Износоустойчивый материал на кромке затылка лапы и передней кромке шарошечного долота для вращательного бурения

Износоустойчивый материал на кромке затылка лапы и передней кромке шарошечного долота для вращательного бурения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

[01] Данная заявка испрашивает приоритет заявки на патент США № 12/896406, поданной 1 октября 2010 г. и озаглавленной “Износоустойчивый материал на кромке затылка лапы и передней кромке шарошечного долота для вращательного бурения”, содержание которой полностью включено в настоящее описание посредством ссылки, в максимальной степени, предусмотренной законом. Данная заявка также испрашивает приоритет заявки на патент США № 13/156458, поданной 9 июня 2011 г. и озаглавленной “Износоустойчивый материал на передней кромке шарошечного долота для вращательного бурения”, содержание которой полностью включено в настоящее описание посредством ссылки, в максимальной степени, предусмотренной законом.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники изобретения

[02] Настоящее изобретение относится к буровым долотам и, в частности, к буровым долотам, содержащим вращающиеся резцы, также известным как шарошечные долота для вращательного бурения.

Описание известного уровня техники

[03] Приведены ссылки на фиг. 1A, 1B, 2A и 2B, где на фиг. 1A и 1B изображен изометрический вид шарошечного долота 10 для вращательного бурения согласно известному уровню техники и на фиг. 2A и 2B изображен вид в поперечном сечении части шарошечного долота 10 для вращательного бурения согласно известному уровню техники по фиг. 1A и 1B, соответственно. Лапа 12 прикреплена к корпусной части 14 бурового долота 10. Лапа 12 содержит вал 16 подшипника, проходящий вниз и внутрь в радиальном направлении. Вал 16 подшипника содержит цилиндрическую поверхность 18 подшипника. Конус 20 шарошки установлен на валу 16 подшипника и опирается для вращения на поверхность 18 подшипника. В альтернативном варианте реализации конус 20 шарошки опирается для вращения на валу 16 подшипника на комплект роликовых подшипников. Форма и конфигурация конуса 20, а также его поворотное крепление к валу 16 подшипника, хорошо известно в данной области техники. В вариантах реализации герметичного подшипника, подшипник (скольжения или роликовый) между конусом 20 и валом 16 подшипника смазывают смазочным веществом (таким как технический жир), которое заполняет области, прилегающие к подшипнику, а также другие каналы 21 в шарошечном долоте для вращательного бурения, образом, известным специалистам в данной области. Данное смазочное вещество удерживают внутри шарошечного долота для вращательного бурения посредством использования, например, мягкого уплотнения в форме уплотнительного кольца 22, расположенного в сальнике 24 между внутренней цилиндрической поверхностью 26 возле основания конуса 20 и внешней цилиндрической поверхностью 28 возле основания вала 16 подшипника. Система смазки также содержит узел 27 компенсации давления, установленный внутри отверстия 29, выполненного в верхней поверхности 25 заплечика лапы 12. Отверстие 29 соединено с каналом 21. На фиг. 1B и 2B изображены варианты реализации, где отверстие 29 выполнено исключительно в поверхности 25 заплечика. Тем не менее, следует понимать, что отверстие 29 может быть выполнено частично в поверхности 25 заплечика и частично во внешней (поверхности калибра или поверхности затылка лапы) поверхности 30 лапы 12 (ниже поверхности 25 заплечика). Кроме этого, отверстие 29 может быть выполнено во внешней поверхности 30 лапы.

[04] Внешняя поверхность 30 лапы 12 оканчивается полукруглой кромкой 32, расположенной вблизи конуса 20. Область лапы 12, связанная с поверхностью 30, известна в данной области техники как “область затылка лапы” и кромка 32 известна в данной области техники как “кромка затылка лапы”. Кромка 32 затылка лапы предоставлена в месте перехода конечной части поверхности 30 (например, поверхность затылка лапы или наружный диаметр) во внутреннюю радиальную поверхность 34, ориентированную параллельно основанию конуса 20 (и перпендикулярно валу 16 подшипника) и расположенную у основания вала 16 подшипника. В шарошечном долоте 10 для вращательного бурения, одна из основных форм поломки долота может быть следствием износа затылка лапы. В одной форме подобного износа затылка лапы происходит износ кромки 32 затылка лапы, радиальная протяженность внутренней радиальной поверхности 34 уменьшается из-за данного износа и мягкое уплотнительное кольцо 22 в герметичных подшипниках остается незащищенным. В ином случае, если подшипник представляет собой открытый (не герметичный или воздушный) подшипник, износ кромки затылка лапы может оставлять незащищенным воздушный подшипник.

[05] В известном уровне техники существует два способа замедления износа затылка лапы. На фиг. 3 изображен первый способ, в котором слой приваренного материала 40 для твердосплавного покрытия наносят на поверхность 30, проходящую вдоль, по меньшей мере, части кромки 32 затылка лапы. Материал для твердосплавного покрытия обычно представляет собой твердый сплав 40 карбида вольфрама, нанесенный на поверхность 30. Материал обычно представляет собой гранулированный карбид вольфрама, нанесенный на никелевую сварочную среду. Данное решение не работает должным образом, когда шарошечное долото для вращательного бурения эксплуатируют в высокоабразивной скальной породе, поскольку материал 40 для твердосплавного покрытия изнашивается слишком быстро. За относительно плохие эксплуатационные характеристики сварного шва на материале отвечает в основном сварная среда, как правило, никель. На фиг. 4 изображен второй способ, в котором вставки 42 из карбида вольфрама запрессовывают в отверстия 44, выполненные в поверхности 30 возле кромки 32 затылка лапы. Хотя данные вставки 42 предоставляют лучшее сопротивление истиранию (по сравнению с использованием материала для твердосплавного покрытия), вставки 42 не обеспечивают защиту кромки 32 затылка лапы. Причина этого заключается в том, что отверстия 44 должны быть расположены на некотором существенном расстоянии от кромки 32 затылка лапы для того, чтобы запрессовка функционировала должным образом и удерживала вставки 42 по периферии. Например, интервал d1, равный по меньшей мере 0,125 дюйма, обычно предоставлен от кромки отверстия 44 до кромки 32 затылка лапы. Таким образом, основная функция способа по фиг. 4 заключается в защите области затылка лапы, расположенной рядом с кромкой 32 затылка лапы, но не точно на ней. Кроме этого, для обеспечения надлежащего удержания запрессовка вставки 42 обычно должна иметь толщину t (с соответствующей глубиной отверстия 44), так что отношение толщины вставки к диаметру d' вставки (если вставки имеют круглую форму) или к ширине w вставки (если они имеют другую форму) превышает примерно 0,5 (т.е. t/d'≥0,5; или t/w≥0,5).

[06] Соответственно, в известном уровне техники существует потребность в предоставлении улучшенного способа защиты кромки затылка лапы (например, кромки 32 затылка лапы).

[07] Как также изображено на фиг. 1A, 1B, 2A и 2B, внешняя поверхность 30 лапы 12 (например, ниже поверхности 25 заплечика) в области затылка лапы оканчивается в боковом направлении передней кромкой 50 затылка лапы и задней кромкой 52 затылка лапы. Передняя кромка 50 затылка лапы особенно подвержена износу при эксплуатации шарошечного долота 10 для вращательного бурения. В известном уровне техники существуют два способа замедления износа передней кромки 50 затылка лапы. На фиг. 5 изображен первый способ, в котором слой приваренного материала 40 для твердосплавного покрытия наносят на поверхность 30, проходящую вдоль, по меньшей мере, части передней кромки 50 затылка лапы. Материал для твердосплавного покрытия обычно представляет собой твердый сплав 40 карбида вольфрама. Материал обычно представляет собой гранулированный карбид вольфрама, нанесенный на никелевую сварочную среду. Данное решение не работает должным образом, когда шарошечное долото для вращательного бурения эксплуатируют в высокоабразивной скальной породе, поскольку материал 40 для твердосплавного покрытия изнашивается слишком быстро. За относительно плохие эксплуатационные характеристики сварного шва на материале отвечает в основном сварная среда, как правило никель. На фиг. 6 изображен второй способ, в котором вставки 42 из карбида вольфрама запрессовывают в отверстия 44, выполненные в поверхности 30 возле передней кромки 50 затылка лапы. Хотя данные вставки 42 предоставляют лучшее сопротивление истиранию (по сравнению с использованием материала для твердосплавного покрытия), вставки 42 не обеспечивают защиту передней кромки 50 затылка лапы. Причина этого заключается в том, что отверстия 44 должны быть расположены на некотором существенном расстоянии от передней кромки 50 затылка лапы для того, чтобы запрессовка функционировала должным образом и удерживала вставки 42 по периферии. Например, интервал d2, равный по меньшей мере 0,125 дюйма, обычно предоставлен от кромки отверстия 44 до передней кромки 50. Таким образом, основная функция способа по фиг. 6 заключается в защите области затылка лапы, расположенной рядом с передней кромкой 50 затылка лапы, но не точно на ней. Кроме этого, для обеспечения надлежащего удержания, запрессовка вставки 42 обычно должна иметь толщину t (с соответствующей глубиной отверстия 44), так что отношение толщины вставки к диаметру d' вставки (если вставки имеют круглую форму) или к ширине w вставки (если они имеют другую форму) превышает примерно 0,5 (т.е. t/d'≥0,5; или t/w≥0,5).

[08] Хотя это не изображено в явном виде на фиг. 5 и 6, в качестве альтернативы или дополнения, механизмы защиты могут быть предоставлены на передней боковой поверхности 54 лапы 12. Данная передняя боковая поверхность 54 прилегает к внешней поверхности 30 лапы 12 у передней кромки 50 затылка лапы.

[09] Таким образом, в известном уровне техники также существует потребность в предоставлении улучшенного способа защиты передней кромки затылка лапы (например, передняя кромка 50) и/или передней боковой поверхности (например, передней боковой поверхности 54) затылка лапы (при этом последняя прилегает к внешней поверхности (например, внешней поверхности 30) лапы у передней кромки затылка лапы).

[010] Как также изображено на фиг. 1A, 1B, 2A и 2B, поверхность 25 заплечика лапы 12 оканчивается в боковом направлении передней кромкой 51 заплечика и задней кромкой 53 заплечика. Передняя кромка 51 заплечика также подвержена износу при эксплуатации шарошечного долота 10 для вращательного бурения, точнее, при извлечении долота 10 из буровой скважины. Это происходит из-за того, что кромке 51 заплечика возможно приходится выполнять функцию резки или истирания для удаления материалов горной породы в случаях сужения пробуренной скважины. Передняя кромка 51 заплечика и поверхность 25 заплечика также подвержены повреждению, вызванному также подвержена повреждению, вызванному падением материала скальной породы в буровую скважину и необходимостью его удаления. Износ передней кромки 51 заплечика и поверхности 25 заплечика может иметь отрицательное воздействие на отверстие 29 и узел 27 компенсации давления, установленный внутри данного отверстия 29, что может привести к преждевременному выходу из строя системы смазки.

[011] Таким образом, в известном уровне техники существует потребность в предоставлении улучшенного способа дополнительной защиты передней кромки затылка лапы (например, передней кромки 50 затылка лапы) и/или передней кромки заплечика (например, передней кромки 51 заплечика), и/или передней боковой поверхности лапы (например, передней боковой поверхности 54). Улучшенные способы защиты могут быть скомбинированы любым образом с дополнительной защитой поверхности заплечика (например, поверхности 25 заплечика). Указанные способы или механизмы защиты могут быть скомбинированы или реализованы на разных долотах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

[01] Один или несколько улучшенных механизмов защиты, описанных в настоящей заявке могут быть выбраны для использования в шарошечном долоте для вращательного бурения.

[02] В одном из вариантов осуществления шарошечное долото для вращательного бурения содержит: корпус, лапу, прикрепленную к корпусу, и вал подшипника, выходящий из лапы. Лапа содержит кромку поверхности. Нижняя поверхность твердосплавной пластины, содержащая кромку, расположена с по существу соответствующей поверхностью лапы, где кромка твердосплавной пластины ограничивает, по меньшей мере, часть кромки поверхности лапы. Долото также может содержать конус, установленный на валу подшипника.

[03] В одном из вариантов осуществления шарошечное долото для вращательного бурения содержит: корпус, лапу, прикрепленную к корпусу, и вал подшипника, выходящий из лапы. Долото также может содержать конус, установленный на валу подшипника. Лапа содержит кромки поверхностей. Нижняя поверхность твердосплавной пластины, содержащая кромку, расположена с по существу соответствующей поверхностью лапы, где кромка твердосплавной пластины ограничивает, по меньшей мере, часть одной из кромок поверхностей лапы. Кромка поверхности может располагаться на кромке затылка лапы или на передней кромке затылка лапы или на передней кромке заплечика, а также иметь некоторые комбинации. Более одной твердосплавной пластины может быть расположено на лапе, на той же кромке поверхности или на других кромках поверхностей. В качестве дополнения или альтернативы, твердосплавная пластина может быть предоставлена на по существу соответствующей поверхности заплечика и/или на передней боковой поверхности затылка лапы (которая прилегает к внешней поверхности лапы на передней кромке затылка лапы).

[04] В одном из вариантов осуществления шарошечное долото для вращательного бурения содержит: корпус, лапу, прикрепленную к корпусу, и вал подшипника, выходящий из лапы. Лапа содержит кромки поверхностей. Кромка может быть связана с одной (или обеими) из внешних поверхностей лапы или с поверхностью заплечика лапы (над внешней поверхностью). Кромка может быть полукруглой или изогнутой. Полукруглая или изогнутая кромка может располагаться вблизи конуса, установленного на валу подшипника. Кромка может быть особенно или более подвержена износу при эксплуатации бурового долота. Твердосплавная пластина расположена с по существу соответствующей поверхностью лапы в области, ограниченной указанной внешней поверхностью лапы. Внешняя поверхность может проходить внутрь от кромки затылка лапы. Внешняя поверхность может проходить внутрь от передней кромки затылка лапы. Внешняя поверхность может проходить наружу от передней кромки затылка лапы. Внешняя поверхность может быть ограничена боковой передней кромкой лапы.

[05] В одном из вариантов осуществления шарошечное долото для вращательного бурения содержит: корпус, лапу, прикрепленную к корпусу, и вал подшипника, выходящий из лапы. Лапа содержит поверхность, которая подвержена износу при эксплуатации долота. Поверхность может быть связана с одной (или обеими) из внешних поверхностей лапы или с поверхностью заплечика лапы или боковой поверхностью лапы (над внешней поверхностью). Нижняя поверхность твердосплавной пластины, содержащая кромку, расположена с по существу соответствующей поверхностью лапы в области, где кромка твердосплавной пластины ограничивает, по меньшей мере, часть поверхности лапы. Область может находиться в и/или у изогнутой внешней поверхности лапы, проходящей внутрь от кромки затылка лапы. Область может находиться в и/или у изогнутой внешней поверхности лапы, проходящей внутрь от передней кромки затылка лапы. Область может находиться в и/или у передней боковой поверхности лапы, проходящей наружу от передней кромки затылка лапы. Область может находиться в и/или у передней кромки заплечика.

[06] В любом из вышеизложенных вариантов осуществления нижняя поверхность твердосплавной пластины может быть прикреплена с помощью связующего вещества к соответствующей поверхности пола, выполненной в поверхности и/или у поверхности внешнего калибра лапы и/или передней поверхности лапы и/или поверхности затылка лапы и/или передней поверхности заплечика лапы. Соответствующая поверхность пола может быть сформирована в поверхности внешнего калибра лапы посредством паза, предоставленного в поверхности внешнего калибра и проходящего внутрь от кромки. Соответствующая поверхность пола может быть сформирована в передней поверхности лапы посредством паза, предоставленного в передней поверхности и проходящего наружу от передней кромки. Соответствующая поверхность пола может быть сформирована в поверхности заплечика лапы посредством паза, предоставленного в поверхности заплечика и проходящего внутрь от кромки затылка лапы. Соответствующая поверхность пола может быть сформирована в поверхности заплечика лапы посредством паза, предоставленного в поверхности заплечика и проходящего внутрь от передней кромки заплечика.

[07] В любом из вышеуказанных вариантов осуществления соответствующая поверхность, к которой выполняют присоединение, может содержать: поверхность пола, сформированную в или у внешней поверхности лапы, поверхность пола, сформированную в или у поверхности заплечика лапы, поверхность пола, сформированную в или у боковой поверхности лапы (прилегающую к внешней поверхности или к поверхности заплечика), поверхность пола паза, сформированную во внешней поверхности лапы, поверхность пола паза, сформированную в поверхности заплечика лапы и/или поверхность пола паза, сформированную в передней боковой поверхности лапы (прилегающую к внешней поверхности или к поверхности заплечика).

[08] В любом из вышеуказанных вариантов осуществления соответствующая поверхность, к которой выполняют присоединение, может содержать лишь небольшую часть или расширенную часть. В любом из вышеуказанных вариантов осуществления соответствующая поверхность, к которой выполняют присоединение, может содержать любую комбинацию следующих элементов: поверхность пола, сформированную в или у внешней поверхности затылка лапы, поверхность пола, сформированную в или у передней боковой поверхности лапы, поверхность пола, сформированную в или у передней поверхности заплечика лапы, поверхность пола паза, сформированную во внешней поверхности затылка лапы, поверхность пола паза, сформированную в передней боковой поверхности лапы и/или поверхность пола паза, сформированную в передней поверхности заплечика лапы.

[09] В любом из вышеуказанных вариантов осуществления сформированный паз может содержать лишь небольшую часть или расширенную часть желаемой поверхности. В качестве дополнения или альтернативы сформированный паз может содержать множество по существу плоских (или неплоских) и прилегающих (или соседних) поверхностей пола, где для каждой плоской (или неплоской) поверхности пола предоставлена вставка с соответствующей нижней поверхностью. В некоторых вариантах осуществления вставки могут быть расположены в плиточной конфигурации, кромка к кромке.

[010] В любом из вышеуказанных вариантов осуществления материал для расположения твердосплавной пластины может содержать текучее связующее вещество, расположенное между нижней поверхностью твердосплавной пластины и поверхностью пола лапы. Данный материал может содержать, например, твердый припой. Данный материал также может содержать один или несколько из следующих материалов: мягкий припой, связующие вещества, смолы и т.п. Различные комбинации указанных материалов могут быть использованы в долоте.

[011] В любом из вышеуказанных вариантов осуществления твердосплавная пластина изготовлена из материала или комбинации материалов, которые более устойчивы к истиранию, чем материал, используемый для изготовления лапы и/или затылка лапы долота. Например, твердосплавная пластина может содержать одну или несколько поликристаллических алмазных вставок, или может быть изготовлена из материала, такого как карбид вольфрама, или содержать вставки из поликристаллического кубического нитрида бора, или содержать импрегнированный алмазный сегмент. Толщина любой пластины может находиться в диапазоне от 0,050 до 0,500 дюйма. При наличии более одной твердосплавной пластины, различные комбинации указанных твердосплавных пластин могут быть использованы в долоте. Пластина может иметь любую желаемую форму например, но, не ограничиваясь данными примерами, прямоугольную форму, круглую форму, овальную форму и т.д., а также их вариации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[012] Другие признаки и преимущества изобретения станут понятны из следующего описания нескольких неограничивающих примеров, со ссылками на прилагаемые графические материалы, на которых:

[013] на фиг. 1A и 1B изображены виды в изометрии шарошечного долота для вращательного бурения известного из уровня техники;

[014] на фиг. 2A и 2B изображены виды в поперечном сечении части лапы шарошечного долота для вращательного бурения известного из уровня техники по фиг. 1;

[015] на фиг. 3 изображено нанесение слоя материала для твердосплавного покрытия, проходящего вдоль, по меньшей мере, части кромки затылка лапы;

[016] на фиг. 4 изображено использование вставок из карбида вольфрама возле кромки затылка лапы;

[017] на фиг. 5 изображено нанесение слоя материала для твердосплавного покрытия, проходящего вдоль, по меньшей мере, части передней кромки затылка лапы;

[018] на фиг. 6 изображено использование вставок из карбида вольфрама возле передней кромки затылка лапы;

[019] на фиг. 7A и 7B изображены виды в изометрии шарошечного долота для вращательного бурения, содержащего механизмы защиты кромки затылка лапы и передней кромки затылка лапы;

[020] на фиг. 8 изображен вид в поперечном сечении части лапы шарошечного долота для вращательного бурения, содержащей вариант осуществления механизма защиты кромки затылка лапы;

[021] на фиг. 9 и 10 изображены виды в поперечном сечении части лапы шарошечного долота для вращательного бурения, содержащей варианты осуществления механизма защиты передней кромки затылка лапы и заплечика;

[022] на фиг. 11 и 12 изображены виды в изометрии части лапы, содержащей механизмы защиты кромки затылка лапы;

[023] на фиг. 13 изображен вид в изометрии шарошечного долота для вращательного бурения, содержащего механизмы защиты кромки затылка лапы и передней кромки затылка лапы;

[024] на фиг. 14 изображен вид в поперечном сечении части лапы шарошечного долота для вращательного бурения, содержащей вариант осуществления механизма защиты кромки затылка лапы;

[025] на фиг. 15 и 16 изображены виды в поперечном сечении части лапы шарошечного долота для вращательного бурения, содержащей варианты осуществления механизма защиты передней кромки затылка лапы;

[026] на фиг. 17 и 18 изображены виды в изометрии части лапы, содержащей механизмы защиты кромки затылка лапы;

[027] на фиг. 19 и 20 изображены дополнительные виды в поперечном сечении части лапы шарошечного долота для вращательного бурения, содержащей варианты осуществления механизма защиты передней кромки лапы у затылка лапы и заплечика;

[028] на фиг. 21 изображен вид в изометрии шарошечного долота для вращательного бурения, содержащего механизмы защиты передних кромок лапы у затылка лапы и заплечика; и

[029] на фиг. 22, 23, 24 и 25 изображены виды в поперечном сечении части лапы шарошечного долота для вращательного бурения, содержащей варианты осуществления механизма защиты передней кромки лапы у затылка лапы и заплечика.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[030] Далее приведена ссылка на фиг. 7A и 7B, на каждой из которых изображен вид в изометрии шарошечного долота 110 для вращательного бурения, содержащего механизмы защиты кромки затылка лапы и передней кромки (также обозначенной термином "боковая передняя кромка") затылка лапы, а также механизмы защиты передней кромки лапы. Лапа 112 прикреплена к корпусной части 114 бурового долота 110. Лапа 112 содержит вал подшипника (не изображен, см. фиг. 8, ссылочный номер 116 или фиг. 2B, ссылочный номер 16), который проходит вниз и внутрь в радиальном направлении. Конус 120 шарошки установлен на валу подшипника и опирается на него для вращения. Внешняя поверхность 130 лапы 112 оканчивается полукруглой кромкой 132, расположенной вблизи конуса 120. Кроме этого, внешний калибр или затылок лапы 130 лапы 112 (расположенный на калибре долота) оканчивается полукруглой кромкой 132, расположенной вблизи конуса 120 (фиг. 7B). Область лапы 112, связанная с поверхностью 130, известна в данной области техники как “область затылка лапы” и кромка 132 известна в данной области техники как “кромка затылка лапы”. Внешняя поверхность 130 лапы 112 (которая может быть обозначена термином "внешний калибр" или "поверхность 130 затылка лапы") оканчивается в боковом направлении передней кромкой 150 затылка лапы и задней кромкой 152 затылка лапы (также обозначенной термином "задняя кромка 152 затылка лапы). Боковая передняя кромка 150 и боковая задняя кромка 152 затылка лапы содержат выступы кромки 132 затылка лапы, проходящие вдоль длины лапы 112. Область затылка лапы также содержит переднюю боковую поверхность 154, которая прилегает к внешней поверхности 130 лапы 112 у передней кромки 150 затылка лапы. Лапа 112 также содержит поверхность 125 заплечика (расположенную над внешней поверхностью 130 и направленную под углом внутрь от внешней поверхности 130). Поверхность 125 заплечика лапы 112 оканчивается в боковом направлении передней кромкой 151 заплечика и задней кромкой 153 заплечика. Боковая передняя кромка 151 и боковая задняя кромка 153 заплечика содержат выступы кромок 150 и 152 затылка лапы, соответственно, проходящие вдоль длины лапы 112 (и могут быть обозначены термином "боковая передняя кромка лапы" 112). Лапа также содержит переднюю боковую поверхность 154, которая прилегает к внешней поверхности 130 и поверхности 125 заплечика лапы 112 у передней кромки 150 затылка лапы и передней кромки 151 заплечика.

[031] Хотя и показано, что изображение содержит, например, систему герметичного подшипника, следует понимать, что настоящее изобретение применимо к долотам, содержащим как герметичный, так и не герметичный (воздушный) подшипник. На некоторых иллюстрациях изображена система герметичного подшипника. Система смазки содержит узел 127 компенсации давления, установленный внутри отверстия 129, выполненного в верхней поверхности 125 заплечика лапы 112 (см., например, фиг. 7B). На фиг. 7B изображен вариант реализации, где отверстие 129 выполнено исключительно в поверхности 125 заплечика. Тем не менее, следует понимать, что отверстие 129 может быть выполнено частично в поверхности 125 заплечика и частично во внешней поверхности 130 лапы 112 (ниже поверхности 125 заплечика). В качестве альтернативы, отверстие 129 может быть выполнено исключительно во внешней поверхности 130.

[032] Для защиты кромки 132 затылка лапы во внешней поверхности 130 лапы 112 предоставлен паз 134, проходящий внутрь от кромки 132 затылка лапы, и вставка 136 твердосплавной пластины приклеена к поверхности пола внутри паза 134 (фиг. 7A). См. также фиг. 8. Для защиты боковой передней кромки 150 затылка лапы во внешней поверхности 130 лапы 112 предоставлен паз 138, проходящий внутрь от передней кромки 150 затылка лапы, и вставка 140 твердосплавной пластины приклеена к поверхности пола внутри паза 138. См. также фиг. 9. Для защиты передней боковой поверхности 154 в передней боковой поверхности 154 лапы 112 предоставлен паз 142, проходящий наружу от передней кромки 150 затылка лапы, и вставка 144 твердосплавной пластины приклеена к поверхности пола внутри паза 142. См. также фиг. 10. Пазы могут быть выполнены с помощью фрезерования или литья во внешней поверхности 130 и/или передней боковой поверхности 154 лапы 112 в желаемых местах, в частности, в местах на лапе, которые подвержены износу при эксплуатации долота, и при необходимости могут иметь плоскую или изогнутую геометрию поверхности пола, которая соответствует нижним поверхностям вставок 136, 140 и 144.

[033] Хотя вышеописанные механизмы защиты изображены на фиг. 7A, следует понимать, что один или несколько из изображенных механизмов защиты могут быть выбраны для использования в шарошечном долоте 110 для вращательного бурения. Хотя на фиг. 7A изображено использование нескольких вставок 136 твердосплавных пластин вдоль кромки 132 затылка лапы, следует понимать, что вместо этого может быть предоставлен один паз 134, проходящий вдоль всей кромки или части кромки 132 затылка лапы, с одной вставкой 136 твердосплавной пластины, приклеенной внутри паза 134. Хотя на фиг. 7A и 7B изображено использование нескольких вставок 140 твердосплавных пластин вдоль передней кромки 150 затылка лапы, следует понимать, что вместо этого может быть предоставлен один паз 138, проходящий вдоль всей передней кромки или части передней кромки 150 затылка лапы, с одной вставкой 140 твердосплавной пластины, приклеенной внутри паза 138. Хотя на фиг. 7A и 7B изображено использование нескольких вставок 144 твердосплавных пластин вдоль передней кромки 150 затылка лапы, следует понимать, что вместо этого может быть предоставлен один паз 142, проходящий вдоль всей передней кромки или части передней кромки 150 затылка лапы, с одной вставкой 144 твердосплавной пластины, приклеенной внутри паза 142. В каждой из вышеприведенных реализаций, часть кромки (кромки 132 затылка лапы и/или передней кромки 150 затылка лапы), выбранная для получения защиты, может быть той частью кромки, которая наиболее подвержена износу при эксплуатации шарошечного долота 110 для вращательного бурения.

[034] Далее приведена ссылка на фиг. 8, на которой изображен вид в поперечном сечении части лапы шарошечного долота для вращательного бурения, содержащей вариант осуществления механизма защиты кромки затылка лапы. В данном варианте осуществления во внешней поверхности 130 лапы 112 предоставлен паз 134, проходящий внутрь от кромки 132 затылка лапы. Паз 134 может быть выполнен с помощью фрезерования или литья во внешней поверхности 130 лапы 112. Паз 134 ограничен поверхностью 160 пола, задней стенкой 162 и двумя боковыми стенками 164 (см. также фиг. 7A). Поверхность 160 пола может, например, являться по существу плоской поверхностью или, в качестве альтернативы, изогнутой поверхностью. Вставка 136 твердосплавной пластины приклеена внутри паза 134. В предпочтительном варианте осуществления нижняя поверхность вставки твердосплавной пластины приклеена к по существу соответствующей поверхности 160 пола паза 134. Нижняя поверхность вставки может, например, содержать плоскую поверхность, которая соответствует плоской поверхности пола, или иметь изогнутую поверхность, соответствующую изогнутой поверхности пола. Средства приклеивания нижней поверхности к поверхности пола могут, например, содержать любое подходящее клейкое вещество, расположенное между по существу соответствующими (например, параллельными) поверхностями и содержащее связующее вещество, способное течь между по существу соответствующими поверхностями под действием капиллярности, такое как твердый припой, мягкий припой, связующие вещества, смолы и т.п. (см., например, опубликованную заявку на патент США № 2009/0038442, содержание которой полностью включено в настоящее описание посредством ссылки). Из-за масштаба графического материала связующее вещество не изображено явным образом на фиг. 8, но следует понимать, что связующее вещество присутствует между соответствующей нижней поверхностью и поверхностью пола. Связующее вещество предпочтительно имеет по существу постоянную толщину между соответствующей нижней поверхностью и поверхностью пола. Вставка 136 твердосплавной пластины имеет такую толщину, что при приклеивании внутри паза 134, верхняя поверхность 166 вставки 136 пластины расположена по существу заподлицо с внешней поверхностью 130 лапы 112 или слегка выступает за ее пределы, или слегка углублена под нее. Кроме этого, вставка 136 твердосплавной пластины имеет такой размер, что кромка 168 вставки пластины напротив задней стенки 162 паза 134 ограничивает кромку 132 затылка лапы (или совпадает с ней или почти совпадает с ней). Вставка 136 твердосплавной пластины изготовлена из материала или комбинации материалов, которые более устойчивы к истиранию, чем материал, используемый для изготовления лапы и затылка лапы долота. В предпочтительном варианте реализации вставка твердосплавной пластины изготовлена из такого материала как твердый карбид вольфрама или содержит поликристаллическую алмазную вставку (PDC), вставку из поликристаллического кубического нитрида бора, импрегнированный алмазный сегмент и т.п. Данные материалы превосходят традиционное привариваемое твердосплавное покрытие из карбида вольфрама известного из уровня техники, поскольку они обладают большей плотностью и не так сильно подвержены истиранию и эрозии.

[035] Кромка 132 затылка лапы предоставлена в месте перехода конечной части поверхности 130 во внутреннюю радиальную поверхность 192, ориентированную параллельно основанию конуса 120 (перпендикулярно валу 116 подшипника) и расположенную у основания вала 116 подшипника. Вставки 136 твердосплавных пластин выполняют функцию защиты кромки 132 затылка лапы от износа и защиты внутренней радиальной поверхности 192 от эрозии. Хотя изображена система герметичного подшипника, следует понимать, что защита кромки согласно настоящему изобретению применима к долотам, как с герметичным, так и с не герметичным (воздушным) подшипником.

[036] Вставки 136 твердосплавных пластин имеют толщину t и ширину w (где ширину измеряют в направлении, перпендикулярном кромке 132 затылка лапы). Вставки 136 твердосплавных пластин являются тонкими вставками. В данном случае, отношение толщины t вставки к ширине w вставки меньше 0,5 (т.е., t/w<0,5). Точнее, отношение толщины t вставки к ширине w вставки значительно меньше 0,5 (т.е., t/w<<0,5). Еще точнее, отношение толщины t вставки к ширине w вставки меньше 0,2 (т.е., t/w<0,2) и даже может быть меньше 0,1 (т.е., t/w<0,1). Это разрешено потому, что вставки 136 твердосплавных пластин прикреплены посредством склеивания к их нижней поверхности, но не к их периферийной кромке (как в случае с запрессованными вставками, используемыми в известном уровне техники (см., например, фиг. 4)).

[037] На фиг. 11 и 12 изображены виды в изометрии части лапы 130, содержащей механизмы защиты кромки 132 затылка лапы как изображено на фиг. 8. Конус 120 не изображен на фиг. 11 и 12, изображающих расположение вставок 136 твердосплавных пластин на кромке 132 затылка лапы. На фиг. 11 и 12 также изображено предоставление пазов 134 во внешней поверхности 130 лапы 112, проходящих внутрь от кромки 132 затылка лапы. Часть 190 материала затылка лапы остается на поверхности 160 пола каждого паза 134 (рядом с внутренней радиальной поверхностью 192), и именно на поверхности 160 пола выполняют приклеивание (например, посредством пайки твердым припоем) к вставке 136 твердосплавной пластины. Таким образом, связующее вещество не подвержено воздействию снаружи и не подвержено возможному износу. Вставка может иметь толщину в диапазоне от 0,050 до 0,500 дюйма.

[038] Как изображено на фиг. 12, при необходимости обеспечить непрерывную защиту вдоль расширенной длины кромки 132 затылка лапы, паз подобным образом непрерывно проходит вдоль данной расширенной длины кромки 132. В одном варианте осуществления, поверхность пола может изгибаться с радиусом долота, и таким образом нижняя поверхность одной или нескольких включенных вставок будет обладать соответствующим изгибом. В другом варианте осуществления паз сформирован таким образом, чтобы содержать множество по существу плоских и прилегающих поверхностей 160 пола, и вставка 136 твердосплавной пластины с соответствующей плоской нижней поверхностью предоставлена для каждой плоской поверхности и вставки расположены в плиточной конфигурации, кромка к кромке (см. пунктирную линию, ссылочный номер 137, обозначающую кромки прилегающих плиток).

[039] Далее приведена ссылка на фиг. 9, на которой изображен вид в поперечном сечении части лапы шарошечного долота для вращательного бурения, содержащей вариант осуществления механизма защиты боковой передней кромки лапы, включая боковую переднюю кромку затылка лапы. В данном варианте осуществления во внешней поверхности 130 лапы 112 предоставлен паз 138, проходящий внутрь от боковой передней кромки 150 затылка лапы. Паз 138 может быть выполнен с помощью фрезерования или литья во внешней поверхности 130 лапы 112. Паз 138 ограничен поверхностью 170 пола, задней стенкой 172 и двумя боковыми стенками 174 (см. также фиг. 7A). Вставка 140 твердосплавной