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Apostila de brocas

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  • 1. BROCAS DE PERFURAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEOJoão Carlos Ribeiro PlácidoRodrigo Pinho
  • 2. BROCAS DE PERFURAÇÃODE POÇOS DE PETRÓLEO João Carlos Ribeiro Plácido Rodrigo Pinho Rio de Janeiro, Brasil Ano 2009 2
  • 3. BROCAS DE PERFURAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO 3
  • 4. RESUMO Perfurando em lâminas d’água ultraprofundas e poços direcionais ehorizontais cada vez mais longos, o tempo de manobra acaba se tornandoexcessivamente alto, influenciando de maneira decisiva no custo total daoperação de perfuração. Dentro deste contexto, fica evidente a preocupação ea necessidade da correta escolha das brocas de perfuração. Hoje em dia,existe uma grande diversidade de brocas de diferentes fabricantes disponíveis,o que torna indispensável o conhecimento técnico dos profissionais envolvidosno processo de perfuração dos poços. Esta apostila tem como objetivodescrever os tipos de brocas utilizadas atualmente na perfuração rotativa bemcomo suas particularidades. Pretende-se ainda descrever os principais critériospara a seleção da broca ideal para a operação de perfuração de um poço depetróleo. 4
  • 5. SumárioRESUMO.................................................................................................................................................... 4Sumário ...................................................................................................................................................... 51 – Introdução............................................................................................................................................ 72 – Tipos de brocas ................................................................................................................................ 11 2.1 - Brocas com partes móveis .............................................................................................. 12 2.1.1 – Brocas de cones...................................................................................................................... 12 2.1.2 - Princípio de projeto das brocas de cones ................................................................................ 15 2.1.2.1 – A estrutura de corte.................................................................................................... 17 2.1.2.2 - Sistemas de rotação ................................................................................................... 19 2.1.2.3 - Corpo da Broca............................................................................................................ 22 2.1.3 – Código IADC para brocas tricônicas ..................................................................................... 23 2.2 - Brocas sem partes móveis .............................................................................................. 25 2.2.1 – Tipos de Brocas de Cortadores Fixos..................................................................................... 29 2.2.1.1 - Fish Tail......................................................................................................................... 29 2.2.1.2 - Brocas de Diamante natural ...................................................................................... 29 2.2.1.3 - TSP – Brocas de diamante termicamente estável ................................................. 31 2.2.1.4 - Brocas PDC.................................................................................................................. 32 2.2.1.5 - Brocas Impregnadas ................................................................................................... 34 2.2.2 - Código IADC para broca de cortadores fixos......................................................................... 36 2.3 - Brocas especiais ............................................................................................................. 383 – Seleção de Brocas ........................................................................................................................... 39 3.1 - Critérios para seleção de brocas..................................................................................... 40 3.1.1 - Objetivos de perfuração.......................................................................................................... 40 3.1.2 – Rendimento............................................................................................................................ 40 3.1.3 – Economia ............................................................................................................................... 40 3.1.4 – Direcional............................................................................................................................... 41 3.1.5 – Análise de históricos .............................................................................................................. 41 3.1.6 – Taxa de penetração ................................................................................................................ 41 3.1.7 – Fluidos de perfuração............................................................................................................. 42 3.1.8 – Energia hidráulica .................................................................................................................. 42 3.1.9 – Restrições............................................................................................................................... 42 3.1.10 – Custos................................................................................................................................... 43 3.1.11 – Limitações de peso sobre a broca......................................................................................... 43 3.1.12 – Velocidade de rotação (RPM).............................................................................................. 43 3.1.13 – Formações nodulares ........................................................................................................... 43 3.1.14 – Ampliação............................................................................................................................ 44 3.1.15 – Poços profundos................................................................................................................... 44 3.1.16 – Poços de diâmetro reduzido ................................................................................................. 44 3.1.17 – Aplicações com motor de fundo .......................................................................................... 44 3.1.18 – Atributos do meio ambiente................................................................................................. 45 3.1.19 – Tipo de rocha ....................................................................................................................... 45 3.1.20 – Litologia............................................................................................................................... 45 3.1.21 – Transição.............................................................................................................................. 46 3.1.22 – Homogeneidade ................................................................................................................... 46 3.1.23 – Fraturados ou Nodulares ...................................................................................................... 46 3.1.24 - Tendências de desvio............................................................................................................ 46 3.1.25 – Vibração............................................................................................................................... 46 3.2 - Seleção por perfis geofísicos .......................................................................................... 47 3.2.1 - Registro Neutrônico – NPHI .................................................................................................. 47 3.2.2 - Registro de Raios Gama – GR................................................................................................ 47 3.2.3 - Registro sônico – DT.............................................................................................................. 47 3.2.4 - Registro de Densidade – RHOB ............................................................................................. 48 3.2.5 - Potencial espontâneo – SP ...................................................................................................... 48 3.2.6 - Indução – ILD......................................................................................................................... 48 3.2.7 - Análise da resistência à compressão....................................................................................... 49 5
  • 6. 3.3 - Seleção em função da formação .................................................................................... 504 – Desgaste das Brocas....................................................................................................................... 52 4.1 - Fatores que afetam o desgaste das brocas.................................................................... 52 4.1.1 - Fatores geológicos .................................................................................................................. 52 4.1.1.1 – Abrasividade................................................................................................................ 52 4.1.1.2 - Resistência especifica da rocha................................................................................ 52 4.1.2- Fatores de operação ................................................................................................................. 53 4.1.2.1 - PSB - Peso sobre a broca.......................................................................................... 53 4.1.2.2 - Velocidade de Rotação............................................................................................... 53 4.1.2.3 - Limpeza do fundo do poço......................................................................................... 54 4.1.2.4 - Geometria do poço...................................................................................................... 54 4.1.3 - Manejo e Transporte............................................................................................................... 54 4.2 - Avaliação do desgaste de brocas ................................................................................... 555 - Avaliação econômica........................................................................................................................ 596 – Considerações finais........................................................................................................................ 627 – Referências Bibliográficas............................................................................................................... 63 6
  • 7. 1 – Introdução Desde a época quando os chineses perfuravam poços de salmoura até osdias de hoje, a broca de perfuração sempre foi fator determinante naconstrução de poços de petróleo e gás. Começando com a tecnologiarudimentar de ferramentas de perfuração a cabo, passando pelosequipamentos rotativos, até os sistemas direcionais de alto alcance horizontalatuais, os projetos de brocas tiveram que se adaptar às exigências da industria. A perfuração fácil é a cada dia mais escassa. Agora se perfura emtopografias de difícil acesso, áreas com restrições urbanas e/ou ambientais eem lâminas d’água de mais de 2000 metros de profundidade. Os poçosdeixaram de ser teoricamente verticais (na realidade não existe um poçoperfeitamente vertical) e se tornaram direcionais com complicadas geometrias.Poços horizontais com ramificações ou multilaterais, para incrementar a áreade fluxo para aumentar a produção e a recuperação final de um campo, estãose tornando tecnologias convencionais. Figura 1 – Poço Direcional de Geometria Complexa (3D) 7
  • 8. Já não se fala tão somente de se perfurar, mas também de se navegarpelo subsolo de forma a construir a trajetória de um poço para que alcance oobjetivo predeterminado com êxito. A tecnologia atual de perfuração seaproveita da última tecnologia de navegação espacial, novos materiais,desenho mecânico, comunicação e informática para alcançar o objetivoprincipal da industria, ou seja, reduzir os custos de perfuração. Da primitiva broca de arraste, tipo rabo de peixe, passando pela revoluçãoque gerou as brocas de cones rotativos no principio do século XX e terminandocom as linhas de brocas utilizando tecnologia de diamantes sintéticos, ascompanhias de brocas de perfuração tem buscado a vanguarda tecnológicapara se adaptar às exigências de projetos de poços complicados, semprebuscando a otimização de desempenho em cada tipo de rocha perfurada. Evolução das Brocas de Perfuração 1859 1863 1909 1910 E.L. Drake e a sonda usada para Broca de arrastre tipo Broca de dois cones patentada por Em 1910 Hughes patenteou a perfurar o poço em Titusville. Rabo de Peixe Howard Hugues en 1909 primeira broca tricónica Detalhe de brocas de percussão 1925 1930 1933 1940 1951 Broca com dentes entrelaçados Primeira broca mono-cónica Broca de tres cones com Uso de brocas de diamante Se introduzem os insertos deou “engrenados” para autolimpeza dentes tipo engranagem natural em poços de petróleo carboneto de tungsteno como elementos de corte 8
  • 9. 1953 1976 1978 1994 Os primeiros cristais de diamante Compactos de diamante sintético em suas Primeiras brocas PDC. Hastes A interfase não-plana da sintético obtidos pelo “Diamond diversas apresentacões. Os primeiros insertadas no corpo de aço das superficie entre os materials Team” da GE cortadores PDC eram hastes insertadasno brocas com arranjo simples em ajuda a aliviar as tensões corpo da broca espiral internas nos cortadores 1994 – Presente… A espessura da capa de diamante Insertos para brocas de cones com Broca PDC moderna para Selos gêmeos (Gemini) foram pode ser incrementada para dar capa de diamante para melhorar a aplicacões com Sistema Rotatorio lançados visando incrementar mais durabilidade ao cortador PDC. resistencia a abrasividade Direcional. Inclui cortadores ativos a vida dos rolamentos das Primeiro plano: cortador TECMAX no calibre brocas de conesA EVOLUCÃO CONTINUA…Os novos desenvolvimentos incluem brocaas especializadas para aplicações e necessdiade específicas. Da esquerda para a direita. As brocas bi-céntricas perforamn um poço piloto que logo é alargado por sua seção ampliadora. As brocas impregnadas são uma versão moderna das brocas de diamantes naturais Os cristais de diamantesão impregnaods na matrix de carboneto de tungtênio de forma que novos critais são expostos a medida que a broca se desgasta pela ação de perfuração em formações abrasivas. Por último, se apresentamn as versões modernas das brocas bi-cônicas e mono-cônicas. É imprescindível que o engenheiro de perfuração domine os fundamentosdo projeto das brocas e seja capaz de entender seu comportamento para fazeruma seleção adequada. Para isso, deve-se analisar um grande número devariáveis que interagem entre si, tais como:• A evolução do desgaste das brocas previamente empregadas;• Os rendimentos obtidos nos poços vizinhos; 9
  • 10. • Os registros geofísicos dos poços vizinhos e do mesmo poço;• Os dados sísmicos;• Análises de compressibilidade das rochas;• As propriedades dos fluidos de perfuração;• As tabelas de informação geológica;• Os catálogos de brocas;• As tabelas comparativas das brocas;• As classificações das brocas;• Objetivos de perfuração para cada fase. Esta apostila tem como foco o estudo das brocas rotativas utilizadas naperfuração de poços de petróleo nos dias de hoje. Através da apresentaçãodos tipos de brocas existentes, com suas características específicas eparticularidades, serão mostrados critérios de seleção e avaliação de desgastedas mesmas para que o processo de perfuração seja seguro e com o menorcusto possível. 10
  • 11. 2 – Tipos de brocas Broca é a ferramenta de corte localizada no extremo inferior da colunade perfuração, a qual é utilizada para cortar ou triturar a formação durante oprocesso de perfuração rotativa. Para realizar a perfuração as brocas utilizam como base os princípiosfundamentais para vencer os esforços da rocha, e a forma de ataque pode serpor: acunhamento, cisalhamento, esmerilhamento, esmagamento, e até mesmoerosão por ação de jatos de fluido. A forma do ataque dependerá do tipo e das características da rocha quese deseja cortar, principalmente em função de sua dureza e abrasividade. Estefator é muito importante na classificação das brocas. É o grau de dureza eabrasividade que determinará o tipo de broca e o princípio de ataque. As primeiras patentes das brocas de perfuração surgiram no início doséculo XX paralelamente aos descobrimentos de jazidas de petróleo. Seuprojeto e engenharia melhoraram notavelmente suas características físicas,mecânicas, e com isso sua duração e funcionamento também evoluíram. Os tipos de broca mais utilizados para perfuração de poços de petróleose classificam genericamente da seguinte maneira:• Brocas com partes móveis;• Brocas sem partes móveis. 11
  • 12. 2.1 - Brocas com partes móveis2.1.1 – Brocas de cones Inicialmente as ferramentas disponíveis para a perfuração rotativa eramas brocas de aletas tipo “Rabo de Peixe” e suas diversas variações. Tambémchamadas de brocas de arraste pelo seu mecanismo de perfuração. As brocasde arraste não possuem partes móveis e perfuram por ação de cavar suasaletas na rocha. As saídas de fluido estão localizadas de tal maneira que ofluxo é dirigido para as aletas, mantendo-as limpas. Estas ferramentas foram eventualmente substituídas por novos projetosde brocas de cones. O conceito e mecanismo de perfuração das brocas dealetas seriam retomados mais adiante com a aparição das brocas de diamantepolicristalino (PDC), como veremos mais adiante. A primeira broca de cones foi patenteada por Howard Hughes em 10 deagosto de 1909. Esta broca, com suas subseqüentes melhorias, permitiu que aperfuração rotativa competisse com o método de percussão em formaçõesmais duras. Eventualmente, a perfuração rotativa substituiu o método depercussão em inúmeras outras aplicações. A perfuração a percussão segue,contudo, sendo utilizada para perfurar poços de água, de superfície e/ouaplicações especiais para poços de petróleo em determinadas áreas. Aevolução continuou com projetos de brocas de três e quatro cones, e continuaaté hoje com versões modernas das brocas bi-cônicas e mono-cônicas. O fator mais importante no projeto de brocas de cones, a estrutura decorte, também se modificou em razão da evolução tecnológica de acordo comas exigências da indústria. Variou desde cortadores formados por dentesfresados no mesmo aço dos cones (1909); dentes engrenados para autolimpeza da broca (1925); dentes de aço recobertos com metal duro (liga de 12
  • 13. carboneto de tungstênio, 1928); ao desenvolvimento de insertos de carbonetode tungstênio para formações mais duras (1951). Hoje, se dispõe de diferentesgraus de material dos insertos combinando-se diferentes tamanhos de grãos decarboneto de tungstênio, com o material de ligação à base de cobalto.Atualmente, a broca de cones é ajustada com insertos resistentes à abrasão ouao impacto (em seus diferentes graus), dependendo da aplicação. Por outro lado, os rolamentos de cilindros e esferas das brocas de cones,introduzidos no ano 1932, que seguram os cones às pernas da broca epermitem seu movimento, também evoluíram. O rolamento de fricção (journal)selado foi introduzido em 1966 para brocas de formações duras, as quaisrequerem mais peso sobre a broca, o que limita a vida dos rolamentos decilindros. Selos de geometrias e materiais avançados e lubrificantes detecnologia de ponta, também contribuíram para que as brocas de cones setornassem mais duráveis em ambientes de perfuração mais hostis. Selosduplos a base de elastômeros de alta resistência foram introduzidos em 1996para incrementar ainda mais a vida dos rolamentos. A conservação do diâmetro do calibre das brocas é crítica em operaçõesde perfuração. O avanço mais significativo neste campo foi a introdução deinsertos de diferentes geometrias, recobertos com capas de diamante sintéticopara resistir ao desgaste ocasionado pelo contato dinâmico do calibre da brocacom formações abrasivas (1984). A incorporação de jatos às broca de cones (1948) ajudou a melhorar alimpeza do fundo do poço e da estrutura de corte. Os projetos hidráulicos dasbrocas atuais incluem jatos dirigidos, estendidos, centrais e difusores, quecontribuem ainda mais para a limpeza do fundo do poço e da estrutura decorte, assim como ao resfriamento da broca. Mediante a utilização de modernos simuladores computacionais, osprojetistas têm conseguido melhorar ainda mais os modelos de brocas através 13
  • 14. de um melhor entendimento da interação broca–formação, buscando-se assima otimização da durabilidade, taxa de penetração e comportamento vibracionalda broca.Figura 2 – Tipos diferentes de brocas de cones: tricônica de dentes de aço (altoà esquerda), tricônica de insertos (alto à direita), bicônica de insertos (em baixo à esquerda) e monocônica de insertos (em baixo à direita). 14
  • 15. 2.1.2 - Princípio de projeto das brocas de cones As brocas de cones contam com cones cortadores que giram sobre seupróprio eixo. Variam de acordo com sua estrutura de corte e podem ter dentesde aço usinados ou de insertos de carboneto de tungstênio. Também variamem função do seu sistema de rolamento, que pode ser rolamento convencional,rolamento selado ou mancais de fricção tipo journal. As brocas de conescontam com três importantes componentes: a estrutura cortante, os rolamentose o corpo. Figura 3 – Componentes de uma broca de cones A estrutura de corte e os cortadores estão montados sobre os rolamentos,os quais constituem parte integral do corpo da broca. Atualmente, empregam-se nas brocas dois distintos tipos de elementosde corte e três tipos de rolamentos. Os elementos cortadores são os dentes deaço usinados desde um cone básico de material e recobertos com metal duro,ou os insertos de carboneto de tungstênio colocados por interferência em furosperfurados na superfície dos cones. 15
  • 16. Figura 4 – Elementos cortantes das brocas de cones: (dentes de aço e insertos de carboneto de tungstênio) Os rolamentos podem ser de esferas e cilindros, rolamento selado ou defricção. Mesmo havendo muita diferença entre as brocas, as considerações sobreo desenho básico são similares para todas. 16
  • 17. Figura 5 – Esquema básico de rolamentos de cilindros e rolamentos de fricção Os diferentes componentes vão depender do diâmetro das brocas e dotipo de formação que se pretende perfurar.2.1.2.1 – A estrutura de corte A geometria dos cones afeta a forma como os dentes cortam a formação.Um cone que tenha uma superfície cônica única com seu eixo no centro derotação da broca, ou seja, sem offset, rodará no fundo do poço sem nenhumaação de deslizamento ou arraste. Os cones das brocas para formação molespossuem dois ou mais ângulos básicos no cone, nenhum dos quais tem seucentro no centro de rotação da broca, com offset. Com isso, a superfícieexterior do cone tende a rodar ao redor de seu eixo teórico e as fileirasinteriores, perto do centro, em seu próprio eixo, como mostradoesquematicamente na figura abaixo. 17
  • 18. Figura 6 – Cones para formações moles Os cones são forçados a rodar ao redor do centro da broca. Comopossuem ângulos de ataque diferentes produzem maior taxa de raspagem, queé a melhor maneira de perfurar de forma efetiva os terrenos moles. Portanto,uma ação mais efetiva para se incrementar a penetração em formações molesé obtida aumentando-se o offset dos eixos dos cones. O offset é o ângulo entreo eixo de rotação da broca e o plano vertical, e determina o grau de ação deraspagem dos dentes. Para formações duras o offset tende a zero e omecanismo predominante de ataque é o esmagamento. 18
  • 19. Figura 7 – Offset de brocas tricônicas2.1.2.2 - Sistemas de rotação Para o sistema de rotação de brocas tricônicas existem trêsconfigurações:• Rolamento convencional com cilindros e esferas;• Rolamento auto-lubrificado com cilindros e esferas; 19
  • 20. • Rolamento de fricção auto-lubrificáveis. Os rolamentos convencionais apareceram para substituir os primeirosrolamentos de fricção. Foram lançados ao mercado num momento em que sóexistiam brocas com dentes de aço. Estes rolamentos operavam em contatocom o fluido de perfuração e em muitos casos duravam tanto ou mais que aestrutura cortante. Entretanto, em alguns locais e com alguns tipos de brocasestes rolamentos eram inadequados. Nas brocas atuais, os rolamentos convencionais são empregados apenasna parte superior dos poços, onde o tempo de manobra não é excessivo ou emaplicações em que a velocidade de rotação é alta. Os roletes absorvem a maiorporção dos esforços radiais sobre os cortadores. Com a introdução dos insertos de tungstênio como cortadores no lugardos dentes fresados a vida útil dos rolamentos convencionais foi colocada emxeque. Além disso, os elementos do rolamento necessitam um depósito paragraxa, um compensador de pressão, um comunicador entre ambos e um selo. Figura 8 – Esquema detalhado de um conjunto selo-rolamento de cilindros e esferas 20
  • 21. Mesmo em um ambiente lubrificado, os rolamentos de cilindros e esferasdepois de um determinado tempo falham por fadiga do material. Entretanto, avida do rolamento é suficientemente grande para algumas brocas com dentesde aço. Assim, este tipo de rolamento é empregado nas brocas para formaçõesmoles. No entanto, as estruturas cortadoras de insertos de tungstênio durammais que o rolamento de cilindros e esferas lubrificados. Isto levou aodesenvolvimento de rolamentos de fricção e de novo selo. O sistema depósito-compensador é similar aos usados nas brocas dedentes de aço. A diferença mais importante é o emprego do o-ring e a adiçãode uma superfície metal-metal que substitui os cilindros. O rolamento de fricçãovolta a ser o componente principal a suportar as cargas. As superfícies decontato deste rolamento são recobertas com metais especiais que agregamuma resistência adicional ao desgaste. Estes rolamentos têm vida mais longaque a maioria das estruturas cortadoras atuais. Figura 9 – Esquema detalhado de um conjunto selo-rolamento de fricção 21
  • 22. 2.1.2.3 - Corpo da Broca O corpo da broca tem a seguinte composição:• Conexão rosqueada que une a broca com o tubo de perfuração;• Três eixos de rolamento onde são montados os cones;• Depósito que contém o lubrificante para os rolamentos;• Orifícios através dos quais passa o fluido de perfuração. Um dos propósitos do corpo da broca é direcionar o fluido de perfuraçãopara tornar a limpeza mais efetiva no fundo do poço. Estes orifícios estãolocalizados para direcionar o fluido de perfuração de modo que limpem oscones das brocas e o fundo do poço.Figura 10 – Ilustração da ação dos jatos na limpeza dos cones e fundo de poço As bombas modernas têm potência suficiente para limpar o fundo do poçoe também a broca. Em algumas formações moles, os jatos do fluido deperfuração retiram o material por sua própria força hidráulica. A erosão docorpo da broca, provocada pelo fluido a altas velocidades, se reduz com oemprego de jatos de carboneto de tungstênio. 22
  • 23. As brocas de cones, como foi mencionado, são as mais utilizadas naatualidade para a perfuração petrolífera. Cada fabricante tem seus própriosdesenhos de brocas de cones, com características específicas de cadafabricante, mas de acordo com o código de padronização emitido pela IADC(International Association of Drilling Contractors).2.1.3 – Código IADC para brocas tricônicas O IADC desenvolveu um sistema padronizado para classificação dasbrocas tricônicas. Classificam-se de acordo com o tipo, dentes de aço ouinsertos, a classe de formação para a qual foram projetadas (em termos desérie e tipo), as características mecânicas, e em função do fabricante. Parafazer comparações e evitar confusão entre os tipos de brocas equivalentes emrelação aos seus distintos fabricantes, o IADC criou o seguinte o código declassificação: N1 N2 N3 A• N1: Identifica o tipo e o desenho da estrutura de corte com respeito ao tipo de formação, conforme abaixo:1 - Dentes de aço para formações moles;2 - Dentes de aço para formações médias;3 - Dentes de aço para formações duras;4 - Dentes de insertos de tungstênio para formações muito moles;5 - Dentes de insertos de tungstênio para formações moles;6 - Dentes de insertos de tungstênio para formações médias;7 - Dentes de insertos de tungstênio para formações duras;8 - Dentes de insertos de tungstênio para formações muito duras.• N2: Indica o grau de dureza da formação na qual se usará a broca. Varia de mole à dura, conforme a seguir:1 - Para formações moles; 23
  • 24. 2 - Para formações médias moles;3 - Para formações médias duras;4 - Para formações duras.• N3: Indica o sistema de rolamento e lubrificação da broca em oito classificações, conforme abaixo:1 – Rolamento convencional não selado;2 – Rolamento convencional não selado com refrigeração a ar;3 – Rolamento convencional não selado com proteção de calibre;4 – Rolamento selado auto-lubrificado;5 – Rolamento selado com proteção de calibre;6 – Rolamento de fricção (journal) selado;7 – Rolamento de fricção (journal) selado com proteção de calibre;8 – Para perfuração direcional;9 – Outros. Figura 11 – Exemplos de códigos IADCs• A: Um caractere alfanumérico que indica outras características, tais como: aplicações a ar comprimido, selos especiais, jato central, etc. As opções para o caractere “A” são apresentadas na Tabela abaixo. 24
  • 25. Tabela 1 – Exemplos de características especiais referentes ao código IADC2.2 - Brocas sem partes móveis O uso de diamante industrial natural para corte de minerais e metais naindústria metal-mecánica e de construção (ferramentas abrasivas de diamante,brocas para tornos, etc.), passando por sua utilização na perfuração de poçosde mineração, se estendeu para a indústria de petróleo e gás em meados doséculo XX, devido ao aumento da demanda mundial de petróleo durante asegunda guerra mundial e a necessidade de perfurar poços mais profundos,onde foram encontradas formações mais duras e abrasivas. Tipicamente a pedra de diamante está “incrustada” na matriz da broca dediamante e sobressai um terço de seu tamanho sobre a superfície. Omecanismo de perfuração desta broca é por raspagem e esmerilhamento dofundo do poço. A pouca profundidade de corte é compensada com altasrevoluções aplicadas para se obter taxa de penetração aceitável. Este tipo debroca é tipicamente usado com motores de fundo ou turbinas. Uma alta vazãode fluido de perfuração é mantida para resfriar a broca e alcançar altasrotações. 25
  • 26. Durante a segunda guerra mundial o fornecimento de diamante industrialaos Estados Unidos, a partir das minas localizadas na África, se viu seriamenteafetado. Terminada a guerra, foi revista a necessidade de se ter uma fontesegura de diamante industrial. No ano de 1951, a General Electric (GE)formaria um grupo científico (Diamond Team) para estudar se era factível,prática e economicamente, reproduzir o diamante sinteticamente. Tentativas anteriores haviam fracassado. Em 1880, J. B. Hannay realizou80 experimentos. Esquentando tubos de ferro que continham parafina, petróleoe lítio, ele obteve alguns cristais. Estudos posteriores sugeriram que essescristais eram de diamante natural. Posteriormente, outros investigadores como F.H. Moissan, W. Crookes yC.A. Parsons, entre 1886 e 1931, utilizaram diferentes métodos e materiaissem êxito. Moissan declarou que havia gerado cristais de diamante a partir decarvão passando por um arco elétrico, porém logo se comprovou que umassistente tinha colocado cristais de diamante no aparato. Parsons, quetambém não alcançou os resultados esperados usando vários métodos,concluiu que, neste momento, nada podia ser feito para se produzir diamantesem laboratório. O grupo “Diamond Team” da GE chegou à conclusão de que teria que sereproduzir as condições naturais, as quais o carvão se transforma emdiamante, se quisesse levar seu projeto adiante. Concluíram que necessitariamde um equipamento que gerasse 3500º F (1927º C) e uma pressão de ummilhão de libras por polegada quadrada (psi), condições equivalentes a umaprofundidade de 160 milhas (258 Km) no subsolo. Depois de milhões dedólares de investimento e muito trabalho, em 1953, o grupo dispunha deaparatos e ferramentas para iniciar os experimentos. Entretanto, somente isso não foi o suficiente. Das variáveis necessáriaspara completar o processo além da pressão e temperatura, não havia sido 26
  • 27. possível reproduzir o fator tempo. Na natureza, o diamante se forma depois deum processo que dura milhões de anos. Depois de muitos experimentosinfrutíferos, se conseguiu encontrar uma série de catalisadores quesubstituiriam o tempo. Em 15 de Fevereiro de 1955 foi anunciado o grandefeito. Os primeiros cristais de diamante sintético (Man-Made DiamondTM)haviam sido produzidos em laboratório. Em outubro de 1957 foi lançada uma linha comercial de diamantesintético para retífica e afiamento de ferramentas de carboneto de tungstêniopara tornos. Depois de passar por desenvolvimentos para diferentesaplicações, se começou a estudar sua aplicação para a perfuração de poços.Em 1976 se criou uma empresa subsidiaria para tal fim, Stratapax Drill Blanks,que lançou no mercado discos e hastes de carboneto de tungstênio com umacapa de diamante policristalino em um extremo. Estes seriam montados nocorpo de aço de uma broca como elementos de corte. Assim nasceram oscortadores e brocas PDC ( “Polycrystalline Diamond Compact”). Os primeiros projetistas de brocas PDC se basearam nos modelosexistentes de brocas de diamante natural para projetar seu perfil. Para suafabricação, aproveitaram os conhecimentos e experiências na criação debrocas de cones de insertos. Os cortadores PDC eram hastes inseridas nocorpo de aço da broca. Inicialmente não se considerou a otimização dahidráulica nem a evacuação de cascalhos da face da estrutura de corte dasbrocas. Posteriormente começaram a fabricar os corpos das brocas de umamatriz de carboneto de tungstênio. Com o tempo, o processo se modificoubastante. Agora se fabrica um molde de grafite com o perfil, espaço para asaletas e os canais de fluxo. Coloca-se dentro do molde o pó de carboneto detungstênio e por cima um metal aglutinante que se fundirá dentro de um forno atemperatura e ambiente controlados. A broca é depois sacada do molde eretificada. Os cortadores são soldados em bolsos deixados no topo das aletas. 27
  • 28. Atualmente se utiliza matriz aço para fabricar os corpos das brocas. Seuuso depende da abrasividade da formação e o conteúdo de material erosivo nofluido de perfuração. Desde os primeiros testes, os resultados foram promissores. Em certasocasiões, uma broca PDC substituía várias corridas de brocas convencionais.Muitos anos depois, quando o estudo da dinâmica de perfuração avançousignificativamente, houve indicações que eventos vibracionais durante aperfuração com brocas PDC afetavam tanto ou mais que o calor gerado pelomecanismo de perfuração por cisalhamento. A partir desse momento, o desenvolvimento de novos projetos de brocasPDC enfocou este aspecto. Os perfis, quantidade de aletas, tamanho decortadores, arranjo hidráulico, orientação espacial e tipo de cortador sãoprojetados levando-se em conta os parâmetros modernos de desempenho deuma broca PDC. Os perfis, quantidade de aletas, tamanho de cortadores,projeto hidráulico, orientação espacial, estabilidade (características anti-vibracão); comportamento direcional (resposta efetiva às ferramentas decontrole de navegação para realizar o perfil de poço planejado); durabilidade(maior tempo efetivo de perfuração) e taxa de penetração (maior distânciaperfurada por unidade de tempo). Tudo isso se traduz na redução dos custosde perfuração e o produto final, ou seja, o poço, feito em menos tempo. A inexistência de partes móveis e rolamentos aumentam a confiabilidadedestas brocas, uma vez que a as formações a serem perfuradas sãosusceptíveis a sua aplicação e a broca correta é selecionada para a aplicação. Os principais tipos de brocas sem partes móveis utilizados nos dias atuaissão: PDC e Impregnadas 28
  • 29. 2.2.1 – Tipos de Brocas de Cortadores Fixos2.2.1.1 - Fish Tail As brocas de lâminas de aço, conhecidas como brocas Rabo de Peixe(Fish Tail), foram as primeiras brocas a serem usadas na perfuração rotativa.Sua característica é a de perfurar por cisalhamento. Esse tipo de broca possuijatos os quais permitem uma boa limpeza das lâminas. O maior problemadestas brocas é que a vida útil de sua estrutura cortante é muito curta, mesmoaplicando material mais duro nas lâminas. Este tipo de broca praticamentedesapareceu da perfuração de poços de petróleo com o aparecimento dasbrocas tricônicas. Figura 12– Broca Fish Tail2.2.1.2 - Brocas de Diamante natural As brocas de diamante natural, igualmente aos outros tipos de brocas dediamante, têm um corpo fixo cujo material é composto de uma matriz decarboneto de tungstênio. O tipo de fluxo pode ser radial ou cruzado e o tipo decortador é o diamante natural incrustado no corpo da broca, com diferentesdensidades e desenhos, como se classificam no código IADC para cortadoresfixos. 29
  • 30. O uso destas brocas é limitado, utilizado em casos especiais para perfurarformações muito duras e para cortar núcleos de formações com coroas dediamante natural, ou na aplicação de brocas desviadoras (Side Track) paradesviar poços em formações muito duras e abrasivas. Figura 13 – Brocas de diamantes naturais O mecanismo de corte deste tipo de broca é o esmerilhamento e arraste,o qual gera altas temperaturas. O tipo de diamante usado para sua construçãoé o diamante em sua forma natural e não comercial. O tamanho varia deacordo com o desenho da broca: quanto mais dura e abrasiva for a formaçãomenor o diamante que se deve usar. Os diamantes usados para este tipo debroca são arredondados, mas de forma irregular. 30
  • 31. Figura 14 – Mecanismo de esmerilhamento da formação2.2.1.3 - TSP – Brocas de diamante termicamente estável Estas brocas são usadas para perfuração de rochas duras como calcário,arenitos finos e duros, entre outras. São um pouco mais usadas paraperfuração convencional que as brocas de diamante natural. O uso de brocas TSP também é restrito porque, assim como as dediamante natural, apresentam restrições hidráulicas. As vias de circulaçãoestão praticamente em contato direto com a formação e, além disso, geramaltas torções nos tubos de perfuração, embora hoje se pode usar com motor defundo. Este tipo de broca usa como estrutura de corte, diamante sintético emforma de triângulos pequenos e não redondos. A densidade, o tamanho e tipossão características de cada fabricante. Estas brocas também têm aplicaçãopara cortar núcleo e desviar poços. 31
  • 32. 2.2.1.4 - Brocas PDC As brocas de PDC utilizam diamante sintético no formato de um compactode diamante policristalino. Seus cortadores são na forma de pastilhas, montadanas aletas da broca, que podem ser de aço ou matriz. O que as diferencia dasbrocas de diamante natural e TSP, é seu desenho hidráulico que se realizacom sistema de jatos, similar às brocas de cones. Figura 15 – Broca PDC de corpo de aço A orientação dos cortadores: exposição, ângulo de back rake e ângulo deside rake influenciam diretamente a taxa de penetração da broca PDC. 32
  • 33. Figura 16 – Exposição, ângulo de Bake Rake e ângulo de Side Rake O mecanismo de corte das brocas PDC é por cisalhamento. Por seudesenho hidráulico, seus cortadores em forma de pastilha e por seus bonsresultados na perfuração rotativa, este tipo de broca tem sido muito usado naperfuração de poços de petróleo. Também apresenta muitas vantagenseconômicas por sua versatilidade. Figura 17 – Mecanismo de Cisalhamento da Formação 33
  • 34. Por seu desenho e características, as brocas PDC contam com umagrande gama de tipos e fabricantes, especiais para cada tipo de formação,desde formações muito moles até muito duras, e em diferentes diâmetros deacordo com o projeto de cada poço. Além disso, estas brocas podem rodar aaltas velocidades, podendo ser utilizadas com motores de fundo ou turbinas,com diferentes pesos sobre a broca. Figura 18 – Brocas PDC de corpo de Matriz2.2.1.5 - Brocas Impregnadas Broca impregnada é a evolução da broca de diamante. Elas possuemseus elementos de corte (cristais de diamante) impregnados na matriz decarboneto de tungstênio. Geralmente são utilizadas em ambientes deperfuração duros e abrasivos. Devido à pequena exposição, tal qual nas brocasde diamante, a impregnada necessita trabalhar a altas rotações para atingirtaxas de penetração significativas. Estas brocas são geralmente usadas comturbinas ou motores de alta rotação. Estas brocas são projetadas de forma a tercobertura completa de diamante no fundo do poço. A ação de esmerilhamentoda formação a altas rotações acarreta a quebra da cimentação entre os grãos 34
  • 35. da rocha. Durante a perfuração, com o desgaste da broca novos cristais dediamantes impregnados na matriz se expõem continuamente ao ambiente deperfuração mantendo a estrutura de corte afiada. Figura 19 – Broca impregnada desgastada mostrando os cristais de diamante expostos Existe uma infinidade de variáveis quanto a perfis, estrutura dos cristaisde diamante e matrizes de brocas impregnadas. Há que se planejar bem aaplicação destas brocas uma vez que é necessário que se desgastem para quese exponham novos cristais de diamante e se atinjam resultados satisfatóriosde taxa de penetração, porém, há que se estudar sempre o impacto dasvariáveis na durabilidade da broca. 35
  • 36. Figura 20 – Brocas Impregnadas2.2.2 - Código IADC para broca de cortadores fixos O IADC desenvolveu um sistema de codificação para a identificação dasbrocas de cortadores fixos que incluem todos os tipos: Diamante natural, PDCe TSP. Este código consiste de 4 caracteres, 1 letra e 3 números, quedescrevem sete características básicas: tipo de cortadores, material do corpoda broca, perfil da broca, desenho hidráulico para o fluido de perfuração,distribuição do fluxo, tamanho dos cortadores e densidade dos cortadores. A N1 N2 N3• A: Identifica o tipo de corpo. S – Corpo de aço; M – Corpo de matrix.• N1: Identifica a densidade dos cortadores. 36
  • 37. Para brocas de PDC, cortadores Mosaico ou híbridas com cortadores de PDC, a contagem é feita sobre um modelo considerando a broca de 8.1/2” com cortadores de ½”, inclusive os gage trimmers: 1 – 01 a 30 cortadores; 2 – 31 a 40 cortadores; 3 – 41 a 50 cortadores; 4 – mais de 50 cortadores. Para brocas de diamantes naturais e TSP, considera-se apenas o tamanho dos cortadores: 6 – pedras maiores que 3 ppq; 7 – pedras de 3 a 7 ppq; 8 – pedras menores que 7 ppq.• N2: Identifica o tipo do cortador. Para brocas de PDC, cortadores Mosaico ou Híbrido com cortadores de PDC: 1 – PDC maior que 1” ou 24mm; 2 – PDC entre 0,51” a 1“ ou 14 a 24 mm; 3 – PDC entre 0,33” a 0,50” ou 8 a 14mm; 4 – PDC menor que 0,33” ou 8mm. Para brocas de diamantes naturais e TSP: 1 – Diamantes Naturais; 2 – Cortadores TSP; 3 – Híbridos TSP + diversos; 4 – Broca Impregnada.• N3: Identifica o perfil da broca, quanto ao comprimento. 1 – Perfil raso; 2 – Perfil curto; 3 – Perfil médio; 37
  • 38. 4 – Perfil longo. Em função da identificação com o código IADC existem pelo menos 5aspectos fundamentais no desenho da broca de diamante: a forma doscortadores, os ângulos de inclinação lateral (side rake) e de retardo (backrake), tipo de proteção do calibre e comprimento da seção de calibre. Todoseles são importantes no desenvolvimento de uma broca de diamante. O que sepretende com o código IADC é dar uma idéia do tipo de broca e garantir que seidentifiquem facilmente suas principais características. Cabe notar que diferentemente do código IADC para brocas tricônicas oCódigo IADC para Brocas de diamante não os relacionam com o tipo deformação a perfurar. Unicamente se pode identificar suas características maiselementares.2.3 - Brocas especiais• Brocas desviadoras;• Brocas Coroas;• Brocas especiais. As brocas de jatos desviadoras, às vezes, são empregadas para aperfuração direcional de formações moles, durante operações de desvio dopoço. A tubeira de perfuração é inclinada dentro do poço e o jato maior éapontado de modo que quando se aplica pressão das bombas o jato perfura alateral do poço em uma direção especifica. As coroas são utilizadas nas operações de testemunhagem. As brocaspossuem um furo no centro que permite que parte da formação não sejacortada pela broca. Esta parte, chamada de testemunho, é posteriormentelevada a superfície para análise mais detalhada das formações. 38
  • 39. Uma broca considerada para trabalhar em condições especiais é a brocapara perfurar com ar. As brocas de jatos de ar são projetadas para perfurarcom ar, gás ou vapor, como meio de circulação. Estas brocas estão providasde condutos para circular parte do ar, gás ou vapor através dos rolamentosconvencionais não selados afim de esfriá-los e mantê-los limpos. Os filtros detela metálica colocados sobre a abertura da entrada de ar evitam que os restose outros materiais estranhos obstruam os rolamentos. Além dessas, existem outro tipos de brocas especiais que, como suaclassificação indica, são usadas para operações muito específicas e portantonão se considera sua análise econômica comparativa para sua aplicaçãodireta. Entre estas brocas podemos mencionar: As brocas ampliadoras, asbrocas para cortar tubos de revestimento, brocas para perfurar diâmetrosdemasiado grandes ou pequenos, com aplicação de tubos flexíveis, etc.3 – Seleção de Brocas Uma seqüência lógica para a seleção de uma broca contempla osseguintes passos:a) Obter informações dos poços de prospecção: identificar o objetivo do poço,diâmetro do poço, dados do intervalo a perfurar, tipo de formação, geologia,litologia, condições e requerimentos especiais do poço, determinação derestrições e indicadores da perfuração.b) Selecionar a estrutura de corte, corpo e perfil da broca: identificar o tipo,tamanho, densidade, distribuição e inclinação dos cortadores. Também o tipode perfil e corpo da broca o qual ajudara a ótima estabilização e agressividadedurante a perfuração.c) Elaborar análise econômica: identificar o gasto ou economia esperada com ouso deste tipo de broca com base no custo por metro perfurado e rentabilidadeeconômica entre outros. 39
  • 40. d) Selecionar o desenho hidráulico: identificar a hidráulica ótima para perfurar,assim como o tipo fluido de controle usado, com base na limpeza do cascalho eno esfriamento da broca.3.1 - Critérios para seleção de brocas3.1.1 - Objetivos de perfuração Para o processo de seleção é fundamental conhecer os objetivos daperfuração, que incluem todo o tipo de requisitos especiais de operação paraperfurar o poço. Esta informação ajudará a determinar as melhorescaracterísticas da broca que requer a aplicação e concentrar seus esforços emsatisfazer as necessidades da companhia perfuradora e seus requisitos deperfuração.3.1.2 – Rendimento Um dos principais objetivos do operador é perfurar o poço no menortempo possível. Isto significa orientar a seleção das brocas em busca do tipoque maior duração tenha. Busca-se, principalmente, a máxima quantidade demetros em um tempo de rotação aceitável, eliminando assim o custoso tempode manobra.3.1.3 – EconomiaO meio ambiente econômico é um fator fundamental para a aceitação debrocas de diamantes, sempre e quando as análises de custo assimdeterminam. Caso contrario se devem selecionar brocas tricônicas. 40
  • 41. 3.1.4 – Direcional O tipo direcional é um critério importante para selecionar ascaracterísticas de uma broca, seja ela tricônicas ou de diamante. Umavantagem especifica das brocas de diamante é o seu grande alcance e suaspossibilidades para perfurar no sentido horizontal. Estes tipos de poços,geralmente, tem seções homogêneas muito prolongadas que são ótimas paraas aplicações com brocas de diamante. A densidade dos cortadores, aquantidade de canaletas, o controle de vibração e o calibre da broca são todosparâmetros de seleção fundamentais quando se estudam aplicaçõesdirecionais.3.1.5 – Análise de históricos A análise dos poços de correlação (offset wells), ou poços vizinhos,oferece a oportunidade de compreender as condições no fundo do poço, aslimitações de sua perfuração e, em alguns casos, a adequada seleção dasbrocas. A análise de históricos começa com uma coleção de registros debrocas e informação relacionada com o poço. Deve-se ter a precaução de queos registros das brocas sejam representativos do que será perfurado no poçoobjetivo. As informações também devem ser atualizadas e refletir os tipos debrocas recentes.3.1.6 – Taxa de penetração O taxa de penetração é uma indicação da dureza da rocha; entretantouma seleção de broca inadequada pode ocultar as características de dureza darocha. Isto é particularmente válido quando se elege uma brocademasiadamente dura para uma aplicação. A broca para formações maisduras, devido a densidade de seus cortadores e da projeção de seus dentes,tem um limite superior de coeficiente de penetração. Geralmente, a medida emque se perfura mais fundo, se esperam utilizar brocas cada vez mais duras. A 41
  • 42. análise das resistências das rochas tem revelado que este paradigma nemsempre é valido e, em muitos casos, as brocas para formações mais molespodem ser utilizadas com êxito em partes mais profundas do poço.3.1.7 – Fluidos de perfuração O tipo e a qualidade do fluido de perfuração que se utiliza em um poçotem um efeito muito importante no rendimento da broca. Os fluidos deperfuração com base óleo melhoram o rendimento das estruturas de corte dePDC. O rendimento da broca de diamante natural e TSP variam segundo alitologia. O fluido de perfuração a base água apresenta maiores problemas delimpeza em função da reatividade das formações na fase aquosa do fluido deperfuração. Os registros podem determinar a variação e nível de efetividadedos fluidos de perfuração.3.1.8 – Energia hidráulica A energia hidráulica proporciona a limpeza e o esfriamento da broca. Éreferenciada em termos de cavalo de força hidráulica por polegada quadradade superfície em todas as seções do poço. Existem oportunidades para umamelhor utilização de energia hidráulica por meio de adequada seleção debrocas e parâmetros de operação. As brocas de diamante devem funcionar deacordo com escalas hidráulicas específicas para assegurar sua eficientelimpeza e esfriamento. Os regimes de surgência insuficientes e o índice depotência hidráulica (HSI) afetam o esfriamento da broca e podem causar danostérmicos a estrutura dos cortadores. A falta de limpeza fará com que a brocaencere o que provocará um rendimento deficiente.3.1.9 – Restrições Alguns parâmetros de operação geram restrições ao uso de um tipo ououtro de Brocas. 42
  • 43. 3.1.10 – Custos Indica a sensibilidade do operador com relação ao custo. Na maioria dasvezes, isto se traduz em brocas de menor preço. Os engenheiros de projeto eoperação devem levar em conta o número de variáveis que afetam o custo deum poço e que dependem do tempo. As brocas devem possuir qualidades quesatisfaçam as necessidades da aplicação da companhia perfuradora semaumentar indevidamente seu custo. Uma broca de diamante com possibilidadede reutilização pode propiciar custos mais baixos de perfuração.3.1.11 – Limitações de peso sobre a broca Quando se encontram situações de PSB (peso sobre a broca) limitado,uma estrutura de corte eficiente como uma PDC tem possibilidade de oferecermaior ritmo de penetração (ROP) que uma broca de rolos.3.1.12 – Velocidade de rotação (RPM) A velocidade que a companhia perfuradora espera utilizar na broca indicaos parâmetros de vibração e resistência que são necessários para manter umdesgaste controlado da broca e prolongar sua duração. As brocas de diamantepodem ser utilizadas melhor que as de rolos em altas velocidades de rotação.3.1.13 – Formações nodulares Geralmente neste tipo de formação não se pode utilizar a maioria dasbrocas de diamante devido ao dano por impacto da estrutura cortadora. Porém,existem estruturas cortadoras que podem perfurar com eficiência estasaplicações. 43
  • 44. 3.1.14 – Ampliação Para mais de duas horas de operações de ampliação deve-se considerarseriamente o uso de uma broca de rolos, evitando-se danos no calibre de umabroca de diamante. Também se deve considerar a vibração lateral.3.1.15 – Poços profundos Estes poços podem resultar em uma quantidade muito elevada do tempode manobra em relação ao tempo de perfuração. Como resultado, a eficiênciade perfuração é extremamente reduzida. Deve-se considerar uma broca dediamante para oferecer maior duração da broca, com isso menor quantidade demanobras e melhor eficiência da perfuração.3.1.16 – Poços de diâmetro reduzido Se o poço tem menos de 6.1/2 polegadas, é necessária a redução físicado tamanho dos rolamentos em todas as brocas de rolos. Estas limitaçõesrequerem uma limitação do PSB. Deve-se considerar uma broca de diamantepara aumentar o coeficiente de penetração e para permanecer no poço duranteperíodos prolongados.3.1.17 – Aplicações com motor de fundo Alguns motores dentro do poço funcionam a altas velocidades (>250RPM). O RPM excessivo aumenta a carga térmica nos rolamentos e aceleramas falhas da broca. Deve-se considerar o uso de brocas de diamante que nãopossuem partes móveis para otimizar o RPM e os objetivos de perfuração. 44
  • 45. 3.1.18 – Atributos do meio ambiente Para obter uma solução para o poço que será perfurado é necessárioanalisá-lo por seções de diâmetro do poço. Logo se pode subdividir cada seçãodo poço em intervalos com atributos em comum no respeito ao meio ambiente.O rendimento econômico é uma função do custo de operação, do custo dasbrocas, do coeficiente de penetração e do intervalo perfurado. Os atributos do meio ambiente podem dividir-se segundo algumascategorias de parâmetros quanto ao tipo de rocha, meio ambientes e operação.Uma análise detalhada de cada uma destas categorias indicará os parâmetrosindividuais de seleção das brocas tricônicas ou de diamante. Em formaçõesonde podem perfurar as brocas de diamante com ritmo de perfuração muitomaiores que as brocas tricônicas é indiscutível a sua utilização. Devido a istonos últimos anos quando se seleciona uma broca, antes de tudo se fazemestudos para selecionar as de diamante.3.1.19 – Tipo de rocha Com dados precisos sobre as formações que serão perfuradas nointervalo objetivo, poderão ser selecionadas com mais facilidade a estrutura decorte ótima e a densidade que requer a aplicação, quer seja broca tricônica oude diamante.3.1.20 – Litologia Geralmente, a informação litológica é a primeira que se necessita paradeterminar a melhor seleção. A definição dos tipos de rochas ajudará adeterminar o tipo de corte necessário para vencer a sua resistência, adensidade requerida para os cortadores, a configuração hidráulica estimar aduração da broca e seu coeficiente de penetração. 45
  • 46. 3.1.21 – Transição Indica trocas de dureza da formação do intervalo objetivo que provocaraesforços diferenciados no perfil da broca através da transição. As vibraçõesaxiais, de torção e laterais também são esperadas. A qualidade e a densidadeespecífica dos cortadores constituirão o critério de seleção.3.1.22 – Homogeneidade Indica a consistência da formação. Existe mais flexibilidade de seleçãocom respeito a características agressivas da broca, como menor densidade doscortadores. Para as brocas tricônicas somente basta escolhê-las de acordocom a dureza da rocha.3.1.23 – Fraturados ou Nodulares A este indicador se deve prestar muita atenção. E uma situação de altoimpacto para o qual, geralmente, não se recomenda o uso de brocas dediamante.3.1.24 - Tendências de desvio Normalmente isto se relaciona com perfuração de transição. O tipo decalibre é o critério de seleção fundamental para estas aplicações.3.1.25 – Vibração A vibração no processo de perfuração tem se demonstrado fundamentalno rendimento e na duração das brocas de perfuração. Na realidade, o controledas vibrações forma, na atualidade, parte integral da tecnologia e projeto das 46
  • 47. brocas. Existem parâmetros de seleção das brocas que se referemespecialmente ao controle de vibração. A seleção do calibre da broca tambémdesempenha função importante para determinar o nível de controle devibração, seja ela tricônica ou de diamante.3.2 - Seleção por perfis geofísicos Os registros geofísicos dos poços são uma importante fonte deinformação sobre as características das formações que se perfuram. Existeuma grande variedade de registros, cada um projetado para medir diferentespropriedades das rochas. Alguns destes registros são utilizados principalmentequando se avalia a aplicação de uma broca de diamante. Os registrosnecessários são:3.2.1 - Registro Neutrônico – NPHI Mede a capacidade das formações para atenuar os fluxos de nêutrons.Os nêutrons não fluem facilmente através de formações que tenham altoconteúdo de hidrogênio, assim permite medir o hidrogênio da formação. Estamedida pode ser usada para computar a porosidade da formação, litologia edetecção de hidrocarbonetos leves ou a gás.3.2.2 - Registro de Raios Gama – GR Detecta o grau de radiação gama natural que emitem as formações.Utilizado para a identificação da litologia, a identificação de minerais radioativose para o cálculo e volume de argilas ou argilosidades.3.2.3 - Registro sônico – DT Depende da propagação das ondas acústicas através da formação. Medea diferença nos tempos de trânsito de uma onda mecânica através das rochas. 47
  • 48. As ondas são geradas por um transmissor situado na ferramenta. Osreceptores, também situados na ferramenta, captam as ondas de retorno da ecalculam o tempo de deslocamento. Quanto mais curto o intervalo entre aemissão e a recepção das ondas, mais densa será a formação. É utilizada paraestimativas de porosidade, correlação poço a poço, estimativas do grau decompactação das rochas ou estimativa das constantes elásticas, detecção defratura.3.2.4 - Registro de Densidade – RHOB Mede a densidade em massa da formação. A ferramenta de registro temuma fonte de raios gama e alguns detectores. Detecta os raios gama defletidospelos elétrons orbitais dos elementos componentes das rochas. Além dadensidade, permite o cálculo da porosidade e a identificação das zonas de gás.Formações de baixa porosidade dispersam os raios gama assim poucos sãodetectados pela ferramenta. Formações de alta porosidade têm menor efeito dedispersão dos raios gama, assim permite a ma maior quantidade ser detectada.3.2.5 - Potencial espontâneo – SP Este perfil mede a diferença de potencial entre dois eletrodos, um nasuperfície e outro dentro do poço. Permite detectar as camadas permoporosas,calcular a argilosidade das rochas e auxiliar na correlação de informações compoços vizinhos.3.2.6 - Indução – ILD Fornece leitura aproximada de resistividade da rocha através da mediçãode campos elétricos e magnéticos induzidos nas rochas. 48
  • 49. 3.2.7 - Análise da resistência à compressão É um método qualitativo, para calcular a dureza da rocha, muito útil paradeterminar quando se devem usar brocas de PDC. Antigamente a análise dadureza das rochas baseava-se no uso do registro da velocidade das ondassonoras, obtidas de registros sônicos, como meio de representar pela mediçãodireta o calculo da dureza. Hoje, existem programas para obter o valorcorrespondente a resistência à compressão de rochas não confinadas, pressãoatmosférica, usando a informação da velocidade sônica para computar umvalor correspondente a dureza da rocha não confinada. Embora este enfoqueseja melhor que usar diretamente as velocidades sônicas, o calculo da durezade rochas não confinadas, assim obtido é freqüentemente muito mais baixoque o das rochas confinadas, ou comprimidas, que se perfuram. A resistênciada rocha não confinada é sua dureza a pressão atmosférica. Algumas companhias de brocas desenvolveram programas decomputador que ajuda a selecionar brocas de PDC. Os dados do registro sãointroduzidos em programas, esta informação é base para calcular a resistênciaà compressão da rocha nas condições de fundo. Estes programas definem commaior precisão a dureza da rocha, referente à dureza confinada, valor que seaproxima da dureza das formações no fundo do poço. 49
  • 50. Figura 21 – Análise de dureza das rochas Os programas utilizam os registros sônicos e de raios gama, assim comogrande número de dados de registro da lama de perfuração. Dentro da escalade litologia, para o qual são validos os programas, se pode determinar a durezadas rochas com mais precisão.3.3 - Seleção em função da formação A primeira e mais importante tarefa para selecionar e utilizar uma brocaem uma aplicação é realizar a completa descrição das formações a se perfurar. 50
  • 51. O conhecimento de suas propriedades físicas pode demonstrar algunsindicativos sobre o tipo de broca a utilizar em intervalos determinados. Se a formação é muito elástica, tende a deformar quando se comprimeem lugar de fraturar. Embora a rocha tenha resistência à compressãorelativamente baixa, é possível que a broca não gere recortes facilmente. Emsituações de perfuração com brocas PDC recomenda-se o uso de cortadoresgrandes. As brocas de PDC desenvolveram-se, primeiramente, para perfurarformações moles à medias que antes eram perfuradas com brocas de dentesde aço e com insertos de carboneto de tungstênio. Nestas formações moles asbrocas PDC têm conseguido ritmos de penetração até 3 vezes mais altos quecom brocas de rolos. A resistência da rocha pode estar relacionada com a litologia. Deve-se tero cuidado de não confundir o nome da formação com o tipo de rocha. 51
  • 52. 4 – Desgaste das Brocas4.1 - Fatores que afetam o desgaste das brocas Os fatores que afetam o desgaste das brocas podem ser divididos em:geológicos, de operação e de manejo e transporte. Os dois últimos parâmetrospodem ser evitados, porém o primeiro deve ser bem estudado antes dadefinição do tipo de broca a ser utilizado.4.1.1 - Fatores geológicos É o fator mais importante na seleção e operação de uma broca. Oconhecimento da geologia do poço a perfurar é dizer as propriedades físicas daformação. Entre estes fatores podemos destacar:4.1.1.1 – Abrasividade A composição de materiais abrasivos na constituição da rocha é a causade desgaste prematuro em todas as estruturas de uma broca. O calibre é oparâmetro mais afetado.4.1.1.2 - Resistência especifica da rocha Está relacionada com a litologia e os eventos geológicos que foramexperimentados. Existem rochas que foram confinadas a grandesprofundidades e posteriormente ficaram a profundidades menores devido alevantamentos tectônicos. Por isto, são mais compactas que as de tipossimilares, mas que não trocaram de profundidade ao longo do tempo. Aresistência especifica da rocha também depende da cimentação dos grãos,forma e tamanho. 52
  • 53. 4.1.2- Fatores de operação Estes fatores devem ser definidos de acordo com a geologia e com ageometria do poço. Podem ser modificados em campo de acordo com odesempenho observado. Os principais fatores de operação e as conseqüênciasinerentes a uma seleção inadequada são:4.1.2.1 - PSB - Peso sobre a broca À medida que a broca perfura, os dentes ou cortadores se desgastam, egeralmente se aplica cada vez mais peso. Este aumento de peso pode ser feitoate chegar a um ritmo de penetração adequado ou até chegar ao limiteprescrito nas recomendações de operação da broca, caso contrário, a brocaterá um desgaste prematuro, seja ela de cones ou diamante.4.1.2.2 - Velocidade de Rotação A velocidade de rotação é expressa em termos de RPM (rotações porminuto). A alta velocidade de rotação, por si só, não limita o funcionamento dasbrocas, principalmente as de diamante, já que por seu desenho podem serusadas com motor de fundo ou turbina. Há, também, brocas de tricônicasespeciais para altas velocidades de rotação. Para evitar velocidades criticasdeve-se usar o senso comum: a velocidade de rotação mais adequada éaquela que produz um máximo ritmo de perfuração sem causar problemas.Deve observar que em formações moles um aumento na velocidade de rotaçãoresulta em um aumento proporcional do ritmo de penetração. É possível queem algumas formações mais duras ocorra o contrário. Um caso particular são brocas de cones projetadas para serem usadascom motor de fundo ou turbina. Nestas condições a velocidade de rotação éalta, os motores de fundo dependendo de seu diâmetro podem chegar a uma 53
  • 54. velocidade de rotação de 50 a 600rpm, e as turbinas a uma velocidade derotação maior que 1000rpm. O projeto específico consiste em melhorias nosistema de rolamento, hidráulica, recobrimento de carboneto de tungstêniopara proteger contra a abrasão, selo e graxa para operar em condições de altatemperatura com segurança.4.1.2.3 - Limpeza do fundo do poço A limpeza do fundo do poço também é um dos fatores que afetam odesgaste da broca, por isso é que o fluido de perfuração limpa o poço ecarrega os cascalhos. Desta maneira, evita-se que a broca embole ouretrabalhe. Também efetua o esfriamento dos dentes ou cortadores e lubrificada broca evitando assim o desgaste.4.1.2.4 - Geometria do poço Em função da experiência, em certas situações como a de desviar umpoço, é necessário utilizar condições de operação não recomendáveis como opeso sobre a broca, revoluções por minuto para aumentar, diminuir ou manter oângulo. Nestes casos o desgaste prematuro das brocas é inevitável.4.1.3 - Manejo e Transporte Outro fator não menos importante de desgaste das broca é o manejo etransporte. Sem importar o tipo de broca, de cones ou de diamante, devetrabalhar-se sob certos cuidados: após retirar da caixa colocar sobre madeiraou alguma forma de borracha, porque no caso das brocas de diamante oscortadores são muito frágeis e podem lascar facilmente. Se a broca cair pordescuido e alguns dentes ou cortadores se rompem é possível que diminuadrasticamente sua duração. 54
  • 55. 4.2 - Avaliação do desgaste de brocas A análise e avaliação de cada broca usada pode ser de muita utilidadepara decidir o tipo de broca que será utilizada posteriormente e se a prática deoperação deve ser modificada. É um fator dos mais importantes para aotimização da perfuração em um campo de petróleo em desenvolvimento.Quem aprende a ler o desgaste de cada broca e entenda bem o que significa oseu aspecto, estará perto de obter o máximo rendimento em cada uma delas. A informação que se obtém ao avaliar o desgaste das brocas pode sermuito significativa. Este valor foi reconhecido pela IADC, que estabeleceu umsistema mundial para avaliar o desgaste de brocas, similar ao código declassificação de brocas, de modo que qualquer pessoa possa intuir o estadoem que estava a broca após sua retirada do poço. O sistema de avaliação de desgaste pode ser utilizado em todos os tiposde brocas: de cones, diamante natural, PDC, TSP, brocas impregnadas, coroase outras. A tabela de avaliação de desgaste adotada pelo IADC inclui todos oscódigos necessários para analisar o desgaste tanto de brocas de cones comobrocas de cortadores fixos. A avaliação estará resumida em oito camposalfanuméricos: N1 N2 A3 A4 A5 N6 A7 A8 A codificação enfoca os quatro aspectos principais da broca, ou sejam: aestrutura de corte, os rolamentos, o calibre, e as observações pertinentes aomotivo da retirada. As quatro primeiras colunas descrevem a estruturacortadora; as duas primeiras definem o desgaste dos dentes, insertos oucortadores fixos das fileiras interiores e exteriores seja para brocas de cones ou 55
  • 56. de diamante, onde N1 e N2 são números que variam de 0 a 8 de acordo com odesgaste. Comparada com o tamanho original do dente ou do cortador, osnúmeros aumentam com a quantidade de desgaste, o zero representa semdesgaste e o oito representa desgaste total. O raio da broca será dividido em 3partes; 2/3 internos serão classificados em N1, o 1/3 externo será classificadoem N2; supõe-se que a vida útil total da broca estará vinculada ao desgastetotal dos insertos ou dentes; divide-se a altura da estrutura cortante em oito, e odesgaste em frações de 1/8 da altura serão distribuídos a N1 e N2. Ao avaliaruma broca desgastada se deve registrar o valor médio de desgaste. Nas brocas de dentes a experiência de campo é fundamental para avaliarseu desgaste, já que ao se analisar a broca definirá o desgaste tanto dasfileiras interiores quanto das fileiras exteriores. A3 e A4 são caracteres alfanuméricos, e indicam características elocalização do desgaste principal. A característica principal do desgaste faráreferência ao motivo que limitou a vida da broca. A localização visa apontar oponto da broca onde ficou caracterizado o desgaste principal. A5 é um caractere alfanumérico que se refere ao estado dos rolamentos eselos de vedação. Para rolamentos não-selados a avaliação é semelhante à daestrutura de corte, e visa atribuir um número entre 0 e 8 para a sua vida útil;este número será atribuído pela “experiência” da pessoa que classifica a broca,o que pode levar a resultados um pouco diferentes a depender de quemclassifica. Para rolamentos selados a avaliação visa aferir apenas se os selosfalharam, determinado o fim da vida útil da broca. Nas brocas de cortadoresfixos, como não possuem rolamentos, atribui-se um X para A5. N6 é um número expresso em frações de 1/16 de polegada e indica ocalibre da broca. Registra-se “I” se a broca permanece calibrada do contrárioregistra-se o quão descalibrado esta a broca utilizando uma medida de 1/16 pg 56
  • 57. A7 é um caractere alfanumérico que serve para anotar características dedesgaste da broca, ou seja, as mudanças físicas mais notórias desde suacondição nova, como podem ser: tubeira perdida, cone quebrado, interferênciaentre cones, etc. A8 é um caractere alfanumérico utilizado para registrar a razão de saídada broca. Figura 22 – Critérios de Análise de desgaste Outro ponto fundamental para a análise dos registros da broca são dadoscomo: a profundidade de inicio e termino de perfuração, as condições deoperação, o tipo, as tubeiras utilizadas, o tempo de perfuração, etc., incluem-seainda as observações das condições de operação da broca, que em muitoscasos são especiais, como:• Inicio de desvio;• Manter, incrementar ou reduzir ângulo; 57
  • 58. • Velocidade de perfuração controlada por perda de circulação, troca de formação, etc;• Utilização de motor de fundo, turbina;• Perfurar com perda total de circulação;• Perfurar com presença de H2S;• Perfurar sem condições ótimas, como incapacidade do equipamento de perfuração, as revoluções por minutos, etc; Com as observações mencionadas acima, teremos um melhor critériopara avaliar o desgaste e não sacrificaremos o uso de um tipo de broca quetenha sido selecionada corretamente. Isto poderia ocorrer no caso de umabroca de cones que tenha sido usada para iniciar a desviar e ao avaliá-la tenhaum desgaste excessivo. Nos rolamentos em que os metros perfurados sejampoucos, neste caso, a simples inspeção suporia que a broca obteve um baixorendimento, mas na realidade a mesma foi utilizada em operações drásticascom fim especifico. 58
  • 59. 5 - Avaliação econômica Embora representem apenas uma fração do custo total do equipamento,as brocas são um dos elementos mais críticos para se calcular o aspectoeconômico da perfuração. O custo de uma broca de diamante pode ser váriasvezes mais alto do que uma broca tricônica de dentes de aço ou de insertos;logo só se justifica seu uso com base em seu rendimento. Com fim de avaliarseu desempenho, têm-se usado vários parâmetros de comparação como: ocusto da broca, velocidade de perfuração, comprimento de seção perfurado,etc. A utilização destes parâmetros como indicadores de rendimento poderiamser apropriados somente em casos que as operações especiais não ojustifiquem. O objetivo é obter o menor custo de perfuração sem colocar em risco asoperações cumprindo as especificações de perfuração e observando asrestrições que possam existir. O método mais aceito hoje em dia é o custo por metro. Para seu calculose usa a seguinte equação: B + R(T + Tm + Tc) C= MOnde:C= custo por metro perfurado ($/m)B= custo da Broca ($)R= custo de operação da sonda de perfuração ($/h)T= tempo de perfuração (h)Tm= tempo de manobra (h)Tc= tempo de conexão (h)M= metros perfurados pela broca (m) 59
  • 60. O tempo de conexão (Tc) é calculado da seguinte maneira: divide ocomprimento perfurado (M) por 9,30m que é o comprimento padrão de tubosde perfuração, em caso de utilização de top drive se conecta 3 tubos por vez.Com a operação anterior calcula-se o número de conexões; posteriormente,multiplica-se pelo tempo unitário de conexão. Este é variável de acordo com aexperiência dos operadores, do equipamento utilizado e das condições deoperação. Para determinar o tempo de manobra, como uma prática de campo, seutiliza a seguinte formula: Tm = 0,004(h / m) x Pr of .(m) O fator 0.004 representa um tubo de perfuração viajando 1000 m emquatro horas, novamente, isto depende da experiência dos operadores, dasonda de perfuração e das condições de operação. A equação do custo por metro de perfuração é valida para qualquer tipode broca, incluindo as de diamante. A formula pode ser usada ao se terminaruma seção de perfuração usando dados reais da operação para calcular ocusto por metro de perfuração ou utilizada antes do inicio da operação,assumindo valores para se calcular o custo. A formula pode ser usada para se comparar custos usando brocas dediamante contra brocas tricônicas ou comparar as vantagens econômicas detipos diferentes de brocas de diamante. O custo previsto por metro perfurado para uma broca proposta só deveser comparado com o custo real de outras brocas empregadas para perfurar amesma região sob condições similares de perfuração. Os poços que se usampara fazer comparações são os poços vizinhos, ou poços de correlação(offset). 60
  • 61. Quando se propõe a utilizar brocas de diamante onde se costuma utilizarbrocas tricônicas convencionais, é mais útil utilizar uma análise conhecidacomo break even. O ponto de break even se refere simplesmente aos metrosperfurados e as horas requeridas para igualar o custo por metro que se podeobter para um poço em particular senão não tivesse sido usada uma broca dediamante. 61
  • 62. 6 – Considerações finais Como vimos, há um grande numero de variáveis que incidem sobre oprocesso de escolha do melhor tipo de broca a ser utilizada nas perfurações aque se propõe. A forma com que estas variáveis são trabalhadas influenciadiretamente na escolha do tipo de broca e conseqüentemente no custo total daoperação de perfuração. E indispensável ao engenheiro de perfuração o conhecimento de todasestas variáveis, que vão desde os catálogos das brocas existentes no mercadobem como suas características de tipo de mecanismo de ataque, tipo decortadores, tamanho e densidade dos cortadores, tipos de formação a quaissão adequadas e suas codificações IACD. O engenheiro de perfuraçãotambém deve ter conhecimentos de geologia e litologia das rochas, analise dosregistros geofísicos de poços vizinhos, dados sísmicos da área, entender ascaracterísticas e propriedades dos fluidos de perfuração e hidráulica eequipamentos necessários e disponíveis, alem de fazer analise da evolução dodesgaste das brocas previamente empregadas, rendimentos obtidos nos poçosvizinhos e históricos de perfurações. Entendendo e equacionando todas estas variáveis, pode-se chegar a umcritério ideal de escolha de brocas para uma determinada operação deperfuração. A função do engenheiro de perfuração é, levando em conta tudo oque se mencionou neste trabalho, escolher a broca que satisfaça todos osrequisitos da operação acarretando o menor custo de perfuração possível como máximo de metros de formação perfurado, com segurança. 62
  • 63. 7 – Referências Bibliográficas[1] – PLÁCIDO, João Carlos Ribeiro. Notas de Aula.[2] – THOMAS, José Eduardo e Outros. Fundamentos de Engenharia dePetróleo. Rio de Janeiro: Interciência, 2004[3] – CORREA, Oton Luiz Silva. Petróleo: Noções sobre exploração, produçãoe microbiologia. Rio de Janeiro: Interciência, 2003[4] – BAKER, Ron. A Primer of Offshore Operations. Canada: PetroleumExtention Services, 1985[5] – RADTKE, Robert. Thermally Stable Diamond Drill Bit Cutters.pdf[6] – IADC Manual. International Association of Drilling Contractors. Site:www.iadc.org[7] – SMITH Bits. Site: www.smithbits.com.[8] – BAKER & HUGHES .Site: www.bakerhughes.com[9] – CHRISTENSEN RODER PSP. Manual Sobre Brocas[10] – GEODIAMOND. Dull grade. pdf[11] – SCHLUMBERGER. Site: www.slb.com[12] – WIKPEDIA. Enciclopédia Site: www.wikipedia.org 63