ITTO990546A1

ITTO990546A1 - Punta ibrida per perforazione di roccia.

Info

Publication number: ITTO990546A1
Application number: IT99TO000546A
Authority: IT
Inventors: James L Overstreet; Robert E Grimes; Bryan A Baker; Matthew J Meiners
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2000-12-25
Also published as: IT1308756B1; US5979575A; BE1013520A3

Description

DESCRIZIONE

Campo tecnico

La presente invenzione si riferisce in generale a punte da perforazione per la trivellazione del suolo ed in particolare a strutture di taglio perfezionate per tali punte.

Tecnica di sfondo

Nella trivellazione di fori in formazioni di terreno mediante il procedimento rotativo, si utilizzano punte da roccia provviste di una, due o tre frese a rotolamento.La punta è fissata all'estremità inferiore di una batteria di perforazione che è fatta ruotare dalla superficie, oppure la punta è fatta ruotare da motori o turbine a fondo foro. Le frese montate sulla punta rotolano e strisciano sul fondo del foro di trivellazione durante la rotazione della punta, impegnandosi così con, e staccandosi dal materiale della formazione da rimuovere.Le frese a rullo sono provviste di elementi di taglio che sono forzati a penetrare nel, ed a scavare il fondo del foro di trivellazione a causa del peso della batteria di perforazione. I detriti dal fondo e dalle pareti laterali del foro di trivellazione sono allontanati per lavaggio mediante fluido di trivellazione che è pompato dalla superficie attraverso la batteria di perforazione cava.

Un tipo di elemento di taglio ampiamente diffuso è un inserto di carburo di tungsteno che è pressato ad interferenza in una apertura nel corpo della fresa. Il carburo di tungsteno è un metallo che è più duro del corpo di acciaio della fresa ed ha una porzione cilindrica ed una porzione di punta di taglio. La porzione di punta di taglio è realizzata in varie configurazioni, come a scalpello, semisferica o conica, in funzione del tipo di formazione da trivellare. Alcuni degli inserti hanno forme molto aggressive della struttura di taglio e qualità di carburo che permettono che le punte perforino formazioni tenere e medie con la stessa punta da perforazione.

Benché abbiano avuto molto successo, diverse regioni nel mondo presentano formazioni non abrasive relativamente tenere che possono provocare gravi incrinature per riscaldamento per attrito sulle estremità esterne degli inserti che strisciano sulla parete del foro di trivellazione.Quando si incontrano in seguito durante la trivellazione formazioni più dure, si verifica una rottura prematura degli inserti della corona di tallone.

Un altro tipo di punta per la trivellazione del terreno a frese a rotolamento è comunemente nota come punta "a denti d'acciaio" o "a denti fresati". Tipicamente queste punte sono destinate a penetrare in formazioni geologiche relativamente tenere del terreno. La resistenza e la tenacità a frattura dei denti di acciaio permettono l'uso di denti relativamente lunghi, che permettono le aggressive azioni di scavo e di raschiatura che sono vantaggiose per una penetrazione rapida di formazioni tenere con basse resistenze a compressione.

Tuttavia, è raro che formazioni geologiche siano interamente costituite da materiale tenero con bassa resistenza a compressione. Spesso vi sono filoni di duro materiale abrasivo che una punta da perforazione a denti d'acciaio dovrebbe attraversare economicamente senza danno per la punta. Benché i denti di acciaio possiedano una buona resistenza meccanica, la resistenza all'abrasione è insufficiente per permettere una rapida penetrazione continua di filoni duri o abrasivi.Di conseguenza, era abituale nella tecnica almeno dagli anni '30 prevedere uno strato di materiale metallurgico resistente all'usura denominato "riporto duro" sulle porzioni dei denti esposte all'usura più severa. Il riporto duro è tipicamente costituito da particelle estremamente dure, ad esempio di carburo di tungsteno sinterizzato, di fusione o macrocristallino,,disperse in una matrice di acciaio. Tali materiali di riporto duro sono applicati per saldatura di una matrice metallica sulla superficie da rivestire con il riporto duro e applicazione delle particelle dure alla matrice per formare una dispersione uniforme di particelle dure nella matrice .

Diversamente da una punta da perforazione ad inserti di carburo di tungsteno, i denti di una punta da perforazione a denti di acciaio non sono soggetti ad incrinatura sotto sollecitazione a causa del calore eccessivo. Una punta da perforazione a denti di acciaio sarebbe in grado di perforare le formazioni non abrasive relativamente tenere precedentemente menzionate che provocano l'incrinatura sotto sollecitazione sulle corone di tallone di punte da perforazione ad inserti. Tuttavia, a causa della durezza e dello spessore di formazioni adiacenti, una punta da perforazione a denti di acciaio si usurerebbe troppo rapidamente, per cui non costituisce una scelta preferita in queste regioni.

Enunciazione dell'invenzione

Nella presente invenzione, è descritta una fresa ibrida. Le corone interne della fresa hanno elementi di taglio formati da un metallo duro inseriti con interferenza in aperture nella fresa. La corona di tallone, invece, è formata da denti di acciaio. I denti di.acciaio hanno un riporto duro che li rende sufficientemente tenaci per forare con successo formazioni di media durezza, ma essi non sono soggetti ad incrinatura, scheggiatura e/o rottura come risultato di un calore di attrito eccessivo che altrimenti potrebbe verificarsi con inserti di carburo di tungsteno.

Inoltre, la fresa può essere provvista di inserti di definizione del diametro esterno e di inserti di corona raschiatrice di metallo duro. Gli inserti di corona raschiatrice possono essere di carburo di tungsteno, inseriti in aperture nella fresa.Alternativamente essi possono comprendere organi di taglio costituiti da un riporto duro.

Breve descrizione dei disegni

La figura l rappresenta una vista in prospettiva di una punta da perforazione per la trivellazione del suolo costruita in accordo con la presente invenzione.

La figura 2 rappresenta una vista in sezione parziale perpendicolarmente all'asse longitudinale del corpo della punta, che illustra una porzione di due delle frese della punta illustrata nella figura 1.

La figura 3 rappresenta una vista in sezione di due dei denti di acciaio della corona di tallone della punta illustrata nella figura 1, lungo la linea 3-3 della figura 1.

La figura 4 rappresenta una vista in sezione, simile alla figura 2, rappresentata con una forma di attuazione alternativa di un inserto raschiatore. Forma migliore per l'attuazione dell'invenzione Con riferimento alla figura 1, è illustrata una punta da perforazione 11 per la trivellazione del suolo secondo la presente invenzione. La punta 11 comprende un corpo 13 della punta che è filettato alla sua estremità superiore 15 per il collegamento ad una batteria di perforazione. Ciascun piede della punta 11 è provvisto di un compensatore di lubrificaute 17, una cui forma di attuazione preferita è descritta nel Brevetto statunitense n. 4.276.946, 7 luglio 1981, di Millsapps. Almeno un ugello 19 è previsto nel corpo 13 della punta per spruzzare fluido di perforazione dall'interno della batteria di perforazione per raffreddare e lubrificare la punta 11 durante l'operazione di trivellazione. Tre frese 21 sono fissate in modo rotativo sui piedi del corpo 13 della punta. Ciascuna fresa 21 ha una superficie di mantello della fresa comprendente una superficie di definizione del diametro esterno 25 ed una regione di tallone indicata in generale con 27.

Denti di acciaio 29 sono formati nella regione di tallone 27. I denti di acciaio 29 sono di forma generalmente tradizionale, e ciascuno di essi comprende due fianchi 31 che convergono in una cresta 32. Ciascun dente 29 ha un'estremità interna (non illustrata) ed un'estremità esterna 33 che raggiungono la cresta 32. Un avvallamento o radice 34 è disposto tra ciascun dente 29. La superficie di definizione del diametro esterno 25 si estende generalmente fino a, e limita le estremità esterne 33 dei denti 29.

Con riferimento alla figura 4, un riporto duro 35 è formato su ciascuno dei denti 29. Il riporto duro 35 ricopre preferibilmente l'intero dente 29, compresi i fianchi 31, la cresta 32 e l'estremità esterna 33. Il riporto duro 35 è costituito da una matrice metallica in cui sono incluse particelle di carburo. Esso può essere applicato sui denti come illustrato nei Brevetti statunitensi nn. 5.492.186, 20 febbraio 1996, Overstreet ed altri, 5.445.231, 29 agosto 1995, Scott ed altri, e 5.351.771, 4 ottobre 1994, Zahradnik.

Con riferimento alle figure 1 e 2, per gli scopi della presente descrizione tutti gli elementi di taglio disposti radialmente all'interno dei denti di acciaio 29 sono indicati come inserti di corona interna 37. Vi sono due regioni separate di inserti di corona interna 37 disposte radialmente verso l'esterno dal vertice di ciascuna fresa 21. Due delle frese 21 avranno anche uno o più inserti di corona interna 37 disposti nel vertice della fresa 21. Gli inserti di corona interna 37 sono di tipo tradizionale, costituiti da metallo duro e pressati con interferenza in aperture 39 nel mantello della fresa 21. Gli inserti di corona interna 37 possono essere realizzati interamente in carburo di tungsteno sinterizzato ed anche in carburo di tungsteno sinterizzato che può avere uno stato di materiale di diamante.La configurazione sporgente della punta di taglio illustrata nella figura 2 ha una forma a scalpello, con una cresta allungata 40, ma potrebbe avere diverse forme.

Con riferimento ancora alla figura 1, può anche esservi una molteplicità di inserti raschiatori 41 installati generalmente all'intersezione della superficie di definizione del diametro esterno 25 e della regione di tallone 27 che contiene la corona di denti di acciaio 29. Ciascun inserto raschiatore 41 nella forma di attuazione illustrata nelle figure 1-3 è un inserto di metallo duro, preferibilmente di carburo di tungsteno, inserito con interferenza in una apertura 43 nella fresa 21. Ciascun inserto 41 è generalmente disposto in posizione intermedia tra, e radialmente all'esterno di due dei denti di acciaio 29. Gli inserti raschiatori 41 sono utilizzati per impegnarsi con la parete laterale del foro di trivellazione durante il taglio. Gli inserti raschiatori 41 hanno una superficie di inserto di definizione del diametro esterno 42 ed una superficie di inserto di tallone 44 per definire un tagliente per l'impegno con la parete laterale del foro di trivellazione. Gli inserti raschiatori 41 sono preferibilmente costruiti come descritto nel Brevetto statunitense n. 5.351.768, 4 ottobre 1994, Scott ed altri.

Inoltre, una molteplicità di inserti di definizione del diametro esterno 45 possono essere distribuiti intorno alla superficie di definizione del diametro esterno 25 per contrastare l'usura.Gli inserti di definizione del diametro esterno 45 sono anch'essi di metallo duro, preferibilmente di carburo di tungsteno, inseriti entro fori complementari 47 (figura 2) con un accoppiamento con interferenza. Ciascun inserto di definizione del diametro esterno 45 ha un lato esterno appiattito che spòrge leggermente dalla superficie di definizione del diametro esterno 25 e si impegna con la parete del foro di trivellazione.

Durante il funzionamento, in alcune formazioni non abrasive, si genererà normalmente un notevole calore prodotto dallo strisciamento ciclico delle estremità esterne 33 dei denti di acciaio 29 sulla parete del foro di trivellazione. Questo calore non sarà sufficiente per degradare i denti 29, perciò essi continueranno a funzionare bene mentre lavorano nelle formazioni non abrasive. Gli inserti di corona interna 37, essendo più distanziati dalla parete del foro di trivellazione rispetto ai denti di acciaio 29, non raggiungeranno temperature elevate come i denti di acciaio 29.Gli inserti di corona interna 27 non raggiungeranno temperature sufficientemente elevate per provocare incrinature per riscaldamento.Con la prosecuzione della trivellazione fuori dalla formazione non abrasiva ed in formazioni più dure, i denti di acciaio 29 sono in grado di evitare una usura eccessiva a causa del riporto duro 35. Gli inserti di corona interna 37, essendo di carburo di tungsteno, sono in grado di tagliare efficacemente formazioni più dure incontrate in queste aree.

La figura 4 mostra una forma di attuazione alternativa. Invece di utilizzare inserti raschiatori 41 di carburo di tungsteno, è possibile utilizzare elementi raschiatori di taglio 4 formati interamente da un materiale di riporto duro. Gli elementi raschiatori 49 sono realizzati con la stessa tecnica comunemente utilizzata quando si applica un riporto duro 35' su denti 29'. Il riporto duro è realizzato sotto forma di una sporgenza rivolta generalmente verso l'esterno 49 destinata ad impegnarsi con la parete del foro di trivellazione in modo da tagliare e funzionare nello stesso modo degli inserti raschiatori 41.

L'invenzione presenta vantaggi significativi. L'invenzione fornisce una punta da perforazione ibrida che ha corone di tallone a denti d'acciaio e corone interne ad inserti di carburo di tungsteno. Le corone interne formano una struttura di taglio aggressiva che permette che la punta da perforazione trivelli sia in formazioni tenere sia in formazioni medie. Le corone esterne di denti di acciaio non sono soggette a fratture dovute a tensioni termiche, evitando così incrinature e scheggiature dovute ad un riscaldamento eccessivo.

Benché l'invenzione sia stata illustrata soltanto in due delle sue forme, dovrebbe essere evidente per i tecnici del ramo che essa non è limitata a tali forme, ma è suscettibile di diverse varianti senza allontanarsi dall'ambito dell'invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo, comprendente: un corpo della punta,· almeno un perno di supporto a sbalzo sporgente verso l'interno e verso il basso dal corpo della punta ; una fresa montata in modo girevole sul perno di supporto, in cui la fresa comprende una molteplicità di elementi di taglio disposti in corone circonferenziali sulla fresa, in cui le corone comprendono almeno una corona interna ed una corona di tallone; in cui gli elementi di taglio nella corona interna sono formati da un metallo duro e inseriti con interferenza entro aperture nella fresa; e in cui almeno alcuni degli elementi di taglio nella corona di tallone sono costituiti da denti di acciaio formati sulla fresa.
2. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo secondo la rivendicazione 1, in cui la fresa ha una superficie di definizione del diametro esterno ed una regione di tallone adiacente, ed in cui i denti di acciaio si trovano nella regione di tallone.
3. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuno dei denti di acciaio ha una coppia di fianchi convergenti in una cresta ed estremità interna ed esterna.
4. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo secondo la rivendicazione 1, in cui: la fresa ha una superficie di definizione del diametro esterno ed una regione di tallone adiacente; gli elementi di taglio nella corona di tallone sono formati nella regione di tallone; e la punta comprende inoltre: una molteplicità di elementi raschiatori sporgenti dalla fresa generalmente in corrispondenza di un confine tra la superficie di definizione del diametro esterno e la regione di tallone.
5 . Punta da perforazione per la trivellazione del suolo secondo la rivendicazione 1, in cui: la fresa ha una superficie di definizione del diametro esterno ed una regione di tallone adiacente; gli elementi di taglio nella corona di tallone sono formati nella regione di tallone; e la punta comprende inoltre: una molteplicità di elementi raschiatori sporgenti dalla fresa generalmente in corrispondenza di un confine tra la superficie di definizione del diametro esterno e la regione di tallone, in cui ciascuno degli elementi raschiatori è formato da un materiale di riporto duro resistente all'usura depositato sulla fresa, in cui ciascuno degli elementi raschiatori è distanziato verso l'esterno da, ed è disposto tra due dei denti di acciaio.
6. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo secondo la rivendicazione 1, in cui: la fresa ha una superficie di definizione del diametro esterno ed una regione di tallone adiacente; gli elementi di taglio nella corona di tallone sono formati nella regione di tallone,· e la punta comprende inoltre: una molteplicità di elementi raschiatori sporgenti dalla fresa generalmente in corrispondenza di un confine tra la superficie di definizione del diametro esterno e la regione di tallone; e una molteplicità di inserti di definizione del diametro esterno di metallo duro inseriti entro aperture nella superficie di definizione del diametro esterno.
7. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre una composizione di riporto duro di particelle di carburo disperse in una matrice metallica depositata su almeno porzioni di ciascuno dei denti di acciaio nella corona di tallone.
8. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo, comprendente: un corpo della punta; almeno un perno di supporto a sbalzo sporgente verso l'interno e verso il basso dal corpo della punta ; una fresa montata in modo girevole sul perno di supporto, in cui la fresa ha una superficie di definizione del diametro esterno ed una regione di tallone adiacente, in cui la fresa comprende una molteplicità di elementi di taglio disposti in corone circonferenziali sulla fresa, in cui le corone comprendono almeno una corona interna ed una corona di tallone, in cui la corona di tallone è disposta nella regione di tallone; in cui gli elementi di taglio nella corona interna sono formati da un metallo duro ed inseriti con interferenza entro aperture nella fresa; e almeno alcuni degli elementi di taglio nella corona di tallone sono costituiti da denti di acciaio formati sulla fresa, in cui almeno porzioni di ciascuno dei denti , di acciaio hanno una composizione resistente all'usura formata su di esse.
9. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre una molteplicità di elementi raschiatoti sporgenti dalla fresa generalmente in corrispondenza di un confine tra la superficie di definizione del diametro esterno e la regione di tallone.
10. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre : una molteplicità di elementi raschiatoti sporgenti dalla fresa generalmente in corrispondenza di un confine tra la superficie di definizione del diametro esterno e la regione di tallone, in cui ciascuno degli elementi raschiatoti è generalmente disposto tra, ed all'esterno di due dei denti di acciaio ed è formato da un materiale resistente all'usura depositato sulla fresa.
11. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre : una molteplicità di elementi raschiatori sporgenti dalla fresa generalmente in corrispondenza di un confine tra la superficie di definizione del diametro esterno e la regione di tallone; e una molteplicità di inserti di definizione del diametro esterno di metallo duro inseriti entro aperture nella superficie di definizione del diametro esterno .
12. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre : una molteplicità di elementi raschiatori sporgenti dalla fresa generalmente in corrispondenza di un confine tra la superficie di definizione del diametro esterno e la regione di tallone, in cui ciascuno degli elementi raschiatori è di metallo duro ed inserito con interferenza entro una apertura nella fresa .
13. Punta da-perforazione per la trivellazione del suolo comprendente: un corpo della punta,· almeno un perno di supporto a sbalzo sporgente verso l'interno e verso il basso dal corpo della punta,· una fresa montata in modo girevole sul perno di supporto, in cui la fresa ha una superficie di definizione del diametro esterno, in cui la fresa comprende una molteplicità di elementi di taglio disposti in corone circonferenziali sulla fresa, in cui le corone comprendono una molteplicità di corone interne ed una corona di tallone che è adiacente alla superficie di definizione del diametro esterno,· in cui gli elementi di taglio nella corona interna sono formati da un metallo duro ed inseriti con interferenza entro aperture nella fresa; in cui gli elementi di taglio nelle corone di tallone sono costituiti da denti di acciaio formati sulla fresa, in cui almeno porzioni di ciascuno dei denti di acciaio hanno una composizione resistente all'usura formata su di esse; una molteplicità di elementi raschiatori sporgenti dalla fresa generalmente in corrispondenza di un confine tra la superficie di definizione del diametro esterno e la corona di tallone; e una molteplicità di inserti di definizione del diametro esterno di metallo duro inseriti entro aperture nella superficie di definizione del diametro esterno .
14. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo secondo la rivendicazione 13, in cui gli elementi raschiatori sono formati da una composizione di riporto duro di particelle di carburo disperse in una matrice metallica depositata sulla fresa, in cui ciascuno degli elementi raschiatori è posizionato tra, e all'esterno di due dei denti di acciaio.
15. Punta da perforazione per la trivellazione del suolo secondo la rivendicazione 13, in cui gli elementi raschiatori sono di metallo duro ed inseriti con interferenza entro aperture.