BR102018008190A2 - sistema e método de monitoramento de desgaste de uma broca de perfuração - Google Patents
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Abstract
?sistema e método de monitoramento de desgaste de uma broca de perfuração? a presente invenção está relacionada a sistemas de identificação de desgaste de brocas de perfuração de petróleo. nesse cenário, a presente invenção provê um sistema de monitoramento de desgaste de uma broca de perfuração, compreendendo (i) uma broca (10) dotada de uma superfície de corte (12, 12o, 12n), que possui (i-a) uma pluralidade de cortadores (12c), e (i-b) uma matriz interna (14), alimentada com fluido de perfuração sob pressão, em que o fluido de perfuração é dispensado a partir da matriz interna (14) para o ambiente externo por meio de pelo menos uma saída de fluido de perfuração (16), o sistema compreendendo ainda um (ii) meio de monitoramento da pressão do fluido de perfuração e (iii) pelo menos um canal (18) de comunicação fluida entre a matriz interna (14) e uma região interna da broca posicionada a uma distância predeterminada (d) da superfície de corte (12, 12o, 12n), o pelo menos um canal (18) sendo adaptado para liberar fluido de perfuração mediante sua exposição ao ambiente externo devido a um desgaste da superfície de corte maior ou igual à distância predeterminada (d). a invenção ainda provê um método associado sistema acima descrito.
Description
“SISTEMA E MÉTODO DE MONITORAMENTO DE DESGASTE DE UMA
BROCA DE PERFURAÇÃO”
CAMPO DA INVENÇÃO [0001] A presente invenção está relacionada a brocas de perfuração de poços de petróleo. Mais particularmente, a presente invenção está relacionada a sistemas de identificação de desgaste de brocas de perfuração de petróleo.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [0002] Um poço de petróleo é perfurado em várias etapas e com diâmetros diferentes, sendo cada uma destas etapas denominada fase. A configuração principal de padrão de poço de petróleo perfurado no Brasil, segundo o artigo OTC22511, é a que segue:
Fase 1: perfurada com broca de 36” e revestida com tubulação de aço de 30”;
Fase 2: perfurada com broca de 26” e revestida com tubulação de aço de 20”;
| Fase 3: perfurada | com | broca | de | 17 | 1/2” e | revestida | com |
| tubulação de aço de 13 3/8”; | |||||||
| Fase 4: perfurada | com | broca | de | 12 | 1/4” e | revestida | com |
| tubulação de aço de 9 5/8”; | |||||||
| Fase 5: perfurada | com | broca | de | 8 | 1/2” e | revestida | com |
tubulação de aço de 7”.
[0003] Cada uma das fases listadas é perfurada com uma ou mais brocas de perfuração conectadas à coluna de perfuração (do inglês, Bottom Hole Assembly - BHA), que corresponde a um conjunto de ferramentas e equipamentos que realizam medições das propriedades físicas das rochas perfuradas bem como o mapeamento da trajetória do poço.
[0004] A sonda de perfuração transmite pela coluna de perfuração peso (PSB - Peso sobre Broca), rotação (RPM - revoluções por minuto) e torque para promover a perfuração dos poços.
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2/8 [0005] As brocas de perfuração se dividem em dois grandes grupos:
as brocas de roletes (ou brocas de cones, sendo as tricônicas as mais comuns) e as brocas com cortadores fixos (artigos SPE23937 e SPE23940). A principal diferença entre estes dois grandes grupos consiste no fato de as brocas de roletes cortarem a rocha através do mecanismo de esmagamento, e as brocas de cortadores fixos através do mecanismo de cisalhamento.
[0006] Atualmente, tem-se aplicado três modelos de brocas para a perfuração em poços de petróleo: brocas tricônicas, impregnadas e PDC. As brocas tricônicas pertencem ao grupo das brocas de roletes e as brocas impregnadas e PDC ao grupo de brocas de cortadores fixos.
[0007] As brocas tricônicas têm como principal limitação o número de horas de utilização que, quando excedidas, aumentam o risco de queda de cone(s) da broca e perda de tempo de sonda.
[0008] As brocas impregnadas possuem aletas onde estão infiltradas pequenas partículas de diamante sintético da ordem de centésimos de milímetros (como em um esmeril). Este tipo de broca requer altas rotações, em torno de 1000 rpm. Brocas impregnadas apresentam alta durabilidade, mas a taxa média de penetração não excede, em sua maioria, 2 m/h.
[0009] As brocas de PDC são compostas por aletas ou lâminas onde estão fixados cortadores de diamante sintético de formato circular com diâmetros normalmente de 13, 16 e 19 mm.
[0010] Uma broca PDC convencional pode ser dividida em calibre (G), ombro (O), nariz (N) e cone (C), conforme ilustrado no perfil da figura 1. Nas brocas com perfil balístico e domo, há ainda um pescoço entre o ombro e o nariz.
[0011] Um tipo de desgaste muito comum em brocas PDC é a marca de anel, que consiste na perda de uma ou mais fileiras de cortadores de diamante sintético, gerando um sulco em forma de anel na matriz, conforme ilustrado na figura 2. Verificou-se, através de levantamento em banco de dados de brocas de perfuração, que a grande maioria da brocas de PDC que
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3/8 chegam a apresentar o desgaste com marca de anel o apresentam na região do ombro da broca.
[0012] Vale ressaltar que o desgaste por marca de anel é um dos mais frequentes em brocas PDC de perfuração de poços de petróleo, principalmente ao se perfurar rochas duras e/ou abrasivas como os carbonatos da camada pré-sal e os arenitos do Maastrichiano e Campaniano no Espírito Santo.
[0013] O principal problema decorrente da severidade do desgaste por marca de anel é o afunilamento do poço. Sem o conhecimento do desgaste, continua-se perfurando até que eventualmente ocorra a prisão da coluna de perfuração na parte dos estabilizadores. Isso acarreta em perda de tempo para condicionar o trecho perfurado com a broca desgastada. Adicionalmente, a marca de anel, quando acentuada, fragiliza o restante das aletas devido à redução da massa, podendo ocasionar a quebra da broca e consequentemente necessidade de “pescaria”, interrompendo os trabalhos de perfuração por um período de tempo considerável.
[0014] Na tentativa de solução dos problemas acima citados, surgiram tecnologias no mercado que mensuram o desgaste através de um sistema de circuitos elétricos posicionados no interior da broca PDC. O documento US20100139987A1, por exemplo, revela uma broca de perfuração compreendendo um sistema de detecção de desgaste formado por pelo menos um circuito elétrico instalado no corpo da broca. Com o desgaste, variações ou interrupções são detectadas nos circuitos, identificando-se com precisão o nível de desgaste da broca.
[0015] Apesar do sistema descrito no documento US20100139987A1 solucionar problema de identificação e sinalização do desgaste, tal técnica requer a instalação de um sistema elétrico no corpo da broca dedicado exclusivamente a este fim, compreendendo bateria, sistema de controle/sinalização, módulo de potência, etc. Além de aumentar consideravelmente os custos de fabricação, essa técnica está sujeita a falhas e
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4/8 manutenção, uma vez que a vibração constante da broca em operação pode danificar os componentes elétricos e os circuitos. Ademais, a inserção de circuitos no corpo da broca é uma tarefa bastante custosa e trabalhosa.
[0016] Assim, há no estado da técnica a necessidade de uma broca de perfuração de poços de petróleo compreendendo um meio de identificação do desgaste da mesma com baixo custo, aproveitando os sistemas e componentes já existentes na broca ou coluna de perfuração.
[0017] Como será mais bem detalhado a seguir, a presente invenção visa a solução do problema do estado da técnica acima descrito de forma prática e eficiente.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0018] A presente invenção tem por objetivo principal prover um sistema e um método de monitoramento de desgaste de uma broca de perfuração capazes de detectar de forma simples e eficiente o desgaste da broca sem a necessidade de um sistema elétrico adicional dedicado.
[0019] A presente invenção tem por objetivo adicional prover um sistema e um método de monitoramento de desgaste de uma broca de perfuração que utilizem apenas sistemas já pré-existentes no sistema de furação composto pela broca, coluna, sonda e demais equipamentos.
[0020] De forma a alcançar os objetivos acima descritos, a presente invenção provê um sistema de monitoramento de desgaste de uma broca de perfuração, compreendendo (i) uma broca dotada de uma superfície de corte, que possui (i-a) uma pluralidade de cortadores, e (i-b) uma matriz interna, alimentada com fluido de perfuração sob pressão, em que o fluido de perfuração é dispensado a partir da matriz interna para o ambiente externo por meio de pelo menos uma saída de fluido de perfuração, o sistema compreendendo ainda um (ii) meio de monitoramento da pressão do fluido de perfuração e (iii) pelo menos um canal de comunicação fluida entre a matriz interna e uma região interna da broca posicionada a uma distância predeterminada da superfície de corte, o pelo menos um canal sendo adaptado
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5/8 para liberar fluido de perfuração mediante sua exposição ao ambiente externo devido a um desgaste da superfície de corte maior ou igual à distância predeterminada.
[0021] A presente invenção também provê um método de monitoramento de desgaste de uma broca de perfuração, aplicado ao sistema de monitoramento acima descrito, compreendendo as etapas de (i) monitorar a pressão do fluido de perfuração através de um meio de monitoramento da pressão do fluido de perfuração e (ii) detectar uma queda na pressão do fluido durante um intervalo de tempo predeterminado, indicativa de exposição do pelo menos um canal ao ambiente externo.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [0022] A descrição detalhada apresentada adiante faz referência às figuras anexas e seus respectivos números de referência.
[0023] A figura 1 ilustra uma vista esquemática em perfil de uma broca do tipo PDC, como encontrado no estado da técnica.
[0024] A figura 2 ilustra uma vista superior esquemática de uma broca
PDC compreendendo um desgaste de marca de anel, como encontrado no estado da técnica.
[0025] A figura 3 ilustra uma vista esquemática em corte de uma broca compreendendo o sistema de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0026] Preliminarmente, ressalta-se que a descrição que se segue partirá de uma concretização preferencial da invenção. Como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, no entanto, a invenção não está limitada a essa concretização particular.
[0027] A figura 3 ilustra uma vista esquemática em corte de uma broca 10 que faz parte do sistema de monitoramento de desgaste de broca de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção. Nessa concretização preferencial o sistema da presente invenção compreende a
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6/8 referida broca 10 dotada de uma superfície de corte 12, subdividida em uma porção de corte do ombro 12o e uma porção de corte do nariz 12n, a superfície de corte 12 possuindo uma pluralidade de cortadores 12c. Preferencialmente, a broca 10 é uma broca PDC.
[0028] A broca 10 vai compreender ainda uma matriz interna 14, alimentada com fluido de perfuração sob pressão, em que o fluido de perfuração é dispensado a partir da matriz interna 14 para o ambiente externo por meio de pelo menos uma saída de fluido de perfuração 16. Preferencialmente, a matriz interna 14 está em comunicação fluida com a matriz da coluna de perfuração (não mostrada), que por sua vez se comunica de maneira fluida com um reservatório ou fonte de fluido de perfuração (não mostrado), localizado acima da coluna de perfuração, preferencialmente na sonda. Assim, fluido de perfuração é injetado a partir do reservatório ou fonte de fluido de perfuração em direção à broca 10, passando pela coluna de perfuração.
[0029] O sistema da presente invenção ainda compreende um meio de monitoramento da pressão do fluido de perfuração, preferencialmente posicionado remotamente com relação à broca 10. Maia preferencialmente, o meio de monitoramento da pressão do fluido é um sistema de monitoramento de pressão já comumente existente em sondas de perfuração. Assim, o meio de meio de monitoramento da pressão do fluido de perfuração da presente invenção pode ser qualquer sistema de monitoramento ou controle de pressão do estado da técnica.
[0030] O sistema da presente invenção vai compreender ainda pelo menos um canal 18 de comunicação fluida entre a matriz interna 14 e uma região interna da broca posicionada a uma distância predeterminada d da superfície de corte 12. Cada um desse canais 18 é adaptado para liberar fluido de perfuração mediante sua exposição ao ambiente externo em caso de desgaste da superfície de corte maior ou igual à distância predeterminada d. Isso significa que quando houver um desgaste suficientemente grande a ponto
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7/8 de expor pelo menos um canal 18 ao ambiente externo, fluido de perfuração será liberado da matriz interna 14 para o ambiente externo por meio desse canal 18.
[0031] Uma vez que pelo menos um canal 18 tenha sido exposto ao ambiente externo, inicia-se vazamento de fluido de perfuração e, consequentemente, uma queda de pressão significativa do fluido será observada. Essa variação de pressão é detectada pelo meio de monitoramento da pressão do fluido de perfuração através, por exemplo, de um sensor para detecção automática de variação de pressão. Uma vez detectada tal queda significativa na pressão do fluido durante um intervalo de tempo predeterminado, opcionalmente um alerta sonoro e/ou visual é emitido aos operadores indicando a possibilidade de degaste excessivo da broca. Nesse cenário os trabalhos são preferencialmente parados para inspeção visual da broca e, se confirmado o desgaste excessivo, a mesma é substituída.
[0032] Preferencialmente, o pelo menos um canal 18 compreende pelo menos uma ramificação, tal como ilustrado do lado direito da figura 3. Isso pode permitir que se abranja uma área maior da superfície de corte 12 com um mesmo canal 18.
[0033] Opcionalmente, um único canal circunda, com relação eixo de rotação da broca 10, toda a extensão da superfície de corte 12. Nessa concretização, forma-se um canal 18 em forma de anel logo abaixo da superfície de corte 12.
[0034] Preferencialmente, o canal 18 estão posicionados próximos à superfície de corte somente na região do ombro e nariz da broca 10, regiões estas que estão mais sujeitas ao desgaste por marca de anel.
[0035] Vale ressaltar que apesar de ter sido ilustrado apenas dois exemplos de formatos de canais 18 na figura 3, a invenção não está limitada ao formato do mesmo. Assim, quaisquer formatos de canais incidem no escopo de proteção da presente invenção.
[0036] Adicionalmente, a presente invenção provê um método de
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8/8 monitoramento de desgaste de uma broca de perfuração, aplicado ao sistema de monitoramento acima descrito, o método compreendendo as etapas de:
(i) monitorar a pressão do fluido de perfuração através de um meio de monitoramento da pressão do fluido de perfuração; e (ii) detectar uma queda na pressão do fluido durante um intervalo de tempo predeterminado, indicativa de exposição do pelo menos um canal 18 ao ambiente externo.
[0037] Opcionalmente, o método da presente invenção compreende a etapa adicional de emitir um alerta sonoro e/ou visual quando da detecção da queda de pressão do fluido de perfuração.
[0038] Assim, a presente invenção provê um sistema e um método de monitoramento de desgaste de uma broca de perfuração capazes de detectar de forma simples e eficiente o desgaste da broca sem a necessidade de um sistema elétrico adicional. Ademais, utiliza-se na presente invenção apenas sistemas já pré-existentes no sistema de furação composto pela broca, coluna, sonda e demais equipamentos, fazendo com que o custo de implementação seja baixo.
[0039] Inúmeras variações incidindo no escopo de proteção do presente pedido são permitidas. Dessa forma, reforça-se o fato de que a presente invenção não está limitada às configurações/concretizações particulares acima descritas.
Claims (8)
1. Sistema de monitoramento de desgaste de uma broca de perfuração, compreendendo:
uma broca (10) dotada de:
uma superfície de corte (12, 12o, 12n), que possui uma pluralidade de cortadores (12c); e uma matriz interna (14), alimentada com fluido de perfuração sob pressão, em que o fluido de perfuração é dispensado a partir da matriz interna (14) para o ambiente externo por meio de pelo menos uma saída de fluido de perfuração (16); e um meio de monitoramento da pressão do fluido de perfuração, caracterizado por a broca (10) compreender adicionalmente:
pelo menos um canal (18) de comunicação fluida entre a matriz interna (14) e uma região interna da broca posicionada a uma distância predeterminada (d) da superfície de corte (12, 12o, 12n), o pelo menos um canal (18) sendo adaptado para liberar fluido de perfuração mediante sua exposição ao ambiente externo devido a um desgaste da superfície de corte maior ou igual à distância predeterminada (d).
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a matriz interna (14) estar em comunicação fluida com a matriz da coluna de perfuração.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o pelo menos um canal (18) compreender pelo menos uma porção paralela à superfície de corte (12, 12o, 12n).
4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o pelo menos um canal (18) compreender pelo menos uma ramificação.
5. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o meio de monitoramento da pressão do fluido de perfuração estar posicionado remotamente com relação à broca (10).
6. Dispositivo, de acordo a reivindicação 5, caracterizado por o meio de
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2/2 monitoramento da pressão do fluido de perfuração compreender um sensor para detecção automática de variação de pressão.
7. Método de monitoramento de desgaste de uma broca de perfuração, aplicado ao sistema de monitoramento de desgaste de uma broca de perfuração como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por compreender as etapas de:
monitorar a pressão do fluido de perfuração através de um meio de monitoramento da pressão do fluido de perfuração; e detectar uma queda na pressão do fluido durante um intervalo de tempo predeterminado, indicativa de exposição do pelo menos um canal (18) ao ambiente externo.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por compreender a etapa adicional de emitir um alerta sonoro e/ou visual quando da detecção da queda de pressão do fluido de perfuração.
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