ITTO20011027A1 - Punte da perforazione a corpo in acciaio con elementi strutturali a riporto duro fatti su misura. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Punte da perforazione a corpo in acciaio con elementi strutturali a riporto duro fatti su misura"

CAMPO TECNICO

Campo dell'invenzione: La presente invenzione si riferisce in generale a punte rotative per la trivellazione di formazioni sotterranee. Più in particolare, l'invenzione si riferisce a punte ad elementi fresanti fissi o cosiddette "a lame" che sono fabbricate in acciaio, note come punte a corpo in acciaio, che utilizzano elementi fresanti superabrasivi ed elementi strutturali fatti su misura, sostanzialmente fabbricati in materiali di riporto duro.

Stato della tecnica: Il riporto duro è stato utilizzato nella tecnica degli utensili di fondo foro da un certo tempo quale modo per aumentare la resistenza all'erosione ed all'abrasione di alcune aree di punte a rulli conici e punte a corpo in acciaio. Strati relativamente sottili di riporto duro sono stati applicati ad aree relativamente estese in cui l'erosione e l'abrasione dovute a detriti, fluido ad alta velocità e contatto con la formazione producono una usura indesiderabile sulla punta. Punte in acciaio, quali punte a rulli conici, presentano una usura per erosione e per abrasione molto maggiore di cosiddette punte a matrice che sono fabbricate mediante infiltrazione di un metallo fuso in un materiale di matrice comprendente carburo di tungsteno o altra polvere. Molte punte da perforazione ad elementi fresanti fissi sono fabbricate in una matrice di carburo di tungsteno, oltre che in acciaio. Punte a corpo in acciaio tendono a presentare una maggiore tenacità ma una limitata resistenza all'erosione ed all'abrasione, mentre punte a matrice tendono a presentare una ridotta tenacità ma una resistenza esemplare all'erosione ed all'abrasione.

Il riporto duro è generalmente composto da un qualche tipo di particelle dure applicate ad una superficie attraverso un sistema di applicazione a saldatura. Il riporto duro si riferisce al materiale depositato piuttosto che ai materiali componenti che costituiscono il riporto duro. I materiali componenti di un riporto duro sono indicati come composizione del riporto duro. Particelle dure possono provenire dal seguente gruppo di carburi colati o sinterizzati costituito da cromo, molibdeno, niobio, tantalio, titanio, tungsteno e vanadio, e loro leghe e miscele, come descritto dal Brevetto statunitense n.5.663.512 di Schader ed altri, ceduto alla Cessionaria della presente invenzione ed incorporato nella presente per riferimento. Normalmente una miscela di carburi di tungsteno sinterizzati, macrocristallini o colati è imprigionata entro un tubo di acciaio dolce. Il tubo di acciaio contenente la miscela di carburi è quindi utilizzato quale bacchetta per saldatura per depositare un riporto duro sulla superficie desiderata, normalmente con un disossidante, o fondente.

La forma, la dimensione e la percentuale relativa di particelle dure differenti modificheranno le proprietà anti-usura e di tenacità del riporto duro depositato, come descritto da Schader ed altri. Il Brevetto statunitense n. 5.492.186 di Overstreet, ceduto alla Cessionaria della presente invenzione ed incorporato nella presente per riferimento, descrive una configurazione di riporto duro per denti di una corona di tallone su una punta da perforazione a rulli conici. Il rivestimento comprende due composizioni di riporto duro adattate secondo proprietà differenti. Una prima composizione di riporto duro può essere caratterizzata da una buona resistenza all'usura per strisciamento e/o resistenza all'abrasione con un livello inferiore di tenacità. La seconda composizione di riporto duro contiene particelle di carburo di tungsteno sinterizzate sferiche, sinterizzate frantumate e colate. Una porzione sostanziale delle particelle nella seconda composizione è caratterizzata da un livello più alto di resistenza a frattura, o tenacità, e da un livello più basso di resistenza all'abrasione.

Composizioni di riporto duro sono anche state utilizzate per il rivestimento di superfici di definizione del calibro di denti di rulli conici, come descritto nel Brevetto statunitense n. 3.800.891 di White ed altri. White descrive anche, con riferimento al riporto duro su denti di una punta del tipo a coni volventi a denti di acciaio fresati, gole circonferenziali e scanalature trasversali su ciascun dente del rullo conico per il deposito del riporto duro.

Il riporto duro è stato utilizzato con punte a corpo in acciaio in alcune circostanze. Ad esempio, il Brevetto statunitense n. 4.499.958 di Radtke ed altri descrive un riporto duro sulle lame ed altre porzioni della punta soggette ad usura abrasiva. Tuttavia, l'uso di materiale di riporto duro come descritto da Radtke ed altri non considera il problema di tenacità del materiale che può essere richiesta per varie porzioni della punta, sfruttando anche i vantaggi di un materiale resistente all'abrasione.

E' stato anche considerato che cosiddette punte a matrice, precedentemente menzionate per la loro superiore resistenza all'abrasione ed all'erosione, traggano beneficio da un riporto duro. Il Brevetto statunitense n. 4.884.477 di Smith ed altri, ceduto alla Cessionaria della presente invenzione, descrive un corpo di punta a matrice metallica composto da un materiale di carica di tenacità maggiore del carburo di tungsteno, sostanzialmente con tutte le superfici interne ed esterne del corpo della punta rivestite con un riporto duro resistente all'erosione ed all'abrasione costituito da carburo di tungsteno o carburo di silicio. Tuttavia, Smith ed altri non considerano il posizionamento strategico di un materiale in funzione delle sua caratteristiche di resistenza all'abrasione o tenacità del materiale. Smith ed altri non affrontano in modo specifico tali problemi con riferimento ad una punta a corpo in acciaio.

Inoltre, benché molti sforzi siano stati diretti all'impiego e al miglioramento di un riporto duro ed alla sua applicazione su punte da perforazione, non sono state utilizzate composizioni di riporto duro per migliorare o formare elementi strutturali su punte da perforazione a corpo in acciaio. Ad esempio, elementi strutturali di una punta da perforazione a corpo in acciaio che sporgono sostanzialmente dalla superficie della punta da perforazione, come noduli antiusura o rompitrucioli, non hanno in precedenza tratto beneficio dall'uso di materiali di riporto duro .

I noduli antiusura possono servire per limitare la profondità di taglio della struttura di taglio su una punta da perforazione durante il funzionamento proteggendo così la struttura di taglio dal danneggiamento. I noduli antiusura per punte da perforazione a corpo in acciaio possono essere tradizionalmente formati mediante inserimento forzato di un perno di carburo di tungsteno sinterizzato in un foro fresato nel corpo della punta. Alternativamente, un nodulo antiusura può essere lavorato alla macchina nel corpo della punta, benché ciò richieda la predeterminazione del posizionamento del nodulo antiusura e possa limitare la topografia di progetto della punta da perforazione

I rompitrucioli servono per influenzare la formazione di trucioli che sono iniziati in corrispondenza degli spigoli di attacco di elementi fresanti e sono spinti lungo la superficie di una lama della punta che porta gli elementi fresanti in modo che tali trucioli siano indeboliti e successivamente spezzati in elementi più piccoli durante l'operazione di trivellazione. Tale rompitrucioli è descritto più in dettaglio nel Brevetto statunitense n. 5.582.258 di Tibbitts ed altri, ceduto alla Cessionaria della presente invenzione ed incorporato nella presente per riferimento. I rompi trucioli formano una "gobba" nella superficie della lama e sul percorso diretto della formazione del truciolo, che fa sì che il truciolo si spezzi prima di diventare eccessivamente lungo. Questa rottura impedisce che i trucioli si accumulino lungo la superficie della punta con la possibilità di impastatura della punta con un agglomerato di trucioli, come è noto nella tecnica. I rompitrucioli in punte a corpo in acciaio possono essere lavorati alla macchina nella superficie della punta,· tuttavia anche questo può porre dei vincoli sulla progettazione della punta.

Elementi di definizione del calibro per punte a corpo in acciaio sono tipicamente formati mediante realizzazione di fori nella superficie di definizione del calibro e pressatura di cilindri di carburo di tungsteno sinterizzato nei fori. Come misura addizionale, uno strato di riporto duro può essere applicato intorno ai cilindri di carburo sinterizzato, sul corpo della punta, ma i cilindri funzionano come elementi principali per prevenire l'abrasione e l'usura sul calibro, e sono progettati e configurati in modo da rendere massima l'area dei cilindri sinterizzati esposta alla parete laterale del foro di trivellazione. Benché i cilindri di carburo sinterizzato funzionino in modo adeguato come calibro di una punta da perforazione, la necessità di fresare precisi fori per un inserimento forzato è scomoda e limita la configurazione del calibro. Inoltre, i cilindri di calibro di carburo sinterizzato spesso presentano una fessurazione dopo l'uso, indicata come retinatura, forse attribuibile agli estremi cicli di riscaldamento e raffreddamento presenti durante condizioni di trivellazione .

Alla luce degli svantaggi della tecnica, sarebbe vantaggioso realizzare una punta del tipo a lame a corpo in acciaio utilizzando elementi strutturalmente sporgenti formati da materiali di riporto duro. Sarebbe inoltre vantaggioso realizzare un riporto duro in una punta da perforazione in cui tale riporto duro fosse localizzato in funzione delle proprietà del materiale di riporto duro. Tale posizionamento potrebbe essere utilizzato per includere un riporto duro con composizioni di materiale multiple sfruttando proprietà vantaggiose dei materiali di ciascuna singola composizione.

Sarebbe anche vantaggioso realizzare un procedimento per modificare punte esistenti in modo da utilizzare elementi strutturalmente sporgenti formati da un materiale di riporto duro. Tale procedimento permetterebbe la fabbricazione più semplice e più economicamente vantaggiosa di tali punte permettendo ancora una personalizzazione di tali punte specifica secondo l'applicazione.

Sarebbe anche vantaggioso realizzare una punta, oltre che un procedimento per la fabbricazione di tale punta, che presenti una superficie fatta su misura con riferimento al modo in cui il riporto duro è applicato in modo che una condizione di tensione vantaggiosa sia applicata alla struttura a riporto duro risultante. Sarebbe vantaggioso utilizzare un riporto duro avente tale condizione di tensione risultante progettata secondo il carico o la tensione prevista applicata alla punta durante il funzionamento .

ENUNCIAZIONE DELL'INVENZIONE

Gli Inventori della presente hanno riconosciuto che elementi strutturali di una punta da perforazione a corpo in acciaio possono essere formati mediante applicazione di un riporto duro. La modifica della geometria della superficie che riceve il riporto duro e la modifica di composizioni di riporto duro sono tecniche di adeguamento degli elementi strutturali secondo la presente invenzione.

In modo specifico, in conformità con un primo aspetto dell'invenzione, un calibro è formato mediante applicazione di una prima composizione di riporto duro a spigoli di attacco e di uscita nel verso di rotazione del pattino di definizione del calibro e riempimento dello spazio tra questi spigoli sulla superficie radialmente esterna del pattino di definizione del calibro con una seconda composizione di riporto duro differente. Ciò permette l'adeguamento delle proprietà del riporto duro per ciascuna rispettiva area. A titolo di esempio, se è previsto che gli spigoli subiscano un maggiore livello di scheggiatura, la composizione del riporto duro in quest'area può essere adeguata con riferimento alla tenacità.

Nell'area tra gli spigoli, in cui l'incrinatura costituisce un problema minore, la composizione del riporto duro può essere adeguata con riferimento alle caratteristiche antiusura.

Un altro aspetto dell'utilizzo di composizioni multiple di riporto duro in posizioni differenti lungo la punta riguarda l'uso del riporto duro quale rivestimento protettivo. Come tale, materiali multipli possono essere utilizzati per rivestire le superfici esterne della punta da perforazione per contrastare l'erosione e l'abrasione.Ad esempio, dove sono necessari materiali più resistenti all'erosione, è possibile utilizzare un riporto duro con una quantità relativamente elevata di carburo di tungsteno macrocristallino. Analogamente, ad esempio, dove si desidera un riporto duro avente una maggiore tenacità, è possibile utilizzare carburo di tungsteno sinterizzato sferico e colato. Nel caso degenere, l'intera superficie del riporto duro applicato sulla punta da perforazione a corpo in acciaio sarà adeguata, area per area, con le caratteristiche desiderate. Più praticamente, aree selezionate saranno adeguate come necessario per ottenere caratteristiche desiderate del riporto duro.

In conformità con un altro aspetto dell'invenzione, un calibro è definito mediante formazione di scanalature in un pattino di definizione del calibro di un corpo di punta in acciaio e successivo riempimento delle scanalature con una composizione di riporto duro. Si ritiene che le scanalature riducano la scheggiatura del riporto duro durante la trivellazione di una formazione sotterranea. Inoltre, le scanalature forniscono una maggiore quantità di area superficiale per il fissaggio del riporto duro al corpo della punta oltre che un maggiore volume di riporto duro. Le composizioni di riporto duro possono anche essere variate, come descritto nella prima forma di attuazione, dove un primo riporto duro è utilizzato su spigoli di attacco e di uscita nel verso di rotazione ed un secondo riporto duro è utilizzato tra i due spigoli nel verso di rotazione sulla superficie radiale esterna del pattino di definizione del calibro. In una ulteriore combinazione, delle scanalature possono essere disposte in varie regioni lungo la superficie del calibro.

In un ulteriore approfondimento, le scanalature possono essere orientate ed adeguate per considerazioni di carico e tensione residua. L'orientamento delle scanalature in generale lungo l'asse longitudinale della lama costituisce una configurazione,· tuttavia può essere vantaggioso orientare le scanalature con riferimento a caratteristiche di carico della lama. Inoltre, è previsto che sia possibile ottenere una condizione vantaggiosa di distensione nel riporto duro modificando la superficie del calibro su cui è applicato il riporto duro mediante almeno una scanalatura. Questa condizione di tensione si manifesterà come risultato di differenze di dilatazione termica tra il materiale del corpo della punta ed il riporto duro dopo il fissaggio del riporto duro sulla punta ad alta temperatura. Condizioni di tensione di compressione sono generalmente preferibili per materiali fragili; tuttavia condizioni di tensione di trazione possono anche essere vantaggiose. Scanalature sovrapposte, scanalature di profondità differente, scanalature concentriche, scanalature a forma di V, scanalature a forma di U, o geometrie di scanalatura altrimenti configurate o combinate possono essere utilizzate per ottenere un risultato desiderato.

La presente invenzione prevede anche la formazione di noduli antiusura o rompitrucioli su un corpo di punta in acciaio. Diversi vantaggi sono evidenti da questo procedimento. Ad esempio, una punta può essere fabbricata inizialmente senza noduli antiusura o rompitrucioli, e quindi, se si desiderano noduli antiusura o rompitrucioli, la punta può essere successivamente configurata con noduli antiusura o rompitrucioli fabbricati in un materiale di riporto duro. Ciò amplia l'adattabilità di una punta ad applicazioni multiple. Inoltre, nel caso di una punta consumata, modifiche è riparazioni dei noduli antiusura o rompitrucioli sono eseguite facilmente quando questi sono costituiti da materiali di riporto duro, in opposizione a tecniche tradizionali di creazione di queste strutture.

In altre parole, la presente invenzione comprende ed include il concetto generale di disposizione di strutture sporgenti a riporto duro su punte a corpo in acciaio, quali noduli antiusura e rompitrucioli, nonché pattini di definizione del calibro e rivestimenti protettivi formati da almeno due composizioni di riporto duro differenti. Inoltre, l'invenzione comprende ed include superfici di una punta da perforazione a corpo in acciaio comprendenti almeno una scanalatura per ricevere il riporto duro.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La figura 1 mostra una vista in elevazione dall'alto di una punta da perforazione a corpo in acciaio senza elementi fresanti o strutture di definizione del calibro;

la figura 2 mostra una vista in elevazione laterale della punta da perforazione a corpo in acciaio illustrata nella figura 1;

la figura 3 mostra il posizionamento di noduli antiusura in una vista in elevazione dall'alto della punta da perforazione a corpo in acciaio illustrata nella figura 1 secondo la presente invenzione;

la figura 4 mostra una vista in sezione laterale di una lama della punta configurata con un nodulo antiusura secondo la presente invenzione;

le figure 5A-5C mostrano viste in sezione laterale di rompitrucioli con geometrie differenti secondo la presente invenzione;

le figure 6A e 6B mostrano viste in elevazione frontale di lame di una punta con rompitrucioli continui e discreti secondo la presente invenzione, rispettivamente ;

la figura 7 mostra una vista in elevazione laterale di una parte di una punta a corpo in acciaio secondo la presente invenzione su cui vi sono composizioni multiple di riporto duro;

la figura 8 mostra una vista in elevazione dall'alto di una punta a corpo in acciaio secondo la presente invenzione su cui vi sono composizioni multiple di riporto duro;

le figure 9A-9E mostrano rispettivamente una vista in sezione trasversale dall'alto di un pattino di definizione del calibro secondo la presente invenzione configurato con forme di attuazione alternative di scanalature;

le figure 10A e 10B mostrano rispettivamente una vista in sezione trasversale dall'alto di un pattino di definizione del calibro secondo la presente invenzione costituito da due composizioni di riporto duro; e

le figure 11A-11C mostrano rispettivamente viste in elevazione laterale di lame di una punta a corpo in acciaio secondo la presente invenzione con configurazioni alternative di scanalature.

FORMA/FORME MIGLIORI PER L'ATTUAZIONE DELL'INVENZIONE La figura 1 mostra una punta da perforazione esemplificativa 10 a corpo in acciaio configurata con lame 12, 14, 16, 18, 20 e 22 che si estendono in direzione generalmente radiale e longitudinale dal corpo della punta 10 . Il corpo della punta 10 può essere formato per colata, lavorazione alla macchina, saldatura, fucinatura, brocciatura, o qualsiasi combinazione di procedimenti o altri procedimenti noti per la produzione di punte a corpo in acciaio. Cavità per elementi fresanti sono indicate in generale con il numero di riferimento 30 e sono configurate sulle lame 12-22 per ricevere elementi fresanti superabrasivi 32 (figura 4). La faccia 34 della punta contiene aperture 24 per il passaggio di fluido di perforazione attraverso la punta da perforazione 10 a corpo in acciaio attraverso ugelli (non illustrati) inseriti nelle aperture 24, in modo noto nella tecnica. Passando alla figura 2, l'area 26 di una scanalatura di scarico rappresentata sia nella figura 1 sia nella figura 2 permette il passaggio di detriti generati dagli elementi fresanti 32 e trasportati dal fluido di perforazione. La figura 2 mostra anche le aree di calibro delle lame 16, 18, 20 o 22 della punta indicate con 16', 18', 20' e 22', rispettivamente, in cui un riporto duro può essere depositato per creare un pattino di definizione del calibro. Inoltre, un gambo filettato della punta per l'accoppiamento della punta a corpo in acciaio 10 ad una batteria di perforazione è rappresentato con linee tratteggiate per maggiore chiarezza e per indicare il contesto dell'invenzione.

Con riferimento ora alla figura 3, sono indicate diverse possibili posizioni di noduli antiusura 40 sulle lame 12, 18 e 20. Tuttavia, le posizioni di noduli antiusura non sono limitate a lame rappresentate con noduli antiusura nella figura 3. I noduli antiusura 40 possono essere disposti su qualsiasi lama 12, 14, 16, 18, 20 e 22 in posizioni multiple su tali lame. I noduli antiusura 40 come illustrato sono associati radialmente con cavità selezionate 31 per elementi fresanti, rappresentate con una linea tratteggiata. I noduli antiusura 40 sono progettati in modo da estendersi fino ad un livello appena sopra il taglio che è praticato dall'elemento fresante che segue in rotazione mentre la punta a corpo in acciaio 10 è fatta ruotare contro una formazione. Così, il nodulo antiusura 40 precede la cavità 31 del rispettivo elemento fresante. Se la profondità di penetrazione durante la trivellazione della punta a corpo in acciaio 10 aumenta sopra il livello desiderato, i noduli antiusura 40 entreranno in contatto con la formazione, limitando la profondità di taglio sugli elementi fresanti 32 ed evitando così un possibile danneggiamento .

La figura 4 mostra una vista in sezione laterale del nodulo antiusura 40 secondo la presente invenzione posizionato su una lama 44. E' anche illustrata una cavità 30 per un elemento fresante nonché un elemento fresante superabrasivo 32 come è noto nella tecnica. Il riporto duro 41 è depositato generalmente sulla superficie superiore 43 della lama 44 in modo da formare una struttura che sporge da quest'ultima. Il riporto duro 41 può essere depositato in modo noto nella tecnica e quindi modificato come desiderato o richiesto mediante lavorazione alla macchina o rettifica per ottenere la forma e la dimensione desiderate .

Benché non sia illustrato nella figura 4, è anche previsto che il riporto duro 41 possa essere depositato in una cavità o depressione formata nella superficie superiore 43 della lama 44 della punta. La depressione o cavità può comprendere almeno una scanalatura per fissare in modo migliore il riporto duro 41, o per impartire una condizione desiderata di tensione residua al riporto duro 41.

La figura 5A mostra una vista in sezione trasversale di un rompitrucioli 50 secondo la presente invenzione durante l'uso mentre un truciolo continuo 51 della formazione sta avanzando lungo la superficie frontale 48 della lama fino ad entrare in contatto con il rompitrucioli 50 composto da un riporto duro 41. Il truciolo 51 è quindi deviato dal rompitrucioli 50, provocando così la rottura del truciolo continuo 51. Le figure 5B e 5C mostrano forme di attuazione differenti per rompitrucioli 50 formati da un riporto duro 41. La figura 5B mostra un riporto duro 41 che è stato depositato in una leggera depressione 53 nella superficie frontale 48 della lama per formare il rompitrucìoli 50. Il riporto duro 41 può essere lavorato alla macchina, rettificato, o altrimenti sagomato dopo il suo deposito per ottenere una geometria desiderata.

Inoltre, i rompitrucìoli possono essere configurati come elementi discreti o elementi continui sulla superficie frontale 48 della lama, come illustrato nelle figure 6A e 6B. La figura 6A mostra una vista frontale di una sezione di lama comprendente elementi fresanti 61, 62 e 63 nonché un rompitrucìoli continuo 50 formato da un riporto duro 41. Il rompitrucìoli 50 è rappresentato avente un'area uniforme di riporto duro 41 in sezione trasversale. Tuttavia, non è necessarlo che il rompitrucìoli 50 sia formato in modo da presentare una sezione trasversale uniforme. La sezione trasversale come illustrato nelle figure 5A -5C può variare per migliorare le prestazioni del rompitrucìoli 50. Ad esempio, può essere vantaggioso impartire una componente di torsione al truciolo 51 mentre questo avanza sulla superficie frontale 48 della lama, oppure la geometria della sezione trasversale del rompitrucioli 50 può essere adeguata ad angoli di spoglia posteriore o di spoglia del fianco degli elementi fresanti, come è noto ai tecnici del ramo. La figura 6B mostra un esempio di rompitrucioli discreti 50 formati da un riporto duro 41 ed allineati generalmente con elementi fresanti 61, 62 e 63. Questi rompitrucioli discreti 50 possono avere o meno geometrie in sezione trasversale simili. Come illustrato nella figura 5B, il rompitrucioli 50 può essere formato in una depressione o scanalatura 53 che può essere progettata in modo da impartire tensioni residue favorevoli al riporto duro 41 depositato. Inoltre, tale area maggiorata della superficie può favorire il collegamento del riporto duro 41 sulla superficie frontale 48 della lama.

La figura 7 mostra una vista in elevazione laterale di una parte di una punta 10 a corpo in acciaio secondo la presente invenzione. Due lame 64 e 65 della punta sono configurate con composizioni multiple di riporto duro.Un primo riporto duro 70 è depositato sulla sezione più esterna della lama 64 della punta rispetto al corpo 76 della punta ed è illustrato con un tratteggio diagonale. Un secondo riporto duro 72, rappresentato con un tratteggio orizzontale, è depositato sulla superficie frontale della lama 64. Un terzo riporto duro 74 è depositato sulle superfici superiori delle lame 64 e 65, come indicato dalla regione a tratteggio verticale della lama 65. Il resto dell'area del corpo 76 della punta può essere rivestito con un altro riporto duro, se lo si desidera. Così, nella figura 7 è rappresentata una possibile forma di attuazione per l'applicazione di composizioni multiple di riporto duro.

Benché le illustrazioni di composizioni multiple di riporto duro su punte da perforazione a corpo in acciaio siano rappresentate sotto forma di aree adiacenti di riporto duro, ciò non è inteso in senso limitativo della presente invenzione. Composizioni di Riporto duro differenti possono sovrapporsi o essere stratificate in modo da formare una qualsiasi delle strutture, rivestimenti, o elementi di definizione del calibro precedentemente menzionati. E' previsto che strati di riporto duro di composizione simile o differente possano essere aggiunti in aree critiche della punta o omessi in aree non critiche della punta. Gli strati di riporto duro possono essere lavorati alla macchina o rettificati dopo l'applicazione prima del deposito di strati addizionali. Inoltre, una o più scanalature possono essere posizionate in uno strato di riporto duro in preparazione per uno strato di riporto duro applicato successivamente.

La configurazione di composizioni multiple di riporto duro può essere determinata mediante un certo numero di criteri differenti. E' possibile utilizzare misurazioni e simulazioni idrauliche, di abrasione ed erosione, per identificare livelli relativi di erosione ed abrasione sulla superficie di una punta a corpo in acciaio. Il volume di detriti di roccia generati in posizioni differenti lungo la punta può essere considerato insieme a caratteristiche di flusso idraulico. Tuttavia, altre considerazioni possono influenzare l'erosione di aree differenti della punta. Ad esempio, la condizione di tensione del materiale di riporto duro può influenzare la resistenza del materiale di riporto duro all'erosione. Inoltre, la condizione di tensione della formazione sotterranea adiacente al foro di trivellazione può modificare la formazione ed il comportamento del truciolo. La dilatazione, la variazione volumica di roccia quando è esposta alla pressione di confinamento, può modificare la formazione del truciolo ed il comportamento del corpo della punta con riferimento all'erosione. Pertanto, composizioni di riporto duro possono essere disposte in modo da compensare l'usura erosiva prevista o misurata sulla punta da perforazione 10 a corpo in acciaio.

In aggiunta a quanto precedentemente descritto, la figura 7 mostra anche un pattino di definizione del calibro 80 secondo la presente invenzione. Il pattino di definizione del calibro 80 è rivestito con un primo riporto duro 84 depositato sui suoi spigoli di attacco e di uscita nel verso di rotazione. Un secondo riporto duro 86 è depositato in modo da formare la superficie del pattino di definizione del calibro tra gli spigoli di attacco e di uscita. E' previsto che il primo riporto duro 84 sia composto in modo da presentare tenacità, ed il secondo riporto duro 86 sia composto in modo da presentare resistenza all'erosione ed all'abrasione.Così, il primo riporto duro 84 contrasta la rottura in corrispondenza degli spigoli di attacco e di uscita ed il secondo riporto duro 86 contrasta l'usura erosiva ed abrasiva presente durante la rotazione della punta contro la parete laterale del foro di trivellazione durante condizioni di trivellazione.

La figura 8 mostra una vista in elevazione dall'alto di una punta da perforazione a corpo in acciaio che mostra una configurazione alternativa per composizioni multiple di riporto duro, in cui riporti duri 71, 73 e 75 sono depositati con riferimento ad aree radiali differenti della punta da perforazione 10 a corpo in acciaio. L'area radiale esterna della punta da perforazione 10 a corpo in acciaio porta un primo riporto duro 71, come illustrato con tratteggio diagonale. Un secondo riporto duro 73, come illustrato con tratteggio verticale, copre un'area radiale tra il primo riporto duro 71 ed un terzo riporto duro 75. L'area radiale dal centro della punta 10 a corpo in acciaio al secondo riporto duro 73 porta il terzo riporto duro 75. Benché le aree illustrate nella figura 8 non siano sovrapposte, la presente invenzione prevede tale soluzione. Regioni con composizione differente di riporto duro possono sovrapporsi, essere in contatto, o altrimenti interagire.Alternativamente, non è necessario che regioni con composizione differente di riporto duro siano in qualche modo contigue .

La figura 9A mostra una vista in sezione trasversale di una sezione di calibro 90 di una lama di una punta. Una superficie 80' mostra dove un pattino di definizione del calibro 80 (figure 7, 10A e 10B) sarà rivestito mediante applicazione di riporto duro. Scanalature 82 sono formate negli spigoli di attacco e di uscita della sezione di calibro 90 in preparazione per l'applicazione di una o più composizioni di riporto duro. Le scanalature illustrate nella figura 9A sono rappresentate aventi una sezione trasversale radiale. Secondo una alternativa, le scanalature possono essere realizzate sotto forma di uno smusso 82' come illustrato nella figura 9B o avere un'altra sezione trasversale desiderata. Come illustrato nella figura 9C, scanalature multiple 81 possono essere disposte nella superficie 80' prima dell'applicazione del riporto duro. Ognuna delle scanalature precedentemente menzionate 81, 82 o degli smussi 82' può essere realizzato per lavorazione alla macchina, rettifica, o brocciatura, oppure essi possono essere formati integralmente con il corpo della punta.

Si nota che la geometria delle scanalature illustrata nelle figure da 9A a 9E è soltanto illustrativa e non deve essere considerata in nessun modo in senso limitativo. Invece, varie forme e configurazioni di scanalature possono essere utilizzate secondo la presente invenzione. A titolo di esempio, è possibile utilizzare scanalature a forma di V, scanalature concentriche, o varie geometrie di scanalatura o altre sezioni trasversali. Si nota in modo simile che è possibile utilizzare varie profondità delle scanalature, traiettorie delle scanalature, spaziatura delle scanalature, orientamenti delle scanalature, configurazioni sovrapposte o combinazioni di vari parametri geometrici. Analogamente, caratteristiche delle varie configurazioni illustrate nelle figure 9A-9E possono essere combinate in disposizioni alternative .

La figura 9D mostra un esempio di tale possibile geometria alternativa in sezione trasversale. Le scanalature 81' sono formate in modo da essere a sottosquadro. In altre parole, la base di ciascuna scanalatura 81' è più larga, o di area maggiore in sezione trasversale, dell'apertura associata sulla superficie di calibro 80' . Tale geometria permette vantaggiosamente che un materiale di riporto duro successivamente applicato sia bloccato meccanicamente con la superficie 80' del pattino di definizione del calibro, combinandosi così con il collegamento metallurgico esistente tra i due materiali per una superiore aderenza del materiale di riporto duro alla superficie 80' del pattino di definizione del calibro .

Un'altra geometria alternativa è illustrata nella figura 9E. La scanalatura 83 in questa forma di attuazione è stata prolungata lungo una porzione significativa della superficie 80' del pattino di definizione del calibro, permettendo la formazione di una struttura di riporto duro più grande. E' previsto che la scanalatura prolungata 83 possa essere formata in modo da racchiudere lo spigolo di attacco o lo spigolo di uscita della sezione di calibro 90. La composizione del materiale applicato di riporto duro può essere opportunamente selezionata in funzione, in parte, dello spigolo della sezione di calibro 90 racchiuso dalla scanalatura 83 .

La figura 10A mostra la vista in sezione trasversale della figura 9A con l'aggiunta di un primo riporto duro 84 depositato sostanzialmente in scanalature 82 sugli spigoli di attacco e di uscita del calibro nel verso di rotazione e che si estende anche parzialmente lungo i due spigoli di attacco e di uscita della sezione di calibro 90 della lama della punta oltre le scanalature 82. Questo primo riporto duro può essere vantaggiosamente una composizione quale, ad esempio, una composizione in cui la maggior parte del deposito contiene carburo di tungsteno sinterizzato per una maggiore tenacità e resistenza a frattura in queste posizioni. Un secondo riporto duro 86 è depositato sostanzialmente all'interno del primo riporto duro 84. Il secondo riporto duro 86 può essere costituito da una composizione che vantaggiosamente resiste all'usura di strisciamento ed all'abrasione, come ad esempio una percentuale inferiore di carburo di tungsteno sinterizzato con una percentuale superiore di carburo colato. Un altro esempio può essere carburo di tungsteno macrocristallino.

Benché, nella figura 10A, il primo riporto duro 84 ed il secondo riporto duro 86 coprano sostanzialmente la superficie 80' dopo la formazione del pattino di definizione del calibro 80, sono previste altre forme di attuazione.Ad esempio, la figura 10B mostra una forma di attuazione in cui il riporto duro 86 non racchiude completamente la superficie 80'. Tale configurazione può essere ottenuta mediante applicazione di riporto duro nelle scanalature preformate 82, o mediante applicazione di riporto duro sull'intera superficie 80' e quindi esposizione parziale delle superfici di acciaio 87 mediante lavorazione alla macchina o rettifica per creare il calibro 80. Anche in questo caso, ciò può essere vantaggioso per modificare le tensioni residue nel riporto duro.Alternativamente, carburo sinterizzato può essere disposto sulle superfici di acciaio 87 e "saldato" in posizione mediante riporto duro per una maggiore resistenza all'erosione ed all'abrasione, o altrimenti fissato in modo noto nella tecnica.Configurazioni di riporto duro simili possono essere realizzate con le varie sezioni di calibro 90 illustrate nelle figure 9A-9E nonché con geometrie alternative menzionate della sezione trasversale.

In una forma di attuazione alternativa, può essere vantaggioso orientare il riporto duro in funzione dei carichi previsti o della tensione prevista subita dalla punta 10 durante il funzionamento. Ad esempio, poiché un pattino di definizione del calibro 80 su una punta da perforazione rotante 10 durante il funzionamento percorre un'elica poco profonda estenden esi verso il basso, può essere vantaggioso orientare o allineare le scanalature con riferimento ad un angolo dell'elica, o ad un campo di angoli corrispondente ad un campo di velocità di penetrazione, in modo che il carico subito dal riporto duro durante la trivellazione sia supportato in modo migliore con riferimento alla sua interazione con la formazione incontrata. Le figure 11A-11C mostrano viste in elevazione laterale di lame 88 di una punta a corpo in acciaio con superfici di acciaio 80' nelle sezioni di calibro della lama 88 della punta. Ciascuna di queste superfici di acciaio 80' illustrate nelle figure 11A-11C presenta una serie di scanalature 82 in vari orientamenti . La figura H A mostra scanalature 82 che sono generalmente perpendicolari all'angolo dell'elica. La figura 11B mostra scanalature 82 che sono generalmente parallele all'angolo dell'elica. L'angolo dell'elica può essere variato secondo la velocità di penetrazione prevista e la velocità angolare in modo che le scanalature siano orientate ad un valore medio previsto dell'angolo dell'elica, in funzione dei limiti di progetto dei parametri di funzionamento della punta. La figura 11C mostra scanalature concentriche 82, che possono fornire vantaggi addizionali con riferimento al carico esterno nonché a considerazioni di tensioni residue.

Le forme di attuazione precedentemente descritte si prestano inoltre a procedimenti complementari per la fabbricazione di una punta da perforazione a corpo in acciaio nonché a procedimenti per la progettazione di tale punta da perforazione. Ad esempio, un procedimento di progettazione di una punta da perforazione potrebbe includere la selezione di una punta da perforazione esistente sottoponendo la punta da perforazione ad una o più prove, ad esempio posizionando la punta in un ambiente di trivellazione reale o simulato. Mentre la punta da perforazione è sottoposta alla prova, è possibile raccogliere dati relativi ai risultati di tale prova. I dati raccolti possono quindi essere utilizzati per progettare una configurazione di riporto duro comprendente, ad esempio, la forma, dimensione, posizione, e condizione di sollecitazione della configurazione di riporto duro da utilizzare. Inoltre, il tipo di materiale di riporto duro da utilizzare può essere determinato in funzione delle caratteristiche del materiale richieste per la configurazione di riporto duro desiderata. Vari strumenti di progetto noti ai tecnici del ramo possono essere utilizzati per facilitare la progettazione. Tali strumenti possono includere,ad esempio,modellazione matematica, dinamica dei fluidi computazionale, analisi agli elementi finiti, e modellazione solida CAD.

Si nota che l'applicazione del riporto duro alla punta 10 in ognuna delle forme di attuazione precedentemente descritte può essere eseguita mediante più di un procedimento. Ad esempio, è previsto che il riporto duro sia applicato attraverso un'operazione di saldatura ossiacetilenica ("OXY"). Tuttavia è possibili utilizzare altri procedimenti, come, ad esempio, saldatura in idrogeno nascente ("atomic hydrogen welding" - ATW), saldatura in atmosfera inerte con elettrodo di tungsteno ("tungsten inert gas" - TIG), saldatura ad arco a tungsteno in atmosfera di gas ("gas tungsten are welding" - GTAW) o altri procedimenti applicabili, come è noto al tecnico del ramo.

Riassumendo, la presente invenzione fornisce punte da perforazione rotative del tipo a lame aventi elementi strutturali sostanzialmente sporgenti, come ad esempio noduli antiusura o rompitrucioli, destinati ad essere formati su una punta a corpo in acciaio da un materiale di riporto duro. La presente invenzione prevede anche rivestimenti e sezioni di calibro che sono composti da almeno due composizioni differenti di riporto duro e possono essere configurati e posizionati in funzione delle caratteristiche del materiale e delle configurazioni previste di carico e di usura a cui la punta è soggetta. Inoltre, la presente invenzione fornisce procedimenti per fabbricare e progettare tali punte.

Benché l'invenzione possa essere soggetta a varie modifiche e forme alternative, forme di attuazione specifiche sono state illustrate a titolo di esempio nei disegni e sono state descritte in dettaglio nella presente. Tuttavia si deve comprendere che l'invenzione è intesa comprendente tutte le modifiche, equivalenti ed alternative che rientrano nello spirito e nell'ambito dell'invenzione come definito dalle rivendicazioni annesse seguenti.

Claims (20)

1. RIVENDICAZIONI 1. Punta a lame rotativa a corpo in acciaio per la trivellazione di una formazione sotterranea, comprendente : un corpo della punta avente un asse longitudinale e comprendente una faccia della punta ad una sua estremità distale ed una struttura per collegare la punta rotativa a lame ad una batteria di perforazione ad una sua estremità prossimale; una molteplicità di elementi fresanti posizionati sulla faccia della punta, in cui almeno uno della mplteplicità di elementi fresanti comprende una faccia di taglio superabrasiva comprendente uno spigolo di taglio disposto in modo da impegnarsi con la formazione sotterranea; e almeno un elemento strutturale sostanzialmente sporgente sul corpo della punta comprendente almeno una composizione di riporto duro.
2. 2. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 1, in cui 1'almeno un elemento strutturale sostanzialmente sporgente comprende almeno un elemento selezionato tra un nodulo antiusura ed un rompitrucioli .
3. 3. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 1 oppure 2, in cui 1'almeno una composizione di riporto duro si estende almeno parzialmente entro almeno una scanalatura sul corpo della punta.
4. 4. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 1, 2 oppure 3, in cui l'almeno una composizione di riporto duro comprende almeno due composizioni di riporto duro differenti.
5. 5. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 4, in cui le almeno due composizioni di riporto duro differenti includono una prima composizione di riporto duro resistente all'abrasione ed una seconda composizione di riporto duro resistente a frattura .
6. 6. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 1, 2 oppure 3, in cui l'almeno una composizione di riporto duro include almeno un materiale selezionato tra carburo di tungsteno macrocristallino, carburo di tungsteno sinterizzato sferico, carburo di tungsteno sinterizzato frantumato e carburo di tungsteno colato.
7. 7. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 1, 2 oppure 3, in cui l'almeno un elemento strutturale sostanzialmente sporgente comprendente almeno una composizione di riporto duro è formato da strati multipli.
8. 8. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 7, in cui almeno uno degli stati multipli presenta almeno una superficie selezionata tra una superficie lavorata alla macchina ed una superficie rettificata.
9. 9. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 7, in cui gli strati multipli includono almeno due composizioni di riporto duro differenti.
10. 10. Punta rotativa a lame a corpo in acciaio per la trivellazione di una formazione sotterranea, comprendente : un corpo della punta avente un asse longitudinale e comprendente una faccia della punta ad una sua estremità distale ed una struttura per il collegamento della punta rotativa a lame ad una batteria di perforazione ad una sua estremità prossimale; una molteplicità di elementi fresanti posizionati sulla faccia della punta, in cui almeno uno della molteplicità di elementi fresanti include una faccia di taglio superabrasiva comprendente uno spigolo di taglio disposto in modo da impegnarsi con la formazione sotterranea; e almeno due composizioni di riporto duro differenti supportate su una superficie esterna del corpo della punta.
11. 11. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 10, in cui la superficie esterna comprende un pattino di definizione del calibro formato sul corpo della punta.
12. 12. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 11, in cui il pattino di definizione del calibro è configurato in modo da includere uno spigolo di attacco nel verso di rotazione ed uno spigolo di uscita nel verso di rotazione ed in cui una delle almeno due composizioni di riporto duro è posizionata su almeno uno degli spigoli di attacco e di uscita nel verso di rotazione.
13. 13. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 12, in cui un'altra delle almeno due composizioni di riporto duro è posizionata sul pattino di definizione del calibro tra gli spigoli di attacco e di uscita nel verso di rotazione.
14. 14. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 10, in cui la superficie esterna comprende almeno una parte selezionata tra la faccia della punta, il corpo della punta ed una lama della punta formata sulla faccia della punta.
15. 15. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 10, 11 oppure 14, in cui la superficie esterna comprende almeno una scanalatura, in cui almeno un riporto duro delle almeno due composizioni di riporto duro differenti è disposto nell'almeno una scanalatura .
16. 16. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 15, in cui l'almeno una scanalatura è orientata sulla punta in funzione di un carico predeterminato a cui la punta sarà soggetta.
17. 17. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 15, in cui l'almeno una scanalatura è orientata sulla punta in funzione di un'area predeterminata di elevata sollecitazione nell 'almeno un riporto duro disposto nell'almeno una scanalatura.
18. 18. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 10, 11 oppure 14, in cui le almeno due composizioni di riporto duro differenti sono sostanzialmente contigue.
19. 19. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 10, 11 oppure 14, in cui una delle almeno due composizioni di riporto duro differenti è sovrapposta ad almeno un'altra composizione di riporto duro.
20. 20. Punta a lame a corpo in acciaio secondo la rivendicazione 10, 11 oppure 14, in cui le almeno due composizioni di riporto duro differenti includono una prima composizione di riporto duro resistente all'abrasione ed una seconda composizione di riporto duro resistente a frattura.