Apostila de Brocas, Notas de estudo de Engenharia de Petróleo

Baixe Apostila de Brocas e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Petróleo, somente na Docsity!

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

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.

Sumário

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)

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

E.L. Drake e a sonda usada paraperfurar o poço em Titusville. Detalhe de brocas de percussão

1863

Broca de arrastre tipoRabo de Peixe

1909

Broca de dois cones patentada porHoward Hugues en 1909

1910

Em 1910 Hughes patenteou aprimeira broca tricónica

1930

Primeira broca mono-cónica

1925

ou “engrenados” para autolimpeza^ Broca com dentes entrelaçados

1933

Broca de tres cones comdentes tipo engranagem

1951

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

1940

natural em poços de petróleo^ Uso de brocas de diamante

• 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.

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.

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

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).

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 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