РЕЖУЩИЙ ПКА-ЭЛЕМЕНТ С РЕБРАМИ Российский патент 2015 года по МПК E21B10/56 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в общем смысле относится к режущим элементам из поликристаллического алмазного композита ("PDC") и, более конкретно, к режущим PDC-элементам с одним или несколькими ребрами.

Уровень техники

Поликристаллический алмазный композит ("PDC") применяется в промышленности при бурении по породе и при обработке металлов резанием. Такие композиты продемонстрировали перед некоторыми другими типами режущих элементов такие преимущества, как лучшая износостойкость и ударная вязкость. PDC может быть образован спеканием вместе индивидуальных алмазных зерен под условиями высокого давления и высокой температуры ("НРНТ"), именуемых «областью устойчивости алмаза», которая в типичном случае превышает сорок килобар и находится между 1200°C и 2000°C, в присутствии катализатора/растворителя, который способствует образованию связей алмаз-алмаз. Некоторые примеры катализатора/растворителя для получаемых спеканием алмазных композитов представлены кобальтом, никелем, железом и другими металлами VIII группы. PDC обычно имеют содержание алмазов, превышающее по объему 70%, в типичных случаях от 85 до около 95%. Согласно одному примеру к инструменту может механически прикрепляться PDC, не имеющий подложки (не показано). В качестве варианта, PDC может присоединяться к подложке, тем самым образуя режущий PDC-элемент, который является в типичном случае вставляемым в скважинный инструмент (не показан), такой как буровое долото или расширительное долото.

На фиг.1 показано поперечное сечение режущего PDC-элемента 100, имеющего режущую пластину 110 из поликристаллического алмаза («ПКА») или композита, в соответствии с известным уровнем техники. Хотя в данном примере осуществления описывается режущая ПКА-пластина 110, в альтернативных вариантах режущих элементов применяются и другие типы режущих пластин, включая композиты кубического нитрида бора ("CBN"). Представленный на фиг.1 режущий PDC-элемент 100 в типичном случае включает режущую ПКА-пластину 110 и подложку 150, которая соединена с режущей ПКА-пластиной 110. Режущая ПКА-пластина 110 имеет толщину около ста тысячных долей дюйма (2,5 миллиметра) в наиболее толстом участке режущей ПКА-пластины 110, однако эта толщина может варьировать в зависимости от приложения.

Подложка 150 включает верхнюю поверхность 152, нижнюю поверхность 154 и внешнюю стенку 156 подложки, которая продолжается от окружности верхней поверхности 152 к окружности нижней поверхности 154. Верхняя поверхность 152 не является плоской, но в некоторых воплощениях может быть по существу плоской. Неплоская верхняя поверхность 152 включает один или несколько столбиков 153, которые продолжаются по существу вверх в вертикальном относительно нижней поверхности 154 направлении. При этом в других воплощениях неплоская верхняя поверхность 152 включает выпуклости и впадины или же любые другие выступы и/или углубления, делающие таким образом верхнюю поверхность 152 неплоский. Режущая ПКА-пластина 110 включает режущую поверхность 112, противоположную поверхность 114 и внешнюю стенку 116 режущей ПКА-пластины, которая продолжается от окружности режущей поверхности 112 к окружности противоположной поверхности 114. Согласно некоторым примерам осуществления по меньшей мере по окружности режущей ПКА-пластины ПО образована фаска (не показана). Противоположная поверхность 114 является неплоской и взаимодополняющей для верхней поверхности 152, но в некоторых воплощениях может быть по существу плоской. Противоположная по отношению к режущей ПКА-пластине 110 поверхность 114 соединена с верхней поверхностью 152 подложки 150 и окружает столбики 153 или выступы других типов. Как правило, режущая ПКА-пластина 110 присоединена к подложке 150 с помощью пресса НРНТ. Однако для соединения режущей ПКА-пластины 110 с подложкой 150 могут использоваться и другие, известные средним специалистам в данной области способы. В одном воплощении при соединении режущей ПКА-пластины 110 с подложкой 150 режущая поверхность 112 режущей ПКА-пластины 110 по существу является параллельной нижней поверхности 154 подложки 150. Помимо этого, режущий PDC-элемент 100 представлен как имеющий форму правильного круглого цилиндра, однако в других воплощениях режущий PDC-элемент 100 может быть образован в виде других геометрических или негеометрических форм.

Согласно одному примеру режущий PDC-элемент 100 образован независимо получаемыми режущей ПКА-пластиной 110 и подложкой 150 с последующим присоединением режущей ПКА-пластины 110 к подложке 150. В качестве варианта вначале образуется подложка 150, а затем на верхней поверхности 152 подложки 150 образуется режущая ПКА-пластина 110 посредством помещения на верхнюю поверхность 152, вокруг столбиков 153 включительно, поликристаллической алмазной крошки и подвергания поликристаллической алмазной крошки и подложки 150 действию высокой температуры и высокого давления. Хотя были кратко упомянуты лишь два способа образования режущего PDC-элемента 100, могут применяться и другие способы, известные средним специалистам в данной области.

Согласно одному примеру режущая ПКА-пластина 110 присоединяется к подложке 150, образованной из такого материала, как цементированный карбид вольфрама, подверганием слоя алмазной крошки и смеси порошков карбида вольфрама и кобальта действию условий НРНТ. Кобальт диффундирует в алмазную крошку в ходе обработки и поэтому действует и как катализатор/растворитель спекания алмазной крошки для образования связей алмаз-алмаз, и в качестве связующего для карбида вольфрама. Между углерод-углеродными связями алмаза образуются пустоты. Между режущей ПКА-пластиной 110 и подложкой из цементированного карбида вольфрама 150 образуются прочные связи. Диффузия кобальта в алмазную крошку приводит к осаждению кобальта внутри пустот, образованных в режущей ПКА-пластине 110. Хотя в качестве примеров представляются лишь некоторые материалы, такие как карбид вольфрама и кобальт, для получения подложки 150, режущей ПКА-пластины 110 и образования связи между подложкой 150 и режущей ПКА-пластиной 110 могут использоваться и другие материалы, известные средним специалистам в данной области.

Так как кобальт, или материал катализатора, осаждается внутри пустот, образованных в режущей ПКА-пластине 110, и кобальт имеет намного более высокий коэффициент термического расширения, чем алмаз, режущая ПКА-пластина 110 при температурах, превышающих около 750°C, подвергается термическому ухудшению и ее эффективность резания значительно снижается. Поэтому были применены стандартные способы выщелачивания, известные средним специалистам в данной области, для того, чтобы ввести осажденный материал катализатора в химическое взаимодействие и таким образом удалить материал катализатора из пустот.

Все типичные способы выщелачивания включают присутствие раствора кислоты (не показан), который реагирует с материалом осажденного внутри пустот режущей ПКА-пластины 110 катализатора. Согласно одному примеру типичного способа выщелачивания режущий PDC-элемент помещается в раствор кислоты (не показан) так, чтобы по меньшей мере один участок режущей ПКА-пластины 110 был погружен в кислый раствор. Кислый раствор реагирует с материалом катализатора по внешним поверхностям режущей ПКА-пластины 110. Кислый раствор медленно перемещается внутрь режущей ПКА-пластины 110 и продолжает реагировать с материалом катализатора. Однако по мере того как кислый раствор продвигается далее вовнутрь, все больше и больше затрудняется удаление побочных продуктов реакции и, следовательно, скорость выщелачивания значительно замедляется. По этой причине устанавливается компромисс между продолжительностью процесса выщелачивания, при котором по мере увеличения длительности выщелачивания происходит увеличение затрат, и глубиной извлечения катализатора. Как правило, процесс выщелачивания выполняется так, чтобы обеспечить глубину извлечения катализатора около двух миллиметров, однако эта глубина может быть увеличена или уменьшена в зависимости от применений режущей ПКА-пластины 110 и/или ограничений на издержки.

На фиг.2А показано поперечное сечение представленного на фиг.1 режущего PDC-элемента 100, имеющего в режущей ПКА-пластине 110 площадку притупления 210, в соответствии с известным уровнем техники. На фиг.2В представлен вид сбоку режущего PDC-элемента 100 с фиг.2А в соответствии с известным уровнем техники. На фиг.2А и 2В представлена площадка притупления 210, развивающаяся на участке окружности режущей ПКА-пластины 110, когда участок режущей ПКА-пластины 110 истирается вследствие происходящего между режущей ПКА-пластиной 110 и горной породой взаимодействия. Когда образуется площадка притупления 210, в итоге по меньшей мере один участок одного или нескольких столбиков 153 подложки 150 раскрывается для выполнения резания горной породы. Внутри площадки притупления 210, там, где режущая ПКА-пластина 110 встречается со столбиком 153, образуется граница раздела 220. Так как режущая ПКА-пластина 110 образована по существу из алмаза или другого известного материала, а столбики 153 образованы по существу из карбида вольфрама или другого известного материала, взаимодействия, происходящие между режущей ПКА-пластиной 110 и горной породой, а также между столбиком 153 и горной породой заставляет столбик 153 изнашиваться быстрее, чем окружающую режущую ПКА-пластину 110. Таким образом, раскрытый участок столбика 153 становится немного утопленным в площадку притупления 210 по сравнению с раскрытым участком режущей ПКА-пластины 110 внутри площадка притупления 210. В результате режущий PDC-элемент 100 в дополнение к режущим действиям, выполняемым индивидуально режущей ПКА-пластиной 110 и столбиками 153, обеспечивает эффект резания когтем, возникающий между границами раздела 220 и горной породой. Такое режущее действие обеспечивает улучшенное резание и более высокую механическую скорость бурения ("ROP"). Как правило, изношенный режущий PDC-элемент 110 или весь скважинный инструмент, который включает несколько таких изношенных режущих PDC-элементов 110, заменяется, как только раскрываются столбики 153 или вскоре после этого, таким образом, преимущества от эффекта резания когтем полностью не реализуются.

Краткое описание чертежей

Предшествующие и другие признаки и объекты данного изобретения лучше всего поддаются пониманию при обращении к следующему описанию некоторых примеров его осуществления, когда воспринимаются в сочетании с сопутствующими чертежами.

На фиг.1 показан вид поперечного сечения режущего PDC-элемента, имеющего режущую ПКА-пластину, в соответствии с известным уровнем техники;

на фиг.2А - поперечное сечение представленного на фиг.1 режущего PDC-элемента, имеющего в режущей ПКА-пластине площадку притупления, в соответствии с известным уровнем техники;

на фиг.2В - вид сбоку режущего PDC-элемента 100 с фиг.2А в соответствии с известным уровнем техники;

на фиг.3А - вид в перспективе режущего PDC-элемента, имеющего одно или несколько образованных в режущей ПКА-пластине ребер, в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения;

на фиг.3В - вид сверху режущей представленной на фиг.3А ПКА-пластины в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения;

на фиг.4 - поперечное сечение режущего PDC-элемента, имеющего одно или несколько образованных в режущей ПКА-пластине ребер, в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения;

на фиг.5 - вид сверху режущей ПКА-пластины, имеющей одно или несколько ребер, в соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения;

на фиг.6 - вид сверху режущей ПКА-пластины, имеющей одно или несколько ребер, в соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения;

на фиг.7 - вид в перспективе разрезного режущего PDC-элемента, имеющего одну или несколько канавок, которые используются для образования режущего PDC-элемента с фиг.3А, в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения;

на фиг.8А - вид сбоку устройства для изготовления ребер, предназначенного для изготовления на режущей ПКА-пластине одного или более ребер, в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения;

на фиг.8В - вид сбоку устройства для изготовления получаемых спеканием ребер, образованного методом спекания из устройства для изготовления ребер с фиг.8А, в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения; и

на фиг.8С - вид сверху режущей ПКА-пластины с фиг.8В с верхним участком крышки, удаленным в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения.

Данные чертежи лишь иллюстрируют примеры осуществления данного изобретения и поэтому не могут рассматриваться в качестве ограничивающих его объем, поскольку данное изобретение может быть представлено и в других, в той же мере эффективных воплощениях.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение в общем смысле относится к режущим элементам из поликристаллического алмазного композита ("PDC") и, более конкретно, к режущим PDC-элементам с одним или несколькими ребрами. Хотя описание примеров осуществления представляется ниже в отношении режущего PDC-элемента, альтернативные варианты воплощения изобретения могут быть применимыми и к другим типам режущих элементов или композитов, включая, но не ограничиваясь режущими элементами из поликристаллического нитрида бора ("PCBN") или композитов PCBN. Изобретение лучше понимается при прочтении следующего описания неограничивающих примеров его осуществления с обращением к прилагаемым чертежам, на которых одинаковые детали на всех фигурах идентифицируются одинаковыми номерами позиций и которые кратко описываются следующим образом.

На фиг.4 показан вид в перспективе режущего PDC-элемента 300, имеющего одно или несколько образованных в режущей ПКА-пластине 310 ребер 320, в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения. На фиг.3В показан вид сверху режущей представленной на фиг.3А ПКА-пластины 310 в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения. Хотя в данном примере осуществления описывается режущая ПКА-пластина 310, в альтернативных вариантах режущих элементов применяются и другие типы режущих пластин, включая композиты кубического нитрида бора ("CBN"). Представленный на фиг.3А и 3В режущий PDC-элемент 300 включает подложку 350 и режущую ПКА-пластину 310, которая присоединена к подложке 350. Режущая ПКА-пластина включает одно или несколько образованных в ней ребер 320.

Подложка 350 включает верхнюю поверхность 352, нижнюю поверхность 354 и внешнюю стенку 356 подложки, которая продолжается от окружности верхней поверхности 352 к окружности нижней поверхности 354. Согласно одному примеру осуществления подложка 350 образована в форме правильного круглого цилиндра, но может быть образована и в виде других геометрических или негеометрических форм в зависимости от применений режущего PDC-элемента 300. Согласно одному примеру осуществления подложка 350 образована с применением порошка карбида вольфрама и кобальта, подвергнутых действию высокого давления и высоких температур, однако, не отступая от объема и сущности данного примера осуществления, могут использоваться и другие соответствующие материалы, известные средним специалистам в данной области. Подложка 350 подобна подложке 150 (фиг.1) за исключением того, что верхняя поверхность 352 является по существу плоской. Однако в некоторых примерах осуществления, не отступая от объема и сущности примера осуществления, верхняя поверхность 352 не является плоской.

Режущая ПКА-пластина 310 включает режущую поверхность 312, противоположную поверхность 314 и внешнюю стенку 316 режущей ПКА-пластины, которая продолжается от окружности режущей поверхности 312 к окружности противоположной поверхности 314. Согласно одному примеру осуществления режущая ПКА-пластина 310 образована с применением алмазной крошки и материала катализатора, такого как кобальт, подвергнутых действию высокого давления и высоких температур, однако, не отступая от объема и сущности данного примера осуществления, могут использоваться и другие соответствующие материалы, известные средним специалистам в данной области. Режущая ПКА-пластина 310 является подобной режущей PDC-пластине 110 (фиг.1), за исключением того, что противоположная поверхность 314 является по существу плоской и того, что на ней образованы ребра 320. Однако в некоторых примерах осуществления без отступления от объема и сущности примера осуществления противоположная поверхность 314 не является плоской и по форме является взаимодополняющей для верхней поверхности 352 подложки 350. Согласно некоторым примерам осуществления по меньшей мере по окружности режущей ПКА-пластины 310 образована фаска (не показана).

Режущая ПКА-пластина 310 присоединяется к подложке 350 в соответствии со способами, известными средним специалистам в данной области. В одном примере режущий PDC-элемент 300 образован независимо получаемыми режущей ПКА-пластиной 310 и подложкой 350 с последующим присоединением режущей ПКА-пластины 310 к подложке 350. В другом примере вначале образуется подложка 350, а затем на верхней поверхности 352 подложки 350 образуется режущая ПКА-пластина 310 посредством помещения на верхнюю поверхность 354 поликристаллической алмазной крошки и подвергания поликристаллической алмазной крошки и подложки 350 действию высокой температуры и высокого давления.

В одном примере осуществления при соединении режущей ПКА-пластины 310 с подложкой 350 режущая поверхность 312 режущей ПКА-пластины 310 по существу является параллельной нижней поверхности 354 подложки 350. Помимо этого, режущий PDC-элемент 300 изображен как имеющий форму правильного круглого цилиндра, однако в других примерах осуществления режущий PDC-элемент 300 может быть образован в виде других геометрических или негеометрических форм.

Согласно одному примеру режущая ПКА-пластина 310 присоединяется к подложке 350, такой как цементированный карбид вольфрама, подверганием слоя алмазной крошки с или без порошка кобальта действию условий НРНТ. Кобальт диффундирует в алмазную крошку в ходе обработки и поэтому действует и как катализатор/растворитель спекания алмазной крошки для образования связей алмаз-алмаз, и в качестве связующего для карбида вольфрама. Между режущей ПКА-пластиной 310 и подложкой из цементированного карбида вольфрама 350 образуются прочные связи. Диффузия кобальта в алмазную крошку приводит к осаждению кобальта внутри пустот, образованных в режущей ПКА-пластине 310. Хотя в качестве примеров представляются лишь некоторые материалы, такие как карбид вольфрама и кобальт, для получения подложки 350, режущей ПКА-пластины 310 и образования связи между подложкой 350 и режущей ПКА-пластиной 310 могут использоваться и другие материалы, известные средним специалистам в данной области.

Так как кобальт, или материал катализатора, осаждается внутри пустот, образованных в режущей ПКА-пластине 310, и кобальт имеет внутри режущей ПКА-пластины 310 намного более высокий коэффициент термического расширения, чем алмаз, согласно некоторым примерам осуществления режущая ПКА-пластина 310 для улучшения ее термической устойчивости подвергается процессу выщелачивания. Как упоминалось ранее, в процессе выщелачивания происходит удаление материала катализатора из образованных между углеродными связями пустот. Благодаря компромиссу между длительностью процесса выщелачивания и глубиной выщелачивания, глубина выщелачивания составляет около 0,2 миллиметров; однако глубина выщелачивания может варьировать в зависимости от тех применений, для которых предназначается данная режущая ПКА-пластина, и ограничений на издержки. Глубина выщелачивания возрастает при подвергании режущей ПКА-пластины 310 более продолжительному процессу выщелачивания.

Одно или несколько ребер 320 продолжаются от участка режущей поверхности 312 к участку внешней стенки 316 режущей ПКА-пластины. Каждое ребро 320 имеет по существу треугольную форму и включает поперечную кромку 322 ребра, продольную кромку 325 ребра и первую угловую кромку 328 ребра. Поперечная кромка 322 ребра образована по участку режущей поверхности 312. Однако в одном альтернативном примере осуществления по меньшей мере один участок поперечной кромки 322 ребра утоплен внутрь режущей поверхности 312. Продольная кромка 325 ребра образована по участку внешней стенки 316 режущей ПКА-пластины. Однако в одном альтернативном примере осуществления по меньшей мере один участок поперечной кромки 325 ребра утоплен внутрь внешней стенки 316 режущей ПКА-пластины. Первая угловая кромка 328 ребра продолжается от участка поперечной кромки 322 ребра к участку продольной кромки 425 ребра. Участок режущей ПКА-пластины 310, ограниченный поперечной кромкой 322 ребра, продольной кромкой 325 ребра и первой угловой кромкой 328 ребра занимается материалом 399 ребра. Материалом 399 ребер является любая керамика, металл, такой как алюминий, металлический сплав, осаждаемый из углеродной паровой фазы ("CVD") алмаз, кубический нитрид бора ("CBN") или карбидный материал, включая, но не ограничиваясь карбидом молибдена, карбидом титана, карбидом ванадия, карбидом железа, карбидом никеля, карбидом ниобия и карбидом вольфрама. Согласно одному примеру в случаях, когда материал 399 ребра является карбидным материалом, для образования материала 399 ребра используется исходный материал ребер, способный к химическому взаимодействию с углеродом, который включает, но не ограничивается молибденом, титаном, ванадием, железом, никелем, ниобием и вольфрамом. В некоторых примерах осуществления исходный материал ребер не оказывает неблагоприятного воздействия на процесс спекания алмаза внутри режущей ПКА-пластины 310, а скорее содействует процессу спекания совместным образом или же не влияет на процесс спекания алмаза. Хотя некоторые примеры осуществления включают ребра 320 треугольной формы, другие примеры осуществления, не отступая от объема и сущности примера осуществления, имеют ребра, которые образованы с другой геометрической формой, такой как квадратная, прямоугольная или трубчатая, или же не имеют простой геометрической формы. Ребра 320 образованы по существу вблизи внешнего периметра режущей ПКА-пластины 310, так как это является областью, осуществляющей большинство действий резания. Ребра 320, образованные внутри режущей ПКА-пластины 310, обеспечивают эффект резания когтем почти сразу же после того, когда режущая ПКА-пластина 310 начинает резание. Ребра 320 изнашиваются быстрее, чем алмазный слой режущей ПКА-пластины 310, в результате образуя границу 395 раздела между режущей ПКА-пластиной 310 и ребрами 320, которая является подобной упомянутой выше границе 220 раздела (фиг.2). Ребра 320 образуются в режущей ПКА-пластине 310 либо после образования режущей ПКА-пластины 310, либо в ходе процесса спекания, при котором образуется режущая ПКА-пластина 310, оба эти способа подробно описаны ниже.

Поперечная кромка 322 ребра включает ближний конец 323 поперечной кромки ребра и дальний конец 324 поперечной кромки ребра, и продолжается от ближнего конца 323 поперечной кромки ребра к дальнему концу 324 поперечной кромки ребра по существу линейно. Однако в других примерах осуществления поперечная кромка 322 ребра по существу является круговой и включает ближний конец 323 поперечной кромки ребра и дальний конец 324 поперечной кромки ребра по противоположным концам окружности поперечной кромки 322 ребра. Ближний конец 323 поперечной кромки ребра по существу располагается в точке на окружности режущей поверхности 312. Однако согласно другим примерам осуществления ближний конец 323 поперечной кромки ребра располагается в точке внутри окружности режущей поверхности 312. Дальний конец 324 поперечной кромки ребра располагается в точке внутри окружности режущей поверхности 312 и ближе к центру режущей поверхности 312, чем положение ближнего конца 323 поперечной кромки ребра. В некоторых примерах осуществления и ближний конец 323 поперечной кромки ребра, и дальний конец 324 поперечной кромки ребра являются приблизительно равноудаленными от центра режущей поверхности 312.

Продольная кромка 325 ребра включает ближний конец 326 продольной кромки ребра и дальний конец 327 продольной кромки ребра, и продолжается от ближнего конца 326 продольной кромки ребра к дальнему концу 327 продольной кромки ребра по существу линейно. Однако в других примерах осуществления продольная кромка 325 ребра является по существу круговой и включает ближний конец 326 продольной кромки ребра и дальний конец 327 продольной кромки ребра по противоположным концам окружности продольной кромки 325 ребра. Ближний конец 326 продольной кромки ребра располагается в точке на внешней стенке 316 режущей ПКА-пластины, где внешняя стенка 316 режущей ПКА-пластины встречается с окружностью режущей поверхности 312. Таким образом, расположение ближнего конца 323 поперечной кромки ребра и ближнего конца 326 продольной кромки ребра является одним и тем же. Однако в соответствии с другими примерами осуществления ближний конец 326 продольной кромки ребра располагается на внешней стенке 316 режущей ПКА-пластины в точке ниже той, где внешняя стенка 316 режущей ПКА-пластины встречается с окружностью режущей поверхности 312. Согласно этим примерам осуществления расположение ближнего конца 323 поперечной кромки ребра и ближнего конца 326 продольной кромки ребра оказывается различным. Дальний конец 327 продольной кромки ребра располагается на внешней стенке 316 режущей ПКА-пластины в точке ниже ближнего конца 326 продольной кромки ребра, которая по сравнению с расположением ближнего конца 326 продольной кромки ребра находится еще дальше от той, где внешняя стенка 316 режущей ПКА-пластины встречается с окружностью режущей поверхности 312. Дальний конец 327 продольной кромки ребра по вертикали располагается на одной линии с ближним концом 326 продольной кромки ребра. Однако в других примерах осуществления дальний конец 327 продольной кромки ребра не располагается на одной вертикальной линии с ближним концом 326 продольной кромки ребра. Например, в некоторых примерах осуществления дальний конец 327 продольной кромки ребра располагается на одной горизонтальной линии с ближним концом 426 продольной кромки ребра. В еще одном примере дальний конец 327 продольной кромки ребра не выровнен с ближним концом 426 продольной кромки ребра ни по вертикали, ни по горизонтали, как в других примерах осуществления.

Первая угловая кромка 328 ребра продолжается от дальнего конца 324 поперечной кромки ребра к дальнему концу 327 продольной кромки ребра. Первая угловая кромка 328 ребра образует с режущей поверхностью 312 угол в пределах от около 5° до около 85°, который зависит от толщины режущей ПКА-пластины 310. Согласно некоторым примерам осуществления первая угловая кромка 328 ребра образует угол относительно режущей поверхности 312, который приблизительно равен продольному переднему углу режущего PDC-элемента 300 при его размещении в скважинном инструменте (не показан). В некоторых примерах осуществления, в которых расположение ближнего конца 323 поперечной кромки ребра и ближнего конца 326 продольной кромки ребра являются различными, образуется вторая угловая кромка ребра (не показана), продолжающаяся от ближнего конца 323 поперечной кромки ребра к ближнему концу 326 продольной кромки ребра. Согласно этим альтернативным примерам осуществления участок режущей ПКА-пластины 310, ограниченный поперечной кромкой 322 ребра, продольной кромкой 325 ребра, первой угловой кромкой 328 ребра и второй угловой кромкой ребра, занимается материалом 399 ребра.

Согласно иллюстрируемому примеру осуществления имеется семь ребер 320, образованных на режущей ПКА-пластине 310 в виде группы 330. Ребра 320 параллельны друг другу и образованы по существу рядом друг с другом. Ребра 320 образуются с глубиной, которая варьирует от 0,1 миллиметра до около нескольких миллиметров в зависимости от толщины режущей ПКА-пластины 310. Помимо этого, ребра 320 образованы там, где кромка 325 канавки по длине находится по существу под прямым углом к режущей поверхности 312. Кроме того, все ребра 320 располагаются через равноудаленные промежутки друг от друга.

Хотя в одном примере осуществления иллюстрируются семь ребер 320, согласно другим примерам осуществления количество ребер 320 может быть большим или меньшим. Количество ребер 320 может варьировать от одного до пятидесяти или даже более в зависимости от размера режущего PDC-элемента 300 и/или ширины ребер 320. В некоторых примерах осуществления все ребра 320 являются одинаковыми, однако в альтернативных примерах осуществления одно или несколько ребер 320 различаются. Например, по меньшей мере одно ребро 320 включает первую угловую кромку 328 ребра, которая образует угол с режущей поверхностью 312, отличающийся от угла, образованного между первой угловой кромкой ребра и режущей поверхностью другого ребра. В другом примере длина по меньшей мере одной поперечной кромки 322 ребра и продольной кромки 325 ребра одного ребра 320 различается с по меньшей мере одним соответствующим измерением другого ребра. В некоторых примерах осуществления допускаются различия в размерах ребер, их форме и/или ориентации в целях оптимизации либо объема режущей PDC-пластины 310, подвергаемого процессу выщелачивания после образования ребер 320 в результате процесса спекания, либо эффекта резания когтем.

Помимо этого, хотя согласно иллюстрируемому примеру осуществления ребра 320 образованы параллельно друг другу, в других примерах осуществления ребра 320 образованы по окружности или радиально по отношению к внешнему периметру режущей ПКА-пластины 310. Согласно некоторым примерам осуществления круговой порядок расположения ребер 320 образуется вблизи одного участка периметра режущей ПКА-пластины 310. Согласно другим примерам осуществления круговой порядок расположения ребер 320 образуется по всему периметру режущей ПКА-пластины 310. Согласно некоторым примерам осуществления минимальные промежутки между ребрами 320 составляют около тридцати трех тысячных долей дюйма, однако в других примерах осуществления минимальные промежутки между соседними ребрами 320 составляют менее тридцати трех тысячных долей дюйма. Хотя в поясняемом воплощении отображается продольная кромка 325 ребра, образованная под прямым углом к режущей поверхности 312, поперечная кромка 325 ребра может быть образована под углами в пределах от пяти до около 175 градусов к режущей поверхности 312. Кроме того, хотя ребра 320 образованы равноудаленным друг от друга образом, в некоторых примерах осуществления промежутки между соседними ребрами могут быть различными.

В некоторых примерах осуществления одна или несколько групп 330 ребер 320 образованы по окружности режущей ПКА-пластины 310 таким образом, чтобы режущий PDC-элемент 300 мог извлекаться, поворачиваться и вновь устанавливаться в скважинный инструмент или в другой инструмент в целях многократного использования, таким образом обеспечивая для резания новые или свежие ребра 320. Например, когда первая группа 330 ребер 320 оказывается изношенной в результате резания горной породы, режущий PDC-элемент 300 может быть повернут так, чтобы выставить наружу неизношенную группу (не показана) ребер 320 для дальнейшего резания горной породы. В зависимости от примера осуществления, группы 330 располагаются с угловыми интервалами друг от друга, составляющими от 45 до около 180°.

На фиг.4 показано поперечное сечение режущего PDC-элемента 400, имеющего одно или несколько образованных в режущей ПКА-пластине 410 ребер 420, в соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения. Представленный на фиг.4 режущий PDC-элемент 400 включает режущую ПКА-пластину 410, которая присоединена к подложке 450 в соответствии со способами, известными средним специалисты в данной области. Режущий PDC-элемент 400 подобен режущему PDC-элементу 300 (фиг.3А), за исключением того, что режущая ПКА-пластина 410 включает по меньшей мере одно ребро 420, отличающееся от ребра 320 (фиг.3А). Подобно режущей ПКА-пластине 310 (фиг.3А), режущая ПКА-пластина 410 включает режущую поверхность 412 и внешнюю стенку 416 режущей ПКА-пластины.

Каждое ребро 420 имеет по существу треугольную форму и включает поперечную кромку 422 ребра, продольную кромку 425 ребра, первую угловую кромку 428 ребра и вторую угловую кромку 429 ребра. Поперечный срез 422 ребра образован по участку режущей поверхности 412. Однако в одном альтернативном примере осуществления по меньшей мере один участок поперечной кромки 422 ребра утоплен внутрь режущей поверхности 412. Продольная кромка 425 ребра образована по участку внешней стенки 416 режущей ПКА-пластины. Однако в одном альтернативном примере осуществления по меньшей мере один участок поперечной кромки 425 ребра утоплен внутрь внешней стенки 416 режущей ПКА-пластины. Каждая из первой угловой кромки 428 ребра и второй угловой кромки 429 ребра продолжается от участка поперечной кромки 422 ребра к участку продольной кромки 425 ребра. Участок режущей ПКА-пластины 410, ограниченный поперечной кромкой 422 ребра, продольной кромкой 425 ребра, первой угловой кромкой 428 ребра и второй угловой кромкой 429 ребра, занимается материалом 399 ребра, тем самым образуя ребро 420. При том, что некоторые примеры осуществления включают ребра 420 трубчатой формы, другие примеры осуществления, не отступая от объема и сущности примера осуществления, имеют ребра 420, которые образованы с другой геометрической формой, такой как квадратная или трапециевидная, или же не имеют простой геометрической формы. Ребра 420 образованы по существу около внешнего периметра режущей ПКА-пластины 410, так как это является областью, осуществляющей большинство действий резания. Ребра 420, образованные внутри режущей ПКА-пластины 410, обеспечивают эффект резания когтем почти сразу же после того, когда режущая ПКА-пластина 410 начинает резание. Ребра 420 изнашиваются быстрее, чем алмазный слой режущей ПКА-пластины 410, в результате образуя границу раздела (не показана) между режущей ПКА-пластиной 410 и ребрами 420, которая является подобной упомянутой выше границе 220 раздела (фиг.2). Ребра 420 образуются в режущей ПКА-пластине 410 либо после образования режущей ПКА-пластины 410, либо в ходе процесса спекания, при котором образуется режущая ПКА-пластина 410, оба эти способа подробно описываются ниже.

Поперечная кромка 422 ребра включает ближний конец 423 поперечной кромки ребра и дальний конец 424 поперечной кромки ребра, и продолжается от ближнего конца 423 поперечной кромки ребра к дальнему концу 424 поперечной кромки ребра по существу линейно. Однако в других примерах осуществления поперечная кромка 422 ребра по существу является круговой и включает ближний конец 423 поперечной кромки ребра и дальний конец 424 поперечной кромки ребра по противоположным концам окружности поперечной кромки 422 ребра. Ближний конец 423 поперечной кромки ребра располагается в точке внутри окружности режущей поверхности 412. Дальний конец 424 поперечной кромки ребра располагается в точке внутри окружности режущей поверхности 412 и ближе к центру режущей поверхности 412, чем положение ближнего конца 423 поперечной кромки ребра.

Продольная кромка 425 ребра включает ближний конец 426 продольной кромки ребра и дальний конец 427 продольной кромки ребра, и продолжается от ближнего конца 426 продольной кромки ребра к дальнему концу 427 продольной кромки ребра по существу линейно. Однако в других примерах осуществления продольная кромка 425 ребра является по существу круговой и включает ближний конец 426 продольной кромки ребра и дальний конец 427 продольной кромки ребра по противоположным концам окружности продольной кромки 425 ребра.

Ближний конец 426 продольной кромки ребра располагается на внешней стенке 416 режущей ПКА-пластины в точке ниже той, где внешняя стенка 416 режущей ПКА-пластины встречается с окружностью режущей поверхности 412.

Дальний конец 427 продольной кромки ребра располагается на внешней стенке 416 режущей ПКА-пластины в точке ниже ближнего конца 426 продольной кромки ребра, которая по сравнению с расположением ближнего конца 426 продольной кромки ребра находится еще дальше от той, где внешняя стенка 416 режущей ПКА-пластины встречается с окружностью режущей поверхности 412. Дальний конец 427 продольной кромки ребра по вертикали располагается на одной линии с ближним концом 426 продольной кромки ребра. Однако в других примерах осуществления дальний конец 427 продольной кромки ребра не располагается на одной вертикальной линии с ближним концом 426 продольной кромки ребра.

Первая угловая кромка 428 ребра продолжается от дальнего конца 424 поперечной кромки ребра к дальнему концу 427 продольной кромки ребра. Первая угловая кромка 428 ребра образует с режущей поверхностью 412 угол в пределах от около 5° до около 85°, который зависит от толщины режущей ПКА-пластины 410. Согласно некоторым примерам осуществления первая угловая кромка 428 ребра образует угол относительно режущей поверхности 412, который приблизительно равен продольному переднему углу режущего PDC-элемента 400 при его размещении в скважинном инструменте (не показан).

Вторая угловая кромка 429 ребра продолжается от ближнего конца 423 поперечной кромки ребра к ближнему концу 426 продольной кромки ребра.

Вторая угловая кромка 429 ребра образует с режущей поверхностью 412 угол в пределах от около 5° до около 85°, который зависит от толщины режущей ПКА-пластины 410.

Согласно некоторым примерам осуществления вторая угловая кромка 429 ребра образует угол относительно режущей поверхности 412, который приблизительно равен продольному переднему углу режущего PDC-элемента 400 при его размещении в скважинном инструменте. Хотя первая угловая кромка 428 ребра по существу параллельна второй угловой кромке 429 ребра, в других примерах осуществления первая угловая кромка 428 ребра не является по существу параллельной второй угловой кромке 429 ребра.

На фиг.5 показан вид сверху режущей ПКА-пластины 510, имеющей одно или несколько ребер 520, в соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения. Режущая ПКА-пластина 510 включает одно или несколько ребер 520 и является подобной режущей ПКА-пластине 310 (фиг.3А), за исключением ребер 520, образованных по окружности или радиально по отношению ко всему внешнему периметру режущей ПКА-пластины 510. Ребра 520 образованы аналогичным по отношению к ребрам 320 (фиг.3А) образом, но в других примерах осуществления могут быть также образованы подобно ребрам 420 (фиг.4). Однако согласно некоторым примерам осуществления вблизи одного участка периметра режущей ПКА-пластины 520 образуется круговой порядок расположения ребер 510. Согласно некоторым примерам осуществления минимальные промежутки между ребрами 520 составляют около тридцати трех тысячных долей дюйма, однако в других примерах осуществления минимальные промежутки между соседними ребрами 520 составляют менее тридцати трех тысячных долей дюйма. Кроме того, хотя ребра 520 образованы равноудаленным друг от друга образом, в некоторых примерах осуществления интервалы между соседними ребрами 520 могут быть различными.

На фиг.6 показан вид сверху режущей ПКА-пластины 600, имеющей одно или несколько ребер 620, в соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения. Режущая ПКА-пластина 610 подобна режущей ПКА-пластине 310 (фиг.3А), за исключением того, что режущая ПКА-пластина 610 включает одну или несколько групп 630 ребер 620. Ребра 620 образованы аналогичным по отношению к ребрам 320 (фиг.3А) образом, но в других примерах осуществления могут быть образованы подобно ребрам 420 (фиг.4). Есть четыре группы 630, которые ориентированы друг относительно друга под углом около 90°, однако разделение между соседними группами может быть под различными углами в пределах от около 45° до 180° в зависимости от требований конкретных применений и количества ребер 620 в каждой группе 630. Согласно одному примеру осуществления внутри режущей ПКА-пластины 610 образованы четыре группы 630. Каждая группа 630 включает семь параллельных ребер 620. Количество ребер 620 в группе 630 для различных примеров осуществления является изменяемым. Помимо этого, в различных примерах осуществления изменяемым является количество групп 630. Кроме того, согласно некоторым примерам осуществления ребра 620 могут располагаться не параллельно, а радиально. Группы 630 образованы по окружности режущей ПКА-пластины 610 таким образом, чтобы режущий элемент (не показан) мог извлекаться, вращаться и вновь устанавливаться в скважинный инструмент (не показан) или в другой инструмент в целях многократного использования, тем самым обеспечивая для резания новые или свежие ребра 620 режущей ПКА-пластины 610. Например, когда первая группа 630 ребер 620 оказывается изношенной в результате резания горной породы, режущий элемент может быть повернут так, чтобы выставить наружу другую, неизношенную группу 630 (не показана) для дальнейшего резания горной породы.

Показанные на фиг.3-6 и ранее упоминаемые ребра 320, 420, 520 или 620 образованы либо после образования режущей ПКА-пластины 310, 410, 510 или 610, либо в ходе выполняемого при высоком давлении и высокой температуре процесса спекания, приводящего к образованию режущей ПКА-пластины 310, 410, 510 или 610. Один способ образования ребер 320, 420, 520 или 620 после образования режущей ПКА-пластины 310, 410, 510 или 610 описывается ниже в сочетании с обращением к фиг.7. Один способ образования ребер 320, 420, 520, или 620 в ходе выполняемого при высоком давлении и высокой температуре процесса спекания режущей ПКА-пластины 310, 410, 510 или 610 описывается ниже в сочетании с обращением к фиг.8А, 8B и 8С.

На фиг.7 показан вид в перспективе разрезного режущего PDC-элемента 700, имеющего одну или несколько канавок 720, которые используются для образования режущего представленного на фиг.3А PDC-элемента 300, в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения. Режущий PDC-элемент 300 (фиг.3А) образуется при заполнении канавок 720 разрезного режущего PDC-элемента 700 материалом 399 ребер (фиг.3А). Согласно некоторым примерам осуществления для образования ребер 320 (фиг.3А) канавка 720 полностью заполняется материалом 399 ребер. Согласно другим примерам осуществления для образования ребер 320 (фиг.3А) материалом 399 ребер заполняется лишь участок канавки 720. Фиг.7 обеспечивает один пример образования ребер 320 (фиг.3А) в режущей ПКА-пластине 310 (фиг.3А) после образования режущей ПКА-пластины 310 (фиг.3А). Представленный на фиг.7 разрезной режущий PDC-элемент 700 включает подложку 750 и режущую ПКА-пластину 710, которая присоединена к подложке 750. Режущая ПКА-пластина 710 включает одну или несколько образованных в ней канавок 720.

Подложка 750 включает верхнюю поверхность 752, нижнюю поверхность 754 и внешнюю стенку 756 подложки, которая продолжается от окружности верхней поверхности 752 к окружности нижней поверхности 754. Подложка 750 является подобной подложке 350 (фиг.3А). Режущая ПКА-пластина 710 включает режущую поверхность 712, противоположную поверхность 714 и внешнюю стенку 716 режущей ПКА-пластины, которая продолжается от окружности режущей поверхности 712 к окружности противоположной поверхности 714. Режущая ПКА-пластина 710 подобна режущей ПКА-пластине 310 (фиг.3А), за исключением того, что режущая ПКА-пластина 710 включает одну или несколько канавок 720, а не одно или несколько ребер 320 (фиг.3А).

Одна или несколько канавок 720 продолжаются от участка режущей поверхности 712 к участку внешней стенки 716 режущей ПКА-пластины. Каждая канавка 720 имеет по существу треугольную форму и включает поперечный срез 722 канавки, продольный срез 725 канавки и первый угловой срез 728 канавки. Поперечный срез 722 канавки образован по участку режущей поверхности 712. Продольный срез 725 канавки образован по участку внешней стенки 716 режущей ПКА-пластины. Первый угловой срез 728 канавки продолжается от участка поперечного среза 722 канавки к участку продольного среза 725 канавки. Участок режущей ПКА-пластины 710, ограниченный поперечным срезом 722 канавки, продольным срезом 725 канавки и первым угловым срезом 728 канавки, удаляется, тем самым образуя канавку 720. Хотя некоторые примеры осуществления включают канавки 720 треугольной формы, другие примеры осуществления, не отступая от объема и сущности примера осуществления, имеют канавки 720, которые образованы с другой геометрической формой, такой как квадратная, прямоугольная или трубчатая, или же не имеют простой геометрической формы. Канавки 720 образованы по существу вблизи внешнего периметра режущей ПКА-пластины 710, так как это является областью, осуществляющей большинство действий резания. Канавки 720, образованные внутри режущей ПКА-пластины 710, обеспечивают более значительную площадь поверхности режущей ПКА-пластины 710, которая, если желательно, подвергается действию процесса выщелачивания.

Поперечный срез 722 канавки включает ближний конец 723 поперечного среза канавки и дальний конец 724 поперечного среза канавки, и продолжается от ближнего конца 723 поперечного среза канавки к дальнему концу 724 поперечного среза канавки по существу линейно. Однако в других примерах осуществления поперечный срез 722 канавки по существу является круговым и включает ближний конец 723 поперечного среза канавки и дальний конец 724 поперечного среза канавки по противоположным концам окружности поперечного среза 722 канавки. Ближний конец 723 поперечного среза канавки по существу располагается в точке на окружности режущей поверхности 712. Однако согласно другим примерам осуществления ближний конец 723 поперечного среза канавки располагается в точке внутри окружности режущей поверхности 712. Дальний конец 724 поперечного среза канавки располагается в точке внутри окружности режущей поверхности 712 и ближе к центру режущей поверхности 712, чем положение ближнего конца 723 поперечного среза канавки. В некоторых примерах осуществления и ближний конец 723 поперечного среза канавки, и дальний конец 724 поперечного среза канавки являются приблизительно равноудаленными от центра режущей поверхности 712.

Продольный срез 725 канавки включает ближний конец 726 продольного среза канавки и дальний конец 727 продольного среза канавки, и продолжается от ближнего конца 726 продольного среза канавки к дальнему концу 727 продольного среза канавки по существу линейно. Однако в других примерах осуществления продольный срез 725 канавки по существу является круговым и включает ближний конец 726 продольного среза канавки и дальний конец 727 продольного среза канавки по противоположным концам окружности продольного среза 725 канавки. Ближний конец 726 продольного среза канавки располагается в точке на внешней стенке 716 режущей ПКА-пластины, где внешняя стенка 716 режущей ПКА-пластины встречается с окружностью режущей поверхности 712. Таким образом, расположение ближнего конца 723 поперечного среза канавки и ближнего конца 726 продольного среза канавки является одним и тем же. Однако в соответствии с другими примерами осуществления ближний конец 726 продольного среза канавки располагается на внешней стенке 716 режущей ПКА-пластины в точке ниже той, где внешняя стенка 716 режущей ПКА-пластины встречается с окружностью режущей поверхности 712. Согласно этим примерам осуществления расположение ближнего конца 723 поперечного среза канавки и ближнего конца 726 продольного среза канавки оказывается различным. Дальний конец 727 продольного среза канавки располагается на внешней стенке 716 режущей ПКА-пластины в точке ниже ближнего конца 726 продольного среза канавки, которая по сравнению с расположением ближнего конца 726 продольного среза канавки находится еще дальше от той, где внешняя стенка 716 режущей ПКА-пластины встречается с окружностью режущей поверхности 712. Дальний конец 727 продольного среза канавки располагается по вертикали на одной линии с ближним концом 726 продольного среза канавки. Однако в других примерах осуществления дальний конец 727 продольного среза канавки не располагается на одной вертикальной линии с ближним концом 726 продольного среза канавки. Например, в некоторых примерах осуществления дальний конец 727 продольного среза канавки располагается на одной горизонтальной линии с ближним концом 726 продольного среза канавки. В еще одном примере дальний конец 727 продольного среза канавки не выровнен с ближним концом 726 продольного среза канавки ни по вертикали, ни по горизонтали, как в других примерах осуществления.

Первый угловой срез 728 канавки продолжается от дальнего конца 724 поперечного среза канавки к дальнему концу 727 продольного среза канавки. Первый угловой срез 728 канавки образует с режущей поверхностью 712 угол в пределах от около 5° до около 85°, который зависит от толщины режущей ПКА-пластины 710. Согласно некоторым примерам осуществления первый угловой срез 728 канавки образует угол относительно режущей поверхности 712, который приблизительно равен продольному переднему углу разрезного режущего PDC-элемента 700 при его размещении в скважинном инструменте (не показан). В некоторых примерах осуществления, в которых расположение ближнего конца 723 поперечного среза канавки и ближнего конца 726 продольного среза канавки являются различными, образуется второй угловой срез канавки (не показан), продолжающийся от ближнего конца 723 поперечного среза канавки к ближнему концу 726 продольного среза канавки. Согласно этим альтернативным примерам осуществления участок режущей ПКА-пластины 710, ограниченный поперечным срезом 722 канавки, продольным срезом 725 канавки, первым угловым срезом 728 канавки и вторым угловым срезом канавки, удаляется для образования канавки 720.

Согласно иллюстрируемому примеру осуществления имеется семь канавок 720, образованных в виде группы 730 на режущей ПКА-пластине 710. Канавки 720 параллельны друг другу и образованы по существу рядом друг с другом. Полученные канавки 720 имеют глубину, которая варьирует от 0,1 миллиметра до около нескольких миллиметров в зависимости от толщины режущей ПКА-пластины 710. Помимо этого, канавки 720 образованы там, где продольные срезы 725 канавок находятся по существу под прямым углом к режущей поверхности 712. Кроме того, все канавки 720 располагаются через равноудаленные промежутки друг от друга.

Хотя в одном примере осуществления иллюстрируются семь канавок 720, согласно другим примерам осуществления количество канавок 720 может быть большим или меньшим. Количество канавок 720 может варьировать от одной до около пятидесяти или даже более в зависимости от размера разрезного режущего PDC-элемента 700 и/или ширины канавок 720. В некоторых примерах осуществления все канавки 720 являются одинаковыми, однако в альтернативных примерах осуществления одна или более канавок 720 различаются. Например, по меньшей мере одна канавка 720 включает первый угловой срез 728 канавки, который образует угол с режущей поверхностью 712, отличающийся от угла, образованного между первым угловым срезом канавки и режущей поверхностью другой канавки. В другом примере длина по меньшей мере одного поперечного среза 722 канавки и продольного среза 725 канавки одной канавки 720 различаются с по меньшей мере одним соответствующим измерением другой канавки. В некоторых примерах осуществления допускаются различия в размерах канавок, их форме и/или ориентации в целях оптимизации либо объема режущей PDC-пластины 710, подвергаемого процессу выщелачивания в случае его выполнения, либо эффекта резания когтем после принятия материалом 399 ребер (фиг.3А) формы внутри канавок 720.

Помимо этого, хотя согласно иллюстрируемому примеру осуществления канавки 720 образованы параллельно друг другу, в других примерах осуществления канавки 720 образованы по окружности или радиально по отношению к внешнему периметру режущей ПКА-пластины 710. Согласно некоторым примерам осуществления круговой порядок расположения канавок 720 образуется вблизи одного участка периметра режущей ПКА-пластины 710. Согласно другим примерам осуществления круговой порядок расположения канавок 720 образуется по всему периметру режущей ПКА-пластины 710. Согласно некоторым примерам осуществления минимальные промежутки между канавками 720 составляют около тридцати трех тысячных долей дюйма, однако в других примерах осуществления минимальные промежутки между соседними канавками 720 составляют менее тридцати трех тысячных долей дюйма. Хотя в поясняемом воплощении отображается продольный срез 725 канавки, образованный под прямым углом к режущей поверхности 712, поперечный срез 725 канавки может быть образован под углами в пределах от пяти до около 175 градусов к режущей поверхности 712. Кроме того, хотя канавки 720 образованы равноудаленным друг от друга образом, в некоторых примерах осуществления интервалы между соседними канавками 720 могут быть различными.

В некоторых примерах осуществления одна или несколько групп 730 канавок 720 образованы по окружности режущей ПКА-пластины 710 таким образом, чтобы режущий PDC-элемент 300 (фиг.3А) после его образования посредством заполнения канавки 720 материалом 399 ребер (фиг.3А) мог извлекаться, поворачиваться и вновь устанавливаться в скважинный инструмент или в другой инструмент в целях многократного использования, тем самым обеспечивая для резания новые или свежие ребра 320 (фиг.3А). В зависимости от примера осуществления, группы 730 располагаются с угловыми интервалами друг от друга, составляющими от 45 до около 180°.

Канавки 720 образуются механическим способом с помощью шлифовального круга и/или дисковой пилы. В другом примере осуществления канавки 720 образованы с помощью электроискровой установки, например, обработкой на электроэрозионном вырезном станке ("wire EDM"). В еще одном примере осуществления канавки 720 образованы с применением станков для лазерной резки. Наряду с несколькими представленными примерами получения канавок 720, не отступая от объема и сущности примера осуществления, с использованием преимуществ настоящего раскрытия могут применяться и другие известные средним специалистам в данной области способы.

После образования канавок 720 и согласно некоторым примерам осуществления режущая ПКА-пластина 710 при необходимости подвергается выщелачиванию с помощью способов выщелачивания, известных средним специалистам в данной области. Это выщелачивание обеспечивает достоинства и преимущества, рассмотренные в патентной заявке США №12/862401, озаглавленной "Functionally Leached PCD Cutter" («Функционально выщелоченный режущий ПКА-элемент»), поданной 24 августа 2010 г. и ранее включенной здесь посредством ссылки. Таким образом, режущая ПКА-пластина 710 обеспечивает упоминаемые в том раскрытии преимущества.

На фиг.3А, 3В и 7 представлены канавки 720 после их образования в режущей ПКА-пластине 710 и после осуществления возможного процесса выщелачивания (в случае его выполнения), при этом одна или несколько канавок 720 заполняются с использованием материала 399 ребер или какого-либо другого материала, который в итоге образует материал 399 ребер. После образования материала 399 ребер разрезной режущий PDC-элемент 700 превращается в режущий PDC-элемент 300, который включает ребра 320. Существует несколько методик, которые могут применяться для образования внутри канавки 720 материала 399, который в результате образует ребра 320. Некоторые из этих методик включают, но не ограничиваются окрашиванием, нанесением покрытия, пропиткой, прикапыванием, плазменным осаждением из паровой фазы, химическим осаждением из паровой фазы и плазмохимическим осаждением из паровой фазы и могут применяться в сочетании с экранированием некоторых участков верхней поверхности режущей ПКА-пластины 710. Эти методики заполнения описаны в патентной заявке США №12/716208, озаглавленной "Backfilled Polycrystalline Diamond Cutter With High Thermal Conductivity" («Обладающий высокой теплопроводностью режущий элемент с поликристаллическим алмазным заполнением»), поданной 2 марта 2010 г.и включенной здесь посредством ссылки. Как упоминалось ранее, согласно примерам осуществления заполняется либо вся канавка 720, либо участок канавки 720.

Согласно некоторым примерам осуществления материал 399 ребер образуется внутри режущей ПКА-пластины 710 внесением в канавки 720 исходного материала ребер, который может быть металлом либо в форме проволоки, либо в виде порошка. После внесения исходного материала ребер внутрь одной или нескольких канавок 720 режущая ПКА-пластина 710 подвергается действию условий высокого давления и высоких температур, так, чтобы исходный материал ребер вступил в реакцию с углеродом внутри режущей ПКА-пластины 710. Исходный материал ребер превращается в форму его карбида или в материал 399 ребер и в результате образует ребра 320.

Согласно некоторым примерам осуществления при использовании некоторых методик, таких как химическое осаждение из паровой фазы, по существу на всей верхней поверхности режущей ПКА-пластины 710, за исключением канавок 720, размещается маска, так, чтобы происходило заполнение только канавок 720. Согласно некоторым другим примерам осуществления, при использовании таких методик, как химическое осаждение из паровой фазы, маска размещается на внутреннем участке верхней поверхности режущей ПКА-пластины 710, за исключением внешней окружности режущей ПКА-пластины 710, которая включает канавки 720. Таким образом, исходным материалом ребер заполняются канавки 720 и оставшаяся часть внешней окружности режущей ПКА-пластины 710.

На фиг.8А показан вид сбоку устройства 800 для изготовления ребер, предназначенного для изготовления на режущей ПКА-пластине 870 одного или более ребер 880, в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения. На фиг.8В показан вид сбоку устройства 850 для изготовления получаемых спеканием ребер, образованного методом спекания из устройства 800 для изготовления ребер с фиг.8А, в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения, фиг.8С показывает вид сверху режущей ПКА-пластины 870 с фиг.8В с верхним участком 835 крышки 830, удаленным в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения, фиг.8А-8С представляют один пример образования ребер 880 в ходе процесса спекания режущей ПКА-пластины 870. Представленное на фиг.8А, 8В и 8С устройство 800 для изготовления ребер включает слой 810 подложки, слой 820 режущей ПКА-пластины и крышку 830. Слой 810 подложки располагается у основания устройства 800 для изготовления ребер и после выполнения процесса спекания образует подложку 860. Слой режущей ПКА-пластины 820 располагается поверх слоя 810 подложки и после выполнения процесса спекания образует режущую ПКА-пластину 870. Крышка 830 включает верхний участок 835 и один или несколько удлинителей 840. Крышка 830 располагается поверх слоя 820 режущей ПКА-пластины и удлинители 840 размещаются так, чтобы удлинители 840 продолжались от верхнего участка 835 в участки внешней окружности слоя 820 режущей ПКА-пластины.

Слой 810 подложки образуется из порошка карбида вольфрама и порошка кобальта. После подвергания действию высокого давления и высоких температур слой 810 подложки образует подложку 860. Однако в альтернативных примерах осуществления слой 810 подложки образуется из других соответствующих материалов, известных средним специалистам в данной области. Слой 810 подложки включает верхнюю поверхность 812 слоя, нижнюю поверхность 814 слоя и внешнюю стенку 816 слоя подложки, которая продолжается от окружности верхней поверхности 812 слоя к окружности нижней поверхности 814 слоя. Согласно одному примеру осуществления слой 810 подложки образован в форме правильного круглого цилиндра, но может быть образован и в виде других геометрических или негеометрических форм.

Слой 820 режущей ПКА-пластины образуется из алмазной крошки, однако, не отступая от объема и сущности примера осуществления, могут использоваться и другие соответствующие материалы, известные средним специалистам в данной области. После подвергания действию высокого давления и высоких температур слой 820 режущей ПКА-пластины образует режущую ПКА-пластину 870. Слой 820 режущей ПКА-пластины включает режущую поверхность 822 слоя, противоположную поверхность 824 слоя и внешнюю стенку 826 слоя режущей ПКА-пластины, которая продолжается от окружности режущей поверхности 822 слоя к окружности противоположной поверхности 824 слоя.

Крышка 830 образована из молибдена, однако в других примерах осуществления крышка 830 образована из любого другого соответствующего материала, такого как вольфрам, керамика, металлы, металлические сплавы, CBN или любой другой материал, известный средним специалистам в данной области. Крышка 830 размещается поверх слоя режущей 820 ПКА-пластины так, чтобы удлинители 840 продолжались от верхнего участка 835 крышки 830 и проходили в участок режущей поверхности 822 слоя и к участку внешней стенки 826 слоя режущей ПКА-пластины. В некоторых примерах осуществления удлинители 840 располагаются по существу по направлению к внешнему периметру слоя 820 режущей ПКА-пластины.

После того, как устройство для изготовления ребер 800 образовано, устройство для изготовления ребер 800 подвергается действию условий высокого давления и высоких температур для образования спеченного устройства 850 для изготовления канавок. Внутри подвергнутого спеканию устройства 850 для изготовления канавок образуются подложка 860 и режущий ПКА-слой 870; подложка 860 присоединена к режущему ПКА-слою 870 и крышка 830 также присоединена к режущему ПКА-слою 870. Помимо этого, удлинители 840 преобразуются в ребра 880, которые после этого представляют карбидную форму удлинителей 840. Ребра 880 после этого представляют собой часть режущей ПКА-пластины 870. Подложка 860 включает верхнюю поверхность 862, нижнюю поверхность 864 и внешнюю стенку 866 подложки, которая продолжается от окружности верхней поверхности 862 к окружности нижней поверхности 864. Режущая ПКА-пластина 870 включает режущую поверхность 872, противоположную поверхность 874 и внешнюю стенку 876 режущей ПКА-пластины, которая продолжается от окружности режущей поверхности 872 к окружности противоположной поверхности 874. Противоположная поверхность 874 присоединена к верхней поверхности 862 и верхний участок 835 крышки 830 присоединен к режущей поверхности 872.

Согласно одному примеру осуществления после образования спеченного устройства для изготовления канавок 850 верхний участок 835 крышки 1430 удаляется, в то время как ребра 880 остаются внедренными внутри режущей ПКА-пластины 870. Согласно некоторым примерам осуществления также удаляется участок ребер 880 так, чтобы одно или несколько ребер 880 оказались утопленными в режущую поверхность 872. Удаление верхнего участка 835 раскрывает режущую поверхность 872 режущей ПКА-пластины 870 и более крупного участка ребер 880, что иллюстрируется на фиг.8С. Ребра 880 продолжаются от участка режущей поверхности 872 к участку внешней стенки 876 режущей ПКА-пластины. Хотя все ребра 880 образуются под углом девяносто градусов друг к другу, в других примерах осуществления ребра 880 образованы согласно любому из ранее упомянутых примеров осуществления. Согласно некоторым примерам осуществления ребер 880 удлинители 840 крышки 830 модифицируются таким образом, чтобы ребра 880 образовывались в форме труб, продолжающихся от полностью внутреннего участка режущей поверхности 872 к участку внешней стенки 876 режущей ПКА-пластины.

Согласно другим примерам осуществления верхний участок 835 удаляется механически, например, стачиванием, химическим способом, с помощью лазера или любым другим способом, известным средним специалистам в данной области. Согласно другому примеру осуществления спеченное устройство 850 для изготовления канавок вводится внутрь скважинного инструмента и используется для резания горной породы. В ходе процесса резания верхний участок 835 легко удаляется, таким образом обеспечивая возможность осуществления резания режущей поверхностью 872 режущей ПКА-пластины 870 и образованными из удлинителей 840 ребрами 880.

В некоторых примерах осуществления крышка 835 и ребра 880 удаляются для образования канавок 720 (фиг.7). Крышка 830 удаляется с помощью кислоты, которая растворяет всю крышку 830, включая ребра 880. В определенном примере осуществления кислоте дается возможность вымыть материал катализатора из участков режущей ПКА-пластины 870, включая области вблизи канавок 720 (фиг.7), которые образуются в результате удаления ребер 880. Процесс выщелачивания может осуществляться в канавках 720 (фиг.7), как упоминалось ранее, а после этого канавки 720 (фиг.7) могут быть подвергнуты заполнению для повторного изготовления ребер 880.

Хотя все примеры осуществления были описаны подробно, следует учитывать, что любые признаки и модификации, применимые к одному воплощению, являются также применимыми и к другим воплощениям. Кроме того, хотя изобретение было описано с обращением к конкретным воплощениям, эти описания не предназначаются для того, чтобы рассматриваться в ограничительном смысле. Средним специалистам в данной области из обращения к описанию примеров осуществления очевидна возможность различных модификаций раскрытых воплощений, а также альтернативных вариантов воплощения данного изобретения. Средние специалистам в данной области должно быть ясно, что концепция и конкретные раскрытые воплощения могут легко использоваться в качестве основы для модифицирования или разработки других конструкций или способов, предназначенных для реализации аналогичных данному изобретению целей. Средним специалистам в данной области должно быть понятно, что такие эквивалентные конструкции не отступают от объема и существа данного изобретения, заявленных в прилагаемой формуле изобретения. Поэтому предусматривается, что данная формула изобретения охватывает любые такие изменения или воплощения, которые подпадают под объем данного изобретения.

Группа изобретений относится к режущим пластинам, к режущим элементам с ними и к способам изготовления режущего элемента. Технический результат заключается в повышении эффективности резания. Режущая пластина содержит режущую поверхность, противоположную поверхность, внешнюю стенку режущей пластины, продолжающуюся от окружности противоположной поверхности к окружности режущей поверхности, и одно или несколько ребер, продолжающихся от режущей поверхности до внешней стенки режущей пластины, причем режущая поверхность содержит выщелоченный поликристаллический алмаз, при этом ребра имеют меньшую износостойкость, чем режущая поверхность. Способ изготовления режущего элемента включает образование режущей пластины, содержащей режущую поверхность, противоположную поверхность и внешнюю стенку режущей пластины, продолжающуюся от окружности противоположной поверхности к окружности режущей поверхности, присоединение режущей пластины к подложке и образование одного или нескольких ребер, продолжающихся от участка режущей поверхности к участку внешней стенки режущей пластины, причем режущая поверхность содержит выщелоченный поликристаллический алмаз и имеет большую износостойкость, чем по меньшей мере одно из указанных ребер. 4 н. и 30 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Режущая пластина, содержащая:
режущую поверхность;
противоположную поверхность;
внешнюю стенку режущей пластины, продолжающуюся от окружности противоположной поверхности к окружности режущей поверхности; и
одно или несколько ребер, продолжающихся от режущей поверхности до внешней стенки режущей пластины, причем режущая поверхность содержит выщелоченный поликристаллический алмаз, при этом ребра имеют меньшую износостойкость, чем режущая поверхность.

2. Режущая пластина по п.1, в которой ребра содержат первое ребро и соседнее второе ребро, при этом первое ребро является параллельным соседнему второму ребру.

3. Режущая пластина по п.1, в которой по меньшей мере один участок ребер расположен по окружности вблизи по меньшей мере одного участка режущей поверхности.

4. Режущая пластина по п.1, в которой ребра содержат карбид металла.

5. Режущая пластина по п.1, в которой ребра образуют по меньшей мере первую группу ребер и вторую группу ребер, при этом вторая группа ребер расположена относительно первой группы ребер под углом от около 45° до около 180°.

6. Режущая пластина по п.1, в которой ребра образованы вблизи внешнего периметра режущей поверхности.

7. Режущая пластина по п.1, в которой ребра образованы после образования режущей пластины.

8. Режущая пластина по п.1, в которой ребра образованы в ходе образования режущей пластины.

9. Режущая пластина по п.1, в которой по меньшей мере режущая поверхность и по меньшей мере участки вблизи ребер были подвергнуты процессу выщелачивания.

10. Режущая пластина по п.1, в которой по меньшей мере одно ребро содержит:
поперечную кромку ребра, расположенную по режущей поверхности и имеющую ближний конец поперечной кромки ребра и дальний конец поперечной кромки ребра;
продольную кромку ребра, расположенную по внешней стенке режущей пластины и имеющую ближний конец продольной кромки ребра и дальний конец продольной кромки ребра; и
первую угловую кромку ребра, продолжающуюся от дальнего конца поперечной кромки ребра к дальнему концу продольной кромки ребра.

11. Режущая пластина по п.10, в которой ближний конец поперечной кромки ребра является таким же, как и ближний конец продольной кромки ребра.

12. Режущая пластина по п.10, в которой ребро дополнительно содержит вторую угловую кромку ребра, продолжающуюся от ближнего конца поперечной кромки ребра к ближнему концу продольной кромки ребра, при этом ближний конец поперечной кромки ребра отличен от ближнего конца продольной кромки ребра.

13. Режущая пластина по п.12, в которой по меньшей мере одно ребро имеет трубчатую форму.

14. Режущая пластина по п.10, в которой дальний конец продольной кромки ребра расположен на одной вертикальной линии с ближним концом продольной кромки ребра.

15. Режущий элемент, содержащий:
подложку, содержащую верхнюю поверхность;
режущую пластину, содержащую:
режущую поверхность;
противоположную поверхность, соединенную с верхней поверхностью;
внешнюю стенку режущей пластины, продолжающуюся от окружности противоположной поверхности к окружности режущей поверхности; и
одно или несколько ребер, продолжающихся от участка режущей поверхности к участку внешней стенки режущей пластины, причем режущая поверхность содержит выщелоченный поликристаллический алмаз и имеет большую износостойкость, чем по меньшей мере одно из указанных одного или нескольких ребер.

16. Режущий элемент по п.15, в котором ребра содержат первое ребро и соседнее второе ребро, при этом первое ребро является параллельным соседнему второму ребру.

17. Режущий элемент по п.15, в котором по меньшей мере один участок ребер расположен по окружности вблизи по меньшей мере одного участка режущей поверхности.

18. Режущий элемент по п.15, в котором ребра содержат карбид металла.

19. Режущий элемент по п.15, в котором ребра образуют по меньшей мере первую группу ребер и вторую группу ребер, при этом вторая группа ребер расположена относительно первой группы ребер под углом от около 45° до около 180°.

20. Режущий элемент по п.15, в котором ребра образованы вблизи внешнего периметра режущей поверхности.

21. Режущий элемент по п.15, в котором ребра образованы после образования режущей пластины.

22. Режущий элемент по п.15, в котором ребра образованы в ходе образования режущей пластины.

23. Режущий элемент по п.15, в котором по меньшей мере режущая поверхность и по меньшей мере участки вблизи ребер были подвергнуты процессу выщелачивания.

24. Режущий элемент по п.15, в котором по меньшей мере одно ребро содержит:
поперечную кромку ребра, расположенную по режущей поверхности и имеющую ближний конец поперечной кромки ребра и дальний конец поперечной кромки ребра;
продольную кромку ребра, расположенную по внешней стенке режущей пластины и имеющую ближний конец продольной кромки ребра и дальний конец продольной кромки ребра; и
первую угловую кромку ребра, продолжающуюся от дальнего конца поперечной кромки ребра к дальнему концу продольной кромки ребра.

25. Режущий элемент по п.24, в котором ближний конец поперечной кромки ребра является таким же, как и ближний конец продольной кромки ребра.

26. Режущий элемент по п.24, в котором ребро дополнительно содержит вторую угловую кромку ребра, продолжающуюся от ближнего конца поперечной кромки ребра к ближнему концу продольной кромки ребра, при этом ближний конец поперечной кромки ребра отличен от ближнего конца продольной кромки ребра.

27. Режущий элемент по п.26, в котором по меньшей мере одно ребро имеет трубчатую форму.

28. Режущий элемент по п.24, в котором дальний конец продольной кромки ребра расположен на одной вертикальной линии с ближним концом продольной кромки ребра.

29. Способ изготовления режущего элемента, включающий:
образование устройства для изготовления ребер, содержащего:
слой подложки;
слой режущей ПКА-пластины, размещенный поверх слоя подложки; и
крышку, расположенную поверх режущего ПКА-слоя и содержащую верхний участок и один или несколько удлинителей, продолжающихся от верхнего участка в слой режущей ПКА-пластины, и
спекание устройства для изготовления ребер с целью образования спеченного устройства для изготовления ребер, в котором слой подложки образует подложку, слой режущей ПКА-пластины образует режущую ПКА-пластину, а один или несколько удлинителей образуют одно или несколько ребер,
при этом режущая ПКА-пластина содержит режущую поверхность, противоположную поверхность, соединенную с подложкой, и внешнюю стенку режущей ПКА-пластины, продолжающуюся от окружности противоположной поверхности к окружности режущей поверхности, и
при этом ребра продолжаются от участка режущей поверхности к участку внешней стенки режущей пластины, причем режущая поверхность содержит выщелоченный поликристаллический алмаз и имеет большую износостойкость, чем по меньшей мере одно из указанных одного или нескольких ребер.

30. Способ по п.29, дополнительно включающий удаление верхнего участка крышки.

31. Способ изготовления режущего элемента, включающий:
образование режущей пластины, содержащей:
режущую поверхность;
противоположную поверхность; и
внешнюю стенку режущей пластины, продолжающуюся от окружности противоположной поверхности к окружности режущей поверхности;
присоединение режущей пластины к подложке; и
образование одного или нескольких ребер, продолжающихся от участка режущей поверхности к участку внешней стенки режущей пластины, причем режущая поверхность содержит выщелоченный поликристаллический алмаз и имеет большую износостойкость, чем по меньшей мере одно из указанных одного или нескольких ребер.

32. Способ по п.31, дополнительно включающий обработку выщелачиванием по меньшей мере режущей поверхности и участка вблизи ребер.

33. Способ по п.31, в котором ребра образуют после образования режущей пластины.

34. Способ по п.31, в котором ребра образуют в ходе образования режущей пластины.