ITTO980118A1

ITTO980118A1 - Punta di trivellatrice con utensile da taglio rotante, avente elementi di taglio prevalentemente super-duri.

Info

Publication number: ITTO980118A1
Application number: IT98TO000118A
Authority: IT
Inventors: Danny E Scott; Amy J G Jurewicz; Stephen R Jurewicz
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1997-02-14
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-08-13
Also published as: GB2323613A; US5855247A; GB2323613B; GB9802696D0

Description

DESCRIZIONE dell’Invenzione industriale dal titolo:

«PUNTA DI TRIVELLATRICE CON UTENSILE DA TAGLIO RO-TANTE, AVENTE ELEMENTI DI TAGLIO PREVALENTEMENTE SUPER-DURI»

1. Campo dell’Invenzione

La presente invenzione riguarda punte trivellatrici del tipo ad utensile da taglio rotante. Specificatamente, la presente invenzione riguarda la struttura di taglio ed elementi di taglio di punte trivellatrici del tipo a utensile da taglio rotante.

2. Informazione di Sfondo

Il successo della trivellazione rotante ha consentito la scoperta di giacimenti petroliferi e di gas profondi. La punta per roccia rotante ha rappresentato un’importante invenzione che ha reso possibile tale successo. Solamente formazioni tenere potevano essere penetrate commercialmente con la vecchia punta a trascinamento, ma la punta da roccia a coni rotolanti originale inventata da Howard R. Hughes, Brevetto Statunitense No. 939 759, si è rivelata in grado di trivellare con relativa facilità la roccia di copertura dura del giacimento di Spindletop, presso Beaumont Texas.

Tale vecchia invenzione, fata nel primo decennio di questo secolo, ha potuto trivellare una scarsa porzione della profondità e ad una frazione della velocità della moderna punta da roccia rotante. Se originale punta di Hughes trivellava per ore, la moderna punta è in grado di trivellare per giorni. Le punte attuali spesso trivellano per miglia. Molti individuali perfezionamenti hanno contribuito all’impressionante miglioramento generale delle prestazioni delle punte da roccia.

Le punte trivellatrici con utensile da taglio rotante generalmente impiegano elementi di taglio per indurre elevate sollecitazioni di contato nella formazione che viene trivellata, quando gli utensili da taglio rotolano sul fondo del foro di trivellazione durante l’operazione di trivellazione. Queste sollecitazione determinano rottura della roccia, provocando disintegrazione tramite penetrazione quasi verticale del materiale della formazione che viene trivellato. Quando gli utensili da taglio sono deviati, i loro assi non coincidono con l’asse geometrico o rotazionale della punta, e ima piccola componente di movimento orizzontale o di scorrimento viene impartita agli utensili da taglio quando essi rotolano sul fondo del foro di trivellazione. Benché tale modo di trivellazione prevalga sul fondo del foro di trivellazione, esso è completamente diverso nello spigolo e sulla parete laterale. Lo spigolo è generato da uno schiacciamento e da un raschiamento combinato o da azione di taglio, mentre la parete del foro di trivellazione viene prodota in un puro modo di scorrimento e raschi amento (taglio). Nello spigolo e sulla parete laterale del foro di trivellazione, gli elementi di taglio devono eseguire la maggior parte del lavoro e sono soggetti a sollecitazioni estreme, che li rendono suscettibili di rompersi prematuramente, e/o di usurarsi rapidamente.

Recentemente, è stato fatto uno sforzo generale relativo al'introdurre le migliorate proprietà materiali del diamante naturale e sintetico o di materiali super-duri in punte trivellatrici o di trivellazione del terreno del tipo a utensili da taglio rotanti. Materiali super-duri sono stati impiegati in punte a utensili da taglio fissi, o a trascinamento, in modo soddisfacente per molti anni. Punte ad utensili da taglio fissi impiegano pressoché esclusivamente il modo di disintegrazione a taglio discusso precedentemente. Benché il diamante ed altri materiali super-duri possiedano eccellente durezza ed altre proprietà materiali, essi generalmente sono considerati troppo fragili per la maggior parte delle applicazioni ad elementi di taglio in punte a utensili da taglio rotanti, un’eccezione essendo quella degli inserti di calibratura a tranciatura-taglio discussi precedentemente.

Recenti tentativi volti all’introdurre diamante e materiali simili in punta a utensili da taglio rotanti si sono basati su uno strato o tavola di diamante fissato ad un substrato o materiale di supporto di metallo duro tenace a fratturazione, solitamente carburo di tungsteno cementato. Si ritiene che il substrato integri il diamante o il materiale super-duro con la sua aumentata tenacità, fornendo un elemento di taglio con soddisfacente durezza e tenacità, che il diamante da solo non è considerato in grado di fornire.

Un problema associato agli inserti di diamante/substrato è quello della tendenza del diamante o del materiale super-duro a delaminare dal substrato. Si ritiene che la causa di questa delaminazione sia costituita da forze agenti parallelamente alla interfaccia tra lo strato o tavola di diamante ed il substrato sovrapposte sulle elevate sollecitazioni residue in corrispondenza di questa interfaccia. Queste sollecitazioni separano a taglio la tavola di diamante dal suo substrato.

Vari tentativi sono stati fatti per aumentare la resistenza . meccanica in corrispondenza della interfaccia. Il Brevetto Statunitense No. 4 604 106 a nome Hall et al. descrive una interfaccia di strato di transizione che attua graduale transizione tra le proprietà del materiale super-duro e quelle del materiale di substrato in corrispondenza della interfaccia tra di essi per opporsi alla delaminazione. Benché sembri che tale metodo fornisca risultati soddisfacenti, esso richiede tecniche di fabbricazione costose e consumanti tempo. Altri brevetti, come ad esempio il Brevetto Statunitense No. 5 351 774 del 4 Ottobre 1994 a nome Smith, e di comune assegnazione, prevedono un’interfaccia non-piana tra la tavola di diamante ed il substrato. Il Brevetto Statunitense No.

5 355 969 a nome Hardy et al. costituisce un altro esempio della interfaccia non-piana tra il materiale super-duro ed il substrato.

Comunque, la maggior parte dei tentativi volti all’includere diamante o altri materiali super-duri nelle strutture di taglio di punte di trivellazione del terreno o punte trivellatrici del tipo a utensili da taglio rotanti impiegano un materiale di substrato non di diamante in aggiunta al materiale super-duro.

Esiste perciò la necessità di avere punte trivellatrici del tipo a utensili di taglio rotanti aventi elementi di taglio super-duri suscettibili di essere fabbricati in modo relativamente facile con ima soddisfacente combinazione di proprietà materiali.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Uno scopo generale della presente invenzione è quello di fornire una punta trivellatrice avente elementi di taglio super-duri con proprietà materiali soddisfacenti.

Questo e altri scopi della presente invenzione sono raggiunti fornendo una punta trivellatrice avente un corpo di punta e almeno un albero di supporto estendentesi verso l'interno e verso il basso dal corpo di punta. Un utensile da taglio è montato per ruotare su ciascun albero di supporto e include ima pluralità di elementi di taglio disposti in file circonferenziali. Le file circonferenziali includono una fila di calibratura sulla superficie più esterna di ciascun utensile da taglio e una pluralità di file interne su ciascun utensile da taglio verso l’intemo della fila di calibratura. Almeno uno degli elementi di taglio in una fila circonferenzia le è formato completamente o predominantemente da materiale super-duro. L’elemento di taglio comprende una estremità di taglio sporgente dalla superficie dell’utensile da taglio e una base generalmente cilindrica fissata in una sede nell’utensile da taglio. L’estremità di taglio dell’elemento di taglio è formata compietamente o predominantemente da materiale super-duro e la base può essere formata completamente o predominantemente da materiale super-duro. Secondo la forma di realizzazione preferita della presente invenzione, l’elemento di taglio super-duro può essere costituito da un tallone o elemento di fila-interna fissato alla estremità dell’utensile da taglio e fila circonferenziale interna.

Secondo la forma di realizzazione preferita della presente invenzione, l'elemento di taglio super-duro può essere un elemento della fila di calibratura fissato all’utensile da taglio nella fila di calibratura.

Secondo la forma di realizzazione preferita della presente invenzione, l’elemento di taglio di rifinitura super-duro ha una estremità di taglio sagomata a scalpello.

Secondo la forma di realizzazione preferita della presente invenzione, l’elemento di taglio della fila di calibratura superduro ha una estremità di taglio troncoconica.

Secondo la forma di realizzazione preferita della presente invenzione, il materiale super-duro è scelto dal gruppo costituito da diamante policristallino, diamante policristallino termicamente stabile, diamante naturale, e nitruro di boro cubico.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La Figura 1 è una vista prospettica di una punta trivella trice secondo la presente invenzione.

La Figura 2 è una vista in alzato di un elemento di taglio super- duro per il tallone o le file interne di una punta trivellatrice secondo la presente invenzione.

La Figura 3 è una vista in alzato di un elemento di taglio super- duro per le file di calibratura di una punta trivellatrice secondo la presente invenzione.

DESCRIZIONE DELLA FORMA DI REAUZZAZIONE PREFERITA

Facendo ora riferimento alle Figure, e in particolare a Figura 1, in essa è illustrata una punta trivellatrice 11 secondo la presente invenzione. La punta 11 include un corpo 13 di punta, che è filettato in corrispondenza della sua estensione superiore 15 per il collegamento in una colonna di trivellazione. Ciascuna ala o sezione della punta 11 è dotata di un compensatore 17 di lubrificante per regolare o compensare variazioni nella pressione o nel volume di lubrificante previsto per la punta. Almeno un ugello 19 è previsto nel corpo 13 della punta per spruzzare fluido di trivellazione dal'interno della colonna di trivellazione per raffreddare e lubrificare la punta 11 durante l’operazione di trivellazione. Tre utensili da taglio 21, 23, 25 sono fissati girevolmente ad un albero di supporto associato con ciascuna ala del corpo 13 della punta. Ciascun utensile da taglio 21, 23, 25 ha una superficie a guscio dell’utensile da taglio includente una superficie più esterna o superficie di calibratura 31 ed ima superficie a pallone 41 immediatamente verso l’intemo della e adiacentemente alla superficie di calibratura 31.

Una pluralità di elementi di taglio, sotto forma di inserti di metallo duro o super-duri, sono disposti in file generalmente circonferenziali su ciascun utensile da taglio. Ciascun utensile da taglio 21, 23, 25 ha una superfìcie di calibratura 31 con una fila di elementi di calibratura 33 su di essa. Una superficie posteriore o di tallone 41 interseca ciascuna superficie di calibratura 31 e presenta almeno una fila di inserti di tallone 43 su essa. Almeno un elemento raschiatore 51 è fissato alla superficie del guscio dell’utensile da taglio generalmente in corrispondenza della intersezione delle superfici di calibratura e di tallone 31, 41 e generalmente in posizione intermedia ad una coppia di inserti di tallone 43.

La struttura tagliente esterna, comprendente gli elementi di taglio di tallone 43, gli elementi di taglio di calibratura 33, ed una struttura di taglio secondaria sotto forma di elementi di rifinitura o raschiatori sagomati a scalpello 51, si combinano e eoo p erano per frantumare e raschiare materiale della formazione in corrispondenza dello spigolo della parete laterale del foro di trivellazione quando gli utensili da taglio 21, 23, 25 rotolano o ruotano e scorrono sul materiale della formazione durante l’operazione di trivellazione. Secondo la forma di realizzazione preferita della presente invenzione, almeno uno, e preferibilmente svariati, degli elementi di taglio in una o più delle file è formato predominantemente da materiale super-duro.

La Figura 2 è una vista in alzato, parzialmente in sezione, di un elemento di taglio super-duro 51 secondo la presente invenzione. L’elemento di taglio 51 comprende una base generalmente cilindrica 43, che è fissata in un’apertura o sede nell’utensile da taglio mediante accoppiamento a interferenza o brasatura. L’elemento di taglio 51 è un elemento di taglio sagomato a scalpello che include una coppia di fianchi 55 che convergono per definire una cresta 57. L’elemento di taglio sagomato a scalpello è particolarmente adatto per l’impiego come un elemento di rifinitura (51 in Figura 1), un elemento di tallone (41 in Figura 1) o altro elemento di taglio della fila interna. Un elemento sagomato a scalpello è illustrato come un esemplificativo elemento di taglio di rifinitura, tallone o elemento di taglio della fila interna.

Altre sagome convenzionali, come ovoidi, coni o sagome tonde sono contemplate dalla presente invenzione. La Figura 3 è una vista in alzato, parzialmente in sezione, di un inserto 33 della fila di calibratura super-duro secondo la presente invenzione. L’inserto 33 della fila di calibratura comprende un corpo generalmente cilindrico 35, che è dotato in corrispondenza della estremità di taglio di imo smusso 37 che definisce una superficie di taglio generalmente troncoconica. L’intersezione tra la superficie di taglio 37 e la sommità piatta 39 definisce un bordo di taglio per impegno a taglio-tranciatura con la parete laterale del foro di trivellazione.

Sia l’elemento 51 sagomato a scalpello che l’inserto di calibratura 33 sono formati predominantemente da materiale super-duro. L’espressione "materiale super-duro" come qui impiegata, include diamante naturale, diamante policristallino, diamante policristallino termicamente stabile, nitruro di boro cubico, il materiale derivante da processi di deposizione di vapori chimici (CVD), noto come "diamante a film sottile" o "diamante amorfo", e altri materiali approssimantisi al diamante per durezza e aventi proprietà materiali generalmente simili a quelle del diamante. Tutti i materiali super-duri hanno una durezza misurata superiore a 3500 - 5000 della scala Knoop, e devono essere distinti da materiali ceramici meramente duri, come ad esempio carburo di silicio, carburo di tungsteno e simili.

L’inserto di materiale predominantemente super-duro è solitamente formato in condizioni di alta pressione e alta temperatura in cui il materiale super-duro è termodinamicamente stabile. Questa tecnica è convenzionale e nota agli esperti del ramo. Ad esempio, un inserto può essere realizzato formando un contenitore o barattolo di metallo refrattario alla sagoma desiderata, e riempiendo quindi il barattolo con la polvere di materiale superduro a cui è stata aggiunta una piccola quantità di materiale metallico (comunemente cobalto, nickel o ferro). Il contenitore è quindi sigillato per impedire qualsiasi contaminazione. Successivamente, il contenitore o barattolo sigillato è circondato da un materiale trasmettitore di pressione che è generalmente costituito da sale, nitruro di boro, grafite o materiale similare. Questo complesso è quindi caricato in una cella ad alta pressione e temperatura. La struttura della cella dipende dal tipo di apparecchiatura ad alta pressione che viene utilizzato. La cella viene compressa finché non è raggiunta la pressione desiderata, e quindi calore viene alimentato attraverso un riscaldatore a resistenza elettrica a tubo di grafite. Sono comuni temperature superiori a 1350°C e pressioni superiori a 50 kilobar. In queste condizioni, il metallo aggiunto si fonde e agisce come una fase liquida reattiva per migliorare la sinterizzazione del materiale super-duro. Dopo pochi minuti, le condizioni sono ridotte a temperatura e pressione ambiente. L’inserto è quindi rotto via dalla cella e può essere finito alla dimensioni finali tramite rettifica o sagomatura.

Secondo la forma di realizzazione preferita della presente invenzione, almeno le estremità di taglio degli elementi 51, 31 sono formate completamente da materiale super-duro. Tutti i materiali super-duri contengono almeno tracce di altri materiali. Ad esempio, il diamante policristallino impiega cobalto come un materiale legante durante il suo processo di formazione, e cobalto rimane nel materiale. Come qui impiegato, il termine "completamente di" materiale super-duro vuol includere queste tracce di materiale diverse da materiale super-duro. Il termine "predominantemente" di materiale super-duro vuol escludere strati di materiale super-duro su substrati che costituiscono la maggior parte del volume dell’elemento.

Può essere desiderabile fornire un elemento di taglio formato completamente da materiale super-duro con una porzione dell’elemento formata da un materiale meno resistente all’usura e suscettibile di essere più facilmente formato. Ad esempio, imo strato da 0,063 pollici di convenzionale carburo di tungsteno cementato può essere previsto sulla base del corpo cilindrico dell’elemento (opposta alla estremità di taglio) per proteggere il materiale super-duro mentre l’elemento viene accoppiato a pressione o a interferenza nella sua apertura o sede nell’utensile da taglio. Un simile strato di metallo duro può pure essere previsto ove una porzione dell’elemento richieda barilatura, rettifica, o altre operazioni di finitura. Un simile strato di materiale non-super-duro rientra nel significato dell’espressione "materiale predominantemente super-duro". Un simile strato di materiale non-super-duro dovrà costituire non più di circa il 10-20% in volume dell’elemento di taglio.

La punta trivellatrice secondo la presente invenzione possiede una pluralità di vantaggi. Un vantaggio principale è costituito da fatto che la punta trivellatrice è dotata di elementi di taglio più efficienti e durevoli.

L’invenzione è stata descritta con riferimento a forme di realizzazione preferite di essa. Pertanto essa non è limitata a queste, ma è suscettibile di varianti e modifiche senza allontanar si dall’ambito protettivo e dallo spirito dell’invenzione stessa.

Claims

RIVENDICAZIONI 1 . Punta trivellatrice comprendente: un corpo di punta; almeno un albero di supporto estendentesi verso l’interno e verso il basso dal corpo di punta; un utensile da taglio montato per ruotare sull’albero di supporto, l’utensile da taglio includendo una pluralità di elementi di taglio disposti sull’utensile da taglio in file circonferenziali; almeno uno degli elementi di taglio in ima delle file essendo formato predominantemente da materiale super-duro.
2. Punta trivellatrice secondo la rivendicazione 1 in cui l’elemento di taglio super-duro comprende: una estremità di taglio sporgente dall’utensile da taglio; una base generalmente cilindrica fissata in una apertura nell’utensile da taglio; l’estremità di taglio dell’elemento di taglio essendo formata completamente di materiale super-duro e la base essendo formata predominantemente da materiale super-duro.
3. Punta trivellatrice secondo la rivendicazione 1, in cui l’elemento di taglio super-duro è un elemento di fila interna fissato all’utensile da taglio in una fila circonferenziale interna.
4. Punta trivellatrice secondo la rivendicazione 1, in cui l’elemento di taglio super-duro è un elemento di una fila di calibratura fissato all’utensile da taglio in una fila circonferenziale su una superficie di calibratura dell’utensile da taglio.
5. Punta trivellatrice secondo la rivendicazione 1, in cui l’elemento di taglio super-duro ha una estremità di taglio sagomata a scalpello.
6. Punta trivellatrice secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale super-duro è scelto dal gruppo costituito da diamante policristallino, diamante policristallino termicamente stabile, diamante naturale, e nitruro di boro cubico.
7. Punta trivellatrice comprendente: un corpo di punta; almeno un albero di supporto estendentesi verso l’interno e verso il basso dal corpo di punta; un utensile da taglio montato per ruotare sull’albero di supporto, l’utensile da taglio includendo una pluralità di elementi di taglio disposti sull’utensile da taglio in file circonferenziali, le file circonferenziali includendo una fila di calibratura in prossimità della superficie più esterna dell’utensile da taglio; almeno uno degli elementi di taglio nella fila di calibratura essendo formato predominantemente da materiale super-duro.
8. Punta trivellatrice secondo la rivendicazione 7, in cui l’elemento di taglio della fila di calibratura comprende: una estremità di taglio troncoconica sporgente dall’utensile da taglio; una base generalmente cilindrica fissata in una apertura nell’utensile da taglio; l’estremità di taglio dell’elemento di taglio essendo formata completamente da materiale super-duro e la base essendo formata predominantemente da materiale super-duro.
9. Punta trivellatrice secondo la rivendicazione 7, in cui il materiale super-duro è scelto dal gruppo costituito da diamante policristallino, diamante policristallino termicamente stabile, diamante naturale, e nitruro di boro cubico.
1 0. Punta trivellatrice comprendente: un corpo di punta; almeno un albero di supporto estendentesi verso l’interno e verso il basso dal corpo di punta; un utensile da taglio montato per ruotare sull’albero di supporto, l’utensile da taglio includendo una pluralità di elementi di taglio disposti sull’utensile da taglio in file circonferenziali, le file circonferenziali includendo file interne; almeno uno degli elementi di taglio in una fila interna essendo formato predominantemente da materiale super-duro.
1 1. Punta trivellatrice secondo la rivendicazione 1, in cui l’elemento di taglio super-duro comprende: una estremità di taglio sporgente dall’utensile da taglio; una base generalmente cilindrica fissata in una sede nell’utensile da taglio; l’estremità di taglio dell’elemento di taglio essendo formata completamente da materiale super-duro e la base essendo formata predominantemente da materiale super-duro.
12. Punta trivellatrice secondo la rivendicazione 10, in cui l’elemento di taglio super-duro ha una estremità di taglio sagomata a scalpello.
13. Punta trivellatrice secondo la rivendicazione 10, in cui il materiale super-duro è scelto dal gruppo costituito da diamante policristallino, diamante policristallino termicamente stabile, diamante naturale, e nitruro di boro cubico.