BR112014004826B1

BR112014004826B1 - método de previsão do comportamento de um conjunto de perfuração e sistema para estimar um comportamento de um conjunto de perfuração

Info

Publication number: BR112014004826B1
Application number: BR112014004826-6A
Authority: BR
Inventors: Christian Herbig; Hanno Reckmann; Bernhard Meyer-Heye; Frank Schuberth; Carmel Zouheir El Hakam; Jonathan Mackey Hanson; Reed W. Spencer; Jayesh Rameshlal Jain
Original assignee: Baker Hughes Incorporated
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2021-05-25
Also published as: BR112014004826A2; GB2509268B; SA112330809B1; GB2509268A; NO345447B1; US10851637B2; GB201404828D0; NO20140146A1; US10227857B2; US20130054203A1; WO2013032863A1; US20190169972A1

Abstract

MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE COLUNAS DE PERFURAÇÃO COMPLETAS. Um método destinado à previsão do comportamento de um conjunto de perfuração, compreendendo: gerar uma representação matemática da geometria de cada uma das pluralidades de componentes de um conjunto de perfuração, a pluralidade de componentes incluindo uma pluralidade de cortadores, e um ou mais componentes adicionais configurados para, pelo menos: suportar a pluralidade de cortadores e ligar operativamente a pluralidade de cortadores à coluna de perfuração, um ou mais componentes adicionais incluindo uma coroa de broca; simular uma ou mais condições de funcionamento, incidentes sobre a representação do conjunto de perfuração e simular uma interação entre a pluralidade de componentes e uma formação do solo; e prever respostas físicas da representação do conjunto de perfuração sob uma ou mais condições.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA PARA PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido reivindica o benefício de Pedido dos EUA No. 13/220087, depositado em 29 de Agosto de 2011, o qual vai aqui incorporado por referência, na sua totalidade.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO 1 .Área da invenção

[002] A presente invenção se refere a colunas de perfuração. Mais especificamente, a mesma se refere a aparelhos e métodos para modelar o comportamento dinâmico das colunas de perfuração.

2 . Descrição da Técnica Relacionada

[003] Vários tipos de colunas de perfuração são usados em um poço para a exploração e produção de hidrocarbonetos. A coluna de perfuração geralmente inclui um tubo de perfuração e um conjunto de perfuração de fundo. O conjunto de perfuração de fundo contém colares de perfuração, que podem ser instrumentados, podendo ser usados para obter medições durante a perfuração ou durante o registo, por exemplo.

[004] Quando usada no poço de perfuração, a coluna de perfuração pode ser sujeita a uma grande variedade de forças ou cargas. Por a coluna de perfuração se encontrar no poço, as cargas não estão visíveis e podem afetar o comportamento dinâmico da coluna de perfuração. Um resultado imediato das cargas invisíveis pode ser desconhecido. Se as cargas forem prejudiciais, então a operação contínua da coluna de perfuração pode causar danos ou um funcionamento não confiável.

[005] O teste da coluna de perfuração pode ser realizado para simular as cargas que afetam a coluna de perfuração e a modelagem das brocas. No entanto, tal modelagem pode não ser capaz de prever completamente o comportamento da coluna de perfuração, em sua totalidade.

BREVE RESUMO DA INVENÇÃO

[006] Um método concebido para prever o comportamento de um conjunto de perfuração, o qual inclui: gerar uma representação matemática de uma geometria de cada pluralidade de componentes de um conjunto de perfuração, a pluralidade de componentes incluindo uma pluralidade de cortadores , e um ou mais componentes adicionais configurados para, pelo menos: suportar a pluralidade de cortadores e ligar operativamente a pluralidade de cortadores à coluna de perfuração, um ou mais componentes adicionais incluindo uma coroa de broca; simular uma ou mais condições de funcionamento, incidentes sobre a representação do conjunto de perfuração, e simular também uma interação entre a pluralidade de componentes e uma formação de solo; e prever respostas físicas da representação do conjunto de perfuração, sob uma ou mais dessas condições.

[007] Um produto de programa de computador destinado a prever o comportamento de um conjunto de perfuração, o qual inclui um meio tangível de armazenamento, legível por um circuito de processamento, armazenando instruções para sua realização, através de um método. O método inclui: a geração da representação matemática de uma geometria de cada um das pluralidades de componentes de um conjunto de perfuração, a pluralidade de componentes incluindo uma pluralidade de cortadores, e um ou mais componentes adicionais configurados para, pelo menos: suportar a pluralidade de cortadores, ligar operativamente a pluralidade de cortadores à coluna de perfuração, um ou mais componentes adicionais incluindo uma coroa de broca; simular uma ou mais condições de funcionamento, incidentes sobre a representação do conjunto de perfuração, e simular, entretanto, uma interação entre a pluralidade de componentes e uma formação de solo; e prever respostas físicas da representação do conjunto de perfuração sob uma ou mais dessas condições.

[008] Um sistema concebido para estimar o comportamento de um conjunto de perfuração durante a operação de perfuração, o qual inclui um conjunto de perfuração , incluindo , pelo menos, uma broca de perfuração ligada a uma coluna de perfuração, sendo o conjunto configurado para ser colocado num poço de perfuração; uma pluralidade de sensores operativamente associados ao conjunto de perfuração , e um processador em comunicação com a referida pluralidade de sensores . O processador é configurado para : gerar uma representação matemática de uma geometria de cada uma das pluralidades de componentes de um conjunto de perfuração, a pluralidade de componentes incluindo uma pluralidade de cortadores, e um ou mais componentes adicionais configurados para, pelo menos : suportar a pluralidade dos cortadores e ligar operativamente a pluralidade de cortadores à coluna de perfuração , um ou mais componentes adicionais incluindo uma coroa de broca ; simular uma ou mais condições de funcionamento, incidentes sobre a representação do conjunto de perfuração, e simular uma interação entre a pluralidade de componentes e um formação , e prever as respostas físicas da representação do conjunto de perfuração sob uma ou mais dessas condições.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[009] O objeto considerado como a invenção é particularmente salientado e distintamente reivindicado nas reivindicações no final da especificação. O a seguir exposto e outras caraterísticas e vantagens da invenção são evidentes a partir da seguinte descrição detalhada tomada em conjunto com os desenhos anexos, onde elementos semelhantes vão numerados da mesma forma, sendo que:

[0010] FIG. 1 é uma forma exemplar de realização de um sistema de perfuração, o qual inclui uma coluna de perfuração disposta num poço de perfuração, em uma formação de solo;

[0011] FIGS. 2A e 2B são vistas em perspetiva de formas de realização exemplares de uma broca de perfuração pertencente ao sistema da FIG. 1;

[0012] FIG. 3 é um fluxograma representando uma forma de realização de um método de previsão e/ou simulação de comportamento de um conjunto de perfuração, usando um modelo do conjunto de perfuração;

[0013] FIG. 4 é uma ilustração de uma parte de um modelo geométrico, exemplar de um conjunto de perfuração; e

[0014] FIG. 5 é uma ilustração de uma parte exemplar do modelo geométrico de um conjunto de perfuração; e

[0015] FIG. 6 é uma ilustração de um exemplo do modelo da FIG. 3 , ilustrando os resultados exemplificativos de uma simulação do comportamento de um conjunto de perfuração.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0016] São referidas técnicas exemplares para estimar ou prever o comportamento dinâmico de um conjunto de perfuração e/ou um parâmetro estático associado ao conjunto de perfuração. As técnicas, as quais incluem sistemas e métodos, usam um modelo matemático de um conjunto de perfuração destinado a simular as forças e cargas experimentadas pela composição da coluna de perfuração em um ambiente de fundo de poço, bem como as interações entre o conjunto de perfuração com o ambiente de poço (por exemplo, a parede, o revestimento, materiais de formação do poço e ou o fluido de poço). Em uma forma de realização, os métodos e software associados se destinam à geração de um modelo matemático (por exemplo, um modelo de elementos finitos) do conjunto de perfuração, de modo a fornecer um modelo completo de vários componentes do conjunto de perfuração, e simular a interação entre os componentes do conjunto de perfuração e o ambiente do poço. Os métodos incluem componentes de modelagem entre os cortadores de broca e a coluna de perfuração, como a coroa, o corpo, gage e outros, modelando a interação destes componentes com o ambiente do poço. Os componentes podem incluir componentes estruturais para apoiar a broca, e cortadores, bem como para o engate da broca à coluna de perfuração. O modelo pode igualmente incluir componentes adicionais, tais como um mandril, cortador mandril e um componente de corpo de mandril. Em uma forma de realização, o modelo de análise é feito fazendo uma análise do domínio do tempo do modelo.

[0017] Relativamente à FIG. 1, uma forma de realização exemplar ilustrando um sistema de perfuração de fundo 10 disposto no poço de perfuração 12. A coluna de perfuração 14 é disposta no poço de perfuração 12, a qual penetra, pelo menos, uma formação de terra 16. Embora o orifício 12 esteja designado na FIG. 1 como sendo de diâmetro constante, o poço de perfuração não é tão limitado. Por exemplo, o poço 12 pode ser de diâmetros e/ou sentido diferente (por exemplo, inclinação e azimute). A coluna de perfuração 14 é criada a partir de, por exemplo, um tubo ou várias secções de tubo. O sistema 10 e/ou a coluna de perfuração 14 incluem um conjunto de perfuração 18. Vários instrumentos de medição poderão igualmente ser incorporados ao sistema 10, de modo a afetar regimes de medição, tais como aplicações de medição de fio ou de perfilagem na perfuração (LWD).

[0018] O conjunto de perfuração 18, o qual pode ser configurado como um conjunto de fundo (BHA), inclui uma broca de perfuração 20, ligada à extremidade inferior da coluna de perfuração 14, através de vários componentes do conjunto de perfuração. O conjunto de perfuração 18 está configurado de modo a poder ser usado dentro de um poço de perfuração 12 a partir de uma plataforma de perfuração 24. Os componentes do conjunto de perfuração incluem vários componentes destinados a proporcionar suporte estrutural e operacional à broca de perfuração 20, bem como a seus cortadores de broca 22, e igualmente a ligar operacionalmente a broca 20 e os cortadores 22 à coluna de perfuração 14. Os componentes exemplificativos do conjunto de perfuração incluem um corpo de broca 26 operativamente ligado aos cortadores 22, um motor de perfuração 28 (também referido como um motor de lama) e um estabilizador ou mandril 30.

[0019] Uma unidade de processamento 32 está ligada em comunicação operativa com o conjunto de perfuração 18 e pode ser localizada, por exemplo, em um local da superfície, em um local submarino e/ou em um local de superfície sobre uma plataforma marinha ou em uma embarcação marítima. A unidade de processamento 32 pode, se assim se desejar, igualmente ser incorporada à coluna de perfuração 14 ou ao conjunto de perfuração 18, ou mesmo disposta no fundo do poço. A unidade de processamento 32 pode ser configurada para o desempenho de funções, tais como o controle do conjunto de perfuração 18, a transmissão e receção de dados, a transmissão e receção de dados de medição, o controle do conjunto de perfuração 18 e a realização de simulações referentes ao conjunto de perfuração 18, usando modelos matemáticos. A unidade de processamento 32, em uma forma de realização, inclui um processador 34, um dispositivo de armazenamento de dados (ou um meio de leitura por computador) 36 para o armazenamento de dados, modelos e/ou programas de computador , ou software 38.

[0020] Em uma forma de realização, a broca 20 e /ou o conjunto de perfuração 18, inclui um ou mais sensores 40 e circuitos relacionados, de modo a estimar um ou mais parâmetros relacionados com o conjunto de perfuração 18. Por exemplo, um sistema de sensores distribuídos (DSS) está disposto no conjunto de perfuração 18 e inclui uma pluralidade de sensores 40. Os sensores 40 executam medições associadas com o movimento dinâmico do conjunto de perfuração 18 e /ou a coluna de perfuração 14, ou com um parâmetro estático aqui associado, podendo estar igualmente configurados para medir parâmetros ambientais de temperatura e pressão. Exemplos de medições sem limites executadas pelos sensores incluem acelerações, velocidades, distâncias, ângulos, forças, momentos e pressões. Como exemplo de distribuição de sensores, os mesmos podem ser distribuídos por uma coluna de perfuração e ferramentas (tais como uma broca), dispostos na extremidade distal da coluna de perfuração 14. Em uma forma de realização, os sensores 40 são acoplados a uma unidade eletrônica de fundo de poço 42, a qual poderá receber dados provenientes dos sensores 40, transmitindo-os para um sistema de processamento como a unidade de processamento 32. Poderão ser usadas diferentes técnicas de transmissão dos dados para a unidade de processamento 32, tais como pulso de lama, eletromagnética, telemetria acústica, ou um tubo com ligação por fio.

[0021] Tal como aqui usado, o "movimento dinâmico"se refere a uma alteração no movimento estacionário da coluna de perfuração. O movimento dinâmico pode incluir vibrações e ressonâncias. O termo "parâmetro estático"se refere a um parâmetro associado a uma coluna de perfuração. O parâmetro estático é geralmente uma condição física experimentada pela coluna de perfuração. Exemplos não limitativos do parâmetro estático incluem um deslocamento, uma força ou carga, um momento (por exemplo, o torque ou momento de flexão) ou uma pressão.

[0022] Uma forma de realização exemplar de uma broca rotativa de sondagem de solo 20 é mostrada na FIG. 2A. A broca 20 inclui uma coroa 44 e um corpo de broca 26. O corpo de broca 26 pode incluir vários componentes estruturais, tais como uma haste 46 fixada à coroa 44 por uma soldadura 48, uma placa de aço 50 e um mecanismo de conexão, tal como uma ligação roscada 52 destinada a ligar operativamente a broca 20 à coluna de perfuração, ou outros componentes, tais como um motor de lama 28 ou um mandril 30. Outros componentes incluem um gage 53 disposto adjacentemente à coroa 44. O gage 53 pode incluir vários componentes, tais como almofadas de bitola e aparadores de bitola. Outros exemplos de componentes incluem componentes que provoquem atrito ou contacto com o material da parede do poço de um modo geral, tais como Tracblocks, ovóides, nós antidesgaste, e outros afins.

[0023] O corpo de broca 26 inclui asas ou lâminas 54, separadas por canais ou condutas exteriores, também conhecidas como ranhuras de lixo 56. Passagens de fluído internas 58 podem ser incluídas, estendendo-se entre a superfície exterior da coroa 44 e um furo longitudinal 60, o qual se prolonga pelo corpo de broca 26. Uma pluralidade de cortadores 62 (por exemplo, fresas PDC) está disposta sobre a coroa 44.

[0024] A forma de realização ilustrada na FIG. 2A é uma broca cortadora fixa, tal como uma broca de diamante compacto policristalino (PDC). No entanto, a broca de perfuração 20 não se limita às formas de realização aqui descritas, e pode ser de qualquer tipo ou uma broca de sondagem de solo, tal como uma broca de arrasto rotativo, ou uma broca de rolo cónico.

[0025] Por exemplo, como ilustra a FIG. 2B, a broca 20 pode incluir uma broca rotativa tendo cortadores ligados aos cones. Neste exemplo, o corpo de broca inclui recipientes de cone 64 e inserções 66 ou outros elementos de corte que interagem com a formação 16 durante a perfuração. Relativamente à FIG. 3, é descrito um método 70 para prever os parâmetros e/ou comportamentos do conjunto da coluna de perfuração. O método pode ser executado por um sistema de processamento do computador (por exemplo, a unidade de processamento 32), através de programas ou software, para a geração de um modelo dinâmico de coluna de perfuração, o qual pode ser usado para investigar ou prever o desempenho e comportamento do conjunto, relativo ao fundo do poço selecionado, e condições de perfuração. Exemplos de componentes de um tal sistema de processamento de computador incluem, sem limitação, pelo menos, um processador, armazenamento, memória, dispositivos de entrada e saída e similares. Pelo menos, algumas partes do processo 70 podem ser realizadas usando os dados previamente gerados e armazenados, ou é possível realizar o processo usando dados gerados em tempo real, durante uma operação subterrânea ou operação experimental de componentes de perfuração, tais como o conjunto de perfuração 18. O método 70 inclui uma ou mais fases 71-74. Em uma forma de realização, o método 70 inclui a execução de todas as fases de 71-74 na ordem descrita. No entanto, certas etapas podem ser omitidas, e outras etapas podem ser adicionadas, ou a ordem das etapas pode ser alterada.

[0026] Na primeira etapa 71, os parâmetros de entrada, incluindo dados geométricos (por exemplo, tamanho e forma) que descrevem o conjunto de perfuração 18, são selecionados para serem introduzidos em um modelo matemático do conjunto de perfuração 18. O modelo usa os dados geométricos para gerar representações da geometria de um ou mais dos componentes do conjunto de perfuração 18, e interações entre os componentes do sistema de perfuração (por exemplo, brocas, motores, propulsores, estabilizadores, poço, fluido de perfuração), assim como interações entre o conjunto de perfuração 28 e o fluido da parede do poço de perfuração e/ou materiais de formação, durante as operações de perfuração. O modelo é fornecido de modo a permitir aos usuários simular as condições e as interações dos componentes que surgem durante uma operação de perfuração.

[0027] Um modelo exemplar da simulação é gerado usando o método do elemento finito. Em uma forma de realização, uma pluralidade de elementos de nó são gerados a partir dos dados geométricos, os quais correspondem à forma ou geometria de diferentes partes do conjunto de perfuração 18.

[0028] Em uma outra forma de realização, o conjunto da coluna de perfuração é modelado como um modelo tridimensional através de elementos finitos, tais como feixes geometricamente lineares ou elementos de massa. São atribuídos nós aos vários componentes do conjunto da coluna de perfuração. Por exemplo, podem ser usados nós para simular a forma geométrica e a densidade da broca de perfuração, cortadores e vários componentes do conjunto de perfuração e/ou coluna de perfuração. Tais componentes incluem as várias estruturas de apoio, previstas para suportar física e operacionalmente os cortadores da broca e/ou ligar os cortadores à coluna de perfuração. Componentes exemplares que poderão se tornar elementos do modelo incluem o corpo de broca 26, a haste 46, o conetor 52, lâminas, 54, aço em branco 50, cascas de rolo de cone 64, inserções de rolo de cone 66, calibre 53, motor de lama 28 e o mandril 30. Outros componentes incluem almofadas de bitola, bitolas, aparadores Tracblocks, ovóides, nós antidesgaste e outros. Em uma forma de realização da invenção, o modelo inclui (p. ex., como elementos do modelo) quaisquer componentes do conjunto de perfuração (incluindo componentes da coroa e componentes do corpo), de contacto por atrito contra o revestimento da parede do poço de perfuração, ou qualquer outra forma de contato com o material de formação. Em uma outra forma de realização, o modelo inclui qualquer superfície ou geometria do corpo de broca, o qual não é constituído por cortadores, tais como cortadores super abrasivos. Ainda e m uma outra forma de realização, o modelo inclui uma pluralidade de nós, correspondentes a uma configuração do corpo de broca 26. Os nós podem ser incluídos para a porção da coluna de perfuração, o motor de lama 28 e, opcionalmente, um ou mais mandris 30.

[0029] Além disso, o modelo pode incluir parâmetros de entrada, relativamente à formação e/ou poço. Por exemplo, o diâmetro e a direção do orifício do poço (por exemplo, inclinação e azimute), bem como alterações na perfuração, podem ser introduzidas no modelo. Tais parâmetros de poço podem ser feitos a partir de medições feitas durante (por exemplo, tempo real), ou após, a perfuração, tais como medições de calibre em tempo real. Tais parâmetros podem também ser um resultado do modelo, prevendo a qualidade do poço de perfuração (por exemplo, poço em espiral). A previsão pode incluir novo azimute e inclinação, taxa de construção, etc.

[0030] Esta forma de realização do modelo proporciona maior precisão das previsões, modelando a estrutura do corpo de broca entre a broca e a coluna de perfuração, para além da coluna de perfuração e a broca ( por exemplo, na coroa e cortadores ). Ao modelar o suporte estrutural da broca (o corpo de broca) , informações adicionais sobre a vibração, deformação e outros comportamentos podem agora ser detetadas, enquanto anteriormente teriam sido ignoradas. Além disso, o atrito entre os componentes do conjunto de perfuração e a formação pode ser modelado, e diferentes modelos de atrito podem ser aplicados, de modo a determinar as características de fricção, tais como o atrito de Coulomb ou as características de fricção de tipo Stribeck. O modelo pode ser usado para prever comportamentos de superfícies de atrito, de modo que estas superfícies possam ser concebidas com o fim de melhorar a qualidade de perfuração , por exemplo , para melhorar o controle da face da ferramenta ou seu direcionamento, de modo a reduzir o atrito da superfície de exposição e o efeito deslizante. Além disso, pode ser concebido um amortecimento adicional, de modo a proporcionar a estabilidade lateral. Esses e outros benefícios de superfícies de fricção podem ser otimizados usando o modelo de computador.

[0031] Um exemplo de um modelo geométrico de um conjunto de perfuração está representado na FIG . 4 . Nesse exemplo é ilustrado um modelo de elementos finitos 80, de componentes do conjunto de perfuração 18. O modelo 80 inclui elementos que representam os cortadores 84 e partes de um corpo de broca 86 e outros componentes 82 . O modelo 80 poderá igualmente mostrar várias forças 88 incidentes sobre a montagem. Este exemplo é apenas um exemplo parcial , uma vez que o modelo poderá incluir outros componentes do conjunto de perfuração, bem como forças e parâmetros adicionais de vários componentes do conjunto de perfuração. A FIG. 4 ilustra somente uma parte do modelo 80 , o qual poderá incluir outros componentes, tais como um corpo de broca , uma broca em bruto e /ou umaa bitola de broca . Em uma outra forma de realização , os componentes 82 incluem quaisquer componentes do conjunto de perfuração, e estão em contacto com a parede do poço ( e /ou invólucro ) e com materiais de formação e /ou fluidos do poço de perfuração. A FIG. 5 ilustra um exemplo de um modelo de elementos finitos 80 , em que os componentes 82 são elementos de coroa.

[0032] Em uma forma de realização, a cada nó do modelo são dados seis graus de liberdade de movimento (três translações, três rotações), sendo o mesmo confinado no interior de uma área que representa o poço 12, usando, por exemplo, uma função de penalty. As equações de movimento podem ser usadas em conjunto com estes graus de liberdade e podem ser integradas através de passos de tempo adaptativo, de procedimento implícito ou explicito, fixo ou variável.

[0033] Por exemplo, as deformações de cada nó, geradas para representar o conjunto de perfuração 18 são medidas por três deslocamentos nodais e três rotações, registadas conforme o seguinte: Deslocamentos laterais: u1,u2 Rotações laterais: θi, 02 Deslocamento axial: u3 Rotação axial: θ3

[0034] Esta formulação, juntamente com a ausência de linearidade geométrica, permite a análise de vibrações laterais associadas, axiais e de torção, no domínio da freqüência e do tempo, permitindo igualmente o cálculo de, por exemplo, cargas de flambagem e comportamento pós-flambagem.

[0035] No segundo estágio 72, são aplicados vários parâmetros de funcionamento, de perfuração e de força ao modelo, de modo a simular uma operação de perfuração. Sistemas de equações não- lineares de movimento associado são usados, sendo integradas ao longo do tempo, de modo a obter deslocamentos de estado transitórios e constantes, cargas e tensões. Várias forças de entrada poderão ser usadas, tais como peso-em-broca, velocidade de rotação de perfuração, pressão do fluido, forças de desequilíbrio de massa, tensões axiais, tensões radiais, pesos dos vários componentes, e parâmetros estruturais, tais como a rigidez.

[0036] Outros parâmetros que poderão ser aplicados incluem parâmetros relacionados com a interação entre os componentes do modelo e do ambiente do poço, onde se incluem uma parede de revestimento, o fluido e /ou a formação do poço. O fluído de poço pode incluir qualquer tipo de fluido detetado no poço de perfuração, tal como: lama de perfuração, vapor, fluidos provenientes da formação, tais como água, óleo, gás e outros hidrocarbonetos. Exemplos de tais parâmetros de interação incluem taxa de formação (por exemplo, rocha) por remoção de componentes, tais como as lâminas e o corpo de broca. Incluindo as taxas de remoção individuais para diferentes parâmetros, são fornecidos detalhes adicionais, visto que o corpo de broca pode ser responsável por alguma remoção, e esta remoção pode ser modelada com uma taxa diferente da dos cortadores. Outros parâmetros de interação incluem forças experimentadas pelo conjunto de perfuração e /ou coluna de perfuração devido à retração do contato com a parede da perfuração, tais como as forças de fação vividas pelos diferentes componentes do modelo, devido ao contato com a parede da perfuração, fato que gera torque adicional no conjunto de perfuração. Outros parâmetros incluem os efeitos de interação com a parede de perfuração, durante a operação de perfuração. Por exemplo, a taxa de rotação (por exemplo, RPM) ou a taxa de penetração podem ser limitadas devido ao contato entre os componentes do conjunto de perfuração e a parede do poço. Os modelos não são limitados na previsão de forças de fação. Por exemplo, a interação entre o conjunto de perfuração (por exemplo, esfregando as superfícies do corpo e da coroa) não está limitada a modelar às forças de facão. Quaisquer forças resultantes do contato com rocha e outros materiais de formação podem ser modeladas.

[0037] Em uma forma de realização, usando graus de movimento e valores de força de entrada, é derivado um sistema não linear exemplar de equações diferenciais:

deslocamentos/rotações de nós M: matriz da massa FF: forças distribuídas a partir da lama Fw: forças do contacto com a parede FG: forçaselásticas não-lineares R: forças estáticas (peso flutuabilidade, WOB ... ) FE: forças de excitação (desequilíbrios de massa, ... )

[0038] Os nós e forças aqui descritos são exemplificativos, e não se destinam a ser limitativos. Quaisquer forças desejadas, sendo adequadas para serem modeladas, podem ser usadas.

[0039] As equações referidas anteriormente são resolvidas no domínio do tempo para avaliar a resposta dinâmica das estruturas modeladas pelos nós. Em uma forma de realização, as equações são resolvidas por um esquema de integração de Newmark. Podem ser usados outros métodos para a resolução de equações, incluindo mas não se limitando ao método das diferenças finitas. Em uma forma de realização, as equações podem ser resolvidas no domínio da freqüência, por exemplo para estimar a dinâmica lateral, ou para fornecer dados para casos estáticos, ou casos em estado estacionário.

[0040] Na terceira etapa 73, é estimado o comportamento simulado do conjunto da coluna de perfuração modelado, gerado a partir de resultados do modelo. Esse comportamento pode ser encaminhado para eventos dinâmicos, como poços, e pode ser classificado como tendo um ou mais modelos, como eventos axiais (por exemplo, pouco salto, salto Kelly), eventos laterais, eventos de torção (por exemplo, efeito stick-slip) e eventos de efeito espiral.

[0041] Outros comportamentos incluem previsões de alterações no poço (por exemplo, diâmetro, azimute e inclinação), bem como alterações na qualidade do poço (por exemplo, em espiral, ao longo do medidor). As previsões podem incluir saídas, como novo azimute e inclinação, taxa de construção, e outras.

[0042] O comportamento simulado inclui respostas físicas, incluindo (mas não se limitando a) o comportamento dinâmico do conjunto da coluna de perfuração/conjunto de brocas ; a solução estática da coluna de perfuração/conjunto de brocas, a taxa de desenvolvimento da coluna de perfuração/conjunto de brocas em uma dada formação, devido ao comportamento dinâmico da coluna de perfuração/conjunto de brocas, e a taxa de desenvolvimento da coluna de perfuração/conjunto de brocas em uma dada formação, devido à solução estática da coluna de perfuração/conjunto de brocas.

[0043] Fazendo referência às Figuras. 5A e 5B, é ilustrado um modelo exemplar, o qual demonstra a resposta comportamental modelada de um conjunto de perfuração, durante uma operação de perfuração simulada . Neste exemplo, os resultados são apresentados para um modelo de elementos finitos de uma broca de 7, 875 polegadas CID 627 em uma BHA em perfuração vertical . As simulações de perfuração observadas são a uma taxa de penetração ( ROP ), de 10 pés/h através da rocha dura a 45 RPM ( mostrada na FIG . 4A ) e a 90 RPM ( mostrada na FIG . 4B ) . O peso sobre a broca ( WOB ) necessária para perfurar neste ROP foi suficiente para deformar o colar , e o coeficiente de atrito entre os colares e o poço era alto o suficiente para gerar efeito espiral na BHA . As vistas laterais e frontais a 45 RPM mostram a forma dos colares processados em torno do poço . A porção superior da BHA atuou, essencialmente , como um corpo rígido a esta velocidade lenta . As vistas laterais e frontais a 90 RPM mostram um resultado um pouco diferente , uma vez que o BHA assumiu uma forma mais helicoidal . Embora os modelos aqui discutidos se refiram a brocas cortadoras fixas , eles não são limitados . Por exemplo , o modelo pode incluir componentes de uma broca de rolos de cone ou uma broca de arrasto rotativo .

[0044] Na quarta etapa 74, em uma outra concretização, os parâmetros de entrada são modificados conforme necessário para alterar o design da coluna de perfuração (por exemplo, a broca, BHA e /ou outros componentes da coluna de perfuração), de modo que o comportamento simulado fique dentro dos limites selecionados. Tais mudanças no projeto podem incluir a forma ou diâmetro do corpo de broca ou de outros componentes do conjunto de perfuração, a modificação ou a inclusão de estabilização das estruturas do corpo de broca ou de parte da coluna de perfuração. Outras alterações de ligação podem incluir alterações no peso, diâmetro, espessura e /ou rigidez de elementos tubulares, e mudança de exposição, lateral e /ou frontal dos cortadores. Outros parâmetros que podem ser alterados incluem parâmetros operacionais, tais como velocidade de rotação e de peso sobre a broca. Após se proceder à alteração destes parâmetros, o comportamento é novamente simulado, de modo a determinar se a estabilidade melhorou e /ou aumentou. Essas modificações podem ser realizadas no modelo, sendo o modelo simulado de forma iterativa, de forma a otimizar o projeto da coluna de perfuração e / ou os parâmetros de funcionamento, bem como projetos de otimização de experimentos e simulações (por exemplo, Simulação de Monte Carlo).

[0045] Em uma forma de realização, o modelo matemático é validado com medições de movimento ou parâmetros estáticos, registados durante a operação de um conjunto de perfuração. Por exemplo, durante uma operação de perfuração, é estimado um movimento dinâmico ou de parâmetro estático, por meio do modelo referente ao local em que é realizada a medição. O movimento dinâmico ou de parâmetro estático, é depois comparado com a medição. Se a diferença entre o movimento dinâmico estimado, ou o parâmetro estático, e a medição estiverem dentro de uma certa tolerância, o modelo matemático é validado. Cargas, tais como forças ou momentos, impostas à coluna de perfuração no modelo matemático também podem ser validados dessa forma. As medições podem ser atualizadas de forma contínua ou periódica, enquanto o conjunto de perfuração está em funcionamento. Sensores distribuídos na coluna de perfuração (isto é, operacionalmente associados com a coluna de perfuração), tais como os sensores 40, podem ser usados para fornecer as medições de movimento dinâmico ou do parâmetro estático. A validação do modelo pode ser realizada após a perfuração, ou em tempo real, durante uma operação de perfuração.

[0046] Em uma outra forma de realização, o modelo pode ser usado para simular o comportamento do conjunto da coluna de perfuração antes de ser realizada uma operação de perfuração, em tempo real, durante uma operação de perfuração e /ou depois que uma operação de perfuração é completada. Por exemplo, eventos dinâmicos em tempo real podem ser medidos pelos sensores e transmitidos para o processador, o qual aplica as referidas medições ao modelo, para avaliar o desempenho do conjunto de coluna de perfuração. Os resultados da presente aplicação poderão ser usados para alterar parâmetros de perfuração, ou, de outro modo, controlar a operação de perfuração através de, por exemplo, a unidade de processamento 32. Em uma forma de realização, a geração de dados de medições em "tempo real"é efetuada para proporcionar a geração de dados a uma taxa que seja útil ou suficiente, para proporcionar as funções de controlo, ou a tomada de decisões, durante, ou em simultâneo , perante processos de operações de perfuração. Conseqüentemente, deve ser reconhecido que a expressão "em tempo real"é para ser tomada no seu contexto, não indicando, necessariamente, a determinação instantânea de dados ou de fazer outras sugestões, sobre a freqüência temporal da recolha e determinação de dados.

[0047] Os sistemas e métodos aqui descritos oferecem várias vantagens sobre as técnicas da arte já conhecidas . Por exemplo, podem ser gerados e testados modelos do conjunto de perfuração, que incluem uma descrição mais completa do conjunto de perfuração do que tem sido conseguido por meio das técnicas anteriormente conhecidas, as quais normalmente limitam os modelos à inclusão de uma coluna de perfuração e um bit (isto é, a coroa e um ou mais cortadores). Os sistemas e métodos aqui descritos, permitem fornecer modelos mais completos, com inclusão do corpo de bits e outras partes do corpo do conjunto de perfuração (por exemplo, um motor de lama), o que leva a modelos mais realistas e resultados de simulação mais precisos.

[0048] Geralmente, alguns dos ensinamentos aqui descritos são reduzidos a um algoritmo, o qual é armazenado sistemas de leitura ótica. O algoritmo é implementado pelo sistema de processamento de computador e oferecendo aos operadores do processo, a resposta desejada.

[0049] Como apoio às instruções aqui contidas , os vários componentes da análise podem ser utilizados, incluindo os sistemas digitais e / ou analógicos. Podem ser incluídos os sistemas digitais e / ou analógicos, por exemplo, na unidade eletrónica do fundo do poço 42, ou na unidade de processamento 32 . Os sistemas podem incluir componentes como: processador, conversor analógico- digital, conversor digital para analógico , meios de armazenamento , memória, entrada, saída , link de comunicação (com fio, sem fio , lama pulsada , ótico ou outro), interfaces de usuário, programas de software, processador de sinais (digitais ou analógicos) e outros componentes (tais como resistências, condensadores , indutores e outros), de modo a proporcionar a operação e as análises do aparelho, e dos métodos aqui divulgados, sob qualquer uma das várias formas bem preferidas da arte. Considera-se que estas instruções possam ser, mas não necessáriamente, implementados, em ligação com um conjunto de instruções executáveis por computador, armazenadas num sistema de leitura por computador , que inclui memória ( ROM, RAM) , ótica (CD- ROM ), ou magnético ( disquetes , unidades de disco rígido ) , ou qualquer outro tipo, que quando executado permita que um computador possa implementar o método da presente invenção. Estas instruções podem prever o funcionamento do equipamento, o controle, a recolha e análise de dados, e outras funções, consideradas relevantes por um designer do sistema, proprietário, usuário, ou terceiros, para além das funções aqui divulgadas.

[0050] [0049] Além disso, vários outros componentes podem ser incluídos e convocados para a apreciação de aspetos dos ensinamentos aqui contidos. Por exemplo, uma fonte de alimentação (por exemplo, pelo menos um de um gerador, um fornecimento remoto e uma bateria), componente de arrefecimento, componentes de aquecimento, força motriz (tal como uma força de translação, força propulsora, ou uma força de rotação), sinal digital processador, processador de sinal analógico, sensor, íman, antena, transmissor, recetor, transcetor, controlador, unidade ótica, unidade elétrica ou eletromecânica, podem ser incluídas como suporte aos vários aspetos referidos aqui, ou como apoio a outras funções, para além das que aqui vão descritas.

[0051] Os elementos das formas de realização têm sido apresentados, acompanhados dos artigos "o" ou "um". Os artigos destinam-se a significar que existe um ou mais dos elementos. Os termos "incluindo" e "tendo" e os seus derivados significam que pode ser incluído, de modo a que possa haver outros, para além dos elementos adicionais referidos. O termo "ou" quando usado com uma lista, de pelo menos dois artigos, destina-se a significar qualquer item ou combinação de elementos.

[0052] Será reconhecido que os vários componentes ou tecnologias podem proporcionar alguma funcionalidade ou funcionalidades necessárias ou benéficas. Por conseguinte, estas funções e características conforme necessário, servirão para apoio das reivindicações anexas e suas variações, e portanto reconhecidas, como sendo inerentemente incluídas como parte dos processos aqui explicitados e uma parte descrita da invenção.

[0053] Embora a invenção tenha sido descrita com referência a formas de realização exemplares, deverá entender-se que várias modificações podem ser feitas, e equivalentes podem ser substituídos por elementos destes, sem se afastarem do âmbito da invenção. Adicionalmente, muitas modificações serão apreciadas ao adaptar um particular instrumento, situação, ou material, aos ensinamentos da invenção sem afastamento do âmbito essencial do mesmo. Pretende- se portanto que a invenção não seja limitada à forma particular de realização descrita, considerada como a mais adequada para a realização desta invenção , mas que a invenção inclui todas as formas de realização, enquadradas no âmbito das reivindicações anexas.

Claims

1. Método (70) de previsão do comportamento de um conjunto de perfuração (18), caracterizado por: gerar uma representação matemática de uma broca de perfuração (20), a representação incluindo uma geometria de cada um de pluralidade de cortadores (22) e uma geometria de um ou mais componentes não cortadores da broca de perfuração (20), os um ou mais componentes não cortantes incluindo pelo menos uma porção de uma coroa de broca de perfuração (44); simular uma ou mais condições de funcionamento incidentes sobre o conjunto de perfuração (18), e simular contato entre a broca de perfuração (20) e pelo menos uma de uma parede de poço e uma formação de terra (16), em que o contato de simulação inclui: simular interação entre a pluralidade de cortadores (22) e pelo menos uma da parede de poço (12) e da formação de terra (16) usando um primeiro parâmetro de interação associado com forças experimentadas pela pluralidade de cortadores (22), em que a pluralidade de cortadores (22) é simulada como um primeiro componente ao qual o primeiro parâmetro de interação é aplicado, e simular interação entre os um ou mais componentes não cortantes da broca de perfuração (20) e pelo menos uma da parede de poço e da formação de terra (16) usando um segundo parâmetro de interação associado com forças diferentes experimentadas pelos um ou mais componentes não cortantes, o segundo parâmetro de interação associado com forças friccionais experimentadas pelas superfícies dos um ou mais componentes não cortantes devido ao atrito contra pelo menos uma da parede de poço e da formação de terra (16), em que os componentes não cortantes da broca de perfuração (20) são simulados como um componente separado ao qual o segundo parâmetro de interação é aplicado, o primeiro parâmetro de interação e o segundo parâmetro de interação incluindo taxas diferentes de remoção de material de formação; e previsão de respostas físicas do conjunto de perfuração (18) para as uma ou mais condições e o contato simulado.

2. Método (70), de acordo com a reivindicação 1, caraterizado pelo fato de a coroa (44) da broca de perfuração (20) ter os cortadores fixados à mesma.

3. Método (70), de acordo com a reivindicação 1, caraterizado pelo fato de a representação matemática ser um modelo de elemento finito, e gerar a representação matemática inclui gerar uma pluralidade de nós, em que a pluralidade de nós representa a geometria.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caraterizado pelo fato dos um ou mais componentes não cortantes incluírem um corpo de broca de perfuração (26).

5. Método (70), de acordo com a reivindicação 1, caraterizado pelo fato das uma ou mais condições de operação incluírem pelo menos um parâmetro de perfuração, uma força, uma carga, um momento e um torque.

6. Método (70), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as respostas físicas incluírem comportamento dinâmico da coluna de perfuração (14) e do conjunto de perfuração (18), uma solução estática da coluna de perfuração (14) e do conjunto de perfuração (18), uma taxa de acúmulo da coluna de perfuração (14) e do conjunto de perfuração (18) em uma formação de terra (16) devido ao comportamento dinâmico e uma taxa de acúmulo da coluna de perfuração e do conjunto de perfuração (18) na formação de terra (16) devido à solução estática.

7. Sistema (10) para estimar um comportamento de um conjunto de perfuração (18) durante uma operação de perfuração, o sistema (10) caracterizado por: um conjunto de perfuração (18) incluindo pelo menos uma broca de perfuração (20) conectada a uma coluna de perfuração (14), o conjunto de perfuração (18) configurado para ser disposto em um poço (12); uma pluralidade de sensores (40) operativamente associados ao conjunto de perfuração (18); e um processador (32) em comunicação com a pluralidade de sensores (40), sendo que o processador (32) está configurado para: gerar uma representação matemática de uma broca de perfuração (20), a representação incluindo uma geometria de uma pluralidade de cortadores e um ou mais componentes não cortantes da broca de perfuração (20), o um ou mais componentes não cortantes incluindo pelo menos uma porção de uma coroa de broca de perfuração (44); simular uma ou mais condições de operação incidentes sobre o conjunto de perfuração (18) e simular um contato entre a broca de perfuração (20) e pelo menos uma de uma parede de poço e uma formação de terra (16), em que a simulação de contato inclui: simular interação entre a pluralidade de cortadores (22) e pelo menos uma da parede de poço e da formação de terra (16) usando um primeiro parâmetro de interação associado com forças experimentadas pela pluralidade de cortadores (22), em que a pluralidade de cortadores (22) é simulada como um primeiro componente ao qual o primeiro parâmetro de interação é aplicado, e simular interação entre o um ou mais componentes não cortantes da broca de perfuração (20) e pelo menos uma da parede de poço e da formação de terra (16) usando um segundo parâmetro de interação associado com forças diferentes experimentadas pelo um ou mais componentes não cortantes, o segundo parâmetro de interação associado com forças friccionais experimentadas pelas superfícies do um ou mais componentes não cortantes devido ao atrito contra pelo menos uma da parede de poço e da formação de terra, em que os componentes não cortantes da broca de perfuração (20) são simulados como um componente separado ao qual o segundo parâmetro de interação é aplicado, o primeiro parâmetro de interação e o segundo parâmetro de interação incluindo taxas diferentes de remoção de material de formação; e prever respostas físicas do conjunto de perfuração (18) para as uma ou mais condições e o contato simulado.

8. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 7, caraterizado pelo fato de a representação matemática ser um modelo de elemento finito e gerar a representação matemática inclui gerar uma pluralidade de nós, em que a pluralidade de nós representa a geometria.

9. Método (70), de acordo com a reivindicação 7, caraterizado pelo fato de a pluralidade de sensores (40) estar configurada para medir os parâmetros do fundo do poço associados ao conjunto de perfuração (18), e o processador (32) estar configurado para introduzir os parâmetros do fundo do poço para simular as respostas físicas do conjunto de perfuração (18).