PERFORACION MEJORADA POR RESONANCIA: METODO Y APARATO.
Un aparato perforador que incluye: una broca capaz de realizar una carga oscilatoria de alta frecuencia y rotatoria;
y un medio de control para controlar la carga aplicada rotacional y/u oscilatoria de la broca, el medio de control tiene un medio de ajuste para variar la carga oscilatoria y/o rotacional aplicada, dicho medio de ajuste significa ser sensible al estado del material a través del cual pasa el perforador, en donde el medio de control esté proporcionado en el aparato se utilice en una localización descendente e incluye sensores para tomar las medidas descendentes de las características del material, por donde el aparato es operativo hacia abajo en un control en circuito cerrado en tiempo real
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2007/002140.
Solicitante: UNIVERSITY COURT OF THE UNIVERSITY OF ABERDEEN.
Nacionalidad solicitante: Reino Unido.
Dirección: RESEARCH AND INNOVATION UNIVERSITY OFFICE KING'S COLLEGE,ABERDEEN AB24 3FX.
Inventor/es: WIERCIGROCH,MARIAN.
Fecha de Publicación: .
Fecha Concesión Europea: 11 de Agosto de 2010.
Clasificación Internacional de Patentes:
- E21B7/24 CONSTRUCCIONES FIJAS. › E21 PERFORACION DEL SUELO O DE LA ROCA; EXPLOTACION MINERA. › E21B PERFORACION DEL SUELO O DE LA ROCA (explotación minera o de canteras E21C; excavación de pozos, galerías o túneles E21D ); EXTRACCION DE PETROLEO, GAS, AGUA O MATERIALES SOLUBLES O FUNDIBLES O DE UNA SUSPENSION DE MATERIAS MINERALES A PARTIR DE POZOS. › E21B 7/00 Procedimientos o aparatos especiales para la perforación (soportes para la máquina de perforación, p.ej. torres de perforación o mástiles, E21B 15/00). › Perforación utilizando medios vibrantes u oscilantes, p. ej. masas desequilibradas (perforación por percusión E21B 1/00).
Clasificación PCT:
- E21B10/36 E21B […] › E21B 10/00 Barrenas (especialmente adaptadas para modificar la dirección de perforación E21B 7/08; con medios para recoger sustancias E21B 27/00). › Barrenas a percusión (caracterizado por llevar partes resistentes al desgaste E21B 10/46).
- E21B7/24 E21B 7/00 […] › Perforación utilizando medios vibrantes u oscilantes, p. ej. masas desequilibradas (perforación por percusión E21B 1/00).
Fragmento de la descripción:
Perforación mejorada por resonancia: método y aparato.
La presente invención se refiere a un dispositivo perforador y, en concreto, a un dispositivo perforador para perforar en material, tal como una formación rocosa.
El sector de perforación en rocas y otros materiales ha conducido a diversos desarrollos en la tecnología de la perforación. A este respecto, las condiciones extremadamente duras implicadas en este tipo de perforación, al igual que su coste y los problemas medioambientales relacionados, todo unido, tienen niveles de exigencia muy altos en cuanto a la eficacia, fiabilidad y seguridad de los métodos de perfora- ción.
Como consecuencia, las industrias que emplean la perforación descendente, como la industria petrolífera, están dispuestas a desarrollar dispositivos perforadores y metodologías que cumplan estas exigencias, aumenten las tasas de perforación y disminuyan el desgaste de las herramientas.
A este respecto, la industria petrolífera cada vez más tiene que perforar pozos desviados u horizontales de largo alcance para conseguir nuevas reservas de petróleo. Sin embargo, dicha perforación agrava además varios problemas que desafían la tecnología actual de la perforación como la exigencia de bajo peso en poco (sobre la broca), disponibilidad de potencia reducida, variabilidad de condiciones de la roca sobre la longitud del pozo, peligro de colapsos/fracturas en las galerías, costes incrementados del disparo y un aumento en el desgaste de las piezas y en los fallos.
Es sabido que las tasas de perforación en ciertas circunstancias pueden mejorarse aplicando movimientos axiales recíprocos a una broca cuando atraviesa el material a perforar, lo que se denomina perforación por percusión. Esto se debe a que el impacto de estos movimientos axiales provoca fracturas en el material perforado, haciendo que la perforación posterior y la eliminación de material resulten más sencillas.
En la perforación por percusión tradicional, el mecanismo de penetración se basa en fracturar el material en el barreno por medio de impactos incontrolados de baja frecuencia aplicados por la broca. De esta forma, pueden aumentarse las tasas de perforación para rocas medias a duras en comparación con la perforación rotatoria estándar. Sin embargo, el inconveniente de esto es que los impactos ponen en peligro la estabilidad del barreno, reducen la calidad del barreno y provocan un desgaste y/o fallo acelerado y a menudo catastrófico de la herramienta.
La patente 3.990.522 muestra un taladro de percusión giratorio que funciona hidráulicamente que combina los efectos de la rotación y la percusión. La percusión está controlada por una servo-válvula que controla el flujo del fluido presurizado hacia y desde un actuador, de manera que se transmita una fuerza percusora de golpe variable y la frecuencia se transmite al taladro. Se proporciona otro medio de control para hacer funcionar la servo-válvula para generar una tasa percusiva preseleccionada. <Esta presentación se considera la técnica más cercana y establece la base para el preámbulo de las reivindicaciones 1,10.>
Otro importante desarrollo en las técnicas de perforación ha sido la aplicación de vibraciones axiales ultrasónicas a un broca rotatoria. De esta forma, la vibración ultrasónica, en lugar de impactos aislados de carga elevada, se utiliza para promover la propagación de las fracturas. Esto puede ofrecer ventajas significativas sobre la perforación por percusión tradicional en que pueden aplicarse cargas más bajas, permitiendo una perforación de peso en poco. Sin embargo, las mejoras demostradas por la perforación ultrasónica no son siempre consistentes y no son, como tales, aplicables directamente a la perforación descendente.
Por tanto, es objeto de la presente invención proporcionar un aparato perforador y un método que busque solucionar dichos problemas.
Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un método de control de broca que incluye una broca capaz de una carga rotatoria y oscilatoria de alta frecuencia y un medio de control para controlar la carga rotacional y/u oscilatoria aplicada de la broca, el medio de control tiene un medio de ajuste para variar la carga rotacional y/u oscilatoria, siendo dicho medio de ajuste sensible a las condiciones del material a través del cual atraviesa el perforador;
caracterizado por el medio de ajuste significa controlar además la carga rotacional y oscilatoria de la broca, de manera que se alcance y se mantenga la resonancia en la broca y el material perforado en contacto,
el método incluye además, determinar los parámetros adecuados de carga para la broca de acuerdo con los siguientes pasos para conseguir y mantener en contacto la resonancia entre la broca y el material perforado:
A) Determinar un límite de amplitud de la broca cuando resuene e interactúe con el material perforado;
B) Estimar un espectro idóneo de exploración de frecuencia para cargar la broca;
C) Estimar la forma de la curva de la resonancia;
D) Elegir una frecuencia resonante óptima en la curva de resonancia en un punto inferior al máximo sobre la curva de resonancia; y
E) Dirigir la broca basándose en esta frecuencia resonante óptima.
A este respecto, el límite superior de amplitud de la broca se elige en la válvula donde la resonancia en la broca no se destruya. Más allá de este límite, existe la posibilidad de que la resonancia empiece a tener un efecto perjudicial.
En lo que concierne a estimar un espectro de exploración de frecuencia idónea, esto se elige preferentemente de manera que un espectro idóneamente estrecho pueda valorarse y utilizarse para acelerar el resto del método.
La forma de la curva de la resonancia se basa en una curva de resonancia básica para la broca sola, modificada para tener en cuenta interacciones con el material a perforar. A este respecto, se elige un punto en esta curva a un punto inferior al punto máximo para evitar que la broca exceda el máximo y se mueva hacia un territorio inestable e impredecible.
Preferentemente, la broca se configura para impactar sobre el material para producir un primer conjunto de macro-grietas. Posteriormente, la broca rota e impacta sobre el material una vez más para producir otro conjunto de macro-grietas y en donde el medio de control sincroniza los movimientos rotacionales y oscilatorios de la broca para promover la interconexión de las macro-grietas producidas así para crear una zona de propagación de grietas dinámicas y localizadas delante de la broca.
Preferentemente, el método se utiliza en el contexto de formaciones rocosas y donde las macro-grietas formadas tienen una longitud de hasta 10 mm.
Preferentemente, se aplica una frecuencia de oscilación a la broca de has 1 kHz.
Preferentemente, la broca se conduce para girar hasta 200 rpm.
La carga aplicada oscilatoria y rotacional en la broca se controla de manera que se mantengan en contacto la resonancia en la broca y el material perforado. El fenómeno de la resonancia potencia la propagación de grietas en el material delante de la broca, haciendo que la acción perforadora resulte más sencilla y, por tanto, se incremente la tasa de perforación. A este respecto, la carga aplicada rotacional y oscilatoria aplicada se basa en una resonancia prevista de la formación perforada. Se apreciará que en dichas condiciones de resonancia se exige menos entrada de energía aplicada para crear una zona de propagación de fracturas.
Convenientemente, la zona de propagación de fracturas se extiende radialmente hacia fuera a no más de 1/20 del diámetro de la broca desde el borde externo de la broca. Se apreciará que esto representa las técnicas de fracturas locales altamente controladas que minimizan el estrés global en el material a perforar.
Preferentemente, el tamaño de los cortes perforados son de hasta 10 mm. Estos son pequeños en comparación con los producidos por las técnicas convencionales de perforación e ilustran el cambio de paso en la metodología adoptada.
Convenientemente, el método presente se utiliza en uno o más aplicaciones de perforación de zonas de alta presión fracturada, zona débil y de gases a poca profundidad. Esto surge como resultado del método de la capacidad de la presente invención para perforar agujeros utilizando técnicas de fractura local altamente controlada que reducen el estrés global en el material a perforar.
Reivindicaciones:
1. Un aparato perforador que incluye: una broca capaz de realizar una carga oscilatoria de alta frecuencia y rotatoria; y un medio de control para controlar la carga aplicada rotacional y/u oscilatoria de la broca, el medio de control tiene un medio de ajuste para variar la carga oscilatoria y/o rotacional aplicada, dicho medio de ajuste significa ser sensible al estado del material a través del cual pasa el perforador, en donde el medio de control esté proporcionado en el aparato se utilice en una localización descendente e incluye sensores para tomar las medidas descendentes de las características del material, por donde el aparato es operativo hacia abajo en un control en circuito cerrado en tiempo real.
2. Aparato según la reivindicación 1, en donde el medio de control controla la broca para impactar en el material para producir un primer conjunto de macro-grietas, el medio de control controla además la broca para rotar e impactar en el material una vez más para producir un conjunto adicional de macro-grietas, en donde el medio de control sincroniza los movimientos oscilatorios y rotacionales de la broca para promover la interconexión de las macro grietas que se producen, para crear una zona de propagación de grietas dinámica y localizadas delante de la broca.
3. Aparato según la reivindicación 1 o 2, en donde el medio de ajuste controla la carga oscilatoria y rotacional de la broca de manera que se consiga y se mantengan en contacto la resonancia entre la broca y el material perforado.
4. Un método de control de la broca para utilizarlo con el aparto perforador que incluye una broca capaz de una carga oscilatoria y rotatoria y un medio de control para controlar la carga aplicada rotacional y/u oscilatoria de la broca, el medio de control con un medio de ajuste para variar la carga aplicada rotacional y/u oscilatoria, dicho medio de ajuste es sensible a las condiciones del material a través del cual pasa el perforador; el medio de ajuste controla además la carga aplicada rotacional y oscilatoria de la broca de manera que se consiga y se mantengan en contacto la resonancia en la broca y el material perforado.
5. Un método según la reivindicación 4, que incluye además parámetros de carga adecuados para la broca según los siguientes pasos para conseguir y mantener en contacto la resonancia entre la broca y el material perforado:
A) Determinar un límite de amplitud de la broca cuando resuene e interactuar con el material que se va a perforar;
B) Estimar un espectro idóneo de exploración de frecuencia para cargar la broca;
C) Estimar la forma de la curva de la resonancia;
D) Elegir una frecuencia resonante óptima en la curva de resonancia en un punto inferior al máximo sobre la curva de resonancia; y
E) Dirigir la broca basada en esta frecuencia resonante óptima.
6. Un método de perforación a través de un material utilizando una broca capaz de un movimiento rotatorio y oscilatorio de alta frecuencia, en donde la broca se configura para impactar sobre el material para producir un primer conjunto de macro-grietas, y luego la broca rota e impacta sobre le material una vez más, para producir un conjunto adicional de macro-grietas y en donde los movimientos rotacionales y oscilatorios de la broca se sincronizan para promover la interconexión de las macro-grietas que se han producido para crear una zona localizada de propagación dinámica de grietas delante de la broca.
7. Un método según la reivindicación 6, en donde el método se utiliza en el contexto de perforar formaciones de rocas y donde las macro-ranuras formadas tienen una longitud de hasta 10 mm.
8. Un método según la reivindicación 7, en donde una oscilación de alta frecuencia se aplica a la broca, hasta 1 kHz.
9. Un método según la reivindicación 7 o 8, en donde la broca se conduce para girar hasta 200 rpm.
10. Un método según cualquiera de las reivindicaciones de 6 a 9, en donde la carga aplicada rotacional y oscilatoria en la broca se controla de manera que se mantengan en contacto la resonancia en la broca y el material perforado.
11. Un método según cualquiera de las reivindicaciones de 6 a 10, en donde la zona de propagación dinámica de grietas se extiende radialmente hacia fuera no más de 1/20 del diámetro de la broca desde el borde exterior de la broca.
12. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, en donde el tamaño de los cortes perforados son hasta 10 mm.
13. Un método según cualquiera de las reivindicaciones de 7a 12 para utilizarlo en una o más aplicaciones de perforación en zonas de alta presión, fracturadas, zonas débiles y de gas a poca profundidad.
14. Un conjunto de brocas para utilizarlo en la perforación de formaciones rocosas que incluye:
Un taladro con un tubo de perforación y collarín de barrena; y una broca capaz de realizar una carga rotatoria y oscilatoria de alta frecuencia; un medio de control proporcionado en uso descendente para controlar la carga oscilatoria y rotacional aplicada de la broca, el medio de control tiene un medio de ajuste para variar la carga aplicada oscilatoria y rotacional, dicho medio de ajuste es sensible a las condiciones del material a través del cual pasa el perforador, en donde el peso de la broca por metro es hasta un 70% más pequeño que el de una broca que funciona con el mismo diámetro de barreno para utilizarlo en las mismas condiciones.
15. Un conjunto de la broca según la reivindicación 14, en donde el peso del taladro por metro es sustancialmente un 70% más pequeño que el de un taladro convencional que funciona con el mismo diámetro de barreno para utilizarlo en las mismas condiciones.
16. Un conjunto de broca según la reivindicación 14 o 15 en donde el medio de ajuste controla la carga aplicada rotacional y oscilatoria de la broca de manera que se mantengan en contacto la resonancia en la broca y el material perforado.
17. Un conjunto de brocas según cualquiera de las reivindicaciones hasta la 16, en donde la broca se configura para impactar sobre el material para producir un primer conjunto de macro-grietas, la broca rota posteriormente e impacta sobre el material una vez más, para producir un conjunto de macro grietas y en done el medio de control sincroniza los movimientos oscilatorios y rotacionales de la broca para promover la interconexión de las macro grietas producidas para crear una zona de propagación de grietas dinámicas y localizadas delante de la broca.
18. Un conjunto de broca según cualquiera de las reivindicaciones de 14 a 17, en donde el medio de ajuste determina los parámetros de carga de la broca para establecer condiciones resonantes entre la broca y el material perforado por medio del siguiente algoritmo:
A) Calcular la respuesta resonante no lineal de la broca sin la influencia del material perforado;
B) Estimar la fuerza de los impactos para producir una zona de propagación de fracturas en el material perforado;
C) Calcular las características de rigidez no lineales del material perforado fracturado;
D) Estimar una frecuencia resonante de la broca que interactúa con el material perforado; y
E) Recalcular el valor de la frecuencia resonante para un estado estable incorporando las características de rigidez no lineal del material perforado fracturado.
19. Un conjunto de brocas según la reivindicación 18, en donde el algoritmo se basa en la determinación de una función de respuesta no lineal.
20. Un ensamblaje de broca según cualquiera de las reivindicaciones de 14 a 19 en donde el medio de ajuste puede desactivar selectivamente la carga oscilatoria de la broca para perforar a través de formaciones blandas.
21. Un método para perforar un material que incluya los pasos de aplicar la carga oscilatoria y rotatoria a través de una broca; haciendo un seguimiento de las características materiales en la interfaz material con la broca; determinando un valor para la frecuencia resonante de la formación de rocas en su interfaz con la broca; y ajustando la carga rotatoria y oscilatoria para mantener la frecuencia resonante de la formación rocosa en la interfaz con la broca; en donde dicho método incluye además el paso para aplicar un algoritmo de análisis dinámico no lineal para determinar la frecuencia resonante del material en su interfaz con la broca.
22. Un método según la reivindicación 21, en donde el algoritmo tiene las siguientes funciones:
A) Calcular la respuesta resonante no lineal de la broca sin la influencia del material perforado;
B) Estimar la fuerza de los impactos para producir una zona de propagación de fracturas en el material perforado;
C) Calcular las características de rigidez no lineales del material perforado fracturado;
D) Estimar una frecuencia resonante de la broca que interactúa con el material perforado; y
E) Recalcular el valor de la frecuencia resonante para un estado estable incorporando las características de rigidez no lineal del material perforado fracturado.
23. Un aparato perforador prácticamente como se describe anteriormente con referencia al dibujo adjunto.
24. Un método de perforar un material sustancialmente como se describe anteriormente con referencia al dibujo adjunto.
25. Un conjunto sustancialmente como se describe anteriormente con referencia al dibujo adjunto.
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