Engenharia de Perfuração. Prof. Dr. Renato A. Silva

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1 Engenharia de Perfuração Prof. Dr. Renato A. Silva

2 Critérios de Avaliação Prova#1 (P1) - Peso 1 01 de outubro Prova#2 (P2) - Peso 2 27 de novembro Média=(P1+2*P2)/3 Média>=7,0 Aprovado Média<7,0 Prova Final (PF) 04 de dezembro Média Final=(Média+PF)/2 Média Final>=5,0 - Aprovado

3 Tópicos Classificação de poços de petróleo, equipamentos de sonda; Elementos de coluna de perfuração; Determinação de gradiente de fratura, controle de pressões; Projeto básico de poços; Operações de perfuração; Operações especiais de perfuração (perfuração direcional, pescaria, testemunhagem); Perfilagem; Revestimento; Cimentação e avaliação de cimentação.

4 Histórico Primeiro poço de petróleo perfurado pelo Cel. Drake em Tittusville, Pensilvânia em m de profundidade e produção de 2m 3 /dia (Método percurssivo). Utilizando fluidos de perfuração: poço de Spindletop, Beaumont, Tx, USA. Perfuração rotativa intermitente 354m de profundidade (1900 perfuração rotativa)

5 Classificação dos poços de petróleo Poços Exploratórios 1) Pioneiros perfurados com o objetivo de descobrir novas jazidas ou campos a partir de dados obtidos por métodos geológicos e/ou geofísicos. 2) Estratigráficos perfurados para obter informações da sequência de rochas de subsuperfície, chamada ainda de coluna litológica. Estes dados serão utilizados para subsidiar a perfuração de outros poços no campo.

6 Classificação dos poços de petróleo Poços Exploratórios 3) Extensão perfurados buscando ampliar ou delimitar os limites de uma jazida, normalmente feitos nos limites ou até fora da reserva provada. 4) Pioneiro Adjacente perfurados após a delimitação de um campo, com o objetivo de descobrir novas jazidas. 5) Jazida Rasa/Jazida Profunda poços perfurados dentro de um campo, visando descobrir jazidas mais rasas ou mais profundas, do que aquela já conhecida.

7 Classificação dos poços de petróleo Poços Explotatórios 6) Desenvolvimento são os poços perfurados visando a drenagem do petróleo (ou gás) de um campo. O número de poços e a disposição destes é função de critérios econômicos e técnicos (reservatório). 7) Injeção perfurados para que sejam injetados fluidos (principalmente água) na rocha reservatório, buscando-se obter as condições originais de pressão de poros na rocha. 8) Especiais são todos aqueles que não obedecem as definições anteriores.

8 Tipos de poços Poço vertical quando a sonda e o objetivo estão situados numa mesma reta vertical. Poço Direcional s a sonda e objetivo não estão na reta na reta vertical chamamos o poço de DIRECIONAL. No caso do ângulo formado se igual a 90 o este é chamado de HORIZONTAL.

9 Tipos de poços

10 Principais Componentes de Sondas de Perfuração Sistema de sustentação de cargas; Sistema de geração e transmissão de energia; Sistema de movimentação de cargas; Sistema de rotação; Sistema de circulação de fluidos; Sistema de monitoramento; Sistema de segurança de poço.

11 Sistema de sustentação de cargas Mastro ou Torre tem objetivo de prover um espaço livre vertical que possa permitir a suspensão ou abaixamento da coluna de perfuração Mastro

12 Sistema de sustentação de cargas

13 Sistema de sustentação de cargas Subestrutura tem por objetivos: suportar a torre ou mastro e maquinário, e fornecer um espaço adequado para posicionr o equipamento de segurança (BOP) Base ou Fundação bases de concreto preparadas no terreno, que visam distribuir as cargas e manter os equipamentos nivelados e alinhados.

14 Sistema de sustentação de cargas

15 Sistema de sustentação de cargas Estaleiro estrutura metálica construída com vigas e que servem para apoiar/armazenar comandos, colunas de perfuração e revestimento, de forma a permitir um fácil acesso e manuseio. Estaleiro

16 Sistema de Geração e Transmissão de Energia As sondas de perfuração são movidas por motores diesel; a quantidade e potência dos motores são função da capacidade projetada para a sonda. Métodos de transmissão de energia: Sonda Mecânica Sonda Diesel Elétrica.

17 Sistema de Geração e Transmissão de Energia Sondas Mecânicas os vários motores são ligados a compounds no qual são conectados os principais equipamentos de perfuração; usam-se ainda conversores de torque e embreagens.

18 Sistema de Geração e Transmissão de Energia Sondas Diesel-Elétricas - os motores a diesel são ligados a geradores de energia elétrica (o sistema mais usado é o AC/DC) onde a geração é feita em corrente alternada e a utilização nos equipamentos é feita em corrente contínua (retificação e controle de tensão em SCRs).

19 Sistema de Geração e Transmissão de Energia

20 Sistema de movimentação de cargas Bloco de Coroamento (Crown Block): conjunto de polias fixo, que fica apoiada na parte superior do mastro/torre por onde passam os cabos de aço (cabo de perfuração).

21 Sistemas de movimentação de cargas Catarina (Travelling Block): conjunto de polias móvel justapostas num pino central; pela movimentação dos cabos passado entre esta e o bloco, a catarina se move ao longo da torre.

22 Sistema de movimentação de cargas Gancho (Hook): elemento de ligação da carga ao sistema de polias (Catarina). Gancho da catarina

23 Sistemas de movimentação de cargas Swivel: elemento que liga as partes girantes as fixas, permitindo livre rotação da coluna. Por um tubo na sua lateral (Gooseneck) permite a injeção de fluido no interior da coluna de perfuração.

24 Sistema de movimentação de cargas Guincho (Drawwork): é o elemento que movimenta o cabo, sendo por isso responsável pela movimentação vertical das tubulações no poço.

25 Sistema de movimentação de cargas Cathead

26 Sistemas de movimentação de cargas Guincho Tambor Principal é onde se enrola e desenrola o cabo de perfuração ao se içar ou descer as cargas. Freio Principal é um freio a fricção que tem a função de parar e manter suspensa a coluna. Secundário hidráulico ou eletromagnético, que tem a função apenas de diminuir a velocidade de descida da coluna.

27 Sistemas de movimentação de cargas Molinete mecanismo secundário que permite tracionar cabos ou cordas. Cathead usado nas chaves flutuantes para apertar ou desapertar conexões. Catline utilizado para içar pequenas cargas.

28 Sistemas de movimentação de cargas Elementos complementares Elevador equipamento utilizado para segurar a tubulação durante as movimentações (manobras)

29 Sistemas de movimentação de cargas Sistema Bloco-Catarina

30 Sistemas de movimentação de cargas

31 Sistema de rotação Mesa Rotativa recebe energia sob forma de rotação no plano vertical e transforma em rotação horizontal, que é transmitida a coluna; serve também como suporte no acunhamento da coluna. Master bushing

32 Sistema de rotação Kelly é o elemento que transmite rotação da mesa rotativa à coluna de perfuração; pode ser de haste quadrada ou hexagonal. A bucha do Kelly é o equipamento que fica conectado a mesa, e onde o Kelly fica encaixado. Bucha do Kelly Kelly Hexagonal Kelly

33 Sistema de rotação Swivel

34 Sistema de rotação Top Drive a coluna gira movida por um motor conectado no seu topo. É montado com o Swivel convencional e desliza sobre trilhos fixados a torre. Elimina o uso de mesa rotativa, Kelly e bucha do Kelly

35 Sistema de rotação Top Drive Perfura por seção; Menor número de conexões; Permite a retirada da coluna com rotação e circulação.

36 Sistema de rotação

37 Sistema de circulação Equipamentos de Superfície Tanques de Fluido Bombas de Fluido Tubo Bengala Swivel Kelly Coluna de Perfuração Broca Espaço Anular Separação de Sólidos

38 Sistema de circulação Sistema no qual ocorre o bombeamento do fluido de perfuração a pressão e vazão adequadas para o interior da coluna, saindo pela broca e retornando pelo espaço anular até a superfície, para o sistema de separação de sólidos.

39 Sistema de circulação Composto por: Tanques de fluidos; Bombas de fluidos; Manifold; Tubo Bengala/Mangueira; Retorno de fluido.

40 Sistema de circulação Tanques de fluido (lama) tanques metálicos, retangulares e abertos utilizados para a preparação, armazenamento e tratamento dos fluidos. Bomba de fluido (lama) bombas alternativas de pistões horizontais, constituídas de duas partes:

41 Sistema de circulação Bombas de deslocamento positivo impelem uma quantidade de fluido em cada golpe ou volta do positivo - Volume do fluido é proporcional a velocidade. Bombas alternativas: Movimento de vai-e-vem de um pistão num cilindro escoamento intermitente. Para cada golpe do pistão, um volume fixo do líquido é descarregado na bomba. A taxa de fornecimento do líquido é função do volume varrido pelo pistão no cilindro e o número de golpes do pistão por unidade do tempo.

42 Sistema de circulação Power-End (Parte Mecânica) recebe energia de acionamento na forma rotativa e a transforma em movimento alternativo. Fluid-End (Parte hidráulica) onde a potência mecânica é transferida ao fluido com pressão e vazão. Podem ser Duplex (2 pistões) ou Triplex (3 pistões) e contam ainda com amortecedores de pulsação na linha de descarga para redução de vibração.

43 Sistema de circulação Manifold conjunto de válvulas que recebe o fluido das bombas e através do qual este é direcionado para o tubo bengala. Retorno de Fluido tubulação também chamada de flow-line que recebe o fluido que vem do anular do poço e o conduz até o sistema de separação de sólidos.

44 Sistema de circulação

45 Sistema de circulação Sistema de tratamento de lama

46 Sistema de circulação

47 Sistema de circulação

48 Sistema de circulação Peneiras separa o fluido dos cascalhos

49 Sistema de circulação Desareiador Separar a areia do fluido Dessiltador Separar o silte do fluido

50 Sistema de circulação Mud Cleaner Separar o silte do fluido; recuperar partículas.

51 Sistema de circulação Desgaseificador

52 Sistema de monitoramento Indicador de Peso indicador analógico que tem dois ponteiros que indicam o peso suspenso no gancho e o peso sobre a broca.

53 Sistema de monitoramento Geolograph instrumento onde é inserida uma carta rotativa que registra continuamente parâmetros como: Taxa de penetração; Peso sobre a broca; RPM e torque da mesa rotativa; Pressão nas bombas.

54 Sistema de monitoramento Tacômetro usado para medir a velocidade da mesa rotativa (RPM) ou a velocidade da bomba em (ciclos/min). Tacômetro da mesa rotativa (RPM) Tacômetro da bomba (ciclos/min)

55 Sistema de monitoramento Torquímetro mede o torque na mesa rotativa e o torque dado pelas chaves na conexões e tubos. Indicador de na mesa de rotação Indicador de torque pelas chaves

56 Sistema de monitoramento Manômetro indicam a pressão de bombeio do fluido de perfuração. Pressão bomba de lama Indicador de pressão de lama

57 Sistema de monitoramento Indicador de nível dos tanques com ele é possível detectar variações bruscas no nível do tanque de lama, o que o torna muito importante para a segurança, uma vez que estas variações podem ser indicativos de influxos de fluidos da formação.

58 Sistema de segurança O objetivo desse sistema é evitar uma invasão descontrolada de fluidos da formação para o poço. É constituído por Equipamentos de Segurança de Poço (ESCP) e de equipamentos complementares que possibilitam o fechamento e controle do poço. O sinal de comando pode ser hidráulico, elétrico ou ótico.

59 Sistema de segurança BOP (Blowout Preventer) Cabeça de Poço (Wellhead) Equipamentos complementares: i) Unidade Acumuladora/Acionadora; ii) Painéis Remotos de Controle; iii) Linhas de Kill e Choke; iv) Choke Manifold.

60 Sistema de segurança A cabeça de poço é constituída de vários equipamentos que permitem a vedação e ancoragem das colunas de revestimento na superfície.

61 Sistema de segurança BOP constituído de um conjunto de válvulas de gaveta, existem para diversas classes de pressão; seu acionamento é hidráulico.

62 Sistema de segurança Preventor Anular gaveta que quando acionada comprime uma borracha sobre a coluna vedando o anular. Gaveta de tubos gaveta tem o diâmetro do tubo sobre o qual é fechado vedando também o anular. Gaveta cega gaveta com cortador que fecha o poço com ou sem coluna; no último caso o tubo é cortado.

63 Sistema de segurança Preventor Anular Fecha sobre qualquer diâmetro; Não permanece fechado após a retirada da pressão de acionamento.

64 Sistema de segurança Gaveta de tubos Fecha contra o tubo sem cortálo Pode ser para um só diâmetro ou para vários diâmetros Permanece travada após a retirada da pressão de acionamento.

65 Sistema de segurança Gaveta Cega Fecha contra o tubo e corta o mesmo; Permanece fechada após a retirada da pressão de acionamento.

66 Sistema de segurança Equipamentos Complementares: Unidade Acionadora/Acumuladora O BOP deve ter uma resposta imediata após acionamento, para isto dever haver fluido hidráulico armazenado sob pressão, isto acontece nesta unidade.

67 Sistema de segurança Linha de Kill fica no BOP e dá acesso ao espaço anular; por ela é bombeado o fluido para amortecer o poço. Linha de Choke ao fechar o BOP o fluxo vindo pelo anular deve ser direcionado para o choke manifold, e esta linha é utilizada para isso.

68 Sistema de segurança Choke Manifold conjunto de válvulas na superfície, sendo duas de estrangulamento, que permite o controle das pressões do poço, quando em Kick.

69 Componentes da coluna de perfuração Coluna de perfuração é formada pela conexão de vários elementos tubulares e tem as seguintes funções: Aplicar peso sobre a broca; Transmitir rotação a broca; Permitir a circulação do fluido de perfuração até a broca; Manter o poço calibrado Garantir a inclinação e a direção do poço.

70 Componentes da coluna de perfuração Elementos principais de uma coluna: Kelly; Tubos de perfuração - Drill pipes (DP) Tubos pesados Heavy-Weight (HW) Comandos ou Drill-Collars (DC)

71 Componentes da coluna de perfuração Acessórios: Subs Substitutos; Estabilizadores; Escareadores Roller reamer; Alargadores; Amortecedores de choke. Ferramentas de manuseio: Chave Flutuante; Chave de Broca; Cunha; Colar de Segurança.

72 Componentes da coluna de perfuração Kelly tem como principal função transmitir a rotação da mesa rotativa à coluna de perfuração que está conectada a este; permite a passagem do fluido que entra pelo Swivel para a coluna. Por ser o elemento que recebe o torque nas partes intermediárias, suas roscas são diferentes, na parte superior a rosca é à esquerda e na parte inferior para direita.

73 Componentes da coluna de perfuração

74 Componentes da coluna de perfuração Kelly Cock válvula inserida no Kelly que possibilita o fechamento do interior da coluna em caso de Kick. Kelly Spinner

75 Componentes da coluna de perfuração Kelly de seção Quadrada NOMINAL API (in) MÁX A (in) MÁX B (in) MÁX C (in) API: American Petroleum Institute

76 Componentes da coluna de perfuração Kelly de seção Hexagonal NOMINAL API (in) OUTROS (in) Máx A (in) Máx B (in) Máx C (in)

77 Componentes da coluna de perfuração Tubos de Perfuração tubos sem costura fabricados pela extrusão de aços especiais, reforçados nas extremidades para permitir que uniões cônicas (tool joints) sejam soldadas. Permitem circulação do fluido de perfuração. Transmitem torque e rotação para a broca. Tool joint caixa Tool joint pino

78 Componentes da coluna de perfuração Especificação de um tubo de perfuração Diâmetro nominal (OD) Peso nominal Grau do Aço Reforço (Upset) Comprimento Nominal Desgaste Características Especiais.

79 Componentes da coluna de perfuração Diâmetro nominal é o diâmetro externo do corpo do tubo; varia 2 3/8 a 6 5/8. Peso nominal é o valor médio do peso do com as uniões cônicas (tool joints) em lb/ft. Com essas duas características podem ser determinados: Diâmetro interno (ID); Espessura da parede do tubo; Drift Máximo diâmetro de passagem.

80 Componentes da coluna de perfuração Grau do aço determina as tensões de escoamento e de ruptura do tubo de perfuração Comprimento Nominal é o comprimento médio dos tubos de perfuração Range I 18 a 22ft média de 20ft Range II 27 a 32ft média de 30ft (mais utilizado 9,2m) Range III 38 a 45ft média de 40ft

81 Componentes da coluna de perfuração Reforço (Upset) tem como função criar uma criar uma área de maior resistência onde é soldada a união cônica (tool joint), reduzindo assim os problemas de quebra por fadiga. Internal Upset External Upset Internal-External Upset

82 Componentes da coluna de perfuração Desgaste ocorre com a redução da espessura da parede do tubo, à medida que este vai sendo utilizado. Os tubos são periodicamente inspecionados para classificá-los, segundo norma API.

83 Componentes da coluna de perfuração Um tubo somente é considerado novo antes de entrar no poço, assim que entra passa a ser do tipo Premium; nas sondas marítimas somente se utiliza este último, porém nas sondas terrestres pode-se utilizar tubos Classe 1 até Classe 2 dependendo da capacidade da sonda.

84 Componentes da coluna de perfuração Características especiais as vezes um tubo tem de ser especificado para uma perfuração onde tem-se condições não convencionais, p.ex., revestimento interno com resina, metalurgia especial como proteção contra presença de Gás Sulfídrico (H 2 S).

85 Componentes da coluna de perfuração Uniões Cônicas ou Tool Joints São as uniões que irão fazer parte do tubo e são acopladas nas extremidades destes por: Enroscamento a quente união aquecida no tubo frio; Soldagem integral partes aquecidas por indução e unidas com pressão e rotação sem adição de material.

86 Componentes da coluna de perfuração As uniões cônicas promovem o enroscamento do tubo e fazem sua vedação. Às vezes são confeccionadas com material mais duro (carbureto de tungstênio) externamente para resistir melhor ao desgaste. Roscas da uniões cônicas (API): IF Internal Flush FH Full Hole REG - Regular

87 Componentes da coluna de perfuração Tool Joints: Regular (REG) ID menor que o ID do tubo sendo incompatível com Internal Upset (IU) devido à restrição ao fluxo do fluido. Full Hole (FH) - ID = ID do tubo, usados com Internal Upset, menor restrição ao fluxo Internal Flush (IF) ID = ID do tubo, utilização com reforço External Upset (EU), fluxo pleno.

88 Componentes da coluna de perfuração Comandos ou Drill Collars (DC) são tubos de paredes espessas fabricados com uma liga de aço cromo molibdênio e que tem como principal função fornecer peso à broca, além de transmitir torque e rotação à broca e permite a passagem de fluidos. São fabricados no Range (tamanho) de 30 a 32ft, a conexão é usinada no próprio tubo e protegida por uma camada fosfatada, e diferentemente do DP as conexões são a parte mais fraca do comando. Podem ser lisos ou espiralados; neste último caso a função é de reduzir o risco de prisão diferencial.

89 Componentes da coluna de perfuração Os comandos em conjunto com os estabilizadores são usados para dar rigidez no controle da inclinação do poço.

90 Componentes da coluna de perfuração Um comando é especificado por: Diâmetro externo; Diâmetro interno; Tipo de conexão; Características especiais.

91 Componentes da coluna de perfuração Diâmetro Externo escolhido em função do diâmetro do poço e da possibilidade de pescaria. Diâmetro Interno é função do peso nominal do comando, sendo usual especificar em função do peso em lb/ft. Características Especiais ex.: comando espiralado, com rebaixamento para a cunha, com pescoço para elevador, com metalurgia especial para resistir ao H 2 S.

92 Componentes da coluna de perfuração Um tipo especial de comando é o K-Monel, que é fabricado com materiais não magnéticos e utilizado em poços direcionais para evitar interferência magnética nos equipamentos que registram inclinação e direção do poço - são colocados na extremidade da coluna.

93 Componentes da coluna de perfuração Resistência dos Comandos

94 Componentes da coluna de perfuração Tubos Pesados ou Heavy Weigh (HW) são tubos de peso intermediário entre os tubos de perfuração e os comandos. Seu diâmetro externo varia de 3 ½ a 5 e são utilizados no mesmo diâmetro da coluna de perfuração. Funções: Fazer uma transição gradual de rigidez entre o DP e DC Transmitir toque e rotação; Permitir a passagem de fluido.

95 Componentes da coluna de perfuração Os HWDPs por apresentarem características como: - maior espessura de paredes, uniões mais resistentes e revestidas com material mais duro e reforço central no corpo do tubo traz algumas vantagens como: Diminui a quebra de tubos de transição de DPs para DCs Nos poços direcionais diminuem o torque e arrasto devido a sua menor área de contato como o poço.

96 Componentes da coluna de perfuração Substitutos (Sub s) são pequenos tubos que desempenham funções específicas: Sub de Içamento ou de Elevação (Lift- Sub) serve para promover um batente para o elevador, pode içar comandos que não possuem pescoço.

97 Componentes da coluna de perfuração Sub do Kelly ou de Salvação é conectado a rosca do Kelly com a finalidade de protegêlo dos constantes enroscamentos e desenroscamentos. Sub de Cruzamento (Cross-Over) pequenos tubos que permitem conexão de tubos com roscas diferente; podem ser: caixa-pino, caixa-caixa e pino-pino.

98 Componentes da coluna de perfuração Sub de Broca (Near Bit) é um sub de cruzamento Caixa-Caixa que serve para conectar a broca (pino) com a extremidade do comando que também é pino.

99 Componentes da coluna de perfuração Estabilizadores são ferramentas que servem para centralizar a coluna de perfuração, dando maior rigidez e afastando os comandos das paredes do poço. Também ajuda a manter o calibre do poço. Seu posicionamento na coluna é importante na perfuração direcional, controlando a variação da inclinação. Tipos: Não rotativos; Rotativos com lâminas: Intercambiáveis, Integrais e Soldadas.

100 Componentes da coluna de perfuração Não rotativos são fabricados de borracha e danificam-se rapidamente quando perfurando formações abrasivas.

101 Componentes da coluna de perfuração Rotativos Intercambiáveis a camisa é substituída quando muito desgastada. Integrais quando as lâminas estragam podem ser recuperados ou transformados em subs. Lâminas soldadas mais indicados para formações moles.

102 Componentes da coluna de perfuração

103 Componentes da coluna de perfuração Escareadores (Roler-Reamers) ferramenta estabilizadora usada em formações abrasivas, com roletes que conseguem manter o calibre do poço.

104 Componentes da coluna de perfuração Alargadores ferramentas utilizadas quando se deseja aumentar o diâmetro de um poço já perfurado. Hole Opener utilizado quando se pretende alargar o poço desde a superfície; tem braços fixos.

105 Componentes da coluna de perfuração Underreamer usado quando se deseja alargar apenas um trecho do poço começando por um ponto abaixo da superfície. Tem braços móveis que são normalmente abertos por um aumento da pressão de bombeio.

106 Componentes da coluna de perfuração Amortecedores de choque (Shock-Eze) são ferramentas que absorvem as vibrações da coluna de perfuração induzidas pela broca, principalmente quando perfurando rochas muito duras ou zonas com diferentes durezas. Usada principalmente em conjunto com brocas PDC ou de insertos e sempre que possível deve ser colocado imediatamente acima da broca.

107 Componentes da coluna de perfuração Ferramentas de manuseio Chaves flutuantes são duas chaves manuais suspensas na plataforma através de um sistema de cabo de aço, polia e contrapeso. Promovem o torque de aperto e desaperto nas uniões dos elementos tubulares da coluna, tem mordentes intercambiáveis responsáveis pela fixação das chaves à coluna

108 Componentes da coluna de perfuração Chave flutuante hidráulica facilita o enroscamento e desenroscamento da coluna e provê torque à conexão.

109 Componentes da coluna de perfuração Iron-Roughneck executa automaticamente os serviços dos plataformistas durante as conexões e desconexões.

110 Componentes da coluna de perfuração Cunhas equipamentos que servem para apoiar a coluna de perfuração ou os comandos na plataforma. Têm mordentes intercambiáveis e se encaixam entre a tubulação e a bucha da mesa rotativa.

111 Componentes da coluna de perfuração Colar de segurança equipamento de segurança colocado nos comandos que não possuem rebaixamento para a cunha. Sua finalidade é prover um batente para a cunha no caso de escorregamento do comando.

112 Componentes da coluna de perfuração Composição de fundo (BHA) de uma coluna de perfuração estabilizada DP HWDP STB S DC Broca

113 Componentes da coluna de perfuração pino Bucha do kelly cabo da chave sub salvação orifício Chave flutuante

114 Brocas Equipamentos que vão na extremidade da coluna e tem como função desgregar as rochas em pequenos pedaços (cascalhos) promovendo o aprofundamento do poço e consequente avanço da coluna. A escolha adequada das brocas num projeto de perfuração é de fundamental importância na economicidade e na qualidade do poço.

115 Brocas Classificação das brocas Brocas sem partes móveis integrais Brocas Draga Brocas de Diamantes Brocas de Diamantes Artificiais (PDC) Brocas com partes móveis Brocas Tricônicas Dentes de Aço Insertos

116 Brocas Brocas sem partes móveis Brocas Draga constituem um elemento cortante integral, cujo mecanismo de perfuração é a formação de sulcos por raspagem. Foram as primeiras usadas na perfuração de poços, mas atualmente estão em desuso.

117 Brocas Brocas de Diamantes seu uso iniciou-se devido à dureza do diamante com o objetivo de perfurar rochas muito duras ou abrasivas. Seu mecanismo de perfuração é o esmerilhamento e é utilizada para perfurar formações muito duras ou abrasivas, ou coroa de testemunhagem. Na sua fabricação, diamantes são inseridos na matriz metálica contendo carbureto de tungstênio a altas temperaturas. Quando operada de forma apropriada apenas os diamantes entram em contato com a formação, criando um pequeno espaço entre a rocha e o corpo da broca. O fluido de perfuração passa por um orifício central e por sulcos moldados em sua face. O tamanho e o número de diamantes são função de sua aplicação: brocas para formações moles tem poucas e grandes pedras (0,75 2 quilates) enquanto que para rochas mais duras o número de pedras é bem maior e o tamanho fica na faixa de 0,07 a 0,125 quilates (1quilate=0,2g).

118 Brocas Brocas de diamantes

119 Brocas Brocas de Diamantes Artificiais ou PDC (Polycrystalline diamond compact) tem como característica principal o seu cortador que é composto por uma camada fina de diamantes artificiais (±0,5mm) fixada a outra mais espessa (±3mm) de carbureto de tungstênio a alta temperatura e pressão. O cortador é formado pela junção deste compacto a um corpo cilíndrico de carbureto de tungstênio, que é posteriormente montado na face da broca.

120 Brocas O seu mecanismo de perfuração é por cisalhamento. Elas apresentam jatos intercambiáveis por onde circula o fluido de perfuração. O tamanho e a quantidade de cortadores define para que tipos de formação e objetivos a broca foi projetada. Broca ideal para perfurar um poço de qualidade Broca apropriada para perfurar poços direcionais

121 Brocas As brocas PDC foram desenvolvidas para se perfurar formações moles com altas taxas de penetração e maior vida útil, pois em formações mais duras o calor gerado na perfuração destrói a ligação diamante cobalto. Foram desenvolvidos então cortadores de diamantes sintéticos estáveis termicamente, chamados de TSP Thermally Stable Polycrystalline. As brocas de compactos (PDC/TSP) são fabricados com características especiais para cada cliente.

122 Brocas Brocas Tricônicas Elementos Estrutura Cortante Rolamentos Corpo

123 Brocas Estruturas cortantes são fileiras de dentes interpostas entre as fileiras dos dentes dos cones adjacentes. Os dentes podem ser de aço, fresados no próprio cone ou de insertos de carbureto de tungstênio, prensados em orifícios previamente abertos na superfície do cone. Broca tricônica de dentes de aço Broca tricônica de insertos de tungstênio

124 Brocas Os insertos de carbureto de tungstênio são bastante resistente quando ao desgaste, mas não tanto quanto à quebra. São portanto mais robustos que o dente de aço (menor comprimento e maior conicidade). A ação das brocas tricônicas em formações moles é de raspagem e nas formações duras é por esmagamento. Em ambos os casos atua também a erosão causada pela potência hidráulica.

125 Brocas A ação de raspagem é realizada por duas características do cone: i) Offset excentricidade dos eixos dos cones em relação ao eixo da broca. Quanto maior o Offset, maior será a tendência do cone raspar no fundo do poço ao rolar sobre o seu próprio eixo.

126 Brocas ii) Troncos de cones com ângulos diferentes um cone rola sem deslizar se o eixo de rotação coincide com o seu vértice. Como o cone da broca é na realidade a junção de troncos de cones com ângulos diferentes, tal coincidência não existe. Logo, o cone raspa no fundo do poço ao girar em relação ao eixo da broca.

127 Brocas 2) Rolamentos Tipos Com roletes e esferas não-selados Com roletes e esferas selados Rolamento Journal

128 Brocas Rolamento com roletes e esferas não-selados a) Rolamento externo de roletes b) Rolamento intermediário de esferas c) Rolamento interno de fricção Os roletes transmitem a maior parte do peso aplicado sobre a broca. As esferas intermediárias recebem os esforços axias ao cone (prendem o cone à broca), enquanto que o rolamento intermediário começa a se desgastar. Todos os rolamentos são lubrificados pelo fluido de perfuração. Este modelo de broca tricônica é mais simples e portanto mais barato.

129 Brocas Rolamento selado neste tipo de rolamento não há contato com o fluido de perfuração. O sistema de lubrificação usa graxa limpa confinada a um reservatório selado provido de um sistema de compensação de pressões, mantendo a pressão da graxa igual à pressão hidrostática.

130 Brocas Rolamento Selado

131 Brocas Rolamento Journal neste tipo de rolamento o cone gira em contato direto com o pino da perna da broca. O controle das tolerâncias é bastante rigoroso, o processo metalúrgico especial, a deposição de uma camada de prata na área de transmissão do peso sobre a broca, tornam esse tipo de broca muito mais caro que os anteriores.

132 Brocas Rolamento Journal

133 Brocas Corpo da Broca o corpo da broca além do reservatório de graxa, constitui-se dos seguintes elementos: a) Conexão existem vários tipos de roscas que variam conforme os diâmetros das brocas. b) Pernas da broca três elementos que serão soldados para formar a broca; apresentam deposição de material duro nas abas de calibre para aumentar a resistência à abrasividade. c) Canais de fluido caminho do fluido de perfuração. Na maioria das brocas os canais de fluido terminam em jatos colocados entre dois cones. Os jatos são removíveis possibilitando a variação de diâmetros no bocal, ou seja, a variação das condições hidráulicas no fundo do poço.

134 Brocas Conexão Perna

135 Brocas Classificação IADC (International Association of Drilling Contractors) para brocas tricônicas: O código tem 4 caracteres três numéricos e um alfabético. Os três números definem a Série-Tipo- Características 1 o Caractere indica o tipo do cortador. 2 o Caractere indica a dureza da formação. 3 o Caractere informa o tipo de rolamento. 4 o Caractere informação adicional.

136 Brocas Classificação IADC para brocas com cortadores fixos. O código tem 4 caracteres: Tipo de cortador Perfil/Conicidade Hidráulica Dimensão

137 Brocas 1 o Caractere letra que identifica o tipo de cortador e o material constituinte do corpo da broca. 2 o Caractere representa o perfil da broca: Conicidade externa relacionada com a distância do fundo do poço à seção da broca com diâmetro pleno. Conicidade interna relacionada com a altura do cone interno.

138 Brocas 3 o Caractere identifica o projeto hidráulico da broca através de duas características: tipo de saída do fluxo e arranjo dos cortadores (que define a trajetória do fluido na face da broca 4 o Caractere identifica o tamanho do cortador e a densidade dos cortadores na broca.

139 Brocas Registro de desgastes quando a broca sai do poço deve-se verificar os desgastes que ela sofreu; estas informações devem ser registradas para otimização de futuros projetos de poço na área. Criou-se então uma classificação de desgastes para padronizar estas informações.

140 Brocas Desgaste por erosão

141 Brocas

142 Brocas Classificação de Desgaste Caracterizada por 8 elementos, sendo os 4 primeiros relacionados ao desgaste da estrutura cortante, o quinto ao desgaste do rolamento, o sexto ao desgaste do calibre, o sétimo informa características especiais de desgaste e o oitavo informa o motivo de retirada da broca.

143 Brocas Problemas que afetam o rendimento da broca

144

145 Brocas Cálculo do custo por metro perfurado. CB + CS C M = C/M = custo do metro perfurado; CB = custo da broca; CS= custo por hora da sonda; ( Tp + Tm + Tc) + Cmf ( Tp + Tm + Tc) Pr of Tp = tempo de perfuração (hora); Tm = tempo de manobra (hora); Tc = tempo de conexão (hora); Prof = Intervalo perfurado (m); Cmf = custo por hora do motor de fundo.

146 Dimensionamento da Coluna de Perfuração No dimensionamento de uma coluna de perfuração temos que levar em consideração os seguintes parâmetros: Profundidade prevista para a coluna; Peso específico do fluido de perfuração Fatores de segurança à tração, colapso e pressão interna. Peso máximo previsto sobre a broca.

147 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Com esses elementos podemos dimensionar: Tipo dos tubos de perfuração Tipo e quantidade de comandos Durante as operações de perfuração de um poço, a coluna de perfuração estará sujeita a esforços de tração, compressão e torção. Além de eventuais esforços radiais resultantes da diferença entre as pressões interna e externa ao tubo.

148 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Especificação dos tubos de perfuração Tração o tubo de perfuração mais próximo à superfície é o mais solicitado em termos de resistência à tração, pois suporta todo o peso da coluna (imersa em fluido). T=P-E P=g aço V aço E=g f V des onde: T = tração máxima da coluna, P = Peso da coluna no ar, E = Empuxo, g f = peso específico do fluido, V aço = volume do aço da coluna, g aço = peso específico do aço, V desl = volume deslocado de fluido.

149 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Logo: T=P-E=(g aço V aço )-(g f V des ) T=(g aço V aço )-(g aço V aço ) =(g aço V aço ) [1-(g f /g aço )] T=α P onde α é o fator de flutuação O fator de segurança utilizado para tubos de perfuração é de 1,1. O peso específico do aço é de 65,22lbf/gal.

150 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Colapso a pressão de colapso é resultante do diferencial maior da pressão externa sobre a pressão interna do tubo. Esta é calculada no tubo (DP) que está conectado no HWDP mais sujeito a esta solicitação. Fórmulas de cálculo dependem da razão D/t diâmetro externo/espessura da parede do tubo.

151 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Para a faixa da tabela abaixo usamos a fórmula 1: Fórmula 1: Rc=2 Y [(D/t)-1/(D/t) 2 ] onde: Rc = resistência ao colapso Y= tensão de escoamento

152 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Faixa 2 Fórmula 2: Rc=Y {[A`/(D/t)]-B`}-C`

153 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Faixa 3 Fórmula 3: Rc=Y {[A/(D/t)]-B}

154 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Faixa 4 Fórmula 4: Rc=46, /[(D/t) ((D/t)-1) 2 ] O fator de segurança utilizado em todos os casos para a Resistência ao colapso é 1,125

155 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Pressão interna quando a pressão interna é maior que a pressão externa, a resistência interna é calculada pela fórmula de Barlow Rpi=(1,75 t Y)/d onde: Rpi = resistência à pressão interna (psi) d = diâmetro interno (pol) Y = tensão de escoamento O fator de segurança é 1,1

156 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Flambagem uma coluna não flamba quando sua tensão axial for maior que a média entre as tensões radiais tangenciais. A flambagem dos tubos de perfuração deve ser evitada para impedir o aparecimento de tensões cíclicas na parede dos tubos durante a rotação da coluna e a conseguente falha por fadiga. O critério de Lubinsky é utilizado para determinação da linha neutra de flambagem, pois foi demonstrado que a flambagem não ocorre se o peso sobre a broca for menor que o peso flutuado (peso-empuxo) dos comandos.

157 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Pelo critério de Woods uma coluna não flamba se: σ a >(Pi.ri 2 -Pe.re 2 )/(re 2 -ri 2 ) (1) onde: σ a = tensão axial Pi e Pe = pressões interna e externa ao tubo ri e re = raios interno e externo do tubo

158 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Na linha neutra de flambagem (a uma altura x da broca) σ a =Tx/A (2) Com: Tx=w-PSB-0,52.g L.H.A onde: w = peso por ft (no ar) do tubo g L = peso específico do fluido A = área da seção transversal do tubo PSB = peso sobre a broca

159 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Fazendo Pi = Pe=0,052.g L.(H-x) na equação (1) e substituindo em (2), têm-se: x = PSB/(α.w) onde: x = altura da linha neutra de flambagem α = fator de flutuação

160 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Determinação do número de comandos usando o critério de linha neutra de flambagem: n = PSB max /(FS.α.w.L) n = número de comandos FS = fator de segurança (0,8 a 0,9) α = fator de flutuação w = peso por ft (no ar) do comando L = comprimento médio de cada comando.

161 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Posições da Linha Neutra em relação ao peso aplicado sobre a broca (+) (-) (+) (-) Tubos de Perfuração Comandos Convenções (+) Tração (-) Compressão 4 caso (+) 3 caso (-) (+) 2 caso 1 caso 1 Caso: A linha neutra tangencia os dentes da broca Neste instante a broca estará acima do fundo, e toda a coluna estará sujeita à tração, sustentada pelo gancho da catarina. 2 Caso: Comandos aplicando 10% do seu peso total sobre a broca. Como o peso é função direta do comprimento dos comandos, podemos determinar a posição da linha neutra, a partir da broca, utilizando o mesmo valor percentual aplicado de peso. Se considerarmos 10% do peso sobre a broca, a linha neutra estará passando a 10% do comprimento L.

162 Dimensionamento da Coluna de Perfuração Posições da Linha Neutra em relação ao peso aplicado sobre a broca (+) (-) (+) (-) Tubos de Perfuração Comandos Convenções (+) Tração (-) Compressão 4 caso (+) 3 caso (-) (+) 2 caso 1 caso 3 Caso: Comandos aplicando 50% de seu peso sobre a broca 50% dos comandos estão sujeito a tração e 50% a compressão. 4 Caso: Aplicação de peso superior ao peso total dos comandos. Se por algum problema operacional, isto acontecer, todos os comandos e parte dos tubos estarão comprimidos e a linha neutra estará passando nos tubos de perfuração o que não é permitido pois, não foram dimensionados para resistir a tais esforços. Por medida de segurança permite-se um máximo de 90% de peso dos comandos.