ES2322381T3 - Metodo para romper una roca. - Google Patents
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Abstract
Un método para romper una roca a perforar durante la perforación de una roca, método en el cual la roca a perforar se somete a pulsos de tensión sucesivos usando la presión de un fluido de presión mediante una herramienta, de manera que la energía de la onda de tensión transmitida desde la herramienta a la roca provoca que la roca se rompa, caracterizado por que las ondas de tensión que se generan sometiendo la herramienta, tal como una varilla de perforación, periódicamente a una fuerza de compresión de manera que la fuerza de compresión genera una onda de tensión en la herramienta, generándose la fuerza de compresión provocando que la presión del fluido de presión afecte directa o indirectamente al extremo de la herramienta durante un periodo de tiempo de generación del pulso de tensión, de manera que la fuerza generada por la presión comprime la herramienta, ejerciéndose los pulsos de tensión sobre la roca a una alta frecuencia y mediante una proporción de carga (alpha) calculada en base a los valores de la frecuencia (f) y la longitud (t p) de la onda de tensión que es de al menos 0,075.
Description
Método para romper una roca.
La invención se refiere a un método para romper
una roca a perforar durante la perforación de una roca, método en
el cual la roca a perforar se somete a ondas de tensión sucesivas
mediante una herramienta de manera que la energía de la onda de
tensión transmitida desde la herramienta a la roca provoca que la
roca se rompa.
Al perforar rocas o similares, la roca se rompe
al conducir una onda de tensión a la roca mediante una herramienta,
tal como una varilla de perforación o una broca en su extremo. Una
onda de tensión se genera hoy en día típicamente golpeando el
extremo de la herramienta con un pistón de percusión que se mueve
hacia atrás y hacia adelante en una máquina de perforación de rocas
o un dispositivo de percusión mediante un medio de presión. En la
perforación de rocas, tanto el suministro de una onda de tensión
como la rotación de la herramienta tienen lugar simultáneamente,
aunque la rotura del material de roca se basa actualmente en la
energía de la onda de tensión transmitida desde la herramienta a la
roca.
Típicamente, aproximadamente un 50 a 80% del
contenido de energía de la onda de tensión se transmite a la roca a
romper. La energía transmitida al material de roca provoca
macro-grietas, la rotura del material de roca y
ondas elásticas. La energía relacionada con las ondas elásticas se
pierde con respecto a la rotura del material de roca. Por otro
lado, la producción de macro-grietas, con respecto a
la rotura, es más eficaz que la trituración de un material de roca.
Debido a las macro-grietas, grandes partículas se
separan del material de roca, mientras que en la trituración el
material de roca se muele hasta hacerse completamente fino, lo que
requiere una gran cantidad de energía. De esta manera, sería
preferible generar un número de macro-grietas tan
grande como sea posible en lugar de triturar la
roca.
roca.
Los dispositivos de percusión actuales generan
ondas de tensión a una baja frecuencia, típicamente de 20 a 100 Hz,
siendo la longitud de la onda de tensión bastante corta es decir de
aproximadamente 0,2 a 1,6 m. Al mismo tiempo, la amplitud y el
contenido de energía de la onda de tensión son altos. En el punto
máximo, las amplitudes son típicamente de 200 a 300 MPa. Debido a
la amplitud de la onda de tensión, ha sido necesario diseñar las
brocas de botones a usar para que soporten un alto nivel de carga.
Por lo tanto, tiene que haber un gran número de botones de rotura
de roca en una broca de botones y los botones se han diseñado para
soportar picos de carga. Sus formas son, por lo tanto,
desventajosas con respecto a la rotura de la roca. Por lo tanto, lo
que se denomina resistencia de penetración de la broca de botones,
que expresa la proporción de la fuerza ejercida sobre la roca por
la broca de botones respecto a la penetración de los botones, es
grande.
El alto nivel de energía combinado con la forma
desventajosa de los botones conduce a una mala eficacia de rotura y
separación de la roca. En consecuencia, altos valores de la amplitud
de la onda de tensión dan como resultado una vida útil más corta
del equipo de perforación usado, es decir, las varillas de
perforación y las brocas de botones. Sería preferible, respecto a
la generación de macro-grietas, poder usar lo que se
denomina botones con forma agresiva, aunque esto no es posible al
nivel de amplitud de tensión actual. Si fuera posible usar dichos
botones, la rotura de la roca podría hacerse significativamente más
eficaz comparado con las actuales soluciones.
Al desarrollar las actuales soluciones, el foco
de atención se ha centrado generalmente en usar mayores potencias
de percusión y, de esta manera, en usar mayores amplitudes de la
onda de tensión que anteriormente. Sorprendentemente, sin embargo,
se ha observado que puede obtenerse el mismo resultado con el método
de acuerdo con la invención usando, al contrario de la tendencia
actual, amplitudes de onda de tensión significativamente menores que
las
actuales.
actuales.
Un objeto de la invención es proporcionar un
método para romper un material de roca que de como resultado una
mejor eficacia que la actual y que aumente, al mismo tiempo, la
durabilidad y la vida útil del equipo. Este objeto puede
conseguirse mediante un método de acuerdo con la reivindicación
1.
El método de acuerdo con la invención se
caracteriza por pulsos de tensión que se ejercen sobre la roca a
una alta frecuencia y con una baja amplitud de las ondas de tensión,
de manera que la proporción de carga calculada en base a los
valores de la frecuencia y la longitud de la onda de tensión es al
menos 0,075.
Una idea esencial de la invención es usar una
frecuencia de la onda de tensión esencialmente mayor que las
frecuencias actuales, y en correspondencia ondas de tensión
esencialmente más grandes que las ondas de tensión actuales
comparado con el tiempo de ciclo de las ondas de tensión, con lo que
la proporción de carga usada para romper la roca puede hacerse
esencialmente mayor que la proporción de carga del equipo de la
presente inven-
ción.
ción.
Una ventaja de la invención es que una amplitud
de tensión menor que las amplitudes actuales es suficiente para
romper la roca con una mayor proporción de carga. Además, una
ventaja de la invención es que los botones de las brocas de botones
no tienen que conformarse de acuerdo con los requisitos de los picos
de alta tensión, sino que pueden diseñarse a un nivel de tensión
menor para ser menos agresivos, de manera que su efecto de rotura
sobre la roca es mayor que el efecto de las brocas de botones
actuales. Además, usar menores amplitudes de la onda de tensión
permite usar herramientas más ligeras, es decir, varillas de
perforación y otros dispositivos, que los anteriores, mientras que
al mismo tiempo la vida útil de las herramientas puede
alargarse.
La invención se describirá con más detalle en
los dibujos adjuntos en los que
La Figura 1 muestra esquemáticamente y
temporalmente pulsos de tensión de los dispositivos de percusión
actuales;
La Figura 2 muestra, de la misma manera que la
Figura 1, pulsos de tensión de un dispositivo de percusión que
aplica el método de la invención; y
La Figura 3 muestra esquemáticamente una onda de
tensión.
La Figura 1 muestra esquemáticamente y
temporalmente en relación entre sí las ondas de tensión
proporcionadas por un dispositivo de percusión que funciona de
acuerdo con la técnica anterior. El eje vertical muestra la
amplitud de la tensión \sigma de las ondas de tensión y el eje
horizontal muestra el tiempo t. Como se observa a partir de la
Figura 1, la longitud t_{p} de una onda de tensión es bastante
corta comparada con el tiempo de ciclo T entre dos ondas de
tensión. Esto se basa en la onda de tensión generada por un golpe
del pistón de percusión sobre una varilla de perforación, acción
que es proporcional a la longitud del pistón de percusión y, por lo
tanto, bastante corta. Debido al movimiento recíproco del pistón de
percusión, la frecuencia de percusión actualmente es típicamente de
20 a 100 Hz, con lo que la longitud en el tiempo de la onda de
tensión proporcionada por el golpe comparado con el tiempo entre
golpes sucesivos es muy corta. La amplitud \sigma de la onda de
tensión generada simultáneamente es típicamente alta, es decir, de
200 a 300 MPa.
La Figura 2, a su vez, ilustra ondas de tensión
generadas con el método de acuerdo con la invención. En esta
solución de acuerdo con la invención, puede observarse que la
amplitud de la onda de tensión comparada con la onda de tensión de
la Figura 1 es significativamente menor. Como en el método de la
invención la frecuencia de las ondas de tensión es esencialmente
mayor que en las soluciones conocidas, la longitud t_{p} de la
onda de tensión comparada con el tiempo T entre las ondas de tensión
es significativamente mayor que en las soluciones conocidas.
La expresión "proporción de carga \alpha"
para romper rocas define cómo está cargada en el tiempo la roca a
romper. Esto puede expresarse con la ecuación
donde t_{p} es la longitud de la
onda de tensión, f es la frecuencia, L_{p} es la longitud de onda
y c es la velocidad de la onda de tensión en la herramienta. Con
los dispositivos de percusión actuales una proporción de carga
típica
es
\alpha = 0,01
\ a \
0,025
Por ejemplo, con los dispositivos de percusión
que tienen una longitud de pistón de 0,5 m y una frecuencia de 60
Hz, la proporción de carga es de 0,012.
Con el método de acuerdo con la invención, se
consigue una proporción de carga significativamente mayor, con lo
que \alpha => 0,075, preferiblemente al menos 0,1.
En teoría, el máximo de la proporción de carga
es 1, aunque en la práctica no puede ser 1. Parte del tiempo que le
dispositivo está generando una onda de tensión es para la generación
real de la onda de tensión y parte del tiempo para el retorno, es
decir, para moverse a la posición para generar una onda de tensión.
En la práctica, esto significa que como la velocidad de retorno en
realidad no puede ser mayor que la velocidad de generación de una
onda de tensión, la proporción de carga máxima en la práctica es de
aproximadamente 0,5.
La energía W y la potencia P que se suministran
a través de una herramienta desde el dispositivo de percusión al
material a romper, tal como una roca, pueden definirse para pulsos
de tensión rectangulares mediante las ecuaciones:
donde A_{k} es el área de sección
transversal de la herramienta usada, es decir, una varilla de
perforación y E_{k} el valor del módulo elástico de la misma
herramienta.
Es deseable usar proporciones de carga mayores
que aquellas de los dispositivos actuales, no pudiendo usarse ya
más las amplitudes de tensión de la magnitud actual. Esto daría como
resultado un acortamiento significativo de la vida útil del equipo
de perforación. También, las brocas de botones provistas con botones
agresivos, necesarias para una utilización eficaz del método, no
soportan los niveles de carga actuales. Además, la potencia de
percusión requerida por el dispositivo de percusión aumentaría de 4
a 10 veces de lo que es ahora.
La proporción de carga puede aumentarse por
ejemplo aumentando la frecuencia de las ondas de tensión. Aplicando
este principio, la amplitud de una onda de tensión puede
dimensionarse utilizando la uniformidad de la potencia de percusión
mediante la ecuación
donde \sigma_{refe} es una
amplitud de referencia, es decir, un nivel de tensión típico con los
dispositivos de percusión actuales y \alpha_{refe} es una
proporción de carga de referencia correspondiente. Si el valor de
tensión mayor que se usa hoy en día, es decir, 300 MPa se selecciona
como la amplitud de referencia \sigma_{refe} y 0,025 se
selecciona como la proporción de carga \alpha_{refe}, la
amplitud máxima será
de
De acuerdo con la invención, se usa una
frecuencia de onda de tensión que es esencialmente mayor que en las
soluciones actuales, es decir, al menos 250 Hz, preferiblemente
mayor de 350 Hz, por ejemplo de 350 a 1.000 Hz.
Cuando la proporción de carga es de al menos
0,075 a las frecuencias anteriores, se consigue un resultado de
perforación eficaz con el método de acuerdo con la invención que
tiene 150 MPa como la amplitud máxima. Incluso amplitudes menores
producen buenos resultados, aunque la rotura de la roca requiera aún
claramente un nivel de amplitud considerablemente mayor. En la
práctica, se ha observado que las ventajas del método de acuerdo
con la invención comienzan a mostrarse cuando la amplitud de tensión
es de aproximadamente 25 MPa, aunque preferiblemente cuando la
amplitud de tensión es de aproximadamente 40 MPa o mayor.
En los dispositivos actuales que tienen un
pistón de percusión la onda de tensión es, en teoría, de una forma
casi de pulso rectangular, y su longitud se ha definido que es dos
veces la longitud del pistón de percusión. Si la onda de tensión se
genera de una manera distinta que golpear la herramienta con un
pistón de percusión, su forma puede desviarse considerablemente de
la forma rectangular, por ejemplo de la manera mostrada en la
Figura 3. En este caso, la amplitud de la onda de tensión se
refiere, de la manera indicada en la Figura 3, al valor máximo
\sigma_{máx} de la amplitud y su longitud puede definirse
sustancialmente de acuerdo con la Figura 3, de manera que la
longitud de la onda de tensión es el tiempo entre aquellos puntos
donde la tensión supera el valor 0,1 x \sigma_{máx} cuando la
onda de tensión sube y correspondientemente cuando la tensión cae
por debajo del valor de 0,1 x \sigma_{máx} cuando la onda de
tensión cae.
Otras maneras de generar una onda de tensión
incluyen un equipo eléctrico o electromagnético donde la generación
de una onda de tensión se basa, por ejemplo, en la longitud de la
corriente eléctrica suministrada o la longitud del pulso de la
corriente eléctrica de tipo pulso. Otras maneras adicionales de
generar una onda de tensión incluyen soluciones donde una onda de
tensión se genera cargando energía mediante la presión de un fluido
de presión, por ejemplo, cargando la energía a los elementos de
tensión y liberándola como una energía de compresión a la
herramienta, o donde una onda de tensión se genera sometiendo la
herramienta directamente a la fuerza de compresión proporcionada
por la presión de un fluido de presión. De esta manera, en una
realización, la fuerza de compresión se genera provocando que la
presión del fluido de presión afecte directa o indirectamente al
final de la herramienta durante el periodo de tiempo de generación
del pulso de tensión, de manera que la fuerza generada por la
presión comprime la herramienta. En todas estas alternativas, la
onda de tensión se genera preferiblemente sometiendo periódicamente
la herramienta, tal como una varilla de perforación a una fuerza de
compresión sin un golpe con un pistón de percusión, de manera que la
fuerza de compresión genera una onda de tensión en la herramienta
durante el tiempo que la está afectando. De esta manera, cuando se
aplica el método, la frecuencia y la longitud de las ondas de
tensión se ajustan ajustando la frecuencia eficaz y el tiempo
eficaz de la fuerza de compresión sobre la herramienta.
La invención se ha explicado en la descripción y
dibujos anteriores sólo a modo de ejemplo, y no pretende
restringirse a los mismos. Lo que es esencial es que la frecuencia
de las ondas de tensión son significativamente mayores que las
actuales frecuencias de percusión, que la proporción de carga
proporcionada por la onda de tensión es significativamente mayor
que la proporcionada por los dispositivos actuales y que la amplitud
de la tensión es significativamente menor que las amplitudes de las
ondas de tensión actuales.
Claims (6)
1. Un método para romper una roca a perforar
durante la perforación de una roca, método en el cual la roca a
perforar se somete a pulsos de tensión sucesivos usando la presión
de un fluido de presión mediante una herramienta, de manera que la
energía de la onda de tensión transmitida desde la herramienta a la
roca provoca que la roca se rompa, caracterizado por que las
ondas de tensión que se generan sometiendo la herramienta, tal como
una varilla de perforación, periódicamente a una fuerza de
compresión de manera que la fuerza de compresión genera una onda de
tensión en la herramienta, generándose la fuerza de compresión
provocando que la presión del fluido de presión afecte directa o
indirectamente al extremo de la herramienta durante un periodo de
tiempo de generación del pulso de tensión, de manera que la fuerza
generada por la presión comprime la herramienta, ejerciéndose los
pulsos de tensión sobre la roca a una alta frecuencia y mediante una
proporción de carga (\alpha) calculada en base a los valores de
la frecuencia (f) y la longitud (t_{p}) de la onda de tensión que
es de al menos 0,075.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado por que la proporción de carga (a) es de al
menos 0,1.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1
ó 2, caracterizado por que la frecuencia de las ondas de
tensión es de al menos 250 Hz, preferiblemente al menos 350.
4. Un método de acuerdo con las reivindicaciones
1 a 3, caracterizado por que la amplitud de las ondas de
tensión es baja, como máximo de 150 MPa.
5. Un método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la
amplitud de las ondas de tensión es baja, sin embargo es de al
menos 25 MPa, preferiblemente 40 MPA.
6. Un método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la
frecuencia y la longitud de las ondas de tensión que se ajustan
ajustando la frecuencia eficaz y el tiempo eficaz de la fuerza de
compresión en la herramienta.
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