BRPI1005888A2 - Sistema e método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres - Google Patents

Abstract

Sistema e método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres. Um método para a perfuração autônoma de orifícios no solo por meio de um equipamento de perfuração incluindo um conjunto perfurador, compreendendo as etapas de: utilizaçâo de um procedimento autônomo de perfuração para controlar o conjunto perfurador para perfurar na localização do equipamento de perfuração em uma posição onde o orifício é para ser feito.

Description

"SISTEMA E MÉTODO PARA A PERFURAÇÃO AUTÔNOMA DE ORIFÍCIOS TERRESTRES" CAMPO TÉCNICO

Esta invenção refere-se a um método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres e, particularmente, embora não exclusivamente, à perfuração autônoma de orifícios terrestres para o fim de exploração, mineração e/ou construção. Em particular, a invenção refere-se à perfuração autônoma de orifícios terrestres que são usados para explosão subsequente.

ANTECEDENTES

Tipicamente, os orifícios terrestres são perfurados por um equipamento de perfuração para que se produza um orifício para uso em mineração ou construção. Em algumas instâncias, estes orifícios são perfurados por um equipamento de perfuração controlado por um usuário através do qual o usuário planeja e executa o processo de perfuração. A operação de um equipamento de perfuração pelo usuário exige a consideração de muitas variáveis antes que o usuário possa, com sucesso, iniciar e completar a operação de perfuração. Estas variáveis incluem as condições de solo ou superfície, o estado geológico da área, as condições ambientais, o propósito tencionado do orifício e as limitações inerentes do equipamento de perfuração. Em algumas situações, pode ser que não haja informações o suficiente no estágio inicial para que o usuário faça uma decisão apropriada ou informada, de modo que uma vez que a perfuração tenha começado, o usuário tem que fazer ajustes apropriados para que perfure o orifício com sucesso.

Em situações como mineração ou construção, pode ser necessário perfurar muitos orifícios em uma ampla área geográfica. Tipicamente, onde é exigido que o usuário faça ajustes apropriados para gue perfure um orifício com sucesso, o processo de perfuração pode ser ineficiente, caro e pode consumir muito tempo.

Em operações de mineração aberta, por exemplo, existe uma necessidade de balancear a velocidade da perfuração de orifícios contra a estabilidade do orifício formado. Ao preparar o solo para explosão, pode ser gue haja, literalmente, centenas de orifícios necessários com perfuração, o que pode levar inúmeros dias. Também pode levar algum tempo antes que os orifícios sejam, eventualmente, preenchidos com explosivos para a explosão. Na situação de materiais reentrando nos orifícios, a efetividade da explosão subseqüente é reduzida.

Portanto, no caso de re-preenchimento significativo de orifício, pode haver uma necessidade de re-perfurar tais orifícios. Em todo o preenchimento de solo, é normal que um colar de material perfurado seja formado em volta da coluna de perfuração criando o orifício. A estabilidade de tal colar é dependente de muitos fatores - geologia, tamanho de fragmentos restantes, etc. Em mineração a céu aberto, um fator adicional é que a superfície sendo perfurada pode ser interrompida ou quebrada, como devido a explosões anteriores e à remoção subseqüente de material de explosão. Portanto, é crucial que um colar estável seja formado de modo o re-preenchimento do orifício durante a perfuração para a pós-perfuração seja minimizado ou evitado.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres por um equipamento de perfuração incluindo uma disposição de perfuração, que compreende a etapa de: utilizar um procedimento de perfuração autônoma para controlar a disposição de perfuração para perfurar o orifício mediante a localização do equipamento de perfuração em uma posição onde o orifício deve ser perfurado.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o procedimento de perfuração compreende a etapa de instruir a disposição de perfuração para perfurar de maneira que se produza um colar em volta do orifício com resíduos do orifício.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o procedimento de perfuração compreende, ainda, a etapa de instruir a disposição de perfuração para lavar com afluência de água o orifício de perfuração.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o procedimento de perfuração compreende, ainda, a etapa de instruir a disposição de perfuração a estabilizar as paredes internas do orifício.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o procedimento de perfuração compreende, ainda, a etapa de retrair a disposição de perfuração do orifício terrestre.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, a etapa de estabelecer as paredes internas do orifício inclui detectar deslizamentos no orifício, e onde a quantidade de deslizamento excede um valor pré-determinado, instruir a disposição de perfuração a repetir qualquer um ou mais dos procedimentos de perfuração.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, a etapa de instruir a disposição de perfuração a perfurar de maneira que produza um colar em volta do orifício com resíduos do orifício compreende instruções para repetidamente penetrar e retrair a disposição de perfuração do orifício.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, a etapa de instruir a disposição de perfuração a lavar com afluência de água o orifício de perfuração compreende instruções para aumentar o fluxo de líquidos da disposição de perfuração para o orifício de perfuração.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, a etapa de instruir a disposição de perfuração a estabilizar as paredes internas do orifício compreende instruções para repetidamente penetrar e retrair a disposição de perfuração do orifício.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, os estados relacionados à disposição de perfuração são monitorados por um processador.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, os estados relacionados à disposição de perfuração incluem a velocidade de rotação de perfuração, pressão de rotação, pressão de ar de broca, velocidade de tração descendente, pressão de tração descendente, sensor de profundidade, pressão do ar, taxa de fluxo de fluido ou qualquer combinação dos mesmos.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, os estados relacionados ao equipamento de perfuração são monitorados por um processador.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, os estados incluem a posição do equipamento de perfuração e o estado de inicialização.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, os estados são obtidos por pelo menos um sensor, sendo que o sensor está em comunicação com o processador.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o processador seleciona as etapas para instruir a disposição de perfuração com base nos estados relacionados a pelo menos uma disposição de perfuração e/ou pelo menos um dos estados relacionado ao equipamento de perfuração.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, a disposição de perfuração para manobrar a disposição de perfuração em relação à localização desejada do orifício terrestre.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o processador instrui a disposição de perfuração a variar a taxa de tração descendente da disposição de perfuração.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o processador instrui a disposição de perfuração a variar a taxa de tração ascendente da disposição de perfuração.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o processador instrui a disposição de perfuração a variar a velocidade de rotação da disposição de perfuração.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o processador instrui a disposição de perfuração a variar a pressão de ar de broca da disposição de perfuração.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o processador instrui a disposição de perfuração a variar a taxa de fluxo liquido da disposição de perfuração.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o processador instrui a disposição de perfuração a encontrar um determinado alvo ao controlar a taxa de tração ascendente, tração descendente, a velocidade de rotação, a pressão de ar de broca, a taxa de fluxo líquido ou qualquer combinação dos mesmos.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o processador instrui a disposição de perfuração a encontrar um determinado alvo ao manobrar a disposição de perfuração.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o alvo determinado é perfurar um orifício de uma profundidade pré-determinada.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o alvo determinado é maximizar as taxas de penetração enquanto minimiza o desgaste na disposição de perfuração.

Em uma modalidade do primeiro aspecto, o alvo determinado é manter um colar estável.

De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é fornecido um sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres por um equipamento de perfuração que inclui uma disposição de perfuração, que compreende: localizar o módulo disposto para localizar o equipamento de perfuração em uma posição onde o orifício deve ser perfurado; e, um processador disposto para processar um procedimento de perfuração para controlar a disposição de perfuração para perfurar o orifício.

De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é fornecido um programa de computador que compreende pelo menos uma instrução para controlar um sistema de computador para implementar um método de acordo com um primeiro aspecto.

De acordo com um quarto aspecto da invenção, é fornecido um meio legível por computador que fornece um programa de computador de acordo com o primeiro aspecto.

De acordo com um quinto aspecto da presente invenção, é fornecida a transmissão ou recepção de um sinal de dados incluindo o código de programa do primeiro aspecto.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Modalidades da presente invenção serão agora descritas, para fins de exemplo, com referência aos desenhos acompanhantes nos quais: A Figura 1 é um diagrama que ilustra um equipamento de perfuração de acordo com uma modalidade da presente invenção; A Figura 2 é um diagrama esquemático dos sensores, do processador e do controlador do equipamento de perfuração da Figura 1; A Figura 3 é um fluxograma que ilustra uma operação exemplificadora de um equipamento de perfuração de acordo com a Figura 1;

As Figuras 4(i), (ii) e (iii) são diagramas que ilustram a operação da broca de perfuração de acordo com cada etapa ilustrada na Figura 3; e, A Figura 5 é um quadro que ilustra a profundidade de operação da perfuração em um procedimento de perfuração exemplificador.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERENCIAL

Com relação à Figura 1, é mostrada uma modalidade de um método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres por um equipamento de perfuração que inclui uma disposição de perfuração, que compreende a etapa de: utilizar um procedimento de perfuração autônoma para controlar a disposição de perfuração para perfurar o orifício ao localizar o equipamento de perfuração em uma posição onde o orifício deve ser perfurado.

Nesta modalidade, o equipamento de perfuração 100 tem uma estrutura 112 que aloja inúmeros componentes como uma coluna de perfuração 102 conectada a uma broca de perfuração 104, que define pelo menos parte da disposição de perfuração. Em operação, o equipamento de perfuração 100 posiciona a disposição de perfuração sobre uma superfície 116 para a perfuração na superfície para produzir um orifício 118. Conforme o indivíduo versado na técnica apreciaria, no contexto do presente relatório descritivo, a disposição de perfuração pode incluir, sem limitações, quaisquer componentes que facilitem a perfuração de orifícios terrestres, incluindo a estrutura 112, a coluna de perfuração 102, a broca de perfuração 104, as bombas de arou fluido adequadas para aplicar fluidos à broca de perfuração 104 ou à superfície, ou ao motor ou à fonte de alimentação, mecanismos de controle como controles hidráulicos para posicionar a coluna de perfuração 102 e/ou os sistemas de atuação que ativam e controlam cada um dos componentes de perfuração.

Neste exemplo, o equipamento de perfuração 100 é um equipamento de perfuração móvel que tem trilhos 108 para facilitar seu movimento em uma superfície e uma pluralidade de macacos hidráulicos 114 dispostos para nivelar a sonda 100 durante a operação de perfuração. Os macacos 114 também reduzem a tensão da operação de perfuração nos trilhos 108 da sonda, e, por meio disso, aumentam a vida útil dos trilhos 108.

Em algumas modalidades, o equipamento de perfuração 100 tem uma disposição de perfuração que inclui uma furadeira do tipo rotativa por meio da qual a furadeira é acionada de maneira rotativa no solo para produzir um orifício. Nestas modalidades, a furadeira do tipo rotativa usa brocas de perfuração rotativas para cortar para dentro da superfície. Em outras modalidades, o equipamento de perfuração 100 pode ter uma disposição de furadeira do tipo de impacto adequada para perfuração de percussão. Nessas modalidades, uma broca de furadeira de impacto é encaixada em um martelo que é usado para forçar a broca de furadeira de impacto na superfície para cortar ou quebrar a superfície. Dependendo do terreno e/ou aplicação, qualquer tipo de disposição de perfuração pode ser usado conforme exigido, e a metodologia da perfuração autônoma descrita aqui pode ser aplicada a outros tipos de furadeira. O equipamento de perfuração 100 é conectado a um sistema de controle 106 que, nesta modalidade, compreende um módulo de computação que pode ser autônomo (como um servidor) ou pode ser um módulo em um sistema de computação de multifunção maior. O servidor, ou módulo de computação 106, pode ser localizado no interior do equipamento de perfuração 100, ou conectado à sonda 100 através da conexão de telecomunicação 110. Nesta modalidade, o módulo de computação 106 compreende componentes adequados necessários para receber, armazenar e executar instruções de computador apropriadas. Os componentes podem incluir uma unidade de processamento 106A, memória de apenas leitura (ROM) 106B, memória de acesso aleatório (RAM) 106C, e dispositivos de entrada/saida como unidade de disco 106D, dispositivos de entrada 106E como uma porta Ethernet, uma porta USB, etc., o visor 106F como um visor de cristal liquido, um visor emissor de luz e qualquer outro visor adequado e enlaces de comunicações 106G. o módulo de computação 106 inclui instruções que podem ser contidas na ROM 106B, RAM 106C ou nas unidades de disco 106D e podem ser executadas pela unidade de processamento 106H. Pode ser fornecida uma pluralidade de enlaces de comunicação 1061 que podem conectar de maneira variada a um ou mais dispositivos de computação, como um servidor, computadores pessoais, terminais, dispositivos de computação sem fio ou portáteis, e para interfaces de controle proprietárias. Pelo menos um da pluralidade de enlaces de comunicação pode ser conectado a uma rede de computação externa através de uma linha telefônica ou outro tipo de enlace de comunicação. O módulo de computação 106 pode incluir dispositivos de armazenamento como a unidade de disco 106D que pode englobar unidades de estado sólido, unidades de disco rigido, unidades ópticas ou unidades de fita magnética. 0 módulo de computação 106 pode usar uma única unidade de disco ou múltiplas unidades de disco. O módulo de computação 106 também pode ter um sistema de operação adequado 106J que reside na unidade de disco ou no ROM do servidor ou módulo de computação 106.

Nesta modalidade, o módulo de computação 106 é disposto para receber dados do equipamento de perfuração 100 relacionando sua posição e estado operacional, processar dados recebidos utilizando o processador (e outro hardware, como memória) e fornecer sinais de controle ao equipamento de perfuração 100 para controlar a operação do equipamento de perfuração 100. Os sinais de controle incluem, mas não se limitam a, o movimento do equipamento de perfuração 100 de uma primeira localização para uma segunda localização, ou a execução de um procedimento de perfuração do qual um exemplo é descrito abaixo com referência às Figuras 3, 4 e 5. O módulo de computação 106 também pode executar procedimentos individuais que podem ser armazenados nos módulos executáveis como funções de software, arranjos programáveis, ROM, módulos de hardware programados, etc. para fornecer metodologias de perfuração para processamento por um processador 200 do módulo de computação 106.

Com referência à Figura 2, é mostrada uma modalidade do processador 200 no módulo de computação 106 conectado a um arranjo de sensor 202 e um controlador de equipamento de perfuração 204.

Nesta modalidade, o processador 200 é disposto para monitorar a operação do equipamento de perfuração 100 ao receber, gravar e processar os dados recebidos de cada um dos sensores do arranjo de sensor 202. Uma vez que os dados de sensor são recebidos, o processador 200 executa um programa adequado para processar e considerar os dados recebidos do sensor e fornece uma lista de instruções ao controlador de equipamento de perfuração 204 que tem interface com o equipamento de perfuração 100 para operar o equipamento de perfuração 100.

Conforme ilustrado, o arranjo de sensor 202 compreende múltiplos sensores que são localizados pelo equipamento de perfuração. Estes sensores incluem, mas não se limitam a: A) Sensores que se referem à operação e ao status da Broca/Coluna de perfuração: 1 - Velocidade de rotação de perfuração; 2 - Direção de rotação da furadeira; 3 - Pressão de rotação; 4 - Pressão de ar da broca; 5 - Velocidade de tração descendente; 6 - Pressão de tração descendente; 7 - Sensor de profundidade; 8 - Pressão do ar; e 9 - Taxa de fluxo de fluido/água; B) Sensores que se referem ao estado do Equipamento de perfuração: 1 - Posição; e 2 - Estado de inicialização/prontidão.

Estes sensores são posicionados pelo equipamento de perfuração e fornecem dados relativos à operação da furadeira para serem processados pelo processador. Na modalidade descrita aqui, os sensores são conectados a um barramento ou outra rede conectiva (não mostrada) para formar um arranjo de sensor 202 capaz de transmitir as informações ao processador 200 para processamento.

Uma vez que o processador 200 recebe as informações do arranjo de sensor 202, o processador 200 é disposto para monitorar as informações e processar as informações para encontrar um método adequado e ótimo para ou iniciar, continuar ou completar a operação de perfuração. Uma vez que o método é determinado pelo processador 200, o método é traduzido nas instruções de máquina pelo controlador de equipamento de perfuração 204 que, então, conecta ao equipamento de perfuração 100 para operar os trilhos 108, a coluna de perfuração 102, a broca de perfuração 104 e/ou os macacos 114 para iniciar, continuar ou completar um procedimento de perfuração. Durante o procedimento de perfuração, as informações de retorno do arranjo de sensor 202 são fornecidas ao processador 200 e baseadas nas informações recebidas. 0 processador 200 ajusta a operação do equipamento de perfuração 100 ao determinar o método adequado ou escolhido de perfuração, que é transmitido ao controlador 204 para ser executado pelo equipamento de perfuração 100. Este processo de retorno e ajuste continua por um laço até que a operação de perfuração esteja completa. O processador 200 pode estar conectado a um módulo de comunicação de automação 206 disposto para transmitir dados para uma localização separada de modo que a operação do equipamento de perfuração 100 e as informações monitoradas e processadas pelo processador 200 podem ser observadas por um usuário remoto ou armazenadas para fins de gravação. Em algumas modalidades, o módulo de comunicação de automação 206 tem uma interface para permitir que um usuário substitua manualmente o processador 200 e emita comandos para controlar o equipamento de perfuração 100 manualmente.

Com referência às Figuras 3 e 4, um exemplo de um procedimento de perfuração é mostrado. Neste exemplo, cada procedimento (300) a (310) (também mostrados na Figura 4) é processado pelo processador 200 enquanto monitora as informações recebidas do arranjo de sensor 202. Uma vez que cada etapa estiver completa, o processador 200 procede para a próxima etapa. Será apreciado pelo indivíduo versado na técnica que nem todas as etapas descritas abaixo são necessárias para cada orifício perfurado, já que fatores ambientais ou condições de solo posem tornar algumas das etapas redundantes ou supérfluas. Em casos onde as condições excluem a necessidade de executar certas etapas, o processador 200 pode, automaticamente, pular ou substituir a etapa, ou um usuário pode, manualmente, substituir a etapa ou antes ou durante a operação de perfuração.

Na metodologia de perfuração exemplificadora descrita aqui, o equipamento de perfuração 100 é, primeiramente, inicializado para estar em um estado pronto antes da operação de perfuração ser iniciada. Isto pode incluir a detecção de se o equipamento de perfuração foi fisicamente preparado para a perfuração (como o trancamento de alçapões, etc.). Conforme o indivíduo versado na técnica apreciará, um equipamento de perfuração diferente tem tipos individuais de verificações de inicialização. O estado do equipamento de perfuração 100 é transmitido do arranjo de sensor 202 para o processador 200 para processamento. Uma vez que o processador 200 verifica as informações de sensor e avalia a sonda 100 como pronta para a perfuração, o processador procederá para executar o módulo de encontrar superfície (300) para detectar o nível de superfície de um sítio de perfuração (300). O módulo de encontrar superfície (300) é responsável pela detecção do nível de superfície. Este processo é organizado para certificar: Δ localização do orifício para iniciar o processo de colar; O nível da entrada do orifício; A profundidade do orifício em relação à superfície que deve ser perfurada; e, - A profundidade absoluta do orifício em espaço 3D (conforme determinado pela solução de navegação, como GPS), do equipamento de perfuração.

Neste exemplo, o módulo (300) instrui a coluna de perfuração 102 a se mover lentamente em direção à superfície enquanto a broca de perfuração 104 é girada (400). O processador 200, através do arranjo de sensor 204, monitora a pressão no equipamento de perfuração 100 enquanto a broca de perfuração 104 entra em contato com a superfície. Em geral, quanto mais rápido a coluna de perfuração é abaixada na superfície, mais alta a pressão na coluna de perfuração 102 e a broca de perfuração 104.

Nesta modalidade, a etapa de detecção de nível de superfície pode ser afetada por qualquer uma das diversas metodologias possíveis. Em um exemplo, o processador 200 monitora picos de pressão com base na operação de tração descendente da coluna de perfuração 102 enquanto monitora a rotação ou a pressão de ar da broca da furadeira. Uma vez que a taxa de tração descendente se aproxima de zero, é provável que o nível de superfície tenha sido detectado. Entretanto, para garantir precisão na detecção de nível de superfície, duas medidas adicionais podem ser consideradas pelo processador 200. A primeira destas medidas inclui o uso de uma compensação na detecção do solo em que a compensação é configurada com base na geometria da furadeira. A compensação permite que o processador 200 considere a detecção do nível de superfície ao comparar a compensação com as informações recebidas do sensor em relação à taxa de tração descendente. Ao usar esta compensação, a geometria do equipamento de perfuração é incluída na determinação do nivel de superfície e, por meio disso, aumenta sua precisão. A segunda medida inclui a avaliação dos picos de pressão e a redução na velocidade de tração descendente por um breve período de tempo. Ao monitorar esses valores por um breve período de tempo, o processador 200 pode determinar que a velocidade de tração descendente e os níveis de pressão mais altos são sustentáveis e não temporários, o que, portanto, indica que um nível de superfície foi detectado.

Uma vez que o processador 200 detecta a superfície, o nível é armazenado como o nível de superfície atual ou na memora volátil ou na memória permanente como um disco ou base de dados controlada pelo processador 200. Este valor pode, então, ser usado para determinar se uma profundidade de orifício adequada foi alcançada em um estágio posterior.

Em modalidades alternativas, as soluções de navegação como, mas não se limitando a, o serviço de GPS (Sistema de Posicionamento Global) podem ser usadas para encontrar a profundidade adequada do orifício que deve ser perfurado. Como navegações de soluções, incluindo o serviço de GPS, são capazes de fornecer uma coordenada em espaço 3D (em relação a um dado adequado), a profundidade absoluta de um orifício uma vez perfurado também pode ser detectada com base nas coordenadas 3D recebidas. Ao comparar isto ao nível de superfície que foi detectado pelo processador 200, o processador pode encontrar a profundidade relativa do orifício ao comparar a profundidade absoluta do orifício com o nível de superfície. 0 processador 200 procede, então para começar o processo de formação de colar ao executar as instruções do módulo de formação de colar (302). 0 módulo de formação de colar (302) é disposto para operar o processador 200 para controlar o equipamento de perfuração para executar um procedimento de formação de colar (402) . Um procedimento de formação de colar é um procedimento de perfuração através do qual residuos de um orifício de perfuração são trazidos para a superfície para formar um "colar" em volta da entrada do orifício, para estabilizar a entrada do orifício. Sendo assim, o procedimento de formação de colar forma um colar 412 de residuos do orifício de perfuração. Esta medida é importante em situações onde o solo é muito macio ou se o solo é fragmentado ou composto de cascalho ou outro material solto. Ao produzir um colar 412 em volta do orifício antes da perfuração ser iniciada, a quantidade de "deslizamento" que cai no orifício durante o processo de perfuração é reduzida.

Nesta modalidade, o processador 200 monitora as informações do arranjo de sensor 204 para determinar se o procedimento de formação de colar é necessário. Se, por exemplo, o solo a ser perfurado é muito duro, o processador pode optar por pular o procedimento de formação de colar. Entretanto, onde o processador 200 determina que o processo de formação de colar deve proceder, o processador 200 executa as instruções do módulo de formação de colar (302).

Neste exemplo, o módulo de formação de colar (302) instrui o equipamento de perfuração 100 a perfurar com pontos definidos mais baixos, mas com ar total e configurações de fluido ou água altas. Estas configurações são configuráveis e dependem da geologia do sítio. Uma vez que o processo de perfuração é iniciado e após uma certa distância configurável, ou, se a queda de orifício for detectada por monitoramento de pressão de ar crescente e desempenho de perfuração decrescente, o movimento de furadeira é revertido e a coluna de perfuração 102 será puxada para fora do orifício ou movida para cima a uma distância configurável do orifício. Este processo irá transportar partes do material ou dos resíduos que caíram no orifício durante o processo de perfuração para fora na superfície para formar parte do colar 412. Os resíduos que caem de volta no orifício durante este processo podem ser removidos por perfuração adicional do orifício pela broca de perfuração 104, que irá romper o deslizamento no interior do orifício.

Uma vez que o procedimento listado acima está completo, a furadeira é abaixada para o interior do orifício novamente e a perfuração repetida até que uma distância configurável tenha sido alcançada ou que a quantidade de deslizamento no orifício seja aceitável. Preferivelmente, pelo menos um ciclo de retração é exigido conforme a água ou o fluido aplicados à furadeira é espalhado para cima e para baixo do orifício para formar uma camada de argila nas paredes internas do orifício para estabilizar a estrutura.

Uma vez que o procedimento de formação de colar está completo, o módulo de perfuração (304) é executado pelo processador 200 para iniciar o procedimento de perfuração (404). O módulo (304) é disposto para maximizar as taxas de penetração enquanto reduz o desgaste e o rompimento desnecessário e na sonda de perfuração 100. Para facilitar esta exigência, o processador 200 monitora a profundidade do orifício, a pressão de tração descendente e a pressão de rotação (pressão de ar da broca na furadeira de percussão). 0 módulo de perfuração (304) monitora os valores e avalia os valores para certificar que o progresso da perfuração (profundidade) e a pressão no equipamento de perfuração 100 (pressão de rotação ou pressão de tração descendente). Já que a geologia do solo pode mudar conforme a furadeira pressiona mais profundamente no solo, o processador 200 continua a monitorar estas variáveis que são detectadas pelos sensores e transmitidas ao processador 200 pelo arranjo de sensor 204. 0 processador 200, ao executar o módulo de perfuração, equilibra o progresso da operação de perfuração (profundidade ou taxas de penetração) com a pressão de tração descendente ou de rotação da furadeira. Se, por exemplo, a pressão de rotação ou tração descendente exceder um certo limite enquanto o nível de penetração é mínimo, a velocidade de tração descendente ou tração ascendente pode ser ajustada em resposta a estes valores detectados. Preferivelmente, o processador 200 encontra um alvo ótimo que maximiza a penetração da furadeira enquanto minimiza o desgaste e o rompimento na furadeira ou garante que o colar esteja estável durante o processo de perfuração. 0 processo de perfuração é avaliado como completo quando uma certa profundidade com afluência de água for alcançada.

Em modalidades alternativas, o módulo de perfuração (304) também pode controlar o fluxo de entrada de ar e/ou água/fluido no interior do orifício para ajudar no processo de perfuração. A adição de água, fluidos ou ar no interior do orifício durante o processo de perfuração pode ser dirigida a alcançar o alvo ótimo de maximizar a penetração da furadeira.

Uma vez que o procedimento de perfuração (404) é completo, o módulo com afluência de água é executado pelo processador 200 (304). O módulo com afluência de água instrui a sonda para completar um procedimento com afluência de água (406), que é normalmente executado quando a furadeira quase atingiu uma profundidade desejada (por exemplo, nos últimos poucos metros de profundidade do orifício) . O módulo com afluência de água opera em uma maneira similar ao do módulo de perfuração, mas aumenta a quantidade de água ou taxa de fluxo de fluido para o orifício. Este aumento na água ou na taxa de fluxo de fluido pode aumentar a umidade ou o molhamento no colar 412, que pode levar uma camada de crosta a formar no colar 412 e, por meio disso, ajudar em estabelecer o colar 412 ainda mais.

Uma vez que a afluência de água está completa, o processador 200 inicia o módulo de re-apontamento (308) que ativa o processo de re-apontamento. O processo de re-apontamento é o processo de esvaziar o orifício e certificar a estabilidade do orifício. Em um exemplo, isto é alcançado ao retirar a coluna de perfuração do fundo do orifício para o topo, e repetidamente mover a coluna de perfuração 102 para o fundo do orifício (408), para testar a integridade do orifício. É claro que, em algumas boas condições geológicas, esta etapa pode não ser necessária.

Durante o processo de re-apontamento (408), o processador 200 pode monitorar a profundidade do orifício e decidir se o orifício está em uma profundidade adequada. Já que o deslizamento ou a perfuração incompleta podem ter levado a profundidade do orifício a mudar, o processador 200 pode decidir por repetir a perfuração ou o processo com afluência de água para garantir que o orifício tenha uma profundidade adequada. Isto é particularmente importante em operações de explosão onde a profundidade do orifício, incluindo o deslizamento, tem que ser cuidadosamente medidos para garantir que a máxima capacidade explosiva seja extraída do material de explosão que é detonado no orifício. Conforme mostrado em (309), o processo remanescente pode repetir as etapas de perfuração, afluência de água e re-apontamento até que uma profundidade adequada seja alcançada.

Uma vez que o módulo remanescente (310) tenha sido completo, o processador 200 irá executar o módulo de retirada, que irá retirar a coluna de perfuração 102 e a broca de perfuração 104 do orifício para o nível de deque da sonda 100. 0 módulo remanescente pode incluir instruções para desativar os fluxos de ar ou água enquanto também desativa a furadeira.

Em modalidades alternativas, o processador 200 pode executar instruções adicionais para assistir na execução de cada um dos procedimentos na Figura 3. Estas instruções adicionais incluem: 1. detecção de lamaçal-onde o processador detecta que a coluna de perfuração foi atolada ao procurar por alta pressão de rotação, mas baixa rotação RPM com poucas ou baixas taxas de penetração. 2. detecção de emperramento de martelo- onde o processador 200 detecta que o martelo emperrou ao identificar que há uma alta pressão de ar de broca, mas uma taxa de penetração mais baixa. 3. detecção de queda no orifício- onde o processador 200 detecta que o material ou os resíduos estão caindo em um orifício que pode emperrar a coluna de perfuração. Isto pode ser identificado ao monitorar a pressão de ar de broca crescente, taxas de penetração mais baixas enquanto a rotação e a pressão de tração descendente permanecem normais.

Também é fornecida uma interface que é conectada ao processador 200 para permitir que um operador manualmente substitua ou reprograme cada um dos módulos (302) a (310). Em algumas modalidades, a interface é localizada remotamente do equipamento de perfuração 100. Nestas modalidades, o processador 200 também pode ser remoto da sonda de perfuração 100 e é conectado à sonda de perfuração 100 através de um método remoto ou de telecomunicações como tecnologias de Wi-Fi, Ethernet, Internet, tecnologia de barramento sem fio, fibra óptica ou de telefone Móvel.

Com referência à Figura 5, está ilustrada a profundidade da coluna de perfuração 102 para uma modalidade de cada um dos processos, conforme definidos na Figura 3. Nesta modalidade, o processador 200 e o controlador de equipamento de perfuração 204 movem a posição da coluna de perfuração 102 para dentro e para fora do orifício com base no procedimento (400 a 410) executado no momento pelo processador 200.

Nos estágios de detecção de superfície, o equipamento de perfuração 100 é posicionado sobre uma superfície e usa a coluna de perfuração para localizar a superfície (400). Já que existe uma pequena distância entre o deque do equipamento de perfuração 100 e a superfície, a coluna de perfuração é lentamente abaixada, conforme descrito aqui, para encontrar a superfície e gravar sua localização de modo a certificar a profundidade do orificio uma vez que a perfuração está completa.

Uma vez que a superfície é detectada, o procedimento de formação de colar (402) é executado. No procedimento de formação de colar, a coluna de perfuração é penetrada na superfície e repetidamente retraída e penetrada na superfície para formar um colar estável. Esta penetração e retração repetidas da coluna de perfuração ajudam na construção do colar 412 a partir dos resíduos retirados da operação de perfuração. O colar 412 é particularmente útil em algumas modalidades de procedimentos de perfuração já que o colar ajuda na estabilização da entrada do orifício que está sendo perfurado. Ao formar o colar, os resíduos que podem cair de volta para dentro do orifício durante o processo de perfuração são minimizados já que pelo menos parte dos resíduos formados da perfuração é usada na formação do colar. Além disso, conforme o colar também pode ser embalado ou molhado com fluidos, o colar em si pode formar uma camada de crosta que ajuda na estabilização da entrada do orifício de perfuração, e, por meio disso, aumentar as chances de uma operação de perfuração de sucesso.

Depois que o procedimento de formação de colar está completo, o procedimento de perfuração é iniciado e a coluna de perfuração procede penetrando no solo para formar o orifício. Neste estágio, o processador 200 continua a monitorar as variáveis detectadas do sensor de modo a acompanhar o quão profundo o orifício é enquanto também controla a furadeira para alcançar um alvo ótimo de maximizar a penetração enquanto minimiza o desgaste na furadeira. Uma vez que a coluna de perfuração se aproxima da profundidade alvo, o procedimento com afluência de água é iniciado para alcançar a profundidade alvo. Neste estágio, o procedimento com afluência de água é similar no que a coluna de perfuração continua em direção à profundidade alvo, mas água adicional ou fluidos de perfuração são bombeados no orifício.

Uma vez que a profundidade alvo foi alcançada, o procedimento restante é iniciado. Este procedimento retira a coluna de perfuração do fundo do orifício para a superfície e de volta para o fundo do orifício. Ao executar esta manobra na coluna de perfuração, o orifício é estabelecido conforme as superfícies internas do orifício são envolvidas e uma camada de argila é formada. Esta manobra pode ser repetida por várias iterações com base na geologia do sitio.

Mediante o término do procedimento remanescente, a coluna de perfuração é, então, retirada do orifício e devolvida ao nível do deque. Isto, então, completa o processo de perfuração para o orifício permitindo que o equipamento de perfuração continue para a próxima operação de perfuração.

Uma vantagem de usar um sistema ou método de perfuração autônoma é que pelo menos em uma modalidade, a qualidade de um orifício perfurado é, em geral, de uma qualidade mais alta do que a de métodos manuais de perfuração de um orifício. Em métodos manuais de perfuração, o procedimento de perfuração é, frequentemente, lento e ineficiente. Sendo assim, operadores de furadeiras têm que focar na quantidade de orifícios perfurados para um projeto ou tarefa particular. Para operar efetivamente, os operadores podem reduzir a qualidade de qualquer orifício perfurado ao não garantir que o orifício está estabilizado durante o processo de perfuração, e, portanto, resulta no colapso do orifício, ou orifícios, que não estão no tamanho ou profundidade apropriados. Entretanto, pelo menos em uma modalidade do método de perfuração autônoma, os procedimentos de perfuração operam para considerar a estabilidade de um orifício enquanto operam eficientemente, quando comparados com procedimentos de perfuração manuais.

Embora não seja exigido, as modalidades descritas com referência às Figuras podem ser implementadas como uma interface de programação de aplicação (API) ou como uma série de bibliotecas para uso por um inventor ou podem ser incluídas em outra aplicação de software, como um terminal ou sistema operacional de computador pessoal ou um sistema operacional de dispositivo de computação portátil. Em geral, como módulos de programa incluem rotinas, funções, objetos, componentes e arquivos de dados, o indivíduo versado na técnica compreenderá que a funcionalidade da aplicação do módulo de software pode ser distribuída por inúmeras rotinas, funções, objetos ou componentes para alcançar a mesma funcionalidade.

Também será apreciado que onde os métodos e sistemas da presente invenção são implementados por um sistema de computação ou parcialmente implementados por sistemas de computação, então qualquer arquitetura de sistema de computação apropriado pode ser utilizada. Isto inclui computadores autônomos, computadores em rede e/ou dispositivos de computação dedicados que podem executar múltiplas funções, sendo que algumas funções não são relacionadas à invenção descrita aqui. Por exemplo, a sonda de perfuração pode incluir funções computadorizadas como tratamento de erro, controle de movimento ou sistemas de comunicação que são integrados ou programados para operar com metodologias de perfuração descritas aqui como pacote de software completo. Onde os termos "computador", "sistema de computação" e/ou "dispositivo de computação" são usados, estes termos são tencionados a cobrir qualquer disposição apropriada de hardware de computador para implementar a funcionalidade ou o software descrito.

Será apreciado por indivíduos versados na técnica que numerosas variações e/ou modificações possam ser feitas para a invenção, conforme mostrado nas modalidades específicas sem que se saia do espírito ou escopo da invenção conforme amplamente descrito. As presentes modalidades devem, portanto, ser consideradas em todos os aspectos como ilustrativas e não restritivas.

REIVINDICAÇÕE S

Claims (29)

1. Método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres por um equipamento de perfuração que inclui uma disposição de perfuração, que compreende a etapa de: utilizar um procedimento de perfuração autônoma para controlar a disposição de perfuração para perfurar o orifício ao localizar o equipamento de perfuração em uma posição onde o orifício deve ser perfurado.

2. Método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com a reivindicação 1, em que o procedimento de perfuração compreende a etapa de instruir a disposição de perfuração a perfurar de uma maneira que produza um colar em volta do orifício com resíduos do orifício.

3. Método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, em que o procedimento de perfuração compreende, ainda, a etapa de instruir a disposição de perfuração a lavar com afluência de água o orifício de perfuração.

4. Método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres de acordo com quaisquer reivindicações precedentes, em que o procedimento de perfuração compreende, ainda, a etapa de instruir a disposição de perfuração a estabilizar as paredes internas do orifício.

5. Método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres de acordo com quaisquer reivindicações precedentes, em que o procedimento de perfuração compreende, ainda, a etapa de retrair a disposição de perfuração do orifício terrestre.

6. Método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com as reivindicações 4 ou 5, em que a etapa de estabilizar as paredes internas do orifício inclui detectar deslizamento no orifício, e onde a quantidade de deslizamento excede um valor pré-determinado, instruindo a disposição de perfuração a repetir qualquer um ou mais dos procedimentos de perfuração de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5.

7. Método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres de acordo com qualquer uma das reivindicações de 2 a 6, em que a etapa de instruir a disposição de perfuração a perfurar de maneira a produzir um colar em volta do orifício com resíduos do orifício compreende instruções para repetidamente penetrar e retrair a disposição de perfuração do orificio.

8. Método para a perfuração autônoma de orifícios terrestres de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 7, em que a etapa de instruir a disposição de perfuração a lavar com afluência de água o orifício de perfuração compreende instruções para aumentar o fluxo de líquidos da disposição de perfuração para o orifício de perfuração.

9. Método de perfuração autônoma de orifícios terrestres de acordo com qualquer uma das reivindicações de 4 a 8, em que a etapa de instruir a disposição de perfuração a estabilizar as paredes internas do orifício compreende instruções para repetidamente penetrar e retrair a disposição de perfuração do orifício.

10. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres por um equipamento de perfuração que inclui uma disposição de perfuração, que compreende: um processador disposto para processar um procedimento de perfuração autônoma para controlar a disposição de perfuração para perfurar o orifício mediante a localização do equipamento de perfuração em uma posição onde o orifício deve ser perfurado.

11. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres de acordo com a reivindicação 10, em que o procedimento de perfuração compreende um módulo disposto para instruir a disposição de perfuração a perfurar em uma maneira que produza um colar em volta do orifício com resíduos do orifício.

12. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres de acordo com as reivindicações 10 ou 11, em que o procedimento de perfuração compreende, ainda, um módulo disposto para instruir a disposição de perfuração a lavar com afluência de água o orifício de perfuração.

13. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 10 a 12, em que o procedimento de perfuração compreende, ainda, um módulo disposto para instruir a disposição de perfuração para estabilizar as paredes internas do orifício.

14 . Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 10 a 13, em que o procedimento de perfuração compreende, ainda, um módulo disposto para retrair a disposição de perfuração do orifício terrestre.

15. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com as reivindicações 13 ou 14, em que o módulo disposto para estabilizar as paredes internas do orifício inclui detectar o deslizamento no orifício, e onde a quantidade de deslizamento excede um valor pré-determinado, instruindo a disposição de perfuração a repetir qualquer um ou mais dos procedimentos de perfuração de acordo com qualquer uma das reivindicações de 10 a 14 .

16. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 11 a 15, em que o módulo que é disposto para instruir a disposição de perfuração a perfurar de maneira que produza um colar em volta do orifício com resíduos do orifício compreende instruções para repetidamente penetrar e retrair a disposição de perfuração do orifício.

17. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 12 a 16, em que o módulo que é disposto para instruir a disposição de perfuração a lavar com afluência de água o orifício de perfuração compreende instruções para aumentar o fluxo de líquidos da disposição de perfuração para o orifício de perfuração.

18. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 13 a 17, em que o módulo que é disposto para instruir a disposição de perfuração a estabilizar as paredes internas do orifício compreende instruções para repetidamente penetrar e retrair a disposição de perfuração do orifício.

19. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 10 a 18, em que os estados relacionados à disposição de perfuração são monitorados por um processador.

20. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com a reivindicação 19, em que os estados relativos à disposição de perfuração incluem a velocidade de rotação de perfuração, a pressão de rotação, a pressão de ar da broca, a velocidade de tração descendente, a pressão de tração descendente, o sensor de profundidade, a pressão do ar, a taxa de fluxo de fluido ou qualquer combinação dos mesmos.

21. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres de acordo com qualquer uma das reivindicações de 10 a 20, em que o processador seleciona etapas para instruir a disposição de perfuração com base nos estados relativos a pelo menos uma disposição de perfuração e/ou pelo menos um estado relativo ao equipamento de perfuração.

22. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com a reivindicação 21, em que o processador instrui a disposição de perfuração para manobrar a disposição de perfuração em relação à localização desejada do orifício terrestre.

23. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com as reivindicações 21 ou 22, em que o processador instrui a disposição de perfuração a variar a taxa de tração descendente, a taxa de tração ascendente, a velocidade de rotação, a pressão de ar de broca ou a taxa de fluxo líquido.

24. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 21 a 33, em que o processador instrui a disposição de perfuração a encontrar um alvo determinado ao controlar a taxa de tração ascendente, taxa de tração descendente, velocidade de rotação, pressão de ar da broca, taxa de fluxo líquido ou qualquer combinação dos mesmos.

25. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 21 a 24, em que o processador instrui a disposição de perfuração a encontrar o alvo determinado ao manobrar a disposição de perfuração.

26. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com as reivindicações 24 ou 25, em que o alvo determinado é perfurar um orifício de uma profundidade pré-determinada.

27. Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com a reivindicação 26, em que o alvo determinado é maximizar as taxas de penetração enquanto minimiza o desgaste na disposição de perfuração.

28 . Sistema para a perfuração autônoma de orifícios terrestres, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 24 a 27, em que o alvo determinado é manter um colar estável.

29. Um meio legível por computador que fornece um programa de computador que compreende pelo menos uma instrução para controlar um sistema de computador para implementar um método em qualquer uma das reivindicações de 1 a 9.