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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

da broca

de um melhor entendimento da interação broca–formação, buscando-se assim a otimização da durabilidade, taxa de penetração e comportamento vibracional

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).

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.

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.

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.

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.

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;

• 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

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

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;

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.

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;

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 1 – 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.

Tabela 1 – Exemplos de características especiais referentes ao código IADC

2.2 - Brocas sem partes móveis

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