BR112016026505B1

BR112016026505B1 - Método para a realização de um furo de sondagem

Info

Publication number: BR112016026505B1
Application number: BR112016026505-0A
Authority: BR
Inventors: Markus Oles; Joachim Stumpfe; Johannes Kocher; Arno Romanowski; Dirk Uhrlandt; Sergey Gorchakov
Original assignee: Thyssenkrupp Ag
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2015-05-04
Publication date: 2022-04-12
Also published as: JP6738321B2; BR112016026505A2; CA2948698C; DE102014106843B4; MX2016014786A; NZ727558A; DE102014106843A1; JP2017516006A; WO2015173049A2; CA2948698A1; US20170138129A1; WO2015173049A3

Abstract

método para a realização de um furo de sondagem, e, dispositivo para a realização de um furo de sondagem. a invenção se refere a um método para a realização de um furo de sondagem (1), em particular, na crosta terrestre (3) por meio de uma cabeça de broca (4) a qual é segura dentro do furo de sondagem (1) por uma haste (5), sendo que, a cabeça de broca (4) compreende um dispositivo térmico (5) através de cuja atuação no fundo (2) do furo de sondagem (1), ali é solto material (2) da fase sólida por meio de mudança de fase, sendo que, o material solto é removido na direção da superfície da terra (7). o dispositivo térmico (5) é operado de tal modo que ele gera uma alta potência de saída térmica, razão pela qual durante a passagem da fase sólida o material é sublimado de modo preponderante.

Description

[001] A invenção se refere a um método para a realização de um furo de sondagem, em particular, na crosta terrestre.

[002] Para a exploração de fontes de óleo e gás atualmente são empregados métodos de perfuração mecânicos padronizados. Esses métodos de perfuração mecânicos para a remoção de rochas no furo de sondagem aplicam um cinzel rotativo. Ao lado do método rotativo também há brocas de perfuração de impacto ou de impacto rotativo. Neste caso, a broca de perfuração é operada de forma mecânica ou hidrodinâmica. Através de uma haste, que é aparafusada ou encaixada frequentemente em seções, a energia mecânica é transmitida para o cinzel e com isso o material de rocha é removido. Para isso é necessário um resfriamento. O resfriamento se dá com um fluido de perfuração, que é constituído em grandes partes de água. Ao lado do resfriamento, ao fluido também ainda é adicionado o transporte de cortes de rocha removidos do fundo do furo de sondagem para cima. Limitantes nesse método de resfriamento e de remoção, porém, são as altas temperaturas, que reinam em profundidades, em particular, a partir de 2000 m. As temperaturas ali são tão altas que um resfriamento efetivo através do fluido de perfuração não pode mais ocorrer. Isto é um dos motivos porque perfurações em profundidades a partir de 2000 m só podem ser realizadas de modo muito difícil. A partir de uma certa temperatura o fluido de resfriamento começa a ferver na broca de perfuração e assim não pode mais dissipar suficientemente calor ou rochas. As profundidades a serem alcançadas também são limitadas pelas respectivas condições geológicas da rocha no respectivo furo de sondagem. De fato através de diversas adições o ponto de fervura do fluido de perfuração pode ser aumentado, o que possibilita sua capacidade de funcionamento também em altas temperaturas; mas a essas possibilidades de ajuste são postos limites técnicos.

[003] No documento de patente internacional WO 2013/135391 A2 é divulgado um método para a introdução de espaços ocos na montanha, nos quais a rocha próxima na parte frontal do espaço oco é derretida termicamente. Com auxílio de um meio gasoso a rocha liquefeita é descarregada para fora do espaço oco. O calor necessário para o derretimento da rocha é preparado por um gerador de plasma disposto na cabeça de propulsão. As altas temperaturas no furo de sondagem não preparam quaisquer desvantagens essenciais para esse método.

[004] No caso dessa perfuração de plasma, porém, é problemático o manuseio da rocha liquefeita, a qual precisa ser transportada passando pela cabeça de broca para a abertura do furo de sondagem. A rocha liquefeita pode se precipitar na cabeça de broca (condensar). Isto pode levar à destruição da cabeça de broca, o que gera altos custos e tempos de inatividade. Tem-se tentado até agora resolver esse problema, pelo fato de que o nível de líquido no fundo do furo de sondagem é mantido o menor possível. Para isso a potência do gerador de plasma é reduzida. Isso atrasa naturalmente o progresso da perfuração, uma vez que a velocidade de avanço é na maior parte linear em relação à potência térmica de saída. Portanto, a perfuração de plasma atualmente é usada de modo dificilmente rentável.

[005] À invenção então cabe a tarefa de preparar um método melhorado para a realização de um furo de sondagem, que se caracterize em particular, por um avanço rápido e por longos períodos de paralisação.

[006] Essa tarefa é solucionada por um método para a realização de um furo de sondagem, em particular, na crosta terrestre por meio de uma cabeça de broca, a qual é segura dentro do furo de sondagem por uma haste, sendo que, a cabeça de broca compreende um dispositivo térmico através de cuja atuação no fundo do furo de sondagem, ali o material, em particular, rocha é solto da fase sólida por meio de mudança de fase, sendo que, o material solto é removido em direção da abertura do furo de sondagem, em particular, para a superfície da terra. De acordo com a invenção o dispositivo térmico é operado de tal modo que ele gera uma alta potência térmica de saída, razão pela qual durante a passagem da fase sólida o material é sublimado de modo preponderante.

[007] O cerne da invenção então está situado, em particular, no fato de que em um processo de perfuração térmico o material nem sequer é convertido para a fase fluida através da sublimação. Através da sublimação essa fase é saltada factualmente. O risco de precipitação de material fluido na cabeça de broca com isso é reduzido imensamente. Do mesmo modo é reduzido o risco de que rocha líquida espirre na cabeça de broca e se deposite ali. Em oposição à perfuração de plasma descrita acima de acordo com a o estado da técnica, de acordo com a invenção a alimentação de potência consequentemente não é reduzida, mas pelo contrário, é aumentada, a fim de evitar a formação de material líquido. Por meio do aumento da potência térmica sobre o material a profundidade de fusão abaixa para menos que 1 cm, o que leva à redução significativa da proporção de material líquido no fundo do furo de sondagem; isto pode ser atribuído ao efeito de resfriamento de curto prazo da sublimação, sobre as camadas de material que ficam profundas. Devido ao aumento da potência térmica de saída aumenta ao mesmo tempo a possível velocidade de avanço.

[008] Além disso, a sublimação do material possibilita uma descarga rápida do material. Imediatamente após o queimador ou em casos individuais, controlados por bocais de resfriamento o material é ressublimado para formar partículas pequenas, que podem ser facilmente lavadas para fora. Em delimitação do processo que passa através de uma fase líquida as partículas, que surgem durante uma ressublimação são substancialmente menores do que as partículas que surgem através da condensação.

[009] Como dispositivo térmico são empregados, em particular, os denominados queimadores de plasma, sendo que, o termo "queimador" nesse contexto é empregado parcialmente errado. No método em questão de fato depende das altas temperaturas, que o dispositivo gera, mas isso não precisa forçosamente estar relacionado com um queimador, portanto, a uma oxidação. Em princípio também são concebíveis dispositivos ópticos, por exemplo, laser, na medida em que eles podem preparar a potência térmica exigida.

[0010] De preferência, pelo menos 50% em peso, de preferência, pelo menos 80% em peso ou pelo menos 90% em peso ou pelo menos 95% em peso do material solto da fase sólida passam através de sublimação para a fase gasosa. O resto do material solto se funde primeiramente e só passa em seguida, se finalmente for para a fase gasosa. A alta proporção de material sublimado causa também uma ampliação de volume repentina, que eventualmente joga fora normalmente componentes fluidos da superfície sólida no fundo do furo de sondagem. A esse respeito não é forçosamente necessário que o material seja solto da fase sólida exclusivamente através de sublimação.

[0011] No caso do processamento de superfície tradicional de blocos de rocha por meio de um jato de plasma, na verdade também no caso da separação para a sublimação de rocha, como está descrito, por exemplo, no documento de patente alemão DE 19 43 058 C3, então pode ocorrer que, porém, uma ferramenta de perfuração térmica intencionalmente é levada a um nível de potência, de tal modo que a rocha é sublimada em uma grande parte ao invés de derreter, a fim de solucionar com isso a problemática mencionada, até agora ainda não foi descrita.

[0012] No total então podem ser obtidas assim velocidades de avanço de 2 a 10 mm / s. Em condições de operação ótimas a perfuração de plasma também tem o potencial para períodos de paralisação mais longos em relação ao processo de perfuração mecânico.

[0013] De preferência, por meio de pelo menos um sensor colocado na cabeça de broca, o estado de fases do material solto é monitorado, em particular, no fundo do furo de sondagem. Deste modo a proporção de material líquido na descarga total pode ser determinada, e em caso de necessidade podem ser introduzidas medidas. Durante a operação, além disso, em particular, o estado de fases do material a ser perfurado no fundo do furo de sondagem é monitorado opticamente por meio do sensor colocado na cabeça de broca. Deste modo pode ser definida continuamente a proporção da fase fluida na descarga total. O sensor se baseia em particular, na definição de temperatura pirométrica, e serve para a determinação da diferença de temperatura entre o material solto no fundo do furo de sondagem e sua parede lateral. O método utiliza as diferenças de temperatura entre a fase sólida e a fase líquida. A partir da manifestação do menisco, com auxílio de um método matemático em ligação com a pressão da chama pode ser definida a proporção da fase líquida.

[0014] De preferência, por meio de regulagem da potência térmica de saída é regulada uma quantidade de material liquefeito no fundo do furo de sondagem para um valor teórico predeterminado, sendo que, para uma redução da quantidade de material liquefeito é aumentada a potência térmica de saída. Uma regulagem desse tipo pode garantir que a parte líquida no material solto não é grande demais. Por meio da redução da parte líquida o risco de entupimento do furo de sondagem é mantido pequeno, sem que com isso, esteja relacionada uma redução da velocidade de avanço.

[0015] No caso de perfurações profundas em mais que 1000 m de profundidade existem condições especiais. A rocha depositada ali apresenta, em particular, um ou vários dos parâmetros seguintes: Densidade: 1300 - 4000 kg/ m3; Condutibilidade térmica: 2 - 5 W/ m K; Capacidade especial de calor: 800 - 2000J/ kg K; Ponto de fusão: 2800 - 400 K Entalpia de vaporização: 2 MJ / kg;

[0016] O furo de sondagem apresenta, em particular, os parâmetros seguintes:

[0017] Distância da superfície da terra em relação ao fundo do furo de sondagem (profundidade do furo de sondagem) pelo menos 1000 m, em particular, pelo menos 2.000 m ou pelo menos 4.000 m.

[0018] Diâmetro do furo de sondagem 2 - 30 cm, em particular, menos que 20 cm.

[0019] Em princípio o método descrito aqui é particularmente apropriado para a produção de furos de sondagem com uma alta relação de aspecto (quociente da profundidade para o diâmetro do furo de sondagem) de pelo menos 1000:1, em particular, de pelo menos 3000:1 ou pelo menos 10.000:1, ou em furos de sondagem muito profundos, de pelo menos 20.000:1 ou pelo menos 100.000:1.

[0020] A potência do dispositivo térmico, portanto, a potência térmica de saída que surge no processo se situa em, pelo menos 80 kW, de preferência, em pelo menos 1000 kW.

[0021] Se como dispositivo térmico for escolhido um dispositivo gerador de plasma, então a temperatura do jato de plasma que sai na cabeça de broca deveria ser 2000 K, de preferência, pelo menos 5000 k, a fim de causar a sublimação na medida necessária. Podem ser empregados os gases seguintes: nitrogênio, acetona, oxigênio, hidrogênio, hélio, argônio e dióxido de carbono. A densidade de potência tem o valor, de preferência, de pelo menos 107 W/m2, de preferência, 5 x 107 W/m2. Como a densidade de potência neste caso, é entendida a potência térmica por unidade de superfície, que é aplicada pelo dispositivo térmico sobre a superfície da rocha.

[0022] De preferência, é utilizada uma corrente de gás, a fim de transportar o material descarregado em direção da superfície, em particular, da superfície da terra. Pode ser o mesmo gás, o qual é empregado para um jato de plasma. O material é então conduzido lateralmente na cabeça de broca, em particular, através de uma fenda entre a cabeça de broca e o furo de sondagem.

[0023] De preferência, o material sublimado é resfriado por uma corrente de gás de resfriamento separada do jato de plasma. Essa corrente forma, de preferência, uma almofada de gás entre a rocha sublimada e a cabeça de broca. Em particular, essa corrente de gás de resfriamento ou a almofada de gás providencia, por um lado, para que o material sublimado não entre em contato com a cabeça de broca. Por outro lado, pode ser causado um resfriamento do material sublimado , de tal modo que se dê uma ressublimação e, com isso, ocorra um tipo de pulverização, ou venha a ocorrer a formação de partículas mínimas. Esse material pulverizado é então transportado através da fenda para cima. A ressublimação também pode ocorrer diretamente na parede do furo de sondagem, de tal modo que o material é depositado ali e assim causa um envidraçamento do furo de sondagem.

[0024] De preferência, a corrente de gás de resfriamento é soprada lateralmente para a fenda entre a cabeça de broca e o furo de sondagem. Com isso pode ser evitado que o material gasoso entre em contato com a cabeça de broca e seja condensado e endurecido ou ressublimado nessa cabeça.

[0025] Além disso, a invenção se refere a um dispositivo para a realização de um furo de sondagem, em particular, na crosta terrestre. O dispositivo compreende uma cabeça de broca, uma haste para a retenção da cabeça de broca dentro do furo de sondagem, bem como um dispositivo térmico disposto na cabeça de broca, através de cuja atuação no fundo do furo de sondagem, ali é solto material da fase sólida por meio de mudança de fase. De acordo com a invenção, além disso, o dispositivo compreende um sensor colocado, em particular, na cabeça de broca, com o qual o estado de fases do material solto pode ser monitorado, em particular, no fundo do furo de sondagem. Como sensor pode ser empregado um sensor fotóptico, em particular, um pirômetro. Com auxílio de um dispositivo desse tipo pode ser realizada a regulagem descrita mais acima da potência térmica de saída.

[0026] A invenção será esclarecida em mais detalhes a seguir com auxílio das figuras. Neste caso, é mostrado:

[0027] Na figura 1 um furo de sondagem com cabeça de broca inserida nele em um corte transversal;

[0028] Na figura 2, o furo de sondagem de acordo com a figura 1, esquematicamente, com diferentes manifestações do nível de líquido no fundo do furo de sondagem.

[0029] Na figura 1 é mostrado um furo de sondagem 1, o qual é feito a partir da superfície da terra 7 para a crosta terrestre 3. A profundidade T do furo de sondagem (= distância da superfície da terra 7 em relação ao fundo 2 do furo de sondagem 1) tem aproximadamente 4000 m. O furo de sondagem então deve ser ampliado, de tal modo que possa ser penetrado ainda mais profundamente. Para isso está prevista uma cabeça de broca 4, a qual é segura por meio de uma haste 5, que se projeta coaxialmente para dentro do furo de sondagem / da superfície da terra / do furo de sondagem. Dentro da cabeça de broca 4 está disposto um dispositivo de geração de plasma 6, que gera um jato de plasma 8. Com auxílio do jato de plasma 8, que apresenta temperaturas de 2000 K ou mais, a rocha 3 é solta da fase sólida e com isso, removida no fundo 2 do furo de sondagem 1.

[0030] O dispositivo de geração de plasma corresponde em sua estrutura básica a dispositivos já conhecidos desse tipo, e compreende um anodo 10 que fica central e um catodo 9 de forma anelar, disposto coaxialmente ao anodo 10. Por meio de uma linha de alimentação 1 é soprado um gás apropriado para a formação de plasma, por exemplo, nitrogênio, oxigênio, hidrogênio, argônio, hélio, óxido de carbono com alta pressão na área entre catodo 9 e anodo 10. A disposição de anodo 10 e catodo 9 gera com alta tensão aplicada de modo correspondente um arco de luz, através do qual o plasma ou o jato de plasma 8 é gerado. Deste modo o gás sofre uma enorme elevação de temperatura para acima de 2500 K, o que é necessário para o desgaste da rocha.

[0031] Neste caso, o jato de plasma 8 é levado a um tal nível de potência que a rocha é sublimada de modo preponderante, portanto, não é derretida em primeiro lugar. Com isso é evitado na maior parte que a rocha líquida se acumule no fundo 2 do furo de sondagem 1. Rocha fluida deve ser evitada, uma vez que ela se acumula facilmente na cabeça de broca e, por conseguinte, pode danificar a cabeça de broca. Além disso, na fenda anelar ela pode se acumular entre a cabeça de broca e o furo de sondagem, e ali providenciar um entupimento.

[0032] Agora deve ser providenciado para que a rocha gasosa solta seja reconduzida o mais rápido possível para a fase sólida e, neste caso, é sublimada ou endurecida em grãos mais finos possíveis. Para isso é formado um canal de revestimento 12 dentro da cabeça de broca 4, o qual está disposto em forma de anel em torno do dispositivo gerador de plasma 15. Através desse flui uma corrente de gás de resfriamento 15, que do mesmo modo provém da linha de alimentação 11 com alta velocidade. Esse gás sai do canal de revestimento 12 na proximidade de um lado frontal 17, portanto, da área da cabeça de broca 4 voltada para baixo, e providencia para que um tipo de almofada de gás 16 seja produzido entre o gás de plasma 13 com rocha sublimada e a cabeça de broca 4. Essa almofada de gás 16 é necessária ali, onde a rocha existe em forma gasosa, o que está marcado por meio da linha cheia e provida do número de referência 13. Condicionado por essa almofada de gás 16, além disso, ocorre um resfriamento rápido da rocha gasosa, razão pela qual essa rocha é sublimada, e dessa forma consegue chegar a uma forma de pó sólida. Isto está representado no desenho, por meio da linha cheia e provida do número de referência 14. Se segue uma mistura com a corrente de gás de resfriamento 15 e uma remoção em comum de corrente de gás de resfriamento 15 e corrente de gás de plasma 14 com a rocha ressublimada em direção à superfície da terra 7.

[0033] Com auxílio da figura 2 é esclarecida a determinação do nível de líquido no fundo do furo de sondagem 2. Um pirômetro 17 mede a distribuição de temperatura no furo de sondagem 1, na área da cabeça de broca 4. Componentes sólidos, por exemplo, a borda do furo de sondagem 1 apresentam uma temperatura mais baixa do que componentes fluidos, ou seja, a rocha fluidificada 18; componentes fluidos apresentam uma temperatura mais baixa do que componentes gasosos. Nisto pode ser definida a forma do menisco, portanto, a curvatura da superfície no fundo 2 do furo de sondagem 1.

[0034] A forma do menisco então está no contexto com o nível de líquido no fundo do furo de sondagem. Na figura 2a é mostrado um menisco com área externa íngreme, que sugere um nível de líquido baixo. Na figura 2b é mostrado um menisco com área externa plana, que sugere um nível de líquido mais alto. Através de modelos matemáticos é criada uma correlação entre a forma do menisco e o nível de LISTA DOS NÚMEROS DE REFERÊNCIA líquido. 1 furo de sondagem 2 fundo do furo de sondagem 3 rocha/ crosta terrestre 4 cabeça de broca 5 haste 6 dispositivo de produção de plasma 7 superfície da terra 8 jato de plasma 9 catodo 10 anodo 11 linha de alimentação 12 canal de revestimento 13 corrente de gás de plasma com rochas sublimadas 14 corrente de gás de plasma com rochas ressublimadas 15 corrente de gás de resfriamento 16 almofada de gás 17 pirômetro 18 camada de líquido T profundidade do furo de sondagem

Claims

1. MÉTODO PARA A REALIZAÇÃO DE UM FURO DE SONDAGEM (1), em particular, na crosta terrestre (3) por meio de uma cabeça de broca (4) a qual é segura dentro do furo de sondagem (1) por uma haste (5), sendo que, a cabeça de broca (4) compreende um dispositivo térmico (6) que faz com que o material no fundo (2) do furo de sondagem (1) seja liberado da fase sólida por meio de mudança de fase, sendo que, o material liberado é removido em direção à abertura do furo de sondagem (1), em particular, para a superfície da terra (7) usando corrente de gás, caracterizado pelo dispositivo térmico (6) ser operado de tal modo que ele gere uma potência térmica de saída maior que 1000 kW, por meios dos quais cerca de 80 a 90% em peso ou mesmo mais do material que sublima quando transaciona do estado sólido; o estado de fases do material liberado, em particular, no fundo (2) do furo de sondagem (1), ser monitorado por meio de um sensor colocado na cabeça de broca (4); o sensor ser um pirômetro (17) que mede as temperaturas da fase sólida e fase líquida no furo de sondagem (1) na região da cabeça de broca (4), em que as diferenças de temperatura entre a fase sólida e a fase líquida são utilizadas para determinar uma curvatura de uma superfície líquida de um material liquefeito para determinar um nível de material liquefeito no fundo (2) do furo de sondagem (1); uma quantidade de material liquefeito no fundo (2) do furo de sondagem (1) ser regulada para um valor teoricamente predeterminado, regulando a potência térmica de saída com base na determinação do nível do material liquefeito, em que a potência térmica de saída é aumentada para uma redução na quantidade de material liquefeito na regulagem; e em que a corrente de gás é uma corrente de gás de resfriamento (15); e em que um material sublimado (13) ressublima por ser resfriado pela corrente de gás de resfriamento (15), resultando em uma poeira de partículas finas.

2. MÉTODO, de acordo coma reivindicação 1, caracterizado pelo dispositivo térmico (6) gerar uma temperatura de pelo menos 5000 K.

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pela corrente de gás de resfriamento (15) formar uma almofada de gás entre a rocha sublimada e a cabeça de broca (4).

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela corrente de gás de resfriamento (15) ser soprada para uma fenda entre a cabeça de broca (4) e o furo de sondagem (1).