ES2347186T3 - Perforacion mejorada por resonancia: metodo y aparato. - Google Patents
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Abstract
Un aparato perforador que incluye: una broca capaz de realizar una carga oscilatoria de alta frecuencia y rotatoria; y un medio de control para controlar la carga aplicada rotacional y/u oscilatoria de la broca, el medio de control tiene un medio de ajuste para variar la carga oscilatoria y/o rotacional aplicada, dicho medio de ajuste significa ser sensible al estado del material a través del cual pasa el perforador, en donde el medio de control esté proporcionado en el aparato se utilice en una localización descendente e incluye sensores para tomar las medidas descendentes de las características del material, por donde el aparato es operativo hacia abajo en un control en circuito cerrado en tiempo real.
Description
Perforación mejorada por resonancia: método y
aparato.
La presente invención se refiere a un
dispositivo perforador y, en concreto, a un dispositivo perforador
para perforar en material, tal como una formación rocosa.
El sector de perforación en rocas y otros
materiales ha conducido a diversos desarrollos en la tecnología de
la perforación. A este respecto, las condiciones extremadamente
duras implicadas en este tipo de perforación, al igual que su coste
y los problemas medioambientales relacionados, todo unido, tienen
niveles de exigencia muy altos en cuanto a la eficacia, fiabilidad y
seguridad de los métodos de perfora-
ción.
ción.
Como consecuencia, las industrias que emplean la
perforación descendente, como la industria petrolífera, están
dispuestas a desarrollar dispositivos perforadores y metodologías
que cumplan estas exigencias, aumenten las tasas de perforación y
disminuyan el desgaste de las herramientas.
A este respecto, la industria petrolífera cada
vez más tiene que perforar pozos desviados u horizontales de largo
alcance para conseguir nuevas reservas de petróleo. Sin embargo,
dicha perforación agrava además varios problemas que desafían la
tecnología actual de la perforación como la exigencia de bajo peso
en poco (sobre la broca), disponibilidad de potencia reducida,
variabilidad de condiciones de la roca sobre la longitud del pozo,
peligro de colapsos/fracturas en las galerías, costes incrementados
del disparo y un aumento en el desgaste de las piezas y en
los
fallos.
fallos.
Es sabido que las tasas de perforación en
ciertas circunstancias pueden mejorarse aplicando movimientos
axiales recíprocos a una broca cuando atraviesa el material a
perforar, lo que se denomina perforación por percusión. Esto se debe
a que el impacto de estos movimientos axiales provoca fracturas en
el material perforado, haciendo que la perforación posterior y la
eliminación de material resulten más
sencillas.
sencillas.
En la perforación por percusión tradicional, el
mecanismo de penetración se basa en fracturar el material en el
barreno por medio de impactos incontrolados de baja frecuencia
aplicados por la broca. De esta forma, pueden aumentarse las tasas
de perforación para rocas medias a duras en comparación con la
perforación rotatoria estándar. Sin embargo, el inconveniente de
esto es que los impactos ponen en peligro la estabilidad del
barreno, reducen la calidad del barreno y provocan un desgaste y/o
fallo acelerado y a menudo catastrófico de la herramienta.
La patente 3.990.522 muestra un taladro de
percusión giratorio que funciona hidráulicamente que combina los
efectos de la rotación y la percusión. La percusión está controlada
por una servo-válvula que controla el flujo del
fluido presurizado hacia y desde un actuador, de manera que se
transmita una fuerza percusora de golpe variable y la frecuencia se
transmite al taladro. Se proporciona otro medio de control para
hacer funcionar la servo-válvula para generar una
tasa percusiva preseleccionada. <Esta presentación se considera
la técnica más cercana y establece la base para el preámbulo de las
reivindicaciones
1,10.>
1,10.>
Otro importante desarrollo en las técnicas de
perforación ha sido la aplicación de vibraciones axiales
ultrasónicas a un broca rotatoria. De esta forma, la vibración
ultrasónica, en lugar de impactos aislados de carga elevada, se
utiliza para promover la propagación de las fracturas. Esto puede
ofrecer ventajas significativas sobre la perforación por percusión
tradicional en que pueden aplicarse cargas más bajas, permitiendo
una perforación de peso en poco. Sin embargo, las mejoras
demostradas por la perforación ultrasónica no son siempre
consistentes y no son, como tales, aplicables directamente a la
perforación
descendente.
descendente.
Por tanto, es objeto de la presente invención
proporcionar un aparato perforador y un método que busque solucionar
dichos problemas.
Según un primer aspecto de la presente
invención, se proporciona un método de control de broca que incluye
una broca capaz de una carga rotatoria y oscilatoria de alta
frecuencia y un medio de control para controlar la carga rotacional
y/u oscilatoria aplicada de la broca, el medio de control tiene un
medio de ajuste para variar la carga rotacional y/u oscilatoria,
siendo dicho medio de ajuste sensible a las condiciones del material
a través del cual atraviesa el perforador;
caracterizado por el medio de ajuste significa
controlar además la carga rotacional y oscilatoria de la broca, de
manera que se alcance y se mantenga la resonancia en la broca y el
material perforado en contacto,
el método incluye además, determinar los
parámetros adecuados de carga para la broca de acuerdo con los
siguientes pasos para conseguir y mantener en contacto la resonancia
entre la broca y el material perforado:
A) Determinar un límite de amplitud de la broca
cuando resuene e interactúe con el material perforado;
B) Estimar un espectro idóneo de exploración de
frecuencia para cargar la broca;
C) Estimar la forma de la curva de la
resonancia;
D) Elegir una frecuencia resonante óptima en la
curva de resonancia en un punto inferior al máximo sobre la curva de
resonancia; y
E) Dirigir la broca basándose en esta frecuencia
resonante óptima.
A este respecto, el límite superior de amplitud
de la broca se elige en la válvula donde la resonancia en la broca
no se destruya. Más allá de este límite, existe la posibilidad de
que la resonancia empiece a tener un efecto perjudicial.
En lo que concierne a estimar un espectro de
exploración de frecuencia idónea, esto se elige preferentemente de
manera que un espectro idóneamente estrecho pueda valorarse y
utilizarse para acelerar el resto del método.
La forma de la curva de la resonancia se basa en
una curva de resonancia básica para la broca sola, modificada para
tener en cuenta interacciones con el material a perforar. A este
respecto, se elige un punto en esta curva a un punto inferior al
punto máximo para evitar que la broca exceda el máximo y se mueva
hacia un territorio inestable e impredecible.
Preferentemente, la broca se configura para
impactar sobre el material para producir un primer conjunto de
macro-grietas. Posteriormente, la broca rota e
impacta sobre el material una vez más para producir otro conjunto de
macro-grietas y en donde el medio de control
sincroniza los movimientos rotacionales y oscilatorios de la broca
para promover la interconexión de las macro-grietas
producidas así para crear una zona de propagación de grietas
dinámicas y localizadas delante de la broca.
Preferentemente, el método se utiliza en el
contexto de formaciones rocosas y donde las
macro-grietas formadas tienen una longitud de hasta
10 mm.
Preferentemente, se aplica una frecuencia de
oscilación a la broca de has 1 kHz.
Preferentemente, la broca se conduce para girar
hasta 200 rpm.
La carga aplicada oscilatoria y rotacional en la
broca se controla de manera que se mantengan en contacto la
resonancia en la broca y el material perforado. El fenómeno de la
resonancia potencia la propagación de grietas en el material delante
de la broca, haciendo que la acción perforadora resulte más sencilla
y, por tanto, se incremente la tasa de perforación. A este respecto,
la carga aplicada rotacional y oscilatoria aplicada se basa en una
resonancia prevista de la formación perforada. Se apreciará que en
dichas condiciones de resonancia se exige menos entrada de energía
aplicada para crear una zona de propagación de
fracturas.
fracturas.
Convenientemente, la zona de propagación de
fracturas se extiende radialmente hacia fuera a no más de 1/20 del
diámetro de la broca desde el borde externo de la broca. Se
apreciará que esto representa las técnicas de fracturas locales
altamente controladas que minimizan el estrés global en el material
a perforar.
Preferentemente, el tamaño de los cortes
perforados son de hasta 10 mm. Estos son pequeños en comparación con
los producidos por las técnicas convencionales de perforación e
ilustran el cambio de paso en la metodología adoptada.
Convenientemente, el método presente se utiliza
en uno o más aplicaciones de perforación de zonas de alta presión
fracturada, zona débil y de gases a poca profundidad. Esto surge
como resultado del método de la capacidad de la presente invención
para perforar agujeros utilizando técnicas de fractura local
altamente controlada que reducen el estrés global en el material a
perforar.
Según un segundo aspecto de la presente
invención, se proporciona un método de perforación que incluye:
- una broca capaz de realizar cargas
oscilatorias y rotatorias de alta frecuencia;
- un medio de control para controlar la carga
aplicada rotacional y/u oscilatoria de la broca, el medio de control
tiene un medio de ajuste para variar la carga aplicada rotacional
y/u oscilatoria, siendo dicho medio de ajuste sensible al estado del
material a través del cual atraviesa el perforador;
tiene la característica además de que el medio
de control está en uso proporcionado en el aparato en una
localización descendente e incluye sensores para tomar medicas
descendentes de las características materiales, en donde el aparato
es operable hacia abajo bajo un control en tiempo real en circuito
cerrado,
el aparato perforador incluye además;
un medio para determinar un límite de amplitud
de la broca cuando resuena e interactua con el material
perforado;
medios para estimar un tramo de cambio de
frecuencia idónea cuando se carga la broca;
medios para elegir una frecuencia resonante
óptima en la curva de resonancia a un punto inferior al máximo en la
curva de resonancia;
medio para conducir la broca basándose en esta
frecuencia óptima resonante.
De esta forma, el aparato perforador puede
funcionar de manera autónoma y ajustar la carga rotacional y/u
oscilatoria de la broca en respuesta a las condiciones actuales de
perforación, de manera que se optimice el mecanismo de perforación y
se obtengan tasas de perforación mejoradas.
Preferentemente, el medio de control controla la
broca a la hora de impactar en el material para producir un primer
conjunto de macro-grietas, el medio de control
controla además la broca para rotar e impactar en el material una
vez más para producir un juego adicional de macro grietas, en donde
el medio de control sincroniza los movimientos rotacionales y
oscilatorios de la broca para promover la interconexión de las
macro-grietas producidas para crear una zona de
propagación de grietas dinámicas y localizadas delante de la broca.
De esta forma, la propagación de la grieta en el material delante de
la broca se mejora, facilitando la acción de la perforación y, por
tanto, aumentando el ritmo de perforación.
Según un tercer aspecto de la presente
invención, se proporciona un conjunto de broca para utilizarlo en el
aparato de perforación anterior, que incluye:
- un taladro con un tubo de perforación y
collarines de perforación y;
- una broca capaz de realizar una carga
giratoria y oscilatoria de alta frecuencia;
- un medio de control proporcionado en uso
descendente para controlar la carga aplicada rotacional y/u
oscilatoria de la broca, el medio de control, con un medio de ajuste
para variar la carga aplicada rotacional y/u oscilatoria, dicho
medio de ajuste es sensible al estado del material a través del cual
pasa el perforador,
en donde el peso del taladro por metro es de
hasta un 70% más pequeño que el del taladro convencional que
funciona con el mismo diámetro de barreno para utilizarlo en las
mismas condiciones de perforación.
Convenientemente, el peso del taladro por metro
es sustancialmente un 70% más pequeño que el de un taladro
convencional que funciona con el mismo diámetro de barreno para
utilizarlo en las mismas condiciones de perforación.
Convenientemente, el medio de ajuste controla la
carga rotacional y oscilatoria de la broca, de manera que consiga y
se mantenga la resonancia entre la broca y el material perforado en
contacto. Tal resonancia en el sistema que incluye la broca y el
material perforado reduce la entrada de energía requerida para
dirigir la broca.
Preferentemente, el medio de ajuste determina
los parámetros de carga de la broca para establecer las condiciones
resonantes entre la broca y el material perforado por medio del
siguiente algoritmo:
A) Calcular la respuesta resonante no lineal de
la broca sin la influencia del material perforado;
B) Estimar la fuerza de los impactos para
producir una zona de propagación de fracturas en el material
perforado;
C) Calcular las características de dureza no
lineal del material perforado fracturado;
D) Estimar una frecuencia resonante de la broca
que interactúa con el material perforado; y
E) Recalcular el valor de la frecuencia
resonante para un estado estable incorporando las características de
rigidez no lineales del material perforado fracturado.
Preferentemente, el algoritmo se basa en la
determinación de un función de respuesta no lineal.
Convenientemente, el medio de ajuste puede
desactivar selectivamente la carga oscilatoria de la broca para
taladrar a través de formaciones blandas.
A continuación se describe un ejemplo de la
presente invención con referencia a los dibujos adjuntos, donde:
La Figura 1 muestra un módulo de perforación
según una realización de la presente invención.
La Figura 2 ilustra gráficamente cómo se
encuentran los parámetros para establecer las condiciones resonantes
de acuerdo con la presente invención.
En el desarrollo de la presente invención, se
comprendió que podrían conseguirse tasas de perforación
especialmente elevadas cuando se taladrase a través de materiales
como la formaciones rocosas si la carga de la broca que se establece
para promover la resonancia es el sistema formado por la broca y la
formación perforada.
Sin embargo, es posible obtener esta resonancia
en una nave de ensayos utilizando muestras estandarizadas, pero es
diferente cuando se perfora a través de formaciones rocosas
naturales. Esto se debe a que las condiciones de perforación varían
de capa a capa en una formación. En consecuencia, las condiciones
resonantes varían a través de la formación y, por tanto, las
condiciones resonantes no pueden mantenerse a través del proceso de
perforación.
La presente invención soluciona este problema
reconociendo el fenómeno de la resonancia no lineal cuando se
perfora a través de un material y busca mantener la resonancia en la
combinación del sistema de la broca y el material perforado.
Para poder conseguir esto, los solicitantes han
desarrollado, por medio de la identificación precisa de los
parámetros y mecanismos que afectan a la perforación, un modelo
matemático exacto y sólido de las interacciones dinámicas en el
barreno. Este modelo matemático permite que la presente invención
calcule y utilice mecanismos de feedback para ajustar
automáticamente los parámetros de perforación de manera que se
mantenga la resonancia en el sitio del barreno. Al mantener la
resonancia de esta forma, se potencia la acción de la zona de
propagación de grietas delante de la broca y la tasa de perforación
se mejora enormemente y, por tanto, puede describirse como
Perforación Mejorada por Resonancia (en lo sucesivo RED, por sus
siglas en inglés Resonance Enhanced Drilling).
La Figura 1 muestra un ejemplo ilustrativo de un
módulo de perforación RED según una realización de la presente
invención. El módulo de perforación está equipado con una broca de
diamante policristalino (PCD) 1. Una sección de
vibro-transmisión 2 conecta la broca 1 con un
transductor piezoeléctrico 3 para transmitir las vibraciones desde
el transductor hasta la broca 1. Un acoplador 4 conecta el módulo a
un taladro 5 y actúa como unidad de aislamiento de la vibración para
aislar vibraciones del módulo perforado desde el eje.
Durante una operación de perforación, un motor
DC gira el eje del perforador, que transmite el movimiento a través
de las secciones 4, 3 y a la broca 1. Una fuerza estática
relativamente baja aplicada a la broca 1 junto con la carga dinámica
genera la zona de propagación de fracturas, de manera que la broca
progrese a través de todo el material.
Al mismo tiempo que el módulo perforador 1, el
transductor piezoeléctrico 3 se activa para vibrar a una frecuencia
adecuada para el material en el sitio del barreno. Esta frecuencia
se determina calculando las condiciones de resonancia no lineales
entre la broca y el material perforado, que se muestra de manera
esquemática en la Figura 2, según el siguiente algoritmo:
A) Calcular la respuesta resonante no lineal de
la broca sin la influencia del material perforado;
B) Estimar la fuerza de los impactos para
producir una zona de propagación de fracturas en el material
perforado;
C) Calcular las características de rigidez no
lineales del material perforado y fracturado;
D) Estimar una frecuencia resonante de la broca
que interactúa con el material perforado y
E) Recalcular el valor de la frecuencia
resonante para un estado estable incorporando las características de
rigidez no lineales del material fracturado perforado.
Las vibraciones desde el transductor
piezoeléctrico 3 se transmiten a través de la broca 1 al sitio del
barreno y crean una zona de propagación de grietas en el material
delante de la broca. A medida que la broca sigue rotando y
moviéndose adelante, cizalla contra el material en la formación,
partiéndolo. Sin embargo, la creación de una zona para la
propagación de grietas en la formación del material delante de la
broca lo debilita de manera significativa, lo que quiere decir que
la acción giratoria de cizalla desplaza más material, que puede
eliminarse posteriormente.
Las propiedades de la dinámica de propagación de
grietas pueden ajustarse para optimizarse para ROP, calidad del
agujero y duración de la herramienta o, idealmente, una combinación
de estos tres.
Las grietas se inician como resultado de las
inserciones en la broca que impacta en la formación. Otras técnicas
de perforación funcionan a través de cepillado o cizallamiento de la
roca o a través de la generación de grietas mucho más grandes. A
continuación se enumeran las características principales del sistema
RED en términos de medios de funcionamiento y centrado en la
creación y propagación de "macro" grietas en la proximidad
inmediata delante de la broca.
RED funciona a través de una oscilación axial de
alta frecuenta de una cabeza perforadora que impacta el material y
la geometría angular de las inserciones de la broca inician las
grietas en el material. La operación continuada de la broca, es
decir, la rotación y la oscilación continuadas, establece una zona
de propagación dinámica de grietas delante de la broca.
Este fenómeno puede describirse mejor como
cinemática sincronizada. El establecimiento de la resonancia en el
sistema (sistema que incluye el material perforado (el oscilador) y
la broca) optimiza la eficiencia y el rendimiento. La zona de
propagación dinámica de grietas es local a la broca y una dimensión
lineal mide normalmente no más de 1/10 del diámetro de la broca.
Por ello, la propagación de grietas locales es
controlable en términos de su direccionalidad y la técnica RED evita
la propagación de grietas fuera de la zona justo en frente de la
broca.
RED, por tanto, puede resultar en un verdadero
calibre de alta calidad para agujeros.
Como resultado de la "sensibilidad" de la
técnica RED, su capacidad para perforar agujeros utilizando la
fractura local altamente controlada y reduciendo el estrés global en
la formación, la técnica RED servirá muy bien para perforar
formaciones sensibles en zonas peligrosas como zona de gas a poca
profundidad; zonas débiles y zonas fracturadas de alta presión.
Según todo lo anterior, la presente invención
puede mantener la resonancia a través del funcionamiento del
perforador, permitiendo que el material se extraiga de la formación
en el punto de barreno más rápidamente y, consecuentemente, se
consigan tasas de perforación más elevadas. Además, el uso del
movimiento de la resonancia para promover la propagación de
fracturas permite que se aplique un peso inferior a la broca, lo que
conlleva reducir el desgaste de las herramientas. Como tal, la
presente invención no sólo ofrece una tasa incrementada de
penetración (ROP, de sus siglas en inglés Rate of
Penetration) sino que también permite un aumento en la vida útil
de la herramienta y, por tanto, reduce el tiempo de inactividad
requerido para el mantenimiento o sustitución de la herramienta.
Cuando se conocen las propiedades mecánicas del
material perforado, los parámetros de perforación pueden modificarse
para optimizar el rendimiento de la perforación (según ROP, la
Calidad del agujero y la fiabilidad y duración de la
herramienta).
En términos de la técnica RED, la frecuencia y
la amplitud de oscilaciones pueden modificarse para establecer el
rendimiento más eficiente y más eficaz. El establecimiento de la
resonancia del sistema de oscilación (entre el (oscilador), la broca
y la formación perforada) proporciona la combinación óptima de
eficiencia de energía y rendimiento de perforación.
La Figura 2 ilustra gráficamente cómo se
encuentran los parámetros para establecer y mantener las condiciones
resonantes.
En primer lugar, hay que determinar un límite de
amplitud de la broca cuando se realiza la resonancia e interactúa
con el material a perforar. En esta conexión, el límite de amplitud
de la broca se elige en la válvula donde la resonancia en la broca
no se destruya. Más allá de este límite, existe la posibilidad de
que la resonancia empiece a tener un efecto perjudicial.
Por tanto, se estima un espectro idóneo de
exploración de frecuencia para cargar la broca; Esto se estima de
forma que un espectro idealmente estrecho pueda evaluarse, el cual
pueda utilizarse para acelerar el resto del método.
Se estima entonces la forma de la curva de la
resonancia. Como puede verse, se trata de una típica curva de
resonancia cuya parte superior se haya tirado a la derecha como
consecuencia del efecto de la broca que interactúa con el material
perforado. Se observará que, como consecuencia, el gráfico tiene
ramas superiores e inferiores, la consecuencia de moverse sobre la
curva más allá de la amplitud máxima siendo una caída drástica en
amplitud desde la rama superior a la inferior.
Como tal, para evitar dichos cambios radicales,
que no son deseables, el siguiente paso es elegir una frecuencia
óptima sobre la curva de resonancia en un punto inferior al máximo
en la curva de resonancia. La extensión a la que se elige la
frecuencia resonante óptima se elige más allá del máximo, se
establece esencialmente un factor de seguridad y para materiales
perforadores cambiables/variables, esto puede elegirse desde el
punto máximo de amplitud. El medio de control, a este respecto,
puede alterar el factor de seguridad, es decir, puede moverse desde
o hacia el punto máximo de curva de resonancia, según las
características sentidas del material perforado o el progreso del
perforador. Por ejemplo, si el ROP cambia de manera irregular debido
a la baja uniformidad del material perforado, entonces el factor de
seguridad puede incrementarse.
Por último, el aparato se conduce a la
frecuencia resonante óptima elegida y el proceso se actualiza
periódicamente con el sistema operativo de circuito cerrado del
medio de control.
Con la presente invención, el peso del taladro
por metro puede ser hasta el 70% más pequeño que el del taladro
convencional que funciona con el mismo diámetro de barrena para
utilizarlo en las mismas condiciones de perforación.
Preferentemente, es en el tramo del 40-70% más
pequeño, o más preferentemente es prácticamente un 70% más
pequeño.
Por ejemplo, bajo las típicas condiciones de
perforación y una profundidad de perforación de 12.500 pies (3787
m), para un tamaño de agujero de %'' (0.31 m), el peso del taladro
por metro se reduce de 38.4 kg/m (Perforación Rotatoria Estándar) a
11.7 kg/m (utilizando la técnica RED), una reducción del 69.6%.
Bajo las típicas condiciones de perforación y
una profundidad de perforación de 12.500 pies (3.787 m), para un
tamaño de agujero de 17 1/2'' (0,44 m), el peso del taladro por
metro se reduce de 49,0 kg/m (Perforación Rotatoria Estándar) a 14,7
kg/m (utilizando la técnica RED), una reducción del 70%.
Bajo las típicas condiciones de perforación y
una profundidad de perforación de 12.500 pies (3.787 m), para un
tamaño de agujero de 26'' (0,66 m), el peso del taladro por metro se
reduce de 77,0 kg/m (Perforación Rotatoria Estándar) a 23,1 kg/m
(utilizando la técnica RED), una reducción del 70%.
Como resultado del WOB bajo y la fractura
dinámica que produce, la técnica RED puede ahorrar hasta el 35% del
coste energético en la torre de perforación y el 75% del ahorro en
el peso del collarín de barrena.
Se entenderá que la realización ilustrada que
aquí se describe muestra una aplicación de la invención sólo para
fines ilustrativos. En la práctica, la invención puede aplicarse a
muchas configuraciones diferentes; las realizaciones detalladas son
claras para los familiarizados en la técnica a implementar.
Por ejemplo, la sección de la broca del módulo
puede modificarse según se considere apropiada para la aplicación de
la perforación concreta. Por ejemplo, pueden utilizarse geometrías
de brocas diferentes.
En otro ejemplo, otro medio de vibración puede
utilizarse como alternativa al transductor piezoeléctrico para
vibrar el módulo de perforación. Por ejemplo, puede utilizarse un
material magnetoestrictivo.
Además, también se contempla que el medio de
vibración se desactive cuando se perfore a través de formaciones
blandas para evitar efectos adversos. Por ejemplo, el módulo de
perforación de la presente invención puede desactivarse de manera
que funcione (sólo) como un módulo de perforación rotatorio cuando
se perfore primero a través de una formación de suelo superior
blando. El módulo de perforación puede aplicarse entonces para
aplicar las frecuencias resonantes cuando se alcancen formaciones
rocosas duras más profundas. Esto ofrece ahorros de tiempo
considerable al eliminar el tiempo de inactividad que, de otro modo,
sería necesario para cambiar los módulos de perforación entre estas
diferentes formaciones.
La presente invención proporciona los siguientes
beneficios, principalmente perforando con entradas de energía
inferiores, tasa mejorada de perforación (ROP), estabilidad mejorada
del agujero y calidad, duración mejorada y fiabilidad de las
herramientas.
Claims (25)
1. Un aparato perforador que incluye: una broca
capaz de realizar una carga oscilatoria de alta frecuencia y
rotatoria; y un medio de control para controlar la carga aplicada
rotacional y/u oscilatoria de la broca, el medio de control tiene un
medio de ajuste para variar la carga oscilatoria y/o rotacional
aplicada, dicho medio de ajuste significa ser sensible al estado del
material a través del cual pasa el perforador, en donde el medio de
control esté proporcionado en el aparato se utilice en una
localización descendente e incluye sensores para tomar las medidas
descendentes de las características del material, por donde el
aparato es operativo hacia abajo en un control en circuito cerrado
en tiempo real.
2. Aparato según la reivindicación 1, en donde
el medio de control controla la broca para impactar en el material
para producir un primer conjunto de macro-grietas,
el medio de control controla además la broca para rotar e impactar
en el material una vez más para producir un conjunto adicional de
macro-grietas, en donde el medio de control
sincroniza los movimientos oscilatorios y rotacionales de la broca
para promover la interconexión de las macro grietas que se producen,
para crear una zona de propagación de grietas dinámica y localizadas
delante de la broca.
3. Aparato según la reivindicación 1 o 2, en
donde el medio de ajuste controla la carga oscilatoria y rotacional
de la broca de manera que se consiga y se mantengan en contacto la
resonancia entre la broca y el material perforado.
4. Un método de control de la broca para
utilizarlo con el aparto perforador que incluye una broca capaz de
una carga oscilatoria y rotatoria y un medio de control para
controlar la carga aplicada rotacional y/u oscilatoria de la broca,
el medio de control con un medio de ajuste para variar la carga
aplicada rotacional y/u oscilatoria, dicho medio de ajuste es
sensible a las condiciones del material a través del cual pasa el
perforador; el medio de ajuste controla además la carga aplicada
rotacional y oscilatoria de la broca de manera que se consiga y se
mantengan en contacto la resonancia en la broca y el material
perforado.
5. Un método según la reivindicación 4, que
incluye además parámetros de carga adecuados para la broca según los
siguientes pasos para conseguir y mantener en contacto la resonancia
entre la broca y el material perforado:
A) Determinar un límite de amplitud de la broca
cuando resuene e interactuar con el material que se va a
perforar;
B) Estimar un espectro idóneo de exploración de
frecuencia para cargar la broca;
C) Estimar la forma de la curva de la
resonancia;
D) Elegir una frecuencia resonante óptima en la
curva de resonancia en un punto inferior al máximo sobre la curva de
resonancia; y
E) Dirigir la broca basada en esta frecuencia
resonante óptima.
6. Un método de perforación a través de un
material utilizando una broca capaz de un movimiento rotatorio y
oscilatorio de alta frecuencia, en donde la broca se configura para
impactar sobre el material para producir un primer conjunto de
macro-grietas, y luego la broca rota e impacta sobre
le material una vez más, para producir un conjunto adicional de
macro-grietas y en donde los movimientos
rotacionales y oscilatorios de la broca se sincronizan para promover
la interconexión de las macro-grietas que se han
producido para crear una zona localizada de propagación dinámica de
grietas delante de la broca.
7. Un método según la reivindicación 6, en donde
el método se utiliza en el contexto de perforar formaciones de rocas
y donde las macro-ranuras formadas tienen una
longitud de hasta 10 mm.
8. Un método según la reivindicación 7, en donde
una oscilación de alta frecuencia se aplica a la broca, hasta 1
kHz.
9. Un método según la reivindicación 7 o 8, en
donde la broca se conduce para girar hasta 200 rpm.
10. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones de 6 a 9, en donde la carga aplicada rotacional y
oscilatoria en la broca se controla de manera que se mantengan en
contacto la resonancia en la broca y el material perforado.
11. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones de 6 a 10, en donde la zona de propagación dinámica
de grietas se extiende radialmente hacia fuera no más de 1/20 del
diámetro de la broca desde el borde exterior de la broca.
12. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 11, en donde el tamaño de los cortes perforados
son hasta 10 mm.
13. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones de 7a 12 para utilizarlo en una o más aplicaciones
de perforación en zonas de alta presión, fracturadas, zonas débiles
y de gas a poca profundidad.
14. Un conjunto de brocas para utilizarlo en la
perforación de formaciones rocosas que incluye:
Un taladro con un tubo de perforación y collarín
de barrena; y una broca capaz de realizar una carga rotatoria y
oscilatoria de alta frecuencia; un medio de control proporcionado en
uso descendente para controlar la carga oscilatoria y rotacional
aplicada de la broca, el medio de control tiene un medio de ajuste
para variar la carga aplicada oscilatoria y rotacional, dicho medio
de ajuste es sensible a las condiciones del material a través del
cual pasa el perforador, en donde el peso de la broca por metro es
hasta un 70% más pequeño que el de una broca que funciona con el
mismo diámetro de barreno para utilizarlo en las mismas
condiciones.
15. Un conjunto de la broca según la
reivindicación 14, en donde el peso del taladro por metro es
sustancialmente un 70% más pequeño que el de un taladro convencional
que funciona con el mismo diámetro de barreno para utilizarlo en las
mismas condiciones.
16. Un conjunto de broca según la reivindicación
14 o 15 en donde el medio de ajuste controla la carga aplicada
rotacional y oscilatoria de la broca de manera que se mantengan en
contacto la resonancia en la broca y el material perforado.
17. Un conjunto de brocas según cualquiera de
las reivindicaciones hasta la 16, en donde la broca se configura
para impactar sobre el material para producir un primer conjunto de
macro-grietas, la broca rota posteriormente e
impacta sobre el material una vez más, para producir un conjunto de
macro grietas y en done el medio de control sincroniza los
movimientos oscilatorios y rotacionales de la broca para promover la
interconexión de las macro grietas producidas para crear una zona de
propagación de grietas dinámicas y localizadas delante de la
broca.
18. Un conjunto de broca según cualquiera de las
reivindicaciones de 14 a 17, en donde el medio de ajuste determina
los parámetros de carga de la broca para establecer condiciones
resonantes entre la broca y el material perforado por medio del
siguiente algoritmo:
A) Calcular la respuesta resonante no lineal de
la broca sin la influencia del material perforado;
B) Estimar la fuerza de los impactos para
producir una zona de propagación de fracturas en el material
perforado;
C) Calcular las características de rigidez no
lineales del material perforado fracturado;
D) Estimar una frecuencia resonante de la broca
que interactúa con el material perforado; y
E) Recalcular el valor de la frecuencia
resonante para un estado estable incorporando las características de
rigidez no lineal del material perforado fracturado.
19. Un conjunto de brocas según la
reivindicación 18, en donde el algoritmo se basa en la determinación
de una función de respuesta no lineal.
20. Un ensamblaje de broca según cualquiera de
las reivindicaciones de 14 a 19 en donde el medio de ajuste puede
desactivar selectivamente la carga oscilatoria de la broca para
perforar a través de formaciones blandas.
21. Un método para perforar un material que
incluya los pasos de aplicar la carga oscilatoria y rotatoria a
través de una broca; haciendo un seguimiento de las características
materiales en la interfaz material con la broca; determinando un
valor para la frecuencia resonante de la formación de rocas en su
interfaz con la broca; y ajustando la carga rotatoria y oscilatoria
para mantener la frecuencia resonante de la formación rocosa en la
interfaz con la broca; en donde dicho método incluye además el paso
para aplicar un algoritmo de análisis dinámico no lineal para
determinar la frecuencia resonante del material en su interfaz con
la broca.
22. Un método según la reivindicación 21, en
donde el algoritmo tiene las siguientes funciones:
A) Calcular la respuesta resonante no lineal de
la broca sin la influencia del material perforado;
B) Estimar la fuerza de los impactos para
producir una zona de propagación de fracturas en el material
perforado;
C) Calcular las características de rigidez no
lineales del material perforado fracturado;
D) Estimar una frecuencia resonante de la broca
que interactúa con el material perforado; y
E) Recalcular el valor de la frecuencia
resonante para un estado estable incorporando las características de
rigidez no lineal del material perforado fracturado.
23. Un aparato perforador prácticamente como se
describe anteriormente con referencia al dibujo adjunto.
24. Un método de perforar un material
sustancialmente como se describe anteriormente con referencia al
dibujo adjunto.
25. Un conjunto sustancialmente como se describe
anteriormente con referencia al dibujo adjunto.
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