РЕЖУЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ С РАЗНОЙ ГЛУБИНОЙ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ В РАЗНЫХ ОБЛАСТЯХ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА, И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ
CUTTING ELEMENTS LEACHED TO DIFFERENT DEPTHS LOCATED IN DIFFERENT REGIONS OF AN EARTH-BORING TOOL AND RELATED METHODS

Ссылки на родственные заявки
Настоящая заявка претендует на приоритет находящейся в рассмотрении патентной заявки US 13/783118, поданной 1 марта 2013 г., "Режущие элементы с разной глубиной выщелачивания, расположенные в разных областях бурового инструмента, и соответствующие способы".
Область техники
В целом изобретение относится к буровому инструменту и размещению режущих элементов на буровом инструменте. В частности, раскрытые варианты выполнения относятся к буровому инструменту, режущие элементы которого, расположенные в разных областях бурового инструмента, имеют разную глубину выщелачивания.
Уровень техники
Как правило, инструмент для бурения земных пород (буровой инструмент), имеющий на переднем конце режущие элементы с фиксированными резцами, например буровые долота с фиксированными резцами и гибридные буровые долота, может иметь корпус с отстоящими от него лопастями. Буровая коронка такого бурового инструмента на его переднем конце может быть образована конической областью, расположенной на оси вращения и вокруг оси вращения инструмента, которая также может быть его центральной осью, торцевой областью, прилегающей к конической области и окружающей ее, областью перегиба, прилегающей к торцевой области и окружающей ее, и калибрующей областью по окружности инструмента. Режущие элементы могут быть прикреплены к лопастям на их идущих впереди по направлению вращения частях вдоль конической области, торцевой области, области перегиба и калибрующей области, для вхождения в зацепление с подстилающей породой и ее удаления при вращении бурового инструмента. Такие режущие элементы могут иметь поликристаллическую пластинку сверхтвердого материала, например алмаза, прикрепленную к подложке из твердого материала, например цементированного карбида вольфрама. Режущие элементы могут быть закреплены внутри гнезд, сформированных в лопастях, например, пайкой тугоплавким припоем.
После их формирования поликристаллические пластинки могут содержать каталитический материал, например кобальт, который использовался для ускорения формирования межкристаллических связей между частицами сверхтвердого материала, и который может быть расположен в межкристаллических промежутках между скрепленных друг с другом зерен сверхтвердого материала. Каталитический материал может быть удален, например, выщелачиванием с использованием кислоты для снижения вероятности образования трещин в поликристаллической пластинке из-за различий в коэффициентах теплового расширения между сверхтвердым материалом и каталитическим материалом, что может в конечном итоге привести к скалыванию и преждевременному повреждению поликристаллической пластинки.
Для дальнейшего снижения вероятности преждевременного выхода из строя режущих элементов, режущие элементы, предназначенные для установки в разных областях бурового инструмента, могут быть специально сконструированы так, чтобы выдерживать определенные нагрузки, воздействующие в этих областях в процессе бурения, как это описано в US 5787022, выданном 28 июля 1998 г. Tibbitts et al., раскрытие которого введено в настоящее описание посредством ссылки. Например, в '022 патенте раскрываются режущие элементы для конической и торцевой областей, конструкция которых позволяет им противостоять высоким осевым и комбинированным осевым и тангенциальным нагрузкам, и режущие элементы для области перегиба и калибрующей области, приспособленные для высокой тангенциальной нагрузки. В '022 патенте также показано, что конструкцией и расположением режущего элемента можно свести к минимуму и стабилизировать температуру режущего элемента, например, путем внутреннего жидкостного охлаждения в режущих элементах области перегиба, или за счет улучшенных характеристик теплопередачи.
Сущность изобретения
В некоторых вариантах выполнения буровой инструмент включает корпус, содержащий на его переднем конце буровую коронку, имеющую первую область и вторую область. Первая область находится ближе к оси вращения корпуса, чем вторая область. Первый режущий элемент, расположенный в первой области, прикреплен к корпусу и содержит первую поликристаллическую пластинку, прикрепленную к первой подложке. Второй режущий элемент, расположенный во второй области, также прикреплен к корпусу и содержит вторую поликристаллическую пластинку, прикрепленную ко второй подложке. Каждая из первой и второй поликристаллических пластинок содержит скрепленные друг с другом зерна (кристаллы) сверхтвердого материала. Первая поликристаллическая пластинка по существу не содержит каталитический материал до первой глубины, а вторая поликристаллическая пластинка по существу не содержит каталитический материал до второй, большей, глубины.
В других вариантах выполнения буровой инструмент может включать корпус, содержащий на его переднем конце буровую коронку. Коронка может иметь коническую область, расположенную на оси вращения и вокруг оси вращения корпуса, торцевую область, прилегающую к конической области и окружающую ее, область перегиба, прилегающую к торцевой области и окружающую ее, и калибрующую область, образующую боковую поверхность корпуса, прилегающую к области перегиба и окружающую ее. Первый режущий элемент, расположенный в конической области, может быть прикреплен к корпусу. Первый режущий элемент может содержать первую поликристаллическую пластинку, прикрепленную к первой подложке. Второй режущий элемент, расположенный в области перегиба, может быть прикреплен к корпусу. Второй режущий элемент может содержать вторую поликристаллическую пластинку, прикрепленную ко второй подложке. Каждая из первой и второй поликристаллических пластинок может содержать скрепленные друг с другом зерна сверхтвердого материала. Первая поликристаллическая пластинка может по существу не содержать каталитический материал до первой глубины, а вторая поликристаллическая пластинка может по существу не содержать каталитический материал до второй, большей, глубины.
В еще одном варианте выполнения буровой инструмент может включать корпус, содержащий на его переднем конце буровую коронку. Коронка может иметь коническую область, расположенную на оси вращения и вокруг оси вращения корпуса, торцевую область, прилегающую к конической области и окружающую ее, область перегиба, прилегающую к торцевой области и окружающую ее, и калибрующую область, образующую боковую поверхность корпуса, прилегающую к области перегиба и окружающую ее. Режущие элементы, расположенные в каждой из конической области, торцевой области, области перегиба и калибрующей области, могут быть прикреплены к корпусу. Каждый режущий элемент может содержать поликристаллическую пластинку, прикрепленную к подложке. Поликристаллическая пластинка каждого режущего элемента может содержать скрепленные друг с другом зерна сверхтвердого материала. Каждая поликристаллическая пластинка каждого режущего элемента по существу не содержит каталитический материал до некоторой глубины, причем глубина нарастает с ростом расстояния от оси вращения, от конической области до области перегиба.
В еще других вариантах выполнения при осуществлении способов формирования бурового инструмента подготавливают первый режущий элемент и второй режущий элемент, при этом первый режущий элемент содержит первую поликристаллическую пластинку, прикрепленную к первой подложке, второй режущий элемент содержит вторую поликристаллическую пластинку, прикрепленную ко второй подложке, и каждая из первой и второй поликристаллических пластинок содержит скрепленные друг с другом зерна сверхтвердого материала. Каталитический материал, использованный для ускорения формирования межкристаллических связей среди зерен сверхтвердого материала, может быть удален из первой поликристаллической пластинки на первую глубину и из второй поликристаллической пластинки на вторую, большую, глубину. Может быть подготовлен корпус, содержащий на его переднем конце буровую коронку, имеющую первую область и вторую область, причем первая область расположена ближе к оси вращения корпуса, чем вторая область. Первый режущий элемент может быть прикреплен к корпусу в первой области, а второй режущий элемент может быть прикреплен к корпусу во второй области.
Краткое описание чертежей
В то время как описание заканчивается формулой, в которой конкретно описываются и определенно заявляются варианты выполнения, охватываемые изобретением, различные признаки и преимущества вариантов выполнения в пределах области притязаний изобретения могут быть легко установлены из приведенного далее описания, рассмотренного вместе с приложенными чертежами, на которых:
на фиг. 1 представлен перспективный вид бурового инструмента;
на фиг. 2 представлен вид поперечного сечения части бурового инструмента, показанного на фиг. 1;
на фиг. 3 представлен перспективный вид с частичным разрезом режущего элемента из первой области бурового инструмента, показанного на фиг. 1 и 2;
на фиг. 4 представлен перспективный вид с частичным разрезом другого варианта выполнения режущего элемента из первой области бурового инструмента, показанного на фиг. 1 и 2;
на фиг. 5 представлен перспективный вид с частичным разрезом режущего элемента из второй области бурового инструмента, показанного на фиг. 1 и 2;
на фиг. 6 представлен перспективный вид с частичным разрезом другого варианта выполнения режущего элемента из второй области бурового инструмента, показанного на фиг. 1 и 2;
на фиг. 7 представлен перспективный вид с частичным разрезом режущего элемента из третьей области бурового инструмента, показанного на фиг. 1 и 2.
Подробное описание осуществления изобретения
Представленные чертежи не являются фактическими изображениями какого-либо конкретного бурового инструмента, бурового долота или компонентов такого инструмента или долота, а представляют собой идеализированные представления, использованные для описания вариантов выполнения настоящего изобретения. При этом в чертежах не обязательно соблюдение масштаба.
Раскрытые варианты относятся в основном к буровому инструменту, включающему режущие элементы, выщелоченные до разной глубины и расположенные в разных областях бурового инструмента. В частности, раскрыты варианты выполнения бурового инструмента, более приспособленные для использования в заданных условиях, включающих пробуриваемую породу, глубину ствола скважины, предполагаемую стоимость работ и ожидаемую ценность скважины, и которые могут помочь проектировщику создать режущие элементы, прикрепленные и распределенные на переднем конце бурового инструмента, имеющие близкие сроки службы.
В настоящем описании термин "буровой инструмент" означает и включает долото или инструмент любого типа с фиксированными режущими элементами, прикрепленными к долоту или инструменту по его переднему концу, используемые для бурения при формировании или расширении ствола скважины в подземных породах. Например, буровой инструмент включает долота с фиксированными резцами, долота ударного бурения, колонковые долота, эксцентричные долота, долота со смещенным центром, фрезы, лопастные долота, гибридные долота и другие буровые долота и инструменты, известные в уровне техники.
В настоящем описании термины "поликристаллическая пластинка" и "поликристаллический материал" означают и включают любую структуру или материал, содержащий зерна (например, кристаллы) материала (например, суперабразивного материала), которые непосредственно скреплены межкристаллическими связями. Кристаллические структуры отдельных зерен материала могут быть хаотически ориентированы в пространстве внутри поликристаллической пластинки. Поликристаллические пластинки включают, например, элементы из поликристаллического алмаза (ПКА элементы), отличающиеся тем, что алмазные зерна в них скреплены непосредственно друг с другом, образуя матрицу алмазного материала с межкристаллическими промежутками между алмазными зернами.
В настоящем описании термин "межкристаллическая связь" означает и включает любую прямую межатомную связь (например, ковалентную, металлическую и др.) между атомами в соседних зернах материала.
2
В настоящем описании термин "сверхтвердый материал" означает и включает любой материал, имеющий твердость по Кнупу примерно 3000 кгс/мм (29420 МПа) или более. Сверхтвердые материалы включают, например, алмаз и кубический нитрид бора. Сверхтвердые материалы могут быть также названы "суперабразивными" материалами.
В настоящем описании термин "по существу полностью удален", при использовании его в отношении удаления каталитического материала из поликристаллического материала, означает и включает удаление по существу всего каталитического материала, доступное известным процессам удаления катализатора. Например, по существу полное удаление каталитического материала включает выщелачивание каталитического материала из всех доступных межкристаллических промежутков поликристаллического материала посредством погружения поликристаллического материала в выщелачиватель (например, царскую водку) и создания возможности протекания выщелачивателя через сеть соединенных друг с другом межкристаллических промежутков, пока весь доступный каталитический материал не будет удален. Каталитический материал, находящийся в изолированных межкристаллических промежутках, не соединенных с остальной частью сети межкристаллических промежутков и недоступных без повреждения или иного изменения поликристаллического материала, может остаться.
На фиг. 1 представлен перспективный вид бурового инструмента 100. В частности, показанный буровой инструмент 100 может представлять собой, например, буровое долото с фиксированными резцами (например, лопастное долото). Буровой инструмент 100 может включать корпус 102, имеющий передний конец 104 и задний конец 106. На заднем конце 106 корпус 102 может иметь соединительный элемент 108 (например, резьбовое соединение Американского Нефтяного Института (АНИ)), выполненное с возможностью присоединения бурового инструмента 100 к бурильной колонне. На переднем конце 104, корпус 102 может иметь лопасти 110, проходящие по оси наружу от остальной части корпуса 102 и по радиусу наружу от оси 112 вращения, которая может одновременно быть и центральной осью корпуса 102, проходящей через передний конец 104. Коронка 114 корпуса 102 бурового инструмента 100 может содержать внешнюю поверхность, образованную лопастями 110 и остальной частью корпуса 102 на переднем конце корпуса 102. К корпусу 102 могут быть прикреплены режущие элементы 116. Например, режущие элементы 116 могут частично помещаться в гнездах 118, сформированных в идущих впереди по направлению вращения поверхностях лопастей 110, и могут быть припаяны тугоплавким припоем к поверхностям лопастей 110, имеющим гнезда 118, для прикрепления режущих элементов к корпусу 102. Режущие элементы 116 могут быть распределены по коронке 114 для формирования режущей структуры, выполненной с возможностью вхождения в зацепление с подстилающей подземной породой и ее удаления при вращении бурового инструмента 100 в процессе работы. В некоторых вариантах выполнения на боковой поверхности 122 корпуса 102 могут быть расположены калибрующие накладки 120, образующие радиально наиболее удаленные части бурового инструмента 100. В других вариантах выполнения на боковой поверхности 122 корпуса 102 могут быть закреплены дополнительные режущие элементы 116, образующие наиболее радиально удаленную часть бурового инструмента 100.
На фиг. 2 представлен вид поперечного сечения части бурового инструмента 100, показанного на фиг. 1. Коронка 114 может быть сформирована несколькими областями, проходящими по радиусу наружу от оси 112 вращения корпуса 102 к боковой поверхности 122. Например, коронка 114 может быть образована первой, конической, областью 124, расположенной на оси 112 вращения и непосредственно вокруг нее. Коническая область 124 может быть образована наклонной поверхностью, проходящей вниз (когда ось 112 вращения ориентирована вертикально с обращенным вниз передним концом 104) и расположенной по оси 112 вращения и непосредственно вокруг нее, и в целом напоминающей по форме перевернутый конус. Вторая область, область 126 перегиба, может располагаться по радиусу снаружи от конической области 124 вблизи боковой поверхности 122 корпуса 102. Область 126 перегиба может быть образована скругленной, изгибающейся вверх поверхностью, переходящей в боковую поверхность 122 корпуса 102. Третья, торцевая область 128 может быть расположена между конической областью 124 и областью 126 перегиба и прилегать к ним. Торцевая область 128 представляет собой переход от наклонной поверхности конической области 124, изгибающийся сначала к горизонтали и далее начинающий отклоняться вверх в область 126 перегиба. Четвертая, калибрующая область 130 может быть расположена по радиусу снаружи от области 126 перегиба и прилегать к ней, и может образовывать боковую поверхность 122 корпуса 102.
Режущие элементы 116 могут быть распределены по радиусу по по меньшей мере части коронки 114 на переднем конце 104 корпуса 102. Например, первый режущий элемент или комплект режущих элементов 116А могут быть расположены в конической области 124. Второй режущий элемент или комплект режущих элементов 116В могут быть расположены в области 126 перегиба. Третий режущий элемент или комплект режущих элементов 116С могут быть расположены в торцевой области 128. В некоторых вариантах выполнения калибрующая область 130 может быть свободна от режущих элементов 116. В других вариантах выполнения в калибрующей области 130 могут быть расположены четвертый режущий элемент или комплект режущих элементов. В некоторых вариантах выполнения режущими элементами 116 могут быть только режущие элементы, расположенные на идущей впереди по направлению вращения кромке лопасти 10, как это показано на фиг. 1. В других вариантах выполнения режущие элементы 116 могут включать дублирующие режущие элементы, следующие по направлению вращения за идущими впереди режущими элементами и закрепленные на той же самой лопасти 110.
Условия бурения в разных областях 124, 126, 128 и 130 могут существенно различаться. Например, режущие элементы 116А в конической области 124 могут подвергаться воздействию больших осевых сил (например, сил, действующих в направлении, параллельном оси 112 вращения бурового инструмента 100), возникающих под действием веса, прижимающего буровой инструмент 100 к подстилающей подземной породе (например, осевая нагрузка на долото (ОННД)), или комбинации больших осевых сил и больших тангенциальных сил (т.е. сил, действующих в направлении, перпендикулярном оси 112 вращения бурового инструмента 100), возникающих при взаимодействии режущих элементов 116А с подстилающей подземной породой, могут проходить по относительно коротким спиральным траекториям резания при каждом обороте долота 100, и могут иметь большую глубину резания и, соответственно, большую эффективность. Режущие элементы 116В в области 126 перегиба, напротив, могут подвергаться воздействию небольших осевых сил и больших тангенциальных сил, могут проходить по относительно длинным спиральным траекториям резания при каждом обороте долота 100 и могут иметь малую глубину резания и, соответственно, низкую эффективность. Режущие элементы 116С в торцевой области 128 могут подвергаться воздействию условий работы, промежуточных между условиями работы в конической области 124 и области 126 перегиба. Режущие элементы в калибрующей области 130 могут не подвергаться воздействию значительных осевых сил, могут проходить по относительно длинным спиральным траекториям резания при каждом обороте долота 100, и могут иметь малую глубину резания и, соответственно, малую эффективность. Такие различия в условиях бурения создают в режущих элементах 116А, 116В и 116С в разных областях 124, 126, 128 и 130 бурового инструмента напряжения на разных уровнях и ориентированные в разных направлениях, и рабочие температуры разной величины.
На фиг. 3 представлен перспективный вид с частичным разрезом режущего элемента 116А из первой, конической, области 124 бурового инструмента 100, показанного на фиг. 1 и 2. Режущий элемент 116А может содержать поликристаллическую пластинку 132А, прикрепленную к подложке 134А. Например, режущий элемент 116А может содержать дискообразную поликристаллическую пластинку 132А, соприкасающуюся с в целом планарной поверхностью на конце цилиндрической подложки 134А и прикрепленную к подложке 134А. Конечно, обобщенная конструкция режущего элемента 116А может иметь различные варианты, известные в уровне техники, например, формирование непланарной границы раздела между поликристаллической пластинкой 132А и подложкой 134А, и формирование режущего элемента не цилиндрической формы (например, в виде эллиптического цилиндра). Подложка 134А может содержать твердый материал, подходящий для использования в бурении подземных пород. Например, подложка 134А может содержать металлокерамический композитный материал (т.е. кермет), содержащий частицы твердого керамического материала (например, карбида вольфрама) в сплошном металлическом связующем материале (например, кобальте). Поликристаллическая пластинка 132А может содержать поликристаллический материал 136, отличительным признаком которого являются зерна сверхтвердого материала (например, синтетического, природного алмаза или их комбинации, кубический нитрид бора и др.), которые скреплены друг с другом, образуя матрицу поликристаллического материала 136 с межкристаллическими промежутками между скрепленными друг с другом зернами сверхтвердого материала.
Такой режущий элемент может быть сформирован, например, помещением частиц (например, в форме порошка или в смеси с жидкостью для формирования пасты) сверхтвердого материала в контейнер. В некоторых вариантах выполнения частицы могут быть смешаны с частицами каталитического материала или прилегать к массиву (например, фольге или диску) каталитического материала. Подходящие каталитические материалы могут включать, например, металлы Группы VIIIA периодической системы элементов, например никель, кобальт и железо, и сплавы, содержащие такие металлы. В некоторых вариантах выполнения заранее сформированная подложка 134А может быть помещена в контейнер вместе с частицами сверхтвердого материала. В других вариантах выполнения вместе с частицами сверхтвердого материала в контейнер могут быть помещены исходные материалы, например, частицы твердого материала (например, карбида кремния) и частицы связующего металлического материала (например, кобальта). В любом случае, металлическим связующим материалом может также быть каталитический материал, используемый для ускорения формирования межкристаллических связей между частицами сверхтвердого материала. В других вариантах выполнения частицы сверхтвердого материала и каталитический материал могут находиться в контейнере одни, без подложки или исходных материалов для подложки. Частицы могут характеризоваться одномодальным или многомодальным (например, бимодальным, тримодальным и т.д.) распределением размера частиц. В некоторых вариантах выполнения частицы разного среднего размера могут располагаться в разных областях контейнера. Например, более мелкие частицы могут помещаться в слой вблизи конца контейнера, выполненного с возможностью формирования режущей поверхности режущего элемента, или могут быть помещены между частицами большего размера для формирования слоев многослойной структуры.
Частицы сверхтвердого материала и любая подложка 134А или подложка исходного материала могут быть спечены для формирования поликристаллической пластинки 132А. В частности, частицы сверхтвердого материала и любая подложка 134А или подложка исходного материала могут быть подвергнуты воздействию высокой температуры и высокого давления (ВТВД процесс), в ходе которого каталитический материал может расплавляться для заполнения им пространства между частицами сверхтвердого материала. Соприкосновение с каталитическим материалом в ВТВД условиях может вызывать рост некоторых частиц сверхтвердого материала и их скрепление друг с другом (общий объем может остаться неизменным) с формированием поликристаллической пластинки 132А. Полученная в результате микроструктура поликристаллической пластинки 132А может характеризоваться матрицей скрепленных друг с другом зерен сверхтвердого материала (т.е. поликристаллического материала 136) с матрицей межкристаллических промежутков среди поликристаллического материала 136. Каталитический материал 138 может занимать межкристаллические промежутки. Поликристаллическая пластинка 132А может быть прикреплена к подложке 134А металлургической связью между каталитическим материалом внутри поликристаллической пластинки 132А и матричным материалом подложки 134А, атомными связями между зернами сверхтвердого материала поликристаллической пластинки 132А и частицами твердого материала подложки 134А, пайкой тугоплавким припоем поликристаллической пластинки 132А к отдельно сформированной подложке 134А или любым другим способом, известным в уровне техники.
1
1
Впоследствии, в некоторых вариантах выполнения каталитический материал 138 может быть по существу полностью удален из части 140 поликристаллической пластинки 132А на внешней поверхности пластинки и вблизи нее до первой глубины D). Например, каталитический материал 138 может быть впоследствии по существу полностью удален из части 140, проходящей от режущей поверхности 142 на идущем впереди по направлению вращения конце 144 режущего элемента 116А, вдоль оси к идущему следом по направлению вращения концу 146 режущего элемента 116А. В некоторых вариантах выполнения размер частиц сверхтвердого материала, используемых для формирования поликристаллической пластинки 132А, может влиять (например, управлять или обеспечивать большую предсказуемость) на глубину D, до которой производится удаление каталитического материала. Например, размер частиц сверхтвердого материала, используемого для формирования поликристаллической пластинки 132А, может быть изменен, а глубиной D удаления можно управлять способами, описанными в патентной заявке US 13/040921 (Lyons et al.), поданной 4 марта 2011 г., и патентной заявке US 13/040900 (Scott), поданной 4 марта 2011 г., раскрытие каждой из которых включено в настоящее описание посредством данной ссылки. Соответственно, поликристаллическая пластинка 132А может включать первую часть 140, из которой каталитический материал 138 был впоследствии полностью удален, и вторую часть 148, в которой каталитический материал 138 остается. В некоторых вариантах выполнения каталитический материал, изначально использованный для ускорения формирования межкристаллических связей между зернами сверхтвердого материала при формировании поликристаллической пластинки 132А, возможно был замещен другим каталитическим материалом 138, который затем удаляется из первой части 140.
Граница 150 раздела между первой и второй частями 140 и 148 может быть по меньшей мере в основном планарной, проходящей по меньшей мере в основном параллельно режущей поверхности 142 в вариантах выполнения, где режущая поверхность 142 планарна. В некоторых вариантах выполнения режущая поверхность 142 и соответствующая граница 150 раздела могут быть непланарными. Например, в вариантах выполнения, где поликристаллическая пластинка 132А имеет фаску 143, форма остающегося каталитического материала 138 может следовать контуру фаски 143. В другом варианте выполнения режущая поверхность 142 может иметь любую форму, как показано в патентной заявке US 13/472377, поданной 15 мая 2012 г., на "Режущие элементы для бурового инструмента, буровой инструмент, включающий такие режущие элементы, и соответствующие способы", и в патентной заявке US 13/609575, поданной 11 сентября 2012 г., на "Режущие элементы для бурового инструмента, буровой инструмент, включающий такие режущие элементы, и соответствующие способы", содержание каждой из которых полностью включено в настоящее описание посредством ссылки. В некоторых вариантах выполнения каталитический материал 138 также может быть по существу полностью удален таким образом, что первая часть проходит по радиусу внутрь от боковой поверхности 152 поликристаллической пластинки 132А (см. фиг. 5). Удаление каталитического материала 138 может быть выполнено, например, выщелачиванием (например, погружением первой части 140 поликристаллической пластинки 132А в выщелачиватель, например царскую водку), электрохимическими процессами или другими способами удаления катализатора, известными в уровне техники.
1
1
1
Первая глубина D может быть больше полной толщины Τ поликристаллической пластинки 132А. Например, первая глубина D может составлять менее примерно 75%, менее примерно 50%, менее примерно 25%, менее примерно 10% или менее примерно 5% полной толщины Τ поликристаллической пластинки 132А. В частности, первая глубина D может составлять примерно 250 мкм или менее, примерно 100 мкм или менее, примерно 90 мкм или менее, примерно 50 мкм или менее, примерно 40 мкм или менее, примерно 30 мкм или менее или примерно 20 мкм или менее.
1
1
В некоторых вариантах выполнения первая глубина D может быть равна нулю. Например, как это показано на представленном на фиг. 4 перспективном виде с частичным разрезом другого варианта выполнения режущего элемента 116А' из первой, конической, области 124 бурового инструмента 100, показанного на фиг. 1 и 2. В некоторых вариантах выполнения, например, показанного на фиг. 4, каталитический материал 138, используемый для формирования поликристаллического материала 136 поликристаллической пластинки 132А', может остаться неизмененным (например, не подвергнутым выщелачиванию). В таких вариантах выполнения первая глубина D (см. фиг. 3) может быть равна нулю, первая часть 140 (см. фиг. 3) может отсутствовать, а вторая часть 148 может занимать весь объем поликристаллической пластинки 132А'.
2
2
2
На фиг. 5 представлен перспективный вид с частичным разрезом режущего элемента 116В из второй области, области 126 перегиба, бурового инструмента 100, показанного на фиг. 1 и 2. Режущий элемент 116В может иметь конструкцию, аналогичную конструкции режущего элемента 116А, и может быть сформирован с использованием процессов, описанных ранее со ссылкой на фиг. 3, а поликристаллическая пластинка 132В может иметь после формирования аналогичную микроструктуру. В частности, режущий элемент 116В может иметь конструкцию, аналогичную конструкции режущего элемента 116А на фиг. 3, за исключением того, что в некоторых вариантах выполнения каталитический материал 138 может быть по существу полностью удален из части 154 поликристаллической пластинки 132В на внешней поверхности пластинки и вблизи нее до глубины D. Например, каталитический материал 138 может быть по существу полностью удален из части 154, проходящей вдоль оси от режущей поверхности 142, расположенной на идущем впереди по направлению вращения конце 144 режущего элемента 116В к идущему следом по направлению вращения концу 146 режущего элемента 116В, и находящейся радиально внутри от боковой поверхности 152 поликристаллической пластинки 132. Соответственно, поликристаллическая пластинка 132В может включать первую часть 154, из которой по существу полностью удален каталитический материал 138, и вторую часть 156, в которой каталитический материал 138 может остаться. Граница 150' раздела между первой и второй частями 154 и 156 в поперечном сечении может иметь форму обращенной "U". В частности, первая часть 154 может проходить вдоль оси от режущей поверхности 142 к подложке 134В до второй глубины D, и также может проходить в радиальном направлении от боковой поверхности 152 в сторону второй части 156 до второй глубины D. В некоторых вариантах выполнения по меньшей мере часть каталитического материала 138, непосредственно прилегающая к подложке 134В, может проходить до самой боковой поверхности 152, при этом структура в форме обращенной "U" проходит в сторону режущей поверхности 142 от остальной части каталитического материала 138. В некоторых вариантах выполнения каталитический материал 138 может быть по существу полностью удален так, что только первая часть проходит вдоль оси вниз от режущей поверхности 142 поликристаллической пластинки 132А (см. фиг. 3). Удаление каталитического материала 138 может быть выполнено, например, выщелачиванием (например, погружением первой части 140 поликристаллической пластинки 132А в выщелачиватель, например, в царскую водку) или другим способом удаления катализатора, известным в уровне техники.
2
1
1
2
1
2
2
1
2
1
1
2
Вторая глубина D может быть больше первой глубины D, вплоть до полной толщины Τ поликристаллической пластинки 132В. Удаление каталитического материала 138 до различных глубин D и D для разных режущих элементов 116А и 116В, которые предполагается устанавливать в разных областях 124 и 126 (см. фиг. 2) бурового долота 100 (см. фиг. 1 и 2), может быть осуществлено, например, использованием выщелачивателей разной концентрации, разной продолжительности и температуры воздействия выщелачивателя на поликристаллические пластинки 132А и 132В, нанесением покрытия защитного материала разной площади на части режущих элементов 116А и 116В (например, соответствующие желательным глубинам D и D), или любой комбинацией этих способов. Вторая глубина D может быть больше первой глубины D, например, составляя более примерно 25%, более примерно 50%, более примерно 75%, более примерно 90% или более примерно 95% полной толщины Τ поликристаллической пластинки 132В. В частности, вторая толщина D может быть больше первой толщины D и составлять примерно 100 мкм или более, примерно 200 мкм или более, примерно 250 мкм или более, примерно 300 мкм или более, примерно 500 мкм или более, примерно 650 мкм или более или примерно 800 мкм или более. Отношение первой глубины D ко второй глубине D может составлять примерно 1:2 или более, примерно 1:5 или более, примерно 1:10 или более, примерно 1:25 или более, примерно 1:50 или более или примерно 1:100 или более.
2
2
В некоторых вариантах выполнения вторая глубина D может быть равна полной толщине Τ поликристаллической пластинки 132В. Например, на фиг. 6 представлен перспективный вид с частичным разрезом другого варианта выполнения режущего элемента 116В' из второй области, области 126 перегиба, бурового инструмента 100, показанного на фиг. 1 и 2. В варианте выполнения, показанном на фиг. 6, каталитический материал 138, использованный для формирования поликристаллического материала 136 поликристаллической пластинки 132В', может быть по существу полностью удален (например, полностью подвергнут выщелачиванию). В таких вариантах выполнения вторая глубина D может быть равна толщине поликристаллической пластинки 132В', первая часть 154 может занимать весь объем поликристаллической пластинки 132В', и вторая часть 156 (см. фиг. 5) может отсутствовать. В некоторых вариантах выполнения по существу полное удаление каталитического материала 138 из всей поликристаллической пластинки 132В' может вызвать отделение поликристаллической пластинки 132В' от любой подложки 134В (см. фиг. 5), прикрепленной к поликристаллической пластинке 132В' при формировании поликристаллической пластинки 132'. В таких вариантах выполнения поликристаллическая пластинка 132В' может быть повторно прикреплена к подложке 134В (см. фиг. 5) или прикреплена к другой подложке 134В', например, пайкой тугоплавким припоем.
На фиг. 7 представлен перспективный вид с частичным разрезом режущего элемента 116С из третьей, торцевой, области 128 бурового инструмента 100, показанного на фиг. 1 и 2. Режущий элемент 116С может содержать поликристаллическую пластинку 132С, прикрепленную к подложке 134С. Например, режущий элемент 116С может содержать дискообразную поликристаллическую пластинку 132С, соприкасающуюся с торцом цилиндрической подложки 134С и прикрепленную к подложке 134С. Подложка 134С может содержать твердый материал, пригодный для использования в бурении подземных пород. Например, подложка 134С может содержать металлокерамический композитный материал (т.е. кермет), включающий частицы твердого керамического материала (например, карбида вольфрама) в металлическом матричном материале (например, кобальте).
Поликристаллическая пластинка 132С может содержать поликристаллический материал 136, отличающийся наличием зерен сверхтвердого материала (например, синтетического, природного алмаза, или комбинации синтетического и природного алмаза, кубического нитрида бора и др.), которые были скреплены друг с другом для формирования матрицы поликристаллического материала 136 с межкристаллическими промежутками, расположенными между скрепленными друг с другом зернами сверхтвердого материала. Режущий элемент 116С может быть сформирован с использованием процессов, описанных ранее со ссылкой на фиг. 3, а поликристаллическая пластинка 132С после формирования может иметь в результате такую же микроструктуру.
3
В некоторых вариантах выполнения каталитический материал 138 может быть по существу полностью удален из части 158 поликристаллической пластинки 132С на внешней поверхности пластинки и вблизи нее до третьей глубины D. Например, каталитический материал 138 может быть по существу полностью удален из части 158, имеющей любую из конфигураций, описанных ранее для первых частей 140 и 154 со ссылкой на фиг. 3 и 5. Соответственно, поликристаллическая пластинка 132С может включать первую часть 158, из которой по существу полностью был удален каталитический материал 138, и вторую часть 160, в которой каталитический материал 138 остался. Удаление каталитического материала 138 быть выполнено, например, выщелачиванием (например, погружением первой части 158 поликристаллической пластинки 132С в выщелачиватель, например, царскую водку) или другими способами удаления катализатора, известными в уровне техники.
3
1
2
1
2
3
3
1
2
3
1
2
1
3
2
1
3
2
Третья глубина D по своей величине может находиться между первой глубиной D и второй глубиной D. Удаление каталитического материал 138 до разной глубины D, D и D для разных режущих элементов 116А, 116В и 116С, предназначенных для установки в разных областях 124, 126 и 128 (см. фиг. 2) бурового инструмента 100 (см. фиг. 1 и 2), может быть выполнено, например, любым из процессов, рассмотренных ранее со ссылкой на фиг. 5. Третья глубина D может находиться, по своей величине, между первой глубиной D и второй глубиной D, и быть, например, более примерно 25%, более примерно 40%, примерно 50%, менее примерно 60% или менее примерно 75% полной толщины Τ поликристаллической пластинки 132С. В частности, третья глубина D может составлять примерно между первой глубиной D и второй глубиной D, и может быть примерно 50 мкм или более, примерно 75 мкм или более, примерно 100 мкм, примерно 125 мкм или менее, примерно 150 мкм или менее, примерно 250 мкм или менее, или примерно 500 мкм или менее. Соотношение первой глубины D с третьей глубиной D и со второй глубиной D (D:D:D) может составлять примерно 1:1,5:2, примерно 1:2,5:5, примерно 1:5:10, примерно 1:10:25, примерно 1:25:50 или примерно 1:50:100.
1
3
2
1
3
2
Совместное рассмотрение фиг. 2-7 показывает, что в каждом режущем элементе 116А в конической области 124 каталитический материал 138 может быть удален из поликристаллической пластинки 132А этого элемента на одинаковую глубину D, в каждом режущем элементе 116С в торцевой области 128 каталитический материал 138 может быть удален из поликристаллической пластинки 132С этого элемента на одинаковую глубину D и в каждом режущем элементе 116В в области 126 перегиба каталитический материал 138 может быть удален из поликристаллической пластинки 132В этого элемента на одинаковую глубину D, а глубина может нарастать с увеличением расстояния от оси 112 вращения от одной области 124, 128 и 126 к другой области 124, 128 и 126, в некоторых вариантах выполнения. В других вариантах выполнения глубина может нарастать с увеличением расстояния от оси 112 вращения даже внутри областей 124, 128 и 126 так, что в отдельных режущих элементах 116А, 116С и 116В внутри данной области 124, 128 и 126 каталитический материал 138 может быть удален из поликристаллической пластинки 132А, 132С и 132В этих режущих элементов до различающихся глубин D, D и D. Например, глубина может нарастать линейно, экспоненциально или в соответствии с кривой роста Солоу (Solow growth curve), по мере увеличения расстояния от оси 112 вращения. В других вариантах выполнения глубина удаления катализатора может быть никак не связана с расстоянием от оси 112 вращения.
1
3
2
3
2
1
3
1
3
Путем удаления каталитического материала 138 из поликристаллических пластинок 132А, 132С и 132В режущих элементов 116А, 116С и 116В, расположенных в разных областях 124, 128 и 126, до различающихся глубин D, D и D, режущие элементы 116А, 116С и 116В могут быть лучше приспособлены для использования в конкретных условиях, имеющихся в соответствующих областях 124, 128 и 126. Например, износоустойчивость и теплостойкость режущего элемента могут повыситься, а вязкость разрушения может понизиться при увеличении глубины удаления катализатора, и области буровой коронки 114, где режущие элементы могут подвергаться более высокому абразивному износу и воздействию более высоких рабочих температур, например, в торцевой области 128 и области 126 перегиба, могут иметь больший срок службы, если в установленных в них режущих элементах 116С и 116В из соответствующих поликристаллических пластинок 132С и 132В каталитический материал 138 будет удален до большей глубины D и D. Напротив, износоустойчивость и теплостойкость режущего элемента могут понизиться, а вязкость разрушения может повыситься при уменьшении глубины удаления катализатора, и области буровой коронки 114, где режущие элементы могут подвергаться меньшему абразивному износу и воздействию более низких рабочих температур, например в конической области 124 и торцевой области 128, могут иметь больший срок службы, если в установленных в них режущих элементах 116А и 116С из соответствующих поликристаллических пластинок 132А и 132С каталитический материал 138 будет удален до меньшей глубины D и D. Кроме того, продолжительность и стоимость изготовления режущих элементов увеличивается по мере увеличения глубины удаления катализатора, и стоимость изготовления бурового инструмента 100 снизится, если в режущих элементах 116А и 116С, установленных в областях буровой коронки 114, где режущие элементы 116А и 116С могут подвергаться меньшему абразивному износу и воздействию более низких рабочих температур, например, в конической области 124 и торцевой области 128, каталитический материал 138 будет удален из соответствующих поликристаллических пластинок 132А и 132С до меньшей глубины D и D.
Помимо варьирования глубиной, до которой удаляется каталитический материал 138 из поликристаллических пластинок 132А, 132С и 132В режущих элементов 116А, 116С и 116В, распределенных по буровой коронке 114 бурового инструмента 100, глубина, до которой удаляется каталитический материал 138, может меняться от одного бурового инструмента к другому буровому инструменту. Например, каталитический материал 138 может быть удален из поликристаллических пластинок 132А, 132С и 132В режущих элементов 116А, 116С и 116В, прикрепленных к буровому инструменту, который предполагается использовать в породе с высокими абразивными свойствами (например, в песчанике), до большей средней глубины по сравнению с глубиной удаления каталитического материала 138 из поликристаллических пластинок 132А, 132С и 132В режущих элементов 116А, 116С и 116В, прикрепленных к буровому инструменту, предназначенному для использования в породе с низкой абразивной способностью (например, в известняке). Такое варьирование может позволить снизить стоимость изготовления бурового инструмента, что даст возможность проводить разведку и добычу там, где в противном случае это было бы нерентабельно.
Дополнительные частные варианты выполнения, охватываемые данным изобретением, но не ограничивающие его, включают следующие:
Вариант 1: Буровой инструмент включает корпус, на переднем конце которого располагается буровая коронка, имеющая первую область и вторую область. Первая область расположена ближе к оси вращения корпуса, чем вторая область. Первый режущий элемент, расположенный в первой области, прикреплен к корпусу, при этом первый режущий элемент содержит первую поликристаллическую пластинку, прикрепленную к первой подложке. Второй режущий элемент, расположенный во второй области, также прикреплен к корпусу, при этом второй режущий элемент содержит вторую поликристаллическую пластинку, прикрепленную ко второй подложке. Каждая из первой и второй поликристаллических пластинок содержит скрепленные друг с другом зерна сверхтвердого материала. Первая поликристаллическая пластинка по существу не содержит каталитический материал до первой глубины, а вторая поликристаллическая пластинка по существу не содержит каталитический материал до второй глубины, большей, чем первая глубина.
Вариант 2: Буровой инструмент в соответствии с Вариантом 1, дополнительно имеющий третью область, расположенную между первой областью и второй областью, и установленный в третьей области третий режущий элемент, прикрепленный к корпусу и содержащий третью поликристаллическую пластинку, прикрепленную к третьей подложке, содержащую скрепленные друг с другом зерна сверхтвердого материала и по существу не содержащую каталитический материал до третьей глубины, промежуточной по величине между первой и второй глубинами.
Вариант 3: Буровой инструмент в соответствии с Вариантом 1 или Вариантом 2, в котором отношение первой глубины ко второй глубине составляет примерно 1:100 или менее.
Вариант 4: Буровой инструмент в соответствии с любым из Вариантов 1-3, в котором первая глубина составляет менее примерно 25% полной толщины первой поликристаллической пластинки.
Вариант 5: Буровой инструмент в соответствии с любым из Вариантов 1-4, в котором первая глубина составляет примерно 100 мкм или менее.
Вариант 6: Буровой инструмент в соответствии с Вариантом 5, в котором первая глубина составляет примерно 50 мкм или менее.
Вариант 7: Буровой инструмент в соответствии с любым из Вариантов 1-6, в котором вторая глубина составляет примерно 100 мкм или более.
Вариант 8: Буровой инструмент в соответствии с Вариантом 7, в котором вторая глубина составляет примерно 200 мкм или более.
Вариант 9: Буровой инструмент в соответствии с Вариантом 8, в котором во второй поликристаллической пластинке по существу полностью отсутствует каталитический материал.
Вариант 10: Буровой инструмент в соответствии с любым из Вариантов 1-9, в котором первая область представляет собой коническую область на оси вращения корпуса и вокруг нее, а вторая область представляет собой область перегиба, прилегающую к торцевой области и окружающую ее, при этом торцевая область прилегает к конической области и окружает ее.
Вариант 11: Буровой инструмент в соответствии с Вариантом 10, в котором каждая поликристаллическая пластинка каждого режущего элемента по существу не содержит каталитический материал до некоторой глубины, увеличивающейся по мере удаления от оси вращения, от конической области к области перегиба.
Вариант 12: Буровой инструмент может включать корпус, на переднем конце которого располагается буровая коронка. Буровая коронка может иметь коническую область, расположенную на оси вращения и вокруг оси вращения корпуса, торцевую область, прилегающую к конической области и окружающую ее, область перегиба, прилегающую к торцевой области и окружающую ее, и калибрующую область, образующую боковую поверхность корпуса, прилегающую к области перегиба и окружающую ее. Первый режущий элемент, расположенный в конической области, может быть прикреплен к корпусу. Первый режущий элемент может содержать первую поликристаллическую пластинку, прикрепленную к первой подложке. Второй режущий элемент, расположенный в области перегиба, может быть прикреплен к корпусу. Второй режущий элемент может содержать вторую поликристаллическую пластинку, прикрепленную ко второй подложке. Каждая из первой и второй поликристаллических пластинок может содержать скрепленные друг с другом зерна сверхтвердого материала. Первая поликристаллическая пластинка может по существу не содержать каталитический материал до первой глубины, а вторая поликристаллическая пластинка может по существу не содержать каталитический материал до второй, большей, глубины.
Вариант 13: Буровой инструмент может включать корпус, содержащий на его переднем конце буровую коронку. Коронка может иметь коническую область, расположенную на оси вращения и вокруг оси вращения корпуса, торцевую область, прилегающую к конической области и окружающую ее, область перегиба, прилегающую к торцевой области и окружающую ее, и калибрующую область, образующую боковую поверхность корпуса, прилегающую к области перегиба и окружающую ее. Режущие элементы, расположенные в каждой из конической области, торцевой области, области перегиба и калибрующей области, могут быть прикреплены к корпусу. Каждый режущий элемент может содержать поликристаллическую пластинку, прикрепленную к подложке. Поликристаллическая пластинка каждого режущего элемента может содержать скрепленные друг с другом зерна сверхтвердого материала. Каждая поликристаллическая пластинка каждого режущего элемента по существу не содержит каталитический материал до некоторой глубины, причем глубина нарастает с увеличением расстояния от оси вращения, от конической области до области перегиба.
Вариант 14: Способ формирования бурового инструмента, при осуществлении которого могут подготавливать первый режущий элемент и второй режущий элемент, при этом первый режущий элемент содержит первую поликристаллическую пластинку, прикрепленную к первой подложке, второй режущий элемент содержит вторую поликристаллическую пластинку, прикрепленную ко второй подложке, и каждая из первой и второй поликристаллических пластинок содержит скрепленные друг с другом зерна сверхтвердого материала. Каталитический материал, использованный для ускорения формирования межкристаллических связей среди зерен сверхтвердого материала, может быть удален из первой поликристаллической пластинки на первую глубину и из второй поликристаллической пластинки на вторую, большую, глубину. Может быть подготовлен корпус, содержащий на его переднем конце буровую коронку, имеющую первую область и вторую область, при этом первая область расположена ближе к оси вращения корпуса, чем вторая область. Первый режущий элемент может быть прикреплен к корпусу в первой области, а второй режущий элемент может быть прикреплен к корпусу во второй области.
Вариант 15: Способ в соответствии с Вариантом 14, в котором корпус также имеет третью область, расположенную между первой областью и второй областью, и при осуществлении которого подготавливают третий режущий элемент, содержащий третью поликристаллическую пластинку, прикрепленную к третьей подложке и содержащую скрепленные друг с другом зерна сверхтвердого материала; удаляют из третьей поликристаллической пластинки каталитический материал, использованный для ускорения формирования межкристаллических связей между зернами сверхтвердого материала, до третьей глубины, промежуточной по величине между первой глубиной и второй глубинами; и прикрепляют третий режущий элемент к корпусу в третьей области.
Вариант 16: Способ в соответствии с Вариантом 13 или Вариантом 14, в котором при удалении каталитического материала до первой глубины удаляют каталитический материал до первой глубины, составляющей менее примерно 25% полной толщины первой поликристаллической пластинки.
Вариант 17: Способ в соответствии с любым из Вариантов 14-16, в котором при удалении каталитического материала до первой глубины удаляют каталитический материал до первой глубины, составляющей примерно 100 мкм или менее.
Вариант 18: Способ в соответствии с любым из Вариантов 14-17, в котором при удалении каталитического материала до второй глубины удаляют каталитический материал до второй глубины, составляющей примерно 100 мкм или более.
Вариант 19: Способ в соответствии с Вариантом 18, в котором при удалении каталитического материала до второй глубины, составляющей примерно 100 мкм или более, из второй поликристаллической пластинки по существу полностью удаляют каталитический материал.
Вариант 20: Способ в соответствии с любым из Вариантов 14-19, в котором при подготовке корпуса, содержащего буровую коронку, имеющую первую область и вторую область, подготавливают корпус, содержащий буровую коронку, которая имеет коническую область, соответствующую первой области на оси вращения корпуса и вокруг нее, и область перегиба, соответствующую второй области, прилегающей к торцевой области и окружающей ее, при этом торцевая область прилегает к конической области и окружает ее.
Вариант 21: Буровой инструмент в соответствии с любым из Вариантов 14-20, в котором при удалении каталитического материала выщелачивают каталитический материал.
В то время как некоторые частные варианты выполнения было описаны со ссылками на чертежи, специалисты должны понять и оценить, что область притязаний изобретения не ограничена этими подробно показанными и описанными здесь вариантами выполнения. Напротив, к описанным здесь вариантам выполнения могут быть сделаны многочисленные дополнения, изъятия и изменения для получения вариантов выполнения в пределах области притязаний изобретения, например, заявленных в приведенной ниже формуле, включая законные эквиваленты. Кроме того, признаки одного раскрытого варианта выполнения могут быть скомбинированы с признаками другого раскрытого варианта выполнения, оставаясь в пределах области притязаний изобретения, заявленной его авторами.