ES2642092T3 - Dispositivo y método para controlar parámetros de perforación - Google Patents

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ES2642092T3 ES05804656.6T ES05804656T ES2642092T3 ES 2642092 T3 ES2642092 T3 ES 2642092T3 ES 05804656 T ES05804656 T ES 05804656T ES 2642092 T3 ES2642092 T3 ES 2642092T3
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Description

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DESCRIPCION
Dispositivo y metodo para controlar parametros de perforacion Campo de la invencion
La invencion se refiere a un dispositivo y a un metodo para controlar parametros de perforacion durante la perforacion de roca.
Antecedentes de la invencion
Una herramienta de perforacion conectada a una maquina de perforacion por medio de uno o mas componentes de la sarta de perforacion se utiliza a menudo en la perforacion de roca. La perforacion se puede realizar de varias maneras, por ejemplo, como perforacion rotativa, en el que la herramienta de perforacion es empujada hacia la roca usando alta presion y luego tritura la roca usando elementos de metal duro, por ejemplo, hechos de carburo de wolframio. Otra forma de realizar la perforacion de rocas es utilizar maquinas de perforacion de percusion, en las que la sarta de perforacion esta provista de un vastago de acero de perforacion en el que un piston impacta para transferir impulsos de impacto a la herramienta de perforacion a traves de la sarta de perforacion y luego sobre la roca. El taladro de percusion se combina con una rotacion de la sarta de perforacion para lograr una perforacion en el que los elementos de perforacion de la broca golpean nueva roca en cada impacto (por ejemplo, no golpea un agujero generado por el impacto anterior), lo que aumenta la perforacion eficiencia.
Un problema usando la perforacion rotacional es que, en ciertas condiciones, la broca (los elementos de broca de la broca) pueden "quedar atrapados" en la roca, con lo que la rotacion de la broca se detiene al mismo tiempo que la sarta de perforacion continua rotando debido a la inercia del sistema. Esto da lugar a una oscilacion de torsion en la sarta de perforacion, que a su vez es la fuente de una fuerza de aflojamiento (soltado) que tiende a aflojar (soltar) las articulaciones de la herramienta de perforacion y / o sarta de perforacion y o maquina de perforacion, pues estas uniones consisten usualmente de uniones roscadas que pueden desenroscarse por la fuerza de aflojamiento. Este aflojamiento de las uniones provoca la generacion de calor perjudicial y dana las roscas.
Un dispositivo para controlar parametros de perforacion durante la perforacion de roca de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1 se conoce a partir del documento de Patente de EE.UU. US 5,449,047.
Objeto de la invencion y sus caracteristicas mas importantes
Es un objeto de la presente invencion proporcionar un dispositivo para controlar parametros de perforacion que resuelve el problema mencionado anteriormente.
Otro objeto de la presente invencion es proporcionar un metodo para controlar parametros de perforacion que resuelve el problema mencionado anteriormente.
Estos y otros objetos se consiguen de acuerdo con la presente invencion mediante un dispositivo para controlar parametros de perforacion como se define en la reivindicacion 1 y por un metodo como se define en la reivindicacion 3.
De acuerdo con la presente invencion, los objetos anteriores se consiguen mediante un dispositivo para controlar parametros de perforacion durante la perforacion de roca, en el que el dispositivo esta dispuesto de tal manera que una herramienta de perforacion se puede conectar a una maquina de perforacion mediante uno o mas componentes de sarta de perforacion. El dispositivo comprende medios, por ejemplo, un motor de rotacion, para hacer girar la herramienta de perforacion durante la perforacion y proporcionar un par de apriete para apretar las uniones entre uno o mas del grupo: herramienta de perforacion, uno o mas componentes de la sarta de perforacion y una maquina de perforacion. El dispositivo esta dispuesto para controlar la velocidad de rotacion de la herramienta de perforacion basandose en el par de apriete disponible. Esto tiene la ventaja de que, cuando el par de apriete que se requiere para mantener juntas las uniones depende de la velocidad de rotacion, la velocidad de rotacion de la sarta de perforacion puede reducirse de tal manera que el par de apriete disponible tambien se convierta en un par de apriete suficiente para mantener juntas las uniones.
Ademas, esto tiene la ventaja de que la presente invencion esta bien adaptada para la denominada perforacion de arranque, o ensamblaje. Dado que se utiliza una fuerza de alimentacion reducida durante la perforacion de arranque, esto afecta tambien al par de apriete disponible, puesto que el par de apriete depende de la fuerza de alimentacion. Por lo general, se ajusta una velocidad de rotacion, que se ajusta a la presion de percusion durante la perforacion completa, la cual, a su vez, usualmente se usa junto con la presion de alimentacion utilizada durante la perforacion completa. Esta velocidad de rotacion se basara asf en un par de apriete disponible determinado que es considerablemente mayor que durante la perforacion de arranque, lo que aumenta el riesgo de que se produzca un
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par de aflojamiento segun lo anterior, pudiendo producirse danos en la sarta de perforacion. Utilizando la presente invencion, por otra parte, la velocidad de rotacion se puede bajar y ajustar a un par de apriete disponible, lo que permite evitar el aflojamiento y los danos dependientes del mismo.
El par de apriete disponible se obtiene en funcion de la presion de rotacion. Esto tiene la ventaja de que el par de apriete disponible se puede obtener de una manera sencilla.
El dispositivo puede comprender, ademas, medios de alimentacion para presionar la herramienta de perforacion contra una superficie, en donde el dispositivo puede ademas estar dispuesto para aumentar / disminuir el par de apriete disponible incrementando / disminuyendo la presion de alimentacion.
El dispositivo esta dispuesto para obtener la presion de rotacion de forma continua y / o en determinados intervalos mediante la deteccion, monitorizacion, medicion o calculo y comparar la presion de rotacion obtenida con la presion de rotacion que se requiere a la velocidad de rotacion actual de la herramienta de perforacion y bajar la velocidad de rotacion de la herramienta de perforacion si la presion actual es menor que la requerida. La comparacion puede realizarse utilizando una relacion entre la presion de rotacion requerida y la velocidad de rotacion de la herramienta de perforacion y / o mediante un acceso a tabla en una tabla que comprende una relacion entre la presion de rotacion requerida y la velocidad de rotacion de la herramienta de perforacion.
Esto tiene la ventaja de que en todo momento durante el proceso de perforacion se puede asegurar que la velocidad de rotacion no sea demasiado alta en relacion con la presion de rotacion.
El dispositivo puede, ademas, estar dispuesto para usar la presion de alimentacion al controlar la velocidad de rotacion.
La presente invencion se refiere, ademas, a un metodo semejante al de la invencion, por lo que se obtendran ventajas correspondientes a las descritas anteriormente.
Otras ventajas se obtendran mediante diversos aspectos de la invencion y resultaran evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 muestra un ejemplo de una maquina de perforacion en la que se puede utilizar la presente invencion.
La figura 2 muestra un grafico de la relacion entre la presion de rotacion requerida y la velocidad de rotacion.
La figura 3 muestra un sistema de control de acuerdo con la presente invencion.
Descripcion detallada de realizaciones preferidas
En la figura 1 se muestra un aparato de perforacion de rocas ejemplar 10 con el que puede utilizarse la presente invencion. El dispositivo comprende una maquina de perforacion 1 que, en funcionamiento, esta conectada a una herramienta de perforacion tal como una broca 2 por medio de una sarta de perforacion 3 que consiste en uno o mas componentes de sarta de perforacion 3a, 3b, donde el componente de sarta de perforacion mas proximo a la maquina de perforacion constituye un adaptador 4 dispuesto dentro de la maquina. La maquina de perforacion comprende, ademas, un piston percutor 5 que es movible en vaiven en la direccion axial de la sarta de perforacion 3. Durante la perforacion, la energfa se transfiere desde el piston percutor 5 a la sarta de perforacion 3 a traves del adaptador 4 y luego de componente de la sarta de perforacion en componente de la sarta de perforacion y finalmente a la roca 6 por la broca 2.
Aparte del hecho de que la broca 2 esta sometida a impulsos de impacto, se la hace girar para que la broca golpee siempre la roca fresca, lo que aumenta la eficiencia de la perforacion. La broca 2 se hace girar utilizando la sarta de perforacion 3, que a su vez es girada por un motor 7 de rotacion.
La maquina de perforacion de roca 1 es, ademas, desplazable a lo largo de una viga de alimentacion 8 por medio de un motor alimentador o cilindro de una manera convencional utilizando, por ejemplo, una sarta o cable para presionar en todo momento la maquina perforadora 1 hacia la roca 6 en todo momento. Con el fin de evitar que las articulaciones 3a, 3b de la sarta de perforacion se suelten (aflojandose) durante la perforacion, la maquina de perforacion 1 comprende, ademas, un casquillo 11 que es empujado hacia el adaptador 4 por medio de un piston y, de este modo, la sarta de perforacion 3 de manera que la broca tendra un mejor contacto con la roca 6 y, por ejemplo, no colgara libre en el aire cuando tenga lugar el impacto del dispositivo de percusion. El piston 12 tambien se puede usar para amortiguar los reflejos de los impactos de roca de la broca 2.
Durante la perforacion, se establece una velocidad de rotacion para la sarta de perforacion 3 y, por lo tanto, la broca
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2. Es posible ajustar la velocidad de rotacion de acuerdo con la frecuencia del dispositivo de percusion todo el tiempo, de tal manera que los elementos de broca de la broca terminen en una posicion deseada todo el tiempo independientemente de la frecuencia del dispositivo de percusion. Por ejemplo, la broca puede, en un impacto siguiente, golpear en todo momento entre las posiciones de golpeo de un impacto previo.
El numero de revoluciones, n, (es decir, la velocidad de rotacion) requerido para obtener una indexacion deseada, z, de la periferia de la broca (diametro de broca D) se puede calcular a partir de la siguiente ecuacion:
60[rpm],
xD
donde f es la frecuencia de impacto. El numero de revoluciones segun la ecuacion puede reducirse si el desgaste de la broca llega a ser demasiado grande. Por lo general, no hay cambio de velocidad al cambiar la presion de percusion, ya que la frecuencia de percusion solo depende de la rafz cuadrada de la presion de percusion. En su lugar, se calcula un numero de revoluciones de acuerdo con la ecuacion anterior para la presion de percusion mas alta que se utiliza y, por lo tanto, la frecuencia de percusion asociada.
Durante la perforacion, el tamano del par de rotacion de la sarta de perforacion es decisivo en cuanto a si las uniones de los componentes de la sarta de perforacion seran lo suficientemente apretadas o no. Normalmente, la presion de rotacion se utiliza para calcular el par rotacional. Sin embargo, si no se puede obtener un par de apriete suficiente utilizando la presion de rotacion (el par de apriete requerido es afectado, ademas de la velocidad de rotacion, tambien por la roca y la broca), se puede aumentar la fuerza de alimentacion para obtener un par de torsion suficiente.
Durante ciertas condiciones, el par de apriete requerido no es suficiente para asegurar que las uniones de la sarta de perforacion se aprieten, y las uniones por lo tanto pueden aflojarse.
De acuerdo con la presente invencion, esto se resuelve reduciendo la velocidad de rotacion de tal manera que se ajusta al par de apriete disponible.
Un ejemplo de una situacion en la que el par de apriete puede no ser suficiente es, como se ha mencionado antes, durante la llamada perforacion de arranque o ensamblaje. Es importante que el arranque se realice de manera correcta, ya que es cuando se determina la direccion del orificio. Tanto la incorreccion en la direccion como la posible flexion dan lugar a una gran desviacion que a su vez da como resultado una gran carga en el equipo de perforacion y unas condiciones de voladura mas diffciles.
Con el fin de obtener una perforacion de arranque satisfactoria para asegurar que el agujero termina en una posicion deseada y tiene una direccion correcta, se desea, entre otros, perforar la primera porcion del agujero usando una fuerza de alimentacion reducida para evitar que el acero de perforacion se desliza sobre la superficie de la roca, que a menudo es desigual y heterogeneo, por ejemplo, debido a voladura anterior. Por consiguiente, durante la perforacion de arranque no es posible aumentar arbitrariamente la fuerza de alimentacion sin arriesgar el posicionamiento / direccion del orificio.
Para una maquina de perforacion ejemplar, la presion de alimentacion durante la perforacion de arranque puede, por ejemplo, comenzar a 130 bares para aumentar a 200 bares durante la perforacion completa. Cuando la perforacion de arranque se realiza utilizando una velocidad de rotacion de la sarta de perforacion que se calcula sobre la base de la presion de alimentacion mas alta y, por lo tanto, una alta frecuencia de impacto, existe un riesgo sustancial de que la herramienta de perforacion se atasque y, debido a la rotacion de torsion mencionada previamente, se produzca un par de aflojamiento que es mayor que el par de apriete disponible, lo que puede dar como resultado el aflojamiento de las uniones con generacion de calor perjudicial y danos en las roscas como consecuencia.
Durante la perforacion de arranque no es necesario que la broca sea girada por una velocidad que se ajuste a una tasa de penetracion optima, es mas importante que la perforacion se realice de forma segura. En consecuencia, utilizando la presente invencion, la velocidad de rotacion se puede ajustar al par de apriete disponible.
En la Fig. 2, se muestra un grafico del aumento de presion de rotacion requerido en funcion de la velocidad de rotacion. Como puede verse en el grafico, existe una relacion entre la presion de rotacion (y por tanto el par rotacional) y la velocidad de rotacion. prodenota la presion de rotacion en vacfo requerida para hacer girar la sarta de perforacion cuando la broca no esta en contacto con la roca y es, entre otras, causada por friccion en el motor, la caja de engranajes, etc. En el grafico, el punto A denota la velocidad de rotacion ncompleta y presion de rotacion pcompleta que se determina para la maquina de perforacion ejemplar a la presion mas alta utilizada, por ejemplo, 200 bares. Como se muestra en la figura, esta presion de rotacion es mayor que la presion de rotacion parranque que esta disponible en la perforacion de arranque, cuando la presion de alimentacion maxima no puede ser utilizada sin riesgo de que surja un problema con la direccion / posicion del orificio. Si asf, narranque se utiliza durante la perforacion de arranque, hay un gran riesgo de que las articulaciones se aflojen con el problema anterior como resultado. Si, por otra parte, la velocidad de rotacion se reduce a la que se indica por el punto B de la figura 2, la sarta de perforacion
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puede girar usando un par de rotacion / apriete suficiente para mantener juntas las uniones, ya que la presion de rotacion requerida es menor que la que esta disponible. Como se muestra en la figura 2, la diferencia entre la presion en vado y la presion de rotacion a velocidad mas alta puede ser de 20 bares. Sin embargo, esta presion es solamente ejemplar y puede, por supuesto, ser lo que sea apropiado para el equipo o equipos de perforacion espedficos en los que se va a implementar la presente invencion.
En la figura 3 se muestra un sistema de control para controlar la velocidad de rotacion. El sistema de control comprende una unidad de control 30 a la que pueden conectarse un sensor 31 para la presion del motor de rotacion 7 y un sensor para la velocidad de rotacion de la sarta de perforacion. La velocidad de rotacion de la sarta de perforacion puede, por ejemplo, ser representada por el flujo a traves del motor de rotacion o puede obtenerse a traves de la medicion directa de la rotacion de la sarta de perforacion. Alternativamente, la velocidad de rotacion puede ser representada por la tension del motor de rotacion. Una cierta tension normalmente da como resultado una cierta velocidad de rotacion, que a su vez da como resultado un cierto flujo. Midiendo la tension, se puede estimar el flujo, lo que tiene la ventaja de que no es necesario un medidor de flujo para este fin. La unidad de control 30 puede estar dispuesta, ademas, para controlar un numero de valvulas 33, 34 que, por ejemplo, pueden controlar el flujo a traves del motor de rotacion 7 y la presion de alimentacion. Alternativamente, la unidad de control puede estar dispuesta para proporcionar valores a una unidad de control adicional, la cual a su vez controla varias presiones.
El control se realiza obteniendo la velocidad de rotacion actual y la presion de rotacion, por ejemplo, mediante medicion, deteccion o monitorizacion. La presion de rotacion medida se compara entonces con una relacion predeterminada entre la presion de rotacion y la velocidad de rotacion, tal como se muestra en el grafico de la figura 2. La comparacion puede, por ejemplo, realizarse mediante una un acceso a tabla, en la que se almacena la presion de rotacion requerida para varias velocidades de rotacion. Basandose en la comparacion, puede controlarse el flujo a traves del motor de rotacion 7, y con ello la velocidad de rotacion. En lugar de utilizar una tabla de busqueda, una relacion matematica entre la velocidad de rotacion y la presion de rotacion necesaria se puede utilizar para calcular la presion de rotacion requerida.
Si la presion de rotacion maxima no es suficiente para asegurar que las uniones de la sarta de perforacion se mantienen juntas, la unidad de control puede aumentar la presion de alimentacion para aumentar asf la presion de rotacion. Si, por otra parte, la presion de rotacion ya esta en un maximo, o si hay alguna restriccion de la presion de alimentacion, tal como, por ejemplo, durante la perforacion de arranque, en cambio, se puede bajar la velocidad de rotacion. La unidad de control puede controlar la presion de alimentacion o bien controlando directamente una valvula 34 que controla el flujo y la presion al motor / cilindro de alimentacion, o proporcionando valores a otra unidad de control que a su vez controla la presion / flujo al motor / cilindro de alimentacion. Si la presente invencion se utiliza durante la perforacion de arranque en la que la presion de percusion y la presion de alimentacion transitan desde un primer nivel reducido hasta un nivel de perforacion sustancialmente completo, la presion de alimentacion disponible esta cambiando todo el tiempo, con lo cual la velocidad de rotacion tambien puede estar cambiando (aumentando) todo el tiempo de acuerdo con ello.
La presente invencion se ha descrito anteriormente en relacion con la perforacion de arranque. La invencion, sin embargo, tambien es aplicable en la perforacion normal. Si, por ejemplo, la roca contiene una gran cantidad de grietas o si la dureza de la roca vana sustancialmente, pueden ocurrir situaciones en las que el par de apriete disponible no sea suficiente para asegurar que las uniones entre broca / componentes de la sarta de perforacion/ maquina de perforacion se mantienen juntas. Utilizando el principio de control de acuerdo con la presente invencion, la velocidad de rotacion se reduce inmediatamente, de manera que el par de apriete requerido disminuye. Por ejemplo, la velocidad de rotacion puede, en tal ocasion, reducirse a precisamente la velocidad de rotacion que corresponde al par de apriete disponible.
La presente invencion se ha descrito anteriormente con referencia a un tipo espedfico de maquina de perforacion.
La invencion puede, por supuesto, ser utilizada en otros tipos de maquinas de perforacion, por ejemplo, maquinas de perforacion sin amortiguador y buje.

Claims (4)

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    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo para controlar parametros de perforacion durante la perforacion de roca, en el que el dispositivo esta dispuesto de tal manera que una herramienta de perforacion (2) se puede conectar a una maquina de perforacion (1) por medio de uno o mas componentes de sarta de perforacion (3a, 3b), en el que el dispositivo comprende medios para hacer girar la herramienta de perforacion (2) durante la perforacion y para proporcionar un par de apriete para apretar uniones entre uno o mas del grupo: herramienta de perforacion (2), uno o mas componentes de sarta de perforacion (3a, 3b) y maquina de perforacion (1), caracterizado por que el dispositivo esta dispuesto para controlar la velocidad de rotacion (n) de la herramienta de perforacion (2) basandose en el par de apriete disponible, en el que dichos medios consisten en un motor de rotacion (7), en el que el dispositivo esta ademas dispuesto para:
    - obtener el par rotacional disponible en funcion de la presion de rotacion,
    - en continuo y / o en determinados intervalos, obtener la presion de rotacion mediante deteccion con sensores, monitorizacion, medicion o calculo, y
    - comparar la presion de rotacion obtenida con la presion de rotacion que se requiere a la velocidad de rotacion actual (n) de la maquina de perforacion (1), y disminuir la velocidad de rotacion (n) de la herramienta de perforacion (2) si la presion actual es menor que la presion requerida.
  2. 2. Dispositivo segun la reivindicacion 1, caracterizado por que esta dispuesto, ademas, para realizar la comparacion usando una relacion, por ejemplo, matematica, entre la presion de rotacion requerida y la velocidad de giro (n) de la herramienta de perforacion (2) y / o mediante una acceso a tabla, comprendiendo dicha tabla una relacion entre la presion de rotacion requerida y la velocidad de rotacion (n) de la herramienta de perforacion (2).
  3. 3. Metodo para controlar los parametros de perforacion durante la perforacion de roca, en el que una herramienta de perforacion (2) se puede conectar a una maquina de perforacion (1) por medio de uno o mas componentes de sarta de perforacion (3a, 3b), en el que la herramienta de perforacion (2) es girada durante la perforacion y se proporciona un par de apriete para el apriete de las articulaciones entre uno o mas del grupo: herramienta de perforacion (2), uno o mas componentes de sarta de perforacion (3a, 3b) y maquina de perforacion (1), caracterizado por la etapa de controlar la velocidad de rotacion (n) de la herramienta de perforacion (2) basandose en el par de apriete disponible, en donde el par rotacional disponible se obtiene como una funcion de la presion de rotacion, comprendiendo, ademas, el metodo:
    - en continuo y / o en determinados intervalos, obtener la presion de rotacion mediante deteccion con sensores, monitorizacion, medicion o calculo, y
    - comparar la presion de rotacion obtenida con la presion de rotacion que se requiere a la velocidad de rotacion actual (n) de la maquina de perforacion (1), y disminuir la velocidad de rotacion (n) de la herramienta de perforacion (2) si la presion actual es menor que la presion requerida.
  4. 4. Metodo segun la reivindicacion 3, caracterizado por la etapa de realizar la comparacion utilizando una relacion, por ejemplo matematica, entre la presion de rotacion requerida y la velocidad de rotacion (n) de la herramienta de perforacion (2) y / o mediante la consulta en una tabla que comprende una relacion entre la presion de rotacion requerida y la velocidad de rotacion (n) de la herramienta de perforacion (2).
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