ITMI20060745A1 - Punte per trivella a matrice composita e relativo metodo di produzione - Google Patents

Description

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: “Punte per trivella a matrice composita e relativo metodo di produzione”

Settore tecnico

La presente invenzione riguarda punte rotanti per trivella e, più particolarmente, punte per trivella a matrice aventi un corpo punta a matrice composita formato in parte da almeno un primo materiale di matrice e da un secondo materiale di matrice.

Tecnica anteriore al invenzione

Per la trivellazione di pozzi di estrazione del petrolio e di gas, nonché di pozzi geotermici e di pozzi idrici, vengono frequentemente impiegate punte per trivella rotanti. Le punte per trivella rotanti possono essere classificate generalmente in punte per trivella a coni rotativi, o punte da trivella a coni rotanti, ed in utensili di trivellazione a frese fisse, o punte draganti. Le punte per trivella a frese fisse, o punte draganti, sono sovente realizzate con un corpo punta a matrice che ha elementi od inserti di taglio disposti in punti prescelti di porzioni esterne del corpo punta a matrice. Nel corpo punta a matrice vengono tipicamente formati canali di flusso per consentire la comunicazione di fluidi di trivellazione da un impianto di trivellazione associato in superficie, attraverso una stringa di trivellazione o tubazione di trivellazione attaccata al corpo punta a matrice. Punte per trivella a frese fisse o punte draganti siffatte possono talvolta essere indicate come “punte per trivella a matrice”.

Le punte per trivella a matrice composita vengono tipicamente formate disponendo materiale di matrice sciolto (definito talvolta “polvere di matrice”) in una forma ed infiltrando il materiale di matrice con un legante che può essere una cuprolega. La forma può essere ricavato per fresatura da un blocco di materiale, ad esempio di grafite, in modo da definirvi una cavità di stampaggio con caratteristiche che corrispondono, generalmente, alle caratteristiche esterne desiderate della risultante punta per trivella a matrice. Varie caratteristiche della punta per trivella a matrice composita prodotta, come ad esempio cavità per lame o frese e/o canali di flusso per fluido, possono essere ottenute sagomando la cavità della forma e/o posizionando anime od inserti (materiale di dislocamento temporaneo) in porzioni interne della cavità della forma. Un codolo o semilavorato preformato d’acciaio o punta grezza, può essere disposto nella cavità della forma a scopo di rinforzo per il corpo punta a matrice, nonché per consentire il collegamento della punta per trivella a matrice composita così prodotta ad una stringa di trivellazione.

Un quantitativo di materiale di matrice, tipicamente in polvere, può quindi essere posto nella cavità della forma. Nel materiale di matrice può venire infiltrato una lega metallica fusa o legante che formerà un corpo punta a matrice, dopo la solidificazione del legante con il materiale di matrice. Sovente, per formare corpi punta a matrice composita convenzionali si usa la polvere di carburo di tungsteno.

Sommario dell’invenzione

In accordo con gli insegnamenti della presente invenzione, un primo materiale di matrice ed un secondo materiale di matrice cooperano ad eliminare o ridurre sostanzialmente i problemi che s’incontrano nella produzione di punte per trivella sane ed esenti da difetti interni. Un aspetto della presente invenzione può prevedere che un primo materiale di matrice venga introdotto in una forma per formare cavità per lame o frese, cave di scarico, ed altre porzioni esterne di una punta associata per trivella a matrice composita. Un semilavorato di metallo o mandrino di colata può essere posato nella forma al disopra del materiale di matrice. Nella forma può, quindi, essere aggiunto un secondo materiale di matrice. Il secondo materiale di matrice può essere scelto per consentire una rapida infiltrazione o deflusso del materiale legante liquido entro ed in tutti i punti del primo materiale di matrice. Come risultato, si riesce, sostanzialmente, a ridurre od eliminare la segregazione della lega nell’ultima porzione solidificata di materiale legante con il primo materiale di matrice. Il primo materiale di matrice può anche apportare un desiderato miglioramento delle caratteristiche di resistenza a rottura in direzione trasversale, di resistenza all’urto, all’erosione, all’abrasione ed all’usura, per una punta associata per trivella a matrice composita.

La cooperazione fra il secondo materiale di matrice ed il legante può ridurre sostanzialmente e/o eliminare problemi di qualità che un’insufficiente compenetrazione del materiale legante nel primo materiale di matrice comporta. Difetti di porosità, ritiro, incrinatura, segregazione e/o mancata infiltrazione del materiale legante nel primo materiale di matrice, possono essere ridotti od eliminati grazie all’aggiunta di un secondo materiale di matrice. Il primo materiale di matrice può essere carburi cementati con tungsteno, titanio, tantalio, niobio, cromo, vanadio, molibdeno, afnio da soli od in combinazione tra loro e/o carburi sferoidali. Il secondo materiale di matrice può essere carburo di tungsteno macrocristallino - e/ o carburo di tungsteno colato. La presente invenzione non è però limitata ai carburi cementati di tungsteno, carburi sferoidali, carburo di tungsteno macrocristallino e/o carburi di tungsteno colati, o loro miscele. Inoltre, gli insegnamenti della presente invenzione possono essere utilizzati per fabbricare o colare corpi punta a matrice composita relativamente grandi e corpi punta a matrice composita complessi relativamente piccoli.

I benefici vantaggi tecnici della invenzione includono, ma non comprendono soltanto l’eliminazione o riduzione sostanziale dei problemi di qualità associati ad una compenetrazione o legame incompleto di materiale duro particolato in associazione a punte per trivella a matrice. Gli esempi di tali problemi di qualità comprendono, ma non sono limitati solo alla riduzione della segregazione delle leghe, alla formazione di composti intermetallici indesiderati, di porosità e/o di fori o cavità indesiderate in un corpo di punta a matrice associato.

Un aspetto della invenzione prevede la realizzazione di una punta per trivella a matrice composita avente una prima porzione o prima zona formata in parte da carburi cementati e/o carburi sferoidali, che conferiscono maggiore tenacità congiunta ad una maggiore resistenza all’abrasione, erosione ed usura, ed avente una seconda porzione o seconda zona formata in parte da carburo di tungsteno monocristallino e/ o carburi colati, per migliorare la compenetrazione di materiale legante liquido fuso in tutti i punti dei carburi cementati e/o carburi sferoidali..

Breve descrizione dei disegni

Una comprensione più approfondita ed esauriente delle presenti forme attuattive e dei vantaggi relativi, può essere raggiunta facendo riferimento alla descrizione che segue ed agli uniti disegni, nei quali numeri di riferimento eguali indicano eguali caratteristiche e nei quali:

la Figura 1 è una vista schematica in prospettiva isometrica di una punta per trivella a frese fisse avente un corpo punta a matrice realizzato secondo gli insegnamenti della presente invenzione;

la Figura 2 è una vista schematica in sezione, con porzioni in spaccato, di un esempio di gruppo forma con un primo materiale di matrice ed un secondo materiale di matrice idonei per la realizzazione di una punta per trivella a matrice composita secondo gli insegnamenti della presente invenzione;

la Figura 3 è una vista schematica in sezione, con porzioni in spaccato, di un corpo punta a matrice estratto dalla forma di Figura 2 dopo che il materiale legante sia stato infiltrato nel primo materiale di matrice e nel secondo materiale di matrice; e

la Figura 4 è una vista schematica in sezione di porzioni interne di un esempio di forma idoneo ad essere impiegato nella realizzazione di un corpo punta a matrice secondo gli insegnamenti della presente invenzione.

- Descrizione dettagliata della invenzione

Forme preferite di realizzazione della invenzione ed i vantaggi relativL potranno essere meglio compresi facendo riferimento alle Figure 1-4, dove numeri eguali indicano parti eguali e simili.

I termini “punta per trivella a matrice” e “punte per trivella a matrice” potranno essere usati nella presente domanda in relazione a “punte rotanti draganti”, “punte draganti”, “punte per trivella a frese fisse” o ad un qualsiasi altro tipo di punta per trivella incorporante gli insegnamenti della presente invenzione. Tali punte per trivella possono essere usate per scavare pozzi o fori di trivellazione in formazioni del sottosuolo.

Le punte per trivella a matrice composita secondo gli insegnamenti della presente invenzione possono includere un corpo punta a matrice formato in parte da almeno un primo materiale di matrice ed un secondo materiale di matrice. Punte per trivella a matrice composita siffatte possono essere descritte come aventi un corpo punta a matrice, in quanto per formare il corpo punta si possono usare almeno due diversi materiali di matrice con caratteristiche differenti. Come discusso più dettagliatamente nel seguito, per formare un corpo punta a matrice secondo gli insegnamenti della presente invenzione è possibile usare più di due materiali di matrice.

Per talune applicazioni, il primo materiale di matrice può avere maggiore tenacità od alta resistenza a frattura ed offrire inoltre una resistenza desiderata all’erosione, all’abrasione ed all’usura. Il secondo materiale di matrice contiene preferibilmente solo una . limitata (o nessuna) quantità di materiali in lega o di altri contaminanti. Il primo materiale di matrice può includere, ma non limitati solo a., carburi cementati o carburi sferoidali. Il secondo materiale di matrice può includere, ma non limitati solo a carburi di tungsteno macrocristallino e/o carburi colati.

Per l’infiltrazione dei materiali di matrice a formare un corpo punta a matrice, sono utilizzabili vari tipi di materiale legante. I materiali leganti possono comprendere, ma non limitati solo a rame (Cu), nickel (Ni), cobalto (Co), ferro (Fe), molibdeno (Mo) da soli od in lega fra loro. Gli elementi leganti possono includere, ma non limitati solo a uno o più dei seguenti: manganese (Mn), nickel (Ni), stagno (Sn), zinco (Zn), silicio (Si), molibdeno (Mo), tungsteno (W), boro (B), e fosforo (P). Il corpo punta a matrice può essere attaccato ad un codolo metallico. Un organo connettore, provvisto di un raccordo filettato azionabile, per collegare in modo scioglibile l’associata punta per trivella a matrice composita con una stringa di trivellazione, una tubazione di trivellazione, un gruppo od un motore di trivellazione in profondità, possono essere attaccati al codolo metallico.

I termini “carburo cementato” e “carburi cementati” possono essere usati nella presente domanda per includere WC, MoC, TiC, TaC, NbC, Cr3C2, VC, e soluzioni solide di carburi misti come WC-TiC, WC-TiC-TaC, WC-TiC-(Ta,Nb)C in una fase a base metallica (matrice) del legante. Per formare il legante metallico si potranno usare tipicamente Co, Ni, Fe, Mo e/o loro leghe. I carburi cementati possono talvolta essere indicati come carburi “compositi” o carburi sinterizzati. Alcuni carburi cementati possono anche essere indicati come carburi sferoidali. I carburi cementati possono comunque avere molte forme e configurazioni diverse da quella sferica.

I carburi cementati possono essere descritti in generale come carburi refrattari polverizzati che sono stati uniti per compressione e riscaldamento a materiali leganti come ad esempio polvere di cobalto, ferro, nickel, molibdeno e/o loro leghe. I carburi cementati possono anche essere sinterizzati, frantumati, vagliati e/o ulteriormente trattati come più conviene. Per formare un corpo punta a matrice è possibile usare sferoidi di carburo cementato. Il materiale legante conferisce una duttilità ed una tenacità che conducono sovente ad una superiore resistenza a frattura (tenacità) degli sferoidi di carburo cementato, sfere od altre configurazioni, rispetto ai carburi colati, al carburo di tungsteno macrocristallino e/o loro formulazioni.

I materiali leganti usati per formare carburi cementati possono talvolta comparire indicati come “materiali agglomeranti” nella presente domanda di brevetto per meglio distinguere fra materiali leganti usati per formare carburi cementati e materiali leganti usati per realizzare una punta per trivella a matrice.

Come discusso più dettagliatamente nel seguito, elementi metallici e/o loro leghe nei materiali agglomeranti associati a carburi cementati possono “contaminare” liquidi caldi (fusi) infiltrati come le cuproleghe ed altri tipi di materiali leganti associati alla produzione di punte per trivella a matrice composita, in quanto rinfiltrante fuso migra nei carburi cementati prima di solidificare e formare una matrice desiderata. Questo genere di “contaminazione” (arricchimento di infiltrante con materiale legante proveniente da carburi cementati) di un infiltrante fuso, può alterare la temperatura del solidus (temperatura al disotto della quale rinfiltrante è tutto solido) e del liquidus (temperatura al disopra della quale rinfiltrante è tutto liquido) dell’infiltrante mentre questo migra, per capillarità, nel carburo cementato. Questo fenomeno può avere un effetto sfavorevole sulla umettabilità dei carburi cementati, con conseguente insoddisfacente infiltrazione dei carburi cementati prima della solidificazione, che porta alla formazione della matrice desiderata.

I carburi colati possono essere descritti in generale come aventi due fasi: il monocarburo di tungsteno ed il carburo di ditungsteno. I carburi colati hanno sovente caratteristiche, come la durezza, umettabilità e risposta a leganti liquidi caldi contaminati, che differiscono da quella dei carburi cementati o dei carburi sferoidali.

Il carburo di tungsteno macrocristallino può essere descritto in generale come particelle relativamente piccole (polveri) di singoli cristalli di carburo monotungstenico con aggiunte di carburo colato, Ni, Fe, carbonile di Fe, Ni, etc. Sia i carburi cementati che i carburi di tungsteno macrocristallino sono generalmente descritti come materiali duri con un’alta resistenza all’abrasione, erosione ed usura. Anche il carburo di tungsteno macrocristallino può avere caratteristiche, quali la durezza, umettabilità, e risposta a leganti liquidi caldi contaminati, che si differenziano da quelle dei carburi cementati o dei carburi sferoidali.

I termini “legante” o “materiale legante” possono essere usati nella presente domanda per includere rame, cobalto, nickel, ferro, e qualsiasi lega di questi elementi, o qualsiasi altro materiale soddisfacente, per l’uso nella realizzazione di urta punta per trivella a matrice. Leganti siffatti conferiscono la duttilità, tenacità e conduttività termica desiderate ad una punta associata per trivella a matrice. Altri materiali come il carburo di tungsteno, ma non limitati solo a, sono stati usati in passato come materiali leganti per conferire resistenza all’erosione, abrasione ed usura ad una punta per trivella a matrice composita associata. I materiali leganti possono cooperare con due o più tipi diversi di materiale di matrice scelti secondo gli insegnamenti della presente invenzione, per formare corpi punta a matrice composita con proprietà antiusura e di tenacità superiori a quelle di molti corpi punta a matrice convenzionali.

La Figura 1 è una vista schematica di un esempio di punta per trivella a matrice composita, o punta a frese fisse, realizzata con un corpo punta a matrice composita secondo gli insegnamenti della presente invenzione. Per realizzazioni come quella mostrata in Figura 1, una punta 20 per trivella a matrice composita può includere un codolo metallico 30 con un corpo punta 50 di matrice composita saldamente attaccato ad esso. Il codolo metallico 30 può essere descritto come avente una configurazione cilindrica genericamente cava che è definita in parte da un passaggio 32 di flusso fluido in Figura 3. Vari tipi di raccordo filettato, come il raccordo dello American Petroleum Institute (API) od un perno filettato 34, possono essere formati sul codolo metallico 30 da parte opposta del corpo punta 50 di matrice composita.

Per alcune applicazioni, un semilavorato metallico genericamente cilindrico o semilavorato colato, 36, (v. Figg. 2 e 3) può essere attaccato al codolo metallico 30, genericamente cilindrico per mezzo di varie tecniche. Per esempio, una gola anulare 38 di saldatura (v. Fig. 3) può essere formata tra porzioni adiacenti del semilavorato 36 e del codolo 30. La saldatura 39 può essere eseguita nella gola 38 fra il semilavorato 36 ed il codolo 30 (v. Fig. 1). Il passaggio di flusso fluido o foro longitudinale 32 si estende preferibilmente attraverso il codolo metallico 30 ed il semilavorato metallico 36. Il semilavorato metallico 36 ed il codolo metallico 30 possono essere ricavati da varie leghe d’acciaio o da un’altra lega metallica qualsiasi associata alla produzione industriale di punte per trivella rotanti.

Una punta per trivella a matrice composita può includere una pluralità di elementi di taglio, inserti, scarichi di fresatura, lame di taglio, strutture di taglio, cave di scarico, e/o percorsi di flusso fluido, formati od attaccati su/ a porzioni esterne di un corpo punta associato. Per forme attuattive come quelle mostrate nelle Figure 1, 2 e 3, sull’esterno del corpo punta 50 a matrice composita può essere formata una pluralità di lame 52 di taglio. Le lame 52 di taglio possono essere spaziate fra loro sull 'esterno del corpo punta 50 a matrice composita per lasciarvi intercalati percorsi di flusso fluido o cave di scarico. _ _

Una pluralità di aperture 54 d’ugello possono essere formate nel corpo punta composito 50. In ciascuna apertura 54 d’ugello possono trovare posto rispettivi ugelli 56. Per alcune applicazioni, gli ugelli 56 possono essere descritti come ugelli “intercambiabili”. Vari tipi di fluido di trivellazione possono essere pompati dall’impianto di trivellazione in superficie (non espressamente mostrato) attraverso una stringa di trivellazione (non espressamente mostrata) attaccata tramite il raccordo filettato 34, e passaggi 32 di flusso fluido per fluire da uno o più degli ugelli 56. Gli sfridi, i detriti di perforazione, i fluidi di formazione e/o il fluido di trivellazione, possono ritornare alla superficie del pozzo attraverso una corona circolare (non espressamente mostrata) formata tra porzioni esterne della stringa di trivellazione e l’interno di un foro di pozzo associato (non espressamente mostrato).

Una pluralità di incavi o sedi 58 può essere formata tra le lame 52 in punti prescelti (v. Fig. 3). Rispettivi elementi od inserti 60 di taglio possono essere montati in ciascun incavo 58 per aggredire e rimuovere porzioni adiacenti di una formazione profonda. Gli elementi 60 di taglio possono demolire ed incidere nel materiale frantumato, sul fondo e sui fianchi di un pozzo di trivellazione durante la rotazione impressa alla punta 20 per trivella a matrice composita da una stringa di trivellazione attaccata. Per talune applicazioni, come inserti 60 à possibile usare con successo vari tipi di frese sinterizzate in diamante policristallino (PDC). Una punta per trivella a matrice composita dotata di frese PDC può talvolta essere indicata come “punta PDC”.

I brevetti, US-6,296,069 intitolato Bladed Drill Bit with Centrally Distnbuted Diamond Cutters e US-6,302,224 intitolato Drag-Bit Drìlling with Multiaxial Tooth Inserts illustrano vari esempi di lame e/o elementi di taglio utilizzabili con un corpo punta a matrice composita incorporante gli insegnamenti della presente invenzione. Risulterà chiaro ai normali esperti del ramo, come una grande varietà di punte per trivella a frese fisse, punte draganti, ed altre punte per trivella possano essere realizzate utilmente con un corpo punta a matrice composita incorporante gli insegnamenti della presente invenzione. La presente invenzione non è limitata alla punta 20 per trivella a matrice composita o ad alcuna specifica caratteristica illustrata dalle Figure 1-4.

Per formare un corpo punta a matrice composita ed una associata punta per trivella a matrice composita, secondo gli insegnamenti della presente invenzione, è possibile utilizzare con successo una grande varietà di forme. Il gruppo forma 100 mostrato nelle Figure 2 e 4 non rappresenta che un esempio di gruppo forma idoneo all’impiego per formare un corpo punta a matrice composita incorporante gli insegnamenti della presente invenzione. Il brevetto US-5,373,907 intitolato Method and Apparatus far Manufacturing and Inspecting thè Quality of a Matrix Body Drill Bit illustra ulteriori dettagli relativi a gruppi forma e corpi punta a matrice convenzionali.

Il gruppo forma 100, come mostrato nelle Figure 2 e 4, può includere svariati componenti, come una forma 102, un anello di^calibratura od anello connettore 110, ed un imbuto 120. La forma 102, l’anello 110 di calibratura e l’imbuto 120 possono essere formati da grafite o da altri materiali idonei. E’ possibile ricorrere a varie tecniche comprendenti, ma non limitati solo alla fresatura di un semilavorato di grafite per produrre una forma 102 con una cavità 104, avente profilo negativo o profilo inverso della conformazione esterna desiderata, per ottenere una punta per trivella a frese fisse. Per esempio, la cavità 104 della forma può avere un profilo in negativo corrispondente al profilo esterno od alla configurazione esterna delle lame 52 e delle gole di scarico o dei passaggi di flusso fluido formati tra di esse come mostrato in Figura 1.

Come mostrato in Figura 4, una pluralità di inserti 106 della forma possono essere disposti nella cavità 104, per formare rispettivi incavi 58 nelle lame 52. La collocazione degli inserti 106 della forma nella cavità 104 corrisponde alle collocazioni desiderate per rinstallazione degli elementi 60 di taglio nelle lame 52 associate. Gli inserti 106 della forma possono essere ricavati da materiali di vario tipo, per esempio, ma non limitati solo a sabbia consolidata e grafite. Per montare gli elementi 60 di taglio nelle rispettive sedi 58 si può ricorrere con successo a varie tecniche, come ad esempio la brasatura.

Vari tipi di materiale di dislocamento temporaneo possono essere posizionati utilmente nella cavità 104 della forma, in funzione della configurazione finale che si desidera, per una punta per trivella a matrice composita. Inserti della forma supplementari (non espressamente mostrati) ricavati da vari materiali, come ad esempio sabbia consolidata e/o grafite, possono essere disposti airintemo della cavità 104 della forma. Per formare la sabbia consolidata si possono usare utilmente varie resine. Questi inserti della forma possono avere configurazioni corrispondenti alle forme esterne desiderate del corpo punta composito 50 come i passaggi di flusso fluido formati tra lame 52 adiacenti. Come discusso più in dettaglio nel seguito, un primo materiale di matrice dotato di aumentata tenacità o resistenza a frattura può essere caricato nella cavità 104 della forma per formare porzioni di un corpo punta a matrice composita associato che sono destinate a demolire e sbancare il materiale frantumato in profondità durante la trivellazione di un pozzo.

Il corpo punta 50 a matrice composita può includere una cavità o camera 32 per fluido relativamente grande con una molteplicità di canali 42, 44 di flusso fluido che da essa si dipartono (v. Fig. 3). Come mostrato in Figura 2, materiali di dislocamento come la sabbia consolidata possono essere alloggiati all’interno del gruppo forma 100 nei punti desiderati per formare porzioni della cavità 32 e canali 42, 44 di flusso fluido, che da essa si dipartano. Tali materiali di dislocamento possono avere varie configurazioni. L’orientamento e la configurazione delle anime dei canali 142, 144 di sabbia consolidata possono essere scelti per corrispondere a posizioni e configurazioni desiderati dei canali 42, 44 di flusso fluido associati comunicanti dalla cavità 32 a rispettive uscite J54 d’ugello. I canali 42, 44 di flusso fluido possono accogliere .sedi filettate (non espressamente mostrate) per montarvi i rispettivi ugelli 56.

Una relativamente grande anima 150 di sabbia consolidata avente forma genericamente cilindrica può essere collocata sulle anime dei canali 142 e 144. L’anima 150 e le anime dei canali 142, 144 possono essere descritte talvolta come aventi forma a “freccia”. L’anima 150 può essere indicata anche come “armatura”. Il numero delle anime dei canali che si estendono dall’anima 150 dipenderà dal numero delle aperture d’ugello che si desiderano in un corpo punta composito finale. Le anime dei canali 142, 144 e l’anima 150 possono anche essere ricavate da grafite od altro materiale idoneo.

Una volta che i materiali di dislocamento desiderati, comprendenti l’anima 150 e le anime dei canali 142, 144, siano stati ramolati all 'interno del gruppo forma 100, un primo materiale 131 di matrice, avente caratteristiche ottimali di resistenza a frattura (tenacità) e di resistenza all’erosione, all’abrasione ed all’usura, può essere introdotto nel gruppo forma 100. Il primo materiale 131 di matrice formerà preferibilmente una prima zona o primo strato che corrisponderà approssimativamente a porzioni esterne del corpo punta 50 a matrice composita, che durante la trivellazione di un pozzo sono in contatto ed asportano il materiale frantumato. La quantità del primo materiale 131 di matrice inserita nel gruppo forma 120 sarà preferibilmente limitata affinché il materiale 131 di matrice non abbia a trovarsi in contatto dell’estremità 152 dell’anima 150. La presente invenzione permette l’impiego di materiali di matrice con ottime caratteristiche di tenacità e di resistenza all’usura per la realizzazione di una punta per trivella a frese fisse o punta dragante.

Un semilavorato 36 metallico, generalmente cilindrico e cavo, può allora essere introdotto nel gruppo forma 100. Il semilavorato metallico 36 ha preferibilmente un diametro interno 37 che è maggiore del diametro esterno dell’anima 150 di sabbia. Per posizionare il semilavorato metallico 36 all’interno del gruppo forma 100 in un punto desiderato, distanziato dal primo materiale 131 di matrice, si possono usare vari distanziatori (non espressamente mostrati).

Un secondo materiale 132 di matrice può, quindi, essere caricato nel gruppo forma 100 per riempire uno spazio vuoto o corona circolare definito tra il diametro esterno 154 dell’anima 150 di sabbia ed il diametro interno 37 del semilavorato metallico 36. Il secondo materiale 132 di matrice preferibilmente copre il primo materiale 131 di matrice incluse porzioni del primo materiale 131 di matrice situate adiacenti e distanziate a/dairestremità 152 dell’anima 150.

Per alcune applicazioni, il secondo materiale 132 di matrice viene preferibilmente caricato in modo da evitare o minimizzare l’affioramento del secondo materiale 132 di matrice in porzioni esterne del corpo punta 50 a matrice composita. Il primo materiale 131 di matrice può essere usato principalmente per formare porzioni esterne deL corpo punta 50 a matrice composita associate al taglio, scavo e demolizione del materiale frantumato in profondità, durante la rotazione della punta per trivella a matrice composita, per aprire un pozzo di trivellazione. Il secondo materiale 132 di. matrice può essere usato principalmente per formare porzioni interne e porzioni esterne del corpo punta 50 a matrice composita che normalmente non sono implicate nel taglio, scavo e demolizione del materiale frantumato in profondità (v. Figg. 2 e 3).

Per talune applicazioni, un terzo materiale 133 di matrice, per esempio polvere di tungsteno, può, quindi, essere introdotto nel gruppo forma 100 fra il diametro esterno 40 del semilavorato metallico 36 ed il diametro interno 122 dell’imbuto 120. Il terzo materiale 133 di matrice può essere una polvere relativamente soffice che forma una matrice atta ad essere poi lavorata per produrre una configurazione esterna desiderata ed un raccordo fra il corpo punta 50 a matrice ed il codolo metallico 36. La terza matrice 133 può talvolta essere indicata come una “polvere infiltrata fresatabile Il terzo materiale 133 di matrice può essere caricato in modo da coprire tutto o sostanzialmente tutto il secondo materiale 132 di matrice, situato in prossimità di porzioni esterne del corpo punta 50 a matrice composita (v. Figg.2 e 3).

Durante la colata del materiale 131, 132, 133 di matrice, bisogna avere cura di impedire un rimescolamento indesiderato del primo materiale 131 di matrice con il secondo materiale 132 di matrice, ed un indesiderato rimescolamento del secondo materiale 132 di matrice con il terzo materiale 133 di matrice. Un leggero rimescolamento, in corrispondenza delle superfici confinanti in modo da evitare demarcazioni nette fra materiali di matrice differenti, può assicurare una compenetrazione regolare - di vincolo fra strati adiacenti. L’esperienza e la sperimentazione precedente hanno evidenziato vari problemi connessi con l’infiltrazione di materiale legante liquido fuso in carburi cementati e carburi sferoidali, quando i carburi cementati e carburi sferoidali vengono disposti in gruppi forma relativamente complessi con corpi punta a matrice per punte per trivella a frese fisse. Analoghi problemi sono stati riscontrati quando si tentava di formare corpi a matrice con carburi cementati e/o carburi sferoidali, per altri tipi di utensile complesso da usare a quote profonde, in relazione alla trivellazione e realizzazione di pozzi di petrolio e gas.

I problemi di produzione ed i conseguenti problemi di qualità associati all’uso di carburi cementati e/o carburi sferoidali, come materiale di matrice, derivano generalmente da mancata infiltrazione, porosità, ritiro, incrinatura, e segregazione di costituenti del materiale legante in porzioni interne di un corpo punta a matrice ottenuto. Disegni relativamente complicati ed intricati, di molte punte per trivella a frese fisse con dimensioni relativamente grandi, rappresentano ardue difficoltà per la produzione di corpi punta che, come materiali di matrice, abbiano carburi cementati e/o carburi sferoidali. Questi stessi problemi di qualità possono presentarsi durante la produzione di altri utensili di profondità per pozzo, formati almeno in parte da una matrice di carburi cementati e carburi sferoidali, come ad esempio alesatori, allargatori e punte combinate alesatore/ trivella. Un esempio di tali utensili combinati per canne di pozzi è illustrato nel brevetto US-5,678,644 intitolato “Bi-center and Bit Method for Enhanced Stability”.

Precedenti prove e sperimentazioni, concernenti la premiscelazione di carburi cementati e/o carburi sferoidali con polveri di carburo di tungsteno macrocristallino e/o di carburo colato, spesso non sono riuscite a produrre un corpo punta a matrice che fosse sano e di alta qualità. L’allungamento del tempo d’impregnazione del materiale legante all’interno di tali miscele di carburi cementati e/o carburi sferoidali, con polveri di carburo di tungsteno macrocristallino e/o di carburo colato, non hanno sostanzialmente eliminato i problemi di qualità posti dal ritiro, dalla segregazione di lega, dalla mancata infiltrazione, dalla porosità ed altri ancora, associati ad un’insoddisfacente infiltrazione dei carburi cementati e/o carburi sferoidali. Nemmeno un aumento della temperatura del materiale legante liquido fuso, usato per l’infiltrazione di tali miscele, ha giovato nel ridurre sostanzialmente i problemi di qualità associati. Un’alta segregazione di lega nell’ultima porzione solidificata del materiale legante liquido, all’interno di varie miscele di carburi cementati e/o carburi sferoidali con carburo di tungsteno macrocristallino e/o carburi colati, è stata individuata come una causa di mancato legame all’intemo di tali miscele, ritiro indesiderato, porosità, ed altri problemi di qualità.

L’uso di un primo materiale 131 di matrice, per costituire un primo strato o prima zona, in combinazione con l’uso di un secondo materiale 132 di matrice, per costituire un secondo strato o seconda zona adiacente al primo materiale 131 di matrice, può ridurre sostanzialmente od eliminare la segregazione di lega nella porzione di materiale legante liquido fuso che solidifica per ultima con il primo materiale 131 di matrice. L’aggiunta di un secondo materiale 132 di matrice, nella corona circolare definita tra il diametro esterno 154 dell’anima 150 ed il diametro interno 37 del semilavorato metallico 36, a ricoprire il primo materiale 131 di matrice, come mostrato in Figura 2, può ridurre sostanzialmente od eliminare i problemi da mancata infiltrazione, porosità, ritiro, incrinatura e/o segregazione dei costituenti del legante all’intemo del primo materiale 131 di matrice. Una ragione di questi miglioramenti può venire dalla facilità con cui il materiale legante liquido fuso infiltra le polveri di carburo di tungsteno macrocristallino e/o di carburo colato.

Come osservato più sopra, il materiale legante liquido fuso può lisciviare o rimuovere piccole quantità di leghe e/o altri contaminati dai materiali leganti usati per formare i carburi cementati. Le leghe lisciviate e/o altri contaminati possono avere un punto di fusione più alto, rispetto a quello dei tipici materiali associati alla fabbricazione di punte per trivella a matrice. Pertanto, le leghe lisciviate e/o altri contaminati possono solidificare in piccole incavi o vuoti formati tra pastiglie, sfere, od altre forme adiacenti di carburo cementato ed interdire l’ulteriore infiltrazione di materiale legante liquido- fuso fra tali forme di carburo cementato.

L’infiltrante o materiale legante liquido fuso “contaminato” può avere temperature del solidus e liquidus differenti da quelle dei materiali leganti “puri”. Un ulteriore “arricchimento” di un infiltrante con contaminanti può avere luogo durante la solidificazione del materiale legante, come risultato dell’espulsione di contaminanti del soluto nel liquido fuso, avanti un fronte di solidificazione. A parte la segregazione di contaminanti (soluto) in susseguenti stadi di solidificazione, qualsiasi mancanza di solidificazione direzionale può generare potenziali problemi quali, ma non limitati solo a, il ritiro, la porosità e/o il ritiro a caldo.

Le polveri di carburo di tungsteno macrocristallino e di carburo colato possono essere sostanzialmente esenti da leghe od altri contaminati, associati a materiali leganti usati per formare carburi cementati. Il secondo materiale di matrice può essere scelto affinché abbia meno del cinque percento (5%) di leghe od altri contaminati potenziali. Pertanto, l’infiltrazione di materiale legante liquido fuso in un secondo materiale di matrice, scelto in accordo con gli insegnamenti della presente invenzione, generalmente non liscivierà quantità significative di leghe od altri contaminati potenziali.

Il primo materiale 131 di matrice può essere carburi cementati e/o carburi sferoidali, come discusso qui sopra. Per formare carburi cementati e/o carburi sferoidali si possono usare leghe di cobalto, ferro e/o nickel. Per alcuni disegni di punta per trivella a matrice, una concentrazione di leghe del sei percento circa nel primo materiale di matrice può fornire risultati ottimali. Per alcuni disegni, di punta per trivella a matrice composita, possono dimostrarsi soddisfacenti anche concentrazioni di leghe comprese fra tre percento e sei percento, e fra circa sei percento e quindici percento. Tuttavia, concentrazioni di leghe superiori al quindici percento circa e concentrazioni di leghe inferiori al tre percento circa possono produrre caratteristiche meno che ottimali di un corpo punta a matrice risultante.

Il secondo materiale 132 di matrice può essere polveri di carburo di tungsteno macrocristallino o di carburo colato. Gli esempi di tali polveri includono le P-90 e P-100, che sono reperibili commercialmente presso la Kennmetal Ine. di Fallon, Nevada. Il brevetto US-4,834,963 intitolato “Macrocrystalline Tungsten Monocarbide Powder and Process for Producing”, ceduto a Kennmetal, descrive tecniche utilizzabili per produrre polveri di carburo di tungsteno macrocristallino. Il terzo materiale 133 di matrice può essere polvere di tungsteno come ad esempio la M-70, reperibile commercialmente anche presso la H.C. Starck, la Osram Sylvania e la Kennmetal. Le concentrazioni tipiche di leghe nel secondo materiale 132 di matrice possono variare approssimativamente dall’uno percento al due percento. I secondi materiali di matrice, aventi concentrazione di leghe del cinque percento circa o superiore, possono dare luogo ad insoddisfacenti caratteristiche funzionali in un corpo punta a matrice associato.

Un tipico processo d’infiltrazione per colare un corpo punta 50 a matrice composita può iniziare con la realizzazione del gruppo forma 100. L’anello 110 di calibratura può essere avvitato sulla estremità superiore della forma 102. L’imbuto 120 può essere avvitato sopra l’anello 1 10- di calibratura,, -per estendere il gruppo forma 100 ad un’altezza desiderata, affinché possa contenere i materiali di matrice ed il materiale legante sopra descritti. Materiali di dislocamento come, ma non limitati solo a, inserti 106 di forma, anime dei canali 142, 144, ed anima 150, possono, quindi, essere ramolati nel gruppo forma 100 se non preventivamente disposti nella cavità 104 della forma. I materiali 131, 132, 133 di matrice ed il semilavorato metallico 36 possono essere alloggiati nel gruppo forma 100 come descritto qui sopra.

Mentre il gruppo forma 100 viene riempito con materiali di matrice, nel gruppo forma 100 può essere indotta una serie di vibrazioni in cicli, per facilitare la costipazione di ciascuno strato o zona dei materiali 131, 132, 133 di matrice. Le vibrazioni aiutano ad assicurare una densità compatibile in ciascuno strato dei materiali 131, 132, 133 di matrice entro le rispettive fasce di valori, necessaria per ottenere le caratteristiche desiderate, per il corpo punta 50 a matrice composita. Deve essere prevenuta l’indesiderata miscelazione dei materiali 131, 132, 133 di matrice.

Materiale legante 160 può essere posto sopra gli strati 132 e 133, il semilavorato metallico 36 e l’anima 150. Il materiale legante 160 può essere coperto con uno strato di fondente (non espressamente mostrato). Un coperchio o sportello (non espressamente mostrato) può essere disposto sopra il gruppo forma 100. Il gruppo forma 100 ed i materiali posti al suo interno possono essere preriscaldati e poi- messi in un forno (non espressamente mostrato). Quando la temperatura del forno raggiunge il punto di fusione del materiale legante 160, il materiale legante 160 liquido può infiltrare i materiali 131, 132, 133 di matrice. Come già detto, il secondo materiale 132 di matrice permette al materiale legante liquido fuso 160 di infiltrare più uniformemente il primo materiale 131 di matrice, così da evitare l’indesiderata segregazione nelle ultime porzioni solidificate di materiale legante liquido 160 con il primo materiale 131 di matrice.

Porzioni superiori del gruppo forma 100, come l’imbuto 120, possono avere maggiore isolamento (non espressamente mostrato) rispetto alla forma 102. Di conseguenza, il materiale legante liquido fuso in porzioni inferiori, del gruppo forma 100, comincerà a solidificare con il primo materiale 131 di matrice, generalmente prima della solidificazione del materiale legante liquido fuso con il secondo materiale 132 di matrice. La differenza nella solidificazione può permettere a materiale legante liquido fuso di “galleggiare” o di trascinare leghe ed altri contaminati potenziali lisciviati dal primo materiale 131 di matrice nel secondo materiale 132 di matrice. Poiché il materiale di matrice liquido fuso viene infiltrato attraverso il secondo materiale 132 di matrice prima dell’infiltrazione del primo materiale 131 di matrice, leghe ed altri contaminati, trasportati dal primo materiale 131 di matrice, possono non influire sulla qualità del corpo punta 50 a matrice ottenuto, quanto più delle leghe ed altri contaminati, che siano rimasti all 'interno del primo materiale 131 di matrice _ Inoltre, il secondo materiale di matrice contiene preferibilmente meno del quattro percento (4%) di tali leghe o contaminati.

La corretta infiltrazione e solidificazione del materiale legante 160 con il primo materiale 131 di matrice è particolarmente importante in punti adiacenti a zone del tipo delle aperture 54 d’ugello e degli incavi 58. Un migliorato controllo di qualità, tramite una migliore infiltrazione di materiale legante 160, entro porzioni del primo materiale 131 di matrice, che definiscono rispettive lame 52, può permettere di progettare lame 52 più sottili. Le lame 52 possono inoltre essere orientate ad angoli di taglio più aggressivi, lasciando fra lame 52 adiacenti aree di flusso fluido più grandi.

Per taluni disegni di punta per trivella a frese fisse, il formare un corpo punta composito con un primo materiale di matrice ed un secondo materiale di matrice, come prevedono gli insegnamenti della presente invenzione, può condurre ad un miglioramento fino al cinquanta percento (50%) nella resistenza all’abrasione, ad un miglioramento del cento percento (100%) nella resistenza all’erosione, ad un miglioramento del cinquanta percento (50%) nella resistenza a rottura trasversale e, talvolta, ad un miglioramento di oltre il cento percento (100%) nella resistenza all’urto rispetto allo stesso disegno di punta per trivella a frese fisse, che preveda un corpo punta a matrice formato solamente con polveri di carburo di tungsteno macrocristallino e/o carburo colato di reperibilità commerciale, o loro formulazioni.

Il gruppo forma 100 può poi essere tolto dal forno e raffreddato a velocità controllata. Una volta raffreddato, il gruppo, forma 100 può essere spaccato per estrarre un corpo punta 50 a matrice composita, come mostrato in Figura 3. Susseguenti lavorazioni con tecniche ben note potranno essere impiegate per produrre la punta 20 per trivella a matrice.

Anche se la presente invenzione ed i suoi vantaggi sono stati descritti dettagliatamente, è sottintesa la possibilità di introdurvi vari cambiamenti, sostituzioni ed alternative, senza discostarsi dallo spirito e dall’ambito della invenzione come definito dalle rivendicazioni che seguono.

Claims (24)

1. RIVENDICAZIONI 1. Punta per trivella dotata di un corpo punta a matrice comprendente : una pluralità di elementi di taglio disposti in punti prescelti su porzioni esterne del corpo punta a matrice; almeno un primo materiale di matrice ed un secondo materiale di matrice, in cui il primo materiale di matrice possiede una aumentata resistenza all’urto rispetto al secondo materiale di matrice; il primo materiale di matrice formante porzioni esterne del corpo punta a matrice associate all’incisione ed asportazione di materiale frantumato dalla trivellazione di un pozzo; il secondo materiale di matrice formante porzioni interne del corpo punta a matrice che generalmente ■ non sono associate all’incisione ed asportazione di materiale frantumato dalla trivellazione di un pozzo; e il secondo materiale di matrice avente funzione di migliorare l’infiltrazione di un materiale legante liquido fuso, attraverso il primo materiale di matrice, in modo da minimizzare l’incompleta infiltrazione del primo materiale di matrice con il materiale legante liquido fuso.
2. 2. Punta per trivella a matrice composita secondo la rivendicazione 1, in cui il corpo punta a matrice comprende inoltre: il primo materiale di matrice scelto nel gruppo costituito da carburi cementati, carburi compositi, e carburi sferoidali; e il secondo materiale di matrice scelto nel gruppo costituito da polveri di carburo di tungsteno macrocristallino, polveri di carburo colato, e loro formulazioni.
3. 3. Punta per trivella a matrice composita secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre: il materiale legante scelto nel gruppo costituito da rame (Cu), nickel (Ni), cobalto (Co), ferro (Fe), molibdeno (Mo), e loro leghe; e gli elementi leganti scelti nel gruppo costituito da manganese (Mn), nickel (Ni), stagno (Sn), zinco (Zn), silicio (Si), molibdeno (Mo), tungsteno (W), boro (B), e fosforo (P).
4. 4. Punta per trivella a matrice composita secondo la rivendicazione 1, in cui il primo materiale di matrice comprende inoltre pastiglie. _
5. 5. Punta per trivella a matrice composita secondo la rivendicazione 1, in cui il primo materiale di matrice comprende inoltre composti di carburo di tungsteno.
6. 6. Punta per trivella a matrice composita secondo la rivendicazione 1, in cui il corpo punta a matrice comprende inoltre almeno una prima zona del primo materiale di matrice ed almeno una seconda zona del secondo materiale di matrice.
7. 7. Punta per trivella a matrice composita secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre il secondo materiale di matrice avente una quantità significativamente ridotta di leghe ed altri potenziali contaminanti, che possono essere lisciviati da materiale legante liquido fuso, rispetto alle leghe ed altri potenziali contaminanti, che possono essere lisciviati dal primo materiale di matrice, per opera di materiale legante liquido fuso.
8. 8. Punta per trivella a matrice composita secondo la rivendicazione 7, comprendente inoltre il secondo materiale di matrice avente funzione di accogliere leghe od altri contaminati lisciviati dal primo materiale di matrice, per opera del materiale legante liquido fuso, senza ridurre sostanzialmente la qualità del legame formato dal materiale legante liquido fuso, in contatto e solidificato con il secondo materiale di matrice.
9. 9. Punta per trivella a matrice composita secondo la rivendicazione 1, in cui il corpo punta a matrice comprende inoltre un terzo materiale di matrice a ricoprire il secondo materiale di matrice.
10. 10. Punta per trivella a matrice composita secondo la rivendicazione 9, in cui il terzo materiale di matrice comprende almeno in parte una polvere di tungsteno.
11. 11. Punta per trivella dotata di un corpo punta a matrice composita comprendente: una pluralità di elementi di taglio disposti in punti prescelti su porzioni esterne del corpo punta; il corpo punta a matrice composita avente almeno una prima zona ed una seconda zona adiacenti una all’altra; la prima zona formata almeno in parte da particelle dure, comprendenti carburi cementati ed almeno un materiale legante scelto nel gruppo costituito da cobalto, nickel, ferro, o loro leghe; e la seconda zona formata almeno in parte da particelle scelte nel gruppo costituito da carburi di tungsteno macrocristallino e carburi colati; e la seconda zona formata dal medesimo materiale legante della prima zona.
12. 12. Punta per trivella secondo la rivendicazione 11, comprendente inoltre: il secondo materiale di matrice cooperante con il materiale legante, per ridurre sostanzialmente od eliminare difetti in porzioni interne del corpo punta a matrice composita.
13. 13. Punta per trivella secondo la rivendicazione 11, in cui il secondo materiale di matrice comprende meno del quattro percento di materiali di lega ed altri contaminati. _
14. 14. Punta per trivella secondo la rivendicazione 11, in cui la prima zona comprende, inoltre, particelle dure aventi una concentrazione di lega inferiore al sei percento circa.
15. 15. Punta per trivella secondo la rivendicazione 1.1, in cui la prima zona comprende, inoltre, le particelle dure aventi una concentrazione di lega compresa approssimativamente fra tre percento e sei percento.
16. 16. Punta per trivella secondo la rivendicazione 11, comprendente inoltre il primo materiale di matrice avente una concentrazione di cobalto compresa fra sei percento e venti percento circa.
17. 17. Punta per trivella secondo la rivendicazione 11, comprendente, inoltre, il secondo materiale di matrice avente aumentata umettabilità allorché esposto a materiale legante liquido fuso rispetto alla umettabilità del primo materiale di matrice.
18. 18. Metodo per produrre una punta per trivella a matrice, consistente nel: disporre almeno un primo strato di un primo materiale di matrice, scelto nel gruppo comprendente carburi cementati e carburi sferoidali, in una forma del corpo punta a matrice; disporre un semilavorato metallico cavo nella forma; disporre nella forma almeno un secondo strato di un secondo materiale di matrice, scelto nel gruppo comprendente carburo di tungsteno monocristallino e carburo colato; disporre nella forma un materiale legante, con il materiale legante a ridosso del secondo strato di materiale di matrice e del semilavorato metallico cavo; riscaldare la forma ed i materiali al suo interno in un forno ad una temperatura prescelta, per consentire al materiale legante di fondere e di infiltrare il secondo materiale di matrice ed il primo materiale di matrice con materiale legante liquido fuso; avviare la solidificazione del materiale legante liquido fuso con il primo materiale di matrice prima che il materiale legante liquido fuso solidifichi con il secondo materiale di matrice; e raffreddare la forma ed i materiali al suo interno per formare un corrispondente corpo punta a matrice composita, saldamente fissato al semilavorato metallico cavo.
19. 19. Metodo secondo la rivendicazione 18, consistente inoltre nel: disporre un’anima di sabbia avente una configurazione mediamente cilindrica, definita in parte da un diametro esterno nella forma; disporre il semilavorato metallico cavo sopra l’anima di sabbia per formare una corona circolare definita in parte da un diametro interno del semilavorato metallico cavo e dal diametro esterno dell’anima di sabbia; e riempire la corona circolare fra l’anima di sabbia ed il semilavorato metallico cavo con il secondo materiale di matrice.
20. 20. Metodo secondo la rivendicazione 18, consistente inoltre nel: ramolare un’anima di sabbia nella forma, con un’estremità dell’anima di sabbia distanziata dal primo strato del primo materiale di matrice; e disporre porzioni del secondo materiale di matrice fra detta estremità dell’anima di sabbia e porzioni adiacenti del primo strato del primo materiale di matrice.
21. 21. Metodo secondo la rivendicazione 18, consistente, inoltre, nel formare porzioni interne del corpo punta a matrice composita con il secondo materiale di matrice.
22. 22. Metodo secondo la rivendicazione 18, consistente, inoltre, nel formare porzioni esterne del corpo punta a matrice composita, associate all’incisione ed asportazione di materiale frantumato dalla trivellazione di un pozzo, con il primo materiale di matrice.
23. 23. Metodo secondo la rivendicazione 18, consistente, inoltre, nel trasportare leghe ed altri contaminati potenziali lisciviati dal primo materiale di matrice al secondo materiale di matrice, mediante materiale legante liquido fuso prima della solidificazione del secondo materiale di matrice.
24. 24. Metodo secondo la rivendicazione 18, consistente, inoltre, nel disporre un terzo strato di materiale di matrice sul secondo strato di materiale di matrice prima di disporre il materiale legante nella forma.