MÉTODO PARA -LA PERFORACIÓN CON DIRECCIÓN CONTROLADA HORIZONTAL DE FORMACIONES DE ROCA
REFERENCIA CRUZADA A LA SOLICITUD RELACIONADA Esta es una continuación en parte de la Solicitud de Patente Provisional No. 60/040,747, presentada el 5 de Febrero de 1997. CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere a la perforación de la tierra, y más particularmente a una perforación con dirección controlada horizontal. -ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA Esta invención se refiere a sistemas de perforación con dirección controlada. Estos sistemas son principalmente aplicables a la perforación con dirección controlada horizontal, y más específicamente al sondeo de formaciones de roca y tierra. Se proporcionan conductos de fluido de volumen elevado y baja presión dentro del cuerpo del trépano con el propósito de lubricar el trépano y sostener el material dragado. El sistema de la presente invención se diseña para la perforación con dirección controlada horizontal o lateral, donde es necesario sondear o perforar a través de una formación unida a la tierra, tal como una roca, y que permanezca todavía dirigible. Esta industria, algunas veces llamada "excavación sin zanjas" instala servicios alrededor de objetos inmovibles, tales como vias, rios y/o lagos, etc. Como se muestra en la figura 1, la técnica de sondeo convencional tradicionalmente opera a partir de un dispositivo de sondeo o máquina 10 que empuja y/o gira una cadena de perforación 12 que consiste de una serie de tubos de perforación conectados a un trépano de perforación dirigible 14 para lograr una dirección o trayectoria subterránea, a través de la cual puede instalarse un conducto o un dispositivo del servicio. Una sonda 16 sigue inmediatamente al trépano de perforación 14 como si se dirigiera sobre o bajo los tubos 18. La sonda 16 transmite las señales de ubicación electrónica a un trabajador 20 por medio de un dispositivo receptor complementario 22. Como se muestra en la figura 2, los métodos tradicionales de perforación incluyen un cuerpo de perforación 30 y una cuchilla de perforación 32 de algún tipo que es usualmente concéntrico en diseño y que crea un agujero cilindrico aproximadamente del mismo diámetro de la cuchilla de perforación 32. Los métodos y dispositivos de la técnica anterior utilizan típicamente una perforación a chorro de alta velocidad, de elevada presión para crear la maniobrabilidad y el enfriamiento del cuerpo 30 y de la cuchilla 32. La invención utiliza fluidos para el propósito de lubricar y sostener el material dragado, como es común en la mayoría de las perforaciones relacionadas a la región petrolífera, y los fluidos no se utilizan de ninguna manera para maniobrar el producto por medio de perforación a chorro. Una desventaja grave de todos los sistemas de perforación horizontal pre-existentes es la inhabilidad para perforar a través de la roca. Antes de la invención, se acepto en la industria que la mayoría de las formaciones de roca simplemente no podían perforarse, ya que la roca es demasiado dura. El sistema, sin embargo, ha revolucionado el pensamiento a lo largo de esas lineas y se ha probado la perforación a través de cada tipo de formaciones de roca, incluyendo el granito. Además, el sistema tiene ventajas operacionales cuando se utiliza para perforar formaciones menos difíciles tales como tierra o arena. SUMARIO DE LA INVENCIÓN El sistema de sondeo de tierra con dirección controla para sondear todas las formaciones de tierra tal como barro, arena, roca o cualquier combinación de las formaciones, utiliza un cuerpo de trépano que contiene puntos de corte semi-flotantes y fijos, y uno o más canales de fluido para el propósito de lubricar o dispersar las formaciones fracturadas y/o cortadas. En contraste a los dispositivos o herramientas del trépano de perforación actuales, el método de inclinación-hacia abajo de sujeción al cuerpo del trépano de perforación ayuda a crear un movimiento orbital elíptico aleatorio que causa una acción de fractura de alto impacto cuando se utiliza conjuntamente con el movimiento de impulso y de rotación de la cadena de perforación. El sistema se relaciona directamente al tamaño y peso de todas las partes de la perforadora asociadas en conjunto con la técnica de sondeo utilizada. En otras palabras, no se conocen hasta ahora los limites superiores exactos de las capacidades de este sistema de trépano de perforación, debido al hecho de que cada dia se desarrollan nuevas técnicas o procedimientos de operación a través de las múltiples formaciones. Un canal cóncavo dentro del cuerpo del trépano de perforación se utiliza para reducir la densidad transversal de la superficie del trépano durante la dirección asi como para proporcionar una guia de alineación durante el proceso de sondeo. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Un entendimiento más completo de la invención y sus ventajas serán aparentes a partir de la descripción detallada tomada en conjunto con los dibujos acompañantes, en los cuales: La figura 1 es una vista en perspectiva del ambiente de la técnica anterior de la invención;
La figura 2 es una vista en detalle del trépano de la técnica anterior y alojamiento de sonda; La figura 3 es una vista lateral del sistema de la presente invención en operación; La figura 4 es una vista en perspectiva despiezada del trépano y del alojamiento de sonda de la presente invención; La figura 5 es una vista superior del trépano y del alojamiento de sonda de la presente invención; La figura 6 es una vista lateral parcialmente discontinua del trépano y del alojamiento de sonda de la presente invención; La figura 7 es una vista en sección tomada a lo largo de las lineas 7-7 de la figura 6; La figura 8 es una vista en perspectiva del trépano de la presente invención; La figura 9 es una vista en perspectiva del alojamiento de sonda de la presente invención; La figura 10 es una vista esquemática del sistema de la presente invención en operación; y La figura 11 es una gráfica del sistema de la presente invención en operación;
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA Refiriéndonos inicialmente a las figuras 3 a 9, en donde los numerales similares indican elementos correspondientes y similares, el método de la presente invención es un método de perforación con dirección controlada horizontal en roca 100 (figura 3) . El método incluye la etapa de hacer que un trépano de perforación configurado especialmente 102 en un extremo de una cadena de perforación 104 gire intermitentemente a medida que excava, deteniendo la rotación hasta que la roca se fractura, y moviéndose entonces después de la fractura en un movimiento intermitente orbital, aleatorio. Preferentemente la cadena de perforación 104 se gira bajo presión a una velocidad rotacional substancialmente constante en el otro extremo de la cadena de perforación mediante una máquina de perforación con dirección controlada convencional. Un fluido (no mostrado) puede bombearse hacia la cadena de perforación 104 y salir del trépano de perforación 102 para lubricar el agujero y dispersar los cortes. En otro aspecto de la invención, el trépano de perforación asimétrico especialmente configurado 102 para la perforación con dirección controlada horizontal en rocas incluye un cuerpo de trépano 106 sujeto a un extremo 108 de un alojamiento de sonda 110. Como se muestra mejor en la figura 6, el cuerpo de trépano 106 se dobla con respecto al alojamiento de sonda 110, siendo relativamente ligero el - -
desplazamiento del ángulo desde la alineación colineal, es decir, en el orden de aproximadamente 15 grados. El cuerpo de trépano 106 se monta con tres pernos de extremo que se encaran substancialmente hacia adelante 112 extendiéndose desde la cara frontal plana 114 (figura 6) . Una pluralidad de pernos de cuerpos encarados substancialmente de manera radial 116 se extienden desde una superficie lateral cilindrica 118. Como se muestra mejor en la figura 5, los tres pernos de extremo que se encaran hacia adelante 112 se doblan ligeramente con respecto unos de otros, siendo el eje longitudinal del perno de extremo medio 112, coplanar con la cadena de perforación y los otros dos doblados exteriormente como se muestra. Una pluralidad de pernos con una porción de protección 120 se extienden desde un borde de intersección 122 (figura 5) de la cara frontal 114 y una cara de dirección cóncava 124. El trépano de perforación 102 tiene un canal de dirección cóncavo 125 en una cara de dirección que se encara substancialmente de manera lateral 124 del trépano de perforación. El trépano de perforación asimétrico 102 y el alojamiento de sonda 110 se unen mediante sujetadores roscados 126 a través de agujeros no roscados 128 en el trépano 102 y los agujeros roscados 130 en el alojamiento de sonda 110. En otro aspecto de la invención, también se proporciona una estructura de aligeramieno de esfuerzo cortante entre el trépano de perforación y el alojamiento de sonda, para aligerar los sujetadores 126 de substancialmente toda la carga de esfuerzo cortante. La estructura de aligeramieno de esfuerzo cortante se proporciona en las caras coincidentes dobladas 132, 134 entre el trépano de perforación y el alojamiento de sonda (figuras 8 y 9) , e incluye un reborde del aligeramieno de esfuerzo cortante recto 136 y una ranura coincidente 138 en las caras coincidentes dobladas 132 y 134, respectivamente. El reborde 136 y la ranura 138 se alinean longitudinalmente con las caras coincidentes dobladas 132, 134. Preferentemente la ranura 138 se encuentra en la cara doblada del alojamiento de sonda 134 y el reborde 136 se encuentra en la cara coincidente del trépano de perforación 136. En todavía otro aspecto de la invención, el alojamiento de sonda 110 incluye un cuerpo de alojamiento cilindrico 150 con paredes 152 que definen una cavidad longitudinal 154. Se sujeta una cubierta 156 para la cavidad 154 al cuerpo 150 mediante los medios de sujeción descendentes para unir la cubierta al cuerpo de alojamiento. En operación, el sistema de herramienta del sondeo de tierra con dirección controlada para sondear todas las formaciones de tierra tal como, barro, arena, roca y/o cualquier tipo de combinación de las formaciones, utiliza el cuerpo de trépano que contiene puntos de corte semi-flotantes y fijos, y uno o más canales de fluido para el propósito de lubricar y dispersar las formaciones fracturadas y/o cortadas. Como se ilustra en la figura 10, el método de fractura de punto de alto impacto del retiro de formaciones rocosas o densas también crea una nodo orbital de elevada velocidad mientras que se perforan formaciones menos densas o más suaves. En la figura 10, se ilustran las tres posiciones consecutivas 200, 202, 204 del trépano 102, a manera de ejemplo. La característica clave de la invención es que el trépano 102 se detiene e inicia a medida que excava y después fractura la roca, saltando después a una nueva posición. Como se muestra en la figura 11, una velocidad rotacional VR del trépano (linea sólida) va de manera intermitente a cero, despés salta a una nueva velocidad y después vuelve de nuevo a cero, mientras que la velocidad rotacional VR de la máquina de perforación (linea punteada) es relativamente constante. La cavidad biselada dentro del diseño de trépano permite que el trépano sea manipulable en todas las formaciones. El cuerpo del trépano se sujeta al cuerpo de trépano de perforación, el cual contiene al menos uno o más canales de fluido, por medio de una conexión de interferencia que resiste la carga transversal. El método asimétrico de sujeción incorpora las reacciones resultantes provenientes de la barra de perforar y del cuerpo de perforación derivado del torque de entrada y del impulso suministrado por la máquina de perforación, para crear un patrón elíptico aleatorio mientras se sondea, el cual también crea un agujero más grande que el que el diseño concéntrico del cuerpo de trépano permitiría típicamente. La perforación de las formaciones de roca dura se define como un proceso de fracturación en oposición a las operaciones de corte y fractura como se utiliza en las aplicaciones de perforación de tierra convencionales. Se sabe que el sondeo de tierra para una perforación con dirección controlada horizontal puede ser una combinación de cortar o fracturar y perforar a chorro. Los métodos de perforación a chorro emplean un sistema de fluidos de presión elevada, velocidad elevada con el propósito específico de elaborar una suspensión, o solución de formaciones de tierra y fluir estas suspensiones o soluciones hacia las formaciones colindantes o fuera del agujero de sondeo. Los sistemas de corte o fractura utilizan los fluidos para lubricar las herramientas de perforación, así como para sacar el material dragado de perforación. Las formaciones de roca no cortan o fracturan bien, y no disuelven o contienen los componentes de ligadura que son fácilmente disasociados con solventes de agua o fuerzas hidráulicas de perforación a chorro. Ningún trépano de perforación o procesos actuales combinan los parámetros operacionales de la fracturación de roca, y los elevados desplazamientos de ángulo incluidos para la dirección controlada en formaciones de tierra suave. El nuevo punto de perforación con dirección controlada asimétrico para rocas y formaciones de tierra dura combina las técnicas de fracturación de punto de contacto para roca con un ángulo de ataque elevado para una tierra dura asi como para formaciones suaves. La fracturación se lleva a cabo con la aplicación de puntos de carburo duro sobre los vectores de torque elíptica aleatoria creados como la geometría asimétrica de las trayectorias giratorias excéntricas de formas de trépano mediante la combinación de los momentos de impulso y rotación. La perforación de rocas como pizarras que son consideradas típicamente para ser comprimidas y las arcillas extremadamente densas y secas también mejora por la geometría agresivamente afilada del trépano de perforación. La geometría asimétrica mejora la realización del soporte de perforación al multiplicar el efecto de fracturación por la influencia sobre los puntos principales de perforación. A medida que gira el trépano de perforación, los puntos de perforación de desplazamiento fracturan aleatoriamente y se engranan como los puntos centrales de rotación y multiplica los momentos transversales de 3 a 8 veces los momentos transversales reales que pueden producirse en el mismo diámetro en un trépano de perforación de diámetro fijo formado simétricamente . El tamaño del agujero de sondeo se define y se controla al estabilizar los puntos de corte hacia adelante sobre el anillo cortante posterior que contiene los botones de carburo semipermanentes, reemplazables que fracturarán las superficies irregulares y ayudarán suavemente al agujero de sondeo así como reducirán el desgaste abrasivo sobre el cuerpo del trépano. La dirección de la tierra dura y roca se lleva a cabo mediante un método de sondeo de rotación parcial. Este método se aplica al impulsar el trépano hacia la cara de la sonda en una posición de índice rotacional predefinida y girar a una posición de rotación final definida de manera similar y después retirar. El procedimiento se repite tantas veces como sea necesario para formar el agujero de sondeo en la cantidad deseada en turno . Se han completado exitosamente varios sondeos de prueba donde el proceso de "sondeo de rotación parcial" ha navegado exitosamente a través de pizarras duras, piedra arenisca, piedra caliza ligera, gis Austin, y concreto con o sin refuerzo de acero. La dirección en formaciones de superficie suave es fácil utilizando las técnicas de dirección de impulso sin rotación estándar como se usaría con un trépano de paleta plana. El corte del canal semi-eliptico hacia el anillo cortante de dirección, guia al trépano para ayudarlo a mantener la trayectoria paralela al plano del arco creado al dirigir el trépano. Esto reduce la desviación de la vertical cruzada cuando se empuja la dirección. El "canal de dirección" también reduce el área de superficie en blanco frontal mayor al 50% dando como resultado menos oportunidades de "formaciones acumuladas". Esto mejora el desempeño de la dirección de impulso así como facilita la capacidad del material dragado de perforación para fluir bajo el trépano cuando se sondea recto. Este trépano no utiliza la perforación a chorro o la aplicación del fluido dirigido para mejorar el desempeño de la acción de perforación. Se requiere que el fluido de perforación limpie el trépano de perforación y retire el material dragado a partir del agujero de sondeo. El trépano de perforación no generará presión elevada durante las aplicaciones de la perforación normal. Se proporciona una única estructura de aligeramiento de esfuerzo cortante para reducir las cargas sobre los sujetadores utilizados para sujetar el trépano de roca al alojamiento de sonda. El aligeramiento de esfuerzo cortante incluye una ranura ahuecada longitudinalmente, que tiene una sección cruzada rectangular, y una espiga elevada de acoplamiento sobre el lado posterior del trépano de roca. La espiga extiende substancialmente la longitud total del lado posterior del trépano de roca, para el embrague substancialmente completo de la ranura. En operación, el aligeramiento del esfuerzo cortante retira substancialmente todas las cargas de esfuerzo cortante sobre los sujetadores utilizados para sujetar el trépano de roca al alojamiento de sonda. Los sujetadores proporcionan sólo presión de sujeción, mientras que el aligeramiento de esfuerzo cortante absorbe las enormes fuerzas de esfuerzo cortante aplicadas al trépano de roca. Considerando que se ha descrito la presente invención con respecto a una modalidad especifica de la misma, se entenderá que varios cambios y modificaciones se sugerirán a alguien experto en la materia, y esto intenta abarcar tales cambios y modificaciones según caigan dentro del alcance del las reivindicaciones adjuntas.