ITTO940487A1

ITTO940487A1 - Scalpello di perforazione con struttura del dente a superficie indurita

Info

Publication number: ITTO940487A1
Application number: IT94TO000487A
Authority: IT
Inventors: Anton F Zahradnok
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1993-06-14
Filing date: 1994-06-13
Publication date: 1995-12-13
Also published as: US5351771A; ITTO940487A0; GB9411442D0; GB2279094A; IT1266855B1; GB2279094B; FR2708965A1

Abstract

Uno scalpello di perforazione ha un corpo dello scalpello ed almeno una fresa fissata in modo rotativo al corpo dello scalpello. La fresa ha una molteplicità di denti formati integralmente su di essa e disposti in corone circonferenziali. ognuno dei denti comprende un'estremità esterna, una coppia di fianchi ed una cresta che collega in direzione sostanzialmente trasversale le estremità ed i fianchi. La cresta dell'almeno uno della molteplicità di denti ha un raccordo rovesciato formato in essa almeno in corrispondenza di una intersezione delle estremità e della cresta. un materiale resistente all'usura è applicato sopra almeno la cresta ed almeno una parte delle estremità e dei fianchi dell'almeno uno della molteplicità di denti, in cui lo spessore del materiale resistente all'usura sopra il raccordo rovesciato è sostanzialmente maggiore che in qualsiasi altro punto sul dente.

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo "Scalpello di perforazione con struttura del dente superficie indurita

SFONDO DELL ' INVENZIONE

1. Campo dell'invenzione

La presente invenzione si riferisce in generale alla struttura del dente di punte di perforazione del tipo a fresa a rotolamento. Più in particolare, la presente invenzione si riferisce al miglioramento della resistenza all'usura di punte di perforazione a dente di acciaio o dente di fresa. 2. Informazioni della tecnica anteriore

Il successo della perforazione rotativa ha permesso la scoperta di giacimenti profondi di petrolio e di gas. Lo scalpello da roccia rotativo è stato un invenzione importante che ha reso possibile questo successo. Soltanto formazioni tenere potevano essere penetrate commercialmente con lo scalpello a lame precedente, ma lo scalpello da roccia originale a coni a rotolamento inventato da Howard R. Hughes, brevetto statunitense No, 939.759, perforava la dura roccia a Spindletop Field, vicino a Beaumont, Texas; con relativa facilità.

Questa venerabile invenzione, nella prima decade di questo secolo, poteva perforare ad una piccola frazione della profondità e velocità del moderno scalpello da roccia rotativo. Se lo scalpello originale di Hughes perforava per ore, lo scalpello moderno perfora per giorni. Gli scalpelli oggi spesso perforano per miglia. Molti singoli miglioramenti hanno contribuito al massiccio miglioramento complessivo nelle prestazioni di scalpelli da roccia.

I primi scalpelli di perforazione a coni a rotolamento avevano denti formati integralmente con le frese. Questi scalpelli, comunemente noti come scalpelli "a denti di acciaio” o "a denti di fresa”, sono ancora in uso comune per la penetrazione di formazioni relativamente tenere. La resistenza e la tenacità a rottura dei denti di acciaio permettono denti relativamente lunghi con lunghe creste, che forniscono l'aggressiva azione di strappamento e raschiatura che è vantaggiosa per la rapida penetrazione di formazioni relativamente tenere.

Tuttavia è raro che un intervallo di formazioni sia costituito interamente da materiale tenero con bassa resistenza a compressione. Spesso vi sono filoni di materiali duri o abrasivi che uno scalpello a denti di acciaio deve poter penetrare economicamente, senza danneggiare lo scalpalio.

Anche se i denti di acciaio possiedono una buona resistenza, la loro resistenza all'abrasione generalmente non è adeguata per permettere una rapida penetrazione di filoni duri o abrasivi senza danno per lo scalpello. Di conseguenza è abituale nella tecnica prevedere uno strato di materiale resistente all'usura o rivestimento duro su almeno una parte dei denti di uno scalpello a denti di acciaio. Questi materiali resistenti all'usura o rivestimenti duri sono tradizionali, e sono costituiti tipicamente da particelle di carburo di tungsteno o altro metallo duro disperse in una matrice legante di acciaio o di cobalto. Tali materiali duri di rivestimento sono applicati! per fusione del legante del materiale duro di rivestimento ed applicazione del materiale sopra le superiici del dente. L'applicazione corretta di materiale duro di rivestimento a scalpelli a denti di acciaio richiede un'abilità notevole da parte del saldatore.

Documenti interni della Hughes Christensen Company indicano che la tecnica di rivestire con materiale duro denti di acciaio è stata iniziata approssimativamente nel 1929. Con l'introduzione dello scalpello ad inserti di carburo di tungsteno (TC1) da parte della Hughes Tool Company negli anni 1950 (vedere il brevetto statunitense No. 2.687.875, 31 agosto 1954, di Vbrlàn ed 'altri), la focalizzazione dell'industria della perforazione si è rivolta verso l'uso di scalpelli TIC. Tuttavia più recentemente l’attenzione si è nuovamente focalizzata sul miglioramento e lo sviluppo di scalpelli di perforazione del tipo a denti di fresa o di acciaio a causa dei miglioramenti nella tecnologia dei cuscinetti e delle tenute.

E' difficile applicare uno strato relativamente spesso di materiale duro di rivestimento sopra le creste o estremità di denti entro una certa tolleranza. Un dente con una cresta rivestita con materiale duro ad uno spessore oltre la tolleranza può far si che il dente interferisca con, o "urti contro" un cono opposto. Questa condizione richiede una costosa e lunga molatura della cresta rivestita con materiale duro per ridurre lo spessore ed eliminare l'interferenza. Almeno dal 1989, un angolo dei denti di acciaio di una corona è smussato per permettere l'applicazione di un rivestimento duro sopra la cresta e le estremità dei denti sènza provocare l'in terferenza precedentemente menzionata tra i denti.

Il brevetto statunitense No. 5.152.194, 6 ottobre 1992, di Keshavan ed altri descrive un procedimento per rivestire con materiale duro uno scalpello di perforazione a denti di acciaio, in cui si forma sul dente uno spessore sostanzialmente uniforme di rivestimento duro. Ogni angolo di ogni dente è arrotondato per ottenere uno spessore uniforme del rivestimento duro. Questa descrizione non affronta la difficoltà di applicare uno spesso strato di materiale di rivestimento duro sopra un dente di uno scalpello di perforazione a denti di acciaio senza incorrere nel problema di interferenza dei denti, che richiede costose e lunghe operazioni di molatura per portare il dènte rivestito con materiale duro entro le tolleranze e con i giochi necessari per evitare l'interferenza.

Esiste perciò la necessità di uno scalpello di perforazione avente una struttura a denti di acciaio rivestiti con materiale duro che permetta e faciliti l'applicazione di materiale di rivestimento duro in spessori sostanziali sopra il dente,<' >evitando una applicazione eccessiva di materiale di rivestimento duro.

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Costituisce uno scopo generale della presente invenzione realizzare uno scalpello di perforazione perfezionato avente una struttura perfezionata del dente rivestita con materiale duro.

Questo ed altri scopi della presente invenzione sono raggiunti realizzando uno scalpello di perforazione avente un corpo dello scalpello ed almeno una fresa fissata in modo rotativo al corpo dello scalpello. La fresa ha una molteplicità di denti formati integralmente su,di essa e disposti in corone circonferenziali. Ognuno dei denti comprende una coppia di estremità, una coppia di fianchi ed una cresta che collega in direzione sostanzialmente trasversale le estremità ed i fianchi. La cresta dell'almeno uno della molteplicità di denti ha una depressione concava formata ad ogni intersezione delle estremità e della cresta. Un materiale resistente all'usura è applicato sopra almeno la cresta ed una parte almeno delle estremità e dei fianchi dell'almeno uno della molteplicità di denti, in cui lo spessore del materiale resistente all'usura è sostanzialmente maggiore sopra le depressioni concave che in qualsiasi altro punto sul dente.

La parte a depressioni concave facilita l'applicazione del materiale resistente all'usura sul dente. In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, lo scalpello di perforazione ha tre frese, ed ognuna delle frese ha una molteplicità di denti formati integralmente su di essa. Ognuna delle creste della molteplicità di denti è provvista delle depressioni concave.

Altri scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti per i tecnici del ramo facendo riferimento ai disegni ed alla descrizione dettagliata che seguono.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La figura 1 rappresenta una vista in prospettiva di uno scalpello di perforazione del tipo previsto dalla presente invenzione.

La figura 2 rappresenta una illustrazione schematica di un dente di acciaio, che mostra le diverse superfici di tale dente.

La figura 3 rappresenta una vista in sezione parziale di un dente di acciaio rivestito di materiale duro secondo la tecnica anteriore.

La figura 4 rappresenta una vista in sezione parziale della struttura del dente di acciaio rivestito di materiale duro in accordo con la presente invenzione.

DESCRIZIONE DELLA FORMA DI ATTUAZIONE PREFERITA

Con riferimento ora alla figura 1, è illustrato uno scalpello di perforazione 11 in accordo con la presente invenzione. Lo scalpello di perforazione 11 comprende un corpo 13 dello scalpello avente filettature 15 alla sua estremità superiore per collegare lo scalpello 11 ad una colonna di perforazione (non rappresentata). Ogni braccio dello scalpello 11 è provvisto di un compensatore di lubrificante 17, una cui forma di attuazione preferita è descritta nel brevetto statunitense No. 4.276.946, 7 luglio 1981, di Millsapps. Almeno un ugello 19 è previsto nel corpo 13 dello scalpello per spruzzare fluido di perforazione refrigerante e lubrificante dall'interno della colonna di perforazione sul fondo del foro.

Almeno una fresa, in questo caso tre (una delle quali è nascosta alla vista nella prospettiva della figura 1), 21, 23 è fissata in modo rotativo ad ogni braccio del corpo 13 dello scalpello. Una molteplicità di denti 25 sono disposti in corone generalmente circonferenziali sulle frese 21, 23. I denti 25 sono formati integralmente nel materiale delle frese 21, 23, che è usualmente acciaio.

Le figure 2 e 3 illustrano un dente fresato o di acciaio 25 rivestito di materiale duro secondo la tecnica anteriore. La figura 2 rappresenta schematicamente il dente 25 per illustrarne le diverse superfici. La figura 3 rappresenta una vista in sezione parziale di un dente secondo la tecnica anteriore simile a quello illustrato schematicamente nella figura 2. Il dente 25 ha un certo numero di superfici, comprendenti una coppia di fianchi 27, 29, una coppia di estremità 31, 33 ed una cresta 35 che collega in direzione sostanzialmente trasversale i fianchi 27, 29 e le estremità 31, 33. Uno strato 41 di materiale resistente all'usura, comunemente noto come rivestimento duro, è disposto sopra i fianchi 27, 29, le estremità 31, 33 e la cresta 35. Lo strato di rivestimento duro 41 è previsto per aumentare la durezza e la resistenza all'usura del dente 25. Materiali di rivestimento duro sono tradizionali nella tecnica e sono costituiti generalmente da particelle di carburo di tungsteno o altro metallo duro disperse in una matrice legante di cobalto, acciaio o una loro lega. Materiali di rivestimento duro sono generalmente applicati per fusione del legante e applicazione del rivestimento duro sopra il dente 25 utilizzando un cannello a gas. E' richiesta una abilità di saldatura, considerevole per ottenere uno strato relativamente uniforme 41 che copra tutte le superfici del dente che si desidera rivestire con materiale duro.

Una limitazione allo spessore t dello strato di rivestimento duro 41 è il gioco o tolleranza necessaria per evitare l'interferenza o l'urto tra i denti 25 e le frese opposte 21, 23. Cosi un saldatore deve raggiungere un accurato equilibrio tra l'applicazione di uno strato di rivestimento duro 41 che sia sufficientemente spesso per aumentare efficacemente la resistenza all'usura del dente 25, assicurando che il dente 25 rimanga entro la tolleranza e non urti contro una fresa opposta 21, 23. Se lo spessore t dello strato di rivestimento duro 41 è talmente grande da provocarne l'urto o l'interferenza, sono necessarie costose operazioni di molatura per riportare il dente 25 entro la tolleranza necessaria per evitare l'interferenza. Se lo spessore t è insufficiente, le prestazioni risultanti dello scalpello 11 possono essere inferiori a quelle previste. Uno spessore tradizionale t dello strato di rivestimento duro 41 è di circa 0,062 o 1/16 di pollice (1,575 mm).

La figura 4 illustra, in una vista in sezione parziale, un dente rivestito di materiale duro 125 in accordo con la presente invenzione. Come il dente 25 illustrato nelle figure 2 e 3, il dente 125 in accordo con la presente invenzione comprende una coppia di estremità 131, 133, una coppia di fianchi (non illustrati nella figura 4) ed una cresta 135 che collega in direzione sostanzialmente trasversale i fianchi e le estremità 131, 133. Ad ogni intersezione delle estremità 131, 133 e della cresta 135, il dente 125 è provvisto di una depressione concava 138, 139. Preferibilmente ogni depressione concava assume la forma di un raccordo o smusso rovesciato.

Uno strato di rivestimento duro 141 è disposto sopra il dente 125, ricoprendo preferibilmente almeno la cresta 135, le parti concave 137, 139 ed una parte delle estremità 131, 133 e dei fianchi.

Le depressioni concave 137, 139 forniscono la capacità di ottenere un spessore maggiore T dello strato di rivestimento duro 141 sopra le depressióni concave 137; 139 agli angoli della cresta 135, che sono fortemente soggetti ad una usura abrasiva. Le depressioni concave forniscono anche una guida per il saldatore, che riempie semplicemente le depressioni concave con materiale di rivestimento duro ed applica quindi uno spessore abituale t di rivestimento duro sopra la cresta 135 ed il resto dei dente 125: Cosi la necessità di un accumulo estremamente accurato di uno strato di rivestimento duro di spessore maggiore è eliminata, e le richieste di abilità di saldatura sono minori:

Preferibilmente le depressioni concave 137, 139 hanno un raggio uguale o superiore allo spessore t di uno strato di rivestimento duro tradizionale (41 nella figura 3). Così, quando le operazioni di applicazione del rivestimento duro sono complete, lo spessore T dello strato di rivestimento duro 141 sopra la depressione 135 è sostanzialmente doppio di quello del rivestimento duro tradizionale sopra il resto del dente 125. Un raggio minimo di 0,5t è necessario per assicurare che lo spessore T dello strato di rivestimento duro 141 sopra le depressioni concave 137, 139 sia almeno 50% maggiore dello spessore abituale t. In accordo con la forma di attuazione preferita dell'invenzione, tutti i denti dello scalpello 11 che tradizionalmente sono rivestiti di materiale duro sono provvisti delle depressioni concave 137, 139 alle intersezioni delle estremità 131, 133 e della cresta 135.

Con riferimento alle figure 1-4, sarà descritto il funzionamento dello scalpello di perforazione 11 in accordo con la presente invenzione. Lo scalpello 11 è collegato attraverso le filettature 15 ad una colonna di perforazione (non rappresentata). La colonna di perforazione e lo scalpello 11 sono quindi fatti ruotare, mentre le frese 21, 23 rotolano e scorrono sopra il fondo del foro. Mentre le frese 21, 23 rotolano e scorrono sopra il fondo del foro, i denti 25 strappano e raschiano il materiale della formazione, producendo la penetrazione della formazione. Fluido di perforazione dall'interno della colonna di perforazione esce dall'ugello 19, raffreddando e lubrificando le frese 21, 23, e sollevando frammenti di materiale della formazione allontanandoli dal fondo del foro.

I denti perfezionati 125 rivestiti di materiale duro rimangono affilati a causa della loro migliore resistenza all'usura.

Un vantaggio principale della presente invenzione consiste nella realizzazione di uno scalpello di perforazione avente una migliore resistenza all’usura. La struttura del dente perfezionata descritta nella presente permette la fabbricazione economica di uno scalpello di perforazione più resistente all'usura che è adatto per essere fabbricato da saldatori di abilità minima senza la necessità di una costosa molatura di finitura dei denti dopo le operazioni di applicazione del rivestimento duro.

Anche se l'invenzione è stata illustrata soltanto in una delle sue forme di attuazione preferite, essa non è limitata ad esBa. Sarà evidente per i tecnici del ramo che la presente invenzione è soggetta a varianti e modifiche senza allontanarsi dal suo ambito.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Scalpello di perforazione perfezionato comprendente: un corpo dello scalpello; almeno una fresa fissata in modo rotativo al corpo dello scalpello, in cui la fresa ha una molteplicità di denti formati integralmente su di essa e disposti in corone circonferenziali, in cui ognuno dei denti comprende una coppia di estremità, una coppia di fianchi ed una cresta che collega in direzione sostanzialmente trasversale le estremità ed i fianchi; in cui la cresta di almeno uno della molteplicità di denti in almeno una corona ha una depressione formata in essa almeno in corrispondenza di una intersezione delle estremità e della cresta; un materiale resistente all'usura applicato sopra almeno la cresta ed una parte dei fianchi e delle estremità dell 'almeno un dente, in cui uno spessore del materiale resistente all'usura è sostanzialmente maggiore sopra le depressione che in qualsiasi altro punto sull'almeno un dente.
2. Scalpello di perforazione secondo la rivendicazione 1, in cui la depressione comprende inoltre uno smusso rovesciato che si estende dall'estremità alla cresta e lo smusso rovesciato ha un raggio minimo di 1/32 di pollice (0,787 mm).
3. Scalpello di perforazione secondo la rivendicazione 1, in cui ogni intersezione delle estremità e della cresta è provvista della depressione.
4. Scalpello di perforazione secondo la rivendicazione 1, in cui la cresta di ognuno della molteplicità di denti in ognuna delle corone è provvista della depressione.
5. Scalpello di perforazione perfezionato comprendente: un corpo dello scalpello; almeno una fresa fissata in modo rotativo al corpo dello scalpello, in cui la fresa ha una molteplicità di denti formati integralmente su di essa e disposti in corone circonferenziali, in cui ognuno dei denti comprende una coppia di estremità, una coppia di fianchi ed una cresta che collega in direzione sostanzialmente trasversale le estremità ed i fianchi; in cui la cresta di almeno uno della molteplicità di denti in almeno una corona ha un raccordo rovesciato formato in essa in corrispondenza almeno di una intersezione delle estremità e della cresta, in cui il raccordo rovesciato si estenda dall'estremità alla cresta; un materiale resistente all'usura disposto sopra almeno la cresta ed una parte dei fianchi e delle estremità dell 'almeno un dente, in cui uno spessore del materiale resistente all'usura è sostanzialmente maggiore sopra il raccordo rovesciato che in qualsiasi altro punto sul dente.
6. Scalpello di perforazione secondo la rivendicazione S, in cui ognuna delle intersezioni delle estremità e della cresta è provvista di un raccordo rovesciato.
7. Scalpello di perforazione secondo la rivendicazione 5, in cui la cresta di ognuno della molteplicità di denti in ognuna delle corone è provvista del raccordo rovesciato.
8. Scalpello di perforazione secondo là rivendicazione 5, in cui i raccordi rovesciati hanno ognuno un raggio minino di 1/32 di pollice (0,878 mm).
9. Scalpello di perforazione perfezionato comprendente: un corpo dello scalpello; almeno una fresa fissata in modo rotativo al corpo dello scalpello, in cui la fresa ha una molteplicità di denti formati integralmente su di essa e disposti in corone circonferenziali, in cui ognuno dei denti comprende una coppia di estremità, una coppia di fianchi ed una cresta che collega in direzione sostanzialmente trasversale le estremità ed i fianchi; . in cui la cresta di almeno uno della molteplicità di denti in almeno una corona ha un raccordo rovesciato formato in essa in corrispondenza di ogni intersezione delle estremità e della cresta, in cui il raccordo rovesciato si estende dall'estremità alla cresta; un materiale resistente all'usura disposto sopra almeno la cresta ed una parte dei fianchi e delle estremità dell'almeno un dente, in cui uno spessore del materiale resistente all'usura è sostanzialmente due volte maggiore sopra i raccordi rovesciati che in qualsiasi altro punto sul dente.
10. Scalpello di perforazione secondo la rivendicazione 9, in cui ognuno della molteplicità di denti ha un raccordo rovesciato all'intersezione delle estremità e della cresta.
11. Scalpello di perforazione secondo la rivendicazione 9 , in cui i raccordi rovesciati hanno un raggio di 1/8 di pollice (3,15 mm).