MX2013004085A - Sistemas de cojinete que contienen materiales mejorados con diamantes y aplicaciones del fondo de la perforacion para los mismos. - Google Patents

Abstract

Se proporcionan cojinetes de herramienta del fondo de la perforación con materiales mejorados con diamantes. Los materiales mejorados con diamantes comprenden granos de diamante en una matriz de tungsteno o carburo de silicio o un material de diamante enlazado con silicio. Granalla de diamante o partículas de diamante cobre-soldadas revestidas con cobre-soldadura reactiva pueden utilizarse para aplicaciones de cojinete. Anillos de cojinete para su uso en herramientas del fondo de la perforación pueden formarse por lo menos en parte con el material mejorado con diamante. En una modalidad, los anillos de cojinete pueden utilizarse en un motor de desplazamiento positivo. En modalidades adicionales, los anillos de cojinete pueden utilizarse en una bomba sumergible.

Description

SISTEMAS DE COJINETE QUE CONTIENEN MATERIALES MEJORADOS CON DIAMANTES Y APLICACIONES DEL FONDO DE LA PERFORACIÓN PARA LOS MISMOS DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere en general a ensambles de cojinete y sistemas para aplicaciones del fondo de la perforación y, en particular, a un sistema y aparato-para cojinete para aplicaciones del fondo de la perforación que contienen materiales mejorados con diamantes.

Un diamante es un material de cojinete único con resistencia al desgaste superior comparada con materiales de cojinete tradicionales, tal como acero. Herramientas del fondo de la perforación con cojinetes mejorados con diamantes se han investigado en un esfuerzo por aprovechar las propiedades de resistencia al desgaste del diamante. Algunos sistemas de cojinete diamantados en barrenas de perforación de conos de rodillos y cojinete del motor de lodo se han propuesto con materiales de diamante policristalino (PDC), diamantes de deposición por vapor químico (CVD) y revestimientos de carbono tipo diamante (DLC) . Tales cojinete de PDC se montan en disposiciones de elementos sobre la superficie de los cojinete radiales y de empuje o en formas frustocónicas . Por ejemplo, la Patente Estadounidense N° 4,738,322, titulada Sistema de Cojinete de Diamante Policristalino para una Barrena de Roca de Conos de Rodillos para Hall et al. describe el uso de barrenas de conos de rodillo de PDC. La Patente Estadounidense No. 6,068,070, titulada Cojinete Mejorado con Diamantes para Barrena de Perforación Terrestre para Scott describe un cojinete mejorado con diamante de CVD para barrenas de perforación terrestre. Además, la Patente Estadounidense N° 7,296,641 titulada Barrena de Perforación de Roca que tiene Botones de Trituración de Roca Exteriores e Interiores para Hadin et al.; Solicitud de Patente Estadounidense N° 11/594,566 titulada Sinterización por Microondas para Slutz et al.; Solicitud de Patente Estadounidense N° 11/712067 titulada Material Abrasivo Compuesto para Tank et al., y Patente Estadounidense N° 7,647,992 titulada Compuestos de Carbono de Diamante Policristalino para Fang et al., describe los elementos de corte que incorporan materiales mejorados con diamantes.

Aunque cada uno de estos diseños es viable, una solución que mejore el rendimiento de los sistemas de cojinete de barrena de perforación con otros tipos de material puede ser deseable. Una solución más económica que proporciona las ventajas de rendimiento necesarias puede ser particularmente deseable. Por consiguiente, existe la necesidad en la técnica de sistemas de cojinete económicos para herramientas de perforación terrestre que incrementen la durabilidad y el rendimiento de los sistemas de cojinete.

Se describen modalidades de un sistema y aparato para cojinete para aplicaciones del fondo de la perforación que contienen materiales mejorados con diamantes. Los materiales mejorados con diamantes pueden comprender granos de diamante en una matriz de carburo de tungsteno, carburo de silicio, etc. Alternativamente, granalla de diamante puede cobre-soldarse a una superficie de cojinete de acero. Las partículas de diamante revestidas con un cobre-reactivo también pueden utilizarse. El cobre se activa y una capa de partículas de diamante cobre-soldadas forma una superficie resistente al desgaste que puede aplicarse a una superficie de cojinete de acero. Estos materiales pueden utilizarse para una variedad de sistemas cojinete y herramientas del fondo de la perforación, tales como barrenas de perforación de cono de rodillos, motores de lodo y bombas.

En algunas modalidades, anillos de cojinete se forman, por lo menos en parte, con materiales mejorados con diamantes, y se instalan por lo menos en una de las superficies de cojinete radial exteriores de un perno de cojinete en una barrena de conos de rodillos. En otras modalidades, los anillos de cojinete no se forman como anillos continuos, pero si como anillos parciales o discontinuos y se conectan al perno de cojinete o superficies de la cavidad de conos. El material mejorado con diamantes también puede utilizarse para formar, por lo menos en parte, cojinetes de empuje, rodillos o bolas. Además, la granalla de diamante cobre-soldada puede utilizarse para formar una superficie mejorada con diamante en la carrera de la bola o rodillo del pasador de cojinete o cono.

En modalidades adicionales, la presente invención incluye un ensamble de cojinete para una herramienta del fondo de la perforación. El ensamble de cojinete incluye por lo menos dos superficies de cojinete de empuje, que pueden girar mutua y relativamente opuestas. Por lo menos una porción de Por lo menos una de por lo menos dos superficies de cojinete de empuje, que pueden girar mutua y relativamente opuestas comprende un material mejorado con diamante.

En modalidades adicionales, la presente invención incluye otro ensamble de cojinete para una herramienta del fondo de la perforación. El otro ensamble' de cojinete comprende por lo menos dos superficies de cojinete de empuje que pueden girar mutua y relativamente opuestas. Por lo menos una de por lo menos dos superficies de cojinete de empuje que pueden girar mutua y relativamente opuestas comprende un material de diamante enlazado por silicio.

En modalidades adicionales, la presente invención incluye una bomba sumergible. La bomba sumergible incluye una pluralidad de fases. Cada fase incluye un difusor estacionario y un impulsor giratorio con un conjunto de anillos de cojinete dispuesto entre el difusor y el impulsor. Cada cojinete del conjunto de anillos de cojinete comprende un material de diamante enlazado por silicio.

En modalidades adicionales, la presente invención incluye un ensamble de motor para su uso en perforar yacimientos subterráneos. El ensamble de motor comprende un motor configurado para aplicar un esfuerzo de torsión u una barrena de perforación rotativa. El motor se acopla de manera operativa a un aparato de cojinete de empuje. El aparato de cojinete de empuje comprende una primera estructura que tiene por lo menos un elemento de cojinete que define una primera superficie de cojinete. Por lo menos un elemento de cojinete de la primera estructura comprende un material de diamante enlazado por silicio. El aparato de cojinete de empuje también incluye. una segunda estructura que tiene por lo menos un elemento de cojinete que define una segunda superficie de cojinete. La primera superficie de cojinete y la segunda superficie de cojinete se configuran para acoplarse entre si durante el desplazamiento relativo de la primera estructura y la segunda estructura.

Otras características y ventajas de la presente invención se volverán aparentes para aquellos de experiencia ordinaria en la técnica a través de consideración de la siguiente descripción, los dibujos anexos, y las reivindicaciones anexas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Aunque la especificación concluye con las reivindicaciones particularmente señaladas y que reclaman de manera distinta lo que se considera como la presente invención, las ventajas de la invención pueden asegurarse más fácilmente a partir de la descripción de las modalidades de la invención cuando se lea junto con los dibujos anexos, en los cuales: La FIGURA 1 es una vista lateral en corte de una modalidad de una barrena de perforación terrestre construida de acuerdo con la invención; la FIGURA 2 es una vista extrema en corte esquemática de una modalidad de un sistema de cojinete cono de rodillos construido de acuerdo con la invención; la FIGURA 3 es una micrografia de una modalidad de un material utilizado para sistemas de cojinete y se construye de acuerdo con la invención; la FIGURA 4 es una micrografia alargada del material de la FIGURA 3 y se construye de acuerdo con la invención; la FIGURA 5 es una vista lateral en corte de una modalidad de un ensamble de cojinete que incluye una modalidad de un sistema de cojinete de la presente invención; la FIGURA 6 es una vista en perspectiva alargada de una modalidad del sistema de cojinete de la presente invención para su uso en un motor de lodo de la FIGURA 5; la FIGURA 7 es una vista lateral en corte de una modalidad de una bomba sumergible que incluye una modalidad de un sistema de cojinete de la presente invención; y la FIGURA 8 es una vista alargada de una modalidad del sistema de cojinete de la bomba sumergible de la FIGURA 7.

La presente invención incluye modalidades de un sistema, método y aparato para cojinetes de herramienta del fondo de la perforación que contienen materiales mejorados con diamantes. Los materiales mejorados con diamantes pueden comprender granos de diamante en una matriz de carburo de tungsteno, carburo de silicio, etc. Por ejemplo, tales materiales pueden proporcionarse por la compañía Element Six (E6) bajo tales nombres de producto comercialmente disponibles como Syndax (es decir, un diamante policristalino enlazado por silicio sinterizado de alta presión de alta temperatura), o diamante enlazado por silicio también denominado como ScD (es decir, un material policristalino mejorado con diamante, de baja concentración, de baja presión) . El material de ScD se produce por un proceso de unión por reacción en el cual un cuerpo verde de partículas de diamante, granalla de silicio y carbono (producidos por la grafitización de la superficie in situ del diamante) se infiltra con silicio a la presión sub-atmosférica . El silicio reacciona con el carbono para formar nuevo carburo de silicio, que crece de manera epitaxial en los granos de carburo de silicio existentes y las partículas de diamante. Una vez que se ha alcanzado todo el carbono disponible, cualquier espacio restante se llena con silicio. Otro material puede ser un compuesto de diamante y carburo con enlace de nitruro intermetálico de aluminio.

En otra modalidad, una granalla de diamante cobre-soldada puede utilizarse para aplicaciones de cojinete. La compañía E6 proporciona otro tipo de superficie mejorada con diamante que se forma al aplicar partículas de diamante revestidas con un cobre reactivo. El cobre se activa y una capa de partículas de diamante cobre-soldadas forma una superficie resistente al desgaste que puede aplicarse a una superficie de cojinete de acero. Estos materiales pueden utilizarse para una variedad de sistemas de cojinete en las herramientas del fondo de la perforación, tales como barrenas de perforación de conos de rodillos, motores de lodo, bombas y otros ensambles del fondo de la perforación utilizados para exploración mineral y producción. Además, estos materiales pueden formarse en un sistema de cojinete contra sí mismos o contra otro tipo de superficie de desgaste mejorada con diamante o de diamante.

Con referencia a las FIGURAS 3 y 4, una modalidad de un material para estas aplicaciones se representa en micrografías como material de carburo de silicio mejorado con diamante (SiC) . A manera de ejemplo, el diamante 101 puede comprender 30% a 70% de diamante en volumen, con un tamaño de grano de 5 mieras a 250 mieras. Materiales más finos pueden tener un contenido de diamante más bajo. Por ejemplo, el carburo de tungsteno mejorado con diamante puede comprender aproximadamente 5% a 25% de diamante en volumen. El diamante puede sinterizarse, con una porosidad abierta de aproximadamente 9% en una modalidad. La fase de aglutinante principal puede comprender SIC 103 (FIGURA 4), y cierto Si 105 libre (FIGURA 4) puede presentarse que tiene el 30% a 70% de diamante en volumen, con un tamaño de grano de 5 mieras a 250 mieras. En otros ejemplos, el material puede comprender WC mejorado con diamante o película de diamante.

Estos materiales mejorados con diamante pueden aplicarse a sistemas de cojinetes de herramienta del fondo de la perforación para aprovechar sus propiedades resistentes al desgaste, de modo que prolonga la vida de la herramienta. Un ejemplo de una herramienta del fondo de la perforación que contiene un sistema de cojinete es una barrena de perforación de roca, tal como aquella mostrada en la FIGURA 1. En esta modalidad, una barrena 11 de perforación tiene un cuerpo 13 en un extremo superior que se enrosca (no mostrada) para conexión al extremo inferior de una sarta de perforación. El cuerpo 13 tiene por lo menos una base 15 de barrena, típicamente tres, que se extienden hacia debajo de la misma. Cada base 15 de barrena tiene un perno 17 de cojinete que se extiende hacia abajo y hacia dentro a lo largo de un eje 16. El perno 17 de cojinete tiene un extremo exterior, denominada como última superficie 19 maquinada, donde se une a la base 15 de barrena. El perno 17 de cojinete tiene una superficie 18 de cojinete principal y una punta 21 que tiene una superficie 22 con un diámetro más pequeño que el de la superficie 18. La superficie 22 generalmente es paralela a la superficie 18, con respecto al eje 16.

Un cono 23 se monta de manera rotativa en el perno 17 de cojinete. El cono 23 tiene una pluralidad de dientes 25 proyectados o materiales (no mostrados) . El cono 23 tiene una cavidad 26 que ligeramente es más grande en diámetro que el diámetro exterior del perno 17 de cojinete. El cono 23 tiene una cara 29 posterior que se ubica adyacente, pero no toca, la última superficie 19 maquinada. Si el tipo de cojinete es un cojinete lubricado y sellado, un sello 31 se ubica en una cavidad de sellado adyacente a la cara 29 posterior. El sello 31 puede ser una variedad de tipos, y en esta modalidad se muestra para que sea un anillo tórico elastomérico . El sello 31 acopla una zona o área de perno 17 de cojinete adyacente a la última superficie 19 maquinada. Otros tipos de sellos elastoméricos pueden utilizarse tales como sellos dobles, sellos con formas en corte transversal no circulares, etc. Los sellos de cara mecánica también pueden utilizarse.

El cono 23 puede retenerse en más de una forma. En la modalidad mostrada, el cono 23 se retiene en el perno 17 de cojinete por una pluralidad de bolas 33 que se acoplan en un rebaje anular correlacionado formado en la cavidad 26 y el perno 17 de cojinete. Las bolas 33 bloquean el cono 23 en el perno 17 de cojinete y se insertan a través de un pasaje 35 de bola durante el ensamblaje después de que el cono 23 se coloca en el perno 17 de cojinete. El pasaje 35 de bola se extiende al exterior de la base 15 de barrena y puede conectarse como se muestra después de que se instalan las bolas 33.

Porciones de la cavidad 26 se acoplan de manera deslizable a las superficies 18 y 22 de cojinete. En una modalidad, el extremo exterior de la superficie de 18 de cojinete se considera que se encuentra en la unión con el área acoplada por el sello 31, y el extremo interior de la superficie 18 de cojinete se considera que se encuentra en la unión con la muesca o carrera para las bolas 33. Las superficies 18 y 22 de cojinete sirven como cojinete listo para cargas impuestas a lo largo del eje de la barrena 11 de perforación .

En cojinetes lubricados sellados, una primera lumbrera 37 de lubricante se ubica en una porción exterior de la superficie 18 de cojinete del perno 17 de cojinete. En una modalidad, la primera lumbrera 37 se ubica en el lado superior o descargado de la superficie 18 de cojinete del perno 17 de cojinete entre las bolas 33 y el sello 31. La primera lumbrera 37 también podría encontrarse en otras áreas de la superficie 18 de cojinete. La primera lumbrera 37 se conecta a un primer pasaje 39 mediante el pasaje 35 de bola. El primer pasaje 39 conduce a un depósito 41 lubricante que contiene un lubricante.

El depósito 41 lubricante puede ser de una variedad de tipos. En una modalidad, un diafragma 43 elastomérico separa el lubricante en el depósito 41 lubricante de una lumbrera 45 de comunicación que conduce al exterior del cuerpo 13 de barrena. La lumbrera 45 de comunicación comunica la presión hidrostática en el exterior de la barrena 11 de perforación con el compensador de presión para reducir y de preferencia igualar la diferencia de presión entre el lubricante y la presión hidrostática en el exterior de la barrena 11 de perforación.

La colocación precisa entre el perno 17 de cojinete y el cono 23 varía conforme la barrena 11 de perforación se carga durante el servicio, por lo que crea excentricidad. La excentricidad es resultado de las diferencias entre los diámetros exteriores de las superficies 18 y 22 de cojinete y los diámetros interiores de la cavidad 26, superficies 27 y 28. La FIGURA 2 muestra un huelgo 51 anular que se exagera en gran medida para propósitos de ilustración. En realidad, el huelgo 51 anular es bastante pequeño, típicamente no mayor a aproximadamente 0.152 mm (aproximadamente 0.006 pulgadas) en un lado. El huelgo 51 anular puede ser la forma como en las barrenas de la técnica anterior de este tipo.

Con referencia nuevamente a las FIGURAS 1 y 2, una modalidad de un sistema de cojinete mejorado con diamante se muestra. En esta modalidad, uno o más anillos 53 de cojinete se forman por lo menos en parte con el material mejorado con diamante. Los anillos 53 de cojinete en soporte se instalan en cualquiera o ambas de las superficies 18 y 22 de cojinete exteriores de los pernos 17 de cojinete en la barrena de conos de rodillos. Uno o más anillos 55 de cojinete separados pueden formarse por lo menos en parte con el material mejorado con diamante. Los anillos 55 de cojinete se instalan en cualquiera o ambas de las superficies 27 y 28 interiores del cojinete 23 de cono. Uno o más de los anillos 53, 55 de cojinete pueden conectarse a la superficie 18, 22, 27 y 28 respectivas del perno 17 de cojinete y el cono 23 utilizando tecnologías de unión tales como cobre-soldadura, soldadura o adhesivos. Una alternativa a los métodos de conexión de unión es bloquear mecánicamente los anillos por ajuste por contracción u otros métodos.

En otras modalidades, los anillos de cojinete no se forman como anillos continuos, sino como anillos parciales o discontinuos, o como secciones de anillo (por ejemplo, medios anillos), y se conectan al perno de cojinete o las superficies de cavidad del cono. Estas modalidades pueden incluir cojinete de empuje formado de material mejorado con diamantes, rodillos y/o superficies de carrera de rodillo y bolas y/o superficies de carrera de bolas formadas de material mejorado con diamante. Estas superficies de cojinete también se forman, por lo menos en parte, con material mejorado con diamantes y pueden conectarse a porciones de las superficies de cojinetes lisos o de conos.

El dibujo esquemático en la FIGURA 2 ilustra que los canales 57 pueden formarse en el cojinete de conos para permitir que el lubricante entre al cojinete. El cojinete puede ser un cojinete sellado y lubricado, o un cojinete abierto con pasajes para lavar el fluido de perforación a través del cojinete.

En algunas modalidades de una herramienta del fondo de la -perforación construido de acuerdo con la invención, la herramienta tiene un cuerpo que tiene un elemento de cojinete (por ejemplo, superficie, perno, etc.) que se extiende a lo largo de un eje. El perno de cojinete tiene una superficie de cojinete y una superficie de punta con un diámetro más pequeño que el de la superficie de cojinete. Un elemento giratorio (por ejemplo, cono) se monta de manera rotativa en el perno de cojinete y tiene una cavidad que se acopla de manera deslizable con las superficies de cojinete y punta. Un sistema de cojinete mejorado con diamante se encuentra entre el perno de cojinete y el elemento giratorio que comprende por lo menos una carga que transporta la superficie de cojinete (por ejemplo, anillo) formada, por lo menos en parte, con el material mejorado con diamante.

En otras modalidades, el material mejorado con diamantes puede comprender uno de: granos de diamante en una matriz de carburo de tungsteno; un diamante policristalino enlazado por silicio sinterizados de alta presión, a alta temperatura, un material policristalino mejorado con diamante de baja concentración, baja presión; un compuesto de diamante y carburo unido por nitruro intermetálico de aluminio; una granalla de diamante cobre-soldada, y partículas de diamante revestidas con un cobre-reactivo. El material mejorado con diamantes puede comprender 30% a 70% de diamantes en volumen, con un tamaño de grano de 5 mieras a 250 mieras. El material mejorado con diamantes puede sinterizarse, tener una porosidad abierta de aproximadamente 9%, y una fase de aglutinante principal que comprende SiC con algunos de Si libres. El diamante puede ser C mejorado con diamante o película de diamante.

En aún otras modalidades, el anillo de cojinete se instala por lo menos en una de la superficie de cojinete y de punta del perno de cojinete. El anillo de cojinete puede comprender una pluralidad de anillos de cojinete que se forman, por lo menos en parte, con material mejorado con diamantes. Los anillos de cojinete pueden instalarse en ambas superficies de cojinete y de punta y en la cavidad. El anillo de cojinete puede conectarse con uno de cobre-soldadura, soldadura, adhesivos y bloqueo mecánico por ajuste por contracción, enclavamiento, ranurado o chavetas.

Alternativamente, el anillo de cojinete es un anillo parcial y discontinuo, o puede formarse en secciones de anillo, con o sin canales como se ilustra en las figuras de los dibujos. El anillo de cojinete puede comprender un cojinete de empuje formado de material mejorado con diamante, un rodillo, una superficie de carrera de rodillo, o una bola y una superficie de carrera de bola formada de un material mejorado con diamante. Además, estas diversas modalidades pueden utilizarse en muchas combinaciones diferentes también.

Los ensambles de cojinete que incluyen el material mejorado con diamante como se describe en la presente también pueden utilizarse en herramientas subterráneas adicionales que incluyen, por ejemplo, bombas, motores, turbinas, y herramientas de dirección rotatorias. La FIGURA 5 ilustra la disposición general de un ensamble 100 de cojinete del motor del fondo de la perforación que incorpora dos ensambles 102 de cojinete de empuje mejorados con diamante, de la presente invención. Aunque los ensambles 112 de cojinetes de empuje mejorados con diamante de la presente invención pueden denominarse en la presente como que incluyen uno o más anillos de cojinete, se entiende que los ensambles 112 de cojinete de empuje pueden incluir cualquiera de dos superficies de cojinete que giran mutua y relativamente que tienen una forma y tamaño deseados. Tales ensambles 100 de cojinete del motor pueden incluirse como una porción de un motor de desplazamiento positivo comúnmente denominado como "motor de lodo", como se conoce en la técnica, y, por lo tanto, no se describen en la presente. Tales motores de lodo se describen en detalle, por ejemplo, en la Patente Estadounidense N° 6,543,132, titulada "Métodos para Fabricar Motores de Lodo", la cual se expidió el 8 de abril de 2003.

Como se muestra en la FIGURA 5, el ensamble 100 de cojinete del motor incluye un árbol de transmisión 116 de motor del fondo de la perforación tubular central ubicado rotativamente dentro de un alojamiento 118 de cojinete tubular, con el ensamble 100 del cojinete del motor del fondo de la perforación ubicado y proporcionan rotación relativa entre el árbol de transmisión 116 y el alojamiento 118. Componentes por encima y por debajo del ensamble 100 de cojinete de motor actual no se ilustran. Aquellos con experiencia en la técnica no obstante reconocerán que el árbol de transmisión 116 se hace girar por la acción del motor del fondo de la perforación y suministra impulsión rotativa a una barrena de perforación, tal como la barrena 11 de perforación ilustrada en la FIGURA 1. El árbol de transmisión 116 gira con respecto al alojamiento 118 durante la operación del motor.

Los ensambles 112 de cojinete de empuje mejorados con diamante incluyen un par de primeros anillos 120 de cojinete y un par de segundos anillos 122 de cojinete. Cada uno de los primeros anillos 120 de cojinete y los segundos anillos 122 comprende el material de diamante enlazado por silicio como se describe anteriormente. En algunas modalidades, cada primer anillo 120 de cojinete puede incluir un elemento 124 de soporte, formado de, por ejemplo carburo de tungsteno sinterizado, y el material 126 de diamante enlazado por silicio formado en el elemento 124 de soporte. De manera similar cada segundo muelle 122 de cojinete puede incluir un elemento 130 de soporte formado de, por ejemplo, carburo de tungsteno sinterizado que tiene el material 132 de diamante enlazado por silicio formado en el mismo. Alternativamente, en algunas modalidades, cada uno de los primeros anillos 120 de cojinete y los segundos anillos 122 de cojinete puede formarse totalmente del material de diamante enlazado por silicio.

El ensamble 100 de cojinete del motor también incluye dos ensambles 136 de cojinete radial. Cada uno de estos ensambles 136 incluye un anillo 138 de cojinete radial giratorio, el cual corre en una interconexión 140 de cojinete, contra una porción del elemento 124 de soporte del primer anillo 120 de cojinete. El ensamble 100 de cojinete del motor también incluye anillos 142, 144 separadores radialmente interiores y un anillo 146 separador radialmente externo. En la práctica, una fuerza de compresión axial se aplica por tuercas de retención externas (no ilustrada) a los componentes radialmente externos del ensamblaje 100 de cojinete de motor, es decir, a los primeros anillos 120 de cojinete y el anillo 146 separador. La fuerza de compresión bloquea los primeros anillos 120 de cojinete y el anillo 146 separador por fricción entre si y al alojamiento 118 de cojinete tubular. De manera similar, las tuercas de retención aplican una fuerza de compresión axial a los componentes radialmente internos del ensamble 100 de cojinete de motor, es decir, a los anillos de cojinete radial 138, los anillos 142 separadores, los segundos anillos 122 de cojinete, y el anillo 144 separador. La fuerza de compresión aplicada bloquea los anillos 128 de cojinete radiales y los anillos 142 separadores, los segundos anillos 122 de cojinete y el anillo 144 separador entre si y en el árbol de transmisión 116, de modo que cuando se hace girar el árbol de transmisión por la acción del motor, estos componentes giran con el mismo.

La FIGURA 6 es una ilustración alargada del primer anillo 120 de cojinete y el segundo anillo 122 de cojinete. Como se muestra, el anillo 120, 122 de cojinete incluye el material 126, 132 de diamante enlazado por silicio formado de una superficie del elemento 124, 130 de soporte. El material 126, 132 de diamante enlazado por silicio puede comprender el material de carburo de silicio mejorado con diamante (SiC) descrito en lo anterior con respecto a las FIGURAS 3 y . Por lo menos un rebajo que tiene una forma deseada, tal como una estría o una muesca 150 puede formarse en el material 126, 132 enlazado por silicio. Por ejemplo, como se muestra en la FIGURA 6, una pluralidad de muescas 150 que se extiende radialmente equidistantes pueden formarse en el material 126, 132 de diamante enlazado por silicio. El material 126, 132 de diamante enlazado por silicio puede unirse al elemento 124, 130 de soporte utilizando técnicas de conexión conocidas que incluyen, por ejemplo, cobre-soldadura, soldadura, adhesivos y bloqueo mecánico por ajuste por contracción, enclavamiento, ranurado o chaveta. Como se discute previamente, algunas modalidades, el elemento 124, 130 de soporte también puede formarse del material 126, 132 de diamante enlazado por silicio. El material 126, 132 de diamante enlazado por silicio puede tener un espesor de aproximadamente diez milímetros (10 mm) a aproximadamente quinientos milímetros (500 mm) . La superficie 121 de cojinete del material 126, 132 de diamante enlazado por silicio puede ser por lo menos sustancialmente plana.

Aunque los anillos 120, 122 de cojinete se describen como incluyendo un material de diamante enlazado por silicio, otros materiales mejorados con diamantes también pueden utilizarse para formar los anillos 120, 122 de cojinete. Por ejemplo, en modalidades adicionales, el material mejorado con diamante puede comprender uno de: granos de diamante en una matriz de carburo de tungsteno; un diamante policristalino enlazado por silicio sinterizado de alta temperatura, alta presión; un material policristalino mejorado con diamante, de baja concentración, baja presión; un compuesto de diamante de carburo unido por el nitruro intermetálico de aluminio; una granalla de diamante cobre-soldada; y partículas de diamante revestidas con un cobre reactivo. El material mejorado con diamante puede comprender 30% a 70% de diamantes en volumen, con un tamaño de grano de 5 mieras a 250 mieras. El material mejorado con diamantes puede no ser sinterizado, teniendo una porosidad abierta de aproximadamente 9%, y una fase de aglutinante principal que comprende psiC con cierto Si libre. El diamante puede ser WC mejorado con diamante o película de diamante.

Con referencia nuevamente a la FIGURA 5, en operación de los ensambles 112 de cojinete de empuje mejorados con diamantes, el material 126 de diamante enlazado por silicio del primer anillos 120 de cojinete y el material 132 de diamante enlazado por silicio del segundo anillo 122 de cojinete corre nuevamente entre sí en las interconexiones 180 de cojinete, tomando el empuje axial aplicado al árbol de transmisión 116. El material 126 de diamante enlazado por silicio del primer anillo 120 de cojinete y el material 132 de diamante enlazado por silicio del segundo anillo 122 de cojinete muestran un coeficiente de fricción muy bajo, aunque son extremadamente duros, lo que les permite tener una carga axial grande sin daño indebido. Por ejemplo, el material 126, 132 de diamante enlazado por silicio lubricado con agua tiene un coeficiente de fricción deslizable de aproximadamente 0.1. De manera comparativa, el carburo de tungsteno no lubricado y el acero no lubricado tienen un coeficiente de fricción deslizable de aproximadamente 0.2.

Las interconexiones 180 de cojinete pueden enfriarse y lubricarse durante la operación por fluido de perforación o lodo, el cual se evacúa del motor del fondo de la perforación y que fluye axialmente hacia el ensamble 100 de cojinete del motor y radialmente a través de las muescas 150 (FIGURA 6) entre los materiales 126, 132 de diamante enlazado por silicio en los anillos 120, 122 de cojinete. Una trayectoria de fluido de perforación típica se representa en la FIGURA 5 con el número 183.

En modalidades adicionales, el primer anillos 120 de cojinete y el segundo anillo 122 de cojinete pueden no formarse como anillos continuos, pero si como anillos parciales o discontinuos, o como secciones de anillo (por ejemplo, medios anillos) . Estas modalidades pueden incluir cojinetes, rodillos y/o superficies de carrera de rodillos y bolas y/o superficies de carrera de -bolas, que incluyen por lo menos una superficie de cojinete formada del material 126, 132 de diamante enlazado por silicio.

Los anillos 120, 122 de cojinete de la presente invención, como se ilustra en la FIGURA 6, pueden utilizarse en cualquier herramienta del fondo de la perforación en la cual se utilicen anillos 120, 122 de cojinete, que incluyen bombas, motores, y barrenas de perforación. Por ejemplo, los anillos 120, 122 de cojinete pueden incluirse en un motor del fondo de la perforación de turbina, como se conoce en la técnica, y se describe, por ejemplo, en la Patente Estadounidense N° 5,112,188 titulada "Motor del Fondo de la Perforación de Turbina de Arrastre y Dinámica de Varias Fases", la cual se expidió el 12 de mayo de 1992. En un ejemplo adicional, los anillos 120, 122 de cojinete pueden incluirse en una bomba 200 centrifuga, como se ilustra en la FIGURA 7. La bomba 200 incluye un alojamiento 212 hueco que se conecta en su extremo superior con un adaptador 214. El extremo inferior del alojamiento 212 se conecta a través de un adaptador 215 a un dispositivo conocido como una cámara de sellado (no mostrado) el cual tiene su extremo inferior conectado a un motor eléctrico sumergible (no mostrado) para impulsar la bomba 200. Un árbol 216 de bomba que se hace girar por el motor se extiende ascendentemente hacia la bomba 200.

El árbol 216 de bomba se conecta por rotación con los impulsores 218, 220, 222 por medio de una llave 224. La bomba 200 también incluye difusores 226, 228, 230, y 232. Los difusores 226, 228, 230, 232 incluyen una abertura 234 anular centralmente ubicada, que proporciona un flujo de fluido en los impulsores, 218, 220, 222. Para proporcionar una rotación continua de los impulsores 218, 220, 222 con respecto a los difusores 226, 228, y 230, los ensambles 236, 238, 240 de cojinete para transportar cargas de empuje y radiales, se encuentran entre un impulsor y difusor respectivos.

La FIGURA 8 es una vista alargada de uno de los ensambles de cojinete de la FIGURA 7. Como se muestra en la FIGURA 8, el ensamble 240 de cojinete incluye un primer anillo 241 de cojinete y un segundo anillo 244 de cojinete. El primer anillo 241 de cojinete y el segundo anillo 244 de cojinete pueden ser sustancialmente similares a los anillos 120, 122 de cojinete descritos en lo anterior en la FIGURA 6. Como se describe previamente con respecto a la FIGURA 6, cada uno del primer anillo 241 de cojinete y el segundo anillo 244 de cojinete pueden incluir un elemento 124, 130 de soporte que tiene un material 126, 132 de diamante enlazado por silicio formado en el mismo (no mostrado en la FIGURA 8) . El primer anillos 241 de cojinete puede unirse al impulsor 220 y el segundo anillo 244 de cojinete puede unirse al difusor 228.

En la operación de la bomba 200, el motor provoca que el árbol 216 de bomba gire, lo cual provoca que los impulsores 218, 220, 222 giren y lo cual provoca que el fluido pase a través de la bomba 200 como se ilustra por las flechas en la FIGURA 7. A medida que los impulsores 218, 220, 222 giran, el primer anillo 241 de cojinete y el segundo anillo 244 de cojinete de cada uno de los ensambles 236, 238, 240 de cojinete corren entre si en una interconexión 252 de cojinete. El material 126 de diamante enlazado por silicio (FIGURA 6) del primer anillo 241 de cojinete y el material 132 de diamante enlazado por silicio (FIGURA 6) del segundo anillo 244 de cojinete muestran un coeficiente de fricción muy bajo, aunque son extremadamente duros, lo que les permite tener una carga axial grande sin daño indebido.

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

Claims (19)

REIVINDICACIONES

1. Un ensamble de cojinete para una herramienta del fondo de la perforación, el ensamble de cojinete caracterizado porque comprende: por lo menos dos superficies de cojinete que pueden girar mutua y relativamente opuestas, por lo menos una porción de por lo menos una de por lo menos dos superficies de cojinete que pueden girar mutua y relativamente, opuestas que comprenden un material mejorado con diamante el cual conforma una pluralidad de rebajos.

2. El ensamble de cojinete de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material mejorado con diamantes comprende uno de: granos de diamante en una matriz de carburo de tungsteno ; un material policristalino enlazado por silicio sinterizado de alta presión, alta temperatura, un diamante sinterizado de baja presión, alta temperatura; un material policristalino enlazado por silicio sinterizado de baja presión, alta temperatura, un material de carburo enlazado por silicio; un compuesto de diamante y carburo unido por nitruro intermetálico de aluminio; una granalla de diamante cobre-soldada; y partículas de diamante revestidas con un cobre reactivo .

3. El ensamble de cojinete de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material mejorado con diamantes comprende aproximadamente 30% a aproximadamente 70% de diamantes en volumen.

4. El ensamble de cojinete de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el material mejorado con diamantes tiene un coeficiente de fricción deslizable de aproximadamente 0.1.

5. El ensamble de cojinete de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada rebajo de la pluralidad de rebajos comprende por lo menos una muesca y una estría .

6. El ensamble de cojinete de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque por lo menos dos superficies de cojinete que pueden girar mutua y relativamente, opuestas son sustancialmente planas.

7. El ensamble de cojinete de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material mejorado con diamantes comprende un material de diamante enlazado por silicio .

8. El ensamble de cojinete de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque por lo menos dos superficies de cojinetes se pueden girar de manera relativa, opuestas que tienen un coeficiente de fricción deslizable de aproximadamente 0.1.

9. El ensamble de cojinete de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el material de diamante enlazado por silicio comprende aproximadamente 30% a aproximadamente 70% de diamantes en volumen.

10. El ensamble de cojinete de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque cada superficie de cojinete comprende una pluralidad de rebajos por lo menos en uno de los por lo menos dos superficies de cojinete que pueden girar mutua y relativamente opuestas.

11. El ensamble de cojinete de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el material de diamante enlazado por silicio se forma sobre un elemento de soporte .

12. El ensamble de cojinete de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el elemento de soporte comprende carburo de tungsteno.

13. El ensamble de cojinete de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el material de diamante enlazado por silicio se conecta al elemento de cojinete. con uno de cobre-soldadura, soldadura, adhesivos, y bloqueo mecánico por ajuste por contracción, enclavamiento, ranurado o chavetas.

14. Una bomba sumergible, caracterizada porque comprende : una pluralidad de fases, cada fase incluye un difusor estacionario y un impulsor giratorio con un conjunto de cojinete dispuesto entre el difusor estacionario y el impulsor giratorio, el conjunto de cojinetes comprende por lo menos dos superficies de cojinete que pueden girar mutua y relativamente opuestas, por lo menos una de por lo menos dos superficies de cojinete que pueden girar mutua y relativamente opuestas comprenden un material de diamante enlazado por silicio.

15. La bomba sumergible de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque por lo menos una de por lo menos dos superficies de cojinete que pueden girar mutua y relativamente, opuestos comprenden un material de diamante enlazado por silicio que comprende una pluralidad de rebajes en el material de diamante enlazado por silicio configurado para permitir que un fluido lubrique y enfrie por lo menos dos superficies de cojinete que pueden girar mutua y relativamente, opuestas.

16. La bomba sumergible de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque un primer cojinete del conjunto de cojinetes se conecta al difusor estacionario y un segundo cojinete del conjunto de cojinetes se conecta al impulsor giratorio.

17. La bomba sumergible de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada porque por lo menos dos superficies de cojinete pueden girar mutua y relativamente, opuestas que comprenden por lo menos uno de un cojinete de empuje y un cojinete radial.

18. Un ensamble de motor para su uso en perforar yacimientos subterráneos, el ensamble de motor caracterizado porque comprende: un motor configurado para aplicar un esfuerzo de torsión a una barrena de perforación rotativa, el motor acoplado de manera operativa a un aparato de cojinete; en donde el aparato de cojinete comprende: una primera estructura que tiene por lo menos un elemento de cojinete que define una primera superficie de cojinete, por lo menos un elemento de cojinete de la primera estructura que comprende un material de diamante enlazado por silicio; y una segunda estructura que tiene por lo menos un elemento de cojinete que define una segunda superficie de cojinete, la primera superficie de cojinete y la segunda superficie de cojinete configuradas para acoplarse entre si durante el desplazamiento relativo de la primera estructura y la segunda estructura, en donde por lo menos una de la primera superficie de cojinete y la segunda superficie de cojinete comprende una pluralidad de rebajos formados con la misma.

19. El ensamble de motor de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el aparato de cojinete comprende por lo menos uno de un aparato de cojinete radial y un aparato de cojinete de empuje.