BRPI1007764B1

BRPI1007764B1 - ferramenta de perfuração de furo abaixo, e método para operar uma ferramenta de perfuração de furo abaixo

Info

Publication number: BRPI1007764B1
Application number: BRPI1007764-2A
Authority: BR
Inventors: Leland H. Lyon; Warren T. Lay
Original assignee: Epiroc Drilling Tools Llc
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2020-12-01
Also published as: CN102317565B; WO2010093685A3; CA2752108A1; CL2011001928A1; US20100200301A1; EA027551B1; AU2010213863B2; US8011455B2; PE20120699A1; EA201171037A1; WO2010093685A2; CA2752108C; US8141663B2; ZA201105350B; AU2010213863A1; SE537293C2; BRPI1007764A8; CN102317565A; BRPI1007764A2; MX2011008394A

Abstract

FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO, E, MÉTODO PARA OPERAR UMA PERFURAÇÃO FURO ABAIXO Uma broca rotativa de assistência percussiva inclui um sub de topo para conexão com um tubo de perfuração. O tubo de perfuração transmite torque para a broca e também provê fluido motriz para a broca. A broca inclui um adaptador de haste para facilitar a aposição de uma broca de perfuração rotativa à broca. O fluido motriz é dividido entre um fluxo de broca, que flui através da broca para limpar detritos no fundo da perfuração, e um fluxo de atuador. Um atuador, que pode ser na forma de um pistão alternado, se move dentro da perfuração sob a influência do fluxo de atuador para transmitir golpes cíclicos ao adaptador de haste. Os golpes são transferidos para a broca de perfuração por meio do adaptador de haste para prover uma frequência relativamente alta de força de percussão de baixa amplitude sobre a broca de perfuração rotativa para ajudar na operação de perfuração. Pelo menos um porção da porção de fluxo de atuador do fluido motriz é expelida através da extremidade de topo da broca. As vazões e volumes relativos dos fluxos de broca e de atuador podem ser ajustados (...).

Description

FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO DE FURO ABAIXO, E MÉTODO PARA OPERAR UMA FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO DE FURO ABAIXO

[001] Os dois métodos mais comuns para perfuração de rocha envolvem o carregamento quase-estático de rocha, usado em perfuração rotativa, ou carregamento por impacto de alta intensidade, usado em perfuração de furo abaixo (down-the-hole (DTH)). Aplicações de DTH incluem um conjunto de martelo tendo um pistão ou atuador que alterna dentro do revestimento da perfuração e aplica um impacto cíclico sobre uma bigorna. A bigorna, tipicamente, faz parte ou é diretamente conectada à broca de perfuração de modo que forças de impacto do pistão golpeando a bigorna são transferidas através da broca de perfuração para a rocha que está sendo perfurada. O pistão alterna, tipicamente, em resposta ao fluido motriz (por exemplo, ar comprimido) levantando e baixando o pistão alternadamente. Todo fluido motriz é expelido da perfuração, tipicamente, através da broca de perfuração depois de atuar o conjunto de martelo. A exaustão do fluido motriz da perfuração limpa detritos de corte e outros detritos dos arredores da broca de perfuração e transporta estes detritos ascendentemente, para fora do furo ou poço que está sendo perfurado. Também são conhecidas brocas de rocha híbridas (chamadas brocas rotativas de assistência percussiva ou PARD) que utilizam um conjunto de martelo DTH para impactar uma broca de perfuração rotativa, e também expelem todo fluido motriz através da perfuração.

[002] Quando o fluido motriz é expelido através da broca de perfuração, ele escoa sobre uma superfície externa da broca de perfuração (“escoa sobre” e suas variações significando, neste relatório, que o fluido motriz escoa através e em contato com a superfície externa da broca de perfuração) e ascendentemente pelo furo que está sendo perfurado. Em conjuntos de martelo DTH conhecidos tendo configurações de circulação inversa, o fluido motriz é expelido, realmente, acima da broca de perfuração, escoa para baixo sobre o exterior da broca de perfuração e, em seguida, escoa para baixo sobre o exterior da broca de perfuração e, em seguida, escoa ascendentemente pelo centro da broca de perfuração, do conjunto de perfuração e do tubo de perfuração, ou coluna de perfuração, para a superfície. Neste relatório, os termos “através da broca” e “expelido pela broca” devem ser considerados como incluindo o fluido motriz expelido que escoa sobre a superfície externa da broca de perfuração, seja fluindo para fora da broca e ascendentemente pelo furo ou escoando em uma direção de circulação inversa.

[003] Um exemplo de um DTH convencional é patente britânica N° 800.325, na qual o fluido motriz opera o pistão e é então exaurido através da válvula de retenção próxima ao topo da ferramenta. A patente britânica N° 2.181.473 descreve uma perfuração tendo uma segunda linha de fluido que é separada da linha de fluido motriz para acionar o pistão. A segunda linha de fluido é adaptada para sugar água e detrito do furo, ou pode ser configurada para suprir ar comprimido na face da broca. Ainda um outro exemplo de uma broca de DHT é uma Patente US N° 2.942.578, que descreve um canal para dividir fluido motriz em um fluxo de atuador e um fluxo de broca antes do fluido motriz entrar no conjunto de pistão.

[004] No presente pedido, os termos “martelo de furo abaixo, “martelo” e “conjunto de martelo” referem-se a um arranjo de perfuração utilizando as forças de impacto de um pistão alternado ou de outro atuador de movimentação, se tal arranjo de perfuração estiver presente em uma aplicação de DTH, um arranjo PARD, ou outro arranjo, e independentemente do arranjo de perfuração incluir uma broca padrão, broca de arrasto, broca rotativa, ou outra superfície de corte.

[005] A presente invenção se refere a um martelo de furo abaixo que expele pelo menos uma porção do fluido motriz através de uma porção da perfuração diferente da broca de perfuração. Para operações de perfuração em que a broca está no fundo ou próximo ao fundo do conjunto de perfuração, a invenção pode ser chamada de um martelo de furo abaixo tendo uma porção de fluido motriz expelida acima da broca de perfuração ou de um martelo de furo abaixo tendo exaustão elevada. A invenção também se refere a um martelo de furo abaixo no qual o fluido motriz é dividido em uma porção que é expelida através da broca de perfuração, ou em outro lugar, de modo que ele escoe sobre uma porção do exterior da broca de perfuração, e uma porção esquematicamente paralela que opera o pistão e é expelida acima da broca de perfuração de modo que ele não escoe sobre a superfície externa da broca de perfuração.

SUMÁRIO

[006] Em um modo de realização, a invenção provê uma ferramenta de perfuração de furo abaixo adaptada para operação sob a influência do fluido motriz, a ferramenta de perfuração de furo abaixo compreendendo: uma broca adaptada para perfurar rocha, a broca tendo uma superfície externa; um conjunto de martelo operável para dispensar carregamento por impacto para a broca para facilitar a perfuração da rocha; um trajeto de fluxo de atuador adaptado para conduzir uma porção de fluxo de atuador do fluido motriz para o conjunto de martelo, o fluxo de atuador acionando a operação do conjunto de martelo e se tornando exaustão de atuador após a operação de acionamento do conjunto de martelo; e um trajeto de exaustão de atuador adaptado para ventilar pelo menos uma porção da exaustão de atuador da ferramenta acima da broca, de modo que substancialmente nenhuma exaustão de atuador escoe sobre a superfície externa da broca.

[007] A broca pode ficar em uma extremidade de fundo da ferramenta de perfuração, e o trajeto de exaustão de atuador pode ventilar a exaustão de atuador através de uma extremidade de topo da ferramenta de perfuração, oposta à extremidade de fundo. O trajeto do fluxo de atuador pode incluir um lado de acionamento e um lado de retorno adaptados para conduzir o fluido motriz para aplicar forças alternadas sobre o conjunto de martelo para provocar a operação do conjunto de martelo, e pelo menos um dos lados de acionamento e de retorno podendo se comunicar com o trajeto de exaustão de atuador para ventilar a exaustão de atuador acima da broca. Em outros modos de realização, tanto o lado de acionamento, quanto o lado de retorno se comunicam com o trajeto de exaustão de atuador para a exaustão de atuador acima da broca. Em alguns modos de realização, o conjunto de martelo inclui um pistão que é móvel para aplicar carregamento por impacto à broca de perfuração, a ferramenta de perfuração, e a invenção compreendendo, adicionalmente, uma câmara de acionamento acima do pistão e uma câmara de retorno entre o pistão e a broca de perfuração; onde o pistão é suportado para movimentação alternante em direção e na direção oposta à broca de perfuração em resposta ao fluxo de atuador se comunicando alternadamente com as câmaras de acionamento e de retorno, respectivamente.

[008] Em alguns modos de realização, a movimentação alternante do pistão, pelo menos temporariamente, corta a comunicação entre a câmara de acionamento e o trajeto de exaustão de atuador enquanto coloca a câmara de acionamento em comunicação com o trajeto do fluxo de atuador e a câmara de retorno em comunicação com o trajeto de exaustão de atuador e, pelo menos temporariamente, corta a comunicação entre a câmara de retorno e o trajeto de exaustão de atuador enquanto coloca a câmara de retorno em comunicação com o trajeto do fluxo de atuador e a câmara de acionamento em comunicação com o trajeto de exaustão de atuador. A ferramenta de perfuração pode compreender, adicionalmente, um orifício de exaustão de acionamento se comunicando com o trajeto de exaustão de atuador, e um orifício de exaustão de retorno se comunicando com o trajeto de exaustão de atuador; onde a movimentação alternante do pistão, pelo menos temporariamente, corta a comunicação entre a câmara de acionamento e o trajeto de exaustão de atuador cobrindo o orifício de exaustão de acionamento com uma porção do pistão, e onde a movimentação alternante do pistão, pelo menos temporariamente, corta a comunicação entre a câmara de retorno e o trajeto de exaustão de atuador cobrindo o orifício de exaustão de retorno com uma porção do pistão. Em alguns modos de realização, o pistão inclui um conduto de suprimento de acionamento e um conduto de suprimento de retorno; onde a movimentação alternante do pistão, pelo menos temporariamente, coloca a câmara de acionamento em comunicação com o trajeto do fluxo de atuador através do conduto de suprimento de acionamento, e onde a movimentação alternante do pistão, pelo menos temporariamente, coloca a câmara de retorno em comunicação com o trajeto do fluxo de atuador através do conduto de suprimento de retorno.

[009] Em alguns modos de realização, a invenção compreende, adicionalmente, um trajeto de exaustão de broca adaptado para ventilar uma porção de fluxo de broca do fluido motriz através da broca; onde o trajeto de exaustão de broca é esquematicamente paralelo ao trajeto do fluxo de atuador, e onde o trajeto de exaustão de broca é esquematicamente paralelo a pelo menos uma porção do trajeto de exaustão de atuador. A ferramenta de perfuração pode compreender, adicionalmente, meios para dificultar a ventilação de exaustão de atuador da ferramenta para, pelo menos parcialmente, controlar a porção de fluido motriz acompanhando o trajeto de exaustão de broca e a porção de fluido motriz acompanhando o trajeto do fluxo de atuador. Os meios de dificultar podem incluir uma placa de fluxo definindo, pelo menos parcialmente, uma câmara de estrangulamento e uma válvula de retenção dentro da câmara de estrangulamento, e a placa de fluxo podendo ser adaptada para ser fixada à ferramenta de perfuração pelo acoplamento do tubo de perfuração à ferramenta de perfuração.

[0010] Em outro modo de realização, a invenção provê uma ferramenta de perfuração compreendendo: um sub de topo definindo uma extremidade de topo da ferramenta de perfuração e adaptado para conexão a um tubo de perfuração; uma broca de perfuração definindo uma extremidade de fundo da ferramenta de perfuração, a broca de perfuração incluindo uma superfície externa; um pistão móvel de modo alternado para prover uma carga de impacto cíclica à broca de perfuração; uma câmara de acionamento sobre um primeiro lado do pistão; e uma câmara de retorno sobre um segundo lado do pistão oposto ao primeiro lado; um trajeto de fluxo de atuador adaptado para conduzir um fluxo de fluido motriz alternadamente para a câmara de acionamento e para a câmara de retorno para acionar a alternância do pistão, o fluido motriz na câmara de acionamento e na câmara de retorno tornando-se exaustão de atuador após acionar a alternância do pistão; um trajeto de exaustão de atuador adaptado para receber exaustão de atuador de pelo menos uma da câmara de acionamento e da câmara de retorno e ventilar a exaustão de atuador da ferramenta de perfuração acima da broca de perfuração, de modo que, substancialmente, nenhuma exaustão de atuador escoe sobre a superfície externa da broca de perfuração; e um trajeto de exaustão de broca esquematicamente paralelo ao trajeto de fluxo de atuador e ao trajeto de exaustão de atuador e ventilando o fluido motriz sobre a superfície externa da broca de perfuração.

[0011] Em ainda outro modo de realização, a invenção provê um martelo de furo abaixo compreendendo: uma broca de perfuração tendo uma superfície externa; um trajeto de exaustão de broca adaptado para a exaustão de fluido motriz sobre pelo menos uma porção da superfície externa da broca de perfuração; um conjunto de martelo operável para aplicar carregamento por impacto à broca de perfuração; um trajeto de fluxo de atuador adaptado para dispensar fluido motriz para operar o conjunto de martelo; e um trajeto de exaustão de atuador adaptado para a exaustão de fluido motriz do conjunto de martelo após o fluido motriz ter operado o conjunto de martelo, de modo que, substancialmente, nenhuma exaustão de atuador escoe sobre a superfície externa da broca de perfuração; onde o trajeto de exaustão de broca é esquematicamente paralelo a pelo menos uma porção do trajeto de exaustão de atuador.

[0012] Outros aspectos da invenção se tornarão evidentes da análise da descrição detalhada e desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0013] A Fig. 1 é uma vista em perspectiva de um conjunto de broca rotativa de assistência percussiva concretizando a presente invenção.

[0014] A Fig. 2 é uma vista explodida do conjunto de perfuração.

[0015] A Fig. 3 é uma vista em seção transversal do conjunto de perfuração em uma condição de espera no fundo do furo.

[0016] A Fig. 4 é uma vista em seção transversal do conjunto de perfuração no final do curso de acionamento e início do curso de retorno.

[0017] A Fig. 5 é uma vista em seção transversal do conjunto de perfuração no meio do curso de acionamento e do curso de retorno.

[0018] A Fig. 6 é uma vista em seção transversal do conjunto de perfuração no início do curso de acionamento e no final do curso de retorno.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0019] Antes de quaisquer modos de realização da invenção serem explicados em detalhes, é preciso entender que a invenção não está limitada, em sua aplicação, aos detalhes de construção e arranjos de componentes estabelecidos na descrição seguinte ou ilustrados nos desenhos a seguir. A invenção é capaz de outros modos de realização e de ser praticada ou executada de várias maneiras. Além disso, é preciso entender que a fraseologia e terminologia aqui utilizadas são com o propósito de descrição e não devem ser consideradas como limitativas. O uso de “incluindo”, “compreendendo”, ou ''tendo” e suas variações serve aqui para abranger os itens enumerados em seguida e equivalentes dos mesmos, bem como itens adicionais. A menos que especificados ou limitados de outra maneira, os termos “montado”, “conectado”, “suportado” e “acoplado” e suas variações são usados de forma ampla e abrangem tanto montagens, conexões, suportes e acoplamentos diretos, quanto indiretos. Além disso, “conectado” e “acoplado” não se restringem a conexões ou acoplamentos físicos ou mecânicos.

[0020] Por uma questão de simplicidade e consistência, neste relatório, o termo “axial” significa em uma direção paralela a um eixo central 10 de um conjunto de broca rotativa de assistência percussiva 25 ilustrado nos desenhos. Todos os principais elementos do conjunto de broca 25 explicados abaixo são geralmente em forma de anel ou cilíndricos e, portanto, todos têm superfícies internas e externas. O termo “superfície interna” significa a superfície voltada em direção ao eixo central 10 ou, de modo geral, em direção ao interior do conjunto de broca 25 e o termo ''superfície externa” significa a superfície voltada em direção oposta ao eixo central 10 ou, de modo geral, em direção oposta ao interior do conjunto de broca 25. Todos os elementos também têm primeira e segunda extremidades que, usando-se a convenção do modo de realização ilustrado, serão referidas como extremidades de “topo” e de “fundo” em relação à orientação típica de operação do conjunto de broca rotativa 25, cuja orientação é ilustrada nas Figs. 2-6. Além disso, termos como “acima e “elevado” descrevem uma posição relativa enquanto o conjunto de broca 25 está na orientação de operação típica.

[0021] Embora a invenção seja ilustrada nos desenhos e descrita abaixo no modo de realização de um PARD (ou seja, tendo tanto aspectos rotativos, quanto de impacto para a operação de perfuração), este modo de realização não está limitando o escopo da invenção. A invenção também pode ser concretizada por um arranjo de broca DTH puro no qual não há componente rotativo. A invenção pode ser concretizada por arranjos de perfuração usando, substancialmente, qualquer tipo de broca de perfuração, incluindo uma broca padrão, broca de arraste, broca rotativa, ou outra superfície de corte adequada para ou adaptável a carregamento por impacto. A invenção também pode ser concretizada substancialmente em qualquer outra aplicação de martelo de furo abaixo na qual pelo menos uma porção do fluido motriz seja expelido por algum outro lugar que não seja através da broca de perfuração.

[0022] As Figs. 1 e 2 ilustram uma placa de fluxo 15, uma válvula de retenção 20, e um conjunto de broca rotativa de assistência percussiva 25. O conjunto de broca 25 inclui os seguintes componentes básicos: uma junta de ferramenta rotativa ou sub de topo 30, um tubo de controle 35, uma cabeça de cilindro 40, um cilindro 45, um pistão ou atuador 50, uma luva externa 55, um anel de pressão 60, um mancal de broca 65, um retentor de broca ou um anel fendido 70, uma arruela 75, um mandril 80, e um adaptador de haste 85. Um conjunto de martelo da ferramenta 25 inclui o pistão alternado ilustrado 50 ou outro atuador e outros componentes que controlam o fluxo de fluido motriz para atuar o pistão 50 ou outro atuador.

[0023] O sub de topo 30 inclui um conector de roscas macho do American Petroleum Institute (“API”) 90 adaptado para ser recebido de modo rosqueado dentro de um tubo de perfuração DP. O sub de topo 30 também inclui um corpo principal 95 que inclui uma porção cilíndrica de diâmetro grande 100 e uma porção cilíndrica de diâmetro pequeno 105. Um degrau ou ombro 110 é definido entre as porções cilíndricas de diâmetros grande e pequeno 100, 105. O topo da porção cilíndrica de diâmetro grande 100 define uma face de exaustão 115 ao redor do conector API 90. A extremidade de fundo 120 da porção cilíndrica de diâmetro pequeno 105 tem um diâmetro reduzido. Um furo de sub de topo 125 se estende axialmente através do centro do sub de topo 30. O corpo principal 95 inclui múltiplos furos de exaustão 130 arranjados ao redor e, geralmente, paralelos ao furo de sub de topo 125.

[0024] A placa de fluxo 15 e a válvula de retenção 20 são em forma de anel e envolvem o conector API 90 do sub de topo 30. No modo de realização ilustrado, a placa de fluxo 15 é pressionada ou presa contra a face de exaustão 115 pelo tubo de perfuração DP quando o tubo de perfuração DP é rosqueado no conector API 90. Em outros modos de realização, a placa de fluxo pode fazer parte ou ser integral com a cabeça traseira. A placa de fluxo 15 inclui furos de exaustão 135 que se comunicam com o espaço ao redor do conjunto de broca 25 e tubo de perfuração DP. A válvula de retenção 20 é livre para se mover axialmente dentro do espaço definido entre a placa de fluxo de 15 e o sub de topo 30 (a câmara de estrangulamento, como será discutido abaixo). Como será discutido abaixo em maior detalhe, a placa de fluxo 15, válvula de retenção 20, ou a combinação da placa de fluxo 15 e válvula de retenção 20 opera como um regulador para a operação do pistão 50.

[0025] O tubo de controle 35 inclui uma extremidade alargada de montagem 140 recebida dentro do furo do sub de topo 125. O tubo de controle 35 define um furo de controle se estendendo axialmente 145. Uma pluralidade de vedações anel-O 150 (Fig. 3) provê uma vedação substancialmente impermeável a ar entre o sub de topo 125 e a superfície externa da extremidade alargada de montagem 140 do tubo de controle 35. Consequentemente, o fluido escoando através do furo do sub de topo 125 é impedido substancialmente de escoar ao redor da superfície externa da extremidade alargada de montagem 140 e, em vez disso, é forçado a escoar para o furo de controle 145. O tubo de controle também inclui 35 orifícios de suprimento de acionamento 155 e orifícios de suprimento de retorno 160 se comunicando através dos lados do tubo de controle 35.

[0026] A cabeça de cilindro 40 inclui um flange em forma de anel 165, uma superfície de suporte em forma de anel 170, cercada e rebaixada em relação ao flange 165, e uma saia pendente 175. A superfície de suporte 170 define um furo central 180 através do qual o tubo de controle 35 se estende. A extremidade alargada de montagem 140 do tubo de controle 35 e um dos anéis-O de vedação 150 se apoiam contra a superfície de apoio 170 para criar uma vedação substancialmente impermeável a ar entre o tubo de controle 35 e a superfície de suporte 170. Consequentemente, não há, substancialmente, nenhum fluxo de fluido através do furo central 180 da cabeça de cilindro 40, exceto através do furo de controle 145 do tubo de controle 35. A extremidade de fundo 120 da seção cilíndrica de diâmetro pequeno 105 se apoia à superfície de suporte 170 da cabeça de cilindro 40, que posiciona as extremidades de fundo dos furos de exaustão 130 adjacentes ao flange 165. Fluidos de exaustão escoando ao redor da cabeça de cilindro 40 podem escoar para os furos de exaustão 130 do sub de topo 30.

[0027] O cilindro 45 inclui orifícios de exaustão de acionamento 185 e orifícios de exaustão de retorno 190 que se comunicam através de um lado do cilindro 45. O fundo do flange 165 da cabeça de cilindro 40 confina com uma extremidade de topo do cilindro 45, e a saia pendente 175 da cabeça de cilindro 40 se estende para o cilindro 45. Um membro de vedação 195 (Fig. 3) provê uma vedação substancialmente impermeável a ar entre a saia pendente 175 da cabeça de cilindro 40 e a superfície interna do cilindro 45. A extremidade superior do cilindro 45 inclui ranhuras 200 que permitem a exaustão de fluido escoando ao redor do lado externo do cilindro 45 para escoar além da extremidade de topo do cilindro 45.

[0028] O pistão 50 inclui um furo central de pistão 210, uma extremidade de acionamento 215 tendo uma superfície chanfrada em forma de anel 220, uma extremidade de retorno 225 também tendo uma superfície chanfrada em forma de anel 230, e uma porção intermediária de diâmetro alargado 235. O furo de pistão 210 é dimensionado, aproximadamente, para receber o tubo de controle 35 de modo que o pistão 50 fique livre para deslizar ao longo do tubo de controle 35, enquanto mantém tolerâncias estreitas e vedação substancialmente impermeável a ar entre o furo de pistão 210 e a superfície externa do tubo de controle 35. Uma pluralidade de condutos de acionamento 240 se comunica entre o furo de pistão 210 e a superfície chanfrada 220 sobre a extremidade de acionamento 215 do pistão 50 e uma pluralidade de condutos de retorno 245 se comunica entre o furo de pistão 210 e a superfície chanfrada 230 sobre a extremidade de retorno 225 do pistão 50. Como será explicado abaixo em maior detalhe, quando o pistão 50 alterna ao longo do tubo de controle 35, os condutos de acionamento 240 são colocados em comunicação com os orifícios de suprimento de acionamento 155 do tubo de controle 35, ou os condutos de retorno 245 são colocados em comunicação com os orifícios de suprimento de retorno 160 do tubo de controle 35. O pistão 50 é recebido dentro do cilindro 45, e a porção intermediária de diâmetro alargado 235 do pistão 50 é dimensionada, aproximadamente, para deslizar contra a superfície interna do cilindro 45.

[0029] Uma superfície interna da luva externa inclui 55 roscas em cada uma das extremidades de topo e de fundo. A superfície interna também inclui ombros internos e outras superfícies (visíveis nas Figs. 3-6) contra as quais se apoiam o sub de topo 30, cilindro 45, anel de pressão 60, e mandril 80. As roscas externas sobre o corpo principal 95 do sub de topo 30 são rosqueadas nas roscas na extremidade de topo da luva externa 55. O anel de pressão 60 é posicionado contra uma porção da superfície interna da luva externa 55, e o mancal de broca 65 e anel fendido 70 são empilhados contra o anel de pressão 60 dentro da luva externa 55.

[0030] O mandril 80 inclui uma porção estriada internamente 250 que tem sulcos internos 255 e roscas externas, e uma porção de cabeça alargada 260 que define uma superfície de suporte em forma de anel 265 na base da porção estriada internamente 250. A arruela 75 se assenta sobre a superfície de suporte em forma de anel 265 ao redor da porção estriada internamente 250. A porção estriada internamente 250 é rosqueada na extremidade de fundo da luva externa 55 até que a extremidade de fundo da luva externa 55 se apoie contra a arruela 75 e a superfície de suporte em forma de anel 265. A porção estriada internamente 250 do mandril 80 força o anel fendido 70 e o mancal de broca 65 contra o anel de pressão 60 quando o mandril 80 é rosqueado na luva externa 55.

[0031] O adaptador de haste 85 inclui uma bigorna 280 em sua extremidade de topo, uma porção estriada externamente 285 tendo sulcos externos 290, e uma cabeça de montagem de broca 295 em sua extremidade de fundo. Um furo de adaptador 300 se estende axialmente da extremidade de topo para a extremidade de fundo do adaptador de haste 85. A bigorna 280 é recebida dentro do mancal de broca 65, com o tubo de controle 35 se estendendo para o furo de adaptador 300. A bigorna 280 inclui ranhuras de sopro descendente externas 305 que permitem soprar para baixo o fluido de exaustão através do mancal de broca 65, anel fendido 70, e mandril 80 para habilitar a parada mais rápida do ciclo de conjunto de martelo.

[0032] A cabeça de retenção de broca 295 inclui roscas internas ou outro aparelho de conexão adequado para receber uma broca de perfuração rotativa (por exemplo, um tricone) DB ou outra peça de trabalho adequada para perfurar rocha. Em outros modos de realização, todo o adaptador de haste 85 pode ser formado integralmente com a broca de perfuração DB, em vez de ser provido como partes separadas, como ilustrado. A broca de perfuração DB inclui uma superfície externa ou superfície de trabalho que se apoia contra a rocha ou outro material sendo perfurado.

[0033] Os sulcos externos 290 da porção estriada 285 engrenam com os sulcos internos 255 do mandril 80 de modo que torque é transmitido do mandril 30 para o adaptador de haste 85, enquanto é permitido ao adaptador de haste 85 se mover axialmente dentro do mandril 80. Bordas de topo dos sulcos externos 290 e uma superfície de fundo da bigorna 280 definem superfícies de parada para a movimentação axial do adaptador de haste 85 em relação ao mandril 80. O anel fendido 70 é montado ao redor do adaptador de haste 85 entre as superfícies de parada.

[0034] O conjunto de broca 25 é montado estendendo-se o tubo de controle 35 através do furo central 180 da cabeça de cilindro 40, colocando-se à cabeça de cilindro 40 sobre a extremidade de topo do cilindro 45, e posicionando-se o pistão 50 no interior do cilindro 45 com o tubo de controle 35 se estendendo através do furo de pistão 210. O sub de topo 30 é, então, posicionado com a extremidade alargada de montagem 140 do tubo de controle 35 dentro do furo do sub de topo 125 e rosqueado na extremidade de topo da luva externa 55 de modo que a extremidade de fundo 120 do sub de topo 30 se apoie contra a superfície de suporte 170 da cabeça de cilindro 40. Existe um vão entre o ombro 110 e o topo da luva externa 55, que pode ser referido como “afastamento”. Em seguida, o anel de pressão 60 e o mancal de broca 65 são posicionados dentro da luva externa e o subconjunto de anel fendido 70, adaptador de haste 85, mandril 80, e arruela 75 é inserido na extremidade mais inferior da luva externa 55. A seção estriada internamente 250 do mandril 80 é rosqueada na extremidade de fundo da luva externa 55. Chaves inglesas são, então, aplicadas a porções planas 307 sobre o sub de topo 30 e o adaptador de haste 85, e torque é aplicado a ambos para fazer com que o sub de topo 30 seja rosqueado ainda mais na extremidade de topo da luva externa 55 de modo que a extremidade de fundo 120 empurre a cabeça de cilindro 40 para o topo do cilindro 45 e crie uma carga de fixação para manter a cabeça de cilindro 40 e o cilindro 45 mutuamente travados durante as fortes vibrações resultantes do uso do conjunto de broca 25.

[0035] Com referência à Fig. 3, quando o conjunto de perfuração 25 não está sendo empurrado contra a rocha e está simplesmente submetido às forças resultantes da gravidade, o adaptador de haste 85 fica no fundo com a superfície de fundo da bigorna 280 se apoiando sobre o topo do anel fendido 70. Com referência às Figs. 4-6, quando o conjunto de broca 25 é encaixado à rocha, o adaptador de haste 85 é empurrado para cima até atingir o ponto mais alto, onde os topos dos sulcos externos 290 confinam com o fundo do anel fendido 70 e a cabeça de montagem de broca 295 se apoia contra a cabeça alargada 260 do mandril 80.

[0036] Quando montado, o conjunto de broca 25 define um furo central, que consiste do furo de sub de topo 125, do furo de controle 145, e do furo de adaptador 300. O conjunto de broca 25 também define várias passagens e câmaras. Uma câmara de acionamento 325 é definida entre a cabeça de cilindro 40, a superfície interna do cilindro 45, a superfície externa do tubo de controle 35, e a extremidade de acionamento 215 do pistão 50. Uma câmara de retorno 330 é definida entre a extremidade de retorno 225 do pistão 50, a superfície interna do cilindro 45, a superfície interna da luva externa 55, o topo do mancal de broca 65, a bigorna 280 e a superfície externa do tubo de controle 35. Uma câmara de exaustão anular 335 é definida entre a superfície externa do cilindro 45 e a superfície interna da luva externa 55. Uma câmara de estrangulamento 340 é definida entre a placa de fluxo 15 e a face de exaustão 115 do sub de topo 30. A válvula de retenção 20 fica dentro da câmara de estrangulamento 340.

[0037] O conjunto de broca 25 também define um trajeto de exaustão de broca, um trajeto de fluxo de atuador, e um trajeto de exaustão de atuador. O trajeto do fluxo de atuador e o trajeto de exaustão de atuador estão em série no modo de realização ilustrado, e o trajeto de exaustão de broca é esquematicamente paralelo ao trajeto de fluxo de atuador e ao trajeto de exaustão de atuador. Conforme utilizado em relação aos trajetos de fluxo e de exaustão, o termo “série” significa que o fluido escoa de um trajeto para o outro, e o termo “esquematicamente paralelo” significa que os trajetos não estão em série. O trajeto de exaustão de broca inclui o furo central a jusante dos orifícios de suprimento de acionamento e de retorno 155, 160, e dispensa fluido motriz (por exemplo, ar comprimido) para a broca de perfuração DB onde ele escoa para fora da broca de perfuração DB, sobre a superfície externa da broca de perfuração, e para cima através do furo entre o conjunto de perfuração e a parede de furo quando expelido pela broca. Em outros modos de realização, como sistemas de circulação inversa, a exaustão da broca pode escoar para fora da ferramenta acima da broca de perfuração DB, escoar sobre a superfície externa da broca de perfuração, e retornar à superfície através do furo de broca e outros condutos no tubo de perfuração DP. Os termos "exaustão de broca” e “através da broca de perfuração”, e termos similares, devem ser considerados para cobrir a exaustão que escoa sobre a superfície externa da broca de perfuração, seja em uma direção de circulação regular ou inversa.

[0038] O trajeto de fluxo de atuador inclui os orifícios de suprimento de acionamento 155, condutos de acionamento 240, câmara de acionamento 325, orifícios de exaustão de acionamento 185 (estes quatro componentes, coletivamente, o “lado de acionamento” do trajeto de fluxo de atuador), orifícios de suprimento de retorno 160, condutos de retorno 245, câmara de retorno 330, e orifícios de exaustão de retorno 190 (estes quatro últimos componentes, coletivamente, o “lado de retorno” do trajeto de fluxo de atuador). O trajeto de exaustão de atuador inclui a câmara de exaustão anular 335, as ranhuras 200 no topo do cilindro 45, e os furos de exaustão 130. Fluido motriz que escoa para fora do trajeto de fluxo de atuador através do lado de acionamento e do lado de retorno se torna exaustão de atuador que escoa para o trajeto de exaustão de atuador. O trajeto de exaustão de atuador dispensa a exaustão de atuador para a câmara de estrangulamento 340.

[0039] Na câmara de estrangulamento 340, a exaustão de atuador é restrita uma vez que sobe e escoa ao redor da válvula de retenção 20. Finalmente, a exaustão de atuador escoa para fora da câmara de estrangulamento 340 através dos furos de exaustão 135 na placa de fluxo 15. O fluxo de exaustão de atuador para fora dos furos de exaustão 135 na placa de fluxo 15 ajuda o fluxo ascendente de detritos de corte e de outros detritos sendo evacuados do furo ou poço que está sendo perfurado. A válvula de retenção 20 bloqueia os detritos de corte e outros detritos de cair no trajeto de exaustão.

[0040] Em outros modos de realização, o trajeto de exaustão de atuador pode incluir trajetos de exaustão esquematicamente paralelos para a câmara de acionamento 325 e para a câmara de retorno 330 que podem ventilar a exaustão de atuador em diferentes localizações axiais elevadas em relação à broca de perfuração DB. Alternativamente, um dos trajetos de exaustão esquematicamente paralelos poderia ser em série com o trajeto de exaustão de broca, de modo que alguma exaustão de atuador escoe sobre a superfície externa do broca de perfuração DB. O trajeto de exaustão de atuador ilustrado pode ser vantajoso ao longo de um trajeto de exaustão que expila uma ou ambas das câmaras de acionamento e de retorno 325, 330 sobre a superfície externa da broca de perfuração DB, devido ao fato dele reduzir o volume de fluxo de fluido sobre a superfície externa da broca de perfuração DB. A redução a vazão volumétrica sobre a broca de perfuração DB e outros membros externos podem reduzir as taxas de desgaste desses componentes e aumentar a vida útil do componente.

[0041] Será apreciado que, embora o modo de realização ilustrado inclua um trajeto de exaustão de atuador que ventila a exaustão de atuador pelo topo do conjunto de broca 25, a invenção é aplicável a qualquer modo de realização que inclua exaustão elevada, isto significando furos de exaustão acima da broca de perfuração DB ou em outro lugar, para evitar, substancialmente, o escoamento de qualquer uma das exaustões atuador sobre a superfície externa da broca de perfuração DB. Por exemplo, podem ser providos furos de exaustão através da luva externa 55.

[0042] Em operação, uma força de rotação convencional aciona a rotação do tubo de perfuração DP. Torque do tubo de perfuração DP é transmitido para a broca de perfuração DB através de um trajeto de torque que inclui o sub de topo 30, luva externa 55, mandril 80, e adaptador de haste 85. No modo de realização ilustrado, todos os elementos do trajeto de torque são acoplados por meio de interconexões rosqueadas, exceto entre o mandril 80 e o adaptador de haste 85 que é por meio de sulcos 255, 290. Em outros modos de realização, os elementos no trajeto de torque podem ser acoplados de outras maneiras diferentes das conexões por roscas e sulcos, desde que o propósito essencial de transferência de torque seja atendido.

[0043] Durante o modo de espera (Fig. 3), quando o conjunto de broca 25 não está encaixado contra o fundo de um furo ou poço que esteja sendo perfurado, o adaptador de haste 85 fica no fundo sob influência da gravidade e o pistão 50 repousa sobre a bigorna 280. Nesta condição, por vezes referida como de alívio, os orifícios de suprimento de acionamento 155 do tubo de controle 35 não estão alinhadas com os condutos de acionamento 240 do pistão 50 (estão, de fato, acima do pistão), e os orifícios de suprimento de retorno 160 do tubo de controle 35 não estão alinhadas com os condutos de retorno 245 do pistão 50 (que são bloqueados pela porção intermediária 235). Fluido motriz é geralmente suprido através do tubo de perfuração DP durante o modo de espera. Este fluido motriz flui através do trajeto de exaustão de broca e o lado de acionamento do trajeto de fluxo de atuador (exceto quando o fluido motriz flui diretamente dos orifícios de suprimento de acionamento 155 para a câmara de acionamento 325, sem fluir através dos condutos de acionamento 240) e é expelido como exaustão de broca e exaustão de atuador. A exaustão de broca e a exaustão de atuador dificultam a entrada de detritos no conjunto de broca 25 durante o modo de espera, e provê trajetos de fluxo suficientes para impedir aumento significativo de pressão no conjunto de broca 25.

[0044] Quando a broca de perfuração DB é baixada até o fundo do furo e encaixa a rocha ou outra substância a ser perfurada, o adaptador de haste 85 é empurrado para cima para a posição ilustrada na Figura. 4. À medida que o adaptador de haste 85 se move para cima, ele também empurra o pistão 50 para cima. Os condutos de retorno 245 registram com os orifícios de suprimento de retorno 160 quando o adaptador de haste 85 se aproxima de sua posição final de topo. Uma vez que os condutos de retorno 245 sejam colocados em comunicação com os orifícios de suprimento de retorno 160, o fluxo de atuador é direcionado para o lado de retorno. O fluxo de atuador alterna entre o lado de acionamento e o lado de retorno para fazer com que o pistão 50 alterne e impacte a bigorna 280. Em outros modos de realização, os lados de acionamento e de suprimento podem acionar operação de pistão não alternadas. A exaustão de broca continua a lavar detritos de corte e outros detritos ao redor do exterior da broca DB. A exaustão de broca e a exaustão de atuador, em conjunto, empurram estes detritos para a superfície através do furo que está sendo perfurado.

[0045] O ciclo de alternância de pistão 50 será descrito a seguir, com a movimentação ascendente do pistão 50 referida como o “curso de retorno” e a movimentação descendente referida como o “curso de acionamento”. Com referência às Figs. 4-6, o suprimento de fluido motriz e a lógica de exaustão de fluido são controlados e cronometrados pelas posições relativas dos orifícios de suprimento de acionamento 155 e orifícios de suprimento de retorno 160, os condutos de acionamento 240 e condutos de retorno 245, e os orifícios de exaustão de acionamento 185 e orifícios de exaustão de retorno 190.

[0046] Com referência à Fig. 4, durante a porção terminal do curso de acionamento e a porção inicial do curso de retorno, a porção intermediária 235 do pistão 50 cobre o orifício de exaustão de retorno 190 e os condutos de retorno 245 registram com os orifícios de suprimento de retorno 160, enquanto, ao mesmo tempo os orifícios de exaustão de acionamento 185 são verificados pela porção intermediária 235 do pistão 50 (ou seja, os orifícios de exaustão de acionamento 185 se comunicam com a câmara de acionamento 325) e os condutos de acionamento 240 não são registrados com os orifícios de suprimento de acionamento 155. Desse modo, durante a porção terminal do curso de acionamento, há uma ligeira compressão de fluido na câmara de retorno 330, mas essa compressão é insignificante e não afeta materialmente o momento do pistão 50 e seu impacto sobre a bigorna 280, e esta compressão é dissipada por sopro descendente através de sulcos 305. Durante a porção inicial do curso de retorno há um rápido acúmulo de pressão na câmara de retorno 330 devido ao fluido motriz, circulando através dos condutos de retorno 245. Adicionalmente, a movimentação ascendente inicial do pistão 50 não é limitada por pressão oposta significativa na câmara de acionamento 325 devido ao fato do fluido na câmara de acionamento 325 ser expelido pelos orifícios de exaustão de acionamento 185 para o trajeto de exaustão descrito acima.

[0047] Com referência à Fig. 5, durante o segmento médio dos cursos de acionamento e retorno, a porção intermediária 235 do pistão 50 cobre os orifícios de exaustão de acionamento 185 e os orifícios de exaustão de retorno 190, e nem os condutos de acionamento 240, nem os condutos de retorno 245 são registrados com os respectivos orifícios de suprimento de acionamento 155 ou orifícios de suprimento de retorno 160. Deste ponto até o final dos cursos de acionamento e retorno, o pistão 50 se move parcialmente sob a influência de acúmulo de pressão nas respectivas câmaras de acionamento e de retorno 325, 330 durante a porção inicial do curso e, parcialmente, sob a influência do momento. À medida que o volume nas câmaras de acionamento e de retorno 325, 330 aumenta devido à movimentação do pistão 50 nos respectivos cursos de acionamento e de retorno, o componente da movimentação auxiliado por pressão é reduzido, e o pistão 50 se move, primariamente, sob a influência do momento que adquiriu durante a porção inicial do curso.

[0048] Com referência à Fig. 6, durante a porção terminal do curso de retorno e a porção inicial do curso de acionamento, a porção intermediária 235 do pistão 50 cobre o orifício de exaustão de acionamento 185 e os condutos de acionamento 240 registram com os orifícios de suprimento de acionamento 155, enquanto, ao mesmo tempo, os orifícios de exaustão de retorno 190 são verificados pela porção intermediária 235 do pistão 50 (ou seja, os orifícios de exaustão de retorno 190 se comunicam com a câmara de retorno 330) e os condutos de retorno 245 não são registrados com os orifícios de suprimento de retorno 160. Desse modo, durante a porção terminal do curso de retorno, há uma ligeira compressão de fluido na câmara de acionamento 325 para ajudar na prisão da movimentação ascendente do pistão 50. Durante a porção inicial do curso de acionamento, há um rápido acúmulo de pressão na câmara de acionamento 325 devido ao fluido motriz circulando através dos condutos de acionamento 240. Além disso, a movimentação descendente inicial do pistão 50 não é limitada por pressão oposta significativa na câmara de retorno 330 devido ao fato do fluido na câmara de retorno 330 ser expelido através dos orifícios de exaustão de retorno 190 para o trajeto de exaustão descrito acima.

[0049] Assim, a ferramenta de perfuração inclui um orifício de exaustão de acionamento 185 se comunicando com o trajeto de exaustão do atuador e um orifício de exaustão de retorno 190 se comunicando com o trajeto de exaustão de atuador. O movimento alternante do pistão 50 corta pelo menos temporariamente a comunicação entre a câmara de acionamento 325 e o trajeto de exaustão do atuador cobrindo o orifício de exaustão de acionamento 185 com uma porção do pistão 50. Do mesmo modo, o movimento alternante do pistão 50 corta pelo menos temporariamente a comunicação entre a câmara de retorno 330 e o trajeto de exaustão do atuador cobrindo o orifício de exaustão de retorno 190 com uma porção do pistão 50.

[0050] O pistão 50 também inclui condutos de acionamento 240 e condutos de retorno 245. O movimento alternante do pistão 50 coloca pelo menos temporariamente a câmara de retorno 330 em comunicação com o trajeto de fluxo do atuador através dos condutos de retorno 245.

[0051] O conjunto de broca 25 ilustrado, portanto, tem um componente rotativo (a broca de perfuração DB gira sob a influência do torque transmitido através do tubo de perfuração DP e do conjunto de broca 25) e um componente de percussão resultante do pistão 50 impactando a bigorna 280. O impacto do pistão 50 sobre a bigorna 280 é transmitido através do adaptador de haste 85 e da broca DB para a rocha ou outra substância que está sendo perfurada pelo conjunto de broca 25, o que ajuda a operação de perfuração. O impacto direcionado axialmente sobre a bigorna 280 não é suportado por qualquer outro componente do conjunto de broca 25; a distância entre o fundo da bigorna 280 e o topo dos sulcos externos 290 é selecionada para acomodar a maior deflexão esperada da haste de adaptador 85 para impedir que o adaptador de haste 85 se desloque do fundo do furo. Depois de impactar a bigorna 280, o pistão 50 rebota tipicamente um pouco, mas o grau de rebotada depende, pelo menos em parte, da dureza da substância que está sendo perfurada. Os condutos de retorno 245 e os orifícios de suprimento de retorno 160 são dimensionados para registrar um com o outro no caso de não haver rebote ou não haver um grau de rebote dentro de uma faixa esperada. Uma vez que os orifícios de suprimento de retorno 160 e os condutos de retorno 245 se registrem uns com os outros, o ciclo começa novamente.

[0052] Fundamentalmente, o volume e vazões dos fluxos de broca e atuador são definidos pela resistência relativa no atuador e atingem os trajetos de exaustão. O nível de resistência ao fluxo de exaustão de atuador é afetado pelo tamanho e forma dos furos de exaustão 135 na placa de fluxo 15 ou pelo tamanho e a forma da válvula de retenção 20 ou pela interação entre a placa de fluxo 15 e válvula de retenção 20, ou uma combinação de dois ou mais destes fatores. Um trajeto de exaustão de atuador mais restritivo (decorrente, por exemplo, uma válvula de retenção menos levantada 20 e/ou furos de exaustão menos restritivos) resultará em maior força de atuador.

[0053] Quando a resistência ao fluxo de exaustão de atuador aumenta, o mesmo se dá com a contrapressão no trajeto de exaustão de atuador, o que acaba afetando a velocidade com que fluido de exaustão de atuador é empurrado para fora ou deslocado da câmara de acionamento 325 e da câmara de retorno 330 através dos orifícios de exaustão de acionamento 185 e orifícios de exaustão de retomo 190 durante a alternância de pistão 50. A velocidade e frequência de alternância de pistão 50 são afetadas, pelo menos em parte, pela velocidade com que o fluido de exaustão é deslocado para fora da câmara de acionamento 325 e da câmara de retorno 330 através dos orifícios de exaustão de acionamento 185 e orifícios de exaustão de retorno 190. Quanto mais rápido o fluido motriz puder ser expelido das câmaras de acionamento e de retorno 325, 330, mais rápido o pistão 50 pode alternar e mais força de impacto (“força de atuador”) o pistão 50 pode dispensar para a broca de perfuração DB.

[0054] Um operador do conjunto de broca 25 pode ajustar a divisão entre o fluxo de broca e de atuador mudando o tamanho ou a forma da válvula de retenção 20, o espaço dentro da câmara de estrangulamento 340 acomodando movimentação axial da válvula de retenção 20, o tamanho ou a forma dos furos de exaustão 135 na placa de fluxo 15, ou uma combinação desses fatores. Devido ao fato da placa de fluxo 15 e a válvula de retenção 20 serem presas ao conjunto da broca 25 apenas pela conexão do tubo de perfuração DP aprisionando e fixando a placa de fluxo 15 contra o sub de topo 30, a placa de fluxo 15 e/ou a válvula de retenção 20 podem ser removidas e substituídas simplesmente desconectando o tubo de perfuração DP, substituindo as partes, e reconectando o tubo de perfuração DP. Além de desconectar e reconectar o tubo de perfuração DP, não há fixadores ou outras conexões que devam ser removidos ou soltos no processo de mudança da válvula de retenção 20 no modo de realização ilustrado,

[0055] Além disso, a substituição da placa de fluxo 15 e/ou da válvula de retenção 20 não requer a desconexão da luva externa 55 do sub de topo 30 ou do mandril 80 ou qualquer outra desmontagem do conjunto de broca 25, devido ao fato da placa de fluxo 15 e da válvula de retenção 20 serem partes externas. Além disso, a mudança da placa de fluxo 15 e/ou da válvula de retenção 20 permite que a saída de força de atuador seja ajustada, enquanto mantém a pressão de suprimento constante. Desse modo, o subconjunto de placa de fluxo 15 e válvula de retenção 20 permitem que se ajuste a força de atuador independente de suprimento de pressão simplesmente mudando-se uma parte externa e sem a necessidade de uma mudança no bocal de broca, e, pode-se dizer que a placa de fluxo 15 e a válvula de retenção 20 funcionam como um regulador para os fluxos de broca e de atuador.

[0056] A operação do trajeto de exaustão de broca esquematicamente paralelo com o trajeto de fluxo de atuador e com o trajeto de exaustão de atuador é vantajosa em relação à operação dos trajetos em série. O pistão 50 opera com pressão total do sistema e, portanto, desenvolve mais força de atuador quando impulsionado pelo fluxo de atuador esquematicamente paralelo em relação ao fluxo de broca, do que quando comparado ao fluxo de atuador em série com o fluxo de broca. Os fluxos de broca e de atuador esquematicamente paralelos atingem o duplo benefício de limpeza de detritos de corte e outros detritos com desgaste mínimo de broca via fluxo de broca, e reforçando o fluxo de limpeza de furo acima do conjunto de broca 25 via exaustão de atuador elevada para ajudar na remoção de detritos de corte e outros detritos do furo. O modo de realização ilustrado da presente invenção, por conseguinte, expele toda a exaustão de atuador para fora de uma exaustão elevada (para fora do topo do conjunto de broca 25 no modo de realização ilustrado) e toda a exaustão de broca para fora do fundo do conjunto de broca 25 através da broca de perfuração DB. Em outros modos de realização, é possível a exaustão de apenas um dos lados de acionamento e do lado de retorno (ou seja, menos do que todo o fluxo de atuador) através de uma exaustão elevada e do outro lado da broca de perfuração DB.

[0057] Em um arranjo em série no qual exaustão de atuador é reciclada como fluxo de broca, a contrapressão no trajeto de fluxo de broca pode afetar a velocidade de escoamento de exaustão de atuador, o que pode reduzir, desnecessariamente, a força de atuador. Um arranjo esquematicamente paralelo dos fluxos de broca e de atuador dissocia a contrapressão no trajeto de exaustão de broca do trajeto de fluxo de atuador.

[0058] Uma vantagem da presente invenção é prover maior frequência de cargas de impacto à broca de perfuração DB em comparação aos conjuntos de DTH e PARD conhecidos com uma pressão igual e tamanho similar de dimensão externa da ferramenta. Por exemplo, e sem limitação, enquanto um martelo padrão de DTH de 20,32cm pode operar a uma frequência de cerca de 16Hz a 689,5kPa, um martelo de furo abaixo de tamanho similar de acordo com presente invenção operando com a mesma pressão pode operar a cerca de 25Hz. A presente invenção operará em uma ampla faixa de pressões de fluido motriz, com uma faixa típica de pressões de operação em torno de 344,7kPa-689,5kPa, mas também pode operar sob pressão mais alta (por exemplo, cerca de 1.034,2kPa) em ambientes de perfuração rotativa ou mesmo pressões muito mais elevadas se for utilizada em ambientes de perfuração de óleo e gás.

[0059] Desse modo, a invenção provê, entre outras coisas, um martelo de furo abaixo que expele pelo menos uma porção do fluido motriz através de uma porção da perfuração diferente da broca de perfuração. A invenção também provê um martelo de furo abaixo tendo trajetos de fluxo de broca e de atuador esquematicamente paralelos. Várias características e vantagens da invenção são definidas nas reivindicações a seguir.

Claims

Ferramenta de perfuração de furo abaixo (25) adaptada para operação sob a influência de fluido motriz, a ferramenta de perfuração de furo abaixo (25) compreendendo:
uma broca (DB) adaptada para perfurar rocha, a broca tendo uma superfície externa,
um conjunto de martelo operável para dispensar carga de impacto para a broca (DB) para facilitar a perfuração da rocha e incluindo um pistão (50) compreendendo um furo de pistão central (210), uma superfície externa (220, 230), o pistão tendo um arranjo de válvula e orifícios de suprimento para controlar um fluxo de fluido motriz para atuar o pistão;
um trajeto de exaustão de broca (300) adaptado para ventilar uma porção do fluido motriz através da broca, um trajeto de fluxo de atuador (155, 160, 240, 245, 325, 330) adaptado para conduzir uma porção de fluxo de atuador do fluido motriz, e um trajeto de exaustão de atuador (185, 190, 335, 200, 340, 130) adaptado para ventilar a exaustão de atuador da ferramenta (25), em que o trajeto de exaustão de broca (300) é esquematicamente paralelo ao trajeto de fluxo do atuador (155, 160, 240, 245, 325, 330) e esquematicamente paralelo à pelo menos uma porção do trajeto de exaustão do atuador (185, 190, 335, 200, 340, 130),
um tubo de controle (35) recebendo um fluxo de fluido motriz, e um meio para dificultar (20) a ventilação da exaustão do atuador da ferramenta (25),
caracterizada pelo fato de que:
o tubo de controle inclui orifícios (155, 160),
o pistão (50) compreende condutos (240, 245) se comunicando entre o furo de pistão central (210) e a superfície externa (220, 230), o furo de pistão (210) recebendo o tubo de controle (35), o pistão (50) alternando ao longo do tubo de controle (35) para periodicamente colocar os condutos (240, 245) em comunicação com os orifícios (155, 160) para controlar o fluxo de fluido motriz para acionar o pistão (50), e em que a movimentação alternante do pistão (50), pelo menos temporariamente, corta a comunicação entre a câmara de acionamento (325) e o trajeto de exaustão de atuador, enquanto coloca a câmara de acionamento (325) em comunicação com o trajeto do fluxo de atuador e a câmara de retorno (330) em comunicação com o trajeto de exaustão de atuador e, pelo menos corta temporariamente, a comunicação entre a câmara de retorno (330) e o trajeto de exaustão de atuador enquanto coloca a câmara de retorno (330) em comunicação com o trajeto do fluxo de atuador, e a câmara de acionamento (325) em comunicação com o trajeto de exaustão de atuador;
o trajeto de fluxo de atuador sendo parcialmente definido pelos condutos (240, 245) no pistão (50) e adaptado para separar do fluido motriz uma porção de fluxo do atuador para acionar alternância do pistão (50), a porção de fluxo do atuador se tornando exaustão do atuador após acionar a operação do pistão (50), a porção do fluido motriz não separada quando a porção de fluxo do atuador se torna uma porção de exaustão de broca do fluido motriz;
o trajeto de exaustão de atuador (185, 190, 335, 200, 340, 130) adaptado para ventilar a exaustão de atuador da ferramenta (25) acima da broca (DB) de tal modo que nenhuma exaustão de atuador escoe sobre a superfície externa da broca (DB); e
o meio para dificultar (20) sendo localizado no trajeto de exaustão do atuador (185, 190, 335, 200, 340, 130) e sendo ajustável para mudar uma proporção da porção de fluxo do atuador para a porção de exaustão de broca do fluido motriz.
Ferramenta de perfuração (25) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o trajeto de exaustão do atuador ventila a exaustão do atuador em uma posição que está acima do pistão (50) através do mesmo a faixa total de movimento do pistão (50).
Ferramenta de perfuração (25) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o trajeto de fluxo de atuador incluir um lado de acionamento (240, 325) e um lado de retorno (245, 330) adaptados para conduzir a porção de fluxo do atuador para aplicar forças alternadas sobre o pistão (50) para provocar a operação do conjunto de martelo; e em que pelo menos um do lado de acionamento (240, 325) e do lado de retorno (245, 330) se comunica com o trajeto de exaustão de atuador (185, 190, 335, 200, 340, 130) para ventilar exaustão de atuador acima da broca (DB).
Ferramenta de perfuração (25) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o trajeto de fluxo de atuador incluir um lado de acionamento (240, 325) e um lado de retorno (245, 330) adaptados para conduzir a porção de fluxo do atuador para aplicar forças alternadas sobre o pistão (50) para provocar a operação do conjunto de martelo; e em que ambos, o lado de acionamento (240, 325) e o lado de retorno (245, 330) se comunicam com o trajeto de exaustão de atuador (185, 190, 335, 200, 340, 130) para ventilar exaustão de atuador acima da broca (DB).
Ferramenta de perfuração (25) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente uma câmara de acionamento (325) acima do pistão (50) e uma câmara de retorno (330) entre o pistão (50) e a broca de perfuração (DB); em que o pistão (50) é suportado para movimentação alternante em direção e na direção oposta à broca de perfuração (DB) em resposta ao fluxo de atuador se comunicando alternadamente com as câmaras de acionamento (325) e de retorno (330), respectivamente.
Ferramenta de perfuração (25) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de os meios para dificultar incluírem uma placa de fluxo (15) definindo, pelo menos parcialmente, uma câmara de estrangulamento (340) e uma válvula de retenção (20) dentro da câmara de estrangulamento (340); e em que a placa de fluxo (15) é adaptada para ser fixada à ferramenta de perfuração (25) pelo acoplamento do tubo de perfuração (DP) à ferramenta de perfuração (25).
Método para operar uma ferramenta de perfuração furo abaixo (25) adaptada para operação sob a influência de um fluido motriz definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:
receber o tubo de controle (35) dentro do furo e pistão central (210) do pistão (50) para alternar o pistão (50) ao longo do tubo de controle (35) para periodicamente colocar os condutos (240, 245) em comunicação com os orifícios (155, 160);
definir um trajeto de fluxo de atuador (155, 160, 240, 245, 325, 330) pelo menos parcialmente com os orifícios (155, 160) e condutos (240, 245) em resposta aos condutos (240, 245) estando em comunicação com os orifícios (155, 160);
prover um fluxo de fluido motriz para dentro de um tubo de controle (35);
separar o fluxo do fluido motriz em uma porção de fluxo do atuador e uma porção de exaustão da broca;
conduzir a porção de exaustão da broca através de um trajeto de exaustão de broca (30) para ventilar a porção de exaustão de broca fora da ferramenta (25) através da broca (DB);
conduzir a porção de fluxo do atuador através do trajeto de fluxo do atuador (155 160, 240, 245, 325, 330);
acionar alternância do pistão (50) sob a influência da porção de fluxo do atuador;
converter a porção de fluxo do atuador em exaustão do atuador após acionar a alternância do pistão (50);
conduzir a exaustão do atuador através de um trajeto de exaustão do atuador (185, 190, 335, 200, 130, 340) para ventilar a exaustão do atuador da ferramenta (25) acima da broca (DB) de modo que nenhuma exaustão do atuador escoe sobre a superfície externa da broca (DB);
posicionar os meios para dificultar (20) no trajeto de exaustão do atuador (185, 190, 335, 200, 130, 340); e
ajustar os meios para dificultar (20) para mudar a proporção da porção de fluxo do atuador para a porção de exaustão de broca.