MEMORIA DESCRIPTIVA

La presente solicitud está dirigida para patentar un sistema automático de adición y extracción de barras, como aditamento en máquinas perforadoras de aire convencional, aire reverso y diamantinas u otras. Específicamente, se refiere a un sistema que permite una adición y extracción continua de barras de perforación, desde la adición de la primera barra de una columna de perforación y la adición subsecuente de las barras que sean necesarias añadir a la columna de perforación (collera), hasta la extracción de la última barra de perforación. Todo sin intervención humana para trasladar, ensamblar o desensamblar barras de manera manual, lo que se logra, mediante la utilización de fuerza magnética y/o electromagnética para el traslado y posicionamiento de barras en la columna de perforación.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Actualmente, en el rubro de la perforación de minería, construcción de pozos de agua y de pozos de geotermia, se utilizan diferentes medios para añadir barras a las columnas de perforación (collera) a fin de alcanzar la profundidad de pozo solicitada por un cliente, o la que sea necesaria para alcanzar un hallazgo geológico o hidrológico que se esté buscando. Los métodos que se usan actualmente para agregar barras a una collera, van desde la adición manual de barras, considerando el traslado de las barras desde un atril de barras o cama de barras por medios humanos, hasta medios neumáticos e hidráulicos automatizados mediante sensores y electrónica de control. Los medios más conocidos y utilizados para añadir o extraer barras de perforación en la industria del sondaje, son normalmente sistemas mecánicos, hidráulicos o neumáticos que pueden variar en forma y distribución de aditamentos, cuyos principios básicos de funcionamiento son:

1. Adición asistida por medio mecánico de izaje, traslación, posicionamiento y ensamblaje de barras: Esta técnica es aplicada mediante la utilización de plumas y polipastos auxiliares (huinches), que funcionan de manera independiente o como aditamento de una máquina perforadora, generalmente asistida de manera manual, en el ensamblaje de la barra a la columna de barras de perforación. Este sistema tiene a favor, la simpleza de su funcionamiento y operación, además de su bajo costo de implementación, lo que significa, que la mayoría de las sondas de los diferentes tipos, lo traen implementado como parte del equipo. Sin embargo, los principales inconvenientes de la utilización de estos sistemas, es la exposición del personal asociado a la perforación, a riesgos que históricamente, han producido accidentes que van desde astricciones de extremidades por atrapamientos hasta muertes provocadas por caídas o descuelgues de barras durante la traslación o el ensamblaje.

2. Adición asistida por medios hidráulicos controlados manualmente, para traslación, posicionamiento y ensamblaje de barras: Esta técnica es aplicada principalmente en máquinas de gran envergadura, generalmente utilizadas para la perforación de aire reverso y construcción de pozos de agua. Consiste principalmente en aditamentos o sistemas que mediante la utilización de energía motriz hidráulica, aplicada a pistones o cilindros hidráulicos, dan movimiento a mesas de traslación y ensamblaje o brazos articulados que mueven la barra desde su sitio en un atril, hasta la torre misma de la sonda, donde es añadida a la columna de perforación, por medios propios de la perforadora, por medios humanos mediante uso de llaves manuales para ensamblar o desensamblar barras o por medios mixtos de ensamblaje mediante posicionamiento de llaves y uso de torque proporcionado por la propia perforadora. Las principales ventajas de la utilización de estos sistemas, están relacionadas a la minimización de los riesgos asociados al levantamiento y traslado de barras desde el atril de barras hasta la torre de perforación. Sin embargo, los inconvenientes del uso de estos sistemas, se relacionan principalmente a la exposición del personal de la perforadora, a la manipulación de herramientas manuales que se posicionan en la torre para ajustar, apretar o desatornillar barras, lo que históricamente, ha producido graves accidentes que van desde lesiones menores, hasta la pérdida de extremidades por amputaciones traumáticas. Por otro lado, los costos de impiementación de estos sistemas, son considerablemente mayores a los costos de impiementación de medios mecánicos de adición de barras. Adición asistida por medios neumáticos controlados manualmente, para traslación, posicionamiento y ensamblaje de barras: Esta técnica, generalmente es utilizada para añadir barras en máquinas de perforación de mediana y gran envergadura, tales como sondas diamantinas de superficie y de minería subterránea, o perforadoras de aire convencional para banqueo. El método consiste generalmente en la utilización de energía neumática, como fuerza motriz, aplicada desde un acumulador, que entrega caudal de aire comprimido a articulaciones formadas por pistones o cilindros neumáticos, cuyo movimiento es controlado por electroválvulas manipuladas desde un panel de control de la propia sonda o por tele-comandos que permiten a un operador o asistente trasladar, posicionar y ensamblar la barra. Las ventajas de la utilización de medios neumáticos de adición de barras, se dan en relación a la minimización de los riesgos asociados a caídas de barras durante el izaje, traslación y ensamblaje de estas. Sin embargo, sus inconvenientes, están en relación al alto costo de su impiementación y al costo de su mantenimiento, que por su frecuencia, muchas veces significa que la disponibilidad de la perforadora, sea inferior a la que tienen sistemas hidráulicos de adición de barras. Adición automática de barras mediante fuerza motriz hidráulica o neumática accionada por control electrónico programable o robótico: Esta técnica es generalmente usada para añadir barras en equipos de perforación de minería, tanto en máquinas diamantinas de minería subterránea y rajo abierto, como en perforadoras de aire convencional para banqueo y muestreo de modelos geológicos de corto y mediano plazo, o también en perforadoras de aire convencional utilizadas para pozos de tronadura. La técnica consiste en la utilización de fuerza motriz neumática o hidráulica, administrada y accionada por medios de control electrónicos programados en PLC, celios o UPS, lo que permite añadir barras a una columna de barras, sin la más mínima intervención humana en el proceso. Las ventajas de estos sistemas, está relacionada a la alta eficiencia en el proceso de adición de barras, que suele ser mucho más rápida que en todos los otros sistemas existentes en el mercado, además minimiza por casi completo los riesgos relativos a exposición de trabajadores a caídas de barra durante el izaje, o movimientos descontrolados de barras durante su traslación o ensamblaje. Pero tiene como principales inconvenientes, el altísimo costo de su implementación, la minimización de la disponibilidad total del equipo debido a la periodicidad de su mantenimiento y la imposibilidad de ampliar los rangos de profundidad en la perforación, dadas sus configuraciones y seteos.

Los métodos utilizados actualmente para añadir barras a una collera de perforación, presentan inconvenientes en relación a exposición de personas a accidentes y o en relación a la discontinuidad en la adición de barras de perforación o en su defecto a altos costos de implementación y mantenimiento además de los asociados a la rigidez respecto a sus configuraciones tanto estructurales como de software.

Es por todo lo anterior, que se hace presente la necesidad de un sistema de adición de barras de perforación, que minimice la exposición de las personas a riesgo de accidentes durante el proceso de adición de barras, proporcione adición de barras automática y continua, con costos de implementación menores a los costos de sistemas automáticos hidráulicos o neumáticos, y con una configuración y aditamentos simples que garanticen bajos costos de mantenimiento y mayor disponibilidad de equipo. Las respuestas a estas necesidades están en un sistema que hasta hoy, no existía en el mercado, que utilizando magnetismo y electromagnetismo como fuerza de sujeción de barras permite trasladarlas y posicionarlas en la torre de perforación, de manera continua y sin intervención de trabajadores y controlada por un sistema simple de operación manual remota.

El sistema, consiste en dos subsistemas, el primero, en una correa dentada con imanes distribuidos en toda su longitud y el segundo, formado por un par de brazos articulados integrados al cabezal de perforación, con electroimanes en sus extremos, los que toman la barra desde la correa y la posicionan en la torre de perforación.

La solución propuesta en la presente solicitud, tiene por objetivo la minimización de riesgos de accidentes con daño a las personas, la optimización de la velocidad de adición de barras de perforación mediante un sistema continuo y la facilitación de la automatización del proceso a menores costos que los asociados a sistemas convencionales de manipulación y montaje de barras.

Las ventajas de un sistema automático de adición y extracción de barras de perforación, que usa magnetismo o electromagnetismo como fuerza de sujeción, además de las mencionadas comparativamente a los sistemas convencionales, son que el sistema es mucho más seguro, más barato y puede aplicarse como aditamento a todos los modelos de perforadoras, tanto de aire reverso, como aire convencional, diamantina y otros, agregando todas las ventajas comparativas a las diferentes perforadoras existentes en el mercado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1: representa una vista isométrica general de la disposición del sistema en una plataforma de sondajes.

Figura 2: representa una vista isométrica del sistema de correa de imanes y sus poleas. Figura 3 y 3 A: representa una vista isométrica de los brazos de sujeción de barras integrados a un cabezal de perforación común y un detalle volumétrico del brazo de sujeción de barra y sus imanes o electroimanes.

Figura 4: representa un detalle en isométrica de la unión de los brazos de sujeción de barras a la saliente de acero soldada al cabezal, mediante un muelle.

Figura 5: representa una vista de los vástagos centralizadores de los brazos electromagnéticos. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Un sistema, que está formado por dos componentes, componente (A) y componente (B). Siendo el componente (A) una correa dentada, accionada por una polea motriz centrada bajo dos poleas conducidas, en la que van sujetos imanes distribuidos en toda la longitud de la correa. Estos imanes, son los elementos que mediante su fuerza magnética, toman la barra desde su atril, y la trasladan hasta la base de la torre (14), en donde es recibida por el segundo componente (B), formado por un par de brazos de sujeción de barra (7), integrados a los costados del cabezal de perforación (9). Estos mediante imanes (8) o electroimanes (8) que rotan libres y están dispuestos en sus extremos, se adhieren la barra a los brazos de sujeción de barra (7) y por consiguiente, al adhieren la barra de perforación al cabezal de perforación (9). Los imanes (8) o electroimanes (8) están dispuestos en los brazos de sujeción, mediante un vástago rotador (10), que permite un pivoteo de los imanes (8) o electroimanes (8), que a su vez, permite la centralización de la barra por propio peso, la que al ser levantada por el cabezal de perforación (9), que llegando a su punto más alto en la torre (14), puede después bajarla ya centrada, hasta posicionarla dentro del road spiner de la sonda, dispositivo que finalmente atornilla la barra que se está montando, a la herramienta de perforación o a la primera barra de perforación de la collera que se encuentra en el pozo.

El componente (A), de traslación de la barra desde el atril de barras hasta la base de la torre (14), está compuesto por un marco de poleas (1) formado por una estructura metálica rígida, que da sustento estático a dos poleas conducidas (4) que son parte de la correa dentada de imanes (2) y a una polea de desacople de imanes (6), anexa a las poleas conducidas (4) de la correa dentada de imanes (2).

La correa dentada de imanes (2), está compuesta por una cinta de caucho polimerizado (vulcanizado) y dentada de acuerdo a las poleas, a la que se fijan mecánicamente seis imanes (3) distribuidos ecuánimemente a lo largo de toda la cinta.

La correa dentada de imanes (2), está dispuesta y ajustada a un tren de tres poleas dentadas, dos de las cuales son poleas conducidas (4) y una es una polea motriz (5) que está dispuesta entre el punto medio de la línea eje de los ejes centrales de cada polea conducida (4), por debajo de ellas y con su eje central en un ángulo de entre 409 y 50 2 respecto a cada eje central de las poleas conducidas (4).

El marco de poleas (1), además de sustentar al tren de poleas de la correa dentada de imanes (2), sustenta una polea de desacople de imanes (6), construida de metal o polímero rígido, anexa al tren de poleas de la correa dentada de imanes (2), la que al girar libre sobre su eje, permite el desprendimiento de los imanes (3) o electroimanes (3) de la correa dentada de imanes (2), al momento de apoyarse la barra de perforación sobre ella y continuar su desplazamiento en dirección a la base de la torre de perforación (14) mientras es jalada por el imán que sigue al imán que se desprende producto del propio movimiento descendente de la correa dentada de imanes (2), lo que ocurre debido a la geometría del sistema de poleas al que se ajusta la correa dentada de imanes (2).

El componente (B) de recepción y montaje de barras, está formado por dos brazos de sujeción de barra (7), construidos en acero, cada uno con un imán (8) o electroimán (8) en su extremo. Integrados al cabezal de perforación (9) cada uno mediante una articulación formada por una cuenca mecanizada en cada brazo de sujeción de barra (7) que se ajusta con tolerancia a un vástago rotador (10), romo en su extremo, que a modo de pivote, permite al brazo de sujeción de barra (7), rotar y moverse en ángulo respecto al eje central del propio vástago rotador (10). Cada brazo de sujeción de barra (7), está fijado al cabezal de perforación (9), por un muelle (11) unido al brazo de sujeción de barra (7) por una saliente de acero (12) soldada al cabezal de perforación (9) y fijada al brazo de sujeción de barra (7). El muelle (11) mantiene lo brazos de sujeción de barra (7) en un ángulo entre 35 ⁹ y 45 ⁹ respecto de cabezal (9), siempre que el cabezal de perforación (9) se encuentre en la base dé la torre de perforación (14).

Cada electroimán (8), se encuentra articulado y con movimiento libre debido a un vástago rotador menor (13) que a modo de pivote, permite que el imán (8) o electroimán (8), rote sobre y se mueva sobre el propio eje del vástago rotador menor (13). El imán (8) o electroimán (8), se adhiere a la barra debido a su fuerza magnética, que ve aumentada su eficiencia, debido a la forma de ¾ de circunferencia, que tiene el electroimán dado un suplemento de acero que lleva sobre su superficie, que mediante esa forma, aumenta su superficie de contacto con la barra.

Para centralizar los brazos de sujeción de barra (7), y dejarlos en 90 ⁹ respecto de la torre de perforación (14), existen dos vástagos centralizadores (15), que se encuentran integrados en el punto más alto de la torre de perforación (14). Dichos vástagos, cumplen la función de empujar la leva angulada (16) del vástago rotador (10), que al dejarla paralela a los vástagos centralizadores (15), centra también los brazos de sujeción de barra (7) y por consecuencia, también la barra a montar.