perfuração de poços - brocas

7/25/2019 Perfurao de Poos - BROCAS

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1. INTRODUO

A alta densidade energtica do petrleo permitiu o seu aproveitamento em diversos

setores da economia, criando, ao longo dos anos, uma dependncia muito forte desse recurso,

o que despertaram os investimentos em pesquisa, gerando uma indstria altamente tecnolgica.

Dessa forma, a cadeia produtiva da indstria petrolfera se tornou bastante complexa, atuando

desde investigaes preliminares para a descoberta de um reservatrio de hidrocarbonetos, at

o transporte do produto final, passando por reas de desenvolvimento e otimizao de campos,

perfurao, produo, tratamento e refino, e ainda sade, segurana e meio ambiente.

Tratando exclusivamente da perfurao, o desenho de cada poo projetado de acordo

com os gradientes de presses (poros, fratura, colapso e sobrecarga) das formaes, quedefinem uma janela de operao, dentro da qual o poo estar estvel. Por conta tambm dessa

estabilidade, no se perfura direto at alcanar a profundidade final desejada, necessrio parar

para revestir com um tubo a parede do poo, fornecendo um suporte mecnico para mant-lo

estvel. Ao retomar a perfurao aps a colocao do revestimento, utiliza-se uma broca de

dimetro menor, que passe pelo interior do poo revestido, criando assim um formato

telescpico para o poo, onde cada seo de mesmo dimetro denominada de fase.

A perfurao de poos de petrleo envolve custos da ordem de milhes de dlares. Ascolunas e brocas de perfurao so uma parcela importante desses custos, uma vez que tais

equipamentos correspondem a uma parcela significativa desses gastos. Dentro deste contexto,

fica evidente a preocupao e a necessidade da correta escolha das mesmas. Hoje em dia, existe

uma grande diversidade de brocas e colunas de diferentes fabricantes disponveis, o que

torna indispensvel o conhecimento tcnico dos profissionais envolvidos no processo de

perfurao dos poos.

Para se alcanar um custo operacional timo, necessrio fazer a seleo correta das

colunas e brocas de perfurao que sero utilizadas a partir das anlises mecnicas, das

litologias e do histrico de perfurao do campo. Atrelado seleo desses equipamentos, de

grande importncia o acompanhamento da perfurao, oferecendo suporte tcnico com o

objetivo de obter um bom rendimento, tornando o projeto eficiente e econmico.

2. OBJETIVOS


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O presente estudo tem como objetivo apresentar os componentes e tipos de brocas e

colunas de perfurao, ressaltando suas respectivas funes durante a perfurao de poos de

petrleo e seus dimensionamentos.

3. BROCAS

As brocas so equipamentos que tm a funo de promover a ruptura e desagregao das

rochas ou formaes. O estudo das brocas, considerando seu desempenho e economicidade,

um dos fatores mais importantes na perfurao de poos de petrleo.

Broca a ferramenta de corte localizada no extremo inferior da coluna de perfurao, a

qual utilizada para cortar ou triturar a formao durante o processo de perfurao rotativa.

Para realizar a perfurao, as brocas utilizam como base os princpios fundamentais para venceros esforos da rocha, e a forma de ataque pode ser por acunhamento, raspagem e moagem,

toro, percusso ou esmagamento, e at mesmo eroso por ao de jatos de fluido. A forma

do ataque depender do tipo e das caractersticas da rocha que se deseja cortar, principalmente

em funo de sua dureza e abrasividade. Este fator muito importante na classificao das

brocas. o grau de dureza e abrasividade que determinar o tipo de broca e o princpio de

ataque.

3.1. Histrico

Desde a poca em que os chineses perfuravam poos de salmoura at os dias de hoje, a

broca de perfurao sempre foi um fator determinante na construo de poos de petrleo e

gs. Comeando com a tecnologia rudimentar de ferramentas de perfurao a cabo, passando

pelos equipamentos rotativos, at os sistemas direcionais de alto alcance horizontal atuais, os

projetos de brocas tiveram que se adaptar s exigncias da indstria. A perfurao fcil a cada

dia mais escassa. Atualmente, perfura-se em topografias de mais difcil acesso, reas comrestries urbanas e/ou ambientais e em lminas dgua de mais de 2000 metros de

profundidade. Os poos deixaram de ser somente verticais e se tornaram direcionais com

complexas geometrias. Poos horizontais com ramificaes ou multilaterais, para incrementar

a rea de fluxo para aumentar a produo e a recuperao final de um campo, esto se tornando

tecnologias convencionais.


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Figura 3.1: Poo Direcional de Geometria Complexa (3D) (Fonte: PLCIDO, J.,

PINHO, R., 2009)

J no se fala to somente em se perfurar, mas tambm de se navegar pelo reservatrio

de forma a construir a trajetria de um poo para que alcance o objetivo predeterminado com

xito. Da primitiva broca de arraste, tipo rabo de peixe, passando pela revoluo que gerou as

brocas de cones rotativos no principio do sculo XX e terminando com as linhas de brocas

utilizando tecnologia de diamantes sintticos, as companhias de brocas de perfurao tm

buscado a vanguarda tecnolgica para se adaptar s exigncias de projetos de poos

complicados, sempre buscando a otimizao de desempenho em cada tipo de rocha perfurada.

A figura abaixo ilustra a evoluo das brocas ao longo do sculo passado e atual.


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Figura 2. 2: Evoluo das Brocas de Perfurao (Fonte: PLCIDO, J., PINHO, R., 2009)

Os tipos de broca mais utilizados para perfurao de poos de petrleo se classificam

genericamente da seguinte maneira:

Brocas com partes mveis;

Brocas sem partes mveis.

3.2. Brocas Com Partes Mveis

Inicialmente, as brocas de aletas tipo Fish Tail e suas diversas variaes, tambm

chamadas de brocas de arraste pelo seu mecanismo de perfurao eram as ferramentas

disponveis para a perfurao rotativa. A perfurao com este tipo de broca se d com as aletas

da broca cavando a rocha, pois elas no possuem partes mveis. As sadas de fluido esto

localizadas de tal maneira que o fluxo dirigido para as aletas, mantendo-as limpas. Estasferramentas foram eventualmente substitudas por novos projetos de brocas de cones.

3.2.1. BROCAS DE CONES

A broca tricnica, com suas subsequentes melhorias, permitiu que a perfurao rotativa

competisse com o mtodo de percusso em formaes mais duras. Posteriormente, a perfurao

rotativa substituiu o mtodo de percusso em outras inmeras aplicaes. A perfurao a

percusso segue, contudo, sendo utilizada para perfurar poos de gua, de superfcie e/ouaplicaes especiais para poos de petrleo em determinadas reas. A evoluo continuou com

projetos de brocas de trs e quatro cones, e continua at hoje com verses modernas das

brocas bicnicas e monocnicas. A estrutura de corte, fator mais importante no projeto de

brocas de cones, tambm se modificou em razo da evoluo tecnolgica de acordo com as

exigncias da indstria. Variou desde cortadores formados por dentes fresados no mesmo ao

dos cones (1909); dentes engrenados para autolimpeza da broca (1925); dentes de ao

recobertos com metal duro (liga de carboneto de tungstnio, 1928); at odesenvolvimento de insertos de carboneto de tungstnio para formaes mais duras (1951).

Hoje, dispe-se de diferentes graus de material dos insertos combinando-se diferentes

tamanhos de gros de carboneto de tungstnio com o material de ligao base de cobalto.

Atualmente, a broca de cones ajustada com insertos resistentes abraso ou ao impacto

(em seus diferentes graus), dependendo da aplicao.

Alm da estrutura dos cortadores, os rolamentos de cilindros e esferas das brocas de

cones, que tm a funo de segurar os cones s pernas da broca e permitem seu movimento,


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tambm evoluram. O rolamento de frico (journal) selado foi introduzido em 1966 para

brocas de formaes duras, as quais requerem mais peso sobre a broca, limitando a vida dos

rolamentos de cilindros. Selos de geometrias e materiais avanados e lubrificantes de

tecnologia de ponta tambm contriburam para que as brocas de cones se tornassem mais

duradouras em ambientes de perfurao mais hostis. Selos duplos a base de elastmeros de

alta resistncia foram introduzidos em 1996 para incrementar ainda mais a vida dos

rolamentos.

Na figura 3.3, podemos observar diferentes modelos de brocas de cones.

Figura 3.3: Brocas de Cones (Fonte: PLCIDO, J., PINHO, R., 2009)

3.2.2. PROJETO DAS BROCAS DE CONE

As brocas de cones possuem cones cortadores que giram sobre seu prprio eixo, que

variam de acordo com sua estrutura de corte e podem ter dentes de ao usinados ou de insertos

de carboneto de tungstnio. Tambm variam em funo do seu sistema de rolamento, que pode

ser rolamento convencional, rolamento selado ou mancais de frico tipo journal. As brocas de

cones contam com trs importantes componentes: a estrutura cortante, os rolamentos e o corpo.

Na figura 3.4, podemos observar os componentes de uma broca de cones.


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Figura 3. 4: Componentes de uma Broca de Cones (PLCIDO, J., PINHO, R., 2009)

A estrutura de corte e os cortadores esto montados sobre os rolamentos, os quais fazem

parte integral do corpo da broca.

Atualmente, empregam-se nas brocas dois distintos tipos de elementos de corte e trs

tipos de rolamentos. Os elementos cortadores so os dentes de ao usinados, que podem ser

desde um cone bsico recobertos com metal duro ou at insertos de carboneto de tungstnio

colocados por interferncia em furos perfurados na superfcie dos cones. Na Figura 3.5,

podemos observar os elementos cortantes de uma broca de cones.

Figura 3.5: Elementos Cortantes de uma Broca de Cones (PLCIDO, J., PINHO, R., 2009)


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Os rolamentos podem ser de cilindros e esferas, rolamentos selados ou de frico.

Mesmo havendo muita diferena entre as brocas, as consideraes sobre o desenho bsico so

similares para todas.

3.2.3. PROJETO DAS BROCAS DE CONE

A forma como os dentes cortam a formao afetada pela geometria dos cones. Um

cone sem offset tem uma superfcie cnica nica com seu eixo no centro de rotao da broca,

portanto rodar no fundo do poo sem nenhuma ao de deslizamento ou arraste.

Os cones das brocas com offset so usados para formao moles. Estes possuem dois

ou mais ngulos bsicos no cone, sendo que nenhum deles tem seu centro no centro de rotao

da broca. Com isso, a superfcie exterior do cone tende a rodar ao redor de seu eixo terico e

as fileiras interiores, mais prximas do centro, rodam em torno do seu prprio eixo, como

mostrado esquematicamente na figura 3.6.

Figura 3.6: Cones para Formaes Moles (Adaptada: PLCIDO, J., PINHO, R., 2009)Os cones so forados a rodar ao redor do centro da broca e, como possuem ngulos de

ataque diferentes produzem maior taxa de raspagem. Essa a forma mais efetiva de se perfurar

terrenos moles. Portanto, uma ao mais efetiva para se incrementar a penetrao em formaes

moles obtida com o aumento do offset dos eixos dos cones. O offset o ngulo entre o eixo

de rotao da broca e o plano vertical, que determina o grau de ao de raspagem dos dentes.

Para formaes duras, o offset tende a zero e o mecanismo predominante de ataque o

esmagamento.


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Na figura 3.7, pode-se observar o esquema de off-set de uma broca de cones.

Figura 3.7: Off-set de Brocas Tricnicas (Adaptado: PLCIDO, J., PINHO, R., 2009)

3.2.4. SISTEMAS DE ROLAMENTO

Para o sistema de rotao de brocas de cones existem trs configuraes: Rolamento

convencional com cilindros e esferas, rolamento auto-lubrificado com cilindros e esferas e

rolamento de frico auto-lubrificveis.

Os rolamentos convencionais foram lanados ao mercado num momento em que s

existiam brocas com dentes de ao com o objetivo de substituir os primeiros rolamentos de

frico. Estes rolamentos operavam em contato com o fluido de perfurao e, em muitos

casos, duravam tanto quanto ou mais que a estrutura cortante. Entretanto, em alguns locais

e com alguns tipos de brocas estes rolamentos eram inadequados.

Nas brocas atuais, os rolamentos convencionais so empregados em operaes em que

a velocidade de rotao alta ou para a perfurao da parte superior dos poos, em que o tempo

de manobra no excessivo.

Os roletes absorvem a maior poro dos esforos radiais sobre os cortadores. Com aintroduo dos insertos de tungstnio como cortadores no lugar dos dentes fresados, a vida til

dos rolamentos convencionais foi questionada. Alm disso, os elementos do rolamento

necessitam um depsitoNo caso dos rolamentos auto-lubrificados com cilindros e esferas,

depois de um determinado tempo, eles falham por fadiga do material, mesmo em um ambiente

lubrificado. Porm, como a vida do rolamento suficientemente grande para algumas brocas

com dentes de ao, este tipo de rolamento empregado nas brocas para formaes moles.


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No entanto, se forem usadas estruturas cortadoras de insertos de tungstnio, percebe-se que

estas duram mais que o rolamento de cilindros e esferas lubrificados. Isto levou ao

desenvolvimento de rolamentos de frico e de novo selo. A diferena mais importante o

emprego do anel do tipo O (o-ring) e a adio de uma superfcie metal-metal que substitui os

cilindros. O sistema depsito- compensador similar aos usados nas brocas de dentes de ao.

O rolamento de frico volta a ser o componente principal a suportar as cargas. As superfcies

de contato deste rolamento so recobertas com metais especiais, que agregam uma resistncia

adicional ao desgaste. Estes rolamentos tm vida mais longa que a maioria das estruturas

cortadoras atuais. para graxa, um compensador de presso, um comunicador entre ambos e um

selo.

3.3. Brocas Sem Partes Mveis

O uso de diamante industrial natural para corte de minerais e metais na indstria metal-

mecnica e de construo (ferramentas abrasivas de diamante, brocas para tornos, etc.),

passando por sua utilizao na perfurao de poos de minerao, se estendeu para a indstria

de petrleo e gs em meados do sculo XX. Isto ocorreu devido ao aumento da demanda

mundial de petrleo durante a segunda guerra mundial e a necessidade de perfurar poos mais

profundos, onde foram encontradas formaes mais duras e abrasivas. Tipicamente as pedras

de diamante ficam incrustadas na matriz da broca de diamante, ficando um tero de seu

comprimento sobre a superfcie. O mecanismo de perfurao desta broca por raspagem e

esmerilhamento do fundo do poo. Para se obter uma taxa de penetrao aceitvel, so

aplicadas altas revolues que compensam a baixa profundidade de corte. Este tipo de broca

tipicamente usado com motores de fundo ou turbinas. Uma alta vazo de fluido de perfurao

mantida para resfriar a broca e alcanar altas rotaes.

Os primeiros projetistas de brocas PDC se basearam nos modelos existentes de brocas

de diamante natural para projetar seu perfil. Para sua fabricao, aproveitaram osconhecimentos e experincias na criao de brocas de cones de insertos. Os cortadores PDC

eram hastes inseridas no corpo de ao da broca. Inicialmente no foi considerada a otimizao

da hidrulica nem a evacuao de cascalhos da face da estrutura de corte das brocas.

Posteriormente, comearam a fabricar os corpos das brocas de uma matriz de carboneto de

tungstnio. Com o tempo, o processo se modificou bastante. Atualmente, utiliza-se uma matriz

de ao para fabricar os corpos das brocas.


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O uso das brocas de PDC depende da abrasividade da formao e o contedo de

material erosivo no fluido de perfurao. Desde os primeiros testes, os resultados foram

promissores. Em certas ocasies, uma broca PDC substitua vrias corridas de brocas

convencionais. No entanto, com o estudo da dinmica de perfurao, houve indicaes que

eventos vibracionais durante a perfurao com brocas PDC afetavam tanto ou mais que o calor

gerado pelo mecanismo de perfurao por cisalhamento. A partir desse momento, o

desenvolvimento de novos projetos de brocas PDC enfocou este aspecto. Os perfis, quantidade

de aletas, tamanho de cortadores, arranjo hidrulico, orientao espacial e tipo de cortador so

projetados levando-se em conta os parmetros modernos de desempenho de uma broca PDC,

como a estabilidade (caractersticas anti-vibraco); o comportamento direcional (resposta

efetiva s ferramentas de controle de navegao para realizar o perfil de poo planejado); a

durabilidade (maior tempo efetivo de perfurao) e a taxa de penetrao (maior distncia

perfurada por unidade de tempo). Tudo isso se traduz na reduo dos custos de perfurao e o

produto final, ou seja, fazer o poo em menos tempo. A inexistncia de partes mveis e

rolamentos aumentam a confiabilidade destas brocas, uma vez que a as formaes a serem

perfuradas so susceptveis a sua aplicao. Os principais tipos de brocas sem partes

mveis utilizados nos dias atuais so: PDC e Impregnadas.

3.3.1. TIPOS DE BROCAS DE CORTADORES FIXOS

3.3.1.1. Fish Tail

As brocas Fish Tail so brocas de lminas de ao. Estas foram as primeiras a serem

usadas na perfurao rotativa. Sua caracterstica perfurar por cisalhamento. Alm disso, ela

possui jatos que permitem uma boa limpeza das lminas. O seu maior problema o fato da

vida til de sua estrutura cortante ser muito curta, mesmo quando aplicado material mais duro

nas lminas. Este tipo de broca praticamente desapareceu da perfurao de poos de petrleo

com o aparecimento das brocas tricnicas. Na figura 3.8, podemos ver esta broca.

Figura 3.8 BrocaFish-Tail (Fonte: PLCIDO, J., PINHO, R., 2009)


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3.3.1.2. Brocas de Diamante Natural

Igualmente aos outros tipos de brocas de diamante, as brocas de diamante natural tm

um corpo fixo cujo material composto de uma matriz de carboneto de tungstnio. O tipo de

fluxo pode ser radial ou cruzado. O tipo de cortador usado o diamante natural incrustado nocorpo da broca, com diferentes densidades e desenhos, como se classificam no cdigo IADC

para cortadores fixos.

O uso destas brocas limitado. So utilizadas em casos especiais para perfurar

formaes muito duras, para cortar ncleos de formaes com coroas de diamante natural,

Figura 3.9 : Broca de Diamantes Naturais (Fonte: PLCIDO, J., PINHO, R., 2009)

ou quando se deseja fazer um desvio (sidetrack) em formaes muito duras e abrasivas. A

figura abaixo ilustra esse tipo de broca.

O mecanismo de corte deste tipo de broca o esmerilhamento e arraste, que geram altastemperaturas. Na sua fabricao, usado o diamante natural, e no o comercial. O tamanho

varia de acordo com o desenho da broca: quanto mais dura e abrasiva for a formao, menor o

diamante que se deve usar. Os diamantes usados para este tipo de broca so arredondados, mas

possuem forma irregular.

3.3.1.3. Brocas de PDC

As brocas de PDC utilizam diamante sinttico no formato de um diamante policristalino

compacto. Seus cortadores so dispostos em forma de pastilhas, montada nas aletas da broca,que podem ser de ao ou matriz. O que as diferencia das brocas de diamante natural e das


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brocas de diamante termicamente estvel o seu desenho hidrulico com sistema de jatos,

similar s brocas de cones. Na figura abaixo podemos ver esta broca.

Figura 3.10: Broca de PDC de Ao (Fonte: PLCIDO, J., PINHO, R., 2009)

A taxa de penetrao da broca PDC influenciada diretamente pela orientao dos

cortadores, devido a parmetros como a exposio, o ngulo de back rake e o ngulo de side

rake. Na figura aaixo podemos observar estes ngulos.

Figura 3.11: Exposio, Angulo Back Rake e ngulo Side Rake (Adaptado: PLCIDO, J.,PINHO, R., 2009)


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O mecanismo de corte das brocas PDC por cisalhamento. Devido ao seu desenhohidrulico, aos seus cortadores em forma de pastilha e aos seus bons resultados na perfuraorotativa, este tipo de broca tem sido muito usado na perfurao de poos de petrleo. Tambmapresenta muitas vantagens econmicas por sua versatilidade. Na figura 3.12, podemosobservar o mecanismo de cisalhamento da formao.

Figura 3.12: Mecanismo de Cisalhamento da Formao (Fonte: PLCIDO, J., PINHO, R.,2009)

3.3.1.4. Brocas Impregnadas

A broca impregnada a evoluo da broca de diamante. Elas possuem seus elementos

de corte (cristais de diamante) impregnados na matriz de carboneto de tungstnio. Geralmente

so utilizadas em ambientes de perfurao duros e abrasivos. Assim como nas brocas de

diamante, a broca impregnada necessita trabalhar a altas rotaes para atingir taxas de

penetrao significativas devido pequena exposio. Para isso, elas so geralmente usadas

com turbinas ou motores de alta rotao. O projeto feito de forma a ter cobertura completa

de diamante no fundo do poo. A ao de esmerilhamento da formao a altas rotaes acarreta

a quebra da cimentao entre os gros da rocha. Com o desgaste da broca, novos cristais de

diamantes impregnados na matriz se expem continuamente ao ambiente de perfurao

mantendo a estrutura de corte afiada durante a perfurao.

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