coluna de perfuracao formulas

Coluna de Perfurao

Joo Carlos R. [email protected]

Coluna de PerfuraoPrincipais Funes

Aplicar peso sobre a broca Transmitir a rotao para a broca Conduzir o fluido de perfurao Manter o poo calibrado Garantir a inclinao e a direo do

poo

Normas

Specification for Rotary Drill Stem Elements API SPECIFICATION 7 (SPEC 7)

Recommended Practice for Drill Stem Design and Operating Limits API RECOMMENDED PRACTICE 7G -(RP-7G)

Coluna de PerfuraoComposio Bsica

Haste quadrada (Kelly) Tubos de perfurao (Drill Pipe ou DP) Tubos pesados (Heavy-Weight ou HW) Comandos (Drill Collar ou DC)

Haste Quadrada(Kelly)

Haste Quadrada (Kelly) Conecta-se um componente

extremidade inferior do kelly chamado sub de salvao do kelly, que um pequeno tubo com funo de proteger a rosca do kelly das constantes operaes de enroscamento e desenroscamento.

Para conseguir o fechamento do interior da coluna em caso de Kick (influxo da formao para o interior do poo), o Kelly possui uma vlvula chamada Kelly Cock.

Tubos de Perfurao(Drill Pipe ou DP)

Tubo de Perfurao (Drill Pipe)

So tubos de ao sem costura feitos por extruso, reforados nas extremidades para permitir que unies cnicas sejam soldadas nestas extremidades. Existem tubos de perfurao de outros materiais (por exemplo alumnio) para aplicaes especiais


Na especificao do tubo de perfurao deve constar: Dimetro Nominal (OD) Peso Nominal Grau do Ao Reforo (upset) Comprimento Nominal Desgaste Caractersticas Especiais

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) Dimetro nominal o dimetro externo do

corpo do tubo. Os mais utilizados ficam entre 2 3/8 e 6 5/8.

Peso nominal o valor mdio do peso do corpo com os Tool Joint (Unies Cnicas).

Com o peso nominal e o dimetro nominal se determina as outras caractersticas.

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) Grau do ao determina as tenses de

escoamento e de ruptura do tubo de perfurao: E-75, X-95, G-105, S -135

Comprimento o tamanho mdio dos tubos de perfurao. Existem trs grupos em funo do comprimento: Range I: 18 a 22 ps (mdia 20 ps) Range II: 27 a 32 ps (mdia 30 ps) Range III: 38 a 45 ps (mdia 40 ps)

A maioria das sondas utiliza tubos de perfurao com range II.

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) Existe um reforo na extremidade do tubo com

funo de criar uma rea com maior resistncia onde soldada a unio cnica. Este reforo pode ser: Interno (IU) - Internal Upset, Externo (EU) - External Upset, Misto (IEU) - Internal-External Upset

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) O desgaste est relacionado com a espessura da

parede do tubo de perfurao. Conforme os tubos vo sendo utilizados, eles vo tendo sua espessura da parede diminuda. Portanto, periodicamente os tubos so inspecionados e classificados de acordo com a norma API. O desgaste est diretamente relacionado com a resistncia dos tubos de perfurao. Um tubo de perfurao novo s quando comprado, assim que este tubo descido no poo ele j passa a condio de premium.


A classificao quanto ao desgaste :


Na perfurao no mar comum utilizar apenas tubos de perfurao classe Premium.

Em sondas de terra, principalmente as de menores capacidades, pode-se utilizar classe 1 ou mesmo classe 2.

Tubos com desgaste maior que 40% na espessura no devem ser utilizados.

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) Nas caractersticas especiais so descritos alguns

tratamentos que os tubos de perfurao so submetidos. Por exemplo, o capeamento interno com resina para diminuir o desgaste interno e a corroso e a aplicao de smooth hard material nos tool joints.


Aplicao de smooth hard facing no tool joint

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) As unies cnicas (Tool Joints) so fixadas ao tubo

de perfurao por: Enroscamento quente (Unio aquecida no tubo

frio) Soldagem integral (Partes aquecidas por induo

e unidas com presso e rotao sem adio de material)

Os tipos de tool joints mais comuns so: NC26 (2 3/8 IF), NC31 (2 7/8 IF), NC38 (3 IF), NC40 (4 FH), NC46 (4 IF), NC50 (4 IF), 5 FH e 6 5/8 FH.

As vezes adicionado material duro externamente nestas unies visando um menor desgaste, tanto da conexo quanto do revestimento.

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) As roscas das unies cnicas so padronizadas,

pela API, levando em conta o nmero de fios por polegada, a conicidade e o perfil da rosca. As roscas mais usadas so:

API IF Internal Flush Perfil V FH Full Hole Perfil V REG Regular Perfil V

No API XH Extra Hole SH Slim Hole EF External Flush DSL Double Streamline ACME Hydril H-90 Hughes Tool


Importante: As roscas no promovem vedao, como acontece no caso de tubos de revestimento e de produo. A vedao se processa nos espelhos da caixa e pino. Um aperto insuficiente pode provocar a passagem do fluido de perfurao por entre as roscas e provocar a lavagem da rosca; j um aperto excessivo pode deformar a rosca fragilizando a conexo. A API fornece o aperto recomendado (make-up torque) para cada tipo de conexo.

Os tubos de perfurao so colocados no poo com a parte do pino para baixo, assim deve-se ter cuidado durante a conexo e evitar que o pino bata no espelho da caixa, danificando o local da vedao.

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) Torque na Conexo

O torque adequado nas unies dos tubos de perfurao muito importante, j que a unio sendo do tipo macaco-parafuso, ao continuar a apertar a conexo algo ir romper. O pino pode quebrar ou a caixa se alargar. Por outro lado, um torque insuficiente faz que a vedao nos espelhos no fique adequada, o que permite a passagem de fluido por entre os fios das rosca, causando assim uma lavagem da rosca, ou mesmo uma lavagem da conexo e conseqentemente a quebra da conexo.

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) Fadiga

A fadiga a causa da maioria das rupturas nos tubos de perfurao. A fadiga aparece quando o tubos so submetidos a rotao com flexo, que causa o aparecimento de uma carga cclica. A primeira manifestao da fadiga o aparecimento de trincas no tubo de perfurao, que num primeiro momento so invisveis ao olho nu.

Deve-se programar inspees peridicas nos tubos de perfurao, buscando com isto detectar o mais cedo possvel o aparecimento de trincas.

Deve-se fazer um rastreamento dos tubos de perfurao e calcular a vida residual fadiga.

Tubo de Perfurao (Drill Pipe)Falha Tpica de Fadiga

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) Fadiga: Efeito de ranhuras e sulcos

Os tubos de perfurao acumulam sulcos e ranhuras pela ao das cunhas, contato com o revestimento, transporte, etc. Quando elas so arredondadas ou longitudinais os problemas so poucos, pois sendo arredondadas no causam acmulo de tenses, e sendo longitudinais seguem a direo dos esforos principais. As ranhuras transversais e em especial as agudas so muito perigosas, principalmente quando perto das unies, pois ao concentrarem as tenses facilitam o aparecimento das trincas de fadiga.

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) Fadiga: Efeito da corroso

A corroso causa a formao de depresses na superfcie do tubo facilitando a ao da fadiga.

Causa tambm uma reduo na espessura da parede dos tubos, reduzindo assim sua resistncia.

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) Altura mxima do tool joint na conexo

necessrio calcular a mxima altura em que o tool joint deve ficar durante as conexes para evitar que ocorra o empenamento do tubo.

F

Hmax

Lcf

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) Altura mxima do tool joint na conexo

Partindo da tenso de dobramento:

Chaves a 180 graus: F=2Fc (Fc a fora no cabo) Fazendo a tenso de dobramento igual ao limite de

escoamento Yp e sabendo que o torque na conexo dado por Q=FcLcf tem-se:

Chaves a 90 graus: F=1,414Fc, logo:

Normalmente, utiliza-se um fator de segurana igual a 0,9.

IrFH

IMr ee

bmax==

e

cfp

ec

p

e

p

QrILY

rFIY

FrIY

H 22max ===

e

cfp

QrILY

H 2max =

Exemplo

Qual a altura mxima do tool joint de um tubo de perfurao 4 OD x 3,826 ID, 16,6 lb/p, grau E, com rosca NC46? Considerar o tubo novo e o tubo premium.O comprimento do brao da chave flutuante de 3,5 ps.Para esta conexo o make-up torque recomendado de 20396 lbf-p para o tubo novo e de 12085 lbf-p para tubo premium.Considerar as chaves posicionadas a 180 graus e um fator de segurana de 0,9.

Exemplo Para o tubo Novo:

Para o tubo premium considerar desgaste mximo de 20% na espessura:t=0,337x0,8=0,270OD=3,826+2(0,270)=4,365

( ) ( ) 44444 61,964

826,35,464

polIDODI ===

pspolxx

xxxQrILY

rFIY

e

cfp

ec

pH 1,274,2425,22039625,361,9750009,0

29,0

29,0

max =====

( ) ( ) 44444 30,764

826,33652,464

polIDODI ===

pspolxx

xxxH 7,272,32)2/365,4(1208525,330,7750009,0

max ===

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) Cuidados a serem tomados em relao aos tubos de

perfurao: No usar cunha no lugar da chave flutuante durante as

conexes. O uso da cunha pode causar dano ao corpo do tubo.

No usar martelo ou marreta para bater nos tubos. Caso seja necessrio utilizar marreta de bronze.

Deve-se evitar a utilizao de corrente para enroscar tubos, pois caso a corrente corra e se encaixe entre o pino e a caixa, pode vir a danificar a rosca e o espelho.

Evitar a utilizao de tubos tortos na coluna de perfurao, pois seu uso causa um desgaste prematuro nas unies cnicas.

Evitar torque excessivo durante as conexes e durante a perfurao.

Tubo de Perfurao (Drill Pipe) Cuidados a serem tomados (cont.):

Evitar que os tubos de perfurao trabalhem em compresso.

Caso na coluna no exista Heavy Weight, a cada manobra deve-se mudar os tubos de perfurao que esto acima dos comandos.

Quando desconectar a coluna por unidade, retirar todos os protetores de borracha existentes, minimizando assim a corroso.

Quando os tubos estiverem estaleirados deve-se apoiar os tubos em trs pontos com tiras de madeira; uma em cada extremidade e outra no meio. Nunca usar cabo de ao ou tubos de pequeno dimetro.

No trmino de cada poo deve-se lavar as roscas com solvente apropriado, secar, aplicar graxa e colocar os protetores de rosca.

No usar chave de tubo (grifo) para alinhar as sees de tubos no tabuleiro, isto danifica o espelho do pino.

Comandos (Drill Collar ou DC)

Comandos (Drill Collar) A principal funo dos comandos fornecer peso sobre a

broca. Como trabalham sob compresso estes tubos devem ter

paredes espessas. Os comandos so feitos de uma liga de ao cromo molibdnio

forjados e usinados no dimetro externo, sendo o dimetro interno perfurado.

A escala de dureza dos comandos varia de 285 a 341 BHN. So fabricados no range de 30 a 32 ps, podendo em casos

especiais ter de 42 a 43,5 ps. A conexo usinada no prprio tubo e protegida por uma

camada fosfatada na superfcie. Ao contrrio dos tubos de perfurao, a conexo a parte mais frgil dos comandos.

Comandos (Drill Collar) Os comandos podem ser lisos ou espiralados. Os espiralados

tem uma reduo de cerca de 4% no seu peso. Graas a sua reduo na rea de contato lateral os comandos espiralados tem menos propenso a priso por diferencial.

Existem tambm comandos de seo quadrada, com a funo de prevenir a priso por diferencial, mas so pouco utilizados pela dificuldade de ferramentas de pescaria.

Os comandos podem ter rebaixamento no ponto de aplicao das cunhas, evitando com isso a necessidade de se utilizar o colar de segurana durante as conexes, tendo ento um ganho de tempo durante as manobras. Podem tambm possuir pescoo para adaptao de elevadores, neste caso evitando a utilizao de lift-sub, tendo novamente ganho no tempo de manobra.

Os comandos em conjunto com os estabilizadores so usados para dar rigidez coluna, e utilizados tambm no controle da inclinao do poo.

Comandos (Drill Collar)

Comandos (Drill Collar) A especificao dos comandos : Dimetro Externo, Dimetro

Interno, Tipo de Conexo, Caractersticas Especiais. O dimetro externo escolhido em funo do dimetro do poo

e sempre levando em considerao a possibilidade de ser necessrio uma pescaria.

O dimetro interno est diretamente relacionado com o peso do comando, sendo muito comum se especificar o peso em lb/pno lugar do dimetro interno.

As caractersticas especiais so: se o comando espiralado, se tem rebaixamento para a cunha, se tem pescoo para o elevador, se tem algum tratamento especial.

Existe um comando especial muito utilizado em perfurao direcional conhecido como K-Monel. Este comando tem todas as caractersticas dos comandos, s que feito de material no magntico, o que permite registrar fotos magnticas em seu interior.

Comandos (Drill Collar) A resistncia dos comandos so:

3 1/8 a 6 7/8 - 110.000 psi (escoamento) e 140.000 psi (ruptura) 7 a 10 - 100.000 psi (escoamento) e 135.000 (ruptura)

O uso do torque recomendado mais importante nos comandos, devido as conexes serem seu ponto frgil. O aperto deve ser feito com trao constante e demorada nos cabos e nunca com puxes violentos devido a sua grande inrcia.

A quebra de coluna muito mais freqente nos comandos do que nos tubos de perfurao, pois os esforos nos comando so mais severos e tambm so submetidos a esforos maiores. Sendo assim durante as manobras os comandos devem ser desconectados sempre nas juntas que no foram desfeitas durante a ltima manobra, isto permite que todas as conexes trabalhem igualmente, bem como permite uma inspeo visual com igual freqncia em todas as conexes.

Comandos (Drill Collar) Diferente dos tubos de perfurao, no h para os comandos

uma classificao para o desgaste. Cuidados a serem tomados em relao aos comandos:

No usar cunha no lugar da chave flutuante durante as conexes. O uso da cunha pode causar dano ao corpo do tubo.

No usar martelo ou marreta para bater nos tubos. Caso seja necessrio utilizar marreta de bronze.

Deve-se evitar a utilizao de corrente para enroscar tubos, pois caso a corrente corra e se encaixe entre o pino e a caixa, pode vir a danificar a rosca e o espelho.

Evitar torque excessivo durante as conexes e durante a perfurao.

Quando os comandos estiverem estaleirados deve-se apoiar os tubos em trs pontos com tiras de madeiras; uma em cada extremidade e outra no meio. Nunca usar cabo de ao ou tubos de pequeno dimetro.

Comandos (Drill Collar)

Cuidados a serem tomados em relao aos comandos (cont.): No trmino de cada poo deve-se lavar as roscas com solvente

apropriado, secar, aplicar graxa e colocar os protetores de rosca. No usar chave de tubo (grifo) para alinhar as sees de

comandos no tabuleiro, isto danifica o espelho do pino. Deve-se durante as movimentaes utilizar o protetor de rosca e

nunca rolar os comandos, mas sim suspender pelo seu centro de gravidade.

Observar o BSR (Bending Strength Ratio).

BSR Bending Strength Ratio: razo da rigidez relativa entre a caixa e o pino

de uma conexo de comandos (DC). BSR descreve a capacidade relativa de uma conexo pino-caixa resistir

a falhas devido a fadiga. Um valor tradicionalmente aceito para BSR igual a 2,5:1, que

descreve uma conexo equilibrada. No entanto, poucas conexes de DCs resultam em BSR de 2,5:1.

Logo, uma regra prtica manter o BSR entre 2,5:1 e 3:1.

ZB mdulo da seo da caixaZP mdulo da seo do pinoD dimetro externo do pino e caixa (col. 2, Tabela 6.1, API Spec 7)d dimetro interno da conexo (col. 3, Tabela 6.1, API Spec 7)b dimetro interno na raiz da rosca da caixa na ponta do pino R dimetro interno na raiz da rosca do pino medido na distncia de

0,75 pol a partir do ombro do pino.

RdR

DbD

ZZBSR

P

B44

44

==

BSR Procedimento de clculo do dedendum, b, R

H (col. 3, Tabela 8.2, API Spec 7)frn (col. 5, Tabela 8.2, API Spec 7)

C (col. 5, Tabela 8.1, API Spec 7)tpr (col. 4, Tabela 8.1, API Spec 7)Lpc (col. 9, Tabela 8.1, API Spec 7)

rnfHdedendum =2

)2(12

)625,0(dedendum

LtprCb pc +=

=121

81)2( tprdedendumCR

Exemplo Calcular o BSR de um comando (DC) com conexo

NC46-62 (API 4IF), 6 OD x 2 13/16 ID.D=OD= 6,25 pol ; d= ID= 2,8125 pol ; C= 4,626 ; tpr= 2 ; Lpc= 4,5H = 0,216005 ; frn= 0,038000

0700025,0038000,02

216005,02

=== rnfHdedendum

12,4)0700025,0(212

)625,05,4(2626,4)2(12

)625,0( =+=+= dedendumLtaperCb pc

465,4121

812)0700025,0(212,4

121

81)2( =

=

= taperdedendumCR

1:64,2

465,48125,2465,4

25,612,425,6

44

44

44

44

=

=

=

RdR

DbD

BSR

Tubos pesados (Heavy-Weight ou HW)

Tubos Pesados (Heavy Weight) Os HWs so elementos de peso intermedirio, entre os tubos

de perfurao e os comandos. Sua principal funo, alm de transmitir o torque e permitir a

passagem do fluido, fazer uma transio mais gradual de rigidez entre os comandos e os tubos de perfurao.

Eles so bastante utilizados em poos direcionais, como elemento auxiliar no fornecimento de peso sobre a broca, em substituio a alguns comandos.

A utilizao de HWs tem as seguintes vantagens: Diminui a quebra de tubos nas zonas de transio entre comandos

e tubos de perfurao. Aumenta a eficincia e a capacidade de sondas de pequeno porte,

pela sua maior facilidade de manuseio do que os comandos. Nos poos direcionais diminui o torque e o arraste (drag) em vista

de sua menor rea de contato com as paredes do poo. Menor tempo de manobra

Tubos Pesados (Heavy Weight) Normalmente se utiliza de 3 a 6 sees de HWs na zona de

transio. A especificao dos HWs a seguinte:

Dimetro Nominal Peso por comprimento (ou dimetro interno) Comprimento Aplicao de Material Duro

O dimetro nominal do HW variam de 3 1/2" a 5. Normalmente utilizado na coluna HW com o dimetro igual ao

do tubo de perfurao. Os HW so fabricados no range II e III. Pode-se aplicar um smooth hard material nos Tool Joints ou

no reforo intermedirio. No h normalizao para o desgaste do HW, ento a

resistncia dos tubos usados deve ser avaliada pelo usurio.

Tubos Pesados (Heavy Weight)

Coluna de PerfuraoPrincipais Acessrios

Subs ou Substitutos Estabilizadores Roller Reamer ou Escareadores Alargadores Amortecedores de choque Protetores de Coluna

AcessriosSubs ou Substitutos

Os subs so pequenos tubos que desempenham vrias funes.

Todos devem ser fabricados segundo as recomendaes do API e ter propriedades compatveis com os outros elementos da coluna.

Os principais subs em funo da sua utilizao so: Sub de iamento ou de elevao Sub de cruzamento Sub de broca Sub do kelly ou de salvao


O sub de iamento (Lift Sub) serve para promover um batente para o elevador poder iar comandos que no possuem pescoo para este fim.

O sub de cruzamento (Cross Over ou XO), so pequenos tubos que permitem a conexo de tubos com diferentes tipos de roscas. O sub de cruzamento podem ser: Caixa-Pino com tipos de roscas diferentes em cada

extremidade Caixa-Caixa com ou sem roscas diferentes em cada

extremidade Pino-Pino com ou sem roscas diferentes em cada

extremidade


O sub de broca apenas um sub de cruzamento caixa-caixa, que serve para conectar a broca, cuja unio pino, coluna, cujos elementos so conectados com o pino para baixo.

O sub de salvao, como j foi dito, um pequeno tubo conectado ao kelly, que tem a finalidade de proteger a rosca do kelly dos constantes enroscamentos e desenroscamentos, inerentes ao processo de perfurao convencional.

Acessrios:Subs ou Substitutos

AcessriosEstabilizadores

Funo de centralizar a coluna de perfurao e afastar os comandos das paredes do poo.

Mantm o calibre do poo. O seu posicionamento na coluna muito importante

para a perfurao direcional, pois suas posies controlam a variao da inclinao.

Os estabilizadores se dividem em: No Rotativos. Rotativos com Lminas Intercambiveis, Integrais e

Soldadas.

AcessriosEstabilizadores

Os no rotativos so fabricados de borracha e danificam-se rapidamente quando perfurando em formaes abrasivas.

Os estabilizadores de camisas intercambiveis podem ter a camisa substituda quando est muito desgastada.

Quando as lminas dos estabilizadores integrais estiverem desgastadas e sua recuperao for antieconmica, o corpo do estabilizador pode ser transformado em um sub.

Acessrios:Estabilizadores

AcessriosAo dos Estabilizadores

AcessriosEscareadores

Tambm conhecidos como Roler-Reamer ou apenas Reamer, uma ferramenta estabilizadora utilizada em formaes abrasivas, onde graas a presena de roletes consegue mais facilmente manter o calibre do poo.

Basicamente existem trs usos: Reamer de fundo com trs roletes: utilizado entre os

comandos e a broca, para diminuir a necessidade de repassamento.

Reamer de coluna com trs roletes: utilizado entre os comandos com finalidade de manter o calibre do poo e ajudar na eliminao de dog-legs e chavetas.

Reamer de fundo com seis roletes: utilizado entre os comandos e a broca e graas ao seu maior nmero de apoios evita alteraes abruptas na direo e inclinao.

Acessrios: Escareadores

AcessriosAlargadores

So ferramentas que servem para aumentar o dimetro de um trecho j perfurado do poo.

Existem basicamente dois tipos: Hole Opener Under reamer

O Hole Opener utilizado quando deseja-se alargar o poo desde a superfcie, tem braos fixos e muito utilizado quando se perfura para a descida do condutor de 30, neste caso se perfura com uma broca de 26 e um Hole Opener de 36 posicionado acima da broca.

Underreamer usado quando deseja-se alargar um trecho do poo comeando por um ponto abaixo da superfcie. Por exemplo, podem ser usados com a finalidade de prover espao para a descida de revestimento e para alargamento da formao, para se efetuar gravel packer. Seus braos mveis so normalmente abertos atravs da presso de bombeio.

Acessrios:Alargadores tipo

Hole Opener

Acessrios:Alargadores tipo Under Reamer

AcessriosAmortecedor de Choque

So ferramentas que absorvem as vibraes axiais da coluna de perfurao induzidas pela broca.

So usadas quando perfurando rochas duras ou zonas com vrias mudanas de dureza. Seu uso importante para aumentar a vida til das brocas de insertos e PDC.

Podem ser de mola helicoidal ou hidrulico. Para ter melhor eficcia deve ser colocado o mais

perto possvel da broca.

AcessriosAmortecedor de Choque

Entretanto, por no ser to rgido quanto um comando, a colocao dele perto da broca pode induzir inclinaes no poo. Assim se recomenda: Para poos sem tendncia de desvio o

amortecedor de choque dever ser colocado acima do sub de broca.

Para poos com pequenas tendncia a desvios, deve-se posicionar o amortecedor de choque acima do primeiro ou segundo estabilizador.

Para poos com grandes tendncias a desvio, deve-se colocar o amortecedor de choque acima de todo conjunto estabilizado.

Acessrios:Amortecedor de Choque

AcessriosProtetores de Coluna

So elementos no rotativos utilizados para evitar o contato do tubo de perfurao com a parede do poo ou do revestimento, evitando o desgaste tanto do tubo de perfurao quanto das paredes do revestimento.

AcessriosProtetores de Coluna

Coluna de Perfurao Principais Ferramentas de Manuseio

Cordas e Chaves Flutuantes Chave de broca Cunhas Colar de Segurana

Principais Ferramentas de ManuseioCordas e Chaves Flutuantes

As cordas so utilizadas para enroscar e desenroscar os tubos. As chaves flutuantes so mantidas suspensas na plataforma

atravs de um sistema de cabo de ao, polia e contrapeso.So duas chaves que permitem dar o torque de aperto ou desaperto nas unies dos elementos tubulares da coluna.So providas de mordentes intercambiveis, responsveis pela fixao das chaves coluna.

Algumas sondas so equipadas com chaves pneumticas ou hidrulicas que servem para enroscar e desenroscar tubos de perfurao, mas sem dar o torque de aperto, o qual dado com a chave flutuante. Existe tambm o Eazy-Torq para aplicar altos valores de torque, que podem ser utilizados para apertar ou desapertar as conexes dos comandos. Em algumas sondas existe o Iron Roughneck, que capaz de executar automaticamente os servios dos plataformistas durante as conexes.

Principais Ferramentas de ManuseioCorda e Chave Flutuante

Principais Ferramentas de ManuseioIron Roughneck

Principais Ferramentas de ManuseioChave de Broca

Ferramenta utilizada para permitir enroscar e desenroscar a broca da coluna.

Principais Ferramentas de ManuseioCunhas

Servem para apoiar totalmente a coluna de perfurao na plataforma. So providas de mordentes intercambiveis e se encaixam entre a tubulao e a bucha da mesa rotativa. Existem tipos diferentes para tubos de perfurao e comandos.

Principais Ferramentas de ManuseioColar de Segurana

Equipamento de segurana colocado nos comandos que no possuem rebaixamento para a cunha. Sua finalidade prover um batente para a cunha, no caso de escorregamento do comando.

Dimensionamento de Colunas de Perfurao

Para se dimensionar uma coluna de perfurao necessrio saber: Profundidade mxima prevista para a coluna. Trajetria do poo (inclinaes e direes). Dimetros das fases. Peso especfico do fluido de perfurao. Peso sobre broca mximo. Coeficientes de frico para poo aberto e revestido. Fatores de segurana.

A coluna de perfurao est sujeita a esforos de trao, compresso, flexo, toro e presso durante as operaes rotineiras da perfurao. Deve-se analisar o efeito da solicitao simultnea de alguns destes esforos.


A coluna pode ser submetida esforos cclicos devido a rotao em sees curvas. Estes esforos cclicos causam fadiga dos elementos da coluna.

Outra causa de fadiga so os esforos dinmicos causados pela vibrao. Portanto, deve-se evitar as velocidades (freqncias) crticas.

Deve-se tambm dimensionar a coluna de modo que no sofra flambagem. Caso no seja possvel evitar a flambagem senoidal, deve-se evitar pelo menos a helicoidal que levar ao lock up.


Anlise de tenses em colunas de perfurao: tenso axial devido as cargas axiais geradas pela

trao e compresso, tenso axial devido a flexo, tenso tangencial devido a presso, tenso cisalhante devido ao torque.

Considera-se um estado plano de tenses na superfcie externa da coluna e calcula-se a tenso equivalente de Von Mises.

Compara-se com o limite de escoamento para calcular o fator de segurana.


Trao: Tenso axial devido a trao:

A Resistncia a trao calculada pela equao acima quando a tenso atinge o limite de escoamento Yp, utilizando um fator de segurana, FS, normalmente igual a 1,25. Pode-se multiplicar o limite de escoamento por 0,9 para garantir que est se trabalhando no regime linear.

Utiliza-se as vezes o conceito de Margem de Overpull que substitui o fator de segurana. Neste caso tem-se:

AT

a =

FSAYpRt =

MOPAYpRt =


Trao + Dobramento: Tenso axial:

onde:T carga axial de trao ou compresso considerando o fator

de frico (considerar direo do movimento).A rea transversal do tubo. E mdulo de Young.OD dimetro externo da coluna.co curvatura da coluna.L metade do comprimento de um tubo de perfurao.

2ODEc

AT o

bax ==

EITK =

)tanh()(

KLKLcco =


Presso Interna: Tenso tangencial (equao para cilindros de paredes finas (Barlow),

ou seja, OD/t > 10):

onde:Pi-Pe - diferencial de presso (interno menos externo).OD - dimetro externo da coluna.t - espessura da parede da coluna.

A Resistncia mxima a presso interna, Rpi, ocorre quando a tenso atuante atinge o limite de escoamento Yp. Utiliza-se normalmente um fator de 0,875 para tubos novos. Para tubos com outras classes de desgaste utiliza-se o valor medido da espessura. O fator de segurana, FS, normalmente usado para presso interna de 1,1.

novo: outras classes:

tODPePi

y 2)( =

)()2)(875,0(

ODFSYt p

piR = )(2 *

ODFSYt p

piR =

Exemplo

Qual resistncia a presso interna de um tubo de perfurao 4 OD x 3,826 ID, 16,6 lb/p, grau E, para um tubo novo e para um premium? Usar fator de segurana igual a 1,1.

Para o tubo novo:

Para o tubo premium: t=0,80(0,337)=0,2696pol

psiRpi 8935)5,4(1,175000)337,0)(2)(875,0( ==

psiRpi 8170)5,4(1,175000)2696,0(2 ==


Colapso: Esforo resultante do diferencial das presses criadas

pelos fluidos no anular e no interior da coluna Resistncia ao colapso funo de D/t e grau do ao Normalmente usa-se um fator de segurana de 1,125 So definidos 4 regimes de colapso:

Escoamento Plstico Transio Elstico

Range de D/t onde cada tipo de colapso ocorre

(D/t)do tubo Escoamento Plstico Transio Elstico

(D/t)yp (D/t)pt (D/t)te

)/(2)2()/(8)2(

)/(2

YpCBAYpCBA

tD yp ++++=

)()()/(GBYpC

FAYptD pt +=

ABABtD te /3

/2)/( +=

Equaes de Lam( ) ( )( )222

222222

io

ioeoiir rrr

rrrprrrp

+=

( ) ( )( )222222222

io

ioeoiit rrr

rrrprrrp

++=

Para ambas presso interna e colapso, a maior tenso ser a tangencial.Assumindo r=ri e que o tubo est sujeito somente a pe , fazendo atenso tangencial igual ao limite de escoamento, obtm-se a equao do colapso de escoamento.

Colapso de Escoamento

= 2)/(1)/(2

tDtDYpPyp

Para: (D/t) < (D/t)yp

Colapso Plstico

CBtD

AYpPp

=

)/(

Para: (D/t)yp < (D/t) > (D/t)pt

Colapso de Transio

= G

tDFYpPt

)/(

Para: (D/t)pt < (D/t) > (D/t)te

Colapso Elstico

[ ]26

1)/()/(1095,46

= tDtDxPe

Para: (D/t) > (D/t)te

NomenclaturaPyp = presso de colapso de escoamento (psi)Pp = presso de colapso plstico (psi)Pt = presso de colapso de transio (psi)Pe = presso de colapso elstico (psi)Yp = limite de escoamento (psi)D = dimetro nominal do tubo (pol)t = espessura da parede do tubo (pol)(D/t)yp= interseo entre colapso de escoamento e plstico(D/t)pt = interseo entre colapso plstico e de transio(D/t)te= interseo entre colapso de transio e elsticoA, B, C, F, G = fatores (*)(*) frmulas no prximo slide

3162105 1053132,01021301,01010679,08762,2 YpxYpxYpxA ++=

YpxB 61050609,0026233,0 +=

31327 1036989,01010483,0030867,093,465 YpxYpxYpC ++=

2

36

)/(2/31)/(

)/(2/3

)/(2/31095,46

+

+

+=

ABABxAB

ABABYp

ABABx

F

)/( ABFG =

Exemplo Qual a resistncia ao colapso de um tubo de

perfurao 4 OD x 3,826 ID, 16,6 lb/p, grau E? Calcular tanto para o tubo Novo como para o Premium, considerando um fator de segurana de 1,125.Para o tubo Novo:t=(4,5-3,826)/2=0,337 pol(D/t)yp = 13,60 ; (D/t)pt = 22,91 ; (D/t)te = 32,05D/t=13,35 < 13,60 , logo a falha ao colapso ser no regime de escoamento.

psitDtD

FSYpRc 9237353,13

1353,13125,1

)75000(2)/(

1)/(222 =

=

=

Exemplo

Para o tubo Premium:

t=0,80(4,5-3,826)/2=0,8(0,337)=0,2696 polOD=3,826 + 2(0,2696) = 4,3652 polD/t=4,3652/0,2696=16,19 , 13,60 < 13,67 < 22,91, logo a falha ao colapso ser no regime plstico.

psiCBtD

AFSYpRc 668918060642,019,16

054,3125,1

75000)/(

=

=

=


Torque: Tenso cisalhante:onde:Tq - torque.J - momento polar de inrcia.re raio dimetro externo da coluna.

A Resistncia mxima ao torque calculada substituindo-se a tenso de cisalhamento mxima por 0,5 Yp (crculo de Mohr teste de trao simples). O API recomenda utilizar 0,577.

JrT eq

xy =

)(577,0

e

pq rFS

JYT =

Exemplo Qual a resistncia a toro de um tubo de

perfurao 4 OD x 3,826 ID, 16,6 lb/p, grau E. Usar fator de segurana igual a 1.Tubo Novo:

Tubo Premium: t=0,8(0,337)=0,2696 pol ; OD=3,826 + 2(0,2696)=4,365 pol

( ) ( ) 44444 22,19826,35,43232

polIDODJ ===

plbfTq .30807)12(25,2)22,19)(75000(577,0 ==

( ) ( ) 44444 61,14826,3365,43232

polIDODJ ===

plbfTq .24139)12)(2/365,4()61,14)(75000(577,0 ==


Tenso equivalente de Von Mises (estado plano de tenses):

onde:eq - tenso equivalente de Von Misesx - tenso axialy - tenso tangencial xy - tenso cisalhante

FS = Yp / eqonde:FS - fator de seguranaYp - limite de escoamento

222 3 xyyxyxeq ++=

Influncia da Tenso Axial

DiminuiDiminuiToro

AumentaDiminuiColapso

DiminuiAumentaPresso Interna

CompressoTraoEfeito

Tenses Combinadas Teoria da energia de distoro

A mxima tenso ocorrer em r=ri Substituindo r=ri na equao de Lam, ento r=-pi Substituindo na equao acima, tem-se a elipse de

plasticidade:

( ) ( ) ( )22222 trrzztpY ++=

22

21

431

+

+=

+

p

iz

p

iz

p

it

Yp

Yp

Yp

Resistncia ao colapso reduzidapor uma trao

=

p

z

p

zppe YY

YY 21

431

2

Ype limite ao escoamento efetivoYp - limite ao escoamento

Utilizar Ype nas equaes de colapso no lugar de Yp, para ento calcular a Resistncia ao colapso corrigida.

Resistncia a toro reduzidapor uma trao

Do crculo de Mohr:

Logo, a resistncia a toro com o efeito de trao dada substituindo-se na equao abaixo:

maxx

xy

22max 2

= xxy

e

xyq r

JT

=

xy

Exemplo Qual a resistncia a toro de um tubo de um

tubo de perfurao 4 OD x 3,826 ID, 16,6 lb/p, grau E, Novo, ao ser submetido a uma trao de 100000 lbf.

psixxy 4176222268943275

2

22

22max =

=

=

psiYp 43275)75000(577,0577,0max ===psi

AT

x 226894074,4100000 ===

plbfrJ

Te

xyq .29730)12(25,2

)41762(22,19 ===


Posio do Ponto Neutro de Carga Axial Deve-se considerar duas situaes distintas:

poos verticais poos inclinados e horizontais

Em poos verticais o Ponto Neutro deve ficar a 80% do topo dos comandos, ou seja, os comandos devem trabalhar parte em compresso (80%) disponibilizando peso sobre a broca, e parte em trao (20%) por segurana.

Para que no haja uma grande diferena de momento de inrcia entre os DCs e o DPs devem ser colocadas de 3 a 6 sees de HW.


Os DP`s em poos verticais no devero JAMAIS trabalhar em COMPRESSO.

Com o aumento da inclinao dos poos os DC`s perdem a capacidade de exercer peso sobre a broca, perdendo a sua funo e, alm disso, podem acarretar problemas no caso de uma pescaria.


Flambagem Para o caso de poos direcionais os DP`s podero

ser utilizados em compresso, desde que no sofram flambagem. Neste caso, os DC`s so deslocados para a parte vertical do poo.

Existem dois tipos de flambagem: a) senoidal b) helicoidal

O limite de flambagem senoidal deve ser respeitado, porm pode ser ultrapassado em condies limites, mas o limite de flambagem helicoidal no deve ser ultrapassado, pois pode implicar em LOCKUP.


Flambagem

Flambagem Senoidal Dawson & Paslay:

Para poo vertical adotar igual 3

Wu & Juvkan-Wold:

Poo inclinado: igual ao anterior de Dawson & Paslay

Poo vertical:

Seo curva:

r)sin( EIw2 =sF

3 255,2 EIwFs =

++=

EIwrR

rREIFs 4

)sin(1142

Flambagem Helicoidal Chen & Cheatham:

Para poo vertical adotar igual 3

Wu & Juvkan-Wold: Poo inclinado:

Poo vertical:

Seo curva:

( ) r

)sin( EIw1222 =helF

r

)sin( EIw22 =helF

3 255,5 EIwFhel =

++=

EIwrR

rREIFhel 8

)sin(11122

FlambagemNomenclatura

FS fora crtica para flambagem senoidal (lbf)FH fora crtica para flambagem helicoidal (lbf)E modulo de Young (psi)I momento de inrcia (pol4)w peso considerando empuxo (lb/pol)r folga radial (ODpoo ODcoluna)/2 (pol) inclinao do poo (graus)R raio de curvatura (pol)

Exemplo

Em uma coluna de perfurao, composta a partir da broca por DCs, HWs e DPs, calcule o mnimo comprimento de DCs na coluna de fundo de poo (BHA), a fim de garantir que a linha neutra no atinja os HWs ao se trabalhar com um peso sobre broca (PSB) de 45000 lbsdurante a perfurao da fase de 12 . Verifique se para este PSB o DC ir flambar.Dados:DCs: 6 x 2 x 102 lb/pHWs: 5 x 3 x 49,5 lb/pDPs: 5 x 4,276 x 19,5 lb/pDensidade da lama (m): 10 lb/galInclinao do poo (): 10 grausFator de Segurana (FS): 1,2

Exemplo Fator de Empuxo (FE):

Comprimento de DCs para garantir que a linha neutra fique nestaseo de tubos:

Carga crtica para flambagem senoidal:

Portanto, para um PSB de 45000 lbf o BHA no sofrer flambagemsenoidal.

847,05,65

1015,65

1 === mFE

( ) psxxx

FEwPSBFSL

DCDC 635)10cos(847,0102

450002,1cos

))(( ===

lbfxsinxxxEFs 54920125,3)10(847,0)12/102(83,626302

r)sin( wEI2 DC ===

( ) ( ) 44444 83,6264

2664

polIDODIDC === polODD

r DCpoo 125,32

625,122

===


Esforos Dinmicos (Vibrao) Existem 3 modos principais de vibrao:

axial (bouncing) torsional (slip stick) lateral (whril)

Calcular as freqncias crticas e, se possvel, evitar trabalhar com estas rotaes.

Monitorar a vibrao em tempo real.


Perfurao Normal


Vibrao Axial (Bit Bouncing)

Dimensionamento de Colunas de PerfuraoVibrao Torsional (Slip Stick)


Vibrao Lateral (Whril)


Vibrao: Clculo das Freqncias Crticas

60 80 100 120 140

4000

6000

8000

10000

12000

LEGEND

Equivalent

Maxim um Relative Resultant Stress

Frequency Plot

S

t

r

e

s

s

[

p

s

i

]

Rotational Speed [rpm]


Vibrao:Monitoramentoem tempo real


Fadiga Deve-se acompanhar o desgaste da vida dos

elementos de uma coluna perfurao quando submetidos a esforos cclicos.

A tenso cclica corrigida pela tenso mdia no deve ultrapassar o limite de resistncia fadiga. Caso isto acontea, parte da vida do tubo consumida, sendo funo do valor da tenso, da velocidade de rotao e da taxa de penetrao.

Dimensionamento de Colunas:Curvas de Fadiga

Fadiga

Mtodo de Acumulao: MinerNo considera a seqncia de carregamento.FA=n1/N1+n2/N2+n3/N3+ ...onde:n = nmero de revolues a uma determinada

tenso cclicaN = nmero de ciclos para falhar a uma certa

tenso cclica (curvas S-N)

Fadiga

Clculo do nmero de revolues durante a perfurao de um intervalo D com uma determinada rotao da coluna (RPM) e uma taxa de penetrao (ROP) constante.

ROPDRPMn = .

Fadiga Tenso Axial:

Tenso Cclica:

Tenso Mdia:

2ODEc

AT o

x =

2,ODEco

cx =

AT

mx = ,

Fadiga Tenso cclica corrigida (S) devido a uma tenso mdia:

Fator de Goodman (FCG):

Fator de Soderberg (FCS)

A tenso cclica corrigida usada nas curvas S-N, as quais so obtidas normalmente com tenso mdia igual a zero.

( )cxFCS ,=

mxp

pS Y

YFC

,=

mxu

uGFC

,=

Exemplo

Calcular a fadiga acumulada de um tubo de perfurao 4 OD x 3,826 ID, 16,6 lb/p, grau S-135, Novo, range 2, Conexo NC50, aps perfurar um intervalo de 90 ps com uma curvatura de 15 graus/100 ps, com uma rotao da coluna de 80 rpme uma taxa de penetrao de 50 ps/hora. Assumir que a trao no tubo ao longo do intervalo de 70000 lbf (j considerando o fator de empuxo).

Exemplo rea do tubo:

Trao no tubo ao longo do intervalo:

Curvatura da coluna:

22222

41,44

)826,35,4(4

)( polIDODA ===

141641,6)8048,2tanh(

121

1808048,2

10015

)tanh()( === polE

xxxps

graus

KLKLcco

8048,2180)61,9(630

70000 ===E

LEITKL

44444

61,964

)826,35,4(64

)( polIDODI ===

Exemplo Tenso Cclica:

Tenso Mdia:

Usando o fator de correo de Soderberg:

Tenso cclica corrigida pela tenso mdia:

psiEEODEcocx 416082)5,4)(41641,6(630

2,===

psiAT

mx 1588441,470000

,===

27,11588475000

75000

,

=== mxpp

S YY

FC

( ) psiFCS cx 52842)41608(27,1, ===

Exemplo Calculando o nmero de ciclos trabalhados:

Do grfico S-N abaixo, para S=52842 psi obtm-se N=104ciclos.

Logo, a fadiga acumulada neste tubo :

ciclosxROP

DRPMn 864060/509080. ===

86,0108640

4 === NnFA

Determinao de Ponto LivreSeja uma coluna presa a uma profundidade L desconhecida.Ao se aplicar uma trao na coluna, obtm-se pela lei de Hook:

10 Passo: Aplicar uma Trao T1 e medir L1:20 Passo: Aplicar uma Trao T2 e medir L2:Logo, o comprimento livre :

Obs:Sabendo-se que:

Pode-se usar tambm:

AEFLL =

AELFL 11 =

AELFL 22 =

)()(

12

12

FFLLAEL

=

ALVwL materialtubomaterial ==

material

wA =

Determinao de Ponto LivreOnde : Peso linear do tuboF Fora axialL Comprimento livreL Variao do comprimento

Sendo um tubo de ao, ento:Eao = 30x106 psiao = 489,6 lbf/p3 = 65,44 lb/gal

Exemplo

Uma coluna de perfurao 4 OD, 16,6 lb/p, grau E, ficou presa dentro de um poo. Pretende-se calcular o comprimento livre acima do ponto da priso para fazer a pescaria. Sabendo que a coluna alongou de 33 polegadas quando variou-se a trao de 100000 lbf a 150000 lbf.Dados:Peso linear da coluna : 14,98 lb/prea da seo transversal da coluna de perfurao : 4,41 pol2

Exemplo (cont.)

Sabendo-se que:

Logo:

)()(

12

12

FFLLAEL

=

psx

xxxL 72701250000

33103041,4 6 ==

Torque & Drag A carga axial em um elemento dada por:

O torque dado por: A fora normal dada por:onde:T carga axialM torquew peso do tubo com flutuao inclinao azimutef coeficiente de atritoR raio efetivo da tubulao

TTT ii += 1 fNwT = cos

( ) ( )22 sensen wTTN ++=fNRM =

( )2

32

+=

ODODODR

TJ

coluna de perfuracao formulas

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