ES2623911T3 - Aparato de perforación rotativo para fondo de pozo con miembros de interfaz de formación y sistema de control - Google Patents
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Abstract
Un aparato (100, 200) de perforación rotativo direccional que tiene un eje longitudinal, que comprende: un conjunto (50) de control dispuesto dentro de una carcasa (10) que tiene un extremo inferior; una sección (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento que tiene un canal (22) central, un extremo superior acoplado al extremo inferior de la carcasa (10), y un extremo inferior, y una pluralidad de canales (30) de fluido separados circunferencialmente dispuestos alrededor del canal (22) central, en el que cada canal (30) de fluido se extiende axialmente desde el extremo superior; una pluralidad de pistones (40) extensibles radialmente alojados en la sección (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento; en el que el canal (22) central se extiende axialmente desde el extremo superior de la sección (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento y está configurado para hacer fluir fluido de perforación a través de la sección (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento; en el que cada uno de los canales (30) de fluido se extiende desde el extremo superior de la sección (80, 280, 280- 1, 380) de direccionamiento a uno de los pistones (40), y en el que cada pistón (40) está configurado para moverse radialmente hacia el exterior en respuesta al fluido de perforación suministrado por el canal (30) de fluido correspondiente; y un conjunto de dosificación de fluido configurado para dosificar selectivamente el flujo de fluido de perforación a uno o más de los canales (30) de fluido en la sección (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento, caracterizado por que el conjunto de dosificación de fluido comprende: un casquillo (120, 220) inferior acoplado al extremo superior de la sección (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento, en el que el casquillo (120, 220) inferior tiene un orificio (121, 221) central y una pluralidad de entradas (122, 222) de fluido separadas circunferencialmente dispuestas alrededor del orificio (121, 221) central, en el que el orificio (121, 221) central del casquillo (120, 220) inferior está en comunicación de fluido con el canal (22) central de la sección (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento; y un casquillo (110, 210) superior acoplado al conjunto (50) de control y dispuesto de manera giratoria dentro del orificio (121, 221) central del casquillo (120, 220) inferior, en el que el casquillo (110, 210) superior incluye un orificio (114, 214) central y una abertura (118, 218) de dosificación de fluido; en el que el conjunto (50) de control está configurado para hacer girar el casquillo (110, 210) superior con relación al casquillo (120, 220) inferior para colocar la abertura (118, 218) de dosificación de fluido del casquillo (110, 210) superior en comunicación de fluido con cada entrada (122, 222) de fluido del casquillo (120, 220) inferior en secuencia.
Description
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DESCRIPCION
Aparato de perforacion rotativo para fondo de pozo con miembros de interfaz de formacion y sistema de control
La presente descripcion se refiere en general a sistemas y aparatos para la perforacion direccional de pozos, particularmente para pozos de petroleo y de gas.
Los sistemas rotativos direccionales (RSS) usados actualmente en la perforacion de pozos de petroleo y de gas en formaciones de subsuelo usan comunmente herramientas que operan por encima de la barrena de perforacion como herramientas completamente independientes controladas desde la superficie. Estas herramientas se usan para dirigir la sarta de perforacion en una direccion deseada lejos de una orientacion vertical u otra orientacion de pozo deseada, tal como por medio de paneles de direccion o miembros de reaccion que ejercen fuerzas laterales contra la pared del pozo para desviar la barrena de perforacion con relacion a la lmea central del pozo. La mayona de estos sistemas convencionales son complejos y costosos, y tienen tiempos de ejecucion limitados debido a limitaciones de baterfa y limitaciones electronicas. Tambien requieren que la totalidad de la herramienta sea transportada desde el sitio del pozo a una instalacion de reparacion y de mantenimiento cuando las partes de la herramienta se rompen. La mayona de los disenos usados actualmente requieren grandes cafdas de presion a traves de la herramienta para que las herramientas trabajen de manera adecuada. En la actualidad, no hay ninguna interfaz facilmente separable entre los sistemas de control RSS y los miembros de reaccion de formacion-interfaz que permita el control direccional directamente en la barrena de perforacion.
Hay dos categonas principales de sistemas de perforacion rotativos direccionales usados para la perforacion direccional. En los sistemas de perforacion de tipo "point-the-bit” (“apuntado de barrena de perforacion”), la orientacion de la barrena de perforacion es variada con relacion a la lmea central de la sarta de perforacion para conseguir una desviacion deseada en el pozo. En los sistemas de “push-the-bit” ("de tipo “push-the-bit”"), se aplica una fuerza lateral o lateral a la sarta de perforacion (tfpicamente en un punto varios metros por encima de la barrena de perforacion), desviando de esta manera la barrena de perforacion lejos del eje local del pozo para lograr una desviacion deseada.
Los sistemas rotativos direccionales (RSS) usados actualmente para la perforacion direccional se centran en herramientas que se encuentran por encima de la barrena de perforacion y o bien empujan la barrena de perforacion con una fuerza constante varios metros por encima de la barrena de perforacion, o bien apuntan la barrena de perforacion para dirigirla en una direccion deseada. Los sistemas de tipo “push-the-bit” son mas simples y mas robustos, pero tienen limitaciones debidas a que la fuerza lateral aplicada esta a varios metros de la barrena de perforacion, requiriendo de esta manera la aplicacion de fuerzas comparativamente mas grandes para desviar la barrena de perforacion. Por razones de ffsica basica, la fuerza lateral necesaria para inducir una desviacion de barrena de perforacion determinada (y, por lo tanto, un cambio determinado en la direccion de la barrena de perforacion) aumentara a medida que aumenta la distancia entre la fuerza lateral y la barrena de perforacion.
Los ejemplos de los sistemas RSS de la tecnica anterior pueden encontrarse en las patentes US N° 4.690.229 (Raney); 5.265.682 (Russell et al.); 5.513.713 (Groves); 5.520.255 (Barr et al.); 5.553.678 (Barr et al.); 5.582.260 (Murer et al.); 5.706.905 (Barr); 5.778.992 (Fuller); 5.803.185 (Barr et al.); 5.971.085 (Colebrook); 6.279.670 (Eddison et al.); 6.439.318 (Eddison et al.); 7.413.413.034 (Kirkhope et al.); 7.287.605 (Van Steenwyk et al.); 7.306.060 (Krueger et al.); 7.810.585 (Downton); y 7.931.098 (Aronstam et al.), y en la solicitud internacional N° PCT/US2008/068100 (Downton), publicada como publicacion internacional N° W02009/002996 A1.
Los disenos RSS usados actualmente requieren tfpicamente grandes cafdas de presion a traves de la barrena de perforacion, limitando de esta manera las capacidades hidraulicas en un pozo determinado debido a unos mayores requisitos de potencia de bombeo para hacer circular el fluido de perforacion a traves del aparato. Los sistemas de tipo “point-the-bit” pueden ofrecer ventajas de rendimiento sobre los sistemas de tipo “push-the-bit”, pero requieren disenos de barrena de perforacion complejos y costosos; ademas, pueden ser propensos a problemas de estabilidad de la barrena de perforacion en el pozo, haciendolos menos consistentes y mas diffciles de controlar, especialmente cuando se perfora a traves de formaciones blandas.
Un sistema de tipo “push-the-bit” requiere tfpicamente el uso de un filtro subterraneo que se extiende por encima de la herramienta para mantener los escombros fuera de las areas cnticas del aparato. Si se permitiera la entrada de escombros de gran tamano (por ejemplo rocas) o de grandes cantidades de material de circulacion perdido (por ejemplo, fluido de perforacion) en las disposiciones de valvula en los disenos de herramienta de tipo “push-the-bit” actuales, el resultado sena tfpicamente un fallo de las valvulas. Sin embargo, los filtros subterraneos tambien son propensos a los problemas; si el material de circulacion perdido o las rocas entran y atascan un filtro subterraneo, puede ser necesario retirar (o "dejar caer") la sarta de perforacion y la barrena de perforacion del pozo para limpiar el filtro.
Debido a las razones anteriores, existe una necesidad de sistemas y aparatos de perforacion rotativos direccionales de tipo “push-the-bit” que puedan desviar la barrena de perforacion en un grado deseado aplicando fuerzas laterales inferiores a la sarta de perforacion que en los sistemas de tipo “push-the-bit” convencionales, produciendo una menor
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ca^da de presion a lo largo de la herramienta de la que se produce usando los sistemas conocidos. Existe tambien una necesidad de sistemas y aparatos de perforacion rotativos direccionales de tipo “push-the-bit” que puedan operar de manera fiable sin necesidad de ser usado en conjuncion con los filtros subterraneos.
Los disenos RSS de tipo “push-the-bit” actualmente en uso incorporan tipicamente un sistema o aparato de control RSS para controlar la operacion de la herramienta RSS. Por lo tanto, es necesario desconectar todo el aparato RSS de la sarta de perforacion y reemplazarlo con uno nuevo siempre que se desee cambiar los tamanos de la barrena de perforacion. Esto resulta en mayores costos y perdida de tiempo asociados con los cambios de barrena de perforacion. Por consiguiente, existe tambien una necesidad de disenos RSS en los que el aparato de control RSS sea facilmente separable del mecanismo de direccionamiento y pueda ser usado con multiples tamanos de barrena de perforacion.
Existe una necesidad adicional de sistemas y aparatos RSS de tipo “push-the-bit” que pueden ser operados selectivamente en un primer modo para perforacion direccional, o un segundo modo en el que el mecanismo de direccionamiento es desactivado para la realization de una perforacion recta y no desviada. Dicha capacidad de selection de modo operativo incrementara la vida util del aparato, asf como el tiempo entre los cambios de herramienta en el campo. Ademas, existe la necesidad de dichos sistemas y aparatos que usen un diseno modular que pueda ser puesto en practica en el campo, permitiendo que el sistema de control y los componentes del sistema de empuje sean cambiados en el campo, proporcionando de esta manera mayor fiabilidad y flexibilidad al operador de campo, y a un menor costo.
El documento EP-A-0728907 describe un aparato de perforacion rotativo orientable que tiene un eje longitudinal, que comprende un conjunto de control dispuesto dentro de una carcasa que tiene un extremo inferior; una section de direccionamiento que tiene un canal central, un extremo superior acoplado al extremo inferior de la carcasa, y un extremo inferior, y una pluralidad de canales de fluido separados circunferencialmente dispuestos alrededor del canal central, en el que cada canal de fluido se extiende axialmente desde el extremo superior; una pluralidad de pistones radialmente extensibles alojados en la seccion de direccionamiento; en el que el canal central se extiende axialmente desde el extremo superior de la seccion de direccionamiento y esta configurado para que fluya fluido de perforacion a traves de la seccion de direccionamiento; en el que cada uno de los canales de fluido se extiende desde el extremo superior de la seccion de direccionamiento a uno de los pistones y en el que cada piston esta configurado para moverse radialmente hacia fuera en respuesta al fluido de perforacion suministrado por el correspondiente canal de fluido; y un conjunto de dosificacion de fluido configurado para medir selectivamente el flujo de fluido de perforacion a uno o mas de los canales de fluido en la seccion de direccionamiento.
Un aspecto de la presente invention proporciona un aparato de perforacion rotativo orientable tal como se ha descrito anteriormente, caracterizado por que el conjunto de dosificacion de fluido comprende un casquillo inferior acoplado al extremo superior de la seccion de direccionamiento, en el que el casquillo inferior tiene un orificio central y una pluralidad de entradas de fluido separadas circunferencialmente dispuestas alrededor del orificio central, en el que el orificio central del casquillo inferior esta en comunicacion de fluido con el canal central de la seccion de direccionamiento; y un casquillo superior acoplado al conjunto de control y dispuesto de manera rotativa dentro del orificio central del casquillo inferior, en el que el casquillo superior incluye un orificio central y una abertura de dosificacion de fluido; en el que el conjunto de control esta configurado para hacer girar el casquillo superior con respecto al casquillo inferior para colocar la abertura de dosificacion de fluido del casquillo superior en comunicacion de fluido con cada entrada de fluido del casquillo inferior en secuencia.
Otro aspecto de la presente invencion proporciona un procedimiento para perforar un pozo de perforacion con una barrena de perforacion que tiene una estructura de corte, en el que el procedimiento comprende (a) hacer fluir fluido de perforacion a traves de una carcasa a un conjunto de dosificacion de fluido, un casquillo superior rotativo con relation al casquillo inferior, en el que el conjunto de dosificacion de fluido incluye un casquillo inferior y un casquillo superior giratorio con relacion al casquillo inferior, en el que el casquillo inferior incluye un orificio central y una pluralidad de entradas de fluido y el casquillo superior incluye un orificio central y una abertura de dosificacion de fluido; en el que el casquillo superior esta dispuesto de manera giratoria dentro del orificio central del casquillo inferior; (b) hacer fluir fluido de perforacion a traves del orificio central del casquillo superior y el orificio central del casquillo inferior a un canal central de una seccion de direccionamiento acoplada a un extremo inferior de la carcasa; (c) desviar una primera parte del fluido de perforacion que fluye a traves de la abertura de dosificacion de fluido del casquillo superior y una primera de las entradas de fluido del casquillo inferior a un primer canal de fluido de la seccion de direccionamiento durante (b); (d) hacer fluir la primera parte de fluido de perforacion a traves del primero de entre una pluralidad de canales de fluido separados circunferencialmente a un primer piston alojado en la seccion de direccionamiento, en el que la pluralidad de canales de fluido se extienden axialmente desde un extremo superior de la seccion de direccionamiento y estan dispuestos alrededor del canal central; y (e) mover el primer piston radialmente hacia fuera desde la seccion de direccionamiento durante (d).
En terminos generales, la presente description ensena realizaciones de aparatos de perforacion rotativos direccionales de tipo “push-the-bit” (denominados de manera alternativa, herramientas RSS) compuestos de una barrena de perforacion que tiene una estructura de corte, un mecanismo de empuje (o "seccion de direccionamiento") para desviar lateralmente la estructura de corte mediante la aplicacion de una fuerza lateral a la barrena de perforacion, y un conjunto de control para
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accionar el mecanismo de empuje de barrena de perforacion. Tal como se usa en la presente memoria descriptiva de patente, debe entenderse que la expresion "barrena de perforacion" incluye tanto la estructura de corte como la seccion de direccionamiento, en el que la estructura de corte esta conectada al extremo inferior de la seccion de direccionamiento. La estructura de corte puede estar conectada de manera permanente o puede ser integral a la seccion de direccionamiento, o puede ser desmontable de la seccion de direccionamiento.
La seccion de direccionamiento de la barrena de perforacion aloja uno o mas pistones, cada uno de los cuales tiene una carrera radial. Tfpicamente, los pistones estan separados uniformemente (pero no necesariamente) alrededor de la circunferencia de la barrena, y adaptados para la extension radialmente hacia afuera desde el cuerpo principal de la seccion de direccionamiento. En algunas realizaciones, los pistones estan adaptados para el contacto directo con la pared de un pozo perforado en una formacion de subsuelo. En otras realizaciones, puede proporcionarse un miembro de reaccion (denominado, de manera alternativa, almohadilla de reaccion) para cada piston, con las superficies exteriores de los miembros de reaccion dispuestas en un patron circular que corresponde generalmente al diametro (es decir, el calibre) del pozo y la estructura de corte de la barrena de perforacion. Cada miembro de reaccion esta montado a la seccion de direccionamiento para extenderse sobre al menos una parte de la cara exterior del piston asociado, de manera que cuando un piston determinado se extiende, reacciona contra la superficie interior de su miembro de reaccion. A su vez, la superficie externa del miembro de reaccion reacciona contra la pared del pozo, de manera que la fuerza lateral inducida por la extension del piston empujara o desviara la estructura de corte de la barrena de perforacion en una direction que se aleja del piston extendido, hacia el lado opuesto del pozo. Los miembros de reaccion estan montados a la seccion de direccionamiento de una manera no ngida o resistente para ser desviable hacia el exterior con relation a la seccion de direccionamiento, para inducir el desplazamiento lateral de la estructura de corte con relacion al pozo cuando un piston determinado es accionado. Los pistones pueden ser empujados hacia las posiciones retrafdas dentro de la seccion de direccionamiento, tal como mediante muelles de empuje.
La seccion de direccionamiento esta formada por uno o mas canales de fluido, correspondientes en numero al numero de pistones, y cada uno se extiende entre el extremo radialmente hacia el interior de un piston correspondiente a una entrada de fluido en el extremo superior de la seccion de direccionamiento, de manera que un fluido que acciona el piston (tal como lodo de perforacion) pueda entrar a cualquier canal de fluido determinado para accionar el piston correspondiente. Los canales de fluido continuan tfpicamente hacia abajo mas alla de los pistones para permitir que el fluido salga al pozo a traves de los chorros terminales de la barrena.
El conjunto de control de la herramienta RSS esta dispuesto dentro de una carcasa, cuyo extremo inferior conecta con el extremo mas alto de la seccion de direccionamiento. El fluido que acciona el piston, tal como lodo de perforacion, fluye hacia abajo a traves de la carcasa y alrededor de la seccion de direccionamiento. El extremo inferior del conjunto de control se acopla a y acciona un conjunto de dosificacion de fluido para dirigir el fluido de accionamiento de piston a uno (o mas) de los pistones a traves de los canales de fluido correspondientes en la seccion de direccionamiento.
En una de las realizaciones de la herramienta RSS, el conjunto de dosificacion de fluido incluye generalmente un miembro casquillo superior cilmdrico que tiene una brida superior y una ranura o apertura de dosificacion de fluido en el casquillo debajo de la brida. El conjunto de dosificacion de fluido incluye tambien un casquillo inferior que tiene un orificio central y que define el numero de entradas de fluido requerido, en el que cada entrada de fluido se abre al orificio central a traves de un rebaje asociado en una region superior del. casquillo inferior. El casquillo inferior esta montado a o es integral con el extremo superior de la seccion de direccionamiento. El casquillo superior puede ser dispuesto dentro del orificio del casquillo inferior, con la ranura en el casquillo superior generalmente a la misma altura que los rebajes en el casquillo inferior. El conjunto de control esta adaptado para acoplar y girar el casquillo superior dentro del casquillo inferior, de manera que ese fluido de accionamiento de piston fluira desde la carcasa al casquillo superior y, a continuation, sera dirigido a traves de la ranura en el casquillo superior a un rebaje con el cual esta alineada la ranura, y desde allf a la entrada de fluido correspondiente y hacia abajo dentro del canal del fluido correspondiente en la seccion de direccionamiento para accionar (es decir para extender radialmente) el piston correspondiente.
La carcasa y la barrena de perforacion giraran con la sarta de perforacion, pero el conjunto de control esta adaptado para controlar la rotation del casquillo superior con relacion a la carcasa. Para usar el aparato para desviar un pozo en una direccion espedfica, el conjunto de control controla la rotacion del casquillo superior para mantenerlo en una orientation angular deseada con relacion al pozo, independientemente de la rotacion de la sarta de perforacion. En este modo operativo, la ranura de dosificacion de fluido en el casquillo superior permanecera orientada en una direccion seleccionada con relacion a la tierra; es decir, opuesta a la direccion en la que se desea desviar el pozo. A medida que el casquillo inferior gira debajo de y con relacion al casquillo superior, el fluido de accionamiento de piston sera dirigido secuencialmente a cada una de las entradas de fluido, accionando de esta manera cada piston para ejercer una fuerza contra la pared del pozo, y empujando y desviando de esta manera la estructura de corte de la barrena de perforacion en la direccion opuesta con relacion al pozo. Con cada alineacion momentanea de la ranura de dosificacion de fluido del casquillo superior con una de las entradas de fluido, el fluido fluira al interior de esa entrada de fluido y accionara el piston correspondiente para desviar la estructura de corte en la direccion lateral deseada (es decir hacia el lado del pozo opuesto al piston accionado). Por consiguiente, con cada rotacion de la sarta de perforacion, la estructura de corte sera sometida a
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un numero de empujes momentaneos correspondientes al numero de entradas de fluido y pistones.
En una variante de realizacion, los casquillos superior e inferior estan adaptados y proporcionados de manera que el casquillo superior sea desplazable axialmente con relacion al casquillo inferior, desde una posicion superior que permite que el fluido fluya a todas las entradas de fluido simultaneamente, a una posicion intermedia que permite que el fluido fluya a solo una entrada de fluido a la vez y a una posicion inferior que previene el flujo de fluido a cualquiera de las entradas de fluido (en cuyo caso todo el fluido simplemente continua fluyendo hacia abajo a la estructura de corte a traves de un orificio o canal central en la seccion de direccionamiento).
En otra realizacion de la herramienta RSS, el conjunto de dosificacion de fluido comprende una placa superior que puede girar coaxialmente (por medio del conjunto de control) por encima de una placa inferior fija incorporada en el extremo superior de la seccion de direccionamiento, en el que la placa inferior fija define el numero requerido de entradas de fluido, que estan dispuestas en un patron circular concentrico con el eje longitudinal (es decir, la lmea central) de la seccion de direccionamiento, y alineadas con los canales de fluido correspondientes en la seccion de direccionamiento. Preferiblemente, las placas superior e inferior estan realizadas en carburo de tungsteno u otro material resistente al desgaste. La placa superior tiene una unica abertura de dosificacion de fluido que se extiende a traves de la misma, desplazada una distancia radial que corresponde generalmente al radio de las entradas de fluido en la placa inferior fija. A medida que la carcasa de la herramienta y la barrena de perforacion giran con la sarta de perforacion, el conjunto de control controla la rotacion de la placa superior para mantenerla en una orientacion angular deseada con relacion al pozo, independientemente de la rotacion de la sarta de perforacion.
La placa superior giratoria se encuentra inmediatamente por encima y paralela a la placa inferior fija, de manera que cuando la abertura de dosificacion de fluido en la placa superior esta alineada con una entrada determinada de entre las entradas de fluido en la placa inferior fija, el fluido de accionamiento de piston puede fluir a traves de la abertura de dosificacion de fluido en la placa superior y la entrada de fluido alineada en la placa inferior fija, y al canal de fluido correspondiente en la seccion de direccionamiento. Este flujo de fluido causara que el piston correspondiente se extienda radialmente hacia fuera desde la seccion de direccionamiento, de manera que reaccione contra su miembro de reaccion (o reaccione directamente contra el pozo), empujando y desviando de esta manera la estructura de corte de la barrena de perforacion en la direccion opuesta.
Preferiblemente, la seccion de direccionamiento de la barrena de perforacion puede ser desmontada del conjunto de control (tal como por medio de una conexion roscada de tipo “pin-and-box” convencional), con la placa superior giratoria incorporada en el conjunto de control. Esto facilita el montaje en campo de los componentes para completar la herramienta RSS en el sitio de la plataforma de perforacion y facilita cambios rapidos de barrena de perforacion en el sitio de la plataforma, bien para usar una estructura de corte diferente o bien realizar un mantenimiento de la seccion de direccionamiento, sin tener que retirar el conjunto de control de la sarta de perforacion.
Para empujar la estructura de corte en una direccion deseada con relacion al pozo, el conjunto de control se configura para mantener la abertura de dosificacion de fluido orientada en la direccion opuesta a la direccion de empuje deseada (es decir, direccion de deflexion). La barrena de perforacion se hace girar dentro del pozo, mientras que la placa superior no gira con relacion al pozo. Con cada rotacion de la barrena de perforacion, la abertura de dosificacion de fluido en la placa superior pasara sobre y se alineara momentaneamente con cada una de las entradas de fluido en la placa inferior fija. Por consiguiente, cuando se introduce un fluido de accionamiento en el interior de la carcasa de herramienta por encima de la placa superior, el fluido fluira a cada canal de fluido por turnos o sucesivamente durante cada rotacion de la sarta de perforacion.
Con cada alineacion momentanea de la abertura de dosificacion de fluido de la placa superior con una de las entradas de fluido, fluira fluido a esa entrada de fluido y accionara el piston correspondiente para empujar (es decir, desviar) la estructura de corte en la direccion lateral deseada (es decir, hacia el lado del pozo opuesto al piston accionado). Por consiguiente, con cada rotacion de la sarta de perforacion, la estructura de corte sera sometida a una serie de empujes momentaneos correspondientes al numero de entradas de fluido y pistones.
Por medio del conjunto de control, la direccion en la que es empujada la estructura de corte puede ser cambiada girando la placa superior para proporcionar a la misma una orientacion fija diferente con relacion al pozo. Sin embargo, si se desea usar la herramienta para una perforacion recta (es decir, no desviada), la herramienta puede ser colocada en un modo de perforacion recta (tal como se describira mas adelante en la presente memoria).
Al aplicarse una fuerza lateral directamente en la barrena de perforacion, cerca de la estructura de corte, en lugar de a una distancia sustancial por encima de la barrena de perforacion, como en los sistemas de tipo “push-the-bit” convencionales, se mejora la capacidad de direccionamiento de la barrena de perforacion y se reduce la fuerza necesaria para empujar la barrena de perforacion. Las fuerzas laterales inferiores en la barrena de perforacion, con una barrena que se mantiene en lmea con el resto de la sarta de perforacion estabilizada posterior, aumenta tambien la estabilidad y la repetibilidad en formaciones blandas. El termino "repetibilidad", tal como se usa en la presente memoria descriptiva de patente, se entiende en la industria de perforacion direccional como la capacidad de conseguir repetidamente un radio de curvatura
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consistente (o "velocidad de construccion") para la trayectoria de un pozo en una formacion de subsuelo determinada, independiente de la resistencia de la formacion. Cuanto mayor sea la magnitud de la fuerza aplicada contra la pared de un pozo por un piston en un sistema de perforacion de tipo “push-the-bit”, mayor sera la tendencia del piston a cortar en formaciones mas blandas y reducir la curvatura de la trayectoria del pozo (en comparacion con el efecto de fuerzas similares en formaciones mas duras). Por consiguiente, esta tendencia en las formaciones mas blandas se reducira en virtud de las fuerzas de piston inferiores requeridas para una eficacia igual cuando se usan los sistemas de tipo “push-the- bit” segun la presente descripcion.
Los sistemas y aparatos de perforacion rotativos direccionales de tipo “push-the-bit” segun la presente descripcion pueden ser de diseno modular, de manera que cualquiera de los diversos componentes (por ejemplo, pistones, miembros de reaccion, conjunto de control y componentes del conjunto de control) pueda ser cambiado en campo durante los cambios de barrena. Tal como se ha indicado anteriormente, otra caractenstica ventajosa del aparato es que la placa superior giratoria (o casquillo) del conjunto de dosificacion de fluido puede ser desactivado de manera que la herramienta perforara en lmea recta cuando no se requiera una desviacion del pozo, favoreciendo una mayor vida util de la batena (por ejemplo, para componentes del conjunto de control alimentados por batena) y extendiendo de esta manera el periodo de tiempo durante el cual la herramienta puede operar sin realizar un cambio de batenas.
El conjunto de control para el aparato de perforacion rotativo direccional segun la presente descripcion puede ser de cualquier tipo funcionalmente adecuado. A modo de ejemplo no limitativo, el conjunto de control podna ser similar o adaptado a partir de un conjunto de control accionado por fluido del tipo segun el sistema de perforacion vertical descrito en la solicitud internacional N° PCT/US2009/040983 (publicada como publicacion internacional N° WO 2009/151786). En otras realizaciones, el conjunto de control podna girar la placa o casquillo superior giratorio usando, por ejemplo, un motor electrico o turbinas opuestas.
A continuacion, se describiran realizaciones segun la presente descripcion con referencia a las figuras adjuntas, en las que referencias numericas designan partes similares, y en las que:
La Figura 1 es una vista isometrica de una primera realization de un aparato de perforacion rotatorio segun la presente descripcion, con pistones deflectores de barrena adaptados para el contacto directo con la pared de un pozo.
La Figura 2 es una section transversal longitudinal a traves de una primera variante del aparato de perforacion rotatorio de la Fig. 1, en el que el conjunto de dosificacion de fluido comprende un casquillo superior giratorio y un casquillo inferior fijo.
La Figura 2A es un detalle ampliado del conjunto de dosificacion de fluido en la Fig. 2.
Las Figuras 3A, 3B y 3C son vistas isometricas, en seccion transversal y laterales, respectivamente, del casquillo superior giratorio del aparato de la Fig. 2.
Las Figuras 4A, 4B y 4C son vistas isometricas, transversales y laterales, respectivamente, del casquillo inferior fijo del aparato de la Fig. 2.
La Figura 5 es una seccion transversal a traves del aparato de la Fig. 2, que muestra la ranura de dosificacion de fluido en el casquillo superior giratorio alineada con una entrada de fluido en el casquillo inferior fijo para permitir el flujo de fluido al correspondiente canal de fluido en la barrena de perforacion y muestra el piston correspondiente extendido.
La Figura 6 es una seccion longitudinal parcial isometrica a traves de una region medial del aparato de la Fig. 2, que muestra el casquillo superior giratorio, el casquillo inferior fijo con entradas de fluido y los canales de fluido en la seccion de direccionamiento.
La Figura 7 es una vista inferior del aparato de la Fig. 2, que muestra la barrena de perforacion y las carcasas de piston, con un piston deflector de barrena extendido.
La Figura 8A es una seccion transversal a traves de una variante del conjunto de casquillo mostrado en las Figs. 2-6, con el casquillo superior giratorio en una position superior en la que el fluido de accionamiento de piston fluye al interior de todos los canales de fluido.
La Figura 8B es una seccion transversal a traves del conjunto de casquillo de la Fig. 8A, que ilustra el flujo del fluido de accionamiento de piston al interior de todas las entradas de fluido.
La Figura 9A es una seccion transversal a traves de la variante del conjunto de casquillo de la Fig. 8A, con el casquillo superior giratorio en una posicion intermedia en la que el fluido de accionamiento de piston fluye solo a una entrada de fluido.
La Figura 9B es una seccion transversal a traves del conjunto de casquillo de la Fig. 9A, que ilustra el flujo de fluido de
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accionamiento de piston a la entrada de fluido alineada con la ranura en el casquillo superior giratorio.
La Figura 10A es una seccion transversal a traves de la variante del conjunto de casquillo de la Fig. 8A, con el casquillo superior giratorio en una posicion inferior en la que el fluido de accionamiento no puede fluir a ninguna de las entradas de fluido.
La Figura 10B es una seccion transversal a traves del conjunto de casquillo de la Fig. 10A, que ilustra el flujo de fluido a las entradas de fluido bloqueado.
La Figura 11 es una seccion transversal longitudinal similar a la Fig. 2, que muestra el aparato de perforacion rotatorio en funcionamiento dentro de un pozo, con un piston extendido radialmente y ejerciendo una fuerza de deflexion de barrena contra un lado del pozo.
La Figura 12 es una seccion transversal longitudinal a traves de una segunda realization del aparato de perforacion rotatorio en la Fig. 1, con un miembro de reaction montado elasticamente asociado con cada piston, y en el que el conjunto de dosificacion de fluido comprende una placa superior giratoria y una placa inferior fija.
La Figura 12A es una vista en planta de la placa superior giratoria del conjunto de dosificacion de fluido en la Fig. 12.
La Figura 12B es una vista en planta de la placa inferior fija del conjunto de dosificacion de fluido en la Fig. 12.
La Figura 13 es una seccion transversal a traves del aparato de la Fig. 12, que ilustra la abertura de dosificacion de fluido en la placa superior giratoria alineada con una entrada de fluido a traves de la placa superior fija a la barrena de perforacion y que muestra el piston de deflexion de barrena correspondiente extendido.
La Figura 14A es una vista isometrica de la seccion de direccionamiento del aparato de la Fig. 12, con un miembro de reaccion flexible montado en la seccion de direccionamiento en asociacion con cada piston.
La Figura 14B es una vista de extremo superior del aparato de la Fig. 14A, que muestra las placas superior e inferior del conjunto de dosificacion de fluido, las carcasas de piston y los miembros de reaccion flexibles montados elasticamente.
La Figura 14C es una vista lateral del aparato de la Fig. 14A, con un piston accionado y que desvfa su miembro de reaccion flexible asociado.
La Figura 14D es una seccion transversal longitudinal a traves del aparato de la Fig. 14A, con un piston accionado y que desvfa su miembro de reaccion flexible asociado.
La Figura 15A es una vista isometrica de la seccion de direccionamiento del aparato de la Fig. 12, con un miembro de reaccion articulado montado en la seccion de direccionamiento en asociacion con cada piston.
La Figura 15B es una vista de extremo superior del aparato de la Fig. 15A, que muestra las placas superior e inferior del mecanismo de accionamiento de piston, las carcasas de piston y los miembros de reaccion articulados.
La Figura 15C es una vista lateral del aparato de la Fig. 15A, con un piston accionado y que desvfa su miembro de reaccion articulado asociado.
La Figura 15D es una seccion transversal longitudinal a traves del aparato de la Fig. 15A, con un piston accionado y que desvfa su miembro de reaccion articulado asociado.
La Figura 16A es una vista isometrica de una variante de la seccion de direccionamiento del aparato de la Fig. 12, en el que el conjunto de dosificacion de fluido incorpora un conjunto de casquillo como en las Figs. 2-6.
La Figura 16B es una vista de extremo superior del aparato de la Fig. 16A, que muestra los casquillos superior e inferior del mecanismo de accionamiento de piston, las carcasas de piston y los miembros de reaccion flexibles montados elasticamente.
La Figura 16C es una vista lateral del aparato de la Fig. 16A, con un piston accionado y que desvfa su miembro de reaccion flexible asociado.
La Figura 16D es una seccion transversal longitudinal a traves del aparato de la Fig. 16A, con un piston accionado y que desvfa su miembro de reaccion flexible asociado.
La Figura 17A es una seccion transversal a traves de una realizacion de un conjunto de piston segun la presente description, mostrado en una posicion retrafda.
La Figura 17B es una seccion transversal a traves del conjunto de piston en la Fig. 17A, mostrado en una posicion extendida (y con el muelle de empuje no mostrado en aras de una mayor claridad de la ilustracion).
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La Figura 18A es una vista lateral del conjunto de piston en las Figs. 17A y 17B, mostrado en una posicion retrafda.
La Figura 18B es una vista lateral del conjunto de piston en las Figs. 17A y 17B, mostrado en una posicion extendida.
La Figura 19A es una vista isometrica del conjunto de piston en las Figs. 17A-18B, mostrado en una posicion retrafda.
La Figura 19B es una vista isometrica del conjunto de piston en las Figs. 17A-18B, mostrado en una posicion extendida.
La Figura 20A es una vista isometrica del miembro exterior del conjunto de piston en las Figs. 17A-19B.
La Figura 20B es una vista isometrica del miembro interior del conjunto de piston en las Figs. 17A-19B.
La Figura 21 es una vista isometrica del muelle de empuje del conjunto de piston en las Figs. 17A-19B.
La Figura 22 es una seccion transversal a traves de la seccion de direccionamiento del aparato de perforacion de la Fig. 2, que incorpora conjuntos de piston segun las Figs. 17A-21.
Las Figs. 1 y 2 ilustran (en vistas isometricas y en seccion transversal, respectivamente) un aparato 100 de perforacion rotativo direccional (o "herramienta RSS") segun una primera realizacion. La herramienta 100 RSS comprende una carcasa 10 cilmdrica, que encierra un conjunto 50 de control; y una barrena 20 de perforacion. Hay un espacio 12 anular formado alrededor del conjunto 50 de control dentro de la carcasa 10, de manera que el fluido de perforacion que fluye a la carcasa 10 fluira hacia abajo a traves del espacio 12 anular hacia la barrena 20 de perforacion. La barrena 20 de perforacion comprende una seccion 80 de direccionamiento conectada al extremo inferior de la carcasa 10, y una estructura 90 de corte conectada al extremo inferior de la seccion 80 de direccionamiento de manera que pueda girar con la misma. Preferiblemente, la seccion 80 de direccionamiento esta formada de o esta provista con medios para facilitar la retirada de la carcasa 10, tales como ranuras 15 de rotura/interrupcion de barrena. La estructura 90 de corte puede ser de cualquier tipo adecuado (por ejemplo, una barrena de perforacion compacta de diamante policristalino o una barrena de perforacion de tipo rodillo-cono) y una estructura 90 de corte no forma parte de las realizaciones mas amplias del aparato segun la presente descripcion.
La seccion 80 de direccionamiento tiene uno o mas canales 30 de fluido que se extienden hacia abajo desde el extremo superior de la seccion 80 de direccionamiento. Tal como se observa en la Fig. 2, la seccion 80 de direccionamiento tiene tambien un canal 22 axial central para transportar el fluido de perforacion a la estructura 90 de corte, donde el fluido de perforacion puede salir bajo presion a traves de chorros 24 (para mejorar la efectividad de la estructura 90 de corte a medida que perfora en materiales de formacion de subsuelo). Cada canal 30 de fluido conduce al extremo radialmente hacia el interior de un piston 40 correspondiente extensible radialmente hacia el exterior desde la seccion 80 de direccionamiento en respuesta a la presion desde un fluido de accionamiento que fluye a presion a traves del canal 30 de fluido. Tfpicamente, cada canal 30 de fluido se extiende mas alla de su piston 40 correspondiente a un chorro 34 de barrena terminal, que permite el drenaje del fluido y la purga de la presion del fluido.
La seccion 80 de direccionamiento define e incorpora una pluralidad de carcasas 28 de piston que sobresalen hacia el exterior desde la seccion 80 de direccionamiento (cuyo cuerpo principal tendra tfpicamente un diametro que coincide o casi coincide con el de la carcasa 10). Preferiblemente, el recorrido radial de cada piston 40 esta restringido por cualquier medio adecuado (indicado a modo de ejemplo en la Fig. 12 en forma de un pasador 41 transversal que pasa a traves de una abertura 43 ranurada en el piston 40 y asegurado dentro de la carcasa 28 de piston en cada lado del piston 40). Esta caractenstica particular es solo a modo de ejemplo, y las personas con conocimientos en la tecnica apreciaran que pueden idearse facilmente otros medios para restringir el recorrido del piston sin apartarse del alcance de la presente descripcion. Preferiblemente, los pistones 40 estan provistos tambien de medios de empuje adecuados (tales como, a modo de ejemplo no limitativo, muelles de empuje) que empujan los pistones 40 hacia una posicion retrafda dentro de sus carcasas 28 de piston respectivas.
En un caso tfpico, el fluido de accionamiento de piston sera una parte del fluido de perforacion desviada desde el fluido que fluye a traves del canal 22 axial a la estructura 90 de corte. Sin embargo, de manera alternativa, el fluido de accionamiento de piston podna ser un fluido diferente de y/o procedente de una fuente diferente que el fluido de perforacion que fluye a la estructura 90 de corte.
La herramienta 100 RSS incorpora un conjunto de dosificacion de fluido que, en la realizacion mostrada en la Fig. 2, comprende un casquillo 110 superior que puede girar por medio de un conjunto 50 de control dentro y con relacion a un casquillo 120 inferior, que a su vez esta fijado a o es solidario con el extremo superior de la seccion 80 de direccionamiento. Tal como se observa mejor en las Figs. 2A, 3A, 3B y 3C, el casquillo 110 superior giratorio tiene un orificio 114 que se extiende a traves de una seccion 116 cilmdrica que se extiende hacia abajo por debajo de una brida 112 superior anular. La seccion 116 cilmdrica tiene una abertura de dosificacion de fluido mostrada en la forma de una ranura 118 vertical. Tal como se observa en las Figs. 2A, 4A, 4B y 4C, el casquillo 120 inferior fijo tiene un orificio 121 y un numero de entradas 122 de fluido dispuestas geometricamente para corresponderse con los canales 30 de fluido en la seccion 80 de direccionamiento. En las realizaciones ilustradas, las entradas 122 de fluido estan dispuestas en un patron
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circular centradas alrededor de la lmea CLrss central longitudinal de la herramienta 100 RSS.
Hay rebajes 124 formados en una region superior del casquillo 120 inferior para proporcionar comunicacion de fluido entre cada entrada 122 de fluido y el orificio 121. Por consiguiente, y tal como se observa mejor en las Figs. 2A y 6, cuando la seccion 116 cilmdrica del casquillo 110 superior esta dispuesta dentro del orificio 121 del casquillo 120 inferior, con la ranura 118 de dosificacion de fluido alineada con un rebaje 124 determinado en el casquillo 120 inferior, el orificio 114 del casquillo 110 superior estara en comunicacion de fluido con el canal 30 de fluido correspondiente en la seccion 80 de direccionamiento, a traves de la ranura 118, el rebaje 124 y la entrada 122 de fluido. Tal como puede observarse en la Fig. 5, el flujo resultante de fluido de accionamiento bajo presion dentro del canal 30 de fluido correspondiente resulta en el accionamiento y la extension radialmente hacia el exterior del piston correspondiente (indicado en la Fig. 5 por el numero de referencia 40A para indicar un piston accionado).
El montaje y el funcionamiento del conjunto de dosificacion de fluido descrito anteriormente puede entenderse adicionalmente con referencia a la Fig. 6. El conjunto 50 de control esta provisto de medios de acoplamiento del conjunto de dosificacion para hacer girar el casquillo 110 superior, y este podrfa adoptar cualquier forma funcionalmente eficaz. A modo de ejemplo no limitativo, los medios de acoplamiento del conjunto de dosificacion se muestran en las Figs. 2, 2A y 6 como comprendiendo un eje 52 conectado operativamente en su extremo superior al conjunto 50 de control, y conectado en su extremo inferior a un yugo 54 cilmdrico que tiene una placa 53 extrema superior con una o mas aberturas 53A de fluido. El yugo 54 cilmdrico esta conectado concentricamente en su extremo 54L inferior a la brida 112 del casquillo 110 superior, de manera que el casquillo 110 superior girara con relacion al casquillo 120 inferior cuando el eje 52 es girado por el conjunto 50 de control. Un fluido 70 que fluye hacia abajo al interior del espacio 12 anular que rodea el conjunto 50 de control dentro de la carcasa 10 fluye a traves de las aberturas 53A de fluido en la placa 53 extrema superior del yugo 54, al interior de la cavidad 55 cilmdrica dentro del yugo 54 y, a continuacion, al orificio 114 del casquillo 110 superior. Una parte de fluido 70 es desviada a traves de la ranura 118 en la seccion 116 cilmdrica del casquillo 110 superior en la entrada 120 de fluido alineada en ese momento con la ranura 118 y, a continuacion, al canal 30 de fluido correspondiente para accionar el piston 40 correspondiente. El resto del fluido 70 fluye al canal 22 axial principal en la seccion 80 de direccionamiento para su suministro a la estructura 90 de corte.
La Fig. 7 es una vista inferior de la barrena 20 de perforacion, que muestra la estructura 90 de corte con elementos de corte o dientes 92, chorros 24 de barrena, pistones 40 y carcasas 28 de piston. En la Fig. 13, un piston, marcado 40A, se muestra en su posicion accionada, extendiendose radialmente hacia el exterior desde su carcasa 28 de piston.
La Fig. 8A ilustra una variante del conjunto de casquillo mostrado en las Figs. 2 y 6 y dibujos de detalle relacionados. El casquillo 210 superior en la Fig. 8A es generalmente similar al casquillo 110 superior en las Figs. 3A-3C, con una brida 212 y un orificio 214 similar a la brida 112 y el orificio 114 en el casquillo 110 superior, excepto que tiene una seccion 216 cilmdrica mas larga que la seccion 116 cilmdrica en el casquillo 110 superior. La seccion 216 cilmdrica tiene una ranura 218 de dosificacion de fluido similar a la ranura 118 de dosificacion de fluido en la seccion 116 cilmdrica, situada en una region inferior de la seccion 216 cilmdrica. El casquillo 220 inferior en la Fig. 8A es generalmente similar al casquillo 120 inferior en las Figs. 4A-4C, con entradas 222 de fluido debajo de los rebajes 224 correspondientes (similares a las entradas 122 de fluido y los rebajes 24 en el casquillo 120 inferior) formadas en un cuerpo 225 inferior que tiene un orificio 221 analogo al orificio 121 en el casquillo 120 inferior, mas una tapa 226 de tapa que se extiende a traves de la parte superior de la parte inferior del cuerpo 25 inferior y que tiene una abertura central para recibir la seccion 216 cilmdrica del casquillo 210 superior.
Tal como puede entenderse con referencia a las Figs. 8A y 8B, cuando el casquillo 210 superior esta en una posicion superior con relacion al casquillo 220 inferior, con la seccion 216 cilmdrica elevada al menos parcialmente fuera del rebaje 224 en el casquillo 220 inferior, partes del fluido 70 que fluye al orificio 214 en el casquillo 210 superior y el orificio 221 en el casquillo 220 inferior seran desviadas directamente a todos los rebajes 224 y las entradas 222 de fluido para accionar todos los pistones 40. En este modo operativo, los pistones accionados serviran para centralizar y estabilizar la barrena 20 de perforacion cuando se perfora una seccion no desviada de un pozo. Esto puede ser particularmente beneficioso y ventajoso cuando se perfora una seccion recta pero no vertical del pozo, y/o cuando es deseable maximizar el area de flujo total (Total Flow Area, TFA) en la barrena de perforacion (definiendose el TFA como el area total de todas las boquillas o chorros a traves de los cuales puede fluir el fluido fuera de la barrena de perforacion). El TFA tendra su mayor valor cuando el casquillo 210 superior esta en su posicion mas alta, en la que el fluido puede fluir a todos los canales 30 de fluido. Esto es debido a que el fluido sera capaz de fluir desde todos los chorros 34 de barrena terminales conectados a los canales 30 de fluido, ademas de fluir desde todos los chorros 24 de barrena en la estructura 90 de corte. En contraste, el TFA tendra su menor valor cuando el casquillo 210 superior esta en su posicion mas baja (tal como se muestra en las Figs. 10A y 10B), en la que el flujo de fluido a todos los canales 30 de fluido esta bloqueado, y el fluido puede salir de la herramienta solo a traves de los chorros 24 de barrena.
La estabilizacion de la barrena con todos los pistones extendidos puede ser deseable tambien durante una perforacion "recta" para mitigar el "giro de la barrena" (“bit whirl”), lo que puede resultar en una baja calidad del pozo cuando se perfora a traves de formaciones blandas.
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Las Figs. 9A y 9B ilustran la situacion cuando el casquillo 210 superior esta en una posicion intermedia con relacion al casquillo 220 inferior, con la seccion 216 cilmdrica extendiendose por debajo de la placa 226 de tapa para permitir el flujo de fluido desde el orificio 214 a traves de la ranura 218 de dosificacion de fluido. En este modo operativo, el fluido 70 sera desviado a un rebaje 224 alineado con la ranura 218 y, a continuacion, a la entrada 222 de fluido correspondiente para accionar el piston 40 correspondiente; es decir, esencialmente igual que para el conjunto de casquillo mostrado en la Fig. 2A.
Las Figs. 10A y 10B ilustran la situacion en la que el casquillo 210 superior esta en una posicion inferior con relacion al casquillo 220 inferior, con la ranura 218 dispuesta debajo de los rebajes 224 de manera que el fluido no pueda entrar en ninguno de los rebajes 224 y las entradas 222 de fluido. En este modo operativo, todo el fluido 70 fluira directamente a la estructura 90 de corte, sin desvfos. Esto puede ser deseable para una perforacion recta a traves de materiales de subsuelo comparativamente estables, con un TFA mas pequeno en la barrena de perforacion.
Para operar un conjunto de dosificacion de fluido que incorpora casquillos 210 y 220 superior e inferior como en las Figs. 8A-10B, el conjunto 50 de control Incorporara o estara provisto de medios para elevar y bajar el casquillo 210 superior ademas de girar el casquillo 210 superior. Las personas con conocimientos en la tecnica apreciaran que pueden idearse diversos medios para mover axialmente el casquillo 210 superior con relacion al casquillo 220 inferior segun tecnologfas conocidas, y la presente descripcion no se limita al uso de ningun medio particular de entre dichos medios.
La Fig. 11 ilustra la herramienta 100 RSS como en la Fig. 2, en funcionamiento dentro de un pozo WB. En esta vista, una parte 70A del fluido 70 desde el espacio 12 anular de RSS 100 ha sido desviada a un canal 30A de fluido “activo” en la seccion 80 de direccionamiento a traves de la ranura 118 de dosificacion de fluido en el casquillo 110 superior giratorio del conjunto de dosificacion de fluido. El flujo de fluido bajo presion en el canal 30A de fluido acciona el piston 40A correspondiente, causando que el piston 40A accionado se extienda radialmente hacia el exterior desde la seccion 80 de direccionamiento y en contacto de reaccion con la pared del pozo WB en una region WX de contacto, ejerciendo de esta manera una fuerza transversal contra la seccion 80 de direccionamiento desviando la estructura 90 de corte en la direccion alejandose desde la region WX de contacto por una deflexion D, siendo el desplazamiento lateral de la lmea CLrss central axial desviada de la herramienta 100 RSS con relacion a la lmea CLwb central del pozo WB. La region WX de contacto, para una orientacion fija determinada del casquillo 110 superior y su ranura 118 de dosificacion de fluido con relacion al pozo WB, no sera un punto o region fija espedfica en la pared del pozo, sino que se movera a medida que la perforacion progresa mas profundamente en el suelo. Sin embargo, para los modos operativos que permiten el accionamiento de solo un piston 40 en un momento determinado, la region WX de contacto siempre corresponded a la posicion angular de la ranura 118 de dosificacion de fluido.
A medida que la herramienta 100 continua girando, el flujo de fluido 70A de accionamiento al canal 30A de fluido activo sera bloqueado, aliviando de esta manera la fuerza hidraulica accionando el piston 40A de accionamiento que a continuacion sera retrafdo al interior del cuerpo de la seccion 80 de direccionamiento. Una rotacion adicional de la herramienta 100 causara que el fluido de accionamiento fluya al siguiente canal 30 de fluido en la seccion 80 de direccionamiento, accionando y extendiendo de esta manera el siguiente piston 40 en secuencia, y ejerciendo otra fuerza transversal en la region WX de contacto del pozo WB.
Por consiguiente, para cada rotacion de la herramienta 100, se ejercera una fuerza transversal de desviacion de barrena contra el pozo WB, en la region WX de contacto, el mismo numero de veces que el numero de canales 30 de fluido en la seccion 80 de direccionamiento, manteniendo de esta manera una deflexion D efectivamente constante de la estructura 90 de corte en una direccion transversal constante con relacion al pozo WB. Como resultado de esta deflexion, la orientacion angular del pozo WB cambiara gradualmente, creando una seccion curvada en el pozo WB.
Cuando se ha conseguido un grado deseado de curvatura o desviacion del pozo, y se desea perforar una seccion no desviada del pozo, la operacion del conjunto 50 de control es ajustada para girar el casquillo 110 superior de manera que la ranura 118 de dosificacion de fluido este en una posicion neutra entre un par adyacente de rebajes 124 en el casquillo 120 inferior, de manera que el fluido 70 no pueda ser desviado a ninguna de las entradas 122 de fluido en el casquillo 120 inferior. A continuacion, el conjunto 50 de control (o unos medios de acoplamiento del conjunto de dosificacion asociado) es desacoplado del casquillo 110 superior, dejando el casquillo 110 superior libre para girar con el casquillo 120 inferior y la seccion 80 de direccionamiento o, de manera alternativa, es accionado para girar a la misma velocidad que la herramienta 100, por lo tanto, en cualquier caso, manteniendo la ranura 118 en una posicion neutra con relacion al casquillo 120 inferior de manera que el fluido no pueda fluir a ninguno de los pistones 40. A continuacion, las operaciones de perforacion pueden continuarse sin que ninguna fuerza transversal actue para desviar la estructura 90 de corte.
En variantes de realization en las que el conjunto de dosificacion de fluido incluye un casquillo 210 superior movil axialmente y un casquillo 220 inferior tal como se muestra en las Figs. 8A-10B, la transition a operaciones de perforacion no desviadas es efectuada moviendo el casquillo 210 superior (por medio del conjunto 50 de control) a su posicion superior o inferior con relacion al casquillo 220 inferior, segun se desee o sea apropiado teniendo en cuenta las consideraciones operativas. A continuacion, se prevendra el flujo de fluido a los canales 30 de fluido independientemente
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de si el casquillo 210 superior continua o no girando con relacion al casquillo 220 inferior.
La Fig. 12 ilustra una herramienta 200 RSS segun una realization alternativa en la que el conjunto de dosificacion de fluido comprende una placa 60 superior giratoria y una placa 35 inferior fijada o formada integralmente en el extremo superior de una section 280 de direccionamiento modificada. La placa 35 inferior tiene una o mas entradas 32 de fluido analogas a las entradas 122 de fluido en el casquillo 120 inferior mostrado en las Figs. 2 y 6 (y en otras partes en la presente memoria). En la realizacion ilustrada, y tal como se muestra en la Fig. 12B, las entradas 32 de fluido estan dispuestas en un patron circular alrededor de la lmea CLrss central de la herramienta 200 RSS. La placa 60 superior es giratoria, con relacion a la carcasa 10, alrededor de un eje de rotation coincidente con la lmea CLrss central. Tal como se muestra en la Fig. 12A, la placa 60 superior tiene un orificio 62 de dosificacion de fluido desplazado desde la lmea CLrss central en un radio correspondiente al radio del drculo de las entradas 32 de fluido formadas en placa 35 inferior fija. La placa 60 superior tiene tambien una abertura 63 central para permitir el flujo de fluido hacia abajo al canal 22 axial de la seccion 80 de direccionamiento, y la placa 35 inferior tiene una abertura 33 central para el mismo proposito.
El conjunto de dosificacion de fluido mostrado en las Figs. 12, 12A y 12B funciona esencialmente de la misma manera que la descrita anteriormente con respecto a las realizaciones de herramienta RSS que tienen un conjunto de dosificacion de fluido que incorpora un casquillo 110 (o 210) superior y un casquillo 120 (o 220) inferior. La placa 60 superior es girada por el conjunto 50 de control (tal como por medio de un yugo 54 tal como se ha descrito anteriormente) para mantener el orificio 62 de dosificacion de fluido en una orientation fija con relacion al pozo WB independientemente de la rotacion de la carcasa 10 y la seccion 80 de direccionamiento. Cuando la carcasa 10 y la seccion 80 de direccionamiento giran con relacion al pozo WB, el orificio 62 de dosificacion de fluido en la placa 60 superior se alineara con cada una de las entradas 32 de fluido en la placa 35 inferior en secuencia, permitiendo de esta manera que una parte del fluido que fluye desde el espacio 12 anular a traves de las aberturas 53A de fluido en la placa 53 extrema superior del yugo 54 sea desviada a cada canal 30 de fluido en secuencia, y causando que los pistones 40 correspondientes se extiendan radialmente en secuencia, induciendo de esta manera una desviacion en la orientacion del pozo WB tal como se ha descrito anteriormente.
La Fig. 13 es una seccion transversal a traves de la carcasa 10 justo por encima de la placa 60 superior giratoria, mostrando el orificio 62 de desplazamiento en la placa 60 superior y, en contorno con lmea de trazos, las entradas 32 de fluido (cuatro en total en la realizacion ilustrada) en la placa 35 inferior fija dispuesta debajo de la placa 60 superior. Ademas, la Fig. 13 ilustra los pistones 40 y sus carcasas 28 de piston correspondientes (cuatro en total, correspondientes al numero de entradas 32 de fluido) y, por debajo de las mismas, la estructura 90 de corte con dientes 92 de barrena de perforation. La Fig. 13 ilustra la alineacion del orificio 62 de dosificacion de fluido de la placa 60 superior con una de las entradas 32 de fluido en la placa 35 inferior, resultando en una extension radialmente hacia el exterior de un piston 40A accionado correspondiente.
Para realizar una transition de la herramienta 200 RSS a operaciones de perforacion no desviadas, el conjunto 50 de control es accionado para girar la placa 60 superior a una position neutra con relacion a la placa inferior de manera que el orificio 62 de dosificacion de fluido no este alineado con ninguna de las entradas 32 de fluido en la placa 35 inferior y, a continuation, la placa 60 superior se hace girar a la misma velocidad que la seccion 80 de direccionamiento para mantener el orificio 62 de dosificacion de fluido en la posicion neutra con relacion a la placa 35 inferior.
En una realizacion alternativa del aparato (no mostrada), la placa 60 superior puede ser movida axialmente de manera selectiva y hacia arriba alejandose de la placa 35 inferior, permitiendo de esta manera el flujo de fluido a todos los canales 30 de fluido y causando la extension hacia el exterior de todos los pistones 40. Esto resulta en que se ejercen fuerzas transversales iguales alrededor del penmetro de la seccion 80 de direccionamiento y causa de manera efectiva que la estructura 90 de corte perfore en lmea recta, sin desviacion, mientras se estabiliza tambien la estructura 90 de corte dentro del pozo WB, de manera similar al caso de las realizaciones descritas anteriormente que incorporan casquillos 210 y 220 superior e inferior cuando el casquillo 210 superior esta en su posicion superior con relacion al casquillo 220 inferior. El sistema 50 de control puede ser desactivado o puede ser puesto en modo de hibernation cuando la placa 60 superior y la placa 35 inferior no estan en contacto, ahorrando de esta manera la vida util de la baterfa y el desgaste en los componentes del sistema de control.
En una realizacion, el conjunto 50 de control comprende un motor de desplazamiento positivo (PD) controlado electronicamente que hace girar la placa 60 superior (o el casquillo 110 o 210 superior), pero el conjunto 50 de control no se limita a este u otro tipo particular de mecanismo.
Los sistemas de perforacion rotativos direccionales segun la presente description pueden ser adaptados facilmente para facilitar el cambio de los pistones muy usados durante los cambios de barrena. Esta capacidad de cambiar los pistones independientemente del sistema de control, en un diseno que proporciona una interfaz cambiable en campo, hace que el sistema sea mas compacto, mas facil de mantener, mas versatil y mas fiable que los sistemas direccionales convencionales. Las herramientas RSS segun la presente descripcion permitiran tambien el uso de multiples tamanos y tipos diferentes de barrenas de perforacion y/o pistones en combination con el mismo sistema de control sin tener que
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cambiar nada mas que el sistema de direccionamiento y/o la estructura de corte. Esto significa, por ejemplo, que el sistema puede ser usado para perforar un pozo de 311 mm (12-1/4"), y posteriormente puede ser usado para perforar un pozo de 222 mm (8-3/4"), sin cambiar el tamano de la carcasa del sistema de control, ahorrando de esta manera tiempo y requiriendo menos equipo.
El sistema puede ser adaptado tambien para permitir el uso de la barrena de perforacion por separado con relacion al sistema de control. De manera opcional, el conjunto de control puede tener un diseno modular para controlar no solo barrenas de perforacion, sino tambien otras herramientas de perforacion que pueden hacer un uso beneficioso de la placa superior giratoria (o casquillo) de la herramienta para realizar tareas utiles.
Las Figs. 14A, 14B, 14C y 14D ilustran la seccion 280 de direccionamiento de una herramienta RSS segun la realizacion mostrada en la Fig. 12. La seccion 280 de direccionamiento es sustancialmente similar a la seccion 80 de direccionamiento descrita con referencia a la Fig. 12, y se usan numeros de referencia similares para los componentes comunes a ambas realizaciones. La seccion 280 de direccionamiento se muestra a modo de ejemplo no limitativo con un extremo 16 de pasador superior para una conexion roscada al extremo inferior de la carcasa 10, y con un extremo 17 de caja inferior para una conexion roscada al extremo superior de la estructura 90 de corte. La seccion 280 de direccionamiento se distingue de la seccion 80 de direccionamiento mostrada en la Fig. 2 por la provision de almohadillas
240 de reaccion flexibles, cada una de las cuales tiene un extremo superior montado elasticamente al cuerpo principal de la seccion 280 de direccionamiento y un extremo 241 inferior libre que se extiende sobre una carcasa 28 de piston correspondiente. En la realizacion ilustrada, el montaje elastico de las almohadillas 240 de reaccion flexibles al cuerpo de la seccion 280 de direccionamiento se consigue al tener los extremos superiores de las almohadillas 240 de reaccion formados integralmente con una banda 242 circular dispuesta dentro de una ranura 243 anular que se extiende alrededor de la circunferencia de la seccion 280 de direccionamiento en un punto por debajo del extremo 16 del pasador. Sin embargo, esto es solo a modo de ejemplo. Las personas con conocimientos en la tecnica apreciaran que pueden idearse facilmente otras maneras de montar elasticamente los extremos superiores de las almohadillas 240 de reaccion a la seccion 280 de direccionamiento, y la presente descripcion no esta limitada al uso de ningun medio o procedimiento particular de montaje de las almohadillas 240 de reaccion.
Tal como se aprecia mejor con referencia a la parte superior de la Fig. 14D, cuando un piston 40 determinado esta en su posicion retrafda, el extremo 241 inferior libre de su almohadilla 240 de reaccion flexible asociada estara preferiblemente enrasada o casi enrasada con la superficie exterior de la carcasa 28 de piston asociada. Sin embargo, cuando se acciona un piston (tal como se ilustra mediante el piston 40A accionado en la parte inferior de la Fig. 14D), desviara el extremo
241 inferior libre de la almohadilla de reaccion asociada (indicado mediante el numero de referencia 240A en la Fig. 14D) radialmente hacia el exterior. La almohadilla 240A de reaccion flexible desviada sera empujada de esta manera hacia y contra la pared del pozo, resultando en que la seccion 280 de direccionamiento y la estructura 90 de corte son empujadas en la direccion radialmente opuesta. Cuando el piston 40A accionado es retrafdo a su carcasa 28 de piston, el extremo inferior libre de la almohadilla 240A de reaccion rebotara elasticamente a su estado y posicion sin estres.
Las Figs. 15A, 15B, 15C y 15D ilustran la seccion 380 de direccionamiento de una herramienta RSS segun una realizacion alternativa. La seccion 380 de direccionamiento es sustancialmente similar a la seccion 80 de direccionamiento descrita con referencia a la Fig. 12, y se usan numeros de referencia similares para los componentes comunes a ambas realizaciones. La seccion 380 de direccionamiento se distingue de la seccion 80 de direccionamiento por la provision de almohadillas 340 de reaccion articuladas, cada una de las cuales se extiende sobre una carcasa 28 de piston correspondiente, a cuya almohadilla 340 de reaccion esta montado en uno o mas puntos 342 de articulacion de manera que pueda pivotar alrededor de un eje de articulacion sustancialmente paralelo al eje longitudinal de la seccion 380 de direccionamiento. Los puntos 342 de articulacion estan situados preferiblemente en los bordes delanteros de las almohadillas 340 de reaccion articuladas (la expresion "borde delantero" es relativa al sentido de rotacion de la herramienta).
Tal como se aprecia mejor con referencia a la parte superior de la Fig. 15D, cuando un piston 40 determinado esta en su posicion retrafda, su almohadilla 340 de reaccion articulada asociada estara preferiblemente enrasada o casi enrasada con la superficie de la carcasa 28 de piston asociada. Sin embargo, cuando un piston es accionado (tal como se ilustra mediante el piston 40A accionado en la parte inferior de la Fig. 15D), empujara hacia el exterior contra su almohadilla 340A de reaccion articulada correspondiente, causando que la almohadilla 340A pivote alrededor de su(s) punto(s) 342 de articulacion y se desvfe hacia el exterior hacia y contra la pared del pozo, tal como se observa en las Figs. 15C y 15D. Esto resulta en que la seccion 380 de direccionamiento y la estructura 90 de corte son empujadas en la direccion radialmente opuesta. Cuando el piston 40A accionado se retrae a su carcasa 28 de piston, la almohadilla 340A de reaccion articulada desviada puede ser devuelta a su posicion original, ayudada apropiadamente por medios de empuje adecuados.
Las Figs. 16A, 16B, 16C y 16D ilustran una variante 280-1 de la seccion 280 de direccionamiento mostrada en las Figs. 14A, 14B, 14C y 14D, siendo la unica diferencia que el conjunto de dosificacion de fluido en la seccion 280-1 de direccionamiento incorpora casquillos 110 y 120 superior e inferior como en las Figs. 3A-3C y 4A-4C, en lugar de placas
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60 y 35 superior e inferior como en la seccion 280 de direccionamiento. Los componentes y las caractensticas que no tienen numeros de referencia en las Figs. 16A, 16B, 16C y 16D corresponden a los componentes y las caractensticas similares mostrados y referenciados en las Figs. 14A, 14B, 14C y 14D. Las personas con conocimientos en la tecnica apreciaran tambien que la seccion 380 de direccionamiento mostrada en las Figs. 15A, 15B, 15C y 15D podna adaptarse de manera similar.
Las herramientas RSS segun la presente descripcion pueden usar pistones de cualquier tipo y construccion funcionalmente adecuados, y la descripcion no se limita al uso de ningun tipo particular de piston descrito o ilustrado en la presente memoria. Las Figs. 12, 14D, 15D y 16D, por ejemplo, muestran pistones 40 unitarios o de una sola pieza. Las Figs. 17A a 21 ilustran una realization de un conjunto 140 de piston alternativo que comprende un miembro 150 exterior (o superior), un elemento 160 interior (o inferior), y, en realizaciones preferidas, un muelle 170 de empuje. En la presente descripcion del conjunto 140 de piston y sus elementos constitutivos, los adjetivos "interior" y "exterior" se usan con relation a la lmea central de una seccion 80 de direccionamiento en conjuncion con la cual esta instalado el piston 140; es decir, el miembro 160 interior estara dispuesto radialmente hacia el interior del miembro 150 exterior, mientras que el miembro 150 exterior es extensible radialmente hacia el exterior desde la seccion 80 de direccionamiento (y lejos del miembro 160 interior). Sin embargo, de manera conveniente para la descripcion de estos componentes, los adjetivos "superior" e "inferior" pueden ser usados indistintamente con "exterior" e "interior", respectivamente, en correspondencia con la representation grafica de estos elementos en las Figs. 17A a 21.
Tal como se muestra con detalle en las Figs. 17A y 17B, el miembro 150 exterior del conjunto 140 de piston tiene una pared 152 lateral cilmdrica con un extremo 152U superior cerrado por un miembro 151 de tapa, y un extremo 152L inferior abierto. La superficie 151A superior (o exterior) del miembro 151 de tapa puede ser opcionalmente un contorno tal como el mostrado en las Figs. 17A, 17B, 18A y 18B para adaptarse al diametro efectivo de una estructura 90 de corte montada en la seccion 80 de direccionamiento, en realizaciones destinadas para un contacto directo del piston con una pared del pozo, sin miembros de reaction intermedios. La realizacion del miembro 150 exterior mostrada en las Figs. 17A y 17B esta adaptada para recibir el extremo superior del muelle 170 de empuje (de una manera que se describira mas adelante en la presente memoria), y para ese proposito esta formada con una protuberancia 153 cilmdrica que se proyecta coaxialmente hacia abajo desde el miembro 151 de tapa y que tiene una cavidad 154 con fondo abierto y rosca interior. De esta manera, se forma un espacio 155 anular con fondo abierto entre la protuberancia 153 y la pared 152 lateral del miembro 150 exterior.
Extendiendose hacia abajo desde la pared 152 lateral cilmdrica hay un par de extensiones 156 de pared lateral separadas, curvilmeas y diametralmente opuestas, cada una de las cuales tiene una parte 157 inferior formada con una lengueta o elemento 157A de tope que sobresale circunferencialmente en cada extremo circunferencial de la parte 157 inferior. Cada extension 156 de pared lateral puede ser descrita, de esta manera, como adoptando la forma general de una "T" invertida, con un par de aberturas 156A de pared lateral diametralmente opuestas formadas entre las dos extensiones 156 de pared lateral.
El miembro 160 interior del conjunto 140 de piston tiene una pared 161 lateral cilmdrica que tiene un extremo 160U superior y un extremo 160L inferior, y que encierra una cavidad 165 cilmdrica que esta abierta en cada extremo. Hay formadas un par de aberturas 162 de pasador de retention diametralmente opuestas a traves de la pared 161 lateral para recibir un pasador 145 de retencion para asegurar el miembro 160 interior a y dentro de la seccion 80 de direccionamiento, de manera que la position del miembro 160 interior con relacion a la seccion 80 de direccionamiento sera fijada radialmente. Hay un par de aberturas 168 de fluido diametralmente opuestas (semi-circulares o semi-ovaladas en la realizacion ilustrada) formadas en una pared 161 lateral del miembro 160 interior, que interceptan el extremo 160L inferior del miembro 160 interior y en angulos rectos con las aberturas 162 de los pasadores de retencion, de manera que esten alineadas generalmente con los canales 30 de fluido correspondientes cuando el piston 40 esta instalado en la seccion 80 de direccionamiento, para permitir el paso del fluido de perforation hacia abajo mas alla del miembro 160 interior y a un chorro 34 de barrena correspondiente en la seccion 80 de direccionamiento. Tal como se observa mejor en la Fig. 17B, y para propositos que se describiran mas adelante en la presente memoria, hay una ranura 169 anular formada alrededor de la cavidad 165 en el extremo 160U inferior del miembro 160 interior. En la realizacion ilustrada, la ranura 169 anular es discontinua, estando interrumpida por aberturas 168 de fluido.
Extendiendose hacia arriba desde la pared 161 lateral cilmdrica, hay un par de extensiones 163 de pared lateral separadas, curvilmeas y diametralmente opuestas, cada una de las cuales tiene una parte 164 superior formada para definir una lengueta o elemento 164A de tope que sobresale circunferencialmente en cada extremo circunferencial de la parte 164 superior. De esta manera, cada extension 163 de pared lateral puede ser descrita como teniendo generalmente forma de T, con un par de aberturas 163A de pared lateral diametralmente opuestas formadas entre las dos extensiones 163 de pared lateral. En combination, las lenguetas 157A y 164A sirven de esta manera como medios limitadores de recorrido que definen la carrera radial maxima del miembro 150 exterior del conjunto 140 de piston.
Tal como se comprendera mejor con referencia a las Figs. 18A, 18B, 19A y 19B, el miembro 150 exterior y miembro 160 interior pueden ser montados insertando lateralmente las extensiones 163 de pared lateral de las partes superiores del
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miembro 160 interior en las aberturas 156A de pared lateral del miembro 150 exterior de manera que el miembro 150 exterior y el miembro 160 interior esten alineados coaxialmente. El miembro 150 exterior es movil axialmente con relacion al miembro 160 interior (es dedr, radialmente con relacion a la seccion 80 de direccionamiento), estando el movimiento axial hacia el exterior del miembro 150 exterior limitado por el tope de las lenguetas 157A en el miembro 150 exterior contra las lenguetas 164A en el miembro 160 interior, tal como se observa en las Figs. 17B, 18B y 19B.
El muelle 170 de empuje, mostrado en vista isometrica en la Fig. 21, comprende una pared 173 lateral cilmdrica que tiene un extremo 173U superior y un extremo 173L inferior, y que define una camara 174 interior cilmdrica. El extremo 173U superior de la pared 173 lateral esta formado o esta provisto de una lengueta 171 anular que sobresale hacia el interior, y un extremo 173L inferior de la pared 173 lateral esta formado o esta provisto de un reborde 179 anular que sobresale hacia el exterior. Hay una ranura 175 helicoidal formada a traves de la pared 173 lateral de manera que la pared 173 lateral adopta la forma de un muelle helicoidal, en el que la ranura 175 helicoidal tiene un extremo superior adyacente a la lengueta 171 anular y un extremo inferior adyacente al reborde 179 anular. Hay un par de aberturas 172 de pasador de retencion diametralmente opuestas formadas a traves de la pared 173 lateral para recibir un pasador 145 de retencion cuando el muelle 170 de empuje es montado con un miembro 160 interior del conjunto 140 de piston y es instalado en una seccion 80 de direccionamiento (tal como se describira mas adelante en la presente memoria). En la realization ilustrada del muelle 170, el extremo inferior de la ranura 175 helicoidal coincide con una de las aberturas 172 de pasador de retencion, pero esto es por conveniencia mas que por cualquier razon funcionalmente esencial. Hay un par de aberturas 168 de fluido diametralmente opuestas (semicirculares o semi-ovaladas en la realizacion ilustrada) formadas en la pared 173 lateral, que interceptan el extremo 173L inferior de la pared 173 lateral y en angulos rectos con las aberturas 172 de pasador de retencion, de manera que esten alineados generalmente con las aberturas 168 de fluido en la pared 161 lateral del miembro 160 interior cuando el muelle 170 de empuje es montado con un miembro 160 interior.
El montaje del conjunto 140 de piston puede entenderse mejor con referencia a las Figs. 17A, 17B y 22. La primera etapa de montaje es insertar un muelle 170 de empuje hacia arriba en la cavidad 165 del miembro 160 interior de manera que el reborde 179 anular en el muelle 170 de empuje se acople, de manera retenida, dentro de la ranura 169 anular en el extremo 160L inferior del miembro 160 interior. La siguiente etapa es montar el subconjunto del miembro 160 interior y muelle 170 de empuje con el miembro 150 exterior, insertando el extremo superior del muelle 170 de empuje en el extremo inferior del miembro 150 exterior de manera que el reborde 171 del muelle 170 de empuje sea dispuesto dentro del espacio 155 anular en el miembro 150 exterior. A continuation, un separador 180 generalmente cilmdrico que tiene una lengueta 180A anular que sobresale hacia el interior en su extremo inferior es posicionado sobre y alrededor de la protuberancia 153 cilmdrica, y una tapa 182 roscada es insertada hacia arriba a traves de la abertura en el separador 180 y es enroscada en la cavidad 154 en la protuberancia 153, asegurando de esta manera el separador 180 y el extremo superior del muelle 170 de empuje al miembro 150 exterior.
Montado de esta manera, el piston 140 incorpora el muelle 170 de empuje con su extremo superior (exterior) retenido de manera segura dentro del miembro 150 exterior y con su extremo inferior (interior) retenido de manera segura por el miembro 160 interior. Por consiguiente, cuando un fluido de accionamiento de piston fluye al canal 30 de fluido asociado en la seccion 80 de direccionamiento, el fluido fluira al piston 140 y ejercera presion contra el miembro 151 de tapa del miembro 150 exterior, para superar la fuerza de empuje del muelle 170 de empuje y extender el miembro 150 exterior radialmente hacia el exterior desde la seccion 80 de direccionamiento. Cuando se libera la presion del fluido, el muelle 170 de empuje devolvera el miembro 150 exterior a su position retrafda tal como se muestra en las Figs. 17A y 18A. La magnitud de la fuerza de empuje proporcionada por el muelle 170 de empuje puede ser ajustada ajustando la posicion axial de la tapa 182 roscada, y/o usando separadores 180 de longitudes axiales diferentes.
A continuacion, el piston o los pistones 140 pueden ser montados en la seccion 80 de direccionamiento tal como se muestra en la Fig. 22. Los pasadores 145 de retencion son insertados a traves de las aberturas transversales en la seccion 80 de direccionamiento y a traves de las aberturas 162 y 172 de pasador de retencion en el miembro 160 interior y el muelle 170 de empuje respectivamente, asegurando de esta manera el miembro 160 interior y el extremo inferior del muelle 170 de empuje contra un movimiento radial con relacion a la seccion 80 de direccionamiento.
La configuration particular del muelle 170 de empuje mostrada en las Figuras, y los medios particulares usados para montar el muelle 170 de empuje con el miembro 150 exterior y el miembro 160 interior, son solo a modo de ejemplo. Las personas con conocimientos en la tecnica apreciaran que pueden idearse configuraciones y medios de montaje alternativos segun las tecnicas conocidas, y que se pretende que dichas configuraciones y medios de montaje alternativos esten comprendidos dentro del alcance de la presente description.
El conjunto 140 de piston proporciona beneficios y ventajas significativas sobre los disenos de piston existentes. El diseno del conjunto 140 de piston facilita una carrera de piston larga dentro de un conjunto de piston comparativamente corto, con una fuerza mecanica de retorno elevada proporcionada por el muelle 170 de empuje integrado. Este conjunto de piston es tambien menos propenso a los residuos que causan que los pistones se unan dentro de la seccion de direccionamiento o limiten la carrera del piston cuando se opera en entornos de fluidos sucios. Tambien permite que un conjunto de piston precargado con muelle sea montado y asegurado en su lugar dentro de la seccion de direccionamiento
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usando un pasador simple, sin necesidad de precargar el muelle durante la insercion en la seccion de direccionamiento, haciendo que el conjunto del piston sea mas facil de mantener o reemplazar.
Las personas con conocimientos en la tecnica apreciaran facilmente que pueden idearse diversas modificaciones de las realizaciones ensenadas por la presente descripcion sin apartarse de la ensenanza y el alcance de la presente description, incluyendo modificaciones que usan estructuras o materiales equivalentes concebidos o desarrollados posteriormente. Debe entenderse especialmente que la presente descripcion no pretende limitarse a ninguna realization descrita o ilustrada, y que la sustitucion de una variante de un elemento o caractenstica reivindicado, sin ningun cambio sustancial de funcionamiento resultante, no constituira un alejamiento con relation al alcance de la presente descripcion. Debe apreciarse tambien que las diferentes ensenanzas de las realizaciones descritas y presentadas en la presente memoria pueden ser empleadas por separado o en cualquier combination adecuada para producir diferentes realizaciones que proporcionan los resultados deseados.
Las personas con conocimientos en la tecnica apreciaran tambien que los componentes de las realizaciones descritas que se describen o ilustran en la presente memoria como componentes unitarios podnan construirse tambien a partir de multiples subcomponentes sin efecto material sobre la funcion o el funcionamiento, a menos que el contexto requiera claramente que dichos componentes sean de construction unitaria. De manera similar, los componentes descritos o ilustrados como ensamblados a partir de multiples subcomponentes pueden proporcionarse como componentes unitarios a menos que el contexto requiera lo contrario.
En el presente documento de patente, debe entenderse que cualquier forma de la palabra "comprender" en su sentido no limitativo indica que cualquier artfculo que sigue a dicha palabra esta incluido, pero no se excluyen los artfculos no mencionados espedficamente. Una referencia a un elemento con el artfculo indefinido "a" no excluye la posibilidad de que haya presentes mas elementos que dicho elemento, a menos que el contexto requiera claramente que solo exista uno de esos elementos.
Cualquier uso de cualquier forma de los terminos "conectar", "enganchar", "acoplar", "fijar" u otros terminos que describen una interaction entre elementos no pretende limitar dicha interaction a una interaction directa entre los elementos en cuestion y puede incluir tambien una interaccion indirecta entre los elementos, tal como a traves de una estructura secundaria o intermediaria.
Los terminos relacionales tales como "paralelo", "perpendicular", "coincidente", "entrecruzado", "igual", "coaxial" y "equidistante" no pretenden indicar o requerir precision matematica o geometrica absoluta. Por consiguiente, debe entenderse que dichos terminos indican o requieren solo una precision sustancial (por ejemplo, "sustancialmente paralelo") a menos que el contexto requiera claramente lo contrario.
Cuando se usan en la presente memoria, los terminos "tipico/a" y "tipicamente" deben ser interpretados en el sentido de uso o practica representativos o comunes y no debe considerarse que implican esencialidad o invariabilidad.
En el presente documento de patente, ciertos componentes de las realizaciones de herramienta RSS descritas se describen usando adjetivos tales como "superior" y "inferior". Dichos terminos se usan para establecer un marco de referencia conveniente para facilitar la explication y mejorar la comprension del lector de las relaciones espaciales y las ubicaciones relativas de los diversos elementos y caractensticas de los componentes en cuestion. No debe interpretarse que el uso de dichos terminos implique que seran tecnicamente aplicables en todas las aplicaciones practicas y usos de herramientas RSS segun la presente descripcion, o que dichas sub-herramientas deben usarse en orientaciones espaciales que sean estrictamente consistentes con los adjetivos indicados anteriormente. Por ejemplo, las herramientas RSS segun la presente descripcion pueden ser usadas para perforar pozos horizontales u orientados angularmente. Por lo tanto, para una mayor precision, los adjetivos "superior" e "inferior", cuando se usan con referencia a una herramienta RSS, debenan entenderse en el sentido de "hacia el extremo superior (o inferior) de la sarta de perforation", independientemente de cual sea la orientation espacial real de la herramienta RSS y la sarta de perforacion en un uso practico determinado. La interpretation apropiada y pretendida de los adjetivos "interior", "exterior", "superior" e "inferior" para propositos espedficos de los conjuntos de piston ilustrados y sus componentes sera evidente a partir de partes correspondientes de la descripcion.
Claims (14)
- 51015202530354045REIVINDICACIONES1. Un aparato (100, 200) de perforacion rotativo direccional que tiene un eje longitudinal, que comprende:un conjunto (50) de control dispuesto dentro de una carcasa (10) que tiene un extremo inferior;una seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento que tiene un canal (22) central, un extremo superior acoplado al extremo inferior de la carcasa (10), y un extremo inferior, y una pluralidad de canales (30) de fluido separados circunferencialmente dispuestos alrededor del canal (22) central, en el que cada canal (30) de fluido se extiende axialmente desde el extremo superior;una pluralidad de pistones (40) extensibles radialmente alojados en la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento;en el que el canal (22) central se extiende axialmente desde el extremo superior de la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento y esta configurado para hacer fluir fluido de perforacion a traves de la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento;en el que cada uno de los canales (30) de fluido se extiende desde el extremo superior de la seccion (80, 280, 2801, 380) de direccionamiento a uno de los pistones (40), y en el que cada piston (40) esta configurado para moverse radialmente hacia el exterior en respuesta al fluido de perforacion suministrado por el canal (30) de fluido correspondiente; yun conjunto de dosificacion de fluido configurado para dosificar selectivamente el flujo de fluido de perforacion a uno o mas de los canales (30) de fluido en la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento, caracterizado por que el conjunto de dosificacion de fluido comprende:un casquillo (120, 220) inferior acoplado al extremo superior de la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento, en el que el casquillo (120, 220) inferior tiene un orificio (121, 221) central y una pluralidad de entradas (122, 222) de fluido separadas circunferencialmente dispuestas alrededor del orificio (121, 221) central, en el que el orificio (121, 221) central del casquillo (120, 220) inferior esta en comunicacion de fluido con el canal (22) central de la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento; yun casquillo (110, 210) superior acoplado al conjunto (50) de control y dispuesto de manera giratoria dentro del orificio (121, 221) central del casquillo (120, 220) inferior, en el que el casquillo (110, 210) superior incluye un orificio (114, 214) central y una abertura (118, 218) de dosificacion de fluido;en el que el conjunto (50) de control esta configurado para hacer girar el casquillo (110, 210) superior con relacion al casquillo (120, 220) inferior para colocar la abertura (118, 218) de dosificacion de fluido del casquillo (110, 210) superior en comunicacion de fluido con cada entrada (122, 222) de fluido del casquillo (120, 220) inferior en secuencia.
- 2. Aparato (100, 200) de perforacion rotativo direccional segun la reivindicacion 1, en el que el conjunto (50) de control esta configurado para mover axialmente el casquillo (110, 210) superior con relacion al casquillo (120, 220) inferior entre:(a) una posicion superior que permite que el fluido de perforacion fluya a todas las entradas (122, 222) de fluido del casquillo (120, 220) inferior simultaneamente;(b) una posicion intermedia que permite que el fluido de perforacion fluya a una sola entrada (122, 222) de fluido del casquillo (120, 220) inferior en cada momento; y(c) una posicion inferior que previene el flujo de fluido de perforacion a cualquiera de las entradas (122, 222) de fluido del casquillo (120, 220) inferior.
- 3. Aparato (100, 200) de perforacion rotativo direccional segun la reivindicacion 1, que comprende ademas una pluralidad de almohadillas (240, 340) de reaccion acopladas a la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento, en el que se proporciona una almohadilla (240, 340) de reaccion para cada piston (40);en el que cada piston (40) esta configurado para desviar la almohadilla (240, 340) de reaccion correspondiente radialmente alejandose de la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento en respuesta al flujo de fluido de perforacion a traves del canal (30) de fluido correspondiente.
- 4. Aparato (100, 200) de perforacion rotativo direccional segun la reivindicacion 3, en el que la almohadilla (240) de reaccion comprende un miembro flexible montado elasticamente a la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento.5101520253035404550
- 5. Aparato (100, 200) de perforacion rotativo direccional segun la reivindicacion 3, en el que la almohadilla (340) de reaccion comprende un miembro articulado acoplado de manera pivotante a la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento y configurado para pivotar alrededor de un eje de articulacion orientado paralelo al eje longitudinal de la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento.
- 6. Aparato (100, 200) de perforacion rotativo direccional segun la reivindicacion 1, que comprende ademas un medio (170) de empuje para cada piston (40), en el que cada medio (170) de empuje esta configurado para empujar el piston (40) correspondiente a una posicion radialmente retrafda dentro de la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento tras cesar el flujo de fluido de perforacion al piston (40).
- 7. Aparato (100, 200) de perforacion rotativo direccional segun la reivindicacion 1, en el que al menos uno de los pistones (40) comprende:un miembro (160) interior montado en la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento y fijado radialmente con respecto a la misma; yun miembro (150) exterior acoplado de manera movil al miembro (160) interior y configurado para moverse radialmente con relacion al miembro (160) interior y la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento; ymedios limitadores de recorrido para restringir la carrera radial del miembro (150) exterior con relacion al miembro (160) interior y la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento.
- 8. Aparato (100, 200) de perforacion rotativo direccional segun la reivindicacion 7, en el que los medios limitadores de recorrido comprenden una pluralidad de primeros elementos (157A) de tope formados sobre el miembro (150) exterior y una pluralidad de segundos elementos (164A) de tope formados sobre el miembro (160) interior, en el que los elementos (157A, 164A) de tope primeros y segundos estan configurados y dispuestos de manera que cada primer elemento (157A) de tope reaccionara contra uno de los segundos elementos (164A) de tope cuando la carrera del miembro (150) exterior alcanza un lfmite preestablecido.
- 9. Aparato (100, 200) de perforacion rotativo direccional segun la reivindicacion 8, en el que al menos uno de los pistones (40) comprende ademas medios (170) de empuje para retraer el miembro (150) exterior a la seccion (80, 280, 280 -1, 380) de direccionamiento al cesar el flujo de fluido de perforacion al piston (40).
- 10. Aparato (100, 200) de perforacion rotativo direccional segun la reivindicacion 1, en el que el extremo inferior de la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento comprende una estructura (90) de corte giratoria con el mismo.
- 11. Un procedimiento para perforar un pozo con una barrena (20) de perforacion que tiene una estructura (90) de corte, en el que el procedimiento comprende:(a) hacer fluir fluido de perforacion a traves de una carcasa (10) a un conjunto de dosificacion de fluido, en el que el conjunto de dosificacion de fluido incluye un casquillo (120, 220) inferior y un casquillo (110, 210) superior que puede girar con relacion al casquillo (120, 220) inferior, en el que el casquillo (120, 220) inferior incluye un orificio (121, 221) central y una pluralidad de entradas (122, 222) de fluido y el casquillo (110, 210) superior incluye un orificio (114, 214) central y una abertura (118, 218) de dosificacion de fluido; en el que el casquillo (110, 210) superior esta dispuesto giratoriamente dentro del orificio (121, 221) central del casquillo (120, 220) inferior;(b) hacer fluir fluido de perforacion a traves del orificio (114, 214) central del casquillo (110, 210) superior y el orificio (121, 221) central del casquillo (120, 220) inferior a un canal (22) central de una seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento acoplada a un extremo inferior de la carcasa (10);(c) desviar una primera parte del fluido de perforacion que fluye a traves de la abertura (118, 218) de dosificacion de fluido del casquillo (110, 210) superior y una primera de las entradas (122, 222) de fluido del casquillo (120, 220) inferior a un primer canal (30) de fluido de la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento durante (b);(d) hacer fluir la primera parte de fluido de perforacion a traves de uno de entre una pluralidad de canales (30) de fluido separados circunferencialmente a un primer piston (40) alojado en la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento, en el que cada uno de entre la pluralidad de canales (30) de fluido se extiende axialmente desde un extremo superior de la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento y estan dispuestos alrededor del canal (22) central; y(e) mover el primer piston (40) radialmente hacia el exterior desde la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento durante (d).
- 12. Procedimiento segun la reivindicacion 11, que comprende ademas:(f) desviar una segunda parte del fluido de perforacion que fluye a traves de la abertura (118, 218) de dosificacion de fluido del casquillo (110, 210) superior y una segunda de entre las entradas (122, 222) de fluido del casquillo (120, 220) inferior a un segundo canal (30) de fluido de la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento durante (b) y despues de (c);5 (g) hacer fluir la segunda parte de fluido de perforacion a traves del segundo canal (30) de fluido a un segundopiston (40) alojado en la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento; y(h) mover el segundo piston (40) radialmente hacia el exterior desde la seccion (80, 280, 280-1, 380) de direccionamiento durante (g).
- 13. Procedimiento segun la reivindicacion 12, en el que (c) comprende hacer girar el casquillo (110, 210) superior 10 con relacion al casquillo (120, 220) inferior para alinear la abertura (118, 218) de dosificacion de fluido del casquillo (110, 210) superior con la primera de las entradas (122, 222) de fluido del casquillo (120, 220) inferior; yen el que (f) comprende hacer girar el casquillo (110, 210) superior con relacion al casquillo (120, 220) inferior para alinear la abertura (118, 218) de dosificacion de fluido del casquillo (110, 210) superior con la segunda de las entradas de fluido del casquillo (120, 220) inferior.15 14. Procedimiento segun la reivindicacion 11, en el que la abertura (118, 218) de dosificacion de fluido se extienderadialmente a traves del casquillo (110, 210) superior y las entradas (122, 222) de fluido que se extienden axialmente a traves del casquillo (120, 220) inferior.
- 15. Procedimiento segun la reivindicacion 11, que comprende ademas:(i) mover el casquillo (110, 210) superior axialmente con relacion al casquillo (120, 220) inferior para hacer fluir el 20 fluido de perforacion a todas las entradas (122, 222) de fluido simultaneamente.
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