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WO2018107304A1 - Sistema de flujo de fluido presurizado para un martillo dth y martillo de circulacion normal basado en el mismo - Google Patents

Sistema de flujo de fluido presurizado para un martillo dth y martillo de circulacion normal basado en el mismo Download PDF

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Publication number
WO2018107304A1
WO2018107304A1 PCT/CL2017/050073 CL2017050073W WO2018107304A1 WO 2018107304 A1 WO2018107304 A1 WO 2018107304A1 CL 2017050073 W CL2017050073 W CL 2017050073W WO 2018107304 A1 WO2018107304 A1 WO 2018107304A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressurized fluid
drill
piston
hammer
chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/CL2017/050073
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English (en)
French (fr)
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WO2018107304A8 (es
Inventor
Jaime Andres Aros
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
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Priority to CN201780086219.XA priority patent/CN110382811B/zh
Priority to EP17880617.0A priority patent/EP3553270B1/en
Priority to CA3084682A priority patent/CA3084682A1/en
Priority to MX2019006837A priority patent/MX2019006837A/es
Priority to KR1020197020445A priority patent/KR102422904B1/ko
Publication of WO2018107304A1 publication Critical patent/WO2018107304A1/es
Publication of WO2018107304A8 publication Critical patent/WO2018107304A8/es
Priority to ZA2019/03817A priority patent/ZA201903817B/en
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Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/06—Down-hole impacting means, e.g. hammers
    • E21B4/14—Fluid operated hammers
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/36—Percussion drill bits
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/36—Percussion drill bits
    • E21B10/38—Percussion drill bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids

Definitions

  • the present invention relates in general to pressurized fluid flow systems for percussion mechanisms operating with said fluid, particularly for bottom hammers and more particularly for normal circulation bottom hammers, and for bottom hammers with said systems.
  • the bottom hammer is used by mounting it on a surface drilling machine.
  • the drilling machine is also composed of a drilling string composed of mutually connected bars, the rear end, understood as the end that is furthest from the drill (element described later in these specifications), is mounted on a rotating head and thrust and the front end, understood as the end that is closest to the hammer drill bit, connects to the hammer.
  • the drilling machine supplies the pressurized fluid necessary for the operation of the hammer.
  • the main moving part of the hammer is the piston.
  • This hammer member has a general cylindrical shape and is arranged coaxially and slidably inside an outer cylindrical housing.
  • the piston makes a reciprocating movement due to the change in pressure of the pressurized fluid contained in two main chambers, a front chamber and a rear chamber, formed inside the hammer and located at opposite ends of the piston.
  • the piston has a front end in contact with the front chamber and a rear end in contact with the rear chamber, and has outer sliding surfaces or sliding sections of the outer surface of the piston (as opposed to sections with recesses, grooves or perforations) and internal sliding surfaces or sliding sections of the inner surface of the piston (again as opposed to sections with recesses, grooves or perforations).
  • the outer sliding surfaces are primarily designed to ensure the guidance and alignment of the piston inside the hammer. In addition, in most of the hammers these surfaces, together with the internal sliding surfaces of the piston, in cooperation with other elements as described later in these specifications, allow for feed control and alternate discharge of pressurized fluid into the inside and from the front and rear cameras.
  • the front part of the hammer which performs the function of drilling, is known as the drill and is slidably arranged in a drill holder mounted on the front of the outer shell, the drill being in contact with the front chamber and adapted to receive the impact of the front end of the piston.
  • a component known as a drill guide is normally used, which is disposed inside the outer shell.
  • the rotational movement provided by the drilling machine is transmitted to the drill by means of grooved surfaces or grooves in both the rearmost part of the drill (or drill tail) and in the drill holder.
  • the head of the drill larger in diameter than the outer shell and that the tail of the drill and the drill holder, has mounted on it the cutting elements that fulfill the drilling task and that extend forward from the front face of the drill.
  • the movement of the drill is limited in its path towards back by the drill-holder and on its way forward by a retention element specially contemplated for this purpose.
  • a cylinder head is provided to connect the hammer to the drill string and, ultimately, to the source of pressurized fluid.
  • the rear end of the hammer is understood as the end where the cylinder head is located and the front end of the hammer, the end where the drill bit is located.
  • the respective sequence for the states of the front and rear chambers are as follows: [a - b (expansion) - c - b (compression) - a] and [c - b (compression) - a - b (expansion) - c].
  • the transition from one state to another is independent for each chamber and is controlled by the position of the piston with with respect to other parts of the hammer such that the piston acts in itself as a valve, as well as an impact element.
  • a first operating mode or "drilling mode” when pressurized fluid is supplied to the hammer and the hammer is in the impact position, the piston immediately begins the reciprocating motion and the drill is impacted in each cycle by the piston, the front end of the drill thus executing the function of drilling the rock at each impact.
  • the rock fragments are expelled to the surface by the pressurized fluid discharged from the front and rear chambers to the bottom of the well.
  • the magnitude of the pressurized fluid column with the rock fragments also increases, producing greater resistance to the discharge of pressurized fluid from the chambers. This phenomenon negatively affects the drilling process. In some applications, the filtration of water or any other fluid into the well increases this resistance even more, and the operation of the hammer can cease.
  • this hammer operating mode can be complemented by an assisted sweeping system that allows the discharge of part of the flow of pressurized fluid available from the source of pressurized fluid directly to the bottom of the well without going through the hammer cycle.
  • the assisted scanning system allows deep cleaning of the bottom of the well while it is drilled.
  • a second operating mode of the hammer or "sweeping mode” the drill string and the hammer are lifted by the drilling machine so that the drill loses contact with the rock and all pressurized fluid is discharged through the hammer directly to the bottom of the well for cleaning purposes without going through the hammer cycle, so that the piston ceases its reciprocating motion.
  • the pressurized fluid from the assisted scanning system has an energy level substantially similar to that of the pressurized fluid discharged from the source of pressurized fluid, as opposed to what happens with the pressurized fluid discharged from the chambers, which is at a pressure considerably less due to the exchange of energy with the piston.
  • This conduit can be divided into two or more passages that terminate on the front face of the drill such that the discharge of pressurized fluid is generated mainly from the center and through the front face of the drill towards the peripheral region thereof and towards the wall of the well, and then towards the surface through the annular space between the hammer and the wall of the well and between the drill string and the wall of the well.
  • the rock fragments are expelled by drag and are suspended in the pressurized fluid discharged towards the bottom of the well.
  • Normally circulating hammers are used in the development of underground and surface mining. Due to its ability to drill medium and hard rocks, the use of these types of hammers has also been extended to the construction of oil, water and geothermal wells. In general, the removed rock is not used, as it is not of interest and suffers from contamination on its way to the surface.
  • the drill or a cylindrical sealing element of the hammer that has a diameter substantially similar to the diameter of the drill head and greater than the outer diameter of the outer shell, performs the function of preventing the leakage of pressurized fluid and of the rock fragments into the annular space between the hammer and the wall of the well and between the drill string and the wall of the well when the well is being drilled (as is the case with a normal hammer), forcing these fragments of rock to travel through the sampling tube and the drill string to the surface through the action of the pressurized fluid. If it is the drill that performs this sealing function, it has a peripheral region that isolates the front face of the drill from said annular space.
  • variables used to evaluate the performance and utility of the hammer are the following:
  • the penetration rate which is given by the power generated in the cycle of the pressurized fluid in the hammer and whose value depends on two variables: the consumption of pressurized fluid and the efficiency of the energy conversion cycle, this is defined as the energy generated per unit mass of pressurized fluid consumed;
  • Pressurized fluid flow systems Different pressurized fluid flow systems are used in hammers for the process of supplying pressurized fluid to the front chamber and the rear chamber and to discharge the pressurized fluid from these chambers. In all of them there is a feeding chamber formed inside the hammer from which, and depending on the position of the piston, the pressurized fluid is conducted to the front chamber or the rear chamber.
  • the piston acts as a valve, so that depending on its position it is the state in which the front and rear chambers are located, these states being the ones indicated above: supply, expansion-compression and discharge.
  • the net force exerted on the piston is the result of the pressure that exists in the front chamber, the surface of the piston in contact with said front chamber (or front thrust surface of the piston), the pressure that exists in the chamber rear, the surface of the piston in contact with said rear chamber (or rear thrust surface of the piston), the weight of the piston and the dissipative forces that may exist.
  • Type A flow system represented by US4084646, US5944117 and US6135216
  • a piece called an air guide is provided to control the discharge of the rear chamber, the air guide being a tubular element coaxial with the piston and the outer shell and located on the rear face of the rear camera.
  • a foot valve is also provided in order to control the discharge of the front chamber, the foot valve being a hollow tubular element coaxial with the piston and the outer shell and protruding from the rear face of the drill, known as the impact face .
  • Type B flow system represented by US5984021, US4312412 and US6454026
  • the feed tube interacts with holes and recesses inside the piston.
  • Recesses on the outer sliding surface of the piston and on the inner surface of the outer housing complement the control of the piston on the condition of the chambers.
  • the discharge of the front chamber is controlled by a foot valve in the drill (US5984021 and US4312412) or, alternatively, by a front portion of the smaller diameter piston that interacts with a piston guide (US6454026).
  • This last solution can also be used as an alternative to the foot valve in the Type A flow system and in the rest of the flow systems that will be described later.
  • the hammers with the Type A flow system have a more resistant piston and with a simpler manufacturing process than the hammers with the Type B flow system.
  • the creation of the feed chamber in The inside of the feed tube causes a delay in the start of the flow when the supply of pressurized fluid to the chambers is active, due to the distance between the first and the last.
  • the holes and recesses also cause an increase in the dead volume of the chambers, the main consequence of this being an increase in the consumption of pressurized fluid and a reduction in the efficiency of energy conversion in the thermodynamic cycle.
  • the front thrust surface of the piston is greatly reduced due to the fact that a sufficiently large impact surface is still necessary to withstand the stress generated by the impact, thus subtracting surface from the front thrust surface.
  • the provision of a feed tube requires the use of a piston with a central duct that extends along its entire length, generating the effects on power already mentioned for the Type A system.
  • the design described in this patent has three different sets of feed ducts integrated in the outer shell.
  • the first set of passages ends on the inner surface of the outer shell and creates a feed chamber between the outer sliding surface of the piston and the inner surface of the outer shell.
  • the second and third set of passages allow pressurized fluid flow from the feed chamber to the front chamber and to the rear chamber, respectively.
  • the feed chamber interacts with recesses in the outer sliding surface of the piston and with the second and third set of passages in the outer housing, while the Discharge of the front chamber and the rear chamber are controlled respectively by a foot valve and an air guide (see the Type A flow system applied to a normal circulation hammer).
  • Type D flow system represented by US5113950 and US5279371
  • a feed chamber is provided at the rear end of the piston, these designs having characteristics similar to those of the Type A and Type B flow systems.
  • the Type D flow system uses a central feed tube as in the Type B flow system, but differs from this in that the feed chamber is not created in The inside of the feeding tube. Instead, similar to that of the Type A flow system, the feed chamber is created and acts on a portion of the rear part of the piston. In this way, the feeding tube performs the function of helping to drive the pressurized fluid into the feeding chamber and does not participate in its creation. All this results in a reduction in the rear thrust surface of the piston.
  • the need to unload the rear chamber requires the use of a piston with a central duct that emerges from the front face thereof, thereby further reducing the rear thrust surface and the front thrust surface of the piston, which translates in a cycle of even less power.
  • Type E flow system represented by US8640794 and US7921941
  • the designs described in these patents consist of a jacket mounted inside the outer shell, the jacket creating a feed chamber for the supply of pressurized fluid to the front chamber and the rear chamber of the hammer, and a discharge chamber for the discharge of pressurized fluid from the front chamber and from the rear chamber.
  • the feed and discharge chambers are defined by respective recesses, arranged longitudinally in series, on the inner surface of the outer shell.
  • Type 1 flow system represented by US5154244, RE36002 (US), US6702045 and US5685380.
  • a flow system is shown where the pressurized fluid is conducted from the rear end of the drill to an intermediate point outside it through channels created in the outer surface of the drill. These channels work cooperatively with the grooves of the drill to create closed ducts. From this intermediate point, the flow of Pressurized fluid is diverted through holes in the drill holder to a conduit formed between the outer surface of the drill holder and the inner surface of the sealing ring or shoe such that the pressurized fluid is discharged into the peripheral region of the end front of the drill.
  • Type A and Type D flow systems As with the Type B flow system, a smaller portion of the piston diameter that interacts with a piston guide is used as an alternative solution to the foot valve to control the discharge of the front chamber.
  • the discharge of the rear chamber is controlled by means of an air guide that enables or blocks the flow of pressurized fluid from the rear chamber to a coaxial central duct formed between the inner sliding surface of the piston and the outer surface of the sampling tube , in which this conduit extends from the rear chamber to the rear end of the drill.
  • the disadvantages of this flow system are the same associated with the Type A and Type D flow systems and, in particular, negatively affects the design of the drill in two aspects.
  • the first is the need for a multiplicity of manufacturing processes for the production of the channels on the outer surface of the drill, which increases the cost of manufacturing the hammer.
  • the second is that, due to the presence of these channels, the drag surface of the stretch marks, which depend on the contact area of each groove individually and the total number of grooves, may be insufficient in some applications. This last problem can be compensated by lengthening the drill, but this implies increasing the cost of the hammer.
  • Type 2 flow system represented by US5407021 and US4819746
  • Patents US5407021 and US4819746 describe a system in which the flow of pressurized fluid is conducted from the rear end of the drill to an intermediate point on the outer surface thereof by means of channels cooperatively formed by machined grooves in the inner surface of the drill holder and machined grooves on the outer surface of the drill tail. From this intermediate point, the flow of pressurized fluid is diverted through mainly longitudinal holes created in the drill head so as to discharge the pressurized fluid into the peripheral region of the front end of the drill.
  • the head of the drill also has the function of preventing the leakage of pressurized fluid through the annular space formed between the hammer and the wall of the well and between the bars and the wall of the well.
  • US4819746 has a Type A flow system.
  • a smaller front diameter portion of the piston interacts with a piston guide, as described in the Type B flow system.
  • the discharge of the rear camera is controlled by an air guide
  • the pressurized fluid flow system of the invention is characterized in that it comprises a set of external sliding surfaces of equal diameter in the piston thus preventing the failure of this part due to friction-induced heating cracks between the piston and misaligned parts (guide of air, feeding tube, foot valve, etc.). Moreover, the piston has no holes, channels or passages, making it a completely solid piece.
  • the pressurized fluid flow system of the invention is characterized by having a jacket coaxially disposed between the housing outer and piston; and for having two sets of channels, a set of feed channels and a set of discharge channels, delimited by the outer surface of the jacket and the inner surface of the outer shell.
  • the set of feed channels is permanently filled with fluid from the source of pressurized fluid and connected without interruption to the output of said source.
  • the set of discharge channels is permanently connected to the bottom of the well drilled by the hammer.
  • the feed channels are arranged in parallel in a longitudinal direction with respect to the discharge channels translating longitudinally and both sets of channels are defined by the respective sets of recesses on the outer surface of the jacket.
  • the piston has an annular recess in its outer surface that defines, in cooperation with the inner surface of the jacket, a feeding chamber.
  • the feed chamber is permanently connected without interruption to the set of feed channels. In this way, the feed chamber is permanently filled with fluid from the source of pressurized fluid and connected without interruption to the outlet of said source.
  • the flow of pressurized fluid supplied inwards and discharged from the front and rear chambers is controlled exclusively by the superposition or relative position of the outer sliding surfaces of the piston with the inner surface of the jacket.
  • front and rear recess sets are provided in the jacket.
  • multiple through ports are provided in the jacket.
  • the flow of pressurized fluid into the interior and from the front and rear chambers takes place between the inner surface of the jacket and the outer surface of the piston.
  • the state of the front camera and the rear camera are controlled in the invention by the interaction of this single pair of components.
  • the aforementioned configuration allows optimum use of the cross-sectional area of the hammer compared to the hammers of the prior art.
  • the front thrust surface and the rear thrust surface of the piston under the configuration of the invention are identical in size. Additionally, the control of the discharge of the front chamber and the rear chamber by means of the interaction between the piston and the sleeve does not require having a foot valve or a front portion of the piston of smaller diameter interacting with a piston guide or a air guide for this purpose, thus avoiding additional losses in the thrust areas as with the prior art flow systems.
  • one or more scanning passages can be provided in the dividing walls that separates the set of feed channels and the set of discharge channels to allow part of the flow of pressurized fluid available from the source of pressurized fluid to be directly discharged. at the bottom of the well, thus forming an assisted sweeping system and allowing greater drilling capacity in depth without a marked reduction in the penetration rate.
  • the invention also relates to a normal circulating bottom hammer characterized by having the pressurized fluid flow system described above and a drill in which the conventional central duct at the rear end thereof and the two or more converging passages in this central duct used in normal circulation hammers have been replaced by one or more sweeping passages drilled through the drill bit extending from the channels which, as described in the Type 1 and Type 2 flow systems, are created cooperatively by the grooves in the drill holder and in the drill tail, to the front face of the drill. This allows a simplified and more robust drill bit for a normal circulation hammer.
  • Figure 1 and Figure 2 illustrate how the cross-sectional views of the normal circulating bottom hammer of the invention shown in Figures 3, 4 and 5 are generated. As can be seen, the three cross-sectional views are obtained in the same way.
  • Figure 3 shows a longitudinal cross-sectional view of the normal circulation bottom hammer of the invention specifically showing the arrangement of the piston with respect to the outer shell, the sleeve and the drill when the front chamber is being fed with pressurized fluid and the rear chamber is discharging pressurized fluid to the bottom of the well.
  • Figure 4 shows a longitudinal cross-sectional view of the normal circulation bottom hammer of the invention specifically showing the arrangement of the piston with respect to the outer shell, the sleeve and the drill bit when the rear chamber is being fed with pressurized fluid and the front chamber is discharging pressurized fluid to the bottom of the well.
  • Figure 5 shows a longitudinal cross-sectional view of the normal circulating bottom hammer of the invention specifically showing the arrangement of the piston and the drill with respect to the outer casing and the sleeve when the hammer is in sweeping mode.
  • the front set of recesses is represented with a dashed line for a better understanding of its location relative to the piston.
  • Figure 6 shows an isometric view of the hammer jacket of the invention.
  • Figure 7 shows a cross-sectional view of the shirt of Figure 6 for a better understanding of the different characteristics of this element.
  • the hammer flow system has also been represented with respect to the solution designed under the invention to drive the pressurized fluid to the bottom of the well from the front chamber and rear chamber, in all modes and states, specifically towards the front end of the drill bit for sweeping rock fragments.
  • the direction of the pressurized fluid flow has been indicated by arrows.
  • a normal bottom bottom hammer consisting of the following main components:
  • a cylindrical outer shell (1) having a rear end and a front end; a drill holder (1 10) mounted on said front end of the outer casing (1) having an inner surface (113) with grooves (112) machined therein;
  • a piston (60) disposed coaxially and slidably within said outer casing (1) and capable of reciprocating due to the change in pressure of the pressurized fluid contained within a front chamber (240) and a rear chamber (230) located in opposite ends of the piston (60), the piston (60) having multiple outer sliding surfaces (64, 67); Y
  • a drill (90) slidably mounted on the drill holder (110), the sliding of the drill (90) limited by the drill retainer (210) and the bearing surface of the drill (111) of the drill holder (110), the drill bit (90) composed of a drill tail (95) at the rear end of the drill and a drill head (96) at the front end of the drill, the drill head (96 ) being larger in diameter than the tail of the drill (95) and having a front face (99), the tail of the drill (95) having an outer surface (98) with grooves (93) machined therein;
  • the pressurized fluid flow system of the invention includes a jacket (40) that is coaxially disposed between the outer shell (1) and the piston (60), the jacket (40) having an inner surface (47) and an outer surface (48).
  • the rear chamber (230) of the hammer is defined by the cylinder head (20), the sleeve (40) and the rear thrust surface (62) of the piston (60).
  • the volume of the rear chamber is variable depending on the position of the piston (60).
  • the front chamber (240) of the hammer is defined by the drill bit (90), the sleeve (40), the drill guide (150) and the front thrust surface (63) of the piston (60).
  • the volume of the front chamber is also variable depending on the position of the piston (60).
  • the piston (60) has an annular recess (68) on its outer surface which defines, in cooperation with the inner surface (47) of the jacket (40), a pressurized fluid feed chamber (66). This pressurized fluid feed chamber (66) is longitudinally limited at each end by the outer sliding surfaces (64, 67) of the piston, respectively.
  • the jacket (40) has a set of feed channels (2) and discharge channels (3) defined by respective longitudinal recesses on its outer surface (48), the feed channels (2) and discharge channels (3) arranged around said surface (48) to in the first case conduct pressurized fluid from the cylinder head (20) to the feed chamber (66) and from there to the front (240) and rear (230) chambers and in the second case allow the discharge of the pressurized fluid from the front (240) and rear (230) chamber to the channels (97) formed between the drill holder (110) and the drill tail (95) and from there to the bottom of the perforated well by the hammer
  • the first of these sets of channels is in permanent communication with the source of pressurized fluid and is filled with said fluid while the second of these sets of channels is directly communicated with the bottom of the well.
  • the jacket (40) has rear inlet ports for the pressurized fluid (41) drilled through it, connecting the feed channels (2) with a feed recess (21) in the cylinder head (20), and has ports elongados frontal of exit of pressurized fluid (42) perforated through her, which in fluid and uninterrupted form communicate the set of channels of feeding (2) of the shirt with the camera of feeding (66), filling it therefore in permanent form with pressurized fluid.
  • the jacket (40) also has rear (43) and front (44) discharge ports perforated through it, which allow the pressurized fluid to flow respectively from the rear chamber (230) and front chamber (240) into the assembly of download channels (3).
  • the jacket (40) also has a front set of recesses (45) and a rear set of recesses (46) on its inner surface to allow the pressurized fluid flowing from the cylinder head (20) to the feed chamber (66) through the set of feed channels (2) be partially diverted to the front (240) and rear (230) chambers, respectively, in cooperation with the multiple outer sliding surfaces (64, 67) of the piston (60) ).
  • the front chamber (240) is in direct fluid communication with the feed chamber (66) through the front recess assembly (45) of the jacket ( 40). In this way, pressurized fluid can flow freely from the feed chamber (66) to the front chamber (240) and initiate the displacement of the piston (60) backwards.
  • This flow of pressurized fluid to the front chamber (240) will stop when the piston (60) has traveled in the direction from the front end to the rear end of its travel to the point where the outer feed front edge (73) of the piston (60) reaches the rear limit of the front recess assembly (45) of the jacket (40). As the movement of the piston (60) continues further in the direction from the front end towards the rear end of its travel, a point will be reached where the outer discharge front edge (72) of the piston (60) will coincide with the front limit of the front discharge ports (44) of the jacket (40).
  • the front chamber (240) of the hammer will be fluidly communicated with the set of discharge channels (3) through the front set of discharge ports (44) of the shirt (40) (see figure 4).
  • the pressurized fluid inside the front chamber (240) will be discharged into the set of discharge channels (3) and from the set of discharge channels (3) is able to flow freely out of the hammer through of the channels (97) cooperatively formed between the grooves (93) of the drill tail (95) and the grooves (1 12) of the drill holder (1 10), and through the scanning passages (92) of the drill (90) to the front face (99) of the drill (90).
  • the drill (90) is aligned with the outer casing (1) of the hammer by a drill guide (150) having discharge slots (151) as shown in the figures.
  • these discharge slots connect the set of discharge channels (3) with the channels (97), so that the discharge of pressurized fluid flows through these discharge slots (151) before reaching the channels (97) and then flows through the scanning passages (92) of the drill (90).
  • the invention is not limited to the use of a drill guide and alternative alignment solutions can be used with the corresponding means for the discharge of the pressurized fluid.
  • the impact face (61) of the piston (60) When in the hammer cycle the impact face (61) of the piston (60) is in contact with the impact face (91) of the drill bit (90) and the drill bit (90) is at the rear end of its stroke, that is, the hammer is in impact position (see figure 3), the rear chamber (230) is in direct fluid communication with the set of discharge channels (3) through the rear set of discharge ports (43) of the shirt (40) (see figure 3).
  • the pressurized fluid inside the rear chamber (230) will be discharged into the set of discharge channels (3) and from the set of discharge channels (3) outside the hammer and towards the front face (99 ) of the drill bit (90) in a similar manner as with the pressurized fluid discharged from the front chamber (240).
  • the rear chamber (230) of the hammer will be fluidly communicated with the feed chamber (66) through the rear set of recesses (46) of the jacket ( 40). In this way, the rear chamber (230) will be fed with pressurized fluid from the feed chamber (66).
  • the pressurized fluid can flow freely out of the hammer and into the front face (99) of the drill bit (90) in a similar manner as with the pressurized fluid discharged from the front and rear chambers ( 230, 240) when the hammer is in drilling mode.

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Abstract

Un sistema de flujo de fluido presurizado para un martillo de fondo de circulación normal comprende una camisa coaxialmente dispuesta entre una carcasa exterior y un pistón que reciproca debido a cambios en la presión de fluido presurizado contenido en el interior de una cámara frontal y una cámara trasera situadas en extremos opuestos del pistón, la alimentación/descarga de fluido hacia/desde estas cámaras se lleva a cabo a través de conjuntos de canales de alimentación y descarga definidos por rebajes en la superficie exterior de la camisa y dispuestos en forma paralela, el flujo del fluido hacia el interior y desde las cámaras frontal y trasera siendo controlado exclusivamente por la superposición relativa del pistón y de la camisa, y la canalización del flujo de fluido por debajo de la superficie interior de la camisa y sobre la superficie exterior del pistón. Un martillo poseyendo este sistema consta de una broca con uno o varios pasajes de barrido.

Description

SISTEMA DE FLUJO DE FLUIDO PRESURIZADO PARA UN MARTILLO DTH Y MARTILLO DE CIRCULACIÓN NORMAL BASADO EN EL MISMO
CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere en forma general a los sistemas de flujo de fluido presurizado para mecanismos de percusión operando con dicho fluido, particularmente para martillos de fondo y más particularmente para martillos de fondo de circulación normal, y para martillos de fondo con dichos sistemas. ESTADO DEL ARTE
Martillos de fondo
Existe una gran variedad de mecanismos de perforación percusivos que utilizan un fluido presurizado como medio para transmitir potencia. Entre estos están los martillos de fondo que son ampliamente utilizados en la industria de la perforación, en la minería, así como en obras civiles y la construcción de pozos de agua, petróleo y pozos geotérmicos. El martillo de fondo, de forma general cilindrica, se utiliza montándolo en una máquina perforadora situada en la superficie. La máquina perforadora también se compone de una sarta de perforación compuesta de barras conectadas mutuamente, el extremo trasero, entendido como el extremo que está más lejos de la broca (elemento descrito más adelante en estas especificaciones), se monta en un cabezal de rotación y empuje y el extremo frontal, entendido como el extremo que está más cerca de la broca del martillo, se conecta al martillo. A través de esta sarta de perforación la máquina perforadora suministra el fluido presurizado necesario para la operación del martillo.
Partes del martillo de fondo
La principal pieza móvil del martillo es el pistón. Este miembro del martillo tiene una forma general cilindrica y está dispuesto en forma coaxial y deslizante en el interior de una carcasa cilindrica exterior. Cuando el martillo está operativo en el modo conocido como "modo de perforación", el pistón efectúa un movimiento reciprocante debido al cambio en la presión del fluido presurizado contenido en dos cámaras principales, una cámara frontal y una cámara trasera, formadas al interior del martillo y situadas en extremos opuestos del pistón. El pistón tiene un extremo frontal en contacto con la cámara frontal y un extremo trasero en contacto con la cámara trasera, y tiene superficies de deslizamiento exterior o secciones deslizantes de la superficie exterior del pistón (en contraposición a secciones con rebajes, ranuras o perforaciones) y superficies de deslizamiento interior o secciones deslizantes de la superficie interior del pistón (nuevamente en contraposición a las secciones con rebajes, ranuras o perforaciones). Las superficies de deslizamiento exterior están concebidas principalmente para asegurar la guía y alineación del pistón dentro del martillo. Además, en la mayoría de los martillos estas superficies, junto con las superficies de deslizamiento interior del pistón, en cooperación con otros elementos como se describe más adelante en estas especificaciones, permiten el control de la alimentación y la descarga alterna de fluido presurizado hacia el interior y desde las cámaras frontal y trasera.
La parte frontal del martillo, que realiza la función de perforación, es conocida como la broca y está dispuesta en forma deslizante en un porta-broca montado en la parte frontal de la carcasa exterior, la broca estando en contacto con la cámara frontal y adaptada para recibir el impacto del extremo frontal del pistón.
A fin de garantizar la correcta alineación de la broca con respecto a la carcasa exterior, un componente conocido como guía de broca es normalmente utilizado, el cual está dispuesto en el interior de la carcasa exterior. El movimiento de rotación proporcionado por la máquina perforadora se transmite a la broca por medio de superficies acanaladas o estrías tanto en la parte más trasera de la broca (o cola de la broca) como en el porta-broca. A su vez, la cabeza de la broca, de mayor diámetro que la carcasa exterior y que la cola de la broca y el porta-broca, tiene montados en ella los elementos de corte que cumplen la tarea de perforación y que se extienden hacia adelante desde la cara frontal de la broca. El movimiento de la broca se limita en su recorrido hacia atrás por el porta-broca y en su recorrido hacia el adelante por un elemento de retención contemplado especialmente para dicho fin. En el extremo trasero del martillo una culata es provista para conectar el martillo con la sarta de perforación y, en última instancia, con la fuente de fluido presurizado.
En la descripción anterior y en la que viene, el extremo trasero del martillo se entiende como el extremo donde se encuentra la culata y el extremo frontal del martillo, el extremo donde se encuentra la broca.
Funcionamiento del martillo
Cuando el martillo opera en el llamado "modo de perforación", el que se explica más adelante, las cámaras frontal y trasera atraviesan los siguientes estados:
a- suministro de fluido presurizado, donde el fluido proveniente de la fuente de fluido presurizado es libre para fluir hacia el interior de la cámara;
b- expansión o compresión, dependiendo de la dirección del movimiento del pistón, en el cual la cámara está sellada herméticamente y el volumen que encierra aumenta o disminuye respectivamente, c- descarga de fluido presurizado, donde el fluido procedente de la cámara es libre para fluir hacia el fondo del pozo; este flujo de descarga permite el barrido de los fragmentos de roca generados por la broca, arrastrados en suspensión en el flujo de fluido presurizado, hacia la superficie (proceso conocido como barrido del pozo).
De conformidad con el movimiento reciprocante del pistón, empezando desde la posición en la que el pistón está en contacto con la broca y esta última se encuentra en el extremo trasero de su carrera (posición conocida como posición de impacto), y terminando en la misma posición (con el impacto del pistón sobre la broca), la secuencia respectiva para los estados de las cámaras frontal y trasera son las siguientes: [a - b(expansión) - c - b(compresión) - a ] y [ c - b(compresión) - a - b(expansión) - c ]. La transición de un estado a otro es independiente para cada cámara y es controlada por la posición del pistón con respecto a otras partes del martillo de tal manera que el pistón actúa en sí como una válvula, así como un elemento de impacto.
En un primer modo operativo o "modo de perforación", cuando se suministra fluido presurizado al martillo y el martillo se encuentra en la posición de impacto, el pistón comienza inmediatamente el movimiento reciprocante y la broca es impactada en cada ciclo por el pistón, el extremo frontal de la broca ejecutando así la función de perforar la roca en cada impacto. Los fragmentos de roca son expelidos a la superficie por el fluido presurizado descargado desde las cámaras frontal y trasera al fondo del pozo. Al aumentar la profundidad del pozo, la magnitud de la columna de fluido presurizado con los fragmentos de roca también aumenta, produciendo una mayor resistencia a la descarga de fluido presurizado desde las cámaras. Este fenómeno afecta negativamente el proceso de perforación. En algunas aplicaciones, la filtración de agua o cualquier otro fluido hacia el interior del pozo aumenta aún más esta resistencia, y la operación del martillo puede cesar.
En algunos martillos, este modo operativo del martillo puede complementarse con un sistema de barrido asistido que permite la descarga de parte del flujo de fluido presurizado disponible desde la fuente de fluido presurizado directamente al fondo del pozo sin pasar por el ciclo del martillo. El sistema de barrido asistido permite la limpieza profunda del fondo del pozo mientras se está perforado.
En un segundo modo operativo del martillo o "modo de barrido", la sarta de perforación y el martillo son levantados por la máquina perforadora de tal modo que la broca pierde el contacto con la roca y todo el fluido presurizado se descarga a través del martillo directamente al fondo del pozo para fines de limpieza sin pasar por el ciclo de martillo, por lo que el pistón cesa su movimiento reciprocante.
El fluido presurizado proveniente del sistema de barrido asistido tiene un nivel de energía sustancialmente similar a la del fluido presurizado descargado desde de la fuente de fluido presurizado, en contraposición a lo que sucede con el fluido presurizado descargado desde las cámaras, que está a una presión considerablemente menor debido al intercambio de energía con el pistón. Aplicaciones industriales
Estas herramientas de perforación se utilizan en dos ámbitos de aplicación industrial:
1) Producción, donde se utiliza un tipo de martillo conocido como "martillo de circulación normal", en donde los fragmentos de roca producidos durante la operación de perforación son expelidos a la superficie a través del espacio anular definido por la pared del pozo y la superficie exterior del martillo y de la sarta de perforación, produciendo el desgaste de las superficies exteriores del martillo y la sarta de perforación por la acción de dichos fragmentos. El fluido presurizado proveniente de las cámaras y del sistema de barrido asistido se descarga a través de un conducto central dentro de la broca que se extiende desde su extremo trasero hasta su extremo frontal. Este conducto puede dividirse en dos o más pasajes que terminan en la cara frontal de la broca de tal forma que la descarga del fluido presurizado se genera principalmente desde el centro y a través de la cara frontal de la broca hacia la región periférica de la misma y hacia la pared del pozo, y luego hacia la superficie a través del espacio anular entre el martillo y la pared del pozo y entre la sarta de perforación y la pared del pozo. Los fragmentos de roca son expelidos por arrastre y están suspendidos en el fluido presurizado descargado hacia el fondo del pozo.
Los martillos de circulación normal se usan en el desarrollo de minería subterránea y de superficie. Debido a su habilidad para perforar rocas medias y duras, el uso de este tipo de martillos se ha ampliado también a la construcción de pozos de petróleo, agua y geotérmicos. En general, la roca removida no se utiliza, ya que no es de interés y sufre de contaminación en su camino hacia la superficie.
2) Exploración, donde un tipo de martillo conocido como "martillo de circulación reversa", que permite que los fragmentos de roca del fondo del pozo sean recuperados en la superficie por medio del fluido presurizado descargado al fondo del pozo. El fluido presurizado proveniente de las cámaras es descargado a lo largo de la región periférica del extremo frontal de la broca, produciendo por ende un flujo de fluido presurizado a través de la cara frontal de la broca hacia el interior de un conducto central continuo formado a lo largo del centro del martillo, normalmente a través de un tubo interior conocido como tubo de muestreo que se extiende desde la broca hasta la culata, y a través de las barras de doble pared que conforman la sarta de perforación. Este conducto central comienza en el interior de la broca en un punto donde dos o más pasajes de barrido que se originan en la cara frontal de la broca convergen. Los fragmentos de roca son expelidos hacia el conducto central por la acción del fluido presurizado y son recuperados en la superficie. El flujo de fluido presurizado con fragmentos de roca en suspensión produce desgaste en las superficies internas de todos los elementos que forman dicho conducto central.
Cualquiera sea, la broca o un elemento de sellado cilindrico del martillo que tiene un diámetro sustancialmente similar al diámetro de la cabeza de la broca y mayor que el diámetro exterior de la carcasa exterior, realiza la función de impedir la fuga de fluido presurizado y de los fragmentos de roca hacia el interior del espacio anular entre el martillo y la pared del pozo y entre la sarta de perforación y la pared del pozo cuando el pozo se está perforando (como sucede con un martillo de circulación normal), forzando a estos fragmentos de roca a viajar a través del tubo de muestreo y la sarta de perforación hacia la superficie por medio de la acción del fluido presurizado. Si es la broca la que realiza esta función de sellado, esta tiene una región periférica que aisla la cara frontal de la broca de dicho espacio anular.
El uso de este tipo de herramienta de perforación permite la recuperación de más del 90% de los fragmentos de roca, que no sufren de contaminación durante su viaje a la superficie y se almacenan para su posterior análisis.
Variables de rendimiento
Desde el punto de vista del usuario, las variables utilizadas para evaluar el rendimiento y la utilidad del martillo son las siguientes:
1) la tasa de penetración, que está dada por la potencia generada en el ciclo del fluido presurizado en el martillo y cuyo valor depende de dos variables: el consumo de fluido presurizado y la eficiencia del ciclo de conversión de energía, esta se define como la energía generada por unidad de masa de fluido presurizado consumida;
2) la durabilidad del martillo relacionada al desgaste inducido por el flujo de fluido presurizado arrastrando los fragmentos de roca hacia la superficie y la interacción entre las piezas móviles, la durabilidad siendo fuertemente dependiente de las características de los fragmentos de roca, los materiales utilizados para la fabricación de las piezas del martillo y el espesor de las piezas en contacto con el flujo de fluido presurizado.
3) el consumo de fluido presurizado, que es fuertemente dependiente del volumen muerto de la cámara frontal, el volumen muerto de la cámara trasera y el diseño del ciclo de fluido presurizado del martillo;
4) la capacidad de perforación a altas profundidades, que depende de la habilidad del martillo para suministrar fluido presurizado con un alto nivel de energía al fondo del pozo.
5) costos de fabricación, que depende de la complejidad de fabricación, la cantidad de componentes del martillo y la cantidad de materia prima utilizada;
6) la fiabilidad del martillo, que depende de la calidad del proceso de fabricación y la robustez del diseño de la herramienta; y
7) la eficiencia en la recuperación de los fragmentos de roca (sólo para martillos de circulación reversa), que está principalmente relacionada con la capacidad del martillo para sellar el pozo e impedir la fuga de fluido presurizado y de fragmentos de roca al espacio anular formado entre el martillo y la pared del pozo y entre la sarta de perforación y la pared del pozo.
Cabe señalar que la tasa de penetración, la durabilidad del martillo, el consumo de fluido presurizado, la fiabilidad del martillo y la capacidad de perforación a altas profundidades son factores que tienen incidencia directa en el costo operacional del usuario. En general, un martillo más rápido y fiable con una vida útil dentro de límites aceptables será siempre preferido en cualquier tipo de aplicación.
Los sistemas de flujo de fluido presurizado Diferentes sistemas de flujo de fluido presurizado son utilizados en martillos para el proceso de suministrar fluido presurizado a la cámara frontal y a la cámara trasera y para descargar el fluido presurizado de estas cámaras. En todos ellos hay una cámara de alimentación formada al interior del martillo desde la cual, y dependiendo de la posición del pistón, el fluido presurizado es conducido a la cámara frontal o la cámara trasera. En general, el pistón actúa como una válvula, de tal manera que dependiendo de su posición es el estado en el que se encuentran las cámaras frontal y trasera, estos estados siendo los indicados anteriormente: suministro, expansión-compresión y descarga.
En todo momento la fuerza neta ejercida sobre el pistón es el resultado de la presión que existe en la cámara frontal, la superficie del pistón en contacto con dicha cámara frontal (o superficie de empuje frontal del pistón), la presión que existe en la cámara trasera, la superficie del pistón en contacto con dicha cámara trasera (o superficie de empuje trasera del pistón), el peso del pistón y las fuerzas disipativas que puedan existir. Mientras mayores sean las superficies de empuje del pistón, mayor será la fuerza generada en el pistón debido a un cierto nivel de presión del fluido presurizado y mayores los niveles de eficiencia de conversión de energía y potencia que pueden ser alcanzados.
Todo el arte previo referente a los sistemas de flujo de fluido presurizado que se describen en los párrafos siguientes se describen con respecto a las soluciones para controlar el estado de las cámaras frontal y trasera de un martillo de fondo. Los ejemplos descritos se refieren a martillos de circulación normal, pero son igualmente aplicables a martillos de circulación reversa.
Sistema de flujo Tipo A, representado por las patentes US4084646, US5944117 y US6135216
Los diseños descritos en estas patentes constan de una camisa montada en el interior de la carcasa exterior, la camisa creando un pasaje fluido entre la superficie exterior de la camisa y la superficie interior de la carcasa exterior. Este pasaje fluido se extiende a lo largo de la mitad trasera del pistón y termina en la cámara de alimentación, la cual es parcialmente definida por la superficie de deslizamiento exterior del pistón, cerca de su punto medio, y la superficie interna de la carcasa exterior. La provisión de esta camisa requiere el uso de un pistón de doble diámetro exterior, el diámetro exterior del mismo siendo mayor en su extremo frontal y menor en su extremo trasero donde se ubica la camisa.
La región donde el diámetro exterior del pistón cambia, es decir donde hay un resalto en la superficie de deslizamiento exterior del pistón, está sometida a una presión igual en promedio a la presión de alimentación del martillo. Por lo tanto, en cada ciclo, el trabajo neto ejercido por esta región sobre el pistón es nulo, es decir, no contribuye con el proceso de transferencia de energía al pistón, resultando en una superficie de empuje trasera reducida.
Además, en los martillos de circulación normal o circulación reversa con este tipo de sistema de flujo, se proporciona una pieza llamada guía de aire para controlar la descarga de la cámara trasera, la guía de aire siendo un elemento tubular coaxial con el pistón y la carcasa exterior y situada en la cara posterior de la cámara trasera. También se proporciona una válvula de pie a fin de controlar la descarga de la cámara frontal, la válvula de pie siendo un elemento tubular hueco coaxial con el pistón y la carcasa exterior y sobresaliendo de la cara trasera de la broca, conocida como cara de impacto.
Lo anterior requiere el uso de un pistón con un conducto central, conducto que se extiende a lo largo de toda su longitud y que interactúa con la guía de aire y con la válvula de pie, este conducto central reduce aún más la superficie de empuje trasera y la superficie de empuje frontal del pistón, lo que produce como resultado un ciclo de incluso menor energía.
Además, la alineación de la camisa es un problema frecuente en este tipo de diseño, el que, de no ser resuelto, induce fuerzas disipativas que drenan energía desde el ciclo del martillo.
Sistema de flujo Tipo B, representado por las patentes US5984021 , US4312412 y US6454026
Los diseños descritos en estas patentes constan de un tubo de alimentación de fluido presurizado (dentro del cual se genera la cámara de alimentación), el que se extiende desde la cara posterior de la cámara trasera y es recibido dentro de un conducto central en el pistón. Este conducto se extiende a lo largo de toda la longitud del pistón.
Para controlar la alimentación de la cámara frontal y de la cámara trasera con fluido presurizado y controlar la descarga de la cámara trasera, el tubo de alimentación interactúa con orificios y rebajes en el interior del pistón.
Rebajes en la superficie de deslizamiento exterior del pistón y en la superficie interna de la carcasa exterior complementan el control del pistón sobre el estado de las cámaras. Además, la descarga de la cámara frontal está controlada por una válvula de pie en la broca (US5984021 y US4312412) o, alternativamente, por una porción frontal del pistón de menor diámetro que interactúa con un guía de pistón (US6454026). Esta última solución también puede ser utilizada como una alternativa a la válvula de pie en el sistema de flujo Tipo A y en el resto de los sistemas de flujo que se describirán más adelante.
La presencia de orificios en el pistón debilita la resistencia al impacto de esta parte del martillo e implica un proceso de fabricación más complejo. Desde este punto de vista, los martillos con el sistema de flujo Tipo A tienen un pistón más resistente y con un proceso de fabricación más sencillo que los martillos con el sistema de flujo de Tipo B. Además, la creación de la cámara de alimentación en el interior del tubo de alimentación produce un retraso en el inicio del flujo cuando el suministro de fluido presurizado a las cámaras está activo, debido a la distancia entre la primera y las últimas. Los orificios y rebajes también causan un incremento en el volumen muerto de las cámaras, siendo la principal consecuencia de esto un aumento en el consumo de fluido presurizado y una reducción en la eficiencia de conversión energética en el ciclo termodinámico.
En el caso particular de los martillos que tienen un pistón con una porción frontal de menor diámetro que interactúa con un guía de pistón, la superficie de empuje frontal del pistón se ve muy reducida debido al hecho de que una superficie de impacto lo suficientemente grande es todavía necesaria para soportar el estrés generado por el impacto, restando así superficie de la superficie de empuje frontal. Además, la provisión de un tubo de alimentación requiere el uso de un pistón con un conducto central que se extiende a lo largo de toda su longitud, generando los efectos sobre la potencia ya mencionados para el sistema Tipo A.
Sistema de flujo Tipo C, representado por la patente US4923018
El diseño descrito en esta patente tiene tres conjuntos diferentes de conductos de alimentación integrados en la carcasa exterior. El primer conjunto de pasajes finaliza en la superficie interior de la carcasa exterior y crea una cámara de alimentación entre la superficie de deslizamiento exterior del pistón y la superficie interior de la carcasa exterior. El segundo y tercer conjunto de pasajes permiten el flujo de fluido presurizado desde la cámara de alimentación hacia la cámara frontal y hacia la cámara trasera, respectivamente. A fin de controlar el suministro de fluido presurizado a la cámara frontal y a la cámara trasera, la cámara de alimentación interactúa con rebajes en la superficie de deslizamiento exterior del pistón y con el segundo y tercer conjunto de pasajes en la carcasa exterior, mientras que la descarga de la cámara frontal y de la cámara trasera están controlados respectivamente por una válvula de pie y una guía de aire (consulte el sistema de flujo Tipo A aplicado a un martillo de circulación normal).
Las principales desventajas de este diseño es la adición de volumen muerto debido a la presencia del segundo y tercer conjunto de pasajes y al hecho de que estos pasajes reducen significativamente la vida útil de la carcasa exterior que depende en gran medida del espesor de su pared. Asimismo, la disposición de una guía de aire y válvula de pie requiere el uso de un pistón con un conducto central que se extiende a lo largo de toda su longitud, resultando en los efectos sobre la potencia ya mencionados para el sistema Tipo A.
Sistema de flujo Tipo D, representado por las patentes US5113950 y US5279371
En los diseños descritos en estas patentes, una cámara de alimentación es provista en el extremo trasero del pistón, teniendo estos diseños características similares a las de los sistemas de flujo Tipo A y Tipo B. El sistema de flujo Tipo D utiliza un tubo de alimentación central como en el sistema de flujo Tipo B, pero difiere de éste en que la cámara de alimentación no se crea en el interior del tubo de alimentación. En su lugar, de forma similar a la del sistema de flujo Tipo A, la cámara de alimentación se crea y actúa sobre una porción de la parte trasera del pistón. De esta manera, el tubo de alimentación desempeña la función de ayudar a conducir el fluido presurizado hacia la cámara de alimentación y no participa en su creación. Todo esto produce como consecuencia una reducción en la superficie de empuje trasera del pistón. Además, la necesidad de descargar la cámara trasera requiere el uso de un pistón con un conducto central que emerge de la cara frontal del mismo, reduciendo así aún más la superficie de empuje trasera y la superficie de empuje frontal del pistón, lo que se traduce en un ciclo de incluso menor potencia.
Además, en la patente US5113950 la presencia de rebajes y pasajes a través del pistón debilitan la resistencia al impacto de este componente.
Sistema de flujo Tipo E, representado por las patentes US8640794 y US7921941
Los diseños descritos en estas patentes constan de una camisa montada en el interior de la carcasa exterior, la camisa creando una cámara de alimentación para el suministro de fluido presurizado a la cámara frontal y a la cámara trasera del martillo, y una cámara de descarga para la descarga de fluido presurizado desde la cámara frontal y desde la cámara trasera. En este diseño, las cámaras de alimentación y descarga están definidas por respectivos rebajes, dispuestos longitudinalmente en serie, sobre la superficie interior de la carcasa exterior.
En estos diseños el flujo de fluido presurizado hacia el interior y desde las cámaras frontal y trasera es controlado exclusivamente por la superposición o la posición relativa de las varias superficies de deslizamiento exterior del pistón y la superficie interior de la camisa durante el movimiento reciprocante del pistón. Lo anterior representa una ventaja porque no debe esperarse problemas de alineación debido a que el pistón sólo desliza dentro de la camisa. Pero estos diseños requieren que el pistón esté provisto de múltiples medios para suministrar fluido presurizado a la cámara frontal y a la cámara trasera del martillo, y para la descarga de fluido presurizado desde la cámara frontal y la cámara trasera. Estos múltiples medios para suministrar fluido presurizado representan una desventaja debido a que la presencia de orificios a través del pistón debilita la resistencia al impacto de esta parte del martillo e implica un proceso de fabricación más complejo. Los conductos también causan un incremento en el volumen muerto de las cámaras, siendo la principal consecuencia de esto un aumento en el consumo de fluido presurizado y una reducción en la eficiencia de conversión de energía en el ciclo termodinámico.
En los siguientes párrafos, los diferentes sistemas de flujo de fluido presurizado conocidos son descritos para el caso específico de martillos circulación reversa, con respecto a las soluciones para conducir el fluido presurizado descargado desde la cámara frontal y desde la cámara trasera al fondo del pozo, específicamente a la periferia de la cara frontal de la broca, para el barrido de los fragmentos de roca.
Sistema de flujo Tipo 1, representado por las patentes US5154244, RE36002(US), US6702045 y US5685380.
Estas patentes describen un sistema de flujo donde el fluido presurizado es conducido desde el extremo trasero de la broca al extremo frontal de la misma por medio de canales formados de forma cooperativa mediante estrías mecanizadas en la superficie interior del porta-broca y estrías mecanizadas en la superficie exterior de la cola de la broca, y con un anillo o zapata actuando como elemento de sellado, para crear así conductos cerrados a través de los cuales el fluido presurizado se descarga a la periferia del extremo frontal de la broca.
En una variante de la solución anterior, descrita en la patente US6702045, un sistema de flujo es mostrado donde el fluido presurizado es conducido desde el extremo trasero de la broca hasta un punto intermedio en el exterior de la misma por medio de canales creados en la superficie exterior de la broca. Estos canales trabajan en forma cooperativa con las estrías del porta- broca para crear conductos cerrados. Desde este punto intermedio, el flujo de fluido presurizado es desviado a través de agujeros en el porta-broca a un conducto formado entre la superficie exterior del porta-broca y la superficie interior del anillo de sellado o zapata de tal manera que el fluido presurizado es descargado en la región periférica del extremo frontal de la broca.
Desde el punto de vista del control del estado de las cámaras frontal y trasera, los diseños de productos presentes en el mercado basados en estas patentes utilizan sistemas de flujo del Tipo A y Tipo D. Tal como con el sistema de flujo Tipo B, una porción frontal de menor diámetro del pistón que interactúa con un guía de pistón se utiliza como una solución alternativa a la válvula de pie para controlar la descarga de la cámara frontal. La descarga de la cámara trasera se controla por medio de una guía de aire que habilita o bloquea el flujo de fluido presurizado desde la cámara trasera a un conducto central coaxial formado entre la superficie de deslizamiento interior del pistón y la superficie exterior del tubo de muestreo, en que este conducto se extiende desde la cámara trasera hasta el extremo trasero de la broca.
Las desventajas de este sistema de flujo son las mismas asociadas con los sistemas de flujo Tipo A y Tipo D y, en particular, afecta negativamente el diseño de la broca en dos aspectos. El primero es la necesidad de una multiplicidad de procesos de fabricación para la producción de los canales en la superficie exterior de la broca, lo que aumenta el costo de fabricación del martillo. La segunda es que, debido a la presencia de estos canales, la superficie de arrastre de las estrías, que dependen del área de contacto de cada estría individualmente y el número total de estrías, puede ser insuficiente en algunas aplicaciones. Este último problema puede ser compensado por medio del alargamiento de la broca, pero esto implica aumentar el costo del martillo.
Sistema de flujo Tipo 2, representado por las patentes US5407021 y US4819746
Las patentes US5407021 y US4819746 describen un sistema en el cual el flujo de fluido presurizado es conducido desde el extremo trasero de la broca hasta un punto intermedio en la superficie exterior de la misma por medio de canales formados de forma cooperativa mediante estrías mecanizadas en la superficie interior del porta-broca y estrías mecanizadas en la superficie exterior de la cola de la broca. Desde este punto intermedio, el flujo de fluido presurizado es desviado a través de agujeros principalmente longitudinales creados en la cabeza de la broca de tal forma de descargar el fluido presurizado en la región periférica del extremo frontal de la broca.
La cabeza de la broca tiene además la función de evitar la fuga de fluido presurizado a través del espacio anular formado entre el martillo y la pared del pozo y entre las barras y la pared del pozo.
Desde la perspectiva de controlar el estado de las cámaras frontal y trasera, la patente US4819746 posee un sistema de flujo Tipo A.
En ambas patentes, como una solución alternativa a la válvula de pie para controlar la descarga de la cámara frontal, una porción frontal de menor diámetro del pistón interactúa con un guía del pistón, como se describe en el sistema de flujo Tipo B.
La descarga de la cámara trasera está controlada por una guía de aire
(US4819746) que habilita o bloquea el flujo de fluido presurizado desde la cámara trasera a un conducto central coaxial formado entre la superficie de deslizamiento interior del pistón y la superficie exterior del tubo de muestreo, que se extiende hasta el extremo trasero de la broca.
Las desventajas en este caso (patente US4819746) son las mismas que las del sistema de flujo Tipo A y el diseño de la broca es también impactado negativamente en los mismos dos aspectos ya mencionados para el sistema de flujo Tipo 1 además de un tercer aspecto. Este tercer aspecto está dado por la debilidad mecánica inducida en la broca como resultado de los agujeros principalmente longitudinales creados en la cabeza de la broca para canalizar el fluido presurizado y descargarlo en la región periférica del extremo frontal de la broca de tal forma de producir un flujo de fluido presurizado desde la periferia a lo largo de la cara frontal de la broca hacia el interior del conducto central coaxial del martillo y las barras.
OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN De acuerdo con las cuestiones y antecedentes técnicos expuestos, es un objetivo de la presente invención presentar un sistema de flujo de fluido presurizado que, aplicado a un martillo de circulación normal, proporciona un mejor rendimiento que los martillos de circulación normal del arte previo, y que combinado con medios de canalización a través de la broca para el fluido presurizado adaptados a dicho sistema, proporcionan un martillo de fondo de circulación normal mejorado. Concretamente, y sin sacrificar la vida útil, sería deseable tener un martillo de circulación normal mejorado en los siguientes aspectos:
• Una alta potencia y alta eficiencia en el proceso de conversión de energía, lo que implica una mayor tasa de penetración.
• Un diseño estructuralmente más simple y un costo de fabricación reducido.
· Una alta fiabilidad y robustez.
BREVE RESUMEN DE LA INVENCIÓN
Con el propósito de brindar un sistema de flujo de fluido presurizado mejorado para un martillo de fondo de circulación normal de acuerdo con los objetivos definidos anteriormente, una solución ha sido ideada que hace un uso eficiente del área transversal del martillo, emplea menos piezas y es más fácil de fabricar.
El sistema de flujo de fluido presurizado de la invención se caracteriza porque comprende un conjunto de superficies de deslizamiento exterior de igual diámetro en el pistón evitando así la falla de esta pieza debido a grietas por calentamiento inducidas por fricción entre el pistón y partes desalineadas (guía de aire, tubo de alimentación, válvula de pie, etc.). Mas aún, el pistón no tiene agujeros, canales o pasajes, convirtiéndolo en una pieza completamente sólida.
Específicamente, el sistema de flujo de fluido presurizado de la invención se caracteriza por tener una camisa dispuesta coaxialmente entre la carcasa exterior y el pistón; y por poseer dos conjuntos de canales, un conjunto de canales de alimentación y un conjunto de canales de descarga, delimitados por la superficie exterior de la camisa y la superficie interior de la carcasa exterior. El conjunto de canales de alimentación está permanentemente lleno de fluido procedente de la fuente de fluido presurizado y conectado sin interrupción a la salida de dicha fuente. El conjunto de canales de descarga está permanentemente comunicado con el fondo del pozo perforado por el martillo. Los canales de alimentación están dispuestos en paralelo en sentido longitudinal con respecto a los canales de descarga traslapándose longitudinalmente y ambos conjuntos de canales están definidos por los respectivos conjuntos de rebajes en la superficie exterior de la camisa.
El pistón tiene un rebaje anular en su superficie exterior que define, en cooperación con la superficie interior de la camisa, una cámara de alimentación. La cámara de alimentación está conectada permanentemente sin interrupción con el conjunto de canales de alimentación. De esta manera, la cámara de alimentación está permanentemente llena con fluido procedente de la fuente de fluido presurizado y conectada sin interrupción a la salida de dicha fuente.
El flujo de fluido presurizado suministrado hacia el interior y descargado desde las cámaras frontal y trasera es controlado exclusivamente por la superposición o posición relativa de las superficies de deslizamiento exterior del pistón con la superficie interior de la camisa.
Para canalizar el fluido presurizado desde la cámara de alimentación a las cámaras frontal y trasera del martillo, conjuntos frontales y traseros de rebajes son provistos en la camisa. Para canalizar el fluido presurizado desde las cámaras frontal y trasera hacia el conjunto de canales de descarga, múltiples puertos pasantes son proporcionados en la camisa.
Por lo tanto, el flujo de fluido presurizado hacia el interior y desde las cámaras frontal y trasera tiene lugar entre la superficie interior de la camisa y la superficie exterior del pistón. Más aún, el estado de la cámara frontal y de la cámara trasera están controlados en la invención por la interacción de este único par de componentes. La mencionada configuración permite una utilización óptima del área transversal del martillo en comparación con los martillos del arte previo. Al disponer el conjunto de canales de alimentación longitudinalmente en paralelo con el conjunto de canales de descarga es posible aumentar la superficie de empuje frontal y la superficie de empuje trasera del pistón.
La superficie de empuje frontal y la superficie de empuje trasera del pistón bajo la configuración de la invención son idénticas en tamaño. Adicionalmente, el control de la descarga de la cámara frontal y la cámara trasera por medio de la interacción entre el pistón y la camisa no requiere tener una válvula de pie ni una porción frontal del pistón de menor diámetro interactuando con un guía de pistón o una guía de aire para este fin, evitando así las pérdidas adicionales en las áreas de empuje como ocurre con los sistemas de flujo del arte previo.
Además, el hecho de que el flujo de fluido presurizado hacia el interior y desde las cámaras frontal y trasera tiene lugar entre la superficie interior de la camisa y la superficie exterior del pistón permite a este último ser completamente sólido, evitando la necesidad de agujeros, canales o pasajes que pueden debilitarlo, aumentar los volúmenes muertos de las cámaras frontal y trasera, deteriorar la eficiencia del ciclo y hacer del pistón un componente más caro.
Aún más, uno o más pasajes de barrido puede ser provistos en las paredes divisorias que separa el conjunto de canales de alimentación y el conjunto de canales de descarga para permitir que parte del flujo de fluido presurizado disponible desde la fuente de fluido presurizado sea descargado directamente al fondo del pozo, conformando de esta manera un sistema de barrido asistido y permitiendo una mayor capacidad de perforación en profundidad sin una marcada reducción en la tasa de penetración.
La invención también se refiere a un martillo de fondo de circulación normal caracterizado por tener el sistema de flujo de fluido presurizado descrito anteriormente y una broca en la cual el conducto central convencional en el extremo posterior de la misma y los dos o más pasajes que convergen en este conducto central utilizados en martillos de circulación normal han sido reemplazados por uno o más pasajes de barrido perforados a través de la broca extendiéndose desde los canales que, como se describe en los sistemas de flujo Tipo 1 y Tipo 2, se crean en forma cooperativa por las estrías en el porta-broca y en la cola de la broca, hasta la cara frontal de la broca. Esto permite una broca simplificada y más robusta para un martillo de circulación normal.
Al disponer la invención de un conjunto de canales de descarga delimitado por la superficie exterior de la camisa y la superficie interior de la carcasa exterior, es decir, adyacente a la superficie interior de la carcasa exterior, es posible no sólo desviar el flujo de fluido presurizado desde el conjunto de canales de descarga hacia el exterior de la cola de la broca y hacia los canales cooperativamente formados entre las estrías en la superficie interior del porta-broca y las estrías en la superficie exterior de la cola de la broca, sino también, el flujo de fluido presurizado puede ser entonces descargado desde estos canales al extremo frontal de la broca mediante el o los pasajes de barrido que están perforados a través del cuerpo de la broca y se extienden desde dichos canales hasta la cara frontal de la broca.
Las mencionadas características de la broca más las descritas anteriormente en relación con el sistema de flujo de fluido presurizado mejoran en forma importante la fiabilidad del martillo.
Para facilitar la comprensión de las ideas precedentes, la invención es descrita con referencia a los dibujos adjuntos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
En los dibujos:
La figura 1 y la figura 2 ilustran cómo las vistas en corte transversal del martillo de fondo de circulación normal de la invención que se muestran en las figuras 3, 4 y 5 son generadas. Como puede verse, las tres vistas en corte transversal son obtenidas de la misma manera.
La figura 3 muestra una vista en corte transversal longitudinal del martillo de fondo de circulación normal de la invención específicamente mostrando la disposición del pistón con respecto a la carcasa exterior, la camisa y la broca cuando la cámara frontal está siendo alimentada con fluido presurizado y la cámara trasera está descargando fluido presurizado al fondo del pozo.
La figura 4 muestra una vista en corte transversal longitudinal del martillo de fondo de circulación normal de la invención específicamente mostrando la disposición del pistón con respecto a la carcasa exterior, la camisa y la broca cuando la cámara trasera está siendo alimentada con fluido presurizado y la cámara frontal está descargando fluido presurizado al fondo del pozo.
La figura 5 muestra una vista en corte transversal longitudinal del martillo de fondo de circulación normal de la invención específicamente mostrando la disposición del pistón y de la broca con respecto a la carcasa exterior y la camisa cuando el martillo se encuentra en modo de barrido. El conjunto frontal de rebajes se representa con una línea discontinua para una mejor comprensión de su ubicación respecto al pistón.
La figura 6 muestra una vista isométrica de la camisa del martillo de la invención.
La figura 7 muestra una vista en corte transversal de la camisa de la figura 6 para una mejor comprensión de las diferentes características de este elemento.
En todas estas figuras, el sistema de flujo del martillo también ha sido representado con respecto a la solución diseñada bajo la invención para conducir el fluido presurizado al fondo del pozo desde la cámara frontal y cámara trasera, en todos los modos y estados, específicamente hacia el extremo frontal de la broca para el barrido de los fragmentos de roca. La dirección del flujo de fluido presurizado ha sido indicada mediante flechas.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Refiriéndose a las figuras 1 a la 7, se muestra un martillo de fondo de circulación normal que consta de los siguientes componentes principales:
una carcasa exterior cilindrica (1) que posee un extremo trasero y un extremo frontal; un porta-broca (1 10) montado en dicho extremo frontal de la carcasa exterior (1) teniendo una superficie interior (113) con estrías (112) mecanizadas en ella;
una culata (20) fijada a dicho extremo trasero de la carcasa exterior (1) para conectar el martillo a la fuente de fluido presurizado;
un pistón (60) dispuesto en forma coaxial y deslizante dentro de dicha carcasa exterior (1) y capaz de reciprocar debido al cambio en la presión del fluido presurizado contenido dentro de una cámara frontal (240) y una cámara trasera (230) situadas en extremos opuestos del pistón (60), el pistón (60) teniendo múltiples superficies de deslizamiento exterior (64, 67); y
una broca (90) montada en forma deslizante en el porta-broca (110), el deslizamiento de la broca (90) limitado por el retenedor de broca (210) y la superficie de apoyo de la broca (111) del porta-broca (110), la broca (90) compuesta de una cola de la broca (95) en el extremo trasero de la broca y una cabeza de la broca (96) en el extremo frontal de la broca, la cabeza de la broca (96) siendo de mayor diámetro que la cola de la broca (95) y poseyendo una cara frontal (99), la cola de la broca (95) teniendo una superficie exterior (98) con estrías (93) mecanizadas en ella;
canales (97) formados cooperativamente entre las estrías (112) sobre la superficie interior (1 13) del porta-broca (1 10) y las estrías (93) sobre la superficie exterior (98) de la cola de la broca (95).
El sistema de flujo de fluido presurizado de la invención incluye una camisa (40) que está dispuesta coaxialmente entre la carcasa exterior (1) y el pistón (60), la camisa (40) teniendo una superficie interior (47) y una superficie exterior (48).
La cámara trasera (230) del martillo está definida por la culata (20), la camisa (40) y la superficie de empuje trasera (62) del pistón (60). El volumen de la cámara trasera es variable dependiendo de la posición del pistón (60). La cámara frontal (240) del martillo está definida por la broca (90), la camisa (40), la guía de broca (150) y la superficie de empuje frontal (63) del pistón (60). El volumen de la cámara frontal también es variable dependiendo de la posición del pistón (60). El pistón (60) tiene un rebaje anular (68) en su superficie exterior que define, en cooperación con la superficie interior (47) de la camisa (40), una cámara de alimentación de fluido presurizado (66). Esta cámara de alimentación de fluido presurizado (66) está limitada longitudinalmente en cada extremo por las superficies de deslizamiento exterior (64, 67) del pistón, respectivamente.
La camisa (40) posee un conjunto de canales de alimentación (2) y de canales de descarga (3) definidos por respectivos rebajes longitudinales en su superficie exterior (48), los canales de alimentación (2) y de descarga (3) dispuestos alrededor de dicha superficie (48) para en el primer caso conducir fluido presurizado desde la culata (20) hacia la cámara de alimentación (66) y desde allí hacia las cámaras frontal (240) y trasera (230) y en el segundo caso permitir la descarga del fluido presurizado desde la cámara frontal (240) y trasera (230) hacia los canales (97) formados entre el porta-broca (110) y la cola de la broca (95) y desde allí hacia el fondo del pozo perforado por el martillo. Cuando el martillo está operativo, el primero de estos conjuntos de canales está en permanente comunicación con la fuente de fluido presurizado y está lleno con dicho fluido mientras que el segundo de estos conjuntos de canales está directamente comunicado con el fondo del pozo.
La camisa (40) posee puertos de entrada traseros para el fluido presurizado (41) perforados a través de ella, que conectan los canales de alimentación (2) con un rebaje de alimentación (21) en la culata (20), y posee puertos elongados de salida frontales de fluido presurizado (42) perforados a través de ella, los cuales en forma fluida e ininterrumpida comunican el conjunto de canales de alimentación (2) de la camisa con la cámara de alimentación (66), llenándola por lo tanto en forma permanente con fluido presurizado. La camisa (40) también posee puertos de descarga traseros (43) y frontales (44) perforados a través de ella, que permiten al fluido presurizado fluir respectivamente desde la cámara trasera (230) y cámara frontal (240) hacia el interior del conjunto de canales de descarga (3).
La camisa (40) también posee un conjunto frontal de rebajes (45) y un conjunto trasero de rebajes (46) en su superficie interior para permitir que el fluido presurizado que fluye desde la culata (20) hacia la cámara de alimentación (66) a través del conjunto de canales de alimentación (2) sea parcialmente desviado a las cámaras frontal (240) y trasera (230), respectivamente, en cooperación con las múltiples superficies de deslizamiento exterior (64, 67) del pistón (60).
Control del estado de la cámara frontal (240)
Cuando en el ciclo de martillo la cara de impacto (61) del pistón (60) está en contacto con la cara de impacto (91) de la broca (90) y la broca (90) está en el extremo posterior de su carrera, es decir, el martillo está en posición de impacto (véase la figura 3), la cámara frontal (240) está en comunicación fluida directa con la cámara de alimentación (66) a través del conjunto frontal de rebajes (45) de la camisa (40). De esta forma, el fluido presurizado puede fluir libremente desde la cámara de alimentación (66) a la cámara frontal (240) e iniciar el desplazamiento del pistón (60) hacia atrás.
Este flujo de fluido presurizado hacia la cámara frontal (240) se detendrá cuando el pistón (60) haya viajado en la dirección desde el extremo frontal hacia el extremo trasero de su recorrido hasta el punto donde el borde frontal de alimentación exterior (73) del pistón (60) alcance el límite trasero del conjunto frontal de rebajes (45) de la camisa (40). A medida que el movimiento del pistón (60) continúa más allá en la dirección desde el extremo frontal hacia el extremo trasero de su recorrido, se alcanzará un punto donde el borde frontal de descarga exterior (72) del pistón (60) coincidirá con el límite frontal de los puertos de descarga frontales (44) de la camisa (40). A medida que el movimiento del pistón (60) continúa aún más allá, la cámara frontal (240) del martillo será comunicada de forma fluida con el conjunto de canales de descarga (3) a través del conjunto frontal de puertos de descarga (44) de la camisa (40) (véase la figura 4). De esta forma, el fluido presurizado dentro de la cámara frontal (240) será descargado hacia el interior del conjunto de canales de descarga (3) y desde el conjunto de canales de descarga (3) es capaz de fluir libremente fuera del martillo a través de los canales (97) cooperativamente formados entre las estrías (93) de la cola de la broca (95) y las estrías (1 12) del porta-broca (1 10), y a través de los pasajes de barrido (92) de la broca (90) a la cara frontal (99) de la broca (90).
Normalmente, la broca (90) está alineada con la carcasa exterior (1) del martillo por una guía de broca (150) que posee ranuras de descarga (151) como se muestra en las figuras. En la actual invención estas ranuras de descarga conectan el conjunto de canales de descarga (3) con los canales (97), de modo que la descarga de fluido presurizado fluye a través de estas ranuras de descarga (151) antes de llegar a los canales (97) y luego fluye a través de los pasajes de barrido (92) de la broca (90). Sin embargo, la invención no se limita al uso de una guía de broca y soluciones alternativas de alineación pueden utilizarse con los correspondientes medios para la descarga del fluido presurizado.
Control del estado de la cámara trasera (230)
Cuando en el ciclo de martillo la cara de impacto (61) del pistón (60) está en contacto con la cara de impacto (91) de la broca (90) y la broca (90) está en el extremo posterior de su carrera, es decir, el martillo está en posición de impacto (véase la figura 3), la cámara trasera (230) está en comunicación fluida directa con el conjunto de canales de descarga (3) a través del conjunto trasero de puertos de descarga (43) de la camisa (40) (véase la figura 3).
De esta forma, el fluido presurizado dentro de la cámara trasera (230) será descargado hacia el interior del conjunto de canales de descarga (3) y desde el conjunto de canales de descarga (3) fuera del martillo y hacia la cara frontal (99) de la broca (90) en una manera similar como con el fluido presurizado descargado desde la cámara frontal (240).
Este flujo de fluido presurizado se detendrá cuando el pistón (60) haya viajado en la dirección desde el extremo frontal hacia el extremo trasero de su recorrido hasta el punto donde el borde trasero de descarga exterior (70) del pistón (60) alcance el límite trasero del conjunto trasero de puertos de descarga (43) de la camisa (40). A medida que el movimiento del pistón (60) continúa más allá en la dirección desde el extremo frontal hacia el extremo trasero de su recorrido, se alcanzará un punto donde el borde trasero de alimentación exterior (71) del pistón (60) coincide con el límite frontal del conjunto trasero de rebajes (46) de la camisa (40) (véase la figura 4). A medida que el movimiento del pistón (60) continúa aún más allá, la cámara trasera (230) del martillo será comunicada de forma fluida con la cámara de alimentación (66) a través del conjunto trasero de rebajes (46) de la camisa (40). De esta manera, la cámara trasera (230) será alimentada con fluido presurizado proveniente de la cámara de alimentación (66).
Operación en Modo de Barrido
Si el martillo es levantado de tal manera que la broca (90) deja de estar en contacto con la roca que se está perforando y el hombro de apoyo del retenedor (94) en la broca descansa sobre el retenedor de broca (210), la broca (90) alcanzará el extremo frontal de su carrera y entonces el martillo cambia a su modo de barrido. En esta posición la percusión del martillo cesa, quedando por lo tanto la cara de impacto (61) del pistón (60) apoyada sobre la cara de impacto (91) de la broca (90) (véase la figura 5 para la descripción del modo de barrido, mientras que las características (61) y (91) se muestran en la Figura 4), y el fluido presurizado es conducido directamente al extremo frontal de la broca (90) a través de la siguiente ruta: hacia el interior del conjunto de canales de alimentación (2) mediante el rebaje de alimentación (21) de la culata (20) y los puertos de entrada traseros de fluido presurizado (41) de la camisa (40), y desde el conjunto de canales de alimentación (2) al conjunto de canales de descarga (3) a través de los puertos de salida frontales de fluido presurizado (42) de la camisa (40), a través de la cámara trasera (240), y a través del conjunto trasero de puertos de descarga (43) de la camisa (40). Desde el conjunto de canales de descarga (3) el fluido presurizado puede fluir libremente fuera del martillo y hacia la cara frontal (99) de la broca (90) en una manera similar como con el fluido presurizado descargado desde las cámaras frontal y trasera (230, 240) cuando el martillo se encuentra en modo de perforación.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de flujo de fluido presurizado para un martillo de fondo de circulación normal que comprende:
una carcasa exterior cilindrica (1) teniendo un extremo trasero y un extremo frontal;
un porta-broca (110) montado en el extremo frontal de dicha carcasa exterior (1) y teniendo una superficie interior (113) con estrías (112) mecanizadas sobre ella;
una culata (20) montada a dicho extremo trasero de la carcasa exterior
(1) para conectar el martillo a la fuente de fluido presurizado;
un pistón (60) dispuesto en forma coaxial y deslizante dentro de dicha carcasa exterior (1) y capaz de reciprocar debido al cambio en la presión del fluido presurizado contenido dentro de una cámara frontal (240) y una cámara trasera (230) situadas en extremos opuestos del pistón (60), el pistón (60) poseyendo múltiples superficies de deslizamiento exterior de igual diámetro
(64,67);
una broca (90) montada en forma deslizante en un porta-broca (110), la broca (90) siendo principalmente un sólido de revolución y compuesta por una cola de la broca (95) en el extremo trasero de la broca y una cabeza de la broca (96) en el extremo frontal de la broca, la cabeza de la broca (96) siendo de mayor diámetro que la cola de la broca (95) y poseyendo una cara frontal (99) en el extremo frontal de la cabeza de la broca, la cola de la broca (95) poseyendo una superficie exterior (98) con estrías (93) mecanizadas sobre ella; canales (97) formados en forma cooperativa entre las estrías (112) sobre la superficie interior (113) del porta-broca (110) y las estrías (93) sobre la superficie exterior (98) de la cola de la broca (95);
una camisa (40) dispuesta coaxialmente entre la carcasa exterior (1) y el pistón (60), la camisa (40) poseyendo una superficie interior (47) y una superficie exterior (48); una cámara de alimentación (66) definida por un rebaje anular en la superficie exterior del pistón (60), esta cámara de alimentación (66) limitada longitudinalmente en cada extremo por las superficies de deslizamiento exterior (64,67) respectivamente y estando en permanente comunicación fluida con la fuente de fluido presurizado para suministrar fluido presurizado a la cámara frontal (240) y a la cámara trasera (230);
un conjunto de canales de alimentación (2), definido por respectivos rebajes longitudinales en la superficie exterior (48) de la camisa (40), para conducir fluido presurizado desde la culata (20) a la cámara de alimentación (66) y un conjunto de canales de descarga (3), definido por respectivos rebajes longitudinales en la superficie exterior (48) de la camisa (40), para la descarga de fluido presurizado desde la cámara frontal (240) y desde la cámara trasera (230) al fondo del pozo perforado por el martillo a través de los canales (97), los canales de descarga (3) dispuestos en paralelo longitudinalmente con respecto a los canales de alimentación (2);
múltiples puertos de entrada y salida (41 , 42) y múltiples puertos de descarga traseros y frontales (43, 44) provistos en dicha camisa (40) enfrentando respectivamente los conjuntos de canales la alimentación y descarga (2, 3);
un conjunto frontal de rebajes (45) provisto en la superficie interior (47) de dicha camisa (40) para conectar la cámara de alimentación (66) con la cámara frontal (240) cuando esta debe ser alimentada con fluido presurizado; y
un conjunto trasero de rebajes (46) provisto en la superficie interior (47) de la camisa (40) para conectar la cámara de alimentación (66) con la cámara trasera (230) cuando esta debe ser alimentada con fluido presurizado;
el conjunto frontal de puertos de descarga (44) provisto en dicha camisa (40) para la descarga de la cámara frontal (240) hacia el interior del conjunto de canales de descarga (3); y
el conjunto trasero de puertos de descarga (43) provisto en dicha camisa (40) para la descarga de la cámara trasera (230) hacia el interior del conjunto de canales de descarga (3); por lo cual el flujo de fluido presurizado hacia el interior y desde las cámaras frontal y trasera (240, 230) es controlado únicamente por la superposición o posición relativa de dichas múltiples superficies de deslizamiento exterior (64, 67) del pistón (60) y la superficie interior (47) de la camisa (40) durante el movimiento reciprocante del pistón (60) y por lo cual el flujo de fluido presurizado hacia el interior y desde las cámaras frontal y trasera (240, 230) tiene lugar entre la superficie interior (47) de la camisa (40) y las superficies de deslizamiento exterior (64, 67) del pistón (60).
2. El sistema de flujo de fluido presurizado de la reivindicación 1 , en donde la camisa (40) tiene un conjunto de puertos de entrada traseros (41) para permitir que el fluido presurizado fluya desde la culata (20) hacia el conjunto de canales de alimentación (2).
3. El sistema de flujo de fluido presurizado de la reivindicación 1 , en donde los rebajes longitudinales que conforman los conjuntos de canales de alimentación (2) y de descarga (3) están preferiblemente dispuestos de tal manera que se superponen longitudinalmente.
4. Un martillo de fondo de circulación normal que comprende:
el sistema de flujo de fluido presurizado de la reivindicación 1 ; y la broca (90) teniendo uno o más pasajes de barrido (92) perforados a través de la broca, extendiéndose desde los canales (97) a la cara frontal (99) de la broca (90) para la descarga del fluido presurizado fuera del martillo.
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