BR112019001148B1

BR112019001148B1 - Método para controlar trajetória de broca de perfuração em uma formação subterrânea

Info

Publication number: BR112019001148B1
Application number: BR112019001148-0A
Authority: BR
Inventors: Reed W. Spencer; Timothy P. Uno; Jonathan M. Hanson
Original assignee: Baker Hughes, A Ge Company, Llc
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2023-04-11
Also published as: WO2018017724A1; GB2567376A; GB201901944D0; CN109661502A; NO20190197A1; BR112019001148A2; CA3031465C; CN109661502B; BR112019001148A8; GB2567376B; SA519400930B1; CA3031465A1

Abstract

Um método para controlar trajetória de broca de perfuração em uma formação subterrânea inclui receber parâmetros de perfuração para operar uma composição de fundo específica (BHA), construir, com um processador de computador, um simulador de broca a frente direcional incluindo um modelo de computador da BHA e da formação subterrânea, calcular movimento axial e movimento lateral de uma broca de perfuração conectada a uma extremidade de fundo da BHA usando parâmetros de formação e parâmetros de perfuração, predizer a caminhada de broca da broca de perfuração levando em conta e calculando forças de contato e forças de atrito entre a BHA e uma parede de um poço na formação subterrânea usando o modelo de computador da BHA e determinar uma trajetória de broca de perfuração ajustada para levar em conta a caminhada de broca predita. O método inclui determinar parâmetros de perfuração ajustados para operar a BHA para seguir substancialmente a trajetória de broca de perfuração ajustada e operar a BHA de acordo com os parâmetros de perfuração ajustados.

Description

REIVINDICAÇÃO DE PRIORIDADE

[0001] Este pedido reivindica o benefício da data de depósito do Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos 62/364.833, depositado em 20 de julho de 2016, para “METHODS OF CONTROLLING DRILL BIT TRAJECTORY BY PREDICTING BIT WALK AND WELLBORE SPIRALING.” Este pedido também reivindica o benefício da data de depósito do Pedido de Patente US 15/348.003, depositado em 10 de novembro de 2016, cujo pedido é uma continuação em parte do Pedido de Patente US 14/517.433, depositado em 17 de outubro de 2014, intitulado “DIRECTIONAL DRILL AHEAD SIMULATOR: DIRECTIONAL WELLBORE PREDICTION USING BHA AND BIT MODELS,” que reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisório US 61/892.959, depositado em 18 de outubro de 2013, e este pedido também reivindica o benefício de Pedido de Patente Provisório US 62/364.833, depositado em 20 de julho de 2016, a divulgação de cada um dos quais é aqui incorporada em sua totalidade por esta referência.

[0002] A matéria deste pedido também está relacionada à matéria do Pedido de Patente US 14/517.445, depositado em 17 de outubro de 2014, intitulado “AXIAL MOTION DRILL BIT MODEL,” que reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisório US 61/892.992, depositado em 18 de outubro de 2013, e a matéria deste pedido também está relacionada à matéria Pedido de Patente US 14/517.454, depositado em 17 de outubro de 2014, intitulado “LATERAL MOTION DRILL BIT MODEL,” que reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisório US 61/893.011, depositado em 18 de outubro de 2013, cuja divulgação de cada um deles também está incorporada em sua totalidade por esta referência.

CAMPO TÉCNICO

[0003] As modalidades da presente divulgação referem-se a métodos de controle da trajetória da broca de perfuração em uma formação subterrânea para melhorar as operações de perfuração e os planos de perfuração, levando em conta e predizendo a caminhada da broca e o espiralamento do furo de poço.

FUNDAMENTOS

[0004] As formações geológicas são usadas para muitas aplicações, como produção de hidrocarbonetos, produção geotérmica e sequestro de dióxido de carbono. Normalmente, os poços são perfurados nas formações para proporcionar acesso a eles. As sondas dispostas na superfície, seja terra ou água, operam colunas de perfuração que são conectadas a brocas de perfuração para perfurar os poços. Na medida em que é muito dispendioso operar uma sonda de perfuração, podem ser obtidas eficiências perfurando precisamente um poço para obter uma geometria e localização finais desejadas. Ao perfurar uma formação de terra, um caminho de perfuração predeterminado que se estende para a formação de terra pode ser proporcionado para um operador seguir. O caminho da broca pode se curvar, girar ou ser não linear, exigindo que o operador controle uma direção na qual uma ferramenta de perfuração de terra proceda à formação de terra. Componentes para inclusão em uma coluna de perfuração, como uma composição de fundo (BHA) e uma ou mais ferramentas de perfuração de terra (por exemplo, uma broca de terra, um escareador ou outra ferramenta configurada para remover material de terra ao formar ou ampliar um poço), podem ser selecionados por sua capacidade de executar dentro, e criar, um poço não linear.

[0005] Os processos de perfuração direcional são complicados pela complexa interação de forças entre a broca e de perfuração e as paredes da formação subterrânea que revestem o furo de poço. Na perfuração com brocas de perfuração rotativas e, particularmente com brocas de perfuração rotativas do tipo cortador fixo, sabe-se que se uma força lateral (muitas vezes referida como uma força lateral ou uma força radial) é aplicada à broca de perfuração, a broca de perfuração pode “caminhar” ou “derivar” do caminho reto que é paralelo ao eixo longitudinal pretendido do furo de poço. Quando uma broca de perfuração caminha de tal maneira que o ângulo de direção aumenta, pode-se considerar que a broca de perfuração caminha para a direita ou exibe “caminhada à direita”. Da mesma forma, quando uma broca de perfuração caminha de tal forma que o ângulo de direção diminui, pode- se dizer que a broca de perfuração caminha para a esquerda ou exibe “caminhada à esquerda”. Quando uma broca de perfuração não caminha ou desvia do caminho reto que é paralelo ao eixo longitudinal do furo de poço na parte inferior do mesmo, a broca pode ser chamada de broca de perfuração “anticaminhada” e pode-se dizer que apresenta “caminhada neutra”. De uma maneira similar, quando uma broca de perfuração desvia em uma direção tal que o ângulo de inclinação aumenta, pode-se dizer que a broca de perfuração apresenta uma tendência para “construir”, e quando uma broca de perfuração desvia em uma direção tal que o ângulo de inclinação diminui, se diz que a broca de perfuração apresenta uma tendência a “cair”.

[0006] Muitos fatores ou variáveis podem contribuir, pelo menos parcialmente, para as forças reativas e torques aplicados a uma broca de perfuração e BHA pela formação subterrânea circundante. Tais fatores e variáveis podem incluir, por exemplo, o “peso em broca” (WOB), a velocidade rotacional da broca e da BHA, as propriedades físicas e características da formação subterrânea a ser perfurada, a hidrodinâmica do fluido de perfuração, o comprimento e a configuração da BHA para a qual a broca é montada e vários fatores de projeto da broca e da BHA, incluindo o tamanho do elemento de corte, o posicionamento radial, a inclinação para trás (ou para frente), a inclinação lateral etc. Vários métodos complexos de modelagem e computação conhecidos na técnica podem ser usados para calcular as forças e torques que atuam em uma broca de perfuração e BHA sob condições e parâmetros predeterminados. Por exemplo, um projeto de furo de poço pode ser criado usando software de modelagem tridimensional inserindo variáveis de projeto associadas a parâmetros de perfuração e dados de litologia e usando o software computacional para estimar por cálculos matemáticos as forças reativas e torques aplicados à broca de perfuração à BHA pela formação subterrânea circundante durante a perfuração para estimar a trajetória da broca de perfuração e da BHA através da formação subterrânea.

DIVULGAÇÃO

[0007] É divulgado um método para predizer um caminho de um poço que será perfurado numa formação rochosa por uma composição de fundo (BHA) compreendendo uma broca de perfuração acoplada a um tubular de perfuração, a BHA sendo operada por uma sonda de perfuração. O método inclui: construir um modelo de BHA da BHA, o modelo de BHA, tendo (a) dimensões, geometria, distribuição em massa, densidade do material e rigidez do material da BHA e (b) dimensões e geometria do poço como predito para ser perfurado, o modelo de BHA sendo configurado para calcular (c) um ou mais pontos de contato entre a BHA e uma parede do poço e (d) forças impostas sobre a BHA nos um ou mais pontos de contato, as forças compreendendo um vetor de força lateral imposto na broca e (e) inclinação da broca de perfuração; calcular a resistência compressiva confinada da formação rochosa utilizando um modelo de broca de perfuração de movimento axial que recebe os parâmetros de perfuração para a sonda de perfuração, informação do projeto da broca de perfuração e informação de litologia compreendendo resistência da formação rocho- sa; calcular o movimento lateral da broca de perfuração usando um modelo de broca de perfuração de movimento lateral que recebe (i) a resistência à compressão confinada calculada, (ii) as informações de litologia, (iii) as informações do projeto da broca de perfuração e (iv) o vetor de força lateral da broca de perfuração e a inclinação da broca de perfuração do modelo de BHA; calcular uma razão de movimento lateral para movimento axial usando o modelo de broca de perfuração de movimento lateral; calcular um ângulo de inclinação e uma direção azimutal da BHA usando um modelo de direção de BHA que recebe a razão; e iterar as etapas acima atualizando o modelo de BHA para incluir a extensão do poço uma distância incremental na direção do ângulo de inclinação e na direção azimutal e deslocando a BHA à distância incremental no poço estendido; em que o método é implementado por um processador.

[0008] É ainda divulgado um meio não transitório legível por computador com instruções executáveis por computador para predizer um caminho de um poço que será perfurado numa formação de terra por uma composição de fundo (BHA) com uma broca de perfuração acoplada a um tubular de perfuração, a BHA sendo operada por uma sonda de perfuração, implementando as seguintes etapas. As etapas incluem: construir um modelo de BHA da BHA, o modelo de BHA, tendo (a) dimensões, geometria, distribuição em massa, densidade do material e rigidez do material da BHA e (b) dimensões e geometria do poço como predito para ser perfurado, o modelo de BHA sendo configurado para calcular (c) um ou mais pontos de contato entre a BHA e uma parede do poço e (d) forças impostas sobre a BHA nos um ou mais pontos de contato, as forças compreendendo um vetor de força lateral imposto na broca e (e) inclinação da broca de perfuração; calcular a resistência compressiva confinada da formação rochosa utilizando um modelo de broca de perfuração de movimento axial que recebe os parâmetros de perfuração para a sonda de perfuração, informação do projeto da broca de perfuração e informação de litologia incluindo resistência da formação rochosa; calcular o movimento lateral da broca de perfuração usando um modelo de broca de perfuração de movimento lateral que recebe (i) a resistência à compressão confinada calculada, (ii) as informações de litologia, (iii) as informações do projeto da broca de perfuração e (iv) o vetor de força lateral da broca de perfuração e a inclinação da broca de perfuração do modelo de BHA; calcular uma razão de movimento lateral para movimento axial; calcular um ângulo de inclinação e uma direção azimutal da BHA usando um modelo de direção de BHA que recebe a razão; e iterar as etapas acima atualizando o modelo de BHA para incluir a extensão do poço uma distância incremental na direção do ângulo de inclinação e na direção azimutal e deslocando a BHA à distância incremental no poço estendido.

[0009] Em algumas modalidades, um método para controlar trajetória de broca de perfuração em uma formação subterrânea pode inclui receber parâmetros de perfuração para operar uma composição de fundo específica (BHA), construir, com um processador de computador, um simulador de perfuração à frente direcional que pode incluir um modelo de computador da BHA e da formação subterrânea, calcular, com o processador de computador, movimento axial e movimento lateral de uma broca de perfuração conectada a uma extremidade de fundo da BHA usando pelo menos um parâmetro de formação e pelo menos um parâmetro de perfuração, predizer, com o processador de computador, a caminhada de broca da broca de perfuração levando em conta e calculando forças de contato e forças de atrito entre a BHA e uma parede de um poço na formação subterrânea usando o modelo de computador da BHA e determinar, com o processador de computador, uma trajetória de broca de perfuração ajustada para levar em conta a caminhada de broca predita. O método pode incluir determinar parâ- metros de perfuração ajustados para operar a BHA para seguir substancialmente a trajetória de broca de perfuração ajustada e operar a BHA de acordo com os parâmetros de perfuração ajustados.

[00010] Em modalidades adicionais, um método de planejamento e perfuração de um furo de poço em uma formação subterrânea pode incluir definir um alvo em uma formação subterrânea designada. O método pode incluir predizer o espiralamento do furo de poço e a caminhada de broca de uma broca de perfuração para uma composição de fundo (BHA) específica que pode incluir usar um processador de computador programado para executar um simulador de perfuração à frente direcional que pode incluir um modelo computacional da BHA e da formação subterrânea designada, receber com os dados de litologia do processador de computador e parâmetros de perfuração para operar a BHA na formação subterrânea designada calcular com o processador de computador uma razão de movimento lateral para movimento axial usando um modelo de computador de broca de perfuração de movimento lateral e um modelo de computador de broca de perfuração de movimento axial, predizer trajetória de broca de perfuração com o processador de computador levando em conta e calculando as forças de contato lateral, o deslocamento angular e as forças de atrito usando o modelo de computador da BHA e ajustar a trajetória de broca de perfuração com o processador de computador com base, pelo menos em parte, em predições do modelo de computador da BHA. O método pode incluir ajustar os parâmetros de perfuração para operar a BHA para seguir substancialmente a trajetória de broca de perfuração ajustada e perfurar o furo de poço na formação subterrânea designada com base, pelo menos em parte, na trajetória de broca de perfuração ajustada.

[00011] Em modalidades adicionais, um método para controlar a trajetória de broca de perfuração em uma formação subterrânea pode incluir receber dados de litologia para uma formação subterrânea específica, e receber um ou mais parâmetros de perfuração para operar uma composição de fundo (BHA), o um ou mais parâmetros de perfuração que podem incluir peso em broca, torque, velocidade rotativa, taxa de penetração, de fluxo de fluido de perfuração ou agressividade lateral de uma broca de perfuração. O método pode incluir predizer o espira- lamento do furo de poço e a caminhada de broca da broca de perfuração da BHA que pode incluir construir, com um processador de computador, um simulador de perfuração à frente direcional que pode incluir um modelo de computador dinâmico da BHA e da formação subterrânea, levando em conta o espiralamento o furo de poço e a caminhada de broca da broca de perfuração girando uma direção das forças de contato normais na broca de perfuração em um ângulo constante usando o processador de computador, calcular as forças combinadas na BHA adicionando forças de atrito por torção às forças normais de contato no modelo de computador dinâmico da BHA em cada iteração de uma análise de elementos finitos usando o processador de computador, predizer a trajetória da broca de perfuração, com o processador de computador, baseado, pelo menos em parte, no cálculo das forças combinadas na BHA e ajustar a trajetória da broca de perfuração, com o processador de computador, baseado, pelo menos em parte, em predições da trajetória da broca de perfuração. O método pode incluir ajustar um ou mais parâmetros de perfuração com base, pelo menos em parte, nas predições para o espiralamento do furo de poço e a caminhada de broca da broca de perfuração.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00012] Esta patente ou arquivo de pedido contém pelo menos um desenho executado em cor. Cópias dessa patente ou publicação de pedido de patente com desenhos coloridos serão fornecidas pelo Escritório mediante solicitação e pagamento da taxa necessária.

[00013] Embora o relatório descritivo conclua com reivindicações que apontam especificamente e distintamente reivindicam o que são consideradas como modalidades da presente invenção, várias características e vantagens de modalidades divulgadas podem ser mais prontamente determinadas a partir da descrição seguinte quando lida com referência aos desenhos anexos, nos quais:

[00014] A FIG. 1 ilustra uma vista em corte de uma modalidade exemplificativa de uma coluna de perfuração e broca de perfuração dispostas num furo que perfura a terra;

[00015] A FIG. 2 descreve aspectos da produção de um modelo de composição de fundo (BHA);

[00016] A FIG. 3 ilustra a convenção de medição de inclinação;

[00017] A FIG. 4 ilustra um fluxograma de processo para um método para predizer a inclinação de um poço sendo perfurado;

[00018] As FIGS. 5A e 5B, coletivamente conhecidas como FIG. 5, ilustra um fluxograma de processo mais detalhado para o método de predição da inclinação de um poço a ser perfurado;

[00019] A FIG. 6 descreve aspectos de um modelo de ângulo de direção dianteiro;

[00020] A FIG. 7 descreve aspectos do modelo de ângulo de direção dianteiro a ser aplicado a uma BHA;

[00021] A FIG. 8 descreve aspectos de um modelo de ângulo de direção traseiro sendo aplicado à BHA;

[00022] A FIG. 9 é um fluxograma para um método para predizer um caminho de um poço que será perfurado em uma formação de terra por uma BHA tendo uma broca de perfuração acoplada a um tubular de perfuração onde a BHA é operada por uma sonda de perfuração;

[00023] A FIG. 10 representa aspectos de uma estrutura de referência da broca de perfuração;

[00024] A FIG. 11 descreve aspectos de um primeiro cortador cortando uma rocha de formação;

[00025] A FIG. 12 descreve aspectos de um segundo cortador cortando uma rocha de formação;

[00026] A FIG. 13 descreve aspectos de um terceiro cortador cortando uma rocha de formação;

[00027] A FIG. 14 descreve aspectos da rocha de formação depois de ser cortada por três cortadores;

[00028] A FIG. 15 descreve aspectos de piquetes usados como representação virtual da broca de perfuração e da rocha de formação;

[00029] A FIG. 16 descreve aspectos de uma face de cortador e chanfro de cortador representado por um piquete;

[00030] A FIG. 17 descreve aspectos da rocha cortada pela face do cortador e pelo chanfro de cortador;

[00031] A FIG. 18 descreve aspectos de uma área projetada de rocha cortada em um plano R-Z por uma série de cortadores em uma lâmina de cortador na broca de perfuração;

[00032] A FIG. 19 descreve aspectos de um cortador de chanfro que sai da página com dois piquetes sobrepostos;

[00033] A FIG. 20 descreve aspectos de um cortador representado por um piquete em uma interface de rocha;

[00034] A FIG. 21 descreve aspectos de três forças ortogonais impostas a um cortador por uma superfície de rocha local em interface com o cortador;

[00035] A FIG. 22 representa aspectos de forças circunferenciais (CIR) e laterais (SID) impostas a um cortador por uma superfície de rocha local em interface com o cortador;

[00036] A FIG. 23 descreve aspectos de uma relação entre um cortador e uma superfície de rocha local em interface com o cortador;

[00037] A FIG. 24 descreve aspectos da energia específica intrínseca necessária para cortar rocha em função do ângulo de inclinação para trás do cortador;

[00038] A FIG. 25 descreve aspectos das forças que atuam sobre um cortador;

[00039] As FIGS. 26A a 26C, coletivamente referidas como FIG. 26, descrevem aspectos de vários ângulos de inclinação para trás de um cortador;

[00040] A FIG. 27 descreve aspectos do parâmetro do modelo de força Φ como uma função do parâmetro de inclinação para trás θ para o arenito Vosges;

[00041] A FIG. 28 descreve aspectos de uma comparação do peso em broca predito versus medido em um primeiro teste de simulador de perfuração de laboratório;

[00042] A FIG. 29 descreve aspectos de uma comparação do peso em broca predito versus medido em um segundo teste de simulador de perfuração de laboratório;

[00043] A FIG. 30 descreve aspectos de uma comparação do peso em broca predito versus medido em um terceiro teste de simulador de perfuração de laboratório;

[00044] A FIG. 31 descreve aspectos de uma comparação entre a taxa de penetração predita versus medida em uma localização real no campo;

[00045] A FIG. 32 é um fluxograma para um método para predizer uma quantidade de movimento axial de uma broca de perfuração com um ou mais cortadores para perfurar um poço numa rocha de formação;

[00046] A FIG. 33 é um fluxograma para representar aspectos de um modelo de broca de perfuração de movimento lateral;

[00047] A FIG. 34 descreve aspectos de uma broca de perfuração com almofadas de calibre configuradas para desgastar ou esmagar rochas de formação e aparadores de calibre configurados para cortar rocha de formação;

[00048] A FIG. 35 descreve aspectos de uma relação de uma almofada de calibre com aparadores de calibre;

[00049] A FIG. 36 descreve aspectos de uma simulação de remoção lateral da rocha de formação com a almofada de calibre e os aparadores de calibre;

[00050] A FIG. 37 descreve aspectos do deslocamento lateral em função do deslocamento axial para a simulação;

[00051] A FIG. 38 descreve aspectos de uma comparação de predições usando o modelo de broca de perfuração de movimento lateral com experimentos de perfuração de carga lateral de laboratório medidos em calcário de Bedford;

[00052] A FIG. 39 é um fluxograma para um método para predizer uma alteração no deslocamento lateral com uma alteração no deslocamento axial de uma perfuração de broca de perfuração numa formação rochosa;

[00053] A FIG. 40 é um fluxograma de processo para um simulador de perfuração à frente direcional;

[00054] A FIG. 41 é um desenho simplificado de uma vista de fundo de poço do poço mostrado na FIG. 1;

[00055] As FIGS. 42A a 42K são uma série de gráficos de resultados de simulações de perfuração levando em conta caminhada de broca durante a construção;

[00056] As FIGS. 43A a 43K são uma série de gráficos de resultados de simulações de perfuração levando em conta a caminhada de broca à direita enquanto cai;

[00057] A FIG. 44A é um desenho simplificado de uma vista de cima de um espiral de furo de poço;

[00058] A FIG. 44B é um desenho simplificado de uma vista lateral de um espiral de furo de poço;

[00059] A FIG. 45 é uma vista transversal simplificada transversal de uma BHA num furo do poço e ilustra vetores de força que atuam na BHA; e

[00060] A FIG. 46 é uma série de gráficos de resultados de simulações de perfuração levando em conta a caminhada de broca à esquerda na direção de construção enquanto gira.

MODO(S) PARA REALIZAR A INVENÇÃO

[00061] As ilustrações aqui apresentadas, em alguns casos, não pretendem ser vistas reais de qualquer material, componente, dispositivo ou sistema particular, mas são meramente representações idealizadas que são empregadas para descrever modalidades da presente divulgação. Elementos comuns entre figuras podem manter a mesma designação numérica.

[00062] A descrição que se segue fornece detalhes específicos, tais como processos, atos e estruturas, de modo a proporcionar uma descrição completa das modalidades da divulgação. Contudo, uma pessoa versada comum na técnica compreenderá que as modalidades da divulgação podem ser praticadas sem empregar estes detalhes específicos. De fato, as modalidades da divulgação podem ser praticadas em conjunção com técnicas convencionais utilizadas na indústria. Apenas os atos e as estruturas necessários para compreender as modalidades da divulgação são descritos em detalhes abaixo. Atos ou estruturas adicionais para controlar a trajetória da broca de perfuração numa formação subterrânea podem ser realizadas por técnicas convencionais.

[00063] Os elementos das modalidades foram apresentados com qualquer dos artigos “um” ou “uma.” Os artigos pretendem significar que há um ou mais dos elementos. Os termos “incluindo” e “tendo” se destinam a ser inclusivos, de modo que possa haver outros elementos que não os elementos listados. A conjunção “ou”, quando usada com uma lista de pelo menos dois termos se destina a significar qualquer termo ou combinação de termos. Os termos “primeiro” e “segundo” e semelhantes não denotam uma ordem particular, mas são usados para distinguir elementos diferentes.

[00064] Os diagramas de fluxo aqui representados são apenas exemplos. Pode haver muitas variações nestes diagramas ou nas etapas (ou operações) descritas no mesmo sem fugir do espírito da invenção. Por exemplo, as etapas podem ser executadas em uma ordem diferente ou etapas podem ser adicionadas, excluídas ou modificadas. Todas essas variações são consideradas parte da invenção reivindicada.

[00065] É divulgado um método de perfuração à frente para predizer ou simular uma geometria de um poço que será perfurado ou está sendo perfurado com base em parâmetros operacionais que podem ser aplicados a uma coluna de perfuração por uma sonda de perfuração. Desta forma, os parâmetros operacionais podem ser selecionados de modo que o poço real tenha uma geometria desejada, como trajetória ou caminho, raio de curvatura e localização de extremidade final. É conhecido na técnica empregar software para simular a trajetória de perfuração da BHA e a coluna de perfuração associada em aplicações de perfuração direcional. Por exemplo, o sistema de processamento de computador 12 pode ser programado com um programa de software desenvolvido e empregado comercialmente pela Baker Hughes Incorporated de Houston, TX é conhecido como o “Simulador de Perfuração Direcional à frente (DDAS)”. O DDAS também é divulgado na Publ. de Pedido de Patente US 2015/0142406, publicada em 21 de maio de 2015, intitulada “directional drill ahead simulator: directional wellbore prediction using bha and bit models,” cuja divulgação é incorporada em sua totalidade por esta referência. O método de perfuração à frente usa um modelo de direção da coluna de perfuração (isto é, algoritmo de direção) para predizer uma inclinação da broca de perfuração e, portanto, do poço no ponto em que está sendo perfurado. O DDAS pode incluir modelos adicionais para predizer movimento axial e movimento lateral e pode ainda incluir modelos para predizer o desempenho de perfuração para um projeto de broca específico em um ambiente de perfuração realista. Em particular, a dinâmica da broca de perfuração é modelada usando um modelo de broca de perfuração de movimento axial, conhecido como DRILLBIT, e um modelo de broca de movimento lateral referido como SIDECUT, que são divulgados na Publicação de Pedido de Patente US 2015/0142403, publicada em 21 de maio de 2015, intitulada “AXIAL MOTION DRILL BIT MODEL,” e Publicação de Pedido de Patente US 2015/0142404, publicada em 21 de maio de 2015, e intitulada “LATERAL MOTION DRILL BIT MODEL,” cuja divulgação de cada um deles também é incorporada em sua totalidade por esta referência. A litologia de formação para uma formação subterrânea específica e parâmetros operacionais da sonda de perfuração, como peso em broca, velocidade rotativa, taxa de penetração, taxa de fluxo do fluido de perfuração, agressividade lateral da broca de perfuração ou torque da coluna de perfuração são inseridos no DRILLBIT e/ou SIDECUT para estimar com precisão o movimento da broca de perfuração com base na interação calculada da broca de perfuração, da BHA e da rocha de formação. Por exemplo, podem ser recebidos parâmetros de perfuração específicos para a BHA e especí-ficos para um alvo definido em uma formação subterrânea designada.

[00066] Em seguida, o aparelho para perfurar um poço é discutido. A FIG. 1 ilustra uma vista em corte transversal de uma modalidade exemplificativa de um tubular de perfuração 5 disposto num poço 2 que penetra na terra 3, o que pode incluir uma formação de terra 4. A formação 4 representa qualquer material de subsuperfície de interesse que possa ser perfurado pelo tubular de perfuração 5. Na modalidade da FIG. 1, o tubular de perfuração 5 é uma coluna de perfuração feita de tubos de perfuração 6 acoplados em série em conjunto. Uma broca 7 é disposta em uma extremidade distal do tubular de perfuração 5. A coluna de perfuração juntamente com a broca de perfuração 7 pode ser referida como uma composição de fundo (BHA). Uma sonda de perfuração 8 está configurada para conduzir operações de perfuração, tal como girar o tubular de perfuração 5 e, assim, a broca de perfuração 7 para perfurar o poço 2. Além disso, a sonda de perfuração 8 está configurada para bombear fluido de perfuração (por vezes referido como lama de perfuração) através do tubular de perfuração 5 de modo a lubrificar a broca de perfuração 7 e cortar os resíduos do poço 2. Um motor de lama (não mostrado) pode ser incluído na BHA. O motor de lama é configurado para converter energia do fluido de perfuração em energia rotacional adicional para girar a broca de perfuração 7. Um dispositivo de direção 9 é acoplado ao tubular de perfuração 5 e é configurado para direcionar a perfuração do poço 2 em uma direção desejada ou pretendida usando almofadas extensíveis 13, por exemplo. Outras configurações de direção também podem ser usadas, como uma que dobra a BHA. A direção pretendida pode incluir uma direção de inclinação (isto é, para cima ou para baixo em relação à superfície da terra) e/ou uma direção azimutal (isto é, com relação a um azimute de referência como norte verdadeiro ou norte da grade). Pode ser apre-ciado que numa ou mais modalidades o dispositivo de direção 9 está disposto perto da broca de perfuração 7, dentro de três pés (0,914 metro), por exemplo, de modo que a força ou a porção da força sendo aplicada para o tubular de perfuração 5 pelo dispositivo de direção 9 também está sendo aplicada à broca de perfuração 7. O dispositivo de direção 9 em uma ou mais modalidades pode ser considerado parte da BHA. Em algumas modalidades, os sistemas de perfuração direcionáveis rotativos (RSS) podem ser usados para direcionar a BHA através do poço 2. Por exemplo, o RSS pode incluir o sistema direcio- nável rotativo (RSS) AutoTrakTM eXact de alta capacidade (“AutoTrakTM eXact RSS”) comercialmente disponível na Baker Hughes Incorporated de Houston, TX. Um controlador 11 é configurado para controlar o dispositivo de direção 9 para direcionar a perfuração do poço 2 na direção desejada. O controlador 11, que pode incluir eletrônicos no fundo do poço, também pode atuar como uma interface com telemetria para comunicar dados ou comandos entre componentes do fundo de poço e um sistema de processamento de computador 12 disposto na superfície da terra 3. As modalidades não limitativas da telemetria incluem tubos de perfuração com lama pulsada e fios. A operação do sistema, as operações de controle e/ou de processamento de dados podem ser realizadas pelo controlador 11, o sistema de processamento de computador 12, ou uma combinação dos mesmos. A BHA pode incluir um sensor 10 configurado para detectar vários parâmetros de fundo de poço, que podem ser transmitidos de acordo com instruções programadas para o sistema de processamento de computador 12 para gravação de dados, processamento ou exibição a ser utilizada por um operador ou analista para controlar as operações de perfuração. O sistema de processamento de computador 12 pode ser configurado para aceitar entradas (por exemplo, através dos sensores 10 ou através de um dispositivo de entrada do usuário) incluindo simulação de operações de perfuração, para melhorar aspectos de uma operação de perfuração ativa através de medidas corretivas compreendendo alteração de parâmetros operacionais para seleção e operação de equipamentos para uma operação de perfuração planejada subse-quente ou ambas. Os sinais do sensor podem ser proporcionados em intervalos de tempo selecionados, a intervalos de profundidade ao longo do caminho de perfuração, a intervalos reduzidos durante a perfuração de porções não lineares do poço, ou uma combinação dos mesmos.

[00067] O controlador 11 pode receber os sinais dos sensores de fundo de poço 10 e quaisquer outros sensores usados no conjunto de perfuração e processar os sinais de acordo com as instruções programadas. O controlador 11 pode enviar os resultados dos sinais processados (por exemplo, condições atuais de fundo de poço, posição atual, posição relativa ao caminho de perfuração predeterminado, parâmetros operacionais atuais, parâmetros operacionais recomendados, equipamento atual implantado e equipamento recomendado para implantação) a um mostrador eletrônico do sistema de processamento de computador 12, que pode ser utilizado por um operador para controlar as operações de perfuração. Em algumas modalidades, as características medidas da formação de terra 4 podem ser utilizadas pelo sistema de processamento de computador 12. Em outras modalidades, as características medidas podem ser extrapoladas usando o sistema de processamento de computador 12 acessando um banco de dados de características de formações geograficamente mais próximas e aceitando características estimadas da formação de terra 4 (por exemplo, usando técnicas de extrapolação linear, polinomial ou outras conhecidas) no sistema de processamento computacional 12. Exemplos de parâmetros de fundo de poço incluem inclinação da BHA, aceleração da BHA e parâmetros de formação que podem ser perfilados como mineralogia. Os ensinamentos divulgados aqui podem ser implementados em tempo real pelo sistema de processamento de computador que recebe dados do sensor ou os ensinamentos podem ser implementados por outro sistema de processamento de computador que não recebe dados do sensor em tempo real.

[00068] Em apoio aos ensinamentos neste documento, vários componentes de análise podem ser usados incluindo um sistema digital e/ou analógico. Por exemplo, o dispositivo de direção 9, o sensor de fundo de poço 10, o controlador 11 ou o sistema de processamento de computador 12 podem incluir sistemas digitais e/ou analógicos. O sistema de processamento de computador 12 pode ter componentes como processador, meio de armazenamento, memória, entrada, saída, ligação de comunicação (com fio, sem fio, pulso de lama, óptico ou outro), interfaces de usuário, programas de software, processadores de sinais (digitais ou analógicos) e outros componentes (tais como resistências, condensadores, indutores e outros) para fornecer a operação e análises do aparelho e métodos aqui divulgados de qualquer uma das várias maneiras bem apreciadas na técnica. Considera-se que esses ensinamentos podem ser, mas não são necessariamente, implementados em conjunto com um conjunto de instruções não transitórias executáveis por computador, armazenadas em um meio não transitório legível por computador, incluindo memória (por exemplo, memória somente leitura (ROM), memória de acesso aleatório (RAM), memória óptica somente leitura (CD-ROM), ou magnéticas (discos, discos rígidos)), ou qualquer outro tipo que, quando executado, faz com que um computador implemente o método do presente invenção. Estas instruções podem fornecer operação de equipamento, controle, coleta e análise de dados e outras funções consideradas relevantes por um projetista de sistema, proprietário, usuário ou tal outro pessoal, além das funções descritas nesta divulgação. Os dados processados, como o resultado de um método implementado, podem ser transmitidos como um sinal através de uma interface de saída do processador para um dispositivo de recepção de sinal. O dispositivo de recepção de sinal pode ser um monitor de exibição ou uma impressora para apresentar o resultado a um usuário. Alternativamente ou adicionalmente, o dispositivo receptor de sinal pode ser memória ou meio de armazenamento. Pode ser apreciado que armazenar o resultado na memória ou no meio de armazenamento irá transformar a memória ou o meio de armazenamento num novo estado (contendo o resultado) de um estado anterior (não contendo o resultado). Além disso, um sinal de alerta pode ser transmitido do processador para uma interface de usuário se o resultado exceder um valor limiar.

[00069] Em seguida, certas definições são apresentadas por conveniência. O processo de perfuração de uma formação subterrânea é muitas vezes um processo tridimensional, pois a broca de perfuração não só penetra a formação linearmente ao longo de um eixo vertical, mas é propositadamente ou involuntariamente perfurada ao longo de um caminho curvo ou em um ângulo em relação a um eixo vertical que se estende até a formação subterrânea em uma direção substancial-mente paralela ao campo gravitacional da terra. Tal como utilizado nesta divulgação, o termo “operação de perfuração” significa e inclui qualquer operação realizada durante a formação ou ampliação de um poço numa formação subterrânea. Por exemplo, as operações de perfuração incluem perfuração, escareamento e outros processos de remoção de formação.

[00070] O termo “ferramenta de perfuração da terra”, como usado nesta divulgação, significa e inclui qualquer tipo de ferramenta usada para remoção de terra durante a formação ou ampliação de um furo em uma formação subterrânea e inclui, por exemplo, brocas de cortador fixo (isto é, “arrasto”), broas de cone de rolo, brocas de percussão, brocas de testemunhagem, brocas excêntricas, brocas bicêntricas, escareado- res, fresas, brocas híbridas e outras brocas e ferramentas de perfuração conhecidas na técnica.

[00071] Como utilizado nesta divulgação, o termo “modelo de BHA” refere-se a um modelo de elementos finitos ou modelo de feixe que modela a dinâmica da BHA (isto é, coluna de perfuração e broca de perfuração) em um poço. No modelo de BHA, o usuário pode criar uma geometria de orifício especificando o comprimento de uma seção de orifício e as inclinações em cada extremidade da seção de orifício. Cada seção pode ser representada por uma série de círculos, onde cada círculo representa uma seção transversal do poço. O modelo representa automaticamente seções da BHA entre as duas extremidades da seção do orifício que o usuário especificou. Uma vez que um orifício é criado, uma coluna de perfuração ou BHA pode ser criada e colocada no orifício. O modelo de elemento finito ou modelo de feixe calcula como a coluna de perfuração se encaixa no orifício, onde entra em contato com o furo, como a coluna de perfuração é curvada ou flexionada e a magnitude e a direção das forças de contato onde ela toca a parede do poço com base nos parâmetros operacionais aplicados à BHA pela sonda de perfuração. O modelo de BHA também pode calcular a inclinação da broca de perfuração, que é o ângulo entre o eixo longitudinal da broca de perfuração e o eixo longitudinal do poço ou a diferença entre a inclinação da broca de perfuração e a inclinação do poço. Um exemplo de um modelo de BHA desenvolvido e empregado comercialmente pela Baker Hughes Incorporated de Houston, TX, é conhecido como BHASYS PRO. A FIG. 2 ilustra um exemplo de saída proporcionado pelo modelo de BHA, que ilustra a direção e a magnitude das forças de contato e a geometria da BHA. Uma vez que os modelos de BHA são conhecidos dos versados na técnica, detalhes adicionais destes modelos não são discutidos em mais detalhes.

[00072] As convenções essenciais e os sistemas de coordenadas usados nesta divulgação são a definição de inclinação, taxa de acúmulo (BUR) e Dog Leg Severity (DLS). A inclinação θ é medida a partir do eixo de profundidade vertical, conforme ilustrado na FIG. 3. A BUR é medida como mudança na inclinação em relação à profundidade medida. Em outras palavras, é a “curvatura do orifício” projetada em um plano vertical. Dog Leg Severity (DLS) é a mudança no ângulo do buraco em relação à profundidade medida. É simplesmente a “curvatura do orifício”, independentemente de como o orifício está orientado. Pode estar curvando para o lado ou curvando para cima, etc.

[00073] A inclinação será indicada com o símbolo θ. O subscrito “novo” usado com θnew refere-se à inclinação na extremidade (parte inferior do orifício) da seção de pesquisa que está sendo criada pelo algoritmo preditivo de BUR. θold refere-se à seção de pesquisa no topo da seção de pesquisa recém-criada. É chamado de “antigo” porque em BHASYS PRO, as inclinações nas quais as seções da pesquisa se juntam são sempre iguais entre si. Assim, a inclinação na parte inferior do orifício para a seção de pesquisa N será igual à inclinação no topo da seção de pesquisa para a seção de pesquisa N + 1.

[00074] Em seguida, é discutido um método de simulação de perfuração direcional à frente 40 para adicionar uma nova seção de poço ao modelo de BHA. Aspectos do método 40 estão representados na FIG. 4. Primeiro, o modelo de BHA é executado. O modelo de BHA fornece suas informações de forças, inclinação de broca, momentos e curvatura para os modelos de broca de perfuração de movimento axial e lateral. Ele também dá a curvatura do orifício e o alinhamento da BHA dentro do orifício para o modelo de direção. Em seguida, o modelo de broca de movimento axial é executado usando a entrada dos perfis de litologia de formação e os parâmetros operacionais da sonda de perfuração. Ele calcula a resistência de uma rocha (por exemplo, resistência à compressão confinada) e uma taxa de penetração (ROP). Então, a ROP e a resistência da rocha são dadas ao modelo de broca de perfuração de movimento lateral. O modelo de broca de perfuração de movimento lateral usa esses dados e os dados como a força lateral da broca e a inclinação da broca, proporcionados pelo modelo de BHA, para calcular a razão entre ROP lateral e ROP axial ou deslocamento lateral para deslocamento axial da broca de perfuração para um determinado período de tempo. Isso é chamado dL/dZ. Um ângulo de direção dianteiro, δ_front, da BHA é derivada de dL/dZ e é definido como:

[00075] Usando a pequena aproximação de ângulo, uma definição alternativa é:

[00076] O modelo de direção é chamado a seguir (explicado em detalhes abaixo). O modelo de direção calcula inclinação e azimute para a extremidade de uma nova seção de orifício a ser criada por perfuração simulada usando δfront. Uma nova seção de orifício é criada com base na inclinação calculada e no azimute. A BHA e a broca são movidas para baixo até a parte inferior da nova seção de orifício e os três modelos (BHA, modelo de broca de perfuração de movimento axial e modelo de broca de perfuração de movimento lateral) são chamados novamente. Assim, o ciclo continua até que a simulação seja interrompida. O método de simulação de perfuração à frente 40 executa o modelo de BHA primeiro e, em seguida, alimenta seus resultados com os modelos de broca axial e lateral, que são incorporados ao método de simulação de perfuração à frente 40. O método de simulação de perfu-ração à frente 40 prediz então a localização e a geometria da próxima seção de orifício.

[00077] Existem caminhos alternativos ou sequências de execução dos modelos, mas o ponto principal é que o modelo de direção é alimentado pelas informações dos outros modelos, e uma nova seção de orifício simulada é colocada na direção que o sistema de broca/BHA quer perfurar conforme calculado pelo modelo de direção.

[00078] As FIGS. 5A e 5B são um fluxograma representando detalhes adicionais do método de simulação de perfuração à frente 40. Em um cenário real de perfuração, o comportamento direcional geral da broca de perfuração será governado ou influenciado pelos seguintes fatores: relação WOB/ROP; relação de força de broca lateral/ROP lateral; inclinação da broca de perfuração, velocidade rotativa da broca (por exemplo, RPM); resistência à compressão confinada (CCS) da rocha de formação; taxa de fluxo do fluido de perfuração (se excessivo na litologia fraca); e estabilidade dinâmica do poço enquanto está sendo perfurado. Portanto, esses e outros fatores estão incluídos nos modelos que fornecem informações ao modelo de direção.

[00079] Em seguida, o modelo de direção da coluna de perfuração é discutido. O modelo de direção da coluna de perfuração inclui um modelo de ângulo de direção dianteiro. A precisão da direção pode ser melhorada adicionando um modelo de ângulo de direção traseiro ao modelo de ângulo de direção dianteiro. O modelo de ângulo de direção dianteiro é baseado no movimento cinemático de um veículo de duas rodas, como uma bicicleta. A FIG. 6 ilustra um diagrama simples de um tal veículo numa vista de topo e aspectos relacionados com um ângulo de direção dianteiro.

[00080] A seguinte equação descreve a taxa de variação angular em relação ao tempo do veículo em função da velocidade V do veículo, o comprimento L da base da roda e um ângulo de direção dianteiro δ.

[00081] O ângulo de direção é o ângulo entre o eixo longitudinal do veículo e a direção que a roda dianteira está apontando. O modelo de ângulo de direção dianteiro faz uma analogia entre este veículo de duas rodas e a porção da BHA da broca ao primeiro ponto de contato com a parede do poço. Uma diferença entre a perfuração de caminho de biciclo e a perfuração direcional é que a roda traseira de uma biciclo giratório não segue o caminho da roda dianteira. Na perfuração direcional, o segundo ponto de contato da BHA segue o caminho da broca, que faz o primeiro ponto de contato com a formação. Por simplicidade, essa diferença é negligenciada neste ponto.

[00082] A FIG. 7 descreve aspectos do ângulo de direção dianteiro, conforme aplicado à BHA. Os seguintes parâmetros são usados para descrever a BHA que perfura o poço: θ: A taxa de variação temporal do ângulo de orientação da estrutura do veículo = —; dt V: A velocidade do veículo = ROP = —; dt’ s: A profundidade medida; ds: A mudança na profundidade medida; e δ: O ângulo de direção da broca. (Observe que não é a inclinação da broca. Nenhuma parte física da broca foi necessariamente inclinada. O ângulo de direção δδ pode ser conceitualmente concebido como o ângulo entre: o eixo da ferramenta (da broca ao primeiro ponto de contato após a broca) e a trajetória instantânea da broca.

[00083] Como discutido acima, o ângulo de direção da BHA é influenciado por certos parâmetros de perfuração e litologia. Todos esses parâmetros mudam no tempo durante uma execução de perfuração normal. Por enquanto, δ(t) será denotado como δ, com a suposição de que ele pode mudar ao longo do ciclo, à medida que o tempo ou a profundidade mudam, porque os parâmetros mencionados acima mudarão com o tempo ou a profundidade. Usando L para indicar a distância da broca de perfuração até o primeiro ponto de contato da BHA após a broca de perfuração, a equação imediatamente acima para θ pode ser reescrita como: d

[00084] Os termos dt no denominador podem ser cancelados, levando à seguinte equação:

[00085] Essa equação pode ser reescrita como:

onde dθ/ds é a mudança na inclinação do eixo de broca(e inclinação do orifício) em relação à profundidade.

[00086] A curvatura de uma seção circular (isto é, seção transversal do poço) é matematicamente definida como:

onde R é o raio da seção de levantamento circular e k é a curvatura da seção de levantamento circular (isto é, raio de curvatura do poço na seção de pesquisa). Assim, a curvatura instantânea (ou curvatura para uma iteração) pode ser matematicamente descrita como:

[00087] Esta equação pode ser reescrita para proporcionar a mudança no ângulo de inclinação por mudança em profundidade como: IΔθ /tan 5\

[00088] Esta equação pode ser manipulada para encontrar o novo ângulo de inclinação θnew para a nova seção de pesquisa que o método de simulação de perfuração a frente prediz em uma iteração. θoid é a inclinação no fundo do furo antes da criação da nova pesquisa. Δs é a distância que o poço é perfurado à frente pela simulação durante cada iteração no método de simulação de perfuração à frente. θnew pode então ser escrito usando o modelo de direção de ângulo dianteiro como: /tan 5\

[00089] Como mencionado acima, o modelo de direção pode ser melhorado pela combinação do modelo de direção de ângulo traseiro com o modelo de ângulo de direção dianteiro. A FIG. 8 descreve aspectos do modelo de ângulo de direção traseiro. Na FIG. 8, a BHA tem uma roda dianteira de direção imaginária e uma roda traseira de direção imaginária. A roda traseira deve seguir o caminho do furo já perfurado como se a roda traseira estivesse guiando a BHA no eixo de direção da roda traseira. O modelo do ângulo de direção traseiro é muito semelhante ao modelo de ângulo de direção dianteiro. As únicas duas diferenças são que agora um ângulo de direção traseiro aparece na fórmula imediatamente acima, e o cosseno do ângulo de direção dianteiro modifica a predição também na seguinte equação:

[00090] O ângulo de direção traseiro δrear é o ângulo entre a inclinação do poço θ no primeiro ponto de contato da BHA após o contato da broca de perfuração e o eixo da ferramenta, ou pode ser definido como o ângulo entre a inclinação do poço θ no primeiro ponto de contato após a broca de perfuração e a inclinação do poço θ onde a broca entra em contato com a parede. Usando a última definição, o ângulo de direção traseiro pode ser escrito como:

[00091] A FIG. 9 é um fluxograma para um exemplo de um método 90 para predizer um caminho de um poço que será perfurado em uma formação de terra por uma composição de fundo (BHA) tendo uma broca acoplada a um tubular de perfuração, a BHA sendo operada por uma sonda de perfuração. O bloco 91 pede a construção de um modelo BHA da BHA. O modelo de BHA inclui (a) dimensões, geometria, distribuição de massa, densidade do material e rigidez do material da BHA e (b) dimensões e geometria do furo conforme predito para ser perfurado. O modelo de BHA é configurado para calcular (c) um ou mais pontos de contato entre a BHA e uma parede do poço e (d) forças impostas à BHA em um ou mais pontos de contato, as forças compreendem um vetor de força lateral imposto na broca de perfuração e (e) inclinação da broca de perfuração. O bloco 92 pede o cálculo da resistência à compressão confinada da formação rochosa utilizando um modelo de broca de perfuração de movimento axial que recebe parâmetros de perfuração para a sonda de perfuração, informações de projeto de broca de perfuração e informações de litologia compreendendo resistência da rocha de formação. O bloco 93 pede o cálculo do movimento lateral da broca de perfuração usando um modelo de broca de perfuração de movimento lateral que recebe (i) a ROP axial do modelo de broca de perfuração de movimento axial, (ii) a informação de litologia e (iii) a informação do projeto da broca de perfuração e (iv) o vetor de força lateral da broca de perfuração e a inclinação da broca de perfuração do modelo de BHA. O bloco 94 pede o cálculo de uma razão de movimento lateral para movimento axial. O bloco 95 pede o cálculo de um ângulo de inclinação e uma direção azimutal do BHA usando um modelo de direção BHA que recebe a razão. O ângulo de inclinação em conjunto com a direção azimutal (por exemplo, direção ou ângulo em relação ao norte verdadeiro) proporciona uma direção tridimensional. O bloco 96 pede que sejam iteradas as etapas acima, atualizando o modelo de BHA para incluir a extensão do poço uma distância incre-mental na direção do ângulo de inclinação e na direção azimutal e deslocando a BHA à distância incremental no poço estendido.

[00092] Cada um dos blocos no método 90 pode ser implementado por um processador, tal como num sistema de processamento de computador. Além disso, os dados utilizados pelo método 90 como entrada para os vários modelos discutidos acima podem ser atualizados em tempo real à medida que um furo real é perfurado de acordo com os parâmetros de perfuração que foram utilizados para obter o caminho de poço predito. Os dados atualizados podem ser obtidos de um ou mais sensores dispostos em uma BHA que perfura o poço real. Dessa maneira, a precisão do caminho predito pode ser melhorada usando os dados atualizados. Os sensores podem incluir um sensor de calibre de perfuração e/ou um sensor de formação configurado para detectar dados a partir dos quais a litologia de formação pode ser derivada. Exemplos de sensores de formação incluem um sensor de raios gama natural e ferramentas de nêutrons que emitem nêutrons e nêutrons dos sentidos ou raios gama resultantes de interações de nêutrons com a formação.

[00093] Em seguida, o modelo de broca de movimento axial (isto é, DRILLBIT) é discutido. O modelo de broca axial faz parte do Simulador de Perfuração à Frente Direcional. Ele permite predizer o desempenho de perfuração para um projeto de broca específico em um ambiente de perfuração realista e, em particular, usa um modelo de força de cortador PDC para calcular as forças na broca de perfuração. Dados os parâmetros operacionais, as características de formação e um projeto de broca específico, o modelo axial prediz a taxa de penetração (ROP) se o peso sem broca (WOB) for prescrito ou prediz o WOB se a ROP for prescrita. A abordagem geral é a seguinte: (a) do projeto de broca e parâmetros operacionais, calcular as áreas de corte (projetadas em um plano vertical) através da face e do chanfro para cada um dos cortadores que representam a broca; (b) a partir de detalhes da formação rochosa, profundidade de perfuração e peso da lama, estimar a resistência à compressão confinada da formação rochosa; (c) dadas estas áreas estimadas de corte, a geometria detalhada de como a borda do cortador está envolvida com a rocha e a CCS da formação rochosa, calcular as forças na face e no chanfro dos cortadores usando um “modelo de força” ( discutido abaixo); (d) e somar as forças em todos os cortadores para encontrar a força resultante na broca de perfuração. Se a ROP for prescrita, essas forças são facilmente traduzidas para um WOB (peso em broca) e TOB (torque em broca). Se o WOB for prescrito, é utilizado um procedimento iterativo pelo qual a ROP é ajustada até que o WOB predito corresponda ao WOB prescrito.

[00094] Se o Simulador de Perfuração à Frente Direcional (DDAS) estiver perfurando com um ROP prescrito, então a única coisa que passou do modelo de broca de perfuração de movimento axial que o DDAS usa é a CCS e algumas informações sobre o projeto de broca. No entanto, se o DDAS estiver perfurando com um WOB prescrito, a CCS, a ROP e as informações sobre o projeto de broca serão repassadas e usadas pelo DDAS. Especificamente, o SIDECUT (o modelo de broca de perfuração de movimento lateral) precisa de um valor de CCS e de informações sobre o projeto de broca, a fim de predizer a migração lateral de uma broca que tenha uma carga lateral aplicada.

[00095] O modelo de broca de movimento axial presume que a broca está perfurando “no centro” e o eixo de rotação de broca é sempre coincidente com um eixo Z fixo na estrutura de rochas de referência como ilustrado na FIG. 10. O modelo axial calcula as áreas de corte e forças à medida que cada cortador passa pelo plano vertical definido como [Y=0, X>0]. Nesta estrutura de referência, o eixo Z está no eixo da broca de rotação e o positivo Z está na direção de ponta a haste. A superfície da rocha é definida neste plano como uma linha simplesmente conectada definida neste plano vertical. A FIG. 10 ilustra esta estrutura de referência com o plano vertical sobreposto. A broca de perfuração na FIG. 10 é uma broca compacta de diamante policristalino (PDC).

[00096] Como parte da discussão do modelo axial, a rotação da broca de perfuração e a atualização da superfície da rocha agora são discutidas. Em uma ou mais modalidades, a broca de perfuração e a superfície da rocha são modeladas usando nós e as localizações dos nós são atualizadas com base na interação broca de perfuração-rocha. Os cortadores na broca são primeiro classificados em termos de aumento do ângulo ao redor (posição angular na broca). Considere uma broca com 3 cortadores e parâmetros listados na Tabela 1.

[00097] A superfície da rocha é atualizada durante uma revolução desta broca como segue: (1) a interseção do cortador 1 com a rocha é calculada e a superfície da rocha é atualizada de acordo; (2) a broca é girada através de um ângulo (45-0) e, com base em RPM e ROP, a posição vertical da broca é modificada de acordo; (3) a interseção do cortador 2 com a rocha é calculada e a superfície da rocha é atualizada de acordo; (4) a broca é girada através de um ângulo (270-45) e, com base em RPM e ROP, a posição vertical da broca é modificada de acordo; (5) a interseção do cortador 3 com a rocha é calculada e a superfície da rocha é atualizada de acordo; e (6) a broca é girada através de um ângulo (360-270) e, com base em RPM e ROP, a posição vertical da broca é modificada de acordo. Essa sequência é repetida até que os critérios de término de execução (por exemplo, várias iterações) sejam atendidos. As FIGS. 11 a 14 ilustram a progressão da atualização da superfície da rocha.

[00098] O modelo axial é computacionalmente rápido porque, em uma ou mais modalidades, é necessário apenas acompanhar a superfície da rocha em um plano 2D e calcular a interação da ferramenta com a superfície da rocha neste plano. Isso é possível para a situação em que a broca está perfurando no centro. Quando um cortador passa pelo plano -XZ, ele corta os topos dos piquetes, a fim de atualizar a superfície da rocha representada, como ilustrado na FIG. 15.

[00099] Além disso, como parte da discussão do modelo axial, o cálculo das áreas de corte é agora discutido. Em uma revolução da broca de perfuração, a broca se move para baixo pela quantidade DZ = ROP / (5 X RPM) para uma determinada ROP e RPM. ROP está em pé/h e DZ está em polegadas nesta equação. Se os cortadores forem classificados em ângulo crescente (ver discussão anterior), a quantidade de movimento vertical DZ‘ associado entre um cortador passando por um plano vertical e o próximo cortador passando por esse mesmo plano vertical é simplesmente DZ proporcional à diferença DAA naqueles ângulos em torno dos valores como na seguinte equação. DZ′ = DZ X DAA/360

[000100] Assim, como cada cortador (classificado em ângulo crescente ao redor) passa por um plano vertical, todos os cortadores são movidos para baixo em relação aos piquetes de rocha pela quantidade DZ‘. A comparação da sobreposição entre os cortadores e a superfície da rocha permite calcular a área de corte do cortador, que é então usada no modelo de força de cortador.

[000101] As bordas e chanfros dos cortadores PDC são representados inicialmente como elipses (círculos com inclinação para trás não nula projetados em um plano vertical) à medida que passam pelo “plano” de rochas. Estas são representações exatas (analíticas) de um cortador não usado com a inclinação para trás e a inclinação lateral do projeto. As elipses são divididas em piquetes verticais de largura prescrita pelo usuário (por exemplo, largura padrão = 0,003”). A superfície da rocha também é dividida em um conjunto idêntico de piquetes que corres-pondem à localização (ao longo do eixo X) dos piquetes de corte, como ilustrado na FIG. 15. A FIG. 16 ilustra essa configuração. A FIG. 16 mostra a face do cortador (com chanfro) com uma inclinação para trás não nula saindo da página no visualizador. Se o cortador tiver permissão para desgastar, essa borda do cortador em contato com a rocha se desviará de uma elipse ideal. Este desvio, aplicado numa base piquete- por-piquete, é governado por um modelo de desgaste discutido na divulgação mais abaixo. As áreas de corte são delineadas na FIG. 16. O trecho superior é a área (projetada) de corte na face do cortador e o trecho inferior é a área (projetada) de corte no chanfro. Note-se que estas áreas são dependentes da localização da superfície da rocha em relação ao cortador em um piquete particular. A superfície da rocha só pode interceptar parte de um chanfro e nenhuma da face em um local de piquete. As áreas de corte nos chanfros e face são mantidas independentemente, uma vez que cada uma delas se comportará de maneira diferente em relação às forças de corte. Isso também é discutido mais adiante. Também é possível que um piquete de cortador seja completamente desgastado e não exista mais.

[000102] Note-se que piquetes verticais são usados porque é uma escolha natural ao predizer o desgaste do cortador. Um piquete de cortador é associado unicamente a um piquete de rocha. Com esta escolha, pode haver algum erro introduzido nos flancos do cortador. O modelo de força discutido abaixo possui extensa contabilidade para contabilizar os piquetes que interceptam apenas os chanfros e piquetes que cruzam os chanfros e a face do cortador.

[000103] Além disso, como parte da discussão do modelo axial, a superfície de rocha atualizada agora é discutida. A nova superfície da rocha (depois de um corte) é gerada pelo recorte dos piquetes de rocha na posição mais baixa dos piquetes de corte. Isto é ilustrado pelas linhas tracejadas na FIG. 17. A FIG. 17 mostra a superfície da rocha atualizada para um novo cortador. Se o cortador estiver desgastado, a superfície de rocha atualizada será simplesmente a extremidade mais inferior de um piquete quando o piquete fizer um corte. Se o piquete não for corta-do, a superfície da rocha nesse local não será alterada.

[000104] Além disso, como parte da discussão do modelo axial, a interação do cortador é agora discutida. Geralmente, há sobreposição na extensão radial de cortadores adjacentes (na coordenada radial). A forma e a magnitude da área de corte dependem da sobreposição radial desses cortadores e seus respectivos ângulos ao redor. A FIG. 18 ilustra um exemplo. Este exemplo representa as áreas de corte para todos os cortadores em uma única lâmina de um broca PDC. As áreas de corte em um cortador e as forças associadas a essas áreas de corte dependem do layout do cortador na broca e dos parâmetros operacionais (por exemplo, RPM, ROP). Após algumas revoluções da broca, a magnitude e a forma das áreas de corte estabilizam para valores constantes para uma ROP e RPM fixas. Note que a imagem na FIG. 18 é uma imagem geral de “perfil de broca” gerada pelo modelo axial. Os cortadores e respectivas áreas de corte foram, apenas para plotagem, rotacionados de volta ao plano X-Z com o ângulo de hélice levado em consideração. A razão para isto é dupla: (1) de modo que a imagem esteja em conformidade com uma típica “visão lateral” de engenharia da broca e (2) que a geometria da área de corte seja representada dentro de seu cortador associado.

[000105] Além disso, como parte da discussão do modelo axial, a inclinação para trás efetiva de um cortador é agora discutida. A inclinação para trás efetiva é um ângulo que desempenha um papel nas forças de corte. A inclinação para trás efetiva não é a inclinação para trás de projeto encontrada em um arquivo de projeto de broca. Os dois estão associados, mas isso é tudo. A inclinação para trás efetiva é o ângulo entre a (normal para a) superfície de corte local e a superfície da rocha local. A FIG. 19 ilustra um cortador de chanfro saindo da página. Dois piquetes são sobrepostos na imagem. As duas setas grandes representam as normais da superfície do chanfro do cortador nos locais dos piquetes. A seta pequena é a superfície normal na face do cortador no local de um dos piquetes. Os pontos representam vetores que saem da página e são paralelos com a superfície da rocha local que o cortador vai ver ao passar pela rocha. A inclinação para trás efetiva (EBR) é aquele ângulo entre este vetor e as setas. Como é evidente, a EBR pode depender da localização no cortador, ambos ao longo da borda do cortador e se o corte está ou não no chanfro ou na face.

[000106] A FIG. 20 é uma vista de perto de um fundo de uma borda de piquete (em uma borda de um cortador). A borda do cortador é delineada pelo contato entre o piquete e o triângulo. A seta do vetor no cortador é a normal para a superfície do cortador local (em um chanfro ou na face). Observe que esse vetor normal está em três dimensões e possui três componentes, cada um associado a um eixo em um sistema de coordenadas de direita. Existe um componente do vetor normal que sai da página. O ângulo Φ é referido como o ângulo de “corte”.

[000107] Um operador simples de rotação bidimensional (2D) é construído para girar a borda inferior do piquete no plano horizontal. Este operador é aplicado ao normal tridimensional (3D) à superfície de corte local (vetor vermelho representado na FIG. 20). Se o vetor normal rotacionado resultante (normalizado) tiver componentes (Nx, Ny, Nz), onde X e Z foram definidos anteriormente como Estrutura”) e Y estiver “fora da tela, então a inclinação para trás efetiva (EBR) e a inclinação lateral efetiva (ESR) são dadas por:

Essas expressões para EBR e ESR são calculadas em uma base de piquete por piquete para todos os piquetes que cruzam um cortador.

[000108] Além disso, como parte da discussão do modelo axial, as forças nos cortadores são agora discutidas. As forças em um cortador são calculadas pela soma das forças em piquetes individuais que abrangem o cortador. As forças em um piquete individual dependerão da área de corte no chanfro, da área de corte na face, da inclinação para trás efetiva, da formação rochosa, da resistência à compressão confinada (CCS), da profundidade de perfuração e do peso da lama. Detalhes do modelo de força são dados em uma seção diferente. Uma vez que as forças normais (Fn) e circunferenciais (Ft) são calculadas em um piquete, elas são transformadas de volta na estrutura de brocas de referência. A força resultante na broca é uma soma das forças de cortador individuais que são, elas próprias, as somatórias das forças de piquete individuais. Considere a FIG. 21 ilustrando a superfície da rocha local (piquete) com as forças normal (Fn), tangencial (Ft) e radial (Fr) geradas pelo modelo de força. O modelo de força é aplicado em uma base de piquete a piquete. Fn é sempre normal à superfície da rocha local (independentemente da orientação da superfície da rocha local em relação à terra). Ft está na direção normal ao plano XZ e Fr é perpendicular ao plano contendo Fn e Ft.

[000109] Com esta nomenclatura, os seguintes componentes de força podem ser definidos. Componentes de FN na estrutura XYZ FNZ=FN COS(Φ) FNY=0 FNX=FN SIN(Φ) Componentes de FR na estrutura XYZ FRZ=FR SIN(Φ) FRY=0 FRX=-FR COS(Φ) Componentes de Ft na estrutura XYZ FTZ=0 FTY=FT FTX=0

[000110] Neste ponto, pode-se simplesmente adicionar todos os com- ponentes Z para obter o peso no cortador, todos os componentes Y para obter a força circunferencial e todos os componentes X para obter a força radial. No entanto, isso não leva em consideração o ângulo da hélice. Tenha em mente que o modelo de força está no referencial da superfície da rocha local. Portanto, uma correção para o ângulo de hélice α deve ser feita. As equações finais para as forças em um piquete particular são dadas pelas seguintes equações. WGT (força vertical) = (FNZ+FRZ) COS(α) + FTY SIN(α) SID (força lateral) = FNX+FRX CIR (força circunferencial) = -(FNZ+FRZ) SIN(α) + FTY COS(α) TRQ (torque no piquete) = Rpic CIR (veja abaixo a definição de Rpic)

[000111] Note-se que o ângulo da hélice é calculado para cada piquete e é dado pela seguinte equação:

onde ROP é taxa de penetração (pé/h), RPM é a velocidade rotativa da broca e Rpic é a posição radial do piquete (distância do eixo da broca ao piquete no plano horizontal).

[000112] Estes componentes de força num piquete são ilustrados graficamente na FIG. 22. Na FIG. 22, AA é o ângulo em torno do cortador e CIR e SID são definidos como acima. Note que a visão é de uma perspectiva olhando para baixo no plano horizontal de haste para a ponta. Na estrutura de referência XYZ, e referindo-se à FIG. 22, as forças em um piquete são dadas pelas seguintes equações. dFX=CIR SIN(AA) + SID COS(AA) dFY=SID SIN(AA) - CIR COS(AA) dFZ=WGT

[000113] A força total em um cortador é simplesmente um somatório dessas forças para todos os (N) piquetes associados a esse cortador, conforme dados por: Fx = ∑ dFx N FY = ∑ dFY N FZ = ∑ dFz N onde N é o número de piquetes associados a um cortador em particular. A força resultante e o momento na broca são, portanto, um somatório de forças e momentos em todos os cortadores da broca.

[000114] Em seguida, o modelo da força de cortador é discutido. As forças em um cortador PDC são dadas por dois componentes ortogonais: um componente “tangencial” que é paralelo à superfície da rocha local e um componente “normal” que é perpendicular à superfície da rocha local. Observe que ao avaliar itens como peso em broca e torque em broca, Fn e Ft devem ser transformados na estrutura de bocas de referência. O modelo é definido pelas seguintes equações: Ft = ε A Fn = Ç Fn em que: Ft = cuttin Força de corte paralela à superfície de rocha local F = cuttin Força de corte perpendicular à superfície de rocha local n ε ="intrin “energia específica intrínseca” A = proj ect Área de corte projetada; e Ç = ratio C Razão de Fn para Ft (dependências a serem definidas)

[000115] As FIGS. 23 e 18 definem o cortador PDC em relação à rocha. A FIG. 23 é uma vista lateral de um cortador movendo-se através da rocha, com Fn e Ft indicados. AFIG. 18 mostra uma lâmina de um broca PDC com os cortadores saindo da página. A FIG. 18 ilustra o que significou (a seguir) as áreas projetadas de corte (áreas enegrecidas) associadas à rocha removida.

[000116] O modelo de força de corte é estendido para uma forma prática, identificando a natureza da “energia específica intrínseca” e desenvolvendo um meio de caracterizar seu valor, em uma base específica do local, dos perfis de poço, da profundidade de perfuração e do peso da lama.

[000117] Em seguida, os ε aspectos intrínsecos da energia específica do modelo de força de cortador são discutidos. O termo “energia específica intrínseca” ε é a resistência de corte efetiva (ou resistência a ser cortada) da rocha. Esta resistência efetiva dependerá do seguinte: pressão do furo de poço; profundidade do furo; peso de lama; litologia; orientação do cortador na broca; geometria do cortador (face/chanfro); e coeficiente de atrito interfacial do cortador. A orientação do cortador na broca e a orientação da rocha de formação em relação à broca proporcionam uma orientação do cortador em relação à rocha de formação a ser cortada, o que é explicado na energia específica intrínseca como aqui divulgada. Presume-se que a “energia específica intrínseca” é equivalente à resistência à compressão confinada da rocha com a modificação de que este confinamento também inclui o confinamento devido aos efeitos do cortador, da coluna de lama e da pressão dos poros. Considera-se que a resistência à compressão confinada (CCS) é a resistência à compressão não confinada (UCS) modificada por um termo associado à pressão de confinamento e é definida da seguinte forma:

onde CCS é a resistência à compressão confinada (computada); a UCS é uma resistência à compressão não confinada (do perfil de poço); FA é o ângulo interno de atrito (do perfil do poço); e CP está limitando a pressão (calculada a partir do perfil do poço, do peso da lama e da profundidade de perfuração). Observe que a resistência à compressão confinada (CCS) é igual à resistência à compressão não confinada (UCS) quando não há pressão confinante (CP = 0). A pressão confinante CP na expressão dependerá da profundidade do furo, do peso da lama e da litologia e será discutida mais adiante.

[000118] A energia específica intrínseca não pode ser igualada à CCS porque ε pode ser recuado como uma função da inclinação para trás do cortador θ como ilustrado na FIG. 24 para arenito Vosges sob condições atmosféricas. Da FIG. 24, é claro que a resistência da rocha aumenta com o aumento da inclinação traseira do cortador. Isso está associado ao confinamento adicional da rocha pelo cortador. A energia específica intrínseca ε está próxima da resistência à compressão uniaxial do arenito Vosges em θ = 0. Portanto, concluímos que a energia específica intrínseca pode ser representada, pela primeira aproximação, pela forma algébrica: ε = Y(θ) CCS onde uma forma funcional razoável (ver FIG. 24) para Y é tomada como: Y(θ) = 1 + A2TAN (θ). A2 é um parâmetro multiplicativo incluído para permitir o ajuste durante a adaptação do modelo a dados de laboratório ou de campo.

[000119] Em seguida, os aspectos de inclinação da força de cortador do modelo de força de cortador são discutidos. A proporção de Fn para Ft também não é uma questão simples. A FIG. 25 ilustra as forças que atuam em um cortador. A inclinação do cortador é dada por θ e Φ é a inclinação devido ao atrito da força de corte líquida da perpendicular à face de corte. Da FIG. 25, a razão pode ser expressa como:

onde a inclinação da força de cortador líquida em relação à superfície da rocha é dada por a = θ + Φ. Portanto, a seguinte associação pode ser feita:

[000120] A inclinação para trás efetiva θ é um parâmetro bem definido. Φ por outro lado não é tão direto. Dependendo do grau de inclinação para trás, a rocha pode “fluir” para cima ao longo da face do cortador ou para baixo por baixo do cortador como ilustrado nas FIGS. 26A a 26C. Com base em experimentos de laboratório em arenito Vosges, a relação de Φ com inclinação traseira θ está ilustrada na FIG. 27.

[000121] Notando que os dados são mais ou menos simétricos em relação a θ = 45 graus na FIG. 27, o seguinte formulário para Φ pode ser inferido:

onde θ está em graus e Cμ é uma constante que pode ser relacionada ao coeficiente de atrito interfacial entre o cortador e a rocha. Note-se que Cμ pode ser considerado um parâmetro livre e pode ser determinado pela montagem de dados de perfuração de laboratório no modelo e, portanto, não é necessário que ele esteja relacionado a algum mecanismo físico. Observe que na discussão a seguir, o coeficiente do modelo de força A3 = Cμ.

[000122] Em seguida, os aspectos de pressão confinantes do modelo de força do cortador são discutidos. O modelo de pressão confinante (CP) é um dos elementos-chave de uma simulação bem-sucedida de “perfuração à frente”. O modelo de pressão confinante usado no DRILLBIT diferencia entre formações permeáveis e impermeáveis com base em um perfil de litologia de acordo com o seguinte.

[000123] As porcentagens são as frações dos tipos de rochas indicados e, a cada profundidade, a soma dessas frações é unitária. Se a formação for considerada impermeável, a CP nessa profundidade é simplesmente a pressão da de fundo (BHP) que é calculada a partir da profundidade do orifício e o peso da lama de acordo com: CP (psi) = BHP=0,052 x profundidade (pés) x peso da lama (ppg). Se a formação for considerada permeável, a pressão de confinamento é a pressão de poros: CP (psi) = ΔP onde ΔP = 0,052 x profundidade (pés) x [peso da lama (ppg) - Pp] e Pp = max [8,5, peso da lama (ppg) - 0,5]. A porosidade efetiva da formação e a pressão confinante CP (usada no cálculo da resistência à compressão confinada) são calculadas de acordo com o seguinte: Φeff + [1-∑imperm] Φ CP=ΔP, Φeff > 0,2 CP=BHP, Φeff < 0,05 CP= ΔP [(Φeff -0,05)/0,15] + BHP[ (0,2- Φeff)/0,15]. Φ é a porosidade medida da formação ou porosidade inferida a partir dos dados do perfil do poço. Observe que a última entrada acima é uma interpolação entre a CP máxima permitido (ou seja, BHP) e a CP mínima permitida (ou seja, ΔP) e que essa interpolação é baseada na porosidade efetiva.

[000124] Em seguida, são discutidos os aspectos do fator de correção do peso de lama do modelo de força de cortador. Um fator de correção de peso de lama é implementado em DRILLBIT. A interpretação correta deste efeito é através do efeito “chip hold-down” que tem a ver com o desalojamento de um chip criado no processo de cortador. Se o fluido não pode migrar entre o chip produzido e a formação de onde veio, o chip está sujeito a toda a carga da coluna de fluido e a formação é mais difícil de perfurar. No entanto, se o fluido pode migrar para as fraturas e equilibrar as tensões no chip, o chip pode ser removido facilmente. Uma vez que um fluido migra através de fissuras geradas neste mecanismo, a migração dependerá da viscosidade da lama (relacionada ao peso da lama) e será independente de se a formação é inicialmente permeável ou impermeável. O fator de correção da lama é: 7 = 2,998 - 0,8876 log(peso lama) onde o peso da lama é dado em libras por galão (ppg).

[000125] Em seguida, aspectos da implementação do modelo de força de cortador são discutidos. O modelo de força é aplicado independentemente ao chanfro do cortador e à face do cortador. Dependendo dos parâmetros operacionais, todos ou parte ou nenhum dos piquetes de chanfro e piquetes de face estarão engatando a rocha. A “escrituração” associada é parte integrante do modelo de broca axial. Muitos perfis de poços não fornecem uma litologia específica (arenito, calcário, etc.) em uma determinada profundidade, mas sim uma mistura de litologias em termos de conteúdo fracionário. Em geral, a soma das frações em uma dada profundidade é unitária. O modelo axial acomoda isso: (i) atribuindo (através de laboratório ou calibração de campo em litologias específicas) valores aos coeficientes do modelo de força A1, A2, A3 e (ii) ponderando esses coeficientes do modelo de força em uma profundidade específica de acordo com a fração da litologia associada. Por exemplo, se em alguma profundidade, o perfil indica 25% de xisto e 75% de calcário. Então, nessa profundidade: A1 = 0,25 X A1xisto + 0,75 x A1lcalcário; A2 = 0.25 X A2xisto + 0,75 x A2calcário; e A3 = 0,25 X A3xisto + 0,75 x A3calcário.

[000126] Em seguida, exemplos são apresentados usando o DRILLBIT. As FIGS. 28 a 30 representam uma comparação do peso predito e medido em alguns testes de simulador de perfuração de laboratório. Durante cada teste de perfuração, o WOB prescrito foi alterado e a ROP medida foi registrada. Os limites superior e inferior nestes gráficos foram calculados pela propagação de incertezas na porosidade, ângulo de atrito e UCS através de DRILLBIT. Na FIG. 28, o fluido de perfuração era água e a rocha era calcário de Cartago. Na FIG. 29, o fluido de perfuração foi de 11 lb. (4,990 kg) de lama de perfuração à base de água e a rocha era calcário de Cartago. Na FIG. 30, o fluido de perfuração foi de 16 lb. (7,257 kg) de lama de perfuração à base de óleo e a rocha era xisto de Mancos. Outro exemplo é uma comparação da ROP predita com a medida numa localização real do campo, como ilustrado na FIG. 31. O perfil de litologia deste local, juntamente com o projeto de broca de perfuração real usado no campo, e o WOB real aplicado à broca foi usado para predizer a ROP. A legenda para este gráfico é: SHA: fração de xisto; SSA: fração de arenito; LSO: fração de calcário; DOL: fração de dolomita; POR: porosidade de formação; CP: pressão confinante predita; e UCS: resistência à compressão não confinada.

[000127] A FIG. 32 é um fluxograma para um método 320 para predizer uma quantidade de movimento axial de uma broca de perfuração com um ou mais cortadores para perfurar um poço numa rocha de formação; O bloco 321 pede o recebimento de dados de litologia para a rocha de formação. O bloco 322 pede o recebimento de parâmetros de perfuração que incluem o peso da lama e a profundidade da broca para uma sonda de perfuração que operará um tubular de perfuração acoplado à broca de perfuração e às informações do projeto da broca de perfuração. O bloco 323 pede o cálculo da resistência à compressão confinada da rocha de formação usando os dados de litologia recebidos, os parâmetros de perfuração e as informações de projeto de broca de perfuração. O bloco 324 pede o cálculo de uma área de corte na rocha de formação por cada um ou mais cortadores. O bloco 325 pede o cálculo de uma inclinação para trás efetiva de cada um ou mais cortadores. O bloco 326 pede o cálculo de uma força aplicada a cada um ou mais cortadores usando a resistência à compressão confinada calculada da rocha de formação, a área de corte e a inclinação para trás efetiva de um ou mais cortadores, e considerando uma orientação de cada um dos um ou mais cortadores em relação a uma superfície da rocha a ser cortada. O bloco 327 pede a soma das forças calculadas aplicadas a cada um dos cortadores para calcular o WOB e TOB (torque em broca). O método acima pode ser implementado por um processador. Se a ROP for prescrita, então o método 320 pode ser usado para calcular o WOB e TOB que fornece a ROP prescrita. Alternativamente, se o WOB for prescrito, então ROP e TOB podem ser calculados para proporcionar a ROP prescrita. Se WOB for prescrito, então os valores de ROP e TOB podem ser variados para calcular o WOB resultante e comparar este valor com o WOB prescrito até que uma diferença aceitável ou diferença zero seja alcançada. O método 320 pode pedir para representar a broca de perfuração com um primeiro conjunto de piquetes virtuais e a formação de rocha com um segundo conjunto de piquetes virtuais. Em uma ou mais modalidades, o primeiro conjunto de piquetes se alinha com o segundo conjunto de piquetes virtuais na interface da broca de perfuração com a rocha de formação. Ou seja, se o primeiro conjunto de piquetes fosse estendido para baixo e o segundo conjunto de piquetes fosse estendido para baixo, os dois conjuntos de piquetes se sobreporiam. Quando os piquetes são usados, a área de corte, a inclinação para trás efetiva e a força aplicada a cada cortador são calculados em uma base de piquete a piquete, e o WOB e TOB são calculados pela soma das forças em cada um dos piquetes.

[000128] Em seguida, o modelo de broca de movimento lateral (isto é, SIDECUT) é discutido. SIDECUT é um programa/procedimento para calcular a migração lateral dL (em relação ao poço) de uma broca de perfuração perfurando uma formação rochosa em função da profundidade de perfuração (dZ) ao longo do poço. A FIG. 33 é um fluxograma que descreve aspectos do procedimento SIDECUT. A broca de perfuração pode ter uma inclinação (em relação ao poço) e uma carga lateral aplicada que força a broca de perfuração contra a parede da perfuração. SIDECUT pode ser usado para brocas PDC, brocas de cone de rolo e bits híbridas combinando aspectos de brocas PDC e broca de cone de rolo. A FIG. 34 descreve aspectos de uma broca PDC em visão tridimensional.

[000129] O procedimento permite valores arbitrários de: taxa de broca de penetração (ROP) através da formação rochosa; velocidade rotativa da broca (RPM); inclinação da broca em relação à carga lateral do poço aplicada à broca de perfuração; geometria da broca (comprimento da almofade de calibre, recesso da almofada de calibre, fração da circunferência da broca ocupada pelas almofadas de calibre); e resistência à compressão confinada (CCS) da formação rochosa. Em uma ou mais modalidades, a CCS é calculada em DRILLBIT, que proporciona a CCS para SIDECUT.

[000130] O recesso da almofada de calibre, definido como a distância radial que as almofada de calibre estão recuadas para dentro a partir da posição da borda mais externa dos aparadores de calibre de solo (PDC), pode variar em relação à posição vertical na almofada de calibre. Isso permite geometrias cônicas, escalonadas e outras geometrias de almofadas de calibre. A FIG. 35 ilustra esses aspectos em uma representação bidimensional.

[000131] O SIDECUT usa uma descrição bidimensional (2D) da broca de perfuração e da formação rochosa. A razão para isso é a velocidade de computação. No entanto, um modelo tridimensional completo (3D) pode ser implementado usando mais tempo computacional. Existe uma excelente concordância entre o modelo 2D simplificado e o modelo 3D mais sofisticado.

[000132] Na FIG. 34 a caracterização 3D da broca PDC ilustra os cortadores PDC (pequenos cilindros) e as almofadas de calibre (estruturas retangulares). A coleção de cortadores PDC e almofadas de calibre de referência associadas é chamada de “lâmina”. A FIG. 35, a caracterização 2D ilustra uma única lâmina e mostra a almofada de calibre e os cortadores PDC (“aparadores de calibre de solo”) abaixo da almofada de calibre. A lâmina está sendo forçada para a direita contra a rocha com uma carga lateral aplicada. A linha pontilhada na FIG. 35 é a superfície inicial da rocha em SIDECUT. A rocha é simplesmente “encolhida” até a broca para inicializar a superfície da rocha e é indicada pela região preenchida à direita. Note-se que a superfície exterior da almofada de calibre na FIG. 35 é recuada na posição radial (R) a partir da borda externa dos aparadores de calibre de solo. Isso é chamado de “recesso da almofada de calibre” e é significativo no controle das propriedades de perfuração direcional de uma broca de perfuração PDC. A extensão vertical (Z) da almofada de calibre é chamada de “comprimento da almofada de calibre” e a fração da circunferência da broca de perfuração que é ocupada por almofadas de calibre é simplesmente referida como “fração” na discussão a seguir.

[000133] O SIDECUT considera tanto a geometria da broca quanto o desgaste da rocha ao calcular a migração lateral de uma broca em um poço. O desgaste da rocha é estimado usando um modelo de desgaste deslizante. A quantidade de rocha desgastada em uma determinada posição na parede do poço é proporcional à distância total de deslizamento das almofadas de calibre nessa posição, bem como a tensão de contato aplicada a esse local e a resistência à compressão confinada da formação rochosa. A distância de deslizamento é governada pela RPM de broca, ROP, comprimento da almofada de calibre e “fração”. A tensão de contato é governada pela carga lateral aplicada e pela área de contato instantânea da rocha-almofada

[000134] O procedimento SIDECUT agora é discutido em mais detalhes.

[000135] 1. Inicializações. Construção de Broca de Perfuração: Construir a broca 2D construindo uma série de pontos ou nós igualmente espaçados (verticalmente) do topo da almofada de calibre para a ponta da broca. Diferenciar os pontos associados à almofada de calibre daqueles pontos associados aos cortadores PDC. Deixe o espaçamento vertical ser um valor prescrito DZ. A totalidade dos cortadores PDC abaixo das almofadas de calibre está representada por uma única construção vertical coma inclinação traseira prescrita. Esta série de nós igualmente espaçados pode ter uma forma arbitrária no espaço R-Z (ver FIG. 35). Essa generalidade pode, portanto, abranger as almofadas de calibre cônicas e escalonadas. A metodologia também pode permitir um perfil de broca 2D, embora a implementação descrita aqui simplesmente assuma uma lâmina vertical contínua como representante da estrutura de corte PDC.

[000136] Construção de Rocha: A superfície inicial da rocha é uma série de pontos ou nós igualmente espaçados (verticalmente) que é um clone da representação inicial da broca de perfuração. Os locais de nó da rocha são inicialmente idênticos aos locais de nó das brocas. Atribuir uma rigidez (constante da mola) K à rocha. À medida que uma almofada de calibre é empurrada para dentro da rocha, a força de restauração pela rocha na almofada de calibre é governada pela profundidade de penetração da almofada de calibre na rocha e essa profundidade é governada pela rigidez da rocha. A rigidez da rocha pode depender das propriedades da rocha ou outros parâmetros proporcionados por um perfil de litologia, por exemplo. A equação associada para a tensão de contato de almofada-rocha é: a = KΔ onde Δ = profundidade de penetração da almofada (pol) e K = “rigidez” (psi/polegada).

[000137] 2. Circuito de Processamento. O circuito de processamento inclui três procedimentos discutidos a seguir: equilíbrio de força, remoção de rochas e crescimento de orifícios. Em cada posição vertical da broca de perfuração em relação à rocha, todos esses três procedimentos são aplicados na ordem dada abaixo para este exemplo. A broca é então movida por uma quantidade DZ (ver FIG. 15) e o processo é repetido até que seja alcançada alguma distância de perfuração prescrita. Esta distância é geralmente um múltiplo do comprimento da almofada de calibre. A. Equilibrar a força de restauração da rocha na broca para igualar a carga lateral aplicada à broca.

[000138] Referindo-se à FIG. 35: (a) mover a broca lateralmente; (b) calcular a profundidade de penetração da almofada na rocha e os cortadores PDC na rocha comparando as posições laterais (R) dos nós de broca com os nós de rocha; (c) calcular as forças nas almofadas de calibre e nos cortadores PDC em uma base de nó por nó, de acordo com a metodologia discutida em um modelo de força abaixo; (d) somar todas as forças nodais (almofada e cortador) para obter a força de restauração líquida da rocha na broca e comparar com a carga lateral prescrita; (e) calcular a diferença entre a força de restauração líquida e a carga lateral prescrita; e (f) usar essa diferença em um procedimento de determinação de raízes até que a força de restauração líquida seja igual à carga lateral prescrita (vá para “a”).

[000139] A força na almofada de calibre por um único nó de almofada agora é proporcionada. A força de contato em um único nó de bloco é: F = a dA onde a está a tensão de contato almofada-rocha como apresentado acima e dA = 2πR FR DZ/N onde R=raio de broca, FR = fração de circunferência de broca ocupada por almofadas, DZ = espaçamento de nó vertical, N = número de lâminas em broca, e dA é a área total de almofada para uma única almofada sobre a distância vertical DZ.

[000140] A força em cortadores PDC por um único nó de rocha é agora proporcionada. A força de restauração da rocha no cortador depende da profundidade do corte do cortador na rocha. Supõe-se que esta força seja perpendicular à superfície da rocha para este exemplo. O modelo de força de cortador PDC discutido na seção sobre DRILLBIT (outros modelos de força de corte também podem ser usados) é dado por: !■'■,=( FT

onde MSE é energia específica mecânica, CCS é a resistência à compressão confinada, AOC é área de corte, EBR é a inclinação para trás efetiva, Δ é a profundidade de corte (profundidade de penetração) e A2 e A3 são coeficientes de calibração de modelo de força.

[000141] B. Remoção de rochas por almofadas de calibre e cortadores PDC.

[000142] Nesta fase, a força de restauração da rocha na broca foi equilibrada pela carga lateral prescrita aplicada à broca. A rocha é removida pela broca, seja pelo desgaste da rocha (almofadas), esmagando a rocha (almofadas) ou cortando a rocha (cortadores PDC). A remoção da rocha é feita em uma base de nó por nó para todos os nós que representam a broca (almofadas e cortadores).

[000143] Remoção de rochas por almofadas. Em uma base de nó por nó no conjunto de nós de rochas adjacentes às almofadas, verificar se a tensão de contato excede a CCS. Se sim (e isso é opcional pelo usuário), o nó de rocha pode ser ajustado para refletir simplesmente o deslocamento. Ou seja, a nova localização R do nó de rocha está na posição R do respectivo nó de almofada. Se a tensão de contato for menor que a CCS, a nova posição do nó de rocha R é governada pelo modelo de desgaste deslizante. A quantidade δ que um nó de rocha é movida na direção +R devido ao desgaste é dada por:

onde: TILT = inclinação da broca (inclinação da broca em relação ao eixo do orifício, radianos), dL = distância do deslizamento das almofadas em um dado nó de rocha em uma etapa de profundidade dZ, FR = fração da circunferência da broca ocupada pelas almofadas, RPM = velocidade rotativa, ROP = taxa de penetração (pés/h), R = raio da broca (pol), CCS = resistência à compressão confinada (psi), a=tensão de contato na localização do nó de rocha (ver anterior) (psi), Δt = período de tempo para a broca perfurar a distância dZ (min), dZ = etapa de profundidade (= espaçamento de nós vertical prescrito) (pol) e XK, XN, XB são coeficientes de modelo de desgaste (calibrados em laboratório). Não há alteração na coordenada Z do nó de rocha. Note também que, se o nó de almofada não estiver em contato com seu nó de rocha adja-cente, a posição do nó de rocha permanecerá inalterada.

[000144] Remoção de rochas por cortadores. A coordenada Z do nó de rocha não muda, mas a “nova” posição R do nó de rocha é simplesmente a posição externa do cortador. Ou seja, a posição lateral dos nós de “cortador” na broca, que deve ser maior (maior coordenada R) do que o nó de rocha adjacente. Se não, nada é cortado e o nó de rocha permanece inalterado.

[000145] C. Crescimento do poço.

[000146] A parte final do cálculo é fazer crescer o furo pela quantidade dZ. Isso é feito apenas no final de passar por todos os nós de rocha e remover a rocha de acordo com a seção anterior. Lembre-se de que dZ é o espaçamento de nó vertical prescrito para a broca e a rocha. Então, uma vez que a rocha é removida de acordo com a seção anterior, um único nó de rocha é adicionado. Se nesse ponto houver N nós de rocha, então: R(N + 1) = R(N) + dZtan(TILT') Z(N + 1) = Z(N) - dZ Note-se que o R(N) acima já leva em conta a remoção de rochas descrita na seção anterior. Observe também que a coordenada Z está positiva. É por isso que o “- dZ” no novo nó de rocha está na posição vertical.

[000147] Em vez de realmente mover a broca para baixo na próxima etapa, os índices da rocha são simplesmente ajustados. Como exemplo, a profundidade de penetração Δ da almofada no nó de rocha k é: Δ(k) = PADR(j) - ROCKR(k),k = j + ISHIFT onde a profundidade do nó da rocha é Z = (j + ISHIFT-1) x dZ. A parte superior da almofada está alinhada com a parte superior da rocha quando ISHIFT = 0. J é um índice que simplesmente abrange os nós de almofada conforme configurado originalmente. Esta técnica, juntamente com o fato de que este é um modelo 2D estático, em vez de um modelo 3D dinâmico, é o motivo pelo qual o SIDECUT é executado rapidamente em um sistema de processamento de computador.

[000148] 3. Pós análise. Neste ponto, o deslocamento lateral L da broca em função da profundidade de perfuração Z é obtido. Uma linha é ajustada a estes dados para obter a inclinação dL/dZ que é uma medida da agressividade lateral da broca para as condições prescritas para a simulação. Este procedimento de ajuste de linha é automatizado no SIDECUT.

[000149] A FIG. 35 ilustra a geometria da rocha e da broca a meio caminho através de uma simulação de SIDECUT de perfuração de um poço. A FIG. 36 ilustra um gráfico de profundidade axial versus corte lateral no lado para a simulação ilustrada na FIG. 35. A FIG. 37 ilustra os resultados do equilíbrio de força em cada etapa de profundidade durante uma simulação SIDECUT com uma carga lateral prescrita de 800 lbs. (362,9 Kg) A FIG. 37 ilustra a sensibilidade da área de contato da almofada de calibre para RPM de broca e comprimento da almofada de calibre. A FIG. 38 ilustra aspectos de uma comparação de predições SIDECUT com experimentos de perfuração de carga lateral laboratorial medidos em calcário Bedford.

[000150] A FIG. 39 é um fluxograma para um método 390 para predizer uma alteração no deslocamento lateral com uma alteração no deslocamento axial de uma perfuração de broca de perfuração numa rocha de formação. O bloco 391 pede a construção de uma representação virtual da broca de perfuração e da rocha de formação, a broca de perfuração compreendendo uma almofada de calibre configurada para remover a rocha desgastando ou esmagando a rocha durante o contato em movimento e um cortador configurado para cortar a rocha durante o contato móvel. O bloco 392 pede o ajuste da profundidade de penetração lateral até que a força reativa da rocha seja igual a uma força lateral aplicada à broca de perfuração para proporcionar um deslocamento lateral da broca de perfuração para proporcionar uma profundidade de penetração lateral ajustada. O bloco 393 pede a remoção da rocha de formação para onde a almofada e os cortadores contatam a rocha de formação à profundidade de penetração lateral ajustada e a um deslocamento axial selecionado da broca de perfuração. O bloco 394 pede o movimento da broca na direção da perfuração até o final do poço atualmente perfurado. O bloco 395 pede a iteração do ajuste, a remoção e o movimento para predizer a mudança no deslocamento lateral com a mudança no deslocamento axial da broca de perfuração. O método 390 também pode incluir utilizar um primeiro conjunto de nós como representação da broca de perfuração e um segundo conjunto de nós como representação da formação rochosa. O método 390 pode ainda incluir o ajuste do deslocamento axial selecionado como a distância axial entre dois nós na direção axial. O método 390 pode ainda incluir inicializar os nós de modo que os nós no limite da broca de perfuração com a sobreposição de formação rochosa.

[000151] Em seguida, são discutidas melhorias no DDAS, que incluem modelos adicionais para levar em conta e predizer a caminhada de broca e/ou o espiralamento do fruo de poço de brocas de perfuração e sistemas de BHA durante aplicações de perfuração direcional. Uma modalidade, aqui referida como um “Modelo de Caminhada de Broca Constante”, complementa o modelo de direção da coluna de perfuração do DDAS alterando a força de contato (isto é, a carga lateral aplicada) girando a força de contato em um ângulo constante. Outra modalidade, aqui referida como um “Modelo de Caminhada de Broca de Atrito por Torção”, complementa o modelo de direção de coluna de perfuração do DDAS ao considerar o atrito por torção entre os componentes da coluna de perfuração e as paredes do furo de poço no cálculo da força de contato líquida (isto é, carga lateral aplicada) em cada cálculo do circuito de processamento.

[000152] No Modelo de Caminhada de Broca Constante, os dados históricos de perfuração de laboratório são usados para determinar o comportamento real da caminhada de uma composição de fundo particular. Por exemplo, dados históricos podem mostrar que uma determinada BHA irá caminhar 12° para a esquerda. Usando esta informação histórica, a força de contato (isto é, a carga lateral aplicada) no modelo de direção da coluna de perfuração do DDAS pode ser girada no mesmo grau ou substancialmente no mesmo grau (por exemplo, 12°) de modo a levar em conta caminhadas de broca nos cálculos de simulação. Por outras palavras, a direção das forças de contato na broca de perfuração pode ser girada, por exemplo, na direção anti-horária a partir de uma perspectiva que olha para baixo do poço para levar em conta a caminhada da broca à esquerda. O ângulo constante pode ser baseado em propriedades de uma formação subterrânea designada e/ou em testes para características de caminhada de broca em uma broca de perfuração específica. Em algumas modalidades, o ângulo constante pode ser obtido calculando o ângulo constante com uma fórmula empírica. Em outras modalidades, o ângulo constante pode ser obtido a partir de uma tabela de valores conhecidos, por exemplo, propriedades de formação e/ou características de caminhada de broca. Alternativamente, o ângulo constante pode ser obtido usando um valor igual a um ângulo entre as forças de contato e as forças de atrito na broca de perfuração.

[000153] No Modelo de Caminhada de Broca de Atrito por Torção, os cálculos de análise de elemento finito (FEA) usados no componente “equilíbrio de força” do programa/procedimento de elemento finito de BHA podem incluir o cálculo do atrito por torção entre componentes da coluna de perfuração (por exemplo, almofadas de calibre) e as paredes do furo de poço, que modifica a direção e a magnitude da força de contato líquida (ou seja, a carga lateral aplicada) em cada cálculo do circuito de processamento. As forças de atrito por torção podem ser calculadas usando a fórmula: Ff = Fn*FricCoefficient, em que Ff representa forças de atrito por torção, Fn representa as forças de contato normais e FricCoefficient representa um fator de atrito.

[000154] Em algumas modalidades, um fator de atrito individual pode ser atribuído a um ou mais componentes individuais da BHA. Além disso, a contabilização do atrito por torção nos cálculos também pode afetar deslocamentos, tais como deslocamento angular (isto é, ângulo de inclinação) da broca de perfuração, o que pode afetar ainda a caminhada de broca, conforme descrito em mais detalhes abaixo com relação à FIG. 45.

[000155] A FIG. 40 é um fluxograma de processo para um método DDAS 400, incluindo os modelos adicionais (isto é, o Modelo de Caminhada de Broca Constante e o Modelo de Caminhada de Broca de Atrito por torção) para levar em conta e predizer a caminhada de broca e/ou espiralamento do furo de poço. Como descrito acima com referência à FIG. 4, o modelo de BHA pode proporcionar forças, inclinação da broca de perfuração, momentos e informações de curvatura para o modelo de broca de perfuração de movimento axial e modelo de broca de perfuração de movimento lateral em 402. O modelo de BHA também pode proporcionar curvatura de orifício e alinhamento de BHA dentro do orifício para o modelo de computador de direção (por exemplo, modelo de direção de coluna de perfuração ou algoritmo de direção). Além disso, o modelo de BHA pode operar em um domínio de profundidade de perfuração à frente dentro do DDAS. Em 404, o modelo de BHA pode calcular as forças de contato da BHA (Fn) e/ou deslocamentos angulares da broca de perfuração, incluindo inclinação. Tanto a inclinação da broca de perfuração (em relação ao poço) como uma carga lateral aplicada que força a broca de perfuração contra a parede do poço são contabilizadas no procedimento SIDECUT. Em 406, forças de atrito de BHA (Ff) podem ser calculadas aplicando valores de força de atrito para um ou mais componentes da BHA (por exemplo, almofadas de calibre, nervuras, dispositivos de direção, etc) individualmente ou coletivamente. Em 408, o modelo de BHA pode então aplicar as forças de atrito calculadas para a BHA em cada iteração do DDAS usando o FEA com iterações redutoras de erros e pode calcular valores finais para deslocamento angular, forças de contato e/ou forças de atrito. Desta maneira, as forças de atrito de torção entre a parede de poço e a broca de perfuração e/ou a BHA podem ser calculadas e aplicadas para predizer a taxa de BUR e de caminhada.

[000156] No modelo 414, o modelo de broca de perfuração de movimento axial pode usar entradas de dados de litologia de formação (mostrados em 412) e parâmetros operacionais de sonda de perfuração (mostrados em 410). Como mencionado acima, o modelo de broca de perfuração de movimento axial pode calcular a resistência da rocha e a ROP, cujos cálculos podem ser dados ao modelo de broca de perfuração de movimento lateral. Em 416, o modelo de broca de perfuração de movimento lateral pode usar a força da rocha e os dados de ROP do modelo de broca de perfuração de movimento axial juntamente com os dados fornecidos pelo modelo de BHA, como força lateral de broca e inclinação de broca, por exemplo, para calcular a razão de ROP lateral para ROP axial ou, em alternativa, para calcular a razão de deslocamento lateral para deslocamento axial para a broca de perfuração para uma certa profundidade ou determinado período de tempo, como descrito em mais detalhes acima com referência à FIG. 4.

[000157] No modelo 418, o modelo de computador de direção pode incluir o modelo de ângulo de direção dianteiro ou, opcionalmente, o modelo de ângulo de direção traseiro, conforme explicado em mais detalhe acima com referência às FIGS. 5A a 8. De modo a contabilizar e predizer a caminhada de broca e/ou o espiralamento do furo de poço, o modelo de computador de direção pode, em algumas modalidades, girar a força de contato na broca através de um ângulo de caminhada constante. Alternativamente, ou adicionalmente, o modelo de computador de direção pode ser responsável pelas forças de atrito aplicando os resultados de corte lateral do modelo de broca de perfuração de movimento lateral na direção da força de contato girada na broca de perfuração. Em 420, o modelo de computador de direção pode então usar os modelos atualizados para calcular inclinação e azimute para a extremidade de uma nova seção de orifício a ser criada. Em 422, uma nova seção de orifício pode ser criada com base na inclinação calculada e no azimute. Em 424, a coluna de perfuração (isto é, BHA e broca de perfuração) pode então ser movida para a parte inferior da nova seção de poço e os três modelos (modelo de BHA, modelo de broca de perfuração de movimento axial e modelo de broca de perfuração de movimento lateral) podem ser chamados novamente no início da próxima iteração (mostrada em 426). Assim, o ciclo continua até que a simulação seja interrompida. Em outras palavras, o método de simulação de perfuração a frente executa o modelo de BHA primeiro, em seguida, alimenta seus resultados para os modelos de movimento axial e de movimento lateral, que podem ser incorporados ao método DDAS. O método DDAS prediz então a localização e a geometria da próxima seção de orifício. Como mencionado acima, é para ser apreciado que formas alternativas ou sequências de execução dos modelos podem ser usadas. No entanto, independentemente do processo ou ordem, o modelo do computador de direção pode receber informações dos outros modelos, incluindo o Modelo de Caminhada de Broca Constante e o Modelo de Caminhada de Broca de Atrito de Torção, e um novo orifício simulado pode ser colocado na direção que o sistema de broca/BHA quer perfurar conforme calculado pelo modelo de computador de direção. É para ser apreciado que as condições iniciais e o comportamento passado, juntamente com as forças na broca de perfuração e/ou BHA, afetam o comportamento futuro da trajetória da broca de perfuração.

[000158] Além disso, qualquer combinação de modelo ou modelos para levar em conta ou predizer a caminhada de broca e/ou o espirala- mento do furo de poço pode ser usada pelo modelo de computador de direção. Por exemplo, o Modelo de Caminhada de Broca Constante e o Modelo de Caminhada de Broca de Atrito de Torção podem ser aplicados separadamente ou em combinação. Em algumas modalidades, o método DDAS original (isto é, não levando em conta a caminhada de broca e/ou o espiralamento do furo de poço) pode aplicar resultados de corte lateral do modelo de broca de perfuração de movimento lateral na direção da força de contato (Fn) na broca de perfuração, junto com contabilização de deslocamentos angulares. Alternativamente, as forças de atrito de torção (Ff) podem ser aplicadas ao modelo de BHA para complementar o método DDAS original. Em outras modalidades, um usuário pode inserir um ângulo constante para girar a força de contato na broca de perfuração pelo ângulo de caminhada predito. Ainda em outras modalidades, um programa de computador pode calcular um ângulo de caminhada com, por exemplo, uma fórmula empírica ou uma tabela de valores conhecidos para propriedades de formação e/ou configurações de broca de perfuração. Alternativamente, o ângulo de caminhada pode ser atualizado automaticamente dentro do programa de computador de acordo com uma função definida de certos parâmetros da BHA. Por exemplo, o comprimento da almofada de calibre, a força lateral na broca de perfuração, o fator de atrito, ROP, RMP, etc., podem ser fatorados em uma equação, separadamente ou em combinação, para calcular o ângulo de caminhada da broca. Em modalidades adicionais, o ângulo de caminhada pode ser calculado presumindo que o ângulo de caminhada é igual ao ângulo entre a força de contato e a força de atrito na broca de perfuração. Deve ser apreciado que qualquer tipo de valor introduzido ou calculado pelo usuário pode ser utilizado para ajustar o ângulo da força de contato.

[000159] A FIG. 41 é um desenho simplificado de uma vista de fundo de poço 500 do poço 2 mostrado na FIG. 1. Uma vista de extremidade do tubular de broca 5 seguida pela broca de perfuração 7 é representada a partir da vista para baixo. Como ilustrado, a broca de perfuração 7 é inclinada numa direção arbitrária devido a uma força de contato lateral 504 em uma direção arbitrária. No Modelo de Caminhada de Broca Constante, a força de contato lateral 504 calculada e empregada no programa/procedimento de elemento finito de BHA do DDAS pode ser girada por um ângulo constante θ para uma força de contato girada 506 em cada iteração do circuito de processamento. O valor do ângulo constante θ pode ser selecionado empiricamente com base em dados laboratoriais ou de campo dos ângulos de caminhada de broca reais, de modo que os resultados da simulação se alinhem com os dados históricos para os mesmos projetos de BHA, ou projetos substancialmente similares. Na modalidade da FIG. 41, a força de contato girada 506 é mostrado para ser girada no sentido anti-horário da força de contato lateral 504. No Modelo de Caminhada de Broca Constante, a mudança na rotação da força de contato lateral 504 pode ser a única mudança de programação feita no DDAS. A título de exemplo e não limitativo, o ângulo constante θ pode estar entre cerca de 10° e cerca de 20° e, mais particularmente, entre cerca de 12° e cerca de 15°. Como uma modalidade de exemplo não limitativo, o ângulo constante θ pode ser de cerca de 12°.

[000160] As FIGS. 42A a 42K contêm uma série de gráficos que ilustram os resultados da caminhada do sistema para todo o sistema de BHA usando o Modelo de Caminhada de Broca Constante no DDAS. Os resultados são mostrados para a caminhada de broca à esquerda (taxa de giro negativa) durante a construção com o Sistema Direcionável Rotativo (RSS) AUTOTRAKTM eXact, que está comercialmente disponível na Baker Hughes Incorporated de Houston, TX. Em algumas modalidades, o DDAS pode ser programado com um ângulo de caminhada de broca constante de 12°. Vários resultados versus profundidade medida (MD) são ilustrados. A FIG. 42A ilustra a inclinação versus MD, a FIG. 42B ilustra azimute versus MD, a FIG. 42C ilustra taxa de acúmulo (BUR) versus MD, a FIG. 42D ilustra a taxa de giro versus MD, a FIG. 42E ilustra dogleg severity (DLS) versus MD, e a a FIG. 42F ilustra a primeira força de contato versus MD. Vários parâmetros versus MD são ilustrados. A FIG. 42G ilustra a taxa de penetração (ROP) versus MD, a FIG. 42H ilustra a velocidade rotativa de broca de perfuração (RPM) versus MD, a FIG. 42I ilustra peso em broca (WOB) versus MD, a FIG. 42J ilustra a força de nervura versus MD, e a FIG. 42K ilustra a orientação de nervura versus MD. Após a revisão, os resultados demonstraram que o método DDAS, incluindo o Modelo de Caminhada de Broca Constant predisse o comportamento consistente com o comportamento observado em testes de laboratório.

[000161] As FIGS. 43A a 43K contêm uma série de gráficos que ilustram os resultados da taxa de caminhada do sistema para todo o sistema de BHA usando o Modelo de Caminhada de Broca Constante no DDAS. Os resultados são mostrados para a caminhada de broca à direita (taxa de giro positiva) ao cair com o RSS AUTOTRAKTM eXact. Em algumas modalidades, o DDAS pode também ser programado com uma caminhada de broca constante de 12°. Vários resultados versus MD são ilustrados. A FIG. 43A ilustra inclinação versus MD, a FIG. 43B ilustra azimute versus MD, a FIG. 43C ilustra BUR versus MD, a FIG. 43D ilustra a taxa de giro versus MD, a FIG. 43E ilustra DLS versus MD e a FIG. 43F ilustra a primeira força de contato versus MD. Vários parâmetros versus MD são ilustrados. A FIG. 43G ilustra ROP versus MD, a FIG. 43H ilustra RPM versus MD, a FIG. 43I ilustra WOB versus MD, a FIG. 43J ilustra a força da nervura versus MD e a FIG. 43K ilustra a orientação da nervura versus MD. Após a revisão, os resultados demonstraram que o método DDAS, incluindo o Modelo de Caminhada de Broca Constant predisse o comportamento consistente com o comportamento observado em testes de laboratório.

[000162] A FIG. 44A é um desenho simplificado de uma vista de cima de um espiral de furo de poço 600 e a FIG. 44B é um desenho simplificado de uma vista lateral do espiral de furo de poço 600 da FIG. 44A. Um orifício em espiral (isto é, saca-rolhas) é um fenômeno bem conhecido na indústria e pode ser medido pela distância lateral 602 (movimento lateral) por profundidade medida 604, como mostrado na FIG. 44B. Uma espiral à direita 606 é ilustrado na FIG. 44B. Enquanto uma broca de perfuração exibe primariamente caminhada de broca à esquerda devido a um tubular de perfuração ser girado em rotação no sentido horário, observou-se um espiralamento exibindo tanto uma rosca à esquerda como uma rosca à direita. Informações detalhadas sobre o espiralamento do furo de poço podem ser encontradas em “Borehole Quality Design and Practices to Maximize Drill Rate Performance,” by F.E. Dupriest et al., Society of Petroleum Engineers, 2010 cuja divulgação é aqui incorporada em sua totalidade por esta referência.

[000163] Embora o espiralamento do furo de poço exista em muitos poços, é geralmente evitado devido a impactos e complicações negativas, como a colocação incorreta do revestimento. O espiralamento do furo de poço geralmente pode ser detectado a partir de perfis de furo de poço. No passado, foram feitas tentativas para predizer e corrigir o espi- ralamento de furo de poço, que é mais pronunciado nas pernas horizontais e nos sistemas lateralmente agressivos. Além de predizer a caminhada de brota, o Modelo de Caminhada de Broca Constante pode ser utilizado para predizer o espiralamento do furo de poço. Em uma modalidade, um fator de correção de 12° pode ser implementado no Modelo de Caminhada de Broca Constante. Nesta modalidade, a modelagem pode ser utilizada para predizer o comportamento de espiralamento do furo de poço, além do comportamento de caminhada da broca. No laboratório, o comportamento de espiralamento foi observado em simulações laterais com o RSS AUTOTRAKTM eXact quando uma força de nervura foi ajustada para 0 por cento. Observou-se primariamente um furo de poço em espiral de rosca à direita. Uma vez que o comportamento de espiralamento é predito através da modelagem, os resultados podem ser usados para levar em conta o comportamento predito e para tomar medidas corretivas. Por exemplo, brocas de calibre mais longas ou brocas que são menos agressivas lateralmente podem ajudar a reduzir o espiralamento do furo de poço.

[000164] Como mencionado anteriormente, no Modelo de Caminhada de Broca de Atrito por Torção, os cálculos utilizados no componente “equilíbrio de força” do modelo de BHA podem incluir o cálculo do atrito por torção entre os componentes da coluna de perfuração e as paredes do furo de poço, que modifica a direção e a magnitude da força de contato líquida (ou seja, a carga lateral aplicada) em cada cálculo do circuito de processamento. Por exemplo, o software de modelagem dinâmica, incluindo o software BHASYS, BHASYS PRO e BHASYS TD da Baker Hughes Incorporated, Houston, TX, pode ser usado para calcular o atrito por torção entre os componentes de BHA e do furo de poço. Além disso, o espiralamento de furo de poço também pode ser predito usando o Modelo de Caminhada de Broca de Atrito por Torção, cujos resultados podem ser usados para tomar medidas corretivas baseadas em levar em conta o comportamento de espiralamento predito.

[000165] A FIG. 45 é uma vista transversal simplificada transversal 700 de uma BHA num furo do poço e ilustra vetores de força que atuam na BHA. Na FIG. 45, o tubular de perfuração 5 e a broca de perfuração 7 estão dispostos numa perna horizontal do poço 2. O eixo longitudinal 702 representa a perna vertical do poço 2, antes da construção da perna horizontal. O vector de força normal 704 representa a direção e a magnitude das forças de contato normais na broca de perfuração 7, tal como calculado no software DDAS anterior. No Modelo de Caminhada de Broca de Atrito por Torção, um vetor de força de atrito por torção 706 é calculado e somado ao vetor de força normal 704, resultando em um vetor resultante 708 tendo uma direção e magnitude diferentes do vetor de força normal 704. O vetor de força de atrito por torção 706 representa a direção e a magnitude das forças de atrito que são tangenciais ao poço 2 e perpendiculares às forças de contato normais e representam forças de atrito por fricção que ocorrem entre os componentes da BHA e a parede do poço 2. Em um cenário de construção exibindo a cami-nhada de broca à esquerda, a broca de perfuração 7 pode rolar para a esquerda, que é ilustrada como o vetor de força normal 704 sendo deslocado da vertical na FIG. 45. As forças de atrito por torção devidas à rotação da broca, representadas pelo vetor de força de atrito por torção 706, também podem causar um deslocamento adicional da broca de perfuração 7 do alinhamento com o eixo longitudinal 702. Numa modalidade, o vetor de força normal 704 e o vetor de força de atrito por torção 706 podem ser adicionados como é vulgarmente feito na adição de vetor. O vetor resultante 708 representa as forças combinadas e pode ser utilizado no Modelo de Caminhada de Broca de Atrito por Torção do software DDAS, que se verificou predizer com precisão e levar em contar a caminhada de broca e/ou o espiralamento do furo de poço. Em algumas modalidades, as forças de atrito tangenciais são calculadas usando um fator de atrito. Finalmente, a broca de perfuração 7 também pode exibir a inclinação como resultado das forças, que, por sua vez, podem adicionar forças de deslocamento adicionais. Na perfuração, e mais particularmente na perfuração de direção, é bem conhecido na técnica que quanto mais força é aplicada a um lado lateral da broca de perfuração 7, mais rápido a broca de perfuração 7 irá perfurar lateralmente.

[000166] A FIG. 46 contém uma série de gráficos que ilustram os resultados para a caminhada de broca usando o Modelo de Caminhada de Broca Constante no DDAS. Os resultados são mostrados para a caminhada de broca à esquerda na direção de construção durante a execução de um giro de 90° em uma direção lateral com um RSS. Vários resultados versus MD estão ilustrados na FIG. 46, incluindo inclinação do orifício versus MD, azimute versus MD, BUR versus MD e taxa de giro versus MD. A modelagem pode ser proporcionada comparando um coeficiente de atrito a taxas de caminhada em cenários de construção e queda. Por exemplo, os modelos podem incluir resultados de taxas de caminhada ao girar a orientação das nervuras a 90° e 270°. Alternativamente, os modelos podem incluir resultados de taxas de caminhada ao construir e deixar cair a orientação das nervuras a 0° e 180°. Por exemplo, os resultados podem mostrar que uma construção leve é natural para um determinado BHA ao girar para a esquerda ou para a direita. Em particular, os resultados deste cenário podem mostrar uma construção de 1,5° para um giro para a esquerda ou para a direita, o que pode ser devido à gravidade que afeta um lado lateral da broca de perfuração 7 e/ou devido à inclinação na direção da construção. Uma vez que o atrito é introduzido no sistema, uma BHA de 90° que gire para a direita pode caminhar para a esquerda, onde está sendo empurrada, por exemplo, resultando em uma construção maior. Alternativamente, um BHA de 270° que gira para a esquerda pode caminhar “menos para a direita, resultando em menos construções e pode eventualmente exibir uma caminhada “verdadeira” à esquerda em um coeficiente de atrito de cerca de 0,25, por exemplo.

[000167] Nas simulações utilizadas para gerar os dados nos gráficos mostrados na FIG. 46, os cálculos foram feitos usando coeficientes de atrito de 0, 0,1, 0,25 e 0,4, o que resultou em taxas de caminhada calculadas de 1,6°/100 pés. (1,6°/30,48 m), 1,9°/100 pés. (1,9°/30,48 m), 2,2°/100 pés. (2,2°/30,48 m) e 2,6°/100 pés. (2,6°/30,48 m), respectivamente. Em um exemplo, um coeficiente de atrito de cerca de 0,3 resulta em um ângulo de caminhada de força de broca no RSS AUTOTRAKTM eXact de cerca de 15 graus, o que é consistente com os testes de laboratório.

[000168] Uma vez feitas as predições de caminhada de broca e o espiralamento do furo de poço usando as técnicas de modelagem e simulação aqui descritas, ajustes e/ou modificações podem ser feitas no plano do furo de poço, na configuração de BHA, nos componentes da ferramenta, etc., para assegurar que os resultados do processo de perfuração correspondem ao plano do furo de poço. Por exemplo, uma empresa de serviços de perfuração pode empregar o DDAS conforme divulgado aqui para fazer recomendações aos operadores de perfuração para modificar o projeto da BHA, da broca de perfuração, dos parâmetros de perfuração ou do plano do furo de poço para melhorar o processo de perfuração direcional. Por exemplo, a seleção ou o ajuste de parâmetros pode incluir o ajuste do peso em broca, o torque aplicado a uma coluna de perfuração da BHA, a velocidade rotativa da coluna de perfuração, a taxa de penetração ou a taxa de fluxo do fluido de perfuração. Além disso, o ajuste da agressividade lateral da broca de perfuração pode incluir, a título de exemplo não limitativo, calibre de ajuste da broca de perfuração, configuração da lâmina, comprimento da almofada de calibre, localização da almofada de calibre ou colocação do elemento de corte na broca de perfuração. A trajetória da broca de perfuração pode ser ajustada durante a perfuração com um sistema de perfuração de direção rotativa conectado à BHA, que pode ser configurado, por exemplo, para ajustar a trajetória da broca de perfuração baseado, pelo menos em parte, nos cálculos do modelo de BHA. É para ser apreciado que receber parâmetros para operar a BHA pode incluir receber parâmetros de perfuração específicos para a BHA e receber dados de litolo- gia pode incluir receber dados de litologia específicos para um alvo definido na formação subterrânea. Os parâmetros de perfuração e os dados de litologia podem ser recebidos antes da perfuração e/ou em tempo real durante as operações de perfuração. Além disso, ajustes e/ou modificações no plano do furo de poço e no sistema de BHA podem ser feitos antes da perfuração e/ou em tempo real durante as operações de perfuração.

[000169] Modalidades de exemplo não limitativas adicionais da divulgação são descritas abaixo. Modalidade 1: Um método para controlar a trajetória de broca de perfuração numa formação subterrânea, o método compreendendo: receber parâmetros de perfuração para operar uma composição de fundo de poço específica (BHA); construir, com um processador de computador, um simulador de perfuração à frente direcional, compreendendo um modelo de computador da BHA e da formação subterrânea; calcular, com o processador de computador, o movimento axial e o movimento lateral de uma broca de perfuração conectada a uma extremidade inferior da BHA, utilizando pelo menos um parâmetro de formação e, pelo menos, um parâmetro de perfuração; predizer, com o processador de computador, a caminhada de broca da broca de perfuração levando em conta e calculando forças de contato e forças de atrito entre a BHA e uma parede de um poço na formação subterrânea usando o modelo de computador da BHA; determinar, com o processador de computador, uma trajetória de broca de perfuração ajustada para levar em conta a caminhada de broca predita; determinar parâmetros de perfuração ajustados para operar a BHA para seguir substancialmente a trajetória de broca de perfuração ajustada; e operar a BHA de acordo com os parâmetros de perfuração ajustados. Modalidade 2: O método da Modalidade 1, compreendendo ainda predizer espiralamento de furo de poço levando em conta e calculando as forças de contato e as forças de atrito usando o modelo de computador da BHA. Modalidade 3: O método da Modalidade 1,em que construir o simulador de perfuração à frente direcional compreendendo o modelo de computador de BHA, compreende: construir um modelo tridimensional da BHA e da formação subterrânea; configurar o modelo de computador de BHA para ser um modelo dinâmico em um domínio de profundidade; configurar o modelo de computador de BHA para predizer uma taxa de acúmulo baseada, pelo menos em parte, na caminhada de broca predita da broca de perfuração usando iterações redutoras de erros em cada etapa de uma análise de elementos finitos; e configurando o modelo de computador de BHA para operar em tempo real durante as operações de perfuração. Modalidade 4: O método da Modalidade 1, em que: calcular o movimento axial e o movimento lateral da broca de perfuração compreende usar um modelo de broca e perfuração de movimento lateral baseado, pelo menos em parte, no movimento axial da broca de perfuração calculado utilizando um modelo de broca de perfuração de movimento axial separado do modelo de broca de perfuração de movimento lateral e do modelo de computador da BHA; e determinar a trajetória de broca ajustada compreende usar um modelo de computador de direção separado do modelo de broca de perfuração de movimento lateral e o modelo de broca de perfuração de movimento axial, em que o modelo de computador de direção é configurado para aplicar resultados do modelo de broca de perfuração de movimento lateral ajustado pelas predições do modelo de computador da BHA. Modalidade 5: O método da Modalidade 1, em que determinar a trajeto- ria de broca de perfuração ajustada compreende ainda: calcular um novo ângulo de inclinação e um novo ângulo de azimute da broca de perfuração; adicionar uma distância ao poço na formação subterrânea; mover a broca de perfuração em uma direção de perfuração para uma extremidade do poço; e iterar o cálculo, a adição e a movimentação para atualizar o modelo de computador da BHA. Modalidade 6: O método da Modalidade 1, em que predizer a caminhada de broca da broca de perfuração levando em conta e calculando as forças de contato e as forças de atrito entre a BHA e a parede do poço compreende ainda levar em conta deslocamento angular da broca de perfuração. Modalidade 7: O método da Modalidade 1, em que predizer a caminhada de broca da broca de perfuração levando em conta e calculando as forças de contato e as forças de atrito entre a BHA e a parede do poço compreende ainda calcular forças de atrito de torção entre pelo menos um componente da BHA e a parede do poço. Modalidade 8: O método da Modalidade 1, em que determinar a trajetória de broca de perfuração ajustada compreende aplicar cálculos do movimento lateral da broca de perfuração em uma direção das forças de contato e girar a direção das forças de contato na broca de perfuração por um ângulo constante. Modalidade 9: O método da Modalidade 8, em que girar a direção das forças de contato na broca de perfuração por um ângulo constante compreende ainda obter o ângulo constante por pelo menos um de calcular o ângulo constante com uma fórmula empírica, obter o ângulo constante de uma tabela de valores conhecidos ou usar um valor igual a um ângulo entre as forças de contato e as forças de atrito na broca de perfuração. Modalidade 10: O método da Modalidade 8, em que girar a direção das forças de contato na broca de perfuração por um ângulo constante compreende girar a direção das forças de contato na broca de perfuração por cerca de 12° num sentido anti-horário de uma perspectiva olhando pelo poço. Modalidade 11: O método da Modalidade 1, em que determinar os parâmetros de perfuração ajustados para operar a BHA compreende: ajustar a agressividade lateral da broca de perfuração ajustando pelo menos um de calibre da broca de perfuração, configuração da lâmina, comprimento da almofada de calibre, localização da almofada de calibre ou colocação do elemento de corte na broca de perfuração; ajustar pelo menos um de peso em broca, torque aplicado a uma coluna de perfuração da BHA, velocidade de rotação da coluna de perfuração, taxa de penetração ou taxa de fluido de perfuração; e ajustar a trajetória da broca durante a perfuração com um sistema de perfuração de direção rotativa operativamente conectado à BHA. Modalidade 12: Um método de planejamento e perfuração de um furo de poço em uma formação subterrânea, compreendendo: definir um alvo em uma formação subterrânea designada; predizer o espiralamento do furo de poço e caminhada de broca da broca de perfuração conectada a uma composição de fundo específica (BHA), compreendendo: usar um processador de computador programado para executar um simulador de perfuração à frente direcional, compreendendo um modelo de computador da BHA e a formação subterrânea designada; receber com os dados de litologia do processador de computador e parâmetros de perfuração para operar a BHA na formação subterrânea designada; calcular com o processador de computador uma razão de movimento lateral para movimento axial usando um modelo de computador de broca de perfuração de movimento lateral e um modelo de computador de broca de perfuração de movimento axial; predizer a trajetória da broca de perfuração com o processador de computador, levando em conta e calculando forças de contato lateral, deslocamento angular e forças de atrito usando o modelo de computador da BHA; e ajustar a trajetória de broca de perfuração com o processador de computador com base, pelo menos em parte, em predições do modelo de computador da BHA; ajustar os parâmetros de perfuração para operar a BHA para seguir substancialmente a trajetória de broca de perfuração ajustada; e perfurar o furo de poço na formação subterrânea designada baseada, pelo menos em parte, na trajetória de broca de perfuração ajustada. Modalidade 13: O método da Modalidade 12, compreendendo ainda atualizar os parâmetros de perfuração durante a perfuração usando informações recebidas de pelo menos um sensor conectado à BHA. Modalidade 14: O método da Modalidade 12, em que predizer a trajetória da broca de perfuração compreende calcular as forças de atrito entre pelo menos um componente da BHA e uma parede de poço e adicionar as forças de atrito às forças de contato lateral. Modalidade 15: O método da Modalidade 12, em que ajustar a trajetória da broca de perfuração compreende girar uma direção de uma força de contacto lateral na broca de perfuração num ângulo constante, em que o ângulo constante se baseia nas propriedades da formação subterrânea e no teste de características de caminhada da broca em uma broca de perfuração específica. Modalidade 16: O método da Modalidade 12, em que ajustar tos parâmetros de perfuração ajustados para operar a BHA compreendo: selecionar os componentes da BHA com base, pelo menos em parte, nas predições para o espiralamento do furo de poço e a caminhada de broca da broca de perfuração; ajustar pelo menos um de peso em broca, torque aplicado a uma coluna de perfuração da BHA, velocidade de rotação da coluna de perfuração, taxa de penetração ou taxa de fluido de perfuração; e ajustar a agressividade lateral da broca de perfuração ajustando pelo menos um de alibre da broca de perfuração, configuração de lâmina, comprimento de almofada de calibre, localização de almofada de calibre ou colocação de elemento de corte na broca de perfuração; Modalidade 17: O método da Modalidade 12, em que ajustar os parâmetros de perfuração para operar a BHA compreende ajustar os parâmetros de perfuração usando um sistema de perfuração de direção rotativa. Modalidade 18: Um método para controlar a trajetória de broca de perfuração numa formação subterrânea, o método compreendendo: receber parâmetros de perfuração para operar uma composição de fundo de poço específica (BHA), um ou mais parâmetros de perfuração compreendendo pelo menos um de peso em broca, torque, velocidade rotativa, taxa de penetração, taxa de fluxo do fluido de perfuração ou agressividade lateral de uma broca de perfuração; predizer espirala- mento do furo de poço e caminhada de broca de uma broca de perfuração da BHA, compreendendo: construir, com um processador de computador, um simulador de perfuração à frente direcional, compreendendo um modelo de computador dinâmico da BHA e a formação subterrânea;levando em conta o espiralamento do furo de poço e a caminhada de broca da broca de perfuração girando uma direção das forças de contato normais na broca de perfuração em um ângulo constante usando o processador do computador; calcular forças combinadas na BHA adicionando forças de atrito por torção às forças de contato normais no modelo de computador dinâmico da BHA em cada iteração de uma análise de elementos finitos usando o processador de computador; predizer a trajetória da broca de perfuração, com o processador de computador, baseado, pelo menos em parte, no cálculo das forças combinadas na BHA e ajustar a trajetória da broca de perfuração, com o processador de computador, baseado, pelo menos em parte, em predições da trajetória da broca de perfuração; e ajustar um ou mais parâmetros de perfuração com base, pelo menos em parte, nas predições para o espiralamento do furo de poço e a caminhada de broca da broca de perfuração. Modalidade 19: O método da Modalidade 18, em que calcular as forças combinadas na BHA compreende calcular as forças de atrito por torção usando: Ff = Fn*FricCoefficient, em que Ff representa forças de atrito por torção, Fn representa as forças de contato normais e FricCoefficient representa um fator de atrito; e em que um fator de fricção individual pode ser atribuído a um ou mais componentes individuais da BHA. Modalidade 20: O método da modalidade 18, em que ajustar a trajetória da broca compreende ajustar a trajetória da broca de perfuração om um sistema de perfuração de direção rotativa ligado operativamente à BHA, o sistema de perfuração de direção rotativa configurado para ajustar a trajetória da broca de perfuração pelo menos em parte em cálculos do modelo de computador dinâmico da BHA.

[000170] Embora a descrição anterior contenha muitas especificidades, estas não devem ser interpretadas como limitativas do âmbito da presente invenção, mas apenas como proporcionando certas modalidades exemplificativas. Do mesmo modo, podem ser concebidas outras modalidades da invenção que não se afastem do espírito ou âmbito da presente divulgação. Por exemplo, as características aqui descritas com referência a uma modalidade também podem ser fornecidas em outras das modalidades aqui descritas. O âmbito da invenção é, portanto, indicado e limitado apenas pelas reivindicações anexas e seus equivalentes legais, e não pela descrição anterior. Todas as adições, deleções e modificações às modalidades divulgadas, que se enquadram no significado e âmbito das reivindicações, são abrangidas pela presente divulgação.

Claims

1. Método para controlar trajetória de broca de perfuração em uma formação subterrânea, caracterizado pelo fato de que o método compreende: receber parâmetros de perfuração para operar uma composição de fundo específica (BHA); construir, com um processador de computador, um simulador de broca a frente direcional compreendendo um modelo de computador da BHA e da formação subterrânea; calcular, com o processador de computador, o movimento axial e o movimento lateral de uma broca de perfuração conectada a uma extremidade de fundo da BHA usando pelo menos um parâmetro de formação e pelo menos um parâmetro de perfuração; predizer, com o processador de computador, a caminhada de broca da broca de perfuração levando em conta e calculando forças de contato e forças de atrito entre a BHA e uma parede de um poço na formação subterrânea usando o modelo de computador da BHA, em que prever a caminhada da broca compreende atualizar um modelo de computador de direção com base, pelo menos em parte, na contabilização e cálculo das forças de atrito; determinar, com o processador de computador, uma trajetória de broca de perfuração ajustada para levar em conta a caminhada de broca predita compreendendo aplicar cálculos do movimento lateral da broca em uma direção das forças de contato e girar a direção das forças de contato na broca por um ângulo constante, em que o ângulo constante é obtido por pelo menos um dos cálculos do ângulo constante com uma fórmula empírica, obtendo o ângulo constante de uma tabela de valores conhecidos ou usando um valor igual a um ângulo entre as forças de contato e as forças de atrito na broca; determinar parâmetros de perfuração ajustados para operar a BHA para seguir a trajetória de broca de perfuração ajustada; e operar a BHA de acordo com os parâmetros de perfuração ajustados.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda predizer espiralamento de furo de poço levando em conta e calculando as forças de contato e as forças de atrito usando o modelo de computador da BHA.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: construir o simulador de perfuração direcional à frente que compreende o modelo de computador do BHA compreende: construir um modelo tridimensional do BHA e a formação subterrânea; configurar o modelo de computador BHA para ser um modelo dinâmico em um domínio de profundidade; configurar o modelo de computador BHA para prever uma taxa de construção com base, pelo menos em parte, na caminhada de bits prevista da broca usando iterações de redução de erros em cada etapa de uma análise de elementos finitos; e configurar o modelo de computador BHA para operar em tempo real durante as operações de perfuração.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: calcular o movimento axial e o movimento lateral da broca compreende usar um modelo de broca de movimento lateral baseado pelo menos em parte no movimento axial da broca calculado usando um modelo de broca de movimento axial separado do modelo de broca de movimento lateral e o modelo de computador do BHA; e determinar a trajetória da broca de perfuração ajustada compreende usar o modelo de computador de direção separado do modelo de broca de movimento lateral e o modelo de broca de movimento axial, em que o modelo de computador de direção é configurado para aplicar resultados do modelo de broca de movimento lateral ajustado pelas previsões de o modelo de computador do BHA.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que determinar a trajetória de broca ajustada compreende ainda: calcular um novo ângulo de inclinação e um novo ângulo de azimute da broca; adicionar uma distância ao poço na formação subterrânea; mover a broca em uma direção de perfuração para uma extremidade do poço; e iterando o cálculo, a adição e a mudança para atualizar o modelo de computador do BHA.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que prever a caminhada da broca contabilizando e calculando as forças de contato e as forças de atrito entre o BHA e a parede do poço compreende ainda contabilizar o deslocamento angular da broca.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que prever a caminhada da broca, contabilizando e calculando as forças de contato e as forças de atrito entre o BHA e a parede do poço compreende ainda calcular as forças de atrito torcionais entre pelo menos um componente do BHA e a parede do poço.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que girar a direção das forças de contato na broca pelo ângulo constante compreende girar a direção das forças de contato na broca em 12 ° no sentido anti-horário a partir de uma perspectiva que olha para baixo do poço.

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que determinar os parâmetros de perfuração ajustados para operar o BHA compreende: ajustar a agressividade lateral da broca, ajustando pelo menos um dos indicadores da broca, configuração da lâmina, comprimento do calibre, localização do calibre ou localização do elemento de corte na broca; ajustar pelo menos um torque de peso na broca aplicado a uma coluna de perfuração do BHA, velocidade de rotação da coluna de perfuração, taxa de penetração ou taxa de fluxo do fluido de perfuração; e ajustar a trajetória da broca durante a perfuração com um sistema de perfuração de direção rotativa operativamente conectado ao BHA.

10. Método para controlar a trajetória da broca de perfuração em uma formação subterrânea, caracterizado pelo fato de que o método compreende as etapas de: receber dados litológicos para uma formação subterrânea específica; receber um ou mais parâmetros de perfuração para operar um conjunto de fundo de poço (BHA), os um ou mais parâmetros de perfuração compreendendo pelo menos um de peso na broca, torque, velocidade de rotação, taxa de penetração, taxa de fluxo do fluido de perfuração ou agressividade lateral de uma broca; prever espiral de poço e andar de broca de uma broca de BHA, caracterizada pelo fato de que compreende: construir, com um processador de computador, um simulador de perfuração direcional compreendendo um modelo de computador dinâmico do BHA e a formação subterrânea; contabilizar o furo de poço em espiral e a caminhada da broca girando uma direção das forças de contato normais na broca por um ângulo constante usando o processador do computador; calcular forças combinadas no BHA adicionando forças de atrito de torção às forças de contato normais no modelo de computador dinâmico do BHA em cada iteração de uma análise de elementos finitos usando o processador do computador que compreende o cálculo das forças de atrito de torção usando: Ff = Fn * FricCoefficient, em que Ff representa as forças de atrito de torção, Fn representa as forças de contato normais e FricCoefficient representa um fator de atrito; e em que um fator de atrito individual pode ser atribuído a um ou mais componentes individuais do BHA; prever a trajetória da broca, com o processador do computador, com base pelo menos em parte no cálculo das forças combinadas no BHA, em que prever a trajetória da broca compreende atualizar um modelo de computador de direção com base, pelo menos em parte, nos cálculos das forças de atrito de torção; e ajustar a trajetória da broca, com o processador do computador, com base pelo menos em parte nas previsões da trajetória da broca; e ajustar os um ou mais parâmetros de perfuração com base, pelo menos em parte, em previsões para a espiral do furo de poço e a caminhada da broca.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que ajustar a trajetória da broca compreende ajustar a trajetória da broca com um sistema de perfuração de direção rotativa conectado operacionalmente ao BHA, o sistema de perfuração de direção rotativa configurado para ajustar a trajetória da broca de perfuração com base, pelo menos em parte, nos cálculos do modelo de computador dinâmico da BHA.