本申请要求2016年3月31日提交并且发明名称为“multipleridgecuttingelementandtoolsincorporatingthesame”的美国专利申请no.62/316,453的利益和优先权，所述申请以引用方式整体并入本文中。
背景技术
存在若干种类型的井下切削工具，诸如钻头(包括滚子牙轮钻头、锤击钻头和刮刀钻头)、扩孔器和铣削工具。滚子牙轮岩石钻头包括适于耦接至可旋转钻柱的钻头主体并且包括可旋转地安装至悬臂式轴杆或轴颈的至少一个“牙轮”。每个滚子牙轮转而支撑多个切削元件，所述多个切削元件切削和/或挤压钻孔的壁或底部并且因此使钻头前进。切削元件(插入物或铣削齿)在钻井期间与地层接触。锤击钻头大体上包括具有冠部的一件式主体。所述冠部包括插入物，所述插入物被压入所述冠部中以被循环地“锤击”并且抵靠着正被钻井的地球地层来旋转。
刮刀钻头，通常被称作“固定切削刃钻头”，包括具有切削元件的钻头，所述切削元件附接至钻头主体，所述钻头主体可以是钢钻头主体或由基质材料(诸如由粘合剂材料环绕的碳化钨)形成的基质钻头主体。刮刀钻头大体上可以被定义为不具有活动部件的钻头。然而，存在本领域中已知的不同类型的刮刀钻头和不同的形成刮刀钻头的方法。举例来说，具有浸渍至形成钻头主体的材料的表面中的研磨材料(诸如金刚石)的刮刀钻头通常被称作“浸渍”钻头。具有由沉积到衬底上或以其它方式结合至衬底的超硬切削表面层或“台面”(大体上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被称作多晶金刚石复合片(“pdc”)钻头。
图1中示出了具有多个切削元件的刮刀钻头的实例，所述多个切削元件具有超硬工作表面。钻头100包括钻头主体110，所述钻头主体具有螺纹上销端111和切削端115。切削端115大体上包括绕着所述钻头的旋转轴(也被称作纵轴或中心轴)布置并且从钻头主体110向外径向地延伸的多个肋状物或刀片120。切削元件或切削刃150相对于工作表面以预定的角定向和径向位置并且相对于要被钻井的地层以所要后倾角和侧倾角来嵌入于刀片120中。
图2示出切削元件150的实例，其中切削元件150具有圆柱形的粘结碳化物衬底152，所述衬底具有在本文中被称作衬底界面表面154的端面或上表面。超硬材料层156(也被称作切削层)具有顶面157(也被称作工作表面)、绕着顶面形成的切削边缘158以及底面(本文中被称作超硬材料层界面表面159)。超硬材料层156可以是多晶金刚石或多晶立方氮化硼层。超硬材料层界面表面159结合至衬底界面表面154以在衬底152与超硬材料层156之间形成界面。
技术实现要素：
提供本发明内容以介绍在具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容不意欲识别要求权利保护的主题的关键或必需特征，也不意欲用作限制要求权利保护的主题的范围的辅助。
在一个方面中，本文中公开的实施方案涉及一种切削元件，所述切削元件包括：衬底；以及所述衬底上的超硬层，所述超硬层包括非平面工作表面，所述工作表面由绕着所述切削元件的圆周具有变化高度的外周边缘环绕，所述工作表面还具有：多个切削顶凸，所述多个切削顶凸从所述外周边缘的升高部分延伸跨越所述工作表面的至少一部分；所述多个切削顶凸之间的至少一个谷；以及倾斜表面，所述倾斜表面从所述外部多个切削顶凸中的每一者朝向所述外周边缘的凹下部分侧向地延伸，所述凹下部分与所述升高部分之间的高度大于所述升高部分与所述谷之间的高度。
在另一个方面中，本文中公开的实施方案涉及一种切削元件，所述切削元件包括：衬底；以及所述衬底上的超硬层，所述超硬层包括非平面工作表面，所述工作表面由绕着所述切削元件的圆周具有变化高度的外周边缘环绕，所述工作表面还具有：至少一个切削顶凸，所述至少一个切削顶凸从所述外周边缘的升高部分延伸跨越所述工作表面而至所述外周边缘的另一个升高部分，其中所述至少一个切削顶凸所跨过的宽度是所述衬底的宽度的10％至70％。
在另一个方面中，本文中公开的实施方案涉及一种切削元件，所述切削元件包括：衬底；以及所述衬底上的超硬层，所述超硬层包括非平面工作表面，所述工作表面由绕着所述切削元件的圆周具有变化高度的外周边缘环绕，所述工作表面还具有：多个切削顶凸，所述多个切削顶凸从所述外周边缘的升高部分延伸跨越所述工作表面而至所述外周边缘的另一个升高部分；以及所述多个切削顶凸之间的至少一个谷，其中延伸通过所述多个切削顶凸中的每一者的顶凸线是在彼此不同的平面上。
在另一个方面中，本文中公开的实施方案涉及一种切削元件，所述切削元件包括：衬底；以及所述衬底上的超硬层，所述超硬层包括非平面工作表面，所述工作表面由绕着所述切削元件的圆周具有变化高度的外周边缘环绕，所述工作表面还具有：多个切削顶凸，每个切削顶凸具有延伸通过其长度的顶凸线；在所述多个切削顶凸之间的至少一个谷，每个谷具有延伸通过其长度的谷线或曲线，所述谷线或曲线相对于所述顶凸线成角度。
在另一个方面中，本文中公开的实施方案涉及切削工具，所述切削工具具有工具主体以及包括在所述工具主体上的本文中描述的切削元件中的任一者。
从以下描述和附图中，要求权利保护的主题的其它方面和特征将是显而易见的。
附图说明
图1是根据本公开的一些实施方案的固定切削刃钻头的透视图。
图2是根据本公开的一些实施方案的pdc切削刃的前部透视图。
图3至图5是根据本公开的一些实施方案的切削元件的各种视图。
图6和图7是根据本公开的另一个实施方案的切削元件的各种视图。
图8是根据本公开的其它实施方案的切削元件的顶部透视图。
图9至图11是根据本公开的额外实施方案的切削元件的各种视图。
图12至图15是根据本公开的一些实施方案的切削元件的各种视图。
图16是根据本公开的另一个实施方案的切削元件的顶部透视图。
图17是根据本公开的其它实施方案的切削元件的侧视图。
图18是根据本公开的额外实施方案的切削元件的俯视图。
图19是根据本公开的一些实施方案的切削元件的俯视图。
图20和图21是根据本公开的其它实施方案的切削元件的各种视图。
图22示意性地示出了各种破裂模式。
图23是根据本公开的一些实施方案的扩眼器的透视图。
具体实施方式
在一个方面中，本文中公开的实施方案涉及具有非平面工作表面的切削元件。具体地说，一些实施方案涉及具有非平面工作表面的切削元件，所述工作表面包括其上的多个切削顶凸或脊。一些实施方案涉及具有非平面工作表面的切削元件，所述工作表面具有在切削期间分散所施加载荷的至少一个切削顶凸或脊。在一些实施方案中，所述切削元件与井下钻头、扩孔器、铣刀、扩眼器或其它井下切削工具一起使用。
本公开的切削元件可以包括可旋转切削元件，即，可绕着其纵轴并且相对于所述切削元件固定到的井下工具旋转的切削元件。在其它实施方案中，所述切削元件可以包括不可旋转而是可旋转地固定到切削元件上的某位置中的固定切削元件。
参看图3至图5，提供了根据本公开的一些实施方案的非平面切削元件的若干视图。图3至图5示出具有超硬层302和衬底304(在图4和图5中未分开示出)的切削元件300。超硬层302的上表面或顶面形成切削元件的非平面工作表面306。超硬层302具有环绕工作表面306(以及限定工作表面的边界)的外周边缘308。工作表面306具有多个切削顶凸310，所述多个切削顶凸由其间的谷312隔开。如本文中使用，顶凸是指非平面切削元件的包括切削元件的峰、升高高度和/或凸起部分的部分，所述部分以大体上延长的方式(诸如但不限于)从切削元件的一侧延伸到另一侧。在一个或多个其它实施方案中，多个切削顶凸310可以延伸少于衬底304的直径或甚至大于衬底304的直径。
如所示，中心线314在多个顶凸310之间延伸，并且在一些实施方案中，谷312可以(但不一定)与中心线重合或重叠。中心线314延伸切削元件的直径并且如本文中提到是基于与所述多个切削顶凸的对准来进行选择(如与沿着切削元件的直径从切削元件的圆周上的其它点延伸的任何其它线进行比较)，在所示实施方案中，所述中心线与所述多个切削顶凸平行并且是所述多个切削顶凸的对称线。应了解，其它实施方案可以涉及(例如)非直线和/或不对称顶凸，在这种情况中，中心线可以被选择为在顶凸之间的任何位置处。
在切削顶凸310的延伸远离中心线314的侧上有倾斜表面316(远离切削顶凸310的高度向下延伸)，所述倾斜表面在钻井或切削期间可以实现切削的转向。顶凸310、谷312和倾斜表面316的存在导致波状的外周边缘308。外周边缘308的在切削元件300的任一侧上在顶凸310近端的部分形成切削边缘部分318。倾斜表面316可以相对于垂直于切削元件的中心轴的平面倾斜5°至60°的角度。在其它实施方案中，所述角度可以是在具有下限、上限或上限与下限的范围内，包括30°、40°、50°、60°中的任一者，或其间的值。如图3中所示，可以在多个切削顶凸310之间测量宽度w。所述多个切削元件跨过的宽度w相对于衬底304的直径(或对于非圆柱形衬底304，相对于衬底304的宽度)可以是10％至70％，或者是至少20°、30°或40°并且直至40°、50°或60°。宽度w可以被描述为切削边缘部分318的宽度，假设顶凸310的末端(具体来说，在外周边缘308和切削边缘部分318处)被设计成与地层介接。
在一个或多个实施方案中，倾斜表面316的最低点与相邻顶凸310a的最高点之间的高度差h1大于同一个顶凸310a的最高点与朝向中心线314延伸远离该顶凸310a的谷312之间的高度差h2。在一个或多个实施方案中，顶凸310与相邻的倾斜表面316之间的高度差h1可以是0.060英寸至0.180英寸(1.52mm至4.57mm)。下限、上限或下限与上限可以包括0.060英寸、0.080英寸、0.10英寸、0.12英寸、0.15英寸、0.16英寸、0.17英寸、0.18英寸(1.52mm、2.03mm、2.54mm、3.05mm、3.81mm、4.06mm、4.32mm或4.57mm)中的任一者，或其间的任何值。在一些实施方案中，顶凸310与相邻谷312之间的高度差h2可以是h1的5％至100％。在一个或多个实施方案中，下限、上限或下限与上限可以包括5％、10％、20％、30％、50％、60％、70％、75％、80％、90％、100％中的任一者，或其间的任何值。
在所示实施方案中，顶凸310沿着其整个长度各自具有基本上相同的高度并且处于基本上相同的高度处(导致直线地延伸的顶凸)。在一个或多个实施方案中，顶凸310的高度沿着其长度可以变化，但是可以具有基本上相同的峰高度(诸如在(例如)下文的图12至图15中所示的实施方案中示出)。另外，还设想到多个顶凸310可以具有不同的峰高度(无论每个顶凸310的高度是否沿着其长度变化)，诸如相对于切削元件300的直径具有直至10％的差异。
取决于切削元件的大小，切削顶凸310的高度h3(从界面到切削顶凸的峰的高度)可以是(例如)0.1英寸(2.54mm)至0.3英寸(7.62mm)。另外，除非另外指明，否则超硬层(或切削顶凸)的高度是相对于超硬层和衬底的界面的最低点来说。如所示，切削顶凸310具有凸起的截面形状(沿着垂直于切削顶凸长度的平面截取，如从图3中明显看出)，其中顶凸的最高点具有在切向上过渡到倾斜表面316和谷312的曲率半径。根据本公开的实施方案，切削元件工作表面可以具有曲率半径是0.02英寸(0.51mm)至0.300英寸(7.62mm)或在另一个实施方案中是0.06英寸(1.52mm)至0.18英寸(4.57mm)的切削顶凸310。另外，在一些实施方案中，沿着侧向地延伸到倾斜表面316和谷312中的每个切削顶凸310的截面，切削元件310可以具有在侧壁之间形成的角度311，所述角度是110°至160°。另外，取决于上表面几何形状的类型，还希望也可以使用其它顶凸角度，包括低至60°。另外，虽然一些实施方案可以具有均一的角度311、切削顶凸310的曲率半径或沿着切削顶凸310的长度和/或在多个切削顶凸之间的高度h3，但是并未如此限制本公开。
现在参看图6和图7，示出切削元件600的另一个实施方案。切削元件600可以包括超硬层602和衬底604(图7中未分开示出)。超硬层602的上表面或顶面形成切削元件的非平面工作表面606。超硬层602具有环绕工作表面606(以及限定工作表面的边界)的外周边缘608。工作表面606具有多个切削顶凸610，所述多个切削顶凸由其间的谷612隔开。具体地说，在所示的实施方案中，切削元件600包括三个切削顶凸610(具体地说，是610a、610c和610e)以及两个谷612(在顶凸610a与610c之间延伸的612b以及在顶凸610c与610e之间延伸的612d)，其中每一者以大体上延长的方式从切削元件的一侧延伸到另一侧。在此实施方案中，中心线614与切削顶凸610c重合。
在切削顶凸610a、610e(如与内切削顶凸616c相比，是外切削顶凸)的延伸远离中心线614的侧上有倾斜表面616(远离切削顶凸610的高度向下倾斜)，所述倾斜表面在钻井或切削期间可以实现切削转向。顶凸610、谷612和倾斜表面616的存在导致波状的外周边缘608。外周边缘608的在切削元件600的任一侧上在顶凸610近端的部分形成切削边缘部分618。如就图3至图5所描述，倾斜表面616可以相对于垂直于切削元件的中心轴的平面倾斜5°至60°的角度。在其它实施方案中，所述角度可以是在具有下限、上限或上限与下限的范围内，包括30°、40°、50°、60°中的任一者，或其间的值。如图6中所示，可以按多个切削顶凸610的峰之间的距离来测量宽度w。多个切削元件所跨过的宽度w相对于衬底604的直径可以是所述直径的10％至70％，或者是至少20°、30°或40°，直至40°、50°或60°。
另外，与本文中讨论的其它实施方案类似，倾斜表面616的最低点与相邻顶凸610a的最高点之间的高度差h1大于同一个顶凸610a的最高点与朝向中心线614延伸远离该顶凸610a的谷612之间的高度差h2。在一个或多个实施方案中，顶凸610与相邻的倾斜表面616之间的高度差h1可以是0.060英寸至0.180英寸(1.52mm至4.57mm)。下限、上限或下限与上限可以是0.060英寸、0.080英寸、0.10英寸、0.12英寸、0.15英寸、0.16英寸、0.17英寸、0.18英寸(1.52mm、2.03mm、2.54mm、3.05mm、3.81mm、4.06mm、4.32mm或4.57mm)中的任一者，或其间的任何值。在一个或多个实施方案中，顶凸610a与谷612b之间的高度差h2可以是h1的5％至100％。在一个或多个实施方案中，下限、上限或下限与上限可以是5％、10％、20％、30％、50％、60％、70％、75％、80％、90％、100％中的任一者，或其间的任何值。
在所示实施方案中，顶凸610沿着其整个长度各自具有基本上相同的高度并且处于基本上相同的高度处(导致直线地延伸的顶凸)。在一些实施方案中，顶凸610的高度沿着其长度可以变化，但是可以具有彼此基本上相同的峰高度。另外，还设想到多个顶凸610可以具有不同的峰高度(无论每个顶凸610的高度是否沿着其长度变化)。
虽然本文中描述的其它实施方案可以包括在其上峰处具有弯曲的切削顶凸，但是并未如此限制本公开。如图8中所示，切削元件800具有在衬底804上的超硬层802。超硬层802的上表面或顶面形成切削元件的非平面工作表面806。超硬层802具有环绕工作表面806(以及限定工作表面的边界)的外周边缘808。工作表面806具有切削顶凸810，所述切削顶凸以大体上延长的方式从切削元件的一侧延伸到另一侧。在这个实施方案中，切削顶凸810可以在其宽度的至少一部分内具有平顶或基本上平面的面。因此，在此类实施方案中，切削顶凸810可以具有基本上无穷大的曲率半径。在此类实施方案中，平顶可以具有过渡到侧壁中的基于半径的过渡区，所述侧壁延伸以形成倾斜表面816。在一个或多个实施方案中，平面切削顶凸810的平顶可以基本上垂直于切削元件800的中心轴(未图示)；然而，在其它实施方案中，所述平顶可以相对于中心轴(未图示)成非垂直角度。
中心线814延伸通过顶凸810。在切削顶凸810的延伸远离中心线814的侧面上有倾斜表面816。顶凸810和倾斜表面816的存在导致波状的外周边缘808。外周边缘808的在切削元件800的任一侧上在顶凸810近端的部分形成切削边缘部分818。倾斜表面816可以相对于垂直于切削元件的中心轴812的平面倾斜5°至60°的角度。在其它实施方案中，所述角度可以是在具有下限、上限或上限与下限的范围内，包括30°、40°、50°、60°中的任一者，或其间的值。如图8中所示，切削顶凸810所跨过的宽度w相对于衬底804的直径可以是所述直径的10％至70％，或者是至少20°、30°或40°，直至40°、50°或60°。另外，虽然未具体地示出，但是切削顶凸810与倾斜表面816上的最低点之间的高度差h1可以是0.060英寸至0.180英寸(1.52mm至4.57mm)。
现在参看图9至图11，示出切削元件900的另一个实施方案。切削元件900包括在衬底904上的超硬层902。超硬层902的上表面或顶面形成切削元件的非平面工作表面906。超硬层902具有环绕工作表面906(以及限定工作表面的边界)的外周边缘908。工作表面906具有多个切削顶凸910，所述切削顶凸以大体上延长的方式从切削元件的一侧延伸到另一侧，并且所述切削顶凸由谷912隔开。如所示，中心线914在顶凸910之间延伸并且与谷912重合。在切削顶凸910的延伸远离中心线914的侧上有平面平台916(所述平台基本上垂直于切削元件900的中心轴)，所述平台在钻井或切削期间可以实现切削转向。
如图9中所示，可以在多个切削顶凸310的峰之间测量宽度w。多个切削元件所跨过的宽度w相对于衬底304的直径可以是所述直径的10％至70％，或者是至少20°、30°或40°，直至40°、50°或60°。在一个或多个实施方案中，顶凸910与相邻的倾斜表面916之间的高度差h1可以是0.060英寸至0.180英寸(1.52mm至4.57mm)。下限、上限或下限与上限可以是0.060英寸、0.080英寸、0.10英寸0.12英寸、0.15英寸、0.16英寸、0.17英寸或0.18英寸(1.52mm、2.03mm、2.54mm、3.05mm、3.81mm、4.06mm、4.32mm或4.57mm)中的任一者，或其间的值。在一个或多个实施方案中，平面平台916与相邻顶凸910a的最高点之间的高度差h1大于同一个顶凸910a的最高点与朝向中心线914延伸远离顶凸910a的谷912之间的高度差h2。在一个或多个实施方案中，顶凸910与相邻的谷912之间的高度差h2可以是h1的5％至100％。在一个或多个实施方案中，下限、上限或下限与上限可以是5％、10％、20％、30％、50％、60％、70％、75％、80％、90％、100％中的任一者，或其间的任何值。
现在参看图12至图15，示出切削元件1200的另一个实施方案。切削元件1200包括在衬底1204上的超硬层1202。超硬层1202的上表面或顶面形成切削元件1200的非平面工作表面1206。超硬层1202具有环绕工作表面1206(以及限定工作表面的边界)的外周边缘1208。工作表面1206具有多个切削顶凸1210，所述切削顶凸以大体上延长的方式从切削元件的一侧延伸到另一侧，并且所述切削顶凸由谷1212隔开。如本文中所讨论，顶凸1210可以具有相对于切削元件(或衬底)直径的高度差以及所跨过宽度。与本文中描述的一些其它实施方案不同，多个切削元件1210沿着其长度具有变化的高度。结果，沿着切削顶凸1210中的每一者的长度延伸的线1220(“顶凸线”)处于彼此不同的平面上。当顶凸线1220投影到切削元件的中心轴1222所处的平面中(示出于图13中)时，线1220之间的角度α是大于0°至20°。其它实施方案可以包括在具有下限、上限或上限与下限的范围内的角度α，包括1°、2°、5°、8°、10°、12°、15°、18°、20°中的任一者，或其间的任何值。当顶凸线1220投影到垂直于切削元件1200的中心线1222的平面中(示出于图14中)时，顶凸线可以彼此基本上平行。在一个或多个实施方案中，顶凸线(在投影到垂直于中心轴1222的平面上时)，所述顶凸线不是平行的。
如所示，中心线1214在顶凸1210之间延伸，但与本文中描述的一些其它实施方案不同，中心线1214可能不与谷1212重合(或从中穿过)。而是，谷1212相对于中心线1214以及顶凸1210成角度。具体地说，当所有延伸通过谷1212的长度的线1224(“谷线”)投影到垂直于中心轴1222的平面上时，所述线可以相对于顶凸线1220成角度。在一些实施方案中，在谷线1224与顶凸线1220中的每一者之间形成5°至20°的投影角β。一些实施方案可以包括在具有下限、上限或上限与下限的范围内的投影角β，包括5°、6°、7°、10°、12°、15°、18°、20°中的任一者，或其间的任何值。在一些实施方案中，在顶凸线1220彼此平行时，谷线1224可以与顶凸线1220中的每一者形成相同的角度；然而，当顶凸线是彼此平行的线时，所述角度可以改变。
如图14中所示，谷1212相对于顶凸1210的角度可能会导致每个顶凸1210的不对称宽度(对于给定的切削边缘部分)。然而，此类不对称的顶凸1210也可以与本文中描述的其它实施方案中的任一者结合使用。在一些实施方案中，可以使用不对称的顶凸1210，使得较宽的顶凸1210在与地层接合时经历最高深度的切削。类似地，如(例如)图16中所示，对于其它类型的不对称顶凸，诸如具有均匀宽度但距中心线具有变化距离的顶凸，或者还有对于对称顶凸，也可能会发生顶凸1210与预期的最高深度的切削的此类对准。具体地说，图16示出切削顶凸1610与预期深度的切削1630的峰的对准。
在本文中描述的其它实施方案中的至少一些实施方案中，每个切削顶凸的截面还可以被描述为具有圆形顶点的圆锥的截面，即，在切向上过渡到圆形顶点的两个成角度的侧壁(具有本文中描述的曲率半径范围)。在相同的实施方案或其它实施方案中，可以使用具有弯曲(例如，凹入、凸起或其组合)的侧壁。具体地说，如图17中所示，切削元件1700的非平面工作表面1706可以包括多个切削顶凸1710，所述切削顶凸之间有谷1712。倾斜表面1716从切削顶凸1710侧向地延伸远离中心线(未图示，但在所示实施方案中与谷1712重合)。如所示，倾斜表面1716a可以是凹入的，并且倾斜表面1716b可以是凸起的，并且每个倾斜表面可以用来替代平面的倾斜表面1716。其它实施方案可以使用凹入表面、凸起表面或平面表面的各种组合。
先前讨论的实施方案中的至少一些可以包括从切削元件的一侧延伸到另一侧的切削顶凸，其长度可以稍小于切削元件的直径。如本文中所讨论，并未如此限制本公开。举例来说，参看图18和图19，示出切削元件的额外实施方案。图18示出具有非平面工作表面1806的切削元件1800，所述工作表面由外周边缘1808环绕(并且所述工作表面的边界由所述外周边缘限定)。工作表面1806由多个切削顶凸1810和所述多个切削顶凸1810之间的谷1812形成，并且波状外周边缘1808的在顶凸1810近端的部分形成切削边缘部分1818。在此实施方案中，有三“组”1811切削顶凸1810，形成三个切削边缘部分1818。在本文中描述的一些其它实施方案中，可能有两个切削边缘部分，然而，因为切削顶凸延伸跨越切削元件的整个工作表面，所以并不存在不同的切削顶凸组；而是，每个顶凸具有两个切削边缘部分。在图18中所示的实施方案中，每“组”1811切削顶凸朝向工作表面1806的中心区或内部区延伸(并未延伸至切削元件的另一侧)并且任选地与其它“组”相交。因此，每个顶凸1810形成单个切削边缘部分。每“组”1811切削顶凸1810包括多个(如所示，两个)切削顶凸1810。现在参看图19，示出切削元件1900的另一个实施方案。在此实施方案中，切削元件1900具有非平面工作表面1906，所述工作表面由波状外周边缘1908环绕(并且所述工作表面的边界由所述外周边缘限定)。工作表面1906由多个切削顶凸1910和所述多个切削顶凸1910之间的谷1912形成，并且外周边缘1908的在顶凸1910近端的部分形成切削边缘部分1918。在此实施方案中，有四“组”1911切削顶凸1910，形成四个切削边缘部分1918。
现在参看图20和图21，示出切削元件的另一个实施方案。图20和图21示出具有超硬层2002和衬底2004(在图21和图22中未分开示出)的切削元件2000。超硬层2002的上表面或顶面形成切削元件2000的非平面工作表面2006。超硬层2002具有环绕工作表面2006(以及限定工作表面的边界)的外周边缘2008。工作表面2006具有多个切削顶凸2010，所述多个切削顶凸由其间的谷2012隔开。在所示的实施方案中，多个切削顶凸2010在外周边缘2008处(在切削元件2000的每个侧上)形成两个不同的顶凸，但是在切削元件2000的内部区和工作表面2006处，切削顶凸2010被桥接在一起2013。因此，实际上有两个谷2012，在切削顶凸2010之间的切削元件2000的相对侧上各一个。谷2012如图所示是从外周边缘2008向上(即，远离衬底2004)倾斜，相对于衬底2004的高度随着距切削元件2000的中心轴的距离减小而增加，使得工作表面2006从谷2012过渡到连接梁2013。然而，在一个或多个实施方案中，谷2012可以是沿着其长度弯曲而过渡到连接梁2013中。另外，虽然未图示，但是还设想到，在工作表面上可以使用倾斜或弯曲的谷(相对于顶凸)，其中在切削顶凸之间不存在连接梁。因此，延伸通过谷的长度的线在被转移到顶凸线(延伸通过切削顶凸的每个末端)所处的平面(平行于切削元件的中心轴并且中心线2014处于其上)时可以相对于顶凸线成角度(并且任选地，相交)。人们相信这些类型的谷2012可以有助于将切削刃从工作表面2006移除。
在切削顶凸2010a的延伸远离中心线2014的侧上有倾斜表面2016(远离切削顶凸2010的高度向下倾斜)，所述倾斜表面在钻井或切削期间可以实现切削转向。顶凸2010、谷2012和倾斜表面2016的存在导致波状的外周边缘2008。外周边缘2008的在切削元件2000的任一侧上在顶凸2010近端的部分形成切削边缘部分2018。如就图3至图5所描述，倾斜表面2016可以相对于垂直于切削元件的中心轴的平面倾斜5°至60°的角度。可以在多个切削顶凸2010的峰之间测量宽度w。多个切削元件所跨过的宽度w相对于衬底2004的直径可以是所述直径的10％至70％，或者是至少20°、30°或40°，并且直至40°、50°或60°。
另外，与本文中描述的其它实施方案类似，倾斜表面2016的最低点与相邻顶凸2010a的最高点之间的高度差h1大于同一个顶凸2010a的最高点与朝向中心线2014延伸远离顶凸2010a的谷2012之间的高度差h2。在一个或多个实施方案中，顶凸2010与相邻的倾斜表面2016之间的高度差h1可以是0.060英寸至0.180英寸(1.52mm至4.57mm)。下限、上限或下限与上限可以是0.060英寸、0.080英寸、0.10英寸0.12英寸、0.15英寸、0.16英寸、0.17英寸或0.18英寸(1.52mm、2.03mm、2.54mm、3.05mm、3.81mm、4.06mm、4.32mm或4.57mm)中的任一者，或其间的任何值。在一些实施方案中，顶凸2010a与谷2012之间的高度差h2可以是h1的5％至100％。在一个或多个实施方案中，下限、上限或下限与上限可以是5％、10％、20％、30％、50％、60％、70％、75％、80％、90％、100％中的任一者，或其间的任何值。
在一个或多个实施方案中，本公开的实施方案可以有利地允许通过多种破裂模式使岩石破裂，并且在一些实施方案中，可以有利地允许通过所有三种类型的破裂模式来进行破裂。图22中所示的这些破裂模式包括破裂模式i2201(由于垂直于裂缝的平面的张应力所致的打开模式)；破裂模式ii2203(由于平行于裂缝的平面并且垂直于裂缝前缘起作用的剪应力所致的滑动模式)；以及破裂模式iii2205(由于平行于裂缝的平面并且平行于裂缝前缘起作用的剪应力所致的撕裂模式)。虽然常规pdc切削刃通过破裂模式ii使岩石破裂，但是将切削顶凸合并到切削元件中可以允许通过破裂模式i进行破裂，并且有角度的切削顶凸和/或顶凸之间的有角度的谷的合并可以允许通过破裂模式iii进行破裂。
根据本公开的实施方案的衬底可以由粘结碳化物形成，诸如与铁、镍、钴或其合金粘结的碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化钽、碳化钒或其组合。举例来说，衬底可以由钴结碳化钨形成。根据本公开的实施方案的超硬层可以由(例如)以下各者形成：多晶金刚石，诸如由在足够高的压力和足够高的温度下通过金属催化剂(诸如钴或其它viii族金属)结合在一起(在hpht条件下烧结)的金刚石晶体；热稳定多晶金刚石(至少一些或基本上全部的催化剂材料被移除的多晶金刚石)；或立方氮化硼。另外，也属于本公开的范围中的情况是超硬层可以由一个或多个层形成，所述一个或多个层可以具有其中的金刚石含量的梯度或阶跃过渡。在此类实施方案中，希望一个或多个过渡层(以及其它层)在其中可以包括金属碳化物颗粒。另外，当使用此类过渡层时，组合的过渡层与外层可以被统称为超硬层，与该术语在本申请中使用一样。也就是说，超硬层(或包含超硬材料的多个层)可以形成于其上的界面表面是粘结碳化物衬底的界面表面。另外，虽然在本文中可能未描述某些界面，但是希望可以使用任何类型的界面，包括平面和非平面界面。
本文中描述的切削元件可以在钻头(诸如图1中所示的类型)上使用。本公开的实施方案的切削元件可以在沿着钻头的切削剖面的任何位置(即，在距钻头轴任何径向距离处)使用，并且一个、一些或全部的切削元件可以是同一种类型，可以是本文中描述的不同类型，或可以包括其它切削元件类型。因此，本公开的切削元件可以与其它类型的平面或非平面工作表面(包括具有单个顶凸的切削元件或尖锐切削元件)以及与具有平面工作表面的常规切削刃结合使用。如本文中讨论，可以部分基于钻头上的给定切削元件位置所预期的切削/磨损分布来选择切削顶凸与中心线相距的距离。也就是说，设想到，可以基于切削/磨损分布来选择切削元件的放置，并且可以基于切削元件位置将本公开的切削元件的不同实施方案一起使用。另外，希望本公开的切削元件可以用作主要和/或备用的切削元件。另外，本公开的切削元件可以是以常规的侧倾角和5°至85°的后倾角来使用。此类倾角可以作为垂直于切削元件的中心线的平面与垂直于被切削的地层的线之间的角度。
另外，还希望切削元件可以用在其它类型的井下工具上，包括(例如)扩孔器、扩眼器、铣刀或类似者。图23示出包括本公开的一个或多个切削元件的扩眼器830。扩眼器830包括工具主体832以及绕其圆周处于所选方位角位置的多个刀片838。扩眼器830大体上包括连接834、836(例如，螺纹连接)，使得扩眼器830可以耦接至相邻的钻井工具，所述钻井工具包括(例如)钻柱和/或底部钻具组合(bha)(未图示)。工具主体832大体上包括从中穿过的孔，使得钻井液在从地面(例如，从地面泥浆泵(未图示))泵抽到井筒(未图示)底部时可以流经扩眼器830。
应理解，虽然在本文中相对于所绘示的实施方案来描述了元件或特征，但是每个元件或特征可以与其它实施方案的其它元件组合。此外，虽然已主要参考井下工具来描述切削元件和切削工具的实施方案，但是本文中描述的装置可以用在除了钻井或井下环境之外的应用中。在其它实施方案中，根据本公开的切削元件可以在井筒或用于勘测或开采自然资源的其它井下环境外部使用。举例来说，本公开的工具和组件可以在用于放置公用事业管线的井筒中或其它产业(例如，水产、制造、汽车等)中使用。因此，本公开的切削元件、装置、工具、系统、组件或方法不限于任何特定的产业、领域或环境。
术语“一”、“一个”和“所述”意欲表示存在前文描述中的元件中的一者或多者。术语“包括”、“包含”和“具有”意欲是包括性的并且表示可以存在除了所列元件之外的额外元件。如本公开的实施方案所涵盖的领域的普通技术人员将了解，本文中所述的数目、百分数、比率或其它值意欲包括该值以及还包括是“约”或“大约”所述值的其它值。因此，所述值将在广义上被解释为足以涵盖至少足够接近于所述值以执行所要功能或实现所有结果的值。所述值至少包括在合适的制造或生产过程中将预料到的变化，并且可以包括与所述值偏差5％以内、偏差1％以内、偏差0.1％以内或偏差0.01％以内的值。在值范围包括各种下限和/或上限的情况下，任何两个值可以限定所述范围的边界(例如，10％至50％，或任何单个值可以限定上限(例如，直至50％)或下限(至少50％))。
鉴于本公开，本领域的普通技术人员将认识到等效构造不偏离本公开的精神和范围，并且在不偏离本公开的精神和范围的情况下，可以对本文中公开的实施方案进行各种改变、替代和更改。因此，在不偏离本公开的精神或特性的情况下，本公开可以体现为其它特定形式。所描述的实施方案将被视为说明性而非限制性的，并且本公开的范围由所附权利要求而非由前文描述指示。
落在权利要求的含义和等效范围内的改变将包含在其范围内。等效构造(包括功能性“装置加功能”语句)意欲涵盖本文中被描述为执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等效物与提供相同功能的等效结构。申请人的表达意图是，除了其中词语“用于……的装置”与相关联功能一起出现的那些权利要求之外，不为任何权利要求援引装置加功能或其它功能性权利要求。属于权利要求的含义和范围内的对实施方案的每一增添、删除和修改将被权利要求所涵盖。