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.