ES2622952T3

ES2622952T3 - Método de formación de cuerpos para herramientas barrenadoras de perforación terrestre que comprenden técnicas de moldeo y sinterización y cuerpos intermedios para herramientas de perforación terrestre formadas usando tal método

Info

Publication number: ES2622952T3
Application number: ES09835631.4T
Authority: ES
Inventors: Jimmy W. Eason
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2017-07-10
Anticipated expiration: 2029-12-17
Also published as: EP2379255B1; PL2379255T3; CA2747738C; RU2536579C2; MX2011006123A; US10118223B2; US9139893B2; EP2379255A4; RU2011129854A; WO2010075154A3; US20150306663A1; US20100154587A1; EP2379255A2; CA2747738A1; MX336890B; WO2010075154A2

Abstract

Un método de fabricación de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre, que comprende: formar una mezcla de polvo mediante el mezclado de partículas duras, partículas de matriz que comprenden un material de matriz de metal y una alquilenpoliamina; inyectar de forma mecánica la mezcla de polvo en una cavidad de molde que tiene una forma que se corresponde con al menos una porción de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre; aplicar una presión de entre 0,07 MPa (10 psi) y 0,7 MPa (100 psi) a la mezcla de polvo dentro de la cavidad de molde para formar un cuerpo en verde; y sinterizar el cuerpo en verde para formar al menos una porción de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

DESCRIPCION

Metodo de formacion de cuerpos para herramientas barrenadoras de perforacion terrestre que comprenden tecnicas de moldeo y sinterizacion y cuerpos intermedios para herramientas de perforacion terrestre formadas usando tal metodo.

Campo tecnico

Las realizaciones de la presente invencion se refieren, en general, a metodos de formacion de cuerpos de herramientas para su uso en la formacion de pozos de perforacion en yacimientos terrestres subterraneos, y a estructuras formadas por tales metodos.

Antecedentes

Se forman pozos de perforacion en yacimientos terrestres subterraneos para muchos fines incluyendo, por ejemplo, extraccion de petroleo y gas y extraccion de energla geotermica. Muchas herramientas se usan en la formacion y en la finalizacion de pozos de perforacion en yacimientos terrestres subterraneos. Por ejemplo, las barrenas de perforacion terrestre tales como barrenas de perforacion rotatorias, incluyendo, por ejemplo, las as! denominadas barrenas de perforacion “de fresa fija”, las barrenas de perforacion “de cono de rodillos” y las barrenas de perforacion “de diamante impregnado” con frecuencia se usan para perforar un pozo de perforacion en un yacimiento terrestre. Las barrenas de extraccion de testigos o extractoras de testigos, las barrenas excentricas y las barrenas de doble centro son tipos adicionales de barrenas de perforacion rotatorias que se pueden usar en la formacion y en la finalizacion de pozos de perforacion. Se pueden usar otras herramientas de perforacion terrestre para agrandar el diametro de un pozo de perforacion previamente perforado con una barrena de perforacion. Tales herramientas incluyen, por ejemplo, los as! denominados “escariadores” y “escariadores ensanchadores”. Se pueden usar otras herramientas en la finalizacion de pozos de perforacion incluyendo, por ejemplo, herramientas de fresado o “fresadoras”, que se pueden usar para formar una abertura en una seccion de tuberla de revestimiento o revestida que se ha proporcionado dentro de un pozo de perforacion previamente perforado. Tal como se usa en el presente documento, la expresion “herramientas de perforacion terrestre” quiere decir e incluye cualquier herramienta que se pueda usar en la formacion y en la finalizacion de un pozo de perforacion en un yacimiento terrestre, incluyendo las herramientas mencionadas en lo que antecede.

Las herramientas de perforacion terrestre se someten a fuerzas extremas durante su uso. Por ejemplo, las barrenas de perforacion rotatorias de perforacion terrestre se pueden someter a altas fuerzas longitudinales (el as! denominado “peso sobre la barrena” (WOB, “weight on bit")), as! como a altas fuerzas de torsion. Los materiales a partir de los cuales se fabrican las herramientas de perforacion terrestre han de ser capaces de soportar tales fuerzas mecanicas. Ademas, las barrenas de perforacion rotatorias de perforacion terrestre se pueden someter a abrasion y erosion durante su uso. El termino “abrasion” se refiere a un mecanismo de desgaste de tres cuerpos que incluye dos superficies de materiales solidos que se deslizan mas alla uno del otro con material de partlculas solidas entre los mismos, tal como se puede presentar cuando una superficie de una barrena de perforacion se desliza mas alla de una superficie adyacente de un yacimiento terrestre con detritos o material de partlculas entre los mismos durante una operacion de perforacion. El termino “erosion” se refiere a un mecanismo de desgaste de dos cuerpos que tiene lugar cuando el material de partlculas solidas, un fluido o un fluido que porta material de partlculas solidas choca sobre una superficie solida, tal como se puede presentar cuando el fluido de perforacion se bombea a traves y

alrededor de una barrena de perforacion durante una operacion de perforacion. Los materiales a partir de los cuales

se fabrican las barrenas de perforacion terrestre tambien han de ser capaces de soportar las condiciones abrasivas y de erosion experimentadas dentro del pozo de perforacion durante una operacion de perforacion.

Los requisitos de material para las herramientas de perforacion terrestre son relativamente exigentes. Muchas herramientas de perforacion terrestre se fabrican a partir de materiales compuestos que incluyen una fase dura discontinua que se dispersa a traves de una fase de matriz continua. La fase dura se puede formar usando partlculas duras, y, como resultado, con frecuencia se hace referencia a los materiales de composicion como “materiales compuestos de matriz de partlculas”. La fase dura de tales materiales compuestos puede comprender, por ejemplo, diamante, carburo de boro, nitruro de boro, nitruro de aluminio, nitruro de silicio, y carburos o boruros de W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Zr, Si, Ta y Cr. El material de matriz de tales materiales compuestos puede comprender, por ejemplo, aleaciones a base de cobre, aleaciones a base de hierro, aleaciones a base de nlquel, aleaciones a base de cobalto, aleaciones a base de titanio y aleaciones a base de aluminio. Tal como se usa en el presente

documento, la expresion “aleacion a base de [metal]” (en la que [metal] es un metal) quiere decir [metal]

comercialmente puro ademas de aleaciones de metal en las que el porcentaje en peso del [metal] en la aleacion es mas grande o igual que el porcentaje en peso de todos los otros componentes de la aleacion de forma individual.

Los cuerpos de las herramientas de perforacion terrestre pueden ser unas estructuras relativamente grandes que pueden tener unos requisitos de tolerancia dimensional relativamente ajustados. Como resultado, los metodos que se usan para fabricar tales cuerpos de herramientas de perforacion terrestre han de ser capaces de producir unas estructuras relativamente grandes que cumplan con los requisitos de tolerancia dimensional relativamente ajustados.

Debido a que los materiales a partir de los cuales se pueden fabricar las herramientas de perforacion terrestre han de ser resistentes a la abrasion y a la erosion, los materiales no se pueden mecanizar facilmente usando tecnicas de torneado, rectification y perforacion convencionales. Por lo tanto, el numero de tecnicas de fabrication que se pueden usar para fabricar con exito tales cuerpos de herramientas de perforacion terrestre esta limitado. Ademas, 5 puede ser diflcil o imposible formar un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre a partir de ciertos materiales compuestos usando ciertas tecnicas. Por ejemplo, puede ser diflcil fabricar cuerpos de barrenas para barrenas de perforacion rotatorias de perforacion terrestre que comprenden ciertas composiciones de materiales compuestos de matriz de partlculas usando tecnicas de fabricacion de infiltration convencionales, en las que un lecho de partlculas duras se infiltra con material de matriz fundida, la cual se deja enfriar y solidificar 10 subsiguientemente.

Como un resultado de estas y otras limitaciones de los materiales y limitaciones de las tecnicas de fabricacion, las herramientas de perforacion terrestre se pueden fabricar usando materiales que no son optimos o se pueden fabricar usando tecnicas que no son economicamente factibles para una production a gran escala.

El documento GB 2 365 025 A divulga piezas insertadas de barrenas para roca que tienen un revestimiento 15 resistente al desgaste que se forma al realizar una mezcla modelable de uno o mas polvos que estan seleccionados de entre cermets, carburos, boruros, nitruros, carbonitruros y metales refractarios con un agente de aplicacion (por ejemplo, un aglutinante de pollmero), modelar y aplicar la mezcla sobre una superficie de la pieza insertada y sinterizar la mezcla mediante la presurizacion de la misma a una temperatura elevada. La sinterizacion se realiza a unas presiones en el intervalo de 69 a 120 MPa y a unas temperaturas en el intervalo de 1000 - 1500 °C. El 20 aglutinante de pollmero puede ser una mezcla de polipropileno, cera de parafina y acido estearico. A continuation, la mezcla resultante se granula para dar unos granulos que tienen un tamano de partlcula deseado, y los granulos se cargan en una maquina de moldeo por inyeccion que se opera a aproximadamente 150 °C. El moldeo por inyeccion se lleva a cabo en unas condiciones de baja presion, por ejemplo, a menos de aproximadamente 50 MPa, o en unas condiciones de alta presion, a mas de aproximadamente 50 MPa. Los granulos se conforman en un molde, despues 25 de lo cual la parte en verde se consolida y se sinteriza mediante un proceso de alta temperatura / alta presion.

A la vista de lo anterior, el objeto de la invention es la provision de nuevas tecnicas de fabricacion que se puedan usar para fabricar herramientas de perforacion terrestre dentro de unas tolerancias dimensionales deseables, y que tambien se puedan usar para fabricar herramientas de perforacion terrestre que comprendan unos materiales que muestren una resistencia al desgaste y una resistencia a la erosion relativamente elevadas.

30 El presente objeto se logra por medio de un metodo que comprende las caracterlsticas de la reivindicacion 1. En las reivindicaciones 2 a 16 se reivindican formas preferidas de llevar a cabo el metodo de la invencion.

En la reivindicacion 17 se reivindica una estructura intermedia correspondiente.

Divulgation de la invencion

35 En algunas realizaciones, la presente invencion incluye metodos para fabricar cuerpos de herramientas de perforacion terrestre en los que una mezcla de polvo se inyecta de forma mecanica en una cavidad de molde para formar un cuerpo en verde, y el cuerpo en verde se sinteriza para formar al menos una portion de un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre. La mezcla de polvo se puede formar mediante el mezclado de partlculas duras, partlculas de matriz que comprenden un material de matriz de metal y un material organico. A medida que la mezcla 40 de polvo se inyecta en la cavidad de molde, se puede aplicar presion a la mezcla de polvo para formar un cuerpo en verde, el cual se puede sinterizar para formar al menos una porcion de un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre. Tal como se usa en el presente documento, el termino “cuerpo” es inclusivo y no exclusivo, y contempla varios componentes de herramientas de perforacion terrestre diferentes de, y ademas de, un “cuerpo” de herramienta en si.

45 En algunas realizaciones adicionales de la presente invencion, los cuerpos de barrenas de perforacion rotatorias de perforacion terrestre se fabrican por moldeo por inyeccion de un cuerpo de barrena en verde que comprende una pluralidad de partlculas duras, una pluralidad de partlculas de matriz que comprenden un material de matriz de metal y un material organico, y los cuerpos de barrena en verde se sinterizan para formar un cuerpo de barrena, al menos sustancialmente, completamente denso de una barrena de perforacion rotatoria de perforacion terrestre.

50 Algunas realizaciones adicionales de la presente invencion incluyen unas estructuras formadas a traves de tales metodos. Por ejemplo, algunas realizaciones de la presente invencion tambien incluyen unas estructuras intermedias formadas durante la fabricacion de un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre. Las estructuras intermedias comprenden un cuerpo en verde que tiene una forma que se corresponde con un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre. El cuerpo en verde incluye una pluralidad de partlculas duras, una pluralidad de 55 partlculas de matriz que comprenden un material de matriz de metal y un material organico que incluye un derivado de acido graso de cadena larga.

Breve descripcion de los dibujos

A pesar de que la memoria descriptiva concluye con unas reivindicaciones que senalan en concreto y que reivindican con claridad lo que se considera como la presente invencion, las ventajas de la presente invention se pueden establecer mas facilmente a partir de la descripcion de la invencion cuando se lea junto con los dibujos 5 adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista en perspectiva de una realization de una barrena de perforation rotatoria de perforation terrestre que incluye un cuerpo de barrena que se puede formar de acuerdo con algunas realizaciones de los metodos de la presente invencion;

la figura 2 es una ilustracion esquematica que se usa para describir realizaciones de los metodos de la presente 10 invencion en los que se usa un proceso de moldeo por inyeccion para formar un cuerpo en verde que se puede sinterizar para formar un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre;

la figura 3 es una ilustracion esquematica que se usa para describir realizaciones de los metodos de la presente invencion en los que se usa un proceso de moldeo por transferencia para formar un cuerpo en verde que se puede sinterizar para formar un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre;

15 la figura 4 es una ilustracion simplificada de un cuerpo en verde de una herramienta de perforacion terrestre que se puede formar usando realizaciones de los metodos de la presente invencion;

la figura 5 es una ilustracion simplificada de un cuerpo en marron de una herramienta de perforacion terrestre que se puede formar al sinterizar parcialmente el cuerpo en verde que se muestra en la figura 4; y

la figura 6 es una ilustracion simplificada de otro cuerpo en marron de una herramienta de perforacion terrestre que 20 se puede formar al mecanizar el cuerpo en marron que se muestra en la figura 5.

Modo o modos para llevar a cabo la invencion

Las ilustraciones que se presentan en el presente documento no tienen por objeto ser vistas reales de material, aparato, sistema o metodo particular alguno, sino que son meramente representaciones idealizadas que se emplean para describir la presente invencion. Adicionalmente, los elementos comunes entre figuras pueden conservar la 25 misma designation numerica.

Algunas realizaciones de la presente invencion incluyen metodos para formar un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre tal como, por ejemplo, un cuerpo de barrena de una barrena de perforacion rotatoria de perforacion terrestre. La figura 1 es una vista en perspectiva de una barrena de perforacion rotatoria de perforacion terrestre 10 que incluye un cuerpo de barrena 12 que se puede formar usando realizaciones de los metodos de la 30 presente invencion. El cuerpo de barrena 12 se puede asegurar a una espiga 14 que tiene una portion de conexion roscada 16 (por ejemplo, una porcion de conexion roscada del Instituto Americano del Petroleo (API, American Petroleum Institute) para conectar la barrena de perforacion 10 a una sarta de perforacion (que no se muestra). En algunas realizaciones, tales como la que se muestra en la figura. 1, el cuerpo de barrena 12 se puede asegurar a la espiga 14 usando una extension 18. En otras realizaciones, el cuerpo de barrena 12 se puede asegurar 35 directamente a la espiga 14. Algunos metodos y estructuras que se pueden usar para asegurar el cuerpo de barrena

12 a la espiga 14 se describen, por ejemplo, en la solicitud de patente de EE. UU. pendiente con n.° de serie 11/271.153, que fue presentada el 10 de noviembre de 2005, y en la solicitud de patente de EE. UU. pendiente con n.° de serie 11/272.439 que tambien fue presentada el 10 de noviembre de 2005, ambas de las cuales estan asignadas al cesionario de la presente invencion.

40 El cuerpo de barrena 12 puede incluir pasajes de fluido internos (que no se muestran) que se extienden entre la cara

13 del cuerpo de barrena 12 y un diametro interior longitudinal (que no se muestra), el cual se extiende a traves de la espiga 14, la extension 18 y parcialmente a traves del cuerpo de barrena 12. Tambien se pueden proporcionar unas piezas insertadas de tobera 24 en la cara 13 del cuerpo de barrena 12 dentro de los pasajes de fluido internos. El cuerpo de barrena 12 puede incluir ademas una pluralidad de cuchillas 26 que estan separadas por unas ranuras

45 para desperdicios 28. En algunas realizaciones, el cuerpo de barrena 12 puede incluir unos obturadores de desgaste de calibre 32 y unos nodulos de desgaste 38. Una pluralidad de elementos de corte 20 (que pueden incluir, por ejemplo, elementos de corte de PDC) se puede montar en la cara 13 del cuerpo de barrena 12 en unas cavidades de elemento de corte 22 que estan ubicadas a lo largo de cada una de las cuchillas 26. El cuerpo de barrena 12 de la barrena de perforacion rotatoria de perforacion terrestre 10 que se muestra en la figura 1 puede comprender un 50 material compuesto de matriz de partlculas que incluye partlculas duras (una fase discontinua) dispersadas dentro de un material de matriz metalica (una fase continua).

En terminos generales, los metodos comprenden inyectar una mezcla de polvo en una cavidad dentro de un molde

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

para formar un cuerpo en verde, y el cuerpo en verde se puede sinterizar entonces hasta una densidad final deseada para formar un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre. Se hace referencia con frecuencia en la tecnica a tales procesos como procesos de moldeo por inyeccion de metal (MIM, metal injection molding) o de moldeo por inyeccion de polvo (PIM, powder injection molding). La mezcla de polvo se puede inyectar de forma mecanica en la cavidad de molde usando, por ejemplo, un proceso de moldeo por inyeccion o un proceso de moldeo por transferencia. Para formar una mezcla de polvo para su uso en algunas realizaciones de los metodos de la presente invencion, una pluralidad de partlculas duras se puede mezclar con una pluralidad de partlculas de matriz que comprenden un material de matriz de metal. Tambien se puede incluir un material organico en la mezcla de polvo. El material organico puede comprender un material que actua como lubricante para ayudar a la compactacion de partlculas durante un proceso de moldeo.

Las partlculas duras de la mezcla de polvo pueden comprender diamante, o pueden comprender materiales de ceramica tales como carburos, nitruros, oxidos y boruros (incluyendo carburo de boro (B4C)). De manera mas especlfica, las partlculas duras pueden comprender carburos y boruros formados de elementos tales como W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Ta, Cr, Zr, Al y Si. A modo de ejemplo y no de limitacion, materiales que se pueden usar para formar partlculas duras incluyen carburo de tungsteno, carburo de titanio (TiC), carburo de tantalo (TaC), diboruro de titanio (TiB2), carburo de cromo, nitruro de titanio (TiN), oxido de aluminio (AhO3), nitruro de aluminio (AIN), nitruro de boro (BN), nitruro de silicio (Si3N4) y carburo de silicio (SiC). Ademas, se pueden usar combinaciones de diferentes partlculas duras para adaptar las caracterlsticas y las propiedades flsicas del material compuesto de matriz de partlculas. Las partlculas duras se pueden formar usando tecnicas conocidas por los expertos en la materia. Muchos materiales adecuados para partlculas duras se encuentran comercialmente disponibles y la formacion del resto se encuentra dentro de la capacidad de un experto en la materia.

Las partlculas de matriz de la mezcla de polvo pueden comprender, por ejemplo, aleaciones a base de cobalto, a base de hierro, a base de nlquel, a base de aluminio, a base de cobre, a base de magnesio y a base de titanio. El material de matriz tambien se puede seleccionar de entre elementos comercialmente puros tales como cobalto, aluminio, cobre, magnesio, titanio, hierro y nlquel. A modo de ejemplo y no de limitacion, el material de matriz puede incluir acero al carbono, acero de aleacion, acero inoxidable, acero para herramientas, acero de manganeso de tipo Hadfield, nlquel o material de super aleacion de cobalto, y aleaciones a base de hierro o de nlquel de baja dilatacion termica tales como INVAR®. Tal como se usa en el presente documento, la expresion “super aleacion” se refiere a aleaciones, hierro, nlquel y cobalto que tienen al menos un 12 % de cromo en peso. Las aleaciones ejemplares adicionales que se pueden usar como material de matriz incluyen aceros austenlticos, super aleaciones a base de nlquel tales como INCONEL® 625 M o Rene 95, y aleaciones tipo INVAR® que tienen un coeficiente de dilatacion termica que concuerda estrechamente con el de las partlculas duras que se usan en el material compuesto de matriz de partlculas particular. Hacer que el coeficiente de dilatacion termica del material de matriz concuerde mas estrechamente con el de las partlculas duras, ofrece ventajas tales como la reduction de los problemas asociados con las tensiones residuales y la fatiga termica. Otro ejemplo de un material de matriz es un acero de manganeso austenltico de tipo Hadfield (Fe con aproximadamente un 12 % de Mn en peso y un 1,1 % de C en peso).

En algunas realizaciones de la presente invencion, las partlculas duras y las partlculas de matriz de la mezcla de polvo pueden tener una distribution de tamano de partlcula multi-modal. Por ejemplo, la mezcla de polvo puede estar compuesta por un primer grupo de partlculas que tienen un primer tamano de partlcula promedio, un segundo grupo de partlculas que tienen un segundo tamano de partlcula promedio aproximadamente siete veces mas grande que el primer tamano de partlcula promedio, y un tercer grupo de partlculas que tienen un tamano de partlcula promedio aproximadamente treinta y cinco mas grande que el primer tamano de partlcula promedio. Cada grupo puede comprender tanto partlculas duras como partlculas de matriz, o uno o mas de los grupos pueden estar compuestos al menos sustancialmente por partlculas duras o partlculas de matriz. Al formar la mezcla de polvo para tener una distribucion de tamano de partlcula multi-modal, puede ser posible aumentar la densidad de compactacion de la mezcla de polvo dentro de un molde.

Adicionalmente, en algunas realizaciones de la presente invencion, las partlculas duras y las partlculas de matriz pueden ser al menos generalmente esfericas. Por ejemplo, las partlculas duras y las partlculas de matriz de la mezcla de polvo pueden tener una forma generalmente esferica que tiene una esfericidad promedio (Y) de 0,6 o mas en la que la esfericidad (Y) se define por la ecuacion:

Y = Di / Dc,

en la que Dc es el clrculo mas pequeno capaz de circunscribir una section transversal de la partlcula que se extiende a traves de o cerca del centro de la partlcula, y Di es el clrculo mas grande que se puede inscribir en una seccion transversal de la partlcula que se extiende a traves de o cerca del centro de la partlcula. En algunas realizaciones adicionales, las partlculas duras y las partlculas de matriz de la mezcla de polvo pueden tener una forma al menos sustancialmente esferica y pueden tener una esfericidad promedio (Y) de 0,9 o mas grande. Aumentar la esfericidad de las partlculas en la mezcla de polvo puede reducir la friction entre partlculas a medida que la mezcla de polvo se inyecta de forma mecanica en un molde bajo presion, lo que puede permitir que se aumente la densidad de compactacion de la mezcla de polvo dentro del molde. Ademas, una reduccion de la friccion

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

entre partlcuias tambien puede permitir la obtencion de una densidad de compactacion relativamente mas uniforme de la mezcla de polvo dentro del moide.

El material organico de la mezcla de polvo puede comprender uno o mas aglutinantes para proporcionar lubricacion durante el prensado y para proporcionar resistencia estructural al componente de polvo prensado, uno o mas plastificantes para hacer el aglutinante mas flexible y uno o mas lubricantes o adyuvantes de compactacion para reducir la friccion entre partlculas. Las partlculas duras y las partlculas de matriz de la mezcla de polvo se pueden revestir con el material organico antes de usar la mezcla de polvo en un proceso de moldeo tal como se describe en lo sucesivo en el presente documento. El material organico puede comprender menos de aproximadamente un 5 % en peso de la mezcla de polvo.

El material organico en la mezcla de polvo 100 tambien puede comprender uno o mas de un material de pollmero termoplastico (tal como, por ejemplo, polietileno, poliestireno, polibutileno, polisulfona, nailon o acrllico), un material de pollmero termoendurecido (tal como, por ejemplo, epoxi, polifenileno, o fenol formaldehldo), una cera que tiene una temperatura de volatilizacion relativamente mas alta (tal como, por ejemplo, cera de parafina) un derivado de acido graso de cadena larga, y un aceite que tiene una temperatura de volatilizacion relativamente inferior (tal como, por ejemplo, aceite animal, vegetal o mineral). A modo de ejemplo y no de limitacion, el material organico puede comprender, por ejemplo, una alquilenpoliamina tal como se describe en la patente de EE. UU. con n.° 5.527.624 a nombre de Higgins et al. Tales alquilenpoliaminas incluyen metilenpoliaminas, etilenpoliaminas, butilenpoliaminas, propilenpoliaminas, pentilenpoliaminas, etc. Tambien se incluyen los homologos superiores y aminas heteroclclicas relacionadas tales como piperazinas y piperazinas N-amino alquil sustituidas. Ejemplos especlficos de tales poliaminas son la etilendiamina, la trietilentetramina, la tris-(2-aminoetil)amina, la trimetilendiamina, la tripropilentetramina, la tetraetilenpentamina, la hexaetilenheptamina, la pentaetilenhexamina, etc.

Una realizacion de un metodo de acuerdo con la presente invention, en la que un cuerpo de una herramienta de perforation terrestre de fabrica usando un proceso de moldeo por inyeccion, se describe a continuation con referencia a la figura 2. Una mezcla de polvo 100 tal como se describe en lo que antecede se puede inyectar de forma mecanica en un molde 102 usando un proceso de moldeo por inyeccion para formar un cuerpo de barrena en verde, tal como el cuerpo de barrena en verde 300 que se muestra en la figura 4 y que se describe en detalle adicional a continuacion en el presente documento. Tal como se muestra en la figura 2, la mezcla de polvo 100 se puede proporcionar dentro de una tolva 104. La mezcla de polvo 100 puede pasar desde la tolva 104 hacia un tambor 106 a traves de una abertura en una pared exterior del tambor 106. Un husillo 112 dispuesto dentro del tambor 106 se puede trasladar en sentido longitudinal dentro del tambor 106 y tambien se puede hacer girar dentro del tambor 106 usando un motor 130 tal como por ejemplo un motor electrico, un motor hidraulico, un motor neumatico, etc.

Durante un proceso de moldeo, un extremo delantero 118 del tambor 106 puede hacer contacto a tope contra una superficie del molde 102 de tal modo que una abertura de tobera 116 en el extremo delantero 118 del tambor 106 se comunica con una abertura en una pared exterior del molde 102. La abertura en la pared exterior del molde 102 lleva una cavidad de molde 126 dentro del molde 102 que tiene una forma que se corresponde con la forma de al menos una portion de un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre que se va a fabricar usando el proceso de moldeo. El husillo 112, el cual se puede encontrar inicialmente en una position en sentido longitudinal hacia adelante dentro del tambor 106, se puede hacer girar dentro del tambor 106, lo cual da lugar a que las roscas 114 en el husillo 112 obliguen a la mezcla de polvo 100 dentro del tambor 106 a pasar en una direction en sentido longitudinal hacia adelante en el mismo (hacia el molde 102), lo cual tambien da lugar a que el husillo 112 se deslice en una direccion hacia atras (lejos del molde 102) dentro del tambor 106. Despues de que se ha movido una cantidad seleccionada del material de polvo 100 hacia la parte frontal del husillo 112 dentro del tambor 106, la rotation del husillo 112 se puede detener y el husillo 112 se puede obligar a ir en la direccion en sentido longitudinal hacia adelante dentro del tambor 106, lo cual dara lugar a que la mezcla de polvo 100 en la parte frontal del husillo 112 dentro del tambor 106 pase a traves de la abertura de tobera 116 en el extremo delantero 118 del tambor 106, a traves de la abertura en la pared exterior del molde 102, y hacia la cavidad de molde 126. Cuando el husillo 112 continua deslizandose en la direccion delantera dentro del tambor 106, la cavidad de molde 126 se llenara con la mezcla de polvo 100.

Cuando la cavidad de molde 126 se ha llenado completamente con partlculas compactadas de forma relativamente suelta de la mezcla de polvo 100, el movimiento hacia adelante adicional del husillo 112 dara lugar a que la presion dentro de la cavidad de molde 126 se eleve a medida que las partlculas adicionales de la mezcla de polvo 100 se ven obligadas a pasar a la cavidad de molde 126. La presion aumentada dentro de la cavidad de molde 126 puede dar lugar a que las partlculas de la mezcla de polvo 100 se compacten adicionalmente hasta que se logra una densidad deseada de la mezcla de polvo 100 dentro de la cavidad de molde 126. A modo de ejemplo y no de limitacion, el husillo 112 se puede trasladar en la direccion hacia adelante dentro del tambor 106 hasta que se aplica una presion de entre aproximadamente 10 libras por pulgada cuadrada (aproximadamente 0,07 megapascales) y aproximadamente 100 libras por pulgada cuadrada (0,7 megapascales) a la mezcla de polvo 100 dentro de la cavidad de molde 126.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

En algunas realizaciones adicionales, la cavidad de molde 126 se puede colocar a vaclo, y se puede dejar que el vaclo en la misma extraiga una cantidad medida de la mezcla de polvo 100 hacia la cavidad de molde 126. Tal proceso puede reducir la presencia de espacios vaclos y otros defectos dentro del cuerpo de barrena en verde 300 con la finalizacion del proceso de moldeo. En tales realizaciones, la cantidad medida de la mezcla de polvo 100 se puede calentar a una temperatura elevada para fundir y/o reducir una viscosidad de cualquier material organico en la misma antes de permitir que el vaclo extraiga la mezcla de polvo 100 a la cavidad de molde 126.

El molde 102 puede comprender dos o mas componentes separables tales como por ejemplo, una primera mitad de molde 102A y una segunda mitad de molde 102B, tal como se muestra en la figura 2. Despues del ciclo de moldeo, dos o mas componentes separables se pueden separar para facilitar la retirada del cuerpo de barrena 300 (la figura 4) del molde 102.

En algunas realizaciones adicionales, el molde 102 puede comprender un material soluble en agua, tal como, por ejemplo, poli(alcohol vinllico) (PVA) o polietilen glicol. En tales realizaciones, el cuerpo de barrena en verde 300 (la figura 4) se puede retirar del molde 102 al disolver el molde 102 en agua u otro disolvente polar. Debido a que el cuerpo de barrena en verde 300 puede comprender un aditivo organico, el cuerpo de barrena en verde 300 puede ser hidrofobo, de tal modo que el cuerpo de barrena en verde 300 no se disolvera a medida que el molde 102 se disuelva del cuerpo de barrena en verde 300. En tales realizaciones, el molde 102 puede comprender una estructura monolltica sencilla, la cual se puede formar usando por ejemplo, un proceso de colada o un proceso de moldeo (por ejemplo, un proceso de moldeo por inyeccion) o el molde 102 puede comprender dos o mas componentes separables.

El molde 102 puede comprender ademas unas piezas insertadas que se usan para definir unas cavidades internas o pasajes (por ejemplo, pasajes de fluido), tal como se conoce en la tecnica.

Una realizacion de un metodo de acuerdo con la presente invention, en la que un cuerpo de una herramienta de perforation terrestre se fabrica usando un proceso de moldeo por transferencia, se describe en lo sucesivo con referencia en la figura 3. Una mezcla de polvo 100 tal como se describe en lo que antecede, se puede inyectar de forma mecanica en un molde 202 usando un proceso de moldeo por transferencia para formar un cuerpo de barrena en verde, tal como el cuerpo de barrena en verde 300 que se muestra en la figura 4 y que se describe en detalle adicional en lo sucesivo en el presente documento. Tal como se muestra en la figura 3, una cantidad predeterminada de una mezcla de polvo 100 tal como se describe en lo que antecede se puede proporcionar dentro de una cubeta 206. Un piston 212 se puede empujar a traves de la cubeta 206 para obligar a la mezcla de polvo 100 a pasar hacia el molde 202. El piston 212 se puede obligar a pasar a traves de la cubeta 206 usando, por ejemplo, accionamiento mecanico, presion hidraulica o presion neumatica.

Durante un proceso de moldeo, la cubeta 206 puede hacer contacto a tope contra una superficie del molde 202 de tal modo que una abertura 216 en la cubeta 206 se comunica con una abertura 222 en el molde 202. La abertura 222 en el molde 202 lleva una cavidad de molde 226 dentro del molde 202 que tiene una forma que se corresponde con la forma de al menos una portion de un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre que se va a fabricar usando el proceso de moldeo. El piston 212 se puede obligar a pasar a traves de la cubeta 206, lo cual obliga a que la cantidad predeterminada de la mezcla de polvo 100 dentro de la cubeta 206 pase a traves de la abertura 216 en la cubeta 206, a traves de la abertura 222 en el molde 202, y hacia la cavidad de molde 226. A medida que el piston 212 continua trasladandose a traves de la cubeta 206, la cavidad de molde 226 se llenara con la mezcla de polvo 100. Cuando la cavidad de molde 226 se ha llenado completamente con partlculas compactadas de forma relativamente suelta de la mezcla de polvo 100, la traslacion adicional del piston 212 dara lugar a que la presion dentro de la cavidad de molde 226 se eleve a medida que partlculas adicionales de la mezcla de polvo 100 se ven obligadas a pasar hacia la cavidad de molde 226. La presion aumentada dentro de la cavidad de molde 226 puede dar lugar a que las partlculas de la mezcla de polvo 100 se compacten adicionalmente hasta que se logra una densidad de compactacion deseada de la mezcla de polvo 100 dentro de la cavidad de molde 226. A modo de ejemplo, y no de limitation, el piston 212 se puede obligar a pasar en sentido longitudinal dentro de la cubeta 206 para lograr las presiones de compactacion y las densidades de compactacion (en la cavidad de molde 226) que se describieron previamente en relation con los metodos de moldeo por inyeccion con referencia a la figura 2.

El molde 202 puede comprender dos o mas componentes separables, tales como por ejemplo, una primera mitad de molde 202A y una segunda mitad de molde 202B, tal como se muestra en la figura 3. Despues del ciclo de moldeo, dos o mas componentes separables se pueden separar para facilitar la retirada del cuerpo de barrena en verde 300 (la figura 4) del molde 202.

Tal como se conoce en la tecnica, el molde 202 puede comprender uno o mas orificios de purga que llevan desde la cavidad de molde 226 hasta el exterior del molde 202 para permitir que el aire inicialmente dentro de la cavidad de molde 226 escape de la cavidad de molde 226 a medida que la cavidad de molde 226 se llena con la mezcla de polvo 100 durante un ciclo de moldeo. A modo de ejemplo y no de limitacion, tales orificios de purga se pueden proporcionar al formar una o mas muescas en una o ambas de las superficies de contacto a tope opuestas de una primera mitad de molde 202A y una segunda mitad de molde 202B, de tal modo que, cuando la primera mitad de

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

molde 202A y la segunda mitad de molde 202B se ensamblen entre si durante un ciclo de moldeo, el aire puede viajar fuera de la cavidad de molde 226 a traves de una o mas muescas a lo largo de la superficie de separacion entre la primera mitad de molde 202A y la segunda mitad de molde 202B.

La figura 4 ilustra un cuerpo de barrena en verde 300 que se puede fabricar usando tecnicas de moldeo (por ejemplo, tecnicas de moldeo por inyeccion y tecnicas de moldeo por transferencia), tales como las que se han descrito en lo que antecede con referencia a las figuras 2 y 3. Tal como se muestra en la figura 4, el cuerpo de barrena en verde 300 es un cuerpo no sinterizado formado a partir de, y que comprende, la mezcla de polvo 100. El cuerpo de barrena en verde 300 tiene una forma exterior que se corresponde con la del cuerpo de la herramienta de perforacion terrestre que se va a fabricar. Por ejemplo, el cuerpo de barrena en verde 300 puede comprender una pluralidad de cuchillas y ranuras para desperdicios (similares a las cuchillas 26 y ranuras para desperdicios 28 que se muestran en la figura 1), y pueden comprender una camara de sobrepresion o pasaje de fluido interno 301.

No obstante, se entiende que el cuerpo de barrena en verde 300 puede no tener una forma exterior identica a la del cuerpo de la herramienta de perforacion terrestre que se va a fabricar, y el cuerpo de barrena en verde 300 se puede modificar mediante la adicion o retirada de parte de la mezcla de polvo 100 del cuerpo de barrena en verde 300. Por ejemplo, algunas caracterlsticas se pueden formar en el cuerpo de barrena en verde 300 al mecanizar el cuerpo de barrena en verde 300 despues del proceso de moldeo. Si la mezcla de polvo 100 que se usa en un ciclo de moldeo tiene una textura de tipo pasta, se puede aplicar material adicional de la mezcla de polvo 100 de forma manual a superficies del cuerpo de barrena en verde 300 usando herramientas de mano si es necesario o deseable obtener una geometrla previamente definida para las diversas superficies del cuerpo de barrena en verde 300. Si la mezcla de polvo 100 que se usa en un ciclo de moldeo no tiene una textura de tipo pasta, se pueden aplicar materiales organicos tales como los que se han descrito en lo que antecede en el presente documento a una porcion de la mezcla de polvo 100 para dar lugar a que esa porcion tenga una textura de tipo pasta, y la porcion se puede aplicar entonces a superficies del cuerpo de barrena 300 tal como se ha mencionado en lo que antecede.

Despues de moldear el cuerpo de barrena en verde 300, el cuerpo de barrena en verde 300 se puede someter, de forma opcional, a un proceso de prensado para aumentar la densidad del cuerpo de barrena en verde 300, lo cual puede reducir o disminuir al mlnimo el grado al cual el cuerpo de barrena en verde 300 se contrae con la sinterizacion, tal como se describe a continuation en el presente documento. A modo de ejemplo y no de limitation, el cuerpo de barrena en verde 300 se puede someter a una presion al menos sustancialmente isostatica en un proceso de prensado isostatico. A modo de ejemplo y no de limitacion, el cuerpo de barrena en verde 300 se puede colocar en una bolsa deformable hermetica a fluidos. En otras realizaciones, todas las superficies expuestas del cuerpo de barrena en verde 300 se pueden revestir con un revestimiento impermeable a fluidos deformable que comprende por ejemplo, un material de pollmero termoplastico o un material de pollmero termoendurecido. El cuerpo de barrena en verde 300 (dentro del revestimiento o bolsa deformable) se puede sumergir entonces dentro de un fluido en un recipiente de presion, y la presion del fluido se puede aumentar dentro del recipiente de presion para aplicar una presion al menos sustancialmente isostatica al cuerpo de barrena en verde 300 en el mismo. La presion dentro del recipiente de presion durante el procesamiento isostatico del cuerpo de barrena en verde 300 puede ser mas grande que aproximadamente 35 megapascales (aproximadamente 5.000 libras por pulgada cuadrada). Mas en concreto, la presion dentro del recipiente de presion durante el prensado isostatica del cuerpo de barrena en verde puede ser mas grande que aproximadamente 138 megapascales (20.000 libras por pulgada cuadrada).

A pesar de que puede ser preferible moldear el cuerpo de barrena en verde 300, de tal modo que el cuerpo de barrena en verde 300 no requiera mecanizado adicional antes de la sinterizacion, en algunas realizaciones, puede no ser viable o practico moldear el cuerpo de barrena en verde 300 para dar una forma final deseada antes de la sinterizacion. De forma opcional, se pueden mecanizar ciertas caracterlsticas estructurales en el cuerpo de barrena en verde 300 usando tecnicas de mecanizado convencionales incluyendo, por ejemplo, tecnicas de torneado, tecnicas de rectification y tecnicas de perforacion. Tambien se pueden usar herramientas de mano para, de forma manual, formar o conformar caracterlsticas en o sobre el cuerpo de barrena en verde 300. A modo de ejemplo y no de limitacion, se pueden mecanizar, o formar de otro modo, cavidades para fresa en el cuerpo de barrena en verde 300 despues del proceso de moldeo.

El cuerpo de barrena en verde 300 moldeado tambien se puede sinterizar al menos parcialmente para proporcionar un cuerpo de barrena en marron 302 que se muestra en la figura 5, el cual tiene menos de una densidad final deseada. El cuerpo de barrena en marron 302 puede comprender un material compuesto de matriz de parflculas 303 poroso (que no es completamente denso) formado al sinterizar parcialmente la mezcla de polvo 100 del cuerpo de barrena en verde 300 (la figura 4). Antes de sinterizar parcialmente el cuerpo de barrena en verde 300, el cuerpo de barrena en verde 300 se puede someter a unas temperaturas y presiones moderadamente elevadas para eliminar por combustion o retirar cualesquiera aditivos que hayan escapado que se incluyeron en la mezcla de polvo 100, tal como se ha descrito en lo que antecede. Ademas, el cuerpo de barrena en verde 300 se puede someter a una atmosfera adecuada disenada para ayudar a la retirada de tales aditivos. Tales atmosferas pueden incluir, por ejemplo, gas hidrogeno a unas temperaturas de aproximadamente 500 °C.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Puede ser practico mecanizar el cuerpo de barrena en marron 302 debido a la porosidad restante en el material compuesto de matriz de partlculas 303. Ciertas caracterlsticas estructurales se pueden mecanizar en el cuerpo de barrena en marron 302 usando tecnicas de mecanizado convencionales incluyendo, por ejemplo, tecnicas de torneado, tecnicas de rectificacion y tecnicas de perforacion. Tambien se pueden usar herramientas de mano para, de forma manual, formar o conformar caracterlsticas en o sobre el cuerpo de barrena en marron 302. Se pueden usar herramientas que incluyen revestimientos superduros o piezas insertadas para facilitar el mecanizado del cuerpo de barrena en marron 302. Adicionalmente, se pueden aplicar revestimientos de material a superficies del cuerpo de barrena en marron 302, que se mecanizaran para reducir el desbastado del cuerpo de barrena en marron 302. Tales revestimientos pueden incluir un material de pollmero de fijacion o de otro tipo. A modo de ejemplo y no de limitation, las cavidades para fresa 304 se pueden mecanizar o formar de otro modo en el cuerpo de barrena en marron 302 para formar el cuerpo de barrena en marron modificado 302' que se muestra en la figura 6.

Despues de realizar cualquier mecanizado deseable, el cuerpo de barrena en marron 302 (o el cuerpo de barrena en marron modificado 302') se puede sinterizar entonces completamente hasta una densidad final deseada para proporcionar el cuerpo de barrena de la barrena de perforacion rotatoria de perforacion terrestre que se esta fabricando, tal como el cuerpo de barrena 12 de la barrena de perforacion 10 que se muestra en la figura 1.

Debido a que la sinterizacion implica la densificacion y la elimination de porosidad dentro de una estructura, la estructura que se esta sinterizando se contraera durante el proceso de sinterizacion. Una estructura puede experimentar una contraction lineal de entre un 10 % y un 20 % durante la sinterizacion de un estado en verde hasta una densidad final deseada. Como resultado, la contraccion dimensional se ha de considerar y explicar cuando se disenan herramientas (moldes, troqueles, etc.), o se mecanizan caracterlsticas en estructuras que no estan completamente sinterizadas.

La contraccion dimensional de un cuerpo en verde o en marron puede ser al menos parcialmente una funcion de la densidad del cuerpo en verde o en marron antes de la sinterizacion del cuerpo en verde o en marron hasta una densidad final deseada. El cuerpo en verde o en marron que tiene una densidad relativamente mas baja (por ejemplo, mayor porosidad) puede mostrar una mayor cantidad de contraccion con la sinterizacion en relation con un cuerpo en verde o en marron que tiene una densidad relativamente mas alta (por ejemplo, menor porosidad). De forma similar, las regiones dentro de un cuerpo en verde o en marron que son relativamente menos densas se pueden contraer hasta un mayor grado que otras regiones dentro del cuerpo en verde o en marron que son mas densas tras la sinterizacion del cuerpo en verde o en marron hasta una densidad final deseada.

Por lo tanto, con el fin de lograr una contraccion predecible y al menos sustancialmente uniforme de un cuerpo de barrena en verde 300 a un cuerpo de barrena en marron 302 con la sinterizacion hasta una densidad final deseada, puede ser deseable lograr, hasta el mayor grado posible, una densidad de compactacion al menos sustancialmente uniforme de la mezcla de polvo 100 en el cuerpo de barrena en verde 300 tras el moldeo del cuerpo de barrena en verde 300. Ademas, puede ser deseable aumentar o incrementar al maximo la senal de compactacion dentro del cuerpo de barrena en verde 300 para reducir o disminuir al mlnimo la contraccion del cuerpo de barrena en verde 300 que tiene lugar tras la sinterizacion del cuerpo de barrena en verde 300 hasta una densidad final deseada para formar el cuerpo de barrena 300 sinterizado (la figura 1).

En algunas realizaciones de la presente invention, la densidad de compactacion por medio de la mezcla de polvo 100 dentro del cuerpo de barrena en verde 300 puede ser mas grande que aproximadamente un ochenta por ciento (un 80 %) en volumen. Dicho de otra forma, el cuerpo de barrena en verde 300 puede tener una porosidad promedio de menos de un veinte por ciento (un 20 %) en volumen.

Debido a que los cuerpos de barrena de las barrenas de perforacion rotatoria de perforacion terrestre (tales como el cuerpo de barrena 12 de la barrena de perforacion 10 que se muestra en la figura 1) pueden ser relativamente grandes y pueden tener unas geometrlas de superficie relativamente complejas, de hecho puede ser diflcil lograr una densidad de compactacion uniforme de la mezcla de polvo 100 dentro de la cavidad de molde y, por lo tanto, dentro del cuerpo de barrena en verde 300 con el moldeo del cuerpo de barrena en verde 300 de la mezcla de polvo 100. Como resultado, durante los procesos de moldeo, el material organico de la mezcla de polvo 100 que se ha descrito en lo que antecede en el presente documento puede ser util para reducir la friction entre partlculas a medida que la mezcla de polvo 100 se inyecta de forma mecanica en una cavidad, y obtener una densidad de compactacion al menos sustancialmente uniforme de la mezcla de polvo 100 dentro de la cavidad de molde y, por lo tanto, dentro del cuerpo de barrena en verde 300.

En algunas realizaciones de la invencion puede ser deseable, antes de un ciclo de moldeo, pre-compactar de forma manual parte de la mezcla de polvo 100 en ciertas regiones dentro de la cavidad de molde que puedan ser diflciles de llenar completamente y de compactar durante un ciclo de moldeo. Dicho de otra forma, si despues de un ciclo de moldeo, la cavidad de molde no se llena completamente con la mezcla de polvo 100 (un fenomeno al que con frecuencia se hace referencia en la tecnica como “corto”) puede ser deseable, para los procesos de moldeo subsiguientes, pre-compactar de forma manual parte de la mezcla de polvo 100 en las regiones de la cavidad de molde que puedan no llenarse completamente durante el ciclo de moldeo. Pre-compactar ciertas areas de la cavidad

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

de moldeo con la mezcla de polvo 100 puede facilitar el llenado completo de la cavidad de molde 100 con la mezcla de polvo y la obtencion de una velocidad de compactacion mas uniforme durante el ciclo de moldeo.

Durante los procesos de sinterizacion completa y de pollmero parcial, se pueden usar unas estructuras refractarias o desplazamientos (que no se muestran) para soportar al menos algunas porciones del cuerpo de barrena durante el proceso de sinterizacion para mantener las formas y dimensiones deseadas durante el proceso de densificacion. Tales desplazamientos se pueden usar, por ejemplo, para mantener la consistencia en cuanto al tamano y a la geometrla de las cavidades para fresa y los pasajes de fluido interno durante el proceso de sinterizacion. Tales estructuras refractarias se pueden formar a partir de, por ejemplo, grafito, sllice o alumina. El uso de desplazamientos de alumina en lugar de desplazamiento de grafito puede ser deseable debido a que la alumina puede ser relativamente menos reactiva que el grafito, reduciendo la difusion atomica durante la sinterizacion. Adicionalmente, se pueden aplicar revestimientos tales como alumina, nitruro de boro, nitruro de aluminio u otros materiales comercialmente disponibles a las estructuras refractarias para evitar que se difundan atomos de carbono u otros en las estructuras refractarias en el cuerpo de barrena durante la densificacion.

En otras realizaciones, el cuerpo de barrena en verde 300 (la figura 4) se puede sinterizar parcialmente para formar un cuerpo de barrena en marron 302 (la figura 5) sin mecanizado previo, y todo el mecanizado necesario se puede realizar en el cuerpo de barrena en marron 302 para formar un cuerpo de barrena en marron modificado 302', antes de sinterizar completamente el cuerpo de barrena en marron modificado 302' hasta una densidad final deseada. Como alternativa, todo el mecanizado necesario o deseado se puede realizar en el cuerpo de barrena en verde 300, el cual se puede sinterizar entonces completamente hasta una densidad final deseada.

Los procesos de sinterizacion que se describen en el presente documento pueden incluir una sinterizacion convencional en un horno de vaclo, una sinterizacion en un horno de vaclo seguido por un proceso de prensado isostatico caliente convencional y una sinterizacion seguida inmediatamente por el prensado isostatico a unas temperaturas cercanas a la temperatura de sinterizacion (al que con frecuencia se hace referencia como HIP de sinterizacion). Ademas, los procesos de sinterizacion que se describen en el presente documento pueden incluir una sinterizacion de fase subllquida. Dicho de otra forma, los procesos de sinterizacion se pueden llevar a cabo a unas temperaturas cercanas pero por debajo de la llnea de llquido del diagrama de fases para el material de matriz. Por ejemplo, los procesos de sinterizacion que se describen en el presente documento se pueden llevar a cabo usando un numero de diferentes metodos conocidos por un experto en la materia tales como el proceso de Compactacion Omnidireccional Rapida (ROC, Rapid Omnidirectional Compaction), el proceso CERACON™, un prensado isostatico caliente (HIP, hot isostatic pressing) o adaptaciones de tales procesos.

En terminos generales, y solo a modo de ejemplo, la sinterizacion de un polvo en verde compacto usando el proceso de ROC implica pre-sinterizar el polvo en verde compacto a una temperatura relativamente baja solo hasta un cierto grado para desarrollar una resistencia suficiente para permitir la manipulation del polvo compacto. La estructura en marron resultante se envuelve en un material tal como una lamina de grafito para sellar la estructura en marron. La estructura en marron envuelta se coloca en un recipiente, el cual se llena con partlculas en un material de ceramica, de pollmero o de vidrio que tiene un punto de fusion sustancialmente mas bajo que el del material de matriz en la estructura en marron. El recipiente se calienta a la temperatura de sinterizacion deseada, la cual se encuentra por encima de la temperatura de fusion de las partlculas de un material de ceramica, de pollmero o de vidrio, pero por debajo de la temperatura llquida del material de matriz en la estructura en marron. El recipiente caliente, con el material de ceramica, de pollmero o de vidrio fundido (y la estructura en marron inmersa en el mismo) se coloca en una prensa mecanica o hidraulica tal como una prensa de forjado, que se usa para aplicar presion al material de ceramica o de pollmero fundido. Unas presiones isostaticas dentro del material de ceramica, de pollmero o de vidrio fundido facilitan la consolidation y la sinterizacion de la estructura en marron a unas temperaturas elevadas dentro del recipiente. El material de ceramica, de pollmero o de vidrio fundido actua para transmitir la presion y el calor a la estructura en marron. De esta manera, el material de ceramica, de pollmero o de vidrio fundido actua como un medio de transmision de presion a traves de el cual se aplica una presion a la estructura durante la sinterizacion. Posteriormente a la liberation de presion y al enfriamiento, la estructura sinterizada se retira entonces del material de ceramica, de pollmero o de vidrio. Una explication mas detallada del proceso de ROC y del equipo adecuado para la practica del mismo es proporcionada por las patentes de EE. UU. con n.° 4.094.709, 4.233.720, 4.431.557, 4.526.748, 4.547.337, 4.562.990, 4.596.694, 4.597.730, 4.656.002, 4.744.943 y 5.232.522.

El proceso CERACON™, que es similar al proceso de ROC que se ha mencionado en lo que antecede, tambien se puede adaptar para su uso en la presente invention para sinterizar completamente las estructuras en marron hasta una densidad final. En el proceso CERACON™, la estructura en marron se reviste con un revestimiento de ceramica tal como alumina, oxido de circonio u oxido de cromo. Tambien se pueden usar otros revestimientos similares, duros, generalmente inertes, protectores y retirables. La estructura en marron revestida se consolida completamente al transmitir una presion al menos sustancialmente isostatica a la estructura en marron revestida usando partlculas de ceramica en lugar de un medio de fluido al igual que en el proceso de ROC. Una explicacion mas detallada del proceso CERACON™ es proporcionada por la patente de EE. UU. con n.° 4.499.048.

Ademas, en algunas realizaciones de la invencion en las que se usa carburo de tungsteno en un cuerpo de barrena

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

compuesto de matriz de partlcuias, los procesos de sinterizacion que se describen en el presente documento tambien pueden incluir un ciclo de control de carbono adaptado para mejorar la estequiometrla del material de carburo de tungsteno. A modo de ejemplo y no de limitacion, si el material de carburo de tungsteno incluye WC, los procesos de sinterizacion que se describen en el presente documento pueden incluir someter el material de carburo de tungsteno a una mezcla gaseosa que incluye hidrogeno y metano a unas temperaturas elevadas. Por ejemplo, el material de carburo de tungsteno se puede someter a un flujo de gases que incluyen hidrogeno y metano a una temperatura de aproximadamente 1000 °C.

Despues de la sinterizacion de un cuerpo de barrena en verde 300 o un cuerpo de barrena en marron 302 hasta una densidad final deseada, los elementos de corte (tales como los elementos de corte 20 que se muestran en la figura 1), se pueden asegurar dentro de las cavidades para fresa 304 del cuerpo de barrena, por ejemplo al broncesoldar los elementos de corte dentro de las cavidades para elemento de corte.

En algunas realizaciones adicionales de la presente invencion, dos o mas porciones de un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre se pueden moldear por separado tal como se ha descrito en lo que antecede en el presente documento para formar dos o mas componentes en verde formados por separado. Entonces, los componentes en verde formados por separado se pueden ensamblar entre si y sinterizar para unir los componentes en verde entre si para formar un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre. En otras realizaciones, los componentes en verde formados por separado se pueden sinterizar parcialmente para formar dos o mas componentes en marron formados por separado y, entonces, los componentes en marron formados por separado se pueden ensamblar entre si y sinterizarse para unir los componentes en marron entre si para formar un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre. Como ejemplo no limitante, un cuerpo de barrena de una barrena de perforacion rotatoria de perforacion terrestre de fresa fija, como el cuerpo de barrena 12 de la barrena de perforacion 10 que se muestra en la figura 1, se puede formar al formar por separado un componente de nucleo central en verde o en marron y unas cuchillas en verde o en marron (tales como las cuchillas 26 que se muestran en la figura 1) usando procesos de moldeo tal como se ha descrito en lo que antecede en el presente documento. Entonces, las cuchillas en verde o en marron formadas por separado se pueden ensamblar entre si con el nucleo central en verde o en marron, y la estructura ensamblada se puede sinterizar para unir las cuchillas al nucleo central, formando de ese modo el cuerpo de barrena 12 de la barrena de perforacion 10.

En tales realizaciones, el nucleo central se puede formar con una mezcla de polvo 100 que tiene una primera composicion y las cuchillas se pueden formar a partir de una mezcla de polvo 100 que tiene una segunda composicion diferente. Por ejemplo, el nucleo central se puede formar a partir de una mezcla de polvo 100 que tiene una composicion que dara lugar a que el nucleo central muestre una tenacidad relativamente mas alta en relacion con las cuchillas, y las cuchillas se pueden formar a partir de una mezcla de polvo 100 que tiene una composicion que dara lugar a que las cuchillas muestren una resistencia al desgaste relativamente mas alta, una resistencia a la erosion relativamente mas alta o tanto una resistencia al desgaste relativamente mas alta como una resistencia a la erosion relativamente mas alta en relacion con el nucleo central.

A pesar de que algunas realizaciones de los metodos de la presente invencion se han descrito en lo que antecede con referencia a cuerpos de barrena de barrenas de perforacion rotatoria de perforacion terrestre, los metodos de la presente invencion se pueden usar para formar unos cuerpos de herramientas de perforacion terrestre que no sean barrenas de perforacion rotatoria de fresa fija incluyendo, por ejemplo, cuerpos de componente de barrenas de cono de rodillos (incluyendo cabezales de barrena, bases de barrena y conos de rodillos), barrenas impregnadas con diamante, barrenas de extraccion de testigos, barrenas excentricas, barrenas de doble centro, escariadores, fresadoras y otras herramientas y estructuras de este tipo que sean conocidas en la tecnica.

A pesar de que la presente invencion se ha descrito en el presente documento con respecto a ciertas realizaciones, los expertos en la materia reconoceran y apreciaran que la misma no esta as! limitada. De hecho, se pueden realizan muchas adiciones, supresiones y modificaciones a las realizaciones que se describen sin apartarse del alcance de la invencion tal como se reivindica en lo sucesivo en el presente documento, incluyendo equivalentes legales. Ademas, se pueden combinar caracterlsticas de una realizacion con caracterlsticas de otra realization, mientras que sigan estando englobadas dentro del alcance de la invencion segun es contemplado por los inventores de la presente invencion.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

REIVINDICACIONES

1. Un metodo de fabricacion de un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre, que comprende:

formar una mezcla de polvo mediante el mezclado de partlcuias duras, partlcuias de matriz que comprenden un material de matriz de metal y una alquilenpoliamina;

inyectar de forma mecanica la mezcla de polvo en una cavidad de molde que tiene una forma que se corresponde con al menos una porcion de un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre;

aplicar una presion de entre 0,07 MPa (10 psi) y 0,7 MPa (100 psi) a la mezcla de polvo dentro de la cavidad de molde para formar un cuerpo en verde; y

sinterizar el cuerpo en verde para formar al menos una porcion de un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre.
2. El metodo de la reivindicacion 1, en el que formar una mezcla de polvo, ademas comprende seleccionar la alquilenpoliamina para comprender al menos una de una metilenpoliamina, una etilenpoliamina, una butilenpoliamina, una propilenpoliamina, una pentilenpoliamina, una piperazina o una piperazina sustituida por N- amino alquil.
3. El metodo de la reivindicacion 1, que ademas comprende seleccionar las partlculas duras para comprender un material seleccionado de entre el grupo que consiste en diamante, carburo de boro, nitruro de boro, nitruro de aluminio, nitruro de silicio y carburos o boruros de W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Zr, Si, Ta y Cr.
4. El metodo de la reivindicacion 3, que ademas comprende seleccionar las partlculas de matriz para comprender un metal seleccionado de entre el grupo que consiste en hierro, nlquel, cobalto, titanio, aluminio, aleaciones a base de cobre, aleaciones a base de hierro, aleaciones a base de nlquel, aleaciones a base de cobalto, aleaciones a base de titanio y aleaciones a base de aluminio.
5. El metodo de la reivindicacion 1, en el que las partlculas duras y las partlculas de matriz comprenden un primer grupo de partlculas que tienen un primer tamano de partlcula promedio, un segundo grupo de partlculas que tienen un segundo tamano de partlcula promedio siete veces mas grande que el primer tamano de partlcula promedio y un tercer grupo de partlculas que tienen un tamano de partlcula promedio treinta y cinco veces mas grande que el primer tamano de partlcula promedio.
6. El metodo de la reivindicacion 1, en el que inyectar la mezcla de polvo en una cavidad de molde comprende inyectar la mezcla de polvo en una cavidad de molde que tiene una forma que se corresponde con al menos una porcion de un cuerpo de barrena para una barrena de perforacion rotatoria de perforacion terrestre.
7. El metodo de la reivindicacion 1, que ademas comprende formar las partlculas duras y las partlculas de matriz para que sean al menos sustancialmente esfericas.
8. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que ademas comprende: formar la cavidad de molde en un molde soluble en agua; y

disolver el molde en un disolvente polar despues de formar el cuerpo en verde para retirar el cuerpo en verde de la cavidad de molde.
9. El metodo de la reivindicacion 8, que ademas comprende formar el molde soluble en agua para comprender al menos uno de poli(alcohol vinllico) (PVA) y polietilenglicol.
10. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que ademas comprende revestir las partlculas duras y las partlculas de matriz con el material organico antes de inyectar la mezcla de polvo en la cavidad de molde.
11. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que aplicar una presion a la mezcla de polvo comprende compactar la mezcla de polvo dentro de la cavidad de molde a una densidad de compactacion de un 80 % en volumen o mas.
12. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que ademas comprende comprimir de forma isostatica el cuerpo en verde antes de sinterizar el cuerpo en verde para formar al menos una porcion de un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre.
13. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que ademas comprende seleccionar el material organico de la mezcla de polvo para comprender menos de un 5 % en peso de la mezcla de polvo.
14. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que inyectar de forma mecanica la mezcla de polvo en la cavidad de molde comprende obligar a la mezcla de polvo a pasar a traves de un tambor usando un

5 husillo rotatorio dentro del tambor.
15. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que ademas comprende: sinterizar parcialmente el cuerpo en verde para formar un cuerpo en marron; mecanizar el cuerpo en marron; y

sinterizar el cuerpo en marron hasta una densidad final deseada.

10 16. El metodo de la reivindicacion 15, en el que mecanizar el cuerpo en marron comprende:

mecanizar al menos una porcion de una cavidad para elemento de corte en una superficie del cuerpo en marron; y

sujetar al menos un elemento de corte dentro de la al menos una porcion de una cavidad para elemento de corte.
17. Una estructura intermedia formada durante la fabricacion de un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre, que comprende:

15 un cuerpo en verde que tiene una forma que se corresponde con un cuerpo de una herramienta de perforacion terrestre y que comprende:

una pluralidad de partlculas duras;

una pluralidad de partlculas de matriz que comprenden un material de matriz de metal; y una alquilenpoliamina.

20