PT1611310E

PT1611310E - Um dispositivo de coluna de perfuração hidráulica, em particular uma máquina de furar hidráulica perfuraçôes nas rochas

Info

Publication number: PT1611310E
Application number: PT04721053T
Authority: PT
Inventors: Fredrik Egerstroem
Original assignee: Wassara Ab
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2008-01-29
Also published as: KR20050122219A; CN100335737C; JP2006521481A; ATE375433T1; CN1756888A; SE526252C2; KR101028172B1; DE602004009427D1; HK1089219A1; CA2516476C; EP1611310A1; DK1611310T3; US20040188146A1; AU2004223480A1; PL1611310T3; SE0300836L; US6994175B2; ZA200506361B; WO2004085791A1; ES2297401T3

Description

DESCRIÇÃO

UM DISPOSITIVO DE COLUNA DE PERFURAÇÃO HIDRÁULICA, EM PARTICULAR UMA MÁQUINA DE FURAR HIDRÁULICA PERFURAÇÕES NAS ROCHAS

Campo técnico

Esta invenção refere-se a uma máquina de percussão para furar rochas num furo de sondagem que compreende: - um alojamento; - uma broca de perfuração montada na extremidade frontal do alojamento e com um canal axial de fluido de descarga que a atravessa; - um martelo do pistão no alojamento com um canal axial (51) que o atravessa e que está disposto para impactar na broca de perfuração; - meios para conectar a máquina a uma coluna de perfuração tubular; - uma entrada para receber desde a coluna de perfuração um fluido motriz hidráulico pressurizado, um tubo fixado no alojamento e que se estende na extremidade posterior com uma fixação deslizante no canal axial no martelo do pistão, formando a extremidade anelar posterior do martelo do pistão uma primeira superfície do pistão numa primeira câmara do cilindro anelar para mover para a frente o martelo do pistão; 1/9 - uma segunda superfície do pistão anelar do martelo do pistão numa segunda câmara do cilindro anelar (55) para mover para trás o martelo do pistão; - uma válvula acoplada à dita entrada e com uma primeira posição de funcionamento para pressurizar a dita primeira câmara do cilindro e uma segunda posição para a drenagem da primeira câmara do cilindro no tubo, e assim o movimento do martelo do pistão é de vaivém e provê um fluido de descarga à broca de perfuração; e - uma conduta de controlo com meios de portos controlados pela posição axial do martelo do pistão para accionar a válvula para que esta possa mudar de posição. Técnica anterior 0 Pedido de Patente norte-americana US 5,107,944 mostra uma máquina do tipo acima descrito. O fluido motriz para a reciprocidade do martelo do pistão é a água e a água é então utilizada para descarregar os fragmentos de rocha para fora do furo de sondagem.

Objecto da invenção e descrição geral da invenção

Um dos objectivos da invenção é o de aumentar a força que é libertada por uma máquina do tipo acima descrita. Este objectivo é satisfeito quando o martelo do pistão tem na sua superfície um primeiro e um segundo recesso anelar que estão fixados ao tubo de forma deslizante; e os meios de passagem estão dispostos para pressurizar o dito primeiro recesso; e a dita conduta de controlo se estende no tubo e tem os ditos meios de portos dispostos para alternadamente abrirem o dito primeiro e o dito segundo recesso em 2/9 resposta ao movimento do martelo do pistão; e o dito segundo recesso está disposto para estar em comunicação com o canal do martelo do pistão pelo menos quando o pistão está nas suas posições recuadas. 0 posicionamento das passagens da conduta de controlo, dos canais, dos recessos e dos portos provê desta maneira uma utilização mais eficiente do diâmetro da máquina e as áreas do pistão podem ser feitas maiores o que faz com que a máquina tenha mais potência.

Breve descrição dos desenhos À continuação e a titulo de exemplo a invenção será explicada com referência a uma forma detalhada de a realizar, e com referência aos desenhos em que:

As figuras la, lb, e lc no seu conjunto formam uma secção longitudinal através da máquina de furar tomada ao longo das linhas 1-1 das figuras 3 e 4; A figura la mostra a parte frontal da máquina, a figura lb mostra a parte central da máquina, e figura lc mostra a parte traseira da máquina; A figura 2 corresponde à figura lb mas mostra alguns elementos noutras posições relativas; A figura 3 mostra uma secção transversal tomada ao longo das linhas 3-3 da figura lb; e A figura 4 mostra uma secção transversal tomada ao longo das linhas 4-4 da figura lb. 3/9

Descrição da forma de preferida e ilustrada de realizar a invenção A máquina hidráulica de furar rochas mostrada nas figuras tem um alojamento de máquina que compreende um tubo para o alojamento da máquina 11, uma bucha na extremidade frontal 12 presa por parafusos ao tubo 11, e uma cabeça traseira com a forma de um adaptador da coluna de perfuração 13, preferencialmente presa por parafusos ao tubo de alojamento 11. A bucha da extremidade frontal 12 retém a broca de perfuração 15, que pode ser uma broca convencional. A broca de perfuração 15 tem uma cabeça 16 e uma haste 17. A haste tem uma conexão estriada 18 na bucha 12 e uma parte 19 sem estrias. Um anel 20 está apertado entre a bucha 12 e o tubo da máquina 11 e este impede que a broca de perfuração caia. O anel 20 está axialmente fendido para que possa ser montado. Assim a broca de perfuração 15 pode ser axialmente movimentada entre a sua posição na extremidade posterior na que é mostrada quando a sua cabeça se apoia contra a extremidade da bucha 12 e uma posição para a frente na que a parte traseira 21 das estrias descansa no anel 20. A broca de perfuração 15 tem um canal central para guiar o fluido de descarga desde a sua haste 17 até à extremidade frontal da broca para subministrar o fluido de descarga. O adaptador 13 aperta uma fila de elementos na extremidade frontal do tubo de alojamento da máquina 11 contra um suporte virado para dentro 22. Esta fila de elementos compreende um elemento anular 23 que forma uma manga condutora, um elemento de guia anelar traseiro 24, um casquilho espaçador 25, um elemento de guia anelar frontal 26, e uma bucha 27. 4/9 0 adaptador 13 no seu interior tem um suporte de coador 30 com uma cabeça 31 apertada contra a manga condutora 23. A cabeça 31 forma um apoio para o conjunto das molas da placa chanfradas 32 que através de um anel 33 aperta uma manga 34 e um tubo 35 na manga condutora 23 contra um suporte virado para dentro 36. A cabeça 31 e as molas têm um furo central e um bocal 37 que estão dispostos para permitir que o fluxo flua fora do suporte do coador. Um coador ou filtro 28 está montado no suporte do coador e o liquido fluirá desde a coluna de perfuração através do coador 28 e sairá pelos buracos 29 do suporte do coador 30. O tubo 35 tem vários canais 40 com os portos 41 e 42 e 43. Os portos 43 estão abertos para um espaço anelar 44. O tubo tem ainda vários canais de fornecimento 46 os quais têm canais de fornecimento de entradas e sardas com a forma de portos 47 e 48.

Sendo o martelo do pistão 50 uma peça única composta por uma secção de pistão e uma secção de martelo, que é guiada nos elementos espaçados de guia 24, 26 e que tem um canal longitudinal 51 com a parte traseira alargada 52. A extremidade traseira do martelo do pistão estende-se no espaço cilíndrico anelar de forma deslizante entre o tubo 35 e a manga condutora 23 e a sua superfície da extremidade traseira 53 está numa primeira câmara de cilindro anelar 54. Uma segunda câmara de cilindro anelar 55 está formada entre a manga condutora 23 e a superfície externa do martelo do pistão e uma superfície do pistão anelar 56 numa cabeça 57 do martelo do pistão. Os dois elementos de guia 24, 26 têm o mesmo diâmetro interno para guiar o martelo do pistão para que o espaço entre eles se mantenha a um volume constante durante a reciprocidade do martelo. A parede da parte alargada 52 do canal 51 do martelo desliza contra a superfície externa do tubo 35. A parede interna do martelo 5/9 tem um primeiro recesso anelar 58 e um segundo recesso anelar 59. A extremidade frontal do martelo do pistão tem uma parte diametralmente reduzida 60 para que seja formada uma câmara amortecedora 61.

Um elemento de controlo de válvulas na forma de uma válvula de gaveta cilíndrica 62 é deslizável na manga 34 e na figura 2 este é mostrado na sua posição para a frente e na figura lb este é mostrado na sua posição para trás. A manga 34 é portanto um cilindro para a válvula de gaveta cilíndrica. Vários canais 63 guiados desde um espaço anelar 64 exterior ao suporte do coador 30 para a câmara do cilindro 55 e num recesso anular 65 aberto para o porto 48. O espaço anelar 64 se estende em 66 fora do tubo 23 nos portos 67 da manga 34. Assim, o adaptador 13 e o espaço 64 formam desde a coluna de perfuração uma entrada para o fluido motriz. Vários canais 68 com portos 69 na manga 34 conduzem à câmara do cilindro 54. A válvula de gaveta cilíndrica 62 é oca e tem uma fila de furos 70 entre a sua superfície externa e a sua superfície interna e os furos terminam num recesso anelar 71a para fazer com que a gaveta cilíndrica funcione independente da sua posição angular. Na sua posição traseira mostrada na figura lb, a válvula de gaveta cilíndrica acopla, via os seus furos 70, a primeira câmara do cilindro anelar 54 no interior da gaveta cilíndrica e portanto no canal do fluido de descarga formado pelo interior da gaveta cilíndrica, o tubo 35, o canal central 51 no pistão, e o canal de fluido de descarga na broca de perfuração. Na posição de avanço a qual é mostrada na figura 2, a válvula de gaveta cilíndrica 62 em vez de acoplar o espaço 64 exterior do suporte do 6/9 coador 30 à primeira câmara do cilindro anelar 54 via um estreitamento 71 na válvula de gaveta cilíndrica. 0 diâmetro externo na frente da gaveta cilíndrica do estreitamento 71 é um pouco maior do que o diâmetro externo da parte traseira do estreitamento de forma a que seja formada uma superficie diferencial 72, que continuamente está submetida a altas pressões para inclinar a válvula da gaveta cilíndrica para a frente da posição da válvula da figura 2. A válvula de gaveta cilíndrica tem também uma superficie de controlo anelar 73, que é maior do que a superficie de controlo 72, por exemplo duas vezes maior, e esta superficie de controlo 73 está acoplada ao espaço anelar 44 que se estende em toda a superficie de controlo 73. Assim, as passagens 40 no tubo 35 e no espaço anelar 44 formam um canal de controlo para mudar a posição da válvula. Quando o canal de controlo 40 é pressurizado, a válvula move-se para a posição mostrada na figura lb e quando o canal de controlo 40 é acoplado a uma pressão baixa ele age como um canal de descarga de forma a que a válvula se mova para a posição mostrada na figura 2.

Como o descrito, o furo central no tubo 35 e os canais 40 e 46 formam os canais de derivação da superficie do pistão 53 e da câmara do cilindro 54.

Os elementos de guia com a forma de buchas de guia 24, 2 6 têm um diâmetro igual para que o espaço entre eles mantenha um volume constante enquanto que o martelo do pistão se move. Assim, não serão necessárias vedações dinâmicas, o que aumenta a sua vida útil. As buchas de guia 24, 26 e o martelo do pistão podem preferencialmente ser feitas com o chamado metal duro, isto é o carboneto de tungsténio ou outro material correspondente, que minimizará o desgaste e portanto aumentará a sua vida útil. As superfícies 7/9 deslizantes do martelo do pistão contra o tubo 35 são também importantes para a sua vida útil e preferencialmente o tubo deverá também sem feito com carboneto. Da mesma maneira, a válvula de gaveta cilíndrica e o seu alojamento 34 deverão ser feitos com um metal duro.

Com a utilização de um metal duro como o descrito e a não existência de vedações dinâmicas, será possível não apenas utilizar água como fluido motriz, mas também utilizar água ou outros líquidos que contenham sólidos em suspensão. Será mesmo possível reciclar a suspensão depois de que os detritos tenham sido removidos apesar de que os resíduos mais finos não podem ser removidos. A dilatação térmica do carboneto de tungsténio é muito mais pequena que a dilatação térmica do aço e as molas chanfradas 32 que apertam as partes do carboneto garantirão que não haverá nenhuma folga entre as partes de aço e as partes de carboneto quando a máquina for aquecida. Se a máquina é utilizada numa perfuração para a exploração de gás, as temperaturas podem ser muito altas. 0 bocal 37 é substituível e é escolhido para adaptar a descarga do fluxo de fluido à necessidade do momento. 0 bocal pode mesmo ser substituído por um tampão quando não é necessária a descarga adicional de fluido.

Descrição da operação

Em funcionamento, a máquina de furar está dentro de um furo de sondagem na rocha e a coluna de perfuração é rodada e uma força de alimentação é aplicada à máquina de furar de forma a que a broca de perfuração 15 seja forçada contra o fundo do furo de sondagem, e um fluido motriz líquido a 8/9 alta pressão é fornecido através da coluna de perfuração ao adaptador, isto é, à entrada da máquina de furar. 0 martelo do pistão 50 oscila e impacta na superfície da extremidade da haste 17 da broca de perfuração 15. Nas Figuras la e lc, o martelo do pistão 50 é mostrado na posição de impacto. Antes de que o martelo do pistão 50 atinja a sua posição de impacto no decurso da batida, o porto 42 abriu-se ao recesso anelar 58, que tinha sido pressurizado desde o canal de fornecimento 46, de forma a que o canal 40, 44 seja pressurizado e a pressão na superfície de controlo 73 mova a válvula de gaveta cilíndrica 62 para a posição mostrada na figura lb de forma a que a válvula de gaveta cilíndrica 62 descarregue a primeira câmara do cilindro anelar 54 na conduta do fluido de descarga guiada através do martelo do pistão. Assim, a pressão na segunda câmara do cilindro anelar 55 força o martelo do pistão 50 para que este se mova para trás no seu percurso de retorno. Durante o percurso de retorno do martelo do pistão, o porto 41 do canal de controlo 40, 44 abre o recesso 59 para drenar o canal de controlo 40, e como resultado, a válvula de gaveta cilíndrica 62 muda para a posição mostrada na figura 2 de forma a que o estreitamento 71 da válvula de gaveta cilíndrica 62 acople à câmara do cilindro 54 a altas pressões e esta pressão na superfície da extremidade posterior 53 do martelo do pistão 50 retarda o martelo do pistão e faz com que ele recue e inicie o seu percurso de batida. Assim uma vez mais, a válvula muda de posição justamente antes que martelo do pistão impacte na broca de perfuração e o martelo inicia o movimento de recuo e o ciclo é repetido. A frequência do impacto pode por exemplo estar entre 50 e 100 Hz.

Lisboa, 9/9

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Uma máquina de percussão para furar rochas num furo de sondagem que compreende: - um alojamento (11); - uma broca de perfuração (15) montada na extremidade frontal do alojamento e que tem um canal axial para o fluido de descarga que a atravessa; - um martelo do pistão (50) no alojamento com um canal axial que o atravessa (51) e que está disposto para impactar na broca de perfuração; - meios (13) para conectar a máquina a uma coluna de perfuração tubular; uma entrada (64) para receber desde a coluna de perfuração o fluido motriz hidráulico pressurizado, - um tubo (35) fixado no alojamento e que se estende com uma fixação deslizante na extremidade posterior do canal axial (51) no martelo do pistão, formando a extremidade posterior anelar do martelo do pistão uma primeira superficie de pistão (53) numa primeira câmara do cilindro anelar (54) para mover o martelo do pistão para a frente; - uma segunda superficie do pistão anelar (56) do martelo do pistão numa segunda câmara cilíndrica anelar (55) para mover para trás o martelo do pistão; - uma válvula (62) acoplada à dita entrada (64) e com uma primeira posição de funcionamento para pressurizar a dita 1/3 primeira câmara do cilindro (54) e uma segunda posição para a drenagem da primeira câmara do cilindro no tubo (35), para o movimento de vaivém do martelo do pistão e assim prover o fluido de descarga à broca de perfuração; - uma conduta de controlo (40) com os meios dos portos (41, 42) controlados pela posição axial do martelo do pistão para accionar a válvula para que esta possa mudar de posição; - caracterizado por - o martelo do pistão (50) ter um primeiro e um segundo recesso anelar (58, 59 respectivamente) na sua superfície que estão presos ao tubo(35) de forma deslizante; os meios de passagem (46) estarem dispostos para pressurizar o dito primeiro recesso (58); - a dita conduta de controlo (40) estender-se no tubo (35) e ter os ditos meios de portos (41, 42) dispostos para serem alternadamente abertos para o dito primeiro e o dito segundo recesso (58, 59) em resposta ao movimento do martelo do pistão; e - o dito segundo recesso (59) estar disposto para estar em comunicação com o canal (51) no martelo do pistão pelo menos quando o pistão está na sua posição recuada.
2. Uma máquina de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a área do pistão da dita primeira superfície do pistão (53) ser superior à área do pistão da dita segunda superfície do pistão (56). 2/3
3. Uma máquina de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por o segundo recesso (59) ser avançado para a frente do dito primeiro recesso (58).
4. Uma máquina de acordo com quaisquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizada por a dita segunda câmara do cilindro (55) estar no exterior do martelo do pistão.
5. Uma máquina de acordo com quaisquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizada por a dita válvula ser uma válvula de gaveta cilíndrica (62) coaxial com o dito tubo (35).
6. Uma máquina de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por a dita válvula de gaveta cilíndrica (62) ser uma válvula de carboneto que desliza contra um alojamento de válvula de carboneto (34).
7. Uma máquina de acordo com quaisquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizada por o martelo do pistão (50) ser guiado por duas buchas separadas axialmente (24, 26) com um diâmetro interno igual de forma a que o espaço formado entre elas mantenha um volume constante quando o martelo do pistão é movido.
8. Uma máquina de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizada por o martelo do pistão (50) ser guiado por duas buchas de guia de carboneto separadas axialmente (24, 26), sendo o dito martelo do pistão de carboneto. Lisboa, 3/3