ITTO990545A1

ITTO990545A1 - Tagliente superabrasivo con interfacce arcuate tra tavola e substrato.

Info

Publication number: ITTO990545A1
Application number: IT99TO000545A
Authority: IT
Inventors: Arthur A Chaves
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2000-12-25
Also published as: US6412580B1; IT1308755B1; GB2338732B; GB2338732A; BE1013521A3; US6772848B2; US20020112897A1; GB9913889D0

Description

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

La presente invenzione si riferisce in generale a punte da perforazione rotative per la trivellazione di formazioni sotterranee e, più in particolare, a taglienti superabrasivi adatti per l'uso su tali punte, in particolare del cosiddetto tipo di punta a "strisciamento" o a taglienti fissi.

TECNICA DI SFONDO

Le punte da perforazione a strisciamento, o a taglienti fissi, sono state utilizzate nella trivellazione sotterranea per molti decenni, e varie misure, forme e configurazioni di diamanti naturali e sintetici sono state utilizzate su corone di punte da perforazione a strisciamento quali elementi di taglio. Taglienti di sinterizzato di diamante policristallino ("polycrystalline diamond compact" - PDC) costituiti da una tavola di diamante formata in condizioni di temperatura ultra-elevata e pressione ultra-elevata su un substrato, tipicamente di carburo di tungsteno (WC) cementato, sono stati introdotti sul mercato circa venticinque anni fa. I taglienti PDC, con le loro tavole di diamante formanti una faccia di taglio bidimensionale relativamente grande (usualmente di forma circolare, semicircolare o a lapide, benché siano note altre configurazioni), hanno fornito ai progettisti di punte da perforazione a strisciamento un'ampia varietà di disposizioni ed orientamenti potenziali del tagliente,configurazioni di corona, posizionamenti di ugelli ed altre alternative di progetto non precedentemente possibili con i diamanti sintetici poliedrici non supportati ed i diamanti naturali più piccoliprecedentemente utilizzati in punte da perforazione a strisciamento. I taglienti PDC hanno, con varie strutture della punta, ottenuto progressi rimarchevoli nell'efficienza di perforazione e nella velocità di penetrazione ("rate of penetration" - ROP) quando sono stati utilizzati in formazioni di durezza da tenera a media, e le maggiori dimensioni della faccia di taglio e la conseguente estensione o "esposizione" maggiore sopra la corona della punta hanno fornito l'opportunità di un sistema idraulico della punta notevolmente migliorato per la lubrificazione dei taglienti ed il raffreddamento e la rimozione di detriti della formazione. Lo stesso tipo ed entità di progressi nella struttura della punta da perforazione a strisciamento in termini di robustezza e longevità dei taglienti, in particolare per la perforazione di rocce aventi una resistenza a compressione da media ad alta, non sono sfortunatamente stati realizzati in un grado desiderato.

I taglienti PDC supportati da un substrato secondo lo stato dell'arte hanno dimostrato una notevole suscettibilità allo sfaldamento ed alla frattura dello strato o tavola di diamante PDC quando sono stati sottoposti al severo ambiente di fondo foro implicito nella perforazione di formazioni rocciose di resistenza a compressione da moderata ad alta, dell'ordine di nove-dodici kpsi (0,63 - 0,84 x IO<3 >kg/cm<2>) o più, senza confinamento. L'impegno di tali formazioni da parte dei taglienti PDC avviene sotto un elevato peso sulla punta ("weight on bit" - WOB) richiesto per perforare tali formazioni ed elevati carichi d'urto a causa di oscillazioni di coppia. Queste condizioni sono aggravate dall'elevato carico e scarico periodico degli elementi di taglio mentre la punta urta contro la superficie inesorabile della formazione a causa della flessione della batteria di perforazione, del rimbalzo e dell'oscillazione,della rotazione a vortice e dello sfarfallamento della punta, e del WOB variabile. Una roccia con un'elevata resistenza a compressione, o formazioni più tenere contenenti filoni aventi una resistenza a compressione più alta e differente, possono così produrre gravi danni, se non una rottura catastrofica, delle tavole di diamante PDC. Inoltre, le punte da perforazione sono sottoposte a severi carichi di vibrazione e d'urto indotti dal movimento durante la perforazione tra rocce aventi resistenze a compressione differenti, ad esempio quando la punta incontra bruscamente uno strato moderatamente duro dopo la perforazione attraverso roccia tenera.

Un danno grave anche di un unico tagliente su una corona di una punta contenente taglienti PDC può ridurre drasticamente l'efficienza della punta da perforazione. Se vi è più di un tagliente nella posizione radiale di un tagliente rotto, la rottura di uno di essi può far rapidamente in modo che gli altri siano sovrasollecitati e si rompano con un effetto a "domino". Poiché un danno anche relativamente secondario può rapidamente accelerare la degradazione dei taglienti PDC, molti operatori di trivellazione non si fidano di punte da perforazione a strisciamento a taglienti PDC per formazioni dure e contenenti filoni .

E' stato riconosciuto nella tecnica che lo spigolo affilato, tipicamente a 90°, di un elemento tagliente PDC tradizionale non consumato è usualmente suscettibile di danneggiamento durante il suo impegno iniziale con una formazione dura, in particolare se questo impegno comprende un impatto anche relativamente secondario. E' stato anche riconosciuto che la pre-smussatura o pre-molatura dello spigolo di taglio della tavola di diamante PDC fornisce un certo grado di protezione dal danneggiamento del tagliente durante l'impegno iniziale con la formazione, poiché i taglienti PDC sono dimostrabilmente meno suscettibili di danneggiamento dopo che ha iniziato a formarsi un appiattimento di usura sulla tavola di diamante e sul substrato .

I Brevetti statunitensi Re. 32.036, 4.109.737, 4.987.800 e 5.016.718 descrivono ed illustrano elementi taglienti PDC smussati o molati nonché modifiche alternative, come spigoli arrotondati (raccordati) e spigoli perforati che si fratturano in una configurazione a smusso. Il Brevetto statunitense n.

5.437.343, ceduto alla Cessionaria della presente domanda ed incorporato nella presente tramite questo riferimento, descrive ed illustra una configurazione di spigolo di una tavola dì diamante PDC a smusso multiplo che, in alcune condizioni, presenta una resistenza ancora maggiore ad un danneggiamento del tagliente indotto da un impatto. Il Brevetto statunitense n. 5.706.906, ceduto alla Cessionaria della presente domanda ed incorporato nella presente tramite questo riferimento, descrive ed illustra taglienti PDC che utilizzano una tavola di diamante relativamente spessa ed uno smusso molto grande, o una cosiddetta "faccia inclinata", sulla periferia della tavola di diamante.

Tuttavia, anche con le modifiche della configurazione di spigolo dell'elemento tagliente PDC utilizzate nella tecnica, il danneggiamento del tagliente rimane un fenomeno troppo frequente durante la perforazione di formazioni aventi resistenze a compressione da moderate ad elevate e di formazioni contenenti filoni.

Un altro approccio per migliorare la robustezza di taglienti PDC consisteva nell'utilizzare confini o "interfacce" di configurazione variabile tra la tavola di diamante ed il substrato di supporto.Alcune di queste configurazioni di interfaccia sono destinate a migliorare il collegamento tra la tavola di diamante ed il substrato,mentre altre sono destinate a modificare i tipi, le concentrazioni e le localizzazioni di tensioni (di compressione, di trazione) residenti nelle tavole di diamante e nei substrati dopo che il tagliente è stato formato in un procedimento a pressione ultra-elevata ed a temperatura ultra-elevata, come è noto nella tecnica. Ancora altre configurazioni di interfaccia sono imposte da altri obiettivi, come in particolare topografie desiderate della faccia di taglio.Configurazioni di interfaccia addizionali sono utilizzate nei cosiddetti "inserti" taglienti utilizzati sui coni rotativi di punte da roccia. Esempi di una varietà di configurazioni di interfaccia si possono trovare, soltanto a titolo di esempio, nei Brevetti statunitensi nn. 4.109.737, 4.858.707, 5.351.772, 5.460.233, 5.484.330, 5.486.137, 5.494.477, 5.499.688, 5.544.713, 5.605.199, 5.657.449, 5.706.906 e 5.711.702.

Benché la facce di taglio siano state realizzate con caratteristiche per assorbire ed orientare forze applicate su taglienti PDC, vedere ad esempio il brevetto statunitense precedentemente menzionato n.

5.706.906, i taglienti PDC secondo lo stato dell'arte non hanno finora assorbito in modo adeguato tali forze in corrispondenza dell'interfaccia tra tavola di diamante e substrato, con la conseguenza di una suscettibilità allo sfaldamento ed alla frattura in quest'area. Benché l'ampiezza e la direzione di tali forze potrebbero sembrare, a prima vista,prevedibili e facilmente assorbibili, in base all'angolo di spoglia posteriore del tagliente e al WOB, ciò non è vero, a causa delle variabili che si incontrano durante un'operazione di perforazione, precedentemente indicate nella presente.Perciò, sarebbe desiderabile realizzare un tagliente PDC avente una interfaccia tra la tavola di diamante e la faccia terminale del substrato in grado di adattarsi alle ampie oscillazioni sia come ampiezza sia come direzione delle forze incontrate da taglienti PDC durante operazioni di perforazione reali, in particolare nella perforazione di formazioni di roccia aventi una resistenza a compressione da media ad alta, o contenenti filoni di tale roccia, fornendo nello stesso tempo un collegamento meccanico superiore tra il diamante ed il substrato e un volume di diamante sufficiente sulla faccia di taglio per perforare un lungo intervallo di foro di trivellazione.

ENUNCIAZIONE DELL'INVENZIONE

La presente invenzione si propone di soddisfare i requisiti precedentemente menzionati, e comprende taglienti PDC aventi una interfaccia migliorata tra tavola di diamante e substrato, nonché punte da perforazione provviste di tali taglienti.

I taglienti secondo la presente invenzione, benché abbiano una utilità dimostrata nel contesto di taglienti PDC, comprendono qualsiasi tagliente che utilizzi materiale superabrasivo di altri tipi, come materiale PDC termicamente stabile e sinterizzati di nitruro di boro cùbico. Si può affermare che i taglienti secondo l'invenzione comprendono, in termini generali, taglienti aventi una tavola superabrasiva formata e montata su un substrato di supporto. Ancora, benché sia possibile utilizzare abitualmente un substrato di WC cementato, è possibile utilizzare secondo l'invenzione substrati che utilizzano altri materiali in aggiunta al, o al posto del WC.

II tagliente secondo l'invenzione include una tavola comprendente un volume di materiale superabrasivo e che presenta una faccia di taglio circolare bidimensionale montata su una faccia di estremità di un substrato cilindrico. Una interfaccia tra la faccia di estremità del substrato ed il volume di materiale superabrasivo comprende almeno una superficie anulare di materiale del substrato che è definita, in sezione trasversale,trasversalmente e parallelamente all'asse longitudinale del tagliente, da un arco. La superficie anulare è preferibilmente una superficie di rivoluzione sferica o sferoidale intorno all'asse longitudinale del tagliente, o una porzione di un toroide trasversale al, e centrato sull'asse longitudinale. Se si utilizza una superficie di rivoluzione sferica, il suo punto centrale coincide con l'asse longitudinale o linea centrale del tagliente. La superficie di rivoluzione può estendersi o meno in corrispondenza della sua periferia esterna fino al lato del substrato ed è limitata in corrispondenza della sua periferia interna da un'altra superficie di rivoluzione. Il centro della faccia di estremità del substrato che giace entro la superficie di rivoluzione anulare può presentare una varietà di configurazioni topografiche. La tavola superabrasiva formata sulla faccia di estremità del substrato si conforma ad essa lungo l'interfaccia, mentre la superficie esterna della tavola può essere provvista di caratteristiche quali smussi in modo tradizionale e noto nella tecnica.

La superficie anulare della faccia di estremità del substrato, grazie alla sua configurazione in sezione trasversale arcuata, forma un'interfaccia destinata a contrastare il carico multidirezionale risultante dello spigolo di taglio sulla periferia della faccia di taglio della tavola superabrasiva. In generale, i carichi risultanti in corrispondenza dello spigolo di taglio sono diretti secondo un angolo rispetto all'asse longitudinale o linea centrale del tagliente che varia tra circa 20° e circa 70°. La superficie arcuata è realizzata in modo che un vettore normale al materiale del substrato sia disposto parallelamente ed in opposizione al vettore di forza che carica lo spigolo di taglio del tagliente. In altre parole,poiché l'angolo di carico dello spigolo di taglio varia ampiamente, la superficie arcuata presenta un campo di vettori normali al vettore di forza risultante che carica lo spigolo di taglio in modo che almeno uno dei vettori normali sia, in ogni dato istante e per qualsiasi angolo di carico risultante previsto, parallelo ed in opposizione al carico. Così, nell'area di massima sollecitazione che compare in corrispondenza dell'interfaccia, il materiale superabrasivo ed il materiale di substrato adiacente saranno in compressione, e la superficie di interfaccia giacerà sostanzialmente trasversalmente al vettore di forza, disperdendo vantaggiosamente le sollecitazioni associate ed evitando tensioni di taglio.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La figura 1 rappresenta una vista in elevazione laterale di una prima forma di attuazione di un tagliente superabrasivo secondo la presente invenzione,· la figura 2 rappresenta una vista in elevazione laterale di una seconda forma di attuazione di un tagliente superabrasivo secondo la.presente invenzione;

la figura 3A rappresenta una vista in elevazione laterale in semi-sezione di un substrato di supporto utile in una terza forma di attuazione di un tagliente superabrasivo secondo la presente invenzione, la figura 3B rappresenta una vista in elevazione laterale del substrato della figura 3A, la figura 3C rappresenta una vista in elevazione dall'alto del substrato della figura 3A, e la figura 3B rappresenta un dettaglio ingrandito in sezione trasversale dell'area D nella figura 3A;

le figure da 4 a 16 mostrano, in elevazione laterale ed in sezione, forme di attuazione addizionali di substrati utili con taglienti superabrasivi secondo la presente invenzione,· e

la figura 17 rappresenta una vista in prospettiva laterale di una punta da perforazione rotativa a strisciamento provvista di taglienti secondo la presente invenzione.

FORME MIGLIORI PER L'ATTUAZIONE DELL'INVENZIONE Con riferimento alla figura 1 dei disegni, sarà descritta una prima forma di attuazione 10 del tagliente secondo l'invenzione. Il tagliente 10 comprende un substrato 12 avente una faccia di estremità 14 sulla quale è formata una tavola superabrasiva, quale una tavola 16 di sinterizzato di diamante policristallino ( "polycrystalline diamond compact" PDC) . Il substrato 12 è rappresentato in elevazione laterale con la tavola 16 su di esso illustrata come se fosse trasparente {invece che in sezione trasversale, con tratteggio) per chiarezza nella spiegazione in dettaglio della struttura e dei vantaggi dell'invenzione, anche se i tecnici del ramo comprenderanno che il materiale superabrasivo, come un PDC, è opaco.

Il substrato 12 è di forma sostanzialmente cilindrica, di raggio costante intorno ad un asse longitudinale o linea centrale L.La faccia di estremità 14 del substrato 12 comprende una superficie anulare 20 comprendente una superficie.di rivoluzione sferica di raggio Ri avente una periferia circolare interna 22 ed una periferia circolare esterna 24; il punto centrale della sfera è disposto in 26 e coincide con l'asse longitudinale o linea centrale L. La periferia interna 22 appoggia su una superficie anulare appiattita 28 che si estende trasversalmente all'asse longitudinale o linea centrale L, mentre il centro concavo 30 della faccia di estremità 14 del substrato comprende un'altra superficie di rivoluzione sferica di raggio R2 intorno ad un punto centrale 32, coincidente ancora con l'asse longitudinale o linea centrale L. La tavola superabrasiva 16 è sovrapposta alla faccia di estremità 14 ed è contigua ad essa, estendendosi fino alla parete laterale 34 del substrato 12 e formando con essa un confine esterno lineare 36. La parete laterale cilindrica 38 della tavola 16, dello stesso raggio del substrato 12, giace sopra il confine 36 e si estende fino ad una parete laterale troncoconica 40 convergente verso l'interno, che termina in corrispondenza di uno spigolo di taglio 42 sulla periferia di una faccia di taglio 44. Come illustrato, lo spigolo di taglio 42 è smussato in 46 come è noto nella tecnica, benché ciò non costituisca un requisito dell'invenzione. Tipicamente, tuttavia, è possibile utilizzare uno smusso con un angolo di 45° ed una profondità nominale di 0,254 mm (0,010 pollici) . Possono anche essere utili smussi più grandi o più piccoli, in funzione della durezza relativa della formazione o delle formazioni da perforare e della necessità di utilizzare superfici di smusso di un dato tagliente o di dati taglienti per migliorare la stabilità della punta oltre a tagliare la formazione. Il tagliente 10 è illustrato nella figura 1 orientato rispetto ad una formazione 50, come sarebbe tradizionalmente orientato sulla faccia 52 della punta da perforazione 54 (rappresentate entrambe per chiarezza con linee tratteggiate) durante la trivellazione, con la faccia di taglio 44 orientata generalmente trasversalmente alla direzione di avanzamento del tagliente mentre la punta ruota ed il tagliente segue una traiettoria elicoidale poco profonda mentre la punta perfora la formazione. In modo ancora tradizionale, il tagliente 10 è orientato in modo che la. faccia di taglio 44 presenti un angolo di spoglia posteriore negativo verso la formazione 50, essendo inclinato all'indietro rispetto alla direzione di avanzamento del tagliente rispetto ad una linea per·^ pendicolare alla traiettoria P di avanzamento del tagliente attraverso la formazione 50.

Mentre il tagliente 10 avanza e si impegna con la formazione ad una profondità di taglio ("depth of cut" - DOC) che dipende dal WOB e dalle caratteristiche della formazione, il tagliente 10 è caricato in corrispondenza dello spigolo di taglio 42 da una forza risultante FR( che dipende dal WOB e dalla coppia applicata alla punta da perforazione, quest'ultima essendo funzione della velocità di rotazione della punta, della DOC e della durezza della formazione. Come precedentemente menzionato, il WOB istantaneo, la velocità di rotazione e la DOC possono fluttuare ampiamente, producendo non soltanto variazioni sostanziali di ampiezza di FR, ma anche del suo angolo o( , rispetto all'asse longitudinale L del tagliente. Come precedentemente indicato,nella maggior parte delle condizioni di ,perforazione ed anche con la più ampia variazione dei parametri di perforazione e degli angoli di spoglia posteriore del tagliente, l'angolo oi varia in un campo tra un valore di circa 20° ed un valore o( 2 di circa 70°. Come si può facilmente vedere dalla figura 1, la superficie anulare 20, comprendente la superficie di rivoluzione sferica precedentemente menzionata, giace in un'area in cui le forze agenti sul tagliente 10 sono massime e presenta un orientamento della superficie anulare che fronteggia FR in modo che i vettori normali alla superficie 20 siano orientati in un campo da VN1 a entro il quale campo vi è almeno un vettore normale VNP, che è parallelo a, e coincidente con, o soltanto minimamente spostato da, FR in ogni dato istante. Questa topografia di adattamento al carico della superficie anulare 20 distribuisce così FR in un'area della faccia di estremità 14 del substrato sostanzialmente perpendicolare ad FR. E' anche notevole che l'area della faccia di estremità 14 che giace entro la superficie anulare 20 sia configurata con la superficie anulare 28 ed il centro concavo 30 in modo da fornire una sostanziale profondità di materiale superabrasivo per la tavola 16 ed anche un efficace interblocco meccanico lungo l'interfaccia tra la tavola 16 ed il substrato 12. Inoltre, la presenza della superficie anulare 20, che impone una crescente profondità di materiale superabrasivo mentre la tavola 16 si avvicina alla sua periferia, genera una concentrazione di tensione di compressione residua vantaggiosa (dalla fabbricazione) nell'area della periferia della tavola in cui il carico sul tagliente è massimo e fornisce un grande volume di materiale superabrasivo nell'area di contatto con la formazione per minimizzare l'usura del tagliente.

Con riferimento alla figura 2, sarà descritta un'altra forma di attuazione 110 del tagliente secondo l'invenzione. Caratteristiche del tagliente 10 incluse anche nel tagliente 110 sono identificate con gli stessi numeri di riferimento per chiarezza. Il tagliente 10 comprende un substrato 112 avente una faccia di estremità 114 sulla quale è formata una tavola superabrasiva, come una tavola 116 di sinterizzato di diamante policristallino (PDC). Il substrato 112 è rappresentato in elevazione laterale con la tavola 116 su di esso rappresentata come trasparente (invece che in sezione trasversale, con tratteggio) per chiarezza nella spiegazione in dettaglio della struttura e dei vantaggi dell'invenzione, anche se i tecnici del ramo comprenderanno che il materiale superabrasivo, come un PDC, è opaco.

Il substrato 112 è di forma sostanzialmente cilindrica, di raggio costante intorno all'asse longitudinale o linea centrale L. La faccia di estremità 114 del substrato 112 include una superficie anulare 120 comprendente una superficie di rivoluzione sferica di raggio R3 avente una periferia circolare interna 122 ed una periferia circolare esterna 124, con il punto centrale della sfera disposto in 126, coincidente con l'asse longitudinale o linea centrale L.La periferia interna 122 appoggia su un'altra superficie anulare 128 comprendente una superficie di rivoluzione sferica di raggio R4, con il punto centrale della sfera disposto in 130, coincidente con l'asse longitudinale o linea centrale L. La periferia interna 132 della superficie anulare 128 appoggia ancora su un-'altra superficie di rivoluzione sferica arcuata 134, di raggio Rs intorno ad un punto centrale 136, coincidente con l'asse longitudinale o linea centrale L. Si deve notare che la porzione più alta della superficie di rivoluzione sferica 134 si trova alla stessa altezza della periferia interna 122 della superficie anulare 120, benché ciò non costituisca un requisito dell'invenzione.

La tavola superabrasiva 116 è sovrapposta alla faccia di estremità 114 ed è contigua ad essa, estendendosi fino alla parete laterale 34 del substrato 112 e formando un confine esterno lineare 36 con tale parete. La parete laterale troncoconica convergente verso l'interno 40 della tavola 116 inizia in posizione adiacente al confine 36 ed ha lo stesso raggio del substrato 112, estendendosi sopra il confine 36 fino allo spigolo di taglio 42 sulla periferia della faccia di taglio 44, Come illustrato, lo spigolo di taglio 42 è smussato in 46 come è noto nella tecnica, benché ciò non costituisca un requisito dell'invenzione.

Come nel caso del tagliente 10, si comprenderà facilmente che la superficie anulare 120 della faccia di estremità 114 del substrato 112 del tagliente 110 fornirà un campo di vettori normali sufficiente per adattarsi al campo di orientamenti di carichi di forza risultanti agenti sul tagliente 110 vicino allo spigolo di taglio 42 durante un'operazione di perforazione distribuendoli su un'area della faccia di estremità 114 che giace sostanzialmente trasversalmente ai carichi. Sempre come nel caso del tagliente 10, si comprenderà che viene mantenuta una profondità sostanziale di materiale superabrasivo per la tavola 116, e che è prevista una disposizione di interbloccaggio simmetrica meccanicamente efficace all'interfaccia tra la tavola 116 ed il substrato 112.

La figura 3A mostra ancora un'altra configurazione della faccia di estremità del substrato per un tagliente secondo la presente invenzione in sezione trasversale, mentre la figura 3B mostra un substrato 212 in elevazione laterale e la figura 3C rappresenta una vista in elevazione dall'alto della faccia di estremità 214.Come per le altre forme di attuazione, il substrato 212 è sostanzialmente cilindrico e comprende un certo numero di superfici anulari contigue che circondano una superficie centrale circolare sulla faccia di estremità 214. Dal lato esterno del substrato 212 verso l'interno, un labbro anulare o spallamento 240 si estende verso l'interno dalla parete laterale 234, incontrando la superficie anulare 242, che comprende una superficie di rivoluzione sferica. La superficie anulare arcuata 244 giace all'interno della superficie anulare 242,all'interno della quale giace la superficie arcuata 246, entro la quale giace una superficie di rivoluzione centrale 248. Le superfici 242, 244 e 246 sono sostanzialmente coincidenti in corrispondenza dei confini tra loro, mentre la transizione tra il labbro 240 e la superficie anulare 242 comprende un raccordo piccolo ma misurabile 250 (vedere il dettaglio ingrandito della figura 3D). Analogamente, la transizione tra la superficie 246 e la superficie di rivoluzione centrale 248 comprende un raccolo piccolo ma misurabile 252.

Le figure da 4 a 16 illustrano un certo numero di altre configurazioni della faccia di estremità del substrato secondo l'invenzione, essendo inteso che le tavole superabrasive, come tavole PDC, una volta formate su tali facce, formeranno taglienti secondo 1'invenzione.

La figura 4 mostra una vista in elevazione laterale ed in sezione di un substrato sostanzialmente cilindrico 312 avente una faccia di estremità 314 comprendente una molteplicità di superfici di rivoluzione sferiche adiacenti l'una all'altra 320, 322, 324, 326 e 328, i cui punti centrali coincidono tutti con l'asse longitudinale o linea centrale L del substrato 312. In questa e nelle figure successive, i prolungamenti delle superfici di rivoluzione sferiche della faccia di estremità reale nel piano del disegno sono stati indicati con linee tratteggiate per una comprensione migliore della loro natura sferica.

La figura 5 mostra una vista in elevazione laterale ed in sezione di un substrato sostanzialmente cilindrico 412 avente una faccia di estremità 414 comprendente un'unica superficie di rivoluzione anulare sferica esterna 420 che circonda una superficie di rivoluzione conica rivolta verso l'alto 422, con i punti centrali delle due superfici di rivoluzione giacenti sull'asse longitudinale o linea centrale L del substrato 412.

La figura 6 mostra una vista in elevazione laterale ed in sezione di un substrato sostanzialmente cilindrico 412a avente una faccia di estremità 414a comprendente un'unica superficie di rivoluzione anulare sferica esterna 420 che circonda una superficie di rivoluzione troncoconica rivolta verso l'alto 424, che a sua volta circonda una superficie di rivoluzione sferica convessa 426. Tutte le tre superfici di rivoluzione hanno punti centrali coincidenti con l'asse longitudinale o linea centrale L del substrato 412a .

La figura 7 mostra una vista in elevazione laterale ed in sezione di un substrato sostanzialmente cilindrico 412b avente una faccia di estremità 414b comprendente un'unica superficie di rivoluzione anulare sferica esterna 420 che circonda una superficie di rivoluzione troncoconica rivolta verso l'alto 424, che a sua volta circonda una superficie circolare centrale 428. Le due superfici di rivoluzione hanno punti centrali coincidenti con l'asse longitudinale o linea centrale L del substrato 412b.

La figura 8 mostra una vista in elevazione laterale ed in sezione di un substrato sostanzialmente cilindrico 4l2c avente una faccia di estremità 4l4c comprendente un'unica superficie di rivoluzione anulare sferica esterna 420 che circonda una molteplicità di gole anulari concentriche 430 aventi tra loro creste 432, con le forme della faccia di estremità centrate intorno all'asse longitudinale o linea centrale L.

La figura 9 mostra una vista in elevazione laterale ed in sezione di un substrato sostanzialmente cilindrico 512 avente una faccia di estremità 514 comprendente una superficie semisferica centrale 522 contigua con, e circondata da una superficie anulare concava 520 costituita da una porzione.di un toroide di sezione trasversale circolare centrato intorno all'asse longitudinale o linea centrale L del substrato 512.

La figura 10 mostra una vista in elevazione laterale ed in sezione di un substrato sostanzialmente cilindrico 512a simile al substrato 512, avente una faccia di estremità 514a comprendente una superficie semisferica centrale 522 contigua con, e circondata da una superficie anulare 520 costituita da una porzione di un toroide di sezione trasversale circolare. La superficie semisferica 522, tuttavia, è intersecata da una superficie di rivoluzione sferica più piccola 524 formante in essa una rientranza o concavità centrale.

Altre combinazioni di substrati che presentano facce di estremità costituite da diverse combinazioni di superfici di rivoluzione sferiche, toroidali e lineari sono illustrate nelle figure da 11 a 15. Come per le figure da 4 a 10 precedenti, sono state rappresentate superfici sferiche di rivoluzione e toroidi, parti dei quali costituiscono superfici del substrato, in parte nella maggior parte dei casi, con linee tratteggiate per chiarezza, come i punti centrali di alcune forme.

Superfici di rivoluzione sferiche sono state designate con una "S", toroidi con una "T", e superfici di rivoluzione lineari con "LS".

Si comprenderà anche che è possibile sostituire superfici di rivoluzione sferiche, come precedentemente indicato, con superfici di rivoluzione sferoidali, come illustrato nella figura 16 che mostra un substrato 612 avente una superficie di rivoluzione ellissoidale E sulla sua faccia di estremità 614. E' anche possibile utilizzare altre superfici di rivoluzione non lineari o arcuate, come si desidera, in un orientamento simile o trasversale rispetto a quello illustrato nella figura 16.

La figura 17 mostra una punta da perforazione rotativa a strisciamento provvista di taglienti C in accordo con la presente invenzione.

Si comprenderà che il riferimento a superfici "anulari" nella presente non è limitato a superfici formanti una corona anulare o anello completo. Ad esempio, una corona anulare parziale nell'area della faccia di estremità del substrato orientata in modo da assorbire il carico risultante sullo spigolo di taglio è prevista come inclusa nella presente invenzione. Analogamente, è anche inclusa una superficie anulare discontinua o segmentata. Inoltre, una topografia di superficie "arcuata" comprende superiici che curvano con un raggio costante, come superfici di rivoluzione sferiche e toroidi di sezione trasversale circolare, nonché superfici sferoidali come quelle che comprendono componenti generate ad esempio da due raggi distinti intorno a punti centrali, e comprendono inoltre superfici che sono non lineari ma curvano con raggi variabili o che variano in modo continuo o intermittente .

Benché la presente invenzione sia stata descritta in termini di alcune forme di attuazione esemplificative, i tecnici del ramo comprenderanno e apprezzeranno che essa non è limitata a tali forme di attuazione. Molte aggiunte, cancellazioni e modifiche all'invenzione come descritto nella presente possono essere apportate, nonché combinazioni di caratteristiche dalle varie forme di attuazione descritte, senza allontanarsi dall'ambito dell'invenzione come definito dalle rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Tagliente per la perforazione di una formazione sotterranea, comprendente: un substrato avente un asse longitudinale ed una faccia di estremità sostanzialmente circolare comprendente almeno una superficie anulare che presenta una forma arcuata, considerata in una sezione radiale longitudinalmente parallela all'asse; e un volume di materiale superabrasivo disposto sopra la faccia di estremità ed avente una faccia di taglio bidimensionale distanziata dalla faccia di estremità del substrato, in cui la faccia di taglio ha uno spigolo di taglio periferico.
2. Tagliente secondo la rivendicazione 1, in cui la almeno una superficie anulare ha una periferia radialmente interna, e lo spigolo di taglio è arcuato e di raggio dall'asse pari o superiore alla periferia radialmente interna dell'almeno una superficie anulare.
3. Tagliente secondo la rivendicazione 2, in cui 1'almeno una superficie anulare ha una periferia radialmente esterna, e lo spigolo di taglio giace radialmente all'interno della periferia radialmente esterna.
4. Tagliente secondo la rivendicazione 1, in cui 1'almeno una superficie anulare comprende una superficie di rivoluzione sferica.
5. Tagliente secondo la rivendicazione 4, in cui la superficie di rivoluzione sferica ha una punto centrale coincidente con l'asse.
6. Tagliente secondo la rivendicazione 1, in cui 1'almeno una superficie anulare comprende una superficie di rivoluzione sferoidale.
7. .Tagliente secondo la rivendicazione 1, in cui 1'almeno una superficie anulare comprende una superficie parziale di un toroide centrato sul, e trasversale all'asse.
8. Tagliente secondo la rivendicazione 7, in cui la superficie parziale del toroide suddetto è concava.
9. Tagliente secondo la rivendicazione 7, in cui la superficie parziale del toroide suddetto è convessa.
10. Tagliente secondo la rivendicazione 1, in cui 1'almeno una superficie anulare ha una periferia radialmente esterna, almeno una porzione della quale coincide con una periferia esterna della faccia di estremità.
11. Tagliente secondo la rivendicazione 1, in cui 1'almeno una superficie anulare ha una periferia radialmente esterna, almeno una porzione della quale è distanziata da una periferia esterna della faccia di estremità .
12. Tagliente secondo la rivendicazione 1, in cui 1'almeno una superficie anulare ha una periferia radialmente interna, entro la quale giace una rientranza .
13. Tagliente secondo la rivendicazione 12, in cui la rientranza comprende almeno una superficie di rivoluzione sferica avente un punto centrale coincidente con l'asse.
14. Tagliente secondo la rivendicazione 13, in cui 1'almeno una superficie di rivoluzione sferica interseca l'asse.
15. Tagliente secondo la rivendicazione 14, comprendente inoltre almeno una seconda superficie anulare interposta tra la superficie anulare e 1'almeno una superficie di rivoluzione sferica.
16. Tagliente secondo la rivendicazione 15, in cui la seconda superficie anulare è appiattita e giace trasversalmente all'asse.
17. Tagliente secondo la rivendicazione 13, in cui la rientranza comprende almeno un'altra superficie di rivoluzione sferica<' >avente un punto centrale coincidente con l'asse e che definisce una seconda superficie anulare.
18. Tagliente secondo la rivendicazione 13, in cui la rientranza comprende una seconda superficie anulare .
19. Tagliente secondo la rivendicazione 18, in cui la seconda superficie anulare ha una sezione radiale arcuata, considerata parallelamente all'asse.
20. Tagliente secondo la rivendicazione 16, in cui la seconda superficie anulare comprende una superficie parziale di un toroide centrato sul, e trasversale all'asse.
21. Tagliente secondo la rivendicazione 16, in cui la seconda superficie anulare comprende una superficie troncoconica .
22. Tagliente secondo la rivendicazione 12, in cui la rientranza comprende una superficie troncoconica.
23. Tagliente secondo la rivendicazione 22, in cui la superficie troncoconica racchiude una superficie circolare .
24. Tagliente secondo la rivendicazione 23, in cui la superficie circolare è appiattita e trasversale all'asse.
25. Tagliente secondo la rivendicazione 23, in cui la superficie circolare comprende una molteplicità di gole concentriche.
26. Tagliente secondo la rivendicazione 12, in cui la rientranza comprende una superficie conica.
27. Tagliente secondo la rivendicazione 12, in cui la rientranza comprende una superficie circolare.
28. Tagliente secondo la rivendicazione 27, in cui la superficie circolare comprende una molteplicità di gole concentriche.
29. Tagliente secondo la rivendicazione 1, in cui 1'almeno una superficie anulare comprende una superficie di rivoluzione sferica avente un punto centrale coincidente con l'asse e la faccia di estremità comprende inoltre una seconda superficie di rivoluzione sferica avente un raggio minore della superficie di rivoluzione sferica e lo stesso punto centrale.
30. Tagliente secondo la rivendicazione 1, in cui 1'almeno una superficie anulare comprende una superficie parziale di un toroide centrato sul, e trasversale all'asse, e la faccia di estremità comprende inoltre una superficie di rivoluzione sferica avente un punto centrale coincidente con l'asse.
31. Tagliente secondo la rivendicazione 30, in cui la superficie di rivoluzione sferica si estende attraverso l'asse ed è tangenzialmente coincidente in corrispondenza di una periferia radialmente esterna con una periferia radialmente interna della superficie parziale del toroide suddetto.
32. Tagliente secondo la rivendicazione 30, comprendente inoltre una seconda superficie di rivoluzione sferica avente un punto centrale coincidente con l'asse ed avente un raggio minore di quello della superficie di rivoluzione sferica.
33. Tagliente secondo la rivendicazione 32, in cui la seconda superficie di rivoluzione sferica si estende attraverso l'asse.
34. Tagliente secondo la rivendicazione 30, in cui la superficie di rivoluzione sferica si estende attraverso l'asse.
35. Tagliente secondo la rivendicazione 34, comprendente inoltre una superficie troncoconica interposta tra la superficie parziale del toroide suddetto e la superficie di rivoluzione sferica.
36. Tagliente secondo la rivendicazione 1, in cui l'almeno una superficie anulare comprende una molteplicità di superfici anulari concentriche, ciascuna delle quali comprende una superficie parziale di un toroide centrato sul, e trasversale all'asse.
37. Tagliente secondo la rivendicazione 36, in cui i toroidi sono di sezione radiale circolare, ed i loro centri si trovano su un raggio comune trasversale all'asse.
38. Tagliente secondo la rivendicazione 37, in cui i raggi delle sezioni trasversali dei toroidi sono gli stessi.
39. Tagliente secondo la rivendicazione 36, in cui i toroidi sono di sezione radiale circolare, ed i loro centri giacciono su raggi longitudinalmente spostati trasversali all'asse<'>.
40. Punta da perforazione per la trivellazione di una formazione sotterranea, comprendente: un corpo della punta avente una faccia ad una sua prima estremità ed una struttura ad una sua estremità opposta per il collegamento della punta da perforazione ad una batteria di perforazione,· e almeno un tagliente montato sul corpo della punta sopra la faccia della punta e comprendente: un substrato avente un asse longitudinale ed una faccia di estremità sostanzialmente circolare comprendente almeno una superficie anulare che presenta una forma arcuata, considerata in una sezione radiale longitudinalmente parallela all'asse,· e un volume dimateriale superabrasivo disposto sopra la faccia di estremità ed avente una faccia di taglio bidimensionale distanziata dalla faccia di estremità del substrato, in cui la faccia di taglio ha uno spigolo di taglio periferico.
41. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 40, in cui l'almeno una superficie anulare ha una periferia radialmente interna, e lo spigolo di taglio è arcuato e ha un raggio dall'asse pari o superiore alla periferia radialmente interna dell'almeno una superficie anulare.
42. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 41, in cui l'almeno una superficie anulare ha una periferia radialmente esterna, e lo spigolo di taglio giace radialmente all'interno della periferia radialmente esterna.
43. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 40, in cui l'almeno una superficie anulare comprende una superficie di rivoluzione sferica.
44. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 43, in cui la superficie di rivoluzione sferica ha un punto centrale coincidente con l'asse.
45. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 40, in cui l'almeno una superficie anulare comprende una superficie di rivoluzione sferoidale.
46. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 40, in cui l'alméno una superficie anulare comprende una superficie parziale di un toroide centrato sul, e trasversale all'asse.
47. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 46, in cui la superficie parziale del toroide suddetto è concava.
48. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 46, in cui la superficie parziale del toroide suddetto è convessa.
49. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 40, in cui l'almeno una superficie anulare ha una periferia radialmente esterna, almeno una porzione della quale coincide con una periferia esterna della faccia di estremità.
50. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 40, in cui l'almeno una superficie anulare ha una periferia radialmente esterna, almeno una porzione della quale è distanziata da una periferia esterna della faccia di estremità.
51. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 40, in cui l'almeno una superficie anulare ha una periferia radialmente interna, entro la quale giace una rientranza.
52. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 51, in cui la rientranza comprende almeno una superficie di rivoluzione sferica avente un punto centrale coincidente con l'asse.
53. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 52, in cui l'almeno una superficie di rivoluzione sferica interseca l'asse.
54. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 53, comprendente inoltre una seconda superficie anulare interposta tra l'almeno una superficie anulare e l'almeno una superficie di rivoluzione sferica.
55. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 54, in cui la seconda superficie anulare è appiattita e giace trasversalmente all'asse.
56. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 52, in cui la rientranza comprende almeno un'altra superficie di rivoluzione sferica avente un punto centrale coincidente con l'asse e che definisce una seconda superficie anulare.
57. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 53, in cui la rientranza comprende una seconda superficie anulare.
58. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 57, in cui la seconda superficie anulare ha una sezione radiale arcuata,considerata parallelamente all'asse .
59. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 55, in cui la seconda superficie anulare comprende una superficie parziale di un toroide centrato sul, e trasversale all'asse.
60. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 55, in cui la seconda superficie anulare comprende una superficie troncoconica.
61. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 51, in cui la rientranza comprende una superficie troncoconica .
62. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 61, in cui la superficie troncoconica racchiude una superficie circolare.
63 . Punta da perforazione secondo la rivendicazione 62, in cui la superficie circolare è appiattita e trasversale all'asse.
64. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 62, in cui la superficie circolare comprende una molteplicità di gole concentriche.
65. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 51, in cui la rientranza comprende una superficie conica .
66. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 51, in cui la rientranza comprende una superficie circolare.
67. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 66, in cui la superficie circolare comprende una molteplicità di gole concentriche.
68. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 40, in cui l'almeno una superficie anulare comprende una superficie di rivoluzione sferica avente un punto centrale coincidente con l'asse e la faccia di estremità comprende inoltre una seconda superficie di rivoluzione sferica avente un raggio minore della superficie di rivoluzione sferica e lo stesso punto centrale.
69. Punta da perforazione secondo .la rivendicazione 40, in cui l'almeno una superficie anulare comprende una superficie parziale di un toroide centrato sul, e trasversale all'asse, e la faccia di estremità comprende inoltre una superficie di rivoluzione sferica avente un punto centrale coincidente con l'asse.
70. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 69, in cui la superficie di rivoluzione sferica si estende attraverso l'asse ed è tangenzialmente coincidente in corrispondenza di una periferia radialmente esterna con una periferia radialmente interna della superficie parziale del toroide suddetto.
71. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 69, comprendente inoltre una seconda superficie di rivoluzione sferica avente un punto centrale coincidente con l'asse ed avente un raggio minore di quello della superficie di rivoluzione sferica.
72. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 71, in cui la seconda superficie di rivoluzione sferica si estende attraverso l'asse.
73. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 69, in cui la. superficie di rivoluzione sferica si estende attraverso l'asse.
74. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 73, comprendente inoltre una superficie troncoconica interposta tra la superficie parziale del toroide suddetto e la superficie di rivoluzione sferica.
75. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 40, in cui l'almeno una superficie anulare.comprende una molteplicità di superfici anulari concentriche, ciascuna delle quali comprende una superficie parziale di un toroide centrato sul, e trasversale alleasse.
76. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 75, in cui ì toroidi sono di sezione radiale circolare, ed i loro centri si trovano su un raggio comune trasversale all'asse.
77. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 76, in cui i raggi delle sezioni trasversali dei toroidi sono gli stessi.
78. Punta da perforazione secondo la rivendicazione 75, in cui i toroidi sono di sezione radiale circolare, ed i loro centri giacciono su raggi spostati longitudinalmente trasversali all'asse.