Сплавы с низким коэффициентом термического расширения в качестве катализаторов и связующих для поликристаллических алмазных композитов (pdc)

Авторы патента:

КИНГ Уильям В. (US)

ТИГПЕН Гэри М. (US)

E21B10/567 - Буровые долота (для изменения направления буровой скважины E21B 7/08; буровые долота с клапанами E21B 27/00)

Владельцы патента RU 2576724:

ВАРЕЛ ИНТЕРНЭШНЛ ИНД., Л.П. (US)

Группа изобретений относится к отрезным пластинам, резцам и способам изготовления резца. Технический результат заключается в возможности режущих элементов противостоять высоким температурам. Отрезная пластина содержит решеточную структуру, образующую междоузлия внутри, и каталитический материал, осажденный внутри междоузлий в ходе процесса спекания, в результате которого образуется решеточная структура, при этом каталитический материал способствует росту решеточной структуры, содержит близкий к эвтектическому сплав, который представляет собой состав сплава, который находится в пределах плюс или минус десяти атомных массовых процентов от эвтектического состава, и характеризуется коэффициентом термического расширения, меньшим, чем коэффициент термического расширения кобальта. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

По настоящей заявке испрашивается приоритет на основании предварительной заявки на патент США №61/364122, названной «Alloys With Low Coefficient Of Thermal Expansion As PDC Catalysts And Binders» и поданной 14 июля 2010 г., которая включена в настоящий документ ссылкой.

Область техники, к которой относится изобретение

Уровень техники

Поликристаллические алмазные композиты («PDC») применяют в областях промышленности, включая бурение пород и обработку металлов резанием. Такие композиты продемонстрировали преимущества над некоторыми другими типами режущих элементов, такие как лучшая износостойкость и ударопрочность. Композиты PDC можно формировать спеканием отдельных алмазных частиц в условиях высокого давления и высокой температуры («НРНТ»), называемых «областью стабильности алмаза», которая обычно находится выше сорока килобар и в диапазоне от 1200 градусов Цельсия до 2000 градусов Цельсия, в присутствии системы катализатор/растворитель, которая активирует образование связей алмаз-алмаз. Некоторые примеры системы катализатор/растворитель для подвергаемых спеканию алмазных композитов представляют собой кобальт, никель, железо и другие металлы VIII группы. Композиты PDC, как правило, характеризуются содержанием алмаза выше семидесяти объемных процентов, при этом типичным является содержание от значения около восьмидесяти процентов примерно до девяносто пяти процентов. Композит PDC без подложки можно механически соединять с инструментом (не показано) согласно одному из примеров. В качестве альтернативы композит PDC можно соединять с подложкой, формируя таким образом PDC резец, который обычно можно вставлять в скважинный инструмент (не показано), такой как буровое долото или буровой расширитель.

На фиг.1 показан вид сбоку PDC резца 100 с поликристаллическим алмазным (“PCD”) отрезной пластиной 110, или композитом, в соответствии с предшествующим уровнем техники. Несмотря на то что в примере осуществления описана PCD отрезная пластина 110, в альтернативных типах резцов используют и другие типы отрезных пластин, включая композиты из кубического нитрида бора (“CBN”). Обращаясь к фиг.1, можно видеть, что PDC резец 100 обычно включает в себя PCD отрезную пластину 110 и подложку 150, которая соединена с PCD отрезной пластиной 110. PCD отрезная пластина 110 имеет толщину около ста тысячных дюйма (2,5 миллиметра), однако толщину можно изменять в зависимости от области применения, в которой надлежит использовать PCD отрезную пластину 110.

Подложка 150 содержит верхнюю поверхность 152, нижнюю поверхность 154 и внешнюю стенку 156 подложки, которая простирается от периметра верхней поверхности 152 до периметра нижней поверхности 154. PCD отрезная пластина 110 содержит режущую поверхность 112, противолежащую поверхность 114 и внешнюю стенку 116 PCD отрезной пластины, которая простирается от периметра режущей поверхности 112 до периметра противолежащей поверхности 114. Противолежащая поверхность 114 PCD отрезной пластины 110 соединена с верхней поверхностью 152 подложки 150. Как правило, PCD отрезную пластину 110 соединяют с подложкой 150 с использованием пресса высокого давления и высокой температуры (“НРНТ”). Однако для соединения PCD отрезной пластины 110 с подложкой 150 можно использовать и другие способы, известные обычным специалистам в данной области техники. В одном из вариантов осуществления изобретения после соединения PCD отрезной пластины 110 с подложкой 150 режущая поверхность 112 PCD отрезной пластины 110 по существу параллельна нижней поверхности 154 подложки. Кроме того, PDC резец 100 изображен как имеющий правильную круглую цилиндрическую форму, однако в других вариантах осуществления изобретения PDC резцу 100 придают и другие геометрические и негеометрические формы. В определенных вариантах осуществления противолежащая поверхность 114 и верхняя поверхность 152 являются по существу плоскими, однако в других вариантах осуществления противолежащая поверхность 114 и верхняя поверхность 152 могут быть неплоскими. В дополнение к этому, согласно некоторым примерам осуществления (не показано) по меньшей мере по периметру PCD отрезной пластины 110 формируют фаску.

Согласно одному из примеров PDC резец 100 формируют посредством независимого изготовления PCD отрезной пластины 110 и подложки 150, а затем соединения PCD отрезной пластины 110 с подложкой 150. В качестве альтернативы, первоначально изготовляют подложку 150, а после этого на верхней поверхности 152 подложки 150 формируют PCD отрезную пластину 110 посредством размещения поликристаллического алмазного порошка на верхней поверхности 152 и осуществления обработки поликристаллического алмазного порошка и подложки 150 при высокой температуре и высоком давлении. В качестве альтернативы, подложку 150 и PCD отрезную пластину 110 формируют и соединяют вместе примерно в одно и то же время. Хотя кратко были упомянуты некоторые способы формирования PDC резца 100, можно использовать и другие способы, известные обычным специалистам в данной области техники.

Согласно одному из примеров формирования PDC резца 100 получают PCD отрезную пластину 110 и соединяют с подложкой 150 посредством осуществления обработки слоя алмазного порошка, а также смеси порошков карбида вольфрама и кобальта в НРНТ условиях. Кобальт обычно смешивают с карбидом вольфрама и размещают там, где надлежит формировать подложку 150. Алмазный порошок помещают поверх смеси кобальта и карбида вольфрама и располагают там, где надлежит формировать PCD отрезную пластину 110. Затем всю порошковую смесь подвергают обработке в НРНТ условиях, таким образом, что кобальт расплавляется и способствует скреплению, или связыванию, карбида вольфрама с образованием подложки 150. Расплавленный кобальт также диффундирует, или проникает, в алмазный порошок и действует как катализатор синтеза алмазов и формирования PCD отрезной пластины 110. Таким образом, кобальт действует и как связующее для скрепления карбида вольфрама и в качестве катализатора/растворителя для спекания алмазного порошка с образованием связей алмаз-алмаз. Кобальт способствует также образованию сильных связей между PCD отрезной пластиной 110 и подложкой 150 из скрепленного карбида вольфрама.

Кобальт являлся предпочтительным компонентом в способе изготовления композита PDC. В традиционных способах изготовления PDC кобальт используют как связующий материал для формирования подложки 150, а также в качестве каталитического материала для синтеза алмазов вследствие большого объема знаний, относящихся к использованию кобальта в данных процессах. Синергизм между большим объемом знаний и техническими требованиями процесса привел к использованию кобальта как связующего материала, так и каталитического материала. Однако, как известно в данной области техники, в качестве катализатора синтеза алмазов можно использовать альтернативные металлы, такие как железо, никель, хром, марганец и тантал. При использовании указанных альтернативных металлов в качестве катализатора синтеза алмазов для формирования PCD отрезной пластины 110 кобальт или какой-либо другой материал, такой как никель-хром или железо, обычно используют в качестве связующего материала для скрепления карбида вольфрама с образованием подложки 150. Хотя в качестве примеров были приведены некоторые материалы, такие как карбид вольфрама и кобальт, для формирования подложки 150, PCD отрезной пластины 110 и образования связей между подложкой 150 и PCD отрезной пластиной 110 можно использовать и другие материалы, известные обычным специалистам в данной области техники.

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение микроструктуры PCD отрезной пластины 110 фиг.1 в соответствии с предшествующим уровнем техники. Обращаясь к фиг.1 и 2, можно видеть, что PCD отрезная пластина 110 содержит алмазные частицы 210, одно или несколько междоузлий 212, образовавшихся между алмазными частицами 210, и кобальт 214, осажденный внутри междоузлий 212. В ходе процесса спекания междоузлия 212, или пустоты, образуются между углерод - углеродными связями и локализуются между алмазными частицами 210. Диффузия кобальта 214 в алмазный порошок приводит к осаждению кобальта 214 внутри данных междоузлий 212, которые формируются внутри PCD отрезной пластины 110 в ходе процесса спекания.

Известно, что после формирования PCD отрезная пластина 110 быстро изнашивается при достижении температурой критического значения. Упомянутая критическая температура составляет около 750 градусов Цельсия и достигается при резании PCD отрезной пластиной 110 горных пород или других известных материалов. Предполагают, что высокая скорость износа обусловлена различиями в скорости термического расширения между алмазными частицами 210 и кобальтом 214, а также химической реакцией, или графитизацией, которая протекает между кобальтом 214 и алмазными частицами 210. Коэффициент термического расширения алмазных частиц 210 составляет около 1,0×10^-6 миллиметров^-1 × Кельвин^-1 («мм^-1 К^-1»), тогда как коэффициент термического расширения кобальта 214 составляет около 13,0×10^-6 мм^-1 К^-1. Следовательно, кобальт 214 расширяется намного быстрее, чем алмазные частицы 210, при температурах выше данной критической температуры, делая таким образом связи между алмазными частицами 210 нестабильными. PCD отрезная пластина 110 термически разрушается при температурах выше примерно 750 градусов Цельсия, и ее производительность резания значительно ухудшается.

Были предприняты попытки замедлить износ PCD отрезной пластины 110 при указанных высоких температурах. Данные попытки охватывают выполнение процедуры кислотного выщелачивания PCD отрезной пластины 110, которая приводит к удалению кобальта 214 из междоузлий 212. Типичные процедуры выщелачивания включают в себя присутствие кислотного раствора (не показано), который реагирует с кобальтом 214, осажденным внутри междоузлий 212 PCD отрезной пластины 110. Согласно одному из примеров типичной процедуры выщелачивания PDC резец 100 помещают в кислотный раствор таким образом, что по меньшей мере часть PCD отрезной пластины 110 погружается в кислотный раствор. Кислотный раствор реагирует с кобальтом 214 по всем внешним поверхностям PCD отрезной пластины 110. Кислотный раствор медленно перемещается вовнутрь в пределы внутренней части PCD отрезной пластины 110 и продолжает реагировать с кобальтом 214. Однако, поскольку кислотный раствор перемещается далее внутрь, побочные продукты реакции становится все труднее удалять, и, следовательно, скорость выщелачивания значительно снижается. По этой причине имеет место выбор оптимального соотношения между длительностью процедуры выщелачивания, расходы в которой возрастают по мере увеличения длительности данной процедуры, и глубиной выщелачивания. Таким образом, глубина выщелачивания обычно составляет около 0,2 миллиметра, но может быть больше или меньше в зависимости от технических требований к PCD отрезной пластине 110 и/или ограничений на издержки. Удаление кобальта 214 частично снимает проблемы, создаваемые вследствие различий в скорости термического расширения между алмазными частицами 210 и кобальтом 214, а также в результате графитизации. Однако процедура выщелачивания является дорогостоящей, а также оказывает другие отрицательные воздействия на PCD отрезную пластину 110, такие как потеря прочности.

Краткое описание чертежей

Изложенные выше и другие признаки и аспекты изобретения воспринимаются наилучшим образом со ссылкой на следующее ниже описание определенных примеров осуществления при чтении их в сочетании с прилагаемыми чертежами, в которых:

на фиг. 1 показан вид сбоку PDC резца с PCD отрезной пластиной в соответствии с предшествующим уровнем техники;

фиг. 2 представляет собой схематическое изображение микроструктуры PCD отрезной пластины фиг.1 в соответствии с предшествующим уровнем техники;

фиг.3A представляет вид сбоку PDC резца до спекания в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;

фиг.3B является видом сбоку PDC резца, сформированного в результате спекания PDC резца до спекания фиг.3A в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;

фиг.4A представляет вид сбоку PDC резца до спекания в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения;

фиг.4B является видом сбоку PDC резца, сформированного в результате спекания PDC резца до спекания фиг.4A, в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения; и

фиг.5 представляет собой фазовую диаграмму кобальта и элемента X в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

Чертежи лишь иллюстрируют примеры осуществления изобретения, и, следовательно, их не следует рассматривать в качестве ограничения его объема, поскольку изобретение может допускать и другие столь же эффективные варианты осуществления.

Краткое описание примеров осуществления

Настоящее изобретение в целом относится к поликристаллическим алмазным композитным («PDC») резцам; а более конкретно, к PDC резцам с улучшенной термической стабильностью. Несмотря на то что описание примеров осуществления приведено ниже в связи с PDC резцом, могут быть применимы альтернативные варианты осуществления изобретения к другим типам резцов или композитов, включая резцы из поликристаллического нитрида бора (“PCBN”) или PCBN композиты, но не ограничиваясь ими. Как упомянуто выше, композит можно устанавливать на подложку с целью формирования резца или непосредственно на инструмент для осуществления процесса резания. Изобретение воспринимается наилучшим образом при чтении следующего ниже описания не ограничивающих примеров осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых подобные части каждой из фигур обозначены аналогичными позициями и которые кратко описываются следующим образом.

Фиг.3A представляет вид сбоку PDC резца 300 до спекания в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. Фиг.3B является видом сбоку PDC резца 350, сформированного в результате спекания PDC резца 300 до спекания фиг.3A в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. Фиг.3A и 3B представляют один пример формирования PDC резца 350. Обращаясь к фиг.3А и 3В, можно видеть, что PDC резец 300 до спекания содержит слой 310 подложки и слой 320 PCD отрезной пластины, тогда как PDC резец 350 содержит подложку 360 и PCD отрезную пластину 370. Слой 310 подложки расположен в нижней части PDC резца 300 до спекания, и по осуществлении процесса спекания из него формируется подложка 360. Слой 320 PCD отрезной пластины расположен поверх слоя 310 подложки, и по осуществлении процесса спекания из него формируется PCD отрезная пластина 370. Таким образом, PCD отрезная пластина 370 расположена над подложкой 360.

Слой 310 подложки формируют из смеси порошка 332 подложки и связующего/каталитического материала 334. Порошок 332 подложки представляет собой порошок карбида вольфрама, однако порошок 332 подложки можно получить и из другого подходящего материала, известного обычным специалистам в данной области техники, в пределах объема и существа примера осуществления согласно другим примерам осуществления. Связующий/каталитический материал 334 является любым материалом, способным выполнять функции связующего материала для порошка 332 подложки и каталитического материала для алмазного порошка 336, или любым другим материалом, который образует слой 320 PCD отрезной пластины. В дополнение к этому, связующий/каталитический материал 334 характеризуется коэффициентом термического расширения, меньшим, чем коэффициент термического расширения кобальта, и/или имеет более высокую теплопроводность, чем у кобальта. Коэффициент термического расширения кобальта составляет около 13,0 × 10^-6 мм^-1 К^-1. Теплопроводность кобальта составляет около 100,0 Ватт/(метры × Кельвин) («Вт/(мК)»). Некоторые примеры связующего/каталитического материала 334 включают в себя хром, тантал, рутений, определенные сплавы кобальта, такие как кобальт/молибден, кобальт/хром или кобальт/никель/хром, определенные сплавы металла VIII группы и по меньшей мере одного каталитически неактивного металла, а также определенные сплавы двух или более металлов VIII группы, но не ограничиваются ими, при этом сплавы обеспечивают общее снижение коэффициента термического расширения и/или общее повышение теплопроводности. Другие примеры подходящих сплавов могут быть определены обычными специалистами в данной области техники после получения положительного эффекта настоящего раскрытия. Связующий/каталитический материал 334 может содержать любой эвтектический или близкий к эвтектическому сплав, который является эффективным в качестве каталитического материала для синтеза алмазов, вместе с тем демонстрирующий или более низкий коэффициент термического расширения и/или более высокую теплопроводность, чем кобальт. Близкий к эвтектическому сплав, по определению, охватывает составы сплавов, которые находятся в пределах плюс или минус десяти атомных массовых процентов от эвтектического состава до момента превышения температуры плавления кобальта.

Если связующий/каталитический материал 334 имеет более низкий коэффициент термического расширения, чем кобальт, углерод-углеродные связи, которые формируют PCD отрезную пластину 370, являются более стабильными, чем в случае использования кобальта, поскольку связующий/каталитический материал 334 расширяется с меньшей скоростью, чем кобальт. Следовательно, углерод-углеродные связи способны лучше противостоять расширению связующего/каталитического материала 334, чем расширению кобальта при той же температуре. Если связующий/каталитический материал 334 обладает более высокой теплопроводностью, чем кобальт, тепло, выделяющееся внутри PCD отрезной пластины 370, рассеивается лучше, когда для формирования PCD отрезной пластины 370 используют связующий/каталитический материал 334, чем в случае использования кобальта. Таким образом, PCD отрезная пластина 370 способна противостоять выделению большего количества тепла и, следовательно, более высоким температурам в случае использования связующего/каталитического материала 334 для формирования PCD отрезной пластины 370.

После осуществления обработки в условиях высокого давления и высокой температуры слой 310 подложки формирует подложку 360. Слой 310 подложки содержит верхнюю поверхность 312 слоя, нижнюю поверхность 314 слоя и внешнюю стенку 316 слоя подложки, которая простирается от периметра верхней поверхности 312 слоя до периметра нижней поверхности 314 слоя. Слою 310 подложки придают правильную круглую цилиндрическую форму согласно одному из примеров осуществления, но ему можно придавать и другие геометрические и негеометрические формы.

Слой 320 PCD отрезной пластины получают из алмазного порошка 336, однако можно использовать и другие подходящие материалы, известные обычным специалистам в данной области техники, в пределах объема и существа примера выполнения. Хотя это не отображено, согласно некоторым примерам осуществления, слой 320 PCD отрезной пластины содержит алмазный порошок 336 и связующий/каталитический материал 334. По выполнении обработки в условиях высокого давления и высокой температуры из слоя 320 PCD отрезной пластины формируется PCD отрезная пластина 370. Слой 320 PCD отрезной пластины содержит режущую поверхность 322 слоя, противолежащую поверхность 324 слоя и внешнюю стенку 326 слоя PCD отрезной пластины, которая простирается от периметра режущей поверхности 322 слоя до периметра противолежащей поверхности 324 слоя.

После формирования PDC резца 300 до спекания осуществляют его обработку в условиях высокого давления и высокой температуры для получения PDC резца 350. В ходе воздействия НРНТ условий связующий/каталитический материал 334 сжижается внутри слоя 310 подложки и продвигается, или проникает, в слой 320 PCD отрезной пластины. Связующий/каталитический материал 334 выполняет функции связующего материала для порошка 332 подложки, который затем скрепляется, или связывается, с образованием скрепленного порошка 382 подложки. Полученный скрепленный порошок 382 подложки, вместе со связующим/каталитическим материалом 334, вкрапленным в него, образует подложку 360 по завершении процесса спекания. Сжиженный связующий/каталитический материал 334 диффундирует в слой 320 PCD отрезной пластины из слоя 310 подложки и также выполняет функции каталитического материала для алмазного порошка 336 внутри слоя 320 PCD отрезной пластины. Связующий/каталитический материал 334 способствует срастанию алмазных кристаллов, превращая таким образом алмазный порошок 336 в алмазную решетку 386. Алмазная решетка 386 содержит междоузлия (не показано), аналогичные междоузлиям 212 (фиг.2), которые образуются в ходе процесса спекания. Связующий/каталитический материал 334 осаждается внутри упомянутых междоузлий. Таким образом, алмазная решетка 386, вместе со связующим/каталитическим материалом 334, осажденным в междоузлиях, образует PCD отрезную пластину 370 по завершении процесса спекания. Несмотря на то что в PCD отрезной пластине 370 формируется алмазная решетка 386, другие решетки могут образовываться в PCD отрезной пластине 370 при использовании других материалов, отличных от алмазного порошка 336. Связующий/каталитический материал 334 способствует также образованию связей между PCD отрезной пластиной 370 и подложкой 360.

PDC резец 350 получают после того, как подложка 360 и PCD режущий слой 370 полностью сформированы, и подложка 360 соединена с PCD режущим слоем 370. Подложка 360 содержит верхнюю поверхность 362, нижнюю поверхность 364 и внешнюю стенку 366 подложки, которая простирается от периметра верхней поверхности 362 до периметра нижней поверхности 364. Подложка 360 содержит скрепленный порошок 382 подложки и связующий/каталитический материал 334, вкрапленный в него. Подложке 360 придана правильная круглая цилиндрическая форма согласно одному из примеров осуществления, но ей можно придать и другие геометрические и негеометрические формы в зависимости от применения PDC резца 350.

PCD отрезная пластина 370 содержит режущую поверхность 372, противолежащую поверхность 374 и внешнюю стенку 376 PCD отрезной пластины, которая простирается от периметра режущей поверхности 372 до периметра противолежащей поверхности 374. PCD отрезная пластина 370 содержит алмазную решетку 386 и связующий/каталитический материал 334, осажденный внутри междоузлий, образовавшихся в алмазной решетке 386. Противолежащая поверхность 374 соединена с верхней поверхностью 362.

Согласно некоторым примерам осуществления по периметру PCD отрезной пластины 370 формируют фаску (не показано).

PCD отрезную пластину 370 соединяют с подложкой 360 согласно способам, известным обычным специалистам в данной области техники. В одном из примеров PDC резец 350 формируют посредством независимого изготовления PCD отрезной пластины 370 и подложки 360, а затем соединения PCD отрезной пластины 370 с подложкой 360. В другом примере первоначально изготовляют подложку 360, а после этого на верхней поверхности 362 подложки 360 формируют PCD отрезную пластину 370 посредством размещения поликристаллического алмазного порошка 336 на верхней поверхности 362 и осуществления обработки поликристаллического алмазного порошка 336 и подложки 360 при высокой температуре и высоком давлении.

В одном из примеров осуществления после соединения PCD отрезной пластины 370 с подложкой 360 режущая поверхность 372 PCD отрезной пластины 370 по существу параллельна нижней поверхности 364 подложки 360. В дополнение к этому, PDC резец 350 изображен как имеющий правильную круглую цилиндрическую форму, однако в других примерах осуществления PDC резцу 350 придают и другие геометрические и негеометрические формы. В определенных примерах осуществления противолежащая поверхность 374 и верхняя поверхность 362 по существу плоские, однако в других примерах осуществления противолежащая поверхность 374 и верхняя поверхность 362 могут быть неплоскими.

Фиг.4A представляет собой вид сбоку PDC резца 400 до спекания в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения. Фиг.4В является видом сбоку PDC резца 450, сформированного в результате спекания PDC резца 400 до спекания фиг.4A, в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения. Фиг.4A и 4B представляют один из примеров формирования PDC резца 450. Обращаясь к фиг.4A и 4B, можно видеть, что PDC резец 400 до спекания содержит слой 410 подложки и слой 420 PCD отрезной пластины, в то время как PDC резец 450 содержит подложку 460 и PCD отрезную пластину 470. Слой 410 подложки расположен в нижней части PDC резца 400 до спекания и по выполнении процесса спекания образует подложку 460. Слой 420 PCD отрезной пластины расположен над слоем 410 подложки и по выполнении процесса спекания образует PCD отрезную пластину 470. Таким образом, PCD отрезная пластина 470 расположена над подложкой 460.

Слой 410 подложки формируют из смеси порошка 432 подложки и связующего материала 434. Порошок 432 подложки представляет собой порошок карбида вольфрама, однако порошок 432 подложки можно получить и из другого подходящего материала, известного обычным специалистам в данной области техники, в пределах объема и существа примера выполнения согласно некоторым другим примерам осуществления. Связующий материал 434 является любым материалом, способным выполнять функции связующего для порошка 432 подложки. Некоторые примеры связующего материала 434 охватывают кобальт, никель-хром и железо, но не ограничиваются ими. После воздействия условий высокого давления и высокой температуры слой 410 подложки образует подложку 460. Слой 410 подложки содержит верхнюю поверхность 412 слоя, нижнюю поверхность 414 слоя и внешнюю стенку 416 слоя подложки, которая простирается от периметра верхней поверхности 412 слоя до периметра нижней поверхности 414 слоя. Слою 410 подложки придают правильную круглую цилиндрическую форму согласно одному из примеров осуществления, но ему можно придать и другие геометрические и негеометрические формы.

Слой 420 PCD отрезной пластины формируют из смеси алмазного порошка 436 и каталитического материала 438. Хотя для формирования слоя 420 PCD отрезной пластины используют алмазный порошок 436, можно использовать и другие подходящие материалы, известные обычным специалистам в данной области техники, в пределах объема и существа примера выполнения. Каталитический материал 438 является любым материалом, способным выполнять функции катализатора для алмазного порошка 436, который образует слой 420 PCD отрезной пластины, или для любого другого материала, который используют для формирования PCD отрезной пластины 470. В дополнение к этому, каталитический материал 438 характеризуется коэффициентом термического расширения, меньшим, чем коэффициент термического расширения кобальта, и/или обладает более высокой теплопроводностью, чем кобальт. Коэффициент термического расширения кобальта составляет около 13,0 × 10^-6 мм^-1 К^-1. Теплопроводность кобальта составляет около 100,0 Вт/(мК). Некоторые примеры каталитического материала 438 включают в себя хром, тантал, рутений, определенные сплавы кобальта, такие как кобальт/молибден, кобальт/хром или кобальт/никель/хром, определенные сплавы металла VIII группы и по меньшей мере одного каталитически неактивного металла, а также определенные сплавы двух или более металлов VIII группы, но не ограничиваются ими, при этом сплавы обеспечивают общее снижение коэффициента термического расширения и/или общее повышение теплопроводности. Другие примеры подходящих сплавов могут быть определены обычными специалистами в данной области техники после получения положительного эффекта настоящего раскрытия. Каталитический материал 438 может содержать любой эвтектический или близкий к эвтектическому сплав, который является эффективным в качестве катализатора синтеза алмазов, вместе с тем демонстрирующий более низкий коэффициент термического расширения и/или более высокую теплопроводность, чем кобальт.

Если каталитический материал 438 имеет более низкий коэффициент термического расширения, чем кобальт, углерод-углеродные связи, которые формируют PCD отрезную пластину 470, являются более стабильными, чем в случае использования кобальта, поскольку каталитический материал 438 расширяется с меньшей скоростью, чем кобальт. Следовательно, углерод-углеродные связи способны лучше противостоять расширению каталитического материала 438, чем расширению кобальта при той же температуре. Если каталитический материал 438 обладает более высокой теплопроводностью, чем кобальт, тепло, выделяющееся внутри PCD отрезной пластины 470, рассеивается лучше, когда для формирования PCD отрезной пластины 470 используют каталитический материал 438, чем в случае использования кобальта. Таким образом, PCD отрезная пластина 470 способна противостоять выделению большего количества тепла и, следовательно, более высоким температурам в случае использования каталитического материала 438 для формирования PCD отрезной пластины 470.

Согласно некоторым примерам осуществления температура плавления каталитического материала 438 ниже температуры плавления связующего материала 434. Температура плавления кобальта, который можно использовать в качестве связующего материала 434, составляет около 1495 градусов Цельсия. Согласно некоторым примерам осуществления связующий материал 434 и каталитический материал 438 представляют собой различные материалы, однако связующий материал 434 и каталитический материал 438 могут быть одним и тем же материалом согласно определенным примерам осуществления. После воздействия условий высокого давления и высокой температуры слой 420 PCD отрезной пластины образует PCD отрезную пластину 470. Слой 420 PCD отрезной пластины включает в себя режущую поверхность 422 слоя, противолежащую поверхность 424 слоя и внешнюю стенку 426 слоя PCD отрезной пластины, которая простирается от периметра режущей поверхности 422 слоя до периметра противолежащей поверхности 424 слоя. Согласно некоторым примерам осуществления по периметру PCD отрезной пластины 470 формируют фаску (не показано).

Согласно примерам осуществления, в которых температура плавления каталитического материала 438 ниже температуры плавления связующего материала 434, после получения PDC резца 400 до спекания его подвергают воздействию условий высокого давления и высокой температуры для формирования PDC резца 450. В ходе воздействия НРНТ условий температуру сначала доводят до первой температуры, которая является температурой плавления каталитического материала 438 согласно некоторым примерам осуществления. Согласно определенным примерам осуществления первая температура выше температуры плавления каталитического материала 438, но ее поддерживают ниже второй температуры, которая обсуждается более подробно ниже. Первую температуру можно изменять в пределах указанного диапазона, который находится между первой температурой и второй температурой. При упомянутой первой температуре каталитический материал 438 сжижается в слое 470 PCD отрезной пластины и способствует срастанию алмазных кристаллов, превращая таким образом алмазный порошок 436 в алмазную решетку 486. Алмазная решетка 486 содержит междоузлия (не показано), аналогичные междоузлиям 212 (фиг.2), которые образуются в ходе процесса спекания. Каталитический материал 438 осаждается внутри упомянутых междоузлий. Таким образом, алмазная решетка 486, вместе с каталитическим материалом 438, осажденным в междоузлиях, образует PCD отрезную пластину 470 по завершении процесса спекания. Несмотря на то что в PCD отрезной пластине 470 формируется алмазная решетка 486, другие решетки могут образовываться в PCD отрезной пластине 470 при использовании других материалов, отличных от алмазного порошка 436.

После формирования PCD отрезной пластины 470 температуру затем повышают от первой температуры по меньшей мере до второй температуры, которая является температурой плавления связующего материала 434 или какой-либо другой температурой, более высокой, чем температура плавления связующего материала 434. Связующий материал 434 сжижается внутри слоя 410 подложки и способствует скреплению порошка 432 подложки, превращая таким образом порошок 432 подложки в скрепленный порошок 482 подложки. Данный скрепленный порошок 482 подложки, вместе со связующим материалом 434, вкрапленным в него, по завершении процесса спекания образует подложку 460. Связующий материал 434 и/или каталитический материал 438 способствуют образованию связей между PCD отрезной пластиной 470 и подложкой 460.

PDC резец 450 получают после того, как подложка 460 и PCD режущий слой 470 полностью сформированы, и подложка 460 соединена с PCD режущим слоем 470. Подложка 460 содержит верхнюю поверхность 462, нижнюю поверхность 464 и внешнюю стенку 466 подложки, которая простирается от периметра верхней поверхности 462 до периметра нижней поверхности 464. Подложка 460 содержит скрепленный порошок 482 подложки и связующий материал 434, вкрапленный в него. Подложке 460 придана правильная круглая цилиндрическая форма согласно одному из примеров осуществления, но ей можно придать и другие геометрические и негеометрические формы в зависимости от применения PDC резца 450.

PCD отрезная пластина 470 содержит режущую поверхность 472, противолежащую поверхность 474 и внешнюю стенку 476 PCD отрезной пластины, которая простирается от периметра режущей поверхности 472 до периметра противолежащей поверхности 474. PCD отрезная пластина 470 содержит алмазную решетку 486 и каталитический материал 438, осажденный внутри междоузлий, образовавшихся в алмазной решетке 486. Противолежащая поверхность 474 соединена с верхней поверхностью 462.

PCD отрезную пластину 470 соединяют с подложкой 460 согласно способам, известным обычным специалистам в данной области техники. В одном из примеров PDC резец 450 формируют посредством независимого изготовления PCD отрезной пластины 470 и подложки 460, а затем соединения PCD отрезной пластины 470 с подложкой 460. В другом примере первоначально изготовляют подложку 460, а после этого на верхней поверхности 462 подложки 460 формируют PCD отрезную пластину 470 посредством размещения поликристаллического алмазного порошка 436 на верхней поверхности 462 и осуществления обработки поликристаллического алмазного порошка 436 и подложки 460 при высокой температуре и высоком давлении.

В одном из примеров осуществления после соединения PCD отрезной пластины 470 с подложкой 460 режущая поверхность 472 PCD отрезной пластины 470 по существу параллельна нижней поверхности 464 подложки 460. В дополнение к этому, PDC резец 450 изображен как имеющий правильную круглую цилиндрическую форму, однако в других примерах осуществления изобретения PDC резцу 450 придают и другие геометрические и негеометрические формы. В определенных примерах осуществления противолежащая поверхность 474 и верхняя поверхность 462 по существу плоские, однако в других примерах осуществления противолежащая поверхность 474 и верхняя поверхность 462 могут быть неплоскими.

Как упомянуто выше, связующий/каталитический материал 334 (фиг.3) и каталитический материал 438 представляют собой сплав кобальта или некоторого другого металла VIII группы, который демонстрирует более низкий коэффициент термического расширения и/или более высокую теплопроводность, чем кобальт, согласно некоторым примерам осуществления. Сплав представляет собой сочетание, либо в растворе, либо в соединении, двух или более элементов по меньшей мере один из которых является металлом, и при этом сплав полученного материала обладает металлическими свойствами. В отличие от чистых металлов многие сплавы не имеют отдельно взятой точки плавления. Вместо этого, многие сплавы характеризуются температурным диапазоном, в котором материал начинает плавиться при одной более низкой температуре и полностью расплавляется при другой более высокой температуре. Таким образом, в ходе плавления сплава материал представляет собой смесь твердой и жидкой фаз при воздействии температуры в диапазоне между двумя указанными температурами. Температура, при которой сплав начинает плавиться, называется солидусом, тогда как температура, при которой сплав полностью расплавляется, называется ликвидусом. Однако, как и упомянуто выше, а также согласно некоторым примерам осуществления, связующий/каталитический материал 334 (фиг.3) и каталитический материал 438 представляют собой эвтектический сплав или близкий к эвтектическому сплав, который демонстрирует более низкий коэффициент термического расширения и/или более высокую теплопроводность, чем кобальт. Эвтектические сплавы получают с целью плавления при отдельно взятой точечной температуре плавления, а не в пределах температурного диапазона. Эвтектический сплав представляет собой сплав, образовавшийся из смеси двух или более элементов, который имеет более низкую температуру плавления, чем любой из его элементов, используемых для получения эвтектического сплава. В одном из примеров сплав или эвтектический сплав получают посредством приготовления гомогенной смеси двух или более элементов, которые образуют сплав или эвтектический сплав. Надлежащие соотношения компонентов для получения эвтектического сплава определяются эвтектической точкой на фазовой диаграмме, которая обсуждается более подробно в связи с фиг.5.

Приведенное ниже в таблице 1 представляет собой перечень элементов, которые можно сплавлять с кобальтом для получения эвтектического сплава, имеющего конечный коэффициент термического расширения, более низкий, чем коэффициент термического расширения кобальта. В таблице 1 элементы углерод и кобальт приведены в качестве стандартов, поскольку углерод используют для формирования PCD отрезной пластины, в то время как кобальт является типичным каталитическим материалом 438 или связующим/каталитическим материалом 334 (фиг.3), который осаждается внутри междоузлий, образовавшихся между углеродными связями в PCD отрезной пластине 370 и 470. Таким образом, эвтектический сплав, используемый в качестве каталитического материала 438 или связующего/каталитического материала 334 (фиг.3) в примерах осуществления настоящего изобретения, должен иметь более низкий конечный коэффициент термического расширения и/или более высокую конечную теплопроводность, чем у кобальта в отдельности. Несмотря на то что кобальт выбирается как один из сплавообразующих элементов, согласно другим примерам осуществления в качестве сплавообразующего элемента можно выбирать любой другой металл VIII группы.

Как показано в таблице 1, приведенной выше, каждый элемент снабжен значениями «Co-Eu», «термического расширения», «температуры плавления» и «теплопроводности». Величина «Co-Eu» представляет собой эвтектическую температуру плавления, или эвтектическую точу плавления, при сплавлении соответствующего элемента с кобальтом в соответствии с эвтектическим составом. Величина «термического расширения» представляет собой коэффициент термического расширения соответствующего элемента. Данные коэффициенты термического расширения меньше коэффициента термического расширения кобальта. После сплавления элемента с кобальтом конечный коэффициент термического расширения сплава меньше коэффициента термического расширения кобальта. Следовательно, коэффициент термического расширения эвтектического сплава также меньше коэффициента термического расширения кобальта. Величина «температуры плавления» представляет собой температуру плавления соответствующего элемента. Как видно, эвтектическая температура плавления при сплавлении соответствующего элемента с кобальтом меньше температуры плавления и кобальта, и соответствующего элемента. Величина «теплопроводности» представляет собой теплопроводность соответствующего элемента. Указанные значения теплопроводности выше или ниже теплопроводности кобальта. После сплавления элемента с кобальтом конечная величина теплопроводности сплава находится между теплопроводностью соответствующего элемента и теплопроводностью кобальта. Следовательно, в зависимости от областей применения, в которых надлежит использовать PDC резец 350 и 450, можно соответственно выбирать сплав, или эвтектический сплав, который следует использовать для каталитического материала 438 и связующего/каталитического материала 334 (фиг.3), таким образом, чтобы иметь или более низкий коэффициент термического расширения и/или более высокую теплопроводность.

Фиг.5 представляет собой фазовую диаграмму 500 кобальта и элемента X в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. Несмотря на то что фазовая диаграмма 500 кобальта и элемента X приведена в качестве примера согласно одному из примеров осуществления, для достижения эвтектической точки можно использовать различные фазовые диаграммы кобальта и одного или нескольких других элементов или элемента VIII группы с одним или несколькими другими элементами, которые описаны более подробно ниже, согласно другим примерам осуществления. Обращаясь к фиг.5, можно видеть, что фазовая диаграмма 500 кобальта и элемента X содержит ось 510 состава, ось 520 температуры, линию 534 ликвидуса, линию 536 солидуса и эвтектическую точку 538.

Ось 510 состава расположена на оси x и представляет состав сплава, используемого в качестве каталитического материала и/или связующего/каталитического материала. Состав измерен в атомных массовых процентах элемента X. В направлении слева направо вдоль оси 510 состава доля элемента X в составе увеличивается. Таким образом, в крайней левой точке оси 510 состава материал представляет собой стопроцентный кобальт. В противоположность этому, в крайней правой точке оси 510 состава материал представляет собой стопроцентный элемент X. Ось 510 состава включает в себя эвтектический состав 540, который обсуждается более подробно ниже.

Ось 520 температуры расположена на оси y и представляет различные температуры, которыми можно воздействовать на сплав. Температура измерена в градусах Цельсия. В направлении сверху вниз вдоль оси 520 температуры температура снижается. Ось 520 температуры включает в себя температуру 532 плавления кобальта, температуру 530 плавления элемента X и эвтектическую температуру 539 плавления, которая обсуждается более подробно ниже. Температура 532 плавления кобальта является температурой, при которой плавится материал, содержащий сто процентов кобальта. Температура 530 плавления элемента X является температурой, при которой плавится материал, содержащий сто процентов элемента X.

Фазовая диаграмма 500 кобальта и элемента X предоставляет информацию о различных фазах сплава кобальта и элемента X, а также о том, при каких составах и температурах существуют упомянутые различные фазы. Данные фазы включают в себя общую жидкую фазу 550 («Жидкость»), общую твердую фазу 552 («Твердое тело»), фазу 554 взвеси кобальта («L+Co_s»), фазу 556 взвеси элемента X («L+XS»), твердую фазу 558 кобальта («Co_s») и твердую фазу 560 элемента X («XS»). Общая жидкая фаза 550 появляется, когда и кобальт, и элемент X полностью находятся в жидкой фазе. Общая твердая фаза 552 имеет место, когда и кобальт, и элемент X полностью находятся в твердой фазе. Фаза 554 взвеси кобальта появляется, когда материал содержит кристаллы кобальта, суспендированные во взвеси, которая также имеет в своем составе жидкий кобальт. Фаза 556 взвеси элемента X возникает, когда материал содержит кристаллы элемента X, суспендированные во взвеси, которая также имеет в своем составе жидкий элемент X. Твердая фаза 558 кобальта появляется, когда весь кобальт находится в твердой фазе и по меньшей мере некоторая часть элемента X находится в жидкой фазе. Твердая фаза 560 элемента X возникает, когда весь элемент X находится в твердой фазе и по меньшей мере некоторая часть кобальта находится в жидкой фазе.

Линия 534 ликвидуса распространяется от температуры 532 плавления кобальта до эвтектической точки 538, а затем до температуры 530 плавления элемента X. Линия 534 ликвидуса представляет температуру, при которой сплав полностью расплавляется и образует жидкость. Таким образом, при температурах выше линии 534 ликвидуса сплав полностью является жидким. Линия 536 солидуса также распространяется от температуры 532 плавления кобальта до эвтектической точки 538, а затем до температуры 530 плавления элемента X. Линия 536 солидуса расположена ниже линии 534 ликвидуса, за исключением значения в эвтектической точке 538. Линия 536 солидуса представляет температуру, при которой сплав начинает плавиться. Таким образом, при температурах ниже линии 536 солидуса сплав полностью является твердым. В эвтектической точке 538 линия 534 ликвидуса пересекается с линией 536 солидуса. Эвтектическую точку 538 определяют на фазовой диаграмме 500 как пересечение эвтектической температуры 539 и эвтектического состава 540. Эвтектический состав 540 представляет собой состав, в случае которого сплав ведет себя как единая химическая композиция и имеет температуру плавления, при которой общая твердая фаза превращается в общую жидкую фазу при отдельно взятой температуре. Таким образом, один из положительных эффектов использования эвтектического сплава для каталитического материала и/или связующего/каталитического материала заключается в том, что эвтектический сплав проявляет свойства единой композиции.

Несмотря на то что каждый пример осуществления был подробно описан, следует подразумевать, что любые признаки и модификации, которые применимы к одному варианту осуществления изобретения, также применимы и к другим вариантам осуществления. Кроме того, хотя изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, данные описания не предназначены для истолкования в ограничивающем смысле. Различные модификации раскрытых вариантов осуществления, а также альтернативные варианты осуществления изобретения станут очевидными для обычных специалистов в данной области техники после обращения к описанию примеров осуществления. Обычным специалистам в данной области техники следует принимать во внимание, что идею и конкретные раскрытые варианты осуществления изобретения можно легко использовать в качестве основы для внесения изменений или разработки других структур или способов для достижения тех же самых целей изобретения. Обычным специалистам в данной области техники следует также понимать, что такие эквивалентные конструкции находятся в пределах существа и объема изобретения, изложенных в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, предполагается, что формула изобретения охватывает любые такие изменения или варианты осуществления, которые попадают в пределы объема изобретения.

1. Отрезная пластина, содержащая:
решеточную структуру, образующую междоузлия внутри; и
каталитический материал, осажденный внутри междоузлий в ходе процесса спекания, в результате которого образуется решеточная структура, при этом каталитический материал способствует росту решеточной структуры, содержит близкий к эвтектическому сплав, который представляет собой состав сплава, который находится в пределах плюс или минус десяти атомных массовых процентов от эвтектического состава, и характеризуется коэффициентом термического расширения, меньшим, чем коэффициент термического расширения кобальта.

2. Отрезная пластина по п. 1, в которой каталитический материал содержит материал, выбранный из группы, состоящей из хрома, тантала и рутения.

3. Отрезная пластина по п. 1, в которой каталитический материал выбран из группы, состоящей из сплавов кобальта, сплавов металла VIII группы и по меньшей мере одного каталитически неактивного металла и сплавов двух или более металлов VIII группы.

4. Отрезная пластина по п. 1, в которой каталитический материал имеет эвтектический состав.

5. Отрезная пластина по п. 1, в которой каталитический материал характеризуется теплопроводностью, более высокой, чем теплопроводность кобальта.

6. Отрезная пластина по п. 1, в которой решеточная структура содержит поликристаллический алмаз.

7. Резец, содержащий:
подложку, содержащую верхнюю поверхность;
отрезную пластину, содержащую:
режущую поверхность;
противолежащую поверхность, соединенную с верхней поверхностью;
внешнюю стенку отрезной пластины, простирающуюся от периметра противолежащей поверхности до периметра режущей поверхности;
решеточную структуру, образующую междоузлия внутри; и
каталитический материал, осажденный внутри междоузлий в ходе процесса спекания, в результате которого образуется решеточная структура, при этом каталитический материал способствует росту решеточной структуры, содержит близкий к эвтектическому сплав, который представляет собой состав сплава, который находится в пределах плюс или минус десяти атомных массовых процентов от эвтектического состава, и характеризуется коэффициентом термического расширения, меньшим, чем коэффициент термического расширения кобальта.

8. Резец по п. 7, в котором каталитический материал содержит материал, выбранный из группы, состоящей из хрома, тантала и рутения.

9. Резец по п. 7, в котором каталитический материал выбран из группы, состоящей из сплавов кобальта, сплавов металла VIII группы и по меньшей мере одного каталитически неактивного металла, и сплавов двух или более металлов VIII группы.

10. Резец по п. 7, в котором каталитический материал имеет эвтектический состав.

11. Резец по п. 7, в котором каталитический материал характеризуется теплопроводностью, более высокой, чем теплопроводность кобальта.

12. Резец по п. 7, в котором решеточная структура содержит поликристаллический алмаз.

13. Резец по п. 7, в котором подложка сформирована из порошка подложки и связующего материала, который скрепляет порошок подложки с образованием подложки, причем связующий материал является тем же, что и каталитический материал.

14. Резец по п. 13, в котором каталитический материал берет свое начало в подложке и проникает в отрезную пластину.

15. Резец по п. 7, в котором подложка сформирована из порошка подложки и связующего материала, который скрепляет порошок подложки с образованием подложки, причем связующий материал отличается от каталитического материала.

16. Резец по п. 15, в котором температура плавления каталитического материала ниже температуры плавления связующего материала.

17. Способ изготовления резца, включающий в себя стадии, на которых:
формируют отрезную пластину, которая содержит:
решеточную структуру, образующую междоузлия внутри; и
каталитический материал, осажденный внутри междоузлий в ходе процесса спекания, в результате которого образуется решеточная структура, при этом каталитический материал способствует росту решеточной структуры, содержит близкий к эвтектическому сплав, который представляет собой состав сплава, который находится в пределах плюс или минус десяти атомных массовых процентов от эвтектического состава, и характеризуется коэффициентом термического расширения, меньшим, чем коэффициент термического расширения кобальта;
формируют подложку; и
соединяют отрезную пластину с подложкой.

18. Способ по п. 17, в котором каталитический материал содержит материал, выбранный из группы, состоящей из хрома, тантала и рутения.

19. Способ по п. 17, в котором каталитический материал выбран из группы, состоящей из сплавов кобальта, сплавов металла VIII группы и по меньшей мере одного каталитически неактивного металла и сплавов двух или более металлов VIII группы.

20. Способ по п. 17, в котором каталитический материал имеет эвтектический состав.

21. Способ по п. 17, в котором каталитический материал характеризуется теплопроводностью, более высокой, чем теплопроводность кобальта.

22. Способ по п. 17, в котором решеточная структура содержит поликристаллический алмаз.

23. Способ по п. 17, в котором формирование подложки включает в себя стадии, на которых:
смешивают порошок подложки и связующий материал для получения смеси подложки;
повышают давление и температуру до первого температурного диапазона с целью сжижения связующего материала и создания возможности для скрепления порошка подложки связующим материалом.

24. Способ по п. 17, в котором формирование отрезной пластины включает в себя стадии, на которых:
размещают алмазный порошок на верхней части подложки;
создают условия для проникновения связующего материала из подложки в алмазный порошок; и
превращают алмазный порошок в решеточную структуру, при этом связующий материал и каталитический материал представляют собой одно и то же.

25. Способ по п. 17, в котором формирование отрезной пластины включает в себя стадии, на которых:
смешивают алмазный порошок и каталитический материал с целью получения смеси для поликристаллической алмазной (PCD) пластины;
размещают смесь на верхней части подложки;
повышают давление и температуру до второго температурного диапазона с целью сжижения каталитического материала; и
обеспечивают условия для спекания алмазного порошка под действием каталитического материала с образованием решеточной структуры,
при этом связующий материал и каталитический материал различаются, второй температурный диапазон меньше первого температурного диапазона, и второй температурный диапазон находится ниже температуры плавления связующего материала.

Группа изобретений относится к буровым инструментам, а именно к буровым долотам для твердых пород с лабиринтным устройством защиты уплотнения/подшипника. Технический результат заключается в повышении надежности защиты от проникновения абразивных частиц к уплотнению и подшипниковому устройству из внешней окружающей среды.

Породоразрушающий инструмент // 2569117

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для медленно-вращательного бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах. Технический результат заключается в повышении производительности породоразрушающего инструмента, снижении энергоемкости, увеличении скорости проходки скважины.

Промывочный узел бурового долота // 2568194

Изобретение относится к промывочным узлам породоразрушающего инструмента. Технический результат заключается в упрощении монтажа и демонтажа промывочного устройства и повышении эффективности его работы.

Буровое долото // 2567260

Изобретение относится к области горных работ, а именно к породоразрушающим инструментам, предназначенным для бурения скважин. Технический результат заключается в усилении ресурсов работы бурового долота и в росте механической скорости бурения скважин.

Буровое долото и способ крепления его вставок // 2566151

Группа изобретений относится к области горного дела, а именно к породоразрушающему инструменту с твердосплавным вооружением. Технический результат заключается в упрощении технологии изготовления долота и способа крепления вставок в отверстиях корпуса.

Система и способ моделирования взаимодействия расширителя и долота // 2564423

Группа изобретений относится к способу и системе моделирования режущих структур расширителя и/или долота. Технический результат заключается в вычислении характеристической кривой режущей структуры и обеспечении эффективного выбора режущей структуры.

Лопастное долото // 2559261

Изобретение относится к долотам режуще-скалывающего действия, корпуса которых изготовлены как из стального материала, так и из матричного материала, пассивная калибрующая часть которых наплавлена твердосплавным покрытием и усилена алмазными поликристаллическими резцами PDC.

Шарошечное долото для бурения твердых пород, имеющее механическое уплотнение с отличными тепловыми характеристиками // 2556579

Группа изобретений относится к буровому инструменту и к устройству для уплотнения подшипников в буровом инструменте. Технический результат заключается в увеличении срока службы уплотнения и снижении рабочей температуры уплотнения.

Лопастное долото (варианты) // 2549653

Группа изобретений относится к долотам режущескалывающего действия, корпуса которых изготовлены как из стального материала, так и из матричного материала, пассивная калибрующая часть которых наплавлена твердосплавным покрытием и усилена алмазными поликристаллическими резцами PDC.

Pdc-буровой инструмент // 2545201

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту режущего типа, применяемому в бурении скважин, а именно, к PDC-инструменту: бурголовкам или долотам. Технический результат заключается в увеличении показателей эффективности работы инструмента путем снятия напряженного состояния от бокового воздействия горного давления в большей части забоя скважины за счет переноса его под периферийные резцы.

Режущий элемент для бурильного инструмента, бурильный инструмент с такими режущими элементами и способ формирования режущего элемента // 2577342

Группа изобретений относится к режущим элементам для бурильного инструмента, бурильным инструментам и способам формирования режущего элемента. Технический результат заключается в эффективном распределении напряжений, вызванных силами резания, в улучшении конструктивной целостности режущего элемента, в повышении его износостойкости и долговечности. Режущий элемент для бурильного инструмента включает алмазную пластинку, расположенную на подложке, углубление в режущей грани алмазной пластинки и фигурный элемент в подложке на границе раздела между алмазной пластинкой и подложкой, соответствующий углублению в режущей грани алмазной пластинки и включающий углубление в подложке, форма которого аналогична форме углубления в режущей грани алмазной пластинки, при этом по меньшей мере часть углубления в подложке расположена по меньшей мере с радиальным смещением наружу или внутрь от углубления в режущей грани алмазной пластинки. Углубление в режущей грани алмазной пластинки может быть выполнено с расходуемой структурой. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 13 ил.

Электроимпульсное невращающееся буровое долото // 2580860

Изобретение предназначено для бурения колонковых скважин и скважин без отбора керна с обратной внутренней промывкой в крепких горных породах и может найти применение при геологоразведочных работах, в горнодобывающей промышленности, при строительных работах. Коаксиально расположенные узлы наружной (2, 3) и внутренней (4, 5) коронок разделены высоковольтным изолятором (1). Корпус бурового долота (2) присоединен к колонне бурильных труб (6), а керновый переходник (4) - к высоковольтному тоководу (7). Внутренняя коронка (5) подпружинена пружиной (11) с возможностью опережения наружной коронки (3) не более 1/3 межэлектродного расстояния. Вдоль внутренней поверхности внутренней коронки (5) тангенциально расположены лезвия твердосплавных резцов (16), имеющих форму одностороннего клина, и вдоль наружной поверхности наружной коронки (3) расположены лезвия подобных резцов (17). Внутренние ребра-электроды (14) наружной коронки (3) и наружные ребра-электроды (15) внутренней коронки (5) выполнены с многогранными твердосплавными резцами (18, 19), позволяющими выравнивать забой скважины. Твердосплавные резцы, имеющие форму одностороннего клина (16, 17), предотвращают зависания бурового долота на керне и стенках скважины. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Промывочный узел бурового долота // 2585315

Изобретение относится к промывочным узлам породоразрушающего инструмента гидромониторного типа. Технический результат заключается в повышении эффективности работы промывочного узла. Промывочный узел бурового долота содержит корпус с каналом и гнездом и установленную в гнезде насадку с уплотнительным элементом, закрепленную посредством фиксатора. Фиксатор выполнен в виде нескольких ступенчатых стержней с цанговой рабочей головкой, ступень большего диаметра которых расположена со стороны выходного торца насадки, при этом насадка выполнена со сквозными осевыми каналами ответной формы, соосно которым в корпусе со стороны дна гнезда выполнена кольцевая расточка для размещения цанговых головок стержней. При этом в кольцевых расточках под большими основаниями цанговых втулок установлены полые тороидальные упругие элементы для удержания фиксаторов в крайнем верхнем положении, выполненные с радиальным каналом, оснащенным подпружиненным обратным клапаном и сообщенным с полостью напорного канала. 2 ил.

Буровое долото с фиксированными резцами с элементами для получения фрагментов керна // 2589786

Группа изобретений относится к буровым долотам и способам для получения фрагментов образцов керна из подземного пласта. Технический результат заключается в увеличении скорости проходки бурового долота. Буровое долото содержит корпус долота, имеющий центральную осевую линию долота и торец долота; совокупность лопастей, проходящих радиально вдоль торца долота и разделенных совокупностью каналов прохода потока между собой, при этом одна из совокупности лопастей является лопастью отбора керна, содержащей вертикальную поверхность и наклонную поверхность, при этом по существу вертикальная поверхность и наклонная поверхность интегрально соединены; и совокупность режущих элементов, расположенных на совокупности лопастей, при этом один из совокупности режущих элементов является первым режущим элементом, расположенным на лопасти отбора керна на первой радиальной позиции от центральной осевой линии долота. 4 н. и 32 з.п. ф-лы, 30 ил.

Способ формирования зубков вооружения калибратора стволов скважин // 2592589

Изобретение относится к области износостойких композиционных спеченных материалов, применяемых для изготовления вооружения бурового инструмента и опорно-центрирующих устройств, полученных методами порошковой металлургии, в частности устройств для калибровки ствола скважин. Технический результат заключается в повышении твердости и антифрикционных свойств рабочей части зубков вооружения калибратора стволов скважин, а также его стойкости к разрушению. В способе формирования зубков вооружения калибратора стволов скважин предварительно замешивают на связующем порошок высокохромистого чугуна и самофлюсующийся порошковый сплав системы Ni-B-Si при определенном соотношении компонентов с получением матрицы, после чего в полученную матрицу добавляют упрочняющую фазу в виде карбида титана при определенном соотношении. Затем полученную смесь наносят на металлическую подложку, размещенную в оправке заданной конфигурации, соответствующей в плане торцевой поверхности хвостовика зубка, и уплотняют подвижным медным пуансоном под заданным давлением, полученный продукт спекают путем циклического пропускания через него электрического тока с удельной мощностью спекания в интервале 2000-2700 Дж/мм3 в течение 1,5-3,5 с, после чего его охлаждают при комнатной температуре с получением зубка. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Стенд для исследования буровых рабочих органов // 2593612

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к оборудованию для испытания буровых рабочих органов. Технический результат заключается в повышении эффективности и расширении диапазона возможностей путем измерения крутящего момента, осевого усилия и скорости погружения рабочего органа, а также путем использования в эксперименте рабочих органов больших диаметров и значительного сокращения времени на проведение испытаний в естественных условиях без подготовки образцов. Для достижения технического результата предложен стенд для исследования буровых рабочих органов, содержащий опорную раму (1) с закрепленными на ней направляющими стойками ((3), ползун (4), установленный на направляющих стойках (3) с возможностью вертикального перемещения, привод вращения бурового рабочего органа и механизм перемещения ползуна. Согласно изобретению опорная рама (1) выполнена с каркасом (2), привод вращения бурового рабочего органа установлен на ползуне (4) и содержит электродвигатель (7), втулочно-пальцевую муфту (8), цилиндрический редуктор (9) и соединительную муфту (10) для передачи вращения буровой штанге (11), на которой установлен буровой рабочий орган в виде буровой головки (13) со шнеком (12). Между буровой штангой (11) и соединительной муфтой (10) закреплено тензозвено (14) для регистрации крутящего момента, передаваемого на буровой рабочий орган. Механизм перемещения ползуна с установленным на нем буровым оборудованием содержит лебедку (5) и полиспастную подвеску (6), установленную на каркасе (2), закрепленном на опорной раме (1). При этом ползун (4) соединен с полиспастной подвеской (6), в которой встроено тензозвено (15) для регистрации осевого усилия, а блочный элемент (16) полиспастной подвески соединен с приспособлением для регистрации скорости перемещения ползуна, соответствующей скорости погружения бурового рабочего органа. 2 ил.

Улучшения прочности буртика для pdc бурового долота с использованием вторичных и третичных режущих элементов // 2594399

Группа изобретений относится к PDC-долотам и к способам размещения PDC-резцов на долоте. Технический результат заключается в улучшении режущей способности и повышении прочности буртика долота. PDC-долото содержит несколько лопастей, содержащих первую лопасть из нескольких лопастей, содержащую набор первых первичных PDC-резцов в ряду первых первичных резцов и набор первых дублирующих PDC-резцов в ряду первых вторичных резцов, при этом радиальное положение каждого первого дублирующего PDC-резца в ряду первых вторичных резцов смещено от радиального положения каждого первого первичного PDC-резца в ряду первых первичных резцов. По меньшей мере один первый первичный PDC-резец только лишь частично перекрывает соответствующий смещенный радиально вторичный PDC-резец так, что периферийный край радиально смещенного вторичного PDC-резца выступает наружу относительно по меньшей мере одного первого первичного PDC-резца в профиле долота указанной первой лопасти. Первые дублирующие PDC-резцы расположены в части буртика долота рядом с диаметром долота, и все дублирующие PDC-резцы долота расположены в части буртика. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 13 ил.

Буровое алмазное долото для бурения зоны поглощения промывочной жидкости // 2601709

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому для бурения нефтяных и газовых скважин. Технический результат заключается в возможности использования алмазных долот при бурении зон поглощения промывочной жидкости. Буровое алмазное долото для бурения зоны поглощения промывочной жидкости содержит цилиндрический корпус с резьбой для присоединения к колонне бурильных труб, лопасти с алмазными резцами для разрушения породы, внутренние полости и каналы для подачи промывочной жидкости к забою, твердосплавные насадки, установленные на выходе из этих каналов. В качестве резцов для разрушения породы использованы термостойкие алмазные резцы двойного прессования с минимальным количеством кобальта в верхнем слое, которые установлены на лопастях с отрицательным передним углом в пределах 15-20°, а каналы для подачи промывочной жидкости и твердосплавные насадки имеют проходной диаметр не менее 16 мм. 3 ил.

Промывочный узел бурового долота (варианты) // 2611779

Группа изобретений относится к промывочным узлам бурового долота. Технический результат заключается в повышении эффективности работы промывочного узла. Промывочный узел бурового долота содержит корпус с каналом и гнездом, выполненным с кольцевой расточкой, установленные в гнезде насадку с уплотнительным элементом и размещенное в кольцевой расточке гнезда стопорное разрезное кольцо, и фиксирующий узел. Фиксирующий узел состоит из пластины, щеколды и защитного кожуха, при этом один из концевых участков стопорного разрезного кольца снабжен пластиной, жестко соединенной со стопорным разрезным кольцом и выполненной с глухим пазом на верхнем торце, а другой концевой участок стопорного разрезного кольца снабжен щеколдой, соединенной со стопорным разрезным кольцом с возможностью поворота посредством оси, при этом свободный конец щеколды в рабочем положении размещен в пазу пластины для взаимодействия с боковой стенкой пластины и закреплен относительно пластины посредством винта, причем щеколда и пластина для этого закрепления имеют соосные отверстия и внутреннюю резьбу в отверстии пластины. Защитный кожух выполнен цилиндрическим двухступенчатым с внутренним каналом, ступень большего диаметра имеет наружную резьбу, ответную внутренней резьбе в гнезде промывочного узла, и своим торцом в рабочем положении поджимает пластину и щеколду к стопорному разрезному кольцу и насадке, а ступень меньшего диаметра оканчивается возле торца насадки и своим торцом в рабочем положении поджимает насадку к корпусу промывочного узла посредством упругого элемента в виде уплотнительного кольца, жестко закрепленного в кольцевой проточке на том торце насадки, который взаимодействует с торцом ступени меньшего диаметра защитного кожуха. Пластина и щеколда находятся в пространстве между ступенью меньшего диаметра и внутренней поверхностью гнезда, на выходном торце защитного кожуха имеются прорези под ключ, а внутренний канал защитного кожуха выполнен с винтовой нарезкой. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

Шарошка бурового долота // 2612171

Изобретение относится к области горного дела, а именно к шарошкам буровых долот для бурения скважин большого диаметра под сваи, разработки горных пород. Технический результат заключается в увеличении срока службы шарошки. Шарошка бурового долота содержит корпус, ось, установленную в корпусе на подшипниках, крышку, снабженную подпружиненным относительно нее поршнем с образованием камеры переменного объема, образованной между поршнем и подшипником, при этом поршень и корпус снабжены парой уплотнительных элементов. Корпус и крышка на месте сопряжения с осью снабжены дополнительными уплотнительными элементами, выполненными из пористого материала. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.