MXPA01002208A - Brocas de cono giratorio, sistemas, metodos de perforacion y metodos de diseno con optimizacion de orientacion de diente. - Google Patents

Abstract

Estan descritos una broca de cono giratorio y novedosa y un metodo de diseno novedoso. Una broca de cono giratorio para perforar a traves de formaciones subterraneas que tiene una conexion superior para sujetarse a una sarta de perforacion, y una pluralidad de estructuras de corte montadas giratoriamente en brazos que se extienden hacia abajo desde la conexion. Un numero de dientes estan localizados generalmente en hileras concentricas en cada estructura de corte. La trayectoria real por la cual los dientes enganchan la formacion es determinada matematicamente. Una trayectoria de linea recta es calculada con base en la trayectoria real. Los dientes estan colocados en las estructuras de cortes de tal manera que cada diente tiene una superficie de engranaje disenada que esta perpendicularmente orientada a la trayectoria de la linea recta calculada.

Description

BROCAS DE CONO GIRATORIO, SISTEMAS, MÉTODOS DE PERFORACIÓN, MÉTODOS DE DISEÑO CON OPTIMIZACIÓN DE ORIENTACIÓN DE DIENTE Referencia a Otra Solicitud Esta solicitud reivindica la prioridad de l patente No. 60/098, registrada el 31 de agosto de 1998, la cua está aquí incorporada por referencia.

Antecedentes y Síntesis de la Invención La presente invención se relaciona generalment con la perforación de pozos de gas y de petróleo, u operacione de perforación similares, y en particular con la orientación d los ángulos de diente en una broca de cono giratorio.

Antecedente: Perforación Giratoria Los pozos de petróleo y los pozos de gas so perforados mediante un proceso de perforación giratorio, usand una torre de perforación tal como se muestra en la figura.10. E la perforación vertical convencional, una broca 10 es montada e el extremo de la sarta de perforación 12 (el tubo de perforació más los anillos de perforación) , la cual puede ser de más de un milla de longitud, mientras que la superficie del impulso giratorio (no mostrado) hace girar la sarta de perforació incluyendo a la broca en el fondo del orificio.

Dos tipos principales de brocas están en uso, u es una broca de cono giratorio, un ejemplo de la cual se obser en la figura 11. En esta broca un juego de conos 16 (dos s visibles) que tienen dientes o insertos de corte 18 est arreglados en cojinetes resistentes en los brazos de la broca. ser girada la sarta de perforación, los conos podrán girar en fondo del orificio, y los dientes o los insertos cortador podrán triturar la formación debajo de los mismos. (L fragmentos de roca rotos son barridos hacia arriba del orific por el flujo del fluido de perforación) . El segundo tipo de bro es una barrena de arrastre, que no tiene partes movibles, como observa en la figura 12.

Los barrenos de arrastre se están volviendo ca vez más populares para la perforación de formaciones medias suaves, pero las brocas de cono giratorio todavía son m populares, especialmente para la perforación de roca media media dura. Hay varios tipos de brocas de cono giratorio: l brocas de tipo de inserto, las cuales normalmente son usadas pa perforar formaciones duras, tendrá dientes de carburo tungsteno o de algún otro material duro montado en sus conos . girar la sarta de perforación, y los conos ruedan a lo largo d fondo del orificio, los dientes duros individuales inducirán a falla de compresión en la formación.

Los dientes de la broca deben de triturar o cort la roca, con las fuerzas necesarias suministradas por "el peso la broca" (WOB) el cual presiona la broca hacia abajo en la roc y por el momento de torsión aplicado en el impulsor giratori Mientras que el peso de la broca puede en algunos casos ser 100,000 libras o más, las fuerzas realmente visibles en la bro no son constantes : la roca que es cortada puede tener part suaves y duras (y puede romperse de manera desigual) , y la sar de perforación por sí misma puede oscilar en muchos mod diferentes. Por lo tanto la broca debe de ser capaz de operar p largos periodos bajo tensiones altas en un medio ambien remoto .

Cuando la broca se desgasta o se rompe durante perforación, debe de ser traída de regreso hacia arriba fuera d orificio. Esto requiere de un proceso llamado "desembrague": u grúa pesada jala la sarta de perforación completa afuera d orificio, en etapas de (por ejemplo) alrededor de noventa pi cada vez. Después de cada etapa de levantamiento, un "soporte" tubería es desatornillado y puesto a un lado para volver ensamblarse (mientras que el peso de la sarta de perforación temporalmente sostenido por otro mecanismo) . Dado que el pe total de la sarta de perforación puede ser de cientos toneladas, y dado que la longitud de la sarta de perforaci puede ser de cientos de miles de pies, este no es un traba trivial. Un viaje puede requerir de cientos de horas y es gasto significativo en el presupuesto de la perforación. Pa reanudar la perforación el proceso entero debe de ser invertid Por lo tanto la durabilidad de la broca es muy importante, pa minimizar los viajes redondos para el reemplazo de la bro durante la perforación.

Antecedente: Oscilación de la Sarta de Perforaci Los elementos individuales de una sarta perforación parecen ser pesados y rígidos. Sin embargo, en sarta de perforación completa (la cual puede ser de más de u milla de largo) , los elementos individuales son --suficientemente flexibles para permitir la oscilación frecuencias cercanas a la velocidad de rotación. De hecho, s posibles muchos modos de oscilación diferentes. (Una simp demostración de los modos de oscilación puede hacerse mediante girar una pieza de cuerda o de cadena: la cuerda puede ser gira en un círculo lento plano, o, a velocidades más rápidas, para q parezca que se cruza a sí misma una o más veces) . La sarta perforación es realmente un sistema mucho más complejo que u cuerda colgante, y puede oscilar en muchas diferentes manera ver Propagación de Onda en la Ingeniería Petrolera , ilson Chin, (1994) .

Las oscilaciones son algo humedecidas por el lo de la perforación, o por la fricción en donde el tubo perforación se frota en contra de las paredes, o por la energ absorbida en la fracturación de la formación: pero a menudo est fuentes de humedad no son suficientes para evitar la oscilació Debido a que estas oscilaciones ocurren abajo en el orific profundo, pueden ser difíciles de detectar, pero generalmente son deseables . Las oscilaciones de la sarta de perforaci cambian la fuerza instantánea en la broca, y esto significa q la broca no podrá operar como se diseño. Por ejemplo, la bro puede perforar más del tamaño, o fuera del centro, o pue desgastarse mucho más pronto de lo que se esperaba. L oscilaciones son difíciles de predecir, debido a que diferent fuerzas mecánicas pueden combinarse para producir "modos acoplamiento"; los problemas de girado y de rotación son ejemplo de esto.

Antecedente: Diseño de la Broca de Cono Girator Los "conos" en una broca de cono giratorio necesitan ser perfectamente cónicos (ni perfectamen frustrocónicos) , pero a menudo tienen un perfil axial ligeramen hinchado. Más aún, los ejes de los conos no se tienen q insertarse en la línea central de la perforación profunda. ( diferencia angular es mencionada como el ángulo "desplazado") Otra variable es el ángulo por el cual la línea central de l cojinetes se cruzan en el plano horizontal del fondo de orificio, y este ángulo es conocido como el ángulo de muñón. Po lo tanto mientras que la broca es girada, los conos típicament no giran de verdad, y se efectúa cierta cantidad de vaciado y d raspado. La acción de vaciado y de raspado es compleja po naturaleza, y varía en magnitud y en dirección dependiendo de u número de variables .

Las brocas de cono giratorio convencionales puede ser divididas en dos categorías amplias: brocas de inserción brocas de diente de acero. Las brocas de diente de acero so frecuentemente más utilizadas en la perforación de formacione suaves, mientras que las brocas de inserción son frecuentement más utilizadas en la perforación de formaciones medias y duras Las brocas de diente de acero tienen dientes d acero integralmente formados en el cono . (Un metal duro e típicamente aplicado en la superficie de los dientes para mejora la resistencia al desgaste de la estructura) . Las brocas d inserción tienen insertos muy duros (por ejemplo especialmente d grados seleccionados de carburo de tungsteno) presionados en lo orificios perforados en las superficies de los conos. Lo insertos se extienden hacia afuera más allá de la superficie d los conos para formar los "dientes" que comprenden la estructuras cortadoras de la broca.

El diseño de los componentes de los elementos una broca para roca están interelacionados (junto con l limitaciones de tamaño impuestas por el diámetro total de broca) , y algunos de los parámetros de diseño son impulsados p el uso pretendido del producto. Por ejemplo, el ángulo del co y el desplazamiento pueden ser modificados para incrementar disminuir la cantidad de raspado en el orificio inferior. Much otros parámetros de diseños están limitados porque un incremen en un parámetro puede necesariamente resultar en una disminuci de otro. Por ejemplo, los incrementos en la longitud del dien pueden provocar una interferencia con los conos adyacentes.

Antecedente: Diseño del Diente Los dientes de las brocas de diente de acero s predominantemente en la forma de una "V" invertida. El ángu incluido (por ejemplo lo filoso de la punta) y la longitud d diente podrán variar con el diseño de la broca. En las broc diseñadas para formaciones duras los dientes podrán ser m cortos y el ángulo incluido podrá ser mayor. La longitud de cor de las hileras de los dientes (por ejemplo los dientes en la fil más exterior del cono, cerca del diámetro exterior de perforación) puede tener una cresta en forma de "T" para u resistencia adicional al desgaste.

Las formas más comunes de los insertos s esféricas, cónicas, y de cincel. Los insertos esféricos tien una protuberancia muy pequeña y son usados para perforar l formaciones más duras. Los insertos cónicos tienen u protuberancia más grande y una resistencia natural rompimiento, y son usados a menudo para la perforación formaciones medio duras .

Los insertos de forma de cincel tienen plan opuestos y una cresta alargada amplia, que se parece a l dientes de una broca de diente de acero. Los insertos en forma cincel son usados para perforar formaciones suaves a medias . cresta alargada del inserto de cincel está normalmente orienta en alineación con el eje de rotación del cono. Por lo tanto, diferencia de los insertos cónicos y esféricos, el inserto cincel puede ser direccionalmente orientado alrededor de su e central. (Esto es verdad para cualquier diente el cual no es axialmente simétrico) . El ángulo axial de orientación es medi desde el plano que cruza el centro del cono y el centro d diente.

Antecedente: Formaciones y Mecánicas de la Roc Hay muchos factores que determinan perforabilidad de una formación. Estos incluyen, por ejemplo, resistencia a la compresión, la dureza y/o la abrasión, elasticidad, el contenido de mineral (espesor) , la permeabilidad la porosidad, el contenido de fluido, la presión intersticial, el estado de tensión bajo tierra.

Las formaciones suaves fueron originalment perforadas, con brocas de arrastre de "cola de pescado", la cuales cortaron la formación. Las brocas de cono giratori diseñadas para perforar formaciones suaves son diseñadas par maximizar la acción de vaciado y de raspado. Para lograr esto los conos son desplazados para inducir a la desviación más grand permitida para girar en sus centros verdaderos. Los ángulos d muñón son pequeños y los ángulos de perfil del cono podrá tene variaciones relativamente largas. Los dientes son largos, filoso y ampliamente separados para permitir la penetración más grand posible. El perforado en las formaciones suaves se caracteriz .por el poco peso. y las altas velocidades de rotación.

Las formaciones duras son perforadas mediante l aplicación de grandes pesos en las brocas y triturar la formació en la falla de compresión. La roca podrá fallar cuando la carg aplicada excede la resistencia de la roca. Las brocas de con giratorio diseñadas para la perforación de formaciones duras so diseñadas para girar en forma tan cerrada como sea posible en un rotación verdadera, con poca acción de vaciado y de raspado. E desplazamiento podrá ser de cero y los ángulos de muñón podrá ser más grandes . Los dientes son pequeños y están separado cerradamente para evitar el rompimiento con cargas grandes. perforación en las formaciones duras se caracteriza por el gr peso y las velocidades de rotación bajas.

Las formaciones medias son perforadas mediante combinación de accesorios de brocas para formaciones duras suaves. La roca se rompe (es fallida) mediante la combinación fuerzas de compresión con acción limitada de corte y de vacia que son logradas mediante el diseñar brocas con una cantid moderada de desplazamiento. El largo del diente es diseña también para extensiones medias. La perforación en l formaciones medias es hecha a menudo con pesos y velocidades rotación entre aquellas de las formaciones suaves y duras. L prácticas de perforación de área son evaluadas para determin las combinaciones óptimas.

Antecedente: Interacción de la Broca de Co Giratorio con la Formación Además de mejorar la eficiencia de la perforació el estudio de los patrones del orificio interior ha permitido los ingenieros el evitar fenómenos perjudiciales tales co aquellos conocidos como rastreo y girado. Las impresiones q hace un diente en la formación dependen grandemente del diseñ del diente, los movimientos de raspado radial y tangencial de diente, la fuerza y la velocidad con las cuales el diente impact a la formación, y las características de la formación. El rastre ocurre cuando los dientes de una broca fallan en las impresione en la formación formada por los dientes en un momento anterior e el tiempo durante la revolución de la broca. El girado ocurr cuando una broca falla en perforar en el centro. Ambos fenómeno resultan en tasas lentas de penetración, perjudiciales a desgaste de las estructuras de corte y de la falla prematura d las brocas. Otras condiciones perjudiciales incluyen anillos n cortados excesivos en el patrón del orificio inferior. Est condición puede hacer que el girado, resulte en tasas lentas d penetración, un desgaste perjudicial de las estructuras de cort y la falla prematura de las brocas. Otro fenómeno perjudicial so las vibraciones laterales de la broca, las cuales pueden se hechas por el desequilibrio de la fuerza radial, el desequilibri de la masa de la broca, la interacción de la broca y la formació entre otras cosas. Esta condición incluye las inversione direccionales y el girado alrededor del centro del orificio menudo conocido como giro. La vibración lateral resulta en u rendimiento pobre de la broca, en una perforación de orificio d sobre calibrado, fuera d-e giro, o de orificios de pozo d "lóbulo", y la falla prematura de ambas las estructuras de cort y los sistemas de rodamiento de las brocas. (Kenner e Isbell, E Análisis Dinámico Revela Estabilidad de las Brocas para Roca d Cono Giratorio , SPE 28314, 1994) .

Antecedente: Diseño de la Broca Actualmente, los diseños de la broca de co giratorio son el resultado de generaciones de modificacion hechas a los diseños originales. Las modificaciones están basad en años evidencia en la evaluación de los registros de la broc de las condiciones de la broca roma, y de los patrones d orificio inferior.

Un método comúnmente usado para desanimar arrastre de la broca es conocido como un diseño de dien alterno. En este diseño los dientes están localizados intervalos desiguales a lo largo de la circunferencia del con Esto tiene la intención de interrumpir el patrón recurrente las impresiones en el fondo del orificio. Los ejemplos de es están mostrados en la patente de los Estados Unidos de Améri No. 4,187,922 y en la solicitud de patente del Reino Unido N 2,241,266.

Antecedente: Defectos de los Diseños de la Bro Existentes La economía de perforación de un pozo depen mucho de la tasa de perforación. Dado que el diseño de estructura de corte de una broca controla la habilidad de broca para lograr una tasa grande de penetración, el diseño de estructura de corte juega un papel significativo en la econom total de la perforación de un pozo. Los diseños de broca actual no han resuelto el tema del rastreo. Los modelos matemátic complejos pueden simular los patrones del orificio inferior una extensión, pero éstos no sugieren una solución al proble siempre presente del rastreo. Las orientaciones angular conocidas de los dientes diseñados para mejorar la resistencia impacto del diente dejan excesivos patrones de orificio inferi sin cortar y no resuelven el problema del rastreo. L orientaciones angulares conocidas de los dientes diseñados pa incrementar la cobertura del orificio inferior, fallan optimizar la orientación del diente y no resuelven el proble del rastreo. Los diseños alternos de diente no evitan el rastr en las hileras más exteriores de los dientes. Las hileras m exteriores de cada cono, los dientes están encontran intervenciones en la formación dejada por los dientes de otr conos. Los dientes alternos podrán igualmente rastrear u impresión como cualquier otro diente. Otra desventaja de lo diseños alternos es la de que éstos pueden hacer fluctuaciones la velocidad rotacional del cono, que resultan en fluctuacione en la fuerza de impacto del diente e incrementan la vibración la broca. La vibración de la broca es muy dañina a la vida de l broca y a la vida completa de la sarta de perforación.

Antecedente: Diseño de la Estructura de Corte En la publicación Una Nueva Forma Pa Caracterizar La Acción de Vaciado y de Raspado de las Brocas Cono Giratorio (Ma, Sociedad de Ingenieros Petroleros No. 19448 1989) , el autor determina que un diente en la primera hiler (tacón o longitud de corte) de la broca evaluada hace contact con la formación en -22 grados (medidos con respecto a l rotación del cono alrededor de su muñón) y comienza a separars a un ángulo de -6 grados. El autor determina que el rango d contacto para la segunda hilera del mismo cono es de desde -2 grados hasta de 6 grados. El autor menciona que "debido a que l cresta de los insertos de cincel están siempre en una direcció paralela con la generatriz del cono giratorio... el raspad radial podrá afectar el área de barrido solo ligeramente" . E autor concluye que la distancia de_ raspado es más importante qu la velocidad del cortado para determinar el rendimiento.

En la patente de los Estados Unidos de América No 5,197,555, este describe una broca de cono giratorio que tien una orientación axial angular opuesta a los insertos en forma d cincel en la primera y en la segunda hileras de un cono. Est invención está sobre la premisa en la determinación de que lo insertos raspan diagonalmente hacia adentro y ya sea hacia e lado delantero (de cara a la dirección de rotación) o hacia e lado trasero (de cara a la dirección opuesta de rotación) . S nota que los insertos de hilera de tacón engranan en la formaci del lado delantero, mientras que los insertos de la segun hilera engranan en la formación en la orilla trasera. En u incorporación, los insertos en la hilera de tacón est axialmente orientados a un ángulo de entre 30 grados y 60 grado mientras que los insertos en la segunda hilera están parcialmen orientados entre 300 grados y 330 grados. Esta orientación es diseñada para suministrar los insertos con una resistencia may al rompimiento. En una incorporación alterna, los insertos en filas de tacón están orientados a un ángulo axial de entre 3 grados y 330 grados, mientras que los insertos en la segunda fi están axialmente orientados entre 30 grados y 60 grados. Es orientación está diseñada para suministrar a los insertos con área de contacto más amplia con la formación para una remoción formación incrementada, y por lo tanto una tasa incrementada penetración de la broca en la formación.

Síntesis: Brocas de Cono Giratorio, Sistema Métodos de Perforación, y Métodos de Diseño con Optimización Orientación del Diente La presente solicitud describe los métodos diseño de la broca (y las brocas correspondientes, métodos perforación, y los sistemas) en los cuales la orientación d diente es conjuntamente optimizada con otros parámetros, usan un programa de computadora el cual gráficamente exhibe trayectoria linealizada de cada hilera de dientes, como s traduce en la superficie del cono. Preferiblemente la relación d velocidad de cada cono es precisamente calculada, como es l trayectoria arqueada de cada diente a través de la formación. Si embargo, para una retroalimentación rápida para un ingeniero d diseño, las aproximaciones lineales DE la trayectoria del dient son exhibidas preferiblemente.

Las innovaciones descritas, en varia incorporaciones, proporcionan uno o más de por lo menos una d las siguientes ventajas: • Los métodos descritos proporcionan una form muy conveniente para que los diseñadores tomen una ventaj completa de la precisión de un cálculo implementado po computadora de las geometrías. (El movimiento sobre el fondo de orificio de un diente de broca de cono giratorio es tan complej que solamente un modelo matemático complejo y asociado con u programa para computadora puede proporcionar un soporte de diseñ preciso) .

• Los métodos descritos proporcionan un cálcul conveniente de la trayectoria del diente sobre el fondo del orificio durante el periodo cuando el diente se engancha y s desengancha de la formación.

• Los métodos descritos permiten al ángulo orientación de los dientes en todas las hileras el s precisamente determinados con base en la trayectoria del dient • Los métodos descritos permiten la influencia los cambios de orientación del diente en la proporción cobertura de la broca sobre el fondo del orificio para s precisamente estimados y compensados.

• Los métodos descritos también permit seleccionar óptimamente los diferentes tipos de dientes para l diferentes hileras, con base en la trayectoria del diente.

La siguiente solicitud de patente describe l optimizaciones y los métodos para diseñar brocas de co giratorio los cuales pueden ser usadas separadamente o combinación sinergística con los métodos descritos en la presen solicitud. Esa solicitud, la cual es de propiedad, común, autor de invención, y fecha de presentación efectiva con la presen solicitud, y es : la solicitud presentada el 31 de agosto de 199 intitulada "Brocas de Cono Giratorio de Fuerza Balancead Sistemas, Métodos de Perforación, y Métodos de Diseño" (asunto abogado Docket No. SC-9825) , que reivindica la prioridad de solicitud provisional de los Estados Unidos de América N 60/098,466 presentada el 31 de agosto de 1998.

La solicitud no provisional, y la solicitud d prioridad provisional, son ambas incorporados aquí po referencia.

Breve Descripción del Dibujo Las invenciones descritas podrán ser descritas co referencia a los dibujos anexos, los cuales exhibe incorporaciones de muestra importantes de la invención y lo cuales son incorporados aquí en la descripción de la misma po referencia, en donde: Las figuras ÍA a 1C exhiben una incorporación d muestra de un proceso de diseño de broca, que usa las enseñanza de la presente solicitud.

La figura 2 muestra los componentes de velocida radial y tangencial de la trayectoria del diente, vistos a travé de la cara de corte (por ejemplo viendo hacia arriba) .

Las figuras 3A, 3B, 3C y 3D muestran planos de la trayectorias de diente planas para los dientes en cuatro hilera de un cono sencillo, mencionadas con las coordenadas XY de l figura 2.

Las figuras 4A y 4B muestran las distanci radiales y tangenciales, respectivamente, para las cuat trayectorias de diente mostradas en las figuras 3A a 3D.

La figura 5 es una vista seccional de un co (normal a su eje), que muestra como es definida la orientaci del diente .

La figura 6 muestra esquema de tiempo y domino la velocidad tangencial del diente, para las cinco hileras pa un cono de muestra, sobre la duración de la trayectoria para ca hilera.

Las figuras 7A y 7B muestran como la optimizaci de la orientación del diente puede perturbar el ancho de l anillos no cortados en el fondo del orificio.

Las figuras 8A y 8B muestran como la optimizació de la orientación del diente puede alterar los espacios diente.

Las figuras 9A, 9B y 9C muestran las vistas e pantalla las cuales puede ver un diseñador de broca hábil, d acuerdo a algunas incorporaciones de la invención, mientras qu trabaja en una optimización de la broca la cual incluye l optimización de la orientación del diente.

La figura 10 muestra una torre de perforación la cual pueden ser ventajosamente empleadas las broc optimizadas por las enseñanzas de la presente solicitud.

La figura 11 muestra una broca de cono girator convencional, y la figura 12 muestra un barreno de arrast convencional .

La figura 13 exhibe un plano de muestra XYZ de u punta de diente no asimétrica.

La figura 14 muestra vistas seccional y axial d cono i-th, e ilustra la enumeración de las hileras y de l dientes .

Las figuras 15A a 15D muestran como l trayectorias del diente planificadas varían mientras que incrementa el descentrado.

Las figuras 16A a 16D muestran como los valores distancia de raspado tangente equivalente ETSD y de distancia raspado radial equivalente ERSD varían para todas las hileras un cono dado mientras que se incrementa el desplazamiento.

Descripción Detallada de las Incorporacione Preferidas Las numerosas enseñanzas innovadoras de l presente solicitud podrán ser descritas con particular referenci a la presente incorporación preferida (a modo de ejemplo, y no d limitación) .

Sobrevista de los Procesos de Diseño Muestra Las figuras 1A a 1C exhiben una incorporación d muestra de un proceso de diseño de broca, que usa las enseñanza de la presente solicitud. Específicamente, la figura muestra un vista general del proceso de diseño, y las figuras IB y expande partes específicas del proceso.

Primero, son introducidos (paso 102) . La geometrí de la broca, las propiedades de la roca, los parámetro operacionales de la broca. Después son exhibidos (paso 104) l forma del diente 3D, el perfil del cono, el esquema del cono, e cono 3D, la broca 3D, y el perfil del orificio 2D.

Debido a que hay dos tipos relevantes de rotació para el cálculo del fondo del orificio (la rotación del cono y l rotación de la broca) , deben de ser calculadas (paso 106) la matrices de transformación de las coordenadas de cono a broca (Ver figura IB) . El número de revoluciones de la broca introducido (paso 108) , y cada cono es contado (paso 110) seguido por cada hilera de dientes para cada cono (paso 112) Luego, el tipo de dientes de cada hilera es identificado (pa 114) , y los dientes son contados (paso 116) . Luego, un interva delta de tiempo es colocado (paso 118) , y la posición de ca diente es calculada en este intervalo de tiempo (paso 120) . Si diente dado no está "cortando" (por ejemplo, en contacto con fondo del orificio) , entonces el algoritmo continúa contan hasta que un diente de corte es alcanzado (paso 122) . trayectoria del diente, la velocidad, la distancia de raspado, l distribución del cráter, la tasa de cobertura y las proporcion de rastreo para todas las filas, los conos, y de la broca s calculados (paso 124) . Esta sección del proceso (mostrada en l figura IB) le da movimiento al diente sobre el fondo d orificio, y exhibe los resultados (paso 126) .

Luego son calculadas las mecánicas de la broca (Ver figura 1C) . Una vez más son calculadas (paso 128) la matrices de transformación de las coordenadas de cono a broca, son introducidos (paso 130) el número de revoluciones de la broc y los pasos de tiempo máximo, delta. Los conos son entonce contados (paso 132) , los ángulos de rotación de la broca y de cono son calculados en un paso de tiempo dado (paso 134) , y la hileras son contadas (paso 136) . Luego, las matrices superficie del diente 3D para los dientes en una hilera dada so calculadas (paso 138) . Los dientes son entonces contados (pas 140) , y la posición 3D del diente en el fondo del orificio e calculada en un intervalo de tiempo dado (paso 142) . Si un dient no está cortando, el conteo continúa hasta que un diente de cort es alcanzado (paso 144) . Son calculados la profundidad de corte de área, de volumen y de fuerzas para cada diente, y e actualizado el modelo del fondo del orificio (basado en el model del cráter para el tipo de roca que está siendo perforada) . Lueg es contado el número de dientes que cortan en cualquier paso d tiempo dado. La fuerza del diente es proyectada en la coordenadas del cono y de la broca, dando las fuerzas y momento totales de la broca y del cono. Finalmente es calculada l energía específica de la broca (paso 146) .

Finalmente, los resultados son sacados (paso 148) El procesa puede entonces ser reiterado si se necesita.

Cuatro Sistemas de Coordenadas Cuatro sistemas de coordenadas son usados, en l incorporación presente preferida, para definir el punto de l cresta de un diente en un espacio de tres dimensiones. Todo e sistema de coordenadas obedece a la "Regla de Mano Derecha" Estos sistemas de coordenadas - diente, cono, broca, y orificio están descritos abajo.

Coordenadas de Diente Local La figura 13 exhibe el plano de muestra XYZ de un punta de diente (en coordenadas locales de dientes) . La coordenadas de diente podrán ser indicadas aquí por el subíndic t. (Desde luego, cada diente tiene su propio sistema d coordenadas de diente) El centro del sistema de coordenada Xt,Yt,Zt de la presente incorporación preferida, está localizad en el centro del diente . La coordenada en el punto de cresta de diente Pt podrá ser definida por los parámetros del perfil de diente (por ejemplo diámetro del diente, extensión, etc.).

Coordenadas del Cono La figura 14 muestra vistas sección y axiales de cono i-th, e ilustra la enumeración de las hileras y de lo dientes . Las coordenadas de cono podrán ser indicadas aquí con e subíndice c. El centro de las coordenadas de cono está localizad en el centro de la cara trasera del cono. El cuerpo del cono est fijo con respecto a estas coordenadas, y por lo tanto ESTA COORDENADAS GIRAN CON EL CONO. (Por supuesto, cada cono tiene s propio sistema de coordenadas de cono) . El eje Zc coincide con e cono del eje, y está orientado hacia el centro de la broca. Lo ejes del cono Yc y Xc, junto con el eje Zc siguen la regla de man derecha. Como se muestra en la figura 13, los cuatro parámetro son suficientes para completamente definir la coordenada de punto de la cresta de un diente en el perfil del cono. Esto cuatro parámetros son Hc, Rc, 0C y ?c . Para todo los dientes en l misma hilera, Hc, Rc, y 0C son el mismo.

Coordenadas de la Broca Similarmente, un juego de ejes de broca XbYbZb indicado por el subíndice b, está alineado a la broca. La broc está fija con respecto a estas coordenadas, y por lo tanto ESTA COORDENADAS GIRAN CON LA BROCA. El eje Zb preferiblemente apunt hacia la cara de corte, y el eje Xb y el eje Yb son normales a (y siguen la regla de mano derecha) .

Coordenadas del Orificio El sistema de coordenadas más sencillo est definido por los ejes de orificio XhYhZh los cuales están fijos e el espacio. Nótese sin embargo que los ejes Zb y Zh pueden no se coincidentes si la broca está inclinada. La figura 2 muestra lo componentes de velocidad radial y tangencial de la trayectori del diente, vistos a través de la cara de corte (por ejemplo ve hacia arriba) . Está ilustrada una parte pequeña de un trayectoria del diente, en donde la cresta del diente (proyectad en un plano XhYh el cual se aproxima al fondo del orificio) s mueve desde el punto A al punto B, sobre una distancia de arco d y a una distancia radial dr.

Transformaciones Debido a que todos estos sistemas de coordenada son sistemas xyz, éstos pueden estar interrelacionados po transformaciones de matriz sencillas.

Ambos la broca y los conos están girando co tiempo. A fin de calcular la posición en el fondo del orificio e donde el punto de la cresta de un diente engancha en un formación, y la posición en la que el punto de la cresta de u diente se desengancha de la formación, todas las posiciones d los dientes en cualquier tiempo deben de estar descritas en u sistema coordinado de orificio XhYhZh.

La transformación de coordenadas de diente XtYtZ a las coordinadas de cono XCYCZC pueden ser definida por un matriz Rtc, la cual es una función de la matriz de los parámetro de los dientes : Rtc f (Hc 0C) / para que cualquier punto Pt en XtYtZt pueda ser transformado e coordenadas de cono locales XCYCZC mediante: P = R * p En el tiempo t=0, se asume que el plano XcOcZc paralelo al eje de la broca. En el tiempo t, el cono tiene ángulo de rotación ? alrededor de su eje negativo (-Zc Cualquier punto en el cono se mueve a una nueva posición debi a su rotación. La nueva posición de Pc en XCYCZC puede s determinada por la combinación de transformaciones lineales.

La matriz de transformación debida a la rotaci del cono R-.

Rcono = cos(?)I + (l-cos(?)) NcNc ' + sin (?) Me, donde Nc es el vector de rotación y Mc es una matriz 3*3 defini por Nc.

Por lo tanto, la nueva posición Pcrot de Pc debi a la rotación del cono es : p _ D * P Dejar que Rcbl , RCb2 Y Rct3 sean matrices de transformación respectivas (para los conos 1, 2, y 3) coordenadas de cono a coordenadas de broca. (Estas matrices ser funciones de los parámetros de broca tal como un ángulo de pern de descentrado, y de longitud de cara trasera) . Cualquier pun PC1 en las coordenadas de cono puede ser transformado coordenadas de broca por: Pb = R,cbi *P'a 4t- • cOi para i = 1 , 2 , o 3 , en donde Pc0i es el origen de las coordinadas del cono en sistema de coordenadas de la broca.

La broca está girando alrededor de su propio ej Asumamos que el eje de la broca y el eje del orificio s coincidentes en el tiempo t=0. En el tiempo t, la broca tiene ángulo de rotación ß. La matriz del transformación debido a rotación de la broca es : Rbh = cos(ß)I + (l-cos(ß) )NbNb' + sin(ß)Mb en donde Nb es el vector de rotación y Mb es una matriz 3* definida por Nb. Por lo tanto, cualquier punto Pb en el siste de coordenadas de la broca puede ser transformado en el siste de las coordenadas de orificio XhYhZh por: Ph = Rbh * Pb Por lo tanto, la posición del punto de la crest de cualquier diente en cualquier tiempo en el espacio de tre dimensiones ha sido completamente definido por las siet ecuaciones anteriores. A fin de determinar adicionalmente e punto de enganche y de desenganche la formación es moldeada, e la presente incorporación preferida, a través de plano horizontales de pasos múltiples. (El número de planos horizontale depende en el número total de hileras en la broca) . En est forma, puede ser determinada la trayectoria de cualquier dient en el fondo del orificio.

Cálculo para las Trayectorias en el Plano de Orificio Inferior Con las transformaciones anteriores, l trayectoria de la cresta del diente a través del fondo de orificio puede ser calculada. Las figuras 3A, 3B, 3C y 3 muestran planos de las trayectorias de diente planos referenciados por las coordenadas de orificio XhYh, para lo dientes en cuatro hileras diferentes de una broca de con giratorio particular. Los dientes en la hilera más exterio (primera hilera) raspan hacia la orilla frontal del cono. La distancias de raspado tangencial y radial son similares, com puede verse mediante la comparación de la primera barra en l figura 4A con la primera barra en la figura 4B . Sin embargo par los dientes en la segunda hilera el movimiento de raspado radia es mucho más grande que el movimiento tangencial . Los dientes e la tercera hilera raspan hacia el lado trasero del cono, y lo dientes en la cuarta hilera raspan hacia el lado frontal de cono.

Las figuras 4A y 4B muestran las distancias radia y tangencial por revolución de la broca, respectivamente para la cuatro trayectorias del diente mostradas en las figuras 3A a 3D Nótese que, en este ejemplo, el movimiento de la segunda hiler es casi completamente radial, y no tangencial.

Proyección de las Trayectorias en las Coordenada del Cono Las trayectorias de diente descritas arriba so proyectadas en el fondo del orificio el cual es fijado en e espacio. En esta forma se observa claramente como el diente rasp sobre el fondo. Sin embargo para el fabricante de la broca o e diseñador de la broca es necesario saber el ángulo de orientació de los dientes en las coordenadas del cono, a fin de ya se mantener el lado alargado de la perpendicular del diente a l dirección de raspado (para la tasa de corte máxima en la formaciones suaves) o para mantener el lado alargado del dient en línea con la dirección de raspado (para la durabilidad en la formaciones duras) . Para este fin las trayectorias del diente so proyectadas al sistema de coordenadas del cono. Dejar qu P?={X? Yi- ZiJc y P2={X2,Y2,Z2}C sean los puntos de engrane y d desengrane en el sistema de coordenadas del cono, respectivamente, y aproximadamente la trayectoria del cono P^ como una línea recta. Entonces el ángulo de raspado en l coordenadas del cono es : y Los dientes pueden entonces orientar apropiadamente con respecto a este ángulo gamma. Por ejempl para la .perforación de la formación suave el diente pod preferiblemente ser orientado para que su lado amplio es perpendicular a la dirección de raspado, a fin de incrementar tasa de remoción de roca. En este caso, la dirección ?c de cresta alargada del diente, en las coordenadas del cono, normal a ?s, por ejemplo ?c=?s+tr/2. A la inversa, para perforación de formaciones duras con un diente en forma de cinc puede ser preferible el orientar el diente con un área front mínima en la dirección del raspado, por ejemplo con ?c = ys .

Derivación del Raspado Tangencial y Radia Equivalente Hay numerosos parámetros en el diseño de con giratorio, y los diseñadores con experiencia ya conocen, cualitativamente, que los cambios en la forma del cono (ángul del cono, ángulo del tacón, tercer ángulo, y ángulo de tamañ grande) así como el desplazamiento y ángulo de muñón podrá afectar al patrón de raspado de los dientes a fin de tener un acción en el fondo deseada. Un problema es que no es fácil d describir cuantitativamente una acción en el fondo deseada. L presente solicitud proporciona las técnicas para referirse a est necesidad.

Los parámetros nuevos han sido definidos a fin d evaluar cuantitativamente la forma del cono y los efectos de desplazamiento en el movimiento de raspado del diente. Ambos d estos parámetros pueden ser aplicados ya sea a una broca o conos individuales . (1) La Distancia de raspado tangente equivalent (ETSD) es igual a la distancia de raspado tangente total de todo los dientes en un cono (o broca) dividida por el número total d los dientes en el cono (o broca) . (2) La distancia de raspado radial equivalent (ERSD) es igual a la distancia de raspado tangente total de todo los dientes en un cono (o broca) dividida por el número total d dientes en el cono (o broca) .

Ambos de estos dos parámetros tienen mucho má significado físico claro que el valor desplazado y la forma de cono.

Sorprendentemente, la forma arqueada (o pandeada) del cono primariamente afecta el valor de la distancia de raspado tangente equivalente, y el desplazamiento determina el valor de la distancia de raspado radial equivalente. También sorprendentemente, la distancia de raspad radial equivalente no es igual a cero incluso en desplazamient cero. En otras palabras, los dientes en una broca sin desplazamiento puede todavía tener algo de efectos pequeños de raspado radial .

La dirección de raspado radial para todos los dientes es siempre hacia el centro del orificio (positivo) . Si embargo, la dirección de raspado tangencial es usualmente diferente de hilera a hilera.

A fin de usar los efectos de raspado completamente y efectivamente, el lado delantero de la cresta de los dientes alargados deberá de ser orientado en un ángulo al plano del eje del cono, el cual es calculado como se describió arriba para cualquier hilera dada.

La figura 2 muestra el procedimiento en el cual el diente corta adentro (punto A) y afuera (punto B) de la formación. Debido al desplazamiento de la broca, a la forma de cono arqueado y a las rotaciones de la broca y del cono, el movimiento de A a B puede ser dividido en dos partes : el movimiento tangente ds y el movimiento radial dr . Nótese que los movimientos tangente y radial están definidos en el sistem de coordenadas de orificio XhYh. Debido a que ds y dr varían d hilara a hilera y de cono a cono, nosotros deducimos una distancia de raspado de tangente equivalente (ETSD) y una distancia de raspado radial equivalente (ERSD) para codo un cono (o para la broca completa) .

Para un cono, nosotros tenemos Nr ETSD = -l Nc y en donde Nc es la cuenta de diente total de un cono y Nr es e número de hileras de un cono.

Similarmente para una broca, nosotros tenemos en donde Nb es la cuenta de diente total de la broca, Las figuras 15A a 15D muestran como las trayectorias de diente planarizadas varían mientras que el desplazamiento es incrementado. Estas figuras claramente muestran que con el incremento del valor de desplazamiento, la distancia de raspado radial está incrementada. Sorprendentemente, la distancia de raspado radial no es igual cero aún si el desplazamiento es igual a cero. Esto se debe a la forma arqueada del cono.

Las figuras 16A a 16D muestran como los valores de distancia de raspado radial equivalente y la distancia de raspado tangente equivalente varían para todas las hileras pa un cono dado mientras que el desplazamiento es incrementado. D estas figuras, se puede observar que la distancia de raspado tangente en una hilera de longitud de corte, mientras que es muy pequeña comparada con las otras hileras pero no es igual a cero. Significa que hay un deslizamiento aún para los dientes en la hilera impulsora. Este hecho puede ser explicado mediant el observar la velocidad tangente durante la entrada y la salida de los dientes adentro y afuera de la roca. (La figura muestra los planos de dominio de tiempo de la velocidad tangencial del diente, para las cinco hileras de un cono muestra, sobre la duración de la trayectoria para cada fila) . Durante el procedimiento de corte la velocidad tangente no es igual a cero excepto por un instante. Debido a que la velocida de deslizamiento cambia con el tiempo, la velocidad instantáne no es la mejor forma para describir la interacción de los dientes/de la roca.

Nótese que las direcciones de raspado tangente son diferentes de hilera a hilera para el mismo cono. La figur 5 es una vista en sección de cono (normal a su eje) , que muestra como la orientación del diente es definida por la presente solicitud: La dirección positiva es definida como la misma dirección igual que la rotación de la broca. Esto significa que el lado delantero del diente en una hilera puede ser diferente de aquélla en otra hilera.

La distancia de raspado radial equivalente se incrementa casi proporcionalmente con el incremento del desplazamiento de la broca. Sin embargo, la distancia de raspado radial equivalente no es cero aún si el desplazamiento de la broca es de cero. Esto es porque la velocidad de deslizamiento radial no es siempre de cero durante el procedimiento del corte del diente en y afuera del corte de la roca.

Cálculo para los Anillos no Cortados, y Ajuste de la Posición de Hilera Las figuras JA y 7B muestran^ cómo la optimización de la orientación del diente puede perturbar el ancho de los anillos no cortados en el fondo del orificio. El ancho de los anillos no cortados es una de las limitaciones de diseño: un anillo no cortado suficientemente estrecho podrá fácilmente fracturarse por la acción de corte adyacente y los flujos de lodo, pero un anillo no cortado grande podrá atrasar la tasa de penetración. Por lo tanto una de las enseñanzas significativas de la presente solicitud es la de que la orientación del diente no deberá de ser ajustada en aislamiento, pero preferiblemente deberá de ser optimizada conjuntamente con el ancho de los anillos no cortados.

Verificación de la Interferencia Otra limitación es la interferencia del diente. En las geometrías aglomeradas de un diseño de un cono giratori optimizado, es fácil un ajuste en la posición de la hilera par hacer la interferencia entre los conos. Las figuras 8A y 8B gráficamente muestran cómo la optimización de la orientación del diente puede perturbar los espacios del diente. Por lo tanto en la optimización de la orientación del diente es preferiblemente seguida por una verificación de la interferencia (especialmente si las posiciones de las filas so cambiadas) .

Iteración Preferiblemente son usadas las iteraciones múltiples de las varias optimizaciones, para asegurar que las varias limitaciones y/o requerimientos son todas conjuntamente satisfechas a un intercambio óptimo.

Exhibición Gráfica El movimiento de raspado para cualquier diente en cualquier hilera es visualizado en la pantalla de la computadora del diseñador. El diseñador de la broca tiene una oportunidad de observar cuantitativamente que tan grande es el movimiento y en cual dirección de los parámetros geométricos d la broca son cambiados la forma del cono y el desplazamiento.

Las figuras 9A, 9B y 9C muestran las vistas en pantalla que podrá ver un diseñador de la broca con habilidad, de acuerdo a algunas incorporaciones de la invención, mientras que trabaja en una optimización de la broca la cual incluye la optimización de la orientación del diente. Estas tres vistas muestran las representaciones de la orientación del diente y d la dirección del raspado para cada fila de diente en cada uno de los tres conos. Esta exhibición sencilla permite al _ diseñador el tener una percepción del efecto de las múltiples variaciones de los parámetros .

Cálculo de la Tasa de Rotación Cono/Broca La presente solicitud también enseña que la relación entre las velocidades de rotación del cono y de la broca puede ser fácilmente verificadas, en el contexto de los cálculos de fuerza detallados descritos arriba, simplemente mediante el cálculo de los momentos de torsión alrededor del eje del cono. Si éstos momentos de torsión suman cero (a una tasa dada de velocidad del cono y de la broca) , entonces la tasa dada es correcta. Si no es así, el calculo iterativo pued ser efectuado para encontrar el valor de esta tasa.

Sin embargo, deberá de notarse que el cálculo exacto del momento de torsión en los conos depende del uso de un modelo de diente de cuerpo sólido, como se describió arriba en vez de un mero punto de aproximación.

Las simulaciones previas en las brocas de cono giratorio han asumido que la hilera de la longitud de corte es la hilera "que impulsa", la cual no tiene deslizamiento tangencial en contra de la cara de corte. Sin embargo, esto es una simplificación la cual no es completamente precisa. El cálculo preciso de la tasa de la velocidad del cono a la velocidad de la broca muestran que casi nunca es correcto, si están presentes hileras múltiples de dientes, para asumir que la hilera de longitud de corte es el impulsor.

Los cambios en el ángulo de orientación del diente no podrán por sí mismos tener un efecto inmediato grand en la tasa de velocidad del cono. Sin embargo, los efectos de orientación del diente al ancho de los anillos no cortados, y el ancho excesivo del anillo no cortado puede requerir que el espacio de las filas del diente sea cambiado. Cualesquier cambios en el espacio de las filas de diente podrá probablemente afectar a la tasa de velocidad del cono.

Definiciones A continuación hay definiciones cortas de los significados usuales de algunos de los términos técnicos los cuales son usados en la presente solicitud. (Si embargo, aquellos con habilidad ordinaria podrán reconocer si el contexto requiere de un significado diferente) . Las definiciones adicionales pueden encontrarse en las revistas y diccionarios técnicos normales .

Barrena de arrastre: una broca sin partes movibles que perfora por intrusión y arrastre.

Lodo: el líquido que circula a través del orificio de pozo durante las operaciones de perforación giratoria, también mencionados como un fluido de perforación. Originalmente una suspensión de sólidos de tierra (especialmente arcillas) en agua, el "lodo" moderno es una mezcla de tres fases de líquidos, de sólidos reactivos, y de sólidos inertes.

Boquilla de rociado: en un conducto a través de cual sale el fluido de la perforación sale de una broca, la parte de ese conducto la cual restringe la sección transversal para controlar el flujo del fluido.

Orientación: el ángulo de rotación con el cual es insertado un diente de eje no simétrico en un cono. Nótese que un diente el cual es de eje simétrico (por ejemplo uno que tiene una punta hemiesferica) no puede tener una orientación.

Broca de cono giratorio: una broca hecha de dos de tres, o de cuatro conos, o cortadores, que están montados e los rodamientos resistentes más extremos. También llamados barrenos de roca. La superficie de cada cono está hecha de hileras de dientes de acero (generalmente para formaciones más suaves) o hileras de insertos duros (típicamente de carburo de tungsteno) para formaciones más duras.

De acuerdo a una clase descrita de incorporaciones innovadoras, se proporciona: un método para diseñar una broca de cono giratorio, que comprende los pasos de: ajustar la orientación de por lo menos un diente en un cono, dependiendo de una trayectoria esperada de dicho diente través del material de formación en la cara de corte, dependiendo de una tasa estimada de rotación del cono a la rotación de la broca; que recalcula dicha tasa, si la ubicació de cualquier hilera de dientes en dicho cono cambia durante la optimización; que recalcula la trayectoria de dicho diente de conformidad con un valor recalculado de dicha velocidad del cono; y que ajusta la orientación otra vez de dicho diente, conformidad con un valor recalculado de dicha trayectoria del diente .

De acuerdo a otra clase descrita de incorporaciones innovadoras, se proporciona: un método para diseñar una broca de cono giratorio, que comprende los pasos de: calcular la trayectoria de por lo menos un diente en cada cono a través del material de formación en la cara de corte; conjuntamente optimizar ambas las orientaciones de dichos dientes y el ancho de los anillos no cortados en dicha cara d corte, con dependencia de tal trayectoria.

De acuerdo a otra clase descrita de incorporaciones innovadoras, se proporciona: un método para diseñar una broca de cono giratorio que comprende los pasos d a) ajustar la orientación de por lo menos una hilera de dient en un cono, con dependencia de una trayectoria esperada de dicho diente a través del material de formación en la cara de corte; b) calcular el ancho de los anillos sin cortar del material de formación, con dependencia de la orientación de dicha hilera de dientes, y ajustar la posición de dicha hiler de dientes con dependencia de dicho ancho calculado; y c) recalcular la velocidad de rotación de dicho cono, si la posición de dicha hilera es cambiada, y de conformidad que recalcula dicha trayectoria de dientes en dicha hilera.

De acuerdo a otra clase descrita de incorporaciones innovadoras, se proporciona: un método para diseñar una broca de cono giratorio, que comprende los pasos de: calcular las trayectorias respectivas, de por lo menos dos dientes de eje no simétrico en hileras diferentes de una broca de cono giratorio, a través del material de formación en la cara de corte; y que gráficamente exhibe, a un ingeniero de diseño, ambas de dichas trayectorias y también los vectores de orientación respectivos de dichos dientes, mientras que el ingeniero ajusta los parámetros de diseño.

De acuerdo a otra clase descrita de incorporaciones innovadoras, se proporciona: un método para diseñar una broca de cono giratorio, que comprende los pasos de: calcular la trayectoria arqueada de un diente de eje no simétrico a través del material de formación en la cara de corte, mientras que la broca y los conos giran; que calcula un aproximación de línea recta en dicha trayectoria arqueada; y que orienta dicho diente con respecto a dicha aproximación, y no con respecto a dicha trayectoria arqueada.

De acuerdo a otra clase descrita de incorporaciones innovadoras, se proporciona: una broca de cono giratorio diseñada por cualquiera de los métodos descritos arriba, sencillamente o en combinación.

De acuerdo a otra clase descrita de incorporaciones innovadoras, se proporciona: una broca de cono giratorio diseñada por cualquiera de los métodos descritos arriba, sencillamente o en combinación, una sarta de perforación la cual está conectada mecánicamente a dicha broca y un impulsor giratorio el cual gira por lo menos parte de dicha sarta de perforación junto con dicha broca.

De acuerdo a otra clase descrita de incorporaciones innovadoras, se proporciona: un método para la perforación giratoria, que comprende las acciones de: aplicar un peso en la broca y un momento de torsión rotatorio, a travé de dicha sarta de perforación, a una broca diseñada de conformidad con cualquiera de los métodos descritos arriba, simplemente o en combinación.

Modificaciones y Variaciones Como podrá ser reconocido por aquellos con habilidad en el arte, los conceptos innovadores descritos en l presente solicitud pueden ser modificados y variados sobre un tremendo rango de aplicaciones, y de acuerdo al alcance del tema patentado no están limitados por cualquiera de las enseñanzas ejemplares específicas dadas.

Por ejemplo, las varias enseñanzas opcionalment pueden ser adaptadas a las brocas de dos conos o de cuatro conos .

En el ejemplo de las figuras 9A a 9C los perfiles de la cresta de todas las hileras excepto en las hileras de longitud de corte son mostrados como idénticos (y sus orientaciones de cresta están indicadas por elipses sencillas) . Sin embargo, esto no es necesario: opcionalmente a diseñador se le puede permitir el meter perfiles de dientes diferentes para hileras diferentes, y las rutinas de optimización pueden fácilmente sustituir los varios perfiles d dientes como se deseé. En particular, las varias formas del diente pueden ser seleccionadas de una biblioteca de perfiles, para encajar en el movimiento de raspado de cada hilera.

En una clase contemplada de incorporaciones alternativas, las orientaciones de los dientes pueden ser perturbadas a alrededor del valor óptimo, para inducir la variación entre las hileras de longitud de corte de los diferentes conos (o dentro de una hilera interior de un cono sencillo) , para proporcionar algo de resistencia adicional al rastreo .

Por supuesto la broca podrá también normalmente contener muchas otras características además de aquellas enfatizadas aquí, tales como los botones de longitud de corte, las almohadillas de desgaste, la reservas de lubricación, etc. etc..

El antecedente general adicional, el cual ayuda a mostrar el conocimiento de aquellos con una habilidad en el arte con respecto a las implementaciones y a la predictibilida de las variaciones, se pueden encontrar en las siguientes publicaciones, todas las cuales son aquí incorporadas por referencia: Ingeniería de Perforación Aplicada , Adam T. Bourgoyne Jr. y otros, serie de Libros de Texto de la Sociedad de Ingenieros Petroleros (1991) , Técnicas para el Desarrollo d Campos de Gas y de Petróleo: Perforación , J. -P. Nguyen (traducción en 1996, del original en francés 1993), Haciendo Orificios (1983) y Lodo de la Perforación (1984) , ambos parte de las series Perforación Giratoria, editada por Charles Kirkley.

Nada de la descripción de en la presente solicitud deberá de ser leída como que implica que cualquier elemento particular, paso, o función es un elemento esencial e cual debe de ser incluido en el alcance de la reivindicación: EL ALCANCE DE LA MATERIA OBJETO DE PATENTE ESTÁ SOLAMENTE DEFINIDO POR LAS REIVINDICACIONES OTORGADAS. Más aún, ninguna de estas reivindicaciones tienen la intención de invocar el párrafo seis de la Constitución de los Estados Unidos de América sección 112 a menos que las palabras exactas "signifi de" sean seguidas por un participio.

Claims (21)

R E Í V I N D I C A C I O N E S

1. Un método para diseñar una broca de cono giratorio, que comprende los pasos de: ajustar la orientación de por lo menos un dient en un cono, con dependencia de una trayectoria esperada de dicho diente a través del material de formación en la cara de corte, con dependencia a una proprción estimada de rotación de cono a la rotación de la broca; recalcular dicha proporción, si la ubicación de cualquier hilera de dientes en dicho cono cambia durante la optimización; recalcular la trayectoria de dicho diente de conformidad con un valor recalculado de dicha velocidad del cono; y ajustar la orientación de dichos diente una vez más, de conformidad con un valor recalculado de dicha trayectoria del diente.

2. El método tal y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizado porque todos los pasos son reiterados .

3. El método tal y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizado porque cada diente en dicha broca e de eje no simétrico.

4. Un método para diseñar una broca de cono giratorio, que comprende los pasos de: calcular la trayectoria de por lo menos de un diente en cada cono a través del material de formación en la cara de corte; y conjuntamente optimizar ambas las orientacione de dicho diente y el ancho de los anillos no cortados en dich cara de corte, con dependencia a dicha trayectoria.

5. El método tal y como se reivindica en la cláusula 4, caracterizado porque cada diente en dicha broca e de eje no simétrico.

6. Un método para diseñar una broca de cono giratorio que comprende los pasos de : a) ajustar la orientación de por lo menos una hilera de dientes en un cono, con dependencia a una trayector esperada de dicho diente a través del material de formación e la cara de corte; b) calcular el ancho de los anillos no cortados del material de formación, con dependencia a la orientación de dicha hilera de dientes, y ajustar la posición de dicha hilera de dientes en dependencia a dicho ancho calculado; y c) recalcular la velocidad rotacional de dicho cono, si la posición de dicha hilera es cambiada, y de conformidad recalcular dicha trayectoria de los dientes en dicha hilera.

7. El método tal y como se reivindica en la cláusula 6, caracterizado porque los pasos a) , b) , y e) son reiterados .

8. El método tal y como se reivindica en la cláusula 6, caracterizado porque cada diente en dicha broca es de eje no simétrico.

9. Un método para diseñar una broca de cono ciratorio, que comprende los pasos de: calcular las trayectorias respectivas, por lo menos de dos dientes de eje no simétrico en hileras diferentes de una broca de cono giratorio, a través del material de formación en la cara de corre; y gráficamente mostrar, a un ingeniero de diseño, ambas de dichas trayectorias y también los sectores de orientación respectivos en dichos dientes, mientras que el ingeniero ajusta los parámetros de diseño.

10. El método tal y como se reivindica en la cláusula 9, caracterizado porque cada diente en dicha broca e de eje no simétrico.

" 11. Un método para diseñar una broca de cono giratorio, que comprende los pasos de: calcular la trayectoria arqueada de un diente eje no simétrico a través del material de formación en la car de corte, mientras que la broca y los conos giran; calcular una aproximación de línea recta a dic trayectoria arqueada; y orientar dichos diente con respecto a dicha estimación, y no con respecto a dicha trayectoria arqueada.

12. El método tal y como se reivindica en la cláusula 11, caracterizado porque el paso para calcular la trayectoria del diente en la formación mientras que gira la broca comprende los subpasos de: definir los sistemas de coordenadas para los dientes, los conos, la broca, y el orificio; y aplicar las transformaciones de matriz dependient del tiempo para trasladarse entre dichos sistemas de coordenadas .

13. El método tal y como se reivindica en la cláusula 11, caracterizado porque el paso para calcular una representación de línea recta de la trayectoria del diente comprende las acciones de: determinar un punto de entrada representativo de un diente entrando en la formación; determinar un punto de salida representativo de un diente que sale desde la formación; y calcular una línea recta entre el punto de entrada y el punto de salida para cada hilera de dientes. _,

14. El método tal y como se reivindica en la cláusula 11, caracterizado porque cada diente en dicha brocas es de eje no simétrico.

15. Una broca de cono giratorio diseñada de acuerdo al método tal y como se reivindica en la cláusula 1.

16. Una broca de cono giratorio diseñada de acuerdo al método tal y como se reivindica en la cláusula 4.

17. Una broca de cono giratorio diseñada de acuerdo al método tal y como se reivindica en la cláusula 6.

18. Una broca de cono giratorio diseñada de acuerdo al método tal y como se reivindica en la cláusula 9.

19. Una broca de cono giratorio diseñada de acuerdo al método tal y como se reivindica en la cláusula 11.

20. Un de perforación rotatorio, que comprende : una broca de cono giratorio diseñada de acuerdo al método tal y como se reivindica en la cláusula 1; una sarta de_perforación que está conectada mecánicamente a dicha broca desde una ubicación de superficie; y un impulsor giratorio el cual gira por lo menos parte de dichas sarta de perforación junto con dicha broca.

21. Un método para perforar rotativamente, que comprende las acciones de: aplicar un peso en la broca y un momento de torsión rotatorio, a través de una sarta de perforación, a una broca diseñada de acuerdo a la cláusula 1. R E S U M E N Están descritos una broca de cono giratorio y novedosa y un método de diseño novedoso. Una broca de cono giratorio para perforar a través de formaciones subterráneas que tiene una conexión superior para sujetarse a una sarta de perforación, y una pluralidad de estructuras de corte montada giratoriamente en brazos que se extienden hacia abajo desde l conexión. Un número de dientes están localizados generalmente en hileras concéntricas en cada estructura de corte. La trayectoria real por la cual los dientes enganchan la formaci es determinada matemáticamente. Una trayectoria de línea rect es calculada con base en la trayectoria real . Los dientes est colocados en las estructuras de cortes de tal manera que cada diente tiene una superficie de engranaje diseñada que está perpendiculármente orientada a la trayectoria de la línea rect calculada. ^/ nnoi/zt