БУРОВОЕ ДОЛОТО ДЛЯ РОТОРНОГО БУРЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
BORE BIT FOR ROTOR DRILLING AND PROCEDURE FOR ITS FABRICATION

Притязание на приоритет
По настоящей заявке испрашивается приоритет патентной заявки США 11/271153, поданной 10 ноября 2005 г., которая имеет отношение к заявке 11/272439, поданной 10 ноября 2005 г. от имени Redd H.Smith, John H.Stevens, Jim Duggan, Nicholas J.Lyons, Jimmy W.Eason, Jared D.Gladney, James A.Oxford и Benjamin J.Chrest и имеющей название "Буровые долота для роторного бурения и способы изготовления буровых долот с корпусом из композита из связующего материала с другими частицами".
Область техники
Настоящее изобретение в основном относится к буровым долотам и к другим инструментам, которые могут быть использованы для пробуривания подземных пластов (пород), а также к способам изготовления таких буровых долот.
Предпосылки создания изобретения
Буровые долота для роторного бурения обычно используются для пробуривания стволов скважин или буровых скважин в земельных пластах (толщи подземных пород). Один тип такого бурового долота для роторного бурения представляет собой буровое долото с запрессованными резцами (часто называемое долотом лопастного типа вида "рыбий хвост"), которое обычно имеет множество режущих элементов, закрепленных на торцевой области корпуса долота. Обычно подобные режущие элементы бурового долота с запрессованными резцами имеют либо дискообразную форму, либо по существу цилиндрическую форму. Режущая поверхность, содержащая твердый суперабразивный материал, такой как взаимно скрепленные частицы поликристаллического алмаза, может присутствовать на по существу округлой торцевой поверхности каждого режущего элемента. Подобные режущие элементы часто называются резцами, "армированными поликристаллическими синтетическими алмазами" (АПСА). Обычно такие режущие элементы изготавливаются отдельно от корпуса долота и закрепляются внутри карманов (углублений), образованных во внешней поверхности корпуса долота. В качестве связующего материала, который может быть использован для крепления режущих элементов к корпусу долота, может применяться адгезив (склеивающее вещество) или, что является более типичным, твердый припой. Буровое долото с запрессованными резцами может быть помещено в ствол скважины таким образом, что режущие элементы будут размещаться рядом с земельным пластом, через который необходимо осуществить пробуривание. По мере проворачивания бурового долота режущие элементы скалывают и срезают прочь поверхность нижерасположенного земельного пласта.
Корпус долота для роторного бурения обычно крепится к закаленной стальной шейке долота, имеющей резьбовую соединительную часть, изготовленную согласно стандарту Американского нефтяного института (АНИ) и служащую для присоединения бурового долота к колонне бурильных труб. Такая колонна бурильных труб содержит трубчатую колонну и муфтовый конец сегментов оборудования, служащий для отделения бурового долота от остального бурильного оборудования на поверхности. Оборудование, такое как ротор буровой установки или верхний силовой привод, может использоваться для вращения колонны бурильных труб и бурового долота внутри ствола скважины. Альтернативным образом шейка бурового долота может быть напрямую подсоединена к ведущему валу забойного двигателя, который после этого может быть использован для вращения бурового долота.
Корпус бурового долота для роторного бурения может быть изготовлен из стали. Альтернативным образом корпус бурового долота может быть изготовлен из композитного материала "матрица - частицы" (называемый также далее "композит из (на основе) связующего материала с (распределенными в нем) частицами"). Такие корпуса долот обычно изготавливаются посредством погружения стальной заготовки в материал из карбидных частиц, таких как частицы карбида вольфрама (WC), и пропитывания материала из карбидных частиц матричным материалом (обычно называемым "связующим" материалом), таким как медный сплав, что позволяет получить корпус долота, по существу изготовленный из композита из связующего материала с другими частицами. Буровые долота, имеющие корпус, изготовленный из такого композитного материала, могут иметь лучшие характеристики с точки зрения эрозионной стойкости и износостойкости по сравнению с буровыми долотами, имеющими стальные корпуса.
Традиционное буровое долото 10, которое имеет корпус, содержащий связующий материал с частицами из другого материала, изображено на фиг.1. Как здесь показано, такое буровое долото 10 содержит корпус 12 долота, который закреплен на хвостовике 20 (бура). Корпус 12 долота содержит буровую коронку 14 и короночное кольцо 16, вмонтированное в буровую коронку 14. Буровая коронка 14 содержит связующий материал с частицами иного материала, такими как, к примеру, частицы карбида вольфрама, внедренные в связующий материал из медного сплава. Корпус 12 долота крепится к хвостовику 20 при помощи резьбового соединения 22 и сварного шва 24, который проходит вокруг бурового долота 10 по его внешней поверхности вдоль места соединения корпуса 12 долота и хвостовика 20. Хвостовик 20 содержит резьбовую соединительную часть 28 (изготовленную согласно стандарту АНИ), служащую для присоединения бурового долота 10 к колонне бурильных труб (не показана).
Корпус 12 долота имеет лопасти или лезвия 30, которые отделены друг от друга при помощи отверстий 32 в долоте для выноса бурового шлама. Внутренние проходы 42 для жидкости (бурового раствора) пролегают от торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота до продольного канала 40 долота, который проходит через хвостовик 20 и частично через корпус 12 долота. Вкладыши промывочной насадки долота (не показаны) могут располагаться на торцевой (лицевой) поверхности 18 корпуса 12 долота во внутренних проходах 42 для жидкости.
Множество АПСА резцов 34 располагаются на торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота. АПСА резцы 34 могут располагаться вдоль лезвий 30 внутри карманов (углубление) 36, которые образованы в торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота и могут сзади поддерживаться при помощи подпорок 38, которые могут представлять собой интегральную часть буровой коронки 14 корпуса 12 долота.
Короночное кольцо 16, изображенное на фиг.1, обычно является цилиндрической трубкой. Альтернативным образом данное короночное кольцо 16 может иметь относительно сложную конфигурацию и может содержать внешние выступы, соответствующие лезвиям 30, или иные конструктивные элементы как на торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота, так и выступающие из нее.
Во время операций пробуривания буровое долото 10 помещается внизу ствола скважины и проворачивается, в то время как буровой раствор подается под давлением к торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота через продольный канал 40 долота и через внутренние канавки 42 для прохода жидкости. По мере того как АПСА резцы 34 скалывают или срезают прочь нижележащий земляной пласт, буровой шлам смешивается и перемешивается с буровым раствором и проходит через отверстия 32 в долоте для выноса бурового шлама и через затрубное пространство между стенкой буровой скважины и колонной бурильных труб к поверхности земельного пласта.
Традиционно корпуса буровых долот, которые содержат композит на основе связующего материала с другими частицами, как это объяснено ранее на примере корпуса 12 бурового долота, изготавливались внутри графитовых литейных форм. Полости графитовых литейных форм обычно обрабатывались при помощи станка с пятью степенями подвижности (пятикординатного станка). После этого при помощи ручных инструментов происходила тонкая обработка полости графитовой литейной формы для придания изготавливаемой конструкции специфических конструктивных черт. При этом могла потребоваться дополнительная глиняная набойка, чтобы добиться желаемой конфигурации некоторых конструктивных элементов корпуса долота. Где это было необходимо, могли применяться заранее изготовленные элементы или убирающиеся впоследствии вкладыши (которые могли представлять собой керамические компоненты, графитовые компоненты или песчаные набивные компоненты, покрытые резиной), которые могли помещаться внутри литейной формы и использоваться для определения границ внутренних канавок 42, карманов 36 для режущих элементов, отверстий 32 в корпусе долота для выноса бурового шлама, а также иных внешних конструктивных элементов корпуса 12 долота. Полость графитовой литейной формы заполнялась материалом из твердых карбидных частиц (такого как карбид вольфрама, карбид титана, карбид тантала и пр.). После этого заранее изготовленное короночное кольцо 16 могло помещаться внутрь литейной формы в подходящем для этого месте и в необходимом положении. Короночное кольцо 16 обычно по меньшей мере частично было погружено в материал из твердых карбидных частиц внутри литейной формы.
Литейная форма далее могла быть подвергнута вибрации, или же частицы могли быть упакованы каким-либо иным образом, чтобы уменьшить расстояние между прилегающими частицами зернистого карбидного материала. Связующий материал, такой как сплав на основе меди, мог быть расплавлен, а зернистый карбидный материал мог быть пропитан расплавленным связующим материалом. Далее литейная форма и корпус 12 долота могли быть подвергнуты охлаждению для затвердения связующего материала. Короночное кольцо 16 прикреплялось к составному связующему материалу с частицами иного материала, который формировал буровую коронку 14 при охлаждении корпуса 12 долота и затвердевании связующего материала. После охлаждения корпуса 12 долота он вынимался из литейной формы, а все вкладыши вынимались из корпуса 12 долота. При этом для выемки корпуса 12 долота обычно требовалось разрушить графитовую литейную форму.
Как это было объяснено ранее, обычно требовалось разрушить графитовую литейную форму для выемки корпуса 12 долота. После того, как корпус 12 долота был вынут из литейной формы, он мог быть закреплен на хвостовике 20. Поскольку композит из связующего материала с другими частицами, который применялся для изготовления буровой коронки 14, является относительно твердым и нелегко поддается машинной обработке, используется короночное кольцо 16 для прикрепления корпуса долота к шейке долота. На наружной поверхности короночного кольца 16 может быть нарезана резьба для образования резьбового соединения 22 между корпусом 12 долота и хвостовиком 20. Хвостовик 20 может быть накручен на корпус 12 долота, после чего вдоль места соединения корпуса 12 долота и хвостовика 20 может быть выполнен сварной шов 24.
После отливки корпуса 12 долота к торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота могут крепиться АПСА резцы 34 при помощи, к примеру, пайки твердым припоем, механического или адгезионного прикрепления. Альтернативным образом резцы 34 могут крепиться к торцевой поверхности 18 корпуса 12 долота во время процесса спекания корпуса долота, если в резцах 34 применяются термостойкие синтетические или натуральные алмазы.
Литейные формы, используемые для отливки корпусов долот, плохо пригодны для машинной обработки по причине их размера, формы и состава материала, использованного для их изготовления. Помимо этого, для изготовления литейной формы и для изготовления определенных конструктивных особенностей корпуса долота после выемки его из литейной формы часто требуются операции с использованием ручных инструментов, что еще более усложняет процесс повторного воспроизводства корпусов долот. Эти факты, вместе с тем фактом, что лишь один корпус долота может быть изготовлен при использовании одной литейной формы, усложняет процесс повторного воспроизводства множественного числа корпусов долот, имеющих единообразные размеры. Ввиду таких несоответствий форма, прочность и, в конечном счете, рабочие характеристики во время бурения могут варьироваться от долота к долоту, что затрудняет возможность установления средней продолжительности работы конкретного бурового долота. В результате этого буровые долота на колонне бурильных труб обычно заменяются чаще, чем это было бы желательно, чтобы предотвратить неожиданные поломки бурового долота, что приводит к дополнительным затратам.
Как должно быть понятно из предшествующего описания, процесс изготовления корпуса долота, которое содержит композит из связующего материала с другими частицами, является весьма дорогостоящим, сложным многостадийным трудоемким процессом, требующим отдельного изготовления промежуточного продукта (литейной формы) до того, как конечный продукт (корпус долота) может быть отлит. Более того, заготовки, литейные формы и иные использующиеся предварительно отформованные заготовки должны быть сконструированы и изготовлены индивидуальным способом. В то же самое время, хотя корпуса долот, которые содержат композит из связующего материала с другими частицами, могут иметь значительные преимущества с точки зрения сопротивления абразивному износу и эрозионной стойкости по сравнению с корпусами долот из стали согласно известному уровню техники, более низкая прочность и трещиностойкость (прочность сопротивления хрупкому излому) таких корпусов долот препятствует их применению в определенных случаях.
Таким образом, имеется необходимость в способе изготовления корпуса долота, который бы содержал композит из связующего материала с другими частицами и который бы исключал необходимость применения литейной формы и предоставлял бы корпус долота, который мог бы легко крепиться к хвостовику или иному компоненту колонны бурильных труб. Помимо этого, известные способы изготовления корпуса долота, который содержит композит из связующего материала с другими частицами, ограничивают доступные составы такого материала такими составами, которые включают связующие материалы, способные к расплавлению для пропитывания зернистого карбидного материала при температурах, которые не разрушают данный зернистый карбидный материал, короночное кольцо или теплоустойчивые алмазы, содержащиеся в сборном узле литейной формы. Таким образом, имеется необходимость в способе, подходящем для изготовления корпуса долота, содержащего композит из связующего материала с другими частицами, который бы не требовал пропитывания зернистого карбидного материала расплавленным связующим материалом.
Раскрытие изобретения
Согласно одной своей особенности настоящее изобретение включает способ изготовления корпуса бурового долота для роторного бурения. Этот способ включает формирование корпуса долота, хвостовика, конструкция которого позволяет крепить его к колонне бурильных труб, а также присоединение хвостовика к корпусу долота. Изготовление корпуса долота включает изготовление составного элемента (детали) из "неспеченного" (так называемого "зеленого") порошка, имеющего первую область, составляющий материал которой имеет первый состав, а также вторую область, состав составляющего материала которой отличается от первого состава материала. Такой составной элемент из "неспеченного" порошка по меньшей мере частично спекается.
Согласно другой своей особенности способ включает изготовление корпуса долота и хвостовика, конструкция которого позволяет крепить его к колонне бурильных труб. Хвостовик долота имеет внешнюю стенку, окружающую продольный канал, и по меньшей мере одно отверстие, проходящее через эту внешнюю стенку. По меньшей мере один конструктивный элемент в поверхности корпуса долота изготавливается при помощи машинной обработки (станка). Отверстие, проходящее через внешнюю стенку хвостовика, находится на одной линии с конструктивным элементом в поверхности корпуса долота, а удерживающий элемент проходит через отверстие, пронизывающее внешнюю стенку хвостовика. Механическое взаимодействие хвостовика, удерживающего элемента и конструктивного элемента в корпусе долота препятствует отделению корпуса долота от хвостовика. При этом корпус долота изготавливается посредством прессования порошковой смеси, которая содержит множество частиц и связующий материал, служащие для изготовления составного элемента из "неспеченного" порошка, который впоследствии спекается до достижения им конечной плотности.
Согласно еще одной своей особенности настоящее изобретение включает буровое долото для роторного бурения, которое содержит корпус долота и хвостовик, присоединенный к корпусу долота. Хвостовик имеет внешнюю стенку, окружающую продольный канал. Удерживающий элемент проходит сквозь по меньшей мере часть внешней стенки хвостовика и упирается по меньшей мере в одну поверхность корпуса долота. Механическое взаимодействие хвостовика, удерживающего элемента и корпуса долота по меньшей мере частично закрепляет хвостовик на корпусе долота. Корпус долота содержит композит на основе связующего материала с другими частицами. Такой композит содержит множество твердых частиц, распределенных внутри связующего материала. Такие твердые частицы могут содержать материал, выбираемый из алмаза, карбида бора, нитрида бора, алюминиевого нитрида и карбидов или боридов из группы, состоящей из W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Za и Cr. Связующий материал может выбираться из группы, состоящей из сплавов на основе железа, сплавов на основе никеля, сплавов на основе кобальта, сплавов на основе титана, сплавов на основе железа и никеля, сплавов на основе железа и кобальта и сплавов на основе никеля и кобальта.
Характерные признаки, преимущества и альтернативные особенности настоящего изобретения станут понятными специалистам в данной области техники из анализа последующего детального описания в комбинации с сопроводительными чертежами, на которых:
фиг.1 представляет собой частичный боковой вид в поперечном разрезе традиционного бурового долота для роторного бурения, которое имеет корпус, содержащий композит из связующего материала с другими частицами;
фиг.2 представляет собой частичный боковой вид в поперечном разрезе предлагаемого в настоящем изобретении бурового долота для роторного бурения;
фиг.3А-3К иллюстрирует способ изготовления корпуса бурового долота для роторного бурения, изображенного на фиг.2;
фиг.4-4В иллюстрируют еще один способ изготовления корпуса бурового долота для роторного бурения, изображенного на фиг.2;
фиг.5 представляет собой вид сбоку на хвостовик, изображенный на фиг.2;
фиг.6 представляет собой вид в поперечном разрезе на хвостовик, изображенный на фиг.5, вдоль изображенной линии сечения 6-6;
фиг.7 представляет собой боковой вид в поперечном разрезе другого варианта корпуса бурового долота;
фиг.8 представляет собой вид в поперечном разрезе корпуса бурового долота, изображенного на фиг.7, вдоль линии сечения 8-8; и
фиг.9 представляет собой боковой вид в поперечном разрезе еще одного варианта корпуса бурового долота.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Чертежи, представленные в данном документе, не означают реальные изображения какого-либо материала, устройства, системы или способа, а лишь представляют собой принципиальные схематичные представления, которые приводятся с целью описать настоящее изобретение. Дополнительно к этому, общие элементы данных чертежей могут сохранять одни и те же номерные обозначения.
Термин "неспеченный", используемый в данном документе, означает неспеченный (несплавленный) порошок (так называемый "зеленый порошок").
Термин "неспеченный ("зеленый") корпус долота", используемый в данном документе, означает неспеченную деталь, состоящую из множества связанных друг с другом при помощи связующего материала дискретных частиц, такая деталь имеет размер и форму, позволяющие изготовить корпус долота, пригодный для использования в конструкции бурового долота, изготавливаемого из этой детали при помощи последующего производственного процесса, включающего в качестве неограничивающего примера машинную обработку и уплотнение.
Термин "частично спеченный", используемый в данном документе, означает частично спеченный (сплавленный) порошок (так называемый "коричневый порошок").
Термин "частично спеченный ("коричневый") корпус долота", используемый в данном документе, означает частично спеченную деталь, состоящую из множества частиц, по меньшей мере часть из которых была сближена, чтобы добиться по меньшей мере частичного сцепления между прилегающими частицами, такая деталь имеет размер и форму, позволяющие изготовить корпус долота, пригодный для использования в конструкции бурового долота, изготавливаемого из этой детали при помощи последующего производственного процесса, включающего в качестве неограничивающего примера машинную обработку и уплотнение. Частично спеченные корпуса долота могут изготавливаться, к примеру, частичным спеканием неспеченых корпусов долота.
Термин "спекание", используемый в данном документе, означает уплотнение составного элемента из твердых частиц, включающее избавление от по меньшей мере части пор между начальными частицами (что происходит при сжимании), сочетающееся с соединением и сцеплением соседних частиц.
Как это используется в данном документе, термин "сплав на основе [металла]" (где [металл] означает любой металл) означает технически чистый [металл] в добавление к металлам сплава, где весовой процент [металла] в сплаве больше, чем весовой процент любого иного составляющего элемента сплава.
Как это используется в данном документе, термин "состав материала" означает химический состав и микроструктуру материала. Другими словами, материалы, имеющие одинаковый химический состав, но разную микроструктуру, считаются материалами с разными составами материала.
2
2
Как это используется в данном документе, термин "карбид вольфрама" означает любой состав материала, который содержит химические соединения вольфрама и углерода, такие как, к примеру, WC, WC, а также комбинации WC и WC. Карбид вольфрама включает, к примеру, литой карбид вольфрама, спеченный карбид вольфрама, а также крупнокристаллический карбид вольфрама.
Буровое долото 50 для роторного бурения, которое представляет один из возможных вариантов выполнения настоящего изобретения, изображено на фиг.2. Буровое долото 50 содержит корпус 52, который включает композит из связующего материала с другими частицами. Буровое долото 50 может также содержать хвостовик 70 (бура), прикрепленный к корпусу 52 долота.
Хвостовик 70 имеет по существу цилиндрическую внешнюю стенку, имеющую как внешнюю, так и внутреннюю поверхности. Внешняя стенка хвостовика 70 окружает по меньшей мере часть продольного канала 66 долота, который проходит через буровое долото 50. По меньшей мере одна из поверхностей внешней стенки хвостовика 70 долота может быть сконфигурирована для присоединения хвостовика 70 к корпусу долота 52. Хвостовик 70 также может иметь входящее или охватывающее резьбовое соединение 28, изготовленное согласно стандарту АНИ, которое служит для присоединения бурового долота 50 к колонне бурильных труб (не показана). Одно или более отверстий 72 могут проходить сквозь внешнюю стенку хвостовика 70. Эти отверстия более детально описаны ниже.
В случае некоторых предпочтительных вариантов осуществления изобретения корпус 52 долота бурового долота 50 для роторного бурения может в основном быть изготовлен и состоять из композита из связующего материала с другими частицами иного материала. Помимо этого, состав такого композита может избирательно варьироваться в разных областях корпуса 52 долота, для того чтобы разные области корпуса долота имели бы различные индивидуально подобранные физические свойства или характеристики.
В случае неограничивающего примера корпус 52 долота может включать первую область 54, имеющую первый тип состава материала, а также вторую область 56, имеющую второй, отличный тип состава материала. Первая область 54 может включать более низко расположенные в продольном направлении и отходящие вбок области корпуса 52 долота, которые обычно называются "коронкой" корпуса 52 долота. Первая область 54 может включать торцевую (лицевую) поверхность 68 корпуса 52 долота, которая может быть сконфигурирована таким образом, чтобы нести множество режущих АПСА элементов 34. К примеру, внутри или на торцевой поверхности 68 корпуса 52 долота может находиться множество карманов (углублений) 36 и подпорок 38 для удержания и поддержки АПСА резцов 34. Далее, в первой области 54 корпуса 52 может находиться множество лезвий (лопастей) 30 и отверстий 32 для выноса бурового шлама. Вторая область 56 может включать более высоко расположенные в продольном направлении и сходящиеся области корпуса 52 долота. Продольный канал 66 долота может по меньшей мере частично проходить через вторую область 56 корпуса 52 долота.
50
Вторая область 56 может содержать по меньшей мере одну поверхность 58, которая сконфигурирована для присоединения корпуса 52 долота к хвостовику 70. В случае неограничивающего примера по меньшей мере в одной поверхности 58 второй области 56 может быть образована по меньшей мере одна выемка 60, которая сконфигурирована для присоединения корпуса 52 долота к хвостовику 70. Каждая такая выемка может соответствовать и находится на одной линии с отверстием, проходящим через внешнюю стенку хвостовика 70. Внутри каждого отверстия в хвостовике 70 и внутри каждой выемки 60 может находиться удерживающий элемент 80. Механическое взаимодействие хвостовика 70, удерживающего элемента 80 и корпуса 52 долота может воспрепятствовать продольному отделению корпуса 52 долота от хвостовика 70, а также может воспрепятствовать проворачиванию корпуса 52 долота относительно продольной оси L бурового долота 50 для роторного бурения относительно хвостовика 70.
В случае предпочтительного варианта осуществления изобретения, изображенного на фиг.2, мы видим, что буровое долото 50 для роторного бурения включает два удерживающих элемента 80. В случае неограничивающего примера каждый удерживающий элемент 80 может включать продолговатый цилиндрический стержень, который проходит через отверстие в хвостовике 70 и через выемку 60, имеющуюся в поверхности 58 корпуса 52 долота.
Механическое взаимодействие хвостовика 70, удерживающего элемента 80 и корпуса 52 долота может также создать по существу однородный зазор или промежуток между поверхностью хвостовика 70 и поверхностями 58 во второй области 56 корпуса 52 долота. В случае неограничивающего примера между хвостовиком 70 и корпусом 52 долота может быть создан по существу однородный зазор величиной, находящейся в интервале от приблизительно 50 микрон (0,002 дюйма) до приблизительно 150 микрон (0,006 дюйма), когда удерживающие элементы 80 помещаются внутри отверстий в хвостовике 70 и выемках 60 корпуса 52 долота.
В по существу однородном зазоре между хвостовиком 70 и поверхностями 58 во второй области 56 корпуса 52 долота может присутствовать твердый припой 82, такой как, к примеру, металлический сплав на основе серебра или металлический сплав на основе никеля. В качестве альтернативы твердому припою или в добавление к нему вокруг вращающегося бурового долота 50 на его наружной поверхности вдоль места соединения корпуса 52 долота и хвостовика 70 долота может присутствовать сварной шов 24. Сварной шов 24 и твердый припой 82 могут использоваться для дальнейшего крепления хвостовика 70 к корпусу 52 долота. В данной конфигурации, если крепление твердым припоем 82, а также сварным швом 24 в месте по существу однородного зазора между хвостовиком 70 и поверхностями 58 во второй области 56 корпуса долота придет в негодность, в то время как буровое долото 50 будет находиться внизу буровой скважины во время операции бурения, удерживающие элементы 80 могут предотвратить продольное отделение корпуса 52 долота от хвостовика 70, тем самым предотвращая утерю корпуса 52 долота в стволе буровой скважины.
Как указывалось ранее, первая область 54 корпуса 52 долота может иметь первый состав материала, а вторая область 56 корпуса 52 долота может иметь второй, иной состав материала. Первая область 54 может содержать композит на основе связующего материала с другими частицами. Вторая область 56 корпуса 52 долота может включать металл, металлический сплав или же композит на основе связующего материала с другими частицами. В случае неограничивающего примера состав материала первой области 54 может подбираться таким образом, чтобы демонстрировать более высокие качества эрозионной стойкости и более высокие износостойкие качества, чем состав материала второй области 56. Состав материала второй области 56 может подбираться таким образом, чтобы облегчить машинную обработку второй области 56. Способ, в соответствии с которым могут подбираться физические свойства с целью облегчения машинной обработки второй области 56, может по меньшей мере частично зависеть от способа машинной обработки, который предполагается использовать. Например, если необходимо обработать вторую область 56 используя такие традиционные методы машинной обработки, как токарная обработка, обработка на фрезеровочном станке, а также обработка посредством сверления, состав материала второй области 56 может выбираться так, чтобы он обладал меньшим уровнем твердости и повышенным уровнем пластичности. Альтернативным образом, если является желательным обработать вторую область 56 путем использования таких технологий машинной обработки, как ультразвуковая обработка, которая может предусматривать использование ультразвуковых вибраций в отношении инструмента, состав материала второй области 56 может подбираться таким образом, чтобы он обладал большим уровнем твердости и меньшим уровнем пластичности. В случае некоторых предпочтительных вариантов осуществления изобретения состав материала второй области 56 может подбираться таким образом, чтобы он обладал бы более высоким уровнем вязкости (прочности сопротивления хрупкому излому), чем состав материала первой области 54. В случае других предпочтительных вариантов осуществления изобретения состав материала второй области 56 может подбираться таким образом, чтобы он обладал физическими свойствами, которые были бы подобраны для облегчения сварки второй области 56. В случае неограничивающего примера состав материала второй области 56 может быть подобран таким образом, чтобы он облегчил приваривание второй области 56 к хвостовику 70. Понимается, что различные области корпуса 52 долота могут иметь типы строения материала, которые выбираются или подбираются таким образом, чтобы обладать любыми желаемыми физическими свойствами или характеристиками, и что данное изобретение не ограничивается выбором или подбором составов материала таких областей, которые бы демонстрировали определенные физические свойства или характеристики, описываемые в данном документе.
Определенные физические свойства и характеристики составного материала (такие как твердость) могут определяться путем использования подходящего правила аддитивности, как это известно из уровня техники. Другие физические свойства и характеристики составного материала могут определяться без использования правила аддитивности. Такие физические свойства могут включать, к примеру, стойкость к эрозии и износу.
4
2
2
2
3
Композит на основе связующего материала с другими частицами первой области 54 может включать множество твердых частиц, беспорядочно распределенных по связующему материалу. Такие твердые частицы могут представлять собой алмаз или керамические материалы, такие как карбиды, нитриды, оксиды и бориды (включая карбид бора (ВС)). Говоря более точно, такие твердые частицы могут представлять собой карбиды и бориды, полученные из таких элементов, как W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Та, Cr, Zr, Al и Si. В случае неограничивающего примера материалы, которые могут использоваться для изготовления твердых частиц, включают карбид вольфрама (Wc, WC), карбид титана (TiC), карбид тантала (ТаС), диборид титана (TiB), карбид хрома, нитрид титана (TiN), карбид ванадия (VC), оксид алюминия (АlО), нитрид алюминия (AlN), нитрид бора (BN), а также карбид кремния (SiC). Помимо этого, комбинации различных твердых частиц могут быть использованы для подгонки физических свойств и характеристик композита из связующего материала с другими частицами. Такие твердые частицы могут быть изготовлены путем использования технологий, известных сведущим в данной области знаний специалистам. Наиболее подходящими материалами для твердых частиц являются доступные для приобретения материалы, а изготовление оставшихся материалов находится в пределах возможностей специалистов в данной области.
Связующий материал композита может включать, к примеру, сплавы на основе кобальта, железа, никеля, железа и никеля, кобальта и никеля, железа и кобальта, алюминия, меди, магния и титана. Такой связующий материал может также подбираться из технически чистых элементов, таких как кобальт, алюминий, медь, магний, титан, железо и никель. В качестве неограничивающего примера такой связующий материал может включать углеродистую сталь, легированную сталь, нержавеющую сталь, инструментальную сталь, марганцовистую сталь Гадфильда, материал из суперсплава никеля или кобальта, смеси на никелевой или железной основе с малым температурным коэффициентом линейного расширения, такие как INVAR. Как это используется в данном документе, термин "суперсплав" относится к сплавам на основе железа, никеля, а также кобальта, весовой состав которых по крайней мере на 12% представлен хромом. Дополнительные примеры сплавов, которые могут быть использованы в качестве связующего материала, включают аустенитную сталь, суперсплавы на основе никеля, такие как INCONEL625M или Rene 9, а также сплавы типа INVAR, имеющие температурный коэффициент линейного расширения, который близко совпадает с температурным коэффициентом линейного расширения для твердых частиц, используемых в составе составного связующего материала. Чем более точно температурный коэффициент линейного расширения такого связующего материала будет соответствовать температурному коэффициенту линейного расширения данных твердых частиц, тем больше будет возможностей для уменьшения проблем, связанных с остаточным напряжением и термической усталостью. Другим примером связующего материала является аустенитная марганцовистая сталь Гадфильда (Fe с весовым содержанием Мn, приблизительно равным 12%, и С, равным 1,1%).
Состав материала второй области 56 корпуса долота может включать, к примеру, любой из ранее описанных связующих материалов композита, который использовался в случае с первой областью 54 корпуса 52 долота. Альтернативным образом состав материала второй области 56 корпуса 52 долота может содержать композит на основе связующего материала с другими частицами, в котором твердые частицы беспорядочно распределены в связующем материале. Такие твердые частицы и связующие материалы могут выбираться из тех, что были описаны ранее в отношении первой области 54 корпуса 52 долота. Состав материала второй области 56 корпуса 52 долота, однако, может подбираться, чтобы облегчить машинную обработку второй области 56 посредством задействования традиционных технологий машинной обработки. Такие традиционные технологии машинной обработки могут включать, к примеру, токарную обработку, обработку на фрезеровочном станке, а также обработку посредством сверления, которые могут быть использованы для придания конфигурации второй области 56 корпуса 52 долота для присоединения к хвостовику 70. Например, такие конструктивные элементы, как выемки 60, могут быть изготовлены посредством машинной обработки в одной или более поверхностях 58 второй области 56 корпуса 52 долота, чтобы придать соответствующую конфигурацию второй области 56 корпуса 52 долота для присоединения его к хвостовику 70.
В случае одного предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения первая область 54 корпуса 52 долота может в основном быть изготовлена и состоять из композита из связующего материала с другими частицами. При этом композит из связующего материала с другими частицами может содержать множество частиц карбида вольфрама -400 меш по ASTM (Американское общество по испытанию материалов). Как это используется в данном документе, "частицы -400 меш по ASTM" означает частицы, которые проходят через сито №400 согласно стандарту ASTM, как это указано в спецификации ASTM Е-11-04 под названием "Стандартная спецификация для проволочной ткани и сеток для целей тестирования". Такие частицы карбида вольфрама могут иметь максимальный диаметр, не превышающий приблизительно 38 микрон. Подобный связующий материал может содержать металлический сплав на основе кобальта, около 95% весового состава которого будет представлено кобальтом. Частицы карбида вольфрама могут составлять приблизительно от 60% до 95% от веса композита из связующего материала с другими частицами, а сам такой связующий материал может составлять приблизительно от 5% до 40% от веса композита. Говоря более точно, частицы карбида вольфрама могут составлять приблизительно от 75% до 85% от веса композита, а связующий материал может составлять приблизительно от 15% до 25% от веса композита.
Вторая область 56 корпуса 52 долота может в значительной мере быть изготовлена и состоять из того же самого материала, который используется в качестве составного материала в составном связующем материале, содержащем частицы иного материала, первой области 54.
В случае другого предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения как первая 54, так и вторая 56 области корпуса 52 долота могут в основном быть изготовлены и состоять из композита из связующего материала с другими частицами.
В качестве неограничивающего примера связующий материал первой области 54, содержащий частицы иного материала, может содержать множество частиц карбида вольфрама -635 меш по ASTM. Как это используется в данном документе, "частицы -635 меш по ASTM" означает частицы, которые проходят через сито №635 согласно стандарту ASTM, как это указано в спецификации ASTM E11-04. Такие частицы карбида вольфрама могут иметь максимальный диаметр, не превышающий приблизительно 20 микрон. Например, композит первой области 54 может содержать множество частиц карбида вольфрама, диаметр которых находится в интервале приблизительно от 0,5 микрон до 10 микрон. Связующий материал может содержать металлический сплав на основе никеля и кобальта, содержание никеля в котором будет составлять около 50% по весу такого сплава, а содержание кобальта в котором будет составлять около 50%. При этом частицы карбида вольфрама могут составлять приблизительно от 60% до 95% от веса комопозита первой области 54, а связующий материал может составлять приблизительно от 5% до 40%. Говоря более конкретно, частицы карбида вольфрама могут составлять приблизительно от 75% до 85%, а связующий материал может составлять приблизительно от 15% до 25%.
Более того, композитный материал второй области 56 может содержать множество частиц карбида вольфрама -635 меш по ASTM. Такие частицы карбида вольфрама могут иметь максимальный диаметр, не превышающий приблизительно 20 микрон. Например, композит второй области 56 может содержать множество частиц карбида вольфрама, диаметр которых находится в интервале приблизительно от 0,5 микрон до 10 микрон. Такой композитный материал второй области 56 может быть по существу идентичным материалу первой области 54. Альтернативным образом композитный материал второй области 56 может отличаться от материала первой области 54. При этом частицы карбида вольфрама могут составлять приблизительно от 65% до приблизительно 70% от веса композита второй области 56, а связующий материал может составлять приблизительно от 30% до 35%.
Фиг.3А-3К изображают способ изготовления корпуса 52 долота. Обычно корпус 52 долота бурового долота 50 для роторного бурения может изготавливаться посредством раздельного изготовления первой области 54 и второй области 56 в виде "частично спеченных" деталей, дальнейшего соединения "частично спеченных" деталей и получения единого "частично спеченного" корпуса долота, а также спекания данного единого "частично спеченного" корпуса долота до достижения им желаемой конечной плотности.
Ссылаясь на фиг.3А, мы видим, что первая порошковая смесь 89 может быть запрессована в пресс-форму или металлическую форму 86 при помощи перемещаемого поршня или плунжера 88. Первая порошковая смесь 89 может содержать множество твердых частиц и множество частиц, составляющих связующий материал. Твердые частицы и связующий материал могут выбираться из тех видов, что ранее были описаны в отношении фиг.2. В виде необязательного примера порошковая смесь 89 может также включать присадки, которые обычно используются при прессовании порошковых смесей, такие как, к примеру, цементирующие вещества для обеспечения смазки во время процесса прессования, а также для обеспечения конструкционной прочности запрессованному составному элементу из порошка, пластификаторы, служащие для придания большей гибкости цементирующему веществу, а также смазочные материалы или уплотнители, служащие для уменьшения трения между частицами.
Металлическая форма 86 может содержать внутреннюю полость, поверхностями которой придана форма и конфигурация, способствующие образованию по меньшей мере некоторых из поверхностей первой области 54 корпуса 52 долота. Плунжер 88 также может иметь поверхности, которым придана конфигурация для образования или придания формы по меньшей мере некоторым поверхностям первой области 54 корпуса 52 долота. Вставки или вкладыши 87 могут быть помещены внутри металлической формы 86 и могут быть использованы для определения границ внутренних канавок 42 для прохода жидкости. Дополнительные вкладыши 87 (не показаны) могут использоваться для определения границ карманов 36 режущих элементов, отверстий 32 в долоте для выноса бурового шлама, а также других конструктивных элементов первой области 54 корпуса 52 долота.
Плунжер 88 может с большим усилием быть введен в металлическую форму 86 благодаря применению механического или гидравлического оборудования или машин с целью прессования первой порошковой смеси 89 внутри металлической формы 86 и образования первого составного элемента 90 из "неспеченного" порошка, изображенного на фиг.3Б. Металлическая форма 86, плунжер 88 и первая порошковая смесь 89 необязательно могут быть подвергнуты нагреванию во время процесса прессования.
В случае альтернативных способов прессования порошковой смеси 89 эта порошковая смесь 89 может быть подвергнута прессованию по существу под изостатическими давлениями, возникающими внутри камеры сжатия, что происходит благодаря использованию способов, известных сведущим в данной области техники специалистам.
Первый составной элемент 90 из "неспеченного порошка", изображенный на фиг.3Б, может содержать множество частиц (твердых частиц и частиц связующего материала), удерживаемых вместе с помощью цементирующего материала, содержащегося в порошковой смеси 89 (фиг.3А), как это было описано ранее. Определенные структурные конструктивные элементы могут быть изготовлены в корпусе составного элемента 90 из "неспеченного порошка" при помощи использования традиционных технологий машинной обработки, включая, к примеру, технологии токарной обработки, технологии обработки фрезерными станками и технологии сверления. Также могут быть использованы и ручные инструменты для ручного изготовления или придания окончательной формы конструктивным элементам внутри или на поверхности составного элемента 90 из "неспеченного порошка". В случае неограничивающего примера при помощи станков или каким-либо иным образом в составном элементе 90 из "неспеченного порошка" могут быть образованы отверстия 32 (фиг.2) для выноса бурового шлама.
Первый составной элемент 90 из "неспеченного порошка", изображенный на фиг.3Б, может по меньшей мере частично быть подвергнут спеканию. Например, составной элемент 90 из "неспеченного порошка" может быть подвергнут частичному спеканию для получения первого элемента 91 из "частично спеченного" порошка, изображенного на фиг.3В, плотность которого ниже, чем уровень желаемой конечной плотности. Прежде чем подвергнуться спеканию составной элемент 90 из "неспеченного" порошка может быть подвергнут воздействию относительно высоких температур, что способствует удалению любых нестойких примесей, которые содержались в порошковой смеси 89 (фиг.3А), как это было объяснено ранее. Помимо этого, составной элемент 90 из "неспеченного порошка" может быть подвергнут воздействию соответствующей газообразной среды, состав которой подбирается, чтобы также содействовать удалению таких примесей. Такая газообразная среда может содержать, к примеру, водород, нагретый до температуры приблизительно 500°С.
Определенные структурные конструктивные элементы могут быть изготовлены в первой "частично спеченной" детали 91 при помощи использования традиционных технологий машинной обработки, включая, к примеру, технологии токарной обработки, технологии обработки фрезерными станками и технологии сверления. Также могут быть использованы и ручные инструменты для ручного изготовления или придания окончательной формы конструктивным элементам внутри или на поверхности "частично спеченной" детали 91. В случае неограничивающего примера при помощи станков или каким-либо иным образом в "частично спеченной" детали 91 могут быть изготовлены карманы 36 для режущих элементов, что ведет к образованию профилированной "частично спеченной" детали 92, изображенной на фиг.3Г.
Обращаясь к фиг.3Д, мы видим, что вторая порошковая смесь 99 может быть запрессована в пресс-форму или металлическую форму 96 при помощи перемещаемого поршня или плунжера 98. Вторая порошковая смесь 99 может содержать множество частиц, составляющих связующий материал, а также необязательно может содержать множество твердых частиц. Связующий материал и твердые частицы могут выбираться из тех видов, что ранее были описаны в отношении фиг.2. В виде необязательного примера порошковая смесь 99 может также включать присадки, которые обычно используются при прессовании порошковых смесей, такие как, к примеру, цементирующие вещества для обеспечения смазки во время процесса прессования, а также для обеспечения конструкционной прочности запрессованному составному элементу из порошка, пластификаторы, служащие для придания большей гибкости цементирующему веществу, а также смазочные материалы или уплотнители, служащие для уменьшения трения между частицами.
Металлическая форма 96 может содержать внутреннюю полость, поверхностями которой придана форма и конфигурация, способствующие образованию по меньшей мере некоторых из поверхностей второй области 56 корпуса 52 долота. Плунжер 98 также может иметь поверхности, которым придана конфигурация для образования или придания формы по меньшей мере некоторым поверхностям второй области 56 корпуса 52 долота. Одна или более вставок или вкладышей 97 могут быть помещены внутри металлической формы 96 и могут быть использованы для определения границ внутренних канавок 42 для прохода жидкости. Дополнительные вкладыши 97 (не показаны) могут использоваться для определения других конструктивных элементов второй области 56 корпуса 52 долота, когда это будет необходимо.
Плунжер 98 может с большим усилием быть введен в металлическую форму 96 благодаря применению механического или гидравлического оборудования или машин с целью прессования второй порошковой смеси 99 внутри металлической формы 96 и образования второго составного элемента 100 из "неспеченного" порошка, изображенного на фиг.3Е. Металлическая форма 96, плунжер 98 и вторая порошковая смесь 99 необязательно могут быть подвергнуты нагреванию во время процесса прессования.
В случае альтернативных способов прессования порошковой смеси 99 эта порошковая смесь 99 может быть подвергнута прессованию по существу под изостатическими давлениями, возникающими внутри камеры сжатия, что происходит благодаря использованию способов, известных сведущим в данной области техники специалистам.
Второй составной элемент 100 из "неспеченного порошка", изображенный на фиг.3Е, может содержать множество частиц (частиц связующего материала и, необязательно, твердых частиц), удерживаемых вместе с помощью цементирующего материала, содержащегося в порошковой смеси 99 (фиг.3Д), как это было описано ранее. Определенные структурные конструктивные элементы могут быть изготовлены в корпусе составного элемента 100 из "неспеченного порошка" по мере необходимости при помощи использования традиционных технологий машинной обработки, включая, к примеру, технологии токарной обработки, технологии обработки фрезерными станками и технологии сверления. Также могут быть использованы и ручные инструменты для ручного изготовления или придания окончательной формы конструктивным элементам внутри или на поверхности составного элемента 100 из "неспеченного порошка".
Второй составной элемент 100 из "неспеченного порошка", изображенный на фиг.3Е, может по меньшей мере частично быть подвергнут спеканию. Например, составной элемент 100 из "неспеченного порошка" может быть подвергнут частичному спеканию для получения второй детали 101 из "частично спеченного" порошка, изображенной на фиг.3Ж, плотность которой ниже, чем уровень желаемой конечной плотности. Прежде чем подвергнуться спеканию, составной элемент 100 из "неспеченного" порошка может быть подвергнут воздействию относительно высоких температур, что способствует удалению любых нестойких примесей, которые содержались в порошковой смеси 99 (фиг.3Д), как это было объяснено ранее.
Определенные структурные конструктивные элементы по мере необходимости могут быть изготовлены во второй "частично спеченной" детали 101 при помощи использования традиционных технологий машинной обработки, включая, к примеру, технологии токарной обработки, технологии обработки фрезерными станками и технологии сверления. Также могут быть использованы и ручные инструменты для ручного изготовления или придания окончательной формы конструктивным элементам внутри или на поверхности "частично спеченной" детали 101.
После этого "частично спеченная" деталь 101, изображенная на фиг.3Ж, может быть вставлена в изготовленную ранее профилированную "частично спеченную" деталь 92, изображенную на фиг.3Г, с целью получения единого "частично спеченного" корпуса 106 долота, изображенного на фиг.3З. Такой единый "частично спеченный" корпус 106 долота далее может быть подвергнут полному спеканию до достижения им уровня конечной плотности, что приводит к получению ранее описанного корпуса 52 долота, изображенного на фиг.2. Поскольку процесс спекания включает процесс уплотнения и избавления от пористости внутри детали, такая деталь, подвергаемая процессу спекания, уменьшится в размерах во время процесса спекания. Подобная деталь во время спекания может быть подвержена линейной усадке величиной от 10% до 20%. В результате этого необходимо принимать во внимание сокращение размера и учитывать его при конструировании черт инструментов (пресс-форм, металлических форм и т.п.) или особенностей машинной обработки деталей, которые не являются полностью спеченными.
В случае альтернативного способа составной элемент 100 из "неспеченного" порошка, изображенный на фиг.3Е, может быть вставлен или собран в единую конструкцию вместе с составным элементом 90 из "неспеченного" порошка, изображенным на фиг.3Б, образуя "неспеченный" корпус долота. "Неспеченный" корпус долота после этого может быть подвернут машинной обработке, как это будет необходимо, а также подвергнут спеканию до достижения им желаемого уровня конечной плотности. Пограничные поверхности составного элемента 90 из "неспеченного" порошка и составного элемента 100 из "неспеченного" порошка могут быть вплавлены или скреплены вместе во время процесса спекания. Альтернативным образом "неспеченный" корпус долота может быть частично подвергнут спеканию до образования "частично спеченного" корпуса долота. По мере необходимости "частично спеченный" корпус долота может быть подвергнут машинной обработке и формованию, а полученный в результате "частично спеченный" корпус долота после этого может быть спечен до достижения им желаемого уровня конечной плотности.
Состав материала первой области 54 (и, следовательно, состав первой порошковой смеси 89, изображенной на фиг.3А) и состав материала второй области 56 (и, следовательно, состав второй порошковой смеси 99, изображенной на фиг.3Д) могут быть подобраны таким образом, чтобы быть способными по существу к похожему уменьшению объема во время процесса спекания.
Процесс спекания, описанный в данном документе, может включать традиционное спекание в вакуумной печи, спекание в вакуумной печи, вслед за которым следует традиционный процесс горячего изостатического прессования, а также процесс спекания, за которым следует процесс изостатического прессования при температурах, уровень которых приблизительно равен уровню температуры спекания (часто называемый как совмещенный процесс спекания - горячего изостатического прессования). Помимо этого, процесс спекания, описанный в данном документе, может включать субликвидную фазу спекания. Другими словами, указанный процесс спекания может производиться при температурах, приблизительно равных, но все же находящихся ниже уровня линии плавления фазовой диаграммы для связующего материала. Например, процесс спекания, описанный в данном документе, может производиться при использовании разного количества традиционных методов, известных специалистам, сведущим в данной области техники, таких как процесс быстрого ненаправленного сжатия (ROC), процесс Сеrаcоn™, процесс горячего изостатического прессования или переделки (адаптации) таких процессов.
Говоря в широком смысле и лишь в качестве примера, спекание детали из "неспеченного" порошка с использованием процесса быстрого ненаправленного сжатия задействует предварительное спекание детали из "неспеченного" порошка при относительно низкой температуре до достижения лишь определенного уровня, достаточного для предания достаточной жесткости конструкции детали, позволяющей вести ее последующую обработку. Полученная в результате "частично спеченная" деталь завертывается в такой материал, как графитовая фольга, чтобы герметизировать данную "частично спеченную" деталь. Завернутая "частично спеченная" деталь помещается в контейнер, который заполняется частицами керамического материала, полимера или стеклянного материала, имеющими значительно более низкий уровень температуры плавления, чем уровень температуры плавления связующего материала в данной "частично спеченной" детали. Контейнер нагревается до желаемой температуры спекания, величина которой находится выше величины уровня температуры плавления частиц керамического материала, полимера или стеклянного материала, но находится ниже уровня расплавления связующего материала в "частично спеченной" детали. Нагретый контейнер с расплавленными частицами керамического материала, полимера или стеклянного материала (а также "частично спеченная" деталь, которая к этому моменту уже погружена в эти расплавленные частицы) помещается под металлический или гидравлический пресс, такой как ковочно-штамповочный пресс, который используется для приложения силы прессования к расплавленному керамическому или полимерному материалу. Изостатические давления внутри расплавленного керамического, полимерного или стеклянного материала ускоряют процессы консолидации и спекания данной "частично спеченной" детали при повышенных температурах внутри контейнера. Расплавленный керамический, полимерный или стеклянный материал действует как передатчик давления и нагрева к "частично спеченной" детали. Таким образом расплавленный керамический, полимерный или стеклянный материал действует как среда для передачи давления, через которую давление прилагается к данной детали во время ее спекания. Вслед за ослаблением силы прессования и охлаждением эта спеченная деталь далее вынимается из керамического, полимерного или стеклянного материала. Более детальное объяснение процесса быстрого ненаправленного сжатия и пригодного для его применения оборудования описывается в патентах US 4094709, 4233720, 4341557, 4526748, 4547337, 4562990, 4596694, 4597730, 4656002, 4744943 и 5232522.
Процесс Сеrаcоn™, который аналогичен вышеупомянутому процессу быстрого ненаправленного сжатия, может также быть приспособлен для использования в случае настоящего изобретения, чтобы полностью спечь "частично спеченные" детали до достижения ими уровня конечной плотности. В случае процесса Сеrаcоn™ данная "частично спеченная" деталь покрывается керамическим покрытием, таким как оксид алюминия, диоксид циркония или оксид хрома. При этом также могут быть использованы и иные аналогичные твердые, обычно инертные, защитные, удаляемые покрытия. Такая "частично спеченная" деталь с нанесенным покрытием является полностью затвердевшей, что происходит посредством приложения по меньшей мере изостатического давления к данной "частично спеченной" детали с нанесенным покрытием при помощи использования керамических частиц вместо использования жидкой среды, как это происходит в случае процесса быстрого ненаправленного сжатия. Более детальное объяснение процесса Сеrаcоn™ дается в патенте US 4499048.
Как было объяснено ранее, состав материала второй области 56 корпуса 52 долота может подбираться таким образом, чтобы облегчить машинную обработку второй области 56 даже в полностью спеченном состоянии. После спекания единого "частично спеченного" корпуса 106 долота, изображенного на фиг.3З, до достижения им уровня желаемой конечной плотности в полностью спеченной детали при помощи использования технологий машинной обработки могут быть изготовлены определенные структурные конструктивные элементы с получением корпуса 52 долота, который изображен отдельно от хвостовика 70 (фиг.2) на фиг.3И. Например, поверхности 58 второй области 56 корпуса 52 долота могут быть подвергнуты машинной обработке для изготовления конструктивных элементов или черт, служащих для присоединения хвостовика 70 (фиг.2) долота к корпусу 52 долота. В случае неограничивающего примера в поверхности 58 второй области 56 корпуса 52 долота при помощи станка могут быть изготовлены две выемки 60, как это изображено на фиг.3И. Каждая выемка 60 может иметь, к примеру, полуциркульное поперечное сечение. Помимо этого, каждая такая выемка 60 может радиально проходить вокруг части второй области 56 корпуса 52 долота, как это изображено на фиг.3К. В подобной конфигурации поверхность второй области 56 корпуса 52 долота внутри каждой выемки 60 может иметь форму, представляющую собой угловую секцию частичного тороида. Как это используется в данном документе, термин "тороид" означает поверхность, образуемую замкнутой кривой (такой как круг), проворачивающейся вокруг, но не пересекая или включая, оси, помещенной в плоскости, которая включает эту замкнутую кривую. Альтернативным образом поверхность второй области 56 корпуса 52 долота внутри каждой выемки 60 может иметь форму, которая по существу образует частичный цилиндр. Две такие выемки 60 могут располагаться по существу на противоположных сторонах второй области 56 корпуса 52 долота, как это изображено на фиг.3К.
Как было описано в данном документе, первая область 54 и вторая область 56 корпуса бурового долота 52 могут изготавливаться отдельно друг от друга в виде "частично спеченных" конструкций и далее собираться в единую "частично спеченную" деталь, которая может быть подвергнута спеканию до желаемого конечного уровня плотности. В случае альтернативных способов изготовления корпуса 52 долота первая область 54 может быть изготовлена посредством запрессования первой порошковой смеси в металлическую форму для изготовления первого составного элемента из "неспеченного" порошка, добавления второй порошковой смеси в ту же самую металлическую форму и запрессование второй порошковой смеси в металлической форме вместе с первым составным порошковым элементом первой области 54 с получением монолитного "неспеченного" корпуса долота. Помимо этого, первая порошковая смесь и вторая порошковая смесь могут быть помещены в одну металлическую форму и одновременно запрессованы с получением монолитного "неспеченного" корпуса долота. По мере необходимости этот монолитный "неспеченный" корпус долота может быть подвергнут машинной обработке и запечен до достижения желаемого конечного уровня плотности. Альтернативным образом монолитный "неспеченный" корпус долота может быть подвергнут частичному спеканию до образования "частично спеченного" корпуса долота. По мере необходимости "частично спеченный" корпус долота может быть подвергнут машинной обработке и формованию, а полученный в результате этого "частично спеченный" корпус долота может далее быть спечен до достижения им желаемого конечного уровня плотности. Монолитный "неспеченный" корпус долота может быть изготовлен в единичной металлической форме при использовании двух плунжеров, таких как плунжер 88, изображенный на фиг.3А, и плунжер 98, изображенный на фиг.3Е. Помимо этого, по мере необходимости могут быть задействованы иные порошковые смеси, чтобы изготовить любое желаемое количество областей корпуса 52 долота, имеющих разный состав материала.
Фиг.4А-4В иллюстрируют другой процесс изготовления корпуса 52 долота. Обычно корпус 52 долота бурового долота 50 для роторного бурения может быть изготовлен посредством запрессования ранее описанной первой порошковой смеси 89 (фиг.3А) и ранее описанной второй порошковой смеси 99 (фиг.3Д) с получением в целом цилиндрического монолитного "неспеченного" корпуса 110 долота или заготовки, как это изображено на фиг.4А. В случае неограничивающего примера в целом цилиндрический монолитный "неспеченный" корпус 110 долота может быть изготовлен посредством изостатического прессования одновременно как первой порошковой смеси 89, так и второй порошковой смеси 99 в камере сжатия.
В случае неограничивающего примера первая порошковая смесь 89 и вторая порошковая смесь 99 могут находиться внутри контейнера. Такой контейнер может содержать герметичный поддающийся деформации элемент, такой как, к примеру, по существу цилиндрический мешок, содержащий поддающийся деформации полимерный материал. Контейнер (с содержащейся в нем первой порошковой смесью 89 и второй порошковой смесью 99) может находиться внутри камеры сжатия. Жидкость, такая как, к примеру, вода, масло или газ (такой как, к примеру, воздух или азот) могут быть закачены в камеру сжатия при помощи насоса. Высокое давление жидкости приводит к деформации стенок поддающегося деформации элемента. При этом прилагаемое давление может передаваться по существу однородно как к первой порошковой смеси 89, так и ко второй порошковой смеси 99. Давление внутри камеры сжатия во время изостатического прессования может превышать приблизительно 35 МПа (около 5000 фунтов на квадратный дюйм/около 2267,97 килограмма на 0,00064516 квадратных метров). Говоря более точно, уровень давления внутри камеры сжатия во время изостатического прессования может превысить 138 МПа (20000 фунтов на квадратный дюйм). В случае альтернативных способов внутри контейнера может создаваться вакуум, а давление более 0,1 МПа (приблизительно 15 фунтов на квадратный дюйм) может быть приложено к внешним поверхностям контейнера (со стороны, к примеру, газовой среды), чтобы сжать первую порошковую смесь 89 и вторую порошковую смесь 99. Изостатическое прессование первой порошковой смеси 89 и второй порошковой смеси 99 может привести к образованию в целом цилиндрического монолитного "неспеченного" корпуса 110 долота, изображенного на фиг.4А, который может быть удален из камеры сжатия после прессования.
По мере необходимости в целом цилиндрический монолитный "неспеченный" корпус 110 долота, изображенный на фиг.4А, может быть подвергнут машинной обработке или формованию. В случае неограничивающего примера внешний диаметр конца в целом цилиндрического монолитного "неспеченного" корпуса 110 долота может быть уменьшен, чтобы образовать профилированный монолитный "неспеченный" корпус 112 долота, изображенный на фиг.4Б. Например, в целом цилиндрический монолитный "неспеченный" корпус 110 долота может быть обработан на токарном станке с получением профилированного монолитного "неспеченного" корпуса 112 долота. По мере необходимости или по желанию в целом цилиндрический монолитный "неспеченный" корпус 110 долота может быть подвергнут дополнительной машинной обработке или формованию. Альтернативным образом в целом цилиндрический монолитный "неспеченный" корпус 110 долота может быть обработан на токарном станке с целью добиться того, чтобы данный монолитный "неспеченный" корпус 110 долота стал бы по существу цилиндрическим без уменьшения внешнего диаметра его конца или же какого-либо иного изменения формы монолитного "неспеченного" корпуса 110 долота.
После этого профилированный монолитный "неспеченный" корпус 112 долота, изображенный на фиг.4Б, может быть подвергнут частичному спеканию для образования "частично спеченного" корпуса 114 долота, изображенного на фиг.4В. По мере необходимости этот "частично спеченный" корпус 114 долота может быть подвергнут машинной обработке с получением конструкции, по существу идентичной ранее описанному профилированному единому "частично спеченному" корпусу 106 долота, изображенному на фиг.3З. В случае неограничивающего примера продольный канал 66 долота и внутренние канавки 42 (фиг.3З) для прохода жидкости могут быть изготовлены в "частично спеченном" корпусе 114 (фиг.4В) долота при помощи использования, к примеру, процесса машинной обработки. При помощи станка в "частично спеченном" корпусе 114 (фиг.4В) долота могут также быть изготовлены карманы 36 для АПСА резцов 34. Помимо этого, при помощи станка в "частично спеченном" корпусе 114 (фиг.4В) долота может быть изготовлена по меньшей мере одна поверхность 58 (фиг.3З), конструкция которой позволяет закреплять корпус долота на хвостовике долота.
После того, как "частично спеченный" корпус 114 долота, изображенный на фиг.4В, будет подвергнут машинной обработке для получения детали, по существу идентичной профилированному единому "частично спеченному" корпусу 106 долота, изображенного на фиг.3З, это деталь может быть подвергнута дальнейшему спеканию до достижения ею желаемого уровня конечной плотности, и по мере необходимости такая полностью спеченная деталь может быть подвергнута машинной обработке, чтобы изготовить ее определенные дополнительные структурные конструктивные элементы для получения корпуса 52 долота, описанного ранее.
Обращаясь к фиг.2, мы видим, что хвостовик 70 может присоединяться к корпусу 52 долота при помощи твердого припоя 82, такого как, к примеру, металлический припой на основе серебра или никеля, который помещается в щель между хвостовиком 70 долота и поверхностями 58 во второй области 56 корпуса 52 долота. В качестве альтернативы твердому припою или в дополнение к нему вокруг бурового долота 50 на его внешней поверхности вдоль места соединения корпуса 52 долота и хвостовика 70 может располагаться сварной шов 24. Твердый припой 82 и сварной шов 24 могут применяться для крепления хвостовика 70 к корпусу 52 долота.
72
72
50
72
В случае альтернативных способов конструкции или конструктивные особенности, которые обеспечивают механическое соединение данных элементов, могут использоваться в добавление к или вместо твердого припоя 82 и сварного шва 24, чтобы обеспечить соединение хвостовика 70 и корпуса 52 долота. Пример такого способа обеспечения соединения хвостовика 70 с корпусом 52 долота описан ниже со ссылкой на фиг.2 и фиг.5-6. Обращаясь к фиг.5, мы видим, что два отверстия 72 могут проходить через хвостовик 70, как это было описано ранее в отношении фиг.2. Каждое отверстие 72 имеет размер и форму, конфигурация которых позволяет помещать внутрь такого отверстия удерживающий элемент 80 (фиг.2). В случае неограничивающего примера каждое отверстие 72 может иметь по существу цилиндрическое поперечное сечение и может проходить через хвостовик 70 вдоль оси L, как это изображено на фиг.6. Расположение и ориентация каждого отверстия 72 в хвостовике 70 могут быть такими, что каждая ось L будет лежать в плоскости, которая по существу перпендикулярна продольной оси L бурового долота 50, но не пересекает продольную ось L бурового долота 50.
Когда удерживающий элемент 80 проходит сквозь отверстие 72 хвостовика 70 и сквозь выемку 60, этот удерживающий элемент 80 может упираться в поверхность второй области 56 корпуса 52 долота внутри выемки 60 вдоль линии контакта, если выемка 60 имеет форму, представляющую собой угловую секцию частичного тороида, как это изображено на фиг.3И и 3К. Если же выемка 60 имеет форму, которая по существу образует частичный цилиндр, то в данном случае удерживающий элемент 80 может упираться в зону на поверхности второй области 56 корпуса 52 долота внутри выемки 60.
В случае некоторых предпочтительных вариантов осуществления изобретения каждый остающийся удерживающий элемент 80 может быть прикреплен к хвостовику 70. В случае неограничивающего примера, если каждый такой удерживающий элемент 80 содержит удлиненный цилиндрический штырь, как это изображено на фиг.2, то концы каждого такого удерживающего элемента 80 могут быть приварены к хвостовику 70 в месте соединения между концом каждого удерживающего элемента 80 и хвостовиком 70. В случае других предпочтительных вариантов осуществления изобретения между концом каждого удерживающего элемента 80 и хвостовиком 70 может находиться твердый или мягкий припой (не показан). В случае еще одних предпочтительных вариантов осуществления изобретения на внешней поверхности каждого удерживающего элемента может присутствовать резьба, а на поверхностях хвостовика 70 внутри отверстий 72 может присутствовать соответствующая резьбовая нарезка.
Вновь обращаясь к фиг.2, мы видим, что твердый припой 82, такой как, к примеру, металлический сплав на основе серебра или никеля, может присутствовать в месте по существу однородного промежутка между хвостовиком 70 и поверхностями 58 корпуса 52 долота. При этом вокруг бурового долота 50 на его внешней стороне вдоль места соединения корпуса 52 долота и хвостовика 70 может присутствовать сварной шов 24. Сварной шов 24 и твердый припой 82 могут применяться для дальнейшего закрепления хвостовика 70 к корпусу 52 долота. В данной конфигурации, если крепление твердым припоем 82, а также сварным швом 24 в месте по существу однородного зазора между хвостовиком 70 и поверхностями 58 во второй области 56 корпуса долота 52 придет в негодность, в то время как буровое долото 50 будет находиться внизу буровой скважины во время операции бурения, удерживающие элементы 80 могут предотвратить продольное отсоединение корпуса 52 долота от хвостовика 70, тем самым предотвращая утерю корпуса 52 долота в стволе буровой скважины.
В случае альтернативных способов присоединения хвостовика 70 к корпусу 52 долота лишь один удерживающий элемент 80 или более чем два удерживающих элемента 80 могут применяться для присоединения хвостовика 70 к корпусу 52 долота. В случае еще одних предпочтительных вариантов осуществления изобретения между второй областью 56 корпуса 52 долота и хвостовиком 70 долота может применяться резьбовое соединение. Поскольку состав материала второй области 56 корпуса 52 долота может выбираться таким образом, чтобы облегчить его машинную обработку даже в полностью спеченном состоянии, на второй области 56 корпуса 52 долота при помощи станка может быть нарезана резьба, имеющая очень точные размеры. В случае альтернативных предпочтительных способов осуществления изобретения место соединения хвостовика 70 долота и корпуса 52 долота может быть в значительной мере суженным. Помимо этого, для соединения хвостовика 70 долота и корпуса 52 долота может использоваться горячая посадка или прессовая посадка.
В случае предпочтительного варианта осуществления изобретения, изображенного на фиг.2, корпус 52 долота содержит две отчетливых области, имеющие различный состав материала, между которыми проходит распознаваемая граница или место сопряжения. В случае альтернативных предпочтительных вариантов осуществления изобретения состав материала корпуса 52 долота может постоянно меняться между различными областями корпуса 52 долота, так что между этими областями не будут присутствовать легко различимые границы или места сопряжения. В случае дополнительных предпочтительных вариантов осуществления изобретения корпус 52 долота может содержать более чем две области, имеющие разный состав материала, и пространственное расположение разных областей с различными составами материала внутри корпуса 52 долота может различаться.
Фиг.7 изображает дополнительный вариант корпуса 150 долота, который воплощает идеи настоящего изобретения. Корпус 150 долота содержит первую область 152 и вторую область 154. Как это лучше всего видно в поперечном сечении корпуса 150 долота, изображенном на фиг.8, место соединения первой области 152 и второй области 154 может в основном следовать за топографией внешней поверхности первой области 152. Например, такое место соединения может содержать множество отходящих в продольном направлении выступов 156 и углублений 158, соответствующих лезвиям 30 и отверстиям 32 в долоте для выноса бурового шлама, которые могут располагаться на и внутри внешней поверхности корпуса 150 долота. В такой конфигурации лезвия 30 на корпусе 150 долота могут быть менее подвержены поломкам при приложении крутящего момента к буровому долоту, содержащему корпус 150 долота, во время операции бурения.
Фиг.9 изображает еще один вариант корпуса 160 долота, который воплощает идеи настоящего изобретения. Корпус 160 долота также содержит первую область 162 и вторую область 164. Первая область 162 может содержать расположенную продольно ниже область корпуса 160 долота, а вторая область 164 может содержать расположенную продольно выше область корпуса 160 долота. Помимо этого, место соединения первой области 162 и второй области 164 может содержать множество отходящих в продольном направлении выступов и углублений (не показаны), которые могут сделать корпус 160 долота менее подверженным поломке вдоль места такого соединения при приложении крутящего момента к буровому долоту, содержащему корпус 160 долота, во время операции бурения.
Способ изготовления буровых долот для роторного бурения, описанный в данном документе, может позволить изготавливать новые виды буровых долот, имеющих корпуса, которые содержат композит на основе связующего материала с другими частицами, которые обладают повышенной устойчивостью к эрозии и износу, крепостью, а также трещиностойкостью по сравнению с известными бурильными долотами из композита. Помимо этого, описанные в данном документе способы позволяют крепить хвостовик к корпусу долота, который по существу состоит из указанного композита и который изготавливается при помощи методов, отличных от метода пропитки жидким связующим материалом. Такие методы позволяют осуществлять присоединение хвостовика долота к корпусу долота с должным уровнем центровки и концентрического позиционирования обоих элементов. Методы, описанные в данном документе, позволяют осуществлять улучшенное сцепление хвостовика и корпуса долота, имеющего по меньшей мере область буровой коронки, которая содержит композит на основе связующего материала с другими частицами, при помощи обработки по меньшей мере корпуса долота посредством прецизионных механизмов, где такой поверхности придается форма, способствующая присоединению корпуса долота к хвостовику.
В то время как настоящее изобретение было описано в отношении лишь некоторых предпочтительных вариантов осуществления, специалистам будет понятно, что оно не ограничивается приведенными примерами. Наоборот, многие добавления, исключения и модификации предпочтительных вариантов осуществления изобретения могут быть осуществлены без отхода от объема настоящего изобретения, как это заявляется ниже в формуле изобретения. В добавление к этому аспекты одного предпочтительного варианта осуществления изобретения могут комбинироваться с аспектами другого предпочтительного варианта осуществления изобретения, будучи в то же время включенными в объем данного изобретения. Помимо этого, настоящее изобретение применимо в отношении буровых долот и колонковых буровых долот, имеющих отличающиеся и различные профили, равно как и разные типы резцов.