BR0210156B1 - mÉtodo para moldar in situ equipamento de poÇo. - Google Patents
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Description
"MÉTODO PARA MOLDAR IN SITU EQUIPAMENTO DE POÇO"
Fundamentos da Invenção
A invenção diz respeito a um método para moldagem in situ deequipamento de poço.
O documento de patente FR 2780751 revela um método para criaruma tubulação em um furo de poço usando uma luva que é flexível e radialmenteexpansível, inflando-se a mesma sob uma pressão interna. A parede da luvacompreende uma armadura de filamento disposta numa resina fluida que éendurecida in situ por polimerização. A resina é injetada após a luva ser inflada e/ou desdobrada, de um reservatório, usando-se uma bomba.
A patente norte-americana US 5.295.541 revela um método pararepor um revestimento danificado ou corroído com um plástico sólido. Após orevestimento danificado ou corroído ser removido, uma mistura de resina/agentede cura é inserida no furo de poço de modo a se unir com a porção do revestimento não danificada ou corroída. Após o endurecimento da mistura deresina/agente de cura, o sólido endurecido é moído de maneira a formar umrevestimento resinoso.
O documento de patente WO 9305268 revela um colar que podeser fechado em uma extremidade, projetado para se posicionado sobre a seção extrema de um tubo.
A patente norte-americana US 4.873.895 revela um método parafabricar um bit de perfuração tendo um corpo de bit provido com soquetes nosquais são montadas estruturas de corte, onde uma tolerância fica presente entrecada estrutura de corte e seu respectivo soquete. A tolerância é preenchida com um componente líquido endurecível cujo componente solidificado endurecidoproporciona um encaixe de interferência entre a estrutura de corte e o soquete.
É também prática padrão moldar forros de cimento em torno dorevestimento do poço para criar uma vedação hermética a fluido entre o interior dopoço e a formação em volta.Uma desvantagem desta e de muitas outras técnicas de moldagemin situ é que o cimento ou outra substância de solidificação contrai-se durante asolidificação ou cura, em decorrência de um maior empacotamento atômico porcausa da hidratação e/ou mudanças de fase.
E um objetivo da presente invenção reduzir este inconveniente dastécnicas de moldagem in situ conhecidas.
E um outro objetivo da presente invenção fornecer um métodopara encher vazios em furo de sondagem relativamente inacessíveis in situ, taiscomo coroas anulares entre componentes tubulares do poço (expansíveis), roscas,fendas, aberturas de poro, pré-filtros, fraturas ou perfurações.
E um objetivo adicional da invenção fornecer um método de criaruma vedação confiável e forte em um poço de fluido de hidrocarbonetos.
Sumário da Invenção
De acordo com a invenção, é usada uma liga de expansão, queexpande-se com a solidificação e que tem uma temperatura de fusão que ésuperior à temperatura do poço máxima prevista, liga esta que é colocada dentrode uma cavidade no poço e mantida a uma temperatura acima do ponto de fusãoda liga, depois que a liga é resinada até a temperatura ambiente do poço e assimsolidifica-se e expande-se dentro da cavidade.
Preferivelmente, a liga de expansão compreende bismuto.
Alternativamente, a liga de expansão compreende gálio ou antimônio.
Observou-se que é de conhecimento usar composições de bismutocom um baixo ponto de fusão e que expandem-se durante o resfriamento pelaspatentes norte-americanas US 5.137.283, US 4.873.895, US 4.487.432, US 4.484.750,US 3.765.486, US 3.578.084, US 3.333.635 e US 3.273.641.
Entretanto, na tecnologia conhecida a partir dessas referências datecnologia anterior, nenhum equipamento de poço constituído de uma liga debismuto é moldado in situ.
De acordo com a invenção, é preferível que a liga seja abaixadaatravés do poço dentro de um recipiente no qual a temperatura é mantida acima datemperatura de fusão da liga, e que uma saída do recipiente seja colocada emcomunicação fluídica com a câmara, depois que a liga moldada é induzida aescoar através da saída do recipiente ao interior da cavidade.
Alternativamente, a liga é colocada em um estado sólido nacavidade, ou adjacente a ela, e aquecida no furo de sondagem até uma temperaturaacima da temperatura de fusão da liga, depois que o aquecimento é encerrado e aliga solidifica-se naturalmente e expande-se dentro da cavidade.
Opcionalmente, a cavidade é uma cavidade anular entre umpar de componentes tubulares coaxiais do poço. Tal cavidadeconvenientemente tem próximo a uma extremidade inferior dela uma base ourestrição de fluxo que inibe o fenda da liga moldada da cavidade para dentrode outras partes da perfuração do poço.
Convenientemente, a cavidade anular é formada por um espaçoanular entre seções sobrepostas de um componente tubular externo do poço e umcomponente tubular interno expandido do poço. A restrição de fluxo pode, porexemplo, ser formada por um anel de vedação flexível localizado próximo a umaextremidade inferior do espaço anular.
Em um caso como esses, é preferível que um anel de uma liga deexpansão fique posicionado acima de uma seção pré-expandida de umcomponente tubular expansível do poço e em torno da superfície externa do ditocomponente tubular, e que o anel da liga de expansão compreenda um arranjo defendas ou aberturas não-tangenciais escalonadas que abrem-se em resposta àexpansão radial do componente tubular. Alternativamente, o anel pode ser umanel dividido, com extremidades sobrepostas. Com o calor gerado pela expansãodo componente tubular, ou em decorrência disto, o anel se moldará e solidificaránovamente e proporcionará uma vedação anular.
Para criar uma vedação muito forte na cavidade anular, épreferível que o dito corpo seja um primeiro corpo, o primeiro corpo sendorestringido axialmente na cavidade por um segundo corpo de metal que expande-se com a solidificação, e em que o metal do segundo corpo solidifica-se a umatemperatura maior do que a do metal do primeiro corpo, o métodocompreendendo ainda:
- colocar o segundo corpo na cavidade anular axialmentedeslocada do primeiro corpo;
- moldar os corpos, elevando a temperatura dos corpos;
- solidificar os corpos, abaixando a temperatura dos corpos, depoisque o metal do segundo corpo solidifica-se antes do metal do primeiro corpo,restringindo axialmente dessa forma o primeiro corpo.
Assim, de acordo com a presente invenção, as propriedades deexpansão especiais de bismuto, gálio ou antimônio e/ou ligas destes podem serutilizadas para selar as cavidades dentro dos componentes tubulares do poço, ascoroas anulares entre componentes tubulares coaxiais do poço, ou a coroa anularentre um revestimento do poço e a formação, ou qualquer pequena folga ouorifício dentro do poço ou da formação em volta, tais como roscas, fendas,aberturas de poros, pré-filtros, fraturas ou perfurações.
Descrição das Modalidades Preferidas
A invenção será descrita com mais detalhes com referência aosdesenhos anexos, em que:
A figura 1 mostra uma vista seccional longitudinal de umcomponente tubular expansível em torno do qual dois anéis de liga expansíveisficam arranjados;
A figura 2 mostra o componente tubular e anéis da figura 1 depoisda expansão dos mesmos dentro de um outro componente tubular;
A figura 3 mostra com detalhes o espaço anular da figura 2 depoisda fusão dos anéis de liga; e
A figura 4 ilustra como o anel de liga expansível superiorexpande-se com a solidificação dentro da coroa anular e como subseqüentementeo anel inferior expande-se com a solidificação.
Referindo-se às figuras 1 e 2, está mostrado um componentetubular expansível 1, que é provido com um ressalto externo em forma de anel 2.O ressalto 2 tem um recesso em forma de anel no qual um anel de vedação "O-Ring" 4 fica arranjado. Acima do ressalto 2, o anel 5 feito de uma liga de bismutofica arranjado.
O bismuto metal, no. atômico 83, e suas ligas contendo pelomenos 55% em peso de bismuto, expande-se, enquanto mudam da fase moldadapara a sólida.
Bismuto puro (MP = 271°C) expande-se 3,32 % em volume coma solidificação em condições ambientes, enquanto suas ligas eutéticas típicas, talcomo por exemplo Bi60Cd40 (MP - 144°C) tipicamente expande-se 1,5 % emvolume.
De acordo com a invenção, as propriedades de expansão especiaisdo bismuto (e de suas ligas) podem ser utilizadas para selar o pequeno espaçoanular entre o componente tubular externo do poço 7 e um componente tubularexpandido interno 1, mostrado na figura 2.
Um anel 5 de material de bismuto ou material de liga de bismuto éposicionado em um ressalto de reforço 2 de um componente tubular expansívelpré-expandido 1. O anel 5 pode ser contínuo ou entalhado para permitir expansão.
O ressalto 2 pode ser perpendicular ao eixo geométrico do tubo, ou inclinado emum ângulo para permitir a vedação em uma derivação do poço.
Um anel superior adicional 6 de bismuto ou material de liga debismuto com um ponto de fusão que é superior ao do anel 5, e com uma densidadeque é menor do que do anel 5, é colocado dentro de um saco de plástico ouborracha flexível resistente à temperatura (por exemplo, embalagem plástica 8para uso em fornos) e a combinação do saco e anel 6 é colocada no topo do anel 5,de maneira tal que o componente tubular 1, quando na vertical, tenha de cima parabaixo: anel 6, anel 5 e em seguida o ressalto de reforço 2. Os anéis 5 e 6 podemtambém ser contínuos ou entalhados para permitir expansão.
Os anéis de bismuto 5 e 6 e o componente tubular pré-expandido1 descem no poço de uma maneira normal. O revestimento é expandido com usode técnicas de expansão de tubo bem conhecidas até, que o ressalto 2, o anel devedação "O-Ring" 4, ou as seções de vedação adicionais sejam colocadas emcontato com o componente tubular externo 7. Seções de vedação adicionaispodem ser incluídas como parte do componente tubular, na forma de uma virolaou reforço, ou na forma de uma parte adicional, tal como um anel de vedação "O-Ring" elastomérico 4.
Uma vez que o componente tubular 1 esteja expandido, demaneira tal que o diâmetro externo do componente tubular expandido 1 fique emcontato com o componente tubular externo 7, ou que qualquer outro mecanismode vedação externo do componente tubular 1 fique em contato com o componentetubular externo 7, calor é aplicado. O calor é aplicado do lado de fora docomponente tubular 1 com uso de uma fonte química de calor, aquecedor elétrico(resistivo ou indutivo), ou através de passagem de um líquido quente dentro docomponente tubular 1. Este calor aumentará a temperatura tanto dos anéis debismuto como de liga de bismuto, até que eventualmente ambos os anéis semoldem e inclinem-se para baixo até o ponto inferior da coroa anular pelagravidade.
O metal do anel 5 assumirá a parte inferior do espaço anular,seguido pelo metal do anel 6, embora este último permaneça contido pelo sacoplástico 8.
A fonte de calor será removida, ou o aquecimento terminará e atemperatura no furo do poço abaixará lentamente até sua temperatura original. Oanel 6 será primeiro congelado e expandirá (basicamente na direção vertical),apesar de que alguma força para fora no componente tubular 1 ajudará forneceruma resistência por atrito à expansão do anel 6. Isto pode ser auxiliado pelarugosidade ou saliências que são usinadas tanto no componente tubular externo 7como no componente tubular interno 1 antes de descer no furo. O anejsolidificará e expandirá, seguindo a solidificação do anel 6, e, sendo constritoexpandirá com uma grande força de vedação em todas as direções, fornecendouma vedação metal com metal hermética entre os componentes tubulares 1 e 7,conforme está ilustrado na figura 4.
A liga de bismuto pode ser abaixada no poço em uma fase sólidaou líquida, ou pode ser criada in situ através de uma reação exotérmica.
Este último método pode incluir as seguintes etapas. B12O3 e umaespécie de metal altamente reativo, tal como Al, são combinados em uma formapulverizada em uma proporção de 1:1, de maneira tal que eles tenham uma áreasuperficial por volume muito alta. Este pó é depositado no local desejado via umconjunto de tubagem em espiral ou recipiente de despejo. Subseqüentemente, o pó(que poderia ser pelotizado ou cuidadosamente sinterizado) é "ignizado" peladescarga de um capacitor ou outro método elétrico ou químico adequado. O Alreagirá com o oxigênio no B12O3, formando Bi quase puro, que moldará por causada natureza exotérmica desta reação e uma escória sólida de baixa densidade deAI2O3 flutuará (inocuamente) na superfície do banho de Bi.
Alternativamente, se o material de liga de bismuto for abaixadoem uma fase sólida dentro de um poço, então o material de liga de bismuto podeformar parte da conclusão ou montagem do revestimento (no caso de um anel devedação anular) ou ficar posicionado dentro do poço através de tubagem emespiral na forma de pelotas ou de pequenos pedaços. Em ambos os casos, alimpeza superficial de qualquer seção do tubo a ser selado pela liga de bismuto deexpansão pode ser feita através de jateamento ou por meios químicos.
Subseqüente à colocação, calor é aplicado, por exemplo, atravésde aquecimento elétrico resistivo e/ou indução, injeção de vapor superaquecidoe/ou uma reação química exotérmica. O calor gerado moldará a liga, deixandoformar uma coluna líquida, depois que a coluna líquida é resfriada naturalmente ea liga de bismuto irá solidificar e expandir.Se a liga de bismuto for abaixada em uma fase substancialmentelíquida no poço, então a liga pode ser moldada na superfície e carregada para olocal no furo de sondagem desejado via uma tubagem em espiral isolada de parededupla ou eletricamente aquecida.
Se certas ligas de baixo ponto de fusão forem usadas, tais comoligas Bi-Hg, é possível criar adições (por exemplo, Cu) a essas ligas que agemcomo "endurecedores". Nesta modalidade, ligas líquidas com pontos de fusãoinferiores aos da temperatura do poço são depositadas in situ via tubagem emespiral. Isto poderia ser conseguido por gravidade ou com a ajuda de pressão,facilitada através da ação de um pistão, ou provedor de superfície (bomba).Subseqüentemente, pelotas sólidas de um elemento de liga podem ser adicionadasao "banho" - se bem selecionadas, essas podem criar uma liga de bismuto sólida.
Diversas aplicações de furo de sondagem adequadas de ligas debismuto expansíveis estão sumarizadas a seguir:
- Um tampão de abandono de poço expansível: uma colunalíquida de uma liga de bismuto moldada adequada pode ser criada no topo de umtampão mecânico ou de cimento convencional dentro de uma coluna derevestimento. O ponto de fusão da liga usada é selecionado maior do que atemperatura do poço de equilíbrio nessa promoldadade. Assim, a liga de bismutolíquida solidificará dentro do revestimento e a expansão resultante travará otampão de liga de bismuto no lugar e formará uma vedação hermética a gás quesepara a seção inferior do revestimento da parte acima.
- Um tampão de vedação anular expansível: uma coluna líquida deliga de bismuto adequada pode ser criada no topo ou dentro da coluna de cimentoanular entre duas colunas de revestimento, ou o forro e as colunas derevestimento. Uma vedação anular será criada de uma maneira similar à descritapara o tampão de abandono.
- Um tampão reversível temporário - usado, por exemplo, parafechar temporariamente uma lateral de poço multilateral.- Um meio de fechamento externo - Uma liga de bismuto podeser injetada em perfurações, rocha matriz ou fratura como um material defechamento. A liga pode criar um tipo de material de revestimento artificial emuma modalidade.
- Um meio de reparo - Uma liga de bismuto poderia ser usadapara reparar peneiras de areia, obturadores de fenda, vedações do suspensor, outubulação ou revestimento dentro de um poço.
- Um obturador ou vedação do suspensor do revestimentoalternativo - Similarmente ao tampão de vedação anular, obturadores reversíveisou vedações do suspensor do revestimento podem ser criadas. Nesses casos, ligasde bismuto poderiam ter sua expansão pela solidificação constrita pelas vedaçõeselastoméricas, ou ligas de bismuto de maior ponto de fusão (e assim um sólidomais rápido). Essas podem ser especificamente aplicáveis ao conceito de poço defuro único. Vedações similares poderiam ser usadas para vedações de cabeça depoço.
Uma descrição mais detalhada de diversas ligas de bismuto, gálioou outras ligas expansíveis será fornecida a seguir.
Uma ampla seleção de ligas de bismuto e gálio expansíveis podeser usada para cada uma das aplicações de furo de sondagem descritas acima.Além do bismuto puro, as seguintes ligas binárias detalhadas nos parágrafos a) - f)a seguir são consideradas mais prováveis para construção de blocos a partir dosquais ligas ternárias, quaternárias e superiores poderiam ser derivadas.
a) Biioo_xSnx: onde χ = O a 5. Isto produzirá uma liga de soluçãosólida com um ponto de fusão > 141°C. Pequenas quantidades de elementosadicionais, tais como Sb, In, Ga, Ag, Cu e Pb são possíveis. Esta liga possui acapacidade de ser endurecida por um endurecimento por precipitação pós-solidificação, onde uma fase rica de Sn será precipitada dentro da matriz rica emBi. Esta liga apresentará a maior expansão na solidificação. Exemplos industriaisdessas ligas incluem; bismuto puro (vendido como Ostalloy 520), Bi95Sn5(vendido com Cerrocast 9500-1 ou Ostalloy 524564).
b) Biioo-xCux: onde χ = 0 a 45. Essas ligas são consideradas paraaplicações a alta temperatura, tais como em poços geotérmicos. O ponto de fusãodessas ligas varia de 271 a cerca de 900°C.
c) Bi100-xHgx: onde χ = 0 a 45. Essas ligas são consideradas paraaplicações a temperatura mais baixa. O ponto de fusão dessas ligas varia de 150 a2710C. Essas ligas serão menos desejáveis, por causa da toxicidade do Hg, apesarde que outros fatores possam influenciar isto.
d) Biioo-xSnx: onde 2 = 5 a 42. Essas ligas têm pontos de fusão na faixa de 138 a 2710C. Entretanto, a menos que super-resfriadas, a última fase acongelar irá solidificar a 138°C (temperatura eutética). Esta liga é muito atrativapor causa de seu ponto de fusão, uma vez que esta temperatura seria aplicável paraa maior parte das aplicações de poço. Exemplos de ligas comerciais incluem:Ostalloy 281, Indalloy 281 ou Cerrotru 5800-2.
Chumbo (Pb) é freqüentemente incluído de acordo com BÍ100-X-ySnxPby (onde χ + y < 45 - geralmente y < 6). Isto resulta em uma liga com ummenor ponto de fusão do que a binária Bi-Sn. Exemplos de ligas comerciaisincluem: Cerrobase 5684-2 ou 5742-3, Ostalloy 250277 ou 262271.
Adições de ligas extras podem ser feitas, que produzem uma ligade múltiplas fases de ponto de fusão muito baixo, tal como "metal de madeira"(tipicamente: BÍ5oPb25Sn12.5Cdi2.5); existe uma ampla variedade desses metais.Entretanto, a maior parte dessas ligas tem pontos de fusão muito baixos (porexemplo, Dalton Metal: Bi60Pb2SSni5 tem um ponto de fusão de 92°C, Indalloy117 tem um ponto de fusão de 47°C) para ser de interesse em aplicações de poço,com a exceção supranotada relativa ao resfriamento da colocação de líquido.
e) Bi10o-xPbx: onde χ = 0 a 44,5. Essas ligas poderiam ser usadapara pontos de fusão mais baixos desejados, uma vez que a temperatura eutética éde 124°C. Adições de índio (In), cádmio (Cd) ou estanho (Sn) são comuns, etodos reduzem o ponto de fusão. O eutético binário é vendido pela Cerro MetalProducts como "Cerrobase".f) Outros: Bi10^xXnx: onde χ = 0 a 4,5. (Ponto eutético a χ = 4,5).Essas ligas são consideradas para aplicações em temperaturas mais altas, uma vezque o ponto de fusão das mesmas varia de 257 a 271°C. Bi100-xCdx: onde χ = 0 a
40. (Ponto eutético em χ = 4,5). O ponto de fusão do eutético 1440°C. Biioo.xInx:com χ < 33. Geralmente inclui outros elementos para ter pontos de fusão muitobaixo (< IOO0C) (por exemplo, Indalloy 25).Assim, ficará aparente aos técnicos habilitados que uma variedadede ligas de bismuto, gálio e outras ligas expansíveis é adequada para moldagem insi tu de vedações e/ou outros componentes para uso em operações de construçãode poço, manutenção, tratamento e abandono.Exemplos1) Um experimento conduzido para verificar se o comportamentoda expansão de ligas de bismuto não estão limitados a condições atmosféricas.Uma liga Bi58Sn42 (bismuto-chumbo) foi solidificada em uma câmara pressurizadaa 400 bar de pressão. A câmara pressurizada formou parte de um dispositivoexperimental que está descrito no trabalho SPE 64762 ("Improved ExperimentalCharacterization of Cement/Rubber Zonal Isolation Materials", autores M. G.Bosma, Ε. K. Cornelissen e A. Schwing). O experimento indicou que sob ascondições de teste, a liga expandiu 1,41% em volume.2) Uma outra amostra de uma liga Bi58Sn42 foi moldada em umapeça suja (isto é, coberta com Pasta Seladora API) de um componente tubular comum diâmetro interno de 37,5 cm e subseqüentemente deixada solidificar-se em umtampão que tem um comprimento de 104,6 mm dentro do componente tubularpara testar a capacidade de vedação da liga. Pressão de água foi aplicada à seçãotubular em uma extremidade do tampão solidificado e a pressão diferencial foimedida através do tampão. A pressão de água foi aumentada gradualmente e otampão foi capaz de suportar uma pressão diferencial de 80 bar antes dovazamento começar.
Claims (10)
1. Método para moldar in situ equipamento de poço, em que éusado um metal que expande-se com a solidificação, caracterizado pelo fato decompreender as etapas de:- colocar um corpo (5) do metal em uma cavidade no poço;- colocar o corpo (5) a uma temperatura acima do ponto de fusãodo metal;- resfriar o corpo (5) abaixo do ponto de fusão do metal,solidificando-se, assim, o metal do corpo (5) na cavidade.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o metal é uma liga que compreende bismuto.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que o corpo (5) é abaixado através do poço em um recipiente no quala temperatura é mantida acima da temperatura de fusão do metal e uma saída dorecipiente é colocada em comunicação fluídica com a cavidade, depois que ometal moldado é induzido a escoar via dita saída para dentro da cavidade.
4. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que o corpo (5) é colocado em um estado sólido na cavidade, ouadjacente a ela, e aquecido no furo de sondagem a uma temperatura acima datemperatura de fusão do metal, depois que o aquecimento é encerrado e o metal édeixado solidificar-se e, assim, expandir-se dentro da cavidade.
5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4,caracterizado pelo fato de que a cavidade é uma cavidade anular entre um par decomponentes tubulares coaxiais (1, 7) do poço.
6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelofato de que a cavidade anular é formada por um espaço anular entre seçõessobrepostas de um componente tubular externo (7) do poço e um componentetubular interno expandido (1) do poço.
7. Método de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizadopelo fato de que a cavidade tem, próximo à extremidade inferior uma base ourestrição de fluxo (2,4) que inibe o vazamento de metal moldado da cavidade paradentro de outras partes do furo do poço.
8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que a restrição de fluxo (2, 4) é formada por um anel de vedação flexívelque fica localizado próximo a uma extremidade inferior do espaço anular.
9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelofato de que o anel de vedação flexível compreende um arranjo de fendas ouaberturas não-tangenciais escalonadas que se abrem em resposta à expansão radialdo componente tubular.
10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 9,caracterizado pelo fato de que: o corpo (5) é um primeiro corpo (5), sendo oprimeiro corpo (5) restringido axialmente na cavidade por um segundo corpo (6)de metal que expande-se com a solidificação, e o metal do segundo corpo (6)solidifica-se a uma temperatura mais alta do que a do metal do primeiro corpo (5),com o método compreendendo ainda as etapas de:- colocar o segundo corpo (6) na cavidade anular axialmentedeslocada do primeiro corpo (5);- moldar os corpos (5, 6), elevando a temperatura dos corpos (5,-20 6);- solidificar os corpos (5, 6), abaixando a temperatura dos corpos(5, 6), depois que o metal do segundo corpo (6) solidifica-se antes do metal doprimeiro corpo (5), restringir axialmente dessa forma o primeiro corpo (5).
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