Cabezas perforadoras de suelos modulares con cuchillas fijas y cuerpos de cabezas perforadoras de suelos modulares con cuchillas fijas.

Un cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20),

que comprende:

una pieza de soporte de cuchilla (23) que comprende al menos un material seleccionado del grupo consistentede partículas duras cementadas, carburos cementados, cerámicas, aleaciones metálicas, y plásticos; y almenos una pieza de cuchilla (24);

caracterizado porque al menos una pieza de cuchilla (24,61) comprende carburo cementado.

Campo Técnico de la Invención

0001 La presente invención se refiere, en parte, a mejoras en cabezas perforadoras de suelos. La presente invención además se refiere a cuerpos de cabezas perforadoras de suelos modulares.

Antecedentes de la Tecnología

0002 Las cabezas perforadoras de suelos pueden tener elementos de corte giratorios o fijos. Las cabezas perforadoras de suelos con elementos de corte fijos normalmente incluyen un cuerpo de cabeza perforadora mecanizado a partir de acero o fabricado infiltrando un lecho de partículas duras tales como carburo fundido (WC + W2C) , carburo de tungsteno macrocristalino o estándar (WC) , y/o carburo cementado sinterizado con un ligante de aleación a base de cobre. Las cabezas convencionales perforadoras de suelos de elementos de corte fijos comprenden un cuerpo de cabeza perforadora de una sola pieza con varios insertos de corte en cavidades de inserto ubicadas en el cuerpo de la cabeza perforadora de una forma diseñada para optimizar el corte. Es importante mantener los insertos en ubicaciones precisas para optimizar la eficiencia de la perforación, evitar vibraciones, y minimizar tensiones en el cuerpo de cabeza perforadora con el fin de maximizar la vida de la cabeza perforadora de suelos. Los insertos de corte están a menudo basados en materiales altamente resistentes al desgaste tales como el diamante. Por ejemplo, los insertos de corte pueden consistir de una capa de diamante sintético colocado en un sustrato de carburo cementado, y tales insertos se mencionan a menudo como compactos de diamante policristalino (PDC) . El cuerpo de cabeza perforadora debe ajustarse a un árbol de acero que normalmente incluye una conexión de perno roscado mediante el cual la cabeza perforadora se fija a un eje de transmisión de un motor de pozo profundo o un collar de perforación en un extremo distal de una columna perforadora. En adición, el fluido o lodo de perforación puede ser bombeado hacia abajo a la columna perforadora hueca y afuera de las boquillas formadas en el cuerpo de cabeza perforadora. El fluido o lodo de perforación enfría y lubrica la cabeza perforadora mientras ésta gira y también lleva material cortado por la cabeza perforadora a la superficie.

0003 Los cuerpos convencionales de cabeza perforadora han sido hechos normalmente de una de las siguientes maneras, por ejemplo, mecanizados de una pieza de acero en bruto o fabricados infiltrando un lecho de partículas duras de carburo colocadas dentro de un molde con una aleación de ligante con base de cobre. Las cabezas perforadoras con cuerpos en acero son mecanizadas normalmente de redondo a una forma deseada, con características topográficas e internas. Después de mecanizar el cuerpo de la cabeza perforadora, la superficie puede endurecerse superficialmente para aplicar materiales resistentes al desgaste a la cara del cuerpo de cabeza perforadora y otras áreas criticas de la superficie del cuerpo de cabeza perforadora.

0004 En el método convencional para la fabricación de un cuerpo de cabeza perforadora a partir de partículas duras y un ligante, se fresa o mecaniza un molde para definir las características exteriores de la superficie del cuerpo de cabeza perforadora. También puede ser necesario un fresado a mano o trabajo de arcilla para crear o refinar características topográficas del cuerpo de cabeza perforadora.

0005 Una vez que el molde está completo, una cabeza perforadora preformada de acero bruto puede ser dispuesta dentro de la cavidad del molde para reforzar internamente la matriz del cuerpo de cabeza perforadora tras la fabricación. Otros insertos a base de metales de transición o refractarios, tales como los que definen caminos internos de fluido, cavidades para elementos de corte, aristas, surcos, desplazamientos de boquilla, ranuras de fango, u otras características internas o topográficas del cuerpo de cabeza perforadora, pueden también insertarse en la cavidad del molde. Cualquier inserto utilizado puede ser colocado en posiciones precisas para asegurar un posicionamiento correcto de los elementos de corte, boquillas, ranuras de fango, etc., en la cabeza perforadora final.

0006 Las partículas duras deseadas pueden luego ubicarse dentro del molde y compactarse a la densidad deseada. Las partículas duras son luego infiltradas con un aglutinante fundido, el cual refrigera para formar un cuerpo de cabeza perforadora macizo que incluye una fase discontinua de partículas duras dentro de una fase continua de aglutinante.

0007 El cuerpo de cabeza perforadora puede ser luego ensamblado con otros componentes de cabeza perforadora de suelos. Por ejemplo, un vástago roscado puede ser soldado o fijado de otro modo al cuerpo de cabeza perforadora, y los elementos de corte o insertos (normalmente diamante o un compacto de diamante sintético policristalino (“PDC”) ) se fijan dentro de las cavidades de insertos de corte, como por soldadura, pegado, o fijación mecánica. Alternativamente, los insertos de corte pueden unirse a la cara del cuerpo de cabeza perforadora durante la estancia en horno e infiltración si son empleados PDCs térmicamente estables (“TSP”) . La patente US 5, 560, 440 describe una cabeza perforadora giratoria para perforar formaciones subterráneas. La cabeza perforadora incluye un cuerpo de cabeza perforadora fabricado separadamente y estructuras de soporte de elementos de corte, las últimas de las cuales pueden ser diseñadas como láminas, nervios, almohadillas o de otro modo, dependiendo del estilo de cabeza perforadora. El cuerpo y una o más estructuras de soporte de elementos de corte son ensamblados y fijados juntos después de la fabricación. La fabricación separada de las estructuras de soporte de elementos de corte permite un posicionamiento de corte más preciso, así como orientación, y promueve el uso de medios de fijación de elementos de corte más diversos. Las estructuras de soporte de elementos de corte pueden ser móviles radialmente ajustables con respecto al cuerpo de cabeza perforadora, a fin de proporcionar la capacidad de fabricar cabezas perforadoras de varios tamaños de calibre dentro de un intervalo utilizando un único cuerpo de cabeza perforadora y un único tamaño de estructura de soporte de elementos de corte.

0008 El cuerpo de cabeza perforadora y otros elementos de cabezas perforadoras de suelos están sometidos a muchas formas de desgaste mientras operan en un ambiente arduo de fondo de pozo. Entre las formas más comunes de desgaste está el desgaste por abrasión causado por contacto con formaciones de rocas abrasivas. En adición, el lodo de perforación, cargado de detritos de las rocas, hace que la cabeza perforadora se erosione o desgaste.

0009 El tiempo de vida de una cabeza perforadora de suelos es una función no sólo de las propiedades de desgaste de los PDCs o insertos de carburo cementado, sino también de las propiedades de desgaste del cuerpo de cabeza perforadora (en el caso de cabezas perforadoras de elementos de corte fijos) o soportes cónicos (en el caso de cabezas perforadoras de cono de rodillos. Una manera de incrementar el tiempo de vida de la cabeza perforadora es emplear cuerpos de cabeza perforadora hechos de materiales con combinaciones mejoradas de resistencia, tenacidad y resistencia a la abrasión/erosión.

0010 Recientemente, se ha descubierto que cuerpos de cabeza perforadora de elementos de corte fijos pueden fabricarse de carburos cementados empleando practicas estándar de metalurgia del polvo (consolidación de polvo, seguido de la conformación o mecanizado del polvo compacto verde o presinterizado, a altas temperaturas) . Tales cuerpos de cabeza perforadora a base de carburo cementado macizos de una pieza se describen en la patente US Nº 2005/0247491.

0011 En general, cuerpos de cabezas perforadoras en base a carburo cementado proporcionan ventajas sustanciales sobre los cuerpos de cabeza perforadora de la técnica anterior (mecanizado de acero o carburos infiltrados) ya que los carburos cementados ofrecen combinaciones superiores de resistencia, tenacidad, así como resistencia a la abrasión y erosión comparados con los aceros o carburos infiltrados con ligantes a base de cobre. La figura 1 muestra un cuerpo de cabeza perforadora de carburo cementado macizo típico de una pieza 10 que puede emplearse para hacer una cabeza perforadora a base de PDC. Como se puede observar, el cuerpo de cabeza perforadora 10 consiste esencialmente de una parte central 11 que tiene agujeros 12 a través de los que puede bombearse el lodo, así como los brazos u cuchillas 13 que tienen cavidades 14 dentro de... [Seguir leyendo]

1. Un cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) , que comprende:

una pieza de soporte de cuchilla (23) que comprende al menos un material seleccionado del grupo consistente de partículas duras cementadas, carburos cementados, cerámicas, aleaciones metálicas, y plásticos; y al menos una pieza de cuchilla (24) ;

caracterizado porque al menos una pieza de cuchilla (24, 61) comprende carburo cementado.

2. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 1, donde la al menos una pieza de cuchilla (24, 61) comprende una pluralidad de piezas de cuchilla individuales (62, 63, 64, 65) y cada una de la pluralidad de piezas de cuchilla individuales teniendo al menos una cavidad de inserto (51) .

3. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 1, donde la pieza de soporte de cuchilla (23) comprende un primer carburo cementado y la al menos una pieza de cuchilla (24, 61) comprende un segundo carburo cementado, y donde el primer carburo cementado y el segundo carburo cementado difieren en al menos una propiedad, la al menos una propiedad siendo seleccionada del grupo consistente de módulo de elasticidad, dureza, resistencia al desgaste, tenacidad a fractura, resistencia a tracción, resistencia a la corrosión, coeficiente de expansión térmica, y coeficiente de conductividad térmica.

4. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 3, donde el primer carburo cementado y el segundo carburo cementado individualmente comprenden partículas de al menos un carburo de metal de transición en un ligante.

5. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 4, donde en el primer carburo cementado y el segundo carburo cementado, el al menos un carburo es independientemente seleccionado de un carburo de un metal de transición seleccionado de titanio, cromo, vanadio, circonio, hafnio, tantalio, molibdeno, niobio, y tungsteno, y el ligante independientemente comprende al menos un metal seleccionado de cobalto, níquel, hierro, aleación de cobalto, aleación de níquel, y aleación de hierro.

6. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 5, donde el ligante además comprende al menos un agente de aleación seleccionado de tungsteno, titanio, tantalio, niobio, cromo, molibdeno, boro, carbono, silicio, rutenio, renio, manganeso, aluminio, y cobre.

7. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 5, donde el carburo del primer carburo cementado y el carburo del segundo carburo cementado comprenden carburo de tungsteno y el ligante del primer carburo cementado y el ligante del segundo carburo cementado comprenden cobalto.

8. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 4, donde el ligante del primer carburo cementado y el ligante del segundo carburo cementado difieren en composición química.

9. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 4, donde un porcentaje en peso del ligante del primer carburo cementado difiere de un porcentaje en peso del ligante del segundo carburo cementado.

10. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 4, donde el carburo de metal de transición del primer carburo cementado difiere del carburo de metal de transición al del segundo carburo cementado en al menos uno de composición química y tamaño de grano promedio.

11. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 4, donde el primer carburo cementado y el segundo carburo cementado cada uno comprende de 2 a 40 por ciento en peso de ligante y de 60 a 98 por ciento en peso de carburo de metal de transición.

12. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 4, donde el al menos uno del primer carburo cementado y el segundo carburo cementado comprende partículas de carburo de tungsteno que tienen un tamaño de grano promedio de 0.3 a 10 lm.

13. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 4, donde uno del primer carburo cementado y del segundo carburo cementado comprende partículas de carburo de tungsteno que tienen un tamaño de grano promedio de 0.5 a 10 lm, y el otro del primer carburo cementado y el segundo carburo cementado comprende partículas de carburo de tungsteno que tienen un tamaño de grano promedio de 0.3 a 1.5 lm.

14. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 4, donde uno del primer carburo cementado y el segundo carburo cementado incluye de 1 a 10 por ciento en peso más de ligante que el otro del primer carburo cementado y el segundo carburo cementado.

15. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 4, donde la dureza del segundo carburo cementado es de 90 a 94 HRA y la dureza del primer carburo cementado es de 85 a 90 HRA.

16. El cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) de la reivindicación 4, donde el primer carburo cementado comprende de 6 a 15 por ciento en peso de aleación de cobalto y el segundo carburo cementado comprende de 10 a 15 por ciento en peso de aleación de cobalto.

17. Una cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo que comprende un cuerpo de cabeza perforadora de suelos modular de elemento de corte fijo (20) como se recita en cualquiera de las reivindicaciones precedentes y además que comprende: al menos un inserto de corte unido a la al menos una pieza de cuchilla (24, 61) .