ES2888936T3 - Máquina de perforación en fondo y método para perforar roca - Google Patents
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Abstract
Una máquina (11) de perforación en fondo que comprende: una carcasa (15) alargada que tiene un extremo (TE) superior y un extremo (BE) inferior; un pistón (19) impulsado por fluido dispuesto de manera que se puede mover dentro de la carcasa (15); una cámara (21) de trabajo superior en un lado superior del pistón (19); una cámara (22) de trabajo inferior en un lado inferior del pistón (19); pasajes de fluido y elementos de control para controlar la alimentación y la descarga de fluido presurizado dentro y fuera de las cámaras (21, 22) de trabajo para generar movimiento reciprocante del pistón (19); un puerto (18) de entrada en el extremo (TE) superior para alimentar el fluido presurizado: un manguito (20) de control dentro de la carcasa (15) y que comprende una superficie (IS) interna y una superficie (OS) externa y en donde el pistón (19) está dispuesto dentro del manguito (20) de control; y una broca (14) que se puede conectar a la porción de extremo (BE) inferior de la carcasa (15) y provista de una superficie (ISB) de impacto enfrentada hacia el pistón (19) para recibir impactos del pistón (19); caracterizada por que entre la superficie externa del manguito (20) de control y una superficie interna de la carcasa (15) que rodea el manguito (20) de control hay uno o más pasajes (28) de alimentación principales, uno o más pasajes (29) de alimentación superiores, uno o más pasajes (30) de alimentación inferiores y uno o más pasajes (31) de descarga, por lo que se transportan flujos de alimentación a ambas cámaras (21, 22) de trabajo y flujos de descarga de ambas cámaras (21, 22) de trabajo entre las superficies del manguito (20) de control y de la carcasa (15).
Description
DESCRIPCIÓN
Máquina de perforación en fondo y método para perforar roca
Antecedentes de la invención
La invención se refiere a una máquina de perforación en fondo que comprende un dispositivo de impacto y, especialmente, al transporte y al direccionamiento de fluido dentro del dispositivo de impacto. La máquina de perforación está provista de un pistón de percusión reciprocante que se mueve mediante el control de la alimentación y la descarga de fluido presurizado dentro y fuera de cámaras de trabajo en las que se ubican superficies de trabajo del pistón. El pistón está configurado para golpear una broca que está conectada directamente a la máquina de perforación.
Además, la invención se refiere a un método para perforar roca.
El campo de la invención se describe con más detalle en los preámbulos de las reivindicaciones independientes de la solicitud.
Pueden perforarse orificios en la roca por medio de varias máquinas de perforación de roca. La perforación puede realizarse con un método que combine percusiones y rotación. Entonces la perforación se denomina perforación a percusión. Además, la perforación a percusión puede clasificarse según si un dispositivo de impacto está fuera del orificio de perforación o en el orificio de perforación durante la perforación. Cuando el dispositivo de impacto está en el orificio de perforación, la perforación se denomina habitualmente perforación en fondo (DTH por sus siglas en inglés). Dado que el dispositivo de impacto está en la máquina de perforación DTH ubicada dentro del orificio de perforación, la estructura del dispositivo de impacto debe ser compacta.
El documento US2013/122626 describe un sistema de flujo de fluido presurizado para un martillo en fondo de circulación inversa.
El documento WO2018/107304 describe un sistema de flujo de fluido presurizado para un martillo en fondo en donde el flujo de fluido presurizado dentro y fuera de las cámaras frontal y trasera tiene lugar entre la superficie interna del cilindro y las superficies deslizantes externas del pistón. No obstante, se considera este documento como perteneciente al estado de la técnica bajo el Artículo 54(3) del Convenio sobre la Patente Europea.
En las máquinas de perforación DTH conocidas, la eficacia de los dispositivos de impacto se muestra insatisfactoria.
Breve descripción de la invención
Es un objeto de esta invención proporcionar una máquina de perforación y un método para perforar roca novedosos y mejorados.
La máquina de perforación según la invención se caracteriza por características que caracterizan una reivindicación de aparato independiente.
El método según la invención se caracteriza por características que caracterizan una reivindicación de método independiente.
En una realización, la máquina de perforación en fondo comprende una carcasa alargada dentro de la cual hay un manguito de control. Un pistón accionado por fluido reciprocante de un dispositivo de impacto de la máquina de perforación está dispuesto dentro del manguito de control. En otras palabras, la carcasa rodea el manguito de control y el manguito de control rodea el pistón. En ambos lados de extremo del pistón hay cámaras de trabajo, es decir, una cámara de trabajo superior y una cámara de trabajo inferior, a las que se alimenta fluido presurizado y de las que se descarga fluido según el ciclo de trabajo del pistón. Flujos de alimentación a ambas cámaras de trabajo y flujos de descarga de ambas cámaras de trabajo se transportan en pasajes de fluido, que están dispuestos entre una superficie externa del manguito de control y una superficie interna de la carcasa. En otras palabras, los flujos de alimentación y de descarga se transportan en trayectorias de flujo, que están ubicadas entre superficies del manguito de control y de la carcasa. Los pasajes de fluido o trayectorias de flujo se ubican fuera del pistón.
Una ventaja de la solución descrita es que la estructura puede ser relativamente sencilla y el número de componentes es bajo. Por lo tanto, el mantenimiento es fácil y los costes de fabricación pueden ser bajos. No se necesitan elementos de control separados móviles, pero en su lugar el elemento de control ofrece los pasajes y las aberturas de fluido y el pistón controla los flujos de fluido a través de ellos.
Una ventaja del direccionamiento de fluido descrito, que está dispuesto fuera del pistón, es que permite que las áreas de trabajo del pistón, dentro de las cámaras de trabajo superior e inferior, tengan dimensiones tan grandes como sea posible. El tamaño aumentado de las áreas de trabajo afectadas por el fluido presurizado quiere decir que pueden producirse pulsos de impacto mayores. De este modo, puede aumentarse la eficacia del dispositivo de impacto y aun así no aumentar significativamente las dimensiones externas del dispositivo de impacto.
En una realización, el pistón está soportado y sellado en dirección radial solo contra las superficies internas del manguito de control. En otras palabras, las superficies de soporte y las juntas del pistón están ubicadas entre el pistón y el manguito de control. Una ventaja es que las superficies de soporte y de sellado son más fáciles de conformar en piezas separadas más pequeñas, como el pistón y el manguito de control, que en la carcasa u otra pieza de cuerpo mayor. Además, el pistón y el manguito de control son componentes separados, lo que permite que se cambien cuando estén gastados.
En una realización, una superficie interna de la carcasa y una superficie externa del manguito de control están en contacto físico entre sí. En otras palabras, las superficies están una contra otra excepto en las áreas en las que están ubicados los pasajes de fluido.
En una realización, la cámara de trabajo superior está ubicada por completo dentro de una porción de extremo superior del manguito de control.
En una realización, el manguito de control es un elemento de control inmóvil. El manguito de control no se mueve axialmente ni rota durante el ciclo de trabajo. Así, el manguito de control puede estar conectado de manera que no se mueva a la carcasa. El pistón se mueve en relación al manguito de control y da lugar a que los pasajes de fluido se abran y se cierren.
En una realización, la posición axial del manguito de control es ajustable en relación a la carcasa. Una ventaja de esta solución es que la frecuencia de los flujos de alimentación y descarga puede ajustarse con precisión mediante el ajuste de la posición axial del manguito de control. De este modo, es posible proporcionar a la máquina de perforación una circulación de fluido asimétrica, por ejemplo. El ajuste de posición puede ejecutarse por medio de elementos de ajuste separados, tales como pernos de ajuste.
En una realización, la carcasa es una sola pieza, por lo que la estructura puede ser robusta y sencilla.
En una realización, la carcasa es una pieza de bastidor parecida a un tubo sencilla sin perforaciones complicadas ni formas mecanizadas. La carcasa puede no tener orificio pasante transversal alguno y una superficie interna de la carcasa puede ser continua.
En una realización, el manguito de control comprende en su superficie externa varios pasajes de fluido o trayectorias de flujo. Los pasajes de fluido están predominantemente dirigidos de manera axial y están en conexión fluida con aberturas pasantes transversales. Las aberturas transversales permiten el flujo de fluido entre la superficie externa y la superficie interna del manguito de control. Dado que el manguito de control es de tamaño relativamente pequeño, es fácil proporcionarle las trayectorias de fluido axiales y transversales necesarias.
En una realización, el manguito de control comprende varias ranuras en su superficie externa. Las ranuras sirven como pasajes de fluido axiales. En otras palabras, los pasajes de fluido mencionados están definidos por las ranuras y por la superficie interna de la carcasa. Las ranuras son fáciles de mecanizar en la superficie externa del manguito de control por medio de una fresadora, por ejemplo.
En una realización, la periferia externa del manguito de control tiene varios pasajes de alimentación superiores parecidos a ranuras para conectar la cámara de trabajo superior al suministro de fluido. La periferia externa puede también comprender varios pasajes de alimentación inferiores parecidos a ranuras para conectar la cámara de trabajo inferior al suministro de fluido y, además, varios pasajes de descarga parecidos a ranuras para descargar el fluido de las cámaras de trabajo. Así, el manguito de control puede comprender dos o más pasajes de fluido similares separados en torno a la periferia externa del manguito. El empleo de varios pasajes de fluido similares en torno al manguito de control asegura que son capaces de transportar juntos el flujo de fluido necesario.
En una realización, los pasajes de fluido entre la carcasa y el manguito de control están formados en la superficie interna de la carcasa y no en el manguito de control, como en las realizaciones anteriores. Así, la superficie interna de la carcasa puede estar provista de varias ranuras que forman las porciones axiales de los pasajes de fluido. La superficie externa del manguito de control puede entonces ser una superficie continua sin ranura alguna. No obstante, el manguito de control comprende todavía los orificios pasantes que conectan los espacios interno y externo. En esta realización, las porciones axiales de los pasajes de fluido están definidas por las ranuras y la superficie externa continua del manguito de control.
En una realización, los pasajes de fluido entre la carcasa y el manguito de control comprenden porciones axiales que están formadas por ranuras combinadas del manguito de control y de la carcasa. Así, la superficie externa del manguito de control y la superficie interna de la carcasa pueden comprender ambas medias ranuras que estén alineadas de modo que formen entre ellas los pasajes de fluido necesarios.
En una realización, el pistón tiene una superficie externa maciza o cubierta. De este modo, el pistón no tiene ninguna abertura pasante transversal. Cuando el pistón no tiene orificios transversales, la estructura puede ser sencilla y robusta. No obstante, el pistón puede comprender o no al menos una abertura axial que se extiende de manera longitudinal de extremo a extremo del pistón. En una perforación de circulación inversa, el pistón comprende una abertura central a través de la cual se dispone un tubo de recogida central. En esta solución, el pistón es una pieza
parecida a un manguito sin orificios transversales.
En una realización, el pistón tiene una configuración de núcleo macizo sin abertura axial ni transversal alguna. Cuando el pistón no tiene aberturas axiales ni central y no tiene orificios transversales ni orificios pasantes, la estructura del pistón es robusta y duradera. Además, el pistón de núcleo macizo es fácil de fabricar.
En una realización, el pistón tiene un extremo superior plano. En otras palabras, el extremo superior no tiene cavidades ni resaltes.
En una realización, el extremo superior del pistón tiene una cavidad que sirve como una parte de volumen de la cámara de trabajo superior. No obstante, la cavidad es ciega, es decir, no tiene pasaje de fluido separado alguno. En una realización, el pistón tiene un extremo superior cuya área corresponde al área transversal de la superficie interna del manguito de control. En otras palabras, el diámetro interno del manguito de control define el área de trabajo máxima del pistón que hace efecto en la dirección de impacto.
En una realización, el extremo superior del pistón comprende un área de trabajo primera total enfrentada a la cámara de trabajo superior y el extremo inferior del pistón comprende un área de trabajo segunda total enfrentada a la cámara de trabajo inferior. Las áreas de trabajo primera y segunda tienen dimensiones que son de igual tamaño. No obstante, en una solución alternativa, las áreas de trabajo son de tamaño diferente, lo que asegura una iniciación adecuada de un ciclo de trabajo del pistón después de una parada del ciclo de trabajo.
En una realización, la broca comprende una cavidad central que tiene un primer extremo abierto hacia el pistón y un segundo extremo cerrado enfrentado en sentido opuesto al pistón. La cavidad de la broca está configurada para constituir un espacio de fluido adicional y para ser parte de la cámara de trabajo inferior. En otras palabras, parte del volumen de la cámara de trabajo inferior está ubicado dentro de la broca. Cuando la cámara de trabajo inferior está parcialmente dentro del manguito de control y parcialmente dentro de la broca, el volumen de la cámara de trabajo inferior puede aumentarse sin aumentar las dimensiones externas de la máquina de perforación.
En una realización, la broca comprende una cavidad que sirve como un espacio adicional para la cámara de trabajo inferior. El espacio de fluido adicional está configurado para descargarse mediante un primer extremo abierto de la cavidad a los lados de la broca y, además, a través de canales de vaciado separados que conectan los lados y una superficie frontal de la broca. Así, el fluido descargado puede dirigirse a la superficie frontal de la broca por medio de los canales de vaciado de la broca.
En una realización, la broca comprende una cavidad que sirve como un espacio adicional para la cámara de trabajo inferior. El espacio de fluido adicional puede comprender uno o más canales de descarga transversales próximos a un extremo cerrado de la cavidad y que se extienden hasta el lado de la broca.
En una realización, el dispositivo de impacto comprende una cámara de alimentación central anular. La cámara de alimentación está ubicada entre la superficie externa del pistón y la superficie interna del manguito de control. La cámara de alimentación central está en conexión fluida constante con el puerto de entrada durante el ciclo de trabajo del dispositivo de impacto. De este modo, prevalece la presión de alimentación dentro de la cámara de alimentación central y el pistón está configurado para controlar la alimentación de fluido desde la cámara de alimentación a la cámara de trabajo superior y a la cámara de trabajo inferior. Al moverse el pistón durante el ciclo de trabajo abre y cierra aberturas transversales del manguito de control.
En una realización, el dispositivo de impacto comprende una cámara de alimentación central anular que está definida por una porción central del pistón y por la superficie interna del manguito de control. La porción central del pistón está provista de una cavidad que tiene un diámetro menor en comparación a los diámetros de las porciones de extremo del pistón. En otras palabras, el pistón tiene una porción adelgazada central provista con el diámetro menor y que define la cámara de alimentación anular.
En una realización, el dispositivo de impacto comprende una cámara de alimentación central anular entre la superficie externa del pistón y la superficie interna del manguito de control. Además, entre el manguito de control y la superficie interna de la carcasa hay al menos un pasaje de alimentación superior axial que se extiende desde la cámara de alimentación central hacia la cámara de trabajo superior. Correspondientemente, entre el manguito de control y la superficie interna de la carcasa hay al menos un pasaje de alimentación inferior axial que se extiende desde la cámara de alimentación central hacia la cámara de trabajo inferior. Las cámaras de alimentación superior e inferior axiales permiten que los flujos de alimentación sean transportados desde la cámara de alimentación central a las cámaras de trabajo. Ambas cámaras de trabajo son alimentadas mediante la cámara de alimentación central. En una realización, el dispositivo de impacto comprende una cámara de alimentación central anular entre la superficie externa del pistón y la superficie interna del manguito de control. Además, entre el manguito de control y la superficie interna de la carcasa hay al menos un pasaje de alimentación principal que se extiende desde el extremo de lado superior del manguito de control hasta la cámara de alimentación central. Los pasajes de alimentación principales pueden comprender ranuras en la superficie externa del manguito de control. El flujo de alimentación puede transportarse por medio del pasaje de alimentación principal desde el puerto de entrada hasta la cámara de
alimentación central, desde la que el fluido puede ser transportado además hasta las cámaras de trabajo. Por medio del pasaje de alimentación principal, la cámara de alimentación central está en conexión fluida de alimentación constante durante el ciclo de trabajo.
En una realización, la cámara de trabajo superior y la cámara de trabajo inferior del dispositivo de impacto se descargan a través de uno o más pasajes de descarga axial compartidos. También el pasaje de descarga compartido está ubicado entre el manguito de control y la superficie interna de la carcasa. El pasaje de descarga axial compartido tiene conexión con al menos una primera abertura transversal en la cámara de trabajo superior y con al menos una segunda abertura transversal en la cámara de trabajo inferior. Cuando el pistón se mueve, está configurado para abrir y cerrar de manera alterna las aberturas de descarga de las cámaras de trabajo superior e inferior. El pasaje de descarga axial compartido puede extenderse hasta la broca, que puede estar provista de al menos una ranura de descarga en una superficie externa de la broca.
Una solución alternativa para la realización anterior es que la cámara de trabajo superior y la cámara de trabajo inferior tengan pasajes de descarga propios.
En una realización, la máquina de perforación utiliza un principio de circulación inversa en donde los recortes de perforación son transportados desde un lado frontal de la broca a través de un tubo interno que está ubicado dentro de una abertura central del pistón. Así, el pistón es, en esta solución, una pieza parecida a un manguito sin aberturas pasantes transversales. El tubo interno se extiende desde la broca hasta la porción de extremo superior de la máquina de perforación. Ambas cámaras de trabajo pueden descargarse a través de al menos un pasaje de descarga transversal hasta el lado de la broca y, además, a través de al menos un canal de descarga hasta el lado frontal de la broca. La broca comprende una abertura central que se extiende de extremo a extremo de la broca. El tubo interno está en conexión fluida con el extremo superior de la abertura central de la broca, permitiendo de este modo que los recortes de perforación sean transportados desde el lado frontal de la broca a través del tubo interno fuera de la máquina de perforación. En esta solución, los tamaños de las áreas de trabajo superior e inferior del pistón vienen ambos definidos por los diámetros internos del manguito de control en las cámaras de trabajo y por un diámetro externo del tubo interno.
En una realización, la máquina de perforación es un dispositivo que puede funcionar de manera neumática y el fluido es gas presurizado, tal como aire presurizado.
En una realización, la máquina perforadora es un dispositivo hidráulico. El dispositivo puede emplearse por medio de agua presurizada, por ejemplo.
Las realizaciones descritas anteriormente y sus características pueden combinarse.
Breve descripción de las figuras
Algunas realizaciones de la invención se explicarán con mayor detalle en los dibujos anexos, en los que
La Figura 1 muestra de manera esquemática una plataforma de perforación de roca provista de una máquina de perforación de roca DTH.
La Figura 2 muestra de manera esquemática una máquina de perforación DTH en una parte inferior de un orificio de perforación.
Las Figuras 3a y 3b muestran de manera esquemática dos vistas transversales diferentes de una máquina de perforación DTH.
Las Figuras 4a y 4b muestran de manera esquemática dos vistas transversales y parciales diferentes de la máquina de perforación DTH e ilustran la frecuencia de alimentación de la cámara de trabajo inferior.
Las Figuras 5a y 5b muestran de manera esquemática dos vistas transversales y parciales diferentes de la máquina de perforación DTH e ilustran la frecuencia de descarga de la cámara de trabajo superior.
Las Figuras 6a y 6b muestran de manera esquemática dos vistas transversales y parciales diferentes de la máquina de perforación DTH e ilustran la frecuencia de descarga de la cámara de trabajo inferior.
Las Figuras 7a y 7b muestran de manera esquemática dos vistas transversales y parciales diferentes de la máquina de perforación DTH e ilustran la frecuencia de alimentación de la cámara de trabajo superior.
La Figura 8 muestra de manera esquemática una vista lateral de un pistón de núcleo macizo de una máquina de perforación DTH y la Figura 9 es una vista transversal de la misma.
La Figura 10 muestra de manera esquemática un manguito de control de una máquina de perforación DTH.
Las Figuras 11 y 12 muestran de manera esquemática y en sección transversal los principios de dos modos alternativos de formar pasajes de fluido entre una carcasa y un manguito de control.
La Figura 13 muestra de manera esquemática y en sección transversal parte de la máquina de perforación DTH que aplica el principio de perforación de circulación inversa, y
Las Figuras 14 y 15 describen de manera esquemática y en sección transversal dos soluciones alternativas para disponer elementos de sellado independientes entre el pistón y la superficie interna del manguito de control.
En las figuras, algunas realizaciones de la invención se muestran simplificadas en aras de la claridad. Referencias numéricas similares se refieren a partes similares en las figuras.
Descripción detallada de algunas realizaciones la invención
La Figura 1 muestra una plataforma 1 de perforación de roca que comprende un portador 2 móvil provisto de una pluma 3 de perforación. La pluma 3 está provista de una unidad 4 de perforación de roca que comprende un mástil 5 de alimentación, un dispositivo 6 de alimentación y una unidad 7 de rotación. La unidad 7 de rotación puede comprender un sistema de engranajes y uno o más motores de rotación. Un carro 8 puede soportar la unidad 7 de rotación y estar soportado de manera móvil en el mástil 5 de alimentación. La unidad 7 de rotación puede estar provista de equipo 9 de perforación que puede comprender uno o más tubos 10 de perforación conectados entre sí y una máquina 11 de perforación DTH en un extremo más alejado del equipo 9 de perforación. La máquina 11 de perforación DTH está ubicada en el orificio 12 perforado durante la perforación.
La Figura 2 muestra que la máquina 11 de perforación DTH comprende un dispositivo 13 de impacto. El dispositivo 13 de impacto está en el extremo opuesto del equipo 9 de perforación en relación a la unidad 7 de rotación. Durante la perforación, se conecta una broca 14 directamente al dispositivo 13 de impacto, por lo que las percusiones P generadas por el dispositivo 13 de impacto se transmiten a la broca 14. El equipo 9 de perforación se rota en torno a su eje longitudinal en sentido R por medio de la unidad 7 de rotación mostrada en la Figura 1 y, al mismo tiempo, la unidad 7 de rotación y el equipo 9 de perforación conectado a ella son alimentados con fuerza F de alimentación en el sentido A de perforación por medio del dispositivo 6 de alimentación. Entonces, la broca 14 rompe la roca debido al efecto de la rotación R, de la fuerza F de alimentación y de la percusión P. Se alimenta fluido presurizado desde una fuente PS de presión a la máquina 11 de perforación a través de los tubos 10 de perforación. El fluido presurizado puede ser aire comprimido y la fuente PS de presión puede ser un compresor. El fluido de presión se dirige para hacer efecto sobre las superficies de trabajo de un pistón de percusión de la máquina de perforación y para dar lugar a que el pistón se mueva de una manera reciprocante y golpee contra la superficie de impacto de la broca. Después de utilizarse en el ciclo de trabajo de la máquina 11 de perforación, se permite que el aire presurizado se descargue de la máquina 11 de perforación y que, de este modo, proporcione un vaciado de la broca 14. Además, el aire descargado empuja el material de roca perforado fuera del orificio de perforación en un espacio anular entre el orificio de perforación y el equipo 9 de perforación. De manera alternativa, los recortes de perforación se retiran de una cara de perforación dentro de un tubo interno central que pasa a través del dispositivo de impacto. Este método se denomina perforación de circulación inversa.
La Figura 2 indica mediante una flecha TE un extremo superior o extremo de parte superior de la máquina 11 de perforación y mediante una flecha BE un extremo inferior o un extremo de parte inferior de la máquina de perforación.
Las Figuras 3a y 3b describen una máquina 11 de perforación DTH y su dispositivo 13 de impacto. Se muestran las secciones transversales en puntos diferentes en las Figuras 3a y 3b para presentar aberturas y pasajes de fluido dispuestos en torno a la estructura interna. La máquina 11 de perforación comprende una carcasa 15 alargada que puede ser una pieza de bastidor parecida a un manguito relativamente sencilla. En un extremo TE superior de la carcasa 15 se monta una pieza 16 de conexión por medio de la cual puede conectarse la máquina 11 de perforación a un tubo de perforación. La pieza 16 de conexión puede comprender superficies 17 de conexión roscadas. En conexión con la pieza 16 de conexión, hay un puerto 18 de entrada para alimentar fluido presurizado al dispositivo 13 de impacto. El puerto 18 de entrada puede comprender medios 18a de válvula que permitan la alimentación de fluido hacia el dispositivo de impacto, pero que impidan el flujo en un sentido opuesto. El dispositivo 13 de impacto comprende un pistón 19 que está dispuesto para moverse de una manera reciprocante durante su ciclo de trabajo. En un extremo BE inferior del pistón hay una superficie ISA de impacto dispuesta para golpear una superficie ISB de impacto en un extremo superior de una broca 14. Como cabe destacar, el pistón 19 es una pieza de núcleo macizo, por lo que no tiene ningún canal ni abertura pasante en dirección axial ni transversal. Entre la carcasa 15 y el pistón 19 hay un manguito 20 de control que no se mueve durante el ciclo de trabajo. En el lado de extremo TE superior del pistón 19 hay una cámara 21 de trabajo superior y en el lado de extremo opuesto hay una cámara 22 de trabajo inferior. El movimiento del pistón 19 está configurado para abrir y cerrar pasajes de fluido para alimentar y descargar las cámaras 21, 22 de trabajo y para dar lugar de este modo a que el pistón 19 se mueva en un sentido A de impacto y en un sentido B de regreso. En las Figuras 3a, 3b el pistón 19 está en un punto de impacto en donde la superficie ISA de impacto ha golpeado la broca 14. El direccionamiento de fluido se ejecuta entre la superficie interna de la carcasa 15 y una superficie externa del manguito 20 de control. Una periferia externa del manguito 20 de control puede comprender varias ranuras que sirven como pasajes de fluido. Aberturas transversales pueden conectar las ranuras con las cámaras de trabajo, el puerto de entrada y los canales de descarga.
Dado que el pistón 19 está dentro del manguito 20 de control, un diámetro interno del manguito de control define el diámetro externo máximo de una superficie 23 de trabajo superior y de una superficie 24 de trabajo inferior. La cámara 21 de trabajo superior está dentro del manguito 20 de control, mientras que la cámara 22 de trabajo inferior está parcialmente definida mediante una cavidad 25 central de la broca 14.
En una porción central del pistón 19 está la porción 26 adelgazada con diámetro menor, de modo que entre la porción adelgazada y el manguito 20 de control hay una cámara 27 de alimentación central anular. La cámara 27 de alimentación está en conexión fluida constante con el puerto 18 de entrada a través de uno o más pasajes 28 de alimentación principales. El pasaje 28 de alimentación principal está conectado al puerto 18 de entrada por medio de una abertura 41 transversal y está conectado a la cámara 27 de alimentación central por medio de una abertura 42 transversal. La cámara 21 de trabajo superior y la cámara 22 de trabajo inferior son alimentadas por transporte de fluido desde la cámara 27 de alimentación central a través de uno o más pasajes 29 de alimentación superiores y pasajes 30 de alimentación inferiores. Además, las cámaras 21, 22 de trabajo inferiores pueden descargarse por medio de uno o más pasajes 31 de descarga, que pueden ser comunes para ambas cámaras 21, 22 de trabajo. Los pasajes 28, 29, 30 de alimentación y el pasaje 31 de descarga compartido, junto con sus aberturas transversales, se muestran mejor en la Figura 10, que presenta el manguito 20 de control.
En las Figuras 3a, 3b, el pistón 19 tiene aberturas 32 transversales abiertas a los pasajes 31 de descarga compartidos, por lo que se descarga la cámara 21 de trabajo superior a través de los canales 33a, 33b de descarga hasta la cara de la broca 14. Las aberturas 34 transversales entre los pasajes 31 de descarga compartidos y la cámara 22 de trabajo inferior son cerrados por el pistón 19. La Figura 3a muestra que el pistón 19 ha abierto las aberturas 35 transversales, por lo que se alimenta fluido desde la cámara 27 de alimentación central a través de los pasajes 30 de alimentación inferiores y de las aberturas 36 transversales a la cámara 22 de trabajo inferior. Cuando se descarga la cámara 21 de trabajo superior y se alimenta fluido presurizado a la cámara 22 de trabajo inferior, el pistón 19 inicia un movimiento en el sentido B de regreso.
La Figura 3b además muestra que en el extremo inferior de la cavidad 25 de la broca 14 puede haber una abertura 37 de descarga transversal que permita el vaciado de fluido hasta el lado de la broca cuando se mueve la broca 14 en el sentido A de impacto en relación a la carcasa 15 para ejecutar el vaciado del orificio perforado.
Las Figuras 4a y 4b describen la situación cuando el pistón 19 se mueve en el sentido A de impacto y un borde 38 del pistón 19 está a punto de abrir la abertura 35 transversal del pasaje 30 de alimentación inferior. Entonces la cámara 22 de trabajo inferior está conectada al puerto 18 de entrada a través del pasaje 28 de alimentación principal, de la cámara 27 de alimentación central y del pasaje 30 de alimentación inferior.
La Figura 4b además describe que las porciones de extremo del pistón 19 en lados opuestos de la cámara 27 de alimentación central tienen diferentes diámetros D1, D2 asegurando de este modo que el pistón 19 empieza a moverse después de una parada cuando se efectúa presión de alimentación en la cámara de alimentación central sobre las superficies de presión que tienen áreas diferentes.
Las Figuras 5a y 5b describen que el pistón 19 se mueve desde la posición de carrera superior en el sentido A de impacto y que un borde 39 está a punto de abrir la abertura 32 transversal al pasaje 31 de descarga para descargar la cámara 21 de trabajo superior. Un borde 40 del pistón 19 ya ha cerrado la abertura 34 transversal entre la cámara 22 de trabajo inferior y el pasaje 31 de descarga.
Las Figuras 6a y 6b describen que el pistón 19 se mueve en el sentido B de regreso dado que el fluido de presión se expande en la cámara 22 de trabajo inferior cerrada. Cuando el pistón 19 se mueve en el sentido B de regreso, el borde 40 del pistón abre la abertura 35 transversal y conecta la cámara 22 de trabajo inferior con el pasaje 31 de descarga. Además, el borde 39 ha cerrado la conexión desde la cámara 21 de trabajo superior al pasaje 31 de descarga, por lo que la cámara 21 de trabajo superior está preparada para alimentación de fluido.
Las Figuras 7a y 7b describen que la abertura 44 de alimentación transversal se abrirá mediante el borde 45 del pistón 19. Entonces se transporta fluido a través del pasaje 29 de alimentación superior y de la abertura 43 transversal a la cámara 21 de trabajo superior. La abertura 34 de descarga entre la cámara 22 de trabajo inferior y el pasaje 31 de descarga ha sido abierta.
Las Figuras 8 y 9 describen que un pistón 19 que puede ser una pieza de núcleo macizo sin abertura transversal ni axial alguna. Como ya se ha mencionado anteriormente, el pistón 19 comprende la porción 26 adelgazada central con diámetro D3 menor en comparación con los diámetros D1, D2 en las porciones de extremo. Dado que el movimiento reciprocante del pistón 19 está configurado para controlar el ciclo de trabajo del dispositivo de impacto, el pistón 19 está provisto de bordes 38, 39, 40 y 45, o superficies de control, para abrir y cerrar las aberturas transversales de los pasajes de fluido, como se ha descrito anteriormente.
La Figura 10 describe un manguito 20 de control que tiene una superficie IS interna y una superficie OS externa. El pistón está soportado y sellado contra la superficie IS interna y la superficie OS externa está en contacto con una superficie interna de la carcasa. En la superficie OS externa hay varias ranuras G y aberturas transversales que conectan las ranuras G con el lado de superficie interna del manguito 20 de control. El manguito 20 de control comprende uno o más pasajes 28 de alimentación principales con aberturas 41 y 42, uno o más pasajes 29 de
alimentación superiores con aberturas 43 y 44, uno o más pasajes 30 de alimentación inferiores con aberturas 35 y 36 y, además, uno o más pasajes 31 de descarga con aberturas 32, 34 y 46.
No obstante, en lugar de los pasajes de descarga compartidos, las cámaras de trabajo pueden tener pasajes de descarga propios.
La Figura 11 describe una solución en donde la carcasa 15 está provista de las ranuras G y el manguito 20 de control tiene una superficie externa continua y está provisto de aberturas OP en las ranuras G. En la Figura 12, la carcasa 15 y el manguito 20 de control están ambos provistos de medias ranuras G1, G2 que forman entre sí el pasaje FP de fluido necesario.
La Figura 13 describe parte de una máquina 11 de perforación que difiere de las soluciones anteriormente descritas en que el pistón 19 es una pieza parecida a un manguito a través de la cual pasa un tubo 47 interno. Así, el pistón 19 tiene una abertura 48 central. El tubo 47 interno se extiende desde la broca 14 hasta el extremo TE superior de la máquina 11 de perforación. Dentro del tubo 47 interno hay un canal 49 para transportar recortes de perforación fuera del orificio perforado. El principio operativo básico es sustancialmente el mismo que se ha descrito anteriormente. También el direccionamiento de fluido se ejecuta entre el manguito 20 de control y la carcasa 15.
La Figura 14 describe un pistón 19 que corresponde al pistón 19 de la Figura 8 excepto en que el pistón de la Figura 14 está provisto de juntas S. Entonces, las porciones de extremo con los diámetros D1 y D2 mayores pueden tener ambas dos juntas S dispuestas en ranuras de junta formadas en sus periferias externas. Las juntas S pueden estar ubicadas axialmente cercanas a los bordes 38, 39, 40 y 45 de control, que están dispuestos para abrir y cerrar los pasajes de fluido durante el funcionamiento. Por medio de las juntas S pueden reducirse las fugas de fluido y aumentarse la eficacia del dispositivo de impacto. No obstante, las juntas S del pistón 19 pueden sustituirse disponiendo las juntas S en las superficies IS internas del manguito 20 de control, según se muestra en la Figura 15. Puede haber ranuras SG de junta formadas en las superficies IS internas para recibir las juntas. Las juntas S están ubicadas axialmente en posiciones seleccionadas entre aberturas que pasan a través del manguito de control. De otro modo, el funcionamiento y la estructura del manguito 20 de control pueden corresponder a lo que se ha descrito anteriormente.
Los dibujos y la descripción relativa solo pretenden ilustrar la idea de la invención. El alcance de la invención está limitado por las reivindicaciones anexas.
Claims (12)
1. Una máquina (11) de perforación en fondo que comprende:
una carcasa (15) alargada que tiene un extremo (TE) superior y un extremo (BE) inferior;
un pistón (19) impulsado por fluido dispuesto de manera que se puede mover dentro de la carcasa (15); una cámara (21) de trabajo superior en un lado superior del pistón (19);
una cámara (22) de trabajo inferior en un lado inferior del pistón (19);
pasajes de fluido y elementos de control para controlar la alimentación y la descarga de fluido presurizado dentro y fuera de las cámaras (21,22) de trabajo para generar movimiento reciprocante del pistón (19); un puerto (18) de entrada en el extremo (TE) superior para alimentar el fluido presurizado:
un manguito (20) de control dentro de la carcasa (15) y que comprende una superficie (IS) interna y una superficie (OS) externa y en donde el pistón (19) está dispuesto dentro del manguito (20) de control; y una broca (14) que se puede conectar a la porción de extremo (BE) inferior de la carcasa (15) y provista de una superficie (ISB) de impacto enfrentada hacia el pistón (19) para recibir impactos del pistón (19); caracterizada por que
entre la superficie externa del manguito (20) de control y una superficie interna de la carcasa (15) que rodea el manguito (20) de control hay uno o más pasajes (28) de alimentación principales, uno o más pasajes (29) de alimentación superiores, uno o más pasajes (30) de alimentación inferiores y uno o más pasajes (31) de descarga, por lo que se transportan flujos de alimentación a ambas cámaras (21, 22) de trabajo y flujos de descarga de ambas cámaras (21, 22) de trabajo entre las superficies del manguito (20) de control y de la carcasa (15).
2. La máquina de perforación en fondo según se reivindica en la reivindicación 1, caracterizada por que
la superficie (OS) externa del manguito (20) de control comprende varios pasajes (28, 29, 30, 31) de fluido dirigidos axialmente y al menos una abertura (32, 34, 35, 36, 41,42, 43, 44, 46) pasante radial en cada uno de los pasajes de fluido dirigidos axialmente, lo que permite el flujo de fluido entre la superficie (OS) externa y la superficie (IS) interna del manguito (20) de control.
3. La máquina de perforación en fondo según se reivindica en las reivindicaciones 1 o 2, caracterizada por que los pasajes de fluido mencionados comprenden ranuras (G) en la superficie (OS) externa del manguito (20) de control, por lo que los pasajes de fluido son definidos por las ranuras (G) y la superficie interna de la carcasa (15).
4. La máquina de perforación en fondo según se reivindica en las reivindicaciones 1 o 2, caracterizada por que los pasajes de fluido mencionados comprenden ranuras (G) en la superficie interna de la carcasa (15), por lo que los pasajes de fluido son definidos por las ranuras (G) y la superficie externa del manguito (20) de control.
5. La máquina de perforación en fondo según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 4, caracterizada por que
el pistón (19) tiene una configuración de núcleo macizo sin abertura axial ni transversal alguna.
6. La máquina de perforación en fondo según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 5, caracterizada por que
la broca (14) comprende una cavidad (25) central que tiene un primer extremo abierto hacia el pistón (19) y un segundo extremo cerrado enfrentado en sentido opuesto al pistón (19); y
la cavidad (25) de la broca (14) está configurada para constituir un espacio de fluido adicional y para ser parte de la cámara (22) de trabajo inferior.
7. La máquina de perforación en fondo según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que
entre la superficie externa del pistón (19) y una superficie (IS) interna del manguito (20) de control hay una cámara (27) de alimentación central anular;
la cámara (27) de alimentación anular está en conexión fluida con el puerto (18) de entrada por lo que prevalece una presión constante dentro de la cámara (27) de alimentación central durante el ciclo de trabajo; y
el movimiento reciprocante del pistón (19) está configurado para abrir y cerrar una conexión entre la cámara (27) de alimentación central y la cámara (21) de trabajo superior y la cámara (22) de trabajo inferior respectivamente, para conectar y desconectar las cámaras (21, 22) de trabajo con la cámara (27) de alimentación central.
8. La máquina de perforación en fondo según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que
la cámara (21) de trabajo superior y la cámara (22) de trabajo inferior tienen al menos un pasaje (31) de descarga axial compartido que está ubicado entre el manguito (20) de control y la superficie interna de la carcasa (15); y
el pasaje (31) de descarga axial compartido tiene al menos una primera abertura (32) transversal en la cámara (21) de trabajo superior y al menos una segunda abertura (34) transversal en la cámara (22) de trabajo inferior y en donde el pistón (19) está configurado para abrir y cerrar alternativamente las aberturas (32, 34) transversales primera y segunda durante un ciclo de trabajo del pistón (19).
9. La máquina de perforación en fondo según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 4, caracterizada por que
la broca (14) tiene un pasaje pasante central;
el pistón (19) tiene una abertura (48) axial central;
un tubo (47) interno está ubicado dentro de la abertura (48) central del pistón (19) y el tubo (47) interno se extiende desde el pasaje central de la broca (14) hasta la porción de extremo (TE) superior de la máquina (11) de perforación y está en conexión fluida con una cara de la broca (14), lo que permite que los recortes de perforación sean transportados desde el lado frontal de la broca a través de la broca (14) y del tubo (47) interno fuera de la máquina (11) de perforación;
el pistón (19) tiene un área de trabajo superior dentro de la cámara (21) superior y un área de trabajo inferior dentro de la cámara (22) inferior; y
el tamaño de ambas áreas de trabajo superior e inferior del pistón (19) está definido por un diámetro interno del manguito (20) de control y un diámetro externo del tubo (47) interno.
10. La máquina de perforación en fondo según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 9, caracterizada por que
entre una superficie externa del pistón (19) y una superficie (IS) interna del manguito (20) de control hay varias juntas (S).
11. La máquina de perforación en fondo según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 10, caracterizada por que
la máquina (11) de perforación es un dispositivo que puede funcionar de manera neumática y el fluido es gas presurizado.
12. Un método para perforar roca, que comprende:
perforar roca con una máquina (11) de perforación de roca en fondo que comprende al menos una carcasa (15), un pistón (19) dentro de la carcasa (15) y una broca (14) en un extremo (BE) inferior de la carcasa (15);
mover el pistón (19) de una manera reciprocante dentro de la carcasa (15) en un sentido (A) de impacto y en un sentido (B) de regreso al alimentar y descargar fluido presurizado a una cámara (21) de trabajo superior y a una cámara (22) de trabajo inferior que están ubicadas en lados opuestos del pistón (19); controlar la alimentación y la descarga del fluido por medio de los movimientos del pistón (19); y golpear una superficie (ISB) de impacto de la broca (14) mediante el pistón (19);
caracterizado por que
se mueve el pistón (19) dentro de un manguito (20) de control dispuesto dentro de la carcasa (15); y
se alimenta fluido presurizado a ambas cámaras (21, 22) de trabajo y se descarga el fluido de ambas cámaras (21, 22) de trabajo a través de uno o más pasajes (28) de alimentación principales, uno o más pasajes (29) de alimentación superiores, uno o más pasajes (30) de alimentación inferiores y uno o más pasajes (31) de descarga entre una superficie externa del manguito (20) de control y una superficie interna de la carcasa (15) que está en contacto físico con el manguito (20) de control.
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