ITTO990716A1

ITTO990716A1 - Punta dentata per trivellazione con riporto duro spesso.

Info

Publication number: ITTO990716A1
Application number: IT1999TO000716A
Authority: IT
Inventors: Ronald L Jones; Jim L Overstreet; Jeremy K Morgan; Trevor M Mcaninch
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1999-08-19
Publication date: 2001-02-19
Also published as: US6206115B1; IT1310138B1; BE1013524A5

Description

DESCRIZIONE

Campo tecnico

Questa invenzione si riferisce ad un miglioramento ad attrezzi per la trivellazione del terreno, in particolare a punte dentate di acciaio che utilizzano un riporto duro contenente particelle di carburo per migliorare la resistenza all'usura.

Tecnica anteriore

Le prime punte per trivellazione del terreno a fresa rotante avevano denti lavorati integralmente alla macchina utensile da frese per la disintegrazione di terreno di acciaio, sagomate conicamente. Queste punte, comunemente note come punte "a dente di acciaio" o "a dente tagliente" sono tipicamente utilizzate per penetrare formazioni geologiche relativamente morbide del terreno. La resistenza e la tenacità alla frattura dei denti di acciaio permette l'uso efficace di denti relativamente lunghi, che consente l'azione di raschiatura e perforazione aggressiva che è vantaggiosa per la rapida penetrazione di formazioni morbide con bassa resistenza a compressione .

Tuttavia è raro che formazioni geologiche consistano interamente di materiale morbido con bassa resistenza a compressione. Spesso ci sono vene di materiali duri ed abrasivi che una punta a denti d'acciaio dovrebbe penetrare economicamente senza danneggiarsi. Sebbene i denti di acciaio abbiano una buona resistenza, la resistenza all'abrasione è inadeguata per consentire una penetrazione rapida continuata di vene dure o abrasive.

Conseguentemente è stato comune nella tecnica, almeno dai primi anni '30, provvedere uno strato di materiale metallurgico resistente all'usura chiamato "riporto duro" su quelle porzioni dei denti esposti all'usura più severa. Il riporto duro consiste tipicamente di particelle estremamente dure, quali carburo di tungsteno sinterizzato, gettato o macrocristallino disperso in una matrice o legante di lega di acciaio, cobalto o nichel. Tali materiali di riporto duro sono applicati riscaldando con una torcia un tubo delle particelle che salda alla superficie a cui deve essere applicato il riporto duro una dispersione omogenea di particelle dure nella matrice. Dopo l'applicazione del riporto duro, il cono è preferibilmente trattato a caldo, il che tipicamente comprende la carbocementazione e la tempra da una temperatura elevata, così da indurire il cono. Le particelle sono molto più dure della matrice, ma più fragili. Dopo l'indurimento, la matrice ha una durezza preferibilmente nell'intervallo da 53 a 68 Rockwell C (RC). La miscela di particelle dure con una matrice di acciaio più morbido ma più tenace è una combinazione sinergica che produce un buon riporto duro.

C'è stata una varietà di differenti configurazioni e materiali di riporto duro, comprendente speciali configurazioni di dente, così da migliorare la resistenza all'usura o provvedere un autoaffilamento. Generalmente il riporto duro applicato ai denti di nuove punte è in un intervallo di rapporto di preapplicazione dal 50 all'80% di particelle di carburo, tipicamente di circa il 70%, in una matrice metallica di ferro, nichel, cobalto o loro leghe. Lo spessore del deposito di riporto duro su nuove punte è solitamente circa da 1,59 min a 3,17 mm (circa da 1/16 a 1/8 pollici) sui fianchi, porzioni terminali e sommità della cresta del dente. Porzioni del riporto duro possono essere alquanto più spesse. Le porzioni più spesse si trovano generalmente agli angoli in cui i fianchi intersecano la cresta. Queste porzioni più spesse possono arrivare fino al doppio dello spessore di altre aree .

Sono state ripristinate punte usate aggiungendo un tipo di riporto duro ai denti dopo che essi sono stati usurati. Spesso una parte sostanziale del riporto duro originale è stata asportata insieme con una porzione del dente di acciaio sottostante. I materiali di riporto duro di ripristino tipicamente utilizzati contengono circa 35-50% in peso di particelle di carburo con una matrice alquanto morbida di rame, bronzo, ottone o ferro. La matrice morbida consente a chi effettua il ripristino di sagomare il nuovo dente che viene formato. A seconda della misura dell'usura, il riporto duro può essere affatto spesso, anche maggiore di 4,76 mm (3/16 pollici) alla sommità della parte superiore del dente di acciaio sottostante. I ripristinatori normalmente non trattano termicamente la punta ripristinata. A causa della matrice più morbida e della mancanza di trattamento termico, la durezza della matrice dopo l'applicazione su di un dente ripristinato potrebbe essere normalmente considerevolmente inferiore a quella di un nuovo dente per punta. Pur soddisfacente per perforazioni molto blande, quali perforazioni di pozzi d'acqua, il riporto duro ripristinato non è altrettanto resistente all'usura quanto i riporti duri originali sopra descritti, che contengono una percentuale più elevata di particelle di carburo ed un metallo di matrice più duro.

Mentre il riporto duro provvede una buona resistenza all'usura per una punta dentata di acciaio, i denti sono ancora soggetti a rottura. Si pensa che la rottura generalmente abbia luogo a causa di porzioni dei denti che sono troppo fragili. La fragilità, particolarmente in punte di perforazione di diametro più piccolo, è almeno parzialmente causata dallo strato sottostante carbocementato. La procedura standard di produzione consiste nel carbocementare il cono di acciaio dopo che è stato provvisto di riporto duro così da indurire la superficie per resistere all'erosione. La carbocementazione è effettuata in un forno utilizzando un procedimento a gas od a cassetta. Questo proce-dimento aggiunge carbonio per tutto il riporto duro ed accresce anche il contenuto di carbonio in uno strato carbocementato vicino alla superficie dell'acciaio, lo strato avendo una profondità circa da 0,76 mm a 3,56 mm (circa da 0,030 a 0,140 pollici) a seconda dell'applicazione e del tipo di punta. Il procedimento di carbocementazione produce uno strato carbocementato anche al di sotto del riporto duro.

Se la cresta del dente è abbastanza aguzza come in coni più piccoli, lo strato carbocementato diventa più profondo alla cresta del dente perché gli strati carbocementati sui due fianchi e la cresta aguzza tendono a fondersi. Questo rende la cresta fragile. Anche se successivamente carbocementata, questa area fragile può essere soggetta ad un prematuro cedimento del dente.

Descrizione dell<1 >invenzione

In questa invenzione il dente di acciaio sottostante o troncone è formato con una lunghezza inferiore a quella convenzionale. I fianchi del troncone di dente saranno sufficientemente lontani l'uno dall'altro alla cresta o sommità del troncone di dente, così da impedire che gli strati carbocementati sui fianchi e la cresta si fondano. Pertan-to non c'è accrescimento nella profondità dello strato carbocementato alla cresta, diversamente che nei denti della tecnica anteriore con creste aguzze. La distanza da un fianco all'altro, misurata perpendicolarmente all'asse del dente alla cresta, è maggiore di due volte la profondità degli strati carbocementati sui fianchi.

Uno strato di riporto duro è applicato alla sommità ed ai fianchi del troncone di dente, formando un apice per il dente. Lo strato di riporto duro è molto più spesso di quanto normalmente utilizzato, preferibilmente uguale a o maggiore di 4,76 mm {3/16 pollici) sulla cresta. Lo strato di riporto duro ha una profondità assiale che è preferibilmente almeno il 15% della lunghezza assiale del troncone di dente.

Breve descrizione dei disegni

La figura 1 è una vista prospettica di una punta per la trivellazione di terreno del tipo a denti di acciaio, costruita secondo questa invenzione.

La figura 2 è una vista in sezione di un dente di una punta per la trivellazione di terreno come in figura 1, ma illustrante un modello della tecni-ca anteriore.

La figura 3 è una vista in sezione secondo la linea III-III di figura 4, di un dente realizzato secondo questa invenzione.

La figura 4 è una vista in sezione del dente di figura 3, secondo la linea IV-IV di figura 3. Descrizione della forma di attuazione preferita Facendo riferimento alla figura 1, è illustrata una punta 11 per la trivellazione di terreno, modificata secondo la presente invenzione. La punta 11 per la trivellazione di terreno comprende un corpo di punta 13 avente filettature 15 alla sua porzione superiore per collegare la punta 11 ad una colonna di perforazione (non illustrata). Ogni gambo della punta 11 è provvisto di un compensatore di lubrificante 17. Almeno un ugello 19 è provvisto nel corpo 13 della punta per dirigere fluido pressurizzato di trivellazione da entro la colonna di perforazione e la punta contro il fondo del foro di trivellazione .

Le frese 21, 23, generalmente tre (una delle quali è coperta alla vista in figura 1), sono fissate in modo rotante su rispettivi gambi del corpo 13 della punta. Una pluralità di denti 25 di file interne sono disposti in file sostanzialmente circonferenziali sulle frese 21, 23, essendo integralmente formati sulle frese, di solito mediante lavorazione alla macchina utensile. I denti 29 della fila di spigolo sono collocati ai bordi esterni di ogni fresa 21, 23, adiacenti alla superficie diametrale 30.

La figura 2 illustra un dente 27 che, nella tecnica anteriore, sarebbe stato nella fila di spigolo al posto del dente 29 della fila di spigolo (figura 1) nella fresa 21 di figura 1. Il dente 27 della tecnica anteriore è formato con un utensile di fresatura che forma una radice 31, fianchi inclinati 33, 35 ed una cresta oblunga 37. Uno dei fianchi 33, 35 è un fianco avanzato e l'altro un fianco arretrato, considerando la direzione di rotazione della fresa 21.

Il dente 27 ha un asse 39 che è sostanzialmente perpendicolare all'asse 40 di rotazione della fresa (figura 4). Uno strato carbocementato 41 è formato nell'acciaio sottostante del dente 27 in un procedimento convenzionale. Lo strato carbocementato 41 è generalmente nell'intervallo di profondità circa da 0,76 mm a 3,56 mm (circa da 0,030 a 0,140 pollici) a seconda dell'applicazione e dimensione della punta. La profondità dello strato carbocementato 41 non è uniforme a causa dell'affilatezza della cresta 37. A causa della breve distanza dal fianco 33 all'altro fianco 35 in corrispondenza della cresta 37, risulterà in corrispondenza della cresta 37 un'area più profonda 41a di strato carbocementato 41. La porzione carbocementata 41a diventa più profonda a causa della fusione degli strati carbocementati 41 dei sottostanti fianchi 33, 35. La distanza dal fianco 33 al fianco 35, misurata perpendicolarmente all'asse 39 in corrispondenza della cresta 37, è inferiore a due volte la profondità media dello strato carbocementato 41 sui fianchi 33, 35.

Uno strato di riporto duro 43 è applicato sul dente 27.Esso può essere di vari tipi, contenenti tipicamente granuli di carburo di tungsteno in una matrice di lega di acciaio. Lo spessore del riporto duro 43 sui fianchi 33, 35 e alla sommità della cresta 37 è circa da 1,59 rara a 3,17 mm (circa da 1/16 a 1/8 pollici).Il trattamento termico, che comprende la carbocementazione, è solitamente effettuato dopo l'applicazione del riporto duro. In un altro tipo di dente della tecnica anteriore, illustrato nel brevetto US n. 5.351.771, recessi curvi sono disposti alle giunzioni dei fianchi con la cresta. Se il dente 27 avesse questi recessi, lo spessore del riporto duro 43 sarebbe circa doppio nei recessi di quello alla sommità della cresta 37 e sui fianchi 33, 35. In un altro tipo di dente della tecnica anteriore, una fenditura è disposta sul fianco avanzato come nel brevetto US n.

5.445.231.Se il dente 27 avesse una tale fenditura lo spessore del riporto duro 43 sul fianco sopra la fenditura sarebbe circa il doppio di quello del resto del dente 27.

La figura 3 mostra un dente 29 della fila di spigolo costruito secondo questa invenzione. Il dente 29 ha un troncone di acciaio 47 che è formato integralmente con la fresa 21 in modo convenzionale mediante fresatura. Il troncone 47 è più corto della porzione di acciaio del dente 27 della tecnica anteriore. Il troncone 47 si estende verso l'alto da radici 49, ha fianchi 51, 52 che si inclinano l'uno verso l'altro ed estremità esterna ed interna 53, 55. Le radici 49 sono le valli fra denti 29, come illustrati in figura 1. Durante la rotazione intorno all'asse 40 della fresa (figura 4), uno dei fianchi 51, 52 è avanzato mentre l'altro è arretrato. I fianchi 51, 52 si uniscono alle estremità esterna ed interna 53, 55, terminando in una sommità o cresta 57. La sommità 57 è illustrata come piatta e perpendicolare all'asse 58 del dente, ma potrebbe essere di configurazioni diverse.

Il troncone 47 ha uno strato carbocementato 59 che è uniforme e di una profondità di circa da 2,03 mm a 3,05 mm (circa da 0,080 a 0,120 pollici).Lo strato carbocementato 59 è formato convenzionalmente dopo l'applicazione del riporto duro. Lo strato carbocementato 59 non ha uno strato di profondità accresciuta alla sommità 57. La distanza fra i fianchi 51, 52, misurata perpendicolarmente all'asse 58 del dente alla giunzione con la sommità 57, è sostanzialmente maggiore di due volte la profondità dello strato carbocementato 59. Gli strati carbocementati 59 sui fianchi 51, 52 non si uniscono l'uno con l'altro alla sommità 57.

Uno strato di riporto duro 61 è applicato al troncone 47 di dente in un modo convenzionale. Il riporto duro 61 può essere di una varietà di tipi, ma preferibilmente include particelle o granuli di carburo di tungsteno in una matrice di lega di acciaio. La matrice legante può contenere ferro, nichel, cobalto e loro leghe e ha una durezza, dopo applicazione sul troncone di dente 47 e trattamento termico, nell'intervallo di circa dai 53 a 68 RC. Le particelle di carburo di tungsteno sono in un rapporto di preapplicazione in un tubo di applica-zione di riporto duro di circa da 50 a 80% in peso, preferibilmente di circa 70%.A causa del suo extraspessore alla sommità 57, il riporto duro 61 sarà applicato in passate multiple, ma senza permettere che le prime passate si raffreddino sostanzialmente. Dopo che è stato applicato il riporto duro 61, la fresa 21 è trattata termicamente in un modo convenzionale. Il procedimento di trattamento termico crea lo strato carbocementato 59 e migliora anche il riporto duro 61.

Il riporto duro 61 è generalmente sagomato in modo da formare un'estensione o apice del troncone 47 così da somigliare alla configurazione del dente 27 della tecnica anteriore. L'apice del riporto duro 61 include fianchi 63, 65 che si estendono rispettivamente generalmente nella stessa direzione dai fianchi 51, 52, terminando in una cresta 67. L'apice del riporto duro 61 ha anche porzioni terminali esterna ed interna 69, 71, che si estendono rispettivamente nella stessa direzione dalle porzioni terminali esterna ed interna 53, 55 del troncone di dente. Il riporto duro 61 può anche avere una porzione più sottile, tipicamente di circa da 1,19 mm a 3,17 mm (circa da 0,047 a 0,125 pollici), che coprirà una porzione delle estremità esterna ed interna 53, 55 e dei fianchi 51, 52 del troncone di dente .

I fianchi 63, 65 del riporto duro 61 convergono in una cresta 67 alquanto aguzza. La lunghezza totale del dente 29 dalla radice 49 alla cresta 67, misurata lungo l'asse 58 del dente, è convenzionale. Tuttavia lo spessore 75 del riporto duro 61, misurato dalla sommità 57 del troncone 47 alla cresta 67, è molto maggiore di quanto precedentemente utilizzato con questo tipo di riporto duro, essendo di almeno 4,76 mm (3/16 pollici). Lo spessore 75 sarà normalmente due volte o più lo spessore del riporto duro 61 che copre le estremità esterna ed interna 53, 55 ed i fianchi 51, 52 del troncone di dente. Nella forma di attuazione illustrata, il troncone di dente 47 ha una lunghezza assiale 73 più breve, misurata lungo l'asse 58 dalla radice 49 alla sommità 57, dello spessore assiale 75 del riporto duro 61. Tuttavia, la lunghezza 73 del troncone di dente potrebbe essere più lunga dello spessore 75 del riporto duro. La lunghezza 73 del troncone di dente non dovrebbe essere tanto lunga da far decrescere la distanza fra i fianchi 51, 52 del troncone di dente fino al punto che i loro strati carbocementati 59 si fondono e diventano più spessi del normale. Per una punta di diametro molto grande avente lunghi denti, lo spessore assiale minimo 75 di 4,76 mm (3/16 pollici) del riporto duro 61 non sarà inferiore al 15% della lunghezza assiale 73 del troncone 58 di dente. Per punte di diametro inferiore, di 209,55 mm (81⁄4 pollici) o meno, lo spessore assiale minimo 75 di 4,76 mm (3/16 pollici) diviso per la lunghezza assiale 73 sarà normalmente più alto, almeno del 35%.

L'invenzione ha significativi vantaggi. L'utilizzo di uno strato di riporto duro più spesso del normale riduce la larghezza della cresta di acciaio sottostante da fianco a fianco. Questa smussatura sottostante o sommità di troncone di dente evita strati carbocementati più spessi del normale alla sommità del troncone di dente. Un troncone di dente più corto ed uno strato di riporto duro più spesso alla sommità può ridurre la fragilità e la possibilità di rottura, senza ridurre la lunghezza complessiva del dente.

Mentre l'invenzione è stata illustrata in sua delle sue forme, essa potrebbe essere suscettibile di vari cambiamenti senza allontanarsi dalla sua portata. Ad esempio, sebbene illustrato solo con riferimento ad un dente della fila di spigolo, il riporto duro secondo questa invenzione potrebbe anche essere applicato a denti di file interne ed a varie geometrie di dente.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Punta migliorata per la trivellazione di terreno comprendente: un corpo di punta; almeno una fresa per la disintegrazione del terreno, la fresa essendo generalmente sagomata co-nicamente e fissata in modo rotante al corpo della punta; una pluralità di denti formati sulla fresa, almeno uno dei denti comprendendo: un troncone formato integralmente con la e protrudente dalla fresa, il troncone avendo un paio di fianchi che si inclinano l'uno verso l'altro relativamente ad un asse del dente e terminano in una sommità; uno strato carbocementato formato sui fianchi e la sommità fino ad una profondità scelta, la profondità dello strato carbocementato essendo sostanzialmente uniforme su tutte le superiici del troncone; la distanza fra i fianchi, misurata perpendicolarmente all'asse alla sommità, essendo maggiore dì due volte la profondità dello strato carbocementato; e uno strato di riporto duro applicato come rivestimento sulla sommità ed i fianchi del troncone e formante un apice per il dente.
2. Punta secondo la rivendicazione 1, in cui il troncone ha una lunghezza misurata lungo l'asse del dente da una radice del dente alla sommità, ed in cui il riporto duro ha uno spessore, misurato lungo l'asse del dente dalla sommità del troncone al-l'apice formato dal riporto duro, che è almeno il 15% della lunghezza del troncone.
3. Punta secondo la rivendicazione 1, in cui il riporto duro comprende almeno il 50% in peso di granuli di carburo in una matrice metallica in un rapporto di pre-applicazione.
4. Punta secondo la rivendicazione 3, in cui la matrice metallica dopo l'applicazione del riporto duro sul dente ed un trattamento termico, ha una durezza che è di almeno 53 RC.
5. Punta secondo la rivendicazione 1, in cui il riporto duro ha uno spessore, misurato lungo l'asse del dente dalla sommità del troncone all'apice formato dal riporto duro, che è maggiore di 4,76 mm (3/16 pollici).
6. Punta secondo la rivendicazione 1, in cui il troncone ha una lunghezza misurata secondo l'asse del dente da una radice del dente alla sommità, ed in cui il riporto duro ha uno spessore, misurato lungo l'asse del dente dalla sommità alla troncone all'apice formato dal riporto duro, che è almeno il 15% della lunghezza del troncone, lo spessore del riporto duro essendo maggiore di 4,76 mm {3/16 pollici) .
7. Punta migliorata per la trivellazione di terreno comprendente: un corpo di punta; almeno una fresa per la disintegrazione del terreno, la fresa essendo generalmente sagomata conicamente e fissata in modo rotante al corpo della punta; una pluralità di denti formati sulla fresa, almeno uno dei denti comprendendo: un troncone formato integralmente con la e protrudente dalla fresa; uno strato di riporto duro applicato come rivestimento sul troncone, formando un apice per il dente, il riporto duro avendo particelle di carburo entro una matrice metallica, la matrice avendo una durezza dopo applicazione del riporto duro sul dente e trattamento termico di almeno 53 RC; e uno strato carbocementato formato sulla sommità del troncone; in cui il riporto duro ha uno spessore, misurato lungo l'asse del dente dalla sommità del troncone all'apice formato dal riporto duro, che è di almeno 4,76 mm (3/16 pollici).
8. Punta secondo la rivendicazione 7, in cui il troncone ha fianchi su lati che si inclinano l'uno verso l'altro relativamente all'asse, e superfici terminali interna ed esterna, i fianchi e le superfici terminali interna ed esterna terminando alla sommità.
9. Punta secondo la rivendicazione 7, in cui; il troncone ha fianchi su lati opposti che si inclinano l'uno verso l'altro relativamente all'asse, e superfici terminali interna ed esterna, i fianchi e le superficie terminali interna ed esterna terminando alla sommità; e il riporto duro è applicato come rivestimento sui fianchi in uno spessore che è sostanzialmente non maggiore della metà dello spessore del riporto duro sulla sommità.
10. Punta secondo la rivendicazione 7, in cui: il troncone ha fianchi su lati opposti che si inclinano l'uno verso l'altro relativamente all'asse, e superfici terminali interna ed esterna, i fianchi e le superfici terminali interna ed esterna terminando alla sommità; e la distanza fra i fianchi, misurata perpendicolarmente all'asse ad una giunzione con la sommità, è maggiore di due volte la profondità dello strato carbocementato.
11. Punta secondo la rivendicazione 7, in cui: la profondità dello strato carbocementato è sostanzialmente uniforme su tutte le superfici del troncone, comprendendo la sommità.
12. Punta secondo la rivendicazione 7, in cui, il troncone ha una lunghezza misurata lungo l'asse del dente da una radice del troncone alla sommità, ed in cui lo spessore del riporto duro alla sommità del troncone è di almeno il 15% della lunghezza del troncone .
13. Punta secondo la rivendicazione 7, in cui, in un rapporto di pre-applicazione, le particelle di carburo comprendono almeno il 50% in peso del riporto duro.
14. Punta migliorata per la trivellazione di terreno comprendente: un corpo di punta; almeno una fresa per la disintegrazione del terreno, la fresa essendo generalmente sagomata conicamente e fissata in modo rotante al corpo della punta ; una pluralità di denti formati sulla fresa, almeno uno dei denti comprendendo: un troncone formato integralmente con la e protrudente dalla fresa per una lunghezza misurata lungo un asse del dente da una radice del dente ad una sommità del troncone, il troncone avendo fianchi avanzato ed arretrato su lati opposti che si inclinano l'uno verso l'altro relativamente all'asse, e superfici terminali interna ed esterna, i fianchi e le superfici terminali interna ed esterna terminando alla sommità; uno strato di riporto duro applicato come rivestimento sul troncone, formando un apice per il dente, il riporto duro avendo particelle di carburo entro una matrice metallica, la matrice avendo una durezza dopo applicazione del riporto duro sul dente e trattamento termico di almeno 53 RC; e in cui il riporto duro ha uno spessore, misurato lungo l'asse del dente dalla sommità del troncone all'apice formato dal riporto duro, che è almeno il 15% della lunghezza del troncone.
15. Punta secondo la rivendicazione 14, in cui lo spessore del riporto duro alla sommità è maggiore di 4,76 mm (3/16 pollici).
16. Punta secondo la rivendicazione 14, in cui il troncone ha uno strato carbocementato sulle sue sommità, fianchi e superfici terminali; e in cui la profondità dello strato carbocementato è sostanzialmente la stessa su sommità, fianchi e superfici terminali.
17. Punta secondo la rivendicazione 16, in cui: la distanza da uno all'altro dei fianchi, misurata perpendicolarmente all'asse, è inferiore a 2 volte la profondità dello strato carbocementato.