BR112016029819B1 - Sistema e método para criar uma conexão tubular de vedação em um furo de poço - Google Patents

Abstract

SISTEMA E MÉTODO PARA CRIAR UMA CONEXÃO TUBULAR DE VEDAÇÃO EM UM FURO DE POÇO. Um sistema para vedar uma conexão tubular expansível (2, 20) em um furo de poço compreende uma vedação resiliente anular (32, 34) arranjada em uma ranhura anular (90) definindo uma seção (82) de espessura de parede reduzida de um elemento tubular interno (20), seção esta (82) que é submetida a expansão em excesso induzida por um cone de expansão de maneira tal que, no estado expandido do elemento tubular interno (20), a ranhura anular (90) tem um perfil em formato de onda, deste modo comprimindo a vedação anular (32, 34) contra um elemento tubular externo (2).

Description

[001] A presente invenção se refere a um sistema e um método para criar uma conexão tubular de vedação em um furo de poço.

[002] Furos de poço para a produção de fluido de hidrocarboneto geralmente são providos com revestimentos e/ou revestimentos internos de aço para conferir estabilidade à parede do furo de poço e para impedir fluxo indesejado de fluido entre o furo de poço e a formação geológica circundante. Um revestimento geralmente se estende a partir da superfície para dentro do furo de poço, enquanto um revestimento interno pode se estender por apenas uma porção inferior do furo de poço. Contudo, na presente descrição os termos “revestimento” e “revestimento interno” são usados intercambiavelmente e sem esta diferença estabelecida.

[003] Em um furo de poço convencional, o furo de poço é perfurado em seções pelo que cada seção é perfurada usando uma coluna de perfuração que tem de ser abaixada para dentro do furo de poço através de um revestimento previamente instalado. Em vista disso, o furo de poço e as subsequentes seções de revestimento diminuem de diâmetro com a profundidade. A zona de produção do furo de poço, portanto, tem um diâmetro relativamente pequeno em comparação com a porção superior do furo de poço. Em vista disso foi proposto perfurar um furo de poço “monodiâmetro” pelo que o revestimento ou revestimento interno a ser instalado é radialmente expandido no furo de poço depois de abaixar até a profundidade requerida. Subsequentes seções de furo de poço, portanto, podem ser perfuradas a um diâmetro maior do que no furo de poço convencional. Se cada seção de revestimento é expandida até o mesmo diâmetro que a seção anterior, o diâmetro do furo de poço pode permanecer substancialmente constante com a profundidade.

[004] Em aplicações nas quais o elemento tubular precisar ser radialmente expandido em contato de compressão com um elemento tubular previamente instalado para formar uma conexão tubular, é geralmente requerido que a conexão tubular seja vedada de modo a resistir a pressões de fluido diferenciais entre o interior e o exterior da conexão. Diversas tentativas foram feitas para estabelecer esta conexão de vedação.

[005] US 2010/0122820 A1 descreve um tubular expansível incluindo um corpo tubular e uma pluralidade de vedações tendo uma corrugação sobre uma superfície externa do corpo tubular. Durante a expansão, as corrugações das vedações se endireitam. Porém, a expansão do corpo tubular precisa ser controlada precisamente uma vez que há um risco de risco que as vedações sejam danificadas se forem comprimidas muito intensamente contra o elemento tubular anterior e um risco de funcionalidade de vedação inadequada se for muito frouxamente comprimida contra o elemento tubular anterior.

[006] US 2012/0205872 A1 descreve um conjunto com uma vedação entre um |primeiro tubular o elemento tubular anterior e um segundo tubular pelo que um membro anular ligado ao primeiro tubular, o anular tendo uma ranhura sobre a superfície externa em que um membro de vedação é disposto. O membro de vedação é configurado para ser expansível radialmente para fora em contato com uma parede interna do segundo tubular. É um inconveniente do conjunto conhecido que o membro de vedação se projete fora da ranhura e seja, portanto, vulnerável a danos durante a extensão para dentro do furo de poço.

[007] Outros conjuntos tubulares expansíveis com anéis de vedação arranjados em recessos são conhecidos a partir dos pedidos de patente US US2002/0148612, US2002/0175474 e US2013/0248209.

[008] O sistema e método de acordo com o preâmbulo das reivindicações 1 e 15 são conhecidos a partir do pedido de patente US US2005/057005, que descreve o uso de vedações tipo rebordo que são arranjadas em um recesso geralmente cilíndrico que permanece geralmente cilíndrico depois da expansão com o risco de vedação inadequada se as vedações forem muito frouxamente comprimidas contra o elemento tubular externo.

[009] É um objetivo da invenção prover uma conexão tubular de vedação melhorada que suplanta os inconvenientes da técnica anterior.

[0010] De acordo com a invenção é provido um sistema para criar uma conexão tubular de vedação em um furo de poço, o sistema compreendendo: - um elemento tubular externo; - um elemento tubular interno estendendo-se para dentro do elemento tubular externo e sendo adaptado para ser radialmente expandido contra o elemento tubular externo por um cone de expansão; - uma ranhura anular definindo uma seção de espessura de parede reduzida do elemento tubular interno em relação a uma seção restante do elemento tubular interno; e - pelo menos uma vedação anular de material resiliente posicionada na ranhura anular, cada vedação anular tendo uma espessura radial, que é inferior ou igual a uma profundidade da ranhura anular; - caracterizado pelo fato de que a seção de espessura de parede reduzida é adaptada para ser submetida a expansão em excesso induzida pelo cone de expansão de maneira tal que, no estado expandido do elemento tubular interno, a ranhura anular tem um perfil em formato de onda e a vedação anular é comprimida contra o elemento tubular externo.

[0011] Desta maneira é obtido que cada vedação anular é protegida contra danos durante a extensão do elemento tubular interno para dentro do furo de poço uma vez que a vedação não se estende radialmente fora da ranhura, enquanto também a compressão da vedação anular contra o elemento tubular externo depois da expansão do elemento tubular interno é obtida em virtude do fenômeno de expansão em excesso da seção de espessura de parede reduzida. O grau de compressão da vedação anular é dependente do tamanho radial da vedação anular e da quantidade de expansão em excesso da seção de espessura de parede reduzidas. A expansão em excesso é um fenômeno conhecido que implica em que quando um elemento tubular é radialmente expandido por um cone de expansão, o elemento tubular se expande para um diâmetro ligeiramente maior do que o diâmetro máximo do cone de expansão. A seção de espessura de parede reduzida sofre expansão em excesso enquanto a seção restante é impedida de sofrer expansão em excesso em virtude de estar em contato de compressão com o elemento tubular externo depois da expansão. A quantidade de expansão em excesso da seção de espessura de parede reduzida é dependente, por exemplo, da geometria do cone de expansão e da profundidade e comprimento da ranhura. Portanto, o grau de compressão de cada vedação anular pode ser controlado selecionando valores de parâmetro apropriados para a geometria do cone de expansão e da ranhura anular.

[0012] A invenção também se refere a um método para criar uma conexão tubular de vedação em um furo de poço, o método compreendendo: - prover um elemento tubular externo e um elemento tubular interno estendendo-se para dentro do elemento tubular externo, o elemento tubular interno sendo adaptado para ser radialmente expandido contra o elemento tubular externo, em que o elemento tubular interno é provido com uma ranhura anular definindo uma seção de espessura de parede reduzida do elemento tubular interno em relação a uma seção restante do elemento tubular interno; - arranjar na ranhura anular pelo menos uma vedação anular de material resiliente tendo uma espessura radial que é inferior ou igual a uma profundidade da ranhura anular; e - expandir radialmente o elemento tubular interno contra o elemento tubular externo usando um cone de expansão posicionado no elemento tubular interno; - caracterizado pelo fato de que a seção de espessura de parede reduzida é submetida a expansão em excesso induzida pelo cone de expansão de maneira tal que, no estado expandido do elemento tubular interno, a ranhura anular tem um perfil em formato de onda e a vedação anular é comprimida contra o elemento tubular externo.

[0013] Vantajosamente cada vedação anular compreende um material de elastômero de dureza entre 70 a 90 Shore A e o perfil em formato de onda tem um formato de W e para cada vedação anular o perfil em formato de W define uma câmara na ranhura anular que converge em direção axial em afastamento da vedação anular.

[0014] Em uma modalidade exemplar, com o elemento tubular interno no estado não expandido, cada vedação anular tem uma razão de aspecto H/W entre 3 a 5 em que H é espessura radial da vedação anular e W é comprimento axial da vedação anular.

[0015] Em aplicações nas quais uma ranhura de desgaste pode ser formada na superfície interna do elemento tubular externo, por exemplo devido ao deslizamento de uma coluna de perfuração ao longo da dita superfície interna, de modo apropriado a razão H/K é maior do que 5 em pelo que H é a espessura radial da vedação anular e K é a profundidade da ranhura de desgaste.

[0016] Para otimizar a expansão em excesso da seção de espessura de parede reduzida, o cone de expansão ter uma seção cônica e uma seção redonda na extremidade de grande diâmetro da seção cônica, em que a razão R/T é menor do que 20 em que R é o raio de arredondamento da seção redonda e T é a espessura de parede da dita seção restante do elemento tubular interno.

[0017] De modo apropriado a ranhura anular tem extremidades axiais opostas, e cada vedação anular é axialmente espaçada de pelo menos uma das extremidades axiais da ranhura.

[0018] Cada vedação anular pode ser axialmente espaçada de pelo menos uma das ditas extremidades axiais a um espaçamento L, em que a razão L/T é maior do que 9 em que t é a espessura de parede da dita seção restante do elemento tubular interno.

[0019] Em uma modalidade exemplar, cada vedação anular é arranjada em uma parte central da ranhura anular.

[0020] Uma melhor funcionalidade de vedação é obtida com uma primeira vedação anular e uma segunda vedação anular pelo que um espaçamento S está presente entre a primeira e a segunda vedações anulares, e em que a razão s/W fica entre 1 a 2 em que W é o comprimento axial de pelo menos uma dentre a primeira e a segunda vedações anulares. A primeira e a segunda vedações anulares podem ser substancialmente idênticas.

[0021] Cada vedação anular pode ser ligada à superfície da ranhura anular por vulcanização.

[0022] Os elementos tubulares, externo e interno, são, por exemplo, revestimentos ou revestimentos internos de furo de poço estendendo-se em um furo de sondagem formado em uma formação geológica.

[0023] A invenção vai ser descrita em seguida em mais detalhe e a título de exemplo, com referência aos desenhos esquemáticos anexos em que: - Fig. 1 mostra esquematicamente, em corte longitudinal, uma primeira modalidade do sistema da invenção em um conjunto para ajustar um tampão de fundo; - Fig. 2 mostra esquematicamente o conjunto depois de se bombear cimento dentro do furo de poço; - Fig. 3 mostra esquematicamente o conjunto durante expansão de um elemento blindado; - Fig. 4 mostra esquematicamente o conjunto depois do tampão de fundo ter sido ajustado; - Fig. 5 mostra esquematicamente o conjunto durante a perfuração do tampão de fundo; - Fig. 6 mostra esquematicamente um tampão de fundo modificado do conjunto; - Fig. 7 mostra esquematicamente uma seção de vedação de um elemento blindado do conjunto em mais detalhe; - Fig. 7a mostra esquematicamente a seção de vedação depois da expansão do elemento blindado; - Fig. 8 mostra esquematicamente uma segunda modalidade do sistema da invenção.

[0024] Na descrição em seguida e nas figuras, números de referência idênticos se referem a componentes idênticos.

[0025] Com referência à Fig. 1 é mostrado um conjunto 1 para expandir um elemento tubular de aço 2 em um furo de poço 3 estendendo-se para dentro de uma formação geológica 4. O conjunto 1 compreende um expansor primário 6 conectado a um mandril de expansão 8 suspenso no furo de poço 3 sobre uma coluna de perfuração (não mostrado) que normalmente pode ser usado para perfuração do furo de poço. O expansor primário 6 tem uma porção superior cilíndrica 6a de diâmetro substancialmente igual ao diâmetro interno do elemento tubular não expandido 2 e uma porção inferior cônica 6b de tamanho diametral adaptado para expandir o elemento tubular 2 para o diâmetro desejado para formar um revestimento interno no furo de poço 3. O elemento tubular 2 é suspenso sobre o expansor primário 6 pelo que a sua porção cilíndrica 6a se estende para dentro da extremidade inferior do elemento tubular 2.

[0026] O conjunto 1 compreende além do mais um tampão de fundo 10 arranjado abaixo do expansor primário 6 e conectado a um mandril de tampão 12 de maneira liberável, o mandril de tampão sendo fixamente conectado à extremidade inferior do mandril de expansão 8. O mandril de tampão 12, o mandril de expansão 8 e a coluna de perfuração têm um canal de fluido comum 13 para fluido bombeado a partir da superfície até o tampão de fundo 10. O tampão de fundo 10 compreende um flange 14 tendo um recesso 16 dentro do qual uma parte de extremidade inferior 18 do mandril de tampão 12 se encaixa. O recesso 16 e a parte de extremidade inferior 18 tem formatos hexagonais complementares de modo a permitir que torque seja transmitido entre o mandril de tampão 12 e o tampão de fundo 10, porém qualquer outro formato apropriado pode ser selecionado para permitir que torque seja transmitido. Um elemento tubular blindado radialmente expansível 20 é fixamente conectado ao flange 14 e estende-se coaxialmente em torno do mandril de tampão 12. Um expansor secundário 22 é arranjado dentro do elemento blindado 20, o expansor secundário tendo uma porção superior cilíndrica 22a de diâmetro substancialmente igual ao diâmetro interno do elemento blindado não expandido 20 e uma porção inferior cônica 22b de diâmetro máximo adaptado para expandir o elemento blindado 20 contra a superfície interna do elemento tubular 2 depois da sua expansão radial. O elemento blindado 20 tem uma seção lançadora na forma de seção inferior de parede fina 24 com um diâmetro interno superdimensionado para acomodar a porção inferior cônica 22b do expansor secundário. O elemento blindado inclui ainda uma seção de ancoragem inferior 26, uma seção de ancoragem superior 28 axialmente espaçada da seção de ancoragem inferior, e uma seção de vedação 30 localizada entre as seções de ancoragem inferior e superior 26, 28. Cada seção de ancoragem 26, 28 fica na superfície externa provida com um recobrimento de material de fricção, por exemplo um recobrimento incluindo partículas de carboneto incrustadas em um substrato que é metalicamente ligado à superfície externa por meio de soldagem a laser. A seção de vedação 30 fica na superfície externa provida com vedações anulares 34 de material resiliente, por exemplo um material de elastômero. A seção de vedação 30 vai ser descrita em mais detalhe em seguida.

[0027] O mandril de tampão 12 estende-se através de um furo central 36 do expansor secundário 22 de uma maneira permitindo que o expansor secundário 22 deslize em direção axial ao longo do mandril de tampão 12. O mandril de tampão 12 é provido com orifícios de fluxo 38 conectando fluidamente o canal de fluido 13 com uma câmara de fluido 40 formada entre a extremidade de grande diâmetro do expansor secundário 22 e o flange 14. Inicialmente o tamanho axial da câmara de fluido 40 é muito pequeno, mas aumenta durante a expansão do elemento blindado 20 como vai ser explicado em seguida. A extremidade superior do elemento blindado 20 é coberta por uma tampa para detritos removível 42 tendo um furo central 44 através de que o mandril de tampão 12 se estende de uma maneira permitindo que a tampa para detritos 42 deslize em direção axial ao longo do mandril de tampão 12. A tampa para detritos 42 serve para impedir que detritos entrem no elemento blindado 20 antes da sua expansão radial. Além disso, o tampão de fundo 10 é provido com um escareador 45 tendo aberturas de saída 46 em comunicação fluida com o canal de fluido 13 via um furo 48 no flange 14, o furo 48 tendo uma sede 50 para receber um tampão traseiro 52 para fechar o furo (Fig. 2).

[0028] A Fig. 2 mostra o conjunto 1 pelo que uma coluna de cimento fluida 53 circunda o elemento tubular 2 e o conjunto 1. O tampão traseiro 52 é recebido sobre a sede do furo 48 e deste modo fecha o furo 48.

[0029] A Fig. 3 mostra o conjunto 1 depois que uma porção inferior 54 do elemento tubular 2 foi expandida pelo expansor primário 6, pelo que o tampão de fundo 10 é posicionado na porção inferior expandida 54 e o elemento blindado 20 é parcialmente expandido contra a superfície interna da porção inferior expandida 54. Um volume de fluido hidráulico 56, tal como um fluido espaçador ou um fluido de perfuração, foi bombeado para dentro da câmara de fluido 40 via o canal de fluido 13 e orifícios de fluxo 38.

[0030] A Fig. 4 mostra o conjunto 1 depois que o elemento blindado 20 foi completamente expandido contra a superfície interna da porção inferior expandida 54 do elemento tubular 2, pelo que o mandril de tampão 12 é liberado do flange 14. O expansor secundário 22 e a tampa para detritos 42 estão ainda posicionados no mandril de tampão.

[0031] Com referência ainda à Fig. 5 é mostrado o conjunto 1 depois que elemento tubular 2 foi completamente expandido, e o mandril de expansão 8 e o mandril de tampão 12 junto com o expansor secundário 22 e a tampa para detritos 42 foram removidos do furo de poço 3. Uma coluna de perfuração 58 com uma broca compacta de diamante policristalino (PDC) 60 é abaixada dentro do elemento tubular expandido 2 para perfurar o restante do tampão de fundo 10. Ao invés da broca PDC 60, uma ferramenta de fresagem dedicada pode ser aplicada para perfurar o restante do tampão de fundo.

[0032] Com referência ainda à Fig. 6, é mostrado um tampão de fundo modificado 64 que é substancialmente similar ao tampão de fundo 10 exceto com respeito ao que se segue. O escareador 45 tem uma seção de nariz 66 arranjada excentricamente em relação a um eixo geométrico longitudinal central do mandril de tampão 12. Além, do mais, o tampão de fundo modificado 64 é provido com uma luva de ativação 68 posicionada no furo 48 para fechar temporariamente os orifícios de fluxo 38. A luva de ativação 68 é travada no lugar por pinos de cisalhamento apropriados (não mostrados) e é adaptada para deslizar axialmente para baixo através do furo 48 quando os pinos de cisalhamento são quebrados pelo que os orifícios de fluxo 38 são liberados. A sede 50 para o tampão traseiro 52 é provido na luva de ativação 68 e não no furo 48. Além, do mais, o tampão de fundo modificado 64 é provido com uma luva protetora 70 estendendo-se em torno da seção de vedação 30 e as seções de ancoragem 26, 28 do elemento blindado 20. A luva 70 é fixamente conectada à tampa para detritos 42, esta última tendo uma parte cilíndrica 42a que se estende para dentro do elemento blindado 20 e encosta contra o expansor secundário 22. O escareador 45, o flange 14 e o elemento blindado 20 são interconectados por um conector de cruzamento 71. O escareador 45 tem uma câmara interna 47 que conecta fluidamente o canal de fluido 13 com as aberturas de saída 46.

[0033] A operação normal do conjunto 1 é a seguinte. O conjunto 1 é abaixada dentro do furo de poço 3 sobre a coluna de perfuração pelo que opcionalmente o conjunto 1 pode ser girado para escarear seções do furo de poço 3 pelo escareador 45, e fluido de perfuração pode ser bombeado para dentro do furo de poço. Uma vez que o conjunto 1 alcançou a profundidade visada do furo de poço, o elemento tubular 2 é, na sua extremidade superior, ancorado no furo de poço 3. Subsequentemente um volume de fluido espaçador de guia (não mostrado) é bombeado para dentro do furo de poço via o canal de fluido 13 para limpar o canal de fluido de fluido de perfuração, seguido pela coluna de cimento fluídico 53 e um volume de fluido espaçador guiado. Ao invés de fluido espaçador guiado, pode ser usado fluido de perfuração. O fluido espaçador de guia e o cimento fluídico 53 podem ser separados por uma bola de espuma que é esmagada ao chegar no furo 48 do tampão de fundo 10 e é liberado através das aberturas de saída 46. O cimento fluídico 53 e o fluido espaçador guiado são separados pelo tampão traseiro 52 que se assenta sobre a sede 50 ao chegar no furo 48. Assim, beste estágio fluido espaçador guiado está presente no canal de fluido 13 e a coluna de cimento circunda o tampão de fundo 10 e o elemento tubular 2. O tampão traseiro 52 fecha o furo 48 e deste modo veda o canal de fluido 13 do espaço anular em torno do conjunto 1 no furo de poço 3. O expansor primário 6encosta contra a extremidade inferior do elemento tubular 2, portanto, cimento fluídico não pode entrar no elemento tubular 2 (Fig. 2).

[0034] Depois de assentar o tampão traseiro 52 no furo 48, o expansor primário 6 é puxado para dentro do elemento tubular 2 puxando a coluna de perfuração pelo que a porção inferior 54 do elemento tubular 2 é expandida. A expansão prossegue até o tampão de fundo 10 esteja completamente dentro da porção inferior expandida 54. Embora mantendo a coluna de perfuração sob tração, pressão de fluido é aplicada no canal de fluido 13 de modo que o fluido espaçador guiado escoa via os orifícios de fluxo 38 do mandril de tampão 12 para dentro da câmara de fluido 40. O expansor secundário 22 deste modo desliza ao longo do mandril de tampão 12 afastando-se do flange 14 e expande gradualmente o elemento blindado 20 contra a porção inferior expandida 54 do elemento tubular 2. A seção de ancoragem inferior 26 primeiro engata a porção inferior expandida 54, seguida pela seção de vedação 30 e subsequentemente a seção de ancoragem superior 28. Com a seção de vedação 30 engatando a porção inferior expandida 54, o elemento tubular 2 é simultaneamente ainda mais expandido com o expansor primário 6 para manter o balanço de volume na seção expandida do elemento tubular 2 entre o tampão de fundo 10 e o expansor primário 6.

[0035] Uma vez que o elemento blindado 20 esteja completamente expandido contra o elemento tubular expandido 2, o expansor secundário move-se para fora do elemento blindado e deste modo empurra a tampa para detritos 42 para fora do elemento blindado 20. O interior do elemento blindado expandido 20 é então preenchido com fluido espaçador guiado ou fluido de perfuração que pode estar contaminado com cimento. Em uma etapa subsequente, o restante do elemento tubular 2 é expandido com o expansor primário 6 pelo que o expansor secundário 22 e a tampa para detritos 42 são carregados para fora do furo de poço 3 sobre o mandril de tampão 12 (Fig. 4). Depois que o tampão de fundo 10 foi assentado na porção inferior expandida 54 do elemento tubular, pressão de fluido pode ser aplicada abaixo do expansor primário 6 via o canal de fluido 13 para estabelecer força ascendente adicional para o expansor primário 6 (auxílio hidráulico). Alternativamente, toda a força de expansão requerida para expandir o elemento tubular 2 pode ser fornecida por esta pressão de fluido, ou seja, sem aplicar força de tração à coluna de perfuração.

[0036] Uma funcionalidade de projeto das seções de ancoragem superior e inferior 26, 28 e da seção de vedação 30 é a seguinte. Quando a pressão de fluido no espaço interior do elemento blindado completamente expandido 20 é mais alta do que a pressão de fluido abaixo do tampão de fundo 10, o elemento blindado é submetido a deformação em balão pelo que a seção de ancoragem inferior 26 fica firmemente pressionada contra o elemento tubular expandido 2. Inversamente, quando a pressão de fluido abaixo do tampão de fundo 10 é mais alta do que a pressão de fluido no espaço interior do elemento blindado completamente expandido 20, por exemplo devido a pressão de aplicação de êmbolo abaixo do expansor primário 6 durante a expansão do elemento tubular 2, o elemento blindado é submetido a deformação de balão pelo que a seção de ancoragem superior 28 fica firmemente pressionada contra o elemento tubular expandido 2.

[0037] Depois que o cimento se curou completamente, o tampão de fundo 10 é perfurado com a broca PDC 60 ou ferramenta de fresagem sobre a coluna de perfuração 58 pelo que o tampão de fundo é suportado pelo cimento 53 que o circunda (Fig. 5).

[0038] Em uma variação do uso normal, o cimento 53 é bombeado para dentro do furo de poço depois que a porção inferior 54 do elemento tubular foi8 expandida e o tampão de fundo 10 foi puxado para dentro da porção inferior expandida 54. Esta abordagem pode ser seguida se houver é um risco de que o expansor secundário 22 é ativado antes que o tampão de fundo 1 esteja dentro da porção inferior 54 do elemento tubular, por exemplo, devido a ondas de pressão no canal de fluido 13 propagando-se para dentro da câmara de fluido 40 durante o bombeamento de cimento para dentro do furo de poço. Porém uma vez que no método alternativo há reduzido espaço anular entre a porção inferior expandida 54 do elemento tubular e o furo de poço parede, a queda de pressão requerida para bombear o cimento a uma certa vazão através do espaço anular aumenta, o que pode levar a um risco aumentado de fratura da formação em regimes de pressão críticos.

[0039] A estabilização da broca PDC ou ferramenta de fresagem 60 durante a perfuração do tampão de fundo 10 pode ser otimizada da seguinte maneira. Nos métodos descritos acima o elemento blindado 20 é hidraulicamente expandido com o fluido espaçador guiado 56 como um meio de pressão. Consequentemente depois da conclusão do processo de expansão o interior do elemento blindado 20 é cheio com fluido espaçador guiado que pode estar contaminado com algum cimento. A fim de otimizar a estabilização da broca PDC ou ferramenta de fresagem 60 durante a perfuração do tampão de fundo 10 um volume adicional de cimento pode ser bombeado atrás do tampão traseiro 52 para expandir o elemento blindado 20. Uma bola de espuma guiada (não mostrada) pode ser bombeada atrás do cimento, opcionalmente seguida por fluido espaçador guiado. Depois que o tampão traseiro 52 se assentou no furo 48, o processo de instalação é continuado como descrito acima pelo que um meio de pressão usado para a expansão do elemento blindado 20 é cimento e não fluido espaçador guiado ou fluido de perfuração. Durante a expansão do elemento tubular 2 a bola de espuma guiada é bombeada para fora do mandril de tampão 12 para dentro do furo de poço. Assim, depois da cura do cimento o tampão de fundo 10 é envolvido por cimento curado, opcionalmente com cimento curado em excesso acima do elemento blindado 20 para mitigar o risco de danos à broca PDC ou ferramenta de fresagem 60 quando se marca o tampão de fundo 10 e para estabelecer condições ótimas para perfuração- do tampão de fundo 10.

[0040] Além do dito acima, o risco de danos aos cortadores da broca PDC ou ferramenta de fresagem 60 quando da marcação do topo do elemento blindado 20 pode ser ainda mitigado conectando uma curta seção de tubo (não mostrada) de um metal macio, por exemplo cobre, ao topo do elemento blindado 20. A seção de tubo é submetida a deformação plástica devido ao carregamento pelos cortadores PDC deste modo limitando a carga de contato de pico e assim o risco de danos por impacto aos cortadores PDC.

[0041] A operação normal do conjunto 1 quando provido com o tampão de fundo modificado (Fig. 6) é substancialmente similar à operação normal descrita acima. Além da seção de nariz excêntrica 66 do escareador 45 ajudar a impedir a rotação do escareador durante a perfuração do tampão de fundo 10 com a broca PDC 60 ou a ferramenta de fresagem. A luva de ativação 68 impede expansão não intencional do elemento blindado 20 pelo expansor secundário 22 devido a picos de pressão de fluido no canal de fluido 13 antes do tampão traseiro 52 ter assentado na luva de ativação. Quando o tampão traseiro 52 se assenta dentro da luva de ativação 68, o tampão traseiro empurra a luva de ativação para baixo pelo que os pinos de cisalhamento 69 são quebrados e os orifícios de fluxo 38 são liberados. Além do mais, a luva protetora 70 protege a seção de vedação 30 e as seções de ancoragem 26, 28 antes da expansão do elemento blindado 20. Durante a expansão do elemento blindado 20, a luva protetora 70 se move em direção axial afastando-se do elemento blindado 20 junto com a tampa para detritos 42. Desta maneira uma ótima proteção é provida para a seção de vedação 30 e as seções de ancoragem 26, 28 que ficam expostas apenas imediatamente antes do expansor secundário expandir estas seções.

[0042] Referência é ainda feita às Figs. 7, 7a mostrando um corte longitudinal da seção de vedação 30 antes a expansão (Fig. 7) do elemento blindado 20 e depois da expansão (Fig. 7a) do elemento blindado 20. A seção de vedação 30 inclui uma ranhura anular 80 formada na superfície externa do elemento blindado 20, em que as vedações anulares 32, 34 são arranjadas. A ranhura anular define uma seção de espessura de parede reduzida 82 do elemento tubular interno em relação a uma seção restante 84 do elemento blindado 20.

[0043] Os seguintes parâmetros da seção de vedação 30 são referidos em seguida: w = comprimento axial das vedações anulares; s = espaçamento axial entre as vedações anulares; L = espaçamento axial entre a vedação anular e a extremidade axial a mais próxima da ranhura h = espessura radial das vedações anulares; H = profundidade da ranhura; t = espessura de parede da seção restante 84 do elemento blindado; k = profundidade de uma ranhura de desgaste (não mostrada) no elemento tubular 2, por exemplo causada por contato deslizante de uma coluna de perfuração ao longo da superfície interna do elemento tubular 2 durante a perfuração furo de poço; R = raio de arredondamento do expansor secundário 22, sendo o raio, visto em corte longitudinal, de uma seção redonda (não mostrada) na extremidade de grande diâmetro da seção cônica do expansor secundário.

[0044] Valores apropriados para estes parâmetros podem ser baseados nas seguintes características: Valor de dureza Shore A de elastômero de vedações anulares: 70 a 90; - Razão de aspecto de vedações anulares h/w: 3 a 5; - Razão de espaçamento das vedações anulares s/w: 1 a 2; - Razão h/k: > 5; - Razão h/ H: <= 1; - Razão L/ t: > 9; - Razão R/t: < 20.

[0045] As vedações anulares 32, 34 não se projetam fora da ranhura anular 80 e são deste modo protegidas de danos durante a extensão do conjunto 1 dentro do furo de poço. Durante a expansão do elemento blindado 20, a seção de espessura de parede reduzida 82 do elemento blindado é submetida a expansão em excesso que é um fenômeno conhecido e implica que a seção 82 se expanda a um diâmetro interno ligeiramente maior do que o diâmetro máximo do expansor secundário 22. O grau de expansão em excesso depende de vários fatores, tais como, por exemplo, o raio de arredondamento do expansor secundário 22.

[0046] A seção restante 84 do elemento blindado 20 é comprimida contra a superfície interna do elemento tubular 2 durante o processo de expansão, e é deste modo impedida de expansão em excesso. Quando a seção de espessura de parede reduzida 82 sofre expansão em excesso, as vedações anulares 32, 34 são comprimidas contra a superfície interna do elemento tubular 2 e deste modo estabelecem um contato de vedação entre o elemento blindado 20 e o elemento tubular 2. As vedações anulares 32, 34 também contrariam localmente a expansão em excesso da seção 82 de modo que, como resultado, a seção 82 assume um perfil em formato de onda. O perfil em formato de onda define uma câmara 86 na ranhura anular 80 que converge desde a vedação 32 em direção axial A1 (Fig. 7a), uma câmara 88 na ranhura anular 80 que converge desde a vedação 34 em direção axial A2 e uma câmara 90 na ranhura anular 80 entre as vedações 32, 34. Convergência a este respeito significa que a largura radial de cada câmara 86, 88 diminui na direção axial indicada A1, A2.

[0047] Quando o tampão de fundo 10 é submetido a uma pressão de fluido diferencial através da seção de vedação 30 pelo que a pressão de fluido na câmara 86 é mais alta do que na câmara 88, a vedação anular 34 se deforma ligeiramente para dentro da câmara 88. Como resultado a vedação 34 fica mais comprimida e é deste modo autoativadora. Similarmente, quando a pressão de fluido na câmara 88 é mais alta do que na câmara 86, a vedação anular 32 se deforma ligeiramente para dentro da câmara 86. Como resultado a vedação 32 fica mais comprimida e é deste modo autoativadora. O formato das câmaras 86, 88 em combinação com a razão de aspecto das vedações 32, 34 possibilita que a pressão de fluido energize as vedações 32, 34 de modo que a pressão de contato entre as vedações e a superfície oposta de aço é sempre mais alta do que a pressão de fluido aplicada.

[0048] O grau de compressão das vedações 32, 34 pode ser sintonizado com a tensão de compressão desejada sintonizando adequadamente um ou mais dos parâmetros indicados acima. Desta maneira o grau de compressão desejado das vedações 32, 34 pode ser obtido independentemente da força de compressão na qual o elemento blindado 20 é expandido contra o elemento tubular 2, ao contrário da técnica anterior onde o processo de expansão precisa ser realizado a uma razão de expansão muito precisa para impedir danos às vedações.

[0049] A Fig. 8 mostra uma outra aplicação do sistema da invenção. Um revestimento expansível 90 é arranjado em um furo de poço 91 pelo que uma porção superior 92 do revestimento 90 se estende para dentro de uma porção inferior 93 de um revestimento hospedeiro de alta resistência 94. A porção superior 92 é provida com uma seção de vedação 95 incluindo vedações anulares 96, 96a arranjadas em uma ranhura anular 97 formada na superfície externa da porção superior 92. A seção de vedação 95 é similar à seção de vedação 30 descrita aqui acima. Um expansor 98 é movido em direção ascendente através do revestimento 90 de modo a expandir radialmente o revestimento 90 pelo que a porção superior 92 é comprimida contra a superfície interna do revestimento hospedeiro 94. As vedações anulares 96, 96a são deste modo comprimidas contra a superfície interna do revestimento hospedeiro 94 da mesma maneira que a compressão das vedações anulares 32, 34 descrita aqui acima. A deformação do revestimento hospedeiro 94 é pequena a fim de conservar as forças de expansão requeridas dentro de limites aceitáveis. A superfície externa do revestimento 90 pode ser provida com seções de material de fricção (não mostradas) para aumentar a capacidade de ancoragem do revestimento 90 no revestimento hospedeiro 94, mitigando assim qualquer deslocamento deslizante das vedações anulares elastoméricas 96, 96a em relação à superfície de aço do revestimento hospedeiro 94 sob condições de serviço do poço.

[0050] No caso em que a porção superior 92 de revestimento 90 e a porção inferior 93 do revestimento anterior 94 devem ser expandidas simultaneamente pela ação do expansor 98, por exemplo a fim de criar um poço monodiâmetro pelo que o revestimento 90 é expandido até o mesmo diâmetro interno que o revestimento anterior 94, uma seção 99 da parede da porção inferior 93 oposta à ranhura anular 97 é submetida a menos expansão do que a seção de parede restante da porção inferior 93. A seção de parede 99 deste modo assume um perfil em formato de onda que acentua o grau de convergência das câmaras 86, 88 e assim contribui para a ação autoativadora das vedações anulares 96, 96a.

[0051] A elasticidade das vedações elastoméricas em combinação com as altas tensões de compressão geradas nas vedações durante expansão possibilita que irregularidades na superfície interna do elemento tubular externo sejam sanadas. Estas irregularidades podem ser, por exemplo, aspereza ou ranhuras de desgaste do revestimento resultando do processo de fabricação do tubo. Além do mais se o elemento tubular externo é submetido a “balonagem” (isto é, inflação) devido a altas pressões internas, as vedações de elastômero acomodam este efeito em virtude de suas propriedades elásticas.

[0052] Uma pluralidade de vedações anulares descritas acima pode ser aplicada em série em uma ranhura anular relativamente larga ou em ranhuras anulares separadas sobre um conector de vedação de revestimento interno dedicado. Além do mais numerosos destes conectores de vedação de revestimento interno podem ser aplicados em uma coluna de revestimento interno de monodiâmetro pelo que cada conector de vedação de revestimento interno é arranjado em uma seção superposta de dois revestimentos internos interconectados.

[0053] Além disso, verificou-se que a pressão nominal final do sistema de vedação aumenta com o aumento do número de vedações anulares, ou em uma única ranhura anular ou em uma pluralidade de ranhuras anulares arranjadas em série.

[0054] A presente invenção não é limitada às suas modalidades acima descritas, uma vez que várias modificações são concebíveis dentro do escopo de das reivindicações anexas. Por exemplo, características das respectivas modalidades podem ser combinadas.

Claims (14)

1. Sistema para criar uma conexão tubular de vedação em um furo de poço, o sistema compreendendo: - um elemento tubular externo (2); - um elemento tubular interno (20) estendendo-se para dentro do elemento tubular externo (2) e sendo o mesmo adaptado para ser radialmente expandido contra o elemento tubular externo (2) por um cone de expansão (22, 98); - uma ranhura anular (80) definindo uma seção (82) de espessura de parede reduzida do elemento tubular interno (20) em relação a uma seção restante (84) do elemento tubular interno (20), cuja ranhura anular (80) tem extremidades axiais opostas; e, - pelo menos uma vedação anular (32, 34) de material resiliente posicionado na ranhura anular, cada vedação anular (32, 34) tendo uma espessura radial (H), que é inferior ou igual a uma profundidade (K) da ranhura anular (80); - onde a pelo menos uma vedação anular (32, 34) é axialmente espaçada de pelo menos uma das extremidades axiais daquela ranhura (80), caracterizado pelo fato de que a seção (82) de espessura de parede reduzida é adaptada para ser submetida a expansão em excesso induzida pelo cone de expansão (22, 98) de maneira tal que, no estado expandido daquele elemento tubular interno, a ranhura anular (80) tem um perfil em formato de onda que define uma câmara (86, 88) na ranhura anular (80) entre a vedação anular (32, 34) e uma das extremidades axiais que tem uma primeira porção que converge em uma direção axial (A1, A2) a partir daquela vedação anular (32, 34) para a extremidade axial, pelo que a largura radial da câmara axial (86, 88) decresce naquela direção axial, seguida por uma segunda porção que diverge naquela direção axial para a profundidade da ranhura anular (80), pelo que a vedação anular é comprimida contra o elemento tubular externo (2).

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada vedação anular (32, 34) compreende um material de elastômero de dureza entre 70 e 90 Shore A e o perfil em formato de onda tem um formato em W e para cada vedação anular o perfil em formato de W define uma câmara (86, 88) na ranhura anular que converge em direção axial afastando-se da vedação anular.

3. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que, no estado não expandido do elemento tubular interno (20), cada vedação anular (32, 34) tem uma razão de aspecto H/W entre 3 e 5, em que H é uma espessura radial da vedação anular e W é um comprimento axial da vedação anular.

4. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que uma ranhura de desgaste é formada em uma superfície interna do elemento tubular externo causada por contato deslizante de uma coluna de perfuração ao longo da superfície interna daquele elemento tubular; e, no estado não expandido do elemento tubular interno, a razão H/K é maior do que 5, em que H é a espessura radial da vedação anular e K é a profundidade da ranhura de desgaste.

5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o cone de expansão (22, 98) tem uma seção cônica e uma seção redonda na extremidade de grande diâmetro daquela seção cônica, e em que a razão R/T é menor do que 20, por meio de que R é o raio de arredondamento da seção redonda, e T é a espessura de parede daquela seção restante do elemento tubular interno (20).

6. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que cada vedação anular (32, 34) é axialmente espaçada de pelo menos uma daquelas extremidades axiais a um espaçamento L, e em que a razão L/T é maior do que 9, pelo que T é a espessura de parede da dita seção restante do elemento tubular interno (20).

7. Sistema de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que cada vedação anular é arranjada em uma parte central da ranhura anular.

8. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que compreende uma primeira vedação anular (32) e uma segunda vedação anular (34) dentro da ranhura anular (80), com um espaçamento S entre a primeira e a segunda vedações anulares, em que a razão S/W fica entre 1 e 2, pelo que W é o comprimento axial de pelo menos uma dentre a primeira e a segunda vedações anulares.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a primeira e a segunda vedações anulares são idênticas.

10. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que cada vedação anular é ligada à superfície da ranhura anular por vulcanização.

11. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o elemento tubular externo (2) é um revestimento interno ou revestimento de furo de poço expansível.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o elemento tubular interno (20) é um elemento blindado que está incluído em um tampão de fundo (10) de um conjunto para expandir o revestimento de furo de poço ou revestimento interno.

13. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o elemento tubular externo (2) é um revestimento interno ou revestimento de furo de poço superior, e em que o elemento tubular interno (20) é um revestimento interno ou revestimento de furo de poço inferior.

14. Método para criar uma conexão tubular de vedação em um furo de poço, o método compreendendo: - prover um elemento tubular externo (2) e um elemento tubular interno (20) estendendo-se para dentro do elemento tubular externo (2), o elemento tubular interno (20) sendo adaptado para ser radialmente expandido contra o elemento tubular externo (2), em que o elemento tubular interno (20) é provido com uma ranhura anular (80) definindo uma seção (82) de espessura de parede reduzida do elemento tubular interno (20) em relação a uma seção restante (84) do elemento tubular interno (20), cuja ranhura anular (80) tem extremidades axiais opostas; - arranjar na ranhura anular (80) pelo menos uma vedação anular (32, 34) de material resiliente tendo uma espessura radial (H) que é inferior ou igual a uma profundidade (K) da ranhura anular (80); e, - expandir radialmente o elemento tubular interno (20) contra o elemento tubular externo (2) usando um cone de expansão (22, 98) que está posicionado no elemento tubular interno (20), onde a pelo menos uma vedação anular (32, 34) é axialmente espaçada de pelo menos uma das extremidades axiais daquela ranhura (80), caracterizado pelo fato de que a seção (82) de espessura de parede reduzida é adaptada para ser submetida a expansão em excesso induzida pelo cone de expansão (22, 98) de maneira tal que, no estado expandido daquele elemento tubular interno (20), a ranhura anular (80) tem um perfil em formato de onda que define uma câmara (86, 88) na ranhura anular entre a vedação anular e uma das extremidades axiais que tem uma primeira porção que converge em uma direção axial (A1, A2) a partir da vedação anular para a extremidade axial, pelo que a largura radial da câmara axial decresce naquela direção axial, seguida por uma segunda porção que diverge naquela direção axial (A1, A2) para a profundidade da ranhura anular (80), pelo que a vedação anular (32, 34) é comprimida contra o elemento tubular externo (2).

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