到0.125英寸。在某些实施例中，圆锥形切割元件在第一径向位置的曲率半径的变化范围的下限可为0.01, 0.02, 0.04, 0.05, 0.06或者0.075英寸中任意一个，上限可为0.05，0.06，0.075，0.085，0.10或者0.0125英寸中任意一个。此外，特殊的实施例可以使用非对称或倾斜的切割元件，如图8所示，其中，圆锥形切割元件128的圆锥形切割端部135的轴线与基材134的轴线不同轴。此外，还可期望的是，按照特定的方向倾角将圆锥形切割元件放置在刀翼上(对于给定的非对称度以及特定圆锥形切割元件的圆锥角)，以使得在圆锥形切割元件的径向最内部分和平行于钻头纵轴线的线之间形成有一角度。在各个实施例中，该角度可以为4到45度。在其它实施例中，该角度可以大于O度。在某些实施例中，该角度变化范围的下限可为0，2，5，10，15，20或30度中的任意一个，上限可为15，20，25，30，35，40或45度中的任意一个，其中，任何的下限都可以与任何的上限组合使用。通过将圆锥形切割元件放置在这样的径向位置，由于圆锥形切割元件能够在岩芯中产生凹口而可使得形成在钻头中心区域中的岩芯的芯强度变弱。
[0053]参照图9，本发明的发明人发现将旋转切割元件930与非平面切割元件920组合使用能够使单个钻头具有两种类型的切割动作(由虚线表示):如图9示意性地示出，由非平面切割元件920对地层进行的压力压裂或刨削产生的切割，以及由旋转切割元件930对地层进行的剪切产生的切割。
[0054]通常，当将旋转切割元件设置在井下切割工具、例如钻头或铰刀扩孔器的刀翼上时，旋转切割元件可以嵌入到切割器凹口(或者在非平面切割元件的情况下的孔)中以改变切割器碰击地层的角度。例如，切割器的后倾角(即垂直方位)和侧倾角(即侧向方位)可以被调整。通常，后倾角被限定为形成在旋转切割元件142的切割面和与正被切割的地层材料正交的线之间的角度150。如图10所示，在旋转切割元件142具有零度的后倾角的情况下，切割面44基本上垂直于或正交于地层材料。当从地层材料测量时，具有负的后倾角150的切割器142的切割面44以小于90°的角与地层材料接合。类似地，当从地层材料测量时，具有正的后倾角的旋转切割元件的切割面以大于90°的角与地层材料接合。根据本公开的各个实施例，旋转切割元件的负的后倾角可为>5度，>10度，>15度，>20度，>25度，>30度，和/或〈10度，〈15度，<20度，〈25度，〈30度，〈35度，其中，任意的上限可以与任意的下限组合使用。
[0055]此外，在一个实施例中，旋转切割元件的侧倾角范围可为O到±45度，例如5到±35度，10到±35度或者15到±30度。在一个特殊的实施例中，侧倾角的方向(正或负)可以基于切割元件的分布而进行选取，即，根据旋转切割元件是以前螺旋还是以后螺旋结构布置进行选取。此外，侧倾角可以基于切割元件沿着刀翼的位置(例如在圆锥区域中，肩部区域中，冠顶区域中，等等)而进行选取。例如，在某些实施例中，放置在钻头的冠顶和/或肩部区域中的每个旋转切割元件的侧倾角的范围可为10到30度或者-10到-30度。在其它实施例中，放置在钻头的冠顶和/或肩部区域中的每个旋转切割元件的侧倾角范围可为20到30度或者-20到-30度。在某些实施例中，径向上位于肩部外侧、即径规区域中的旋转切割元件的侧倾角的范围可为5到35度或-5到-35度。在更特殊的实施例中，径规区域中的旋转切割元件可以为>5度，>10度，>15度，>20度，>25度，>30度，和/或〈10度，〈15度，〈20度，〈25度，〈30度，〈35度，其中，任意的这些角度可以为正的或负的，并且任意的上限可以与任意的下限组合使用。此外，在某些实施例中，旋转切割元件可以放置在钻头的圆锥区域中，侧倾角可小于20度或者在更特殊的实施例中为10到15度。在各个实施例中，切割元件可以固定地连接或者可以滚动，但是如果固定或滚动的话可以具有这样的侧倾角。可以明确地理解的是，任意区域的任何侧倾角都可以单独使用或者与其它区域的任何其它范围组合使用。
[0056]然而，非平面切割元件不具有切割面，因此非平面切割元件的方位必须被不同地定义。当考虑圆锥形切割元件的方位时，除了切割元件本体的垂直或侧向方位，切割端的非平面几何形状还会影响非平面切割元件如何以及以什么样的角度碰击地层。具体地，除了影响非平面切割元件与地层相互作用的侵蚀性之外，切割端几何形状(具体地为，几何形状类型，顶点角度，曲率半径)明显地影响了非平面切割元件撞击地层的侵蚀性。在如图11所示的圆锥形切割元件的情况下，后倾角被定义为形成在圆锥形切割元件144的轴线(具体地为圆锥形切割端的轴线)和与正被切割地层材料正交的线之间的角度150。如图11所示，对于后倾角为零的圆锥形切割元件144来说，圆锥形切割元件144的轴线基本上垂直于或正交于地层材料。当从地层材料测量时，具有负的后倾角角度150的圆锥形切割元件144的轴线与地层材料成小于90°的角度接合。类似地，当从地层材料测量时，具有正的后倾角角度150的圆锥形切割元件144的轴线与地层材料成大于90°的角度接合。这种方位可以被用于描述所有的非平面切割元件的后倾角。在一个特殊的实施例中，非平面切割元件的后倾角角度可以为零，或者在其它实施例中可以为负的或正的。在实施例中，非平面切割元件的后倾角范围可为-35到35度，在其它实施例中可为-10到10度，在另外的其它实施例中，可为零到10度，在另外的其它实施例中可为-5到5度。此外，在这里公开的实施例中使用的非平面切割元件的后倾角角度可以从这些范围内的一个或多个后倾角角度的组合中选取。
[0057]除了轴线相对于地层的方位以外，非平面切割元件的侵蚀性还可依赖于顶点角，或者具体地依赖于地层和非平面切割元件的前缘部分之间的角度。对于圆锥形切割元件(然而，应用于所有的非平面形状，包括其它尖的或圆顶形状)来说，由于圆锥形切割元件具有圆锥形状，因而不存在前缘；然而，圆锥形切割表面的前缘线可以被确定为圆锥形切割元件随着钻头的旋转沿着圆锥形切割端表面在每个轴向点上最前的点。换种方式，如图12所示，示出沿着钻头旋转方向的平面截出的圆锥形切割元件的剖视图。在该平面中的圆锥形切割元件144的前缘线145可被看作与地层相关。圆锥形切割元件144的冲击角被定义为形成在圆锥形切割元件144的前缘线145和正被切割的地层之间的角度155。冲击角会根据后倾角和圆锥角变化，由此，圆锥形切割元件的冲击角可以被计算为后倾角加上一半的圆锥角(即，冲击角=(0.5*圆锥角)+后倾角)，其中，如果如图11所示后倾角150为负，那么该公式将向(0.5*圆锥角)值增加负值。在实施例中，冲击角155的范围可为大约5到100度，并且在其它实施例中可为大约20到65度。此外，在这里公开的实施例中的圆锥形切割元件(或者其它非平面切割元件)的冲击角可以从这些范围内选取。
[0058]例如，非平面切割元件区域和旋转切割元件区域的组合，例如如上所述的那些组合，可以用在诸如刮刀钻头(例如如图4所示)、铰刀扩孔器或双心钻头之类的井下切割工具上。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端。如这里使用的，井下工具的切割端指的是工具与井眼底部接触并且切割底部的纵向端部，而连接端与切割端相反并且与将工具连接到地上设备的钻柱最接近。多个刀翼可从工具本体在方位角上延伸，并且多个切割元件可设置在多个刀翼上。切割元件包括至少一个旋转切割元件和至少一个非平面切割元件，其中，该至少一个非平面切割元件位于最接近于切割端的刀翼区域中。在一个或多个实施例中，非平面切割元件可以是圆锥形切割元件或其它尖形切割元件。
[0059]例如，在某些实施例中，井下切割工具可以是具有工具本体的双心钻头，其中，工具本体具有位于工具的切割端的引导段以及在纵向上偏离引导段的铰刀扩孔器段。多个引导刀翼可从工具本体的引导段延伸，并且多个铰刀扩孔器刀翼可从工具本体的铰刀扩孔器段延伸。例如，图13示出了根据本公开的实施例的双心钻头的侧视图。如图所示，双心钻头101包括引导段106，所述引导段106具有从其延伸的引导刀翼108和位于引导刀翼108的轴向上远离钻头101的切割端103的端部处的径规垫112。铰刀扩孔器段107具有从其延伸的铰孔刀翼111并且径规垫117与引导段106纵向偏离。如图所示，引导段106与铰刀扩孔器段107分离开一个纵向距离，该纵向距离可以包括间隔器102。然而，其它双心钻头可以具有与铰刀扩孔器段相邻的引导段。多个非平面切割