MX2011006123A - Metodos para formar cuerpos para herramientas de perforacion terrestre que comprenden tecnicas de moldeo y sinterizacion y cuerpo para herramientas de perforacion terrestre formadas utilizando tales metodos. - Google Patents

Abstract

Métodos para fabricar cuerpos de herramientas de perforación terrestre, incluyen inyectar de manera mecánica una mezcla de polvo en una cavidad de molde, presurizar la mezcla de polvo dentro de la cavidad de molde para formar un cuerpo sin procesar, y sinterizar el cuerpo sin procesar en una densidad final deseada para formar por lo menos una porción de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre. Por ejemplo, un cuerpo de barrena sin procesar puede moldearse por inyección, y el cuerpo de barrena sin procesar puede sinterizarse para formar por lo menos una porción de un cuerpo de barrena de una barrena de perforación rotativa de perforación terrestre. Estructuras intermedias formadas durante la fabricación de una herramienta de perforación terrestre, incluyen cuerpos sin procesar que tienen una pluralidad de partículas duras, una pluralidad de partículas de matriz que comprenden un material de matriz de metal, y un material orgánico que incluye un derivado de ácido graso de cadena larga. También se describen estructuras formadas utilizando los métodos de fabricación.

Description

MÉTODOS PARA FORMAR CUERPOS PARA HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN TERRESTRE QUE COMPRENDEN TÉCNICAS DE MOLDEO Y SINTER ZACIÓN Y CUERPO PARA HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN TERRESTRE FORMADAS UTILIZANDO TALES MÉTODOS DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Modalidades de la presente invención se refieren generalmente a métodos para formar cuerpos de herramientas para su uso en formar sondeos en yacimientos terrestres subterráneos, y estructuras formadas por tales métodos.

Los sondeos se forman en yacimientos terrestres subterráneos para muchos propósitos que incluyen, por ejemplo, extracción de petróleo y gas y extracción de energía geotérmica. Muchas herramientas se utilizan en la formación y finalización de sondeos en yacimientos terrestres subterráneos. Por ejemplo, las barrenas de perforación terrestre tales como barrenas de perforación rotativas, incluyen, por ejemplo, las barrenas de perforación denominadas "cortadoras fijas", barrenas de perforación de "cono de rodillos", y barrenas de perforación de "diamante impregnado" con frecuencia se utilizan para perforar un sondeo en un yacimiento terrestre. Las barrenas de extracción de muestras o de núcleo de sondeo, barrenas excéntricas, y barrenas de doble centro son tipos adicionales de barrenas de perforación rotativas que pueden utilizarse en la formación y finalización de sondeos. Otras herramientas de perforación terrestre pueden utilizarse para agrandar el diámetro de un sondeo previamente perforado con una barrena de perforación. Tales herramientas incluyen, por ejemplo, los denominados "escariadores" e "infra-escariadores" . Otras herramientas pueden utilizarse en la finalización de sondeos que incluye, por ejemplo, herramientas fresadoras o "fresadoras", que pueden utilizarse para formar una abertura en una sección de tubería de revestimiento o revestida que se ha proporcionado dentro de un sondeo previamente perforado. Como se utiliza en la presente, el término "herramientas de perforación terrestre" significa e incluye cualquier herramienta que puede utilizarse en la formación y finalización de un sondeo en un yacimiento terrestre, que incluye aquellas herramientas mencionadas en lo anterior.

Las herramientas de perforación terrestre se someten a fuerzas extremas durante su uso. Por ejemplo, las barrenas de perforación rotativas de perforación terrestre pueden someterse a altas fuerzas longitudinales (la denominada "peso sobre la barrena" (WOB) ) , así como a altas fuerzas de torsión. Los materiales de los cuales se fabrican las herramientas de perforación terrestre deben ser capaces de soportar tales fuerzas mecánicas. Además, las barrenas de perforación rotativas de perforación terrestre pueden someterse a abrasión y erosión durante su uso. El término "abrasión" se refiere a un mecanismo de desgaste de tres cuerpos que incluye dos superficies de materiales sólidos que se deslizan más allá uno del otro con material de partículas sólidas entre los mismos, tal como puede presentarse cuando una superficie de una barrena de perforación se desliza más allá de una superficie adyacente de un yacimiento terrestre con detritos o material de partículas entre los mismos durante una operación de perforación. El término "erosión" se refiere a un mecanismo de desgaste de dos cuerpos que se presenta cuando el material de partículas sólidas, un fluido, o un fluido que lleva material de partículas sólidas choca sobre una superficie sólida, tal como puede presentarse cuando el fluido de perforación se bombea a través y alrededor de una barrena de perforación durante una operación de perforación. Los materiales de los cuales se fabrican las barrenas de perforación terrestre también deben ser capaces de soportar las condiciones abrasivas y de erosión experimentadas dentro del sondeo durante una operación de perforación .

Los requerimientos de material para las herramientas de perforación terrestre son relativamente demandantes. Muchas herramientas de perforación terrestre se fabrican a partir de materiales compuestos que incluyen una fase dura discontinua que se dispersa a través de una fase de matriz continua. La fase dura puede formarse utilizando partículas duras, y, como resultado, los materiales de composición con frecuencia se denominan como "materiales compuestos de matriz de partículas" . La fase dura de tales materiales compuestos puede comprender, por ejemplo, diamante, carburo de boro, nitruro de boro, nitruro de aluminio, nitruro de silicio, y carburos o boruros de W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Zr, Si, Ta y Cr. El material de matriz de tales materiales compuestos puede comprender, por ejemplo, aleaciones de cobre, aleaciones de hierro, aleaciones de níquel, aleaciones de cobalto, aleaciones de titanio y aleaciones de aluminio. Como se utiliza en la presente, el término "aleación de [metal]" (donde [metal] es un metal) significa [metal] comercialmente puro además de las aleaciones de metal en donde el porcentaje en peso del [metal] en la aleación es mayor que o igual al porcentaje en peso de todos los otros componentes de la aleación individualmente .

Los cuerpos de las herramientas de perforación terrestre pueden ser estructuras relativamente grandes que pueden tener requerimientos de tolerancia dimensional relativamente ajustados. Como resultado, los métodos utilizados para fabricar tales cuerpos de herramientas de perforación terrestre deben ser capaces de producir estructuras relativamente grandes que cumplan con los requerimientos de tolerancia dimensional relativamente ajustados. Ya que los materiales de los cuales pueden fabricarse las herramientas de perforación terrestre deben ser resistentes a abrasión y erosión, los materiales no pueden maquinarse fácilmente utilizando técnicas de torneado, rectificación y perforación convencionales. Por lo tanto, el número de técnicas de fabricación que pueden utilizarse para fabricar con éxito tales cuerpos de herramientas de perforación terrestre se limita. Además, puede ser difícil o imposible formar un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre de ciertos materiales compuestos utilizando ciertas técnicas. Por ejemplo, puede ser difícil fabricar cuerpos de barrenas para barrenas de perforación rotativas de perforación terrestre que comprenden ciertas composiciones de materiales compuestos de matriz de partículas utilizando técnicas de fabricación de infiltración convencionales, en las cuales un lecho de partículas duras se infiltra con material de matriz fundida, la cual se deja subsecuentemente enfriar y solidificar.

Como un resultado de estas y otras limitaciones de materiales y limitaciones técnicas de fabricación, las herramientas de perforación terrestre pueden fabricarse utilizando materiales menos que óptimos o pueden fabricarse utilizando técnicas que no son económicamente factibles para producción a gran escala.

En vista de lo anterior, existe la necesidad en el arte para nuevas técnicas de fabricación que pueden utilizarse para fabricar herramientas de perforación terrestre dentro de tolerancias dimensionales deseables, y que también pueden utilizarse para fabricar herramientas de perforación terrestre que comprenden materiales que muestren resistencia al desgaste y resistencia a la erosión relativamente elevadas .

En algunas modalidades, la presente invención incluye métodos para fabricar cuerpos de herramientas de perforación terrestre en los cuales una mezcla de polvo se inyecta mecánicamente en una cavidad de molde para formar un cuerpo sin procesar, y el cuerpo sin procesar se sinteriza para formar por lo menos una porción de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre. La mezcla de polvo puede formarse al mezclar partículas duras, partículas de matriz que comprenden un material de matriz de metal, y un material orgánico. Conforme la mezcla de polvo se inyecta en la cavidad de molde, puede aplicarse presión a la mezcla de polvo para formar un cuerpo sin procesar, el cual puede sinterizarse para formar por lo menos una porción de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre. Como se utiliza en la presente el término "cuerpo" es inclusivo y no exclusivo, y contempla varios componentes de herramientas de perforación terrestre diferentes a, y además de, a, un "cuerpo" de herramienta per se.

En modalidades adicionales de la presente invención, los cuerpos de barrenas de perforación rotativas de perforación terrestre se fabrican por moldeo por inyección de un cuerpo de barrena sin procesar que comprende una pluralidad de partículas duras, una pluralidad de partículas de matriz que comprende un material de matriz de metal, y un material orgánico, y los cuerpos de barrena sin procesar se sinterizan para formar por lo menos un cuerpo de barrena sustancial y completamente denso de una barrena de perforación rotativa de perforación terrestre.

Modalidades adicionales de la presente invención incluyen estructuras formadas a través de tales métodos. Por ejemplo, modalidades de la presente invención también incluyen estructuras intermedias formadas durante la fabricación de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre. Las estructuras intermedias comprenden un cuerpo sin procesar que tiene una forma que corresponde con un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre. El cuerpo sin procesar incluye una pluralidad de partículas duras, una pluralidad de partículas de matriz que comprenden un material de matriz de metal, y un material orgánico que incluye un derivado de ácido graso de cadena larga.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Aunque la especificación concluye con las reivindicaciones que señalan particularmente y reclaman de manera distinta lo que se interpreta como la presente invención, las ventajas de esta invención pueden asegurarse más fácilmente a partir de la descripción de la invención cuando se lea junto con los dibujos anexos, en los cuales: La FIGURA 1 es una vista en perspectiva de una modalidad de una barrena de perforación rotativa de perforación terrestre que incluye un cuerpo de barrena que puede formarse de acuerdo con modalidades de los métodos de la presente invención; la FIGURA 2 es una ilustración esquemática utilizada para describir modalidades de los métodos de la presente invención en los cuales se utiliza un proceso de moldeo por inyección para formar un cuerpo sin procesar que puede sinterizarse para formar un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre; la FIGURA 3 es una ilustración esquemática utilizada para describir modalidades de los métodos de la presente invención en los cuales se utiliza un proceso de moldeo por transferencia para formar un cuerpo sin procesar que puede sinterizarse para formar un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre; la FIGURA 4 es una ilustración simplificada de un cuerpo sin procesar de una herramienta de perforación terrestre que puede formarse utilizando modalidades de los métodos de la presente invención; la FIGURA 5 es una ilustración simplificada de un cuerpo pavonado de una herramienta de perforación terrestre que puede formarse al sinterizar parcialmente el cuerpo sin procesar mostrado en la FIGURA 4; y la FIGURA 6 es una ilustración simplificada de otro cuerpo pavonado de una herramienta de perforación terrestre que puede formarse al maquinar el cuerpo pavonado mostrado en la FIGURA 5.

Las ilustraciones presentadas aquí no se pretenden para ser vistas reales de cualquier material particular, aparato, sistema, o método, sino son representaciones meramente idealizadas que se emplean para describir la presente invención. Adicionalmente, elementos comunes entre figuras pueden retener la misma designación numérica.

Las modalidades de la presente invención incluyen métodos para formar un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre tal como, por ejemplo, un cuerpo de barrena de una barrena de perforación rotativa de perforación terrestre. La FIGURA 1 es una vista en perspectiva de una barrena 10 de perforación rotativa de perforación terrestre que incluye un cuerpo 12 de barrena que puede formarse utilizando modalidades de métodos de la presente invención. El cuerpo 12 de barrena puede asegurarse a un fuste 14 que tiene una porción 16 de conexión roscada (por ejemplo, una porción de conexión roscada del Instituto Americano del Petróleo (API) para conectar la barrena 10 de perforación a una sarta de perforación (no mostrada) . En algunas modalidades, tal como aquella mostrada en la FIGURA 1, el cuerpo 12 de barrena puede asegurarse al fuste 14 utilizando una extensión 18. En otras modalidades, el cuerpo 12 de barrena puede asegurarse directamente al fuste.14. Métodos y estructuras que pueden utilizarse para asegurar el cuerpo 12 de barrena al fuste 14 se describen en, por ejemplo, en la Solicitud de Patente Estadounidense pendiente No. de Serie 11/271,153, presentada el 10 de noviembre de 2005, y la Solicitud de Patente Estadounidense pendiente No. de Serie 11/272,439 también presentada el 10 de noviembre de .2005, de las cuales ambas se asignan al cesionario de la presente invención .

El cuerpo 12 de barrena puede incluir pasajes de fluido internos (no mostrados) que se extienden entre la cara 13 del cuerpo 12 de barrena y un diámetro interior longitudinal (no mostrado) , el cual se extiende a través del fuste 14, la extensión 18 y parcialmente a través del cuerpo 12 de barrena. También pueden proporcionarse inserciones 24 de tobera en la cara 13 del cuerpo 12 de barrena dentro de los pasajes de fluido internos. El cuerpo 12 de barrena además puede incluir una pluralidad de cuchillas 26 que se separan por ranuras 28 para desperdicios. En algunas modalidades, el cuerpo 12 de barrena puede incluir obturadores 32 de desgaste de calibre y nodulos 38 de desgaste. Una pluralidad de elementos 20 de corte (que pueden incluir, por ejemplo, elementos de corte de PDC) puede montarse en la cara 13 del cuerpo 12 de barrena en cavidades 22 para elementos de corte que se ubican a lo largo de cada una de las cuchillas 26. El cuerpo 12 de barrena de la barrena 10 de perforación rotativa de perforación terrestre mostrado en la FIGURA 1 puede comprender un material compuesto de matriz de partículas que incluye partículas duras (una fase discontinua) dispersadas dentro de un material de matriz metálica (una fase continua) .

Ampliamente, los métodos comprenden inyectar una mezcla de polvo en una cavidad dentro de un molde para formar un cuerpo sin procesar, y el cuerpo sin procesar entonces puede sinterizarse en una densidad final deseada para formar un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre. Tales procesos con frecuencia se denominan en la técnica como procesos de moldeo por inyección de metal ( IM) o moldeo por inyección de polvo (PIM) . La mezcla de polvo puede inyectarse de manera mecánica en la cavidad de molde utilizado, por ejemplo, un proceso de moldeo por inyección o un proceso de moldeo por transferencia. Para formar una mezcla de polvo para su uso en modalidades de métodos de la presente invención, una pluralidad de partículas duras puede mezclarse con una pluralidad de partículas de matriz que comprenden un material de matriz de metal. Un material orgánico también puede incluirse en la mezcla de polvo. El material orgánico puede comprender un material que actúa como lubricante para auxiliar en la compactacion de partículas durante un proceso de moldeo .

Las partículas duras de la mezcla de polvo pueden comprender diamante, o pueden comprender materiales cerámicos tales como carburos, nitruros, óxidos, y boruros (incluyendo carburo de boro (B4C) ) . De manera más específica, las partículas duras pueden comprender carburos y boruros formados de elementos tales como W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Ta, Cr, Zr, Al, y Si. A manera de ejemplo y no de limitación, materiales que pueden utilizarse para formar partículas duras incluyen carburo de tungsteno, carburo de titanio (TiC) , carburo de tántalo (TaC) , diboro de titanio (TiB2) , carburo de cromo, nitruro de titanio (TiN) , óxido de aluminio (A1203) , nitruro de aluminio (AIN) , nitruro de boro (BN) , nitruro de silicio (SÍ3N4) , y carburo de silicio (SiC) . Además, combinaciones de diferentes partículas duras pueden utilizarse para adaptar las propiedades físicas y características del material compuesto de matriz de partículas. Las partículas duras pueden formarse utilizando técnicas conocidas por aquellos de experiencia ordinaria en la técnica. Muchos materiales adecuados para partículas duras se encuentran comercialmente disponibles y la formación del resto se encuentra dentro de la capacidad de alguien con experiencia ordinaria en la técnica.

Las partículas de matriz de la mezcla de polvo pueden comprender, por ejemplo, aleaciones de cobalto, de hierro, de níquel, de aluminio, de cobre, de magnesio y de titanio. El material de matriz también puede seleccionarse de elementos comercialmente puros tal como cobalto, aluminio, cobre, magnesio, titanio, hierro y níquel. A manera de ejemplo y no de limitación, el material de matriz puede incluir acero al carbono, acero de aleación, acero inoxidable, acero para herramientas, acero de manganeso de Hadfield, níquel o material de súper aleación de cobalto, y aleaciones de hierro o níquel de baja expansión térmica tales como INVAR®. Como se utiliza en la presente, el término "súper aleación" se refiere a aleaciones, hierro, níquel y cobalto que tienen por lo menos 12% de cromo en peso. Las aleaciones ejemplares adicionales que pueden utilizarse como material de matriz incluyen aceros austeníticos , súper aleaciones de níquel tales como INCONEL® 625 M o Rene 95, y aleaciones tipo INVAR® que tienen un coeficiente de expansión térmica que concuerda estrechamente las partículas duras utilizadas en el material compuesto de matriz de partículas particular. La correlación más estrecha del coeficiente de expansión térmica del material de matriz con aquella de las partículas duras, ofrece ventajas tales como reducción de problemas asociados, contenciones residuales y fatiga térmica. Otro ejemplo de un material de matriz es un acero de manganeso austenítico Hadfield (Fe con aproximadamente 12% de Mn en peso y 1.1% C en peso) .

En algunas modalidades de la presente invención, las partículas duras y las partículas de matriz de la mezcla de polvo pueden tener una distribución de tamaño de partículas multi-modal. Por ejemplo, la mezcla de polvo puede comprenderse de un primer grupo de partículas que tienen un primer tamaño de partículas promedio, un segundo grupo de partículas que tienen un segundo tamaño de partículas promedio aproximadamente siete veces mayor que el primer tamaño de partículas promedio, y un tercer grupo de partículas que tienen un tamaño de partículas promedio aproximadamente treinta y cinco mayor que el primer tamaño de partículas promedio. Cada grupo puede comprender ambos partículas duras y partículas de matriz, o uno o más de los grupos pueden comprenderse por lo menos sustancialmente de partículas duras o partículas de matriz. Al formar la mezcla de polvo para tener una distribución de tamaño de partículas multi-modal, puede ser posible incrementar la densidad de compactación de la mezcla de polvo dentro de un molde.

Adicionalmente, en algunas modalidades de la presente invención, las partículas duras y las partículas de matriz pueden ser por lo menos generalmente esféricas. Por ejemplo, las partículas duras y las partículas de matriz de la mezcla de polvo pueden tener una forma generalmente esférica que tiene una esfericidad promedio (?) de 0.6 o más en donde la esfericidad (¥) se define por la ecuación: en la cual Dc es el circulo más pequeño capaz de circunscribir una sección transversal de la partícula que se extiende a través de o cerca del centro de la partícula, y Di es el círculo más grande que puede señalarse en una sección transversal de la partícula que se extiende a través de o cerca del centro de la partícula. En modalidades adicionales, las partículas duras y las partículas de matriz de la mezcla de polvo pueden tener por lo menos una forma sustancialmente esférica y pueden tener una esfericidad promedio (¥) de 0.9 o mayor. Incrementar la esfericidad de las partículas en la mezcla de polvo puede reducir la fricción entre partículas conforme la mezcla de polvo se inyecta de manera mecánica en un molde bajo presión, que puede permitir a la densidad de compactación de la mezcla de polvo dentro del molde incrementarse. Además, una reducción de la fricción entre partículas también puede permitir la obtención de una densidad de compactación relativamente más uniforme de la mezcla de polvo dentro del molde.

El material orgánico de la mezcla de polvo puede comprender uno o más aglutinantes para proporcionar lubricación durante el prensado y para proporcionar resistencia estructural al componente de polvo prensado, uno o más plastificantes para hacer el aglutinante más flexible y uno o más lubricantes o auxiliares de compactación para reducir la fricción entre partículas. Las partículas duras y las partículas de matriz de la mezcla de polvo pueden revestirse con el material orgánico antes de utilizar la mezcla de polvo en un proceso de moldeo como se describe en la presente a continuación. El material orgánico puede comprender menos de aproximadamente 5% en peso de la mezcla de polvo.

El material orgánico en la mezcla 100 de polvo también puede comprender uno o más de un material polimérico termoplástico (tal como, por ejemplo, polietileno, poliestireno, polibutileno, polisulfona, nylon, o acrílico) , un material polimérico termoestablecido (tal como, por ejemplo, epoxi, polifenileno, o fenol formaldehído) , una cera que tiene una temperatura de volatilización relativamente más alta (tal como, por ejemplo, cera de parafina) un derivado de ácido graso de cadena larga, y un aceite que tiene una temperatura de volatilización relativamente inferior (tal como, por ejemplo, aceite de animal, vegetal o mineral). A manera de ejemplo y no de limitación, el material orgánico puede comprender, por ejemplo, una alquilenpoliamina como se describe en la Patente Estadounidense No. 5,527,624 para Higgins et al. Tales alquilenpoliaminas incluyen metilenpoliaminas , etilenpoliaminas , butilenpoliaminas , propilenpoliaminas , pentilenpoliaminas , etc. También se incluyen homólogos más altos y aminas heterocíclicas relacionadas tales como piperazinas y piperazinas de N-aminoalquilo sustituidas. Ejemplos específicos de tales poliaminas son etilendiamina, trietilentetramina, tris- (2-aminoetil ) amina, trimetilendiamina, tripropilentetramina, tetraetilenpentamina, hexaetilenheptamina, pentaetilenhexamina, etc.

Una modalidad de un método de acuerdo con la presente invención en la cual un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre de fábrica utilizando un proceso de moldeo por inyección se describe a continuación con referencia a la FIGURA 2. Una mezcla 100 de polvo como se describe en lo anterior puede inyectarse de manera mecánica en un molde 102 utilizando un proceso de moldeo por inyección para formar un cuerpo de barrena sin procesar, tal como el cuerpo 300 de barrena sin procesar mostrado en la Figura 4 y descrito en detalle adicional a continuación en la presente. Como se muestra en la FIGURA 2, la mezcla 100 de polvo puede proporcionarse dentro de una tolva 104. La mezcla 100 de polvo puede pasar desde la tolva 104 hacia un tambor 106 a través de una abertura en una pared exterior del tambor 106. Un tornillo 112 dispuesto dentro del tambor 106 puede trasladarse longitudinalmente dentro del tambor 106 y también puede hacerse girar dentro del tambor 106 utilizando un motor 130 tal como por ejemplo eléctrico, un motor hidráulico, un motor neumático, etc.

Durante un proceso de moldeo, un extremo 118 delantero del tambor 106 puede empalmarse contra una superficie del molde 102 de manera que una abertura 116 de tobera en el extremo 118 delantero del tambor 106 se comunica con una abertura en una pared exterior del molde 102. La abertura en la pared exterior del molde 102 lleva una cavidad 126 de molde del molde dentro del molde 102 que tiene una forma que corresponde con la forma de por lo menos una porción de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre para fabricarse utilizando el proceso de moldeo. El tornillo 112, el cual puede ser inicialmente una porción de una posición longitudinalmente hacia adelante dentro del tambor 106, puede hacerse girar dentro del tambor 106, lo cual provoca que las roscas 114 en el tornillo 112 obliguen a la mezcla 100 de polvo dentro del tambor 106 a pasar en una dirección longitudinalmente hacia adelante en el mismo (hacia el molde 102) , lo cual también provoca que el tornillo 112 se deslice en una dirección hacia atrás (lejos del molde 102) dentro del tambor 106. Después de que se ha movido una cantidad seleccionada del material 100 de polvo hacia la parte frontal del tornillo 112 dentro del tambor 106, la rotación del tornillo 112 puede detenerse y el tornillo 112 puede verse obligado a ir en la dirección longitudinalmente hacia adelante dentro del tambor 106, lo cual provocará que la mezcla 100 de polvo en la parte frontal del tornillo 112 dentro del tambor 106 pase a través de la abertura 116 de tobera en el extremo 118 delantero del tambor 106, a través de la abertura en la pared exterior del molde 102, y hacia la cavidad 126 de molde de molde. Cuando el tornillo 112 continúa deslizándose en la dirección delantera dentro del tambor 106, la cavidad 126 de molde de molde se llenará con la mezcla 100 de polvo.

Conforme la cavidad 126 de molde se llena completamente con partículas relativa y flojamente compactadas de la mezcla 100 de polvo, el movimiento hacia adelante adicional de tornillo 112 provocará que la presión dentro de la cavidad 126 de molde se eleve conforme a las partículas adicionales de la mezcla 100 de polvo se ven obligadas a pasar a la cavidad 126 de molde. La presión incrementada dentro de la cavidad 126 de molde puede provocar que las partículas de la mezcla 100 de polvo se compacten adicionalmente hasta que se logra una densidad deseada de la mezcla 100 de polvo dentro de la cavidad 126 de molde. A manera de ejemplo y no de limitación, el tornillo 112 puede trasladarse en la dirección hacia adelante dentro del tambor 106 hasta que una presión de entre aproximadamente 10 libras ' por pulgada cuadrada (aproximadamente 0.07 megapascales ) y aproximadamente 100 libras por pulgada cuadrada (0.7 megapascales ) se aplica a la mezcla 100 de polvo dentro de la cavidad 126 de molde.

En modalidades adicionales, la cavidad 126 de molde puede colocarse bajo vacío, y una cantidad medida de la mezcla 100 de polvo puede dejarse extraer hacia la cavidad 126 de molde por el vacío en la misma. Tal proceso puede reducir la presencia de espacios vacíos y otros defectos dentro del cuerpo 300 de barrena sin procesar con la finalización del proceso de moldeo. En tales modalidades, la cantidad medida de la mezcla 100 de polvo puede calentarse a una temperatura elevada para fundir y/o reducir una viscosidad de cualquier material orgánico en la misma antes de permitir que la mezcla 100 de polvo se extraiga a la cavidad 126 de molde por el vacío.

El molde 102 puede comprender dos o más componentes separables tales como por ejemplo, una primera mitad 102A de molde y una segunda mitad 102B de molde, como se muestra en la FIGURA 2. Después del ciclo de moldeo, dos o más componentes separables pueden separase para facilitar la remoción del cuerpo 300 de barrena (FIGURA 4) del molde 102.

En modalidades adicionales, el molde 102 puede comprender un material soluble en agua, tal como, por ejemplo, alcohol polivinílico (PVA) o polietilenglicol . En tales modalidades, el cuerpo 300 de barrena sin procesar (FIGURA 4) puede removerse del molde 102 al disolver el molde 102 en agua u otro solvente polar. Ya que el cuerpo 300 de barrena sin procesar puede ser hidrofobico, de manera que el cuerpo 300 de barrena sin procesar no se disolverá cuando el molde 102 se disuelva del cuerpo 300 de barrena sin procesar. En tales modalidades, el molde 102 puede comprender una estructura monolítica sencilla, la cual puede formarse utilizando por ejemplo, un proceso de fundición en coquilla o un proceso de moldeo (por ejemplo, un proceso de moldeo por inyección) o el moldeo 102 puede comprender dos o más componentes separables .

El molde 102 además puede comprender inserciones utilizadas para definir cavidades internas o pasajes (por ejemplo, pasajes de fluido), como se conoce en la técnica.

Una modalidad de un método de acuerdo con la presente invención en la cual un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre se fabrica utilizando un proceso de moldeo por transferencia se describe en lo siguiente con referencia en la FIGURA 3. Una mezcla 100 de polvo como se describe en lo anterior, puede inyectarse de manera mecánica en un molde 202 utilizando un proceso de moldeo por transferencia para formar un cuerpo de barrena sin procesar, tal como el cuerpo 300 de barrena sin procesar mostrado en la FIGURA 4 y descrito en detalle adicional a continuación en lo siguiente. Como se muestra en la FIGURA 3, una cantidad predeterminada de una mezcla 100 de polvo como se describe en lo anterior puede proporcionarse dentro de una cubeta 206. Un pistón 212 puede empujarse a través de la cubeta 206 para obligar a la mezcla 100 de polvo a pasar hacia el molde 202. El pistón 212 puede verse obligado a pasar a través de la cubeta 206 utilizando, por ejemplo, activación mecánica, presión hidráulica o presión neumática.

Durante un proceso de moldeo, la cubeta 206 puede empalmarse contra una superficie del molde 202 de manera que una abertura 216 en la cubeta 206 se comunica con una abertura 222 en el molde 202. La abertura 222 en el molde 202 lleva una cavidad 226 de molde dentro del molde 202 que tiene una forma que corresponde con la forma de por lo menos una porción de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre para fabricarse un proceso de moldeo. El pistón 212 puede verse obligado a pasar a través de la cubeta 206, lo cual obliga que la cantidad predeterminada de la mezcla 100 de polvo pase dentro de la cubeta 206 pasa a través de la abertura 216 en la cubeta 206, a través de la abertura 222 en el molde 202, y hacia la cavidad 226 de molde. Conforme el pistón 212 continúa trasladándose a través de la cubeta 206, la cavidad 226 de molde se llenará con la mezcla 100 de polvo. Cuando la cavidad 226 de molde se llena completamente con partículas relativa y flojamente compactadas de la mezcla 100 de polvo, la traslación adicional del pistón 212 provocará que la presión dentro de la cavidad 226 de molde se eleve conforme partículas adicionales de la mezcla 100 de polvo se ven obligadas a pasar hacia la cavidad 226 de molde. La presión incrementada dentro de la cavidad 226 de molde puede provocar que las partículas de la mezcla 100 de polvo se compacten adicionalmente hasta que se logra una densidad de compactacion deseada de la mezcla 100 de polvo dentro de la cavidad 226 de molde. A manera de ejemplo, y no de limitación, el pistón 212 puede verse obligado a pasar longitudinalmente dentro de la cubeta 206 para lograr las presiones de compactacion y las densidades de compactacion (en la cavidad 226 de molde) que se descubrieron previamente con respecto a los métodos de moldeo por inyección con referencia a la FIGURA 2.

El molde 202 puede comprender dos o más componentes separables, tales como por ejemplo, una primera mitad 202A de molde y una segunda mitad 202B de molde, como se muestra en la FIGURA 3. Después del ciclo de moldeo, dos o más componentes separables pueden separarse para facilitar la remoción del cuerpo 300 de barrena sin procesar (FIGURA 4) del molde 202.

Como se conoce en la técnica, el molde 202 puede comprender una o más ventilaciones que llevan desde la cavidad 226 de molde hasta el exterior del molde 202 para permitir que el aire inicialmente dentro de la cavidad 226 de molde escape de la cavidad 226 de molde conforme la cavidad 226 de molde se llena con la mezcla 100 de polvo durante un ciclo de moldeo. A manera de ejemplo y no de limitación, tales ventilaciones pueden proporcionarse al formar una o más muescas en una o ambas de las superficies de empalme opuesta de una primera mitad 202A de molde y una segunda mitad 202B de molde, de manera que, cuando la primera mitad 202A de molde y la segunda mitad 202B de molde se ensamblen juntas durante un ciclo de moldeo, el aire puede viajar fuera de la cavidad 226 de molde a través de una o más muescas a lo largo de la interconexión en la primera mitad 202A de molde y la segunda mitad 202B de molde.

La FIGURA 4 ilustra un cuerpo 300 de barrena sin procesar que puede fabricarse utilizando técnicas de moldeo (por ejemplo, técnicas de moldeo por inyección y técnicas de moldeo por transferencia) , tales como aquellas previamente descritas con referencia a las FIGURAS 2 y 3. Como se muestra en la FIGURA 4, el cuerpo 300 de barrena sin procesar es un cuerpo no sinterizado formado a partir y que comprende la mezcla 100 de polvo. El cuerpo 300 de barrena sin procesar tiene una forma exterior que corresponde con aquella del cuerpo de la herramienta de perforación terrestre que se fabricará. Por. ejemplo, el cuerpo 300 de barrena sin procesar puede comprender una pluralidad de cuchillas y ranuras para desperdicios (similares a las cuchillas 26 y ranuras 28 para desperdicios mostradas en la FIGURA 1) , y pueden comprender un pasaje de fluido interno o recinto 301.

Sin embargo, se entiende que el cuerpo 300 de barrena sin procesar puede no tener una forma exterior idéntica a aquella del cuerpo de la herramienta de perforación terrestre que se fabricará, y el cuerpo 300 de barrena sin procesar puede modificarse al agregar o remover parte de la mezcla 100 de polvo del cuerpo 300 de barrena sin procesar. Por ejemplo, algunas características pueden formarse en el cuerpo 300 de barrena sin procesar al maquinar el cuerpo 300 de barrena sin procesar después del proceso de moldeo. Si la mezcla 100 de polvo utilizada en un ciclo de moldeo tiene una textura tipo pasta, material adicional de la mezcla 100 de polvo puede aplicarse manualmente a superficies del cuerpo 300 de barrena sin procesar utilizando herramientas de mano si es necesario o deseable obtener una geometría predefinida para las diversas superficies del cuerpo 300 de barrena sin procesar. Si la mezcla 100 de polvo utilizada en un ciclo de moldeo no tiene una textura tipo pasta, materiales orgánicos tales como aquellos previamente descritos en la presente pueden aplicarse a una porción de la mezcla 100 de polvo para provocar que esa porción tenga una textura tipo pasta, y la porción entonces pueda aplicarse a superficies del cuerpo 300 de barrena como se menciona previamente.

Después de moldear el cuerpo 300 de barrena sin procesar, el cuerpo 300 de barrena sin procesar opcionalmente puede someterse a un proceso de prensado para incrementar la densidad del cuerpo 300 de barrena sin procesar, lo cual puede reducir o minimizar el grado al cual el cuerpo 300 de barrena sin procesar encoge con la sinterización, como se describe a continuación en la presente. A manera de ejemplo y no de limitación, el cuerpo 300 de barrena sin procesar puede someterse por lo menos a una presión sustancialmente isostática en un proceso de prensado isostático. A manera de ejemplo y no de limitación, el cuerpo 300 de barrena sin procesar puede colocarse en un saco deformable hermético al fluido. En otras modalidades, todas las superficies expuestas del cuerpo 300 de barrena sin procesar pueden revestirse con un revestimiento impermeable al fluido deformable que comprende por ejemplo, un material polimérico termoplástico o un material polimérico termo-establecido. El cuerpo 300 de barrena sin procesar (dentro del saco deformable o revestimiento) entonces puede sumergirse dentro de un fluido en un recipiente de presión, y la presión del fluido puede incrementarse dentro del recipiente de presión para aplicar por lo menos la presión sustancialmente isostática al cuerpo 300 de barrena sin procesar en el mismo. La presión dentro del recipiente de presión durante el procesamiento isostático del cuerpo 300 de barrena sin procesar puede ser mayor que aproximadamente 35 megapascales (aproximadamente 5,000 libras por pulgada cuadrada) . Más particularmente, la presión dentro del recipiente de presión durante la presión isostática del cuerpo de barrena sin procesar puede ser mayor que aproximadamente 138 megapascales (20,000 libras por pulgada cuadrada) .

Aunque puede ser preferible moldear el cuerpo 300 de barrena sin procesar, de manera que el cuerpo 300 de barrena sin procesar no requiera maquinado adicional antes de la sinterización, en algunas modalidades, puede no ser viable o práctico moldear el cuerpo 300 de barrena sin procesar en una forma final deseada antes de la sinterización. Opcionalmente, ciertas características estructurales pueden maquinarse en el cuerpo 300 de barrena sin procesar utilizando técnicas de maquinado convencionales que incluyen, por ejemplo, técnicas de torneado, técnicas de rectificación y técnicas de perforación. Las herramientas de mano también pueden utilizarse para formar manualmente o conformar características en o sobre el cuerpo 300 de barrena sin procesar. A manera de ejemplo y no de limitación, cavidades para fresas pueden maquinarse o de otra manera formarse en el cuerpo 300 de barrena sin procesar después del proceso de moldeo.

El cuerpo 300 de barrena sin procesar moldeado también puede sinterizarse por lo menos parcialmente para proporcionar un cuerpo 302 de barrena de barrena pavonado mostrado en la FIGURA 5, el cual tiene menos de una densidad final deseada. El cuerpo 302 de barrena de barrena pavonado puede comprender un material 303 compuesto de matriz de partículas poroso (menos que completamente denso) formado al sinterizar parcialmente la mezcla 100 de polvo del cuerpo 300 de barrena sin procesar (FIGURA 4) . Antes de sinterizar parcialmente el cuerpo 300 de barrena sin procesar, el cuerpo 300 de barrena sin procesar puede someterse a temperaturas moderadamente elevadas y presiones para quemar o remover cualesquier aditivos fugitivos que se incluyeron en la mezcla 100 de polvo, como se describe previamente. Además, el cuerpo 300 de barrena sin procesar puede someterse a una atmósfera adecuada diseñada para auxiliar en la remoción de tales aditivos. Tales atmósferas pueden incluir, por ejemplo, gas hidrógeno a temperaturas de aproximadamente 500SC.

Puede ser práctico maquinar el cuerpo 302 de barrena pavonado debido a la porosidad restante en el material 303 compuesto de matriz de partículas. Ciertas características estructurales pueden maquinarse en el cuerpo 302 de barrena pavonado utilizando técnicas de maquinado convencionales que incluye, por ejemplo, técnicas de torneado, técnicas de rectificación y técnicas de perforación. Las herramientas de mando también pueden utilizarse para formar manualmente o conformar características en o sobre el cuerpo 302 de barrena pavonado. Herramientas que incluyen revestimientos superduros o inserciones pueden utilizarse para facilitar el maquinado del cuerpo 302 de barrena pavonado. Adicionalmente, revestimientos de materiales pueden aplicarse a superficies del cuerpo 302 de barrena pavonado, que se maquinarán para reducir la formación de rebabas del cuerpo 302 de barrena pavonado. Tales revestimientos pueden incluir un material de polímero fijo u otro. A manera de ejemplo y no de limitación, las cavidades 304 para fresas pueden maquinarse o de otra manera formarse en el cuerpo 302 de barrena pavonado para formar el cuerpo 302' de barrena pavonado modificado mostrado en la FIGURA 6.

Después de realizar cualquier maquinado deseable, el cuerpo 302 de barrena pavonado (o el cuerpo 302' de barrena pavonado modificado) entonces puede sinterizarse completamente a una densidad final deseada para proporcionar el cuerpo de barrena de la barrena de perforación rotativa de perforación terrestre que se fabrican, tal como el cuerpo 12 de barrena de la barrena 10 de perforación mostrada en la FIGURA 1.

Ya que la sinterización implica densificación y remoción de porosidad dentro de una estructura, la estructura que se sinteriza se encogerá durante el proceso de sinterización. Una estructura puede experimentar encogimiento lineal de por lo menos 10% y 20% durante la sinterización de un estado sin procesar a una densidad final deseada.

Como resultado, el encogimiento dimensional debe considerarse y justificarse cuando se diseñan herramientas (moldes, nachos, etc.), o características de maquinado en estructuras que son menos que completamente sinterizadas .

El encogimiento dimensional de un cuerpo sin procesar o pavonado puede ser por lo menos parcialmente una función de la densidad del cuerpo sin procesar o pavonado antes de la sinterización del cuerpo sin procesar o pavonado a una densidad final deseada. El cuerpo sin procesar o pavonado que tiene una densidad relativamente mas baja (por ejemplo, mayor porosidad) puede mostrar una mayor cantidad de encogimiento con la sinterización con respecto a un cuerpo sin procesar o pavonado que tiene una densidad relativamente más alta (por ejemplo, menor porosidad) . Similarmente, las regiones dentro de un cuerpo sin procesar o pavonado que son relativamente menos densas pueden encogerse a un mayor grado que otras regiones dentro del cuerpo sin procesar o pavonado que son más densas con la sinterización del cuerpo sin procesar o pavonado a una densidad final deseada.

Por lo tanto, para lograr el encogimiento predecible y por lo menos sustancialmente uniforme de un cuerpo 300 de barrena sin procesar a un cuerpo 302 de barrena pavonado con la sinterización en una densidad final deseada, puede ser deseable lograr, a mayor grado posible, una densidad de compactacion por lo menos sustancialmente uniforme de la mezcla 100 de polvo en el cuerpo 300 de barrena sin procesar con el moldeo del cuerpo 300 de barrena sin procesar. Además, puede ser deseable incrementar o maximizar la señal de compactacion dentro del cuerpo 300 de barrena sin procesar para reducir o minimizar encogimiento del cuerpo 300 de barrena sin procesar que se presenta con la sinterización del cuerpo 300 de barrena sin procesar a una densidad final deseada para formar el cuerpo 300 de barrena sinterizado (FIGURA 1) .

En algunas modalidades de la presente invención, la densidad de compactacion por medio de la mezcla 100 de polvo dentro del cuerpo 300 de barrena sin procesar puede ser que aproximadamente (80%) en volumen. En otras palabras, el cuerpo 300 de barrena sin procesar puede tener una porosidad promedio de menos de (20%) en volumen.

Ya que los cuerpos de barrena de las barrenas de perforación rotativa de perforación terrestre (tal como el cuerpo 12 de barrena de la barrena 10 de perforación mostrada en la FIGURA 1) pueden ser relativamente largos y pueden tener geometrías de superficie relativamente complejas, puede ser de hecho difícil de lograr una densidad de compactacion uniforme de la mezcla 100 de polvo dentro de la cavidad de molde y por lo tanto, dentro del cuerpo 300 de barrena sin procesar con el moldeo del cuerpo 300 de barrena sin procesar de la mezcla 100 de polvo. Como resultado, durante los procesos de moldeo, el material orgánico de la mezcla 100 de polvo previamente descrito en la presente puede ser útil para reducir la fricción entre partículas conforme la mezcla 100 de polvo se inyecta de manera mecánica en una cavidad, y obtener por lo menos una densidad de compactación sustancialmente uniforme de la mezcla 100 de polvo dentro de la cavidad del molde, y por lo tanto dentro del cuerpo 300 de barrena sin procesar.

En algunas modalidades de la invención puede ser deseable, antes de un ciclo de moldeo, pre-compactar manualmente parte de la mezcla 100 de polvo en ciertas regiones dentro de la cavidad del molde que puedan ser difíciles de llenar completamente y de compactar durante un ciclo de moldeo. En otras palabras, si después de un ciclo de moldeo, la cavidad del molde no se llena completamente con la mezcla 100 de polvo (un fenómeno con frecuencia denominado en la técnica como "corto") puede ser deseable, para los procesos de moldeo subsiguientes, pre-compactar manualmente parte de la mezcla 100 de polvo en aquellas regiones de la cavidad de molde que puedan no llenarse completamente durante el ciclo de moldeo. Pre-compactar ciertas áreas de la cavidad de moldeo con la mezcla 100 de polvo puede facilitar el llenado completo de la cavidad 100 de molde con la mezcla de polvo y la obtención de una velocidad de compactación más uniforme durante el ciclo de moldeo.

Durante los procesos de sinterización completa y sinterización parcial, las estructuras refractarias o desplazamientos (no mostrados) pueden utilizarse para soportar por lo menos porciones del cuerpo de barrena durante el proceso de sinterización para mantener las formas y dimensiones deseadas durante el proceso de densificación. Tales desplazamientos pueden utilizarse por ejemplo, para mantener la consistencia en el tamaño y geometría de las cavidades para fresas y los pasajes de fluido interno durante el proceso de sinterización. Tales desplazamientos pueden utilizarse por ejemplo, para mantener la consistencia en el tamaño y geometría de las cavidades para fresas y los pasajes de fluido interno durante el proceso de sinterización. Tales estructuras refractarias pueden formarse a partir de por ejemplo, grafito, sílice o alúmina. El uso de desplazamientos de alúmina en lugar de desplazamiento de grafito puede ser deseable ya que la alúmina puede ser relativamente menos reactiva que el grafito, reduciendo la difusión atómica durante al sinterización. Adicionalmente, revestimientos tales como alúmina, nitruro de boro, nitruro de aluminio u otros materiales comercialmente disponibles pueden aplicarse a las estructuras refractarias para evitar que átomos de carbono u otros en las estructuras refractarias se difundan en el cuerpo de barrena durante la densificación.

En otras modalidades, el cuerpo 300 de barrena sin procesar (FIGURA 4) puede sinterizarse parcialmente para formar un cuerpo 302 de barrena pavonado (FIGURA 5) sin maquinado previo, y todo el maquinado necesario puede realizarse en el cuerpo 302 de barrena pavonado para formar un cuerpo 302' de barrena pavonado modificado, antes de sinterizar completamente el cuerpo 302' de barrena pavonado modificado en una densidad final deseada. Alternativamente, todo el maquinado necesario o deseado puede realizarse en el cuerpo 300 de barrena sin procesar, el cual entonces puede sinterizarse completamente a una densidad final deseada.

Los procesos de sinterizacion descritos en la presente pueden incluir sinterizacion convencional en un horno de vacío, sinterizacion en un horno de vacío seguido por un proceso de prensado isostático caliente convencional, y sinterizacion seguida inmediatamente por el prensado isostático a temperaturas cercanas a la temperatura de sinterizacion (con frecuencia denominada como HIP de sinterizacion) . Además, los procesos de sinterizacion descritos en la presente pueden incluir sinterizacion de fase sublíquida. En otras palabras, los procesos de sinterizacion pueden llevarse a cabo a temperaturas cercanas pero por debajo de la línea de líquido del diagrama de fase para el material de matriz. Por ejemplo, los procesos de sinterización descritos en la presente pueden llevarse a cabo utilizando un número de diferentes métodos conocidos por alguien con experiencia en la técnica ordinaria tales como el proceso de Compactación Omnidirección Rápida (ROC) , el proceso de CERACON™, prensado isostático caliente (HIP) o adaptaciones de tales procesos .

Ampliamente, y a manera de ejemplo solamente, la sinterización de un polvo sin procesar compacto utilizando el proceso de ROC implica pre-sinterizar el polvo sin procesar compacto a una temperatura relativamente baja solo a un cierto grado para desarrollar suficiente resistencia para permitir el manejo del polvo compacto. La estructura pavonada resultante se envuelve en un material tal como lámina de grafito para sellar la estructura pavonada. La estructura pavonada envuelta se coloca en un recipiente, el cual se llena con partículas en un material cerámico, polimérico o de vidrio que tiene un punto de fusión sustancialmente más bajo que aquel del material de matriz en la estructura pavonada. El recipiente se calienta a la temperatura de sinterización deseada, la cual se encuentra por encima de la temperatura de fusión de las partículas de un material cerámico, polimérico o de vidrio, pero por debajo de la temperatura líquida del material de matriz en la estructura pavonada. El recipiente caliente, con el material cerámico, polimérico o de vidrio fundido (y la estructura pavonada inmersa en el mismo) se coloca en una prensa mecánica o hidráulica tal como una prensa de forjado, que se utiliza para aplicar presión al material cerámico o polimérico fundido. Presiones isostáticas dentro del material cerámico, polimérico o de vidrio fundido facilitan la consolidación y sinterización de la estructura pavonada a temperaturas elevadas dentro del recipiente. El material cerámico, polimérico o de vidrio fundido actúa para transmitir la presión y el calor a la estructura pavonada. De esta manera, el material cerámico, polimérico o de vidrio fundido actúa como un medio de transmisión de presión a través de cuya presión se aplica a la estructura durante la sinterización. Subsiguiente a la liberación de presión y enfriamiento, la estructura sinterizada entonces se remueve del material cerámico, polimérico o de vidrio. Una explicación más detallada del proceso de ROC y el equipo adecuado para la práctica del mismo se proporciona por las Patentes Estadounidense Nos. 4,094,709, 4,233,720, 4,431,557, 4,526,748, 4,547,337, 4,562,990, 4,596,694, 4,597,730, 4,656,002, 4,744,943, y 5,232,522.

El proceso de CERACON™ es cual es similar al proceso de ROC antes mencionado, también puede adaptarse para su uso en la presente invención par sinterizar completamente las estructuras pavonadas a una densidad final. En el proceso de CERACON™, la estructura pavonada se reviste con un revestimiento cerámico tal como alúmina, óxido de circonio, u óxido de cromo. Otros revestimientos similares, duros, generalmente inertes protectores removibles también pueden utilizarse. La estructura pavonada revestida se consolida completamente al transmitir por lo menos una presión sustancialmente isostática a la estructura pavonada revestida utilizando partículas cerámicas en lugar de un medio de fluido tal como en el proceso de ROC. Una explicación más detallada del proceso de CERACON™ se proporciona por la Patente Estadounidense No. 4,499,048.

Además, en modalidades de la invención en la cual el carbono de tungsteno se utiliza en un cuerpo de barrena compuesto de matriz de partículas, en los procesos de sinterización descritos en la presente también pueden incluir un ciclo de control de carbono adaptado para mejorar la estequiometria del material de carburo de tungsteno. A manera de ejemplo y no de limitación, si el material de carburo de tungsteno incluye WC, los procesos de sinterización descritos en la presente pueden incluir someter el material de carburo de tungsteno a una mezcla gaseosa que incluye hidrógeno y metano a temperaturas elevadas. Por ejemplo, el material de carburo de tungsteno puede someterse a un flujo de gases que incluyen hidrógeno y metano a una temperatura de aproximadamente 1,0002C.

Después de la sinterización de un cuerpo 300 de barrena sin procesar o un cuerpo 302 de barrena pavonado a una densidad final deseada, los elementos de corte (tales como los elementos 20 de corte mostrados en la FIGURA 1) , pueden asegurarse dentro de las cavidades 304 para fresas del cuerpo de barrena, por ejemplo al broncesoldar los elementos de corte dentro de las cavidades para elementos de corte.

En modalidades adicionales de la presente invención, dos o más porciones de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre puede moldearse por separado como se describe previamente en la presente para formar dos o más componentes sin procesar formados por separado. Los componentes sin procesar formados por separado entonces pueden formarse juntos y sinterizarse para enlazar los componentes sin procesar juntos para formar un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre. En otras modalidades, los componentes sin procesar formados por separado pueden sinterizarse parcialmente para formar dos o más componentes pavonados formados por separado, y los componentes pavonados formados por separado entonces pueden ensamblarse juntos y sinterizarse para enlazar los componentes pavonados juntos para formar un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre. Como ejemplo no limitante, un cuerpo de barrena de una barrena de perforación rotativa de perforación terrestre de fresas fijas, similar al cuerpo 12 de barrena de la barrena 10 de perforación mostrada en la FIGURA 1, puede formarse al formar por separado un componente de núcleo central sin procesar o pavonado y cuchillas sin procesar o pavonadas (tales como las cuchillas 26 mostradas en la FIGURA 1) utilizando procesos de moldeo como se describe previamente en la presente. Las cuchillas sin procesar pavonadas formadas por separado entonces pueden ensamblarse juntas con el núcleo central sin procesar o pavonado y la estructura ensamblada puede sinterizarse para enlazar las cuchillas al núcleo central, formando por consiguiente el cuerpo 12 de barrena de barrena 10 de perforación.

En tales modalidades, el núcleo central puede formarse con una mezcla 100 de polvo que tiene una primera composición y las cuchillas pueden formarse de una mezcla 100 de polvo que tiene una segunda composición diferente. Por ejemplo, el núcleo central puede formarse de una mezcla 100 de polvo que tiene una composición que provocará que el núcleo central muestre una tenacidad relativamente más alta con respecto a las cuchillas, y las cuchillas pueden formarse de una mezcla 100 de polvo que tiene una composición que provocará que las cuchillas muestren una resistencia al desgaste relativamente más alta, que una resistencia a la erosión relativamente más alta o tanto resistencia al desgaste relativamente más alta como resistencia a la erosión relativamente más alta con respecto al núcleo central .

Aunque modalidades de los métodos de la presente invención se han descrito en lo anterior con referencia a cuerpos de barrena de barrenas de perforación rotativa de perforación terrestre, los métodos de la presente invención pueden utilizarse para formar cuerpos de herramientas de perforación terrestre, diferentes a barrenas de perforación rotativa que incluyen, por ejemplo, cuerpos de componentes de barrenas de conos de rodillo (que incluyen cabezales de barrena, bases de barrena, y conos de rodillo) , barrenas impregnadas con diamante, barrenas saca-testigos , barrenas excéntricas, barrenas de doble centro, escariadores, fresadoras, y otras herramientas y estructuras conocidas en la técnica.

Aunque la presente invención se ha descrito en la presente con respecto a ciertas modalidades, aquellos con experiencia ordinaria en la técnica reconocerán y apreciarán que no se limita de esta manera. De hecho, muchas adiciones, supresiones y modificaciones a las modalidades descritas pueden hacerse sin apartarse del alcance de la invención como se reclama después de esto, incluyendo equivalentes legales. Además, características de una modalidad pueden combinarse con características de otra modalidad, mientras aún se abarquen dentro del alcance de la invención como se contempla por la invención.

Claims (19)

REIVINDICACIONES

1. Un método para fabricar un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre, caracterizado porque comprende : formar una mezcla de polvo al mezclar las partículas duras, las partículas de matriz que comprenden un material de matriz de metal y un material orgánico; inyectar de manera mecánica la mezcla de polvo en una cavidad de molde que tiene una forma que corresponde por lo menos a una porción de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre, aplicar presión a la mezcla de polvo dentro de la cavidad de molde para formar un cuerpo sin procesar; y sinterizar el cuerpo sin procesar para formar por lo menos una porción de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la formación de una mezcla de polvo, además comprende seleccionar el material orgánico para comprender un derivado de ácido graso de cadena larga.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende seleccionar las partículas duras para comprender un material seleccionado del grupo que consiste de diamante, carburo de boro, nitruro de boro, nitruro de aluminio, nitruro de silicio y carburos o boruros de W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Zr, Si, Ta y Cr.

4. El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque comprende seleccionar las partículas de matriz para comprender un metal seleccionado del grupo que consiste de hierro, níquel, cobalto, titanio, aluminio, aleaciones de cobre, aleaciones de hierro, aleaciones de níquel, aleaciones de cobalto, aleaciones de titanio y aleaciones de aluminio.

5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas duras y las partículas de matriz comprenden un primer grupo de partículas que tienen un primer tamaño de partículas promedio, un segundo grupo de partículas que tienen un segundo tamaño de partículas promedio alrededor de siete veces más grande que el primer tamaño de partícula promedio y el tercer grupo de partículas que tiene un tamaño de partícula promedio aproximadamente treinta y cinco veces más grande que el primer tamaño de partícula promedio.

6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cuando se inyecta la mezcla de polvo en una cavidad de molde comprende inyectar la mezcla de polvo en una cavidad de molde que tiene una forma que corresponde con por lo menos una porción de un cuerpo de barrena para una barrena de perforación rotativa de perforación terrestre.

7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende formar las partículas duras y las partículas de matriz para ser por lo menos sustancialmente esféricas.

8. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado además porque comprende : formar la cavidad de molde en un molde soluble en agua; y disolver el molde en un solvente polar después de formar el cuerpo sin procesar para remover el cuerpo sin procesar de la cavidad de molde.

9. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque comprende formar el molde soluble en agua para comprender por lo menos un alcohol polivinílico (PVA) y polietilenglicol .

10. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado además porque comprende revestir las partículas duras y las partículas de matriz con el material orgánico antes de inyectar la mezcla de polvo en la cavidad de molde.

11. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque aplicar la presión a la mezcla de polvo comprende aplicar una presión entre aproximadamente 10 libras por pulgada cuadrada (aproximadamente 0.07 megapascales) y aproximadamente 100 libras por pulgada cuadrada (aproximadamente 0.7 megapascales ) .

12. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque aplicar presión a la mezcla de polvo comprende compactar la mezcla de polvo dentro de la cavidad de molde a una densidad de compactación de aproximadamente 80% en volumen o más.

13. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado además porque comprende comprimir por lo menos sustancial e isostáticamente el cuerpo sin procesar antes de sinterizar el cuerpo sin procesar para formar por lo menos una porción de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre.

14. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado además porque comprende seleccionar el material orgánico de la mezcla de polvo para comprender menos de aproximadamente 5% en peso de la mezcla de polvo.

15. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque inyectar de manera mecánica la mezcla de polvo en la cavidad del molde comprende obligar a la mezcla de polvo a pasar a través de un tambor utilizando un tornillo rotativo dentro del tambor.

16. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado además porque comprende : sinterizar parcialmente el cuerpo sin procesar para formar un cuerpo pavonado; maquinar el cuerpo pavonado; y sinterizar el cuerpo pavonado a una densidad final deseada .

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque maquinar el cuerpo pavonado comprende : maquinar por lo menos una porción de una cavidad para elemento de corte en una superficie del cuerpo pavonado; y asegurar por lo menos un elemento de corte dentro de por lo menos una porción de una cavidad para elemento de corte.

18. Una estructura intermedia formada durante la fabricación de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre de acuerdo con un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.

19. Una estructura intermedia formada durante la fabricación de un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre, caracterizada porque comprende: un cuerpo sin procesar que tiene una forma que corresponde con un cuerpo de una herramienta de perforación terrestre y que comprende: una pluralidad de partículas duras; una pluralidad de partículas de matriz comprenden un material de matriz de metal; y un material orgánico que comprende un derivado ácido graso de cadena larga.