BR112013003286B1 - Ferramenta de corte integrada em uma coluna de perfuração - Google Patents
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Abstract
ferramenta de corte integrada em uma coluna de perfuração a presente invenção refere-se a uma ferramenta de corte integrada em uma coluna de perfuração para o aumento de um furo de sondagem, em que a ferramenta de corte compreende pelo menos: um ou mais moinhos laterais (12, 13, 14) dispostos ao longo do eixo da dita coluna de perfuração em um alojamento de escareador (11), onde os moinhos laterais (12, 13, 14) são adaptados para serem girados em relação ao alojamento da ferramenta (11) por meios de acionamento individuais. os moinhos laterais rotativos autoacionados podem ser cones em formato de domo onde expandem radialmente para fora do alojamento de escareador (11) ou podem ser cones em formato de domo não circulares especiais onde giram sem se expandir.
Description
[001] A presente invenção refere-se aferramentas de corte que podem ser usadas na perfuração de poços de petróleo, gás e águas profundas e operações de mineração. Em particular é descrita uma ferramenta de corte integrada em uma coluna de perfuração.
[002] Brocas de perfuração usadas para perfurarfuros de poço através de formações de terra tipicamente têm um diâmetro nominal, isto é, o diâmetro que será criado quando a broca de perfuração for girada e impressa axialmente na formação. Frequentemente é desejável aumentar o diâmetro do furo de sondagem além do diâmetro nominal da broca de perfuração para diversos propósitos. Sabe-se bem que no processo de perfuração de um poço profundo para a produção de petróleo e gás; sob escareação de um furo de sondagem, é necessário tratar a parede do furo de sondagem de maneira a prevenir o diâmetro predeterminado reduzido do furo de sondagem e também aumentar o diâmetro do furo de sondagem perfurado pela broca principal na frente da coluna de perfuração.
[003] Numerosas tentativas têm sido feitas paraprover ferramentas apropriadas para aumentar um furo de sondagem, particularmente nos poços de petróleo. Uma das técnicas anteriores conhecidas é usar brocas de perfuração especializadas, conhecidas como brocas bicêntricas. Brocas bicêntricas têm sido desenvolvidas para criar furos de poços com diâmetro perfurado maior do que o diâmetro da abertura através da qual tais brocas vão passar quando elas não forem mais giradas. As Patentes Norte-Americanas 6340064; 6394200; 5992548; 5678644 são exemplos. Em vez de empregar uma estrutura de perfuração de uma peça, como em uma broca excêntrica ou uma broca bicêntrica para aumentar um furo de sondagem, sabe-se que escareadores incluindo asas de escareador tipicamente são montados em uma coluna de perfuração em uma posição axial atrás da broca de perfuração. Subescareadores têm basicamente dois estados operacionais, um estado fechado ou em colapso que permite que eles passem através da seção mais estreita do furo de sondagem, e um estado aberto ou em parte expandido em que um ou mais braços com cortadores se estendem radialmente para fora do centro rotacional do corpo da ferramenta. Quando o escareador gira, os elementos de corte nos braços estendidos aumentam os furos dos poços. As Patentes Norte-Americanas 4589504; 5368114; 5060738; 4431065 são exemplos de abridores de furo com braços expansíveis sólidos.
[004] É também conhecido na técnica anterior que os cortadores laterais do cilindro são usados em vez das lâminas de corte sólidas para escarear e aumentar um furo de sondagem. Exemplos de cortadores laterais de cilindro são encontrados nos documentos de patente das Patentes Norte- Americanas n° 2.122.763; 2.172.762; 2.189.033; 2.189.037; 2.199.693; 2.260366; 2.30.492; 3.306.381; 3.627.068; 3.907.048; 4.182.425; 4.398.610; 4.036.314. As Patentes Norte-Americanas números 6.378.632; e 3.917.011 são casos especiais usando cones de cilindro rotativos para aumentar o diâmetro do furo de sondagem.
[005] Além disso, sabe-se que a partir de US 2004/0134687 A1 um aparelho escareador expansível e métodos para o escareação de um furo de sondagem, em que uma lâmina lateralmente móvel carregada por um corpo tubular pode ser posicionada seletivamente em uma posição para dentro e uma posição expandida. A lâmina móvel mantida interiormente por elementos inclinados na lâmina pode ser forçada para fora pelo fluido de perfuração seletivamente deixado se comunicar entre eles por meio de uma manga de acionamento disposta dentro do corpo tubular.
[006] A publicação US 6.378.632 B1 descreve um subescareador que abre um furo de sondagem abaixo de uma restrição que é maior do que a restrição em si mesma. O subescareador inclui cortadores que engatam a formação ao atravessar para fora e para dentro. A força que empurra os cortadores para a posição estendida é suprida por um pistão construído em cada suporte do cortador. A pressão agindo nestes pistões vinha da pressão diferencial entre o espaço anular e a coluna de perfuração durante a circulação do fluido de perfuração.
[007] O documento GB1208127 refere-se a escareadores de poço e mais particularmente a escareadores de poço que têm um cortador de único rolo usado para aumentar os furos dos poços.
[008] Outros exemplos de escareadores podem ser encontrados nos documentos WO 02/064939 A1, US 6.378.632 B1 e US 2009/0294173 A1.
[009] O aumento do diâmetro do furo de sondagem com lâminas de corte ou com cilindros passivos é associado com torque de coluna de perfuração aumentado. Além disso, devido à limitação operacional como vibração, o diâmetro aumentado é limitado quando usando cortadores passivos. O uso de cortadores rotativos ativos é favorável em relação ao torque e também permite perfurar um furo de poço maior do que é possível hoje.
[0010] De acordo com a presente invenção é um objetivo prover uma ferramenta que supere os inconvenientes do torque da coluna de perfuração aumentado e a vibração como sabido a partir da técnica anterior.
[0011] Na presente invenção, um novo escareador com cortadores laterais especiais com capacidade de se autogirar é apresentado. O emprego de cortadores laterais autogiratórios em vez de lâmina passiva e cortadores de cilindro para aumentar o furo de sondagem, é uma área focalizada de acordo com a presente invenção. O uso de cortadores rotativos ativos é favorável em relação ao torque e também possibilita perfurar furo de poço maior do que é possível hoje.
[0012] Em particular o objetivo da invenção é atendido por uma ferramenta de corte integrada em uma coluna de perfuração em que a ferramenta de corte ao menos compreende um ou mais cortadores laterais, dispostos ao longo do eixo da dita coluna de perfuração em um alojamento de escareador, em que os cortadores laterais são adaptados para ser girados em relação ao alojamento de escareador, em torno do eixo que não é paralelo ao eixo de rotação da dita coluna de perfuração.
[0013] De acordo com uma realização da invenção a ferramenta de corte é especificada em que os cortadores laterais são adaptados para ser girados por meios de acionamento individuais.
[0014] De acordo com uma realização da invenção, a ferramenta de corte é especificada em que os cortadores laterais rotativos autoacionados em formato de domo se estendem radialmente para fora do corpo do escareador por meio de um sistema de acionamento. Os cortadores laterais rotativos se estendem radialmente para fora do corpo do escareador, em relação ao alojamento da ferramenta para uma extensão maior do que o diâmetro do furo de sondagem e, desta maneira, cavam dentro das paredes laterais do furo de sondagem e removem o material em um processo de trituração. O alojamento pode incluir ao menos um acionador para acionar ao menos uma trituradora entre uma posição operacional estendida e uma posição retraída, em particular para ser capaz de retrair a fresa, ou fresas, durante o funcionamento ou recuperação da coluna de perfuração. O mecanismo de acionamento pode, de acordo com um aspecto desta realização, compreender um dos meios de perfuração mecânica ou de pressão de fundo.
[0015] Em outra realização, a ferramenta de corte é especificada em que cortadores laterais rotativos autoacionados não têm corte transversal. Esses cortadores laterais não circulares podem, de acordo com um aspecto desta realização, ser girados sem se estender radialmente para fora do corpo de alojamento, em que eles não se projetem para fora do alojamento de escareador no estado passivo, e no estado rotativo o cone não circular, coxeará e se projetará para fora do alojamento de escareador a uma extensão maior do que o diâmetro do furo de sondagem e, desta maneira, cavará dentro das paredes laterais do furo de sondagem. Os cones laterais rotativos em forma de manivela podem ter qualquer corte transversal não circular com proporções de aspecto maior do que um (1.00), em que uma proporção de aspecto é definida como a proporção de um comprimento para uma largura da forma do corte transversal. Desse modo, por exemplo, como definido aqui, um círculo tem uma proporção de aspecto de um, e uma elipse tem uma proporção de aspecto maior do que um, uma vez que seu eixo (comprimento) principal é maior do que seu eixo menor (largura).
[0016] De acordo com esta realização, o aparelho pode incluir tamanhos diferentes de cones laterais rotativos em forma de manivelas com corte transversal não circular para aumentar um furo de poço de forma gradual, em que o cortador lateral menor é disposto mais perto da broca de perfuração e provê o primeiro estágio do aumento.
[0017] Em ambas as realizações, através de rotação simultânea do alojamento de ferramenta e dos cortadores laterais, o furo de sondagem pode ser aumentado para um diâmetro maior do que o original. Além disso, ambas as realizações de acordo com a presente invenção proveem uma ferramenta de corte em que os meios de acionamento podem ser qualquer um de: um motor de fundo de poço, um hidromotor, um motor hidráulico ou um motor elétrico. Além disso, um sistema de transmissão de engrenagem pode ser disposto para transferir movimento rotativo dos meios de acionar para os cortadores laterais. Os meios de acionar individuais podem ser um de: um hidromotor ou um motor elétrico com direção direta dos cortadores laterais. A invenção focaliza o uso de cortadores laterais rotativos autoacionados ativos para aumentar o furo de sondagem enquanto nos escareadores tradicionais, asas/lâminas/cilindros passivos são usados.
[0018] Outras características e vantagens, de acordo com a presente invenção, serão evidentes a partir das reivindicações dependentes.
[0019] Para tornar a invenção prontamente compreensível será agora descrita com referência aos desenhos em que:
[0020] A figura 1 mostra uma vista esquemática do escareador com três cortadores laterais rotativos ativos colocados em uma direção;
[0021] A figura 2 mostra direção e eixo das rotações no escareador com cones laterais rotativos, o eixo Z corresponde ao eixo do furo de sondagem/alojamento de escareador, o eixo X corresponde a um eixo do cone lateral;
[0022] A figura 3 mostra uma vista esquemática de um cone lateral com seção de corte transversal não circular coberto pelos elementos de corte;
[0023] A figura 4 mostra uma vista esquemática de um cone lateral enquanto rodando (esquerda) e em posição não ativada (direita);
[0024] A figura 5 mostra área de corte de um escareador com três cortadores laterais rotativos ativos;
[0025] A figura 6 mostra uma vista esquemática de um sistema de direção de acordo com um aspecto da invenção usando motor de fundo de poço hidráulico e engrenagens cônicas;
[0026] A figura 7 mostra uma vista de corte transversal de um sistema de direção individual para cada um de três cones, e;
[0027] A figura 8 mostra uma vista esquemática do cone lateral rotativo interrompido na posição neutra;
[0028] A figura 9 mostra uma vista esquemática de um alojamento de escareador com cortador lateral (meio) expansível rotativo em posição não ativa (esquerda) e posição expandida radial (direita).
[0029] A invenção será agora descrita com suporte dos desenhos em que números de referência idênticos indicam características similares. Os desenhos são incluídos para propósitos ilustrativos de maneira a tornar o princípio da invenção prontamente compreensível; deverá ser observado que o técnico no assunto compreenderá outras realizações além daquelas ilustradas pelos desenhos.
[0030] Nos seguintes as definições a seguir se aplicam; cortadores deverão ser entendidos como quaisquer ferramentas de corte dispostas ao longo da coluna de perfuração/escareador atrás da broca de perfuração com o propósito de perfurar paredes de furo de sondagem. Além disso, cortadores laterais e cones são usados intercambiavelmente e deverão ser incluídos na definição de cortadores.
[0031] A ideia básica por trás da invenção é prover escareadores que incluem um ou mais cortadores dispostos atrás de uma broca de perfuração, em que ao menos um dos cortadores é girado por meios diferentes daquele da broca de perfuração.
[0032] Em primeiro lugar, uma realização geral utilizando cortadores autopotentes será descrita; daqui em diante realizações exemplares serão descritas.
[0033] O novo escareador de furo de sondagem, de acordo com a presente invenção, tem um alojamento cilíndrico, colocado como uma parte da coluna de perfuração. Ele consiste em ao menos um cone rotativo no lado da coluna de perfuração, quase vertical ao eixo do furo de sondagem. Os cones laterais podem ser girados usando um sistema de motor de fundo de poço/direção hidráulica, colocado dentro do alojamento principal. Entretanto, muitos outros meios de sistemas de direção podem ser utilizados, é a individualização de potencializar os cones/cortadores que é importante neste contexto. Um sistema de direção hidráulica interna pode ser colocado, axial aos cones laterais ou axial à direção da coluna de perfuração, e para rodar os cones laterais usando um sistema de engrenagem/transmissão, ou por acionamento direto. Também os meios de acionamento podem ser motores elétricos com acionamento de transmissão de engrenagem ou por acionamento direto.
[0034] De acordo com a presente invenção dois designs alternativos dos cortadores laterais rotativos são descritos.
[0035] No primeiro design, os cones laterais rotativos se estenderão radialmente para fora em relação ao alojamento da ferramenta para uma extensão maior do que o diâmetro do furo de sondagem. A extensão radial dos cones laterais pode ser provida pela pressão de perfuração do fundo ou através do uso de outros sistemas mecânicos, incluindo sistemas de força elétrica.
[0036] Na segunda alternativa, os cones laterais têm design não cêntrico especial. Os cones com corte transversal não circular serão girados sem se estender para fora do corpo do escareador, por mecanismos mecânicos, hidráulicos e ainda elétricos, com referência às figuras 2, 4 e 5.
[0037] Em ambas as alternativas, os elementos de corte montados nos cones laterais rodarão em torno do eixo do cone, enquanto o próprio eixo do cone rodará com a rotação da coluna de perfuração. O uso deste conceito leva a criar nova via de corte dos elementos de corte, que reduzirão o torque da coluna de perfuração. Além disso, o emprego deste conceito possibilitará o uso da energia hidráulica do fundo circulante para o processo de aumento do furo de sondagem para maior eficiência de perfuração. Implementando diversos cones laterais com tamanhos diferentes em uma ferramenta, será possível realizar um furo de poço maior comparado com os escareadores tradicionais.
[0038] A figura 1 mostra uma vista esquemática de uma montagem de escareador 11 de acordo com uma realização da invenção. O escareador 11 tem três cones/cortadores laterais 12, 13, 14 colocados no lado do alojamento de escareador 11. Os cones/cortadores 12,13, 14 são mostrados em aberturas do alojamento de escareador 11, enquanto que a broca de perfuração 15, que está em frente á coluna de perfuração rodará com o principal alojamento de escareador. Os cones/cortadores laterais 12, 13, 14 podem rodar em torno de seus eixos verticais para o eixo da coluna de perfuração. Para melhor compreensão da ferramenta, os cortadores laterais são mostrados em um lado do corpo do escareador 11, mas eles podem ser colocados com um ângulo mútuo entre um e outro, consideração de vibração deverá, entretanto, ser levada em conta quando os cones/cortadores laterais 12,13, 14 são dispostos. Neste exemplo em que três cones são usados, os cones podem ser dispostos em três lados diferentes do corpo da ferramenta cada um com 120° de espaçamento. A ferramenta pode, como indicado, ser também projetada com número diferente de cortadores laterais rotativos, dependendo das aplicações particulares.
[0039] A direção e o eixo das rotações são explicados na Fig. 2, em que um círculo 22 perpendicular ao círculo da coluna de perfuração 21 mostra a via de corte de um elemento de corte enquanto roda em torno do eixo do cone lateral. Rotação do alojamento de escareador é mostrada pelo círculo 21, e a seta indica o eixo do furo de sondagem.
[0040] O esquema de um cortador lateral não cêntrico típico 32 é mostrada na Fig. 3. Como mostrado na figura o cone lateral 32, de acordo com este design alternativo, tem forma não cêntrica coberta com elementos de corte 36.
[0041] Figura 4 indica uma vista de um cone não cêntrico 42 quando ele começa a rodar na esquerda, os elementos de corte na parte não cêntrica do cone cobrirão um diâmetro maior do que o alojamento de escareador 41. O alojamento de escareador 41 será uma parte da coluna de perfuração rotativa e, desta maneira, rodará em torno do eixo do furo de sondagem. Em condições operacionais, os cones laterais rodarão enquanto o alojamento de escareador 41 está também rodando e, desta maneira, os cones laterais cobrirão uma área maior do que o alojamento de escareador e aumentarão o furo de sondagem. O lado direito da fig. 4 indica um cone em um estado passivo, e pode prontamente ser visto que o cone 42 não se estende além do perímetro do próprio escareador 41 neste estado.
[0042] A figura 5 mostra exemplos de áreas de corte de um escareador de três cones ativos, de acordo com a invenção. Os cones 52, 53, 54 são colocados em lados diferentes do alojamento (120° de espaçamento) e o cone menor 54 é colocado perto da broca de perfuração 55. A via de corte dos cones é mostrada por círculos apropriados. Consequentemente, o furo de sondagem será aumentado em três etapas enquanto o furo de sondagem principal foi feito pela broca de perfuração 55. Entretanto, deverá ser percebido que, em princípio, qualquer número de cortadores pode ser disposto no alojamento de escareador, o menor será disposto mais perto da broca de perfuração 55, enquanto que o maior será disposto na posição mais remota em relação à broca de perfuração 55.
[0043] Cones laterais podem ser girados por motores de fundo internos e, desta maneira, usam a energia hidráulica de fundo de circulação. Entretanto, a energia mecânica da coluna de perfuração ou motores elétricos também podem ser usados para dirigir os cones laterais. As figuras 6 e 7 mostram exemplos do uso de motor(es) de fundo interno incluindo um sistema de transmissão de engrenagem apropriado 67, 77 para guiar os cones laterais 62, 72, 73, 74. Qualquer tipo de engrenagem apropriado pode ser utilizado. Diferentes tipos de engrenagem como helicoidal ou cônica podem ser usados dependendo do design da ferramenta. Além disso, hidromotores de torque elevado podem também ser empregados sem sistema de engrenagem, o mesmo se aplica aos motores elétricos.
[0044] Cada cone lateral tem sistema de orientação individual e pode ser rotacionado independente dos cones do outro lado. FIG. 7 mostra esquemática de um corte transversal de escareador 71 com sistema de direção individual.
[0045] No aparelho particular apresentado, o cortador lateral menor deve ser derivado primeiro para aumentar o furo de sondagem necessário para iniciar a rotação do cortador médio. Consequentemente, o cortador do lado maior deve ser girado no estágio final, em que o furo de sondagem foi aumentado pelo cortador médio. Quando os cones dos três lados, de acordo com esta realização exemplar, rodam enquanto a coluna de perfuração roda, o furo de sondagem será totalmente aumentado. O mecanismo centralizador apropriado pode ser empregado no corpo do escareador inteiro para centralizar a ferramenta no furo de sondagem.
[0046] Quando manobrando a ferramenta para dentro e para fora do furo de sondagem, especialmente na seção de revestimento ou onde o furo de sondagem aumentado não é necessário, cortadores laterais param de rodar e são colocados nas posições iniciais neutras como mostrado na Fig. 8, em consequência os cortadores laterais 82 serão escondidos pelo corpo do escareador 81.
[0047] A figura 9 mostra uma vista esquemática de um escareador de acordo com outra realização da invenção. O escareador 91 tem ao menos um cortador lateral em forma de domo circular 92 adaptado para rodar e expandir radialmente para fora em relação ao alojamento da ferramenta 91 para uma extensão maior do que o diâmetro do furo de sondagem mostrado no lado esquerdo. A extensão radial dos cones laterais pode ser provida pela pressão do fundo de perfuração ou pelo uso de outros sistemas mecânicos, incluindo sistemas de energia elétrica.
[0048] Deverá ser percebido que qualquer combinação de cones laterais rotativos com seção de corte não circular e/ou circular que se estende radialmente para fora do corpo do escareador com um mecanismo de acionamento pode ser utilizada de acordo com a presente invenção. Também o cone com design de corte transversal não circular ilustrado nas figuras 3, 4 e 8, são somente exemplos de formas não circulares, outros designs de formas não circulares serão prontamente compreendidos pelo técnico no assunto.Lista de referência da figura 221 Um círculo de coluna de perfuração 21 mostra o caminho de corte de um elemento de corte22 Um círculo 22 perpendicular ao círculo da coluna de perfuração 21 mostra o caminho de corte de um elemento de corte23 Eixo de corte lateral24 Eixo do alojamento do furo de sondagem / escareador25 Direção do alojamento de escareador de rotação26 Direção de cone lateral de rotação
Claims (11)
1. FERRAMENTA DE CORTE INTEGRADA EM UMA COLUNA DE PERFURAÇÃO, em que a ferramenta de corte é caracterizada por compreender pelo menos:um ou mais cortadores laterais (12, 13, 14, 42, 62, 72, 73, 74, 82, 92) dispostos ao longo do eixo da dita coluna de perfuração em um alojamento de escareador (11, 41, 71, 81, 91), onde os cortadores laterais (12, 13,14, 42, 62, 72, 73, 74, 82, 92) são adaptados para serem girados em relação ao alojamento de escareador (11, 41) em torno de um eixo que não é paralelo com o eixo de rotação da dita coluna de perfuração.
2. FERRAMENTA DE CORTE, de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelos cortadores laterais (12, 13, 14, 42, 62, 72, 73, 74, 82, 92) serem adaptados para serem girados por meios de acionamento individuais (67, 77, 87).
3. FERRAMENTA DE CORTE, de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelos cortadores laterais rotativos (92) se estenderem radialmente para fora do corpo da ferramenta do escareador (91) por meio de um sistema de acionamento.
4. FERRAMENTA DE CORTE, de acordo com a reivindicação 3,caracterizada por um mecanismo de acionamento ser provido por um dentre os meios de pressão da lama de perfuração ou mecânicos.
5. FERRAMENTA DE CORTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelos cortadores laterais terem corte transversal não circular (32).
6. FERRAMENTA DE CORTE, de acordo com a reivindicação 5,caracterizada pelos cortadores laterais serem dispostos em aberturas do escareador (41) e são moldados de modo que no estado passivo não se projete do diâmetro definido pelo alojamento de escareador (41) e no estado de rotação as extremidades extremas dos cortadores definirão um diâmetro que se estende além do diâmetro definido pelo alojamento de escareador rotativo (41).
7. FERRAMENTA DE CORTE, de acordo com a reivindicação 5 ou 6,caracterizada pelos cortadores laterais terem diferentes tamanhos de cones laterais rotativos não circulares para aumentar um furo de sondagem de forma gradual, onde o menor cortador lateral está disposto mais próximo de uma broca (15,55).
8. FERRAMENTA DE CORTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo meio de acionamento poder ser qualquer um dentre: um motor de fundo de poço, um hidromotor, um motor hidráulico ou um motor elétrico.
9. FERRAMENTA DE CORTE, de acordo com a reivindicação 8,caracterizada por um sistema de transmissão por engrenagem (67) ser disposto para transferir movimento rotativo do meio de acionamento para os cortadores laterais.
10. FERRAMENTA DE CORTE, de acordo com a reivindicação 1, 8 ou 9, caracterizada pelos meios de acionamento individuais serem um dentre: um hidromotor, um motor elétrico ou sistema mecânico com acionamento direto dos cortadores laterais.
11. FERRAMENTA DE CORTE, de acordo com a reivindicação 1, 9 ou 10, caracterizada pelo furo de sondagem ser aumentado de forma gradual usando diferentes tamanhos de cones laterais rotativos ativos com corte transversal não circular.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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