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João Carlos Ribeiro Plácido Rodrigo Pinho

João Carlos Ribeiro Plácido Rodrigo Pinho

Rio de Janeiro, Brasil

Ano 2009

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.

RESUMO4
Sumário5
1 – Introdução7
2 – Tipos de brocas1 1
2.1 - Brocas com partes móveis12
2.1.1 – Brocas de cones12
2.1.2 - Princípio de projeto das brocas de cones15
2.1.2.1 – A estrutura de corte17
2.1.2.2 - Sistemas de rotação19
2.1.2.3 - Corpo da Broca2
2.1.3 – Código IADC para brocas tricônicas23
2.2 - Brocas sem partes móveis25
2.2.1 – Tipos de Brocas de Cortadores Fixos29
2.2.1.1 - Fish Tail29
2.2.1.2 - Brocas de Diamante natural29
2.2.1.3 - TSP – Brocas de diamante termicamente estável31
2.2.1.4 - Brocas PDC32
2.2.1.5 - Brocas Impregnadas34
2.2.2 - Código IADC para broca de cortadores fixos36
2.3 - Brocas especiais38
3 – Seleção de Brocas39
3.1 - Critérios para seleção de brocas40
3.1.1 - Objetivos de perfuração40
3.1.2 – Rendimento40
3.1.3 – Economia40
3.1.4 – Direcional41
3.1.5 – Análise de históricos41
3.1.6 – Taxa de penetração41
3.1.7 – Fluidos de perfuração42
3.1.8 – Energia hidráulica42
3.1.9 – Restrições42
3.1.10 – Custos43
3.1.1 – Limitações de peso sobre a broca43
3.1.12 – Velocidade de rotação (RPM)43
3.1.13 – Formações nodulares43
3.1.14 – Ampliação4
3.1.15 – Poços profundos4
3.1.16 – Poços de diâmetro reduzido4
3.1.17 – Aplicações com motor de fundo4
3.1.18 – Atributos do meio ambiente45
3.1.19 – Tipo de rocha45
3.1.20 – Litologia45
3.1.21 – Transição46
3.1.2 – Homogeneidade46
3.1.23 – Fraturados ou Nodulares46
3.1.24 - Tendências de desvio46
3.1.25 – Vibração46
3.2 - Seleção por perfis geofísicos47
3.2.1 - Registro Neutrônico – NPHI47
3.2.2 - Registro de Raios Gama – GR47
3.2.3 - Registro sônico – DT47
3.2.4 - Registro de Densidade – RHOB48
3.2.5 - Potencial espontâneo – SP48
3.2.6 - Indução – ILD48
3.3 - Seleção em função da formação50
4 – Desgaste das Brocas52
4.1 - Fatores que afetam o desgaste das brocas52
4.1.1 - Fatores geológicos52
4.1.1.1 – Abrasividade52
4.1.1.2 - Resistência especifica da rocha52
4.1.2- Fatores de operação53
4.1.2.1 - PSB - Peso sobre a broca53
4.1.2.2 - Velocidade de Rotação53
4.1.2.3 - Limpeza do fundo do poço54
4.1.2.4 - Geometria do poço54
4.1.3 - Manejo e Transporte54
4.2 - Avaliação do desgaste de brocas5
5 - Avaliação econômica59
6 – Considerações finais62

6 7 – Referências Bibliográficas............................................................................................................... 63

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.

perfeitamente vertical) e se tornaram direcionais com complicadas geometrias

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 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)

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.

buscando a otimização de desempenho em cada tipo de rocha perfurada

Da primitiva broca de arraste, tipo rabo de peixe, passando pela revolução que gerou as brocas de cones rotativos no principio do século X 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 Evolução das Brocas de Perfuração

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

Primeira broca mono-cónica 1925 Broca com dentes entrelaçados

ou “engrenados” para autolimpeza

Broca de tres cones com dentes tipo engranagem

Se introduzem os insertos de carboneto de tungsteno como elementos de corte

Uso de brocas de diamante natural em poços de petróleo

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;

A espessura da capa de diamante pode ser incrementada para dar mais durabilidade ao cortador PDC. Primeiro plano: cortador TECMAX

1994 – Presente…

Selos gêmeos (Gemini) foram lançados visando incrementar a vida dos rolamentos das brocas de cones

Broca PDC moderna para aplicacões com Sistema Rotatorio Direcional. Inclui cortadores ativos no calibre

Insertos para brocas de cones com capa de diamante para melhorar a resistencia a abrasividade

abrasivas. Por último, se apresentamn as versões modernas das brocas bi-cônicas e mono-cônicas

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 A EVOLUCÃO CONTINUA…

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

A interfase não-plana da superficie entre os materials ajuda a aliviar as tensões internas nos cortadores

Primeiras brocas PDC. Hastes insertadas no corpo de aço das brocas com arranjo simples em espiral

• Os registros geofísicos dos poços vizinhos e do mesmo poço; • Os dados sísmicos;

• As classificações das brocas;

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.

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 X 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:

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.

policristalino (PDC), como veremos mais adiante

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

até hoje com versões modernas das brocas bi-cônicas e mono-cônicas

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

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 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).

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