análise crítica de vibrações em colunas de perfuração
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ANLISE CRTICA DE VIBRAES EM COLUNAS DE PERFURAO
JOO GABRIEL CARVALHO DE SIQUEIRA
Projeto de Graduao apresentado ao Curso de Engenharia de Petrleo da Escola Politcnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessrios obteno do ttulo de Engenheiro. Orientador: Prof. Paulo Couto, Dr. Eng.
Rio de Janeiro Maio de 2011
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ANLISE CRTICA DE VIBRAES EM COLUNAS DE PERFURAO
Joo Gabriel Carvalho de Siqueira
PROJETO DE GRADUAO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA DE PETRLEO DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS
PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO DE PETRLEO.
Examinada por:
_________________________________________ Prof. Paulo Couto, Dr. Eng.
Engenharia de Petrleo POLI/COPPE - UFRJ
_________________________________________ Prof. Alexandre Leiras Gomes, D.Sc.
Engenharia de Petrleo POLI/COPPE UFRJ
_________________________________________ Prof. Ilson Paranhos Pasqualino, D.Sc.
Engenharia de Petrleo POLI/COPPE UFRJ
RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL Maio de 2011
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Siqueira, Joo Gabriel Carvalho Anlise Crtica de Vibraes em Colunas de Perfurao/
Joo Gabriel Carvalho de Siqueira. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politcnica, 2011.
xi, 49 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Paulo Couto Projeto de Graduao UFRJ/ Escola Politcnica/ Curso
de Engenharia de Petrleo, 2011. Referncias Bibliogrficas: p..48-49 1. Perfurao de Poos de Petrleo. 2. Vibraes em
Colunas de Perfurao. 3. Energia Mecnica Especfica. I. Couto, Paulo et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politcnica, Curso de Engenharia de Petrleo. III. Titulo.
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Dedicatria
Dedico este trabalho ao meu pai, Edivaldo (in memoriam), pelo exemplo de coragem,
dignidade, persistncia e simplicidade.
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Agradecimentos
A Deus, por tornar tudo possvel.
A minha famlia, pelo incentivo e apoio nos momentos de dificuldade.
A todos meus verdadeiros amigos, pelos momentos inesquecveis e pela inesgotvel
compreenso.
A todos os professores do Curso de Engenharia de Petrleo da Universidade Federal
do Rio de Janeiro, em especial a Paulo Couto e Alexandre Leiras, pelo esforo e
dedicao empregados ao repartirem seus conhecimentos e experincias
profissionais.
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Resumo do Projeto de Graduao apresentado Escola Politcnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessrios para a obteno do grau de Engenheiro de Petrleo.
Anlise Crtica de Vibraes em Colunas de Perfura o
Joo Gabriel Carvalho de Siqueira
Maio/2011
Orientador: Prof. Paulo Couto, Dr. Eng. Curso: Engenharia de Petrleo Este trabalho apresenta a metodologia de anlise dos conceitos de Energia Mecnica Especfica e zona tima. Mostra-se como os modelos podem ser aplicados para otimizar o desempenho de poos de petrleo sujeitos a vibraes na coluna de perfurao e outras ineficincias. Por ltimo, so feitas anlises crticas dos conceitos discutidos com base em dados de campo apresentados, visando confirmar a aplicabilidade desses conceitos.
Palavras-chave: perfurao de poos de petrleo, vibraes em colunas de perfurao, energia mecnica especfica.
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Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Petroleum Engineer.
Critical Analysis of Drill String Vibrations
Joo Gabriel Carvalho de Siqueira
May/2011
Advisor: Prof. Paulo Couto, Dr. Eng. Course: Petroleum Engineering This paper presents a methodology for analysis of the concepts of Mechanical Specific Energy and "optimum zone". It shows how models can be applied to optimize the performance of oil wells exposed to drill string vibration and other inefficiencies. Finally, critical analyses of the concepts discussed are made based on field data presented, looking forward to confirm the applicability of these concepts.
Keywords: oil well drilling, drill string vibrations, mechanical specific energy.
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Sumrio LISTA DE FIGURAS .................................. ................................................................................ VIII
NOMENCLATURA ...................................... .................................................................................. X
1 INTRODUO ...................................................................................................................... 1
1.1 MOTIVAO ..................................................................................................................... 1
1.2 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 2
1.3 ESTRUTURAO DO TRABALHO ........................................................................................ 2
2 MECNICA DAS COLUNAS DE PERFURAO ................ ............................................... 4
2.1 ESTTICA ........................................................................................................................ 4
2.1.1 Cargas ................................................................................................................... 4
2.2 DINMICA ........................................................................................................................ 6
2.2.1 Modos de Vibrao ................................................................................................ 6
2.2.1.1 Vibrao Lateral ou Flexional ............................................................................ 6
2.2.1.2 Vibrao Torcional ou Rotacional ................................................................... 11
2.2.1.3 Vibrao Axial ou Longitudinal ........................................................................ 11
2.2.2 Associao entre Vibraes Torcionais e Vibraes Laterais ............................ 12
2.2.2.1 Zona tima ...................................................................................................... 13
2.2.2.2 Modelo de Dinmica Avanada de Coluna de Perfurao .............................. 15
3 ENERGIA MECNICA ESPECFICA ....................... .......................................................... 18
3.1 INTRODUO ................................................................................................................. 18
3.2 REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................................ 18
3.2.1 Energia Especfica de Perfurao ....................................................................... 22
3.2.2 Teste de Drilloff ................................................................................................... 22
4 ESTUDO DE CASO ............................................................................................................ 29
4.1 MODELO DE DINMICA AVANADA DE COLUNA DE PERFURAO ..................................... 29
4.1.1 Dissociao entre Vibraes Torcionais e Vibraes Laterais ........................... 29
4.1.2 Aplicaes de Campo.......................................................................................... 30
4.1.3 Anlise Crtica ..................................................................................................... 36
4.2 ENERGIA MECNICA ESPECFICA .................................................................................... 38
4.2.1 Aplicaes de Campo.......................................................................................... 38
4.2.1.1 Enceramento de Broca .................................................................................... 38
4.2.1.2 Ineficincia na Limpeza de Fundo de Poo ..................................................... 40
4.2.1.3 Vibraes Laterais ........................................................................................... 42
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4.2.1.4 Vibraes Torcionais ....................................................................................... 44
4.2.1.5 Vibraes Axiais ............................................................................................... 46
4.2.1.6 Desgaste de Broca ........................................................................................... 47
4.2.2 Anlise Crtica ..................................................................................................... 48
5 CONCLUSES ................................................................................................................... 50
5.1 SUGESTO PARA TRABALHOS FUTUROS ......................................................................... 50
6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................ ........................................................... 51
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Lista de Figuras
Figura 2.1. Sonda de Perfurao(LEINE e VAN CAMPEN, 2002)................................. 4
Figura 2.2. Composio de fundo ou BHA (bottom hole assembly) (LEINE e VAN
CAMPEN, 2002) ........................................................................................................... 5
Figura 2.3. Modos de vibrao em colunas de perfurao (ROCHA, AZUAGA, et al.,
2008) ............................................................................................................................ 6
Figura 2.4. Representao esquemtica da coluna de perfurao durante a ocorrncia
de vibraes laterais. (REY-FABRET, MABILE e OUDIN, 1997) ................................. 8
Figura 2.5. Representao esquemtica do movimento do comando dentro do poo
(REY-FABRET, MABILE e OUDIN, 1997) ..................................................................... 9
Figura 2.6. Delineao esquemtica da zona tima (WU, PAEZ e AGNIHOTRI,
2010). ......................................................................................................................... 14
Figura 2.7. Estreitamento da zona tima (WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2010)............. 15
Figura 3.1. Dados de teste de drilloff mostrando o comportamento no-linear abaixo da
profundidade de corte mnima e acima do founder point (DUPRIEST e KOEDERITZ,
2005) .......................................................................................................................... 23
Figura 3.2. Uma broca encontra-se no seu intervalo de eficincia o ROP varia
linearmente com WOB. O desempenho da broca aprimorado deslocando-se o
founder point (i.e. hidrulica, fluidos no aquosos). (DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005)
................................................................................................................................... 24
Figura 3.3. Representao esquemtica da eficincia mecnica da broca. Na regio I
da curva de drilloff, o WOB inadequado para atingir uma profundidade mnima de
corte. Acima desse limiar, a eficincia mecnica da broca , geralmente, em torno de
30-40%. (DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005) ............................................................... 25
Figura 3.4. Representao esquemtica mostrando como a inclinao da curva de
drilloff determinada por (e por RPM), mas o ROP mximo e limitado pelo founder point. (DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005) .................................................................... 26
Figura 4.1. Comparao das configuraes de BHA propostas (WU, PAEZ e
AGNIHOTRI, 2010) ..................................................................................................... 33
Figura 4.2. Comparao das zonas timas das composies de fundo propostas
(WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2010) ............................................................................... 34
Figura 4.3. Vibraes laterais medidas para o BHA inicial e para o BHA proposto (WU,
PAEZ e AGNIHOTRI, 2010) ........................................................................................ 35
Figura 4.4. Vibraes torcionais medidas para o BHA inicial e para o BHA proposto
(WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2010) ............................................................................... 35
4.5. Broca encerada (CHIPINDU, 2010) ..................................................................... 38
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ix
Figura 4.6. Valor elevado de a 5100 ft devido a enceramento de broca. mostra que a eficincia da broca melhorou quando o WOB foi reduzido, resultado em aumento de ROP. Tambm houve queda na presso quando o
enceramento foi solucionado. (DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005) ...................... 40
Figura 4.7. Provvel ocorrncia de ineficincia na limpeza de fundo de poo com uma
broca de inserto. Elevados valores de e sua baixa variao (5%) indicam que a broca est girando sobre material acumulado no fundo do poo, tendo pouca
interao com a formao. (DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005) .................................. 42
Figura 4.8. Reduo no valor de mostra melhora imediata na eficincia da broca quando o WOB aumentado. Instrumentao de fundo de poo mostra reduo
no nvel de vibraes laterais. (DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005) .................... 44
Figura 4.9. Grfico mostrando efeito considervel que vibraes torcionais e laterais
podem ter na eficincia da broca e no ROP. A reduo no WOB foi eficaz.
(DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005) ..................................................................... 45
Figura 4.10. e instrumentao de fundo mostram que houve ocorrncia de vibraes torcionais acima de um valor especfico de WOB para esta formao. ROP
maximizado aplicando-se um WOB imediatamente abaixo desse valor. (DUPRIEST,
WITT e REMMERT, 2005) .......................................................................................... 46
Figura 4.11. O WOB foi aumentado quando a broca atingiu a formao mais
resistente. As vibraes axiais diminuram depois que WOB foi aumentado.
(DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005) ..................................................................... 47
Figura 4.12. Tendncia de desgaste de broca de inserto. Substituda por PDC com
motor de fundo. (DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005) .................................................. 48
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x
Nomenclatura
rea da broca [in2]
Dimetro da broca [in]
Energia Especfica de Perfurao [ft/in]
Eficincia de perfurao [ - ] Potncia hidrulica da broca [hp] Potncia hidrulica por polegada quadrada [hp/in] Energia Mecnica Especfica [ft/in] Raio do poo [in] Raio da coluna [in] Taxa de penetrao [ft/h] Velocidade angular da coluna de perfurao [rev/min] Fator de severidade de vibrao lateral [ - ] Torque [ft.lb] Resistncia compresso da rocha [ft/in] Velocidade no ponto de contato entre a coluna e a parede do poo [in/s] Peso sobre a broca [lbf]
Smbolos Gregos:
Fator hidrulico da broca [ - ] Coeficiente de frico por escorregamento da broca [ - ] Velocidade angular da coluna de perfurao [rev/min] Velocidade angular do eixo da coluna de perfurao [rad/s] Velocidade angular crtica do eixo da coluna de perfurao [rad/s]
Subscritos:
( )adj Ajustado
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xi
Siglas:
BHA Composio de fundo (do ingls, Bottom Hole Assembly)
LWD Logging While Drilling
MWD Measurement While Drilling
PDC Polycrystalline Diamond Compacts
PDM Motor de deslocamento positivo (do ingls, Positive Displacement Motor)
RSS Sistema de controle direcional ( do ingls, Rotary Steerable System)
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1 Introduo
A perfurao de poos de petrleo, desde os seus primrdios, caracterizou-se por ser
uma atividade que envolve grande complexidade, riscos e sobretudo, elevados custos
financeiros. Os ltimos anos tm sido marcados pela expanso das fronteiras
exploratria e de produo, com destaque para as lminas de gua cada vez mais
profundas, e o uso de tcnicas direcionais que tm permitido a perfurao de poos de
longa extenso e multilaterais, visando garantir a mxima recuperao do leo em
campos recm-descobertos, marginais e/ou maduros.
Nesse esforo de buscar o leo em horizontes mais profundos, e em condies
ambientais adversas, surgem problemas que no s retardam o curso das operaes
como tambm oneram o custo dos projetos. Como o custo dirio de uma sonda tem
variado entre algumas centenas de milhares de dlares, uma parada qualquer faz
disparar automaticamente os custos. A atividade de perfurao, por si s, exige
paradas para manuteno, troca de equipamentos desgastados ou avariados, por
indisponibilidade de recurso e/ou devido a condies oceano-meteorolgicas
adversas. Se forem adicionados os tempos no produtivos que os eventuais
problemas operacionais podem causar, os projetos tornam-se ainda mais onerosos.
(CHIPINDU, 2010)
1.1 Motivao
As vibraes mecnicas em colunas de perfurao so grandes limitantes do
desempenho de perfurao. No somente causam falhas em equipamentos, mas
tambm aumentam o tempo ocioso, elevando os custos envolvidos no
desenvolvimento de um campo. Apesar dos grandes avanos alcanados pela
indstria no combate a essas complicaes, as verdadeiras causas desses tipos de
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2
vibrao ainda no foram compreendidas completamente (WU, PAEZ e AGNIHOTRI,
2010).
Constantemente, so elaboradas tecnologias com o objetivo de otimizar o processo de
perfurao de poos de petrleo, abordando as diversas operaes envolvidas. A
inteno de qualquer processo de otimizao de perfurao conduzir a atividade de
perfurao da forma mais segura e com o melhor aproveitamento possvel dos
recursos utilizados. Um mtodo de otimizao interessante a avaliao do
desempenho de perfurao de forma contnua durante a atividade de perfurao. O
gerenciamento da atividade de perfurao deve ser feito de forma a maximizar a taxa
de penetrao mdia, com base na extenso total perfurada. A forma como os
diversos parmetros de perfurao podem afetar a taxa de penetrao muito
complexa. No entanto, um dos principais mtodos de otimizao, a energia mecnica
especfica, busca facilitar esse processo. Esse mtodo capaz de otimizar as
operaes de perfurao atravs da anlise de parmetros de perfurao, como peso
sobre a broca e velocidade angular da broca. (RASHIDI, HARELAND e NYGAARD,
2008)
1.2 Objetivos
Este trabalho tem como objetivo estudar o comportamento de colunas de perfurao
sujeitas a vibraes mecnicas e mostrar como o modelo de Energia Mecnica
Especfica pode auxiliar na tomada de decises durante a perfurao de poos de
petrleo sujeitos a vibraes e outras fontes de ineficincia.
1.3 Estruturao do Trabalho
Este trabalho dividido em quatro captulos, alm da introduo (captulo 1) e das
referncias bibliogrficas.
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No Captulo 1, foram abordados a motivao e objetivo do estudo de vibraes em
colunas de perfurao e Energia Mecnica Especfica.
No Captulo 2, foi feita uma reviso bibliogrfica da mecnica de colunas de
perfurao, discutindo-se as cargas atuantes e a modos de vibrao. Foram tambm
introduzidos o conceito e zona tima e o modelo de dinmica avanada de coluna de
perfurao apresentados por WU, PAEZ e AGNIHOTRI (2010).
No Captulo 3, consta uma reviso bibliogrfica do conceito de Energia Mecnica
Especfica, alm de outros conceitos associados.
No Captulo 4, foram estudados dados de campo para confirmar a aplicabilidade dos
conceitos discutidos nos captulos 2 e 3.
No Captulo 5, so apresentadas as concluses do projeto e sugestes para trabalhos
futuros.
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2 Mecnica das Colunas de Perfurao
2.1 Esttica
2.1.1 Cargas
As principais funes da coluna de perfurao so transmitir torque e transportar fluido
de perfurao, e para isso uma coluna carregada com torque e presso. O torque
sobre a broca geralmente possui valores entre 0,5 e 10 kN
longo da parede do poo, o torque necessrio para girar a coluna em superfcie pode
variar de 0,5 a 50 kNm. A mxima press
coluna ocorre no topo da mesma, onde a presso externa atmosfrica enquanto a
presso interna (standpipe
Figura 2.1 . Sonda de Perfurao
Mecnica das Colunas de Perfurao
As principais funes da coluna de perfurao so transmitir torque e transportar fluido
de perfurao, e para isso uma coluna carregada com torque e presso. O torque
sobre a broca geralmente possui valores entre 0,5 e 10 kNm, mas, devido ao atrito ao
longo da parede do poo, o torque necessrio para girar a coluna em superfcie pode
m. A mxima presso diferencial entre o interior e o exterior da
coluna ocorre no topo da mesma, onde a presso externa atmosfrica enquanto a
standpipe pressure) pode superar 200 bar.(JANSEN, 1993)
. Sonda de Perfurao (LEINE e VAN CAMPEN, 2002)
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Mecnica das Colunas de Perfurao
As principais funes da coluna de perfurao so transmitir torque e transportar fluido
de perfurao, e para isso uma coluna carregada com torque e presso. O torque
m, mas, devido ao atrito ao
longo da parede do poo, o torque necessrio para girar a coluna em superfcie pode
o diferencial entre o interior e o exterior da
coluna ocorre no topo da mesma, onde a presso externa atmosfrica enquanto a
(JANSEN, 1993)
(LEINE e VAN CAMPEN, 2002)
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Outra carga atuando na coluna de perfurao causada pelo peso prprio da coluna:
quase todo seu peso suportado na superfcie e fica pendente no poo, resultando
em uma trao na superfcie da ordem de milhares de kN. Apenas as poucas centenas
de metros inferiores da coluna s
com compresso. A flambagem da coluna nesta regio evitada com
comandos (tubos de elevada resistncia flexo situado na extremidade inferior da
coluna em ingls, drill collars
os estabilizadores (geralmente entre 5 e 50 m).
sistema de perfurao esto representados nas Figuras
flambagem de colunas de perfurao nem sempre pode ser evitada, especialmente na
perfurao horizontal, quando a coluna precisa ser empurrada atravs do
poo.(JANSEN, 1993)
Figura 2.2. Composio de fundo ou
coluna de perfurao causada pelo peso prprio da coluna:
quase todo seu peso suportado na superfcie e fica pendente no poo, resultando
em uma trao na superfcie da ordem de milhares de kN. Apenas as poucas centenas
de metros inferiores da coluna so suportadas pela broca e, portanto,
com compresso. A flambagem da coluna nesta regio evitada com
comandos (tubos de elevada resistncia flexo situado na extremidade inferior da
drill collars) e por um espaamento suficientemente pequeno entre
os estabilizadores (geralmente entre 5 e 50 m). As cargas e alguns componentes do
sistema de perfurao esto representados nas Figuras Figura 2.1
flambagem de colunas de perfurao nem sempre pode ser evitada, especialmente na
rao horizontal, quando a coluna precisa ser empurrada atravs do
Composio de fundo ou BHA (bottom hole assembly) (LEIN
CAMPEN, 2002)
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coluna de perfurao causada pelo peso prprio da coluna:
quase todo seu peso suportado na superfcie e fica pendente no poo, resultando
em uma trao na superfcie da ordem de milhares de kN. Apenas as poucas centenas
so carregadas
com compresso. A flambagem da coluna nesta regio evitada com o uso de
comandos (tubos de elevada resistncia flexo situado na extremidade inferior da
paamento suficientemente pequeno entre
As cargas e alguns componentes do
e Figura 2.2. A
flambagem de colunas de perfurao nem sempre pode ser evitada, especialmente na
rao horizontal, quando a coluna precisa ser empurrada atravs do
(LEINE e VAN
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2.2 Dinmica
2.2.1 Modos de Vibrao
As vibraes so as principais causas de falha nas colunas de perfurao
tambm prejudicar a estabilidade do poo
As colunas de perfurao podem estar sujeitas a trs modos de vibrao: lateral,
torcional e axial, conforme mostra a
Figura 2.3. Modos de vibrao
2.2.1.1 Vibrao Lateral ou Flexional
A vibrao lateral (whirling
rotao anormal da broca ou da coluna de perfurao. Nesse caso, a broca ou a
coluna no giram apenas ao longo do seu prprio eixo. Sua rotao uma
combinao de rotao em torno da linha de centro do poo e em torno
eixo. Sendo assim, a vibrao lateral um movimento complexo
deslocamentos laterais, choqu
MABILE e OUDIN, 1997)
Vibrao
As vibraes so as principais causas de falha nas colunas de perfurao
a estabilidade do poo e danificar ferramentas presentes na coluna.
As colunas de perfurao podem estar sujeitas a trs modos de vibrao: lateral,
torcional e axial, conforme mostra a Figura 2.3.
Modos de vibrao em colunas de perfurao (ROCHA, AZUAGA,
Vibrao Lateral ou Flexional
whirling) da coluna de perfurao pode ser descrita como uma
rotao anormal da broca ou da coluna de perfurao. Nesse caso, a broca ou a
coluna no giram apenas ao longo do seu prprio eixo. Sua rotao uma
combinao de rotao em torno da linha de centro do poo e em torno
eixo. Sendo assim, a vibrao lateral um movimento complexo no qual so gerados
deslocamentos laterais, choques e atrito com a parede do poo.
6
As vibraes so as principais causas de falha nas colunas de perfurao, podendo
e danificar ferramentas presentes na coluna.
As colunas de perfurao podem estar sujeitas a trs modos de vibrao: lateral,
(ROCHA, AZUAGA, et al., 2008)
perfurao pode ser descrita como uma
rotao anormal da broca ou da coluna de perfurao. Nesse caso, a broca ou a
coluna no giram apenas ao longo do seu prprio eixo. Sua rotao uma
combinao de rotao em torno da linha de centro do poo e em torno de seu prprio
no qual so gerados
es e atrito com a parede do poo. (REY-FABRET,
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As vibraes laterais ocorrem principalmente no BHA (composio de fundo, isto o
conjunto de equipamentos contidos nas ltimas centenas de metros da coluna de
perfurao do ingls, Bottom Hole Assembly), podendo tambm ocorrer nos trechos
superiores. Durante a perfurao, o BHA sofre compresso, estando assim suscetvel
a flambagem e vibraes laterais. Os trechos superiores da coluna ficam sob trao,
tendo menor tendncia de sofrer vibraes laterais. As vibraes laterais no topo da
coluna podem ser facilmente detectadas por movimentos laterais da catarina
conhecidos como chicotadas (whipping). (REY-FABRET, MABILE e OUDIN, 1997)
Diferentemente do movimento de chicotadas, as vibraes laterais no BHA so um
movimento difcil de ser detectado. Durante o fenmeno de vibraes laterais no BHA,
os componentes do BHA sofrem grandes deslocamentos laterais, gerando tenses
devido flexo. Quando tais deslocamentos se tornam muito grandes, ocorre o
contato entre partes dos componentes do BHA e a parede do poo, gerando choques
laterais. s vezes, ocorre tambm um contato praticamente contnuo com a parede do
poo, resultando em aumento nas taxas de desgaste da coluna. Todos esses
fenmenos aumentam drasticamente a fadiga dos componentes do BHA e,
principalmente, de suas conexes. Como o fenmeno difcil de ser detectado, ocorre
um acmulo de fadiga durante a perfurao, podendo ocorrer a falha de um
componentes do BHA, fazendo necessria a custosa operao de pescaria. (REY-
FABRET, MABILE e OUDIN, 1997)
At o surgimento de sistemas de LWD (ferramentas que fazem parte do BHA e
permitem a perfilagem enquanto se perfura do ingls, Logging While Drilling),
praticamente no era possvel detectar a ocorrncia de vibraes laterais. Atualmente,
tal fenmeno pode ser detectado usando apenas medies de superfcie, com auxlio
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de procedimentos avanados de tratamento de sinal, como o descrito por
FABRET, MABILE e OUDIN
A vibrao lateral um movimento
eles no giram em torno do centro do poo, eles entram em contato com a parede do
poo, gerando choques laterais. Assim, a trajetria da linha de centro da coluna possui
uma forma complexa. (REY
Figura 2.4. Representao esquemtica da coluna de perfurao d urante a ocorr
vibraes laterais.
Quando ocorrem as vibraes laterais, o BHA flamba, assumindo uma forma sinuosa,
conforme mostrado na Figura
trecho do BHA. A coluna de perfurao gira com uma velocidade angular
linha de centro gira a uma velocidade angular
velocidade angular instantnea da coluna. Sua mdia temporal igual a
angular (constante) em superfcie
de procedimentos avanados de tratamento de sinal, como o descrito por
FABRET, MABILE e OUDIN (1997).
um movimento complexo de alguns componentes do
eles no giram em torno do centro do poo, eles entram em contato com a parede do
poo, gerando choques laterais. Assim, a trajetria da linha de centro da coluna possui
(REY-FABRET, MABILE e OUDIN, 1997)
Representao esquemtica da coluna de perfurao d urante a ocorr
vibraes laterais. (REY-FABRET, MABILE e OUDIN, 1997)
Quando ocorrem as vibraes laterais, o BHA flamba, assumindo uma forma sinuosa,
Figura 2.4. Na figura, mostrado em detalhe um pequeno
trecho do BHA. A coluna de perfurao gira com uma velocidade angular
linha de centro gira a uma velocidade angular . A varivel
velocidade angular instantnea da coluna. Sua mdia temporal igual a
angular (constante) em superfcie RPM (rotaes por minuto). A velocidade angular
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de procedimentos avanados de tratamento de sinal, como o descrito por REY-
alguns componentes do BHA. Como
eles no giram em torno do centro do poo, eles entram em contato com a parede do
poo, gerando choques laterais. Assim, a trajetria da linha de centro da coluna possui
Representao esquemtica da coluna de perfurao d urante a ocorr ncia de
FABRET, MABILE e OUDIN, 1997)
Quando ocorrem as vibraes laterais, o BHA flamba, assumindo uma forma sinuosa,
. Na figura, mostrado em detalhe um pequeno
trecho do BHA. A coluna de perfurao gira com uma velocidade angular , mas a sua
corresponde
velocidade angular instantnea da coluna. Sua mdia temporal igual a velocidade
. A velocidade angular
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pode estar no mesmo sentido de ou no sentido contrrio. No primeiro caso, trata-se de vibrao lateral direta (em ingls, forward whirling), enquanto no segundo caso de
vibrao lateral reversa (em ingls, backward whirling). (REY-FABRET, MABILE e
OUDIN, 1997)
Segundo VANDIVER, NICHOLSON e SHYU (1990), possvel calcular a velocidade
no ponto de contato entre o componente do BHA e a parede do poo, de acordo com a
Figura 2.5. Dessa maneira, essa velocidade, , uma funo de e :
" # $ % ' (2.1)
Onde, conforme a Figura 2.5:
o raio do poo; e
o raio da coluna.
Figura 2.5. Representao esquemtica do movimento do comando dentro do poo
(REY-FABRET, MABILE e OUDIN, 1997)
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Assim, para igual a zero, temos igual a (sempre negativo):
" $ /# $ % (2.2)
Pode-se definir o fator de severidade de vibrao lateral,:
" / (2.3)
Quando tende a 1, tende a zero e tende a . Essa a regio de vibraes laterais reversas, na qual se percebe que o comando sofre leve desgaste, mas com
elevadas tenses devido flexo associadas a elevadas frequncias de flexo e,
portanto, acmulo de fadiga mximo. Assim, trata-se do pior caso. Quando diminui at zero, aumenta at zero. Trata-se tambm de vibrao lateral reversa, mas com uma reduo na frequncia de tenses devido flexo e, consequentemente, da
fadiga. Quando segue diminuindo at $# $ %/, aumenta at . Essa a regio de vibraes laterais diretas, na qual h desgaste acentuado no pondo de
contato entre os componentes do BHA e a parede do poo, mas com baixas tenses
devido flexo. (REY-FABRET, MABILE e OUDIN, 1997)
Portanto, o fator prov uma boa indicao do tipo de vibrao lateral e de sua severidade.
-
11
2.2.1.2 Vibrao Torcional ou Rotacional
O segundo tipo de vibrao em colunas de perfurao a vibrao torcional ou
rotacional. Na sua forma mais drstica, a rotao da broca paralisa enquanto o topo da
coluna continua girando em velocidade angular constante, assim aumentando o torque
na coluna at que a broca volta a se soltar. Este tipo de vibrao tem uma frequncia
tpica entre 0,05 e 0,5 Hz. As vibraes so causadas por uma relao no-linear
entre torque e velocidade de rotao na broca: o torque necessrio para girar a broca
menor que o torque necessrio para libertar-se da paralisao. Isso causa vibraes
auto-excitadas quando um movimento circular uniforme da coluna de perfurao
produz oscilaes, de forma semelhante ao chiado eventualmente produzido pelo
movimento retilneo uniforme de um pedao de giz sobre um quadro negro. (JANSEN,
1993)
2.2.1.3 Vibrao Axial ou Longitudinal
O terceiro tipo de vibrao em colunas de perfurao a vibrao axial ou longitudinal.
No caso extremo, a broca periodicamente perde o contato fsico com o fundo do poo,
sendo este um modo de movimento conhecido como bit bounce. Na perfurao com
brocas tricnicas, a causa inicial pode ser um ponto de elevada resistncia na
formao, causando um deslocamento peridico da broca com uma frequncia igual a
trs vezes velocidade rotativa no fundo do poo. Se a fora peridica resultante sobre
a broca estiver quase em fase com o deslocamento imposto, a irregularidade no fundo
de poo ser amplificada, levando a um padro de fundo de poo com trs lobos e a
uma vibrao axial mantida com uma frequncia tpica entre 1 e 10 Hz. Outros tipos de
vibrao axial ocorrem por causas como, por exemplo, flutuaes de presso na
coluna de perfurao ou o processo de corte das brocas PDC.(JANSEN, 1993)
-
12
2.2.2 Associao entre Vibraes Torcionais e Vibra es Laterais
Vibraes torcionais e vibraes laterais causam diversos problemas na perfurao,
como, por exemplo: baixo ROP (taxa de penetrao do ingls rate of penetration) ,
danos a ferramentas, dificuldades no controle direcional e dano broca. Falhas em
componentes da coluna de perfurao, como os sistemas de controle direcional (rotary
steerable system - RSS) e de MWD (equipamento que possui um conjunto de
sensores (de inclinao e direo, entre outros) que transmite seus sinais superfcie
na forma de pulsos de presso via fluido de perfurao do ingls, Measurement
While Drilling), podem acarretar em aumento significativo do tempo ocioso devido
necessidade de se efetuar a troca dos equipamentos danificados. Por se tratar de
atividades de elevados riscos e investimentos, o tempo ocioso associado a vibraes
no fundo do poo pode ser determinante na viabilidade econmica do
desenvolvimento de um campo. Apesar do progresso atingido nas ltimas dcadas no
controle de vibraes na coluna de perfurao, a indstria petrolfera segue lutando
para atingir desempenhoconsistente nas suas atividades. Estima-se que 40% da
profundidade total perfurada mundialmente afetada negativamente por vibraes
laterais. Alm disso, as vibraes torcionais esto presentes em 50% do tempo de
pefurao (WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2010).
A experincia em campo tem mostrado que vibraes laterais e/ou torcionais podem
danificar componentes do BHA em poucos minutos, ou at mesmo segundos, se no
forem controladas com prontido. Dessa forma, surge um dilema para o engenheiro de
perfurao: aumentar o peso sobre a broca (WOB do ingls, weight on bit) induz
vibraes torcionais, enquanto aumentar a velocidade de rotao da coluna (RPM)
induz vibraes laterais. Manter tanto WOB quanto RPM reduzidos reduz o nvel de
vibraes, mas resulta em baixo ROP. Consequentemente, um engenheiro precisa
optar por perfurar um poo com baixo ROP ou com elevado ROP, mas com vibraes
-
13
severas, resultando em grandes problemas como: danos broca, falha no sistema de
controle direcional, falha nos sistemas de MWD e LWD, e prejuzos na qualidade do
poo. Tal dilema fica mais evidente ao se perfurar formaes muito resistentes e/ou
abrasivas (WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2010).
2.2.2.1 Zona tima
O desafio colocado conseguir maximizar ROP mantendo broca e BHA estveis. WU,
PAEZ e AGNIHOTRI (2010) identificaram que existe uma tendncia da coluna de
perfurao em unir as ocorrncias de vibraes laterais e torcionais. Essa unio fruto
de uma escolha inapropriada da broca e de interaes indesejadas entre broca e BHA.
Verificou-se que para um conjunto broca-formao, existem valores crticos de WOB e
RPM que ativam os mecanismos de vibrao lateral e torcional e esses valores podem
ser predeterminados se assumirmos que outras condies de perfurao so
conhecidas e fixadas. Os valores crticos que representam as fronteiras de parmetros
de perfurao estvel podem ser expostos em um grfico cartesiano, com RPM no
eixo das abcissas e WOB no eixo das ordenadas (Figura 2.6). Existem outras
fronteiras importantes:
torque mximo limitado pela capacidade da sonda;
ROP mnimo especificado pelos operadores; e
WOB mximo limitado pela flambagem da coluna e pelo controle direcional.
-
Figura 2.6 . Delineao esquemtica da zona tima
Juntas, estas fronteiras delimi
Este domnio foi denominado de zona tima (
perfurao dentro da zona tima teoricamente garantem estabilidade. A extenso da
zona tima depende da broca sendo utilizada e das propriedades mecnicas da
rocha a ser perfurada. A dinmica da coluna de perfurao, no entanto, reduz a zona
tima ao criar interaes entre broca e BHA. Nos casos mais extremos,
interaes podem fazer com q
torcionais se cruzem, tornando a zona tima muito limitada
mesmo inexistente. Nestas condi
atravs da variao de parmetros de perfurao
. Delineao esquemtica da zona tima (WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2010)
s, estas fronteiras delimitam um domnio fechado em termos de WOB e RPM.
Este domnio foi denominado de zona tima (optimum zone). Os parmetros de
dentro da zona tima teoricamente garantem estabilidade. A extenso da
depende da broca sendo utilizada e das propriedades mecnicas da
rocha a ser perfurada. A dinmica da coluna de perfurao, no entanto, reduz a zona
tima ao criar interaes entre broca e BHA. Nos casos mais extremos,
podem fazer com que as fronteiras representando as vibraes laterais e
torcionais se cruzem, tornando a zona tima muito limitada (Figura
Nestas condies, qualquer tentativa de mitigar
o de parmetros de perfurao tende a fracassar.
14
(WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2010) .
tam um domnio fechado em termos de WOB e RPM.
). Os parmetros de
dentro da zona tima teoricamente garantem estabilidade. A extenso da
depende da broca sendo utilizada e das propriedades mecnicas da
rocha a ser perfurada. A dinmica da coluna de perfurao, no entanto, reduz a zona
tima ao criar interaes entre broca e BHA. Nos casos mais extremos, essas
ue as fronteiras representando as vibraes laterais e
Figura 2.7) ou at
es, qualquer tentativa de mitigar as vibraes
-
Figura 2.7. Estreitamento da zona tima
2.2.2.2 Modelo de Dinmica
Ao quantificarem-se os efeitos da broca e do BHA sobre a dinmica de colunas de
perfurao, a conceito de
aumentar a eficincia de todo o sistema de perfurao. Os possveis riscos de se usar
brocas ou componentes de BHA inadequados pode
avaliando-se o tamanho e posio da
fronteiras da zona tima, pode ser estimada uma combinao vivel de WOB e RPM.
O desafio, no entanto, conseguir prever a magnitude das vibraes com acurcia
(WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2010)
Para tanto, foi aplicado um modelo
que rene os efeitos devido
Estreitamento da zona tima (WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2
Dinmica Avanada de Coluna de Perfurao
os efeitos da broca e do BHA sobre a dinmica de colunas de
perfurao, a conceito de zona tima torna-se uma ferramenta poderosa para
aumentar a eficincia de todo o sistema de perfurao. Os possveis riscos de se usar
brocas ou componentes de BHA inadequados podem ser facilmente identificados
o tamanho e posio da zona tima. Ainda, conhecendo
, pode ser estimada uma combinao vivel de WOB e RPM.
O desafio, no entanto, conseguir prever a magnitude das vibraes com acurcia
(WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2010).
um modelo de dinmica avanada de coluna
que rene os efeitos devido a:
15
(WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2010).
os efeitos da broca e do BHA sobre a dinmica de colunas de
se uma ferramenta poderosa para
aumentar a eficincia de todo o sistema de perfurao. Os possveis riscos de se usar
ser facilmente identificados
, conhecendo-se as
, pode ser estimada uma combinao vivel de WOB e RPM.
O desafio, no entanto, conseguir prever a magnitude das vibraes com acurcia
de coluna de perfurao,
-
16
Propriedades mecnicas da rocha;
Projeto da broca/escareador, incluindo cortador, corpo e perfil;
Caractersticas fsicas dos componentes do BHA;
Caractersticas da formao (heterogeneidade, anisotropia e presena de
camadas alternadas);
Trajetria e geometria do poo.
Este abrangente modelo de elementos finitos com quatro dimenses capaz de fazer
uma previso confivel do desempenho do sistema de perfurao desde a broca at a
superfcie, simulando a resposta transiente de todo o sistema no domnio do tempo.
Este modelo pode ser aplicado a qualquer configurao de BHA, considerando
detalhes como RSS (Sistema de controle direcional do ingls, Rotary Steerable
System), PDM (Motor de deslocamento positivo do ingls, Positive Displacement
Motor), brocas PDC/tricnicas, estabilizadores, escareadores, MWD, LWD e outras
ferramentas de fundo de poo. Os parmetros de sada deste modelo incluem
acelerao, velocidade, foras, momento fletor e deslocamento de qualquer n ao
longo da coluna de perfurao (WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2010).
Para que as foras entre a estrutura cortante e a rocha fossem quantificadas com
preciso, foram analisadas amostras de rocha em um laboratrio de perfurao
localizado em Houston, Texas. Diversos ensaios de endentao e raspagem foram
-
17
realizados sob presses controladas para reproduzir a dinmica entre as estruturas
cortantes e as amostras de rocha. Os resultados dos ensaios quantificaram as foras
exercidas pela estrutura cortante em termos de magnitude e orientao como funo
do mecanismo de falha da rocha e quantificaram as taxas de remoo de material
rochoso. Tal anlise permitiu uma transio precisa a um ambiente virtual no qual os
engenheiros determinaram as caractersticas da broca e do raspador em condies de
confinamento. possvel quantificar a magnitude de vibraes de fundo de poo e
foras cortantes, o que, em contrapartida, permite prever tendncias de desvio
direcional e taxas de penetrao instantnea. Usando esses resultados quantitativos e
ferramentas de visualizao 3D, pode-se identificar o sistema de perfurao timo, de
forma a prover o melhor equilbrio entre ROP, estabilidade e controle direcional (WU,
PAEZ e AGNIHOTRI, 2010).
Diferentemente de uma anlise de velocidade crtica, que assuma determinada
magnitude e frequncia de fora de excitao, a tecnologia de modelagem dinmica
baseia-se em um modelo transiente que utiliza dados de laboratrio de mecnica das
rochas e um ambiente de perfurao realista. Dessa forma, minimiza-se a incerteza
das foras de contato entre a broca e a rocha/formao, a fim de maximizar a
confiabilidade dos resultados. As cargas de impacto instantneas sobre a broca ou o
BHA podem ser capturados e seus efeitos transientes sobre a coluna de perfurao
como um todo so modelados fielmente. Os valores dos dados medidos (em tempo
real ou armazenados em memria) so mais bem compreendidos quando comparados
aos resultados da modelagem para que se possam apontar as causas subjacentes
das vibraes prejudiciais observadas (WU, PAEZ e AGNIHOTRI, 2010).
-
18
3 Energia Mecnica Especfica
3.1 Introduo
O conceito de Energia Mecnica Especfica (MSE, do ingls Mechanical Specific
Energy) tem sido usado efetivamente em laboratrio para avaliar a eficincia de
brocas de perfurao. Anlises de MSE tambm tm sido usadas de forma menos
expressiva para investigar algumas ineficincias em operaes de campo (DUPRIEST
e KOEDERITZ, 2005).
O processo de acompanhamento de MSE permite detectar mudanas na eficincia do
sistema de perfurao de forma praticamente contnua. Isso tem permitido melhoras
no desempenho (1) ao permitir que parmetros de perfurao sejam otimizados com
facilidade e (2) ao prover dados quantitativos para justificar alteraes de projetos para
expandir os limites presentes do sistema. A anlise de MSE tem resultado em
mudanas em reas como prticas de controle de poo, seleo de broca, projeto de
BHA, entre outras (DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005).
3.2 Reviso Bibliogrfica
A energia mecnica especfica tem sido usada para melhorar o desempenho na
perfurao de petrleo. O conceito de MSE definido como o trabalho mecnico
realizado ao escavar um volume unitrio de rocha. Props-se o clculo de MSE com
base em duas componentes (axial e rotativa), da seguinte forma (TEALE, 1965):
" '120 ,
(3.1)
-
19
Onde: a rea de broca (associada a seu dimetro, considerando-se a mesma como sendo circular), em polegadas quadradas; e
o torque sobre a broca, em ft.lb.
TEALE (1965) realizou testes em laboratrio que demostravam que a energia por
volume de rocha perfurada se mantinha praticamente constante, independente das
alteraes em ROP, WOB e RPM.
Na equao (3.1), o torque usado como uma varivel no clculo de MSE. O torque
sobre a broca pode ser medido por um sistema de MWD, mas, em muitos casos, no
existem medies do torque sobre a broca. Para contornar essa dificuldade, foi
introduzido o conceito de coeficiente de frico por escorregamento da broca () para expressar o torque em funo do WOB, permitindo o clculo de MSE na ausncia de
medies de torque (RASHIDI, HARELAND e NYGAARD, 2008).
" 36 (3.2)
Onde: o dimetro da broca (considerando-se a mesma como sendo circular), em polegadas.
Assim, a partir da equao (3.2), podemos reescrever a equao(3.1) da seguinte
forma:
-
20
" / 1 '13,33
1 (3.3)
O coeficiente de frico por escorregamento da broca () uma constante adimensional que usado com valores especficos para brocas tricnicas e brocas
PDC. Os valores exatos do coeficiente de frico por escorregamento da broca foram
obtidos utilizando medies de torque e WOB em condies de laboratrio (PESSIER
e FEAR, 1992).
TEALE (1965) observou que o valor numrico de MSE era aproximadamente igual a
resistncia compresso da rocha (UCS). Isso acontecia porque os ensaios foram
realizados em condies atmosfricas, nas quais a rocha destruda com elevada
eficincia, fraturando de modo frgil. As eficincias mximas das brocas em condies
de campo costumam ser muito inferiores, geralmente no intervalo de 30 a 40%
(PESSIER e FEAR, 1992). Tal ineficincia resulta na medio MSE aproximadamente
trs vezes maior que a resistncia do material rochoso. Por questes operacionais,
criou-se um MSE ajustado (234) para que seu valor possa ser comparado com a resistncia da rocha. Assim, considera-se a eficincia de perfurao (
) igual a 0,35 (DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005).
234 "
(3.4)
Tal prtica controversa, porque a eficincia mecnica pode se afastar bastante dos
35% assumidos, dependendo de vrios fatores. No entanto, essa prtica tem sido til
operacionalmente. Geralmente o valor numrico da resistncia da rocha conhecido
atravs de anlises feitas pelos fornecedores da broca em uso ou atravs de estudos
-
21
geolgicos. Ajustar o valor de 234 para que se aproxime da resistncia da rocha quando a broca est no seu pico de eficincia considerada uma boa referncia para
saber se a perfurao est sendo eficiente(DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005).
No entanto, a afirmao que 234 deve se igualar resistncia da rocha no considerada uma regra na prtica. H diversas fontes de erro, alm da incerteza
associada eficincia mecnica mxima. Uma considervel fonte de erro est
associada ao uso do torque em superfcie para calcular 234. O seu valor acaba sendo agregando o atrito torcional, fazendo com que 234 se torne muitas vezes maior que a resistncia da rocha. Porm, somente so analisadas apenas as
variaes de 234, sendo menos importante seu valor absoluto. O essencial que que o valor seja consistente, de forma que possa ser identificada uma tendncia da
linha de base. Testes de campo mostram que 234 pode permanecer praticamente constante para uma perfurao eficiente com variaes de ROP de 50 a 600 ft/h. Essa
estabilidade no valor de 234 durante a perfurao em condies de eficincia mxima permite com que o conceito de MSE seja uma ferramenta eficaz de
otimizao. Quando o valor de MSE se aproxima da linha de base, a equipe de
perfurao sabe que a perfurao est ocorrendo de forma eficiente e que um
aumento no ROP pode ser atingido com segurana aumentando-se WOB e RPM. Se o
valor de 234 estiver significativamente acima da linha de base, a broca est ineficiente, sendo assim, a causa da ineficincia deve ser diagnosticada e tratada pela
equipe de perfurao para que ento possa per atingido um aumento na taxa de
penetrao(DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005).
-
22
3.2.1 Energia Especfica de Perfurao
Energia especfica de perfurao (DSE, do ingls Drilling Specific Energy) definida
como o trabalho realizado para escavar e remover, sob a broca, um volume unitrio de
rocha. ARMENTA (2008) props uma modificao na equao original de TEALE
(1965), incluindo um terceiro termo relacionado energia hidrulica.
" '120 ,
$1.980.000
(3.5)
Onde: o fator hidrulico da broca (adimensional); e
a potncia hidrulica da broca, em hp.
A razo entre a contribuio por energia hidrulica como funo da contribuio da
energia mecnica calculada na seguinte equao:
89:;
-
23
resultados. So ento usados os parmetros que fornecem a taxa de penetrao
mxima. De certa forma, todos os mtodos de otimizao utilizam um processo
comparativo semelhante. Ou seja, buscar identificar a combinao de parmetros que
fornece os melhores resultados em relao a outras configuraes.
Um mtodo de otimizao mais recente o teste de drilloff (drilloff test), que consiste
em aplicar uma carga elevada sobre a broca e ento travar-se o freio do guincho,
impedindo que o topo da coluna avance enquanto se continua circulando fluido de
perfurao e girando a coluna. medida que broca perfura, a coluna de perfurao se
alonga e o peso sobre a broca diminui. A taxa de penetrao calculada com base na
mudana no alongamento da coluna. A Figura 3.1 mostra dados de campo de trs
teste de drilloff. O ponto a partir do qual o ROP deixa de responder linearmente com o
aumento do WOB denominado founder point. Esse considerado o WOB timo.
Figura 3.1. Dados de teste de drilloff mostrando o comportamento no-linear abaixo da
profundidade de corte mnima e acima do founder point (DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005)
-
Figura 3.2. Uma broca encontra
com WOB. O desempenho da broca aprimorado desloca ndo
hidrulica, fluidos no aquosos
A Figura 3.2 mostra uma curva de
regio I, ocorre uma restrio de desempenho devido profundidade de corte
distncia de penetrao da broca na
cut (DOC)) inadequada, causado pelo baixo WOB. A
profundidade de corte e pico de eficincia. Com o aumento de WOB e,
consequentemente da profundidade de corte, a finalmente se aproxima de seu pico de
eficincia. A eficincia calculada comparando
para destruir um determinado volume de rocha energia de fato consumida pela
broca. A broca tende a transferir apenas 30 a 40% de sua energia ao processo de
perfurao, mesmo em condies
profundidade de corte inadequada, e eficincia de transferncia de energia fica bem
abaixa dessa faixa de valores, prejudicando a taxa de penetrao.
Uma broca encontra -se no seu inter valo de eficincia o ROP varia linearmente
com WOB. O desempenho da broca aprimorado desloca ndo -se o founder point
fluidos no aquosos ). (DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005)
mostra uma curva de drilloff tpica. A curva dividida em trs regies. Na
regio I, ocorre uma restrio de desempenho devido profundidade de corte
distncia de penetrao da broca na formao sendo perfurada do ingls,
inadequada, causado pelo baixo WOB. A Figura 3.3 mostra a relao entre
profundidade de corte e pico de eficincia. Com o aumento de WOB e,
consequentemente da profundidade de corte, a finalmente se aproxima de seu pico de
cincia calculada comparando-se a energia teoricamente requerida
para destruir um determinado volume de rocha energia de fato consumida pela
broca. A broca tende a transferir apenas 30 a 40% de sua energia ao processo de
perfurao, mesmo em condies de pico de desempenho. No entanto, se a
profundidade de corte inadequada, e eficincia de transferncia de energia fica bem
abaixa dessa faixa de valores, prejudicando a taxa de penetrao.
24
valo de eficincia o ROP varia linearmente
founder point (i.e.
(DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005)
tpica. A curva dividida em trs regies. Na
regio I, ocorre uma restrio de desempenho devido profundidade de corte (a
do ingls, depth of
mostra a relao entre
profundidade de corte e pico de eficincia. Com o aumento de WOB e,
consequentemente da profundidade de corte, a finalmente se aproxima de seu pico de
se a energia teoricamente requerida
para destruir um determinado volume de rocha energia de fato consumida pela
broca. A broca tende a transferir apenas 30 a 40% de sua energia ao processo de
de pico de desempenho. No entanto, se a
profundidade de corte inadequada, e eficincia de transferncia de energia fica bem
-
Figura 3.3. Re presentao esquemtica da eficincia mecnica da b roca. Na regio I da
curva de drilloff, o WOB inadequado para atingir uma profundidade mnima de corte.
Acima desse limiar, a eficincia mecnica da broca , geralmente, em torno de 30
A regio II da curva de drilloff
para que o desempenho da broca se estabilize. A eficincia da broca ento
permanece praticamente constante enquanto o WOB aumen
Nesta regio, alteraes no WOB resultam em variaes proporcionais de ROP.
Apesar da eficincia da broca no estar variando, um aumento na quantidade de
energia fornecida causa um aumento proporcional de ROP. A inclinao da curv
praticamente constante para determinada formao, broca e velocidade de rotao. A
Figura 3.4 mostra como o tipo de broca afeta a inclinao da curva, que possui
com o coeficiente de frico por
operando no trecho linear da curva de
mxima de energia que seu projeto permite (geralmente de 30 a 40%).
presentao esquemtica da eficincia mecnica da b roca. Na regio I da
, o WOB inadequado para atingir uma profundidade mnima de corte.
Acima desse limiar, a eficincia mecnica da broca , geralmente, em torno de 30
(DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005)
drilloff comea quando a profundidade de corte adequada
para que o desempenho da broca se estabilize. A eficincia da broca ento
permanece praticamente constante enquanto o WOB aumentado at o
Nesta regio, alteraes no WOB resultam em variaes proporcionais de ROP.
Apesar da eficincia da broca no estar variando, um aumento na quantidade de
energia fornecida causa um aumento proporcional de ROP. A inclinao da curv
praticamente constante para determinada formao, broca e velocidade de rotao. A
mostra como o tipo de broca afeta a inclinao da curva, que possui
frico por escorregamento da broca ( ). Quando a broca est
operando no trecho linear da curva de drilloff, ela est transferindo a quantidade
mxima de energia que seu projeto permite (geralmente de 30 a 40%).
25
presentao esquemtica da eficincia mecnica da b roca. Na regio I da
, o WOB inadequado para atingir uma profundidade mnima de corte.
Acima desse limiar, a eficincia mecnica da broca , geralmente, em torno de 30 -40%.
comea quando a profundidade de corte adequada
para que o desempenho da broca se estabilize. A eficincia da broca ento
tado at o founder point.
Nesta regio, alteraes no WOB resultam em variaes proporcionais de ROP.
Apesar da eficincia da broca no estar variando, um aumento na quantidade de
energia fornecida causa um aumento proporcional de ROP. A inclinao da curva
praticamente constante para determinada formao, broca e velocidade de rotao. A
mostra como o tipo de broca afeta a inclinao da curva, que possui relao
. Quando a broca est
, ela est transferindo a quantidade
mxima de energia que seu projeto permite (geralmente de 30 a 40%).
-
Figura 3.4. Representao esquemtica mostrando como a inclina o da curva de
determinada por (e por RPM), mas o ROP mximo e limitado pelo
Isso implica que no h alteraes nas condies do ambiente de perfurao que
possam resultar em um aumento no ROP quando se opera dentro da regio II. Um
fluido a base de leo, por exemplo, no ir aumentar a taxa de penetrao para brocas
idnticas operando abaixo do
um aumento na energia hidrulica no resultaria em qualquer alterao no ROP.
Nestas condies, a broca no est restringida por uma nica ineficincia; apenas
necessita de mais energia. Deve
perfurar com maiores taxas de penetrao.
A regio III inicia no founder point
restringida. No founder point
Para aumentar o ROP alm deste ponto, necessrio alterar o sistema, de forma a
deslocar o limite imposto pela restrio. Conforme mostra a
Representao esquemtica mostrando como a inclina o da curva de
(e por RPM), mas o ROP mximo e limitado pelo founder point
(DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005)
Isso implica que no h alteraes nas condies do ambiente de perfurao que
possam resultar em um aumento no ROP quando se opera dentro da regio II. Um
fluido a base de leo, por exemplo, no ir aumentar a taxa de penetrao para brocas
ticas operando abaixo do founder point com os mesmos WOB e RPM. Inclusive,
um aumento na energia hidrulica no resultaria em qualquer alterao no ROP.
Nestas condies, a broca no est restringida por uma nica ineficincia; apenas
rgia. Deve-se aumentar o WOB ou o RPM de forma a aumentar
perfurar com maiores taxas de penetrao.
founder point, a partir do qual a transferncia de energia
founder point, o sistema encontra-se prximo de seu ROP
Para aumentar o ROP alm deste ponto, necessrio alterar o sistema, de forma a
deslocar o limite imposto pela restrio. Conforme mostra a Figura 3.2
26
Representao esquemtica mostrando como a inclina o da curva de drilloff
founder point.
Isso implica que no h alteraes nas condies do ambiente de perfurao que
possam resultar em um aumento no ROP quando se opera dentro da regio II. Um
fluido a base de leo, por exemplo, no ir aumentar a taxa de penetrao para brocas
com os mesmos WOB e RPM. Inclusive,
um aumento na energia hidrulica no resultaria em qualquer alterao no ROP.
Nestas condies, a broca no est restringida por uma nica ineficincia; apenas
se aumentar o WOB ou o RPM de forma a aumentar
, a partir do qual a transferncia de energia
se prximo de seu ROP mximo.
Para aumentar o ROP alm deste ponto, necessrio alterar o sistema, de forma a
2, o aumento no
-
27
ROP a ser atingido pode ser previsto a partir da inclinao do trecho linear da curva de
drilloff. Enquanto no houver ineficincias, o ROP continua aumentando linearmente
com WOB, acompanhando essa inclinao.
Os fatores que geram essas restries podem ser agrupados em duas categorias:
Fatores criadores de ineficincia; e
Fatores que limitam a entrada de energia.
Trs criadores de ineficincias so: enceramento de broca (bit balling); ineficincia na
limpeza de fundo de poo (borrom hole balling); e vibraes. A mitigao desses
fatores que limitam a entrada de energia no elimina a existncia do founder point, ela
apenas desloca esse ponto para um valor maior de peso sobre broca. Por exemplo,
reduzir a quantidade de cortadores para aumentar o volume de face (espao fsico na
broca destinado circulao do cascalho de perfurao) de uma PDC, no elimina o
enceramento da broca, apenas eleva o WOB e a ROP na qual isso ir ocorrer.
Existe uma grande variedade de fatores que limitam a entrada de energia. Alguns
exemplos so: make up torque (torque mximo nas conexes); ineficincia na limpeza
de poo; integridade do poo (ineficincia no carreamento de cascalhos), limite de
diferencial de presso no motor de fundo; capacidade de carga sobre os rolamentos
do motor de fundo; tamanho do alvo direcional; limites de velocidade de rotao do
sistema de LWD; peso disponvel no BHA; capacidade de tratamento de slidos e
capacidade mecnica do top drive e da mesa rotativa. Caso o sistema no seja
afetado por alguma ineficincia com o aumento do WOB, em certo momento o sistema
-
28
ser restringido por seus limites de entrada de energia. Nesse ponto uma deciso
deve ser tomada: se prtico e economicamente vivel alterar o sistema para
estender o limite do mesmo. (DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005)
-
29
4 Estudo de Caso
Este captulo tem como objetivo fazer um estudo das aplicaes das teorias
introduzidas nos captulos anteriores, identificando como podem contribuir para a
melhoria do processo de perfurao.
4.1 Modelo de Dinmica Avanada de Coluna de Perfur ao
4.1.1 Dissociao entre Vibraes Torcionais e Vibr aes Laterais
Aplicando-se o modelo de dinmica avanada de coluna de perfurao de WU, PAEZ
e AGNIHOTRI (2010), possvel prever, teoricamente, o potencial de ocorrncia de
vibraes laterais ou torcionais dados os detalhes da broca, BHA, poo e litologia.
Inclusive, pode-se delinear a zona tima do sistema de perfurao em relao a
WOB e RPM. Como consequncia, pode-se, teoricamente, dissociar os dois
fenmenos maximizando-se a zona tima. Algumas das vantagens de se aplicar o
conceito de zona tima para solucionar os desafios da associao entre vibraes
so:
1. A associao entre vibraes torcionais e laterais pode ser facilmente
visualizada e melhor entendida em um grfico sucinto de WOB por RPM;
2. Os efeitos de qualquer mudana nas seguintes variveis sobre a dinmica da
coluna de perfurao podem ser quantificados e, portanto, mais previsveis:
a. Broca e BHA,
b. WOB e RPM,
-
30
c. Propriedades da formao, trajetria do poo e geometria de fundo de
poo;
3. A comparao entre vrias solues simples porque o sistema com zona
tima mxima , provavelmente, o que permite perfurar com maior
estabilidade sem prejudicar a taxa de penetrao.
4. A forma e posio da zona tima no espao WOB por RPM uma referncia
importante para fazer um ajuste fino nos parmetros de perfurao.
4.1.2 Aplicaes de Campo
Durante a perfurao de um poo direcional, foi diagnosticada a ocorrncia de
vibraes no BHA e na broca PDC. Essas vibraes resultaram que taxas de
penetrao muito baixas, reduo da vida til de custosos equipamentos de fundo de
poo e consequente elevao dos custos de desenvolvimento do campo em questo.
Esses problemas se amplificavam com a utilizao de escareador na perfurao do
poo direcional. Os trechos direcionais apresentaram elevados nveis de vibraes
torcional, axial e lateral.
Decidiu-se aplicar o modelo de dinmica avanada de coluna de perfurao com o
objetivo de otimizar o projeto do BHA, incluindo a escolha da broca. Inicialmente,
foram reproduzidas as condies identificadas em campo (geradoras de vibraes),
para ento otimizar o conjunto broca/BHA atravs do conceito de zona tima. A
sequncia estratigrfica era composta pelas seguintes formaes:
-
31
1. Formao A sequncia uniforme de arenito frivel fino a muito fino de
elevada resistncia (UCS = 11.000 psi)
2. Formao B folhelho e argila calcria de baixa resistncia (UCS = 5.000 psi)
3. Formao C calcrio de elevada resistncia (UCS = 14.000 psi)
O primeiro passo no processo de otimizao foi determinar qual broca PDC seria
capaz de fornecer o ROP desejado mantendo estabilidade dinmica. Foram avaliadas
quantitativamente uma srie de brocas PDC atravs do modelo de dinmica avanada
de coluna de perfurao, levando em considerao detalhes como:
Perfil da broca;
Quantidade de cortadores;
Inclinao dos cortadores; e
Comprimento de calibre de broca.
De forma a alcanar a estabilidade de toda a coluna de perfurao, essencial
analisar as interaes entre broca e BHA. Uma configurao de BHA mal projetada
pode resultar em elevados nveis de vibrao na broca, alm da associao entre
vibraes torcionais e vibraes laterais. A operao de escareamento durante a
-
32
perfurao um desafio, pois tende a ocasionar vibraes torcionais e laterais
severas, especialmente quando a broca e o escareador se encontram em contato com
formaes com diferentes resistncias. Experincia de campo e resultados de
modelagem mostram que o pior cenrio durante a transio de uma formao de
elevada resistncia para outra de baixa resistncia. Nessa situao, a broca tende a
perfurar mais rapidamente que o escareador, acarretando que o peso sobre o
escareador seja maior que o peso sobre a broca. Essa situao tem se mostrado, em
ensaios tanto de campo quanto de laboratrio, como sendo um mecanismo acionador
de vibraes prejudiciais.
Para contornar as vibraes, optou-se por utilizar um escareador com mais robusto e
confivel. Porm para determinar as condies dinmicas da coluna de perfurao,
to importante quanto o projeto do escareador, o posicionamento correto do mesmo
no BHA. Diversas configuraes de BHA foram avaliadas e comparadas usando o
modelo de dinmica avanada de coluna de perfurao, variando-se a posio do
escareador no BHA. As duas configuraes que apresentaram os melhores resultados
esto apresentadas na Figura 4.1.
-
33
BHA-1 BHA-2
Tubo de Perfurao 5 Tubo de Perfurao 5
Tubo Pesado 5 Tubo Pesado 5
Adaptador 5 -8 Adaptador 5 -8
Comando 8 Comando 8
Percussor 8 Percussor 8
Comando 8 Comando 8
Estabilizador 10 Estabilizador 10
Escareador 10 Comando 8
Comando 8 Escareador 10
Comando No-Magntico 8 Estabilizador 10
MWD Comando No-Magntico 8
LWD MWD
Estabilizador 10 LWD
Motor de Fundo 10 5/8 Estabilizador 10
Broca PDC 10 5/8 Motor de Fundo 10 5/8
Broca PDC 10 5/8
Figura 4.1. Comparao das configuraes de BHA pro postas (WU, PAEZ e AGNIHOTRI,
2010)
Pode-se perceber na Figura 4.2 com que o BHA-2 nitidamente mais estvel que o
BHA-1, pois possui uma zona tima mais ampla, apesar de apresentarem duas sutis
diferena: o comando e o Escareador logo abaixo tiveram suas posies trocadas
entre si; e, no BHA-2, foi acrescido um Estabilizador logo acima do Comando No-
Magntico.
-
Figura 4.2 . Comparao das zonas timas das composies de
Como resultado do projeto de
direcionais com um aumento de 93% no ROP em relao
configurao inicial. O conjunt
parmetros de perfurao, foi capaz de mitigar com sucesso as vibraes laterais
(Figura 4.3) e torcionais (Figura
. Comparao das zonas timas das composies de fundo propostas
PAEZ e AGNIHOTRI, 2010)
o projeto de otimizao, foi possvel alcanar todos os objetivos
direcionais com um aumento de 93% no ROP em relao ao obtido com a
configurao inicial. O conjunto broca/BHA proposto, aliado a uma otimizao de
parmetros de perfurao, foi capaz de mitigar com sucesso as vibraes laterais
Figura 4.4).
34
fundo propostas (WU,
foi possvel alcanar todos os objetivos
ao obtido com a
o broca/BHA proposto, aliado a uma otimizao de
parmetros de perfurao, foi capaz de mitigar com sucesso as vibraes laterais
-
Figura 4.3. Vibraes laterais medidas para o BHA inicial e par a o BHA proposto
Figura 4.4 . Vibraes torcionais medidas para o BHA inicial e para o BHA proposto
Vibraes laterais medidas para o BHA inicial e par a o BHA proposto
PAEZ e AGNIHOTRI, 2010)
. Vibraes torcionais medidas para o BHA inicial e para o BHA proposto
PAEZ e AGNIHOTRI, 2010)
35
Vibraes laterais medidas para o BHA inicial e par a o BHA proposto (WU,
. Vibraes torcionais medidas para o BHA inicial e para o BHA proposto (WU,
-
36
4.1.3 Anlise Crtica
Com base nos exemplos apresentados, possvel destacar as seguintes vantagens
do modelo de dinmica avanada de coluna de perfurao proposto por WU, PAEZ e
AGNIHOTRI (2010):
consegue prever o desempenho do sistema de perfurao;
pode ser aplicado a qualquer configurao de coluna de perfurao,
teoricamente;
promete otimizar o sistema de perfurao tomando como base resultados
experimentais, aumentado assim a taxa de penetrao e minimizando
ineficincias devido a vibraes, o que possibilita redues considerveis dos
custos de perfurao;
o conceito de zona tima compatvel como o comportamento descrito em
outros estudos; e
o estudo demonstra ser eficiente no que prope: desacoplar vibraes
torcionais e laterais no sistema broca/BHA.
No entanto, importante destacar tambm as seguintes desvantagens do modelo de
dinmica avanada de coluna de perfurao:
o modelo no apresentado sucintamente, omitindo a descrio de:
o consideraes realizadas,
-
37
o detalhamento das informaes incorporadas ao modelo (exatamente
quais propriedades da formao, broca e BHA), e
o modelo fsico assumido; e
no so consideradas as influncias de outras fontes de ineficincia sobre o
desempenho do sistema de perfurao:
o vibraes axiais,
o enceramento de broca,
o ineficincia na limpeza de fundo de poo,
o desgaste de broca, e
o atrito entre coluna a parede do poo.
Portanto, so propostas as seguintes aes, com o objetivo de aperfeioar o modelo
de dinmica avanada de coluna de perfurao:
testar vrios cenrios simulados tambm em laboratrio;
comparar os resultados reais com os resultados das simulaes nos grficos
WOB x RPM; e
-
38
agregar ao estudo o clculo de Energia Mecnica Especfica e/ou Energia
Especfica de Perfurao.
4.2 Energia Mecnica Especfica
4.2.1 Aplicaes de Campo
4.2.1.1 Enceramento de Broca
O enceramento de broca (bit balling) pode ser definido como um acmulo de material
na broca que impede a transferncia de uma parcela do WOB estrutura cortante.
Quanto maior a perda na transferncia de fora, menor a profundidade de corte e,
consequentemente, maior a reduo na taxa de penetrao. Esse processo
geralmente associado perfurao de folhelhos, mas uma anlise do comportamento
de 234 mostrou que esse problema tambm comum em calcrios. (DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005)
4.5. Broca encerada (CHIPINDU, 2010)
-
39
A Figura 4.6 mostra um exemplo durante a perfurao de um trecho de 12-14.
Inicialmente, 234 oscilava em torno de 25 ksi. Apesar de se tratar de uma formao pouco resistente, o consumo de energia mostrou-se elevado. Foi
devidamente identificado motivo da elevada perda de energia como sendo
enceramento de broca. Para contornar esse problema, o WOB foi reduzido de 25 a 8
mil lb a5100 ft. A melhoria no desempenho da broca foi imediatamente mostrada por
234. Consequentemente, o ROP aumentou de 80 para 100 ft/h.
Apesar do ROP inicial j ser aceitvel, o diagnstico de 234 permitiu notar que seria possvel melhorar o desempenho. O exemplo mostra como 234 um indicador relativo de desempenho, e no absoluto. Aps a otimizao dos parmetros
de perfurao controlveis, preciso alterar o sistema para atingir maiores ganhos de
ROP. Uma soluo possvel modificar os jatos da broca e as vazes de forma a
atingir mxima a potncia hidrulica por polegada quadrada (HSI) permitida pelos
equipamentos disponveis em sonda. Um segundo passo para melhorar o ROP, seria
modificar a broca. No entanto, isso requer a realizao de ensaios para determinar se
a broca modificada consegue manter a estabilidade vibracional.
-
Figura 4.6 . Valor elevado de
mostra que a eficincia da broca melhorou quando o WOB foi reduzido, resultado e
aumento de ROP. Tambm houve queda na presso quand o o enceramento foi
solucionado.
4.2.1.2 Ineficincia na Limpeza de Fundo de Poo
A ineficincia na limpeza de fundo de poo
qual o acmulo de material no fundo do poo interfere com a transferncia de energia
da broca formao sob a mesma. O material que se acumula no fundo do poo
consiste de partculas finamente moda
presso, de forma semelhante a uma torta de filtro (
desse material depende principalmente da taxa na qual o filtrato penetra o p fino
(composto pelas partculas modas) para que seja aliviado o diferencial de presso
que o segura no lugar. (DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005)
A ocorrncia de ineficincia na limpeza de fundo de poo
de brocas de inserto em formaes de elevada resistncia devido ao esmagadora
das brocas de inserto, apesar de ocorrer at certos nveis sempre que utilizado
elevado peso sobre a broca em formaes resistentes. A curva de
na Figura 4.7 caracterstica da ocorrncia de
. Valor elevado de a 5100 ft devido a enceramento de broca.
mostra que a eficincia da broca melhorou quando o WOB foi reduzido, resultado e
aumento de ROP. Tambm houve queda na presso quand o o enceramento foi
solucionado. (DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005)
Ineficincia na Limpeza de Fundo de Poo
A ineficincia na limpeza de fundo de poo (bottom hole balling), uma condio na
qual o acmulo de material no fundo do poo interfere com a transferncia de energia
da broca formao sob a mesma. O material que se acumula no fundo do poo
consiste de partculas finamente modas que so seguradas por diferencial de
presso, de forma semelhante a uma torta de filtro (filter cake). A taxa de remoo
desse material depende principalmente da taxa na qual o filtrato penetra o p fino
(composto pelas partculas modas) para que seja aliviado o diferencial de presso
(DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005)
ineficincia na limpeza de fundo de poo mais provvel com o uso
de brocas de inserto em formaes de elevada resistncia devido ao esmagadora
serto, apesar de ocorrer at certos nveis sempre que utilizado
elevado peso sobre a broca em formaes resistentes. A curva de
caracterstica da ocorrncia de ineficincia na limpeza de fundo de
40
a 5100 ft devido a enceramento de broca.
mostra que a eficincia da broca melhorou quando o WOB foi reduzido, resultado e m
aumento de ROP. Tambm houve queda na presso quand o o enceramento foi
uma condio na
qual o acmulo de material no fundo do poo interfere com a transferncia de energia
da broca formao sob a mesma. O material que se acumula no fundo do poo
que so seguradas por diferencial de
. A taxa de remoo
desse material depende principalmente da taxa na qual o filtrato penetra o p fino
(composto pelas partculas modas) para que seja aliviado o diferencial de presso
mais provvel com o uso
de brocas de inserto em formaes de elevada resistncia devido ao esmagadora
serto, apesar de ocorrer at certos nveis sempre que utilizado
mostrada
ineficincia na limpeza de fundo de
-
41
poo. Neste exemplo, uma broca de inserto de 7-7/8 est perfurando um formao
com 25 ksi de resistncia usando fluido a base de gua. O valor extremamente
elevado de 234 (em torno de 800 ksi) mostra que o sistema est consumindo a mesma energia necessria para se perfurar uma formao com esse valor
extraordinrio de resistncia compresso. Conclui-se que isso se deve a ineficincia
na limpeza de fundo de poo principalmente por eliminao de explicaes
alternativas. O enceramento de broca no ocorre em formaes de resistncia muito
elevada. Apesar da ocorrncia de vibraes ser muito comum e de poderem acarretar
em valores de 234 da mesma magnitude, a suavidade da curva no representativa da ocorrncia vibraes. A variao no valor de 234 inferior a 5%. Esta baixa variao interpretada como resultante da rotao da broca sobre material
acumulado no fundo do poo, havendo pouco contato direto com a formao
resistente. Vibraes tendem a gerar amplas variaes no torque. Neste exemplo, a
broca no aparenta estar reagindo como o fundo do poo para gerar torque.
(DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005)
-
42
Figura 4.7. Provvel ocorrncia de ineficincia na limpeza de fundo de poo com uma
broca de inserto. Elevados valores de e sua baixa variao (5%) indicam que a broca est girando sobre material acumulado no fund o do poo, tendo pouca interao
com a formao. (DUPRIEST e KOEDERITZ, 2005)
4.2.1.3 Vibraes Laterais
Ao vibrar, a broca tem sua eficincia reduzida, fazendo com que o valor de 234 mostre com clareza um crescimento no consumo de energia. Quando a broca no est
girando em torno do seu centro, h uma perda na eficincia de corte. Esse movimento
no fundo do poo conhecido como vibrao lateral (whirling) e pode ter um impacto
considervel na taxa de penetrao. A Figura 4.8 mostra o comportamento de 234 durante a ocorrncia de vibraes laterais. Os dados so provenientes de um sistema
de monitoramento de vibraes em fundo de poo modificado para exibir a curva de
-
43
234 junto com os demais dados em tempo real. Inicialmente, 234 varia em torno de 50 ksi para uma formao com resistncia inferior a 30 ksi. No entanto, trata-
se de um poo direcional e o elevado consumo de energia pode ser principalmente
devido ao atrito entre a coluna de perfurao e a parede do poo. preciso variar os
parmetros e observar a resposta do 234 em relao linha de base para saber se a broca estava, inicialmente, perfurando com eficincia ou no. Assim que WOB foi
elevado de 12 a 14 mil lb, 234 reduziu de 50 ksi a aproximadamente 40 ksi. Esse comportamento sugere que a broca estava inicialmente menos eficiente em
comparao com a condio aps o aumento do peso. Se a eficincia da broca no
tivesse alterado, o valor de 234 teria permanecido constante. O ROP no aumentou apenas porque o WOB aumentou, mas porque a broca se tornou mais
eficiente como o aumento de carga. Por esse motivo, o ROP teve um aumento (100%)
desproporcional com o aumento de WOB (16%). O aumento na eficincia resultante
de um aumento de WOB uma resposta esperada de uma broca sofrendo vibraes
laterais. possvel notar que havia um baixo nvel de vibraes laterais inicialmente,
que foi reduzido ao nvel mnimo detectvel quando o WOB foi aumentado.
(DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005)
O WOB continuou sendo aumentado lentamente enquanto a perfurao prosseguia,
resultando em uma queda contnua no valor de 234. Por ltimo, um segundo aumento mais brusco resultou em mais melhorias em 234 e ROP. importante notar que o nvel de vibraes laterais segue reduzindo, mas a ferramenta de
monitoramento de vibraes no est configurada para registrar essa reduo. Assim,
234 capaz de exibir os efeitos de um baixo nvel de vibraes, que ferramentas de LWD comuns no so capazes de exibir em tempo real. A vantagem de ser ter
acelermetros de fundo do poo que eles indicam com clareza qual o tipo de
vibrao ocorrendo, enquanto que necessrio realizar alguns testes para determinar
-
isso a partir da curva de
indicar como a vibrao est afetando o desempenho de perfu
duas ferramentas so complementares.
Figura 4.8. R eduo no valor de
quando o WOB aumentado. Instrumentao de fundo d e poo mostra reduo no nvel
de vibraes laterais.
4.2.1.4 Vibraes Torcionais
A vibrao torcional (stick slip
inferior da coluna de perfurao atinge um valor crtico que tende a excitar a mesma.
Consequentemente, procedimento primrio de mitigao consiste em reduzir o torque
sobre a broca at um nvel que no excite a coluna. Isso possvel com a reduo do
WOB. Um aumento na velocidade angular ajuda a manter o momento angular.
Figura 4.9 mostra dados coletados em na fase de 12
ultrapassa 100 ksi. As ferramentas de monitoramento de vibraes mostram
nveis elevados de vibraes torcionais e moderados de vibraes laterais. Quando o
. A vantagem da curva de que ela consegue
indicar como a vibrao est afetando o desempenho de perfurao. Sendo assim, as
duas ferramentas so complementares. (DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005)
eduo no valor de mostra melhora imediata na eficincia da broca
quando o WOB aumentado. Instrumentao de fundo d e poo mostra reduo no nvel
de vibraes laterais. (DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005)
Vibraes Torcionais
stick slip) ocorre quando o torque aplicado na extremidade
inferior da coluna de perfurao atinge um valor crtico que tende a excitar a mesma.
Consequentemente, procedimento primrio de mitigao consiste em reduzir o torque
l que no excite a coluna. Isso possvel com a reduo do
WOB. Um aumento na velocidade angular ajuda a manter o momento angular.
mostra dados coletados em na fase de 12-1/4 de um poo. Inicialmente,
ultrapassa 100 ksi. As ferramentas de monitoramento de vibraes mostram
nveis elevados de vibraes torcionais e moderados de vibraes laterais. Quando o
44
que ela consegue
rao. Sendo assim, as
(DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005)
mostra melhora imediata na eficincia da broca
quando o WOB aumentado. Instrumentao de fundo d e poo mostra reduo no nvel
(DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005)
ocorre quando o torque aplicado na extremidade
inferior da coluna de perfurao atinge um valor crtico que tende a excitar a mesma.
Consequentemente, procedimento primrio de mitigao consiste em reduzir o torque
l que no excite a coluna. Isso possvel com a reduo do
WOB. Um aumento na velocidade angular ajuda a manter o momento angular. A
1/4 de um poo. Inicialmente,
ultrapassa 100 ksi. As ferramentas de monitoramento de vibraes mostram
nveis elevados de vibraes torcionais e moderados de vibraes laterais. Quando o
-
WOB reduzido de 45 a 35 mil lb, a broca se torna consideravelmente mais eficiente e
diminui at valores inferiores a 10 ksi. Como efeito, o ROP aumentou de 25
fph a 200 fph. (DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005)
Figura 4.9. Grfico mostrando efeito considervel que vibraes torcionais e laterais
podem ter na eficincia da broca e no ROP. A redu o no WOB foi eficaz.
A Figura 4.10 mostra uma srie de teste de
ocorrncia de vibraes torcionais para valores especficos de WOB. Sempre que
WOB se aproximava de 40 mil lb,
reduzia. Em outros casos, as vibraes torcionais foram mitigadas, inicialmente, com
um aumento em RPM, e, caso no bastasse, uma posterior reduo de WOB. A maior
combinao de velocidade angular e de WOB que po
de vibraes laterais ou torcionais resulta na taxa de penetrao mxima.
WITT e REMMERT, 2005)
de 45 a 35 mil lb, a broca se torna consideravelmente mais eficiente e
diminui at valores inferiores a 10 ksi. Como efeito, o ROP aumentou de 25
(DUPRIEST, WITT e REMMERT, 2005)
Grfico mostrando efeito considervel que vibraes torcionais e laterais
podem ter na eficincia da broca e no ROP. A redu o no WOB foi eficaz.
WITT e REMMERT, 2005)
mostra uma srie de teste de , nos quais detectou
ocorrncia de vibraes torcionais para valores especficos de WOB. Sempre que
WOB se aproximava de 40 mil lb, crescia bruscamente e a taxa de penetrao
reduzia. Em outros casos, as vibraes torcionais foram mitigadas, inicialmente, com
um aumento em RPM, e, caso no bastasse, uma posterior reduo de WOB. A maior
combinao de velocidade angular e de WOB que pode ser atingida sem a ocorrncia
de vibraes laterais ou torcionais resulta na taxa de penetrao mxima.
45
de 45 a 35 mil lb, a broca se torna consideravelmente mais eficiente e
diminui at valores inferiores a 10 ksi. Como efeito, o ROP aumentou de 25
Grfico mostrando efeito considervel que vibraes torcionais e laterais
podem ter na eficincia da broca e no ROP. A redu o no WOB foi eficaz. (DUPRIEST,
, nos quais detectou-se a
ocorrncia de vibraes torcionais para valores especficos de WOB. Sempre que
crescia bruscamente e a taxa de penetrao
reduzia. Em outros casos, as vibraes torcionais foram mitigadas, inicialmente, com
um aumento em RPM, e, caso no bastasse, uma posterior reduo de WOB. A maior
de ser atingida sem a ocorrncia
de vibraes laterais ou torcionais resulta na taxa de penetrao mxima. (DUPRIEST,
-
Figura 4.10. e instrume
vibraes torcionais acima de um valor especfico d e WOB para esta formao. ROP
maximizado aplicando- se um WOB imediatamente abaixo desse valor.
4.2.1.5 Vibraes Axiais
Apesar de serem pouco frequentes, as vibraes axiais podem ser detectadas em
formaes como dolomitas e
4.11 mostra quando houve um incio de ocorrncia de vibraes axiais devido a uma
mudana de litologia, e o WOB foi aumentado de 10 a 25 mil lb. O valor de
aumentou at 35