004 colunas de perfuração( 4h-2014)

Perfuração

Índice – Colunas de perfuração1 – Coluna de perfuração –funções/Conexões/BHA;2 – Acessórios;3 – Ferramentas de manuseio;4 – Esforços;4.1 – Tração;4.2 – Pressão interna; 4.3 – Colapso/Torção;4.4 – Esforços conjugados4.5 - Efeito da Tração no colapso.4.6 – Flambagem5 – Projeto de uma coluna de perfuração.

Perfuração

Objetivo

Conhecer as especificações das colunas de perfuração, seus componentes básicos, acessórios, ferramentas e o seu dimensionamento.

Perfuração

Principais funções das Colunas de Perfuração;-Aplicar peso sobre a broca;-Transmitir rotação para a broca;-Conduzir o fluido de perfuração; -Garantir a inclinação e direção do poço.

Componentes Básicos;Kelly. Drill Pipe. Heavy Weight ou Hevi-Wate e Drill Colar.

AcessóriosSubs. Estabilizidores. Jar. Roller Reamer. Alargadores e Amortecedores de choque.

Principais FerramentasCunha. Chave de broca. Chave flutuante. Colar de segurança. Kelly Spinner. Iron Roughneck.

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1 – Componentes básicos;

Componentes Básicos;

-Kelly. -Drill Pipe (DP).- Heavy Weight (HWDP).-Drill Colar (DC).

O BHA é formado por todos os componentes que vão desde a broca até os tubos Heavy Weight ou Hevi-Wate.

A seguir detalha-se a finalidade dos componentes básicos;

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1 – Componente - Kelly

O Kelly tem com função de transmitir torque à coluna de perfuração fornecido pela mesa rotativa.

A especificação do Kelly é encontrada no API Spec RP7G, item 6 e na Spec 7 seção 3.

São fabricados de acordo com a Norma AISI 4145-H (41=aço cromo molibdênio, 45=0,45% de carbono e H=tipo de tempera).

Abaixo do Kelly usa-se o Sub de Salvação do Kelly, que evita

danos nas roscas do Kelly pelas constantes conexões.

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1 – Componente - Kelly

O Sub de Salvação do Kelly também pode ser substituído por um sub de rosca, quando a rosca do Kelly for diferente da coluna. Para escolha do Kelly deve-se pesquisar na seguinte tabela.

Perfuração1- Componente - Kelly

Para fechar o interior da coluna em caso de Kick, usa-se uma das duas válvulas, a Kelly Cock Superior(opcional) e a inferior. Essas válvulas deverão ser testadas com as seguintes pressões.

O Kelly não deve apresentar empenos e o seu centro da seção transversal deve coincidir com o centro geométrico da coluna para evitar desgastes e vibrações no topo da coluna.

Pressão de trabalho Mínima Pressão de teste (SheIl)

5000 psi 10000 psi10000 psi 15000 psi15000 psi 22500 psi

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1 – Componente - Drill Pipe (Tubos de perfuração)

São tubos sem costura (ream less) feitos por extrusão, com reforço nas extremidades para permitir a soldagem das juntas (tool joint). As suas principais funções são:

a) Transmitir torque e rotação;b) Permitir o fluído de perfuração circular.

A normalização está na API SPEC 5A e RP7G.Tool Joint

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Na especificação do drill pipe deve constar:

1.Diâmetro nominal externo (OD);2.Peso nominal;3.Reforço (upset);4.Conexão5.Comprimento nominal;6.Desgaste;7.Características especiais.

O diâmetro nominal externo varia de 2 3/8” até 6 5/8”.O peso nominal é valor usado para identificar o tubo, não é o peso do tubo pois este depende do peso do Tool Joint (uniões cônicas), é expresso em (lb/pé). Com o peso nominal e o OD determina-se o ID e a espessura da parede.

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É comum passar um gabarito por dentro dos Drill Pipes e retirar da coluna aqueles tubos que o gabarito não passou. A coluna gabaritada é chamada de coluna driftada. Assim a coluna garante o drift.

O grau do aço determina as tensões de escoamento e de ruptura.

GRAU DO AÇO ESCOAMENTO RUPTURA

Mínimo (psi) Máximo (psi)

E75 75.000 105.000 100.000

X-95 95.000 125.000 110.000

G105 105.000 135.000 115.000

S135 135.000 165.000 145.000

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O reforço na extremidade do tubo tem objetivo de criar uma área de maior resistência, onde é soldada uma união cônica, minimizando nesse ponto o problema de quebra por fadiga. Esse reforço pode ser:

Interno (IU) Internal UpsetExterno (EU) External UpsetMisto (IEU) Internal - External Upset

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1 – Componente - Drill pipe (Tubos de perfuração)

Corpo grau do aço E e X – aço carbono AISI 1040 e 1045:•10 -> aço carbono.•40 -> 0,4% de carbono.•45 -> 0,45% de carbono.

Corpo grau do aço G e S - AISI 4130 e 4140•41 -> aço molibdênio.•30 -> 0,3% de carbono.•40 -> 0,4% de carbono .

Tool Joint – aço AISI 4137-H•41 -> aço molibdênio.•37 -> 0,37% de carbono.•H -> tipo de tempera.

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Outros tipos de materiais são alternativos para Drill Pipe, como os compostos reforçados com fibras de carbono, ligas de alumínio e titânio:

•Densidade do aço carbono = 7,85 g/cmᶟ•Densidade de ligas não ferrosas = 4,54 g/cmᶟ•Densidade do titânio = 2,78 g/cmᶟ•Densidade de compostos c/fibra de carbono = 1,8 g/cmᶟ.

Dessas alternativas somente a de ligas de alumínio tem algum histórico de uso. Os DP de alumínio são opções para poços de grande afastamento, pois reduzem o atrito da coluna na seção horizontal do poço. No entanto, para poços profundo, se houver uma variação de temperatura entre 20°C e 200°C a tensão de escoamento cai até 70%.

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1 - Componente - Drill Pipe (Tubos de perfuração)

Classificação quanto ao desgaste (redução de espessura)

Tubo novo é só quando é comprado, assim se o tubo desceu uma vez no poço passa à condição de Premium. No mar é comum utilizar tubos de perfuração Premium. Em terra, pode-se utilizar a Classe 2 ou mesmo a Classe 3. O Drill Pipe é para ser consumido em operação.

CLASSE REDUÇÃO DE ATÉ CÓDIGO FAIXANovo 0% 1 brancaPremium De 0% a20% 2 brancasClasse 2 De 20% a 30% 1 amarelaClasse 3 De 30% a 40% 1 laranjaRejeitado >40% 1 vermelha

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Existem 3 ranges de tubos

As roscas das uniões cônicas são padronizadas pelo API, levando em conta o número de fios por polegada, a conicidade em percentual de perfil da rosca.

O API adota a forma de “V – NÚMERO”, para a rosca e o número pode significar a largura do dente da rosca ou o raio de entalhe da rosca.

RANGES COMPRIMENTO TAMANHO MEDIO

RANGE 1 18 A 22 PÉS MÉDIA 20 pés

RANGE 2 27 A 32 PÉS Media 30 pés

RANGE 3 MEDE 40 Pés Media 40 pés

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1- Componente - Drill Pipe (Tubos de perfuração)

As roscas API dos DP não vedam na rosca como ocorre nos tubos de revestimento com a graxa, pois a vedação é conseguida no espelho das caixas e pinos com o torque certo. Por isso aplicar o troque especificado é fundamental para os Drill Pipes.

ROSCA API NOME PERFIL

IF INTERNAL FLUSH V-0,038R

HF FULL HOLE V-0,038 R/V

REG REGULAR V-0,04/V

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1–Componente - Drill Pipe (Tubos de perfuração)

Conexões de Drill Pipes mais comuns. NC=Number Connection, normalizado pelo API a partir de 1968.

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1–Componente - Drill Pipe (Tubos de perfuração)

Detalhes das conexões de Drill Pipe.

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1–Componente - Drill pipe (Tubos de perfuração)

Torque

É importante usar o torque adequado recomendado pelo API nas uniões.

O aperto excessivo pode resultar em quebra:

Da caixa da conexão.Do pino da conexão Do cabo da chave flutuante.Da chave flutuante.

O aperto insuficiente pode resultar em vedação insuficiente, originando na ocorrência indesejável de lavagem dos fios de rosca (ficam trechos sem fios de rosca) e pode ocorrer soltura da coluna.

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Fadiga

A fadiga é a causa da maioria das rupturas de DP. A fadiga aparece quando os tubos trabalham fletidos.

Ranhuras

Os DP possuem ranhuras e sulcos, pela ação das cunhas, revestimentos e transporte. As ranhuras transversais são perigosas pois constituem pontos de concentração de tensão.

Corrosão

Forma depressões na superfície que facilitam a fadiga.

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Recomendações práticas

Não usar cunha para desenroscar tubos. Não usar martelo mas sim marreta de bronze. Evitar o uso de corrente. Evitar utilizar tubos tortos. Evitar torque excessivo. Evitar que trabalhem sob compressão. Usar HW ou trocar posição de DP na coluna. Apoiar em 3 pontos na mesa rotativa através da cunha. Terminado o poço lavar as roscas e aplicar graxa. Fazer inspeção para detectar fissuras.

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1 – Componente- Drill pipe (Tubos de perfuração)

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1 – Componentes do BHA –COMANDOS (DRILL COLAR)

Objetivos:• Transmitir peso para a broca.• Circular fluido de perfuração.• Dar rigidez a coluna junto com aos estabilizadores, permitindo controlar a inclinação do poço e odesvio do poço.

Na especificação do comando deve constar:

1.Diâmetro nominal externo (OD) em pol.;2.Diâmetro interno (ID) em pol.;3.Tipo de conexão;4.Características especiais (espiralados ou lisos),com ressalto para cunha e elevador.

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1 – Componentes do BHA –COMANDOS (DRILL COLAR)

Formas dos Drill Colars:

• Lisos• Espiralados (previnem a prisão por pressãodiferencial de pressão)• Quadrados (previnem a prisão por diferencial de pressão), mas são difíceis de pescar.

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1 – Componentes do BHA- COMANDOS (DRILL COLAR)

O diâmetro externo é escolhido em função do diâmetro do poço e para possibilitar pescaria. O diâmetro interno esta relacionado ao peso do comando.

As características especiais é se o comando é do tipo espiralado ou liso, se tem ou não rebaixamento para colocação de cunhas e pescoço para o elevador.

Existe um comando especial para poços direcionais chamado de K-Momel, que é feito de material não magnético.

Diâmetro externo

Limite de escoamento(psi)

Tensão de ruptura(psi)

3 1/8“até 6 7/8” 110.000 140.000De 7” a 10” 100.000 135.000

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1 – Componentes do BHA - COMANDOS (DRILL COLAR)

Os comandos são fabricados de ligas de aço 4145-H Cromo Molibdênio forjado e usinado no diâmetro externo, sendo o diâmetro interno perfurado a trepano.

São fabricados nos range de 30 a 31 pés, mas em casos específicos podem ter 42 a 43,5 pés.

A conexão é usinada no próprio tubo e protegido por uma camada fosfatada.

A parte mais frágil é a conexão.

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1 - Componentes do BHA – Heavy Weight

Objetivos:

•Permitir a circulação de fluídos;•Transmitir rotação;•Promover transição de rigidez;•Peso sobre a broca.

•Tipo de aço: o aço do Tool Joint é AISI 4145–H, aço cromo molibdênio. Já no corpo do HW usa-se o aço AISI 4032, aço molibdênio.

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1 - Componentes do BHA - Heavy Weight

Especificação:

• Diâmetro externo (3 ½” a 5”);• Comprimento nominal (Range II e III);• Grau do aço (marcado no Tool Joint); • Aplicação de material duro: - Tool Joints. - Reforço intermediário.

Desgaste: não há normalização. É avaliado pelo usuário.

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1 - Componentes do BHA - Heavy Weight

Vantagens:

• Menor tempo de manobra que o comando.• Diminui a possibilidade de quebras de DP na zona de transição de esforços.•Aumenta a eficiência de sondas de pequeno porte pela maior agilidade no manuseio de HW do que dos DC.•Nos poços direcionais diminui o atrito, pois tem menor área em contato com as paredes do poço.

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1 - Componentes do BHA - Heavy Wheight

Tubos HW mais utilizados.

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1 - Conexões

1.1 – União cônica (API Spec. 7)

Facilitam o enroscamentoPromovem vedação metal x metal nos ombros;

1.2 Roscas API

1.3 TiposIntegrais (Comandos)Tool Joint (DP e HW) - adição de metal duro; - aumenta a vida útil; - gera maior desgaste no revestimento;

IF INTERNAL FLUSH PERFIL V – 0,038/R

FH FULL HOLE PERFIL V – 0,038R/V

REG REGULAR PERFIL V – 0,040/V-0,05

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1- Conexões

1.4 – Tool Joint: são de dois tipos

•Enroscamento a quente (união aquecida e tubo frio)•Soldagem integral (partes aquecidas por indução e enroscamento por rotação e pressão, sem adição de material);

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1- Conexões

1.5 Ações práticas

Colocar protetor de rosca:• tanto no pino como na caixa.

Colocar torque adequado nas conexões:• O API lista o torque mínimo necessário;• Colocar o torque entre o mínimo e mais 10%;• Aplicar o torque no ponto certo;• Calibrar a chave hidráulica.

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1- Conexões

Trabalhando na conexão com duas chaves flutuantes.

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1- Conexões

Drill Pipe

Toll Joint

Plataformista trazendo uma chave flutuante

Mesa rotativa

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2- Acessórios

São eles:

2.1) Estabilizadores - Calibre do poço/Rigidez/Afastar comandos da parede.

2.2) Roller Reamer - Escarificador de paredes do poço

2.3) Jar - Soltar a coluna presa.

2.4) Schok Sub

2.5) Os substitutos (Sub’s) - Sub de içamento/Sub de broca/Salvação do Kelly/Cruzamento de roscas/outros.

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2- Acessórios

2.1 - Tipos de Estabilizadores. Fundamentais em poços desviados

•Laminas ajustadas;•Lâminas soldadas•Camisa com mandril•Camisa não rotativa•Steerable Ajustável Expansível ou variável

Os estabilizadores integrais são uma peça única com lâminas soldadas no corpo do tubo.

Estabilizadores com camisa podem ser trocados quando gastos.

Steerable permite variar o diâmetro durante a perfuração através de variação de vazão, rotação e peso.

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2 Acessórios

2.2 Escariadores (Roler Reammer)

•Calibre do poço;•Rigidez;•Afastar comandos da parede;•Formações mais duras e abrasivas.

2.3 Ferramentas - impacto

Os tipos são:•Drilling Jar;•Aceleradores;•Bumper;•Shocks Subs.

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O Drilling Jar é utilizado para libertar coluna presa através de impactos ascendentes ou descendentes, transformando a energia elástica da deformação da coluna em energia cinética.

Drilling jar e Fishing jarDrilling jar : Mecânico Hidráulico Hidro- mecânico.

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Posicionamento do Jar.

•O Jar não deve ser colocado em zona frágil da coluna e nem criar uma zona frágil.•O Jar não deve ser posicionado a pequena profundidade (peso insuficiente).•O Jar não deve ser colocado em zona de flutuação de carregamento de tração para compressão.•A força de impacto do Jar equivale a 8 vezes a força colocada sobre ele.•Posicionar o Jar 30 metros acima do ponto mais alto de prisão (estabilizadores, alargadores, etc.).•Posicionar o Jar 30 metros acima de qualquer mudança de área.•O Jar tem um valor mínimo de trava, tanto a tração como a compressão e não se deve ultrapassar em 50%, para evitar o disparo acidental.

Perfuração2.3 Ferramentas - impacto

Disparo do Jar (para cima): a tração de disparo do Jar para cima será o peso da coluna acima do Jar+arraste do poço+tração desejada (overpull).

Seqüência do disparo: armar o Jar baixando a coluna acima dele. Tracionar a coluna com o valor calculado. Manter a coluna tracionada até o disparo. Repetir o procedimento até a coluna ser libertada.

Disparo do Jar (para baixo) A tração de disparo do Jar para baixo será o peso da coluna acima do Jar - arraste do poço – forca de abertura do mandril do Jar – compressão desejada.

Seqüência de disparo: armar o Jar tracionando a coluna sobre ele. Comprimir o Jar tracionado a coluna no valor calculado. Manter a coluna tracionada. Repetir a operação até a liberação da coluna.

Perfuração2.3 - Ferramentas - impacto

Jar – Fórmulas

Força de impacto do Jar:

Fi = Ajar/(Adc +Ajar) x (Vjar/Vdc) x Tovp

Velocidade de contração do DC:

Vdc =(Tovp x Vs)/(Adc x E)

Ajar = área do JarAdc= área do Drill ColarVjar= Velocidade de JarVdc= Velocidade de contração do Drill CollarTovp= Força no Jar (overpull)E = Módulo de elasticidade do DCVs= Velocidade acústica do som no meio.


Jar – Fórmulas

Velocidade do martelo do jar

Vjar = Vdc x (1 + 2 Σ x λ )

Vjar = Vc x (1+2 x λ/(1- λ))

Coeficiente de reflexão

λ = (α-1)/(α+1)α = Adc/At

λ = coeficiente de reflexãon= número de reflexõesAt = área do tubo de perfuração

n

n-1

n


Exercício n°1: Calcule a velocidade do martelo depois da primeira, segunda, terceira, quarta, etc. reflexão e a força de impacto do jar.Dados: DC 8”x 3”, DP 5” x 4,277”, velocidade do som no DC= 16800 pés/s, Overpull = 100.000 lbf e área do Jar = área do DC

Área do DC Adc = ∏/4(8²-3²)= 43,197 pol².

Velocidade do som no meio (DC)Vdc = Tovp x Vs/Adc x E =(100.000x16800)/(43,197x30x10⁶)=1,297pé/s

Área do DPAt = = ∏/4(5²-4,277²)= 5,268 pol².

α = Adc/At = 43,197/5,268= 8,20

λ = (α-1)/(α+1) = (8,20-1)/8,20+1)= 0,7826


Jar – exercício

Velocidade do jar Vjar 1 = 1,297 (1+2 x 0,7826)= 3,33 ft/sVjar 2 = 1,297 (1+2 x 0,7826 x 0,7826²)= 4,92 ft/sVjar 3 = 1,297 (1+2 x 0,7826 x 0,7826² x 0,7826ᶟ)= 6,16 ft/sVjar 4 = 1,297 (1+2 x 0,7826 x 0,7826² x 0,7826ᶟ x 0,7826⁴)= 7,13 ft/s

Vjar = 1,297 (1+2 x 0,7826/1-0,7826)=10,63 pés/s

Força de impactoFi = (43,197/43,197+43,197) x (Vjar/1,297) x 100.000=

Para Vjar=3,33 ft/s -> Fi= 128.373 lbf. Vjar=4,92ft/s -> Fi=189.668 lbfVjar= 6,16 ft/s -> Fi= 237.471 lbf, Vjar= 7,13 ft/s -> Fi = 274,885 lbfVjar = 10,63 ft/s -> Fi = 409.792 lbf

Perfuração2.4 Ferramentas – Amortecedor de choque (Schok Sub)

Objetivo: absorver vibrações produzidas pela broca.

Local de colocação:

•Para poços sem tendência de desvio posicionar acima do sub de broca.•Para poços com pequenas tendências de desvios, deve-se posicionar o amortecedor acima do primeiro ou segundo estabilizador.•Para poços com grandes

tendências de desvio colocar o amortecedor acima do conjunto estabilizado.

Perfuração3 – Ferramentas de manuseio

São as seguintes:

•Chaves flutuantes e hidráulicas;•Iron Roughneck ;•Easy-Torq•Cunha;•Colar de segurança•Kelly Spinner.

•As cordas são utilizadas para enroscar tubos, já as chaves flutuantes, mantidas suspensas na plataforma, são usadas para dar torque de aperto ou desaperto nos elementos tubulares.


Algumas sondas são equipadas com chaves pneumáticas ou hidráulicas, que servem para enroscar ou desenroscar tubos. Mas o torque é dado pela chave flutuante.

O Easy-Torq é para aplicar altos valores de torques, podem ser utilizados para apertar e desapertar comandos.

Em algumas sondas tem-se o Roughneck, que é capaz de executar os serviços dos plataformistas durante as

conexões.


Roughneck- exemplos

Perfuração3 – Ferramentas de manuseio;

Configuração com duas chaves flutuantes (é a situação normal) em ação em duas configurações diferentes:

Chave 1

Chave 2


Cálculo do torque na conexão:

O torque é a força multiplicada pelo tamanho da chave flutuante.

T = R x F x sen α.

Exercício n°2: determine a tração no torquímetro e a força no cathead, para as duas configurações, sabendo-se que o torque a ser dado é de 36.000 lbf. ft e o braço da chave mede 4 ft.

R

F

α

Tubo


Situação 1

C = 36000(lbf.ft)/4(ft)= 9000 lbf

F = 9000 lbf/2 = 4500 lbf

Força co Cathead de 4500 lbf.

Tração no Torquímetro de 9000 lbf


Situação 2

R = 36000(lbf.ft)/4(ft)= 9000 lbf

F = C = 9000 lbf/2 = 4500 lbf

Força co Cathead de 4500 lbf.

Tração no Torquímetro de 4500 lbf FORÇA


Cunha: servem para apoiar a coluna na plataforma. São providas de mordentes que se encaixam entre a coluna e a mesa rotativa.

Colar de segurança: para comandos lisos com a função de prover um batente para cunha caso o comando deslize.

Kelly Spinner: Equipamento colocado acima do Kelly, acionado por ar comprimido que permite fazer o Kelly girar nas conexões e desconexões.


A esquerda o elevador puxando uma coluna. A direita o torrista pronto para abrir o elevador e colocar uma seção na vertical junto com as demais.

PerfuraçãoExercícios da série 2 sobre Coluna de perfuração:

1-Quais as 4 principais funções da coluna de perfuração?2-Quais as 4 principais componentes da coluna de perfuração?3-O que deve constar na especificação do tubo de perfuração?4-Por que tubos de perfuração são fabricados com reforço na extremidade?5-O que é um tubo de perfuração de classe premium?6-Qual a parte mais frágil dos tubos de perfuração?7-Quais as 3 funções do Drill Colar?8- Por que usar HWDP?9-Cite 4 tipos de subs?10-Para que servem os estabilizadores na coluna de perfuração?11-Qual a função do colar de segurança?12- Cite 5 ferramentas de manuseio?13- Quais os tipos de conexões utilizados na coluna de perfuração?

Perfuração

4 – Esforços 4.1 – Tração para coluna de perfuração.

Quando a tensão atinge a máxima tensão admissível σE, teremos a resistência a tração do tubo.

Ym = Rt/A (Ym =Y = σE = limite de escoamento, Rt = tração máxima e A = área).

Rt = ∏/4 x Y x (OD²-ID²) O elemento mais solicitado a tração é o tubo de perfuração (DP), pois deve suportar todo peso próprio da coluna imersa em fluído, na maior profundidade esperada.

Assim, considerando o empuxo temos:

T = P – E (P = peso próprio da coluna e E= empuxo)

Perfuração

4.1 – Tração para coluna de perfuração.

T= Peso-EmpuxoP = ρ (aço) x V (aço)E = ρ(f) x V(deslocado)ρ(aço) = peso específico do aço = 65,44 lb/gal.ρ (f) = peso específico do fluído do poçoV (aço) = volume de aço.V (deslocado) = volume de fluído deslocado pelo aço.

T =ρ (aço) x V(aço) – ρ(f) x V(aço) = ρ (aço) x V(aço) (1 –ρ(f))/ρ(aço).

T = α x P

α = (1 –ρ(fluído))/ρ(aço).

α = Fator de flutuação

Perfuração

4.1 – Tração para coluna de perfuração.

É comum utilizar α = 0,9 multiplicando o limite de escoamento para trabalhar na região linear do gráfico. Com o fator de segurança de 1,25 temos :

Rt = (Y x A x 0,9)/1,25

Peso específico do fluído α = Fator de flutuação

8,6 0,8629 0,862

10 0,84711 0,83212 0,817

Perfuração

4.2 – Pressão Interna

Quando a pressão interna é maior que a pressão externa a resistência interna é calculada pela fórmula de Barlow para tubos de paredes finas.

σ = ((Pi-Pe) x OD)/2t

A resistência máxima ocorre quando a tensão atingir a tensão de escoamento σE. Logo a máxima diferença de pressão (Pi-Pe) será a máxima resistência a pressão interna possível (Rpi).

Y = Rpi x OD/2 x t e Rpi = 2 x t x Y/OD

O API permite que a espessura dos tubos de perfuração (DP) para tubos novos variem em até 12,5%. Logo:

Rpi = 2 x (0,857 x t) x Y/OD = 1,75 x t x Y/OD

Perfuração

4.2– Pressão Interna

Para o cálculo do tubo desgastado considera-se o desgaste apenas na espessura, o diâmetro externo permanece nominal. Fator de segurança igual a 1,1.

Exercício 3: Qual a Rpi de um tubo de perfuração 4 ½” OD, 16,6 lb/pé, grau E, novo.

Grau E -> Y = 75000 psit = (4,5 – 3,826)/2 = 0,337”

Rpi = 1,75 x t x Y/OD = 1,75 x 0,337 x 75000/4,5= 9830 psi Rpi = 9830/1,1 = 8935 psi.

Perfuração

4.2 – Pressão Interna

Exercício 4: Qual a Rpi de um tubo de perfuração 4 ½” OD, 16,6 lb/pé, grau E, Premium?

É permitida uma redução de 20% da espessura.

Grau E -> Y = 75000 psit = (4,5 – 3,826)/2 = 0,337” x 0,8= 0,2696”

Rpi = 1,75 x t x Y/OD = 1,75 x 0,2696 x 75000/4,5 = 8987 psi Rpi = 8987/1,1 = 8170 psi.

Perfuração

4.3 – Colapso

Esse efeito ocorre quando a pressão externa é maior que a pressão interna. A ruptura mais comum é pseudo plástica.

σr = A +B/R² e σt = A – B/R²

A = (Pi x Ri² – Pe x Re²)/(Re²-Ri²)

B = ((Pe-Pi)Re x Ri )/(Re²-Ri²)

Para o cálculo do colapso assume-se Pi=0. Assim, nas expressões acima o valor de “A” é sempre negativo e de “B” sempre positivo.

A tensão mais crítica é a máxima em módulo (|σr|,|σt|) = σt (é a máxima). Como o máximo valor de σt ocorre na parede interna do Tubo, temos R=Ri

Perfuração

4.3 – Colapso

σt = (-Pe x Re²)/ (Re²-Ri²) – (Pe x Re² x Re²/ (Re²-Ri²)σt = -2Pe Re²/ (Re²-Ri²) O sinal negativo esta indicando compressão.Assim, quando nesse ponto se atinge o limite de escoamento se terá a máxima pressão externa.σt = Y e R=Ri e Pi =0 => Pe = RcY = (2 x Re x Re²)/(Re²-Ri²) = Y/2x ((Re –Ri)(Re+Ri))/Re², mas Re-Ri=t e Re+Ri+t = OD Rc = Y/2 x t x (OD-t)/OD²/4Pc = 2 x Y x ((OD/t)-1)/(OD/t)²)

Experimentalmente essa equação se aplica para pequenos valores da relação de OD/t (ou seja, tubos de parede grossa). Se for aplicada essa condição diz-se que o colapso é por ESCOAMENTO ou pseudo plástico.

Perfuração

4.3 – Colapso

Existem outros limites de perda de estabilidade por colapso e assim foram definidas 4 regiões:

•Falha por escoamento ou pseudo plástica (fórmula slide anterior)•Falha plástica (levantamento de testes reais)•Falha de transição(ajuste entre duas regiões)•Falha elástica (instabilidade da parede do tubo)

•O API definiu as seguintes constantes para cálculo do colapso

A = 2,8762+0,10679 x 10⁻⁵(Y) + 0,21301 x10⁻¹ᵒ(Y)²-0,53132x10⁻¹⁶(Y)ᶟ B = 0,026233 + 0,50609 x10⁻⁶ (Y)C = -465,93+0,030867(Y)-0,10483 x 10⁻⁷(Y)²+0,36989 x 10⁻¹ᶟ(Y)ᶟ

Perfuração

4.3 – Colapso

F = 46,95x10⁶(X1)/(Y)(X2)(X3)X1= ((3x(B/A))/(2+(B/A)))ᶟ X2= (Y)x((3(B/A))/(2+(B/A)) – B/A)X3=((1 – (3(B/A))/(2+(B/A)))²G = F(B/A)

GRAU DO AÇO

ESCOAMENTO PLÁSTICA TRANSIÇÃO ELASTICA

E 13,60 ou menos Entre 13,60 e 22,91 Entre 22,91 e 32,05 Acima de 32,05

X 12,85 ou menos Entre 12,85 e 21,33 Entre 21,33 e 28,36 Acima de 28,36

G 12,57 ou menos Entre 12,57 e 20,70 Entre 20,70 e 26,89 Acima de 26,89

S 11,92 ou menos Entre 11,92 e 19,18 Entre 19,18 e 23,44 Acima de 23,44

Perfuração

4.3 – Colapso

Fórmula para a falha Plástica:

Rcp = Y x (A/(OD/t)-B)-C

As constantes para a fórmula são:

GRAU DO AÇO A B C

E 3,054 0,0642 1,806

X 3,124 0,0743 2,404

G 3,162 0,0794 2,702

S 3,272 0,0946 3,601

Perfuração

4.3 – Colapso

Fórmula para a falha de Transição:

Rt = Y x (F/(OD/t)-G)

As constantes para a fórmula são:

GRAU DO AÇO F G

E 1,990 0,0418

X 2,029 0,0492

G 2,053 0,0515

S 2,133 0,0615

Perfuração

4.3 – Colapso

Fórmula para a falha Elástica:

Rc= 65 x 10⁶/(OD/t) x ((OD/t) -1)². O API fornece a seguinte equação para calcular em psi (x 0,95 e x 0,75)

Re= 46,95 x 10⁶/(OD/t) x ((OD/t) -1)²

Para cálculo do colapso do tubo desgastado, considera-se desgaste no OD.

Perfuração

4.3 – Colapso

Exercício n°5: Qual a resistência ao colapso de um tubo de perfuração 4 1/2”, 16,6 lb/pé, grau E e novo?

Grau E => Y = 75000 psit= 4,5-3,826/2 => t=0,337“OD/t = 4,5/0,337 = 13,353 < 13,67 (Falha no regime Escoamento ou pseudo-plástica).

Pc = 2 x Y x ((OD/t)-1)/(OD/t)²)Rpp = 2 x 75000 x ((4,5/0,337)-1)/(4,5/0,337)² = 10392 psiRpp com fator de segurança Rcs= 10392 psi/1,125 = 9237 psi

Perfuração

4.3 – Colapso

Exercício n°6: Qual a resistência ao colapso de um tubo de perfuração 4 1/2”, 16,6 lb/pé grau E classe Premium?

Grau E => Y = 75000 psi.t =0,337 x 0,8 = 0,2696”OD = 4,5 – (2 x (0,337-0,2696))=4,3652”OD/t = 4,3652/0,2696= 16,19. 13,63<16,19<22,91Logo falha se dá no regime plástico.

Rcp = Y x (A/(OD/t)-B)-C

Rc = 75000 ((3,054/16,1914)-0,0642)-1806= 7525 psiRc= 7525 psi/1,125 = 6689 psi

Perfuração

4.3 – Torção

Se calcula pela seguinte fórmula: Q = J x ζmax/re

Mas, ζmax= 0,5 YO API utiliza 0,575 em vez de 0,5, por seguir o critério de Von Mises mostrado a seguir:

(σ1- σ2)² + (σ1–σ3)² + (σ2–σ 3)² = 2Y²Como σ1=ζ, σ2=-ζ e σ3=0Logo ((ζ -(- ζ ))² +(ζ)² + (ζ)² =2Y² disso tenho: 6 (ζ)²= 2Y² ζ max. = Y/√3.O ζ max. recomendado pelo API é 0,577 x Y

J = momento de inérciare = raio externo

Perfuração

4.3 – Torção

O momento de inércia pode ser calculado como: J=∏/32(OD⁴-ID⁴).

Exercício n°7: Qual a resistência a torção de um tubo de perfuração 4 ½ OD, 16,6 lb/pé, grau E novo?

Dados:OD=4,5”, ID =3,826”

Cálculos re = 4,5”/2 = 2,25”J=∏/32 x (4,5⁴–3,826⁴) = 19,221”ζ max = 0,577 x 75000= 43275 psiQ=(19,221 pol⁴x 43275lbf/pol²)/2,25pol=369.684 lbf.pol

Perfuração

4.3 – Torção

Exercício n°8: Qual a resistência a torção de um tubo de perfuração 4 ½ OD, 16,6 lb/pé, Premium?

OD=4,5”-2x(0,337-0,2696)=4,3652”re = 4,3652/2=2,1826” J=∏/32x(4,3652⁴–3,826⁴)=14,6097”ζ max=0,577x75000=43275psiQ =(14,6097x43275)/2,1826=289.670 lbf.pol.

Perfuração

4.3 – Influência da tensão axial

O aumento na resistência interna é desprezível.

Efeito da > na v tração compressão

Pressão interna + -Colapso _ +Torção _ _

Perfuração 4.4 – Efeito conjugado de esforços: tração no colapso

Dedução por Von Mises:

(σ1-σ3)² + (σ1-σ2)² + (σ2-σ3)² = 2Y²O ponto crítico é na parede interna.Assim, r=ri, Pi=0, σr = σ3= 0, σt =σ2, σa = σ1(σa-σt)² + (σa)² + σt = 2Y²(σa)² - (σa x σt) + (σt)² = Y²(σa)²/Y² - (σa x σt)/ (Y x Y) + (σt)²/ Y²= 1σa = T/área e X = (T/área)/YX² – X – σt/Y + (σt)²/ Y² = 1

Mas Y = 2 x Rc x re²/(re²-ri²) (de deduções de fórmulas do colapso)E σt = 2 x Rca x x re²/(re²-ri²) Então -σt/y = Rc/Rca = Z Finalmente temos a equação de uma elipseX² + XZ + Z²=1

Perfuração

4.4 – Efeito da tração no colapso

Assim para o cálculo da resistência reduzida ao colapso se procede da seguinte maneira:

a) Dado a tensão de escoamento, a tração atuante e a geometria, calcula-se a tensão axial e o valor de X=(quanto a tensão de escoamento esta sendo consumida pela tensão axial).b) Através da equação da elipse calcula-se Z(Z=quanto de tensão está disponível para o colapso). c) Com os dados de geometria e tensão de escoamento calcula-se a resistência ao colapso.d) Com a resistência ao colapso e Z calcula-se a resistência ao colapso reduzida.

Perfuração


Exercício n°9: qual a resistência ao colapso de um tubo de perfuração 4 ½”, 16,6 lb/gal, grau E, novo, sujeito a tração de 200000 lbf?A=∏/4(4,5²-3,826²)= 4,4074 in²σa= 200000 lbf/4,4074= 45378 psiX = σa/Y = 45378psi/75000=0,6050,605²+0,605 x Z + Z² =1 Z 0,5492 -1,1542 (descartar) Resistência ao colapsoOD/t= 4,5/0,337 = 13,353 < 13,67 (Dimensão ESCOAMENTO)Rc = 2 x 75000 x ((4,5/0,337)-1)/ ((4,5/0,337)²=10392 psiRca= 0,5492 x 10392 psi. Com (FS) Racs= 5707,29/1,125= 5073 psi

Perfuração


Exercício n°10: Mesmo exemplo para tubo de perfuração Premium.Espessura = 0,337 x 0,8 = 0,26”OD= 4,5-2(0,337-0,2696)= 4,3652”Área = ∏/4(4,3652²-3,826²) = 3,4689”Tensão Axial = 200000/3,4689 = 57656 psiLogo: X =σa/Y = 57656/75000=0,76870,7687²+ 0,7687 x Z + Z² =1Z =(0,3618 ou -1,1310)Resistência ao Colapso: OD/t= 4,3652/0,2696 =16,19 (Regime plástico)Rc=75000((3,054/16,1914)-16,19)-1806=7525 psiRca = 0,3618 x 7525 = 2722 psiRcas = 2722 psi/1,125= 2420 psi

Perfuração

4.4 – Efeito da tração na torção

Considera-se a resistência a torção de um elemento na parede externa do tubo, quando nota-se que ζmax de cisalhamento é o ζ do raio externo. Então essa tensão será a máxima reduzida

ζ r,max = √ ζmax² – (σa/2)²

Q corrigido =( J x ζ r,max) /Re

Exercício n°11: Qual a resistência a torção de um tubo de perfuração de 4 ½” OD, 16,6 lb/pe, E, novo, quando tracionado com 1000000 lbf?

Raio externo = 4,5/2 = 2,25”J= ∏/4 (4,5²-3,826²)= 4,4074 pol²Tensão de cisalhamento max.= 0,577 x 75000= 43275 psi Tensão axial = σa/A = 1000000/4,4074 = 22689 psi

Perfuração

4.4 – Efeito da tração na torção

Tensão de cisalhamento reduzida máxima:

ζ r,max= Vζmax² – (σa/2)² = V 43275²-(22689/2)² = 41762 psi

Torção máxima

Q = 19,221 x 41762/2,25 = 356.759 lbf. pol

Perfuração

4.5 Flambagem

É a perda de estabilidade e um corpo pelo aparecimento de deformações. Mas uma coluna não flamba se σa>(σa+σt)/2σa>A = (Pi x Ri² – Pe x Re²)/(Re²-Ri²).Se suspenso no ar não ocorre flambagem σa>0.No fluído igualando a Pi=Pe e temos (P);σa> P x (Ri² –Re²)/(Re²-Ri²) = -PA linha neutra de flambagem é dada por x = PSB/(W x α)PSB = peso sobre a broca.W= peso LINEAR da coluna.α = 1-ρ(fluido)/ρ(aço).

Perfuração

4.5 FlambagemExercício n°12: quais as alturas da linha neutra e da linha neutra de flambagem, de uma coluna com 1000 pés e peso linear de 20lbf/pé, sabendo-se que o peso sobre a broca é de 3000 lbf e o poço esta com fluido de 10lbf/gal.

Linha neutra de flambagemα = 1-ρ(fluido)/ρ(aço) => 1-10/65,5=0,8473x = PSB/(W x α) => 3000/(20 x 0,8473) = 177 pés (do fundo para a superfície.

Linha neutra entre compressão e tração Tração na superf.=20 lbf/pe x 1000pés x 0,8473–3000 lbf= 13947 lbfNa linha neutra => 0 = 13947lbf – 20lbf/pe x y => y=697 pés.

Perfuração

5 - projeto de uma coluna

Para o projeto de uma coluna precisamos:

•Diâmetro da fase;•Profundidade da fase;•Equipamentos disponíveis;•Máximo peso aplicado sobre a broca.

•Os passos para o calculo estão nos slides seguintes:

.

Perfuração


•Paso1: calcular o fator de flutuação (α);•Paso2: determinação do peso dos comandos;Wdc=PSBmax/(cosθ x α x PLN). Sendo PSBmax(peso max sobre a broca, θ (inclinação do poço), PLN (posição da linha neutra, normalmente = 0,8).•Paso 3: peso total do BHA.PBHA =(Lc1 x Wdc1 + Lc2 x Wdc2+....+LHW X WHW) x α•Paso 4: determinar o comprimento do Drill Pipe por tipo;Para o primeiro tipo de tubo de perfuração deve-se usar o fator de segurança: Ldp= (0,9 x Rt – PBHA)/ (Wdp x α x CS).Ldp=comprimento tubos de perfuração; Rt = resistência a tração, CS= coeficiente de seg.(1,125), Wdp= peso da coluna.

Perfuração


•Paso5: verificar ao colapso;Para cada tipo de tubo deve-se verificar ao colapso supondo a coluna vazia. Então a pressão hidrostática do anular deve ser maior que Rcr. (Ph<Rcr).

Deve-se calcular a maior profundidade que a coluna “seca” possa alcançar.Hmax = Rcr x 5,87/(ρf x CS), sendo:Hmax = profundidade máxima em m.CS= coeficiente de segurança.ρf = peso específico do fluídoRcr = resistência ao colapso reduzida.

Perfuração


•Paso 6: verificar à pressão interna.Deve-se verificar se a resistência a pressão interna do tubo mais fraco é maior que a máxima pressão interna possível.

•Passo 7: verificar ao torque.A resistência ao torque reduzido deve ser maior que o torque gerado nas conexões durante a perfuração. O torque gerado pode ser calculado como:

Torque gerado= Pot (Hp)x 5250/rpm => (lbf.pé)Potência em Hp; rpm=rotações por minuto.

Perfuração


•Passo 8: verificar ao Dog Leg.Deve-se calcular o máximo dog leg que a coluna pode ser exposta. A API RP7G, na seção 8 propõe as seguintes fórmulas:

c = (432000/∏) x (σb/(E x OD)) x (tang. (K+L)/(K+L))

c = dog leg máximo em graus/100 pés;L = metade da distância entre tool Joints em polegadas. Para o Range II usar 180 pol;E = modulo de elasticidade de Young = 30 x 10⁶ psi p/aço;

K = √( T/ (E x I), sendo;T = peso submerso da coluna abaixo do dog leg em lbf.I = momento de inércia. I = ∏/64 x (OD⁴-ID ⁴);σb = máxima tensão de dobramento.

Perfuração


•Passo 8: verificar ao Dog Leg.σb = máxima tensão de dobramento calcada como:

σt = T/áreaPara grau E com σt até 67000 psi, calcula-se σb, assim:σb = 19500-(10/67 x σt)- (0,6/670²)(σt- 33500)²Para grau S com até 133400 psi, calcula-se assim: σb = 20000 x ( 1 – σt/145000)

O cálculo de “c” pode ser realizado de outra forma conhecendo-se a força (F) que atua no tool joint. O dog leg máximo pode ser calculado por:

c= (108000/(∏ x L)) x (F/T)

004 colunas de perfuração( 4h-2014)

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