ES2947363T3 - Dispositivo de perforación accionado por fluido y método para perforar un orificio - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un dispositivo de perforación operado por fluido que tiene un martillo (9), un accionamiento de superficie para hacer girar una barra de perforación (46), el martillo que comprende un cuerpo principal tubular (10), una carcasa de pistón cilíndrico (20), un pistón alternativo (22), un espacio (38) dividido por la porción sobresaliente anular (32) en primeros y segundos espacios (40, 41) para elevar y golpear el pistón, respectivamente. El martillo incluye además un segundo espacio (84) en el interior hueco (12) del cuerpo principal (10) y el pistón (22) incluye además primeros canales de comunicación (48) desde la parte hueca (30) del pistón (22).) al segundo espacio (84) para descargar el fluido del interior del pistón al espacio (84). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de perforación accionado por fluido y método para perforar un orificio
[0001] La invención se refiere a un dispositivo de perforación accionado por fluido para perforar un orificio, teniendo dicho dispositivo de perforación un martillo para crear el orificio con un movimiento de rotación y percusión, un dispositivo de rotación para rotar el martillo y una varilla de perforación que conecta el dispositivo de rotación al martillo y transportar fluido de perforación presurizado operativo al martillo para crear el movimiento de percusión del martillo, comprendiendo el martillo
• un cuerpo principal tubular que tiene un interior hueco y un extremo superior y un extremo inferior;
• un cabezal trasero, para conectar el martillo a la varilla de perforación, acoplado a un extremo superior del cuerpo principal y que tiene un paso de suministro de presión de fluido;
• una carcasa de pistón cilíndrica conectada al cuerpo principal;
• un pistón alternativo instalado de forma deslizante en la carcasa del pistón, para impactar con una broca de una unidad de broca instalada en un extremo inferior del cuerpo principal, siendo la broca móvil una longitud predeterminada longitudinalmente con respecto al cuerpo principal, teniendo el pistón un primer extremo y un segundo extremo, estando el primer extremo más cerca de la varilla de perforación que el segundo extremo, una porción hueca a través de la cual se descarga el fluido, un primer orificio de comunicación conectado a la porción hueca y una porción anular de presurización que sobresale en la superficie circunferencial exterior del pistón, • un espacio entre el pistón y la carcasa del pistón dividido por la porción anular de presurización que se extiende en la dirección radial del pistón hacia la primera porción del espacio para elevar el pistón y la segunda porción del espacio para golpear el pistón;
• una unidad de válvula para controlar la descarga de fluido desde la segunda porción de espacio a través del primer orificio de comunicación hacia la porción hueca, y;
• una unidad de suministro de fluido a presión para suministrar fluido a alta presión suministrado al paso de suministro de fluido a presión del cabezal trasero alternativamente a la primera porción de espacio y la segunda porción de espacio;
en el que el dispositivo de rotación gira la unidad de broca utilizando la varilla de perforación y el cuerpo principal.
[0002] La invención también se refiere a un método para perforar un orificio utilizando un dispositivo de perforación accionado por fluido.
[0003] Un martillo de percusión accionado por fluido según la técnica anterior gira por medio de una varilla de perforación para al menos transportar fluido de perforación presurizado operativo a una unidad de percusión para crear un movimiento de percusión para perforar un orificio en formaciones relativamente duras o en una mezcla de formaciones duras y blandas. En el martillo, el mismo fluido de perforación transporta recortes desde la cara de perforación y limpia al menos parcialmente el orificio de perforación. La varilla de perforación está dispuesta para crear un movimiento giratorio en el martillo de percusión que tiene un pistón alternativo, que está impactando una broca fijada en el martillo de percusión y dicha broca de impacto puede moverse una cierta longitud predeterminada longitudinalmente en relación con el cuerpo del martillo de percusión. El agua o el fluido de perforación pueden contener aditivos para aumentar su capacidad de transportar material de desecho perforado desde el pozo o ayudar a sostener el pozo perforado. El martillo incluye un cuerpo principal tubular que tiene un interior hueco. El martillo tiene un cabezal trasero que se conecta con una tubería de perforación, que tiene al menos un paso de suministro de fluido a presión para transferir fluido a presión al martillo de percusión. El martillo de percusión tiene un pistón de percusión que es capaz de golpear la broca de percusión que perfora el orificio de perforación en su porción de extremo inferior.
[0004] Previamente se conocen martillos de ariete tales como Wassara que tienen una válvula, así como un chaflán de presión inferior que eleva el pistón a su posición de carga elevada y un chaflán superior que impulsa el pistón contra el ciclo de la broca de percusión controlado por un sistema de válvula en la parte superior del martillo percutor.
[0005] El documento del estado de la técnica US 20070261869 A1 divulga un ariete en el que el sistema de válvula está situado principalmente en la parte superior del ariete. El ariete tiene un elemento de válvula que forma una primera, segunda y tercera porciones de espacio que crean el movimiento de percusión de dicho ariete. Cuando se usa tal construcción y especialmente un pistón con un diámetro máximo, es difícil realizar el lavado de una manera que mantenga limpios los componentes dentro del martillo porque prácticamente no hay lavado dentro de la porción hueca del cuerpo principal tubular. Además, un pistón grande mueve un volumen relativamente grande de agua hacia adelante y hacia atrás, lo que reduce la potencia y dificulta el sellado del martillo debido al movimiento de grandes volúmenes de agua hacia adelante y hacia atrás, lo que también contamina el ariete con desechos perforados y piezas finas de roca y arena. Esta construcción tiene una porción hueca continua a través del pistón desde un extremo del pistón hasta el otro, cuya porción hueca guía efectivamente el fluido operativo fuera de la unidad de percusión y dificulta guiar el fluido a través del martillo para lubricar efectivamente otras porciones del sistema. Además, todas las partículas extrañas en dicho sistema quedan atrapadas dentro del ariete a medida que el martillo gira y no tienen salida excepto a través de áreas selladas que rompen dichos sellos en el proceso. Este problema existe incluso cuando una construcción en la que se instala un escudo de presión móvil en la parte inferior del ariete para acomodar mejor el movimiento y la succión del pistón sobredimensionado mencionado, que también crea un efecto de succión y eleva la succión de material extraño de dicho
ariete.
[0006] El propósito de la invención es desarrollar un dispositivo de perforación operado por fluido y un método para perforar un orificio que minimice la tendencia a la succión y crear una forma económica de producir un martillo de percusión operado por fluido con una porción de válvula en su extremo superior. El propósito de la invención también es crear un dispositivo de perforación y un método para perforar en el que cualquier contaminación que entre en el martillo de percusión se elimine desde dentro debido al lavado efectivo del interior hueco del cuerpo principal hacia la broca de percusión. Las características del dispositivo de perforación según la invención se exponen en la reivindicación 1 adjunta y las características del método para perforar un orificio según la invención se exponen en la reivindicación 21 adjunta.
[0007] El propósito de la invención se puede lograr con un dispositivo de perforación accionado por fluido para perforar un orificio, un dispositivo de perforación que tiene un martillo para crear el orificio con un movimiento de rotación y percusión, un dispositivo de rotación para rotar el martillo y una varilla de perforación que conecta el dispositivo de rotación al martillo y transportar fluido de perforación presurizado operativo al martillo para crear el movimiento de percusión del martillo. El martillo que comprende un cuerpo principal tubular que tiene un interior hueco, un extremo superior y un extremo inferior, un cabezal trasero, para conectar el martillo a la varilla de perforación, acoplado a un extremo superior del cuerpo principal y que tiene un paso de suministro de presión de fluido y una carcasa de pistón cilíndrica conectada al cuerpo principal. Además, el martillo incluye un pistón alternativo instalado de forma deslizante en la carcasa del pistón, para impactar una broca de una unidad de broca instalada en un extremo inferior del cuerpo principal, pudiendo moverse la broca una longitud predeterminada longitudinalmente con respecto al cuerpo principal. El pistón tiene un primer extremo y un segundo extremo, estando el primer extremo más cerca de la varilla de perforación que el segundo extremo, una porción hueca a través de la cual se descarga el fluido, un primer orificio de comunicación conectado a la porción hueca y una porción anular de presurización que sobresale en superficie circunferencial exterior del pistón. El martillo también incluye un espacio entre el pistón y la carcasa del pistón dividido por la porción anular de presurización que se extiende en la dirección radial del pistón hacia la primera porción del espacio para elevar el pistón y la segunda porción del espacio para golpear el pistón. El martillo también incluye una unidad de válvula para controlar la descarga de fluido desde la segunda porción de espacio a través del primer orificio de comunicación hasta la porción hueca, una unidad de suministro de presión de fluido para suministrar fluido a alta presión suministrado al conducto de suministro de presión de fluido del cabezal trasero al primer la porción de espacio y la segunda porción de espacio y un segundo espacio en el interior hueco del cuerpo principal entre el pistón y el cuerpo principal en la dirección radial del pistón y entre la carcasa del pistón y la unidad de broca en la dirección axial del pistón. El pistón incluye además primeros canales de comunicación desde la porción hueca del pistón al segundo espacio para descargar el fluido entre el pistón y el cuerpo principal. El dispositivo de rotación está dispuesto para hacer girar la unidad de broca utilizando la varilla de perforación y el cuerpo principal.
[0008] En la invención, el segundo espacio se puede utilizar para conducir el fluido descargado fuera del pistón para lubricar el martillo y eliminar cualquier residuo del interior del martillo. Además, la primera porción de espacio presurizado y la segunda porción de espacio dentro de la carcasa del pistón tienen un volumen relativamente pequeño, lo que reduce el volumen de fluido operativo presurizado que se transfiere durante el movimiento de percusión del pistón. El fluido descargado fuera del pistón se puede usar para llenar el vacío entre el pistón y la broca creado por el pistón de elevación para que el fluido no sea succionado hacia el martillo desde el orificio de perforación. Esto disminuye la cantidad de residuos que ingresan al martillo durante la perforación, lo que aumenta la vida útil del martillo. Incluso si algunos desechos ingresan al martillo, el fluido descargado los expulsa.
[0009] En esta solicitud, los términos relativos como "abajo", "superior" e "inferior" se refieren a la posición de uso normal del martillo sobre una superficie plana. Por ejemplo, "abajo" se refiere a una posición más cercana a la broca.
[0010] De acuerdo con una realización de la invención, la longitud longitudinal de la primera porción del espacio es del 10 al 30 %, preferiblemente del 20 al 25 % de la longitud del pistón. Por lo tanto, el segundo espacio debajo de la carcasa del pistón es relativamente grande y no se ve afectado por el fluido operativo presurizado, lo que significa que se puede usar un diámetro de pistón más grande para aumentar la masa del pistón. Preferiblemente, el pistón tiene un primer diámetro y un segundo diámetro en una longitud del pistón entre la carcasa del pistón y la unidad de broca fuera de la longitud parcial, estando la porción del pistón con el primer diámetro en contacto con la broca y siendo de menor diámetro que el segundo diámetro. El diámetro mayor se puede utilizar entre los puntos de apoyo del pistón para aumentar la masa del pistón.
[0011] Preferiblemente, el pistón tiene una parte inferior y una parte superior conectadas entre sí de forma desmontable. Al hacer el pistón a partir de dos porciones separadas, las porciones son más fáciles de fabricar y se pueden reparar por separado.
[0012] Preferiblemente tanto la parte inferior como la parte superior incluyen dicha porción hueca, y la parte superior tiene el primer orificio de comunicación y la porción anular de presurización y la parte inferior tiene los primeros canales de comunicación conectados a la porción hueca para conducir el fluido descargado entre el pistón y el cuerpo principal y de vuelta dentro del pistón.
[0013] Preferentemente, la longitud L2 del pistón es del 40 al 65 % de la longitud total del pistón y dicha longitud parcial es del 10 al 25 % de la longitud total del pistón. Esto significa que las áreas entre la carcasa del pistón y el pistón que
deben sellarse para la presión siguen siendo de tamaño pequeño.
[0014] La primera porción de espacio para elevar el pistón y la segunda porción de espacio para golpear el pistón forman medios alternativos de pistón que están ubicados fuera de dicha longitud L2 del pistón, cuya longitud L2 está en el segundo extremo del pistón. Por lo tanto, la carcasa del pistón puede tener una longitud relativamente pequeña.
[0015] Preferiblemente, la carcasa del pistón es una sola pieza uniforme. Una pieza uniforme es más fácil de fabricar y de unir al tubo principal. La parte inferior y la parte superior del pistón pueden conectarse entre sí con roscas, pasadores de seguridad u otro método adecuado que conecte la parte inferior y la parte superior como una estructura sólida en la dirección longitudinal del pistón.
[0016] La parte inferior y la parte superior del pistón están hechas de diferentes materiales. Las piezas pueden requerir diferentes características de desgaste.
[0017] La dirección axial de los primeros canales de comunicación puede formar un ángulo con respecto a la porción hueca, siendo el ángulo de 30 a 60°, preferiblemente de 40 a 50° con respecto a la dirección longitudinal del pistón. Este tipo de diseño reduce las pérdidas de presión del fluido.
[0018] Preferiblemente, el martillo incluye además un cojinete de pistón en conexión con la unidad de broca para soportar el pistón y unos segundos canales de comunicación dispuestos en el cojinete del pistón para proporcionar fluido descargado entre el pistón y la broca cuando el pistón está elevado. Los segundos canales de comunicación proporcionan un paso auxiliar para que el fluido descargado se interponga entre el pistón y la broca para evitar que el pistón aspire desechos del exterior de la broca.
[0019] Preferiblemente, el segundo espacio está excluido del fluido operativo presurizado y disponible solo para el fluido descargado. Esto permite aumentar el diámetro de la parte inferior del pistón sin perder área de superficie efectiva para el movimiento de percusión del pistón.
[0020] Preferiblemente, la mayor porción de la masa del pistón se encuentra en la longitud del pistón entre la carcasa del pistón y la unidad de broca fuera de la longitud parcial. Dado que el segundo espacio está disponible solo para el fluido descargado, hay menos resistencia al movimiento de la porción más pesada del pistón.
[0021] Preferiblemente, la broca incluye rebordes o insertos dispuestos en la broca para impactar contra el suelo durante la perforación. Esto hace posible usar el dispositivo de perforación para perforar eficientemente orificios en la masa rocosa.
[0022] El pistón puede estar dispuesto para cooperar con la unidad de válvula para indicar la posición axial del pistón a la unidad de válvula. Elimina la necesidad de usar sensores para indicar la posición axial del pistón a la unidad de válvula.
[0023] La porción hueca es preferiblemente discontinua a través del pistón e incluye dos porciones consecutivas, a saber, el canal de flujo superior y el canal de escape inferior, que están separados por una porción sólida que pertenece al pistón. Mediante el uso de una porción hueca discontinua, el fluido operativo descargado se puede usar para enjuagar el interior hueco y luego volver a introducirlo en el interior del pistón para reducir el efecto de succión del pistón de elevación.
[0024] Preferiblemente, cada parte de la porción hueca tiene primeros canales de comunicación para guiar el fluido descargado hacia el segundo espacio desde el canal de flujo superior y de vuelta al interior del pistón en el canal de escape inferior más cerca de la unidad de broca para conducir el fluido descargado a la unidad de broca.
[0025] El canal de escape inferior está preferentemente abierto a la unidad de broca. Entonces, el fluido de trabajo puede ser conducido a través del pistón fuera del martillo y la succión del pistón del pistón se reduce durante la elevación.
[0026] Preferiblemente, la porción hueca del pistón es discontinua a través del pistón e incluye dos porciones consecutivas que están separadas por una porción sólida que pertenece al pistón. El fluido descargado luego limpia el interior hueco del cuerpo principal de manera efectiva para eliminar cualquier residuo del martillo.
[0027] Cada porción de la porción hueca tiene primeros canales de comunicación para guiar el fluido descargado hacia el interior hueco del cuerpo principal desde la parte de la porción hueca más cercana a la carcasa del pistón y de vuelta al interior del pistón en la porción de la porción hueca más cercana al unidad de broca.
[0028] La longitud longitudinal de la primera porción del espacio puede ser del 10 al 30 %, preferiblemente del 20 al 25 % de la longitud del pistón. Esto significa que el espacio entre la carcasa del pistón y el pistón tiene un volumen relativamente pequeño, de modo que se mueve una cantidad bastante pequeña de fluido presurizado durante el movimiento de percusión del pistón. El tamaño pequeño de la primera porción de espacio también forma el segundo espacio en el interior hueco del cuerpo principal por debajo de la carcasa del pistón y el fluido descargado puede usarse para enjuagar y lubricar esta área.
[0029] Preferiblemente, la carcasa del pistón se extiende solo sobre una longitud parcial del pistón que forma el segundo
espacio en el interior hueco del cuerpo principal. Así, el segundo espacio puede ser relativamente grande y el espacio dentro de la carcasa del pistón relativamente pequeño.
[0030] El diámetro del pistón puede ser entre 100 y 900 mm, preferiblemente entre 140 y 300 mm. La longitud del martillo puede ser de 1,0 - 4,0 m, preferiblemente de 1,5 - 2,5 m. La longitud de la primera porción del espacio puede ser de 100 a 600 mm, preferiblemente de 150 a 200 mm.
[0031] El martillo puede incluir un soporte de cojinete de pistón para permitir el paso de fluido entre el pistón y la broca.
[0032] Preferiblemente, los primeros canales de comunicación incluyen canales de comunicación superiores desde la porción hueca del pistón hacia el segundo espacio para descargar el fluido entre el pistón y el cuerpo principal y canales de comunicación inferiores desde el segundo espacio hacia la porción hueca del pistón para descargar el fluido desde el pistón a través de la unidad de broca. Para ser más precisos, los canales de comunicación inferiores conectan el interior hueco del tubo principal con el canal de escape inferior del pistón. Mediante el uso de primeros canales de comunicación separados, el espacio hueco en el pistón se puede fabricar como un simple orificio de perforación en el pistón.
[0033] El propósito del método de acuerdo con la invención se puede lograr con un método para perforar un orificio utilizando un dispositivo de perforación operado por fluido, cuyo método incluye las etapas de presurizar el fluido operativo presurizado con una unidad de suministro de presión de fluido, rotar una varilla de perforación y un martillo de percusión unido a la varilla de perforación con un dispositivo de rotación y fluido operativo presurizado que conduce a un martillo de percusión a través de la varilla de perforación. El método incluye además etapas de usar fluido operativo presurizado en el martillo de percusión para elevar e impactar alternativamente un pistón de percusión presurizando una primera porción de espacio dentro de una carcasa de pistón para elevar el pistón y una segunda porción de espacio dentro de la carcasa de pistón para impactar el pistón y causar el movimiento de percusión de una broca instalada con movimiento axial en el pistón y que guía el fluido operativo descargado desde la primera porción del espacio y la segunda porción del espacio fuera del pistón para enjuagar y lubricar un segundo espacio entre el pistón y el cuerpo principal del martillo fuera del carcasa del pistón. Además, el método incluye una etapa de guiar el fluido operativo descargado al interior hueco de regreso al interior del pistón antes de guiar el fluido operativo a través de la broca anular.
[0034] Al guiar el fluido descargado fuera del pistón debajo de la carcasa del pistón, se puede eliminar cualquier residuo en el interior hueco del cuerpo principal del martillo y se puede llevar el fluido descargado para llenar el vacío formado entre la broca y el pistón cuando el pistón es elevado. El método facilita mantener el interior del martillo libre de residuos y, por lo tanto, aumenta la vida útil del martillo. Cuando el fluido operativo vuelve al interior del pistón antes de ser descargado fuera del martillo a través de la broca anular, el efecto de succión del pistón elevador se reduce, ya que el pistón que tiene un canal de escape más bajo tiene un área de superficie más pequeña contra la broca anular que un pistón de la técnica anterior que tiene un cuerpo uniforme.
[0035] Preferiblemente, dado que el fluido es relativamente incompresible, el martillo de percusión tiene la unidad de válvula que controla el movimiento de percusión. El pistón de percusión coopera preferentemente con dicha unidad de válvula indicando la posición axial de dicha unidad de válvula de dicho pistón de percusión.
[0036] Usando el dispositivo de perforación de acuerdo con la invención, es más fácil construir la unidad de válvula a partir de materiales altamente resistentes a la abrasión, lo que hace posible operar con fluido que contiene un grado de partículas abrasivas, como lodo de perforación. Con la ayuda de una posible construcción de la invención, es posible fabricar un fluido de percusión o un martillo de lodo equipado con un pistón de percusión pesado a un coste razonable, pero es posible incorporar materiales especiales y un tratamiento del material debido a un punto de carga de impacto, que golpea la broca de percusión, que no está conectada a la unidad de válvula durante su proceso de fabricación.
[0037] La invención se describe a continuación en detalle haciendo referencia a los dibujos adjuntos que ilustran la invención, en los que
La figura 1 es una vista lateral del dispositivo de perforación de acuerdo con la invención,
La figura 2 es una sección transversal del martillo,
La figura 3a es una ampliación del extremo inferior del martillo de la figura 2,
La figura 3b es una ampliación del extremo superior del martillo de la figura 2,
Las figuras 4a - 4c son vistas en sección transversal del martillo en diferentes etapas de perforación,
La figura 5 es una sección transversal I-I que se muestra en la figura 3a,
La figura 6 es una sección transversal G-G que se muestra en la figura 3b,
La figura 7 es una sección transversal H-H que se muestra en la figura 3b.
[0038] En los dibujos, los siguientes números de referencia se utilizan para indicar las características ilustradas en los dibujos.
1 dispositivo de perforación
9 martillo percutor
10 tubo principal
12 interior hueco
14 cabezal trasero
16 extremo superior del cuerpo principal
18 paso de suministro de presión de fluido
20 carcasa del pistón
21 cámara de frenado
22 pistón
24 broca de perforación
26 unidad de broca
28 extremo inferior del tubo principal
30 porción hueca del pistón
32 porción de presurización anular
34 primer orificio de comunicación
36 superficie circunferencial exterior del pistón
38 espacio
40 primera porción de espacio
42 segunda porción de espacio
44 unidad de suministro de presión de fluido
46 varilla de perforación
48 primeros canales de comunicación
49.1 primeros canales de comunicación superiores
49.2 primeros canales de comunicación inferiores
50 dispositivo de rotación
52 segundos canales de comunicación
54 tuerca de la broca de perforación
56 miembro de conexión de pistón macho
58 miembro de conexión de pistón hembra
60 parte inferior del pistón
62 parte superior del pistón
64 soporte de cojinete
66 sello superior del pistón
68 adaptador
70 carcasa de la válvula
72 cámara principal de la unidad de válvula
74 resalte de frenado hidráulico
76 unidad de válvula
78 tubería de camisa
80 clavija del pistón
82 primer extremo del pistón
84 segundo extremo del pistón
85 canal superior flujo
86 cojinete de guía del pistón
87 canal de escape inferior
88 partes de la porción hueca del pistón
90 porción sólida
92 tercer canal de comunicación
94 segundo paso de suministro de presión de fluido
96 rosca
98 parte de la unidad de válvula
100 orificio
102 suelo
[0039] Según la figura 1, el dispositivo de perforación 1 según la invención incluye como partes principales un martillo 9 para crear un orificio 100 en el suelo 102, un dispositivo de rotación operado por fluido 50 para girar el martillo 9 y una varilla de perforación 46 que conecta el dispositivo de rotación 50 al martillo 9. La presión del fluido se puede usar para lubricar partes del martillo, enjuagar el orificio y eliminar cualquier residuo del interior del martillo. El dispositivo de rotación puede ser girado por un motor eléctrico o también puede ser operado por fluido. Una tubería de inserción normalmente se conduce detrás de la varilla de perforación dentro del pozo.
[0040] La figura 2 ilustra el martillo 9 que se puede utilizar en el dispositivo de perforación 1 según la invención. El martillo 9 comprende un cuerpo principal tubular 10 que tiene un interior hueco 12, un cabezal trasero 14 acoplado a un extremo superior 16 del cuerpo principal 10 y que tiene un paso de suministro de presión de fluido 18, así como una carcasa de pistón cilíndrico 20 conectada al cuerpo principal 10, preferiblemente dentro del cuerpo principal 10. Además, el martillo 9 incluye un pistón 22 instalado en la carcasa del pistón 20, para golpear una broca 24 de una unidad de broca 26 instalada en un extremo inferior 28 del cuerpo principal 10. El pistón 22 está preferiblemente instalado y soportado de forma deslizante dentro de la carcasa del pistón 20. El pistón 22 tiene una porción hueca 30 a través de la cual se descarga el
fluido, un primer orificio de comunicación 34 conectado a la porción hueca 30 y una porción anular de presurización 32 que sobresale en la superficie circunferencial exterior 36 del pistón. En el martillo 9 hay un espacio 38 entre el pistón 22 y la carcasa del pistón 20 dividido en una primera porción de espacio 40 para elevar el pistón 22 y una segunda porción de espacio 42 para golpear el pistón 22, a lo largo de la longitud del pistón 22, la primera porción de espacio 40 y la segunda porción de espacio 42 están conectadas alternativamente a la porción hueca 30 del pistón 22 a través del primer orificio de comunicación 34. El movimiento del pistón 22 y la ubicación de la porción de presurización anular 32 en relación con la primera porción de espacio 40 y la segunda porción de espacio 42 guían los movimientos de elevación e impacto del pistón 22.
[0041] La carcasa del pistón 20 se extiende solo sobre una longitud parcial L1 del pistón 22. El pistón 22 incluye además primeros canales de comunicación 48 entre la porción hueca 30 del pistón 22 y el cuerpo principal 10 en la longitud L2 del pistón 22 entre la carcasa del pistón 22 y la unidad de broca 26 fuera de la longitud parcial L1 para descargar fluido entre el pistón 22 y el cuerpo principal 10. Para ser más precisos, los primeros canales de comunicación 48 incluyen primeros canales de comunicación superiores 49.1 para conducir el fluido operativo desde el interior del pistón 22 al interior hueco 12 y primeros canales de comunicación inferiores 49.2 para conducir el fluido operativo desde el interior hueco 12 de regreso al interior del pistón 22 antes de que el fluido se descargue del martillo a través de la unidad de broca 26. La dirección axial de los primeros canales de comunicación 48 puede estar en un ángulo a en relación con la dirección axial del pistón 22, cuyo ángulo es de 30 - 60°, preferiblemente de 40 - 50° para disminuir las pérdidas de presión provocadas por el cambio de dirección del flujo de fluido.
[0042] El martillo también incluye una unidad de válvula 76 para distribuir el suministro de presión de fluido a la primera porción de espacio 40 o a la segunda porción de espacio 42 y una unidad de suministro de presión de fluido 44 para suministrar fluido a alta presión entregado al conducto de suministro de presión de fluido 18 del cabezal trasero 14 a la primera porción de espacio 40 y la segunda porción de espacio 42. La unidad de válvula puede ser una unidad de válvula conocida del estado de la técnica. Preferiblemente, el fluido utilizado en el dispositivo y método de perforación según la invención es agua, ya que está ampliamente disponible. El fluido utilizado también puede ser aceite, lodo o similar.
[0043] En el dispositivo de perforación 1 según la figura 1, el dispositivo de rotación 50 gira la varilla de perforación 46, que luego gira el cuerpo principal 10 del martillo. El cuerpo principal 10 luego gira la broca mientras que el pistón también provoca el movimiento alternativo de la broca 24.
[0044] El pistón 22 que se muestra en la figura 2, también conocido como pistón de percusión, tiene en su parte superior 62 al menos parte de la primera porción de espacio 40, que también puede denominarse como área de elevación, y al menos parte de la segunda porción de espacio 42, que también se puede llamar como el área de golpeo. La porción de presurización anular 32, también conocida como área divisoria, se usa para separar la primera porción de espacio 40 de la segunda porción de espacio 42. El dispositivo de perforación según la invención también puede incorporar una unidad de válvula 76 que alarga la porción de presurización anular 32 que se muestra en las figuras 2, 3a, 4a - 4c y 5 o, alternativamente, un miembro de control de presión piloto que se conecta a una unidad de válvula principal que controla el flujo principal de dicho pistón axialmente por medio de efectuar alternativamente la mencionada primera porción de espacio y la segunda porción de espacio para crear un movimiento de percusión de dicho pistón de percusión. El pistón 22 puede incluir dos partes consecutivas, una parte inferior 60 que tiene los primeros canales de comunicación 48 y una parte superior 62 que tiene la porción anular de presurización 32.
[0045] En la invención, el tamaño de la primera porción del espacio o la segunda porción del espacio no está limitado, ya que se pueden alargar. La primera porción del espacio se puede alargar hacia la broca y la segunda porción del espacio hacia el cuerpo principal. Sin embargo, la porción de presurización anular está situada sustancialmente en la parte superior del pistón en la posición de funcionamiento del pistón.
[0046] El segundo diámetro D2 en la sección media del pistón 22 hace posible que la primera porción de espacio 40 eleve el pistón 22 porque el diámetro de elevación en la porción anular de presurización 32 es mayor que D2, cuya diferencia de diámetro junto con el fluido operativo presurizado provoca una fuerza que eleva el pistón hasta su posición de impacto. De acuerdo con la figura 2, el martillo 9 incluye un resalte de frenado hidráulico 74 que provoca un efecto de frenado para el pistón 22 cuando el pistón 22 avanza durante el movimiento de impacto y el resalte de frenado hidráulico 74 entra en el área de menor diámetro de la carcasa del pistón 20. El diámetro más pequeño de la carcasa del pistón reduce efectivamente la potencia de la fuerza de elevación necesaria cuando el martillo se levanta desde su posición inferior después de que finaliza el movimiento de impacto.
[0047] El pistón también puede tener un primer diámetro D1 que es preferentemente mayor que el segundo diámetro D2. Dado que el pistón 22 se apoya únicamente en el segundo diámetro D2, el pistón 22 puede tener un primer diámetro mayor que aumente la masa del pistón y un tercer diámetro D3 que también puede ser igual o mayor que el segundo diámetro D2.
[0048] El pistón de percusión 22 está configurado para golpear la broca de percusión 24 de la unidad de broca 26 que se muestra en las figuras 3a y 3b. La unidad de broca 26 se une al cuerpo principal 10 del martillo 9, que luego se conecta a la varilla de perforación 46 usando un cabezal trasero 14 unido al martillo 9. El flujo del fluido presurizado se conduce a través de la varilla de perforación 46 a través del paso de suministro de presión de fluido 18 del cabezal trasero 14 dentro
del martillo 9 para crear la presión del fluido para efectuar el movimiento de percusión del pistón de percusión 22 contra la broca de percusión 24 . Como se muestra en las figuras 2 - 4c, el pistón 22 comprende la parte inferior 60 ensamblada para transmitir dicha fuerza de percusión a la broca 24 y la parte superior 62 ensamblada para efectuar la acción recíproca del pistón de percusión 22.
[0049] La primera porción de espacio 40, también conocida como área de elevación, dentro de la carcasa del pistón 20 está limitada por la carcasa del pistón 20 que está sellando y centrando el pistón 22. La carcasa del pistón 20 limita efectivamente la primera porción del espacio 40 hacia la broca 24. El carcasa del pistón puede incluir un segundo cojinete de pistón, así como una porción de sellado. El fluido descargado se desvía hacia el diámetro exterior del pistón 22, es decir, hacia el interior hueco del cuerpo principal 10 en algún lugar a lo largo del pistón 22 entre la carcasa del pistón 20 y la broca de percusión 24. Parte del fluido descargado se transfiere al menos parcialmente dentro del pistón 22 a la porción hueca 30 o al menos parcialmente a través del segundo canal de comunicación 52 del cojinete de guía del pistón 86, también conocido como elemento centrador del pistón. Cuando el pistón 22 se eleva hacia atrás después del movimiento de impacto, el fluido descargado llena el vacío creado por el pistón de elevación 22 conduciendo el fluido a través de los primeros canales de comunicación 48 y la porción de la porción hueca 30 más cerca de la broca 24, así como a través de los segundos canales de comunicación 52, reduciendo el efecto de succión del pistón grande 22. Los segundos canales de comunicación no son una parte obligatoria del martillo, sino una característica preferible.
[0050] En la presente invención, el área presurizada que contiene el fluido operativo presurizado está solo entre la carcasa del pistón y la carcasa de la válvula 70 en la dirección longitudinal del pistón 22. Esto hace posible utilizar grandes diámetros de pistón por debajo de la carcasa del pistón, incluso casi tan grandes como el diámetro interior del cuerpo principal si el pistón está ranurado en su dirección axial. La fuerza de impacto creada por el pistón se define por la relación entre el diámetro del pistón dentro de la carcasa del pistón (20) y el diámetro del pistón en la porción de presurización anular. Preferiblemente, la porción hueca 30 del pistón 22 no es continua a través del pistón desde el extremo superior del pistón 22 hasta el extremo inferior, sino que está dividida en dos partes 88 separadas por una porción sólida 90.
[0051] La trayectoria de flujo del fluido se describe en las figuras 3a y 3b con líneas de puntos, mientras que las figuras 4a - 4c muestran diferentes etapas del movimiento de percusión del martillo. En la figura 4a, el martillo 9 está con la broca 24 en posición de suspensión. Todo el fluido puede fluir libremente a través del primer orificio de comunicación 34 hacia la porción hueca 30 del pistón 22, por lo que no hay diferencia de presión y, por lo tanto, no hay movimiento del pistón 22. En la figura 4b, la broca 24 hace contacto con la cara del suelo a perforar y se mueve hacia arriba. A su vez, el pistón 22 también se mueve hacia arriba y la porción de presurización anular 32 del pistón 22 se mueve hacia la porción 98 de la unidad de válvula 76. El fluido dentro de la unidad de válvula 76 aún puede fluir a través del primer orificio de comunicación 34 hacia la porción hueca 30 del pistón 22, pero ahora hay una acumulación de presión detrás de la porción de presurización anular 32 entre la porción de presurización anular 32 y el resalte de freno hidráulico 74 del pistón 22, impulsando el pistón 22 hacia arriba.
[0052] El pistón 22 se mueve hacia arriba y alejándose de la broca 24. El primer orificio de comunicación 34 del pistón 22 comienza a moverse hacia el orificio más pequeño de la unidad de válvula 76 que se muestra en la figura 4c, que a su vez impide que cualquier fluido dentro de la unidad de válvula 76 pase por el primer orificio de comunicación 34 hacia la porción hueca 30 del pistón 22, lo que lleva a una acumulación de presión dentro de la unidad de válvula 76. Una combinación de esta acumulación de presión dentro de la unidad de válvula 76 y la acumulación de presión en la base de la unidad de válvula 76 obliga a la unidad de válvula 76 a moverse hacia arriba con el pistón 22. El impulso ascendente del pistón 22 permite que la porción de presurización anular 32 pase a la cámara principal 72 de la unidad de válvula 76. Esto, a su vez, alivia la presión dentro de la unidad de válvula y el pistón 22 comienza a decelerar. Además, el resalte de frenado hidráulico 74 del pistón 22 pasa al interior del pequeño orificio de la carcasa del pistón 20, reduciendo la presión por debajo de este y creando un mayor diferencial de presión en el extremo superior, que comienza a impulsar el pistón 22 hacia abajo.
[0053] El pistón 22 se mueve hacia abajo, hacia la broca 24. La porción de presurización anular 32 del pistón 22 se mueve hacia atrás dentro de la parte 98 de la unidad de válvula 76 que se muestra en la figura 4b. El impulso hacia abajo del pistón 22 lleva el primer orificio de comunicación 34 a la cámara principal 72 de la unidad de válvula 76, lo que permite que cualquier fluido en la cámara principal 72 fluya a través del primer orificio de comunicación 34 hacia la porción hueca 30 del pistón 22. El pistón 22 continúa moviéndose hacia abajo hacia la broca 24. Debido a que el fluido en la unidad de válvula 76 ahora puede fluir a través del primer orificio de comunicación 34 hacia la porción hueca 30 del pistón 22, la unidad de válvula 76 se mueve hacia abajo junto con el pistón 22. El resalte de frenado hidráulico 74 del pistón 22 se mueve cerca del pequeño diámetro de una cámara de frenado 21 de la carcasa del pistón 20 que se muestra en la figura 4b, que tiene un efecto amortiguador y desacelera el pistón 22. Al final del ciclo, el pistón 22 golpea la broca 24.
[0054] El ciclo del movimiento de percusión se repite desde la etapa en la que el pistón está en contacto con la broca hasta que se retira el martillo, y luego la broca vuelve a bajar a su posición de suspensión, lo que hace que el fluido fluya libremente a través del primer orificio de comunicación en la porción hueca del pistón, deteniendo la acción de desplazamiento.
Claims (15)
1. Dispositivo de perforación (1) operado por fluido para perforar un orificio (100), teniendo dicho dispositivo de perforación (1) un martillo (9) para crear el orificio con un movimiento de rotación y percusión, un dispositivo de rotación (50) para girar el martillo (9) y una varilla de perforación (46) que conecta el dispositivo de rotación (50) al martillo (9) y transporta fluido de perforación presurizado operativo al martillo (9) para crear el movimiento de percusión del martillo (9), comprendiendo el martillo (9)
- un cuerpo principal tubular (10) que tiene un interior hueco (12) y un extremo superior (16) y un extremo inferior (28);
- un cabezal trasero (14), para conectar el martillo (9) a la varilla de perforación (46), acoplado al extremo superior (16) del cuerpo principal (10) y provisto de un paso de alimentación de fluido a presión (18);
- una carcasa de pistón cilíndrica (20) conectada al cuerpo principal (10);
- un pistón alternativo (22) instalado de forma deslizante en la carcasa del pistón (20) para impactar con una broca (24) de una unidad de broca (26) instalada en el extremo inferior (28) del cuerpo principal (10), siendo la broca (24) móvil una longitud predeterminada longitudinalmente con respecto al cuerpo principal (10), teniendo el pistón (22) un primer extremo (82) y un segundo extremo (84), estando el primer extremo (82) más cerca de la varilla de perforación (46) que el segundo extremo (84), una porción hueca (30) a través de la cual se descarga el fluido operativo, un primer orificio de comunicación (34) conectado a la porción hueca (30) y una porción anular de presurización (32) que sobresale en una superficie circunferencial exterior (36) del pistón (22),
- un espacio (38) entre el pistón (22) y la carcasa del pistón (20) dividido por la porción de presurización anular (32) que se extiende en la dirección radial del pistón (22) en la primera porción de espacio (40) para elevar el pistón ( 22) y una segunda porción de espacio (42) para golpear el pistón (22);
- una unidad de válvula (76) para controlar la descarga de fluido desde la segunda porción de espacio (42) a través del primer orificio de comunicación (34) hacia la porción hueca (30), y;
- una unidad de suministro de presión de fluido (44) para suministrar fluido a alta presión entregado al paso de suministro de presión de fluido (18) del cabezal trasero (14) alternativamente a la primera porción de espacio (40) y a la segunda porción de espacio (42);
en el que el dispositivo de rotación (50) gira la unidad de broca (26) utilizando la varilla de perforación (46) y el cuerpo principal (10), caracterizado por que el martillo (9) incluye además un segundo espacio en el hueco interior (12) del cuerpo principal (10) entre el pistón (22) y el cuerpo principal (10) en dirección radial del pistón (22) y entre la carcasa del pistón (20) y la unidad de broca (26) en la dirección axial del pistón (22) y el pistón (22) incluye además primeros canales de comunicación (48) desde la porción hueca (30) del pistón (22) hacia el segundo espacio (84) de descarga del fluido entre el pistón (22) y el cuerpo principal (10).
2. Dispositivo de perforación según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho pistón tiene al menos un primer diámetro (D1) sobre una longitud (L2) del pistón (22) entre la carcasa del pistón (20) y la unidad de broca (26) fuera de una longitud parcial (L1) de la carcasa del pistón (20) y un segundo diámetro (D2) sobre la longitud parcial (L1) limitando el espacio (38), en el que una porción del pistón (22) con el primer diámetro (D1) es mayor en diámetro que el segundo diámetro (D2).
3. Dispositivo de perforación según la reivindicación 2, caracterizado por que dicha longitud (L2) del pistón (22) es un 40 - 65 % de la longitud total del pistón (22) y dicha longitud parcial (L1) es un 10 - 25 % de la longitud total del pistón (22).
4. Dispositivo de perforación según la reivindicación 2 o 3, caracterizado por que dicha primera porción de espacio (40) para elevar el pistón (22) y la segunda porción de espacio (42) para golpear el pistón (22) forman medios alternativos de pistón que están ubicados fuera de dicha longitud (L2) del pistón, cuya longitud (L2) está en el segundo extremo (84) del pistón (22).
5. Dispositivo de perforación según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4, caracterizado por que dicha carcasa del pistón (20) es una sola pieza uniforme.
6. Dispositivo de perforación según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 5, caracterizado por que dicho pistón (22) tiene una parte inferior (60) y una parte superior (62) conectadas entre sí de forma desmontable.
7. Dispositivo de perforación según la reivindicación 6, caracterizado por que tanto la parte inferior (60) como la parte superior (62) incluyen dicha porción hueca (30), y la parte superior (62) tiene el primer orificio de comunicación (34) y la porción anular de presurización (32) y la parte inferior (60) tiene los primeros canales de comunicación (48) conectados a la porción hueca (30) para conducir el fluido descargado entre el pistón (22) y el cuerpo principal (10) y volver al interior del pistón (22).
8. Dispositivo de perforación según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 7, caracterizado por que el martillo (9) incluye además un cojinete de guía del pistón (86) en conexión con la unidad de broca (26) para soportar el pistón (22) y los segundos canales de comunicación (52) dispuestos en el cojinete de guía del pistón (86) para proporcionar fluido descargado entre el pistón (22) y la broca (24) cuando el pistón (22) está elevado.
9. Dispositivo de perforación según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 8, caracterizado por que la mayor porción de la masa del pistón (22) se encuentra en la longitud (L2) del pistón (22) entre la carcasa del pistón (22) y la unidad de broca (26) fuera de la longitud parcial (L1).
10. Dispositivo de perforación según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 9, caracterizado por que dicho pistón (22) está dispuesto para cooperar con la unidad de válvula (76) para indicar la posición axial del pistón (22) a la unidad de válvula (76).
11. Dispositivo de perforación según cualquiera de las reivindicaciones 1 -10, caracterizado por que dicha porción hueca (30) es discontinua a través del pistón (22) e incluye dos partes consecutivas (88), a saber, canal de flujo superior (85) y canal de escape inferior (87), que están separadas por una porción sólida (90) perteneciente al pistón (22).
12. Dispositivo de perforación según la reivindicación 11, caracterizado por que cada parte de la porción hueca (30) tiene primeros canales de comunicación (48) para guiar el fluido descargado hacia el segundo espacio (84) desde el canal de flujo superior (85) y de regreso al interior del pistón (22) en el canal de escape inferior (87) más cerca de la unidad de broca (26) para conducir el fluido descargado a la unidad de broca (26).
13. Dispositivo de perforación según la reivindicación 11 o 12, caracterizado por que dicho canal de escape inferior (87) está abierto a la unidad de broca (26).
14. Dispositivo de perforación según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 14, caracterizado por que dichos primeros canales de comunicación (48) incluyen canales de comunicación superiores (49.1) desde la porción hueca (30) del pistón (22) hacia el segundo espacio (84) para descargar el fluido entre el pistón (22) y el cuerpo principal (10) y canales de comunicación inferiores (49.2) desde el segundo espacio (84) hacia la porción hueca (30) del pistón (22) para descargar el fluido del pistón (22) a través de la unidad de broca (26).
15. Método para perforar un orificio (100) usando un dispositivo de perforación operado por fluido (1), cuyo método incluye etapas de
- presurizar fluido de trabajo a presión con una unidad de suministro de presión de fluido (44),
- girar una varilla de perforación (46) y un martillo percutor (9) unidos a la varilla de perforación (46) con un dispositivo de rotación (50),
- conducir fluido de operación a presión al martillo percutor (9) a través de la varilla de perforación (46),
- usar fluido operativo presurizado en el martillo de percusión (9) para elevar e impactar alternativamente un pistón de percusión (22) presurizando una primera porción de espacio (40) dentro de una carcasa de pistón (20) para elevar el pistón (22) y la segunda porción de espacio (42) dentro de la carcasa del pistón (20) para impactar el pistón (22) y provocar el movimiento de percusión de una broca (24) instalada axialmente móvil en el pistón (22),
- guiar el fluido operativo descargado desde la primera porción de espacio (40) y la segunda porción de espacio (42) fuera del pistón (22) para enjuagar y lubricar un interior hueco (12) de un cuerpo principal (10) del martillo entre el pistón (22) y el cuerpo principal (10) del martillo (9) fuera de la carcasa del pistón (20),
caracterizado por
- guiar el fluido operativo descargado al interior hueco (12) de regreso al interior del pistón (22) antes de guiar el fluido operativo a través de la unidad de broca (26).
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