ES2865302T3

ES2865302T3 - Herramientas de perforación que tienen matrices con aleaciones con formación de carburos, y métodos de realización y utilización de las mismas

Info

Publication number: ES2865302T3
Application number: ES16737699T
Authority: ES
Inventors: Cody Pearce; Michael Rupp; Christian Lambert
Original assignee: Longyear TM Inc
Current assignee: Longyear TM Inc
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: CA2973407A1; WO2016115079A1; US20160201398A1; US10702975B2; AU2020273324A1; US20200298375A1; AU2016206947A1; EP3245377A1; CA3143814A1; CN107208459A; CL2017001811A1; PE20171462A1; ZA201704923B; AU2020273324B2; EP3245377B1; EP3245377A4; AU2016206947B2; CN107208459B; CA2973407C

Abstract

Una herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200), de perforación que comprende: un vástago (104, 204) que tiene un primer extremo y un segundo extremo opuesto, estando adaptado el primer extremo para asegurarse a un componente de una sarta de perforación; una corona (102, 202) que se extiende desde el segundo extremo del vástago (104, 204), la corona (102, 202) que comprende una matriz (114) de material de partículas duras y una aleación con formación de carburo, una cara (108) de corte, y un cuerpo de la corona entre la cara (108) de corte y el vástago (104, 204); en donde el material de partículas duras es un material en polvo que comprende uno o más de carburo, tungsteno, hierro, cobalto, y/o molibdeno y carburos, boruros, o aleaciones de los mismos; y una pluralidad de elementos (110, 110a) de corte abrasivo asegurados al menos parcialmente dentro de la matriz (114) de la corona, caracterizado por que: la herramienta de perforación se infiltra con un aglutinante, en donde el aglutinante no comprende un material con formación de carburo; en donde la pluralidad de elementos de corte abrasivo no están recubiertos; en donde la aleación con formación de carburo está provista en forma de polvo; en donde la aleación con formación de carburo de la matriz (114) forma una capa metálica intermedia que se enlaza directamente con el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz (114), y en donde la aleación con formación de carburo de la matriz (114) forma un enlace directo de carburo con al menos un elemento de corte abrasivo no recubierto de la pluralidad de elementos (110, 110a) de corte abrasivo no recubiertos, en donde la herramienta de perforación no comprende capas de óxido entre al menos un elemento de corte abrasivo no recubierto y la aleación con formación de carburo de la matriz, y en donde la pluralidad de los elementos (110, 110a) de corte abrasivo comprenden una pluralidad de elementos de corte de diamante, y en donde la aleación con formación de carburo de la matriz está configurada para convertir partes del elemento de corte de diamante en un carburo para formar el enlace directo de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte de diamante.

Description

DESCRIPCIÓN

Herramientas de perforación que tienen matrices con aleaciones con formación de carburos, y métodos de realización y utilización de las mismas

Referencia cruzada con solicitudes de patente relacionadas.

La presente solicitud reivindica prioridad a y el beneficio de la fecha de registro de la solicitud de patente provisional de EE.UU. No. 62/102,221, presentada el 12 de enero de 2015; solicitud de patente provisional de EE.UU. No.

62/102,240, presentada el 12 de enero de 2015; y la solicitud de patente provisional de EE.UU. No. 62/115,930, presentada el 13 de febrero de 2015.

Campo

La presente invención hace referencia a herramientas de perforación para perforar pozos en rocas u otras formaciones, y, más en particular, a brocas de perforación para formar un pozo de sondeo dentro de una formación. Antecedentes

En un esfuerzo para aumentar la vida de la broca de perforación, se han aplicado recubrimientos a los medios de corte abrasivo (p.ej., diamantes) dentro de las broca de perforación. La industria del diamante utiliza convencionalmente recubrimientos por CVD (deposición química de vapor) o PVD (Deposición física de vapor) para incrementar la fuerza del enlace entre la matriz de la broca y los medios de corte abrasivo (p.ej., diamante). Convencionalmente, los recubrimientos más comunes son titanio, cromo, sílice y níquel. Los recubrimientos por CVD se aplican químicamente, causando que el recubrimiento metálico o semi-metálico reaccionen con el diamante y creen un fuerte recubrimiento de carburo. Desafortunadamente, después de que el recubrimiento por CVD se expone a la atmósfera, forma a menudo una capa de óxido sobre la superficie del diamante recubierto, limitando y debilitando el enlace químico con la matriz en el proceso de infiltración/sinterización. Los recubrimientos por PVD no forman un enlace de carburo con el diamante; únicamente presentan un enlace mecánico con el diamante, el cual es mucho más débil. Además, de forma similar a los recubrimientos por CVD, cuando los recubrimientos por PVD se exponen a la atmósfera, pueden formar una capa de óxido en la superficie del diamante recubierto antes de formar un enlace con la matriz/diamante, evitando un buen enlace con la matriz. Además, los recubrimientos por CVD y PVD están limitados por el tamaño del diamante; si el diamante es demasiado pequeño, los recubrimientos no pueden aplicarse de manera efectiva.

También se han utilizado recubrimientos de múltiples capas. Para aplicar tales recubrimientos, se forma una capa de carburo utilizando un proceso de recubrimiento por CVD, y a continuación se añade otra capa para crear un enlace más fuerte entre el carburo y la matriz. Esto crea un recubrimiento más fuerte, pero el proceso no resulta económico debido a la naturaleza de múltiples etapas del proceso y a que se necesitan materiales costosos para las capas adicionales. Por ejemplo, la formación de recubrimientos de múltiples capas en un proceso de recubrimiento por CVD requiere convencionalmente múltiples operaciones de calentamiento. Además, la capa más exterior (adicional) aún formará un óxido, limitando de este modo la fuerza del enlace. Adicionalmente, cuanto más pequeños sean los diamantes dentro de las brocas, más costosos y/o difíciles de aplicar resultan los recubrimientos de múltiples capas. El documento US 2011/067924 divulga brocas de perforación impregnadas que tienen una pluralidad de medios de corte abrasivo relativamente grandes, tales como diamantes policristalinos, embebidos en las mismas. Los medios de corte abrasivo relativamente grandes pueden estar dispersos en una disposición desorganizada a lo largo de al menos una parte de la corona. El documento US 2013/098691 divulga un aglutinante con alta dureza y resistencia a la tracción que permite la creación de herramientas de perforación con un aumento de la resistencia al desgaste, y herramientas de perforación, tales como ensanchadores y brocas de perforación, formadas a partir de tales aglutinantes. El documento US 2011/303465 divulga herramientas de perforación impregnadas que incluyen estructuras alargadas que pueden controlar la resistencia a la tracción y/o la tasa de erosión de las herramientas de perforación para optimizar el rendimiento de corte de las herramientas. Sin embargo, ninguno de estos documentos aborda el problema de la formación de óxido.

Por tanto, existe la necesidad de brocas de perforación menos costosas que hayan aumentado las tasas de penetración y sean más resistentes a la rotura, reduciendo de este modo la cantidad requerida de desconexiones del varillaje (debido a la mayor vida útil de las brocas) y aumentando la cantidad de testigos por operación (debido al incremento de las tasas de penetración).

Sumario

Se describen en el presente documento unas herramientas de perforación (p.ej., brocas de perforación) que presentan un vástago, una corona, y una pluralidad de elementos de corte abrasivo. El vástago tiene un primer extremo y un segundo extremo opuesto. La corona se extiende desde el segundo extremo del vástago. La corona tiene un matriz de material de partículas duras, una cara de corte, un aglutinante, y un cuerpo de la corona entre la cara de corte y el vástago. El material de partículas duras es un material en polvo que comprende uno o más de entre carburo, tungsteno, hierro, cobalto y/o molibdeno y carburos, boruros o aleaciones de los mismos. La pluralidad de elementos de corte abrasivo puede estar dispersa a lo largo de al menos una parte de la matriz del cuerpo de la corona. La pluralidad de elementos de corte abrasivo comprende una pluralidad de elementos de corte de diamante sin recubrimiento. La matriz de la corona incluye una aleación con formación de carburo que está configurada para formar un enlace directo con el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz, y para formar un enlace directo de carburo con al menos un elemento de corte de la pluralidad de elementos de corte abrasivo. La herramienta de perforación no comprende capas de óxido entre el al menos un elemento de corte abrasivo y la aleación con formación de carburo de la matriz. La pluralidad de elementos de corte abrasivo comprende una pluralidad de elementos de corte de diamante, y la aleación con formación de carburo de la matriz está configurada para convertir partes de los elementos de corte de diamante en un carburo para formar los enlaces directos de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte de diamante. Opcionalmente, la aleación con formación de carburo puede ser cromo, titanio, aluminio o vanadio. La aleación con formación de carburo se encuentra provista en forma de polvo. Opcionalmente, la herramienta de perforación puede ser una herramienta de perforación impregnada (p.ej., una broca de perforación impregnada). Alternativamente, la herramienta de perforación puede ser una herramienta de perforación de superficie (p.ej., una broca de perforación de superficie) en la que la pluralidad de elementos de corte abrasivo se aseguran a y sobresalen de la cara de corte. En unos aspectos a modo de ejemplo, la herramienta de perforación puede ser una broca de perforación de fundición integral formada mediante un proceso de fundición convencional.

También se describe en el presente documento sistemas de perforación que comprenden una herramienta de perforación impregnada. Opcionalmente, los sistemas de perforación pueden tener un carro de perforación, una sarta de perforación, y una herramienta de perforación impregnada (p.ej., una broca de perforación impregnada). Alternativamente, los sistemas de perforación pueden tener un motor para pozos profundos, una sarta de perforación y una herramienta de perforación impregnada (p.ej., una broca de perforación impregnada). La sarta de perforación puede configurarse para asegurarse a y ser rotada por el carro de perforación o el motor para pozos profundos, y la herramienta de perforación puede acoplarse a un extremo inferior de la sarta de perforación.

También se describe en el presente documento un método de perforación que utiliza una herramienta de perforación impregnada según se divulga en el presente documento. El método puede comprender la etapa de utilización de la herramienta de perforación impregnada (p.ej., una broca de perforación impregnada) tal como se divulga en el presente documento, para penetrar en una formación geológica. Opcionalmente, el método puede comprender asegurar la herramienta de perforación impregnada a una sarta de perforación y a continuación hacer rotar la sarta de perforación para hacer que la herramienta de perforación impregnada penetre en una formación geológica. Opcionalmente, en algunos aspectos, el método puede además comprender la etapa de asegurar la sarta de perforación a un carro de perforación o a un motor para pozos profundos, y utilizar el carro de perforación o el motor para pozos profundos para hacer rotar la sarta de perforación. En algunos aspectos, el método puede además comprender la etapa de recuperar un testigo de sondeo utilizando la herramienta de perforación impregnada.

También se describen en el presente documento métodos para formar las herramientas de perforación impregnadas divulgadas en el presente documento. El método para formar la herramienta de perforación impregnada (p.ej., una broca de perforación impregnada) puede incluir preparar la matriz de la herramienta de perforación impregnada, dispersando la pluralidad de medios de corte abrasivo a lo largo de al menos una parte de la matriz, infiltrando la matriz con un aglutinante, y asegurando el vástago a la matriz. En estos métodos, la aleación con formación de carburo de la matriz forma un enlace directo con el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz, y la aleación con formación de carburo de la matriz forma un enlace directo de carburo con al menos un elemento de corte abrasivo de la pluralidad de elementos de corte abrasivo.

También se describen en el presente documento unos sistemas de perforación que tienen una herramienta de superficie tal como se divulga en el presente documento. Opcionalmente, los sistemas de perforación pueden presentar un carro de perforación, una sarta de perforación, y la herramienta de superficie (p.ej., una broca de perforación de superficie). Alternativamente, los sistemas de perforación pueden presentar un motor para pozos profundos, y la herramienta de superficie. La sarta de perforación puede configurarse para asegurarse a y ser rotada por el carro de perforación o el motor para pozos profundos, y la herramienta de perforación puede acoplarse a un extremo inferior de la sarta de perforación.

También se describe en el presente documento un método de perforación que utiliza las herramientas de perforación de superficie divulgadas en el presente documento. El método puede comprender la etapa de utilizar una herramienta de perforación de superficie (p.ej., una broca de perforación de superficie) tal como se divulga en el presente documento para penetrar en una formación geológica. Opcionalmente, el método puede comprender las etapas de asegurar una herramienta de perforación de superficie según se divulga en el presente documento a una sarta de perforación y a continuación hacer rotar la sarta de perforación para hacer que la herramienta de perforación de superficie penetre en una formación geológica. Opcionalmente, en algunos aspectos, el método puede además comprender la etapa de asegurar la sarta de perforación a un carro de perforación o a un motor para pozos profundos, y utilizar el carro de perforación o el motor para pozos profundos para hacer rotar la sarta de perforación. En algunos aspectos, el método puede además comprender la etapa de recuperar un testigo de sondeo utilizando una herramienta de perforación de superficie.

También se describe en el presente documento métodos para formar las herramientas de perforación de superficie divulgadas en el presente documento. El método de formación de la herramienta de perforación de superficie (p.ej., una broca de perforación de superficie) puede incluir preparar la matriz de la herramienta de perforación de superficie, infiltrando la matriz con un aglutinante, posicionando la pluralidad de elementos de corte abrasivo en la cara de corte tal como se divulga en el presente documento, y asegurar el vástago a la matriz. En estos métodos, la aleación con formación de carburos de la matriz forma un enlace directo con el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz, y forma un enlace directo de carburo con al menos un elemento de corte abrasivo de entre la pluralidad de elementos de corte abrasivo.

En parte se expondrán ventajas adicionales de la invención en la descripción que sigue a continuación, y en parte resultarán obvias a partir de la descripción, o bien pueden aprenderse mediante la práctica de la invención. Las ventajas de la invención se realizarán y se lograrán mediante los elementos y las combinaciones señaladas en particular en las reivindicaciones adjuntas. Ha de entenderse que tanto la general descripción anterior y la siguiente descripción detallada son únicamente a modo de ejemplo y de explicación, y no son restrictivas de la invención tal como se reivindica.

Descripción detallada de las figuras

Estas y otras características de las realizaciones preferidas de la invención resultarán más evidentes en la descripción detallada en la cual se hace referencia a los dibujos anexos en donde:

La FIG. 1 es una vista en perspectiva de una broca de perforación impregnada según se divulga en el presente documento;

La FIG. 2 es una vista de corte transversal de la broca de perforación impregnada de la FIG. 1;

La FIG. 3 es una vista de corte transversal de una broca de perforación impregnada que comprende una pluralidad de elementos de corte abrasivo grandes y una pluralidad de elementos de corte abrasivo pequeños, según se divulga en el presente documento;

La FIG. 4 es una vista de corte transversal de una broca de perforación impregnada que comprende una pluralidad de elementos de corte abrasivo grandes, una pluralidad de elementos de corte abrasivo pequeños, y una pluralidad de fibras según se divulga en el presente documento;

La FIG. 5 es una vista de corte transversal de una broca de perforación impregnada que comprende una primera parte que presenta una pluralidad de elementos de corte abrasivo grandes y una segunda parte que presenta una pluralidad de elementos de corte abrasivo pequeños, según se divulga en el presente documento;

La FIG. 6 es una vista esquemática de un sistema de perforación que comprende una broca de perforación impregnada según se divulga en el presente documento;

La FIG. 7 es una broca de perforación de testificación de superficie según se divulga en el presente documento. Las FIGS. 8A y 8B son imágenes SEM de los enlaces químicos entre un diamante y una matriz de la broca de perforación que comprende un ejemplo de aleación con formación de carburos y un aglutinante según se divulga en el presente documento. La FIG. 8C es una imagen SEM de un diamante recubierto convencional. Tal como se muestra en la FIG. 8C, existe un pequeño hueco entre la matriz y el diamante de tal manera que el diamante sólo se mantiene en su sitio mecánicamente (en lugar de enlazarse químicamente en su lugar).

Descripción detallada

Tal como se utiliza a lo largo de todo el documento, las formas en singular “uno/a”, “un” y “el/la” comprenden sus referentes en plural a menos que el contexto claramente lo indique de otro modo. Por tanto, por ejemplo, la referencia a “un diamante” puede comprender dos o más de dichos diamantes y la referencia a “un enlace” puede comprender dos o más de dichos enlaces a menos que el contexto indique de otro modo.

Los rangos pueden expresarse en el presente documento desde “aproximadamente” un valor en particular, y/o hasta “aproximadamente” otro valor en particular. Cuando se expresa dicho rango, otro aspecto comprende desde dicho un valor en particular y/o hasta el otro valor en particular. De forma similar, cuando los valores se expresan como aproximaciones, mediante el uso del antecedente “aproximadamente”, se habrá de entender que el valor en particular forma otro aspecto. Se podrá entender adicionalmente que los puntos límite de cada uno de los rangos son significativos tanto en relación al otro punto límite, como independientemente del otro punto límite.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término “diamante natural” hace referencia a un diamante natural industrial que está configurado para su uso en procesos convencionales de fabricación de brocas de perforación. Tal como se utiliza en el presente documento, los términos “opcional” u “opcionalmente” hacen referencia a que el evento o circunstancia que se describe posteriormente puede o no ocurrir, y que la descripción comprende ejemplos en los que dicho evento o circunstancia ocurre y ejemplos en los que no.

La palabra “o” tal como se utiliza en el presente documento hace referencia a cualquier elemento de una lista en particular y también comprende cualquier combinación de elementos de esa lista.

Tal como se utiliza en el presente documento el término “longitudinal” significa a lo largo de la longitud de la sarta de perforación. Adicionalmente, tal como se utiliza en el presente documento, los términos “superior”, “parte superior”, y “encima” e “inferior” y “debajo” hacen referencia a las posiciones longitudinales en la sarta de perforación. Los términos “superior”, “parte superior”, y “encima” hacen referencia a posiciones más cercanas al mástil e “inferior” y “debajo” hacen referencia a posiciones más cercanas a la herramienta de perforación (p.ej., la broca de perforación). Tal como se utiliza en el presente documento, el término “infiltración” o “infiltrante” implica fundir un material aglutinante y hacer que el material aglutinante fundido penetre en el interior de, y rellene los espacios o poros de una matriz. Tras su enfriamiento, el aglutinante puede solidificarse, enlazando las partículas de la matriz entre sí.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término “sinterización” hace referencia a la retirada de al menos una parte de los poros entre las partículas (lo que puede estar acompañado de una contracción) combinado con coalescencia y enlace entre partículas adyacentes.

Se divulgan en el presente documento, en aspectos a modo de ejemplo, unas herramientas de perforación que comprenden un vástago, una corona, y una pluralidad de elementos de corte abrasivo. El vástago puede tener un primer extremo y un segundo extremo opuesto. El primer extremo del vástago puede adaptarse para asegurarse a un componente de la sarta de perforación, tal como se divulga adicionalmente en el presente documento. La corona puede extenderse desde el segundo extremo del vástago. Tal como se divulga en el presente documento, la corona comprende: una matriz de material de partículas duras y una aleación con formación de carburo; una cara de corte; y un cuerpo de la corona entre la cara de corte y el vástago. La pluralidad de elementos de corte abrasivo se asegura al menos parcialmente dentro del cuerpo de la corona. Tal como se divulga adicionalmente en el presente documento, la aleación con formación de carburo forma un enlace directo con el material de partículas duras de la matriz, y la aleación con formación de carburo forma un enlace de carburo directo con al menos un elemento de corte abrasivo de la pluralidad de elementos de corte abrasivo.

Las herramientas descritas en el presente documento pueden utilizarse para cortar piedra, depósitos de minerales subterráneos, cerámica, asfalto, hormigón, y otros materiales duros. Estas herramientas de perforación pueden comprender, por ejemplo, brocas de perforación para testificación de sondeos, brocas de perforación del tipo de arrastre, ensanchadores (incluyendo ensanchadores con placas impregnadas, ensanchadores con placas de tipo brochadora, ensanchadores con placas de tipo Magnum, y ensanchadores con placas de tipo Premium, según se conocen en la técnica), estabilizadores, zapatas de entubación o para el varillaje, y similares.

Herramientas de perforación impregnadas

Se describe en el presente documento, en referencia a las FIGS. 1-5, una herramienta de perforación impregnada para realizar una perforación a través de una formación de forma efectiva y eficiente. En aspectos a modo de ejemplo, la herramienta de perforación presenta un vástago, una corona, y una pluralidad de elementos de corte abrasivo. En estos aspectos, se contempla que la pluralidad de elementos de corte abrasivo puede comprender elementos de corte relativamente grandes y/o elementos de corte pequeños según se divulga en el presente documento.

En aspectos a modo de ejemplo, los elementos de corte abrasivo pueden estar dispersos en una disposición desorganizada a lo largo de al menos una parte de la corona. En estos aspectos, se contempla que la pluralidad de elementos de corte abrasivo puede estar dispersa en una disposición desorganizada a lo largo de al menos una parte de la corona.

Opcionalmente, se contempla que las herramientas de perforación impregnadas pueden comprender elementos de corte abrasivo relativamente grandes. Durante su uso, estos elementos de corte abrasivo relativamente grandes pueden permitir que la herramienta de perforación retire rápidamente el material de una formación que está siendo perforada debido a la gran profundidad de corte por revolución asociada con los elementos de corte abrasivo grandes. Adicionalmente, se contempla que las herramientas de perforación divulgadas pueden proporcionar un aumento en su vida útil proporcionando unos elementos de corte abrasivo grandes bajo la superficie que queden expuestos a medida que la corona de la broca de perforación se desgaste durante la perforación. Por consiguiente, la presencia de elementos de corte abrasivo relativamente grandes puede incrementar la velocidad de corte de la herramienta de perforación además de su durabilidad y vida útil.

Para facilidad de la descripción, las Figuras y el siguiente texto ilustran ejemplos de brocas de perforación para testificación impregnadas y métodos para formar y utilizar dichas brocas de perforación. Podrá apreciarse a la luz de la divulgación en el presente documento, sin embargo, que los sistemas, métodos y aparatos divulgados pueden utilizarse con otras herramientas impregnadas de perforación y corte, tales como las mencionadas anteriormente en el presente documento (p.ej., ensanchadores, estabilizadores, entubaciones, zapatas para varillaje, etc.). En aspectos a modo de ejemplo, se contempla que la herramienta de perforación pueda comprender una broca de perforación de sección completa. En otros aspectos a modo de ejemplo, se contempla que la herramienta de perforación puede comprender una broca de perforación de fundición integral.

En referencia ahora a las Figuras, las FIGS. 1 y 2 ilustran una vista en perspectiva y una vista de un corte transversal, respectivamente, de una broca 100 de perforación impregnada. Más en particular, las FIGS. 1 y 2 ilustran una broca 100 de perforación para testificación impregnada, con una pluralidad de elementos 110 de corte abrasivo, que desgastan y cortan el material que está siendo perforado. Tal como se muestra en la FIG. 1, la broca 100 de perforación puede comprender una parte de corte o corona 102.

Una capa 103 de soporte puede asegurar o conectar la corona 102 a un vástago o pieza sin mecanizar 104. Tal como se muestra en las FIGS. 1 y 2, la pluralidad de elementos 110 de corte abrasivo de la corona 102 se encuentran dispersos dentro de una matriz 114. Tal como se muestra en la FIG. 2, la capa 103 de soporte, que conecta la corona 102 al vástago 104, puede encontrarse desprovista de elementos de corte abrasivo. En implementaciones alternativas, la capa 103 de soporte puede comprender elementos de corte abrasivo.

Tal como se muestra en las FIGS. 1 y 2, en algunos aspectos opcionales, la capa 103 de soporte puede comprender unas placas 105. Las placas 105 pueden estar formadas de diamantes policristalinos, carburo de tungsteno, u otros materiales con características de material similares. Las placas 105 pueden ayudar a mantener el calibre de la broca y ayudar a estabilizar la broca 100 de perforación impregnada. En implementaciones alternativas, la capa 103 de soporte no comprende placas 105.

Opcionalmente, el vástago 104 puede estar configurado para conectar la broca 100 de perforación impregnada a un componente de una sarta de perforación. En particular, el extremo superior del vástago 104 (es decir, el extremo opuesto al extremo asegurado a la capa 103 de soporte) puede comprender un conector 106 al que puede asegurarse un escariador hueco u otro componente de la sarta de perforación. Tal como se muestra en la FIG. 3, en una o más implementaciones el conector 106 puede comprender una parte roscada que presenta una o más roscas.

Las FIGS. 1 y 2 también ilustran que la broca 100 de perforación puede definir un espacio interior alrededor de su eje central para recibir un testigo de sondeo. De este modo, tanto la corona 102 como el vástago 104 pueden tener una forma en general anular definida por una superficie interior y una superficie exterior. Por consiguiente, los fragmentos del material que está siendo perforado pueden pasar a través del espacio interior de la broca 100 de perforación impregnada y, opcionalmente, hacia arriba a través de una sarta de perforación acoplada. La broca 100 de perforación impregnada puede ser de cualquier tamaño, y por lo tanto, puede utilizarse para recoger testigos de sondeo de cualquier tamaño. Aunque la broca 100 de perforación puede tener cualquier diámetro y puede utilizarse para retirar y recoger testigos de sondeo con cualquier diámetro deseado, el diámetro de la broca 100 de perforación impregnada puede encontrarse en un rango, en algunas implementaciones, de aproximadamente 1 pulgada hasta aproximadamente 12 pulgadas. Adicionalmente, aunque la entalladura de la broca 100 de perforación impregnada (es decir, el radio de la superficie exterior menos el radio de la superficie interior) puede tener cualquier ancho, se contempla que la entalladura puede encontrarse opcionalmente en un rango de aproximadamente % de pulgada hasta aproximadamente 6 pulgadas.

La corona 102 puede configurarse para cortar o perforar los materiales deseados durante el proceso de perforación. La corona 102 puede comprender una cara 108 de corte y un cuerpo de la corona que se extiende entre la capa 103 de soporte o el vástago 104 y la cara 108 de corte. En particular, la corona 102 de la broca 100 de perforación impregnada puede comprender una pluralidad de segmentos 109 de corte. Los segmentos 109 de corte pueden estar separados por secciones 112 de paso de agua. Las secciones 112 de paso de agua pueden permitir que el fluido de perforación u otros lubricantes fluyan a través de la cara 108 de corte para ayudar a proporcionar enfriamiento durante la perforación. Las secciones 112 de paso de agua pueden además permitir que el fluido de perforación limpie con descarga de agua los recortes y los residuos desde la superficie interior hasta la superficie exterior de la broca 100 de perforación impregnada.

La corona 104 puede tener cualquier número de secciones 112 de paso de agua que proporcione la cantidad deseada de flujo de fluido/restos y que además permita que la corona 102 mantenga la integridad estructural que se necesita para las operaciones de perforación. Por ejemplo, las FIGS. 1 y 2 ilustran que la broca 100 de perforación impregnada puede comprender ochos secciones 112 de paso de agua. Podrá apreciarse, a la luz de la divulgación del presente documento, que la presente invención no se encuentra limitada de esta manera. En aspectos opcionales adicionales, la broca 100 de perforación impregnada puede comprender tan pocas como una sección de paso de agua o tantas como 20 o más secciones de paso de agua, dependiendo de la configuración deseada y la formación que va a ser perforada. Adicionalmente, las secciones 112 de paso de agua pueden estar separadas a igual distancia o a distancias desiguales alrededor de la circunferencia de la corona 102. Por ejemplo, la FIG. 1 representa ocho secciones 112 de paso de agua que se encuentran sustancialmente separadas a igual distancia entre sí alrededor de la circunferencia de la corona 102. En implementaciones alternativas, sin embargo, las secciones 112 de paso de agua pueden estar escalonadas o separadas de otro modo a distancias desiguales.

Opcionalmente, la pluralidad de elementos de corte abrasivo de la corona 102 puede comprender una pluralidad de elementos de corte abrasivo relativamente grandes, que pueden permitir que la broca 100 de perforación impregnada corte rápidamente el material blando de formación retirando más material por revolución. Tal como se utiliza en el presente documento, el término “relativamente grande” hace referencia a elementos de corte abrasivo que presentan (i) al menos una dimensión entre aproximadamente 1,0 milímetros y aproximadamente 8 milímetros, o más preferiblemente entre aproximadamente 2,5 milímetros y aproximadamente 5 milímetros, o (ii) que presenta un volumen de entre aproximadamente 1 milímetro3 y aproximadamente 512 milímetros3, o más preferiblemente entre 15,2 milímetros3 y aproximadamente 125 milímetros3, o (iii) un tamaño entre aproximadamente 5 libras por quilate y aproximadamente 108 libras por quilate. La “al menos una dimensión” de los elementos de corte abrasivo relativamente grandes pueden comprender una longitud, un diámetro, un ancho, una altura, u otra dimensión.

Los elementos 110 de corte abrasivo de la broca 100 de perforación pueden tener diversas formas o combinaciones de las mismas, tales como, por ejemplo, esferas, cubos, cilindros, formas irregulares, u otras formas. Los elementos 110 de corte abrasivo pueden incluir uno o más de entre diamante natural, diamante sintético, diamante policristalino, diamante térmicamente estable. En una o más implementaciones, los elementos 110 de corte abrasivo pueden comprender materiales de diamante policristalino homogéneo, tales como diamantes térmicamente estables que no tienen una base de carburo.

La FIG. 2 ilustra que los elementos 110 de corte abrasivo pueden estar dispersos en la cara 108 de corte de la corona 102. Además, la FIG. 2 muestra que los elementos 110 de corte abrasivo pueden estar dispersos a lo largo de al menos una parte del cuerpo de la corona (es decir, la parte de la corona 102 entre la cara 108 de corte y la capa 103 de soporte o el vástago 104). En otras palabras, los elementos 110 de corte abrasivo pueden estar embebidos dentro de la corona 102 en la cara 108 de corte, además de detrás de la cara 108 de corte. De este modo, a medida que los elementos 110 de corte abrasivo y la matriz 114 en la cara 108 de corte se desgastan o se erosionan durante un proceso de perforación, los elementos 110 de corte abrasivo embebidos quedan expuestos para rellenar la cara 108 de corte. Una configuración de este tipo puede proporcionar versatilidad en el corte ya que los elementos 110 de corte abrasivo continúan estando disponibles para cortar a lo largo de la vida de la broca 100 de perforación impregnada.

Los elementos 110 de corte abrasivo pueden estar dispersos a lo largo de al menos una parte de la corona 102. Por ejemplo, la FIG. 2 ilustra que los elementos 110 de corte abrasivo pueden estar dispersos sustancialmente en su totalidad por toda la corona 102. En aspectos alternativos, los elementos 110 de corte abrasivo pueden estar dispersos a lo largo de únicamente una parte de la corona 102. Por ejemplo, en algunos aspectos, los elementos 110 de corte abrasivo pueden estar dispersos únicamente en las partes de la corona 102 próximas a la cara 108 de corte. En aún aspectos adicionales, los elementos 110 de corte abrasivo pueden estar dispersos únicamente en partes de la corona 102 detrás de la cara 108 de corte.

Tal como se muestra en la FIG. 2, los elementos 110 de corte abrasivo pueden disponerse en la corona 102 en una disposición desorganizada. En implementaciones adicionales, los elementos 110 de corte abrasivo pueden estar dispersos de forma aleatoria dentro de la corona 102. De este modo, en aspectos a modo de ejemplo, los elementos 110 de corte abrasivo no están dispuestos en alineamientos específicos unos en relación con otros o con la cara 108 de corte. En aspectos alternativos, los elementos 110 de corte abrasivo pueden alinearse de una manera en particular, de forma que las propiedades de corte de los elementos de corte se presenten en una posición ventajosa con respecto a la cara 108 de corte.

En cualquier caso, tal como ilustra la FIG. 2, los elementos 110 de corte abrasivo pueden estar dispersos de forma sustancialmente homogénea por toda la corona 102. En aspectos alternativos, los elementos 110 de corte abrasivo pueden estar dispersos de forma heterogénea por toda la corona 102. Por ejemplo, en algunos aspectos, la concentración de elementos 110 de corte abrasivo puede variar a lo largo de cualquier parte de la corona 102, según se desee. En particular, la corona 102 puede comprender un gradiente de elementos 110 de corte abrasivo. Por ejemplo, la parte de la corona 102 que se encuentra más cerca de la cara 108 de corte de la broca 100 de perforación impregnada puede contener una primera concentración de elementos 110 de corte abrasivo, y la concentración de elementos 110 de corte abrasivo puede disminuir o incrementarse gradualmente hacia la capa 103 de soporte. Dicha broca 100 de perforación impregnada puede ser utilizada para perforar una formación que comienza con una formación no consolidada, abrasiva y blanda, que gradualmente cambia a una formación no consolidada y dura. De este modo, la dispersión de los elementos 110 de corte abrasivo en la broca 100 de perforación impregnada se puede personalizar según la formación deseada a través de la cual será utilizada para perforar.

Tal como se ha mencionado anteriormente, los elementos de corte abrasivo se encuentran dispersos dentro de una matriz 114. La matriz 114 comprende un material de partículas duras que comprende carburo, tungsteno, hierro, cobalto y/o molibdeno y carburos, boruros y aleaciones de los mismos.

En aspectos a modo de ejemplo, la matriz 114 comprende una aleación con formación de carburo que está configurada para formar un enlace directo de carburo con al menos un elemento de corte abrasivo de entre la pluralidad de elementos de corte abrasivo. En estos aspectos, tal como se ha descrito adicionalmente en el presente documento, la aleación con formación de carburo está configurada para formar un enlace directo de carburo con un aglutinante y/o la materia de partículas duras de una matriz tal como se divulga en el presente documento. De este modo, en contraste con matrices convencionales, las cuales se enlazan con un infiltrante (aglutinante) pero no con los elementos de corte (p.ej., diamantes sintéticos), las aleaciones con formación de carburo divulgadas en el presente documento formarán enlaces tanto con el infiltrante (aglutinante) como con al menos una parte de los elementos de corte. Tal como se divulga adicionalmente en el presente documento, la pluralidad de elementos de corte abrasivo comprende al menos un elemento de corte que está configurado para formar un enlace de carburo con la aleación con formación de carburo. Entre los ejemplos de elementos de corte que son capaces de formar un enlace de carburo con la aleación con formación de carburo se incluyen el diamante natural, diamante, diamante policristalino, diamante térmicamente estable y similar. Sin embargo, en aspectos a modo de ejemplo, la pluralidad de medios de corte abrasivo puede además comprender al menos un elemento de corte abrasivo que no está configurado para formar un enlace de carburo con la aleación con formación de carburo. De este modo, no se requiere que cada elemento de corte dentro de la herramienta de perforación forme un enlace de carburo con una aleación con formación de carburo.

En referencia a las FIGS. 8A-8B, se contempla que la formación de un enlace tanto con el infiltrante como con los elementos de corte (incluyendo la formación de un carburo que enlaza con los elementos de corte) puede crear una estructura de soporte que retiene los elementos de corte (p.ej., elementos de corte de diamante sintético) durante un periodo de tiempo más largo que las matrices convencionales, tales como la matriz representada en la FIG. 8C. Más en particular, se contempla que los elementos de corte pueden enlazarse tanto química como mecánicamente en su lugar (en contraste con las brocas convencionales, en las que los elementos de corte se retienen simplemente de forma mecánica). Cuanto más tiempo se retiene cada elemento de corte, más exposición tendrá, y un incremento en la exposición puede permitir un mayor hueco entre la matriz y la superficie de la formación (p.ej., roca) que está siendo perforada. A medida que el hueco entre la matriz y la superficie de la formación se incrementa, mejora la descarga de agua/el enfriamiento de la broca, aumentando de este modo la vida útil de los elementos de corte (p.ej., diamantes sintéticos) y la de la broca. Además, cuando los elementos de corte (p.ej., diamantes sintéticos) tienen una suficiente estructura de soporte, los elementos de corte (p.ej., diamantes sintéticos) pueden sufrir una microfracturación ventajosa, lo que crea muchos bordes afilados en lugar de una configuración de “desgaste liso”, aumentando de este modo la eficacia de corte de la broca de perforación.

Más en particular, la aleación con formación de carburo, que se encuentra provista en forma de polvos con formación de carburo, tiene un elevado potencial de energía para formar un carburo con el carbono de los elementos de corte (p.ej., diamante). En otras palabras, la aleación con formación de carburo está configurada para convertir el carbono de los elementos de corte para formar un carburo. Al proveer al carbono procedente de los elementos de corte de una cantidad en exceso de aleación con formación de carburo, puede formarse una capa intermedia de la aleación entre el carburo y el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz (p.ej., polvo de tungsteno), de este modo enlazando todos ellos entre sí. Por tanto, se contempla que la aleación con formación de carburo esté configurada para formar un enlace de carburo con los elementos de corte (p.ej., diamante) y además para formar una capa metálica intermedia que se enlaza con el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz (p.ej., tungsteno). En aspectos a modo de ejemplo adicionales, la pluralidad de elementos de corte abrasivo comprende una pluralidad de elementos de corte de diamante, y la aleación con formación de carburo está configurada para convertir los elementos de corte de diamante en un carburo para formar los enlaces directos de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte de diamante.

De este modo, el proceso de formación de las herramientas de perforación divulgadas puede desviar o eliminar las etapas iniciales de recubrimiento de los procesos convencionales de PVD y CVD, y en su lugar crear un recubrimiento por enlace químico en una operación de calentamiento/horneado utilizando polvos y aglutinantes en la matriz que reaccionarán con la superficie de los elementos de corte para formar químicamente un recubrimiento de carburo. En aspectos a modo de ejemplo, los polvos de la matriz pueden contener la aleación o aleaciones de carburo, y el aglutinante puede difundir la aleación o aleaciones por todo el cuerpo de corte, mejorando de este modo la reacción de la superficie de los elementos de corte para formar el recubrimiento de carburo.

Se contempla además que el proceso divulgado de formación de un enlace directo de carburo evita la formación de óxidos, lo que, en las herramientas de perforación convencionales, puede debilitar significativamente los enlaces químicos. De este modo, los métodos divulgados pueden proporcionar unas herramientas de perforación que presenten enlaces más fuertes que las herramientas de perforación convencionales. Más en particular, debido a que la formación del enlace directo de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte ocurre durante el calentamiento in situ de la herramienta de corte (dentro de un horno) y sin la necesidad de múltiples operaciones de calentamiento, las herramientas de perforación divulgadas no están sujetas a la formación de capas de óxido que limitan el enlace químico entre los polvos de la matriz, los aglutinantes y los elementos de corte.

La herramienta de perforación está infiltrada con un aglutinante que no comprende un material con formación de carburo. En su lugar, los materiales con formación de carburo se encuentran provistos en la matriz. En estos aspectos, los elementos de corte abrasivo no están recubiertos y la aleación con formación de carburo de la matriz forma enlaces directos con los elementos de corte abrasivo no recubiertos. De este modo, se entiende que no se necesita que los aglutinantes divulgados formen el enlace directo entre la aleación de carburo y los elementos de corte.

En aspectos a modo de ejemplo, la aleación con formación de carburo pude opcionalmente comprender cromo. En otros aspectos a modo de ejemplo, la aleación con formación de carburo puede comprender opcionalmente titanio. En aspectos a modo de ejemplo adicionales, la aleación con formación de carburo puede comprender opcionalmente aluminio. En aspectos a modo de ejemplo adicionales, la aleación con formación de carburo puede comprender opcionalmente tántalo. En aún aspectos a modo de ejemplo adicionales, la aleación con formación de carburo puede comprender opcionalmente vanadio. En aún aspectos a modo de ejemplo adicionales, la aleación con formación de carburo puede comprender opcionalmente circonio. Sin embargo, se contempla que la aleación con formación de carburo puede comprender opcionalmente otros materiales, tales como, por ejemplo y sin limitación, sílice, niobio, molibdeno, boro, manganeso, tungsteno, hierro, cobalto, y níquel. Opcionalmente, en algunos aspectos, la aleación con formación de carburo de un único material, tal como, por ejemplo y sin limitación, titanio, aluminio, tántalo, vanadio, o circonio. Se entiende que las aleaciones con formación de carburo divulgadas en el presente documento se encuentran previstas habitualmente como polvos finos que pueden crear un riesgo de ^{explosión en entornos ricos en oxígeno (O}2^{). De este modo, convencionalmente, los fabricantes de herramientas de}perforación no utilizan aleaciones con formación de carburo en el proceso de fabricación.

Adicionalmente, aunque no se muestra en las figuras, la corona 102 además comprende un aglutinante. El aglutinante puede comprender cobre, zinc, plata, molibdeno, níquel, cobalto, o mezclas y aleaciones de los mismos. El aglutinante puede enlazarse con la matriz 114 y los elementos 110 de corte abrasivo, enlazando la corona 102 entre sí.

Tal como se ha mencionado anteriormente, en aspectos a modo de ejemplo, la pluralidad de elementos 110 de corte abrasivo dentro de la broca 100 de perforación impregnada puede comprender elementos de corte abrasivo relativamente grandes. En estos aspectos, se contempla que la broca 100 de perforación puede además comprender una pluralidad de elementos de corte abrasivo pequeños. Por ejemplo, la FIG. 3 ilustra una vista de corte transversal de una broca 100a de perforación impregnada que comprende una pluralidad de elementos 116 de corte abrasivo pequeños, además de elementos 110 de corte abrasivo relativamente grandes. Se contempla que los elementos de corte abrasivo pequeños pueden ayudar a que la broca de perforación corte en formaciones más duras en las que los elementos de corte abrasivo relativamente grandes no pueden cortar, evitando de este modo que la broca quede pulida.

La FIG. 3 muestra que los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar dispersos dentro de la matriz 114 junto con los elementos 110 de corte abrasivo relativamente grandes. Los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden cortar una formación utilizando la abrasión. De este modo, los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden permitir que la broca 100a de perforación impregnada corte de forma eficiente a través de formaciones más duras.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término “pequeño” hace referencia a elementos de corte abrasivo que tienen (i) una dimensión de mayor longitud menor de aproximadamente 2 milímetros, o más preferiblemente entre aproximadamente 0,01 milímetros y aproximadamente 1,0 milímetros, o (ii) con un volumen que es menor de aproximadamente 0,75 veces el volumen de un elemento de corte abrasivo relativamente grande, o más preferiblemente menor de aproximadamente 0,50 veces el volumen de unos medios de corte abrasivo relativamente grandes, o (iii) un volumen entre aproximadamente 0,001 mm3 y aproximadamente 8 mm3.

Los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden presentar diversas formas o combinaciones de las mismas, tales como, por ejemplo, esferas, cubos, cilindros, formas irregulares, u otras formas. La “dimensión más grande” de los elementos 116 de corte abrasivo pequeños puede por tanto comprender una longitud, un diámetro, un ancho u otra dimensión. Los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden comprender uno o más de entre diamante natural, diamante sintético, diamante policristalino, diamante térmicamente estable. En un aspecto, los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden comprender mono cristales de diamante.

La FIG. 3 ilustra que los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar dispersos en la cara 108 de corte de la corona 102. Además, la FIG. 3 muestra que los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar dispersos a lo largo de al menos una parte del cuerpo de la corona (es decir, la parte de la corona 102 entre la cara 108 de corte y el vástago 104). En otras palabras, los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar embebidos dentro de la corona 102 en la cara 108 de corte, además de detrás de la cara 108 de corte. Por tanto, a medida que los elementos 110 de corte abrasivo relativamente grandes, los elementos 116 de corte abrasivo pequeños, y la matriz 114 en la cara 108 de corte se desgastan o se erosionan durante un proceso de perforación, los elementos 110 de corte abrasivo relativamente grandes embebidos y los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden quedar expuestos para rellenar la cara 108 de corte. Dicha configuración puede proporcionar versatilidad en el corte, ya que los elementos 110 de corte abrasivo relativamente grandes y los elementos 116 de corte abrasivo pequeños continúan estando disponibles para cortar a lo largo de la vida útil de la broca 100a de perforación impregnada.

Los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar dispersos por al menos una parte de la corona 102. Por ejemplo, la FIG. 3 ilustra que los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar dispersos sustancialmente en su totalidad por toda la corona 102. En aspectos alternativos, los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar dispersos por únicamente una parte de la corona 102. Por ejemplo, en algunos aspectos, los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar dispersos únicamente en las partes de la corona 102 próximas a la cara 108 de corte. En aún aspectos adicionales, los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar dispersos únicamente en partes de la corona 102 detrás de la cara 108 de corte.

Tal como se muestra en la FIG. 3, los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar dispuestos en la corona 102 en una disposición desorganizada. En implementaciones adicionales, los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar dispersos de forma aleatoria dentro de la corona 102. Por tanto, en aspectos a ^{modo de ejemplo, los elementos}116 ^{de corte abrasivo pequeños no se encuentran dispuestos en alineamientos}específicos uno en relación al otro o a la cara 108 de corte.

En cualquier caso, tal como ilustra la FIG. 3, los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar dispersos de forma homogénea por toda la corona 102. En aspectos alternativos, los elementos 116 de corte abrasivo pequeños pueden estar dispersos de forma heterogénea por toda la corona 102. Por ejemplo, en algunos aspectos, la concentración de los elementos 116 de corte abrasivo pequeños puede variar a lo largo de cualquier parte deseada de la corona 102, según se desee. En particular, la corona102 puede comprender un gradiente de elementos 116 de corte abrasivo pequeños. Por ejemplo, la parte de la corona 102 que se encuentra más cerca de la cara 108 de corte de la broca 100a de perforación impregnada contiene una primera concentración de elementos 116 de corte abrasivo pequeños y la concentración de elementos 116 de corte abrasivo pequeños puede reducirse o incrementarse gradualmente hacia el vástago 104. Dicha broca 100a de perforación impregnada puede ser utilizada para perforar una formación que comienza con una formación blanda, abrasiva, no consolidada, la cual cambia gradualmente a una formación dura no consolidada. De este modo, la dispersión de los elementos 110 de corte abrasivo relativamente grandes y los elementos 116 de corte abrasivo pequeños en la broca 100a de perforación impregnada puede ser personalizada para la formación deseada a través de la cual estará perforando.

En aspectos a modo de ejemplo, los elementos 110, 110a de corte abrasivo en la cara 108 de corte pueden extenderse hacia fuera de la cara 108 de corte. En otras palabras, tal como se muestra en la FIG. 3, los elementos 110, 110a de corte abrasivo pueden extenderse desde la corona 102 alejándose axialmente de la cara 108 de corte. Los elementos 110, 100a de corte abrasivo que se extienden desde la corona 102 pueden ayudar a permitir una puesta en marcha rápida de una nueva herramienta 100, 100a de perforación. En aspectos alternativos, la cara 108 de corte no comprende elementos 110, 100a de corte abrasivo que se extienden hacia afuera de la cara 108 de corte, tal como por ejemplo la broca 100 de perforación impregnada de las FIGS. 1 y 2. En aún aspectos adicionales, la cara 108 de corte puede comprender otras características para ayudar en el proceso de perforación, tales como por ejemplo unas ranuras radiales.

La FIG. 4 ilustra otro ejemplo de broca de perforación impregnada que comprende elementos 110 de corte abrasivo. En particular, la FIG. 4 ilustra una broca 100b de perforación impregnada que comprende una corona 102 que tiene elementos 110 de corte abrasivo, elementos 116 de corte abrasivo pequeños, y una pluralidad de fibras 118 dispersas dentro de la matriz 114 de material de partículas duras. En particular, la corona 102 de una o más implementaciones de la presente invención puede comprender fibras, tales como las fibras descritas en la solicitud de Patente de EE.UU. con N° de serie 11/948,185, presentada el 30 de Noviembre de 2007, titulada "Fiber-Containing Diamond Impregnated Cutting Tools" (Herramientas de corte impregnadas de diamante que contienen fibras), ahora Patente de EE.UU. N° 7,695,542. En aspectos a modo de ejemplo, las fibras 118 puede ayudar a controlar la tasa a la que la matriz erosiona, y por tanto, la tasa a la que los elementos de corte abrasivo (que comprenden elementos 110 de corte abrasivo, que pueden opcionalmente ser elementos de corte abrasivo relativamente grandes, y, opcionalmente, elementos 116 de corte abrasivo pequeños) quedan expuestos.

Las fibras 118 pueden tener diversas formas o combinaciones de las mismas, tales como, por ejemplo, forma de cinta, cilíndrica, poligonal, elíptica, recta, curva, ondulada, en espiral, plegadas en ángulos, etc. Las fibras 118 en la corona 102 de la broca 100b de perforación impregnada pueden ser de cualquier tamaño o combinación de tamaños, que comprenden mezclas de diferentes tamaños. Las fibras 118 en la corona 102 de la broca 100b de perforación impregnada pueden ser de cualquier tamaño o combinación de tamaños, que comprenden mezclas de diferentes tamaños. Las fibras 118 pueden ser de cualquier longitud y tener cualquier diámetro deseado. Opcionalmente, en algunos aspectos, las fibras 118 pueden ser de aproximadamente 10 micras y aproximadamente 25.000 micras de longitud, y pueden tener un diámetro de entre aproximadamente 1 micra y aproximadamente 500 micras. En otros aspectos a modo de ejemplo, las fibras 118 pueden ser de aproximadamente 150 micras de longitud y pueden tener un diámetro de aproximadamente 7 micras.

Las fibras 118 pueden comprender una o más fibras de carbono, fibras de metal (p.ej., fibras realizadas de tungsteno, carburo de tungsteno, hierro, molibdeno, cobalto, o combinaciones de los mismos), fibras de vidrio, fibras poliméricas (p.ej., fibras realizadas de Kevlar), fibras de cerámica (p.ej., fibras realizadas de carburo de sílice), fibras recubiertas, y/o similar.

La FIG. 4 ilustra que las fibras 118 pueden estar dispersas en la cara 108 de corte de la corona 102. Además, la FIG. 4 muestra que las fibras 118 pueden estar dispersas a lo largo de al menos una parte del cuerpo de la corona (es decir, la parte de la corona 102 entre la cara 108 de corte y el vástago 104). En otras palabras, las fibras 118 pueden estar embebidas dentro de la corona 102 en la cara 108 de corte, además de detrás de la cara 108 de corte.

Las fibras 118 pueden estar dispersas a lo largo de al menos una parte de la corona 102. Por ejemplo, la FIG. 4 ilustra que las fibras 118 se encuentran dispersas sustancialmente en su totalidad a lo largo de la corona 102. En implementaciones alternativas, las fibras 118 pueden estar dispersas a lo largo únicamente de una parte de la corona 102. Por ejemplo, en algunos aspectos, las fibras 118 pueden estar dispersas únicamente en las partes de la corona 102 próximas a la cara 108 de corte. En aún aspectos adicionales, las fibras 118 pueden estar dispersas únicamente en partes de la corona 102 detrás de la cara 108 de corte.

Tal como se muestra en la FIG. 4, las fibras 118 pueden estar dispuestas en la corona 102 en una disposición desorganizada. En aspectos adicionales, las fibras 118 pueden estar dispersas aleatoriamente dentro de la corona 102. Por tanto, en aspectos a modo de ejemplo, las fibras 118 no se encuentran dispuestas en alineamientos específicos unas en relación a las otras o a la cara 108 de corte.

Opcionalmente, tal como ilustra la FIG. 4, las fibras 118 pueden estar dispersas de forma homogénea por toda la corona 102. En aspectos alternativos, las fibras 118 pueden estar dispersas de forma heterogénea por toda la corona 102. Por ejemplo, en algunos aspectos, la concentración de las fibras 118 puede variar a lo largo de cualquier parte de la corona 102, según se desea. En particular, la corona 102 puede comprender un gradiente de fibras 118. Por ejemplo, en un ejemplo de aspecto, la parte de la corona 102 que está más cerca de la cara 108 de corte de la broca 100b de perforación impregnada puede contener una primera concentración de fibras 118 y la concentración de fibras 118 puede reducirse o incrementarse gradualmente hacia el vástago 104.

Tal como se ha comentado anteriormente, la dispersión de los elementos 110 de corte abrasivo, tales como por ejemplo y sin limitación una pluralidad de elementos de corte abrasivo relativamente grandes y/o elementos 116 de corte abrasivo pequeños, en las brocas de perforación impregnadas divulgadas puede personalizarse para la formación deseada a través de la cual ésta perforará. Por ejemplo, la FIG. 5 ilustra una vista de corte transversal de una broca 100c de perforación impregnada con una corona 102 personalizada para una formación en particular. En particular, la parte de la corona 102a que está más cercana a la cara 108 de corte de la broca 100c de perforación impregnada contiene una pluralidad de elementos 110 de corte abrasivo, que pueden ser opcionalmente una pluralidad de medios de corte abrasivo relativamente grandes. Adicionalmente, la parte de la corona 102b que está más cercana al vástago 104 de la broca 100c de perforación impregnada, puede contener una pluralidad de elementos 116 de corte abrasivo pequeños. Una broca 100c de perforación impregnada de este tipo puede ser utilizada para perforar una formación que comienza con una formación blanda, abrasiva y no consolidada, que gradualmente cambia a una formación dura no consolidada.

En particular, los elementos 110 de corte abrasivo de la primera parte de la corona 102a puede cortar el material blando de la formación, permitiendo que la broca 100c de perforación impregnada penetre en la formación blanda de forma relativamente rápida.

En aspectos alternativos, la primera parte de la corona 102a puede comprender elementos 116 de corte abrasivo pequeños, mientras que la segunda parte de la corona 102b comprende otros elementos 110 de corte abrasivo, que pueden ser opcionalmente medios de corte abrasivo relativamente grandes. En aún aspectos adicionales, uno de entre la primera parte 102a y la segunda parte 102b de la corona puede comprender tanto elementos 110 de corte abrasivo relativamente grandes como elementos 116 de corte abrasivo pequeños. En aún aspectos adicionales, la broca 100c de perforación impregnada puede comprender más de dos secciones 102a, 102b distintas. Por ejemplo, la broca 100c de perforación impregnada puede comprender tres, cuatro, cinco o más secciones, cada una de ellas diseñada para cortar de manera eficiente a través de diferentes tipos de formaciones.

Sistemas de perforación que comprenden herramientas de perforación impregnadas

Podrá apreciarse que las herramientas de perforación impregnadas según se divulga en el presente documento pueden utilizarse con casi cualquier tipo de sistema de perforación para realizar diversas operaciones de perforación. Por ejemplo, la FIG. 6, y el texto correspondiente, ilustra o describe un sistema de perforación de este tipo con el que pueden utilizarse las herramientas de perforación divulgadas. Podrá apreciarse, sin embargo, que el sistema de perforación que se muestra y se describe en la FIG. 6 es únicamente un ejemplo de un sistema con el que pueden utilizarse las herramientas de perforación divulgadas.

Por ejemplo, la FIG. 6 ilustra un sistema 120 de perforación que comprende un cabezal 122 de perforación. El cabezal 122 de perforación puede acoplarse a un mástil 124 que a su vez se acopla a un carro 126 de perforación. El cabezal 122 de perforación puede configurarse para tener uno o más elementos 128 tubulares acoplados al mismo. Los elementos tubulares pueden comprender, sin limitación, varillas de perforación, entubaciones, escariadores huecos, y martillos de fondo. Para facilidad de referencia, los elementos 128 tubulares se describirán de aquí en adelante como componentes de la sarta de perforación. El componente 128 de la sarta de perforación puede a su vez acoplarse a unos componentes 128 de la sarta de perforación adicionales para formar una sarta 130 de herramientas o de perforación. A su vez, la sarta 130 de perforación puede acoplarse a una broca 100 de perforación impregnada según se divulga en el presente documento, tal como las brocas 100, 100a, 100b, 100c de perforación para testificación tal como se describen anteriormente en el presente documento. Tal como se ha comentado previamente, la broca 100 de perforación impregnada puede configurarse para formar una interfaz con el material 132, o la formación, que va a ser perforada.

En al menos un ejemplo, el cabezal 122 de perforación ilustrado en la FIG. 6 puede estar configurado para hacer rotar la sarta 130 de perforación durante un proceso de perforación. En particular, el cabezal 122 de perforación puede variar la velocidad a la que rota la sarta 130 de perforación. Por ejemplo, la tasa rotacional del cabezal de perforación y/o el par de torsión que el cabezal 122 de perforación transmite a la sarta 130 de perforación puede seleccionarse según se desee de acuerdo con el proceso de perforación.

Alternativamente, en aspectos a modo de ejemplo, un motor para pozos profundos en lugar de o además del cabezal 122 de perforación. De este modo, en estos aspectos, el motor para pozos profundos puede acoplarse al mástil 124 y puede tener una sarta 130 de perforación (uno o más componentes 128 de la sarta de perforación) acoplada al mismo. Mientras se encuentra en operación, el motor para pozos profundos puede estar configurado para hacer girar la sarta 130 de perforación durante un proceso de perforación. En particular, el motor para pozos profundos puede variar la velocidad a la que la sarta 130 de perforación gira. Por ejemplo, la tasa rotacional del motor de pozos profundos y/o el par de torsión que el motor para pozos profundos transmite a la sarta 130 de perforación puede seleccionarse según se desee de acuerdo con el proceso de perforación.

Además, el sistema 120 de perforación puede configurarse para aplicar una fuerza en general axial (opcionalmente hacia abajo) a la sarta 130 de perforación para impulsar la broca 100 de perforación impregnada hacia el interior de la formación 132 durante una operación de perforación. Por ejemplo, el sistema 120 de perforación puede comprender un conjunto impulsado por cadena que está configurado para mover un conjunto de deslizadera en relación al mástil 124 para aplicar la fuerza en general axial a la broca 100 de perforación impregnada según se ha descrito anteriormente.

De este modo, podrá apreciarse a la luz de la divulgación del presente documento, que las herramientas de perforación de la presente invención pueden ser utilizadas para cualquier propósito conocido en la técnica. Por ejemplo, una broca 100, 100a, 100b, 100c de perforación impregnada puede estar acoplada al extremo de la sarta 130 de perforación, que está conectada a su vez a una máquina o carro 126 de perforación. A medida que la sarta 130 de perforación, y por lo tanto la broca 100 de perforación impregnada, se hacen girar y son presionadas por la máquina 126 de perforación, la broca100 de perforación puede triturar los materiales en las formaciones 132 subterráneas que están siendo perforadas. Los testigos de sondeo que se extraen por perforación pueden retirarse de la sarta 130 de perforación. La parte de corte de la broca 100 de perforación puede erosionarse con el tiempo debido a la acción de trituración. Este proceso puede continuar hasta que la parte de corte de una broca 100 de perforación se haya consumido y la sarta 130 de perforación puede ser extraída del pozo de sondeo y la broca 100 de perforación sea reemplazada.

Durante su uso, se contempla que los elementos de corte abrasivo puedan posicionarse dentro de la broca 100 de perforación impregnada para promover la formación de “colas de cometa” detrás de los elementos de corte abrasivo durante la rotación de la broca. Se contempla que tales “colas de cometa” pueden formarse mediante la fricción y los cortes producidos por contacto entre la broca y la formación que está siendo cortada. Se contempla que las “colas de cometa” pueden configurarse para soportar los elementos de corte y para maximizar la holgura entre la cara de corte de la corona y la formación en tres dimensiones. Se contempla además que estas holguras pueden reducir la fricción y el calor a la vez que crear más espacio para lavar por descarga de agua los cortes de manera eficiente, aumentando de este modo el enfriamiento de la cara de corte. En combinación, estas características pueden mejorar el rendimiento de la broca y aumentar la vida útil de la broca. En aspectos a modo de ejemplo, las colas de cometa pueden formarse en la primera capa de los elementos de corte (más cercana a la cara de corte) de la broca 100 de perforación. En estos aspectos, se contempla que, a medida que la primera capa de elementos de corte se desgasta y se desprende de la broca de perforación, las capas subyacentes de elementos de corte se posicionan aleatoriamente, y la formación de colas no puede controlarse.

Métodos de formación de herramientas de perforación impregnadas

Las implementaciones de la presente invención también comprenden métodos para la formación de herramientas de perforación impregnadas, tales como brocas de perforación impregnadas. A continuación se describe al menos un método de formación de herramientas de perforación impregnadas que tienen elementos de corte abrasivo. Por supuesto, como una materia preliminar, un experto habitual en la técnica reconocerá que los métodos explicados en detalle pueden modificarse para instalar una variedad de configuraciones utilizando uno o más componentes del sistema de perforación divulgado. Por ejemplo, en un ejemplo de método, puede producirse una broca de perforación impregnada con elementos de corte abrasivo relativamente grandes. En aspectos a modo de ejemplo, la broca de perforación impregnada puede formarse utilizando un proceso de fundición convencional, tal como, por ejemplo, un proceso de fundición convencional para producir una broca de fundición integral.

Por ejemplo, en un aspecto, un método de formación de una broca de perforación impregnada comprende preparar una matriz. La etapa de preparación de una matriz comprende preparar una matriz de material de partículas duras. Por ejemplo, la etapa de preparación de una matriz puede comprender preparar una matriz de un material en polvo, tal como por ejemplo carburo de tungsteno. En aspectos adicionales, la matriz puede comprender uno o más de los materiales de partículas duras descritos previamente. En algunos aspectos, la etapa de preparación de una matriz puede comprender situar la matriz en un molde. La matriz además comprende al menos una aleación con formación de carburo.

El molde puede formarse de un material que sea capaz de soportar el calor al que estará sometida la matriz durante un proceso de calentamiento. En aspectos a modo de ejemplo, el molde puede formarse de carbono. Se contempla que el molde pueda conformarse para formar una herramienta (tal como una broca de perforación) que tenga características deseadas. En aspectos a modo de ejemplo, el molde puede corresponder con una broca de perforación para sondeos.

El método además comprende dispersar una pluralidad de elementos de corte abrasivo a lo largo de al menos una parte de la matriz. Adicionalmente, el método puede comprender dispersar los elementos de corte abrasivo aleatoriamente o en una disposición desorganizada a lo largo de la matriz.

En aspectos a modo de ejemplo, la etapa de dispersar una pluralidad de elementos de corte abrasivo puede comprender, opcionalmente, dispersar una pluralidad de elementos de corte abrasivo relativamente grandes y/o una pluralidad de elementos de corte abrasivo pequeños a lo largo de al menos una parte de la matriz. Adicionalmente, el método puede comprender dispersar los elementos de corte abrasivo relativamente grandes y/o pequeños aleatoriamente o en una disposición desorganizada a lo largo de la matriz.

En aspectos a modo de ejemplo adicionales, los métodos pueden además comprender dispersar una pluralidad de fibras a lo largo de al menos una parte de la matriz. En particular, se contempla que el método pueda comprender dispersar fibras de carbono aleatoriamente o en una disposición desorganizada a lo largo de la matriz.

El método además comprende infiltrar la matriz con un aglutinante. En estos aspectos, la etapa de infiltrar la matriz con un aglutinante puede comprender calentar el aglutinante hasta un estado fundido e infiltrar la matriz con el aglutinante fundido. Por ejemplo, en algunos aspectos, el aglutinante puede situarse próximo a la matriz 114 y la matriz 114 y el aglutinante pueden calentarse a una temperatura suficiente para llevar el aglutinante hasta un estado fundido. En estos aspectos, el aglutinante fundido puede infiltrar la matriz 114. En aspectos a modo de ejemplo, la etapa de infiltrar la matriz con un aglutinante puede comprender calentar la matriz 114 y el aglutinante a una temperatura de al menos 787° F (419°C). En aspectos a modo de ejemplo, se contempla que el aglutinante (en forma de polvo) puede inicialmente estar posicionado sobre el polvo de la matriz (antes de la infiltración). En estos aspectos, uno o más agentes fluidificantes convencionales (opcionalmente, en forma de polvo) puede posicionarse encima del aglutinante. Durante el proceso de formación de las herramientas de perforación divulgadas en el presente documento, se contempla que dicho uno o más agentes fluidificantes puedan configurarse para evitar la formación de, o retirar, óxidos. Entre los ejemplos no limitativos de agentes fluidificantes se incluyen boratos, bórax fundido, fluoboratos, boro elemental, fluoruros, cloruros, ácido bórico, álcalis, agentes humectantes, agua, disolventes convencionales (p.ej., alcoholes), y combinaciones de los mismos. Se contempla que el uso de tales agentes fluidificantes pueden mejorar el enlace entre el material de partículas duras, las aleaciones con formación de carburo, aglutinante, y elementos de corte de la herramienta de perforación, y reducir la tensión superficial y promover el libre flujo del aglutinante durante el proceso de infiltración.

Tal como se divulga adicionalmente en el presente documento, en aspectos a modo de ejemplo, la aleación con formación de carburo de la matriz forma un enlace directo con el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz, y forma un enlace directo de carburo con la pluralidad de elementos de corte abrasivo (p.ej., diamante sintético) de la matriz. Se contempla además que la aleación con formación de carburo tiene un elevado potencial de energía para formar un enlace de carburo con el carbono de los elementos de corte abrasivo (p.ej., diamante sintético). En otras palabras, la aleación con formación de carburo puede configurarse para convertir el carbono de los elementos de corte para formar un carburo. El carbono de los elementos de corte abrasivo está provisto de una cantidad en exceso de la aleación con formación de carburo, que a su vez forma una capa intermedia de la aleación entre el carburo y el aglutinante, enlazando de este modo todos ellos (la aleación con formación de carburo, el carburo y el aglutinante) entre sí. Por tanto, se contempla que la aleación con formación de carburo forme un carburo con los elementos de corte abrasivo y también forme una capa metálica intermedia que se enlaza al aglutinante y al material de partículas duras de la matriz (p.ej., tungsteno).

Se contempla además que el proceso divulgado para formar un enlace directo de carburo evita la formación de óxidos, lo que, en las herramientas de perforación convencionales, puede debilitar significativamente, o no permitir, los enlaces químicos. Por tanto, los métodos divulgados pueden proporcionar unas herramientas de perforación que presenten enlaces más fuertes que las herramientas de perforación convencionales. Más en particular, debido que a la formación del enlace directo de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte ocurre durante el calentamiento in situ de la herramienta de corte (con un horno) y sin la necesidad de múltiples operaciones de calentamiento, las herramientas de perforación divulgadas no están sujetas a la formación de capas de óxido que limitan el enlace químico entre los polvos de la matriz, los aglutinantes y los elementos de corte.

La herramienta de perforación es infiltrada con un aglutinante que no comprende un material con formación de carburo. Los elementos de corte abrasivo no se encuentran recubiertos, y la aleación con formación de carburo de la matriz forma enlaces directos de carburo con los elementos de corte abrasivo no recubiertos. Es decir, los elementos de corte abrasivo están inicialmente no recubiertos, y la aleación con formación de carburo y el aglutinante cooperan para recubrir los elementos de corte abrasivo in situ dentro de un horno. Sin embargo, se entiende que no se necesita que los aglutinantes divulgados formen el enlace directo de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte. Se contempla que cualquier recubrimiento de los elementos de corte abrasivos interferiría con el enlace directo de carburo requerido entre los elementos de corte abrasivo y la aleación con formación de carburo.

En aspectos a modo de ejemplo, el aglutinante puede comprender cobre, zinc, plata, molibdeno, níquel, cobalto, estaño, hierro, aluminio, sílice, manganeso, o mezclas y aleaciones de los mismos. Se contempla que el aglutinante puede enfriarse, enlazándose de este modo a partes de la matriz y a los elementos de corte abrasivo, y de este modo enlazando partes de la matriz y de los medios de corte abrasivo entre sí. En algunos aspectos, el tiempo y/o la temperatura del proceso de infiltración pueden incrementarse para permitir que el aglutinante rellene un mayor número y una mayor cantidad de los poros de la matriz. Se contempla que esto puede tanto reducir la contracción durante la sinterización, como incrementar la resistencia de la herramienta de perforación resultante.

El método además comprende asegurar un vástago 104 a la matriz 114. Por ejemplo, se contempla que la etapa de asegurar un vástago a la matriz puede comprender situar un vástago 104 en contacto con la matriz 114. Se contempla adicionalmente que una capa 103 de soporte de una matriz, material aglutinante, y/o flujo adicionales (p.ej., uno o más agentes fluidificantes tal como se divulga en el presente documento) pueden añadirse a continuación y ponerse en contacto con la matriz 114 además de con el vástago 104 para completar la preparación inicial de una broca de perforación sin tratar. Una vez que la broca de perforación sin tratar se haya formado, puede situarse en un horno para consolidar de este modo la broca de perforación. A partir de aquí, la broca de perforación puede acabarse mediante procesos de mecanizado según se desee.

Opcionalmente, antes, después, o en tándem con la infiltración de la matriz 114, uno o más de los métodos divulgados pueden comprender sinterizar la matriz 14 a una densidad deseada. Debido a que la sinterización implica la densificación y retirada de la porosidad dentro de una estructura, la estructura que está siendo sinterizada puede contraerse durante el proceso de sinterización. Se contempla que una estructura pueda experimentar una contracción lineal de entre 1% y 40% durante la sinterización. Como resultado, puede ser deseable considerar y prever una contracción dimensional cuando se diseñan las herramientas (moldes, troqueles, etc.), o cuando se mecanizan características en estructuras que no están completamente sinterizadas.

Por consiguiente, los esquemas y métodos descritos en el presente documento una cantidad de productos únicos que pueden ser efectivos para perforar a través de formaciones tanto blandas como duras. Adicionalmente, tales productos pueden presentar un aumento en la tasa de penetración de perforación debido a los elementos de corte abrasivo grandes. Además, a medida que los elementos de corte abrasivo pueden dispersarse por la corona, nuevos elementos de corte abrasivo pueden quedar expuestos de forma continua durante la vida útil de perforación de la broca de perforación impregnada.

Herramientas de perforación de superficie

Se describen en el presente documento en referencia a la FIG. 7 una herramienta de perforación de superficie para perforar de manera efectiva y eficiente a través de una formación. En aspectos a modo de ejemplo, la herramienta de perforación de superficie puede presentar un vástago, una corona y una pluralidad de elementos de corte abrasivo. En aspectos a modo de ejemplo, los elementos de corte abrasivo pueden asegurarse en la cara de corte de la herramienta de perforación de la misma forma que las herramientas de perforación de superficie convencionales.

Las herramientas de perforación de superficie descritas en el presente documento pueden utilizarse para cortar piedra, depósitos subterráneos de minerales, cerámicas, asfalto, hormigón, y otros materiales blandos y duros. Para facilidad en la descripción, las Figuras y el siguiente texto ilustran ejemplos de brocas de perforación para testificación de superficie y métodos para formar y utilizar dichas brocas de perforación. Podrá apreciarse a la luz de la divulgación en el presente documento, sin embargo, que los sistemas, métodos y aparatos divulgados pueden ser utilizados con otras herramientas de corte y perforación de superficie, tales como, por ejemplo y sin limitación, un ensanchador de superficie o un ensanchador híbrido de superficie/impregnado. En aspectos a modo de ejemplo, las brocas de superficie divulgadas pueden ser brocas de superficie de sección completa. En otros aspectos a modo de ejemplo, las brocas de superficie divulgadas pueden ser brocas de superficie de fundición integral.

Se contempla que los elementos de corte abrasivo en la cara de corte pueden permitir que las brocas de perforación de superficie corten de manera efectiva y eficiente a través de formaciones más blandas. De este modo, se contempla que las brocas de perforación de superficie divulgadas puedan cortar a través de formaciones más blandas a velocidades de corte relativamente altas. Opcionalmente, los elementos de corte abrasivo pueden comprender diamantes sintéticos, que se fracturan y crean nuevos bordes de corte durante las operaciones de perforación. Esto está en contraste con los diamantes policristalinos, los cuales se fracturan a través de los límites del grano.

En referencia ahora a las Figuras, la FIG. 7 ilustra una vista en perspectiva de una broca 200 de perforación de superficie. Más en particular, la FIG. 7 ilustra una broca 200 de perforación para testificación de superficie con una pluralidad de elementos 214 de corte abrasivo asegurados a la cara de corte de la broca de perforación. Tal como se muestra en la FIG. 7, la broca 100a de perforación puede comprender una parte de corte o corona 202.

La broca 200 de perforación puede comprender una parte 204 de vástago con un primer extremo 208 que está configurado para conectar la broca 200 de perforación a un componente de una sarta de perforación. Opcionalmente, el primer extremo 208 puede definir una parte roscada configurada para su acoplamiento con las roscas correspondientes de un componente de una sarta de perforación. A modo de ejemplo y no de limitación, la parte 208 de vástago puede estar formada de acero, otra aleación a base de hierro, o cualquier otro material que muestra unas propiedades físicas aceptables. También, la broca 200 de perforación puede tener una forma en general anular definida por una superficie 210 interior y una superficie 212 exterior. De este modo, las brocas 200 de perforación pueden definir un espacio interior alrededor de su eje central para recibir un testigo de sondeo. Por consiguiente, los fragmentos del material que está siendo perforado pueden pasar a través del espacio interior de la broca 200 de perforación y hasta una sarta de perforación acoplada. La broca 200 de perforación puede tener cualquier tamaño, y por lo tanto, puede utilizarse para recoger testigos de sondeo de cualquier tamaño. Aunque la broca 200 de perforación puede tener cualquier diámetro y puede utilizarse para retirar y recoger testigos de sondeo con cualquier diámetro deseado, el diámetro de la broca 200 de perforación puede encontrarse en un rango en algunos aspectos de aproximadamente 1 pulgada a aproximadamente 12 pulgadas. De forma similar, aunque la entalladura de la broca 200 de perforación de superficie (es decir, el radio de la superficie exterior menos el radio de la superficie interior) puede ser de cualquier ancho, se contempla que la entalladura puede encontrarse opcionalmente en un rango de aproximadamente % de pulgada a aproximadamente 6 pulgadas.

En un aspecto, la corona 202 anular puede estar formada de un material de partículas duras infiltrado con un aglutinante tal como se conoce en la técnica. Además, la corona 202 puede comprender una pluralidad de elementos 214 de corte que están asegurados a y sobresalen de la cara de corte de la corona. En diversos aspectos, los elementos de corte comprenden uno o más de entre productos de diamantes naturales, diamantes sintéticos, diamante policristalino o de diamantes térmicamente estables. Los elementos de corte pueden tener diversas formas o combinaciones de las mismas, tales como, por ejemplo, formas esféricas, cúbicas, cilindricas, formas irregulares, u otras formas poliédricas. Los elementos 214 de corte pueden opcionalmente comprender una pluralidad de elementos de corte relativamente grandes según se define en el presente documento, tal como por ejemplo y sin limitación, diamantes sintéticos relativamente grandes. Opcionalmente, los elementos 214 de corte pueden comprender una pluralidad de elementos de corte relativamente grandes y una pluralidad de elementos de corte pequeños según se define en el presente documento.

Se contempla que las brocas de superficie divulgadas pueden tener cualquier configuración conocida. En aspectos a modo de ejemplo, la corona 202 puede comprender una pluralidad de segmentos de corte que se encuentran separados por secciones de paso de agua. Las secciones de paso de agua pueden permitir que el fluido de perforación u otros lubricantes fluyan a través de la cara de corte para ayudar a proporcionar un enfriamiento durante la perforación. Las secciones de paso de agua pueden también permitir que el fluido de perforación lave por descarga los cortes y los residuos de la superficie interior a la superficie exterior de la broca 200 de perforación de superficie.

En aspectos a modo de ejemplo, la corona 202 puede estar formada de una matriz de material de partículas duras, tal como por ejemplo, un metal. Podrá apreciarse a la luz de la divulgación del presente documento, que el material de partículas duras comprende carburo, tungsteno, hierro, cobalto, y/o molibdeno y carburos, boruros y aleaciones de los mismos.

El material de partículas duras de la corona 202 se infiltra con un aglutinante, que puede proveer a la corona de un incremento de la resistencia al desgaste, aumentando de este modo la vida útil de la broca 200 de perforación. El aglutinante puede enlazarse con el material de partículas duras y los elementos de corte abrasivo para formar la corona 202. Se contempla que el aglutinante puede proveer a la corona 202 de un incremento de la resistencia al desgaste, a la vez sin degradar además ningún elemento de corte de superficie.

El aglutinante puede comprender cobre, zinc, plata, molibdeno, níquel, cobalto, o una mezcla y aleaciones de los mismos. El aglutinante puede enlazarse con la matriz y los elementos de corte, enlazando de este modo la corona 202 entre sí. En aspectos a modo de ejemplo, el aglutinante puede consistir en un aglutinante según se divulga en la publicación de Patente de EE.UU. No. 2013/0098691, titulada "High-Strength, High-Hardness Binders and Drilling Tools Formed Using the Same" (Aglutinantes de alta dureza y alta resistencia y herramientas de perforación formadas utilizando los mismos).

Tal como se ha descrito anteriormente, los elementos de corte se encuentran asegurados en la cara de corte de la corona 202, de tal manera que una parte de cada elemento de corte sobresalga de la cara de corte. Por tanto, se contempla que los elementos de corte pueden ser parcialmente embebidos dentro de la corona 202 en la cara de corte.

En aspectos a modo de ejemplo, los elementos de corte pueden disponerse en la cara de corte de la corona 202 en una disposición desorganizada. Por ejemplo, en estos aspectos, se contempla que los elementos de corte pueden encontrarse dispersos de forma aleatoria en la cara de corte de la corona 202. Por tanto, en aspectos a modo de ejemplo, los elementos de corte no se encuentran dispuestos en alineamientos específicos uno en relación al otro o a la cara de corte. En aspectos alternativos, los elementos de corte pueden alinearse de una manera en particular, de manera que las propiedades de corte de los elementos de corte están presentes en una posición ventajosa con respecto a la cara de corte.

Opcionalmente, en algunos aspectos, los elementos de corte pueden estar dispersos de forma sustancialmente homogénea en la cara de corte de la corona 202. En aspectos alternativos, los elementos de corte pueden estar dispersos de forma heterogénea en la cara de corte de la corona 202.

En aspectos a modo de ejemplo, la matriz de la corona 202 comprende una aleación con formación de carburo que está configurada para formar un enlace directo de carburo con al menos un elemento de corte abrasivo de entre la pluralidad de elementos de corte, tales como, por ejemplo y sin limitación, los elementos de corte relativamente grandes descritos en el presente documento. En estos aspectos, tal como se describe adicionalmente en el presente documento, la aleación con formación de carburo está configurada para formar un enlace directo con un aglutinante y/o el material de partículas duras de una matriz tal como se divulga en el presente documento. Por tanto, en contraste con las matrices convencionales, que se enlazan a un infiltrante (aglutinante) pero no a los medios de corte (p.ej., diamantes), las aleaciones con formación de carburo divulgadas en el presente documento se enlazan tanto al infiltrante (aglutinante) como en al menos una parte de los elementos de corte. Tal como se divulga adicionalmente en el presente documento, la pluralidad de elementos de corte abrasivo comprende al menos un elemento de corte (p.ej., diamante natural, diamante sintético, diamante policristalino, diamante térmicamente estable) que está configurado para formar un enlace de carburo con la aleación con formación de carburo. Sin embargo, en aspectos a modo de ejemplo, la pluralidad de elementos de corte abrasivo puede además comprender al menos un elemento de corte abrasivo que no está configurado para formar un enlace de carburo con la aleación con formación de carburo. Por tanto, no se requiere que cada elemento de corte dentro de la herramienta de perforación forme un enlace de carburo con una aleación con formación de carburo.

En referencia a las FIGS. 8A-8B, se contempla que la formación de un enlace tanto con el infiltrante como con los elementos de corte (incluyendo la formación de un carburo que se enlaza con los elementos de corte) puede crear una estructura de soporte que retenga los elementos de corte (p.ej., diamante sintético) durante un periodo de tiempo significativamente mayor que las matrices convencionales, tales como la matriz representada en la FIG. 8C. Más en particular, se contempla que los elementos de corte pueden enlazarse tanto química como mecánicamente en su lugar (en contraste con las brocas convencionales, en las que los elementos de corte meramente se retienen de forma mecánica). Cuanto mayor es el periodo de tiempo que el diamante (u otro elemento de corte) es retenido, más exposición tendrá éste, y un incremento de la exposición puede permitir un mayor hueco entre la matriz y la superficie de la formación (p.ej., roca) que está siendo perforada. A medida que aumente el hueco entre la matriz y la superficie de formación, el lavado por descarga de agua/enfriamiento de la broca mejora, aumentando de este modo la vida útil de los elementos de corte (p.ej., diamantes) y la broca. También, cuando los elementos de corte (p.ej., diamantes) presentan suficiente estructura de soporte, los elementos de corte (p.ej., diamantes) pueden sufrir una micro-fracturación ventajosa, la cual crea muchos bordes afilados en lugar de una configuración de “desgaste liso”, aumentando de este modo la eficiencia de corte de la broca de perforación.

Más en particular, la aleación con formación de carburo, que se encuentra prevista como un polvo con formación de carburo, presenta un elevado potencial de energía para formar un carburo con el carbono de los elementos de corte (p.ej., diamante). En otras palabras, la aleación con formación de carburo está configurada para convertir el carbono de los elementos de corte para formar un carburo. Al proveer al carbono de los elementos de corte de una cantidad en exceso de la aleación con formación de carburo, se forma una capa intermedia entre el carburo y el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz (p.ej., polvo de tungsteno), de este modo enlazando todos ellos entre sí. Por tanto, se contempla que la aleación con formación de carburo esté configurada para formar un enlace de carburo con los elementos de corte (p.ej., diamante) y para también formar una capa metálica intermedia que se enlaza con el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz (p.ej., tungsteno) mientras que se encuentra en el rango de temperatura/presión que no grafitiza de forma significativa los elementos de corte (p.ej., diamante). En aspectos a modo de ejemplo adicionales, la pluralidad de elementos de corte abrasivo comprende una pluralidad de elementos de corte de diamante, y la aleación con formación de carburo está configurada para convertir los elementos de corte de diamante en un carburo para formar los enlaces directos de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte de diamante.

Se contempla además que el proceso divulgado de formación de un enlace directo de carburo evita la formación de óxidos, que, en herramientas de perforación convencionales, puede debilitar significativamente los enlaces químicos. De este modo, los métodos divulgados pueden proporcionar herramientas de perforación que tengan enlaces más fuertes que las herramientas de perforación convencionales. Más en particular, debido a que la formación del enlace directo de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte ocurre durante el calentamiento in situ de la herramienta de corte (dentro de un horno) y sin la necesidad de múltiples operaciones de calentamiento, las herramientas de perforación divulgadas no están sujetas a la formación de capas de óxido que limitan el enlace químico entre los polvos de la matriz, los aglutinantes, y los elementos de corte.

La herramienta de perforación se infiltra con un aglutinante que no comprende un material con formación de carburo. En lugar de ello, los materiales con formación de carburo se encuentran provistos en la matriz. En estos aspectos, los elementos de corte abrasivo se encuentran no recubiertos, y la aleación con formación de carburo de la matriz forma enlaces de carburo directos con los elementos de corte abrasivo no recubiertos. Por tanto, se ha de entender que no se necesita que los aglutinantes divulgados formen el enlace directo de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte.

En aspectos a modo de ejemplo, la aleación con formación de carburo puede comprender opcionalmente cromo. En otros aspectos a modo de ejemplo, la aleación con formación de carburo puede opcionalmente comprender titanio. En aspectos adicionales a modo de ejemplo, la aleación con formación de carburo puede comprender opcionalmente aluminio. En aspectos adicionales a modo de ejemplo, la aleación con formación de carburo puede opcionalmente comprender tantalio. En aún otros aspectos adicionales a modo de ejemplo, la aleación con formación de carburo puede opcionalmente comprender vanadio. En aún otros aspectos a modo de ejemplo, la aleación con formación de carburo puede opcionalmente comprender circonio. Sin embargo, se contempla que la aleación con formación de carburo puede comprender opcionalmente otros materiales, tales como, por ejemplo y sin limitación, sílice, niobio, molibdeno, boro, manganeso, tungsteno, hierro, cobalto y níquel. Opcionalmente, en algunos aspectos, la aleación con formación de carburo puede consistir en un único material, tal como, por ejemplo y sin limitación, titanio, aluminio, tantalio, vanadio, o circonio. Se ha de entender que las aleaciones con formación de carburo divulgadas en el presente documento se encuentran provistas habitualmente como polvos finos que pueden ^{generar un riesgo de explosión en entornos ricos en oxígeno (O}2^{). Por tanto, convencionalmente, los fabricantes de}herramientas de perforación no utilizan aleaciones con formación de carburo en el proceso de fabricación.

La FIG. 7 ilustra además que, en aspectos a modo de ejemplo, los elementos de corte en la cara de corte pueden extenderse hacia el exterior de la cara de corte. En otras palabras, los elementos de corte en la cara de corte pueden extenderse desde la corona 202 axialmente alejándose de la cara de corte. Los elementos de corte pueden ayudar a una puesta en marcha rápida de una nueva broca 200 de perforación.

Sistemas de perforación con herramientas de perforación de superficie

Podrá apreciarse que las herramientas de perforación de superficie (p.ej., brocas de perforación de superficie) según se divulga en el presente documento pueden utilizarse con casi cualquier tipo de sistema de perforación para realizar diversas operaciones de perforación. Por ejemplo, se contempla que las herramientas de perforación de superficie pueden utilizarse con un sistema de perforación según se representa en la FIG. 6 (con la broca 200 de perforación de superficie siendo utilizada en lugar de la broca 100 de perforación impregnada). Podrá apreciarse, sin embargo, que el sistema de perforación que se muestra y se describe en la FIG. 6 es únicamente un ejemplo de un sistema con el que pueden utilizarse las herramientas de perforación divulgadas.

Un ejemplo no limitativo de sistema de perforación puede comprender un cabezal de perforación. El cabezal de perforación puede acoplarse a un mástil que a su vez está acoplado a un carro de perforación. El cabezal de perforación puede estar configurado para tener uno o más elementos tubulares acoplados al mismo. Los elementos tubulares pueden comprender, sin limitación, varillas de perforación, entubaciones, escariadores huecos, y martillos de fondo. Para facilidad de referencia, los elementos tubulares serán descritos de aquí en adelante como componentes de la sarta de perforación. El componente de la sarta de perforación puede a su vez acoplarse a unos componentes de la sarta de perforación adicionales para formar una sarta de herramientas o de perforación. A su vez, la sarta de perforación puede acoplarse a una broca 200 de perforación de superficie según se describe anteriormente en el presente documento. Tal como se ha comentado previamente, la broca 200 de perforación de superficie puede configurarse para formar una interfaz con el material, o la formación, que va a ser perforada.

En al menos un ejemplo, el cabezal de perforación puede estar configurado para hacer rotar la sarta de perforación durante un proceso de perforación. En particular, el cabezal de perforación puede variar la velocidad a la que rota la sarta de perforación. Por ejemplo, la tasa de rotación del cabezal de perforación y/o el par de torsión que el cabezal de perforación transmite a la sarta de perforación puede seleccionarse según se desee de acuerdo con el proceso de perforación.

Alternativamente, en aspectos a modo de ejemplos, un motor para pozos profundos puede utilizarse en lugar de o además del cabezal de perforación. Por tanto, en estos aspectos, el motor para pozos profundos puede acoplarse al mástil y puede tener una sarta de perforación (uno o más componentes de la sarta de perforación) acoplada al mismo. Durante su operación, el motor para pozos profundos puede estar configurado para hacer rotar la sarta de perforación durante un proceso de perforación. En particular, el motor para pozos profundos puede variar la velocidad a la que rota la sarta de perforación. Por ejemplo, la tasa de rotación del motor para pozos profundos y/o el par de torsión que el motor para pozos profundos transmite a la sarta de perforación puede seleccionarse según se desee de acuerdo con el proceso de perforación.

Además, el sistema de perforación puede configurarse para aplicar una fuerza hacia abajo generalmente longitudinal a la sarta de perforación para impulsar la broca 200 de perforación de superficie hacia el interior de la formación durante una operación de perforación. Por ejemplo, el sistema de perforación puede comprender un conjunto impulsado por cadena que está configurado para mover un conjunto de deslizadera en relación al mástil para aplicar la fuerza generalmente longitudinal a la broca 200 de perforación de superficie.

Por tanto, podrá apreciarse a la luz de la divulgación en el presente documento, que las brocas de perforación de superficie de la presente invención puede utilizarse para cualquier propósito conocido en la técnica. Por ejemplo, una broca 200 de perforación de superficie puede acoplarse al extremo de la sarta de perforación, que a su vez se conecta a una máquina o carro de perforación. A medida que la sarta de perforación y por lo tanto la broca 200 de perforación de superficie se hacen rotar y son presionadas por la máquina de perforación, la broca 200 de perforación puede triturar los materiales en las formaciones subterráneas que están siendo perforadas. Los testigos de sondeo que se extraen mediante perforación pueden retirarse de la sarta de perforación. La parte de corte de la broca 200 de perforación puede erosionarse en el tiempo debido a la acción de la trituración. Este proceso puede continuar hasta que los elementos 214 de corte abrasivo hayan sido consumidos y la sarta de perforación puede entonces ser extraída del pozo de sondeo y se reemplace la broca 200 de perforación.

Durante su uso, se contempla que los elementos de corte puedan posicionarse en la cara de corte de la broca 200 de perforación de superficie para promover la formación de “colas de cometa” detrás de los elementos de corte durante la rotación de la broca. Se contempla que tales “colas de cometa” pueden formarse mediante la fricción y los cortes producidos por contacto entre la broca y la formación que está siendo cortada. Se contempla que las “colas de cometa” pueden configurarse para soportar los elementos de corte y para maximizar la holgura entre la cara de corte de la corona y la formación en tres dimensiones. Se contempla además que estas holguras pueden reducir la fricción y el calor a la vez que crear más espacio para lavar por descarga de agua los cortes de manera eficiente, aumentando de este modo el enfriamiento de la cara de corte. En combinación, estas características pueden mejorar el rendimiento global de la broca y aumentar la vida útil de la broca.

Métodos de formación de herramientas de perforación de superficie

Las implementaciones de la presente invención pueden además comprender métodos para la formación de herramientas de perforación de superficie, tales como, por ejemplo y sin limitación, brocas de perforación de superficie según se divulga en el presente documento. A continuación se describe al menos un método de formación de herramientas de perforación de superficie. Por supuesto, según una materia preliminar, un experto en la técnica reconocerá que los métodos explicados en detalle pueden modificarse para instalar una amplia variedad de configuraciones utilizando uno o más componentes del sistema de perforación divulgado. En aspectos a modo de ejemplo, la broca de perforación de superficie puede formarse utilizando un proceso de fundición convencional, tal como un proceso de función convencional para producir una broca de perforación de superficie de fundición integral.

Por ejemplo, en un aspecto, un método de formación de una herramienta de perforación de superficie (p.ej., una broca de perforación de superficie) comprende preparar una matriz. Opcionalmente, en un aspecto, la etapa de preparación de una matriz puede comprender preparar una matriz de material de partículas duras. Por ejemplo, la etapa de preparación de una matriz puede comprender preparar una matriz de un material en polvo, tal como por ejemplo, carburo de tungsteno. En aspectos adicionales, la matriz comprende uno o más de los materiales de partículas duras descritos anteriormente. En algunos aspectos, la etapa de preparación de la matriz puede comprender colocar la matriz en un molde. En aspectos a modo de ejemplo, tal como se divulga adicionalmente en el presente documento, la matriz puede además comprender una aleación con formación de carburo.

El molde puede formarse de un material que sea capaz de soportar el calor al que estará sujeta la matriz durante un proceso de calentamiento. En aspectos a modo de ejemplo, el molde puede formarse de carbono. Se contempla que el molde puede conformarse para formar una herramienta de perforación (p.ej., una broca de perforación) con características deseadas. En unos aspectos a modo de ejemplo, el molde puede corresponder a una broca de perforación para testigos de sondeo. En aspectos a modo de ejemplo, la etapa de preparación de la matriz puede comprender utilizar el molde para definir una cara de corte de la broca de perforación de superficie.

En aspectos adicionales, el método comprende infiltrar la matriz con un aglutinante. En estos aspectos, la etapa de infiltración de la matriz con un aglutinante puede comprender calentar el aglutinante hasta un estado fundido e infiltrar la matriz con el aglutinante fundido. Por ejemplo, en algunos aspectos, el aglutinante puede situarse próximo a la matriz, y la matriz y el aglutinante puede calentarse a una temperatura suficiente para llevar el aglutinante hasta un estado fundido. En estos aspectos, el aglutinante fundido puede infiltrar la matriz. En unos aspectos a modo de ejemplo, la etapa de infiltración de la matriz con un aglutinante puede comprender calentar la matriz y el aglutinante a una temperatura de al menos 787° F (419°C). En aspectos a modo de ejemplo, se contempla que el aglutinante (en forma de polvos) puede inicialmente posicionarse sobre el polvo de la matriz (previamente a la infiltración). En estos aspectos, uno o más agentes fluidificantes convencionales (opcionalmente, en forma de polvo) pueden posicionarse sobre el aglutinante. Durante el proceso de formación de las herramientas de perforación divulgadas en el presente documento, se contempla que dicho uno o más agentes fluidificantes puedan configurarse para evitar la formación de, o retirar, óxidos. Entre los ejemplos no limitativos de agentes fluidificantes se incluyen boratos, bórax fundido, fluoboratos, boro elemental, fluoruros, cloruros, ácido bórico, álcalis, agentes humectantes, agua, disolventes convencionales (p.ej., alcoholes), y combinaciones de los mismos. Se contempla que el uso de tales agentes fluidificantes puede mejorar el enlace entre el material de partículas duras, las aleaciones con formación de carburo, aglutinante, y elementos de corte de la herramienta de perforación, y reducir la tensión superficial y promover el libre flujo del aglutinante durante el proceso de infiltración.

Adicionalmente, en aspectos adicionales, el método comprende asegurar la pluralidad de elementos de corte abrasivo a la cara de corte definida por la matriz. Adicionalmente, el método puede comprender dispersar los elementos de corte aleatoriamente o en una disposición desorganizada en la cara de corte de la matriz. En aspectos a modo de ejemplo, cada medio de corte puede ajustarse dentro de una marca de un área definida por un molde de manera convencional. Opcionalmente, en aspectos adicionales a modo de ejemplo, se contempla que las etapas de preparar la matriz, infiltrar la matriz, asegurar la pluralidad de medios de corte abrasivo, y asegurar el vástago pueden realizarse utilizando un proceso de fundición.

Cuando la pluralidad de medios de corte están asegurados a la cara de corte, se contempla que los elementos de corte pueden ajustarse en la cara de corte (p.ej., dentro de una marca de un área definida por un molde) en cualquier orientación deseada.

Tal como se divulga en el presente documento, en aspectos a modo de ejemplo, la aleación con formación de carburo de la matriz forma un enlace directo con el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz, y forman un enlace directo de carburo con la pluralidad de elementos de corte abrasivo (p.ej., diamante sintético) de la matriz. Se contempla adicionalmente que la aleación con formación de carburo tiene un elevado potencial de energía para formar un carburo con el carbono de los elementos de corte (p.ej., diamante). En otras palabras, la aleación con formación de carburo está configurada para convertir el carbono de los elementos de corte para formar un carburo. El carbono de los elementos de corte (p.ej., diamante) está provisto de una cantidad en exceso de la aleación con formación de carburo que a su vez forma una capa intermedia de la aleación entre el carburo y el aglutinante, de este modo enlazando todos ellos (la aleación con formación de carburo, el carburo, y el aglutinante) entre sí. Por tanto, se contempla que la aleación con formación de carburo forma un carburo con los elementos de corte (p.ej., diamante) y también forma una capa metálica intermedia que se enlaza con el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz (p.ej., tungsteno).

Se contempla que el proceso divulgado para formar un enlace directo de carburo evita la formación de óxidos, que, en herramientas de perforación convencionales, pueden debilitar de forma significativa los enlaces químicos. Por tanto, los métodos divulgados pueden proveer herramientas de perforación que presentan enlaces más fuertes que las herramientas de perforación convencionales. Más en particular, debido a que la formación del enlace directo de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte ocurre durante el calentamiento in situ de la herramienta de corte (dentro del horno) y sin la necesidad de múltiples operaciones de calentamiento, las herramientas de perforación divulgadas no están sometidas a la formación de capas de óxido que limitan los enlaces químicos entre los polvos de la matriz, los aglutinantes y los elementos de corte.

La herramienta de perforación se infiltra con un aglutinante que no comprende un material con formación de carburo. En estos aspectos, los elementos de corte abrasivo no están recubiertos, y la aleación con formación de carburo forma enlaces directos de carburo con los elementos de corte abrasivo no recubierto. Es decir, los elementos de corte abrasivo se encuentran inicialmente no recubiertos, y la aleación con formación de carburo y el aglutinante cooperan para recubrir los elementos de corte abrasivo in situ dentro de un horno. Sin embargo, se ha de entender que no se necesita que los aglutinantes divulgados formen el enlace directo de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte. Se contempla que cualquier recubrimiento de los elementos de corte abrasivo interferirían con los enlaces directos de carburo requeridos entre los elementos de corte abrasivo y la aleación con formación de carburo.

En aspectos a modo de ejemplo, el aglutinante puede comprender cobre, zinc, plata, molibdeno, níquel, cobalto, estaño, hierro, aluminio, sílice, manganeso, o mezclas y aleaciones de los mismos. Se contempla que el aglutinante puede enfriarse, de este modo enlazándose con la matriz y los medios de corte abrasivo, y por tanto enlazando la matriz y los medios de corte abrasivo entre sí. En algunos aspectos, el tiempo y/o la temperatura del proceso de infiltración pueden aumentarse para permitir que el aglutinante rellene un número mayor y una cantidad mayor de los poros de la matriz. Se contempla que esto puede tanto reducir la contracción durante la sinterización, como aumentar la resistencia de la herramienta de perforación resultante.

Adicionalmente, en aspectos adicionales, el método comprende asegurar un vástago 204 a la matriz de la corona 202. Por ejemplo, se contempla que la etapa de asegurar un vástago a la matriz puede comprender situar un vástago 204 en contacto con la matriz. Se contempla adicionalmente que una capa de soporte de la matriz, material aglutinante y/o flujo adicionales (p.ej., uno o más agentes fluidificantes según se divulga en el presente documento) puede opcionalmente añadirse y situarse en contacto con la matriz además del vástago 204 para completar la preparación inicial de una broca de perforación sin tratar. Una vez que se ha formado una broca de perforación sin tratar, puede situarse en un horno para consolidar de este modo la broca de perforación. De aquí en adelante, la broca de perforación puede acabarse a través de procesos de mecanizado según se desee.

Opcionalmente, antes, después, o en tándem con la infiltración de la matriz, uno o más de los métodos divulgados pueden comprender sinterizar la matriz a una densidad deseada. Debido a que la sinterización implica la densificación y retirada de la porosidad dentro de una estructura, la estructura que está siendo sinterizada puede contraerse durante el proceso de sinterización. Se contempla que una estructura pueda experimentar una contracción lineal de entre 1% y 40% durante la sinterización. Como resultado, puede ser deseable considerar y prever una contracción dimensional cuando se diseñan las herramientas (moldes, troqueles, etc.), o cuando se mecanizan características en estructuras que no están completamente sinterizadas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200), de perforación que comprende:

un vástago (104, 204) que tiene un primer extremo y un segundo extremo opuesto, estando adaptado el primer extremo para asegurarse a un componente de una sarta de perforación;

una corona (102, 202) que se extiende desde el segundo extremo del vástago (104, 204), la corona (102, 202) que comprende una matriz (114) de material de partículas duras y una aleación con formación de carburo, una cara (108) de corte, y un cuerpo de la corona entre la cara (108) de corte y el vástago (104, 204); en donde el material de partículas duras es un material en polvo que comprende uno o más de carburo, tungsteno, hierro, cobalto, y/o molibdeno y carburos, boruros, o aleaciones de los mismos; y

una pluralidad de elementos (110, 110a) de corte abrasivo asegurados al menos parcialmente dentro de la matriz (114) de la corona,

caracterizado por que:

la herramienta de perforación se infiltra con un aglutinante, en donde el aglutinante no comprende un material con formación de carburo;

en donde la pluralidad de elementos de corte abrasivo no están recubiertos; en donde la aleación con formación de carburo está provista en forma de polvo;

en donde la aleación con formación de carburo de la matriz (114) forma una capa metálica intermedia que se enlaza directamente con el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz (114), y en donde la aleación con formación de carburo de la matriz (114) forma un enlace directo de carburo con al menos un elemento de corte abrasivo no recubierto de la pluralidad de elementos (110, 110a) de corte abrasivo no recubiertos, en donde la herramienta de perforación no comprende capas de óxido entre al menos un elemento de corte abrasivo no recubierto y la aleación con formación de carburo de la matriz, y

en donde la pluralidad de los elementos (110, 110a) de corte abrasivo comprenden una pluralidad de elementos de corte de diamante, y en donde la aleación con formación de carburo de la matriz está configurada para convertir partes del elemento de corte de diamante en un carburo para formar el enlace directo de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte de diamante.

2. Herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según la reivindicación 1, en donde la aleación con formación de carburo comprende cromo, titanio, aluminio o vanadio.

3. Herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según la reivindicación 1, en donde la pluralidad de elementos (110, 110a) de corte abrasivo comprende una pluralidad de diamantes sintéticos, una pluralidad de diamantes policristalinos térmicamente estables, y/o diamante natural.

4. Herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según la reivindicación 1, en donde la corona (102, 202) tiene una forma anular, un eje longitudinal, una superficie interior, y una superficie exterior, en donde la superficie interior de la corona (102, 202) define un espacio interior alrededor del eje longitudinal, y en donde el espacio interior está configurado para recibir un testigo de sondeo.

5. Herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según la reivindicación 1, en donde la herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación es una broca de perforación, opcionalmente en donde la broca de perforación es una broca de perforación de sección completa o una broca de perforación de fundición integral.

6. Herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según la reivindicación 1, en donde la herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación es un ensanchador.

7. Herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según la reivindicación 1, en donde la herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación es una herramienta de perforación impregnada, y en donde la pluralidad de elementos (110, 110a) de corte abrasivo están dispersos a lo largo de al menos una parte del cuerpo de la corona, opcionalmente en donde la herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación impregnada es una broca de perforación impregnada.

8. Herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según la reivindicación 7, que además comprende una pluralidad de fibras (118) dispersadas en una disposición desorganizada a lo largo de al menos una parte del cuerpo de la corona, opcionalmente en donde al menos una parte de la pluralidad de los elementos (110, 110a) de corte abrasivo se encuentran dispersos dentro del cuerpo de la corona cerca de la cara (108) de corte.

9. Herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según la reivindicación 1, en donde la herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación es una herramienta de perforación de superficie, y en donde la pluralidad de elementos (110, 110a) de corte abrasivo se encuentran asegurados a y sobresalen de la cara (108) de corte de la corona (102).

10. Herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según la reivindicación 9, en donde la herramienta de perforación de superficie es una broca de perforación de superficie.

11. Herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según la reivindicación 1, en donde la pluralidad de elementos (110, 110a) de corte abrasivo comprende al menos un elemento de corte abrasivo que no está configurado para formar un enlace de carburo con la aleación con formación de carburo.

12. Un sistema (120), que comprende:

una sarta (130) de perforación configurada para la rotación; y

la herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación está asegurada a la sarta (130) de perforación.

13. Sistema (120) de perforación según la reivindicación 12, que además comprende:

un carro (126) de perforación, en donde la sarta (130) de perforación está adaptada para asegurarse a y ser rotada por el carro (126) de perforación; o

un motor para pozos profundos, en donde la sarta (130) de perforación está adaptada para asegurarse a y ser rotada por el motor de pozos profundos.

14. Un método de perforación, que comprende:

asegurar la herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según cualquiera de las reivindicaciones 1-12 a una sarta (130) de perforación, y

hacer rotar la sarta (130) de perforación para hacer que la herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación penetre en una formación geológica.

15. Método según la reivindicación 14, que además comprende:

asegurar la sarta (130) de perforación a un carro (126) de perforación y utilizar el carro (126) de perforación para hacer rotar la sarta (130) de perforación; o

asegurar la sarta (130) de perforación a un motor para pozos profundos y utilizar el motor para pozos profundos para hacer rotar la sarta (130) de perforación.

16. Un método de formación de una herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200), de perforación que comprende: preparar la matriz (114) de la herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación según cualquiera de las reivindicaciones 1-11;

asegurar la pluralidad de elementos (110, 110a) de corte abrasivo dentro de al menos una parte de la matriz (114); infiltrar la matriz (114) con el aglutinante, en donde el aglutinante no comprende un material con formación de carburo;

asegurar el vástago (104, 204) a la matriz (114); y

calentar el vástago y la matriz para consolidar la herramienta de perforación,

en donde la aleación con formación de carburo de la matriz (114) forma una capa metálica intermedia que se enlaza directamente con el aglutinante y el material de partículas duras de la matriz (114), y en donde la aleación con formación de carburo de la matriz (114) forma un enlace directo de carburo con al menos un elemento (110, 110a) de corte abrasivo no recubierto y en donde la aleación con formación de carburo está prevista en una cantidad en exceso,

y en donde la pluralidad de elementos (110, 110a) de corte abrasivo comprende una pluralidad de elementos de corte de diamante, y en donde la aleación con formación de carburo de la matriz está configurada para convertir partes de los elementos de corte de diamante en un carburo para formar un enlace directo de carburo entre la aleación con formación de carburo y los elementos de corte de diamante.

17. Método según la reivindicación 16, en donde la herramienta (100, 100a, 100b, 100c, 200) de perforación se forma utilizando un proceso de fundición.

18. Método según la reivindicación 16, en donde el método no comprende múltiples operaciones de calentamiento.