BR112018016134B1

BR112018016134B1 - Ferramenta de perfuração

Info

Publication number: BR112018016134B1
Application number: BR112018016134-9A
Authority: BR
Inventors: Werner Vorhoff
Original assignee: Smart Drilling GmbH
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2022-12-06
Also published as: RU2018129157A3; RU2018129157A; CA3013985C; AU2017217560A1; SA518392166B1; DE102016001779A1; EP3414419B1; DE112017000691A5; CN109790741A; CN109790741B; EP3414419A1; RU2722611C2; US20190085640A1; MX2018009671A; US10914119B2; CA3013985A1; WO2017137026A1; AU2017217560B2; BR112018016134A2

Abstract

A invenção refere-se a uma ferramenta de perfuração de baixa manutenção e operação segura para operação contínua tranquila para cavar furos em formações rochosas subterrâneas, especificando um perfil de direção selecionável para o furo de sondagem através de um alojamento tubular, que pode ser acoplado a uma coluna de tubo de revestimento não rotativo na extremidade superior da mesma, de um acionador de eixo de cinzel, preferivelmente circulando no alojamento e com uma broca de perfuração rotativa na extremidade da mesma se projetando para fora do alojamento, uma pluralidade de dispositivos de tensionamento suportados no alojamento para gerar forças direcionais com componentes de força radialmente alinháveis para alinhamento da ferramenta de perfuração durante a operação de perfuração, em que os dispositivos de tensionamento têm peças de tensionamento arranjadas pelo menos em um plano de tensionamento e que são radialmente móveis para fora e para dentro e podem preferencialmente ser rebaixadas nas ranhuras do alojamento de uma maneira tipo blindagem e são distribuídas pela circunferência, cuja mobilidade é controlada por temperatura.

Description

Descrição

[001] A invenção refere-se a uma ferramenta de perfuração de baixa manutenção operacionalmente confiável para operação contínua ininterrupta para a cavação de furos em formações rochosas subterrâneas com especificação de uma direção selecionável para o furo do poço, a referida ferramenta de perfuração compreendendo um alojamento tubular rotativo, um eixo de acionamento de broca, que preferencialmente roda no alojamento e porta uma broca de perfuração rotativa na extremidade do referido eixo de acionamento de broca que sobressai do alojamento, uma pluralidade de dispositivos de escoramento arranjados no alojamento para gerar forças de direcionamento tendo componentes de força radialmente alinháveis com a finalidade de alinhar a ferramenta de perfuração durante uma operação de perfuração, e um método para controlar a perfuração em poços profundos.

[002] Perfuração direcional é o termo usado, incluindo na invenção, para métodos de perfuração que permitem que a direção de um furo seja influenciada. A perfuração direcionada é obtida usando sistemas de perfuração direcional, tal como a combinação de motor abaixo do furo/conexão dobrada de imersão ou sistemas de perfuração direcionados automaticamente, conhecidos como sistemas RSS (sistemas rotativos direcionáveis). Esses sistemas permitem que os trajetos do furo do poço sejam direcionados em qualquer direção. Para isso, os valores de inclinação e direção são medidos e, se necessário, são feitas correções na direção e/ou inclinação. Ajustes de inclinação e direção requerem forças que afetam essas mudanças. Essas forças são geradas hidraulicamente, eletricamente, mecanicamente ou pneumaticamente. A geração dessas forças é tecnicamente complexa e dispendiosa e deve ser capaz de resistir a todas as condições adversas encontradas durante a perfuração. Um método simples de gerar a força necessária para implementar as operações de direcionamento durante a perfuração tornaria a perfuração direcional ainda mais confiável e mais econômica e abriria muitas novas áreas de aplicação.

[003] Métodos e sistemas para a produção de um furo do poço e dispositivos para perfuração profunda orientada para o trajeto em formações geológicas são conhecidos na técnica anterior. Desvios de ferramentas de perfuração convencionais a partir de uma direção especificada podem ser causados, por exemplo, por formações geológicas inomogêneas ou anisotrópicas, a configuração da ferramenta de perfuração, torque, etc.

[004] Por exemplo, é conhecido um método convencional de perfuração direcionada em sítios de perfuração fora da costa, mais particularmente, um dispositivo para alcançar um conjunto de tubo protetor desviado, no qual o tubo protetor é composto de segmentos individuais, uma seção defletida é soldada em um ângulo extremidade distal do tubo protetor de outra forma reta, e o tubo protetor é encaminhado através de uma guia alinhada verticalmente; a conexão dobrada é então mantida ou posicionada na orientação desejada e, finalmente, o tubo protetor com a deflexão é conduzido para dentro do substrato e o tubo protetor é movido lateralmente de seu ponto de entrada no substrato para sua posição defletida final. Embora o método convencional permita a deflexão com uma curvatura e um alinhamento desejados para facilitar a perfuração direcional do furo do poço nos substratos em um local de perfuração fora da costa, o método não é adequado para perfuração profunda contínua, pois as seções defletidas devem ser soldadas ao tubo protetor para deflexão das seções defletidas acima do solo, necessitando de uma interrupção das operações de perfuração. O método convencional tem a desvantagem adicional de que a broca de perfuração rotativa pode ser controlada apenas a partir do exterior, a partir de uma console de controle.

[005] Um outro método convencional refere-se à produção de um furo do poço em uma formação geológica usando um conjunto de perfuração que compreende uma coluna de perfuração que se estende até o furo do poço, também chamado de coluna do tubo de perfuração, e um motor que opera abaixo do poço e inclui um alojamento e um eixo de acionamento para acionar a cabeça de perfuração. O eixo de acionamento está inclinado em relação ao eixo longitudinal da parte inferior da coluna de perfuração, e o alojamento do motor é conectado à parte inferior da coluna de perfuração, de modo que o alojamento do motor seja capaz de rodar em torno do eixo longitudinal. O referido conjunto de perfuração compreende ainda meios de controle convencionais para controlar a rotação do alojamento do motor em torno do referido eixo longitudinal em relação à coluna de perfuração. No método convencional, é usado um motor abaixo do poço, que possui um alojamento com uma conexão dobrada ajustável; durante a perfuração direta, a conexão dobrada é ajustada para um ângulo de dobra de zero, enquanto que durante a perfuração da curva, a conexão dobrada é ajustada para um ângulo de dobra correspondente à curvatura de furo do poço desejada. Antes que a seção do furo do poço curvada possa ser perfurada, como uma das desvantagens adicionais do método convencional, a operação de perfuração deve ser interrompida para que o alojamento do motor possa ser girado em relação à coluna de perfuração por um número selecionado de incrementos de ângulo, movendo o alojamento do motor na direção azimutal desejada.

[006] Outro conjunto de perfuração convencional, que compreende uma mesa rotativa, uma coluna de perfuração, um primeiro motor abaixo do poço tendo um eixo de saída inclinado, e um alojamento conectado a um eixo de saída de um segundo motor, procura produzir a conexão dobrada de um trajeto do furo do poço controlando dois motores. O segundo motor pode ser seletivamente autorizado a girar em relação à coluna de perfuração durante a perfuração de uma seção do furo do poço reta, ou pode ser travado na coluna de perfuração durante a perfuração de uma seção do furo do poço curvada. Antes de iniciar a perfuração da seção curva, a mesa rotativa é usada para alinhar a coluna de perfuração de modo que o eixo de saída esteja apontando na direção desejada. Esses métodos são caracterizados pelo alto esforço de controle e complexidade do conjunto de perfuração como tal, e o sucesso adequado da perfuração profunda direcional usando esses métodos é questionável.

[007] Também proposto para perfuração direcional convencional é um dispositivo que tem uma excentricidade para efetuar curva. Tradicionalmente, durante a perfuração direta, a parte tendo a excentricidade gira a uma velocidade angular constante, de modo que o efeito de excentricidade seja perdido. Ao fazer a transição para a perfuração curva, a parte tendo a excentricidade é parada em uma certa posição angular por um certo período de tempo e permanece nessa posição angular até que o trajeto curvo seja concluído ou enquanto o trajeto curvo especificado é mantido. Então, se a cabeça de perfuração se afastar da trajetória pretendida, a posição angular deve ser corrigida até que a curva de perfuração seja atingida novamente e a cabeça de perfuração deva ser restabelecida para a trajetória. Ao longo de uma curva mais longa, portanto, a posição angular da cabeça de perfuração deve ser tipicamente posicionada várias vezes. As desvantagens do método convencional envolvem não apenas a dispendiosa interrupção das operações de perfuração necessárias para posicionar a cabeça de perfuração, mas também a significativa ampliação do furo do poço e o alto uso de energia. Também deve ser considerado o alto número de requisitos de direcionamento que devem ser observados e monitorados durante a formação de curvas.

[008] É conhecido no estado da técnica um sistema de perfuração rotativa direcionável, que tem dispositivos de escoramento arranjados lateralmente no alojamento externo do sistema de perfuração rotativa. Os dispositivos de escoramento consistem em uma pluralidade de elementos de escoramento, cada um composto de duas partes articuladas entre si. Uma extremidade destacada de cada elemento de escoramento de duas partes é acoplada ao alojamento externo, e a outra extremidade destacada de cada elemento de escoramento de duas partes é guiada movelmente por meio de um mecanismo deslizante ao longo do alojamento externo, longitudinalmente ao eixo longitudinal do alojamento externo. O mecanismo de deslizamento é conectado a um filamento de uma liga com memória de forma (SMA), que é aquecida por uma aplicação de energia elétrica, fazendo com que ela se mova da sua posição neutra para a sua posição defletida, isto é, sua posição operacional. Na posição operacional, o mecanismo deslizante é movido para a extremidade destacada dos elementos de escoramento, encurtando a distância entre as duas extremidades destacadas dos elementos de escoramento. Este encurtamento faz com que os elementos de escoramento se angulem radialmente para fora com uma redução no ângulo formado pelos dois elementos de escoramento do dispositivo de escoramento, e para mover da sua posição inicial estendida para a sua posição final angulada com o propósito de gerar forças de direcionamento.

[009] No entanto, devido ao uso de filamentos de ligas com memória de forma (SMA), o sistema de perfuração rotativa convencional envolve a desvantagem de que, com o aumento do número de transições do mecanismo de deslizamento da posição neutra para a posição operacional e de volta para a posição neutra , os filamentos de ligas com memória de forma retêm cada vez mais o alongamento residual em sua posição neutra, de modo que à medida que o número de transições aumenta, não apenas a desvantagem do alongamento residual ocorre, a desvantagem adicional de um aumento na extensão do alongamento residual também se torna cada vez mais aparente.

[0010] Devido ao alongamento residual dos filamentos de ligas com memória de forma (SMA), o mecanismo de deslizamento não retornará mais completamente à sua posição neutra desejada e, como resultado, os elementos de escoramento permanecerão parcialmente angulados na posição inicial e não poderão mais atingir sua posição inicial estendida original. Como os elementos de escoramento permanecem inclinados na posição inicial, o alinhamento do sistema de perfuração rotativa de acordo com as especificações pré-estabelecidas é compreensivelmente significativamente prejudicado. Além disso, a intervenção externa na capacidade articulação dos dispositivos de escoramento, como é típico com a ocorrência de alongamento residual de ligas com memória de forma convencional (SMA), não é possível.

[0011] Além disso, esta técnica anterior desconsidera a desvantagem adicional de sistemas de perfuração rotativos convencionais que como o número de transições do mecanismo deslizante atuado pelos filamentos de ligas com memória de forma (SMA) da sua posição neutra para sua posição operacional e de volta para sua posição neutra aumenta, o alongamento residual, a extensão do alongamento residual aumenta constantemente, de modo que o grau de angulação dos elementos de escoramento um em relação ao outro aumenta de forma constante e, como consequência, a diminuição do ângulo formado pelos dois elementos de escoramento do dispositivo de escoramento também aumenta. E esta desvantagem não pode ser compensada atuando sobre elementos de escoramento de dispositivos de escoramento adjacentes para fazer as correções necessárias na direção e inclinação e assim avançar o processo de perfuração com o sistema de perfuração rotativa convencional em uma direção predefinida, uma vez que os elementos de escoramento adjacentes em questão também apresentam alongamento residual como uma desvantagem, devido aos seus filamentos feitos de ligas com memória de forma (SMA).

[0012] As consequências para o sistema de perfuração rotativa convencional da perda de alinhamento e capacidade de controle dos dispositivos de escoramento incluem, não apenas o dispendioso recuo, substituição e reintrodução do referido sistema de perfuração, mas também a interrupção da perfuração e o dispendioso desligamento do sistema de perfuração.

[0013] O objetivo da invenção é, portanto, proporcionar uma ferramenta de perfuração perpetuamente direcionável, cujos dispositivos de escoramento podem ser movimentados de forma confiável com os elementos de ancoragem para a posição inicial e a posição final sem que a magnitude dos elementos de ancoragem radialmente para fora seja negativamente impactada.

[0014] O objetivo é ainda proporcionar uma ferramenta de perfuração que não requer monitoramento adicional da articulação dos elementos de ancoragem.

[0015] A ferramenta de perfuração a ser fornecida também não deve exigir qualquer meio de monitoramento adicional, mantendo assim os custos de produção e manutenção baixos durante as operações de perfuração contínuas.

[0016] Além disso, em vista das duras condições de perfuração encontradas em grandes profundidades, a solidez da ferramenta de perfuração não deve ser limitada pelo controle limitado da mesma.

[0017] Esta técnica anterior também ignora a desvantagem adicional do sistema de perfuração rotativa convencional que inclui os filamentos feitos de ligas com memória de forma (SMA) para atuar os elementos de ancoragem através do mecanismo de deslizamento, embora os elementos de fixação possam ser movidos da posição neutra para a posição operacional por meio dos filamentos, desde que não haja alongamento residual, os elementos de ancoragem não são capazes de articular apenas uma distância predefinida para a posição operacional, uma vez que as ligas com memória de forma (SMA) permitam que se movam apenas para duas posições, e não permanecer por longos períodos em um estado predefinido.

[0018] Portanto, tendo em vista a necessidade de capacidade de alinhamento a grandes profundidades de acordo com as especificações de inclinação e/ou azimutal, a ferramenta de perfuração a ser fornecida deve também permitir que a extensão da capacidade de articulação dos elementos de ancoragem seja especificada.

[0019] O sistema de perfuração rotativa convencional também tem a desvantagem de, devido à estrutura cristalina interna da liga de memória de forma (SMA), quando os filamentos de liga com memória de forma (SMA) que fazem com que os elementos de escoramento controlados pelo mecanismo deslizante articulem para fora e para dentro suavemente, os filamentos não podem executar nenhum trabalho e, como resultado, a transição dos elementos de ancoragem da posição operacional para a posição neutra permanece incompleta ou é pelo menos dificultada.

[0020] Uma ferramenta de perfuração é, por conseguinte, também, para ser proporcionada, os elementos de ancoragem dos quais são capazes de retornar de forma confiável, sem impedimentos e carregados por força, da sua posição final articulada para fora para a sua posição inicial.

[0021] Do mesmo modo conhecido na técnica anterior para os habilitados na técnica uma ferramenta de perfuração convencional que tem elementos de ancoragem que podem ser estendidos para fora, a extensão dos referidos elementos de ancoragem sendo controlada hidraulicamente. Os elementos de ancoragem são acoplados ou conectados aos pistões dos conjuntos pistão-cilindro; os cilindros são conectados via linhas a conjuntos de pistão-cilindro controlados magneticamente, de modo que a solução hidráulica nas linhas faz com que os elementos de ancoragem se movam radialmente para fora. No entanto, esta ferramenta de perfuração convencional tem a desvantagem de complexidade estrutural, uma vez que a ferramenta de perfuração convencional tem uma pluralidade de conjuntos pistão-cilindro que aplicam força ao fluido hidráulico por meio dos pistões atuados magneticamente, e com a ajuda de pistões adicionais são capazes para forçar os elementos de ancoragem para fora. Da mesma forma, é evidente que quanto mais unidades e linhas de pistão-cilindro da mesma forem encontradas na ferramenta de perfuração, maior será a quantidade de monitoramento que poderia ser evitada e menor a solidez desejada da ferramenta de perfuração para atender às demandas de perfuração direcional profundida.

[0022] Uma ferramenta de perfuração é, portanto, também fornecida para reduzir o número de componentes além dos requeridos para alinhamento e direção, e fornecerá um grau suficiente de solidez para operação contínua durante a perfuração direcional profunda.

[0023] O dispositivo para gerar pulsos de pressão conhecidos na técnica anterior também não resolve o problema de fornecer uma ferramenta de perfuração sólida e fácil de operar, já que este dispositivo convencional é direcionado apenas para evitar a turbulência no fluxo de fluido de perfuração em uma ferramenta de perfuração para evitar comprometimentos de desempenho e eficiência. Embora no dispositivo convencional, um gerador, incluindo um dispositivo de armazenamento, uma embreagem e um rolamento de um eixo impulsor, esteja localizado dentro de um alojamento que se estende de forma axial, que é preenchido com óleo e forma um interstício anular cilíndrico oposto ao tubo de perfuração, e o fluido de perfuração para acionar o impulsor passa pelo interstício anular, e um tanque compensador de pressão com pistão de compensação, que é atuado pelo fluido de perfuração, está localizado acima de um reservatório de fluido no alojamento, essa técnica anterior ignora a necessidade de fornecer uma perfuração ferramenta com dispositivos de escoramento extremamente firmes que são móveis confiáveis e podem ser articulados em duas posições.

[0024] Para solidez, a ferramenta de perfuração deve ser fácil e confiável e deve ter dispositivos de escoramento com elementos de ancoragem, que, apesar de múltiplos ciclos, sempre permitem de forma confiável não apenas a articulação desejada da posição inicial para a posição final e vice-versa, mas também o necessário grau de giro, por exemplo, na posição final.

[0025] É também evidente da técnica anterior que a multiplicidade de componentes requeridos pelo dispositivo convencional requer um alto nível de manutenção para o dispositivo convencional.

[0026] Além disso, a perfuração direcional contínua de acordo com as especificações de inclinação e/ou azimutal torna-se mais complicada tanto pelo monitoramento constante das válvulas solenoides quanto pelo funcionamento da mesma e pelo monitoramento da posição dos pistões na posição final e na posição inicial.

[0027] O funcionamento sem problemas das válvulas solenoides não garante um funcionamento sem problemas dos pistões. O dispositivo convencional inclui, por conseguinte, a desvantagem adicional de uma grande quantidade de esforço gasto monitorando os vários componentes móveis e o estado operacional dos mesmos.

[0028] Além disso, os muitos componentes que são necessários reduzem, de maneira desvantajosa, os intervalos de manutenção para o dispositivo convencional, tornando dispendioso a sua operação.

[0029] A experiência também mostrou que a perfuração profunda requer uma ferramenta de perfuração sólida com componentes que não são propensos a falhas, de modo que a interação entre as válvulas solenoides e sua cooperação com os dispositivos de escoramento sejam prejudicadas.

[0030] Adicionalmente, o dispositivo convencional não se mostrou adequado para limitar o grau de extensão dos elementos de ancoragem a partir da posição inicial, embora seja desejável controlar o grau de deflexão para fora dos elementos de ancoragem dependendo da localização, por exemplo, dependendo da formação rochosa.

[0031] Outros métodos e dispositivos convencionais para perfuração direcional propõem a colocação de almofadas de preensão carregadas por força contra a parede do furo do poço, cujas almofadas podem ser forçadas radialmente para fora quando atuadas pela pressão gerada pelos pistões localizados nos lados internos das almofadas. A pressurização dos pistões é efetuada por uma bomba com cilindro rotativo de múltiplos pistões axial anular, cujo cilindro rotativo anular é girado seletivamente, controlado por um acoplamento, que remove a força do eixo através de um acoplamento Oldham. Este dispositivo também requer o monitoramento máximo do processo tanto da operação da bomba com cilindro rotativo de múltiplos pistões axial no controle das várias almofadas de preensão. Como o método convencional leva a uma expansão significativa do monitoramento das operações de perfuração, é aconselhável pelo menos o controle simultâneo por meio de um console de controle acima do solo.

[0032] O objetivo da invenção é proporcionar uma ferramenta de perfuração na qual o desenho estrutural das ferramentas é grandemente simplificado.

[0033] Além disso, o direcionamento da ferramenta de perfuração, por exemplo, tanto do ponto de vista da inclinação quanto do ponto de vista do azimute, deve ser possível sem grandes esforços de manutenção, de modo que a perfuração direcional contínua seja fornecida.

[0034] Além disso, o controle da ferramenta de perfuração a ser fornecida deve ocorrer em tempo quase real, o que significa que mesmo uma ligeira exigência de conexão dobrada ou um desvio do furo do poço das especificações predefinidas é levado em consideração no local, subterrâneo, por meio do dispositivo de controle instalado no alojamento, sem a necessidade de controle externo ou intervenção do solo.

[0035] Além disso, o sistema de direcionamento integrado à ferramenta de perfuração deve ser simples e distinguido pelo uso de menos partes mecânicas do que nos dispositivos e métodos convencionais, para garantir uma ferramenta de perfuração sólida e operação contínua durante a perfuração profunda direcional, pouco propensa à falha.

[0036] A ferramenta de perfuração a ser fornecida também deve ser caracterizada por um alto nível de eficiência e deve oferecer perfuração direcional controlada por curso fora da costa em grandes profundidades.

[0037] Além disso, os intervalos entre a manutenção da ferramenta de perfuração a ser fornecida devem ser aumentados substancialmente para permitir que a perfuração direcional seja realizada de forma econômica no subterrâneo.

[0038] Além disso, a duração operacional da ferramenta de perfuração deve ser aumentada substancialmente, a fim de reduzir economicamente a quantidade de material de substituição necessária e a frequência com que a ferramenta de perfuração deve ser recuada.

[0039] Finalmente, a transmissão de dados adquiridos pelos sensores de medição localizados na ferramenta de perfuração deve exigir um desenho compacto e econômico da ferramenta de perfuração e deve garantir a transmissão de dados de baixo consumo e baixa energia e garantir a transmissão sem defeito de dados.

[0040] Os objetivos são atingidos pela reivindicação principal e pela reivindicação independente subsidiária, com as reivindicações dependentes relativas a modalidades e aperfeiçoamentos preferidos da invenção.

[0041] A invenção atinge os objetivos gerando diferenças de temperatura. Um aumento de temperatura leva à expansão de materiais, sólidos, líquidos, como fluido hidráulico e gases. Cada expansão limitada resulta em uma geração de força, que pode ser usada para fins de controle. A combinação de aumento de temperatura e resfriamento permite que os processos de controle sejam executados. Além disso, esta geração de força é tecnicamente simples, e o número substancialmente menor de componentes torna a perfuração direcional com tal equipamento economicamente mais vantajosa.

[0042] A invenção refere-se a uma ferramenta de perfuração de baixa manutenção, operacionalmente confiável para operação contínua livre de interrupção para a cavação de furos em formações rochosas subterrâneas com especificação de um trajeto direcional selecionável ou pré-estabelecido do furo do poço, o referido dispositivo tendo um alojamento tubular, vantajosamente rotativo, um eixo de acionamento de broca, preferencialmente giratório, isto é rotativo, no alojamento, e portar ou capaz de portar na sua extremidade inferior, que se projeta do alojamento, uma broca de perfuração rotativa, com uma extremidade superior do eixo de acionamento de broca sendo acoplável a uma coluna de tubo de perfuração preferencialmente rotativa, pelo menos um, e preferivelmente uma pluralidade de dispositivos de escoramento operáveis eletricamente, arranjados no alojamento, e tendo meios de atuação para gerar forças de direcionamento tendo componentes de força radialmente alinháveis com a finalidade de alinhar a ferramenta de perfuração durante uma operação de perfuração, e um dispositivo de controle para controlar os dispositivos de escoramento e os meios de atuação dos mesmos; que é caracterizado pelo fato de que os dispositivos de escoramento incluem elementos de ancoragem arranjados pelo menos ao longo de um plano de escoramento, que são móveis radialmente para fora e para dentro e podem ser retraídos tipo blindagem em ranhuras ou rebaixos no exterior do alojamento, e são distribuídos sobre a circunferência do mesmo; a mobilidade dos referidos elementos de ancoragem sendo controla por temperatura, os meios de atuação são acoplados aos elementos de ancoragem, os meios de atuação, preferencialmente concretizados como conjuntos pistão-cilindro, contêm pelo menos um meio de pressão, os meios de atuação podem ser operados ativando pelo menos um meio de pressão termoexpansível, o meio de pressão compreendendo um sólido, um gás e/ou um líquido, o material sólido, em particular, tem um coeficiente de expansão linear α a 20°C de 1,5 a 30,0 x 10-6K-1, ou α em 10-6K-1 de 1,5 a 30,0 a 20°C, e/ou o líquido tem um coeficiente de expansão de volume Y a 18°C de 5,0 a 20,0 x 10-4K-1, ou Y em 10-3K-1 de 0,5 a 2,0 a 18°C.

[0043] Um outro assunto da invenção é direcionado a um método para perfuração direcional controlada por trajeto em camadas subterrâneas profundas usando a ferramenta de perfuração de baixa manutenção, operacionalmente confiável para operação contínua ininterrupta para a cavação de furos em formações rochosas subterrâneas, onde os dados, em particular variáveis medidas, por exemplo, dados de posição, adquiridos por sistemas sensores de um dispositivo de controle, são encaminhados para o processador eletrônico de valor medido do dispositivo de controle, no processador de valor medido, os dados são alimentados para uma malha de controle, preferencialmente para controle multivariado, no processador de valor medido, os dados, em particular dados de posição, na forma de variáveis medidas ou variáveis de controle, são comparados com valores nominais armazenados no processador de valores medidos como valores alvo, e no caso de desvios dos valores alvo especificados, variáveis de saída modificadas ou variáveis manipuladas são encaminhadas como sinais do dispositivo de controle para um comutador, em particular para um comutador liga/desliga, com o propósito de aplicar temperatura ao meio de pressão, ou a um regulador para a aplicação infinitamente variável de temperatura de acordo com as especificações ao meio de pressão nos dispositivos de escoramento, fornecendo energia elétrica aos dispositivos de aquecimento dos mesmos.

[0044] Um outro assunto da invenção refere-se ao uso da ferramenta de perfuração, compreendendo um alojamento tubular, vantajosamente rotativo, um eixo de acionamento de broca, que preferivelmente gira, isto é, rotativo, no alojamento e que porta ou é capaz de portar uma broca de perfuração rotativa na sua extremidade inferior, que sobressai do alojamento, uma broca de perfuração rotativa, com uma extremidade superior do eixo de acionamento de broca sendo acoplável a uma coluna de tubo de perfuração preferencialmente rotativa, pelo menos um e, preferencialmente, uma pluralidade de dispositivos de escoramento operados eletricamente, arranjados no alojamento, para gerar forças de direcionamento tendo componentes de força radialmente alinháveis com a finalidade de alinhar a ferramenta de perfuração durante uma operação de perfuração, os referidos dispositivos de escoramento tendo meios de atuação; e um dispositivo de controle para controlar os dispositivos de escoramento e os meios de atuação dos mesmos; os dispositivos de escoramento incluindo elementos de ancoragem arranjados pelo menos em um plano de escoramento e distribuídos ao longo da circunferência do alojamento externo, que são móveis radialmente para fora e para dentro e podem ser retraídos preferencialmente em ranhuras ou rebaixos no exterior do alojamento, a mobilidade dos referidos elementos de ancoragem sendo controlada por temperatura, os meios de atuação sendo acoplados aos elementos de ancoragem, os meios de atuação, preferencialmente concretizados como conjuntos pistão-cilindro, contendo pelo menos um meio de pressão, e os meios de atuação sendo operáveis ativando pelo menos um meio de pressão termoexpansível, o meio de pressão compreendendo um sólido, um gás e/ou um líquido, para operação contínua ininterrupta, vantajosamente em perfuração direcional profunda, para cavar furos em formações rochosas subterrâneas, especialmente em grandes profundidades, com especificação de uma direção selecionável para o furo do poço.

[0045] A ferramenta de perfuração de baixa manutenção, operacionalmente confiável de acordo com a invenção compreende um alojamento tubular, também chamado de alojamento externo. Em uma modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, a extremidade superior do eixo de acionamento de broca que fica voltado para fora da broca de perfuração rotativa pode ser acoplada à coluna do tubo de perfuração convencional, também denominada coluna de perfuração, de uma maneira conhecida por uma pessoa habilitada na técnica. Em uma modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, o eixo de acionamento de brocas pode ser acoplado, por exemplo, rotativamente, à coluna do tubo de perfuração caso em que um acionamento, por exemplo, um acionamento operado hidráulica e/ou eletricamente, localizado no alojamento da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, provoca o movimento rotativo ou revolução do eixo de acionamento de broca montado de modo rotativo no alojamento e/ou a coluna do tubo de perfuração é acoplada de forma fixa ao alojamento da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção. Em outra modalidade da ferramenta de perfuração da invenção, o eixo de acionamento de broca pode ser acoplado de modo fixo à coluna de tubo de perfuração, de modo que a coluna de tubo de perfuração montada rotativamente no alojamento da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção também seja capaz de colocar o eixo de acionamento de broca, montado rotativamente no alojamento, em movimento rotativo ou revolução.

[0046] Para as finalidades da invenção, um acoplamento fixo pode também ser entendido como o bloqueio de dois componentes um ao outro sem movimento relativo entre os mesmos.

[0047] Pelo menos um, e preferivelmente uma pluralidade de dispositivos de escoramento, alinhados pelo menos ao longo de um plano de escoramento, são arranjados distribuídos na direção de rotação ao redor do alojamento ou ao redor da circunferência no alojamento externo. Os dispositivos de escoramento podem ser ativados eletricamente na medida em que os dispositivos de escoramento ou partes dos mesmos, tais como, os seus meios de atuação, podem ser aquecidos. Os dispositivos de escoramento para gerar forças de direcionamento que têm componentes de força radialmente alinhaváveis para o alinhamento da ferramenta de perfuração compreendem elementos de ancoragem que podem ser movidos radialmente para fora e para dentro, também chamados de nervuras de direcionamento, travessas de direção ou sapatas de direção, etc.

[0048] A invenção também é baseada no princípio de fornecer o menor número possível de partes móveis necessárias para a perfuração direcionada usando a ferramenta de perfuração, mesmo em grandes profundidades; os dispositivos de escoramento podem assim ter meios de atuação, os meios de atuação, como parte dos dispositivos de escoramento, sendo capazes de gerar forças de direcionamento, que têm componentes de força radialmente alinháveis para o alinhamento da ferramenta de perfuração durante as operações de perfuração, e que podem ser transmitidas para os elementos de ancoragem, também chamados de nervuras de direcionamento, que são acopladas aos meios de atuação, de modo que os elementos de ancoragem sejam capazes de se mover de sua posição inicial para sua posição final e de volta para a posição inicial; as forças de direcionamento podem ser geradas como um resultado da expansão térmica provocada pelo aquecimento, por ação nos meios de atuação sob a forma de aquecimento dos meios de atuação ou partes dos mesmos. O movimento dos elementos de ancoragem e dos meios de atuação ou partes dos mesmos a partir da posição final para a posição inicial pode ser gerado diminuindo a temperatura e/ou por meio de forças de direcionamento que atuam na direção oposta. A atuação dos dispositivos de escoramento, por exemplo, para a aplicação de temperatura, para diminuir a temperatura, etc., é realizada por meio do dispositivo de controle localizado dentro do alojamento, que pode ser controlado externamente a partir de um centro de controle e/ou por meio de malhas de controle implementadas no mesmo. Uma aplicação de temperatura para os fins da invenção pode ser entendida como um aumento de temperatura, por exemplo, aquecimento por meio de um dispositivo de aquecimento, ou como um decréscimo de temperatura, por exemplo, resfriamento. A ferramenta de perfuração de acordo com a invenção é caracterizada por uma construção sólida e resiliente, que é, no entanto, de baixa manutenção e operacionalmente confiável durante a operação contínua, em contraste com a técnica anterior.

[0049] Os elementos de ancoragem podem ser colocados, carregados por força, contra a parede do furo do poço, doravante referida simplesmente como a parede do furo do poço, ou seja, podem ser movidos para fora de sua posição inicial ou para longe do alojamento ou alojamento externo, em direção à parede do furo do poço e em uma posição final preferencialmente definida ou predeterminada. Na transição da posição inicial para a posição final, os elementos de ancoragem podem ser colocados contra a parede do furo do poço, inclinados em relação ao alojamento externo ou ao eixo de acionamento de broca, em que os meios de atuação são colocados, controlados por temperatura e carregados por força, pelo menos contra uma extremidade dos elementos de ancoragem, ou estão acoplados aos mesmos. Os elementos de ancoragem podem, do mesmo modo, ser movidos para fora, paralelos ao alojamento externo ou ao eixo de acionamento de broca, a partir da sua posição inicial ou afastados do alojamento ou do alojamento externo e na direção da parede do furo do poço, para uma posição final preferencialmente definida ou predeterminada, em cujo caso os meios de atuação são colocados, controlados por temperatura e carregados por força, contra ambas as extremidades dos elementos de ancoragem ou são acoplados aos mesmos com a finalidade de deslocar os elementos de ancoragem em paralelo. É também possível que uma extremidade dos elementos de ancoragem seja articulada ao alojamento externo, enquanto a outra extremidade dos elementos de ancoragem é acoplada aos meios de atuação de modo que, quando é aplicada uma temperatura aos meios de atuação, a ancoragem elementos em sua posição final formem um ângulo de 90° ou menos com o eixo de acionamento de broca; o vértice deste ângulo pode estar voltado para a direção da, o contrário à broca de perfuração rotativa.

[0050] Os elementos de ancoragem são recuados da posição final preferencialmente definida para a posição inicial, no ou sobre o alojamento externo da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, como um resultado de uma diminuição na temperatura do meio de pressão. Para as finalidades da invenção, selecionável também pode ser entendido como significando que o trajeto direcional ou os movimentos da ferramenta de perfuração pode(m) ser especificado(s) ou predefinido(s) do lado de fora, por exemplo, de um centro de direção ou controle acima do solo, por exemplo, substituindo os valores nominais armazenados como valores alvo no processador de valores medidos, e/ou por meio dos valores nominais armazenados como valores alvo no processador de valores medidos.

[0051] Os elementos de ancoragem são retraídos ou estendidos gerando diferenças de temperatura em um meio de pressão. Para as finalidades da invenção, um meio de pressão é entendido como um material sólido, também chamado um sólido, um gás e/ou um líquido, por exemplo, glicerol, fluido hidráulico ou óleos hidráulicos, que são caracterizados de acordo com especificações pré-estabelecidas por uma expansão do material, por exemplo, uma expansão linear, ou por uma expansão do líquido e do gás, por exemplo, uma expansão de volume, gerada pelo aquecimento, e também por uma redução na expansão linear ou expansão de volume do meio de pressão induzida por uma diminuição na temperatura.

[0052] Um aumento na temperatura do meio de pressão faz com que o meio de pressão se expanda. Cada, por exemplo, expansão limitada conduz a uma geração de força que pode ser usada com a finalidade de direcionar a ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, juntamente com os seus dispositivos de escoramento e os elementos de ancoragem dos mesmos. Quando o meio de pressão é aquecido, os elementos de ancoragem podem ser colocados, carregados por força, contra a parede do furo do poço como resultado da transição dos referidos elementos de ancoragem da sua posição inicial para a posição final, e quando a temperatura do meio de pressão é diminuída, os elementos de ancoragem podem ser recuados, novamente como resultado da transição dos referidos elementos de ancoragem da sua posição final para a posição inicial.

[0053] Além disso, utilizando a expansão controlável e dependente da temperatura do meio de pressão, a quantidade de força aplicada aos elementos de ancoragem contra a parede do furo do poço pode ser controlada com vantagem, como detalhado abaixo. A ferramenta de perfuração de acordo com a invenção proporciona assim elementos de ancoragem como parte dos dispositivos de escoramento, que são capazes de articular uma distância pré- estabelecida da posição inicial para a posição final, mas também de manter, a grandes profundidades, de acordo com as especificações exigidas para inclinação e/ou azimute, o grau de extensibilidade continuamente variável, ou seja, deslocamento paralelo ou capacidade de articulação, dos elementos de ancoragem de acordo com estas especificações, sem fadiga ou limitação.

[0054] Em uma modalidade adicional da ferramenta de perfuração da invenção, o elemento de ancoragem pode ser acoplado na sua extremidade oposta que fica voltada em direção contrária da broca de perfuração rotativa para o alojamento externo através de uma mola, por exemplo, uma mola helicoidal ou de disco, a mola sendo capaz de segurar o elemento de ancoragem na sua posição inicial, em que o elemento de ancoragem é guiado ao longo de um pino ou uma barra em forma de haste, alinhado radialmente ao alojamento externo e acoplado ao alojamento externo; a extremidade do elemento de ancoragem que é voltada para a broca de perfuração rotativa é acoplada à extremidade externa do pistão, de modo que quando o pistão é estendido radialmente, o elemento de ancoragem seja estendido paralelamente ao alojamento externo ou ao eixo geométrico central longitudinal do mesmo, ou para o eixo de acionamento de broca, e pode ser colocado com toda a sua superfície contra a parede do furo do poço.

[0055] Com a finalidade da invenção, um meio de atuação é também entendido como um acionamento linear, no qual um meio de acionamento é capaz de descrever movimentos retilíneos ou curvos como resultado do aquecimento do meio de pressão disposto dentro dos meios de atuação, e estes movimentos podem ser transferidos para o elemento de ancoragem, para que, por exemplo, o elemento de ancoragem possa ser deslocado em paralelo da sua posição inicial para a sua posição final, paralelo ao eixo de acionamento, o eixo rotacional da broca de perfuração rotativa ou o eixo geométrico central longitudinal do alojamento, e/ou pode ser articulado em torno de um eixo, preferencialmente em torno de um eixo articulável ou rotacional, que pode ser alinhado perpendicular ao eixo de acionamento de broca, o eixo geométrico central longitudinal do alojamento, formando um ângulo menor que 90°, por exemplo, o referido ângulo é delimitado pelo elemento de ancoragem de um lado e o eixo de acionamento de broca, o eixo rotacional da broca de perfuração rotativa, ou o eixo geométrico central longitudinal do alojamento do outro lado. Meios de acionamento adequados neste caso incluem, por exemplo, uma haste contendo um material sólido com um alto coeficiente de expansão linear.

[0056] Em uma outra modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, o dispositivo de escoramento tem pelo menos um meio de atuação; os meios de acionamento com temperatura controlada dos meios de atuação, por exemplo, um pistão de um conjunto pistão-cilindro, concretizado como o meio de atuação, pode ser movido para a parede do furo do poço, por exemplo, na posição final, e pode ser movida de volta na direção oposta ao alojamento ou alojamento externo ou ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento ou alojamento externo, por exemplo, para a posição inicial. Estes movimentos para a frente e para trás podem ser gerados por meio do meio de pressão localizado nos meios de atuação. Os movimentos para trás e para trás dos meios de atuação podem ser transmitidos por meio de juntas convencionais ou conexões articuladas ao elemento de ancoragem acoplado aos meios de atuação, com a finalidade de mover o elemento de ancoragem do seu ponto inicial para a sua posição final e de volta da sua posição final para a posição inicial. Os movimentos para a frente e para trás podem também ser gerados pelas diferenças de temperatura, desencadeadas pelo dispositivo de controle, de pelo menos um meio de pressão localizado nos meios de atuação, ou, por exemplo, pelas diferenças de temperatura, desencadeadas pelo dispositivo de controle, por exemplo, pelo menos dois meios de pressão diferentes localizados nos meios de atuação. As diferenças de temperatura podem ser geradas por um aumento de temperatura no meio de pressão, que é aquecido por um dispositivo de aquecimento, e por um decréscimo de temperatura subsequente e resfriamento do meio de pressão devido a uma ausência de aquecimento do mesmo. Para as finalidades da invenção, o controle da temperatura é também entendido como controle por aquecimento e resfriamento do meio de pressão.

[0057] Em uma modalidade adicional da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, o meio de uma pressão localizada nos meios de atuação pode ser aquecido ou deixado resfriar, induzindo o movimento para a frente e para trás dos meios de atuação ou uma parte dos mesmos, por exemplo, os meios de acionamento dos mesmos, e do elemento de ancoragem acoplado aos mesmos. Em outra modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, o meio de pressão localizado no meio de acionamento de ação dupla pode induzir o movimento para fora dos meios de atuação ou uma parte dos mesmos e do elemento de ancoragem pelo aquecimento de um meio de pressão localizado os meios de atuação e podem induzir o movimento de retorno dos meios de atuação ou de uma parte dos mesmos e do elemento de ancoragem pelo subsequente aquecimento do outro meio de pressão localizado nos meios de atuação. Para as finalidades da invenção, diferentes meios de pressão também podem ser entendidos como gás, sólido e líquido; para as finalidades da invenção, diferentes meios de pressão também podem ser entendidos como significando vários sólidos, gases ou líquidos que têm diferentes coeficientes de expansão, tais como, coeficientes de expansão linear ou coeficientes de expansão de volume, de um sólido.

[0058] Uma modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção tem um acionamento linear, por exemplo, como o meio de atuação. Para as finalidades da invenção, um acionamento linear pode também ser entendido como um acionamento controlado por temperatura que gera, por exemplo, movimentos ao longo de uma linha reta ou ao longo de outro trajeto predefinido. O acionamento linear pode ser ativado hidraulicamente por meio de um meio de pressão termoexpansível. Meios de atuação adequados para o dispositivo de escoramento incluem, por exemplo, um conjunto pistão- cilindro, em cujo caso o elemento de ancoragem é acoplado ao, por exemplo, pistão móvel radialmente para fora e para dentro do referido conjunto, e o elemento de ancoragem repousa contra o alojamento externo na posição inicial. Em uma modalidade, o conjunto pistão-cilindro pode ter uma câmara cheia com o meio de pressão, que é conectado a um espaço de cilindro do conjunto pistão-cilindro de modo a permitir a passagem do meio de pressão, e em que espaço de cilindro o pistão pode ser operado. O pistão no espaço do cilindro pode assim ser forçado para fora do referido espaço quando a temperatura do meio de pressão é aumentada, ou pode ser forçado de volta para o referido espaço quando o meio de pressão é permitido resfriar. Em uma modalidade simples da ferramenta de perfuração da invenção, aplica-se calor ao espaço do cilindro e/ou a um invólucro que delimita o espaço do cilindro por um dispositivo de aquecimento; em outra modalidade da ferramenta de perfuração da invenção, o calor pode ser aplicado à câmara do alojamento da câmara, que está conectado ao espaço do cilindro de modo a permitir a passagem do meio de pressão, de modo que o meio de pressão contido no espaço do cilindro, ou contido no espaço do cilindro e na câmara, force o pistão para fora como um resultado da expansão do volume. Em uma modalidade completamente diferente da ferramenta de perfuração da invenção, o calor pode ser aplicado à câmara conectada ao espaço do cilindro e ao próprio espaço do cilindro, de modo que o meio de pressão force o pistão para fora. Assim, a aplicação de calor à câmara e ao espaço do cilindro, ou apenas à câmara ou apenas ao espaço do cilindro, também pode ser controlada no local, conforme necessário. Para as finalidades da invenção, a conexão é também entendida como uma conexão que permite a passagem do meio de pressão através de linhas, canais ou semelhantes. Quando o meio sob pressão é aquecido, o pistão é preferencialmente deslocado, por exemplo, radialmente ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento, para a colocação particularmente carregada por força do elemento de ancoragem contra uma parede do furo do poço durante a transição da mesma da posição inicial para a posição final. Quando o meio de pressão é refrigerado, o pistão é também deslocado, preferencialmente radialmente para o eixo geométrico central longitudinal do alojamento, para colocação do elemento de ancoragem contra o referido alojamento durante a transição do mesmo da posição final para a posição inicial.

[0059] Em uma outra modalidade da ferramenta de perfuração da invenção, os meios de atuação na forma do conjunto pistão-cilindro podem também ser configurados como um cilindro de ação dupla, em cujo conjunto pistão-cilindro o pistão tem duas superfícies de pistão opostas, de modo que os movimentos do pistão, que sejam móveis no cilindro ou no espaço do cilindro, possam ser controlados seletivamente pela aplicação alternada de meio de pressão ou meio de pressão em suas duas superfícies de pistão. Em uma modalidade particular da ferramenta de perfuração da invenção, os pistões dos conjuntos de pistão-cilindro opostos, por exemplo, do mesmo plano de escoramento, são acoplados um ao outro, de modo que a extensão de um pistão de uma posição inicial para a posição final faça com que o pistão oposto se retraia de sua posição final para sua posição inicial; o acoplamento dos pistões opostos pode igualmente ser controlado de modo que os pistões se movam em direções opostas somente quando necessário.

[0060] A extremidade externa do pistão é vantajosamente acoplada ao elemento de ancoragem. Quando o meio sob pressão é aquecido e expandido, o pistão pode ser deslocado, preferencialmente radialmente para o eixo longitudinal central do alojamento externo, da sua posição inicial para a sua posição final, pelo menos na direção do elemento de ancoragem acoplado ao mesmo, permitindo o elemento de ancoragem para alcançar a parede do furo do poço, carregado por força. A refrigeração ou o resfriamento do meio de pressão, por exemplo, como um resultado de uma diminuição na temperatura do meio de pressão, por exemplo, interrompendo o aquecimento do mesmo pelo aquecedor, faz com que o pistão se mova de volta de sua posição final para sua posição inicial, fazendo com que o elemento de ancoragem retorne à sua posição inicial. Em contraste com a técnica anterior conhecida, a ferramenta de perfuração de acordo com a invenção é caracterizada, INTER ALIA, pelo fato de a incorporação de dispositivos geradores de pressão adicionais, tais como, bombas ou uma bomba com cilindro rotativo de múltiplos pistões axial, ser eliminada, uma vez que aumento e diminuição da temperatura do meio de pressão dentro de um espaço encerrado é suficiente para assegurar a mobilidade dos elementos de ancoragem. O desenho estrutural da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção é vantajosamente simplificado como resultado. Os meios de atuação podem também ser concretizados como um conjunto pistão-cilindro tendo dois pistões, cujas extremidades externas, voltadas para os elementos de ancoragem, são acopladas às duas extremidades de um elemento de ancoragem e podem ser estendidas paralelas umas às outras como resultado de aquecimento do meio de pressão, com a finalidade de deslocamento paralelo do elemento de ancoragem desde a posição inicial até a posição final.

[0061] Além disso, a vantagem é que, em contraste com a técnica anterior, o grau de extensão externa dos elementos de ancoragem pode ser controlado de acordo com as especificações, dependendo do grau de aquecimento do meio de pressão; a extensão controlada dos elementos de ancoragem pode ser desejável dependendo do tipo de formação rochosa, por exemplo.

[0062] A aplicação de força ao elemento de ancoragem, com cuja força o elemento de ancoragem é colocado contra a parede do furo do poço, também pode ser controlada de acordo com as especificações pré- estabelecidas de uma maneira simples, mas vantajosa, como será descrito mais abaixo.

[0063] Em uma outra modalidade da ferramenta de perfuração da invenção, pelo menos, três conjuntos de pistão-cilindro podem ser arranjados equidistantes espaçados um do outro ao longo de um plano de escoramento na direção de rotação no alojamento externo.

[0064] Para as finalidades da invenção, o arranjo no alojamento externo é também entendido como arranjo no alojamento externo.

[0065] Em uma modalidade adicional da ferramenta de perfuração da invenção, quatro conjuntos pistão-cilindro podem ser arranjados ao longo de um plano de escoramento no alojamento externo, em um ângulo central de 90° na direção de rotação.

[0066] O arranjo de pelo menos quatro conjuntos de pistão-cilindro no alojamento externo e o acoplamento de pelo menos quatro elementos de ancoragem ao mesmo, preferencialmente, garante o direcionamento facilmente controlável da broca de perfuração rotativa.

[0067] Com a ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, em contraste com a técnica anterior, a extensão de todos os elementos de ancoragem contra a parede do furo do poço simultaneamente por meio dos quatro conjuntos pistão-cilindro não proporciona apenas o direcionamento facilmente controlável da broca de perfuração rotativa da ferramenta de perfuração da invenção, mas também suporta a perfuração profunda reta sem grandes gastos com componentes mecânicos e mecanismos de controle.

[0068] Em outra modalidade da ferramenta de perfuração da invenção, os meios de atuação na forma de conjuntos pistão-cilindro ou acionamentos lineares podem ser arranjados em dois planos de escoramento na direção vertical, por exemplo, alinhados uns sobre os outros, no alojamento externo. Os referidos meios de atuação podem ser arranjados ao longo do eixo geométrico central longitudinal do alojamento externo, preferencialmente perpendicular ao mesmo. Em uma modalidade adicional da ferramenta de perfuração da invenção, os acionamentos lineares podem estar igualmente arranjados em dois planos de escoramento na direção vertical, de modo que os acionamentos lineares de um plano de escoramento possam ser arranjados deslocados de modo circunferencial a partir dos acionamentos lineares do outro plano de escoramento, formando um ângulo de deslocamento de 45°, por exemplo. Se os dispositivos de escoramento forem usados em dois planos de escoramento, os ângulos de deslocamento são, com vantagem, com metade da largura do ângulo da distância entre os mesmos.

[0069] Mesmo que os acionamentos lineares com os seus elementos de escoramento associados estejam localizados em dois planos de escoramento no alojamento externo, o número de componentes é ainda muito menor do que o número de componentes na técnica anterior acima mencionada. O posicionamento de dispositivos de escoramento em dois planos de escoramento preferencialmente aumenta também a eficiência da perfuração profunda direcional usando a ferramenta de perfuração da invenção, que é essencial no caso de formações rochosas muito duras.

[0070] Além disso, ao instalar acionamentos lineares em dois planos de escoramento, o número de componentes móveis é igualmente reduzido substancialmente sobre o número de componentes móveis instalados como na técnica anterior, pois somente os acionamentos lineares requerem um material que seja expansível por mudanças de temperatura e/ou um espaço cheio com gás e/ou líquido.

[0071] A simplificação dos componentes a serem usados no fornecimento da ferramenta de perfuração da invenção resulta na vantagem de o retorno do elemento de ancoragem da sua posição final para a sua posição inicial ser iniciado quase automaticamente, enquanto na técnica anterior, o retorno do elemento de ancoragem sempre requer uma aplicação de pressão no lado reverso do pistão ou no engate de uma mola de restauração.

[0072] Nas modalidades da ferramenta de perfuração da invenção, é particularmente vantajoso que o retorno do elemento de ancoragem, isto é, a transição do mesmo da posição final para a posição inicial, não requeira monitoramento, uma vez que este retorno ocorre sempre sem intervenção externa, enquanto em ferramentas de perfuração convencionais, o retorno do elemento de ancoragem requer um monitoramento adicional devido à intervenção externa ativa.

[0073] Com estas vantagens adicionais, mesmo as mais variadas modalidades da ferramenta de perfuração da invenção estão largamente isentas do risco de a ferramenta de perfuração ficar emperrada, o que pode ocorrer quando o elemento de ancoragem permanece de forma friccionada e/ou não positivamente conectado à parede do furo do poço, é por vezes, observado na técnica anterior; além disso, em ferramentas de perfuração convencionais, a retração insuficiente do elemento de ancoragem de volta à posição inicial devido à cooperação deficiente dos muitos componentes resulta em alinhamento deficiente das ferramentas de perfuração convencionais durante a perfuração profunda.

[0074] Além disso, a experiência demonstrou que uma restrição de ferramentas de perfuração a alguns componentes mecânicos móveis resulta na solidez desejada do desenho e na necessidade de manutenção reduzida, de modo que, como consequência, a perfuração direcional contínua ininterrupta em grandes profundidades é assegurada com a ferramenta de perfuração de acordo com a invenção.

[0075] Em uma outra modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, o elemento de ancoragem prolonga-se ao longo do comprimento, preferencialmente todo o comprimento, do alojamento externo. A extremidade do elemento de ancoragem que está voltado para a broca de perfuração rotativa pode ser acoplada ao pistão do conjunto pistão-cilindro, enquanto a outra extremidade do elemento de ancoragem que fica de frente para a broca de perfuração rotativa pode ser articulada ao alojamento externo. A extremidade do elemento de ancoragem que é voltada para a broca de perfuração rotativa também pode ser dobrada em sua ponta em uma forma curva ou de cotovelo em direção à broca de perfuração rotativa.

[0076] Em uma modalidade adicional da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, os meios de atuação do dispositivo de escoramento também podem compreender uma haste como meio de acionamento, que é acoplado na sua extremidade externa ao elemento de ancoragem e que contém um material como meio de pressão, um meio de aquecimento que se estende opcionalmente longitudinalmente através do referido material com a finalidade de aquecer o material; os meios de aquecimento, por exemplo, na forma de um película ou manta ou bainha, pode do mesmo modo ser adicionalmente ou alternativamente colocado com a sua superfície inteira contra a haste contendo o meio de pressão, por exemplo, encerrando a referida haste.

[0077] O dispositivo de escoramento pode assim ser realizado como tendo um meio de atuação, o referido meio de atuação sendo configurado como um acionamento linear ou motor linear que é capaz de executar movimentos retilíneos ou curvos quando exposto à temperatura. O acionamento linear inclui, preferencialmente, pelo menos uma haste que contém um material, também chamado material sólido ou sólido, como meio de pressão, por exemplo, uma liga de alumínio, que é expansível linearmente quando exposta a calor. A haste é igualmente provida de um meio de aquecimento, que pode encerrar a haste; quando o material da haste é aquecido, a haste sofre expansão linear significativa, e a expansão linear da haste também faz com que o elemento de ancoragem, que seja acoplado, preferencialmente articulado, à haste, seja forçado ou movido para fora, também chamado de extensão ou movimento, para colocação carregada por força contra a parede do furo do poço. O acionamento linear pode também ter duas barras, alinhadas paralelas uma à outra e espaçadas uma da outra, contendo um material termoexpansível, também referido como sólido ou material sólido, como meio de pressão, por exemplo, uma liga de alumínio, as extremidades externas das referidas hastes sendo acopladas a um elemento de ancoragem. Quando as hastes são aquecidas, as hastes sofrem expansão linear suficiente para deslocar o elemento de ancoragem paralelo ao alojamento externo ou ao eixo longitudinal central do mesmo ou ao eixo de acionamento da broca.

[0078] Em uma outra modalidade da ferramenta de perfuração da invenção, os meios de atuação podem também ser concretizados como ação dupla e capazes de acomodar pelo menos dois meios de pressão, de modo que vantajosamente o elemento de ancoragem acoplado aos meios de atuação possa ser estendido para a parede do furo do poço e na sua posição final, aplicando a temperatura a apenas um meio de pressão, e o referido elemento de ancoragem pode ser movido, carregado por força, de volta para o alojamento da ferramenta de perfuração da invenção e para a sua posição inicial, aplicando a temperatura a outro meio de pressão, após resfriamento ou durante o resfriamento do primeiro meio de pressão. Em uma outra modalidade da ferramenta de perfuração da invenção, o mesmo meio de pressão ou meio de pressão diferente pode ser utilizado como meio de pressão para os meios de atuação de ação dupla. Por exemplo, nos meios de atuação de ação dupla, os mesmos sólidos, gases ou líquidos atuando nos elementos de ancoragem são preferencialmente adequados para retrair e estender os elementos de ancoragem, com estes sólidos tendo os mesmos ou diferentes coeficientes de expansão linear, e estes gases e líquidos tendo os mesmos ou diferentes coeficientes de expansão de volume.

[0079] Nos meios de atuação de ação dupla para estender os elementos de ancoragem, os sólidos podem igualmente ser usados como meio de pressão para retrair os elementos de ancoragem durante a transição da posição inicial para a posição final, enquanto gases ou líquidos são usados como meio de pressão durante a transição da posição final à posição inicial e vice-versa.

[0080] Por conseguinte, em uma modalidade particular da ferramenta de perfuração da invenção, os meios de atuação podem também conter diferentes meios de pressão, que podem ser usados dependendo dos requisitos e das especificações do solo onde a perfuração é planada, de modo que a alta adaptabilidade da perfuração ferramenta da invenção para os requisitos no local, em contraste com a técnica anterior, é também usada neste caso para assegurar o desejado controle preciso da ferramenta de perfuração da invenção, assegurando simultaneamente solidez suficiente da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção. Por exemplo, os meios de atuação na forma de um acionamento linear de dupla ação podem ter, por exemplo, duas hastes, contendo um material termoexpansível como meio de pressão, por exemplo, uma liga de alumínio, de modo que quando a temperatura é aplicada a uma haste, o elemento de ancoragem acoplado, preferencialmente articulado, à referida haste seja movido para fora para colocação carregada por força na parede do furo do poço, e quando a temperatura é aplicada à segunda haste, o elemento de ancoragem acoplado convenientemente à segunda haste através de engrenagens de deflexão ou polias de desvio é movido para dentro para colocação carregada por força contra o alojamento externo da ferramenta de perfuração da invenção, ou contra indentações na mesma. É igualmente possível para uma haste ser capaz de se desacoplar automaticamente do elemento de ancoragem, e para a segunda haste ser capaz de se acoplar automaticamente na ou sobre a referida peça de acoplamento quando o referido elemento de ancoragem alcança a sua posição final, e para o uma haste para ser capaz de se acoplar automaticamente de volta sobre ou ao elemento de ancoragem, e para a segunda haste, em contraste, ser capaz de se desacoplar automaticamente do referido elemento de ancoragem quando o referido elemento de ancoragem alcança sua posição inicial. Para as finalidades da invenção, o acoplamento articulado é também entendido como uma conexão convencional de parafuso, cavilha ou pino, ou um mancal convencional, como um mancal de rolamento, um mancal de rolo, um mancal axial, etc.

[0081] Quando a temperatura é aplicada ao meio de pressão no conjunto pistão-cilindro, o pistão pode ser forçado para fora, radialmente ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento externo e de maneira continuamente variável, o suficiente para articular o elemento de ancoragem acoplado ao referido pistão sobre o seu ponto de acoplamento e para pressionar o referido elemento de ancoragem contra a parede do furo do poço, formando um ângulo de abertura; o ângulo de abertura formado por esta articulação e delimitado pelo alojamento externo e o elemento de ancoragem pode medir de 0 a 45°, preferencialmente de 0 a 30°, mais preferivelmente medindo 10°, 15° ou 25°.

[0082] Em uma outra modalidade da ferramenta de perfuração da invenção, as extremidades externas dos pistões de dois conjuntos de pistões e cilindros, arranjadas uma acima ou por cima da outra, são acopladas às duas extremidades do elemento de ancoragem. Quando expostos a uma temperatura, os elementos de ancoragem movem-se paralelamente ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento externo e/ou ao eixo de acionamento da broca ou paralelamente ao alojamento externo e são colocados, carregados com força, com praticamente toda a sua superfície contra a parede do furo do poço. Esta modalidade permite um batente da superfície completa dos elementos de ancoragem. Além disso, o engate do elemento de ancoragem na superfície da parede do furo do poço pode ser controlado com vantagem, se necessário, pela extensão do referido elemento de ancoragem de acordo com as especificações pré-estabelecidas pela aplicação da temperatura de acordo com estas especificações. Esta vantagem também serve para proporcionar uma progressão precisamente controlada, mesmo ligeiramente curva, da perfuração profunda usando a ferramenta de perfuração da invenção. A colocação em toda a superfície carregada com força dos elementos de ancoragem pode também ser necessária dependendo da composição da formação rochosa a ser perfurada atravessadamente.

[0083] Em uma outra modalidade da ferramenta de perfuração da invenção, líquidos, tais como, óleos, óleos hidráulicos e misturas de óleo, são adequados para uso como meio de pressão.

[0084] Em outras modalidades da ferramenta de perfuração da invenção, os meios de pressão são também concretizados como sólidos, também denominados materiais ou materiais sólidos, caso em que os sólidos podem ter um coeficiente de expansão, também chamados coeficiente de expansão térmica, cujo coeficiente de expansão linear, por exemplo, a 0°C, 18°C ou 20°C, pode ser 1,5 a 30,0 x 10-6K-1, preferivelmente 3,0 a 24 x 10-6K- 1, mais preferivelmente 12,0 a 22,0 x 10-6K-1 ou 10,0 a 18,0 x 10-6K-1. Sólidos adequados neste caso incluem alumínio, cobre, aço ou ligas dos mesmos, ou misturas destas ligas. Os seguintes sólidos tendo um coeficiente de expansão linear, por exemplo, a 0°C, 18°C ou 20°C, que também pode ser denotada pela variável α, são vantajosas, por exemplo, 23,1 x 10-6K-1, e. alumínio, 28,9 x 10-6K-1, por exemplo chumbo, 13,4 x 10-6K-1, por exemplo níquel, 11,8 x 106 -1 -6 -1 -6 -1 K , por exemplo ferro, 8,6 x 10 K , por exemplo titânio, 30,2 x 10 K , por exemplo zinco e 16,5 x 10-6K-1, por exemplo cobre. Para as finalidades da invenção, o coeficiente de expansão pode também ser entendido como um coeficiente de expansão linear ou térmica. O coeficiente de expansão linear, que também pode ser denotado como α, pode ter uma unidade de 1/K e pode indicar a fração pela qual o comprimento de, por exemplo, um corpo em forma de barra pode alongar-se ou expandir-se a uma temperatura pré- estabelecida, por exemplo, 0°C, 18°C ou 20°C, etc., por exemplo, sob um aumento de temperatura, por exemplo, de 1K (= 1°C). Isto pode ser pelo menos principalmente dependente da temperatura e da pressão como uma constante de material. Para as finalidades da invenção, o coeficiente de expansão pode também ser entendido dentro do contexto da invenção como significando um coeficiente de expansão espacial, um coeficiente de expansão cúbica ou um coeficiente de expansão de volume; por exemplo, o coeficiente de expansão como um coeficiente de expansão linear ou longitudinal, isto é, α, a 0°C ou 18°C ou 20°C, pode ser de 1,5 a 30,0 x 10-6K-1, preferencialmente de 3,0 a 24 x 10-6K-1, mais preferivelmente de 10,0 a 18,0 x 10-6K-1. Em uma modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, o coeficiente de expansão linear α/(10-6K-1) ou α x 10-6/°C-1 de sólidos, por exemplo, a 0°C, pode ser de 1,5 a 32,0, em particular de 2,0 a 28, mais preferivelmente de 3,0 a 25, por exemplo, a 18°C ou 20°C. O coeficiente de expansão linear, isto é α, (em 10-6 1/K ou 10-6/K-1), por exemplo, entre 0°C e 100°C, também pode ser de 1,5 a 32,0; em particular de 1,8 a 30,0 ou de 2,0 a 28, ainda mais preferencialmente de 3,0 a 25.

[0085] Como o meio de pressão, que pode conter um ou mais sólidos, podem ser utilizados alumínio, aço, ferro fundido, latão, ligas de alumínio, níquel, óxido de magnésio, ligas de níquel, etc. Por exemplo, sólidos tendo um coeficiente de expansão linear α/(10-6K-1) ou um coeficiente de expansão linear α (x 10-6K-1) ou um coeficiente de expansão linear α em 10-6K-1, como chumbo com 31, ligas de zinco com 24-28, estanho com 23,0, latão com 17,519,1, bronze com 16,8-18,8, aço austenítico com 16-17,0, cobre com 16,8, ligas de níquel com 11-18, aço ferrítico com 10,5-13.0, ferro fundido com 912, etc. (em particular para 0 ... 100°C) podem ser usados.

[0086] Verificou-se que, particularmente nas modalidades da ferramenta de perfuração da invenção, em que são usados corpos, também chamados meios de pressão, contendo sólidos, quando temperatura é aplicada ao meio de pressão, consistindo em metal, líquido ou gases, os elementos de ancoragem são sempre capazes de retornar totalmente de sua posição final para sua posição inicial, independentemente do número de transições ou ciclos, de modo que o alongamento residual das ligas com memória de forma (SMA) observado como uma desvantagem particular nos sistemas convencionais de perfuração rotativa direcionáveis que as ligas SMA não são mais observadas. Como os elementos de ancoragem retornam completamente da posição final para a posição inicial, o monitoramento da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção e/ou da articulação dos elementos de ancoragem e grau dos mesmos é desnecessário.

[0087] Verificou-se também que, com a ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, à medida que os elementos de ancoragem regressam à sua posição inicial, o meio de pressão ainda é capaz de funcionar, em contraste com os elementos de escoramento, também chamados elementos de ancoragem. por filamentos de liga com memória de forma (SMA), dos dispositivos de escoramento do sistema convencional de perfuração rotativa direcionável e, portanto, não há comprometimento da articulação de retorno dos elementos de ancoragem da ferramenta de perfuração da invenção e, como resultado, o direcionamento da ferramenta de perfuração da invenção por meio dos elementos de ancoragem ocorre de forma confiável, na medida em que o referido direcionamento é desejado.

[0088] Em uma modalidade muito diferente da ferramenta de perfuração da invenção, os compostos, por exemplo, tendo um coeficiente de expansão linear α/(10-6K-1) (ou α em 10-6K-1) de 30,0 a 50,0, preferencialmente de 35,0 a 45,0 (a 20°C ou 18°C) pode igualmente ser usado nos meios de atuação. Por exemplo, compostos tendo um coeficiente de expansão linear em 10-6K-1 (ou α/(10-6K-1)) de 40,0 a 20°C ou 18°C, por exemplo, compostos NaCl, também são adequados como um meio de pressão nos meios de atuação dos dispositivos de escoramento da ferramenta de perfuração da invenção.

[0089] Em modalidades adicionais da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, materiais conhecidos como metais de memória são adequados como sólidos. Os metais de memória usados como sólidos são igualmente conhecidos de um habilitado na técnica e podem conter ligas com, por exemplo, 52 a 57% de níquel, opcionalmente uma pequena porcentagem de cobalto, com o restante consistindo de titânio, que são capazes de retornar à sua forma original após deformação em altas temperaturas e em baixas temperaturas. Tais metais de memória são também adequados, em particular, para os elementos de ancoragem dos dispositivos de escoramento, na forma de hastes, por exemplo, caso em que, quando o calor é aplicado às hastes, as hastes sofrem expansão linear, radialmente ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento externo ou ao seu eixo geométrico central longitudinal, colocando assim os elementos de ancoragem para fora, contra a parede do furo do poço. Estas modalidades específicas da ferramenta de perfuração da invenção requerem muito pouco espaço no alojamento externo. Para as finalidades da invenção, o alojamento externo também pode ser entendido como o alojamento da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção.

[0090] Em outras modalidades da ferramenta de perfuração da invenção, as ligas de metal também podem ser usadas como sólidos, bem como materiais de bimetais, desde que tenham um coeficiente suficiente de expansão linear ou coeficiente de expansão térmica que seja conhecido por um habilitado na técnica. Para as finalidades da invenção, o coeficiente de expansão térmica é também entendido como uma constante de material que descreve a reação do sólido quando o sólido é exposto a uma mudança de temperatura.

[0091] Também adequados como meios de pressão são líquidos, em particular soluções, óleos ou misturas de óleo, que têm um coeficiente de expansão térmica ou coeficiente de expansão de volume que é suficiente para colocar os elementos de ancoragem contra as paredes do furo de poço. Uma vez que os líquidos usados como meio de pressão são geralmente vantajosamente capazes de expandir mais do que os sólidos quando aquecidos, os líquidos são igualmente adequados para uso no conjunto pistão- cilindro como meios de atuação para o dispositivo de escoramento. Neste caso, os coeficientes de expansão de volume, também designados por y, podem variar de 5,0 a 20,0 x 10-4, preferencialmente de 7,2 a 16,3 x 10-4, ainda mais preferivelmente de 12 a 15 x 10-4, (em 1/K ou 1/°C), por exemplo a 18°C ou a 20°C. Os líquidos, que têm coeficientes de expansão cúbica ou volumétrica, que podem ser muito maiores do que o coeficiente de expansão linear de sólidos, são vantajosamente igualmente adequados como meio de pressão, que pode ter um coeficiente de expansão de volume, como Y/(10-3K-1) ou Y(em 10—3K—1), variando de 0,4 a 2,0, preferencialmente de 0,2 a 1,5. Assim, líquidos tendo um coeficiente de expansão de volume Y em 10-3K-1 de 0,52, por exemplo, glicerol, de 0,7 ou 0,65, por exemplo, óleo mineral, de 0,7, por exemplo, solução de poliglicol-água ou misturas dos mesmos, por exemplo, a 0°C, 18°C ou 20°C, são também adequados para utilização como meio de pressão nos meios de atuação dos dispositivos de escoramento da ferramenta de perfuração da invenção. Meios de pressão em combinações de sólidos e/ou líquidos podem igualmente ser usados nos meios de atuação. O líquido, que pode ter um coeficiente de expansão de volume Y em 10-3K-1 a 18°C entre 0,5 e 2,0, em particular entre 0,72 e 1,63, mais preferencialmente entre 1,2 e 1,5, é adequado em particular como meio de pressão nos meios de atuação incorporados como um conjunto pistão-cilindro na ferramenta de perfuração de acordo com a invenção.

[0092] Também adequado como meio de pressão em modalidades adicionais da ferramenta de perfuração da invenção são, por exemplo, gases, por exemplo, hélio e nitrogênio, que são preferencialmente caracterizados por um coeficiente de expansão de volume muito mais alto do que o acima mencionado, também referido como o coeficiente de expansão de volume ou o coeficiente de expansão de volume isobárica. O coeficiente de expansão de volume isobárico para gases, como indicado por Y, pode ser, por exemplo, a 18°C ou 20°C, 3,0 a 4,0 x 10-3K-1 (ou Y x 10-3/°C-1), preferivelmente 3,3 a 3,8 -3 -1 -3 -1 -3 -1 -3 -1 x 10 K (ou Y x 10 / C ), 3,5 a 3,7 x 10 K (ou Y x 10 / C ), preferencialmente 3,41 x 10-3K-1 (ou Y x 10-3/°C-1). Assim, os gases com um coeficiente de expansão de volume isobárico de 3,68 x 10-3K-1 (ou Y x 10-3/°C- 1), e muito particularmente, nitrogênio ou hélio ou misturas dos mesmos, são também adequados para uso como meio de pressão nos meios de atuação dos dispositivos de escoramento da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção. Meios de pressão em combinações de sólidos e/ou líquidos podem igualmente ser usados nos meios de atuação.

[0093] Em modalidades adicionais da ferramenta de perfuração da invenção, materiais compósitos convencionais são igualmente adequados como meio de pressão, desde que estes materiais gerem as forças necessárias para o movimento radial dos elementos de ancoragem, por exemplo, materiais compostos de dois ou mais materiais em camadas um acima o outro e/ou intercalado, por exemplo, com ligas de metal, compósitos em camadas, compósitos impregnados ou compósitos estruturais, e/ou também compósitos particulados ou misturas dos mesmos. Pelo menos em uma região do lado do cilindro que está voltado para o espaço do cilindro, ou mesmo por toda a superfície do referido lado, é proporcionado pelo menos um meio de aquecimento operável por meio de corrente eléctrica. Meios de aquecimento adequados incluem, por exemplo, hastes de aquecimento, películas de aquecimento, luvas de aquecimento e/ou camisas de aquecimento, que estão preferencialmente localizados dentro de um espaço de cilindro e que podem ser colocados total ou parcialmente contra um cilindro, por exemplo, no interior e/ou no exterior do mesmo, por exemplo, encerrando o cilindro. Os meios de aquecimento também podem estar localizados dentro da haste que contém o material sólido como meio de pressão. Pelo menos em uma região do lado do cilindro que é voltado para o espaço do cilindro, ou mesmo revestindo internamente toda a superfície do espaço do cilindro, pelo menos um meio de aquecimento para aquecer o meio de pressão no espaço do cilindro ou cilindro pode ser proporcionado. As saídas de calor do meio de aquecimento usadas para aplicar a temperatura são bem conhecidas dos habilitados na técnica.

[0094] Em uma outra modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, os elementos de ancoragem podem ter uma forma em dente de serra na sua superfície externa para aumentar o engate carregado por força dos elementos de ancoragem contra ou na parede do furo do poço. Opcionalmente, os elementos de ancoragem também podem ser curvados para fora para evitar que fiquem presos na parede do furo do poço.

[0095] Os meios de aquecimento são alimentados com energia elétrica através de cabos de energia convencionais. Em uma modalidade da ferramenta de perfuração da invenção, a energia elétrica pode ser fornecida como corrente elétrica por fontes de energia incorporadas como baterias e/ou podem ser geradas por acoplamento indutivo com múltiplas bobinas de carga. Da mesma forma, é possível que a fonte que fornece a energia elétrica seja uma fonte que utiliza uma turbina ativada pelo fluxo do fluido de perfuração, que aciona um gerador elétrico. Em uma modalidade da ferramenta de perfuração da invenção, as baterias podem também ser carregadas com a energia eléctrica gerada pelo gerador, de modo que a ferramenta de perfuração da invenção possa ser usada de forma rentável para perfuração direcional contínua, sem intervenção do solo.

[0096] Em uma modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, quando ocorrem desvios, as variáveis de saída ou variáveis manipuladas que foram modificadas a partir dos valores alvo especificados do dispositivo de controle são alimentadas na forma de sinais pelo processador de valor medido para o comutador, e o comutador atua um comutador de liga/desliga para aplicar a temperatura ao meio de pressão, ou um regulador para a aplicação preferivelmente continuamente variável, de acordo com as especificações, de temperatura ao meio de pressão, de modo a fornecer energia elétrica ao meio de aquecimento nos dispositivos de escoramento. O regulador pode aplicar corrente elétrica aos meios de aquecimento durante um período de tempo predeterminado e/ou pode aplicar uma medida de corrente elétrica, isto é, uma intensidade de corrente predeterminada, de modo que a transição dos elementos de ancoragem e os meios de atuação da posição inicial para a posição final pode ser vantajosamente pré-estabelecida em termos de tempo e/ou em termos de um grau específico de extensão dos mesmos, por exemplo, formando um ângulo especificado, e/ou de modo que os elementos de ancoragem ou meios de atuação possam ser estendidos apenas por uma quantidade pré-estabelecida da posição inicial para a posição final, com base nas especificações ou requisitos do diâmetro do poço, da rocha, etc. durante a perfuração profunda. Em uma modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, também pode ser aplicada uma temperatura crescente ao meio de pressão por controle do regulador, por exemplo, dependente da pressão medida por um sensor de pressão no espaço do cilindro e/ou dependente da composição da formação rochosa, uma vez que o regulador é capaz de fornecer energia elétrica ao dispositivo de aquecimento de forma continuamente variável, de modo que o meio de pressão localizado na câmara ou no espaço do cilindro do dispositivo de escoramento pode ser vantajosamente aquecido de acordo com as especificações pré-estabelecidas. Para as finalidades da invenção, o fluido de perfuração também é entendido como fluido de descarga de perfuração.

[0097] O eixo de acionamento de broca é montado rotativamente no alojamento ou alojamento externo da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção. O movimento rotativo do eixo de acionamento de broca pode ser gerado por meio de uma coluna de tubo de perfuração acoplada ao eixo de acionamento de broca e/ou por um acionamento localizado dentro do alojamento. A extremidade do eixo de acionamento de broca que se projeta a partir do alojamento externo ou do alojamento é, portanto, acoplado à broca de perfuração rotativa. A outra extremidade do eixo de acionamento de broca que se projeta do alojamento ou alojamento externo ou está localizado no mesmo, deste modo, é acoplada à coluna do tubo de perfuração. A broca de perfuração rotativa, como é conhecida dos habilitados na técnica, pode ser girada por um motor de acionamento hidráulico, por exemplo, um motor Moineau, alojado na região superior do alojamento ou alojamento externo da ferramenta de perfuração da invenção, o rotor do referido motor sendo acionado em resposta ao fluido de perfuração pressurizado que escoa para baixo através do mesmo. A coluna do tubo de perfuração é vantajosamente acoplada à extremidade superior do eixo de acionamento da broca. Em outra modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, o eixo de acionamento de broca, montado rotativamente no alojamento externo, é acoplado na sua extremidade que é voltada ao contrário da broca de perfuração rotativa para a coluna de tubo de perfuração na região superior da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, preferencialmente no exterior ou no interior do alojamento ou alojamento externo.

[0098] Também localizado dentro do alojamento externo, também chamado de alojamento, é um dispositivo de controle para atuação dos dispositivos de escoramento. O dispositivo de controle pode compreender um ou mais sistemas de sensores elétricos juntamente com um ou mais processadores elétricos de valor medido. Os sistemas de sensores adequados também incluem sensores para medir a pressão no espaço do cilindro do conjunto pistão-cilindro e para determinar a força de pressão que atua sobre um elemento de ancoragem. Também conectado à saída do dispositivo de controle estão as entradas de comutadores, cujas saídas podem ser conectadas às entradas do dispositivo de aquecimento dos dispositivos de escoramento. Os processadores de valor medido podem incluir reguladores convencionais com uma ou mais malhas de controle para controle de multivariáveis. Determinar a força de pressão pode ser necessária, por exemplo, ao perfurar através de camadas soltas em formações rochosas. Os processadores de valor medido são adequados para processar os dados dos sistemas de sensores e para atuar os dispositivos de escoramento fornecendo-lhes energia elétrica de acordo com o princípio do tudo ou nada ou fornecendo-lhes quantidades progressivamente crescentes de energia elétrica. Para as finalidades da invenção, os dados também podem ser entendidos como variáveis medidas, variáveis manipuladas, variáveis de saída, sinais, sinais de pressão, pulsos acústicos, sinais de controle, etc.

[0099] É igualmente possível para os sistemas de sensores gerar dados, tais como dados de posição, ou para adicional ou alternativamente gerar outros valores medidos para a ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, que podem então ser comparados no processador de valor medido com valores alvo especificados.

[00100] Como um habilitado na técnica sabe, o dispositivo de controle convencional pode compreender um sistema de sensor, que pode também incluir os sensores de campo magnético e/ou um processador de valor medido programável, etc., e estes podem ser ligados uns aos outros para o objetivo de encaminhar, trocar e/ou processar dados e/ou sinais; para as finalidades da invenção, a conexão dobrada é também entendida como uma conexão dobrada elétrica convencional para propósitos de controle, por exemplo, entre os sensores de campo magnético, a conexão de controle, o dispositivo de escoramento e o meio de atuação com a finalidade de trocar ou, pelo menos, encaminhar dados, valores medidos ou sinais; para as finalidades da invenção, um dispositivo de controle é também entendido como um dispositivo de controle convencional equipado com um sistema de sensores programáveis, um processador de valor medido programável, etc., que são bem conhecidos dos habilitados na técnica. A conexão pode ser sem fio, com fio, ultrassônica, infravermelha, uma conexão de comunicação de dados via Bluetooth, etc. em formato analógico e/ou digital e/ou codificado.

[00101] Em uma modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, os sistemas de sensor do dispositivo de controle da ferramenta de perfuração da invenção, adicionalmente na forma de medidores de campo magnético, também denominados sensores de campo magnético, para determinar valores direcionais e posicionais baseados no campo geomagnético e inclinômetros para determinar, por exemplo, inclinação e declive do poço, conforme descrito no DE 199 50 040, podem ser localizados no alojamento externo, caso em que regulam e controlam os dispositivos de escoramento, uma malha de controle para controle de multivariáveis, ao qual as variáveis de controle para inclinação e para direção e a extensão da mesma pode ser fornecida e na qual essas variáveis de controle podem ser comparadas com os valores alvo especificados para inclinação e direção, pode ser implementada no processador de valor medido. Quando ocorrem desvios, as variáveis de saída modificadas ou variáveis manipuladas do dispositivo de controle servem como sinais, que podem ser encaminhados para os dispositivos de escoramento na forma de energia elétrica para aquecer o meio de pressão através de um comutador. Em malhas de controle para controle de malhas múltiplas, os processadores de valor medido do dispositivo de controle, que normalmente incluem reguladores, podem comparar as variáveis medidas transmitidas pelos sistemas sensores como variáveis de controle com os valores alvo definidos por variáveis de comando e, se as variáveis de controle desviam dos valores alvo, podem usar esses valores para calcular as variáveis manipuladas, possivelmente aumentá-las, e os dispositivos de escoramento ou, por exemplo, os acionamentos lineares dos mesmos, como acionamentos de atuação dos elementos de ajuste, podem receber essas variáveis para estabelecer a variável manipulada.

[00102] As especificações previnem distorções entre a medição de inclinação e a medição de direção para a ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, e fazem com que os inclinômetros e os medidores de campo magnético sejam acoplados um ao outro através da malha de controle para controle de multivariáveis de modo que o controle sem problemas e o ajuste da inclinação alvo programados e a direção alvo da ferramenta de perfuração da invenção sejam vantajosamente assegurados, permitindo que os valores alvo especificados para inclinação e direção sejam mantidos durante a operação contínua. Para perfurações orientadas no trajeto continuamente a grandes profundidades, medidores de campo magnético para medição em três direções espaciais são adequados para determinar inequivocamente a posição precisa do alojamento externo e, consequentemente, da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção no campo geomagnético como referência, e os sensores de inclinação. Os sinais correspondentes às variáveis de saída modificadas do dispositivo de controle com reguladores e gerados no processador de valores medidos são encaminhados para um comutador de liga/desliga que, na posição ligada, fornece os dispositivos de escoramento com corrente elétrica para aquecer o meio de pressão e, na posição desligada, interrompe o fornecimento de corrente elétrica. Com base nos valores alvo especificados para inclinação e direção e nas variáveis de saída modificadas, o grau e a duração da aplicação da força gerada pelo dispositivo de escoramento podem ser controlados pela duração do aquecimento.

[00103] Em uma modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, os sensores de campo magnético e sensores de inclinação localizados dentro do alojamento externo são arranjados para determinar valores direcionais baseados no campo geomagnético, caso em que para controlar os dispositivos de escoramento e os conjuntos pistão-cilindro dos mesmos, uma malha de controle para controle de multivariáveis é fornecida no dispositivo de controle, com as variáveis de controle, tais como inclinação e direção dos inclinômetros e medidores de campo magnético, sendo alimentadas à referida malha de controle como dados, também chamados de valores medidos ou variáveis medidas, e no dispositivo de controle ou pelo processador de valor medido do mesmo, essas variáveis de controle são comparadas com os valores alvo especificados, tais como, inclinação e direção, como valores alvo, e se desvios são detectados, as variáveis de saída modificadas ou variáveis manipuladas podem ser encaminhadas na forma de sinais do dispositivo de controle ou do processador de valor medido de um comutador, em particular a um comutador de ligar/desligar para aplicar a temperatura ao meio de pressão e/ou a um regulador para aplicar temperatura ao meio de pressão nos dispositivos de escoramento de uma maneira continuamente variável pelo fornecimento de energia elétrica ao mesmo.

[00104] Em outras modalidades da ferramenta de perfuração da invenção, sistemas de sensores adicionais adequados incluem sensores de inclinação convencionais e sensores de campo magnético, mas também sensores de aceleração, sensores de radiação gama, sensores giroscópicos e/ou outros sensores WOB usados para determinar a posição precisa da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção em um ponto específico no tempo.

[00105] Com o controle direto e ativo dos dispositivos de escoramento através do dispositivo de controle instalado no alojamento externo, os dados de posição fornecidos pelos sistemas de sensores correspondem a medições de posição em tempo real efetuadas enquanto a ferramenta de perfuração da invenção está rodando e operando no subsolo. Na ferramenta de perfuração da invenção, os sistemas de sensores e o dispositivo de controle eletrônico conectado aos mesmos asseguram a medição contínua do azimute e do ângulo de inclinação atual à medida que a perfuração profunda avança progressivamente, de modo que as medidas corretoras podem ser vantajosamente implementadas imediatamente em tempo real pela ferramenta de perfuração da invenção, usando os seus dispositivos de escoramento com temperatura controlada, sem interromper o processo de perfuração profunda, em contraste com a técnica anterior.

[00106] O processamento dos dados de posição, gerados e encaminhados por sistemas de sensores, no dispositivo de controle, independentemente de um console de controle ou centro de controle acima do solo e usando o malha de controle para controle de multivariáveis que é implementado no dispositivo de controle permite uma perfuração direcional precisamente sincronizada, controlada pelo trajeto e controlada por velocidade usando a ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, vantajosamente proporcionada por meio de dispositivos de escoramento com temperatura controlada, mesmo quando ocorrem apenas ligeiras alterações no processo de perfuração profunda.

[00107] Devido à simplificação substancial do método de operação, envolvendo cooperação rápida e conveniente entre o controle da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção e os elementos de ancoragem com temperatura controlada dos dispositivos de escoramento, que são facilmente controlados através de meios de atuação para colocação contra a parede, a intervenção externa através de um console de controle acima do solo é desnecessária durante a operação da ferramenta de perfuração da invenção porque os dados de posição dos sistemas de sensores eletrônicos são processados em tempo real durante a perfuração e, uma vez processados no dispositivo de controle, o dispositivo de controle e os dispositivos de escoramento controlados por temperatura, fáceis de operar mas eficazes, são capazes de intervir ativa e diretamente, em sincronização precisa, no processo de perfuração.

[00108] Desvantagens da técnica anterior acima mencionada, tais como, a necessidade de monitorar o controle do retorno dos elementos de ancoragem à sua posição inicial, por exemplo, por pressurização, ou a necessidade de verificar os sistemas hidráulicos usados para aplicar força aos elementos de ancoragem, são evitadas.

[00109] A simplificação da estrutura da ferramenta de perfuração da invenção em relação a da técnica anterior acima mencionada pela eliminação do monitoramento adicional do retorno dos elementos de ancoragem para a sua posição inicial e da verificação dos sistemas de bomba ou sistemas de mola para retornar os pistões para suas posições iniciais, e a prevenção do encravamento da ferramenta de perfuração que pode resultar da falha dos elementos de ancoragem para engatar completamente na posição inicial é ainda característica particularmente vantajosa da ferramenta de perfuração da invenção.

[00110] Embora a simples extensão dos elementos de ancoragem desde a posição inicial até à parada na posição final, até agora prática rotineira da técnica anterior, seja também implementada pela ferramenta de perfuração de acordo com a invenção com os seus elementos de ancoragem com temperatura controlada, elementos de ancoragem de temperatura controlada também podem ser estendidos em posições predefinidas e atuados por uma força pré-definida, dependendo da composição e da dureza da rocha na formação geológica a ser perfurada.

[00111] Uma vez que os dispositivos de escoramento com os elementos de ancoragem também requerem muito menos espaço no alojamento externo da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, também é possível posicionar dispositivos de escoramento em dois planos de escoramento e empregar estes dispositivos de escoramento alternadamente durante a operação, de modo que os períodos de operação livres de manutenção para a ferramenta de perfuração da invenção sejam aumentados substancialmente em relação aos da técnica anterior. Por exemplo, é vantajoso que os conjuntos pistão-cilindro sejam arranjados em dois planos de escoramento, alinhados um em cima do outro na direção vertical, ou que sejam deslocados em 45° na direção circunferencial em relação àqueles do outro plano de escoramento.

[00112] Colocar os elementos de ancoragem em dois planos de deslocamento em um lado também permite que o alojamento externo seja atuado por uma força substancialmente maior, se necessário, de modo que o grau de curvatura da perfuração orientada pelo trajeto possa ser alcançado mais rapidamente em relação ao ângulo de inclinação e azimute do que na técnica anterior.

[00113] Além disso, a ferramenta de perfuração de acordo com a invenção e o dispositivo de controle da mesma também podem ser conectados através de cabos que correm ao longo da coluna do tubo de perfuração até um console de controle acima do solo. Para as finalidades da invenção, conectado também é entendido como significando uma conexão elétrica com a finalidade de conduzir sinais elétricos e/ou corrente elétrica. Assim, os dados adquiridos pelos sistemas de sensores e/ou processadores de valor medido do dispositivo de controle, em particular valores alvo e variáveis medidas, são ou podem ser encaminhados, por exemplo, como valores reais, variáveis manipuladas, sinais, etc., como dados de posição, para o console de controle acima do solo através do cabo localizado na coluna do tubo de perfuração. Além disso, os dados adquiridos pelos sistemas de sensores do dispositivo de controle são ou podem adicional ou alternativamente ser encaminhados para o console de controle acima do solo por meio de telemetria e/ou na forma de sinais e/ou pulsos de pressão, como ondas sonoras. O fornecimento de energia elétrica também pode ser fornecido via cabo. Por outro lado, o console de controle acima do solo também pode encaminhar valores alvo ou especificações de valores alvo e outros dados, tais como variáveis medidas, por exemplo, como valores reais, variáveis manipuladas, sinais, etc., tais como dados de posição, à ferramenta de perfuração de acordo com a invenção e ao seu dispositivo de controle por cabo e/ou por meio de telemetria e/ou sinais de pressão e/ou pulsos, tais como, ondas sonoras.

[00114] A ferramenta de perfuração de acordo com a invenção também adequada para conexão do seu dispositivo de controle ao console de controle acima do solo gerando pulsos de pressão, permitindo que a informação seja facilmente fornecida através do canal de descarga que corre através da coluna de tubo de perfuração, como descrito em DE 10 2008 063 940. Nesta modalidade, a ferramenta de perfuração da invenção pode ter um dispositivo para gerar pulsos de pressão com a finalidade de transmitir informação dentro do canal de descarga da coluna de tubo de perfuração, que é conectada ao dispositivo de controle, o referido dispositivo de geração de pulsos. que compreende um impulsor, que é acionado pelo líquido de perfuração e que aciona um gerador ao qual um acumulador é conectado; neste caso, o gerador incluindo o acumulador, o acoplamento e o mancal do eixo do impulsor está arranjado em um alojamento que se estende de forma axial, que é preenchido com óleo e forma um interstício anular cilíndrico em relação à coluna do tubo de perfuração, e o líquido de perfuração flui através do interstício anular para acionar o impulsor; acima de um reservatório de óleo no alojamento, um pistão compensador de pressão é proporcionado, que é atuado pelo líquido de perfuração, e a vedação proporcionado na extremidade inferior entre o alojamento e o eixo do impulsor é concretizado como um vedante de funcionamento suave, por exemplo, uma vedação de rebordo ou uma vedação cerâmica.

[00115] Em uma outra modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, os pulsos de pressão podem ser transmitidos em meio escoável para a transmissão de informação para o dispositivo de controle, em particular durante a produção de furos durante a extração e o tunelamento subterrânea(o), através do canal de descarga da coluna do tubo de perfuração, caso em que um impulsor é disposto no canal de descarga da coluna do tubo de perfuração e pode ser comutado entre a operação do gerador e do motor e, portanto, pode ser operado alternadamente. Neste caso, o impulsor com as bobinas que são atribuídas à coluna do tubo de perfuração pode ter ímãs montados de maneira correspondente. As bobinas podem ser conectadas a acumuladores de energia, com a roda de bobina sendo vantajosamente arranjada de forma axial. Além disso, o impulsor pode ser montado em guias que são suportadas contra a parede interna do canal de descarga da coluna do tubo de perfuração, como descrito em DE 41 34 609.

[00116] Em outra modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, a informação pode ser transmitida do dispositivo de controle através da coluna do tubo de perfuração dentro da mesma por meio de pulsos de pressão em um líquido escoável, preferencialmente denominado líquido de perfuração ou fluido de perfuração, no caso da ferramenta de perfuração da invenção compreender um dispositivo, conectado ao dispositivo de controle, para transmitir a informação, em particular, durante a produção de furos, por meio de sinais de pressão em líquido escoável, preferencialmente líquido de perfuração; o dispositivo inclui um meio gerador de informação, um dispositivo transmissor conectado aos meios geradores de informação e projetado para gerar os pulsos de pressão no líquido, e um dispositivo receptor para receber e analisar a informação transmitida por meio dos pulsos de pressão no console de controle, o dispositivo de transmissão incluindo um resistor de fluxo resiliente na corrente de líquido e um meio de atuação para modificar a seção transversal de fluxo do resistor de fluxo em sincronização com os pulsos de pressão a serem gerados, como descrito na DE 196 07 402.

[00117] Para gerar os pulsos de pressão, o dispositivo de transmissão pode ter um resistor de fluxo resiliente na corrente de líquido e um meio de atuação para controlar a seção transversal de fluxo do resistor de fluxo em sincronização com os pulsos de pressão a serem gerados. A vantagem desta transmissão é seu desenho compacto e econômico, juntamente com a natureza de baixo desgaste e baixa energia da transmissão de pulso de pressão, e embora as partes móveis sejam facilmente substituídas, a transmissão sem falhas da informação é assegurada. Com esta medida, um resistor de fluxo com uma seção transversal de fluxo variável é localizado na corrente de líquido ou na corrente de líquido de perfuração. Ao ajustar a seção transversal do fluxo do resistor de fluxo, os pulsos de pressão podem ser gerados na direção do fluxo na região do resistor de fluxo e atrás do resistor de fluxo, e esses pulsos de pressão podem ser propagados na direção do fluxo da corrente de líquido ou da corrente de líquido de perfuração. Estas flutuações de pressão ou pulsos de pressão podem ser reduzidos, de modo que quando a seção transversal do fluxo é reduzida e o fluxo de líquido permanece o mesmo, a velocidade do fluxo ao redor do resistor de fluxo aumente e como resultado, a pressão do líquido diminua até certo ponto. Uma redução na seção transversal do fluxo, portanto, leva a um aumento parcial na pressão na corrente de líquido. Deste modo, flutuações de pressão ou pulsos de pressão podem ser gerados de uma maneira alvejada na corrente de líquido. Devido à resiliência do resistor de fluxo, esta geração é reproduzível, com o processo acima mencionado sendo repetível tantas vezes quanto desejado e quase sem desgaste. Além disso, os tempos de resposta do resistor de fluxo resiliente são vantajosamente curtos o suficiente para que as bordas de subida e descida limpas dos pulsos de pressão possam ser geradas. Deste modo, a transmissão de informação não interrompida continua a ser possível, porque o declive da borda dos pulsos de pressão gerados é suficiente para atuar subsequentes dispositivos de análise por exemplo, digital.

[00118] Finalmente, em outra modalidade da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, o dispositivo de controle da ferramenta de perfuração é conectado a um dispositivo para transmitir informação dentro da coluna do tubo de perfuração por meio de pulsos, tais como ondas sonoras; um dispositivo de transmissão para gerar os pulsos pode ser conectado, por exemplo comutado, a um dispositivo gerador de informação, por exemplo, sistemas de sensores do dispositivo de controle, conectados a jusante da broca de perfuração rotativa, caso em que o dispositivo compreende igualmente um dispositivo de recepção para receber e analisar a informação transmitida via pulsos, e os pulsos gerados pelo dispositivo transmissor são concretizados como ondas sonoras e são encaminhados para o dispositivo de recepção, como descrito em DE 10 2012 004 392. As ondas sonoras podem ser desencadeadas por meio de pulsos mecânicos, hidráulicos, elétricos e/ou pneumáticos.

[00119] Em contraste com a técnica anterior, a ferramenta de perfuração de acordo com a invenção e o método de acordo com a invenção são caracterizados, INTER ALIA, pela ausência de expansão residual e, portanto, sem aumento de expansões residuais com base no número de transições, perda de capacidade de alinhamento e controlabilidade dos dispositivos de escoramento, e nenhum retorno, substituição e reintrodução dispendiosos devido a elementos de ancoragem defeituosos, capacidade de atuação contínua dos dispositivos de escoramento, eliminação do monitoramento adicional da articulação dos elementos de ancoragem, baixos custos de manutenção durante as operações de perfuração contínua, ajustabilidade continuamente variável dos elementos de ancoragem de acordo com as especificações de inclinação e/ou azimutal, transição de carga forçada dos elementos de ancoragem da posição final para a posição inicial, e baixa complexidade estrutural. Modalidades Exemplificativas

[00120] No interesse da simplicidade diagramática, o desenho ilustra esquematicamente, grandemente ampliado e não em escala, na Fig. 1 uma seção transversal de um dispositivo de escoramento da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, tendo um conjunto pistão-cilindro com um pistão localizado na posição inicial.

[00121] O dispositivo de escoramento compreende um conjunto pistão- cilindro 1 como um meio de atuação. O dispositivo de escoramento é arranjado e suportado em um alojamento ou alojamento externo da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção (não mostrada). Um pistão 4 do conjunto pistão-cilindro 1 está em sua posição inicial dentro de um espaço de cilindro 5. O espaço de cilindro 5 se estende transversalmente ao eixo geométrico central longitudinal do conjunto pistão-cilindro 1. O espaço de cilindro 5 é conectado através de um canal 6 através do qual o meio de pressão pode fluir para uma câmara 3 de um alojamento de câmara 2, no qual o meio de pressão pode ser aquecido e resfriado.

[00122] Na extremidade inferior da câmara 3 voltada para o lado oposto ao espaço de cilindro 5, um meio de aquecimento 9 é localizado; o meio de aquecimento 9 é posicionado em pelo menos uma porção das paredes interna e/ou externa do alojamento da câmara 2 com a finalidade de aquecê- lo. Os meios de aquecimento do dispositivo de escoramento são conectados no lado de entrada à saída de um comutador de liga/desliga, que é ativado pelo dispositivo de controle. Quando a chave de liga/desliga está na posição ligada, o dispositivo de aquecimento é fornecido com energia elétrica, fornecida por meio de um gerador para gerar uma corrente elétrica, localizada no alojamento, com a finalidade de aquecer o meio de pressão. Em outra modalidade exemplificativa, os meios de aquecimento 9 são fornecidos através de cabos de energia com a corrente elétrica fornecida através do comutador de liga/desligada das baterias e/ou de um gerador elétrico, que é alimentado por uma turbina acionada por um fluxo de fluido de perfuração através de dispositivo de controle, com a finalidade de aquecer o meio de pressão, e é atuado através do comutador de liga/desliga. Quando o comutador de liga/desliga está na posição desligada, o meio de aquecimento não é alimentado com corrente elétrica. Na extremidade superior da câmara 3, voltada para o espaço de cilindro 5, o canal 6 está localizado, conectando a câmara 3 do alojamento da câmara 2 ao espaço de cilindro 5, de modo a permitir a passagem do meio de pressão. O pistão 4 pode ser ativado no espaço de cilindro 5. A câmara 3 e o espaço de cilindro 5 são preenchidos com uma mistura de óleo como meio de pressão, que possui um coeficiente de expansão térmica, ou seja, coeficiente de expansão de volume, Y a 18°C de 5,0 x 10-4 ou em outras modalidades exemplificativas de 16,0 x 10-4 ou 18 x 10-4 (em 1/K ou 1/°C), ou que tem um coeficiente de expansão de volume, y a 18°C de 0,52 (y em 10-3K=1), contendo glicerol. Em outras modalidades exemplificativas, hélio ou nitrogênio é usado como meio de pressão.

[00123] Quando o meio de pressão é atuado por temperaturas de 125°C, 150°C, 175°C, 210°C ou 255°C ou até mais altas que estas temperaturas, o meio de pressão é expandido até que o pistão 4 no cilindro 5 seja forçado para fora da sua posição inicial para a sua posição final (não mostrada). A extremidade externa do pistão 4 é acoplada, preferencialmente articulada, ao elemento de ancoragem 7, de modo que quando o pistão 4 é forçado para fora na sua transição da sua posição inicial para a sua posição final, o elemento de ancoragem 7 é articulado para fora para ser colocado carregado por força contra a parede do furo do poço (não mostrada). Quando o meio de pressão é aquecido, o pistão 4, que está na posição inicial antes de o meio de pressão ser aquecido, é movido, isto é, deslocado para fora no espaço de cilindro 5 em direção à parede do furo do poço, radialmente ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento ou ao eixo de acionamento de broca, isto é, transversalmente ao eixo geométrico central longitudinal, colocando assim o elemento de ancoragem 7, carregado por força, contra uma parede do furo de poço durante a transição da referida posição inicial para a posição final. Quando o meio de pressão é refrigerado ou resfriado, o pistão 4, que está localizado na posição final, é deslocado na direção oposta, desta vez em direção ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento ou ao eixo de acionamento, radialmente ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento ou do eixo de acionamento de broca, colocando assim o elemento de ancoragem 7 contra o alojamento ou contra o seu lado exterior durante a transição da posição final para a posição inicial.

[00124] A outra extremidade do elemento de ancoragem 7, voltada ao contrário da broca de perfuração rotativa, é acoplada, preferencialmente articulada, ao alojamento externo através de uma mola, tal como uma mola helicoidal ou mola de disco, em que a orientação da extremidade oposta do elemento de ancoragem 7 por meio de um pino em forma de haste (não mostrado), alinhado radialmente ao alojamento externo e acoplado ao mesmo, suporta eficazmente deslocamentos paralelos do elemento de ancoragem 7 ao alojamento externo ou ao eixo longitudinal central do mesmo ou ao eixo acionador de broca. Quando o pistão 4 é forçado para fora como resultado da aplicação de calor à câmara 3 e/ou espaço de cilindro 5, o elemento de ancoragem 7 é movido radialmente para fora em relação ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento externo ou ao eixo de acionamento de broca e paralelo ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento externo ou ao eixo de acionamento de broca de sua posição inicial para sua posição final.

[00125] Se necessário, a colocação carregada por força pode depender de uma duração especificada, sem a ocorrência de tensão mecânica adicional, por exemplo, durante a operação da bomba, em contraste com a técnica anterior convencional. Da posição final, o elemento de ancoragem 7 e o pistão 4 podem retornar às suas respectivas posições iniciais como resultado do resfriamento ou da interrupção do processo de aquecimento dos meios de aquecimento 9. As retrações e extensões repetidas do pistão 4 e do elemento de ancoragem 7 ocorrem com baixo desgaste, uma vez que apenas o pistão 4 é movido no espaço de cilindro 5, em contraste com a técnica anterior, que requer uma multiplicidade de partes móveis mecânicas não apenas para permitir a aplicação da força dependente do tempo, mas também para permitir o retorno dos componentes uma vez que a aplicação da força é completada. Os meios de aquecimento podem estar localizados na câmara 3 e/ou podem estar posicionados na região em volta do espaço do cilindro 5.

[00126] Em outra modalidade exemplificativa (não mostrada), o dispositivo de escoramento é formado com um meio de atuação, concretizado como uma haste tendo um material termoexpansível, também chamado material sólido ou sólido, como meio de pressão, que pode ser uma liga de alumínio, por exemplo tendo um coeficiente de expansão linear α em 10-6K-1 de 23,1 a 20°C, caso em que a haste está igualmente provida de um meio de aquecimento, por exemplo, é encerrada pelos referidos meios de aquecimento. Quando o material da haste é aquecido, o material sofre expansão linear significativa, de modo que a expansão linear do material também força ou move o elemento de ancoragem 7 acoplado à haste para fora da posição inicial para a posição final, para a colocação carregada pela força do referido elemento de ancoragem contra a parede do furo do poço.

[00127] Além disso, em uma modalidade exemplificativa adicional do dispositivo de escoramento que inclui a haste com o material sólido, além de controlar a duração da aplicação de calor à haste, a extensão da aplicação da temperatura à haste também pode ser controlada, dependendo as exigências específicas da formação rochosa subterrânea e o grau de curvatura do poço a ser descrito (não mostrado), por meio de um regulador, cuja entrada está conectada à saída do dispositivo de controle.

[00128] Em uma modalidade exemplificativa adicional (não mostrada), o dispositivo de escoramento é formado por um meio de atuação que compreende duas hastes, alinhadas paralelas uma à outra e afastadas uma da outra e contendo o material termoexpansível como meio de pressão, por exemplo, liga de alumínio, por exemplo, tendo um coeficiente de expansão linear α de 23,1 a 20°C, as extremidades externas das referidas hastes sendo acopladas ao elemento de ancoragem 7 para o deslocamento paralelo do mesmo como um resultado da aplicação de uma temperatura ao meio de pressão; para as finalidades da invenção, uma aplicação de temperatura pode também ser entendida como a aplicação de uma baixa temperatura ao meio de pressão com a finalidade de resfriar o mesmo e a aplicação ao meio de pressão com a finalidade de aquecê-lo.

[00129] Em uma outra modalidade exemplificativa (não mostrada), a câmara pode igualmente ser conectada a dois espaços de cilindro 5, cada um tendo um pistão 4, de modo que os dois pistões 4 dos espaços de cilindro 5 sejam capazes de mover um elemento de ancoragem 7 paralelo ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento externo da posição inicial para a posição final contra a parede do furo do poço e vice-versa, sem a necessidade de gastos adicionais com partes mecânicas, em contraste com a técnica anterior. Os espaços de cilindro 5 são conectados através de um canal 6 a uma câmara 3 de modo a permitir a passagem de meio de pressão, a referida câmara tendo um dispositivo de aquecimento 9, cuja entrada é conectada à saída de um comutador de ligar/desligar, que é atuado pelo dispositivo de controle. A força de pressão com a qual o elemento de ancoragem 7 é colocado, carregado por força, contra a parede do furo do poço também pode ser determinada e continuamente monitorada por sistemas sensores arranjados no espaço de cilindro 5 ou na câmara 3, de modo que este controle também seja realizado em tempo real, sem intervenção externa.

[00130] Em outra modalidade exemplificativa (não mostrada), o conjunto pistão-cilindro 1 concretizado como um conjunto de dupla ação, e as superfícies do pistão mutuamente opostas podem ser atuadas por meio de pressão, cuja temperatura é controlada através dos meios de aquecimento localizados em os dois espaços cilindros opostos 5; em um aperfeiçoamento da modalidade exemplificativa, cada um dos dois espaços de cilindro 5 pode ser conectado a uma câmara 3 de um alojamento de câmara 2 através de um canal 6 através do qual o meio de pressão é capaz de fluir; cada câmara 3 tem um meio de aquecimento, de modo que o meio de pressão possa ser aquecido apenas fora dos espaços de cilindro 5, que preferencialmente não possuem meios de aquecimento, nas câmaras 3, que podem estar afastados dos espaços de cilindro 5. Quando o meio de pressão em espaço de um cilindro 5 e/ou na câmara 3 é aquecido, o pistão 4 e o elemento de ancoragem 7 acoplados ao mesmo são movidos da posição inicial para a posição final, enquanto o outro meio de pressão no outro espaço de cilindro 5 e a outra câmara não sofre aquecimento e, de um modo mais preferido, é resfriada; quando o outro meio de pressão no outro espaço de cilindro 5 e/ou na outra câmara 3 é aquecido, o pistão 4 e o elemento de ancoragem 7 acoplado ao mesmo são forçados da posição final para a posição inicial, enquanto o meio de pressão no primeiro cilindro o espaço 5 e/ou a primeira câmara 3 não sofre aquecimento e é vantajosamente resfriado. Esta modalidade exemplificativa também adequada para uma extensão parcial e uma retração pré-estabelecida do pistão 4; apenas uma porção do pistão 4 é forçada para fora e/ou movida de volta para o espaço de cilindro 5 sem que o pistão 4 e o elemento de ancoragem 7 acoplado ao mesmo cheguem à posição final.

[00131] A construção sólida conseguida usando o dispositivo de escoramento com temperatura controlada da ferramenta de perfuração da invenção garante baixa manutenção, operação de perfuração direcional contínua, controle constante em tempo real, operação contínua, perfuração profunda precisamente controlada, mesmo com uma curvatura de trajeto suave, levando em consideração uma ampla faixa de dados de posição e outros valores medidos com processamento dos meios por meio de malhas de controle para controle de multivariáveis implementado no dispositivo de controle. a transmissão sem fio de informações por meio de pulsos de pressão na coluna de perfuração, perfuração continuamente orientada por trajeto em grandes profundidades, um aumento nos intervalos de tempo entre a manutenção da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, perfuração direcional econômica, um aumento substancial no período de operação livre de manutenção da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, uma redução substancial nos materiais e componentes de substituição, uma redução substancial nos custos operacionais, um desenho compacto e econômico da ferramenta de perfuração de acordo com a invenção, trabalho de baixo consumo e de baixa energia de transmissão de dados, transmissão sem falha de dados e correção automática dos desvios no furo da direção de perfuração especificada com monitoramento simultâneo do trajeto de perfuração.

Claims

1. Ferramenta de perfuração para operação contínua tranquila para cavar furos em formações rochosas subterrâneas, com especificação de um trajeto direcional selecionável para o furo de poço, compreendendo um alojamento tubular; um eixo de acionamento de broca configurado para rotacionar no alojamento e suportar uma broca de perfuração rotativa em uma extremidade inferior do eixo de acionamento de broca, em que a broca de perfuração rotativa se projeta do alojamento, uma pluralidade de dispositivos de suporte arranjados no alojamento e configurados para gerar forças de direcionamento tendo componentes de força radialmente alinháveis para o alinhamento da ferramenta de perfuração durante operações de perfuração; e um dispositivo de controle para atuar os dispositivos de suporte, em que os dispositivos de suporte compreendem elementos de ancoragem (7) e um conjunto de atuador ao qual os elementos de ancoragem (7) são acoplados, em que os elementos de ancoragem (7) são distribuídos pela circunferência do alojamento; em que os elementos de ancoragem (7) são móveis radialmente para fora e para dentro e são configurados para serem retraídos em ranhuras no alojamento, e em que a mobilidade radial dos elementos de ancoragem (7) é controlada por temperatura pelo conjunto de atuador que contém pelo menos um meio de pressão expansível por calor, caracterizada pelo fato de que o meio de pressão compreende pelo menos um de um gás tendo um coeficiente de expansão de volume isobárica Y a 20°C de 3,0 a 4,0x10-3K-1 e um líquido tendo um coeficiente de expansão volumétrica y a 18°C de 7,2 a 16,3x10-4K-1.

2. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o conjunto de atuador compreende um conjunto de pistão e cilindro (1) tendo um espaço cilíndrico (5) enchido pelo meio de pressão, um meio de aquecimento (9) configurado para aquecer o meio de pressão, e um pistão incluindo uma extremidade externa de pistão (4) que é acoplada a pelo menos um dos elementos de ancoragem (7).

3. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o pistão (4) é deslocado radialmente em relação ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento em reposta ao aquecimento do meio de pressão para a colocação carregada por força de pelo menos um dos elementos de ancoragem (7) contra uma parede do furo de poço durante a transição do dito elemento de ancoragem (7) de uma posição inicial para uma posição final.

4. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o pistão (4) é deslocado radialmente em relação ao eixo geométrico central longitudinal do alojamento em resposta ao resfriamento do meio de pressão para a colocação de pelo menos um dos elementos de ancoragem (7) durante a transição do dito elemento de ancoragem (7) de uma posição final para uma posição inicial.

5. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de controle é configurado para acionar o meio de aquecimento (9) através de cabos com corrente elétrica fornecida por pelo menos uma bateria e um gerador elétrico que é acionado por uma turbina acionada por um fluxo de fluido de perfuração.

6. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o conjunto de pistão e cilindro (1) é configurado como um conjunto de pistão e cilindro de ação dupla.

7. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de controle compreende um sistema de sensores, e em que a ferramenta de perfuração compreende um dispositivo de transferência de dados configurado para encaminhar dados adquiridos pelo sistema de sensores para um console de controle acima do solo.

8. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de transferência de dados é configurado para gerar sinais de pressão para transmitir os dados em um canal de descarga da coluna de tubo de perfuração por meio de um impulsor atuado por um líquido de perfuração e que aciona um gerador ao qual um acumulador é conectado; o impulsor compreende um eixo de impulsor suportado dentro de um alojamento de impulsor que se estende de forma axial, que é enchido com óleo e forma um interstício anular cilíndrico em relação à coluna do tubo de perfuração; o impulsor é acionado em rotação em resposta ao fluxo do fluido de perfuração dentro do interstício anular; e um pistão compensador de pressão atuado pelo fluido de perfuração é fornecido acima de um reservatório de óleo formado no alojamento de impulsor, e em que uma vedação é fornecida entre o alojamento e o eixo de impulsor.

9. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de transferência de dados é configurado para gerar sinais de pressão para transmitir os dados durante as operações de perfuração através de um canal de descarga da coluna de tubo de perfuração e em que um impulsor é posicionado no canal de descarga.

10. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de transferência de dados é configurado para encaminhar os dados por meio de pulsos de pressão em um fluido de perfuração em fluxo, em que o dispositivo de transferência de dados compreende um dispositivo de geração de informação, um dispositivo de transmissão conectado ao dispositivo de geração de informação e um dispositivo de recepção configurado para receber e analisar os dados transmitidos através dos pulsos de pressão no console de controle, em que o dispositivo de transmissão inclui um resistor de fluxo resiliente no fluido de perfuração e um conjunto de atuador configurado para modificar a seção transversal de fluxo do resistor de fluxo em sincronização com os pulsos de pressão gerados.

11. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de controle é conectado ao dispositivo de transferência de dados dentro da coluna de tubo de perfuração por meio de pulsos compreendendo ondas sonoras, em que um dispositivo de transmissão configurado para gerar os pulsos é conectado ao sistema de sensores do dispositivo de controle e em que o dispositivo de transferência de dados compreende um dispositivo de recepção configurado para receber e analisar os dados transmitidos através dos pulsos.

12. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de transferência de dados é configurado para encaminhar os dados para um processador do dispositivo de controle; o processador é configurado para alimentar os dados para um circuito de controle para controle multivariável; e o processador é configurado para comparar os dados como variáveis de controle com valores alvo armazenados no processador, em que o dispositivo de controle é configurado para encaminhar variáveis de saída modificadas em resposta a um desvio dos valores alvo como sinais para pelo menos um de um comutador configurado para aplicar uma temperatura ao meio de pressão e um regulador configurado para aplicar uma temperatura de forma contínua e variável ao meio de pressão fornecendo energia elétrica ao conjunto de aquecimento.

13. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que: o conjunto de atuador compreende um conjunto de pistão e cilindro (1) compreendendo um pistão e um espaço cilíndrico (5) conectado de forma fluida a uma câmara de um alojamento de câmara, e em que o espaço cilíndrico (5) e a câmara são preenchidos com o meio de pressão, e o conjunto de atuador compreende um conjunto de aquecimento localizado em pelo menos uma parte de uma parede interna e uma parede externa do alojamento de câmara para aquecer o compartimento e o meio de pressão.

14. Ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que uma extremidade superior do eixo de acionamento de broca é configurada para se acoplar a uma coluna de tubo de perfuração.