BR102012001234A2 - ferramenta de perfuraÇço impregnada, broca de perfuraÇço, e, broca de perfuraÇço de nucleo impregnada - Google Patents
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Abstract
FERRAMENTA DE PERFURAÇçO IMPREGNADA, BROCA DE PEFURAÇçO, E, BROCA DE PERFURAÇçO DE NéCLEO IMPREGNADA. Ferramentas de perfuração impregnadas incluem estruturas alongadas que provêem melhores propriedades. As ferramentas de perfuração contêm uma seção de corte impregnada com diamante que contém estruturas alongadas feitas de carbono, vidro, cerâmica, e similar. As estruturas alongadas podem compreender tubos, fibras, ou hastes. Em uma ou mais implementações, as estruturas alongadas são de tamanho nano. As estruturas alongadas podem controlar a resistência à tração e/ou a taxa de erosão das ferramentas de perfuração para otimizar o desempenho de corte das ferramentas. Adicionalmente, aa estruturas alongadas podem também enfraquecer a seção de corte em uma ou mais implementações; assum, permitindo que aglutinantes de resistência mais alta sejam usados. Tais aglutinantes de módulo mais alto podem custar menos e permitir a adaptação da seção de corte para reter os diamantes pela extensão de tempo desejada, à medida que a seção de corte erode, as estruturas alongadas podem também aumentar o poder de lubrificação na face da seção de corte.
Description
“FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO IMPREGNADA, BROCA DE PERFURAÇÃO, E, BROCA DE PERFURAÇÃO DE NÚCLEO IMPREGNADA”
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
1. O Campo da Invenção
Este pedido se refere geralmente a ferramentas de perfuração e seus métodos de fabricação e uso. Em particular, este pedido se refere a ferramentas de perfuração impregnada com diamante que podem conter estruturas alongadas.
2. Discussão da técnica Relevante
Brocas de perfuração e outras ferramentas de perfuração da terra são frequentemente usadas para perfurar furos na rocha e outras formações duras para a exploração ou outras finalidades. Um tipo de broca de perfuração usada para tais operações é uma broca de perfuração impregnada. A parte dessas ferramentas que realiza a ação de perfuração (ou a seção de corte da ferramenta) é geralmente formada de uma matriz que contém um material particulado duro em pó, tal como carboneto de tungstênio. Este material é tipicamente infiltrante com um aglutinante, tal como liga de cobre. Finalmente, a seção de corte dessas ferramentas é tipicamente impregnada com um meio de corte abrasivo, tal como, por exemplo, diamantes naturais ou sintéticos.
Durante as operações de perfuração usando uma broca de perfuração impregnada, o meio de corte abrasivo é gradualmente exposto à medida que o material de matriz e suporte é desgastado. A exposição contínua de novo meio de corte abrasivo por desgaste da matriz de suporte que forma a seção de corte é um princípio funcional fundamental de ferramentas de perfuração impregnadas. Ferramentas de perfuração impregnadas podem continuar a cortar eficientemente até a seção de corte da ferramenta ser completamente consumida. Neste ponto, a ferramenta toma-se sem corte e deve ser substituída por outra. Em alguns casos, ferramentas de perfuração impregnadas podem ser caracteres e sua substituição pode ser demorada, cara, bem como perigosa. Por exemplo, a substituição de uma broca de perfuração requer a remoção (ou extração) da coluna de perfuração inteira a partir de um furo que 5 oi perfurado (o furo de sondagem). Cada seção da haste de perfuração deve ser seqüencialmente removida do furo de sondagem. Uma vez quando a broca de perfuração é substituída, a coluna de perfuração inteira deve ser montada seção por seção, e então inserida de volta dentro do furo de sondagem. Dependendo da profundidade do furo e das características dos materiais que 10 estão sendo perfurados, este processo pode precisar ser repetido múltiplas vezes para um único furo de sondagem. Assim, será apreciado que, quanto mais vezes uma broca de perfuração precisa ser substituída, tanto maior o tempo e o custo requeridos para realizar uma operação de perfuração.
Além disso, ferramentas de perfuração impregnadas 15 convencionais frequentemente têm várias características que podem se acrescentar à taxa de consumo da seção de corte, e, portanto, aumentam os custos de operação associados com aquelas ferramentas de perfuração. Primeiro, os materiais aglutinantes nas ferramentas podem ser relativamente macios em comparação com os meios de corte. Por conseguinte, a seção de 20 corte pode erodir e permitir que diamantes e outros meios de corte abrasivos se desprendam prematuramente. Segundo, a taxa de erosão da seção de corte pode ser aumentada por insuficiente lubrificação da, e em tomo da, face de corte da ferramenta, ou a interface entre a seção de corte da ferramenta e o material que está sendo cortado. Uma taxa de erosão elevada pode ser devida 25 pelo menos em parte às grandes quantidades de fricção e calor criados na superfície de perfuração a partir de pressão e velocidade de rotação associadas com as operações de perfuração. Terceiro, as ferramentas de perfuração impregnadas convencionais podem também ser demasiadamente resistentes a desgaste para expor e renovar as camadas da seção de corte. Por conseguinte, existem inúmeras desvantagens nas ferramentas de perfuração impregnadas convencionais que podem ser abordadas.
BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Uma ou mais implementações da presente invenção superam um ou mais dos problemas na técnica com ferramentas de perfuração impregnadas, sistemas, e métodos, que incluem estruturas alongadas que podem ser usadas para controlar as propriedades das ferramentas de perfuração. Por exemplo, de acordo com uma ou mais implementações, as ferramentas de perfuração contêm uma seção de corte impregnada incluindo estruturas alongadas (por exemplo, fibras, tubos, hastes). As estruturas alongadas podem ser usadas para controlar a resistência e/ou a taxa de erosão da matriz na seção de corte para otimizar o desempenho de corte das ferramentas.
Por exemplo, uma implementação de uma ferramenta de perfuração impregnada pode incluir uma seção de corte incluindo uma matriz de um material particulado duro e um aglutinante. A pluralidade de meios de corte a uma pluralidade de estruturas alongadas podem ser dispersadas dentro da matriz. A matriz pode ser adaptada para erodir e expor meios de corte durante a perfuração.
Adicionalmente, uma broca de perfuração de acordo com uma implementação da presente invenção pode incluir uma haste e uma seção de corte. A seção de corte pode incluir uma matriz de material particulado duro. Uma pluralidade de meios de corte e uma pluralidade de estruturas alongadas podem ser dispersadas dentro da matriz. A pluralidade de estruturas alongadas pode enfraquecer a seção de corte.
Em adição ao precedente, uma broca de perfuração de núcleo impregnada pode incluir uma haste e uma seção de corte anular. A seção de corte anular pode incluir uma base e uma face de corte oposta. A base da seção de corte pode ser presa à haste. A seção de corte anular pode incluir uma matriz de material particulado duro e um aglutinante. Uma pluralidade de meios de corte e uma pluralidade de estruturas alongadas podem ser dispersadas dentro da matriz da seção de corte entre a face de corte e a base. A matriz pode ser adaptada para erodir e expor médios de corte abrasivos e estruturas alongadas posicionadas entre a face de corte e a base durante a perfuração.
Características e vantagens adicionais de implementações de exemplo da invenção serão expostas na descrição que segue, e em parte serão óbvias a partir da descrição, ou podem ser aprendidas pela prática de tais implementações de exemplo. As características e vantagens de tais implementações podem ser realizadas e obtidas por meio dos instrumentos e combinações particularmente destacadas nas reivindicações anexas. Essas e outras características ficarão mais completamente aparentes da seguinte descrição e das reivindicações anexas, ou podem ser aprendidas pela prática de tais implementações de exemplo como expostas daqui em diante.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Para descrever a maneira na qual as vantagens e características acima mencionadas e outras vantagens e características da invenção podem ser obtidas, uma descrição mais particular da invenção brevemente descrita acima será proporcionada pela referência a modalidades especificas da mesma, que são ilustradas nos desenhos anexos. Deve ser notado que as figuras não são desenhadas em escala, e que os elementos de estrutura ou função similar são geralmente representados pelos mesmos números de referência para finalidades ilustrativas através das figuras. A compreensão de que esses desenhos representam somente modalidades típicas da invenção e não devem ser, portanto, considerados limitando seu escopo, a invenção será descria e explicada com especificidade adicional e detalhe através do uso dos desenhos anexos, nos quais: a figura 1 ilustra uma ferramenta de perfuração com uma seção de corte incluindo estruturas alongadas de acordo com uma ou mais implementações da presente invenção;
a figura 2 ilustra uma vista em seção transversal ampliada de um elemento de corte da ferramenta de perfuração da figura 1, tomada ao longo da linha 2-2 da figura 1;
as figuras 3A-3E ilustram vista de seção transversal de várias estruturas alongadas de acordo com uma ou mais implementações da presente invenção, e
a figura 4 ilustra um sistema de perfuração tendo uma ferramenta de perfuração com uma seção de corte incluindo estruturas alongadas de acordo com uma ou mais implementações da presente invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS
Uma ou mais implementações da presente invenção incluem ferramentas de perfuração impregnada, sistemas, e métodos, incluindo estruturas alongadas que podem ser usadas para controlar as propriedades das ferramentas de perfuração. Por exemplo, de acordo com uma ou mais implementações, as ferramentas de perfuração contêm uma seção de corte impregnada incluindo estruturas alongadas (por exemplo, fibras, tubos, barras). As estruturas alongadas podem ser usadas para controlar a resistência e/ou taxa de erosão da matriz na seção de corte para otimizar o desempenho de corte das ferramentas.
Mais particularmente, ferramentas de perfuração impregnadas de uma ou mais implementações podem conter uma matriz com um metal em pó ou um material particulado duro, tal como carboneto de tungstênio ou qualquer outro material abrasivo ou super-abrasivo. Este material pode ser infiltrante com um aglutinante, tal como uma liga de cobre. A seção de corte dessas ferramentas pode também ser impregnada com diamantes, ou alguma outra forma de meio de corte abrasivo, e misturados (e, em uma ou mais implementações, reforçados) com estruturas alongadas, como descrito em maior detalhe abaixo.
De acordo com uma ou mais implementações, as estruturas alongadas podem ser usadas para adaptar as propriedades da seção de corte de ferramentas de perfuração para aumentar o desempenho de perfuração das ferramentas. Por exemplo, as estruturas alongadas podem enrijecer ou enfraquecer a seção de corte. Além disso, as estruturas alongadas podem ser adaptadas para reter o meio de corte abrasivo na seção de corte por uma quantidade de tempo desejada, ou para ajudar a assegurar a erosão consistente. Assim, uma ou mais implementações da presente invenção podem permitir a adaptação de uma seção de corte para aumentar a vida útil, aumentar o desempenho, e/ou incluir propriedades desejáveis para uma formação particular a ser perfurada (por exemplo, formações duras, formações rompidas, formações macias).
Adicionalmente, calor criado por fricção é uma causa do desprendimento prematuro de meio de corte abrasivo a partir de uma ferramenta de perfuração impregnada. Calor criado por fricção pode também causar a falha prematura de uma ferramenta de perfuração impregnada inteira. Uma ou mais implementações da presente invenção podem ajudar a superar ou mitigar problemas relacionados com o calor e fricção. Por exemplo, à medida que a seção de corte erode, as estruturas alongadas podem aumentar o poder de lubrificação na face de broca da seção de corte, resfriando assim a face de broca e reduzindo a fricção e calor associado.
Em adição ao precedente, ferramentas de perfuração impregnadas que incluem estruturas alongadas de acordo com uma ou mais implementações podem permitir que aglutinantes de resistência mais alta sejam usados. Tais aglutinantes de resistência mais alta podem custar menos que os aglutinantes tradicionais. Além disso, aglutinantes de resistência mais alta podem aumentar a resistência à ruptura transversal, a resistência à tração, e/ou a dureza da seção de corte. Assim, estruturas alongadas podem permitir que as ferramentas de perfuração durem maior tempo e tomam-nas mais seguras e mais econômicas.
As ferramentas de perfuração descritas aqui podem se usadas para cortar pedra, formações minerais subterrâneas, cerâmicas, asfalto, concreto, e outros materiais duros. Essas ferramentas de perfuração podem incluir, por exemplo, brocas de perfuração, lâminas de diamante, juntas aparentes, detectores de fissura, escareadores, estabilizadores, e similares. Por exemplo, as ferramentas de perfuração podem ser de qualquer tipo de broca de perfuração de perfuração da terra (ou seja, broca de perfuração de amostragem de núcleo, broca de perfuração de arraste, broca de cone de roletes, navi-broca, broca de furo completo, serra de furo, abridor de furo, e outros. As figuras e correspondente texto incluído ilustram daqui em diante exemplos de ima broca de perfuração impregnada, de amostragem de núcleo, e métodos de formação e uso de uma tal broca de perfuração para facilidade de descrição. Será apreciado à luz da exposição dada aqui; todavia, que os sistemas, métodos, e aparelhos da presente invenção podem ser usados com outras ferramentas de perfuração, tais como aquelas mencionadas acima.
Com referência agora às figuras, a figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma broca de perfuração impregnada, de amostragem de núcleo, 20, incluindo estruturas alongadas de acordo com uma implementação da presente invenção. Como mostrado na figura 1, a broca de perfuração 20 pode conter uma primeira seção ou porção de haste 21 configurada para conectar a broca de perfuração 20 a um componente de uma coluna de perfuração (por exemplo, um alargador de acoplamento, uma barra de perfuração). A broca de perfuração 20 pode também incluir uma segunda seção, a seção de corte, ou coroa 22. A seção de corte 22 pode cortar material ou uma formação durante a perfuração. Como mostrado pela figura 1, em uma ou mais implementações, a broca de perfuração 20 pode ter um formato geralmente anular definido por uma superfície externa 24 e uma superfície interna 26. Assim, a broca de perfuração 20 pode definir um espaço interno em tomo de seu eixo central para receber uma amostra de núcleo. Por conseguinte, peças do material sendo perfurado podem passar através do espaço interno da broca de perfuração 20 e para cima através de uma coluna de perfuração afixada. A broca de perfuração 20 pode ser de qualquer tamanho, e portanto, pode ser usada para coletar amostras de núcleo de qualquer tamanho. Em uma ou mais implementações, a broca de perfuração 20 pode ter um diâmetro de cerca de 76,2 mm a cerca de 304,8 mm (3 polegadas a cerca de 12 polegadas). Em implementações alternativas, o diâmetro pode ser superior a 304,8 mm (12 polegadas) ou inferior a 76,2 mm (3 polegadas). Ao longo de linhas similares, em uma ou mais implementações, o corte da broca de perfuração 20 (isto é, o raio da superfície extema superfície externa 24 menos o raio da superfície interna 26) pode ser de cerca de 1A de uma polegada a cerca de 6 polegadas. Em implementações alternativas, o corte pode ser maior que 6 polegadas ou menor que 1A de uma polegada.
A porção de haste 21 pode incluir uma conexão rosqueada e/ou outras características para ajudar na afixação a um componente de coluna de perfuração. A título de exemplo e não de limitação, a porção de haste 21 pode ser formada de aço, ou de outra liga à base de aço, ou qualquer outro material que exibe propriedades físicas aceitáveis.
A seção de corte 22 da broca de perfuração de amostragem de núcleo 20 pode ser configurada para cortar ou perfurar os materiais desejados durante processos de perfuração. Em particular, a seção de corte 22 da broca de perfuração 20 pode incluir uma face de corte 28. A face de corte 28 pode incluir passagens de água ou espaços 30 que dividem a face de corte 28 em elementos de corte 32. As passagens de água 30 podem permitir que um fluido de perfuração ou outros lubrificantes escoem através da face de corte 28 para ajudar a prover o resfriamento durante a perfuração.
A construção da seção de corte de uma ferramenta de perfuração impregnada pode se relacionar diretamente ao seu desempenho. Como mencionado previamente, a seção de corte de uma ferramenta de perfuração impregnada contém tipicamente diamantes e/ou outros materiais duros distribuídos dentro de uma matriz de suporte apropriada. Compósitos de matriz-metal são comumente usados para o material de matriz de suporte. Materiais de matriz-metal usualmente incluem uma fase particulada dura com uma fase metálica dúctil. A fase dura consiste frequentemente de carboneto de tungstênio e outros elementos refratários ou compostos cerâmicos. Cobre ou outras ligas não-ferrosas são tipicamente usadas para a fase aglutinante metálica. Métodos metalúrgicos de pó comuns, tais como prensagem a quente, sinterização, e infiltração, são usados para formar os componentes do material de suporte em um compósito de matriz-metal.
Por exemplo, com referência agora à figura 2, uma vista de seção transversal alongada ampliada, a seção de corte 22 da broca de perfuração 20 é mostrada. Em uma ou mais implementações, a seção de corte 22 da broca de perfuração 20 pode ser feita de uma ou mais camadas. Por exemplo, a seção de corte 22 pode incluir duas camadas. Em particular, a seção de corte 22 pode incluir uma camada de matriz 31, que realiza o corte durante a perfuração, e uma camada de suporte ou base 33, que conecta a camada de matriz 31 à porção de haste porção de haste 21 da broca de perfuração 20.
A figura 2 ilustra ainda que a seção de corte ou coroa 22 da broca de perfuração 20 pode compreender uma matriz 36 de material particulado duro e um aglutinante. O material particulado duro pode compreender, por exemplo, um metal. Será apreciado à luz da exposição dada aqui, que o material particulado duro pode incluir um material em pó, tal como, por exemplo um metal ou liga em pó, bem como compostos cerâmicos. De acordo com algumas implementações da presente invenção, o material particulado duro pode incluir carboneto de tungstênio. Quando usado aqui, o termo “carboneto de tungstênio” significa qualquer composição de material 5 que contém compostos químicos de tungstênio e carbono, tais como, por exemplo, WC, W2C, e combinações de WC e W2C. Assim, carboneto de tungstênio inclui, por exemplo, carboneto de tungstênio fundido, carboneto de tungstênio sinterizado, e tungstênio macrocristalino. De acordo com implementações adicionais ou alternativas da presente invenção, o material 10 particulado duro pode incluir carboneto, tungstênio, ferro, cobalto, e/ou molibdênio e carbonetos, boretos, ligas dos mesmos, ou qualquer outro material apropriado.
Como mencionado previamente, a seção de corte ou coroa 22 pode também incluir uma pluralidade de meios de corte abrasivos 34 15 dispersados por toda a matriz 36. Os meios de corte abrasivos 34 podem incluir um ou mais dentre diamantes naturais, diamantes sintéticos, produtos de diamante policristalino (ou seja, TSD ou PCD), óxido de alumínio, carboneto de silício, nitreto de silício, carboneto de tungstênio, nitreto de boro cúbico, alumina de sol-gel cultivada ou não cultivada, ou outros materiais 20 apropriados.
Os meios de corte abrasivos 34 usados na broca de perfuração
22 podem ter qualquer característica ou combinação de características desejada. Por exemplo, os meios de corte abrasivos podem ser de qualquer tamanho, formato, grão, qualidade, granalha, concentração, etc. Em uma ou 25 mais implementações, os meios de corte abrasivos 34 podem ser muito pequenos e substancialmente redondos a fim de deixar um acabamento liso sobre o material sendo cortado pela broca de perfuração de amostragem de núcleo 20. Em implementações alternativas, os meios de corte abrasivos 34 podem ser grandes para cortar agressivamente o material sendo cortado. Os meios de corte abrasivos 34 podem ser dispersados homogeneamente ou heterogeneamente por toda a seção de corte 22. Também, os meios de corte abrasivos 34 podem ser alinhados de uma maneira particular de forma que as propriedades de perfuração dos meios de 5 corte abrasivos 34 são apresentadas em uma posição vantajosa com relação à seção de corte 22 da broca de perfuração 20. Similarmente, os meios de corte abrasivos 34 podem ser contidos na broca de perfuração 20 em uma variedade de densidades, quando desejado, para um uso particular. Por exemplo, meios de corte abrasivos grandes mais afastados podem cortar material mais 10 rapidamente que meios de corte abrasivos pequenos empacotados estreitamente juntos. Todavia, o tamanho, densidade, e formato dos meios de corte abrasivos 34 podem ser providos em uma variedade de combinações, dependendo do custo e desempenho desejados da broca de perfuração 20.
Em adição aos meios de corte abrasivos 34, a seção de corte 22 15 pode incluir uma pluralidade de estruturas alongadas 38 dispersadas por toda a matriz 36. A adição de estruturas alongadas 38 pode ser usada para adaptar as propriedades da seção de corte 22 da broca de perfuração 20. Por exemplo, estruturas alongadas 38 podem ser acrescentadas ao material de matriz 36 para interromper a propagação de fissuras, e, assim, aumentar a resistência à 20 tração e diminuir a taxa de erosão da matriz 36. Adicionalmente, a adição de estruturas alongadas 38 pode também enfraquecer a estrutura da seção de corte 22 por pelo menos impedir parcialmente a ligação e consolidação de alguns dos meios de corte abrasivos 34 e material particulado duro da matriz 36.
Como mostrado na figura 2, tanto as estruturas alongada 38
quanto os meios de corte abrasivos 34 podem ser dispersados dentro da matriz 36 entre a dita face de corte 28 e a dita base 33. Como uma ferramenta de perfuração impregnada, a matriz 36 pode ser configurada para erodir e expor os meios de corte abrasivos 34 e estruturas alongadas 38 inicialmente posicionadas entre a face de corte 28 e a base 33 durante a perfuração. A exposição continuada de novos meios de corte abrasivos 34 pode ajudar a manter a face de corte afiada 28.
A exposição de novas estruturas alongadas 38 pode ajudar a reduzir o aquecimento de fricção da ferramenta de perfuração. Por exemplo, uma vez quando as estruturas alongadas 38 são liberadas da matriz de perfuração 36, elas podem prover efeitos de resfriamento para a face de corte 28 para reduzir a fricção e o calor associado. Assim, as estruturas alongadas 38 podem permitir a adaptação da seção de corte 22 para reduzir a fricção e aumentar a lubrificação na interface entre a porção de corte a superfície sendo cortada, permitindo perfuração mais fácil. Esta lubrificação aumentada pode também reduzir a quantidade de aditivos de fluido de perfuração (tais como lamas de perfuração, polímeros, bentonitas, etc.), que são necessários, reduzindo o custo bem como o impacto ambiental que pode ser associado aos mesmos usando as ferramentas de perfuração.
As estruturas alongadas 38 podem ser formadas de carbono, metal (por exemplo, tungstênio, carboneto de tungstênio, ferro, molibdênio, cobalto, ou combinações dos mesmos), vidro, material polimérico (por exemplo, Kevlar), materiais cerâmicos (por exemplo, carboneto de silício), fibras revestidas, e/ou similares. Além disso, as estruturas alongadas 38 podem opcionalmente ser revestidas com um ou mais material(is) adicional(is) antes de serem incluídas na ferramenta de perfuração. Tais revestimentos podem ser usados para qualquer finalidade de melhoria de desempenho. Por exemplo, um revestimento pode ser usado para ajudar a reter as estruturas alongadas 38 na ferramenta de perfuração. Em outro exemplo, um revestimento pode ser usado para aumentar o poder de lubrificação próxima à face de perfuração de uma ferramenta de perfuração, pois o revestimento erode e forma um material particulado fino que atua para reduzir a fricção. Em ainda outro exemplo, um revestimento pode atuar como um material abrasivo e ser usado assim para ajudar no processo de perfuração.
Qualquer material conhecido pode ser usado para revestir as estruturas alongadas 38. Por exemplo, qualquer desejado metal, cerâmica, polímero, vidro, goma, agente de umidificação, fimdente, ou outra substância, 5 poderia ser usado para revestir as estruturas alongadas 38. Em um exemplo, estruturas alongadas de carbono 38 são revestidas com um metal, tal como ferro, titânio, níquel, cobre, molibdênio, chumbo, tungstênio, alumínio, cromo, ou combinações dos mesmos. Em outro exemplo, estruturas alongadas de carbono 38 podem ser revestidas com um material cerâmico, tal como SiC, 10 SiO, Si02, ou similar.
Onde as estruturas alongadas 38 são revestidas com um ou mais revestimentos, o material de revestimento pode cobrir qualquer porção das estruturas alongadas 38 e pode ser de qualquer espessura desejada. Por conseguinte, um material de revestimento pode ser aplicado às estruturas 15 alongadas 38 de qualquer maneira conhecida na arte. Por exemplo, o revestimento pode ser aplicado às estruturas alongadas 38 através de pulverização, escovação, eletrochapeamento, imersão, deposição de vapor física, ou deposição de vapor química.
Adicionalmente, as estruturas alongadas 38 podem também ser 20 de combinação ou tipo variável. Exemplos dos tipos de estruturas alongadas 38 incluem estruturas picadas, moídas, entrançadas, tecidas, enroladas, ou estopas. Em uma ou mais implementações da presente invenção, tal como quando a ferramenta de perfuração compreende uma broca de perfuração de amostragem de núcleo 20, as estruturas alongadas 38 podem conter uma 25 mistura de fibras trituradas e fresadas. Em implementações alternativas, a ferramenta de perfuração pode conter um tipo de estruturas alongadas 38. Em ainda implementações adicionais, todavia, a ferramenta de perfuração pode conter tipos múltiplos de estruturas alongadas 38. Em t ais casos, onde uma ferramenta de perfuração contém mais que um tipo de estruturas alongadas 38, qualquer combinação de tipo, qualidade, tamanho, formato, grau, revestimento, e/ou característica de estruturas alongadas 38 podem ser usados.
As estruturas alongadas 38 podem ser encontradas em qualquer concentração desejada na ferramenta de perfuração. Por exemplo, a seção de corte 22 de uma broca de perfuração 20 pode ter uma concentração muito alta de estruturas alongadas 38, uma concentração muito baixa de fibras, ou qualquer concentração no ínterim. Em uma ou mais implementações, a ferramenta de perfuração pode conter estruturas alongadas 38 variando de cerca de 0,1 a cerca de 70% em volume. Além disto, uma primeira porção da ferramenta de perfuração pode ter uma primeira concentração de um tipo particular de estruturas alongadas 38 e outra porção pode ter uma concentração diferente (ou mais baixa ou mais alta) do mesmo ou de outro tipo da estrutura alongada 38.
Em uma ou mais implementações, as estruturas alongadas 38 podem ser homogeneamente dispersadas por toda a seção de corte 22 de uma broca de perfuração 20. Em outras implementações, todavia, a concentração de estruturas alongadas 38 pode variar por toda a seção de corte 22 de uma broca de perfuração 20, quando desejado. Na verdade, qualquer variação desejada da concentração das estruturas alongadas 38 pode ser implementada em uma broca de perfuração 20. Por exemplo, onde a ferramenta de perfuração compreende uma broca de perfuração de amostragem de núcleo 20, ela pode conter um gradiente de fibras. Neste exemplo, a porção da camada de matriz que é mais próxima à face de corte 28 da broca de perfuração 20 pode conter uma primeira concentração de estruturas alongadas 38 e a concentração de estruturas alongadas 38 pode diminuir ou aumentar gradualmente na direção da porção de haste 21. Uma tal broca de perfuração pode ser usada para perfurar uma formação que começa com uma formação macia, abrasiva, não consolidada, que gradualmente se modifica para uma formação consolidada. Assim, a dispersão da estruturas alongadas 38 na broca de perfuração pode ser customizada para a formação de terra desejada através da qual ela irá perfurar.
A concentração das estruturas alongadas 38 pode também variar de qualquer maneira desejada na ferramenta de perfuração. Em outras palavras, uma ferramenta de perfuração pode compreender seções, tiras, pontos, anéis, ou qualquer outra formação que contem uma concentração diferente ou mistura de estruturas alongadas 38 que outras partes da ferramenta de perfuração. Por exemplo a seção de corte 22 pode compreender múltiplas camadas, anéis, ou segmentos de camada de matriz contendo estruturas alongadas 38. Cada anel, camada, ou segmento da broca de perfuração pode ter uma concentração aproximadamente homogênea (ou heterogênea) de estruturas alongadas 38 por todo o anel inteiro, camada ou segmento. Ainda a concentração de estruturas alongadas 38 pode variar de anel para anel (ou de segmento para segmento, etc.). Adicionalmente, os vários anéis de diferentes gradientes de estruturas alongadas 38 podem ser arranjados em qualquer ordem, podem conter diferentes estruturas alongadas 38 ou combinações de estruturas alongadas 38, e podem ser de qualquer espessura desejada. Em outra implementação, as superfícies externa e interna de uma broca de perfuração poderia ser provida com uma diferente concentração de estruturas alongadas 38 que as partes internas da broca de perfuração.
As estruturas alongadas 38 podem ser posicionadas na seção de corte 22 de uma ferramenta de perfuração em qualquer orientação ou alinhamento desejado. Em uma ou mais implementações, as estruturas alongadas 38 podem correr aproximadamente paralelas entre si em qualquer direção desejada. A figura 2 ilustra que, em outras implementações, as estruturas alongadas 38 podem ser aleatoriamente configuradas e podem assim ser orientadas em praticamente qualquer ou múltiplas direções uma em relação à outra. As estruturas alongadas 38 podem compreender fibras, tubos, barras ou outras estruturas. Por exemplo, as figuras 3A-3E ilustram vistas de seção transversal de vários tipos diferentes de estruturas alongadas 38 de uma ou mais implementações da presente invenção. Como ilustrado pelas figuras 5 3A e 3E, em uma ou mais implementações, as estruturas alongadas 38a, 38e podem compreender tubos ou outras estruturas ocas. Tais tubos 38a, 38e podem incluir qualquer formato e configuração. Por exemplo, a figura 3A ilustra um tubo 38a com seção transversal circular. A figura 3E ilustra um tubo 38a com uma seção transversal quadrada. Em outras implementações, os 10 tubos podem compreender formatos retangular, elíptico, hexagonal ou outros formatos.
Em implementações alternativas, como mostrado pelas Figuras 3B-3D, as estruturas alongadas podem compreender fibras e hastes. Em particular, as estruturas alongadas 38 podem compreender fibras circulares 15 38b, fibras elípticas 38c, fibras hexagonais 38d, ou retangulares, ou fibras com outros formatos. Assim, as estruturas alongadas 38 podem ser de qualquer formato ou combinação de formatos. As estruturas alongadas 38 podem ser tipo fita, cilíndricas, poligonais, elípticas, retas, curvas, enroladas, em espiral, dobradas em ângulos, etc. Por exemplo, a Figura 2 ilustra que, em 20 algumas modalidades, a maioria das estruturas alongadas 38 pode ser curva. Em outras modalidades, tais como quando a ferramenta de perfuração compreende uma broca de perfuração de amostragem de núcleo, as estruturas alongadas 38 têm um formato substancialmente cilíndrico.
As estruturas alongadas 38 na seção de corte 22 de uma 25 ferramenta de perfuração, tal como broca de perfuração de amostragem de núcleo 20, podem ser de qualquer tamanho ou combinação de tamanhos, incluindo misturas de diferentes tamanhos. Por exemplo, as estruturas alongadas 38 podem ser de qualquer comprimento e podem ter qualquer diâmetro desejado. Em algumas modalidades, as estruturas alongadas 38 podem ser de dimensão nano. Em outras palavras, um diâmetro 40 das estruturas alongadas 38 pode ser entre cerca de 1 nanômetro e cerca de 100 nanômetros. Em modalidades alternativas, as estruturas alongadas 38 podem ser de dimensão micro. Em outras palavras, o diâmetro 40 das estruturas 5 alongadas 38 pode ser entre cerca de 1 micrômetro e cerca de 100 micrômetros. Em ainda implementações adicionais, o diâmetro 40 das estruturas alongadas 38 pode ser entre cerca de inferior a cerca de 1 nanômetro ou superior a cerca de 100 micrômetros.
Adicionalmente, as estruturas alongadas 38 podem ter um 10 comprimento entre cerca de 1 nanômetro e cerca de 25 milímetros. Em qualquer caso, as estruturas alongadas 38 podem ter uma relação entre comprimento e diâmetro entre cerca de 2 a 1 e cerca de 500.000 para I. Mais particularmente, as estruturas alongadas 38 podem ter uma relação entre comprimento e diâmetro entre cerca de 10 a 1 e cerca de 50 a 1.
Como mencionado previamente, a matriz superfície interna 26
pode compreender uma fase particulada dura com uma fase metálica dúctil (isto é, aglutinante). Em particular, os meios de corte abrasivos 34 , as estruturas alongadas 38, e o material particulado duro podem ser infiltrantes com um aglutinante ou como mencionado previamente. O aglutinante pode 20 compreender cobre, zinco, prata, molibdênio, níquel, cobalto, estanho, ferro, alumínio, silício, manganês, ou misturas e ligas dos mesmos. Adicionalmente, o infiltrante à base de cobre pode incluir menor quantidade de várias impurezas ou elementos de sucata, pelo menos alguns dos quais pode necessariamente estar presentes devidos a processos de fabricação e 25 manipulação. Tais impurezas podem incluir, por exemplo, alumínio, chumbo, níquel, estanho, silício, e fósforo. O aglutinante pode ligar os meios de corte abrasivos 34, estruturas alongadas 38, e material particulado duro, juntamente, para formar uma seção de corte 22.
De acordo com uma ou mais implementações da presente invenção, o material aglutinante pode incluir um infiltrante à base de cobre. Por exemplo, a % em peso de cobre no infiltrante à base de cobre pode ser aumentada para aumentar ainda mais as capacidades de refrigeração da ferramenta de perfuração final à medida em que ela erode durante a perfuração. Assim, de acordo com algumas implementações da presente invenção, o infiltrante à base de cobre pode incluir entre cerca de 85 % em peso de cobre e cerca de 98,5 % em peso de cobre. De acordo com algumas implementações da presente invenção, o infiltrante à base de cobre pode incluir entre cerca de 90 % em peso e cerca de 95 % em peso de cobre.
Adicionalmente ou alternativamente, para aumentar a % em peso de cobre para aumentar as capacidades de resfriamento da ferramenta de perfuração final, o infiltrante à base de cobre da presente invenção pode incluir outros matéria termicamente condutores, tais como, por exemplo, prata, ouro ou gálio (ou misturas dos mesmos). Por exemplo, de acordo com algumas implementações da presente invenção, o infiltrante à base de cobre pode incluir entre cerca de 0,5 a cerca de 15 % em peso de prata, ouro, ou gálio. Será apreciado que a inclusão de prata, ouro, ou gálio pode elevar significantemente o custo do infiltrante à base de cobre.
O infiltrante à base de cobre da presente invenção pode ser adaptado para prover às ferramentas de perfuração da presente invenção com várias características diferentes que podem aumentar a vida útil e/ou a eficiência de perfuração das ferramentas de perfuração. Por exemplo, a composição do infiltrante à base de cobre pode ser controlada para variar a resistência à tração e a taxa de erosão da ferramenta de perfuração. Será apreciado que por meio da modificação da composição do infiltrante à base de cobre, a resistência à tração e a taxa de erosão podem ser adaptados para a quantidade necessária para o uso final particular da ferramenta de perfuração. Esta resistência à tração aumentada pode também aumentar a vida de uma ferramenta de perfuração, permitindo que a porção de corte da ferramentas se desgaste a um ritmo desejado e melhore a taxa na qual a ferramenta corta. Por exemplo, uma % em peso do ferro e/ou zinco no aglutinante pode ser aumentada para aumentar a resistência da ferramenta de perfuração final.
Adicionalmente, a composição do infiltrante à base de cobre pode ser alterada para enrijecer a porção de corte de uma ferramenta de perfuração. Por exemplo, a percentagem em peso de manganês e cobre pode ser aumentada, e outros materiais com propriedades mecânicas mais altas podem ser usados para formar a porção de corte das ferramentas de perfuração da presente invenção, assim, a porção de corte das ferramentas de perfuração da presente invenção pode ser adaptada para reter os diamantes na porção de corte pela desejada extensão de tempo.
De acordo com algumas implementações da presente invenção, quando a composição do infiltrante à base de cobre é adaptada para diminuir sua resistência, a quantidade de estruturas alongadas 38 pode ser ajustada para assegurar que a seção de corte eroda a uma taxa apropriada e consistente. Em outras palavras, a porção de corte pode ser configurada para assegurar que ela eroda e exponha novos meios de corte abrasivos durante o processo de perfuração. Por exemplo, os inventores da presente invenção descobriram que o uso de nanotubos como estruturas alongadas permitem a melhor infiltração. Isto por sua vez permite o uso de aglutinantes mais fortes que podem aumentar ainda mais a vida de uma ferramenta de perfuração impregnada.
Desta maneira, a seção de corte 22 da ferramenta de perfuração 20 pode ser projetada de forma customizada para possuir características ópticas para perfurar materiais específicos. Por exemplo, uma matriz dura, resistente à abrasão, pode ser feita para perfurar formações macias, abrasivas, não consolidadas, enquanto uma matriz dúctil macia pode ser feita para perfurar uma formação dura, não-abrasiva, consolidada. Assim, a dureza da matriz de broca pode ser conjugada com formações particulares, permitindo que a seção de corte 22 eroda a uma desejada taxa controlada. Fibras maiores podem impedir a infiltração. Por exemplo, em certas condições, aproximadamente 9% de adição em peso de fibras de carbono pode impedir a infiltração até um grau que não permite que as brocas de perfuração impregnadas sejam feitas. Os inventores da presente invenção descobriram que nanotubos de carbono não exibem a mesma limitação. Em particular, o tamanho/escala de nanotubos não altera o tamanho de na matriz, assim, permitindo a infiltração do aglutinante em mais altas percentagem em peso.
Além disso, a capacidade de nanotubos controlar a erosão de matriz pode ser três ou mais vezes maior que fibras maiores. Assim, uma menor percentagem de nanotubos pode obter os mesmos benefícios que uma percentagem mais alta de fibras. Por exemplo, de acordo com uma ou mais implementações, adição de 1% em peso de nanotubos a uma matriz pode prover os mesmos benefícios que a adição de 3% em peso de fibras.
Em adição ao precedente, a mistura de fibras com ou dentro de uma matriz pode ser uma forte função da rigidez e comprimento das fibras. Muitas fibras comercialmente disponíveis tem uma ampla faixa de comprimentos. Tais fibras podem não se misturarem bem, ou podem requerer processos de mistura especiais. Nanotubos, por outro lado, causam quaisquer dificuldades na mistura devido à sua menor escala. Assim, os nanotubos podem prover resultados inesperados sobre alguns outros tipos de estruturas alongadas, tais como fibras de tamanho micro.
Em qualquer caso, implementações da presente invenção permitem seções de corte melhoradas de ferramentas de corte impregnadas. Será apreciado à luz da exposição dada aqui que as quantidades dos vários componentes de uma seção de corte de uma ferramenta de perfuração impregnada podem variar na dependência das propriedades desejadas. Em uma ou mais implementações, o material particulado duro pode compreender entre cerca de 25% e cerca de 85% em peso da seção de corte. Mais particularmente, o material particulado duro pode compreender entre cerca de 25% e cerca de 60% em peso da seção de corte. Por exemplo, uma seção de corte de uma ou mais implementações da presente invenção pode incluir entre 5 cerca de 25% e 60% em peso de tungstênio, entre cerca de 9% e cerca de 4% em peso de carboneto de silício, e entre cerca de 0% e cerca de 4% em peso de carboneto de tungstênio.
As estruturas alongadas podem compreender entre cerca de
0,1% e 25% em peso da seção de corte. Mais particularmente, as estruturas alongadas podem compreender entre cerca de 1% e cerca de 15% em peso da seção de corte. Por exemplo, uma seção de corte de uma ou mais implementações da presente invenção podem incluir entre cerca de 3% e cerca de 6% em peso de nanotubos de carbono.
Os meios de corte podem compreender entre cerca de 3% e 15 cerca de 25% em peso da seção de corte. Mais particularmente, os meios de corte podem compreender entre cerca de 5% e 15% em peso da seção de corte. Por exemplo, a seção de corte de uma ou mais implementações da presente invenção podem incluir entre cerca de 5% e cerca de 12,5% em peso de cristais de diamante.
O aglutinante pode compreender entre cerca de 15% e cerca de
55% em peso da seção de corte. Mais particularmente, o aglutinante pode compreender entre cerca de broca de perfuração 20% e cerca de 45% em peso da seção de corte. Por exemplo, uma seção de corte de uma ou mais implementações da presente invenção podem incluir entre cerca de broca de 25 perfuração 20% e cerca de 45% em peso de cobre, entre cerca de 0% e cerca de 5% em peso de níquel, entre cerca de 0% e cerca de broca de perfuração 20% em peso de prata, entre cerca de 0% e cerca de 0,2% em peso de silício, e entre cerca de 0% e cerca de porção de haste 21% em peso de zinco.
Será apreciado que as ferramentas de perfuração com estruturas alongadas de acordo com implementações da presente invenção podem ser usadas com quase qualquer tipo de sistema de perfuração para realizar várias operações de perfuração. Por ex,e a figura 3, e o texto correspondente, ilustram ou descreve um de tal sistema de perfuração com o qual ferramentas de perfuração da presente invenção podem ser usadas. Será apreciado, todavia, que o sistema de perfuração mostrado e descrito na figura
4 é apenas um exemplo de um sistema com o qual ferramentas de perfuração da presente invenção podem ser usadas.
Por exemplo, a figura 4 ilustra um sistema de perfuração 100 que inclui um cabeçote de perfuração 110. O cabeçote de perfuração 110 pode ser acoplado a um mastro 120 que por sua vez é acoplado a uma sonda de prospecção 130. O cabeçote de perfuração 110 pode ser configurado para ter um ou mais elementos rosqueados tubulares 140 acoplados ao mesmo. Os elementos tubulares podem incluir, sem limitação, hastes de perfuração, revestimentos, e martelos de furo abaixo. Para facilidade de referência, os elementos tubulares 140 serão descritos daqui em diante como componentes de coluna de perfuração. O componente de coluna de perfuração 140 pode por sua vez ser acoplado a componentes de coluna de perfuração adicionais 140 para formar uma coluna de perfuração ou coluna de ferramenta 150. Por sua vez, a coluna de perfuração 150 pode ser acoplada à coluna de perfuração 160, tal como uma broca de perfuração rotativa, impregnada, broca de perfuração de amostragem de núcleo, ou broca percussora, configurada para formar uma interface com o material 170, ou formação, a ser perfurado. De acordo com algumas implementações da presente invenção, a ferramenta de perfuração 160 pode incluir uma broca de perfuração de amostragem de núcleo 20, tal como aquela representada e descrita em relação às figuras 1 e 2.
Em pelo menos um exemplo, o cabeçote de perfuração 110 ilustrado na figura 1 é configurado para girar a coluna de perfuração 150 durante um processo de perfuração. Em particular, o cabeçote de perfuração 110 pode variar a velocidade na qual o cabeçote de perfuração 110 gira. Por exemplo, a taxa de rotação do cabeçote de perfuração e/ou o torque do cabeçote de perfuração 110 transmitido para a coluna de perfuração 150 podem ser selecionados, quando desejado, de acordo com o processo de perfuração.
Além disso, a máquina de perfuração pode ser configurada para aplicar uma força descendente geralmente longitudinal para a coluna de perfuração 150 para impulsionar a broca de perfuração 160 para dentro da formação 170 durante uma operação de perfuração. Por exemplo, o sistema de perfuração 100 pode incluir um conjunto de acionamento por corrente que é configurado para mover o conjunto de trenó em relação ao mastro 120 para aplicar a força geralmente longitudinal à broca de perfuração 160, como descrito acima.
Quando usado aqui, o termo “longitudinal” significa ao longo do comprimento da coluna de perfuração 150. Adicionalmente, quando usado aqui, os termos “superior” e “acima” e “inferior” e “abaixo” se referem a posições longitudinais sobre a coluna de perfuração 150. Os termos “superior” e “acima” se referem a posições mais próximas ao cabeçote de perfuração 110 e “inferior” e “abaixo” se referem a posições mais próximas à ferramenta de perfuração da terra 160.
Assim, será apreciado à luz da exposição dada aqui, que as ferramentas de perfuração da presente invenção podem ser usadas para qualquer finalidade conhecida na arte. Por exemplo, uma broca de perfuração de amostragem de núcleo, impregnada com diamante, pode ser afixada à extremidade da coluna de perfuração 150, que é por sua vez conectada a uma máquina de perfuração ou sonda. Quando a coluna de perfuração 150 e, portanto, a broca de perfuração broca de perfuração 160, são giradas e empurradas pela máquina de perfuração 130, a broca de perfuração 160 pode desbastar os materiais nas formações subterrâneas 170 que estão sendo perfuradas. As amostras de núcleo que são perfuradas pode ser removidas a partir da coluna de perfuração 150. A porção de corte da broca de perfuração 160 pode erodir ao longo do tempo por causa da ação de desbaste. Este processo pode continuar até a porção de corte de uma broca de perfuração 160 ter sido consumida e a coluna de perfuração 150 precisa ser extraída do furo de sondagem e a broca de perfuração 160 substituída. Será apreciado, todavia, que a vida útil da broca de perfuração 160 pode ser aumentada devido ao consistente desgaste, resfriamento elevado, e/ou outras vantagens providas pelas estruturas alongadas da presente invenção.
Implementações da presente invenção também incluem métodos de formação de brocas de perfuração impregnadas que incluem estruturas alongadas. O seguinte descreve pelo menos um método de formação de ferramentas de perfuração que têm estruturas alongadas. Naturalmente, como uma matéria preliminar, uma pessoa de conhecimento comum na técnica reconhecerá que os métodos explicados em detalhe podem ser modificados para instalar uma ampla variedade de configurações que usam um ou mais componentes da presente invenção.
Como uma matéria inicial, o termo “infiltração”, quando usado aqui, envolve a fusão de um material aglutinante e fazendo com que o aglutinante fundido penetre nos espaços e poros e preencha os mesmos de uma matriz. Durante o resfriamento, o aglutinante pode se solidificar, ligando conjuntamente as partículas da matriz. O termo “sinterização”, quando usado aqui, significa a remoção de pelo menos uma porção dos poros entre as partículas (o que podem ser acompanhada por retração), combinada com coalescência e adesão entre partículas adjacentes.
Por exemplo, um método de formação de uma broca de perfuração impregnada 20 pode compreender uma ação de preparar uma matriz 36. Em particular, oi método pode envolver preparar uma matriz de material particulado duro. Por exemplo, o método pode compreender preparar uma matriz de um material em pó, tal como, por exemplo, carboneto de tungstênio. Em implementações adicionais, a matriz pode compreender um ou mais dos materiais particulados duros previamente descritos. Em algumas implementações da presente invenção, o método pode incluir colocar a matriz em um molde.
O molde pode ser formado a partir de um material que é capaz de resistir a calor, ao qual a matriz 36 será sujeita durante um processo de aquecimento. Em pelo menos uma implementação, o molde pode ser formado de carbono ou grafite. O molde pode ser conformado para formar uma broca de perfuração que tem características desejadas. Em pelo menos uma implementação da presente invenção, o molde pode corresponder a uma broca de perfuração de núcleo.
Em adição, o método pode compreender uma ação de dispersar uma pluralidade de meios de corte relativamente 34 através de pelo menos uma porção da matriz. Por exemplo, o método pode envolver dispersar uma pluralidade de meios de corte abrasivos 34 por toda a pelo menos uma porção da matriz 36. Adicionalmente, o método pode envolver dispersar os meios de corte abrasivos 34 aleatoriamente ou em um arranjo desorganizado por toda a matriz 36.
Em uma ou mais outras implementações, o método pode incluir ainda dispersar uma pluralidade de estruturas alongadas 38 por toda a pelo menos uma porção da matriz 36. Em particular, o método pode incluir dispersar nanotubos de carbono aleatoriamente ou em um arranjo desorganizado por toda a matriz 36.
O método pode compreender uma ação de infiltrar na matriz 36 um aglutinante. Isto pode envolver aquecer o aglutinante até um estado fundido e infiltrar a matriz com o aglutinante fundido. Por exemplo, em algumas implementações, o aglutinante pode ser colocado próximo à matriz 36 e a matriz 36 e o aglutinante podem ser aquecidos para uma temperatura suficiente para levar o aglutinante para um estado fundido. Neste ponto, o aglutinante fundido pode se infiltrar na matriz 36. Em uma ou mais implementações, o método pode incluir aquecer a matriz 36, meios de corte 34, estruturas alongadas 38, e o aglutinante para uma temperatura de pelo 5 menos 420 0C (787 0F). O aglutinante pode se resfriar, ligando assim a matriz 36, meios de corte 34, estruturas alongadas 38, conjuntamente. De acordo com algumas implementações da presente invenção, o tempo e/ou temperatura do processo de infiltração podem ser aumentados para permitir que o aglutinante encha um maior número e maior quantidade dos poros da 10 matriz. Isto pode tanto reduzir a retração durante a infiltração, quanto aumentar a resistência da ferramenta de perfuração resultante.
Adicionalmente, este método pode compreender uma ação de prender uma haste 21 à seção de corte 22. Por exemplo, o método pode incluir colocar uma haste 21 em contato com a matriz 36. Uma camada de suporte 33 15 de matriz adicional, material aglutinante, e/ou fundente podem também ser adicionados e colocados e contato com a matriz 36 bem como a haste 21 para completar a preparação inicial de uma broca de perfuração verde. Uma vez quando a broca de perfuração verde foi formada, ela pode ser colocada em um forno para consolidar assim a broca de perfuração. Alternativamente, a 20 primeira e segunda seções podem ser conjugadas em um processo secundário, tal como por meio de brasagem, soldagem, ou ligação adesiva. Em seguida, a broca de perfuração pode ser acabada através de processos de máquina, como desejado.
Antes, depois, ou em uníssono com a infiltração da matriz 36, 25 um ou mais métodos da presente invenção podem incluir a sinterização da matriz 36 para uma densidade desejada, como a sinterização envolve a densificação e remoção de porosidade dentro de uma estrutura, a estrutura sendo sinterizada pode se contrair durante o processo de sinterização. Uma estrutura pode sofrer retração linear de entre 1% e 40% durante a sinterização. Como um resultado, pode ser desejável considerar e levar em conta a retração dimensional quando do projeto de ferramental (moldes,matrizes, etc.) ou características de usinagem em estruturas que são menos que totalmente sinterizadas.
As estruturas alongadas descritas podem fornecer às
ferramentas de perfuração impregnadas com diamante várias vantagens adicionadas em comparação com ferramentas de perfuração convencionais que são desprovidas de estruturas alongadas. Primeiro, a adição das estruturas alongas pode controlar a resistência à tração e a taxa de erosão, quer reforçar 10 quer enfraquecer essas propriedades. Sem ficar restrito a esta compreensão, acredita-se que a presença das estruturas alongas pode ser usada para modificar o número de defeitos na seção de corte das ferramentas. E, vez que a resistência à tração e taxa de erosão dependem do número de defeitos, a modificação da quantidade das estruturas alongadas pode ser usada para 15 adaptar a resistência à tração e a taxa de erosão à quantidade necessária para o uso final particular da ferramenta de perfuração. Esta tensão de tração elevada pode também aumentar a vida de uma ferramenta de perfuração, permitindo que a seção de corte das ferramentas se desgastem em um ritmo desejado e melhore a taxa na qual a ferramenta corta.
Segundo, a adição de estruturas alongas podem também
enfraquecer a estrutura da seção de corte e permitir que aglutinantes de resistência mais alta sejam usados para as ferramentas de perfuração, mas a um menor custo. Assim, a quantidade de estruturas alongadas na seção de corte pode ser adaptada para reter os diamantes na seção de corte pela desejada extensão de tempo.
Uma terceira vantagem é que as estruturas alongadas podem também atuar como meios de corte abrasivos que ajudam no processo de corte. Uma quarta vantagem é que, à medida que as estruturas alongadas na seção de corte são erodidas, sua matéria particulada fina pode reduzir a fricção e aumentar a lubrificação na interface entre a seção de corte e a superfície sendo cortada, permitindo o corte mais fácil.
A presente invenção pode assim ser incorporada em outras formas específicas sem fugir de seu espírito ou características essenciais. Por exemplo, as brocas de perfuração impregnadas de uma ou mais implementações da presente invenção podem incluir uma ou mais fendas de fluido encerradas, tais como as fendas de fluido encerradas descritas no Pedido de Patente US n.° 11/610.680, depositado em 14 de dezembro de 2006, intitulado “Broca de perfuração de Núcleo com Dimensão Longitudinal de Coroa Estendida”, agora Patente US N.0 7.628.228, cujo conteúdo é aqui incorporado em sua totalidade para referência. Ainda, as brocas de perfuração impregnadas de uma ou mais implementações da presente invenção podem incluir uma ou mais passagens de água adelgaçadas, tais como as passagens de água adelgaçadas descritas no Pedido de Patente US N.0 12/638.229, depositado em 15 de dezembro de 2009, intitulado “Brocas de perfuração Com Passagens de Água Axialmente Adelgaçadas”, cujo conteúdo é aqui incorporado em sua totalidade para referência. As modalidades descritas devem ser consideradas em todos os aspectos apenas como ilustrativas e não restritivas. O escopo da invenção, por conseguinte, é indicado pelas reivindicações anexas, ao invés de pela descrição precedente. Todas as variações que caem dentro do significado e faixa de equivalência das reivindicações devem ser incluídas dentro de seu escopo.
Claims (20)
1. Ferramenta de perfuração impregnada, caracterizada pelo fato de que compreende: uma seção de corte compreendendo: uma matriz compreendendo um material particulado duro; uma pluralidade de meios de corte dispersos dentro da dita matriz; e uma pluralidade de estruturas alongadas dispersas dentro da dita matriz; em que a dita matriz é adaptada para erodir e expor meios de corte durante a perfuração.
2. Ferramenta de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as estruturas alongadas da dita pluralidade de estruturas alongadas têm um diâmetro entre cerca de 1 nanômetro e cerca de 100 nanômetros.
3. Ferramenta de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as estruturas alongadas da dita pluralidade de estruturas alongadas compreendem tubos.
4. Ferramenta de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os ditos tubos compreendem carbono.
5. Ferramenta de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as estruturas alongadas da dita pluralidade de estruturas alongadas têm um comprimento de entre cerca de 1 mícron e cerca de 500 mícrons.
6. Ferramenta de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita ferramenta de perfuração compreende uma broca de perfuração de núcleo.
7. Ferramenta de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita ferramenta de perfuração compreende um alargador.
8. Ferramenta de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de meios de corte compreende cristais de diamante.
9. Ferramenta de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de estruturas alongadas são randomicamente dispersas dentro da dita matriz.
10. Broca de perfuração, caracterizada pelo fato de que compreende: uma haste; e uma seção de corte, a dita seção de corte compreendendo: uma matriz de material particulado duro; uma pluralidade de meios de corte dispersados dentro da dita matriz; e uma pluralidade de estruturas alongadas dispersadas dentro da dita matriz, em que a dita pluralidade de estruturas alongadas enfraquecem a dita seção de corte.
11. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que as ditas estruturas alongadas da dita pluralidade de estruturas alongadas têm uma relação entre comprimento e diâmetro entre cerca de 10 para 1 e cerca de 500.000 para 1.
12. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que as ditas estruturas alongadas da dita pluralidade de estruturas alongadas têm um diâmetro entre cerca de 1 a cerca de 100 nanômetros.
13. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que as ditas estruturas alongadas da dita pluralidade de estruturas alongadas compreendem carbono.
14. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que as ditas estruturas alongadas da dita pluralidade de estruturas alongadas compreendem tubos.
15. Broca de perfuração de núcleo impregnada, caracterizada pelo fato de que compreende: uma haste; uma seção de corte anular incluindo uma base e uma face de corte oposta, a dita base sendo presa à dita haste, e a dita seção de corte anular compreendendo uma matriz de material particulado duro e um aglutinante; uma pluralidade de meios de corte dispersados dentro da dita matriz de dita seção de corte entre a dita face de corte e a dita base; e uma pluralidade de estruturas alongadas dispersadas dentro da dita matriz da dita seção de corte entre a dita face de corte e a dita base; em que a dita matriz da dita seção de corte é adaptada para erodir e expor meios de corte e estruturas alongadas posicionados entre a dita face de corte e a dita base durante a perfuração.
16. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelo fato de que as estruturas alongadas da dita pluralidade de estas alongadas compreendem nanotubos.
17. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que os ditos nanotubos são carbono.
18. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que as estruturas alongadas da dita pluralidade de estruturas alongadas são dispersadas na dita matriz aleatoriamente em relação a outras estruturas alongadas da dita pluralidade de estruturas alongadas.
19. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de estruturas alongadas compreende entre cerca de 1% e cerca de 15% em peso da dita seção de corte.
20. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de estruturas alongadas compreende cerca de 3% em peso da dita seção de corte.
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