BR112015014670B1 - Broca de perfuração de eletrotrituração - Google Patents
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Abstract
broca de perfuração de eletrotrituração brocas de eletrotrituração e métodos para operar brocas de eletrotrituração. brocas de perfuração de eletrotrituração compreendem um ou mais eletrodos de alta tensão rodeados por um aterramento ou estrutura de retorno de corrente, que pode ser um anel ou compreender eletrodos em forma de haste. aberturas no aro da estrutura de retorno de corrente facilitam a remoção dos detritos de perfuração e bolhas criadas pelo processo de eletrotrituração para fora a partir da face de fundo da broca de perfuração e o furo de poço. os eletrodos de alta tensão podem ser dispostos em um círculo. a estrutura de retorno de corrente pode cobrir parcialmente a face de fundo da broca de perfuração, envolvendo assim os eletrodos de alta tensão em aberturas que podem ser em forma de setor. além disso, um método e um aparelho para interromper as comunicação entre os sistemas de aquisição de dados de poço abaixo e um sistema de controlador de superfície durante cada pulso de broca de perfuração, desse modo reduzindo o ruído. uma conexão direta entre os dois sistemas permite comunicação de alta velocidade, melhorando assim a segurança, fornecendo o operador aviso com mais antecedência de uma possível ruptura. além disso, um método e aparelho para dividir um fluxo de fluido de perfuração tanto para varrer detritos de perfuração e bolhas para fora do furo de broca de perfuração e arrefecer os componentes elétricos de alta potência.
Description
[001] Este pedido reivindica prioridade e benefício da apresentação de Pedido de Patente Provisório Serial No. US 61/738,837, intitulado "Aparelho de Controle e Geração de Potência de Descarga Elétrica Pulsada Repetitiva e Método de Utilização", depositado em 18 de dezembro de 2012; Pedido de Patente Provisório Serial No. US 61/739.172, intitulado "Aparelho de Descarga Elétrica Pulsada Repetitiva e Método de Utilização", depositado em 19 de dezembro de 2012; Pedido de Patente Provisório Serial No. US 61/738.753, intitulado "Aparelho de Instrumentação de Descarga Elétrica Pulsada Repetitiva e Método de Utilização", depositado em 18 de dezembro de 2012; Pedido de Patente Provisório Serial No. US 61/739,144, intitulado "Aparelho de Broca de Nutação de Descarga Elétrica Pulsada Repetitiva e Método de Utilização", depositado em 19 de dezembro de 2012; Pedido de Patente Provisório Serial No. US 61/740,812, intitulado "Aparelho de Broca de Perfuração de Descarga Elétrica Pulsada Repetitiva e Método de Utilização", depositado em 21 de dezembro de 2012; Pedido de Patente Provisório Serial No. US 61/749.071, intitulado "Aparelhos e método para produzir potência eletromagnética", depositado em 4 de janeiro de 2013; Pedido de Patente Provisório Serial No. US 61/739.187, intitulado "Aparelho de Controle de Fluxo de Fluido de Descarga Elétrica Pulsada Repetitiva e Método de Utilização", depositado em 19 de dezembro de 2012, e Pedido de Patente Provisório Serial No. US 61/905.060, intitulado "Aparelhos de Descarga Elétrica Pulsada Repetitiva e métodos de utilização", depositado em 15 de novembro de 2013. A especificação e reivindicações desses pedidos são aqui incorporadas por referência.
[002] Este pedido também é um pedido de continuação em parte do Pedido de Patente Serial No. US 13.935.995, intitulado "Aparelhos e métodos para fornecer potência elétrica a uma broca de eletrotrituração", depositado em 05 de julho de 2013, este pedido reivindica a prioridade e os benefícios da apresentação do Pedido de Patente Provisório Serial No. US 61/668.304, intitulado "Aparelho e método para fornecer potência elétrica a uma broca de eletrotrituração", depositado em 5 de julho de 2012; Pedido de Patente Provisório Serial No. US 61/738.837, intitulado "Aparelho de Controle e Geração de Potência de Descarga Elétrica Pulsada Repetitiva e Método de Utilização", depositado em 18 de dezembro de 2012; e Pedido de Patente Provisório Serial No. US 61/739,172, intitulado "Aparelho de Descarga Elétrica Pulsada Repetitiva e método de utilização", depositado em 19 de dezembro de 2012, a especificação e reivindicações são aqui incorporadas por referência.
[003] Este pedido está relacionado com o Pedido de Patente Serial No. US 13/346,452, depositado em 9 de janeiro de 2012, intitulado "Aparelho e método para fornecer potência elétrica a uma broca de eletrotrituração", que é um pedido de continuação em parte e reivindica o benefício e prioridade de pedido de patente Serial No. US 12/502.977, depositado em 14 de julho de 2009, intitulado "Aparelho e Método para eletrotrituração de rocha", que é um pedido de continuação em parte e reivindica prioridade do Pedido de Patente Serial No. US 11/479.348, depositado em 29 de junho de 2006, intitulado "Broca de eletrotrituração portátil e direcional", e emitido em 14 de julho de 2009, como patente No. US 7.559.378, que é um pedido de continuação em parte e reivindica prioridade para Patente No. US 7.527.108, intitulada "Broca de eletrotrituração portátil", depositada em 22 de fevereiro de 2006 e emitida em 5 de maio de 2009; que é um pedido de continuação em parte e reivindica prioridade para patente No. US 7.416.032, intitulada "Aparelho de Perfuração de Rocha Elétrica Pulsada", depositada em 19 de agosto de 2005, e emitida em 26 de agosto de 2008; e Patente No. US 7.530.406, intitulada "Método de Perfuração Usando perfuração elétrica pulsada", depositada em 20 de novembro de 2006, e emitida em 12 de maio de 2009, que reivindica prioridade para Pedido Provisório Serial No. 60/603.509, intitulado "Broca e Tecnologia Rápida de Eletrotrituração, Óleo de Alta Permissividade Relativa, Quebrador de Pedregulho de Alta Eficiência, Novo Processo de Eletrotrituração, e Máquina de Mineração de Eletrotrituração", depositado em 20 de agosto de 2004, e a especificação e reivindicações desses pedidos e patentes anteriores são aqui incorporadas por referência. Este pedido também está relacionado ao pedido de patente Serial No. US 11/208.671, intitulado "Aparelhos de Perfuração de Rocha Elétricos Pulsados", depositado em 19 de agosto de 2005, Pedido de Utilidade Serial No. US 11/561.840, intitulado "Método de Perfuração Usando Perfuração Elétrica Pulsada" depositado em 20 de novembro de 2006; Pedido de Utilidade Serial No. US 11/360,118 intitulado "Broca de eletrotrituração portátil;"depositado em 22 de fevereiro de 2006; Pedido de Patente PCT PCT/US06/006.502 intitulado "Broca de eletrotrituração portátil;"depositado em 23 de fevereiro de 2006; Pedido de Utilidade Serial No. US 11/479.346 intitulado "Método de Perfuração Usando perfuração elétrica pulsada;" depositado em 29 de junho de 2006; Pedido de Patente PCT PCT/US07/72565 intitulado "Broca de Eletrotrituração Direcional Portátil; depositado em 29 de junho de 2007; Pedido de Utilidade Serial No. US 11/561.852 intitulado "Fratura Usando um Pulso de Pressão", depositado em 20 de novembro de 2006; Pedido de Patente Serial No. US 13/466.296, intitulado "Aparelhos Perfuração de Rocha Elétrica Pulsada com Broca não rotativa e controle direcional", depositado em 8 de maio de 2012, que é uma divisão de Pedido de Patente Serial No. US 12/198.868, intitulado "Aparelho de Perfuração de Rocha Elétrica Pulsada com Broca não rotativa e controle direcional", depositado em 26 de agosto de 2008, que é um pedido de continuação em parte de Patente No. US 7.416.032, intitulada "Aparelho de Perfuração de Rocha Elétrica Pulsada", depositada em 19 de agosto de 2005 e emitida em 28 de agosto de 2008, e Patente No. US 7.530.406, intitulada "Método de Perfuração Usando perfuração elétrica pulsada", depositada em 20 de novembro de 2006 e emitida em 12 de maio de 2009; que reivindica prioridade para Pedido Provisório Serial No. 60/603.509, intitulado "Broca e Tecnologia Rápida de Eletrotrituração, Óleo de Alta Permissividade Relativa, Quebrador de Pedregulho de Alta Eficiência, Novo Processo de Eletrotrituração, e Máquina de Mineração de Eletrotrituração", depositado em 20 de agosto de 2004; e a especificação e as reivindicações destes pedidos e patentes são aqui incorporadas por referência. Este pedido está também relacionada com Pedido de Patente Serial No. 11/208,579, intitulado "Sistema de Fratura de Pulso de Pressão", depositado em 19 de agosto de 2005; Pedido de Patente Serial No. 11/208,768, intitulado "Fluido de Permissividade Alta", depositado em 19 de agosto de 2005; e Patente No. US 7.384.009, intitulado " Desintegrador de Partículas Minerais de Eletrodo Virtual", depositado em 19 de agosto de 2005, e emitido em 10 de junho de 2008; e a especificação e reivindicações destes pedidos de patente e patentes são aqui incorporadas por referência.
[004] A presente invenção refere-se a uma broca de eletrotrituração, particularmente uma broca portátil que utiliza uma faísca elétrica, ou plasma, dentro de um substrato para fraturar o substrato. Uma modalidade da presente invenção compreende dois sistemas de potência pulsada coordenados para disparar um após o outro.
[005] Note que sempre que a seguinte discussão refere- se a um número de publicações por autor (es) e ano de publicação, por causa das datas de publicação recentes certas publicações não devem ser consideradas como estado da técnica vis-à-vis da presente invenção. Discussão de tais publicações aqui é dada para o fundamento mais completo e não deve ser interpretada como uma admissão que estas publicações são técnica anterior para fins de determinação de patenteabilidade.
[006] Processos que utilizam a tecnologia de potência pulsada são conhecidos na arte para quebrar pedaços minerais. Tipicamente, um potencial elétrico é impresso entre os eletrodos que contatam com a rocha a partir de um eletrodo de alta tensão para um eletrodo de terra. Em campo elétrico suficientemente elevado, um arco ou plasma é formado no interior da rocha a partir do eletrodo de alta tensão para a tensão baixa ou eletrodo de terra. A expansão dos gases quentes criados pelo arco fratura a rocha. Quando esta flâmula conecta um eletrodo para o outro, a corrente flui através do circuito de condução, ou arco, dentro da rocha. A elevada temperatura do arco vaporiza a rocha e qualquer água ou outros líquidos que possam estar em contato com, ou estão perto, o arco. Este processo de vaporização cria gás de alta pressão na zona de arco, que expande. Esta pressão de expansão falha a rocha em tensão, criando, assim, fragmentos de rocha.
[007] É vantajoso nestes processos usar um líquido isolante que tem uma permissividade relativa elevada (constante dielétrica) para deslocar os campos elétricos para a rocha na região dos eletrodos.
[008] Água é usada frequentemente como o fluido para o processo de desintegração mineral. O fluido de perfuração ensinado na Patente Serial No. US 11/208.786 intitulada "Fluido de alta Permissividade"também é aplicável ao processo de desintegração mineral.
[009] Outra técnica para fraturar a rocha é a técnica de plasma-hidráulico (PH), ou eletro-hidráulico (EH) que utilizam a tecnologia de potência pulsada para criar plasma subaquático, que cria ondas de choque intensas na água para triturar rocha e fornecer uma ação de perfuração. Na prática, um plasma elétrico é criado em água por meio de um pulso de eletricidade a alta potência de pico através da água. O plasma em rápida expansão na água cria uma onda de choque suficientemente poderosa para triturar a rocha. Em tal processo, rocha é fraturada pela aplicação repetitiva da onda de choque. A Patente No. US 5.896.938, para o presente inventor, revela uma broca eletro-hidráulica portátil utilizando a técnica de PH.
[010] A eficiência de fratura de rocha do processo de eletrotrituração é muito maior do que qualquer perfuração mecânica convencional ou perfuração eletro-hidráulica. Isto é porque ambos os métodos de triturar a rocha em compressão, onde a rocha é a mais forte, enquanto o método de eletrotrituração falha a rocha em tensão, onde é relativamente fraca. Existe, portanto, uma necessidade de uma broca de perfuração portátil utilizando os métodos de eletrotrituração aqui descritos para, por exemplo, fornecer vantagens em mineração em rochas duras subterrânea, para fornecer a capacidade para produzir de forma rápida e facilmente furos no teto de minas para a instalação de parafusos de teto para inibir queda de rochas e, assim, proteger a vida dos mineiros, e para reduzir o custo de perfuração de furos de explosão. Há também uma necessidade para um método de eletrotrituração que melhora a transferência de potência para o substrato, superando a impedância de um canal de condução em um substrato.
[011] Uma modalidade da presente invenção compreende um aparelho para controlar potência fornecida a um sistema de potência pulsada de poço abaixo em um conjunto de fundo de poço. O aparelho desta modalidade compreende de preferência um cabo para fornecimento de potência a partir de uma superfície para o sistema de potência pulsada, um comutador de carga de comando disposto entre uma extremidade do cabo e um sistema de potência primário na superfície. O comutador de carga de comando é acionado por comando para controlar quando potência produzida pelo sistema de potência primário é alimentado para o cabo controlando assim potência fornecida ao sistema de potência pulsada no conjunto de fundo de poço. O conjunto de fundo de poço compreende de preferência uma broca de perfuração não rotativa. O sistema de potência pulsada compreende pelo menos um capacitor colocado perto da broca de perfuração. O sistema de potência primário produz preferencialmente uma potência DC de tensão média para carregar pelo menos um capacitor de sistema de potência primário que é conectado pelo comutador de carga de comando para o cabo. O comutador de carga de comando de preferência controla quando a potência DC de tensão média no capacitor de potência primário é ligada ao cabo e transmitida para o sistema de potência pulsada. O comutador de carga de comando de preferência controla a duração de uma tensão de carga no sistema de potência pulsada no conjunto de fundo de poço. O comutador de carga de comando pode controlar uma forma de onda de tensão no cabo. O sistema de potência primário de preferência amortece oscilações de cabo. O sistema de potência primário de preferência incorpora um conjunto de diodo - resistor para amortecer oscilações de cabo.
[012] Uma outra modalidade da presente invenção compreende um método para controlar potência fornecida a um sistema de potência pulsada utilizando um comutador de controle de comando. Este método compreende dispor o sistema de potência pulsada em um conjunto de fundo de poço, fornecer potência para o sistema de potência pulsada através de um cabo, dispor um comutador de carga de comando entre uma extremidade do cabo e um sistema de potência primário na superfície, e acionar o comutador de carga de comando assim controlando quando a potência produzida pelo sistema de potência primário é introduzida no cabo e controlar a potência fornecida ao sistema de potência pulsada no conjunto de fundo de poço. O conjunto de fundo de poço compreende uma broca de perfuração não rotativa. O sistema de potência primário produz uma potência DC de tensão média para carregar pelo menos um capacitor de sistema de potência primário que é conectado ao cabo pelo comutador de carga de comando. O comutador de controle de comando controlando quando a potência DC de tensão média no capacitor de potência primário é ligada ao cabo, controlando a duração de tensão de carga no sistema de potência pulsada no conjunto de fundo de poço, e controlando uma onda de tensão no cabo. O sistema de potência pulsada amortecendo oscilações de cabo.
[013] Ainda uma outra modalidade da presente invenção compreende um aparelho para a condução de corrente elétrica a partir de um ambiente de topo de poço para um sistema de potência pulsada de poço abaixo em um conjunto de fundo de poço. Este aparelho compreende, preferencialmente, um tubo de perfuração compreendendo primeira e segunda seções conectáveis, as seções de tubo de perfuração compreendendo uma pluralidade de condutores embutidos, contatos machos dispostos nos condutores embutidos de uma primeira seção conectável, contatos fêmeas dispostos nos condutores embutidos de uma segunda seção conectável, os contatos machos e contatos fêmeas capazes de alinhamento de pelo menos um conector de tubo de perfuração para conectar a primeira seção conectável à segunda seção conectável para formar pelo menos uma porção do tubo de perfuração, o conector isolando um condutor incorporado a partir de outro condutor. O aparelho pode também compreender seções conectáveis adicionais alternando entre conectores incorporados compreendendo contatos machos e conectores incorporados compreendendo contatos fêmeas. O tubo de perfuração desta modalidade é de preferência não condutor exceto os condutores embutidos e não transporta cargas de alto torque mecânico. O conector da presente modalidade compreende de preferência um conector não rotativo, tal como, por exemplo, um conector "tipo furo" ou um conector tensor. Os condutores desta modalidade incluirão uma condução de corrente de pelo menos cerca de 1 amp de corrente média. Os condutores também podem transportar a corrente de alta tensão. Por exemplo, a corrente pode ser uma tensão de pelo menos cerca de 1 kV. O aparelho desta modalidade pode também compreender condutores de baixa tensão para o transporte de sinal de dados de baixa tensão. Os condutores de baixa tensão podem transportar uma corrente de tensão de cerca de 1 a cerca de 500 volts. Os condutores de baixa tensão preferencialmente são isolados a partir dos condutores de alta tensão. Os conectores podem opcionalmente compreender dispositivos de desconexão. Os conectores permitem conexão das seções de tubo de perfuração sem rotação relativa para permitir alinhamento dos condutores elétricos. Pelo menos uma porção do tubo de perfuração pode compreender um material dielétrico, um material metálico e/ou uma combinação de materiais dielétricos e os materiais metálicos. O aparelho pode ainda compreender seções conectáveis adicionais alternando entre conectores incorporados compreendendo contatos machos e conectores incorporados compreendendo contatos fêmeas.
[014] Uma modalidade da presente invenção compreende um método de condução de corrente elétrica a partir de um ambiente de topo de poço para um sistema de potência pulsada de poço abaixo em um conjunto de fundo de poço. O método preferivelmente compreende fornecer um tubo de perfuração compreendendo duas ou mais seções conectáveis e uma pluralidade de condutores embutidos, dispor conectores elétricos machos na pluralidade de condutores embutidos de uma primeira seção conectável, dispor conectores elétricos fêmeas na pluralidade de condutores embutidos de uma segunda seção conectável, alinhar os conectores elétricos machos com os conectores elétricos fêmeas, conectar as seções conectáveis em conjunto utilizando pelo menos um conector de tubo de perfuração, isolar os condutores embutidos uns dos outros, e conduzir corrente elétrica a partir de um ambiente de topo de poço para um sistema de potência pulsada de poço abaixo em um conjunto de fundo de poço. A corrente é de preferência conduzida a corrente média de cerca de 1 amp. Corrente de alta tensão pode ser carregada em pelo menos alguns da pluralidade de condutores embutidos. A corrente de alta tensão é de preferência pelo menos cerca de 1 kV. Corrente de baixa tensão pode também ser carregada em pelo menos alguns da pluralidade de condutores embutidos. Os condutores incorporados são de preferência isolados. As seções conectáveis são de preferência conectadas sem rotação relativa. Este método pode também compreender alternar entre conectores incorporados compreendendo contatos machos e conectores incorporados compreendendo contatos fêmeas.
[015] Uma outra modalidade da presente invenção é um aparelho para o fornecimento de potência a um sistema de potência pulsada de poço abaixo, o aparelho compreendendo uma fonte de potência acima de terra, um sistema de potência pulsada de poço abaixo, e um cabo diretamente conectado ao fonte de potência acima de terra e o sistema de potência pulsada de poço abaixo. O cabo é, opcionalmente, entre cerca de 500 pés e cerca de 30 mil pés de comprimento. O sistema de potência pulsada de poço abaixo de preferência compreende um ou mais capacitores que são carregados diretamente da fonte de potência. A fonte de potência compreende, opcionalmente, uma fonte de potência de comutação, que utiliza preferencialmente pulsos controlados por corrente alta frequência para aumentar progressivamente a tensão do um ou mais capacitores e de preferência mede a tensão e ajustar a corrente para atingir uma tensão de estado final desejado nos capacitores. A fonte de potência compreende de preferência uma fonte de potência DC, e preferencialmente compreende tanto um segundo cabo separado para monitorar a tensão de capacitor para controlar a tensão de estado final e uma sonda de alta tensão para monitorar a tensão de capacitor, a sonda localizada no furo abaixo e transmitir sinais de controle para a superfície através do segundo cabo separado. A fonte de potência compreende, opcionalmente, uma fonte de potência AC, caso em que o aparelho compreende ainda, preferencialmente, um retificador no sistema de potência pulsada de poço abaixo e um segundo cabo separado para monitorar tensão e/ou transmitir dados de monitoramento de tensão em uma frequência diferente ao longo do segundo cabo. O aparelho compreende ainda de preferência circuito de controle de tensão acima de terra para a recepção de dados de tensão a partir dos capacitores e controlar uma saída de corrente e/ou saída de tensão da fonte de potência.
[016] Uma outra modalidade da presente invenção é um método para fornecer potência a um sistema de potência pulsada de poço abaixo, o método compreendendo carregar diretamente um ou mais capacitores em um sistema de potência pulsada de poço abaixo a partir de uma fonte de potência acima de terra. O método de preferência compreende ainda conectar um cabo entre a fonte de potência acima de terra e o sistema de potência pulsada de poço abaixo. A fonte de potência compreende, opcionalmente, uma fonte de potência de comutação, caso em que o método compreende ainda, preferencialmente, utilizar pulsos controlados por corrente de alta frequência para aumentar progressivamente uma tensão do um ou mais capacitores e de preferência compreende ainda medir a tensão e ajustar a corrente para atingir uma tensão de estado final desejado nos capacitores. A fonte de potência compreende de preferência uma fonte de potência DC, caso em que o método compreende ainda monitorar a tensão de capacitor para controlar a tensão de estado final, transmitir sinais de controle para a superfície através de um cabo de sinal, ou alternativamente, transmitir sinais de controle para a superfície no cabo de potência como um sinal AC sobreposto na corrente de potência DC, de preferência por indutivamente acoplar os sinais de controle para o cabo de potência de poço abaixo e indutivamente extrair os sinais de controle do cabo de potência na superfície. A fonte de potência compreende, opcionalmente, uma fonte de potência AC, caso em que o método compreende retificar a potência AC de poço abaixo e monitorar tensão e/ou transmitir dados de monitoramento de tensão em uma frequência diferente ao longo de um cabo de sinal. O método compreende ainda, preferencialmente, receber dados de tensão dos capacitores e controlar uma saída de corrente e/ou saída de tensão da fonte de potência.
[017] Ainda uma outra modalidade da presente invenção é um método para fornecer potência a um sistema de potência pulsada de poço abaixo, o método compreendendo transmitir um microondas a partir de um transmissor de microondas acima de terra a um receptor de microondas de poço abaixo e carregar um ou mais capacitores em um sistema de potência pulsada de poço abaixo. O método compreende ainda de preferência fornecer uma largura de banda de microondas suficiente para transmitir tanto dados e potência para o sistema de potência pulsada de poço abaixo. O método de preferência compreende ainda transmitir dados de volta para a superfície usando um transmissor de baixa potência de poço abaixo. O método compreende ainda de preferência usar um tubo de perfuração metálico utilizado para fornecer fluido de perfuração como um guia de ondas de microondas, minimizando assim as perdas e melhorando transmissão de potência. O método compreende ainda de preferência usando um fluido de perfuração compreendendo uma propriedade selecionada a partir do grupo que consiste em não condutor, não aquoso, isolante, e dielétrico.
[018] Uma outra modalidade da presente invenção é uma broca de perfuração de eletrotrituração compreendendo um ou mais eletrodos de alta tensão rodeado por uma estrutura de retorno de corrente compreendendo uma pluralidade de aberturas circunferenciais para facilitar a remoção dos detritos de perfuração da broca de perfuração. A broca de perfuração compreende de preferência uma pluralidade de eletrodos de alta tensão em forma de haste dispostos em pelo menos uma porção de um círculo. Os eletrodos de alta tensão opcionalmente envolvem um ou mais eletrodos de retorno de corrente centrais em forma de haste, os quais opcionalmente estão dispostos em pelo menos uma porção de um círculo concêntrico com os eletrodos de alta tensão. A estrutura de retorno de corrente compreende, opcionalmente, um anel de retorno de corrente que é de preferência suficientemente forte para suportar estruturalmente uma coluna de perfuração. A estrutura de retorno de corrente compreende, opcionalmente, uma pluralidade de eletrodos de retorno de corrente circunferenciais em forma de haste localizados em um aro exterior da broca de perfuração e as aberturas circunferenciais compreendem espaços entre os eletrodos de retorno de corrente circunferenciais. Os eletrodos de retorno de corrente circunferenciais são de preferência concêntricos com uma pluralidade de eletrodos de alta tensão dispostos em pelo menos uma porção de um círculo. A broca de perfuração pode opcionalmente ainda compreender um eletrodo de retorno de corrente central localizado aproximadamente no centro do círculo. A broca de perfuração pode compreender, opcionalmente, uma parede conectando os eletrodos de retorno de corrente circunferenciais, a parede de preferência mais fina do que um diâmetro de cada eletrodo de retorno de corrente circunferencial e disposta de modo que a parede estende radialmente para fora tão longe ou além do eletrodo de retorno de corrente circunferencial, assim, estendendo longitudinalmente uma parede exterior da broca de perfuração, mas não estende além dos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais radialmente para dentro. A altura da parede é de preferência mais curta do que um comprimento dos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais. A parede e os eletrodos de retorno de corrente circunferenciais são de preferência fabricados em conjunto para formar uma estrutura única. A parede compreende, opcionalmente, uma pluralidade de aberturas adicionais para facilitar a remoção dos detritos de perfuração da broca de perfuração. Os eletrodos de retorno de corrente circunferenciais compreendem preferencialmente uma forma de seção transversal selecionada de entre o grupo que consiste em círculo, elipse, cunha, e aerofólio. A broca de perfuração compreende opcionalmente um único eletrodo de alta tensão rodeado por uma pluralidade de eletrodos de retorno de corrente circunferenciais e, opcionalmente, compreende uma pluralidade de canais correndo longitudinalmente ao longo de uma superfície exterior da broca de perfuração para facilitar o transporte de detritos de perfuração para cima e para fora de um furo de perfuração.
[019] A estrutura de retorno de corrente, opcionalmente, cobre parcialmente uma face de fundo da broca de perfuração, a estrutura de retorno de corrente compreendendo uma ou mais aberturas de fundo ao longo da face de fundo, em que um ou mais dos eletrodos de alta tensão é disposto no interior de cada abertura de fundo. A broca de perfuração de preferência compreende um canal em cerca de um centro da face de fundo para fluir fluido de perfuração para a broca. A estrutura de retorno de corrente de preferência compreende uma porção sólida disposta perto do canal, forçando desse modo pelo menos parte do fluido de perfuração fluindo fluir radialmente a partir do canal em direção e em torno de cada um dos eletrodos de alta tensão. O fluido de perfuração fluindo de um modo preferido varre os detritos de perfuração e bolhas no fluido criado pela operação dos eletrodos para fora da broca de perfuração. Os eletrodos de alta tensão são opcionalmente em forma de haste e dispostos de modo a formar pelo menos uma porção de um círculo centrado em um centro da face de fundo. Cada um dos eletrodos de alta tensão é de preferência compressível e/ou estende para fora a partir da face de fundo. Dois ou mais dos eletrodos de alta tensão são opcionalmente conectados eletricamente para formar um ou mais conjuntos de eletrodos conectados, cada conjunto alimentado por um sistema de potência pulsada separado. Operação preferida de um ou mais dos conjuntos sobre um ou mais dos outros conjuntos de preferência resulta em controle direcional da broca de perfuração. Os eletrodos em cada conjunto são opcionalmente conectados mecanicamente para mover juntos. Cada abertura de fundo é de preferência em forma de setor ou substancialmente triangular. Os eletrodos de alta tensão são opcionalmente substancialmente triangulares ou em forma de setor e são dispostos circunferencialmente em torno de um centro da face de fundo, cada eletrodo de alta tensão orientado de modo que um dos seus vértices está apontando na direção do centro. A broca de perfuração é de preferência conectada para um conjunto de fundo de poço por meio de uma junta de rotação e um motor para nutação da broca de perfuração. Nutação da broca de perfuração preferencialmente resulta em perfuração mais uniforme apesar das distribuições de campo elétrico não uniformes produzidas pelos eletrodos de alta tensão.
[020] A presente invenção é também um método para imagiologia de uma formação à frente de uma broca de perfuração de eletrotrituração, o método compreendendo fornecer um pulso de corrente para um loop de condução disposto sobre ou dentro de um conjunto de broca de perfuração de eletrotrituração, gerando deste modo um campo magnético pulsado que penetra a formação à frente da broca de perfuração. Fornecer o pulso compreende preferencialmente operação de um circuito de potência pulsada operando em dezenas de kilovolts e algumas kiloamps e um subsistema de potência pulsada separado gerando o pulso de corrente. O subsistema de potência pulsada separado de preferência utiliza a mesma fonte de potência, instrumentação, sistema de carregamento, e sistema de controle utilizados durante o funcionamento da broca de perfuração de eletrotrituração. O loop de condução é opcionalmente orientado de modo que um plano do loop de condução seja perpendicular ou paralelo ao eixo do conjunto de broca de perfuração. Fornecer um pulso de corrente de um modo preferido compreende utilização de corrente a partir de um ou mais eletrodos de eletrotrituração durante o funcionamento da broca de perfuração de eletrotrituração. O loop de condução é de preferência conectado em série ou em paralelo com o um ou mais eletrodos de eletrotrituração. O método compreende ainda opcionalmente alterar faseamento da corrente através de cada um de uma pluralidade de loops de corrente, assim direcionando uns máximos do campo magnético produzido através da formação.
[021] A presente invenção é também um aparelho para imagiologia de uma formação à frente de uma broca de perfuração de eletrotrituração, o aparelho compreendendo: uma fonte de pulso de corrente e um loop de condução disposto sobre ou dentro de um conjunto de broca de perfuração de eletrotrituração para gerar um campo magnético que penetra a formação à frente da broca de perfuração. A fonte de pulso de corrente de preferência compreende um subsistema de potência pulsada separado, que utiliza de preferência a mesma fonte de potência, instrumentação, sistema de carregamento, e sistema de controle utilizado durante o funcionamento da broca de perfuração de eletrotrituração e compreende de preferência um circuito de potência pulsada operando a dezenas de quilovolts e alguns kiloamps. A fonte de pulso de corrente opcionalmente também alimenta um ou mais eletrodos de eletrotrituração, caso em que o circuito de condução é opcionalmente conectado em série ou em paralelo com o um ou mais eletrodos de eletrotrituração. O plano do loop de condução é opcionalmente orientado substancialmente perpendicular ou paralelo ao eixo do conjunto de broca de perfuração de eletrotrituração. O aparelho compreende, opcionalmente, uma pluralidade de loops de condução com diferentes orientações. O aparelho compreende ainda, preferencialmente, um ou mais sensores para detectar o campo magnético.
[022] A presente invenção é também um método para operar uma broca de eletrotrituração, o método compreendendo o envio de um sinal a partir de um sistema de aquisição e controle de dados na superfície para acionar um ou mais sistemas de potência pulsada acionando um ou mais eletrodos de uma broca de perfuração de eletrotrituração; cessar transmissão de dados a partir de uma aquisição de dados de poço abaixo e sistema de comunicação para o controlador de superfície; produzir um pulso de disparo para disparar o um ou mais sistemas de potência pulsada; o sistema de aquisição e comunicação de dados de poço abaixo adquirindo dados produzidos pelo passo de disparo; e transmitir os dados para o sistema de aquisição e controle de dados após a conclusão do pulso de disparo. Os dados compreendem preferencialmente um ou mais parâmetros selecionados a partir do grupo que consiste de corrente de pico, tensão de pico, corrente de ponteira, tensão de ponteira, corrente de sustentador, tensão de sustentador, localização geográfica de broca, consumo de potência média da broca, temperatura dos componentes de potência pulsada de circuito e sistemas de fluido, pressão de fluxo de fluido em um ou mais locais de poço abaixo, taxa de fluxo de fluido, temperatura ambiente, e a pressão ambiente. Os passos de disparar e cessar são opcionalmente realizados simultaneamente. O sinal é de um modo preferido enviado sobre uma conexão direta entre o sistema de aquisição de dados e controle e o sistema de aquisição e comunicação de dados de poço abaixo. O passo de transmissão compreende de preferência transmitir dados suficientemente rápidos para permitir um operador de broca proteger contra uma ruptura, permitindo o operador retardar o progresso da broca antes que ocorra uma ruptura. O sistema de aquisição e comunicação de dados de preferência armazena os dados até a conclusão do pulso de disparo.
[023] A presente invenção é também um aparelho para operar uma broca de eletrotrituração, o aparelho compreendendo um sistema de aquisição e controle de dados na superfície para enviar um pulso de disparo para disparar um ou mais sistemas de potência pulsada acionando um ou mais eletrodos de uma broca de perfuração de eletrotrituração; um sistema de aquisição e comunicação de dados de poço abaixo para aquisição e armazenamento de dados a partir de um ou mais sensores de poço abaixo durante o pulso de disparo; uma conexão direta entre o sistema de aquisição e controle de dados e o sistema de aquisição e comunicação de dados de poço abaixo; em que o sistema de aquisição e comunicação de dados de poço abaixo é configurado para transmitir os dados através da conexão direta ao sistema de aquisição e controle de dados após a conclusão do pulso de disparo. A conexão direta compreende um cabo, ou condutores embutidos em tubo, ou uma conexão de fibra óptica. O sistema de aquisição e comunicação de dados de poço abaixo conecta ao cabo através de uma interface rotativa no centro de uma bobina de cabo ou através de um sub de entrada lateral assim, permitindo assim o cabo ser executado no exterior e/ou parcialmente no interior de um tubo de perfuração. O sistema de aquisição e comunicação de dados de poço abaixo é de preferência localizado perto de um topo de um conjunto de fundo de poço. Os sensores são de preferência selecionados a partir do grupo que consiste em dispositivo de giroscópio MEMS embalado, giroscópio laser de anel de estado sólido, giroscópio de fibra óptica, sensor de temperatura, sensor de pressão, uma sonda de ponto-B, sonda resistiva, sonda capacitiva, sonda utilizando efeitos ópticos, transformador de corrente, sonda de ponto-E, medidor de fluxo rotativo, medidor de fluxo capacitivo, medidor de fluxo indutivo, medidor tipo venturi, e sensor de velocidade de bomba de rotação. Uma conexão entre o um ou mais sensores de poço abaixo e o sistema de aquisição e comunicação de dados de poço abaixo é de preferência protegido contra o ruído, de preferência compreendendo um cabo coaxial, uma conexão de fibra óptica, transmissão de dados de RF, e/ou transmissão de dados laser direto.
[024] A presente invenção é também um método para arrefecimento de uma broca de eletrotrituração, o método compreendendo fluir uma primeira porção de uma corrente de fluido adjacente aos componentes de alta potência elétrica e usando uma segunda porção da corrente de fluido para varrer detritos de perfuração e bolhas para fora a partir de uma broca de eletrotrituração. O método preferivelmente compreende ainda controlar uma velocidade de fluxo da primeira porção. O método preferivelmente compreende ainda a combinação da primeira porção e a segunda porção para formar um fluxo fundido. O método preferivelmente compreende ainda fluir a segunda porção e/ou o fluxo fundido radialmente para fora a partir do centro da broca. A presente invenção é também um aparelho para arrefecer uma broca de eletrotrituração, o aparelho compreendendo um ou mais dutos para receber uma primeira porção de um fluxo de fluido; um ou mais plenuns ou passagens em conexão fluídica com o um ou mais dutos, o um ou mais plenuns em contato térmico com ou envolvendo um ou mais componentes elétricos de alta potência; e um ou mais canais para fluir uma segunda porção do fluxo de fluido para uma broca de eletrotrituração. O aparelho compreende ainda, preferencialmente, um controlador para controlar um velocidade de fluxo da primeira porção. O aparelho de preferência ainda compreende um escudo desviador de fluxo para proteger os componentes a partir do fluxo direto da segunda porção. O aparelho compreende ainda, preferencialmente, um ou mais tubos dispostos em um ou mais plenuns ou passagens para envolver cabos elétricos. O aparelho compreende de preferência ainda um combinador de fluxo para combinar a primeira porção e a segunda porção.
[025] Um âmbito adicional de aplicabilidade da presente invenção será depositado em parte na descrição detalhada a seguir, tomada em conjunto com os desenhos anexos, e em parte será evidente para os peritos na arte após o exame do que segue, ou pode ser aprendido pela prática da invenção. Os objetos e vantagens da invenção podem ser realizados e obtidos por meio dos instrumentos e combinações particularmente apontados nas reivindicações anexas.
[026] Os desenhos anexos, que são incorporados e formam uma parte de, a especificação, ilustram uma ou mais modalidades da presente invenção e, em conjunto com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção. Os desenhos são somente para o objetivo de ilustrar uma ou mais modalidades preferidas da invenção e não devem ser interpretados como limitativos da invenção. Nos desenhos:
[027] A Figura 1 mostra uma vista de extremidade de um conjunto de eletrodo coaxial para uma broca cilíndrica de uma modalidade da presente invenção.
[028] A Figura 2 mostra uma modalidade alternativa da Figura 1.
[029] A Figura 3 mostra uma modalidade alternativa de uma pluralidade de conjuntos de eletrodos coaxiais;
[030] A Figura 4 mostra uma broca cônica de uma modalidade da presente invenção.
[031] A Figura 5 é de uma broca de conjunto de eletrodo dual de uma modalidade da presente invenção.
[032] A Figura 6 é de uma broca cônica de eletrodo dual com dois ângulos de cone diferentes de uma modalidade da presente invenção.
[033] A Figura 7 mostra uma modalidade de uma broca de perfuração da presente invenção em que um eletrodo de terra é a ponta da broca e o outro eletrodo de terra tem a geometria de um círculo grande do cone.
[034] A Figura 8 mostra o intervalo de ângulo azimutal de rotação de broca de uma modalidade da presente invenção.
[035] A Figura 9 mostra uma modalidade da broca de perfuração da presente invenção tendo eletrodos arredondados;
[036] A Figura 10 mostra o conjunto de perfuração completo de uma modalidade da presente invenção.
[037] A Figura 11 mostra a broca de arrasto de alargador de uma modalidade da presente invenção.
[038] A Figura 12 mostra um sistema de geração de pulso de alta tensão controlado por comutador de gás ou comutador de estado sólido que carrega de pulso o capacitor de saída primário de uma modalidade da presente invenção.
[039] A Figura 13 mostra uma matriz de circuitos de geração de pulso de alta tensão controlados por comutador de gás e comutador de alta frequência que são carregados em paralelo e descarregados em série carregar de pulso o capacitor de saída de uma modalidade da presente invenção.
[040] A Figura 14 mostra um circuito de inversão de vetor de tensão que produz um pulso que é um múltiplo da tensão de carga de uma modalidade da presente invenção.
[041] A Figura 15 mostra um sistema de ganho de tensão de armazenamento indutivo para produzir os pulsos necessários para a perfuração RÁPIDA de uma modalidade da presente invenção.
[042] A Figura 16 mostra um conjunto de perfuração alimentado por uma célula de combustível que é fornecida por linhas de combustível e linha de exaustão a partir da superfície interior do tubo de lama de metal contínuo de uma modalidade da presente invenção.
[043] A Figura 17 mostra uma broca rolo de cone com um conjunto de eletrodos de uma modalidade da presente invenção.
[044] A Figura 18 mostra uma broca de eletrotrituração de pequeno diâmetro de uma modalidade da presente invenção.
[045] A Figura 19 mostra um mineiro de veia de eletrotrituração de uma modalidade da presente invenção.
[046] A Figura 20 mostra uma unidade de tratamento de água utilizável nas modalidades da presente invenção.
[047] A Figura 21 mostra um sistema de disjuntor de pedregulho eletro-hidráulico de alta energia (Heeb) de uma modalidade da presente invenção.
[048] A Figura 22 mostra um transdutor da modalidade da Figura 22.
[049] A Figura 23 mostra os detalhes do módulo de armazenamento de potência e um transdutor do modalidade da Figura 22.
[050] A Figura 24 mostra os detalhes de uma modalidade de armazenamento indutivo do módulo de armazenamento de energia de disjuntor de pedregulho eletro-hidráulico de alta energia e um transdutor de uma modalidade da presente invenção.
[051] A Figura 25 mostra a modalidade do disjuntor de pedregulho eletro-hidráulico de alta energia disposto em um trator para uso em um ambiente de mineração.
[052] A Figura 26 mostra uma disposição geométrica da modalidade das lacunas de eletrodo paralelas em um transdutor em uma configuração em espiral.
[053] A Figura 27 mostra detalhes de uma outra modalidade de um sistema de disjuntor de pedregulho eletro- hidráulico.
[054] A Figura 28 mostra uma modalidade de um processo de eletrotrituração de eletrodo virtual.
[055] A Figura 29 mostra uma modalidade do sistema de eletrotrituração de eletrodo virtual compreendendo uma coluna de fluido fluindo vertical.
[056] A Figura 30 mostra um aparelho de perfuração de potência pulsada fabricado e testado de acordo com uma modalidade da presente invenção.
[057] A Figura 31 é um gráfico que mostra a resistência dielétrica contra atraso para ruptura da formulação de isolamento da presente invenção, óleo, e água.
[058] A Figura 32 é um diagrama esquemático de um circuito de ponteira-sustentador.
[059] A Figura 33 (a) mostra o sistema de potência pulsada de ponteira e o sistema de potência pulsada de sustentador; e a Figura 33 (b) mostra as formas de onda de tensão produzidas por cada.
[060] A Figura 34 é uma ilustração de um circuito de armazenamento de energia indutiva aplicável às aplicações convencionais e de ponteira-sustentador.
[061] A Figura 35 é uma ilustração de uma broca de eletrotrituração não rotativa da presente invenção.
[062] A Figura 36 é uma vista em perspectiva da broca de eletrotrituração não rotativa da Figura 35.
[063] A Figura 37 ilustra uma broca de eletrotrituração não rotativa com uma disposição assimétrica dos conjuntos de eletrodos.
[064] A Figura 38 é uma ilustração de um conjunto de fundo de poço da presente invenção.
[065] A Figura 39 ilustra o conjunto de fundo de poço em um poço.
[066] A Figura 40 é uma vista lateral em corte aumentada de uma modalidade da presente invenção que mostra uma haste de perfuração de eletrotrituração portátil com uma ponta de perfuração tendo eletrodos substituíveis.
[067] A Figura 41 é uma vista lateral em corte aumentada da haste de broca da Figura 39 incorporando o isolador, descarga de fluido de perfuração, e eletrodos.
[068] A Figura 42 é uma vista lateral em corte da modalidade de bota preferida da broca de eletrotrituração da presente invenção.
[069] A Figura 43 é uma vista lateral de um sistema de broca de mineração de eletrotrituração alternativo da presente invenção mostrando uma versão da broca de eletrotrituração portátil em uma mina em uso para perfurar orifícios no teto por parafusos de teto.
[070] A Figura 44 é uma vista lateral de um sistema de perfuração de mineração de eletrotrituração alternativo da presente invenção que mostra uma versão da broca de eletrotrituração portátil para perfurar orifícios no teto para parafusos de teto e compreendendo duas brocas capazes de operação não simultânea ou simultânea a partir de uma caixa de gerador de pulso única.
[071] A Figura 45 é uma vista da modalidade da Figura 40 mostrando o suporte de broca de eletrotrituração portátil e mecanismo de avanço.
[072] A Figura 46 é uma vista lateral em corte aumentada de uma modalidade alternativa da haste de broca.
[073] A Figura 47A mostra uma configuração de eletrodo com eletrodos em forma circular.
[074] A Figura 47B mostra outra configuração de eletrodo com eletrodos em forma circular.
[075] A Figura 47C mostra outra configuração de eletrodo com eletrodos em forma circular.
[076] A Figura 47D mostra uma combinação de eletrodos circulares e convoluídos.
[077] A Figura 47E mostra eletrodos em forma convoluída.
[078] A Figura 48 mostra uma ponta de broca de conjunto de multieletrodos para perfuração direcional.
[079] A Figura 49 mostra uma broca de conjunto de multieletrodos mostrando os componentes do circuito interno e um cabo flexível.
[080] A Figura 50 mostra uma broca de conjunto de multieletrodos que mostra os componentes de circuito interno, um cabo flexível, e um gerador de pulsos.
[081] A Figura 51 mostra um sistema de carga de comando para perfuração de eletrotrituração de rochas.
[082] A Figura 52 mostra uma seção de tubo dielétrico com condutores embutidos.
[083] A Figura 53 mostra um sistema de potência pulsada compreendendo um local de disjuntor e diodo em série com um cabo a fim de parar oscilações de cabo.
[084] A Figura 54A mostra um esquema simplificado de um circuito elétrico para a alimentação de uma modalidade do aparelho de eletrotrituração da presente invenção utilizando um sistema de carga de comando.
[085] A Figura 54B mostra um esquema simplificado de um circuito elétrico para a alimentação de uma modalidade do aparelho de eletrotrituração da presente invenção utilizando um sistema de carga direta.
[086] A Figura 55 mostra um esquema de uma modalidade do subsistema de instrumentação, comunicação e controle da presente invenção.
[087] A Figura 56 mostra um desviador de fluxo para dividir o fluxo de fluido de perfuração em modalidades da presente invenção.
[088] A Figura 57 mostra uma seção transversal de um conjunto de fundo de poço da presente invenção mostrando componentes elétricos e caminhos de arrefecimento no seu interior.
[089] A Figura 58 mostra um aparelho de perfuração inclinável compreendendo um motor de lama.
[090] A Figura 59A mostra uma broca de perfuração de segmento-torta compreendendo o fluxo de fluido radial útil para controle direcional.
[091] As Figuras 59B, 59C, e 59D são, respectivamente, uma vista em perspectiva, uma vista de fundo e uma vista em perspectiva de topo da broca de perfuração da Figura 59A.
[092] A Figura 60 mostra uma broca de perfuração compreendendo uma estrutura de retorno de corrente em forma de torta e eletrodos em forma de haste.
[093] A Figura 61 mostra movimento de nutação da broca de perfuração da Figura 35.
[094] A Figura 62 mostra o campo magnético B em torno condutor fluindo corrente.
[095] A Figura 63 mostra o campo magnético criado pela corrente fluindo em um loop.
[096] A Figura 64 mostra o campo magnético produzido por uma multiplicidade de loops de corrente dispostos em um solenoide ou bobina.
[097] A Figura 65 ilustra uma modalidade da presente invenção compreendendo uma broca elétrica pulsada repetitiva eletromagnética.
[098] A Figura 66 mostra uma broca elétrica pulsada repetitiva eletromagnética compreendendo um loop de corrente para projetar um campo magnético ao longo do eixo do sistema de broca.
[099] A Figura 67 mostra uma broca elétrica pulsada repetitiva eletromagnética compreendendo um loop de corrente para projetar um campo magnético transversal ao eixo do sistema de perfuração.
[100] A Figura 68 mostra uma modalidade de uma broca de eletrotrituração tipo haste compreendendo um anel de terra contínuo.
[101] A Figura 69 mostra uma modalidade de uma broca de eletrotrituração tipo haste compreendendo uma pluralidade de hastes de terra circunferenciais.
[102] A Figura 70A mostra uma modalidade de uma broca de eletrotrituração tipo haste compreendendo uma pluralidade de hastes de terra circunferenciais integradas com uma parede de haste.
[103] A Figura 70B é uma vista de fundo da broca mostrada na Figura 70A.
[104] A Figura 71 mostra uma modalidade de uma broca de eletrotrituração tipo haste compreendendo canais de fluxo.
[105] A Figura 72 é uma fotografia de uma modalidade de uma broca de perfuração da presente invenção compreendendo um anel de retorno de corrente que tem uma pluralidade de aberturas que envolve um eletrodo de alta tensão em forma de haste única.
[106] A presente invenção fornece aparelhos e métodos de perfuração e quebra de potência pulsada. Um aparelho de perfuração e quebra de potência pulsada é também conhecido como um aparelho de descarga elétrica pulsada repetitiva. Tal como aqui utilizado, "perfuração" é definida como escavação, sondagem em, fazer um buraco em, ou de outro modo quebrar e conduzir por meio de um substrato. Tal como aqui utilizado, "broca" e "broca de perfuração" são definidas como a porção de trabalho ou final de uma ferramenta que executa uma função, tais como, mas não limitado a, uma ação de corte, perfuração, sondagem, fratura, ou quebra de um substrato (por exemplo, rocha). Tal como aqui utilizado, o termo "potência pulsada" é que resulta quando potência elétrica é armazenada (por exemplo, em um capacitor ou indutor) e, em seguida, liberada para a carga de modo que um pulso de corrente em potência de alto pico é produzido. "Eletrotrituração" ("EC") é aqui definida como o processo de passagem de uma corrente elétrica pulsada através de um substrato de mineral de modo que o substrato é "triturado" ou "quebrado".
[107] Uma modalidade da presente invenção fornece uma broca de perfuração na qual é disposto um ou mais conjuntos de eletrodos. Nesta modalidade, os eletrodos são dispostos de modo que uma lacuna é formada entre eles e são dispostos na broca de perfuração de modo que eles são orientados ao longo de uma face da broca de perfuração. Em outras palavras, os eletrodos entre os quais passa uma corrente elétrica através de um substrato mineral (por exemplo, rocha) não são em lados opostos da rocha. Além disso, nesta modalidade, não é necessário que todos os eletrodos toquem o substrato mineral quando a corrente está sendo aplicada. Em conformidade com a presente modalidade, pelo menos um dos eletrodos estendendo a partir da broca em direção ao substrato a ser fraturado e pode ser compressível (isto é, retrátil) para a broca de perfuração por quaisquer meios conhecidos na arte, tais como, por exemplo, por meio de um mecanismo carregado por mola.
[108] De um modo geral, mas não necessariamente, os eletrodos são dispostos sobre a broca de tal modo que pelo menos um dos eletrodos contata o substrato mineral a ser fraturado e outro eletrodo que toca geralmente o substrato mineral mas por outro lado pode ser próximo a, mas não necessariamente tocar, o substrato mineral desde que seja em proximidade suficiente para que a corrente passe através do substrato de mineral. Tipicamente, o eletrodo que não precisa tocar o substrato é o eletrodo central, não o circundante.
[109] Deste modo, os eletrodos são dispostos em uma broca e dispostos de tal modo que arcos de eletrotrituração são criados na rocha. Pulsos de alta tensão são aplicados repetidamente para a broca para criar eventos de escavação de eletrotrituração repetitivos. Perfuração de eletrotrituração pode ser realizada, por exemplo, com uma broca cilíndrica de extremidade plana com um ou mais conjuntos de eletrodo. Estes eletrodos podem ser dispostos em uma configuração coaxial.
[110] O processo de perfuração de eletrotrituração (EC) não exige rotação da broca. O processo de perfuração de eletrotrituração é capaz de escavação do furo para fora além das bordas da broca sem a necessidade de dentes mecânicos. Além disso, ao dispor diversos conjuntos de eletrodos na porção frontal da ponta e variando a taxa de repetição de pulso ou energia de pulso para conjuntos de eletrodos diferentes, a broca pode ser dirigida através da rocha por escavação de mais rocha de um lado da broca do que do outro lado. A broca volta em direção aos conjuntos de eletrodos que escavam mais rocha em relação aos outros conjuntos de eletrodos.
[111] A Figura 1 mostra uma vista de topo de uma tal configuração do conjunto de eletrodo coaxial para uma broca cilíndrica, mostrando eletrodo central ou de alta tensão 108, eletrodo circundante ou de terra 110, e lacuna 112 para criar o arco na rocha. Variações na configuração coaxial são mostradas na Figura 2. Uma configuração não coaxial de conjuntos de eletrodos dispostos no alojamento de broca 114 é mostrada na Figura 3. As Figuras 2-3 mostram eletrodos de terra que são círculos completos. Outras modalidades podem compreender eletrodos de terra que são círculos parciais, elipses parciais ou completos, ou parábolas parciais ou completas em forma geométrica.
[112] Para perfurar orifícios maiores, uma broca cônica pode ser utilizada, especialmente se controlar a direção do orifício é importante. Tal broca pode compreender um ou mais conjuntos de eletrodos para criar os arcos de eletrotrituração e pode compreender dentes mecânicos para auxiliar o processo de eletrotrituração. Uma modalidade da broca de eletrotrituração cônica tem um único conjunto de eletrodos, pode ser disposta coaxialmente na broca, como mostrado na Figura 4. Nesta modalidade, broca cônica 118 compreende um eletrodo central 108, o eletrodo circundante 110, a caixa ou alojamento de broca 114 e dentes mecânicos 116 para perfurar a rocha. Qualquer, ou ambos, eletrodos podem ser compressíveis. O eletrodo circundante pode ter dentes de corte mecânicos 109 incorporados para a superfície para alisar a textura de rocha rugosa produzida pelo processo de eletrotrituração. Nesta modalidade, a porção interior do furo é perfurada pela porção de eletrotrituração (isto é, eletrodos 108 e 110) da broca, e a porção exterior do orifício é perfurada por dentes mecânicos 116. Isto resulta em taxas de perfuração elevadas, porque os dentes mecânicos têm boa eficiência de perfuração a uma velocidade elevada perto do perímetro da broca, mas muito baixa eficiência em baixa velocidade perto do centro da broca. A disposição geométrica do eletrodo central para o eletrodo de anel de terra é cônica com uma gama de ângulos de cone de 180 graus (plano) a cerca de 75 graus (eletrodo central estendido).
[113] Uma modalidade alternativa consiste em providenciar um segundo eletrodo situado na porção cônica da broca. Em tal modalidade, um conjunto de eletrodos de eletrotrituração opera em apenas um lado do cone de broca em uma configuração assimétrica, como exemplificado na Figura 5, que mostra uma broca cônica de conjunto de eletrodo dual, cada conjunto de eletrodos compreendendo eletrodo central 108, em torno do eletrodo 110, caixa ou alojamento de broca 114, dentes mecânicos 116 e passagem de fluido de perfuração 120.
[114] A combinação da superfície cônica sobre a broca e a assimetria dos conjuntos de eletrodos resultam na capacidade da broca de eletrodo dual para escavar mais rocha de um lado do furo do que do outro e, assim, a mudar de direção. Para fazer um furo linear, a taxa de repetição e energia de pulsos dos pulsos de alta tensão para o eletrodo fixado no lado da superfície cônica da broca é mantida constante por grau de rotação. No entanto, quando a perfuração é para virar em uma determinada direção, em seguida, para este setor do círculo para o qual a perfuração deve virar, a taxa de repetição de pulso (e/ou energia de pulso) por grau de rotação é aumentada em relação a taxa de repetição para o resto da circunferência. Desta forma, mais rocha é removida pelo conjunto de eletrodos de superfície cônica na direção de rotação e menos rocha é removida nas outras direções (Ver Figura 8, discutida em detalhe abaixo). Devido à forma cônica da broca, a perfuração tende a virar para a seção em que uma maior quantidade de rocha foi removida e, por conseguinte, controle da direção de perfuração é alcançado.
[115] Na modalidade mostrada na Figura 5, a maior porção da perfuração é realizada pelos eletrodos de eletrotrituração (EC), com os dentes mecânicos servindo para alisar a variação em textura de superfície produzida pelo processo de eletrotrituração. Os dentes mecânicos 116 também servem para cortar a bitola do furo, isto é, o diâmetro interno relativamente liso, relativamente preciso do furo. Uma modalidade alternativa tem a broca de perfuração da Figura 5 sem dentes mecânicos 116, toda a perfuração sendo feita pelos conjuntos de eletrodos 108 e 110, com ou sem dentes mecânico 109 em torno do eletrodo 110.
[116] Modalidades alternativas incluem variações na configuração da geometria de anel de terra e geometria de anel de centro-para-terra como para a broca de conjunto de único eletrodo. Por exemplo, a Figura 6 mostra tal um arranjo na forma de uma broca cônica de eletrodo dual compreendendo dois ângulos de cone diferentes com eletrodos centrais 108, eletrodos circundantes ou de terra 110, e caixa ou alojamento de broca 114. Na modalidade mostrada, os eletrodos de terra são eletrodo de ponta 111 e eletrodos de terra laterais cônicos 110 que rodeiam, ou parcialmente rodeiam, eletrodos de alta tensão 108 em uma configuração assimétrica.
[117] Como mostrado na Figura 6, a broca pode compreender dois ou mais ângulos de cone separados para melhorar a capacidade de controlar a direção com a broca. Os eletrodos podem ser dispostos simetricamente em um setor do cone, como se mostra na Figura 4 ou em uma configuração assimétrica dos eletrodos utilizando eletrodo de terra 111, como o centro do cone como mostrado na Figura 6. Outra configuração é mostrada na Figura 7A em que eletrodo de terra 111 é na ponta da broca e eletrodo quente 108 e outro eletrodo de terra 110 é alinhado em grandes círculos do cone. A Figura 7B mostra uma modalidade alternativa em que o eletrodo de terra 111 é a ponta da broca, outro eletrodo de terra 110 tem a geometria de um círculo grande do cone, e eletrodos quentes 108 são dispostos entre os mesmos. Além disso, qualquer combinação destas configurações pode ser utilizada.
[118] Deve ser entendido que a utilização de uma broca com uma configuração de eletrodo assimétrica pode compreender um ou mais conjuntos de eletrodos e não precisa compreender dentes mecânicos, também deve ser compreendido que a perfuração direcional pode ser realizada com um ou mais conjuntos de eletrodos.
[119] O processo de perfuração de eletrotrituração tira proveito de falhas e rachaduras na rocha. Essas são regiões onde é mais fácil para os campos elétricos repartir a rocha. Os eletrodos utilizados na broca da presente invenção são geralmente grandes em área para interceptar mais defeitos na rocha e, por conseguinte, melhorar a taxa de perfuração, tal como mostrado na Figura 4. Esta é uma característica importante da invenção, porque a maioria dos eletrodos na técnica anterior são pequenos para aumentar a melhoria de campo elétrico local.
[120] A Figura 8 mostra o intervalo de ângulo azimutal de rotação de broca 122, onde a taxa de repetição ou energia de pulso é aumentada para aumentar escavação, em que o lado da broca de perfuração, em comparação com o resto do ângulo de rotação da broca que tem taxa de repetição de pulso ou energia de pulso reduzida 124. A rotação de broca é referenciada a uma direção particular em relação à formação 128, muitas vezes norte magnético, para permitir a mudança de direção de furo de perfuração correta ser feita. Esta referência é geralmente obtida por instrumentação fornecida na broca. Quando o sistema de potência pulsada fornece um pulso de alta tensão aos eletrodos no lado da broca (Ver Figura 5), um arco é formado entre um eletrodo quente e um eletrodo de terra. Este arco escava uma certa quantidade de rocha para fora do furo. No momento em que o próximo pulso de alta tensão chega aos eletrodos, a broca rodou uma certa quantidade, e um novo arco é atingido em um novo local na rocha. Se a taxa de repetição dos pulsos elétricos é constante como uma função do ângulo azimutal de rotação de broca, a broca irá perfurar um furo linear. Se a taxa de repetição dos pulsos elétricos varia como uma função do ângulo azimutal de rotação de broca, a broca tende a desviar na direção do lado da broca que tem a mais elevada taxa de repetição. A direção da perfuração e a taxa de desvio podem ser controladas por controlar a diferença em taxa de repetição dentro do ângulo azimutal de zona de alta taxa de repetição, em comparação com a taxa de repetição fora da zona (ver Figura 8). Além disso, o ângulo azimutal da zona de elevada taxa de repetição pode ser variado para controlar a perfuração direcional. Uma variação da invenção é para controlar a energia por pulso como uma função do ângulo azimutal em vez de, ou em adição a, controlar a taxa de repetição para atingir perfuração direcional.
[121] Uma outra modalidade da presente invenção fornece um sistema/conjunto de perfuração utilizando a broca de eletrotrituração aqui descrita e é designada aqui como o sistema de perfuração RÁPIDA. Uma limitação na perfuração de rocha com uma broca de arrasto é a baixa velocidade de cortador no centro da broca de perfuração. Isto é onde a velocidade dos dentes de moagem da broca de arrasto é a mais baixa e, consequentemente, a eficiência da perfuração mecânica é a mais pobre. Remoção eficaz de rocha na porção de centro do furo é o fator limitante para a taxa de perfuração da broca de arrasto. Assim, uma modalidade do sistema de broca RÁPIDA compreende uma pequena broca de eletrotrituração (EC) (alternativamente aqui referida como uma broca RÁPIDA ou broca de perfuração RÁPIDA), disposta no centro de uma broca de arrasto para perfurar a rocha no centro do furo. Assim, a broca EC remove a rocha perto do centro do furo e aumenta substancialmente a taxa de perfuração. Ao aumentar a taxa de perfuração, o custo de energia nominal para perfurar um buraco particular é substancialmente reduzido. Isto é melhor ilustrado pela broca mostrada na Figura 4 (discutido acima) compreendendo eletrodos de processo EC 108 e conjunto 100 no centro da broca 114, cercado por dentes de broca de arrasto mecânicos 116. A rocha no centro da broca é eliminada pelo conjunto de eletrodos EC, e a rocha perto do borda do furo é removida pelos dentes mecânicos, em que a velocidade de dente é elevada e a eficiência mecânica é alta.
[122] Como mencionado acima, a função dos dentes de perfuração mecânicos na broca é alisar os topos das protrusões e recessos deixados pelo processo de plasma- hidráulico ou de eletrotrituração. Porque o processo de eletrotrituração utiliza um arco através da rocha para triturar ou fraturar a rocha, a superfície da rocha é áspera e irregular. Os dentes de perfuração mecânicos alisam a superfície da rocha, cortando os topos das protrusões de modo que a próxima vez que os eletrodos de eletrotrituração vem ao redor para remover mais rocha, eles têm uma superfície de rocha mais lisa maior para contatar os eletrodos.
[123] A broca de eletrotrituração compreende passagens para o fluido de perfuração para expulsar os detritos de rocha (ou seja, lascas) (ver Figura 5). O fluido de perfuração flui através das passagens internas da broca de eletrotrituração e depois para fora através de passagens 120 na superfície da broca perto dos eletrodos e perto dos dentes de perfuração, e em seguida, flui para cima do lado do sistema de perfuração e o poço para trazer as lascas de rocha para a superfície.
[124] A broca de eletrotrituração pode compreender uma seção de isolamento que isola os eletrodos do alojamento, os próprios eletrodos, o alojamento, dentes de corte de rocha mecânicos que ajudam a alisar a superfície de rocha, e as conexões de alta tensão que conectam o cabo de potência de alta tensão para os eletrodos de broca.
[125] A Figura 9 mostra uma modalidade da broca rápida eletrodo de alta tensão 108 e eletrodos de terra 110 que incorporam um raio 178 no eletrodo, com raio de eletrodo 178 no lado virado para a rocha de eletrodos 110. Raio 178 é uma característica importante da presente invenção para alocar o campo elétrico na rocha. O recurso não é óbvio porque eletrodos de arte anterior eram geralmente afiados para melhorar o campo elétrico local.
[126] A Figura 10 mostra uma modalidade do sistema de broca rápida compreendendo dois ou mais componentes transversais, incluindo, mas não se limitando a: (1) pelo menos uma broca de perfuração rápida de potência pulsada 114; (2) pelo menos uma fonte de potência pulsada 136; (3) pelo menos um gerador de poço abaixo 138; (4) pelo menos uma engrenagem de ultrapassagem para rodar o gerador de poço abaixo a alta velocidade 140; (5) pelo menos um motor de lama de acionamento de gerador de poço abaixo 144; (6) pelo menos um motor de lama de broca de perfuração 146; (7) pelo menos uma interface de rotação 142; (8) pelo menos um tubo ou tubo de perfuração para o fluido de perfuração 147; e (9) pelo menos um cabo 148. Nem todas as modalidades do sistema de broca rápida utilizam todos estes componentes. Por exemplo, uma modalidade utiliza tubulação bobinada contínua para fornecer fluido de perfuração para a broca de perfuração, com um cabo para trazer potência elétrica a partir da superfície para o sistema de potência pulsada. Essa modalidade não requer um gerador de poço abaixo, engrenagem de ultrapassagem, ou um motor de lama de acionamento de gerador, mas requer um motor de lama de poço abaixo para rodar a broca, uma vez que a tubulação não gira. Uma interface rotativa elétrica é necessária para transmitir a potência elétrica a partir do cabo não rotativo para a broca de perfuração rotativa.
[127] Uma modalidade utilizando um tubo de perfuração rígido de multisseção para girar a broca e conduzir fluido de perfuração para a broca requer um gerador de poço abaixo, porque um cabo de potência não pode ser utilizado, mas não necessita um motor de lama para girar a broca, uma vez que o tubo gira a broca. Uma tal modalidade não necessita de uma interface de rotação porque o sistema como um todo roda na mesma velocidade de rotação.
[128] Uma modalidade utilizando uma tubulação bobinada contínua para fornecer lama para a broca de perfuração, sem um cabo de potência, requer um gerador de poço abaixo, engrenagem de ultrapassagem, e um motor de lama de acionamento de gerador, e também necessita um motor de poço abaixo para rodar a broca porque a tubulação não gira. Uma interface rotativa elétrica é necessária para transmitir os sinais de controle e de dados elétricos a partir do cabo não rotativo para a broca de perfuração rotativa.
[129] Uma modalidade utilizando uma tubulação bobinada contínua para fornecer fluido de perfuração para a broca de perfuração, com um cabo para trazer pulsos elétricos de alta tensão a partir da superfície para a broca, através da interface rotativa, posiciona a fonte de potência elétrica e o sistema de potência pulsada na superfície. Esta modalidade não precisa de um gerador de poço abaixo, engrenagem de ultrapassagem, ou um motor de lama de acionamento de gerador ou sistemas de potência pulsada de poço abaixo, mas não precisa de um motor de poço abaixo para rodar a broca, uma vez que a tubulação não roda.
[130] Ainda outra modalidade utiliza tubulação bobinada contínua para fornecer fluido de perfuração para a broca de perfuração, com uma célula de combustível para gerar potência elétrica localizada na seção de rotação da coluna de perfuração. A potência é alimentada através da interface de rotação para o sistema de potência pulsada, onde os pulsos de alta tensão são criados e alimentados para a broca rápida. Combustível para a célula de combustível é alimentado para baixo da tubulação dentro do tubo de lama de tubulação bobinada.
[131] Uma modalidade do sistema de perfuração rápida compreende broca rápida 114, um alargador de broca de arrasto 150 (mostrado na Figura 11), e um alojamento de sistema de potência pulsada 136 (Figura 10).
[132] A Figura 11 mostra broca de arrasto de alargador 150 que amplia o buraco cortado pela broca rápida de eletrotrituração, dentes de broca de arrasto 152, e local de anexação de broca rápida 154. Broca de arrasto de alargador 150 é, de preferência, disposta logo acima de broca rápida 114. Esta é uma seção de tubo cônica, cravejada com dentes de perfuração, que é usada para aumentar o furo perfurado pela de broca de eletrotrituração (tipicamente, por exemplo, cerca de 7,5 polegadas de diâmetro) para o diâmetro total do poço (por exemplo, a cerca de 12,0 polegadas de diâmetro). A forma cônica da broca de arrasto de alargador 50 fornece mais dentes de corte para um dado diâmetro de furo, assim, taxas de perfuração mais elevadas. Dispostas na porção central da seção de alargador são várias passagens. Há uma passagem para o cabo de potência que percorre para a broca rápida. O cabo de potência vem da seção de potência pulsada localizada acima e/ou dentro do alargador e conecta para a broca de perfuração rápida abaixo do alargador. Também há passagens em que o alargador que fornece fluxo de óleo para baixo para a broca rápida e passagens que fornecem o fluido de lavagem para os dentes de alargador para ajudar a cortar a rocha e lavar as lascas dos dentes de alargador.
[133] De um modo preferido, um sistema de potência pulsada que alimenta a broca rápida é colocado entre o alojamento da broca de arrasto de alargador e a haste acima da broca de arrasto tal como mostrado na Figura 10. Este sistema leva a potência elétrica fornecida à broca rápida para a broca rápida de eletrotrituração e transforma essa potência em pulsos de alta tensão repetitivos, geralmente mais de 100 kV. A taxa de repetição destes pulso desses é controlada pelo sistema de controle a partir da superfície ou no alojamento de broca. O sistema de potência pulsada em si pode incluir, mas não é limitado a: (1) um sistema de geração de pulso controlado por comutador de gás e controlado por comutador de estado sólido com um transformador de pulso que carrega por pulso o capacitor de saída primário (exemplo mostrado na Figura 12); (2) uma matriz de circuitos controlados por comutador de gás ou comutador de estado sólido que são carregados em paralelo e em série carrega por pulso o capacitor de saída (exemplo mostrado na Figura 13); (3) um circuito de inversão de vetor de tensão que produz um pulso a cerca de duas vezes, ou um múltiplo de, a tensão de carga (exemplo mostrado na Figura 14); (4) Um sistema de armazenamento indutivo que armazena corrente em um indutor, em seguida, comuta-a para os eletrodos por meio de uma abertura ou comutador de transferência (exemplo mostrado na Figura 15); ou (5) qualquer outro circuito de geração de pulso que fornece alta tensão repetitiva, altos pulsos de corrente para a broca de perfuração RÁPIDA.
[134] A Figura 12 mostra um sistema de geração de pulso de alta tensão controlado por comutador de gás ou comutador de estado sólido que carrega por pulso o capacitor de saída primária 164, mostrando meios geradores 156 para fornecer potência elétrica DC para o circuito, meio de armazenamento de energia elétrica de capacitor intermediário 158, meio de comutação de gás, estado sólido ou vácuo 160 para comutar a energia elétrica armazenada em meio de conversão de tensão de transformador de pulso 162 que carrega meio de armazenamento capacitivo de saída 164 conectando a broca rápida 114.
[135] A Figura 13 mostra uma matriz de circuitos de geração de pulso de alta tensão controlados por comutador de gás ou comutador de estado sólido 160 que são carregados em paralelo e descarregados em série através de transformador de pulso 182 para carregar por pulso capacitor de saída 184.
[136] A Figura 14 mostra um circuito de inversão de vetor de tensão, que produz um pulso que é um múltiplo da tensão de carga. Uma alternativa do circuito de inversão de vetor que produz uma tensão de saída de cerca de duas vezes a tensão de entrada é mostrada, mostrando meio de comutador de gás ou comutação de estado sólido 160, indutor de inversão de vetor 186, meio de armazenamento de energia elétrica de capacitor intermediário 158 conectando à broca rápida 114.
[137] A Figura 15 mostra um sistema de ganho de tensão de armazenamento indutivo para produzir os pulsos necessários para a broca rápida, mostrando o meio de comutador de gás ou comutação de estado sólido 180, transformadores de pulso saturáveis 168 e meio de armazenamento de energia elétrica de capacitor intermediário 158 conectando para a broca rápida 114.
[138] O sistema de potência pulsada é de preferência localizado na broca de rotação, mas pode estar localizado na porção estacionária do tubo de perfuração ou na superfície.
[139] A potência elétrica para o sistema de potência pulsada ou é gerada por um gerador na superfície, ou retirada da rede de potência na superfície, ou gerada furo abaixo. Potência de superfície é transmitida ao sistema de potência pulsada de broca de perfuração RÁPIDA ou por cabo no interior do tubo de perfuração ou fios de condução na parede de tubo de fluido de perfuração. Em uma modalidade, a potência elétrica é gerada na superfície, e transmitida através poço abaixo sobre de um cabo 148 localizado no interior do tubo de perfuração contínuo 147 (mostrado na figura 11).
[140] O cabo é localizado em tubo de lama flexível não rotativo (tubulação bobinada contínua). Utilizando um cabo para transmitir potência para a broca a partir da superfície tem vantagens na medida em que parte do condicionamento de potência pode ser realizada na superfície, mas tem a desvantagem em relação ao peso, comprimento, e a perda de potência do cabo longo.
[141] Na extremidade de fundo do tubo de lama é localizado o motor de lama que utiliza o fluxo de fluido de perfuração para dentro do tubo de lama para girar a broca de perfuração RÁPIDA e conjunto de alargador. Acima da seção de potência pulsada, na conexão entre o tubo de lama e o alojamento de potência pulsada, é a interface de rotação como mostrado na Figura 10. O cabo de potência é transmitido através de uma interface rotativa elétrica no ponto em que o motor de lama gira a broca de arrasto. Este é o ponto onde a rotação relativa entre o tubo de lama e o alojamento de potência pulsada é acomodada. A interface elétrica rotativa é usada para transferir a potência elétrica a partir do cabo ou fios de condução de tubulação contínua para o sistema de potência pulsada. Também passa o fluido de perfuração a partir da porção não rotativa à porção rotativa da coluna de perfuração para lavar as lascas dos eletrodos EC e os dentes mecânicos. O sistema de potência pulsada é localizado dentro do tubo de perfuração rígido entre a interface de rotação e o alargador. Pulsos de alta tensão são transmitidos dentro do alargador para a broca rápida.
[142] No caso de transmissão de potência elétrica através dos fios condutores em tubo rotativo rígido, a interface rotativa não é necessária porque o sistema de potência pulsada e os fios de condução rodam na mesma velocidade. Se uma caixa de engrenagem de poço abaixo é usada para fornecer uma taxa de rotação diferente para a seção de broca/potência pulsada a partir do tubo, em seguida, uma interface rotativa é necessária para acomodar a transferência de potência elétrica.
[143] Em uma outra modalidade, a potência para a broca de perfuração RÁPIDA é fornecida por um gerador de poço abaixo que é alimentado por um motor de lama que é alimentado pelo fluxo de fluido de perfuração (lama) para baixo do tubo de perfuração, e de multipeças, rígido, de fluido de perfuração (Figura 10). Este fluxo de lama pode ser convertido em potência mecânica de rotação por um motor de lama, uma turbina de lama, ou um dispositivo mecânico semelhante para converter o fluxo de fluido para uma força mecânica. Rotação de broca é realizada pela rotação do tubo de perfuração rígido. Com a geração de potência por meio do gerador de poço abaixo, a saída do gerador pode estar dentro do alojamento de potência pulsada rotativa de modo que nenhuma interface elétrica rotativa é necessária (Figura 10), e apenas uma interface mecânica é necessária. A potência vem do gerador para o sistema de potência pulsada, onde é condicionada para fornecer os pulsos de alta tensão para o funcionamento da broca rápida.
[144] Em alternativa, o gerador de poço abaixo pode ser do tipo piezoelétrico que fornece potência elétrica a partir de pulsação na lama. Esta pulsação de fluido muitas vezes resulta da ação de um motor de lama girando a broca principal.
[145] Outra modalidade para geração de potência é a utilização de uma célula de combustível na seção não rotativa da coluna de perfuração. A Figura 16 mostra um exemplo de um sistema de perfuração rápida alimentado por célula de combustível 170 que é fornecida por linhas de combustível e linha de exaustão 172 a partir da superfície interior do tubo de lama metálico contínuo 147. A potência da célula de combustível 170 é transmitida através da interface de rotação 142 para sistema de potência pulsada 136, e, portanto, broca rápida 114. A célula de combustível consome combustível para produzir eletricidade. As linhas de combustível são colocadas no interior da tubulação bobinada contínua, que fornece fluido de perfuração para a broca de perfuração, para fornecer combustível à célula de combustível, e para esgotar gases residuais. Potência é alimentada através da interface de rotação para o sistema de potência pulsada, onde os pulsos de alta tensão são criados e alimentados para a broca rápida.
[146] Como observado acima, existem dois meios primários para transmitir fluidos de perfuração (lama) a partir da superfície para a broca: tubulação flexível contínua ou tubo de perfuração multisseção rígido. A tubulação de lama flexível contínua é usada para transmitir lama a partir da superfície para o conjunto de rotação, onde parte do fluxo de lama é utilizada para girar o conjunto de através de um motor de lama, uma turbina de lama, ou outro dispositivo de rotação. Parte do fluxo de lama é transmitida para as brocas rápidas e alargador para lavar as lascas para cima do furo. Tubulação de lama flexível contínua tem a vantagem que cabos de instrumentação e potência podem ser instalados no interior da tubulação com o fluxo de lama. É estacionária e não é usada para transmitir torque para a broca rotativa. Tubo de perfuração de multisseção rígido vem em seções e não pode ser utilizado para alojar cabo de potência contínuo, mas pode transmitir torque para o conjunto de broca. Com tubo de lama flexível contínuo, um dispositivo mecânico tal como, por exemplo, um motor de lama, ou uma turbina de lama, é usado para converter o fluxo de lama para rotação mecânica para girar o conjunto rotativo. A turbina de lama pode utilizar uma caixa de engrenagem para reduzir as rotações por minuto. Um motor elétrico de poço abaixo pode, alternativamente, ser utilizado para girar o conjunto rotativo. O efeito da fonte de potência rotativa é principalmente fornecer torque para girar os dentes no alargador e a broca rápida para perfuração. Também roda a broca rápida para fornecer controle direcional no corte de um furo. Outra modalidade é utilizar tubulação de lama contínua com geração de potência elétrica de poço abaixo.
[147] Em uma modalidade, são utilizados dois motores de lama ou turbinas de lama: um para rodar as brocas, e um para gerar uma potência elétrica.
[148] Uma outra modalidade do tubo de lama de multisseção rígido é a utilização de fios de transmissão de dados enterrados no tubo, tais como, por exemplo, o Intelipipe Fabricado por Grant Prideco. Este é um tubo composto que usa indução magnética para transmitir dados através das juntas de tubo, enquanto transmitindo-os ao longo de fios enterrados na haste das seções de tubo. Utilizar este tubo fornece transmissão de dados entre a broca e o sistema de controle na superfície, mas ainda exige o uso de geração de potência de poço abaixo.
[149] Uma outra modalidade da broca rápida é mostrada na Figura 17, em que broca rotativa ou de rolo de cone 174 é utilizada, em vez de uma broca de arrasto, para ampliar o furo perfurado pela broca rápida. Broca de rolo de cone 174 compreende eletrodos 108 e 110 dispostos em ou próxima da porção central da broca de rolo de cone 174 para escavar esta porção da rocha onde a eficiência da broca de rolo é a mínima.
[150] Uma outra modalidade da interface de rotação é a utilização de uma interface magnética rotativa para transferir potência elétrica e dados através da interface de rotação, em vez de uma interface rotativa de anel deslizante.
[151] Em uma outra modalidade, a lama retornando do poço carregada com lascas flui para um tanque de sedimentação, na superfície, onde os fragmentos de rocha sedimentam. A lama então é limpa e reinjetada no tubo de lama de perfuração rápida.
[152] Uma outra modalidade da presente invenção fornece uma perfuração de eletrotrituração de pequeno diâmetro (aqui designada como "SED") que está relacionada com a perfuração de eletrotrituração portátil divulgada na Patente No. US 5.896.938 (para um inventor primário aqui), aqui incorporada por referência. No entanto, a SED é distinguível em que os eletrodos na SED são espaçados de tal maneira, e a taxa de aumento do campo elétrico é tal, que a rocha quebra antes da água romper. Quando a perfuração está perto de rocha, os campos elétricos quebram a rocha e corrente passa através da rocha, fraturando assim a rocha em pedaços pequenos. A fragmentação de rocha de eletrotrituração ocorre como resultado de uma falha de tensão provocada pela corrente elétrica que passa através da pedra, em oposição à falha compressiva causada pelo choque eletro-hidráulico (EH) ou onda de pressão na rocha descrito na Patente No. US 5.896.938, embora a SED, também, possa ser conectado através de um cabo a partir de uma caixa tal como descrito na patente '938 de modo que possa ser portátil. A Figura 18 mostra uma broca de perfuração de SED compreendendo invólucro 206, isolador interno 208, e eletrodo central 210 que é de preferência móvel (por exemplo, carregado por mola) para manter contato com a rocha durante perfuração. Embora invólucro 206 e isolador interno 208 sejam mostrados como fornecendo um recinto fechado para eletrodo central 210, outros componentes capazes de fornecer um recinto fechado podem ser utilizados para alojar eletrodo 210 ou qualquer outro eletrodo incorporado na broca de perfuração de SED. De preferência, invólucro 206 da SED é o eletrodo de terra, apesar de um eletrodo de terra separado poder ser fornecido. Além disso, deve ser compreendido que mais do que um conjunto de eletrodos pode ser utilizado na broca de perfuração de SED. Um gerador de potência pulsada como descrito em outras modalidades aqui está ligado à referida broca para transferência de pulsos de alta voltagem ao eletrodo. Em uma modalidade da SED, cabo 207 (que pode ser flexível) é fornecido para conectar um gerador para o eletrodo (s). Uma passagem, por exemplo cabo 207, é preferencialmente usada para fornecer água para baixo na perfuração de SED.
[153] Esta modalidade de perfuração de eletrotrituração de pequeno diâmetro é vantajosa para a perfuração em rocha não porosa. Além disso, esta modalidade se beneficia da utilização simultânea utilização de líquido de elevada permissividade aqui discutido.
[154] Uma outra modalidade da presente invenção é montar vários conjuntos de eletrodos ou cabeças de perfuração de broca de eletrotrituração (SED) de pequeno diâmetro individuais em conjunto em uma matriz ou grupo de brocas, sem os alojamentos de perfuração individuais, para fornecer a capacidade de minerar grandes áreas de rocha. Em uma tal modalidade, uma veia de minério pode ser extraída, deixando a maior parte dos resíduos de rocha para trás. A Figura 19 mostra uma tal modalidade de uma máquina de mineração de veia mineral aqui designada Minerador de Veia de Eletrotrituração (EVM) 212 compreendendo uma pluralidade de brocas de SED 214, invólucro de SED 206, isolador de SED 208, e eletrodo central de SED 210. Este conjunto pode então ser dirigido à medida que move através da rocha variando a taxa de repetição dos pulsos de alta voltagem diferencialmente entre as cabeças de broca. Por exemplo, se a taxa de repetição para a fila de topo de cabeças de broca é duas vezes mais elevada, mas contém a mesma energia por pulso que a taxa de repetição para as duas filas inferiores de cabeças de broca, o caminho da máquina de mineração vai curvar na direção da linha superior das cabeças de perfuração, porque a taxa de escavação de rocha será maior neste lado. Assim, fazendo variar a taxa de repetição e/ou energia de pulso das cabeças de broca, o EVM pode ser dirigido dinamicamente ao escavar de uma veia de minério. Isso fornece uma ferramenta muito útil para minerar de forma eficiente apenas o minério a partir de uma veia que tem desvio substancial em direção.
[155] Em uma outra modalidade, uma combinação de cabeças de broca de perfuração de eletrotrituração e eletro-hidráulica (EH) aumenta a funcionalidade por permitir o Minerador de Veia de Eletrotrituração (EVM) tirar vantagem das estruturas de minério que são em camadas. Onde a máquina está minerando em paralelo às camadas, como é o caso na mineração da maioria das veias de minério, as ondas de choque das cabeças de broca de perfuração EH tendem a separar as camadas, assim sinergicamente acoplando para a escavação criada pelos eletrodos de eletrotrituração. Além disso, combinação de cabeças de perfuração de eletrotrituração com cabeças de perfuração de plasma-hidráulico combina a capacidade de fraturamento de rocha compressivo das cabeças de perfuração de plasma-hidráulico com a falha de rocha de tensão das cabeças de perfuração de eletrotrituração para escavar mais eficientemente a rocha.
[156] Com a máquina de mineração EVM, minério pode ser extraído diretamente e imediatamente transportado para um moinho por transporte de água, já esmagado, de modo que o custo de energia de trituração primária e o custo dos britadores primários é salvo. Este método tem uma grande vantagem sobre métodos mecânicos convencionais em que ele combina várias etapas de processamento de minério, e reduz significativamente a quantidade de resíduos de rocha que deve ser processada. Este método da presente modalidade também pode ser utilizado para tunelamento.
[157] Os pulsos de alta voltagem podem ser gerados no alojamento do EVM, transmitidos para o EVM por meio de cabos, ou tanto provenientes de outros lugares e transmitidos para o alojamento para acondicionamento suplementar. A geração de potência elétrica pode ser feita no EVM via célula de combustível ou gerador, ou transmitida ao EVM via cabo de potência. Tipicamente, água ou fluido de mineração flui através da estrutura do EVM para expulsar os fragmentos de rocha.
[158] Se algumas, de preferência apenas três, das cabeças de perfuração de eletrotrituração ou plasma- hidráulico mostradas na Figura 19 são colocadas em um alojamento, o conjunto pode ser usado para perfurar furos, com controle direcional por variar a taxa de repetição relativa dos pulsos acionando as cabeças de perfuração. A broca tenderá à deriva na direção da cabeça de perfuração com a maior taxa de repetição de pulso, a mais alta energia de pulso, ou maior potência média. Esta broca de eletrotrituração (ou eletro-hidráulica) pode criar furos muito retos sobre uma longa distância para melhorar a eficiência de explosão em mineração subterrânea, ou pode ser usada para colocar cargas explosivas em zonas não acessíveis em uma linha reta.
[159] Uma modalidade da presente invenção também abrange fluidos de perfuração de isolamento que podem ser utilizados nos métodos de perfuração aqui descritos. Por exemplo, para o processo de eletrotrituração ser eficaz na fratura ou trituração de rocha, é preferível que a constante dielétrica do fluido de isolamento seja maior do que a constante dielétrica da rocha e que o fluido tenha uma baixa condutividade, tais como, por exemplo, uma condutividade de menos do que cerca de 10-6 mho/cm e uma constante dielétrica de pelo menos cerca de 6.
[160] Deste modo, uma modalidade da presente invenção fornece um fluido de isolamento ou formulação de material de elevada permissividade, ou constante dielétrica, e elevada resistência dielétrica com baixa condutividade. A formulação de isolamento compreende dois ou mais materiais tais que um material fornece uma elevada resistência dielétrica e um outro fornece uma alta constante dielétrica. A constante dielétrica geral da formulação de isolamento é uma função da relação das concentrações dos pelo menos dois materiais. A formulação de isolamento é particularmente aplicável para uso em aplicações de potência pulsada.
[161] Deste modo, esta modalidade da presente invenção fornece uma formulação de isolamento elétrico que compreende uma mistura de dois ou mais materiais diferentes. Em uma modalidade, a formulação compreende uma mistura de dois materiais à base de carbono. O primeiro material pode compreender uma constante dielétrica maior do que cerca de 2,6, e o segundo material pode compreender uma constante dielétrica maior do que cerca de 10,0. Os materiais são, pelo menos parcialmente, miscíveis um com o outro, e a formulação tem uma baixa condutividade elétrica. O termo "baixa condutividade" ou "baixa condutividade elétrica", tal como utilizado ao longo da especificação e reivindicações significa uma condutividade menor do que a água da torneira, que pode ser inferior a cerca de 10-5 mho/cm, e pode ser menor do que 10-6 mho/cm. Os materiais são substancialmente não aquosos. Os materiais na formulação de isolamento são não perigosos para o ambiente, podem ser não tóxicos, e podem ser biodegradáveis. A formulação apresenta uma baixa condutividade.
[162] Em uma modalidade, o primeiro material compreende um ou mais óleos naturais ou sintéticos. O primeiro material pode compreender óleo de mamona, mas pode compreender ou incluir outros óleos tais como, por exemplo, o óleo de jojoba ou óleo mineral.
[163] O óleo de mamona (tri-ricinoleato de glicerila), um triglicerídeo de ácidos graxos, é obtido a partir das sementes da planta de mamona. É não tóxico e biodegradável. Um óleo de mamona de grau de transformador (a partir de CasChem, Inc.) tem uma constante dielétrica (isto é, permissividade relativa) de aproximadamente 4,45 em uma temperatura de aproximadamente 22 ° C (100 Hz).
[164] O segundo material compreende um solvente, um ou mais carbonatos, e/ou pode ser um ou mais carbonatos de alquileno tais como, mas não limitados a, carbonato de etileno, carbonato de propileno ou carbonato de butileno. Os carbonatos de alquileno podem ser fabricados, por exemplo, a partir da reação de óxido de etileno, óxido de propileno, ou óxido de butileno ou óxidos semelhantes com dióxido de carbono.
[165] Outros óleos, tais como óleo vegetal, ou outros aditivos podem ser adicionados à formulação para modificar as propriedades da formulação. Aditivos sólidos podem ser adicionados para melhorar as propriedades dielétricas ou de fluido da formulação.
[166] A concentração do primeiro material de isolamento na formulação pode variar entre cerca de 1,0 e de 99,0 por cento em volume, entre cerca de 40,0 e 95,0 por cento em volume, entre cerca de 65,0 e 90,0 por cento em volume, e/ou entre cerca de 75,0 e 85,0 por cento em volume.
[167] A concentração do segundo material de isolamento na formulação pode variar entre cerca de 1,0 e de 99,0 por cento em volume, entre cerca de 5,0 e de 60,0 por cento em volume, entre cerca de 10,0 e 35,0 por cento em volume, e/ou entre cerca de 15,0 e 25,0 por cento em volume.
[168] Deste modo, a formulação resultante compreende uma constante dielétrica que é uma função da relação entre as concentrações dos materiais constituintes. A mistura para a formulação de uma modalidade da presente invenção é uma combinação de carbonato de butileno e um óleo de mamona de elevada permissividade em que o carbonato de butileno está presente em uma concentração de aproximadamente 20% em volume. Esta combinação fornece uma elevada permissividade relativa de cerca de 15, mantendo boas características de isolamento. Nesta relação, a separação dos materiais constituintes é minimizada. Em uma relação inferior a 32%, o óleo de mamona e carbonato de butileno misturam muito bem e permanecem misturados à temperatura ambiente. Em uma concentração de carbonato de butileno acima de 32%, os fluidos separam se em repouso durante cerca de 10 horas ou mais à temperatura ambiente. Uma propriedade da presente invenção é sua capacidade para absorver água sem efeito aparente no desempenho dielétrico da formulação de isolamento.
[169] Uma modalidade da presente invenção que compreende carbonato de butileno em óleo de mamona compreende uma resistência dielétrica de pelo menos cerca de 300 kV/cm (I μsec), uma constante dielétrica de pelo menos cerca de 6, uma condutividade de menos do que cerca de 10-5 mho/cm, e uma absorção de água de até 2000 ppm com nenhum efeito negativo aparente causado por essa absorção. Mais preferencialmente, a condutividade é inferior a cerca de 10-5 mho/cm.
[170] A formulação da presente invenção é aplicável a um número de tecnologias de máquina de potência pulsada. Por exemplo, a formulação é utilizável como um fluido de isolamento e perfuração para furos em rocha ou outros materiais duros ou para triturar esses materiais como previsto aqui. A utilização da formulação permite a gestão dos campos elétricos para eletrotrituração de rocha. Assim, a presente invenção também compreende um método de disposição da formulação de isolamento sobre um ambiente de perfuração para fornecer isolamento elétrico, durante perfuração.
[171] Outras formulações podem ser utilizadas para realizar as operações de perfuração aqui descritas. Por exemplo, noutra modalidade, óleo bruto com a permissividade relativa elevada correta derivada como uma corrente de produto a partir de uma refinaria de óleo pode ser utilizado. Um componente de óleo bruto de gás de vácuo tem compostos polares de peso molecular elevado com funcionalidade O e N. A evolução da cromatografia permite esses óleos serem fracionados por polaridade. Estes são geralmente quebrados para produzir hidrocarbonetos retos, mas eles podem ser extraídos da corrente de refinaria para fornecer óleo de permissividade elevada para fluido de perfuração.
[172] Uma outra modalidade compreende utilização de águas especialmente tratadas. Tais águas incluem, por exemplo, a tecnologia Energy Systems Plus (ESP) de Complete Water Systems, que é usada no tratamento de água para cultivo. De acordo com esta modalidade, a Figura 20 mostra água ou uma mistura à base de água 128 entrando em uma unidade de tratamento de água 130 que trata a água para reduzir significativamente a condutividade da água. A água tratada 132 é então utilizada como o fluido de perfuração pelo sistema de perfuração RÁPIDO 134. O processo ESP trata água para reduzir a condutividade da água para reduzir a corrente de fuga, mantendo elevada permissividade da água. QuebradordePedregulhoEletro-hidráulicode
[173] Uma outra modalidade da presente invenção fornece um quebrador de pedregulho eletro-hidráulico de alta eficiência (aqui designado como "HEEB"), para quebrar pedregulhos médios e grandes em pedaços pequenos. Esta modalidade evita o perigo de rocha voar e danos ao equipamento circundante. O HEEB está relacionado com o projetor de onda de pressão eletro-hidráulico de alta eficiência divulgado na Patente No. US 6.215.734 (para o inventor primário aqui), aqui incorporada por referência.
[174] A Figura 21 mostra o sistema HEEB disposto no caminhão 181, compreendendo transdutor 178, cabo de potência 180, e fluido 182 disposto em um furo. Transdutor 178 quebra o pedregulho e cabo 180 (que pode ser de qualquer comprimento desejado, tal como, por exemplo, 6-15 metros de comprimento) conecta o transdutor 178 ao gerador de pulso elétricos 183 no caminhão 181. Uma modalidade da invenção compreende primeiro perfuração de um furo em uma pedra utilizando uma broca convencional, enchimento do furo foi preenchido com água ou com um fluido de isolamento, especializado, e inserção de transdutor de HEEB 178 no furo do pedregulho. A Figura 22 mostra transdutor de HEEB 178 disposto em pedregulho 186 para quebrar o pedregulho, cabo 180, e módulo de armazenamento de energia 184.
[175] Banco de capacitores principal 183 (mostrado na Figura 21) é primeiro carregado pelo gerador 179 (mostrado na Figura 21) disposto no caminhão 181. Ao receber um comando, sistema de controle 192 (como mostrado na Figura 21 e disposto, por exemplo, em um caminhão) é fechado conectando o banco de capacitores 183 ao cabo 180. O pulso elétrico viaja para baixo do cabo 180 para o módulo de armazenagem de energia 184 onde Carrega por pulso conjunto de capacitor 158 (exemplo mostrado na Figura 23), ou outros dispositivos de armazenamento de energia (exemplo mostrado na Figura 25).
[176] A Figura 23 mostra os detalhes do módulo de armazenamento de energia de HEEB 184 e transdutor 178, mostrando capacitores 158 no módulo 184, e eletrodos flutuantes 188 em transdutor 178.
[177] A Figura 24 mostra os detalhes da modalidade do módulo de armazenamento indutivo de armazenamento de energia de HEEB 184 e transdutor 178, mostrando indutores de armazenamento indutivos 190 no módulo 184, e mostrando a modalidade de transdutor de lacunas de eletrodo paralelas 188 em transdutor 178. A modalidade de transdutor de lacunas de eletrodo paralelas (Figura 24) e lacunas de eletrodo em série (Figura 23) pode chegar a ser usada em alternativa ou com o armazenamento de energia capacitivo 158 da Figura 3 ou o armazenamento de energia indutivo 190 da Figura 24.
[178] Estes capacitores/dispositivos são conectados à sonda do conjunto de transdutor onde os eletrodos que criam a onda de pressão são localizados. Os capacitores aumentam em voltagem a partir da carga que vem através do cabo do banco de capacitores principal até atingirem a voltagem de ruptura dos eletrodos dentro do conjunto de transdutor. Quando a lacuna defluido na ponta do conjunto de transdutor rompe (agindo como um comutador), corrente flui dos capacitores de armazenamento de energia ou dispositivos indutivos através da lacuna. Uma vez que os capacitores de armazenamento de energia estão localizados muito perto da ponta de transdutor, há muito pouca indutância no circuito e a corrente de pico através dos transdutores é muito alta. Esta corrente de pico elevada resulta em uma alta eficiência de transferência de energia a partir dos capacitores de módulo de armazenamento de energia para o plasma no fluido. O plasma, então, expande, criando uma onda de pressão no fluido, que fratura o pedregulho.
[179] O sistema de HEEB pode ser transportado e usado em vários ambientes, incluindo, mas não limitado a, ser montado sobre um caminhão como mostrado na Figura 21 para transporte a vários locais, utilizado para aplicações de mineração subterrânea ou acima do solo como mostrado na Figura 25, ou usado em aplicações de construção. A Figura 25 mostra uma modalidade do sistema de HEEB colocado sobre um trator para o uso em um ambiente de mineração e mostrando o transdutor 178, cabo de potência 180, e painel de controle 192.
[180] Portanto, o HEEB não depende de transmitir a corrente de quebra de pedregulho ao longo de um cabo para conectar o banco de capacitores remoto (por exemplo, montado no caminhão) para um eletrodo ou transdutor localizado no furo de rocha. Pelo contrário, o HEEB coloca o armazenamento de energia de alta corrente diretamente no pedregulho. Elementos de armazenamento de potência, como capacitores, são incorporados ao conjunto de transdutor. Portanto, esta modalidade da presente invenção aumenta a corrente de pico através do transdutor e, assim, melhora a eficiência da conversão de energia elétrica em energia de pressão para quebrar o pedregulho. Esta modalidade da presente invenção também reduz substancialmente a quantidade de corrente que tem de ser conduzida por meio do cabo reduzindo assim perdas, aumentando eficiência de transferência de energia, e aumentando a vida útil do cabo.
[181] Uma modalidade da presente invenção melhora a eficiência do acoplamento da energia elétrica para o plasma dentro da água e, portanto, para a rocha, usando um desenho de multilacunas. Um problema com as lacunas de faísca de água de multilacunas tem sido todas as lacunas iniciarem porque a voltagem de ruptura cumulativa das lacunas é muito maior do que a voltagem de ruptura de uma única lacuna. No entanto, se o capacitor é colocado entre lacunas intermediárias para terra (Figura 23), cada lacuna inicia com uma voltagem semelhante à voltagem de ignição de uma única lacuna. Assim, um grande número de lacunas podem ser iniciadas a uma voltagem de cerca de um fator de 2 maior do que a voltagem de ruptura para uma única lacuna. Isto melhora a eficiência de acoplamento entre o módulo de potência pulsada e a energia depositada no fluido pelo transdutor. Furos no invólucro de transdutor são fornecidos para permitir a pressão a partir das múltiplas lacunas sair de dentro do furo na rocha e quebrar a rocha (Figura 23).
[182] Em uma outra modalidade, o desenho de transdutor de multilacunas pode ser utilizado com um sistema de potência pulsada convencional, em que o banco de capacitores está colocado a alguma distância do material a ser fraturado, um cabo é dirigido para o transdutor, e o transdutor é colocado no furo da rocha. Usado com o HEEB, oferece a vantagem da corrente de pico muito maior para uma dada energia armazenada.
[183] Deste modo, uma modalidade da presente invenção fornece um conjunto de transdutor para criar um pulso de pressão em água ou algum outro líquido em uma cavidade dentro de um pedregulho ou outro material fraturável, referido conjunto de transdutor incorporando meios de armazenamento de energia localizado diretamente no conjunto de transdutor em estreita proximidade com o pedregulho ou outro material fraturável. O conjunto de transdutor incorpora uma conexão com um cabo para fornecer meios de carga para os elementos de armazenamento de energia no interior do conjunto de transdutor. O conjunto de transdutor inclui um meio de eletrodo para converter a corrente elétrica em uma fonte de pressão de plasma para fraturar a rocha ou outro material fraturável.
[184] O conjunto de transdutor pode ter um comutador que se encontra no interior do conjunto de transdutor para fins de conexão do módulo de armazenamento de energia para referidos eletrodos. No conjunto de transdutor, o cabo é utilizado para carregar por pulso os capacitores no módulo de armazenamento de energia de transdutor. O cabo é conectado a um banco de capacitores de alta voltagem ou meio de armazenamento indutivo para fornecer o pulso de alta voltagem.
[185] Em uma outra modalidade, o cabo é usado para carregar lentamente os capacitores no módulo de armazenamento de energia de transdutor. O cabo é conectado a uma fonte de potência elétrica de alta voltagem.
[186] Em uma modalidade da presente invenção, o comutador localizado no banco de capacitor primário é uma lacuna de faísca, tiratron, lacuna de vácuo, comutador de pseudofaísca, comutador mecânico, ou qualquer outro meio de conexão de uma fonte de alta voltagem ou alta corrente para o cabo que vai até o conjunto de transdutor.
[187] Em uma outra modalidade, o transdutor de armazenamento de energia elétrica utiliza elementos de armazenamento indutivos.
[188] Uma outra modalidade da presente invenção fornece um conjunto de transdutor para a finalidade da criação de ondas de pressão a partir da passagem de corrente elétrica através de um líquido colocado entre um ou mais pares de eletrodos, cada lacuna compreendendo dois ou mais eletrodos entre os quais a corrente passa. A corrente cria uma mudança de fase no líquido, criando assim uma pressão no líquido a partir da mudança de volume devido a mudança de fase. A mudança de fase inclui uma mudança do estado líquido para gás, de gás para plasma, ou de líquido para plasma.
[189] No transdutor, mais do que um conjunto de eletrodos podem ser dispostos em série de tal modo que a corrente elétrica que passa através de um conjunto de eletrodos também flui através do segundo conjunto de eletrodos, e assim por diante. Deste modo, uma multiplicidade de conjuntos de eletrodos podem ser alimentados pelo mesmo circuito de potência elétrica.
[190] Em uma outra modalidade, no transdutor, mais do que um conjunto de eletrodos são dispostos em paralelo, tais que a corrente elétrica é dividida à medida que flui através de cada conjunto de eletrodos (Figura 24). Deste modo, uma multiplicidade de conjuntos de eletrodos podem ser alimentados pelo mesmo circuito de potência elétrica.
[191] A pluralidade de conjuntos de eletrodos podem ser dispostos em uma linha ou em uma série de linhas retas.
[192] Em uma outra modalidade, a pluralidade de conjuntos de eletrodos são alternativamente dispostos de modo a formar uma Figura geométrica diferente de uma linha reta, incluindo, mas não limitado a, uma curva, um círculo (Figura 24), ou uma espiral. A Figura 26 mostra uma disposição geométrica da modalidade compreendendo lacunas de eletrodo paralelas 188 no transdutor 178, em uma configuração em espiral.
[193] Os conjuntos de eletrodos no conjunto de transdutor podem ser construídos de tal maneira como para fornecer capacitância entre cada eletrodo intermediário e a estrutura de terra do transdutor (Figura 23).
[194] Em uma outra modalidade, na pluralidade de conjuntos de eletrodos, a capacitância dos eletrodos intermediários para terra é formada pela presença de um líquido entre o eletrodo intermediário e a estrutura de terra.
[195] Em uma outra modalidade, na pluralidade de conjuntos de eletrodos, a capacitância é formada pela instalação de um capacitor específico entre cada eletrodo intermediário e a estrutura de terra (Figura 23). O capacitor pode usar material dielétrico sólido ou líquido.
[196] Em uma outra modalidade, na pluralidade de conjuntos de eletrodos, é fornecida capacitância entre os conjuntos de eletrodos de eletrodo para eletrodo. A capacitância pode ser fornecida quer pela presença do líquido de fratura entre os eletrodos ou pela instalação de um capacitor específico a partir de um eletrodo intermediário entre eletrodos conforme mostrado na Figura 27. A Figura 27 mostra os detalhes do transdutor de HEEB 178 instalado no furo 194 em pedregulho 186 para quebrar o pedregulho. São mostrados cabo 180, os eletrodos flutuantes 188 no transdutor e o líquido entre os eletrodos 196 que fornece acoplamento capacitivo de eletrodo para eletrodo. Aberturas 198 no transdutor que permitem a onda de pressão expandir no furo de rocha também são mostradas.
[197] Em uma modalidade da presente invenção, a energia elétrica é fornecida ao transdutor de multilacunas a partir de um módulo de armazenamento de energia integral no transdutor de multieletrodos.
[198] Em uma outra modalidade, no transdutor multieletrodos, a energia é fornecida ao conjunto de transdutor através de um cabo ligado a um dispositivo de armazenamento de energia localizado longe da rocha ou outro material fraturável.
[199] Uma outra modalidade da presente invenção compreende um método para triturar rocha por passagem de corrente através da rocha utilizando eletrodos que não tocam a rocha. Neste método, as partículas de rocha são suspensas em uma coluna de água estagnada ou fluindo, ou outro líquido de permissividade relativa maior do que a permissividade da rocha a ser fraturada. A água pode ser usada para transportar as partículas de rocha porque a constante dielétrica da água é cerca de 80 em comparação com a constante dielétrica da rocha que é cerca de 3,5 a 12.
[200] Em uma modalidade, a coluna de água desloca as partículas de rocha após um conjunto de eletrodos quando um pulso elétrico é fornecido aos eletrodos. À medida que o campo elétrico nos eletrodos aumenta, a diferença na constante dielétrica entre a água e a partícula de rocha faz com que os campos elétricos sejam concentrados na rocha, formando um eletrodo virtual na rocha. Isto é ilustrado na Figura 28 mostrando partículas de rocha 200 entre os eletrodos de alta voltagem 202 e eletrodo de terra 203 em líquido 204 cuja constante dielétrica é significativamente mais elevada do que a de partículas de rocha 200.
[201] A diferença na constante dielétrica concentrou os campos elétricos na partícula de rocha. Estes campos elétricos elevados fazem a rocha quebrar e a corrente fluir a partir do eletrodo, através da água, através das partículas de rocha, através da água de condução, e de volta para o eletrodo oposto. Deste modo, muitas pequenas partículas de rocha podem ser desintegradas pelo método de eletrotrituração de eletrodo virtual sem qualquer deles fisicamente contatar os dois eletrodos. O método também é adequado para grandes partículas de rocha.
[202] Deste modo, não é necessário que as rochas estejam em contato com os eletrodos físicos e assim as rochas não têm de ser dimensionadas para coincidir com o espaçamento de eletrodo para que o processo funcione. Com o método de eletrotrituração de eletrodo virtual, não é necessário as rochas realmente tocarem o eletrodo, porque neste método, os campos elétricos são concentrados na rocha pela constante dielétrica elevada (permissividade relativa) da água ou fluido. O pulso elétrico deve ser sintonizado com as características elétricas da estrutura de coluna e o líquido a fim de fornecer uma taxa suficiente de aumento de voltagem para alcançar a alocação de campo elétrico na rocha com estresse suficiente para fraturar a rocha.
[203] Uma outra modalidade da presente invenção, ilustrada na Figura 29, compreende um eletrotriturador de inversão de fluxo em que eletrodos 202 enviam uma corrente de eletrotrituração para partículas minerais (por exemplo, rocha) 200 e em que a água ou fluido 204 flui verticalmente para cima a uma taxa tal que as partículas 200 da dimensão desejada para o produto final são varridas para cima, e ao passo que partículas que são sobredimensionadas afundam.
[204] Conforme estas partículas sobredimensionadas afundam após os eletrodos, um pulso de alta voltagem é aplicado aos eletrodos para fraturar as partículas, reduzindo-as em tamanho até que se tornam suficientemente pequenas para se tornarem arrastadas pelo fluxo de água ou fluido. Este método fornece um meio de transporte das partículas após os eletrodos para trituração e ao mesmo tempo diferenciando o tamanho de partícula.
[205] O triturador de inversão de fluxo também fornece para separação de cinzas do carvão em que fornece para as cinzas afundarem para o fundo e para fora do fluxo, enquanto o fluxo fornece transporte das partículas finas de carvão para fora do triturador para serem processadas para combustível.
[206] A invenção é ainda ilustrada pelo seguinte exemplo (s) não limitativo.
[207] Um aparelho que utiliza a tecnologia de perfuração rápida em conformidade com a presente invenção foi construído e ensaiado. A Figura 30 mostra Broca de Perfuração rápida 114, a haste de perfuração 216, o motor hidráulico 218 usado para girar haste de perfuração 216 para fornecer potência aos dentes mecânicos dispostos na broca de perfuração 114, conjunto de anel deslizante 220 usado para transmitir os pulsos de alta voltagem para a broca rápida 114 através de um cabo de potência dentro de haste de perfuração 216, e tanque 222 utilizado para conter as rochas sendo perfuradas. Um sistema de potência pulsada, contido em um tanque (não mostrado), gerou os pulsos de alta voltagem que foram alimentados para dentro do conjunto de anel deslizante. Os testes foram realizados através da condução de pulsos de 150 kV através da haste de perfuração 216 para a broca rápida 114, e um sistema de potência pulsada foi usado para gerar os pulsos de 150 kV. Um sistema de circulação de fluido de perfuração foi incorporado para retirar as lascas. A broca de perfuração mostrada na Figura 4 foi usada para perfurar um furo de diâmetro de 7 polegadas e cerca de 12 polegadas de profundidade na rocha localizada em um tanque de rocha. Um sistema de circulação de fluido lavou os cortes de rocha para fora do furo, limpou os cortes fora do fluido, e circulou o fluido através do sistema.
[208] Um fluido de alta permissividade que compreende uma mistura de óleo de mamona e cerca de 20% em volume de carbonato de butileno foi preparado e testado de acordo com a presente invenção como segue.
[209] Uma vez que esta formulação de isolamento da presente invenção destina-se a aplicações de alta voltagem, as propriedades da formulação foram medidas em um ambiente de alta voltagem. As medições da resistência dielétrica foram realizadas com um gerador de pulso de banco de Marx de alta voltagem, até 130 kV. O tempo de subida do banco de Marx era inferior a 100 ns. As medições de ruptura foram conduzidas com bolas de 1 polegada imersas na formulação de isolamento em espaçamentos que variam 0,06-0,5 cm para permitir fácil cálculo dos campos de ruptura. A demora a partir do início do pulso para ruptura foi medida. A Figura 31 mostra o campo elétrico na ruptura representado graficamente como uma função do tempo de atraso em microssegundos. Também estão incluídos dados dos modelos de Charlie Martin para ruptura de óleo de transformador e para ruptura de água deionizada (Martin, T.H., A.H. Guenther, M Kristiansen "J.C. Martin em Potência Pulsada" Lernum Press, (1996)).
[210] A resistência de ruptura da formulação foi substancialmente maior do que o óleo de transformador por vezes maior do que 10 ms. Nenhum esforço especial foi gasto para condicionar a formulação. Ela continha pó, água dissolvida e outros contaminantes, enquanto o modelo de Martin é para óleo de transformador ou água muito bem condicionado.
[211] A constante dielétrica foi medida com uma forma de onda vibrando a 20 kV. O circuito de alta voltagem de vibração foi montado com placas de contorno de 8 polegadas de diâmetro imersas na formulação de isolamento no espaçamento de 0,5 polegadas. A área efetiva das placas, incluindo efeitos de campos de franja, foi calibrada com um fluido cuja constante dielétrica era conhecida (isto é, o óleo de transformador). Um bloco de alumínio foi colocado entre as placas para colocar as placas em curto de modo que a indutância do circuito poderia ser medida com uma capacitância de circuito conhecida. Em seguida, as placas foram imersas na formulação de isolamento, e a capacitância de placa foi avaliada a partir da frequência de vibração, adequadamente representando os efeitos do capacitor de circuito primário. A constante dielétrica foi avaliada a partir dessa capacitância, utilizando a área efetiva calibrada da placa. Estes testes indicaram uma constante dielétrica de cerca de 15.
[212] Para medir a condutividade, as mesmas placas de 8 polegadas de diâmetro utilizadas na medição de constante dielétrica foram utilizadas para medir a corrente de fuga. As placas foram separadas por espaçamento de 2 polegadas e imersas na formulação de isolamento. Pulsos de alta voltagem, variando de 70-150kV foram aplicados nas placas, e o fluxo de corrente de fuga entre as placas foi medido. A corrente de longa duração, em vez da corrente inicial, era o valor de interesse, a fim de evitar efeitos de correntes de deslocamento. A condutividade obtida foi cerca de 1 micromho/cm [1X10-6 (ohm-cm)-1].
[213] A formulação de isolamento foi testada com teor de água de até 2000 ppm sem qualquer efeito aparente na resistência dielétrica ou constante dielétrica. O teor de água foi medido por titulação de Karl Fisher.
[214] A densidade de armazenamento de energia da formulação de isolamento da presente invenção mostrou-se substancialmente mais elevada do que a do óleo de transformador, mas menos do que a da água desionizada. A Tabela 1 mostra a comparação de armazenamento de energia da formulação de isolamento, um óleo de transformador, e água nas escalas de tempo de ruptura de 1 μs e 10 μs. A densidade de energia (em Joules/cm3) foi calculada a partir da constante dielétrica (e, eo) e o campo elétrico de ruptura (Ebd ~ kV/cm). A densidade de armazenamento de energia da formulação de isolamento é cerca de um quarto a da água em 10 microssegundos. A formulação de isolamento não exigia condicionamento contínuo, assim como um sistema dielétrico de água. Após cerca de 12 meses de uso, a formulação de isolamento permaneceu utilizável sem condicionado e sem degradação aparente.
[215] Um resumo das propriedades dielétricas da formulação de isolamento da presente invenção é mostrado na Tabela 2. Aplicações de formulação de isolamento incluem capacitores de alta densidade energética, máquinas de potência pulsada de grande escala, e máquinas de potência pulsada repetitivas compactas.
[216] Uma outra modalidade da presente invenção compreende dois sistemas de potência pulsada coordenados para disparar um após o outro.
[217] A criação de um arco dentro da rocha ou outro substrato com o processo de eletrotrituração (EC) potencialmente compreende um grande defasagem de impedância entre o sistema de potência pulsada que fornece o pulso de alta voltagem e o arco no interior do substrato. A condutividade do arco pode ser bastante elevada, por causa da alta temperatura de plasma no interior do substrato, obtendo assim uma carga de baixa impedância para o sistema de potência pulsada exigindo uma alta corrente para depositar muita energia. Em contraste, a voltagem necessária para superar as propriedades de isolamento do substrato (ruptura do substrato eletricamente) pode ser bastante alta, o que requer um circuito de alta impedância (alta relação de voltagem para corrente). A eficiência de transferência de energia a partir do sistema de potência pulsada para o substrato pode ser bastante baixa como uma consequência desta defasagem.
[218] O primeiro sistema de potência pulsada, que compreende uma ponteira, pode criar uma voltagem elevada que rompe as propriedades de isolamento do substrato e pode criar um canal de arco no substrato. É projetado para alta voltagem, mas baixa potência, em alta impedância. O segundo sistema de potência pulsada, que compreende um sustentador, foi concebido para fornecer uma alta corrente no arco, mas em baixa voltagem, assim, melhor correspondendo a impedância do arco e conseguindo transferência de potência mais eficiente.
[219] A Figura 32 ilustra um diagrama esquemático do circuito de ponteira-sustentador em operação. O circuito de ponteira é carregado a uma alta voltagem. Um aparelho de comutação posteriormente conecta o circuito de ponteira a um conjunto de eletrodos que fornece um campo elétrico para o substrato fraturável. O pulso de alta voltagem do circuito de ponteira excede a resistência dielétrica do substrato fraturável e cria um canal condutor compreendendo canal de plasma no substrato fraturável.
[220] O circuito de sustentador compreende um bloqueador que impede que o pulso de alta voltagem do circuito de ponteira conduza no circuito de sustentador. Depois de um canal condutor ser estabelecido, um comutador no circuito de sustentador liga o circuito de sustentador a um conjunto de eletrodos que por sua vez é ligado ao substrato fraturável. A energia armazenada no circuito de sustentador então flui através do canal condutor no substrato fraturável, depositando energia para o substrato fraturável para criar fraturas, e, finalmente, fraturar ou quebrar o substrato.
[221] O circuito de ponteira-sustentador é usado em eletrotrituração de rocha ou qualquer outro meio fraturável ou substrato.
[222] O comutador usado na ponteira pode incluir comutadores de líquido e gás, detectores de estado sólido, e comutadores de vapor metálico.
[223] O bloqueador usado com o sustentador pode incluir diodos de estado sólido, diodos líquidos e gasosos, ou comutadores de "chervil" de alta voltagem, incluindo comutadores de líquido e de gás, detectores de estado sólido, e comutadores de vapor metálico.
[224] Conjuntos de eletrodos conecta o pulso de alta voltagem da ponteira e o pulso de alta corrente do sustentador no substrato. Os conjuntos de eletrodos compreendem um único conjunto de eletrodos ou uma pluralidade de conjuntos de eletrodos dispostos no substrato, e os conjuntos de eletrodos podem funcionar fora de um único circuito de ponteira ou fora de um único circuito de sustentador.
[225] O circuito de ponteira-sustentador pode compreender uma pluralidade de circuitos, pelo menos um dos quais inicia um canal condutor e pelo menos um dos quais fornece a energia para o canal condutor.
[226] O circuito de ponteira-sustentador alternadamente pode compreender pluralidade de ponteiras operando uma pluralidade de conjuntos de eletrodos operando com um único sustentador.
[227] A Figura 33A ilustra sistema de potência pulsada de ponteira 230 e sistema de potência pulsada de sustentador 231, ambos ligados ao eletrodo central 108 e eletrodo circundante 110, ambos eletrodos em contato ou próximo de substrato 106. A Figura 33B ilustra uma forma de onda de voltagem típica produzida por ponteira 230 e sustentador 231, a forma de onda de pulso estreito de alta voltagem produzida pela ponteira 230 e a voltagem mais baixa, tipicamente uma forma de onda de mais longa duração, produzida por sustentador 231. Tensões típicas para ponteira 230 podem variar desde cerca de 50 a 700 kV, e/ou variar de aproximadamente 100 a 500 kV. Voltagens típicas produzidas por sustentador 231 podem variar desde cerca de 1 a 150 kV e/ou podem variar desde cerca de 10 a 100 kV. Uma grande variedade de comutadores e circuitos de potência pulsada podem ser usados para tanto ponteira 230 ou sustentador 231 para comutar a energia elétrica armazenada no substrato, incluindo mas não se limitando aos comutadores de estado sólido, lacunas de ignição de gás ou líquido, tiratrons, tubos de vácuo, e comutadores de autoquebra ou acionados opticamente de estado sólido (ver figuras 12-15.). A energia pode ser armazenada ou em capacitores 158 e 164 (ver Figuras 12 - 14) ou indutores 168 (ver Figura 15) e 166 (ver Figura 34).
[228] A Figura 34 ilustra um circuito de armazenamento de energia indutivo aplicável às aplicações convencionais e de ponteira-sustentador, ilustrando comutador 160 inicialmente fechado, circulando corrente a partir de fonte de corrente de meio de geração 156 através de indutor 166. Quando a corrente está no valor correto, comutador 160 é aberto, criando um pulso de alta voltagem que é alimentado para a broca rápida 114.
[229] A elevada voltagem pode ser criada através do transformador pulsado 162 (ver Figura 12) ou o carregamento de capacitores em paralelo e adicioná-los em série (ver Figura 14) ou uma combinação dos mesmos (ver Figura 13).
[230] O sistema de potência pulsada de ponteira- sustentador pode ser localizado poço abaixo no conjunto de fundo de poço, na superfície com o pulso enviado através de uma pluralidade de cabos, ou em uma seção intermediária da coluna de perfuração.
[231] A Figura 35 ilustra broca rápida de eletrotrituração não rotativa 114, mostrando eletrodo central 108 de um conjunto de eletrodos típico e eletrodo circundante 110 (sem dentes mecânicos uma vez que a broca não gira).
[232] A Figura 36 ilustra uma vista em perspectiva da mesma broca rápida de eletrotrituração não rotativa típica, mostrando mais claramente o agrupamento central de conjuntos de eletrodos na parte não cônica da broca e os conjuntos de eletrodos laterais localizados na porção cônica da broca. Uma configuração assimétrica dos conjuntos de eletrodos é outra modalidade proporcionando opções adicionais para controle direcional de broca, como ilustrado na Figura 37.
[233] A broca não rotativa pode ser projetada com uma pluralidade de conjuntos de eletrodos de eletrotrituração com os conjuntos divididos em grupos de um ou mais conjuntos de eletrodos por grupo para controle direcional. Por exemplo, na Figura 35, os conjuntos de eletrodos de eletrotrituração podem ser divididos em quatro grupos: o três conjuntos de eletrodos centrais como um grupo e o exterior dividido em três grupos de dois conjuntos de eletrodos cada. Cada grupo de conjuntos de eletrodos é alimentado por um único condutor. O primeiro conjunto de eletrodos em um grupo para atingir ignição através da rocha ou substrato é o que escava. Os outros conjuntos de eletrodos neste grupo não acionam porque a ignição do primeiro conjunto de eletrodos faz cair a voltagem no condutor e os outros conjuntos de eletrodos neste grupo não acionam. O primeiro conjunto de eletrodos a acionar escava rocha suficiente na frente do mesmo que ele experimenta um aumento da voltagem necessário para acionar e um maior atraso de ignição devido ao caminho de arco maior através da rocha, fazendo outro conjunto de eletrodos no grupo acionar primeiro.
[234] O processo de escavação pode ser de autorregulação e todos os conjuntos de eletrodos em um grupo podem escavar aproximadamente na mesma taxa. Os nove conjuntos de eletrodos mostrados na Figura 35 podem exigir quadro sistemas de potência pulsada para operar a broca. Alternativamente, os nove conjuntos de eletrodo na broca da Figura 35 são cada um operado por um único sistema de potência pulsada, por exemplo, exigindo nove sistemas de potência pulsada para operar a broca. Esta configuração pode fornecer controle direcional preciso da broca em comparação com a configuração de quatro sistemas de potência pulsada, mas a um custo de uma maior complexidade.
[235] Controle direcional pode ser conseguido através do aumento da taxa de repetição de pulso ou energia de pulso para esses conjuntos de eletrodos cônicos em direção os quais se deseja girar a broca. Por exemplo, como ilustrado na Figura 35, ou a taxa de repetição de pulso ou energia de pulso são aumentadas para este grupo de conjuntos de eletrodos em comparação com os outros dois grupos de conjuntos de eletrodos cônicos para virar em direção ao par de eletrodos montados na porção cônica da broca como mostrado no fundo da Figura 36. Os conjuntos de eletrodos de fundo subsequentemente escavam mais rocha neste lado da broca do que os outros dois grupos de conjuntos de eletrodos cônicos e a broca de preferência tende a girar na direção do par de fundo dos conjuntos de eletrodos. A potência para os três conjuntos de eletrodos centrais de preferência muda apenas o suficiente para manter a taxa de propagação de broca média através da rocha. O grupo de eletrodos centrais não participa no controle direcional da broca.
[236] O termo "rocha" tal como aqui utilizado pretende incluir rochas ou quaisquer outros substratos em que é necessária perfuração.
[237] Os dois conjuntos de eletrodos cônicos no fundo e o eletrodo central de fundo podem todos participar do controle direcional da broca quando nove sistemas de potência pulsada são utilizados para alimentar a broca não rotativa com cada conjunto de eletrodos que tem seu próprio sistema de potência pulsada.
[238] Uma outra modalidade compreende dispor todos os conjuntos de eletrodos de eletrotrituração em uma forma cônica, com uma porção não plana para a broca, como mostrado na Figura 6.
[239] A Figura 36 ilustra uma vista em perspectiva da mesma broca não rotativa de eletrotrituração rápida típica, que ilustra mais claramente o agrupamento central de conjuntos de eletrodos na parte não cônica da broca e os conjuntos de eletrodos laterais localizados na porção cônica da broca.
[240] A Figura 37 ilustra uma roca não rotativa de eletrotrituração rápida típica com uma disposição assimétrica dos conjuntos de eletrodos. Outra modalidade que compreende um sistema de broca não rotativa utilizando tubagem bobinada contínua para fornecer fluido de perfuração para a broca de perfuração não rotativa, compreendendo um cabo de preferência trazendo energia elétrica a partir da superfície para o sistema de potência pulsada de poço abaixo, como mostrado na Figura 37.
[241] Conjunto de fundo de poço 242, conforme ilustrado nas Figuras 38 e 39, compreende broca de eletrotrituração rápida 114, projetores eletro-hidráulicos 243, tubo de fluido de perfuração 147, cabo de potência 148, 244 e alojamento que podem compreender o sistema de potência pulsada e outros componentes do conjunto de perfuração de poço abaixo (não mostrado).
[242] O cabo pode ser localizado dentro da tubagem bobinada contínua, como mostrado na Figura 37 ou do lado de fora. Esta modalidade não inclui um gerador de poço abaixo, engrenagem de ultrapassagem, ou um motor de lama de acionamento de gerador ou um motor de lama de rotação de broca, já que a broca não gira. Outra modalidade utiliza tubo de perfuração segmentado para fornecer fluido de perfuração para a broca de perfuração não rotativa, com um cabo ou fora ou dentro do tubo para trazer sinais de potência elétrica e controle a partir da superfície para o sistema de potência pulsada de poço abaixo.
[243] Em uma outra modalidade, parte do total de fluido bombeado para baixo do tubo de fluido é desviada através dos projetores eletro-hidráulicos traseiros/conjuntos de eletrodos de eletrotrituração quando em operação normal. A taxa de fluxo de fluido necessária para limpar as partículas de rocha para fora do furo é maior acima do conjunto de fundo de poço do que no conjunto de fundo de poço, porque normalmente o diâmetro do tubo de fluido e o cabo de potência é menor do que o diâmetro do conjunto de fundo de poço, exigindo maior fluxo volumétrico acima do conjunto de fundo de poço para manter a velocidade de fluxo necessária para elevar as partículas de rocha para fora do poço.
[244] Uma outra modalidade da presente invenção compreende o método de escavação para trás. Queda do furo atrás da broca, em que a parede do poço cava atrás do conjunto de fundo de poço, bloqueando a capacidade do conjunto de fundo de poço de ser extraído do poço e inibindo mais perfuração por causa do bloqueio, como mostrado na Figura 38, às vezes pode ocorrer. Uma modalidade da presente invenção compreende os processos de escavação acionados elétricos da tecnologia de perfuração rápida. Uma modalidade da presente invenção compreende a aplicação do processo de eletrotrituração para perfuração. Uma combinação do processo eletro-hidráulico ou de plasma- hidráulico com o processo de eletrotrituração pode também ser utilizada para maximizar a eficácia do processo de perfuração completo. O projetor eletro-hidráulico pode criar uma faísca elétrica no fluido de perfuração, não na rocha. A faísca de preferência cria uma onda de choque intenso que não é tão eficiente em fraturar rocha como o processo de eletrotrituração, mas pode ser vantajosa em extrair a broca de um poço danificado. Uma pluralidade de projetores eletro-hidráulicos podem ser instalados no lado de trás do conjunto de fundo de poço para de preferência permitir a broca rápida perfurar seu caminho para fora do furo caído. Pelo menos um conjunto de eletrodos de eletrotrituração pode compreender um complemento para escavar eficientemente grandes pedaços de rocha que caíram no conjunto de fundo de poço de perfuração. Uma modalidade da presente invenção pode compreender apenas conjuntos de eletrodos de eletrotrituração na parte de trás do conjunto de fundo de poço, o que pode operar com vantagem em algumas formações.
[245] A Figura 38 ilustra o conjunto de fundo de poço 242 compreendendo broca de eletrotrituração rápida 114, projetores eletro-hidráulicos 243, tubagem de fluido de perfuração 147, cabo de potência 148, e alojamento 244 que pode conter o sistema de potência pulsada (não mostrado) e outros componentes do conjunto de perfuração de poço abaixo. A Figura 38 ilustra projetores eletro-hidráulicos 243 instalados na parte traseira do conjunto de fundo de poço 242. Dentro do conjunto de fundo de poço uma pluralidade de comutadores (não mostrada) podem ser dispostos que podem ser ativados a partir da superfície para comutar os pulsos elétricos que são enviados para a broca de eletrotrituração não rotativa e são alternadamente enviados para alimentar os projetores eletro- hidráulicos/conjuntos de eletrodos de eletrotrituração dispostos na parte de trás do conjunto de fundo de poço. O sistema de ponteira-sustentador para alimentar os conjuntos de eletrodos de eletrotrituração na broca não rotativa principal pode melhorar a eficiência dos projetores eletro- hidráulicos dispostos na parte de trás do conjunto de fundo de poço. Alternativamente, uma válvula atuada eletricamente desvia uma porção do fluxo de fluido de perfuração bombeado para o tubo de fluido para os projetores eletro- hidráulicos/conjuntos de eletrodos de eletrotrituração traseiros e retira as partículas de rocha caídas do furo.
[246] Em uma outra modalidade da presente invenção, projetores eletro-hidráulicos sozinhos ou projetores eletro-hidráulicos em conjunto com conjuntos de eletrodos de eletrotrituração podem ser usados na parte de trás do conjunto de fundo de poço. Os projetores eletro-hidráulicos são especialmente úteis porque a onda de choque de alta potência quebra a rocha caída atrás do conjunto de fundo de poço e perturba a rocha acima dele. A propagação do pulso de pressão através da rocha caída perturba a rocha, para fornecer o fluxo de fluido aumentado através dela para transportar as partículas de rocha para cima do poço para a superfície. À medida que o conjunto de fundo de poço é arrastado até a superfície, o fluxo de fluido transporta as partículas de rocha para a superfície, e o pulso de pressão perturba continuamente a rocha caída para impedi-la de vedar o furo. Um ou mais conjuntos de eletrodos de eletrotrituração podem ser adicionados à pluralidade de projetores na parte de trás do conjunto de fundo de poço para aumentar ainda mais a fratura e a remoção da rocha caída atrás do conjunto de fundo de poço.
[247] Em uma outra modalidade da presente invenção que compreende a broca rápida, um cabo pode ser disposto no interior do tubo de fluido e o tubo de fluido pode compreender um tubo de perfuração rotativo. Dentes mecânicos 116 podem ser instalados na parte traseira do conjunto de fundo de poço e o conjunto de fundo de poço pode ser girado para ajudar ainda mais os projetores eletro-hidráulicos/de eletrotrituração na limpeza da rocha de trás do conjunto de fundo de poço. O conjunto de fundo de poço é rodado quando é puxado para fora enquanto os projetores eletro-hidráulicos/conjuntos de eletrodos de eletrotrituração estão fraturando a rocha atrás do conjunto de fundo de poço e o fluido está fluindo as partículas de rocha para cima do furo.
[248] A Figura 39 mostra o conjunto de fundo de poço 242 no poço com parte da parede do poço caída ao redor do topo da perfuração e tubo de perfuração 147, prendendo a broca no furo com fragmentos de rocha 245.
[249] Modalidades da presente invenção aqui descritas também podem incluir, mas não são limitadas a, os seguintes elementos ou passos: a invenção pode compreender uma pluralidade de conjuntos de eletrodos dispostos na broca. A taxa de repetição de pulso bem como a energia de pulso produzida pelo gerador de potência pulsada é variavelmente direcionada para diferentes conjuntos de eletrodos, quebrando assim mais substrato a partir de um lado da broca que do outro lado, fazendo, assim, a broca mudar de direção. Assim, a broca é guiada através do substrato; os conjuntos de eletrodos compreendem grupos de conjuntos organizados. Os conjuntos de eletrodos são conectados com uma única conexão com o gerador de potência pulsada para cada grupo de conjunto arranjado.
[250] A presente invenção compreende uma única conexão fornecida a partir do gerador de potência pulsada para cada conjunto de eletrodos disposto na broca. A presente invenção compreende uma única conexão fornecida a partir do gerador de potência pulsada para alguns dos conjuntos de eletrodos dispostos na broca. Os restantes conjuntos de eletrodos estão dispostos em um ou uma pluralidade de grupos com uma única conexão para o gerador de potência pulsada para cada grupo.
[251] A presente invenção compreende uma pluralidade de conjuntos de eletrodos dispostos na broca de perfuração. A taxa de repetição de pulso ou energia de pulso é aplicada de forma diferente para diferentes conjuntos de eletrodos na broca com a finalidade de direcionar a broca a partir da operação diferencial dos conjuntos de eletrodos.
[252] A presente invenção compreende uma pluralidade de conjuntos de eletrodos dispostos em grupos. A taxa de repetição de pulso ou energia de pulso é aplicada de forma diferente para diferentes grupos de conjuntos de eletrodos com a finalidade de direcionar a broca a partir da operação diferencial de conjuntos de eletrodos.
[253] A presente invenção compreende uma pluralidade de conjuntos de eletrodos dispostos ao longo de uma face da broca de perfuração com simetria em relação ao eixo da direção de movimento da broca de perfuração.
[254] Além disso, a presente invenção compreende uma pluralidade de conjuntos de eletrodos dispostos ao longo de uma face da broca de perfuração com alguns dos conjuntos de eletrodos não tendo simetria em relação ao eixo da direção de movimento da broca de perfuração.
[255] O arranjo dos conjuntos de eletrodos compreende formas cônicas compreendendo eixos substancialmente paralelos ao eixo da direção de movimento da broca de perfuração. Além disso, o arranjo dos conjuntos de eletrodos compreende formas cônicas que compreendem eixos em um ângulo com o eixo da direção de movimento da broca de perfuração. Além disso, o arranjo dos conjuntos de eletrodos compreende uma seção plana perpendicular à direção de movimento da broca de perfuração em conjunto com uma pluralidade de formas cônicas que compreendem eixos substancialmente orientados para o eixo da direção de movimento da broca de perfuração.
[256] A presente invenção compreende fornecer conjuntos de eletrodos dispostos em grupos com uma única conexão a uma fonte de pulso de voltagem e corrente para cada grupo.
[257] A presente invenção compreende fornecer uma única conexão a uma fonte de pulso de voltagem e de corrente para cada um dos eletrodos situados na broca. Alternativamente, a presente invenção compreende fornecer uma única conexão a uma fonte de pulso de voltagem e de corrente para cada um de alguns dos conjuntos de eletrodos na broca enquanto arranjando os conjuntos de eletrodos restantes em pelo menos um grupo com uma única conexão a uma fonte de pulso de voltagem e de corrente para cada grupo.
[258] A presente invenção compreende sintonia do pulso de corrente para as propriedades de substrato de modo que o substrato é quebrado além dos limites do conjunto de eletrodos.
[259] A presente invenção compreende fornecer um meio condutor de potência que compreende um cabo para fornecimento de potência a um conjunto de fundo de poço de broca rápida. O cabo está disposto no interior de um meio condutor de fluido para conduzir fluido de perfuração a partir da superfície para o conjunto de fundo de poço. Em alternativa, o cabo é colocado no exterior de um meio condutor de fluido.
[260] A presente invenção compreende um conjunto de fundo de poço que compreende uma broca de perfuração, um conector para conectar a broca de perfuração para o gerador de potência pulsada, e um transmissor para transmitir o fluido de perfuração para a broca, e um alojamento.
[261] A presente invenção compreende um conjunto de fundo de poço compreendendo pelo menos um projetor eletro- hidráulico instalado em um dos lados do conjunto de fundo de poço não na direção de perfuração. A presente invenção compreende um conjunto de fundo de poço que compreende pelo menos um conjunto de eletrodos de eletrotrituração instalado em um dos lados do conjunto de fundo de poço não na direção de perfuração.
[262] A presente invenção compreende um comutador disposto no conjunto de fundo de poço para comutar a potência a partir do gerador de potência pulsada de pelo menos um dos conjuntos de eletrodos de broca para o conjunto de eletrodos de eletrotrituração ou projetor eletro-hidráulico.
[263] A presente invenção compreende ainda uma válvula no conjunto de fundo de poço para desviar pelo menos uma parte do fluido de perfuração da broca para o conjunto de eletrodos de eletrotrituração ou projetor eletro- hidráulico.
[264] A presente invenção compreende um cabo disposto no interior do tubo de fluido, com o tubo de fluido compreendendo um tubo de perfuração rotativo, e dentes de corte mecânicos instalados no lado de trás do conjunto de fundo de poço de modo que o conjunto de fundo de poço pode ser rodado para limpar a rocha a partir de trás do conjunto de fundo de poço.
[265] A presente invenção compreende um método de perfuração para trás de um poço danificado ou caído ou cavado, o método utilizando pelo menos um projetor eletro- hidráulico instalado em um dos lados do conjunto de fundo de poço não na direção de perfuração. A presente invenção compreende ainda a criação de uma onda de pressão propagando para trás no poço, isto é, oposta à direção de perfuração, para auxiliar na limpeza de partículas de substrato para fora de um poço danificado ou caído ou cavado, utilizando pelo menos um projetor eletro-hidráulico instalado em uma lateral do conjunto de fundo de poço não na direção de perfuração. A presente invenção compreende um método de perfuração para trás de um poço danificado ou caído ou cavado utilizando pelo menos um conjunto de eletrodos de eletrotrituração instalado em um dos lados do conjunto de fundo de poço não na direção de perfuração.
[266] A presente invenção compreende um comutador disposto no conjunto de fundo de poço para comutar a potência do gerador de potência pulsada de pelo menos um dos conjuntos de eletrodos de broca para o conjunto de eletrodos de eletrotrituração ou projetor eletro- hidráulico. A presente invenção compreende ainda uma válvula disposta no conjunto de fundo de poço para desviar pelo menos uma parte do fluido de perfuração da broca para o conjunto de eletrodos de eletrotrituração ou projetor eletro-hidráulico.
[267] A presente invenção compreende um método de criação de um fluxo para trás de fluido de perfuração no poço (isto é, oposto à direção de perfuração) para auxiliar na limpeza de partículas de substrato para fora de um poço danificado ou caído ou cavado, utilizando ainda uma válvula no conjunto de fundo de poço para desviar pelo menos uma parte do fluido de perfuração da broca para a traseira do conjunto de fundo de poço.
[268] A presente invenção compreende ainda um método de equilibrar o fluxo de fluido através da broca, em torno do conjunto de fundo de poço e através do poço, desviando pelo menos uma parte do fluido de perfuração no conjunto de fundo de poço a partir da broca para a traseira do conjunto de fundo de poço durante operação de perfuração normal. A presente invenção compreende ainda um método de limpeza do substrato para fora de um poço danificado ou caído ou cavado e permitindo o conjunto de fundo de poço perfurar para trás para a superfície por fornecer ainda um cortador mecânico instalado no lado traseiro de um conjunto de fundo de poço rotativo e coluna de perfuração, e girando o conjunto de fundo de poço para limpar o substrato a partir de trás do conjunto de fundo de poço.
[269] A presente invenção compreende um método de utilizar pelo menos um pulso inicial de alta voltagem para superar as propriedades de isolamento do substrato, seguido por fornecer pelo menos um pulso de corrente elevada a partir de uma fonte diferente de impedância a partir do pulso ou pulsos iniciais, proporcionando assim potência suficiente para quebrar o substrato.
[270] A presente invenção compreende utilizar um transformador de pulso para criação de pulsos de alta voltagem ou pulsos de alta corrente. A presente invenção compreende alternadamente criar pulsos de alta voltagem ou pulsos de alta corrente através de carregamento de capacitores em paralelo e adicioná-los em série ou uma combinação de paralelo e série. Os pulsos de alta voltagem e os pulsos de alta corrente utilizam energia elétrica armazenada tanto em capacitores ou indutores ou uma combinação de capacitores e indutores.
[271] A presente invenção compreende fornecer um sistema de potência pulsada que compreende um gerador de potência pulsada para fornecer pelo menos um pulso inicial de alta voltagem para superar as propriedades de isolamento do substrato, compreendendo uma ponteira, seguido por pelo menos um pulso de corrente elevada para fornecer a energia para quebrar o substrato, compreendendo um sustentador.
[272] A presente invenção compreende um sistema de potência pulsada de ponteira-sustentador compreendendo comutadores de estado sólido, lacunas de faísca de gás ou líquido, tiratrons, tubos de vácuo, comutadores opticamente acionados de estado sólido, e comutadores de autoquebra. O sistema de potência pulsada de ponteira-sustentador compreende armazenamento de energia capacitivo, armazenamento de energia indutivo, ou uma combinação de armazenamento de energia capacitivo e armazenamento de energia indutivo. O sistema de potência pulsada de ponteira-sustentador cria o pulso de alta voltagem por um transformador de pulso ou por carregar capacitores em paralelo e adicioná-los em série ou uma combinação de armazenamento de energia capacitivo e armazenamento de energia indutivo.
[273] O sistema de potência pulsada de ponteira- sustentador está localizado poço abaixo de um conjunto de fundo de poço, na superfície com o pulso enviado através de um ou de uma pluralidade de cabos, ou em uma seção intermediária da coluna de perfuração. O cabo está disposto no interior de um aparelho de condução de fluido para conduzir fluido de perfuração a partir da superfície para o conjunto de fundo de poço. O cabo é alternadamente disposto no exterior de um aparelho de condução de fluido para conduzir fluido de perfuração a partir da superfície para o conjunto de fundo de poço.
[274] Os exemplos precedentes podem ser repetidos com sucesso semelhante substituindo as composições, biomateriais, dispositivos e/ou condições de operação genericamente ou especificamente descritos desta invenção por aqueles utilizados nos exemplos precedentes.
[275] Embora a invenção tenha sido descrita em detalhe com particular referência a estas modalidades preferidas, outras modalidades podem alcançar os mesmos resultados. Variações e modificações da presente invenção serão óbvias para os peritos na arte e pretende-se cobrir todas essas modificações e equivalentes. As descrições completas de todas as referências, aplicações, patentes e publicações citadas acima, e do pedido correspondente (s), são aqui incorporadas por referência.
[276] Conforme usado na especificação e reivindicações aqui, os termos "um", "uma", e "o" significam um ou mais.
[277] Uma modalidade da presente invenção fornece uma broca de perfuração em que estão dispostos um ou mais conjuntos de eletrodos. Nesta modalidade, os eletrodos são dispostos de modo que é formada uma lacuna entre eles e são dispostos na broca de perfuração de modo que eles são orientados ao longo de uma face da broca de perfuração. Em outras palavras, os eletrodos entre os quais passa uma corrente elétrica através de um substrato mineral (por exemplo, rocha) não estão em lados opostos da rocha. Além disso, nesta modalidade, não é necessário que todos os eletrodos toquem o substrato mineral quando a corrente está sendo aplicada. De acordo com esta modalidade, pelo menos um dos eletrodos estendendo a partir da broca em direção ao substrato a ser fraturado e pode ser compressível (ou seja, retrátil) na broca de perfuração por quaisquer meios conhecidos na arte, tais como, por exemplo, através de um mecanismo carregado por mola.
[278] A modalidade preferida da presente invenção (ver Figuras 48-50) compreende uma broca de perfuração com vários conjuntos de eletrodos dispostos na ponta da haste de perfuração, cada conjunto de eletrodos sendo alimentado de forma independente com corrente através para passar através do substrato. Através da variação da taxa de repetição dos pulsos de alta voltagem, a broca muda de direção na direção dos conjuntos de eletrodos tendo a taxa de repetição mais elevada. Assim, o conjunto de haste de perfuração de multieletrodos é guiado através da rocha pelo sistema de controle, variando de forma independente a taxa de repetição de pulso para os conjuntos de eletrodos.
[279] Para realizar o controle dos conjuntos de eletrodos de forma independente, um cabo de potência de multicondutor é usado com cada conjunto de eletrodos conectado, quer separadamente ou em grupos, a condutores individuais no cabo. Um comutador é usado no gerador de pulso para alimentar alternadamente os pulsos para os condutores e, consequentemente, para os conjuntos de eletrodos individuais de acordo com os requisitos estabelecidos pelo sistema de controle. Em alternativa, um comutador é disposto na haste de perfuração para distribuir pulsos enviados através de um cabo de potência de condutor único para conjuntos de eletrodos individuais. Uma vez que o papel de cada conjunto de eletrodos é escavar uma pequena quantidade de rocha, não é necessário para os conjuntos de eletrodos operar simultaneamente. Uma mudança de direção é conseguida mudando a quantidade líquida de rocha escavada em um dos lados da broca em comparação com o outro lado.
[280] Para melhorar ainda mais a transmissão de potência a partir do gerador de pulso para a rocha, capacitores individuais estão localizados no interior da haste de perfuração, cada conectado, individualmente ou em grupos, para os conjuntos de eletrodos individuais. Isto aumenta o fluxo de corrente de pico para a rocha, e melhora a eficiência de potência do processo de perfuração. A combinação dos capacitores e comutadores, ou outros circuitos e componentes de formação de pulso, tais como indutores, está localizada na haste de perfuração para aumentar ainda mais o fluxo de potência na rocha.
[281] Deste modo, uma modalidade da presente invenção fornece uma broca de perfuração em que estão dispostos um ou mais conjuntos de eletrodos. Nesta modalidade, os eletrodos são dispostos de modo que é formada uma lacuna entre eles e são dispostos na broca de perfuração de modo que eles são orientados ao longo de uma face da broca de perfuração. Em outras palavras, os eletrodos entre os quais passa uma corrente elétrica através de um substrato mineral (por exemplo, rocha) não estão em lados opostos da rocha. Além disso, nesta modalidade, não é necessário que todos os eletrodos toquem o substrato mineral quando a corrente está sendo aplicada. De acordo com esta modalidade, pelo menos um dos eletrodos estendendo a partir da broca em direção ao substrato a ser fraturado e pode ser compressível (ou seja, retrátil) na broca de perfuração por quaisquer meios conhecidos na arte, tais como, por exemplo, através de um mecanismo carregado por mola.
[282] De um modo geral, mas não necessariamente, os eletrodos são dispostos na broca de tal modo que pelo menos um dos eletrodos contata o substrato mineral a ser fraturado e outro eletrodo que toca geralmente o substrato mineral, mas de outro modo pode ser próximo, mas não necessariamente tocando, o substrato mineral uma vez que ele está em proximidade suficiente para corrente passar através do substrato mineral. Normalmente, o eletrodo que não precisa tocar o substrato é o central, não o eletrodo circundante.
[283] Deste modo, os eletrodos são dispostos em uma broca e dispostos de tal modo que arcos de eletrotrituração são criados na rocha. Pulsos de alta voltagem são aplicados repetidamente para a broca para criar eventos de escavação de eletrotrituração repetitivos. Perfuração de eletrotrituração pode ser realizada, por exemplo, com uma broca cilíndrica de extremidade plana com um ou mais conjuntos de eletrodos. Estes eletrodos podem ser dispostos em uma configuração coaxial.
[284] De um modo geral, mas não necessariamente, os eletrodos são dispostos na broca de tal modo que pelo menos um dos eletrodos contata o substrato mineral a ser fraturado e outro eletrodo que toca geralmente o substrato mineral, mas de outro modo pode ser próximo, mas não necessariamente tocando, o substrato mineral, uma vez que ele está em proximidade suficiente para corrente passar através do substrato mineral. Normalmente, o eletrodo que não precisa tocar o substrato é o central, não o eletrodo circundante.
[285] Deste modo, os eletrodos são dispostos em uma broca e dispostos de tal modo que arcos de eletrotrituração são criados na rocha. Pulsos de alta voltagem são aplicados repetidamente para a broca para criar eventos de escavação de eletrotrituração repetitivos. Perfuração de eletrotrituração pode ser realizada, por exemplo, com uma broca cilíndrica de extremidade plana com um ou mais conjuntos de eletrodos. Estes eletrodos podem ser dispostos em uma configuração coaxial.
[286] Uma modalidade da presente invenção incorporando uma broca como descrito aqui, portanto, fornece uma broca de eletrotrituração portátil que utiliza um plasma elétrico dentro da rocha para triturar e fraturar a rocha. Uma haste de perfuração portátil é preferencialmente montada em um cabo (de preferência flexível) que conecta a, ou é integral com, um gerador de pulso que em seguida conecta a um módulo de fonte de potência. Um mecanismo suporte e avanço de broca separado é preferencialmente utilizado para manter a broca pressionada contra a rocha a fim de facilitar o processo de perfuração. A haste em si é um tubo oco de preferência incorporando o isolador, fluxo de fluido de perfuração, e eletrodos. De preferência, a haste de perfuração é uma estrutura tubular rígida de metal ou material duro semelhante que contém o aparelho de geração de plasma real e fornece retorno de corrente para o pulso elétrico. A haste compreende um conjunto de eletrodos no final operacional. De preferência, a haste de perfuração inclui um capacitor para melhorar o fluxo de corrente através da rocha. Estes eletrodos são geralmente de forma circular, mas podem ter uma forma convoluta para gestão de arco preferencial. O eletrodo central é de preferência compressível para manter conexão com a rocha. A ponta de broca de preferência incorpora eletrodos substituíveis, que são unidades substituíveis em campo que podem ser, por exemplo, desenroscadas e substituídas na mina. Alternativamente, o módulo de fornecimento de potência e gerador de pulso pode ser integrado em uma unidade. O pulso elétrico é criado no gerador de pulso e, em seguida, transmitido ao longo do cabo à haste de perfuração e de preferência para o capacitor de haste de perfuração. O pulso cria um arco ou plasma na rocha nos eletrodos. O fluxo de fluido de perfuração a partir do interior da haste de perfuração varre o material triturado a partir do furo. O sistema é de preferência suficientemente compacto de modo que possa ser manipulado por operador dentro de túneis de mina subterrâneos.
[287] Quando a broca está primeiro começando na rocha, é altamente preferível vedar a superfície de rocha na vizinhança do ponto de partida quando perfurando verticalmente. Para realizar isto, um componente de confinamento ou retenção de fluido fornecido para conter o fluido de perfuração em torno da cabeça da broca para isolar os eletrodos. Uma modalidade ilustrativa de um tal componente de contenção de fluido da presente invenção compreende uma bota feita de um material flexível, tal como plástico ou borracha. O fluxo de fluido de perfuração chegando através do isolador e fora da ponta de perfuração, em seguida, preenche a bota e fornece a vedação até a broca ter progrediu suficientemente longe na rocha para fornecer sua próprio vedação. A bota pode quer ser ligada à ponta de perfuração com um meio de deslizamento de modo que a bota deslizará para baixo sobre a haste da perfuração quando a perfuração progride para a rocha ou a bota pode permanecer anexada ao tubo de guia do suporte de perfuração de modo que a perfuração pode progredir para a rocha e a bota permanece anexada ao tubo de lançamento.
[288] O fluido utilizado para isolar os eletrodos compreende preferivelmente um fluido que fornece uma elevada resistência dielétrica para fornecer elevados campos elétricos para os eletrodos, baixa condutividade para fornecer uma baixa corrente de fuga durante o tempo de atraso da aplicação da voltagem até o arco acionar na rocha, e alta permissividade relativa para desviar uma maior proporção do campo elétrico na rocha perto dos eletrodos. Mais preferencialmente, o fluido compreende uma constante dielétrica elevada, baixa condutividade, e elevada resistência dielétrica. Ainda mais preferivelmente, o fluido compreende uma condutividade elétrica inferior a 10-5 mho/cm e uma constante dielétrica maior do que 6. O fluido de perfuração compreende ainda uma condutividade inferior a cerca de 10-4 mho/cm e uma constante dielétrica maior do que cerca de 40 e incluindo água tratada.
[289] A distância desde a ponta para o gerador de pulso representa indutância para o fluxo de potência, o que impediu a taxa de aumento da corrente estar fluindo a partir do gerador de pulso para a broca. Para minimizar os efeitos desta indutância, um capacitor é instalado na haste de perfuração, para fornecer fluxo de alta corrente para o plasma de rocha, para aumentar eficiência de perfuração.
[290] O cabo que transporta fluido de perfuração de potência elétrica a partir do gerador de pulso para a haste de perfuração é frágil. Se uma rocha deve cair sobre ele ou deve ser atropelado por uma peça de equipamento, isso iria prejudicar a integridade elétrica, amassar a linha de fluido de perfuração, e prejudicar o desempenho da broca. Portanto, este cabo é de preferência blindado, mas de uma maneira que permite flexibilidade. Assim, por exemplo, uma modalidade compreende um cabo blindado flexível tendo uma forma ondulada que é utilizado como um meio para o avanço da broca no furo quando a profundidade de furo de perfuração excede a da haste.
[291] De preferência, um sistema de potência pulsada que alimenta a broca fornece pulsos de alta voltagem repetitivos, geralmente acima de 30 kV. O sistema de potência pulsada pode incluir, mas não está limitado a: (1) um sistema de geração de pulso controlado por comutador de estado sólido ou controlado por comutador de gás com um transformador de pulso que carrega por pulso o capacitor de saída primário; (2) uma matriz de circuitos controlados por comutador de estado sólido ou comutador de gás que são carregados em paralelo e em série carregam por pulso o capacitor de saída; (3) um circuito de inversão de vetor de voltagem que produz um pulso de cerca de duas vezes, ou um múltiplo de, a voltagem de carga; (4) Um sistema de armazenamento indutivo que armazena corrente em um indutor, em seguida, passa-a para os eletrodos por meio de uma abertura ou comutador de transferência; ou (5) qualquer outro circuito de geração de pulso que fornece pulsos de alta voltagem, de corrente elevada, repetitivos para a broca de perfuração.
[292] A presente invenção melhora substancialmente a produção de furos em uma mina. Em uma modalidade, a perfuração de produção poderia incorporar duas brocas de perfuração que operam fora de uma caixa de gerador de pulso com um comutador que conecta ambas brocas para o gerador de pulso. Em tal cenário, um operador pode operar duas brocas. O operador pode configurar uma broca e posicioná-la enquanto a outra broca está em funcionamento. Com uma taxa de perfuração de 0,5 metros por minuto, um operador pode fazer um furo de um metro de profundidade aproximadamente a cada quatro minutos com essa configuração. Porque não há nenhuma exigência de dois operadores, isso melhora dramaticamente a produtividade e reduz substancialmente o custo do trabalho.
[293] Passando agora às figuras, que descrevem modalidades não limitativas da presente invenção que são ilustrativas das várias modalidades dentro do âmbito da presente invenção, a Figura 40 mostra o conceito básico da haste de perfuração de uma perfuração de mineração de eletrotrituração portátil para perfuração em rocha dura, concreto ou outros materiais. Cabo de pulso 10 traz um pulso elétrico produzido por um modulador de pulso (não mostrado na Figura 40) para ponta de perfuração 11 que é envolvida na haste de perfuração 12. A corrente elétrica cria um arco elétrico ou de plasma dentro da rocha entre a ponta de perfuração 11 e haste de perfuração 12. Ponta de perfuração11 é preferencialmente compressível para manter contato com a rocha para facilitar a criação do arco dentro da rocha. Um componente de entrega de fluido de perfuração tal como, mas não limitado a, passagem de entrega de fluido 14 na haste 12 alimenta fluido de perfuração através da lacuna de eletrodo 15 para retirar detritos para fora da lacuna 15. Passagens de fluido de perfuração 14 ou outro fluido na haste 12 são alimentadas por uma linha de fluido de perfuração 16 embutida com cabo de pulso 10 dentro de revestimento blindado 17. Suporte de bota 18 está disposto na extremidade da haste de perfuração 12 para prender a bota (mostrada na Figura 42) durante a partida do processo de perfuração. Bota 23 é usada para capturar fluxo de fluido de perfuração que vem através lacuna 15 e fornecido através da passagem de entrega de fluido de perfuração 14 durante o processo de partida. À medida que a broca avança na rocha ou outro material, bota 23 desliza para baixo da haste 12 e revestimento blindado 17.
[294] A Figura 41 é uma vista ampliada de ponta 11 de haste de perfuração de eletrotrituração portátil 12, mostrando ponta de perfuração 11, lacuna de descarga 15, e eletrodo externo substituível 19. O pulso elétrico é entregue para ponta 11. O plasma então forma dentro da rocha entre a ponta 11 e eletrodo externo substituível 19. Isolador 20 tem passagens de fluido de perfuração 22 embutidas no isolador 20 para retirar pó de pedra para fora da base do isolador 20 e através de lacuna 15. O fluido de perfuração é fornecido em seção de isolador 20 através de linha de entrega de fluido de perfuração 14.
[295] A Figura 42 mostra haste de perfuração 12 começando a perfurar na rocha 24. Bota 23 é montada em torno da haste de perfuração 12, mantida no lugar por suporte de bota 18. Bota 23 fornece meios para conter o fluido de perfuração perto da superfície de rocha 24, mesmo quando haste de perfuração 12 não é perpendicular à superfície de rocha 24 ou quando superfície de rocha 24 é áspera e irregular. Quando haste de perfuração 12 penetra na rocha 24, bota 23 desliza para baixo ao longo do suporte de bota 18.
[296] A Figura 43 mostra uma modalidade da broca de mineração de eletrotrituração portátil utilizando haste de perfuração 12 descrita nas Figuras 40-42. Haste de perfuração 12 é mostrada montada em suporte de perna de macaco 25, que suporta haste de perfuração 12 e mecanismo de avanço 26. Cabo blindado 17 conecta haste de perfuração 12 para gerador de pulso 27. Gerador de pulso 27 é então conectado por sua vez através de um cabo de potência 28 para fornecimento de potência 29. Cabo blindado 17 tem tipicamente poucos metros de extensão e liga haste de perfuração 12 a gerador de pulso 27. Cabo blindado 17 fornece flexibilidade suficiente para permitir haste de perfuração 12 ser usada em áreas de baixa altura de teto. Fonte de potência 29 pode ser colocada alguma distância longa a partir do gerador de pulso 27. A linha de entrada de fluido de perfuração 30 alimenta fluido de perfuração para linha de fluido de perfuração 16 (não representada) contida no interior do cabo blindado 17. Um comutador de pressão (não mostrado) pode ser instalado no linha de fluido de perfuração 16 para assegurar que a broca não opere sem fluxo de fluido de perfuração.
[297] A Figura 44 mostra uma modalidade da invenção com duas brocas sendo operadas fora de único gerador de pulso 27. Esta Figura mostra haste de perfuração 12 de broca operacional 31 tendo progredido alguma distância na rocha 24. Suporte de perna de macaco 25 fornece suporte para haste de perfuração 12 e fornece orientação para haste de perfuração 12 para propagar na rocha 24. Gerador de pulso 27 é mostrado conectado a ambas hastes de perfuração 12. Broca 32 sendo configurada é apresentada em posição, pronta para começar a perfurar com sua perna de macaco 25 no lugar contra o teto. Cabo de potência 28, a partir da fonte de potência 29 (não mostrada na Figura 44) traz potência para gerador de pulso 27. Linha de alimentação de fluido de perfuração 30 é mostrada trazendo fluido de perfuração em gerador de pulso 27 onde conecta com a linha de fluido de perfuração 16 contida no cabo blindado 17. Nesta modalidade, enquanto uma broca está perfurando um furo e sendo alimentada pelo gerador de pulso, a segunda perfuração está sendo configurada. Assim, um homem pode realizar o trabalho de dois homens com esta invenção.
[298] A Figura 45 mostra suporte de perna de macaco 25 suportando estrutura de guia 33 que orienta broca 12 na rocha 24. Armação ou estrutura de guia de tubo 33 detém haste de perfuração 12 e orienta-a no furo. Estrutura de guia 33 pode ser inclinada com o ângulo adequado para fornecer o ângulo correto do furo na rocha 24. Bota fixa 23 pode ser anexada à extremidade do tubo de guia 33 como mostrado na Figura 45. Mecanismo de avanço 26 aperta os entalhes em cabo blindado 17 para fornecer impulso para manter a ponta de perfuração 11 em contato com a rocha 24. Note que mecanismo de avanço 26 não faz a perfuração. É o plasma dentro da rocha que realmente faz a perfuração. Em vez disso, mecanismos de avanço 26 mantém ponta de perfuração 15 e eletrodo exterior 19 em estreita proximidade com a rocha 24 para perfuração eficiente. Nesta modalidade, bota 23 é anexada ao circuito de guia mais superior em vez de para broca 12. Nesta modalidade, broca 12 não utiliza suporte de bota 18, mas em vez progride suavemente através de bota 23 em rocha 24 guiada pelos circuitos de guia que direcionam broca 12.
[299] A Figura 46 mostra uma outra modalidade em que a linha de fluido de perfuração é construída em haste de perfuração 12. Energia é armazenada no capacitor 13, que é entregue à ponta 11 por condutor 34 quando o campo elétrico no interior da rocha quebra a rocha, criando um caminho para condução de corrente dentro da rocha. A baixa indutância criada pela localização do capacitor na haste aumenta dramaticamente a eficiência de transferência de energia para a rocha. O capacitor é carregado por pulso pelo gerador de pulso 27. Condutor central 34 é cercado por capacitor 13, que, em seguida, é aninhado dentro de haste de perfuração 12 que incorpora passagem de fluido de perfuração 14 no interior da parede de haste. Nesta modalidade, ponta de perfuração 11 é facilmente substituível e condutor exterior 19 é facilmente substituível. Uma abordagem alternativa é usar eletrodos de deslizamento para dentro 19 que estão presos no local. Esta é um recurso muito importante da presente invenção porque permite que a broca seja operada extensivamente no ambiente de mina com a alta erosão de eletrodo que é típica de funcionamento de alta energia, alta potência.
[300] As Figuras 47A-47D mostram diferentes, embora não limitativas, modalidades das configurações de eletrodos utilizáveis na presente invenção. As Figuras 47A 47B, e 47C mostram eletrodos circulares, a Figura 47E mostra eletrodos de forma convoluta (os eletrodos exteriores são convolutos), e a Figura 47D mostra uma combinação dos mesmos. A Figura 46 mostra uma configuração de eletrodo coaxial. Para furos maiores ou para furos com uma trajetória curva, a ponta de perfuração de conjunto de multieletrodos é usada.
[301] A Figura 48 mostra uma modalidade de ponta de perfuração de conjunto de multieletrodos 130 para perfuração direcional, mostrando eletrodos de alta voltagem 132, isolador intereletrodo 133, e eletrodos de retorno de terra 131 e 135. A Figura 49 mostra a modalidade de conjunto de multieletrodos da perfuração mostrando uma pluralidade de conjuntos de eletrodos 130, montados na ponta da haste de perfuração 49, capacitores 40, indutores 41, e comutador 42 para conectar cada um dos conjuntos de eletrodos a cabo flexível 43 a partir do gerador de pulso (não mostrado). A Figura 50 mostra cabo de multicondutores 44 conectando conjuntos de eletrodos 130 e capacitores 40 e indutores 41 a comutador desviador 42 localizado no conjunto de gerador de pulso 45.
[302] O funcionamento da broca é de preferência como segue. O gerador de pulso é definido em um local a partir do qual perfura um número de furos. O operador configura uma perna de macaco e instala a broca na armação com o mecanismo de avanço engatando o macaco blindado e a bota instalada na ponta. A broca é iniciada no seu furo no ângulo correto pela armação na perna de macaco. A bota tem um deslocamento a fim de acomodar o ângulo da broca para a rocha. Uma vez que a broca está posicionada, o operador vai ao painel de controle, seleciona a haste de perfuração para utilizar e empurra o botão de partida que liga o fluxo de fluido de perfuração. O sistema de controle de broca primeiro detecta para certificar-se que há pressão de fluido de perfuração adequada na perfuração. Se a broca não é pressionada contra a rocha, então não haverá pressão de fluido de perfuração adequada em torno das brocas de perfuração e a broca não dispara. Isto impede que o operador engate a broca errado e também impede a broca de disparo ao ar livre quando a perfuração de fluido não está em torno da ponta de perfuração. A broca em seguida começa a disparar em uma taxa de repetição de vários hertz a centenas de hertz. Após um comando de disparo a partir do sistema de controle, o comutador primário conecta os capacitores, que já foram carregados pelo fornecimento de potência, para o cabo. O pulso elétrico é então transmitido pelo cabo à haste onde ele carrega por pulso o capacitor de haste. O campo elétrico resultante faz o pedregulho quebrar e faz a corrente fluir através da rocha de eletrodo para eletrodo. Este fluxo de corrente cria um plasma que fratura a rocha. O fluido de perfuração que está fluindo para cima a partir da haste de perfuração depois varre os pedaços de rocha triturada para fora do furo. O fluido de perfuração flui em um movimento de redemoinho fora do isolador e varre as partículas de rocha que poderiam ter caído dentro da haste de perfuração e libera-as do topo. Quando a broca é primeiro iniciando, as partículas de rocha são forçadas a sair sob a aba da bota. Quando a broca está bem na rocha em seguida as partículas de rocha são forçadas a sair ao longo do lado entre a broca e o furo de rocha. A broca mantém sua direção por causa do seu comprimento. A broca deve manter o controle direcional adequado para cerca de 4-8 vezes o seu comprimento dependendo da precisão do furo.
[303] Enquanto a primeira broca está perfurando, o operador em seguida configura a outra perna de macaco e posiciona a segunda broca. Uma vez que a primeira broca concluiu perfuração, o operador seleciona a segunda broca e inicia perfuração. Enquanto a segunda broca está perfurando, o operador move a primeira broca para um novo local e a configura para estar pronta para perfurar. Depois de vários furos terem sido perfurados, o operador irá mover a caixa de gerador de pulso para uma nova localização e retomar perfuração.
[304] O seguinte resume adicionalmente recursos da operação do sistema da presente invenção. Um pulso elétrico é transmitido por um condutor para um conjunto de eletrodos removíveis onde um arco ou plasma é criado dentro da rocha entre os eletrodos. Fluxo de fluido de perfuração passa entre os eletrodos para expulsar partículas e manter limpeza no interior da cavidade de fluido de perfuração na região da ponta de perfuração. Ao fazer as pontas de perfuração facilmente substituíveis, por exemplo, em unidades de rosca, elas podem ser facilmente substituídas no ambiente de mina para compensar desgaste na lacuna de eletrodo. Os canais de fluido de perfuração embutidos fornecem fluxo de fluido de perfuração através da haste de perfuração para a ponta de perfuração onde o fluido de perfuração flui para fora o pó de pedra e lascas para evitar entupimento do interior da haste de perfuração com lascas e evitar curto-circuito do pulso elétrico no interior da haste de perfuração perto da base da ponta de perfuração.
[305] Água de mina é arrastada para dentro do gerador de pulso e é usada para resfriar os componentes principais através de um trocador de calor. O fluido de perfuração é usado para retirar pedregulho triturado do furo e manter fluido de perfuração em torno da ponta de perfuração ou cabeça. A caixa de gerador de pulso é hermeticamente selada com todos os comutadores de alta voltagem e conexões de cabos dentro da caixa. A caixa é pressurizada com um gás ou preenchida com um fluido ou encapsulada para isolá-la. Uma vez que o gerador de pulso é completamente selado, não há potencial de exposição de uma atmosfera de mina para uma faísca a partir dele. A broca não irá operar e potência não será enviada para a haste de perfuração a menos que a pressão do fluido de perfuração no interior da haste seja suficientemente elevada para assegurar que a ponta de perfuração está completamente inundada com fluido de perfuração. Isto irá impedir a ocorrência de uma faísca em ar na ponta de perfuração. Estas duas características devem evitar qualquer possibilidade de uma faísca aberta na mina.
[306] Há significativa indutância no circuito entre o gerador de pulso e a haste de perfuração. Isto é inevitável, pois a haste de perfuração deve ser posicionada a uma certa distância a partir do gerador de pulso. Normalmente, uma tal indutância criaria uma ineficiência significativa na transferência da energia elétrica para o plasma. Por causa da indutância, é difícil corresponder a impedância de fonte equivalente à impedância de plasma. O capacitor de haste alivia grandemente este problema e aumenta significativamente a eficiência de sistema por reduzir indutância do fluxo de corrente para a rocha.
[307] Ao utilizar várias brocas de um único gerador de pulso, o sistema é capaz de aumentar a produtividade e reduzir o custo de mão de obra. Os circuitos de guia ajustáveis na perna de macaco permitem a broca alimentar dentro do teto em um ângulo para acomodar a gestão de estresse de rocha e orientação de camada em uma mina particular.
[308] A modalidade da broca de mineração de eletrotrituração portátil como mostrado na Figura 5, pode ser utilizada para fazer furos no teto de uma mina para a inserção de parafusos de teto para suportar o teto e evitar acidentes com os mineiros. Em tal aplicação, um mineiro pode operar a broca, perfurando dois furos em um ritmo muito mais rápido do que um mineiro poderia perfurar um furo com equipamento convencional. O mineiro define o ângulo da perna de macaco e orienta a broca para o teto, alimenta a haste de perfuração para cima através dos circuitos de guia e através da bota para a rocha com o cabo blindado engatado no mecanismo de avanço. O mineiro em seguida volta para fora da zona de perigo perto da face de mineração frontal e começa a operação de perfuração. A broca avança-se no teto pelos mecanismos de avanço com os cortes, ou lascas, retiradas do furo pelo fluxo de fluido de perfuração. Durante este processo de perfuração, o mineiro em seguida configura a segunda broca e orienta-a para o teto, alimenta a haste de perfuração através da bota e os circuitos de guia de modo que quando a primeira perfuração é completada, pode, então, comutar o gerador de pulso ao longo da segunda broca e começar a perfurar o segundo furo.
[309] A mesma broca pode, obviamente, ser utilizada para uma perfuração horizontal, ou para baixo. Em uma aplicação industrial diferente, o mineiro pode usar a mesma ou similar configuração de broca dupla para fazer furos horizontais na face de mina para inserção de explosivos para explodir a face para recuperação do minério. A modalidade de perfurar no teto é mostrada para fins ilustrativos e não pretende ser uma limitação.
[310] A aplicação desta broca para perfuração de subsolo é mostrada apenas para fins ilustrativos. A broca pode, obviamente, ser usada na superfície para perfurar furos rasos no chão ou em pedregulhos.
[311] Em uma outra modalidade, o gerador de pulso pode operar uma pluralidade de hastes de perfuração, simultaneamente. A operação de duas hastes de broca é mostrada apenas para fins ilustrativos e não se destina a ser uma limitação.
[312] Uma outra aplicação industrial é o uso da presente invenção para perfurar furos de inspeção ou furos de ancoragem em estruturas de concreto para mecanismos de ancoragem ou materiais estruturais de aço para uma estrutura de concreto. Alternativamente, tais furos de perfuração em estruturas de concreto podem também ser usados para explodir a estrutura para a remoção de estruturas de concreto obsoletas.
[313] É entendido a partir da descrição da presente invenção que a aplicação da broca de mineração de eletrotrituração portátil da presente invenção para várias aplicações e configurações não aqui descritas estão dentro do âmbito da invenção. Tais aplicações incluem aquelas que exigem a perfuração de pequenos furos em materiais duros como rocha ou concreto.
[314] Assim, um comprimento de haste de perfuração curto fornece a capacidade de perfuração de furos profundos no teto de um espaço de mina confinado. Um cabo flexível permite a propagação da broca no teto para uma profundidade maior do que a altura do chão ao teto. O processo de eletrotrituração permite alta eficiência de transferência de energia a partir do armazenamento elétrico para plasma dentro da rocha, resultando assim em alta eficiência de sistema global e elevada taxa de perfuração.
[315] A invenção é ainda ilustrada pelo seguinte exemplo não limitativo.
[316] O comprimento da haste de perfuração era 50 centímetros, com um cabo de 5,5 metros de comprimento conectando-a ao modulador de pulso para permitir operação em uma altura de teto de um metro. A broca foi projetada para ir três metros no teto com um diâmetro de furo de cerca de quatro centímetros. A taxa de perfuração foi cerca de 0,5 metros por minuto, a cerca de sete a dez furos por hora.
[317] O sistema de perfuração tinha duas brocas capazes de funcionar a partir de um único gerador de pulso. A haste de perfuração foi montada sobre um suporte que localizou a perfuração em relação ao teto, manteve o ângulo de perfuração desejado, e forneceu avanço da broca no teto de modo que o operador não teve que prender a broca durante a operação de perfuração. Isso reduziu a exposição do operador para a parte instável da mina. Enquanto uma broca estava perfurando, a outra estava sendo configurada, de modo que um homem foi capaz de operar com segurança ambas brocas. Ambas brocas conectadas ao gerador de pulso a uma distância de poucos metros. O modulador de pulsos conectado à fonte de potência que foi localizada cem metros ou mais do gerador de pulso. A fonte de potência conectada à fonte de mina.
[318] O gerador de pulso tinha aproximadamente 60 centímetros de comprimento por 60 centímetros de diâmetro, não incluindo suporte de gaiola de rolo e alças de proteção. Fluido de perfuração de mina foi usado para resfriar os componentes principais através de um trocador de calor. O fluido de perfuração foi usado para retirar as lascas e manter fluido de perfuração em torno da cabeça de perfuração. A caixa de gerador de pulso foi hermeticamente selada com todos os comutadores de alta voltagem e conexões de cabos dentro da caixa. A caixa foi pressurizada com um gás inerte, para isolá-la. Uma vez que o gerador de pulso estava completamente selado, não houve potencial de faísca a partir dele.
[319] A perfuração não iria funcionar e potência não seria enviada para a perfuração a menos que a pressão de fluido de perfuração no interior da haste seja alta o suficiente para assegurar que a ponta de perfuração estava completamente inundada com fluido de perfuração. Isso impediu uma faísca ocorrer erroneamente na ponta de perfuração. A bota foi uma peça rígida que encaixa na parte superior do suporte de broca e foi utilizada para conter o fluido de perfuração para inicialmente iniciar o processo de perfuração. Uma vez que a perfuração começou a penetrar na rocha, a bota deslizou sobre a saliência de suporte de bota e deslizou para baixo do eixo. O cabo blindado era do mesmo diâmetro ou ligeiramente menor do que a haste de perfuração, e, portanto, a bota deslizou o cabo blindado quando a broca moveu para cima no furo de perfuração.
[320] Com referência à Figura 51, uma modalidade da presente invenção compreende sistema de carga de comando 500 para perfuração de eletrotrituração de rocha. Sistema de carga de comando 500 compreende cabo 510, que preferencialmente fornece potência a partir da superfície para o sistema de potência pulsada (não mostrado) localizado no conjunto de fundo de poço 512, em que o sistema de potência pulsada produz pulsos de alta voltagem usados para perfuração de eletrotrituração. O sistema de potência pulsada desta modalidade da presente invenção compreende, preferencialmente, uma broca de perfuração (não mostrada), gerador 520 ligado à broca de perfuração através do cabo 510 para fornecimento de pulsos de alta voltagem poço abaixo e pelo menos um conjunto de pelo menos dois eletrodos dispostos em, ou perto da broca de perfuração definindo entre os mesmos pelo menos uma lacuna de eletrodo. A broca de perfuração de preferência não roda. Os capacitores e comutadores do sistema de potência pulsada são preferencialmente localizados no conjunto de fundo de poço 512 perto da broca de perfuração não rotativa.
[321] A fim de controlar com precisão a temporização dos eletrodos de disparo pelo sistema de potência pulsada, e para minimizar o tempo de permanência de alta voltagem no sistema de potência pulsada, comutador de carga de comando 514 está localizado entre o final 516 de cabo 510 e sistema de potência primário 518 na superfície do solo. Comutador de carga de comando 514, como ilustrado na Figura 51, é de preferência disparado no comando e serve para controlar quando a potência produzida pelo sistema de potência primário 518 é alimentada em cabo 510 e, consequentemente, para o sistema de potência pulsada no conjunto de fundo de poço 512. Sistema de potência primário 518 de preferência leva potência da rede ou a partir de gerador 520 e transforma essa potência para produzir uma potência adequada para injeção a cabo 510. De preferência, o sistema de potência primário 518 produz potência DC de voltagem média que é usada para carregar um conjunto de capacitores em sistema de potência primário 518. Comutador de carga de comando 514, em seguida, controla quando esta voltagem nos capacitores de potência primários é ligada ao cabo 510, e, portanto, é transmitida para o sistema de potência pulsada localizado no conjunto de fundo de poço 512. Em uma modalidade da presente invenção, a utilização de comutador de carga de comando 514 fornece a capacidade de controlar a duração da voltagem de carga no sistema de potência pulsada no conjunto de fundo de poço 512. Além disso, de preferência, fornece a capacidade de controlar a forma de onda de voltagem no cabo 510. Além disso, o sistema de potência primário incorpora uma função de amortecimento de oscilação de cabo, tal como um conjunto de diodo e resistência (não mostrado), para amortecer oscilações de cabo criadas pela operação do conjunto de fundo de poço. O sistema de carga de comando é igualmente aplicável a configurações de poço abaixo onde tubo composto com condutores embutidos é utilizado para transmitir potência para o conjunto de fundo de poço, em vez de um cabo. Referindo à Figura 53, em uma modalidade da presente invenção, diodo 513 é colocado em série com o cabo 510 para parar oscilações de cabo. Quebrador 515 também está incluído nesta modalidade da presente invenção.
[322] Um dos desafios com utilização de um sistema de potência pulsada envolto em um conjunto de fundo de poço para perfurar poços utilizando um processo de eletrotrituração é transmitir potência elétrica para o conjunto de fundo de poço. Tecnologia convencional geralmente utiliza um cabo correndo ao lado do tubo de perfuração ou correndo dentro do tubo de perfuração para transmitir potência elétrica para o conjunto de fundo de poço. No entanto, utilizar o cabo ao lado do tubo de perfuração cria um problema de gestão de cabo com o cabo potencialmente ficando preso entre o tubo de perfuração e a parede do furo. Há também o problema de garantir que o cabo é bobinado para fora com a mesma taxa que o tubo de perfuração é adicionado para o furo, e o trecho do cabo também devem ser contabilizado para garantir que o cabo não se amontoa na parte inferior do furo. Se o cabo está correndo dentro do tubo de perfuração, então ele deve ser dividido em seções para acomodar enroscamento em diferentes seções de tubo de perfuração. Cada conexão entre as seções do cabo é uma área de problema potencial para falha da conexão, ou falha de isolamento na conexão. Modalidades da presente invenção compreendem um aparelho e um método para transmitir potência para o conjunto de fundo de poço sem um cabo, eliminando assim quaisquer problemas de gestão de cabo associados com tecnologia convencional. Uma modalidade da presente invenção compreende um método para condução de potência elétrica e sinais de comunicação a partir de uma superfície de um dispositivo de poço abaixo.
[323] Uma modalidade da presente invenção combina as funções de transmissão de potência para o conjunto de fundo de poço e condução de fluido de perfuração para o conjunto de fundo de poço. Referindo-nos à Figura 52, esta modalidade compreende tubos de perfuração 522 tendo condutores 524 embutidos na parede do tubo de perfuração 522. Há de preferência dois tipos de condutores, um condutor de alta voltagem para o transporte de potência de alta voltagem para o conjunto de fundo de poço para uma operação de perfuração e condutor de baixa voltagem para transporte de sinais de comando e controle para baixo para o conjunto de fundo de poço e para o regresso de sinais de instrumentação para a superfície. Os sinais incluem, de preferência, mas não estão limitados a, sinais de instrumentação de operação e desempenho de potência, sinais de instrumentação de gestão térmica, e/ou sinais de instrumentação geofísicos. Tubo de perfuração 522 desta modalidade é de preferência feito de um material dielétrico, o qual serve como um meio de isolamento. Condutores 524 têm de preferência isolamento disposto em torno deles e são então de preferência embutidos no material dielétrico do tubo de perfuração 522 para fornecer isolamento adicional. O material dielétrico fornece também integridade estrutural para o tubo de perfuração, fornece contenção para a pressão do fluido de perfuração e também fornece integridade mecânica para manter a funcionalidade no ambiente de perfuração severo.
[324] Modalidades da presente invenção compreendem incorporação de fios no corpo de um tubo, de preferência, um tubo de perfuração não condutor, para conduzir corrente elétrica e recolher dados a partir de um ambiente de poço acima para um conjunto de furo de fundo de poço. Os fios de alta voltagem de preferência carregam corrente em uma voltagem de pelo menos cerca de 1 kV. O tubo de preferência não transporta cargas de alto torque mecânico. As seções de tubo de preferência usam conectores que não requerem o tubo para rodar em conjunto, mais de preferência conectores tipo fivela ou tipo facada não rotativo, e mais preferencialmente conectores tensores para permitir alinhamento dos conectores elétricos 528 e 530 um para o outro. Conectores tensores utilizam rosca direita 532 em tubo de perfuração 522 que encaixa com a porção de rosca direita do conector tensor de tubo de perfuração 526. Conector de tubo de perfuração 526 também tem roscas esquerdas que acasalam com as roscas de parafuso esquerdas 534 no outra seção de tubo de perfuração 522. Isso permite seções de tubo de perfuração 522 serem conectadas sem rotação relativa, proporcionando alinhamento de conectores elétricos 528 e 530. Os conectores elétricos de alta voltagem também fornecem a condução de corrente de pelo menos 1 amp de corrente média. O conjunto de tubo de perfuração desta modalidade compreende também uma provisão para fios para transporte de sinais de dados de baixa voltagem para coletar diversos dados a partir de poço abaixo. Tipos de dados recolhidos podem incluir, mas não se limita a voltagem de funcionamento e corrente de componentes do sistema de potência pulsada, dados como para a localização geográfica do conjunto de fundo de poço, outros dados de instrumentação geofísicos tais como pressão e a temperatura do ambiente de poço abaixo, e dados de gerenciamento térmico de conjunto de fundo de poço. O conjunto de tubo de perfuração desta modalidade compreende também uma provisão para fios para transportar potência de baixa voltagem para operar as funções de instrumentos, controle, refrigeração e comutação no conjunto de fundo de poço. Os fios de sinal de dados de baixa voltagem e fios de potência de baixa voltagem são de preferência isolados dos fios de alta voltagem. Os condutores de baixa voltagem operam em uma voltagem de cerca de 1 a 500 V ou mais.
[325] Os conectores para os fios de alta voltagem de preferência fornecem vida longa para muitos ciclos de conexão - desconexão, proporcionando uma vida longa conduzindo alta corrente. Os conectores de alta voltagem são suficientemente separados uns dos outros na construção de tubo de perfuração para fornecer isolamento de voltagem adequado na interface entre as seções de tubo. A parede de tubo é de preferência de espessura suficiente e de materiais dielétricos apropriados para prover isolamento dielétrico adequado entre as linhas de alta voltagem. As espessuras podem variar de cerca de 0,1 polegadas a cerca de 1,0 polegada ou mais. Materiais dielétricos podem incluir, mas não estão limitados a, fibra de vidro, poliuretano, PEEK, e fibra de carbono.
[326] Em uma modalidade da presente invenção, a broca do conjunto de fundo de poço não roda, em outras palavras, é não relacional. Nesta modalidade, o tubo de perfuração não tem que transmitir torque para o conjunto de fundo de poço. Isso simplifica o tubo de perfuração e as conexões elétricas. As seções de tubo de perfuração desta modalidade preferencialmente conectam com uma conexão tipo facada ou tipo fivela ou tipo clique ou mais preferencialmente uma conexão tensora de modo que as seções de tubo de perfuração não têm que rodar em uma relação à outra durante conexão. As conexões elétricas podem então ser facilmente alinhadas durante conexão de seção de tubo. A conexão não rotativa simplifica grandemente o desenho das conexões de alta voltagem, permitindo integridade de isolamento de alta voltagem ser mantida com o tubo conectado. A conexão tipo facada não é necessária ser suficientemente robusta para suportar torque de rotação, porque o tubo não roda.
[327] Com referência à Figura 52, uma modalidade da presente invenção compreende tubos de perfuração 522 tendo condutores embutidos ou fios 524, conector de tubo de perfuração tensor 526, contatos elétricos macho 528 e contatos elétricos fêmea 530. Contatos elétricos macho 528 de preferência acasalam com contatos elétricos fêmea 530. Seção de tubo de perfuração 522 de preferência compreende roscas direitas 532 que acasalam com roscas direitas do conector tensor 526 e roscas esquerda 534 de tubo de perfuração 522 que acasalam com roscas esquerdas no conector tensor 526. Como conector tensor 526 é rodado, ele arrasta ambas as seções de tubo de perfuração em conjunto sem rotação relativa entre elas, facilitando assim o alinhamento de conectores elétricos 528 e 530.
[328] Em uma outra modalidade da presente invenção, seções de tubo de perfuração podem ser fundidos como unidades individuais, com os condutores embutidos no material de parede dielétrico durante o processo de fundição. Ao utilizar um material dielétrico de isolamento não metálico para o tubo, o material pode ajudar a isolar os condutores de alta voltagem. Os condutores são de preferência fundidos com uma primeira camada de isolamento nos condutores para ajudar a controlar a função de isolamento melhor, ou os condutores podem ser moldados nus na parede de tubo, com o material dielétrico de isolamento do tubo fornecendo a função de isolamento completa. Em ainda outra modalidade da presente invenção, condutores são isolados com isoladores de alta temperatura, tais como os isoladores de cerâmica, e fundidos diretamente na parede de aço ou tubo de perfuração de alumínio. Em ainda outra modalidade da presente invenção, o próprio tubo de perfuração é um tubo de perfuração híbrido com uma ou mais camadas de material dielétrico e uma ou mais camadas de material metálico para fornecer resistência estrutural adicional. Em tal tubo de perfuração híbrido, os fios são preferencialmente fundidos em uma camada de material dielétrico, mas podem, opcionalmente, ser fundidos em uma camada de material metálico.
[329] Modalidade da presente invenção de um aparelho de descarga elétrica pulsada repetitiva compreende um ou mais subsistemas de potência pulsada, uma broca de perfuração, e um ou mais subsistemas. Os subsistemas são de preferência dentro de um conjunto de fundo de poço (BHA) do aparelho de descarga elétrica pulsada repetitiva. O conjunto de fundo de poço é localizado dentro de um furo ou poço e é o conjunto que perfura no furo ou poço. O um ou mais subsistemas dentro do conjunto de fundo de poço de preferência caem em quatro categorias: potência pulsada, gestão de fluxo de fluido, estruturas, e controle, aquisição e comunicação de dados. Há também subsistemas adicionais e opcionais. Por exemplo, há um subsistema que liga o BHA para a superfície e há subsistemas na superfície que fornecem para a operação do BHA. Cada um destes sistemas e subsistemas são discutidos abaixo.
[330] Em uma modalidade da presente invenção pulsos de alta voltagem são aplicados repetidamente à broca para criar eventos de escavação de eletrotrituração repetitivos. Um sistema de potência pulsada pode incluir, mas não está limitado a: (1) um sistema de geração de pulso controlado por comutador de estado sólido ou controlado por comutador de gás com um transformador de pulso que carrega por pulso o capacitor de saída primário; (2) uma matriz de circuitos controlados por comutador de estado sólido ou comutador de gás que são carregados em paralelo e em série carregam por pulso o capacitor de saída; (3) um circuito de inversão de vetor de voltagem que produz um pulso de cerca de duas vezes, ou um múltiplo de, a voltagem de carga; (4) Um sistema de armazenamento indutivo que armazena corrente em um indutor, em seguida, passa-a para os eletrodos por meio de uma abertura ou comutador de transferência; ou (5) qualquer outro circuito de geração de pulso que fornece pulsos de alta voltagem, de corrente elevada, repetitivos para a broca de perfuração.
[331] Em uma modalidade da presente invenção, um conjunto de fundo de poço compreende um ou mais dos seguintes: uma broca, um ou mais projetores eletro- hidráulicos, um tubo de fluido de perfuração, um cabo de potência, um ou mais conjuntos de eletrodos de eletrotrituração, um conector para conectar a broca de perfuração para o gerador de potência pulsada, e um alojamento que pode compreender o sistema de potência pulsada e outros componentes do aparelho de descarga elétrica de potência pulsada.
[332] Em uma modalidade da presente invenção, um aparelho de descarga elétrica pulsada repetitivo compreende um subsistema de potência pulsada, de preferência, dentro de um conjunto de fundo de poço (BHA) localizado embaixo em um furo para perfuração no furo ou poço. A potência é de preferência gerada no lado superior com um gerador elétrico, tal como, por exemplo, um gerador elétrico a diesel, ou é tomada diretamente a partir de uma fonte de potência, tal como, por exemplo, uma rede de potência ou um reator nuclear portátil. A potência elétrica é em seguida alimentada a uma fonte de potência que converte a potência de linha, por exemplo, potência de três fases de 480 volts, em uma faixa de voltagem mais adequada para o conjunto de fundo de poço. A faixa de voltagem pode ser de cerca de 5 - 50 kV DC, como um exemplo. Esta voltagem pode ser alimentada poço abaixo através de um ou mais cabos ou sobre um ou mais tubos de perfuração com condutores incorporados ao conjunto de fundo de poço. Alternativamente, tal como descrito acima, potência elétrica pode ser fornecida a um sistema de carga de comando que armazena energia elétrica, e, em seguida, transmite a energia elétrica em um pulso para o conjunto de fundo de poço quando o evento de perfuração está prestes a ser iniciado. O sistema de carga de comando compreende de preferência um ou mais componentes de armazenamento de energia, por exemplo, capacitores e indutores, comuta para criação do pulso e transmite-o para o cabo, um transformador para alterar a voltagem do pulso, componentes de amortecimento de oscilações de cabo, suas combinações ou semelhantes. O sistema de carga de comando também inclui opcionalmente um ou mais aquecedores e/ou um ou mais acionadores para os comutadores. O sistema de carga de comando ou sistema de condicionamento de potência de preferência conecta ao hardware de interface que conecta ao cabo ou tubo de perfuração de condutor incorporado, o que é anexado na outra extremidade para o topo do conjunto de fundo de poço. Em um exemplo não limitativo, se o cabo for usado, a energia elétrica, em seguida, para o conjunto de fundo de poço de poço abaixo conecta à bobina de cabo através de uma interface de rotação no centro da bobina. Isso permite que o cabo seja desenrolado e propaga para baixo para o furo com a coluna de perfuração. Em alternativa, o cabo pode conectar o conjunto de fundo de poço através de um sub de entrada lateral de modo que o cabo pode correr no lado de fora do tubo de perfuração. Se um tubo de perfuração de condutor incorporado é utilizado, os condutores de preferência conectam diretamente para condutores de acasalamento no topo do conjunto de fundo de poço. Alternativamente ou em adição, a perfuração pode ser alimentada por uma fonte de potência de poço abaixo, por um alternador de poço abaixo ou gerador alimentado por turbina de lama.
[333] O tubo de perfuração de condutor incorporado e/ou cabo em seguida transmite um pulso ou potência DC para baixo do furo e conecta ao sistema de potência pulsada no conjunto de fundo de poço, que compreende preferencialmente capacitores e/ou indutores de armazenamento que armazenam a energia elétrica transmitida a partir da superfície. Ao receber um comando, comutadores conectam a energia armazenada quer diretamente para a broca de perfuração e/ou através de transformadores para a broca de perfuração e/ou através de circuitos de potência pulsada multiplicadores de voltagem semelhante para criar um pulso de alta voltagem na broca de perfuração. Em algumas circunstâncias, uma circuito de ponteira-sustentador pode ser usado o qual gera um pulso de alta voltagem separadamente a partir de um pulso perfuração principal. Potência de manutenção para o conjunto de fundo de poço, por exemplo, potência para aquecedores ou condicionadores de comutador, instrumentação, acionadores de comutador e/ou sistemas de aquisição de dados e de transmissão, é de preferência cerca de 12-480 V, DC-800 Hz, e de preferência potência de 120 volts de 400 Hz. Esta potência de manutenção também é transmitida pelo cabo e/ou tubo de perfuração de condutor incorporado para o conjunto de fundo de poço.
[334] Subsistemas e componentes envolvidos na seção de potência pulsada do conjunto de fundo de poço podem incluir, mas não estão limitados a, um subsistema de armazenamento de energia de capacitor e/ou indutivo, um ou mais comutadores juntamente com os correspondentes aquecedores de e/ou condicionadores de comutador e os respectivos acionadores de comutador, e um ou mais subsistemas de conexão de alta voltagem que ligam a saída de alta voltagem para a broca de perfuração. Outros componentes e subsistemas de um conjunto de fundo de poço podem incluir, mas não estão limitados a transformadores e/ou bancos de Marx e/ou outros sistemas de multiplicação de voltagem no interior do conjunto de fundo de poço que criam o pulso de alta voltagem, que é então transmitido para a broca de perfuração pela conexão de alta voltagem e sistema de fiação.
[335] Com referência à Figura 55, algumas modalidades de um subsistema de instrumentação, comunicação e controle da presente invenção compreendem um sistema de superfície ou de lado de topo 800 para um aparelho de descarga elétrica pulsada repetitivo que compreende uma geração de potência primária e aparelhos de condicionamento e um aparelho de geração e controle de pulso de carga de comando. O sistema de lado de topo de preferência interliga com um cabo 810 e/ou um tubo de perfuração de condutor incorporado. O sistema de lado de topo também interliga de preferência com um sistema de instrumentação e controle de comando. Além disso, o sistema de instrumentação e controle de comando está preferencialmente localizado na superfície, e é de preferência um computador ou controlador baseado em lógica programável (PLC). O sistema de instrumentação e controle de comando fornece sinais de comando para a fonte de potência para dizer à fonte de potência quando ligar e quando desligar. O sistema de instrumentação e controle de comando também preferencialmente compreende o sistema de carga de comando que aceita a potência da fonte de potência, armazena em um armazenamento de energia de capacitor ou indutivo, e, em seguida, envia a potência em um pulso para o conjunto de fundo de poço para iniciar um evento de perfuração. O sistema de instrumentação e controle de comando de preferência compreende acionadores de comutador que ligam os comutadores no conjunto de fundo de poço. O sistema de instrumentação e controle de comando também controla preferivelmente a direção de perfuração através do controle da frequência de disparo relativa dos conjuntos de eletrodos de uma broca de perfuração, a fim de manter a broca em movimento na direção desejada. O sistema de instrumentação e controle de comando de preferência controla a frequência de disparo relativa dos conjuntos de eletrodos por controlar a frequência de disparo relativa dos comutadores conectados aos conjuntos de eletrodos correspondentes.
[336] O sistema de instrumentação e controle de comando de preferência adquire dados a partir dos sistemas de instrumentação de poço abaixo para avaliar a localização da broca em espaço físico. Por exemplo, o sistema de instrumentação e controle de comando comunica de preferência com um dispositivo de giroscópio MEMS embalado em microchip, um giroscópio laser de anel de estado sólido, ou um giroscópio de fibra óptica, como parte de um sistema de navegação inercial, para avaliar um movimento relativo do sistema de perfuração e, portanto, determinar a localização de um sistema de perfuração em espaço tridimensional para permitir um controle preciso da trajetória da perfuração do sistema de perfuração. O sistema de instrumentação e controle de comando também avalia de preferência a saúde e o desempenho do sistema de potência pulsada medindo a voltagem de pico e corrente de pico produzidas durante o ciclo de perfuração, o consumo médio de potência da broca relacionada à taxa de perfuração, a temperatura de componentes de potência pulsada de circuito e sistemas de fluido, pressão de fluido em vários locais no conjunto de fundo de poço (para avaliar a condição do fluxo interno de estruturas e avaliar a taxa de fluxo interna dentro do conjunto de fundo de poço), e outros parâmetros. O sistema de instrumentação e controle de comando de preferência também fornece dados ambientais de fundo de poço, incluindo mas não se limitando a pressão de fluido e a temperatura externa para o conjunto de fundo de poço, utilizando transdutores de pressão e de temperatura, que são transmitidos para o sistema de instrumentação e controle de comando na superfície através do sistema de aquisição e comunicação de dados.
[337] Um sistema de controle, instrumentação, aquisição e comunicação de dados de poço abaixo fornece de preferência controle do sistema de potência pulsada, a taxa de controle e de perfuração direcional da broca de perfuração em si, a aquisição de dados de desempenho para vários subsistemas no BHA, e a comunicação desses dados a um sistema de controle e instrumentação de lado de topo. O sistema desta modalidade compreende um ou mais componentes de armazenamento de dados digitais que adquirem dados a partir de uma ou mais sondas de instrumentação e transdutores dispostos no conjunto de fundo de poço. O sistema armazena os dados coletados pelas sondas e transdutores, e, em seguida, um ou mais dados componentes de transmissão transmitem os dados para a superfície sobre um ou mais condutores de instrumentação ou cabos de fibra óptica do cabo de poço abaixo ou os condutores de instrumentação ou cabos de fibra óptica do tubo de perfuração de condutor incorporado como um sinal AC sobreposto à corrente de potência DC. A transmissão de dados ocorre quer de acordo com uma programação programada, de forma contínua, ou por comando a partir do sistema de controle localizado na superfície.
[338] A conexão entre o conjunto de fundo de poço e o TCI é preferencialmente uma conexão direta, por exemplo, através de um cabo, que permite transmissão de alta taxa de dados. Brocas convencionais (não EC) não podem acomodar uma conexão direta devido à rotação da broca de perfuração. Isso permite aquisição quase instantânea de dados geofísicos, o que aumenta a segurança das perfurações. Por exemplo, se a broca entra em uma região de gás de alta pressão, um sensor de pressão pode retransmitir estas informações para o TCI, o que pode atrasar imediatamente a taxa de perfuração e tomar precauções contra uma ruptura.
[339] Sistema de instrumentação e controle de lado de topo (TCI) 800 de preferência cria sinais de controle para acionar o fornecimento de potência, o sistema de carga de comando, e os acionadores de comutador no conjunto de fundo de poço. O sistema de TCI fornece sinais de comando para o fornecimento de potência para sinalizar para a fonte de potência quando ligar e quando desligar, assim também controla a taxa de perfuração. O sistema de TCI também fornece sinais de comando a um ou mais comutadores em um sistema de carga de comando para aceitar potência da fonte de potência, armazenar a potência em um capacitor ou armazenamento de energia indutivo e, em seguida, sob comando, enviar a energia em um pulso para o conjunto de fundo de poço para iniciar um evento de perfuração. O sistema de TCI compreende acionadores de comutador que ligam os comutadores no conjunto de fundo de poço. O sistema de TCI também pode controlar a direção da perfuração através de controlar a frequência de disparo relativa dos conjuntos de eletrodo de uma broca de perfuração, a fim de manter a perfuração em movimento na direção desejada. Por exemplo, o sistema de TCI controla a frequência de disparo relativa dos conjuntos de eletrodos, controlando a frequência de disparo relativa dos comutadores conectados a conjuntos de eletrodos específicos.
[340] O sistema de TCI de preferência adquire dados do sistema de aquisição e comunicação de dados de fundo de poço para avaliar o desempenho da potência pulsada de fundo de poço e sistemas de fluidos 820 e para exibir dados chave a um operador. Os sinais de controle a partir do sistema de TCI são, de preferência, alimentados para baixo pelo cabo ou o tubo de perfuração de condutor incorporado ao conjunto de fundo de poço e, portanto, a um ou mais acionadores de comutador no conjunto de fundo de poço. Os sinais de controle também são alimentados para o fornecimento de potência e o sistema de carga de comando. Vários sensores de potência pulsada, temperatura de fluido, e geofísicos são alimentados para o sistema de instrumentação de controle, aquisição de dados e de comunicação de poço abaixo no topo do conjunto de fundo de poço e/ou alimentados diretamente através de ligações de cabos ou de fibra óptica para o sistema de controle e instrumentação de lado de topo onde a função, saúde, e desempenho do BHA são avaliados, juntamente com a sua localização física no espaço e as propriedades do ambiente no fundo do poço.
[341] Em uma outra modalidade da presente invenção, um aparelho de descarga elétrica de potência pulsada compreende um sistema de potência pulsada embalado em um conjunto de fundo de poço que opera poço abaixo em diferentes profundidades e temperaturas. O aparelho de descarga elétrica de potência pulsada também incorpora também comunicação de dados com um aparelho de superfície. O aparelho de descarga elétrica de potência pulsada compreende um aparelho de aquisição e transmissão de dados que adquire dados quanto ao desempenho operacional e ambiente do aparelho de descarga elétrica de potência pulsada e transmite os dados para um aparelho de controle e instrumentação de superfície. Este aparelho de aquisição e transmissão de dados de preferência: 1) controla a direção de uma perfuração do aparelho de descarga elétrica de potência pulsada durante a perfuração para otimizar a interseção de recursos de formação desejados; 2) fornece informação ao operador sobre as condições de temperatura e de pressão de fundo de poço; 3) fornece diagnósticos sobre a condição do sistema de potência pulsada em caso de uma anomalia na taxa de perfuração ou um mau funcionamento potencial; e 4) mantém uma avaliação de execução do desempenho do sistema de potência pulsada para futura manutenção.
[342] O conjunto de fundo de poço apresenta um desafio para instrumentar sinais de potência pulsada. O espaço no interior do conjunto de fundo de poço é tipicamente confinado por causa da necessidade de fazer um furo de pequeno diâmetro. As temperaturas e pressões de operação podem ser elevadas por causa do ambiente de poço abaixo. Além disso, há vibração e choque significativos a partir da própria ação de perfuração. Embalar e selecionar instrumentação de potência pulsada para o conjunto de fundo de poço podem ser diferentes de selecionar e embalar instrumentação de potência pulsada para um sistema de potência pulsada convencional devido a esses fatores.
[343] Instrumentação geofísica incorporada no conjunto de fundo de poço pode incluir, mas não é limitada a medição e temperatura do ambiente, medição de pressão ambiente perto do conjunto de fundo de poço, e determinação da localização do conjunto de fundo de poço, em um espaço tridimensional.
[344] Os dados transmitidos a partir de um ou mais sensores no conjunto de fundo de poço são transferidos para um aparelho de aquisição e comunicação de dados de preferência localizado perto de um topo do conjunto de fundo de poço. Sob comando, estes dados são transmitidos para um sistema de instrumentação e controle de superfície através de um cabo e/ou ligações de fibra óptica para a superfície.
[345] Corrente pulsada no sistema de potência pulsada, por exemplo, a corrente usada para operar uma broca de perfuração, é normalmente medida por transformadores de corrente, sondas ponto-B, sondas resistivas, sondas capacitivas, ou sondas utilizando efeitos ópticos para determinar corrente ou o derivado de corrente. Sondas ponto-B medem o tempo de mudança do campo magnético produzido pela corrente e integram essa informação para fornecer uma medição de corrente. Uma vantagem de uma sonda de ponto-B é que ela não requer conexão física a um circuito de corrente elevada, evitando assim um problema de instalação significativo. Em uma modalidade da presente invenção, dados de um ou mais transformadores de corrente e/ou sondas de corrente de ponto-B são transmitidos para um aparelho de aquisição e comunicação de dados de conjunto de fundo de poço e, em seguida, para um sistema de instrumentação e controle de superfície. Corrente AC contínua é de preferência medida utilizando sondas semelhantes. Corrente DC contínua é de preferência medida com sondas resistivas.
[346] Em modalidades da presente invenção, tensão pulsada em um sistema de potência pulsada é medida com uma ou mais sondas resistivas e/ou uma ou mais sondas capacitivas. Estas sondas são ligadas ao componente utilizando ou fornecendo a alta voltagem. Em outra modalidade da presente invenção, uma ou mais sondas de ponto-E são usadas para medir o campo elétrico variante no tempo, o qual é integrado para obter a tensão variante no tempo. Uma vantagem de uma sonda de ponto-E é que ela não requer conexão física com o componente de alta tensão, evitando assim um problema significativo de isolamento. Ainda outra variação da sonda de ponto-E é integrar a sonda para um transformador de pulso de modo que a sonda mede a tensão de saída do transformador, mas sem a necessidade de conexão física para os componentes de alta tensão. Em uma modalidade da presente invenção, é medida a tensão pulsada utilizando uma ou mais sondas de ponto-E e/ou uma ou mais sondas resistivas e/ou uma ou mais sondas capacitivas ou suas combinações.
[347] Um problema com qualquer instrumentação de potência pulsada é o ruído na fiação de conexão de dados para a instrumentação, induzido pelo rápido aumento das tensões e correntes no sistema de potência pulsada. No conjunto de fundo de poço, a conexão entre as sondas de instrumentação de potência pulsada e o aparelho de aquisição e comunicação de dados é de preferência protegida do ruído por um cabo coaxial ou por uma ligação de fibra óptica ou por transmissão de dados de RF ou por transmissão de dados direta a laser ou suas combinações ou semelhantes.
[348] Em adição à instrumentação de potência pulsada, características do sistema de fluxo de conjunto de fundo de poço são também de preferência medidas. Isto pode incluir, mas não é limitado a medições de pressão de fluxo em pontos chave do sistema, a partir do que a taxa de fluxo através do sistema pode ser deduzida. Em algumas circunstâncias, é apropriado medir a velocidade de fluxo diretamente, quer através da medidores de fluxo rotativos ou por medidores capacitivos ou indutivos ou medidores tipo venturi. Modalidades da presente invenção compreendem um ou mais medidores de fluxo e/ou um ou mais medidores capacitivos e/ou medidores indutivos e/ou medidores tipo venturi para medir a velocidade de fluxo e a pressão do fluxo. Em uma modalidade da presente invenção, um medidor tipo venturi é usado para medir a taxa de fluxo e pressão de fluxo. Em uma modalidade alternativa da presente invenção, uma taxa de fluxo é medida através de medição da rotação por minuto de uma bomba, em particular uma bomba de deslocamento positivo.
[349] Um aparelho de aquisição e de dados comunicação de dados (CAD) é de preferência situado no topo do conjunto de fundo de poço, para maximizar a distância entre a broca de perfuração. O DAC de preferência adquire dados de uma ou mais várias sondas, incluindo um ou mais de sondas de instrumentação de sistema de potência pulsada e sondas de instrumentação geofísica e sondas dinâmicas de fluido de conjunto de fundo de poço, e pode armazenar essas informações até um período interpulso, quando o DAC pode transmitir os dados para a superfície com uma interferência mínima a partir da operação do sistema de potência pulsada. Especificamente, modalidades da broca de eletrotrituração pulsada da presente invenção disparam a broca de perfuração a uma taxa de cerca de 100 pulsos por segundo, com cerca de 10 ms entre cada pulso. Devido a problemas de ruído, é preferível que os dados não sejam transmitidos durante o disparo da broca. Assim, quando um sinal é enviado a partir da superfície para disparar um pulso de EC, o DAC é desligado e/ou cessa transmissão de dados antes de ou em simultâneo com o início do pulso. Cada pulso de disparo produz dados, tais como pico de corrente, tensão de pico, corrente e tensão de ponteira, e corrente e tensão de sustentador, que são adquiridos pelo DAC; Os dados são então enviados para o TCI após o pulso de disparo ser concluído. Os dados permitem o sistema monitorar o desempenho da perfuração. Se a comunicação com a superfície é sobre uma ligação de fibra óptica, em seguida, o DAC pode transmitir dados para a superfície continuamente.
[350] Em algumas modalidades da presente invenção, uma fonte de potência situada na superfície é conectada diretamente ao sistema de potência pulsada localizado no conjunto de fundo de poço de poço abaixo, sem o uso do sistema de carga de comando. Este sistema de carga direto é vantajoso porque para sistemas de carregamento de comando é difícil gerir balanços de terreno. Uma comparação das modalidades representativas das duas configurações é mostrada na Figura 54. A Figura 54A mostra um circuito simplificado de um sistema de carga de comando. Fonte de potência 600 conecta ao sistema de carga de comando que compreende capacitor de carga de comando 610 e comutador de carga de comando 620 para fornecimento de potência através do cabo 630 desde a superfície até o conjunto de fundo de poço, que compreende pelo menos um circuito de ponteira 640 (algumas modalidades têm três circuitos de ponteira) e circuito de sustentador 650 que, via diodo magnético 660 fornece potência pulsada para broca de perfuração 670 como descrito acima. O cabo também pode conectar ao capacitor de circuito de sustentador através de um indutor de isolamento (não mostrado). A Figura 54B mostra um sistema de carga direto, em que fonte de potência 700 fornece potência através do cabo 710 desde a superfície até o conjunto de fundo de poço, que compreende pelo menos um circuito de ponteira 720 (algumas modalidades têm três circuitos de ponteira) e circuito de sustentador 730 que, via diodo magnético 740 fornece potência pulsada para broca de perfuração 750 como descrito acima. Em modalidades alternativas de um ou outro sistema, o capacitor de saída primário 760 pode ser substituído pela autocapacitância equivalente da broca, a estrutura de conexão e outros componentes, que podem ser concebidos para fornecer a função equivalente do capacitor de saída primário.
[351] Em algumas modalidades uma fonte de potência de comutação que utiliza pulsos de corrente de alta frequência controlados para aumentar progressivamente a voltagem dos capacitores no conjunto de fundo de poço, enquanto medindo constantemente a voltagem de carga nestes capacitores de modo a ajustar a corrente para atingir a voltagem de estado final desejada, pode ser utilizada. Esta metodologia de controle é adequada para longas distâncias de cabo, por exemplo, 10000 pés (tipicamente de cerca de 500 pés a aproximadamente 30000 pés) entre a fonte de potência e os capacitores localizados no conjunto de fundo de poço.
[352] Em alternativa uma fonte de potência DC (de preferência na superfície) pode ser utilizada para carregar os capacitores, de preferência, enquanto monitorando a voltagem de capacitor em um cabo separado para controlar a voltagem de estado final. Nesta modalidade uma sonda de alta voltagem utilizada para monitorar a voltagem de capacitor pode ser localizada no conjunto de fundo de poço, com apenas sinais de controle indo para a superfície. Os sinais de controle podem, alternativamente, ser transmitidos à superfície no cabo de potência como um sinal AC sobreposto à corrente de potência DC. Tais sinais de controle podem ser indutivamente acoplados no cabo de potência no conjunto de fundo de poço e então extraídos indutivamente a partir do cabo de potência na superfície.
[353] Uma outra modalidade é para localizar uma fonte de potência AC na superfície e transmitir a voltagem através do cabo como uma forma de onda AC e, em seguida, retificar no conjunto de fundo de poço, utilizando um cabo separado para monitoramento de voltagem ou, alternativamente, transmitir dados de monitoramento de voltagem em uma frequência diferente ao longo do mesmo cabo.
[354] A fonte de potência, em conjunto com os circuitos de controle de voltagem que recebem dados de voltagem a partir dos capacitores de conjunto de fundo de poço de poço abaixo e controlam a saída de corrente e/ou voltagem a partir da fonte de potência, é de preferência na superfície. A potência primária para a fonte de potência pode ser um gerador no local, mas pode alternativamente compreender potência elétrica a partir da rede de serviços públicos de potência elétrica ou de qualquer fonte adequada de potência elétrica.
[355] O cabo ou o tubo de perfuração condutor utilizado para transmitir potência para o conjunto de fundo de poço RePED também preferencialmente compreende fios de transmissão de dados. Acoplamento entre os fios de transmissão de dados e os principais fios de potência provavelmente introduziria ruído elétrico no fluxo de dados. Isto é especialmente verdade com o sistema de carga de comando por causa da maior corrente envolvida em carregamento de pulso do conjunto de fundo de poço (BHA). Uma vantagem do sistema de carga direto é que, enquanto a corrente média atual será a mesma entre os dois, o sistema de carga direto irá carregar na corrente média enquanto o sistema de carga de comando terá um pico de corrente de cerca de duas vezes a corrente média. A maior corrente de pico do sistema de carga de comando pode induzir mais ruído nas linhas de dados do que o sistema de carga direto.
[356] Usando uma fonte de potência de comutação sistema de carga direto utiliza corte de alta frequência da potência a fim de controlar o estado de carga e, portanto, a voltagem nos capacitores sendo carregados. Esse corte de alta frequência pode induzir ruído nas linhas de dados. No entanto, porque é alta frequência, é muito mais fácil proteger, então, um grande pulso de baixa frequência. Além disso, ao longo de cabo longo é difícil controlar a voltagem no capacitor quando se utiliza uma fonte de potência de comutação. Uma fonte de potência de corrente contínua (DC) não produz nenhum ruído de alta frequência e fornece o carregamento do BHA sem indução de ruído nas linhas de dados. Isto é vantajoso sobre uma fonte de potência de comutação.
[357] Uma outra modalidade da presente invenção compreende um transmissor, de preferência, um transmissor de microondas, localizado no topo de um poço e um receptor, de preferência, um receptor de microondas, localizado no topo de um conjunto de fundo de poço no poço. O transmissor e receptor de preferência transmitem potência para o conjunto de fundo de poço sem o uso de um cabo ou um tubo de perfuração com condutores embutidos. A largura de banda de um sinal, de preferência, um sinal de microondas, de preferência fornece transmissão de dados para o furo para o conjunto de fundo de poço, em adição à transmissão de potência. Um transmissor de baixa potência instalado no conjunto de fundo de poço de preferência transmite dados de volta para a superfície. Para uma carga de microondas, a frequência de ressonância do tubo de perfuração metálico utilizado para conduzir o fluido de perfuração para o conjunto de fundo de poço é de preferência adequadamente correspondida com a frequência do sistema de microondas (por exemplo, um transmissor e um receptor), de modo que o tubo de perfuração funciona como um guia de ondas para o sistema de microondas para minimizar as perdas e melhorar a transmissão de potência para o conjunto de fundo de poço.
[358] Em operações típicas de perfuração, o fluido de perfuração é aquoso, que sendo condutor irá deixar em curto-circuito o campo de microondas, bloqueando assim carregamento de microondas do conjunto de fundo de poço. No entanto, modalidades da presente invenção utilizam um fluido de perfuração dielétrico ou isolamento não aquoso, como descrito acima, que é compatível com a carga de microondas.
[359] Em algumas modalidades da invenção, um subsistema de fluxo de fluido compreende de preferência uma ou mais bombas na superfície que bombeiam o fluido de perfuração através de um tubo de perfuração para baixo para o conjunto de fundo de poço. Na extremidade de topo do conjunto de fundo de poço, uma porção do fluido de perfuração é de preferência desviada por um desviador de fluxo. A porção desviada de fluido de perfuração de preferência arrefece os componentes elétricos de alta potência. O fluido de perfuração restante flui de um modo preferido em torno de divisores de fluxo para a broca de perfuração. O fluxo de fluido de perfuração é então dirigido através da broca de perfuração, de preferência por meio de um combinador de fluxo e através de canais na broca de perfuração, onde ele empurra para fora as bolhas e as lascas de rocha. Ao contrário de modalidades da presente invenção que dividem o fluxo de fluido em de uma porção de arrefecimento e uma porção de limpeza para que o fluido realize ambas as funções, broca convencionais (não EC) normalmente não necessitam de arrefecimento, e, por outro lado, ferramentas de registro de poço não requerem que bolhas ou lascas de rocha sejam removidas. Com referência à Figura 35, o fluido de perfuração de preferência flui radialmente a partir do centro da broca para fora em direção ao exterior da broca. O fluido de perfuração flui então em torno do conjunto de fundo de poço e até a superfície. No topo, o fluido de perfuração flui de um modo preferido a partir do poço para um tanque de sedimentação, onde lascas sedimentam. O fluido de perfuração usado e as lascas então são de preferência transferidos para um sistema de controle de sólidos, onde os sólidos são removidos do fluido de perfuração. Em uma modalidade alternativa, o fluido de perfuração pode também ser transferido para um sistema de extração de água, onde o excesso de água é removido do fluido perfuração.
[360] O BHA tem de preferência fluxo de fluido significativo através do conjunto. Os principais objetivos deste fluxo de fluido são estabilizar o poço na formação rochosa e varrer as lascas para fora do poço. Em algumas modalidades, taxas de fluxo elevadas realizam, a função de varrer para fora as lascas. Em adição a estas funções do fluxo de fluido, há um número de outras funções para o fluxo de fluido dentro do BHA. Por exemplo, uma função é limpar bolhas de fluido para fora de uma área de eletrodo de broca. Estas bolhas são criadas pela ação de perfuração de eletrotrituração da broca. Uma estrutura de fluxo é de preferência concebida para a broca direcionar o fluxo através dos eletrodos de broca e através da estrutura circundante para assegurar a eficiência de varrer para fora das bolhas criadas pela ação de perfuração.
[361] Na modalidade mostrada nas Figuras 56-57, o fluido entra (a partir da direita) e flui através de tubo de conjunto de fundo de poço (BHA) 920, de preferência, arrefecendo os componentes eletrônicos e componentes de potência pulsada dentro do BHA. O sistema de fluxo compreende de preferência um desviador de fluxo para desviar uma quantidade predeterminada do fluxo, por exemplo, cerca de 10% ou mais, do fluxo total, através dos componentes eletrônicos e componentes de potência pulsada, a fim de evitar a erosão dos componentes. O fluxo desviado, doravante referido como fluxo de arrefecimento, flui através de um ou mais tubos de estrangulamento de fluxo de baixa velocidade 930 dispostos no isolador de transição de seção de sustentador 925, em seguida, em um ou mais plenuns ou passagens 950 que direcionam o fluxo em torno e sobre ou adjacente a vários componentes eletrônicos e/ou de potência pulsada, como capacitor de sustentador 980, para refrigerá- los. Estes componentes compreendem de preferência estruturas de arrefecimento que fornecem conexão térmica com a corrente de arrefecimento para arrefecer os componentes. Canais e estruturas de fluxo dispostos em uma ou mais estruturas de montagem de para os componentes eletrônicos e de potência pulsada de um modo preferido maximizam a eficácia de arrefecimento do fluxo de arrefecimento em torno dos componentes. O restante do fluxo flui através de um ou mais canais de fluxo de alta velocidade 940 para a broca de perfuração. Linhas de potência de alta tensão 965 e sinal e linhas de potência de manutenção 980 de preferência estendem através tubo de BHA 920 e são de preferência dispostas em tubos que acasalam para outras seções da broca para evitar contato direto com o fluido. Espaçador 970 de preferência separa linhas de alta tensão 985 e mantém capacitor de sustentador 960 no lugar.
[362] Um escudo desviador de fluxo opcional (não mostrado) protege um ou mais componentes de potência pulsada de muito o fluxo de fluido, o que pode causar erosão. Um ou mais componentes são preferencialmente utilizados para desviar o fluxo de arrefecimento nas seções eletrônicas e de potência pulsada do conjunto de fundo de poço. Um ou mais outros componentes, em seguida, de preferência, fundem o fluxo de arrefecimento com um fluxo de fluido principal perto da broca de perfuração. O sistema de fluxo desta modalidade funde o fluxo de arrefecimento e o fluxo principal na área de broca para maximizar a eficácia do fluxo total em limpar bolhas para fora da broca. As velocidades de fluxo do fluxo de fluido nesta modalidade são de preferência controladas e se correlacionam com o aumento da temperatura do componente e eficácia de arrefecimento para otimizar ainda mais o fluxo de arrefecimento e sua função de arrefecimento. Instrumentação e sensores são utilizados para controlar as velocidades de fluxo e correlacionar as velocidades com aumento de temperatura de componente. Dados a partir de um ou mais sensores são transmitidos para o sistema de aquisição de coleta de dados (DCAS) que, em seguida, transmite os dados para o sistema de controle e instrumentação de superfície.
[363] Com referência à Figura 58, em uma outra modalidade da presente invenção, um aparelho de descarga elétrica pulsada repetitiva compreende grua 825, haste de broca 830, conjunto de fundo de poço (BHA) 840 disposto na haste de broca e mecanismo de inclinação 850. Motor de lama 860 e broca mecânica 870 são de preferência dispostos sob BHA tubo 840. Tubo de extensão 880 é de preferência disposto no fundo de broca mecânica 870. Em uma extremidade oposta do tubo de extensão 880, uma broca de descarga elétrica pulsada repetitiva (RePED) 890 é de preferência disposta. Tubo de extensão 880 de preferência aloja o cabo de sistema de potência pulsada para que ele possa conectar à broca RePED 890. O aparelho desta modalidade estende além de uma broca mecânica para perfurar apenas uma centro de um furo. Nesta modalidade, motor de lama 860 aciona broca mecânica 870. BHA 840 fica acima de broca mecânica 870 e cabos e fluidos correm para broca de descarga elétrica pulsada repetitiva 890. Mecanismo de inclinação 850 é de preferência instalado acima de BHA 840 para inclinar BHA 840 e uma ou mais brocas. (Por exemplo, tanto broca mecânica 870 e broca de descarga elétrica pulsada repetitiva 890 podem ser inclinadas se ambas forem usadas.) Broca de descarga elétrica pulsada repetitiva 890 pode ser, mas não precisa ser, direcionável uma vez que a seção inteira inclina. Em uma modalidade preferida, o aparelho de descarga elétrica pulsada repetitiva compreende uma ponteira.
[364] A fim de escavar eficientemente ou perfurar um furo com uma perfuração de fonte pulsada com um processo de eletrotrituração, há de preferência uma distribuição de campo elétrico na face de rocha produzida pelo processo de eletrotrituração. Há também um fluxo de fluido para varrer as partículas de rocha e bolhas para fora da região de eletrodo. Modalidades da presente invenção, tal como ilustrado na Figura 59, compreendem uma broca de perfuração, compreendendo de preferência uma estrutura de retorno de corrente de segmento-torta, compreendendo o fluxo de fluido radial, em conjunto com o fluxo linear, para varrer as bolhas e partículas de rocha para fora da região de eletrodo tão rapidamente quanto possível, com uma taxa de fluxo de fluido predeterminada. Tal como utilizado ao longo da especificação e reivindicações, o termo elemento de "corrente de retorno" significa um elemento que pode ser aterrado e em uma tensão de terra ou em vez que pode ser eletricamente conectado ao ponto de terra, mas não na tensão de terra devido a quedas de tensão entre o elemento e o ponto de terra (por exemplo, devido a uma conexão elétrica longa). Na especificação, o termo "terra" pode em alguns lugares ser utilizado intercambiável com o termo "corrente de retorno".
[365] As Figuras 59A-59D ilustram uma modalidade de uma broca de perfuração compreendendo uma pluralidade de eletrodos de alta tensão 900 aninhados na estrutura de retorno de corrente 910. Estrutura de retorno de corrente 910 de preferência fornece resistência e integridade estrutural para a broca. Nesta modalidade, fluido flui para a broca em 903 perto das pontas interiores de eletrodos de alta tensão 900, e, em seguida, flui através da face de rocha e para fora de aberturas ou fendas 905 no aro exterior do anel de terra circundante (estrutura de retorno de corrente 910). O fluido flui, assim, de preferência, na superfície de rocha em torno de eletrodos de alta tensão 900 e para fora das aberturas ou fendas no anel de terra 910. Algum do fluido pode também escapar para a superfície de rocha através da face da broca em volta dos eletrodos 900, especialmente se um eletrodo é estendido para fora da face de broca. Cada dos eletrodos de alta tensão 900 é de preferência compressível e estende para fora do plano do desenho na rocha quando a rocha é escavada. Além de varrer partículas de rocha para fora da região de eletrodo, o fluido deve também varrer bolhas criadas por um arco (tipicamente em regiões 908); se não removidas, o próximo arco pode provocar um curto através de uma tal bolha. Tais bolhas tipicamente não são produzidas por uma perfuração convencional (não EC), e mesmo que sejam não afetam o processo de perfuração para uma tal perfuração.
[366] Nesta modalidade, pares de eletrodos são de preferência conectados entre si para fornecer três conjuntos de eletrodos, cada conjunto de eletrodos sendo operado por um sistema de potência pulsada separado. Esta modalidade permite controle direcional da broca, por um sistema de potência pulsada operando a uma taxa de repetição mais baixa do que os outros dois, assim fazendo a broca e conjunto de fundo de poço associado direcionarem para este conjunto de eletrodo de taxa de repetição inferior. Esta modalidade de amarrar um ou mais eletrodos de alta tensão em conjunto para fornecer conjuntos de eletrodos para controle direcional pode, opcionalmente, ser estendida para oito eletrodos (quatro conjuntos de eletrodos de dois eletrodos de cada) ou nove eletrodos (três conjuntos de eletrodos de três eletrodos cada) ou outras combinações para alcançar a taxa de perfuração e as características de desempenho de controle direcionais desejadas.
[367] Na modalidade ilustrada na Figura 59, cada eletrodo de alta tensão 900 de preferência estende de forma independente fora da broca e para a rocha à medida que a rocha é escavada. Em outra modalidade da presente invenção, uma pluralidade de eletrodos podem ser ligados mecanicamente para mover como um conjunto em vez de individualmente. Ainda noutra modalidade, todos eletrodos em uma broca podem eletricamente ser ligados, para aquelas circunstâncias onde complexidade adicional de perfuração direcional não é necessária, requerendo assim apenas um sistema de potência pulsada em vez de uma pluralidade de sistemas de potência pulsada. Em outra modalidade da presente invenção, uma broca de perfuração compreende um eletrodo central que pode ou não estar eletricamente ligado a um dos outros eletrodos ou conjuntos de eletrodos para fornecer escavação mais eficaz da porção de centro da broca.
[368] Em ainda outra modalidade da broca de perfuração, um ou mais dos eletrodos de alta tensão podem cada ser dividido em dois ou mais pequenos eletrodos de alta tensão, sem ter de modificar a estrutura de retorno de corrente. Por ter dois conjuntos separados de eletrodos de alta tensão, por exemplo, um maior controle pode ser alcançado através das distribuições de campo elétrico com um eletrodo de alta tensão particular ou conjunto de eletrodos de alta tensão em relação ao anel de terra. Isso, por sua vez, pode resultar em maior eficácia de perfuração. Por exemplo, na Figura 59, cada um dos seis eletrodos de alta tensão 900 pode ser dividido em dois eletrodos, com estes dois eletrodos (em vez do original) dispostos em cada uma das aberturas em forma de cunha da estrutura de retorno de corrente 910, resultando em um total de doze eletrodos para a broca. A divisão dos eletrodos pode ocorrer ao longo de uma linha radial e/ou uma linha circunferencial, dependendo de qual configuração dá a distribuição de campo elétrico mais desejável. Se ao longo de uma linha circunferencial, o desenho resultante pode ter, por exemplo, seis eletrodos menores dispostos perto do centro da broca de perfuração, seguidos por mais seis eletrodos dispostos mais perto da circunferência da broca, para um total de doze eletrodos. Contanto que porções de eletrodos divididos sejam alimentadas a partir do mesmo circuito (ou seja, mesma tensão), nenhum isolador entre elas é necessário. Usar eletrodos divididos é vantajoso porque as passagens de fluido resultantes entre os eletrodos aumenta o fluxo de fluido, e, portanto, melhora a capacidade do fluido para remover detritos de rocha e bolhas. Além disso, eficácia de perfuração é aumentada, porque escavação é normalmente aumentada nos cantos de eletrodos devido à distribuição de campo elétrico, e dois ou mais eletrodos divididos a partir de um único eletrodo tem mais cantos do que o único eletrodo.
[369] Em uma outra modalidade, a vista de fundo da qual é mostrada na Figura 60, cada uma das aberturas na estrutura de retorno de corrente 912 acomoda uma pluralidade de eletrodos em forma de haste 915. Tal como mostrado, estes podem ser dispostos de modo a formar um círculo centrado no centro da face de broca.
[370] Em algumas modalidades da presente invenção, pode ser benéfico girar a broca com cortadores mecânicos para fornecer um corte mais preciso da bitola do furo. Em tal modalidade, cortadores mecânicos podem ser dispostos ao longo de uma periferia da broca para fornecer corte mecânico de uma parede exterior de um furo, fornecendo desse modo um furo mais liso. Em outras modalidades, a broca pode ser rodada ou nutada para trás e frente sem cortadores mecânicos, para fornecer uma escavação mais rápida e uniforme do furo.
[371] Um dos problemas observados em testes de perfuração com sistemas de perfuração é a dificuldade com a limpeza completa do furo por causa da falta de uniformidade no processo de escavação. À medida que a perfuração se propaga através da rocha, as não uniformidades na rocha podem causar uma aba ou ressalto sobre o aro exterior do furo de rocha que impede a propagação da perfuração no furo. Esta não uniformidade na escavação do furo pode ser criada pela falta de uniformidade no processo de perfuração causada pela estrutura física de uma broca de perfuração. A fim de resolver a falta de uniformidade no processo de perfuração, uma modalidade da presente invenção compreende girar a broca de perfuração 10° a aproximadamente cerca de 45° para trás e frente em torno de um eixo da broca, que é alinhado com a direção da perfuração. Este movimento de nutação faz com que vários segmentos da broca de perfuração entrem em contato com diferentes seções do aro de furo que, em seguida, fazem com que as não uniformidades no aro de furo serem escavadas por diferentes segmentos da broca de perfuração. O movimento de nutação permite preferencialmente a broca limpar completamente o furo e propagar através da formação.
[372] Com referência à Figura 61, em uma modalidade da presente invenção, o movimento de nutação é conseguido por fornecer uma junta rotativa em uma interface de conjunto de fundo de poço de broca. A junta compreende, preferencialmente, um anel de deslizamento, de preferência um anel de deslizamento isolado a óleo, para tratar ou acomodar os quatro circuitos que são necessários para alimentar potência para a broca 110. Em uma modalidade alternativa, condutores, de preferência condutores flexíveis, são utilizados para acomodar a nutação da broca. Um motor, de preferência acionado eletricamente e/ou por fluido, gira a broca para trás e para frente para limpar quaisquer não uniformidades no aro 114. Os eletrodos 108 são de preferência concebidos para acomodar o movimento de nutação da broca.
[373] Em uma modalidade alternativa, a broca gira aproximadamente 10 ° a aproximadamente 45 ° para trás e para frente em torno de um ponto na extremidade do conjunto de fundo de poço de modo que o eixo de rotação é substancialmente perpendicular ao eixo de propagação. Esta modalidade fornece de preferência um meio de mudar fisicamente a direção de perfuração por alterar a orientação da broca.
[374] Ao contrário de brocas de perfuração de moagem que exigem rotação ou nutação a fim de fornecer o mecanismo físico para perfuração de rochas, brocas EC não exigem movimento para perfurar. Para brocas EC, nutação suaviza não uniformes resultantes do processo EC em si na rocha não uniforme ou a partir de descontinuidades na estrutura de eletrodo. Por exemplo, se a broca representada na Figura 59 é usada, uma porção da rocha será situada sob a estrutura de retorno de corrente 910 em vez de um eletrodo 900; nutação da broca para trazer eletrodo 900 sobre a porção da rocha permite que seja perfurada.
[375] A estrutura do conjunto de fundo de poço de preferência protege os subsistemas de danos internos do ambiente de poço de rocha, fornece rigidez para controlar o alinhamento dos subsistemas internos e sistemas de fluxo de fluido, fornece uma fácil separação do conjunto global em subconjuntos que podem ser facilmente transportados, e fornece a conexão do conjunto de fundo de poço para tubo de perfuração para fluxo de fluido e cabo e/ou tubo de perfuração incorporado par conexões de potência e comunicação. A estrutura compreende de preferência um tubo de aço que protege os componentes internos de impacto ou abrasão com a parede de rocha do poço. O tubo também fornece uma rigidez para o conjunto de fundo de poço para manter o alinhamento dos componentes. Conectores especiais são preferencialmente fornecidos para permitir a conexão de diferentes seções do conjunto de fundo de poço. Os conectores também mantém a resistência e rigidez estrutural enquanto fornecendo conexões confiáveis do circuito de potência pulsada e outros circuitos a partir de uma seção para a próxima.
[376] Materiais selecionados para a estrutura de tubulação de conjunto de fundo de poço fornecem uma integridade estrutural global do sistema. Os materiais preferidos para a estrutura de tubulação de conjunto de fundoo de poço incluem, mas não estão limitados a tubos de perfuração de aço, tubulação de liga de aço de grande resistência, tubulação metálica de alta resistência de várias ligas de metais, incluindo aço e alumínio, tubulação metálica compósita de elevada resistência de constituintes de metálicos e não metálicos, e fibras de carbono que incorporam tubulação de compósito resistente à abrasão de alta resistência, fibras de vidro, estruturas de nanotubos de carbono, fibras de Kevlar, outras fibras de alta resistência, e semelhantes, ou suas combinações. A concepção específica da estrutura do conjunto de fundo de poço de preferência encontra requisitos de projeto predeterminados para o ambiente de fundo de poço. Em um exemplo não limitativo, uma estrutura de conjunto de fundo de poço pode ser feita a partir de 8 tubos de perfuração OD de 3/8" em quatro seções de aproximadamente 20-30 pés para um comprimento total de cerca de 90-110 pés. Cada seção de tubo de perfuração é de preferência conectada à outra com um tensor, incorporando roscas esquerdas e direitas, de modo que o alinhamento pode ser mantido de condutores de alta tensão entre as seções do tubo de perfuração sem rotação relativa. O tensor permite que as duas seções do tubo de perfuração sejam rigidamente fixadas uma na outra com roscas de parafuso sem rotação relativa das duas seções de tubo de perfuração. Isto permite os condutores elétricos a partir de um tubo de perfuração serem conectados ao outro tubo de perfuração sem rotação relativa, o que provoca torção e distorção dos condutores. A broca é de preferência ligada à estrutura de conjunto de fundo de poço utilizando um tensor semelhante.
[377] Modalidades da presente invenção são dirigidas a uma broca e para o sistema para perfuração que utiliza uma fonte pulsada de energia eletromagnética de poço abaixo. Um aparelho de perfuração e quebra de potência pulsada é também conhecido como um aparelho de descarga elétrica pulsada repetitiva. A variante do sistema de perfuração elétrico pulsado concebido para produzir campos magnéticos e eletromagnéticos pulsados é referida como a broca elétrica pulsada eletromagnética (EM). Tecnologia de perfuração elétrica pulsada é adequada para fornecer uma tal fonte de potência eletromagnética, porque, em certos sistemas o sistema de potência pulsada já é implantado poço abaixo. O sistema permite a avaliação eletromagnética de uma formação de poço abaixo, mesmo durante a perfuração. O termo "loop" pretende incluir uma configuração circular ou não circular, e um loop pode ser quase fechado ou apenas parcialmente fechado. Por exemplo, uma configuração de condutor na forma de um quadrado é englobada na definição do loop. Uma configuração que é apenas metade de um quadrado ou metade de um círculo é também englobada na definição do loop. O termo "loop"também significa uma bobina ou uma pluralidade de loops. Avaliação de formação como aqui descrito pode ser realizada em minerais e exploração de mineração, depósitos de petróleo e gás, exploração de petróleo e gás, exploração de água, exploração geofísica, formações e exploração geológicas, mapeamento de subsuperfície, e semelhantes.
[378] Com referência à Figura 65, uma modalidade da presente invenção compreende uma broca elétrica pulsada EM utilizada para perfuração eletro-hidráulica ou de eletrotrituração. Conjunto de fundo de poço 242, broca de eletrotrituração 114, projetores eletro-hidráulicos 243, tubo de fluido de perfuração 147, cabo de potência 148, e subsistema de potência pulsada 244 compreendem o sistema potência pulsada e outros componentes do conjunto de perfuração de poço abaixo (não representados). A broca pode ser alimentada por uma fonte de potência de poço abaixo, por um alternador de poço abaixo ou gerador alimentado por turbina de lama, ou a partir da superfície por um cabo ou tubo de perfuração com condutores embutidos. O arco produzido pela broca ou na rocha ou no fluido de perfuração cria um campo magnético em torno do arco, como mostrado na Figura 82. Este campo magnético pode então ser utilizado para avaliação de formação e detecção de bolsa de gás à frente da broca, com os sensores adequados, tais como divulgados no Pedido de Patente No. US 8.390.471, aqui incorporado por referência. Utilizar um sistema de perfuração elétrico pulsado para produzir o pulso EM desejado é vantajoso, porque a infraestrutura (tais como alimentação de potência, esquema de carregamento, sistema de controle, instrumentação, etc.) já está no lugar. De preferência tudo que é necessário é um circuito adicional para produzir o pulso (por exemplo, se um ou três circuitos de ponteira são empregados pela broca de perfuração, o circuito de pulso seria o segundo ou quarto circuito, respectivamente). Em oposição aos circuitos de ponteira de alta tensão (por exemplo, cerca de 150 kV), o circuito de pulso de preferência opera em tensão relativamente baixa (por exemplo, dezenas de quilovolts) e corrente média (por exemplo, em alguns kiloamps).
[379] Modalidades da presente invenção compreendem uma broca de perfuração elétrica pulsada EM tendo um subsistema de potência pulsada adicional adicionado ao conjunto de fundo de poço 242 para criar um campo magnético pulsado por condução de corrente pulsada através de um condutor formado em um loop. O subsistema eletromagnético de potência pulsada 244 tem, preferivelmente, armazenamento de energia e características de impedância de fonte que são diferentes dos sistemas de potência pulsada de eletrotrituração ou eletro-hidráulicos na broca elétrica pulsada. O mesmo sistema de carregamento que é utilizado para o resto do sistema de potência pulsada de conjunto de fundo de poço de perfuração elétrica pulsada pode também ser utilizado para o subsistema de potência pulsada EM. O mesmo sistema de controle que é utilizado para controlar a perfuração elétrico pulsada também pode ser usado para controlar subsistema 244. Subsistema 244 pode, então, ser usado para conduzir corrente através de uma ou mais bobinas ou loops magnéticos para produzir o campo eletromagnético pulsado desejado. O circuito pode ser construído com uma configuração específica e orientado em uma direção particular para fornecer um campo magnético pulsado com a configuração e a orientação no espaço desejados.
[380] Por exemplo, o condutor pode ser fisicamente construído como um loop em torno da circunferência de broca 114 para minimizar a interferência do conjunto de fundo de poço 242 no pulso de campo eletromagnético, tal que o plano do loop de corrente é perpendicular ao eixo do conjunto de fundo de poço. Quando o pulso de corrente propaga através do loop de condutor, ele cria um campo magnético pulsado com um eixo de simetria aproximadamente coincidente com o eixo do conjunto de fundo de poço, como mostrado na Figura 63. Esta configuração cria um campo magnético com o pico do campo na direção de propagação da broca de eletrotrituração, fornecendo assim os meios para avaliar a formação à frente da broca de perfuração, com os sensores apropriados. Este processo de avaliação pode ser realizado durante a perfuração ativa ou enquanto não perfurando. A Figura 66 mostra a bobina 990 para projetar um campo magnético ao longo do eixo do sistema de perfuração. Como mostrado na Figura 67, um loop ou bobina de corrente 995 pode, em alternativa ou adicionalmente, ser incorporado no lado do conjunto de fundo de poço para criar um campo magnético pulsado cujo eixo de simetria e cuja extensão máxima é aproximadamente perpendicular ao eixo do conjunto de fundo de poço, ou seja, transversal ao eixo do sistema de perfuração. Embora as bobinas 990, 995 como mostrado compreendem cada uma bobina de única volta, uma bobina compreendendo voltas múltiplas pode ser utilizada para coincidir com a potência de saída do sistema de potência pulsada para a intensidade de campo magnético desejado, dependendo da intensidade de campo magnético e as capacidades de corrente e fonte de tensão desejadas do sistema de potência pulsada.
[381] Uma outra modalidade de uma broca de perfuração elétrica pulsada EM é pegar corrente de um ou mais dos conjuntos de eletrodos da broca de perfuração elétrica pulsada EM e correr a corrente através de um ou mais loops ou bobinas magnéticas para produzir um campo eletromagnético pulsado desejado, como ilustrado na Figura 64. Isto pode ser feito em série, com o retorno da corrente a partir do circuito de volta para o conjunto de eletrodos para contribuir para a perfuração. Também pode ser feito em vez de perfuração, com a corrente circulando apenas através do loop. Uma terceira modalidade é operar em paralelo com uma parte da corrente que passa através do loop e parte dela através do conjunto de eletrodo. Alternativamente, uma pluralidade de loops de condutor podem ser orientados ao longo da parede ou lateral do conjunto de fundo de poço ou perto da broca ou perto da extremidade do conjunto de fundo de poço oposta à broca, de modo que, por mudar o faseamento da corrente através dos loops, a localização dos máximos do campo magnético pode ser direcionada através da formação.
[382] Uma variação da broca elétrica pulsada EM é concebida para uma avaliação de formação e não foi concebida para perfuração, que pode ser utilizada para criar um campo magnético pulsado para avaliação de formação dentro do poço, ou pode estar localizada na superfície para avaliação de formação a partir da superfície.
[383] Brocas para perfurações de eletrotrituração que utilizam hastes como a geometria de eletrodo principal são importantes para perfuração de eletrotrituração de determinados tipos de rochas. Uma dessas brocas híbridas compreende ambas hastes e superfícies curvas; outra compreende matrizes concêntricas de hastes. Tal como utilizado ao longo da especificação e reivindicações, o termo "em forma de haste" significa parecer uma haste, tipo haste, alongada, cilíndrica, e semelhantes. Um elemento em forma de haste pode ter qualquer forma de seção transversal, não apenas circular.
[384] A Figura 68 mostra uma modalidade de uma broca de eletrotrituração compreendendo uma pluralidade de eletrodos em forma de haste de alta tensão 1000, de preferência de fios paralelos, e eletrodo de haste de terra central 1010, que são rodeados por anel de terra contínuo 1020. As aberturas 1025 no anel de terra 1020 permitem lascas de perfuração serem liberadas para o exterior da broca de perfuração e para cima do poço. O processo de escavação prossegue a partir de um ou mais dos eletrodos de alta tensão para o eletrodo de terra central ou para o aro exterior. A borda exterior da broca de preferência estruturalmente suporta a coluna de perfuração, e assim é de preferência, suficientemente forte para ser capaz de resistir a forças compressivas substanciais. As distribuições de campo elétrico únicas criadas pelas hastes substancialmente melhoram o processo de eletrotrituração. Eletrodo de haste de terra central 010 pode compreender uma única haste ou uma pluralidade de hastes, caso em que a pluralidade de hastes podem ser dispostas em uma configuração concêntrica circular com eletrodos de alta tensão 1000.
[385] A Figura 69 mostra uma outra modalidade de uma broca de perfuração de eletrotrituração à base de haste compreendendo uma pluralidade de eletrodos de alta tensão 30 e um eletrodo de haste de terra central 1040, que são rodeados por uma pluralidade de hastes de terra 150 na circunferência da broca. Hastes de terra 1050 são de preferência concêntricas com eletrodos de alta tensão 1030 e são preferencialmente aterradas ou mantidas a uma baixa tensão. A utilização de hastes na circunferência externa da broca fornece um controle adicional nos campos elétricos a fim de melhorar o processo de eletrotrituração. O espaçamento entre as hastes de preferência permite varrer as lascas a partir do processo de perfuração. Nesta modalidade, as hastes de terra estendem diretamente a partir da estrutura de broca. Em outras modalidades hastes de terra 1080 podem estender para fora a partir do aro contínuo ou parede de haste 1070, como mostrado nas Figuras 70A e 70B. Além de fornecer gestão do fluxo e campo-E adicional, a parede de haste 1070 permite a produção dos mesmos campos elétricos tipo haste da modalidade mostrada na Figura 69 enquanto também fornece as capacidades de suporte estruturais de um aro contínuo a fim de apoiar a coluna de perfuração. Como mais claramente mostrado na Figura 70B, parede de haste 1070 de preferência estende para fora para a circunferência exterior da broca de perfuração, mas é suficientemente fina de modo que as hastes de terra 1060 projetam a partir da borda interior da parede em direção ao centro da broca. As hastes de terra em ambas estas modalidades são de preferência do mesmo comprimento. Como mostrado na Figura 70, parede de haste 1070 de preferência conecta hastes de terra 1080 e compreende uma espessura que estende parede de haste 1070 radialmente para fora tanto quanto ou além de hastes de terra 1080, mas não após delas radialmente para dentro (ou seja, em direção aos eletrodos de alta tensão). Parede de haste 1070 pode, opcionalmente, compreender portas (não mostradas) para remover os cortes para o lado de fora da broca.
[386] A Figura 71 mostra uma outra modalidade da presente invenção sem eletrodo de haste de terra central; a broca compreende único eletrodo de alta tensão 1080 rodeado por hastes de terra 1090. A broca também compreende um ou mais canais 1100 que correm ao longo do lado da broca para acomodar o fluxo de lascas ou detritos para fora da broca e para cima do furo. Canais semelhantes podem ser empregues em qualquer uma das modalidades da presente invenção.
[387] A Figura 72 é uma fotografia de uma outra modalidade da presente invenção compreendendo anel de retorno de corrente 1200 compreendendo uma pluralidade de aberturas 1210 em torno de um eletrodo de alta tensão em forma de haste única 1215.
[388] Em qualquer uma destas modalidades, as hastes, anel de terra contínuo, e/ou parede de haste podem compreender um de muitos tipos de aço estrutural, incluindo mas não se limitando a 4140 aço inoxidável, aço de carbono de alta resistência, e superligas que combinam elevada resistência com alta resistência e resistência à abrasão. A seção transversal de qualquer uma das hastes aqui descritas pode ser circular, como mostrado, ou elíptica, em forma de aerofólio, ou compreender qualquer forma para aumentar o fluxo de fluido para fora do centro da broca para a periferia.
[389] Os exemplos precedentes podem ser repetidos com sucesso semelhante por substituir os componentes, mecanismos, materiais e/ou condições de operação genericamente ou especificamente descritos desta invenção por aqueles usados nos exemplos precedentes.
[390] Embora a invenção tenha sido descrita em detalhe com particular referência a estas modalidades descritas, outras modalidades podem alcançar os mesmos resultados. As variações e modificações da presente invenção serão óbvias para os peritos na arte e pretende-se cobrir nas reivindicações anexas todas as modificações e equivalentes. As descrições completas de todas as referências, pedidos, patentes e publicações citadas acima são aqui incorporadas por referência.
Claims (33)
1. Broca de perfuração de eletrotrituração caracterizada pelo fato de que compreende uma pluralidade de eletrodos de alta tensão cilíndricos (1000, 1030) dispostos em pelo menos uma porção de um círculo e rodeados por uma estrutura de retorno de corrente compreendendo uma pluralidade de aberturas circunferenciais (1025) para facilitar a remoção dos detritos de perfuração a partir da referida broca de perfuração, em que os referidos eletrodos de alta tensão (1000, 1030) rodeiam um ou mais eletrodos de retorno de corrente centrais cilíndricos (1010, 1040).
2. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende uma pluralidade dos referidos um ou mais eletrodos de retorno de corrente centrais (1010, 1040) dispostos em pelo menos uma porção de um círculo concêntrico com referidos eletrodos de alta tensão (1000, 1030).
3. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que referida estrutura de retorno de corrente compreende um anel de retorno de corrente (1020).
4. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que referida estrutura de retorno de corrente compreende uma pluralidade de eletrodos de retorno de corrente circunferenciais cilíndricos (1050, 1060) localizados em um aro exterior da referida broca de perfuração e referidas aberturas circunferenciais (1050, 1060) compreendem espaços entre referidos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais.
5. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que referidos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais (1050, 1060) são concêntricos com a referida pluralidade de eletrodos de alta tensão cilíndricos (1030).
6. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que compreende ainda uma parede (1070) conectando referidos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais (1060), referida parede mais fina do que um diâmetro de cada referido eletrodo de retorno de corrente circunferencial (1060) e disposta de modo que a referida parede (1070) estende radialmente para fora até um ponto mais externo do referido eletrodo de retorno de corrente circunferencial (1060), assim, longitudinalmente estendendo uma parede exterior da broca de perfuração, mas não estende radialmente para dentro após referidos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais (1060).
7. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que uma altura da referida parede (1070) é mais curta do que um comprimento dos referidos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais (1060).
8. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que referida parede e referidos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais (1060) são fabricados em conjunto para formar uma estrutura única.
9. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que referida parede compreende uma pluralidade de aberturas adicionais para facilitar a remoção dos detritos de perfuração da broca de perfuração.
10. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que referidos eletrodos de alta tensão compreendem uma forma de seção transversal selecionada do grupo que consiste em círculo, elipse, cunha e aerofólio.
11. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende um único do eletrodo de retorno de corrente central (1010, 1040) localizado aproximadamente no centro do referido círculo.
12. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende uma pluralidade de canais (1100) correndo longitudinalmente ao longo de uma superfície exterior da referida broca de perfuração a fim de facilitar o transporte de detritos de perfuração para cima e para fora de um furo de perfuração.
13. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que é conectada a um conjunto de fundo de poço por meio de uma junta de rotação e um motor para nutação de referida broca de perfuração.
14. Broca de perfuração de eletrotrituração caracterizada pelo fato de que compreende um ou mais eletrodos de alta tensão (108, 900) rodeados por uma estrutura de retorno de corrente (114, 910) compreendendo uma pluralidade de aberturas circunferenciais (905) para facilitar a remoção dos detritos de perfuração a partir da referida broca de perfuração; em que a referida estrutura de retorno de corrente (114, 910) parcialmente cobre uma face de fundo da referida broca de perfuração, a referida estrutura de retorno de corrente (114, 910) compreendendo uma ou mais aberturas de fundo (908) ao longo da referida face de fundo, em que um ou mais dos referidos eletrodos de alta tensão (108, 900) são dispostos dentro de cada referida abertura de fundo (908).
15. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um canal (903) em aproximadamente um centro da referida face de fundo para fluir fluido de perfuração para dentro da referida broca.
16. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelo fato de que referida estrutura de retorno de corrente (910) compreende uma porção sólida disposta perto do referido canal, forçando desse modo pelo menos parte do fluido de perfuração fluindo fluir radialmente a partir do referido canal (903) em direção e em torno de cada um dos referidos eletrodos de alta tensão (900).
17. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelo fato de que o fluido de perfuração fluindo varre detritos e bolhas no referido fluido criado por operação de referidos eletrodos (900) para fora da referida broca de perfuração.
18. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que referidos eletrodos de alta tensão (108) são cilíndricos.
19. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 18, caracterizada pelo fato de que os eletrodos de alta tensão (108) são dispostos de modo a formar pelo menos uma porção de um círculo centrado sobre um centro da referida face de fundo.
20. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que cada referido eletrodo de alta tensão (108, 900) é compressível e/ou estende para fora a partir da referida face de fundo.
21. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que dois ou mais dos referidos eletrodos de alta tensão (108, 900) são conectados eletricamente para formar um ou mais conjuntos de eletrodos conectados, cada conjunto alimentado por um sistema de potência pulsada separado.
22. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de que operação preferida de um ou mais dos referidos conjuntos sobre um ou mais outro de referidos conjuntos resulta em controle direcional da referida broca de perfuração.
23. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de que os eletrodos (108, 900) em cada conjunto são ligados mecanicamente para mover como um conjunto.
24. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que cada referida abertura de fundo (908) é em forma de setor ou substancialmente triangular.
25. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 24, caracterizada pelo fato de que referidos eletrodos de alta tensão (900) são substancialmente triangulares ou em forma de setor e são dispostos circunferencialmente em torno de um centro da referida face de fundo, cada um dos eletrodos de alta tensão (900) orientado de modo que um vértice de cada eletrodo de alta tensão está apontando na direção do referido centro.
26. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que é conectada a um conjunto de fundo de poço por meio de uma junta de rotação e um motor para nutação de referida broca de perfuração.
27. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 26, caracterizada pelo fato de que o referido motor nutaciona a referida broca de perfuração para fornecer uma perfuração mais uniforme apesar de distribuições de campo elétrico não uniformes produzidas pelos referidos eletrodos de alta tensão.
28. Broca de perfuração de eletrotrituração caracterizada pelo fato de que compreende um único eletrodo de alta tensão (1080, 1215) rodeado por uma pluralidade de eletrodos de retorno de corrente circunferenciais cilíndricos (1090) localizados em um aro exterior da referida broca de perfuração; em que espaços entre os referidos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais facilitam a remoção de detritos de perfuração da referida broca de perfuração.
29. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 28, caracterizada pelo fato de que é conectada a um conjunto de fundo de poço por meio de uma junta de rotação e um motor para nutação de referida broca de perfuração.
30. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 28, caracterizada pelo fato de que compreenda ainda uma parede (1070) conectando referidos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais (1090), referida parede (1070) mais fina do que um diâmetro de cada referido eletrodo de retorno de corrente circunferencial (1090) e disposta de modo que referida parede (1070) estende radialmente para fora até um ponto mais externo do referido eletrodo de retorno de corrente circunferencial (1090), assim, longitudinalmente estendendo uma parede exterior da broca de perfuração, mas não estende radialmente para dentro após referidos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais (1090).
31. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 30, caracterizada pelo fato de que uma altura da referida parede (1070) é mais curta do que um comprimento dos referidos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais (1090).
32. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 30, caracterizada pelo fato de que referida parede e referidos eletrodos de retorno de corrente circunferenciais são fabricados em conjunto para formar uma estrutura única.
33. Broca de perfuração, de acordo com a reivindicação 30, caracterizada pelo fato de que referida parede compreende uma pluralidade de aberturas adicionais para facilitar a remoção dos detritos de perfuração da broca de perfuração.
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