ES2299046T3 - Trepano. - Google Patents

Abstract

Un trépano (20) para su conexión a una sarta de entubado (R), en donde el trépano (20) comprende una cara anular (21) del trépano que está constituida por una matriz y que comprende una mezcla en polvo sinterizado de diamante-metal, en donde la cara (21) del trépano incluye una pluralidad de ranuras de suministro de líquido radialmente orientadas (16, 23, 26) para enfriar y limpiar la cara (21) del trépano, caracterizado porque al menos una de las ranuras de suministro de líquido está constituida por una ranura interior (23) que se extiende radialmente hacia el exterior desde el interior (24) de la cara (21) del trépano, en donde la ranura (23) está terminada con un fondo interior (25) en la cara (21) del trépano, y porque otra ranura de suministro de líquido comprende un ranura exterior (26) que se extiende radialmente hacia el interior desde el exterior (27) de la cara del trépano, en donde dicha ranura exterior está terminada con un fondo exterior (28) en la cara (21) del trépano.

Description

Trépano.

Campo técnico

La presente invención se refiere a la perforación por cable en donde un trépano tubular, que tiene una matriz anular en un extremo de una sarta de entubado tubular, está adaptado para desprender por corte un testigo que es subido a través del pozo por el interior de la sarta de entubado con ayuda de un cable.

La presente invención está destinada en particular a solucionar los problemas de refrigeración y circulación que surgen con el incremento de las profundidades de perforación cuando se utiliza esta técnica de perforación.

Antecedentes de la invención

La perforación de testigos se utiliza en la investigación de formaciones rocosas, en relación a la prospección y también en relación a muchas otras aplicaciones, en donde la formación a investigar es penetrada con un trépano tubular que corta un testigo circular a partir del material circundante, tras lo cual el testigo es extraído del pozo para su examen. La perforación normalmente utilizada consiste en una sarta de entubado tubular que tiene, en su extremo frontal, un trépano de configuración tubular similar. El trépano es impulsado al interior de la formación mediante una máquina perforadora que hace girar la sarta de entubado al mismo tiempo que obliga a la sarta al interior de la formación. El trépano utilizado tendrá propiedades que son adecuadas con respecto a las propiedades de la formación rocosa, aunque el trépano consistirá normalmente en un árbol de acero tubular que está provisto, en su extremo frontal, de una matriz que contiene elementos de corte o trituración duros consistentes en diamante, metal duro o material similar. Cuando se perfora en especies rocosas duras, normalmente se utiliza un trépano de diamante, con el fin de obtener una corona de trépano de suficiente resistencia al desgaste y vida de servicio. La matriz consiste en un polvo metálico que ha sido sinterizado a una configuración tubular homogénea que se mantiene intacta por las partículas abrasivas.

Los trépanos equipados con diamante se dividen normalmente en dos tipos: trépanos con inserción en su superficie y trépanos impregnados, respectivamente. Los trépanos con inserción en su superficie tienen un número de cristales de diamante en la capa superficial de la matriz y se considera que el trépano se ha desgastado cuando dichos cristales han desaparecido por desgaste. En el caso de trépanos impregnados, por otro lado, el polvo de la matriz se mezcla con un número grande de pequeños cristales de diamante y, a medida que llega a desgastarse la matriz, quedan expuestos de manera constante nuevos cristales de diamante hasta que desaparece la matriz entera por desgaste. La vida de servicio de este último trépano es así mucho más larga que la vida del primero de los trépanos antes mencionados.

En la operación de perforación se genera una cantidad grande de calor, debido a la fricción que actúa entre la matriz y la roca y es necesario enfriar el trépano de forma constante con el fin de evitar su destrucción. El refrigerante usado a este respecto es normalmente agua la cual es bombeada a través de la sarta de entubado de forma directa hasta la matriz del trépano, retornando entonces a la abertura del pozo a través del espacio definido entre la pared del pozo y el exterior del entubado, o bien se disipa a través de las fisuras y similares existentes en la formación perforada.

Además de enfriar el trépano, el agua está destinada también a eliminar sedimentos y lodos, por ejemplo la roca triturada, que se forman en la operación de perforación. Estos dos fines requieren el suministro de grandes volúmenes de agua, dependiendo la cantidad requerida del diámetro del trépano. El espacio de separación presente entre la cara del trépano y la roca es, como es lógico, muy pequeño, casi inexistente, y con el fin de asegurar el suministro de agua suficiente, el trépano está provisto de ranuras de suministro de agua que penetran radialmente a través del mismo. Con el fin de que se mantenga operativo durante todo el periodo de vida del trépano, es necesario que dichas ranuras sean igual de profundas que la altura de la matriz.

La perforación de testigos se utiliza para profundidades del pozo que van desde unos pocos metros hasta 1.000 m o más. La sarta de entubado consiste en un número de tubos que se roscan entre sí a medida que aumenta la profundidad del pozo. Cada tubo tendrá una longitud individual comprendida entre 1 y 6 m. Durante la operación de perforación, el testigo es levantado en una longitud que puede variar desde 1 m a 6 m o 9 m. En el caso de operaciones de perforación convencionales, es necesario subir toda la sarta de entubado del pozo, lo cual en el caso de pozos profundos requiere una cantidad importante de tiempo, puesto que cada entubado individual ha de ser desenroscado, levantado y luego roscados entre sí una vez más. La técnica por cable ha sido desarrollada como consecuencia de lo anterior. Este desarrollo implica el uso de un dispositivo de captación especial que es bajado por una cabria por el interior de la sarta de entubado y que sujeta un tubo interior de testigos que retiene firmemente el testigo y con ello permite izar el testigo por el pozo. Este método permite así que la sarta de entubado se mantenga en el pozo hasta que se completa la perforación o hasta que se desgasta el trépano, es decir, hasta que la matriz se ha consumido. Con el fin de sustituir el trépano es necesario retirar la sarta de entubado del pozo.

De este modo, es altamente deseable, en el caso de la perforación por cable, que el trépano presente la mayor vida de servicio posible. Quizá la forma más evidente de aumentar la vida de servicio de un trépano consiste en incrementar la altura de la matriz y, teniendo en cuenta esto, en la actualidad se utilizan alturas de la matriz de hasta 12 mm. Sin embargo, cuando la altura se incrementa por encima de esta magnitud, se presentan varios inconvenientes.

El enfriamiento de la cara del trépano se efectúa con ayuda de ranuras que penetran a través de la misma y que se extienden radialmente en la matriz y transversalmente a través del material de la matriz y a través de toda la altura de la matriz directamente hasta la superficie de la cara del trépano que se une con la roca. A medida que la altura de la matriz llega a ser más grande, las ranuras de suministro de agua llegan a ser más profundas, con lo que la mayor parte del agua de refrigeración y circulación pasa a través de las ranuras de suministro de agua sin llegar a la superficie de corte, perjudicando con ello el enfriamiento del trépano y también presentando un peligro de sobrecalentamiento, es decir, aumenta la fusión de la matriz. Esto conduce rápidamente a desgastes.

También se ha obtenido un cierto grado de conicidad del diámetro interior debido al desgaste, con lo que un testigo cortado del material durante la operación de perforación es propenso a quedar retenido en el trépano cuando se intenta izar el testigo.

Además, el incremento de la relación altura-ancho formada por las ranuras profundas de suministro de agua hace que los segmentos de la matriz sean más propensos a doblarse, con lo que puede producirse roturas de segmentos durante la operación de perforación.

En la Patente rusa SU1086112 ha sido ya dado a conocer un trépano con ranuras externas e internas para la conducción de refrigerante. Sin embargo, dichas ranuras presentan forma de cuña con el fin de crear filos de corte que dan lugar a elevadas presiones de circulación y a que el trépano se queme en el caso de una perforación a elevada velocidad en roca dura cristalina, como consecuencia de un grado de enfriamiento excesivamente bajo. Los agujeros de circulación también conifican, de manera que el efecto de circulación y el grado de enfriamiento disminuyen cuando se desgasta el trépano, siendo esto, inter alia, un problema que intenta solucionar la presente invención.

Además, la cara del trépano de acuerdo con la Patente rusa presenta la configuración de una cuña a través de la cual están formadas ranuras en el vértice de la cuña en la medida que las ranuras externas e internas se extienden radialmente más allá del vértice de la cuña. La altura de la parte que penetra a través del trépano es también muy pequeña, significando ello que dichas ranuras de penetración pasante habrán desaparecido cuando la matriz se desgasta solo en un 10%. La geometría del trépano es así muy diferente de la geometría del trépano de la invención.

Objeto de la invención

La finalidad de la presente invención consiste en proporcionar otro tipo de trépano que soluciona los problemas indicados anteriormente y encontrados en el caso de los trépanos conocidos.

El trépano de acuerdo con la presente invención está diseñado de manera que la cara del trépano comprenderá una matriz mucho más alta de lo que hasta ahora ha sido posible. Esto se ha realizado de manera que puede producirse un trépano para su uso en profundidades del pozo de hasta 500-1.000 m o más sin que se desgaste en la práctica, aunque manteniendo el mismo grado de enfriamiento y circulación, principalmente con la perforación por cable en donde se utilizan trépanos impregnados con diamante a la hora de perforar a elevadas velocidades en roca cristalina dura.

Resumen de al invención

Esta finalidad se consigue por medio de la presente invención tal y como se define en las reivindicaciones independientes. A partir de las reivindicaciones dependientes serán evidentes modalidades adecuadas de la invención.

La presente invención proporciona un diseño de trépano para alturas de la matriz superiores a los 12 mm tradicionales y de hasta 20-25 mm. La matriz del trépano está provista de un número de ranuras internas y externas que se extienden aproximadamente en dos tercios de la distancia de un lado a otro de la corona anular de la matriz. Además, el número de ranuras penetrantes que conducen líquido queda restringido a un máximo de cuatro. Esto obliga a que las ranuras de la matriz que suministran líquido de circulación y enfriamiento funcionen como pestañas de enfriamiento para enfriar la cara del trépano. También se evita la conicidad del diámetro interior del trépano, lo cual mejora en gran medida la resistencia mecánica y estabilidad del trépano como consecuencia del pequeño número de ranuras previstas. Esto se traduce en características óptimas de vida de servicio, función y resistencia de matrices altas.

Breve descripción de los dibujos

La invención será descrita ahora con mayor detalle con referencia a modalidades ejemplificativas de la misma y también con referencia a los dibujos adjuntos, en donde:

La figura 1 es una vista en perspectiva de un trépano habitual.

La figura 2 es una vista en perspectiva de un trépano de acuerdo con la presente invención.

Descripción de la presente invención

La figura 1 ilustra una sarta de entubado R que aloja un trépano habitual 10 que incluye una matriz anular que presenta una cara 12 de trabajo del trépano. La superficie de corte 14 de la cara 12 del trépano está dividida en varios efectores por medio de ranuras radiales de penetración pasante 16 que suministran líquido, en forma de canales de enfriamiento/circulación que dividen la cara 12 del trépano. Tal como ilustran las flechas en la figura 1, el agua de enfriamiento/agua de circulación fluye a través de dichas ranuras desde el centro del trépano 10 hacia su periferia o posiblemente en la dirección opuesta a la ilustrada. Este flujo de líquido enfría la cara del trépano y también arrastra el material surgido en el trabajo. Debido a que las ranuras 16 tienen la misma altura que la cara 12 del trépano en la totalidad de su extensión radial, el agua de enfriamiento/circulación saldrá a través de las ranuras 16 antes de que tenga tiempo de llegar a la superficie de trabajo 14 de la cara del trépano a elevados niveles de la matriz, con lo que la superficie de trabajo 14 de la cara del trépano es enfriada de manera insuficiente y, por tanto, comienza a desgastarse en una fase anterior a la que de otro modo sería el caso.

La figura 2 ilustra una sarta de entubado R que aloja un trépano 20 diseñado de acuerdo con la presente invención. El trépano ilustrado está provisto, como es habitual, de una cara de trabajo 21 del trépano que está constituida por una matriz. La matriz está provista de dos ranuras radiales de penetración pasante 16 que suministran líquido y que funcionan como canales de circulación por un lado y como canales de enfriamiento por otro lado. La matriz también incluye un primer grupo de ranuras internas de suministro de líquido 23 que, en el caso de la modalidad de la figura 2, están presentes en un número de cuatro y que se extienden radialmente hacia el exterior desde el interior 24 de la cara 21 del trépano y que terminan con una superficie de fondo interior 25 en la cara 24. La matriz también incluye un grupo de ranuras exteriores de suministro de líquido 26 que, en la modalidad de la figura 2, están presentes en un número de seis. Todas estas ranuras exteriores 26 se extienden radialmente hacia el interior desde el exterior 27 de la cara 21 del trépano, terminando dichos grupos con una superficie de fondo exterior 28 en la cara 21.

Los respectivos fondos 23, 26 y 25, 28 de las ranuras en la cara del trépano son superficies planas generalmente rectangulares que están orientadas paralelamente a un plano contemplado en donde se extienden las líneas axiales A de la cara del trépano. Tanto la ranura interior 23 como la ranura exterior 26 se extienden radialmente a través de la cara del trépano en una medida correspondiente a dos tercios del ancho B de la cara 21.

Las ranuras interiores y exteriores 23, 26 que incluyen dichas superficies de fondo también incluyen las respectivas superficies laterales 23a, 23b y 26a, 26b que, en el caso de la modalidad ilustrada, se extienden paralelamente entre sí en las respectivas ranuras. Este paralelismo no es necesario a la hora de conseguir las ventajas aportadas por la invención y, alternativamente, las ranuras pueden ser más anchas en puntos más próximos a la superficie interior y más estrechas hacia el fondo de la ranura o viceversa.

El flujo de líquido se consigue haciendo pasar a presión líquido refrigerante descendentemente a través de las ranuras interiores 23 y en la cara del trépano es obligado a pasar sobre las ranuras exteriores 26 y salir a través de las mismas. De este modo, el refrigerante pasará siempre por la cara 21 del trépano y la enfriará en un grado máximo. Este efecto de enfriamiento continuará incluso cuando la cara del trépano se ha desgastado, dado que las ranuras presentan la misma extensión radial que la matriz.

De acuerdo con la presente invención, la superficie de trabajo 22 de la cara 21 del trépano es generalmente plana, de modo que la línea axial A se extenderá paralelamente a una normal contemplada con respecto a la superficie de trabajo 22. De esta manera, se resuelven los problemas mencionados en la introducción al proporcionar la matriz con ranuras interiores 23 y ranuras exteriores 26, como se ilustra en las figuras adjuntas. Dichas ranuras no son de penetración pasante sino que se extienden al interior de la matriz en una medida correspondiente preferentemente a dos tercios del ancho de la cara del trépano.

Además, el número de ranuras profundas de penetración pasante 16 queda limitado a un máximo de cuatro ranuras con respecto a diámetros del trépano de hasta 60 mm y a un máximo de seis ranuras con respecto a los diámetros más grandes del trépano.

Esto obliga a que el agua pase en su lugar por vía de las ranuras no penetrantes de la matriz y obligue con ello al líquido, normalmente agua, de forma directa hasta la superficie de trabajo 22 del trépano, enfriando con ello dicha superficie. Las ranuras internas y externas 23, 26 funcionan como pestañas de enfriamiento y con ello mejoran también el enfriamiento del trépano en su conjunto.

Además de la ventaja de enfriamiento mejorado que permite el uso de una matriz más alta, el diseño antes descrito de la modalidad ilustrada también evita la conicidad del diámetro interior debido al hecho de que el agua es capaz de arrastrar los cortes o detritos de la perforación o lodos de la perforación por medio de las ranuras internas y externas.

Claims (9)

1. Un trépano (20) para su conexión a una sarta de entubado (R), en donde el trépano (20) comprende una cara anular (21) del trépano que está constituida por una matriz y que comprende una mezcla en polvo sinterizado de diamante-metal, en donde la cara (21) del trépano incluye una pluralidad de ranuras de suministro de líquido radialmente orientadas (16, 23, 26) para enfriar y limpiar la cara (21) del trépano, caracterizado porque al menos una de las ranuras de suministro de líquido está constituida por una ranura interior (23) que se extiende radialmente hacia el exterior desde el interior (24) de la cara (21) del trépano, en donde la ranura (23) está terminada con un fondo interior (25) en la cara (21) del trépano, y porque otra ranura de suministro de líquido comprende un ranura exterior (26) que se extiende radialmente hacia el interior desde el exterior (27) de la cara del trépano, en donde dicha ranura exterior está terminada con un fondo exterior (28) en la cara (21) del trépano.

2. Un trépano según la reivindicación 1, caracterizado porque los respectivos fondos (25, 28) de las ranuras en la cara (21) del trépano están constituidos por una superficie plana generalmente rectangular y orientada paralelamente a un plano contemplado a través de la línea axial A de la cara (21) del trépano.

3. Un trépano según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la ranura interior (23) y la ranura exterior (26) se extienden radialmente a través de la cara (21) del trépano en una medida correspondiente a dos tercios de lo allí existente.

4. Un trépano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la cara (21) del trépano también incluye al menos dos ranuras de suministro de líquido (16) de penetración pasante y que se extienden radialmente.

5. Un trépano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque cada una de la totalidad de las ranuras de suministro de líquido (16, 23, 26) tiene una altura que es al menos igual a la altura de la parte de trabajo de la cara (21) del trépano.

6. Un trépano según cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado porque el número de ranuras de suministro de líquido de penetración pasante (16) es como máximo de seis.

7. Un trépano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el número de ranuras interiores (23) es menor en número que el número de ranuras exteriores (26).

8. Un trépano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las ranuras interiores (23) están presentes en un número de al menos cuatro.

9. Un trépano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque las ranuras exteriores (26) están presentes al menos en un número de seis.