MXPA01002209A - Brocas de cono giratorio de fuerza balanceada, sistemas, metodos de perforacion y metodos de diseño - Google Patents

Abstract

Un perforador de cono giratorio en donde el proceso de optimización de la broca iguala la fuerza hacia abajo fuerza axial para los conos acerca como sea posible, sujetos a otras restricciones de diseño. El rendimiento de la broca es incrementado significativamente mediante una fuerza hacia abajo igualadora.

Description

BROCAS DE CONO GIRATORIO DE FUERZA BALANCEADA, SISTEMAS, MÉTODOS DE PERFORACIÓN Y MÉTODOS DE DISEÑO Referencia recíproca de otra solicitud Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitu provisional de patente de los Estados Unidos América No. 60/098,466 registrada el 31 de agosto de 1998, la cual está aqu incorporada por referencia.

Antecedentes y síntesis de la invención La presente invención se relaciona con la perforació de barreno hacia abajo, y especialmente con la optimización d los parámetros de la broca.

Antecedente: perforación giratoria Los pozos petroleros y los pozos de gas son perforados mediante un proceso de perforación giratoria, usando una torre de perforación tal como se muestra en la figura 10. En la perforación vertical convencional, una broca 10 está montada en el extremo de una sarta de perforación 12 (tubo de perforación mas la boca del barreno) , la cual puede ser de varias millas de largo, mientras que en la superficie un impulsor giratorio (no mostrado) hace girar la sarta de perforación, que incluye la broca en el fondo del orificio. f Dos tipos principales de brocas están en uso, uno es l broca de cono giratorio, un ejemplo del cual se observa en l figura 11. En esta broca un juego de conos 16 (dos son visibles que tienen dientes o insertos de corte 18 están arreglados e engranes resistentes en los brazos de la broca. Mientras que l sarta de perforación es girada, los conos girarán en el fondo de orificio, y los dientes o los insertos de corte triturarán l formación debajo de ellos. (Los fragmentos quebrados de roca so barridos hacia arriba mediante el flujo del fluido d perforación) . El segundo tipo de broca es una barrena d arrastre, que no tiene partes movibles, como se observa en l figura 12.

Hay varios tipos de brocas de cono giratorio: broca del tipo de inserto, las cuales son usadas normalmente par perforar formaciones más duras, y que tienen dientes de carbur de tungsteno o de algún otro material duro montado en sus conos . Al girar la sarta de perforación, y los conos giran a lo larg del fondo del orificio, los dientes duros individuales podrá inducir una falla de compresión en la formación. Los dientes d la broca deben triturar o cortar la roca, con las fuerza necesarias suministradas por el "peso en la broca" ( OB) la cuales presionan la broca hacia abajo en la roca, y mediante el momento de torsión aplicado al impulsor giratorio. f Antecedente: oscilación de la sarta de perforación Los elementos individuales de la sarta de perforació parecen pesados y rígidos. Sin embargo, en la sarta d perforación completa (la cual puede ser de más de una milla d largo) , los elementos individuales son lo suficientement flexibles para permitir la oscilación en frecuencias cercanas la velocidad del girado. De hecho, son posibles muchos modo diferentes de oscilación. (Puede hacerse una simple demostració de los modos de oscilación mediante el girar un pedazo de cuerd o de cadena: la cuerda puede ser girada en un círculo lent plano, o, a velocidades más altas, para aparentar que se cruza sí misma una o más veces) . La sarta de perforación es realment un sistema mucho más complejo que una cuerda colgante, y pued oscilar en muchas maneras diferentes; ver Propagación de Onda e la Ingeniería de Perforación , ilson C. Chin, (1994) .

Las oscilaciones son algo humedecidas mediante el lodo de la perforación, o mediante la fricción en donde las tuberías de perforación se frotan en contra de las paredes, o mediante la energía absorbida al fracturar la formación: pero seguido estas fuentes de humedad no son suficientes para evitar la oscilación. Ya que estas oscilaciones ocurren a abajo del sondeo, éstas pueden ser difíciles de detectar, pero son generalmente indeseables. Las oscilaciones de la sarta de perforación cambian la fuerza instantánea en la broca, y esto significa que la broca no podrá operar como se diseño. Por ejemplo, la broca pue perforar más del tamaño, o fuera del centro, o puede desgastar más pronto de lo que se esperaba. Las oscilaciones son difícil de predecir, debido a que las diferentes fuerzas mecánicas pued combinarse para producir "modos acoplados"; los problema girado y de rotación son un ejemplo de esto.

Antecedente: perforación óptima con varios tipos de formación Hay muchos factores que determinan la perforización una formación. Estas incluyen, por ejemplo, la fuerza d compresión, la dureza y/o la abrasión, la elasticidad, l presión, y el estado de la tensión bajo tierra.

Las formaciones suaves fueron originalmente perforada con barrenas de arrastre de "cola de pescado", las cuale rompieron la formación. Las barrenas de cola de pescado so obsoletas, pero la falla al rompimiento es todavía muy útil en l perforación de formaciones suaves. Las brocas de cono giratori diseñadas para la perforación de formaciones suaves está diseñadas para maximizar la acción de ranurado y de raspadura, fin de explotar ambos la falla de compresión y de corte. Par lograr esto, los conos son descentrados para inducir a l desviación permitida más larga de girar en sus centro verdaderos. Los muñones angulados son pequeños y los ángulos d perfil de cono podrán tener variaciones relativamente largas. Lo dientes son grandes, filosos, y están ampliamente separados pa permitir la penetración más grande posible. El perforado formaciones suaves se caracteriza por las velocidades de gira altas y de peso ligero.

Las formaciones duras son perforadas mediante l aplicación de pesos altos en las brocas y mediante el triturar l formación en la falla de compresión. La roca podrá fallar cuand la carga aplicada excede a la resistencia de la roca. Las broca de cono giratorio diseñadas para perforar las perforaciones dura están diseñadas para girar tan cerca como sea posible a un girad verdadero, con poca ranuración o acción de raspadura. E desajuste podrá ser de cero y los ángulos de muñón podrán se altos. Los dientes son cortos y están separados muy cerca par evitar el rompimiento bajo las cargas pesadas. La perforación e las formaciones duras se caracteriza por el peso alto y la velocidades de girado bajo.

Las formaciones medias son perforadas mediante l combinación de accesorios de brocas para la formación dura suave. La roca es fallada mediante la combinación de fuerzas d compresión con limitada acción de corte y de vaciado que e lograda mediante el diseño de brocas con una moderada cantidad d descentrado. El largo de los dientes está diseñado también par extensiones medias. La perforación en formaciones medias es menudo hecha con pesos y velocidades giratorias entre esas de la formaciones suaves y duras.

Antecedente: diseño de broca de cono giratorio Los "conos" en una broca de cono giratorio no necesita ser perfectamente cónicas (ni perfectamente frustrocónicas) , per a menudo tienen un perfil axial ligeramente hinchado. Más aún los ejes de los conos no tienen que cruzar la línea central de l perforación profunda. (La diferencia angular de referida com ángulo "desplazado") . Otra variable es el ángulo por el cual l línea central de los engranajes cruza el plano horizontal de fondo del orificio, y este ángulo es conocido como ángulo d muñón. Por lo tanto mientras la broca es girada, los cono típicamente no giran de verdad, y cierta cantidad de vaciado y d raspado se efectúa. La acción de vaciado y de raspado es complej en naturaleza, y varía en magnitud y en dirección dependiendo de número de variables.

Las brocas de cono giratorio convencionales pueden se divididas en dos amplias categorías: las brocas de inserción las brocas de dientes de acero. Las brocas de dientes de acer son utilizadas muy frecuentemente en la perforación d formaciones suaves, mientras que las brocas de inserción so utilizadas muy frecuentemente en perforaciones de formacione duras y medias.

Las brocas de dientes de acero son formada integralmente en el cono. (Un revestimiento duro es típicament aplicado a la superficie del diente para mejorar la resistenci al desgaste de la estructura) . Las brocas de inserción tiene insertos muy duros (por ejemplo grados seleccionado especialmente de carburo de tungsteno) presionados en lo orificios perforados en las superficies del cono. Los insertos s extienden hacia fuera más allá de la superficie de los conos par formar el "diente" que comprende las estructuras de corte de l broca.

El diseño de los elementos de componentes en un barrena de roca están interrelacionados (junto con la limitaciones de tamaño impuestas mediante el diámetro total de l broca) , y algunos parámetros de diseño son impulsados por el us intencionado del producto. Por ejemplo, el ángulo del cono y d desplazamiento pueden ser modificados para incrementar disminuir la cantidad de raspado en el fondo del orificio. Muchos otros parámetros de diseño están limitados en un incremento en u parámetro puede necesariamente resultar en una disminución de otro. Por ejemplo, el incremento en la longitud del diente puede causar interferencia con los conos adyacentes.

Antecedente: diseño del diente El diente de las brocas de dientes de acero predominantemente son de la forma "V" invertida. El ángul incluido (por ejemplo el filo de la punta) y la longitud de diente podrán variar con el diseño de la broca. En broca diseñadas para formaciones más duras el diente podrá ser má corto y el artículo incluido podrá ser mayor. Los dientes d hilera de corte (por ejemplo los dientes en la fila más extern del cono, próximo al diámetro exterior de la perforació profunda) puede tener una cresta en forma de "T" para un resistencia al desgaste adicional.

Las formas más comunes de los insertos son esféricas cónicas, y de cincel. Los insertos esféricos tienen un protuberancia muy pequeña y son mostrados para perforar la perforaciones más duras. Los insertos cónicos tienen un protuberancia más grande y una resistencia natural a rompimiento, y a menudo son usados para la perforación d formaciones medio duras .

Los insertos en forma de cincel tienen planos opuesto y una cresta alargada amplia, que se parecen al diente de l broca de dientes de acero. Los insertos en forma de cincel so usados para la perforación de formaciones suaves a medias. L cresta alargada del inserto de cincel está normalmente orientad en alineación con el eje de rotación del cono. Por lo tanto, diferencia de los insertos cónicos y esféricos, el inserto d cincel puede estar direccionalmente orientado alrededor de su eje central. (Esto es verdad para cualquier diente el cual no est simétrico axialmente) . El ángulo axial de orientación es medid desde el plano que cruza el centro del cono y el centro de diente .

Antecedente: análisis del orificio inferior La economía de perforar un pozo depende mucho de l tasa de perforación. Dado que el diseño de la estructura de cort de una broca control la habilidad de la broca para lograr un tasa alta de penetración, el diseño de la estructura de cort juega un papel significante en la economía total de l perforación de un pozo.

Se ha deseado desde hace mucho tiempo el predecir e desarrollo de los patrones de los orificios inferiores en la bas de los parámetros geométricos controlables usados en el diseño d la broca, y en los modelos matemáticos complejos que puede simular los patrones del orificio inferior en una extensió limitada. Para lograr esto es necesario el comprender primero, l relación entre el diente y la roca, y en segundo lugar, l relación entre el diseño de la roca y el movimiento del diente e relación a la roca. Es también conocido que estos mecanismos so interdependientes .

Para mejor comprender estas relaciones, mucho trabajo se ha efectuado para determinar la cantidad de roca removid mediante un diente sencillo de una broca. Como puede observars de la discusión anterior, éste es un problema complejo. Po muchos años ha sido conocido que la falla de roca es compleja, resulta de las muchas tensiones creadas de los movimiento combinados y de las acciones del diente de una barrena de roca (Sikarskie, y otros, Problemas de Penetración en la Mecánica d Roca, ASME Simposio Mecánicas de Roca, 1973) . Subsiguientemente se ha trabajado para desarrollar relaciones cuantitativas entr el diseño de brocas y la interacción de la formación dei diente Esto se ha logrado mediante el calcular la vertical, e movimiento tangencial y radial del diente en relación al orific inferior, para verazmente representar la acción de vaciado y d raspadc dei diente en las brocas de cono giratorio. (Ma, Un Nueva Manera Para Caracterizar La Acción De Vaciado - Raspado D Las Brocas De Conc Giratorio, Sociedad De Ingenieros Petrolero No. 19448, 1989) . Más recientemente, han sido desarrollados le programas de computación les cuales predicen y estimulan lo patrones de orificios inferiores desarrollados por brocas de con girateric mediante el combinar el movimiento compiejo del dient con un modelo ?e falla de formación. (Ma, La Estimulación D Computadora Para La Interacción Entre La Broca Giratoria Y L Roca, Sociedad De Ingenieros Petroleros No. 29922, 1995) . Tale modelos de falla .de formación que incluyen un modelo dúctil par remover la formación ocupada por el cliente durante su movimient a-' través del fondo del orificio, y un modelo de rompimient frágil en para representar el rompimiento que lo rodea.

Actualmente, los diseños de las brocas de con giratorio permanecen como el resultado de generaciones d modificaciones hechas en los diseños originales. La modificaciones están basadas en años de experiencia en l evaluación de los registros trabajados de brocas y en la condiciones de las brocas. Debido a que las brocas de perforació son trabajadas bajo condiciones extremas, lejos de la vista, debido a la destrucción, es a menudo es muy difícil el determina la causa de la falla de una broca. Las brocas de cono giratori son a menudo desarmadas en los laboratorios de los fabricantes, pero a menudo este proceso es en respuesta a las quejas de los consumidores con respecto al producto, cuando es requerida una verificación de los materiales. Los ingenieros podrán visitar el laboratorio y tratar de efectuar un análisis forensico de los restos de la barrena de roca, pero con pocas de excepciones generalmente hay poca evidencia para soportar sus conclusiones de como falló el componente primero y por qué. Debido a que las barrenas de roca son trabajadas en diferentes pozos de perforación, en diferentes formaciones, bajo diferentes condiciones de operación, es extremadamente difícil llegar a una conclusión por las condiciones romas de las brocas. Como un resultado, el evaluar las condiciones romas de la broca, su causa, y determinar soluciones de diseño es un proceso muy subjetivo. Lo que se conoce es que cuando la estructura de corte o el sistema de rodamiento de una broca falla prematurament puede tener un efecto perjudicial serio en la economía de l perforación.

Aunque ahora disponibles están los métodos numérico para modelar el patrón del orificio inferior producido por un broca de cono giratorio, no hay ninguna sugerencia de como esto deberán de ser usados para mejorar el diseño de las brocas parte de predecir la presencia de problemas obvios tales como e seguimiento. Por ejemplo, la mejor solución disponible par tratar con los problemas de vibración lateral, es un recomendación de que las brocas de cono giratorio deben se corridas a velocidades giratorias bajas a moderadas cuando s están perforando formaciones medias a duras para controlar la vibraciones de la broca y prolongar la vida, y para usar sensore de vibración en el orificio profundo. (Dykstra, y otros, Evaluaciones Experimentales Para Las Dinámicas de la Sarta d Perforación, Reporte Amoco Número F94-P-80, 1994).

Brocas de Cono Giratorio de Fuerza Balanceada, Sistemas, Métodos de Perforación y Métodos de Diseño La presente solicitud describe los métodos mejorados para diseñar brocas de cono giratorio, así como los métodos de perforación mejorados, y los sistemas de perforación. La presente solicitud enseña que los diseños de brocas de cono giratorio deberán de tener una fuerza de barreno hacia abajo mecánica igua en cada uno de los conos . Esto no es trivial : sin un consideración de diseño especial, el peso sobre la broc automáticamente NO será igualada entre los conos.

Las brocas de cono giratorio normalmente NO está balanceadas, por varias razones: Estructuras de corte asimétricas. Usualmente la hileras de los conos están interengranadas a fin de completament cubrir el fondo del orificio y tener efectos de auto limpieza. Por lo tanto, aún cuando las formas de cono pueden ser las mismas para todos los tres conos, las distribuciones de las hileras d dientes en los conos son diferentes de cono a cono. Los números de dientes en los conos usualmente son diferentes. Por lo tanto, el cono que tiene más hileras y más dientes que los otros dos conos puede remover mar roca y como resultado, pueden gastar más energía (desequilibrio de energía) . Un desequilibrio de energía usualmente lleva al desequilibrio de la fuerza de la broca.

Efectos de desajuste. Debido a el desajuste, será inducido un movimiento de raspado. Este movimiento de raspado es diferente de hilera de dientes a hilera de dientes y como un resultado, la fuerza de raspado (la fuerza tangente) que actúa sobre los dientes es diferente de hilera a hilera. Esto podrá generar una fuerza de desequilibrio en la broca.

Efectos de rastreo. Si por lo menos uno de los con está en rastreo, entonces éste cono podrá engranarse con el fon del orificio sin penetración, la roca no removida por éste con un podrá ser parcialmente removida por los otros dos conos . Co un resultado, la broca está desbalanceada.

El solicitante ha descubierto, y experimentalmente h verificado, que el equilibrio de la fuerza hacia abajo por con esun factor muy importante (y muy subestimada) en el rendimient del cono giratorio. La fuerza hacia abajo equilibrada se cree qu sea un factor significativo en la reducción del girado, y h demostrado que proporciona una mejora sustancial en la eficienci de la perforación. La presente solicitud describe lo procedimientos del diseño de la broca los cuales proporcionan l optimización del balanceo de la fuerza hacia abajo así como otro parámetros .

Las brocas de cono giratorio siempre podrán ser un fuente de resistencia a la vibración, debido a los impacto secuenciales de los dientes de la broca y a las inhomogeneidade de la formación. Sin embargo, muchos resultados de esta vibració no son deseables. Se cree que el rendimiento mejorado de lo conos balanceados hacia abajo se debe parcialmente a la vibració reducida.

Cualquier fuerza desequilibrada en los cono corresponde a un momento de fuerza de torsión de doblado aplicada en el fondo de la sarta de perforación, el cual gira co la sarta de perforación. Este momento de doblado giratorio es un fuerza impulsora, a la frecuencia de girado, el cual tiene e potencial de acoplarse a las oscilaciones de la sarta d perforación. Más aún, este momento de doblado giratorio puede se un factor para impulsar la sarta de perforación en un régime donde la vibración y las inestabilidades están mucho meno humedecidas. Se cree que el rendimiento mejorado de los cono balanceados hacia abajo también puede deberse parcialmente a l oscilación reducida de la sarta de perforación.

Las innovaciones descritas, en varias incorporaciones, proporcionan por lo menos una o más de las siguientes ventajas: •La broca de cono giratorio está balanceada de fuerza de tal manera que la carga axial entre los brazos es sustancialmente igual.

•La broca de cono giratorio está balanceada de energía tal manera que cada una de las estructuras de corte sustancialmente perforan volúmenes iguales de formación .

#La broca ha disminuido la vibración de operación lateral y axial .

•Las estructuras de corte, los cojinetes, y los sell tienen una duración incrementada y tienen un rendimiento durabilidad mejorados.

•La vida de la sarta de perforación es extendida.

•La broca de cono giratorio ha minimizado el rastreo las estructuras de corte, dando un rendimiento mejorado extendiendo la vida de la estructura de corte.

•La broca de cono giratorio tiene un número optimizad de dientes en un área de formación dada. •El rendimiento de la broca es mejorado.

•El girado descentrado es minimizado •La broca de cono giratorio ha optimizado (minimizad y equilibrado) el ancho del anillo de formación sin cortar.

*Las brocas de cono giratorio de energía balancead pueden ser adicionalmente optimizadas mediante el minimizar e rastreo de la broca y del cono.

•Las brocas de cono giratorio de energía balancead pueden ser adicionalmente optimizadas mediante el minimizar equilibrar los anillos de formación sin cortar.

•El diseñador puede evaluar las condiciones de l fuerza de balanceo y de la energía de balanceo de los diseños d broca existentes.

*E1 diseñador puede diseñar brocas de fuerza balancead con patrones predecibles de orificios inferiores sin depender d las pruebas del laboratorio seguidas por las modificaciones d diseño.

*E1 diseñador puede optimizar el diseño de las broca de cono giratorio dentro de limitaciones escogidas por e diseñador.

Otras ventajas de las varias invenciones descrita podrán ser evidentes de las siguiente descripción, tomada e conjunto con los dibujos anexos, en donde, a modo de ilustració y de ejemplo, una incorporación de muestra está descrita.

La solicitud de patente de los Estados Unidos d América presentada el 31 de agosto de 1999, e intitulada "Broca de Cono Giratorio, Sistemas, Métodos de Perforación, Y Métodos d Diseño con Optimización de Orientación de Diente" (Asunto d abogado No. SC-98-26) , y que reivindica la prioridad de la solicitud provisional de los Estados Unidos de América No. 60/098,442 presentada el 31 de agosto de 1998, describe los métodos de diseño de la broca de cono giratorio y y las optimizaciones los cuales pueden ser usados separadamente o combinación sinergística con los métodos descritos en la presen solicitud. Esa solicitud, la cual una tiene propiedad com autoría de invención, y la fecha de presentación efectiva con presente solicitud, y su solicitud de prioridad provisiona ambas son incorporadas aquí por referencia.

Breve descripción de los dibujos Las invenciones mencionadas podrán ser descritas co referencia a los dibujos anexos, los cuales muestra incorporaciones de muestra importantes de la invención y lo cuales están incorporados en la presente descripción po referencia, en donde: La figura 1 muestra un elemento y como el diente e dividido en elementos para la evaluación de fuerza del diente .

La figura 2 diagramaticálmente muestra un con giratorio y las fuerzas de cojinete las cuales son medidas en l descripción actual .

La figura 3 muestra cuatro variables de diseño de u diente en un cono.

La figura 4 muestra el patrón de orificio inferio generado por la broca de dientes de acero.

La figura 5 muestra la disposición de la distribuci de hilera en un plano que muestra la distancia entre cualquie de las dos superficies de los dientes.

La figura 6 muestra una gráfica del flujo d procedimiento de optimización para diseñar una broca de fuer balanceada.

Las figuras 7A a C comparan los tres perfiles de con antes y después de la optimización.

Las figuras 8A y B comparan el patrón de orifici inferior antes y después de la optimización.

Las figuras 9A y B comparan la disposición antes después de la optimización.

La figura 10 muestra un ejemplo de un pozo petrolero e cual usa brocas diseñadas mediante el método descrito.

La figura 11 muestra un ejemplo de una broca de con giratorio.

La figura 12 muestra un ejemplo de una barrena d arrastre Descripción detallada de las incorporaciones Preferidas Las numerosas enseñanzas innovadoras de la present solicitud podrán ser descritas con referencia particular a l presente incorporación preferida (por medio de ejemplo y no d limitación) .

Modelo computadorizado de la broca para roca La presente invención usa una relación de fuerza d corte de elemento sencillo a fin de desarrollar la relación d fuerza de corte total de un cono y de una broca de cono giratori completa. Observando la figura 1, cada diente, mostrado en e lado derecho, puede ser mostrado como compuesto de una colecció de elementos, tales como son mostradas en el lado izquierdo. Cad elemento usado en la presente invención tiene una secció transversal cuadrada con el área Se (su sección transversal en el plano x-y) y la longitud Le (a lo largo del eje z) . La relació de fuerza de corte para este elementos sencillo puede ser descrita mediante : k. * s * S. (1) Fx xe = r-x * FL z ( 2 : ye µy * F, (3) en donde F8 es la fuerza normal y FB, Fye son puerta laterales, respectivamente, o es la resistencia a la compresión se es la profundidad de corte y Kg, µx y µy son coeficiente asociados con las propiedades de formación. Estos coeficiente pueden ser determinados mediante la prueba de laboratorio. U diente o un inserto puede siempre ser dividido en vario elementos. Por lo tanto, la fuerza total en un diente puede se obtenida mediante integrar la ecuación (1) a (3) . Este modelo d fuerza de elemento sencillo usado en la invención tiene un ventaja significativa sobre el modelo de inserción sencilla o d diente sencillo usado en la mayoría de las publicaciones. L única manera de obtener un modelo de fuerza es mediante un prueba de laboratorio. Hay muchos tipos de insertos usados ho para una broca de cono giratorio que dependen del tipo de roc que es perforado. Si un modelo de fuerza de inserción sencillo e usado, muchas de las pruebas tienen que ser efectuadas y esto e muy difícil sino imposible. Mediante el uso del modelo de fuerz del elemento, solamente unas cuantas pruebas pueden se suficientes debido a que cualquier tipo de inserto o de dient puede siempre ser dividido en elementos. En otras palabras, u modelo de elemento puede ser aplicado en todas las clases de insertos o de dientes .

Después de tener el modelo de fuerza de element sencillo, el siguiente paso es el determinar la interacción entr los insertos y la formación perforada. Este paso involucra l determinación de la cinemática de diente (local) de la broca y d cinemática de cono (global) como se describe abajo. (1) La cinemática de la broca está descrita por l velocidad de rotación de la broca, O = RPM (revoluciones po minuto) , y la tasa de penetración, ROP. Ambos la revoluciones po minuto y la tasa de penetración pueden ser consideradas como constantes o como una función con tiempo. (2) La cinemática del cono está descrita por la velocidad de rotación del cono. Cada cono puede tener su propia velocidad. El valor inicial es calculado de los parámetros geométricos de la broca o solamente estimado por experimento. En el cálculo la velocidad del cono puede ser cambiada con base en el momento de torsión que actúa en el cono. (3) En el tiempo inicial, tO, el fondo del orificio es considerado como un plano y es engranado en rejillas pequeñas. El diente es también engranado en rejillas (elementos sencillos) . En cualquier tiempo t, la posición del diente en el espacio está completamente determinada. Si el diente está en interacción con el fondo del orificio, el fondo del orificio es actualizado y l profundidad de corte para cada elemento de corte es calculado son obtenidas fuerzas que actúan en los elementos . (4) Las fuerzas de elemento están integradas en la fuerzas del diente, las fuerzas del diente están integradas e las fuerzas del cono, las fuerzas del cono son transferidas fuerzas de foj inete y las fuerzas de cojinete son integradas e las fuerzas de broca. (5) Después la broca es perforada completament dentro de la roca, estas fuerzas son registradas en cada paso d tiempo. Un periodo de tiempo usualmente por lo menos 10 segundo es simulado. Las fuerzas promedio pueden ser consideradas com fuerzas estáticas y son usadas para la evaluación de la condició de balance de la estructura de corte.

Evaluación de una broca de cono giratorio de fuerza balanceada Las fuerzas aplicadas a la broca son el peso en l broca (WOB) y la fuerza de torsión en la broca (TOB) . Esta fuerzas podrán ser tomadas por los tres conos. Debido a l asimetría de la geometría de la broca, las cargas en los tre conos usualmente no son iguales. En otras palabras, uno de lo tres conos puede hacer mucho más trabajo que los otros dos conos.

Con referencia a la figura 2, la condición de balance de un broca de cono giratorio puede ser evaluada usando el siguient criterio: Max (?1, ?2, ?3) - Min (?1, ?2, ?3) < = ?0 (4) Max (?1, ?2, ?3) - Min (?1, ?2, ?3) < = ?0 (5) Max (?1, ?2, ?3) - Max (?1, ?2, ?3) < = ?0 (6) ? = Fr / WOB *100% < = ?0 (7) en donde ?i (i=l,2,3) es definido por ?i = PESO DE L BROCAi / PESO DE LA BROCA * 100%, PESO DE LA BROCAi es el peso e la broca tomada por el cono i . ?i es definido por ?i = Fzi SFzi*100% con Fzi siendo la fuerza axial del cono i-th. Y ?i e definido por ?i = Mzi / SMzi*100% con Mzi es el momento de con i-th en la dirección perpendicular al eje del cono i-th Finalmente ? es la tasa de fuerza desequilibrada de la broca co Fr100 la fuerza desequilibrada de la broca. Una broca est perfectamente balanceada si : ?1 = ?2 = ?3 = 33.333 % o ?0 = 0.0 % ?1 = ?2 = ?3 = 33.333 % o ?0 = 0.0 % ?1 = ?2 = ?3 = 33.333 % o ?0 = 0.0 % ? = 0.0 % En la mayoría de los casos si ?0, ?0, ?0, ?0 so controlados con algunas limitaciones, la broca está balanceada.

Los valores de ?0, ?0, ?0, ?0 dependen del tamaño de la broca del tipo de la broca.

Hay una distinción entre las técnicas de fuerza d balanceo con la energía de balanceo. Una broca de fuerz balanceada usa tecnología de optimización y objetivos múltiples la cual considera el peso en la broca, la fuerza axial, y e momento del cono como objetivos de optimización separados. L energía de balanceo usa solamente optimización de objetiv sencillo, como se define en la ecuación (11) abajo.

Diseño de una broca de cono giratorio de fuerza balanceada Como mencionamos en secciones anteriores, hay mucho parámetros los cuales afectan las condiciones de balanceo de l broca. Entre estos parámetros, están la longitud de la cresta d los dientes, sus posiciones en los conos (distribución de l hilera en el cono) y el número de dientes juegan un pape significante. Un incremento en el tamaño de cualquier parámetr debe por necesidad de resultar en una disminución o incremento e uno o más de los otros. Y en algunos casos las reglas de diseñ pueden ser violadas. Obviamente el desarrollo del procedimient de optimización es absolutamente necesario.

El primer paso en el procedimiento de optimización e el escoger las variables de diseño. Considérese un cono para un broca de diente de acero como se muestra en la figura 3. El con tiene tres hileras. Por consideración a la simplicidad, el ángul de muñón, el descentrado y el perfil de cono podrán ser fijos no podrán ser variables del diseño. Por lo tanto las única variables de diseño para una hilera son la longitud de la cresta Le, la posición radial del centro de la longitud de la cresta Rc, y los ángulos del diente, a y ?. Por lo tanto, el número d variables de diseño son 4 veces el número total de hileras en un broca.

El segundo paso en el procedimiento de optimización e el definir los objetivos y matemáticamente expresar los objetivo como función de las variables de diseño. De acuerdo a la ecuació (1) , la fuerza que actúa en un elemento es proporcional a • volumen de roca removido por ese elemento. Este principio tambié aplica a cualquier diente. Por lo tanto, el objetivo es el deja a cada cono remover la misma cantidad de roca en una revolució de la broca. Esto se llama balanceo de volumen o energía de balanceo. El inventor actual ha encontrado que la energía de balanceo de la broca podrá llevar la fuerza balanceada en l mayoría de los casos. Considérese la figura 4 la cual muestra lo patrones de corte por cada cono en el fondo del orificio. Las primeras hileras de todos los tres conos se han superpuesto y e la hileras internas remueven la roca independientemente. Suponga que la broca tiene una profundidad de corte de ? en una revolución de la broca. No es difícil el calcular los volúmenes removidos por cada fila y el volumen de matriz puede tener la forma : V = [ V„ ], i = l, 2, 3; j = l, 2, 3, 4, (8) en donde i representa el número de cono y j el númer de fila. Por ejemplo, V32 es elemento en la matriz de volumen qu representa el volumen de roca removido por la segunda hilera e tercer cono. Los elementos Vy de esta matriz son todos funcione de las variables de diseño.

En realidad, el volumen removido por cada hiler depende no solamente de las variables de diseño anteriores, sin también del número de dientes en esa hilera y en la condición d rastreo. Por lo tanto la matriz de volumen calculada en un manera 2D debe de ser de escala. La matriz de escala, K„, pued ser obtenida como sigue: (i,j) = V3d0(i,j) / V^ (i,j) (9) en donde V3d0 es el volumen de matriz en el diseñ inicial de la broca (antes de la optimización) . V3d0 es obtenid por el programa de computación de barrena de roca mediante e estimular el procedimiento de perforación de la broca por l menos 10 segundos. V^Q es el volumen de matriz asociado con e diseño inicial de la matriz y obtenido usando la manera 2D basad en el patrón de fondo mostrado en la figura 4.

El volumen de matriz tiene la forma final Vb(i,j) = K i,j) * V(i,j) = fv(LcíRc>ci,ß) (10) Dejar que V,, V2 y V3 sea el volumen removido por el cono 1, 2 y 3, respectivamente. Para la energía balanceada, l función de objetivo, toma la siguiente forma: Obj = (V1-Vm)?2+(V2-Vj?2+(V3-Vm)?2 (11) en donde V = (V, + V, + V3) /3 El tercer paso en el procedimiento de optimización de para definir los límites de las variables de diseño y las restricciones. Los límites inferiores y superiores de las variables de diseño pueden ser determinados por los requerimientos en la resistencia del elemento y la limitación estructural. Por ejemplo, el límite inferior de una longitud de cresta del diente es determinado por la resistencia del diente. El ángulo a y ß puede ser limitado por 0 a 45 grados. Una de las restricciones más importantes es la interferencia entre los dientes de los diferentes conos. Una limpieza mínima entre la superficie de los dientes debe de ser mantenida. Considérese la figura 5 en donde el perfil del cono es mostrado en un plano. Es requerido un mínimo de limpieza entre las superficies del diente. Esta limpieza puede ser expresada como una función de las variables de diseño. d = fd(Lc, Rc, a, ß) (12) Otra restricción es el ancho de los anillos d formación no cortados en el fondo. El ancho de los anillos d formación no cortados deberá de ser minimizado o igualado par evitar el contacto directo de la superficie del cono con la formación perforada. Estas restricciones pueden ser expresadas como : ? 'wi = fw, (Lc, Rc, a, ß) < = (13) Puede haber otras consideraciones, por ejemplo, el espacio mínimo entre dos filas vecinas en el mismo cono requeridos por el proceso de minado .

Después de tener la función objetivo, los límites y las restricciones, el problema es simplificado a un problema de optimización no lineal general con límites y restricciones no lineales los cuales pueden ser resueltos por diferentes métodos. La figura 6 muestra una gráfica de flujo del procedimiento de optimización. El procedimiento comienza mediante la lectura de la geometría de la broca y de otros parámetros operacionales. Las fuerzas en los dientes, en los conos, en los rodamientos, y en la broca son entonces calculadas. Una vez que las fuerzas son conocidas, éstas son comparadas, y si están balanceadas, entonce el diseño es optimizado. Si las fuerzas no están balanceadas entonces la optimización debe de ocurrir. Los objetivos, la restricciones, las variables de diseño y sus límites (valore permitidos mínimos y máximos) son definidos, y las variables so alteradas para ajustarse a los nuevos objetivos. Una vez que lo nuevos objetivos son logrados, los nuevos parámetros geométrico son usados para rediseñar la broca, y las fuerzas son calculada otra vez y verificadas respecto del balance. Este proceso e repetido hasta que es lograda la fuerza del balanceo deseada.

Como un ejemplo, las figuras 7A a C muestran la distribuciones de hilera en los tres conos de un diente de acer de 9 pulgadas antes y después de la optimización. Las figuras 8 y 8B comparan los patrones de corte del orificio inferio cortados por los diferentes conos antes y después de l optimización. Las figuras 9A y 9B comparan las disposiciones de cono antes y después de la optimización.

En una incorporación preferida de la present descripción, es proporcionada una broca de cono giratorio través de la cual es calculado el volumen de formación removid por cada diente en cada hilera, de cada estructura de cort (cono) . Este cálculo está basado en la información de entrada d la geometría de la broca, de las propiedades de la roca, y de lo parámetros operacionales. Los parámetros geométricos de la broc de cono giratorio son entonces modificados de tal manera que e volumen de formación removido por cada estructura de corte e igualada. Debido a que la cantidad de formación removida po cualquier diente en una estructura de corte es una fuerza de l función impartida en la formación del diente, el volumen d formación removido por una estructura de corte es una funció directa de la fuerza aplicada a la estructura de corte. Mediant el balancear el volumen de la formación removida por todas la estructuras de corte, también es lograda la fuerza de balanceo.

Como otra característica de la incorporació preferida, es proporcionada una broca de cono giratorio para la cual es calculado el ancho de los anillos de formación que permanecen sin cortar, mientras permanece entre las hileras de los dientes de interengranaje constante de las diferentes estructuras de corte. Los parámetros geométricos de la broca de cono giratorio son entonces modificados de tal manera que el ancho de la áreas sin cortar para cada rollo sea sustancialmente minimizado e igualado dentro de los límites aceptables seleccionados. A través de la minimización de los anillos sin cortar en el fondo del orificio, la broca podrá ser capaz de triturar los anillos no cortados con rotaciones sucesivas debido a los cráteres de la formación removida inmediatamente adyacentes a los anillos sin cortar. Mediante el igualar el ancho de los anillos sin cortar, la fuerza requerida para triturar los anillos podrá ser parejas desde cualquier punto en la cara del orificio, de tal manera que mientras los elementos de corte (dientes engranan los anillos en rotaciones sucesivas, los anillos actúa para uniformemente retener la broca de perforación en el centro De acuerdo a una clase descrita de incorporacione innovadoras, se proporciona: una broca de perforación de con giratorio que comprende: una pluralidad de brazos; estructuras d corte girables montadas en los respectivos de dichos brazos; una pluralidad de dientes localizados en cada una de dicha estructuras de corte; aproximadamente en donde la misma fuerz axial está actuando en cada una de dichas estructuras de corte.

De acuerdo a otra clase descrita de incorporacione innovadoras, se proporciona: una broca de perforación de con giratorio que comprende: una pluralidad de brazos; estructuras d corte girables montadas en los respectivos de dichos brazos; una pluralidad de dientes localizados en cada una de dicha estructuras de corte; en donde un volumen sustancialmente igua de formación es perforado por cada una de dichas estructuras d corte.

De acuerdo a otra clase descrita de incorporaciones innovadoras, se proporciona: un sistema de perforación giratorio, que comprende: una sarta de perforación la cual está conectada para conducir el fluido de perforación desde una localización de superficie a una broca giratoria; un impulsor giratorio el cual gira por lo menos parte de dicha sarta de perforación junto c dicha broca y dicha broca giratoria comprende en una pluralid de brazos; las estructuras de corte girables montadas en l respectivos de dichos brazos; y una pluralidad de dient localizados en cada una de dichas estructuras de cort aproximadamente en donde la misma fuerza axial está actuando cada una de dichas estructuras de corte.

De acuerdo a otra clase descrita de incorporacione innovadoras, se proporciona: un método para el diseño de u broca de cono giratorio, que comprende los pasos de: (a) qu calcula el volumen de formación de corte por cada diente en cad estructura de corte; (b) que calcula el volumen de formación d corte por cada estructura de corte por revolución de la broca (c) que compara el volumen de formación de corte por cada una d dichas estructuras de corte con el volumen de formación de cort para todas las otras estructuras de corte de la broca; (d) qu ajusta por lo menos un parámetro geométrico en el diseño de po lo menos una estructura de corte; y (e) que repite los pasos (a a (b) hasta que sustancialmente el mismo volumen de formación e cortado por cada una de dichas estructuras de corte de dich broca.

De acuerdo a otra clase de incorporaciones innovadora descrita, se proporciona: un método para diseñar una broca d cono giratorio, que comprende los pasos de: (a) calcular l fuerza axial que actúa en cada diente en cada estructura d corte; (b) calcular la fuerza axial en cada estructura de cort por revolución de la broca; (c) comparar la fuerza axial qu actúa en cada una de dichas estructuras de corte con la fuerz axial en las otras de cada una de dichas estructuras de corte d la broca; (d) ajustar por lo menos un parámetro geométrico en e diseño de por lo menos una estructura de corte; (e) repitir e los pasos (a) a (d) aproximadamente hasta que la misma fuerz axial este actuando en cada una de las estructuras de corte.

De acuerdo a otra clase de incorporaciones innovadora descrita, se proporciona: un método para diseñar una broca d cono giratorio, que comprende los pasos de: (a) calcular la condiciones de fuerza de balanceo en una broca; (b) definir la variables de diseño; (c) determinar los límites inferiores superiores para las variables de diseño; (d) definir la funciones objetivo; (e) definir las funciones de restricción; (f) efectuar un medio de optimización; y, (g) evaluar una estructur de corte optimizada por modelado.

De acuerdo a otra clase descrita de incorporacione innovadoras, se proporciona: un método para usar una broca d cono giratorio, que comprende el paso de girar dichas broca d cono giratorio de tal manera que sustancialmente el mism volumen de formación es cortado por cada uno de los conos giratorios de dicha broca.

De acuerdo a otra clase descrita de incorporacione innovadoras, se proporciona: un método para usar una broca d cono giratorio, que comprende el paso de girar dicha broca d cono giratorio de tal manera que es sustancialmente la mism fuerza axial está actuando sobre cada uno de los cono giratorio de dicha broca. Modificaciones y variaciones Como podrá ser reconocido por aquellos con habilidad e el arte, los conceptos innovadores descritos en la presente invención pueden ser modificados y variados sobre un tremendo rango de aplicaciones, y de conformidad con el el alcance de la materia patentada no están limitados por cualquiera de las enseñanzas de ejemplo específicas dadas.

Un antecedente general adicional, el cual ayuda a mostrar el conocimiento de aquellos con habilidad en el arte con respecto a las implementaciones y a la predictibilidad de las variaciones, pueden encontrarse en las siguientes publicaciones, todas las cuales son aquí incorporadas por referencia: Ingeniería de Perforación Aplicada, Adam T. Bourgoyne Jr. y otros, series de Libros de Texto de la Sociedad de Ingenieros Petroleros (1991) , Técnicas de Desarrollo en el Campo de Gas y de Petróleo: Perforación, J.-P. Nguyen (traducción 1996, del original en Francés 1993) , Haciendo un Orificio (1983) y Perforando Lodo (1984) , ambos parte de la Serie de Perforación Giratoria, editad por Charles Kirkley.

Ninguna de las descripciones de la presente solicitu deberá de leerse como que implica que cualquier element particular, paso, o función es un elemento esencial el cual deb de ser incluido en el alcance reivindicatorío: El alcance de l materia patentada está definido solamente por la reivindicaciones otorgadas. Más aún, ninguna de esta reivindicaciones tienen la intención de invocar el párrafo 6 d la 35 de la Constitución de los Estados Unidos de América secció 112 a menos que las palabras exactas "significa para" sea seguidas por un participio.

Claims (13)

R E I V I N D I C A C I O N E S

1. Una broca de rodillo de cono que comprende: una pluralidad de brazos; estructuras de corto giratorio montadas en cada uno de tale brazos del respectivos; y una pluralidad de dientes localizados en cada una de dicha estructuras de corte; aproximadamente en donde la misma fuerza axial está actuando e cada una de dichas estructuras de corte.

2. La broca de rodillo de cono giratorio tal y com se reivindica en la cláusula 1, caracterizada porque la fuerz axial en cada una de tales estructuras de corte está entr treinta y uno (31) porciento y treinta y cinco (35) porciento de total de la fuerza axial en la broca.

3. - Una broca del rodillo de cono giratorio qu comprende : una pluralidad de brazos; estructuras de corte giratorio montadas en los respectivos d tales brazos; y una pluralidad de dientes localizados en cada una de tale estructuras de corte; en donde una sustancialmente igualdad de volumen deformación e perforada por cada una de tales estructuras de corte.

4. La broca de cono giratorio tal y como s reivindica en la cláusula 3, caracterizada porque el volumen d perforación de formación por cada una de tales estructuras d corte está entre treinta y uno (31) porciento y treinta y cinc (35) porciento del volumen total perforado por la broca.

5.- Un sistema de perforación giratorio qu comprende : una sarta de perforación la cual está conectad para conducir fluido de perforación desde localidad de superfici a una broca giratoria; un impulsor de giratorio el cual gira por lo menos parte de ta sarta de perforación junto con tal broca tal broca giratoria comprende: una pluralidad de brazos; las estructuras de corte giratorio montadas en los respectivos d tales brazos; y una pluralidad de dientes localizados en cada una de tale estructuras de corte; aproximadamente en donde la misma fuerza axial está actuando e cada una de tales estructuras de corte.

6. Un método para diseñar una broca de con giratorio, que comprende los pasos de: (a) que calcula el volumen de corte de formación por cada dient en cada estructura de corte; (b) que calculaba el volumen de corte de formación por ca estructura de corte por revolución de la broca; (c) que compara el volumen de corte de formación por cada una tales estructuras de corte con el volumen de corte de formaci por todas las otras estructuras de corte de la broca; (d) que ajusta a por lo menos un parámetro geométrico en diseño de por lo menos una estructura de corte; y (e) que repit los pasos (a) a (d) hasta que sustancialmente el mismo volumen formación es cortado por cada una de las estructuras de corte tal broca.

7. El método tal y como se reivindica en la cláusul 6, caracterizado porque el paso para calcular el volumen de cort de formación por cada diente en cada estructura de corte ademá comprende el paso de utilizar la simulación numérica par determinar el intervalo de progresión de cada diente mientras qu intersecta la formación.

8. Un método para diseñar una broca de con giratorio, los pasos comprenden: (a) que calcula la fuerza axial que actúa en cada diente en cad estructura de corte; (b) que calcula la fuerza axial que actúa en cada una de la estructuras de corte por revolución de la broca; (c) que era justa por lo menos un parámetro geométrico en e diseño de por lo menos una estructura de corte; (e) que repite los pasos (a) a (d) hasta que aproximadamente l misma fuerza axial está actuando en cada una de las estructura de corte.

9.- El método tal y como se reivindica en la cláusul 8, caracterizado porque el paso para calcular la fuerza norma que actúa en cada diente, en cada estructura de corte ademá comprende el paso de utilizar la simulación numérica par determinar el intervalo de progresión de cada diente mientras qu intersecta la formación.

10. El método tal y como se reivindica en la cláusul 8, caracterizado porque comprende los pasos de: (a) que calcula el volumen de formación desplazado por l profundidad de penetración de cada diente; (b) que calcula el volumen de formación desplazado por e movimiento de raspado tangencial de cada diente; (c) que calcula el volumen de formación desplazado por e movimiento de raspado radial de cada diente; y (d) que calcula el volumen de formación desplazado por un función de parámetro de alargadura de cráter.

11.- Un método para diseñar una broca de rodillo giratorio, que comprende los pasos de: (a) calcula la condiciones de la fuerza de balance de una broca; (b) que define las variables de diseño; (c) determinar los límites inferiores y superiores para el dise de variables; (d) que define las funciones objetivo; (e) que define las funciones restrictivas; (f) que efectúa un medio de optimización; y, (g) que evalúa una estructura de corte optimizada mediante e moldeo.

12. Un método para usar una broca de cono giratorio que comprende en el paso de girar tal broca de cono giratorio ta que sustancialmente el mismo volumen de formaciones cortado po cada cono giratorio de dicha broca.

13. Un método para usar una broca de cono giratorio que comprender el paso de girar tal broca de cono giratorio ta que sustancialmente la misma fuerza axial está actuando en cad cono giratorio de dicha broca. R E S U E N Un perforador de cono giratorio en donde el proceso d optimización de la broca iguala la fuerza hacia abajo (fuerz axial) para los conos (acerca como sea posible, sujetos a otra restricciones de diseño) . El rendimiento de la broca e incrementado significativamente mediante una fuerza hacia abaj igualadora.