ITTO970655A1

ITTO970655A1 - Disposizione inclinata per scalpelli a coni rotativi.

Info

Publication number: ITTO970655A1
Application number: IT97TO000655A
Authority: IT
Inventors: Rudolph Carl Otto Pessier
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 1999-01-18
Also published as: FR2751371A1; GB2315509A; GB9715057D0; GB2315509B; IT1293632B1; US6142247A

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:

'Disposizione inclinata di ugello per scalpelli a coni rotativi

SFONDO DELL'INVENZIONE

1. Campo dell'invenzione

La presente invenzione si riferisce a scalpelli di perforazione del suolo utilizzati nelle industrie minerarie, petrolifere e dei gas, in particolare quelli aventi disposizioni di ugello per impedire che i denti della fresa siano "impastati" da detriti del terreno compattati.

2. Informazioni di sfondo

Howard R. Hughes ha inventato uno scalpello con coni rotativi utilizzato per perforare pozzi di petrolio e di gas, denominandolo "scalpello da roccia" poiché perforava dall'inizio con stupefacente facilità la roccia dura di copertura che sovrasta la formazione di produzione nel campo Spindletop vicino a Beumont, Texas, Stati Uniti d 'America. Il suo-scalpello ha avuto un immediato successo, e alcuni hanno affermato che si tratta dell'invenzione più importante che ha reso commercialmente possibile nel mondo la trivellazione rotativa per petrolio e gas (Brevetto statunitense n.

930.759, "Orili" (Trivella), 10 agosto 1909). Più di ogni altra, questa invenzione ha trasformato le economie del Texas e degli Stati Uniti d'America in giganti nella produzione di energia. Ma la sua invenzione non era perfetta.

Anche se lo scalpellodi M".Hughes demoliva la roccia con impressionante velocità, esso avanzava a stento nelle formazioni tenere come i terreni schistosi intorno a Beumont e nella Costa del Golfo degli Stati Uniti d'America. Detriti di schisto talvolta venivano compattati tra i denti dello scalpello "Hughes", finché questo non poteva più penetrare nel terreno. Quando veniva ritirato alla superficie, lo scalpello era spesso, come dicevano gli addetti alla perforatrice, "impastato" con schisto - talvolta fino al punto in cui le frese non potevano più ruotare. Una impastatura anche moderata rallentava la cadenza di perforazione ed era motivo di preoccupazione nelle organizzazioni ingegneristiche di Hughes e dei suoi concorrenti.

.^Sforzi creativi e laboriosi si.sono susseguiti per decenni per risolvere il problema di "impastatura" degli scalpelli nelle formazioni più tenere, come è riflesso nei brevetti della tecnica anteriore. Si sono ottenuti miglioramenti impressionanti, compreso uno scalpello con denti intercalati o in presa in cui corone circonferenziali di denti su una fresa ruotano attraverso gole circonferenziali opposte, e tra corone di denti, su un'altra fresa. Esso prevedeva spazi liberi sui due lati dei denti della corona interna e all'interno dei denti del tallone. Materiale generato tra i denti era spostato nelle gole aperte, che erano pulite dalle corone di denti intercalate. E' stato affermato, e dimostrato durante la trivellazione,elle "...i denti agiranno in modo da pulirsi l'un l'altro dal materiale aderente" (Scott, Brevetto statunitense n. 1.480.014, "Self-Cleaning Roller Drill" (Trivella a rulli autopulenti), 8 gennaio 1924). Questa invenzione ha condotto ad uno scalpello a due coni realizzato mediante "... taglio dei denti in corone circonferenziali ampiamente distanziate ...". Questo scalpello includeva "... una serie di lunghi taglienti affilati che non si consumano per lunghi periodi." Le frese erano coni a rotolamento centrato con corone di denti intercalate, ed una fresa era priva di una corona di tallone. L’effetto autopulente delle corone intercalate ai estendeva cosi su tutto lo scalpello, caratteristica che contrastava la tendenza dei denti,ad essere impastati in formazioni tenere. (Scott, Brevetto statunitense n. 1.647.753, "Drill Cutter" (fresa per trivella), 1 novembre 1927.)

Denti intercalati sono rappresentati per la prima volta su uno scalpello a tre coni nel Brevetto statunitense n.

1.983.316. Il miglioramento più significativo era costituito dalla larghezza delle gole tra i denti, che era doppia di quella sulla struttura a due coni senza aumentare il fondo non tagliato. Questa struttura combina anche denti intercalati di una stretta corona interna con larghe corone di tallone non intercalate.

Un ulteriore perfezionamento di progetto è rappresentato nel Brevetto statunitense n. 2.333.746, in cui i denti di tallone più lunghi erano parzialmente eliminati, caratteristica che diminuiva l'impastatura e migliorava la velocità di penetrazione. Un affinamento del progetto prevedeva la sostituzione degli stretti denti interni con un numero minore di denti larghi, il che migliorava ancora le prestazioni nella trivellazione in formazioni schistose.

Oramai la struttura base dello scalpello a tre coni era fissata: (1) Tutti i coni avevano corone interne intercalate; (2) il primo cono aveva una corona di tallone ed un ampio spazio o gola equivalente alla larghezza di due corone tra questa e la prima corona interna con denti intercalati per mantenerla pulita; (3) un secondo cono aveva una corona di tallone ed'uno stretto spazio o gola equivalente alla larghezza di un'unica corona tra questa e il primo tallone senza denti intercalati; e (4) un terzo cono aveva una corona di tallone ed una prima corona interna in una disposizione sfalsata ravvicinata. Uno svantaggio di questa struttura è il fatto che lascia ancora una porzione relativamente grande della struttura di taglio senza denti intercalati e soggetta ad impastatura.

Un’altra tecnica per pulire i denti dai detriti comportava la proiezione di fango o fluido di trivellazione direttamente contro le frese ed i denti da ugelli nel corpo dello scalpello. L'attenzione si è focalizzata sulla configurazione migliore degli ugellie sulla direzione di proiezione di fluido contro i denti. A questo punto sono comparse visioni divergenti, ed un inventore richiedeva che il fluido dagli ugelli fosse "... scaricato in una direzione approssimativamente parallela alla conicità del cono" (Sherman, Brevetto statunitense n. 2.104.823, "Cutter Flushing Device” (Dispositivo di lavaggio di una fresa), 11 gennaio 1938), mentre un altro richiedeva lo scarico del fluido di trivellazione "... in direzione approssimativamente perpendicolare ai denti di base [tallone] della fresa." (Payne, Brevetto statunitense n. 2.192.693, "Wash Pipe" (Condotto di lavaggio), 5 marzo 1940.)

Per un'certo tempo sembrò che uno sviluppo concluso dopo la seconda guerra mondiale risolvesse completamente il vecchio e ricorrente problema di impastatura dello scalpello. Uno sforzo di ricerca congiunto della Humble Oil and Refining Company e della Hughes Tool Company ha prodotto lo scalpello "a getto". Questo scalpello era progettato per essere realizzato con pompe ad alta pressione e scalpelli con ugelli (o getti) che proiettavano fluido di trivellazione ad alta velocità tra i coni e direttamente contro il fondo del foro di trivellazione, con una energia apparentemente sufficiente per disperdere rapidamente detriti di formazioni schistose, e simultaneamente impedire l'impastatura delle frese a causa delle condizioni risultanti di flusso altamente turbolento tra i coni. Questo sviluppo non soltanto ha contribuito alla riduzione dell'impastatura dello scalpello, ma ha anche affrontato un altro fenomeno importante che è stato conosciuto successivamente come ritenuta dei detriti.

Quasi dall’inizio, Hughes ed i suoi ingegneri hanno riconosciuto variazioni tra i fenomeni di trivellazione che si verificano in condizioni atmosferiche e quelli che si incontrano in profondità nel terreno. La roccia sul fondo di un foro di trivellazione è molto più difficile da perforare della stessa roccia portata alla superficie. Simulatori di trivellazione delle dimensioni di un modello hanno dimostrato negli anni 1950 che la rimozione di detriti dal fondo del foro di trivellazione è ostacolata dalla formazione di una torta di filtrazione sul fondo del foro. "Laboratory Study Of Effect Of Overburden, Formation And Mud Column Pressures On Drilling Rate Of Permeable Formation" (Studio in laboratorio dell'effetto di pressioni del terreno di copertura^ della formazione e della colonna di fango sulla velocità di trivellazione di formazioni permeabili), R.A. Cunningham e J . F . Eenick, presentato al 33° Incontro Annuale d'Autunno della S.P.E., Houston, Texas, Stati Uniti d'America, 5-8 ottobre 1958. Mentre una torta di filtrazione formata da fango di trivellazione è utile ed essenziale per prevenire il franamento della parete del foro, essa riduce anche l'efficienza di trivellazione. Se vi è una forte differenza tra la pressione nel foro di trivellazione e nella formazione, nota anche come pressione differenziale o di squilibrio, questo strato di fango mescola detriti e polveri dal fondo e forma un resistente strato a griglia tra la fresa e la formazione, il che impedisce ai denti della fresa di raggiungere la roccia vergine. Questo problema è accentuato in fori più profondi poiché sia il peso del fango sia la pressione idrostatica sono intrinsecamente maggiori. Un approccio per superare questo problema imbarazzante consiste nell'uso di velocità del getto . ancora maggiori nel tentativo di attraversare la torta di filtrazione e staccare detriti in modo che possano essere allontanati per lavaggio attraverso il foro del pozzo portandoli in superficie.

Il problema della torta di filtrazione e il problema di impastatura sono distinti poiché ì'■accumulo della torta di filtrazione, noto anche come impastatura del fondo, avviene principalmente a maggiori profondità con fanghi appesantiti, mentre l'impastatura della struttura di taglio è più tipica a profondità minori in formazioni schistose più fortemente reattive. Ma questi problemi sono sovrapposti nello stesso pozzo poiché varie formazioni é lunghe distanze devono essere perforate dallo stesso scalpello. Gli inventori non sempre hanno evidenziato quale di questi problemi Stavano affrontando, almeno non nei loro brevetti. Tuttavia, una disposizione di getti per avere successo deve risolvere entrambi i problemi; deve pulire i coni ma anche incidere sul fondo per impedire l'impastatura del fondo.

La direzione della corrente del getto e l'area di impatto sulle frese e sul fondo del foro ricevono un'attenzione periodica dagli inventori. Alcune soluzioni interessanti, anche se senza successo, sono descritte nei brevetti. Un brevetto prevede uno scalpello che scarica un getto tangenziale che spazza l'angolo del fondo del foro, segue un getto radiale, e include un getto diretto verso l'alto per spingere in modo migliore detriti verso l'alto nel foro di trivellazione. {Williams, Jr., Brevetto statunitense n. 3.144.087, "Drill Bit-with Tangential Jet" (Scalpello con getto tangenziale), 11 agosto 1964). Le frese hanno una configurazione insolita dei denti, compresa una configurazione senza una corona di denti di tallone, e in cui due delle frese non si impegnano con la parete del foro di trivellazione. Un ugello si estende attraverso il centro della fresa e dell'albero di supporto ed un altro sbocca sul fondo del "braccio" del corpo dello scalpello, vicino all'angolo del foro di trivellazione .

Vi sono alcuni vantaggi nel disporre gli ugelli il più vicino possibile al fondo del foro di trivellazione. (Feenstra, Brevetto statunitense n. 3.363.706, "Bit With Extended Jet Nozzles" {Scalpello con ugelli a getto estesi), 16 gennaio 1968). La tecnica anteriore mostra anche esempi di sforzi per orientare la corrente del getto prodotta dagli ugelli in modo che essa urti parzialmente o tangenzialmente sulle frese e quindi sul fondo del foro di trivellazione ad un certo angolo davanti alle frese. {Chilfers, ed altri,brevetto statunitense n. 4.516.642, "Drill Bit Having Angled Nozzles For Improved Bit and Well Bore Cleaning" (Scalpello avente ugelli inclinati per una migliore pulitura dello scalpello e del foro del pozzo), 14 maggio 1985.)

Un approccio più recente al problema dell'impastatura dello scalpello è descritto nel Brevetto di Isbell e Pessier , Brevetto statunitense n. 4.984.643, "Anti-Balling Earth Boring Bit" (Scalpello di perforazione del suolo anti-impastatura ), 15 gennaio 1991. In questo documento) un ugello dirige.una corrente a getto di fluido di trivellazione con un nucleo ad alta velocità oltre ilcono, e taglienti di frese adiacenti sul fondo del foro di trivellazione per spezzare la torta di filtrazione,·mentre una parte periferica a velocità inferiore urta contro il materiale costipato tra i taglienti di coni adiacenti. Il nucleo ad alta velocità passa in posizione equidistante tra una coppia di frese, ed il fluido nella parte periferica si impegna con ciascuna fresa in ugual misura. Anche se si sono notati miglioramenti significativi nella riduzione dell'impastatura dello scalpello e del fondo, il problema permane in alcune condizioni di trivellazione.

Malgrado gli intensi sforzi degli inventori che lavorano nel campo degli scalpelli da roccia dal 1909, inclusi quelli del primo, Howard R. Hughes, permane l'antico problema di "impastatura" degli scalpelli da roccia. Le soluzioni del passato prevengono l'impastatura in molti ambienti di trivellazione, e lo scalpello che è talmente impastato che le frese non ruotano più costituisce un aspetto del problema che è quasi completamente scomparso. Ora il problema è molto più sottile e spesso sfugge all'individuazione. Esso si verifica soltanto nell'ambiente di fondo foro e quindi passa largamente inosservato come causa di prestazioni di trivellazione scadenti sul, campo. La simulazione ha consentito la riproduzione di questo ambiente e quindi ha condotto ad affinazioni e miglioramenti sostanziali di strutture precedenti.

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Costituisce perciò lo scopo generale dell'invenzione migliorare ló scalpello di perforazione del terreno per minimizzare l’impastatura della struttura di taglio e del fondo del foro di trivellazione.

Di conseguenza, il perfezionamento è ottenuto in uno scalpello di perforazione del terreno del tipo avente preferibilmente tre frese o coni fissati in modo rotativo su alberi di supporto a sbalzo, con spazi sufficienti tra loro affinchè ugelli scarichino fluido contro il fondo del foro, Un ugello proietta, durante la perforazione, un flusso a getto di fluido avente un nucleo ad alta velocità ed una parte periferica a velocità inferiore. Il nucleo ad alta velocità è interamente contenuto in un piccolo spazio triangolare delimitato dal lato posteriore della fresa, dal braccio dello scalpello, dalla parete del foro di trivellazione e da un piano radiale tangente alle punte dei denti del tallone. Il nucleo ad alta velocità colpisce in modo intermittente le estremità esposte dei denti quando il cono ruota portando i denti nel e fuori dal flusso a getto. Circa un terzo del fluido nella parte periferica a velocità inferiore colpisce la.superficie del cono, mentre il resto prosegue lungo una traiettoria verso la parete ed il fondo del foro di trivellazione. Il fluido che colpisce i denti e la superficie del cono lo fa sul lato di uscita del cono rotante in cui i denti si allontanano dal fondo del foro di trivellazione. Quando il nucleo ad alta velocità non colpisce gli elementi di taglio, esso può passare senza ostacoli tra denti adiacenti raggiungendo il fondo del foro. Il flusso a getto è inclinato o orientato direzionalmente dal posizionamento e dall'orientamento dell'ugello in modo che il nucleo ad alta velocità sia sostanzialmente tangente al lato di uscita del cono associato. Il nucleo ad alta velocità e la parte periferica a velocità inferiore del flusso a getto sono così confinati su più del 75% della loro periferia dal cono o dalla parete del foro di trivellazione, riducendo così la ricircolazione e la turbolenza indesiderabili e lasciando libera una area elevata per un flusso di ritorno in posizione adiacente al cono seguente, non ostacolata dal flusso a getto ad alta velocità .

Scopi, caratteristiche e vantaggi addizionali dell’invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione seguente.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La figura 1 rappresenta una vista in prospettiva di uno scalpello di perforazione del terreno secondo la tecnica anteriore del tipo avente piastrine di carburo di tungsteno sinterizzato utilizzate quali denti di disintegrazione del terreno in coni fissati in modo rotativo su alberi di supporto.

La figura 2 rappresenta una vista in prospettiva parziale di porzioni dello scalpello secondo la tecnica anteriore illustrato nella figura 1, dopo che è stato fatto funzionare in una formazione che ha prodotto una impastatura di alcuni denti.

La figura 3 rappresenta una vista longitudinale e schematica di un getto o ugello utilizzato in uno scalpello di perforazione del terreno che mostra il modo in cui il fluido esce dall'ugello in un nucleo ad alta velocità ed in una parte periferica divergente a bassa velocità.

La figura 4 illustra porzioni dello scalpello preferito, osservato dal basso, per mostrare la posizione perfezionata di un ugello rispetto ai coni.

La figura 5 rappresenta una illustrazione di porzioni dello scalpello della figura 4, in una vista laterale^per mostrare la relazione tra un ugello, un braccio dello scalpello e due dei coni.

DESCRIZIONE DELLA FORMA DI ATTUAZIONE PREFERITA

Il numero di riferimento 11 nella figura 1 dei disegni indica uno scalpello di perforazione del terreno "Hughes" J05 secondo la tecnica anteriore del tipo avente tre frese rotative, ciascuna delle quali ha inserti resistenti all'usura utilizzati quali denti di disintegrazione del terreno.

Un corpo dello scalpello 13 ha un'estremità superiore che è .filettata in 15 per essere fissata ad un elemento di una catena di perforazione (non rappresentato) utilizzato per sollevare e abbassare lo scalpello in un foro di pozzo e per far ruotare lo scalpello durante la perforazione. Questo scalpello particolare ha tre coni indicati dai numeri di riferimento 17, 19 e 21.

Gli inserti che formano i denti di disintegrazione del terreno nello scalpello 11 sono disposti in corone circonferenziali, indicate nella presente dai numeri di riferimento 23, 25 e 27 sul cono 17; dai numeri di riferimento 29, 31 e 33 sul cono 19; e dai numeri di riferimento 35, 37 e 39 sul cono 21. Inserti addizionali, denominati inserti "calibratori" 41, sono rappresentati sporgenti da una superficie di calibratura 42 su ciascun cono, come il cono 17.

Le corone circonferenziali di inserti 23, 29 e 35 sono noti come inserti di "corona di tallone" che disintegrano la formazione nella regione più esterna adiacente alla parete del foro. Tipicamente, vi è un cono 21, come è illustrato nella figura 1, in cui vi è una corona 37 che è molto ravvicinata ad una corona di tallone 35. Questa corona 37 è nota nell'industria con diversi nomi, come la "corona dell'inferno" {"hell catching row" nella letteratura tecnica anglosassone) o la "corona adiacente al tallone" ("adjacent heel row" nella letteratura tecnica anglosassone).

Gli inserti della corona 37 sono ampiamente distanziati dagli inserti nella corona di tallone 35. La parola "spaziatura" si riferisce nella presente alla distanza tra inserti adiacenti in una corona, ma talvolta si riferisce alla distanza tra inserti di corone adiacenti. L'ampia spaziatura degliinserti nella corona 37 risulta dal fatto che questa corona è ravvicinata rispetto alla corona di tallone 35. In questo caso, le corone 37 e 35 si sovrappongono in una direzione assiale, ossia una direzione misurata lungo una linea parallela all'asse di rotazione del cono. L'ampia spaziatura degli inserti 37 produce un carico eccessivo quando essi percorrono il fondo del foro di trivellazione, che spesso li spezza dando origine alla denominazione "corona dell'inferno"

La relazione di vicinanza e la spaziatura tra gli inserti 35 e 37 del cono 21 fanno sì che questi inserti subiscano la "impastatura" o 1' "accumulo" di detriti tra loro. L'impastatura avviene poiché la limitata spaziatura assiale degli inserti nelle corone adiacenti 37, 35 permette l'aderenza e l'accumulo di detriti negli spazi liberi stretti e vicini tra loro.

La figura 2 rappresenta una illustrazione di porzioni dello scalpello secondo la tecnica anteriore illustrato nella figura 1, che mostra la presenza di formazione schistosa compattata 43 o altra formazione di terrenoche ha "impastato" o intasato gli spazi liberi tra alcuni degli inserti. Questa condizione ostacola il progresso dello scalpello durante la trivellazione impedendo che i denti o inserti penetrino completamente nel terreno. Quando uno scalpello raggiunge la condizione illustrata nella figura 2, la velocità di penetrazione ("rate of penetration" - ROP) diminuisce sostanzialmente.

L'impastatura impedisce l'avanzamento dello scalpello durante la trivellazione impedendo che i denti o inserti penetrino efficacemente nel terreno. Quando uno scalpello raggiunge la condizione illustrata nella figura 2, la velocità di penetrazione (ROP) diminuisce in una misura che può raggiungere il cinquanta percento.

Lo scalpello 11 illustrato nella figura 1 ècomposto da sezioni 45, 47 ( ed un'altra, non illustrata) che sono saldate, come in 49. Anche se non è illustrato nella figura 1, l’interno del corpo dello scalpello è cavo per contenere fluido diretto in tre passaggi, ciascuno dei quali alimenta un ugello o getto 51. Tipicamente, l'ugello 51 è formato da materiale resistente all'usura, come carburo di tungsteno sinterizzato, trattenuto in un foro ricevente con un anello a scatto 53.

Lo scalpello illustrato nella figura 1 presenta, in ciascuno dei suoi tre ugelli 51, un orifizio 81 avente un diametro selezionato. Un fluido è pompato dalla superficie del pozzo attraverso la catena di.perforazione (non rappresentata) ed attraverso i tre ugelli 51 dello scalpello.Come illustrato nella figura 3, il fluido è scaricato in un nucleo 84 di velocità elevata ed in una parte periferica 85 di velocità inferiore. Ad ogni distanza dall'estremità dell'ugello 51 vi è un profilo di velocità, e due di questi sono indicati dai numeri di riferimento 87 ed 89. Il fluido esce da ciascun ugello ad alta velocità e trascina e accelera il fluido circostante in corrispondenza della sua parte periferica o contorno 85, come è illustrato nella figura 3. Poiché una quantità maggiore di fluido è trascinata con l'aumento della distanza dall'uscita dell'ugello, il diametro del getto aumenta definendo il contorno 85. L'angolo di apertura è tipicamente di sette gradi. Il fondo del foro 91 è illustrato schematicamente e si trova usualmente ad una distanza compresa tra circa 12 e 15 diametri di ugello dall'estremità di uscita dell'ugello per scalpelli del tipo illustrato nella figura 1. Il getto passa attraverso il punto più stretto tra i coni della figura 1 approssimativamente a sei diametri di ugello dall'uscita dell'ugello. Cosi, il getto è approssimativamente equidistante dai due coni adiacenti, ed il nucleo ad alta velocità non colpisce uno dei coni o i denti di uno dei coni. Una piccola porzione della parte periferica ad alta velocità colpisce i denti ed i coni. All’interno del nucleo 84 del getto vi è una regione conica convergente 83 in cui la velocità del getto è uguale alla velocità di uscita dall’ugello. Come indicato nella figura 3, il flusso del getto è diviso in tre regioni: (1) la regione esterna a bassa velocità'tra il contorno o parte periferica 85 ed il nucleo 84; (2) il nucleo generalmente cilindrico ad alta velocità 84 in cui la velocità è sostanzialmente maggiore che sul contorno 85, come indicato nei profili di velocità: e (3) la regione conica di massimi velocità 83.

La figura 4 mostra una vista dei coni 101, 103 e 105 secondo la presente invenzione, guardando direttamente lungo l'asse dell'orifizio 107 dell’ugello 109 dello scalpello 111 in una forma di attuazione preferita destinata a formazioni schistose non abrasive appiccicose. Il posizionamento dell'ugello 109 è tale per cui il nucleo ad alta velocità 113 del getto (indicato nella figura 5), che ha lo stesso diametro dell'orifizio dell'ugello 107, colpisca in modo intermittente le estremità esposte di elementi di taglio o denti selezionati 115 tra gli elementi di taglio o denti di tallone quando il cono 105 fa ruotare i denti entro e fuori dal nucleo ad aita velocità 113 durante la trivellazione. In modo intermittente, il nucleo ad alta velocità 113 colpisce anche il fondo e la parete del foro di trivellazione. Il flusso a getto è obliquo o inclinato direzionalmente grazie al posizionamento e all’orientamento dell'ugello 109 in modo che il nucleo ad alta velocità 113 sia interamente contenuto in uno spazio delimitato dal lato posteriore del cono 115, dal -braccio 117 dello scalpello, dalla parete del foro di trivellazione e da un piano radiale 119 (vedere figura 4} passante per l'asse di rotazione, (non rappresentato) dello scalpello e tangente ai denti di-tallone 115 nella loro posizione più esterna durante la rotazione nella direzione di allontanamento dal fondo del foro di trivellazione. La rotazione normale dello scalpello è indicata dalla freccia 121 e la rotazione del cono 105 dalla freccia 123. La linea centrale o asse (non rappresentato)del getto ad alta velocità interseca sostanzialmente l'angolo del foro di-trivellazione, preferibilmente non all'interno di quest'angolo ma sulla parete. Circa un terzo del getto colpisce la superficie del cono ed è confinato su più del 75 percento della sua periferia dal cono, dal braccio o dalla parete del foro di trivellazione, riducendo cosi una ricircolazione e turbolenza indesiderabili. Ciò lascia libera una grande area per il flusso di ritorno adiacente al lato di attacco del cono posteriore, che non è ostruita dal flusso a getto.

I denti 115 sono costruiti in questo caso in carburo di tungsteno sinterizzato resistente all'erosione e all'usura, compresi quelli con un rivestimento di diamante artificiale, e l'erosione del fluido che scorre nel nucleo ad alta velocità 113 è minimizzata. Il cono 105, come gli altri coni 101 e 103, è costruito in acciaio temprato e parzialmente cementato ad alto tenore di legante, che resiste all'erosione prodotta dal flusso a getto. La resistenza all'erosione dei coni è ulteriormente migliorata con un rivestimento di metallo duro per fanghi di perforazione più abrasivi, un processo a combustione di ossigeno ad alta velocità ("high velocity oxygen fuel" - HVOF) è stato utilizzato per spruzzare un sottile strato di carburo di tungsteno sul cono nell'area dei denti di tallóne con risultati di prova positivi che hanno dimostrato una migliore resistenza all'erosione.

Come illustrato nella figura 5, il nucleo ad alta velocità 113 è diretto sulla parete fra l'angolo del foro di trivellazione (non rappresentato, ma spiegato in precedenza) per allontanare efficacemente i detriti dall'angolo. Durante la perforazione, lo scalpello è ruotato in verso antiorario come indicato nella figura 4 dalla freccia 121, ed il fluido nel cono ad alta velocità 113 (figura 5) colpisce le estremità esposte dei denti 115 sul lato di uscita del cono 105 dove i denti si allontanano dal fondo del foro di trivellazione .

Preferibilmente, ciascuno degli altri corpi 101, 103, 105 dello scalpello a tre coni illustrato ha un ugello disposto come l'ugello 109 per far si che il fluido colpisca in modo intermittente denti selezionati, parte della fresa associata ed una .regione del foro di trivellazione nel modo precedentemente descritto. Ciò è vantaggioso per staccare con il nucleo ad alta velocità dai denti i detriti che tenderebbero ad impastarli maggiormente, subito dopo che questi denti si sono allontanati dal fondo del foro di trivellazione. Inoltre, la parte periferica a bassa velocità lava parzialmente la superficie del cono su un’area più larga nella regione più soggetta ad impastatura mentre questa superficie si allontana dal fondo del foro di trivellazione. Nell'intervallo di tempo in cui il fluido non colpisce i denti, esso passa tra denti adiacenti e prosegue verso la regione del fondo del foro di trivellazione dove si accumula un notevole volume di detriti, allontanandoli per lavaggio prima che i denti del cono seguente si impegnino con la formazione. Di conseguenza, vi è una minore probabilità che i detriti possano accumularsi sul fondo e tra i denti nelle aree esterne più fastidiose dei coni, quelle più soggette ad impastatura.

Benché l'invenzione sia stata illustrata soltanto in una delle sue forme, sarà evidente per i tecnici del ramo che essa non è ad essa limitata, ma è suscettibile di diverse varianti e modifiche senza allontanarsi dal suo spirito.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Scalpello di perforazione del terreno con un corpo destinato ad essere' fissato ad una catena di perforazione, comprendente una disposizione di ugello, per staccare detriti dai denti di una fresa rotante e dal fondo di un foro di trivellazione spingendoli verso l'alto per lavaggio attraverso un'area di flusso di ritorno, comprendente: almeno un albero di supporto che si estende verso il basso dal corpo; una fresa fissata in modo rotativo all'albero di supporto suddetto, comprendente denti con estremità esposte composti almeno parzialmente da un materiale resistente all’usura ed aventi una sporgenza selezionata dalla superficie della fresa per formare detriti dal fondo suddetto del foro di trivellazione; un ugello trattenuto nel corpo, comprendente un orifizio per proiettare un flusso a getto di fluido avente un nucleo ad alta velocità, in cui il nucleo ad alta velocità è diretto entro uno spazio delimitato dal lato posteriore della fresa, da un braccio dello scalpello, dalla parete del foro di trivellazione e da un piano radiale tangente alle punte dei denti di tallone nella loro posizione piè esterna durante la rotazione nella direzione di allontanamento dal fondo del foro di trivellazione; in modo che il getto ad alta velocità sia inclinato verso l'area di tallone e dicalibratura della struttura di taglio per staccare detriti dal cono e dal fondo del foro di trivellazione.
2. Scalpello secondo la rivendicazione 1, in cui il nucleo ad alta velocità è diretto sul lato di uscita del cono suddetto su cui i denti ruotano verso l'alto nel flusso a getto durante la perforazione.
3. Scalpello secondo la rivendicazione 2, in cui il nucleo ad alta velocità suddetto colpisce ad intermittenza estremità selezionate tra le estremità esposte suddette dei denti suddetti.
4. Scalpello secondo la rivendicazione 3, in cui i denti suddetti sono denti di tallone.
5. Scalpello secondo la rivendicazione 2, in cui il centro dell'orifizio è diretto sulla parete del foro di trivellazione non più in basso dell'angolo che la parete forma con il fondo del foro di trivellazione.
6. Scalpello secondo la rivendicazione 3, in cui i denti suddetti sono formati almeno parzialmente da carburo di tungsteno sinterizzato.
7. Scalpello secondo la rivendicazione 3, in cui i denti suddetti sono formati almeno parzialmente da una superficie di diamante artificiale sul carburo di tungsteno sinterizzato suddetto.
8. Scalpello secondo la rivendicazione 7, in cui la fresa suddetta è almeno parzialmente protetta con un rivestimento di metallo duro.
9. Scalpello di perforazione del terreno con un corpo destinato ad essere fissato ad una catena di perforazione, comprendente una disposizione di ugello, per staccare detriti dai denti di una fresa rotante e dal fondo di un foro di trivellazione allontanandoli per lavaggio verso l'alto attraverso un'area dì flusso di ritorno, comprendente: almeno un albero di supporto che si estende verso il basso dal corpo; una fresa fissata in modo rotativo all'albero di supporto suddetto, comprendente denti con estremità esposte composti almeno parzialmente da materiale resistente all'usura ed avent i una sporgenza selezionata dalla superficie della fresa per formare detriti dal fondo suddetto del foro di trivellazione; un ugello trattenuto nel corpo, comprendente un orifizio per proiettare un flusso a getto di fluido avente un nucleo ad alta velocità, con un diametro sostanzialmente uguale all'orifizio, in cui vi è una parte periferica divergente a bassa velocità di fluido che circonda il nucleo ad alta velocità; in cui l’orifizio è posizionato in modo che una prima porzione del fluido nella parte periferica a bassa velocità colpisca il cono sul lato di uscita del cono ed una seconda porzione colpisca la parete ed il fondo del foro di trivellazione; in modo che il fluido nel nucleo ad alta velocità e nella parte periferica a bassa velocità stacchi i detriti dal cono e dal fondo del foro di trivellazione evitando un'erosione sostanziale del cono.
10. Scalpello secondo la rivendicazione 9, in cui il nucleo ad alta velocità è sostanzialmente tangente al lato di uscita del cono suddetto che si allontana dal fondo del foro di trivellazione durante la perforazione.
11. Scalpello secondo la rivendicazione 9, in cui la prima porzione suddetta è più piccola della seconda porzione.
12. Scalpello secondo la rivendicazione 11, in cui la prima porzione suddetta è pari a circa un terzo del totale.
13. Scalpello secondo la rivendicazione 9, in cui il centro dell'orifizio è diretto sulla parete del foro di trivellazione non più in basso dell'angolo che la parete forma con il fondo del foro di trivellazione.
14. Scalpello secondo la rivendicazione 9, in cui i denti suddetti sono formati almeno parzialmente da carburo di tungsteno sinterizzato.
15. Scalpello secondo la rivendicazione 10, in cui i denti suddetti sono formati almeno parzialmente da una superficie di diamante artificiale sopra il carburo di tungsteno sinterizzato suddetto.
16. Scalpello secondo la rivendicazione 14, in cui la fresa suddetta è almeno parzialmente protetta con un rivestimento di metallo duro;
17. Scalpello secondo la rivendicazione 9, in cui il nucleo ad alta velocità è diretto sulle estremità esposte di denti selezionati ad un certo angolo in modo da colpirle ad intermittenza durante la rotazione del cono.
18. Scalpello secondo la rivendicazione 17, in cui i denti selezionati suddetti sono denti di tallone.