩和金属加工。在PDC钻头中，PDC切削刀容纳在切削刀凹座内，其形成在从钻头体延伸的刀片内，并且通常通过钎焊到切削刀凹座的内表面而结合到刀片。PDC切削刀沿着钻头体刀片的前缘定位，使得当钻头体旋转时，PDC切削刀接合并钻地层。在使用中，可能会在PDC切削刀上施加较大的力，特别是在前后方向上。另外，钻头和PDC切削刀可能受到相当大的研磨力。在某些情况下，冲击、振动和侵蚀力会导致钻头因一个或多个切削刀损失或由于刀片破损而失效。

在一些应用中，多晶金刚石(PCD)(或其他超硬材料)的复合片结合到基底材料上，该基底材料可以是烧结金属碳化物以形成切削结构。PCD包括多晶体金刚石(通常是合成的)，它们结合在一起形成完整的坚韧的高强度块或晶格。由此产生的PCD结构可提高耐磨性和硬度，使PCD材料在需要高耐磨性和高硬度的侵蚀性磨损和切削应用中非常有用。

PDC切削刀可以通过将烧结硬质合金基底放入压机的容器中而形成。将金刚石颗粒或金刚石颗粒与催化剂粘合剂的混合物置于基底上并在高压、高温条件下处理。在此过程中，金属粘合剂(通常为钴)从基底迁移并穿过金刚石颗粒以促进金刚石颗粒之间的共生。结果，金刚石颗粒彼此结合以形成金刚石层，并且金刚石层又一体地结合到基底。基底可以由金属-碳化物复合材料比如碳化钨-钴制成。沉积的金刚石层通常被称为“金刚石台”或“磨料层”。

图1和2示出了具有多个带有超硬工作表面的切削刀的PDC钻头的示例。钻头100包括具有螺纹上销端111和切削端115的钻头体110。切削端115包括围绕钻头的旋转轴线L(也称为纵向或中心轴线)布置的多个肋或刀片120并且从钻头体110径向向外延伸。切削元件或切削刀150以相对于工作表面的角定向和径向位置嵌入刀片120中并且相对于要钻的地层具有后倾角和侧倾角。

多个孔口116定位在刀片120之间的区域中的钻头体110上，这些区域可被称为“间隙”或“流体层”。孔口116通常适于接收喷嘴。孔口116允许钻井液沿选定的方向以及在刀片120之间的选定的流速通过钻头排出，以润滑和冷却钻头100、刀片120和切削刀150。钻井液还清洁和去除当钻头100旋转并穿透地质构造时的钻屑。没有适当的流动特性，切削刀150的冷却不足可能导致钻井操作期间的切削刀失效。流体层定位成为钻井液提供附加的流动通道并为地层钻屑提供通道以通过钻头100朝向井眼表面。

参考图2，示出了现有技术的PDC钻头的俯视图。所示出的钻头的切削面118包括多个刀片120，其中每个刀片具有面向钻头旋转方向的前侧122、后侧124(与前侧相对)和顶侧126。每个刀片包括多个切削元件或切削刀，它们通常从切削面118的中心径向布置以大致形成行。某些切削刀虽然处于不同的轴向位置，但可能占据的径向位置与其他刀片上的其他切削刀类似的径向位置。

切削刀可以通过钎焊过程连接到钻头或其他井下工具。在钎焊过程中，钎焊材料位于切削刀和切削刀凹座之间。材料熔化，并在随后的凝固时将切削刀结合(附着)在切削刀凹座中。钎焊材料的选择取决于它们各自的熔化温度，以避免钻头(和切削刀)甚至用于钻孔操作之前对金刚石层的过度热暴露(和热损伤)。具体地，适用于钎焊其上具有金刚石层的切削元件的合金限于一对合金，这些合金提供较低的钎焊温度以避免或减少对金刚石层的损伤，并且具有足够高的钎焊强度以将切削元件保持在钻头上。

确定PDC切削刀寿命的因素是切削刀暴露于热。多晶金刚石在高达700-750℃的温度下可能会稳定在空气中，在此温度以上，观察到的温度升高可能会导致多晶金刚石的损坏和结构失效。多晶金刚石的这种劣化可能是由于与金刚石相比，粘合剂材料钴的热膨胀系数的显著差异。在加热多晶金刚石时，钴和金刚石晶格将以不同的速度膨胀，这可能导致在金刚石晶格结构中形成裂纹并导致多晶金刚石的劣化。损坏也可能是由于金刚石-金刚石颈部的石墨形成，导致在极高温度下损失微观结构完整性和强度损失。

暴露于热(通过钎焊或通过切削刀与地层接触而产生的摩擦热)可能导致金刚石台的热损伤并最终导致形成裂缝(由于热膨胀系数的差异)，这可能导致多晶金刚石层的剥落、多晶金刚石与基底之间的分层以及金刚石向石墨的转化，导致快速磨蚀磨损。当切削元件接触地层时，磨损平面发展并且引起摩擦热。随着切削元件的继续使用，磨损面积将增加，并进一步引起摩擦热。由于上面讨论的金刚石和催化剂之间的热失配，热量可能积聚并导致切削元件失效。如本领域常规的，这对于不可移动地连接到钻头上的切削刀来说尤其如此。

技术实现要素：

提供本发明内容是为了介绍将在以下详细描述中进一步描述的概念的选择。本发明内容不旨在确定所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在用作帮助限制所要求保护的主题的范围。

在一方面，本文公开的实施例涉及一种井下切削工具，其包括限定切削刀凹座的工具主体以及包括内部可旋转切削元件和套筒的至少一个滚动切削刀。内部可旋转切削元件的轴向运动受到设置在套筒外部的外部保持元件的限制。

在另一方面，本文公开的实施例涉及一种井下切削工具，包括工具主体，其具有形成于其上的至少一个切削元件支撑结构，所述至少一个切削元件支撑结构包括形成于其中的至少一个切削刀凹座。至少一个滚动切削刀位于所述至少一个切削刀凹座中并且包括部分地设置在圆周套筒中的内部可旋转切削元件。内部可旋转切削元件具有轴向延伸超过所述圆周套筒的后保持部分，所述后保持部分具有在其中形成的凹槽，凹槽中具有保持元件。

在另一方面，本文公开的实施例涉及一种井下切削工具，其包括具有至少一个切削元件支撑结构的工具主体。所述至少一个切削元件支撑结构包括在至少一个切削元件支撑件中的至少一个切削刀凹座，并且从所述切削元件支撑件的引导面和地层面向表面中的开口延伸到后面。所述至少一个切削元件支撑结构还包括在与所述至少一个切削刀凹座的开口向后间隔开的地层面向表面中的至少一个保持开口。所述至少一个保持开口延伸到切削元件支撑表面中以接合切削刀凹座的后部。该工具还包括在至少一个切削刀凹座中的至少一个滚动切削刀。滚动切削刀至少部分地由至少一个保持开口中的保持元件保持。

在另一方面，本文公开的实施例涉及一种井下切削工具，其包括具有至少一个切削元件支撑结构的工具主体。所述至少一个切削元件支撑结构包括至少一个切削刀凹座。至少一个滚动切削刀位于所述至少一个切削刀凹座中并且包括内部可旋转切削元件。内部可旋转切削元件具有最外直径，所述最外直径延伸所述内部可旋转切削元件的轴向长度的至少40％。可旋转切削还包括凹槽；并且保持元件位于凹槽中，由此将可旋转切削元件保持在切削刀凹座中。

所要求保护的主题的其他方面和优点将从以下描述和所附权利要求中显而易见。

附图说明

图1示出了常规刮刀钻头的透视图。

图2示出了常规刮刀钻头的俯视图。

图3示出了滚动切削刀的透视图。

图4示出了滚动切削刀的透视图。

图5示出了用于滚动切削刀的实施例的保持元件的透视图。

图6示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的透视图。

图7示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的横截面图。

图8示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的横截面图。

图9示出了根据本公开的一个实施例的套筒和切削元件的横截面图。

图10示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的透视图。

图11示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的透视图。

图12示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的横截面图。

图13示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的透视图。

图14示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的横截面图。

图15示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的横截面图。

图16示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的透视图。

图17示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的横截面图。

图18示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的透视图。

图19示出了钻头的旋转轮廓图。

图20示出了可以使用本公开的切削元件的工具。

图21示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的横截面图。

图22示出了套筒的横截面图。

图23示出了内部可旋转切削元件的横截面图。

图24示出了其上包括滚动切削刀的井下切削元件支撑结构的横截面图。

具体实施方式

在一些方面，本文公开的实施例涉及使用可旋转切削结构(滚动切削刀)和保持这种滚动切削刀的钻头及其他井下切削工具。

通常，本文描述的可旋转切削元件(也称为滚动切削刀)允许切削元件的至少一个表面或部分随着切削元件接触地层而旋转。当切削元件接触地层时，切削动作可允许切削元件的部分围绕延伸穿过切削元件的切削元件轴线旋转。旋转切削结构的一部分可以允许切削表面使用切削表面的整个外边缘切削地层，而不是常规切削元件中观察到的外边缘的相同部分。

在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用能够旋转的切削元件上的许多变型。例如，可以通过侧切削力和轴承表面之间的摩擦力来控制滚动切削刀的旋转。如果侧切削力产生的扭矩可以克服来自摩擦力的扭矩，则可旋转部分将具有旋转运动。侧切削力可能受到切削刀侧倾角、后倾角和几何形状的影响，包括本文公开的工作表面图案。另外，侧切削力可能受到切削元件部件的表面的表面精加工、地层的摩擦性能以及钻削参数(例如切削深度)的影响。例如，通过表面精加工、泥浆侵入等，轴承表面处的摩擦力可能受到影响。可以选择本文公开的可旋转切削刀的设计以及钻头上的可旋转切削刀的位置和定向以确保侧切削力克服摩擦力以允许可旋转部分的旋转。

现在参照图3(后透视图)和图4(前透视图)，示出了滚动切削刀的一个实施例。每个滚动切削刀300包括至少部分地设置在套筒320-1中的内部可旋转切削元件310-1。内部可旋转切削元件310-1从套筒320-1延伸轴向距离，终止于切削表面312，该切削表面312与待钻孔的地层接合。内部可旋转切削元件310-1的切削延伸部分314可以包括超硬材料层和可选的基底。如图所示，内部可旋转切削元件310-1和套筒320-1的切削延伸部分314具有基本上相同的外径。然而，本公开不限于此，并且内部可旋转切削元件可以代替地具有沿着元件(除了用于保持的凹槽)的大致整个长度的相同直径，并且套筒可以具有更大的直径并且包封内部可旋转切削元件(除了切削表面沿着与切削表面相邻的圆周的一部分暴露的切除之外)。这种套筒320-3和内部可旋转切削元件310-3的组合在图9中示出。

内部可旋转切削元件通过外部保持元件330保持在套筒内(限制其轴向运动)。外部保持元件330设置在套筒320-1的轴向下部位置(相对切削延伸部分314)。因此，内部可旋转切削元件310-1的后保持部分316在轴向上延伸得比套筒320更低，以限制内部可旋转切削元件310-1相对于套筒320-1的轴向运动。在限制轴向运动时，可以允许内部可旋转切削元件310-1基于在施加钻头重量时钻井期间所经历的一般力而轴向移动回到套筒320-1中，但外部保持元件330可以保持内部可旋转切削元件310-1不会掉出套筒320-1。

现在参照图5，示出了外部保持元件330的一个实施例的透视图。如图3所示，外部保持元件330是夹具，比如C形夹具，其可以装配到内部可旋转切削元件310-1的后保持部分316的外周中的凹槽中。保持元件330包括从弓形连接区域334延伸的两个线性臂332；然而，本公开不限于此，并且臂可以是弯曲的，和/或连接区域可以是大致线性的。在一个实施例中，保持元件330可通过接合形状保持内部可旋转切削元件310-1，而其他实施例也可在内部可旋转切削元件310-1上使用压缩。保持元件334的尺寸可以变化，但在一些实施例中可以小于套筒320-1的外径，其可以在例如11-22mm的范围内。可能需要更大强度的其它实施例可以使用稍大于套筒的保持元件(例如334可以大于套筒的外径)，比如5mm或小于套筒直径。

内部可旋转切削元件310-1一旦被插入到套筒320-1中(一起被称为滚动切削刀300)就可以布置在切削元件支撑结构400上，如图6所示。套筒320-1可以使用诸如通过钎焊、渗透、铸造等技术以及使用机械装置比如螺钉、具有沿着外径的螺纹的套筒等附接到切削元件支撑结构400。在一个或多个实施例中，切削元件支撑结构400可以是钻头(比如图1和2中所示的钻头)或其他井下切削工具，例如常规上使用PDC切削刀的井下工具。

现在参照图7，其是安装在切削元件支撑结构上的滚动切削刀的横截面视图，滚动切削刀包括部分地设置在套筒320-1内的内部可旋转切削元件310-1。内部可旋转切削元件310-1包括切削延伸部分314和后保持部分316，每个都从套筒320-1沿相反方向轴向延伸。内部切削元件310-1示出为包括超硬材料层315(形成切削延伸部分314的一部分)和基底317(形成后保持部分316的一部分)。凹槽318沿着后保持部分316形成在基底317的一部分的外周中。外保持元件330设置在凹槽318内以机械地限制内部可旋转切削元件310-1的轴向运动(达到上面讨论的程度)。如本文所述，套筒320-1可保持在形成于切削元件支撑结构400中的切削刀凹座410内。凹座410在轴向上比套筒320-1更长地延伸以容纳内部可旋转切削元件310-1。在一个或多个实施例中，除了接收内部可旋转切削元件310-1的后保持部分316之外，切削延伸部分314还可以由切削刀凹座410支撑，即内部可旋转切削元件310-1不延伸基本上超过切削元件支撑结构400(例如钻头的刀片)的前导面402(在工具的旋转方向上)。如果内部可旋转切削元件的一部分延伸超过前导面402，则在一个或多个实施例中，该延伸部可以小于0.200英寸。在操作中，在一个或多个实施例中，套筒320-1可在与内部可旋转切削元件310-1组装之前被固定到切削刀凹座410，并且在将内部可旋转切削元件310-1安装在套筒内时外部保持元件330可被插入以配合在凹槽318内，由此保持内部可旋转切削元件310-1，使得该元件可围绕其轴线自由旋转，但具有有限的轴向和径向运动。此外，外部保持元件330可以可选地保持可接近和暴露，从而允许更换内部可旋转切削元件310-1。在一个或多个实施例中，套筒可通过其底端处(如图3-4所示)的不对称形式与外部保持元件重叠(因为套筒具有比保持元件的外部展开更大的内径)，只要保持元件可接近和暴露。

如根据本公开实施例的安装在图8的切削元件支撑结构上的滚动切削刀的横截面图所示，除了在套筒320-2外部的外部保持元件330之外，滚动切削刀还可以包括内部保持元件340，其设置在形成于内部可旋转切削元件310中的凹槽中，且套筒320-2在由套筒320完全围绕的轴向长度上(即它完全位于滚动切削刀的内部)。这样的内部保持元件可以包括例如保持环、销、球等。在一个或多个特定实施例中，内部保持元件340可以是闭环保持环，比如在美国专利申请第61/794580号和美国专利第13/972465号中讨论的类型，其转让给本受让人并且其全部内容通过引用并入本文。

现在参照图10，示出了可旋转切削元件510的另一实施例。如图所示，可旋转切削元件510设置在形成于切削元件支撑结构600中的切削刀凹座610中。切削刀凹座610朝前导面602(在切削工具的旋转方向上)开放。在所示的实施例中，内部可旋转切削元件510的后部或保持端被切削刀凹座610包围。保持开口620可形成在面向地层表面615(当切削工具在井眼中被定向时面向地层的顶部表面)中，该表面在切削刀凹座610的开口的后方与前导面602间隔开。在特定实施例中，比如所示出的那个，切削刀凹座610可以是开放的(具有小于360度的弧长)达前导面602的后方的第一距离。保持开口620位于从切削刀凹部转变到闭合的点(围绕内部可旋转切削元件510延伸整个360度)的后方第二距离处。保持开口620轴向向内延伸进入切削元件支撑结构600中，以使切削刀凹座610在切削刀凹座610的背面的附近或邻近(相对于切削凹部开口)相交。虽然在该图中未示出，但保持元件可以设置在保持开口中以还相交切削刀凹座610并与内部可旋转切削元件510接合，从而将内部可旋转切削元件510保持在切削刀凹座610中。可旋转切削元件510可与套筒组装，类似于上文讨论的那些实施例，或者可旋转切削元件可直接由保持元件保持而不使用套筒。

例如，现在参照图11-12，示出了没有套筒的可旋转切削刀的实施例。如图11-12所示，可旋转切削元件510设置在形成于切削元件支撑结构600中的切削刀凹座610中。保持开口620与切削刀凹座610的一部分后方间隔开，该部分围绕可旋转切削元件延伸360度。此外，图12中的截面图示出了切削刀凹座610包括两个直径，即邻近切削刀凹座610的开口的前直径和位于切削刀凹座610关闭(延伸360度)的点的后方的第二较小直径。保持开口620从切削元件支撑结构600的面向地层的表面615延伸到结构600中以与邻近其背面612的切削刀凹座610相交。保持元件625-1设置在保持开口中并且围绕可旋转切削元件510的后保持部分516的至少部分圆周接合可旋转切削元件510。如图所示，凹槽618可以形成在后保持部分516中，并且保持元件625-1可以布置成至少部分地装配在该凹槽518内。除了形成在后保持部分516中的凹槽618之外，与切削部分514相比，后保持部分516可以可选地具有减小的直径。如图所示，保持元件625是具有紧固件629的两件式圆周锁627，紧固件629螺纹连接到形成于锁627中的孔628中。紧固件629拧入孔628中以与形成在可旋转切削元件510中的凹槽618接合。如图所示，凹槽618不需要沿周向围绕整个后保持部分516，而是代替地可以是形成在其中的凹座或凹坑，其尺寸足够大以装配紧固件629。可旋转切削元件可以通过插入切削刀凹座610并通过锁627而被保持。当凹槽618与孔628对准时，可以将紧固件插入并紧固在其中。

现在参照图13-15以及图16-18，可旋转切削元件510类似于图11-12所示的切削元件，其布置在也类似于图11-12所示的切削刀凹座610中，除了保持元件625-2和625-3。在图13-15所示的实施例中，保持元件625-2可以是卷边式保持夹。可旋转切削元件可以通过插入切削刀凹座610并通过保持元件625-2(处于未卷曲状态)而被保持。当凹槽618与保持元件625-2对准时，保持元件可以从保持开口620卷曲。此外，在图16-18所示的实施例中，保持元件625-3是可以延伸小于360度的保持环。在可旋转切削元件510设置在切削刀凹座中之后，可以将保持环保持元件625-3插入到保持开口中并且装配到凹槽618中。在一个或多个特定实施例中，可以使用具有圆锥形横截面的保持环，这可以有助于将可旋转切削元件510推入切削刀凹座(并且提供弹簧作用)。在所示的各种实施例中，保持开口示出为具有U形横截面。这种形状可能取决于例如所使用的保持元件的类型。此外，在一个或多个实施例中，在保持元件保持可旋转切削元件之后，保持开口可填充有填充物材料以减少钻井液进入可从其接近的轴承空间。在一个或多个实施例中，填充物可以可选地是可移除的，使得保持元件(和可旋转切削元件)可被移除和替换。

上面描述的各种实施例(在图9-17中)可以允许内部可旋转切削元件的最大直径表示元件的总轴向长度的相对较大的量。例如，这种最大直径可以延伸内部可旋转切削元件的轴向长度的至少40％、50％、60％、70％或80％。这种较长的轴向长度也存在于图21所示的实施例中。如图21所示，可旋转切削元件910-1设置在形成于切削元件支撑结构1000中的切削刀凹座1010中。切削刀凹座1010开放于前导面1002(在切削工具的旋转方向上)。可旋转切削元件910-1包括位于可旋转切削元件910-1的全部或最大直径D₁处的切削端912以及减小直径D₂处的保持端914。减小直径D₂处的保持端914由心轴916-1形成。如图所示，心轴916-1是钎焊和/或螺纹连接到形成切削端912(具有全直径D₁)的部件上的开口915中的单独部件。尽管该实施例示出了使用两个部件，但也在本公开范围内的是，切削端912和保持端914可以由单件一体地形成。然而，在使用附接到可旋转切削元件910-1的其余部分的单独心轴916-1部件的实施例中，使用两个部件可允许使用多种材料类型来优化对切削和保持的需求。与可旋转切削元件910-1的切削端912部件的背面相邻的是套筒920-1，其中插入心轴916-1的远端。在心轴916-1中形成有凹槽918，其与套筒920-1的内径中的相应凹槽922对准。保持元件930位于凹槽918、922内，由此将可旋转切削元件910的心轴916-1保持在套筒内。此外，因为套筒920-1也被钎焊或以其他方式固定或保持在切削刀凹座1010内，所以保持元件930也将可旋转切削元件910-1保持在切削刀凹座内。

根据一些实施例，D₁沿着可旋转切削元件910-1的轴向长度的至少40％(或至少50或60％等)延伸，这允许具有全部D₁的较长切削端912与减小直径的心轴部分916-1相比是在旋转过程中的承载表面。如所提到的，心轴916-1可以由与可旋转切削元件910-1的切削端相比更硬的不同材料形成，比如碳化钨或钢的等级。心轴916-1可以具有减小直径D₂，其范围为全直径D₁的25％至75％(其中实施例具有25、40、50％中的任何一个的下限和40、50、60、75％的上限)。根据心轴916-1的尺寸，套筒920-1可以具有与D₁相同的直径或者可以具有比D₁更小的直径。例如，在图24中，套筒920-3可以具有比D₁更小的直径。可以修改套筒920-2，如图22所示，在其近端处具有锥形内径表面924，在使用保持环(比如美国专利公开号2014/0054094中所述的类型，其通过引用整体并入)的实施例中，当心轴和保持环被引导到套筒920-2和形成在套筒中的凹槽922中时，该锥形内径表面可以允许更容易地安装/压缩保持环。

此外，尽管图21示出了心轴被钎焊或螺纹附接到形成在可旋转切削元件910-1的全直径D₁部分的后端中的开口中，但是如图23所示，心轴部分916-2可钎焊到可旋转切削元件的平坦后端917，而不使用后端中的开口。如图23所示，心轴部分916-2可以包括钎焊到切削端912的具有全长直径D₁的近端和可插入到套筒中的具有减小直径D₂的远端。在一些实施例中，心轴可以与可旋转切削元件的基底成一体(例如其中主轴与切削元件的其余部分同时形成，或者其中形成单件主体并且心轴被加工到可旋转切削元件的保持端中)。

这里描述的一个或多个实施例可以具有设置在基底上的超硬材料。这种超硬材料可以包括常规的多晶金刚石台(互连金刚石颗粒的台在其间具有间隙空间，其中金属组分(比如金属催化剂)可能存在于其中)、热稳定金刚石层(即750℃时具有比常规多晶金刚石更大的热稳定性)，例如其通过从互连金刚石颗粒之间的间隙空间或者从金刚石/碳化硅复合材料或其他超硬材料比如立方氮化硼基本上除去金属而形成。此外，在特定实施例中，滚动切削刀可以完全由超硬材料形成，但是该元件可以包括多个金刚石等级，例如用于形成梯度结构(在各等级之间具有平滑或不平滑的过渡)。在特定实施例中，可以使用具有更小颗粒尺寸和/或更高金刚石密度的第一金刚石等级来形成内部可旋转切削元件的上部(当安装在钻头或其他工具上时形成切削边缘)，而具有较大颗粒尺寸和/或较高金属含量的第二金刚石等级可用于形成切削元件的较低的非切削部分。此外，也可在本公开的范围内使用多于两种金刚石等级。

热稳定的金刚石可以以各种方式形成。典型的多晶金刚石层包括相互连接的单个金刚石“晶体”。各个金刚石晶体因此形成晶格结构。金属催化剂比如钴可用于促进金刚石颗粒的再结晶和形成晶格结构。因此，钴颗粒通常位于金刚石晶格结构中的间隙空间内。与金刚石相比，钴具有显著不同的热膨胀系数。因此，在加热金刚石台时，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，从而在晶格结构中形成裂纹并导致金刚石台的劣化。

为了避免这个问题，可以使用强酸来从多晶金刚石晶格结构(薄体积或整个片)中“浸出(leaching)”钴，以至少减少加热时以不同速率加热金刚石-钴复合物所经受的损害。例如，可以在美国专利4288248和4104344中找到“浸出”过程的例子。简而言之，可以使用强酸比如氢氟酸或若干种强酸的组合来处理金刚石台，从PDC复合材料中除去至少一部分助催化剂。合适的酸包括硝酸、氢氟酸、盐酸、硫酸、磷酸或高氯酸或者这些酸的组合。此外，氢氧化钠和氢氧化钾等腐蚀剂已被用于碳化物工业，以消化碳化物复合材料中的金属元素。另外，可根据需要使用其他酸性和碱性浸出剂。本领域普通技术人员将会认识到，浸出剂的摩尔浓度可根据期望浸出的时间、对危险的担忧等来调整。

通过浸出钴，可以形成热稳定的多晶(TSP)金刚石。在某些实施例中，只有金刚石复合材料的选定部分被浸出，以获得热稳定性而不损失耐冲击性。如本文所用，术语TSP包括上述两种(即部分和完全浸出的)化合物。浸出后留下的间隙体积可通过进一步固结或通过用第二种材料填充该体积来减少，比如在美国专利第5127923号中所述，其在此通过引用整体并入本文。

在一个或多个其他实施例中，TSP可以通过使用不同于钴的粘结剂(比如硅)在压机中形成金刚石层而形成，所述粘结剂的热膨胀系数与钴的热膨胀系数相比更接近于金刚石的热膨胀系数。在制造过程期间，大部分(80至100体积百分比)硅与金刚石晶格反应以形成也具有类似于金刚石的热膨胀的碳化硅。在加热时，与钴和金刚石的膨胀率相比，任何剩余的硅、碳化硅和金刚石晶格将以更加相似的速率膨胀，导致更热稳定的层。即使切削刀温度达到1200℃，具有TSP切削层的PDC切削刀的磨损率也相对较低。然而，热稳定的金刚石层可以通过其他方法形成，包括例如通过改变形成金刚石层的加工条件。

其上可选地设置切削面的基底可以由各种硬质或超硬颗粒形成。在一实施例中，基底可以由合适的材料形成，比如碳化钨、碳化钽或碳化钛。另外，基底中可以包括各种结合金属，比如钴、镍、铁、金属合金或其混合物。在基底中，金属碳化物颗粒被支撑在金属粘合剂(比如钴)内。另外，基底可以由烧结碳化钨复合结构形成。除了碳化钨和钴之外，还可以使用各种金属碳化物组合物和粘合剂。因此，提及使用碳化钨和钴是出于说明的目的，并非旨在限制所使用的基底或粘合剂的类型。在另一实施例中，基底也可以由金刚石超硬材料比如多晶金刚石或热稳定金刚石形成。虽然所示实施例示出了切削面和基底为两个不同的件，但本领域技术人员应该理解，在本公开的范围内，切削面和基底是完整的相同组分。在这样的实施例中，可能希望具有形成切削面和基底或不同层的单个金刚石复合物。具体地，在切削元件是可旋转切削元件的实施例中，整个切削元件可以由超硬材料形成，包括热稳定金刚石(例如通过从间隙区域移除金属或通过形成金刚石/硅碳化物复合物)。

保持元件可以由各种材料形成。在一实施例中，保持元件可以由合适的材料形成，比如碳化钨、碳化钽或碳化钛。另外，外部支撑元件中可以包括各种粘合金属，比如钴、镍、铁、金属合金或其混合物，使得金属碳化物颗粒被支撑在金属粘合剂内。同样在本公开的范围内的是，保持元件和/或基底还可以包括一种或多种润滑材料(比如金刚石)以降低其间的摩擦系数。这些部件可以由这些材料在它们的全部或部分部件中形成，可以包括沉积在部件上的这种润滑材料，比如通过化学镀、包括空心阴极等离子体增强CVD的化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积、真空沉积、电弧过程或高速喷雾。在特定实施例中，可以通过CVD或空心阴极等离子体增强CVD来沉积类金刚石涂层，比如US2010/0108403中公开的涂层类型，其被转让给本受让人并且通过引用整体并入本文。

在其他实施例中，保持元件可以由工具钢或其他合金钢、镍基合金或钴基合金形成。一个或多个部件可以涂覆有表面硬化材料以增强侵蚀保护。这种涂层可以通过本领域已知的各种技术来施加，例如引爆枪(d-gun)或喷射熔融技术。

本公开的切削元件可以结合在各种类型的切削工具中，包括例如固定切削刀钻头或扩孔工具比如扩孔器。具有本公开的切削元件的钻头可以包括单一滚动切削刀，其余切削元件是常规的固定切削元件，所有切削元件都是可旋转的，或者滚动切削刀和常规固定切削刀之间的任何组合。此外，本发明的切削元件可以设置在其中结合有其他磨损元件的切削工具刀片(例如刮刀钻头刀片或铰刀刀片)上。例如，本公开的切削元件可以设置在金刚石渗透的刀片上。另外，还可以使用任何尺寸的切削元件。例如在各种实施例中，切削元件可以以包括但不限于9mm、11mm、13mm、16mm和19mm的尺寸形成。

此外，包括例如侧倾角、后倾角、几何形状变化、表面变化/蚀刻、密封件、轴承、材料成分、金刚石或类似的低摩擦轴承表面等的如上所述的任何设计变型可以包括在不限于上面在本公开的切削元件中描述的那些的各种组合中。在一实施例中，切削刀可具有范围从0到±45度的侧倾角。在另一实施例中，切削刀可以具有范围从约5度到35度的后倾角。

在一个或多个实施例中，滚动切削刀可以设置在钻头或其他经历最大磨损的工具(比如钻头的鼻部或肩部)的位置中。现在参照图19，示出了钻头10的轮廓，因为它会出现所有切削元件的所有刀片和切削面(包括固定切削刀，比如图1中标记为150的那些，和滚动切削刀，比如图3中标记为300的那些)在绕旋转轴线60旋转18时旋转成单个旋转轮廓。在旋转轮廓图中，钻头的所有刀片的刀片顶部形成并限定组合或复合刀片轮廓39，其从钻头轴线60径向延伸到钻头10的外半径23。因此，如本文所用，短语“复合刀片轮廓”是指从钻头轴线延伸到钻头的外半径的轮廓，其由旋转成单个旋转轮廓(即在旋转的轮廓视图中)的钻头的所有刀片的刀片顶部形成。

复合刀片轮廓39(最清楚地显示在图19中的钻头10的右半部分中)通常可以分成三个区域，即常规标记的锥形区域24、肩部区域25和计量区域26。锥形区域24包括钻头10的径向最内区域以及大体上从钻头轴线60延伸到肩部区域25的复合刀片轮廓39。如图19所示，在大多数常规的固定切削刀钻头中，锥形区域24通常为凹形。相邻的锥形区域24是肩部(或上翘曲线)区域25。在大多数常规的固定切削刀钻头中，肩部区域25通常为凸形。径向向外移动时，相邻的肩部区域25是计量区域26，其在复合刀片轮廓39的外部径向外围处平行于钻头轴线60延伸。因此，钻头10的复合刀片轮廓39包括一个凹区域—锥形区域24和一个凸区域—肩部区域25。

凸肩部区域25和复合刀片轮廓39的轴向最低点限定了刀片轮廓鼻部27。在刀片轮廓鼻部27处，凸肩部区域25和复合刀片轮廓39的切线27a的斜率为零。因此，如本文所用，术语“刀片轮廓鼻部”是指在旋转轮廓图中沿着钻头的复合刀片轮廓的凸起区域的点，在该点复合刀片轮廓的切线的斜率为零。对于大多数常规的固定切削钻头(例如钻头10)，复合刀片轮廓仅包括一个凸肩部区域(例如凸肩部区域25)以及仅一个刀片轮廓鼻部(例如鼻部27)。在一个或多个实施例中，本公开的滚动切削刀可以位于切削轮廓的鼻部和/或肩部区域中，并且固定切削刀可以位于切削轮廓的锥形和/或计量区域中。在其他实施例中，滚动切削刀也可以设置在切削轮廓的锥形和/或计量区域中。例如，在一个或多个实施例中，滚动切削刀300位于刀片的至少一些鼻部和肩部区域中，而固定切削刀150位于刀片的锥形和计量区域中。同样在本公开的范围内的是，鼻部和肩部还可以包括作为主切削元件或备用切削元件的固定切削刀。

如贯穿本公开所述，切削元件可以用在任何井下切削工具上，包括例如固定切削钻头或开孔器。图20示出了包括本公开的一个或多个切削元件的开孔器830的总体构造。开孔器830包括工具主体832、围绕其圆周设置在选定方位位置处的多个刀片838以及刀片838上的多个切削元件840。开孔器830通常包括连接834、836(例如螺纹连接)，使得开孔器830可以联接到包括例如钻柱和/或井底组件(BHA)(未示出)的相邻钻井工具。工具主体832通常包括穿过其中的钻孔(沿着轴线837)，使得当钻井液从表面(例如从表面泥浆泵(未示出))泵送到井眼的底部(未示出)时钻井液可以流过开孔器830。工具主体832可以由钢或其他材料形成。例如，工具主体832也可以由渗透有粘合剂合金的基体材料形成。图20中所示的刀片838是螺旋刀片并且通常以围绕工具主体的周边的基本相等的角度间隔定位。这种布置不是对本公开的范围的限制，而是仅用于说明的目的。任何井下切削工具都可以使用。尽管图20没有详细说明滚动切削刀的位置，但它们在切削刀上的位置可以是根据上述的任何变化。

虽然以上已经详细描述了几个实施例，但本领域技术人员要理解的是，在实质上不背离本文公开的设备、系统和方法的情况下，示例实施例中可以进行许多修改。因此，这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。另外，应该理解的是，对本公开的“一个实施例”或“实施例”的引用不意图被解释为排除也包含所述特征的附加实施例的存在。例如，关于本文的实施例描述的任何元件可以与本文描述的任何其他实施例的任何元件组合。

在权利要求书中，装置加功能的条款旨在覆盖这里描述为执行所述功能的结构，而不仅仅是结构等同物，而且还包括等同结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等同物，因为钉子采用圆柱形表面将木质部件固定在一起，而螺钉采用螺旋形表面，但在紧固木质部件的环境中，钉子和螺钉可以是等同结构。申请人的明确意图是不针对本文任何权利要求的任何限制引用装置加功能，除了权利要求明确地将“用于...的装置”一词与相关功能一起使用的那些限制以外。落入权利要求书的含义和范围内的对实施例的每个添加、删除和修改均包含在权利要求书中。