Способ и устройство для определения характеристик свертвердых материалов

Способ и устройство для определения характеристик свертвердых материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к способу и устройству для испытания сверхтвердых элементов, а более конкретно - к способу и устройству для определения абразивостойкости и/или ударопрочности сверхтвердых элементов.

Уровень техники

На фиг.1 изображен сверхтвердый элемент 100, который может быть установлен в скважинном инструменте (не показан) в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Примером сверхтвердого элемента 100 является буровой элемент 100 или бур для твердых пород. Буровой элемент обычно включает в себя субстрат 110, имеющий контактную поверхность 115, и буровую плиту 120. Буровая плита 120 включает в себя сверхтвердый слой, соединенный с контактной поверхностью 115 путем спекания. Субстрат 110 обычно выполняют из победита или карбида вольфрама, а буровая плита 120 включает в себя слой сверхтвердого поликристаллического материала, к примеру поликристаллического алмаза (ПКА) или поликристаллического кубического нитрида бора (ПКНБ). Такие буровые элементы 100 изготовляют из материалов и по технологиям, которые известны средним специалистам в данной области техники.

При использовании таких буров обычно возникают проблемы, включающие в себя раскалывание, истирание, частичное растрескивание и/или расслаивание буровой плиты 120. Эти проблемы приводят к преждевременному выходу из строя буровой плиты 120. Обычно такие проблемы вызваны напряжениями в области буровой плиты 120, контактирующей с грунтовыми породами в ходе бурения. Данные проблемы приводят к увеличению затрат на бурение, включающих в себя затраты на ремонт, убытки из-за простоев и трудовые затраты. Поэтому для определения абразивостойкости и/или ударопрочности буров 100 были разработаны способы испытаний, позволившие увеличить ресурс стойкости буров и значительно ослабить вышеописанные проблемы.

Сверхтвердые элементы 100, включающие в себя буры 100 из поликристаллического алмазного композита (ПАК), испытывались на абразивостойкость двумя традиционными способами. Бур 100 из ПАК включает в себя буровую плиту 120, выполненную из поликристаллического алмаза. На фиг.2 изображен токарный станок 200 для определения абразивостойкости бура в рамках традиционного испытания с использованием гранитных брусков. Хотя приведен один пример конфигурации токарного станка 200, могут быть использованы и другие конфигурации данного станка без отступления от объема и сущности варианта выполнения настоящего изобретения.

Токарный станок 200, изображенный на фиг.2, включает в себя планшайбу 210, заднюю бабку 220 и резцедержатель 230, который расположен между планшайбой 210 и задней бабкой 220. Стачиваемый цилиндр 250 включает в себя первый конец 252, второй конец 254 и боковую стенку 258, которая проходит от первого конца 252 ко второму концу 254. Применительно к традиционному испытанию с использованием гранитных брусков боковая стенка 258 представляет собой стачиваемую поверхность 259, которая в ходе испытания контактирует со сверхтвердым элементом 100. Первый конец цилиндра соединен с планшайбой 210, а второй конец 254 - с задней бабкой 220. Планшайба 210 может вращаться, приводя во вращение стачиваемый цилиндр 250 вокруг его центральной оси 256. Задняя бабка 220 позволяет фиксировать положение второго конца 254 стачиваемого цилиндра 250, когда он вращается. Стачиваемый цилиндр 250 изготовляют из одного однородного материала, который обычно представляет собой гранит. Однако для изготовления стачиваемых цилиндров 250 использовались по отдельности и другие однородные горные породы, которые включают в себя джекфорковский песчаник, индианский известняк, верейский песчаник, карфагенский мрамор, шамплейнский черный мрамор, берклейский гранит, сьеррский белый гранит, техасский розовый гранит и грузинский серый гранит.Освоение месторождений таких пород, а также обработка, транспортировка и перегрузка стачиваемых цилиндров 250 обходятся дорого.

Бур 100 из ПАК устанавливают на резцедержателе 230 токарного станка так, чтобы данный бур мог контактировать со стачиваемой поверхностью 259 стачиваемого цилиндра 250, совершая возвратно-поступательные движения вдоль стачиваемой поверхности 259. Резцедержатель 230 характеризуется скоростью подачи бура вглубь стачиваемого цилиндра 250. Абразивостойкость бура 100 из ПАК определяется как коэффициент истирания, равный отношению потерянного объема стачиваемого цилиндра 250 к потерянному объему бура 100 из ПКА. В качестве альтернативы для определения абразивостойкости бура 100 из ПАК может быть измерено расстояние, пройденное буром 100 из ПАК по стачиваемому цилиндру 250. В другом случае износостойкость бура может быть определена в рамках того же испытания с использованием гранитных цилиндров, но другими способами, которые известны средним специалистам в данной области техники. Правила работы с токарным станком 200 и его конструкция известны средним специалистам в данной области техники. Описания испытаний такого типа приведены в статье «Производимые алмазные буры буровых долот», опубликованной в «Журнале технологии нефтедобычи» за май 1975 г. на стр.543-551 Baton, B.A., Bower, Jr., A.B., and Martis, J.A. «Manufactured Diamond Cutters Used in Drilling Bits.»Journal of Petroleum Technology, May 1975, 543-551, и в докладе5074-РА Общества инженеров-нефтяников, опубликованном в «Журнале технологии нефтедобычи» за май 1975 г., а также в издании «Усовершенствованные технологии бурения», глава 22, стр.541-591, издательская фирма Petroleum, 1980 Maurer, William C., Advanced Drilling Techniques, Chapter 22, The Petroleum Publishing Company, 1980, pp.541-591; данные материалы включены в настоящее описание путем ссылки. Эти испытания с использованием гранитных брусков были эффективны на ранних этапах разработки буров 100 из ПАК. Однако по мере совершенствования технологий изготовления буров 100 из ПАК такие буры стали более стойки к абразивному износу. Буры 100 из ПАК, изготовленные по современным технологиям, могут стачивать множество стачиваемых цилиндров 250, при этом на бурах даже не образуется заметных кромок износа; поэтому обычный способ испытания с использованием гранитного цилиндра неэффективен и обходится слишком дорого для определения абразивостойкости сверхтвердых элементов 100.

Раскрытие изобретения

На фиг.3 изображен токарно-карусельный станок 300 для определения абразивостойкости бура в рамках испытания VBM с использованием токарно-карусельного станка или испытания VTL с использованием токарно-карусельного станка с револьверной головкой. Хотя приведен пример одной конфигурации VBM-станка 300, могут быть использованы и другие конфигурации данного станка без отступления от объема и сущности варианта выполнения настоящего изобретения. Токарно-карусельный станок 300 включает в себя поворотный стол 310 и резцедержатель 320, расположенный над поворотным столом 310. Стачиваемый цилиндр 350 включает в себя первый, конец 352, второй конец 354 и боковую стенку 358, которая проходит от первого конца 352 ко второму концу 354. Применительно к традиционному VBM-испытанию второй конец 354 представляет собой стачиваемую поверхность 359, которая контактирует со сверхтвердым элементом 100 в ходе испытания. Диаметр стачиваемого цилиндра 350 обычно составляет примерно от тридцати до шестидесяти дюймов.

Первый конец 352 цилиндра закреплен на нижнем поворотном столе 310 VBM-станка 300, в результате чего стачиваемая поверхность 359 цилиндра обращена к резцедержателю 320. Бур 100 из ПАК закреплен в резцедержателе 320 над стачиваемой поверхностью 359 стачиваемого цилиндра 350 и может контактировать со стачиваемой поверхностью 359. Стачиваемый цилиндр 350 вращается, в то время как резцедержатель 320 обеспечивает цикличное перемещение бура 100 из ПАК от середины 350 стачиваемой поверхности 359 стачиваемого цилиндра 350 к ее краю и обратно. Резцедержатель 320 характеризуется заданной скоростью подачи бура от верха к низу. Способ VBM позволяет сообщать буру 100 из ПАК большие нагрузки, а поскольку используется более крупный стачиваемый цилиндр 350, то бур 100 из ПАК может удалить больший объем горной породы. Стачиваемый цилиндр 350 обычно изготавливают целиком из гранита; однако стачиваемый цилиндр может быть изготовлен целиком из одного из следующих однородных материалов: джекфорковского песчаника, индианского известняка, верейского песчаника, карфагенского мрамора, шамплейнского черного мрамора, берклейского гранита, сьеррского белого гранита, техасского розового гранита и грузинского серого гранита. Как уже упоминалось, освоение сырьевых месторождений, а также обработка, транспортировка и перегрузка стачиваемых цилиндров обходятся дорого.

Абразивостойкость бура 100 определяется как коэффициент истирания, который равен отношению потерянного объема стачиваемого цилиндра 350 к потерянному объему бура 100 из ПАК. В качестве альтернативы для определения абразивостойкости бура 100 из ПАК может быть измерен не объем, а расстояние, пройденное данным буром вдоль стачиваемого цилиндра 350. На фиг.10 представлено графическое изображение 1000 кривых истирания при использовании обычных стачиваемых цилиндров 250 и 350 (фиг.2 и 3).

Как видно из фиг.10, графическое изображение 1000 кривых истирания содержит ось 1010 х пройденного расстояния, ось 1015 у потерянного веса и ось 1020 у потерянного объема. Ось 1010 х пройденного расстояния соответствует расстоянию в метрах, пройденному буром 100 (фиг.1) из ПАК вдоль обычного стачиваемого цилиндра 250 или 350 (фиг.2 и 3). Ось 1015 у потерянного веса соответствует весу в миллиграммах, теряемому обычным стачиваемым цилиндром 250 или 350 по мере перемещения бура 100 по обычному стачиваемому цилиндру 250 или 350. Ось 1020 у потерянного объема соответствует объему в кубических миллиметрах, теряемому обычным стачиваемым цилиндром 250 или 350 по мере перемещения бура 100 по обычному стачиваемому цилиндру 250 или 350. Зависимость между расстоянием, пройденным буром 100 из ПАК, и весом, потерянным обычным стачиваемым цилиндром 250 или 350, показана в виде кривой 1030 расстояния и веса. Зависимость между расстоянием, пройденным буром 100 из ПАК, и объемом, потерянным обычным стачиваемым цилиндром 250 или 350, показана в виде кривой 1035 расстояния и объема. Кривая 1030 расстояния и веса и кривая 1035 расстояния и объема построены на основе следующих параметров: 1) диаметр бура из ПАК - 13,4 миллиметра; 2) глубина стачивания - 2 миллиметра; и 3) средняя линейная скорость - 1,8 метров в секунду. На графическом изображении 1000 кривых истирания видно, что кривая 1030 расстояния и веса и кривая 1035 расстояния и объема характеризуются согласованным увеличением истирания, поскольку обычные стачиваемые цилиндры 250 и 350 изготовлены из однородного материала и любые эффекты соударения бура 100 из ПАК с обычными стачиваемыми цилиндрами 250 и 350 сведены к минимуму.

В качестве альтернативы износостойкость бура может быть определена в рамках испытания VBM, но другими способами, известными средним специалистам в данной области техники. Правила работы с VBM 300 и его конструкция известны средним специалистам в данной области техники. Описание испытания такого типа может быть найдено в работе «Понимание и контроль остаточных напряжений в толстых поликристаллических алмазных бурах для увеличения срока их службы» Bertagnolli, Ken and Vale, Roger "Understanding and Controlling Residual Stresses in Thick Polycrystalline Diamond Cutters for Enhanced Durability", US Synthetic Corporation, 2000, целиком включенной в настоящее описание путем ссылки.

Буры 100 из ПАК могут быть испытаны не только на абразивостойкость, но и на ударопрочность. На фиг.4 изображено устройство 400 для сообщения вертикальных ударных ускорений, позволяющее испытывать сверхтвердые элементы на ударопрочность способом «падающего груза». Способ падающего груза позволяет примерно имитировать нагрузку, которая может сообщаться буру 100 из ПКА при его переходе от одной формации к другой или боковых и продольных вибрациях.

Устройство 400 для сообщения вертикальных ударных ускорений, изображенное на фиг.4, включает в себя сверхтвердый элемент 100, к примеру бур из ПАК, средство 420 для фиксации сверхтвердого элемента и ударную плиту 450, расположенную над сверхтвердым элементом 100. Бур 100 из ПАК зажат в средстве 420 для фиксации сверхтвердого элемента. Ударная плита 450 или груз обычно изготовлены из стали и располагаются над буром 100 из ПАК. Однако ударная плита 450 может быть изготовлена и из других материалов, известных средним специалистам в данной области техники. Бур 100 из ПАК обычно удерживают под углом 415 к вертикали, который образован осью алмазной плиты, обращенной к ударной плите, и продольной осью устройства. Допустимый диапазон углов 415 отклонения от вертикали известен средним специалистам в данной области техники.

Ударную плиту 450 многократно сбрасывают на кромку бура 100 из ПАК, пока кромка указанного бура не раскрошится или не отколется. Эти испытания называют также испытаниями «на боковой удар», поскольку ударная плита 450 соударяется с боковой кромкой алмазной плиты 120. Повреждения обычно возникают или в алмазной плите, или на поверхности 115 контакта алмазной плиты 120 с карбидным субстратом 110. На результаты испытания способом «падающего груза» сильно влияют геометрические параметры кромки алмазной плиты 120. Если плита 120 слегка скошена, то результаты испытания могут измениться значительно. Регистрируется суммарная энергия в джоулях, затраченная на создание исходного разлома в алмазной плите 120. Если буры 100 имеют повышенную ударопрочность, то ударная плита 450 может быть сброшена в соответствии с заданной программой, то есть высоту сбрасывания можно постепенно увеличивать до сообщения буру 100 такой энергии удара, при которой бур разрушится. Однако такой способ «падающего груза» имеет и недостатки, заключающиеся в том, что необходимо испытать большое количество буров 100 до получения достоверной статистической выборки, которая позволит сравнивать относительную ударопрочность бура одного типа с относительной ударопрочностью бура другого типа. Испытание не позволяет получить результаты, которые отражают истинную ударопрочность всего бура 100, как если бы он воспринимал ударные нагрузки в скважине. В ходе испытания воспроизводится эффект статического удара, в то время как истинный удар - динамический. Число ударов в секунду может составлять до 100 герц (Гц).

Ввиду вышесказанного возникает необходимость разработки усовершенствованного способа испытаний сверхтвердого элемента на абразивостойкость. Возникает также необходимость разработки усовершенствованного способа испытаний сверхтвердого элемента на ударопрочность. Кроме того, возникает необходимость разработки способов испытания сверхтвердого элемента на абразивостойкость и/или ударопрочность, которые воспроизводимы, эффективны и более экономичны.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие признаки и аспекты настоящего изобретения будут лучше поняты из нижеследующего описания некоторых вариантов выполнения изобретения, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 - сверхтвердый элемент, который может быть установлен в скважинном инструменте в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;

фиг.2 - токарный станок для определения абразивостойкости в рамках традиционного испытания с использованием гранитного бруска;

фиг.3 - токарно-карусельный станок для определения абразивостойкости в рамках испытаний на токарно-карусельном станке или токарно-карусельном станке с револьверной головкой;

фиг.4 - устройство для сообщения вертикальных ударных ускорений, позволяющее определять ударопрочность сверхтвердых элементов способом «падающего груза»;

фиг.5 - вид сверху стачиваемого цилиндра, соответствующего одному варианту выполнения настоящего изобретения;

фиг.6 - вид сверху стачиваемого цилиндра, соответствующего альтернативному варианту выполнения настоящего изобретения;

фиг.7 - вид сверху стачиваемого цилиндра, соответствующего второму альтернативному варианту выполнения настоящего изобретения;

фиг.8 - вид сверху стачиваемого цилиндра, соответствующего третьему альтернативному варианту выполнения настоящего изобретения;

фиг.9 - вид сверху стачиваемого цилиндра, соответствующего четвертому альтернативному варианту выполнения настоящего изобретения;

фиг.10 - графическое изображение кривых истирания при использовании обычных стачиваемых цилиндров;

фиг.11 - графическое изображение цикличной нагрузки на бур при использовании стачиваемого цилиндра, соответствующего варианту выполнения настоящего изобретения;

фиг.12 - графическое изображение нагрузок на бур при использовании стачиваемого цилиндра, соответствующего варианту выполнения настоящего изобретения.

Чертежи иллюстрируют лишь примерные варианты выполнения настоящего изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие его объем;

настоящее изобретение может допускать существование и других вариантов его выполнения, которые одинаково эффективны.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения абразивостойкости и/или ударопрочности сверхтвердых элементов. Хотя описание вариантов выполнения настоящего изобретения приведено ниже в отношении бура из ПКА, другие варианты выполнения настоящего изобретения могут соответствовать другим типам сверхтвердых элементов, включающих в себя бур из ПКНБ или другие сверхтвердые элементы, которые могут быть как известны, так и не известны средним специалистам в данной области техники.

Изобретение будет лучше понято после прочтения нижеследующего описания неограничительных вариантов его выполнения, приведенных со ссылкой на прилагаемые чертежи, при этом аналогичные элементы, изображенные на фигурах, обозначены схожими ссылочными позициями, причем данные чертежи кратко описаны ниже. На фиг.5 представлен вид сверху стачиваемого цилиндра 500, соответствующего одному варианту выполнения настоящего изобретения. Как видно из фиг.5, стачиваемое тело 500 имеет форму цилиндра и включает в себя первый конец 510, второй конец 520 и боковую стенку 530, соединяющую первый конец 510 со вторым концом 520. В соответствии с данным вариантом выполнения настоящего изобретения второй конец 520 будет также упоминаться как стачиваемый участок 522 стачиваемого цилиндра 500, поскольку второй конец 520 подвергается взаимодействию со сверхтвердым элементом 100 (фиг.1) в ходе испытания. Стачиваемый участок 522 по существу плоский. Хотя стачиваемое тело 500 имеет форму цилиндра, оно может иметь и любую другую геометрическую форму или быть бесформенным без отступления от объема и сущности данного варианта выполнения настоящего изобретения. Диаметр 502 стачиваемого цилиндра 500 - около трех футов, а его высота 504 - около четырех дюймов. Однако в соответствии с другими вариантами выполнения настоящего изобретения диаметр 502 может составлять примерно от четырех дюймов до примерно шести футов без отступления от объема и сущности данного варианта. Кроме того, в соответствии с другими вариантами выполнения настоящего изобретения высота 504 может составлять примерно от одного дюйма до примерно двадцати футов без отступления от объема и сущности данного варианта.

Стачиваемый цилиндр 500 включает в себя мягкие элементы 560 и твердые элементы 580, которые образует заданный рисунок на стачиваемом участке 522, при этом каждый из твердых элементов 580 расположен между соответствующими мягкими элементами, прилегая к ним. Изготовление стачиваемого цилиндра воспроизводимо, то есть стачиваемый цилиндр 500, выполненный первым, по существу аналогичен стачиваемым цилиндрам 500, выполненным в дальнейшем. Заданный рисунок твердых элементов 580 отвечает требованию воспроизводимости, то есть результаты испытаний, выполненных за тот или иной период времени, могут быть сравнены между собой. В соответствии с фиг.5 твердый элемент представляет собой гранитную плиту, которая имеет толщину около 3/4 дюйма или около двадцати миллиметров и проходит от стачиваемого участка 522 к первому концу 510. Хотя в соответствии с данным вариантом выполнения настоящего изобретения используется гранитная плита толщиной около 3/4 дюйма или около двадцати миллиметров, толщина плит может составлять примерно от 1/5 дюйма или около пяти миллиметров до примерно двенадцати дюймов, что соответствует другим вариантам выполнения настоящего изобретения, или различные плиты могут иметь различную толщину без отступления от объема и сущности данного варианта. Кроме того, хотя твердым элементам 580 придана по существу форма прямоугольных плит, данным элементам может быть придана и любая другая геометрическая форма или они могут быть бесформенными без отступления от объема и сущности от данного варианта. Примеры материалов твердых элементов 580 включают в себя песчаники, известняк, мрамор, гранит, дерево, пластик, эпоксид и другие материалы, известные средним специалистам в данной области техники. В соответствии с другими вариантами выполнения настоящего изобретения твердый элемент 580 может проходить от стачиваемого участка 522 на расстояние, которое является частью высоты 504, без отступления от объема и сущности данного варианта. В соответствии с данным вариантом выполнения настоящего изобретения имеется четыре фрагмента твердого элемента - 580А, 580В, 580С и 580D, - которые делят стачиваемый участок 522 на первый квадрант 950, второй квадрант 592, третий квадрант 594 и четвертый квадрант 596. Таким образом, твердый элемент 580 расположен в виде Х-образного рисунка.

Более конкретно, твердый элемент 580А отстоит по существу на девяносто градусов от твердого элемента 580D и твердого элемента 580А. Твердый элемент 580В отстоит по существу на девяносто градусов от твердого элемента 580А и твердого элемента 580С.Твердый элемент 580С отстоит по существу на девяносто градусов от твердого элемента 580В и твердого элемента 580D. Твердый элемент 580D отстоит по существу на девяносто градусов от твердого элемента 580С и твердого элемента 580А. Таким образом, образовано четыре квадранта 590, 592, 594 и 596 с одинаковыми соответственными размерами; однако углы между твердыми элементами 580А, 580В, 580С и 580D могут быть и разными, в результате чего размеры по меньшей мере одного квадранта могут отличаться от соответственных размеров других квадрантов. Хотя на стачиваемом участке 522 выполнено четыре квадранта 590, 592, 594 и 956, на данном участке может быть выполнено как больше, так и меньше четырех квадрантов с помощью элементов 580 из более или менее твердого материала, чередующихся с мягкими элементами 560, без отступления от объема и сущности данного варианта выполнения. Твердые элементы 580 можно расположить так, чтобы по существу в середине стачиваемого цилиндра 500 было образовано ядро 569 из мягкого материала. В другом случае твердые элементы 580 можно расположить так, чтобы по существу в середине стачиваемого цилиндра 500 был также расположен твердый элемент 580 (не показано).

Мягкие элементы 560 образуют первый квадрант 590, второй квадрант 592, третий квадрант 594 и четвертый квадрант 596. Мягкие элементы 560 выполнены из любой формуемой горной породы или цементирующего вещества, включающих в себя смеси из кварцевого песка и/или других материалов, известных средним специалистам в данной области техники. Мягкие элементы 560 могут содержать и добавки. Мягкий элемент 560 может быть высоко абразивным. В соответствии с данным вариантом выполнения настоящего изобретения мягкий элемент 560 также проходит от стачиваемого участка 522 к первому концу 510.

В соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения твердый элемент 580 выполнен из гранита, имеющего прочность на одноосное сжатие, равную около 12,000 фунтов на квадратный дюйм (ф. кв.д.), а мягкий элемент 560 выполнен из бетонной смеси, имеющей прочность на одноосное сжатие, равную около 5,000 ф. кв.д. Хотя были приведены примеры материалов твердых элементов 580 и мягких элементов 560, могут быть использованы любые твердые и мягкие материалы, при условии, что разность между прочностью на одноосное сжатие твердого элемента 580 и прочностью на одноосное сжатие мягкого элемента 560 составляет примерно от 1,000 ф. кв.д. до примерно 60,000 ф. кв.д. В соответствии с другими вариантами выполнения настоящего изобретения разность между прочностью на одноосное сжатие твердого элемента 580 и прочностью на одноосное сжатие мягкого элемента 560 составляет примерно от 4,000 ф. кв.д. до примерно 60,000 ф. кв.д. В соответствии с другими вариантами выполнения настоящего изобретения разность между прочностью на одноосное сжатие твердого элемента 580 и прочностью на одноосное сжатие мягкого элемента 560 составляет примерно от 6,000 ф. кв.д. до примерно 60,000 ф. кв.д. В соответствии с другими вариантами выполнения настоящего изобретения разность между прочностью на одноосное сжатие твердого элемента 580 и прочностью на одноосное сжатие мягкого элемента 560 составляет примерно от 10,000 ф. кв.д. до примерно 60,000 ф. кв.д. В соответствии с другими вариантами выполнения настоящего изобретения разность между прочностью на одноосное сжатие твердого элемента 580 и прочностью на одноосное сжатие мягкого элемента 560 составляет примерно от 15,000 ф. кв.д. до примерно 60,000 ф. кв.д.

В соответствии с данным вариантом выполнения настоящего изобретения твердые элементы 580А, 580В, 580С и 580D изготовлены из одного и того же материала. Однако в соответствии с некоторыми другими вариантами выполнения настоящего изобретения один или несколько элементов из 580А, 580В, 580С и 580D могут быть выполнены из другого твердого материала. Таким образом, все твердые элементы 580А, 580В, 580С и 580D могут быть выполнены из разных твердых материалов или один или несколько твердых элементов из 580А, 580В, 580С и 580D могут быть выполнены из одного и того же твердого материала без отступления от объема и сущности данного варианта.

Точно так же в соответствии с данным вариантом выполнения настоящего изобретения первый квадрант 590, второй квадрант 592, третий квадрант 594 и четвертый квадрант 596 образованы мягкими элементами 560, выполненными из одного и того же мягкого материала. Однако в соответствии с некоторыми другими вариантами выполнения настоящего изобретения один или несколько квадрантов из 590, 592, 594 и 596 могут быть образованы мягкими элементами 560, выполненными из другого мягкого материала. Таким образом, все квадранты, включающие в себя первый квадрант 590, второй квадрант 592, третий квадрант 594 и четвертый квадрант 596, могут быть образованы мягкими элементами 560, выполненными из разных мягких материалов, или один или несколько квадрантов из 590, 592, 594 и 596 могут быть образованы мягкими элементами 560, выполненными из одного и того же мягкого материала, без отступления от объема и сущности данного варианта.

Площадь поверхности стачиваемого участка 522 стачиваемого цилиндра 500 складывается из площадей поверхностей мягких элементов 560 и твердых элементов 580. В соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения доля поверхности мягких элементов 560 составляет примерно от пяти до десяти процентов, а доля поверхности твердых элементов 580 - примерно от девяноста до девяноста пяти процентов. В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения доля поверхности мягких элементов 560 составляет примерно от десяти до двадцати пяти процентов, а доля поверхности твердых элементов 580 - примерно от семидесяти пяти до девяноста процентов. В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения доля поверхности мягких элементов 560 составляет примерно от двадцати до тридцати пяти процентов, а доля поверхности твердых элементов 580 - примерно от шестидесяти пяти до восьмидесяти процентов. В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения доля поверхности мягких элементов 560 составляет примерно от тридцати до сорока пяти процентов, а доля поверхности твердых элементов 580 - примерно от пятидесяти пяти до семидесяти процентов. В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения доля поверхности мягких элементов 560 составляет примерно от сорока до пятидесяти пяти процентов, а доля поверхности твердых элементов 580 - примерно от сорока пяти до шестидесяти процентов. В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения доля поверхности мягких элементов 560 составляет примерно от пятидесяти до шестидесяти пяти процентов, а доля поверхности твердых элементов 580 - примерно от тридцати пяти до пятидесяти процентов. В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения доля поверхности мягких элементов 560 составляет примерно от шестидесяти до семидесяти пяти процентов, а доля поверхности твердых элементов 580 - примерно от двадцати пяти до сорока процентов. В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения доля поверхности мягких элементов 560 составляет примерно от семидесяти до восьмидесяти пяти процентов, а доля поверхности твердых элементов 580 - примерно от пятнадцати до тридцати процентов. В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения доля поверхности мягких элементов 560 составляет примерно от восьмидесяти до девяноста процентов, а доля поверхности твердых элементов 580 - примерно от десяти до двадцати процентов. В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения доля поверхности мягких элементов 560 составляет примерно от девяноста до девяноста пяти процентов, а доля поверхности твердых элементов 580 - примерно от пяти до десяти процентов.

Для выполнения стачиваемого цилиндра 500 твердые элементы вертикально устанавливают в матрице (не показана) в соответствии с заданным рисунком. В соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения матрица имеет форму цилиндра; однако матрица может иметь и любую другую геометрическую форму или быть бесформенной. Матрицу заполняют суспензией из абразивного материала (не показана), к примеру цементом, смешанным с зернами кварцита, так чтобы эта суспензия окружала, по меньшей мере, участок твердого элемента 580. Суспензии из абразивного материала дают затвердеть до формирования мягкого элемента 560. После затвердевания суспензии удаляют матрицу и придают стачиваемому участку 522 гладкую и по существу плоскую форму. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения настоящего изобретения стачиваемый участок 522 может быть обращен ко дну матрицы, особенно если твердый элемент 580 проходит лишь по участку высоты 504 стачиваемого цилиндра 500.

В другом случае для выполнения стачиваемого цилиндра 500 матрицу (не показана) заполняют суспензией из абразивного материала (не показана), к примеру цементом, смешанным с зернами кварцита. В соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения матрица имеет форму цилиндра; однако матрица может иметь и любую другую геометрическую форму или быть бесформенной. Суспензии из абразивного материала дают затвердеть до формирования мягкого элемента 560. Затем в мягком элементе 560 выдалбливают или высверливают углубления в соответствии с заданным рисунком, чтобы указанные углубления могли вмещать твердые элементы 580. Твердые элементы 580 вставляют вертикально в углубления и приклеивают к мягким элементам 560 с помощью связующего вещества, известного средним специалистам в данной области техники, к примеру цемента. После этого удаляют матрицу и придают стачиваемому участку гладкую и по существу плоскую форму.

В другом случае стачиваемый цилиндр 500 выполняют из блока натурального абразива, к примеру джекфорковского песчаника, который служит материалом мягких элементов 560. Затем в мягком элементе 560 выдалбливают или высверливают углубления в соответствии с заданным рисунком, чтобы указанные углубления могли вмещать твердые элементы 580. Твердые элементы 580 вставляют вертикально в углубления и приклеивают к мягким элементам 560 с помощью связующего вещества, известного средним специалистам в данной области техники, к примеру цемента. После этого удаляют матрицу и придают стачиваемому участку 522 гладкую и по существу плоскую форму. Хотя приведено несколько примеров выполнения стачиваемого цилиндра 500, могут быть использованы и другие способы его выполнения, которые известны средним специалистам в данной области техники и обладают преимуществами описания настоящего изобретения, без отступления от объема и сущности данного варианта выполнения.

Полученный стачиваемый цилиндр 500 может быть использован в ходе испытания VBM, как описано выше. Первый конец стачиваемого цилиндра 500 соединяют с поворотным столом 310 (фиг.3), в результате чего стачиваемый участок 522 оказывается обращенным к резцедержателю 320 (фиг.3), на котором установлен бур 100 (фиг.3). Испытание VBM с использованием стачиваемого цилиндра 500 позволяет определить абразивостойкость и/или ударопрочность бура 100 из ПКА (фиг.3). В ходе испытания бур 100 (фиг.3) совершает многократные переходы от материала с большей прочностью на сжатие (твердого элемента 580) к материалу с меньшей прочностью на сжатие (мягкому элементу 560). Каждый раз, когда бур 100 (фиг.3) соприкасается с концом одного из твердых элементов 580 и проходит через данные элементы, буровой плите 120 (фиг.1) и субстрату 110 (фиг.1) сообщается фронтальная ударная нагрузка. Когда бур 100 (фиг.3) переходит от твердого элемента 580 к мягкому элементу 560, сила сжатия, сообщаемая буровой плите, устраняется или уменьшается, что аналогично испытанию субстрата 110 (фиг.1) на упругость по отскоку по отношению к буровой плите 120 (фиг.1) в области контактной поверхности (фиг.1). Эти явления подробнее проиллюстрированы на фиг.11 и 12.

На фиг.11 показано графическое изображение 1100 цикличной нагрузки на бур при использовании стачиваемого цилиндра 500, 600, 700, 800 (фиг.5, 6, 7, 8 и 9) в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Как уже упоминалось, каждый из стачиваемых цилиндров 500, 600, 700, 800 и 900 изготовлен путем комбинации твердых элементов и мягких элементов, причем твердые элементы расположены в соответствии с заданным воспроизводимым рисунком относительно мягких элементов. В соответствии с фиг.11 графическое изображение 1100 цикличной нагрузки на бур содержит ось 1110 х времени и ось 1120 у нагрузки. Ось 1110 х времени соответствует продолжительности (в миллисекундах) перемещения бура 100 (фиг.1) из ПКА. В соответствии с данным вариантом выполнения настоящего изобретения измерения были выполнены с частотой пятьдесят герц. Однако измерения могут быть выполнены и с другими частотами, к примеру частотами от одного герца до примерно ста герц. Ось 1120 у нагрузки соответствует силе или нагрузке в килоньютонах, сообщаемой буру 100 из ПКА. Зависимость между продолжительностью перемещения бура из ПКА и нагрузкой, сообщаемой буру 100 из ПКА, показана в виде кривой ИЗО цикличной нагрузки. Кривая ИЗО цикличной нагрузки обнаруживает максимальную нагрузку 1140, возникающую при перемещении бура 100 из ПКА по твердому элементу, и низкую нагрузку 1145, возникающую при перемещении бура 100 из ПКА по мягкому элементу.

На фиг.12 показано графическое изображение 1200 нагрузки на бур при использовании стачиваемого цилиндра 500, 600, 700, 800 и 900 (фиг.5, 6, 7, 8 и 9) в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. В соответствии с фиг.12 графическое изображение 1200 нагрузки на бур содержит ось 1200 х пройденного расстояния и ось 1220 у нагрузки. Ось 1210 х пройденного расстояния соответствует расстоянию в метрах, пройденному буром 100 (фиг.1) из ПКА по стачиваемому цилиндру 500, 600, 700, 800 и 900. Ось 1220 у нагрузки соответствует силе или нагрузке в ньютонах, сообщаемой буру 100 из ПКА. Сила, сообщаемая буру 100 из ПКА, включает в себя нормальную силу и тяговую силу. Зависимость между расстоянием, пройденным буром 100 из ПКА, и максимальной нормальной силой, сообщаемой буру 100 из ПКА, показана в виде кривой 1230 максимальной нормальной силы. Зависимость между расстоянием, пройденным буром 100 из ПКА, и средней нормальной силой, сообщенной буру 100 из ПКА, показана в виде кривой 1232 средней нормальной силы. Зависимость между расстоянием, пройденным буром 100 из ПКА, и максимальной тяговой силой, сообщаемой буру 100 из ПКА, показана в виде кривой 1234 максимальной тяговой силы. Зависимость между расстоянием, пройденным буром 100 из ПКА, и средней тяговой силой, сообщенной буру 100 из ПКА, показана в виде кривой 1236 средней тяговой силы. Кривая 1230 максимальной нормальной силы, кривая 1232 средней нормальной силы, кривая 1234