ES2545111T3 - Elementos de corte impregnados con medios de corte abrasivo grandes y métodos de fabricación y utilización de los mismos - Google Patents

Elementos de corte impregnados con medios de corte abrasivo grandes y métodos de fabricación y utilización de los mismos Download PDF

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Una broca impregnada (100) que comprende: un vástago (104) con un primer extremo (106) y un segundo extremo opuesto, estando dicho primer extremo (106) adaptado para que se fije a un componente de una columna perforadora; una corona (102) que se extiende desde dicho segundo extremo de dicho vástago, incluyendo dicha corona una matriz (114) de material particulado duro, un lado (108) de corte, y una carcasa de la corona entre dicho lado (108) de corte y dicho vástago (104); una primera pluralidad de medios (110) de corte abrasivo que tienen al menos un tamaño entre aproximadamente 2,5 milímetros y aproximadamente milímetros, estando dicha primera pluralidad de medios (110) de corte abrasivo colocada en cualquier orden a lo largo de una primera parte (102a) de dicha carcasa (102) de la corona junto a dicho lado de corte; y una segunda pluralidad de medios (116) de corte abrasivo que tienen un tamaño mayor inferior a aproximadamente 2 milímetros, dicha segunda pluralidad de medios de corte abrasivo se dispersa a lo largo de una segunda parte (102b) de dicha carcasa (102) de la corona entre dicha primera parte de dicha carcasa de la corona y dicho vástago.

Description

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presente invención, el material particulado duro puede incluir carburo, wolframio, hierro, cobalto, y/o molibdeno y carburos, boruros, aleaciones de los mismos, o cualquier otro material adecuado.
Además, aunque no se muestra en las figuras, la corona 102 puede también incluir un aglutinante. El aglutinante puede comprender cobre, cinc, plata, molibdeno, níquel, cobalto, o mezclas y aleaciones de los mismos. El aglutinante se puede unir a la matriz 114 y a los medios 110 de corte abrasivo relativamente grandes y, por lo tanto, unir la corona 102 conjuntamente.
Como se ha mencionado anteriormente, una o más implementaciones de la presente invención pueden incluir brocas impregnadas que tengan medios de corte abrasivo pequeños además de los medios de corte abrasivo relativamente grandes. Por ejemplo, la Figura 3 muestra una vista transversal de una broca impregnada 100a que incluye una pluralidad de medios 116 de corte abrasivo pequeños además de medios 110 de corte abrasivo relativamente grandes.
La Figura 3 muestra que los medios 116 de corte abrasivo pequeños se pueden dispersar dentro de una matriz 114 junto con los medios 110 de corte abrasivo relativamente grandes. Los medios 116 de corte abrasivo pequeños pueden cortar una formación utilizando la abrasión. De este modo, los medios 116 de corte abrasivo pequeños pueden permitir que la broca impregnada 100a corte de un modo eficaz a través de formaciones más duras.
Tal y como se utiliza en el presente documento, el término “pequeño” hace referencia a un medio de corte abrasivo que tiene (i) un tamaño máximo inferior a aproximadamente 2 milímetros, o más preferiblemente entre aproximadamente 0,01 milímetros y aproximadamente 1,0 milímetros, o (ii) que tiene un volumen que es inferior a aproximadamente 0,75 veces el volumen de un medio de corte abrasivo relativamente grande, o más preferiblemente inferior a aproximadamente 0,50 veces el volumen de un medio de corte abrasivo relativamente grande, o (iii) un volumen entre aproximadamente 0,001 mm3 y aproximadamente 8 mm3.
Los medios 116 de corte abrasivo pequeños pueden tener formas variadas o combinaciones de las mismas, como, por ejemplo, de esferas, cubos, cilindros, formas irregulares, u otras formas. El “tamaño mayor” de los medios 116 de corte abrasivo pequeños, de este modo, puede comprender una longitud, un diámetro, una anchura, una altura, u otro tamaño. Los medios 116 de corte abrasivo pequeños pueden incluir uno o más diamantes naturales, diamantes sintéticos, diamantes policristalinos, diamantes térmicamente estables, óxido de aluminio, carburo de silicio, nitruro de silicio, carburo de wolframio, nitruro de boro cúbico, carburo de boro, alúmina, alúmina sol-gel con y sin semillas, otros materiales adecuados, o combinaciones de los mismos. En una o más implementaciones, los medios 116 de corte abrasivo pequeños pueden comprender cristales de diamante individuales.
La Figura 3 muestra que los medios 116 de corte abrasivo pequeños se pueden dispersar en el lado 108 de corte de la corona 102. Además, la Figura 3 muestra que los medios 116 de corte abrasivo pequeños se pueden dispersar al menos a lo largo de una parte de la carcasa de la corona (es decir, la parte de la corona 102 entre el lado 108 de corte y el vástago 104). Por decirlo de otro modo, los medios 116 de corte abrasivo pequeños se pueden integrar dentro de la corona 102 en el lado 108 de corte, además de detrás del lado 108 de corte. De este modo, a medida que los medios 110 de corte abrasivo relativamente grandes, los medios 116 de corte abrasivo pequeños, y la matriz 114 en el lado 108 de corte se desgastan o erosionan durante un proceso de perforación, los medios 110 de corte abrasivo relativamente grandes y los medios 116 de corte abrasivo pequeños se pueden exponer para rellenar el lado 108 de corte. Dicha configuración puede proporcionar versatilidad en el corte ya que los medios 110 de corte abrasivo relativamente grandes y los medios 116 de corte abrasivo pequeños continúan estando disponibles para cortar durante todo el período de vida útil de la broca impregnada 100a.
Los medios 116 de corte abrasivo pequeños se pueden dispersar al menos a lo largo de una parte de la corona 102. Por ejemplo, la Figura 3 muestra que los medios 116 de corte abrasivo pequeños se dispersan sustancialmente por completo a lo largo de la corona 102. En otras implementaciones, los medios 116 de corte abrasivo pequeños se pueden dispersar sólo a lo largo de una parte de la corona 102. Por ejemplo, en algunas implementaciones los medios 116 de corte abrasivo pequeños se pueden dispersar sólo en las partes de la corona 102 que están cerca del lado 108 de corte. En otras implementaciones adicionales, los medios 116 de corte abrasivo pequeños se puede dispersar sólo en las partes de la corona 102 que están detrás del lado 108 de corte.
Como se muestra en la Figura 3, los medios 116 de corte abrasivo pequeños se pueden colocar en la corona 102 en cualquier orden. En otras implementaciones, los medios 116 de corte abrasivo pequeños se pueden dispersar de un modo aleatorio dentro de la corona 102. De este modo, en al menos una implementación de la presente invención, los medios 116 de corte abrasivo pequeños no están dispuestos en alineaciones específicas unos respecto de los otros o del lado 108 de corte.
En cualquier caso, como muestra la Figura 3, los medios 116 de corte abrasivo pequeños se pueden dispersar de un modo homogéneo a lo largo de la corona 102. En otras implementaciones, los medios 116 de corte abrasivo pequeños se pueden dispersar de un modo heterogéneo a lo largo de la corona 102. Por ejemplo, en algunas implementaciones, la concentración de medios 116 de corte abrasivo pequeños puede variar a lo largo de cualquier parte deseada de la corona 102, según se desee. En especial, la corona 102 puede incluir un gradiente de medios 116 de corte abrasivo pequeños. Por ejemplo, la parte de la corona 102 que está más cerca del lado 108 de corte de la broca impregnada
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100a puede contener una primera concentración de medios 116 de corte abrasivo pequeños, y la concentración de medios 116 de corte abrasivo pequeños puede disminuir o aumentar gradualmente hacia el vástago 104. Dicha broca impregnada 100a puede ser utilizada para perforar una formación que empieza con una formación sin consolidar, abrasiva, suave, que gradualmente cambia a una formación no consolidada dura. De este modo, la dispersión de los medios 110 de corte abrasivo relativamente grandes y los medios 116 de corte abrasivo pequeños en la broca impregnada 100a puede personalizarse para la formación deseada a través de la cual realizará la perforación.
La Figura 3 muestra además que en una o más implementaciones de la presente invención los medios 110a de corte abrasivo relativamente grandes en el lado 108 de corte se pueden extender fuera del lado 108 de corte. Por decirlo de otro modo, los medios 110a de corte abrasivo relativamente grandes se pueden extender desde la corona 102 axialmente lejos del lado 108 de corte. Los medios 110a de corte abrasivo relativamente grandes pueden contribuir a permitir un arranque rápido de una nueva herramienta 100a de perforación. En otras implementaciones, es posible que el lado 108 de corte no sea un medio 110a de corte abrasivo relativamente grande que se extienda fuera del lado 108 de corte, como la broca impregnada 100 de las Figuras 1 y 2. En otras implementaciones adicionales, el lado 108 de corte puede incluir otras características para contribuir al proceso de perforación, como por ejemplo surcos radiales.
La Figura 4 muestra otra implementación adicional de una broca impregnada que incluye medios de corte abrasivo relativamente grandes. En especial, la Figura 4 muestra una broca impregnada 100b que incluye una corona 102 que tiene medios 110 de corte abrasivo relativamente grandes, medios 116 de corte abrasivo pequeños, y una pluralidad de fibras 118 dispersadas dentro de una matriz 114 de material particulado duro. En especial, la corona 102 de una o más implementaciones de la presente invención puede incluir fibras, como las fibras descritas en la solicitud de patente US11/948.185, presentada el 30 de noviembre de 2007, que lleva por título “Fiber-Containing Diamond Impregnated Cutting Tools”, actualmente la patente US-7.695.542. En una o más implementaciones de la presente invención, las fibras 118 pueden contribuir a controlar la velocidad a la que la matriz 118 se erosiona, y de este modo, la velocidad a la que los medios de corte abrasivo, ya sean relativamente grandes 110 o pequeños 116, se exponen.
Las fibras 118 pueden tener formas variadas o combinaciones de las mismas, como, por ejemplo, forma de cinta, cilíndrica, poligonal, elíptica, recta, curva, rizada, en espiral, doblada en los ángulos, etc. Las fibras 118 en la corona 102 de la broca impregnada 100b pueden ser de cualquier tamaño o combinación de tamaños, incluidas combinaciones de diferentes tamaños. Las fibras 118 pueden ser de cualquier longitud y tener el diámetro que se desee. En algunas implementaciones, las fibras 118 pueden ser de entre aproximadamente 10 micrómetros y aproximadamente 25.000 micrómetros de longitud y pueden tener un diámetro de entre aproximadamente 1 micrómetro a aproximadamente 500 micrómetros. En otras implementaciones, las fibras 118 pueden ser de aproximadamente 150 micrómetros de longitud y pueden tener un diámetro de aproximadamente 7 micrómetros.
Las fibras 118 pueden incluir una o más fibras de carbono, fibras metálicas (por ejemplo, fibras de wolframio, carburo de wolframio, hierro, molibdeno, cobalto, o combinaciones de los mismos), fibras de vidrio, fibras poliméricas (por ejemplo, fibras de Kevlar), fibras cerámicas (por ejemplo, fibras de carburo de silicio), fibras recubiertas, y/o similares.
La Figura 4 muestra que las fibras 118 se pueden dispersar en el lado 108 de corte de la corona 102. Además, la Figura 4 muestra que las fibras 118 se pueden dispersar al menos a lo largo de una parte de la carcasa de la corona (es decir, la parte de la corona 102 entre el lado 108 de corte y el vástago 104). Por decirlo de otro modo, las fibras 118 se pueden integrar dentro de la corona 102 en el lado 108 de corte, además de detrás del lado 108 de corte.
Las fibras 118 se pueden dispersar al menos a lo largo de una parte de la corona 102. Por ejemplo, la Figura 4 muestra que las fibras 118 se dispersan sustancialmente por completo a lo largo de la corona 102. En otras implementaciones, las fibras 118 se pueden dispersar sólo a lo largo de una parte de la corona 102. Por ejemplo, en algunas implementaciones las fibras 118 se pueden dispersar sólo en las partes de la corona 102 que están cerca del lado 108 de corte. En otras implementaciones adicionales, las fibras 118 se pueden dispersar sólo en las partes de la corona 102 que están detrás del lado 108 de corte.
Como se muestra en la Figura 4, las fibras 118 se pueden colocar en la corona 102 en cualquier orden. En otras implementaciones, las fibras 118 se pueden dispersar de un modo aleatorio dentro de la corona 102. De este modo, en al menos una implementación de la presente invención, las fibras 118 no están dispuestas en alineaciones específicas unas respecto de las otras o del lado 108 de corte.
En cualquier caso, como muestra la Figura 4, las fibras 118 se pueden dispersar de un modo homogéneo a lo largo de la corona 102. En otras implementaciones, las fibras 118 se pueden dispersar de un modo heterogéneo a lo largo de la corona 102. Por ejemplo, en algunas implementaciones, la concentración de las fibras 118 puede variar a lo largo de cualquier parte de la corona 102, según se desee. En especial, la corona 102 puede incluir un gradiente de fibras 118. Por ejemplo, la parte de la corona 102 que está más cerca del lado 108 de corte de la broca impregnada 100b puede contener una primera concentración de fibras 118 y la concentración de fibras 118 puede disminuir o aumentar gradualmente hacia el vástago 104.
Como se ha sugerido anteriormente, la dispersión de los medios 110 de corte abrasivo relativamente grandes y/o los medios 116 de corte abrasivo pequeños en las brocas impregnadas de la presente invención puede personalizarse
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corte abrasivo relativamente grandes, son girados y empujados por la máquina 126 perforadora, la broca 100 puede pulverizar los materiales en las formaciones subterráneas 132 que están siendo perforadas. Los testigos de perforación que se perforan pueden retirarse de la columna perforadora 130. La parte de corte de la broca 100 puede erosionarse con el tiempo debido a la acción pulverizante. Este proceso puede continuar hasta que la parte de corte de una broca 100 se haya consumido y la columna perforadora 130, a continuación, se puede sacar del barreno y se sustituye la broca 100.
Las implementaciones de la presente invención también incluyen métodos de moldear brocas impregnadas incluidos los medios de corte abrasivo relativamente grandes. A continuación se describe al menos un método de moldear herramientas de perforación con medios de corte abrasivo relativamente grandes. Por supuesto, como cuestión preliminar, el experto en la técnica reconocerá que los métodos explicados en detalle se pueden modificar para instalar una amplia variedad de configuraciones utilizando uno o más componentes de la presente invención. Por ejemplo, la Figura 7 muestra un diagrama de flujo de un método ilustrativo para producir una broca impregnada con medios de corte abrasivo relativamente grandes utilizando los principios de la presente invención. Las acciones de la Figura 7 se describen a continuación en referencia a los componentes y diagramas de las Figuras 1 a 6.
Como cuestión inicial, el término “infiltración” o “infiltrar” tal y como se utiliza en el presente documento implica la fusión de un material aglutinante y hacer que el aglutinante fundido penetre y llene los espacios o poros de una matriz. Una vez se ha enfriado, el aglutinante se puede solidificar, uniendo las partículas de la matriz. El término “sinterización” tal y como se utiliza en el presente documento significa la extracción de al menos una parte de los poros entre las partículas (lo que puede ir acompañado de un encogimiento) combinado con coalescencia y unión entre partículas adyacentes.
Por ejemplo, la Figura 7 muestra que un método de moldear una broca impregnada puede comprender la acción 200 de preparar una matriz. La acción 200 puede incluir la preparación de una matriz de material particulado duro. Por ejemplo, la acción 200 puede comprender la preparación de una matriz de material en polvo como, por ejemplo, carburo de wolframio. En otras implementaciones, la matriz puede comprender uno o más de los materiales particulados duros descritos anteriormente. En algunas implementaciones de la presente invención, la acción 200 puede incluir la colocación de la matriz en un molde.
El molde se puede moldear a partir de un material que pueda resistir el calor al que la matriz se verá sometida durante un proceso de calentamiento. En al menos una implementación, el molde puede estar moldeado a partir de carbono. El molde puede moldearse para dar forma a una broca con las características deseadas. En al menos una implementación de la presente invención, el molde puede corresponder a una broca sacatestigos.
Además, la Figura 7 muestra que el método puede comprender una acción 210 de dispersar una pluralidad de medios de corte abrasivo relativamente grandes al menos a lo largo de una parte de la matriz. Por ejemplo, la acción 210 puede suponer la dispersión de una primera pluralidad de medios de corte abrasivo al menos a lo largo de una parte de la matriz. En especial, la acción 210 puede incluir la dispersión de medios de corte abrasivo relativamente grandes que tienen al menos un tamaño entre aproximadamente 2,5 milímetros y aproximadamente 5 milímetros. En algunas implementaciones, la acción 210 puede incluir la dispersión de medios de corte abrasivo relativamente grandes que tienen un volumen entre aproximadamente 8 mm3 y aproximadamente 125 mm3. En una o más implementaciones, los medios de corte abrasivo relativamente grandes pueden comprender diamantes policristalinos. Además, el método puede implicar la dispersión de los medios de corte abrasivo relativamente grandes de un modo aleatorio o en cualquier orden a lo largo de la matriz.
En una o más implementaciones, el método puede incluir además la dispersión de una pluralidad de medios de corte abrasivo pequeños al menos a lo largo de una parte de la matriz. Por ejemplo, el método puede suponer la dispersión de una segunda pluralidad de medios de corte abrasivo al menos a lo largo de una parte de la matriz. En especial, el método puede incluir la dispersión de medios de corte abrasivo que tienen un tamaño mayor e inferior a aproximadamente 2 milímetros. En algunas implementaciones, el método puede incluir la dispersión de medios de corte abrasivo pequeños que tengan un volumen inferior a aproximadamente 8 mm3. En una o más implementaciones, los medios de corte más pequeños pueden comprender diamantes naturales o sintéticos. En otras implementaciones adicionales, los medios de corte más pequeños pueden comprender cristales de diamante individuales. Además, el método puede implicar la dispersión de los medios de corte abrasivo pequeños de un modo aleatorio o en cualquier orden a lo largo de la matriz.
En una o más implementaciones adicionales, el método puede incluir además la dispersión de una pluralidad de fibras al menos a lo largo de una parte de la matriz. En especial, el método puede incluir la dispersión de fibras de carbono de un modo aleatorio o en cualquier orden a lo largo de la matriz.
La Figura 7 también muestra que el método puede comprender una acción 220 de infiltrar la matriz con un aglutinante. La acción 220 puede implicar calentar el aglutinante hasta un estado de fusión e infiltrar la matriz con el aglutinante fundido. Por ejemplo, en algunas implementaciones el aglutinante se puede colocar cerca de la matriz 114 y la matriz 114 y el aglutinante se pueden calentar hasta una temperatura suficiente para llevar el aglutinante a un estado de fusión. En ese punto, el aglutinante fundido puede infiltrar la matriz 114. En una o más implementaciones, la acción 220 puede incluir calentar la matriz 114 y el aglutinante a una temperatura de al menos 419 °C (787 °F).
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