ES2609956T3 - Agentes ligantes de alta resistencia y alta dureza y herramientas de taladrado formadas por el uso de los mismos - Google Patents
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Abstract
Un cuerpo de una herramienta de taladrado, que comprende: un material particulado duro; y un agente ligante, el agente ligante consiste en: 5 a 50 % en peso de níquel; 35 a 60 % en peso de zinc; 0,5 a 35 % en peso de estaño; y en forma opcional, 0 a 60 % en peso de cobre y/o 0 a 20 % en peso de componentes adicionales, en donde los componentes adicionales consisten en uno o más de aluminio, hierro, plomo, manganeso, silicio, fósforo, boro, plata, oro, o galio.
Description
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DESCRIPCION
Agentes ligantes de alta resistencia y alta dureza y herramientas de taladrado formadas por el uso de los mismos Antecedentes de la invencion
1. Campo de la invencion
La presente invencion se refiere por lo general a un material de agente ligante de alta resistencia para formar herramientas de taladrado y otras herramientas que se pueden utilizar para perforar formaciones subterraneas.
2. Debate de la tecnica relevante
Las brocas y otras herramientas de perforacion de tierra a menudo se utilizan para perforar orificios en rocas y otras formaciones duras para la exploracion u otros propositos. El cuerpo de estas herramientas comunmente esta formado de una matriz que contiene un material particulado duro en polvo, tal como carburo de tungsteno. Este material esta tipicamente infiltrado con un agente ligante, tal como una aleacion de cobre, para unir el material particulado duro junto en una forma solida. Por ultimo, la porcion de corte de estas herramientas tipicamente incluye un medio de corte abrasivo, tal como por ejemplo, diamantes naturales o sinteticos.
Para formar el cuerpo, el material particulado duro en polvo se coloca en un molde de forma adecuada. El agente ligante tfpicamente se coloca encima del material particulado duro en polvo. El agente ligante y el material particulado duro en polvo luego se calientan en un horno a una temperatura de flujo o infiltracion del agente ligante de manera tal que la aleacion del agente ligante se pueda unir a los granos de material particulado duro en polvo. La infiltracion puede ocurrir cuando la aleacion fundida del agente ligante fluye a traves de los espacios entre los granos del material particulado duro en polvo por medio de accion capilar. Cuando se enfna, la matriz del material particulado duro en polvo y el agente ligante forman un cuerpo duro, duradero y fuerte. Tfpicamente, se insertan diamantes naturales o sinteticos en el molde antes de calentar la mezcla de la matriz/agente ligante, mientras que se pueden soldar inserciones de PDC al cuerpo terminado.
Las composiciones de la matriz y el agente ligante a menudo se seleccionan para optimizar un numero de diferentes propiedades del cuerpo terminado. Estas propiedades pueden incluir resistencia a la rotura transversal (TRS, por su sigla en ingles), tenacidad, resistencia a la traccion, y la dureza. Una propiedad importante del agente ligante es la temperatura de infiltracion del agente ligante, o la temperatura a la que el agente ligante fundido fluira en y alrededor el material particulado duro en polvo. La estabilidad qrnmica de los diamantes esta inversamente relacionada con la duracion del calentamiento de los diamantes y la temperatura a la que se calientan los diamantes a medida que se forma el cuerpo. Por lo tanto, cuando se forman las herramientas de taladrado de diamantes, es deseable utilizar un agente ligante con una temperatura de infiltracion suficientemente baja para evitar la degradacion del diamante.
Las aleaciones del agente ligante con temperaturas de infiltracion bajas son conocidas en la tecnica; sin embargo, tales agentes ligantes a menudo sacrifican uno o mas de resistencia a la traccion, dureza, y otras propiedades deseables a expensas de una temperatura de infiltracion mas baja. Por ejemplo, muchas aleaciones de cobre- estano convencionales tienen una temperatura de infiltracion baja, pero tambien tienen una resistencia a la traccion relativamente baja. Por otra parte, muchas aleaciones de cobre-zinc-mquel convencionales tienen una temperatura de infiltracion baja con una resistencia a la traccion relativamente alta, pero tambien tienen una dureza relativamente baja.
La Patente US 2001/002557 A1 en nombre de Kembaiyan et al. describe una composicion para materiales de agente ligante en particular para los cuerpos de brocas y un metodo para la fabricacion de brocas a partir de la composicion.
En algunos casos, las herramientas de taladrado pueden ser caras y su reemplazo puede ser lento, costoso, al igual que peligroso. Por ejemplo, el reemplazo de una broca requiere quitar (o sacar) toda la sarta de perforacion de un orificio que se ha perforado (el orificio de perforacion). Cada seccion de la barra de perforacion se debe quitar en forma secuencial del orificio de perforacion. Una vez que se reemplaza la broca, toda la sarta de perforacion se debe ensamblar seccion por seccion, y luego volver a colocarse en el orificio de perforacion. Dependiendo de la profundidad del orificio y las caractensticas de los materiales que se esten perforando, este proceso puede necesitar repetirse varias veces para un unico orificio de perforacion. Por lo tanto, uno apreciara que cuanto mas veces una broca u otra herramienta de taladrado tiene que ser reemplazarse, mayor sera el tiempo y el costo requeridos para llevar a cabo una operacion de perforacion.
En consecuencia, existe un numero de desventajas en las herramientas de taladrado convencionales que pueden abordarse.
Breve compendio de la invencion
Las implementaciones de la presente invencion superan uno o mas problemas en la tecnica con agentes ligantes con una baja temperatura de infiltracion sin sacrificar otras propiedades ffsicas deseables. Por ejemplo, una o mas
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implementaciones incluyen un agente ligante de aleacion ternaria de mquel-zinc-estano con una baja temperature de infiltracion y una resistencia a la traccion relativamente alta y una dureza relativamente alta. Una o mas implementaciones de adicion incluyen un agente ligante de aleacion cuaternaria de cobre-mquel-zinc-estano con una temperature de infiltracion baja y una resistencia a la traccion relativamente alta y una dureza relativamente alta. Las implementaciones de la presente invencion tambien incluyen herramientas de taladrado que incluyen tales agentes ligantes.
Por ejemplo, una implementacion de un agente ligante de alta dureza para infiltrar un material particulado duro para formar una herramienta de taladrado. El agente ligante incluye aproximadamente 5 a aproximadamente 50 % en peso de mquel, aproximadamente 25 a aproximadamente 60 % en peso de zinc, y aproximadamente 0,5 a aproximadamente 35 % en peso de estano. El agente ligante tiene una temperatura lfquida de menos de aproximadamente 1100 grados Celsius. En forma adicional, el agente ligante tiene una dureza entre aproximadamente 75 en la escala de dureza de Rockwell B ("HRB", por su sigla en ingles) y aproximadamente 40 en la escala de dureza de Rockwell C ("HRC", por su sigla en ingles).
Otra implementacion de la presente invencion incluye un cuerpo de una herramienta de taladrado que comprende un material particulado duro infiltrado con un agente ligante. El agente ligante incluye aproximadamente 5 a aproximadamente 50 % en peso de mquel, aproximadamente 25 a aproximadamente 60 % en peso de zinc, y aproximadamente 0,5 a aproximadamente 35 % en peso de estano.
Ademas de lo anterior, una implementacion de un metodo de formacion de una herramienta de taladrado con una mayor resistencia al desgaste implica el suministro de una matriz que comprende un material particulado duro. El metodo tambien incluye el posicionamiento de un agente ligante proximo a la matriz. El agente ligante incluye aproximadamente 5 a aproximadamente 50 % en peso de mquel, aproximadamente 25 a aproximadamente 60 % en peso de zinc, y aproximadamente 0,5 a aproximadamente 35 % en peso de estano. El metodo ademas implica la infiltracion de la matriz con el agente ligante por medio del calentamiento de la matriz y el agente ligante a una temperatura de no mas de aproximadamente 1200 grados Celsius.
Las caractensticas y ventajas adicionales de las implementaciones representativas de la invencion se estableceran en la descripcion que sigue, y en parte seran obvias a partir de la descripcion, o se pueden aprender por medio de la practica de tales implementaciones representativas. Las caractensticas y ventajas de tales implementaciones se pueden realizar y obtener por medio de los instrumentos y combinaciones senalados en particular en las reivindicaciones adjuntas. Estas y otras caractensticas se haran mas evidentes a partir de la siguiente descripcion y las reivindicaciones adjuntas, o se pueden aprender por medio de la practica de tales implementaciones representativas de acuerdo con lo establecido de aqu en adelante.
Breve descripcion de los dibujos
Con el fin de describir la manera en la que se pueden obtener las ventajas y caractensticas citadas con anterioridad y otras de la invencion, una descripcion mas particular de la invencion brevemente descrita con anterioridad se hara por referencia a realizaciones espedficas de la misma que se ilustran en los dibujos adjuntos. Se debe observar que las figuras pueden no estar dibujadas a escala, y que los elementos de estructura o funcion similar por lo general se representan por numeros de referencia iguales con fines ilustrativos en todas las figuras. Con la comprension de que estos dibujos representan unicamente realizaciones tfpicas de la invencion y por lo tanto no deben considerarse limitativos de su ambito de aplicacion, se describira y explicara la invencion con especificidad y detalles adicionales por el uso de los dibujos que acompanan en los que:
La Figura 1 ilustra una carcasa de escariado que incluye un agente ligante de acuerdo con una o mas implementaciones de la presente invencion;
La Figura 2 ilustra una broca hueca de superficie que incluye un agente ligante de acuerdo con una o mas implementaciones de la presente invencion;
La Figura 3 ilustra una broca hueca de diamante termicamente estable (“TSD”, por su sigla en ingles) que incluye un agente ligante de acuerdo con una o mas implementaciones de la presente invencion;
La Figura 4 ilustra una broca hueca de diamante policristalino (“PCD”, por su sigla en ingles) que incluye un agente ligante de acuerdo con una o mas implementaciones de la presente invencion;
La Figura 5 ilustra una broca giratoria PCD que incluye un agente ligante de acuerdo con una o mas implementaciones de la presente invencion;
La Figura 6 ilustra una broca hueca impregnada que incluye un agente ligante de acuerdo con una o mas implementaciones de la presente invencion;
La Figura 7 ilustra una vista en seccion transversal de una porcion de corte de la broca hueca impregnada de la Figura 6 tomada a lo largo de la lmea 7-7 de la Figura 6; y
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La Figura 8 ilustra un grafico de las acciones y pasos de un metodo de formacion de una herramienta de taladrado por el uso de un agente ligante de alta resistencia y de alta dureza de acuerdo con una implementacion de la presente invencion.
Descripcion detallada de las realizaciones preferidas
Las implementaciones de la presente invencion estan dirigidas hacia agentes ligantes con una baja temperatura de infiltracion sin sacrificar otras propiedades ffsicas deseables. Por ejemplo, una o mas implementaciones incluyen un agente ligante de aleacion ternaria de mquel-zinc-estano con una temperatura de infiltracion baja y una resistencia a la traccion relativamente alta y una dureza relativamente alta. Una o mas implementaciones de adicion incluyen un agente ligante de aleacion cuaternaria de cobre-mquel-zinc-estano con una baja temperatura de infiltracion y una resistencia a la traccion relativamente alta y una dureza relativamente alta. Las implementaciones de la presente invencion tambien incluyen herramientas de taladrado que incluyen tales agentes ligantes.
De acuerdo con lo aludido con anterioridad, uno o mas agentes ligantes de la presente invencion pueden tener tanto una alta resistencia a la traccion como una alta dureza, mientras todavfa tienen una temperatura de infiltracion adecuada para su uso con diamantes naturales y sinteticos. En forma adicional, uno o mas agentes ligantes de la presente invencion incluyen una mayor capacidad de humectacion para carburo de tungsteno u otros materiales particulados duros. La mayor humectabilidad de uno o mas agentes ligantes de la presente invencion puede reducir los tiempos de procesamiento y puede aumentar la resistencia de la union.
Dado que los agentes ligantes a menudo limitan el rendimiento de las herramientas de taladrado, las herramientas de taladrado formadas con agentes ligantes de la presente invencion pueden tener un mayor rendimiento de perforacion. Por ejemplo, la mayor dureza y/o resistencia a la traccion de uno o mas agentes ligantes pueden proporcionarles a las herramientas de taladrado una mayor resistencia al desgaste. La mayor resistencia al desgaste de las herramientas de taladrado formadas por el uso de agentes ligantes de la presente invencion puede aumentar la vida util de perforacion de tales herramientas de taladrado; lo que de ese modo reduce los costos de perforacion.
Uno o mas agentes ligantes de la presente invencion incluyen 5 a 50 % en peso de mquel, 35 a 60 % en peso de
zinc, y 0,5 a 35 % en peso de estano y en forma opcional, 0 a 60 % en peso de cobre y/o 0 a 20 % en peso de
componentes adicionales, en donde los componentes adicionales consisten en uno o mas de aluminio, hierro, plomo, manganeso, silicio, fosforo, boro, plata, oro, o galio.
En una o mas implementaciones, el agente ligante puede incluir en forma opcional aproximadamente 0 a aproximadamente 60 % en peso de cobre. Por lo tanto, en una o mas implementaciones el agente ligante puede comprender una aleacion ternaria de mquel-zinc-estano. En una o mas implementaciones alternativas el agente ligante puede comprender una aleacion cuaternaria de cobre-mquel-zinc-estano. Uno apreciara que el porcentaje en peso exacto de cada uno de los componentes enumerados con anterioridad se puede alterar para adaptar las caractensticas de la herramienta de taladrado final.
Por ejemplo, el % en peso de mquel en el agente ligante puede aumentarse, o de otro modo modificarse, para aumentar las capacidades de humectacion del agente ligante para el material particulado duro (p. ej., carburo de
tungsteno) y/o diamantes, o de otro modo adaptar las propiedades adicionales del agente ligante. Por lo tanto, de
acuerdo con una o mas implementaciones el agente ligante puede incluir aproximadamente 5 % en peso de mquel, aproximadamente 10 % en peso de mquel, aproximadamente 15 % en peso de mquel, aproximadamente 20 % en peso de mquel, aproximadamente 25 % en peso de mquel, aproximadamente 30 % en peso de mquel, aproximadamente 35 % en peso de mquel, aproximadamente 40 % en peso de mquel, aproximadamente 45 % en peso de mquel, o aproximadamente 50 % en peso de mquel. Uno apreciara que los agentes ligantes de una o mas implementaciones pueden incluir un % en peso de mquel en un intervalo entre cualquiera de los porcentajes citados con anterioridad. Por ejemplo, una o mas implementaciones pueden incluir entre aproximadamente 15 y aproximadamente 50 % en peso de mquel, entre aproximadamente 5 y aproximadamente 30 % en peso de mquel, entre aproximadamente 5 y aproximadamente 20 % en peso de mquel, o entre aproximadamente 10 y aproximadamente 25 % en peso de mquel, etc.
El % en peso de zinc en el agente ligante puede aumentarse, o de otro modo modificarse, para aumentar la resistencia y la ductilidad del agente ligante, o de otro modo adaptar las propiedades adicionales del agente ligante. Por lo tanto, de acuerdo con una o mas implementaciones el agente ligante puede incluir aproximadamente 35 % en peso de zinc, aproximadamente 40 % en peso de zinc, aproximadamente 45 % en peso de zinc, aproximadamente 50 % en peso de zinc, aproximadamente 55 % en peso de zinc, o aproximadamente 60 % en peso de zinc. Uno apreciara que los agentes ligantes de una o mas implementaciones pueden incluir un % en peso de zinc en un intervalo entre cualquiera de los porcentajes citados con anterioridad. Por ejemplo, una o mas implementaciones pueden incluir entre aproximadamente 35 y aproximadamente 50 % en peso de zinc, o entre aproximadamente 35 y aproximadamente 45 % en peso de zinc, etc.
El % en peso de estano en el agente ligante puede aumentarse, o de otro modo modificarse, para aumentar la dureza, disminuir la temperatura lfquida, aumentar la humectabilidad del agente ligante, o de otro modo adaptar las propiedades adicionales del agente ligante. Por lo tanto, de acuerdo con una o mas implementaciones el agente
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ligante puede incluir aproximadamente 0,5 % en peso de estano, aproximadamente 1 % en peso de estano, aproximadamente 2 % en peso de estano, aproximadamente 3 % en peso de estano, aproximadamente 4 % en peso de estano, aproximadamente 5 % en peso de estano, aproximadamente 10 % en peso de estano, aproximadamente 15 % en peso de estano, aproximadamente 20 % en peso de estano, aproximadamente 25 % en peso de estano, aproximadamente 30 % en peso de estano, o aproximadamente 35 % en peso de estano. Uno apreciara que los agentes ligantes de una o mas implementaciones pueden incluir un % en peso de estano en un intervalo entre cualquiera de los porcentajes citados con anterioridad. Por ejemplo, una o mas implementaciones pueden incluir entre aproximadamente 0,5 y aproximadamente 20 % en peso de estano, entre aproximadamente 1 y aproximadamente 10 % en peso de estano, entre aproximadamente 4 y aproximadamente 15 % en peso de estano, o entre aproximadamente 5 y aproximadamente 10 % en peso de estano, etc.
De acuerdo con lo mencionado previamente, en una o mas implementaciones el agente ligante puede incluir en forma opcional aproximadamente 0 a aproximadamente 60 % en peso de cobre. El % en peso de cobre en el agente ligante puede aumentarse, o de otro modo modificarse, para disminuir la temperatura lfquida del agente ligante, o de otro modo adaptar las propiedades adicionales del agente ligante. Por lo tanto, de acuerdo con una o mas implementaciones el agente ligante puede incluir aproximadamente 10 % en peso de cobre, aproximadamente 10 % en peso de cobre, aproximadamente 15 % en peso de cobre, aproximadamente 20 % en peso de cobre, aproximadamente 25 % en peso de cobre, aproximadamente 30 % en peso de cobre, aproximadamente 35 % en peso de cobre, aproximadamente 40 % en peso de cobre, aproximadamente 45 % en peso de cobre, aproximadamente 50 % en peso de cobre, o aproximadamente 55 % en peso de cobre. Uno apreciara que los agentes ligantes de una o mas implementaciones pueden incluir un % en peso de cobre en un intervalo entre cualquiera de los porcentajes citados con anterioridad. Por ejemplo, una o mas implementaciones pueden incluir entre aproximadamente 15 y aproximadamente 50 % en peso de cobre, entre aproximadamente 5 y aproximadamente 30 % en peso de cobre, entre aproximadamente 5 y aproximadamente 20 % en peso de cobre, o entre aproximadamente 10 y aproximadamente 25 % en peso de cobre, etc. En las implementaciones alternativas, el agente ligante puede no incluir cobre.
En una o mas implementaciones de la presente invencion, el agente ligante puede incluir componentes adicionales distintos de mquel, zinc, estano, y en forma opcional cobre. Tales componentes adicionales pueden incluir componentes adicionales de aleacion, impurezas, o elementos residuales. En una o mas implementaciones tales componentes adicionales pueden comprender aproximadamente 0 a aproximadamente 20 % en peso del agente ligante. En las implementaciones adicionales, tales componentes adicionales pueden comprender menos de aproximadamente 15 % en peso del agente ligante, menos de aproximadamente 10 % en peso del agente ligante, o menos de aproximadamente 5 % en peso del agente ligante.
En una o mas implementaciones, los componentes adicionales pueden incluir un metal termicamente conductor para disminuir la temperatura lfquida del agente ligante. Tales metales termicamente conductores pueden incluir, por ejemplo, plata, oro, o galio (o mezclas de los mismos). Por ejemplo, de acuerdo con algunas implementaciones de la presente invencion, el agente ligante puede incluir entre aproximadamente 0,5 a aproximadamente 15 % en peso plata, oro, o galio. Uno apreciara que la inclusion de plata, oro, o galio puede aumentar de manera significativa el costo del agente ligante.
En forma alternativa, o en forma adicional, en una o mas implementaciones los componentes adicionales pueden incluir ademas componentes de aleacion tales como hierro, manganeso, silicio, boro, u otros elementos o metales. En forma adicional, el agente ligante puede incluir cantidades menores de diversas impurezas o elementos residuales, por lo menos algunos de los cuales pueden estar necesariamente presentes debido a los procesos de fabricacion y manipulacion. Tales impurezas pueden incluir, por ejemplo, aluminio, plomo, silicio, y fosforo.
En cualquier caso, la composicion de los diversos componentes se puede adaptar para proporcionarle al agente ligante las propiedades deseables. Por ejemplo, en una o mas implementaciones el agente ligante tiene una temperatura lfquida de menos de aproximadamente 1100 grados Celsius. En forma alternativa, el agente ligante tiene una temperatura lfquida de menos de aproximadamente 1050 grados Celsius. En las implementaciones adicionales, el agente ligante tiene una temperatura lfquida de menos de aproximadamente 1000 grados Celsius. En las implementaciones adicionales, el agente ligante tiene una temperatura lfquida de menos de aproximadamente 950 grados Celsius. Por lo tanto, uno apreciara que el agente ligante puede incluir una temperatura lfquida suficientemente baja para asegurar que la temperatura de infiltracion del agente ligante sea lo suficientemente baja para evitar la degradacion del diamante.
De acuerdo con lo aludido previamente, los agentes ligantes de una o mas implementaciones de la presente invencion pueden tener una alta resistencia a la traccion y dureza mientras mantienen una temperatura lfquida que evitara la degradacion del diamante. En particular, en una o mas implementaciones el agente ligante tiene una dureza entre aproximadamente 75 HRB y aproximadamente 40 HRC. En las implementaciones adicionales el agente ligante puede tener una dureza entre aproximadamente 75 HRB y aproximadamente 20 HRC. En implementaciones todavfa adicionales el agente ligante puede tener una dureza entre aproximadamente 80 HRB y aproximadamente 95 HRB. Uno apreciara que los agentes ligantes de una o mas implementaciones pueden incluir una dureza en un intervalo entre cualquiera de los numeros citados con anterioridad.
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En forma adicional, los agentes ligantes de una o mas implementaciones tambien puede tener una resistencia a la traccion entre aproximadamente 241 MPa (35 ksi) y aproximadamente 552 MPa (80 ksi), ademas de una temperatura Kquida y dureza de acuerdo con lo mencionado con anterioridad. En las implementaciones adicionales el agente ligante puede tener una resistencia a la traccion entre aproximadamente 345 MPa (50 ksi) y aproximadamente 483 MPa (70 ksi). En implementaciones todavfa adicionales el agente ligante puede tener una resistencia a la traccion de entre aproximadamente 379 MPa (55 ksi) y aproximadamente 448 MPa (65 ksi). Uno apreciara que los agentes ligantes de una o mas implementaciones pueden incluir una resistencia a la traccion en un intervalo entre cualquiera de los numeros citados con anterioridad.
Uno apreciara que los agentes ligantes de una o mas implementaciones de la presente invencion que tienen una alta resistencia a la traccion y dureza mientras mantienen una temperatura lfquida que evitara la degradacion del diamante pueden proporcionar beneficios significativos. En particular, la alta resistencia a la traccion y dureza pueden proporcionarle a una herramienta de taladrado formada con tal agente ligante una mayor resistencia al desgaste. El aumento en la resistencia al desgaste puede mejorar en forma significativa la vida de tales herramientas de taladrado. En adicion, la humectacion mejorada puede reducir el tiempo de fabricacion y proporcionar una union mas fuerte.
Por lo tanto, los agentes ligantes de la presente invencion se pueden adaptar para proporcionarle a las herramientas de taladrado de la presente invencion varias caractensticas diferentes que pueden aumentar la vida util y/o la eficacia de la perforacion de las herramientas de taladrado. Por ejemplo, la composicion del agente ligante se puede adaptar para variar la resistencia a la traccion y la dureza, y por lo tanto, la resistencia al desgaste de la herramienta de taladrado. Por lo tanto uno apreciara que por medio de la modificacion de la composicion del agente ligante, la resistencia al desgaste se puede adaptar a la cantidad necesaria para el uso final particular de la herramienta de taladrado. Este aumento de las propiedades proporcionadas por los agentes ligantes de una o mas implementaciones tambien pueden aumentar la vida de una herramienta de taladrado, lo que permite que la porcion de corte de las herramientas se desgaste a un ritmo deseado y mejora la tasa a la que corta la herramienta.
El siguiente ejemplo presenta los resultados de un agente ligante representativo creado de acuerdo con los principios de la presente invencion. Este ejemplo es ilustrativo de la invencion reivindicada en la presente memoria y no se debe interpretar para limitar de ninguna manera el alcance de la invencion.
Ejemplo
Se formo un agente ligante con 42,62 % en peso de cobre, 10 % en peso de mquel, 5 % en peso de estano, 42 % en peso de zinc, y 0,38 % en peso de silicio. El agente ligante tuvo una resistencia a la traccion de 58,5 ksi, una dureza de HRB 90, y una temperatura lfquida de aproximadamente 926 grados Celsius. Por lo tanto, el agente ligante tuvo tanto una alta resistencia a la traccion como dureza, mientras que mantiene una temperatura lfquida por debajo de 950 grados Celsius. Se utilizo el agente ligante para crear un escariador con propiedades mejoradas.
Las herramientas de taladrado infiltradas de la presente invencion se pueden formar a partir de una pluralidad de medios de corte abrasivos, un material de matriz, y un agente ligante de acuerdo con lo descrito con anterioridad. El agente ligante se puede configurar para adaptar las propiedades de las herramientas de taladrado. Las herramientas de taladrado descritas en la presente memoria se pueden utilizar para cortar piedras, formaciones minerales subterraneas, ceramicas, asfalto, hormigon, y otros materiales duros. Estas herramientas de taladrado pueden incluir, por ejemplo, brocas de muestreo del nucleo, brocas de tipo arrastre, brocas de cono de rodillos, hilo diamantado, tazas de molienda, cuchillas de diamante, punteros cargados, roscador de grietas, escariadores, estabilizadores, y similares. Por ejemplo, las herramientas de taladrado pueden ser cualquier tipo de broca de perforacion de tierra (es decir, una broca de muestreo del nucleo, una broca de arrastre, una broca de cono de rodillos, un navi-taladro, un taladro de agujero completo, una sierra perforadora, un abridor de agujeros, etc.), y asf sucesivamente. Las Figuras y el texto correspondiente incluido a partir de ahora ilustran ejemplos de algunas herramientas de taladrado que incluyen cuerpos infiltrados con agentes ligantes de la presente invencion. Esto se ha hecho para facilitar la descripcion. Uno apreciara a la luz de la descripcion en la presente memoria; sin embargo, que los sistemas, metodos y aparatos de la presente invencion se pueden utilizar con otras herramientas de taladrado, tales como las mencionadas con anterioridad.
Con referencia ahora a las Figuras, la Figura 1 ilustra una primera herramienta de taladrado 100 que se puede formar por el uso de un agente ligante de una o mas implementaciones de la presente invencion. En particular, la Figura 1 ilustra una carcasa de escariado 100. La carcasa de escariado 100 puede incluir uno o mas cuerpos 102 (es decir, las esteras) formados a partir de un material particulado duro infiltrado con un agente ligante de una o mas implementaciones de la presente invencion.
La carcasa de escariado 100 tambien puede incluir una primera porcion de vastago 104 con un primer extremo 108 que esta configurado para conectar la carcasa de escariado a un componente de una sarta de perforacion. A modo de ejemplo y no de limitacion, la porcion de vastago 108 se puede formar a partir de acero, otra aleacion a base de hierro, o cualquier otro material que exhiba propiedades ffsicas aceptables.
De acuerdo con lo mostrado en la Figura 1, la carcasa de escariado 100 tiene una forma generalmente anular
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definida por una superficie interna 110 y una superficie externa 112. Por lo tanto, la carcasa de escariado 100 puede definir un espacio interior alrededor de su eje central para recibir una muestra del nucleo. En consecuencia, las piezas del material que se esta perforando pueden pasar a traves del espacio interior de la carcasa de escariado 100 y hacia arriba a traves de una sarta de perforacion adjunta. La carcasa de escariado 100 puede ser de cualquier tamano, y por lo tanto, se pueden utilizar para recolectar muestras del nucleo de cualquier tamano. Si bien la carcasa de escariado 100 puede tener cualquier diametro y se puede utilizar para eliminar y recolectar muestras del nucleo con cualquier diametro deseado, el diametro de la carcasa de escariado 100 puede variar en algunas implementaciones de aproximadamente 1 pulgada a aproximadamente 12 pulgadas.
De acuerdo con lo mostrado por la Figura 1, en una o mas implementaciones, la carcasa de escariado 100 puede incluir las esteras elevadas 102 separadas por canales. En una o mas implementaciones las esteras 102 pueden tener una configuracion en espiral. En otras palabras, las esteras 102 pueden extenderse en forma axial a lo largo del vastago 104 en forma radial alrededor del vastago 104. La configuracion en espiral de las esteras 102 puede proporcionar un mayor contacto con el orificio de perforacion, una mayor estabilidad, y vibraciones reducidas. En las implementaciones alternativas, las esteras 102 pueden tener una configuracion lineal en lugar de en espiral. En tales implementaciones, las esteras 102 pueden extenderse en forma axial a lo largo del vastago 104. Ademas, en una o mas implementaciones las esteras 102 pueden incluir un borde delantero conico para ayudar en el movimiento de la carcasa de escariado 100 hacia abajo del orificio de perforacion.
En algunas implementaciones, la carcasa de escariado 100 puede no incluir las esteras 102. Por ejemplo, la carcasa de escariado 100 puede incluir mechas en lugar de esteras. Las mechas pueden incluir una pluralidad de tiras. Las mechas pueden reducir el contacto de la carcasa de escariado 100 en el orificio de perforacion, lo que de ese modo disminuye el arrastre. Ademas, las mechas pueden proporcionar un mayor flujo de agua, y por lo tanto, pueden ser particularmente adecuadas para las formaciones mas blandas.
En cualquier caso que el cuerpo o los cuerpos 102 de la carcasa de escariado 100 ya sea esten en forma de esteras, mechas, u otra configuracion se pueden formar a partir de una matriz de material particulado duro, tal como por ejemplo, un metal. Uno apreciara a la luz de la descripcion en la presente memoria, que el material particulado duro puede incluir un material accionado, tal como por ejemplo, un metal o una aleacion accionada, al igual que compuestos ceramicos. De acuerdo con algunas implementaciones de la presente invencion el material particulado duro puede incluir carburo de tungsteno. De acuerdo con lo utilizado en la presente memoria, el termino “carburo de tungsteno” significa cualquier composicion material que contiene compuestos qrnmicos de tungsteno y carbono, tal como, por ejemplo, WC, W2C, y combinaciones de WC y W2C. Por lo tanto, el carburo de tungsteno incluye, por ejemplo, carburo de tungsteno fundido, tungsteno-carburo sinterizado, y tungsteno macrocristalino. De acuerdo con las implementaciones adicionales o alternativas de la presente invencion, el material particulado duro puede incluir carburo, tungsteno, hierro, cobalto, y/o molibdeno y carburos, boruros, aleaciones de los mismos, o cualquier otro material adecuado.
El material particulado duro de los cuerpos 102 (es decir, las esteras) se puede infiltrar con un agente ligante de acuerdo con lo descripto en la presente memoria con anterioridad. El agente ligante puede proporcionarle a las esteras 102 una mayor resistencia al desgaste. Lo que de ese modo aumenta la vida de la carcasa de escariado 100.
En forma opcional, los cuerpos 102 (es decir, las esteras) de la carcasa de escariado 100 tambien pueden incluir una pluralidad de medios de corte abrasivos dispersos en todo el material particulado duro. El agente ligante se puede unir al material particulado duro y los medios de corte abrasivos para formar los cuerpos 102. El agente ligante puede proporcionarle a las esteras 102 de la carcasa de escariado 100 una mayor resistencia al desgaste, mientras que ademas no degrada ningun medio de corte abrasivo impregnado.
Los medios de corte abrasivos pueden incluir uno o mas de diamantes naturales, diamantes sinteticos, productos de diamantes policristalinos o de diamantes termicamente estables, oxido de aluminio, carburo de silicio, nitruro de silicio, carburo de tungsteno, nitruro de boro cubico, alumina, alumina sol-gel sembrada o no sembrada, u otros materiales adecuados.
Los medios de corte abrasivos utilizados en las herramientas de taladrado de una o mas implementaciones de la presente invencion pueden tener cualquier caractenstica deseada o combinacion de caractensticas. Por ejemplo, los medios de corte abrasivos pueden ser de cualquier tamano, forma, grano, calidad, arena, concentracion, etc. En algunas realizaciones, los medios de corte abrasivos pueden ser muy pequenos y sustancialmente redondos con el fin de dejar un acabado liso en el material que esta siendo cortado por los cuerpos 102. En otras implementaciones, los medios de corte pueden ser mas grandes para cortar agresivamente en el material o formacion que se esta perforando. Los medios de corte abrasivos se pueden dispersar en forma homogenea o heterogenea a lo largo de los cuerpos 102.
Uno apreciara que las carcasas de escariado 100 son unicamente un tipo de herramienta de taladrado con la que se pueden utilizar los agentes ligantes de la presente invencion. Por ejemplo, las Figuras 2 a 4 ilustran cuatro tipos adicionales de las herramientas de taladrado que se pueden formar por el uso de agentes ligantes de la presente invencion. En particular, la Figura 2 ilustra una broca de ajuste de superficie 100a, la Figura 3 ilustra una broca TSD
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100b, y la Figura 4 ilustra una broca PCD 100c. Cada una de las herramientas de taladrado de las Figuras 3 a 5 pueden incluir un cuerpo 102a, 102b, 102c (es decir, brocas de corona) que comprende un material particulado duro, de acuerdo con lo descrito con anterioridad, infiltrado con un agente ligante de acuerdo con una o mas implementaciones de la presente invencion.
De modo similar a la carcasa de escariado 100, cada una de las herramientas de taladrado 100a, 100b, 100c puede incluir una porcion de vastago 104a, 104b, 104c con un primer extremo 108a, 108b, 108c que esta configurado para conectar la herramienta de taladrado 100a, 100b, 100c a un componente de una sarta de perforacion. Tambien, cada una de las herramientas de taladrado 100a, 100b, 100c puede tener una forma generalmente anular definida por una superficie interna 110a, 100b, 100c y una superficie externa 112a, 112b, 112c. Por lo tanto, las herramientas de taladrado 100a, 100b, 100c pueden definir un espacio interior alrededor de su eje central para recibir una muestra del nucleo.
En el caso de la broca de ajuste de superficie 100a que se muestra en la Figura 2, la corona anular 102a se puede formar a partir de un material particulado duro infiltrado con un agente ligante de una o mas implementaciones de acuerdo con lo descrito con anterioridad. Ademas, la corona 102a puede incluir una pluralidad de los medios de corte 114a. Los medios de corte 114a pueden comprender uno o mas de diamantes naturales, diamantes sinteticos, productos de diamantes policristalinos o de diamantes termicamente estables, oxido de aluminio, carburo de silicio, nitruro de silicio, carburo de tungsteno, nitruro de boro cubico, alumina, alumina sol-gel sembrada o no sembrada, u otros materiales adecuados. El agente ligante se puede unir al material particulado duro y los medios de corte abrasivos para formar el cuerpo 102a. El agente ligante puede proporcionarle a la corona 102a una mayor resistencia al desgaste, mientras que ademas no degrada ningun medios de corte de superficie.
En el caso de la broca TSD 100b y la broca PCD 100c, las coronas anulares 102b, 102c se pueden formar a partir de un material particulado duro infiltrado con un agente ligante de una o mas implementaciones de acuerdo con lo descrito con anterioridad. Ademas, las coronas 102b, 102c pueden incluir una pluralidad de cortadores TSD 114b o cortadores PCD 114c, respectivamente. Los cortadores tSd 114b o los cortadores PCD 114c se pueden soldar fuerte o soldar blando a la corona 102b, 102c por el uso de un agente ligante de una o mas implementaciones de la presente invencion. En forma alternativa, los cortadores TSD 114b o los cortadores PCD 114c se pueden soldar fuerte o soldar blando a la corona 102b, 102c por el uso de otro agente ligante, un soldador fuerte, o un soldador blando.
Las herramientas de taladrado mostradas y descritas en relacion a las Figuras 1 a 4 han sido herramientas de taladrado para la extraccion del nucleo. Uno apreciara que los agentes ligantes de la presente invencion se pueden utilizar para formar otras herramientas de taladrado que no sean para la extraccion del nucleo. Por ejemplo, la Figura 5 ilustra una broca de arrastre 100d que incluye uno o mas cuerpos 102d formados a partir de un material particulado duro infiltrado con un agente ligante de la presente invencion. En particular, la Figura 5 ilustra una pluralidad de cuchillas 102d de un material particulado duro infiltrado con un agente ligante de la presente invencion. Cada una de las cuchillas 102d puede incluir uno o mas cortadores PCD 114d u otro cortador con soldadura fuerte o soldadura blanda a las cuchillas 102d. La broca de arrastre 100d puede incluir ademas un vastago 104d y un primer extremo 108d similar a los descritos en la presente memoria con anterioridad.
Uno apreciara que la corona 102c y las cuchillas 102d mostradas en las Figuras 4 y 5 pueden tener una mayor vida util de perforacion debido a los agentes ligantes de la presente invencion utilizados para formarlas. Esto puede permitir que una perforadora reemplace los cortadores 114c, 114d multiples veces antes de tener que reemplazar la broca 100c, 100d.
Los agentes ligantes de la presente invencion tambien se pueden utilizar con herramientas de corte impregnadas. Por ejemplo, las Figuras 6 y 7 ilustran vistas de una broca de muestreo de nucleo impregnada 100e que tiene un cuerpo o corona 102e formada con un agente ligante de la presente invencion. De modo similar a las otras herramientas de taladrado para la extraccion del nucleo 102, 102a, 102b, 102c, la broca de muestreo de nucleo impregnada 100e puede incluir una porcion de vastago 104e con un primer extremo 108e que esta configurado para conectar la broca de muestreo de nucleo impregnada 100e a un componente de una sarta de perforacion. Tambien, la broca de muestreo de nucleo impregnada 100e puede tener una forma generalmente anular definida por una superficie interna 110e y una superficie externa 112e. Por lo tanto, la broca de muestreo de nucleo impregnada 100e por lo tanto puede definir un espacio interior alrededor de su eje central para recibir una muestra del nucleo.
La corona 102 de la broca de muestreo de nucleo impregnada 100e se puede configurar para cortar o perforar los materiales deseados durante los procesos de perforacion. En particular, la corona 102 de la broca de muestreo de nucleo impregnada 100e puede incluir una cara de corte 118e. La cara de corte 118e puede incluir las vfas fluviales o espacios 120e que dividen la cara de corte 118e en los elementos de corte 116e. Las vfas fluviales 120e pueden permitir que un fluido de perforacion u otros lubricantes fluyan a traves de la cara de corte 118e para ayudar a proporcionar refrigeracion durante la perforacion.
La construccion de la seccion de corte de una herramienta de taladrado impregnada se puede relacionar directamente con su rendimiento. La corona o seccion de corte de una herramienta de taladrado impregnada tipicamente contiene diamantes y/u otros materiales duros distribuidos dentro de una matriz de soporte adecuada.
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Los compuestos de matriz metalica se utilizan comunmente para el material de la matriz de soporte. Los materiales de matriz metalica por lo general incluyen una fase particulada dura con una fase metalica ductil (es decir, el agente ligante). La fase dura a menudo consiste en carburo de tungsteno y otros elementos refractarios o compuestos ceramicos.
Por ejemplo, con referencia ahora a la Figura 7, se muestra una vista en seccion transversal ampliada de la seccion de corte 1l6e de la broca de muestreo de nucleo impregnada 100e. En una o mas implementaciones, la seccion de corte 116e de la broca de muestreo de nucleo impregnada 100e puede estar hecha de una o mas capas. Por ejemplo, la seccion de corte 116e pueden incluir dos capas. En particular, la seccion de corte 116e puede incluir una capa de matriz 128, que lleva a cabo el corte durante la perforacion, y una capa o base de soporte 130, que conecta la capa de matriz 128 a la porcion de vastago 104e de la broca de muestreo de nucleo impregnada 100e.
La Figura 7 ademas ilustra que la seccion de corte o corona 116e de la broca de muestreo de nucleo impregnada 100e puede comprender una matriz 122 de material particulado duro y un agente ligante de una o mas implementaciones de la presente invencion.
La seccion de corte o corona 116e tambien puede incluir una pluralidad de medios de corte abrasivos 124 dispersos en toda la matriz 122. Los medios de corte abrasivos 124 pueden incluir uno o mas de diamantes naturales, diamantes sinteticos, productos de diamantes policristalinos (es decir, TSD o PCD), oxido de aluminio, carburo de silicio, nitruro de silicio, carburo de tungsteno, nitruro de boro cubico, alumina, alumina sol-gel sembrada o no sembrada, u otros materiales adecuados. En una o mas implementaciones, los medios de corte abrasivos 124 pueden ser muy pequenos y sustancialmente redondos con el fin de dejar un acabado liso en el material que esta siendo cortado por la broca de muestreo de nucleo impregnada con un muestreo del nucleo 100e. En las implementaciones alternativas, los medios de corte 124 pueden ser mas grandes para cortar agresivamente en el material que se esta cortando.
Los medios de corte abrasivos 124 se pueden dispersar en forma homogenea o heterogenea a lo largo de la seccion de corte 116e. Tambien, los medios de corte abrasivos 124 se pueden alinear de una manera particular de manera tal que las propiedades de perforacion de los medios de corte 124 se presenten en una posicion ventajosa con respecto a la seccion de corte 116e de la broca de muestreo de nucleo impregnada 100e. En forma similar, los medios de corte abrasivos 124 pueden estar contenidos en una variedad de densidades deseadas para un uso particular.
Ademas de los medios de corte abrasivos 124, la seccion de corte 116e pueden incluir una pluralidad de estructuras alargadas 126 dispersas en toda la matriz 122. La adicion de las estructuras alargadas 126 se puede utilizar para adaptar las propiedades de la seccion de corte 116e de la broca de muestreo de nucleo impregnada 100e. Por ejemplo, las estructuras alargadas 126 se pueden anadir al material de la matriz 122 para interrumpir la propagacion de grietas, y por lo tanto, aumentar la resistencia a la traccion y disminuir la tasa de erosion de la matriz 122.
En forma adicional, la adicion de las estructuras alargadas 126 tambien puede debilitar la estructura de la seccion de corte 116e por lo menos por medio de la prevencion parcial de la union y la consolidacion de algunos de los medios de corte abrasivos 124 y el material particulado duro de la matriz 122 por medio del agente ligante. Por lo tanto, cuando se utiliza un agente ligante de la presente invencion, la adicion de las estructuras alargadas 126 puede ayudar a reducir la fuerza efectiva del agente ligante para asegurar que la corona 102e erosionara y expondra los medios de corte abrasivos adicionales 124, mientras que tambien retendra la mayor resistencia al desgaste asociada con la mayor dureza del agente ligante
De acuerdo con lo mostrado por la Figura 7, tanto las estructuras alargadas 126 como los medios de corte 124 se pueden dispersar dentro de la matriz 122 entre la cara de corte 118e y la base 130. Como herramienta de taladrado impregnada, la matriz 122 se puede configurar para erosionar y exponer los medios de corte 124 y las estructuras alargadas 126 inicialmente ubicadas entre la cara de corte 118e y la base 130 durante la perforacion. La exposicion continua de los nuevos medios de corte 124 puede ayudar a mantener una cara de corte 118e afilada.
La exposicion de nuevas estructuras alargadas 126 puede ayudar a reducir el calentamiento por friccion de la herramienta de taladrado. Por ejemplo, una vez que las estructuras alargadas 126 se liberan de la perforacion de la matriz 122 pueden proporcionar efectos de enfriamiento a la cara de corte 118e para reducir la friccion y el calor asociado. Por lo tanto, las estructuras alargadas 126 pueden permitir la adaptacion de la seccion de corte 116e para reducir la friccion y aumentar la lubricacion en la interfaz entre la porcion de corte y la superficie que se corta, lo que permite una perforacion mas facil. Este aumento de la lubricacion tambien puede reducir la cantidad de aditivos para los fluidos de perforacion (tales como lodos de perforacion, polfmeros, bentonitas, etc.). que son necesarios, lo que reduce el costo al igual que el impacto medioambiental que puede asociarse con el uso de herramientas de taladrado.
Las estructuras alargadas 126 se pueden formar a partir de carbono, metal (p. ej., tungsteno, carburo de tungsteno, hierro, molibdeno, cobalto, o combinaciones de los mismos), vidrio, material polimerico (p. ej., Kevlar), materiales ceramicos (p. ej., carburo de silicio), fibras recubiertas, y/o similares. Ademas, las estructuras alargadas 126 se pueden recubrir en forma opcional con uno o mas materiales adicionales antes de incluirse en la herramienta de
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taladrado. Tales recubrimientos se pueden utilizar para cualquier proposito de aumento de rendimiento. Por ejemplo, un recubrimiento se puede utilizar para ayudar a retener las estructuras alargadas 126 en la herramienta de taladrado. En otro ejemplo, un recubrimiento se puede utilizar para aumentar la lubricidad cerca de la cara de perforacion de una herramienta de taladrado a medida que el recubrimiento erosiona y forma un material particulado fino que actua para reducir la friccion. En ademas otro ejemplo, un recubrimiento puede actuar como material abrasivo y de ese modo se puede utilizar para ayudar en el proceso de perforacion.
Se puede utilizar cualquier material conocido para recubrir las estructuras alargadas 126. Por ejemplo, se puede utilizar cualquier metal, ceramica, polfmero, vidrio, tamano, agente humectante, flujo u otra sustancia deseada para recubrir las estructuras alargadas 126. En un ejemplo, las estructuras alargadas de carbono 126 estan recubiertas con un metal, tales como hierro, titanio, mquel, cobre, molibdeno, plomo, tungsteno, aluminio, cromo, o combinaciones de los mismos. En otro ejemplo, las estructuras alargadas de carbono 126 se pueden recubrir con un material ceramico, tal como SiC, SiO, SiO2, o similar.
Cuando las estructuras alargadas 126 se recubren con uno o mas recubrimientos, el material de recubrimiento puede cubrir cualquier porcion de las estructuras alargadas 126 y puede ser de cualquier espesor deseado. En consecuencia, un material de recubrimiento se puede aplicar a las estructuras alargadas 126 de cualquier manera conocida en la tecnica. Por ejemplo, el recubrimiento se puede aplicar a las estructuras alargadas 126 a traves de pulverizacion, cepillado, galvanoplastia, inmersion, deposicion ffsica de vapor, o deposicion de vapor qmmico.
En forma adicional, las estructuras alargadas 126 tambien pueden ser de diferentes combinaciones o tipos. Los ejemplos de los tipos de estructuras alargadas 126 incluyen picados, molidos, trenzados, tejidos, agrupamientos, enrollados, o estopas. En una o mas implementaciones de la presente invencion, tal como cuando la herramienta de taladrado comprende una broca de muestreo de nucleo impregnada con un muestreo del nucleo 100e, las estructuras alargadas 126 pueden contener una mezcla de fibras cortadas y molidas. En las implementaciones alternativas, la herramienta de taladrado puede contener un tipo de estructura alargada 126. En implementaciones adicionales, sin embargo, la herramienta de taladrado puede contener multiples tipos de estructuras alargadas 126. En tales casos, cuando una herramienta de taladrado contiene mas de un tipo de estructuras alargadas 126, se puede utilizar cualquier combinacion de tipo, calidad, tamano, forma, grado, recubrimiento, y/o caractenstica de las estructuras alargadas 126.
Las estructuras alargadas 126 se pueden encontrar en cualquier concentracion deseada en la herramienta de taladrado. Por ejemplo, la seccion de corte 116e de una herramienta de taladrado 20 puede tener una concentracion muy alta de las estructuras alargadas 126, una concentracion muy baja de fibras, o cualquier concentracion en el medio. En una o mas implementaciones la herramienta de taladrado puede las contener estructuras alargadas 126 que vanan de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 25 % en peso. En las implementaciones adicionales, la corona 102e puede comprender entre aproximadamente 1% y aproximadamente 15% de adicion en peso de las estructuras alargadas. En particular, la corona 102e puede comprender aproximadamente 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9% o 10% de adicion en peso de las estructuras alargadas.
De acuerdo con algunas implementaciones de la presente invencion cuando la composicion del agente ligante se adapta para aumentar resistencia a la traccion, la cantidad de las estructuras alargadas 126 se puede ajustar para asegurar que la seccion de corte erosione a una tasa adecuada y constante. En otras palabras, la porcion de corte se puede configurar para asegurar que erosione y exponga los nuevos medios de corte abrasivos durante el proceso de perforacion. De esta manera, la seccion de corte 116e puede disenarse a medida para poseer caractensticas opticas para perforar materiales espedficos por medio de la variacion de la resistencia del agente ligante y/o la concentracion de las estructuras alargadas 126. Por ejemplo, se puede realizar una matriz dura, resistente a la abrasion para perforar formaciones no consolidadas, suaves, abrasivas, mientras que se puede realizar una matriz ductil suave para perforar una formacion consolidada extremadamente dura, no abrasiva. Por lo tanto, la dureza de la matriz de la broca puede acondicionarse a formaciones particulares, lo que permite que la seccion de corte 22 erosione a una tasa controlada y deseada.
En una o mas implementaciones, las estructuras alargadas 126 se pueden dispersar en forma homogenea en toda la seccion la seccion de corte 116e. En otras implementaciones, sin embargo, la concentracion de las estructuras alargadas 126 puede variar en toda la seccion de corte 116e, segun se desee. Las estructuras alargadas 126 pueden ubicarse en la seccion de corte 116e de una herramienta de taladrado en cualquier orientacion o alineacion deseada. En una o mas implementaciones, las estructuras alargadas 126 pueden extenderse aproximadamente paralelas entre sf en cualquier direccion deseada. La Figura 7 ilustra que, en otras implementaciones, las estructuras alargadas 126 pueden configurarse en forma aleatoria y por lo tanto pueden orientarse en practicamente cualquier direccion o multiples direcciones relativas entre sf.
Las estructuras alargadas 126 pueden ser de cualquier tamano o combinacion de tamanos, que incluyen mezclas de diferentes tamanos. Por ejemplo, las estructuras alargadas 126 pueden ser de cualquier longitud y tener cualquier diametro deseado. En algunas implementaciones, las estructuras alargadas 126 puede ser de tamano nanometrico. En otras palabras un diametro de las estructuras alargadas 126 puede estar entre aproximadamente 1 nanometro y aproximadamente 100 nanometros. En las implementaciones alternativas, las estructuras alargadas 126 pueden ser de tamano micrometrico. En otras palabras, el diametro de las estructuras alargadas 126 puede estar entre
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aproximadamente 1 micrometro y aproximadamente 100 micrometros. En implementaciones adicionales, el diametro de las estructuras alargadas 126 puede estar entre aproximadamente menos de aproximadamente 1 nanometro o mas de aproximadamente 100 micrometros.
En forma adicional, las estructuras alargadas 126 pueden tener una longitud entre aproximadamente 1 nanometro y aproximadamente 25 milfmetros. En cualquier caso, las estructuras alargadas 126 pueden tener una relacion de longitud a diametro entre aproximadamente 2 a 1 y aproximadamente 500.000 a 1. Mas en particular, las estructuras alargadas 126 pueden tener una relacion de longitud a diametro entre aproximadamente 10 a 1 y aproximadamente 50 a 1.
Las implementaciones de la presente invencion tambien incluyen metodos de formacion de brocas impregnadas que incluyen agentes ligantes de alta dureza y alta resistencia. Lo siguiente describe por lo menos un metodo de formacion de herramientas de taladrado con agentes ligantes de la presente invencion. Por supuesto, como cuestion preliminar, aquellos con experiencia ordinaria en la tecnica reconoceran que se pueden modificar los metodos explicados en detalle en la presente memoria. Por ejemplo, se pueden omitir o ampliar las diversas acciones del metodo descrito, y se puede alterar el orden de las diversas acciones del metodo descrito segun se desee.
Por ejemplo, la Figura 8 ilustra un diagrama de flujo de un metodo representativo para producir una herramienta de taladrado por el uso de agentes ligantes de la presente invencion. Las acciones de la Figura 8 se describen a continuacion con referencia a los componentes y diagramas de las Figuras 1 a 7.
Como cuestion inicial, el termino "infiltracion” o “infiltrar” de acuerdo con lo utilizado en la presente memoria implica fundir un material de agente ligante y provocar que el agente ligante fundido penetre en y llene los espacios o poros de una matriz. Luego del enfriamiento, el agente ligante puede solidificarse, y unir las partfculas de la matriz de manera conjunta. El termino “sinterizacion” de acuerdo con lo utilizado en la presente memoria significa la eliminacion de por lo menos una porcion de los poros entre las partfculas (que puede estar acompanado por contraccion) combinado con la coalescencia y la union entre partfculas adyacentes.
Por ejemplo, la Figura 8 muestra que un metodo de formacion de una herramienta de taladrado 100-100e puede comprender una accion 801 de proporcionar o preparar una matriz 122. En particular, el metodo puede implicar la preparacion de una matriz de material particulado duro. Por ejemplo, el metodo puede comprender la preparacion de una matriz de un material accionado, tal como por ejemplo carburo de tungsteno. En las implementaciones adicionales, la matriz puede comprender uno o mas de os materiales particulados duros descritos previamente. En algunas implementaciones de la presente invencion, el metodo pueden incluir la colocacion de la matriz en un molde.
El molde se puede formar a partir de un material que sea capaz de soportar el calor al que se sometera la matriz 122 durante un proceso de calentamiento. En por lo menos una implementacion, el molde se puede formar a partir de carbono o grafito. El molde se puede dimensionar para formar una broca que tenga las caractensticas deseadas. En por lo menos una implementacion de la presente invencion, el molde puede corresponder a una broca hueca.
En adicion, el metodo puede comprender en forma opcional una accion de dispersar una pluralidad de medios de corte abrasivos 124 y/o estructuras alargadas 126 a lo largo de por lo menos una porcion la matriz. En forma adicional, el metodo puede implicar la dispersion de los medios de corte abrasivos 124 y/o las estructuras alargadas 126 en forma aleatoria o en una disposicion no organizada en toda la matriz 122.
La Figura 8 ademas ilustra que el metodo puede implicar una accion 802 si se posiciona un agente ligante proximo a la matriz. Por ejemplo, el metodo puede implicar la colocacion de un agente ligante de acuerdo con lo descripto con anterioridad en la parte superior de la matriz 122 una vez que se posiciona en un molde.
En una o mas implementaciones, el material particulado duro puede comprender entre aproximadamente 25% y aproximadamente 85% en peso del cuerpo 102-102e. Mas en particular, el material particulado duro puede comprender entre aproximadamente 25% y aproximadamente 85% en peso del cuerpo 102-102e. Por ejemplo, un cuerpo 102-102e de una o mas implementaciones de la presente invencion puede incluir entre aproximadamente 25% y 60% en peso de tungsteno, entre aproximadamente 0% y aproximadamente 4% en peso de carburo de silicio, y entre aproximadamente 0% y aproximadamente 4% en peso de carburo de tungsteno.
Las estructuras alargadas pueden comprender entre aproximadamente 0% y 25% en peso del cuerpo 102-102e. Mas en particular, las estructuras alargadas pueden comprender entre aproximadamente 1% y aproximadamente 15% en peso del cuerpo 102-102e. Por ejemplo, un cuerpo 102-102e de una o mas implementaciones de la presente invencion puede incluir entre aproximadamente 3% y aproximadamente 6% en peso de nanotubos de carbono.
Los medios de corte pueden comprender entre aproximadamente 0% y aproximadamente 25% en peso del cuerpo 102-102e. Mas en particular, los medios de corte pueden comprender entre aproximadamente 5% y 15% en peso del cuerpo 102-102e. Por ejemplo, un cuerpo 102-102e de una o mas implementaciones de la presente invencion puede incluir entre aproximadamente 5% y aproximadamente 12,5% en peso de cristales de diamante. [0081] El metodo puede comprender una accion 803 de infiltrar la matriz con el agente ligante. Esto puede implicar el
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calentamiento del agente ligante hasta un estado fundido y la infiltracion de la matriz con el agente ligante fundido. Por ejemplo, el agente ligante se puede calentar a una temperature suficiente para llevar el agente ligante a un estado fundido. En cuyo punto el agente ligante fundido puede infiltrarse en la matriz 122. En una o mas implementaciones, el metodo puede incluir el calentamiento de la matriz 122, los medios de corte 124, las estructuras alargadas 122, y el agente ligante a una temperatura de por lo menos la temperatura lfquida del agente ligante. El agente ligante puede enfriarse y de ese modo unirse a la matriz 122, los medios de corte 124, las estructuras alargadas 126, de manera conjunta. El agente ligante puede comprender entre aproximadamente 15% y aproximadamente 55% en peso del cuerpo 102-102e. Mas en particular, el agente ligante puede comprender entre aproximadamente 20% y aproximadamente 45% en peso del cuerpo 102-102e.
De acuerdo con algunas implementaciones de la presente invencion, se puede aumentar el tiempo y/o la temperatura del proceso de infiltracion para permitir que el agente ligante llene un mayor numero y una mayor cantidad de los poros de la matriz. Esto puede reducir tanto la contraccion durante la infiltracion, como el aumento de la resistencia de la herramienta de taladrado resultante.
En forma adicional, el metodo puede comprender una accion de asegurar un vastago 104 a la matriz 122 (o el cuerpo 102-102e). Por ejemplo, el metodo puede incluir la colocacion de un vastago 104 en contacto con la matriz 122. Luego puede anadirse una capa de soporte 130 de una matriz adicional, material de agente ligante, y/o flujo y ponerse en contacto con la matriz 122 al igual que el vastago 104 para completar la preparacion inicial de una broca verde. Una vez que se ha formado la broca verde, se puede colocar en un horno para consolidar de ese modo la broca. En forma alternativa, las secciones primera y segunda se pueden acoplar en un proceso secundario tales como por medio de soldadura fuerte, soldadura, o union adhesiva. Aun mas, pueden soldarse fuerte cortadores adicionales o de otro modo unirse a la broca. Despues de eso, se puede terminar la broca a traves de procesos de maquina segun se desee.
Antes, despues o en conjunto con la infiltracion de la matriz 122, uno o mas metodos de la presente invencion pueden incluir la sinterizacion de la matriz 122 a una densidad deseada. Dado que la sinterizacion implica la densificacion y eliminacion de la porosidad dentro de una estructura, la estructura sinterizada puede contraerse durante el proceso de sinterizacion. Una estructura puede experimentar retraccion lineal de entre 1% y 40% durante la sinterizacion. Como resultado, puede ser deseable considerar y tomar en cuenta la contraccion dimensional al disenar herramientas (moldes, matrices, etc.) o caractensticas de mecanizado en estructuras que no estan completamente sinterizadas.
En consecuencia, los esquemas y metodos descritos en la presente memoria proporcionan un numero de productos unicos que pueden ser eficaces para perforar a traves de tanto formaciones blandas como duras. En forma adicional, tales productos pueden tener una mayor tasa de penetracion de perforacion debido a los medios de corte abrasivos relativamente grandes. Ademas, dado que los medios de corte abrasivos relativamente grandes se pueden dispersar en toda la corona, se pueden exponer de manera continua nuevos medios de corte abrasivos relativamente grandes durante la vida util de perforacion de la broca impregnada.
La presente invencion por lo tanto se puede realizar en otras formas especificadas sin apartarse de su espmtu o caractensticas esenciales. Por ejemplo, las brocas impregnadas de una o mas implementaciones de la presente invencion pueden incluir una o mas ranuras de fluido cerradas, tales como las ranuras de fluido cerradas descritas en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Num. 11/610.680, presentada el 14 de diciembre de 2006, titulada “Core Drill Bit with Extended Crown Longitudinal dimension”, ahora la Patente de los Estados Unidos Num. 7.628.228. Aun mas, las brocas impregnadas de una o mas implementaciones de la presente invencion pueden incluir una o mas vfas fluviales conicas, tales como las vfas fluviales conicas descritas en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Num. 12/638.229, presentada el 15 de diciembre de 2009, titulada “Drill Bits With Axially-Tapered Waterways” Las realizaciones descritas deben considerarse en todos los respectos unicamente como ilustrativas y no restrictivas. El alcance de la invencion, por lo tanto, esta indicado por las reivindicaciones adjuntas en lugar de por la descripcion anterior.
Claims (16)
- 510152025303540REIVINDICACIONES1. - Un cuerpo de una herramienta de taladrado, que comprende: un material particulado duro; yun agente ligante, el agente ligante consiste en:5 a 50 % en peso de mquel;35 a 60 % en peso de zinc;0,5 a 35 % en peso de estano; yen forma opcional, 0 a 60 % en peso de cobre y/o 0 a 20 % en peso de componentes adicionales,en donde los componentes adicionales consisten en uno o mas de aluminio, hierro, plomo, manganeso, silicio, fosforo, boro, plata, oro, o galio.
- 2. - El cuerpo de una herramienta de taladrado de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 1, en donde el agente ligante comprende 5 a 30 % en peso de mquel.
- 3. - El cuerpo de una herramienta de taladrado de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 2, en donde el agente ligante consiste en:5 a 20 % en peso de mquel;35 a 60 % en peso de zinc;0,5 a 35 % en peso de estano; y0 a 20 % en peso de los componentes adicionales.
- 4. - El cuerpo de una herramienta de taladrado de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 2, en donde el agente ligante consiste en mquel, zinc, y estano.
- 5. - El cuerpo de una herramienta de taladrado de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 1, en donde el agente ligante comprende 0 a 60 % en peso de cobre.
- 6. - El cuerpo de una herramienta de taladrado de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 6, en donde el agente ligante consiste en:5 a 50 % en peso de mquel;35 a 60 % en peso de zinc;0,5 a 35 % en peso de estano;0 a 60 % en peso de cobre; y0 a 20 % en peso de componentes adicionales.
- 7. - El cuerpo de una herramienta de taladrado de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 6, en donde el agente ligante consiste en mquel, zinc, estano, y cobre.
- 8. - El cuerpo de una herramienta de taladrado de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 1, en donde la herramienta de taladrado comprende uno de un escariador, una carcasa de escariado, una broca de ajuste de superficie, una broca PCD, o una broca impregnada de diamantes.
- 9. - El cuerpo de una herramienta de taladrado de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 9, que comprende ademas una pluralidad de medios de corte abrasivos dispersos en todo el cuerpo.
- 10. - El cuerpo de una herramienta de taladrado de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 10, en donde los medios de corte abrasivos comprenden uno o mas de diamantes naturales, diamantes sinteticos, oxido de aluminio, carburo de silicio, nitruro de silicio, carburo de tungsteno, nitruro de boro cubico, alumina, o alumina sol-gel sembrada o no sembrada.
- 11. - Un metodo de formacion de una herramienta de taladrado con una mayor resistencia al desgaste, que comprende:510152025el suministro de una matriz que comprende un material particulado duro;el posicionamiento de un agente ligante proximo al material particulado duro, el agente ligante consiste en 5 a 50 % en peso de mquel, 35 a 60 % en peso de zinc, 0,5 a 35 % en peso de estano, y en forma opcional, 0 a 60 % en peso de cobre y/o 0 a 20 % en peso de componentes adicionales, en donde los componentes adicionales consisten en uno o mas de aluminio, hierro, plomo, manganeso, silicio, fosforo, boro, plata, oro, o galio; y la infiltracion de la matriz con el agente ligante por medio del calentamiento de la matriz y el agente ligante a una temperatura de no mas de 1200 grados Celsius.
- 12. - El metodo de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 11, que comprende ademas:la dispersion de una pluralidad de medios de corte abrasivos en toda la matriz antes de la infiltracion de la matriz;en donde los medios de corte abrasivos comprenden uno o mas de diamantes naturales, diamantes sinteticos, oxido de aluminio, carburo de silicio, nitruro de silicio, carburo de tungsteno, nitruro de boro cubico, alumina, o alumina sol- gel sembrada o no sembrada.
- 13. - El metodo de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 11, en donde el agente ligante consiste en:5 a 50 % en peso de mquel;35 a 60 % en peso de zinc;0,5 a 35 % en peso de estano;0 a 60 % en peso de cobre; y 0 a 20 % en peso de los componentes adicionales.
- 14. - El metodo de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 11, en donde el agente ligante consiste en:5 a 20 % en peso de mquel;35 a 60 % en peso de zinc;0,5 a 35 % en peso de estano; y 0 a 20 % en peso de los componentes adicionales.
- 15. - El metodo de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 11, en donde el agente ligante consiste en mquel, zinc y estano.
- 16. - El metodo de acuerdo con lo recitado en la reivindicacion 11, en donde el agente ligante consiste en mquel, zinc, estano y cobre.
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