BR112012006394B1

BR112012006394B1 - método para controlar a pressão anular em um poço durante uma operação de construção de poço, e, controlador

Info

Publication number: BR112012006394B1
Application number: BR112012006394-4A
Authority: BR
Inventors: Kaasa Glenn-Ole; Fjalestad Kjetil
Original assignee: Statoil Asa; Statoil Petroleum As
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2019-11-12
Also published as: GB0916628D0; AU2010299944A1; AU2010299944B2; CA2774803C; GB2473672B; US20120247831A1; CA2774803A1; BR112012006394A2; WO2011036144A1; US9695655B2; EA201270450A1; EP2480749B1; EP2480749A1; GB2473672A; MX2012003491A

Abstract

método para controlar a pressão anular em um poço durante uma operação de construção de poço, e, controlador. um método para controlar a pressão anular em um poço durante uma operação de construção de poço. a operação compreende bombear um fluído para baixo de uma tubulação localizada dentro do poço e extrair o fluído que flui de volta através de uma coroa circular dentro de dito poço e circundado a tubulação. o método compreende definir uma pressão de ajuste pref, determinando uma taxa de fluxo de extração desejada q~ c~ do fluído de dita coroa circular na dependência da pressão de ajuste pref e uma taxa de fluxo bombeado na coroa circular, e configurar um caminho de extração para alcançar dita taxa de fluxo de extração desejada.

Description

“MÉTODO PARA CONTROLAR A PRESSÃO ANULAR EM UM POÇO DURANTE UMA OPERAÇÃO DE CONSTRUÇÃO DE POÇO, E, CONTROLADOR”

A presente invenção diz respeito a um método de controle e um aparelho para operações de poço, por exemplo perfuração de poço e completação e controle de poço. A invenção é aplicável em particular, através não necessariamente, da tão chamada Perfuração de Pressão Gerenciada (MPD).

A Associação Internacional de Contratores de Perfuração (IADC) define MPD como “um processo de perfuração adaptativo usado para mais precisamente controle do perfil de pressão anular através de um furo de poço”. Sistema de MPD compreendem um sistema de pressão fechado para fornecer controle automático da pressão de retomo dentro de um furo de poço durante um processo de perfuração [ou outras operações de perfuração e completação]. Soluções de MPD existentes empregam controle de retroalimentação convencional, usando integral de adição proporcional (PI), e possivelmente derivada adicional de integral adicional proporcional (PID), retroalimentação da pressão de fluido dentro da coroa circular de furo de poço para controlar um ou mais estrangulador e/ou bombas manipulando a extração do fluido do furo de poço. Alguns sistemas utilizam controle direto, que compreende estabilizar a pressão do furo abaixo em um dado ponto de ajuste de pressão desejado. Um modelo hidráulico em tempo real pode ser usado para computar a pressão da coroa circular de furo abaixo durante perfuração, p.ex. com base na pressão de lado superior medida. Altemativamente, em alguns sistemas, a pressão de furo abaixo é medida diretamente e retransmitida para o lado superior usando telemetria de coluna de perfuração de alta velocidade. Outros sistema utilizam controle indireto, tentando estabilizar a pressão de estrangulamento a montante do lado superior para um ponto de ajuste correspondendo a uma pressão de furo abaixo desejada. Um modelo hidráulico em tempo real é usado para computar uma pressão de estrangulamento correspondendo a uma pressão de furo abaixo desejada.

Tais sistemas existentes são com base na tecnologia de controle de retroalimentação convencional, que resulta em algumas deficiências fundamentais com respeito à robustez e desempenho. Em particular, sistemas existentes sofrem de robustez pobre contra perturbações, tipicamente por causa do alto ganho ser requerido no controlador para alcançar uma resposta rápida a variações de pressão. Falta de robustez é problema particular neste caso de gás passando através do estrangulador, causando vibração na entrada de controle.

Adicionalmente, sistemas existentes também sofrem de desempenho degradado durante operações críticas, particularmente movimentos de coluna de perfuração e inclinação para cima/baixo de bomba. O desempenho dos sistemas existentes pode também degradar sem resintonizar os parâmetros do controlador durante perfuração (principalmente por causa do aumento do comprimento do poço, e assim a rigidez efetiva do sistema hidráulico diminui).

Modelo de Controle Preditivo (MPC) é uma metodologia de controle geral para controle com base em modelo que tem sido proposto para melhorar controle de pressão em sistemas de MPD em um esforço para resolver os problemas acima. Entretanto, soluções propostas usando MPC são relacionadas com o tipo de modelo que tem sido usado, que são tanto: modelos de dinâmica altamente avançada das dinâmicas de pressão anulares com base nas equações diferenciais parciais, que são computacionalmente demandante e numericamente não robustas, assim fazendo elas inadequadas para controle robusto, ou modelos empíricos simples que requerem atualização/sintonização contínua de vários parâmetros de modelo, que de novo os tomam inadequados para implementação prática. Soluções propostas usando MPD aplicadas ao MPD não estão atualmente maduras o suficiente para uso prático e tem sido principalmente de interesse acadêmico. Consequentemente, nenhuma solução de MPD foi implementada para MPD.

Os seguintes documentos de patente se referem a sistemas de MPD; W02008016717, US2005269134, US2005092523, US2005096848, GB2447820, e US7044237.

Os seguintes documentos de patente se referem a sistemas de MPD. E um objetivo da presente invenção superar ou pelo menos mitigar os problemas supracitados com sistemas de MPD conhecidos. Este objetivo é alcançado pelo menos em parte usando um desvio de pressão determinado para calcular uma taxa de fluxo de extração desejada da coroa circular do furo de poço. A(s) válvula(s) de estrangulamento ou bombas, ou de fato qualquer tipo apropriado de dispositivo de controle de fluxo, no caminho de extração são ajustados para alcançar esta taxa de extração desejada.

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção aqui é fornecido um método para controlar a pressão da coroa circular em um poço durante uma operação de construção de poço. A operação compreende bombear um fluido para baixo de uma tubulação localizada dentro do poço e extrair o fluido que flui de volta através de uma coroa circular dentro de dito poço e circundando a tubulação. O método compreende definir uma pressão de ajuste p_ref, determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c do fluido de dia coroa circular em dependência com a pressão de ajuste p_ref e uma taxa de fluxo bombeada dentro da coroa circular, e configurar um caminho de extração para alcançar dita taxa de fluxo de extração desejada.

Modalidades da invenção oferecem robustez melhorada contra perturbações, e em particular perturbações repentinas dentro do poço, bem como redução ou até eliminação da necessidade de retomar os parâmetros de controle durante uma operação de modo a manter a estabilidade do sistema.

a etapa de determinar uma taxa de extração desejada pode ser adicionalmente feita em dependência sobre um influxo determinado ou estimado ou efluxo q_res através das paredes do poço ou parte das paredes do poço.

O método da invenção pode compreender determinar uma pressão de fluido p dentro de dita coroa circular e determinar um desvio de pressão da pressão determinada p com respeito à dita pressão de ajuste p_ref, dita etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada sendo adicionalmente feita em dependência de dito desvio de pressão. Neste caso, a etapa de determinar uma pressão de fluido dentro da coroa circular pode compreender medir uma pressão de fluido em uma extremidade de furo abaixo da coroa circular. A etapa de determinar uma pressão de fluido dentro da coroa circular pode compreender medir uma pressão de fluido em uma extremidade de lado superior da coroa circular.

A etapa de usar dito desvio de pressão para determinar uma taxa de fluxo de extração desejada do fluido da coroa circular pode compreender dimensionar dito desvio de pressão para compensar pela compressão do fluido dentro da coroa circular. O desvio de pressão pode ser dimensionado por um fator 7_α/β_Ά, em que V_aé o volume de dita coroa circular e p_a é o módulo de volume efetivo do fluido dentro da coroa circular.

A etapa de usar dito desvio de pressão para determinar uma taxa de fluxo de extração desejada do fluido da coroa circular pode compreender ainda dimensionar dito desvio de pressão por uma constante de fator de ganho K_p.

A etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c pode compreender avaliar pelo menos um dos seguintes termos:

-v_a, onde V_a é a taxa de mudança do volume de uma coroa circular de furo de poço dentro do sistema;

qbroca, em que qbroca é o fluxo de fluido na coroa circular através de um aparelho de furo de fundo;

q_res, em que q_res é o fluxo do fluido na coroa circular a partir do reservatório; e

Prefdimensionado com V_a/\f_à, em que Pref é a taxa de mudança de dita pressão de ajuste p_ref.

Mais particularmente, a etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c pode compreender somar dois ou mais dos termos avaliados.

A etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c pode compreender somar um ou mais dos termos avaliados listados acima, com um termo de desvio de pressão.

A etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada da coroa circular pode ser adicionalmente feita em dependência com uma taxa estimada ou determinada de mudança de um volume V_a do furo de poço, excluindo o volume de deslocamento da tubulação e qualquer aparelho de furo de fundo anexado.

O método pode compreender determinar uma taxa de fluxo Qbroca através do aparelho de furo de fundo anexado a uma extremidade da tubulação de modo a fornecer dita taxa de fluxo bombeada na coroa circular.

A etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c pode compreender avaliar a equação

Qc = -aV_a+ôq_bit+2q_res +</)^-p_ref + Y j-K_pg(p,p_ref,t) em que V_a é o volume da coroa circular do furo de poço, V _a é a taxa de mudança de V_a, qbroca é o fluxo de fluido dentro da coroa circular através do aparelho de furo de fundo, q_res é o fluxo de fluido na coroa circular a partir do reservatório, p_ref é a taxa de mudança de p_ref, p_a é o módulo de volume efetivo do fluido na coroa circular, K_p é o ganho do controlador, e em que pelo menos dois de α, δ, λ, φ e γ = 1, e cada dos dois remanescentes de a, δ, λ, φ e γ = o ou 1. Α função g(p, p_ref, t) pode ser p - p_ref ou uma função crescente monotonicamente, variando no tempo, não linear de p — p_ref.

Argumento t na função g(p, p_ref, t) denota que o g pode também ser dependente de entradas variando no tempo.

E etapa de configurar um caminho de extração para alcançar dita taxa de fluxo de extração desejada pode compreender ajustar os pontos de operação de uma ou mais válvulas e/ou bombas (p.ex. uma bomba de retomo de pressão e/ou uma bomba de furo abaixo) no caminho de extração.

Por meio de exemplo, a operação de construção de poço na qual o método é empregado pode ser uma de: perfuração, perfuração durante início e/ou parada de uma bomba de equipamento, perfuração durante perda de energia na bomba de equipamento; escape de uma tubulação no poço; cimentação do poço; e pesca dentro do poço.

De acordo com um segundo aspecto da presente invenção é fornecido um controlador para controlar a pressão dentro da coroa circular durante uma operação de construção de poço, a operação de bombeamento de um fluido para baixo de uma tubulação e extração do fluido que flui de volta através da coroa circular dentro de dito furo de poço e circundando a tubulação, o controlador compreendendo:

uma unidade de ajuste de pressão para definir uma pressão de ajuste p_refi um determinador de taxa de fluxo para determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c do fluido a partir de dita coroa circular em dependência com a pressão de ajuste p_ref e uma taxa de fluxo bombeada dentro da coroa circular; e uma unidade de ajuste de taxa de fluxo para configurar um caminho de extração para alcançar dita taxa de fluxo de extração desejada.

O controlador pode compreender ainda um processador para determinar uma taxa de mudança da pressão de ajuste, p_ref.

De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção é fornecido um método para controlar a pressão anular em um poço durante uma operação de contração de poço, a operação compreendendo bombear um fluido para baixo de uma tubulação localizada dentro do poço e extrair o fluido que flui de volta através da coroa circular dentro de dito poço e circundando a tubulação, o método compreendendo:

determinar uma pressão de fluido p dentro de dita coroa circular e determinar um desvio de pressão da pressão determinada p com respeito à dita pressão de ajuste p_ref, usando dito desvio de pressão para determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c do fluido de dita coroa circular; e configurar um caminho de extração para alcançar dita taxa de fluxo de extração desejada.

De acordo com um quarto aspecto da presente invenção é fornecido um controlador para controlar a pressão dentro de uma coroa circular durante uma operação de construção de poço, a operação compreendendo bombear um fluido para baixo em uma tubulação e extrair o fluido que flui de volta através da coroa circular dentro de dito furo de poço e circundando a tubulação, o controlador compreendendo:

um monitor de pressão para determinar uma pressão de fluido p dentro de dito furo de poço e para determinar um desvio de pressão da pressão determinada p com respeito a uma pressão de ajuste p_refi um determinador de taxa de fluxo para usar dito desvio de pressão para determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c do fluido de dita coroa circular; e uma unidade de ajuste de taxa de fluxo para configurar um caminho de extração para alcançar dita taxa de fluxo de extração desejada.

De acordo com um quinto aspecto da invenção é fornecido um método para controlar a pressão anular em um poço durante uma operação de construção de poço, a operação compreendendo bombear um fluido para baixo de uma tubulação localizada dentro do poço e extrair o fluido que flui de volta através de uma coroa circular dentro de dito poço e circundando a tubulação, o método compreendendo:

determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c do fluido de dita coroa circular em dependência de uma taxa de mudança de volume ^Va de uma coroa circular de furo de poço e uma taxa de fluxo bombeada dentro da coroa circular; e configurar um caminho de extração para alcançar dita taxa de fluxo de extração desejada.

O método deste quinto aspecto da invenção pode compreender determinar uma pressão de fluido p dentro de dita coroa circular e determinar um desvio de pressão da pressão determinada p com respeito a uma pressão de ajustep_ref, dita etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada sendo adicionalmente feita em dependência com o desvio de pressão. Neste caso, a etapa de determinar uma pressão de fluido dentro da coroa circular pode compreender medir uma pressão de fluido em uma extremidade de furo abaixo da coroa circular. A etapa de determinar uma pressão de fluido dentro da coroa circular pode compreender medir uma pressão de fluido na extremidade de lado superior da coroa circular.

A etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c pode compreender avaliar nelo menos um dos seguintes termos:

~ V a , onde V _a é a taxa de mudança do volume de uma coroa circular de furo de poço dentro do sistema;

Qbroca, ^em que q_ut é o fluxo de fluido dentro da coroa circular através de um aparelho de furo de fundo;

q_res, em que q_res é o fluxo do fluido dentro da coroa circular a partir de um reservatório; e

Pref, dimensionado com Va/f_a em que Pref é a taxa da mudança de dita pressão de ajuste p_ref.

Um ou mais destes pode ser adicionado ao termo de desvio de pressão.

Em particular, a etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c compreende avaliar a equação • V V i \ ric ^-<x^Va+Sq_bit p_ref + 7 -j-K_pg[p,p_r^,t)

Pelo menos certas modalidades da invenção podem fornecer uma estrutura controladora que utiliza um modelo simples das dinâmicas da pressão de furo abaixo anular de modo a fornecer um método melhorado do controle de pressão durante operações de construção de poço, p.ex. perfuração de poço.

Enquanto existe sistemas em uso que são com base no controle de retroalimentação convencional e não utilizam um conhecimento do sistema que é controlado, estas modalidades fornecem uma estrutura de controle que utiliza as propriedades de sistema físico inerente dominante para fornecer uma compensação inteligente das perturbações e operações que afetam a pressão durante perfuração. Ao contrário das soluções propostas com base no Modelo de Controle Preditivo, a estrutura de controle tem uma estrutura simples que permite uma implementação simples e robusta. Em particular, não requer um modelo hidráulico avançado ou sintonização extensiva de um modelo empírico. A estrutura de controle é fisicamente justificada e é flexível e modular. Uma vez que a estrutura de controle é baseada em um modelo simples com parâmetros físicos aglomerados, isto fornece algoritmos robustos para calibração e sintonização automática.

Modalidades da invenção podem melhorar compensação de pressão durante várias operações tais como movimentos de coluna de perfuração e inclinação para cima/desligar bomba. Compensação pode também ser fornecida para flutuação de pressão devido ao balouço (quando perfuração em um flutuador), enquanto a necessidade para sintonizar o controlador durante perfuração pode ser reduzida ou até eliminada.

Para um melhor entendimento da presente invenção e em outra a mostrar como o mesmo pode ser realizado em efeito, referência será agora feita por meio de exemplo aos desenhos acompanhando, em que:

Figura 1 ilustra esquematicamente um sistema de Perfuração de Pressão Gerenciada (MPD);

Figura 2 é um diagrama de fluxo do processo de Perfuração por Pressão Gerenciada; e

Figura 3 ilustra esquematicamente um controlador do sistema de Perfuração de Pressão Gerenciada (MPD) da Figura 1.

Figura 1 mostra um sistema de Perfuração de Pressão Gerenciada (MPD) compreendendo uma coluna de perfuração 1 tendo uma broca de perfuração 2, uma cabeça de controle 4 e um acionador de topo 6. Um furo de poço 8 define uma coroa circular 10 entre o furo de poço 8 e a coluna de perfuração 1, e contendo fluido de perfuração. Durante operação, fluido de perfuração é bombeado do dispositivo de topo 6, em um fluxo q_bomba, P^ara baixo da coluna de perfuração 1 para energizar a broca de perfuração 2. Na maioria dos casos a rotação da broca de perfuração é energizada pelo acionador de topo 6 que roda a coluna de perfuração toda. Entretanto, em alguns casos o fluxo de fluido pode também causar a rotação da broca de perfuração. Usualmente, o fluxo de fluido energiza uma turbina que gera energia para sensores de furo abaixo e transmissores usados para transmitir sinais de dados à superfície por telemetria de pulso. O fluido de perfuração sai através da broca de perfuração 2 na coroa circular do furo abaixo e retoma para cima através da coroa circular 10. Alcançando o lado superior da coroa circular, o fluido de perfuração sai da coroa circular em um fluxo q_c. A taxa de fluxo q_c é uma variável que é controlada de modo a manter um perfil de pressão predeterminado dentro da coroa circular 10. Por exemplo, o fluxo qx pode ser controlado por um estrangulador de controle 12 e uma bomba de pressão de retomo 14 que mantém pressão de retomo suficiente dentro do sistema de MPD. Fluido pode também entrar ou sair da coroa circular 10 através do reservatório (por exemplo através de poros em um furo de poço a um fluxo

As dinâmicas da pressão média na coroa circular 10 pode ser descrita pelo modelo:

onde p é a pressão da coroa circular (tanto furo abaixo, ou no lado superior), V_a é o volume da coroa circular contendo o fluido de perfuração (em um sistema de “gradiente duplo”, apenas uma parte do tubo ascendente é enchido com fluido de perfuração), que principalmente depende do comprimento do poço e a posição da coluna de perfuração, ^Va é a taxa de mudança de volume, p.ex. a derivada no tempo do volume, e β_Η é o módulo de compressibilidade, que é um parâmetro aglomerado descrevendo a rigidez efetiva do líquido na coroa circular, incluindo o efeito do gás entranhado no fluido de perfuração e a flexibilidade resultante da coluna de perfuração, invólucro e poço. O fluxo qb_rOca é o fluxo na coroa circular através da broca de perfuração, e q_res é o influxo de reservatório efetivo, tipicamente composto de influxo do ou perda para o reservatório, de acordo com qres qbomba qperda (2)

O fluxo q_c é fluxo de saída controlado do lado superior da coroa circular que é tipicamente composta do fluxo através do tubo distribuidor de estrangulamento, e recuperação da bomba de pressão de retomo de acordo com qc qestrangulamento 1 + q estrangulamento! ~ qretorno

O modelo simplificado, dado pela Equação (1) forma a base para método de controle de pressão. Isto deve ser notado que sintonizando o módulo de volume efetivo p_a, Equação (1) pode ser usada para descrever a pressão na coroa circular em locais fixos no poço, tais como uma extremidade de furo abaixo e o lado superior. Isto significa que a estrutura de controlador com base na Equação (1) pode ser aplicada a ambos um esquema de controle de pressão direto e indireto.

Implementando um controlador gerenciando o modelo da Equação (1), assume-se que o volume V_a e sua taxa de mudança no tempo ^v° pode ser medido ou de outra forma determinado (ou estimado), por exemplo com base no comprimento conhecido da coluna de perfuração dentro do furo de poço, o diâmetro de corte da broca de perfuração, o diâmetro da coluna de perfuração, e a taxa de movimento da coluna dentro e fora do furo de poço. E ainda assumido que o fluxo da broca qb_rOca está disponível, tanto medido diretamente, ou estimado/computado de medições indiretas, e o fluxo de reservatório q_res e o módulo de compressibilidade p_a pode ser estimado, tanto em linha ou fora de linha.

Com base nas suposições acima, o modelo de controlador básico pode ser dado como

«SS «bomba + «res «retroalimentação (p) em que p_refé a pressão desejada. Os vários termos da estrutura controladora tem claras interpretações que são descritas em detalhe abaixo. Entretanto, será apreciado que um ou mais dos termos pode ser removido do modelo, enquanto beneficio sobre sistemas de MPD conhecidos podem ainda serem obtidos. Deve ser notado que, dependendo do tipo de operações de perfuração nas quais a presente invenção é aplicada, alguns termos na Equação (4) podem ser removidos. Termos podem ser removidos temporariamente dependendo dos eventos de perfuração. Por exemplo, o termo de retroalimentação pode ser removido temporariamente sobre a detecção de um “ejetor” no poço, p.ex. quando o influxo considerável do fluido dentro do poço a partir do reservatório ocorre, ou quando a coluna de perfuração é rapidamente movida dentro do furo de poço. Em tal caso, a pressão de ajuste p_ref se toma a pressão dentro da coroa circular imediatamente antes do evento (p.ex. aretroalimentação é zero), tal como a taxa de extração é ajustada para manter o estado quo dentro do poço.

O primeiro termo na Equação (4) é

a.=-Va (6) e é a onda de alimentação direta e compensação de haste. Este termo compensa para a mudança de volume e resulta mudanças de pressão causadas pelo movimento da coluna de perfuração em relação ao poço. Este termo é assim importante durante operações de disparo, e é particularmente importante no caso de perfuração de um flutuador de modo a compensar flutuações de pressão causadas por balouço. Este termo fornece um melhoramento sobre o controlador de PI convencional durante tais operações, assim melhorando desempenho transiente e removendo problemas potenciais com conclusão de integrador.

O segundo termo na Equação (4) é &bomba Q broca (7) e é a compensação de alimentação direta a partir do fluxo de bomba. Isto fornece um melhoramento na compensação das flutuações de pressão causadas por início/fim do bombeamento de lama comparado com o controlador de PI convencional. Usando q broca, mais que o fluxo de bomba atual qbomba-, também leva em conta os períodos transientes do acúmulo/diminuição de pressão na coluna de perfuração durante início/fim do bombeamento.

O terceiro termo na Equação (4) é

U-res Ç[res (8) que representa a compensação da perturbação (representada aqui como influxo do reservatório), ou o erro de modelo causado no modelo simplificado de acordo com a Equação (1). Este termo pode ser estimado para obter ação integral no controlador equivalente ao termo integral no controlador de PI convencional.

a_res não é usualmente usado para compensar fluxo de reservatório, mas ainda compensa por outros erros de modelagem no modelo de projeto.

O quarto e termo final na Equação (4) é

e é o termo de correção de retroalimentação que é necessário para obter propriedades de boa robustez e rejeição de perturbação do controlador. Este termo é equivalente ao controle de retroalimentação proporcional Xp(p - p_ref) do controlador de PI convencional. O dimensionamento por V_a/fi_a implementa uma programação de ganho que elimina o efeito da mudança de volume na rigidez efetiva do sistema. O dimensionamento também compensa mudanças no módulo de volume efetivo (p.ex. inverso da compressibilidade) do sistema. Este termo mitiga qualquer degradação no desempenho como processos de perfuração e o volume aumentado causado por rigidez do poço para reduzir. Este termo também permite o ganho de controlador K_p a estar presente, assim eliminando a necessidade de sintonizar poços individuais.

De modo a implementar a estrutura controladora de acordo com o modelo descrito, é necessário controlar o fluxo da coroa circular total pelo controlador de fluxo q_c de acordo com Equação (3). Por exemplo, isto pode ser alcançado manipulando o fluxo através de um ou mais estrangulamentos q_estran_guiamentoi ou qestrangulamento2. Altemativamente, o fluxo pode ser controlado pelo fluxo através da bomba de reposição q_retorno ou pela combinação de estrangulamentos e a bomba de reposição.

A Figura 2 é um diagrama de fluxo ilustrando as etapas principais no processo de controle de MPD. O processo começa na etapa 100, e na etapa 101 a pressão desejada é ajustada, por exemplo por um operador habilitado inserindo esta pressão no sistema de controle. Na etapa 102, a pressão de furo abaixo de coroa circular é amostrada, ex. medindo a pressão na parte de furo aberto da última sapata de invólucro do fundo do furo, ex. na ou perto da sapata de invólucro ou próximo à broca de perfuração, e afinando ela ao sistema de controle de lado superior. [A pressão pode altemativamente ser amostrada em outros locais de furo abaixo]. Na etapa 103, equação (4) acima é avaliada, usando a pressão medida e outros parâmetros estimados ou medidos. Na etapa 104, a taxa de fluxo de fluido avaliada é usada para ajustar os pontos de operação dos dispositivos de controle de fluxo, ex. a válvula de estrangulamento e/ou a bomba de pressão de retomo.

Figura 3 ilustra esquematicamente um controlador de MPD 20 que pode ser implementado usando, por exemplo, um computador programado apropriadamente. O controlador compreende um monitor de pressão 21 para determinar uma pressão de coroa circular de furo abaixo em alguns pontos predefmidos no furo aberto. Este valor pode ser fornecido diretamente de um sensor de pressão, ou pode ser estimado com base em algum(ns) parâmetro(s) medido(s). A pressão determinada pelo monitor de pressão 21 é passada a um determinador de taxa de fluxo 22 que é configurada para avaliar a equação (4) acima. A taxa de fluxo de extração determinada é então passada a uma unidade de ajuste de taxa de fluxo 23 que determina pontos (operação) de ajuste para o(s) dispositivo(s) de controle de fluxo. Os valores ajustados são distribuídos aos componentes apropriados no caminho de extração.

O modelo definido pela equação (4) acima pode ainda intensificar incluindo um termo relacionando à taxa de mudança da pressão desejadap_ref, a saber, ^^ref. A equação modificada se toma:

(10)

Na prática, p_ref e sua derivada no tempo ^^ref são derivados simplesmente aplicando um filtro de modo que p é atualmente uma versão filtrada da entrada de ponto de ajuste desejado atual p_rej(Ü).

Referindo às equações (4) e (10) acima, é ainda notado que o termo de erro (p - p_ref pode ser substituído por uma função de erro generalizada g(p - p_ref) em que g é qualquer função crescente monotonicamente, não linear apropriada, possivelmente variando no tempo. Exemplos incluem:

i) não linear, simétrico: g(p,p_rey, t)=(p-p_refY3 ii) não linear, simétrico: g(p,p_ref, t)=(p-p_rej)+(p-Pref)*ò iii) não linear, assimétrico: g(p,/?_re/₅ ί)⁼ρ^Λ3 -ρ_Γβ/Ί iv) não linear, simétrico, Variando no tempo: g(p,p_ref, t) = (pp_ref)⁺(p- PrefY^ * exp(-t)

v) linear, variando no tempo g(p, p_ref, t)=(p- p_ref) *x(t), onde x pode ser qualquer entrada variando no tempo.

Será apreciado pela pessoa versada na técnica que várias modificações podem ser feitas às modalidades descritas acima sem sair do escopo da presente invenção. A estratégia de controle pode ser usada em muitos tipos de operações no processo de construção de poço, variando da perfuração à completação, tal como por exemplo controle de pressão durante cimentação, pesca da tubulação de perfuração quebrada, ou situações de controle de poço (ex. início e/ou parada de uma bomba de equipamento e perda de energia na bomba de equipamento), etc. A estratégia de controle é aplicável em sistemas de gradiente duplo, em que é tipicamente uma bomba subaquática que extrai fluido de perfuração da coroa circular em alguns locais entre o leito do mar e a lateral superior, e que permite manipulação do nível de fluido de perfuração no tubo ascendente. A broca de perfuração referida na modalidade descrita acima é, neste caso, apenas um exemplo de um aparelho de furo de fundo que é anexado à tubulação.

Claims

1. Método para controlar a pressão anular em um poço durante uma operação de construção de poço, a operação compreende bombear um fluido para baixo de uma tubulação localizada dentro do poço e extrair o fluido que flui de volta através de uma coroa circular dentro de dito poço e circundando a tubulação, caracterizado pelo fato de que compreende:

definir uma pressão de ajuste p_ref, determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c do fluido a partir de dita coroa circular em dependência com a pressão ajustada p_ref e uma taxa de fluxo bombeada para dentro da coroa circular; e configurar um caminho de extração para alcançar dita taxa de fluxo de extração desejada.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada sendo adicionalmente feita em dependência com um influxo ou efluxo estimado ou determinado q_res através das paredes do poço ou parte das paredes do poço.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende determinar uma pressão de fluido p dentro de dita coroa circular e determinar um desvio de pressão da pressão determinada p com respeito à dita pressão de ajuste p_ref, a dita etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração sendo adicionalmente feita em dependência com dito desvio de pressão.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de determinar uma pressão de fluido dentro da coroa circular compreende medir uma pressão de fluido em uma extremidade furo abaixo da coroa circular.

5. Método, de acordo com a reivindicação3, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de determinar uma pressão de fluido dentro da coroa circular compreende medir uma pressão de fluido em uma extremidade de lado superior da coroa circular.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a

5, caracterizado pelo fato de que uma etapa de usar o dito desvio de pressão para determinar uma taxa de fluxo de extração desejada do fluido a partir da coroa circular compreende colocar dimensionado o dito desvio de pressão para compensar pela compressão do fluido dentro da coroa circular.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a

6, caracterizado pelo fato de que dito desvio de pressão é colocado dimensionado por um fator Vffa, onde V_a é o volume da dita coroa circular e p_a é o módulo de volume efetivo do fluido dentro da dita coroa circular.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a

7, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de usar o dito desvio de pressão para determinar uma taxa de fluxo de extração desejada do fluido a partir da coroa circular compreende ainda colocar dimensionado o dito desvio de pressão por uma constante de fator de ganho K_p.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c compreende avaliar pelo menos um dos seguintes termos:

- V_a, onde Va é a taxa de mudança do volume de uma coroa circular de furo de poço dentro do sistema;

q_broca, em que q_broca é o fluxo de fluido dentro da coroa circular através de um aparelho de furo de fundo;

Pref, dimensionado com Vc/βα em que P^ref é a taxa da mudança da dita pressão de ajuste p_ref.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c compreende somar dois ou mais dos termos avaliados.

11. Método, de acordo com a reivindicação 9, quando anexados a qualquer uma das reivindicações 3 a 8, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_ccompreende somar um ou mais dos termos avaliados com um termo de desvio de pressão.

12. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada a partir da coroa circular sendo adicionalmente feita em dependência com uma taxa estimada ou determinada de mudança de um volume V_a do foro de poço, excluindo o volume de deslocamento da tubulação e qualquer aparelho de foro de fondo anexado.

13. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende determinar uma taxa de fluxo q_broca através de um aparelho de foro de fondo anexado a uma extremidade da tubulação de modo a fornecer a dita taxa de fluxo bombeada dentro da coroa circular.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de configurar um caminho de extração para alcançar dita taxa de fluxo de extração desejada compreende ajustar os pontos de operação de um ou mais válvulas e/ou uma bomba de retomo de pressão no caminho de extração.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que dita operação de construção de poço é uma de: perfuração, perfuração durante início e/ou parada de uma bomba de equipamento; perfuração durante perda de energia na bomba de equipamento; escape de uma tubulação no poço; cimentação do poço; e pesca dentro do poço.

16. Método para controlar a pressão anular em um poço durante uma operação de construção, a operação compreende bombear um fluido para baixo em uma tubulação localizada dentro do poço e extrair o fluido que flui de volta através da coroa circular dentro de dito poço e circundando a tubulação, caracterizado pelo fato de que compreende:

determinar uma pressão de fluido p dentro de dita coroa circular e determinar um desvio de pressão da pressão determinada p com respeito a uma pressão de ajuste p_ref, usando dito desvio de pressão para determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c do fluido a partir de dita coroa circular; e configurar um caminho de extração para alcançar dita taxa de fluxo de extração desejada.

17. Método para controlar a pressão anular em um poço durante uma operação de construção de poço, a operação compreende bombear um fluido para baixo de uma tubulação localizada dentro do poço e extrair o fluido que flui de volta através da coroa circular dentro de dito poço e circundando a tubulação, caracterizado pelo fato de que compreende:

determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c do fluido de dita coroa circular em dependência com uma taxa de mudança de volume V_a de uma coroa circular de furo de poço e uma taxa de fluxo bombeado dentro da coroa circular; e configurar um caminho de extração para alcançar a dita taxa de fluxo de extração desejada.

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 16 ou 17, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c compreende avaliar a equação

Qc = ~^{a V}a + ^Qbit ⁺ Mres ⁺ /

em que V_a é o volume da coroa circular do furo de poço, V _a é a taxa de mudança de V_a, qb_rOca é o fluxo de fluido dentro da coroa circular através do aparelho de furo de fundo, q_res é o fluxo de fluido na coroa circular a partir do reservatório, p_a é o módulo de volume efetivo do fluido na coroa circular, K_p é o ganho do controlador, g é p — p_ref, ou uma função crescente monotonicamente, variando no tempo, não linear de p — p_ref, e em que pelo menos dois de α, δ, λ e γ = 1, e cada dos dois remanescentes de α, δ, λ e γ = 0 ou 1.

19. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 16 ou 17, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c compreende avaliar a equação • V V i \ q_c =~aV_a + ôq_bil + Aq_res +<p-^-p_ref + Y ~K_pg(p,p_rEf,t) em que V_a é o volume da coroa circular de furo de poço, V _a é a taxa da mudança de V_a, qbroca é o fluxo de fluido dentro da coroa circular através do aparelho de furo de fundo, q_res é o fluxo de fluido dentro da coroa circular a partir do reservatório, p_a é o módulo de volume efetivo do fluido na coroa circular, K_p é o ganho do controlador, g é p - p_ref, ou uma função crescente monotonicamente, variando no tempo, não linear de p - p_ref, e em que pelo menos dois de α, δ, λ e γ = 1, e cada dos dois remanescentes de α, δ, λ e γ = 0 ou 1.

20. Controlador para controlar a pressão dentro de uma coroa circular durante uma operação de construção de poço, a operação compreende bombear um fluido para baixo de uma tubulação e extrair o fluido que flui de volta através da coroa circular dentro de dito furo de poço e circundando a tubulação, caracterizado pelo fato de que compreende:

21. Controlador para controlar a pressão dentro de uma coroa circular durante uma operação de construção de poço, a operação compreende bombear um fluido para baixo de uma tubulação e extrair o fluido que flui de volta através da coroa circular dentro de dito furo de poço e circundando a tubulação, caracterizado pelo fato de que compreende:

um monitor de pressão para determinar uma pressão de fluido p dentro de dito furo de poço para determinar um desvio de pressão da pressão determinadap com respeito a uma pressão de ajuste p_rep um determinador de taxa de fluxo para usar dito desvio de pressão para determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_c do fluido de dita coroa circular; e uma unidade de ajuste de taxa de fluxo para configurar um caminho de extração para alcançar dita taxa de fluxo de extração desejada.

22. Controlador, de acordo com a reivindicação 19 ou 20, caracterizado pelo fato de que o dito determinador de taxa de fluxo é configurado para determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_cavaliando a equação

?.=-α!ζ

em que V_a é o volume da coroa circular de furo de poço, V _a é a taxa da mudança de V_a, qb_r0Ca é o fluxo de fluido dentro da coroa circular através do aparelho de furo de fundo, q_res é o fluxo de fluido dentro da coroa circular a partir do reservatório, β_& é o módulo de volume efetivo do fluido na coroa circular, K_p é o ganho do controlador, g é p — p_ref, ou uma função crscente monotonicamente,variando no tempo, não linear de p — p_ref, e em que pelo menos dois de α, δ, λ e γ = 1, e cada dos dois remanescentes de α, δ, λ e γ = 0 ou 1.

23. Controlador, de acordo com a reivindicação 19 ou 20, 5 caracterizado pelo fato de que o dito determinador de taxa de fluxo é configurado para determinar uma taxa de fluxo de extração desejada q_cavaliando a equação

Qc =-^αή+^+^λ(7Γ^⁺Φ·^-ΡΓβ/+7 j~K_pg(p,p_ref,t) em que V_a é o volume da coroa circular de furo de poço, Va é a taxa da mudança de V_a, qbroca é o fluxo de fluido dentro da coroa circular

10 através do aparelho de furo de fundo, q_res é o fluxo de fluido dentro da coroa circular a partir do reservatório, β_Η é o módulo de volume efetivo do fluido na coroa circular, K_p é o ganho do controlador, g é p — p_ref, ou uma função crscente monotonicamente, variando no tempo, não linear de p - p_ref, e em que pelo menos dois de α, δ, λ e γ = 1, e cada dos dois remanescentes de α, δ,

15 λ e γ = 0 ou 1.