CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se relaciona con un dispositivo de cambio de herramientas de perforación (broca, tricono o DTH) en una sarta de perforación y un método asociado al cambio de las brocas, tricono O DTH.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las unidades de perforación móviles (o perforadoras) se ocupan de la perforación de pozos para voladuras en operaciones de minería, canteras y prospección. Las unidades de superficie tienen un mástil pivotante montado en una plataforma de perforación. Se monta una sarta de perforación dentro o frente al mástil la que se hace girar para perforar la tierra. La sarta de perforación se comprende de, según la técnica empleada, una herramienta de perforación (brocas, tricónos o DTH), una serie de barras y algunos dispositivos intermedios. La broca está montada en el extremo inferior de trabajo de la sarta de perforación. Las barras conectan la herramienta de perforación a una fuente de rotación montada en el mástil. La perforadora inyecta un fluido líquido o gaseoso para extraer el detrito producto de la perforación. Este fluido y el par de giro se transmiten a través de las barras hasta la herramienta de broca, tricónos o DTH para permitir la operación de perforación. A medida que avanza la operación de perforación, se agregan más barras a la sarta de perforación.

Antes de que pueda comenzar la perforación, será necesario acoplar la herramienta de perforación a la sarta. Este proceso implica el posicionamiento manual de la herramienta de perforación debajo de una barra para permitir el acoplamiento. Al finalizar una operación de perforación, será necesario desacoplar la herramienta de perforación de la barra y retirarla de la sarta. Si bien muchas de las operaciones del proceso de perforación se pueden realizar de forma autónoma, el acoplamiento/desacoplamiento de las herramientas de perforación aún requieren de la intervención manual de los operadores. Esto representa un peligro importante para los operadores y tienen el potencial de producir graves lesiones producto de cualquier descontrol que se produzca en los dispositivos y herramientas utilizadas que contienen gran cantidad de energía y existe una permanente exposición de los operadores a estos elementos.

En el estado del arte se conocen algunos equipos y dispositivos que permiten cambiar de manera mecánica o semiautónoma los dispositivos de broca o tricónos de las sartas de perforación. Se conoce por ejemplo la solicitud de patente internacional W02019371150A1 en donde se revela un aparato de reemplazo de brocas para reemplazar una broca en una herramienta de perforación, el aparato comprende: un portabrocas que comprende uno o más receptáculos de brocas, cada receptáculo de brocas adaptado para recibir al menos una broca; y un medio de posicionamiento adaptado para mover el soporte de la broca entre al menos una posición de almacenamiento y una o más posiciones de reemplazo, en donde cada posición de reemplazo alinea al menos un receptáculo de la broca con la herramienta de perforación.

A medida que la broca se clava en la tierra, la fuerza mecánica que se imparte sobre la broca eventualmente desgasta y embota la broca. En determinadas circunstancias, la broca puede fracturarse y romperse. Es necesario reemplazar las brocas gastadas o fracturadas. Para completar esto, la operación de perforación debe detenerse y la herramienta de perforación se debe recuperar a la superficie para permitir el reemplazo de la broca. La broca normalmente está conectada de forma roscada al extremo inferior de la herramienta de perforación. La conexión roscada está orientada de modo que esta fuerza de rotación no suelte la conexión roscada, sino que actúe para apretar la conexión. Para cambiar la broca, se utiliza un mecanismo de arranque para "romper" el torque existente entre la barra de perforación y la broca, aflojando la tensión en la junta roscada. Una vez que se ha liberado la tensión, un operador normalmente retira la broca y la coloca lejos de la herramienta de perforación. A continuación, se coloca físicamente una broca de repuesto debajo de la herramienta de perforación para sujetar la broca a la herramienta de perforación. El documento indica que este problema de la técnica es conocido, es decir, que existe un peligro importante para los operadores y pueden producirse lesiones como resultado del movimiento incontrolado de las herramientas de perforación durante el proceso de cambio. Los riesgos aumentan con las operaciones de perforación de gran diámetro, donde el tamaño y el peso aumentados de las brocas hacen que sea mucho más difícil de maniobrar.

Si bien muchas partes de las operaciones de perforación pueden completarse de forma autónoma o semiautónoma, el cambio de brocas aún requiere al menos alguna intervención manual de un operador, generalmente en la máquina. Si una plataforma de perforación se opera de forma autónoma, entonces la plataforma de perforación debe cambiarse a operación manual cada vez que sea necesario reemplazar las brocas. Debido a la necesidad de intervención manual, la seguridad, el capital, el costo operativo o las ventajas de producción que ofrece la plataforma de perforación autónoma se reducen durante los cambios de la broca. Esto es particularmente problemático en las operaciones de perforación de roca dura donde se pueden requerir múltiples cambios de broca durante cada turno de perforación.

Aquí en este punto también es importante indicar que el costo por lucro cesante al tener el equipo sin perforar es muy alto tanto por el valor del equipo y toda la asistencia que requiere como por lo que se deja de producir, por lo que es de gran interés encontrar formas de recambio de las brocas que sean automatizadas, primero para evitar el peligro de exposición de los operadores de los equipos y que, además, reduzca dramáticamente el tiempo de recambio para que el equipo pueda volver a las labores de perforación y se pierda el menor tiempo posible en los tiempos de para de dichos equipos. En la solicitud precitada arriba, el aparato de sustitución de brocas está adaptado para colocar un receptáculo de brocas debajo de una herramienta de perforación. De esta manera, una broca ubicada en el receptáculo de la broca puede colocarse debajo de la herramienta de perforación para permitir el acoplamiento de la broca a la herramienta de perforación. Alternativamente, se puede colocar un receptáculo de broca vacío debajo de la herramienta de perforación para permitir el desacoplamiento de la broca de la herramienta de perforación. Cada receptáculo de broca recibe una sola broca. Alternativamente, un único receptáculo de brocas puede recibir dos o más brocas. En tal disposición, se prevé que se puedan usar medios de localización o divisores para separar las brocas en el receptáculo de la broca.

Otra solución a esta problemática se plantea en el documento de patente de Estados Unidos de América US 11261677, en él se revela una plataforma de perforación que incluye una pluralidad intercambiable de tubos de perforación, donde las brocas de perforación están dispuestas en una sección final de un tubo de perforación de extremo. Estando unida la broca a la sección final por medio de una conexión roscada y proporcionándose un par de torsión a la broca por medio de un acoplamiento de estrías. El equipo de perforación comprende un dispositivo de soporte inferior y un dispositivo desapretador. El sistema incluye un dispositivo de almacenamiento de brocas dispuesto para contener una pluralidad de brocas, un brazo de sujeción para el agarre selectivo de una broca. El brazo de agarre puede comprender además un sensor de movimiento, dispuesto para controlar el movimiento del brazo de agarre, y el sistema puede comprender además una unidad de control. Estando dispuesta la unidad de control para recibir información de los sensores y el equipo de perforación, y para controlar el movimiento del brazo de agarre, los medios de agarre, el dispositivo de almacenamiento de brocas y el dispositivo desapretador del equipo de perforación.

Según un primer aspecto, se proporciona un sistema de cambio de brocas para el cambio al menos semiautomático de brocas en un equipo de perforación. La plataforma de perforación está configurada para perforación vertical o casi vertical. La plataforma de perforación puede comprender una pluralidad intercambiable de tubos de perforación, donde las brocas de perforación están dispuestas en una sección final de un tubo de perforación final. La broca puede unirse a la sección final por medio de una conexión roscada y el par de torsión puede proporcionarse a la broca por medio de un acoplamiento de ranuras. El equipo de perforación puede comprender además un dispositivo de soporte inferior y un dispositivo desapretador, configurados para aflojar las conexiones roscadas de las tuberías de perforación. El sistema puede comprender un dispositivo de almacenamiento de brocas, dispuesto adyacente y paralelo a un centro de perforación de la plataforma de perforación y dispuesto para contener una pluralidad de brocas. El dispositivo de almacenamiento de brocas puede disponerse además para mover brocas entre posiciones de almacenamiento y una posición de intercambio comprendida en el mismo. Las posiciones de almacenamiento pueden estar dispuestas para almacenar brocas y la posición de intercambio puede estar dispuesta para mover brocas hacia y desde el dispositivo de almacenamiento de brocas. El sistema puede comprender además un brazo de agarre que comprenda medios de agarre configurados para el agarre selectivo de una broca. El brazo de agarre puede estar dispuesto para mover los medios de agarre entre la posición de intercambio y un centro de perforación de la plataforma de perforación. El brazo de agarre puede comprender además un sensor de movimiento, dispuesto para monitorear el movimiento del brazo de agarre. El sistema puede comprender además una unidad de control, dispuesta para recibir información de los sensores y la plataforma de perforación, y para controlar el movimiento del brazo de sujeción, los medios de sujeción, el dispositivo de almacenamiento de brocas y el dispositivo rompedor de la plataforma de perforación.

No obstante, lo anteriormente mostrado en el Estado de la Técnica existe una necesidad clara de suministrar equipos o dispositivos de recambio y métodos asociados para hacer el cambio de las brocas directamente en las sartas de perforación a través de operaciones automáticas en donde se evite la exposición de los operarios humanos a esta peligrosa operación y se logre reducir el tiempo de parada de los equipos. Además, existe la necesidad de suministrar un dispositivo universal que funcione sobre la sarta de perforación y que se pueda emplear en los equipos de diferentes fabricantes de perforadoras para minería e incluso que pueda utilizarse en equipos que no vienen diseñados de fabrica para realizar el recambio de brocas o lo que se conoce como un retrofit de los equipos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 presenta la vista en perspectiva del equipo de cambio de herramientas de perforación de la presente invención.

La figura 2 presenta una vista en perspectiva del conjunto, brazo, revolver como unidad representativa del equipo de cambio de herramientas.

La figura 3 presenta una vista en perspectiva detallando el procedimiento de cambio de la broca utilizando el cabezal y las mordazas de apriete de la presente invención

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Más particularmente la presente invención está relacionada con un equipo o dispositivo universal empleado en minería para hacer el cambio de las brocas, tricónos o DTH de las sartas de perforación que integra un elemento de anaquel de brocas, por ejemplo, tipo revolver o de otro tipo, a un brazo extensible que va montado sobre una base giratoria. El equipo es un dispositivo universal que funciona sobre la sarta de perforación y que se puede emplear en los equipos de diferentes fabricantes de perforadoras para minería e incluso que pueda utilizarse en equipos que no vienen diseñados de fabrica para realizar el recambio de brocas o lo que se conoce como retrofit de equipos.

El dispositivo pude hacer todas las tareas necesarias para cambiar las brocas de perforación sin la intervención física de las personas. El equipo es capaz de soltar la broca, retirar la broca usada y llevarla a otra posición para almacenarla, tomar desde otra posición predefinida una broca nueva y llevarla a la posición de la barra para enroscarla y dejarla disponible para perforar en muy poco tiempo. La secuencia de los movimientos puede hacerse paso a paso o de manera automática. De manera presencial en la cabina de mando o control o de manera remota. Todo este dispositivo puede ir montado sobre una plataforma la que puede quedar solidaria a la perforadora u a otro vehículo de asistencia.

Entrando ahora en detalle de la configuración de construcción del equipo de la presente invención y teniendo en cuenta las figuras 1 a 3 presentadas, se tiene que se proporciona un equipo de sustitución de las herramientas de perforación. Un dispositivo para hacer el cambio de las brocas, tricónos o DTH de las sartas de perforación en la plataforma de perforación caracterizado porque dicho equipo comprende un elemento de brazo (1 ) que es capaz de desplazarse de manera giratoria, vertical u horizontal. Un elemento de poste o soporte (5) que se encuentra conectado a uno de los extremos de dicho elemento de brazo (1 ) y que está conectado a dicho elemento de brazo (1 ) de manera que le sirve de desplazamiento a dicho elemento; adicionalmente este elemento de poste o soporte (5) que sirve de base al elemento de brazo (1 ) incluye un elemento de sistema de válvulas (6) que le permite al brazo (1) retraerse y extenderse de manera controlada.

El equipo de la presente invención además cuenta con un elemento de almacenamiento y recepción de brocas (3) que se encuentra en el otro externo de dicho elemento de brazo (1), este elemento lleva en su interior en unos espacios dispuestos adecuadamente brocas nuevas que van a remplazar las brocas usadas de la sarta de perforación y espacios vacíos que van a alojar la broca usada que es retirada de dicha sarta. El elemento de almacenamiento y recepción de brocas (3) tiene una superficie giratoria tipo revolver o pudiendo ser de otro tipo, además con un motor hidráulico (7) o de otro tipo para suministrarle el movimiento giratorio o un movimiento de otro tipo. Este elemento de almacenamiento y recepción de brocas

(3) tiene en la periferia de uno de sus costados una guía de desplazamiento vertical

(4) que a su vez es capaz de alojar un elemento de pinza (2) que se desplaza hacia arriba y hacia abajo de dicha guía de desplazamiento vertical (4) , ello con el fin de manipular el buje guía de la plataforma de perforación y también si se necesita dejarlo dispuesto para hacer el cambio del buje guía.

Las unidades de caja de sistema de válvulas (6) y la unidad de motor hidráulico (7) o de otro tipo son capaces de imprimirle movimiento a dichas unidades de brazo (1), el elemento de almacenamiento y recepción de brocas (3) y la guía de desplazamiento vertical (4) con el elemento de pinza (2) de posiciones pasivas o de primeras posiciones inactivas o de reposo a posiciones activas o segundas posiciones en las cuales se realizan los cambios de broca o buje guía de la sarta de perforación.

Otro objeto de la presente invención es suministrar un método para cambiar una broca de un equipo de perforación que conlleva unas etapas de ejecución sobre la plataforma de perforación, ver especialmente la figura 3, en donde se aprecia la sarta, la barra de perforación, el brazo de quiebre de torque de la torre de perforación y el dispositivo que realiza el cambio de la broca, tricono o DTH. Estas etapas comienzan inicialmente con la realización de un movimiento de dichas unidades de brazo (1), el elemento de almacenamiento y recepción de brocas (3) y la guía de desplazamiento vertical (4) con el elemento de pinza (2) desde una primera posición de reposo a una segunda posición de trabajo en la barra de perforación; en dicha plataforma de perforación la broca y el barra de perforación ya están en una posición elevada para que el elemento de almacenamiento y recepción de brocas (3) pueda estar exactamente debajo de dicha barra de perforación y la broca a ser cambiada. Posteriormente en la plataforma de perforación dicho elemento de pinza (2) toma el buje guía de la sarta de perforación y lo hace ascender por dicha sarta para que el elemento de broca a ser cambiado quede a la vista, luego dicha sarta y broca descienden para quedar en una unidad vacía del elemento de almacenamiento y recepción de brocas (3). Estando en dicha unidad ya ocupada del elemento de almacenamiento y recepción de brocas (3), con la herramienta de quiebre de torque de la sarta de perforación se libera el apriete de la broca a ser cambiada y que va a reposar en el habitáculo vacío del elemento (3).

Luego se retira la sarta de perforación y el elemento de almacenamiento y recepción de brocas (3) es movido por medio de la caja de sistema de válvulas (6) y la unidad de motor hidráulico (7) o de otro tipo, hasta encontrar un elemento de broca nueva que va a ser conectado a la sarta de perforación en donde se hace descender primero la sarta de perforación y luego dicho elemento de pinza (2) que tiene el buje guía de la sarta de perforación, desciende para colocar dicho buje en la sarta de perforación y la herramienta de quiebre de torque de la sarta de perforación aprieta la broca en la sarta para dejar lista la unidad para un nuevo ciclo de perforación . Finalmente, el equipo es retirado por medio de un movimiento que es producido por medio de la caja de sistema de válvulas (6) y la unidad de motor hidráulico (7) o de otro tipo de tal manera que el equipo pasa de una posición activa en la barra de perforación a una posición inactiva fuera de la plataforma.

Aunque la presente invención ha quedado descrita con las realizaciones preferentes mostradas, queda entendido que las modificaciones y variaciones que conserven el espíritu y el alcance de esta invención se entienden dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, los ejemplos que se incluyen son algunas realizaciones de la invención, pero ellos no deben interpretarse como limitativos de la invención.