12/0132471 以及美国专利 N0.7，703，559 和8，091，655中找到，这些专利公开通过引用被结合于此。例如，某些旋转切割元件包括设置在外壳内部或者切割器凹口和保持机构内部的内部旋转切割元件。内部旋转切割元件的旋转可以通过侧向切割力和支承表面之间的摩擦力被控制。如果侧向切割力产生能够克服来自于摩擦力的扭矩，旋转部分发生旋转运动。侧向切割力可受到切割器侧倾角、后倾角和几何形状(包括这里公开的工作表面样式)的影响。此外，侧向切割力可受到切割元件部件表面的表面完工特性、地层的磨擦特性以及钻井参数例如切割深度的影响。支承表面上的摩擦力例如可受到表面完工特性、泥浆侵入等等的影响。这里公开的旋转切割元件的设计可被选择为确保侧向切割力克服摩擦力从而允许旋转部分发生旋转。本公开的各种设计考虑在下面与旋转切割元件的典型实施例一起进行描述。然而，本公开并不局限于此。本领域技术人员可以意识到任何能够围绕其自身轴线旋转的切割元件都可以用于本公开的钻头或其它切割工具。
[0044]根据本公开的实施例，井下切割工具可具有工具本体，工具本体具有从其中延伸通过的纵轴线和切割面。多个刀翼可以沿方位角方向从工具本体延伸，并且多个切割元件，包括至少一个旋转切割元件和至少一个圆锥形切割元件，可以设置在多个刀翼上。圆锥形切割元件可以设置在刀翼上的在钻井作业中经受高强度冲击的区域中，而旋转切割元件可以设置在刀翼上的经受高磨损的区域中。例如，多个圆锥形切割元件可以设置在一个或多个刀翼上的最接近于切割面的刀翼区域中，并且多个旋转切割元件可以设置在刀翼的剩余区域中。在其它实施例中，多个圆锥形切割元件可以设置在一个或多个刀翼上的最接近于纵轴线或者钻头的中心线的刀翼区域中，并且沿着切割面设置，而多个旋转切割元件可以设置在每个刀翼与圆锥形切割元件区域相邻的区域中。如这里使用的，圆锥形切割元件区域指的是在其中设置有圆锥形切割元件的区域，旋转切割元件区域指的是在其中设置有旋转切割元件的区域。
[0045]例如，图4示出了根据本公开的一个实施例的非平面切割元件(具体地为圆锥形切割元件，但是其它类型的切割元件也可以被用在一个或多个其它实施例中)和旋转切割元件在钻头上的布置。如图所示，钻头400具有钻头本体402，其具有从其中延伸通过的纵轴线405和钻头面404。多个刀翼410沿着钻头面404从纵轴线径向延伸并且沿着钻头本体402从钻头面404轴向延伸。特别地，图4所示的钻头具有多个主刀翼417和多个副刀翼418，其中，主刀翼417从比副刀翼418更接近纵轴线的点开始延伸。多个圆锥形切割元件420和多个旋转切割元件430设置在刀翼410上。如图所示，圆锥形切割元件420设置在至少一个刀翼410上的最接近于纵轴线405的刀翼410的区域中，旋转切割元件430设置在刀翼410的剩余区域中。圆锥形切割元件区域从纵轴线405开始围绕钻头面404延伸一个径向距离411，旋转切割元件区域沿着钻头本体402从圆锥形切割元件区域开始延伸一个距离。
[0046]切割工具的刀翼可包括单一类型的切割元件或者可包括多于一种类型的切割元件。例如，参照图4，主刀翼417具有两种类型的切割元件，即包括多个圆锥形切割元件420和多个旋转切割元件430，而副刀翼418具有一种类型的切割元件、即多个旋转切割元件430。然而，本公开并不局限于此。例如，根据某些实施例，刀翼可以仅仅包括圆锥形切割元件。在其它实施例中，刀翼可以包括多于两种类型的切割元件，例如圆锥形切割元件、旋转切割元件和固定切割器的组合，固定切割器例如可以设置在钻头的径规区域中。
[0047]此外，如图4所示，圆锥形切割元件420仅设置在主刀翼417上，其中，如旋转轮廓视图所示，圆锥形切割元件区域的径向距离与副刀翼418并不重叠。然而，根据其它实施例，圆锥形切割元件可以仅仅设置在选取的刀翼上以形成延伸一个与没有圆锥形切割元件的刀翼重叠的径向距离的圆锥形切割元件区域。在另一个其它实施例中，圆锥形切割元件可以设置在切割工具的所有刀翼上。在这样的实施例中，如旋转轮廓视图所示，形成在每个刀翼上的圆锥形切割元件区域可以径向均等设置，以使得每个刀翼上的圆锥形切割元件区域占据相同的区域。可选择地，如旋转轮廓视图所示，在圆锥形切割元件设置在切割工具所有的刀翼上的实施例中，形成在每个刀翼上的圆锥形切割元件可以不均等设置和/或延伸不同的径向距离，以使得圆锥形切割元件区域占据不同的区域。
[0048]根据本公开的实施例的圆锥形切割元件区域和旋转切割元件区域在图5的旋转轮廓视图中示出。特别地，钻头500的轮廓被示出其看起来使所有的刀翼510并且全部的切割元件的切割面旋转到单个旋转轮廓512。在旋转轮廓视图中，钻头500的所有刀翼510的刀翼顶形成并且限定出从纵轴线505开始朝向钻头500的外径并且沿着纵轴线505轴向延伸的组合或复合刀翼轮廓512。如图所示，刀翼轮廓512具有冠顶514，其设置在刀翼轮廓512轴向最上面的点上。应该注意到术语“最上面”为一个相对的用语并且用在图5中为图中最上面的部分。多个圆锥形切割元件520设置在位于纵轴线505和冠顶514之间的刀翼510的区域525中，其中，圆锥形切割元件区域525从纵轴线505开始延伸一径向距离。多个旋转切割元件530设置在与圆锥形切割元件区域525相邻的刀翼区域535中，其中，旋转切割元件区域535从圆锥形切割元件区域525开始沿着钻头本体延伸一距离。在某些实施例中，旋转切割元件区域535可以从圆锥形切割元件区域525开始延伸刀翼的剩余距离，在其它实施例中，旋转切割元件区域535可以从圆锥形切割元件区域525开始延伸一小于刀翼的剩余距离的距离。
[0049]根据某些实施例，非平面切割元件区域可以从纵轴线开始到冠顶延伸整个距离。如上面所述，轮廓部分的冠顶基本上与垂直于钻头轴线的平面正切。然而，在其它实施例中，非平面切割元件区域可以延伸设置在纵轴线和冠顶之间的一部分距离，例如如图5所示的非平面切割元件区域525。例如，非平面切割元件区域可以从偏离纵轴线的位置开始向冠顶延伸，从偏离纵轴线的位置开始延伸一个相对于冠顶径向靠内的距离，或者从纵轴线开始延伸一个相对于冠顶径向靠内的距离。因此，根据本公开的实施例，非平面切割元件区域可以在纵轴线和冠顶之间的钻头面区域内的各个位置延伸各种径向距离。
[0050]此外，在钻头纵轴线505上或附近，非平面切割元件(在一个实施例中为圆锥形)可作为中心核心元件524被包括在内。这种核心元件直接地附接到位于形成在刀翼之间的空腔内的钻头本体上，而不是刀翼上(圆锥形切割元件520和旋转切割元件被附接于刀翼上)。根据本公开，中心非平面核心元件524可以被设定为其顶点比第一径向切割元件522 (无论是非平面切割元件还是其它类型的切割元件)的切割边缘低。在一个特殊的实施例中，圆锥形核心元件的顶点的高度可低于第一径向切割元件的切割边缘，在某些实施例中低O到I英寸，在其它实施例中低0.1到0.35倍的钻头直径，或者到0.1倍的钻头直径。此外，圆锥形核心元件的圆锥角可在某些实施例中为60到120度，在其它实施例中为80到90度。圆锥形核心元件的直径可为0.25到1.5英寸，并且在其它实施例中为0.3到0.7英寸。此外，偏离切割边缘的高度与圆锥形切割元件的直径的比可从大约0.1到6或者在其它实施例中从大约0.5到3。此外，在其中设置有圆锥形核心元件的中心核心或空腔(即，多个刀翼之间的区域)的直径可达到非平面核心元件直径的3倍。核心元件同样在转让本受让人的美国专利申请N0.13/528,518中进行描述，该申请整体通过引用被结合于此。
[0051]非平面核心元件可以设置在钻头中心线上或者邻近于钻头中心线，即间隔距离从O到非平面核心镶嵌件的半径值(对于对称镶嵌件)。然而，本公开还包括使用非对称非平面核心镶嵌件(与图8所示的形状类似)，在这种情况下，距离钻头中心线的距离可以从零到非平面核心镶嵌件的半径与圆锥切割端的顶点和镶嵌件中心线之间的偏移量之和。此夕卜，尽管图5所示的实施例示出了非平面核心元件524被镶嵌成使其轴线与钻头纵轴线505同轴或平行，但同样位于本公开的范围内的是核心非平面镶嵌件的中心线与钻头纵轴线成一角度。当使用非对称非平面核心镶嵌件时，这种成一角度的镶嵌可能是有用的。此外，非平面核心镶嵌件可以镶嵌到钻头中心区域的孔中以使得非平面核心元件524的圆柱状基底526从钻头表面的向上的尺度为±0.1英寸，并且优选地在各个实施例中与钻头表面平齐。
[0052]根据本公开，第一径向切割元件522可以为圆锥形切割元件。在特殊的实施例中，这种圆锥形切割元件的圆形顶点的曲率半径可为0.010