BR112019011865B1 - Métodos e sistemas para perfuração de furos de poço em formações de terra - Google Patents
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Abstract
Os métodos de perfuração de formações de terra podem envolver a remoção de uma porção de uma formação de terra subjacente utilizando elementos de corte de uma broca de perfuração da terra. Uma velocidade de rotação da coluna de perfuração pode ser detectada utilizando um primeiro sensor. Uma taxa de penetração da coluna de perfuração durante o avanço da broca de perfuração à terra pode ser detectada com a utilização de um segundo sensor. Uma profundidade de corte média instantânea dos elementos de corte da broca de perfuração pode ser determinada utilizando uma unidade de controle para calcular a profundidade de corte média instantânea com base em uma velocidade de rotação detectada da coluna de perfuração e uma velocidade detectada de avanço da coluna de perfuração. O peso sob a broca de perfuração da terra pode ser aumentado pela utilização do guincho quando a profundidade de corte média instantânea é menor do que a profundidade de corte mínima predeterminada.
Description
[001] Este pedido reivindica o benefício da data de depósito do pedido de patente dos Estados Unidos com o número de série 15/373.036, depositado em 8 de dezembro de 2016, para "Methods and Systems for Drilling Boreholes in Earth Formations".
[002] Esta divulgação refere-se geralmente a modos de utilização e a sistemas incluindo brocas de perfuração da terra. Mais especificamente, as modalidades divulgadas referem-se a métodos e sistemas para operação de brocas de perfuração de terra que podem reduzir o tempo de perfuração, reduzir a entrada de energia, reduzir o desgaste e melhorar a resposta às condições de perfuração em tempo real.
[003] Embora esta divulgação seja concluída com reivindicações particularmente indicadas e reivindicando distintamente modalidades específicas, várias características e vantagens de modalidades dentro do escopo desta divulgação podem ser mais prontamente determinadas a partir da seguinte descrição quando lidas em conjunto com as figuras anexas, nas quais:
[004] A FIG. 1 é um fluxograma de um método de perfuração de uma formação de terra;
[005] A FIG. 2 é uma vista esquemática de um conjunto de perfu ração configurado para perfurar uma formação de terra e os métodos da prática descritos em ligação com a FIG. 1;
[006] A FIG. 3 é um diagrama de blocos de um sistema de com putação configurado para praticar os métodos descritos em conexão com a FIG. 1; e
[007] A FIG. 4 é uma vista lateral simplificada da seção transver sal de uma porção de uma broca de perfuração da terra e uma formação de terra subjacente.
[008] As ilustrações apresentadas nesta divulgação não preten dem ser vistas reais de qualquer sistema em particular para perfuração de furos de poços em formações de terra ou seus componentes, mas são meramente representações idealizadas utilizadas para descrever modalidades ilustrativas. Assim, as figuras não estão necessariamente em escala.
[009] As modalidades divulgadas referem-se geralmente a méto dos e sistemas para operação de brocas de perfuração de terra que podem reduzir o tempo de perfuração, reduzir a entrada de energia, reduzir o desgaste e melhorar a resposta às condições de perfuração em tempo real. Mais especificamente, são divulgadas modalidades de métodos e sistemas para operação de brocas de perfuração de terra que podem permitir um melhor ajuste em tempo real do peso aplicado à broca de perfuração de terra empregando medição em operação dos parâmetros de perfuração para melhor determinar uma profundidade média instantânea de corte dos elementos de corte da broca de perfuração. Tais métodos e sistemas podem permitir uma melhor determinação sobre se a profundidade média instantânea de corte excede ou está abaixo de um limite predeterminado para aumentar a probabilidade de que a perfuração mecanicamente eficiente seja realizada. Além disso, modalidades dentro do escopo desta divulgação podem permitir uma melhor pré-seleção do peso a ser aplicado a uma broca de perfuração da terra antes da perfuração.
[0010] Tal como utilizado nesta divulgação, o termo "perfuração" significa e inclui qualquer operação realizada durante a formação ou ampliação de um furo de poço em uma formação subterrânea.
[0011] Por exemplo, a perfuração inclui perfuração, alargamento e outros processos de remoção da formação.
[0012] Referindo a FIG. 1, é mostrado um fluxograma de um méto do 100 de perfuração de uma formação de terra. O método 100 pode envolver a remoção de uma porção de uma formação de terra subjacente utilizando elementos de corte de uma broca de perfuração de terra, como mostrado em 102. Mais especificamente, a broca de perfuração de terra pode ser configurada como uma broca de perfuração de terras de cortador fixo, incluindo um corpo com elementos de corte presos fixamente a ela. Os elementos de corte da broca de perfuração de terra podem ser acionados contra a formação de terra subjacente (por exemplo, por rotação, força de impacto, retificação, uma combinação destes) e podem remover porções da formação de terra subjacente.
[0013] O peso pode ser aplicado à broca de perfuração de terra utilizando um guincho conectado à broca de perfuração de terra através de uma coluna de perfuração para avançar a broca de perfuração de terra para a formação de terra subjacente, como indicado em 104. Por exemplo, as peças de tração podem dar suporte à coluna de perfuração e à broca de perfuração de terra em uma extremidade da coluna de perfuração dentro de um furo de poço, a coluna de perfuração e a broca de perfuração de terra sendo suspensas a partir dos guinchos. Os guinchos podem permitir seletivamente que uma porção do peso da coluna de perfuração seja suportada na broca de perfuração da terra, conduzindo-a na direção pretendida. A força que atua na broca de perfuração da terra para avançar a mesma na formação de terra subjacente é vulgarmente referida na técnica como "peso sob a broca" (weight on bit, WOB).
[0014] A maneira pela qual o material de terra é removido pelos elementos de corte pode ser caracterizada por uma ação de corte primária. Por exemplo, a formação de terra pode ser removida por uma combinação de ação de corte e trituração, uma ou outra sendo a ação principal. A entrada de energia necessária para remover um determinado volume de material de terra (vulgarmente conhecido na técnica como "energia mecânica específica") pode depender, pelo menos em parte, da ação de corte realizada pelos elementos de corte. Por exemplo, os elementos de corte que removem o material de terra por uma ação de corte dominada por cisalhamento podem ter uma energia específica mecânica substancialmente mais baixa (isto é, podem requerer menos energia para remover um determinado volume do material de terra) particularmente em materiais mais fortes e consolidados. Os elementos de corte que removem material de terra por uma ação de corte dominada por trituração podem ter uma energia específica mecânica muito mais alta (isto é, podem exigir mais energia para remover o mesmo volume do material terra) devido ao atrito adicional e ao calor gerado no modo de trituração, que é menos eficiente.
[0015] A profundidade na qual um elemento de corte é capaz de penetrar a formação de terra subjacente durante a remoção (isto é, a "profundidade de corte") é um fator que influencia a ação primária de corte dos elementos de corte. Por exemplo, os elementos de corte com uma profundidade de corte em um determinado limite ou maior podem ser mais propensos a remover o material de terra subjacente por uma ação primária de corte por cisalhamento. Elementos de corte com uma profundidade de corte abaixo do limite podem ser mais propensos a remover o material de terra subjacente por uma ação primária de corte por trituração. A transição de um modo para outro ou a ultrapassagem do limite é reconhecível em uma mudança de etapa na eficiência de perfuração, refletida em uma queda na energia específica.
[0016] A profundidade limite do corte pode depender de uma vari edade de fatores, incluindo as características da formação de terra subjacente, a quantidade, forma e orientação dos elementos de corte, a inclusão ou ausência de recursos de controle de profundidade de corte na ferramenta de perfuração da terra, pressões de fluido acima da formação e dentro de seus espaços de poros e o peso (força axial) atuando em cada cortador. A principal maneira pela qual os operadores de perfuração podem influenciar a profundidade de corte pode ser pela modulação do peso sob a broca. Por exemplo, o aumento do peso sob broca pode aumentar a profundidade de corte, enquanto a diminuição do peso sob broca pode diminuir a profundidade de corte.
[0017] A determinação de quanto o peso sob a broca aplicar con vencionalmente pode ser determinada em etapas. Operadores de perfuração podem perfurar seções de uma formação de terra em dois pesos sob a broca diferentes e a duas velocidades de rotação diferentes, resultando em quatro combinações diferentes de parâmetros de perfuração e quatro seções de material de terra perfurada. O operador de perfuração pode então selecionar a combinação de parâmetros que perfuraram sua seção mais rapidamente. Dito de outra forma, o operador de perfuração pode continuar a perfurar com o peso sob a broca e na velocidade de rotação que perfurou a maior distância por unidade de tempo (isto é, alcançou a maior taxa de penetração). Este método requer a perfuração de longos trechos de terra, utilizando parâmetros de perfuração abaixo do ideal, retardando o processo de perfuração e potencialmente danificando o equipamento de perfuração. Além disso, uma mudança inesperada no tipo de material de terra sendo perfurado pode resultar no operador de perfuração selecionando quais parâmetros eram aceitáveis para perfuração em um tipo de material de terra, mas a continuidade da perfuração com esses parâmetros por um longo tempo em outro tipo de material de terra em que esses parâmetros pode ser ineficiente e potencialmente prejudicial.
[0018] Além disso, os requisitos de peso sob a broca podem ser estimados antes da perfuração para a composição de fundo prevista (isto é, a porção inferior da coluna de perfuração que normalmente contém elementos de grande peso fornecendo o peso sob a broca). Convencionalmente, isto pode ser realizado com referência à capacidade do peso sob a broca selecionado do projeto de broca selecionado e/ou prática anterior em formações semelhantes e/ou com projetos de broca semelhantes. O peso sob a broca pode ser restringido por um ou mais elementos da coluna de perfuração.
[0019] Em contraste, os métodos 100 de acordo com esta divulga ção podem empregar monitoramento em tempo real para determinar uma profundidade de corte média instantânea dos elementos de corte da broca de perfuração da terra, permitindo que o peso sob a broca seja aumentado manual ou automaticamente quando a profundidade média instantânea de corte está abaixo de uma profundidade de corte mínima predeterminada e confirma que o limite foi ultrapassado por uma queda na energia específica, seguida por um nível de energia específico constante no modo eficiente e dominante de perfuração por cisalhamento. Além disso, os métodos 100 de acordo com esta divulgação podem opcionalmente empregar simulações pré perfuração para fornecer recomendações para um peso mínimo sob a broca a ser aplicado, para reduzir a probabilidade de que uma profundidade de corte dos elementos de corte da broca de perfuração de terra removerá o material de terra por uma ação de corte primário menos eficiente (por exemplo, trituração).
[0020] Métodos 100 de acordo com esta divulgação podem ainda empregar monitoramento em tempo real para permitir que o peso sob a broca seja aumentado para além do peso sob a broca mínimo predeterminado recomendado para aumentar a taxa de penetração enquanto reduz o risco de que o peso aplicado sob a ponta exceda um peso sob a broca máximo predeterminado.
[0021] Para facilitar tal funcionalidade, o método 100 pode envol- ver a detecção de uma velocidade de rotação da coluna de perfuração utilizando um primeiro sensor operacionalmente associado à coluna de perfuração, como indicado em 106. O primeiro sensor pode incluir, por exemplo, um sensor magnetorresistivo, um sensor reflexivo, um sensor de interrupção ou um codificador ótico. O primeiro sensor pode ser posicionado sob ou na coluna de perfuração e pode estar localizado, por exemplo, próximo a uma junta do kelly, próximo a uma abertura superior de um orifício dentro do furo de poço ou próximo a uma extremidade inferior de uma sonda de perfuração (por exemplo, uma torre) acima do furo de poço. Uma saída do primeiro sensor pode transmitir diretamente a velocidade de rotação da coluna de perfuração em algumas modalidades. Em outras modalidades, uma unidade de processamento pode converter a saída do primeiro sensor em unidades correspondentes à velocidade de rotação da coluna de perfuração. A saída do primeiro sensor pode ser medida em números de rotações por unidade de tempo (por exemplo, rotações por minuto).
[0022] Uma taxa de penetração da coluna de perfuração também pode ser detectada durante o avanço da broca de perfuração da terra utilizando um segundo sensor operacionalmente associado à coluna de perfuração, como indicado em 108. O segundo sensor pode incluir, por exemplo, um potenciômetro, um transformador diferencial variável linear, um sensor de proximidade indutivo ou um codificador incremental. O segundo sensor pode ser posicionado sob ou na coluna de perfuração e pode estar localizado, por exemplo, próximo à junta do kelly, próximo à abertura superior de um orifício dentro do furo de poço ou próximo à extremidade inferior de uma sonda de perfuração (por exemplo, a torre) acima do furo de poço. Uma saída do segundo sensor pode transmitir diretamente a taxa de avanço da coluna de perfuração em algumas modalidades. Em outras modalidades, uma unidade de processamento pode converter a saída do segundo sensor em uni dades correspondentes à taxa de penetração da coluna de perfuração. A saída do segundo sensor pode ser medida em distância linear por unidade de tempo (por exemplo, pés por segundo ou metros por segundo). Em algumas modalidades, cada um dos sensores e a unidade de controle podem estar localizados em uma superfície (isto é, fora de um furo de poço) de uma operação de perfuração. Por conseguinte, a implantação do equipamento para a prática de métodos de acordo com esta divulgação pode não exigir o posicionamento de equipamento adicional no furo de poço ou a transferência de parâmetros de perfuração detectados de dentro do furo de poço para a superfície.
[0023] Uma profundidade de corte média instantânea dos elemen tos de corte da broca de perfuração pode ser determinada utilizando uma unidade de controle conectada operacionalmente ao primeiro e segundo sensores para calcular a profundidade de corte média instantânea com base em uma velocidade de rotação detectada da coluna de perfuração e uma velocidade detectada de avanço da coluna de perfuração, conforme indicado em 110. A unidade de controle pode incluir uma unidade de processamento e memória não transitória operativamente conectada à unidade de processamento. A profundidade instantânea média de corte dos elementos de corte da broca de perfuração de terra pode ser calculada, por exemplo, utilizando o seguinte algoritmo:
onde DOC é a profundidade de corte média instantânea, ROP é a taxa de penetração detectada, RPM é a velocidade de rotação detectada da coluna de perfuração e Redundância é a soma dos diâmetros dos elementos de corte da broca de perfuração da terra dividida por um raio da broca de perfuração da terra.
[0024] Como exemplo específico, não limitativo, a profundidade de corte média instantânea pode ser calculada utilizando a seguinte fórmula quando a taxa de penetração é detectada em pés por hora (o que pode ser convertido em metros por hora) e a velocidade rotacional é detectada em rotações por minuto:
[0025] Como outro exemplo específico, não limitativo, a profundida de de corte média instantânea pode ser calculada pela utilização da seguinte fórmula quando a taxa de penetração é detectada em metros por hora e a velocidade de rotação é detectada em rotações por minuto:
[0026] A profundidade de corte média instantânea obtida com a utilização de tais técnicas pode ser expressa em termos de profundidade de penetração por rotação por elemento de corte. Embora a profundidade de corte média instantânea assim determinada possa não medir perfeitamente a profundidade real de corte de um determinado elemento de corte, ela pode fornecer um indicador mais confiável sobre se o peso sob a broca deve ser aumentado quando comparado com a simples utilização da profundidade de penetração da broca de perfuração da terra por rotação como padrão para a profundidade de corte.
[0027] Tais técnicas podem representar uma melhoria em relação aos processos convencionais de determinar ou estimar a profundidade de corte, pelo menos em parte, porque ela pode empregar dados reais em tempo real de sensores para determinar a profundidade de corte média instantânea. Além disso, as técnicas anteriores podem representar uma melhoria em relação aos processos convencionais de determinação ou estimativa da profundidade de corte, porque pode expli- car a sobreposição radial redundante de porções de elementos de corte distribuídos sobre uma face da ferramenta de perfuração da terra. As técnicas anteriores podem representar uma melhoria em relação aos processos convencionais de determinação ou estimativa da profundidade de corte, pois podem refletir com mais precisão a profundidade real de corte de um determinado elemento de corte quando comparado ao uso da taxa de penetração por rotação da broca de perfuração como um padrão para a profundidade de corte. Finalmente, as técnicas anteriores podem representar uma melhoria em relação aos processos convencionais de determinação ou estimativa da profundidade de corte em algumas modalidades porque podem produzir um indicador mais fiel sobre se o peso sob a broca deve ser aumentado sem requerer a implantação de sensores e equipamento adicionais no furo de poço ou a transferência de parâmetros detectados para a superfície.
[0028] A profundidade de corte média instantânea pode ser com parada com uma profundidade de corte mínima predeterminada armazenada na memória não transitória, utilizando a unidade de controle, indicada em 112. A profundidade de corte mínima predeterminada pode ser um limite no qual a ação primária de corte dos elementos de corte é mais provável de ser uma ação de corte de cisalhamento e abaixo da qual a ação primária de corte dos elementos de corte é mais provável de ser uma ação de corte por trituração, para a formação de terra esperada, regime de pressão de fluido, configuração da broca de mandrilamento e tipo e orientação dos elementos de corte. Por exemplo, simulações de perfuração conhecidas na técnica podem ser exe-cutadas em um dispositivo de computação utilizando profundidades de corte iterativamente variadas para a formação de terra esperada ou formações a serem perfuradas e a broca de perfuração na terra esperada a ser usada. A profundidade de corte mínima predeterminada po- de variar ao longo de um percurso de perfuração planejado, à medida que o tipo esperado ou real de material de terra sendo perfurado muda. Consequentemente, a profundidade de corte mínima predeterminada armazenada na memória não transitória pode ser um valor único ou um conjunto de valores correspondentes a intervalos de perfuração separados (por exemplo, dentro de um determinado tipo de material de terra, ao longo de uma distância predeterminada). De um modo geral, a profundidade mínima de corte predeterminada para remover rochas carbonatadas (por exemplo, calcário, carbonato de cálcio, dolomita) utilizando uma broca de cortador fixo para perfuração de terra pode ser, por exemplo, cerca de 0,02 polegadas (cerca de 0,5 mm) ou mais. Mais especificamente, a profundidade mínima de corte predeterminada pode ser, por exemplo, entre cerca de 0,03 polegadas (cerca de 0,8 mm) e cerca de 0,1 polegadas (cerca de 25 mm) ou mais. Como exemplos específicos, não limitativos, a profundidade mínima de corte predeterminada pode estar entre cerca de 0,04 polegadas (cerca de 1 mm) e cerca de 0,15 polegadas (cerca de 3,8 mm), cerca de 0,05 polegadas (cerca de 1,2 mm) e cerca de 0,2 polegadas (cerca de 5 mm), entre qualquer combinação dos valores mínimos e máximos anteriores.
[0029] O peso sob a broca de perfuração de terra pode ser au mentado através dos guinchos quando a profundidade média instantânea de corte for menor que a profundidade de corte mínima predeterminada, conforme indicado em 114. Ao aumentar o peso na broca de perfuração de terra, a profundidade de corte dos elementos de corte da broca de perfuração pode ser aumentada. A manutenção da profundidade de corte dos elementos de corte acima da profundidade mínima de corte predeterminada pode reduzir a probabilidade de os elementos de corte removerem o material de terra por uma ação primária de corte por trituração. Além disso, isso pode aumentar a probabilida- de de os elementos de corte removerem o material de terra por meio de uma ação primária de corte por cisalhamento. Consequentemente, a eficiência da operação de perfuração pode ser aumentada, o desgaste na broca de perfuração e em seus elementos de corte por unidade de volume de material de terra removido pode ser reduzido e o tempo para remover um determinado volume de material de terra pode ser reduzido.
[0030] Em algumas modalidades, o aumento do peso sob a broca de perfuração de terra por meio dos guinchos pode ser realizado au-tomaticamente por uma unidade de controle operativamente conectada aos guinchos. Por exemplo, a unidade de controle pode enviar um sinal para o guincho, sensível ao aumento automático do peso sob a broca na broca de perfuração de terra proporcionado pelos guinchos.
[0031] Em outras modalidades, o aumento do peso sob a broca de perfuração de terra por meio dos guinchos pode ser realizado, pelo menos parcialmente, por um operador de perfuração humano. Por exemplo, a unidade de controle pode fazer com que um monitor eletrônico conectado operativamente à unidade de controle exiba uma instrução para aumentar o peso sob a broca de perfuração de terra quando a profundidade média instantânea do corte for menor que a profundidade de corte mínima predeterminada. A instrução pode tomar a forma de, por exemplo, uma sequência de texto instruindo o operador de perfuração a aumentar o peso sob a broca (por exemplo, "Aumentar o peso sob a broca"). Como outro exemplo, a instrução pode exibir a profundidade média de corte instantânea calculada com uma cor associada para instruir o operador de perfuração a aumentar o peso sob a broca (por exemplo, "0,01 pol." em uma área vermelha, "0,01 pol." em fonte vermelha). O operador de perfuração humano pode, então, interagir com um dispositivo de entrada do usuário (por exemplo, um teclado, um botão, uma alavanca, um indicador) para fazer com que o guincho aumento o peso sob a broca.
[0032] Em algumas modalidades, a unidade de controle pode calcular pelo menos substancialmente continuamente a profundidade de corte máxima instantânea, comparar a profundidade de corte média instantânea para a profundidade de corte mínima predeterminada e gerar informação e instruções no que diz respeito a operação de perfuração. Por exemplo, a unidade de controle pode calcular a profundidade de corte média instantânea, comparar a profundidade de corte média instantânea calculada com a profundidade mínima de corte predeterminada e gerar informações e instruções sobre o status da operação de perfuração pelo menos uma vez por minuto (por exemplo, uma vez por segundo). As informações e instruções geradas pela unidade de controle podem incluir fazer com que o visor elétrico exiba e atualize a profundidade máxima de corte instantânea calculada com uma cor associada para dar feedback e instruções ao operador de perfuração. Por exemplo, a unidade de controle pode fazer com que o monitor eletrônico exiba uma primeira cor em uma área designada quando a profundidade de corte média instantânea for maior que a profundidade de corte mínima predeterminada e exiba uma segunda cor diferente na área designada quando a profundidade de corte média instantânea for menor que a profundidade de corte mínima predeterminada. Mais especificamente, a exibição da profundidade de corte média instantânea calculada em um campo vermelho ou em uma fonte vermelha pode instruir o operador de perfuração a aumentar o peso sob a broca; a exibição da profundidade média instantânea de corte calculada em um campo amarelo ou em uma fonte amarela pode alertar o operador de perfuração de que a profundidade de corte atual está se aproximando da profundidade de corte mínima predeterminada (por exemplo, é de cerca de 0,01 polegadas (cerca de 0,25 mm) ou menos profundo do que a profundidade de corte mínima predeterminada), de forma que o operador de perfuração deve considerar o aumento ou preparação para aumentar o peso sob a broca; a exibição da profundidade de corte média instantânea calculada em um campo verde ou em uma fonte verde pode informar o operador de perfuração que o peso atual sob a bit é suficiente para atingir a profundidade de corte mínima predeterminada ou mais.
[0033] Em algumas modalidades, o peso instantâneo aplicado sob a broca pode ser monitorado em adição ao cálculo da profundidade de corte média instantânea. Por exemplo, o peso aplicado sob a broca de perfuração de terra por meio do guincho e da coluna de perfuração pode ser detectado com a utilização de um terceiro sensor operacionalmente associado aos guinchos e operativamente conectado à unidade de controle. O terceiro sensor pode incluir, por exemplo, um medidor de tensão, uma célula de carga piezoelétrica, uma célula de carga hidráulica ou uma célula de carga pneumática. O peso detectado sob a broca pode ser comparado com um peso mínimo predeterminado aplicável à broca de perfuração de terra armazenada na memória não transitória. O peso sob broca de perfuração da terra pode ser au-mentado quando o peso detectado aplicado à broca de perfuração da terra for menor do que o peso mínimo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra. Tal como a profundidade de corte mínima predeterminada, o peso mínimo predeterminado sob a broca pode ser determinado pela simulação iterativa da perfuração na formação de terra para encontrar o peso mais baixo aplicado sob a broca de perfuração de terra que ainda atinge a profundidade mínima de corte predeterminada. O peso mínimo predeterminado sob a broca pode ser, por exemplo, cerca de 10.000 libras (cerca de 4.500 kg) ou menos.
[0034] Em algumas modalidades, o peso medido aplicado à broca de perfuração da terra pode ser comparado com um peso máximo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra armazenado na memória não transitória. Quando o peso detectado aplicado à broca de perfuração terra está próximo do peso máximo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra, a unidade de controle ou o operador de perfuração pode fazer com que os guinchos parem de aumentar o peso sob a broca de perfuração. O peso máximo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra pode ser selecionado dentre o mais baixo de um peso no qual a coluna de perfuração irá sofrer flambagem, um peso sob o qual a broca de perfuração de terra exibirá comportamento de aderência-deslizamento, um peso ao qual um limite de torque de um acionador rotacional da coluna de per-furação será excedido e um peso no qual a broca de perfuração da terra ou um ou mais componentes da coluna de perfuração sofrerão uma falha catastrófica. Tal como a profundidade de corte mínima predeterminada e o peso sob a broca mínimo predeterminado, o peso máximo predeterminado sob a broca pode ser determinado pela simulação iterativa da perfuração da formação de terra para encontrar o peso mais baixo aplicado à broca de perfuração de terra que faz com que a operação de perfuração falhe, como, por exemplo, em uma das formas acima mencionadas. O peso sob a broca máximo predeterminado pode ser, por exemplo, cerca de 50.000 libras (cerca de 22.000 kg) ou mais.
[0035] A FIG. 2 é uma vista esquemática de um conjunto de perfu ração 122 configurado para perfurar uma formação de terra 124 e praticar os métodos 100 descritos anteriormente em conexão com a FIG. 1. O conjunto de perfuração 122 pode incluir uma torre 126 erguida em um piso 128, que pode suportar uma mesa rotativa 130 rodada por um motor principal tal como um motor elétrico a uma velocidade rotacional desejada. Uma coluna de perfuração 132 suportada pela torre 126 e instalada em um furo de poço 134 na formação de terra 124 pode incluir tubo de perfuração 136 que se estende em sentido descendente a partir da mesa rotativa 130 para dentro do furo de poço 134. Uma composição de fundo de poço incluindo uma broca 138, colares de perfuração e quaisquer outras ferramentas de perfuração que podem ser a principal fonte de peso a ser aplicado sob a broca 138 localizada na extremidade da coluna de perfuração 132 podem entrar em contato com a formação de terra 124 quando rodadas para perfurar o furo de poço 134. A coluna de perfuração 132 pode ser acoplada a um guincho 140 (por exemplo, utilizando uma junta de kelly 142). Durante a operação de perfuração, os conjuntos de tração 140 podem controlar o peso sob a broca.
[0036] Durante as operações de perfuração, um fluido de perfura ção 144 pode ser circulado sob pressão através da coluna de perfuração 132 e a taxa de fluxo pode ser controlada pela determinação da velocidade de operação de uma bomba 146. O fluido de perfuração 144 pode ser descarregado no fundo do furo de poço 134 através de aberturas (por exemplo, bocais) na broca 138. O fluido de perfuração 144 pode então fluir de volta para a superfície através do espaço anular 148 entre a coluna de perfuração 132 e as paredes do furo de poço 134 para recirculação.
[0037] Um primeiro sensor 150 (por exemplo, um sensor magneto- resistivo, um sensor reflexivo, um sensor de interrupção, um codificador óptico) orientado em direção à coluna de perfuração 132 e localizado, por exemplo, próximo à junta do kelly 142, próximo a uma abertura superior do furo de poço 134 ou próximo à uma extremidade inferior da torre 126 pode detectar uma velocidade de rotação da coluna de perfuração 132. Um segundo sensor 152 (por exemplo, um poten- ciômetro, um transformador diferencial variável linear, um sensor de proximidade indutivo, um codificador incremental) orientado em direção à coluna de perfuração 132 e localizado, por exemplo, próximo à junta do kelly 142, próximo de uma abertura superior do furo de poço 134 ou próximo à uma extremidade inferior da torre 126 pode detectar uma taxa de penetração da coluna de perfuração 132 durante o avanço da broca de perfuração da terra 138. Um terceiro sensor 156 (por exemplo, um extensômetro, uma célula de carga piezoelétrica, uma célula de carga hidráulica, uma célula de carga pneumática) associado à junta do kelly 142 pode medir a carga de gancho da coluna de perfuração 132 para medir ou pelo menos aproximar o peso sob a broca.
[0038] A broca 138 pode ser rodada pela rotação de toda a coluna de perfuração 132 ao perfurar certas porções do furo de poço 134. Em outras porções, tais como, por exemplo, quando alterando a direção de perfuração, a coluna de perfuração e um motor de fundo de poço 158 podem rodar a broca 138 através de um eixo de transmissão que se estende entre o motor 158 e a broca 138. Uma unidade de direcionamento 162 com um conjunto de rolamentos 160 pode, dependendo da sua configuração, posicionar a broca 138 centralmente dentro do furo de poço 134 ou pode pressionar a broca 138 para uma direção desejada. A broca 138 pode conter sensores 168 configurados para determinar características do ambiente de fundo de poço e a dinâmica de perfuração. Os sensores 170 e 172 também podem ser posicionados na coluna de perfuração 132 e podem ser configurados para determinar a inclinação e o azimute da coluna de perfuração 132, a posição da broca 138, a qualidade do furo de poço e as características da formação a ser perfurada. Detalhes adicionais e equipamento para um conjunto de perfuração 122 configurado para coletar informações sobre as características de uma formação de terra, parâmetros operacionais e equipamentos utilizados são divulgados no Pedido de Patente US n° 2014/0136138, publicado em 15 de maio de 2014, intitulado "DRILL BIT SIMULATION AND OPTIMIZATION."
[0039] Uma unidade de controle de superfície 164 pode receber sinais dos sensores 150, 152, 156, 168, 170 e 172 e quaisquer outros sensores utilizados no conjunto de perfuração 122 e processar os sinais de acordo com as instruções programadas. Os sinais do sensor podem ser fornecidos em intervalos de tempo selecionados, a intervalos de profundidade ao longo do trajeto de perfuração, a intervalos reduzidos durante a perfuração de porções não lineares do furo de poço ou uma combinação desses. A unidade de controle de superfície 164 pode exibir parâmetros operacionais atuais, parâmetros de operação de saída recomendados e outras informações em um monitor eletrônico 166, que pode ser utilizado por um operador para controlar as operações de perfuração. A unidade de controle de superfície 164 pode ser um sistema de computação, como descrito em maior detalhe em conexão com a FIG. 3. A unidade de controle de superfície 164 pode ser configurada para aceitar entradas (por exemplo, através dos sensores 150, 152, 156, 168 e 170 ou através de um dispositivo de entrada do usuário) e executar os métodos 100 descritos anteriormente em ligação com a FIG. 1, incluindo simulação de operações de perfuração e melhoria de aspectos de uma operação de perfuração ativa por meio de medidas corretivas que incluem a alteração de parâmetros operacionais (por exemplo, aumento ou diminuição do peso sob a broca e rpm).
[0040] Em outras modalidades, uma unidade de controle de super fície 173 pode receber sinais dos sensores 150, 152, 156, 168, 170 e 172 e quaisquer outros sensores utilizados no conjunto de perfuração 122 e processar os sinais de acordo com as instruções programadas. A unidade de controle de fundo de poço 173 pode enviar os resultados dos sinais processados (por exemplo, condições atuais do fundo de poço, posição atual, posição relativa ao trajeto de perfuração predeterminado, parâmetros operacionais atuais, parâmetros operacionais recomendados, equipamento atual implantado e equipamento recomendado para implantação) para o monitor eletrônico 166 na superfí- cie, que pode ser utilizado por um operador para controlar as operações de perfuração. A unidade de controle de fundo de poço 173 pode ser um sistema de computação, como descrito em maior detalhe em conexão com a FIG. 3. A unidade de controle de fundo de poço 173 pode ser configurada para aceitar entradas (por exemplo, através dos sensores 150, 152, 156, 168, 170 e 172 ou através de um dispositivo de entrada do usuário) e executar os métodos 100 descritos anteriormente em ligação com a FIG. 1, incluindo simulação de operações de perfuração e melhoria de aspectos de uma operação de perfuração ativa por meio de medidas corretivas que incluem a alteração de parâmetros operacionais (por exemplo, aumento ou diminuição do peso sob a broca).
[0041] A FIG. 3 é um diagrama de blocos de um sistema de com putação 174 configurado para praticar os métodos da FIG. 1. O sistema de computação 174 pode ser um computador do tipo de usuário, um servidor de arquivos, um servidor de computador, um notebook, um tablet, um dispositivo portátil, um dispositivo móvel ou outro sistema de computador similar para executar o software. O sistema de computação 174 pode ser configurado para executar programas de software contendo instruções de computação e pode incluir um ou mais processadores 176, memória 180, um ou mais monitores 186, um ou mais elementos de interface de usuário 178, um ou mais elementos de comunicação 184 e um ou mais dispositivos de armazenamento 182 (também referido neste documento simplesmente como armazenamento 182).
[0042] Os processadores 176 podem ser configurados para execu tar uma ampla variedade de sistemas operacionais e aplicações, incluindo as instruções de computação para executar os métodos 100 discutidos anteriormente em conexão com a FIG. 1. A memória 180 pode ser utilizada para manter instruções de computação, dados e outras informações para realizar uma grande variedade de tarefas, incluindo a determinação da profundidade de corte média e controle dos componentes das sondas de perfuração de acordo com métodos da presente divulgação. A título de exemplo e não limitação, a memória 180 pode incluir memória de acesso aleatório síncrono (SRAM), RAM dinâmica (DRAM), memória somente leitura (ROM), memória flash e similares.
[0043] O mostrador 186 pode ser uma grande variedade de mos tradores tais como, por exemplo, monitores de LED, telas de cristal líquido, tubos de raios catódicos e semelhantes. Além disso, o mostrador 186 pode ser configurado com um recurso de tela sensível ao toque para aceitar a entrada do usuário como um elemento de interface do usuário 178.
[0044] Como exemplos não limitativos, os elementos da interface de usuário 178 podem incluir elementos como monitores, teclados, botões, mouse, joysticks, dispositivos hápticos, microfones, alto- falantes, câmeras e telas sensíveis ao toque.
[0045] Como exemplos não limitativos, os elementos de comuni cação 184 podem ser configurados para comunicação com outros dispositivos ou redes de comunicação. Como exemplos não limitativos, os elementos de comunicação 184 podem incluir elementos para comunicação em meios de comunicação com e sem fio, como por exemplo, portas seriais, portas paralelas, conexões Ethernet, conexões de barramento serial universal (USB), conexões IEEE 1394 ("firewire"), Conexões ThunderboltTM, redes sem fio Bluetooth®, redes sem fio ZigBee, redes sem fio do tipo 802.11, redes de telefonia celular/dados e outras interfaces e protocolos de comunicação adequados.
[0046] O armazenamento 182 pode ser usado para armazenar quantidades relativamente grandes de informação não volátil para uso no sistema de computação 174 e pode ser configurado como um ou mais dispositivos de armazenamento. Por meio de exemplo e não limitação, esses dispositivos de armazenamento podem incluir mídia legível por computador (CRM). Essa CRM pode incluir, mas não está limitada a, dispositivos de armazenamento magnético e óptico, como unidades de disco, fita magnética, CDs (CDs), DVDs (discos versáteis digitais ou discos de vídeo digital) e dispositivos semicondutores como RAM, DRAM, ROM, EPROM, memória flash e outros dispositivos de armazenamento equivalentes.
[0047] Aquele versado na técnica reconhecerá que o sistema de computação 174 pode ser configurado de muitas maneiras diferentes com diferentes tipos de barramentos de interconexão entre os vários elementos. Além disso, os vários elementos podem ser subdivididos fisicamente, funcionalmente ou uma combinação destes. Como um exemplo não limitativo, a memória 180 pode ser dividida em memória cache, memória gráfica e memória principal. Cada uma destas memórias pode comunicar-se direta ou indiretamente com um ou mais processadores 176 em barramentos separados, barramentos parcialmente combinados ou um barramento comum.
[0048] O sistema de computação 174 pode ser configurado para aceitar entradas (por exemplo, através do dispositivo de interface de usuário 178 ou outras entradas) e executar os métodos 100 descritos anteriormente em conexão com a FIG. 1, incluindo a simulação de operações de perfuração para melhorar os aspectos de uma operação de perfuração ativa e melhorar os aspectos de uma operação de perfuração ativa por meio de medidas corretivas que incluem alteração dos parâmetros operacionais (por exemplo, aumento ou diminuição do peso sob a broca).
[0049] A FIG. 4 é uma vista lateral simplificada da seção transver sal de uma porção de uma broca de perfuração da terra 200 em contato com uma formação de terra subjacente 202. A broca de perfuração de terra 200 pode incluir um corpo 204 tendo pelo menos alguns elementos de corte por cisalhamento 206 fixados ao mesmo. À medida que a broca de perfuração de terra 200 roda no interior do furo de poço, pelo menos alguns dos elementos de corte por cisalhamento 206 podem entrar em contato com a formação de terra subjacente 212 para facilitar sua remoção. Uma profundidade D pela qual um determinado elemento de corte 206 penetra na formação de terra 202 pode ser a profundidade de corte. Utilizando os métodos e sistemas discutidos neste pedido, a profundidade D pode ser melhor mantida acima de uma profundidade de corte mínima predeterminada para aumentar a eficiência da operação de perfuração, reduzir o desgaste na broca de mandrilamento e seus elementos de corte por unidade de volume por unidade de volume do material de terra removido e reduzir o tempo para remover um determinado volume de material de terra.
[0050] Embora certas modalidades ilustrativas tenham sido descri tas em ligação com as figuras, aqueles versados na técnica reconhecerão e apreciarão que o escopo desta divulgação não está limitado àquelas modalidades explicitamente mostradas e descritas nesta divulgação. Pelo contrário, muitas adições, deleções e modificações às modalidades descritas nesta divulgação podem ser feitas para produzir modalidades dentro do escopo desta divulgação, tais como aquelas especificamente reivindicadas, incluindo equivalentes legais. Adicionalmente, as características de uma modalidade divulgada podem ser combinadas com características de outra modalidade divulgada, embora ainda estando dentro do escopo desta divulgação, conforme contemplado pelos inventores.
Claims (18)
1. Sistema para perfuração em uma formação de terra, ca-racterizado pelo fato de que compreende: uma broca de perfuração de terra compreendendo elementos de corte fixos configurados para entrar em contato e remover uma formação de terra subjacente; uma coluna de perfuração configurada para ser conectada à broca de perfuração da terra para transferir cargas longitudinais e rotacionais para a broca de perfuração da terra; um guincho configurado para suspender a broca de perfuração da terra e a coluna de perfuração e para aplicar peso à broca de perfuração de terra por meio da coluna de perfuração para avançar a broca de perfuração de terra para dentro da formação de terra subjacente; um primeiro sensor operativamente associado à coluna de perfuração, o primeiro sensor configurado para detectar uma velocidade de rotação da coluna de perfuração; um segundo sensor operativamente associado à coluna de perfuração, o segundo sensor configurado para detectar uma taxa de penetração da coluna de perfuração durante o avanço da broca de perfuração da terra; e uma unidade de controle conectada operativamente ao primeiro e segundo sensores e aos dispositivos de tração, a unidade de controle compreendendo uma unidade de processamento e memória não transitória conectada operacionalmente à unidade de processamento, a unidade de processamento programada para: determinar uma profundidade de corte média instantânea do elementos de corte da broca de perfuração da terra utilizando uma velocidade de rotação detectada da coluna de perfuração e uma velocidade detectada de avanço da coluna de perfuração; comparação da profundidade média instantânea de corte a uma profundidade de corte mínima predeterminada armazenada na memória não transitória; e aumento do peso sob a broca de perfuração da terra pelos guinchos quando a profundidade de corte média instantânea for menor que a profundidade de corte mínima predeterminada; sendo que a unidade de processamento é programada para determinar a profundidade de corte média instantânea utilizando o seguinte algoritmo:
sendo que "DOC" é a profundidade de corte média instantânea, "ROP" é a taxa de penetração detectada, "RPM" é a velocidade de rotação detectada da coluna de perfuração e "redundância" é a soma dos diâmetros dos elementos de corte da broca de perfuração da terra dividida por um raio da broca de perfuração da terra.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um terceiro sensor operacionalmente associado ao guincho, o terceiro sensor configurado para detectar o peso aplicado à broca de perfuração da terra por meio do guincho e da coluna de perfuração, o terceiro sensor conectado de maneira operacional à unidade de controle.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a unidade de processamento é ainda programada para: comparar um peso detectado aplicado à broca de perfuração de terra a um peso mínimo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra armazenado na memória não transitória; e fazer com que os pontos de tração aumentem o peso sob a broca de perfuração da terra quando o peso detectado aplicado à bro ca de perfuração da terra for menor do que o peso mínimo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a unidade de processamento é ainda programada para:comparar o peso detectado aplicado à broca de perfuração da terra a um peso máximo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra armazenada na memória não transitória; e fazer com que o guincho pare de aumentar o peso sob a broca de perfuração da terra quando o peso aplicado à broca de perfuração da terra estiver próximo ao peso máximo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o terceiro sensor compreende um extensômetro.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro sensor compreende um sensor magneto- resistivo, um sensor reflexivo, um sensor de interrupção ou um codificador óptico.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo sensor compreende um potenciômetro, um transformador diferencial de variável linear, um sensor de proximidade indutivo ou um codificador incremental.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a profundidade mínima predeterminada de corte é cerca de 0,02 polegadas (- 0,5 mm) ou mais.
9. Método de perfuração de uma formação de terra, caracterizado pelo fato de que compreende: remoção de uma porção de uma formação de terra subjacente utilizando elementos de corte fixados à uma broca de perfuração da terra; aplicação de peso à broca de perfuração da terra utilizando um guincho conectado à broca de perfuração da terra por meio de uma coluna de perfuração para avançar a broca de perfuração da terra para a formação de terra subjacente; detecção de uma velocidade de rotação da coluna de perfuração utilizando um primeiro sensor operacionalmente associado à coluna de perfuração; detecção de uma taxa de penetração da coluna de perfuração durante o avanço da broca de perfuração da terra utilizando um segundo sensor operacionalmente associado à coluna de perfuração; determinação de uma profundidade de corte média instantânea dos elementos de corte da broca de perfuração da terra utilizando uma unidade de controle conectada operacionalmente ao primeiro e segundo sensores para calcular a profundidade de corte média instantânea com base na velocidade de rotação detectada da coluna de perfuração e uma velocidade de avanço detectada da coluna de perfuração, a unidade de controle compreendendo uma unidade de processamento e memória não transitória operacionalmente conectada à unidade de processamento; comparação da profundidade de corte média instantânea a uma profundidade mínima de corte predeterminada armazenada na memória não transitória utilizando a unidade de controle; e fazendo com que os guinchos aumentem o peso sob a broca de perfuração da terra quando a profundidade de corte instantânea média é menor do que a profundidade de corte mínima predeterminada; sendo que a determinação da profundidade de corte média instantânea compreende a determinação da profundidade de corte média instantânea utilizando o seguinte algoritmo:
sendo que "DOC" é a profundidade de corte média instantânea, "ROP" é a taxa de penetração detectada, "RPM" é a velocidade de rotação detectada da coluna de perfuração e "redundância" é a soma dos diâmetros dos elementos de corte da broca de perfuração da terra dividida por um raio da broca de perfuração da terra.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a exibição de uma instrução para aumentar o peso sob a broca na broca de perfuração da terra usando um monitor eletrônico conectado operativamente à unidade de controle quando a profundidade de corte média instantânea é menor do que a profundidade de corte mínima predeterminada.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o aumento do peso sob a broca de perfuração da terra pelo guincho compreende um operador de perfuração operando o guincho para aumentar o peso sob a broca de perfuração da terra.
12. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a exibição da instrução para aumentar o peso sob a broca de perfuração da terra utilizando o monitor eletrônico compreende a exibição de uma primeira cor em uma área designada no monitor eletrônico quando a profundidade de corte média instantânea é maior do que a profundidade de corte mínima predeterminada e a exibição de uma segunda cor diferente na área designada no monitor eletrônico quando a profundidade média instantânea do corte é menor do que a profundidade de corte mínima predeterminada.
13. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a detecção do peso aplicada à broca de perfuração da terra por meio do guincho e da coluna de perfuração utilizando um terceiro sensor associado operativamente ao guincho, o terceiro sensor operativamente conectado à unidade de controle.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: comparação de um peso detectado aplicado à broca de perfuração de terra a um peso mínimo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra armazenado na memória não transitória; e fazendo com que os pontos de tração aumentem o peso sob a broca de perfuração da terra quando o peso detectado aplicado à broca de perfuração da terra for menor do que o peso mínimo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra.
15. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: comparação do peso detectado aplicado à broca de perfuração da terra a um peso máximo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra armazenada na memória não transitória; interrupção do aumento de peso sob a broca de perfuração de terra pelo guincho quando o peso aplicado à broca de perfuração da terra estiver próximo ao peso máximo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra.
16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a interrupção do aumento de peso sob a broca de perfuração da terra pelo guincho quando o peso detectado aplicado à broca de perfuração da terra está próximo do peso máximo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra compreende a interrupção do aumento de peso sob a broca de perfuração quando o peso detectado aplicado à broca de perfuração da terra está próximo a pelo menos um dentre um peso ao qual a coluna de perfuração sofrerá flambagem, um peso no qual a broca de perfuração da terra poderá sofrer um comportamento de aderência-deslizamento, um peso no qual um limite de torque de um acionador de rotação da coluna de perfuração poderá ser excedido e um peso no qual a broca de perfuração da terra ou qualquer outro componente da coluna de perfuração poderá experimentar uma falha catastrófica.
17. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a simulação da perfuração da formação de terra para gerar o peso mínimo predeterminado aplicável à broca de perfuração da terra ao encontrar iterativamente um menor peso aplicado à broca de perfuração da terra para alcançar a profundidade de corte mínima predeterminada.
18. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o aumento do peso sob a broca de perfuração da terra pelo guincho compreende a unidade de controle operando automaticamente o guincho para aumentar o peso sob a broca de perfuração da terra.
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