BROCAS DE PERFURAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO João Carlos Ribeiro Plácido Rodrigo Pinho
BROCAS DE PERFURAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO João Carlos Ribeiro Plácido Rodrigo Pinho Rio de Janeiro, Brasil Ano 2009 2
BROCAS DE PERFURAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO 3
RESUMO Perfurando em lâminas d água ultraprofundas e poços direcionais e horizontais cada vez mais longos, o tempo de manobra acaba se tornando excessivamente alto, influenciando de maneira decisiva no custo total da operação de perfuração. Dentro deste contexto, fica evidente a preocupação e a necessidade da correta escolha das brocas de perfuração. Hoje em dia, existe uma grande diversidade de brocas de diferentes fabricantes disponíveis, o que torna indispensável o conhecimento técnico dos profissionais envolvidos no processo de perfuração dos poços. Esta apostila tem como objetivo descrever os tipos de brocas utilizadas atualmente na perfuração rotativa bem como suas particularidades. Pretende-se ainda descrever os principais critérios para a seleção da broca ideal para a operação de perfuração de um poço de petróleo. 4
Sumário RESUMO... 4 Sumário... 5 1 Introdução... 7 2 Tipos de brocas...11 2.1 - Brocas com partes móveis... 12 2.1.1 Brocas de cones... 12 2.1.2 - Princípio de projeto das brocas de cones...15 2.1.2.1 A estrutura de corte... 17 2.1.2.2 - Sistemas de rotação... 19 2.1.2.3 - Corpo da Broca... 22 2.1.3 Código IADC para brocas tricônicas... 23 2.2 - Brocas sem partes móveis... 25 2.2.1 Tipos de Brocas de Cortadores Fixos...29 2.2.1.1 - Fish Tail... 29 2.2.1.2 - Brocas de Diamante natural... 29 2.2.1.3 - TSP Brocas de diamante termicamente estável... 31 2.2.1.4 - Brocas PDC... 32 2.2.1.5 - Brocas Impregnadas... 34 2.2.2 - Código IADC para broca de cortadores fixos... 36 2.3 - Brocas especiais... 38 3 Seleção de Brocas... 39 3.1 - Critérios para seleção de brocas... 40 3.1.1 - Objetivos de perfuração... 40 3.1.2 Rendimento... 40 3.1.3 Economia... 40 3.1.4 Direcional... 41 3.1.5 Análise de históricos... 41 3.1.6 Taxa de penetração... 41 3.1.7 Fluidos de perfuração... 42 3.1.8 Energia hidráulica... 42 3.1.9 Restrições... 42 3.1.10 Custos... 43 3.1.11 Limitações de peso sobre a broca... 43 3.1.12 Velocidade de rotação (RPM)... 43 3.1.13 Formações nodulares... 43 3.1.14 Ampliação... 44 3.1.15 Poços profundos... 44 3.1.16 Poços de diâmetro reduzido... 44 3.1.17 Aplicações com motor de fundo...44 3.1.18 Atributos do meio ambiente... 45 3.1.19 Tipo de rocha... 45 3.1.20 Litologia... 45 3.1.21 Transição... 46 3.1.22 Homogeneidade... 46 3.1.23 Fraturados ou Nodulares... 46 3.1.24 - Tendências de desvio... 46 3.1.25 Vibração... 46 3.2 - Seleção por perfis geofísicos... 47 3.2.1 - Registro Neutrônico NPHI... 47 3.2.2 - Registro de Raios Gama GR... 47 3.2.3 - Registro sônico DT... 47 3.2.4 - Registro de Densidade RHOB... 48 3.2.5 - Potencial espontâneo SP... 48 3.2.6 - Indução ILD... 48 3.2.7 - Análise da resistência à compressão... 49 5
3.3 - Seleção em função da formação... 50 4 Desgaste das Brocas... 52 4.1 - Fatores que afetam o desgaste das brocas... 52 4.1.1 - Fatores geológicos... 52 4.1.1.1 Abrasividade... 52 4.1.1.2 - Resistência especifica da rocha... 52 4.1.2- Fatores de operação... 53 4.1.2.1 - PSB - Peso sobre a broca... 53 4.1.2.2 - Velocidade de Rotação... 53 4.1.2.3 - Limpeza do fundo do poço... 54 4.1.2.4 - Geometria do poço... 54 4.1.3 - Manejo e Transporte... 54 4.2 - Avaliação do desgaste de brocas... 55 5 - Avaliação econômica... 59 6 Considerações finais... 62 7 Referências Bibliográficas... 63 6
1 Introdução Desde a época quando os chineses perfuravam poços de salmoura até os dias de hoje, a broca de perfuração sempre foi fator determinante na construção de poços de petróleo e gás. Começando com a tecnologia rudimentar de ferramentas de perfuração a cabo, passando pelos equipamentos rotativos, até os sistemas direcionais de alto alcance horizontal atuais, os projetos de brocas tiveram que se adaptar às exigências da industria. A perfuração fácil é a cada dia mais escassa. Agora se perfura em topografias de difícil acesso, áreas com restrições urbanas e/ou ambientais e em lâminas d água de mais de 2000 metros de profundidade. Os poços deixaram de ser teoricamente verticais (na realidade não existe um poço perfeitamente vertical) e se tornaram direcionais com complicadas geometrias. Poços horizontais com ramificações ou multilaterais, para incrementar a área de fluxo para aumentar a produção e a recuperação final de um campo, estão se tornando tecnologias convencionais. Figura 1 Poço Direcional de Geometria Complexa (3D) 7
Já não se fala tão somente de se perfurar, mas também de se navegar pelo subsolo de forma a construir a trajetória de um poço para que alcance o objetivo predeterminado com êxito. A tecnologia atual de perfuração se aproveita da última tecnologia de navegação espacial, novos materiais, desenho mecânico, comunicação e informática para alcançar o objetivo principal da industria, ou seja, reduzir os custos de perfuração. Da primitiva broca de arraste, tipo rabo de peixe, passando pela revolução que gerou as brocas de cones rotativos no principio do século XX e terminando com as linhas de brocas utilizando tecnologia de diamantes sintéticos, as companhias de brocas de perfuração tem buscado a vanguarda tecnológica para se adaptar às exigências de projetos de poços complicados, sempre buscando a otimização de desempenho em cada tipo de rocha perfurada. Evolução das Brocas de Perfuração 1859 1863 1909 1910 E.L. Drake e a sonda usada para perfurar o poço em Titusville. Detalhe de brocas de percussão Broca de arrastre tipo Rabo de Peixe Broca de dois cones patentada por Howard Hugues en 1909 Em 1910 Hughes patenteou a primeira broca tricónica 1925 1930 1933 1940 1951 Broca com dentes entrelaçados ou engrenados para autolimpeza Primeira broca mono-cónica Broca de tres cones com dentes tipo engranagem Uso de brocas de diamante natural em poços de petróleo Se introduzem os insertos de carboneto de tungsteno como elementos de corte 8
1953 1976 1978 1994 Os primeiros cristais de diamante sintético obtidos pelo Diamond Team da GE Compactos de diamante sintético em suas diversas apresentacões. Os primeiros cortadores PDC eram hastes insertadasno corpo da broca Primeiras brocas PDC. Hastes insertadas no corpo de aço das brocas com arranjo simples em espiral A interfase não-plana da superficie entre os materials ajuda a aliviar as tensões internas nos cortadores 1994 Presente A espessura da capa de diamante pode ser incrementada para dar mais durabilidade ao cortador PDC. Primeiro plano: cortador TECMAX Insertos para brocas de cones com capa de diamante para melhorar a resistencia a abrasividade Broca PDC moderna para aplicacões com Sistema Rotatorio Direcional. Inclui cortadores ativos no calibre Selos gêmeos (Gemini) foram lançados visando incrementar a vida dos rolamentos das brocas de cones A EVOLUCÃO CONTINUA Os novos desenvolvimentos incluem brocaas especializadas para aplicações e necessdiade específicas. Da esquerda para a direita. As brocas bi-céntricas perforamn um poço piloto que logo é alargado por sua seção ampliadora. As brocas impregnadas são uma versão moderna das brocas de diamantes naturais Os cristais de diamante são impregnaods na matrix de carboneto de tungtênio de forma que novos critais são expostos a medida que a broca se desgasta pela ação de perfuração em formações abrasivas. Por último, se apresentamn as versões modernas das brocas bi-cônicas e mono-cônicas. É imprescindível que o engenheiro de perfuração domine os fundamentos do projeto das brocas e seja capaz de entender seu comportamento para fazer uma seleção adequada. Para isso, deve-se analisar um grande número de variáveis que interagem entre si, tais como: A evolução do desgaste das brocas previamente empregadas; Os rendimentos obtidos nos poços vizinhos; 9
Os registros geofísicos dos poços vizinhos e do mesmo poço; Os dados sísmicos; Análises de compressibilidade das rochas; As propriedades dos fluidos de perfuração; As tabelas de informação geológica; Os catálogos de brocas; As tabelas comparativas das brocas; As classificações das brocas; Objetivos de perfuração para cada fase. Esta apostila tem como foco o estudo das brocas rotativas utilizadas na perfuração de poços de petróleo nos dias de hoje. Através da apresentação dos tipos de brocas existentes, com suas características específicas e particularidades, serão mostrados critérios de seleção e avaliação de desgaste das mesmas para que o processo de perfuração seja seguro e com o menor custo possível. 10
2 Tipos de brocas Broca é a ferramenta de corte localizada no extremo inferior da coluna de perfuração, a qual é utilizada para cortar ou triturar a formação durante o processo de perfuração rotativa. Para realizar a perfuração as brocas utilizam como base os princípios fundamentais para vencer os esforços da rocha, e a forma de ataque pode ser por: acunhamento, cisalhamento, esmerilhamento, esmagamento, e até mesmo erosão por ação de jatos de fluido. A forma do ataque dependerá do tipo e das características da rocha que se deseja cortar, principalmente em função de sua dureza e abrasividade. Este fator é muito importante na classificação das brocas. É o grau de dureza e abrasividade que determinará o tipo de broca e o princípio de ataque. As primeiras patentes das brocas de perfuração surgiram no início do século XX paralelamente aos descobrimentos de jazidas de petróleo. Seu projeto e engenharia melhoraram notavelmente suas características físicas, mecânicas, e com isso sua duração e funcionamento também evoluíram. Os tipos de broca mais utilizados para perfuração de poços de petróleo se classificam genericamente da seguinte maneira: Brocas com partes móveis; Brocas sem partes móveis. 11
2.1 - Brocas com partes móveis 2.1.1 Brocas de cones Inicialmente as ferramentas disponíveis para a perfuração rotativa eram as brocas de aletas tipo Rabo de Peixe e suas diversas variações. Também chamadas de brocas de arraste pelo seu mecanismo de perfuração. As brocas de arraste não possuem partes móveis e perfuram por ação de cavar suas aletas na rocha. As saídas de fluido estão localizadas de tal maneira que o fluxo é dirigido para as aletas, mantendo-as limpas. Estas ferramentas foram eventualmente substituídas por novos projetos de brocas de cones. O conceito e mecanismo de perfuração das brocas de aletas seriam retomados mais adiante com a aparição das brocas de diamante policristalino (PDC), como veremos mais adiante. A primeira broca de cones foi patenteada por Howard Hughes em 10 de agosto de 1909. Esta broca, com suas subseqüentes melhorias, permitiu que a perfuração rotativa competisse com o método de percussão em formações mais duras. Eventualmente, a perfuração rotativa substituiu o método de percussão em inúmeras outras aplicações. A perfuração a percussão segue, contudo, sendo utilizada para perfurar poços de água, de superfície e/ou aplicações especiais para poços de petróleo em determinadas áreas. A evolução continuou com projetos de brocas de três e quatro cones, e continua até hoje com versões modernas das brocas bi-cônicas e mono-cônicas. O fator mais importante no projeto de brocas de cones, a estrutura de corte, também se modificou em razão da evolução tecnológica de acordo com as exigências da indústria. Variou desde cortadores formados por dentes fresados no mesmo aço dos cones (1909); dentes engrenados para auto limpeza da broca (1925); dentes de aço recobertos com metal duro (liga de 12
carboneto de tungstênio, 1928); ao desenvolvimento de insertos de carboneto de tungstênio para formações mais duras (1951). Hoje, se dispõe de diferentes graus de material dos insertos combinando-se diferentes tamanhos de grãos de carboneto de tungstênio, com o material de ligação à base de cobalto. Atualmente, a broca de cones é ajustada com insertos resistentes à abrasão ou ao impacto (em seus diferentes graus), dependendo da aplicação. Por outro lado, os rolamentos de cilindros e esferas das brocas de cones, introduzidos no ano 1932, que seguram os cones às pernas da broca e permitem seu movimento, também evoluíram. O rolamento de fricção (journal) selado foi introduzido em 1966 para brocas de formações duras, as quais requerem mais peso sobre a broca, o que limita a vida dos rolamentos de cilindros. Selos de geometrias e materiais avançados e lubrificantes de tecnologia de ponta, também contribuíram para que as brocas de cones se tornassem mais duráveis em ambientes de perfuração mais hostis. Selos duplos a base de elastômeros de alta resistência foram introduzidos em 1996 para incrementar ainda mais a vida dos rolamentos. A conservação do diâmetro do calibre das brocas é crítica em operações de perfuração. O avanço mais significativo neste campo foi a introdução de insertos de diferentes geometrias, recobertos com capas de diamante sintético para resistir ao desgaste ocasionado pelo contato dinâmico do calibre da broca com formações abrasivas (1984). A incorporação de jatos às broca de cones (1948) ajudou a melhorar a limpeza do fundo do poço e da estrutura de corte. Os projetos hidráulicos das brocas atuais incluem jatos dirigidos, estendidos, centrais e difusores, que contribuem ainda mais para a limpeza do fundo do poço e da estrutura de corte, assim como ao resfriamento da broca. Mediante a utilização de modernos simuladores computacionais, os projetistas têm conseguido melhorar ainda mais os modelos de brocas através 13
de um melhor entendimento da interação broca formação, buscando-se assim a otimização da durabilidade, taxa de penetração e comportamento vibracional da broca. Figura 2 Tipos diferentes de brocas de cones: tricônica de dentes de aço (alto à esquerda), tricônica de insertos (alto à direita), bicônica de insertos (em baixo à esquerda) e monocônica de insertos (em baixo à direita). 14
2.1.2 - Princípio de projeto das brocas de cones As brocas de cones contam com cones cortadores que giram sobre seu próprio eixo. Variam de acordo com sua estrutura de corte e podem ter dentes de aço usinados ou de insertos de carboneto de tungstênio. Também variam em função do seu sistema de rolamento, que pode ser rolamento convencional, rolamento selado ou mancais de fricção tipo journal. As brocas de cones contam com três importantes componentes: a estrutura cortante, os rolamentos e o corpo. Figura 3 Componentes de uma broca de cones A estrutura de corte e os cortadores estão montados sobre os rolamentos, os quais constituem parte integral do corpo da broca. Atualmente, empregam-se nas brocas dois distintos tipos de elementos de corte e três tipos de rolamentos. Os elementos cortadores são os dentes de aço usinados desde um cone básico de material e recobertos com metal duro, ou os insertos de carboneto de tungstênio colocados por interferência em furos perfurados na superfície dos cones. 15
Figura 4 Elementos cortantes das brocas de cones: (dentes de aço e insertos de carboneto de tungstênio) Os rolamentos podem ser de esferas e cilindros, rolamento selado ou de fricção. Mesmo havendo muita diferença entre as brocas, as considerações sobre o desenho básico são similares para todas. 16
Figura 5 Esquema básico de rolamentos de cilindros e rolamentos de fricção Os diferentes componentes vão depender do diâmetro das brocas e do tipo de formação que se pretende perfurar. 2.1.2.1 A estrutura de corte A geometria dos cones afeta a forma como os dentes cortam a formação. Um cone que tenha uma superfície cônica única com seu eixo no centro de rotação da broca, ou seja, sem offset, rodará no fundo do poço sem nenhuma ação de deslizamento ou arraste. Os cones das brocas para formação moles possuem dois ou mais ângulos básicos no cone, nenhum dos quais tem seu centro no centro de rotação da broca, com offset. Com isso, a superfície exterior do cone tende a rodar ao redor de seu eixo teórico e as fileiras interiores, perto do centro, em seu próprio eixo, como mostrado esquematicamente na figura abaixo. 17
Figura 6 Cones para formações moles Os cones são forçados a rodar ao redor do centro da broca. Como possuem ângulos de ataque diferentes produzem maior taxa de raspagem, que é a melhor maneira de perfurar de forma efetiva os terrenos moles. Portanto, uma ação mais efetiva para se incrementar a penetração em formações moles é obtida aumentando-se o offset dos eixos dos cones. O offset é o ângulo entre o eixo de rotação da broca e o plano vertical, e determina o grau de ação de raspagem dos dentes. Para formações duras o offset tende a zero e o mecanismo predominante de ataque é o esmagamento. 18
Figura 7 Offset de brocas tricônicas 2.1.2.2 - Sistemas de rotação Para o sistema de rotação de brocas tricônicas existem três configurações: Rolamento convencional com cilindros e esferas; Rolamento auto-lubrificado com cilindros e esferas; 19
Rolamento de fricção auto-lubrificáveis. Os rolamentos convencionais apareceram para substituir os primeiros rolamentos de fricção. Foram lançados ao mercado num momento em que só existiam brocas com dentes de aço. Estes rolamentos operavam em contato com o fluido de perfuração e em muitos casos duravam tanto ou mais que a estrutura cortante. Entretanto, em alguns locais e com alguns tipos de brocas estes rolamentos eram inadequados. Nas brocas atuais, os rolamentos convencionais são empregados apenas na parte superior dos poços, onde o tempo de manobra não é excessivo ou em aplicações em que a velocidade de rotação é alta. Os roletes absorvem a maior porção dos esforços radiais sobre os cortadores. Com a introdução dos insertos de tungstênio como cortadores no lugar dos dentes fresados a vida útil dos rolamentos convencionais foi colocada em xeque. Além disso, os elementos do rolamento necessitam um depósito para graxa, um compensador de pressão, um comunicador entre ambos e um selo. Figura 8 Esquema detalhado de um conjunto selo-rolamento de cilindros e esferas 20
Mesmo em um ambiente lubrificado, os rolamentos de cilindros e esferas depois de um determinado tempo falham por fadiga do material. Entretanto, a vida do rolamento é suficientemente grande para algumas brocas com dentes de aço. Assim, este tipo de rolamento é empregado nas brocas para formações moles. No entanto, as estruturas cortadoras de insertos de tungstênio duram mais que o rolamento de cilindros e esferas lubrificados. Isto levou ao desenvolvimento de rolamentos de fricção e de novo selo. O sistema depósito-compensador é similar aos usados nas brocas de dentes de aço. A diferença mais importante é o emprego do o-ring e a adição de uma superfície metal-metal que substitui os cilindros. O rolamento de fricção volta a ser o componente principal a suportar as cargas. As superfícies de contato deste rolamento são recobertas com metais especiais que agregam uma resistência adicional ao desgaste. Estes rolamentos têm vida mais longa que a maioria das estruturas cortadoras atuais. Figura 9 Esquema detalhado de um conjunto selo-rolamento de fricção 21
2.1.2.3 - Corpo da Broca O corpo da broca tem a seguinte composição: Conexão rosqueada que une a broca com o tubo de perfuração; Três eixos de rolamento onde são montados os cones; Depósito que contém o lubrificante para os rolamentos; Orifícios através dos quais passa o fluido de perfuração. Um dos propósitos do corpo da broca é direcionar o fluido de perfuração para tornar a limpeza mais efetiva no fundo do poço. Estes orifícios estão localizados para direcionar o fluido de perfuração de modo que limpem os cones das brocas e o fundo do poço. Figura 10 Ilustração da ação dos jatos na limpeza dos cones e fundo de poço As bombas modernas têm potência suficiente para limpar o fundo do poço e também a broca. Em algumas formações moles, os jatos do fluido de perfuração retiram o material por sua própria força hidráulica. A erosão do corpo da broca, provocada pelo fluido a altas velocidades, se reduz com o emprego de jatos de carboneto de tungstênio. 22
As brocas de cones, como foi mencionado, são as mais utilizadas na atualidade para a perfuração petrolífera. Cada fabricante tem seus próprios desenhos de brocas de cones, com características específicas de cada fabricante, mas de acordo com o código de padronização emitido pela IADC (International Association of Drilling Contractors). 2.1.3 Código IADC para brocas tricônicas O IADC desenvolveu um sistema padronizado para classificação das brocas tricônicas. Classificam-se de acordo com o tipo, dentes de aço ou insertos, a classe de formação para a qual foram projetadas (em termos de série e tipo), as características mecânicas, e em função do fabricante. Para fazer comparações e evitar confusão entre os tipos de brocas equivalentes em relação aos seus distintos fabricantes, o IADC criou o seguinte o código de classificação: N1 N2 N3 A N1: Identifica o tipo e o desenho da estrutura de corte com respeito ao tipo de formação, conforme abaixo: 1 - Dentes de aço para formações moles; 2 - Dentes de aço para formações médias; 3 - Dentes de aço para formações duras; 4 - Dentes de insertos de tungstênio para formações muito moles; 5 - Dentes de insertos de tungstênio para formações moles; 6 - Dentes de insertos de tungstênio para formações médias; 7 - Dentes de insertos de tungstênio para formações duras; 8 - Dentes de insertos de tungstênio para formações muito duras. N2: Indica o grau de dureza da formação na qual se usará a broca. Varia de mole à dura, conforme a seguir: 1 - Para formações moles; 23
2 - Para formações médias moles; 3 - Para formações médias duras; 4 - Para formações duras. N3: Indica o sistema de rolamento e lubrificação da broca em oito classificações, conforme abaixo: 1 Rolamento convencional não selado; 2 Rolamento convencional não selado com refrigeração a ar; 3 Rolamento convencional não selado com proteção de calibre; 4 Rolamento selado auto-lubrificado; 5 Rolamento selado com proteção de calibre; 6 Rolamento de fricção (journal) selado; 7 Rolamento de fricção (journal) selado com proteção de calibre; 8 Para perfuração direcional; 9 Outros. Figura 11 Exemplos de códigos IADCs A: Um caractere alfanumérico que indica outras características, tais como: aplicações a ar comprimido, selos especiais, jato central, etc. As opções para o caractere A são apresentadas na Tabela abaixo. 24
Tabela 1 Exemplos de características especiais referentes ao código IADC 2.2 - Brocas sem partes móveis O uso de diamante industrial natural para corte de minerais e metais na indústria metal-mecánica e de construção (ferramentas abrasivas de diamante, brocas para tornos, etc.), passando por sua utilização na perfuração de poços de mineração, se estendeu para a indústria de petróleo e gás em meados do século XX, devido ao aumento da demanda mundial de petróleo durante a segunda guerra mundial e a necessidade de perfurar poços mais profundos, onde foram encontradas formações mais duras e abrasivas. Tipicamente a pedra de diamante está incrustada na matriz da broca de diamante e sobressai um terço de seu tamanho sobre a superfície. O mecanismo de perfuração desta broca é por raspagem e esmerilhamento do fundo do poço. A pouca profundidade de corte é compensada com altas revoluções aplicadas para se obter taxa de penetração aceitável. Este tipo de broca é tipicamente usado com motores de fundo ou turbinas. Uma alta vazão de fluido de perfuração é mantida para resfriar a broca e alcançar altas rotações. 25
Durante a segunda guerra mundial o fornecimento de diamante industrial aos Estados Unidos, a partir das minas localizadas na África, se viu seriamente afetado. Terminada a guerra, foi revista a necessidade de se ter uma fonte segura de diamante industrial. No ano de 1951, a General Electric (GE) formaria um grupo científico (Diamond Team) para estudar se era factível, prática e economicamente, reproduzir o diamante sinteticamente. Tentativas anteriores haviam fracassado. Em 1880, J. B. Hannay realizou 80 experimentos. Esquentando tubos de ferro que continham parafina, petróleo e lítio, ele obteve alguns cristais. Estudos posteriores sugeriram que esses cristais eram de diamante natural. Posteriormente, outros investigadores como F.H. Moissan, W. Crookes y C.A. Parsons, entre 1886 e 1931, utilizaram diferentes métodos e materiais sem êxito. Moissan declarou que havia gerado cristais de diamante a partir de carvão passando por um arco elétrico, porém logo se comprovou que um assistente tinha colocado cristais de diamante no aparato. Parsons, que também não alcançou os resultados esperados usando vários métodos, concluiu que, neste momento, nada podia ser feito para se produzir diamantes em laboratório. O grupo Diamond Team da GE chegou à conclusão de que teria que se reproduzir as condições naturais, as quais o carvão se transforma em diamante, se quisesse levar seu projeto adiante. Concluíram que necessitariam de um equipamento que gerasse 3500º F (1927º C) e uma pressão de um milhão de libras por polegada quadrada (psi), condições equivalentes a uma profundidade de 160 milhas (258 Km) no subsolo. Depois de milhões de dólares de investimento e muito trabalho, em 1953, o grupo dispunha de aparatos e ferramentas para iniciar os experimentos. Entretanto, somente isso não foi o suficiente. Das variáveis necessárias para completar o processo além da pressão e temperatura, não havia sido 26
possível reproduzir o fator tempo. Na natureza, o diamante se forma depois de um processo que dura milhões de anos. Depois de muitos experimentos infrutíferos, se conseguiu encontrar uma série de catalisadores que substituiriam o tempo. Em 15 de Fevereiro de 1955 foi anunciado o grande feito. Os primeiros cristais de diamante sintético (Man-Made Diamond TM ) haviam sido produzidos em laboratório. Em outubro de 1957 foi lançada uma linha comercial de diamante sintético para retífica e afiamento de ferramentas de carboneto de tungstênio para tornos. Depois de passar por desenvolvimentos para diferentes aplicações, se começou a estudar sua aplicação para a perfuração de poços. Em 1976 se criou uma empresa subsidiaria para tal fim, Stratapax Drill Blanks, que lançou no mercado discos e hastes de carboneto de tungstênio com uma capa de diamante policristalino em um extremo. Estes seriam montados no corpo de aço de uma broca como elementos de corte. Assim nasceram os cortadores e brocas PDC ( Polycrystalline Diamond Compact ). Os primeiros projetistas de brocas PDC se basearam nos modelos existentes de brocas de diamante natural para projetar seu perfil. Para sua fabricação, aproveitaram os conhecimentos e experiências na criação de brocas de cones de insertos. Os cortadores PDC eram hastes inseridas no corpo de aço da broca. Inicialmente não se considerou a otimização da hidráulica nem a evacuação de cascalhos da face da estrutura de corte das brocas. Posteriormente começaram a fabricar os corpos das brocas de uma matriz de carboneto de tungstênio. Com o tempo, o processo se modificou bastante. Agora se fabrica um molde de grafite com o perfil, espaço para as aletas e os canais de fluxo. Coloca-se dentro do molde o pó de carboneto de tungstênio e por cima um metal aglutinante que se fundirá dentro de um forno a temperatura e ambiente controlados. A broca é depois sacada do molde e retificada. Os cortadores são soldados em bolsos deixados no topo das aletas. 27
Atualmente se utiliza matriz aço para fabricar os corpos das brocas. Seu uso depende da abrasividade da formação e o conteúdo de material erosivo no fluido de perfuração. Desde os primeiros testes, os resultados foram promissores. Em certas ocasiões, uma broca PDC substituía várias corridas de brocas convencionais. Muitos anos depois, quando o estudo da dinâmica de perfuração avançou significativamente, houve indicações que eventos vibracionais durante a perfuração com brocas PDC afetavam tanto ou mais que o calor gerado pelo mecanismo de perfuração por cisalhamento. A partir desse momento, o desenvolvimento de novos projetos de brocas PDC enfocou este aspecto. Os perfis, quantidade de aletas, tamanho de cortadores, arranjo hidráulico, orientação espacial e tipo de cortador são projetados levando-se em conta os parâmetros modernos de desempenho de uma broca PDC. Os perfis, quantidade de aletas, tamanho de cortadores, projeto hidráulico, orientação espacial, estabilidade (características antivibracão); comportamento direcional (resposta efetiva às ferramentas de controle de navegação para realizar o perfil de poço planejado); durabilidade (maior tempo efetivo de perfuração) e taxa de penetração (maior distância perfurada por unidade de tempo). Tudo isso se traduz na redução dos custos de perfuração e o produto final, ou seja, o poço, feito em menos tempo. A inexistência de partes móveis e rolamentos aumentam a confiabilidade destas brocas, uma vez que a as formações a serem perfuradas são susceptíveis a sua aplicação e a broca correta é selecionada para a aplicação. Os principais tipos de brocas sem partes móveis utilizados nos dias atuais são: PDC e Impregnadas 28
2.2.1 Tipos de Brocas de Cortadores Fixos 2.2.1.1 - Fish Tail As brocas de lâminas de aço, conhecidas como brocas Rabo de Peixe (Fish Tail), foram as primeiras brocas a serem usadas na perfuração rotativa. Sua característica é a de perfurar por cisalhamento. Esse tipo de broca possui jatos os quais permitem uma boa limpeza das lâminas. O maior problema destas brocas é que a vida útil de sua estrutura cortante é muito curta, mesmo aplicando material mais duro nas lâminas. Este tipo de broca praticamente desapareceu da perfuração de poços de petróleo com o aparecimento das brocas tricônicas. Figura 12 Broca Fish Tail 2.2.1.2 - Brocas de Diamante natural As brocas de diamante natural, igualmente aos outros tipos de brocas de diamante, têm um corpo fixo cujo material é composto de uma matriz de carboneto de tungstênio. O tipo de fluxo pode ser radial ou cruzado e o tipo de cortador é o diamante natural incrustado no corpo da broca, com diferentes densidades e desenhos, como se classificam no código IADC para cortadores fixos. 29
O uso destas brocas é limitado, utilizado em casos especiais para perfurar formações muito duras e para cortar núcleos de formações com coroas de diamante natural, ou na aplicação de brocas desviadoras (Side Track) para desviar poços em formações muito duras e abrasivas. Figura 13 Brocas de diamantes naturais O mecanismo de corte deste tipo de broca é o esmerilhamento e arraste, o qual gera altas temperaturas. O tipo de diamante usado para sua construção é o diamante em sua forma natural e não comercial. O tamanho varia de acordo com o desenho da broca: quanto mais dura e abrasiva for a formação menor o diamante que se deve usar. Os diamantes usados para este tipo de broca são arredondados, mas de forma irregular. 30
Figura 14 Mecanismo de esmerilhamento da formação 2.2.1.3 - TSP Brocas de diamante termicamente estável Estas brocas são usadas para perfuração de rochas duras como calcário, arenitos finos e duros, entre outras. São um pouco mais usadas para perfuração convencional que as brocas de diamante natural. O uso de brocas TSP também é restrito porque, assim como as de diamante natural, apresentam restrições hidráulicas. As vias de circulação estão praticamente em contato direto com a formação e, além disso, geram altas torções nos tubos de perfuração, embora hoje se pode usar com motor de fundo. Este tipo de broca usa como estrutura de corte, diamante sintético em forma de triângulos pequenos e não redondos. A densidade, o tamanho e tipos são características de cada fabricante. Estas brocas também têm aplicação para cortar núcleo e desviar poços. 31
2.2.1.4 - Brocas PDC As brocas de PDC utilizam diamante sintético no formato de um compacto de diamante policristalino. Seus cortadores são na forma de pastilhas, montada nas aletas da broca, que podem ser de aço ou matriz. O que as diferencia das brocas de diamante natural e TSP, é seu desenho hidráulico que se realiza com sistema de jatos, similar às brocas de cones. Figura 15 Broca PDC de corpo de aço A orientação dos cortadores: exposição, ângulo de back rake e ângulo de side rake influenciam diretamente a taxa de penetração da broca PDC. 32
Figura 16 Exposição, ângulo de Bake Rake e ângulo de Side Rake O mecanismo de corte das brocas PDC é por cisalhamento. Por seu desenho hidráulico, seus cortadores em forma de pastilha e por seus bons resultados na perfuração rotativa, este tipo de broca tem sido muito usado na perfuração de poços de petróleo. Também apresenta muitas vantagens econômicas por sua versatilidade. Figura 17 Mecanismo de Cisalhamento da Formação 33
Por seu desenho e características, as brocas PDC contam com uma grande gama de tipos e fabricantes, especiais para cada tipo de formação, desde formações muito moles até muito duras, e em diferentes diâmetros de acordo com o projeto de cada poço. Além disso, estas brocas podem rodar a altas velocidades, podendo ser utilizadas com motores de fundo ou turbinas, com diferentes pesos sobre a broca. Figura 18 Brocas PDC de corpo de Matriz 2.2.1.5 - Brocas Impregnadas Broca impregnada é a evolução da broca de diamante. Elas possuem seus elementos de corte (cristais de diamante) impregnados na matriz de carboneto de tungstênio. Geralmente são utilizadas em ambientes de perfuração duros e abrasivos. Devido à pequena exposição, tal qual nas brocas de diamante, a impregnada necessita trabalhar a altas rotações para atingir taxas de penetração significativas. Estas brocas são geralmente usadas com turbinas ou motores de alta rotação. Estas brocas são projetadas de forma a ter cobertura completa de diamante no fundo do poço. A ação de esmerilhamento da formação a altas rotações acarreta a quebra da cimentação entre os grãos 34
da rocha. Durante a perfuração, com o desgaste da broca novos cristais de diamantes impregnados na matriz se expõem continuamente ao ambiente de perfuração mantendo a estrutura de corte afiada. Figura 19 Broca impregnada desgastada mostrando os cristais de diamante expostos Existe uma infinidade de variáveis quanto a perfis, estrutura dos cristais de diamante e matrizes de brocas impregnadas. Há que se planejar bem a aplicação destas brocas uma vez que é necessário que se desgastem para que se exponham novos cristais de diamante e se atinjam resultados satisfatórios de taxa de penetração, porém, há que se estudar sempre o impacto das variáveis na durabilidade da broca. 35
Figura 20 Brocas Impregnadas 2.2.2 - Código IADC para broca de cortadores fixos O IADC desenvolveu um sistema de codificação para a identificação das brocas de cortadores fixos que incluem todos os tipos: Diamante natural, PDC e TSP. Este código consiste de 4 caracteres, 1 letra e 3 números, que descrevem sete características básicas: tipo de cortadores, material do corpo da broca, perfil da broca, desenho hidráulico para o fluido de perfuração, distribuição do fluxo, tamanho dos cortadores e densidade dos cortadores. A N1 N2 N3 A: Identifica o tipo de corpo. S Corpo de aço; M Corpo de matrix. N1: Identifica a densidade dos cortadores. 36
Para brocas de PDC, cortadores Mosaico ou híbridas com cortadores de PDC, a contagem é feita sobre um modelo considerando a broca de 8.1/2 com cortadores de ½, inclusive os gage trimmers: 1 01 a 30 cortadores; 2 31 a 40 cortadores; 3 41 a 50 cortadores; 4 mais de 50 cortadores. Para brocas de diamantes naturais e TSP, considera-se apenas o tamanho dos cortadores: 6 pedras maiores que 3 ppq; 7 pedras de 3 a 7 ppq; 8 pedras menores que 7 ppq. N2: Identifica o tipo do cortador. Para brocas de PDC, cortadores Mosaico ou Híbrido com cortadores de PDC: 1 PDC maior que 1 ou 24mm; 2 PDC entre 0,51 a 1 ou 14 a 24 mm; 3 PDC entre 0,33 a 0,50 ou 8 a 14mm; 4 PDC menor que 0,33 ou 8mm. Para brocas de diamantes naturais e TSP: 1 Diamantes Naturais; 2 Cortadores TSP; 3 Híbridos TSP + diversos; 4 Broca Impregnada. N3: Identifica o perfil da broca, quanto ao comprimento. 1 Perfil raso; 2 Perfil curto; 3 Perfil médio; 37
4 Perfil longo. Em função da identificação com o código IADC existem pelo menos 5 aspectos fundamentais no desenho da broca de diamante: a forma dos cortadores, os ângulos de inclinação lateral (side rake) e de retardo (back rake), tipo de proteção do calibre e comprimento da seção de calibre. Todos eles são importantes no desenvolvimento de uma broca de diamante. O que se pretende com o código IADC é dar uma idéia do tipo de broca e garantir que se identifiquem facilmente suas principais características. Cabe notar que diferentemente do código IADC para brocas tricônicas o Código IADC para Brocas de diamante não os relacionam com o tipo de formação a perfurar. Unicamente se pode identificar suas características mais elementares. 2.3 - Brocas especiais Brocas desviadoras; Brocas Coroas; Brocas especiais. As brocas de jatos desviadoras, às vezes, são empregadas para a perfuração direcional de formações moles, durante operações de desvio do poço. A tubeira de perfuração é inclinada dentro do poço e o jato maior é apontado de modo que quando se aplica pressão das bombas o jato perfura a lateral do poço em uma direção especifica. As coroas são utilizadas nas operações de testemunhagem. As brocas possuem um furo no centro que permite que parte da formação não seja cortada pela broca. Esta parte, chamada de testemunho, é posteriormente levada a superfície para análise mais detalhada das formações. 38
Uma broca considerada para trabalhar em condições especiais é a broca para perfurar com ar. As brocas de jatos de ar são projetadas para perfurar com ar, gás ou vapor, como meio de circulação. Estas brocas estão providas de condutos para circular parte do ar, gás ou vapor através dos rolamentos convencionais não selados afim de esfriá-los e mantê-los limpos. Os filtros de tela metálica colocados sobre a abertura da entrada de ar evitam que os restos e outros materiais estranhos obstruam os rolamentos. Além dessas, existem outro tipos de brocas especiais que, como sua classificação indica, são usadas para operações muito específicas e portanto não se considera sua análise econômica comparativa para sua aplicação direta. Entre estas brocas podemos mencionar: As brocas ampliadoras, as brocas para cortar tubos de revestimento, brocas para perfurar diâmetros demasiado grandes ou pequenos, com aplicação de tubos flexíveis, etc. 3 Seleção de Brocas Uma seqüência lógica para a seleção de uma broca contempla os seguintes passos: a) Obter informações dos poços de prospecção: identificar o objetivo do poço, diâmetro do poço, dados do intervalo a perfurar, tipo de formação, geologia, litologia, condições e requerimentos especiais do poço, determinação de restrições e indicadores da perfuração. b) Selecionar a estrutura de corte, corpo e perfil da broca: identificar o tipo, tamanho, densidade, distribuição e inclinação dos cortadores. Também o tipo de perfil e corpo da broca o qual ajudara a ótima estabilização e agressividade durante a perfuração. c) Elaborar análise econômica: identificar o gasto ou economia esperada com o uso deste tipo de broca com base no custo por metro perfurado e rentabilidade econômica entre outros. 39
d) Selecionar o desenho hidráulico: identificar a hidráulica ótima para perfurar, assim como o tipo fluido de controle usado, com base na limpeza do cascalho e no esfriamento da broca. 3.1 - Critérios para seleção de brocas 3.1.1 - Objetivos de perfuração Para o processo de seleção é fundamental conhecer os objetivos da perfuração, que incluem todo o tipo de requisitos especiais de operação para perfurar o poço. Esta informação ajudará a determinar as melhores características da broca que requer a aplicação e concentrar seus esforços em satisfazer as necessidades da companhia perfuradora e seus requisitos de perfuração. 3.1.2 Rendimento Um dos principais objetivos do operador é perfurar o poço no menor tempo possível. Isto significa orientar a seleção das brocas em busca do tipo que maior duração tenha. Busca-se, principalmente, a máxima quantidade de metros em um tempo de rotação aceitável, eliminando assim o custoso tempo de manobra. 3.1.3 Economia O meio ambiente econômico é um fator fundamental para a aceitação de brocas de diamantes, sempre e quando as análises de custo assim determinam. Caso contrario se devem selecionar brocas tricônicas. 40
3.1.4 Direcional O tipo direcional é um critério importante para selecionar as características de uma broca, seja ela tricônicas ou de diamante. Uma vantagem especifica das brocas de diamante é o seu grande alcance e suas possibilidades para perfurar no sentido horizontal. Estes tipos de poços, geralmente, tem seções homogêneas muito prolongadas que são ótimas para as aplicações com brocas de diamante. A densidade dos cortadores, a quantidade de canaletas, o controle de vibração e o calibre da broca são todos parâmetros de seleção fundamentais quando se estudam aplicações direcionais. 3.1.5 Análise de históricos A análise dos poços de correlação (offset wells), ou poços vizinhos, oferece a oportunidade de compreender as condições no fundo do poço, as limitações de sua perfuração e, em alguns casos, a adequada seleção das brocas. A análise de históricos começa com uma coleção de registros de brocas e informação relacionada com o poço. Deve-se ter a precaução de que os registros das brocas sejam representativos do que será perfurado no poço objetivo. As informações também devem ser atualizadas e refletir os tipos de brocas recentes. 3.1.6 Taxa de penetração O taxa de penetração é uma indicação da dureza da rocha; entretanto uma seleção de broca inadequada pode ocultar as características de dureza da rocha. Isto é particularmente válido quando se elege uma broca demasiadamente dura para uma aplicação. A broca para formações mais duras, devido a densidade de seus cortadores e da projeção de seus dentes, tem um limite superior de coeficiente de penetração. Geralmente, a medida em que se perfura mais fundo, se esperam utilizar brocas cada vez mais duras. A 41
análise das resistências das rochas tem revelado que este paradigma nem sempre é valido e, em muitos casos, as brocas para formações mais moles podem ser utilizadas com êxito em partes mais profundas do poço. 3.1.7 Fluidos de perfuração O tipo e a qualidade do fluido de perfuração que se utiliza em um poço tem um efeito muito importante no rendimento da broca. Os fluidos de perfuração com base óleo melhoram o rendimento das estruturas de corte de PDC. O rendimento da broca de diamante natural e TSP variam segundo a litologia. O fluido de perfuração a base água apresenta maiores problemas de limpeza em função da reatividade das formações na fase aquosa do fluido de perfuração. Os registros podem determinar a variação e nível de efetividade dos fluidos de perfuração. 3.1.8 Energia hidráulica A energia hidráulica proporciona a limpeza e o esfriamento da broca. É referenciada em termos de cavalo de força hidráulica por polegada quadrada de superfície em todas as seções do poço. Existem oportunidades para uma melhor utilização de energia hidráulica por meio de adequada seleção de brocas e parâmetros de operação. As brocas de diamante devem funcionar de acordo com escalas hidráulicas específicas para assegurar sua eficiente limpeza e esfriamento. Os regimes de surgência insuficientes e o índice de potência hidráulica (HSI) afetam o esfriamento da broca e podem causar danos térmicos a estrutura dos cortadores. A falta de limpeza fará com que a broca encere o que provocará um rendimento deficiente. 3.1.9 Restrições Alguns parâmetros de operação geram restrições ao uso de um tipo ou outro de Brocas. 42
3.1.10 Custos Indica a sensibilidade do operador com relação ao custo. Na maioria das vezes, isto se traduz em brocas de menor preço. Os engenheiros de projeto e operação devem levar em conta o número de variáveis que afetam o custo de um poço e que dependem do tempo. As brocas devem possuir qualidades que satisfaçam as necessidades da aplicação da companhia perfuradora sem aumentar indevidamente seu custo. Uma broca de diamante com possibilidade de reutilização pode propiciar custos mais baixos de perfuração. 3.1.11 Limitações de peso sobre a broca Quando se encontram situações de PSB (peso sobre a broca) limitado, uma estrutura de corte eficiente como uma PDC tem possibilidade de oferecer maior ritmo de penetração (ROP) que uma broca de rolos. 3.1.12 Velocidade de rotação (RPM) A velocidade que a companhia perfuradora espera utilizar na broca indica os parâmetros de vibração e resistência que são necessários para manter um desgaste controlado da broca e prolongar sua duração. As brocas de diamante podem ser utilizadas melhor que as de rolos em altas velocidades de rotação. 3.1.13 Formações nodulares Geralmente neste tipo de formação não se pode utilizar a maioria das brocas de diamante devido ao dano por impacto da estrutura cortadora. Porém, existem estruturas cortadoras que podem perfurar com eficiência estas aplicações. 43
3.1.14 Ampliação Para mais de duas horas de operações de ampliação deve-se considerar seriamente o uso de uma broca de rolos, evitando-se danos no calibre de uma broca de diamante. Também se deve considerar a vibração lateral. 3.1.15 Poços profundos Estes poços podem resultar em uma quantidade muito elevada do tempo de manobra em relação ao tempo de perfuração. Como resultado, a eficiência de perfuração é extremamente reduzida. Deve-se considerar uma broca de diamante para oferecer maior duração da broca, com isso menor quantidade de manobras e melhor eficiência da perfuração. 3.1.16 Poços de diâmetro reduzido Se o poço tem menos de 6.1/2 polegadas, é necessária a redução física do tamanho dos rolamentos em todas as brocas de rolos. Estas limitações requerem uma limitação do PSB. Deve-se considerar uma broca de diamante para aumentar o coeficiente de penetração e para permanecer no poço durante períodos prolongados. 3.1.17 Aplicações com motor de fundo Alguns motores dentro do poço funcionam a altas velocidades (>250 RPM). O RPM excessivo aumenta a carga térmica nos rolamentos e aceleram as falhas da broca. Deve-se considerar o uso de brocas de diamante que não possuem partes móveis para otimizar o RPM e os objetivos de perfuração. 44
3.1.18 Atributos do meio ambiente Para obter uma solução para o poço que será perfurado é necessário analisá-lo por seções de diâmetro do poço. Logo se pode subdividir cada seção do poço em intervalos com atributos em comum no respeito ao meio ambiente. O rendimento econômico é uma função do custo de operação, do custo das brocas, do coeficiente de penetração e do intervalo perfurado. Os atributos do meio ambiente podem dividir-se segundo algumas categorias de parâmetros quanto ao tipo de rocha, meio ambientes e operação. Uma análise detalhada de cada uma destas categorias indicará os parâmetros individuais de seleção das brocas tricônicas ou de diamante. Em formações onde podem perfurar as brocas de diamante com ritmo de perfuração muito maiores que as brocas tricônicas é indiscutível a sua utilização. Devido a isto nos últimos anos quando se seleciona uma broca, antes de tudo se fazem estudos para selecionar as de diamante. 3.1.19 Tipo de rocha Com dados precisos sobre as formações que serão perfuradas no intervalo objetivo, poderão ser selecionadas com mais facilidade a estrutura de corte ótima e a densidade que requer a aplicação, quer seja broca tricônica ou de diamante. 3.1.20 Litologia Geralmente, a informação litológica é a primeira que se necessita para determinar a melhor seleção. A definição dos tipos de rochas ajudará a determinar o tipo de corte necessário para vencer a sua resistência, a densidade requerida para os cortadores, a configuração hidráulica estimar a duração da broca e seu coeficiente de penetração. 45
3.1.21 Transição Indica trocas de dureza da formação do intervalo objetivo que provocara esforços diferenciados no perfil da broca através da transição. As vibrações axiais, de torção e laterais também são esperadas. A qualidade e a densidade específica dos cortadores constituirão o critério de seleção. 3.1.22 Homogeneidade Indica a consistência da formação. Existe mais flexibilidade de seleção com respeito a características agressivas da broca, como menor densidade dos cortadores. Para as brocas tricônicas somente basta escolhê-las de acordo com a dureza da rocha. 3.1.23 Fraturados ou Nodulares A este indicador se deve prestar muita atenção. E uma situação de alto impacto para o qual, geralmente, não se recomenda o uso de brocas de diamante. 3.1.24 - Tendências de desvio Normalmente isto se relaciona com perfuração de transição. O tipo de calibre é o critério de seleção fundamental para estas aplicações. 3.1.25 Vibração A vibração no processo de perfuração tem se demonstrado fundamental no rendimento e na duração das brocas de perfuração. Na realidade, o controle das vibrações forma, na atualidade, parte integral da tecnologia e projeto das 46
brocas. Existem parâmetros de seleção das brocas que se referem especialmente ao controle de vibração. A seleção do calibre da broca também desempenha função importante para determinar o nível de controle de vibração, seja ela tricônica ou de diamante. 3.2 - Seleção por perfis geofísicos Os registros geofísicos dos poços são uma importante fonte de informação sobre as características das formações que se perfuram. Existe uma grande variedade de registros, cada um projetado para medir diferentes propriedades das rochas. Alguns destes registros são utilizados principalmente quando se avalia a aplicação de uma broca de diamante. Os registros necessários são: 3.2.1 - Registro Neutrônico NPHI Mede a capacidade das formações para atenuar os fluxos de nêutrons. Os nêutrons não fluem facilmente através de formações que tenham alto conteúdo de hidrogênio, assim permite medir o hidrogênio da formação. Esta medida pode ser usada para computar a porosidade da formação, litologia e detecção de hidrocarbonetos leves ou a gás. 3.2.2 - Registro de Raios Gama GR Detecta o grau de radiação gama natural que emitem as formações. Utilizado para a identificação da litologia, a identificação de minerais radioativos e para o cálculo e volume de argilas ou argilosidades. 3.2.3 - Registro sônico DT Depende da propagação das ondas acústicas através da formação. Mede a diferença nos tempos de trânsito de uma onda mecânica através das rochas. 47