Износостойкий материал для внешней поверхности затылка ноги шарошечного бурового долота
Изобретение относится к шарошечным буровым долотам. Технический результат заключается в защите кромки затылка ноги шарошечного долота. Шарошечное буровое долото содержит корпус, ногу, опорный вал, шарошку, по меньшей мере одну предварительно сформированную пластину из твердого материала с нижней поверхностью и адгезивный материал, прикрепляющий нижнюю поверхность пластины из твердого материала к поверхности ноги, главным образом согласованной с нижней поверхностью пластины из твердого материала. 12 з.п. ф-лы, 14 ил.
ПРЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
[01] Данная заявка заявляет приоритет патентной заявки Соединенных Штатов №12/896,484 поданной 1 октября 2010 года, озаглавленной “Wear Resistant Material for the Shirttail Edge Outer Surface of a Rotary Cone Drill Bit”, описание которой посредством ссылки полностью включено в данное описание и в наибольшей степени, позволенной законом.
ПРЕДПОСЫЛКИ
Область техники изобретения
[02] Данное изобретение относится к буровым долотам для бурения земной поверхности, в частности к буровым долотам с вращающимися режущими элементами, также известным как шарошечные буровые долота.
Описание уровня техники
[03] Обратимся к фиг. 1 и 2, где фиг. 1 показывает изометрическое изображение шарошечного бурового долота 10 из уровня техники, а фиг. 2 показывает поперечное сечение части шарошечного бурового долота 10 из уровня техники согласно фиг. 1. Нога 12 прилегает к части 14 корпуса бурового долота 10. Нога 12 содержит опорный вал 16, проходящий в направлении вниз и радиально внутрь. Опорный вал 16 содержит цилиндрическую опорную поверхность 18. Шарошка 20 установлена на опорном вале 16 и крепится для вращения посредством опорной поверхности 18. В альтернативном варианте осуществления шарошка 20 крепится для вращения на опорном вале 16 посредством комплекта подшипников качения 16. Форма и конфигурация шарошки 20, а также ее крепление с возможностью вращения к опорному валу 16 широко известны из уровня техники. В вариантах осуществления с герметичным подшипником, подшипник (скольжения или качения) между шарошкой 20 и опорным валом 16 смазывается посредством смазки (такой как солидол), которая заполняет области, прилегающие к подшипнику, а также другие каналы 21 в шарошечном буровом долоте способом хорошо известным специалистам в данной области. Смазка удерживается внутри шарошечного бурового долота при помощи, например, эластичного уплотнения в виде уплотнительного кольца 22, расположенного в сальнике 24 между внутренней цилиндрической поверхностью 26 возле основания шарошки 20 и внешней цилиндрической поверхностью 28 возле основания опорного вала 16.
[04] Внешняя поверхность 30 ноги 12 заканчивается полукруглой кромкой 32 вблизи шарошки 20. Область ноги 12, связанная с поверхностью 30, известна в уровне техники как “область затылка ноги шарошечного долота”, а кромка 32 в уровне техники известна как “кромка затылка ноги шарошечного бурового долота”. Кромка 32 затылка ноги шарошечного долота выполнена в том месте, где конечная часть поверхности 30 переходит во внутреннюю радиальную поверхность 34, ориентированную параллельно основанию шарошки 20 (и перпендикулярно опорному валу 16), и расположена у основания опорного вала 16. На шарошечном буровом долоте 10 один из основных видов отказов долота может быть вызван износом затылка ноги шарошечного долота. При одной форме износа такая кромка 32 затылка ноги шарошечного долота изнашивается, радиальная протяженность внутренней радиальной поверхности 34 уменьшается вследствие данного износа и эластичное уплотнение в виде уплотнительного кольца 22 в герметичном подшипнике становится незащищенным. При использовании открытого (негерметичного или воздушного) подшипника износ кромки 32 затылка ноги шарошечного долота может сделать незащищенным воздушный подшипник. Другая форма износа затылка ноги шарошечного долота включает износ внешней поверхности 30 затылка ноги шарошечного бурового долота в местах, удаленных от кромки затылка ноги шарошечного бурового долота.
[05] В уровне техники сообщается о двух способах замедления износа затылка ноги шарошечного долота. Фиг. 3 показывает первый способ, в котором слой сварного твердосплавного материала 40 наносится на поверхность 30, проходящую вдоль, по меньшей мере, части кромки 32 затылка ноги шарошечного долота. Твердосплавный материал обычно представляет собой твердосплавное покрытие 40 карбидом вольфрама, нанесенное на поверхность 30. Материал, как правило, представляет собой гранулированный карбид вольфрама, вводимый в никелевом сварном материале. Данное решение не работает должным образом в тех случаях, когда шарошечное буровое долото проходит высокообразивные формации, поскольку твердосплавный материал 40 изнашивается слишком быстро. Главным образом, сварная среда, как правило никель, обуславливает относительно посредственные характеристики навариваемого материала. Фиг. 4 показывает второй способ, в котором вставки 42 из карбида вольфрама запрессовываются в отверстия 44, сформированные в поверхности 30 вблизи кромки 32 затылка ноги шарошечного долота. Хотя эти вставки 42 обеспечивают лучшую износостойкость (по сравнению с нанесением твердосплавного покрытия), вставки 42 не обеспечивают защиту кромки 32 затылка ноги шарошечного долота. Причиной этого является то, что отверстия 44 должны располагаться на некотором допустимом расстоянии от кромки 32 затылка ноги шарошечного долота для того, чтобы обеспечить должное функционирование запрессовки с целью удерживания вставок 42, расположенных по окружности. Например, отступ d1, составляющий по меньшей мере 0,125 дюйма, как правило, выполняется от края отверстия 44 до кромки 32 затылка ноги шарошечного долота. Таким образом, способ согласно фиг. 4 функционирует с тем, чтобы главным образом защищать область затылка ноги шарошечного долота возле, но не обязательно только в месте кромки 32 затылка ноги шарошечного бурового долота. Кроме того, для должного удерживания запрессовываемые вставки 42 должны, как правило, иметь толщину t (с соответствующей глубиной отверстия 44) такую, чтобы отношение толщины вставки к диаметру d' вставки (в том случае, если вставка круглая) или ширине w вставки (в том случае, если вставка другой формы) превышало 0,5 (т.е. t/d'≥0,5; или t/w≥0,5).
[06] Соответственно, в уровне техники существует потребность в усовершенствованном способе защиты кромки затылка ноги шарошечного долота, такой как кромка 32 затылка ноги шарошечного долота.
[07] Обратимся еще раз к фиг. 1 и 2, где внешняя поверхность 30 ноги 12 в области затылка ноги шарошечного долота заканчивается сбоку у передней кромки 50 затылка ноги шарошечного долота и у задней кромки 52 затылка ноги шарошечного долота. Передняя кромка 50 затылка ноги шарошечного долота особенно подвержена износу при функционировании шарошечного бурового долота 10. В уровне техники снова сообщается о двух способах замедления износа передней кромки 50 затылка ноги шарошечного долота. Фиг. 5 показывает первый способ, в котором слой сварного твердосплавного материала 40 наносится на поверхность 30, проходящую вдоль, по меньшей мере, части передней кромки 50 затылка ноги шарошечного долота. Твердосплавный материал обычно представляет собой твердосплавное покрытие 40 карбидом вольфрама. Материал, как правило, представляет собой гранулированный карбид вольфрама, вводимый в никелевом сварном материале. Данное решение не работает должным образом в тех случаях, когда шарошечное буровое долото проходит высокообразивные формации, поскольку твердосплавный материал 40 изнашивается слишком быстро. Главным образом, сварная среда, как правило, представляет собой никель, который обуславливает относительно посредственные характеристики навариваемого материала. Фиг. 6 показывает второй способ, в котором вставки 42 из карбида вольфрама запрессовываются в отверстия 44, сформированные в поверхности 30 вблизи передней кромки 50 затылка ноги шарошечного долота. Хотя эти вставки 42 обеспечивают лучшую износостойкость (по сравнению с нанесением твердосплавного покрытия), вставки 42 не обеспечивают защиту передней кромки 50 затылка ноги шарошечного долота. Причиной этого является то, что отверстия 44 должны располагаться на некотором допустимом расстоянии от передней кромки 50 затылка ноги шарошечного долота для того, чтобы обеспечить должное функционирование запрессовки с целью удерживания вставок 42, расположенных по окружности. Например, отступ d2, составляющий по меньшей мере 0,125 дюйма, как правило, выполняется от края отверстия 44 до передней кромки 50. Таким образом, способ согласно фиг. 6 функционирует с тем, чтобы главным образом защищать область затылка ноги шарошечного долота возле, но не обязательно только в месте передней кромки 50 затылка ноги шарошечного бурового долота. Кроме того, для должного удерживания запрессовываемые вставки 42 должны, как правило, иметь толщину t (с соответствующей глубиной отверстия 44) такую, чтобы отношение толщины вставки к диаметру d' вставки (в том случае, если вставка круглая) или ширине w вставки (в том случае, если вставка другой формы) превышало 0,5 (т.е. t/d'≥0,5; или t/w≥0,5).
[08] Таким образом, в уровне техники существует потребность в усовершенствованном способе защиты передней кромки затылка ноги шарошечного долота, такой как передняя кромка 50 затылка ноги шарошечного долота.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
[09] В одном варианте осуществления шарошечное буровое долото содержит: корпус, ногу, прилегающую к корпусу, и опорный вал, проходящий от ноги. Также предоставлена пластина из твердого материала с нижней поверхностью. Нижняя поверхность пластины из твердого материала позиционируется с главным образом согласованной поверхностью ноги.
[010] В одном варианте осуществления шарошечное буровое долото содержит: корпус, ногу, прилегающую к корпусу, опорный вал, проходящий от ноги, и шарошку, установленную на опорном валу. Нога заканчивается кромкой затылка ноги шарошечного долота, примыкающей к основанию шарошки. Нижняя поверхность пластины из твердого материала позиционируется с главным образом согласованной поверхностью ноги в месте вдоль кромки затылка ноги шарошечного долота.
[011] В одном варианте осуществления шарошечное буровое долото содержит: корпус, ногу, прилегающую к корпусу, опорный вал, проходящий от ноги, и шарошку, установленную на опорном валу. Нижняя поверхность пластины из твердого материала позиционируется с главным образом согласованной поверхностью ноги (например, с поверхностью вдоль кромки области затылка ноги шарошечного долота, подверженной износу).
[012] В одном варианте осуществления шарошечное буровое долото содержит: корпус, ногу, прилегающую к корпусу, опорный вал, проходящий от ноги и шарошку, установленную на опорном валу. Нога содержит место подверженное износу при функционировании долота. Нижняя поверхность пластины из твердого материала позиционируется главным образом с согласованной поверхностью ноги в месте, подверженном износу.
[013] В любом из вышеуказанных вариантов осуществления согласованная поверхность, к которой осуществляется прикрепление, содержит: поверхность дна, сформированную в или посредством внешней поверхности ноги, поверхность дна, сформированную в или посредством внешней поверхности ноги в месте рядом с кромкой затылка ноги шарошечного долота, поверхность дна отверстия, сформированного во внешней поверхности затылка ноги шарошечного долота, и/или поверхность дна отверстия, сформированного в ноге в месте рядом с кромкой затылка ноги шарошечного долота.
[014] В любом из вышеуказанных вариантов осуществления материал для установки пластины из твердого материала может содержать адгезивный материал. Адгезивный материал, как правило, представляет собой жидкотекучий адгезивный материал, заключенный между нижней поверхностью пластины из твердого материала и главным образом согласованной поверхностью ноги. Такой материал может содержать, например, твердый припой.
[015] В любом из вышеприведенных вариантов осуществления пластина из твердого материала может содержать поликристаллический алмазный композит или может быть изготовлена из материала, такого как твердый карбид вольфрама или композит из поликристаллического кубического нитрида бора, или может содержать алмазосодержащий сегмент.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
[016] Другие особенности и преимущества данного изобретения станут понятны из нижеприведенного описания нескольких неограничивающих примеров со ссылками на приложенные фигуры, где:
[017] Фиг. 1 показывает изометрию шарошечного бурового долота из уровня техники;
[018] Фиг. 2 показывает поперечное сечение части ноги шарошечного бурового долота из уровня техники согласно фиг. 1;
[019] Фиг. 3 показывает нанесение слоя твердосплавного материала, проходящего вдоль, по меньшей мере, части кромки затылка ноги шарошечного долота;
[020] Фиг. 4 показывает применение вставок из карбида вольфрама в области кромки затылка ноги шарошечного долота;
[021] Фиг. 5 показывает нанесение слоя твердосплавного материала, проходящего вдоль, по меньшей мере, части передней кромки затылка ноги шарошечного долота;
[022] Фиг. 6 показывает применение вставок из карбида вольфрама в области передней кромки затылка ноги шарошечного долота;
[023] Фиг. 7 показывает изометрию шарошечного бурового долота, включая механизмы защиты для кромки затылка ноги шарошечного долота и передней кромки затылка ноги шарошечного долота;
[024] Фиг. 8 показывает поперечное сечение части ноги шарошечного бурового долота, содержащего вариант осуществления механизма защиты для кромки затылка ноги шарошечного долота;
[025] Фиг. 9 и 10 показывают поперечные сечения части ноги шарошечного бурового долота, содержащие варианты осуществления механизма для защиты передней кромки затылка ноги шарошечного долота;
[026] Фиг. 11 показывает изометрию шарошечного бурового долота, включая механизмы защиты для кромки затылка ноги шарошечного долота и передней кромки затылка ноги шарошечного долота;
[027] Фиг. 12 показывает поперечное сечение части ноги шарошечного бурового долота, содержащего вариант осуществления механизма защиты для кромки затылка ноги шарошечного долота; и
[028] Фиг. 13 и 14 показывают поперечные сечения части ноги шарошечного бурового долота, содержащие варианты осуществления механизма для защиты передней кромки затылка ноги шарошечного долота.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
[029] Обратимся к фиг. 7, которая показывает изометрию шарошечного бурового долота 110, включая механизмы защиты для кромки затылка ноги шарошечного долота и передней кромки (также рассматриваемой как боковая передняя кромка) затылка ноги шарошечного долота. Нога 112 прилегает к части 114 корпуса бурового долота 110. Нога 112 содержит опорный вал (не показан, см. фиг. 8 позиция 116), проходящий в направлении вниз и радиально внутрь. Шарошка 120 установлена на опорном вале и крепится на нем для вращения. Внешняя поверхность 130 ноги 112 заканчивается полукруглой кромкой 132 вблизи шарошки 120. Область ноги 112, связанная с поверхностью 130, известна в уровне техники как “область затылка ноги шарошечного долота”, а кромка 132 в уровне техники известна как “кромка затылка ноги шарошечного бурового долота”. Внешняя поверхность 130 ноги 112 сбоку заканчивается передней кромкой 150 затылка ноги шарошечного долота и задней кромкой 152 затылка ноги шарошечного долота. Передняя кромка 150 затылка ноги шарошечного долота и задняя кромка 152 затылка ноги шарошечного долота содержат выступы кромки 132 затылка ноги шарошечного долота, проходящие вдоль длины ноги 112. Хотя данное изобретение и показано для примера как содержащее систему с герметичными подшипниками, следует понимать, что данное изобретение может применяться в долотах как с герметичными, так и с негерметичными (воздушными) подшипниками.
[030] Для защиты кромки 132 затылка ноги шарошечного долота предусмотрено множество отверстий 134 во внешней поверхности 130 ноги 112 в местах, проходящих вдоль (рядом с, но не совпадая) кромки 132 затылка ноги шарошечного долота, при этом вставка 136 из твердой пластины прикреплена к поверхности дна в каждом отверстии 134. См. также фиг. 8. Для защиты боковой передней кромки 150 затылка ноги шарошечного долота предусмотрено множество отверстий 138 во внешней поверхности 130 ноги 112 в местах, проходящих вдоль (рядом с, но не совпадая) боковой передней кромки 150 затылка ноги шарошечного долота, при этом вставка 140 из твердой пластины прикреплена к поверхности дна в каждом отверстии 138. См. также фиг. 9. Обычно для защиты внешней поверхности 130 во внешней поверхности 130 ноги 112 в местах внутри и рядом с отверстиями 138 предусмотрено множество отверстий 142, при этом вставка 144 из твердой пластины прикрепляется к поверхности дна в каждом отверстии 142. См. также фиг. 10. Отверстия могут быть отфрезерованы или выполнены посредством литья во внешней поверхности 130 ноги 112 в необходимых местах, а также в особых местах на ноге, подверженных износу при функционировании долота.
[031] Хотя указанные механизмы защиты показаны на фиг. 7, следует понимать, что любой или несколько из показанных механизмов защиты могут быть выбраны для использования на шарошечном буровом долоте 110. Хотя фиг. 7 преимущественно показывает использование круглых вставок, следует понимать, что вставки могут иметь любую необходимую форму (включая полигональные формы, овальные формы (как показано) и подобные). Кроме того, как показано на фиг. 7, вставки могут быть различных размеров; возможно, выбор размера зависит от места размещения.
[032] Следует понимать, что в отличие от вариантов осуществления из уровня техники вставки не нужно обязательно запрессовывать в отверстия, более того, вставки не закрепляются посредством периферийного фрикционного механизма фиксации. Наоборот, вставки закрепляются в отверстиях способом, описанным далее. Существует значительное преимущество использования адгезии над удерживанием посредством запрессовки применительно к вставкам. Применение адгезии для удерживания вставок делает возможным расположение отверстий, которые принимают вставки, ближе к кромке 132 затылка ноги шарошечного долота и к передней кромке 150, чем это возможно при установке запрессовыванием. Кроме того, два соседних отверстия могут размещаться ближе друг к другу, чем это возможно при установке запрессовыванием.
[033] Обратимся теперь к фиг. 8, которая показывает поперечное сечение части ноги шарошечного бурового долота, содержащего вариант осуществления механизма защиты для кромки затылка ноги шарошечного долота. В этом варианте осуществления отверстие 134 выполнено во внешней поверхности 130 ноги 112 вблизи (рядом с, но не совпадая) кромки 132 затылка ноги шарошечного долота. Отверстия 134 могут быть отфрезерованы или выполнены посредством литья во внешней поверхности 130 ноги 112. Отверстие 134 образовано поверхностью 160 дна и периферийной стенкой 162 (поверхность дна может быть, например, плоской). Вставка 136 из твердой пластины прикрепляется в отверстии 134, но не требует фрикционной фиксации относительно периферийной стенки 162. В предпочтительном варианте осуществления нижняя поверхность вставки из твердой пластины прикрепляется к поверхности 160 дна отверстия 134. Нижняя поверхность вставки согласована с поверхностью дна отверстия (и, таким образом, например, может быть плоской поверхностью). Средства для прикрепления нижней поверхности к поверхности дна могут, например, включать подходящий адгезивный материал, который заключается между главным образом согласованными (например, параллельными) поверхностями, включающими жидкотекучий адгезивный материал между главным образом согласованными поверхностями посредством капиллярного действия, такой как твердый припой, припой, адгезивы, смолы и подобное (см., например, публикацию патентной заявки США №2009/0038442, раскрытие которой данной ссылкой полностью включено в данное описание). Из-за размера иллюстрации адгезивный материал не показан ясно на фиг. 8, однако следует понимать, что адгезивный материал находится между согласованными нижней поверхностью и поверхностью дна. Адгезивный материал предпочтительно имеет главным образом однородную толщину между согласованными нижней поверхностью и поверхностью дна. Вставка 136 из твердой пластины имеет такую толщину, что при закреплении в отверстии 134, верхняя поверхность 166 вставки 136 из пластины располагается заподлицо с или слегка выступает за, или немного утоплена относительно внешней поверхности 130 ноги 112. Вставка 136 из твердой пластины выполнена из материала или комбинации материалов более износоустойчивых, чем материалы, используемые для изготовления ноги и затылка ноги шарошечного долота. В предпочтительном варианте осуществления вставка из твердой пластины изготовлена из материала, такого как твердый карбид вольфрама, поликристаллический алмазный композит (PDC), композит из поликристаллического кубического нитрида бора, алмазосодержащий сегмент и подобное. Данные материалы превосходят традиционные навариваемые твердосплавные покрытия из карбида вольфрама, известные из уровня техники, поскольку они являются более плотными и не подвержены истиранию и разрушению.
[034] Кромка 132 затылка ноги шарошечного долота выполнена в том месте, где конечная часть поверхности 130 переходит во внутреннюю радиальную поверхность 192, ориентированную параллельно основанию шарошки 120 (перпендикулярно опорному валу 116) и расположена у основания опорного вала 116. Вставки 136 из твердых пластин функционируют с тем, чтобы защищать от износа кромку 132 затылка ноги шарошечного долота, а также от разрушения внутренней радиальной поверхности 192. Глубина отверстия 134 ограничивается посредством его размещения вблизи кромки 132 затылка ноги шарошечного долота (и, таким образом, вблизи радиальной поверхности 192). При использовании тонких вставок 136 из пластин, отверстие 134 может быть смещено очень близко к кромке 132 затылка ноги шарошечного долота без достижения поверхности 192. Например, отступ d3 (где d3<d1), составляющий 0,05 - 0,12 дюйма, может применяться от кромки отверстия 134 до кромки 132 затылка ноги шарошечного долота (при этом толщина вставки находится в диапазоне от 0,05 до 0,5 дюйма). Именно в согласованной поверхности 160 дна адгезия (например, посредством твердого припоя) выполняется применительно к вставке 136 из твердой пластины. Таким образом, адгезивный материал, в отличие от способов из уровня техники, не располагается снаружи и не подвержен возможному износу. Согласованные поверхности, относительно которых применяется адгезия, могут изгибаться, например, относительно радиуса долота или могут иметь любую выбранную изогнутую конфигурацию. Хотя показана система с герметичными подшипниками, следует понимать, что защита согласно данному изобретению может применяться в долотах как с герметичными, так и с негерметичными (воздушными) подшипниками.
[035] Вставки 136 из твердых пластин имеют толщину t и ширину w (при этом ширина измеряется в направлении, перпендикулярном кромке 132 затылка ноги шарошечного долота). Вставки 136 из твердых пластин представляют собой тонкие вставки. В этом случае отношение толщины t к ширине w вставки составляет менее 0,5 (т.е. t/w<0,5). В частности, отношение толщины t к ширине w вставки значительно менее 0,5 (т.е. t/w<<0,5). Конкретнее, отношение толщины t к ширине w вставки составляет менее 0,2 (т.е. t/w<0,2) и может составлять даже менее 0,1 (т.е. t/w<0,1). Это возможно, поскольку вставки 136 из твердых пластин удерживаются посредством адгезии к их нижним поверхностям, а не к их периферийным кромкам (как в случае с запрессовываемыми вставками, используемыми в уровне техники (см. фиг. 4)).
[036] Обратимся теперь к фиг. 9, которая показывает поперечное сечение части ноги шарошечного бурового долота содержащего вариант осуществления механизма защиты для боковой передней кромки затылка ноги шарошечного долота. В этом варианте осуществления отверстие 138 выполнено во внешней поверхности 130 ноги 112 вблизи (рядом с, но не совпадая) передней кромки 150 затылка ноги шарошечного долота. Отверстия 138 могут быть отфрезерованы или выполнены посредством литья во внешней поверхности 130 ноги 112. Отверстие 138 образовано поверхностью 170 дна и периферийной стенкой 172 (поверхность дна может быть, например, плоской). В этом месте существует большая степень свободы относительно выбора глубины отверстия 138. Вставка 140 из твердой пластины прикрепляется в отверстии 138, но не требует фрикционной фиксации относительно периферийной стенки 172. В предпочтительном варианте осуществления нижняя поверхность вставки из твердой пластины прикрепляется к поверхности 170 дна отверстия 138. Нижняя поверхность вставки согласована с поверхностью дна отверстия (и, таким образом, например, может быть плоской поверхностью). Средства для прикрепления нижней поверхности к поверхности дна могут, например, включать подходящий адгезивный материал, который заключается между главным образом согласованными (например, параллельными) поверхностями, включающими жидкотекучий адгезивный материал между главным образом согласованными поверхностями посредством капиллярного действия, такой как твердый припой, припой, адгезивы, смолы и подобное (см., например, публикацию патентной заявки США №2009/0038442, раскрытие которой данной ссылкой полностью включено в данное описание). Из-за размера иллюстрации адгезивный материал не показан ясно на фиг. 9, однако следует понимать, что адгезивный материал находится между согласованными нижней поверхностью и поверхностью дна. Адгезивный материал предпочтительно имеет главным образом однородную толщину между согласованными нижней поверхностью и поверхностью дна. Вставка 140 из твердой пластины имеет такую толщину, что при закреплении в отверстии 138, верхняя поверхность 176 вставки 140 из пластины располагается заподлицо с или слегка выступает за, или немного утоплена относительно внешней поверхности 130 ноги 112. Вставка 140 из твердой пластины выполнена из материала или комбинации материалов более износоустойчивых, чем материалы, используемые для изготовления ноги и затылка ноги шарошечного долота. В предпочтительном варианте осуществления вставка из твердой пластины изготовлена из материала, такого как твердый карбид вольфрама, поликристаллический алмазный композит (PDC), композит из поликристаллического кубического нитрида бора, алмазосодержащий сегмент и подобное. Данные материалы превосходят традиционные навариваемые твердосплавные покрытия из карбида вольфрама, известные из уровня техники, поскольку они являются более плотными и не подвержены истиранию и разрушению. И снова, адгезивный материал в данном варианте осуществления не располагается снаружи и не подвержен возможному износу. Согласованные поверхности, относительно которых применяется адгезия, могут изгибаться, например, относительно радиуса долота или могут иметь любую выбранную изогнутую конфигурацию.
[037] Вставки 140 из твердых пластин имеют толщину t и ширину w (при этом ширина измеряется в направлении, перпендикулярном передней кромке 150). Вставки 140 из твердых пластин представляют собой тонкие вставки. В этом случае отношение толщины t к ширине w вставки составляет менее 0,5 (т.е. t/w<0.5). В частности, отношение толщины t к ширине w вставки значительно менее 0,5 (т.е. t/w<<0.5). Конкретнее, отношение толщины t к ширине w вставки составляет менее 0,2 (т.е. t/w<0,2) и может составлять даже менее 0,1 (т.е. t/w<0,1). Это возможно, поскольку вставки 140 из твердых пластин удерживаются посредством адгезии к их нижним поверхностям, а не к их периферийным кромкам (как в случае с запрессовываемыми вставками, используемыми в уровне техники (см. фиг. 4)).
[038] Обратимся теперь к фиг. 10, которая показывает поперечное сечение части ноги шарошечного бурового долота, содержащего вариант осуществления механизма защиты для боковой передней кромки затылка ноги шарошечного долота. В этом варианте осуществления отверстия 142 выполнены во внешней поверхности 130 ноги 112. Отверстия 142 могут быть отфрезерованы или выполнены посредством литья во внешней поверхности 130 ноги 112. Отверстие 142 образовано поверхностью 180 дна и периферийной стенкой 182 (поверхность дна может быть, например, плоской). В этом месте существует большая степень свободы относительно выбора глубины отверстия 142. Вставка 144 из твердой пластины прикрепляется в отверстии 142, но не требует фрикционной фиксации относительно периферийной стенки 182. В предпочтительном варианте осуществления нижняя поверхность вставки из твердой пластины прикрепляется к поверхности 180 дна отверстия 142. Нижняя поверхность вставки согласована с поверхностью дна отверстия (и, таким образом, например, может быть плоской поверхностью). Средства для прикрепления нижней поверхности к поверхности дна могут, например, включать подходящий адгезивный материал, который заключается между главным образом согласованными (например, параллельными) поверхностями, включающими адгезивный материал жидкотекучий между главным образом согласованными поверхностями посредством капиллярного действия, такой как твердый припой, припой, адгезивы, смолы и подобное (см., например, публикацию патентной заявки США №2009/0038442, раскрытие которой данной ссылкой полностью включено в данное описание). Из-за размера иллюстрации адгезивный материал не показан ясно на фиг. 10, однако следует понимать, что адгезивный материал находится между согласованными нижней поверхностью и поверхностью дна. Адгезивный материал предпочтительно имеет главным образом однородную толщину между согласованными нижней поверхностью и поверхностью дна. Вставка 144 из твердой пластины имеет такую толщину, что при закреплении в отверстии 142, верхняя поверхность 186 вставки 144 из пластины располагается заподлицо с или слегка выступает за, или немного утоплена относительно внешней поверхности 130 ноги 112. Вставка 144 из твердой пластины выполнена из материала или комбинации материалов более износоустойчивых, чем материалы, используемые для изготовления ноги и затылка ноги шарошечного долота. В предпочтительном варианте осуществления вставка из твердой пластины изготовлена из материала, такого как твердый карбид вольфрама, поликристаллический алмазный композит (PDC), кубический нитрид бора и подобное. И снова, адгезивный материал в данном варианте осуществления не располагается снаружи и не подвержен возможному износу. Согласованные поверхности, относительно которых применяется адгезия, могут изгибаться, например, относительно радиуса долота или могут иметь любую выбранную изогнутую конфигурацию.
[039] Вставки 144 из твердых пластин имеют толщину t и ширину w (при этом ширина измеряется в направлении, обеспечивающем наименьшее значение w). Вставки 144 из твердых пластин представляют собой тонкие вставки. В этом случае отношение толщины t к ширине w вставки составляет менее 0,5 (т.е. t/w<0.5). В частности, отношение толщины t к ширине w вставки значительно менее 0,5 (т.е. t/w<<0.5). Конкретнее, отношение толщины t к ширине w вставки составляет менее 0,2 (т.е. t/w<0,2) и может составлять даже менее 0,1 (т.е. t/w<0,1). Это возможно, поскольку вставки 144 из твердых пластин удерживаются посредством адгезии к их нижним поверхностям, а не к их периферийным кромкам (как в случае с запрессовываемыми вставками, используемыми в уровне техники (см. фиг. 4)).
[040] Следует отметить, что отверстия и вставки из пластины могут быть любой выбранной геометрии и расположения, таким образом обеспечивая применение защиты для сложных поверхностей долота.
[041] Отверстие 138 может быть смещено очень близко к передней кромке 150. Например, отступ d4 (причем d4<d2), составляющий 0,000 - 0,120 дюйма, может выполняться от края отверстия 138 до передней кромки 150. Кроме того, отверстия 134, 138 и 142 могут быть смещены очень близко друг к другу, поскольку вставки удерживаются посредством адгезии нижней поверхности. Например, отступы настолько малые, как или меньше, чем d3 или d4, могут применяться между отверстиями 134, 138 и 142.
[042] Иллюстрация применяемой защиты с использованием отверстий и вставок из пластин вдоль кромки затылка ноги шарошечного долота и/или передней кромки затылка ноги шарошечного долота и/или внешней поверхности затылка ноги шарошечного долота приведена лишь в качестве примера, следует понимать, что описанные механизмы защиты могут применяться к любой кромке или поверхности долота, подверженной износу.
[043] Обратимся теперь к фиг. 11, которая показывает изометрию шарошечного бурового долота 210, включая механизмы защиты для кромки затылка ноги шарошечного долота и передней кромки затылка ноги шарошечного долота. Нога 212 прилегает к части 214 корпуса бурового долота 210. Нога 212 содержит опорный вал (не показан, см. фиг. 14 позиция 216), проходящий в направлении вниз и радиально внутрь. Шарошка 220 установлена на опорном вале и крепится на нем для вращения. Внешняя поверхность 230 ноги 212 заканчивается полукруглой кромкой 232 вблизи шарошки 220. Область ноги 212, связанная с поверхностью 230, известна в уровне техники как “область затылка ноги шарошечного долота”, а кромка 232 в уровне техники известна как “кромка затылка ноги шарошечного бурового долота”. Внешняя поверхность 230 ноги 212 сбоку заканчивается передней кромкой 250 затылка ноги шарошечного долота и задней кромкой 252 затылка ноги шарошечного долота. Передняя кромка 250 и задняя кромка 252 затылка ноги шарошечного долота содержат выступы кромки 232 затылка ноги шарошечного долота, проходящие вдоль длины ноги 212. Область затылка ноги шарошечного долота также содержит переднюю боковую поверхность 254 смежную с внешней поверхностью 230 ноги 212 возле передней кромки 250 затылка ноги шарошечного долота. Хотя данное изобретение и показано для примера как содержащее систему с герметичными подшипниками, следует понимать, что данное изобретение может применяться в долотах как с герметичными, так и с негерметичными (воздушными) подшипниками.
[044] Для защиты кромки 232 затылка ноги шарошечного долота множество твердых пластин 236 приклеены к поверхности 231 дна, предусмотренной в или образованной посредством изогнутой внешней поверхности 230 ноги 212 в местах вдоль (рядом с, но не совпадающими) кромки 232 затылка ноги шарошечного долота. См. также фиг. 12. Для защиты передней кромки 250 затылка ноги шарошечного долота множество твердых пластин 240 прикреплены к поверхности 231 дна, предусмотренной в или образованной посредством изогнутой внешней поверхности 230 ноги 212 в местах вдоль (рядом с, но не совпадающими) передней кромки 250 затылка ноги шарошечного долота. См. также фиг. 13. Обычно для защиты внешней поверхности 230 множество твердых пластин 244 прикреплены к поверхности 231 дна, предусмотренной в или образованной посредством изогнутой внешней поверхности 230 ноги 212 в местах внутри и рядом с пластинами 240. См. также фиг. 14. Твердые пластины могут быть расположены в необходимых местах, в частности в местах на ноге, подверженных износу при функционировании долота. Хотя все три механизмы защиты показаны на фиг. 11, следует понимать, что любой один или более из механизмов защиты могут быть выбраны для использования на шарошечном буровом долоте 210. Поверхности 231 дна предпочтительно отфрезерованы или выполнены посредством литья в изогнутых внешних поверхностях области затылка ноги шарошечного долота.
[045] Хотя фиг. 11 преимущественно показывает использование круглых пластин, следует понимать, что пластины могут иметь любую необходимую форму (включая полигональные формы, овальные формы (как показано) и подобные). Кроме того, как показано на фиг. 11, пластины могут быть различных размеров; возможно, выбор размера зависит от места размещения.
[046] Обратимся теперь к фиг. 12, которая показывает поперечное сечение части ноги шарошечного бурового долота, содержащего вариант осуществления защитного механизма для кромки затылка ноги шарошечного долота. В данном варианте осуществления нижняя поверхность 260 твердой пластины 236 прикреплена к главным образом согласованной поверхности 231 дна, предусмотренной в или образованной посредством изогнутой внешней поверхности 230 ноги 212 вблизи (рядом с, но не совпадая) кромки 232 затылка ноги шарошечного долота. Поверхность дна может, например, представлять собой уплощенную структуру, сформированную во внешней поверхности. Средства для прикрепления нижней поверхности к поверхности дна могут, например, включать подходящий адгезивный материал, который заключается между главным образом согласованными (например, параллельными) поверхностями, включающими адгезивный материал жидкотекучий между главным образом согласованными поверхностями посредством капиллярного действия, такой как твердый припой, припой, адгезивы, смолы и подобное (см., например, публикацию патентной заявки США №2009/0038442, раскрытие которой данной ссылкой полностью включено в данное описание). Из-за размера иллюстрации адгезивный материал не показан ясно на фиг. 12, однако следует понимать, что адгезивный материал находится между согласованными нижней поверхностью и поверхностью дна. Адгезивный материал предпочтительно имеет главным образом однородную толщину между согласованными нижней поверхностью и поверхностью дна. Толщина пластины 236 может находиться в диапазоне от 0,05 до 0,5 дюйма. Твердая пластина 236 выполнена из материала или комбинации материалов более износоустойчивых, чем материалы, используемые для изготовления ноги и затылка ноги шарошечного долота. В предпочтительном варианте осуществления твердая пластина изготовлена из материала, такого как карбид вольфрама, поликристаллический алмазный композит (PDC), композит из поликристаллического кубического нитрида бора, алмазосодержащий сегмент и подобное. Данные материалы превосходят традиционные навариваемые твердосплавные покрытия из карбида вольфрама, известные из уровня техники, поскольку они являются более плотными и не подвержены истиранию и разрушению. Согласованные поверхности, относительно которых применяется адгезия, могут изгибаться, например, относительно радиуса долота или могут иметь любую выбранную изогнутую конфигурацию.
[047] Кромка 232 затылка ноги шарошечного долота выполнена в том месте, где конечная часть поверхности 230 переходит во внутреннюю радиальную поверхность 292, ориентированную параллельно основанию шарошки 220 (перпендикулярно опорному валу 216) и расположена у основания опорного вала 216. Твердые пластины 236 функционируют с тем, чтобы защищать от износа кромку 232 затылка ноги шарошечного долота, а также от разрушения внутренней радиальной поверхности 292. Именно на поверхности 231 дна внешней поверхности 230 адгезия (например, посредством твердого припоя) выполняется применительно к нижней поверхности 260 твердой пластины 236. Таким образом, адгезивный материал, в отличие от способов из уровня техники, не располагается снаружи и не подвержен возможному износу. Хотя показана система с герметичными подшипниками, следует понимать, что защита согласно данному изобретению может применяться в долотах как с герметичными, так и с негерметичными (воздушными) подшипниками.
[048] Твердые пластины 236 имеют толщину t и ширину w (при этом ширина измеряется в направлении, перпендикулярном кромке 232 затылка ноги шарошечного долота). Твердые пластины 236 представляют собой тонкие вставки. В этом случае отношение толщины t к ширине w пластины составляет менее 0,5 (т.е. t/w<0,5). В частности, отношение толщины t к ширине w пластины значительно менее 0,5 (т.е. t/w<<0,5). Конкретнее, отношение толщины t к ширине w пластины составляет менее 0,2 (т.е. t/w<0,2), и может составлять даже менее 0,1 (т.е. t/w<0,1).
[049] Обратимся теперь к фиг. 13, которая показывает поперечное сечение части ноги шарошечного бурового долота, содержащего вариант осуществления защитного механизма для передней кромки затылка ноги шарошечного долота. В данном варианте осуществления нижняя поверхность 270 твердой пластины 240 прикреплена к главным образом согласованной поверхности 231 дна, предусмотренной в или образованной посредством изогнутой внешней поверхности 230 ноги 212 вблизи (рядом с, но не совпадая) передней кромки 250 затылка ноги шарошечного долота. Поверхность дна может, например, представлять собой уплощенную структуру, сформированную во внешней поверхности. Средства для прикрепления нижней поверхности к поверхности дна могут, например, включать подходящий адгезивный материал, который заключается между главным образом согласованными (например, параллельными) поверхностями, включающими жидкотекучий адгезивный материал между главным образом согласованными поверхностями посредством капиллярного действия, такой как твердый припой, припой, адгезивы, смолы и подобное (см., например, публикацию патентной заявки США №2009/0038442, раскрытие которой данной ссылкой полностью включено в данное описание). Из-за размера иллюстрации адгезивный материал не показан ясно на фиг. 13, однако следует понимать, что адгезивный материал находится между согласованными нижней поверхностью и внешней поверхностью. Адгезивный материал предпочтительно имеет главным образом однородную толщину между согласованными нижней поверхностью и поверхностью дна. Толщина пластины 240 может находиться в диапазоне от 0,05 до 0,5 дюйма. Твердая пластина 240 выполнена из материала или комбинации материалов более износоустойчивых, чем материалы, используемые для изготовления ноги и затылка ноги шарошечного долота. В предпочтительном варианте осуществления твердая пластина изготовлена из материала, такого как карбид вольфрама, поликристаллический алмазный композит (PDC), композит из поликристаллического кубического нитрида бора, алмазосодержащий сегмент и подобное. И снова, адгезивный материал в данном варианте осуществления не располагается снаружи и не подвержен возможному износу. Согласованные поверхности, относительно которых применяется адгезия, могут изгибаться, например, относительно радиуса долота или могут иметь любую выбранную изогнутую конфигурацию.
[050] Твердые пластины 240 имеют толщину t и ширину w (при этом ширина измеряется в направлении перпендикулярном передней кромке 250). Твердые пластины 240 представляют собой тонкие вставки. В этом случае отношение толщины t к ширине w пластины составляет менее 0,5 (т.е. t/w<0,5). В частности, отношение толщины t к ширине w пластины значительно менее 0,5 (т.е. t/w<<0,5). Конкретнее, отношение толщины t к ширине w пластины составляет менее 0,2 (т.е. t/w<0,2) и может составлять даже менее 0,1 (т.е. t/w<0,1).
[051] Обратимся теперь к фиг. 14, которая показывает поперечное сечение части ноги шарошечного бурового долота, содержащего вариант осуществления защитного механизма для передней кромки затылка ноги шарошечного долота. В данном варианте осуществления нижняя поверхность 280 твердой пластины 244 прикреплена к главным образом согласованной поверхности 231 дна, предусмотренной в или образованной посредством внешней поверхности 230 ноги 212 рядом с пластинами 240. Поверхность дна может, например, представлять собой уплощенную структуру, сформированную во внешней поверхности. Средства для прикрепления нижней поверхности к поверхности дна могут, например, включать подходящий адгезивный материал, который заключается между главным образом согласованными (например, параллельными) поверхностями, включающими адгезивный материал жидкотекучий между главным образом согласованными поверхностями посредством капиллярного действия, такой как твердый припой, припой, адгезивы, смолы и подобное (см., например, публикацию патентной заявки США №2009/0038442, раскрытие которой данной ссылкой полностью включено в данное описание). Из-за размера иллюстрации адгезивный материал не показан ясно на фиг. 16, однако следует понимать, что адгезивный материал находится между согласованными нижней поверхностью и поверхностью дна. Адгезивный материал предпочтительно имеет главным образом однородную толщину между согласованными нижней поверхностью и поверхностью дна. Толщина пластины 244 может находиться в диапазоне от 0,05 до 0,5 дюйма. Твердая пластина 244 выполнена из материала или комбинации материалов более износоустойчивых, чем материалы, используемые для изготовления ноги и затылка ноги шарошечного долота. В предпочтительном варианте осуществления твердая пластина изготовлена из материала, такого как карбид вольфрама, поликристаллический алмазный композит (PDC), композит из поликристаллического кубического нитрида бора, алмазосодержащий сегмент и подобное. И снова, адгезивный материал в данном варианте осуществления не располагается снаружи и не подвержен возможному износу. Согласованные поверхности, относительно которых применяется адгезия, могут изгибаться, например, относительно радиуса долота или могут иметь любую выбранную изогнутую конфигурацию.
[052] Твердые пластины 244 имеют толщину t и ширину w (при этом ширина измеряется в направлении, обеспечивающем наименьшее значение w). Твердые пластины 244 представляют собой тонкие вставки. В этом случае отношение толщины t к ширине w пластины составляет менее 0,5 (т.е. t/w<0,5). В частности, отношение толщины t к ширине w пластины значительно менее 0,5 (т.е. t/w<<0,5). Конкретнее, отношение толщины t к ширине w пластины составляет менее 0,2 (т.е. t/w<0,2) и может составлять даже менее 0,1 (т.е. t/w<0,1).
[053] Следует отметить, что твердые пластины могут быть любой выбранной геометрии, таким образом обеспечивая применение защиты для сложных поверхностей долот.
[054] Иллюстрация применяемой защиты с использованием пластин у кромки затылка ноги шарошечного долота и/или передней кромки затылка ноги шарошечного долота и/или внешней поверхности затылка ноги шарошечного долота приведена лишь в качестве примера, следует понимать, что описанные механизмы защиты могут применяться к любой кромке или поверхности долота, подверженной износу.
[055] Хотя различные и предпочтительные варианты осуществления способа и устройства были показаны на сопроводительных фигурах и описаны в вышеприведенном подробном описании, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления, оно может быть перекомпоновано различными способами, может иметь различные модификации и замещения без отклонения от сути изобретения, которая изложена и определена следующей формулой изобретения.
1. Шарошечное буровое долото, содержащее: корпус; ногу, прилегающую к корпусу; опорный вал, проходящий от ноги; шарошку, установленную на опорный вал; по меньшей мере одну предварительно сформированную пластину из твердого материала с нижней поверхностью; и адгезивный материал, прикрепляющий нижнюю поверхность пластины из твердого материала к поверхности ноги, главным образом согласованной с нижней поверхностью пластины из твердого материала.
2. Буровое долото по п. 1, отличающееся тем, что нога содержит внешнюю поверхность, при этом нижняя поверхность пластины из твердого материала прикреплена посредством адгезивного материала к поверхности дна, сформированной в или посредством внешней поверхности ноги.
3. Буровое долото по п. 1, отличающееся тем, что нога содержит внешнюю поверхность, при этом во внешней поверхности возле кромки затылка ноги выполнено отверстие, причем отверстие содержит поверхность дна, и при этом нижняя поверхность пластины из твердого материала прикреплена посредством адгезивного материала к поверхности дна отверстия.
4. Буровое долото по п. 1, отличающееся тем, что нога содержит переднюю боковую поверхность и внешнюю поверхность, граничащую с ней у боковой передней кромки ноги, при этом нижняя поверхность пластины из твердого материала прикреплена посредством адгезивного материала к поверхности дна, сформированной в или посредством внешней поверхности ноги в месте, граничащем с боковой передней кромкой.
5. Буровое долото по п. 1, отличающееся тем, что нога содержит переднюю боковую поверхность и внешнюю поверхность, граничащую с ней у боковой передней кромки ноги, при этом во внешней поверхности, граничащей с боковой передней кромкой, выполнено отверстие, причем отверстие содержит поверхность дна ноги, при этом нижняя поверхность пластины из твердого материала прикреплена посредством адгезивного материала к поверхности дна, обеспеченной посредством отверстия во внешней поверхности ноги.
6. Буровое долото по п. 1, отличающееся тем, что нога заканчивается кромкой затылка, граничащей с основанием шарошки, и при этом нижняя поверхность пластины из твердого материала прикреплена посредством адгезивного материала к поверхности дна, сформированной в или посредством внешней поверхности ноги в месте, граничащем с кромкой затылка.
7. Буровое долото по п. 1, отличающееся тем, что нога содержит внешнюю поверхность и заканчивается у кромки затылка, при этом во внешней поверхности выполнено отверстие, причем отверстие содержит поверхность дна ноги, и при этом нижняя поверхность пластины из твердого материала прикреплена посредством адгезивного материала к поверхности дна, обеспеченной посредством отверстия во внешней поверхности ноги в месте, граничащем с кромкой затылка.
8. Буровое долото по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что пластина из твердого материала имеет ширину w и толщину t, при этом отношение t/w составляет менее 0,5, предпочтительно отношение t/w составляет менее 0,2, особенно предпочтительно отношение t/w составляет менее 0,1.
9. Буровое долото по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что пластина из твердого материала выполнена из твердого карбида вольфрама.
10. Буровое долото по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что пластина из твердого материала представляет собой либо поликристаллический алмазный композит, либо алмазосодержащий сегмент, либо композит на основе поликристаллического кубического нитрида бора.
11. Буровое долото по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что адгезивный материал содержит жидкотекучий адгезивный материал, заключенный между нижней поверхностью пластины из твердого материала и поверхностью дна ноги.
12. Буровое долото по п. 11, отличающееся тем, что адгезивный материал представляет собой твердый припой.
13. Буровое долото по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что нижняя поверхность пластины из твердого материала расположена в месте на ноге, подверженном износу.
