專利名稱：：鉆地工具的切削元件、包括這種切削元件的鉆地工具以及相關的方法
技術領域：
：本發明的實施方式涉及鉆地工具、這些工具的切削元件以及相關的方法。
背景技術：
：在地下地層中形成井眼用于各種目的，包括例如從地下地層獲取石油和氣體以及從地下地層獲取地熱。可以使用鉆頭(例如鉆地旋轉鉆頭)在地下地層中形成井眼。不同類型的鉆地旋轉鉆頭在本領域中是公知的，包括例如固定刀具鉆頭(其在本領域中通常稱做“刮刀”鉆頭)、滾動刀具鉆頭(其在本領域中通常稱做“牙輪”鉆頭)、孕鑲金剛石鉆頭和混合式鉆頭(其可以包括例如固定刀具和滾動刀具)。使鉆頭轉動并向地下地層中推進。當鉆頭轉動時，其刀具或者研磨結構切削、壓碎、剪切和/或磨損掉地層材料以形成井眼。由鉆頭鉆出的井眼的直徑可以由設置在鉆頭最大外徑上的切削結構限定。鉆頭直接或間接連接到本領域中稱做“鉆柱”的部件的端部上，所述鉆柱包括端對端連接的一組細長管狀段，其從地層表面延伸到井眼中。通常可以將包括鉆頭在內的各種工具和元件一起連接到在被鉆探的井眼的底部處的鉆柱的遠端。工具和元件的這種組件在本領域中稱做“底部鉆具組合”(BHA)。通過從地層表面轉動鉆柱而可以使鉆頭在井眼內轉動，或者通過將鉆頭連接到井下電動機而可以使鉆頭轉動，所述井下電動機還連接到鉆柱并且靠近井眼底部布置。井下電動機可以包括例如液壓Moineau型電動機，其具有軸，鉆頭安裝到所述軸上，通過泵送流體(例如鉆井泥漿或流體)可以使軸轉動，所述流體從地層表面向下穿過鉆柱中心、穿過液壓電動機，從鉆頭中的噴嘴出來，穿過鉆柱外表面與井眼內的地層的暴露表面之間的環形空間向上返回到地層表面。
發明內容在一些實施方式中，一種鉆地工具的切削元件可以包括定位在基底上的金剛石臺面(diamondtable)，該金剛石臺面在其切削面上具有凹入部。此外,所述切削元件可以包括在金剛石臺面和基底之間的界面處的、位于基底中的、與金剛石臺面的切削面中的凹入部對應的成型部件。在另外的實施方式中，一種鉆地工具的切削元件可以包括定位在基底上的金剛石臺面、在金剛石臺面的切削面中的凹入部和定位在凹入部內的犧牲結構。在另外的實施方式中，一種形成切削元件的方法可以包括將犧牲結構定位在模具中以及將粉末狀前體材料定位在所述犧牲結構上方。該方法還包括按壓并燒結所述粉末狀前體材料以形成具有由所述犧牲結構形成的切削面中的凹入部的金剛石臺面。在另外的實施方式中，一種鉆地工具可以包括至少一個切削元件，所述切削元件包括定位在基底上的金剛石臺面、在金剛石臺面的切削面中的凹入部、以及在金剛石臺面和基底之間的界面處的、位于基底中的、與金剛石臺面的切削面中的凹入部對應的成型部件。在另外的實施方式中，一種鉆地工具可以包括至少一個切削元件以及切削深度限制部件。所述至少一個切削元件可以包括定位在基底上的金剛石臺面和在金剛石臺面的切削面中的凹入部。所述切削深度限制部件可以定位在鉆地工具上以在鉆地操作期間便于未被切削的地層與金剛石臺面中的凹入部之間的相互作用。在另外的實施方式中，一種形成切削元件的方法可以包括將粉末預成型件靠近成型模具定位，以及按壓并燒結所述粉末預成型件以形成金剛石臺面，所述金剛石臺面在由成型模具形成的切削面中具有凹入部。雖然本說明書以特別指出并明確要求保護作為本發明的內容的權利要求結束，但是在結合附圖閱讀時可以更容易地從本發明的實施方式的如下描述中確定本發明的各個特征和優點。圖I是根據本發明的一個實施方式的包括切削元件的鉆地鉆頭的透視圖。圖2是根據本發明的一個實施方式的在切削面中具有凹入部的切削元件的局部剖切的側視圖。圖3是圖2的切削元件的透視圖。圖4是示出了根據本發明的一個實施方式的具有沿著構造為多邊形的路徑延伸的凹入部的切削面的切削元件的俯視圖。圖5是示出了根據本發明的一個實施方式的具有沿著構造為Reuleaux多邊形的路徑延伸的凹入部的切削面的切削元件的俯視圖。圖6是根據本發明的一個實施方式的具有截面形狀基本限定為橢圓弧的凹入部的切削元件的金剛石臺面的一部分的截面視圖。圖7是根據本發明的一個實施方式的具有截面形狀基本限定為對稱V形的凹入部的切削元件的金剛石臺面的一部分的截面視圖。圖8是根據本發明的一個實施方式的具有截面形狀基本限定為非對稱V形的凹入部的切削元件的金剛石臺面的一部分的截面視圖。圖9是根據本發明的一個實施方式的具有基本填滿犧牲結構的凹入部的切削元件的金剛石臺面的一部分的截面視圖。圖10是根據本發明的一個實施方式的具有布置在凹入部表面上方的相對薄的犧牲結構的切削元件的金剛石臺面的一部分的截面視圖。圖11是根據本發明的一個實施方式的在金剛石臺面和與金剛石臺面的切削面中的凹入部的形狀對應的基底之間的界面處具有成型區域(shapedregion)的切削元件的一部分的截面視圖。圖12是根據本發明的一個實施方式的在金剛石臺面和與金剛石臺面的切削面中的凹入部的形狀對應的基底之間的界面處具有成型區域的切削元件的一部分的截面視圖，其中成型區域定位在凹入部的徑向外部。圖13是根據本發明的一個實施方式的在金剛石臺面的切削面中具有凹入部的切削元件在鉆進操作期間與地層相互作用的示意圖。具體實施例方式這里呈現的圖解并不是任何具體鉆地工具、鉆頭或者這種工具或鉆頭的元件的實際視圖，而只是理想化的表示，使用它們來描述本發明的實施方式。正如這里使用的，術語“鉆地工具”意指并包括用于移除地層材料并且通過地層材料的移除而穿過地層形成鉆孔(例如井眼)的任何工具。鉆地工具包括例如旋轉鉆頭(例如固定刀具或“刮刀”鉆頭和牙輪鉆頭)、包括固定刀具和滾動元件的混合鉆頭、取心鉆頭、沖撞鉆頭、雙心鉆頭、擴眼鉆頭(包括可膨脹擴眼鉆頭和固定翼擴眼鉆頭)和其他所謂的“開孔”工具。正如這里使用的，術語“切削元件”意指并包括鉆地工具的如下任意元件當使用鉆地工具在地層中形成或擴大孔時，該元件用于切削或以其他方式碎裂地層材料。圖I圖示了本發明的鉆地工具的一個實施方式。圖I的鉆地工具是具有鉆頭本體11的固定刀具旋轉鉆頭10，其包括自鉆頭本體11向外凸出并且由流體流道13彼此分開的多個刀翼12。流體流道13的沿著徑向側(鉆頭10的“保徑”區域)延伸的部分在本領域中通常稱作“排屑槽”。所述鉆頭本體11還包括基本圓柱形的內部流體腔室以及穿過鉆頭本體11延伸到鉆頭本體11外表面的流體通路。噴嘴18可以靠近鉆頭本體11的外表面固定在流體通路內，用于控制鉆進期間鉆頭10的水力學特性。每個刀翼12上安裝多個切削元件20。在鉆進操作期間，鉆頭10可以連接到鉆柱(未示出)。當鉆頭10在井眼內轉動時，可以將鉆進流體沿著鉆柱向下泵送，使其穿過鉆頭10的鉆頭本體11內的內部流體腔室和流體通路，穿過噴嘴18從鉆頭10出來。鉆進流體可以攜帶由鉆頭10的切削元件20產生的地層切屑通過流體流道13，繞著鉆頭10并且通過鉆柱外部、井眼內的環形空間沿井眼向上返回。圖2是圖I的鉆頭10的局部剖切的切削元件20的側視圖。所述切削元件20包括上面具有金剛石臺面24的切削元件基底22。該金剛石臺面24可以包括聚晶金剛石(P⑶)材料，其上限定有切削面26。此外，可以在基底22與金剛石臺面24之間限定界面28。可選地，所述金剛石臺面24可以具有斜切邊緣30。圖2中示出的金剛石臺面24的所述斜切邊緣30具有單個斜切表面32，不過該斜切邊緣30還可以具有另外的斜切表面，這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，正如本領域中公知的。所述切削元件基底22可以具有基本圓柱形的形狀，如圖2中所示。可以使用一個或多個弧形或者“倒圓”邊緣或邊緣部代替金剛石臺面周邊處的一個或多個斜切表面，或者除了金剛石臺面周邊處的一個或多個斜切表面之外還可以使用一個或多個弧形或者“倒圓”邊緣或邊緣部，正如對于本領域普通技術人員來說是公知的。金剛石臺面24可以形成在切削元件基底22上，或者金剛石臺面24和基底22可以單獨形成隨后連接在一起。切削元件基底22可以由相對硬的和抗磨損的材料形成。例如，切削元件基底22可以由金屬陶瓷復合材料(其通常稱作“金屬陶瓷”材料)形成和包括金屬陶瓷復合材料。切削元件基底22可以包括硬質合金材料，比如碳化鎢硬質合金材料，其中，碳化鎢顆粒在金屬粘結劑材料中粘結到一起。金屬粘結劑材料可以包括例如鈷、鎳、鐵或者它們的合金和混合物。在一些情況下，切削元件基底22可以包括兩個部件一直接支撐金剛石臺面24的部件，金剛石臺面形成于其上并且其連接到另一部件一較長的具有類似直徑的部件。在任何情況下，切削元件20可以比如通過硬釬焊如圖I中所描述的那樣固定在刀翼12中的凹窩中。在圓周方向上延伸的凹入部34可以限定在切削元件20的切削面26中。例如，基本環形的弧形凹入部34可以限定在切削元件20的切削面26中，如圖2和3中所示出的。凹入部34可以靠近切削元件20的邊緣定位，例如靠近斜切表面32。凹入部34可以由弧形橫截面限定，其具有主表面，所述主表面具有由半徑Rl定義的橫截面尺寸。作為非限制性示例，凹入部可以是弧形槽，其具有大約O.25英寸(大約6.35mm)的半徑Rl和相對于切削面26的基本平的表面36具有大約O.012英寸(大約O.30mm)的深度D。凹入部34的徑向外邊緣可以距離斜切表面32大約O.031英寸(大約O.79mm)的距離X定位，斜切邊緣30可以具有大約O.010英寸(大約O.30mm)的寬度。切削元件20的總體尺寸可以由大約O.315英寸(大約8mm)的半徑R2限定。此外，可以將凹入部的徑向向內邊緣38和徑向向外邊緣40(相對于切削元件的縱軸線而言)倒圓，或者以其他方式變平滑，以在凹入部34與切削元件20的切削面26的基本平的表面36之間提供相對平滑的過渡。在另外的實施方式中，除了構造成環形或圓形的路徑外，凹入部延伸的路徑可以由其他形狀限定。例如，凹入部34可以沿著基本形成為多邊形的路徑延伸，比如基本是三角形的路徑，如圖4中所示。例如另一個示例，凹入部34可以沿著基本形成為正η邊形延伸，其中η可以是從3到無窮大的任何值，由此η等于無窮大相當于之前提到的“圓形”的實施方式。在另外的實施方式中，凹入部34延伸的路徑可以基本形成為Reuleaux多邊形(SP由圓弧構成的曲線多邊形)，比如基本形成為Reuleaux三角形的路徑，如圖5中所示。此外，凹入部34可以分段，包括不遵循單個連續路徑的多個分離的凹入部。在另外的實施方式中，除了圓弧之外，橫跨其一段獲取的凹入部34的橫截面形狀可以由其他形狀限定。例如，凹入部34的截面可以基本限定為一個或多個橢圓弧(圖6)、對稱的彎曲形狀、非對稱的彎曲形狀、對稱V形(圖7)和非對稱V形(圖8)。凹入部34可以在金剛石臺面24形成之后形成在金剛石臺面24上，比如通過使用放電加工(EDM)，其中通過使用電極(未示出)的放電獲得所需的形狀。在一些實施方式中，金剛石臺面24可以相對于具有凹入部34所需截面形狀的電極移動(和/或所述電極可以相對于金剛石臺面24沿著所需的路徑移動)以形成凹入部34。例如，可以將具有弧形形狀的電極下降到金剛石臺面24的切削面26中，然后可以使金剛石臺面24轉動以形成包括遵循環形路徑的弧形槽的凹入部34。在另外的實施方式中，可以將具有與所需凹入部34的形狀相互補的形狀(即凸起)的電極模具沉入金剛石臺面24的切削面26中以形成凹入部34。在一些實施方式中，金剛石臺面24中的凹入部34可以包括定位其中的犧牲結構42。例如，所述犧牲結構42可以基本填滿金剛石臺面24中的凹入部34，使得犧牲結構42的表面44可以與相鄰的金剛石臺面24的切削面26的基本平的表面36基本對齊并共面，如圖9中所示。在另一個示例中，所述犧牲結構42可以是定位在凹入部34的表面46上的相對薄的材料層，如圖10中所示。在一些實施方式中，所述犧牲結構42可以由比金剛石臺面24軟、或者比金剛石臺面24更易磨損的材料構成，比如陶瓷、金屬陶瓷和耐火金屬中的一種或多種。例如，犧牲結構42的材料可以是碳化鎢、氧化鋁、鎢、鈮、鉭、鉿、鑰以及由它們形成的碳化物中的一種或多種。在這些實施方式中，凹入部34可以在金剛石臺面24形成期間形成到金剛石臺面24中。例如，可以將所述犧牲結構42定位在模具(未示出)中，將包括金剛石顆粒的粉末狀前體材料定位在所述犧牲結構42上方(例如周圍)。然后正如本領域中公知的那樣在混有金剛石顆粒的催化劑存在的情況下將所述粉末狀前體材料壓緊并燒結或者從相鄰的基底掃過以形成金剛石臺面24，其中所述犧牲結構42形成金剛石臺面24的凹入部34。然后可以移除整個犧牲結構42或者其一部分，比如通過噴沙、機械加工、酸浸出或另外的工藝，或者可以保持整個犧牲結構34或其一部分定位在凹入部中，以在鉆進操作期間由地層移除。此夕卜，對于其中整個犧牲結構42或其一部分可以通過例如噴沙、機械加工、酸浸出或另外的工藝移除的實施方式，可以將金剛石臺面24加工(比如通過EDM方法)成最終的幾何形狀。在一些實施方式中，所述犧牲結構42可以在凹入部34形成于金剛石臺面中之后——比如在高壓、高溫(HPHT)處理之后——定位在金剛石臺面中的凹入部34中。例如，犧牲結構42可以包括可以定位在金剛石臺面的凹入部34內的聚合物、玻璃、陶瓷、金屬陶瓷、耐火金屬以及它們的組合中的一種或多種。鑒于此，切削元件20的切削面26在未使用的狀態可以呈現基本平面的形狀，并且犧牲結構42定位其中。在磨損后，犧牲結構42可以磨掉，可以露出凹入部34以用于在鉆進操作期間與地層接合。在另外的實施方式中，在至少一部分燒結過程中，可以將粉末預成型件(比如包括包含在圓柱形鈮杯中的粉末的金剛石)靠近成型模具定位，比如具有成型的凸起的模具。例如，在高壓、高溫(HPHT)處理期間，可以將粉末預成型件靠近成型模具(未示出)定位；在整個燒結循環中，可以保持由成型模具賦予的形狀，以在金剛石臺面24中形成凹入部34。在另外的實施方式中，由模具賦予的形狀可以接近凹入部34的所需的最終形狀，可以加工出凹入部34的最終形狀——例如通過EDM方法，以獲得最終的幾何形狀。可選地，在HTHP處理之后可以從金剛石臺面24的硬的聚晶材料移除催化劑材料，正如本領域中公知的。例如，可以使用浸出方法來從金剛石臺面24的硬的聚晶材料的相互鍵連接的晶粒之間的胞間隙移除催化劑材料。通過示例并且是非限定性的方式，可以使用比如那些在例如Bunting等人的美國專利號5，127，923(1992年7月7日授權)和Bovenkerk等人的美國專利號4，224，380(1980年9月23日授權)中更完全描述的浸出劑和方法來浸出聚晶材料。具體地，可以使用王水(濃硝酸(HN03)和濃鹽酸(HCL)的混合物)來從金剛石臺面24的硬的聚晶材料的相互鍵連接的晶粒之間的胞間隙至少基本移除催化劑材料。使用煮沸的鹽酸(HCL)和煮沸的氟酸(HF)作為浸出劑也是公知的。一種特別合適的浸出劑是在110°C以上的鹽酸(HCL)，根據包括硬的聚晶材料的本體的尺寸，可以使其與金剛石臺面24的硬的聚晶材料接觸2小時到60小時的時間。在浸出硬的聚晶材料之后，硬的聚晶材料內相互鍵連接的晶粒之間的胞間隙可以至少基本沒有用于促進硬的聚晶材料中的晶粒之間的內部晶粒鍵的形成的催化劑材料。在一些實施方式中，浸出可以選擇性地施加到金剛石臺面的特殊區域，而不施加到其他區域。例如，在一些實施方式中，可以將遮蓋物施加到金剛石臺面24的預定區域，比如凹入部34或者金剛石臺面24中的凹入部34的區域；可以僅浸出沒有被遮蓋的區域。此外，金剛石臺面24的外表面可以通過物理方式修飾，比如通過拋光成平滑面或鏡面。例如，金剛石臺面24的外表面可以具有降低的粗糙度，比如2000年11月14日授權給Lund等人并轉讓給本申請的受讓人的美國專利號6，145,608;1995年9月5日授權給Lund等人并轉讓給本申請的受讓人的美國專利號5，447，208中描述的。在傳統的PDC切削元件中，PDC的切削面或前表面可以磨平成20μ英寸(大約O.508μm)到40μ英寸(大約I.02μm)RMS(本文所稱的所有表面光潔度都是RMS)的表面光潔度，其觸摸起來相對平滑并且看起來是平面(如果切削面本身是平的)，但是其包括許多表面異常并且呈現出一定程度的粗糙，甚至在非常低的功率放大下肉眼容易看到，t匕如10倍珠寶放大鏡。但是，可以將金剛石臺面24的外表面處理成具有顯著降低的表面粗糙度。作為非限制性示例，可以將金剛石臺面24的外表面拋光成大約O.5μ英寸(大約O.0127μm)RMS的表面粗糙度。在一些實施方式中，通過使用懸浮在乙二醇、丙三醇或其他合適的承載液體中的逐漸變小的金剛石磨料粒將切削面在本領域中公知的傳統的鑄鐵圈上磨平，可以減小金剛石臺面24的表面的表面粗糙度。磨平可以以三步驟方法進行以70微米磨料粒開始，然后是40微米磨料粒，然后是尺寸上大約1-3微米的磨料粒。相反，PDC切削元件10的標準的磨平技術可以遵循切削面的初始放電研磨，以70微米研磨粒在一個步驟中完成磨平。至于磨料粒尺寸的對比,70微米磨料粒與細沙或晶體材料差不多，而1-3微米磨料粒與糖粉類似。在另外的實施方式中，可以通過使表面與干的轉動的金剛石砂輪接觸而降低金剛石臺面24的表面的表面粗糙度。例如，由TravelersRest,S.C的Ernstffinter&Sons公司提供的WinterRB778樹脂粘結金剛石砂輪。當金剛石砂輪屬于樹脂粘結結構時砂輪的冷卻是重要的。升高的溫度可以導致砂輪的破壞。拋光方法的本質需要保持研磨表面干燥。但是，在拋光過程開始時可能用水打濕砂輪以減小阻力，并且便于金剛石臺面24相對于砂輪的合適取向。此外，可能影響拋光的溫度范圍可以在大約140°F(大約60°C)和大約220°F(大約104°C)之間。雖然所使用的特殊的拋光器可以以大約3500RPM轉動，據信大約3000RPM和大約5000RPM之間的范圍可能是合適的。可以將大約21b.的力(大約O.9Kg)到大約81b.的力(大約3.6Kg)施加到抵靠砂輪的金剛石臺面24。正如所指出的，金剛石臺面24的外表面拋光可以變平滑到大約O.5μ英寸(大約O.0127μm)RMS或者接近真正“鏡面”的更低的表面拋光粗糙度。使用前面提到的金剛石砂輪可能需要進行五十分鐘到一個小時的拋光以在具有半英寸(大約I.27cm)直徑的金剛石臺面24的表面上實現這種拋光，對于名義上四分之三英寸(大約I.905cm)直徑的金剛石臺面24大約需要一個半到大約兩個小時。所描述的用于拋光金剛石臺面24的面的相同的方法還可以用于拋光斜切面32以及金剛石臺面24的側面。為了拋光這些表面，由基底22保持的金剛石臺面24相對于轉動的砂輪以所需的角度布置。然后可以使切削元件20相對于對稱軸轉動以打磨和拋光金剛石臺面24的斜切面32或其他側面區域。因此，可以打磨和拋光金剛石臺面24的彎曲的、嵴狀的、波紋的或其他切削面以移除或減少大的和小的表面粗糙，導致鏡面拋光切削面一不過其在絕對意義上并不是平的。可以通過其他方法拋光切削元件切削表面(切削面、斜切面、側面等等)，比如離子束或化學方法，不過金剛石內在的惰性化學特性可能使得化學方法用于金剛石多少存在困難。雖然工業標準的PDC或其他超硬切削元件可以借助上面描述的拋光手段而在切削面上具有大約20μ英寸(大約O.508μm)到40μ英寸(大約I.02μm)的不規則性或粗糙度(從表面垂直地測量)的打磨表面光潔度，但是一些實施方式可以具有大約O.3μ英寸EMS和大約O.5μ英寸(大約(XOUTym)RMS之間的金剛石臺面24表面粗糙度。另外的實施方式可以具有大約O.4μ英寸(大約O.0102μm)RMS和大約O.6μ英寸(大約O.0152μm)RMS之間的金剛石臺面24表面粗糙度。在另外的實施方式中，金剛石臺面24可以具有小于大約10μ英寸(大約O.254μm)RMS的表面粗糙度。在另外的實施方式中，金剛石臺面24可以具有小于大約2μ英寸(大約(XOSOSym)RMS的表面粗糙度。在另外的實施方式中，金剛石臺面24可以具有小于大約O.5μ英寸(大約O.0127μm)RMS的表面粗糙度，接近真實的“鏡面”拋光。金剛石臺面24的前述的表面粗糙度的測量可以使用接觸金剛石臺面24表面的標定的HommelAmericaModelT-4000金剛石觸針表面光度儀測量。由于上面描述的，可以對金剛石臺面24的選定的表面進行拋光或打磨以具有減小的表面粗糙度。在一些實施方式中，切削面26的基本平的表面36可以具有減小的表面粗糖度。在另外的實施方式中，凹入部34的表面可以具有減小的表面粗糖度。在另外的實施方式中，金剛石臺面24的整個切削面26可以具有減小的表面粗糙度。在另外的實施方式中，金剛石臺面24的斜切面32和/或其他側表面可以具有減小的表面粗糙度。在另外的實施方式中，金剛石臺面24的所有的露出的表面可以具有減小的表面粗糙度。現參見圖13，由地層56與凹入部34之間的相互作用產生的鉆進力可以加重或增大金剛石臺面24內的應力集中，使其高于在其他相同的、但是沒有凹入部特征的PDC切削件的應力集中。因此，金剛石臺面24與切削元件20的基底22之間的界面28的形狀可以構造成有效地將由切削力產生的應力分布于金剛石臺面24中的凹入部34中和周圍，以提高切削元件20的結構完整性。例如，與金剛石臺面24的切削面26中的凹入部34的形狀對應的成型區48可以限定界面28的區域，比如圖11中示出的。在一些實施方式中，界面28的成型區48可以由界面28處的基底22中的凹入部50和金剛石臺面24的凸出部52限定。因此，界面28的成型區48可以提供金剛石臺面24的基本均勻的厚度。在一些實施方式中，與金剛石臺面24中的凹入部34對應的界面28的成型區48可以縱向地定位在金剛石臺面24中的凹入部34的正下方。在另外的實施方式中，與金剛石臺面24中的凹入部34對應的界面28的成型區48的至少一部分可以在凹入部34的相對于切削元件20的縱軸線54(圖2)的徑向向內的位置處定位于凹入部34之下。在另外的實施方式中，與金剛石臺面24中的凹入部34對應的界面28的成型區48的至少一部分可以在凹入部34的相對于切削元件20的縱軸線54(圖2)的徑向向外的位置處定位于凹入部34之下，如圖12中所示。這種結構可以對應于切削元件20相對于地層的運行的投影方向(projecteddirection)(正如在圖12中由虛線標示出的)，因為該方向可以對應于在鉆進操作期間施加到切削元件20上的切削力的主方向。換言之，界面的成型區的尺寸、形狀和位置可以設計用來減小應力集中和/或提供足夠的結構強度來承受可能由鉆進操作導致的預期的應力集中。此外，金剛石臺面的這種金剛石分層結構可以在成型區中進行調整，以抵消殘余應力并提供金剛石臺面24在成型區中的調整后的材料特性，比如調整后的強度和粗糙度。在上部井段鉆進操作中——比如地表下第一鉆頭(FBUS)的鉆進操作中，切削元件20的幾何形狀可以對給定深度的切削(DOC)提供改進的侵蝕性。當以高的切削深度在相對軟的地層中鉆進時一比如在FBUS鉆進操作期間通常經歷的地層，可以通過這里描述的切削元件20獲得增加的侵蝕性，同時保證標準的后傾角，其可以增加切削元件20的耐久性和壽命。作為非限制性示例，在比如圖13中示出的鉆進操作中，可以設定高達O.15英寸(大約3.8mm)的D0C。地層56接觸切削元件20的金剛石臺面24的切削面26中的凹入部34的區域可以以不同于切削面26的基本平的表面36的角度Θ的角度α接觸切削元件20。因此，切削元件20的有效傾角α可以小于切削元件20的后傾角Θ，從而導致增加的侵蝕性。此外，單個鉆頭本體11設計可以與不同的切削元件20設計結合，以提供具有相同鉆頭本體11設計、但是具有各種有效的傾角α的鉆頭10。例如，具有第一鉆頭本體的第一鉆地鉆頭可以包括具有基本平的切削元件面的切削元件，其中沒有形成凹入部，并且具有第一有效傾角Θ。具有與第一鉆頭本體相同設計的第二鉆頭本體的第二鉆地鉆頭可以包括這樣的切削元件在切削元件的面中具有正如這里描述的凹入部，并且可以具有第二有效傾角α，其不同于第一鉆頭的第一有效傾角。因此，通過改變凹入部的幾何形狀和位置，可以改變切削元件20的有效傾角α和侵蝕性，而鉆頭本體11的設計沒有改變。在一些實施方式中，鉆地工具上的切削深度限制部件可以定位成在鉆地操作期間便于未被切削的地層與金剛石臺面24的切削面中的凹入部34之間的相互作用。例如，鉆地工具上的切削深度限制部件可以是圖I中示出的鉆頭10的刀翼12的外表面和正如在2010年4月26日申請的名稱是“BEARINGBLOCKSFORDRILLBITS,DRILLBITASSEMBLIESINCLUDINGBEARINGBLOCKSANDRELATEDMETHODS”的美國專利申請號12/766，988中所述的支承塊部件的一種或多種。例如，切削深度限制部件可以定位成與金剛石臺面24的切削面26中的凹入部34的最深部分對齊。因為切削元件20可以具有基本圓柱形的形狀并且凹入部34可以具有基本環形的形狀，所以其可以是從與切削深度限制部件對齊的鉆地工具的本體進一步延伸遠離的凹入部34的最深部分(即從鉆頭10的刀翼12延伸最遠的那部分)。因此，未被切削的地層可以在鉆進操作期間很好地接觸金剛石臺面24的切削面26到凹入部34中，使得凹入部34的最深的部分的徑向向外定位(相對于切削元件20的主軸)的凹入部的彎曲或傾斜表面可以與未被切削的地層56相互作用并且提供所需的有效傾角αο實施方式I.一種鉆地工具的切削元件，包括定位在基底上的金剛石臺面；金剛石臺面的切削面中的凹入部；在金剛石臺面和基底之間的界面處的、位于基底中的、與金剛石臺面的切削面中的凹入部對應的成型部件。2.根據實施方式I所述的切削元件，其中在金剛石臺面和基底之間的界面處的、位于基底中的成型部件包括基底中的凹入部，基底中的該凹入部具有與金剛石臺面的切削面中的凹入部的形狀類似的形狀。3.根據實施方式2所述的切削元件，其中基底中的該凹入部的至少一部分定位在金剛石臺面的切削面中的凹入部相對于切削元件的縱軸線的徑向向外位置和徑向向內位置中的至少其中之一位置。4.根據實施方式1-3中之一所述的切削元件，其中所述凹入部沿著基本形成為圓的路徑延伸。5.根據實施方式1-3中之一所述的切削元件，其中所述凹入部沿著基本形成為多邊形的路徑延伸。6.根據實施方式1-3中之一所述的切削元件，其中所述凹入部沿著基本形成為Reuleaux多邊形的路徑延伸。7.根據實施方式1-3中之一所述的切削元件，其中金剛石臺面的切削面中的凹入部的橫截面基本形成為圓弧。8.根據實施方式1-3中之一所述的切削元件，其中金剛石臺面的切削面中的凹入部的橫截面基本形成為橢圓弧。9.根據實施方式1-3中之一所述的切削元件，其中金剛石臺面的切削面中的凹入部的橫截面基本形成為對稱V形。10.根據實施方式1-3中之一所述的切削元件，其中金剛石臺面的切削面中的凹入部的橫截面基本形成為非對稱V形。11.根據實施方式1-3中之一所述的切削元件，其中金剛石臺面包括具有小于大約10μ英寸RMS表面粗糙度的表面。12.根據實施方式11所述的切削元件，其中金剛石臺面包括具有小于大約2μ英寸RMS表面粗糙度的表面。13.根據實施方式12所述的切削元件，其中金剛石臺面包括具有小于大約O.5μ英寸RMS表面粗糙度的表面。14.一種鉆地工具的切削元件，包括定位在基底上的金剛石臺面；金剛石臺面的切削面中的凹入部；定位在所述凹入部內的犧牲結構。15.根據實施方式14所述的切削元件，其中所述犧牲結構基本填滿所述凹入部。16.根據實施方式14所述的切削元件，其中所述犧牲結構包括覆蓋凹入部表面的材料層。17.根據實施方式14-16中之一所述的切削元件，其中所述犧牲結構包括陶瓷、金屬陶瓷和耐火金屬中的至少一種。18.根據實施方式14-17中之一所述的切削元件，其中所述犧牲結構包括碳化鎢、氧化鋁、鎢、鈮、鉭、鉿和鑰中的至少一種。19.一種形成切削元件的方法，該方法包括將犧牲結構定位在模具中；將粉末狀前體材料定位在所述犧牲結構上方；按壓并燒結所述粉末狀前體材料以形成具有由所述犧牲結構形成的切削面中的凹入部的金剛石臺面。20.根據實施方式19所述的方法，還包括在用于任何鉆進操作中之前從金剛石臺面的切削面移除至少一部分所述犧牲結構。21.根據實施方式19和20之一所述的方法，還包括在鉆進操作期間從金剛石臺面的切削面移除至少一部分所述犧牲結構。22.一種鉆地工具，包括至少一個切削元件，其包括定位在基底上的金剛石臺面；金剛石臺面的切削面中的凹入部；在金剛石臺面和基底之間的界面處的、位于基底中的、與金剛石臺面的切削面中的凹入部對應的成型部件。23.一種鉆地工具，包括至少一個切削元件，其包括定位在基底上的金剛石臺面；金剛石臺面的切削面中的凹入部；以及定位在所述鉆地工具上的切削深度限制部件，以便于在鉆地操作期間未被切削的地層與金剛石臺面的切削面中的凹入部之間的相互作用。24.根據實施方式23所述的鉆地工具，其中所述切削深度限制部件與切削面中的凹入部的最深部分對齊。25.一種形成切削元件的方法，該方法包括靠近成型模具定位粉末狀預成型件；按壓并燒結所述粉末狀預成型件，以形成具有由所述成型模具形成的切削面中的凹入部的金剛石臺面。26.根據實施方式1-13之一所述的切削元件，還包括定位在所述凹入部內的犧牲結構。27.根據實施方式14所述的切削元件，其中所述犧牲結構基本填滿所述凹入部。28.根據實施方式14所述的切削元件，其中所述犧牲結構包括覆蓋凹入部表面的材料層。29.根據實施方式26-28之一所述的切削元件，其中所述犧牲結構包括陶瓷、金屬陶瓷和耐火金屬中的至少一種。30.根據實施方式29所述的切削元件，其中所述犧牲結構包括碳化鎢、氧化鋁、鎢、鈮、鉭、鉿和鑰中的至少一種。31.一種鉆地工具,包括根據實施方式1-18和26-30之一所述的切削兀件。32.根據實施方式31所述的鉆地工具，還包括定位在所述鉆地工具上的切削深度限制部件，以便于在鉆地操作期間未被切削的地層與金剛石臺面的切削面中的凹入部之間的相互作用。33.根據實施方式32所述的鉆地工具，其中所述切削深度限制部件與切削面中的凹入部的最深部分對齊。盡管前表面的描述包含了許多特征，但是這些特征并不構成對本發明的范圍的限制，而只是提供了某些示例性的實施方式。類似地，可以構想到在本發明的范圍內的本發明的其他實施方式。例如，這里參照一個實施方式描述的特征還可以與這里描述的其他實施方式的特征結合。因此本發明的范圍僅由所附的權利要求和它們的合法等價方式表示和限定，并不是由前面的描述限定。本發明包括對正如這里披露的落入權利要求的意義和范圍內的本發明的所有添加、刪除和修改。權利要求1.一種鉆地工具的切削元件，包括定位在基底上的金剛石臺面；金剛石臺面的切削面中的凹入部；在金剛石臺面和基底之間的界面處的、位于基底中的、與金剛石臺面的切削面中的凹入部對應的成型部件。2.根據權利要求I所述的切削元件，其中，在金剛石臺面和基底之間的界面處的、位于基底中的成型部件包括基底中的凹入部，基底中的該凹入部具有與金剛石臺面的切削面中的凹入部的形狀類似的形狀。3.根據權利要求2所述的切削元件，其中，基底中的該凹入部的至少一部分定位在金剛石臺面的切削面中的凹入部相對于切削元件的縱軸線的徑向向外位置和徑向向內位置中的至少其中之一位置。4.根據權利要求1-3中之一所述的切削元件，其中，所述凹入部沿著基本形成為圓的路徑延伸。5.根據權利要求1-3中之一所述的切削元件，其中，所述凹入部沿著基本形成為多邊形的路徑延伸。6.根據權利要求1-3中之一所述的切削元件，其中，所述凹入部沿著基本形成為Reuleaux多邊形的路徑延伸。7.根據權利要求1-3中之一所述的切削元件，其中，金剛石臺面的切削面中的凹入部的橫截面基本形成為弧。8.根據權利要求1-3中之一所述的切削元件，其中，金剛石臺面的切削面中的凹入部的橫截面基本形成為V形。9.根據權利要求1-3中之一所述的切削元件，其中，金剛石臺面包括具有小于大約10μ英寸RMS表面粗糙度的表面。10.根據權利要求9所述的切削元件，其中，金剛石臺面包括具有小于大約O.5μ英寸RMS表面粗糙度的表面。11.根據權利要求1-3之一所述的切削元件，還包括定位在所述凹入部內的犧牲結構。12.根據權利要求11所述的切削元件，其中，所述犧牲結構包括覆蓋凹入部表面的材料層。13.根據權利要求11所述的切削元件，其中，所述犧牲結構包括陶瓷、金屬陶瓷和耐火金屬中的至少一種。14.根據權利要求13所述的切削元件，其中，所述犧牲結構包括碳化鎢、氧化鋁、鎢、鈮、鉭、鉿和鑰中的至少一種。15.一種鉆地工具，包括根據權利要求1-3之一所述的切削元件。16.根據權利要求15所述的鉆地工具，還包括定位在所述鉆地工具上的切削深度限制部件，以便于在鉆地操作期間未被切削的地層與金剛石臺面的切削面中的凹入部之間的相互作用。17.根據權利要求16所述的鉆地工具，其中，所述切削深度限制部件與切削面中的凹入部的最深部分對齊。18.一種形成切削元件的方法，該方法包括將犧牲結構定位在模具中；將粉末狀前體材料定位在所述犧牲結構上方；按壓并燒結所述粉末狀前體材料以形成在切削面中具有由所述犧牲結構形成的凹入部的金剛石臺面。19.根據權利要求18所述的方法，還包括在用于任何鉆進操作之前從金剛石臺面的切削面移除至少一部分所述犧牲結構。20.根據權利要求18和19之一所述的方法，還包括在鉆進操作期間從金剛石臺面的切削面移除至少一部分所述犧牲結構。全文摘要本文描述了切削元件、具有這種切削元件的鉆地鉆頭和相關的方法。在一些實施方式中，一種鉆地工具的切削元件可以包括金剛石臺面和在金剛石臺面與基底之間的界面處的基底中的成型部件，該金剛石臺面在其切削面中具有凹入部，該成型部件與金剛石臺面的切削面中的凹入部對應。在另外的實施方式中，一種鉆地工具的切削元件可以包括定位在金剛石臺面中的凹入部內的犧牲結構。在另外的實施方式中，一種形成切削元件的方法可以包括將犧牲結構定位在模具中、將粉末狀前體材料定位在所述犧牲結構上方以及按壓并燒結所述粉末狀前體材料以形成具有由所述犧牲結構形成的切削面中的凹入部的金剛石臺面。文檔編號B24D3/00GK102933785SQ201180026366公開日2013年2月13日申請日期2011年4月22日優先權日2010年4月23日發明者A·A·迪喬瓦尼,N·J·里昂,M·S·黑爾,J·H·利弗塞奇申請人:貝克休斯公司,六號元素(產品)(控股)公司