ES2225970T3 - Aparato de fondo de pozo. - Google Patents

Abstract

UN APARATO PARA IMPULSAR EL FLUJO EN EL FONDO DE UNA PERFORACION COMPRENDE UN ALOJAMIENTO (14) PARA COLOCAR UNA COLUMNA DE SONDEO, DEFINIENDO EL ALOJAMIENTO (14) UN ORIFICIO PASANTE QUE PERMITE EL PASO DEL FLUIDO A TRAVES DEL ALOJAMIENTO. EN EL ORIFICIO SE ENCUENTRA SITUADA UNA VALVULA (27, 30), QUE DEFINE UN PASO DEL FLUJO (29, 31). LA VALVULA INCLUYE UN MIEMBRO DE VALVULA (27) QUE SE MUEVE PARA VARIAR LA SUPERFICIE DEL PASO (29, 31) A FIN DE PROPORCIONAR UN FLUJO VARIADO DEL FLUIDO A TRAVES DEL MISMO. EL MIEMBRO DE VALVULA (27) LLEVA ASOCIADO UN MOTOR (15, 16) VOLUMETRICO ACCIONADO POR EL FLUIDO. EN UNA REALIZACION PREFERIDA, EL APARATO SE PROPORCIONA EN COMBINACION CON UN TREPANO DE SONDEO (5) Y UN DISPOSITIVO QUE RESPONDE A LA PRESION, COMO POR EJEMPLO UN AMORTIGUADOR SUMERGIDO (3), QUE SE EXTIENDE O SE RETRAE EN RESPUESTA A LA VARIACION DE PRESION DEL FLUIDO DE SONDEO CREADA POR LA DIVERSA SUPERFICIE DE PASO DEL FLUJO. LA EXPANSION O RETRACCION DEL AMORTIGUADOR SUMERGIDO (3) PROPORCIONA UN EFECTO DE PERCUSION EN EL TREPANO DE SONDEO.

Description

Aparato de fondo de pozo.

Este invento se refiere a un aparato para perforación usado en el fondo del pozo. En particular, aunque no exclusivamente, el invento se refiere a un aparato para perforación y a un aparato de flujo pulsante para una sarta de varillas de perforación.

En las industrias de la exploración y de la extracción de petróleo y de gas, es bien sabido que proporcionando un efecto de percusión o de martillo se tiende a aumentar la velocidad de perforación que se puede conseguir cuando se perforan pozos a través de roca dura. En tales operaciones de perforación, el fluido o "lodo" de perforación es bombeado desde la superficie a través de la sarta de varillas de perforación para que salga desde las boquillas previstas en la punta de perforación de la barrena. El flujo de fluido desde las boquillas ayuda a desalojar y a apartar el material de las caras de corte, y sirve para llevar el material desalojado, a través del pozo perforado, hasta la superficie. Se ha reconocido que el proporcionar un flujo de fluido pulsante desde las boquillas puede servir también para aumentar la velocidad de perforación.

En las Patentes de EE.UU. Nº 2.743.083 concedida a Zublin, Nº 2.780.4438 concedida a Bielstein, y Números 4.819.745, 4.830.122, 4.979.577, 5.009.272 y 5.190.114, concedidas todas a Walter, se han descrito aparatos que utilizan uno de estos dos principios, o los dos. Se consigue un flujo de fluido pulsante restringiendo para ello el área de flujo de fluido de perforación a través del aparato, creando la restricción una fuerza de presión que produce el efecto de percusión. La restricción del flujo puede conseguirse por una diversidad de medios, incluidas las válvulas que giran alrededor del eje longitudinal de la sarta de varillas, las válvulas que giran alrededor de un eje transversal, las válvulas que se accionan con movimiento alternativo en dirección axial, y las válvulas de charnela. Los miembros de válvula son accionados o desplazados con movimiento alternativo usando turbinas accionadas por el fluido de perforación de diversas formas, o bien fuerzas de presión de fluido creadas por el movimiento del mv en el flujo de fluido de perfora-
ción.

Está entre los objetivos del presente invento el de proporcionar un método y un aparato de flujo pulsante mejorados para una sarta de varillas de perforación.

De acuerdo con el presente invento, se proporciona un aparato de flujo pulsante para ser usado en el fondo del pozo para su colocación en una sarta de varillas, de acuerdo con la reivindicación 1.

Disponiendo de una lumbrera de flujo axial abierta se reduce al mínimo la posibilidad de que la lumbrera quede bloqueada por las grandes partículas o los residuos llevados por el fluido de perforación al interior del alojamiento. Además, el uso de miembros de válvula primero y segundo, que giran cada uno con relación al otro, facilita el que quede despejada la lumbrera si llegaran a alojarse en la válvula partículas o residuos.

El aparato puede formar parte de una sarta de varillas de perforación rotativa, es decir una sarta de varillas que es hecha rotar desde la superficie, o bien puede estar incorporado en un motor de perforación para ser usado en el fondo del pozo, y hacer uso del accionamiento de rotación del motor para hacer rotar al primer miembro de válvula.

También preferiblemente, las aberturas de la válvula son de forma similar, de tal modo que cuando las aberturas están alineadas el área de flujo máxima de la lumbrera de flujo axial se corresponde con el área de cada abertura; el eje geométrico de rotación del primer mv puede estar desplazado del segundo miembro, de tal modo que la rotación del primer miembro mueva las aberturas para llevarlas fuera de alineación; o bien los ejes de las aberturas no circulares pueden coincidir. En la realización preferida, las aberturas de la válvula tienen la forma de ranuras transversales situadas sobre un eje geométrico común.

También preferiblemente, los medios de accionamiento son accionados mediante el paso de fluido de perforación a su través. Más preferiblemente, los medios de accionamiento tienen la forma de un motor de desplazamiento positivo o de accionamiento volumétrico.

También preferiblemente, el aparato incluye un dispositivo sensible a la presión que se expandirá o se contraerá en respuesta a la presión variable del fluido de perforación creada por el funcionamiento del aparato. Esta expansión o contracción produce el deseado efecto de percusión en la punta de perforación de la barrena. El dispositivo, que puede adoptar la forma de un útil o suplemento adaptador de tubo corto roscado (usado para adaptar partes de la sarta de varillas de perforación y que en lo que sigue denominaremos simplemente "suplemento adaptador") de choque, puede ser dispuesto por encima o por debajo de la válvula. Alternativamente, la válvula puede formar parte de tal dispositivo.

El uso de un motor de accionamiento volumétrico hace posible un estrecho control de la velocidad a la cual es accionado el miembro de accionamiento; típicamente, la velocidad del motor es directamente proporcional al caudal de flujo de fluido a través del motor. Por consiguiente, la frecuencia de los cambios en el flujo de fluido puede estar sujeta al mismo estrecho control.

Preferiblemente, el motor de accionamiento volumétrico incluye un rotor, y el rotor está enlazado al miembro de válvula. Más preferiblemente, se utiliza el rotor para hacer rotar al miembro de válvula. El rotor está enlazado con el miembro de válvula y comunica su movimiento transversal al miembro de válvula. En esta situación, el miembro de válvula puede cooperar con un segundo miembro de válvula, definiendo cada miembro de válvula una lumbrera para el flujo, variando la alineación de las lumbreras para el flujo con el movimiento transversal del primer miembro de válvula.

También preferiblemente, el motor de accionamiento volumétrico funciona por aplicación del principio de Moineau. Tales motores incluyen un rotor lobulado que gira dentro de un estator lobulado, teniendo el estator un lóbulo más que el rotor. La realización preferida del presente invento incluye un motor de Moineau del tipo 1:2, es decir, que el rotor tiene un lóbulo y el estator tiene dos lóbulos.

Estos y otros aspectos del presente invento se describirán a continuación, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:

En la Figura 1 se ha ilustrado el extremo inferior de una sarta de varillas de perforación provista de un aparato de flujo pulsante de acuerdo con una primera realización del presente invento;

La Figura 2 es una vista en corte, algo ampliada, del suplemento adaptador para percusión de la Figura 1;

La Figura 3 es una vista en corte, ampliada, de la válvula del suplemento adaptador para percusión de la Figura 2;

La Figura 4 es una vista en planta de los miembros de válvula del suplemento adaptador para percusión de la Figura 2;

La Figura 5 es un gráfico en el que se ha representado el área de flujo de fluido a través de la válvula del suplemento adaptador para percusión de la Figura 2, en función del ángulo de rotación relativa del miembro de válvula;

La Figura 6 es una vista en corte del suplemento adaptador para choque del aparato de la Figura 1;

La Figura 7 es una vista en corte de un suplemento adaptador para percusión de acuerdo con otra realización del presente invento;

La Figura 8 es una vista en corte de un aparato de flujo pulsante para ser usado en el fondo del pozo, de acuerdo con un tercer aspecto del presente invento; y

La Figura 9 es una vista en corte, ampliada, del área S de la Figura 8.

Con referencia en primer lugar a la Figura 1 de los dibujos, se ha representado en ella el extremo inferior de una sarta de varillas de perforación y que comprende un collarín de perforación 1 conectado a un suplemento adaptador para percusión 2. El suplemento adaptador para percusión 2 está a su vez conectado a un suplemento adaptador para choque 3, el cual está unido a un suplemento adaptador para conectar 4, el cual está a su vez conectado a la punta de perforación de la barrena 5. Todas las uniones se efectúan por medio de conexión roscada usual. La sarta de varillas se ha representado situada en un pozo, con la punta de perforación de la barrena 5 en contacto con la cara de corte.

Se hace ahora referencia a las Figuras 2 y 3 de los dibujos, en las cuales se han ilustrado aspectos del suplemento adaptador para percusión 2 con mayor detalle. El suplemento adaptador 2 comprende una sección superior 10 conectada mediante la unión roscada 11 a un cuerpo principal tubular 12. Una pieza de inserción 13 para el flujo está enchavetada en el cuerpo principal 12 y en la pieza de inserción para flujo 13 están enroscadas boquillas 14 para flujo. La pieza de inserción 13 para flujo enchavetada está unida al estator 15 de un motor que contiene un rotor 16 que gira libremente. El motor es del tipo de accionamiento volumétrico, y funciona aplicando el principio de Moineau. La sección superior 10, la pieza de inserción enchavetada para flujo 13, las boquillas para flujo 14, el estator 15 del motor y el cuerpo principal 12 permitirán entre todos que pase el fluido de perforación a través del suplemento adaptador 2; en uso, fluido de perforación a gran velocidad entra en la sección superior 10. El flujo es luego canalizado a través de la pieza de inserción 13 para flujo, y de las boquillas 14 para flujo. Se consigue un caudal equilibrado entre la pieza de inserción 13 para flujo y las boquillas 14 para flujo, permitiendo que el fluido de perforación haga rotar al rotor 16 a una velocidad definida en relación con el caudal de fluido de perforación.

El extremo inferior del estator 15 del motor está apoyado dentro de una pieza de inserción tubular 19, la cual tiene una conexión roscada por su extremo inferior 21, y tiene pasos 20 para fluido, para permitir que fluya fluido desde las boquillas 14 para flujo sobre el estator 15 del motor y dentro de una cámara 22 definida por la pieza de inserción 19.

El rotor 16 está conectado por su extremo inferior a un eje 23, el cual está a su vez conectado a un eje central tubular 24. El eje 24 se extiende dentro de un cuerpo exterior intermedio 17 conectado al cuerpo principal 12 por medio de una conexión roscada. El eje de conexión 23 está fijado en posición en uno y otro extremo mediante una unión universal 25 y 26. El par del rotor es por lo tanto transmitido directamente a través del eje de conexión 23 y de las uniones universales 25 y 26, al eje central 24.

Una primera placa de válvula 27 está unida al extremo inferior del eje central 24 por medio de una conexión roscada 28. La placa de válvula 27 define una abertura de ranura 29, como se ha ilustrado en la Figura 4 de los dibujos, la cual proporciona un paso de fluido para que el fluido de perforación fluya a la segunda placa de válvula 20 fija, la cual define también una ranura 31; las ranuras 29, 31 definen por consiguiente un paso de flujo axial abierto. La placa de válvula fija 30 está unida a un cuerpo extremo 44 por medio de la conexión roscada 46.

El fluido de perforación es canalizado, a través de ranuras radiales 32 en el extremo superior del eje central 24, dentro del centro del eje 24 mientras gira el eje. El fluido se desplaza después a través de la primera ranura 29 y, puesto que las dos ranuras 29 y 31 giran quedando en alineación y fuera de alineación entre sí, el flujo de fluido es restringido periódicamente, originando una serie de impulsos de presión, como se ha ilustrado en la Figura 5 de los dibujos. Estos impulsos de presión se usan para proporcionar una acción de percusión a lo largo del eje geométrico del equipo, hasta la punta de perforación de la barrena 5, como se describe en lo que sigue. Esta acción de percusión aumenta la velocidad de penetración de la punta de perforación de la barrena en oca dura. También produce una fluctuación en el caudal de fluido de perforación en la punta de la barrena, la cual proporciona también medios más eficaces para limpiar de residuos la punta de la barrena durante la perforación.

Se usan cojinetes radiales 33 en dos posiciones para situar el eje central 24 que está girando. Entre los cojinetes 33 hay situado un espaciador 34 para separarlos. Se utilizan los cojinetes de empuje 35, 36 para soportar y limitar el movimiento longitudinal del eje. Se usan un manguito de compensación de aceite 37, juntas de obturación 38, 39, y un conjunto para llenado de aceite 41, para retener un suministro de aceite a una presión equilibrada para suministrar lubricación a los cojinetes y a las juntas de obturación. Como dispositivos para retención del conjunto se usan pinzas elásticas circulares 42 y 43.

El cuerpo exterior intermedio 17 está conectado al cuerpo extremo 44 a través de la conexión roscada en 45, y el espacio de separación entre la placa de válvula fija 30 y la placa de válvula 27 se mantiene en el mínimo usando suplementos 47.

Se hace ahora referencia a la Figura 6 de los dibujos, en la cual se ha ilustrado una disposición 3 de suplemento adaptador para choque con mayor detalle; es de hacer notar que la disposición ilustrada es simplemente un ejemplo de un suplemento adaptador para choque adecuado para uso con el invento. El suplemento adaptador 3 incluye un cuerpo superior 50 que está conectado al cuerpo 44 extremo de la válvula a través de una conexión roscada 52. El cuerpo superior 50 está unido a rosca a un cuerpo inferior 54 y los cuerpos superior e inferior 50 y 54 definen colectivamente un alojamiento 55 que recibe a deslizamiento a un mandril 56 que se aplica al cuerpo inferior 54. Un émbolo hueco 58 está acoplado a rosca al extremo superior del mandril 56 de tal modo que una diferencia de presión positiva entre el fluido de perforación en el suplemento adaptador y el fluido de perforación en el anillo del pozo exteriormente al suplemento adaptador de conexión, tenderá a extender el mandril 56 desde el alojamiento 55. Se ha previsto un resorte de compresión en forma de una pila de arandelas de Belleville 60 entre un hombro en el mandril 56 y un labio en el cuerpo superior 50. El resorte está también retenido entre el extremo con rosca en el cuerpo inferior 54 y el émbolo hueco 58, por lo que la pila de arandelas proporciona una fuerza de resorte de resistencia en ambas direcciones axiales.

El extremo inferior del mandril 56 está unido al suplemento adaptador de conectar 4 y por consiguiente está enlazado con la punta de perforación de la barrena 5. Al pasar el fluido de perforación a través del suplemento adaptador para percusión 2, la primera placa de válvula 27 gira y las ranuras de válvula 29 y 31 giran quedando en alineación; en este punto, se aumenta el fluido disponible en el suplemento adaptador para choque 3, obligando a que el émbolo hueco 58 y el mandril 56 se desplacen hacia abajo sobre la punta de perforación de la barrena 5, produciendo la fuerza intermitente requerida para la acción de percusión. Al mismo tiempo, hay disponible una diferencia de presión del fluido de perforación máxima a través de la punta de la barrena, que asegura una salida brusca de fluido de perforación por la punta de la barrena, al mismo tiempo que tiene lugar el impacto de percusión.

Se hace ahora referencia a la Figura 7 de los dibujos, en la cual se ha representado parte de una realización alternativa del invento, en la que se usa un motor de accionamiento volumétrico mayor. Con esta configuración, el flujo total pasa a través del motor y no se desvía nada del fluido de perforación más allá de la sección de potencia que contiene el estator 15a y el rotor 16a. Esta disposición proporciona un mayor control de las frecuencias de percusión, debido a que la frecuencia será directamente proporcional al caudal de fluido de perforación.

Se hace ahora referencia a las Figuras 8 y 9 de los dibujos, en las cuales se ha representado el aparato de flujo pulsante 70 de acuerdo con una tercera realización del presente invento. Al igual que con la primera realización descrita, el aparato 70 está destinado a ser situado en el extremo inferior de una sarta de varillas de perforación por encima de una punta de perforación de la barrena. Como se describirá, el aparato puede ser usado conjuntamente con un suplemento adaptador para choque u otro aparato, para proporcionar una acción de percusión o de martillo, o bien puede usarse aisladamente para proporcionar un flujo pulsante de fluido a la punta de perforación de la barrena.

El aparato 70 incluye un cuerpo tubular alargado que tiene una sección de motor superior 72 y una sección de válvula inferior 74. La sección de motor 72 acomoda a un motor según el principio de Moineau que tiene un estator de elastómero de dos lóbulos 76 y un rotor de un solo lóbulo 78. La sección de válvula 74 acomoda placas de válvula primera y segunda 80, 82, que cada una define una lumbrera para flujo 84, 86. La primera placa de válvula 80 está montada directamente en el extremo inferior del rotor 78 a través de un conectador 88 provisto de lumbreras que definen pasos para flujo 90 que proporcionan comunicación de fluido entre el anillo de geometría variable definido entre el estator 76 y el rotor 78, y la lumbrera para flujo 84. La segunda placa de válvula 82 está montada en el cuerpo 74 de la sección de válvula directamente debajo de la primera placa de válvula, de tal modo que las respectivas lumbreras para flujo 84, 86 coinciden. Al girar el rotor 78 oscila de lado a lado, y ese movimiento es trasladado directamente a la placa de válvula 80, para producir una variación cíclica en el área de flujo definida por las lumbreras para flujo 84, 86, de modo similar a como se ha descrito en lo que antecede con referencia a la primera realización descrita.

El caudal de fluido fluctuante y la presión de fluido que es producida por el funcionamiento de la válvula pueden usarse para hacer funcionar un suplemento adaptador para choque, o bien pueden usarse para mover una masa de desplazamiento con movimiento alternativo que hace impacto sobre un yunque, ambas cosas con el fin de producir una acción de percusión o de martillo para facilitar la perforación en roca dura. También se puede utilizar la variación en el caudal de fluido, por sí sola o conjuntamente con una herramienta de percusión o de martillo, para proporcionar un flujo pulsante de fluido de perforación desde las boquillas en la punta de perforación de la barrena.

Como será evidente para quienes sean expertos en la técnica, esta realización del invento es de construcción relativamente sencilla, y por consiguiente puede ser robusta y relativamente económica de fabricación y de mantenimiento. Esto se consigue, en parte, utilizando la oscilación del rotor del motor de accionamiento volumétrico, en contraste con los usos tradicionales de tales motores en los cuales se hacen esfuerzos de todas clases para anular o aislar ese movimiento.

Para quienes sean expertos en la técnica, estará claro que estas realizaciones son únicamente ejemplos del presente invento, y que se pueden introducir en ellas diversas modificaciones y mejoras, sin rebasar el alcance del invento. En las realizaciones antes descritas se utilizan motores según el principio de Moineau del tipo 1:2, pero por supuesto se pueden utilizar otras configuraciones de motores de Moineau, tales como las de los tipos 2:3 ó 3:4, para proporcionar diferentes características de par de torsión o de velocidad, y permitir quizás que el motor pueda ser usado para accionar dispositivos adicionales, y pueden utilizarse otras formas de motores de accionamiento volumétrico.

Claims (12)

1. Aparato (70) de flujo pulsante para ser usado en el fondo del pozo, que comprende:

un alojamiento (72, 74) para ser situado en una suplemento adaptador, definiendo el alojamiento un taladro pasante para permitir el paso de fluido a su través;

una válvula (80, 82) situada en el taladro que define un paso de flujo (84, 86) y que incluye un miembro de válvula (80), siendo el miembro de válvula movible para variar el área del paso de flujo (84, 86) para, en uso, proporcionar un flujo de fluido variable a su través; y

un motor de accionamiento volumétrico (76, 78) accionado por fluido que tiene un rotor (78) enlazado a la válvula para hacer girar al miembro de válvula (80) y para comunicar movimiento transversal del rotor (78) al miembro de válvula (80).

2. El aparato según la reivindicación 1, adaptado para proporcionar un efecto de percusión, y que comprende además:

un dispositivo (3) sensible a la presión, que se expande o se contrae en respuesta a la presión de fluido variable creada por el flujo de fluido variable, proporcionando la expansión o la contracción un efecto de percusión.

3. El aparato según la reivindicación 1 ó 2, en el que la velocidad del motor (76, 78) es directamente proporcional al caudal de fluido a través del motor.

4. El aparato según la reivindicación 1, 2, ó 3, en el que el miembro de válvula (80) coopera con un segundo miembro de válvula (82), definiendo cada miembro de válvula una lumbrera para flujo (84, 86), variando la alineación de las lumbreras para flujo con el movimiento transversal del primer miembro de válvula (80).

5. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el motor de accionamiento volumétrico (76, 78) funciona por aplicación del principio de Moineau e incluye un rotor lobulado (78) que gira dentro de un estator lobulado (76), teniendo el estator un lóbulo más que el rotor.

6. El aparato según la reivindicación 5, que incluye un motor Moineau del tipo 1:2.

7. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en combinación con una punta de perforación de la barrena (5) conectada al alojamiento.

8. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la válvula incluye miembros de válvula primero y segundo (80, 82) que cada uno define una abertura para flujo axial respectiva (84, 86) y cuyas aberturas están alineadas para definir colectivamente una lumbrera para flujo de fluido de perforación axial a través de la válvula, siendo el primer miembro (80) giratorio alrededor de un eje geométrico longitudinal del alojamiento, para variar la alineación de las aberturas y variar así el área abierta de dicha lumbrera entre un área abierta mínima y un área abierta máxima para, en uso, proporcionar un flujo variable a su través y variación de la presión de fluido.

9. El aparato según la reivindicación 8, en el que las aberturas (84, 86) de la válvula son de forma similar, de tal modo que cuando las aberturas están alineadas el área de flujo máxima de la lumbrera de flujo axial se corresponde con el área de cada abertura.

10. El aparato según la reivindicación 9, en el que el eje geométrico de rotación del primer miembro de válvula (80) está desplazado con respecto al segundo miembro (82), de tal modo que la rotación del primer miembro mueve las aberturas (84, 86) llevándolas fuera de alineación.

11. El aparato según la reivindicación 8, 9, ó 10, en el que las aberturas (84, 86) de la válvula no son circulares.

12. El aparato según la reivindicación 11, en el que las aberturas (84, 86) de la válvula tienen forma de ranuras transversales sobre un eje geométrico común.