ITTO20011172A1

ITTO20011172A1 - Punte da trivellazione a ridotta esposizione degli elementi fresanti.

Info

Publication number: ITTO20011172A1
Application number: IT2001TO001172A
Authority: IT
Inventors: Mark W Dykstra; Theodore Edward Zaleski Jr; Christopher C Beuershausen; Michael L Doster; William H Heuser; Jack T Oldham; Terry D Watts; Daniel E Ruff; Rodney B Walzel
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2003-06-16
Also published as: ITTO20011172A0

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:

"Punte da trivellazione a ridotta esposizione degli elementi fresanti"

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

Campo dell'invenzione: La presente invenzione si riferisce a punte a lame rotative per la trivellazione di formazioni sotterranee ed al loro funzionamento. Più in particolare, la presente invenzione si riferisce alla struttura di tali punte per prestazioni ottimali nel contesto del controllo del carico degli elementi fresanti e della profondità di taglio senza generazione di un valore eccessivo di coppia sulla punta se il peso sulla punta dovesse aumentare ad un livello che supera il peso sulla punta ottimale per la velocità di penetrazione corrente della punta.

Stato dell'arte: Punte a lame rotative che utilizzano elementi fresanti di sinterizzato di diamante policristallino ("polycrystalline diamond compact" - PDC) sono state utilizzate da diversi decenni. Gli elementi fresanti PDC sono tipicamente costituiti da una "piastrina" di diamante a forma di disco formata e collegata in condizioni di alta temperatura ed alta pressione su un substrato di supporto, quale carburo di tungsteno (WC) cementato, benché siano note altre configurazioni. Punte che portano elementi fresanti PDC, che ad esempio possono essere brasati entro sedi nella faccia della punta, sedi in lame che si estendono dalla faccia, o montati su codoli inseriti nel corpo della punta, si sono dimostrate molto efficaci per ottenere elevate velocità di penetrazione ("rate of penetration" ROP) nella trivellazione di formazioni sotterranee che presentano resistenze a compressione da basse a medie. Recenti perfezionamenti nella forma dei regimi di flusso idraulico intorno alla faccia delle punte, nella forma degli elementi fresanti, e nella composizione del fluido di perforazione hanno ridotto le notevoli tendenze anteriori di tali punte a "impastarsi" aumentando il volume di materiale della formazione che può essere tagliato prima di superare la capacità della punta e del flusso di fluido di perforazione ad essa associato di allontanare i detriti della formazione dalla faccia della punta.

Anche alla luce di tali perfezionamenti, tuttavia, gli elementi fresanti PDC soffrono ancora di quello che potrebbe essere semplicemente denominato "sovraccarico" anche sotto un basso peso sulla punta ("weight-on-bit" - WOB) applicato alla batteria di perforazione su cui la punta che porta tali elementi fresanti è montata, in particolare se si utilizzano strutture di taglio aggressive. La relazione tra coppia e WOB può essere utilizzata come indicatore di aggressività degli elementi fresanti, per cui, maggiore è il rapporto tra coppia e WOB, più aggressivo è l'elemento fresante. Questo problema è particolarmente significativo in formazioni a bassa resistenza a compressione in cui una profondità di taglio ("depth of cut" - DOC) eccessiva può essere ottenuta con un WOB estremamente basso. Il problema può anche essere aggravato dal rimbalzo della batteria di perforazione, in cui l'elasticità della batteria di perforazione può provocare una applicazione irregolare del WOB alla punta da trivellazione, con un conseguente sovraccarico. Inoltre, il funzionamento di elementi fresanti PDC ad una DOC eccessivamente elevata può generare detriti della formazione in un volume maggiore di quello che può essere allontanato con regolarità dalla faccia della punta e sospinto lungo il foro di trivellazione attraverso le scanalature di scarico sulla faccia della punta anche dall'idraulica perfezionata precedentemente menzionata secondo lo stato dell'arte, conducendo al fenomeno di impastatura della punta precedentemente menzionato.

Un altro problema separato riguarda la trivellazione da una zona o strato di maggiore resistenza a compressione della formazione ad una zona "più tenera" di resistenza inferiore. Quando la punta trivella la formazione più tenera senza modificare il WOB applicato (o prima che il WOB possa essere modificato dal trivellatore direzionale), la penetrazione degli elementi fresanti PDC, e quindi la coppia sulla punta ("torque on thè bit" - TOB) risultante, aumentano quasi istantaneamente ed in una misura sostanziale. La coppia bruscamente maggiore, a sua volta, può danneggiare gli elementi fresanti e/o lo stesso corpo della punta. Nella trivellazione direzionale, tale variazione fa sì che l'orientamento della faccia dell'utensile nel gruppo direzionale (misurazione durante la trivellazione, o MWD ( "measuring-while-drilling"), o un utensile deviatore) fluttui, rendendo più difficile per il trivellatore direzionale seguire la traiettoria direzionale pianificata per la punta. Così, può essere necessario per il trivellatore direzionale far retrocedere la punta dal fondo del foro di trivellazione per riposizionare o :riorientare la faccia dell'utensile. Inoltre, un motore di fondo foro, come motori di tipo Moineau azionati da fluido di perforazione comunemente utilizzati in operazioni di trivellazione direzionale in combinazione con un gruppo orientabile di fondo foro, può entrare completamente in stallo sotto un brusco aumento di coppia. In altre parole, la punta può interrompere la rotazione arrestando così l'operazione di trivellazione e richiedendo di nuovo l'arretramento della punta dal fondo del foro di trivellazione per ristabilire il flusso di fluido di perforazione ed il movimento prodotto dal motore. Tali interruzioni durante la trivellazione di un pozzo possono essere lunghe ed abbastanza costose.

Sono stati fatti negli anni numerosi tentativi utilizzando vari approcci per proteggere l'integrità di elementi fresanti di diamante e delle loro strutture di montaggio e limitare la penetrazione dell'elemento fresante in una formazione trivellata. Ad esempio, a partire da un periodo ancora prima dell'avvento dell'utilizzo commerciale di elementi fresanti PDC, il brevetto statunitense n. 3.709.308 descrive l'impiego di diamanti naturali arrotondati che seguono nel verso di rotazione sul corpo della punta per limitare la penetrazione di diamanti cubici utilizzati per tagliare una formazione. Il brevetto statunitense n.

4.351.401 descrive l'impiego di diamanti naturali fissati sulla superficie in corrispondenza del, o vicino al calibro della punta quali limitatori di penetrazione per controllare la profondità di taglio di elementi fresanti PDC sulla faccia della punta. Gli altri brevetti seguenti descrivono l'uso di una varietà di strutture che seguono immediatamente elementi fresanti PDC nel verso di rotazione (rispetto alla direzione prevista di rotazione della punta) per proteggere gli elementi fresanti o le loro strutture di montaggio: i brevetti statunitensi nn. 4.889.017, 4.991.670, 5.244.039 e 5.303.785. Il brevetto statunitense n.

5.314.033 descrive, tra l'altro, l'uso di elementi fresanti cooperanti ad angolo di spoglia positivo e negativo o neutro per limitare la penetrazione degli elementi fresanti ad angolo di spoglia positivo nella formazione. Un altro approccio per limitare la penetrazione degli elementi di taglio consiste nell'utilizzare strutture o caratteristiche sul corpo della punta che precedono (invece di seguire) in rotazione elementi fresanti PDC, come descritto nei brevetti statunitensi nn. 3.153.458, 4.554.986, 5.199.511 e 5.595.252.

In un altro contesto, quello di cosiddette strutture di trivellazione "a prevenzione di rotazione eccentrica", è stato affermato nel brevetto statunitense n. 5.402.856 di uno degli inventori della presente che una superficie portante allineata con una forza radiale risultante generata da un allargatore a prevenzione di rotazione eccentrica dovrebbe essere dimensionata in modo che la forza per unità di area applicata alla parete laterale del foro di trivellazione non superi la resistenza a compressione della formazione allargata. Vedere anche i brevetti statunitensi nn.

4.982.802, 5.010.789, 5.042.596, 5.111.892 e 5.131.478.

Benché alcuni dei brevetti precedenti riconoscano il vantaggio di limitare la penetrazione degli elementi fresanti, o DOC, o altrimenti limitare forze applicate ad una superficie del foro di trivellazione, gli approcci descritti sono in un certo senso di natura generalizzata e non permettono o realizzano un approccio ingegneristico per ottenere una ROP designata in combinazione con prestazioni più stabili e prevedibili della punta. Inoltre, gli approcci descritti non forniscono una punta o un procedimento di trivellazione che abbia una generale tolleranza ad un carico assiale con un valore di peso sulla punta superiore ed in eccesso rispetto a quello che sarebbe ottimale per la velocità di penetrazione corrente per la formazione particolare trivellata e che non generi valori elevati di coppia sulla punta con la possibilità di bloccare la punta o danneggiare la punta, se la punta fosse cionondimeno sottoposta a tali valori eccessivi di peso sulla punta.

ENUNCIAZIONE DELL'INVENZIONE

La presente invenzione soddisfa le necessità precedenti fornendo una struttura di punta ben calcolata e facilmente realizzabile, particolarmente adatta per punte a lame che portano elementi fresanti PDC, la quale struttura di punta può essere adattata a resistenze o campi di resistenza a compressione di una formazione specifica per ottenere un controllo della DOC in termini sia di DOC massima sia di limitazione di variabilità della DOC. Come risultato, la ROP ottenibile in modo continuo può essere ottimizzata e la coppia può essere controllata anche sotto un elevato WOB, mentre è sostanzialmente impedito un carico distruttivo degli elementi fresanti PDC.

La struttura di punta secondo la presente invenzione utilizza caratteristiche di controllo della profondità di taglio ("depth of cut control" - DOCC) che riducono, o limitano, la misura in cui elementi fresanti PDC, o altri tipi di elementi fresanti o elementi di taglio, sono esposti sulla faccia della punta, su strutture a lame, o dove altrimenti sono posizionati sulla punta. Le caratteristiche DOCC secondo la presente invenzione forniscono un'area sostanziale su cui la punta può strisciare mentre gli elementi fresanti PDC della punta si impegnano con la formazione alla loro DOC di progetto, che può essere definita come la distanza per la quale gli elementi fresanti PDC sono effettivamente esposti sotto le caratteristiche DOCC. In altre parole, la sporgenza degli elementi fresanti è sostanzialmente controllata dall'entità effettiva di esposizione degli elementi fresanti sopra la superficie, o le superfici, che circondano ciascun elemento fresante. Così, realizzando la punta in modo da limitare l'esposizione di almeno alcuni degli elementi fresanti sulla punta, tale limitata esposizione degli elementi fresanti in combinazione con la punta che fornisce un'ampia area superficiale che funge da "superficie portante" lungo la quale la punta striscia mentre gli elementi fresanti si impegnano con la formazione alla loro rispettiva DOC di progetto, permette una DOC (e quindi una ROP per una data velocità di rotazione della punta) relativamente maggiore rispetto ad una struttura di punta tradizionale senza le conseguenze negative che normalmente ne derivano. Pertanto le caratteristiche DOCC secondo la presente invenzione impediscono una DOC maggiore di quella di progetto distribuendo il carico attribuibile al WOB su un'area superficiale sufficiente sulla faccia della punta, sulle lame o su un'altra struttura del corpo della punta in contatto con la faccia della formazione sul fondo del foro di trivellazione in modo che la resistenza a compressione della formazione non sia superata dalle caratteristiche DOCC. Come risultato, la punta sostanzialmente non intacca, o spezza, la roccia della formazione.

In altre parole, la presente invenzione limita il volume unitario di materiale della formazione (roccia) rimosso per ogni rotazione della punta per impedire che la punta tagli eccessivamente il materiale della formazione impastando la punta o danneggiando gli elementi fresanti. Se la punta è utilizzata in un'operazione di trivellazione direzionale, si evita anche la perdita della faccia della punta o lo stallo del motore.

In una forma di attuazione, una punta a lame rotativa comprende preferibilmente una molteplicità di strutture a lama distanziate circonferenzialmente che si estendono lungo l'estremità di attacco o porzione della punta che si impegna con la formazione in generale dalla regione conica vicina all'asse longitudinale, o linea centrale, della punta verso l'alto fino alla regione di calibro, o diametro di trivellazione massimo della punta. La punta comprende inoltre una molteplicità di elementi di taglio superabrasivi, o elementi fresanti, come elementi fresanti PDC, preferibilmente disposti su superfici rivolte radialmente verso l'esterno preferibilmente di ciascuna delle strutture a lama. In conformità con l'aspetto DOCC della presente invenzione, ciascun elemento fresante posizionato almeno nella regione conica della punta, ad esempio gli elementi fresanti che sono radialmente più vicini all'asse longitudinale e quindi sono generalmente posizionati radialmente verso l'interno rispetto ad una porzione di spalla della punta, sono disposti nelle rispettive strutture a lama in modo che ciascuno di tali elementi fresanti sia esposto soltanto in una misura limitata sopra la superficie rivolta radialmente verso l'esterno delle strutture a lama in cui gli elementi fresanti sono disposti in associazione. In altre parole, ciascuno di tali elementi fresanti presenta una limitata entità di esposizione in direzione generalmente perpendicolare alla porzione selezionata della superficie rivolta verso la formazione in cui l'elemento fresante superabrasivo è fissato per controllare la profondità di taglio effettiva di almeno un elemento fresante superabrasivo in una formazione quando la punta si impegna in modo rotativo con una formazione ad esempio durante la trivellazione. Limitando in questo modo l'entità di esposizione di tali elementi fresanti, ad esempio per il fatto che gli elementi fresanti sono fissati entro, e sostanzialmente racchiusi da sedi, o cavità, che ricevono gli elementi fresanti, la DOC di tali elementi fresanti nella formazione è effettivamente e separatamente controllata. Così, indipendentemente dal valore del WOB applicato, o prodotto, sulla punta, anche se il WOB supera quello che sarebbe considerato un valore ottimale per la durezza della formazione trivellata e la ROP che la punta da trivellazione sta al momento fornendo, la coppia risultante, o TOB, sarà controllata o modulata. Così, poiché tali elementi fresanti hanno una entità di esposizione ridotta sopra la rispettiva superficie rivolta verso la formazione in cui essi sono montati, in particolare rispetto a disposizioni di installazione degli elementi fresanti secondo la tecnica anteriore, la TOB risultante generata dalla punta sarà limitata ad un valore massimo accettabile. Questo risultato vantaggioso è attribuibile alle caratteristiche, o funzionalità, DOCC della presente invenzione che impediscono praticamente che almeno un numero sufficiente del numero totale di elementi fresanti si impegnino eccessivamente con la formazione provocando potenzialmente il rallentamento della rotazione della punta o lo stallo a causa di un livello di coppia generata eccessivamente alto. Inoltre, le caratteristiche DOCC della presente invenzione non sono sostanzialmente interessate da valori eccessivi di WOB, poiché vi sarà preferibilmente una quantità o misura sufficiente di area superficiale di supporto priva di elementi fresanti almeno sull'estremità di attacco della punta lungo la quale la punta può "strisciare" sulla formazione per inibire o prevenire la comparsa di uno stallo della punta indotto dalla coppia.

Facoltativamente, punte che utilizzano gli aspetti DOCC della presente invenzione possono avere elementi fresanti ad esposizione ridotta posizionati radialmente più lontano degli elementi fresanti vicino all'asse longitudinale della punta, ad esempio nella regione conica. Per sviluppare il concetto, elementi fresanti aventi una esposizione ridotta possono essere posizionati in altre regioni di una punta da trivellazione che attua gli aspetti DOCC della presente invenzione. Ad esempio, elementi fresanti ad esposizione ridotta posizionati sull'estremità relativamente più lontana radialmente, sulla spalla, sul fianco, e sulle porzioni di calibro di una punta da trivellazione presenteranno un'entità limitata di esposizione dell'elemento fresante in direzione generalmente perpendicolare alla porzione selezionata della superficie rivolta radialmente verso l'esterno a cui ciascuno degli elementi fresanti ad esposizione ridotta è rispettivamente fissato. Così, le superfici che portano e circondano da vicino ciascuno degli elementi fresanti addizionali ad esposizione ridotta saranno disponibili per contribuire all'area superficiale portante complessiva combinata su cui la punta sarà in grado di strisciare sulla formazione quando si ottiene la rispettiva profondità di taglio massima per ciascun elemento fresante addizionale ad esposizione ridotta in funzione del WOB istantaneo e della durezza della formazione trivellata.

Prevedendo caratteristiche DOCC aventi un'area superficiale complessiva sufficiente per supportare un dato WOB su una data formazione di roccia preferibilmente senza intaccatura sostanziale o rottura di quest'ultima, il WOB può essere enormemente aumentato, se lo si desidera, rispetto a quello utilizzabile nella trivellazione con punte tradizionali senza che gli elementi fresanti PDC siano sottoposti ad un WOB effettivo addizionale dopo che le caratteristiche DOCC sono interamente in contatto con la formazione. Così, gli elementi fresanti PDC sono protetti dal danneggiamento e, cosa ugualmente significativa, si impedisce che gli elementi fresanti PDC si impegnino con la formazione ad una profondità di taglio superiore e di conseguenza generino una coppia eccessiva che potrebbe provocare lo stallo di un motore o potrebbe provocare la perdita dell'orientamento della faccia dell'utensile.

La possibilità di aumentare enormemente il WOB senza compromettere gli elementi fresanti PDC permette anche l'uso di un WOB sostanzialmente superiore ed oltre il valore applicabile senza gli effetti nocivi associati con punte tradizionali per mantenere la punta in contatto con la formazione, ridurre le vibrazioni ed aumentare l'uniformità e la profondità di impegno degli elementi fresanti con la formazione. Inoltre, le vibrazioni della batteria di perforazione oltre che gli effetti assiali dinamici, comunemente denominati "rimbalzo", della batteria di perforazione sotto la coppia ed il WOB applicati possono essere smorzati in modo da mantenere la DOC di progetto per gli elementi fresanti PDC. Anche in questo caso, nel contesto della trivellazione direzionale, questa capacità assicura il mantenimento della faccia dell'utensile ed un funzionamento senza stallo di un motore di fondo foro associato che aziona la punta .

E' previsto in modo specifico che le caratteristiche DOCC secondo la presente invenzione possano essere applicate a punte da carotaggio oltre che a punte da trivellazione a foro pieno. Come utilizzato nella presente, il termine "punta" comprende punte da carotaggio ed altre punte per applicazioni speciali. Tale impiego può essere, soltanto a titolo di esempio, particolarmente vantaggioso nel carotaggio da un impianto di trivellazione, o piattaforma, galleggiante, in cui è difficile controllare il WOB a causa del sollevamento dell'impianto indotto dal moto ondoso delle acque superficiali. Utilizzando la presente invenzione, un WOB superiore a quello normalmente richiesto per il carotaggio può essere applicato alla batteria di perforazione per mantenere la punta da carotaggio sul fondo e mantenere l'integrità e l'orientamento della carota.

E' anche previsto in modo specifico che gli attributi DOCC secondo la presente invenzione siano particolarmente utili nel controllo, ed in modo specifico nella riduzione, della coppia richiesta per la rotazione di punte a lame rotative con l'aumento del WOB. Mentre la coppia relativa può essere ridotta rispetto a quella richiesta da punte tradizionali per un dato WOB utilizzando le caratteristiche DOCC in un dato raggio o in un dato campo di raggi dall'asse della punta, la variazione del posizionamento di caratteristiche DOCC rispetto all'asse della punta può essere una tecnica utile per limitare ulteriormente la coppia poiché il carico assiale sulla punta dal WOB applicato è più fortemente accentuato verso l'asse e la componente di attrito della coppia è correlata con tale carico assiale. Di conseguenza, la presente invenzione comprende facoltativamente la predisposizione di una punta in cui l'entità di esposizione degli elementi fresanti varia con riferimento alle posizioni specifiche degli elementi fresanti sulla faccia della punta. A titolo di esempio, uno o più degli elementi fresanti posizionati nel cono, o la regione della punta vicino all'asse della punta, sono esposti in una prima misura, o entità, per fornire una prima DOC, ed uno o più elementi fresanti posizionati all'estremità radialmente più lontana e nelle regioni di spalla della punta sono esposti in una seconda misura, o entità, per fornire una seconda DOC. Così, un profilo della DOC adattato in modo specifico può essere incluso nella progettazione di una punta che attua la presente invenzione per adattare, o personalizzare, le caratteristiche operative della punta allo scopo di ottenere una ROP massima, minimizzando e/o modulando la TOB in corrispondenza del WOB corrente, anche se il WOB è superiore a quello che sarebbe altrimenti desiderato per la ROP e la durezza specifica della formazione allora trivellata.

Inoltre, punte che attuano la presente invenzione possono includere strutture a lama in cui l'entità di esposizione di ciascun elemento fresante posizionato su ciascuna struttura a lama ha una DOC particolare e facoltativamente singolarmente univoca, oltre ad angoli di spoglia posteriori effettivi singolarmente selezionati ed eventualmente univoci, permettendo così che ciascuna lama della punta abbia un profilo prefissato della DOC in sezione trasversale considerato in direzione longitudinalmente parallela all'asse della punta e considerato radialmente fino alla porzione più esterna di calibro dì ciascuna lama. Inoltre, non è necessario che una punta comprendente le caratteristiche DOCC secondo la presente invenzione abbia elementi fresanti montati su, o portati da, strutture a lama, poiché elementi fresanti aventi una entità limitata di esposizione perpendicolarmente alla superficie esterna della punta in cui ciascun elemento fresante è disposto possono essere inclusi in regioni di punte in cui non sono presenti strutture a lama. In altre parole, punte che attuano la presente invenzione possono essere completamente prive di strutture a lama, come, ad esempio, una punta di carotaggio.

Nella presente è inoltre descritto un procedimento per la fabbricazione di una punta da trivellazione in accordo con la presente invenzione. Il procedimento comprende la predisposizione di almeno una porzione della punta da trivellazione con almeno una sede, o cavità, per ricevere un elemento di taglio, su una superficie che sarà infine rivolta verso, e si impegnerà con una formazione quando la punta da trivellazione è messa in funzione. Il procedimento per la fabbricazione di una punta per la trivellazione di formazioni sotterranee comprende il posizionamento, all'interno di almeno una sede per ricevere un elemento fresante, di un elemento fresante che presenta una entità limitata di esposizione perpendicolarmente alla superficie che fronteggia la formazione vicino all'elemento fresante quando l'elemento fresante è fissato in tale sede. Facoltativamente, la superficie che fronteggia la formazione può essere costituita da un riporto duro, una saldatura, un elemento saldato, o altro materiale disposto sulla superficie intorno all'elemento fresante in modo da formare una superficie di supporto di dimensione sufficiente limitando anche l'entità di esposizione dell'elemento fresante entro un campo prefissato per controllare efficacemente la profondità di taglio che l'elemento fresante può raggiungere al superamento di un certo WOB e/o all'incontro di una formazione avente una resistenza a compressione particolare.

Una ulteriore possibilità consiste nel prevedere noduli, o strutture, di usura, formati in un opportuno materiale che si estendono verso l'esterno ed in direzione generalmente perpendicolare dalla faccia della punta generalmente vicino ad almeno uno o più degli elementi fresanti ad esposizione ridotta. Tali noduli di usura possono essere posizionati dietro, o in modo da seguire nel verso di rotazione, ciascun elemento fresante ad esposizione ridotta previsto in modo da aumentare gli aspetti DOCC forniti dalla superficie di supporto che rispettivamente porta e circonda da vicino una porzione significativa di ciascun elemento fresante ad esposizione ridotta. Così, i noduli di usura facoltativi, o protuberanze di usura, forniscono un'area superficiale di supporto in cui la punta da trivellazione può strisciare sulla formazione quando è stata ottenuta la DOC massima di questo elemento fresante per la durezza della formazione presente e quindi il WOB corrente. Tali noduli di usura, o protuberanze, possono comprendere un materiale di riporto duro, una struttura predisposta durante la colata o lo stampaggio del corpo della punta o, nel caso di punte a corpo in acciaio, possono comprendere elementi saldati, strutture fissate al corpo della punta mediante procedimenti noti nella tecnica della fabbricazione di punte per trivellazione sotterranea, o mediante saldature superficiali sotto forma di uno o più cordoni di saldatura o altre configurazioni o geometrie.

E' inoltre descritto un procedimento per la trivella-zione di una formazione sotterranea. Il procedimento di trivellazione comprende l'impegno con una formazione di almeno un elemento fresante e preferibilmente di una molteplicità di elementi fresanti, in cui uno o più degli elementi fresanti presentano ciascuno una entità di esposizione limitata perpendicolarmente ad una superficie in cui ciascun elemento fresante è fissato. In una forma di attuazione, diversi elementi fresanti della molteplicità di elementi fresanti ad esposizione limitata sono posizionati su una superficie che fronteggia la formazione di almeno una porzione, o regione, di almeno una struttura a lama per produrre un profilo di esposizione degli elementi fresanti e di spaziatura degli elementi fresanti per questa lama e preferibilmente per una molteplicità di lame che permetta che la punta si impegni con la formazione entro un ampio campo di WOB senza generare un valore eccessivo di TOB, anche per WOB elevati, per la ROP istantanea a cui la punta sta funzionando. Il procedimento comprende inoltre una forma di attuazione alternativa in cui la trivellazione è effettuata principalmente soltanto con gli elementi fresanti ad esposizione ridotta in impegno con una formazione relativamente dura entro un campo selezionato di WOB e, quando si incontra una formazione più tenera e/o è applicato un valore maggiore di WOB, almeno una superficie di supporto che circonda almeno un elemento fresante ad esposizione ridotta, o limitata, e preferibilmente una molteplicità di, superfici di supporto di dimensione sufficiente che circondano rispettivamente una molteplicità di elementi fresanti ad esposizione ridotta, entrano in contatto con la formazione limitando così la DOC di ciascun elemento fresante ad esposizione ridotta, o limitata, permettendo che la punta strisci sulla superficie di supporto, o sulle superfici di supporto, contro la formazione indipendentemente dal WOB applicato alla punta e senza generare una TOB inaccettabilmente elevata e potenzialmente dannosa per la punta per la ROP corrente.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La figura 1 rappresenta una vista in elevazione dal basso guardando verso l'alto sulla faccia di una forma di attuazione di una punta da trivellazione comprendente le caratteristiche DOCC secondo l'invenzione;

la figura 2 rappresenta una vista in elevazione dal basso guardando verso l'alto sulla faccia di un'altra forma di attuazione di una punta da trivellazione comprendente le caratteristiche DOCC secondo l'invenzione;

la figura 2A rappresenta una vista in elevazione ed in sezione laterale del profilo della punta illustrata nella figura 2;

la figura 3 rappresenta un grafico che mostra la coppia in funzione del WOB calcolata matematicamente per strutture di punta tradizionali che utilizzano elementi fresanti con angoli di spoglia posteriori differenti rispetto ad una punta simile secondo la presente invenzione;

la figura 4 rappresenta una vista in elevazione laterale schematica, non in scala, che confronta il posizionamento secondo la tecnica anteriore di una struttura limitatrice della profondità di taglio subito dietro un elemento fresante allo stesso raggio, lungo una traiettoria di rotazione di 360°, con il posizionamento secondo la presente invenzione che precede l'elemento fresante ed allo stesso raggio;

la figura 5 rappresenta una vista in elevazione laterale schematica di una caratteristica DOCC a due livelli e di un elemento fresante PDC associato che la segue;

le figure 6A e 6B rappresentano rispettivamente schemi di una caratteristica DOCC con una superficie di supporto ad un solo angolo ed una superficie di supporto ad angoli multipli;

le figure 7 e 7A rappresentano rispettivamente una vista in elevazione laterale schematica ed in sezione parziale di una forma di attuazione di una caratteristica DOCC oscillante e di un elemento fresante PDC associato che la segue, ed una vista in elevazione guardando in avanti verso la caratteristica DOCC oscillante dalla posizione dell'elemento fresante PDC associato;

le figure 8 ed 8A rappresentano rispettivamente una vista in elevazione laterale schematica ed in sezione parziale di una forma di attuazione di una caratteristica DOCC del tipo a rullo e di un elemento fresante associato che la segue, ed una vista in sezione trasversale parziale del montaggio delle caratteristiche DOCC del tipo a rullo sulla punta;

le figure 9A-9D illustrano viste addizionali schematiche in elevazione ed in sezione parziale di ulteriori caratteristiche DOCC oscillanti secondo l'invenzione;

le figure 10A e 10B rappresentano viste schematiche in elevazione laterale ed in sezione parziale di varianti di una combinazione di supporto dell'elemento fresante e caratteristiche DOCC secondo la presente invenzione;

la figura 11 rappresenta una vista in elevazione frontale di una caratteristica DOCC del tipo a canale anulare in combinazione con elementi fresanti PDC associati che la seguono;

le figure 12 e 12A rappresentano rispettivamente una vista schematica in elevazione laterale ed in sezione parziale di una caratteristica DOCC del tipo a pattino portante a fluido secondo la presente invenzione e di un elemento fresante PDC associato che la segue, ed una vista in elevazione guardando verso l'alto verso la superficie portante del pattino;

le figure 13A, 13B e 13C rappresentano viste in sezione trasversale di diverse configurazioni in sezione trasversale per le caratteristiche DOCC secondo l'invenzione;

la figura 14A rappresenta una vista in prospettiva della faccia di una forma di attuazione di una punta da trivellazione avente otto strutture a lama comprendenti elementi fresanti ad esposizione ridotta disposti su almeno alcune delle lame in accordo con la presente invenzione; la figura 14B rappresenta una vista dal basso della faccia della punta da trivellazione esemplificativa illustrata nella figura 14A;

la figura 14C rappresenta una vista fotografica dal basso della faccia di un'altra punta da trivellazione esemplificativa che attua la presente invenzione avente sei strutture a lama ed un profilo degli elementi fresanti differente dal profilo degli elementi fresanti della punta esemplificativa illustrata nelle figure 14A e 14B;

la figura 15A rappresenta una vista laterale schematica in sezione parziale che mostra il profilo degli elementi fresanti e la spaziatura radiale di elementi fresanti disposti in posizioni adiacenti lungo un'unica lama rappresentativa di una punta da trivellazione che attua la presente invenzione;

la figura 15B rappresenta una vista laterale schematica in sezione parziale che mostra il profilo combinato degli elementi fresanti, compresa la sovrapposizione tra un elemento fresante e l'altro degli elementi fresanti posizionati lungo tutte le lame, come se fossero sovrapposti su un'unica lama rappresentativa;

la figura 15C rappresenta una vista laterale schematica in sezione parziale che mostra l'entità di esposizione degli elementi fresanti lungo il profilo degli elementi fresanti come è illustrato nelle figure 15A e 15B, con gli elementi fresanti rimossi per chiarezza, e che mostra inoltre un profilo di un nodulo di usura, o chiazza di usura, facoltativo rappresentativo;

la figura 16 rappresenta una vista laterale schematica, isolata ed ingrandita, in sezione parziale che illustra un profilo esemplificativo di elementi fresanti sovrapposti aventi una entità relativamente bassa di sovrapposizione degli elementi fresanti in accordo con la presente invenzione;

la figura 17 rappresenta una vista laterale schematica, isolata ed ingrandita, in sezione parziale che illustra un profilo esemplificativo di elementi fresanti sovrapposti avente una entità relativamente elevata di sovrapposizione degli elementi fresanti in accordo con la presente invenzione;

la figura 18A rappresenta una vista frontale schematica isolata di tre elementi fresanti rappresentativi posizionati nella regione conica di una struttura a lama rappresentativa di una punta rappresentativa, in cui ciascun elemento fresante è esposto in una misura prefissata in modo da limitare la DOC degli elementi fresanti, prevedendo anche singole regioni rientranti tra elementi fresanti nella superficie di supporto della lama in cui gli elementi fresanti sono fissati contribuendo alla capacità della punta di strisciare, o sfregare, sulla formazione quando una punta che attua la presente invenzione è in funzione;

la figura 18B rappresenta una vista laterale parziale schematica in sezione trasversale di uno degli elementi fresanti illustrati nella figura 18A mentre l'elemento fresante si impegna con una formazione relativamente dura e/o si impegna con una formazione ad un WOB relativamente basso producendo una prima DOC inferiore a quella massima;

la figura 18C rappresenta una vista laterale parziale schematica in sezione trasversale dell'elemento fresante illustrato nella figura 18A mentre l'elemento fresante si impegna con una formazione relativamente tenera e/o si impegna con una formazione ad un WOB relativamente elevato che produce una seconda DOC sostanzialmente massima;

la figura 19 rappresenta un grafico che mostra risultati di prove in laboratorio di Aggressività in funzione della DOC per una punta direzionale (punta STR) rappresentativa secondo la tecnica anteriore, una punta tradizionale, o normale, per usi generali (punta STD) e due punte esemplificative che attuano la presente invenzione (RE-W e RE-SI, verificate in una formazione di calcare Carthage a pressione atmosferica;

la figura 20 rappresenta un grafico che mostra risultati di prove in laboratorio del WOB in funzione della ROP per le punte analizzate;

la figura 21 rappresenta un grafico che mostra risultati di prove in laboratorio della TOB in funzione della ROP per le punte analizzate; e

la figura 22 rappresenta un grafico che mostra risultati di prove in laboratorio della TOB in funzione del WOB per le punte analizzate.

MODO O MODI MIGLIORI PER ATTUARE L'INVENZIONE

La figura 1 dei disegni mostra una punta a lame rotativa 10 guardando verso l'alto sulla sua faccia o estremità di attacco 12 come se l'osservatore fosse posizionato sul fondo di un foro di trivellazione. La punta 10 comprende una molteplicità di elementi fresanti PDC 14 collegati attraverso i loro substrati (piastrine di diamante e substrati non sono rappresentati separatamente per chiarezza), ad esempio per brasatura, entro sedi 16 in lame 18 che si estendono sopra la faccia 12, come è noto nella tecnica con riferimento alla fabbricazione di cosiddette punte del tipo "a matrice". Tali punte comprendono una massa di polvere metallica, come carburo di tungsteno, infiltrata con un legante fuso, successivamente induribile, come una lega a base di rame. Si deve tuttavia comprendere che la presente invenzione non è limitata a punte del tipo a matrice, e che punte a corpo in acciaio e punte di altro tipo possono anche essere configurate secondo la presente invenzione.

Passaggi di fluido 20 sono compresi tra le lame 18 e sono alimentati con fluido di perforazione attraverso ugelli 22 fissati in orifizi di ugello 24; gli orifizi 24 si trovano all'estremità di passaggi che escono da una camera in pressione che si estende nel corpo della punta da un gambo tubolare all'estremità superiore, o di uscita, della punta (vedere figura 2A in unione con il testo annesso per una descrizione di queste figure). I passaggi di fluido 20 si estendono fino a scanalature di scarico 26 che si estendono verso l'alto lungo il fianco della punta 10 tra le lame 18. Pattini di calibro 19 comprendono prolungamenti longitudinali verso l'alto delle lame 18 e possono avere inserti o rivestimenti resistenti all'usura su loro superfici radialmente esterne 21, in modo noto nella tecnica. I detriti della formazione sono allontanati dagli elementi fresanti PDC 14 mediante il fluido di perforazione F che esce dagli orifizi di ugello 24 e che si muove generalmente in direzione radiale verso l'esterno attraverso passaggi di fluido 20 e quindi verso l'alto attraverso scanalature di scarico 26 fino ad una corona anulare tra la batteria di perforazione a cui la punta 10 è sospesa raggiungendo la superficie .

Una molteplicità delle caratteristiche DOCC, ciascuna delle quali comprende un segmento portante arcuato da 30a a 30f, risiedono su, ed in alcuni casi collegano, lame 18. In modo specifico, ciascuno dei segmenti portanti 30b e 30e risiede parzialmente su una lama adiacente 18 e si estende tra loro. I segmenti portanti arcuati da 30a a 30f, ciascu-no dei quali giace sostanzialmente lungo lo stesso raggio dall'asse della punta di un elemento fresante PDC 14 che segue in rotazione questo segmento portante 30, forniscono complessivamente un'area superficiale sufficiente per sopportare il WOB assiale o longitudinale senza superare la resistenza a compressione della formazione trivellata, per cui la roccia non si intacca e non si spezza e la penetrazione degli elementi fresanti PDC 14 nella roccia è sostanzialmente controllata. Come si può vedere nella figura 1, elementi o inserti resistenti all'usura 32, sotto forma di piastrine o dischi di carburo di tungsteno, graniglia di diamante, pellicola di diamante, diamante naturale o sintetico (PDC o TSP), o nitruro di boro cubico, possono essere aggiunti sulle superfici portanti esterne dei segmenti portanti 30 per ridurne l'usura abrasiva per contatto con la formazione sotto il WOB quando la punta 10 ruota sotto una coppia applicata. Al posto di inserti, le superfici portanti possono essere costituite da, o completamente ricoperte con un materiale resistente all'usura. Il significato delle caratteristiche di usura degli elementi DOCC sarà spiegato più in dettaglio nel seguito.

Le figure 2 e 2A illustrano un'altra forma di attuazione di un punta da trivellazione rotativa 100 secondo la presente invenzione, e caratteristiche ed elementi nelle figure 2 e 2A corrispondenti a quelli identificati con riferimento alla punta 10 illustrata nella figura 1 sono identificati con gli stessi numeri di riferimento. La figura 2 mostra una punta da trivellazione rotativa 100 guar-dando verso l'alto sulla sua faccia 12 come se l'osservatore fosse posizionato sul fondo di un foro di trivellazione. La punta 100 comprende anche una molteplicità di elementi fresanti PDC 14 collegati attraverso i loro substrati (piastrine di diamante e substrati non sono illustrati separatamente per chiarezza), ad esempio per brasatura, entro sedi 16 in lame 18 che si estendono sopra la faccia 12 della punta 100.

Passaggi di fluido 20 giacciono tra le lame 18 e sono alimentati con fluido di perforazione F attraverso ugelli 22 fissati in orifizi di ugello 24, con gli orifizi 24 situati all'estremità di passaggi 36 provenienti da una camera in pressione 38 che si estende entro il corpo della punta 40 da un gambo tubolare 42 filettato (non rappresentato) sulla sua superficie esterna 44, in modo noto nella tecnica, all'estremità superiore della punta (vedere figura 2A) . I passaggi di fluido 20 si estendono fino a scanalature di scarico 26 che si estendono verso l'alto lungo il fianco della punta 10 tra le lame 18. Pattini di calibro 19 comprendono prolungamenti longitudinali verso l'alto delle lame 18 e possono avere inserti o rivestimenti resistenti all'usura su loro superfici radialmente esterne 21, in modo noto nella tecnica.

Una molteplicità delle caratteristiche DOCC, ciascuna delle quali comprende un segmento portante arcuato da 30a a 30f, risiedono su, ed in alcuni casi collegano, lame 18. In modo specifico , ciascuno dei segmenti portanti 30b e 30e risiede parzialmente su una lama adiacente 18 e si estende tra loro. I segmenti portanti arcuati da 30a a 30f, ciascuno dei quali giace sostanzialmente lungo lo stesso raggio dall'asse della punta di un elemento fresante PDC 14 che segue in rotazione questo segmento portante 30, forniscono complessivamente un'area superficiale sufficiente per sopportare il WOB assiale o longitudinale senza superare la resistenza a compressione della formazione trivellata, in modo che la roccia non si intacchi eccessivamente e non si spezzi e la penetrazione degli elementi fresanti PDC nella roccia sia sostanzialmente controllata.

Soltanto a titolo di esempio, l'area superficiale complessiva delle caratteristiche DOCC per una punta del diametro di 0,216 metri (m) (8,5 pollici) configurata generalmente come è illustrato nelle figure 1 e 2 può essere di circa 0,0077 metri quadrati (12 pollici quadrati). Se, ad esempio, la resistenza a compressione libera di una formazione relativamente tenera da trivellare mediante la punta 10 o 100 è 13,8 <. >10<6 >N per metro quadrato (Pa) (2.000 libbre per pollice quadrato) (psi)), allora un WOB di almeno circa 106 kN (24.000 libbre) può essere applicato senza cedimento o intaccatura della formazione. Tale WOB è molto superiore al WOB che può essere normalmente applicato ad una punta in tali formazioni (ad esempio da un valore compreso tra 4,5 kN e 13,3 kN (tra 1.000 libbre e 3.000 libbre), fino a circa 22,2 kN (5.000 libbre)) senza incontrare una impastatura della punta a causa della DOC eccessiva ed il volume di detriti conseguente che supera la capacità idraulica della punta di allontanarli.In'formazioni più dure, ad esempio con resistenze a compressione comprese tra 138 kPa e 276 kPa (tra 20.000 psi e 40.000 psi), l'area superficiale complessiva delle caratteristiche DOCC può essere notevolmente ridotta permettendo ancora l'applicazione di un WOB sostanziale per trattenere saldamente la punta sul fondo del foro di trivellazione. Quando si utilizzano impianti di trivellazione più vecchi e meno sofisticati, o durante la trivellazione direzionale, entrambe condizioni che rendono difficile controllare il WOB con una precisione sostanziale, la capacità di sovraccaricare il WOB senza conseguenze nocive caratterizza ulteriormente le prestazioni superiori di punte che attuano la presente invenzione. Si deve notare a questo punto che l'uso di una resistenza a compressione libera della roccia della formazione fornisce un margine significativo per il calcolo dell'area portante richiesta delle caratteristiche DOCC per una punta, poiché la resistenza a compressione confinata sul posto di una formazione sotterranea trivellata è sostanzialmente superiore. Così, se lo si desidera,è possibile utilizzare valori di resistenza a compressione confinata di formazioni selezionate nella progettazione delle caratteristiche DOCC complessive oltre che dell'area portante complessiva di una punta per fornire un'area richiesta minore, ma che prevede ancora deliberatamente un "margine" adeguato di area portante in eccesso per tener conto di variazioni delle resistenze a compressione continue della formazione in modo da evitare una intaccatura ed un cedimento sostanziali della formazione a fondo foro.

Mentre la punta 100 è notevolmente simile alla punta 10, l'osservatore riconoscerà e comprenderà che inserti di usura 32 sono omessi da segmenti portanti sulla punta 100, e tale disposizione è adatta per formazioni meno abrasive in cui l'usura costituisce un problema minore ed il carburo di tungsteno della matrice della punta (o di un rivestimento di riporto duro nel caso di una punta a corpo in acciaio) è sufficiente per resistere all'usura abrasiva per una vita utile desiderata della punta. Come è illustrato nella figura 13A, le caratteristiche DOCC (segmenti portanti 30) della punta 10 o della punta 100, o di qualsiasi punta secondo l'invenzione, possono avere una sezione trasversale arcuata, considerata trasversalmente all'arco percorso durante la rotazione della punta, per formare una superficie portante arcuata 31a che riproduce l'arco dello spigolo di taglio di un elemento fresante PDC associato non consumato che segue una caratteristica DOCC. Alternativamente, come è illustrato nella figura 13B, una caratteristica DOCC (segmento portante 30) può presentare una superficie portante appiattita 31f alla formazione, oppure può essere altrimenti configurata. E' anche previsto, come è illustrato nella figura 13C, che una caratteristica DOCC (segmento portante 30) possa essere configurata in sezione trasversale e costituita da un materiale tale da consumarsi intenzionalmente ed in modo relativamente rapido (rispetto alla velocità di usura di un elemento fresante PDC) da una superficie portante iniziale più piccola 31i che fornisce una DOC1 relativamente piccola rispetto al punto o alla linea di contatto C con la formazione percorsa dallo spigolo di taglio di un elemento fresante PDC associato che segue durante la trivellazione di un primo intervallo di formazione dura, ad una superficie portante secondaria più grande 31s che fornisce anche una DOC2 molto minore per un secondo intervallo più basso di formazione molto più tenera (e resistenza a compressione minore). Alternativamente, la testa 33 della struttura DOCC (segmento portante 30) può essere resa tranciabile in modo controllabile dalla base 35 (ad esempio con connessioni tranciabili come una spina di sicurezza, con una spina di sicurezza 37 illustrata con linee tratteggiate).

A titolo di riferimento, si può affermare che le punte 10 e 100 come è illustrato sono simmetriche o concentriche intorno ai loro assi o linee longitudinali L, benché ciò non sia necessariamente un requisito dell'invenzione.

Nessuna delle punte 10 e 100 è tradizionale rispetto a punte secondo lo stato dell'arte per il fatto che gli elementi fresanti PDC 14 sulle punte 10 e 100 sono disposti ad angoli di spoglia posteriori molto minori, nel campo, ad esempio, tra 7° e 15° rispetto alla direzione di rotazione prevista generalmente perpendicolare alla superficie della formazione con cui si impegnano. In confronto, molte punte tradizionali sono provviste di elementi fresanti ad un angolo di spoglia posteriore di 30°, ed un angolo di spoglia posteriore di 20° è considerato come sostanzialmente "aggressivo" nella tecnica. La presenza della caratteristica DOCC permette l'uso di angoli di spoglia posteriori sostanzialmente più aggressivi, poiché le caratteristiche DOCC impediscono che gli elementi fresanti PDC ad angoli di spoglia aggressivi penetrino nella formazione ad una profondità eccessiva, come avverrebbe in una punta senza le caratteristiche DOCC.

Nel caso sia della punta 10 sia della punta 100, le caratteristiche DOCC che precedono nella direzione di rotazione (i segmenti portanti 30) sono configurate e posizionate in modo da corrispondere in maniera sostanzialmente esatta all'andamento della trivellazione nel fondo del foro di trivellazione quando viene eseguita la trivellazione con una ROP di 30,5 metri per ora (mph) (100 piedi per ora (fph)) a 120 giri al minuto (rpm) della punta. Ciò produce una DOC di circa 4,2 mm (0,166 pollici) per ogni giro. A causa della presenza delle caratteristiche DOCC (segmenti portanti 30), dopo che è stato applicato un WOB sufficiente per trivellare a 30,5 mph (100 fph), un eventuale WOB addizionale è trasferito dal corpo 40 della punta 10 o 100 attraverso le caratteristiche DOCC alla formazione. Così, gli elementi fresanti 14 non sono esposti ad una forza addizionale sostanziale, a meno che, e fino a quando non viene applicato un WOB sufficiente per il cedimento della formazione trivellata, la quale applicazione può essere sostanzialmente controllata dal trivellatore, poiché le caratteristiche DOCC possono essere adattate per fornire un ampio margine di errore con riferimento ad una data sequenza di formazioni che potrebbe essere incontrata durante la trivellazione in un certo intervallo.

Come ulteriore conseguenza della presente invenzione, le caratteristiche DOCC impediranno, come precedentemente indicato, che gli elementi fresanti 14 penetrino in misura eccessiva o "intaglino" la formazione, vantaggio sostanziale durante la trivellazione con un motore di fondo foro in cui è spesso difficile controllare il WOB, ed un WOB che induca tale penetrazione eccessiva può provocare lo stallo del motore, con la conseguente perdita di faccia dell'utensile e possibile danneggiamento di componenti del motore nonché della punta stessa. Benché l'aggiunta di un WOB oltre quello richiesto per ottenere la ROP desiderata richieda una coppia addizionale per la rotazione della punta a causa della resistenza di attrito alla rotazione delle caratteristiche DOCC sulla formazione, tale coppia addizionale è una componente secondaria della coppia complessiva.

Il beneficio di caratteristiche DOCC nel controllo della coppia può essere facilmente compreso dall'osservazione della figura 3 dei disegni, che rappresenta un modello matematico di prestazioni di una punta PDC Hughes Christensen R324XL del diametro di 0,095 m (3,75 pollici), a quattro lame, che mostra varie curve di coppia in funzione di WOB per angoli di spoglia posteriori variabili degli elementi fresanti nella trivellazione di scisto Mancos. La curva A rappresenta la punta con un angolo di spoglia posteriore degli elementi fresanti di 10°, la curva B la punta con un angolo di spoglia posteriore degli elementi fresanti di 20°, la curva C la punta con un angolo di spoglia posteriore degli elementi fresanti di 30°, e la curva D la punta che utilizza elementi fresanti disposti ad un angolo di spoglia posteriore di 20° e comprendente le caratteri-stiche DOCC secondo la presente invenzione. Il modello ipo-tizza una struttura di punta secondo l'invenzione per una ROP di 15,2 mph (50 fph) a 100 rpm, che fornisce una penetrazione in una formazione trivellata di 2,5 min (0,1 polli-ci) per ogni giro. Come si può facilmente rilevare, indipendentemente dall'angolo di spoglia posteriore degli elementi fresanti, le curve da A a C indicano chiaramente che, in assenza delle caratteristiche DOCC secondo la presente invenzione, la coppia richiesta sulla punta continua ad aumentare con continuità e con andamento sostanzialmente lineare con il WOB applicato, indipendentemente dal livello di WOB applicato. D'altra parte, la curva D indica che, dopo che il WOB si è avvicinato a circa 35,6 kN (9.000 libbre) sulla punta comprendente le caratteristiche DOCC, la curva di coppia si appiattisce in misura significativa ed aumenta con un andamento sostanzialmente lineare soltanto leggermente da circa 908 N-m (670 piedi-libbre) ad appena più di 1.085 N-m (800 piedi-libbre) anche quando il WOB si avvicina a 111 kN (25,000 libbre). Come precedentemente indicato, questo aumento relativamente limitato della coppia dopo che le caratteristiche DOCC si sono impegnate con la formazione è correlato con l'attrito, ed è anche sostanzialmente prevedibile. Come è illustrato graficamente nella figura 3, questo carico di coppia addizionale aumenta in modo sostanzialmente lineare in funzione del WOB per il coefficiente di attrito tra la punta e la formazione.

Con riferimento ora alla figura 4 (che non è disegnata in scala) dei disegni, è possibile ottenere un ulteriore apprezzamento del funzionamento e dei benefici delle caratteristiche DOCC secondo la presente invenzione. Considerando una punta progettata per una ROP di 36,6 mph (120 fph) a 120 rpm, ciò richiede una DOC media di 5,08 mm (0,20 pollici). Le caratteristiche DOCC o limitatori DOC saranno così progettati per entrare inizialmente in contatto con la superficie della formazione sotterranea FS per fornire una DOC di 5,08 mm (0,20 pollici). Si suppone per gli scopi della figura 4 che le caratteristiche DOCC o i limitatori DOC siano dimensionati in modo che la resistenza a compressione della formazione trivellata non venga superata sotto il WOB applicato. Come precedentemente indicato, la resistenza a compressione considerata sarà tipicamente la resistenza a compressione sul posto della roccia che risiede nella formazione trivellata (più un certo fattore di sicurezza) , invece della resistenza a compressione libera di un campione di roccia. Nella figura 4, un elemento fresante PDC esemplificativo 14 è rappresentato, per comodità, mentre avanza linearmente da destra verso sinistra sul disegno. Una rivoluzione completa della punta 10 o 100 su cui l'elemento fresante PDC 14 è montato è stata "sviluppata" e riportata in un piano nella figura 4. Così, come è illustrato, l'elemento fresante PDC 14 è avanzato verso il basso (ossia lungo l'asse longitudinale della pinta· 10 o 100 su cui esso è montato) di 5,08 miti (0,20 pollici) in 360° di rotazione della punta 10 o 100. Come è illustrato nella figura 4, una struttura o elemento destinato ad essere utilizzato quale limitatore DOC 50 è disposto tradizionalmente subito "dietro" l'elemento fresante PDC 14 nella direzione di rotazione, ad esempio soltanto 22,5° dietro l'elemento fresante PDC 14, e la punta più esterna 50a deve essere rientrante verso l'alto di 0,318 mm (0,0125 pollici) (5,08 mm (0,20 pollici) DOC x 22,5°/360°) dalla punta più esterna 14a dell'elemento fresante PDC 14 per ottenere una DOC iniziale di 5,08 mm (0,20 pollici). Tuttavia, quando il limitatore DOC 50 si consuma durante la trivellazione, ad esempio soltanto di 0,25 mm (0,010 pollici) rispetto alla punta 14a dell'elemento fresante PDC 14, la distanza di spostamento verticale tra la punta 50a del limitatore DOC 50 e la punta 14a dell'elemento fresante PDC 14 aumenta a 0,572 mm (0,0225 pollici). Così, la DOC sarà sostanzialmente maggiore, in effetti quasi doppia, con un valore di 9,1 mm (0,36 pollici). La ROP potenziale sarà di conseguenza uguale a 65,8 mph (216 fph) a causa dell'aumento della sporgenza verticale dell'elemento fresante PDC 14 a causa del limitatore DOC consumato 50, ma l'aumento della DOC può danneggiare l'elemento fresante PDC 14 o impastare la punta 10 o 100 generando un volume di detriti della formazione che supera la capacità della punta di allontanarli idraulicamente. Analogamente, se la punta 14a dell'elemento fresante PDC si consumasse ad una velocità relativamente maggiore del limitatore DOC 50, ad esempio di 0,25 mm (0,010 pollici), la distanza di spostamento verticale si riduce a 0,064 mm (0,0025 pollici), la DOC si riduce ad 1,02 mm (0,04 pollici) e la ROP a 7,3 mph (24 fph). Così, un'usura eccessiva o un posizionamento verticale errato dell'elemento fresante PDC 14 o del limitatore DOC 50 rispetto all'altro elemento può produrre un ampio campo di possibili ROP per una data velocità di rotazione. D'altra parte, se una caratteristica DOCC esemplificativa 60 è posizionata, secondo la presente invenzione, ad un angolo di 45° davanti (o ad un angolo di 315° dietro) la punta 14a dell'elemento fresante PDC, la punta più esterna 60a sarà inizialmente rientrante verso l'alto di 4,45 mm (0,175 pollici) (5,08 mm (0,20 pollici) DOC x 315°/360°) rispetto alla punta 14a dell'elemento fresante PDC per fornire la DOC iniziale di 5,08 mm (0,20 pollici). La figura 4 mostra la stessa caratteristica DOCC 60 due volte, sia davanti sia dietro l'elemento fresante PDC 14 nella direzione di rotazione, per chiarezza, essendo naturalmente inteso che la traiettoria dell'elemento fresante PDC 14 è circolare lungo un arco di 360° in conformità con la rotazione della punta 10 o 100. Quando la caratteristica DOCC 60 si usura di 0,25 mm (0,010 pollici) rispetto alla punta 14a dell'elemento fresante PDC, la distanza di spostamento verticale tra la punta 60a della caratteristica DOCC 60 e la punta 14a dell'elemento fresante PDC 14 aumenta soltanto da 4,45 mm (0,175 pollici) a 4,70 mm (0,185 pollici). Tuttavia, a causa del posizionamento della caratteristica DOCC 60 rispetto all'elemento fresante PDC 14, la DOC sarà soltanto leggermente aumentata a circa 5,36 mm (0,211 pollici). Come conseguenza, la ROP aumenterà soltanto a circa 38,7 mph (127 fph). Analogamente, se l'elemento fresante PDC 14 si usura di 0,25 mm (0,010 pollici) rispetto alla caratteristica DOCC 60, lo spostamento verticale della caratteristica DOCC 60 è ridotto soltanto a 4,19 mm (0,165 pollici) e la DOC è soltanto ridotta a circa 4,80 mm (0,198 pollici), con una ROP conseguente di circa 34,4 mph (113 fph). Così, si può facilmente vedere come il posizionamento angolare di una caratteristica DOCC può modificare in misura significativa la ROP quando il limitatore o l'elemento fresante si consuma rispetto all'altro elemento, o se uno di questi componenti è stato posizionato in modo errato o dimensionato in modo non corretto in modo da spor gere in misura non corretta anche soltanto leggermente verso l'alto o verso il basso rispetto alla sua posizione ideale, o "di progetto", rispetto all'altro componente associato quando la punta è fabbricata. In modo simile, differenze di usura tra un elemento fresante ed un limitatore DOC che segue l'elemento fresante sono amplificate nella tecnica anteriore mentre sono notevolmente ridotte quando si utilizzano caratteristiche DOCC dimensionate e disposte in posizioni che precedono l'elemento fresante secondo la presente invenzione. Inoltre, se si utilizza un limitatore DOC che segue, invece di precedere, un dato elemento fresante, si noterà che il carico d'urto o di impatto dell'elemento fresante è più probabile poiché, quando il limitatore DOC entra in contatto con la formazione, la punta dell'elemento fresante sarà già entrata in contatto con la formazione. Caratteristiche DOCC che precedono nella direzione di rotazione, d'altra parte, essendo disposte prima di un dato elemento fresante lungo la traiettoria elicoidale verso il basso seguita dall'elemento fresante mentre taglia la formazione e la punta avanza lungo il suo asse longitudinale, tendono ad impegnasi con la formazione prima dell'elemento fresante. Le espressioni "che precede" e "che segue" l'elemento fresante possono essere facilmente comprese come associate rispettivamente preferibilmente con posizioni delle caratteristiche DOCC fino ad un angolo di rotazione di 180° prima di un elemento fresante rispetto a posizioni fino ad un angolo di rotazione di 180° dopo un elemento fresante. Benché una certa porzione ad esempio di una caratteristica DOCC arcuata allungata che precede nella direzione di rotazione secondo la presente invenzione possa estendersi angolarmente in avanti rispetto ad un elemento fresante associato in modo da avvicinarsi ad una posizione che segue nella direzione di rotazione, sostanzialmente la maggior parte della lunghezza di arco di tale caratteristica DOCC si troverà preferibilmente in una posizione che precede nella direzione di rotazione. Come si può notare facendo ancora riferimento alle figure 1 e 2, può esservi una spaziatura angolare significativa tra un elemento fresante PDC ed un segmento portante associato 30 di una caratteristica DOCC, ad esempio attraverso un passaggio di fluido 20 e la scanalatura di scarico 26 ad esso associato, pur con la caratteristica DOCC che precede ancora l'elemento fresante PDC 14 nella direzione di rotazione. Più preferibilmente, almeno una certa porzione di una caratteristica DOCC secondo l'invenzione precederà in rotazione la faccia di un elemento fresante associato di un angolo entro circa 90°.

Ci si potrebbe domandare perché la limitazione della ROP sarebbe desiderabile, poiché punte secondo la presente invenzione che utilizzano caratteristiche DOCC non possono, in pratica, trivellare ad una ROP pari a quella di punte tradizionali prive di tali caratteristiche. Tuttavia, come precedentemente indicato, utilizzando caratteristiche DOCC per ottenere una DOC prevedibile e sostanzialmente sostenibile in unione con una capacità nota dell'idraulica della punta di allontanare detriti della formazione dalla punta ad una data portata in volume massima, è possibile ottenere una ROP massima sostenibile (invece che soltanto di picco) senza l'impastatura della punta e con una usura ridotta degli elementi fresanti e la sostanziale eliminazione del danneggiamento e della rottura degli elementi fresanti a causa di una DOC eccessiva, nonché del danneggiamento e della rottura prodotti dall'impatto. E' anche possibile eliminare lo stallo del motore e la perdita della faccia dell'utensile. In formazioni tenere o ultra-tenere, molto soggette ad impastatura, la limitazione del volume unitario di roccia rimosso dalla formazione per unità di tempo impedisce che una punta "tagli troppo" la formazione. In formazioni più dure, la capacità di applicare un WOB addizionale superiore a quello necessario per ottenere una DOC di progetto per la punta può essere utilizzata per eliminare vibrazioni indesiderate normalmente indotte dagli elementi fresanti PDC e dalla loro azione di taglio, nonché una vibrazione indesiderata della batteria di perforazione sotto forma di rimbalzo, che si manifesta sulla punta con una DOC eccessiva. In tali formazioni più dure, le caratteristiche DOCC possono anche essere caratterizzate come "limitatori di carico" utilizzati in unione con la WOB "in eccesso" per proteggere gli elementi fresanti PDC dal danneggiamento indotto dalle vibrazioni, con le caratteristiche DOCC ancora dimensionate in modo da non superare la resistenza a compressione della formazione. In formazioni più dure, la capacità di smorzare le vibrazioni ed il rimbalzo mantenendo la punta in costante contatto con la formazione è altamente vantaggiosa in termini dì stabilità e longevità della punta, mentre in applicazioni direzionali l'invenzione impedisce la perdita della faccia dell'utensile.

La figura 5 mostra una variante esemplificativa di una caratteristica DOCC secondo la presente invenzione, che può essere denominata caratteristica DOCC "a livelli" 130 comprendente un segmento portante arcuato allungato. Tale configurazione, rappresentata a titolo illustrativo che precede un elemento fresante PDC 14 su una punta 100 (soltanto a titolo di esempio), comprende un primo livello inferiore 132 che precede nella direzione di rotazione ed un secondo livello superiore 134 che segue nella direzione di rotazione. Poiché la punta 14a dell'elemento fresante PDC 14 segue la sua traiettoria elicoidale verso il basso indicata in generale dalla linea 140 (la traiettoria, come nel caso della figura 4, è sviluppata sul disegno), l'area superficiale del primo livello 132 può essere utilizzata per limitare la DOC in una formazione più dura con una maggiore resistenza a compressione, con la punta che "striscia" rimanendo alta sulla formazione con l'elemento fresante 14 sottoposto ad una DOCi minima nella superficie della formazione, indicata dalla linea tratteggiata più bassa. Invece, quando la punta 100 entra in una formazione molto più tenera con una resistenza a compressione molto minore, l'area superficiale del primo livello 132 sarà insufficiente per evitare l'intaccatura ed il cedimento della formazione, e quindi il primo livello 132 intaccherà la formazione finché la superficie del secondo livello 134 non incontra il materiale della formazione, aumentando la DOC dell'elemento fresante 14. A questo punto, l'area superficiale complessiva del primo e del secondo livello 132 e 134 (in combinazione con altri primi e secondi livelli associati rispettivamente con altri elementi fresanti 14) sarà sufficiente per evitare una ulteriore intaccatura della formazione e la DOC2 più profonda nella superficie della formazione più tenera (indicata dalla linea tratteggiata più alta) sarà mantenuta finché la punta 100 non incontra di nuovo una formazione più dura. Quando ciò avviene, la punta 100 striscerà sul primo livello 132, che assorbirà un eventuale impatto dall'incontro prima che l'elemento fresante 14 incontri la formazione, e la DOC sarà ridotta al suo livello DOC precedente, evitando una coppia eccessiva e lo stallo del motore.

Come è illustrato nelle figure 1 e 2, una o più caratteristiche DOCC di una punta secondo l'invenzione possono comprendere segmenti portanti arcuati allungati 30 disposti sostanzialmente allo stesso raggio intorno all'asse longitudinale o linea centrale della punta di un elemento fresante preceduto da questa caratteristica DOCC. In tale caso, e come illustrato nella figura 6A con il segmento portante arcuato esemplificativo 30 sviluppato in forma piana sul disegno, si preferisce che la superficie portante esterna S di un segmento 30 sia inclinata di un angolo a rispetto ad un piano P trasversale all'asse L della punta sostanzialmente uguale all'angolo β della (traiettoria elicordale 140) seguita dall'elemento fresante PDC 14 associato mentre la punta trivella il foro. Orientando in questo modo la superficie portante esterna S, l'intera superficie potenziale, o area portante, del segmento portante 30 entra e rimane in contatto con la formazione durante la rotazione dell'elemento fresante PDC 14. Come è illustrato nella figura 6B, la superficie esterna S di un segmento arcuato può anche essere inclinata di un angolo variabile per tener conto della ROP di progetto massima e minima per una punta. Così, se una punta è progettata per trivellare tra 110 e 130 fph (tra 33,55 e 39,65 mph), la porzione LS della superficie S che precede nella direzione di rotazione può trovarsi ad un primo angolo γ relativamente meno ripido, mentre la porzione TS della superficie S che segue nella direzione di rotazione (tutta la superficie S precede ancora nella direzione di rotazione l'elemento fresante PDC 14) può trovarsi ad un altro angolo relativamente più ripido δ (entrambi gli angoli sono rappresentati con una ampiezza esagerata per chiarezza), con il resto della superficie S che forma una transizione graduale di angolo tra loro. In questo modo, e poiché la DOC deve necessariamente aumentare affinchè aumenti la ROP, data una velocità di rotazione sostanzialmente costante, ad un primo angolo dell'elica 140a meno ripido corrispondente ad una ROP inferiore, la porzione LS della superficie S che precede sarà in contatto con la formazione trivellata, mentre ad una ROP superiore l'angolo dell'elica diventerà più rìpido, come è illustrato (in forma esagerata per chiarezza) dall'angolo dell'elica 14Ob, e la porzione LS che precede non sarà più in contatto con la formazione, con l'area di contatto trasferita alla porzione TS che segue ad angolo più ripido. Naturalmente, ad una ROP intermedia tra i limiti superiore ed inferiore del campo di progetto, una porzione di superficie S intermedia tra la porzione che precede LS e la porzione che segue TS (o porzioni sia di LS sia di TS) fungerà da superficie portante. Una configurazione come illustrato nella figura 6B è facilmente adatta per formazioni ad elevata resistenza a compressione a ROP variabili entro un campo di progetto, poiché i requisiti di area di superficie portante per le caratteristiche DOCC sono nominali. Per punte uti-lizzate nella trivellazione di formazioni più tenere, può essere necessario prevedere un'area superficiale in eccesso per ciascuna caratteristica DOCC per evitare il cedimento e l'intaccatura della formazione, poiché soltanto una porzione di ciascuna caratteristica DOCC sarà in contatto con la formazione in un dato istante durante la trivellazione in un campo di ROP di progetto. Viceversa, per punte utilizzate nella trivellazione di formazioni più dure, la predisposizione di un'area superficiale in eccesso per ciascuna caratteristica DOCC per evitare il cedimento e l'intaccatura della formazione può non essere necessaria poiché le rispettive porzioni di ciascuna caratteristica DOCC possono, considerate in combinazione, fornire un'area superficiale portante complessiva, o dimensione totale, sufficiente affinchè la punta strisci sulla formazione in un campo di ROP di progetto.

Un'altra considerazione nella progettazione di punte secondo la presente invenzione consiste nel potere abrasivo della formazione trivellata, e nelle velocità di usura relative delle caratteristiche DOCC e degli elementi fresanti PDC In formazioni non abrasive, ciò non costituisce un problema sostanziale, poiché né la caratteristica DOCC né l'elemento fresante PDC si consumeranno in misura apprezzabile. Tuttavia, in formazioni più abrasive, può essere necessario prevedere inserti di usura 32 (vedere figura 1) o proteggere in altro modo le caratteristiche DOCC da una usura eccessiva (ossia prematura) rispetto agli elementi fresanti con i quali esse sono associate per evitare una riduzione della DOC. Ad esempio, se la punta è una punta del tipo a matrice, uno strato di graniglia di diamante può essere annegato nelle superfici esterne delle caratteristiche DOCC. Alternativamente, nuclei cementati preformati di carburo di tungsteno colati nella faccia della punta possono essere utilizzati quali caratteristiche DOCC. Una pellicola di diamante può essere formata su porzioni selezionate della faccia della punta utilizzando tecniche note di deposizione di vapore chimico come è noto nell'arte, oppure pellicole di diamante formate su substrati che sono quindi integrati per fusione nel, o brasati o altrimenti collegati al corpo della punta. Diamanti naturali, PDC termicamente stabili (comunemente denominati TSP) o anche PDC con le loro facce sostanzialmente parallele all'angolo dell'elica della traiettoria dell'elemento fresante (in modo che quella che sarebbe normalmente la faccia di taglio del PDC operi come superficie portante) o strutture di nitruro di boro cubico simili alle strutture di diamante precedentemente menzionate possono anche essere utilizzate su, o come, superfici portanti delle caratteristiche DOCC, come desiderato o richiesto, ad esempio nella trivellazione di calcari e dolo-miti. Alla scopo di ridurre le forze di attrito tra una superficie portante DOCC e la formazione, è possibile utilizzare, in conformità con i brevetti statunitensi nn.

5.447.208 e 5.653.300, ceduti alla cessionaria della presente invenzione ed incorporati nella presente tramite questo riferimento, una superficie di diamante a rugosità molto bassa, cosiddetta "lucidata". Idealmente, e prendendo in considerazione l'usura della piastrina di diamante e del substrato di supporto rispetto all'usura delle caratteristiche DOCC, le caratteristiche di usura ed i volumi di materiali soggetti all'usura per le caratteristiche DOCC devono essere regolati in modo che la velocità di usura delle caratteristiche DOCC possa essere sostanzialmente adattata alla velocità di usura degli elementi fresanti PDC per man-tenere una DOC sostanzialmente costante. Questo approccio fornirà la capacità di utilizzare l'elemento fresante PDC alla sua massima vita potenziale. E' naturalmente sottinteso che le caratteristiche DOCC possono essere configurate sotto forma di "noduli" abbreviati, "protuberanze", o grandi "piattaforme" nonché dei segmenti arcuati precedentemente menzionati, oppure possono avere qualsiasi altra configurazione adatta per la formazione trivellata per evitarne il cedimento mediante le caratteristiche DOCC sotto il WOB previsto o pianificato.

Come alternativa ad una caratteristica DOCC fissa, o passiva, è anche previsto che caratteristiche DOCC o seg-menti portanti attivi possano essere utilizzati per vari scopi. Ad esempio, è possibile disporre rulli davanti agli elementi fresanti per fornire caratteristiche DOCC ad at-trito ridotto, oppure è possibile utilizzare un cuscinetto a fluido comprendente un'apertura circondata da un pattino o piattaforma sulla faccia della punta per prevedere un di-stacco per gli elementi fresanti con un basso attrito conseguente. Caratteristiche DOCC mobili, ad esempio strutture oscillanti, potrebbero anche essere utilizzate per tener conto di variazioni della ROP entro un dato campo mediante inclinazione delle superfici portanti delle caratteristiche DOCC in modo che le superfici siano orientate secondo lo stesso angolo della traiettoria elicoidale degli elementi fresanti associati.

Con riferimento ora alle figure da 7 a 12 dei disegni, sono descritte varie caratteristiche DOCC (che possono anche essere indicate come segmenti portanti) secondo 1'invenzione .

Con riferimento alle figure 7 e 7A, una punta esemplificativa 150 avente un elemento fresante PDC 14 fissato ad essa che segue nella direzione di rotazione un passaggio di fluido 20 comprende una caratteristica DOCC oscillante 160 costituita da un corpo a superficie arcuata 162 (che può comprendere una semisfera per una rotazione intorno a diversi assi o semplicemente una superficie arcuata estendentesi trasversalmente al piano del disegno per una rotazione intorno ad un asse trasversale al disegno) fissato in una sede 164 ed avente una caratteristica facoltativa resistente all'usura 166 sulla sua superficie portante 168. La caratteristica resistente all'usura 166 può essere semplicemente una porzione esposta del materiale del corpo 162 se quest'ultimo è realizzato ad esempio in WC. Alternativamente, la caratteristica resistente all'usura 166 può comprendere una punta, inserto o rivestimento di WC sulla superficie portante 168 del corpo 162, graniglia di diamante annegata nel corpo 162 sulla superficie portante 168, o un trattamento superficiale a diamante sintetico o naturale della superficie portante 168, comprendente in modo speci-fico e senza limitazione una pellicola di diamante depositata su di essa o collegata ad essa. Si deve notare che l'area della superficie portante 168 della caratteristica DOCC 160 che striscerà sulla formazione trivellata, come anche la DOC dell'elemento fresante PDC 14, possono essere facilmente regolate per una data struttura di punta utilizzando corpi 162 che presentano esposizioni (altezze) differenti della superficie portante 168 e larghezze, lunghezze o configurazioni in sezione trasversale differenti, il tutto come è illustrato con linee tratteggiate. Così è possibile tener conto di resistenze a compressione differenti della formazione- L'uso di una caratteristica DOCC oscillante 160 permette che la caratteristica DOCC si adatti automaticamente a ROP differenti entro un dato campo di angoli dell'elica dell'elemento fresante. Benché la DOC possa essere modificata dall'oscillazione della caratteristica DOCC 160, una variazione entro un dato campo di ROP sarà normalmente nominale.

Le figure 8 ed 8A illustrano una punta esemplificativa 150 avete un elemento fresante PDC 14 fissato ad essa che segue nella direzione di rotazione un passaggio di fluido 20, in cui la punta 150 in questo caso comprende una caratteristica DOCC 170 comprendente un rullo 172 montato in modo rotativo attraverso un perno 174 su cuscinetti 176 portati dalla punta 150 su ciascun lato di una cavità 178 in cui il rullo 172 è parzialmente inserito. In questa forma di attuazione, si deve notare che l'esposizione e l'area della superficie portante della caratteristica DOCC 170 possono facilmente essere regolate per una data struttura di punta utilizzando rulli 172 di diametro differente che presentano larghezze e/o configurazioni in sezione trasversale differenti.

Le figure 9A, 9B, 9C e 9D illustrano rispettivamente caratteristiche DOCC oscillanti alternative 190, 200, 210 e 220. La caratteristica DOCC 190 comprende una testa 192 inserita parzialmente in una cavità 194 in una punta 150 e montata attraverso una connessione a sfera e sede 196 su un codolo 180 inserito a pressione entro una apertura 198 sulla sommità della cavità 194. La caratteristica DOCC 200, in cui elementi simili a quelli della caratteristica DOCC 190 sono indicati con gli stessi numeri di riferimento, è una variante della caratteristica DOCC 190. La caratteristica DOCC 210 utilizza una testa 212 che è parzialmente inserita in una cavità 214 in una punta 150 e fissata ad essa mediante un elemento di connessione resiliente o duttile 216 che si estende nell'apertura 218 alla sommità della cavità 214. L'elemento di connessione 216 può comprendere, ad esempio, un blocco elastomerico, una molla elicoidale, una molla Belleville, una molla a lamina, o un blocco di metallo duttile, come acciaio o bronzo. Così, l'elemento di connessione 216, come le connessioni a sfera e sede 196 e le teste 192, permette che la testa 212 si adatti automaticamente a, o compensi, ROP variabili che definiscono angoli dell'elica differenti dell'elemento fresante. La caratteristica DOCC 220 utilizza una forcella 222 disposta in modo rotativo e parzialmente inserita entro una cavità 224, con la forcella 222 supportata su una sporgenza 226 della punta 150. Arresti 228, di materiali resilienti o duttili (quali elastomeri, acciaio, piombo, ecc.) e che possono essere permanenti o sostituibili, permettono che la forcella 222 si adatti a vari angoli dell'elica. La forcella 222 può essere fissata entro la cavità 224 mediante qualsiasi mezzo tradizionale. Poiché gli angoli dell'elica variano anche per una data ROP specifica in funzione della distanza di ciascun elemento fresante dall'asse della punta, la predi-sposizione di tale regolazione o compensazione automatica può essere preferibile per tentare di formare caratteristiche DOCC con superfici portanti ad angoli differenti in posizioni differenti sulla faccia della punta.

Le figure 10A e 10B mostrano rispettivamente combinazioni differenti di caratteristiche DOCC ed elementi fresanti PDC. In ogni caso, un elemento fresante PDC 14 è fissato ad un supporto dell'elemento fresante combinato con un limitatore DOC 240, ed il supporto 240 è ricevuto entro una cavità 242 nella faccia (o su una lama) di una punta esemplificativa 150 e fissato in tale cavità ad esempio per brasatura, saldatura, fissaggio meccanico o in altro modo, come è noto nella tecnica. Il limitatore DOC 240 comprende una sporgenza 244 che presenta una superficie portante 246. Come è illustrato, e soltanto a titolo di esempio, la superficie portante 246 può essere sostanzialmente appiattita {figura 10A) o semisferica (figura 10B). Selezionando un supporto dell'elemento fresante e limitatore DOC 240 appropriato, la DOC dell'elemento fresante PDC 14 può essere variata e l'area superficiale della superficie portante 246 regolata per adattarla alla resistenza a compressione di una formazione designata.

Si deve notare che le caratteristiche DOCC illustrate nelle figure da 7 a 10, oltre ad adattarsi a resistenze a compressione differenti della formazione oltre ad ottimizzare la DOC e permettere la minimizzazione dell'area della superficie portante che genera attrito impedendo il cedimento della formazione sotto il WOB, facilitano anche la riparazione e la sostituzione sul campo di caratteristiche DOCC a causa di un danneggiamento dovuto alla trivellazione o per adattarle a formazioni differenti da trivellare, in formazioni, o intervalli, adiacenti che devono essere attraversati dallo stesso foro di trivellazione.

La figura 11 illustra una caratteristica DOCC 250 costituita da una cavità o canale anulare 252 nella faccia di una punta esemplificativa 150. Elementi fresanti PDC 14 radialmente adiacenti che fiancheggiano il canale anulare 252 tagliano la formazione 254 con l'esclusione di un segmento anulare non tagliato 256, che sporge entro la cavità anulare 252. Alla sommità 260 del canale anulare 252, un elemento fresante PDC 258 a bordo piano (o preferibilmente una molteplicità di elementi fresanti 258 distanziati angolarmente) tronca il segmento anulare 256 in un modo controllato in modo che l'altezza del segmento anulare 256 rimanga sostanzialmente costante e limiti la DOC di elementi fresanti PDC 14 che lo fiancheggiano. In questo caso, la superficie portante della caratteristica DOCC 250 comprende la sommità 260 del canale anulare 252, ed i lati 262 del canale 252 impediscono il cedimento del segmento anulare 256. Naturalmente, si intende che è possibile utilizzare canali anulari multipli 252 con elementi fresanti PDC 14 che li fiancheggiano, e che sarà prevista una sorgente di fluido di perforazione, come l'apertura 264, per lubrificare il canale 252 ed allontanare detriti della formazione dall'elemento fresante 258.

Le figure 12 e 12A illustrano una caratteristica DOCC 270 a basso attrito idraulicamente migliorata costituita da un pattino DOCC 272 che precede nella direzione di rotazione un elemento fresante PDC 14 attraverso un passaggio di fluido 20 su una punta esemplificativa 150, con il pattino 272 alimentato con fluido di perforazione attraverso un passaggio 274 che sbocca sulla superficie portante 276 del pattino 272 da una camera in pressione 278 all'interno del corpo della punta 150. Come è illustrato nella figura 12A, una molteplicità di canali 282 possono essere formati sulla superficie portante 276 per facilitare la distribuzione di fluido di perforazione dall'imboccatura 280 del passaggio 274 attraverso la superficie portante 276. Deviando una piccola porzione del flusso di fluido di perforazione verso la punta 150 dalla sua traiettoria normale che sbocca in ugelli associati con gli elementi fresanti, si ritiene che il maggiore attrito normalmente conseguente agli aumenti del WOB dopo che la superficie portante 276 del pattino DOCC 272 entra in contatto con la formazione possa essere almeno in una certa misura alleviato, ed in alcuni casi sostanzialmente evitato, riducendo o eliminando gli aumenti di coppia in risposta ad aumenti del WOB. Natu-ralmente, i passaggi 274 possono essere dimensionati per fornire un flusso appropriato, o i pattini 272 possono essere dimensionati con sbocchi 280 dì dimensioni appropriate. I pattini 272 possono naturalmente essere configurati in modo da essere sostituibili.

Come è stato precedentemente menzionato, gli angoli di spoglia posteriori degli elementi fresanti PDC utilizzati in una punta provvista di caratteristiche DOCC secondo l'invenzione possono essere più aggressivi, in altre parole meno negativi che nel caso di punte tradizionali. E' anche previsto che angoli di spoglia degli elementi fresanti estremamente aggressivi, compresi angoli di spoglia neutri ed anche angoli di spoglia positivi (diretti in avanti) degli elementi fresanti, possano essere utilizzati con successo compatìbilmente con la resistenza intrinseca degli elementi fresanti per sopportare il carico applicato su di essi come conseguenza di tali angoli di spoglia, poiché le caratteristiche DOCC impediranno che tali elementi fresanti aggressivi si impegnino con la formazione ad una profondità eccessiva.

E' anche previsto che su una punta possano essere utilizzate due altezze, o esposizioni, differenti di segmenti portanti, con un insieme di segmenti portanti più alti formanti una prima area di superficie portante che supporta la punta su formazioni più dure ed a maggior resistenza a compressione fornendo una DOC relativamente limitata per gli elementi fresanti PDC della punta, mentre un insieme di segmenti portanti più bassi rimane fuori dal contatto con la formazione durante la trivellazione finché non si incontra una formazione più tenera a tensione di compressione inferiore. In questo caso, i segmenti portanti più alti o più esposti avranno un'area superficiale insufficiente per evitare l'intaccatura (cedimento) della roccia della formazione sotto il WOB applicato. Così, i segmenti portanti più alti intaccheranno la formazione finché il secondo insieme di segmenti portanti non entra in contatto con quest'ultima, dopo di che l'area superficiale complessiva dei due insiemi di segmenti portanti supporterà la punta sulla formazione più tenera, ma ad una maggiore DOC per permettere che gli elementi fresanti stacchino un volume maggiore di materiale della formazione per ogni rotazione della punta generando cosìuna ROP maggiore per una data velocità di rotazione della punta. Questo approccio differisce dall'approccio illustrato nella figura 5 per il fatto che, diversamente da caratteristiche DOCC a livelli (segmento portante 130), segmenti portanti di altezze o esposizioni differenti sono associati con elementi fresanti differenti. Così, questo aspetto dell’invenzione può essere attuato, ad esempio, nelle punte 10 e 100 illustrate nelle figure 1 e 2 fabbricando segmenti portanti arcuati selezionati ad una altezza o esposizione maggiore di altri. Così, i segmenti portanti 30b e 30e delle punte 10 e 100 possono presentare un'esposizione maggiore dei segmenti 30a, 30c, 30d e 30f, o viceversa.

Gli elementi fresanti utilizzati sulle punte 10 e 100, nonché su altre punte descritte che saranno discusse successivamente nella presente, sono rappresentati come aventi elementi fresanti PDC 14, ma i tecnici del ramo riconosceranno e comprenderanno che l'invenzione può anche essere attuata su punte che portano altri tipi di elementi fresanti superabrasivi, ad esempio sinterizzati di diamante policristallino termicamente stabile, o TSP, disposti ad esempio in uno schema a mosaico, in modo noto nella tecnica, per simulare la faccia di taglio di un PDC. E' anche possibile utilizzare elementi fresanti a pellicola di diamante, nonché sinterizzati di nitruro di boro cubico.

Un'altra forma di attuazione della presente invenzione, come esemplificato dalla punta da trivellazione rotati-va 300 e 300', è illustrata nelle figure 14A-20. Punte da trivellazione rotative come le punte da trivellazione 300 e 300', secondo la presente invenzione, possono includere molte caratteristiche ed elementi che corrispondono a quel-li identificati con riferimento alle punte 10 e 100 prece-dentemente descritte ed illustrate.

La punta da trivellazione rotativa 300 rappresentativa illustrata nelle figure 14A e 14B comprende un corpo della punta 301 avente un'estremità di attacco 302 ed un'estremità di uscita 403. Una connessione 306 può comprendere una connessione ad estremità a perno avente filettature convergenti per collegare la punta 300 ad un gruppo di fondo foro di una batteria di perforazione rotante tradizionale, o alternativamente per il collegamento ad un gruppo di motore di fondo foro, quale un motore di fondo foro del tipo Moineau azionato dal fluido di perforazione, come precedentemente descritto. L'estremità di attacco, o faccia della punta da trivellazione, 302 comprende una molteplicità di strutture a lama 308 che si estendono generalmente in direzione radiale verso l'esterno e longitudinalmente verso l'estremità di uscita 304. La punta esemplificativa 300 comprende otto strutture a lama, o lame 308 distanziate circonferenzialmente intorno alla punta. Tuttavia è possibile prevedere un numero minore di lame su una punta, ad esempio come previsto sul corpo della punta 301' della punta 300' illustrata nella figura 14C, che ha sei lame. E' possibile utilizzare un numero maggiore di strutture a lama aventi una varietà di geometrie, secondo la forma ottimale determinata per una punta da trivellazione particolare. Inoltre, non è necessario che le lame 308 siano equidistanziate intorno alla circonferenza della punta da trivellazione 300 come è illustrato, ma essere possono essere distribuite intorno alla circonferenza, o periferia, di una punta in qualsiasi modo adatto, compresa una disposizione non equidistante o una disposizione in cui alcune delle lame sono distribuite circonferenzialmente in posizioni equidistanti l'una dall'altra ed in cui alcune delle lame sono distanziate l'una dall'altra in modo irregolare, non equidistanti. Inoltre, non è necessario che le lame 308 siano configurate in modo specifico nella maniera rappresentata nelle figure 14A e 14B, ma esse possono essere configurate in modo da includere altri profili, dimensioni, e combinazioni diversi da quelli illustrati.

In generale, una punta, come la punta 300, comprende una regione conica 310, una regione di estremità 312, una regione di fianco 314, una regione di spalla 316, ed una regione di calibro 322. Spesso non è possibile una distinzione specifica tra la regione di fianco 314 e la regione di spalla 316. Così, il termine "spalla", come utilizzato nella tecnica, includerà spesso la regione di "fianco" entro la regione di "spalla". Luci di fluido 318 sono disposte intorno alla faccia della punta e sono in comunicazione di fluido con almeno un passaggio interno previsto nell'interno del corpo della punta 301 in un modo simile a quello illustrato nella figura 2Ά dei disegni, e per gli scopi precedentemente descritti nella presente. Preferibilmente, ma non necessariamente, le luci di fluido 318 comprendono ugelli 338 disposti in esse per controllare in modo migliore la proiezione di fluido di perforazione dal corpo della punta 301 entro passaggi di fluido 344 e scanalature di scarico 340 allo scopo di facilitare il raffred-damento degli elementi fresanti sulla punta 30 e l'allontanamento di detriti della formazione lungo il foro di trivellazione verso la superficie quando la punta 300 è in funzione.

Le lame 308 comprendono preferibilmente, in aggiunta alla regione di calibro 322 delle lame 308, una superficie portante rivolta radialmente verso l'esterno 320, una superficie 324 di attacco nella direzione di rotazione, ed una superficie 326 di uscita nella direzione di rotazione. In altre parole, quando la punta è fatta ruotare in una formazione sotterranea per creare un foro di trivellazione, la superficie di attacco 324 sarà rivolta nella direzione prevista di rotazione della punta mentre la superficie di uscita 326 sarà rivolta nella direzione opposta, o all'indietro, rispetto alla direzione prevista di rotazione della punta. Una molteplicità di elementi di taglio, o elementi fresanti, 328 sono preferibilmente disposti lungo e parzialmente entro le lame 308. In modo specifico, gli elementi fresanti 328 sono posizionati in modo da avere una faccia di taglio, o piastrina, superabrasiva 330 general-mente rivolta nella stessa direzione della superficie di attacco 324 oltre ad essere esposti in una certa misura oltre la superficie portante 320 della rispettiva lama in cui ciascun elemento fresante è posizionato. Gli elementi fresanti 328 sono preferibilmente elementi di taglio superabrasivi noti nella tecnica, come gli elementi fresanti PDC esemplificativi precedentemente descritti nella presente, e sono fisicamente fissati in sedi 342 mediante tecniche dì installazione e difissaggio note nel ramo. L'entità preferita di esposizione degli elementi fresanti 328 in conformità con la presente invenzione sarà descrìtta più in dettaglio nel seguito.

Facoltativamente noduli di usura, chiazze di usura, o aree integrate resistenti all'usura 334, complessivamente indicati come noduli di usura 334 nella presente, possono essere disposti o altrimenti previsti sulle superfici portanti 320 delle lame 308, con i noduli di usura 334 preferibilmente posizionati in modo da seguire nella direzione di rotazione gli elementi fresanti 328 posizionati su rispettive lame o altre superfici in cui gli elementi fresanti 328 sono disposti. I noduli di usura 334 possono essere originariamente stampati nella punta 300 oppure possono essere aggiunti su porzioni selezionate della superficie portante 320. Come precedentemente descritto nella presente, le superfici portanti 320 delle lame 308 possono essere provviste di altre caratteristiche o elementi resistenti all'usura, come ad esempio diamanti annegati, TSP, PDC, riporto duro, saldature ed elementi saldati. Come sarà evidente, tali caratteristiche resistenti all'usura possono essere utilizzate per migliorare e potenziare ulteriormente l'aspetto DOCC in aggiunta ad altri aspetti vantaggiosi della presente invenzione.

Le figure 15A-15C mettono in evidenza la misura in cui gli elementi fresanti 328 sono esposti rispetto alla superficie che circonda immediatamente gli elementi fresanti 328, ed in particolare elementi fresanti 328C disposti entro la regione radialmente più interna dell'estremità di attacco di una punta vicino all'asse longitudinale della punta. La figura 15A fornisce una rappresentazione schematica di un gruppo rappresentativo di elementi fresanti disposti su una punta mentre la punta si impegna con una formazione in modo rotante, con il profilo degli elementi fresanti considerato in sezione trasversale e proiettato su un unico piano verticale rappresentativo (ossia il foglio del disegno). Gli elementi fresanti 328 sono posizionati generalmente in direzione radiale, o laterale, lungo la faccia dell'estremità di attacco di una punta, come la punta rappresentativa 300, in modo da fornire una spaziatura radiale, o laterale, selezionata tra i centri di elementi fresanti, indicata come spaziatura tra i centri degli elementi fresanti Rs. Così, se una punta è dotata di una struttura a lama, come la lama 308, il profilo degli elementi fresanti nella figura 15A rappresenta gli elementi fresanti posizionati su un'unica lama rappresentativa 308. Come illustrato in forma esagerata nella figura 15A, gli elementi fresanti 328C disposti nella regione conica 310 sono preferibilmente posizionati nella lama 308 in modo da avere una esposizione Hc degli elementi fresanti, generalmente perpendicolare alla faccia portante rivolta verso l'esterno 320 della lama 308. avente un valore selezionato. Come si può vedere nella figura 15A, l'esposizione degli elementi fresanti Hc corrisponde ad un valore preferibilmente relativamente piccolo di distanza di sporgenza, o esposizione, nella regione conica 310 della punta 300. Preferibilmente, l'esposizione degli elementi fresanti Hc differisce generalmente per ciascuno degli elementi fresanti o dei gruppi di elementi fresanti disposti in posizioni radialmente più lontane dall'asse L. Ad esempio l'esposizione degli elementi fresanti Hc è generalmente maggiore per elementi fresanti 328 nella regione di estremità 312 rispetto ad elementi fresanti 328 posizionati nella regione conica 310 e 1'esposizione degli elementi fresanti Hc è preferibilmente massima nelle regioni di fianco/spalla 314/316- L'esposizione degli elementi fresanti Hc diminuisce preferibilmente leggermente in direzione radiale verso la regione dì calibro 322, ed elementi fresanti radialmente più esterni 328 disposti longitudinalmente vicino alla superficie del pattino di calibro 354 della regione di calibro 322 possono includere facce di taglio aventi diametri minori della sezione trasversale, come è illustrato. La linea di calibro 352 (vedere figure 16 e 17) definisce il diametro esterno massimo della punta 30.

Il profilo della sezione trasversale di noduli di usura, chiazze di usura, riporto duro, o saldature superficiali 334 facoltative è stato omesso per chiarezza nella figura 15A. Tuttavia, la figura 15C mostra il profilo in rotazione della sezione trasversale, sovrapposto su un unico piano verticale rappresentativo, dei noduli di usura, chiazze di usura, riporto duro, saldature superficiali facoltative rappresentative, o altre strutture a nodulo di usura 334. La figura 15C illustra inoltre un'altezza esemplificativa della sezione trasversale dei noduli di usura Hwk misurata in direzione generalmente perpendicolare alla superficie portante rivolta verso l'esterno 320. Può esservi o meno una differenza dimensionale generalmente radiale, o rilievo, ΔHc-wk, tra l'altezza dei noduli di usura Hwk, che corrisponde generalmente ad una superficie radialmente più esterna di un dato nodulo o struttura di usura, e la rispettiva esposizione degli elementi fresanti Hc, che corrisponde generalmente alla porzione radialmente più esterna dell'elemento fresante associato in rotazione, per fornire ulteriormente una caratteristica DOCC in accordo con la presente invenzione. Concettualmente, queste differenze di esposizione possono essere considerate analoghe alla distanza dell'elemento fresante 14 e del limitatore DOC 50 che lo segue nella direzione di rotazione, misurata dalla linea di riferimento tratteggiata illustrata nella figura 4 e come precedentemente descritto. Inoltre, invece di far riferimento alla distanza a cui la superficie radialmente più esterna di una data struttura a nodulo di usura è posizionata radialmente verso l'esterno da una superficie portante o struttura a lama in cui una struttura particolare a nodulo di usura è disposta, può essere utile far riferimento alternativamente ad una distanza prefissata di cui la superficie radialmente più esterna di una data struttura a nodulo di usura è rientrante radialmente/longitudinalmente, o arretrata dalla porzione più esterna della parte esposta di un elemento fresante superabrasivo associato in rotazione, come indicato con ΔΗc-wk nella figura 15C. Così, oltre a controllare la DOC con almeno alcuni elementi fresanti, ed eventualmente ogni elemento fresante, mediante selezione di una altezza di esposizione appropriata degli elementi fresanti Hc come definito ed illustrato nella presente, la presente invenzione prevede inoltre facoltativamente la predisposizione di punte da trivellazione con noduli di usura, o altre strutture simili di limitazione della profondità degli elementi fresanti, in modo complementare o aggiuntivo rispetto al controllo delle DOC di elementi fresanti rispettivamente associati in rotazione, in cui tali noduli di usura facoltativamente previsti sono disposti sulla punta in modo da avere una superficie del nodulo di usura che è posizionata, o arretrata, dì una distanza prefissata AHC-Wk misurata dalla porzione esposta più esterna dell'elemento fresante, in cui un nodulo dì usura è associato in rotazione alla superficie del nodulo di usura.

Il profilo sovrapposto della sezione trasversale degli elementi fresanti di una punta da trivellazione rappresentativa come la punta 300 nella figura 15B mostra il profilo combinato di tutti gli elementi fresanti montati su ciascuna di una molteplicità di lame 308 in modo da avere una spaziatura radiale selezionata R3 tra i centri degli elementi fresanti. Così, il profilo degli elementi fresanti illustrato nella figura 15B è il risultato dì tutti gli elementi fresanti disposti su una molteplicità di lame e fatti ruotare intorno all'asse della punta in modo da essere sovrapposti su un'unica lama rappresentativa 308. In alcune forme di attuazione, vi saranno probabilmente diverse ridondanze di elementi fresanti in posizioni radiali identiche tra vari elementi fresanti posizionati su rispettive lame distanziate circonferenzialmente, e, per chiarezza, tali profili che sono perfettamente, o assolutamente, ridondanti tipicamente non sono illustrati. Come si può vedere nella figura 15B, vi sarà una sovrapposizione laterale, o radiale, tra le traiettorie dei rispettivi elementi fresanti mentre gli elementi fresanti disposti in varie posizioni avanzano in rotazione in direzione generalmente tangente all'asse longitudinale L mentre la punta 30 ruota in modo da produrre una azione di taglio uniforme mentre la punta da trivellazione si impegna in modo rotante con una formazione sotto un WOB selezionato. Inoltre, si può vedere nella figura 15B che non è necessario che la spaziatura laterale, o radiale, tra i profili dei singoli elementi fresanti corrisponda alla stessa distanza uniforme rispetto ad una posizione radiale, o laterale, di ciascun elemento fresante. Questa spaziatura non uniforme rispetto al posizionamento radiale, o laterale, di ciascun elemento fresante è illustrata più chiaramente nelle figure 16 e 17.

Le figure 16 e 17 rappresentano viste parziali isolate ingrandite del profilo della sezione trasversale degli eiementi fresanti in cui tutti gli elementi fresanti disposti su una punta sono sovrapposti come se si trovassero su una unica porzione di sezione trasversale di un corpo di punta 301, o degli elementi fresanti 328 di una punta come la punta 300. I profili degli elementi fresanti nelle figure 16 e 17 sono illustrati situati a destra dell'asse longitudinale L di una punta rappresentativa, come la punta 300, invece che a sinistra come illustrato nelle figure 15A-15C. Come descritto, l'estremità di attacco della punta 300 comprende la regione conica 310 che comprende elementi fresanti 328C, la regione di estremità 312 che comprende elementi fresanti 328N, la regione di fianco 314 che comprende elementi fresanti 328F, la regione di spalla 316 che comprende elementi fresanti 328S e la regione di calibro 322 che comprende elementi fresanti 328G, in cui gli elementi fresanti in ciascuna regione possono essere indicati complessivamente come elementi fresanti 328. La figura 16 illustra un profilo degli elementi fresanti che presenta un elevato grado, o livello, di sovrapposizione degli elementi fresanti 356. In altre parole, gli elementi fresanti 328 come è illustrato nella figura 17 sono previsti in una quantità sufficiente e sono posizionati sufficientemente vicino l'uno all'altro in direzione laterale, o radiale, per fornire un elevato grado di ridondanza degli elementi fresanti mentre la punta ruota e si impegna con la formazione. Invece, il profilo rappresentativo degli elementi fresanti illustrato nella figura 17 presenta un grado, o livello, relativamente minore di sovrapposizione degli elementi fresanti 356. In altre parole, il numero totale di elementi fresanti 328 è minore come quantità ed essi sono più distanziati rispetto alla distanza radiale, o laterale, tra i profili di singoli elementi fresanti adiacenti in rotazione. Regioni rientranti 348, illustrate con linee tratteggiate, nelle figure 16 e 17 rivelano un'altezza relativamente limitata per le regioni rientranti 348 della figura 16, mentre le regioni rientranti della figura 17 sono notevolmente più alte. Per facilitare l'illustrazione delle rispettive differenze dell'altezzaKH delle singole regioni rienfranti, che, in pratica, è direttamente correlata con l'altezza di esposizione degli elementi fresanti Hc, oltre alle larghezze Hw delle singole regioni rientranti che sono direttamente influenzate dal livello di sovrapposizione radiale di elementi fresanti posizionati rispettivamente su lame differenti, un reticolo di riferimento di scala costituito da una molteplicità di linee parallele distanziate è fornito nelle figure 16 e 17 per mettere in evidenza l'altezza di esposizione degli elementi fresanti e le larghezze delle regioni rientranti. La spaziatura tra le linee del reticolo delle figure 16 e 17 è scalata in modo da rappresentare circa 3,18 mm (0,125 pollici). Tuttavia, tale reticolo a scala di 3,18 mm (0,125, o 1/8 pollici è puramente esemplificativo, poiché è possìbile utilizzare, in accordo con la presente invenzione, dimensionalmente maggiori nonché dimensionalmente minori altezze di esposizione degli elementi fresanti, altezze delle regioni rientranti, e larghezze delle regioni rientranti. Il profilo sovrapposto degli elementi di taglio 328 è illustrato con ciascun elemento di taglio rappresentato 328 distanziato in misura generalmente equidistante lungo la faccia della punta dall'asse L verso la regione di calibro 322; tuttavia ciò non è necessario. Ad esempio, gli elementi fresanti 328C possono avere un profilo degli elementi fresanti che presenta una maggiore sovrapposizione degli elementi fresanti 356 producendo piccole larghezze rientranti nella regione conica 310 rispetto ad un profilo degli elementi fresanti 328N, 328F e 328S, disposti rispettivamente nella regione di estremità 312, nella regione di fianco 314, e nella regione di spalla 316, in cui tali elementi fresanti posizionati radialmente più verso l'esterno avranno una minore sovrapposizione producendo in essi maggiori larghezze rientranti, o viceversa. Così, includendo selettivamente il livello di sovrapposizione degli elementi fresanti 356 previsto in ciascuna regione di una punta, è possibile utilizzare la profondità di taglio degli elementi fresanti in combinazione con la selezione del grado o valore dell'altezza di esposizione di ciascun elemento fresante disposto in ciascuna regione particolare per controllare in modo specifico e preciso la profondità di taglio in ciascuna regione oltre ad includere nella punta la quantità di superficie portante disponibile che circonda gli elementi fresanti su cui la punta può strisciare sulla formazione. In altre parole, maggiore è la larghezza rientrante Kw tra i profili collettivi sovrapposti di tutti gli elementi fresanti su tutte le lame, o alternativamente tutti gli elementi fresanti distanziati radialmente e circonferenzialmente intorno ad una punta, come gli elementi fresanti 328 previsti su una punta come è illustrato nella figura 17, maggiore è la proporzione del WOB totale applicato che sarà distribuita sulla formazione permettendo che la punta "strisci" sulla formazione rispetto al caso in cui fosse prevista una maggiore quantità di elementi fresanti aventi una larghezza rientrante minore KM tra loro, come è illustrato nella figura 16.

Pertanto, il profilo degli elementi fresanti illustrato nella figura 17 farà sì che una porzione considerevole del WOB applicato alla punta 300 sia distribuito sulle larghe rientranze permettendo così che la punta 300 sia supportata dalla formazione mentre gli elementi fresanti 328 si impegnano con la formazione. Questa caratteristica di selezionare sia il numero totale di rientranze sia le lar-ghezze delle singole rientranze Kw permette un controllo preciso delle singole profondità di taglio degli elementi fresanti adiacenti alle rientranze, nonché della profondità di taglio totale complessiva della punta 300 in una formazione di una data durezza. Quando sulla punta è applicato un WOB sufficiente, o di valore sufficiente, durante la trivellazione in una data formazione relativamente dura, le regioni rientranti 348 strisceranno sulla formazione, limitando o arrestando così la DOC degli elementi fresanti 328. Se fosse applicato un WOB ancora maggiore, la DOC non aumenterebbe poiché le regioni rientranti 348, nonché porzioni della superficie rivolta verso l'esterno della lama che circondano ciascun elemento fresante 328 dotato di una entità di esposizione ridotta in accordo con la presente invenzione, fornirebbero complessivamente una quantità totale di superficie portante tale da supportare la punta nella formazione relativamente dura, malgrado un livello eccessivo di WOB applicato alla punta in considerazione della ROP corrente.

Invece, in una punta dotata di un profilo degli elementi fresanti che presenta spaziature tra elementi fresanti dimensionalmente piccole includendo una quantità relativamente elevata di elementi fresanti 328 con una piccola regione rientrante Kw tra elementi fresanti sovrapposti radialmente, o lateralmente, l'uno all'altro, come è illustrato nella figura 16, ciascun singolo elemento fresante si impegnerà con la formazione con un valore minore della DOC per ogni elemento fresante per un dato WOB. Poiché ciascun elemento fresante si impegnerà con la formazione con una DOC minore rispetto al profilo degli elementi fresanti illustrato nella figura 17, a parità di tutte le altre variabili, gli elementi fresanti del profilo di elementi fresanti della figura 16 tenderanno ad essere più adatti per l'impegno con una formazione relativamente dura in cui una DOC elevata non è necessaria, ed in effetti neppure preferibile, per l'impegno con, ed il taglio in modo efficiente di una formazione dura. Con l'applicazione di un valore richiesto, o eccessivo, di WOB ad una punta avente il profilo degli elementi fresanti illustrato nella figura 16 in considerazione della ROP corrente consentita dalla punta, le regioni rientranti 348 strisceranno sulla formazione, insieme ad altre porzioni della superficie della lama rivolta verso l'esterno che circondano ciascun elemento fresante 328, presentando una entità di esposizione ridotta in accordo con la presente invenzione, in modo da limitare la DOC di ciascun elemento fresante prevedendo una quantità complessiva di superficie portante tale da distribuire il WOB sulla formazione trivellata. In generale, rientranze maggiori favoriranno la stabilità dinamica rispetto all'efficienza di taglio della formazione, mentre rientranze minori favoriranno l'efficienza di taglio della formazione rispetto alla stabilità dinamica.

Inoltre, l'entità di esposizione degli elementi fresanti che ciascun elemento fresante è destinato ad avere influenzerà la rapidità, o facilità, con cui le superfici portanti entreranno in contatto con, e strisceranno sulla formazione in modo da distribuire assialmente il WOB applicato alla punta. In altre parole, una entità relativamente limitata di esposizione degli elementi fresanti permetterà che la superficie portante circostante entri in contatto con la formazione ad un WOB inferiore, mentre una entità relativamente maggiore di esposizione degli elementi fresanti ritarderà il contatto della superficie portante circostante con la formazione finché alla punta non viene applicato un WOB maggiore. Così, le esposizioni dei singoli elementi fresanti, oltre alle larghezze rientranti medie e alle altezze rientranti medie, possono essere manipolate per controllare la DOC non soltanto di ciascun elemento fresante, ma anche la DOC complessiva per ogni giro dell'intera punta mentre questa si impegna in modo rotante come una formazione di una data durezza e pressione di confinamento ad un dato WOB.

Pertanto, la figura 16 illustra un profilo esemplificativo di elementi fresanti particolarmente adatto per una "formazione dura" ma senza carattere limitativo, mentre la figura 17 illustra un profilo esemplificativo di elementi fresanti particolarmente adatto per una "formazione tenera", ma senza carattere limitativo. Benché la quantità di elementi fresanti previsti su una punta influenzi in misura significativa l'entità di rientranza prevista tra elementi fresanti radialmente adiacenti, sì deve tener presente che la dimensione, o diametro, delle superfici di taglio degli elementi fresanti può anche essere selezionato in modo da modificare il profilo degli elementi fresanti per renderlo più adatto per una formazione più dura o più tenera. Ad esempio, elementi fresanti aventi piastrine superabrasive di diametro maggiore possono essere utilizzati per fornire un profilo degli elementi fresanti comprendente altezze rientranti dimensionalmente maggiori e larghezze rientranti dimensionalmente maggiori per migliorare le caratteristiche di taglio di una formazione tenera. Viceversa, una punta può essere provvista di elementi fresanti aventi piastrine superabrasive di diametro minore per fornire un profilo degli elementi fresanti che presenta altezze rientranti dimensionalmente minori e larghezze rientranti dimensionalmente minori per migliorare le caratteristiche di taglio di una formazione dura di una punta in conformità con gli insegnamenti contenuti nella presente.

Inoltre, il diametro del calibro esterno che una punta deve avere influenzerà anche il profilo complessivo degli elementi fresanti della punta rispetto ad altezze rientranti e larghezze rientranti, poiché vi sarà una quantità complessiva maggiore di superficie portante potenzialmente disponibile per supportare punte di diametro maggiore su una formazione a meno che la punta sia dotata di un numero proporzionalmente maggiore di elementi fresanti ad esposizione ridotta, e, se lo si desidera, elementi fresanti tradizionali, in modo da ridurre effettivamente la quantità complessiva di area potenziale della superficie portante della punta.

La figura 18A dei disegni rappresenta una vista frontale schematica isolata di tre elementi fresanti rappresentativi 328C posizionati nella regione conica 310 di una struttura a lama rappresentativa 308. Ciascuno degli elementi fresanti rappresentativi presenta una entità prefissata di esposizione dell'elemento fresante in modo da limitare la DOC degli elementi fresanti prevedendo anche singole regioni rientranti 348 tra elementi fresanti 328 (in questa illustrazione particolare, la larghezza rientrante Kw rappresenta la larghezza rientrante tra elementi fresanti che sono disposti sulla stessa lama e presentano una spaziatura radiale selezionata R3) e su cui la superficie portante della lama a cui gli elementi fresanti sono fissati (superficie 320C) forma una superficie portante, comprendente regioni rientranti 348, per permettere che la punta strisci, o sfreghi, sulla formazione, non tagliata al momento da questa lama particolare 308, quando il WOB di progetto è superato per una data ROP in una formazione 350 avente una certa durezza, o resistenza a compressione. Come si può vedere nella figura 18A, questa vista particolare mostra una superficie 324 di una lama che precede nella direzione di rotazione, che avanza verso l'osservatore, e mostra una faccia di taglio superabrasiva o piastrine 330 di elementi fresanti 328C che si impegnano con, e creano un detrito di formazione, o truciolo, 350 mentre gli elementi fresanti si impegnano con la formazione ad una data DOC.

La figura 18B fornisce una vista laterale isolata di un elemento fresante rappresentativo ad esposizione ridotta, come l'elemento fresante 328C disposto nella regione conica 310. L'elemento fresante 328C è rappresentato fissato in una lama 308 ad un angolo di spoglia posteriore prefissato 0br e presenta una altezza di esposizione selezionata Hc dell'elemento fresante. Come si può vedere nella figura 18B, l'elemento fresante 328C è provvisto di una regione smussata facoltativa 321 estendentesì perifericamente che presenta una larghezza di smusso prefissata Cw. La freccia mostra la direzione prevista di rotazione della punta quando la punta in cui l'elemento fresante è montato è messa in funzione. Una intercapedine indicata con G1 è visibile dìetro l'elemento fresante 328C nella direzione di rotazione. L'altezza di esposizione dell'elemento fresante Hc permette che sia esposta una quantità dell'elemento fresante 328C sufficiente per permettere che l'elemento fresante 328C si impegni con una formazione 350 ad una DOC1 particolare, che rientra ampiamente nella DOC massima con cui l'elemento fresante 328C è in grado di impegnarsi con la formazione 350, per creare un truciolo della formazione 350' a questa DOC1 particolare. Così, in accordo con la presente invenzione, il WOB ora applicato alla punta in cui è montato l'elemento fresante 328C corrisponde ad un valore inferiore al WOB di progetto per la ROP istantanea e per la resistenza a compressione della formazione 350.

In contrasto con la figura 18B, la figura 18C fornisce sostanzialmente la stessa vista laterale dell'elemento fresante 328C quando il WOB di progetto per la punta è superato per la ROP istantanea e per la resistenza a compressione della formazione 350. Come si può vedere nella figura 18C, l'elemento fresante ad esposizione ridotta 328C è ora in impegno con la formazione 350 ad una DOC2 che corrisponde alla massima DOC che questo elemento fresante particolare 328C dovrebbe poter tagliare. Ciò è dovuto al fatto che la formazione 350 sta ora strisciando sulla superficie portante rivolta verso l'esterno 320C che circonda in generale la porzione esposta dell'elemento fresante 328C. In altre parole, l'intercapedine G2 è sostanzialmente nulla per il fatto che la superficie 320C e la formazione 350 sono in con-tatto reciproco e la superficie 320C sta strisciando sulla formazione 350 mentre la punta su cui è montato l'elemento fresante rappresentativo ad esposizione ridotta 320C è ruotata nella direzione della freccia di riferimento. Così, in particolare in assenza di noduli di usura facoltativi 334, la DOC2 è sostanzialmente limitata al valore dell'altezza di esposizione dell'elemento fresante Hc al WOB al momento applicato in considerazione della resistenza a compressione della formazione con cui si impegna alla ROP istantanea. Anche se il valore del WOB applicato alla punta su cui l'elemento fresante 328C è montato aumenta ulteriormente, la D0C2 non aumenterà poiché la superfìcie portante 320C, in aggiunta alle altre superfici portanti frontali 320 sulla punta che riceve l'elemento fresante ad esposizione ridotta 328, impedirà l'aumento della DOC2 oltre il valore massimo illustrato. Così, la superficie portante/le superflui portanti 320C che circondano almeno la porzione esposta dell'elemento fresante 329, considerate complessivamente con altre superfici portanti, impediranno che la DOC2 aumenti dimensionalmente ad un valore tale da poter provocare la generazione dì una TOB indesiderata e potenzialmente pericolosa per la punta a causa dell'elemento fresante 328 che si impegna con la formazione 350 ad una profondità eccessiva. In altre parole, un truciolo della formazione 350' di dimensione massima associato con un elemento fresante ad esposizione ridotta che si impegna con la forma-zione ad una rispettiva DOC2 massima, considerato in combinazione con altri elementi fresanti ad esposizione ridotta che si impegnano con la formazione ad una rispettiva DOC2 massima, non genererà, considerato complessivamente, un valore complessivo eccessivo della TOB che produrrà lo stallo della punta quando il WOB di progetto della punta è rag-giunto o superato per la resistenza a compressione particoia orinazione con cui la punta si impegna alla ROP corrente. Così, gli aspetti DOCC di questa forma di attuazione particolare sono ottenuti assicurando preferibilmente che vi sìa un'area sufficiente intorno a ciascun elemento fresante ad esposizione ridotta 328, come l'elemento fresante rappresentativo ad esposizione ridotta 328C, in modo che non soltanto non venga superata la DOC2 per questo eierrtentc fresante particolare, indipendentemente dal WOB applicato, ma preferibilmente la DOC dì un numero sufficiente dì altri elementi fresanti disposti lungo la faccia dì una punta che attua la presente invenzione sia limitata ad un valore che impedisce la generazione di una TOB indesiderata e potenzialmente dannosa. Pertanto, non è necessario che ogni singolo elemento fresante disposto su una punta da trivellazione presenti una altezza di esposizione ridott dell'elemento fresante in modo da limitare effettivamente la DOC di ogni singolo elemento fresante, ma si preferisce che almeno una quantità sufficiente di elementi fresanti del numero totale di elementi fresanti previsti su una punta siano provvisti dì almeno una delle caratteristiche DOCC descritte nella presente per impedire che una punta, e gli elementi fresanti su di essa, siano esposti ad una TOB po-tenzialmente dannosa in considerazione della ROP per una formazione particolare trivellata. Ad esempio, la limitazione del valore di esposizione di ciascun elemento fresante posizionato nella regione conica di una punta da trivellazione può essere sufficiente per evitare un valore indesiderato della TOB se il WOB superasse il WOB di progetto durante la trivellazione attraverso una formazione avente una durezza particolare ad una ROP particolare.

Le figure 19-22 rappresentano illustrazioni grafiche di risultati di prove di laboratorio su quattro punte da trivellazione con tipi di lame differenti comprendenti elementi fresanti PDC sulle loro lame. Ciascuna delle punte da trivellazione "RE-S" e "RE-W" aveva esposizioni selettivamente ridotte degli elementi fresanti in accordo con la presente invenzione, come precedentemente descritto ed illustrato nelle figure 14A-1SC. Tuttavia, la punta "RE-S" era provvista di un profilo degli elementi fresanti che presentava piccole rientranze e la punta "RE-W" era prow ista di un profilo degli elementi fresanti che presentava larghe rientranze. Le punte aventi elementi fresanti ad esposizione ridotta sono graficamente confrontate con i risultati di prove di laboratorio della punta direzionale se-condo la tecnica anteriore "STR" che presentava elementi fresanti del diametro approssimativamente di 12,7 miri (0,50 pollici), in cui ciascun elemento fresante includeva una piastrina superabrasiva avente uno smusso di bordo periferico avente una larghezza di circa 1,27 mm (0,050 pollici) ed inclinato verso l'asse longitudinale dell'elemento fresante di circa 45°. Una punta da trivellazione tradizionale, o normale, per usi generali "STO" comprendeva elementi fresanti aventi un diametro di circa 12,7 min (0,50 pollici) con angolo di spoglia posteriori di circa 20° e che presentavano smussi che avevano una larghezza di circa 0,41 min (0,015 pollici) ed inclinati dì circa 45° rispetto all'asse longitudinale dell'elemento fresante. Tutte le punte avevano un diametro di calibro di circa 0,311 m (12,25 pollici) e sono state fatte ruotare a 120 rpm durante la prova. Con riferimento a tutte le punte analizzate, gli elementi fresanti PDC montati sul cono, sull'estremità, sul fianco e sulla spalla delle punte avevano angoli di spoglia posteriori degli elementi fresanti di circa 20° e gli elementi fresanti PDC montati generalmente entro la regione di calibrc avevano un angolo di spoglia pos riore degli elementi fresanti di circa 30°. Le altezze di esposizione degli ele-menti fresanti delle punte RE-S ed RE-W erano approssimati-vamente di 3,05 mm (0,120 pollici) per gli elementi fresan-ti posizionati nella regione conica, approssimativamente 3,31 mm (0,150 pollici) nella regione di estremità, appros-simativamente 2,54 mm (0,100 pollici) nella regione di fianco, approssimativamente 1,60 mm (0,063 pollici) nella regione di spalla, e gli elementi fresanti nella regione di calibro erano generalmente rettificati a filo con il cali-bro per entrambe queste punte che attuano la presente in-venzione. Gli elementi fresanti PDC delle punte RE-S ed RE-W avevano un diametro di circa 19,1 mm (0,75 pollici) (con l'eccezione degli elementi fresanti PDC disposti nella regione di calibro che erano di diametro minore e rettifi-cati a filo con il calibro) ed erano provvisti di uno smusso sul bordo periferico della piastrina di taglio superabrasiva dell'elemento fresante. Gli smussi presentavano una larghezza di circa 0,48 mm (0,019 pollici) ed erano inclinati verso gli assi longitudinali degli elementi fresanti di circa 45°. La larghezza rientrante media della punta RE-S era circa 7,6 mm (0,3 pollici) e la larghezza rientrante media della punta RE-W era circa 5,08 mm (0,2 pollici).

La figura 19 mostra risultati di prove di Aggressività (μ) in funzione delia DOC (mm/giro) delle quattro pirite da trivellazione differenti. L'Aggressività (μ), che è definita come Coppia/(Diametro della Punta x Spinta), può essere espressa come:

μ = 3 Coppia N*m (piedi-libbre)/WOB (N)· Diametro della Punta (m)

I valori di DOC riportati nella figura 19 rappresentano la DOC misurata in millimetri di penetrazione per ogni giro che le punte analizzate hanno effettuato nella formazione di prova di calcare Carthage. La pressione di confinamento delia formazione in cui le punte sono state verificate era atmosferica, o in altre parole 0 Pag.

E' significativa la regione cerchiata "D" nel grafico della figura 19. La curva della punta RE-S prima della regine cerchiata D è molto simile come inclinazione alla punta orientabile STR secondo la tecnica anteriore, ma quando la DOC raggiunge circa 3,05 mm (0,120 pollici), la rispettiva aggressività della punta RE-S diminuisce abbastanza rapidamente rispetto alla curva della punta STR vicino alla, ed entro la regione cerchiata D. Ciò è attribuibile alle superfici portanti della punta RE-S che entrano in funzione e disperdono assialmente il WOB elevato sulla formazione assialmente sottostante alla punta associata con le DOC maggiori, ad esempio le DOC che superano circa 3,05 mm (0,120 pollici) in accordo con la presente invenzione.

La figura 20 mostra graficamente i risultati di prove con riferimento al WOB in Newton in funzione della ROP in metri per ora con una rotazione della punta da trivellazio-ne di 120 giri al minuto. E' generalmente importante nel grafico della figura 20 il fatto che tutti i diagrammi ten-dono ad avere la stessa curva appiattita con l'aumento di WOB ed ROP, indicando che, a WOB inferiori ed ROP inferiori, le punte RE-S ed RE-W che attuano la presente invenzione presentano generalmente lo stesso comportamento delle punte STR ed STD. Tuttavia, con l'aumento del WOB, la punta RE-S in particolare richiedeva un livello estremamente elevato di WOB allo scopo di aumentare la ROP per la punta a causa delle superfici portanti della punta che entrano in funzione e disperdono il carico assiale della punta. Ciò è evidenziato dal diagramma della punta ad esposizione ridotta degli elementi fresanti in vicinanza della regione "E" del grafico che presenta una pendenza pronunciata verso l'alto. Così, allo scopo di aumentare la ROP della punta secondo la presente invenzione per valori ROP che superano circa 22,9 m/hr (75 piedi/hr), era richiesto un aumento molto significativo di WOB per valori WOB superiori a circa 89,0 kN (20.000 libbre) poiché il carico sulla punta considerata era disperso con successo sulla formazione assialmente sotto la punta. Il fatto che fosse applicato un WOB di circa 178 kN (40.000 libbre) senza stallo della punta RE-S fornisce un'evidenza molto netta dell'efficienza dell'inclusione di elementi fresanti ad esposizione ridotta per modulare e controllare la TOB in accordo con la presente invenzione, come risulterà ancora più evidente nella fi-gura 22 che sarà discussa in seguito.

La figura 21 rappresenta una illustrazione grafica dei risultati di prova in termini di TOB nelle unità N-m in funzione della ROP nelle unità metri per ora. Come si può vedere dal grafico della figura 21, i vari diagrammi delle punte analizzate seguivano generalmente la stessa pendenza moderata e lineare per tutta la rispettiva estensione di ciascun diagramma. Anche nella regione "F" del grafico, in cui la ROP era superiore a 24,4 m/hr (80 piedi/hr), la curva TOB della punta avente elementi fresanti ad esposizione ridotta presentava una TOB soltanto leggermente superiore rispetto alla punta orientabile normale per usi generali secondo la tecnica anteriore, malgrado l'applicazione del WOE corrispondente molto elevato alla punta secondo la pre-sente invenzione come è illustrato nella figura 20.

La figura 22 rappresenta una illustrazione grafica dei risultati di prova in termini di TOB nelle unità N-m in funzione del WOB nelle unità N. E' particolarmente signifi-cativo con riferimento ai dati grafici presentati nella figura 22 il fatto che la punta STD fornisce un elevato grado di aggressività a spese della generazione di un valore relativamente elevato di TOB per WOB inferiore. Così, se una punta normale generalmente non orientabile dovesse bruscamente "uscire" da una formazione relativamente dura in una formazione relativamente tenera, o se il WOB fosse bruscamente aumentato per una qualche ragione, la TOB elevata conseguente generata dalla natura altamente aggressiva di tale punta tradizionale potrebbe provocare lo stallo e/o il danneggiamento della punta.

La punta orientabile rappresentativa della tecnica anteriore ha generalmente una efficiente pendenza TOB/WOB per WOB inferiori a circa 89,0 kN (20.000 libbre), ma per WOB che superano circa 89,0 kN (20.000 libbre), la TOB conseguente è inaccettabilmente alta e potrebbe condurre ad uno stallo indesiderato della punta e/o al suo danneggiamento. La punta RE-W comprendente gli elementi fresanti ad esposizione ridotta in accordo con la presente invenzione, comprendeva anche un profilo degli elementi fresanti avente ampie larghezze rientranti in modo che l'inizio del contatto con la formazione delle superfici portanti della punta avvenga a valori relativamente bassi di WOB. Tuttavia, la punta avente tale caratteristica di "strisciamento costante sulla formazione" attraverso le superfici portanti, quali le superfici rivolte verso la formazione 320 delle lame 308 come precedentemente discusso ed illustrato nella presente, che entrano in contatto con, e disperdono assialmente il WOB applicato sulla formazione a WOB relativamente limitati, può fornire ROP accettabili in formazioni tenere, ma tale punta sarà priva del livello di aggressività necessario per fornire ROP adatte in formazioni più dure e più solide e quindi potrebbe essere generalmente considerata avente una curva inefficiente della TOB in funzione del WOB.

La punta RE-S rappresentativa comprendente elementi fresanti ad esposizione ridotta secondo la presente invenzione e che presenta larghezze rientranti relativamente limitate ritardava efficacemente il contatto con la formazione delle superfici portanti (ad esempio comprendenti, ma senza carattere limitativo, la superficie 320 delle lame 308 come precedentemente discusso ed illustrato nella presente) che circondano gli elementi fresanti, finché alla punta non erano applicati WOB relativamente maggiori. Questa caratteristica particolarmente vantaggiosa è evidenziata dal diagramma della punta RE-S per valori WOB superiori a circa 89,0 kN (20.000 libbre) che presenta una pendenza relativamente bassa e lineare mentre il WOB approssimativamente raddoppia a 178 kN (40.000 libbre) con la TOB risultante che aumenta soltanto di circa 25% da un valore di circa 4.400 N-m (3.250 piedi-libbre) ad un valore di circa 6.100 N-m (4.500 piedi-libbre). Così, considerando l'intero diagramma per la punta secondo la presente invenzione nel campo illustrato di WOB, la punta RE-S è sufficientemente aggressiva per penetrare in modo efficiente in formazioni più solide ad una ROP relativamente elevata, ma se il WOB dovesse aumentare, ad esempio a causa della perdita del controllo del WOB applicato, o all'uscita da una formazione dura in una formazione più tenera, le superfici portanti della punta entrano in contatto con la formazione secondo la presente invenzione in modo da limitare la DOC della punta oltre a modulare la TOB risultante in modo da evitare lo stallo della punta. Poiché viene evitato lo stallo della punta, il verificarsi indesiderato della perdita del controllo della faccia dell'utensile o peggio del danneggiamento della punta è minimizzato se non del tutto impedito in molte situazioni.

Si può ora apprezzare che la presente invenzione è particolarmente adatta per applicazioni che comportano una trivellazione orizzontale o a raggio esteso in cui il controllo del WOB diventa molto problematico a causa della resistenza indotta dall'attrito sulla punta, sul motore di fondo foro se è utilizzato, e su almeno una porzione della batteria di perforazione, in particolare la porzione della batteria di perforazione entro la sezione orizzontale, o a raggio esteso, del foro trivellato. Nel caso di punte tradizionali per usi generali ad elementi fresanti fissi, o anche quando si utilizzano punte secondo la tecnica anteriore progettate in modo da avere una migliore direzionalità, che presentano un'elevata efficienza, ossia la capacità di fornire una ROP elevata per un WOB relativamente lìmitato, la punta sarà in particolare soggetta a livelli elevati di fluttuazione del WOB, che può variare da 44,5 kN ad 89 kN (da 10 klibbre a 20 klibbre) (da 44.500 Newton a 89.000 Newton (da 10.000 libbre a 20.000 libbre)) o più, quando la punta scatta in avanti dopo aver superato un livello particolarmente critico di resistenza di attrito. I picchi associati nella TOB risultanti dal brusco aumento del WOB possono in molti casi essere sufficienti per lo stallo del motore di fondo foro o per danneggiare una punta da trivellazione di elevata efficienza e/o una batteria di perforazione annessa quando si utilizza una batteria di perforazione tradizionale azionata da un impianto di trivellazione tradizionale meno sofisticato. Se si utilizza una punta che presenta una bassa efficienza, ossia una punta che richiede un WOB relativamente elevato applicato per ottenere un'opportuna ROP, la punta può non essere in grado di fornire una ROP sufficiente quando vengono trivellate formazioni più dure e più solide. Pertanto, quando si attua la presente invenzione consistente nel prevedere una punta avente una limitata entità di esposizione degli elementi fresanti sopra la superficie portante circostante della punta e selezionare un profilo degli elementi fresanti che fornisca un'opportuna larghezza rientrante ed un'opportuna altezza rientrante, una punta che attua la presente invenzione avrà in modo ottimale un'efficienza sufficientemente alta per trivellare formazioni dure con basse profondità di taglio ma presenterà un tetto di coppia che non sarà superato in formazioni tenere quando il WOB aumenta.

Benché la presente invenzione sia stata descritta nella presente con riferimento ad alcune forme di attuazione preferite, i tecnici del ramo riconosceranno ed apprezzeranno che essa non è limitata a tali forme di attuazione e molte aggiunte, cancellazioni e modifiche alle forme di attuazione preferite possono essere apportate senza allontanarsi dall'ambito dell'invenzione come rivendicato. Inoltre, caratteristiche di una forma di attuazione possono essere combinate con caratteristiche di un'altra forma di attuazione, rientrando ancora nell'ambito dell'invenzione. Inoltre, l'invenzione è utile sia per punte per fori pieni sia per punte di carotaggio, e con differenti e vari profili della punta nonché tipi, configurazioni e soluzioni di montaggio di elementi fresanti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Punta per trivellazione sotterranea, comprendente: un corpo della punta comprendente un asse longitudinale, un'estremità di attacco avente una faccia destinata ad entrare in contatto con una formazione avente una resistenza a compressione massima durante la trivellazione, ed una estremità di uscita con la quale è associata una struttura per collegare il corpo della punta ad una batteria di perforazione, in cui la faccia dell'estremità di attacco è configurata in modo da includere una superficie portante totale di dimensione sufficiente per supportare sostanzialmente il corpo della punta quando il corpo della punta è spinto contro la formazione con un peso sulla punta massimo che produce un carico unitario sulla formazione che non supera la resistenza a compressione massima della formazione; e almeno un elemento fresante superabrasivo destinato ad impegnarsi con la formazione durante la trivellazione, fissato su una porzione selezionata della faccia dell'estremità di attacco del corpo della punta, in cui l'almeno un elemento fresante superabrasivo presenta una entità limitata di esposizione dell'elemento fresante perpendicolarmente alla porzione selezionata della faccia dell'estremità di attacco su cui l'almeno un elemento fresante superabrasivo è fissato in modo da limitare la massima profondità di taglio dell'almeno un elemento fresante superabrasivo nella formazione avente la resistenza a compressione massima durante la trivellazione.
2. Punta da trivellazione secondo la rivendicazione 1,in cui la superficie portante totale del corpo della punta, in combinazione con l'almeno un elemento fresante superabrasivo, è configurata in modo da limitare la massima profondità di taglio dell'almeno un elemento fresante superabrasivo nella formazione.
3. Punta da trivellazione secondo la rivendicazione 2, in cui 1'almeno un elemento fresante superabrasivo comprende una molteplicità di elementi fresanti superabrasivi e la faccia dell'estremità di attacco comprende una molteplicità di strutture a lama sporgenti dal corpo della punta, in cui almeno alcune della molteplicità di strutture a lama portano almeno uno della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi e le strutture a lama presentano complessivamente un'area combinata della superficie portante di dimensione sufficiente per fare in modo che il carico unitario sulla formazione non superi la sua massima resistenza a compressione .
4. Punta da trivellazione secondo la rivendicazione 3, in cui almeno alcune strutture della molteplicità di strutture a lama portano ciascuna diversi elementi fresanti della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi e ciascuna presenta almeno una superficie portante associata, ed in cui ciascuna della molteplicità di strutture a lama circonda in generale ciascuno dei diversi elementi fresanti della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi supportati su di essa con una porzione limitata di ciascuno dei diversi elementi fresanti superabrasivi esposta in una misura prefissata perpendicolarmente dalla rispettiva almeno una superficie portante vicino a ciascuno dei diversi elementi fresanti superabrasivi in modo da controllare la rispettiva profondità di taglio per ciascuno dei diversi elementi fresanti superabrasivi.
5. Punta da trivellazione secondo la rivendicazione 4, in cui almeno uno della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi è posizionato in una regione conica della faccia e presenta una entità di esposizione dell'elemento fresante minore di almeno uno della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi che è posizionato in una regione di estremità della faccia.
6. Punta da trivellazione secondo la rivendicazione 5, in cui almeno uno della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi è posizionato in una regione di fianco della faccia e presenta una entità di esposizione dell'elemento fresante minore dell'almeno un elemento fresante superabrasivo posizionato nella regione conica.
7. Punta da trivellazione secondo la rivendicazione 6, in cui almeno uno della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi è posizionato in una regione di spalla della faccia e presenta una entità di esposizione dell'elemento fresante minore dell'almeno un elemento fresante superabrasivo posizionato nelle regione di fianco.
8. Punta da trivellazione secondo la rivendicazione 7, in cui l'esposizione dell'almeno un elemento fresante superabrasivo nella regione di estremità non supera circa 4,06 mm (0,16 pollici), l'esposizione dell'almeno un elemento fresante superabrasivo nella regione conica non supera circa 3,30 mm (0,13 pollici), l'esposizione dell'almeno un elemento fresante superabrasivo nella regione di fianco non supera circa 2,54 mm (0,1 pollici), e l'esposizione dell'almeno un elemento fresante superabrasivo nella regione di spalla non supera circa 1,78 mm (0,07 pollici).
9. Punta da trivellazione secondo la rivendicazione 4, in cui la molteplicità di elementi fresanti superabrasivi è posizionata in modo da avere un profilo di sovrapposizione radiale tra gli elementi fresanti che permette che porzioni esposte della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi supportino in modo sostanzialmente ed essenzialmente continuo in direzione assiale la punta da trivellazione in formazioni sotto una varietà di carichi dovuti al peso sulla punta ed una varietà di velocità di penetrazione.
10. Punta da trivellazione secondo la rivendicazione 4, in cui la molteplicità di elementi fresanti superabrasivi è posizionata in modo da avere un profilo di sovrapposizione radiale degli elementi fresanti comprendente una molteplicità di regioni rientranti posizionate rispettivamente radialmente tra profili di singoli elementi fresanti disposti in posizioni adiacenti, in cui ciascuna della molteplicità di regioni rientranti ha una larghezza rientrante che varia da circa 0,25 mm (0,01 pollici) a circa 19,1 mm (0,75 pollici) ed un'altezza rientrante che varia da circa 0,25 mm (0,01 pollici) a circa 12,7 mm (0,5 pollici).
11. Procedimento per la trivellazione di una formazione sotterranea senza generare un valore eccessivo di coppia sulla punta, comprendente: l'impegno della formazione con almeno un elemento fresante di una punta da trivellazione entro un campo selezionato di profondità di taglio; e la limitazione di una profondità di taglio massima dell'almeno un elemento fresante durante l'applicazione di un peso sulla punta superiore a quello richiesto affinchè 1'almeno un elemento fresante penetri nella formazione entro il campo selezionato di profondità di taglio.
12. Procedimento secondo la rivendicazione 11, comprendente inoltre la limitazione della profondità di taglio massima dell'almeno un elemento fresante durante l'applicazione del peso sulla punta in eccesso prevedendo almeno una superfid e portante rivolta verso la formazione sulla punta da trivellazione che circonda generalmente almeno una por-zione dell'almeno un elemento fresante e limita l'entità di esposizione dell'almeno un elemento fresante in direzione generalmente perpendicolare all'almeno una superficie portante rivolta verso la formazione.
13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, comprendente inoltre il mantenimento della profondità di taglio massima dell'almeno un elemento fresante sotto il peso sulla punta in eccesso prevedendo un'area portante totale rivolta verso la formazione sulla punta da trivellazione sufficiente per supportare assialmente la punta da trivellazione sulla formazione senza un cedimento sostanziale della formazione assialmente sotto la punta da trivellazione.
14. Procedimento secondo la rivendicazione 11, comprendente inoltre: l'applicazione di un primo peso sulla punta selezionato per far sì che 1'almeno un elemento fresante si impegni con una prima formazione ad una prima profondità di taglio selezionata; e la preclusione della penetrazione conseguente dell'almeno un elemento fresante nella prima formazione oltre la profondità di taglio massima durante l'applicazione di un peso sulla punta eccessivo che supera il primo peso sulla punta selezionato.
15. Procedimento secondo la rivendicazione 14, comprendente inoltre il mantenimento della profondità di taglio selezionata sotto il peso sulla punta eccessivo che supera il primo peso sulla punta selezionato prevedendo un'area portante sulla punta da trivellazione per distribuire il peso sulla punta eccessivo che supera il primo peso selezionato, sufficiente per ottenere un carico unitario dell'area portante sulla formazione inferiore ad una resistenza a compressione della formazione.
16. Procedimento secondo la rivendicazione 14, comprendente inoltre: l'applicazione di un secondo peso sulla punta selezionato differente dal primo peso sulla punta selezionato per far sì che l'almeno un elemento fresante si impegni con una seconda formazione ad una seconda profondità di taglio selezionata differente dalla prima profondità di taglio selezionata; e la preclusione della penetrazione conseguente dell'almeno un elemento fresante nella seconda formazione oltre la profondità di taglio massima durante l'applicazione di un peso sulla punta eccessivo che supera il secondo peso sulla punta selezionato.
17. Procedimento secondo la rivendicazione 12, in cui la limitazione della profondità di taglio massima dell'almeno un elemento fresante durante l'applicazione del peso sulla punta in eccesso prevedendo l'almeno una superficie portante rivolta verso la formazione che circonda generalmente l'almeno una porzione dell'almeno un elemento fresante e limita l'entità di esposizione dell'almeno un elemento fresante in direzione generalmente perpendicolare all'almeno una superficie portante rivolta verso la formazione comprende la limitazione di una profondità di taglio massima di una molteplicità di elementi fresanti superabrasivi, ed in cui diversi elementi fresanti della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi sono rispettivamente fissati ad una molteplicità di strutture a lama che si estendono radialmente verso l'esterno da un asse longitudinale della punta da trivellazione, generalmente verso una regione di calibro della punta da trivellazione.
18. Procedimento secondo la rivendicazione 17, in cui la limitazione della profondità di taglio massima della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi comprende rispettivamente la limitazione dell'entità di esposizione di ciascuno della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi perpendicolarmente alla rispettiva almeno una superficie portante rivolta verso la formazione vicino a ciascuno della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi ad una altezza di esposizione selezionata dell'elemento fresante .
19. Procedimento secondo la rivendicazione 18, in cui la limitazione della profondità di taglio massima della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi comprende rispettivamente la limitazione dell'entità di esposizione di ciascuno della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi perpendicolarmente alla rispettiva almeno una superficie portante rivolta verso la formazione vicino a ciascuno della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi situati in una regione di corona della punta da trivellazione ad una altezza di esposizione dell'elemento fresante che non supera circa 3,05 mm (0,12 pollici).
20. Procedimento secondo la rivendicazione 19, in cui la limitazione della profondità di taglio massima della molteplicità di elementi fresanti superabrasivi comprende la limitazione dell'entità di esposizione di almeno un elemento fresante superabrasivo della molteplicità situato in una regione di estremità ad una altezza di esposizione dell'elemento fresante che non supera circa 3,81 mm (0,15 pollici), la limitazione dell'entità di esposizione di almeno un elemento fresante superabrasivo della molteplicità situato in una regione di fianco ad una altezza di esposizione dell'elemento fresante che non supera circa 0,25 mm (0,10 pollici), e la limitazione dell'entità di esposizione di almeno un elemento fresante superabrasivo della molteplicità situato in una regione di spalla ad una altezza di esposizione dell'elemento fresante che non supera circa 1,60 mm (0,063 pollici).