专利名称：：钻地工具的切削元件、包括这种切削元件的钻地工具以及相关的方法
技术领域：
：本发明的实施方式涉及钻地工具、这些工具的切削元件以及相关的方法。
背景技术：
：在地下地层中形成井眼用于各种目的，包括例如从地下地层获取石油和气体以及从地下地层获取地热。可以使用钻头(例如钻地旋转钻头)在地下地层中形成井眼。不同类型的钻地旋转钻头在本领域中是公知的，包括例如固定刀具钻头(其在本领域中通常称做“刮刀”钻头)、滚动刀具钻头(其在本领域中通常称做“牙轮”钻头)、孕镶金刚石钻头和混合式钻头(其可以包括例如固定刀具和滚动刀具)。使钻头转动并向地下地层中推进。当钻头转动时，其刀具或者研磨结构切削、压碎、剪切和/或磨损掉地层材料以形成井眼。由钻头钻出的井眼的直径可以由设置在钻头最大外径上的切削结构限定。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组细长管状段，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而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而可以使钻头转动，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)可以使轴转动，所述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。
发明内容在一些实施方式中，一种钻地工具的切削元件可以包括定位在基底上的金刚石台面(diamondtable)，该金刚石台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刚石台面和基底之间的界面处的、位于基底中的、与金刚石台面的切削面中的凹入部对应的成型部件。在另外的实施方式中，一种钻地工具的切削元件可以包括定位在基底上的金刚石台面、在金刚石台面的切削面中的凹入部和定位在凹入部内的牺牲结构。在另外的实施方式中，一种形成切削元件的方法可以包括将牺牲结构定位在模具中以及将粉末状前体材料定位在所述牺牲结构上方。该方法还包括按压并烧结所述粉末状前体材料以形成具有由所述牺牲结构形成的切削面中的凹入部的金刚石台面。在另外的实施方式中，一种钻地工具可以包括至少一个切削元件，所述切削元件包括定位在基底上的金刚石台面、在金刚石台面的切削面中的凹入部、以及在金刚石台面和基底之间的界面处的、位于基底中的、与金刚石台面的切削面中的凹入部对应的成型部件。在另外的实施方式中，一种钻地工具可以包括至少一个切削元件以及切削深度限制部件。所述至少一个切削元件可以包括定位在基底上的金刚石台面和在金刚石台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钻地工具上以在钻地操作期间便于未被切削的地层与金刚石台面中的凹入部之间的相互作用。在另外的实施方式中，一种形成切削元件的方法可以包括将粉末预成型件靠近成型模具定位，以及按压并烧结所述粉末预成型件以形成金刚石台面，所述金刚石台面在由成型模具形成的切削面中具有凹入部。虽然本说明书以特别指出并明确要求保护作为本发明的内容的权利要求结束，但是在结合附图阅读时可以更容易地从本发明的实施方式的如下描述中确定本发明的各个特征和优点。图I是根据本发明的一个实施方式的包括切削元件的钻地钻头的透视图。图2是根据本发明的一个实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侧视图。图3是图2的切削元件的透视图。图4是示出了根据本发明的一个实施方式的具有沿着构造为多边形的路径延伸的凹入部的切削面的切削元件的俯视图。图5是示出了根据本发明的一个实施方式的具有沿着构造为Reuleaux多边形的路径延伸的凹入部的切削面的切削元件的俯视图。图6是根据本发明的一个实施方式的具有截面形状基本限定为椭圆弧的凹入部的切削元件的金刚石台面的一部分的截面视图。图7是根据本发明的一个实施方式的具有截面形状基本限定为对称V形的凹入部的切削元件的金刚石台面的一部分的截面视图。图8是根据本发明的一个实施方式的具有截面形状基本限定为非对称V形的凹入部的切削元件的金刚石台面的一部分的截面视图。图9是根据本发明的一个实施方式的具有基本填满牺牲结构的凹入部的切削元件的金刚石台面的一部分的截面视图。图10是根据本发明的一个实施方式的具有布置在凹入部表面上方的相对薄的牺牲结构的切削元件的金刚石台面的一部分的截面视图。图11是根据本发明的一个实施方式的在金刚石台面和与金刚石台面的切削面中的凹入部的形状对应的基底之间的界面处具有成型区域(shapedregion)的切削元件的一部分的截面视图。图12是根据本发明的一个实施方式的在金刚石台面和与金刚石台面的切削面中的凹入部的形状对应的基底之间的界面处具有成型区域的切削元件的一部分的截面视图，其中成型区域定位在凹入部的径向外部。图13是根据本发明的一个实施方式的在金刚石台面的切削面中具有凹入部的切削元件在钻进操作期间与地层相互作用的示意图。具体实施例方式这里呈现的图解并不是任何具体钻地工具、钻头或者这种工具或钻头的元件的实际视图，而只是理想化的表示，使用它们来描述本发明的实施方式。正如这里使用的，术语“钻地工具”意指并包括用于移除地层材料并且通过地层材料的移除而穿过地层形成钻孔(例如井眼)的任何工具。钻地工具包括例如旋转钻头(例如固定刀具或“刮刀”钻头和牙轮钻头)、包括固定刀具和滚动元件的混合钻头、取心钻头、冲撞钻头、双心钻头、扩眼钻头(包括可膨胀扩眼钻头和固定翼扩眼钻头)和其他所谓的“开孔”工具。正如这里使用的，术语“切削元件”意指并包括钻地工具的如下任意元件当使用钻地工具在地层中形成或扩大孔时，该元件用于切削或以其他方式碎裂地层材料。图I图示了本发明的钻地工具的一个实施方式。图I的钻地工具是具有钻头本体11的固定刀具旋转钻头10，其包括自钻头本体11向外凸出并且由流体流道13彼此分开的多个刀翼12。流体流道13的沿着径向侧(钻头10的“保径”区域)延伸的部分在本领域中通常称作“排屑槽”。所述钻头本体11还包括基本圆柱形的内部流体腔室以及穿过钻头本体11延伸到钻头本体11外表面的流体通路。喷嘴18可以靠近钻头本体11的外表面固定在流体通路内，用于控制钻进期间钻头10的水力学特性。每个刀翼12上安装多个切削元件20。在钻进操作期间，钻头10可以连接到钻柱(未示出)。当钻头10在井眼内转动时，可以将钻进流体沿着钻柱向下泵送，使其穿过钻头10的钻头本体11内的内部流体腔室和流体通路，穿过喷嘴18从钻头10出来。钻进流体可以携带由钻头10的切削元件20产生的地层切屑通过流体流道13，绕着钻头10并且通过钻柱外部、井眼内的环形空间沿井眼向上返回。图2是图I的钻头10的局部剖切的切削元件20的侧视图。所述切削元件20包括上面具有金刚石台面24的切削元件基底22。该金刚石台面24可以包括聚晶金刚石(P⑶)材料，其上限定有切削面26。此外，可以在基底22与金刚石台面24之间限定界面28。可选地，所述金刚石台面24可以具有斜切边缘30。图2中示出的金刚石台面24的所述斜切边缘30具有单个斜切表面32，不过该斜切边缘30还可以具有另外的斜切表面，这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，正如本领域中公知的。所述切削元件基底22可以具有基本圆柱形的形状，如图2中所示。可以使用一个或多个弧形或者“倒圆”边缘或边缘部代替金刚石台面周边处的一个或多个斜切表面，或者除了金刚石台面周边处的一个或多个斜切表面之外还可以使用一个或多个弧形或者“倒圆”边缘或边缘部，正如对于本领域普通技术人员来说是公知的。金刚石台面24可以形成在切削元件基底22上，或者金刚石台面24和基底22可以单独形成随后连接在一起。切削元件基底22可以由相对硬的和抗磨损的材料形成。例如，切削元件基底22可以由金属陶瓷复合材料(其通常称作“金属陶瓷”材料)形成和包括金属陶瓷复合材料。切削元件基底22可以包括硬质合金材料，比如碳化钨硬质合金材料，其中，碳化钨颗粒在金属粘结剂材料中粘结到一起。金属粘结剂材料可以包括例如钴、镍、铁或者它们的合金和混合物。在一些情况下，切削元件基底22可以包括两个部件一直接支撑金刚石台面24的部件，金刚石台面形成于其上并且其连接到另一部件一较长的具有类似直径的部件。在任何情况下，切削元件20可以比如通过硬钎焊如图I中所描述的那样固定在刀翼12中的凹窝中。在圆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，基本环形的弧形凹入部34可以限定在切削元件20的切削面26中，如图2和3中所示出的。凹入部34可以靠近切削元件20的边缘定位，例如靠近斜切表面32。凹入部34可以由弧形横截面限定，其具有主表面，所述主表面具有由半径Rl定义的横截面尺寸。作为非限制性示例，凹入部可以是弧形槽，其具有大约O.25英寸(大约6.35mm)的半径Rl和相对于切削面26的基本平的表面36具有大约O.012英寸(大约O.30mm)的深度D。凹入部34的径向外边缘可以距离斜切表面32大约O.031英寸(大约O.79mm)的距离X定位，斜切边缘30可以具有大约O.010英寸(大约O.30mm)的宽度。切削元件20的总体尺寸可以由大约O.315英寸(大约8mm)的半径R2限定。此外，可以将凹入部的径向向内边缘38和径向向外边缘40(相对于切削元件的纵轴线而言)倒圆，或者以其他方式变平滑，以在凹入部34与切削元件20的切削面26的基本平的表面36之间提供相对平滑的过渡。在另外的实施方式中，除了构造成环形或圆形的路径外，凹入部延伸的路径可以由其他形状限定。例如，凹入部34可以沿着基本形成为多边形的路径延伸，比如基本是三角形的路径，如图4中所示。例如另一个示例，凹入部34可以沿着基本形成为正η边形延伸，其中η可以是从3到无穷大的任何值，由此η等于无穷大相当于之前提到的“圆形”的实施方式。在另外的实施方式中，凹入部34延伸的路径可以基本形成为Reuleaux多边形(SP由圆弧构成的曲线多边形)，比如基本形成为Reuleaux三角形的路径，如图5中所示。此外，凹入部34可以分段，包括不遵循单个连续路径的多个分离的凹入部。在另外的实施方式中，除了圆弧之外，横跨其一段获取的凹入部34的横截面形状可以由其他形状限定。例如，凹入部34的截面可以基本限定为一个或多个椭圆弧(图6)、对称的弯曲形状、非对称的弯曲形状、对称V形(图7)和非对称V形(图8)。凹入部34可以在金刚石台面24形成之后形成在金刚石台面24上，比如通过使用放电加工(EDM)，其中通过使用电极(未示出)的放电获得所需的形状。在一些实施方式中，金刚石台面24可以相对于具有凹入部34所需截面形状的电极移动(和/或所述电极可以相对于金刚石台面24沿着所需的路径移动)以形成凹入部34。例如，可以将具有弧形形状的电极下降到金刚石台面24的切削面26中，然后可以使金刚石台面24转动以形成包括遵循环形路径的弧形槽的凹入部34。在另外的实施方式中，可以将具有与所需凹入部34的形状相互补的形状(即凸起)的电极模具沉入金刚石台面24的切削面26中以形成凹入部34。在一些实施方式中，金刚石台面24中的凹入部34可以包括定位其中的牺牲结构42。例如，所述牺牲结构42可以基本填满金刚石台面24中的凹入部34，使得牺牲结构42的表面44可以与相邻的金刚石台面24的切削面26的基本平的表面36基本对齐并共面，如图9中所示。在另一个示例中，所述牺牲结构42可以是定位在凹入部34的表面46上的相对薄的材料层，如图10中所示。在一些实施方式中，所述牺牲结构42可以由比金刚石台面24软、或者比金刚石台面24更易磨损的材料构成，比如陶瓷、金属陶瓷和耐火金属中的一种或多种。例如，牺牲结构42的材料可以是碳化钨、氧化铝、钨、铌、钽、铪、钥以及由它们形成的碳化物中的一种或多种。在这些实施方式中，凹入部34可以在金刚石台面24形成期间形成到金刚石台面24中。例如，可以将所述牺牲结构42定位在模具(未示出)中，将包括金刚石颗粒的粉末状前体材料定位在所述牺牲结构42上方(例如周围)。然后正如本领域中公知的那样在混有金刚石颗粒的催化剂存在的情况下将所述粉末状前体材料压紧并烧结或者从相邻的基底扫过以形成金刚石台面24，其中所述牺牲结构42形成金刚石台面24的凹入部34。然后可以移除整个牺牲结构42或者其一部分，比如通过喷沙、机械加工、酸浸出或另外的工艺，或者可以保持整个牺牲结构34或其一部分定位在凹入部中，以在钻进操作期间由地层移除。此夕卜，对于其中整个牺牲结构42或其一部分可以通过例如喷沙、机械加工、酸浸出或另外的工艺移除的实施方式，可以将金刚石台面24加工(比如通过EDM方法)成最终的几何形状。在一些实施方式中，所述牺牲结构42可以在凹入部34形成于金刚石台面中之后——比如在高压、高温(HPHT)处理之后——定位在金刚石台面中的凹入部34中。例如，牺牲结构42可以包括可以定位在金刚石台面的凹入部34内的聚合物、玻璃、陶瓷、金属陶瓷、耐火金属以及它们的组合中的一种或多种。鉴于此，切削元件20的切削面26在未使用的状态可以呈现基本平面的形状，并且牺牲结构42定位其中。在磨损后，牺牲结构42可以磨掉，可以露出凹入部34以用于在钻进操作期间与地层接合。在另外的实施方式中，在至少一部分烧结过程中，可以将粉末预成型件(比如包括包含在圆柱形铌杯中的粉末的金刚石)靠近成型模具定位，比如具有成型的凸起的模具。例如，在高压、高温(HPHT)处理期间，可以将粉末预成型件靠近成型模具(未示出)定位；在整个烧结循环中，可以保持由成型模具赋予的形状，以在金刚石台面24中形成凹入部34。在另外的实施方式中，由模具赋予的形状可以接近凹入部34的所需的最终形状，可以加工出凹入部34的最终形状——例如通过EDM方法，以获得最终的几何形状。可选地，在HTHP处理之后可以从金刚石台面24的硬的聚晶材料移除催化剂材料，正如本领域中公知的。例如，可以使用浸出方法来从金刚石台面24的硬的聚晶材料的相互键连接的晶粒之间的胞间隙移除催化剂材料。通过示例并且是非限定性的方式，可以使用比如那些在例如Bunting等人的美国专利号5，127，923(1992年7月7日授权)和Bovenkerk等人的美国专利号4，224，380(1980年9月23日授权)中更完全描述的浸出剂和方法来浸出聚晶材料。具体地，可以使用王水(浓硝酸(HN03)和浓盐酸(HCL)的混合物)来从金刚石台面24的硬的聚晶材料的相互键连接的晶粒之间的胞间隙至少基本移除催化剂材料。使用煮沸的盐酸(HCL)和煮沸的氟酸(HF)作为浸出剂也是公知的。一种特别合适的浸出剂是在110°C以上的盐酸(HCL)，根据包括硬的聚晶材料的本体的尺寸，可以使其与金刚石台面24的硬的聚晶材料接触2小时到60小时的时间。在浸出硬的聚晶材料之后，硬的聚晶材料内相互键连接的晶粒之间的胞间隙可以至少基本没有用于促进硬的聚晶材料中的晶粒之间的内部晶粒键的形成的催化剂材料。在一些实施方式中，浸出可以选择性地施加到金刚石台面的特殊区域，而不施加到其他区域。例如，在一些实施方式中，可以将遮盖物施加到金刚石台面24的预定区域，比如凹入部34或者金刚石台面24中的凹入部34的区域；可以仅浸出没有被遮盖的区域。此外，金刚石台面24的外表面可以通过物理方式修饰，比如通过抛光成平滑面或镜面。例如，金刚石台面24的外表面可以具有降低的粗糙度，比如2000年11月14日授权给Lund等人并转让给本申请的受让人的美国专利号6，145,608;1995年9月5日授权给Lund等人并转让给本申请的受让人的美国专利号5，447，208中描述的。在传统的PDC切削元件中，PDC的切削面或前表面可以磨平成20μ英寸(大约O.508μm)到40μ英寸(大约I.02μm)RMS(本文所称的所有表面光洁度都是RMS)的表面光洁度，其触摸起来相对平滑并且看起来是平面(如果切削面本身是平的)，但是其包括许多表面异常并且呈现出一定程度的粗糙，甚至在非常低的功率放大下肉眼容易看到，t匕如10倍珠宝放大镜。但是，可以将金刚石台面24的外表面处理成具有显著降低的表面粗糙度。作为非限制性示例，可以将金刚石台面24的外表面抛光成大约O.5μ英寸(大约O.0127μm)RMS的表面粗糙度。在一些实施方式中，通过使用悬浮在乙二醇、丙三醇或其他合适的承载液体中的逐渐变小的金刚石磨料粒将切削面在本领域中公知的传统的铸铁圈上磨平，可以减小金刚石台面24的表面的表面粗糙度。磨平可以以三步骤方法进行以70微米磨料粒开始，然后是40微米磨料粒，然后是尺寸上大约1-3微米的磨料粒。相反，PDC切削元件10的标准的磨平技术可以遵循切削面的初始放电研磨，以70微米研磨粒在一个步骤中完成磨平。至于磨料粒尺寸的对比,70微米磨料粒与细沙或晶体材料差不多，而1-3微米磨料粒与糖粉类似。在另外的实施方式中，可以通过使表面与干的转动的金刚石砂轮接触而降低金刚石台面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树脂粘结金刚石砂轮。当金刚石砂轮属于树脂粘结结构时砂轮的冷却是重要的。升高的温度可以导致砂轮的破坏。抛光方法的本质需要保持研磨表面干燥。但是，在抛光过程开始时可能用水打湿砂轮以减小阻力，并且便于金刚石台面24相对于砂轮的合适取向。此外，可能影响抛光的温度范围可以在大约140°F(大约60°C)和大约220°F(大约104°C)之间。虽然所使用的特殊的抛光器可以以大约3500RPM转动，据信大约3000RPM和大约5000RPM之间的范围可能是合适的。可以将大约21b.的力(大约O.9Kg)到大约81b.的力(大约3.6Kg)施加到抵靠砂轮的金刚石台面24。正如所指出的，金刚石台面24的外表面抛光可以变平滑到大约O.5μ英寸(大约O.0127μm)RMS或者接近真正“镜面”的更低的表面抛光粗糙度。使用前面提到的金刚石砂轮可能需要进行五十分钟到一个小时的抛光以在具有半英寸(大约I.27cm)直径的金刚石台面24的表面上实现这种抛光，对于名义上四分之三英寸(大约I.905cm)直径的金刚石台面24大约需要一个半到大约两个小时。所描述的用于抛光金刚石台面24的面的相同的方法还可以用于抛光斜切面32以及金刚石台面24的侧面。为了抛光这些表面，由基底22保持的金刚石台面24相对于转动的砂轮以所需的角度布置。然后可以使切削元件20相对于对称轴转动以打磨和抛光金刚石台面24的斜切面32或其他侧面区域。因此，可以打磨和抛光金刚石台面24的弯曲的、嵴状的、波纹的或其他切削面以移除或减少大的和小的表面粗糙，导致镜面抛光切削面一不过其在绝对意义上并不是平的。可以通过其他方法抛光切削元件切削表面(切削面、斜切面、侧面等等)，比如离子束或化学方法，不过金刚石内在的惰性化学特性可能使得化学方法用于金刚石多少存在困难。虽然工业标准的PDC或其他超硬切削元件可以借助上面描述的抛光手段而在切削面上具有大约20μ英寸(大约O.508μm)到40μ英寸(大约I.02μm)的不规则性或粗糙度(从表面垂直地测量)的打磨表面光洁度，但是一些实施方式可以具有大约O.3μ英寸EMS和大约O.5μ英寸(大约(XOUTym)RMS之间的金刚石台面24表面粗糙度。另外的实施方式可以具有大约O.4μ英寸(大约O.0102μm)RMS和大约O.6μ英寸(大约O.0152μm)RMS之间的金刚石台面24表面粗糙度。在另外的实施方式中，金刚石台面24可以具有小于大约10μ英寸(大约O.254μm)RMS的表面粗糙度。在另外的实施方式中，金刚石台面24可以具有小于大约2μ英寸(大约(XOSOSym)RMS的表面粗糙度。在另外的实施方式中，金刚石台面24可以具有小于大约O.5μ英寸(大约O.0127μm)RMS的表面粗糙度，接近真实的“镜面”抛光。金刚石台面24的前述的表面粗糙度的测量可以使用接触金刚石台面24表面的标定的HommelAmericaModelT-4000金刚石触针表面光度仪测量。由于上面描述的，可以对金刚石台面24的选定的表面进行抛光或打磨以具有减小的表面粗糙度。在一些实施方式中，切削面26的基本平的表面36可以具有减小的表面粗糖度。在另外的实施方式中，凹入部34的表面可以具有减小的表面粗糖度。在另外的实施方式中，金刚石台面24的整个切削面26可以具有减小的表面粗糙度。在另外的实施方式中，金刚石台面24的斜切面32和/或其他侧表面可以具有减小的表面粗糙度。在另外的实施方式中，金刚石台面24的所有的露出的表面可以具有减小的表面粗糙度。现参见图13，由地层56与凹入部34之间的相互作用产生的钻进力可以加重或增大金刚石台面24内的应力集中，使其高于在其他相同的、但是没有凹入部特征的PDC切削件的应力集中。因此，金刚石台面24与切削元件20的基底22之间的界面28的形状可以构造成有效地将由切削力产生的应力分布于金刚石台面24中的凹入部34中和周围，以提高切削元件20的结构完整性。例如，与金刚石台面24的切削面26中的凹入部34的形状对应的成型区48可以限定界面28的区域，比如图11中示出的。在一些实施方式中，界面28的成型区48可以由界面28处的基底22中的凹入部50和金刚石台面24的凸出部52限定。因此，界面28的成型区48可以提供金刚石台面24的基本均匀的厚度。在一些实施方式中，与金刚石台面24中的凹入部34对应的界面28的成型区48可以纵向地定位在金刚石台面24中的凹入部34的正下方。在另外的实施方式中，与金刚石台面24中的凹入部34对应的界面28的成型区48的至少一部分可以在凹入部34的相对于切削元件20的纵轴线54(图2)的径向向内的位置处定位于凹入部34之下。在另外的实施方式中，与金刚石台面24中的凹入部34对应的界面28的成型区48的至少一部分可以在凹入部34的相对于切削元件20的纵轴线54(图2)的径向向外的位置处定位于凹入部34之下，如图12中所示。这种结构可以对应于切削元件20相对于地层的运行的投影方向(projecteddirection)(正如在图12中由虚线标示出的)，因为该方向可以对应于在钻进操作期间施加到切削元件20上的切削力的主方向。换言之，界面的成型区的尺寸、形状和位置可以设计用来减小应力集中和/或提供足够的结构强度来承受可能由钻进操作导致的预期的应力集中。此外，金刚石台面的这种金刚石分层结构可以在成型区中进行调整，以抵消残余应力并提供金刚石台面24在成型区中的调整后的材料特性，比如调整后的强度和粗糙度。在上部井段钻进操作中——比如地表下第一钻头(FBUS)的钻进操作中，切削元件20的几何形状可以对给定深度的切削(DOC)提供改进的侵蚀性。当以高的切削深度在相对软的地层中钻进时一比如在FBUS钻进操作期间通常经历的地层，可以通过这里描述的切削元件20获得增加的侵蚀性，同时保证标准的后倾角，其可以增加切削元件20的耐久性和寿命。作为非限制性示例，在比如图13中示出的钻进操作中，可以设定高达O.15英寸(大约3.8mm)的D0C。地层56接触切削元件20的金刚石台面24的切削面26中的凹入部34的区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接触切削元件20。因此，切削元件20的有效倾角α可以小于切削元件20的后倾角Θ，从而导致增加的侵蚀性。此外，单个钻头本体11设计可以与不同的切削元件20设计结合，以提供具有相同钻头本体11设计、但是具有各种有效的倾角α的钻头10。例如，具有第一钻头本体的第一钻地钻头可以包括具有基本平的切削元件面的切削元件，其中没有形成凹入部，并且具有第一有效倾角Θ。具有与第一钻头本体相同设计的第二钻头本体的第二钻地钻头可以包括这样的切削元件在切削元件的面中具有正如这里描述的凹入部，并且可以具有第二有效倾角α，其不同于第一钻头的第一有效倾角。因此，通过改变凹入部的几何形状和位置，可以改变切削元件20的有效倾角α和侵蚀性，而钻头本体11的设计没有改变。在一些实施方式中，钻地工具上的切削深度限制部件可以定位成在钻地操作期间便于未被切削的地层与金刚石台面24的切削面中的凹入部34之间的相互作用。例如，钻地工具上的切削深度限制部件可以是图I中示出的钻头10的刀翼12的外表面和正如在2010年4月26日申请的名称是“BEARINGBLOCKSFORDRILLBITS,DRILLBITASSEMBLIESINCLUDINGBEARINGBLOCKSANDRELATEDMETHODS”的美国专利申请号12/766，988中所述的支承块部件的一种或多种。例如，切削深度限制部件可以定位成与金刚石台面24的切削面26中的凹入部34的最深部分对齐。因为切削元件20可以具有基本圆柱形的形状并且凹入部34可以具有基本环形的形状，所以其可以是从与切削深度限制部件对齐的钻地工具的本体进一步延伸远离的凹入部34的最深部分(即从钻头10的刀翼12延伸最远的那部分)。因此，未被切削的地层可以在钻进操作期间很好地接触金刚石台面24的切削面26到凹入部34中，使得凹入部34的最深的部分的径向向外定位(相对于切削元件20的主轴)的凹入部的弯曲或倾斜表面可以与未被切削的地层56相互作用并且提供所需的有效倾角αο实施方式I.一种钻地工具的切削元件，包括定位在基底上的金刚石台面；金刚石台面的切削面中的凹入部；在金刚石台面和基底之间的界面处的、位于基底中的、与金刚石台面的切削面中的凹入部对应的成型部件。2.根据实施方式I所述的切削元件，其中在金刚石台面和基底之间的界面处的、位于基底中的成型部件包括基底中的凹入部，基底中的该凹入部具有与金刚石台面的切削面中的凹入部的形状类似的形状。3.根据实施方式2所述的切削元件，其中基底中的该凹入部的至少一部分定位在金刚石台面的切削面中的凹入部相对于切削元件的纵轴线的径向向外位置和径向向内位置中的至少其中之一位置。4.根据实施方式1-3中之一所述的切削元件，其中所述凹入部沿着基本形成为圆的路径延伸。5.根据实施方式1-3中之一所述的切削元件，其中所述凹入部沿着基本形成为多边形的路径延伸。6.根据实施方式1-3中之一所述的切削元件，其中所述凹入部沿着基本形成为Reuleaux多边形的路径延伸。7.根据实施方式1-3中之一所述的切削元件，其中金刚石台面的切削面中的凹入部的横截面基本形成为圆弧。8.根据实施方式1-3中之一所述的切削元件，其中金刚石台面的切削面中的凹入部的横截面基本形成为椭圆弧。9.根据实施方式1-3中之一所述的切削元件，其中金刚石台面的切削面中的凹入部的横截面基本形成为对称V形。10.根据实施方式1-3中之一所述的切削元件，其中金刚石台面的切削面中的凹入部的横截面基本形成为非对称V形。11.根据实施方式1-3中之一所述的切削元件，其中金刚石台面包括具有小于大约10μ英寸RMS表面粗糙度的表面。12.根据实施方式11所述的切削元件，其中金刚石台面包括具有小于大约2μ英寸RMS表面粗糙度的表面。13.根据实施方式12所述的切削元件，其中金刚石台面包括具有小于大约O.5μ英寸RMS表面粗糙度的表面。14.一种钻地工具的切削元件，包括定位在基底上的金刚石台面；金刚石台面的切削面中的凹入部；定位在所述凹入部内的牺牲结构。15.根据实施方式14所述的切削元件，其中所述牺牲结构基本填满所述凹入部。16.根据实施方式14所述的切削元件，其中所述牺牲结构包括覆盖凹入部表面的材料层。17.根据实施方式14-16中之一所述的切削元件，其中所述牺牲结构包括陶瓷、金属陶瓷和耐火金属中的至少一种。18.根据实施方式14-17中之一所述的切削元件，其中所述牺牲结构包括碳化钨、氧化铝、钨、铌、钽、铪和钥中的至少一种。19.一种形成切削元件的方法，该方法包括将牺牲结构定位在模具中；将粉末状前体材料定位在所述牺牲结构上方；按压并烧结所述粉末状前体材料以形成具有由所述牺牲结构形成的切削面中的凹入部的金刚石台面。20.根据实施方式19所述的方法，还包括在用于任何钻进操作中之前从金刚石台面的切削面移除至少一部分所述牺牲结构。21.根据实施方式19和20之一所述的方法，还包括在钻进操作期间从金刚石台面的切削面移除至少一部分所述牺牲结构。22.一种钻地工具，包括至少一个切削元件，其包括定位在基底上的金刚石台面；金刚石台面的切削面中的凹入部；在金刚石台面和基底之间的界面处的、位于基底中的、与金刚石台面的切削面中的凹入部对应的成型部件。23.一种钻地工具，包括至少一个切削元件，其包括定位在基底上的金刚石台面；金刚石台面的切削面中的凹入部；以及定位在所述钻地工具上的切削深度限制部件，以便于在钻地操作期间未被切削的地层与金刚石台面的切削面中的凹入部之间的相互作用。24.根据实施方式23所述的钻地工具，其中所述切削深度限制部件与切削面中的凹入部的最深部分对齐。25.一种形成切削元件的方法，该方法包括靠近成型模具定位粉末状预成型件；按压并烧结所述粉末状预成型件，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刚石台面。26.根据实施方式1-13之一所述的切削元件，还包括定位在所述凹入部内的牺牲结构。27.根据实施方式14所述的切削元件，其中所述牺牲结构基本填满所述凹入部。28.根据实施方式14所述的切削元件，其中所述牺牲结构包括覆盖凹入部表面的材料层。29.根据实施方式26-28之一所述的切削元件，其中所述牺牲结构包括陶瓷、金属陶瓷和耐火金属中的至少一种。30.根据实施方式29所述的切削元件，其中所述牺牲结构包括碳化钨、氧化铝、钨、铌、钽、铪和钥中的至少一种。31.一种钻地工具,包括根据实施方式1-18和26-30之一所述的切削兀件。32.根据实施方式31所述的钻地工具，还包括定位在所述钻地工具上的切削深度限制部件，以便于在钻地操作期间未被切削的地层与金刚石台面的切削面中的凹入部之间的相互作用。33.根据实施方式32所述的钻地工具，其中所述切削深度限制部件与切削面中的凹入部的最深部分对齐。尽管前表面的描述包含了许多特征，但是这些特征并不构成对本发明的范围的限制，而只是提供了某些示例性的实施方式。类似地，可以构想到在本发明的范围内的本发明的其他实施方式。例如，这里参照一个实施方式描述的特征还可以与这里描述的其他实施方式的特征结合。因此本发明的范围仅由所附的权利要求和它们的合法等价方式表示和限定，并不是由前面的描述限定。本发明包括对正如这里披露的落入权利要求的意义和范围内的本发明的所有添加、删除和修改。权利要求1.一种钻地工具的切削元件，包括定位在基底上的金刚石台面；金刚石台面的切削面中的凹入部；在金刚石台面和基底之间的界面处的、位于基底中的、与金刚石台面的切削面中的凹入部对应的成型部件。2.根据权利要求I所述的切削元件，其中，在金刚石台面和基底之间的界面处的、位于基底中的成型部件包括基底中的凹入部，基底中的该凹入部具有与金刚石台面的切削面中的凹入部的形状类似的形状。3.根据权利要求2所述的切削元件，其中，基底中的该凹入部的至少一部分定位在金刚石台面的切削面中的凹入部相对于切削元件的纵轴线的径向向外位置和径向向内位置中的至少其中之一位置。4.根据权利要求1-3中之一所述的切削元件，其中，所述凹入部沿着基本形成为圆的路径延伸。5.根据权利要求1-3中之一所述的切削元件，其中，所述凹入部沿着基本形成为多边形的路径延伸。6.根据权利要求1-3中之一所述的切削元件，其中，所述凹入部沿着基本形成为Reuleaux多边形的路径延伸。7.根据权利要求1-3中之一所述的切削元件，其中，金刚石台面的切削面中的凹入部的横截面基本形成为弧。8.根据权利要求1-3中之一所述的切削元件，其中，金刚石台面的切削面中的凹入部的横截面基本形成为V形。9.根据权利要求1-3中之一所述的切削元件，其中，金刚石台面包括具有小于大约10μ英寸RMS表面粗糙度的表面。10.根据权利要求9所述的切削元件，其中，金刚石台面包括具有小于大约O.5μ英寸RMS表面粗糙度的表面。11.根据权利要求1-3之一所述的切削元件，还包括定位在所述凹入部内的牺牲结构。12.根据权利要求11所述的切削元件，其中，所述牺牲结构包括覆盖凹入部表面的材料层。13.根据权利要求11所述的切削元件，其中，所述牺牲结构包括陶瓷、金属陶瓷和耐火金属中的至少一种。14.根据权利要求13所述的切削元件，其中，所述牺牲结构包括碳化钨、氧化铝、钨、铌、钽、铪和钥中的至少一种。15.一种钻地工具，包括根据权利要求1-3之一所述的切削元件。16.根据权利要求15所述的钻地工具，还包括定位在所述钻地工具上的切削深度限制部件，以便于在钻地操作期间未被切削的地层与金刚石台面的切削面中的凹入部之间的相互作用。17.根据权利要求16所述的钻地工具，其中，所述切削深度限制部件与切削面中的凹入部的最深部分对齐。18.一种形成切削元件的方法，该方法包括将牺牲结构定位在模具中；将粉末状前体材料定位在所述牺牲结构上方；按压并烧结所述粉末状前体材料以形成在切削面中具有由所述牺牲结构形成的凹入部的金刚石台面。19.根据权利要求18所述的方法，还包括在用于任何钻进操作之前从金刚石台面的切削面移除至少一部分所述牺牲结构。20.根据权利要求18和19之一所述的方法，还包括在钻进操作期间从金刚石台面的切削面移除至少一部分所述牺牲结构。全文摘要本文描述了切削元件、具有这种切削元件的钻地钻头和相关的方法。在一些实施方式中，一种钻地工具的切削元件可以包括金刚石台面和在金刚石台面与基底之间的界面处的基底中的成型部件，该金刚石台面在其切削面中具有凹入部，该成型部件与金刚石台面的切削面中的凹入部对应。在另外的实施方式中，一种钻地工具的切削元件可以包括定位在金刚石台面中的凹入部内的牺牲结构。在另外的实施方式中，一种形成切削元件的方法可以包括将牺牲结构定位在模具中、将粉末状前体材料定位在所述牺牲结构上方以及按压并烧结所述粉末状前体材料以形成具有由所述牺牲结构形成的切削面中的凹入部的金刚石台面。文档编号B24D3/00GK102933785SQ201180026366公开日2013年2月13日申请日期2011年4月22日优先权日2010年4月23日发明者A·A·迪乔瓦尼,N·J·里昂,M·S·黑尔,J·H·利弗塞奇申请人:贝克休斯公司,六号元素(产品)(控股)公司