ITTO970733A1 - Punta per trivellazioni con elementi per il taglio a fratturazione. - Google Patents

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Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:
«PUNTA PER TRIVELLAZIONI CON ELEMENTI PER IL TAGLIO A FRATTURAZIONE»
1. Campo dell’Invenzione
La presente invenzione riguarda punte per trivellazioni del tipo a dispositivo tagliente rotolante. Specificatamente, la presente invenzione riguarda la struttura di taglio di punte per trivellazioni del tipo a dispositivo tagliente rotolante.
2. InformazionediSfondo
Il successo della trivellazione ruotante ha consentito la scoperta di giacimenti di petrolio e gas profondi. La punta per roccia ruotante ha costituito un'importante invenzione che ha reso possibile tale successo. Solamente formazioni morbide potevano essere penetrate commercialmente con la punta a trascinamento precedente, ma l'originale punta da roccia a coni rotolanti inventata da Howard R. Hughes, Brevetto Statunitense No. 939 759, ha consentito di trivellare roccia di copertura dura nel giacimento di Spindletop vicino a Beaumont Texas, con relativa facilità.
Tale vecchia invenzione, risalente al primo decennio di questo secolo, era in grado di trivellare una piccola frazione della profondità e ad una piccola frazione della velocità della moderna punta da roccia ruotante. Se l'originale punta di Hughes trivellava per un periodo dell'ordine delle ore, la moderna punta trivella per giorni. Le attuali punte trivellano- spesso per miglia. Molti individuali perfezionamenti hanno contribuito all'impressionante perfezionamento generale nelle prestazioni delle punte da roccia.
Le punte per trivellazioni a coni rotolanti impiegano elementi taglienti sui dispositivi di taglio per indurre elevate sollecitazioni di contatto nella formazione che viene trivellata quando i dispositivi di taglio rotolano sul fondo del foro di trivellazione durante l'operazione di trivellazione. Queste sollecitazioni fanno sì che la roccia abbia a rompersi, determinando disintegrazione attraverso penetrazione quasi verticale del materiale della formazione che viene trivellata. Quando i dispositivi di taglio sono deviati, i loro assi non coincidono con l'asse geometrico o rotazionale della punta, e una piccola componente di movimento orizzontale o scorrevole è impartita ai dispositivi di taglio quando essi rotolano sul fondo del foro di trivellazione. Benché tale modo di trivellazione prevalga sul fondo del foro di trivellazione, esso è completamente diverso nello spigolo e sulla parete laterale. Lo spigolo è generato da un'azione di fratturazione e raschiatura combinata, mentre la parete del foro di trivellazione è prodotta in un modo scorrevole e a raschiamento puro. Nello spigolo e sulla parete laterale del foro di trivellazione, gli elementi taglienti devono eseguire il massimo lavoro e sono soggetti a sollecitazioni estreme, che li rendono suscettibili di rompersi prematuramente e/o di usurarsi rapidamente.
Nel passato, gli elementi taglienti concepiti principalmente per la frantumazione avevano intersezioni arrotondate raccordate fra superfici degli elementi previste per minimizzare la concentrazione delle sollecitazioni nell'elemento suscettibili di determinare rottura dell'elemento stesso. Esempi di questi elementi taglienti sono reperibili in Brevetti Statunitensi di comune assegnazione No. 3 442 342, del 6 Maggio 1969 a nome McElya et al., come pure nei Brevetti Statunitensi No. 4058 177 e 5201 376.
Il taglio a fratturazione è un modo di disintegrazione che non viene sfruttato con vantaggio massimo nel campo delle punte per trivellazioni a dispositivi di taglio rotolanti come lo è nel campo delle punte a dispositivi di taglio fissi o a trascinamento. La fratturazione del materiale di una formazione rappresenta il modo di disintegrazione dominante in punte a dispositivi di taglio fissi o a trascinamento, che impiegano comunemente elementi taglienti superduri altamente resistenti all'usura per la fratturazione di materiale della formazione in corrispondenza del fondo e della parete laterale del foro di trivellazione.
Il Brevetto Statunitense No. 5287 936 concesso il 22 Febbraio 1994 a Grimes et al. descrive una struttura di taglio a misurazione di tagliofratturazione per punte di trivellazione del tipo a dispositivi di taglio rotolanti. Il Brevetto Statunitense No. 5 282 512 descrive elementi di o per il taglio per una punta a dispositivo di taglio a rotolamento con elementi caricati da diamante sulle zone anteriore e centrale degli elementi taglienti per migliorare il modo di disintegrazione della formazione a fratturazione o a raschiatura. Com'è illustrato dal Brevetto Statunitense No. 5287 936, il modo di disintegrazione a fratturazione è inpiegato in maniera particolarmente vantaggiosa in corrispondenza dello spigolo e della parete laterale del foro di trivellazione ove è definita la misura-calibro o il diametro del foro di trivellazione. Mantenimento di un foro di trivellazione a pieno calibro o diametro è inportante per evitare bloccaggio della punta o altri conponenti di conplessi entro il foro di trivellazione e per evitare la necessità di dover eseguire operazioni di alesatura per ripristinare il foro di trivellazione ad una condizione di pieno calibro o diametro.
Il Brevetto Statunitense No. 5 351 768 concesso il 4 Ottobre 1994 a Scott et al., di comune assegnazione, descrive un inserto raschiatore per il taglio-a fratturazione più efficace della parete laterale. Nondimeno, la geometria della sua cresta o della sua punta non è sufficientemente affinata per fornire un'ottimale efficienza e durata di trivellazione in rocce più dure, più abrasive.
Il Brevetto Statunitense No. 5 323 865 concesso il 28 Giugno 1994 a Isbell et al., di comune assegnazione, descrive un inserto a tallone sagomato a scalpello per la disintegrazione più efficace dello spigolo del foro di trivellazione migliorando la componente di taglio-fratturazione. Nuovamente, il bordo raccordato è privo delle caratteristiche di affilatura atte a renderlo un efficace utensile di taglio-fratturazione in rocce più dure, più abrasive.
Pertanto, esiste una necessità di avere punte per la trivellazione del tipo a dispositivo di taglio rotolante avente elementi a tallone tagliente e di calibratura sfruttanti vantaggiosamente il modo di disintegrazione della formazione a fratturazione, con migliorate geometrie del bordo tagliente per fornire la combinazione di efficienza e durata di trivellazione.
SOMMARIO DELL’INVENZIONE
Uno scopo generale della presente invenzione è quello di fornire una punta di o per trivellazione avente elementi di taglio atti all'impegno a fratturazione con la parete laterale e lo spigolo, aventi una migliorata geometria di bordo del foro di trivellazione in formazioni più dure, più abrasive.
Questo e altri scopi della presente invenzione sono raggiunti prevedendo una punta di trivellazione avente un corpo della punta. Almeno uno stelo di supporto a sbalzo si estende verso l'interno e verso il basso dal corpo della punta ed un dispositivo di taglio è montato per ruotare sullo stelo di supporto. Il dispositivo di taglio include una pluralità di elementi di taglio, almeno uno dei quali ha un corpo di elemento generalmente cilindrico di metallo duro. Una coppia di fianchi si estendono dal corpo e convergono per definire una cresta. La cresta è la faccia di spoglia o di taglio dell'elemento di taglio e definisce almeno un bordo di taglio affilato in corrispondenza della sua intersezione con almeno uno dei fianchi.
Secondo la forma di realizzazione preferita della presente invenzione, il bordo di taglio, la cresta ed i fianchi dell'elemento di taglio sono formati da materiale super-duro.
Secondo la forma di realizzazione preferita della presente invenzione, il metallo duro è costituito da carburo di tungsteno cementato, ed il materiale super-duro è costituito da diamante policristallino.
Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, un bordo tagliente affilato è definito in corrispondenza di ciascuna intersezione della cresta, dei fianchi, e di estremità dell'elemento di taglio.
Secondo una preferita forma di realizzazione della presente invenzione, l'intersezione tra la cresta e i fianchi è costituita da un piccolo smusso.
DESCRIZIONE DEIDISEGNI
La Figura 1 è una vista prospettica di una punta di o per trivellazione secondo la presente invenzione.
Le Figure 2A-2C sono viste in alzato, in pianta, e in sezione longitudinale parziale, rispettivamente, di un elemento di taglio sagomato a scalpello della tecnica nota.
Le Figure 3A-3D sono viste in alzato frontale, in alzato laterale, in pianta e in sezione longitudinale parziale, rispettivamente, di un elemento di taglio secondo la presente invenzione.
La Figura 4 è una vista in sezione ingrandita, simile alle Figure 2C e 3D, della cresta di un elemento di taglio secondo la presente invenzione.
DESCRIZIONE DELLA FORMA DI REALIZZAZIONE PREFERITA
Facendo ora riferimento alle Figure, ed in particolare alla Figura 1, in essa è illustrata una punta di trivellazione 11 secondo la presente invenzione. La punta 11 include un corpo 13 della punta,, che è filettato in corrispondenza della sua estensione superiore 15 per il collegamento in una colonna di trivellazione. Ciascuna ala o sezione della punta 11 è dotata di un compensatore 17 di lubrificante. Almeno un ugello 19 è previsto nel corpo 13 della punta per spruzzare fluido di trivellazione dall'interno della colonna di trivellazione per raffreddare e lubrificare la punta 11 durante l'operazione di trivellazione. Tre dispositivi di taglio 21, 23, 25 sono fissati girevolmente ad uno stelo di supporto associato con ciascuna ala del corpo 13 della punta. Ciascun dispositivo di taglio 21, 23, 25 ha una superficie a guscio del dispositivo di taglio includente una superficie di calibratura o misurazione 31 ed una superficie a tallone 41.
Una pluralità di elementi di taglio, sotto forma di inserti di metallo duro, sono disposti in file generalmente circonferenziali su ciascun dispositivo di taglio. Ciascun dispositivo di taglio 21, 23, 25 ha una superficie di calibratura 30 con una fila di elementi di calibratura 33 su essa. Una superficie a tallone 41 interseca ciascuna superficie di calibratura 31 e ha almeno una fila di inserti a tallone 43 su di essa. Almeno un elemento raschiatore 51 è fissato alla superficie a guscio del dispositivo di taglio generalmente in corrispondenza della intersezione delle superfici di calibratura e a tallone 31, 41 e in posizione generalmente intermedia tra una coppia di inserti a tallone 43.
La struttura di taglio esterna, comprendente elementi di taglio a tallone 43, elementi di taglio a calibratura 33 ed una struttura di taglio secondaria sotto forma di elementi rifilatori o raschiatori 51 sagomati a scalpello, si combinano e cooperano per frantumare e raschiare materiale della formazione in corrispondenza dello spigolo e della parete del foro di trivellazione quando i dispositivi di taglio 21, 22 , 25 rotolano e scorrono sul materiale della formazione durante l'operazione di trivellazione.
Le Figure 2A-2C sono viste in alzato, in pianta e in sezione longitudinale parziale, rispettivamente, di un elemento di taglio di carburo di tungsteno cementato sagomato a scalpello 61 della tecnica nota. L'elemento 61 comprende un corpo cilindrico 63, che è fissato mediante accoppiamento a interferenza in aperture nei dispositivi di taglio 21, 23, 25 della punta 11. Una coppia di fianchi 65 si estendono dal corpo 53 e convergono per definire una cresta 67. Una coppia di estremità 69 collegano i fianchi 65 e la cresta 67 al corpo cilindrico 63. Per evitare frattura e scheggiatura del metallo duro di cui l'elemento 61 è costituito, le intersezioni della cresta 67 con i fianchi 65 e le estremità 69, e la cresta stessa 67, sono arrotondate o raccordate per evitare concentrazioni delle sollecitazioni portanti a elevate sollecitazioni puntiformi o di contatto e a rottura dell'elemento di taglio.
Le Figure 3A-3D sono viste in alzato frontale, in alzato laterale, in pianta e longitudinale parziale, rispettivamente, di un elemento di taglio secondo la presente invenzione. L'elemento di taglio 71 è particolarmente adatto per essere impiegato come un elemento raschiatore o rifilatore (51 in Figura 1) o come un elemento di taglio a tallone (43 in Figura 1). L'elemento di taglio 71 comprende un corpo cilindrico 73 formato da metallo duro, preferibilmente carburo di tungsteno cementato. Una coppia di fianchi 75 si estendono dal corpo cilindrico 73 e convergono a circa 45° per definire una cresta 77. Una coppia di estremità 79 collegano la cresta 77 ed i fianchi 75 al corpo cilindrico 73.
Com'è meglio rappresentato nelle Figura 3A, 3B e 3D, l'intersezione della cresta 77 con i fianchi 75 e le estremità 79 definisce quattro bordi di taglio affilati 81. Secondo la forma di realizzazione preferita della presente invenzione, un angolo di circa 135° è incluso in corrispondenza delle intersezioni tra la cresta 77. e i fianchi 75. Bordi taglio affilati 81 sono formati mediante molatura o altro appiattimento della cresta 77. Se la cresta è formata da metallo super-duro, allora processi di lavorazione a scarica elettrica (EDM) possono essere preferiti per stabilire bordi di taglio affilati 81. Peraltro, convenzionale molatura è preferita per carburo di tungsteno cementato e metalli duri simili. Ciò deve essere posto in contrasto con la pratica della tecnica nota di arrotondare o raccordare queste intersezioni per evitare concentrazioni delle sollecitazioni.
Secondo la forma di realizzazione preferita della presente invenzione, almeno la cresta 77 e i fianchi 75 degli elementi 71 sono formati da materiale super-duro, preferibilmente diamante policristallino. Materiali super-duri si avvicinano alla o uguagliano la durezza del diamante e includono diamante naturale, diamante policristallino, diamante policristallino termicamente stabile, diamante a pellicola sottile, carbonio tipo diamante a pellicola sottile, nitruro di boro cubico, e altri materiali eccedenti generalmente valori di da 3500 a 5000 sulla scala di durezza Knoop. Materiali super-duri possono essere formati su substrati metallici duri impiegando procedimenti ad alta temperatura, alta pressione come ad esempio quelli descritti nei Brevetti Statunitensi No. 3913 280 La Figura 4 è una vista in sezione longitudinale, simile alle Figure 2c e 2D, illustrante un'altra forma di realizzazione della presente invenzione, in cui l'intersezione della cresta 77' con i fianchi 75' è un piccolo smusso a 45° della larghezza di 0,010'' e della profondità di 0,007''. Lo smusso elimina imperfezioni superficiali in corrispondenza del bordo tagliente affilato singolo e così costituisce i due bordi taglienti 81' che sono meno suscettibili di rottura prematura di quanto lo siano le intersezioni quasi ortogonali delle forme di realizzazione delle Figure 3A-3D. Addizionalmente, vi è una maggior quantità di materiale supportante i due bordi di taglio 81' che non il singolo bordo di taglio 81 a causa del maggior angolo incluso in corrispondenza delle intersezioni dello smusso con la cresta e il fianco.
Si è trovato che l'affilato bordo di taglio o gli affilati bordi di taglio 81, 81' prodotti mediante molatura della cresta 77 determinano un elemento di taglio più durevole e più efficiente per le regioni di tallone ed esterna dei dispositivi di taglio (21, 23, 25 in Figura 1), rispetto alla cresta raccordata convenzionale 67. Generalmente parlando, gli elementi di taglio sulle file interne di dispositivi di taglio (verso il vertice del cono) tendono ad operare predominantemente nel modo a frantumazione. Gli elementi di taglio sulle file esterne, ad esempio le file di tallone e di calibratura (41 e 51 in Figura 1), tendono ad operare predominantemente nel modo a scorrimento e a raschiatura, in cui affilati bordi di taglio effettivamente "affettano" la disintegrazione della formazione inducendo sollecitazioni di taglio o fratturazione simili a quelle di convenzionali utensili taglienti metallici.
La punta per trivellazioni secondo la presente invenzione presenta una pluralità di vantaggi. Un vantaggio principale è costituito dal fatto che la punta per trivellazione è dotata di elementi di taglio più efficienti e durevoli.
L'invenzione è stata descritta con riferimento a forme di realizzazione preferite di essa. Tuttavia essa non è limitata a queste ma è suscettibile di varianti e modifiche senza allontanarsi dall'ambito protettivo e spirito dell 'invenzione .

Claims (14)

  1. RIVENDICAZIONI 1..Punta per trivellazioni comprendente: un corpo della punta; almeno uno stelo di supporto a sbalzo estendentesi verso l'interno e verso il basso dal corpo della punta; un dispositivo di taglio montato per ruotare sullo stelo di supporto, il dispositivo di taglio includendo una pluralità di elementi di taglio; almeno uno degli elementi di taglio avendo: un corpo di metallo duro dell'elemento generalmente cilindrico; una coppia di fianchi estendentisi dal corpo e convergenti per definire una cresta, la cresta definendo almeno un bordo di taglio affilato in corrispondenza di una intersezione con uno dei fianchi.
  2. 2. Punta per trivellazioni secondo la rivendicazione 1, in cui il bordo di taglio, la cresta e i fianchi sono formati da materiale super-duro.
  3. 3. Punta per trivellazioni secondo la rivendicazione 2, in cui il metallo duro è costituito da carburo di tungsteno cementato, ed il materiale super-duro è costituito da diamante policristallino .
  4. 4. Punta per trivellazioni secondo la rivendicazione 1, in cui un bordo di taglio affilato è definito in corrispondenza di ciascuna intersezione della cresta e dei fianchi.
  5. 5. Punta per trivellazioni secondo la rivendicazione 1, in cui uno smusso è formato in corrispondenza della intersezione della cresta con i fianchi, lo smusso definendo due bordi di taglio affilati.
  6. 6. Punta per trivellazioni comprendente: un corpo della punta; almeno uno stelo di supporto a sbalzo estendentesi verso l'interno e verso il basso dal corpo della punta; un dispositivo di taglio montato per ruotare sullo stelo di supporto, il dispositivo di taglio includendo una pluralità di elementi di taglio; almeno uno degli elementi di taglio avendo: un corpo di metallo duro dell'elemento generalmente cilindrico; una coppia di fianchi estendentisi dal corpo e convergenti per definire una cresta, la cresta essendo formata per definire bordi di taglio affilati in corrispondenza di ciascuna intersezione della cresta e dei fianchi.
  7. 7. Punta per trivellazioni secondo la rivendicazione 6 in cui il bordo di taglio, la cresta ed i fianchi sono formati da materiale super-duro.
  8. 8. Punta per trivellazioni secondo la rivendicazione 6, in cui il metallo duro è carburo di tungsteno cementato, ed il materiale superduro è diamante policristallino.
  9. 9. Punta per trivellazioni secondo la rivendicazione 6, comprendente inoltre: una coppia di estremità colleganti i fianchi e la cresta, i bordi di taglio affilati essendo definiti in corrispondenza di ciascuna intersezione della cresta, dei fianchi e delle estremità.
  10. 10. Punta per trivellazioni secondo la rivendicazione 6, in cui uno smusso è formato in corrispondenza delle intersezioni della cresta con i fianchi, lo smusso definendo due bordi di taglio affilati.
  11. 11. Punta per trivellazioni comprendente: un corpo della punta; almeno uno stelo di supporto a sbalzo estendentesi verso l'interno e verso il basso dal corpo della punta; un dispositivo di taglio montato per ruotare sullo stelo di supporto, il dispositivo di taglio includendo una pluralità di elementi di taglio; almeno uno degli elementi di taglio avendo: un corpo di metallo duro dell'elemento generalmente cilindrico; una coppia di fianchi estendentisi dal corpo e convergenti per definire una cresta, ed una coppia di estremità colleganti i fianchi, la cresta definendo quattro bordi di taglio affilati in corrispondenza di intersezioni con i fianchi e le estremità.
  12. 12. Punta per trivellazioni secondo la rivendicazione 11, in cui il bordo di taglio, la cresta e i fianchi sono formati da materiale super-duro.
  13. 13. Punta per trivellazioni secondo la rivendicazione 11, in cui il metallo duro è carburo di tungsteno cementato, ed il materiale super-duro è diamante policristallino.
  14. 14. Punta per trivellazioni secondo la rivendicazione 11, in cui uno smusso è formato in corrispondenza delle intersezioni della cresta con i fianchi, lo smusso definendo due bordi di taglio affilati.
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