MX2013012476A - Metodos de cortadores deunión en brocas de cortadores fijos que usan manguitos, muelles de compresion, y/o pasador(es)/bola(s). - Google Patents

Abstract

Se describe un elemento de corte que tiene un manguito con un primer diámetro interior y un segundo diámetro interior, en donde el segundo diámetro interior es mayor que el primer diámetro interior y se localiza en una posición axial mas bajar que el primer diámetro interior, un elemento de corte giratorio que tiene un eje de rotación que se extiende a través del mismo, el elemento de corte rotativo se dispone al menos parcialmente dentro del manguito, en donde el elemento de corte rotativo tiene una cara de corte y un cuerpo que se extiende axialmente hacia abajo desde la cara de corte, al menos un agujero que se extiende desde una superficie exterior del cuerpo hacia el eje de rotación y un dispositivo de bloqueo dispuesto en agujero, para hacer contacto con el segundo diámetro interno del manguito, reteniendo de esta manera el elemento de corte giratorio dentro del manguito.

Description

MÉTODOS DE CORTADORES DE RODILLOS DE UNIÓN EN BROCAS DE CORTADORES FIJOS QUE USAN MANGUITOS, MUELLES DE COMPRESIÓN, Y/O PASADOR(ES)/BOLA(S) ANTECEDENTES Las brocas de perforación usadas para perforar hoyos a través de formaciones de tierra se fabrican generalmente en una de las dos amplias categorías de estructuras de brocas. Dependiendo de la aplicación/formación a perforarse, el tipo de broca de perforación adecuada puede seleccionarse en base al tipo de acción de corte de la broca y su idoneidad para su uso en la formación particular. Las brocas de perforación de la primera categoría son generalmente conocidas como brocas de "conos giratorios", las cuales incluyen un cuerpo de broca que tiene uno o más conos giratorios montados de manera giratoria al cuerpo de la broca. El cuerpo de la broca normalmente se conforma de acero u otro material de alta resistencia. Los conos giratorios se conforman también típicamente de acero o de otro material de alta resistencia e incluyen una pluralidad de elementos de corte dispuestos en posiciones seleccionadas alrededor de los conos. Los elementos de corte pueden conformarse del mismo material de base tal como el del cono. Estas brocas se denominan típicamente como brocas de "dientes fresados". Otras brocas de conos giratorios incluyen elementos de corte de "insertos" que se ajustan a presión en los agujeros formados y/o maquinados en los conos giratorios. Los insertos pueden conformarse a partir de, por ejemplo, carburo de tungsteno, diamante natural o sintético, nitruro de boro, o de algún o la combinación de materiales duros o superduros.

Las brocas de perforación de la segunda categoría se denominan típicamente como "cortadores fijos" o brocas de "arrastre". Las brocas de arrastre, incluyen brocas que tienen elementos de corte unidos al cuerpo de la broca, el cual puede ser un cuerpo de broca de acero o un cuerpo de broca de matriz conformado a partir de un material de matriz tal como carburo de tungsteno rodeado de un material aglutinante. Las brocas de arrastre pueden definirse generalmente como brocas que no tienen partes móviles. Sin embargo, existen diferentes tipos y métodos de conformar las brocas de arrastre que se conocen en la materia. Por ejemplo, las brocas de arrastre que tienen material abrasivo, tal como diamante, impregnado en la superficie del material que conforma el cuerpo de la broca se denominan comúnmente como brocas de "impregnación". Las brocas de arrastre que tienen elementos de corte fabricados de una capa o "tabla" de superficie de corte ultra dura (típicamente fabricada de material de diamante policristalino o material de nitruro de boro policristalino) depositados sobre o unidos de cualquier otra manera a un sustrato se conocen en la materia como brocas de diamante policristalino compacto ("PDC").

Las brocas de PDC perforan formaciones blandas con facilidad, pero se usan frecuentemente para perforar formaciones moderadamente duras o abrasivas. Ellas cortan formaciones rocosas con una acción de corte usando pequeños cortadores que no penetran profundamente dentro de la formación. Debido a que la profundidad de penetración es poco profunda, las altas velocidades de penetración se consiguen a través de velocidades de rotación relativamente altas de la broca.

Los cortadores de PDC se han usado en aplicaciones industriales incluyendo la perforación de roca y el fresado de metales durante muchos años. En las brocas de PDC, los cortadores de PDC se reciben dentro de cavidades de cortadores, que se conforman en aletas que se extienden a partir de un cuerpo de broca, y se unen típicamente a las aletas por una soldadura fuerte con las superficies internas de las cavidades de cortadores. Los cortadores de PDC se ubican a lo largo de los bordes de ataque de las aletas del cuerpo de la broca de manera que cuando el cuerpo de la broca se hace girar, los cortadores de PDC se acoplan y perforan la formación de la tierra. En uso, las fuerzas elevadas pueden ejercerse sobre los cortadores de PDC, particularmente hacia delante a la parte trasera. Adicionalmente, la broca y los cortadores de PDC pueden someterse a fuerzas abrasivas sustanciales. En algunos casos, el impacto, la vibración, y las fuerzas erosivas han provocado un mal funcionamiento de la broca de perforación debido a la pérdida de uno o más cortadores, o debido a la rotura de las aletas.

En un cortador de PDC típica, un compacto de diamante policristalino ("PCD") (u otro material su perduro, tal como nitruro de boro cúbico policristalino) se une a un material de sustrato, que es típicamente un metal de carburo sinterizado para conformar una estructura de corte. El PCD comprende una masa policristalina de granos de diamantes o cristales que se unen entre sí para formar una masa o red cristalina de alta resistencia, dura, integral. La estructura de PCD resultante produce propiedades mejoradas de resistencia al desgaste y dureza, creando materiales de PCD extremadamente útiles en aplicaciones de cortes y desgaste agresivo donde se deseen altos niveles de resistencia al desgaste y de dureza.

Un ejemplo de una broca de PDC de la materia anterior que tiene una pluralidad de cortadores con superficies de trabajo ultra duras se muestra en las Figs. 1A y 1 B.La broca de perforación 100 incluye un cuerpo de broca 110 que tiene un extremo superior de pasador roscado 111 y un extremo de corte 115. El extremo de corte 115 incluye típicamente una pluralidad de salientes o aletas 120 dispuestas alrededor del eje de rotación L (también denominado como el eje longitudinal o central) de la broca de perforación y que se extiende radialmente hacia fuera desde el cuerpo de la broca 110. Los elementos de corte, o cortadores, 150 se incrustan en las aletas 120 en orientaciones angulares predeterminadas y ubicaciones radiales con relación a una superficie de trabajo y con un ángulo de inclinación posterior deseado y un ángulo de inclinación lateral en contra de una formación a perforarse.

Una pluralidad de orificios 116 se ubica en el cuerpo de broca 110 en las áreas entre las aletas 120, las cuales pueden denominarse como "brechas" o "rutas de fluidos". Los orificios 116 se adaptan comúnmente para aceptar toberas. Los orificios 116 permiten que el fluido de perforación se descargue a través de la broca en direcciones seleccionadas y en tasas de flujo seleccionadas entre las aletas 120 para lubricar y enfriar la broca de perforación 100, las aletas 120 y los cortadores 150. El fluido de perforación también limpia y elimina las cortaduras a medida que la broca de perforación 100 se hace girar y penetra en la formación geológica. Sin características de flujo adecuadas, el enfriamiento insuficiente de los cortadores 150 puede traer como consecuencia un mal funcionamiento de los cortadores durante las operaciones de perforación. Las rutas de fluido se ubican para proporcionar canales de flujo adicionales para el fluido de perforación y para proporcionar un paso para las cortaduras de la formación para pasar más allá de la broca de perforación 100 hacia la superficie de un hoyo (no mostrado).

Con referencia a la Fig. 1 B, se muestra una vista superior de una broca de PDC de la materia anterior. La cara de corte 118 de la broca mostrada incluye una pluralidad de aletas 120, en donde cada aleta tiene una cara anterior 122 orientada a la dirección de rotación de la broca, una cara posterior 124 (opuesta a la cara anterior), y una cara superior 126. Cada aleta incluye una pluralidad de elementos de corte o cortadores generalmente dispuestas radialmente desde el centro de la cara de corte 118 para conformar filas generalmente. Ciertos cortadores, aunque en diferentes posiciones axiales, pueden ocupar posiciones radiales que se encuentran en una posición radial similar a otras cortadores en otras aletas.

Un factor significativo en la determinación de la longevidad de los cortadores de PDC es la exposición del cortador al calor. La exposición al calor puede provocar daño térmico a la tabla de diamantes y eventualmente dar lugar a la formación de grietas (debido a las diferencias en los coeficientes de expansión térmica) que puede conducir al desbaste de la capa de diamante policristalino, la deslaminación entre el diamante policristalino y el sustrato, y la conversión del diamante anterior en grafito provocando un rápido desgaste abrasivo. El intervalo de funcionamiento térmico de los cortadores de PDC convencionales es típicamente de 700-750°C o menos.

Como se mencionó, el diamante policristalino convencional es estable a temperaturas de hasta 700-750°C en el aire, por encima de las cuales se observó que incrementos en la temperatura puede dar lugar a un daño permanente y una fractura estructural del diamante policristalino. Este deterioro del diamante policristalino se debe a la diferencia significativa en el coeficiente de expansión térmica del material aglutinante, cobalto, en comparación al del diamante. Tras el calentamiento del diamante policristalino, el cobalto y la red cristalina de diamantes se expandirán a diferentes velocidades, lo cual puede provocar grietas para conformarse en la estructura de la red cristalina de diamantes y dar lugar al deterioro del diamante policristalino. El daño puede además deberse a la formación de grafitos en los cuellos de diamante-diamante que conducen a la pérdida de la integridad microestructural y a la pérdida de resistencia, a temperaturas extremadamente altas.

En las brocas de arrastre de convención, los cortadores de PDC se fijan sobre la superficie de la broca de manera tal que una superficie de corte común entra en contacto con la formación durante la perforación. Con el tiempo y/o al perforar ciertas formaciones rocosas duras pero no necesariamente altamente abrasivas, el borde de la superficie de trabajo en un elemento de corte que entra en contacto constantemente con la formación comienza a desgastarse, conformando una parte plana de desgaste local, o un área desgastada de manera desproporcionada al resto del elemento de corte. Las partes planas de desgaste local pueden resultar en tiempos de perforación más largos debido a una capacidad reducida de la broca de perforación para penetrar efectivamente el material de trabajo y en una pérdida de la velocidad de penetración provocada por el entorpecimiento del borde del elemento de corte. Es decir, el cortador de PDC desgastada actúa como una superficie de cojinete de fricción que genera calor, que acelera el desgaste del cortador de PDC y reduce la velocidad de penetración de la broca. Tales superficies planas detienen efectivamente o reducen severamente la velocidad de corte de la formación debido a que los cortadores de PDC convencionales no son capaces de acoplar adecuadamente y retirar eficientemente el material de la formación del área de contacto. Adicionalmente, los cortadores se encuentran típicamente bajo carga térmica y mecánica constante. Como resultado, el calor se acumula a lo largo de la superficie de corte, y resulta en una fractura del elemento de corte. Cuando un elemento de corte se rompe, la operación de perforación puede afrontar una pérdida de velocidad de penetración, y provocar daños adicionales a otros elementos de corte, si el elemento de corte roto entra en contacto con un segundo elemento de corte.

Adicionalmente, la generación de calor en el punto de contacto del cortador, específicamente en la parte expuesta de la capa de PDC provocada por la fricción entre el PCD y el material de trabajo, provoca daños térmicos al PCD en forma de grietas que conducen al desbaste de la capa de diamante policristalino, la deslaminación entre el diamante policristalino y el sustrato, y la conversión de la parte posterior del diamante a grafito provocando un rápido desgaste abrasivo. El intervalo de funcionamiento térmico de los cortadores de PDC convencionales es típicamente de 750°C o menos.

En consecuencia, existe una necesidad continua de avances en la mejora de la vida de los elementos de corte.

COMPENDIO En un aspecto, las modalidades de la presente descripción se refieren a un elemento de corte que tiene un manguito con un primer diámetro interior, y un segundo diámetro interior, en donde el segundo diámetro interior es mayor que el primer diámetro interior y se localiza en una posición axial más baja que el primer diámetro interior, un elemento de corte rotativo que tiene un eje de rotación que se extiende a través del mismo, el elemento de corte rotativo dispuesto al menos parcialmente dentro del manguito, en donde el elemento de corte rotativo tiene una cara de corte y un cuerpo que se extiende axialmente hacia abajo desde la cara de corte, al menos un agujero que se extiende desde una superficie exterior del cuerpo hacia el eje de rotación, y un dispositivo de bloqueo dispuesto en cada agujero, en donde el dispositivo de bloqueo sobresale del agujero para hacer contacto con el segundo diámetro interior del manguito, reteniendo de esta manera el elemento de corte rotativo dentro del manguito.

En otro aspecto, las modalidades de la presente descripción se refieren a un método para conformar una broca de perforación que incluye proporcionar una broca de perforación que tiene un cuerpo de broca, una pluralidad de aletas que se extienden desde el cuerpo de la broca, y una pluralidad de cavidades de cortador dispuestas en la pluralidad de aletas, que une un manguito a al menos una cavidad del cortador, el manguito que comprende un primer diámetro interior y un segundo diámetro interior, en donde el segundo diámetro interior es mayor que el primer diámetro interior y se localiza en una posición axial más baja que la del primer diámetro interior, que inserta un elemento de corte rotativo que tiene un eje de rotación que se extiende a través del mismo en el manguito, el elemento de corte rotativo que comprende una cara de corte y un cuerpo que se extiende axialmente hacia abajo desde la cara de corte, al menos un agujero que se extiende desde una superficie exterior del cuerpo hacia el eje de rotación, y un dispositivo de bloqueo dispuesto en cada agujero, en donde el dispositivo de bloqueo sobresale del agujero para hacer contacto con el segundo diámetro interior del manguito, reteniendo de esta manera el elemento de corte rotativo dentro del manguito.

En otro aspecto, las modalidades descritas en la presente se refieren a un elemento de corte que tiene un manguito que comprende un radio interior de un valor menor en una región superior del manguito que en una región inferior del manguito, un elemento de corte rotativo que tiene un eje de rotación que se extiende a través del mismo, el elemento de corte rotativo dispuesto al menos parcialmente dentro del manguito, en donde el elemento de corte rotativo tiene una cara de corte de diamante adyacente a la porción más alta del manguito, en donde al menos una porción del elemento de corte rotativo tiene un radio exterior mayor que el radio interior de la región superior del manguito, y en donde la porción del elemento de corte rotativo se encuentra en una posición longitudinal más baja que la del radio interior.

En aún otro aspecto, las modalidades descritas en la presente se refieren a un elemento de corte que tiene un miembro de soporte interior con un eje longitudinal que se extiende a través del mismo, al menos un agujero que se extiende desde una superficie exterior del miembro de soporte interior hacia el eje longitudinal, y un dispositivo de bloqueo dispuesto en cada agujero, un elemento de corte del manguito rotativo montado de manera rotativa al miembro de soporte interior, el elemento de corte del manguito rotativo que tiene una cara de corte adyacente a la porción más alta del elemento de corte del manguito rotativo y una ranura circunferencial formada dentro de una superficie interior del elemento de corte del manguito rotativo, en donde el dispositivo de bloqueo sobresale del agujero para hacer contacto con la ranura circunferencial, reteniendo de esta manera el elemento de corte del manguito rotativo al miembro de soporte interior.

Otros aspectos y ventajas de la descripción resultarán evidentes a partir de la descripción siguiente y las reivindicaciones anexas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las Figs. 1A y 1 B muestran una vista lateral y superior de una broca de arrastre convencional.

Las Figs. 2A y 2B muestran vistas en perspectiva de un elemento de corte rotativo de la presente descripción.

Las Figs. 3A y 3B muestran vistas en sección transversal de los elementos de corte rotativos de acuerdo con modalidades de la presente descripción.

Las Figs. 4A y 4B muestran una vista en perspectiva y una vista en sección transversal de los elementos de corte rotativos de acuerdo con modalidades de la presente descripción.

Las Figs. 5A a 5D muestran vistas en sección transversal de los elementos de corte rotativos de acuerdo con otras modalidades de la presente descripción.

Las Figs. 6A y 6B muestran vistas en sección transversal de los elementos de corte rotativos de acuerdo con otras modalidades de la presente descripción.

Las Figs. 7A a 7C muestran vistas en perspectiva de elementos de corte rotativos de acuerdo con modalidades de la presente descripción.

Las Figs. 8A y 8B muestran vistas en sección transversal de los elementos de corte rotativos de acuerdo con aún otras modalidades de la presente descripción.

Las Figs. 9A a 9C muestran vistas en sección transversal de los elementos de corte rotativos de acuerdo con algunas modalidades de la presente descripción.

Las Figs. 10A a 10D muestran vistas en sección transversal y vistas en perspectiva de elementos de corte rotativos de acuerdo con modalidades de la presente descripción.

La Fig. 11 muestra una vista en sección transversal de un elemento de corte rotativo de acuerdo con modalidades de la presente descripción.

DESCRIPCIÓN DETALLADA Las modalidades descritas en la presente se refieren generalmente a elementos de corte rotativos y métodos de retención de tales elementos de corte rotativos en una broca de perforación u otras herramientas de corte. En particular, los elementos de corte rotativos de la presente descripción pueden retenerse en brocas de perforación de cortadores fijos usando un dispositivo de bloqueo ajustable y/o un manguito que tiene múltiples radios. Ventajosamente, los dispositivos de bloqueo ajustables y los manguitos descritos en la presente permiten rotar un elemento de corte rotativo a medida que el elemento de corte rotativo entra en contacto con la formación a perforarse, mientras que al mismo tiempo se retiene el elemento de corte rotativo en la broca de perforación.

Las Figs. 2A y 2B muestran una modalidad ilustrativa de un ensamble de un elemento de corte rotativo de acuerdo con la presente descripción. Como se muestra en la Fig. 2A, un elemento de corte rotativo 200 tiene un eje de rotación A que se extiende longitudinalmente a través del elemento de corte rotativo 200, una cara de corte 210, y un cuerpo 220 que se extiende axialmente hacia abajo desde la cara de corte 210. El cuerpo 220 tiene una superficie exterior 222 y al menos un agujero 224 que se extiende desde la superficie exterior 222 del cuerpo 220 hacia el eje de rotación A. Un borde de corte 218 se forma en la intersección de la cara de corte 210 y la superficie exterior 222 del elemento de corte rotativo 200.

Como se muestra en la Fig. 2B, el cuerpo 220 del elemento de corte rotativo 200 puede disponerse en un manguito 230 para conformar un ensamble cortador 202, en donde el manguito 230 tiene una superficie interior 231 , una superficie exterior 232, y múltiples radios interiores (no mostrados). Un dispositivo de bloqueo 240 (aumentando efectivamente el diámetro de una porción del elemento de corte rotativo 200) se dispone en el al menos un agujero 224, en donde el dispositivo de bloqueo 240 puede sobresalir del agujero 224 para hacer contacto con la superficie interior 231 del manguito 230 para retener el elemento de corte rotativo 200 en el manguito 230. Los dispositivos de bloqueo de la presente descripción pueden fabricarse de carburos, aceros, cerámicas, y/o de acero endurecido para herramientas, por ejemplo.

Las Figs. 3A y 3B muestran vistas en sección transversal de modalidades ilustrativas de dispositivos de bloqueo ajustables 340 que retienen un elemento de corte rotativo 300 dentro de un manguito 330 para conformar un ensamble cortador 302.EI manguito 330 tiene una superficie exterior 332, una superficie interior 331 , y múltiples radios interiores, que incluye un radio interior R-\ de un valor menor en una región superior 338 del manguito que un radio interior R2 en una región inferior 339 del manguito, en donde los radios de la superficie interior se miden desde el eje de rotación A del elemento de corte rotativo 300. El dispositivo de bloqueo 340 sobresale del agujero 324 para hacer contacto con la superficie interior 331 del manguito 330 en el radio interior mayor R2, en donde el radio interior menor Ri evita que el dispositivo de bloqueo 340 se mueva fuera del manguito 330, reteniendo así el elemento de corte rotativo 300 dentro del manguito 330. El dispositivo de bloqueo 340 puede ser ajustable o no ajustable. Por ejemplo, como se muestra en las Figs. 3A y 3B, un dispositivo de bloqueo ajustable 340 puede incluir un muelle 342 y pasadores 344 en ambos lados del muelle 342 o un muelle 342 y bolas 345 en ambos lados del muelle 342. El muelle 342 proporciona adaptabilidad, por ejemplo capacidad de compresión, de manera que las bolas 345 o los pasadores 344 puedan comprimirse dentro del manguito 330 a través de la región superior 338 que tiene un radio interior menor R y expandirse para hacer contacto con la superficie interior 331 en la región inferior 339 con el radio interior mayor R2 y bloquear el elemento de corte rotativo 300 dentro del manguito 330. El muelle 342 y las bolas 345 pueden conformarse como una pieza o como piezas separadas. Asimismo, el muelle 342 y los pasadores 344 pueden conformarse como una pieza o como piezas separadas.

Las Figs. 4A y 4B muestran una vista en perspectiva y una vista en sección transversal de otra modalidad de un elemento de corte rotativo 400 unido a un manguito 430 que usa un dispositivo de bloqueo 440. El elemento de corte rotativo 400 tiene un eje de rotación A que se extiende a través del mismo, una cara de corte 410, y un cuerpo 420 que se extiende axialmente hacia abajo desde la cara de corte 410. Al menos un agujero 424 se extiende desde una superficie exterior 422 del cuerpo 420 hacia el eje de rotación A. El elemento de corte rotativo puede disponerse al menos parcialmente dentro de un manguito 430. El manguito 430 tiene una superficie exterior 432, una superficie interior 431 , y múltiples radios interiores, que incluye un radio interior R-¡ de un valor menor en una región superior 438 del manguito que un radio interior R2 en una región inferior 439 del manguito, en donde los radios de la superficie interior se miden desde el eje de rotación A del elemento de corte rotativo 400.

El elemento de corte rotativo 400 puede insertarse en un manguito 430 de manera que el al menos un agujero 424 se alinee con una abertura de manguito 435.Un dispositivo de bloqueo 440 puede insertarse a través de la abertura de manguito 435 y en el agujero 424. El dispositivo de bloqueo 440 sobresale del elemento de corte rotativo 400 para hacer contacto con la superficie interior 431 del manguito 430 cuando el elemento de corte rotativo 400 gira dentro del manguito 430. El dispositivo de bloqueo 440 puede ser ajustable o no ajustable. Por ejemplo, el dispositivo de bloqueo 440 puede ser un pasador en espiral, en donde el material del pasador puede enrollarse para tener un diámetro menor que la abertura de manguito 435 para ajustarse a través de la abertura de manguito 435. Una vez que un pasador en espiral comprimido se inserta a través de la abertura de manguito 435, el pasador en espiral puede desenrollarse parcialmente para expandirse para ajustarse dentro del diámetro del al menos un agujero 424. Alternativamente, el dispositivo de bloqueo 440 puede ser un pasador sólido.

Un manguito de acuerdo con la presente descripción puede disponerse en una cavidad de cortador de una aleta de la broca de manera que una abertura de manguito se expone en la parte superior de la aleta de manera que puede insertarse un dispositivo de bloqueo, accederse, y/o retirarse sin retirar todo el manguito de la aleta de la broca. En modalidades de manguitos sin aberturas de acceso, un manguito puede retirarse y accederse al elemento de corte rotativo a través de la parte posterior del manguito. Más aún, en otras modalidades descritas más abajo, un manguito puede tener una tabla de diamantes en la región superior del manguito para conformar un elemento de corte del manguito rotativo, mientras un miembro de soporte interior se asegura a una herramienta de corte para apoyar el elemento de corte del manguito rotativo.

De acuerdo con modalidades de la presente descripción, el al menos un agujero en un elemento de corte rotativo puede ser un agujero ciego (un agujero que se extiende parcialmente a través del elemento de corte rotativo, desde una superficie exterior) o un agujero pasante (un agujero que se extiende completamente a través del elemento de corte rotativo, desde una superficie exterior del elemento de corte rotativo a la superficie opuesta).Por ejemplo, como se muestra en las Figs. 3A-4B, un agujero 324, 424 puede extenderse completamente a través de un elemento de corte rotativo 300, 400, conformando así un agujero pasante. En otras modalidades ilustrativas, como se muestra en las Figs. 5A-5D, un agujero 524 puede extenderse parcialmente en un elemento de corte rotativo 500, conformando así un agujero ciego. En modalidades que tienen al menos un agujero ciego 524 conformado en un elemento de corte rotativo, como se muestra en las Figs. 5A-D, un dispositivo de bloqueo 540 puede insertarse en cada agujero 524, en donde el dispositivo de bloqueo puede ser ajustable o no ajustable. Por ejemplo, un dispositivo de bloqueo 540 puede incluir un muelle 542 y una bola 545 (mostrados en la Fig. 5A), un muelle y un pasador 544 (mostrados en las Figs. 5B y 5C), o un pasador en espiral 543 (mostrado en la Fig. 5D), para conformar un dispositivo de bloqueo ajustable. En otras modalidades, el dispositivo de bloqueo puede ser no ajustable.

Más aún, los dispositivos de bloqueo de la presente descripción pueden insertarse en un agujero ciego conformado en un elemento de corte rotativo mientras que el elemento de corte rotativo se dispone dentro de un manguito, o los dispositivos de bloqueo pueden insertarse en un agujero ciego antes que el elemento de corte rotativo se disponga dentro de un manguito. Con referencia a la Fig. 5D, un elemento de corte rotativo 500 puede insertarse dentro de un manguito 530 de manera que al menos un agujero 524 se alinee con una abertura de manguito 535. Un dispositivo de bloqueo 540 puede insertarse después a través de la abertura de manguito 535 y en el agujero 524 dentro del elemento de corte rotativo 500. Además, en la Fig. 5D, el diámetro de la abertura de manguito 535 puede ser más grande que el diámetro del dispositivo de bloqueo de manera que el dispositivo de bloqueo 540 puede ajustarse a través de la abertura de manguito. Alternativamente, en modalidades que tienen un dispositivo de bloqueo de pasador en espiral, el pasador en espiral puede enrollarse fuertemente para ajustarse dentro del diámetro de la abertura de manguito, y una vez que el pasador en espiral se ajusta a través del diámetro de la abertura de manguito, el diámetro del pasador en espiral puede expandirse para ajustarse al diámetro del agujero en el elemento de corte rotativo y evitar que el pasador en espiral se salga de la abertura del manguito. Aunque la abertura de manguito en la Fig. 5D proporciona una manera de insertar un dispositivo de bloqueo dentro del elemento de corte rotativo después que el elemento de corte rotativo se ha dispuesto dentro del manguito, una abertura de manguito puede proporcionar además o alternativamente un punto de acceso para retirar un dispositivo de bloqueo sin retirar el elemento de corte rotativo. Por ejemplo, como se muestra en la Fig. 5C, un dispositivo de bloqueo que tiene un pasador 544 y un muelle 542 puede insertarse dentro de un agujero ciego 524 conformado en el elemento de corte rotativo 500, y el ensamble puede insertarse después dentro de un manguito 530. La abertura de manguito 535 puede proporcionar un punto de acceso para el dispositivo de bloqueo, en donde el pasador 544 puede presionarse mediante una herramienta insertada a través de la abertura de manguito 535, de manera que el elemento de corte rotativo 500 y el dispositivo de bloqueo pueden halarse hacia fuera del manguito 530 mientras el manguito se encuentra aún unido a la broca.

Como se muestra en las Figs. 5A y 5B, un dispositivo de bloqueo 540 puede insertarse primero en un agujero 524 dentro del elemento de corte rotativo 500. El elemento de corte rotativo 500 y el dispositivo de bloqueo 540 pueden insertarse después dentro del manguito 530 ya sea desde una región superior 538 del manguito o desde una región inferior 539 del manguito. Como se usa en la presente, una región superior y una región inferior de un manguito pueden referirse a posiciones relativas del manguito, en donde la región inferior se encuentra en una posición axial inferior que la región superior. Como se muestra en las Figs. 5A y 5B, el radio de una cara de corte 510 puede ser mayor que cada uno de los múltiples radios de la superficie interior del manguito 530, o al menos mayor que el primer diámetro en la posición axial superior. En tales modalidades, el elemento de corte rotativo 500 y el dispositivo de bloqueo 540 pueden insertarse dentro del manguito 530 desde la región superior 538 del manguito, en donde el dispositivo de bloqueo 540 puede ser ajustable para comprimirse a través de la superficie interior 531 del manguito 530. En las modalidades ilustradas en las Figs. 5C y 5D, el radio de la cara de corte 510 es además mayor que el primer diámetro en la posición axial superior, y de esta manera el elemento de corte rotativo 500 se inserta dentro del manguito 530 desde la región superior 538 del manguito, en donde el dispositivo de bloqueo 540 se inserta subsecuentemente a través de la abertura de manguito 535 para retener el elemento de corte rotativo 500 dentro del manguito 530.

Aunque las modalidades mostradas en las Figs. 5A-D muestran un agujero y el dispositivo de bloqueo correspondiente en un elemento de corte rotativo, más de un agujero puede conformarse en un elemento de corte rotativo y un dispositivo de bloqueo puede disponerse dentro de cada agujero. Por ejemplo, las Figs. 10A-B muestran vistas en sección transversal y las Figs. 10C-D muestran vistas en perspectiva de un elemento de corte rotativo 1000 que tiene más de un agujero 024 conformado en el mismo, en donde el elemento de corte rotativo se dispone dentro de un manguito 1030. Un dispositivo de bloqueo 1040 puede disponerse dentro de cada agujero 1024, en donde el dispositivo de bloqueo puede ser ajustable o no ajustable. Como se muestra en la Fig. 10A, cada dispositivo de bloqueo 1040 puede incluir un pasador 1044 y un muelle 1042. Como se muestra en la Fig. 10B, cada dispositivo de bloqueo 1040 puede incluir una bola 1045 y un muelle 1042. Sin embargo, otras modalidades pueden incluir dispositivos de bloqueo que tienen otras formas o tamaños, en donde el dispositivo de bloqueo puede sobresalir desde el elemento de corte rotativo para hacer contacto con la superficie interior de un manguito y retener el elemento de corte rotativo dentro del manguito.

Además, los dispositivos de bloqueo de la presente descripción pueden incluir muelles con valores variables de compresibilidad. Por ejemplo, un muelle que forma parte de un dispositivo de bloqueo puede tener una constante de elasticidad que varía desde 1 Ib/pulgada hasta 50 Ib/pulgada. En otras modalidades, un muelle en un dispositivo de bloqueo puede tener una constante de elasticidad que varía desde 3 Ib/pulgada hasta 20 Ib/pulgadas.

De acuerdo con otras modalidades de la presente descripción, la cara de corte de un elemento de corte rotativo puede tener un radio que puede ajustarse a través de los radíos de la superficie interior de un manguito. Por ejemplo, con referencia a las Figs. 6A y 6B, una cara de corte 610 de un elemento de corte rotativo 600 pueden tener un radío sustancialmente igual al radio más pequeño de una superficie interior de manguito 631 , de manera que el elemento de corte rotativo puede ajustarse a través del manguito 630. Como se usa en la presente, un radio sustancialmente igual incluye una separación suficiente para permitir que el elemento de corte rotativo 600 gire dentro del manguito 630, el cual puede variar, por ejemplo, desde aproximadamente 0.003 hasta 0.030 pulgadas. Un dispositivo de bloqueo, tal como un muelle 642 y un pasador 644 (mostrados en la Fig. 6A) o un pasador no ajustable 643 (mostrado en la Fíg. 6B) puede insertarse en un agujero 642 conformado en el cuerpo de un elemento de corte rotativo 600, en donde el dispositivo de bloqueo 640 sobresale desde el cuerpo del elemento de corte rotativo 600. El dispositivo de bloqueo y el elemento de corte rotativo 600 pueden insertarse después en el manguito 630 desde la región inferior 639 del manguito hacia la región superior 638 del manguito. Alternativamente, en algunas modalidades que tienen un dispositivo de bloqueo ajustable (tal como se muestra en la Fig. 6A), el dispositivo de bloqueo ajustable puede presionarse en el agujero conformado en el cuerpo del elemento de corte rotativo conforme el elemento de corte rotativo se inserte en el manguito desde la región superior del manguito hacia la región inferior. Como se muestra, la superficie interior 631 de los manguitos 630 en las Figs. 6A y 6B tienen múltiples radíos, que incluyen un radio interior P de un valor menor en una región superior 638 del manguito que un radio interior R2 en una región inferior 639 del manguito, en donde los radios de la superficie interior se miden desde el eje de rotación A del elemento de corte rotativo 600.

Al insertar el elemento de corte rotativo 600 y sobresalir el dispositivo de bloqueo en la región inferior 639 del manguito, el dispositivo de bloqueo 640 puede sobresalir del elemento de corte rotativo 600 una distancia para hacer contacto de manera rotativa con el radio interior R2 del manguito 630, y evitar que el elemento de corte rotativo 600 se deslice fuera de la región superior 638 del manguito. En particular, aunque el dispositivo de bloqueo puede sobresalir para hacer contacto con un radio interior mayor en la región inferior del manguito, el dispositivo de bloqueo puede ser demasiado grande para ajustarse a través de un radio interior menor en la región superior del manguito, reteniendo de esta manera el elemento de corte rotativo dentro del manguito. Se prevé además que cualquiera de los dispositivos de bloqueo de la presente descripción no necesitan ser tan grandes como para hacer contacto con el radio interior mayor, siempre que sean más grandes que el radio interior menor en la región superior del manguito.

Las Figs. 7A-C muestran una vista en perspectiva de las modalidades mostradas en las Figs. 6A y 6B. En particular, un elemento de corte rotativo 700 puede disponerse dentro de un manguito 730, en donde el radio de la cara de corte 710 del elemento de corte rotativo 700 es ligeramente menor que los radios de la superficie interior del manguito 730, de manera que el elemento de corte rotativo 700 puede ajustarse a través del manguito 730. Como se muestra, la superficie exterior 722 del elemento de corte rotativo 700 y la cara de corte 710 pueden intersecarse para conformar un borde de corte 718. En modalidades que tienen un elemento de corte rotativo 700 con un radio de cara de corte 710 que es menor que el radio de la superficie exterior 732 del manguito 730, el manguito 730 puede tener un bisel 733, el cual puede posicionarse en el lado superior de una aleta de manera que el borde de corte puede hacer contacto y cortar la superficie de la formación cuando se instale en una broca u otra herramienta de corte.

La cara de corte 710 puede conformarse de diamante u otro material ultraduro. Más aún, una vez que un elemento de corte rotativo 700 se dispone dentro de un manguito 730, una superficie de corte de diamante o de material ultraduro puede estar adyacente a una región superior del manguito, y un ensamble puede disponerse en una aleta de manera que la superficie de corte haga contacto y corte una superficie de trabajo. Por ejemplo, una cara de corte de diamante puede extenderse un grosor desde aproximadamente 0.06 pulgadas hasta aproximadamente 0.15 pulgadas para conformar una tabla de corte de diamantes. En otras modalidades, un elemento de corte rotativo puede tener una tabla de diamante u otro material ultraduro que tenga un grosor que varíe desde aproximadamente 0.05 hasta 0.15 pulgadas.

Como se describió anteriormente, los elementos de corte rotativos de la presente descripción pueden ensamblarse con dispositivos de bloqueo y el ensamble insertarse en un manguito, o los elementos de corte rotativos pueden insertarse en un manguito y el al menos un dispositivo de bloqueo añadirse después que se inserte el elemento de corte rotativo en el manguito. Más aún, un elemento de corte rotativo de la presente descripción puede insertarse en un manguito desde la región inferior del manguito o desde la región superior del manguito. Sin embargo, un elemento de corte rotativo puede disponerse dentro de un manguito mediante otros medios. Por ejemplo, de acuerdo con otras modalidades de la presente descripción, un elemento de corte rotativo puede insertarse en un manguito desde tanto la región inferior del manguito como desde la región superior de manguito. Con referencia a la Fig. 8A, un elemento de corte rotativo 800 puede enroscarse en una base rotativa 802 dispuesta dentro de un manguito 830. Como se muestra, la base rotativa 802 puede tener un diámetro que se ajusta dentro de un diámetro mayor 836 de la superficie interior de manguito 831 , pero que no se ajusta dentro de un diámetro menor 834 de la superficie interior de manguito 831. Así, la base rotativa 802 puede insertarse en el manguito 830 a través de la región inferior mayor 839 del manguito, y el elemento de corte rotativo 800 puede insertarse a través de la región superior 838 del manguito y enroscarse en la base rotativa 802. Un agujero 824 puede conformarse en la base rotativa 802 y alinearse con un agujero de acceso 835 conformado en el manguito 830 de manera que una herramienta de bloqueo (no mostrada) pueda insertarse a través del agujero de acceso 835 y en el agujero 824 de la base rotativa para sujetar la base rotativa 802 a medida que el elemento de corte rotativo 800 se enrosque en la base rotativa 802. Una vez que el elemento de corte rotativo 800 se enrosca en la base rotativa 802, la herramienta de bloqueo puede retirarse del agujero de acceso 835 y el agujero 824 de la base rotativa, y tanto el elemento de corte rotativo 800 como la base rotativa 802 pueden girar dentro del manguito 830. La base rotativa 802 puede unirse con el elemento de corte rotativo 800 por medios mecánicos (tal como una rosca) o soldadura fuerte o por medios para bloquear de manera segura las dos piezas juntas.

Con referencia ahora a la Fig. 8B, un elemento de corte rotativo 800 puede enroscarse a una base rotativa 802, en donde el elemento de corte rotativo 800 tiene una región deformable 803 y una región roscada 804. En particular, la base rotativa 802 puede ubicarse dentro de un manguito 830. El manguito 830 puede después soldarse o de cualquier otra manera fijarse al cuerpo de la broca. El elemento de corte rotativo 800 puede insertarse después en el manguito 830 al enroscar el elemento de corte rotativo 800 en la base rotativa 802 que tiene roscas correspondientes. La región roscada 804 del elemento de corte rotativo 800 puede enroscarse en la base rotativa 802 de manera que la región deformable 803 del elemento de corte rotativo 800 puede enroscarse después en la base rotativa 802. Las roscas en la base rotativa 802 pueden morder en la región deformable 803 y así evitar que el elemento de corte rotativo se salga del manguito 830. La región deformable 803 puede fabricarse de plástico, teflón, o goma, por ejemplo.

De acuerdo con algunas modalidades, un elemento de corte rotativo puede retenerse dentro de un manguito sin el uso de un dispositivo de bloqueo. Las modalidades ilustrativas de los elementos de corte que tienen un elemento de corte rotativo retenido en un manguito sin el uso de un dispositivo de bloqueo se muestran en las Figs. 9A-C, en donde un diámetro de un elemento de corte rotativo es mayor en una posición axialmente inferior que el diámetro en una posición axialmente superior. Como se muestra en las Figs. 9A-C, un elemento de corte puede tener un manguito 930 con un radio interior de un valor menor en una región superior 938 del manguito 930 que un radio interior R2 en una región inferior 939 del manguito 930. Un elemento de corte rotativo 900 que tiene un eje de rotación A que se extiende a través del mismo puede encontrarse al menos parcialmente dispuesto dentro del manguito 930. El elemento de corte rotativo 900 tiene una cara de corte de diamante 910 adyacente a la porción más alta del manguito 930, en donde al menos una porción del elemento de corte rotativo 900 tiene un radio exterior mayor que el radio interior de la región superior 938 del manguito, y en donde la porción del elemento de corte rotativo se encuentra en una posición longitudinal inferior que el radio interior R-,. Como se muestra en la Fig. 9A, la superficie interior 931 del manguito 930 puede tener un radio continuamente creciente que se extiende longitudinalmente desde la región superior 938 hacia la región inferior 939. Como se muestra en la Fig. 9B, la superficie interior 931 del manguito 930 puede tener un radio interior constante en una porción del manguito y en otra porción, el manguito 930 puede tener un radio continuamente creciente que se extiende en una posición axial inferior. En otras modalidades, el manguito 930 puede tener dos o más porciones que tienen radios interiores constantes. Por ejemplo, como se muestra en la Fig. 9C, un manguito 930 puede tener un primer radio interior constante Ri en una región superior 938, y un segundo radio interior constante R2en una región inferior 939, en donde el segundo radio interior constante R2 en la región inferior es mayor que el primer radio constante .

Los elementos de corte de la presente descripción pueden unirse a una broca de perforación al unir un manguito a la cavidad de cortador de una broca por métodos conocidos en la materia, tal como por soldadura fuerte. En particular, una broca de perforación tiene un cuerpo de broca, una pluralidad de aletas que se extienden desde el cuerpo de la broca, en donde cada aleta tiene una cara delantera, una cara trasera, y una cara superior, y una pluralidad de cavidades de cortador dispuestas en la pluralidad de aletas. Las cavidades del cortador pueden conformarse en la cara superior de una aleta, en la cara delantera, de manera que los elementos de corte pueden hacer contacto y cortar la superficie de trabajo una vez dispuestos en las cavidades del cortador. Un manguito de un elemento de corte de acuerdo con las modalidades descritas en la presente puede unirse a al menos una cavidad de cortador con o sin un elemento de corte rotativo dispuesto en el mismo. El manguito puede unirse a un cuerpo de broca usando un proceso de soldadura fuerte conocido en la materia. Alternativamente, en otras modalidades de la presente descripción, un manguito puede infiltrarse o fundirse directamente en el cuerpo de la broca durante un proceso de infiltración o de sinterización. El manguito puede tener un primer diámetro interior y un segundo diámetro interior, en donde el segundo diámetro interior es mayor que el primer diámetro interior.

Un elemento de corte rotativo (insertado dentro del manguito ya sea antes o después de la unión a una cavidad del cortador), que tiene un eje de rotación que se extiende a través del mismo, puede tener una cara de corte, un cuerpo que se extiende hacia abajo desde la cara de corte, una superficie exterior, y un borde de corte conformado en la intersección de la cara de corte y la superficie exterior. Al menos un agujero puede conformarse en el cuerpo del elemento de corte rotativo, que se extiende desde una superficie exterior del cuerpo hacia el eje de rotación, y un dispositivo de bloqueo puede disponerse en cada agujero. "El dispositivo de bloqueo puede sobresalir desde el agujero para hacer contacto con el segundo diámetro interior del manguito, reteniendo de esta manera el elemento de corte rotativo dentro del manguito. Alternativamente, las características de los elementos de corte rotativos descritos en la presente pueden usarse en un elemento de corte que se une mecánicamente al manguito, de manera que éste no gire dentro del manguito.

Un manguito de la presente descripción puede tener además un agujero de acceso, o una abertura, en donde un dispositivo de bloqueo puede insertarse en un agujero dentro de un elemento de corte rotativo a través de la abertura de manguito (tal como en modalidades donde el elemento de corte rotativo se inserta dentro del manguito después que el manguito se une a una cavidad del cortador), y/o en donde un dispositivo de bloqueo puede retirarse a través de la abertura (por ejemplo, para reemplazar el elemento de corte rotativo). En tales modalidades, el agujero de acceso, o abertura, puede posicionarse orientado a la cara superior de una aleta de manera que puede accederse al dispositivo de bloqueo sin retirar el manguito.

En algunas modalidades, un manguito que tiene una cara de corte puede montarse de manera rotativa a un miembro de soporte interior para conformar un elemento de corte del manguito rotativo. Por ejemplo, con referencia a la Fig. 11 , un elemento de corte del manguito rotativo 1150 se monta de manera rotativa a un miembro de soporte interior 1160. El miembro de soporte interior 1160 tiene un eje longitudinal L que se extiende a través del mismo y al menos un agujero 1 124 que se extiende desde una superficie exterior 1161 del miembro de soporte interior 1160 hacia el eje longitudinal L. El elemento de corte del manguito rotativo 1150 tiene una cara de corte 1 110 adyacente a la porción más alta del elemento de corte del manguito rotativo. La cara de corte puede incluir un material ultraduro, por ejemplo, una tabla de diamante. Como se muestra en la Fig. 11 , una ranura circunferencial 1155 se conforma dentro de una superficie interior 1131 del elemento de corte del manguito rotativo 1150. Un dispositivo de bloqueo 1140 se dispone en el agujero 1124 del miembro de soporte interior 1160, en donde el dispositivo de bloqueo 1140 sobresale desde el agujero 1124 para hacer contacto con la ranura circunferencial 1155, reteniendo de esta manera el elemento de corte del manguito rotativo 1150 al miembro de soporte interior 1160. Como se describió anteriormente, un dispositivo de bloqueo puede incluir un ensamble de muelle y bola, o un ensamble de muelle y pasador, por ejemplo. Más aún, las modalidades que tienen un elemento de corte del manguito rotativo pueden tener una porción del miembro de soporte interior expuesta a la cara de corte, o alternativamente, la cara de corte del elemento de corte del manguito rotativo puede cubrir el miembro de soporte interior.

Más aún, los elementos de corte rotativos pueden maquinarse a partir de una pieza, o pueden fabricarse a partir de más de una pieza. Por ejemplo, en modalidades que tienen una cara de corte de diamante, un elemento de corte rotativo puede conformarse a partir de un sustrato de carburo y una tabla de diamante conformada en o unida a una superficie superior del sustrato de carburo, tal como por medios conocidos en la materia. Alternativamente, los elementos de corte rotativos de la presente descripción pueden conformarse a partir de más de una pieza del mismo material.

Cada una de las modalidades descritas en la presente puede tener al menos un material ultraduro incluido en la misma. Tales materiales ultraduros pueden incluir una tabla de diamante policristalino convencional (una tabla de partículas de diamantes ¡nterconectadas que tienen espacios intersticiales entre los mismos en los cuales puede residir un componente de metal (tal como un catalizador de metal), una capa de diamante térmicamente estable (es decir, que tiene una estabilidad térmica mayor que la del diamante policristalino convencional, 750°C) conformada, por ejemplo, al retirar sustancialmente todo el metal de los espacios intersticiales entre las partículas de diamante ¡nterconectadas o de un compuesto de diamante/carburo de silicio, u otro material ultraduro tal como un nitruro de boro cúbico. Más aún, en modalidades particulares, el elemento de corte rotativo puede conformarse completamente de material(es) ultraduro(s), pero el elemento puede incluir una pluralidad de grados de diamante usados, por ejemplo, para conformar una estructura de gradiente (con una transición lisa o no lisa entre los grados). En una modalidad particular, un primer grado de diamante que tiene tamaños de partículas más pequeños y/o una densidad de diamante más alta puede usarse para conformar la porción superior del elemento de corte rotativo interior (que forma el borde de corte cuando se instala en una broca u otra herramienta), mientras un segundo grado de diamante que tiene tamaños de partícula más grandes y/o un contenido de metal más alto puede usarse para conformar la porción inferior, no cortante del elemento de corte. Más aún, se encuentra además dentro del alcance de la presente descripción que más de dos grados de diamante pueden usarse.

Como se conoce en la materia, un diamante térmicamente estable puede conformarse de varias maneras. Una capa de diamante policristalino típica incluye "cristales" de diamantes individuales que se interconectan. Los cristales de diamantes individuales conforman así una estructura de red cristalina. Un catalizador de metal, tal como cobalto, puede usarse para promover la recristalización de las partículas de diamante y la formación de la estructura de red cristalina. Así, las partículas de cobalto se encuentran típicamente dentro de los espacios intersticiales en la estructura de red cristalina de diamante. El cobalto tiene un coeficiente significativamente diferente de expansión térmica comparado con el del diamante. Por ello, tras el calentamiento de una tabla de diamante, el cobalto y la red cristalina de diamante se expandirán a diferentes velocidades, provocando grietas que se forman en la estructura de la red cristalina y que resultan en el deterioro de la tabla de diamante.

Para obviar este problema, los ácidos fuertes pueden usarse para "lixiviar" el cobalto a partir de una estructura de red cristalina de diamante policristalino (ya sea en un volumen delgado o una tableta entera) para al menos reducir el daño experimentado del calentamiento del compuesto diamante-cobalto a diferentes velocidades tras el calentamiento. Pueden encontrarse ejemplos de procesos de "lixiviación", por ejemplo, en las patentes de los Estados Unidos núm. 4,288,248 y núm. 4,104,344. Brevemente, un ácido fuerte, típicamente ácido fluorhídrico o combinaciones de varios ácidos fuertes pueden usarse para tratar la tabla de diamante, retirando al menos una porción del cocatalizador desde el compuesto de PDC. Los ácidos adecuados incluyen ácido nítrico, ácido fluorhídrico, ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido fosfórico, o ácido perclórico, o combinaciones de estos ácidos. Adicionalmente, los cáusticos, tales como el hidróxido de sodio y el hidróxido de potasio, se han usado para la industria del carburo para asimilar elementos metálicos desde compuestos de carburo. Adicionalmente, pueden usarse otros agentes de lixiviación ácidos y básicos como se desee. Los expertos en la materia apreciarán que la molaridad del agente de lixiviación puede ajustarse en dependencia del tiempo deseado para lixiviar, concerniente a los peligros, etc.

Al lixiviar el cobalto, puede conformarse el diamante policristalino térmicamente estable (TSP). En ciertas modalidades, sólo una porción seleccionada de un compuesto de diamante se lixivia, con el objetivo de ganar estabilidad térmica sin perder resistencia al impacto. Como se usa en la presente, el término TSP incluye ambos de los compuestos anteriores (es decir, lixiviado parcial y completamente). Los volúmenes intersticiales que permanecen después de la lixiviación pueden reducirse ya sea al favorecer la consolidación o al llenar el volumen con un material secundario, mediante procesos conocidos en la materia y descritos en la patente de los Estados Unidos núm. 5,127,923, la cual se incorpora en la presente como referencia en su totalidad.

Alternativamente, el TSP puede conformarse al conformar la capa de diamante en una prensa usando un aglutinante distinto de cobalto, uno tal como el silicio, el cual tiene un coeficiente de expansión térmica más similar al del diamante que el que tiene el cobalto. Durante el proceso de fabricación, una porción grande, de 80 a 100 por ciento en volumen, del silicio reacciona con la red cristalina de diamante para formar carburo de silicio el cual tiene además una expansión térmica similar a la del diamante. Tras el calentamiento, cualquier remanente de silicio, carburo de silicio, y la red cristalina de diamante se expandirá a velocidades más similares en comparación con las velocidades de expansión para el cobalto y el diamante, lo que resulta en una capa térmicamente más estable. Los cortadores de PDC que tienen una capa de corte de TSP tienen velocidades de desgaste relativamente bajas, incluso cuando las temperaturas del cortador alcanzan 1200°C. Sin embargo, un experto en la materia podría reconocer que una capa de diamante térmicamente estable puede formarse mediante otros métodos conocidos en la materia, que incluyen, por ejemplo, alterar las condiciones de procesamiento en la conformación de la capa de diamante.

El sustrato sobre el cual se dispone la cara de corte puede conformarse de una variedad de partículas duras o ultraduras. En una modalidad, el sustrato puede formarse de un material adecuado tal como carburo de tungsteno, carburo de tántalo, o carburo de titanio. Adicionalmente, varios metales aglutinantes pueden incluirse en el sustrato, tal como cobalto, níquel, hierro, aleaciones de metales, o mezclas de los mismos. En el sustrato, los granos de carburo de metal se soportan dentro del aglutinante metálico, tal como cobalto. Adicionalmente, el sustrato puede formarse de una estructura de compuesto de carburo de tungsteno sinterizado. Es bien conocido que pueden usarse varias composiciones de carburo de metal y aglutinantes, además del carburo de tungsteno y el cobalto. Así, las referencias al uso del carburo de tungsteno y el cobalto son para fines ilustrativos solamente, y no se pretende limitar el tipo de sustrato o aglutinante usado. En otra modalidad, el sustrato puede formarse además a partir de un material ultraduro de diamante tal como diamante policristalino y diamante térmicamente estable. Aunque las modalidades ilustradas muestran la cara de corte y el sustrato como dos piezas distintas, un experto en la materia debe apreciar que se encuentran dentro del alcance de la presente descripción que la cara de corte y el sustrato son composiciones integrales, idénticas. En tal modalidad, puede ser preferible tener un solo compuesto de diamante que forma la cara de corte y el sustrato o distintas capas.

El manguito exterior puede conformarse a partir de una variedad de materiales. En una modalidad, el manguito exterior puede formarse de un material adecuado tal como carburo de tungsteno, carburo de tántalo, o carburo de titanio. Adicionalmente, varios metales aglutinantes pueden incluirse en el elemento de apoyo exterior, tal como cobalto, níquel, hierro, aleaciones de metales, o mezclas de los mismos, de manera que los granos de carburo de metal se soportan dentro del aglutinante metálico. En una modalidad particular, el elemento de apoyo externo es un carburo de tungsteno cementado con un contenido de cobalto que varía desde 6 hasta 13 por ciento. Se encuentra además dentro del alcance de la presente descripción que el manguito exterior (que incluye un mecanismo de retención de respaldo) puede incluir también más materiales lúbricos para reducir el coeficiente de fricción. El manguito puede conformarse de tales materiales en su totalidad o tener unas porciones de los mismos (tal como la superficie interior de la región superior) que incluyen tales materiales lúbricos. Por ejemplo, el manguito puede incluir diamante, revestimientos similares al diamante, u otro lubricante de película sólida.

En otras modalidades, el manguito exterior puede conformarse de aceros aleados, aleaciones a base de níquel, y aleaciones a base de cobalto. Un experto en la materia reconocería además que los componentes de los elementos de corte pueden recubrirse con un material de revestimiento duro para una mayor protección contra la erosión. Tales revestimientos pueden aplicarse mediante varias técnicas conocidas en la materia tales como, por ejemplo, técnicas de arma de detonación (arma-d) y de pulverización y detonación.

Los elementos de corte de la presente descripción pueden incorporarse en varios tipos de herramientas de corte, incluyéndose por ejemplo, como cortadores en brocas de cortadores fijos o como insertos en brocas de conos giratorios. Las brocas que tienen los elementos de corte de la presente descripción pueden incluir un solo elemento de corte rotativo con los elementos de corte restantes que son elementos de corte convencionales, todos los elementos de corte que son rotativos, o cualquier combinación entre los elementos de corte rotativos y convencionales.

En algunas modalidades, la ubicación de los elementos de corte en la aleta de una broca de cortador fijo o de un cono de una broca de conos giratorios puede seleccionarse de manera que los elementos de corte rotativos se ubican en las áreas que experimentan el mayor desgaste. Por ejemplo, en una modalidad particular, los elementos de corte rotativos pueden ubicarse en el área de reborde o la punta de una broca de cortador fijo. Adicionalmente, un experto en la materia reconocería que no existe limitación en los tamaños de los elementos de corte de la presente descripción. Por ejemplo, en diversas modalidades, los elementos de corte pueden conformarse en tamaños, que incluyen, pero no se limitan a, 9 mm, 13 mm, 16 mm, y 19 mm.

Además, un experto en la materia apreciaría también que cualquiera de las modificaciones de diseño, como se describió anteriormente, que incluyen, por ejemplo, una inclinación lateral, una inclinación posterior, variaciones en la geometría, una alteración/grabado superficial, sellos, cojinetes, composiciones de materiales, etc., pueden incluirse en diversas combinaciones no limitadas a aquellas descritas anteriormente en los elementos de corte de la presente descripción. En una modalidad, un cortador puede tener una inclinación lateral que varía desde 0 hasta ± 45 grados. En otra modalidad, un cortador puede tener una inclinación posterior que varía aproximadamente desde 5 hasta 35 grados.

Un cortador puede posicionarse en una aleta con una inclinación posterior seleccionada para ayudar a retirar las cortaduras de perforación y a aumentar la velocidad de penetración. Un cortador dispuesta en una broca de perforación con una inclinación lateral puede forzarse hacia delante en una dirección radial y tangencial cuando la broca se hace girar. En algunas modalidades debido a que la dirección radial puede ayudar al movimiento del elemento de corte rotativo interior con relación al elemento de apoyo exterior, tal rotación puede permitir una mayor retirada de cortaduras de perforación y proporcionar una mejora en la velocidad de penetración. Un experto en la materia percibirá que cualquier combinación de inclinación posterior y de inclinación lateral puede usarse con los elementos de corte de la presente descripción para incrementar la capacidad de rotación y/o mejorar la eficiencia de perforación.

Cuando un elemento de corte entra en contacto con la formación, el movimiento de rotación del elemento de corte puede ser continuo o discontinuo. Por ejemplo, cuando el elemento de corte se monta con una inclinación lateral y/o una inclinación posterior determinada, la fuerza de corte puede apuntar generalmente en una dirección. Proporcionar una fuerza de corte direccional puede permitir que el elemento de corte tenga un movimiento de rotación continuo, mejorando aún más la eficiencia de perforación.

Sin embargo, de acuerdo con otras modalidades, uno o más de los elementos de corte rotativos descritos anteriormente pueden alterarse para fijarse mecánicamente al manguito, conformando así un cortador fijo. Por ejemplo, en modalidades modificadas para fijarse mecánicamente a un manguito, la superficie interior del manguito puede tener una geometría superficial configurada para corresponder con y retener el al menos un dispositivo de bloqueo dispuesto en el elemento de corte, de manera que el elemento de corte no es libre para girar alrededor de su eje.

Ventajosamente, las modalidades de la presente descripción pueden permitir que un elemento de corte rotativo se monte a una broca de perforación que tenga cavidades de cortador convencionales conformadas en la misma, así como también proporcionar procesos más convenientes de extracción y sustitución de los elementos de corte rotativos desgastados. Al usar dispositivos de bloqueo que tienen características ajustables, la presente descripción puede proporcionar además una manera de insertar elementos de corte rotativos en un manguito sin separar el manguito del cuerpo de una broca. Adicionalmente, la presente descripción también puede proporcionar ventajosamente una manera de incluir elementos de corte rotativos dentro de las cavidades de cortadores que tienen la misma geometría que las cavidades de cortadores convencionales.

Los elementos de corte rotativos pueden evitar las altas temperaturas generadas por los cortadores fijos típicos. Debido a que la superficie de corte de los elementos de corte de la materia anterior entra en contacto constantemente con la formación en un punto fijo, puede formarse rápidamente una parte plana de desgaste e inducir así calor de fricción. El calor puede acumularse y provocar un mal funcionamiento del elemento de corte debido al desajuste térmico entre el diamante y el catalizador, como se mencionó anteriormente. Las modalidades de acuerdo con la presente invención pueden evitar esta acumulación de calor conforme cambie el borde que entra en contacto con la formación. Las temperaturas más bajas en el borde de los elementos de corte pueden reducir el potencial de fractura, extendiendo de esta manera la vida funcional del elemento de corte. Al disminuir la carga térmica y mecánica experimentada por la superficie de corte del elemento de corte, la vida del elemento de corte puede incrementarse, permitiendo de esta manera una mayor eficiencia de perforación.

Más aún, la rotación de una porción rotativa del elemento de corte puede permitir que una superficie de corte la formación usando todo el borde exterior de la superficie de corte, en lugar de la misma sección del borde exterior, como se proporcionó por la materia anterior. Todo el borde del elemento de corte puede hacer contacto con la formación, generando mayor desgaste uniforme del elemento de corte, evitando de esta manera un área plana de desgaste local para la formación. Debido a que el desgaste del borde es más uniforme, el elemento de corte no puede desgastarse tan rápidamente, teniendo de esta manera una vida más larga de fondo de pozo, e incrementando así la eficiencia global de la operación de perforación.

Adicionalmente, debido a que el borde del elemento de corte que entra en contacto con la formación cambia a medida que la porción de corte rotativa del elemento de corte gira, el borde de corte puede mantenerse afilado. El borde de corte afilado puede aumentar la velocidad de penetración mientras se perfora la formación, aumentando de esta manera la eficiencia de la operación de perforación. Más aún, como la porción rotativa del elemento de corte gira, una fuerza hidráulica puede aplicarse a la superficie de corte para enfriar y limpiar la superficie del elemento de corte.

Aunque la invención se ha descrito con respecto a un número limitado de modalidades, los expertos en la materia, gozando del beneficio de esta invención, apreciarán que otras modalidades pueden idearse sin apartarse del alcance de la invención como se describe en la presente. En consecuencia, el alcance de la invención solamente debe limitarse por las reivindicaciones anexas.

Claims (26)

REIVINDICACIONES

1. Un elemento de corte, que comprende: un manguito, que comprende: un primer diámetro interior, y un segundo diámetro interior, en donde el segundo diámetro interior es mayor que el primer diámetro interior y se localiza en una posición axial menor que el primer diámetro interno; un elemento de corte rotativo que tiene un eje de rotación que se extiende a través del mismo, el elemento de corte rotativo dispuesto al menos parcialmente dentro del manguito, en donde el elemento de corte rotativo comprende: una cara de corte y un cuerpo que se extiende axialmente hacia abajo desde la cara de corte; al menos un agujero que se extiende desde una superficie exterior del cuerpo hacia el eje de rotación; y un dispositivo de bloqueo dispuesto en cada agujero; en donde el dispositivo de bloqueo sobresale del agujero para hacer contacto con el segundo diámetro interior del manguito, reteniendo de esta manera el elemento de corte rotativo dentro del manguito.

2. El elemento de corte de la reivindicación 1 , en donde el dispositivo de bloqueo comprende al menos un muelle y al menos una bola, en donde el al menos un muelle se dispone dentro del al menos un agujero y la al menos una bola entra en contacto con el segundo diámetro interior.

3. El elemento de corte de la reivindicación 1 , en donde el dispositivo de bloqueo comprende al menos un muelle y al menos un pasador, en donde el al menos un muelle se dispone dentro del al menos un agujero y el al menos un pasador entra en contacto con el segundo diámetro interior.

4. El elemento de corte de la reivindicación 1 , en donde el dispositivo de bloqueo comprende un pasador en espiral o un pasador sólido.

5. El elemento de corte de cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 4, en donde el al menos un agujero comprende al menos un agujero ciego.

6. El elemento de corte de cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 4, en donde el al menos un agujero comprende un agujero pasante que tiene dos aberturas.

7. El elemento de corte de la reivindicación 6, en donde un muelle se dispone en el agujero pasante y dos bolas se disponen en las dos aberturas de manera tal que las dos bolas entran en contacto con el segundo diámetro interior.

8. El elemento de corte de la reivindicación 6, en donde un muelle se dispone en el agujero pasante y dos pasadores se disponen en las dos aberturas de manera tal que las dos bolas entran en contacto con el segundo diámetro interior.

9. El elemento de corte de cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 8, en donde una porción del cuerpo tiene un radio menor que el radio de la cara de corte.

10. El elemento de corte de la reivindicación 9, en donde el radio de la cara de corte es igual al radio de una superficie exterior del manguito.

1 1. El elemento de corte de cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 10, en donde el manguito se une al cuerpo de una broca de perforación.

12. El elemento de corte de cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 11 , en donde el elemento de corte rotativo se conforma por más de una pieza.

13. Un método para conformar una broca, que comprende: proporcionar una broca de perforación que comprende: un cuerpo de broca; una pluralidad de aletas que se extienden desde el cuerpo de la broca; y una pluralidad de cavidades de cortador dispuestas en la pluralidad de aletas; unir un manguito con al menos una cavidad de corte, el manguito que comprende: un primer diámetro interior; y un segundo diámetro interior, en donde el segundo diámetro interior es mayor que el primer diámetro interior y se localiza en una posición axial menor que el primer diámetro interior; insertar un elemento de corte rotativo que tiene un eje de rotación que se extiende a través del mismo en el manguito, el elemento de corte rotativo que comprende: una cara de corte y un cuerpo que se extiende axialmente hacia abajo desde la cara de corte; al menos un agujero que se extiende desde una superficie exterior del cuerpo hacia el eje de rotación; y un dispositivo de bloqueo dispuesto en cada agujero; en donde el dispositivo de bloqueo sobresale del agujero para hacer contacto con el segundo diámetro interior del manguito, reteniendo de esta manera el elemento de corte rotativo dentro del manguito.

14. El método de la reivindicación 13, en donde el manguito se suelda en la al menos una cavidad del cortador.

15. El método de la reivindicación 13, en donde el manguito se infiltra en la al menos una cavidad del cortador.

16. El método de cualquiera de las reivindicaciones de la 13 a la 15, en donde el dispositivo de bloqueo comprende al menos un muelle y al menos una bola, en donde el al menos un muelle se dispone dentro del al menos un agujero y la al menos una bola entra en contacto con el segundo diámetro interior.

17. El método de cualquiera de las reivindicaciones de la 13 a la 15, en donde el dispositivo de bloqueo comprende al menos un muelle y al menos un pasador, en donde el al menos un muelle se dispone dentro del al menos un agujero y el al menos un pasador entra en contacto con el segundo diámetro interior.

18. Un elemento de corte, que comprende: un manguito que comprende un radio interior de un valor menor en una región superior del manguito que en una región inferior del manguito; un elemento de corte rotativo que tiene un eje de rotación que se extiende a través del mismo, el elemento de corte rotativo dispuesto al menos parcialmente dentro del manguito, en donde el elemento de corte rotativo comprende: una cara de corte adyacente a la porción superior del manguito; en donde al menos una porción del elemento de corte rotativo tiene un radio exterior mayor que el radio interior de la región superior del manguito, y en donde la porción del elemento de corte rotativo se encuentra en una posición longitudinal inferior que el radio interior.

19. El elemento de corte de la reivindicación 18, en donde el manguito tiene radios interiores continuamente crecientes desde la región superior del manguito hasta la región inferior del manguito.

20. El elemento de corte de la reivindicación 18, en donde al menos una porción del manguito tiene un valor interior de radio interior constante.

21. El elemento de corte de cualquiera de las reivindicaciones de la 18 a la 20, en donde el elemento de corte rotativo comprende más de una pieza.

22. El elemento de corte de cualquiera de las reivindicaciones de la 18 a la 20, en donde el elemento de corte rotativo se conforma a partir una sola pieza.

23. El elemento de corte de la reivindicación 18, en donde el elemento de corte rotativo comprende además una base rotativa que tiene el radio exterior mayor que el radio interior de la región superior del manguito.

24. Un elemento de corte, que comprende: un miembro de soporte interior que tiene un eje longitudinal que se extiende a través del mismo; al menos un agujero que se extiende desde una superficie exterior del miembro de soporte interior hacia el eje longitudinal; y un dispositivo de bloqueo dispuesto en cada agujero; un elemento de corte del manguito rotativo montado de manera rotativa en el miembro de soporte interior, el elemento de corte del manguito rotativo que comprende: una cara de corte adyacente a la porción más alta del elemento de corte del manguito rotativo; y una ranura circunferencial formada dentro de una superficie interior del elemento de corte del manguito rotativo; en donde el dispositivo de bloqueo sobresale desde el agujero para hacer contacto con la ranura circunferencial, reteniendo de esta manera el elemento de corte del manguito rotativo en el miembro de soporte interior.

25. El elemento de corte de la reivindicación 24, en donde el dispositivo de bloqueo comprende al menos un muelle y al menos una bola, en donde el al menos un muelle se dispone dentro del al menos un agujero y la al menos una bola entra en contacto con la ranura circunferencial.

26. El elemento de corte de la reivindicación 24, en donde el dispositivo de bloqueo comprende al menos un muelle y al menos un pasador, en donde el al menos un muelle se dispone dentro del al menos un agujero y el al menos un pasador entra en contacto con la ranura circunferencial.